反應腔的輸氣管道系統及其控制方法
2023-12-04 01:11:06 4
專利名稱：反應腔的輸氣管道系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及半導體設備領域，尤其涉及一種反應腔的輸氣管道系統及其控制方法。
背景技術：
在半導體加工生產領域中，等離子加工裝置、氣相沉積裝置以及清潔裝置等設備在工作時均需要在反應腔內通入氣體或者抽真空形成真空環境，與上述反應腔相連接的輸氣管道系統通常包括分別用於排氣的排氣泵、用於通氣的通氣泵等。其中為了簡化管路，上述排氣泵以及通氣泵並非獨立設置的，而是共用部分管路，並通過閥門控制管道內的氣流走向。更多關於半導體設備反應腔的氣體管道系統可以參見申請號為200720073814. 3的中國專利申請。現有的一種氣體管道系統見圖1所示，包括用於對反應腔100進行抽氣的粗泵 101、用於對反應腔100通氣的渦輪通氣泵102。其中，所述粗泵101經由蝶形閥201與反應腔100連接，所述渦輪通氣泵102與反應腔連接。所述渦輪通氣泵102的氣冷單元還通過冷卻閥202與粗泵101連接，以便於排出渦輪通氣泵102的冷卻氣體。當反應腔進行半導體工藝時，其腔室氣壓通常小於外界氣壓，甚至為真空狀態。此時所述渦輪通氣泵102不工作，冷卻閥202保持關閉，所述蝶形閥201開啟，所述粗泵工作對反應腔100進行抽氣，調節反應腔100內的氣壓。當反應腔完成半導體工藝，需要移除晶圓時，必須使得反應腔內的氣壓恢復至與外界氣壓相平衡。首先關閉所述蝶形閥201，使得粗泵101停止對反應腔抽氣；然後渦輪通氣泵102開始工作，向反應腔通氣以提升反應腔內的氣壓；為了保證渦輪通氣泵102正常工作，需要使用冷卻氣體冷卻渦輪通氣泵102的電機，開啟所述冷卻閥202，使得所述冷卻氣體通過冷卻閥202經由粗泵101排出。當反應腔內的氣壓與外界氣壓相平衡後，開啟反應腔的艙門，移除晶圓。現有技術存在著如下問題粗泵101在半導體工藝階段需要對反應腔100抽氣，而在晶圓傳輸階段需要排出渦輪通氣泵102的冷卻氣體，其功能的轉換通過蝶形閥201以及冷卻閥202的開啟或關閉實現。上述轉換過程中，由於蝶形閥201的徹底關閉需要時間，故蝶形閥201開始關閉而冷卻閥202剛剛打開時容易出現以下情況反應腔100內還近似於真空狀態，氣壓極小，而渦輪通氣泵102的氣冷單元內的氣壓則較大，冷卻氣體極易經由剛剛開啟的冷卻閥202以及尚未徹底關閉的蝶形閥201反充進反應腔100中。上述冷卻氣體並不純淨，而且粗泵的管道中也存在較多雜質，上述雜質被冷卻氣體帶入反應腔100後，容易汙染晶圓。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種輸氣管道系統及其控制方法，避免渦輪通氣泵的冷卻氣體反充進反應腔中汙染晶圓。
本發明提供的輸氣管道系統，包括粗泵，經由蝶形閥與反應腔連接，用於對反應腔抽氣；還包括渦輪通氣泵，所述渦輪通氣泵與反應腔連接，用於對反應腔通氣，其氣冷單元與所述粗泵連通；閥門控制單元，所述閥門控制單元將氣冷單元內的氣壓與反應腔的氣壓相比較，當所述氣冷單元內的氣壓大於反應腔的氣壓時，使得所述蝶形閥關閉。所述輸氣管道系統還包括真空吸盤泵，用於向機械傳送裝置提供吸附晶圓的負壓；所述渦輪通氣泵的氣冷單元還與所述真空吸盤泵連通。可選的，所述氣冷單元的出氣口設置有電子氣壓計。所述閥門控制單元與電子氣壓計電性連接，檢測氣冷單元內的氣壓。可選的，所述渦輪通氣泵經由通氣閥與反應腔連接。所述閥門控制單元在蝶形閥開啟時，使得所述通氣閥關閉；而在通氣閥開啟時，使得蝶形閥關閉。所述輸氣管道系統還包括與氣冷單元連接的供氣單元，用於提供冷卻氣體。所述供氣單元包括液氮罐以及用於汽化液氮的汽化器。一種輸氣管道系統的控制方法，其中包括當晶圓送入反應腔中進行加工工藝時，開啟粗泵，對渦輪通氣泵的氣冷單元抽氣；所述閥門控制單元接收第一控制信號，將所述氣冷單元內的氣壓與當前反應腔氣壓相比較，當氣冷單元內的氣壓小於反應腔氣壓時，開啟蝶形閥，使得粗泵對反應腔抽氣；當晶圓完成加工工藝時從反應腔移除時，所述閥門控制單元第二控制信號，關閉所述蝶形閥；所述粗泵保持對渦輪通氣泵的氣冷單元抽氣；開啟渦輪通氣泵，對反應腔通氣。當反應腔氣壓與外界氣壓相平衡時，開啟真空吸盤泵，使得機械傳送裝置吸附晶圓，並分流渦輪通氣泵的氣冷單元中的冷卻氣體。與現有技術相比，本發明具有以下優點所述渦輪通氣泵的氣冷單元與粗泵連通，使得粗泵在工作時總是對氣冷單元抽氣，能夠降低氣冷單元內的氣壓，使其與反應腔的氣壓保持平衡，所述閥門控制單元對上述氣壓進行比較，控制蝶形閥的開啟或關閉，可以有效防止冷卻氣體反充入反應腔中；將所述渦輪通氣泵的氣冷單元與真空吸盤泵連通，起到分流冷卻氣體的作用，進一步降低了氣冷單元反充入反應腔的可能性。
圖1是現有反應腔的輸氣管道系統的示意圖；圖2是本發明所述反應腔的輸氣管道系統的示意圖；圖3是本發明在晶圓送入反應腔進行加工時的操作示意圖；圖4時本發明在晶圓完成加工從反應腔移除時的操作示意圖。
具體實施例方式現有的反應腔輸氣管道系統，使用粗泵對反應腔抽氣以及排出渦輪通氣泵的冷卻氣體，在閥門切換時，由於反應腔與渦輪通氣泵氣冷單元之間存在氣壓差，容易出現所述冷卻氣體反充入反應腔汙染晶圓的問題。本發明則通過降低氣冷單元的氣壓，並監控反應腔與渦輪通氣泵氣冷單元之間的氣壓差，控制蝶形閥的開閉，解決上述問題。如圖2所示，本發明所述的輸氣管道系統，其基本結構包括粗泵301，經由蝶形閥 401與反應腔300連接，用於對反應腔300抽氣；渦輪通氣泵302，所述渦輪通氣泵302與反應腔300連接，用於對反應腔300通氣；真空吸盤泵303，用於向機械傳送裝置提供吸附晶圓的負壓。所述渦輪通氣泵302還包括氣冷單元30 ，用於對渦輪通氣泵302的電機散熱。 只有在氣冷單元30 工作的前提下，渦輪通氣泵302才能向反應腔300正常通氣。所述氣冷單元30 還與粗泵301連通，其基本工作原理是溫度較低的冷卻氣體進入所述氣冷單元30加，通過熱傳遞吸收渦輪通氣泵302電機的熱量，然後再被粗泵301抽出。所述冷卻氣體可以是氣冷單元30 直接從外界環境中抽取的，也可以是由其他供氣源提供的，以避免帶入雜質，保證輸氣管道內的氣體純淨。作為優選方案，所述輸氣管道系統還可以包括供氣單元305，所述供氣單元305與所述氣冷單元30 連接，向氣冷單元30 提供冷卻氣體。具體的，所述供氣單元305可以包括液氮罐以及用於汽化液氮的汽化器，所述冷卻氣體為氮氣。作為可選的方案，所述氣冷單元30 還與真空吸盤泵303連通，所述真空吸盤泵 303可以起到分流冷卻氣體的作用，也能夠降低冷卻氣體反充入反應腔300的可能性。所述輸氣管道系統還包括閥門控制單元304，所述閥門控制單元304將所述氣冷單元30 內的氣壓與反應腔300的氣壓相比較，控制所述蝶形閥401的開啟或關閉。具體的，如果氣冷單元30 內的氣壓大於反應腔300的氣壓，所述閥門控制單元304關閉蝶形閥401，以防止冷卻氣體經由蝶形閥401反充入反應腔300中。具體的，所述氣冷單元30 的出氣口設置有電子氣壓計302b，所述閥門控制單元304與電子氣壓計302b電性連接，檢測氣冷單元30 出氣口的氣壓，也即氣冷單元30 內的氣壓。在某些實施例中，渦輪通氣泵302經由通氣閥402與反應腔300連接。所述閥門控制單元304還控制通氣閥402的開啟或關閉。具體的，所述閥門控制單元304在蝶形閥 401開啟時，使得所述通氣閥402關閉；而在通氣閥402開啟時，使得蝶形閥401關閉，從而保證通氣閥402與蝶形閥401無法同時開啟。一方面防止粗泵301在對反應腔抽氣時，所述渦輪通氣泵302影響反應腔的真空度；另一方面防止渦輪通氣泵302在對反應腔通氣時， 所述粗泵301影響反應腔的氣壓提升速度。在本發明所述的輸氣管道系統中，只要粗泵301處於工作狀態，便保持對渦輪通氣泵302的氣冷單元30 抽氣，氣冷單元30 內的氣壓一直處於較低水平。所述閥門控制單元304僅有在氣冷單元30 內的氣壓不大於反應腔300內的氣壓時，才允許蝶形閥401 的開啟，有效避免了冷卻氣體反充入反應腔300內，對晶圓造成汙染。下面結合具體的半導體加工工藝中對所述輸氣管道系統的控制方法，進一步闡述本發明輸氣管道系統的優點。假設本發明的反應腔進行的半導體工藝為等離子刻蝕工藝， 反應環境為真空。在初始狀態下，所述蝶形閥401以及通氣閥402關閉，粗泵301、渦輪通氣泵302以及真空吸盤泵303均不工作，所述渦輪通氣泵302的氣冷單元30 也不工作。當晶圓送入反應腔準備進行加工時，需要對反應腔300抽氣以形成等離子刻蝕所需的真空環境。圖3為上述過程中對輸氣管道系統的控制方法的流程示意圖，結合圖2以及圖3所示，基本步驟包括執行步驟S101、啟動粗泵301，對渦輪通氣泵302的氣冷單元30 抽氣；
由於此時渦輪通氣泵302尚未工作，其氣冷單元30 內也未通入冷卻氣體，故粗泵301啟動後，實際上先對氣冷單元30 以及蝶形閥401之間的管路抽氣，排出上述管路中殘留的氣體。經過一段時間後，氣冷單元30 內的氣壓降至較低水平，近似於真空。執行步驟S102、向所述閥門控制單元304輸入第一控制信號，開啟蝶形閥401。當反應腔中的晶圓放置到位，且輸氣管路內殘留氣體已清除，所述晶圓已具備工藝條件。可以通過人工輸入或由晶圓加工設備自動發出所述第一控制信號。所述閥門控制單元304在接收到所述第一控制信號後，並不是直接開啟蝶形閥401。而是先判斷蝶形閥401是否滿足開啟條件。所述開啟條件為反應腔300內的氣壓不小於蝶形閥401另一側的氣壓。具體的，所述閥門控制單元304將從電子氣壓計302b所讀取的氣壓與反應腔300 的氣壓相比較，也即將氣冷單元30 內的氣壓與反應腔300的氣壓相比較，如果氣冷單元 30 的氣壓小於反應腔300的氣壓，則開啟蝶形閥401。其中閥門控制單元304可以從晶圓加工設備獲得所述反應腔300的氣壓的值。所述蝶形閥401開啟後，使得處於工作狀態的粗泵301與反應腔300連通，所述粗泵301開始對反應腔300抽氣，反應腔300內的氣壓逐漸降低。當晶圓完成加工工藝時從反應腔移除時，需要先對反應腔300通氣以恢復反應腔 300內的氣壓，使其與外界氣壓相平衡，才能打開反應腔300的艙門，進行傳輸晶圓的動作。 圖4為上述過程中對輸氣管道系統的控制方法的流程示意圖，結合圖2以及圖4所示，基本步驟包括執行步驟S103、向閥門控制單元304輸入第二控制信號，關閉所述蝶形閥401 ；同樣，當晶圓完成加工工藝，可以通過人工輸入或由晶圓加工設備自動發出所述第二控制信號。實際上在本步驟中，渦輪通氣泵302並未開始工作，其氣冷單元30 內也未通入冷卻氣體，因此所述蝶形閥401在整個開啟的過程中，並不會出現冷卻氣體反充入反應腔300的情況。此外當蝶形閥401徹底關閉後，還包括閥門控制單元304開啟通氣閥 402的步驟。執行步驟S104、開啟渦輪通氣泵302，對反應腔300通氣。由於通氣閥402已開啟，所述渦輪通氣泵302與反應腔300連通，渦輪通氣泵302 開始工作，對反應腔300通氣，使得反應腔300內的氣壓與外界氣壓相平衡。同時，所述冷卻氣體通入冷氣單元30 內，對渦輪通氣泵302的電機散熱，並被粗泵301所抽出。當反應腔300內的氣壓與外界氣壓恢復平衡後，所述真空吸盤泵303開始工作，使得機械傳輸裝置能夠吸附抓取晶圓，進行晶圓的傳輸。此時真空吸盤泵303與粗泵301共同對氣冷單元30 抽氣，起到分流冷卻氣體，進一步降低氣冷單元320a內氣壓的作用。在以上實施例中，由於蝶形閥401在開啟以及關閉的過程中，渦輪通氣泵302並未工作。但在更多的實際生產情況中，當粗泵301以及渦輪通氣泵302工作後，並不會關停， 所述氣冷單元30 中將總是存在冷卻氣體的通入以及排出。則進行後續的晶圓加工工藝時，輸氣管道的情況有所不同。當下一批晶圓送入反應腔準備進行加工時，同樣需要對反應腔300抽氣以形成等離子刻蝕所需的真空環境。再結合圖2所示，此時與氣冷單元30 連通的粗泵301保持對氣冷單元30 抽氣。此時所述蝶形閥401處於關閉狀態，氣冷單元30 內的氣壓處於較低的水平，而反應腔300的氣壓則與外界氣壓相同。閥門控制單元304先關閉通氣閥402，以避免渦輪通氣泵302繼續對反應腔300通氣，影響後續粗泵301對反應腔300排氣。當向閥門控制單元304輸入第一控制信號時，由於氣冷單元30 內的氣壓低於反應腔300的氣壓，且通氣閥402已先行關閉，所述閥門控制單元304開啟蝶形閥401。當蝶形閥401開啟後，粗泵301在保持從氣冷單元30 中抽出冷卻氣體的同時，對反應腔300 進行抽氣。需要指出的是，初始時反應腔300內的氣體可能順著氣壓差而充入氣冷單元30 中，但並不會影響氣冷單元30 的工作。而氣冷單元30 與反應腔300中的氣壓達到平衡狀態後，由於粗泵301的持續工作，氣冷單元30 內的冷卻氣體並不會對反應腔300的真空狀態造成較大影響，僅僅可能因為從氣冷單元30 中抽出冷卻氣體佔用了粗泵301部分的抽氣能力，而延長反應腔300達到所需真空狀態的時間。當晶圓完成加工工藝時從反應腔移除時，需要對反應腔300通氣以恢復反應腔 300內的氣壓。向閥門控制單元304輸入第二控制信號，所述閥門控制單元304首先關閉蝶形閥401，使得所述粗泵301停止對反應腔300抽氣。待蝶形閥401徹底關閉後，所述閥門控制單元304再開啟通氣閥402。隨著通氣閥402的開啟，渦輪通氣泵302向反應腔300 中通入氣體，提升反應腔300的氣壓。在上述過程中，由於閥門的開關有先後，並不會出現渦輪通氣泵302通入的氣體經由反應腔300、蝶形閥401進入氣冷單元30 的情況。當反應腔300內氣壓恢復與外界氣壓相平衡後，真空吸盤泵303開始工作，一方面用於提供機械傳輸裝置吸取晶圓的負壓，另一方面幫助粗泵301分流氣冷單元30 所排出的冷卻氣體。使得氣冷單元30 內的氣壓始終保持在較低水平，以便於後續批次晶圓進入反應腔進行加工工藝時，閥門控制單元304能夠較快的開啟蝶形閥401。此外在發生意外情況時，例如，渦輪通氣泵302的電機發熱量過大，供氣單元305 向氣冷單元30 通入的冷卻氣體的流速產生較大波動，粗泵301來不及抽出所述冷卻氣體，導致氣冷單元30 內的氣壓驟然上升。所述閥門控制單元304始終監控蝶形閥304兩側氣壓差情況，當所述氣冷單元30 內的氣壓大於反應腔300的氣壓時，自動關閉所述蝶形閥304，以避免冷卻氣體反充入反應腔300，汙染晶圓的情況發生。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種反應腔的輸氣管道系統，包括粗泵，經由蝶形閥與反應腔連接，用於對反應腔抽氣；其特徵在於，還包括渦輪通氣泵，所述渦輪通氣泵與反應腔連接，用於對反應腔通氣， 其氣冷單元與所述粗泵連通；閥門控制單元，所述閥門控制單元將氣冷單元內的氣壓與反應腔的氣壓相比較，當所述氣冷單元內的氣壓大於反應腔的氣壓時，使得所述蝶形閥關閉。
2.如權利要求1所述的輸氣管道系統，其特徵在於，還包括真空吸盤泵，用於向機械傳送裝置提供吸附晶圓的負壓；所述渦輪通氣泵的氣冷單元還與所述真空吸盤泵連通。
3.如權利要求1所述的輸氣管道系統，其特徵在於，所述氣冷單元的出氣口設置有電子氣壓計。
4.如權利要求3所述的輸氣管道系統，其特徵在於，所述閥門控制單元與電子氣壓計電性連接，檢測氣冷單元內的氣壓。
5.如權利要求1所述的輸氣管道系統，其特徵在於，所述渦輪通氣泵經由通氣閥與反應腔連接。
6.如權利要求5所述的輸氣管道系統，其特徵在於，所述閥門控制單元在蝶形閥開啟時，使得所述通氣閥關閉；而在通氣閥開啟時，使得蝶形閥關閉。
7.如權利要求1所述的輸氣管道系統，其特徵在於，還包括與氣冷單元連接的供氣單元，用於提供冷卻氣體。
8.如權利要求7所述的輸氣管道系統，其特徵在於，所述供氣單元包括液氮罐以及用於汽化液氮的汽化器。
9.如權利要求2所述的輸氣管道系統的控制方法，其中包括當晶圓送入反應腔中進行加工工藝時，開啟粗泵，對渦輪通氣泵的氣冷單元抽氣；所述閥門控制單元接收第一控制信號，將所述氣冷單元內的氣壓與當前反應腔氣壓相比較，當氣冷單元內的氣壓小於反應腔氣壓時，開啟蝶形閥，使得粗泵對反應腔抽氣；當晶圓完成加工工藝時從反應腔移除時，所述閥門控制單元第二控制信號，關閉所述蝶形閥；所述粗泵保持對渦輪通氣泵的氣冷單元抽氣；開啟渦輪通氣泵，對反應腔通氣。
10.如權利要求9所述的控制方法，其中，所述渦輪通氣泵對反應腔通氣，當反應腔氣壓與外界氣壓相平衡時，開啟真空吸盤泵，使得機械傳送裝置吸附晶圓，並分流渦輪通氣泵的氣冷單元中的冷卻氣體。
全文摘要
本發明提供了一種反應腔的輸氣管道系統及其控制方法，所述輸氣管道系統包括粗泵，經由蝶形閥與反應腔連接，用於對反應腔抽氣；渦輪通氣泵，所述渦輪通氣泵與反應腔連接，用於對反應腔通氣，其氣冷單元與所述粗泵連通；閥門控制單元，所述閥門控制單元將氣冷單元內的氣壓與反應腔的氣壓相比較，當所述氣冷單元內的氣壓大於反應腔的氣壓時，使得所述蝶形閥關閉。本發明中粗泵在工作時總是對氣冷單元抽氣，能夠降低氣冷單元內的氣壓，使其與反應腔的氣壓保持平衡，所述閥門控制單元對上述氣壓進行比較，控制蝶形閥的開啟或關閉，可以有效防止冷卻氣體反充入反應腔中。
文檔編號H01J37/32GK102568991SQ20101059483
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者何偉業, 孔祥濤, 聶佳相, 陳碧欽 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司