專利名稱：用于等離子體反應(yīng)器室的無o形環(huán)串列節(jié)流閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于等離子體反應(yīng)器室的無O形環(huán)串列節(jié)流閥。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體電路制造所用的大多數(shù)等離子體處理需要用耦合到等離子體反 應(yīng)器室的真空泵將等離子體反應(yīng)器室維持在亞大氣壓的壓力下。通常，真 空泵以額定恒定的速率工作，同時用耦合在室與真空泵之間的蝶形閥來調(diào)節(jié)室壓力。蝶形閥具有可旋轉(zhuǎn)的盤狀翼片(flap)，所述盤狀翼片的旋轉(zhuǎn) 位置決定了真空泵的流率并因而控制了室壓力。閥翼片通常在其周圍具有 O形環(huán)，在閥處于關(guān)閉位置的任何時候，O形環(huán)都處于閥殼體的邊緣。為 了確保當(dāng)閥翼片處于關(guān)閉位置時的密封性，O形環(huán)是必須的。在使O形環(huán) 處于略微開啟的位置以達(dá)到期望的室壓力時，O形環(huán)會受到磨損。經(jīng)O形 環(huán)流過的等離子體和氣體與O形環(huán)的材料發(fā)生反應(yīng)并使之變差或除去。因 此，必須周期形地維護(hù)閥并更換O形環(huán)，這需要很大的維護(hù)費用并使反應(yīng) 器有很長的停工期。另一個問題是，在閥的最大流動能力及其精確調(diào)節(jié)室壓力的能力之間 存在某種折衷?？梢詫毫M(jìn)行控制的分辨率大體上與閥的直徑成反比。 這是因為，取決于用來使翼片旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)或伺服裝置，對閥翼片的旋轉(zhuǎn) 角度的控制被限制在最小的角度行程。最小角度行程或分辨率可以是小于 1度。對于很小直徑的閥翼片和開口而言，這種分辨率可以對室壓力實現(xiàn) 高精度或精密控制。但是，對于較大直徑的閥翼片或開口，翼片移過這種 最小角度行程就會造成室壓力相當(dāng)大的改變，從而不能對室壓力進(jìn)行精密 控制。這種問題可以通過采用較小直徑的閥翼片和開口來克服。但是，這 種措施限制了將室排空或?qū)ζ淝鍧崟r所能采用的流率。例如，采用小直徑 的閥不能通過NF3氣體用清潔氣體和副產(chǎn)品的快速"傾瀉"來對室進(jìn)行清 潔。需要一種壓力控制閥，它具有很高的流率(最大開口尺寸)，但是盡 管最大開口尺寸較大，也仍然能以像很小的閥那樣的精確度對室壓力進(jìn)行控制，這種閥不需要對o形環(huán)進(jìn)行周期形的更換。發(fā)明內(nèi)容一種閥系統(tǒng)，具有高的最大氣體流率和對氣體流率的精密控制，所述 闊系統(tǒng)包括閥殼體，用于阻擋氣體流經(jīng)氣體流路；穿過所述殼體并具有 第一弓形側(cè)壁的大面積開口；穿過所述殼體并具有第二弓形側(cè)壁的小面積 開口；以及大面積和小面積可旋轉(zhuǎn)閥翼片，分別位于所述大面積開口和小面積開口中并具有分別與所第一和第二弓形側(cè)壁一致的弓形邊緣，并在其 間分別限定了第 一 閥間隙和第二閥間隙。第 一 閥間隙和第二閥間隙小到足 以阻擋預(yù)定最小氣流極限的預(yù)定壓力極限通過所述閥殼體的氣流，從而消除了對o形環(huán)的任何需要。


圖1A圖示了包括本發(fā)明的閥組件的一種等離子體反應(yīng)器。圖1B是圖1A的閥組件中閥的放大剖視側(cè)視圖。圖2是圖1B的閥中閥翼片頂側(cè)的立體圖。圖3是圖2的閥翼片底側(cè)的立體圖。圖4是閥組件的剖視側(cè)視圖。圖5是圖4的閥組件中閥翼片和殼體的立體圖。圖6是閥組件的剖視末端圖。圖7是圖1的反應(yīng)器中閥系統(tǒng)的立體圖，包括驅(qū)動電動機(jī)和反饋控制 系統(tǒng)。
具體實施方式
參考圖1A和圖1B，等離子體反應(yīng)器IO具有包圍了真空室16的頂板 12和側(cè)壁14，晶片支撐底座18位于室16內(nèi)用于支撐待處理的硅晶片。處
理氣體供應(yīng)器11通過氣體噴射裝置13將處理氣體或處理氣體混合物供應(yīng)到室16中。從RF偏壓功率發(fā)生器15通過阻抗匹配電路17向晶片底座18 施加等離子體偏壓功率?？梢詮腞F源功率發(fā)生器19并通過阻抗匹配電路 21向源功率施加器(source power applicator,例如可以是天線或電極，并 可以位于頂板12處或底座18處)23施加等離子體源功率。泵送環(huán)20限 定在側(cè)壁14與底座18之間。泵送導(dǎo)管22耦合在泵送環(huán)20與外部真空泵 24之間。泵送導(dǎo)管22的內(nèi)表面具有對閥殼體28進(jìn)行支撐的肩部26，閥殼體 28橫跨泵送導(dǎo)管22的整個直徑延伸。閥殼體28支撐了一對串列蝶形閥， 即較大的高容量閥30和較小的精密控制閥32。高容量閥30由穿過閥殼體 28的圓形開口 34以及可旋轉(zhuǎn)的閥翼片36組成。閥翼片36是扁平的一部 分球體，因此具有弓形邊緣38。穿過閥殼體28的開口 34的邊緣40具有 與閥翼片弓形邊緣38匹配的類似弓形形狀。在翼片36處于關(guān)閉位置(即 與閥殼體28的平面平行)時，弓形邊緣38、 40限定了具有厚度T的弓形 間隙。弓形間隙的半徑足夠小，使得不存在經(jīng)過弓形間隙從閥內(nèi)側(cè)到外側(cè) (即從室16到泵24)的直線路徑。這有助于限制氣體經(jīng)弓形間隙逸出的 速率。優(yōu)選地，弓形間隙的厚度T小于給定壓力范圍內(nèi)室16中氣體或等 離子體的平均碰撞自由程。在一種實施例中，這個壓力范圍可以是2mT至 200mT。換句話說，該實施例中的間隙厚度足夠小，以致比高達(dá)200mT的 室壓力下的平均碰撞自由程更小。取決于期望的室壓力工作范圍，間隙厚 度T可以在例如約0.010到0.030英寸之間，或者更小。對室壓力的粗控 制是通過對高容量閥翼片36的旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行控制來獲得的，所述位置確 定了閥開口的尺寸d (圖1B)。通過這種小間隙以及經(jīng)過間隙的環(huán)形路 徑，處理氣體或等離子體產(chǎn)物經(jīng)過間隙逸出的速率較低。這種特征消除了 對用任何O形環(huán)來密封間隙的需要，是一個顯著的優(yōu)點。高容量閥30的導(dǎo)通性情況是由閥開口尺寸d來確定的，該尺寸與閥 翼片36的角度位置或旋轉(zhuǎn)位置有單調(diào)關(guān)系(對于0度(關(guān)閉)直至90度 (完全開啟)的角度位置范圍)。這種導(dǎo)通性情況以及氣體流率決定了室 壓力，因此通過閥翼片36的旋轉(zhuǎn)來控制閥開口尺寸d，從而對室進(jìn)行調(diào) 精密控制閥32由穿過閥殼體28的圓形開口 44和可旋轉(zhuǎn)的閥翼片46 組成。閥翼片46是扁平的一部分球體，因此具有弓形邊緣48。穿過閥殼 體28的開口 44的邊緣50具有與閥翼片弓形邊緣48匹配的類似弓形形 狀。在翼片46處于關(guān)閉位置(即與閥殼體28的平面平行)時，弓形邊緣 48、 60限定了具有厚度t的弓形間隙51。弓形間隙51的半徑足夠小，使 得不存在經(jīng)過弓形間隙51從陶內(nèi)側(cè)到外側(cè)(即從室16到泵24)的直線路 徑。這有助于限制氣體經(jīng)弓形間隙51逸出的速率。根據(jù)有助于防止氣體經(jīng)間隙51逸出的另一個特征，間隙厚度t小于給 定壓力范圍內(nèi)室16中氣體或等離子體的平均碰撞自由程。在一種實施例 中，這個壓力范圍可以是2mT至200mT。換句話說，該實施例中的間隙 厚度足夠小，以致比高達(dá)200mT的室壓力下的平均碰撞自由程更小。間隙 厚度可以是例如約0.010至0.030英寸。對室壓力的精密控制是通過對翼 片46的旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行控制來獲得的，所述位置確定了閥開口的尺寸。通 過這種小間隙以及經(jīng)過間隙的環(huán)形路徑，處理氣體或等離子體產(chǎn)物經(jīng)過間 隙逸出的速率較低。這種特征消除了對用任何O形環(huán)來密封間隙的需要， 是一個顯著的優(yōu)點。經(jīng)過閥32的導(dǎo)通性情況是由閥開口尺寸來確定的，該尺寸與閥翼片 46的角度位置或旋轉(zhuǎn)位置有單調(diào)關(guān)系(對于0度(關(guān)閉)直至90度(完 全開啟)的角度位置范圍)。各個串列閥30、 32單獨的導(dǎo)通性情況的并 行總和與氣體流率決定了室壓力，因此通過閥翼片36和46的旋轉(zhuǎn)來控制 各個閥30、 32的閥開口尺寸，從而對室壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。高容量閥30的一 個優(yōu)點是，通過將高容量闊30的翼片36旋轉(zhuǎn)到其完全開啟(即相對于闊 殼體28的平面垂直)的角度位置，可以獲得特別大的室排空率。高容量 閥的直徑可以很大(例如9英寸)，從而實現(xiàn)用清潔氣體(例如NF3)或 用例如膜沉積期間的沉積氣體進(jìn)行室清潔操作的過程中所需大的室排空速 率。但是，高容量閥不提供將室壓力調(diào)節(jié)至期望壓力值的最精確調(diào)節(jié)，因 為其翼片36的較小角度旋轉(zhuǎn)即可給室壓力產(chǎn)生較大改變。精確控制是由 精密控制閥32來提供的，其開口直徑可以小至1英寸(例如)。在精密 7說明書第5/7頁控制閥32的情況下，其翼片46的較小角度旋轉(zhuǎn)給室壓力產(chǎn)生較小的改 變，從而便于對室壓力進(jìn)行較小的精確調(diào)節(jié)。此外，由于其直徑較小，精 密控制閥翼片46具有較小的慣性矩，這使得用具有適度扭矩能力的電動 機(jī)即可對室壓力實現(xiàn)非常迅速的校正或改變，從而增強(qiáng)了閥32的精密控 制能力。在工作中，高容量閥30被設(shè)定到旋轉(zhuǎn)位置(即開口尺寸d)，該位置 將室壓力設(shè)定成比所需室壓力高出某個差值，所述差值小到足以處于精密 控制閥32的補償能力范圍之內(nèi)。然后通過開啟精密控制閥32直至室壓力 已降低到期望值為止，來將室壓力精確地調(diào)節(jié)到精確的期望壓力值。由于 精密控制閥32具有這樣小的開度，所以精密控制閥翼片46的旋轉(zhuǎn)運動對 室壓力實施了很小的改變，從而便于對室壓力進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。圖2示出了閥翼片36面向室16的一個表面("等離子體"側(cè))是光 滑的連續(xù)表面。圖3的立體圖示出了閥翼片36的相反那側(cè)由周圍的裙部 60部分地包圍的中空狀空間，裙部60限定了弓形邊緣38并從平坦頂表面 62軸向延伸。經(jīng)過翼片的中心而在裙部60的相反側(cè)之間延伸的徑向支柱 64提供了剛度。輪軸或軸66部分地跨越直徑并經(jīng)過裙部60的一側(cè)延伸。 軸66覆蓋并緊固到徑向支柱64之一上。與軸66對準(zhǔn)的銷61從裙部60的 相反側(cè)向外徑向延伸。參考圖4的剖視圖，頂部環(huán)70套在殼體28上半部 分的中空環(huán)72中。頂部環(huán)70形成了弓形邊緣40的上半部分，而殼體28 形成了弓形邊緣40的另外半部分。在頂部環(huán)70被以螺栓方式固定到位 時，閥殼體28中形成的半圓柱形軸孔28a以及頂部環(huán)70中形成的匹配半 圓柱形軸孔28b形成包圍了軸66的圓柱形軸孔27。半圓柱形軸襯套71覆 蓋了軸66中延伸到頂部環(huán)70之外的部分。以類似方式，在頂部環(huán)70被以 螺栓方式固定到位時，閥殼體28中形成的半圓柱形銷孔29a以及頂部環(huán) 70中的匹配半圓柱形銷孔29b形成包圍了軸66的圓柱形銷孔29。 一對聚 四氟乙烯襯墊74a、 74b分別包圍軸66和銷61，并保持翼片36在閥開口 34內(nèi)的軸向位置。對于約0.010至0.030英寸量級的間隙厚度，聚四氟乙 烯襯墊74a、 74b各自具有例如約0.010英寸的厚度。較小的精密控制閥32和翼片46是與較大的粗控制閥30和翼片36相
同但較小的形式，因此具有與圖2、圖3和圖4所示相同的結(jié)構(gòu)，但尺寸更小。例如，在一種實施例中，精密控制閥32約為粗控制閥30直徑的約 1/10。一種可選的特征是，如圖5和圖6所示，通過在闊開口 34的弓形表面 40中形成增強(qiáng)流動的槽90,來增大高容量閥30中的導(dǎo)通性情況。槽90可 以是弓形的，其徑向槽深度s在閥殼體28的表面處具有最大深度，并在殼 體28表面下方的某個深度p處為零，槽深度s隨著殼體表面下方的深度而 減小。在殼體28表面下方的選定深度p處，槽深度s達(dá)到零(使得槽90 消失)。類似的槽91可以從殼體28的相反表面延伸，并以與槽90相同的 方式沿相反方向變細(xì)。上下槽90、 91對準(zhǔn)并可以具有相同的深度p。它們 的共同槽深度p小于閥殼體28厚度的一半，從而在兩個槽90、 91之間存 在彎曲開口表面40的表面區(qū)域40a。如圖6所示，結(jié)果是當(dāng)閥翼片36處 于關(guān)閉(平行)位置時，閥翼片36的周邊與表面區(qū)域40a之間存在期望厚 度T的間隙。如本說明書中此前所述，間隙厚度T足夠小，從而在不需要 0形環(huán)的情況下限制氣體或等離子體經(jīng)過閥的泄漏速率。槽90、 91的目的是使經(jīng)過閥的導(dǎo)通性情況隨著翼片從其關(guān)閉位置的 旋轉(zhuǎn)而增大的速率增加。這種增加是通過上部殼體表面中的槽90和下部 殼體表面中的槽91的數(shù)目增加而增大的。圖7圖示了怎樣用一對快速正耦合器電動機(jī)(positive coupler motor) 93、 95來控制各個閥翼片36、 46的旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)93、 95分別耦合到閥 30、 32的軸。反饋控制系統(tǒng)97把從室內(nèi)壓力傳感器98接收到的實際室壓 力測量結(jié)果與期望室壓力進(jìn)行比較，并通過電動機(jī)93、 95來控制兩個閥 30、 32的位置。可以對控制系統(tǒng)97編程以通過對電動機(jī)93進(jìn)行操作而使 實際室壓力與期望值大致匹配，然后通過對電動機(jī)95進(jìn)行操作而實現(xiàn)實 際室壓力與期望室壓力的精確匹配。面向等離子體反應(yīng)器的閥殼體表面和閥翼片表面優(yōu)選為與等離子體處 理相容的材料。對于某些處理，該材料可以是鋁。閥殼體和閥翼片面向真 空泵的相反那側(cè)以及軸可以由其他材料(例如鋼或不銹鋼)形成。不需要 O形環(huán)來密封閥組件，這是一個顯著的優(yōu)點。 盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是應(yīng)當(dāng)明白， 在不脫離本發(fā)明的真正精神和范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種變更和修 改。
權(quán)利要求
1.一種閥系統(tǒng)，具有高的最大氣體導(dǎo)通性和對氣體導(dǎo)通性的精密控制，所述閥系統(tǒng)包括閥殼體，用于限制經(jīng)過氣體流路的氣流；穿過所述殼體的大面積開口，具有第一弓形側(cè)壁；和大面積可旋轉(zhuǎn)閥翼片，位于所述大面積開口中，并具有與所第一弓形側(cè)壁一致的弓形邊緣，并在其間限定了第一閥間隙。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥系統(tǒng)，還包括 穿過所述殼體的小面積開口，具有第二弓形側(cè)壁；和 小面積可旋轉(zhuǎn)翼片，處于所述小面積開口中，并具有與所述第二弓形側(cè)壁一致的弓形邊緣，并在其間限定了第二閥間隙。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥系統(tǒng)，其中，所述第一閥間隙小到足以將 高達(dá)預(yù)定壓力極限的所述閥殼體的氣體導(dǎo)通性限制在預(yù)定氣體流率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的閥系統(tǒng)，其中，所述第一閥間隙和所述第二 閥間隙小到足以將高達(dá)預(yù)定壓力極限的所述閥殼體的氣體導(dǎo)通性限制在預(yù) 定最小氣體流率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的閥系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定壓力極限約為 200mT，其中，所述最小氣體流率約為10sccm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的閥系統(tǒng)，其中，所述第一閥間隙小于所述預(yù) 定壓力極限內(nèi)所述氣體的平均碰撞自由程長度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的閥系統(tǒng)，其中，所述閥間隙小于所述預(yù)定壓 力極限內(nèi)所述氣體的平均碰撞自由程長度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥系統(tǒng)，還包括 所述大面積開口的所述側(cè)壁內(nèi)的多個槽。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的閥系統(tǒng)，其中，所述多個槽包括所述側(cè)壁內(nèi) 的弓形孔，所述弓形孔從所述閥殼體的一個表面延伸并具有深度，所述深 度在所述側(cè)壁的一個表面處最大，并在所述閥殼體的所述一個表面下方的 預(yù)定距離處減小到最小值或零深度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的閥系統(tǒng)，還包括多個槽，所述多個槽從所 述閥殼體的相反表面延伸并在所述側(cè)壁中包括弓形孔，所述弓形孔具有深 度，所述深度在所述側(cè)壁的所述相反表面處最大，并在所述相反表面下方 的預(yù)定距離處減小到最小值或零深度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的閥系統(tǒng)，其中，從所述一個表面延伸的所 述多個槽以及從所述相反表面延伸的所述多個槽被所述側(cè)壁的無槽區(qū)域分 隔開。
12. —種閥組件，用于控制從等離子體反應(yīng)器室向真空泵的氣體導(dǎo)通 性或室壓力中的一者，所述閥組件包括閥殼體，具有相反的第一和第二表面； 高導(dǎo)通閥，包括大面積開口，處于相反的所述第一和第二表面中并穿過所述閥殼 體延伸，所述開口限定了在所述第一表面與所述第二表面之間延伸并具有 弓形截面的側(cè)壁，大面積可旋轉(zhuǎn)翼片，處于所述大面積開口中并具有周邊邊緣，所 述周邊邊緣具有與所述側(cè)壁的弓形截面大致匹配的弓形截面，在處于關(guān)閉 翼片位置時，所述周邊邊緣與所述側(cè)壁之間限定了小間隙； 精密控制閥，包括小面積開口，處于相反的所述第一和第二表面中并穿過所述閥殼 體延伸，所述開口限定了在所述第一表面與所述第二表面之間延伸并具有 弓形截面的側(cè)壁，小面積可旋轉(zhuǎn)翼片，處于所述小面積開口中并具有周邊邊緣，所 述周邊邊緣具有與所述側(cè)壁的弓形截面大致匹配的弓形截面，在處于關(guān)閉 翼片位置時，所述周邊邊緣與所述側(cè)壁之間限定了小間隙；
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，每個所述小間隙小到足以將預(yù)定壓力范圍內(nèi)經(jīng)過所述閥組件的氣體導(dǎo)通性限制在預(yù)定最小氣體流率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述壓力范圍延伸到高達(dá)約 200mT，其中，所述最小氣體流率約為10sccm。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，每個所述小間隙在約千分之 二十英寸的量級。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，在所述反應(yīng)器室的選定壓力 范圍內(nèi)，每個所述間隙小于所述反應(yīng)器室中等離子體的平均碰撞自由程長 度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，還包括 所述大面積開口的所述側(cè)壁中的多個槽。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述多個槽包括所述側(cè)壁內(nèi)的弓形孔，所述弓形孔從所述閥殼體的一個表面延伸并具有深度，所述深 度在所述側(cè)壁的一個表面處最大，并在所述陶殼體的所述一個表面下方的 預(yù)定距離處減小到最小值或零深度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括多個槽，所述多個槽從所述 閥殼體的相反表面延伸并在所述側(cè)壁中包括弓形孔，所述弓形孔具有深 度，所述深度在所述側(cè)壁的所述相反表面處最大，并在所述相反表面下方 的預(yù)定距離處減小到最小值或零深度。
20. —種壓力控制系統(tǒng)，包括等離子體反應(yīng)器室；至所述室的處理氣體供應(yīng)器，具有預(yù)定氣體流率； 排空泵；壓力傳感器，耦合到所述室；耦合在所述室與所述排空泵之間的閥，所述閥具有高的最大氣體導(dǎo)通 性和對氣體導(dǎo)通性的精密控制，所述閥包括a) 閥殼體，用于限制經(jīng)過氣體流路的氣流；b) 穿過所述殼體的大面積開口，具有第一弓形側(cè)壁；c) 大面積可旋轉(zhuǎn)閥翼片，位于所述大面積開口中，并具有與所第 一弓形側(cè)壁一致的弓形邊緣，并在其間限定了第一閥間隙；以及d) 反饋控制系統(tǒng)，耦合到所述壓力傳感器和所述可旋轉(zhuǎn)閥翼片， 用于控制所述室內(nèi)的壓力。
全文摘要
一種閥系統(tǒng)，具有高的最大氣體導(dǎo)通性和對氣體導(dǎo)通性的精密控制，所述閥系統(tǒng)包括閥殼體，用于阻擋經(jīng)過氣體流路的氣流；穿過所述殼體的大面積開口，具有第一弓形側(cè)壁；穿過所述殼體的小面積開口，具有第二弓形側(cè)壁；以及大面積和小面積可旋轉(zhuǎn)閥翼片，分別位于所述大面積開口和小面積開口中并具有分別與所第一和第二弓形側(cè)壁一致的弓形邊緣，并在其間分別限定了第一閥間隙和第二閥間隙。第一閥間隙和第二閥間隙小到足以阻擋高達(dá)預(yù)定壓力限制的所述閥殼體一側(cè)的氣流，從而消除了對O形環(huán)的任何需要。
文檔編號H01L21/306GK101167164SQ200680014181
公開日2008年4月23日 申請日期2006年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月26日
發(fā)明者塙廣二 申請人:應(yīng)用材料公司