專利名稱：Esrf冷卻劑的脫氣方法
本申請涉及并要求美國臨時申請No.60/095035的優先權，該臨時申請的提交日為1998年8月3日，標題為“ESRF冷卻劑的脫氣方法”。該申請的內容被本文參引。
本申請涉及以下的共同待審申請序列號為60/059173，標題為“監測和防止RF等離子體系統中電弧擊穿的裝置和方法”，序列號60/059151，標題為“監測和控制氣體等離子體處理的系統和方法”，以及序列號60/065794，標題為“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”。本申請還涉及下列共同待審的申請，序列號為60/095036(代理記錄號2312-0633-6 PROV)，標題為“ESRF室冷卻系統和方法”，提交日為1998年8月3日；以及申請序列號09/_,_(代理記錄號2312-0813-6 YAWO)，與本文同時提交，標題為“ESRF室冷卻系統和方法”，申請人Wayne L.Johnson也是發明人。所有這些共同待審的申請都被本文參引。
為了用蝕刻和沉淀方法制造具有亞微米特征的半導體晶片，現在的半導體處理系統采用了等離子體輔助技術，例如活性離子蝕刻(RIE)、等離子體增強化學蒸發沉淀(PECVD)、濺射、活性濺射、以及離子輔助物理蒸發沉淀(PVD)。除了上述共同待審的申請外，在授予本申請發明人Wayne L.Johnson的美國專利5234529中描述了氣體等離子體處理系統的另一實例。在這種已知的系統中，將氣體引入這樣的處理環境中，即，在該處理環境中，通過射頻(RF)能的應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，產生氣體等離子體的同時也產生了大量的熱，必須除去該熱量，以便使處理系統保持在進行處理的特定溫度。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進行冷卻，該液體冷卻劑也可作為電介質。射頻好的電介質定義是在暴露于強電場中時每單位容積的能量損失較小的流體。不過，這些特殊流體的缺點是吸附了大量的氣體，例如空氣。換句話說，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。當該液體混合(即通過冷卻系統而運動或被抽送)時，被吸附的氣體再分散到整個液體中(容積或內部)。而且，在冷卻劑泵停止后，氣體也可以吸附入冷卻劑內。當泵停止時，如果在系統高處的冷卻劑排向低處，則空氣將取代排出的冷卻劑。當泵重新啟動時，空氣會碎成氣泡，該氣泡變成另一可吸附氣體之源。
在高電場區域，高損耗能夠導致較高的局部加熱，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，并產生氣泡，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生介電差，這會導致增強的非均勻電場、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量的、當氣體沒有從液體冷卻劑中放出時的流體介質強度的情況下發生。例如，FLUORINERT能吸附容積相當于其自身液體容積的氣體，必須對其進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生的電弧擊穿，已知的系統在逐漸增加等離子體源的功率的同時通過該ESRF等離子體室而連續抽送冷卻劑。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間段內進行的。盡管能使冷卻劑以這樣的方式放出捕獲的氣體，但是這樣需要相當長的時間。通常這一處理將進行數小時，從而延遲了等離子體系統的使用。
已知系統需要較長時間以放出所吸附的氣體，此外，冷卻系統與等離子體源的連接也非常麻煩，因為在處理較大晶片(即300mm)的系統中所用的冷卻管道較大。因此，當處理室打開且安裝有冷卻管道時，通常吸附有大量的空氣。該管道通常保持安裝狀態，因為該冷卻管道可能裝有數百磅的冷卻劑。因此，升高所安裝的管道以打開該室很困難，但并不是不可行的。
目前還不知道怎樣用另外的冷卻機構來取代該較大管道。該較大管道是必須的，以便進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，這是因為所需冷卻劑有重量和壓力。
本發明的一個目的是提供一種改進的冷卻ESRF源的方法和系統，該方法和系統能夠在調節電介質流體時減少延遲。
本發明的另一目的是在減少調節延遲的同時完成下面任務的至少一個(1)提高作為電介質的液體冷卻劑的可靠性；(2)增大等離子體密度；以及(3)增大冷卻劑的開始范圍。后面兩個任務涉及到緩和將RF能量用于等離子體源時為了避免冷卻劑失效和由此過早產生線圈電弧擊穿而需要的苛刻條件。通過調節該冷卻劑以避免過早電弧擊穿，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)。因此，可以獲得額定等離子體密度，并能達到很好的起始狀態且沒有明顯的延遲(由于增加了RF能量)。
本發明又一目的是在減小調節延遲的同時還減少空腔失效即線圈電弧擊穿的數目、頻率或嚴重性。
本發明的這些和其它目的是通過一種在基于RF等離子體源的處理系統中所用的用于使液體冷卻劑脫氣的方法和系統來實現的。通過利用真空除去吸附在液體冷卻劑中的氣體，使得系統能夠減少由于附著在浸沒線圈的表面上的小氣泡而引起的電弧擊穿。
通過下面的詳細說明，特別是聯系附圖，能夠很容易地更完全地理解本發明和本發明所具有的許多優點，附圖中
圖1是用于ESRF等離子體處理系統的脫氣結構的示意圖；以及圖2是表示圖1中各閥和泵的狀態的表格。
本發明中，ESRF系統的冷卻不會遇到前述的關于使用未處理的液體冷卻劑的問題，即電感線圈周圍的電弧擊穿問題。下面看附圖，各附圖中，相同的參考標號表示相同或相應的部件，圖1是用于ESRF等離子體處理系統的脫氣結構的示意圖。該ESRF等離子體源包括至少一個浸沒在冷卻劑槽如FLUORINERT槽內的電感線圈。該脫氣系統可以用于至少四個模式中的任一個模式中(1)正常工作模式，它在等離子體處理過程中進行；(2)脫氣模式，它在處理過程之前或之后進行；(3)快速排出模式，它在要將系統排空以便進行維修或其它不需要冷卻劑的工作時進行；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。
根據本發明，系統的正常工作模式包括通過等離子體處理系統115而抽送已脫氣的液體冷卻劑，以便通過強制對流而有效冷卻等離子體源室并使其保持預定溫度。參考圖1和2，冷卻回路的流體流動包括利用高容量泵140將冷卻劑從冷卻劑池(即脫氣室100)底部通過閥110a而進行抽送，從而使該泵提供用于使該冷卻劑通過閥110f和等離子體處理室115所必須的總壓頭。在通過閥110d而使冷卻劑返回冷卻劑池(或脫氣室100)時，完成了該冷卻循環。由泵140驅動的這一冷卻劑循環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115之間的抽送循環連續進行，以便使等離子體處理室115保持預定溫度。可以通過確定該等離子體處理室115的熱負載和考慮冷卻劑循環的除熱速度而得出預定溫度(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的管道設計方式來確定)。
為了保持冷卻劑池(脫氣室)100內冷卻劑的溫度，還提供有第二冷卻循環，該第二冷卻循環包括熱交換器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行熱交換。通過調節為了從加熱的冷卻劑中帶走熱量而流過的冷水的量，可以調節冷卻量。該第二冷卻循環包括用泵125將冷卻劑從冷卻劑池(脫氣室)100的底部進行抽送并使其流過過濾器135，然后流過熱交換器130。可以看出，兩個冷卻循環(一個到等離子體處理室，另一個到熱交換器130)共用相同的脫氣室出口管道。不過，該管路并不局限于這種設計，實際上也可以由兩個或多個管道來完成這些任務。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，可以監測在熱交換器130后面的冷卻水源的溫度。當冷卻水溫度差變得很大時(大于幾攝氏度，2~5℃)，冷卻水流量會增加。冷卻水和冷卻劑連續流動。冷卻量由深冷閥打開的程度確定。
當冷卻劑冷卻到目標溫度時，溫度控制閥134向泵125發出開始抽送的信號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，RF水流監測器136位于沿回流管道138的中部位置處。本發明還包括用于確定冷卻劑應當在何時脫氣的方法。在冷卻劑中吸附的氣體的量可通過對樣品室施加RF電壓然后測量所產生的電流來確定。該RF電流是流體的介質強度的測量值。還有，冷卻劑的介質強度受冷卻劑內存在的吸附氣體直接影響。因此，通過定期進行該測試，本發明能自動估計是否需要脫氣。如果需要脫氣，則可以通知操作者，或者能夠在下一個處理步驟的最后自動進行脫氣。
由于在停機過程中(和其它各種時間中)冷卻劑流體表面(有限地)暴露于空氣(和/或其它氣體)中，因此，該冷卻系統需要定期脫氣，以便除去吸附在冷卻劑內的氣體。(本發明中，吸附氣體的量也隨冷卻劑池自身的設計和位置而減少。將該冷卻劑池布置成為放置在冷卻系統中的位置最高的單元，且當抽送系統停止時，冷卻劑管的全部出口都保持浸沒在冷卻劑中。)在脫氣模式中，只要閥110h打開，真空泵165就將平衡罐145的蒸汽空間內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的壓力和通向脫氣室100的管道106內的壓力都降低，因此，產生足以打開卸壓閥105的壓力差。通過打開卸壓閥105，使從脫氣室100內的蒸汽空間放出的氣體排出。當脫氣室100中的蒸汽被排空和當吸附的氣體被放出而重新積累壓力時，該卸壓閥105間歇地分別關閉和重新打開。當脫氣室100內的蒸汽空間被排空時，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。通過該排氣處理的適當控制，使得氣體能從流體中除去，同時不會使液體過度蒸發。為了有效和高效率地使殘留在兩個冷卻循環管道和等離子體處理室115內的冷卻劑脫氣，除了打開閥110a、110f和110d外，還打開高容量泵140，以便使冷卻劑循環。而且，打開泵125以便使脫氣的冷卻劑通過第二冷卻循環管道進行循環。
當系統115不工作時，例如換晶片或維修時，本發明也能使冷卻劑從等離子體處理系統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115的冷卻劑通過閥110c排出，并通過閥110e將該冷卻劑排入脫氣室100內。當過量的冷卻劑排向脫氣室100時，卸壓閥105打開，以便使冷卻劑溢出并通過管道106進入平衡罐145。排空等離子體處理系統115時，閥110c和110e可以關閉，泵140也可以關閉。這時，可以打開該等離子體處理室以便進行維修或其它檢修。在一段時間內(取決于檢修等離子體處理室115的時間)，可以利用泵125并通過熱交換器130而使冷卻劑冷卻。而且，泵165通過閥110h而從平衡罐145中抽取蒸汽，并減小平衡罐145內的壓力積累，該壓力積累是由于當冷卻劑充滿該脫氣室100時，氣體蒸汽通過卸壓閥106從該脫氣室100中放出而產生的。在一可選實施例中，優選是冷卻收集器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-既可以人工進行，也可以通過泵(未示出)。
等離子體處理源也可以快速準備好接收冷卻的冷卻劑。當從平衡罐145重新裝入時，泵180和125抽送冷卻劑并使其通過閥110b并經過過濾器、熱交換器130和回流管道138進入脫氣室。為了取代從平衡罐145抽送出去的冷卻劑，閥110g打開以使增壓的N2進入，該N2在吸附到冷卻劑內時不會引起電弧擊穿。當向脫氣室內添加了足夠的冷卻劑時，閥110a和110f打開，以使冷卻劑抽送到處理系統115。然后，該系統回到正常工作狀態。
這樣，本發明減少了除氣所需的時間，如果不除氣，該氣體就會保留在冷卻劑內并促使電感線圈電弧擊穿。在另一實施例中，流體在正常狀態下被抽送，同時產生真空，以減小流體上面的壓力并連續使流體脫氣。
顯然，在上述指導下，本發明能夠進行多種改變和變化。因此，應當知道，在附加的權利要求的范圍內，本發明能以不同于本文所述特定實施例的方式進行實施。
權利要求
1．一種對吸附有氣體的液體冷卻劑進行處理的方法，該方法包括以下步驟在脫氣室中儲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；以及當吸附的氣體從液體冷卻劑中放出時，除去所吸附的氣體，以便形成脫氣的冷卻劑。
2．根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟向等離子體處理系統抽送已脫氣的冷卻劑，以便從該等離子體處理系統中除熱。
3．根據權利要求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的儲存室中，該儲存室中裝有浸沒的電感線圈。
4．根據權利要求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．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述降低壓力的步驟包括通過使連接卸壓閥的真空泵運轉來打開脫氣室內的卸壓閥。
6．根據權利要求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；測量由于施加的RF電壓而在樣品中產生的RF電流；以及根據測量的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。該方法和系統用于通過產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整時間。脫氣的冷卻劑用熱交換器(130)冷卻。該方法和系統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H01L21/3065GK1311707SQ99809269
公開日2001年9月5日 申請日期1999年8月3日 優先權日1998年8月3日
發明者韋恩·L·約翰遜 申請人:東京電子株式會社