CN101409227A

CN101409227A - 等离子体处理***及其冷却装置、冷却方法

Info

Publication number: CN101409227A
Application number: CNA2008102251776A
Authority: CN
Inventors: 苏晓峰
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-04-15

Abstract

本发明公开了一种冷却装置，用于等离子体处理***中加工件的冷却，包括容纳所述加工件的冷却腔室，冷却气体分别通过进气阀门、排气阀门进入或者排出所述冷却腔室，所述冷却装置还包括用于降低所述冷却腔室中冷却气体温度的热交换器。本发明还公开了一种包括上述冷却装置的等离子体处理***，以及一种冷却等离子体处理***中加工件的方法。由于冷却气体的温度可以由热交换器降低，因此虽然吸收了加工件的热量，冷却气体仍然可以维持在原有的低温状态，其与加工件之间可以维持较大的温差，所述加工件因而可以被快速冷却。同时，向所述反应腔室中充入适量冷却气体即可，冷却气体的耗费量显著减小，这将降低等离子体处理***的使用成本。

Description

等离子体处理***及其冷却装置、冷却方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种用于等离子体处理***的冷却装置。本发明还涉及一种包括上述冷却装置的等离子体处理***，以及一种用于等离子处理***的冷却方法。

背景技术

等离子体处理***已被广泛地应用于微电子技术领域。

请参考图1，图1为一种等离子体处理***的结构示意图。

等离子体处理***1具有依次相邻的装载腔室11、预热腔室12、反应腔室13以及冷却腔室14，装载了加工件17的基片载板16在载板传送装置(例如由若干传送辊15组成的传送辊组)的带动下依次经过上述各腔室。当然，等离子体处理***1也可以具有其他具体结构形式。

预热腔室12、反应腔室13保持真空状态；装载基片载板16时，装载腔室11与大气环境连通，基片载板16装载完毕后可将装载腔室11密封，并将其抽为真空状态；然后将装载腔室11与真空状态下的预热腔室12连通，基片载板16即可依次进入预热腔室12以及反应腔室13中。

可以向处于真空状态下的反应腔室13中输入气体，并向反应腔室13输入适当的射频以激活所述气体，这样，可以在加工件17的表面产生并维持等离子体环境。由于具有强烈的刻蚀以及淀积能力，所述等离子体可以与加工件17发生刻蚀或者淀积等物理化学反应，以获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。上述物理化学反应的副产物从反应腔室13中抽出。

由于上述工艺过程是在较高的温度(例如300℃至500℃)下完成的，因此工艺过程完成后加工件17应当在冷却腔室14中被冷却至适宜卸载的温度(通常小于100℃)。加工件17卸载完毕后基片载板16可以通过自动搬运装置回收并重新投入使用；图中带箭头的虚线示意性地表示了整个工艺过程中基片载板16的运动路线。

通常可以通过冷却气体加快加工件17降温。可以在冷却腔室14的顶部和底部分别连接冷却气体管道，如图1所示，节点a可以与冷却气源连通，并在进气管道中串接进气阀141。节点b可以与尾气处理装置连接，用于自冷却腔室14中排出冷却气体；排气管道可以接排气阀142。

为了缩短冷却环节所耗费的时间以提高等离子体处理***1整体的工作效率，可以在加工件17的降温过程中持续向冷却腔室14中输入冷却气体，并持续地排出所述冷却气体，这样，冷却气体与加工件17之间可以维持较大的温差，换热效率因此较高。为了保持冷却腔室14的洁净度以及为了避免冷却腔室14中相关部件的氧化，通常采用价格较高的高纯度氮气或者氩气作为冷却气体；因此，持续向冷却腔室14中输入冷却气体虽然冷却速度较快，但由于冷却气体没有充分利用，其所耗费的成本较高。

此外，热交换完毕的冷却气体的温度较高，将其自反应腔室13中抽出并进行尾气处理直至排放的过程中，相关管道以及设备(例如泵)均需要进行热防护处理，这样也导致整个***较为复杂，等离子体处理***1的成本也进一步升高。

因此，如何通过较低的成本以较快的速度将加工件冷却，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于等离子体处理***的冷却装置，耗费较少量的冷却气体即可快速地实现加工件的冷却。本发明的另一目的是提供一种包括上述冷却装置的等离子体处理***，以及一种冷却等离子体处理***中加工件的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种冷却装置，用于等离子体处理***中加工件的冷却，包括容纳所述加工件的冷却腔室，冷却气体分别通过进气阀门、排气阀门进入或者排出所述冷却腔室；所述冷却装置进一步包括用于降低所述冷却腔室中冷却气体温度的热交换器。

进一步，所述冷却装置还包括与所述冷却腔室连通的循环风道，以及设于所述循环风道中的动力装置；所述冷却气体在所述动力装置的作用下在所述循环风道以及所述冷却腔室中循环流动。

进一步，所述循环风道的进风口位于所述冷却腔室的底部，所述循环风道的出风口位于所述冷却腔室的顶部。

进一步，所述热交换器设置于所述循环风道中。

进一步，所述热交换器中换热介质的温度或者流量能够调整。

本发明还提供一种等离子体处理***，包括上述任一项所述的冷却装置。

本发明所提供的冷却装置增加了用于降低冷却气体温度的热交换器，这样，一方面，因与加工件进行热交换所述冷却气体的温度有升高的趋势，但另一方面所述热交换器可以将所述冷却气体维持在原有的低温状态。因此，所述进气阀门和排气阀门关闭后，本发明所提供的冷却装置中的冷却气体与加工件之间仍然可以维持较大的温差，从而形成较大的降温梯度，所述冷却气体与所述加工件之间的热交换效率可以维持在较高的水平，所述加工件因而可以被快速冷却。同时，向所述反应腔室中充入适量冷却气体后即可关闭所述进气阀门，而不必继续输入冷却气体，冷却气体的耗费量因此显著减小；这显然将降低等离子体处理***的使用成本。

在另一种实施方式中，所述冷却装置还包括与所述冷却腔室连通的循环风道，所述冷却气体在动力装置的作用下能够在所述循环风道以及所述冷却腔室中循环流动。众所周知，流体与换热对象的对流换热效率受流体流速的影响较大；流体流速越大，对流换热效率越高。因此，所述冷却气体的循环流动可以显著加快所述加工件的散热；同时还有利于所述冷却气体向所述热交换器转移热量，以及消除冷却气体各部分的温度差异。所述加工件因而可以实现更为迅速的降温。

本发明还提供一种冷却等离子体处理***中加工件的方法，通过冷却腔室中的冷却气体降低所述加工件的温度；在所述加工件的降温过程中，将所述冷却气体封闭于固定的空间中，并通过热交换器降低所述冷却气体的温度。

进一步，在所述加工件的降温过程中，所述冷却气体在所述冷却腔室中流动。

进一步，所述冷却腔室进一步连接有循环风道；在所述加工件的降温过程中，所述冷却气体在所述冷却腔室以及循环风道中循环流动。

进一步，所述冷却气体由设置于所述循环风道中的热交换器冷却。

本发明所提供的冷却方法，在冷却气体和加工件之间进行热交换的同时，通过热交换器对所述冷却气体进行冷却。这样，所述冷却气体与所述加工件之间可以维持较高的温差，从而形成较大的降温梯度，以使所述冷却气体与所述加工件之间的热交换效率可以维持在较高的水平，所述加工件因而可以被快速冷却。同时，由于所述冷却气体被封闭在所述反应腔室中，因此冷却过程中冷却气体的耗费量显著减小，有利于降低等离子体处理***的使用成本。

在另一种实施方式中，冷却过程中所述冷却气体在所述冷却腔室中不断流动。所述冷却气体的不断流动可以显著加快所述加工件的散热；同时还有利于所述冷却气体向所述热交换器转移热量，以及消除冷却气体各部分的温度差异。所述加工件的降温过程因而可以被进一步缩短。

附图说明

图1为一种等离子体处理***的结构示意图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供冷却装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于等离子体处理***的冷却装置，耗费较少量的冷却气体即可快速地实现加工件的冷却。本发明的另一核心是提供一种包括上述冷却装置的等离子体处理***，以及一种冷却等离子体处理***中加工件的方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，本发明一种具体实施方式所提供冷却装置的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的冷却装置的主体部分为冷却腔室21，冷却腔室21通常与等离子体处理***的反应腔室相邻；在所述反应腔室中完成相应的工艺过程后，载板4及其所承载的加工件3可以在传输装置5的带动下，自所述反应腔室进入冷却腔室21中。

节点d连通冷却气体气源，因此可以通过相应的通道向冷却腔室21中输送冷却气体。节点d与冷却腔室21之间的通道中串接进气阀门22，显然，通过进气阀门22可以控制冷却气体的通断。冷却气体的进口通常设置于冷却腔室21的顶部。

节点c可以连通抽气设备，以便使冷却气体自冷却腔室21中排出；节点c与冷却腔室21之间的通道中串接排气阀门23。通过进气阀门22以及排气阀门23的配合控制，可以使本发明所提供的冷却装置在不同的工作状态中切换。

可以打开进气阀门22并关闭排气阀门23，以向冷却腔室21中输入适量的冷却气体，然后将进气阀门22关闭；此时冷却气体被封闭于冷却腔室21之中。

由于冷却气体与冷却腔室21中的加工件3之间存在较大的温差，加工件3的热量可以不断传递给冷却气体，从而可能会引起冷却气体自身的温度不断上升。如果放任这种情况，随着冷却气体温度的升高以及加工件3温度的不断降低，两者的温差逐渐减小，换热效率将显著降低，降温过程也将耗费较多的时间，不利于等离子体处理系效率的提高。

为了避免上述不利情况的出现，本发明所提供的冷却装置进一步包括热交换器24。

热交换器24可以不必严格按照图2所示位置设置，只要热交换器24能够将冷却气体冷却即可。原则上，将热交换器24直接设置于冷却腔室21内部也是可以实现的；但这可能对于所述冷却装置其他部分的设置带来较大的不便。热交换器24的具体形式也无须特别限制，具有较高的换热效率即可。

无论如何，本发明的保护范围不应受到热交换器24的具体类型、设置位置以及设置方式的限制。

由于本发明所提供的冷却装置增加了热交换器24，虽然冷却气体吸收加工件3的热量后其温度有升高的趋势，但热交换器24可以吸收冷却气体的热量，从而将其维持在原有的低温状态。因此，即使没有新的冷却气体补入，本发明所提供的冷却装置中的冷却气体与加工件3之间仍然可以维持较大的温差，从而形成较大的降温梯度，冷却气体与加工件3之间的热交换效率可以维持在较高的水平，加工件3因而可以被快速冷却。

同时，向冷却腔室21中充入适量冷却气体后即可关闭进气阀门22停止输入冷却气体，因此冷却气体的耗费量显著减小；这显然将降低等离子体处理***的使用成本。

可以对上文所述冷却装置进行改进。

如图2所示，可以进一步设置循环风道29，循环风道29的两端均与冷却腔室21连通；显然，其两端开口应当保持适当的距离，以避免冷却气体短路。

循环风道29的作用是使冷却气体在冷却加工件3的过程中不断循环，这样做可以显著提高冷却气体与加工件3的换热效率。流体流速越大，其与换热对象的对流换热效率越高。因此，冷却气体的循环流动可以显著加快加工件3的散热，进一步缩短冷却时间、提高等离子处理设备的整体效率。此外，冷却气体的循环流动还有利于其向热交换器24转移热量，并有利于抑制冷却气体内各部分的温度产生差异，最终有助于加工件3实现更为迅速的降温。

冷却气体的循环是通过设置于循环风道29中的动力装置实现的，所述动力装置具体可以是泵或者风机，通常可以选用罗茨风机。

循环风道29的进风口可以开设于冷却腔室21底部的中央位置，循环风道29的进风端也可以与冷却腔室21的排风管道部分共用；可以在循环进风管道中串接循环进风阀门27。循环风道29的出风口可以开设于冷却腔室21顶部的中央位置，循环风道29的出风端可以串接循环进风阀门28。进风口、出风口按照上述方式设置有利于冷却气体在冷却腔室21中形成较为理想的气流分布，在加工件3的径向上的气流较为均匀。

当然，循环风道29的进风口、出风口开设在冷却腔室21的侧壁或者其他位置也是可以的。

可以进一步将热交换器24设置于循环风道29中，这样可以使冷却气体与热交换器24的换热过程更为充分，有利于维持冷却气体与加工件3的温差。

图2中带箭头的虚线示意性地表示了冷却气体在冷却腔室21以及循环风道29中的流动路径。

热交换器24中的换热介质可以采用水、液氮，但不限于此。热交换器24中换热介质的流量或者温度最好能够调整，这样在不同的降温阶段均可以满足制冷负载的要求。例如，换热介质的流量可以通过阀口开度的改变来调整。

本发明所提供的等离子体处理***，包括上述任一项所述的冷却装置。等离子体处理***其他各部分的结构请参考图1和与其对应的文字描述，以及现有技术；本文不再赘述。

本发明还提供一种冷却等离子体处理***中加工件的方法。该方法中，加工件3处于冷却腔室21中，并向冷却腔室21中输入适量的冷却气体；然后将冷却腔室21封闭，并通过温度较低的冷却气体降低加工件3的温度。在加工件3的降温过程中，本发明所提供的方法还通过热交换器24降低冷却气体的温度。即，一方面加工件3的温度由冷却气体降低，另一方面冷却气体的温度由热交换器24降低；这两个过程大体同时进行。

这样，冷却气体与加工件3之间可以维持较高的温差，从而形成较大的降温梯度，以使冷却气体与加工件3之间的热交换效率可以维持在较高的水平，加工件3因而可以被快速冷却。同时，由于冷却气体被封闭在冷却腔室21中，因此冷却过程中冷却气体的耗费量显著减小，有利于降低等离子体处理***的使用成本。

可以进一步改进上述方法，即在加工件3的降温过程中，使冷却气体在冷却腔室21中流动。

或者，可以将冷却腔室21进一步连通循环风道29；在加工件3的降温过程中，冷却气体可以在冷却腔室21以及循环风道29中循环流动。

前述两段文字所提供的改进中的任意一种，均可使冷却气体在冷却腔室21中不断流动，这可以显著加快加工件3的散热，并有利于冷却气向与热交换器24转移热量；加工件3的降温过程因而可以被进一步缩短。

应当确保能够及时高效地将温度已经升高的冷却气体的温度重新降低；因此，可以进一步将热交换器24设置于循环风道29中，这样可以使冷却气体与热交换器24的换热过程更为充分和迅速，有利于稳定地维持冷却气体与加工件3的温差。

可以参照上文关于本发明所提供冷却装置的描述以及图2，以便更准确地理解本发明所提供的冷却等离子体处理***中加工件的方法。

以上对本发明所提供的等离子体处理***、其冷却装置，以及冷却等离子体处理***中加工件的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1、一种冷却装置，用于等离子体处理***中加工件的冷却，包括容纳所述加工件的冷却腔室，冷却气体分别通过进气阀门、排气阀门进入或者排出所述冷却腔室，其特征在于，进一步包括用于降低所述冷却腔室中冷却气体温度的热交换器。

2、如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，进一步包括与所述冷却腔室连通的循环风道，以及设于所述循环风道中的动力装置；所述冷却气体在所述动力装置的作用下在所述循环风道以及所述冷却腔室中循环流动。

3、如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述循环风道的进风口位于所述冷却腔室的底部，所述循环风道的出风口位于所述冷却腔室的顶部。

4、如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述热交换器设置于所述循环风道中。

5、如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述热交换器中换热介质的温度或者流量能够调整。

6、一种等离子体处理***，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的冷却装置。

7、一种冷却等离子体处理***中加工件的方法，通过冷却腔室中的冷却气体降低所述加工件的温度，其特征在于，在所述加工件的降温过程中，将所述冷却气体封闭于固定的空间中，并通过热交换器降低所述冷却气体的温度。

8、如权利要求7所述的冷却等离子体处理***中加工件的方法，其特征在于，在所述加工件的降温过程中，所述冷却气体在所述冷却腔室中流动。

9、如权利要求7所述的冷却等离子体处理***中加工件的方法，其特征在于，所述冷却腔室进一步连接有循环风道；在所述加工件的降温过程中，所述冷却气体在所述冷却腔室以及循环风道中循环流动。

10、如权利要求9所述的冷却等离子体处理***中加工件的方法，其特征在于，所述冷却气体由设置于所述循环风道中的热交换器冷却。