CN106461357B - 反应物输送系统防冻热交换器 - Google Patents

Abstract

本文提供在前级去除系统中提供反应物气体的装置及方法。在一些实施方式中，反应物输送系统包含：水槽，该水槽具有内容积，该内容积在设置于该水槽中时容纳反应物液体；以及热交换器，该热交换器具有中央开口，该中央开口设置于该内容积中，并且经构造以在反应物液体设置于该水槽内时避免该反应物液体的顶表面冻结。

Description

反应物输送系统防冻热交换器

技术领域

本公开内容的实施方式一般涉及基板处理设备，尤其是，涉及与基板处理设备一起使用的等离子体去除(abatement)系统。

背景技术

远程等离子体源(RPS)或直列式等离子体源(IPS)已使用于全氟碳化物(PFC’s)及全球暖化气体(GWG’s)的去除。例如，可在诸如涡轮泵之类的高真空泵与诸如干真空泵之类的后备泵之间的基板处理系统的真空系统的前级(foreline)中安装RPS或IPS。在一些等离子体去除系统中，反应物输送系统(RDS)，例如水输送系统(WDS)，输送水蒸气至前级如同用于PFC去除处理的反应物气体。

发明人观察到：在WDS中的水汽化造成冷却，且随着蒸气流动率增加，WDS中液体水的表面可冻结并阻断水蒸气的流动。此外，发明人观察到：WDS的按比例增加以支援多个处理腔室包含增加水槽大小，增加水槽大小可使得冻结问题变得更严重。特定而言，由于传输热至更大的槽的内部分更加困难，槽中水的表面更易于冻结。

因此，发明人提供改良的反应物输送系统的实施方式，包含热交换器以防止反应物的表面冻结，且允许更高的反应物蒸气汽化流动率。

发明内容

于此提供在前级去除系统中提供反应物气体的装置及方法。在一些实施方式中，反应物输送系统包含：水槽，该水槽具有内容积，该内容积在设置于该水槽中时容纳反应物液体；及热交换器，该热交换器具有中央开口，该中央开口设置于该内容积中，并且经构造以在反应物液体设置于该水槽内时避免该反应物液体的顶表面冻结。

在一些实施方式中，使用于反应物输送系统中的热交换器可包含：连续线圈板材料，该材料具有内端及外端，其中该连续线圈板形成多个等距间隔的同心层而准许这些同心层之间反应物液体的流动，且其中对该连续线圈板穿孔以允许水流经这些同心层。

在一些实施方式中，方法可包含以下步骤：于反应物输送系统的水槽的内容积内提供热交换器，于该水槽的该内容积内提供反应物液体至一水平面，该水平面使得热交换器部分浸没于反应物液体内且部分由反应物液体的顶表面突出，汽化反应物液体以形成供应至前级去除系统的反应物气体，其中汽化反应物液体使得反应物液体的顶表面冷却，并且使用热交换器加热反应物液体的顶表面，其中该热交换器由该热交换器的下部传导热至该热交换器的上部，且其中该热交换器的该下部由较该反应物液体顶表面具有更高温度的反应物液体加热且设置于该反应物液体中。

在一些实施方式中，基板处理系统可包含：处理腔室；前级，该前级耦接至该处理腔室以允许来自该处理腔室的排出物的流动；前级等离子体去除系统，该前级等离子体去除去除系统耦接至该前级以去除流经该前级的排出物，其中该前级等离子体去除系统包含：水槽，该水槽具有内容积，该内容积在设置于该水槽中时容纳反应物液体；管，沿着该水槽的中央通道(access)设置该管；热交换器，该热交换器具有中央开口，该中央开口绕着该管设置于该内容积中且经构造以在反应物液体设置于该水槽内时避免该反应物液体的顶表面冻结。

以下描述本公开内容的其它的及进一步的实施方式。

附图说明

以上简要概述的及下文更详细地讨论的本公开内容的实施方式，可以通过参照描绘于附图中的本公开内容的说明性实施方式来理解。然而，应当注意，附图仅绘示本公开内容的典型的实施方式，因而不应视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其它等同有效的实施方式。

图1根据本公开内容的一些实施方式描绘处理系统，包含等离子体前级去除系统。

图2根据本公开内容的一些实施方式描绘反应物输送系统的侧截面图。

图3根据本公开内容的一些实施方式描绘使用于图2的反应物输送系统中的热交换器的等距图。

图4根据本公开内容的一些实施方式描绘使用于图2的反应物输送系统中的热交换器的俯视示意图。

图5根据本公开内容的一些实施方式描绘使用于图2的反应物输送系统中的热交换器的俯视示意图。

图6根据本公开内容的一些实施方式描绘使用于图2的反应物输送系统中的热交换器的俯视示意图。

为了便于理解，尽可能使用相同参考数字符号，以标示附图中共通的相同元件。附图并未按比例绘制且可为了清晰而简化。考虑到，一个实施方式中的元件及特征在没有特定描述下可有益地并入其它实施方式。

具体实施方式

本公开内容的实施方式可在直列式等离子体去除系统中有利地提供对于全氟碳化物(PFC’s)及全球暖化气体(GWG’s)的提高的去除效率。本公开内容的实施方式可通过例如提供改良的包含热交换器的反应物输送系统，用以防止反应物表面冻结且允许前级中更高的反应物蒸气汽化流动率，来提高去除效率。在一些实施方式中，反应物为水且反应物蒸气为水蒸气。通过防止水的表面冻结且允许前级中更高的水蒸气汽化流动率，改善由水蒸气的反应所造成的PFC和/或GWG的故障。

后等离子体前级气体注入的额外优点包含后去除排放温度的降低。如同排放线中的压力及气体流动可随着配方中各步骤而改变，本公开内容的实施方式可调整配方中各改变或针对各操作条件而调整，以维持最佳去除效率同时对步骤的功用及能量使用最小化。这些调整/控制可以是通过设定与工艺配方时间同步的参数、通过即时传感器回馈、或通过监视工具或气体面板控制信号。若去除工具处于关闭、闲置、预防性维护、或旁路(bypass)模式，可通过处理腔室及去除设备之间的智能界面的使用来最小化能量及功用。例如，智能界面可调整等离子体功率供应输出至合适的功率水平以维持目标性能。等离子体功率供应及反应器管(或其它部件)的使用期限依操作能量水平而定。通过操作高于保证反应器内去除或清洁气体的等离子体能量水平来浪费功率，不仅浪费能量，还缩短维持周期之间的持续时间。进一步地，去除RPS或直列式去除设备智能界面可计数并报告：可用时间、系统警告或错误、操作效率、操作时数、及使用的功用，并且可报告本地的即时或累积的碳足迹性能或至中央监视及报告系统。本公开内容的进一步的实施方式包含设计并与前级气体注入控制整合的反应物输送系统，以维持注入至排放前等离子体的反应物的特定量，从而维持PFC或GWG的最佳去除效率及最小化反应物损耗。

用于前级去除的等离子体源可使用除了工艺排放物外含氢或氧的反应物，例如水蒸气，以实现前级中PFC及GWG的去除。图1为配管及仪器构造图，示出根据本公开内容的一些实施方式的典型等离子体前级去除系统。等离子体前级去除系统可耦接至或可为更大处理系统的部分，这个更大处理系统产生或发射涉及去除的PFC或GWG。这些系统的非限制性实施例包含基板处理系统，例如使用于半导体、显示器、太阳能、或发光二极体(LED)制造工艺中的系统。

用于前级去除的等离子体源可使用除了处理排放外含氢或氧的反应物，例如水蒸气，以实现前级中PFC及GWG的去除。图1为根据本公开内容的一些实施方式的处理系统100，包含用于处理排放气体的典型等离子体前级去除系统120。处理系统100一般包括处理腔室102、耦接至处理腔室102的前级108、耦接至前级108的反应物输送系统112、及耦接至前级108的用于处理排放气体的装置104(例如，等离子体去除源)。

处理腔室102可为任何适于在基板上执行处理的处理腔室。在一些实施方式中，处理腔室102可为处理工具的部分，例如群集工具、直列式处理工具或类似者。处理腔室102可产生或发射涉及去除的PFC或GWG。这些处理腔室102的非限制性实施例包含基板处理系统，例如使用于半导体、显示器、太阳能、或发光二极体(LED)制造工艺的系统。

前级108耦接至处理腔室102的排放口114且便于由处理腔室102移除排放气体。排放气体可为任何气体，例如，可由处理腔室102移除的诸如工艺气体或副产物气体。前级108可耦接至真空泵106或其它合适的抽取装置以由处理腔室102抽取排放气体至合适的下游排放处理设备(诸如，去除设备或类似者)。在一些实施方式中，真空泵106可为粗加工泵或后备泵，例如，干机械泵或类似者。在一些实施方式中，真空泵106可具有可变的抽取容量，可设定于特定水平，例如，用以控制或提供前级108中额外的压力控制。

前级108与用于处理排放气体的设备104以直列式设置，且促进来自处理腔室102的排放气体的处理或去除。电源110，例如RF功率源耦接至用于处理排放气体的装置104，以提供功率至用于处理排放气体的装置104，从而便于排放气体的等离子体处理。电源110以足以在用于处理排放气体的装置104内形成等离子体的频率及功率来提供RF能量，使得流经用于处理排放气体的装置104的排放气体可与等离子体一起处理(例如，至少部分分解为一个或更多个离子、自由基、元素、更小的分子、或类似者)。在一些说明性实施方式中，电源110可为可变频率的电源，能够提供一频率范围的RF能量。在一些说明性实施方式中，功率源110可以以约1.9至约3.2MHz的频率提供约2至约3kW的RF能量。

反应物输送系统112可耦接至前级108以输送反应物，例如水蒸气至前级108等离子体去除源上游(即，用于处理排放气体的装置104)。图2描绘反应物输送系统112的局部的侧视图。反应物输送系统112包含水槽204，水槽204具有用于储存反应物液体的内容积212。虽然称为水槽，可使用水槽204以容纳任何适用于前级去除系统120中的反应物，例如水、液态氧、或类似者。在一些实施方式中，水槽204可具有约0.1英寸至约1.0英寸的壁厚度，并且可由铝、不锈钢、或复合材料制成。在一些实施方式中，水槽204可具有约0.125英寸至约0.25英寸的壁厚度。在一些实施方式中，水槽204直径上可为约4英寸至直径上约10英寸。在一些实施方式中，水槽204直径上可为约8英寸。

在一些实施方式中，可于水槽204内沿着轴设置管206，例如中央轴240。在一些实施方式中，可沿着偏移轴设置管206。管206为位准树(level tree)组件提供欲插入的电性/磁性簧片开关/传感器，使得液体水平面可被探测到。并非所有描述于此的实施方式包含该管。在一些实施方式中，管206可具有约0.25英寸至约1.0英寸的直径，且由不锈钢或其它合适的材料形成。在一些实施方式中，管206可具有约0.5英寸的直径。在一些实施方式中，管206为全封闭(blind)管，被密封且管内部不暴露于任何蒸气下。管206可于水槽204内经由上安装支架222受支撑。形成水槽204的盖子的上方安装支架222可在期望的位置上与下安装支架224一起支撑反应物输送系统112。

水槽204可包含液体反应物水平感应系统以确定液体反应物的水平面。在实施方式中，液体反应物水平感应系统可包含设置于水槽204中的一个或更多个磁性浮标230。在包含管206的实施方式中，如图2中所示，围绕管206设置一个或更多个磁性浮标230。一个或更多个磁性浮标230的每一个磁性浮标230可在一对磁性浮标停止点232之间移动。各磁性浮标230的位置提供水槽204内液体反应物水平面的标示。磁性浮标230会安放于底部停止点上，直到液体反应物造成磁性浮标230浮动。当磁性浮标230达到顶部停止点时磁性浮标230会停止。设置于管206内的传感器252将监视各磁性浮标的位置。在一些实施方式中，基于一个或更多个磁性浮标230的位置，反应物液体，例如，水持续流动一特定时间周期(例如，12秒)进入水槽204。在一些实施方式中，可在水槽204内设置三个磁性浮标，如图2中所示。

在不包含管206的实施方式中，可在水槽204中设置一个或更多个磁性浮标230，且一个或更多个磁性浮标230可经构造以在水槽204内浮动于不同水平面。可沿着水槽204的内或外表面设置传感器252，以监视各磁性浮标的位置。在其它实施方式中，可使用其它种类的液体反应物感应系统。

反应物输送系统112可包含用于提供反应物液体208至水槽204的内容积212的反应物入口216。反应物入口216在一些实施方式中可为电磁线圈或孔。在一些实施方式中，可经由水槽204的底部部分242设置反应物入口216。在一些实施方式中，下安装支架224可形成水槽204的底部部分242，且可经由下安装支架224设置反应物入口216。水槽204可进一部包含设置接近水槽204底部部分242的保养(maintenance)排泄管218。可使用保养排泄管218以从水槽204排泄反应物液体208。在一些实施方式中，水槽204包含经由水槽的顶部部分244设置的保养通口220。在一些实施方式中，上安装支架222可形成水槽204的顶部部分244，且可经由上安装支架222设置保养通口220。

反应物输送系统112也可包含设置接近于水槽204上端的多个挡板214。可使用挡板214以分隔液体反应物(例如，水)蒸气滴与干蒸汽。挡板214形成液体分隔器以防止液体水溅入蒸气输送线。在一些实施方式中，反应物输送系统112可包含加热器覆盖226以帮助水槽204的内容积212内的温度控制。

在一些实施方式中，经由连接至水槽的上安装支架222的管248来发射反应物/水蒸气。反应物/水蒸气通过挡板214，挡板214中具有孔。进入内容积212的挡板214上的头顶部空间的反应物/水蒸气被发射离开管248。在其它实施方式中，管206可包含盲孔以允许汽化的反应物蒸气流动进入及往上经过管206的中央部分且被提供至前级去除系统120。

在反应物输送系统112中，反应物液体208，例如，水经由反应物入口216被导入水槽204的内容积212。反应物液体208(例如，水)被汽化以产生水蒸气246，如同前级去除系统120中的反应物气体那样使用水蒸气246。在一些反应物输送系统中，发明人观察到：在WDS中水的汽化造成冷却，且随着蒸气流动率增加，在反应物输送系统112中的液体水的液体表面210可冻结并阻断水蒸气的流动。因此，于此提供的发明性的反应物输送系统112包含设置于水槽204内的热交换器202。在一些实施方式中，热交换器202可为穿孔的挡板热交换器，该热交换器设置于反应物液体表面210处以确保由反应物液体208至易受到汽化冷却的反应物液体的液体表面210的有效的热传输。更特定而言，热交换器202可为金属片导流板，该金属片导流板部分浸没于反应物液体208中且部分由液体表面210突出，用以解决液体水平面改变及水沸腾影响。

通过如此地设置热交换器202，防止了反应物液体208的表面冻结并达到了更高的水蒸气汽化流动率。更特定地，发明人观察到：存在有对着液体表面210的陡峭温度梯度(gradient)。例如，表面处可发生水结冰于摄氏0度，而同时水的表面下方仅3.5mm处水的温度可为约摄氏35度。通过针对跨此区域至周围流体的热传输安置、穿过液体表面210安置热交换器202，这分散了高温梯度的小区域。因此，通过从表面下方较暖的液体传输热至液体表面，由具有高热传导性质的材料制成的热交换器202平衡液体表面210处的温度以抑制归因于汽化冷却的水冻结。在一些实施方式中，使用于热交换器的材料的热导率(k)大于10W/mK。在一些实施方式中，使用于热交换器的材料的热导率高达400W/mK。

热交换器202可具有中央开口234使得热交换器202可围绕管206设置，且可选地围绕磁性浮标230设置。热交换器202可经由一个或更多个支撑棒228保持于水槽204内。在一些实施方式中，可使用三个支撑棒228以在水槽204内支撑热交换器202。支撑棒228可栓钉焊接(tack welded)或其它扣紧至水槽204的内壁。还可使用支撑棒228以保持热交换器202的形状，如下方将进一步详细描述。在正常反应物液体水平面处在水槽204内安装热交换器202，使得热交换器202部分设置浸没于反应物液体中。在一些实施方式中，可由一个或更多个突出件250(例如，环、凸耳、销、栓钉等)支撑热交换器202，该一个或更多个突出件250由水槽204的内壁径向朝内延伸。在可选择的实施方式中，热交换器202是由易浮材料组成，该易浮材料以具有高热传导性的材料涂覆，而允许热交换器202浮动，使得热交换器202部分浸没于反应物液体中且部分由反应物液体表面突出。

图3至图6中进一步示出热交换器202。具体而言，图3监测热交换器202的等距图。如图3中所示，可形成热交换器202为具有内端304及外端306的连续线圈/螺旋金属片。在一些实施方式中，热交换器202可具有约25mm至约100mm的高度。线圈的内直径可以2英寸直径起始用以形成中央开口234。热交换器202可包含多个等距间隔的同心线圈层302以准许这些层之间反应物液体的流动。在一些实施方式中，各层可相互间隔约0.25英寸。可栓钉焊接支撑棒228以紧固线圈，从而确保热交换器202的内至外直径的同心度。在一些实施方式中，热交换器可由不锈钢形成(例如，304不锈钢、16量具不锈钢)。在一些实施方式中，各线圈层302可为0.25英寸厚。在一些实施方式中，可对不锈钢穿孔以允许水于线圈层302之间流动，而不造成沟流(channeling)或任何其它液压影响。

如图4至图6中所示，可使用热交换器202的其它构造。特定而言，图4中的热交换器400描绘多个径向延伸翼片402。图5中的热交换器500描绘可由一个或更多个支撑棒504固定在一起的多个同心圆柱体502。图6中的热交换器600描绘径向及同心构造两者，以形成蜂巢类型结构。可使用其他类型结构，例如矩形折叠片。

虽然前述为本公开内容的实施方式，但在不脱离本公开内容的基本范围的条件下，可设计本公开内容的其它的及进一步的实施方式。

Claims (10)

1.一种反应物输送系统，所述反应物输送系统包括：

水槽，所述水槽具有内容积，所述内容积在设置于所述水槽中时容纳反应物液体；以及

热交换器，所述热交换器具有中央开口，所述中央开口设置于所述内容积中，并且经构造以在反应物液体设置于所述水槽内时避免所述反应物液体的顶表面冻结，其中所述热交换器由多个同心圆柱体形成而准许所述同心圆柱体之间反应物液体的流动，并且其中将所述多个同心圆柱体的每一者穿孔以允许反应物液体流经所述同心圆柱体。

2.如权利要求1所述的反应物输送系统，其中由耦接至所述多个同心圆柱体的一个或多个支撑棒将所述多个同心圆柱体固定在一起，并且其中所述一个或多个支撑棒确保所述多个同心圆柱体的同心度。

3.如权利要求2所述的反应物输送系统，其中所述支撑棒进一步将所述热交换器固定至所述水槽的内壁。

4.如权利要求1至2任一项所述的反应物输送系统，其中由从所述水槽的内壁径向朝内延伸的一个或多个突出件支撑所述热交换器。

5.如权利要求1所述的反应物输送系统，其中所述热交换器由圆柱体形成，所述圆柱体具有中央开口及从所述圆柱体的内壁径向朝内延伸的多个径向翼片。

6.如权利要求1至2任一项所述的反应物输送系统，所述反应物输送系统进一步包括：

一个或多个磁性浮标，所述一个或多个磁性浮标经构造以在所述反应物液体中浮动；以及

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器设置于所述水槽中，所述一个或多个传感器经构造以基于所述磁性浮标的位置确定所述反应物液体的水平面。

7.如权利要求6所述的反应物输送系统，所述反应物输送系统进一步包括：

管，沿着所述水槽的中央通道设置所述管，其中绕所述管设置所述热交换器及所述一个或多个磁性浮标，且其中所述一个或多个传感器设置于所述管内。

8.一种使用于反应物输送系统中的热交换器，所述热交换器包括：

连续线圈板材料，所述材料具有内端及外端，其中所述连续线圈板形成多个等距间隔的同心层而准许所述同心层之间反应物液体的流动，并且其中对所述连续线圈板穿孔以允许反应物液体流经所述同心层。

9.如权利要求8所述的热交换器，所述热交换器进一步包括：

耦接至所述连续线圈板的一个或多个支撑棒而确保等距间隔的同心层的同心度。

10.一种基板处理系统，所述基板处理系统包括：

处理腔室；

前级，所述前级耦接至所述处理腔室以允许来自所述处理腔室的排放的流动；

前级等离子体去除系统，所述前级等离子体去除系统耦接至所述前级以去除流经所述前级的排出物，其中所述前级等离子体去除系统包含：

水槽，所述水槽具有内容积，所述内容积在设置于所述水槽中时容纳反应物液体；以及

热交换器，所述热交换器具有中央开口，所述中央开口设置于所述内容积中，并且经构造以在反应物液体设置于所述水槽内时避免所述反应物液体的顶表面冻结，其中所述热交换器由多个同心圆柱体形成而准许所述同心圆柱体之间反应物液体的流动，并且其中将所述多个同心圆柱体的每一者穿孔以允许反应物液体流经所述同心圆柱体。