致冷系统和用该系统冷却基座的方法技术方案

喷雾热交换器含有至少一个喷嘴，其作用是将初级致冷介质导向输送次级致冷介质的热交换元件上。初级致冷介质是以细雾状被喷嘴喷射在输送次级致冷介质的热交换元件上的。其后，初级致冷介质因蒸发而冷却热交换元件内的次级致冷介质。套管式热交换器是一种含有内管及外管的逆流热交换器，内管用来使次级致冷介质输送至喷雾热交换器，环绕内管的外管使得在罩式真空压力容器内腔中回收了的初级致冷介质被输送至压力容器之外。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种致冷系统以及用该系统冷却致冷对象的方法，本专利技术尤其涉及工作原理基于初级和次级致冷介质并因此而具有高效能及深冷致冷能力的致冷系统。半导体晶片的制造工艺含有许多工序，其中，晶片的等离子蚀刻工序需要使晶片加工装置处于冷却状态。晶片加工装置上处于晶片下侧的那一部分被称为基座，晶片的冷却便是通过对基座致冷而实现的。基座的致冷方式是使低温的流体致冷介质流经基座内部的通道。对基座的致冷温度结果影响着晶片的等离子浸蚀速度或蚀刻速度。半导体制造工艺中一个令人感兴趣的问题是设法以分段加工形式改变蚀刻速度，例如，先用高蚀刻速度蚀刻晶片的大部区域，然后降低蚀刻速度以缩小蚀刻宽度。要实现蚀刻速度的分段变化，基座的温度必须能够快速改变。一系列的分段温度变化可以由一个具有预设温控程序的控制系统对冷却系统加以控制来实现。为半导体工业所常用的冷却系统含有很大的机械致却冷系统，通常要使用氟利昂，它可以满足上述蚀刻速度分段变化的冷却要求。然而，在空间占用要求较为苛刻的电子工业应用场合中，上述机械致冷系统因体积过大而显示出一定的缺点。氟利昂致冷系统的另一个缺陷是它在低温工况下的低效问题。另外，在用于上述基座，尤其是在采用具有预设温控程序的控制系统时，普通的氟利昂致冷系统往往不能精确地达到所需温度值。如本专利技术所述的致冷系统采用了初级和次级致冷介质，这样可以使系统在获得低至深冷的温度状态时产生稳定的冷却功率。与使用氟利昂的普通机械致冷系统相比，所专利技术的致冷系统具有很高的效率和较小的体积。作为本专利技术的要点之一，所述致冷系统包括同时容纳有喷雾热交换器和套管式热匀换器的罩式真空压力容器。对液体的气化热具有还原作用的喷雾热交换器包含有至少一个对初级致冷介质加以导流的喷嘴和一套用来输送次级致冷介质加以导流的喷嘴和一套用来输送次级致冷介质的致冷介质输送系统。上述至少一个喷嘴将初级致冷介质导向致冷介质输送系统，从而使初级致冷介质接触到并冷却致冷介质输送系统，这样便使流经输送系统内部的次级致冷介质得以冷却。对于从上述喷雾热交换器中至少一个喷嘴喷射出的初级致冷介质来说，套管式热交换器对其可用焓值再次利用，该热交换器含有内管和围绕内管的外管，内管可使次级致冷介质被输送到喷雾热交换器的致冷介质输送系统中，外管用来输送在喷雾热交换器中已被还原的初级致冷介质。作为本专利技术的另一要点，所述致冷系统包括以下部分罩式真空压力容器；初级液体致冷介质输送系统，它含有装在罩式真空压力容器内部的至少一个喷嘴；以及次级致冷介质循环系统，它使次级致冷介质形成经过罩式真空压力容器的循环运动而到达致冷对象。上述至少一个喷嘴的设备方式可以保证初级液体致冷介质被喷射到次级致冷介质循环系统的某一部分上。被喷射的初级液体致冷介质因蒸发而使次级致冷介质循环系统内的次级致冷介质得到冷却。罩式真空压力容器内设有气体回收系统，它使得用以预冷次级致冷介质的已蒸发初级致冷介质得以再利用。作为本专利技术的又一个要点，所述对致冷对象的冷却方法采用了由容纳在罩式真空压力容器内部的喷雾热交换器与逆流热交换器组合元件构成的致冷系统。该方法包含的步骤有提供液态的初级和次级致冷介质；用喷雾热交换器将初级致冷介质喷射在含有次级致冷介质的集流管上，靠初级致冷介质的蒸发对次级致冷介质加以冷却；在逆流热交换器中使已蒸发的初级致冷介质再次利用；用逆流热交换器中已蒸发的初级致冷介质预冷次级致冷介质；通过次级致冷介质的循环冷却致冷对象。本专利技术的另一个要点是提出了一对半导体晶片加工工艺中的基座的冷却方法。该方法包含以下步骤提供液态的初级和次级致冷介质；用喷雾热交换器将初级致冷介质喷射在含有次级致冷介质的集流管上，靠初级致冷介质的蒸发对次级致冷介质加以冷却；在套管式热交换器中使已蒸发的初级致冷介质再次利用；用套管式热交换器中的已蒸发初级致冷介质预冷次级致冷介质；通过控制初级和次级致冷介质两者中至少一方的流量而将基座冷却至所需温度。附图简介以下结合附图对本专利技术的各个方面加以更详细的介绍，各附图中的相同元件用相同的标示符表示，其中附图说明图1是如本专利技术所述技术的流体流程图及控制系统框图；图2是如本专利技术所述致冷系统的侧视截面示意图，该图仅表示了套管式热交换器的某一部分；图3是将图2所示致冷系统旋转90°后得到的侧视截面示意图，该图仅表示了套管式热交换器的某一部分；图4是图2和图3所示致冷系统的俯视截面示意图；图5是半导体加工工艺测试台的侧视图；图6是如本专利技术所述喷雾热交换器元件的侧视图；图7是图6所示喷雾热交换器元件的截面放大视图；图8所示曲线将本专利技术液氮致冷系统的相对效率与普通的氟利昂致冷系统做了比较；图9所示曲线表示了基座上不同位置的温度时变特性。上述附图仅为示意图，不具真实比例。如本专利技术所述的致冷系统采用了初级和次级致冷介质，其致冷效果在较低温度下优于普通氟利昂致冷系统，其系统结构也比普通致冷系统紧凑。该致冷系统含有喷雾热交换器20与套管式热交换器30的组合部件，该组件装在某一单个的罩式真空压力容器10中。图1是本专利技术流体流程及控制系统的示意图。该致冷系统的基本元件包含罩式真空压力容器10，喷雾热交换器20，套管式逆流热交换器30以及控制单元40。液态的初级致冷介质(推荐使用液氮)是从某一加压的致冷介质源12传递而来的。本专利技术在此考虑以液氮为初级致冷介质质的热交换器。不过，在本专利技术的构想范围内，根据使用要求而采用其它类型致冷介质的方案也是可以接受的，并不超出本专利技术的范围。例如，可以将氮，氩，氪，氖以及它们的混合物作为初级致冷介质。初级致冷介质还可以包含一定量的杂质。出自致冷介质源12并由电磁阀14控制的液态氮N2在进入喷雾热交换器20后经由其中的一个或多个喷嘴(图中未加表示)而被喷射出来。喷射N2的喷嘴可使N2呈细雾状并使该细雾直接作用在次级致冷介质输送系统上。N2会随之蒸发，其汽化热的作用可以冷却输送系统中的次级致冷介质。下文将结合图2-4详细介绍喷雾热交换器20的结构及工作原理。在经由喷雾热交换器20的喷嘴喷射并蒸发后，罩式真空压力容器10中的气态N2被回收并进入套管式热交换器30中。在喷雾热交换器中蒸发之后，进入套管式热交换器30中的气态N2仍具有较低的温度。这种低温气态N2所具有的可用焓值可再被用于对反向流经套管式热交换器30中的次级致冷介质加以预冷。下文将会对套管式热交换器30的结构及工作原理加以描述。离开套管式热交换器30的气态N2会在电磁阀16的控制下由氮气排气口28排出。在如本专利技术所述的封闭式次级致冷系统中，次级致冷介质的循环运动可使某一物体受到冷却，该物体可以是用于半导体晶片制做工艺中的基座。次级致冷介质可以是丙烷，乙醇，丙烯，甲烷，氨水，正丁烷，异丁烷，或者是它们的混合物，还可以是其它适当的致冷介质。在封闭的次级致冷系统中，某一致冷介质回送装置32可使次级致冷介质从被冷却的致冷对象处回流。次级致冷介质在泵18的作用下通过循环运动而进入套管式热交换器30中并在其中被N2气体预冷。在出自套管式热交换器30的次级致冷介质流经喷雾热交换器20时，完整的致冷过程便实现了。其后，次级致冷介质会被输送到致冷介质馈料装置34中并在此处被用来冷却诸如基座一类的物体。对于流经上述封闭系统的次级致冷介质的流程控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
对半导体晶片加工工艺所需基座的冷却方法，它包括以下步骤：提供液态的初级致冷介质和次级致冷介质；将初级致冷介质喷射在位于压力容器中的某一元件上以使初级致冷介质蒸发；在热交换器中回收已蒸发的初级致冷介质；使次级致冷介质经由热交换 器输送，用已蒸发的初级致冷介质预冷次级致冷介质；将已预冷的次级致冷介质输送至上述元件以进一步冷却之；以及控制初级和次级致冷介质二者至少一方的流量以使基座被冷却至所需温度。

【技术特征摘要】
US 1995-9-15 5291381．对半导体晶片加工工艺所需基座的冷却方法，它包括以下步骤提供液态的初级致冷介质和次级致冷介质；将初级致冷介质喷射在位于压力容器中的某一元件上以使初级致冷介质蒸发；在热交换器中回收已蒸发的初级致冷介质；使次级致冷介质经由热交换器输送，用已蒸发的初级致冷介质预冷次级致冷介质；将已预冷的次级致冷介质输送至上述元件以进一步冷却之；以及控制初级和次级致冷介质二者至少一方的流量以使基座被冷却至所需温度。2．如权利要求1所述的基座致冷方法，其特征在于通过控制次级致冷介质的流量来实现分段式冷却。3．一种包括以下部分的致冷系统；压力容器；还原初级致冷介质汽化热的初级热交换器，它位于压力容器内并含有至少一个喷嘴和一套用来输送次级致冷介质的致冷介质输送系统，上述至少一个喷嘴将初级致冷介质导向致冷介质输送系统，从而使致冷介质输送系统内部的次级致冷介质得到冷却；以及次级热交换器，它可再利用自初级热交换器中上述至少一个喷嘴的初级致冷介质所具有的可用焓值，该次级热交换器位于压力容器内并含有内管和环绕内管的外管，内管用来将次级致冷介质输送至初级热交换器的致冷介质输送系统中，外管接收由初级热交换器回收的初级致冷介质并因此而使次级致冷介质在被输送到致冷介质输送系统之前得到预冷。4．如权利要求3所述的致冷系统，其特征在于次级致冷介质为氮。5．如权利要求3所述的致冷系统，其特征在于次级致冷介质是丙烷，乙醇，丙烯，甲烷，氨水，正丁烷，异丁烷等物质中的一种，或是它们的混合物。6．如权利要求3所述的致冷系统，其特征在于初级热交换器是喷雾热交换器。7．如权利要求3所述的致冷系统，其特征在于次级热交换器是套管式热交换器。8．如权利要求3所述的致冷系统，其特征在于初级热交换器的致冷介质输送系统含有多条与集流管相通的管路，其特征还在于上述至少一个喷嘴中的两个喷嘴可将初级致冷介质从多条管路的相反两侧导向上述多条管路。9．如权利要求3所述的致冷系统，其特征在于它还包括液控随动阀及电磁阀，它们的作用是控制次级致冷介质向致冷对象的流量。10．如权利要求9所述的致冷系统，其特征在于它还包括分流阀，其作用是使次级致冷介质形成经过初级和次级热交换器的回流。11．如权利要求10所述的致冷系统，其特征在于它还包括按照预设温控程序对液控随动阀，电磁阀及分流阀加以控制的控制系统。12．如权利要求3所述的致冷系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫E帕加内西，
申请(专利权)人：液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]