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TWI860528B - 具有含真空調整閥之處理腔室的真空機械加工系統 - Google Patents

具有含真空調整閥之處理腔室的真空機械加工系統 Download PDF

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TWI860528B
TWI860528B TW111124031A TW111124031A TWI860528B TW I860528 B TWI860528 B TW I860528B TW 111124031 A TW111124031 A TW 111124031A TW 111124031 A TW111124031 A TW 111124031A TW I860528 B TWI860528 B TW I860528B
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vacuum
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opening
machining system
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TW202317259A (zh
Inventor
賽門 奈夫
盧卡斯 蓋契特
Original Assignee
瑞士商Ｖａｔ控股股份有限公司
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Abstract

真空機械加工系統(1)包含真空腔室(10)及真空調節閥(20)。真空閥(20)具有第一閥座(21a)其具有界定第一開口軸線(O)之第一閥門開口(22a)和沿繞第一閥門開口(O)延伸的第一密封表面、及第一閥板(23a)其具有對應於第一密封表面之第一接觸表面。真空機械加工系統更包含驅動單元(30)，其設計為耦接至第一閥板(23a)以使得閥板可至少從打開位置運動至關閉位置並再次返回的方式。第一閥座(21a)係配置在真空腔室(10)內，並將真空腔室(10)分成用於機械加工基板之主要處理腔室(11)及次要處理腔室(12)。第一密封表面與第一開口軸線(O)正交地延伸，並指向於次要處理腔室(12)的方向。第一閥板(23a)係可運動地配置在次要處理腔室(12)中。

Description

具有含真空調整閥之處理腔室的真空機械加工系統
本發明有關於具有真空閥的真空系統，此真空閥具有複數個閥板及對應的複數個閥門子開口。
由先前的技術領域在諸多實踐中已知，真空閥用於調節體積流或質量流並用於以實質上氣密的方式關閉流動路徑其引入至形成於閥殼的開口，且尤其是使用於積體電路、半導體或基板製造領域中之真空腔室系統中，此製造必需盡可能在沒有污染顆粒存在之保護大氣中發生。
此類真空腔室系統尤其包含至少一個可抽真空的真空腔室或處理腔室，其係要收容將要機械加工或製造之半導體元件或基板，並具有至少一個真空腔室開口，半導體元件或其他基板可經過此開口導引進入及離開真空腔室，以及至少一個用於抽空此真空腔室的真空泵。舉例來說，在用於半導體晶圓或液晶基板之製造廠中，高度敏感的半導體元件或液晶元件依次通過複數個處理真空腔室，其中位在處理真空腔室內之零件係藉著各自的機械加工裝置來機械加工。於處理真空腔室內機械加工時，且被從一個處理腔室運送至另一個處理腔室時，高度敏感之半導體元件或基板必需始終處於受保護的環境中、尤其是在無空氣環境中。
為此目的，一方面週邊閥係使用於打開及關閉氣體入口或氣體出口，且在另一方面，傳送閥係使用於打開及關閉真空腔室之傳送開口，用於插入及移除零件。
半導體零件所通過的真空閥由於所述之應用領域及相關聯尺寸設計而被稱為真空傳送閥，由於其主要矩形開口橫截面而被稱為矩形閥，且由於其通常的操作方式亦被稱為滑閥、矩形滑塊或傳送滑閥。
相比之下，週邊閥係使用於尤其是控制或調節真空腔室與真空泵或另一真空腔室之間的氣體流動。週邊閥係例如位在處理真空腔室或傳送腔室與真空泵、大氣或另一處理真空腔室之間的管道系統內。此等閥門、亦已知為泵閥之開口橫截面大致上比於真空傳送閥的案例中小。週邊閥亦被稱為調節閥，因為取決於使用領域，它們不僅使用來完全打開及關閉開口，而且亦藉由在完全打開位置與氣密關閉位置之間連續地調整開口橫截面來控制或調節流量。用於控制或調節氣體流量的一種可能的週邊閥是擺式閥。
在典型的擺式閥中，例如由US 6,089,537(Olmsted)中得知，於第一步驟中，通常為圓形之閥板係在通常同樣為圓形的開口上方從暴露開口之位置旋轉至覆蓋開口的中間位置。於滑閥之案例中，例如在US 6,416,037(Geiser)或US 6,056,266(Blecha)中所敘述，閥板通常為矩形，開口亦為矩形，且於此第一步驟中係從暴露開口的位置線性地滑動進入覆蓋開口之中間位置。在此中間位置中，擺式閥或滑閥的閥板位於圍繞開口之閥座對面，並與之有一定距離。在第二步驟中，減小閥板與閥座之間的距離，以致閥板及閥座被均勻地壓抵靠著彼此，且開口係以實質上氣密之方式關閉。此第二運動較佳係在實質上垂直於閥座的方向中發生。例如，此密封可經由密封環發生，此密封環配置在閥板之關閉側上，並被壓至沿繞開口延伸的閥座上，或經由閥座上之密封環，閥板的關閉側係壓抵靠著此密封環。由於關閉過程在兩個步驟中發生，閥板與閥座之間的密封環幾乎沒有遭受任何將破壞密封環之剪切力，因為閥板於第二步驟中的運動實質上垂直於閥座線性地發生。
諸多密封裝置係由先前技術領域例如由US 6,629,682 B2(Duelli)已知。例如，一種用於真空閥中之密封環及密封件的合適材料係氟橡膠、亦稱為FKM，尤其是以商品名“Viton”得知之氟彈性體、以及簡稱FFKM的全氟橡膠。
所述之多階段運動，藉此封閉構件首先在開口上方橫向地滑動，而密封件不會與閥座接觸，且接著封閉構件實質上垂直地壓至閥座上，不僅提供此密封件幾乎完全垂直地壓縮的優點，而在密封件上沒有任何橫向或縱長之負載(避免顆粒)，且亦提供調節經過閥門開口的介質(例如製程氣體)之流量的可能性。
既然上述閥門尤其是使用於高度敏感之半導體元件的製造中，如業已提及，有需要盡可能地減少任何顆粒之產生及閥門空間中的自由顆粒之數量，這尤其是藉由閥門的致動及閥門封閉構件上之機械負載所造成的。顆粒產生主要是摩擦的結果，例如由於金屬-金屬之接觸或由於磨損。
如上所述，真空調節閥係使用於在處理腔室中設定所界定的處理環境。於此，此調節典型地發生是基於供有關於腔室內部壓力之資訊的壓力信號、以及基於目標變數即藉著此調節而抵達的設定點壓力。於此調節的進程中，接著變動閥門閉合件(閥板)之位置，使得在某一時間段內抵達設定點壓力。
用於此調節所需的時間直接取決於要排空之處理腔室的體積大小。因此，稍微較大之腔室可為不利的，尤其是當機械加工小基板時即應據此避免大的失效體積。
上述實踐共有之一特徵是，尤其是在調節期間，源自這些結構的其中一者之調節曲線(單位時間內的體積流)，其典型以不利之曲線形狀發生。具體來說，在由幾乎關閉的閥門狀態至完全關閉之閥門狀態的過渡處，由於發生“快速關閉效應”，此曲線呈現出明顯不均勻之曲線形狀。在此案例中，經過開口的流動係突然中斷。因此，於非常低之壓力處的精細調節僅只能在非常困難之情況下達成，或不可能達成。
與半導體製造有關的另一關鍵因素係用於個別機械加工步驟所需的製程氣體之使用及處理。在此案例中，調節閥典型地也施行提供所界定的氣體濃度之功能，亦即藉著經過閥門的可變氣體流出量來調節。製程氣體通常於處理腔室與排空開口相對之一側上饋入。
除了氣體濃度及大氣壓力以外，至少在待機械加工的基板區域中盡可能地均勻之製程氣體的分佈係有利的。氣體經過處理腔室之最可能對稱的流動、亦即當饋入氣體且當排空氣體時對於此可為有幫助的。
US 6,994,311 B2揭示真空調節閥，其目的是在閥門打開位置中建立經過開口之對稱流。閥板係中心地懸浮於導引件(閥桿)上，並可被軸向地導引，以致經過開口的體積流可被設定為閥板與閥座之間的距離之函數。然而，此解決方案的一個缺點是，為了給閥板提供導引件，在閥門開口之中心必需存在機械式連接件。此機械式連接件至少部分地消除了流動的對稱性，並導致於連接元件處之亂流。
因此，本發明之目的係提供真空調節閥及真空機械加工系統，其一方面精確地調節或設定閥門開口及因此經過開口之流動，及在另一方面，於處理腔室中提供均勻的流體分布。
尤其是，本發明之一目的係提供上述改進，同時達成閥門閉合件之比較短的運動時間。
另一目的係提供機械加工系統，其可精確地調節流體流量並提供比較小之處理體積。
這些目的係藉由實施獨立請求項之特徵來達成。以替代或有利的方式進一步發展本發明之特徵將在附屬請求項中。
本發明有關真空機械加工系統的設計，其包含至少一個真空腔室或處理腔室及真空閥、尤其是真空調節閥。真空閥對經過及離開處理體積的處理流體改進的流動提供有關於流動行為之均勻性所需。同時，用於從打開狀態改變至關閉狀態(或反之亦然)的運動時間可顯著地改善亦即減少。憑藉根據本發明之設計，真空腔室係藉著閥門被分成主腔室及次腔室，此閥門係配置在真空腔室內。
上述優點及改進係尤其藉由迄今為止於先前技術領域中已知的將單一閥門開口分成複數個真空閥閥門子開口來提供。此等子開口較佳地係沿繞中心閥軸對稱地配置。各閥門子開口係藉由各自的閥座所提供，並藉由各自之密封表面所包圍。複數個閥門子開口的面積之總和得出總閥門開口的面積。
總閥門開口橫截面源自複數個閥門子開口之開口橫截面的總和，其中此開口橫截面取決於閥門子開口之各自打開狀態、亦即取決於藉由各自閥門閉合件所暴露的流動面積。
閥座尤其形成了主要處理腔室之下方邊界及次要處理腔室的上方邊界。用於建立主要處理腔室之氣密性閉合的密封件較佳係提供在閥座之底側上，也就是說不在主要處理腔室中，而是於次要處理腔室中。用於關閉開口的閥板係據此位在次要處理腔室中，並可於此腔室中沿著運動軸線運動。作為一種選擇或補充，密封件可提供在閥板上。
既然閥板及驅動部件一起配置於次要處理腔室中或次要處理腔室上，所以在或經過主要處理腔室的流體流不受閥門所影響。因此，在主要處理腔室中可發生改善之對稱(經過)流及因此改善的基板機械加工。
閥座係較佳配置為沿繞中央卡盤使流體能有均勻流動分佈沿繞卡盤流動的方式。
因此，本發明有關於用於機械加工之真空機械加工系統，尤其是藉著沉積(ALD，原子層沉積/磊晶)或蝕刻(ALE，原子層蝕刻)基板或工件、尤其是半導體。
真空機械加工系統包含真空腔室，其界定可抽真空之內部體積用於產生真空並用於在內部體積中機械加工基板。真空機械加工系統另外包含真空調節閥，用於調節流經真空腔室的流體之體積流或質量流，並用於以氣密的方式中斷流體之流動路徑。
真空調節閥至少具有第一個閥座，其具有界定第一開口軸線的第一閥門開口及沿繞第一閥門開口延伸之第一密封表面，且至少一個第一閥板具有對應於第一密封表面的第一接觸表面。
真空機械加工系統包含至少一個驅動單元，其設計為耦接至第一閥板以使得所述閥板可至少從打開位置運動至關閉位置並再次返回(例如以機動化方式)。於打開位置，第一閥板及第一閥座彼此不接觸。於關閉位置，第一密封表面與第一接觸表面之間的密封接觸經由位於其間之密封元件而存在，第一閥門開口藉此以氣密方式關閉。
根據本發明，第一閥座係配置於真空腔室內，並將此真空腔室分成用於機械加工此基板之主要處理腔室及次要處理腔室。第一密封表面與第一開口軸線正交地延伸，並指向於次要處理腔室的方向、尤其是平行於第一開口軸線。第一閥板係可運動地配置在次要處理腔室中。
於一實施例中，真空調節閥可具有第二閥座，其具有界定第二開口軸線之第二閥門開口及沿繞第二閥門開口延伸的第二密封表面；及第二閥板，具有對應於第二密封表面之第二接觸表面。第二閥座可配置在真空腔室內，且與第一閥座一起可將真空腔室分成為主要處理腔室及次要處理腔室。第二密封表面與第二開口軸線正交地延伸，並指向於次要處理腔室之方向中、尤其是平行於第二開口軸線。第二閥板能為可運動地配置在次要處理腔室中。
因此，真空調節閥的總閥門開口可至少藉由作為第一閥門子開口之第一閥門開口及作為第二閥門子開口的第二閥門開口所形成。
提供至少兩群組，各群組包含至少一個閥座及一個閥門閉合件(閥板)，將允有沿繞真空閥之中心的對稱配置。因此，一方面可提供經過閥門的對稱體積流，且另一方面可提供比較快速之致動(亦即由於閥門閉合件的比較低之個別質量，而此閥門閉合件的快速運動)，具有可非常靈活地調節體積流之可能性，亦即也在短時間內從關閉位置抵達比較大的總開口橫截面(且反之亦然)。
於一實施例中，真空調節閥可具有第三閥座，其具有界定第三開口軸線的第三閥門開口及沿繞第三閥門開口延伸之第三密封表面。因此，可提供具有與第三密封表面對應的第三接觸表面之第三閥板。
第三閥座可配置在真空腔室內，且與第一及第二閥座一起可將真空腔室分成為主要處理腔室及次要處理腔室。第三密封表面可正交於第三開口軸線延伸，並可指向於次要處理腔室的方向中、尤其是平行於第三開口軸線。第三閥板能為可運動地配置在次要處理腔室中。
於此案例中，總閥門開口可另外藉由作為第三閥門子開口之第三閥門開口所形成。
藉由配置閥座及閥板的第三組合或進一步組合，可維持或加強總閥門開口沿繞閥門中心軸線之對稱性，並因此可進一步改善(同心地)經過閥門的體積流之對稱性。
尤其是，驅動單元耦接至第二及第三閥板以使得耦接的閥板可至少從各自的打開位置移動至關閉位置並再次返回，於打開位置各自的閥板及各自之閥座彼此不接觸，於關閉位置各自的密封表面與各自的接觸表面之間的軸向密封接觸經由位在其間之的各自的密封元件而存在，且各自的閥門子開口藉此以氣密之方式關閉。
驅動單元可例如設計為致動器或電動馬達、尤其是線性馬達或步進馬達。
於一實施例中，真空調節閥可具有耦接配置，此耦接配置係將第一閥板機械地耦接至第二閥板，且尤其是耦接至第三閥板，並連接至驅動單元以使得各自的閥板可藉著驅動單元共同地運動。此耦接配置可例如使用軸桿、接頭(例如萬向接頭)、軸承及/或傳動裝置來實現。
因此，例如藉著機械式解決方案，可同時地運動一些或所有耦接之閥板。尤其是，經過閥門的均勻及對稱之流體流可因此達成，其中從閥門子開口第一次打開時起，就為所有開口提供相等的開口橫截面，且經過所有開口之流量關於體積流或質量流係相等的且接著保持相等。
根據另一實施例，驅動單元至少可具有第一及第二、尤其是第三驅動部件、尤其是各自的馬達。第一驅動部件可耦接至第一閥板，且第二驅動部件可耦接至第二閥板，及尤其是第三驅動部件可耦接至第三閥板。
與前面的實施例相比，在此變型中，可單獨地致動及運動各閥板。這將允有較大的靈活性關於設定經過閥門且尤其是經過主要處理腔室之流動行。例如，因而可能可以補償由處理腔室中存在之機械加工裝置所造成或由流體入口的不對稱配置所造成之體積流的不對稱性。此補償可藉由為個別閥門子開口提供不同之開口橫截面來達成。
尤其是，腔室內的流動行為可設定為使得可能可以補償例如由腔室中之用於機械加工基板的裝置所造成之不對稱流。如果使用傳統之閥門，此流將因而以不均勻的方式經過處理腔室而發生。因為流出行為可藉著根據本發明的閥門而設定，流體之流出可抵消經過腔室的不對稱流，且因此最終導致經過腔室之流總體上是對稱的。在此案例中，經過閥門之流可因而以不對稱的方式(非中心的，亦即相較於中心軸線不對稱)發生。舉例來說，在閥門之不同(例如相反)側上可有不同的流動速度。
於一實施例中，驅動單元、尤其是各自的驅動部件、以及至少第一閥板(或亦包含第二、第三或更多個閥板)可設計為及耦接使得至少第一閥板可沿著第一運動軸線運動，且第一運動軸線相對第一開口軸線橫向地延伸。將理解的是，閥板之數目較佳地係對應於閥座的數目，亦即閥門可具有複數個(多於三個)閥座及對應數目之閥板。
根據一實施例，主要處理腔室可圍起主要內部體積，且次要處理腔室可圍起次要內部體積，主要內部體積係大於次要內部體積。
在一實施例中，真空機械加工系統可具有靜電固持裝置、尤其是配置於主要處理腔室中的卡盤。
真空調節閥尤其可具有至少第一閥座及至少兩個另外的閥座，且此等閥座可界定第一閥門開口及至少兩個另外的閥門開口。此等閥座可沿繞靜電固持裝置對稱地配置。
在一實施例中，閥座及/或閥門開口可為環段形，並配置為使得環段形閥座及/或閥門開口之各自的內弧或外弧位於共同圓上的方式。
例如，卡盤可為圓形及/或可界定作為用於基板之固持表面的圓形表面。由於沿繞卡盤之閥門開口的整體環形配置，沿繞卡盤及在卡盤上方之最佳化的流體流動行為可對應地達成。
於一實施例中，第一及第二閥門子開口、尤其是第三閥門子開口可沿繞真空調節閥之中心軸線對稱地配置，此中心軸線延伸經過閥門中心且尤其是形成流動通道的中心軸線。由於其幾何形狀，此閥門一方面可界定用於流體之流動路徑，且因此另一方面可界定用於流體的有邊界之流動通道。中心軸線尤其是位於此通道的中間，並沿著此通道之延伸部分延伸。卡盤支撐表面的中心尤其是位在中心軸線上。
藉著根據本發明之閥門，可有利地調節上述之流，亦即甚至於非常低的壓力下，且同時提供並維持實質上對稱及層狀流。
真空機械加工系統尤其可包含控制單元、尤其是調節單元，其中驅動單元(及其驅動部件)可基於控制單元所提供之控制信號來致動、尤其是於基於調節變數。
尤其是，驅動單元的各驅動部件可以能夠藉著(個別)控制信號來個別地致動。
於一實施例中，控制單元可具有流動功能性，建構為使得在其執行時，耦接至驅動單元之至少一個閥板係運動至打開位置與關閉位置之間的中間位置。
尤其是，至少一個耦接的閥板可以能夠沿著運動軸線而線性地運動，且所述閥板之接觸表面與在中間位置的對應密封表面之間的距離可為小於在打開位置中及大於在關閉位置中。
根據一實施例，真空調節閥可具有至少第一及第二閥座、第一及第二閥板、以及耦接至第一閥板之第一驅動部件、及耦接至第二閥板的第二驅動部件。於此案例中，流動功能性係建構為使得閥板可個別地定位在各自的打開位置與各自的關閉位置之間作為流動資訊之函數。
有利的壓力及流動調節係藉由閥座與閥門閉合件之間的此針對性相對及個別的打開位置和由此產生之可設定的閥門開口之開口面積而成為可能。典型可使用此調節是例如當使用製程氣體及因此必需設定一設定點壓力時。藉由因此建立介質經過開口及尤其是經過主要處理腔室的連續層流，可避免壓力波動，並可更快地抵達設定點壓力。
尤其是，個別板塊的位置(中間位置)能以受控制之方式(藉著控制信號)各可個別地或按順序地設定，且因此尤其可連續地調節介質經過閥門開口的體積流或質量流。此流尤其可被保持層狀。此調節尤其是藉由驅動單元之步進馬達或伺服馬達所提供。
流動資訊尤其可包含或提供以下資訊項目的至少一者： •流體經過主要處理腔室及/或次要處理腔室之質量流或體積流； •流體於主要處理腔室及/或次要處理腔室中的流動速度； •相對於主要處理腔室及/或次要處理腔室用之內部體積橫截面的流動速度分佈； •主要處理腔室及次要處理腔室之間的壓力差； •進入主要處理腔室之流體流入量； •流出次要處理腔室的流體流出量。
藉著此控制單元，個別閥板可個別地定位以使得經過主要處理腔室之對稱流體流可被提供作為流動資訊之函數。例如，當在處理腔室之其中一者中有不均勻的流體分佈時，或當進入主要處理腔室之流體有於空間上不均勻的流入時，這可藉由設定及/或動態地調整用於個別閥門子開口之不同開口橫截面來達成。然而，如果流體分佈或流體流入係均勻的，這亦可例如藉由為閥門子開口設定相等之開口橫截面來達成。
在一實施例中，閥板的定位可被個別動態地調整，且因此可連續地調節經過主要處理腔室之流體流。如果處理腔室中的流體分佈改變，例如如果加入新的或不同之製程氣體，則可於機械加工過程期間或在機械加工過程之前調整閥板位置。
於一實施例中，被界定的流動行為可藉由真空調節閥、尤其是藉由至少兩個閥門子開口來設定及/或調節，尤其是其中流動行為可藉由真空調節閥以相對於真空調節閥之中心軸線以不對稱的方式設定，且中心軸線延伸經過閥門中心。
在一實施例中，如果有經過主要處理腔室之不均勻的流體流，可藉由執行此流動功能性來設定對稱流體流。
真空機械加工系統尤其包含至少一個感測器單元，其係設計為使得可藉著感測器單元、尤其是壓力感測器或用於化學分析氣體成分的感測器來偵測流動資訊之方式。
在一實施例中，流動路徑可連接主要處理腔室及次要處理腔室，其中此主要處理腔室可藉由真空調節閥以氣密方式與次要處理腔室分開，亦即流動路徑可被關閉。
根據一實施例，第一閥座及第二閥座可配置於共同平面。二者取一地，第一閥座及第二閥座可相對彼此配置在一角度，方式為使得藉由第一密封表面所界定之平面及藉由第二密封表面所界定的平面圍起一界定角度。例如，閥座被定向係可藉由使得所界定的密封平面各包含虛擬角錐之一側面的方式。
於一實施例中，此定向可以是使得藉由閥座之各自閥門開口所界定的開口軸線相交、尤其是在共同之交點相交。此共同的交點尤其是位於閥門之中心軸線上。
根據一實施例，驅動單元包含至少一個馬達及至少一個導引部件、尤其是閥桿或導引桿，其可沿著運動軸線以藉由至少一個馬達所控制的方式運動，其中具有導引部件之閥板可相對閥座而運動。
運動軸線的位置尤其是藉由導引部件之延伸部來界定，例如，其被設計及意指為推桿、閥桿或導引桿，及/或藉由驅動單元所提供的線性運動方向。
在一實施例中，真空機械加工系統或真空調節閥可具有用於將處理大氣區與外部大氣區分開之分開裝置。尤其是，這有關於作為真空閥的調節閥之設計。
處理大氣區尤其應被理解為可藉由處理腔室(真空腔室)所界定的區域。用於機械加工基板之處理大氣尤其是真空，可在此區域中建立。意用於此區域的部件必需滿足更高之要求，例如關於材料抗性及大氣純淨度(顆粒產生)方面。據此，外部大氣區域可尤其理解為圍繞處理腔室的區域，且其中例如盛行正常之大氣條件、例如室內空氣。
驅動單元可至少部分地、尤其是全部分配至外部大氣區，且閥座及閥門閉合件尤其可被分配至處理大氣區。
分開裝置可例如藉由伸縮管形成。例如，伸縮管可提供在閥殼或驅動單元內。
舉例來說，真空機械加工系統的真空調節閥、尤其是驅動單元可具有驅動器外殼，用於運動閥板之閥桿係可運動地安裝於其中。於一側，閥桿從驅動器外殼突出進入次要處理腔室(處理大氣區)；在另一側，其係例如藉著傳動裝置耦接至馬達。於此，可提供分開裝置(例如動態伸縮管)，其第一端部係以氣密方式連接至外殼(或驅動器外殼中之另一靜態元件)，且其第二端部係以氣密方式連接至閥桿。這導致閥桿安裝的所在位置(外部大氣區)與對大氣純度至關重要之處理大氣區進行大氣隔離，在此外部大氣區顆粒可藉由發生的相對運動而產生並可能使用潤滑劑，而同時使一個以上之閥板以受控制的方式運動。
例如，外殼係由鋁或不銹鋼製成，或於內側上塗有鋁或另一合適材料，而閥板及伸縮管可為由鋼製成。作為一種選擇或補充，伸縮管可包含鎳基合金或可為由鎳基合金製成。伸縮管可在板件之運動行程範圍內於其縱軸中擴展及壓縮，因此以氣密方式將處理大氣區與外部大氣區密封起來。尤其是使用兩種類型的伸縮管：一方面是膜片式伸縮管，且另一方面是波紋狀伸縮管，後者與膜片式伸縮管之區別在於其沒有焊縫並可更容易地清洗、但最大行程較小。
圖1以剖面側視圖顯示真空機械加工系統1的第一實施例，包含真空腔室10(處理腔室)及真空調節閥20。真空調節閥20被設計來調節流經真空腔室10之流體的體積流或質量流，並以氣密方式中斷流體之流動路徑。為此目的，真空調節閥20具有閥座21a，其界定具有開口軸線O之閥門開口22a。閥門20另外具有閥板23a。閥座21a提供有於其底側上的密封表面，閥板23a具有接觸表面(板側密封表面)，此接觸表面被設計成帶入與(閥座側)密封表面接觸，且因此使閥門20能夠氣密性閉合。尤其是經由閥座側密封表面與閥板側密封表面之間所提供的密封件間接地進行接觸。雖然結構元件閥座及閥板在此未於物理上直接接觸(亦即僅只經由位在其間之密封件來間接地接觸)，但此狀態被理解為處於接觸狀態。
閥板23a可藉著驅動單元30從打開位置(在圖1中所顯示)運動至關閉位置(未顯示)。於關閉位置中，在密封表面與接觸表面之間經由位在其間的密封元件因而存在而存在密封接觸。藉此以氣密方式關閉閥門開口22a。
密封元件可為含聚合物之密封件，其係藉著夾緊、黏合或硫化配置於閥座21a的底側上。此密封件可例如設計為O型環。二者擇一地，密封元件可配置在閥板23a上。
驅動單元30可例如是電動操作式致動器或馬達(例如線性馬達或步進馬達)，具有線性運動軸線V。驅動單元30可提供至少50 mm、尤其是100 mm之行程。
閥座21a配置於真空腔室10內。真空腔室10係藉由閥座21a、及因此藉由可發生氣密性閉合的地方(密封線)分成用於機械加工基板之主要處理腔室11及次要處理腔室12。
次要處理腔室12的底部開口19將真空腔室10連接至下游之真空發生器、尤其是真空泵，用於在腔室10中產生真空。真空閥及/或壓力感測器亦可提供作為進一步的下游部件。
真空閥門20安裝於腔室10是以使得閥座21a之第一密封表面與開口軸線O正交地延伸並在平行於第一開口軸線O的方向中指向次要處理腔室12之方式。閥板23a係可對應運動地配置在次要處理腔室12中。
於所顯示的實施例中，閥板23a被安裝在導引元件24a上。尤其是，此安裝係使得閥板23a可相對導引元件24a(稍微)傾斜。驅動單元30係藉著閥桿31耦接至導引元件24a，由此閥板23a可藉著驅動單元30來運動。
於另一實施例中，閥板23a可直接地耦接至閥桿31。在此案例中，閥板23a可於狹窄限制內相對閥桿傾斜，以致接觸表面可被帶入與密封表面完全接觸。此傾斜可提供開口22a之可靠閉合，尤其是當運動軸線V相對開口軸線O呈一定角度配置時。如所顯示的角度配置尤其可有利地利用空間的方式是以使得運動裝置(例如閥桿)在真空腔室10中佔據比較小的空間量、且驅動單元30能以關於週邊真空元件有利之方式配置。在此案例中，可能之下游元件可毫無問題地連接至次要處理腔室12，亦即沒有藉由驅動單元30所造成的任何空間限制。
可理解的是，閥板可二者擇一地剛性連接至閥桿。亦於此案例中，閥板可連接至閥桿的方式是使得運動軸線V與藉由閥座側密封表面所界定之平面圍起0°至90°之間的夾角、亦即與之橫向地配置。
驅動單元30可另外具有伸縮管，用於將處理腔室10之內部體積的大氣(處理大氣區)與外部大氣(外部大氣區)分開。為此目的，伸縮管可在一側連接至閥桿31，且於另一側連接至內驅動器外殼。因此，可提供驅動單元之運動部分與處理腔室10的內部體積之大氣隔離。因此可防止例如藉由磨損所造成的任何顆粒之進入。伸縮管當閥門打開時被壓縮，且當閥門20關閉時膨脹或展開。
根據本發明的實施例提供以下優點，即基板有效機械加工發生所在的主要處理腔室11之體積可被保持比較小，且因此可比較快速地設定主要處理腔室11中用於特定機械加工製程中的所想要內部壓力。
次要處理腔室12提供內部體積，其係大於主要處理腔室11之內部體積，且其中可藉由開口19擷取空氣來設定內部壓力對應於或低於設定點機械加工壓力。因此，次要處理腔室12可作為用於主要處理腔室11之持有體積，並可提供用於快速設定主要處理腔室11中的處理壓力。
圖2以平面圖顯示根據圖1之真空機械加工系統的真空調節閥。此閥共有三個呈環狀配置之閥座21a-c。各閥座21a-c提供各自的閥門開口22a-c。在所顯示之示範性實施例中，閥門開口22a-c係設有網格狀結構，其使得流體能夠均勻地流經各自的開口。於替代性實施例中，閥門開口22a-c可設計為沒有所顯示之結構或具有替代性、可滲透流體的結構。
各閥座21a-c在其底側上(參考圖3，於此未顯示)被分配各自之閥門閉合件23a-c，如在圖1中舉例來說所顯示，用於閥座21a及設計為閥板23a的閥門閉合件。個別之閥門閉合件係各耦接至可個別控制的驅動單元(取決於閥板之數目，提供對應數目的驅動部件)。
因此，可為各閥門開口22a-c設定個別之開口橫截面及因此設定個別的穿入流。因此，可為各閥門開口個別地設定流體之質量流或體積流，且獨立於其餘開口。由於此個別地設定的能力，對稱流體流可提供在尤其是經過主要處理腔室11。為此目的，例如，可為個別之閥門開口設定不同的偏移量，且因此可補償不均勻之壓力及流動分布。
藉由提供經過處理腔室的處理流體流其係盡可能對稱及均勻，基板可據此準確且精確地機械加工。對稱流可確保例如橫越(整個)基板表面存在可比較或完全相同的製程氣體濃度，且例如，任何沉積或蝕刻(例如ALD或ALE處理)據此沿著表面均勻地發生。
真空調節閥之閥座21a-c對稱地沿繞靜電固持裝置15(卡盤)配置。要機械加工的基板可被放置於固持裝置15上，並據此藉著靜電電荷來固持。換句話說，卡盤15被設計來收容基板並至少在機械加工過程期間固持它。
由於卡盤15及閥座21a-c之此同心配置，流體流的對稱性及均勻性能以最佳化方式達成。因此，可達成大部份均勻之流沿繞卡盤15，而同時經過個別開口22a-c的流率可被個別地設定。可因此提供關於基板之機械加工的對應高度均勻性。
此外，將閥門配置接近卡盤15及沿繞卡盤15有利地限制卡盤15之區域中的顆粒流或顆粒流傳導(尤其是在關閉位置中)。因此，閥門之密封線係位在比較接近卡盤15、亦即接近基板機械加工地點。這直接導致改進(均勻之)基板機械加工。
例如，藉由將閥板逐漸地運動接近相關聯的閥座21a-c，可逐漸地、尤其是持續地減少相關閥門子開口之開口橫截面。
因此，真空調節閥20因此也有提供以針對性的方式設定經過閥門開口之流體流的可能性。因此，如果要在主要處理腔室中提供特定之內部壓力，真空調節閥20可使用來設定每單位時間流出的特定流體量(質量或體積)。使用於此之調節變數可例如是藉著壓力感測器所決定的主要腔室11中之內部壓力。二者擇一地，開口橫截面能以受控制的方式基於預定規則而設定及變動。
應指出的是，本發明並不只受限於具有三個閥門子開口、閥座及閥板之實施例，而是尤其亦延伸至那些具有兩個或三個以上的閥門子開口、閥座及閥板之解決方案。
將總閥門開口分成為複數個子開口22a-c的益處是亦提供複數個閥門閉合件23a-c，且因此各個個別閉合件的質量可個別地減少。由於要運動之個別質量較低，可達成明顯較短的運動時間，亦即可縮短將一個或所有閥門閉合件從打開位置運動至關閉位置(或反之亦然)所需的時間。
此外，當閥門開口非常小時，閥門不利地突然關閉之可能性可減少，因為在各案例中施加至個別閥板的力量係明顯地小於力量在有同等表面積之一個連續閥板的案例，且據此在設計方面，抵消固持力量係更容易地達成。
經過腔室11之初始不對稱液體流可藉著根據本發明的真空調節閥20來補償。藉由為個別閥門子開口22a-c提供不同之打開狀態，其可額外地動態調整，可補償關於氣體流的不對稱性。為此目的，閥門閉合器23a-c可運動進入不同位置(離各自閥座之距離)，從而提供不同的開口橫截面。接著流體就不再集中地經過閥門流出，也不再閥門內相對於中心軸線不對稱地流動。
由於不同之打開狀態，流體的流可被設定為橫越腔室橫截面之過程變動。換句話說，氣體的流動行為可在腔室之不同區域中被不同地設定，例如可於對向的腔室壁面上設定不同之流動速度。
藉由以此方式可變地設定經過閥門20的流體流，可補償不均勻、不平衡之流動行為-例如藉由製程氣體的非中心流入所造成-使得因沿繞卡盤15而發生之流係對稱(均勻)的。
圖3以立體圖顯示與根據本發明之真空機械加工系統的閥座21以及對應閥板23的實施例。
閥座21係藉由閥板所體現，其具有環段之形狀。閥座21界定閥門開口22，流體(例如製程氣體或前體)可流經過此閥門開口。閥門開口22係被具有密封元件25的密封表面所包圍。密封元件25(及密封表面)係配置於閥座21之底側上，亦即在如欲安裝時背對於主要處理腔室11的側面上。
另外，閥座21於與底側相對之上側上具有處理流體可滲透的結構，且流體可經過此結構。此結構能以層狀方式等設計成例如網格、穿孔薄膜。此結構提供閥座21之增加的穩定性，且亦用於使流體流均勻化，亦即，藉著此結構所提供之複數個穿透通道，可將一股流體分成個別的子流，且因此可達成改善之層狀流動行為。
二者擇一地，閥座21可設計成沒有此結構。
閥座21的板狀設計使得閥座21在真空機械加工裝置中之安裝或替換變得容易而快速，例如於圖1中所顯示。閥座板21可從上面插入並固定在處理腔室(主要處理腔室11)中，並可同樣地從上面移除，而不需要閥門或腔室的其餘部分之任何複雜的拆解。例如，閥座板21可經過處理腔室之傳送開口(未顯示)來供應或移除，待機械加工的基板可經過此傳送開口引入腔室及/或從腔室移除。
就其形狀及空間範圍而言，閥板23對應於閥座21、尤其是對應於密封件25。藉由從下面將閥板23壓抵靠著密封件25，能以氣密方式關閉開口22。閥板23在其上側(看不見)具有接觸表面，其對應於密封件25及/或支載密封件25之密封表面的形狀及空間範圍。當關閉閥門時，接觸表面被帶入與密封件25接觸。
閥板23在其底側上另外具有用於將驅動單元耦接至閥板23之耦接元件26。
像閥座一樣，閥板23可從上面安裝在根據本發明的真空機械加工系統中、尤其是於次要處理腔室12中。為此目的，閥板23可同樣地供應或移除，例如經過處理腔室之傳送開口(未顯示)，待機械加工的基板可經過此引入腔室及/或從腔室移除。
關於預測/預防性維護或可能之維修工作方面，由此產生的閥座21及閥板23兩者之比較容易的移除及/或安裝是尤其有利的。舉例來說，配置在閥座21a-c上之密封元件隨著各次運動至關閉位置或離開關閉位置時都暴露至材料應力，且因此必需定期地替換或更新。由於有利的模組化結構，與傳統之閥門解決方案相比，此維護活動可達成大量的節省時間。
將理解的是，所說明之圖面僅只示意地顯示可能的示範性實施例。根據本發明，諸多方法亦可彼此結合，並與用於調節真空條件下之處理體積中的體積流或壓力之先前技術領域方法及裝置結合。
1:真空機械加工系統 10:真空腔室 11:主要處理腔室 12:次要處理腔室 15:靜電固持裝置(卡盤) 19:底部開口 20:真空調節閥 21:閥座 21a:閥座 21b:閥座 21c:閥座 22:閥門開口 22a:閥門開口 22b:閥門開口 22c:閥門開口 23:閥板 23a:閥板 24a:導引元件 25:密封元件 26:耦接元件 30:驅動單元 31:閥桿 O:開口軸線 V:運動軸線
下面將在附圖中所示意地顯示之具體示範性實施例的基礎下，純粹以舉例之方式更詳細地敘述根據本發明的裝置。亦將討論本發明之進一步優點。詳細來說： 圖1顯示根據本發明的真空機械加工系統之第一實施例； 圖2顯示根據本發明的真空機械加工系統之真空閥的實施例；及 圖3顯示根據本發明之真空機械加工系統的真空閥之實施例。
1:真空機械加工系統
10:真空腔室
11:主要處理腔室
12:次要處理腔室
19:底部開口
20:真空調節閥
21a:閥座
22a:閥門開口
23a:閥板
24a:導引元件
30:驅動單元
31:閥桿
O:開口軸線
V:運動軸線

Claims (23)

  1. 一種真空機械加工系統(1)，包含：一真空腔室(10)，其界定一可抽真空內部體積用於產生真空並用於在該內部體積中機械加工一基板；及一真空調節閥(20)，用於調節流經該真空腔室(10)的流體之體積流或質量流，並用於以氣密方式中斷該流體的一流動路徑，該閥具有：一第一閥座(21、21a)，其具有界定一第一開口軸線(O)之一第一閥門開口(22、22a)和沿繞該第一閥門開口(22、22a)延伸的一第一密封表面，及一第一閥板(23、23a)，具有對應於該第一密封表面之一第一接觸表面，及一驅動單元(30)，其設計為耦接至該第一閥板(23、23a)以使得閥板可至少從一打開位置運動至一關閉位置並再次返回的方式：於該打開位置，該第一閥板(23、23a)及該第一閥座(21、21a)係彼此不接觸，於該關閉位置，該第一密封表面與該第一接觸表面之間的密封接觸經由位於其間之一密封元件(25)而存在，且該第一閥門開口(22、22a)藉此以氣密方式關閉，其中該第一閥座(21、21a)係配置在該真空腔室(10)內，並將該真空腔室(10)分成用於機械加工該基板之一主要處理腔室(11)及一次要處理腔室(12)，該第一密封表面與該第一開口軸線(O)正交地延伸，並指向於該次要處理腔室(12)的方向，及 該第一閥板(23、23a)係可運動地配置在該次要處理腔室(12)中。
  2. 如請求項1的真空機械加工系統(1)，其中該真空調節閥(20)具有一第二閥座(21b)，其具有界定一第二開口軸線之一第二閥門開口(22b)及沿繞該第二閥門開口(22b)延伸的一第二密封表面，及一第二閥板(23b)，具有對應於該第二密封表面之一第二接觸表面，其中該第二閥座(21b)係配置在該真空腔室(10)內，且與該第一閥座(21、21a)一起將該真空腔室分成該主要處理腔室(11)及該次要處理腔室(12)，該第二密封表面與該第二開口軸線正交地延伸，並指向於該次要處理腔室(12)之方向，及該第二閥板(23b)係可運動地配置在該次要處理腔室(12)中，其中該真空調節閥的一總閥門開口係至少藉由作為一第一閥門子開口之該第一閥門開口(22a)及作為一第二閥門子開口的該第二閥門開口(22b)所形成。
  3. 如請求項2的真空機械加工系統(1)，其中該真空調節閥(10)具有一第三閥座(21c)，其具有界定一第三開口軸線的一第三閥門開口(22c)及沿繞該第三閥門開口(22c)延伸之一第三密封表面，及一第三閥板(23c)，具有與該第三密封表面對應的一第三接觸表面，其中 該第三閥座(21c)係配置於該真空腔室(10)內，且與該第一及第二閥座(21a、21b)一起將該真空腔室(10)分成為該主要處理腔室(11)及該次要處理腔室(12)，該第三密封表面正交於該第三開口軸線延伸，並指向於該次要處理腔室(12)的方向，及該第三閥板(23c)係可運動地配置在該次要處理腔室(12)中，其中該總閥門開口係額外地藉由作為一第三閥門子開口之該第三閥門開口(22c)所形成。
  4. 如請求項3的真空機械加工系統(1)，其中該驅動單元(30)係耦接至該第二及該第三閥板(23b、23c)以使得該等耦接之閥板(23a-c)可至少從一各自的打開位置運動至一關閉位置並再次返回於該各自的打開位置，該各自的閥板及該各自的閥座彼此不接觸，於該關閉位置，該各自的密封表面與該各自的接觸表面之間的軸向密封接觸經由位於其間之一各自的密封元件而存在，且該各自的閥門子開口藉此以氣密之方式關閉。
  5. 如請求項4的真空機械加工系統(1)，其中該真空調節閥(20)具有一耦接配置，該耦接配置係將該第一閥板(23、23a)機械地耦接至該第二閥板(23b)，且耦接至該第三閥板(23c)，並連接至該驅動單元(30)以使得該等各自的閥板(23、23a-c)可藉著該驅動單元(30)共同地運動。
  6. 如請求項3的真空機械加工系統(1)，其中 該驅動單元(30)至少具有一第一及一第二、一第三驅動部件是各自的馬達，及該第一驅動部件係耦接至該第一閥板(23a)，且該第二驅動部件係耦接至該第二閥板(23b)，及該第三驅動部件係耦接至該第三閥板。
  7. 如請求項1至6中任一項的真空機械加工系統(1)，其中該驅動單元(30)及至少該第一閥板(23、23a)係設計為及耦接：至少該第一閥板(23、23a)可沿著一第一運動軸線(V)運動，及該第一運動軸線(V)相對該第一開口軸線(O)橫向地延伸。
  8. 如請求項1至6中任一項的真空機械加工系統(1)，其中該主要處理腔室(11)圍起一主要內部體積，且該次要處理腔室(12)圍起一次要內部體積，該主要內部體積係大於該次要內部體積。
  9. 如請求項1至6中任一項的真空機械加工系統(1)，其中該真空機械加工系統(1)具有一靜電固持裝置(15)是配置於該主要處理腔室(11)中之卡盤。
  10. 如請求項9的真空機械加工系統(1)，其中該真空調節閥(20)具有至少該第一閥座(21、21a)及至少兩個另外的閥座(21b-c)，且該等閥座(21、21a-c)界定一第一閥門開口(22、22a)及至少兩個另外的閥門開口(22b-c)，及該等閥座(21、21a-c)係沿繞該靜電固持裝置(15)對稱地配置。
  11. 如請求項10的真空機械加工系統(1)， 其中該等閥座(21、21a-c)及/或該等閥門開口(22、22a-c)係環段形，並配置為使得該等環段形閥座及/或閥門開口之各自的內弧或外弧位於共同圓上。
  12. 如請求項1至6中任一項的真空機械加工系統(1)，其中該真空機械加工系統(1)包含一控制單元是一調節單元，且該驅動單元可基於該控制單元所提供之控制信號基於一調節變數來致動。
  13. 如請求項12的真空機械加工系統(1)，其中該驅動單元之各個驅動部件可藉著該控制信號來個別地致動。
  14. 如請求項12的真空機械加工系統(1)，其中該控制單元具有一流動功能性，建構為使得在其執行時，耦接至該驅動單元(30)之至少一個閥板(23、23a-c)係運動至該打開位置與該關閉位置之間的一中間位置。
  15. 如請求項14的真空機械加工系統(1)，其中該至少一個耦接之閥板(23、23a-c)可沿著運動軸線(V)線性地運動，且該閥板之該接觸表面與在該中間位置的該對應密封表面之間的距離係小於在該打開位置中並且大於在該關閉位置中。
  16. 如請求項3至5中任一項的真空機械加工系統(1)，其中該驅動單元(30)至少具有一第一及一第二、一第三驅動部件是各自的馬達， 該第一驅動部件係耦接至該第一閥板(23a)，且該第二驅動部件係耦接至該第二閥板(23b)，及該第三驅動部件係耦接至該第三閥板，該真空機械加工系統(1)包含一控制單元是一調節單元，且該驅動單元可基於該控制單元所提供之控制信號基於一調節變數來致動，該控制單元具有一流動功能性，建構為使得在其執行時，耦接至該驅動單元(30)之至少一個閥板(23、23a-c)係運動至該打開位置與該關閉位置之間的一中間位置，該真空調節閥(20)至少具有：該第一及該第二閥座(21、21a-b)，該第一及該第二閥板(23、23a-b)，該第一驅動部件，其係耦接至該第一閥板，和該第二驅動部件，其係耦接至該第二閥板，及該流動功能性係建構為使得該等閥板(23、23a-c)可個別地定位在該各自的打開位置與該各自的關閉位置之間作為流動資訊之函數。
  17. 如請求項16的真空機械加工系統(1)，其中該流動資訊包含以下資訊項目之至少一者：該流體經過該主要處理腔室及/或該次要處理腔室的質量流或體積流，該流體於該主要處理腔室及/或該次要處理腔室中之流動速度，相對於該主要處理腔室及/或該次要處理腔室用的一內部體積橫截面之流動速度分佈，該主要處理腔室與該次要處理腔室之間的一壓力差，進入該主要處理腔室之一流體流入量， 流出該次要處理腔室的一流體流出量。
  18. 如請求項16的真空機械加工系統(1)，其中該等閥板(23、23a-c)定位以使得經過該主要處理腔室(11)之一對稱流體流可被提供作為該流動資訊之函數。
  19. 如請求項16的真空機械加工系統(1)，其中該等閥板(23、23a-c)之定位可被個別動態地調整，且因此可連續地調節經過該主要處理腔室(11)的流體流。
  20. 如請求項16的真空機械加工系統(1)，其中一被界定的流動行為可藉由該真空調節閥(20)、藉由至少兩個閥門子開口(22a-c)來設定及/或調節，其中該流動行為可藉由該真空調節閥以相對於該真空調節閥(20)的一中心軸線以不對稱的方式設定，且該中心軸線延伸經過一閥門中心。
  21. 如請求項16的真空機械加工系統(1)，其中當有經過該主要處理腔室(11)之一不均勻的流體流，可藉由執行該流動功能性來設定一對稱流體流。
  22. 如請求項16的真空機械加工系統(1)，其中該真空機械加工系統(1)包含至少一個感測器單元，其係設計為使得可藉著該感測器單元來偵測該流動資訊之方式。
  23. 如請求項1至6中任一項的真空機械加工系統(1)， 其中該流動路徑連接該主要處理腔室(11)及該次要處理腔室(12)，且該主要處理腔室(11)可藉由該真空調節閥(20)以氣密方式與該次要處理腔室(12)分開。
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