СИСТЕМА СОЗДАНИЯ ВАКУУМА
VACUUM GENERATION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к системе создания вакуума, предназначенной для откачки вакуумной камеры.
Производство многих изделий требует использования вакуумной камеры. Например, обработка кремниевых пластин происходит при высоком вакууме. Кроме того, такие устройства, как дисплеи с плоским экраном и солнечные элементы требуют обработки в вакуумных камерах. В этих последних примерах может требоваться, чтобы вакуумная камера имела относительно большой объем для обработки относительно больших изделий. Обычно, в качестве части цикла обработки, требуется, чтобы давление в вакуумной камере циклически изменялось между атмосферным давлением (1 бар) и давлением (например, 0,01 мбар) обработки. Для того чтобы повысить скорость и эффективность производства, желательно увеличить скорость, с которой газ может быть откачан из вакуумной камеры с помощью системы создания вакуума.
Система создания вакуума может содержать вакуумный насос и линию предварительной откачки, соединяющую впускное отверстие вакуумного насоса с вакуумной камерой таким образом, что насос может откачивать газ из камеры. Скорость, с которой может быть откачан газ, зависит, например, от компрессии и производительности насоса, а также активной проводимости линии предварительной откачки. Следовательно, желательно обеспечить линию предварительной большой активной проводимостью настолько, чтобы она предоставляла относительно малое сопротивление для откачки вакуумной камеры. Если активная проводимость линии предварительной откачки является небольшой, скорость, с которой может быть уменьшено давление, в частности, при низких давлениях, может стать очень медленной. Кроме того, целевое давление высокого вакуума может быть недостижимым, если активная проводимость является слишком низкой. Большая активная проводимость может быть обеспечена с использованием трубы с большим поперечным сечением или диаметром. Однако большое поперечное сечение увеличивает внутренний объем линии предварительной откачки и, если вакуумный насос расположен на некотором расстоянии от камеры, например, в подвальной системе откачки, внутренний объем линии предварительной откачки может стать относительно большим. Если объем камеры является сравнимым с объемом линии предварительной откачки, время откачки может неблагоприятно измениться вследствие большого общего объема вакуумной камеры и линии предварительной откачки. В этом отношении будет понятно, что объем линии предварительной откачки требует откачки до желаемого давления, дополнительно к откачке вакуумной камеры.
К тому же скорость, с которой может быть откачана вакуумная камера, увеличена с помощью обеспечения вакуумного насоса или насосов большей скоростью откачки или компрессией. Однако такие насосы обычно являются большими и потребляют больше мощности.
Задачей настоящего изобретения является предоставить усовершенствованную систему создания вакуума.
Настоящее изобретение предоставляет систему создания вакуума, предназначенную для откачки вакуумной камеры, причем система содержит: вакуумный насос и множество линий предварительной откачки, предназначенных для подачи газа в вакуумный насос из упомянутой вакуумной камеры, причем на первом этапе откачки камеры низкого вакуума первое устройство линии предварительной откачки может быть подключено для подачи газа в вакуумный насос, а на втором этапе откачки камеры более высокого вакуума, т.е. более низкого давления, второе устройство линии предварительной откачки, содержащее одну или более упомянутых линий предварительной откачки, может быть подключено для подачи газа в вакуумный насос, причем второе устройство линии предварительной откачки имеет полную площадь поперечного сечения для подачи жидкости, которая больше, чем полная площадь поперечного сечения первого устройства линии предварительной откачки.
Настоящее изобретение также предоставляет способ откачки вакуумной камеры, причем способ содержит: подключение первого устройства линии предварительной откачки для подачи жидкости в вакуумный насос и откачку газа из упомянутой вакуумной камеры через первое устройство линии предварительной откачки на первом этапе откачки камеры относительно низкого вакуума, и подключение второго устройства линии предварительной откачки для подачи газа в вакуумный насос, и откачку газа через второе устройство линии предварительной откачки на втором этапе откачки камеры более высокого вакуума, причем второе устройство линии предварительной откачки сконфигурировано таким образом, чтобы иметь полную площадь поперечного сечения, которая больше, чем полная площадь поперечного сечения первого устройства линии предварительной откачки.
В третьем аспекте настоящее изобретение предоставляет устройство откачки вакуумной камеры, содержащее множество устройств линии предварительной откачки, предназначенных для соединения вакуумного насоса с вакуумной камерой для ее откачки, причем устройства линии предварительной откачки содержат множество трубопроводов и клапанов, сконфигурированных с возможностью формирования первого и второго устройства линии предварительной откачки между вакуумной камерой и вакуумным насосом, причем упомянутое второе устройство линии предварительной откачки является более высокой активной проводимости, чем упомянутое первое устройство линии предварительной откачки, и причем упомянутое устройство сконфигурировано с возможностью переключения из первого устройства во второе устройство при использовании, когда давление в вакуумной камере падает ниже порогового давления.
Для того чтобы настоящее изобретение могло быть совершенно понято, два его варианта осуществления, которые приведены только в качестве примера, теперь будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 - принципиальная схема первой системы создания вакуума и вакуумной камеры,
фиг.2 изображает построение графиков давления камеры относительно прошедшего времени для четырех систем создания вакуума, и
фиг.3 - принципиальная схема второй системы создания вакуума и вакуумной камеры.
Ссылаясь на фиг.1, изображена система 10 создания вакуума, предназначенная для откачки вакуумной камеры 12. Система создания вакуума содержит вакуумный насос 16, такой как насос Рутса, кулачковый или спиральный насос, предназначенный для откачки вакуумной камеры 12 приблизительно до диапазона от 1 мбар до 0,01 мбар. Два или более таких насосов могут быть обеспечены последовательно или параллельно, и понятие “вакуумный насос” должно быть истолковано таким образом. Множество линий 20 предварительной откачки 20 или трубопроводов соединяет вакуумный насос 16 с вакуумной камерой 12 для подачи жидкости из камеры в вакуумный насос. Первое устройство линии предварительной откачки содержит одну или более линий предварительной откачки и имеет первую полную площадь поперечного сечения для подачи газа. Первое устройство линии предварительной откачки может быть подключено для подачи газа в вакуумный насос во время этапа откачки камеры низкого вакуума. Второе устройство линии предварительной откачки содержит одну или более линий предварительной откачки и имеет вторую полную площадь поперечного сечения. Второе устройство линии предварительной откачки может быть подключено для подачи газа в вакуумный насос во время этапа откачки камеры более высокого вакуума.
Полную площадь поперечного сечения первого устройства линии предварительной откачки задают соответствующим образом для подачи жидкости при низком вакууме. Обычно при низком вакууме активная проводимость линии предварительной откачки является высокой и, следовательно, меньшая площадь поперечного сечения является достаточной, чтобы не допустить ограничение скорости откачки. Кроме того, относительно небольшая площадь поперечного сечения первого устройства линии предварительной откачки уменьшает полный объем вакуумной камеры и устройства линии предварительной откачки. Полную площадь поперечного сечения второго устройства линии предварительной откачки задают соответствующим образом для подачи жидкости при более высоком вакууме. Полную площадь поперечного сечения второго устройства линии предварительной откачки задают таким образом, что скорость откачки из вакуумной камеры ограничена скоростью откачки вакуумного насоса, а не активной проводимостью второго устройства линии предварительной откачки. Следовательно, скорость откачки камеры может быть увеличена, и могут быть получены давления более высокого вакуума.
В примере, изображенном на фиг.1, имеются две линии 22, 24 предварительной откачки. Система создания вакуума содержит клапаны 26, 28, 30. Главный клапан 26 является действующим для соединения вакуумной камеры 12 с системой 10 создания вакуума вдоль первой линии 22 предварительной откачки или второй линии 24 предварительной откачки. Клапаны 28 и 30 находятся выше по течению и ниже по течению соответственно второй линии 24 предварительной откачки. В первом устройстве линии предварительной откачки клапаны 28 и 30 закрывают, чтобы отключить вторую линию 24 предварительной откачки от клапана 22 первой линии предварительной откачки, и, следовательно, когда главный клапан 26 открыт, жидкость подают в насос только вдоль линии 22 предварительной откачки. Во втором устройстве линии предварительной откачки клапаны 28, 30 открывают таким образом, что жидкость подают в вакуумный насос вдоль как первой линии 22 предварительной откачки, так и второй линии 24 предварительной откачки.
4
5
2
5
6
2
2
2
Как изображено, первая линия 22 предварительной откачки имеет площадь поперечного сечения, которая меньше, чем площадь поперечного сечения второй линии 24 предварительной откачки. Первая линия предварительной откачки может иметь площадь поперечного сечения в диапазоне от 10 до 10 мм, а вторая линия предварительной откачки может иметь площадь поперечного сечения в диапазоне от 10 до 10 мм. Например, линии предварительной откачки могут быть круглыми в поперечном сечении, и первая линия предварительной откачки может иметь диаметр, равный 100 мм, и площадь поперечного сечения, приблизительно равную 8000 мм, а вторая линия предварительной откачки может иметь диаметр, равный 320 мм, и площадь поперечного сечения, приблизительно равную 80000 мм. Длины линий 22, 24 предварительной откачки являются приблизительно одинаковыми и, следовательно, первая линия предварительной откачки имеет активную проводимость и объем, которые меньше, чем активная проводимость и объем второй линии предварительной откачки. Таким образом, во втором устройстве линии предварительной откачки только вторая линия предварительной откачки может быть подключена для подачи газа в вакуумный насос. Однако предпочтительно, что линию 22 предварительной откачки используют дополнительно к линии 24 предварительной откачки таким образом, что газ может быть подан через обе линии предварительной откачки, чтобы увеличить полную площадь поперечного сечения и активную проводимость второго устройства линии предварительной откачки.
В качестве альтернативы, могут быть выбраны две линии предварительной откачки сравнимого размера таким образом, что в первом устройстве линии предварительной откачки одна линия предварительной откачки подает газ в вакуумный насос, а во втором устройстве линии предварительной откачки обе линии предварительной откачки подают газ в вакуумный насос.
Еще, кроме того, может быть обеспечено много линий предварительной откачки, и первое множество линий предварительной откачки может быть выбрано для подачи газа в вакуумный насос в первом устройстве линии предварительной откачки, а второе множество линий предварительной откачки может быть выбрано для подачи газа в вакуумный насос во втором устройстве линии предварительной откачки. Второе устройство линии предварительной откачки может содержать одну или более линий предварительной откачки первого устройства линии предварительной откачки.
Во многих системах создания вакуума вакуумный насос может быть расположен на некотором расстоянии от вакуумной камеры, например на заводе изготовления полупроводников, где вакуумный насос может быть расположен в подвальном помещении и соединен с вакуумной камерой, которая расположена в чистом производственном помещении на этаже выше. Может быть необходимым, чтобы маршруты линий предварительной откачки изгибались некоторое число раз, для того чтобы соединить насос с камерой. Каждый изгиб и угол, под которым изгибаются линии предварительной откачки, влияют на активную проводимость, поскольку большое число изгибов уменьшает активную проводимость. Следовательно, при определении активной проводимости первого и второго устройств линии предварительной откачки учитывают расстояние и число изгибов.
Теперь будет сделана ссылка на график, изображенный на фиг.2. График отображает давление камеры в мбар по оси y относительно прошедшего времени от начала откачки камеры в секундах по оси х.
3
График изображает кривые для линий предварительной откачки 160 мм, 250 мм, 320 мм и 320/100 мм, последняя из которых является примером системы, изображенной на фиг.1. Исследуемая вакуумная камера имеет объем 1 м, а каждая из линий предварительной откачки равна 15 м длиной, имеющая 5 колен между вакуумной камерой и насосом.
Для одной линии предварительной откачки диаметром 160 мм кривая сначала является относительно крутой, изображающей, что линия предварительной откачки относительно низкой активной проводимости и малого объема допускает увеличенную скорость откачки камеры во время этапа низкого вакуума. В этом отношении имеется меньший объем в линии предварительной откачки 160 мм и, следовательно, уменьшают полный объем камеры и линии предварительной откачки, который требуется откачивать. Однако во время этапа более высокого вакуума кривая становится более пологой, так как относительно низкая активная проводимость линии предварительной откачки 160 мм ограничивает объем газа, который может быть откачан из камеры. В этом примере ограниченная активная проводимость препятствует системе создания вакуума откачивать камеру до целевого давления, равного 0,01 мбар. Вместо этого кривая выходит на пологий участок приблизительно при 0,03 мбар.
Для одной линии предварительной откачки диаметром 250 мм кривая первоначально является более пологой по сравнению с линией предварительной откачки 160 мм, поскольку линия предварительной откачки 250 мм имеет больший объем для откачивания. Однако, так как активная проводимость линии предварительной откачки 250 мм больше, чем активная проводимость линии предварительной откачки 160 мм, система создания вакуума, содержащая линию предварительной откачки 250 мм, может получить целевое давление, равное 0,01 мбар, после 60 секунд.
Для одной линии предварительной откачки 320 мм кривая опять является более пологой по сравнению с линией предварительной откачки 250 мм, поскольку линия предварительной откачки 320 мм имеет больший объем для откачивания. Однако, так как активная проводимость линии предварительной откачки 320 мм больше, чем активная проводимость линии предварительной откачки 250 мм, система создания вакуума, содержащая линию предварительной откачки 320 мм, может получить целевое давление, равное 0,01 мбар после 48 секунд.
Для линий предварительной откачки диаметром 320/100 мм с двумя этапами, в соответствии с фиг.1, после начала откачки в момент времени 0 клапаном 26 управляют таким образом, чтобы подавать газ в вакуумный насос только вдоль линии 22 предварительной откачки 100 мм. Клапаны 28, 30 закрывают, чтобы отключить линию 24 предварительной откачки 320 мм. Таким образом, в первом устройстве линии предварительной откачки во время этапа откачки камеры низкого вакуума газ из камеры откачивают относительно быстро через линию 22 предварительной откачки 100 мм относительно небольшой площади поперечного сечения. Когда камера достигает предварительно определенного давления, которое в этом примере равно 1 мбар, или после предварительно определенного прошедшего времени, которое в этом примере равно 24 секундам, система переключается из первого устройства линии предварительной откачки во второе устройство линии предварительной откачки. Более подробно, клапаны 28, 30 открывают, чтобы позволить газу проходить вдоль линии 24 предварительной откачки и, следовательно, газ подают из камеры (12) в насос (10) вдоль как линии 22 предварительной откачки 100 мм, так и линии 24 предварительной откачки 320 мм. Таким образом, во втором устройстве линии предварительной откачки во время этапа откачки камеры более высокого вакуума, газ из камеры все же откачивают относительно быстро через линии 22, 24 предварительной откачки высокой полной активной проводимости. Следовательно, целевого давления, равного 0,01 мбар, достигают в течение только 42 секунд. Учитывая, что при некоторых обстоятельствах обработка в вакуумной камере может происходить через множество циклов в течение почти, если не всего периода 24 часов, система 10 создания вакуума обеспечивает по существу общую экономию времени.
После того как откачка закончена и произошла обработка, в вакуумной камере давление возвращается к атмосферному давлению так, чтобы удалить обработанные изделия. До возврата к атмосферному давлению клапаны 28, 30 закрывают, чтобы отключить линию 24 предварительной откачки от остальной части системы. Таким образом, линия 24 предварительной откачки 24 остается при более высоком вакууме. Предпочтительно, чтобы линия (24) предварительной откачки 320 мм была уже откачана до желаемого низкого давления в начале откачки камеры. Если линия предварительной откачки 320 мм еще не откачана, первоначальная откачка будет немного медленней, чем стандартная откачка, но последующие откачки будут более быстрыми. Во время последующих откачек вакуумной камеры, когда система переключается из первого устройства линии предварительной откачки во второе устройство линии предварительной откачки, создают градиент давления между вакуумной камерой при давлении в области 1 мбар и предварительно откачанной линией 24 предварительной откачки, которая находится при давлении в области 0,01 мбар. Выравнивание давления вызывает быстрое уменьшение давления камеры, как видно из фиг.2, на которой кривая является почти вертикальной между давлением от 1 мбар до 0,35 мбар после 24 секунд прошедшего времени.
Опять ссылаясь на фиг.1, устройство 32 управления соединено с помощью управляющих линий (изображенных пунктирными линиями) с главным клапаном 26 отключения, вторичным клапаном 28, расположенным выше по течению, и вторичным клапаном 30, расположенным ниже по течению. Устройство 32 управления может быть компьютером, запрограммированным соответствующим образом, или заказным устройством обработки. Устройство обработки сконфигурировано с возможностью управления клапанами, для того чтобы выбирать первое устройство линии предварительной откачки или второе устройство линии предварительной откачки, в соответствии с давлением в вакуумной камере или прошедшим временем. Если камера имеет вакуумметр, который может выводить сигнал давления в устройство управления, тогда такой вакуумметр может быть использован и не является частью системы 10 создания вакуума. В качестве альтернативы, система 10 создания вакуума может содержать вакуумметр или датчик 34, предназначенный для измерения давления и вывода сигнала давления в устройство 32 управления. Давление может быть измерено, например, в линии 22 предварительной откачки. При отсутствии датчика давления может быть обеспечена схема генератора частоты для вывода сигнала в устройство управления после заданной работы таким образом, что устройство обработки может переключаться между первым устройством линии предварительной откачки и вторым устройством линии предварительной откачки. Например, время работы может быть между 20 и 30 секундами или 24 секунды, как изображено на фиг.2.
В примере, изображенном на графике, предварительно определенное давление, при котором система переходит из первого во второе устройство линии предварительной откачки, равно 1 мбар, хотя может быть в диапазоне от 0,1 мбар до 10 мбар. Предпочтительно система переключается в точке, где градиент первого устройства линии предварительной откачки низкой активной проводимости начинает становиться пологим и откачка камеры замедляется.
-3
-7
-3
Вторая система 40 создания вакуума изображена на фиг.3 и она приспособлена для откачки вакуумной камеры до давления в диапазоне от 10 до 10 мбар. Вторая вакуумная система содержит вакуумный насос 14, такой как турбомолекулярный насос, подключенный для подачи жидкости из вакуумной камеры, по меньшей мере, через одно из устройств линии предварительной откачки в вакуумный насос 16, как описано со ссылкой на фиг.1 выше. В этом примере вакуумный насос 16 служит в качестве форвакуумного насоса для турбомолекулярного насоса 14. Так как турбомолекулярный насос не может быть приведен в действие при низком вакууме без повреждения насоса или остановки насоса, сначала приводят в действие вакуумный насос 16, чтобы понизить давление в камере, а турбомолекулярный насос до давления, при котором турбомолекулярный насос может быть безопасно приведен в действие. Подходящее безопасное давление может быть в области от 1 мбар до 10 мбар. Для того чтобы достичь уменьшения давления до соответствующего безопасного давления, вакуумный насос 16 соединяют с вакуумным насосом 14 с помощью линий предварительной откачки, подобных линиям предварительной откачки, описанным со ссылкой на фиг.1, и для краткости полное описание устройства фиг.1 и фиг.2 относительно линий предварительной откачки не будет повторено. Все же кратко на фиг.3 вакуумный насос 14 подключают к вакуумной камере через главный клапан 18, который может быть закрыт, чтобы отключить вакуумный насос 14 от камеры, и может быть открыт, чтобы позволить газу течь в вакуумный насос 14. Линия 42 соединяет выпускную трубу вакуумного насоса 14 с линией 24 предварительной откачки.
Множество линий 20 предварительной откачки соединяет вакуумный насос 16 с камерой 12 для подачи газа, откаченного из камеры 12, в вакуумный насос 16. Первое устройство линии предварительной откачки содержит одну или более линий предварительной откачки и имеет первую полную площадь поперечного сечения. Первое устройство линии предварительной откачки может быть подключено для подачи газа в вакуумный насос 16 во время этапа откачки камеры низкого вакуума (например, до давления, равного 1 мбар). То есть камеру 12 первоначально откачивают через линию 22 предварительной откачки. Второе устройство линии предварительной откачки содержит одну или более линий предварительной откачки и имеет вторую полную площадь поперечного сечения, которая является большей, чем первая площадь поперечного сечения. Второе устройство линии предварительной откачки может быть подключено для подачи газа в вакуумный насос 16 во время этапа откачки камеры более высокого вакуума (например, ниже давления, равного 1 мбар). То есть камеру 12 откачивают через обе линии 22, 24 предварительной откачки во время второго этапа откачки. В этом примере небезопасно приводить в действие вакуумный насос 14 выше 1 мбар и, следовательно, вакуумная линия 42 должна быть соединена только с линией 24 предварительной откачки, поскольку система создания вакуума переключается во второе устройство линии предварительной откачки при давлении выше безопасного рабочего давления насоса 14. Если безопасное рабочее давление вакуумного насоса 14 было бы выше давления переключения (например, выше 1 мбар), вакуумная линия могла бы быть соединена с обеими линиями 22, 24 предварительной откачки.
Устройство фиг.3 может быть модифицировано и приспособлено, как обсуждено выше со ссылкой на фиг.1 и фиг.2.