JP2023512581A - 圧力調整型半導体ウェハ冷却装置及び方法、並びに圧力調整装置 - Google Patents

Abstract

半導体ウェハ冷却システム及び方法、並びに半導体ウェハ調整回路内の圧力上昇を緩和する圧力調整装置を開示する。圧力調整装置は、入口チャネル及び出口チャネルを含む緩衝容器を備え、入口チャネルは、動作中に半導体ウェハ調整回路の高圧位置と流体連通するように構成され、出口チャネルは、動作中に低圧位置と流体連通するように構成され、入口チャネルは、通常動作中は緩衝容器が調整回路の高圧位置から隔離されるように入口チャネルを閉じ、半導体調整回路内の圧力が予め定められたレベルを上回ったことに応答して入口チャネルを開くように構成された圧力制御弁を含む。【選択図】 図１

Description

本発明の分野は、半導体ウェハ調整回路のための圧力調整装置、及びこのような圧力調整装置を含む半導体ウェハ冷却システムに関する。

メモリ及び処理能力に対する需要が増加の一途をたどるにつれ、次世代半導体デバイスの開発に関心が寄せられている。このような次世代デバイスには、さらに厳密なプロセス変数の制御、並びに温度及び圧力に関するさらに広いプロセス変数エンベロープに依拠する新たな製造工程が必要である。例えば、３Ｄ ＮＡＮＤ及びＭＲＡＭの次世代半導体製造工程では、いくつかの工程段階中に半導体ウェハを極低温に冷却する必要がある。半導体ウェハの熱管理は新たな要件ではないが、変化した点はウェハを冷却する必要がある低温である。いくつかの次世代ＭＲＡＭ工程では、理論上必要なウェハ温度が－２１０℃ほどの低さである。３Ｄ ＮＡＮＤでは、必要なウェハ温度が－８５℃～－１５０℃である。これらの低温では、調整回路内の流体圧の管理が課題となる。

従来の半導体ウェハ冷却ソリューションでは、冷却ユニット（チラー）を使用して冷却された二次的熱伝達流体（クーラント）を使用してチャックが冷却される。しかしながら、次世代デバイスの製造に必要な低温で機能できる熱伝達流体は、一般的に利用不可能である。さらに、このような低温では、このようないずれかの調整流体の粘度が大幅に高まり、これに対応して調整回路内の圧力が上昇する恐れがある。

この問題に対処する１つの方法は、二次的熱伝達流体の使用とは対照的に、冷却システム内の作動流体である冷媒を使用してウェハチャックを直接冷却することである。この冷媒は、単一冷媒の場合もあれば、混合冷媒の場合もある。混合冷媒は、複数の成分のブレンドであり、流体の顕熱及び潜熱の両方を利用して半導体ウェハから熱を吸収できる液体蒸気混合物であることができる。しかしながら、この手法では、混合冷媒の特定の成分が調整回路内で相変化して、混合冷媒の全体的比容積が増加し、結果的に調整回路内の圧力が上昇してしまう。

多くの半導体ウェハチャック及びその調整回路に関連する部品（配管、接続金具など）は、かなり低い最大動作圧について定格されている。通常、この値は１５０～２００ＰＳＩＧ（ｐｏｕｎｄｓ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ ｇａｕｇｅ）の範囲内である。低温要件とともに、二次冷却材であるか、それとも混合冷媒であるかにかかわらず、冷却材圧力が半導体ウェハ調整回路の最大動作圧限界を上回ることによってシステムをも破損してしまう恐れがあることが分かっている。

処理動作中にウェハ調整回路を損傷することなく半導体ウェハを低温に冷却できることが望ましいと思われる。

第１の態様は、半導体ウェハ調整回路内の圧力上昇を緩和する圧力調整装置であって、入口チャネル及び出口チャネルを含む緩衝容器を備え、前記入口チャネルは、動作中に前記半導体ウェハ調整回路の高圧位置と流体連通するように構成され、前記出口チャネルは、動作中に低圧位置と流体連通するように構成され、前記入口チャネルは、通常動作中は前記緩衝容器が前記調整回路の前記高圧位置から隔離されるように前記入口チャネルを閉じ、前記半導体調整回路内の前記圧力が予め定められたレベルを上回ったことに応答して前記入口チャネルを開くように構成された圧力制御弁を含む、圧力調整装置を提供する。

本発明の発明者らは、半導体ウェハ処理における温度及び圧力の需要が高まるにつれて、半導体ウェハを冷却するために使用される調整流体内の圧力スパイクの危険性が高まることを認識した。このことは、半導体ウェハを局所的に冷却する調整回路が特に高い動作圧について定格されていないいくつかのシステムにおいて問題になる場合がある。このため、これらのシステムは、調整流体が著しい圧力スパイクを受けた場合に損傷しやすくなり、半導体ウェハの処理に使用される真空チャンバ内に調整流体が漏れ出た場合に特に問題になる。この点、ウェハを冷却するための調整回路は、ウェハの局所に配置された、調整流体にとって必要な通路を提供する複数のチャネルを含む。これらのチャネルは、表面積対体積比を増加させる比較的狭いチャネルである。ウェハ調整回路は、一般にプロセス真空チャンバ内に存在し、従って圧力の上昇が回路に損傷を与えて調整流体を真空チャンバ内に漏出させないことが重要である。

従って、半導体ウェハの冷却及び場合によっては加温を行う調整回路を圧力の上昇から保護することが重要である。このことを念頭に置いて、本発明者らは、ウェハ冷却装置に追加できる、圧力緩衝又は膨張容器を提供する圧力調整装置を提供することを目指す。この緩衝容器は、冷却装置内の高圧チャネルに接続するように構成された入口チャネルを有するとともに、通常動作中は緩衝容器が半導体調整回路から隔離されるように閉じているが、圧力が予め定められたレベルよりも上昇すると開いて調整流体が入口チャネルを通じて緩衝容器に流入できるようにすることによって、調整回路にほぼ即時の圧力解放を提供して調整回路を高圧から保護する圧力制御弁を含む。緩衝容器は、半導体ウェハ調整回路の低圧位置に接続されて緩衝容器内の流体を排出できるようにする出口チャネルも含む。この点、高圧位置は低圧位置の上流に存在する。

いくつかの実施形態では、前記圧力調整システムが、前記調整回路から前記出口チャネルを介した前記緩衝容器への流れを抑制する逆止弁を前記出口チャネル内にさらに備える。

いくつかの事例では、通常動作中に出口チャネルを調整回路から分離することが有利であると考えられ、この分離は、調整回路の出口チャネルに向かう圧力が上昇した場合にこれによって緩衝容器の圧力が上昇しないように逆止弁を使用して行うことができる。

いくつかの実施形態では、前記圧力制御弁が機械弁を含み、いくつかの実施形態では機械的ばね付勢弁を含む。

圧力制御弁は複数の形態を有することができるが、システムへの電力が失われた場合でも圧力の増加に応答して開くという理由で、ばね付勢弁などの非電動機械弁を使用することが有利であると考えられる。このことは有利であり、停電からの何らかの保護を行うことができる。

いくつかの実施形態では、圧力調整システムが、前記調整流体の圧力を感知する少なくとも１つの圧力センサと、前記少なくとも１つの圧力センサから受け取られた信号に応答して制御信号を生成するように構成された制御回路とをさらに備える。

上述したように、圧力調整システムは、調整回路内で発生した圧力上昇を緩和しようと努め、従って調整回路内の圧力を測定する１又は２以上の圧力センサを有することが有利となり得る。この点、圧力センサは、調整回路に接続された調整流体チャネル内の圧力を感知することができ、そこで測定された圧力は、調整回路自体の内部圧力を示す。制御回路は、これらの圧力センサに関連付けられ、これらの圧力センサから受け取られた信号に応答して、特に予期せぬ又は過度に大きな圧力の上昇を示す受信信号に応答してシステムを制御するための制御信号を生成することができる。

いくつかの実施形態では、前記圧力制御弁が電力作動弁を含み、前記制御回路が、予め定められた圧力レベルに達したこと又はそれを超えたことを前記少なくとも１つの圧力センサが示したことに応答して、前記電力作動弁を開くための制御信号を生成するように構成される。

圧力制御弁は機械弁とすることができるが、これに代えて及び／又はこれに加えて、制御回路が圧力センサからの信号に応答して制御できる電力作動弁とすることもできる。

いくつかの実施形態では、前記圧力調整装置が、前記圧力制御弁が開く前記圧力を選択できるように構成可能である。

実施形態の圧力調整システムの１つの特定の利点は、異なる圧力の増加を緩和して単一のシステムを異なる用途及び異なる調整回路の保護に適したものにするように構成できる点である。この点、システムの保護は圧力制御弁が開いた時に発生し、従って例えばばね付勢弁のばね荷重を変更することによって、又は電力作動システムの制御回路内で異なる値を選択することによって圧力制御弁を構成できるのであれば、システムを異なる圧力レベルで圧力除去を行うように適合させて、異なる動作圧について定格された異なる調整回路の保護に適するようにすることができる。このシステムは、冷却システムと空調回路との間に取り付けることによって既存の冷却システムに追加できるスタンドアロン型圧力調整システムであることを考えれば、構成可能なシステムを有することで、このシステムを異なる冷却システム内に取り付けて異なる調整回路を保護することができる。また、これによってプロセスの変更時又は安全な圧力制限の変更時にもシステムが適合できるようになる。

いくつかの実施形態では、前記入口チャネルが第２の弁をさらに含み、この第２の弁は、電力未供給時には前記圧力制御弁及び緩衝容器を前記調整回路から隔離するように閉じて電力供給時には開くように構成された電力作動弁を含む。電力作動弁は制御可能であり、制御信号に応答して電力が供給された時に閉じることができる。

いくつかの実施形態では、電力未供給時に閉じる第２の弁を入口チャネル上に設けることが有利となり得る。状況によっては緩衝容器を分離することが重要な場合があり、このことは、圧力作動弁が高温に弱い部品を有する機械的ばね付勢弁である場合に特に当てはまり、従って調整回路内に１２５０℃前後の超高温冷媒が存在し得るデフロストモード又はベークアウトモード中には、電力作動弁を制御することによって圧力制御弁を分離できることが有利となり得る。

いくつかの実施形態では、前記緩衝容器が、前記出口チャネルが流体連通している位置よりも高圧の位置と流体連通する少なくとも１つのさらなる入口チャネルを含み、該少なくとも１つのさらなる入口チャネルは、通常は電力未供給時には閉じて電力供給時には開く電力作動弁を含む。電力作動弁は制御可能であり、制御信号に応答して電力が供給された時に開くことができる。

いくつかの実施形態では、緩衝容器にさらなる入口チャネルを提供することが有利となり得る。この入口チャネルは、圧力スパイクの場合に緩衝容器への流量を増加させるためだけでなく、装置への電力が失われた場合にはフェイルセーフ入口チャネルとして使用することもできる。上述したように、この装置では、機械的に作動する圧力弁が無電力動作を可能にするが、いくつかの実施形態では、電力未供給時に閉じる電力作動弁によって装置を高温の調整流体から保護することができる。この実施形態では、電力が失われた時に機械弁が非作動状態になってしまう。しかしながら、通常動作中の電源供給時に閉じて電源未供給時に開く電力作動弁を有するさらなる入口チャネルが提供された場合には、たとえ機械的に作動する弁がこの時点で調整流体管路から分離された場合でも、電力喪失時に緩衝容器が圧力緩和を提供することができる。

いくつかの実施形態では、前記制御信号回路が、予め定められた圧力レベルに達したことを前記少なくとも１つの圧力センサが示したことに応答して、前記少なくとも１つのさらなる入口チャネル内の前記電力作動弁を開くための制御信号を生成するように構成される。

電力作動弁は、電力が失われた時のための圧力解放チャネルを提供することに加えて、圧力上昇に応答して開くように制御回路によって制御することもでき、このようにしてさらなるチャネルを提供し、緩衝容器への流体流を改善し、従って圧力上昇に対する応答を速めたシステムを提供することができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのさらなる入口チャネルが、前記調整回路から前記少なくとも１つのさらなる入口管路を介した前記緩衝容器への流れを抑制する逆止弁をさらに含む。

さらなる入口チャネルは、緩衝容器からの逆流が抑制されるように逆止弁を有することができる。このことは、電力が失われた時に圧力スパイクが存在して第２の管路内の電力作動弁が開いている場合に重要である。緩衝容器内の圧力が相当に高いレベルに上昇した後に調整回路内の圧力が低下し始めた場合には、高圧調整流体が入口管路内に逆流しなければ有利であり、従って逆止弁が有利となり得る。

いくつかの実施形態では、前記圧力調整装置が、冷却システムから調整流体を受け取って前記調整流体を前記ウェハ調整回路に供給する入口管路と、前記ウェハ調整回路から調整流体を受け取って前記流体を前記冷却システムに戻す戻り管路とを備え、前記入口チャネルは前記入口管路に接続される。

圧力調整装置は、半導体製造工場（ｆａｂ）の地下又はサブファブ（ｓｕｂ ｆａｂ）内に存在し得る冷却システムと、製造工場自体の処理チャンバ内に存在するウェハ調整回路との間に挿入することができる独立モジュールを形成できるように構成される。このような配置では、冷却システムからの出口管路が圧力調整装置の入口管路に接続されて、これがウェハを冷却するために調整回路に流れ、圧力調整装置は、ウェハ調整回路から調整流体を受け取って再び冷却のために冷却システムに戻す戻り管路を有する。入口管路は高圧管路になり、出口管路は低圧管路になる。緩衝容器上の入口チャネルは入口管路に接続することができ、いくつかの実施形態では前記出口チャネルが前記戻り管路に接続される。

出口チャネルは低圧位置に接続され、この位置は、半導体調整回路の後の戻り管路であることが有利である。この結果、熱伝達を促すように狭いチャネルを有し、従ってこの回路にわたって相当な圧力低下が存在する半導体調整回路に調整流体を供給する入口管路内の圧力よりもこの管路内の圧力が著しく低い場合に、緩衝容器を効果的に排出することができる。事実上、入口チャネル、緩衝容器及び出口チャネルは、圧力制御弁が開いている時に調整流体の迂回ルートを提供して、調整流体がウェハ調整回路を迂回することによってウェハ調整回路を高圧の調整流体から保護することを可能にする。

なお、少なくとも１つのさらなる入口チャネルは、一般に圧力調整装置の入口管路に接続される。しかしながら、場合によっては、緩衝容器の出口チャネルが接続された地点の上流の出口管路に接続することもできる。

いくつかの実施形態では、前記圧力調整装置が、前記圧力調整装置及びウェハ調整回路を前記冷却システムから分離する電力作動弁を前記入口管路及び前記戻り管路上に備え、前記システム入口及び出口電力作動弁は、電力供給時に開いて電力未供給時に閉じる。

半導体調整回路のさらなる保護のために、圧力調整システム、実際には半導体ウェハ調整回路が冷却システムから分離されることを可能にする電力作動式のシステム入口弁及び出口弁を有することが有利となり得る。具体的には、これらの弁は、停電の場合に半導体ウェハ調整回路が冷却システムから自動的に分離されるように、電力未供給時に閉じるように構成された電動弁である。なお、停電時には半導体プロセス全体が停止してしまうため、システムを冷媒から分離することは、この状況で発生し得る圧力上昇から半導体回路を保護する役割を果たす。

いくつかの実施形態では、前記制御回路が、前記感知された圧力が前記予め定められたレベルよりも高いさらなる予め定められたレベルよりも上昇したことに応答して前記システム入口弁を閉じるように構成される。

実施形態は、電力損失時にシステムを分離するのと同様に、さらなる予め定められたレベルを上回る圧力上昇に応答してシステムを分離することもできる。この点、第１の所定レベルを上回る上昇は、緩衝容器へのアクセスを提供する弁を使用して軽減される。しかしながら、圧力がさらなるレベルを上回って上昇し続ける場合には、圧力調整装置及び調整回路を少なくとも一時的に冷却システムから分離することが有利と考えられ、従ってシステム入口弁は、特定の圧力上昇に応答して閉じるように構成することができる。

いくつかの実施形態では、前記制御回路が、前記感知された圧力がさらに高い予め定められたレベルまで上昇したことに応答して前記システム出口弁を閉じるように構成される。

システム入口弁を閉じても圧力が低下しない場合には、システム出口弁も閉じてシステム全体をシャットダウンすることができる。

いくつかの実施形態では、システムが、いかなる場合にも入口弁を閉じてから予め定められた時間後に出口弁を閉じることを選択することができる。この予め定められた時間は、出口弁を閉じる前に少なくとも一部の調整流体がシステムから冷却システムに排出されることを可能にする。

いくつかの実施形態では、前記制御回路が、前記感知された圧力の低下に応答して前記システム入口弁を開くように構成される。

場合によっては、入口弁を閉じた後に調整回路内の圧力が低下し始めることもあり、このような場合には、制御回路が再び入口弁を開いてシステムが動作し続けることができる。

調整流体は単相流体を含むことができるが、いくつかの実施形態では、前記調整流体が流体の２相混合物を含む。

この圧力調整システムは、異なる調整流体について圧力調整を提供することができるが、多くの場合に混合冷媒システムである冷却システムからの冷媒であることができる２相調整流体に対して特に効果的である。このような混合相冷媒は、半導体処理においてますます必要とされている低温を提供する上で特に効果的である。しかしながら、液体は温められると蒸発して気体を形成し、システム内の圧力を上昇させるため、気相及び液相が平衡状態で存在するということは、圧力の変化が大きくなるということである。従って、これらの混合相又は二相システムはとりわけ圧力スパイクを生じやすく、実施形態の圧力調整装置は、このようなシステムによって冷却される半導体ウェハ調整回路を保護する上で特に効果的である。

いくつかの実施形態では、緩衝容器が、調整回路内の圧力上昇を緩和する容積を有するタンクの形態の膨張容器である。いくつかの実施形態では、前記緩衝容器のサイズが、低動作温度から室温まで温まった前記装置内の前記調整流体の膨張を収容するのに十分なものである。

上述したように、緩衝容器は、例えば混合相システム内の液体冷媒が蒸発する際に発生し得る圧力上昇から動作中のシステムを保護することができる。装置は、停電の場合にシステムを保護する上でも効果的であると考えられる。緩衝容器は、停電時にシステムを効果的に保護するために、ウェハ調整回路の最も低い動作温度から室温に至る際に調整流体が膨張する膨張容積を収容できるようなサイズとすべきである。

いくつかの実施形態では、前記調整回路が、複数の半導体ウェハを冷却するための並列に配置された複数の調整回路を含む。

実施形態は、単一の調整回路を保護する上で効果的なだけでなく、好適なサイズの場合には、並列に又は単独で配置された複数の調整回路の冷却に使用することもできる。

いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つの圧力センサが、前記複数の調整回路内の圧力を感知するように構成された複数の圧力センサを含む。

圧力調整装置が複数の半導体回路を保護している場合には、いずれかの回路内の圧力上昇に応答して圧力制御弁が開いて緩衝容器が圧力除去を提供できるように、各調整回路内の圧力を感知する複数の圧力センサを有することが有利となり得る。この点、個々のウェハは異なる圧力条件に曝される場合があり、従って異なる回路では異なる時点で圧力スパイク又は圧力上昇が生じる可能性がある。

いくつかの実施形態では、前記圧力調整装置が、前記緩衝容器を温めるための加熱機構を備え、前記制御回路は、前記圧力制御弁の作動が予め定められた頻度よりも多く発生していること、及び前記緩衝容器の温度が予め定められたレベル未満に低下して予め定められた時間にわたって前記予め定められた温度未満に維持されること、のうちの少なくとも１つに応答して前記緩衝容器を温めるように前記加熱機構を制御するよう構成される。

圧力調整装置が短時間内に頻繁に作動する場合、特に冷媒混合物の設定点温度が低いモードでは、緩衝容器内に液体冷媒が蓄積する状態が発生する場合がある。多少の蓄積は予想されることであって問題ないが、過剰な冷媒が蓄積した場合には、安定動作のために、液体を蒸発させて冷却システムに冷媒を戻す手段を有することが好ましい。

第２の態様は、第１の態様による冷却装置及び圧力調整装置を備えた半導体ウェハ冷却装置を提供する。

いくつかの実施形態では、前記調整流体が、前記冷却システムの冷媒を含む。

調整流体は、冷却システム内の熱交換器を使用して冷却される二次調整流体とすることができるが、場合によっては、半導体調整回路を流れる冷媒自体とすることもできる。後者の場合、調整流体は混合冷媒であることができ、従って圧力スパイクが発生しやすく、圧力調整装置を設けることが特に重要である。

第３の態様は、半導体ウェハ調整回路を圧力保護する方法であって、本発明の第１の態様による圧力調整装置の入口チャネル及び出口チャネルを、冷却システムに接続された半導体ウェハ調整回路の入口側及び出口側に接続するステップを含む方法を提供する。

添付の独立請求項及び従属請求項には、さらなる特定の好ましい態様を示す。従属請求項の特徴は、必要に応じて独立請求項の特徴と組み合わせることができ、特許請求の範囲に明示するもの以外の組み合わせとすることもできる。

機能を提供するものとして装置の特徴を説明している場合、この特徴は、その機能を提供する装置、或いはその機能を提供するように適合又は構成された装置の特徴を含むと理解されたい。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態をさらに説明する。

第１の実施形態による圧力調整装置を概略的に示す図である。 第２の実施形態による圧力調整装置を概略的に示す図である。 第３の実施形態による圧力調整装置を概略的に示す図である。 ある実施形態による装置による、動作中の圧力上昇の緩和を示す図である。 ある実施形態による装置による、停電中の圧力上昇の緩和を示す図である。

実施形態をさらに詳細に説明する前に、まず概要について説明する。

実施形態は、いくつかの実施形態では半導体ウェハチャックである、半導体ウェハを調整する装置のチャネル（及び関連する流体回路）内の圧力の調整を可能にする機構を提供する。調整流体の圧力が安全な圧力限界とみなされる予め定められた動作圧限界よりも上昇した場合に備えて、調整流体（液体、ガス又は混合物）のための代替流路と共に緩衝拡張容積（ｂｕｆｆｅｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）を設け、調整流体を拡張容積に迂回させる手段を提供する。

圧力上昇時には、流体圧に基づいて作動する１又は２以上の弁を通じて冷却液又は調整流体を緩衝容積に迂回させる。いくつかの実施形態では、弁のうちの少なくとも１つが、停電時にも機構が機能するように機械的に作動する。通常の動作条件が回復すると、機構は、動作継続のために再び調整回路に冷却剤が導入されることを可能にする。

実施形態は、調整回路内の圧力低下に役立つように、二次冷却剤又は混合冷媒流体とすることができる調整流体のための緩衝／追加容積を必要に応じて動的に提供する。基本的な熱力学原理として、所与の質量の流体では圧力が体積に反比例する。従って、所与の質量の流体の膨張に利用可能な体積を増やすと、これに対応して流体の圧力は低下する。しかしながら、（システムに対して新たな質量の追加又は除去が行われない）閉鎖系では、通常の動作経過中に緩衝容積が全体的なシステム容積の一部にならないことを確実にするために緩衝容積へのアクセスが制御されることが重要である。緩衝容積は、予め定められた値を上回る圧力スパイクの場合にのみ関与すべきである。この設定は、流体圧に反応する制御弁を通じて行われる。

図１に、ある実施形態による、調整回路に接続された圧力調整装置を示す。この圧力調整装置は、システム入口弁１４ａ及びシステム出口弁１４ｂによって冷却システムに接続される。これらの入口弁及び出口弁は電動式であり、電力供給時には開くが電力喪失時には閉じるように構成される。システム入口弁１４ａは、ウェハ調整回路ＳＣ－１に調整流体を供給する入口管路２０に接続される。戻り管路２２は、調整回路ＳＣ－１から調整流体を取り出し、出口弁１４ｂを介して冷却システムに戻す。

流量制御システムの入口弁及び出口弁１４ａ、１４ｂは、空気圧式又は電磁式とすることができる。１３ａ、１３ｂは、システムが冷却装置の冷却部分に接続される場所を示す。この実施形態では、入口管路２０に沿って冷却装置の方に又は戻り管路２２上を調整回路の方に戻る調整流体の逆流を抑制するために、入口管路上及び出口管路上に逆止弁１及び１１が存在する。

この実施形態では、圧力調整装置内の異なる地点に配置されて、調整回路ＳＣ－１内の流体の圧力にも関連するこのシステム内の調整流体の圧力を感知するのに役立つ複数の圧力センサ又は圧力トランスデューサ２が存在する。圧力トランスデューサの位置及び数はシステムに依存する。

この実施形態では、入口管路２０を緩衝容積７に接続する２つの入口チャネル２４及び２６が存在する。この緩衝容積は、冷却システムの圧力除去を提供し、圧力制御弁によって入口管路２０に接続される。

この実施形態では、１つの入口管路２４内に、入口における予め定められた圧力に応答して開くように構成された機械ばね作動弁（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｐｒｉｎｇ ａｃｔｕａｔｅｄ ｖａｌｖｅ）である圧力制御弁６が存在し、この実施形態では、遮断弁として機能して、電力不在時には閉じるが電力供給時には開く電力作動開放型の弁である弁５も存在する。従って、通常動作中には、弁５が開いて流体を通すことにより、圧力の上昇に応答して弁６が開いて調整回路ＳＣ－１に圧力除去を提供するようになる。

実施形態では弁５が存在しないが、ポンプのメンテナンス中にはこのような弁を使用して緩衝容積及び／又は弁６をシステムの残り部分から隔離することができるので、このような弁を有することが有利となり得る。さらに、弁５は、約１２５０℃の高温冷媒が管体を流れるベークアウトモード又はデフロストモード中に弁６を保護するために使用することもできる。一般に、弁６は極低温のために設計されるので、その内部の高分子シールが高温について定格されていないことがあり、従って弁５を閉じることによって弁６をこれらの高温流体から保護できることが有利となり得る。

この実施形態では、緩衝容器７が、緩衝容積の圧力が予め定められた安全限界よりも上昇したことに応答して開くように構成された安全弁であるＰＲＶを有する。この圧力逃がし弁は、放出された気体がクリーンルーム環境の外部に送出されるように管路を介して排気を行うように構成される。

この実施形態では、第１の入口チャネル２４に加えて、入口管路２０から緩衝容積７への通路を提供するさらなる入口チャネル２６が存在する。第２の入口チャネルは、緩衝容積７から入口管路２０への調整流体の逆流に抗する電力作動弁３及び逆止弁４を含む。電力作動弁３は常時開路式の弁であり、すなわち電力不在時には開くが、一般に電力供給時には閉じる。従って、全電力喪失の場合には、動力が断たれることによって開いて緩衝容積に流体を流入させ、従って停電の結果としてシステムに圧力保護を提供する。この実施形態では、弁３が、様々な圧力トランスデューサ２から信号を受け取って制御弁のうちの１つ又は２つ以上に制御信号を提供するシステムコントローラ３０に接続される。システムコントローラ３０は、所定レベルを上回る圧力上昇を検出したことに応答して電力作動弁３を開くように構成される。このように、圧力スパイクの際には、２つの入口チャネル２４及び２６を介して圧力除去を提供することにより、流体流を改善して素早く圧力スパイクを緩和することができる。

この実施形態では、緩衝容積７から戻り管路２２への出口管路２８が存在する。出口管路２８は、緩衝容積７から過剰圧力を排出するように作用し、実際には圧力上昇時に半導体調整回路ＳＣ－１を迂回する調整流体の迂回路を提供してシステムに圧力除去を提供する。いくつかの実施形態では、出口チャネル２８が、戻り管路２２から緩衝容積７への調整流体の逆流を妨げる逆止弁１０を有する。

なお、図１には単一の半導体ウェハ調整回路及び単一の圧力調整装置を示しているが、いくつかの実施形態では、直列に配置された複数の半導体ウェハ調整回路が存在することもでき、このような場合には、圧力調整装置が、これらの全ての半導体ウェハ調整回路の圧力上昇を緩和する役割を果たすことができ、及び／又は圧力除去を強めるように冷却システムと調整回路との間に直列に配置された入口及び出口を有する複数の圧力調整装置、及び／又は複数の入口チャネルを有する大きなサイズの緩衝容器７が存在することもできる。

図２に、図１と同様の実施形態ではあるが、並列に配置された複数の半導体調整回路ＳＣ－１及びＳＣ－２に圧力保護を提供する別の実施形態を示す。また、この実施形態は、緩衝容積７へのさらなる入口チャネル２７を含んでおり、この入口チャネル２７は、圧力スパイクに応答して緩衝容積内への流体流を増加させるようにさらなる流体流路を提供するためのものである。さらなる流体流が必要になり得る理由は、複数のウェハ調整回路が存在してそれぞれが同時に圧力スパイクを受ける可能性があり、従ってより大きな圧力除去が必要となり得るからである。

図３に、調整回路の下流ではあるが出口管路２２と出口チャネル２８との接続部の上流において、緩衝容積７へのアクセスを提供してウェハ調整回路内の圧力を調整するのに役立つ入口チャネル２６のうちの１つを調整流体出口管路２２に接続できるさらに別の実施形態を示す。この配置は効果的な圧力調整も提供し、調整回路の物理的配置、レイアウト及び配管がこちら側にさらなる余地を許容する場合に好都合となり得る。なお、この場合、入口チャネルのうちの１つが設けられているのは戻り管路２２上であり、出口チャネル２８はこの入口チャネルの下流に存在する。

以下の部分では、圧力調整装置の実施形態の異なる動作モードについて概説する。

通常の定常動作モード：調整流体／混合冷媒（以下、「流体」と呼ぶ）は、チャックに直接接続された調整回路に向かう途中で１３ａにおいて圧力調整装置に入り込む。流体は半導体チャックＳＣ－１内を流れ、回路のこの部分から接続部１３ｂを介して流出する。流体の流路は、１３ａ－１４ａ－１－ＳＣ－１－１１－１３ｂである。

圧力調整装置は、圧力上昇又は圧力スパイクを生じる以下の２つのタイプの故障モードの場合に圧力を調整するように設計される。
１．装置が動作していて電力を有する場合の圧力スパイク
２．完全な電力喪失の場合の圧力スパイク

故障モード１－ユニットが電力を有する場合：このシナリオでは、流体の圧力がユーザによって定められた動作圧限界の９０％以下に維持されるまで通常動作が継続する。流体の圧力が作動圧力限界（最大値の９０％～９３％、別名クラッキング圧）に近づき始めると、圧力調整弁６が部分的に開き始める。圧力が上昇し続けると、弁６が全開になる。この時点で流体が緩衝容積に迂回され、この流体のために１３ａ－１４ａ－１－５－６－７－１０－１１－１４ｂ－１３ｂというさらなる流路が開く。緩衝容積は、低圧に維持された空の圧力容器である。比較すると、半導体チャック内のウェハ調整回路は、流体が流れる一連の小さな導管である。この結果、流体の圧力損失又は流れ抵抗は、調整回路に比べて緩衝容積の方がはるかに低い。緩衝容積の出口は、常に供給側よりも低圧である調整回路の戻り側に接続される。全体的に見て、この配置は調整回路よりも緩衝容積に多くの流体を流入させる。流体が占有できる容積が増加して質量流量が積極的に緩衝容積に迂回されると、調整回路又はチャック内及びその周辺における流体回路内の全体的な圧力が低下する。圧力トランスデューサ２によって検出される圧力降下の割合が十分でない場合には、弁３が開いて緩衝容積への別の流体流路が提供される。最初に流体圧の上昇を引き起こした事象が一時的／過渡的なものである場合、流体システム内の圧力は通常の動作範囲に向かって正常化し始める。圧力が最大値の９３％まで低下すると、弁６及び弁３が閉じて緩衝容器を流体回路から分離する。緩衝容積の出口は流体回路の戻り側（低圧側）に接続されているので、既に緩衝容積内に存在する流体は再び自動的に流体回路内に流出する。

圧力スパイクを引き起こした事象が過渡的／一時的な事象ではなく圧力が上昇し続ける場合には、流体調整回路のこの部分に新たな質量の流体が導入されないことを確実にするために、流体調整回路１４ａ上の供給弁が閉じる。回路上の戻し弁１４ｂは、チャック及び緩衝容積からできるだけ多くの流体を排出するように開いたままである。指定の時間遅延後に、圧力上昇を引き起こした事象が依然としてオンである場合には、システムコンプレッサが停止する。

故障モード２－完全な電力喪失の場合：チャンバが全ての電源を失った場合には、調整回路内の流体の流れが止まる（コンプレッサがオフになる）と理解される。停滞した流体は、温まると膨張して流体圧が上昇する。この圧力上昇は、ウェハ調整回路、或いはこの実施形態ではチャックＳＣ－１を損傷させるのに十分なものとなり得る。

この故障モードから保護するために以下が行われる。弁１４ａ及び１４ｂが閉じて、圧力調整装置及びウェハ調整回路を冷却システムの残り部分から分離する。弁３（常時開路式）が開く。この結果、緩衝容積内に拡張するための導管が流体に与えられる。弁３を通る質量流量が不十分なため圧力が上がり続けた場合、流体圧がその定格逆流値を上回ると弁５（パイロット操作弁）が開く。弁５は、弁６の設定値よりも低い背圧値での逆流を可能にするように選択される。

その後、弁６は、圧力上昇に反応して緩衝容積内へのさらなる流路を可能にする。この結果、流体回路の圧力が低下する。このような故障モードから保護するために、緩衝容積は、流体が極低温から周囲温度に温まる際の全体的な液量の増加を収容できるほど十分な大きさにすべきである。この必要な容積は、流体特性、流体調整回路の全体的な内部容積及びチャックの内部容積に基づいて正確に推定することができる。電源が復旧して再びチャンバが動作すると、弁３が閉じて弁５が開く。圧力が圧力弁の設定点の～９０％に低下すると、弁６が閉じる。緩衝容積内の液体が液体調整回路の戻り側に排出されて、ユニットの通常動作を開始することができる。

逆止弁（要素１、４、１０、１１）は、異常な圧力差の場合に緩衝容積又は供給側に流体が逆流しないことを確実にする目的を果たす。

図４に、圧力調整装置の保護機構が故障モード１で作動した時にシステム内でどのように圧力が変化するかを概略的に示す。この例では、５０においてシステムに圧力上昇強制入力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｏｒｃｉｎｇ ｉｎｐｕｔ）が適用され、圧力が予め定められたレベル６０よりも上昇すると圧力制御弁が開き、緩衝容積へのアクセス及びこの緩衝容積を通じて設けられる迂回路を介してシステムに圧力除去が提供される。７０において、この流路を開いたままにしておくことによって圧力除去が維持され、８０において強制圧力が除去されると、システム内の圧力が低下して圧力制御弁が閉じ、４０において再び緩衝容積迂回路がシステムから分離されて通常動作が再開する。

図５に、停電時の過度の圧力上昇を防ぐためにシステムがどのように機能するかを示す（故障モード２）。電力喪失が発生すると、最初は急激に圧力が上昇する（１００）。１１０において圧力制御機構が作動し、緩衝容積が調整回路に接続され、システムの入口弁及び出口弁が閉じる。緩衝容器のサイズの結果、圧力は安全レベルに維持される（１２０）。

プロセスチャンバ及び処理ステップの構成（並行ウェハ処理対逐次的ウェハ処理）に応じて複数の実施形態が可能である。一例として、デバイス製造に複数の半導体チャックを並行して使用して（各チャックがウェハ上で同じレシピを実行して）各半導体チャックを同じプロセスチラーによって並行して冷却するチャンバ構成では、図２の構成を採用することができる。この実施形態では、圧力調整の原理は同じままであるが、複数のチャックの内部容積に対応するのに十分な流体の質量流量（及び圧力を低下させるのに見合った応答時間）を確保するために、２又は３以上のバルブセットを並行して使用することが提案される。

図３の別の実施形態では、流体調整回路内の圧力調整に役立つ１組の弁を半導体チャックの後（下流）に配置することができる。この構成は、やはり効果的な圧力調整をもたらし、チャック内部の圧力低下、チャック調整回路の物理的配置／レイアウト及び配管、並びに利用可能な余地のうちの１つ又は２つ以上に基づいて実装することができる。

この概念の実施形態は、より速い応答時間、より大きな質量流量などを提供するために２又は３以上の圧力調整弁６を並行して使用することなど、他にも複数のものが可能である。これらの選択は具体的な要件によって決まる。

圧力調整弁６は、弁５を必要とせずに単独で機能することができる。しかしながら、ポンプメンテナンス中に緩衝容積を完全に隔離する必要がある場合、又は弁６を交換する必要がある場合には、弁５がシャットオフ遮断弁（ｓｈｕｔ－ｏｆｆ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｖａｌｖｅ）のように機能する。

いくつかの実施形態では、圧力制御弁又は圧力調整弁６が「極低温エコノマイザ（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）」である。これらの弁は、一般に大型極低温タンク（液体Ｎ２、Ｏ２など）において静的ヘッド圧を維持するために使用される。動的動作環境における圧力の制御は、この種の弁の新規使用法である。

弁３及び弁５は、単純な電子コントローラを使用して能動的に制御される。この電子コントローラは、クライオチラー（ｃｒｙｏｃｈｉｌｌｅｒ）のメインコントローラ又は二次専用コントローラ３０とすることができる。コントローラは、アセンブリ内の圧力トランスデューサ２からの圧力値を読み取って、ＯＰＥＮ（開）又はＣＬＯＳＥ（閉）のための信号を弁に中継する。

アセンブリ全体は、緩衝容器上に示すような、適切な排気圧に設定された圧力逃し弁ＰＲＶを有することができる。圧力逃し弁からは、クリーンルームの外部への排気を確実にする排気管路が存在することができる。

いくつかの実施形態では、圧力調整装置が短時間内に頻繁に作動する場合、特に冷媒混合物の設定点温度が低いモードでは、緩衝容器内に液体冷媒が蓄積する状態が発生する場合がある。多少の蓄積は予想されることであって問題ないが、過剰な冷媒が蓄積した場合には、安定動作のために、液体を蒸発させて冷却システムに冷媒を戻す手段を有することが好ましい。加熱は電気加熱とすることができ、弁５を開くことによって管路２７を通じて緩衝容積７内に高温冷媒を導入することができる（例えば、図２を参照）。この高温冷媒は、緩衝容積内の冷液と混合して冷液を蒸発させる。指定された時間遅延後に、或いは緩衝容器の温度又は緩衝容器内の圧力などを感知することによって弁５を閉じ、又はヒータをオフにすることができる。

いくつかの実施形態では、この加熱機構が、システムの頻繁な作動を検出したことに応答して、又はコントローラロジックと（単複の）温度センサとの組み合わせによって作動する。温度センサ（熱電対）は、例えば緩衝容器の外壁に取り付けることができる。（指定できる）所与の時間内に指定数を上回る圧力緩和イベントが存在し、これらの圧力緩和イベント後にタンクの表面温度が指定値未満に留まる場合には、高温気体／電気加熱イベントを引き起こすことができる。

或いは、タンク上／内に電気ヒータを設け、全ての圧力緩和イベント後に、或いは圧力緩和イベントが発生したかどうかにかかわらずタンクの表面温度が所定の時間にわたって特定の値未満に留まる場合に、この電気ヒータを指定時間にわたって作動させることもできる。

要約すると、少なくともいくつかの実施形態によって以下の機能性が提供される。
１．半導体ウェハの熱調整回路内の圧力を広い温度範囲（極低温から周囲温度以上）にわたって制御する能力。この点、冷却ではなく加温が必要な場合には、冷媒を熱交換器に通すことによって、又は冷却システムの温かい部分から加温冷媒を転用することによって、冷却システムから調整回路に加温冷媒を供給することができる。
２．直接冷媒冷却型システム及び二次流体冷却型システムのための圧力制御能力。
３．（逃がし弁を用いた排気だけでなく）圧力を動的に制御することによって、圧力スパイクが存在する際の緊急遮断及びその後のメンテナンス及び始動手順の必要性を低下させる能力。
４．ユーザ設定可能な圧力限界の設定点を有し、広い圧力制御帯にわたって同じ装置を使用できる（圧力設定点を変更するために弁を物理的に交換する必要がない）能力。
５．複数の数及びタイプの弁を使用することによって圧力制御設定点のための高分解能を提供する能力。
６．（動的制御及び細かな設定点分解能力によって）一般に半導体加工において最優先されるプロセスパラメータが再現可能であることを確実にする能力。

機械的作動弁と電動アシスト（電気又は空気圧）弁とを組み合わせて使用することで、ほとんどの故障モードのための解決策が提供される。

実施形態の圧力調整装置を既存の設備に追加すると、この設備の動作エンベロープを温度、圧力及び安全面に関して強化することができる。

本明細書では、添付図面を参照しながら本考案の例示的な実施形態を詳細に開示したが、本考案は正確な実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば、添付の実用新案登録請求の範囲及びその同等物によって定められる本考案の範囲から逸脱することなく実施形態において様々な変更及び修正を行うことができると理解される。

１、４、１０、１１ 逆止弁
２ 圧力トランスデューサ
３ 流量制御弁、通常は開放（ＯＮ／ＯＦＦ）、空気圧作動式又は電磁作動式とすることができる
４ 逆止弁
５ パイロット操作式の通常は閉じている流量制御弁（ＯＮ／ＯＦＦ）、空気圧作動式又は電磁作動式とすることができる
６ （機械的に作動する）圧力調整弁
７ 圧力容器の形態の緩衝容積
１０ 逆止弁
１１ 逆止弁
１２ 圧力トランスデューサ
１３ａ、１３ｂ 冷却システムへの接続部
１４ａ、１４ｂ システム入口弁及び出口弁
２０ 入口管路
２２ 戻り管路
２４、２６、２７ 入口チャネル
２８ 出口チャネル
３０ システムコントローラ
４０ 通常動作圧
５０ 強制的圧力上昇
６０ 圧力制御機構の始動
７０ 圧力維持
８０ 圧力強制影響の除去
１００ 電力喪失中の圧力上昇
１１０ 圧力制御機構の始動
１２０ 一定期間にわたって維持される圧力

Claims (25)

1. 半導体ウェハ調整回路内の圧力上昇を緩和する圧力調整装置であって、
   入口チャネル及び出口チャネルを含む緩衝容器を備え、
   前記入口チャネルは、動作中に前記半導体ウェハ調整回路の高圧位置と流体連通するように構成され、前記出口チャネルは、動作中に低圧位置と流体連通するように構成され、
   前記入口チャネルは、通常動作中は前記緩衝容器が前記調整回路の前記高圧位置から隔離されるように前記入口チャネルを閉じ、前記半導体調整回路内の前記圧力が予め定められたレベルを上回ったことに応答して前記入口チャネルを開くように構成された少なくとも１つの圧力制御弁を含む、
   ことを特徴とする圧力調整装置。
2. 前記調整回路から前記出口チャネルを介した前記緩衝容器への流れを抑制する逆止弁を前記出口チャネル内にさらに備える、
   請求項１に記載の圧力調整装置。
3. 前記圧力制御弁は、機械的ばね付勢弁を含む、
   請求項１又は２に記載の圧力調整装置。
4. 前記圧力調整装置は、前記調整流体の圧力を感知する少なくとも１つの圧力センサと、前記少なくとも１つの圧力センサから受け取られた信号に応答して制御信号を生成するように構成された制御回路とをさらに備える、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
5. 前記圧力制御弁は電力作動弁を含み、前記制御回路は、予め定められた圧力レベルに達したことを前記少なくとも１つの圧力センサが示したことに応答して、前記電力作動弁を開くための制御信号を生成するように構成される、
   請求項４に記載の圧力調整装置。
6. 前記圧力調整装置は、前記圧力制御弁が開く前記予め定められた圧力を選択できるように構成可能である、
   請求項３又は５に記載の圧力調整装置。
7. 前記入口チャネルは第２の弁をさらに含み、該第２の弁は、電力未供給時には前記圧力制御弁及び緩衝容器を前記調整回路から隔離するように閉じて電力供給時には開くように構成された電力作動弁を含む、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
8. 前記緩衝容器は、前記出口チャネルが流体連通している位置よりも高圧の位置と流体連通する少なくとも１つのさらなる入口チャネルを含み、該少なくとも１つのさらなる入口チャネルは、電力未供給時には閉じて電力供給時には開く電力作動弁を含む、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
9. 前記制御回路は、予め定められた圧力レベルに達したことを前記少なくとも１つの圧力センサが示したことに応答して、前記少なくとも１つのさらなる入口チャネル内の前記電力作動弁を開くための制御信号を生成するように構成される、
   請求項４に従属する場合の請求項８に記載の圧力調整装置。
10. 前記少なくとも１つのさらなる入口チャネルは、前記調整回路から前記少なくとも１つのさらなる入口管路を介した前記緩衝容器への流れを抑制する逆止弁をさらに含む、
    請求項８又は９に記載の圧力調整装置。
11. 前記圧力調整装置は、冷却システムから調整流体を受け取って前記調整流体を前記ウェハ調整回路に供給する入口管路と、前記ウェハ調整回路から調整流体を受け取って前記流体を前記冷却システムに戻す戻り管路とを備え、前記入口チャネルは前記入口管路に接続される、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
12. 前記出口チャネルは前記戻り管路に接続される、
    請求項１１に記載の圧力調整装置。
13. 前記圧力調整装置は、前記圧力調整装置及びウェハ調整回路を前記冷却システムから分離する電力作動弁を前記入口管路及び前記戻り管路上に備え、前記システム入口及び出口電力作動弁は、電力供給時に開いて電力未供給時に閉じる、
    請求項１１又は１２に記載の圧力調整装置。
14. 前記制御回路は、前記感知された圧力が前記予め定められたレベルよりも高いさらなる予め定められたレベルよりも上昇したことに応答して前記システム入口弁を閉じるように構成される、
    請求項４に従属する場合の請求項１３に記載の圧力調整装置。
15. 前記制御回路は、前記感知された圧力がさらに高い予め定められたレベルまで上昇したことに応答して前記システム出口弁を閉じるように構成される、
    請求項１４に記載の圧力調整装置。
16. 前記制御回路は、予め定められた時間後に前記システム出口弁を閉じるように構成される、
    請求項１４に記載の圧力調整装置。
17. 前記制御回路は、前記感知された圧力の低下に応答して前記システム入口弁を開くように構成される、
    請求項１３から１６のいずれか１項に記載の圧力調整装置。
18. 前記調整流体は、流体の２相混合物を含む、
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
19. 前記緩衝容器のサイズは、低動作温度から室温まで温まった前記装置内の前記調整流体の膨張を収容するのに十分なものである、
    請求項１から１８のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
20. 前記調整回路は、複数の半導体ウェハを冷却するための並列に配置された複数の調整回路を含む、
    請求項１から１９のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
21. 前記少なくとも１つの圧力センサは、前記複数の調整回路内の圧力を感知するように構成された複数の圧力センサを含む、
    請求項４に従属する場合の請求項２０に記載の圧力調整装置。
22. 前記圧力調整装置は、前記緩衝容器を温めるための加熱機構を備え、前記制御回路は、
    前記圧力制御弁の作動が予め定められた頻度よりも多く発生していること、及び、
    前記緩衝容器の温度が予め定められたレベル未満に低下して予め定められた時間にわたって前記予め定められた温度未満に維持されること、
    のうちの少なくとも１つに応答して前記緩衝容器を温めるように前記加熱機構を制御するよう構成される、
    請求項４に従属する場合の請求項１から２１のいずれか一項に記載の圧力調整装置。
23. 冷却装置と、請求項１から２２のいずれか一項に記載の圧力調整装置とを備える、
    ことを特徴とする半導体ウェハ冷却装置。
24. 前記調整流体は、前記冷却システムの冷媒を含む、
    請求項１から２３のいずれか一項に記載の半導体ウェハ冷却装置。
25. 半導体ウェハ調整回路を圧力保護する方法であって、本発明の第１の態様による圧力調整装置の入口チャネル及び出口チャネルを、半導体ウェハ調整回路の入口チャネル及び出口チャネルと流体連通するように半導体ウェハ調整回路に接続するステップを含み、前記半導体ウェハ調整回路の前記入口チャネル及び前記出口チャネルは、冷却システムから調整流体を受け取って調整流体を冷却システムに戻すように構成される、
    ことを特徴とする方法。

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