JP2020512685A - Ｒｆパワーエレクトロニクス用冷却システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】冷却装置が提供される。少なくとも１個の電力用電子部品が提供される。液密エンクロージャは、少なくとも１個の電力用電子部品を囲む。不活性な誘電性流体は、液密容器を少なくとも部分的に満たし、少なくとも１個の電力用電子部品と接している。【選択図】図２

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１７年２月１６日付で出願された米国特許出願第１５／４３５，１７８号の優先権の利益を主張し、該特許出願は、あらゆる目的のために、参照により本明細書に援用される。

本開示は、半導体素子を半導体ウエハ上に形成する方法に関する。より具体的には、本開示は、半導体素子をプラズマ又は非プラズマ処理するためのシステムに関する。

半導体素子を形成する際に、スタックは、プラズマ処理チャンバ内で処理を施される。かかるチャンバは、ＲＦ電力発生器を使用して、プラズマを生成し、維持する。

上記を達成するために、及び本開示の目的に応じて、冷却装置が提供される。少なくとも１個の電力用電子部品が提供される。液密エンクロージャは、少なくとも１個の電力用電子部品を囲む。不活性な誘電性流体は、少なくとも部分的に、液密容器を満たし、少なくとも１個の電力用電子部品と接する。

別の表明では、基板を処理する装置が提供される。処理チャンバが提供される。基板支持体は、処理チャンバ内で基板を支持する。ガス源が提供される。ガス入口は、ガス源と処理チャンバとの間で流体接続している。電源は、ＲＦ電力を処理チャンバに提供し、ＲＦ電力を提供するためのＲＦ電力用電子部品、及びＲＦ電力用電子部品を囲む冷却チャンバ及び冷却チャンバ内で冷媒を循環させるポンプを含むＲＦ電力用電子部品を冷却するための冷却システムを含む。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴については、以下で、本発明の詳細な説明において、以下の図面と共に、より詳細に記載される。

本開示は、添付図の図形において、例示目的で、限定目的ではなく、図説され、添付図では、同じ参照番号は、同様の要素を指す。

一実施形態で使用されてもよいプラズマ処理チャンバの概略図である。

電源のより詳細な図である。

別の実施形態における電源の、より詳細な図である。

別の実施形態における電源の、より詳細な図である。

次に、本発明について、添付図で示すような本発明の幾つかの好適な実施形態を参照して詳細に記載される。以下の記載では、多数の特定の細部が、本発明の完全な理解を提供するために、記述される。しかしながら、当業者には、本発明が、一部の又は全部のこれら特定の細部を用いずに、実施されてもよいことは、明らかであろう。他の例では、周知の処理段階及び／又は構造については、本発明を不必要に曖昧にしないために、詳細には記載されていない。

図１は、一実施形態で使用されてもよいプラズマ処理チャンバの概略図である。１つ又は複数の実施形態では、プラズマ処理チャンバ１００は、ガス入口を提供するガス分散板１０６及び静電チャック（ＥＳＣ）１０８を、チャンバ壁１５０によって囲まれた処理チャンバ１４９内に、含む。処理チャンバ１４９内では、基板１０４は、ＥＳＣ１０８の上に配置される。ＥＳＣ１０８は、ＥＳＣ源１４８からバイアスを提供してもよい。ガス源１１０は、ガス分散板１０６を通して処理チャンバ１４９に接続される。ＥＳＣ温度制御装置１５１は、ＥＳＣ１０８に接続されて、ＥＳＣ１０８の温度制御を提供する。この実施例では、第１接続１１３は、ＥＳＣ１０８の内部領域を加熱するための内部加熱装置１１１に電力を提供し、第２接続１１４は、ＥＳＣ１０８の外部領域を加熱するための外部加熱装置１１２に電力を提供する。ＲＦ源１３０は、ＲＦ電力を、下部電極１３４、及びこの実施形態ではガス分散板１０６である上部電極に提供する。好適な実施形態では、２ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、及び任意には、２７ＭＨｚの電源で、ＲＦ源１３０及びＥＳＣ源１４８を構成する。この実施形態では、１つの発生器が、各周波数に提供される。他の実施形態では、各発生器は、別個のＲＦ源に存在してもよく、又は別個のＲＦ発生器は、異なる電極に接続されてもよい。例えば、上部電極は、異なるＲＦ源に接続された内部電極及び外部電極を有してもよい。ＲＦ源及び電極の他の配置が、他の実施形態で使用されてもよく、例えば、別の実施形態では、上部電極は、接地されてもよい。制御装置１３５は、ＲＦ源１３０、ＥＳＣ源１４８、排気ポンプ１２０、及びエッチングガス源１１０に、制御可能に接続される。かかるエッチングチャンバの一例は、カリフォルニア州フリーモントのＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＥｘｅｌａｎ Ｆｌｅｘ（商標）エッチングシステムである。処理チャンバは、ＣＣＰ（容量結合プラズマ）反応装置又はＩＣＰ（誘導結合プラズマ）反応装置とすることができる。

図２は、ＲＦ源１３０の、より詳細な図である。この実施形態では、ＲＦ源１３０は、液密エンクロージャ２０４を含む。液密エンクロージャの底部には、ＲＦ電力用電子部品が取付けられる。この実施形態では、ＲＦ電力用電子部品は、電源２０８、発振器２１２、増幅器２１６、減衰器２２０、及びレベル制御装置２２４を含む。液密エンクロージャは、不活性な誘電性流体２２８で少なくとも部分的に充填される。流体出口２３２は、液密エンクロージャ２０４及び不活性な誘電性流体２２８と流体接続している。流体入口２３６は、液密エンクロージャ２０４及び不活性な誘電性流体２２８と流体接続している。ポンプ２４０は、流体出口２３２と流体入口２３６との間で、流体接続している。熱交換器２４４及び温度センサ２４８も、流体入口２３２と流体出口２３２との間で流体接続している。誘電性流体２２８は、ＲＦ電力用電子部品と直接接している。

この実施形態では、ポンプ２４０は、磁気浮上型（マグレブ）ポンプ等の無粒子型ポンプである。不活性な誘電性流体２２８は、ペンシルベニア州ジェファーソンヒルズのＫｕｒｔ Ｊ． Ｌｅｓｋｅｒ ＣｏｍｐａｎｙによるＧｌａｄｅｎ（商標）伝熱流体ＨＴ１１０等のフッ化酸素を含まない流体である。

運転時、基板１０４は、ＥＳＣ１０８上に取付けられる。処理ガスは、ガス源１１０から処理チャンバ１４９に流入される。ポンプ２４０は、誘電性流体２２８を、液密エンクロージャ２０４から、流体出口２３２、熱交換器２４４、及び温度センサ２４８を通して、流体入口２３６に圧送し、これにより、誘電性流体２２８を液密エンクロージャ２０４内に戻すように指向させる。ＲＦ電力は、処理ガスをプラズマにするために、ＲＦ源１３０からＥＳＣ１０８に提供される。

Ｇｌａｄｅｎ（商標）伝熱流体ＨＴ１１０は、ＦＭ６９３０規格で承認されており、ＲＦ電力用電子部品を損傷せずに十分な冷却を提供する。マグレブポンプ２４０は、ＲＦ電力用電子部品を短絡する可能性があることで該部品を損傷しかねない微粒子を加えることなく、誘電性流体２２８を再循環させる。また、マグレブポンプは、摩擦が無く、そのため、ポンプによって発生される熱を減少する。熱交換器２４４は、誘電性流体２２８からの熱を放散する。温度センサ２４８は、システムが適切に稼働しているかを判断するのに使用されてもよい。不具合による部品のオーバーヒートがあった場合でも、誘電性流体が酸素を含まないため、発煙は防止される。部品は、誘電性流体を蒸発させる可能性があるが、酸素が不足するために、煙が出ないであろう。誘電性流体の熱伝導率は、空気の３倍超であり、湿気がＲＦ電力用電子部品に達するのを防止する。また、誘電性流体の熱容量は、空気より遥かに大きい。この実施形態では、熱交換器２４４は、ペルチェ冷却を使用する。かかるペルチェ冷却は、冷却フィンを使用してもよい。ファンが、クリーンルームにおいて粒子発生源となり得るため、冷却ファンを、避けてもよい。冷却ファンの代わりに冷却用にマグレブポンプと冷却フィンを使用することで、ノイズを軽減できる。この実施形態は、故障時に煙が出ないため、発煙の危険無く、より大きな電力を提供し得る。

誘電性流体２２８とＲＦ電力用電子部品とを直接、接することで、ＲＦ電力用電子部品を十分低温に保ち、ＲＦ電力用電子部品が、発煙又は故障するのを防ぐ。プラズマ処理中に煙が存在すると、火災の危険があり、半導体製造を妨げる汚染物質を生成する可能性がある。

好適には、流体システムは、密閉システムとする。ダイヤフラムは、圧力を変化するよう調節するのに使用されてもよい。レベル制御装置２２４は、温度センサ２４８からの入力を受信して、温度が閾値温度より上昇していれば、システムを停止させて、システムの故障を示す。

不活性な誘電性流体は、高電気抵抗及び高誘電強度を有する。不活性な誘電性流体は、少なくとも１０⁶Ｖ／ｍの誘電強度値及び少なくとも１０¹⁰Ω−ｃｍの電気抵抗率を有する。

図３は、別の実施形態におけるＲＦ源の、より詳細な図である。この実施形態では、ＲＦ源は、収縮させた液密エンクロージャ３０４を含む。液密エンクロージャ内には、ＲＦ電力用電子部品が取付けられている。この実施形態では、ＲＦ電力用電子部品は、電源３０８、発振器３１２、増幅器３１６、減衰器３２０、及びレベル制御装置３２４を含む。液密エンクロージャは、不活性な誘電性流体で少なくとも部分的に充填される。流体出口３３２は、液密エンクロージャ３０４及び不活性な誘電性流体と流体接続している。流体入口３３６は、液密エンクロージャ及び不活性な誘電性流体と流体接続している。ポンプ３４０は、流体出口３３２と流体入口３３６との間で流体接続している。熱交換器３４４及び温度センサ３４８も、流体出口３３２と流体入口３３６との間で流体接続している。誘電性流体３２８は、ＲＦ電力用電子部品と直接接している。この実施形態は、より小さい外形の電源を提供する。また、近似正味形状の流れの輪郭を電子部品に提供することによって、液体速度は、速くなる可能性があり、冷却液の量は、減少される可能性がある。他の実施形態では、収縮嵌めエンクロージャは、電子部品の又は電子部品によって形成された電子組立体の輪郭と合致する輪郭を有する任意の流体式エンクロージャと置換えられてもよい。

より大きい熱量を除去するのに単相冷却が使用されてもよいため、好適実施形態は、単相の冷却プロセスを使用する。他の実施形態では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）のマイクロポンプが使用されてもよい。他の実施形態では、複数の入口及び／又は複数の出口が使用されてもよい。幾つかの実施形態では、制御装置は、閾値温度が測定される際に、ポンプのスイッチを入れてもよい。ダイヤフラムが使用される場合、ダイヤフラムは、センサに接続されてもよい。好適には、ポンプは、極僅かな粒子を発生する。より好適には、ポンプは、無粒子型である。

図４は、別の実施形態におけるＲＦ源の、より詳細な図である。この実施形態では、ＲＦ源は、エンクロージャ４０４を含む。エンクロージャ４０４の底部には、ＲＦ電力用電子部品が取付けられている。誘電性流体４２８は、ＲＦ電力用電子部品と直接接している。この実施形態では、ＲＦ電力用電子部品は、電源４０８、発振器４１２、増幅器４１６、減衰器４２０、及びレベル制御装置４２４を含む。エンクロージャは、不活性な誘電性流体４２８で充填される。膜４３２は、不活性な誘電性流体４２８の上に存在する。水４３６の層が、膜４３２の上に存在する。

エンクロージャが液密である場合、水４３６は、ヒートシンク及び限定的な熱交換器として機能する。エンクロージャが液密でなく、蒸発した水が逃げられる場合、蒸発水は、ヒートシンクとして、それ以上に熱交換器として機能する。

他の実施形態では、流体は、シリコーン油又は他の誘電性流体としてもよい。フッ化流体が好ましいが、これは、かかる流体が、より不活性な傾向があるためである。酸素を含まない流体は、発煙を防ぐ。幾つかの実施形態では、ポンプは、液密エンクロージャ内の流体に浸漬される。かかる場合には、流体入口及び流体出口は、エンクロージャ壁に接続されていないが、流体入口及び流体出口は、流体と流体接続している。

他の電力用電子部品が、他の実施形態では使用されてもよい。電力用電子部品は、プラズマを提供及び／又は持続するためのＲＦ又はマイクロ波信号を発生するための電力用電子組立体において、及びＥＳＣ、ペデスタルに対するＡＣ及び／又はＤＣ電源や、半導体処理チャンバに隣接する及び／又は半導体処理チャンバ内にある部品に対する他の高電源において使用される電子部品である。電力用電子部品は、９０℃超の温度で動作してもよい。電力用電子部品は、クリーンルーム環境において、少なくとも１００ワットの高電力で動作できる電子部品として、仕様書で規定され、謳っているものであり、そのため電力用電子部品は、少なくとも１００ワットの電力を受取れるように作製されている。半導体製造用クリーンルームにおける電力用電子部品を冷却するための要件は、コンピュータシステムにおけるＣＰＵ又はメモリを冷却するための要件とは、異なる。コンピュータシステムのＣＰＵ又はメモリは、５０℃未満の温度で動作する。コンピュータシステムは、クリーンルームが要求するのと同じ粒子生成限度を有さない。また、コンピュータシステムは、電力用電子部品と同じ熱伝達の要件を有さない。他の実施形態では、電子部品は、非プラズマ処理チャンバで使用されてもよい。

幾つかの実施形態では、０．３１ｍ／秒超の冷却液流速が好ましい。より好適には、流速は、０．３１ｍ／秒〜０．９６ｍ／秒である。最も好適には、冷却液流速は、乱流を発生させるのに十分なものとする。かかる乱流は、流体のレイノルズ数が４０００超のときに、上記流速で発生するであろう。また、パワーエレクトロニクスは、乱流を更に大きくする不規則な形状を提供するのが好ましい。より低温で動作するＣＰＵ及びメモリに関しては、かかる状況では、層流がより望ましいため、層流を提供するのに、より遅い流速が使用される。

本発明は、幾つかの好適実施形態に関して記載されたが、変更例、変形例、置換例、及び様々な代替均等物があり、これらは、本発明の範囲に入るものとする。また、本発明の方法及び装置を実装する多く別の方法があることにも留意すべきである。従って、以下の付記されたクレームは、かかる変更例、変形例、置換例、及び様々な代替同等物が、本発明の真の趣旨及び範囲に入るため、これら全てを含むとして解釈されるものとする。

Claims (17)

1. 少なくとも１個の電力用電子部品と、
   前記少なくとも１個の電力用電子部品を囲む液密エンクロージャと、
   前記液密容器を少なくとも部分的に満たし、前記少なくとも１個の電力用電子部品と接する不活性な誘電性流体と、
   を含む冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記不活性な誘電性流体と流体接続している入口流体接続部と、
   前記不活性な誘電性流体と流体接続している出口流体接続部と、
   前記流体入口と前記流体出口との間で流体接続しているポンプと、
   を更に含む冷却装置。
3. 請求項２に記載の冷却装置であって、前記不活性な誘電性流体の温度を測定するために、前記誘電性流体と熱的に接続される温度センサ、を更に含む冷却装置。
4. 請求項３に記載の冷却装置であって、前記ポンプは、無粒子型ポンプである、冷却装置。
5. 請求項４に記載の冷却装置であって、前記不活性な誘電性流体は、フッ化流体である、冷却装置。
6. 請求項５に記載の冷却装置であって、前記不活性な誘電性流体は、酸素を含まない、冷却装置。
7. 請求項６に記載の冷却装置であって、前記少なくとも１個の電力用電子部品は、少なくとも１００ワットの電力を受け取るための電子部品である、冷却装置。
8. 請求項６に記載の冷却装置であって、前記少なくとも１個の電力用電子部品は、ＥＳＣ、ペデスタル加熱装置、半導体処理チャンバ加熱用装置及び他の隣接する装置で使用され、少なくとも１００ワットの電力を受け取るためのものである、冷却装置。
9. 請求項２に記載の冷却装置であって、前記ポンプは、前記少なくとも１個の電力用電子部品における流体流を、少なくとも０．３１ｍ／秒の速度で提供する、冷却装置。
10. 請求項２に記載の冷却装置であって、前記ポンプは、前記少なくとも１個の電力用電子部品周りに乱流流体流を提供する、冷却装置。
11. 請求項１に記載の冷却装置であって、前記不活性な誘電性流体と熱接触している熱交換器、を更に含む冷却装置。
12. 請求項１に記載の冷却装置であって、前記不活性な誘電性流体は、フッ化流体である、冷却装置。
13. 請求項１に記載の冷却装置であって、前記不活性な誘電性流体は、酸素を含まない、冷却装置。
14. 請求項１に記載の冷却装置であって、前記少なくとも１個の電力用電子部品は、少なくとも１００ワットの電力を受取るための電子部品である、冷却装置。
15. 請求項１に記載の冷却装置であって、前記少なくとも１個の電力用電子部品は、９０℃超の動作温度で動作する、冷却装置。
16. 基板を加工するための装置であって、
    処理チャンバと、
    前記処理チャンバ内で基板を支持するための基板支持体と、
    ガス源と、
    前記ガス源と前記処理チャンバとの間で流体接続しているガス入口と、
    ＲＦ電力を前記処理チャンバ内に提供するための電源であって、
    ＲＦ電力を提供するためのＲＦ電力用電子部品、及び
    前記ＲＦ電力用電子部品を冷却するための冷却システムであって、
    前記ＲＦ電力用電子部品を囲む冷却チャンバ、及び
    前記冷却チャンバ内で冷却剤を循環させるためのポンプ、
    を含む冷却システム、
    を含む電源と、
    を含む装置。
17. 請求項１６に記載の装置であって、前記ポンプは、前記ＲＦ電力用電子部品の周りで乱流流体流を提供する、装置。

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