一种腔室压力控制方法、装置及控制系统 【技术领域】
本发明涉及控制技术领域，具体地，涉及一种腔室压力控制方法、一种腔室压力控制装置、一种应用上述压力控制方法的控制系统以及一种应用上述压力控制装置的控制系统。
背景技术
随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工能力。目前，企业广泛采用等离子体处理设备对半导体器件进行加工/处理。所谓等离子体指的是，工艺气体在射频功率的激发下产生电离形成含有大量电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等的活性粒子。在实际应用中，在特定的反应腔室内并达到一定的真空条件下，工艺气体才能被激发形成等离子体，与被加工物体发生各种物理和化学反应，从而达到所需的工艺效果。
在现有的等离子体处理设备中，通常由传输腔室将待加工工件由大气端传送至真空反应腔室内部，等加工完毕后再将加工好的工件取回。一般情况下，反应腔室在进行加工/处理的过程中都会产生颗粒杂质，如果这些杂质进入传输腔室，就会对传输腔室造成污染。
为了维持传输腔室的洁净度，常采用的方法是使传输腔室内的压力大于反应腔室，并使其维持在一个稳定范围内。因此，就需要对传输腔室内的压力进行较为精确的控制。
目前，对传输腔室的压力控制通常采用这样的技术方案，即，在传输腔室气路管道上安装可自动调节压力的控压阀，并在传输腔室上安装压力规。该控压阀根据传输腔室压力和控压阀气体流量之间的对应关系确定传输腔室目标压力所对应的气体流量，然后调节控压阀的气体流量以使传输腔室的压力达到该目标压力。然而，这种控压阀的价格比较昂贵、安装比较复杂，因而这种技术方案不是一种理想的压力控制方式。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明提供一种腔室压力控制方法及应用该控制方法的腔室压力控制系统，其能够有效节约工艺/设备的成本。
此外，本发明还提供一种腔室压力控制装置及应用该控制装置的腔室压力控制系统，其同样能够有效节约工艺/设备的成本。
为此，本发明提供一种腔室压力控制方法，其借助于设置在腔室输气管路上的质量流量控制器而将腔室压力控制在目标压力范围内，包括下述步骤：步骤100，根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，得到腔室处于目标压力时所需的输气目标流量；步骤200，将所述输气目标流量设置为所述质量流量控制器的流量设定值，所述质量流量控制器基于所述流量设定值而对所述腔室实施输气操作，并将腔室压力控制在目标压力范围内。
本发明提供的腔室压力控制方法，在所述步骤100之前还包括获得腔室压力与输气流量之间对应关系的步骤。其具体包括：步骤10，借助于抽气装置使腔室内形成真空状态；步骤20，设置所述质量流量控制器的流量设定值，使输气管路中的气体以该流量值向所述腔室输送；步骤30，等待预定的延迟时间，以使腔室内的压力趋于平衡；步骤40，测量n次腔室内的压力，并计算其平均值；步骤50，记录所述压力平均值和与之对应的质量流量控制器的流量设定值；步骤60，判断所述压力平均值是否超过预定的控压上限，如果是，则结束获得腔室压力与输气流量之间对应关系的步骤，如果否，则转到步骤70；步骤70，使质量流量控制器的流量设定值增加一个预定的步长，并转到步骤20，以继续执行步骤20至步骤60的操作而获得下一组对应关系。
本发明提供的腔室压力控制方法，所述步骤100具体包括：步骤110，根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，确定腔室目标压力的所属区间；步骤120，根据腔室目标压力及其所属区间、并利用下列公式计算所述输气管路的输气目标流量：
Y*=(X*-Xi)×(Yj-YiXj-Xi)+Yi,]]>
其中，Y*为输气管路的输气目标流量，X*为腔室目标压力，Xi、Xj分别为目标压力所属区间的上界、下界，Yi、Yj分别为Xi、Xj所对应的输气管路的输气流量。
此外，本发明提供一种腔室压力控制装置，其借助于设置在腔室输气管路上的质量流量控制器而将腔室压力控制在目标压力范围内，包括目标流量获得模块、目标流量设置模块。其中，目标流量获得模块，根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，得到腔室处于目标压力时所需的输气目标流量；目标流量设置模块，将所述输气目标流量设置为所述质量流量控制器的流量设定值，所述质量流量控制器基于所述流量设定值而对所述腔室实施输气操作，并将腔室压力控制在目标压力范围内。
本发明提供的腔室压力控制装置，所述腔室压力控制装置还包括对应关系获得模块，用于获得腔室压力与输气流量之间的对应关系。所述对应关系获得模块具体包括下述单元：真空状态获得单元，用于使腔室内形成真空状态；流量设置单元，用于设置所述质量流量控制器的流量设定值，并使输气管路中地气体以该流量值向所述腔室输送；延时单元，用于等待预定的延迟时间，以使腔室内的压力趋于平衡；平均值获得单元，用于测量n次腔室内的压力，并计算其平均值；记录单元，用于记录所述压力平均值和与之对应的质量流量控制器的流量设定值；控制和处理单元，用于判断所述压力平均值是否超过预定的控压上限，如果是，则结束对应关系获得模块的操作；如果否，则触发加法器工作；加法器，将质量流量控制器当前的流量设定值增加一个预定的步长而获得新的流量设定值，并将新的流量设定值传送给流量设置单元，以测定下一组对应关系。
本发明提供的腔室压力控制装置，所述目标流量获得模块具体包括：所属区间确定单元，用于根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，确定腔室目标压力的所属区间；计算单元，用于根据腔室目标压力及其所属区间、并利用下列公式计算所述输气管路的输气目标流量：
Y*=(X*-Xi)×(Yj-YiXj-Xi)+Yi,]]>
其中，Y*为输气管路的输气目标流量，X*为腔室的目标压力，Xi、Xj分别为目标压力所属区间的上界、下界，Yi、Yj分别为Xi、Xj所对应的输气管路的输气流量。
此外，本发明提供一种腔室压力控制系统，包括依次连通的输气管路、腔室和抽气管路，在所述输气管路上设置有质量流量控制器，并且所述腔室压力控制系统采用了本发明所提供的腔室压力控制方法，用以将腔室压力控制在目标压力范围内。
另外，本发明还提供一种腔室压力控制系统，包括依次连通的输气管路、腔室和抽气管路，在所述输气管路上设置有质量流量控制器，并且所述腔室压力控制系统采用了本发明所提供的腔室压力控制装置，用以将腔室压力控制在目标压力范围内。
本发明具有下述有益效果：
本发明所提供的腔室压力控制方法/装置采用价格相对低廉的质量流量控制器和简单的控制步骤代替价格昂贵的控压阀，在有效控制腔室压力的同时，节约了工艺/设备的成本。
类似地，由于本发明提供的腔室压力控制系统采用了本发明提供的上述腔室压力控制方法和/或腔室压力控制装置，而使得在有效控制腔室压力的同时，也节约了工艺/设备的成本。
【附图说明】
图1为本发明提供的腔室压力控制方法的流程示意图；
图2为本发明中获得腔室压力与输气流量对应关系的一个具体实施例的流程图；
图3为根据图2所示流程而得到的腔室压力与输气流量的对应关系图；
图4为本发明提供的腔室压力控制装置一个具体实施例的原理框图；以及
图5为本发明提供的腔室压力控制系统的结构示意图。
【具体实施方式】
为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的腔室压力控制方法/装置，以及应用上述方法和/或装置的腔室压力控制系统进行详细描述。
请参阅图1，本发明所提供的腔室压力控制方法，借助于设置在腔室输气管路上的质量流量控制器来控制腔室压力，并使其保持在目标压力范围内，其主要包括以下步骤：
步骤100，根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，得到能够使腔室维持在目标压力范围的输气目标流量。
步骤200，将输气目标流量设置为质量流量控制器的流量设定值，质量流量控制器根据该流量设定值而向腔室输送气体，以便将腔室内的压力控制在目标压力范围内。
通常，腔室压力与输气流量之间的对应关系可以预先确定，下面结合图2详细描述如何确定该对应关系。
步骤10，借助于抽气装置使腔室内形成真空状态。
步骤20，设置质量流量控制器的流量设定值，使输气管路中的气体以该流量值向腔室输送。本实施例中，首次执行本步骤时可将质量流量控制器的流量设定值的初始值设置为10sccm。
步骤30，等待预定的延迟时间，以使腔室内的压力趋于平衡。可以理解的是，延迟时间越长则所测量的腔室压力就越准确，但是过长的延迟时间会降低整个测定过程的效率。在实际应用中，对于延迟时间的取值主要是根据以往的经验，从目前的经验来看，延迟时间应不低于5分钟，在本实施例中将延迟时间设定为5分钟。
步骤40，测量n次腔室内的压力，并计算其平均值。本实施例中n的值为10。
步骤50，记录步骤40中的压力平均值和与之对应的质量流量控制器的流量设定值。本步骤实际上是将压力平均值和与之对应的质量流量控制器的流量设定值存储起来，以备后续步骤的调用。
步骤60，判断该压力平均值是否超过预定的控压上限，如果是，则结束获得腔室压力与输气流量之间对应关系的步骤；如果否，则转到步骤70。其中的控压上限是指根据工艺需要而设定的系统控压能力范围的上限，本实施例中的控压上限为300mToor。
步骤70，使质量流量控制器的流量设定值增加一个预定的步长，并转到步骤20，以继续执行步骤20至步骤60的操作而获得下一组对应关系。这里，预定的步长即为所求对应关系中相邻的两个输气流量的差值，从理论上来讲，步长越小所得的曲线模型越精细、准确度也越高。但是，由于系统精度及稳定性的影响，过小的步长并没有实际意义。在实际应用中，需要不断进行实验并积累一定经验后才能确定出理想的步长值，所以步长的大小在实际操作中是可以进行人为调整的。本实施例中的步长取值为5sccm。
需要指出的是，由于步骤50和步骤60的执行顺序并不影响整个过程的结果，因此两个步骤的执行顺序并不局限于此，也可以在执行完步骤60所述过程后再执行步骤50所述过程，即在判断压力平均值是否超过预定的控压上限后，再对所述压力平均值和与之对应的质量流量控制器的流量设定值进行记录。而且，当上述步骤60的判断结果为是时，也可以不执行记录步骤而直接结束，也就是说，对于超过预定控压上限的压力平均值及与之对应的流量设定值不进行存储。
请参阅图3，在此基础上所测得的腔室压力与输气流量的对应关系为分段一次函数曲线。曲线上各段的端点坐标即为根据图2所示流程而测得的各组腔室压力与输气流量的对应关系。
当需要计算维持腔室目标压力所需的输气目标流量时，只需先找到该目标压力的所在区间，即找到该目标压力在图3中所属的那一段一次函数曲线，然后按照一次函数的求解方法进行计算即可。这也就是步骤100所说的根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，得到能够使腔室维持在目标压力范围的输气目标流量，具体包括下述步骤：
步骤110，根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，确定腔室目标压力的所属区间(即，目标压力在图3中所属的那一段一次函数曲线)。
步骤120，根据腔室目标压力所属区间，利用下列公式计算输气管路的输气目标流量：
Y*=(X*-Xi)×(Yj-YiXj-Xi)+Yi]]>(公式1)
其中，Y*为输气管路的输气目标流量，X*为腔室目标压力，Xi、Xj分别为目标压力所属区间的上界、下界，Yi、Yj分别为Xi、Xj所对应的输气管路的输气流量。将X*、Xi、Xj、Yi、Yj代入到公式1中即可求得输气管路的输气目标流量Y*。
下面结合图3所示的对应关系，举例说明本发明所提供的腔室压力控制方法的实施过程。
假设腔室目标压力X*的值为65mToor，则首先在图3中的对应关系中找到65mToor的所属区间，查图得到腔室目标压力的所属区间Xi、Xj的值为[60mToor，67mToor]，该区间所对应的输气管路的输气流量Yi、Yj的值分别为[25sccm，30sccm]。将上述各数值代入公式1中并计算：
Y*=(X*-Xi)×(Yj-YiXj-Xi)+Yi]]>
=(65-60)×(30-2567-60)+25=29.4(sccm)]]>
上式所求得的29.4sccm即为腔室目标压力为65mToor时所需的输气管路输气目标流量。将该值设置为质量流量控制器的流量设定值，然后质量流量控制器基于该值对腔室压力进行控制并使腔室压力维持在65mToor的范围内，这样就实现了对腔室压力的控制。
另外，有时会遇到腔室目标压力正好为其所属区间的一个端点的情况。则此时只需要将该端点所对应的输气流量作为输气管路的输气目标流量而对质量流量控制器进行设置即可。当然，这种情况下，按照公式1进行计算同样能得到正确的结果。
在实际应用中，要求对腔室压力的控制不能超过2mTorr的容差，如果本发明提供的腔室压力控制方法所控制的腔室压力的容差超过2mTorr，则说明腔室压力和输气流量的对应关系的精确度不够，而需要重新进行该对应关系的测定。由上述对应关系的获得步骤可知，可以适当调整步长、测量次数n、延迟时间等参数的大小，并基于调整后的步长、测量次数和延迟时间等参数重新进行腔室压力和输气流量的对应关系的测定。理论上，步长越小，得到的一次函数就越准确；测量次数越多，测量结果越准确；延迟时间越准确，腔室压力越稳定，测得的腔室压力也就越准确。
同时，本发明提供一种腔室压力控制装置，其借助于设置在输气管路上的质量流量控制器来控制腔室压力，并使其保持在目标压力范围内，其主要包括目标流量获得模块400、目标流量设置模块500，其中：
目标流量获得模块400，根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，得到腔室处于目标压力时所需的输气目标流量。
目标流量设置模块500，将目标流量获得模块400得到的输气目标流量设置为质量流量控制器的流量设定值，质量流量控制器基于该流量设定值而对腔室实施输气操作，并将腔室压力控制在目标压力范围内。
腔室压力与输气流量之间的对应关系可以提前测得，例如，图4就示出了一种具有这种功能的腔室压力控制装置。该控制装置不仅包括目标流量获得模块400和目标流量设置模块500，而且还包括对应关系获得模块300。其中，对应关系获得模块300具体包括下述各单元：
真空状态获得单元，用于使腔室内形成真空状态。实际应用中，真空状态获得单元例如可以是设置在抽气管路上的抽气装置。
流量设置单元，用于设置质量流量控制器的流量设定值，并使输气管路中的气体以该流量值向腔室输送。
延时单元，用于等待预定的延迟时间，以便使腔室内的压力趋于平衡。
平均值获得单元，用于分n次对腔室内的压力进行测量，并计算其平均值。
记录单元，用于记录上述由平均值获得单元得出的压力平均值和与之对应的质量流量控制器的流量设定值。
控制和处理单元，用于判断压力平均值是否超过预定的控压上限，如果是，则结束对应关系获得模块的操作；如果否，则触发加法器工作。
加法器，将质量流量控制器当前的流量设定值增加一个预定的步长而获得新的流量设定值，并将新的流量设定值传送给流量设置单元，以测定下一组对应关系。
需要指出的是，上述记录单元、控制和处理单元可以为分立的两个单元；也可以为一个集成的单元，例如使控制和处理单元本身就带有记录功能，从而使其同时具有控制、处理和记录的功能。
由上述对应关系获得模块300所测得的腔室压力与输气流量的对应关系与图3所示的对应关系类似，在此不再赘述。
目标流量获得模块400根据该腔室压力与输气流量的对应关系，分析得出输气管路的输气目标流量。为此，目标流量获得模块400具体还包括：
所属区间确定单元，其用于根据腔室压力与输气流量之间的对应关系，确定腔室目标压力的所属区间，然后发送给计算单元。
计算单元，用于根据腔室目标压力及其所属区间、并利用公式1计算得到输气管路的输气目标流量。
需要指出的是，本发明所提供的腔室压力控制装置中，延迟时间、预定的步长等类似于上述腔室压力控制方法。另外，计算单元中所用到的公式1及利用公式1进行输气目标流量的计算过程也类似于本发明提供的腔室压力控制方法，在此不再赘述。
作为一个具体实施例，在对应关系获得模块测定腔室压力与输气流量之间对应关系的过程中，分别设定：流量设定值的初始值为10sccm；延迟时间为5分钟；n值为10；预定的控压上限为300mToor；预定的步长大小为5sccm。
请参阅图5，本发明还提供了一种腔室压力控制系统，包括依次连通的输气管路、腔室和抽气管路。输气管路设置有阀门1和阀门2，抽气管路设置有阀门3和抽气装置。其中，输气管路还设置有质量流量控制器，并且本腔室压力控制系统采用了本发明所提供的腔室压力控制方法，用以对腔室内的压力进行控制。
另外，本发明还提供了一种腔室压力控制系统，其包括依次连通的输气管路、腔室和抽气管路。输气管路设置有阀门1和阀门2，抽气管路设置有阀门2和抽气装置。其中，输气管路还设置有质量流量控制器，并且本腔室压力控制系统采用了本发明所提供的腔室压力控制装置，用以对腔室内的压力进行控制。
本发明所提供的腔室压力控制系统对腔室压力的控制方法和操作过程类似于本发明的所提供的腔室压力控制方法和腔室压力控制装置，故在此不再赘述。
需要指出的是，上述实施方式都采用将质量流量控制器设置在输气管路进行对腔室压力控制的技术方案。在实际应用中，并不局限于此，也可以将质量流量控制器设置于抽气管路，使其在输气流量一定的情况下通过设置抽气管路的流量设定值来实现对腔室压力的控制。
可以理解的是，本发明的应用并不局限于前面所述的对等离子体处理设备中的传输腔室进行压力控制。事实上，本发明也可以应用于其它适宜的技术领域和/或生产设备中，并对其中的腔室压力进行控制。
还可以理解的是，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。