JP4216476B2 - Esrfクーラント脱ガス処理 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
関連出願
本発明は、1998年8月3日に出願され、名称が“ESRF COOLANT DEGASSING PROCESS”の仮米国出願No.60/095,035を基礎とて請求し、またこれに関する。この出願の内容は、参照としてここでは含まれている。
本願は、“Device and Method for Detecting and Preventing Arcing in RF Plasma System”の名称の先願60/059,173、“System and Method for Monitoring and Controlling Gas Plasma Process”の名称の先願60.059,151,並びに“All−Surface Biasable and/or Temperature−Controlled Electrostatically−Shielded RF Plasma Source”の名称の先願60/065,794に関連している。また、本願は、1998年8月3日に出願され、名称が“ESRF CHAMBER COOLING SYSTEM AND PROCESS”の先願60/095,036(米国代理人整理番号2312−0633−6PROV)、並びに、1999年8月3日に出願され、同じ発明者Wayne L.Johnsonによる名称が“ESRF CHAMBER COOLING SYSTEM AND PROCESS”の国際出願シリアル番号PCT/US99/17516に関連している。これら各先願は、参照として内容がここでは含まれている。
【0002】
【従来の技術】
エッチング並びに沈着処理を使用してサブミクロンのオーダの半導体ウエハを製造するために、最近の半導体処理システムは、リアクティブイオンエッチング(RIE)、プラズマエンハンス化学蒸着(PECVD)、スパッタリング、リアクティブスパッタリング、並びにイオンアシスト物理蒸着のようなプラズマアシスト技術を利用している。上述した先願に加えて、ガスプラズマ処理システムの他の例が、本願の発明者であるWayne L.Johnsonによる米国特許No.5,234,529に記載されている。これら既知のシステムにおいて、ガスが、中にプラズマが高周波(RF)パワーにより発生されて維持される処理容器内に導入される。代表的には、RFパワーは、ヘリカルコイルを使用してプラズマに誘導結合される。
【0003】
即ち、ガスプラズマの発生は、また、処理特有の温度に処理システムを維持するために除去しなければならない所定量の熱を発生する。この熱の除去は、今までは非能率であり、面倒なデザインに基づいていた。既知のESRFプラズマ源は、誘電体としても機能する、FLUORINERTのような液状クーラント浴を使用して冷却されている。高周波での良好の誘電体の必要要件は、流体が意図した電界に晒されときに、単位体積当たりのパワーロスが低くなければならないことである。しかし、これら特別な流体は、空気のようなガスを大量に吸収する。即ち、空気(並びに他のガス)に晒される液(クーラント)面は、これの表面層中へとガスを吸収する。そして、この吸収されたガスは、液体が混合されたときに(即ち、冷却システムの中を移動もしくは圧送されたときに)、液体中に分散される。さらに、ガスは、クーラント用のポンプが停止された後には、クーラント中に吸収され得る。ポンプが停止されたときに、システムの高い部品中のクーラントが低い部品に流れると、空気は、流されたクーラントと置換する。ポンプが再始動されると、空気は、細分化されて気泡となり、吸収可能なガスの他の源となる。
【0004】
高電界領域では、激しい分散が生じて、高い局部加熱が生じ、かくして、クーラント流体の局部温度が上昇する。そして、このようになると、ガス放出度が高くなり、より多くのガスが溶液から出て気泡を発生する。これら気泡は、誘電フッ化引力により付着されるコイル面上で合体する。そして、これら付着した気泡は、コイル面上で誘電差を生じさせて、不均一な電界、局部加熱、並びにアーク発生を高める。このアーク発生は、ガスが共振器のキャビティ内で使用される前に液体クーラントから放出されないと、流体の誘電体強度が、電圧に関して充分低くなる。例えば、FLUORINERTは、それ自身の液体体積と等しい体積のガスを吸収し、捕獲されたガスを除去するように処理されなければならない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
吸収されたガスの急速な放出によるアーク発生を防止するために、既知のシステムは、ESRFプラズマチヤンバ内にクーラントを連続的にポンプで圧送しながら、プラズマ源へのパワーを除々に高くするようにしている。このRFパワーの除々の増加は、クーラントから吸収されたガスがゆっくりと放出するのに充分な時間の間になされる。このようなクーラントのランニングは、捕獲されたガスを放出するけれども、かなりの時間が必要である。ときには、このような処理は、数時間もかかり、プラズマシステムの使用を遅らせる。
【0006】
吸収されたガスを放出するための既知のシステムによる長い時間に加えて、プラズマ源に組合わされる冷却システムは、大型(即ち、300mm)ウエハ処理システムで使用される大きいクーラントラインのために非常に複雑となり得る。従って、かなりの量の空気が、クーラントラインが装着されたままで処理チャンバが開成されときに、一般的に吸収される。クーラントラインは数百ポンドのクーラントを含むので、これらラインは、代表的には装着されたままとなっている。この結果、チャンバを開成するために装着されたラインを持ち上げることは、不可能ではないが、難しい。
【0007】
既に、大型のラインを代わりの冷却機構にどのようにして取り替えるのかは、知られていない。大型のラインは、処理チューブから熱を除去するために必要な多量(例えば、約50−75ガロン/分)のクーラントの交換をするために必要である。また、可撓性ラインは、必要なクーラントの重量並びに圧力のために、使用することが不可能もしくは困難である。
【0008】
本発明の目的は、誘電体の流体のコンディションを整えるときの遅延を短くした、ESRF源を冷却するための改良された方法並びにシステムを提供することである。
本発明の他の目的は、(1)誘電体としての液体クーラントの信頼性を向上させることと、(2)プラズマ密度を高くすることと、(3)クーラントの始動範囲を多くすることとの少なくとも1つの効果を奏しながら、コンディションの調整の遅延を減じることである。最後の2つの効果は、クーラントの悪化を、かくして、早期のコイルアーク発生を防止するために、プラズマ源にRFパワーを使用したときに生じる厳しいコンディションを軽減することに関する。早期のアーク発生を防ぐようにクーラントをコンディション調整することにより、RFプラズマ源は、(ある減じられたパワーレベルの代わりに)名目上のパワーで稼働され得る。かくして、名目上のプラズマ密度が得られ、また、ロバスト始動コンディションが(ランプRFパワーによる)著しい遅延がなく、達成され得る。
本発明のさらなる目的は、キャビティの悪化、即ち、コイルでのアーク発生の回数、頻度並びに厳しさを減じながら、コンディション調整の遅延を減じることである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記並びに他の目的は、RFプラズマ源にもとづく処理システムで使用される液体クーラントを脱ガスする方法並びにシステムに従って達成される。液体クーラントの中に吸収されたガスを除去するために排気を使用することにより、システムは、浸漬されたコイルの表面に付着される微小気泡により生じるアーク発生を減じている。
【0010】
本発明のより完璧に評価とこれに付随した多くの効果とは、以下の詳細な説明を参照して、特に、添付図面と関連して考慮されることによりより容易となるであろう。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明においてESRFシステムが、処理されていない液体クーラントの使用により生じる従来の問題、即ち、誘導コイルの周囲のアーク発生がなく、冷却される。幾つかの図を通じて同じもしくは対応する部材は、同じ参照符号が付された図面において、図1は、ESRFプラズマ処理システムのための脱ガス形態の概略図である。ESRFプラズマ源は、FLUORINERTのようなクーラント浴の中に浸漬された少なくとも1つの誘導コイルを有する。この脱ガスシステムは、クリーニング少なくとも4つの次のモードの1つで使用され得る。(1)プラズマ処理中に生じる通常動作。(2)処理の前もしくは後に生じる脱ガスモード。(3)メンテナスもしくはクーラントが必要とされない他の作業のためにシステムが排気されるときに生じる急速排出。(4)脱ガスチャンバが補助源からのクーラントで満たされる再充填モード。
【0012】
本発明に係われば、前記システムの通常動作は、プラズマ源チヤンバを強制的な対流により効果的に冷却するために、また、予め設定された温度を維持するために、プラズマ処理システム115を通して、脱ガスされた液体クーラントを圧送する工程を含む。図1並びに2において、液体流の冷却ループは、高容積型ポンプ1400を使用して、バルブ110aを通してクーラント浴(脱ガスチュンバ100)の底からクーラントを圧送することを含む。このポンプは、バルブ110fとプラズマ処理チャンバ115を駆動するのに要求される必須総圧力水頭を与える。この冷却サイクルは、バルブ110dを通してクーラント浴(即ち、脱ガスチャンバ100)にクーラントを戻すことにより完了する。このクーラントサイクルは、ポンプ140により駆動され、プラズマ処理チャンバから熱を奪ってクーラント浴(脱ガスチャンバ)内に蓄積される。脱ガスチャンバ100とプラズマ処理システム115との間の圧送サイクルは、予め設定された温度にプラズマ処理チャンバ115を維持するように続く。予め設定された温度は、プラズマ処理チャンバ115の熱負荷を決定し、クーラントサイクルにより熱を奪う速度を考慮することにより、導かれ得る(プラズマ処理チャンバ115の冷却速度は、クーラントの流速と、クーラントの流体特性と、チャンバ自身内の圧送デザインとにより決定される)。
【0013】
前記クーラント浴(脱ガスチャンバ)100内のクーラントの温度を維持するために、第2の冷却サイクルは、熱交換器130を有するように設けられている。この熱交換器で、熱は、外部源から与えられる冷却水とクーラントとの間で交換される。冷却量は、冷却されたクーラントから熱を奪うように流れる冷却水の量を調節することにより、規制され得る。この第2の冷却サイクルは、ポンプ125を使用して、フイルター135を、そして、熱交換器130を通してクーラント浴(脱ガスチャンバ100)の底からクーラントを圧送する工程を含む。上記2つの冷却サイクル(一方は、プラズマ処理チャンバへ、そして他方は、熱交換器130へ)は、脱ガスチャンバからの共通の出口ラインを有することが判る。しかし、配管設備は、このようなデザインに限定されることはなく、これら作業を果たすために2以上のラインを使用し得る。図示されるように、前記熱交換器130は、クーラントと供給される冷却水との間の熱交換を果たすように、冷蔵室132と組合わされている。温度制御バルブ134が、熱交換器130の後の冷却される水源の温度がモニターされ得るように、配置されている。冷却水の温度差がかなり(数度、即ち、摂氏2ないし5度以上)になると、冷却水の流量が、増加され得る。これら冷却水とクーラントとは、連続して流れる。冷却の程度は、どのくらい冷却水のバルブが開成されているかにより決定される。
【0014】
クーラントが目標とする温度まで冷却されると、温度制御用のバルブ134は、ポンプ125に信号を送って、圧送を開始させて、クーラントが脱ガスチャンバ100に戻ることを可能にする。クーラントの、熱交換器130からクーラント浴(脱ガスチャンバ)100への戻りの場合、RF電流の流れのモニター136が戻しライン138に沿う中間位置に配置されている。さらに、本発明は、クーラントが脱ガスされるべきときを決定するための方法を含んでいる。従って、クーラント内のガス吸収のレベルは、サンプルチャンバに印加されるRF電圧を使用することにより決定され、結果として流れる電流は、測定される。このRF電流の流れは、流体の誘電体強度を示す。さらに、クーラントの誘電体強度は、クーラント内の吸収されたガスの存在に直接影響される。かくして、本発明は、脱ガスをすることがこのテストを周期的にすることにより要求されるか否かを自動的に判断する。そして、脱ガスが必要であれば、操作者は、知らせられ得るか、脱ガスが次の処理工程の終わりに自動的になされ得る。
【0015】
停止の間(そして他の種々のとき)の空気(並びに/もしくは他のガス)へのクーラント流体面の(制限された)露出により、この冷却システムは、クーラント中に吸収されたガスを除去するために定期的な脱ガスを必要としている。(また、本発明における吸収されたガスの量は、クーラント浴自身のデザインと配置とにより減じられる。このクーラント浴は、冷却システム内の最も高い位置のユニットとして配置され、また、クーラントチューブのための全ての出口は、圧送システムが停止されているときに、クーラントの中に浸漬され続けている)。脱ガスモードの間、バルブ110hが開成されると、真空ポンプ165は、サージタンク145の蒸発空間内に存在している蒸気と、ライン106内に存在する蒸気とを排気し、このようにしてときに、サージタンクの蒸発空間と脱ガスチャンバ100につながるライン106との中の圧力は減じられ、この結果、圧力リリーフバルブ105を開成するのに充分な圧力差を生じさせる。圧力リリーフバルブ105が開成されると、脱ガスチャンバ100内の蒸発空間から放出されたガスが逃げる。圧力リリーフバルブ105は、脱ガスチャンバ100内の蒸気が排気され、また、吸収されたガスの放出により所定の圧力になるのに夫々従って、間欠的に、開閉する。脱ガスチャンバ100内の蒸発空間が排気されると、圧力は減少して、比較的多い流量のガスが再吸収され得る。クーラントからガスを放出させる圧力は、クーラントの蒸気圧よりも高い。排気プロセスの適当な制御により、流体の過度の蒸発がなくて、流体からガスを除去することができる。2つの冷却サイクルのラインとプラズマ処理チャンバ115との中に存在するクーラントを有効かつ能率的に脱ガスするために、高容積型ポンプ140が、クーラントの循環のために、バルブ110a,110f,110dの開成に加えて、駆動される。さらに、ポンプ125が、脱ガスされたクーラントを第2の冷却サイクルのラインを循環させるように駆動される。
【0016】
また、本発明は、システム115が動作されていないときに、例えば、ウエハの交換もしくはメンテナンスの間に、プラズマ処理システムからクーラントを排出し得る。この動作は、ここでは、急速排出モードとして説明されている。この急速排出モードの間、ポンプ140は、クーラントのプラズマ処理システム115をバルブ110cを通して排気し、クーラントを脱ガスチャンバ100の中にバルブ119eを通して送る。過度のクーラントが脱ガスチャンバ100に送られた場合には、圧力リリーフバルブ105が開成して、クーラントがライン106を通ってサージタンク145の中にオーバフローすることを可能にする。プラズマ処理システム115を排気する場合には、バルブ110c,110eが閉成され、またポンプ140が停止され得る。この時点で、プラズマ処理チャンバは、メンテナンスもしくは他の操作のために開成され得る。この時間に(プラズマ処理チャンバ115のための取り扱いに応じて)、クーラントは、ポンプ125を使用して熱交換器130を通して冷却され得る。さらに、ポンプ165は、バルブ110hを通してサージタンク145から蒸気を排気し、また、クーラントが脱ガスチャンバ100を満たすのに従って圧力リリーフバルブ115を通って脱ガスチャンバ100からのガス蒸気が放出されるので、サージタンク145内の圧力上昇を軽減する。異なる実施の形態において、オプションの冷却されたトラップ166が、クーラントが排出する前にクーラントを(凝縮により)捕らえるように、前記ポンプ165と出口との間に設けられている。凝縮されたクーラント167は、必要に応じて、手動もしくはポンプ(図示せず)により、脱ガスチャンバの中に再導入され得る。
【0017】
また、プラズマ処理源は、冷却されたクーラントを受けるように急速に準備され得る。サージタンク145からの再充填のときに、ポンプ180,125は、バルブ110b、フイルター、熱交換器130並びに戻しライン138を通して脱ガスチャンバ中へとクーラントを圧送する。サージタンク145の外に圧送されたクーラントの代わりに、バルブ110gが開成されて加圧N2ガスが導入される。このN2ガスは、クーラントの中に吸収された場合でも、アーク発生を生じさせない。充分な量のクーラントが脱ガスチャンバに送られると、バルブ110a,110fが開成されてクーラントが処理システム115に圧送される。かくして、このシステムは、通常動作に戻される。
【0018】
このように、本発明は、クーラントの中に捕らえられて1もしくは複数の誘導コイルのアーク発生の原因となるガスを除去するための時間を減じている。他の実施の形態において、流体の上方の圧力を減じて流体を連続して脱ガスするように排気しながら、流体は、正常状態で圧送される。
【0019】
本発明の種々の変更と変形とが上記技術の観点から可能であることは明らかである。このために、請求項の範囲内で、本発明は、特にここで記載されたのとは異なって実施され得ることは理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、ESRFプラズマ処理システムのための脱ガス形態を示す概略図である。
【図2】 図2は、図1に示されたバルブとポンプとの各々の状態を示すテーブルの図である。
Claims (5)
- 吸収されたガスを含む液体クーラントを脱ガスチャンバの中に溜める工程と、
排気によって液体クーラントの上方の圧力を下げる工程と、
吸収されたガスが液体クーラントから出て脱ガスされたクーラントとなるように、吸収されたガスを除去する工程と、
プラズマ処理システムから熱を奪うように、脱ガスされたクーラントをプラズマ処理システムに圧送する工程とを具備する、吸収されたガスを有する液体クーラントを処理する方法。 - 前記圧送する工程は、プラズマ処理システムの浸漬された誘導コイルを収容した貯蔵チャンバの中に脱ガスされたクーラントを圧送させることを有する請求項1の方法。
- 熱交換器を使用して脱ガスされたクーラントを冷却する工程をさらに具備する請求項1の方法。
- 前記圧力を下げる工程は、圧力リリーフバルブに接続された真空ポンプを駆動することにより、脱ガスチャンバ内の圧力リリーフバルブを開成することを有する請求項1の方法。
- 吸収されたガスを含む液体クーラントを脱ガスチャンバの中に溜める工程と、
排気によって液体クーラントの上方の圧力を下げる工程と、
吸収されたガスが液体クーラントから出て脱ガスされたクーラントとなるように、吸収されたガスを除去する工程と、
RF電圧をクーラントのサンプルに印加する工程と、
印加されたRF電圧にもとづいてサンプル内に発生するRF電流を測定する工程と、
測定されたRF電流にもとづいて、捕らえられたガスの量を決定する工程とを具備する、吸収されたガスを有する液体クーラントを処理する方法。
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