專利名稱：Esrf冷卻劑的脫氣方法
本申請(qǐng)涉及并要求美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/095035的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請(qǐng)的提交日為1998年8月3日，標(biāo)題為“ESRF冷卻劑的脫氣方法”。該申請(qǐng)的內(nèi)容被本文參引。
本申請(qǐng)涉及以下的共同待審申請(qǐng)序列號(hào)為60/059173，標(biāo)題為“監(jiān)測(cè)和防止RF等離子體系統(tǒng)中電弧擊穿的裝置和方法”，序列號(hào)60/059151，標(biāo)題為“監(jiān)測(cè)和控制氣體等離子體處理的系統(tǒng)和方法”，以及序列號(hào)60/065794，標(biāo)題為“全部表面可加偏壓和/或溫度控制的靜電屏蔽RF等離子體源”。本申請(qǐng)還涉及下列共同待審的申請(qǐng)，序列號(hào)為60/095036(代理記錄號(hào)2312-0633-6 PROV)，標(biāo)題為“ESRF室冷卻系統(tǒng)和方法”，提交日為1998年8月3日；以及申請(qǐng)序列號(hào)09/_,_(代理記錄號(hào)2312-0813-6 YAWO)，與本文同時(shí)提交，標(biāo)題為“ESRF室冷卻系統(tǒng)和方法”，申請(qǐng)人Wayne L.Johnson也是發(fā)明人。所有這些共同待審的申請(qǐng)都被本文參引。
為了用蝕刻和沉淀方法制造具有亞微米特征的半導(dǎo)體晶片，現(xiàn)在的半導(dǎo)體處理系統(tǒng)采用了等離子體輔助技術(shù)，例如活性離子蝕刻(RIE)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸發(fā)沉淀(PECVD)、濺射、活性濺射、以及離子輔助物理蒸發(fā)沉淀(PVD)。除了上述共同待審的申請(qǐng)外，在授予本申請(qǐng)發(fā)明人Wayne L.Johnson的美國(guó)專利5234529中描述了氣體等離子體處理系統(tǒng)的另一實(shí)例。在這種已知的系統(tǒng)中，將氣體引入這樣的處理環(huán)境中，即，在該處理環(huán)境中，通過(guò)射頻(RF)能的應(yīng)用而形成氣體等離子體并將其保持住。通常，RF能量利用螺旋線圈而與等離子體電感耦合。
通常，產(chǎn)生氣體等離子體的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的熱，必須除去該熱量，以便使處理系統(tǒng)保持在進(jìn)行處理的特定溫度。迄今為止，去除該熱量的效率低，且方案麻煩。已知ESRF等離子體源利用液體冷卻劑槽例如FLUORINERT進(jìn)行冷卻，該液體冷卻劑也可作為電介質(zhì)。射頻好的電介質(zhì)定義是在暴露于強(qiáng)電場(chǎng)中時(shí)每單位容積的能量損失較小的流體。不過(guò)，這些特殊流體的缺點(diǎn)是吸附了大量的氣體，例如空氣。換句話說(shuō)，暴露于空氣(和其它氣體)中的液體(冷卻劑)表面將氣體吸附入表面層內(nèi)。當(dāng)該液體混合(即通過(guò)冷卻系統(tǒng)而運(yùn)動(dòng)或被抽送)時(shí)，被吸附的氣體再分散到整個(gè)液體中(容積或內(nèi)部)。而且，在冷卻劑泵停止后，氣體也可以吸附入冷卻劑內(nèi)。當(dāng)泵停止時(shí)，如果在系統(tǒng)高處的冷卻劑排向低處，則空氣將取代排出的冷卻劑。當(dāng)泵重新啟動(dòng)時(shí)，空氣會(huì)碎成氣泡，該氣泡變成另一可吸附氣體之源。
在高電場(chǎng)區(qū)域，高損耗能夠?qū)е螺^高的局部加熱，因此，冷卻流體的局部溫度升高。這樣，放出氣體的速度增加，使得更多的氣體從溶液中出來(lái)，并產(chǎn)生氣泡，該氣泡在dielectro-fluoretic吸引力的作用下聚集在線圈表面。這些吸附的氣泡在線圈表面產(chǎn)生介電差，這會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)的非均勻電場(chǎng)、局部加熱和電弧擊穿。該電弧擊穿可以在電壓大大低于使用前在諧振腔中所測(cè)量的、當(dāng)氣體沒(méi)有從液體冷卻劑中放出時(shí)的流體介質(zhì)強(qiáng)度的情況下發(fā)生。例如，F(xiàn)LUORINERT能吸附容積相當(dāng)于其自身液體容積的氣體，必須對(duì)其進(jìn)行處理以除去捕獲的空氣。
為了避免由于吸附氣體的快速放出而產(chǎn)生的電弧擊穿，已知的系統(tǒng)在逐漸增加等離子體源的功率的同時(shí)通過(guò)該ESRF等離子體室而連續(xù)抽送冷卻劑。RF能量的逐漸增加是在足以使吸附的氣體從冷卻劑中緩慢放出的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行的。盡管能使冷卻劑以這樣的方式放出捕獲的氣體，但是這樣需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。通常這一處理將進(jìn)行數(shù)小時(shí)，從而延遲了等離子體系統(tǒng)的使用。
已知系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間以放出所吸附的氣體，此外，冷卻系統(tǒng)與等離子體源的連接也非常麻煩，因?yàn)樵谔幚磔^大晶片(即300mm)的系統(tǒng)中所用的冷卻管道較大。因此，當(dāng)處理室打開(kāi)且安裝有冷卻管道時(shí)，通常吸附有大量的空氣。該管道通常保持安裝狀態(tài)，因?yàn)樵摾鋮s管道可能裝有數(shù)百磅的冷卻劑。因此，升高所安裝的管道以打開(kāi)該室很困難，但并不是不可行的。
目前還不知道怎樣用另外的冷卻機(jī)構(gòu)來(lái)取代該較大管道。該較大管道是必須的，以便進(jìn)行大量的冷卻劑交換(例如大約50-75加侖/分)，而這是從處理管中除熱所必須的。還有，很難或者不能采用柔性管，這是因?yàn)樗枥鋮s劑有重量和壓力。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的冷卻ESRF源的方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)能夠在調(diào)節(jié)電介質(zhì)流體時(shí)減少延遲。
本發(fā)明的另一目的是在減少調(diào)節(jié)延遲的同時(shí)完成下面任務(wù)的至少一個(gè)(1)提高作為電介質(zhì)的液體冷卻劑的可靠性；(2)增大等離子體密度；以及(3)增大冷卻劑的開(kāi)始范圍。后面兩個(gè)任務(wù)涉及到緩和將RF能量用于等離子體源時(shí)為了避免冷卻劑失效和由此過(guò)早產(chǎn)生線圈電弧擊穿而需要的苛刻條件。通過(guò)調(diào)節(jié)該冷卻劑以避免過(guò)早電弧擊穿，該RF等離子體源可以在額定功率下工作(而不是某些降低的功率級(jí))。因此，可以獲得額定等離子體密度，并能達(dá)到很好的起始狀態(tài)且沒(méi)有明顯的延遲(由于增加了RF能量)。
本發(fā)明又一目的是在減小調(diào)節(jié)延遲的同時(shí)還減少空腔失效即線圈電弧擊穿的數(shù)目、頻率或嚴(yán)重性。
本發(fā)明的這些和其它目的是通過(guò)一種在基于RF等離子體源的處理系統(tǒng)中所用的用于使液體冷卻劑脫氣的方法和系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)利用真空除去吸附在液體冷卻劑中的氣體，使得系統(tǒng)能夠減少由于附著在浸沒(méi)線圈的表面上的小氣泡而引起的電弧擊穿。
通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明，特別是聯(lián)系附圖，能夠很容易地更完全地理解本發(fā)明和本發(fā)明所具有的許多優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1是用于ESRF等離子體處理系統(tǒng)的脫氣結(jié)構(gòu)的示意圖；以及圖2是表示圖1中各閥和泵的狀態(tài)的表格。
本發(fā)明中，ESRF系統(tǒng)的冷卻不會(huì)遇到前述的關(guān)于使用未處理的液體冷卻劑的問(wèn)題，即電感線圈周圍的電弧擊穿問(wèn)題。下面看附圖，各附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同或相應(yīng)的部件，圖1是用于ESRF等離子體處理系統(tǒng)的脫氣結(jié)構(gòu)的示意圖。該ESRF等離子體源包括至少一個(gè)浸沒(méi)在冷卻劑槽如FLUORINERT槽內(nèi)的電感線圈。該脫氣系統(tǒng)可以用于至少四個(gè)模式中的任一個(gè)模式中(1)正常工作模式，它在等離子體處理過(guò)程中進(jìn)行；(2)脫氣模式，它在處理過(guò)程之前或之后進(jìn)行；(3)快速排出模式，它在要將系統(tǒng)排空以便進(jìn)行維修或其它不需要冷卻劑的工作時(shí)進(jìn)行；以及(4)重新裝入模式，在該模式中，該脫氣室從輔助源重新裝入冷卻劑。
根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)的正常工作模式包括通過(guò)等離子體處理系統(tǒng)115而抽送已脫氣的液體冷卻劑，以便通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流而有效冷卻等離子體源室并使其保持預(yù)定溫度。參考圖1和2，冷卻回路的流體流動(dòng)包括利用高容量泵140將冷卻劑從冷卻劑池(即脫氣室100)底部通過(guò)閥110a而進(jìn)行抽送，從而使該泵提供用于使該冷卻劑通過(guò)閥110f和等離子體處理室115所必須的總壓頭。在通過(guò)閥110d而使冷卻劑返回冷卻劑池(或脫氣室100)時(shí)，完成了該冷卻循環(huán)。由泵140驅(qū)動(dòng)的這一冷卻劑循環(huán)從等離子體處理室中去除熱量并將其沉積在冷卻劑池(脫氣室)100中。脫氣室100和等離子體處理系統(tǒng)115之間的抽送循環(huán)連續(xù)進(jìn)行，以便使等離子體處理室115保持預(yù)定溫度?？梢酝ㄟ^(guò)確定該等離子體處理室115的熱負(fù)載和考慮冷卻劑循環(huán)的除熱速度而得出預(yù)定溫度(等離子體處理室115的冷卻速度由冷卻劑流量、冷卻劑流體特性以及處理室自身內(nèi)的管道設(shè)計(jì)方式來(lái)確定)。
為了保持冷卻劑池(脫氣室)100內(nèi)冷卻劑的溫度，還提供有第二冷卻循環(huán)，該第二冷卻循環(huán)包括熱交換器130，在該熱交換器130中，冷卻劑和從外部源提供的冷水之間進(jìn)行熱交換。通過(guò)調(diào)節(jié)為了從加熱的冷卻劑中帶走熱量而流過(guò)的冷水的量，可以調(diào)節(jié)冷卻量。該第二冷卻循環(huán)包括用泵125將冷卻劑從冷卻劑池(脫氣室)100的底部進(jìn)行抽送并使其流過(guò)過(guò)濾器135，然后流過(guò)熱交換器130。可以看出，兩個(gè)冷卻循環(huán)(一個(gè)到等離子體處理室，另一個(gè)到熱交換器130)共用相同的脫氣室出口管道。不過(guò)，該管路并不局限于這種設(shè)計(jì)，實(shí)際上也可以由兩個(gè)或多個(gè)管道來(lái)完成這些任務(wù)。如圖所示，熱交換器130與深冷器132連接，該深冷器132在冷卻劑和冷卻水源之間換熱。溫度控制閥134位于這樣的位置，即，可以監(jiān)測(cè)在熱交換器130后面的冷卻水源的溫度。當(dāng)冷卻水溫度差變得很大時(shí)(大于幾攝氏度，2~5℃)，冷卻水流量會(huì)增加。冷卻水和冷卻劑連續(xù)流動(dòng)。冷卻量由深冷閥打開(kāi)的程度確定。
當(dāng)冷卻劑冷卻到目標(biāo)溫度時(shí)，溫度控制閥134向泵125發(fā)出開(kāi)始抽送的信號(hào)并使冷卻劑返回脫氣室100。在使冷卻劑從熱交換器130返回冷卻劑池(脫氣室)100時(shí)，RF水流監(jiān)測(cè)器136位于沿回流管道138的中部位置處。本發(fā)明還包括用于確定冷卻劑應(yīng)當(dāng)在何時(shí)脫氣的方法。在冷卻劑中吸附的氣體的量可通過(guò)對(duì)樣品室施加RF電壓然后測(cè)量所產(chǎn)生的電流來(lái)確定。該RF電流是流體的介質(zhì)強(qiáng)度的測(cè)量值。還有，冷卻劑的介質(zhì)強(qiáng)度受冷卻劑內(nèi)存在的吸附氣體直接影響。因此，通過(guò)定期進(jìn)行該測(cè)試，本發(fā)明能自動(dòng)估計(jì)是否需要脫氣。如果需要脫氣，則可以通知操作者，或者能夠在下一個(gè)處理步驟的最后自動(dòng)進(jìn)行脫氣。
由于在停機(jī)過(guò)程中(和其它各種時(shí)間中)冷卻劑流體表面(有限地)暴露于空氣(和/或其它氣體)中，因此，該冷卻系統(tǒng)需要定期脫氣，以便除去吸附在冷卻劑內(nèi)的氣體。(本發(fā)明中，吸附氣體的量也隨冷卻劑池自身的設(shè)計(jì)和位置而減少。將該冷卻劑池布置成為放置在冷卻系統(tǒng)中的位置最高的單元，且當(dāng)抽送系統(tǒng)停止時(shí)，冷卻劑管的全部出口都保持浸沒(méi)在冷卻劑中。)在脫氣模式中，只要閥110h打開(kāi)，真空泵165就將平衡罐145的蒸汽空間內(nèi)存在的蒸汽和殘留在管道106中的蒸汽抽空。這樣，平衡罐的蒸汽空間內(nèi)的壓力和通向脫氣室100的管道106內(nèi)的壓力都降低，因此，產(chǎn)生足以打開(kāi)卸壓閥105的壓力差。通過(guò)打開(kāi)卸壓閥105，使從脫氣室100內(nèi)的蒸汽空間放出的氣體排出。當(dāng)脫氣室100中的蒸汽被排空和當(dāng)吸附的氣體被放出而重新積累壓力時(shí)，該卸壓閥105間歇地分別關(guān)閉和重新打開(kāi)。當(dāng)脫氣室100內(nèi)的蒸汽空間被排空時(shí)，壓力減小，因此可以使氣體放出的速率更大。使氣體從冷卻劑中放出的壓力大于冷卻劑的蒸汽壓力。通過(guò)該排氣處理的適當(dāng)控制，使得氣體能從流體中除去，同時(shí)不會(huì)使液體過(guò)度蒸發(fā)。為了有效和高效率地使殘留在兩個(gè)冷卻循環(huán)管道和等離子體處理室115內(nèi)的冷卻劑脫氣，除了打開(kāi)閥110a、110f和110d外，還打開(kāi)高容量泵140，以便使冷卻劑循環(huán)。而且，打開(kāi)泵125以便使脫氣的冷卻劑通過(guò)第二冷卻循環(huán)管道進(jìn)行循環(huán)。
當(dāng)系統(tǒng)115不工作時(shí)，例如換晶片或維修時(shí)，本發(fā)明也能使冷卻劑從等離子體處理系統(tǒng)115中排出。該工作在本文中稱之為快速排出模式。在該快速排出模式中，泵140使等離子體處理系統(tǒng)115的冷卻劑通過(guò)閥110c排出，并通過(guò)閥110e將該冷卻劑排入脫氣室100內(nèi)。當(dāng)過(guò)量的冷卻劑排向脫氣室100時(shí)，卸壓閥105打開(kāi)，以便使冷卻劑溢出并通過(guò)管道106進(jìn)入平衡罐145。排空等離子體處理系統(tǒng)115時(shí)，閥110c和110e可以關(guān)閉，泵140也可以關(guān)閉。這時(shí)，可以打開(kāi)該等離子體處理室以便進(jìn)行維修或其它檢修。在一段時(shí)間內(nèi)(取決于檢修等離子體處理室115的時(shí)間)，可以利用泵125并通過(guò)熱交換器130而使冷卻劑冷卻。而且，泵165通過(guò)閥110h而從平衡罐145中抽取蒸汽，并減小平衡罐145內(nèi)的壓力積累，該壓力積累是由于當(dāng)冷卻劑充滿該脫氣室100時(shí)，氣體蒸汽通過(guò)卸壓閥106從該脫氣室100中放出而產(chǎn)生的。在一可選實(shí)施例中，優(yōu)選是冷卻收集器166位于泵165和排出口之間，以便在冷卻劑排出前(通過(guò)冷凝)而吸收它。這樣能夠減少可能很昂貴的冷卻劑的損失。如果需要，冷凝的冷卻劑167可以重新引入脫氣室中-既可以人工進(jìn)行，也可以通過(guò)泵(未示出)。
等離子體處理源也可以快速準(zhǔn)備好接收冷卻的冷卻劑。當(dāng)從平衡罐145重新裝入時(shí)，泵180和125抽送冷卻劑并使其通過(guò)閥110b并經(jīng)過(guò)過(guò)濾器、熱交換器130和回流管道138進(jìn)入脫氣室。為了取代從平衡罐145抽送出去的冷卻劑，閥110g打開(kāi)以使增壓的N2進(jìn)入，該N2在吸附到冷卻劑內(nèi)時(shí)不會(huì)引起電弧擊穿。當(dāng)向脫氣室內(nèi)添加了足夠的冷卻劑時(shí)，閥110a和110f打開(kāi)，以使冷卻劑抽送到處理系統(tǒng)115。然后，該系統(tǒng)回到正常工作狀態(tài)。
這樣，本發(fā)明減少了除氣所需的時(shí)間，如果不除氣，該氣體就會(huì)保留在冷卻劑內(nèi)并促使電感線圈電弧擊穿。在另一實(shí)施例中，流體在正常狀態(tài)下被抽送，同時(shí)產(chǎn)生真空，以減小流體上面的壓力并連續(xù)使流體脫氣。
顯然，在上述指導(dǎo)下，本發(fā)明能夠進(jìn)行多種改變和變化。因此，應(yīng)當(dāng)知道，在附加的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明能以不同于本文所述特定實(shí)施例的方式進(jìn)行實(shí)施。
權(quán)利要求
1．一種對(duì)吸附有氣體的液體冷卻劑進(jìn)行處理的方法，該方法包括以下步驟在脫氣室中儲(chǔ)存包含有所吸附的氣體的液體冷卻劑；利用真空降低液體冷卻劑上面的壓力；以及當(dāng)吸附的氣體從液體冷卻劑中放出時(shí)，除去所吸附的氣體，以便形成脫氣的冷卻劑。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟向等離子體處理系統(tǒng)抽送已脫氣的冷卻劑，以便從該等離子體處理系統(tǒng)中除熱。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該抽送步驟包括將已脫氣的冷卻劑送到該等離子體處理系統(tǒng)的儲(chǔ)存室中，該儲(chǔ)存室中裝有浸沒(méi)的電感線圈。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟用熱交換器冷卻已脫氣的冷卻劑。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述降低壓力的步驟包括通過(guò)使連接卸壓閥的真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)打開(kāi)脫氣室內(nèi)的卸壓閥。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟向冷卻劑的樣品施加RF電壓；測(cè)量由于施加的RF電壓而在樣品中產(chǎn)生的RF電流；以及根據(jù)測(cè)量的RF電流確定捕獲氣體的量。
全文摘要
一種冷卻靜電屏蔽射頻(ESRF)等離子體源(115)的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)用于通過(guò)產(chǎn)生真空而使液體冷卻劑池(100)中的氣體放出,從而除去吸附的氣體,因此減少液體冷卻劑的調(diào)整時(shí)間。脫氣的冷卻劑用熱交換器(130)冷卻。該方法和系統(tǒng)還能快速排空該管道和快速重新裝滿該脫氣室(100)。
文檔編號(hào)H01L21/3065GK1311707SQ99809269
公開(kāi)日2001年9月5日 申請(qǐng)日期1999年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月3日
發(fā)明者韋恩·L·約翰遜 申請(qǐng)人:東京電子株式會(huì)社