CN110797278B - 微环境的压力控制系统及其控制方法、半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微环境的压力控制系统及其控制方法、半导体处理设备。包括压差检测单元，分别连接至微环境、外部大气环境以及工艺腔室，用于分别获取微环境内部与外部大气环境之间的第一压力差以及微环境内部与工艺腔室内部之间的第二压力差；控制单元，用于分别将第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整微环境内部的压力；以及将第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整微环境内部的压力。可以有效阻止微环境外部颗粒进入微环境，还可以使得工艺腔室不受微环境影响，提高工艺性能。

Description

微环境的压力控制系统及其控制方法、半导体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种微环境的压力控制系统、一种微环境的压力控制方法以及一种半导体处理设备。

背景技术

在半导体热处理设备中，微环境是除了工艺腔室之外需要与外部大气环境隔离的封闭空间区域，是半导体处理设备的核心结构之一，其主要功能是提供晶圆在半导体设备内部进行传输、装卸及中转的稳定区域，晶圆在进行工艺处理前以及在完成工艺后的传输、装卸都要在微环境内部进行，因此在该区域内要求满足洁净度、氧含量、温度、压力等环境要求。压力控制作为微环境的重要参数指标，对产品最终的工艺性能有着重要的影响。

中国专利ZL200820234115.7公开了一种300mm立式氧化炉微环境压力控制系统，并具体公开了：该压力控制系统设有与微环境连通的风机，其进气管通过一个流量计MFC和一个自控阀门PV2与工艺气源连通；风机还通过一个自控阀门PV1直接与气源连通，并通过一个自控阀门PV3与厂总排气口连通；设有一个压力计与微环境连通，另外设有一个压差计，该压差计的进气管与微环境内的炉体排气口连通，其排气管与厂总排气口连通；微环境还设有一个自控阀门PV4控制的排气管；自控阀门PV1、PV2、PV3和PV4与一个可编程控制器PLC控制连接；压力机和压差计与PLC信号连接。

但是，上述中国专利所公开的方案中，其没有提供微环境内部与工艺腔室内部压力的对比，无法得知当工艺腔室与微环境接触前两者的压力对比，无法判断当工艺腔室门打开时，微环境是否会对工艺腔室造成影响。

此外，上述中国专利所公开的方案中，只能进行一种微环境气体模式下的压力控制，微环境进气口只有一个，当半导体处理设备进行不同工艺需要切换微环境内部的气体氛围时，该方案无法进行模式切换，只能进行一种工艺方案。

最后，上述中国专利所公开的方案中，当供气压力过大时，其通过打开位于进气管道的自控阀门PV3进行卸压，根据之前描述其控制方案，显然会对气源造成浪费。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种微环境的压力控制系统、一种微环境的压力控制方法以及一种半导体处理设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种微环境的压力控制系统，所述微环境的压力控制系统包括：

压差检测单元，分别连接至微环境、外部大气环境以及工艺腔室，用于分别获取所述微环境内部与所述外部大气环境之间的第一压力差以及所述微环境内部与所述工艺腔室内部之间的第二压力差；

控制单元，用于分别将所述第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力；以及将所述第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力。

可选地，所述微环境系统还包括至少一路进气单元和泄压单元，所述进气单元和所述泄压单元均选择性地与所述微环境内部连通；

所述控制单元，用于在所述第一压力差大于所述第一目标压力差或所述第二压力差大于所述第二目标压力差时，控制所述泄压单元与所述微环境内部连通，并同时减小所述进气单元向所述微环境内部提供的工艺气体流量；以及，

所述控制单元，还用于在所述第一压力差小于所述第一目标压力差或所述第二压力差小于所述第二目标压力差时，控制所述进气单元增大向所述微环境内部提供的工艺气体流量。

可选地，所述进气单元包括第一进气子单元和第二进气子单元；

所述第一进气子单元包括第一气源、第一进气管道、第一阀门和第一气体流量计，所述第一气源经由所述第一进气管道与所述微环境连接，所述第一阀门和所述第一气体流量计依次串接设置在所述第一进气管道上；

所述第二进气子单元包括第二气源、第二进气管道和第二阀门，所述第二气源经由所述第二进气管道与所述微环境连接，所述第二阀门串接设置在所述第二进气管道上；

所述第一阀门、所述第一气体流量计和所述第二阀门均与所述控制单元电连接。

可选地，所述第一气体流量计为气体质量流量控制器，所述第二气源为风机。

可选地，所述泄压单元包括泄压管路和泄压阀；

所述泄压管路的一端与所述微环境的泄压口连接，所述泄压管路的另一端经由所述泄压阀与外部大气环境连接；

所述泄压阀与所述控制单元电连接。

可选地，所述压差检测单元包括压差计、检测管路、检测支路、第三阀门和第四阀门；

所述压差计的一端与所述微环境的压力检测口连接，所述压差计的另一端分别通过检测管路和检测支路与所述外部大气环境以及所述工艺腔室的排气口连接；

所述第三阀门设置在所述检测管路上，所述第四阀门设置在所述检测支路上；

所述压差计、所述第三阀门和所述第四阀门均与所述控制单元电连接。

本发明的第二方面，提供了一种微环境的压力控制方法，所述压力控制方法包括：

步骤S110、检测微环境与工艺腔室是否处于连通状态，若否，执行步骤S120，若是，执行步骤S130；

步骤S120、获取所述微环境内部与外部大气环境之间的第一压力差，并将所述第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力；

步骤S130、获取所述微环境内部与所述工艺腔室内部之间的第二压力差，并将所述第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力。

可选地，在步骤S120中，调整所述微环境内部的压力的步骤具体包括：

当所述第一压力差大于所述第一目标压力差时，对所述微环境内部进行泄压，并同时减小向所述微环境内部提供的工艺气体流量；

当所述第一压力差小于所述第一目标压力差时，增大向所述微环境内部提供的工艺气体流量。

可选地，在步骤S130中，调整所述微环境内部的压力的步骤具体包括：

当所述第二压力差大于所述第二目标压力差时，对所述微环境内部进行泄压，并同时减小向所述微环境内部提供的工艺气体流量；

当所述第二压力差小于所述第二目标压力差时，增大向所述微环境内部提供的工艺气体流量。

可选地，所述微环境连接有多路进气单元，所述压力控制方法还包括在步骤S110之前进行的：

步骤S101、分别控制每路所述进气单元选择性地与所述微环境内部连通。

本发明的第三方面，提供了一种半导体处理设备，包括前文记载的所述的微环境的压力控制系统。

本发明的微环境的压力控制系统及其压力控制方法、半导体处理设备。其利用所设置的压差检测单元和控制单元，通过检测并控制微环境与外部大气环境之间的压力差，可以有效阻止微环境外部颗粒进入微环境。通过检测并控制微环境内部与工艺腔室内部的压力差，可以使得工艺腔室不受微环境影响，提高工艺性能。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明第一实施例中微环境的压力控制系统的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中第二进气子单元中的风机与过滤器的结构示意图；

图3为本发明第三实施例中第二进气子单元的结构示意图；

图4为本发明第四实施例中微环境的压力控制方法的流程图。

附图标记说明

100：压力控制系统；

110：压差检测单元；

111：压差计；

112：检测管路；

113：检测支路；

114：第三阀门；

115：第四阀门；

120：进气单元；

121：第一进气子单元；

121a：第一气源；

121b：第一进气管道；

121c：第一阀门；

121d：第一气体质量流量控制器；

122：第二进气子单元；

122a：第二气源；

122b：第二进气管道；

122c：第二阀门；

122d：过滤器；

122e：第二气体质量流量控制器；

122f：空气压缩机；

130：泄压单元；

131：泄压管路；

132：泄压阀；

200：半导体处理设备；

210：微环境；

211：压力检测口；

220：工艺腔室；

221：工艺腔室门；

222：排气口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的第一方面，涉及一种微环境的压力控制系统100，该控制系统100包括压差检测单元110和控制单元(图中并未示出)。其中，压差检测单元110，分别连接至微环境210、外部大气环境以及工艺腔室220。压差检测单元110用于分别获取微环境210内部与外部大气环境之间的第一压力差以及微环境210内部与工艺腔室220内部之间的第二压力差。控制单元，用于分别将第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整微环境210内部的压力；以及将第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整微环境210内部的压力。

具体地，在工艺时，当工艺腔室220与微环境210之间处于非连通状态时，如图1所示，工艺腔室门221处于关闭状态，此时，微环境210内部相对独立，由于微环境210内部无法绝对密封，为保证微环境210内部的洁净度要求，需要尽量减少外部的颗粒通过间隙进入微环境210，因此需要微环境210内部的压力高于外部。此时，可以利用所设置的压差检测单元110，检测微环境210与外部大气环境之间的第一压力差，控制单元将第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，并根据比较结果控制微环境210内部的压力，从而可以保证微环境210内部压力高于外部大气环境压力，同时可以做到在使用最低工艺气体流量的基础上，实现控制微环境210内部洁净度的目的，降低设备运行成本。

当工艺腔室220与微环境210之间处于连通状态时，如图1所示，工艺腔室门221处于开启状态，利用压差检测单元110，检测微环境210与工艺腔室220之间的第二压力差，控制单元将第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，并根据比较结果控制微环境210内部的压力，从而可以保证微环境210内部压力低于工艺腔室220内部压力，使得工艺腔室220内部的环境不受微环境210影响，提高设备的工艺性能。

本实施例结构的微环境的压力控制系统100，利用所设置的压差检测单元110和控制单元，通过检测并控制微环境210与外部大气环境之间的压力差，可以有效阻止微环境210外部颗粒进入微环境210。通过检测并控制微环境210内部与工艺腔室220内部的压力差，可以使得工艺腔室220不受微环境210影响，提高工艺性能。

需要说明的是，对于压差检测单元110的具体结构并没有作出限定，例如，该压差检测单元110可以是压差计等结构。

进一步需要说明的是，对于控制单元的具体结构并没有作出限定，例如，该控制单元可以是PLC等可编程控制器件。

具体地，如图1所述，微环境的压力控制系统100还包括至少一路进气单元120和泄压单元130。该进气单元120和泄压单元130均选择性地与微环境210内部连通。

其中，上述控制单元，用于在第一压力差大于第一目标压力差或第二压力差大于第二目标压力差时，控制泄压单元130与微环境210内部连通，并同时减小进气单元120向微环境210内部提供的工艺气体流量。该控制单元，还用于在第一压力差小于第一目标压力差或第二压力差小于第二目标压力差时，控制进气单元120增大向微环境210内部提供的工艺气体流量。

需要说明的是，对于进气单元120的具体数量并没有作出限定，在实际应用时，可以根据实际需要进行确定，例如，该进气单元120可以包括两路或者多路进气单元等等。

具体地，如图1所示，进气单元120包括第一进气子单元121和第二进气子单元122。第一进气子单元121包括第一气源121a、第一进气管道121b、第一阀门121c和第一气体流量计。

其中，第一气源121a经由第一进气管道121b与微环境110连接，第一阀门121c和第一气体流量计依次串接设置在第一进气管道121b上。

第二进气子单元122包括第二气源122a、第二进气管道122b和第二阀门122c，第二气源122a经由第二进气管道122b与微环境110连接，第二阀门122c串接设置在第二进气管道122b上。并且，第一阀门121c、第一气体流量计和第二阀门122c均与控制单元电连接。

需要说明的是，第一气源121a和第二气源122a可以根据实际需要确定，例如，第一气源121a可以为氮气气源，第二气源122a可以为空气气源等等。下文将以第一气源121a为氮气气源，第二气源122a为空气气源为例进行说明。

在工艺时，可以利用控制单元控制第一阀门121c处于开启状态，同时，控制第二阀门122c处于关闭状态，从而使得第一气源121a，也即氮气气源与微环境110内部连通，进而可以使得微环境110处于氮气氛围。反之，当需要改变工艺时，可以利用控制单元控制第一阀门121c处于关闭状态，第二阀门122c处于开启状态，从而使得第二气源122a，也即空气气源与微环境110内部连通，进而以使得微环境110处于空气氛围。因此，本实施例中的微环境的压力控制系统100，在进行不同工艺时，可以利用所设置的第一进气子单元121和第二进气子单元122，使得微环境210内部可以进行两种不同工艺气体氛围的切换，避免了同一台设备只能够进行一种工艺的局限性。

如图1所示，第一气体流量计可以为第一气体质量流量控制器121d。如图1和图2所示，第二气源122a可以为风机，其中风机功率可调节。外部空气由风机通过第二进气管道122b送入微环境210。当工艺腔室门221处于关闭状态时，关闭第四阀门115，开启第三阀门114，可以通过调节风机功率，可以保证微环境210内部压力高于外部大气环境的压力。当工艺腔室门221处于打开状态时，关闭第三阀门114，开启第四阀门115，可以通过调节风机功率，可保证微环境210内部压力低于工艺腔室220内部压力。此方案可满足设备进行另一种工艺时，微环境210内部的气氛及压力控制进行模式的切换，满足设备对不同微环境压力要求下的控制需求。

此外，如图1和图2所示，第二进气子单元122还可以包括过滤器122d，该过滤器122d的两端分别连接风机和第二阀门122c。这样，进入微环境210之前的空气可以首先经过过滤器122d过滤，形成洁净气流再进入微环境110。

此外，第二进气子单元122的结构也可以如图3所示，与图1和图2中不同的是，风机被第二气体质量流量控制器122e替换，并且，第二进气子单元122还包括空气压缩机122f，该空气压缩机122f经由气体质量流量控制器122e与过滤器122d连接。

如图1所示，泄压单元130包括泄压管路131和泄压阀132。其中，泄压管路131的一端与微环境210的泄压口连接，泄压管路131的另一端经由泄压阀132与外部大气环境连接。泄压阀132与控制单元电连接。

具体地，如图1所示，当微环境210内部压力超过设定值时，也即第一压力差大于第一目标压力差或第二压力差大于第二目标压力差时，可以打开卸压阀132，使微环境110内部气体可以通过卸压管路131排出，同时通过质量流量控制器121d减少进气量，使微环境210内部压力稳定在目标值。由于泄压阀132设计在微环境210内部而不是在进气管路支路，微环境210内部压力远小于进气管路，当泄压阀132打开时，卸压量小，微环境210内部压力不会急剧下降，此时同时减小质量流量控制器121d的流量，可以使微环境210压力快速达到目标值，而不必像背景技术所公开的技术方案一样，压力急剧下降，后续还要补充大量气源重新达到目标值。因此，本实施例的微环境的压力控制系统100，可以有效减少气源的浪费，降低工艺成本，提高经济效益。

如图1所示，压差检测单元110包括压差计111、检测管路112、检测支路113、第三阀门114和第四阀门115。压差计111的一端与微环境110的压力检测口111连接，压差计111的另一端分别通过检测管路112和检测支路113与外部大气环境以及工艺腔室220的排气口222连接。第三阀门114设置在检测管路112上，第四阀门115设置在检测支路113上。压差计111、第三阀门114和第四阀门115均与控制单元电连接。

如前文记载，一并参考图1，在工艺腔室门221处于关闭状态时，此时，可以打开第三阀门114，关闭第四阀门115，则可以使得检测微环境210与外部大气环境之间的检测管路112处于连通状态，压差计111测量值为微环境210内部与外部大气环境的对比值。在工艺腔室门221处于打开状态时，此时，关闭第三阀门114，打开第四阀门115，则可以使得检测微环境210与工艺腔室220之间的检测支路113处于连通状态，压差计111测量值为微环境210内部与工艺腔室220的对比值。

本发明的第二方面，如图1和图4所示，提供了一种微环境的压力控制方法S100，该压力控制方法可以适用于前文记载的微环境的压力控制系统100，具体结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述，压力控制方法包括：

步骤S110、检测微环境与工艺腔室是否处于连通状态，若否，执行步骤S120，若是，执行步骤S110。

具体地，在本步骤中，可以结合图1，可以根据工艺腔室门221的状态判断微环境210与工艺腔室220是否处于连通状态，例如，当工艺腔室门221处于打开状态时，则微环境210与工艺腔室220处于连通状态，当工艺腔室门221处于关闭状态时，则微环境210与工艺腔室220处于非连通状态。

步骤S120、获取微环境内部与外部大气环境之间的第一压力差，并将第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整微环境内部的压力；

步骤S130、获取微环境内部与工艺腔室内部之间的第二压力差，并将第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整微环境内部的压力。

本实施例中的微环境的压力控制方法，通过检测并控制微环境与外部大气环境之间的压力差，可以有效阻止微环境外部颗粒进入微环境。通过检测并控制微环境内部与工艺腔室内部的压力差，可以使得工艺腔室不受微环境影响，提高工艺性能。

可选地，在步骤S120中，调整微环境内部的压力的步骤具体包括：

当第一压力差大于第一目标压力差时，对微环境内部进行泄压，并同时减小向微环境内部提供的工艺气体流量；

当第一压力差小于第一目标压力差时，增大向微环境内部提供的工艺气体流量。

可选地，在步骤S130中，调整微环境内部的压力的步骤具体包括：

当第二压力差大于第二目标压力差时，对微环境内部进行泄压，并同时减小向微环境内部提供的工艺气体流量；

当第二压力差小于第二目标压力差时，增大向微环境内部提供的工艺气体流量。

可选地，微环境连接有多路进气单元；压力控制方法还包括在步骤S110之前进行的：

步骤S101、分别控制每路进气单元选择性地与微环境内部连通。

本发明的第三方面，如图1所示，提供了一种半导体处理设备200，包括微环境210以及工艺腔室220，还包括前文记载的的微环境的压力控制系统100。

本实施例结构的半导体处理设备，具有前文记载的微环境的压力控制系统100，其可以利用所设置的压差检测单元110和控制单元，通过检测并控制微环境210与外部大气环境之间的压力差，可以有效阻止微环境210外部颗粒进入微环境210。通过检测并控制微环境210内部与工艺腔室220内部的压力差，可以使得工艺腔室220不受微环境210影响，提高工艺性能。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种微环境的压力控制系统，其特征在于，所述微环境的压力控制系统包括：

压差检测单元，分别连接至微环境、外部大气环境以及工艺腔室，用于在所述工艺腔室与所述微环境之间处于非连通状态时，获取所述微环境内部与所述外部大气环境之间的第一压力差，以及在所述工艺腔室与所述微环境之间处于连通状态时，获取所述微环境内部与所述工艺腔室内部之间的第二压力差；

控制单元，用于在所述工艺腔室与所述微环境之间处于非连通状态时，将所述第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力；以及在所述工艺腔室与所述微环境之间处于连通状态时，将所述第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力。

2.根据权利要求1所述的微环境的压力控制系统，其特征在于，所述微环境的压力控制系统还包括至少一路进气单元和泄压单元，所述进气单元和所述泄压单元均选择性地与所述微环境内部连通；

所述控制单元，用于在所述第一压力差大于所述第一目标压力差或所述第二压力差大于所述第二目标压力差时，控制所述泄压单元与所述微环境内部连通，并同时减小所述进气单元向所述微环境内部提供的工艺气体流量；以及，

所述控制单元，还用于在所述第一压力差小于所述第一目标压力差或所述第二压力差小于所述第二目标压力差时，控制所述进气单元增大向所述微环境内部提供的工艺气体流量。

3.根据权利要求2所述的微环境的压力控制系统，其特征在于，所述进气单元包括第一进气子单元和第二进气子单元；

所述第一进气子单元包括第一气源、第一进气管道、第一阀门和第一气体流量计，所述第一气源经由所述第一进气管道与所述微环境连接，所述第一阀门和所述第一气体流量计依次串接设置在所述第一进气管道上；

所述第二进气子单元包括第二气源、第二进气管道和第二阀门，所述第二气源经由所述第二进气管道与所述微环境连接，所述第二阀门串接设置在所述第二进气管道上；

所述第一阀门、所述第一气体流量计和所述第二阀门均与所述控制单元电连接。

4.根据权利要求3所述的微环境的压力控制系统，其特征在于，所述第一气体流量计为气体质量流量控制器；所述第二气源为风机。

5.根据权利要求2所述的微环境的压力控制系统，其特征在于，所述泄压单元包括泄压管路和泄压阀；

所述泄压管路的一端与所述微环境的泄压口连接，所述泄压管路的另一端经由所述泄压阀与外部大气环境连接；

所述泄压阀与所述控制单元电连接。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的微环境的压力控制系统，其特征在于，所述压差检测单元包括压差计、检测管路、检测支路、第三阀门和第四阀门；

所述压差计的一端与所述微环境的压力检测口连接，所述压差计的另一端分别通过检测管路和检测支路与所述外部大气环境以及所述工艺腔室的排气口连接；

所述第三阀门设置在所述检测管路上，所述第四阀门设置在所述检测支路上；

所述压差计、所述第三阀门和所述第四阀门均与所述控制单元电连接。

7.一种微环境的压力控制方法，其特征在于，所述压力控制方法包括：

步骤S110、检测微环境与工艺腔室是否处于连通状态，若否，执行步骤S120，若是，执行步骤S130；

步骤S120、获取所述微环境内部与外部大气环境之间的第一压力差，并将所述第一压力差与预设的第一目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力；

步骤S130、获取所述微环境内部与所述工艺腔室内部之间的第二压力差，并将所述第二压力差与预设的第二目标压力差进行比较，当两者不一致时，调整所述微环境内部的压力。

8.根据权利要求7所述的微环境的压力控制方法，其特征在于，在步骤S120中，调整所述微环境内部的压力的步骤具体包括：

当所述第一压力差大于所述第一目标压力差时，对所述微环境内部进行泄压，并同时减小向所述微环境内部提供的工艺气体流量；

当所述第一压力差小于所述第一目标压力差时，增大向所述微环境内部提供的工艺气体流量。

9.根据权利要求7所述的微环境的压力控制方法，其特征在于，在步骤S130中，调整所述微环境内部的压力的步骤具体包括：

当所述第二压力差大于所述第二目标压力差时，对所述微环境内部进行泄压，并同时减小向所述微环境内部提供的工艺气体流量；

当所述第二压力差小于所述第二目标压力差时，增大向所述微环境内部提供的工艺气体流量。

10.根据权利要求7至9中任意一项所述的微环境的压力控制方法，其特征在于，所述微环境连接有多路进气单元，所述压力控制方法还包括在步骤S110之前进行的：

步骤S101、分别控制每路所述进气单元选择性地与所述微环境内部连通。

11.一种半导体处理设备，其特征在于，包括权利要求1至6中任意一项所述的微环境的压力控制系统。

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