CN1185037C - Esrf冷却剂的脱气方法 - Google Patents

Abstract

一种对吸附有气体的液体冷却剂进行处理的方法，该方法包括以下步骤：在脱气室中储存包含有所吸附的气体的液体冷却剂；利用真空降低液体冷却剂上面的压力；当吸附的气体从液体冷却剂中放出时，除去所吸附的气体，以便形成脱气的冷却剂；以及向等离子体处理系统抽送已脱气的冷却剂，以便从该等离子体处理系统中除热。本发明的冷却静电屏蔽射频(ESRF)等离子体源(115)的方法和系统用于通过产生真空而使液体冷却剂池(100)中的气体放出，从而除去吸附的气体，因此减少液体冷却剂的调整时间。脱气的冷却剂用热交换器(130)冷却。该方法和系统还能快速排空该管道和快速重新装满该脱气室(100)。

Description

ESRF冷却剂的脱气方法

本申请涉及并要求美国临时申请No.60/095035的优先权，该临时申请的提交日为1998年8月3日，标题为“ESRF冷却剂的脱气方法”。该申请的内容被本文参引。

本申请涉及以下的共同待审申请：序列号为60/059173，标题为“监测和防止RF等离子体系统中电弧击穿的装置和方法”；序列号60/059151，标题为“监测和控制气体等离子体处理的系统和方法”；以及序列号60/065794，标题为“全部表面可加偏压和/或温度控制的静电屏蔽RF等离子体源”。本申请还涉及下列共同待审的申请，序列号为60/095036(代理记录号2312-0633-6PROV)，标题为“ESRF室冷却系统和方法”，提交日为1998年8月3日；以及国际申请序列号PCT/US 99/17516，标题为“ESRF室冷却系统和方法”，提交日为1999年8月3日，申请人Wayne L.Johnson也是发明人。所有这些共同待审的申请都被本文参引。

为了用蚀刻和沉淀方法制造具有亚微米特征的半导体晶片，现在的半导体处理系统采用了等离子体辅助技术，例如活性离子蚀刻(RIE)、等离子体增强化学蒸发沉淀(PECVD)、溅射、活性溅射、以及离子辅助物理蒸发沉淀(PVD)。除了上述共同待审的申请外，在授予本申请发明人Wayne L.Johnson的美国专利5234529中描述了气体等离子体处理系统的另一实例。在这种已知的系统中，将气体引入这样的处理环境中，即，在该处理环境中，通过射频(RF)能的应用而形成气体等离子体并将其保持住。通常，RF能量利用螺旋线圈而与等离子体电感耦合。

通常，产生气体等离子体的同时也产生了大量的热，必须除去该热量，以便使处理系统保持在进行处理的特定温度。迄今为止，去除该热量的效率低，且方案麻烦。已知ESRF等离子体源利用液体冷却剂槽例如FLUORINERT电子液体进行冷却，该液体冷却剂也可作为电介质。射频好的电介质定义是在暴露于强电场中时每单位容积的能量损失较小的流体。不过，这些特殊流体的缺点是吸附了大量的气体，例如空气。换句话说，暴露于空气(和其它气体)中的液体(冷却剂)表面将气体吸附入表面层内。当该液体混合(即通过冷却系统而运动或被抽送)时，被吸附的气体再分散到整个液体中(容积或内部)。而且，在冷却剂泵停止后，气体也可以吸附入冷却剂内。当泵停止时，如果在系统高处的冷却剂排向低处，则空气将取代排出的冷却剂。当泵重新启动时，空气会碎成气泡，该气泡变成另一可吸附气体之源。

在高电场区域，高损耗能够导致较高的局部加热，因此，冷却流体的局部温度升高。这样，放出气体的速度增加，使得更多的气体从溶液中出来，并产生气泡，该气泡在dielectro-fluoretic吸引力的作用下聚集在线圈表面。这些吸附的气泡在线圈表面产生介电差，这会导致增强的非均匀电场、局部加热和电弧击穿。该电弧击穿可以在电压大大低于使用前在谐振腔中所测量的、当气体没有从液体冷却剂中放出时的流体介质强度的情况下发生。例如，FLUORINERT电子液体能吸附容积相当于其自身液体容积的气体，必须对其进行处理以除去捕获的空气。

为了避免由于吸附气体的快速放出而产生的电弧击穿，已知的系统在逐渐增加等离子体源的功率的同时通过该ESRF等离子体室而连续抽送冷却剂。RF能量的逐渐增加是在足以使吸附的气体从冷却剂中缓慢放出的时间段内进行的。尽管能使冷却剂以这样的方式放出捕获的气体，但是这样需要相当长的时间。通常这一处理将进行数小时，从而延迟了等离子体系统的使用。

已知系统需要较长时间以放出所吸附的气体，此外，冷却系统与等离子体源的连接也非常麻烦，因为在处理较大晶片(即300mm)的系统中所用的冷却管道较大。因此，当处理室打开且安装有冷却管道时，通常吸附有大量的空气。该管道通常保持安装状态，因为该冷却管道可能装有数百磅的冷却剂。因此，升高所安装的管道以打开该室很困难，但并不是不可行的。

目前还不知道怎样用另外的冷却机构来取代该较大管道。该较大管道是必须的，以便进行大量的冷却剂交换(例如大约50-75加仑/分)，而这是从处理管中除热所必须的。还有，很难或者不能采用柔性管，这是因为所需冷却剂有重量和压力。

本发明的一个目的是提供一种改进的冷却ESRF源的方法和系统，该方法和系统能够在调节电介质流体时减少延迟。

本发明的另一目的是在减少调节延迟的同时完成下面任务的至少一个：(1)提高作为电介质的液体冷却剂的可靠性；(2)增大等离子体密度；以及(3)增大冷却剂的开始范围。后面两个任务涉及到缓和将RF能量用于等离子体源时为了避免冷却剂失效和由此过早产生线圈电弧击穿而需要的苛刻条件。通过调节该冷却剂以避免过早电弧击穿，该RF等离子体源可以在额定功率下工作(而不是某些降低的功率级)。因此，可以获得额定等离子体密度，并能达到很好的起始状态且没有明显的延迟(由于增加了RF能量)。

本发明又一目的是在减小调节延迟的同时还减少空腔失效即线圈电弧击穿的数目、频率或严重性。

本发明的这些和其它目的是通过一种在基于RF等离子体源的处理系统中所用的用于使液体冷却剂脱气的方法和系统来实现的。通过利用真空除去吸附在液体冷却剂中的气体，使得系统能够减少由于附着在浸没线圈的表面上的小气泡而引起的电弧击穿。

通过下面的详细说明，特别是联系附图，能够很容易地更完全地理解本发明和本发明所具有的许多优点，附图中：

图1是用于ESRF等离子体处理系统的脱气结构的示意图；以及

图2是表示图1中各阀和泵的状态的表格。

本发明中，ESRF系统的冷却不会遇到前述的关于使用未处理的液体冷却剂的问题，即电感线圈周围的电弧击穿问题。下面看附图，各附图中，相同的参考标号表示相同或相应的部件，图1是用于ESRF等离子体处理系统的脱气结构的示意图。该ESRF等离子体源包括至少一个浸没在冷却剂槽如FLUORINERT电子液体槽内的电感线圈。该脱气系统可以用于至少四个模式中的任一个模式中：(1)正常工作模式，它在等离子体处理过程中进行；(2)脱气模式，它在处理过程之前或之后进行；(3)快速排出模式，它在要将系统排空以便进行维修或其它不需要冷却剂的工作时进行；以及(4)重新装入模式，在该模式中，该脱气室从辅助源重新装入冷却剂。

根据本发明，系统的正常工作模式包括通过等离子体处理系统115而抽送已脱气的液体冷却剂，以便通过强制对流而有效冷却等离子体源室并使其保持预定温度。参考图1和2，冷却回路的流体流动包括利用高容量泵140将冷却剂从冷却剂池(即脱气室100)底部通过阀110a而进行抽送，从而使该泵提供用于使该冷却剂通过阀110f和等离子体处理室115所必须的总压头。在通过阀110d而使冷却剂返回冷却剂池(或脱气室100)时，完成了该冷却循环。由泵140驱动的这一冷却剂循环从等离子体处理室中去除热量并将其沉积在冷却剂池(脱气室)100中。脱气室100和等离子体处理系统115之间的抽送循环连续进行，以便使等离子体处理室115保持预定温度。可以通过确定该等离子体处理室115的热负载和考虑冷却剂循环的除热速度而得出预定温度(等离子体处理室115的冷却速度由冷却剂流量、冷却剂流体特性以及处理室自身内的管道设计方式来确定)。

为了保持冷却剂池(脱气室)100内冷却剂的温度，还提供有第二冷却循环，该第二冷却循环包括热交换器130，在该热交换器130中，冷却剂和从外部源提供的冷水之间进行热交换。通过调节为了从加热的冷却剂中带走热量而流过的冷水的量，可以调节冷却量。该第二冷却循环包括用泵125将冷却剂从冷却剂池(脱气室)100的底部进行抽送并使其流过过滤器135，然后流过热交换器130。可以看出，两个冷却循环(一个到等离子体处理室，另一个到热交换器130)共用相同的脱气室出口管道。不过，该管路并不局限于这种设计，实际上也可以由两个或多个管道来完成这些任务。如图所示，热交换器130与深冷器132连接，该深冷器132在冷却剂和冷却水源之间换热。温度控制阀134位于这样的位置，即，可以监测在热交换器130后面的冷却水源的温度。当冷却水温度差变得很大时(大于几摄氏度，2～5℃)，冷却水流量会增加。冷却水和冷却剂连续流动。冷却量由深冷阀打开的程度确定。

当冷却剂冷却到目标温度时，温度控制阀134向泵125发出开始抽送的信号并使冷却剂返回脱气室100。在使冷却剂从热交换器130返回冷却剂池(脱气室)100时，RF水流监测器136位于沿回流管道138的中部位置处。本发明还包括用于确定冷却剂应当在何时脱气的方法。在冷却剂中吸附的气体的量可通过对样品室施加RF电压然后测量所产生的电流来确定。该RF电流是流体的介质强度的测量值。还有，冷却剂的介质强度受冷却剂内存在的吸附气体直接影响。因此，通过定期进行该测试，本发明能自动估计是否需要脱气。如果需要脱气，则可以通知操作者，或者能够在下一个处理步骤的最后自动进行脱气。

由于在停机过程中(和其它各种时间中)冷却剂流体表面(有限地)暴露于空气(和/或其它气体)中，因此，该冷却系统需要定期脱气，以便除去吸附在冷却剂内的气体。(本发明中，吸附气体的量也随冷却剂池自身的设计和位置而减少。将该冷却剂池布置成为放置在冷却系统中的位置最高的单元，且当抽送系统停止时，冷却剂管的全部出口都保持浸没在冷却剂中。)在脱气模式中，只要阀110h打开，真空泵165就将平衡罐145的蒸汽空间内存在的蒸汽和残留在管道106中的蒸汽抽空。这样，平衡罐的蒸汽空间内的压力和通向脱气室100的管道106内的压力都降低，因此，产生足以打开卸压阀105的压力差。通过打开卸压阀105，使从脱气室100内的蒸汽空间放出的气体排出。当脱气室100中的蒸汽被排空和当吸附的气体被放出而重新积累压力时，该卸压阀105间歇地分别关闭和重新打开。当脱气室100内的蒸汽空间被排空时，压力减小，因此可以使气体放出的速率更大。使气体从冷却剂中放出的压力大于冷却剂的蒸汽压力。通过该排气处理的适当控制，使得气体能从流体中除去，同时不会使液体过度蒸发。为了有效和高效率地使残留在两个冷却循环管道和等离子体处理室115内的冷却剂脱气，除了打开阀110a、110f和110d外，还打开高容量泵140，以便使冷却剂循环。而且，打开泵125以便使脱气的冷却剂通过第二冷却循环管道进行循环。

当系统115不工作时，例如换晶片或维修时，本发明也能使冷却剂从等离子体处理系统115中排出。该工作在本文中称之为快速排出模式。在该快速排出模式中，泵140使等离子体处理系统115的冷却剂通过阀110c排出，并通过阀110e将该冷却剂排入脱气室100内。当过量的冷却剂排向脱气室100时，卸压阀105打开，以便使冷却剂溢出并通过管道106进入平衡罐145。排空等离子体处理系统115时，阀110c和110e可以关闭，泵140也可以关闭。这时，可以打开该等离子体处理室以便进行维修或其它检修。在一段时间内(取决于检修等离子体处理室115的时间)，可以利用泵125并通过热交换器130而使冷却剂冷却。而且，泵165通过阀110h而从平衡罐145中抽取蒸汽，并减小平衡罐145内的压力积累，该压力积累是由于当冷却剂充满该脱气室100时，气体蒸汽通过卸压阀106从该脱气室100中放出而产生的。在一可选实施例中，优选是冷却收集器166位于泵165和排出口之间，以便在冷却剂排出前(通过冷凝)而吸收它。这样能够减少可能很昂贵的冷却剂的损失。如果需要，冷凝的冷却剂167可以重新引入脱气室中一既可以人工进行，也可以通过泵(未示出)。

等离子体处理源也可以快速准备好接收冷却的冷却剂。当从平衡罐145重新装入时，泵180和125抽送冷却剂并使其通过阀110b并经过过滤器、热交换器130和回流管道138进入脱气室。为了取代从平衡罐145抽送出去的冷却剂，阀110g打开以使增压的N₂进入，该N₂在吸附到冷却剂内时不会引起电弧击穿。当向脱气室内添加了足够的冷却剂时，阀110a和110f打开，以使冷却剂抽送到处理系统115。然后，该系统回到正常工作状态。

这样，本发明减少了除气所需的时间，如果不除气，该气体就会保留在冷却剂内并促使电感线圈电弧击穿。在另一实施例中，流体在正常状态下被抽送，同时产生真空，以减小流体上面的压力并连续使流体脱气。

显然，在上述指导下，本发明能够进行多种改变和变化。因此，应当知道，在附加的权利要求的范围内，本发明能以不同于本文所述特定实施例的方式进行实施。

Claims (5)

1.一种对吸附有气体的液体冷却剂进行处理的方法，该方法包括以下步骤：

在脱气室中储存包含有所吸附的气体的液体冷却剂；

利用真空降低液体冷却剂上面的压力；

当吸附的气体从液体冷却剂中放出时，除去所吸附的气体，以便形成脱气的冷却剂；以及

向等离子体处理系统抽送已脱气的冷却剂，以便从该等离子体处理系统中除热。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该抽送步骤包括：将已脱气的冷却剂送到该等离子体处理系统的储存室中，该储存室中装有浸没的电感线圈。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：用热交换器冷却已脱气的冷却剂。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降低压力的步骤包括：通过使连接卸压阀的真空泵运转来打开脱气室内的卸压阀。

5.一种对吸附有气体的液体冷却剂进行处理的方法，该方法包括以下步骤：

在脱气室中储存包含有所吸附的气体的液体冷却剂；

利用真空降低液体冷却剂上面的压力；

当吸附的气体从液体冷却剂中放出时，除去所吸附的气体，以便形成脱气的冷却剂；

向冷却剂的样品施加RF电压；

测量由于施加的RF电压而在样品中产生的RF电流；以及

根据测量的RF电流确定捕获气体的量。

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