專利名稱：等離子體處理系統(tǒng)及其冷卻裝置、冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于等離子體處理 系統(tǒng)的冷卻裝置。本發(fā)明還涉及一種包括上述冷卻裝置的等離子體處 理系統(tǒng)，以及一種用于等離子處理系統(tǒng)的冷卻方法。
背景技術(shù)：
等離子體處理系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于微電子技術(shù)領(lǐng)域。 請參考圖1,圖1為一種等離子體處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
等離子體處理系統(tǒng)1具有依次相鄰的裝載腔室11、預(yù)熱腔室12、 反應(yīng)腔室13以及冷卻腔室14,裝載了加工件17的基片載板16在載 板傳送裝置(例如由若干傳送輥15組成的傳送輥組)的帶動下依次經(jīng) 過上述各腔室。當(dāng)然，等離子體處理系統(tǒng)1也可以具有其他具體結(jié)構(gòu) 形式。
預(yù)熱腔室12、反應(yīng)腔室13保持真空狀態(tài)；裝載基片載板16時， 裝載腔室11與大氣環(huán)境連通，基片載板16裝載完畢后可將裝載腔室 11密封，并將其抽為真空狀態(tài)；然后將裝載腔室11與真空狀態(tài)下的 預(yù)熱腔室12連通，基片載4反16即可依次進入預(yù)熱腔室12以及反應(yīng)腔 室13中。
可以向處于真空狀態(tài)下的反應(yīng)腔室13中輸入氣體，并向反應(yīng)腔 室13輸入適當(dāng)?shù)纳漕l以激活所述氣體，這樣，可以在加工件17的表 面產(chǎn)生并維持等離子體環(huán)境。由于具有強烈的刻蝕以及淀積能力，所 述等離子體可以與加工件17發(fā)生刻蝕或者淀積等物理化學(xué)反應(yīng)，以獲 得所需要的刻蝕圖形或者淀積層。上述物理化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物從反應(yīng) 腔室13中抽出。
由于上述工藝過程是在較高的溫度(例如30(TC至500°C )下完 成的，因此工藝過程完成后加工件17應(yīng)當(dāng)在冷卻腔室14中一皮冷卻至 適宜卸載的溫度(通常小于IO(TC )。加工件17卸載完畢后基片載板 16可以通過自動搬運裝置回收并重新投入使用；圖中帶箭頭的虛線示意性地表示了整個工藝過程中基片載板16的運動路線。
通常可以通過冷卻氣體加快加工件17降溫。可以在冷卻腔室14 的頂部和底部分別連接冷卻氣體管道，如圖1所示，節(jié)點a可以與冷 卻氣源連通，并在進氣管道中串接進氣閥141。節(jié)點b可以與尾氣處 理裝置連接，用于自冷卻腔室14中排出冷卻氣體；排氣管道可以接排 氣閥142。
為了縮短冷卻環(huán)節(jié)所耗費的時間以提高等離子體處理系統(tǒng)1整體 的工作效率，可以在加工件17的降溫過程中持續(xù)向冷卻腔室14中輸 入冷卻氣體，并持續(xù)地排出所述冷卻氣體，這樣，冷卻氣體與加工件 17之間可以維持較大的溫差，換熱效率因此較高。為了保持冷卻腔室 14的潔凈度以及為了避免冷卻腔室14中相關(guān)部件的氧化，通常采用 價格較高的高純度氮氣或者氬氣作為冷卻氣體；因此，持續(xù)向冷卻腔 室14中輸入冷卻氣體雖然冷卻速度較快，但由于冷卻氣體沒有充分利 用，其所耗費的成本較高。
此外，熱交換完畢的冷卻氣體的溫度較高，將其自反應(yīng)腔室13 中抽出并進行尾氣處理直至排放的過程中，相關(guān)管道以及設(shè)備(例如 泵)均需要進行熱防護處理，這樣也導(dǎo)致整個系統(tǒng)較為復(fù)雜，等離子 體處理系統(tǒng)1的成本也進一步升高。
因此，如何通過較低的成本以較快的速度將加工件冷卻，是本領(lǐng) 域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于等離子體處理系統(tǒng)的冷卻裝置，耗 費較少量的冷卻氣體即可快速地實現(xiàn)加工件的冷卻。本發(fā)明的另 一 目 的是提供一種包括上述冷卻裝置的等離子體處理系統(tǒng)，以及一種冷卻 等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種冷卻裝置，用于等離子體 處理系統(tǒng)中加工件的冷卻，包4舌容納所述加工件的冷卻腔室，冷卻氣 體分別通過進氣閥門、排氣閥門進入或者排出所述冷卻腔室；所述冷 卻裝置進一步包括用于降低所述冷卻腔室中冷卻氣體溫度的熱交換器。
進一步，所述冷卻裝置還包括與所述冷卻腔室連通的循環(huán)風(fēng)道，
以及設(shè)于所述循環(huán)風(fēng)道中的動力裝置；所述冷卻氣體在所述動力裝置
的作用下在所述循環(huán)風(fēng)道以及所述冷卻腔室中循環(huán)流動。
進一步，所述循環(huán)風(fēng)道的進風(fēng)口位于所述冷卻腔室的底部，所述
循環(huán)風(fēng)道的出風(fēng)口位于所述冷卻腔室的頂部。 進一步，所述熱交換器設(shè)置于所述循環(huán)風(fēng)道中。 進一步，所述熱交換器中換熱介質(zhì)的溫度或者流量能夠調(diào)整。 本發(fā)明還提供 一種等離子體處理系統(tǒng)，包括上述任一項所述的冷
卻裝置。
本發(fā)明所提供的冷卻裝置增加了用于降低冷卻氣體溫度的熱交 換器，這樣， 一方面，因與加工件進行熱交換所述冷卻氣體的溫度有 升高的趨勢，但另一方面所述熱交換器可以將所述冷卻氣體維持在原
有的低溫狀態(tài)。因此，所述進氣閥門和排氣閥門關(guān)閉后，本發(fā)明所提 供的冷卻裝置中的冷卻氣體與加工件之間仍然可以維持較大的溫差， 從而形成較大的降溫梯度，所述冷卻氣體與所述加工件之間的熱交換 效率可以維持在較高的水平，所述加工件因而可以被快速冷卻。同時， 向所述反應(yīng)腔室中充入適量冷卻氣體后即可關(guān)閉所述進氣閥門，而不
必繼續(xù)輸入冷卻氣體，冷卻氣體的耗費量因此顯著減小；這顯然將降 低等離子體處理系統(tǒng)的使用成本。
在另一種實施方式中，所述冷卻裝置還包括與所述冷卻腔室連通 的循環(huán)風(fēng)道，所述冷卻氣體在動力裝置的作用下能夠在所述循環(huán)風(fēng)道 以及所述冷卻腔室中循環(huán)流動。眾所周知，流體與換熱對象的對流換 熱效率受流體流速的影響較大；流體流速越大，對流換熱效率越高。 因此，所述冷卻氣體的循環(huán)流動可以顯著加快所述加工件的散熱；同 時還有利于所述冷卻氣體向所述熱交換器轉(zhuǎn)移熱量，以及消除冷卻氣 體各部分的溫度差異。所述加工件因而可以實現(xiàn)更為迅速的降溫。
本發(fā)明還提供一種冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法，通過 冷卻腔室中的冷卻氣體降低所述加工件的溫度；在所述加工件的降溫過程中，將所述冷卻氣體封閉于固定的空間中，并通過熱交換器降低 所述冷卻氣體的溫度。
進一步，在所述加工件的降溫過程中，所述冷卻氣體在所述冷卻 腔室中流動。
進一步，所述冷卻腔室進一步連接有循環(huán)風(fēng)道；在所述加工件的
降溫過程中，所述冷卻氣體在所述冷卻腔室以及循環(huán)風(fēng)道中循環(huán)流動。 進一步，所述冷卻氣體由設(shè)置于所述循環(huán)風(fēng)道中的熱交換器冷卻。
本發(fā)明所提供的冷卻方法，在冷卻氣體和加工件之間進行熱交換 的同時，通過熱交換器對所述冷卻氣體進行冷卻。這樣，所述冷卻氣 體與所述加工件之間可以維持較高的溫差，從而形成較大的降溫梯度， 以使所述冷卻氣體與所述加工件之間的熱交換效率可以維持在較高的 水平，所述加工件因而可以一皮快速冷卻。同時，由于所述冷卻氣體4皮 封閉在所述反應(yīng)腔室中，因此冷卻過程中冷卻氣體的耗費量顯著減小， 有利于降低等離子體處理系統(tǒng)的使用成本。
在另一種實施方式中，冷卻過程中所述冷卻氣體在所述冷卻腔室 中不斷流動。所述冷卻氣體的不斷流動可以顯著加快所述加工件的散
熱；同時還有利于所述冷卻氣體向所述熱交換器轉(zhuǎn)移熱量，以及消除 冷卻氣體各部分的溫度差異。所述加工件的降溫過程因而可以被進一 步縮短。


圖1為一種等離子體處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明一種具體實施方式
所提供冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的核心是提供一種用于等離子體處理系統(tǒng)的冷卻裝置，耗 費較少量的冷卻氣體即可快速地實現(xiàn)加工件的冷卻。本發(fā)明的另 一核 心是提供一種包括上述冷卻裝置的等離子體處理系統(tǒng)，以及一種冷卻 等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法。
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
請參考圖2，本發(fā)明一種具體實施方式
所提供冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖。
在一種具體實施方式
中，本發(fā)明所提供的冷卻裝置的主體部分為
冷卻腔室21，冷卻腔室21通常與等離子體處理系統(tǒng)的反應(yīng)腔室相鄰； 在所述反應(yīng)腔室中完成相應(yīng)的工藝過程后，載板4及其所承載的加工 件3可以在傳輸裝置5的帶動下，自所述反應(yīng)腔室進入冷卻腔室21 中。
節(jié)點d連通冷卻氣體氣源，因此可以通過相應(yīng)的通道向冷卻腔室 21中輸送冷卻氣體。節(jié)點d與冷卻腔室21之間的通道中串接進氣閥 門22,顯然，通過進氣閥門22可以控制冷卻氣體的通斷。冷卻氣體 的進口通常設(shè)置于冷卻腔室21的頂部。
節(jié)點c可以連通抽氣設(shè)備，以便使冷卻氣體自冷卻腔室21中排出； 節(jié)點c與冷卻腔室21之間的通道中串接排氣閥門23。通過進氣閥門 22以及排氣閥門23的配合控制，可以使本發(fā)明所提供的冷卻裝置在 不同的工作狀態(tài)中切換。
可以打開進氣閥門22并關(guān)閉排氣閥門23，以向冷卻腔室21中輸 入適量的冷卻氣體，然后將進氣閥門22關(guān)閉；此時冷卻氣體被封閉于 冷卻腔室21之中。
由于冷卻氣體與冷卻腔室21中的加工件3之間存在4支大的溫差， 加工件3的熱量可以不斷傳遞給冷卻氣體，乂人而可能會引起冷卻氣體 自身的溫度不斷上升。如果放任這種情況，隨著冷卻氣體溫度的升高 以及加工件3溫度的不斷降低，兩者的溫差逐漸減小，換熱效率將顯 著降低，降溫過程也將耗費較多的時間，不利于等離子體處理系效率 的提高。
為了避免上述不利情況的出現(xiàn)，本發(fā)明所提供的冷卻裝置進 一 步 包括熱交換器24。
熱交換器24可以不必嚴格按照圖2所示位置設(shè)置，只要熱交換 器24能夠?qū)⒗鋮s氣體冷卻即可。原則上，將熱交換器24直接設(shè)置于冷卻腔室21內(nèi)部也是可以實現(xiàn)的；但這可能對于所述冷卻裝置其他部 分的設(shè)置帶來較大的不便。熱交換器24的具體形式也無須特別限制， 具有較高的換熱效率即可。
無論如何，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)受到熱交換器24的具體類型、 設(shè)置位置以及設(shè)置方式的限制。
由于本發(fā)明所提供的冷卻裝置增加了熱交換器24,雖然冷卻氣體 吸收加工件3的熱量后其溫度有升高的趨勢，但熱交換器24可以吸收 冷卻氣體的熱量，從而將其維持在原有的低溫狀態(tài)。因此，即使沒有 新的冷卻氣體補入，本發(fā)明所提供的冷卻裝置中的冷卻氣體與加工件 3之間仍然可以維持較大的溫差，從而形成較大的降溫梯度，冷卻氣 體與加工件3之間的熱交換效率可以維持在較高的水平，加工件3因 而可以纟皮快速冷卻。
同時，向冷卻腔室21中充入適量冷卻氣體后即可關(guān)閉進氣閥門 22停止輸入冷卻氣體，因此冷卻氣體的耗費量顯著減??；這顯然將降 低等離子體處理系統(tǒng)的使用成本。
可以對上文所述冷卻裝置進行改進。
如圖2所示，可以進一步設(shè)置循環(huán)風(fēng)道29，循環(huán)風(fēng)道29的兩端 均與冷卻腔室21連通；顯然，其兩端開口應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，以避 免冷卻氣體短路。
循環(huán)風(fēng)道29的作用是使冷卻氣體在冷卻加工件3的過程中不斷 循環(huán)，這樣做可以顯著提高冷卻氣體與加工件3的換熱效率。流體流 速越大，其與換熱對象的對流換熱效率越高。因此，冷卻氣體的循環(huán) 流動可以顯著加快加工件3的散熱，進一步縮短冷卻時間、提高等離 子處理設(shè)備的整體效率。此外，冷卻氣體的循環(huán)流動還有利于其向熱 交換器24轉(zhuǎn)移熱量，并有利于抑制冷卻氣體內(nèi)各部分的溫度產(chǎn)生差 異，最終有助于加工件3實現(xiàn)更為迅速的降溫。
冷卻氣體的循環(huán)是通過設(shè)置于循環(huán)風(fēng)道29中的動力裝置實現(xiàn)的， 所述動力裝置具體可以是泵或者風(fēng)機，通?？梢赃x用羅茨風(fēng)機。
循環(huán)風(fēng)道29的進風(fēng)口可以開設(shè)于冷卻腔室21底部的中央位置，循環(huán)風(fēng)道29的進風(fēng)端也可以與冷卻腔室21的排風(fēng)管道部分共用；可 以在循環(huán)進風(fēng)管道中串接循環(huán)進風(fēng)閥門27。循環(huán)風(fēng)道29的出風(fēng)口可 以開設(shè)于冷卻腔室21頂部的中央位置，循環(huán)風(fēng)道29的出風(fēng)端可以串 接循環(huán)進風(fēng)閥門28。進風(fēng)口、出風(fēng)口按照上述方式設(shè)置有利于冷卻氣 體在冷卻腔室21中形成較為理想的氣流分布，在加工件3的徑向上的 氣流4交為均勻。
當(dāng)然，循環(huán)風(fēng)道29的進風(fēng)口、出風(fēng)口開"i殳在冷卻腔室21的側(cè)壁 或者其他位置也是可以的。
可以進一步將熱交換器24設(shè)置于循環(huán)風(fēng)道29中，這樣可以使冷 卻氣體與熱交換器24的換熱過程更為充分，有利于維持冷卻氣體與加 工件3的溫差。
圖2中帶箭頭的虛線示意性地表示了冷卻氣體在冷卻腔室21以 及循環(huán)風(fēng)道29中的流動3各徑。
熱交換器24中的換熱介質(zhì)可以采用水、液氮，但不限于此。熱 交換器24中換熱介質(zhì)的流量或者溫度最好能夠調(diào)整，這樣在不同的降 溫階段均可以滿足制冷負載的要求。例如，換熱介質(zhì)的流量可以通過 閥口開度的改變來調(diào)整。
本發(fā)明所提供的等離子體處理系統(tǒng)，包括上述任 一 項所述的冷卻 裝置。等離子體處理系統(tǒng)其他各部分的結(jié)構(gòu)請參考圖l和與其對應(yīng)的 文字描述，以及現(xiàn)有技術(shù)；本文不再贅述。
本發(fā)明還提供一種冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法。該方 法中，加工件3處于冷卻腔室21中，并向冷卻腔室21中輸入適量的 冷卻氣體；然后將冷卻腔室21封閉，并通過溫度較低的冷卻氣體降低 加工件3的溫度。在加工件3的降溫過程中，本發(fā)明所提供的方法還 通過熱交換器24降低冷卻氣體的溫度。即， 一方面加工件3的溫度由 冷卻氣體降低，另一方面冷卻氣體的溫度由熱交換器24降低；這兩個 過程大體同時進行。
這樣，冷卻氣體與加工件3之間可以維持較高的溫差，從而形成 較大的降溫梯度，以使冷卻氣體與加工件3之間的熱交換效率可以維持在較高的水平，加工件3因而可以被快速冷卻。同時，由于冷卻氣 體被封閉在冷卻腔室21中，因此冷卻過程中冷卻氣體的耗費量顯著減 小，有利于降低等離子體處理系統(tǒng)的使用成本。
可以進一步改進上述方法，即在加工件3的降溫過程中，使冷卻 氣體在冷卻腔室21中流動。
或者，可以將冷卻腔室21進一步連通循環(huán)風(fēng)道29;在加工件3 的降溫過程中，冷卻氣體可以在冷卻腔室21以及循環(huán)風(fēng)道29中循環(huán) 流動。
前述兩段文字所提供的改進中的任意一種，均可使冷卻氣體在冷 卻腔室21中不斷流動，這可以顯著加快加工件3的散熱，并有利于冷 卻氣向與熱交換器2 4轉(zhuǎn)移熱量；加工件3的降溫過程因而可以纟皮進一 步縮短。
應(yīng)當(dāng)確保能夠及時高效地將溫度已經(jīng)升高的冷卻氣體的溫度重 新降低；因此，可以進一步將熱交換器24設(shè)置于循環(huán)風(fēng)道29中，這 樣可以使冷卻氣體與熱交換器24的換熱過程更為充分和迅速，有利于 穩(wěn)定地維持冷卻氣體與加工件3的溫差。
可以參照上文關(guān)于本發(fā)明所提供冷卻裝置的描述以及圖2，以便 更準確地理解本發(fā)明所提供的冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方 法。
以上對本發(fā)明所提供的等離子體處理系統(tǒng)、其冷卻裝置，以及冷 卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法進行了詳細介紹。本文中應(yīng)用了
只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技 術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以 對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要 求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種冷卻裝置，用于等離子體處理系統(tǒng)中加工件的冷卻，包括容納所述加工件的冷卻腔室，冷卻氣體分別通過進氣閥門、排氣閥門進入或者排出所述冷卻腔室，其特征在于，進一步包括用于降低所述冷卻腔室中冷卻氣體溫度的熱交換器。
2、 如權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，進一步包括與 所述冷卻腔室連通的循環(huán)風(fēng)道，以及設(shè)于所述循環(huán)風(fēng)道中的動力裝置； 所述冷卻氣體在所述動力裝置的作用下在所述循環(huán)風(fēng)道以及所述冷卻 腔室中循環(huán)流動。
3、 如權(quán)利要求2所述的冷卻裝置，其特征在于，所述循環(huán)風(fēng)道 的進風(fēng)口位于所述冷卻腔室的底部，所述循環(huán)風(fēng)道的出風(fēng)口位于所述 冷卻腔室的頂部。
4、 如權(quán)利要求2所述的冷卻裝置，其特征在于，所述熱交換器 設(shè)置于所述循環(huán)風(fēng)道中。
5、 如權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，所述熱交換器 中換熱介質(zhì)的溫度或者流量能夠調(diào)整。
6、 一種等離子體處理系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至5 任一項所述的冷卻裝置。
7、 一種冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法，通過冷卻腔室 中的冷卻氣體降低所述加工件的溫度，其特征在于，在所述加工件的 降溫過程中，將所述冷卻氣體封閉于固定的空間中，并通過熱交換器 降低所述冷卻氣體的溫度。
8、 如權(quán)利要求7所述的冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法， 其特征在于，在所述加工件的降溫過程中，所述冷卻氣體在所述冷卻 腔室中流動。
9、 如權(quán)利要求7所述的冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法， 其特征在于，所述冷卻腔室進一步連接有循環(huán)風(fēng)道；在所述加工件的 降溫過程中，所述冷卻氣體在所述冷卻腔室以及循環(huán)風(fēng)道中循環(huán)流動。
10、 如權(quán)利要求9所述的冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法， 其特征在于，所述冷卻氣體由設(shè)置于所述循環(huán)風(fēng)道中的熱交換器冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種冷卻裝置，用于等離子體處理系統(tǒng)中加工件的冷卻，包括容納所述加工件的冷卻腔室，冷卻氣體分別通過進氣閥門、排氣閥門進入或者排出所述冷卻腔室，所述冷卻裝置還包括用于降低所述冷卻腔室中冷卻氣體溫度的熱交換器。本發(fā)明還公開了一種包括上述冷卻裝置的等離子體處理系統(tǒng)，以及一種冷卻等離子體處理系統(tǒng)中加工件的方法。由于冷卻氣體的溫度可以由熱交換器降低，因此雖然吸收了加工件的熱量，冷卻氣體仍然可以維持在原有的低溫狀態(tài)，其與加工件之間可以維持較大的溫差，所述加工件因而可以被快速冷卻。同時，向所述反應(yīng)腔室中充入適量冷卻氣體即可，冷卻氣體的耗費量顯著減小，這將降低等離子體處理系統(tǒng)的使用成本。
文檔編號H01L21/00GK101409227SQ20081022517
公開日2009年4月15日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者蘇曉峰 申請人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司