RF功率电子装置的冷却系统的制作方法

本申请要求2017年2月16日提交的美国申请no.15/435,178的优先权利益，其通过引用并入本文以用于所有目的。

本公开涉及一种在半导体晶片上形成半导体器件的方法。更具体地，本公开涉及用于等离子体或非等离子体处理半导体器件的系统。

背景技术：

在形成半导体器件时，叠层在等离子体处理室中经受处理。这种室使用rf功率发生器来产生和维持等离子体。

技术实现要素：

为了实现上述目的并根据本公开的目的，提供了一种冷却装置。提供了至少一个功率电子部件。流体密封外壳(afluidtightenclosure)围绕至少一个功率电子部件。惰性介电流体至少部分地填充流体密封容器并且与至少一个功率电子部件接触。

在另一种实现形式中，提供了一种用于处理衬底的装置。提供处理室。衬底支撑件支撑处理室内的衬底。提供气体源。气体入口流体连接在气体源和处理室之间。电源用于向所述处理室内提供rf功率，该电源包括：用于提供rf功率的rf功率电子部件和用于冷却所述rf功率电子部件的冷却系统，该冷却系统包括围绕所述rf功率电子部件的冷却室和用于在所述冷却室内循环冷却剂的泵。

本发明的这些特征和其它特征将在下面在本发明的详细描述中并结合以下附图进行更详细的描述。

附图说明

在附图中以示例而非限制的方式示出了本公开，并且附图中相同的附图标记表示相似的元件，其中：

图1是可以在实施方案中使用的等离子体处理室的示意图。

图2是电源的更详细视图。

图3是另一实施方案中的电源的更详细视图。

图4是另一实施方案中的电源的更详细视图。

具体实施方式

现在将参考附图中所示的几个优选实施方案来详细描述本发明。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，未详细描述公知的工艺步骤和/或结构，以免不必要地使本发明不清楚。

图1是可以在一实施方案中使用的等离子体处理室的示意图。在一个或多个实施方案中，等离子体处理室100包括在处理室149内的提供气体入口的气体分配板106和静电卡盘(esc)108，处理室149由室壁150包围。在处理室149内，衬底104位于esc108的顶部。esc108可以提供来自esc源148的偏置。气体源110通过分配板106连接到处理室149。esc温度控制器151连接到esc108，并且提供对esc108的温度控制。在该示例中，第一连接件113向内部加热器111提供电力以加热esc108的内部区域，第二连接件114向外部加热器112提供电力以加热esc108的外部区域。rf源130向下部电极134和上部电极提供rf功率，在该实施方案中，上部电极为气体分配板106。在优选的实施方案中，2mhz、60mhz和可选的27mhz功率源组成rf源130和esc源148。在该实施方案中，针对每个频率提供一个发生器。在其他实施方案中，发生器可以在单独的rf源中，或者单独的rf发生器可以连接到不同的电极。例如，上部电极可以具有连接到不同rf源的内电极和外电极。在其他实施方案中可以使用rf源和电极的其它布置，例如在另一个实施方案中，上部电极可以接地。控制器135可控地连接到rf源130、esc源148、排放泵120和蚀刻气体源110。这种蚀刻室的一个示例是由lamresearchcorporation(fremont，ca)制造的exelanflex^tm蚀刻系统。

图2是rf源130的更详细视图。在该实施方案中，rf源130包括流体密封外壳204。在流体密封外壳的底部安装有rf功率电子部件。在该实施方案中，rf功率电子部件包括电源208、振荡器212、放大器216、衰减器220和水平控制器224。流体密封外壳至少部分地填充有惰性介电流体228。流体出口232与流体密封外壳204以及惰性介电流体228流体连接。流体入口236与流体密封外壳204以及惰性介电流体228流体连接。泵240流体连接在流体出口232和流体入口236之间。热交换器244和温度传感器248也流体连接在流体入口232和流体出口232之间。介电流体228与rf功率电子部件直接接触。

在该实施方案中，泵240是无颗粒泵，例如磁悬浮(maglev)泵。惰性介电流体228是氟化无氧流体，例如传热流体ht110(kurtj.leskercompany,jeffersonhills,pa)。

在操作中，衬底104安装在esc108上。工艺气体从气体源110流入处理室149。泵240将介电流体228从流体密封外壳204泵送通过流体出口232、热交换器244和温度传感器248到达流体入口236，从而将介电流体228引导回到流体密封外壳204内。从rf电源130向esc108提供rf功率以使工艺气体形成等离子体。

传热流体ht110经fm6930认证的，并提供足够的冷却而不损坏rf功率电子部件。磁悬浮泵240使介电流体228再循环而不添加颗粒，颗粒可能由于可能使部件短路而损坏rf功率电子部件。此外，磁悬浮泵无摩擦，从而减少泵产生的热量。热交换器244散发来自介电流体228的热量。温度传感器248可用于确定系统是否正常工作。因为介电流体是无氧的，所以如果由于故障导致部件过热，则防止冒烟。该部件可能导致介电流体蒸发，但由于缺氧而会是无烟的。介电流体的导热率是空气导热率的三倍以上，并防止水分到达rf功率电子部件。此外，介电流体的热容量远高于空气。在该实施方案中，热交换器244使用珀耳帖冷却。这种珀耳帖冷却可以使用散热片。可以避免冷却风扇，因为风扇会是洁净室中的颗粒产生源。使用磁悬浮泵和散热片代替冷却风扇进行冷却可降低噪音。由于该实施方案在故障时是无烟的，因此可以提供更高的功率而没有产生烟雾的危险。

介电流体228和rf功率电子部件之间的直接接触使rf功率电子部件保持足够冷却以防止rf功率电子部件冒烟或失效。在等离子体处理期间存在烟雾是火灾险情并且可能产生会干扰半导体制造的污染物。

优选地，流体系统是密封系统。隔膜可用于调节压强变化。如果温度升高到高于阈值温度，则水平控制器224可以从温度传感器248接收输入以关闭系统，从而指示系统故障。

惰性介电流体具有高电阻率和高介电强度。惰性介电流体的介电强度值至少为10⁶v/m，电阻率至少为10¹⁰ohm-cm。

图3是另一实施方案中的rf源的更详细视图。在该实施方案中，rf源包括收缩流体密封外壳304。在流体密封外壳中安装有rf功率电子部件。在该实施方案中，rf功率电子部件包括电源308、振荡器312、放大器316、衰减器320和水平控制器324。流体密封外壳至少部分地填充有惰性介电流体。流体出口332与流体密封外壳304以及惰性介电流体流体连接。流体入口336与流体密封外壳以及惰性介电流体流体连接。泵340在流体出口332和流体入口336之间流体连接。热交换器344和温度传感器348也流体连接在流体出口332和流体入口336之间。介电流体328与rf功率电子部件直接接触。该实施方案提供了更小轮廓的电源。另外，通过向电子部件提供近净形流动轮廓(anearnetshapeflowcontour)，可以增加液体速度并且可以减小冷却液体的体积。在其他实施方案中，收缩配合外壳可以用任何流体类型的具有与电子部件的轮廓或由电子部件形成的电子组件的轮廓相匹配的轮廓的外壳代替。

优选的实施方案使用单相冷却方法，因为可以使用单相冷却来除去更大量的热量。在其他实施方案中，可以使用微机电系统(mems)微型泵。在其他实施方案中，可以使用多个入口和/或多个出口。在一些实施方案中，控制器可在测量阈值温度时接通泵。如果使用隔膜，则隔膜可以连接到传感器。优选地，泵产生最小的颗粒。更优选地，泵不含颗粒。

图4是另一实施方案中的rf源的更详细视图。在该实施方案中，rf源包括外壳404。外壳404的底部安装有rf功率电子部件。介电流体428与rf功率电子部件直接接触。在该实施方案中，rf功率电子部件包括电源408、振荡器412、放大器416、衰减器420和水平控制器424。外壳填充有惰性介电流体428。膜432位于惰性介电流体428上方。水层436位于膜432上方。

如果外壳是流体密封的，则水436用作散热器和有限的热交换器。如果外壳不是流体密封的，从而使得汽化水能逸出，那么汽化水就可以作为散热器并且更像是热交换器。

在其他实施方案中，流体可以是硅油或其他介电流体。氟化流体是优选的，因为这种流体倾向于更惰性。无氧液可防止冒烟。在一些实施方案中，泵浸入流体密封外壳中的流体中。在这种情况下，流体入口和流体出口与流体流体连通，但流体入口和流体出口没有连接到外壳壁。

在其他实施方案中可以使用其他功率电子部件。功率电子部件是用于功率电子组件的用于产生用于提供和/或维持等离子体的rf或微波信号的电子部件，以及用于esc、基座的ac和/或dc电源中的电子部件和用于邻近半导体处理室的部件和/或在半导体处理室中的部件的其他高功率电源中的电子部件。功率电子部件可以在高于90℃的温度下操作。功率电子部件在说明书和权利要求中被定义为能够在洁净室环境中以至少100瓦的高功率操作的电子部件，从而功率电子部件部件被制造成接收至少100瓦的功率。对于在用于半导体制造的洁净室中冷却功率电子部件的要求不同于对于在计算机系统中冷却cpu或存储器的要求。计算机系统中的cpu或存储器在低于50℃的温度下操作。计算机系统不具有洁净室所需的相同的颗粒产生限制。此外，计算机系统不具有与功率电子部件相同的传热要求。在其他实施方案中，电子部件可以用在非等离子体处理室中。

在一些实施方案中，优选高于0.31m/s的冷却流体流速。更优选地，流速在0.31m/s和0.96m/s之间。最优选地，冷却流体流速足以引起湍流。当流体雷诺数大于4000时，这种湍流将以上述流速发生。此外，功率电子器件优选地提供不规则的轮廓，这进一步增加了湍流。对于在较低温度下操作的cpu和存储器，使用较慢的流速来提供层流，因为在这种情况下层流是更理想的。

虽然已经根据几个优选实施方案描述了本发明，但是存在落在本发明的范围内的改变、修改、置换和各种替代等同方案。还应当注意，存在实现本发明的方法和装置的许多替代方式。因此，以下所附权利要求旨在被解释为包括落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变、修改、置换和各种替代等同方案。