专利名称：具有增强的抽气能力的涡轮分子泵的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体处理。特别地，本发明涉及半导体处理设备以及用于给真空处理腔抽气的具有增强的抽气能力的涡轮分子真空泵。
背景技术：
基片(substrates)通常是通过各种蚀刻、化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入和清洗等步骤进行加工处理，用来在其上构建集成电路或其它结构。这些步骤通常是在一个与周围环境相隔离的、真空密闭的基片处理腔中进行的。基片处理腔通常包括一个具有侧壁、底面和盖子的外壳体。处理腔内部有一个基片支撑构件，通过电气装置(如静电夹盘)或机械装置(如真空吸盘)把基片在处理过程中固定在一个适当的位置。在处理腔侧壁上有一个狭缝式阀门，用于允许基片进出基片处理腔。在化学气相沉积处理中，各种处理气体通过贯穿处理腔盖子的进气口(例如喷淋头型进气口)进入基片处理腔。在物理气相沉积处理中，各种处理气体通过处理腔中的进气口进入基片处理腔。在每一种处理过程中，气体都是被连接到基片处理腔出气口的真空泵(例如涡轮分子泵)从基片处理腔中抽出去的。
涡轮分子泵用于高真空(10-7托)或超高真空(10-10托)系统，将气体排到一个初级抽气泵中，该初级抽气泵用来在处理腔中建立一个初级气压。涡轮分子泵包括含有多排斜径向叶片的转子，该转子在含有多排向内延伸的叶片的定子中转动。转子叶片的外侧顶端接近被抽吸气体的分子速度；当一个分子击中转子时，在旋转方向上有很大一部分的动量分量被传递给了分子。这个被传递的动量引起了气体分子从进气口一侧向泵的出口方向运动。涡轮分子泵的特征是转速介于20,000到90,000rpm之间，抽气速率或抽气能力介于50升/秒到5,000升/秒之间。
图1是一个典型的涡轮分子泵10的横截面图。涡轮分子泵10通常包括圆柱形壳体72、靠近壳体72底部的基座74、与壳体72共轴设置的转子40、与转子40共轴设置的马达20以及从壳体72沿径向向内延伸的定子30。壳体72为涡轮分子泵10提供了一个支撑结构，它还包括贯穿壳体72顶部的进气口12。出气口14贯穿基座74，并与一个初级抽气泵和一个用来回收或处置气体的尾气消除系统(未示出)相连接。马达20是电动马达，带动转子40绕一个轴转动。转子40可以用机械轴承37或者用磁性轴承悬挂于壳体内处于悬浮状态。
设计转子叶片46和定子叶片36的形状，以便把气体从进气口12抽到出气口14并防止气体回流到真空处理腔(未示出)。转子40包括从转子的中心圆柱形部分在各层面向外沿径向延伸的多排转子叶片46，该转子的中心圆柱形部分容纳马达20的一部分。定子30同样包括从壳体72在各层面沿径向向内延伸的多排叶片36。多排定子叶片36与多排转子叶片46在轴向层间交替排列，并且许多垫圈38将不同层面的定子叶片36分隔开来，以确保转子叶片46可以在定子叶片36之间自由转动。泵的“第一级”定义成泵的入口端的第一排转子叶片46和第一排定子叶片36。其后的每一排转子叶片46和相应那一排的定子叶片36组成了另外一级，涡轮分子泵通常有5到13级。另外，可以包括一个混合级(compoundstage)以达到更高的排气压力和更高的入口压力，该混合级含有从转子40的排气端延伸出的圆柱形部件(未示出)。
因为基片处理过程中严格的温度和洁净度的要求，基片真空处理腔要放置在一个隔离的洁净室中。因为涡轮分子泵必须把处理腔中的气压减至10-7托，涡轮分子泵也必须放置在洁净室中并靠近处理腔以避免抽气效率的损失(如果把泵和处理腔通过真空管线分隔开就会引起抽气效率损失)。因为建造和维护洁净室的成本非常高，所以洁净室内的设备(包括涡轮分子泵)的物理尺寸总是极其重要的。
图2是是连接有涡轮分子泵10的真空基片处理腔100的简化横截面示意图。如图2所示，涡轮分子泵10可以处在基片160正下方或有些偏移。处理腔100和泵10组成了处理设备的一部分，处理设备通常包括几个处理腔和至少一个传送腔。基片处理腔100提供一个隔离环境，在其中基片160通过蚀刻、沉积、注入、清洗，冷却和/或前处理与后处理等步骤进行处理。基片处理腔100通常包括一个具有侧壁104、底部106和盖子108的外壳。基片支撑构件110被放置在腔体底部106上，在处理过程中把基片160固定在正确的位置。基片支撑构件110通常包括一个真空吸盘或一个静电夹盘用来保持基片160。一个狭缝式阀门112被置于腔体侧壁104之上供基片160进出基片处理腔100。在化学气相沉积处理中，各种处理气体通过贯穿处理腔盖子108的进气口120(例如喷淋头型进气口或喷嘴)进入基片处理腔100。为了从基片处理腔中排出气体，把涡轮分子泵与基片处理腔100的出气口130相连接。
基片处理技术的发展和真空处理腔容量的增加不断地要求抽气能力更高的泵。一些基片处理过程，例如等离子蚀刻和化学气相沉积处理，要求特别高的处理气流速和相对较高的真空度。随着经过基片被处理表面的反应物的流速增大(也就是增大真空泵的吞吐量来增大排气量)，完成处理过程所需时间就减少。因此，为了增大处理腔的吞吐量，用于等离子蚀刻和化学气相沉积的抽真空系统就要求更高的吞吐量或排气能力。此外，当处理腔尺寸增加以便容纳更大的基片时(即300mm基片)，用于这些更大的腔体的涡轮分子泵必须提供相应地更大的排气能力。例如，对于300mm腔体需要4000升/秒的排气能力。
减少排气时间和增加泵的吞吐量的一个方法是提高涡轮分子泵的转子的转速。但是，提高转子和转子叶片的转速必然会导致转子和其它部件上产生额外的应力，可能导致泵部件的损坏。另外，因为通过真空泵的处理气的高吞吐量，未使用的反应物与反应副产物一起从处理腔中高速排出，并会附着在真空泵内部件的表面或者与其表面反应，从而导致部件被大大加热，使部件和泵破坏。例如，在HDP应用中泵的内部件(如转子)，温度会升高到120℃以上，高温引起的应力会导致部件和泵的物理损坏。因此，简单地提高泵的转速不是一个切实可行的办法。
用于增加真空泵的吞吐量或排气能力、并减少从处理腔抽气所需时间的另一个方法是增大涡轮分子泵的物理尺寸。例如，通过增加转子叶片和定子叶片的长度来增大它们的表面积，将提高气体通过泵的流速。但是，因为要承载由更大的转子叶片而引起的转子上的径向应力，必须同时增大、加强转子来承载更大的叶片。同样地，转子轴承也必须更大、更结实来补偿泵体额外的震动，并且泵体外壳尺寸也必须相应地增大。结果是泵的总体尺寸和重量都增大了。更大的泵建造成本更高，要使用额外的能量来操作并会引起洁净室更多的震动。此外，更大的泵占用更多的洁净室处理腔下部空间和宝贵的外壳，使设备的台面面积(footprint)更大。
因此，需要涡轮分子泵提供相对于现有涡轮分子泵更高的排气能力而不相应地增加泵的物理尺寸和重量。进一步需要占用较小的洁净室空间、而具有增大的排气能力的涡轮分子泵。进一步需要一个相对于具有同等排气能力的泵产生更少的震动的涡轮分子泵。
发明内容
一方面，本发明提供了一种包括真空处理腔和被放置在真空处理腔上的涡轮分子泵的真空处理系统。涡轮分子泵包括具有进气口和出气口的壳体、被设置于壳体内壁的定子、被设置于定子内的转子以及与转子共轴设置的马达，其中至少泵的第一级被扩大，而且除了相应的外壳上部之外泵的其它部件没有相应扩大。
附图的简要说明通过参考附图所示的实施例，就可以更具体地理解上面引述的本发明的特点、优点和目的，更详细地描述本发明(上面进行了简单的总结)。
但是，应该注意附图只是解释说明本发明的典型实施例，而不应认为限制发明的范围，因为本发明还可以有其它的等效的实施例。
图1是现有技术的涡轮分子泵的横截面视图。
图2表示连接有涡轮分子泵10的真空基片处理腔100的简化的横截面示意图。
图3是本发明一个前三级增大的涡轮分子泵10的横截面示意图。
图4是本发明另一个前三级增大而后各级逐渐缩小的涡轮分子泵10的横截面示意图。
图5表示逐渐缩小的叶片的剖视图，其中转子叶片在基部被加强。
图6是一个简化的示意图，说明本发明相对于现有技术的泵具有节省空间的特点。
具体实施例方式
图3是本发明一个实施例的泵200的横截面视图。泵包括从外壳201沿径向向内延伸的定子220和置于外壳之内的转子210。马达248与转子共轴设置，并带着转子210沿轴225转动。转子210有两个外径，较小的直径226邻近泵的进气口205，下面较大的直径228向着泵的出气口206延伸。在图3所示的实施例中，前两排转子叶片250，即那些从转子210的较小直径部分226延伸出的叶片，比其它那些从转子225的较大直径部分228延伸出的转子叶片225更长。从定子220的较大直径部分253向内延伸的相应的定子叶片251也增长了。更长的定子叶片和转子叶片250、251提供了一个更大的表面积，相应地泵的排气能力也增大了。因为长度的增加，转子叶片250的顶端移动速度超过了处理气的声速(对氮气是300m/s左右)。这导致在第一级的气体的压缩程度增大并且泵200的抽气速度和排气能力都得到提高。
因为较长的转子叶片250从转子210的较小直径部分226延伸出来，外壳201的尺寸只需要有一个相对较小的增加。另外，因为外壳201的增大部分被限制在上部，也就是通常要被连接到真空腔的那一部分，尺寸的增加不太可能会干扰在洁净室中工作的其它设备或人员。进一步，由于叶片加长、顶端速度加快而引起的转子上增加的应力被最小化了，因为连接长叶片250位置处的转子直径比较小，并且径向力并不像沿轴225的较大直径部分228处的力那么大。
图4是本发明的另一个实施例中的泵400的剖面图。泵包括一个转子310，转子310包含一个临近泵进气口305的直径较小的部分326和一个向着泵的出气口306方向延伸的直径较大的部分328。定子320包括从外壳301向内延伸的长度不同的叶片。跟图3中的实施例类似，前两排转子叶片302和前两排定子叶片301和泵400入口端的进气口305，其长度要大于后面的转子叶片、定子叶片。此后，向出气口306方向延伸的转子叶片长度逐渐减小。例如，在一个实施例中，每一个后面的转子叶片都比前面的叶片短10-15％。外壳305也相应地逐渐增大来容纳较长的叶片，但是不再需要其它的改造来补偿由较长的叶片增加的表面积所引起的排气能力的增加。叶片逐渐减小的结果是叶片整体表面积更大的增加和排气能力的更大的增加。
本发明的实施例增加了排气能力而不增大转子本身，而加长的转子叶片可以受益于它以高强度与转子相连接来补偿叶片较高的顶端速度。图5是与图4中泵400具有相类似的部件的泵500的剖面图。在图5的泵500中，每一个转子叶片505的基部都经过改造来额外增加转子叶片固定点处的强度。更具体地，通过增加额外的材料来加宽每一个转子叶片的基部520，用来增加每一个叶片固定于转子510的固定点处的强度。叶片基部材料的增加导致强度的增加和叶片抵抗应力能力的增加。这种情况下，叶片设计成可以补偿由叶片长度增加和表面积增加而引起的任何额外的应力。相应的定子叶片510也是从端部512逐渐缩小以便更好地匹配两个相邻的转子叶片之间的开口550。
图6是一个其下表面连接有泵的腔的示意图。这个图是沿垂直轴剖切的，用来说明本发明的泵650的物理尺寸与具有同等排气能力的传统的泵625的比较。如图所示，传统的泵625有一个具有恒定的外径、用来容纳具有单一长度的叶片的外壳626。相反，泵650包括一个只在泵的入口端656处加宽的外壳655。在后面，泵的外壳更窄，因为叶片在泵的那个部位并不是那么长。未使用的空间可以被管道、电缆或洁净室中的其它设备所利用。
增大泵的入口端的叶片表面积可以大幅度地增加排气能力。例如，对一个泵速为2000升/秒的泵进行改造，只是增大前两级或前三级(如图3所示)，会使泵抽气能力达到接近4000升/秒，而除了增大围绕较长的叶片那部分泵外壳以外不会增加额外的尺寸或重量。本发明的好处在于它在使用涡轮分子泵的各种不同的真空处理腔和真空处理系统中都是切实可行的。
虽然前面所述是本发明的优选实施例，但是在不偏离本发明的基本范围和权利要求限定的范围情况下可以设计其它的进一步的实施例。
权利要求
1.一种真空处理系统，包括(a)真空处理腔；以及(b)被设置在真空处理腔上的涡轮分子泵，该涡轮分子泵包括(I)具有进气口和出气口的外壳；(II)具有多排沿径向向内延伸的定子叶片的定子；(III)与转子共轴设置的马达；和(IV)具有多排从转子外表面沿径向向外延伸的转子叶片的转子，多排转子叶片与多排定子叶片交替排列，其中临近进气口的至少一排转子叶片和至少一排定子叶片比其它排的转子叶片和定子叶片长。
2.按照权利要求1所述的真空处理系统，其中的真空处理腔是化学气相沉积腔。
3.按照权利要求1所述的真空处理系统，其中的真空处理腔是蚀刻腔。
4.按照权利要求1所述的真空处理系统，其中的真空处理腔是离子注入腔。
5.按照权利要求1所述的真空处理系统，其中所述至少一排转子叶片和相邻的一排定子叶片比其它的转子叶片和定子叶片长50％。
6.按照权利要求5所述的真空处理系统，其中所述至少一排转子叶片和相邻的一排定子叶片的表面积比其它的转子叶片和定子叶片大100％。
7.按照权利要求6所述的真空处理系统，其中所述至少一排转子叶片在与转子的连接点处被加宽。
8.一种从处理腔往外抽气的装置，包括具有多排转子叶片和定子叶片的涡轮分子泵，在靠近泵入口端的转子叶片排中包括比其它转子叶片表面积大的转子叶片。
9.按照权利要求8所述的装置，其中在泵的入口端处的转子叶片比其它转子叶片长。
10.按照权利要求9所述的装置，其中涡轮分子泵包括多个被排列成多排的定子叶片，在靠近泵入口处的第一排定子叶片表面积比其它定子叶片大。
11.按照权利要求9所述的装置，其中涡轮分子泵包括外壳，外壳具有一个扩大的部分被制造和布置来容纳较长的转子叶片和定子叶片。
12.一种真空处理系统，包括(a)真空处理腔；以及(b)具有多排从转子向外延伸的转子叶片的涡轮分子泵，其中靠近泵的进气口处的转子叶片具有第一长度，靠近泵的出气口处的叶片长度较小。
13.按照权利要求12所述的真空处理系统，其中的涡轮分子泵包括一个混合级。
14.一种用于真空处理腔的涡轮分子泵，包括(I)具有进气口和出气口的外壳；(II)具有多排被置于其上的转子叶片的转子；(III)具有多排从外壳内表面沿径向向内延伸的定子叶片的定子，并且定子叶片与转子叶片交替放置，其中临近进气口的至少一排转子叶片和一排定子叶片包括比其它排的转子叶片和定子叶片长的叶片。
15.按照权利要求14所述的涡轮分子泵，其中其它排的转子叶片和定子叶片在向出气口的方向逐渐变短。
全文摘要
一方面，本发明提供了一种包括真空处理腔和被放置在真空处理腔上的涡轮分子泵的真空处理系统。涡轮分子泵包括具有进气口和出气口的壳体、被设置于壳体内壁的定子、被设置于定子内的转子以及与转子共轴设置的马达，其中至少泵的第一级被扩大，而且除了相应的外壳上部之外泵的其它部件没有相应扩大。
文档编号F01D1/36GK1529794SQ01820836
公开日2004年9月15日 申请日期2001年12月13日 优先权日2000年12月18日
发明者彼得·赖默, 彼得 赖默, R 史密斯, 丹尼斯·R·史密斯, 帕特尔, 杰伊·帕特尔 申请人:应用材料公司