CN1131892C - 静电屏蔽的射频室冷却系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于冷却静电屏蔽的射频(ESRF)等离子体源(100)的方法和系统。所述方法和系统利用具有多个肋(303，330)的静电屏蔽(300，360)，其蒸发冷却剂并把蒸汽喷射到处理管道(400)或偏置屏蔽(300，360)上。所述蒸汽或者被喷射到肋的下方，或者被喷射到相邻的肋之间。这种设计避免使用可能吸收气体因而导致在导电线圈之间发生电弧的液体冷却剂浴。

Description

静电屏蔽的射频室冷却系统和方法
共同未决申请的交叉参考
本发明涉及序列号为60/095036，申请日为1998，8，3，名称为“ESRFCHAMBER COOLING SYSTEM AND PROCESS”的美国专利申请，并要求其优先权，该申请的内容在此列为参考。
本发明涉及以下待审申请：序列号为60/059173，名称为“Deviceand Method for Detecting and Preventing Arcing in RF PlasmaSystems”，序列号为60/059151，名称为“System and Method forMonitoring and Controlling Gas Plasma Processes”，以及序列号为60/065794，名称为“All-Surface Biasable and/or Temperature-Controlled Electrostatically-Shielded RF Plasma Souree”。本发明还涉及以下待审申请：序列号为60/095035(代理人登记号2312-0720-6YA PROV)，名称为“ESRF COOLANT DEGASSING PROCESS”，申请日为1998，8，3，申请序列号为09/＿＿＿(代理人登记号2312-0812-6 YA WO)，名称为“ESRF COOLANT DEGASSINGPROCESS”，和本发明的申请日相同，发明人也是WayneL.Johnson。这些待审专利也列于此处作为参考。
发明背景
发明领域
本发明指向一种用于冷却等离子处理系统的方法和系统，尤其涉及这样的方法和系统，其中利用：(1)通过小孔膨胀并被转换为气体的冷却剂，所述气体被施加于处理管道的外部，以及(2)用于冷却处理管道的静电屏蔽，其中通过使用在所述静电屏蔽中的蒸发孔使冷却剂蒸发，并把冷却的蒸汽引导到处理管道上。
背景描述
为了利用刻蚀和淀积处理制造具有亚微特征的半导体芯片，现代的半导体处理系统利用等离子体辅助技术，例如反应离子刻蚀(RIE)，等离子体增强化学蒸汽淀积(PECVD)，溅射，反应溅射，以及离子辅助蒸汽淀积(PVD)。除去上述的供参考的待审申请之外，气体等离子体处理系统的另一个例子在本申请的发明人Wayne L.Johnson的专利号为5234529的美国专利中描述了。在这种已知的系统中，一种气体被引入形成气体等离子体并通过施加射频(RF)电源维持所述等离子体的处理环境中。一般地说，使用螺旋状线圈使RF电源和等离子体感性地耦联。
通常，气体等离子体的产生也产生大量的热，所述的热量必须被除去，以便把处理系统维持在特定的处理温度。以前，用于除去所述热量的方法是低效率的，并且基于一种笨重的设计。过去使用液体冷却剂浴，例如FLUORINERT，对ESRF等离子体源进行冷却，其中的冷却剂也作为电介质。在射频下的好的电介质的定义是，当流体被暴露给强电场时，流体必须具有每单位体积的低的功率损耗。不过，这些特定的流体不利地吸收大量的气体，例如空气。被吸收的气体的4个主要来源有：(1)在运输之前已经存在于液体中的气体(即在由等离子体处理系统用户接收之前吸收的气体)，(2)当液体被暴露于空气时例如在使用液体之前在容器之间灌注期间，(3)当室内的空气在初始充灌期间被流体代替时吸收的气体，以及(4)当流体被泵入时在系统的任何部分存在的空气。此外，如果在系统中的高的部位的冷却剂向低的部位排放而使泵停止时，则空气代替被排出的冷却剂。当泵被重新启动时，空气被破碎成气泡，这成为另一种可吸收的气体源。
在高电场的区域，可能发生引起高的局部发热的大的功耗，因而使冷却剂流体的局部温度增加。此时，放出的气体增加，使得更多的气体来到溶液之外，并且产生气泡，所述气泡通过dielectro-fluoretic吸附作用集结在线圈表面上。被吸附的气泡在线圈表面产生介电差，这导致不均匀的电场、局部发热和起弧。如果在谐振腔中使用之前所述气体不从液体冷却剂中放出，所述电弧可以在大大低于流体中测量的电场强度下发生。例如，FLUORINERT吸收的气体体积相当于其自身液体的体积，因而必须处理，以便除去存留的气体。
为了避免由于吸收的气体的快速放出而起弧，已知的系统在通过ESRF等离子体室连续地泵入冷却剂时，逐渐增加等离子体源的功率。在一个足够长的时间内逐渐增加RF功率，以便从冷却剂中缓慢放出吸收的气体。虽然用这种方式能够放出存留的气体，但是需要相当的时间。这种处理通常需要数小时，因而在处理芯片时拖延了等离子体系统的使用。
已知的系统除去需要长的时间才能放出吸收的气体之外，由于在大的芯片(例如300mm)处理系统中使用的大的冷却管线，和等离子体源相连的冷却系统是非常笨重的。因而，在连接有冷却管线的条件下把处理室打开时，一般吸收大量的空气。因为冷却管线可以容纳数百磅的冷却剂，所以一般情况下，所述管线被保留连接。结果，使附连的管线升高以便打开等离子体室是困难的，但并非不可能。
以前，不知道如何利用另一个冷却机构代替大的管线。需要大的管线是为了提供为除去由处理管线产生的热量所需的大的冷却剂交换量(例如50-75加仑/分)。此外，由于所需的冷却剂的重量和压力，难于使用柔性管线。
发明概述
本发明的目的在于提供一种用于冷却静电屏蔽的射频(ESRF)源的改进的方法和系统。
本发明的另一个目的在于提供一种用于冷却ESRF源的改进的方法和系统，其中使用蒸汽冷却剂代替液体冷却剂浴。
本发明的另一个目的在于提供一种ESRF腔，其可以在大气环境中被调谐，代替使用被浸在温度被控制的流体中的元件进行调谐。
本发明的这些和其它的目的是通过这样一种方法和系统实现的，所述方法和系统利用冷却剂，所述冷却剂在通过一屏蔽时(在被加于处理管线的外部之前)被蒸发，从而除去在由射频供电的等离子体源中产生的热量。本发明通过使用一系列的喷嘴对处理管线施加低压冷却剂，通过蒸发液体冷却剂，然后把蒸汽抽出，从而除去热量。
这种方法避免了在使用液体冷却剂浴的系统中发生的电弧。此外，由于在线圈周围的材料的介电常数接近在空气和介电流体之间的介电常数，所以ESRF腔可以在空气中被调谐，并且能够在一个宽的温度范围内被调谐。(即可以减少由介电常数的温度变化引起的调谐的漂移。)
更具体地说，本发明的这些和其它目的是通过一种利用由包围在其周围的屏蔽进行冷却的处理管道的方法和系统实现的。借助于使冷却剂通过一系列膨胀孔(例如沿着屏蔽的肋设置的)膨胀到比冷却剂的蒸汽压力低的压力，使冷却剂在位于小孔中时被蒸发。然后，使所述蒸汽喷发到处理管道上，以从该屏蔽和处理管道上除去热量。通过在处理管道的表面上的冷蒸汽的强制对流(1)与/或传导(2)，除去热量。
附图简述
通过结合附图参阅下面的详细说明，将更充分地理解本发明，并清楚地看出本发明的特点和优点，其中：
图1示意地表示按照本发明的流体的流动；
图2表示具有多个喷嘴的冷却屏蔽；
图3A是一个放大图，表示在图2的屏蔽的支管和肋之间的界面；
图3B是在图2所示的多喷嘴冷却屏蔽中的开口(小孔或气孔)的放大图；
图4表示具有多孔冷却肋的屏蔽；
图5是图4所示的具有多孔冷却肋的屏蔽中的小孔的放大图；
图6是图4所示的具有多孔冷却肋的屏蔽中的小孔的放大图，所述小孔对偏置屏蔽提供冷却的蒸汽；以及
图7A和7B表示可在市场上得到的几种冷却剂的冷却特性。
优选实施例的详细描述
在本发明中，ESRF系统被冷却，而没有在以前由于使用未被处理的冷却剂时所遇到的问题，即在螺旋线圈周围起弧的问题。本发明的一个实施例使用一种液体介电质，其被蒸发，并被施加到热的表面上，而不是把热表面浸在液体冷却剂中。
参看附图，在所有的附图中，相同的标号表示相同或相应的元件。图1示意地表示被冷却的ESRF处理系统，其利用蒸发的冷却剂替代液体冷却剂浴。按照所示的实施例，ESRF等离子体源100利用源冷却室105冷却，其中使用蒸汽除去被加热的表面上的热量。利用高压泵115通过管道117的长度，接着通过阀门120a把冷却剂从流体质量存储室110抽出。冷却剂的压力利用高压压力计125a进行测量。然后，冷却剂通过遥控阀130，冷却剂质量流速通过遥控阀130被控制。在从质量流速控制器130出来之后，冷却剂进入用于把冷却剂分配到屏蔽的肋303中的支管305(屏蔽300的顶上，见图2)。如上所述，冷却剂在(1)大于在源冷却室105内维持的压力和(2)小于冷却剂蒸汽压力下进入肋。在进入屏蔽的肋的冷却剂和源冷却室105的蒸汽环境之间的压力差使得，当冷却剂从膨胀孔出现时，冷却剂开始膨胀，因而，使压力减少到其蒸汽压力以下。此时，冷却剂从液相改变为气相。当气体继续膨胀到源冷却室105内的环境压力时，其进一步变冷(把热能转变为动能)。因此，通过两个机理，即，(i)在冷却剂(液态)和处理管道之间的传导-对流热交换，和(ii)在处理管道和喷射到处理管道表面上的冷却剂之间的传导-对流热交换，把热量从处理管道上带走。所述屏蔽肋接着通过头两个机理被冷却。在冷却剂通过膨胀孔135之前，当其流过支管和屏蔽的肋时，热量被传递给冷却剂(液态)。热交换率正比于(1)冷却剂管道的表面积(在分配支管内和屏蔽肋内)，(2)处理管道(其和肋呈松散地热耦合)和屏蔽肋之间的温度差，以及(3)热交换系数。
此外，热交换系数主要取决于冷却剂流速和冷却剂热性能(即导热率，黏度，在恒定压力下的比热，密度等等)。其次，当通过热的屏蔽肋以及冷却剂和处理管道的接触提供用于使冷却剂蒸发(用于使冷却剂从液态变为气态)的潜热时，热量从屏蔽肋中被驱出。对于正在蒸发的液体，热交换率正比于蒸发的潜热和冷却剂质量流速。
最后，第三机理是在当冷蒸汽喷射到处理管道表面上时，处理管道和冷蒸汽之间的直接热交换。类似地，热交换率正比于处理管道的表面积，处理管道和喷射的气体之间的温差，以及热交换系数。对于一个喷嘴阵列，热交换系数取决于膨胀支管的总面积，支管和处理管道之间的距离，气体的速度，以及几个气体的性能(包括导热率，黏度，在恒定压力下的比热，密度等等)。
以前被冷却的气体吸收源冷却室105中的热量，并最终通过管道的另一个长度和阀门120b被抽出，然后进入冷凝器140。在冷凝器中，蒸汽进行相反的状态改变，被转换为液体。在所述转换期间，当蒸汽变成液体时，便从蒸汽中除去热量。然后通过高压泵115再次把液体抽出。不过，因为在泵115中对液体加压的处理一般增加液体的热能，所以首先使液体通过热交换器145，在所述热交换器中，可以在使液体返回流体质量存储室110进行另一个循环之前使热量放出。
为了控制冷却循环，高压压力计125a和第二压力计125b在两个位置测量冷却循环中的压力，一个是在膨胀之前，另一个是在膨胀之后。由所述的两个压力，可以确定液体和蒸汽的流速。使用所述流速，通过控制流速控制阀130，可以控制冷却循环，从而维持一个这样的流速，使得提供足够的被蒸发的冷却剂的数量，同时在源冷却室105内不产生冷却剂的积聚。
所述的系统还包括和膨胀孔135的蒸汽侧相连的真空泵160。所述真空泵用于在开始操作之前抽空系统中的空气。由真空泵160产生的真空度通过阀门120c和120d控制，并通过真空压力压力计155测量。真空泵160可以被同样地被控制，以便根据压力计155的读数抽出或多或少的空气。在把系统抽空之后，对系统进行泄漏检查，然后被充以预定数量的冷却剂。
流体质量存储室110除去具有在正常的流体流动期间使用的入口和出口之外，还包括剩余的污染物释放阀。所述释放阀可以用于释放上升到流体质量存储室的顶部的气体污染物。所述释放阀或者借助于压力启动，或者被手动地控制。
上述的方法最好或者和图2所示的多喷嘴冷却屏蔽300(见图3B所示的近视图)结合使用，或者和图4所示的多孔冷却肋屏蔽360结合使用。这两类屏蔽是有利的，因为它们提供足够数量的被蒸发的流体，从而除去局部热负荷，而又不在线圈的表面上产生微气泡。在屏蔽300和360的另一个实施例中，屏蔽是静电屏蔽，而不仅仅是冷却屏蔽。蒸汽从室中被抽出的速率必须大于液体冷却剂的速率，因为蒸发的冷却剂比在状态改变之前相应的液体占据较大的体积。(不过，本发明的流速小于常规系统的流速。在已知的液体冷却剂系统中，每克流体的流动7.6焦耳允许10度C的流体温度改变，而本发明在相等的流速下，允许100焦耳)。不过，一般地说，系统控制液体冷却剂的流速，使得确保液体冷却剂在被提供给所述的处理之前基本上全部被蒸发(或者如下面要详细说明的偏置屏蔽)。虽然不可能保证被全部蒸发，但是基本上全部蒸发也能够使得在液体冷却剂中不产生电弧的条件下施加蒸汽。
如图2所示，屏蔽300的多个肋303被设置用于对被容纳在屏蔽300内部的一个短距离(0.125-0.375英寸)处理管道400的外部提供均匀的冷却。如图3A所示，冷却剂通过支管305(经过图2所示的冷却剂进入孔320)被抽入屏蔽300中，并被强迫通过钻孔308(位于支管305的底部和肋303的顶部。)如图3B所示，一旦冷却剂通过支管305的底部进入肋303，冷却剂就通过开口310被驱出。在屏蔽300的第一实施例中，开口310作为膨胀孔135，并把冷却剂引向屏蔽的内部，即引向处理管道400的外壳体。在屏蔽300的另一个实施例中，钻孔308作为相应肋303的膨胀孔。在该实施例中，开口310是一个足够大的简单的孔，用于使得蒸发的冷却剂能够以一个足以冷却处理管道400的数量通过该孔。在本发明的另一个实施例中，冷却剂进入孔320(图2所示)作为用于整个冷却系统的一个孔。因而，支管305被充满蒸发的冷却剂。为了调节蒸发的冷却剂的流速，钻孔308和开口310和其输送液体与/或作为孔135时相比被扩大。
如图4所示，多孔冷却肋屏蔽360含有多个单独的肋330，每个肋具有多个孔340。每个孔340被设计用于冷却单个的肋330和屏蔽360的与所述肋相邻的相应的部分。(如上所述，屏蔽360可以是简单的冷却屏蔽，或者是静电屏蔽)。该实施例和第一实施例相比具有一种附加的热输送机理，即，当屏蔽肋被蒸发所冷却剂的潜热冷却时，在处理管道和屏蔽肋之间的传导热交换。孔2340的密度随着在锥形屏蔽360的底部的面积的增加而增加。这种设置和在屏蔽360的底部需要除去较多的热量的要求一致。图5示出了具有3个孔340的一个肋330的放大的部分。在本发明的一个实施例中，孔的形状和位置被这样设计，使得半垂直地向肋喷射气流，以便使气流对准处理管道400的壁并向所述的壁分散。在第二实施例中，所述的孔的形状和位置被这样设计，使得蒸汽气流被直接地喷射到处理管道400的壁上。在第二实施例中，所述气流被这样引导，使得冷却相邻的肋之间的处理管道的部分的相应的一半。如上所述，当冷却剂在通过钻孔308进入肋330之前或在进入所述肋时已被蒸发时，孔340可以用较大的开口代替。
此外，屏蔽360由导热性好的材料制成，以便更均匀地除去热量。在屏蔽360是静电屏蔽的实施例中，肋330还被设计成具有彼此相对的窄的截面，以便减少相邻肋之间的电容耦合。在静电屏蔽中的间隙上的电容耦合增加静电屏蔽的插入损失。
类似于图5所示的实施例，图6表示另一个实施例，其中一个有槽的偏置屏蔽410被插入处理管道400和静电屏蔽360之间。在该实施例中，偏置屏蔽410接收来自处理管道400的热量，并被蒸汽冷却，而不直接冷却处理管道。为了阻止在偏置屏蔽410和静电屏蔽330之间的直接的电接触，在其间设置电绝缘体。虽然在图6中所示的电绝缘体是一个简单的空气隙，但是也可以使用其它的电绝缘体。
如图7A和7B所示，对9种不同的冷却剂进行了测试，以便确定在沸点发生的变化和其它特性如何通过蒸发而影响热量的去除。虽然沸点的范围从130℃到215℃，但是用于除去最大热量所需的流速只从1.15升/分改变为1.11升/分。因而，在本发明中可以使用宽范围的冷却剂，通过冷却剂的蒸发除去热量。
显然，根据上述的教导可以作出本发明的多种改型和改变。因此，应当理解，在本发明所附权利要求的范围内，本发明还有许多和上述实施例不同的其它实施例。

Claims (18)

1.一种用于冷却等离子体处理系统的系统，包括：
处理管道；
包围在处理管道周围，用于利用蒸发的冷却剂冷却处理管道的屏蔽；以及
用于控制系统内的液体冷却剂的流速，从而确保液体冷却剂被蒸发的流速控制装置。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述屏蔽包括具有多个喷嘴的多个肋，用于蒸发所述液体冷却剂，并把蒸汽施加到位于多个肋的下方的处理管道的外部。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述屏蔽包括具有多个孔的多个肋，用于通过把蒸发的冷却剂施加到和多个肋相邻的处理管道的外部而冷却处理管道。
4.如权利要求1所述的系统，还包括热交换器，用于把蒸汽转换为冷的冷却剂，以便再次应用到该系统。
5.如权利要求1所述的系统，还包括用于在蒸发液体冷却剂之前存储液体冷却剂的容器。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述屏蔽是静电屏蔽。
7.如权利要求6所述的系统，还包括被插在处理管道和静电屏蔽之间的偏置屏蔽，其中静电屏蔽包括具有多个喷嘴的多个肋，用于蒸发液体冷却剂并把蒸汽喷射到位于多个肋的下方的偏置屏蔽的外部。
8.如权利要求6所述的系统，还包括被插在处理管道和静电屏蔽之间的偏置屏蔽，其中静电屏蔽包括具有多个孔的多个肋，用于通过把蒸发的冷却剂施加到和多个肋相邻的偏置屏蔽的外部而冷却处理管道。
9.一种用于冷却等离子体处理系统的方法，所述方法包括以下步骤：
利用具有多个肋的屏蔽包围处理管道；
使用蒸发的冷却剂冷却处理管道；以及
控制系统内的液体冷却剂的流速，以便确保所述液体冷却剂被蒸发。
10.如权利要求9所述的方法，还包括蒸发液体冷却剂并把蒸发的液体冷却剂施加到位于多个肋的下方的处理管道的外部的步骤。
11.如权利要求9所述的方法，其中冷却步骤包括蒸发液体冷却剂并把蒸发的冷却剂施加到和多个肋相邻的屏蔽的外部的步骤。
12.如权利要求9所述的方法，还包括在热交换器中再冷却蒸发的冷却剂的步骤。
13.如权利要求9所述的方法，还包括抽空并清洗处理管道的室以便识别泄漏的步骤。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述屏蔽是静电屏蔽，并且在处理管道和静电屏蔽之间插入一个偏置屏蔽，所述冷却步骤包括以下步骤：
蒸发液体冷却剂，并把蒸汽施加到位于多个肋的下方的偏置屏蔽的外部。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述屏蔽是静电屏蔽，并且在处理管道和静电屏蔽之间插入一个偏置屏蔽，所述冷却步骤包括以下步骤：
蒸发液体冷却剂，并把蒸汽施加到和多个肋相邻的偏置屏蔽的外部。
16.如权利要求9所述的方法，还包括在和处理管道相对的多个肋的每个肋的多个孔处蒸发液体冷却剂的步骤。
17.如权利要求9所述的方法，还包括在所述屏蔽的支管和多个肋的每个肋的交点处的孔蒸发液体冷却剂的步骤。
18.如权利要求9所述的方法，还包括在屏蔽的支管中用于形成冷却剂进入孔的孔处蒸发液体冷却剂的步骤。
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