專利名稱：靜電屏蔽的射頻室冷卻系統(tǒng)和方法
共同未決申請的交叉參考本發(fā)明涉及序列號為60/095036，申請日為1998,8,3，名稱為“ESRFCHAMBER COOLING SYSTEM AND PROCESS”的美國專利申請，并要求其優(yōu)先權，該申請的內(nèi)容在此列為參考。
本發(fā)明涉及以下待審申請序列號為60/059173，名稱為“Deviceand Method for Detecting and Preventing Arcing in RF PlasmaSystems”，序列號為60/059151，名稱為“System and Method forMonitoring and Controlling Gas Plasma Processes”，以及序列號為60/065794，名稱為“All-Surface Biasable and/or Temperature-Controlled Electrostatically-Shielded RF Plasma Source”。本發(fā)明還涉及以下待審申請序列號為60/095035(代理人登記號2312-0720-6YA PROV)，名稱為“ESRF COOLANT DEGASSING PROCESS”,申請日為1998,8,3，申請序列號為09/＿＿＿＿(代理人登記號2312-0812-6 YA WO)，名稱為“ESRF COOLANT DEGASSINGPROCESS”，和本發(fā)明的申請日相同，發(fā)明人也是WayneL.Johnson。這些待審專利也列于此處作為參考。
背景描述為了利用刻蝕和淀積處理制造具有亞微特征的半導體芯片，現(xiàn)代的半導體處理系統(tǒng)利用等離子體輔助技術，例如反應離子刻蝕(RIE)，等離子體增強化學蒸汽淀積(PECVD)，濺射，反應濺射，以及離子輔助蒸汽淀積(PVD)。除去上述的供參考的待審申請之外，氣體等離子體處理系統(tǒng)的另一個例子在本申請的發(fā)明人Wayne L.Johnson的專利號為5234529的美國專利中描述了。在這種已知的系統(tǒng)中，一種氣體被引入形成氣體等離子體并通過施加射頻(RF)電源維持所述等離子體的處理環(huán)境中。一般地說，使用螺旋狀線圈使RF電源和等離子體感性地耦聯(lián)。
通常，氣體等離子體的產(chǎn)生也產(chǎn)生大量的熱，所述的熱量必須被除去，以便把處理系統(tǒng)維持在特定的處理溫度。以前，用于除去所述熱量的方法是低效率的，并且基于一種笨重的設計。過去使用液體冷卻劑浴，例如FLUORINERT，對ESRF等離子體源進行冷卻，其中的冷卻劑也作為電介質(zhì)。在射頻下的好的電介質(zhì)的定義是，當流體被暴露給強電場時，流體必須具有每單位體積的低的功率損耗。不過，這些特定的流體不利地吸收大量的氣體，例如空氣。被吸收的氣體的4個主要來源有(1)在運輸之前已經(jīng)存在于液體中的氣體(即在由等離子體處理系統(tǒng)用戶接收之前吸收的氣體)，(2)當液體被暴露于空氣時例如在使用液體之前在容器之間灌注期間，(3)當室內(nèi)的空氣在初始充灌期間被流體代替時吸收的氣體，以及(4)當流體被泵入時在系統(tǒng)的任何部分存在的空氣。此外，如果在系統(tǒng)中的高的部位的冷卻劑向低的部位排放而使泵停止時，則空氣代替被排出的冷卻劑。當泵被重新啟動時，空氣被破碎成氣泡，這成為另一種可吸收的氣體源。
在高電場的區(qū)域，可能發(fā)生引起高的局部發(fā)熱的大的功耗，因而使冷卻劑流體的局部溫度增加。此時，放出的氣體增加，使得更多的氣體來到溶液之外，并且產(chǎn)生氣泡，所述氣泡通過dielectro-fluoretic吸附作用集結在線圈表面上。被吸附的氣泡在線圈表面產(chǎn)生介電差，這導致不均勻的電場、局部發(fā)熱和起弧。如果在諧振腔中使用之前所述氣體不從液體冷卻劑中放出，所述電弧可以在大大低于流體中測量的電場強度下發(fā)生。例如，F(xiàn)LUORINERT吸收的氣體體積相當于其自身液體的體積，因而必須處理，以便除去存留的氣體。
為了避免由于吸收的氣體的快速放出而起弧，已知的系統(tǒng)在通過ESRF等離子體室連續(xù)地泵入冷卻劑時，逐漸增加等離子體源的功率。在一個足夠長的時間內(nèi)逐漸增加RF功率，以便從冷卻劑中緩慢放出吸收的氣體。雖然用這種方式能夠放出存留的氣體，但是需要相當?shù)臅r間。這種處理通常需要數(shù)小時，因而在處理芯片時拖延了等離子體系統(tǒng)的使用。
已知的系統(tǒng)除去需要長的時間才能放出吸收的氣體之外，由于在大的芯片(例如300mm)處理系統(tǒng)中使用的大的冷卻管線，和等離子體源相連的冷卻系統(tǒng)是非常笨重的。因而，在連接有冷卻管線的條件下把處理室打開時，一般吸收大量的空氣。因為冷卻管線可以容納數(shù)百磅的冷卻劑，所以一般情況下，所述管線被保留連接。結果，使附連的管線升高以便打開等離子體室是困難的，但并非不可能。
以前，不知道如何利用另一個冷卻機構代替大的管線。需要大的管線是為了提供為除去由處理管線產(chǎn)生的熱量所需的大的冷卻劑交換量(例如50-75加侖/分)。此外，由于所需的冷卻劑的重量和壓力，難于使用柔性管線。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于冷卻ESRF源的改進的方法和系統(tǒng)，其中使用蒸汽冷卻劑代替液體冷卻劑浴。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種ESRF腔，其可以在大氣環(huán)境中被調(diào)諧，代替使用被浸在溫度被控制的流體中的元件進行調(diào)諧。
本發(fā)明的這些和其它的目的是通過這樣一種方法和系統(tǒng)實現(xiàn)的，所述方法和系統(tǒng)利用冷卻劑，所述冷卻劑在通過一屏蔽時(在被加于處理管線的外部之前)被蒸發(fā)，從而除去在由射頻供電的等離子體源中產(chǎn)生的熱量。本發(fā)明通過使用一系列的噴嘴對處理管線施加低壓冷卻劑，通過蒸發(fā)液體冷卻劑，然后把蒸汽抽出，從而除去熱量。
這種方法避免了在使用液體冷卻劑浴的系統(tǒng)中發(fā)生的電弧。此外，由于在線圈周圍的材料的介電常數(shù)接近在空氣和介電流體之間的介電常數(shù)，所以ESRF腔可以在空氣中被調(diào)諧，并且能夠在一個寬的溫度范圍內(nèi)被調(diào)諧。(即可以減少由介電常數(shù)的溫度變化引起的調(diào)諧的漂移。)更具體地說，本發(fā)明的這些和其它目的是通過一種利用由包圍在其周圍的屏蔽進行冷卻的處理管道的方法和系統(tǒng)實現(xiàn)的。借助于使冷卻劑通過一系列膨脹孔(例如沿著屏蔽的肋設置的)膨脹到比冷卻劑的蒸汽壓力低的壓力，使冷卻劑在位于小孔中時被蒸發(fā)。然后，使所述蒸汽噴發(fā)到處理管道上，以從該屏蔽和處理管道上除去熱量。通過在處理管道的表面上的冷蒸汽的強制對流(1)與/或傳導(2)，除去熱量。
參看附圖，在所有的附圖中，相同的標號表示相同或相應的元件。

圖1示意地表示被冷卻的ESRF處理系統(tǒng)，其利用蒸發(fā)的冷卻劑替代液體冷卻劑浴。按照所示的實施例，ESRF等離子體源100利用源冷卻室105冷卻，其中使用蒸汽除去被加熱的表面上的熱量。利用高壓泵115通過管道117的長度，接著通過閥門120a把冷卻劑從流體質(zhì)量存儲室110抽出。冷卻劑的壓力利用高壓壓力計125a進行測量。然后，冷卻劑通過遙控閥130，冷卻劑質(zhì)量流速通過遙控閥130被控制。在從質(zhì)量流速控制器130出來之后，冷卻劑進入用于把冷卻劑分配到屏蔽的肋303中的支管305(屏蔽300的頂上，見圖2)。如上所述，冷卻劑在(1)大于在源冷卻室105內(nèi)維持的壓力和(2)小于冷卻劑蒸汽壓力下進入肋。在進入屏蔽的肋的冷卻劑和源冷卻室105的蒸汽環(huán)境之間的壓力差使得，當冷卻劑從膨脹孔出現(xiàn)時，冷卻劑開始膨脹，因而，使壓力減少到其蒸汽壓力以下。此時，冷卻劑從液相改變?yōu)闅庀?。當氣體繼續(xù)膨脹到源冷卻室105內(nèi)的環(huán)境壓力時，其進一步變冷(把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。因此，通過兩個機理，即，(ⅰ)在冷卻劑(液態(tài))和處理管道之間的傳導-對流熱交換，和(ⅱ)在處理管道和噴射到處理管道表面上的冷卻劑之間的傳導-對流熱交換，把熱量從處理管道上帶走。所述屏蔽肋接著通過頭兩個機理被冷卻。在冷卻劑通過膨脹孔135之前，當其流過支管和屏蔽的肋時，熱量被傳遞給冷卻劑(液態(tài))。熱交換率正比于(1)冷卻劑管道的表面積(在分配支管內(nèi)和屏蔽肋內(nèi))，(2)處理管道(其和肋呈松散地熱耦合)和屏蔽肋之間的溫度差，以及(3)熱交換系數(shù)。
此外，熱交換系數(shù)主要取決于冷卻劑流速和冷卻劑熱性能(即導熱率，黏度，在恒定壓力下的比熱，密度等等)。其次，當通過熱的屏蔽肋以及冷卻劑和處理管道的接觸提供用于使冷卻劑蒸發(fā)(用于使冷卻劑從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài))的潛熱時，熱量從屏蔽肋中被驅(qū)出。對于正在蒸發(fā)的液體，熱交換率正比于蒸發(fā)的潛熱和冷卻劑質(zhì)量流速。
最后，第三機理是在當冷蒸汽噴射到處理管道表面上時，處理管道和冷蒸汽之間的直接熱交換。類似地，熱交換率正比于處理管道的表面積，處理管道和噴射的氣體之間的溫差，以及熱交換系數(shù)。對于一個噴嘴陣列，熱交換系數(shù)取決于膨脹支管的總面積，支管和處理管道之間的距離，氣體的速度，以及幾個氣體的性能(包括導熱率，黏度，在恒定壓力下的比熱，密度等等)。
以前被冷卻的氣體吸收源冷卻室105中的熱量，并最終通過管道的另一個長度和閥門120b被抽出，然后進入冷凝器140。在冷凝器中，蒸汽進行相反的狀態(tài)改變，被轉(zhuǎn)換為液體。在所述轉(zhuǎn)換期間，當蒸汽變成液體時，便從蒸汽中除去熱量。然后通過高壓泵115再次把液體抽出。不過，因為在泵115中對液體加壓的處理一般增加液體的熱能，所以首先使液體通過熱交換器145，在所述熱交換器中，可以在使液體返回流體質(zhì)量存儲室110進行另一個循環(huán)之前使熱量放出。
為了控制冷卻循環(huán)，高壓壓力計125a和第二壓力計125b在兩個位置測量冷卻循環(huán)中的壓力，一個是在膨脹之前，另一個是在膨脹之后。由所述的兩個壓力，可以確定液體和蒸汽的流速。使用所述流速，通過控制流速控制閥130，可以控制冷卻循環(huán)，從而維持一個這樣的流速，使得提供足夠的被蒸發(fā)的冷卻劑的數(shù)量，同時在源冷卻室105內(nèi)不產(chǎn)生冷卻劑的積聚。
所述的系統(tǒng)還包括和膨脹孔135的蒸汽側相連的真空泵160。所述真空泵用于在開始操作之前抽空系統(tǒng)中的空氣。由真空泵160產(chǎn)生的真空度通過閥門120c和120d控制，并通過真空壓力壓力計155測量。真空泵160可以被同樣地被控制，以便根據(jù)壓力計155的讀數(shù)抽出或多或少的空氣。在把系統(tǒng)抽空之后，對系統(tǒng)進行泄漏檢查，然后被充以預定數(shù)量的冷卻劑。
流體質(zhì)量存儲室110除去具有在正常的流體流動期間使用的入口和出口之外，還包括剩余的污染物釋放閥。所述釋放閥可以用于釋放上升到流體質(zhì)量存儲室的頂部的氣體污染物。所述釋放閥或者借助于壓力啟動，或者被手動地控制。
上述的方法最好或者和圖2所示的多噴嘴冷卻屏蔽300(見圖3B所示的近視圖)結合使用，或者和圖4所示的多孔冷卻肋屏蔽360結合使用。這兩類屏蔽是有利的，因為它們提供足夠數(shù)量的被蒸發(fā)的流體，從而除去局部熱負荷，而又不在線圈的表面上產(chǎn)生微氣泡。在屏蔽300和360的另一個實施例中，屏蔽是靜電屏蔽，而不僅僅是冷卻屏蔽。蒸汽從室中被抽出的速率必須大于液體冷卻劑的速率，因為蒸發(fā)的冷卻劑比在狀態(tài)改變之前相應的液體占據(jù)較大的體積。(不過，本發(fā)明的流速小于常規(guī)系統(tǒng)的流速。在已知的液體冷卻劑系統(tǒng)中，每克流體的流動7.6焦耳允許10度C的流體溫度改變，而本發(fā)明在相等的流速下，允許100焦耳)。不過，一般地說，系統(tǒng)控制液體冷卻劑的流速，使得確保液體冷卻劑在被提供給所述的處理之前基本上全部被蒸發(fā)(或者如下面要詳細說明的偏置屏蔽)。雖然不可能保證被全部蒸發(fā)，但是基本上全部蒸發(fā)也能夠使得在液體冷卻劑中不產(chǎn)生電弧的條件下施加蒸汽。
如圖2所示，屏蔽300的多個肋303被設置用于對被容納在屏蔽300內(nèi)部的一個短距離(0.125-0.375英寸)處理管道400的外部提供均勻的冷卻。如圖3A所示，冷卻劑通過支管305(經(jīng)過圖2所示的冷卻劑進入孔320)被抽入屏蔽300中，并被強迫通過鉆孔308(位于支管305的底部和肋303的頂部。)如圖3B所示，一旦冷卻劑通過支管305的底部進入肋303，冷卻劑就通過開口310被驅(qū)出。在屏蔽300的第一實施例中，開口310作為膨脹孔135，并把冷卻劑引向屏蔽的內(nèi)部，即引向處理管道400的外殼體。在屏蔽300的另一個實施例中，鉆孔308作為相應肋303的膨脹孔。在該實施例中，開口310是一個足夠大的簡單的孔，用于使得蒸發(fā)的冷卻劑能夠以一個足以冷卻處理管道400的數(shù)量通過該孔。在本發(fā)明的另一個實施例中，冷卻劑進入孔320(圖2所示)作為用于整個冷卻系統(tǒng)的一個孔。因而，支管305被充滿蒸發(fā)的冷卻劑。為了調(diào)節(jié)蒸發(fā)的冷卻劑的流速，鉆孔308和開口310和其輸送液體與/或作為孔135時相比被擴大。
如圖4所示，多孔冷卻肋屏蔽360含有多個單獨的肋330，每個肋具有多個孔340。每個孔340被設計用于冷卻單個的肋330和屏蔽360的與所述肋相鄰的相應的部分。(如上所述，屏蔽360可以是簡單的冷卻屏蔽，或者是靜電屏蔽)。該實施例和第一實施例相比具有一種附加的熱輸送機理，即，當屏蔽肋被蒸發(fā)所冷卻劑的潛熱冷卻時，在處理管道和屏蔽肋之間的傳導熱交換?？?340的密度隨著在錐形屏蔽360的底部的面積的增加而增加。這種設置和在屏蔽360的底部需要除去較多的熱量的要求一致。圖5示出了具有3個孔340的一個肋330的放大的部分。在本發(fā)明的一個實施例中，孔的形狀和位置被這樣設計，使得半垂直地向肋噴射氣流，以便使氣流對準處理管道400的壁并向所述的壁分散。在第二實施例中，所述的孔的形狀和位置被這樣設計，使得蒸汽氣流被直接地噴射到處理管道400的壁上。在第二實施例中，所述氣流被這樣引導，使得冷卻相鄰的肋之間的處理管道的部分的相應的一半。如上所述，當冷卻劑在通過鉆孔308進入肋330之前或在進入所述肋時已被蒸發(fā)時，孔340可以用較大的開口代替。
此外，屏蔽360由導熱性好的材料制成，以便更均勻地除去熱量。在屏蔽360是靜電屏蔽的實施例中，肋330還被設計成具有彼此相對的窄的截面，以便減少相鄰肋之間的電容耦合。在靜電屏蔽中的間隙上的電容耦合增加靜電屏蔽的插入損失。
類似于圖5所示的實施例，圖6表示另一個實施例，其中一個有槽的偏置屏蔽410被插入處理管道400和靜電屏蔽360之間。在該實施例中，偏置屏蔽410接收來自處理管道400的熱量，并被蒸汽冷卻，而不直接冷卻處理管道。為了阻止在偏置屏蔽410和靜電屏蔽330之間的直接的電接觸，在其間設置電絕緣體。雖然在圖6中所示的電絕緣體是一個簡單的空氣隙，但是也可以使用其它的電絕緣體。
如圖7A和7B所示，對9種不同的冷卻劑進行了測試，以便確定在沸點發(fā)生的變化和其它特性如何通過蒸發(fā)而影響熱量的去除。雖然沸點的范圍從130℃到215℃，但是用于除去最大熱量所需的流速只從1.15升/分改變?yōu)?.11升/分。因而，在本發(fā)明中可以使用寬范圍的冷卻劑，通過冷卻劑的蒸發(fā)除去熱量。
顯然，根據(jù)上述的教導可以作出本發(fā)明的多種改型和改變。因此，應當理解，在本發(fā)明所附權利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明還有許多和上述實施例不同的其它實施例。
權利要求
1．一種用于冷卻等離子體處理系統(tǒng)的系統(tǒng)，包括處理管道；包圍在處理管道周圍，用于利用蒸發(fā)的冷卻劑冷卻處理管道的屏蔽；以及用于控制系統(tǒng)內(nèi)的液體冷卻劑的流速，從而確保液體冷卻劑基本上全部被蒸發(fā)的流速控制裝置。
2．如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述屏蔽包括具有多個噴嘴的多個肋，用于蒸發(fā)所述液體冷卻劑，并把蒸汽施加到位于多個肋的下方的處理管道的外部。
3．如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述屏蔽包括具有多個孔的多個肋，用于通過把蒸發(fā)的冷卻劑施加到和多個肋相鄰的處理管道的外部而冷卻處理管道。
4．如權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括熱交換器，用于把蒸汽轉(zhuǎn)換為冷的冷卻劑，以便再次應用到該系統(tǒng)。
5．如權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于在蒸發(fā)液體冷卻劑之前存儲液體冷卻劑的容器。
6．如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述屏蔽是靜電屏蔽。
7．如權利要求6所述的系統(tǒng)，還包括被插在處理管道和靜電屏蔽之間的偏置屏蔽，其中靜電屏蔽包括具有多個噴嘴的多個肋，用于蒸發(fā)液體冷卻劑并把蒸汽噴射到位于多個肋的下方的偏置屏蔽的外部。
8．如權利要求6所述的系統(tǒng)，還包括被插在處理管道和靜電屏蔽之間的偏置屏蔽，其中靜電屏蔽包括具有多個孔的多個肋，用于通過把蒸發(fā)的冷卻劑施加到和多個肋相鄰的偏置屏蔽的外部而冷卻處理管道。
9．一種用于冷卻等離子體處理系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟利用具有多個肋的屏蔽包圍處理管道；使用蒸發(fā)的冷卻劑冷卻處理管道；以及控制系統(tǒng)內(nèi)的液體冷卻劑的流速，以便確保所述液體冷卻劑基本上被全部蒸發(fā)。
10．如權利要求9所述的方法，還包括蒸發(fā)液體冷卻劑并把蒸發(fā)的液體冷卻劑施加到位于多個肋的下方的處理管道的外部的步驟。
11．如權利要求9所述的方法，其中冷卻步驟包括蒸發(fā)液體冷卻劑并把蒸發(fā)的冷卻劑施加到和多個肋相鄰的屏蔽的外部的步驟。
12．如權利要求9所述的方法，還包括在熱交換器中再冷卻蒸發(fā)的冷卻劑的步驟。
13．如權利要求9所述的方法，還包括抽空并清洗處理管道的室以便識別泄漏的步驟。
14．如權利要求9所述的方法，其中所述屏蔽是靜電屏蔽，并且在處理管道和靜電屏蔽之間插入一個偏置屏蔽，所述冷卻步驟包括以下步驟蒸發(fā)液體冷卻劑，并把蒸汽施加到位于多個肋的下方的偏置屏蔽的外部。
15．如權利要求9所述的方法，其中所述屏蔽是靜電屏蔽，并且在處理管道和靜電屏蔽之間插入一個偏置屏蔽，所述冷卻步驟包括以下步驟蒸發(fā)液體冷卻劑，并把蒸汽施加到和多個肋相鄰的偏置屏蔽的外部。
16．如權利要求9所述的方法，還包括在和處理管道相對的多個肋的每個肋的多個孔處蒸發(fā)液體冷卻劑的步驟。
17．如權利要求9所述的方法，還包括在所述屏蔽的支管和多個肋的每個肋的交點處的孔蒸發(fā)液體冷卻劑的步驟。
18．如權利要求9所述的方法，還包括在屏蔽的支管中用于形成冷卻劑進入孔的孔處蒸發(fā)液體冷卻劑的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于冷卻靜電屏蔽的射頻(ESRF)等離子體源(100)的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)利用具有多個肋(303,330)的靜電屏蔽(300,360),其蒸發(fā)冷卻劑并把蒸汽噴射到處理管道(400)或偏置屏蔽(300,360)上。所述蒸汽或者被噴射到肋的下方,或者被噴射到相鄰的肋之間。這種設計避免使用可能吸收氣體因而導致在導電線圈之間發(fā)生電弧的液體冷卻劑浴。
文檔編號B01J19/08GK1316021SQ9981035
公開日2001年10月3日 申請日期1999年8月3日 優(yōu)先權日1998年8月3日
發(fā)明者韋恩·L·約翰遜 申請人:東京電子株式會社