半导体晶片温度控制装置的制作方法

1.本发明的技术领域涉及半导体晶片温度控制装置。

背景技术：

2.在常规半导体加工方案中，使用传热流体加热或冷却半导体晶片。此传热流体又使用制冷冷却器来冷却/加热。虽然这具有一些优点，但是其在低能效、与多个传热步骤相关联的损失、装备的大占用空间以及相关联资本和经常性成本方面也具有数个缺点。
3.此外，下一代半导体设备制造工艺（诸如（但不限于）低温蚀刻和沉积）需要比当前情况更冷的温度。这些温度对许多所使用的常规传热流体来说成问题。特别地，当流体温度接近-80至-90c范围时，其粘度、电导率和比热劣化。下一代工艺需要低至-180c的夹头/晶片温度。虽然存在一些可以在下至-110c至-115c的温度范围内工作的传热流体，但是这些流体高度易燃。使用易燃流体是安全风险并且需要额外设计措施来减轻此风险，从而增加系统的总体成本和复杂性。与常规半导体冷却器相关联的另一个问题是如下事实：用于在这些冷却器中产生冷却的热力循环在约
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90 c以下通常非常低效。甚至要实现-90c温度，也需要多个系统（每一系统带有1个压缩机）串联（复叠制冷），从能源和辅助生产层（sub-fab）空间需求的角度来看，这是低效布置。
4.在实验室中使用的一种潜在解决方案将是使用具有约-196c的沸点温度的液氮(ln2)，该温度对于大多数新工艺应用来说足够冷。然而，虽然液氮便于在实验室中使用，但是其使用对于任何类型的商业操作来说都是不切实际的，因为其是非常昂贵的经常性费用。
5.将期望提供一种能够冷却至下一代加工装置中所需的较低温度的具有成本效益的半导体晶片温度控制装置。

技术实现要素：

6.第一方面提供一种用于供应流体以控制半导体加工室内的至少一个半导体晶片的温度的温度控制装置，所述温度控制装置包括：混合制冷剂制冷系统；所述温度控制装置被配置成将所述混合制冷剂供应到所述半导体加工室内的至少一个调节回路并从所述至少一个调节回路接收所述混合制冷剂；其中所述温度控制装置包括用于将所述至少一个调节回路的温度控制至多个预先确定的温度中的一者的温度控制电路系统，所述温度中的至少一者低于-100℃；所述温度控制电路系统被配置成从至少一个温度传感器接收指示所述至少一个调节回路的温度的信号并根据所述所接收的信号和所述预先确定的温度通过控制供应到所述至少一个调节回路的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者来控制所述至少一个调节回路的所述温度。
7.本发明提出一种温度控制装置，其不是使用辅助调节流体来冷却半导体晶片，而是将混合制冷剂制冷系统的混合制冷剂供应到调节回路以冷却或加热晶片。以此方式，并不出现与使用辅助流体相关联的挑战，并且与能量和效率损失以及这种辅助系统所需的额
外占用空间相关联的问题也得到解决。
8.制冷系统是使用混合制冷剂（即，带有具有不同沸点的不同制冷剂的混合物的制冷剂）的制冷系统。这些制冷剂中的至少一些具有在制冷系统的操作冷却温度和压力下的沸点。使用这种类型的制冷系统的优点在于，因为所述制冷剂包括不同制冷剂（其中的至少一些处于两相平衡），因此所述制冷剂不仅能够使用蒸发潜热提供有效冷却，而且还能够在这样做时维持大致稳定温度。在一些实施例中，所述制冷系统是基于自动复叠制冷循环的焦耳汤普森制冷系统。这种制冷系统能够以极佳能效和非常紧凑占用空间实现低至-180c的温度。与复叠制冷冷却器相反，这些制冷系统仅使用一个压缩机来实现这些极低温度。这些制冷系统还具有显著较少数量的整体部件、尤其是具有移动部分的部件，这导致更紧凑占用空间和泵维护之间长得多的时间。
9.所述温度控制装置具有反馈控制，其中来自温度传感器的信号由控制电路用于其对温度的控制，控制电路系统响应于指示所述温度的所感测温度偏离所期望预先确定的温度调节供应到所述至少一个调节回路的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者。
10.在一些实施例中，所述至少一个温度传感器位于调节回路上或靠近于调节回路，并且不是所述温度控制装置的一部分，所述温度控制电路系统无线地或经由有线连接从传感器接收（一个或多个）信号。在其他实施例中，所述温度控制装置包括所述至少一个温度传感器；并且所述温度控制电路系统被配置成通过控制供应到所述至少一个调节回路的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度来控制所述至少一个调节回路的所述温度。
11.在一些实施例中，所述温度控制电路系统被配置成将所述至少一个调节回路的温度控制至150℃和-180℃之间的多个预先确定的温度中的一者，所述预先确定的温度中的至少一者低于-100℃。
12.下一代半导体工艺需要增加的温度范围，其可以在150℃和-180℃之间。实施例能够以混合制冷剂的形式提供调节流体，所述混合制冷剂使用一实施例的温度控制装置在这种温度范围内冷却。在这方面，虽然所述系统通常被配置成冷却半导体晶片，但是在一些实施例中，其也被配置成输出更热的制冷剂以向晶片加工装置提供加热。
13.在一些实施例中，所述装置被配置成将所述混合制冷剂供应到多个调节回路用于冷却或调节多个半导体晶片，所述多个调节回路相互并联布置，所述温度控制装置被配置成在加工循环期间使所述混合制冷剂循环通过所述多个调节回路中的选定调节回路。
14.虽然所述温度控制装置可以被配置成冷却一个半导体加工室内的单个晶片，但是在一些实施例中，其被配置成供应混合制冷剂以冷却并联布置的多个晶片。以此方式，所述装置可以有效地控制半导体制造工厂内的多个半导体加工室中的温度。在这方面，由于调节回路通过混合制冷剂的供应而直接被冷却，因此通过对所供应的混合制冷剂的质量流率、温度或组成的适当控制，可以从单个制冷系统获得不同温度。
15.在一些实施例中，所述温度控制电路系统被配置成通过控制供应到所述多个调节回路中的每一者的所述混合制冷剂的质量流率、温度或组成中的至少一者来个别地控制所述多个调节回路的温度。
16.虽然所述温度控制装置可以将相同制冷剂传送到所述调节回路中的每一者，但是在一些实施例中，其被配置成个别地控制传送到当前正被加工的选定多个调节回路中的每
一者的制冷剂的质量流率、温度或组成。以此方式，所述温度控制装置可以用于控制可以独立地处于加工循环内的不同阶段的多个加工室内的温度。
17.在一些实施例中，所述温度控制电路系统被配置成从多个温度传感器接收指示每一所述多个调节回路的温度的信号并根据所述所接收的信号和所述预先确定的温度通过控制供应到所述多个调节回路中的每一者的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者来控制所述多个调节回路的所述温度。
18.在一些实施例中，所述温度控制装置包括旁通混合制冷剂通道，用于围绕所述制冷系统的至少一部分引导从所述压缩机输出的所述混合制冷剂的一部分，使得所述旁通通道中的混合制冷剂比由所述制冷系统输出的混合制冷剂更热；其中所述温度控制电路系统被配置成通过控制来自所述旁通通道的所述混合制冷剂与供应到所述晶片调节回路的从所述制冷系统输出的所述混合制冷剂的比例来控制输出到所述多个调节回路中的所述选定调节回路中的每一者的所述混合制冷剂的温度。
19.一种控制传送到所述调节回路中的每一者的制冷剂的温度的方式是朝向调节回路引导从压缩机输出的一些混合制冷剂，使得已经通过制冷系统的经加热混合制冷剂或经冷却混合制冷剂或两者的混合物可以被提供到所述调节回路中的每一者。虽然在此实施例中，经加热制冷剂可以与经冷却制冷剂混合以实现所期望温度，但是在其他实施例中，经加热制冷剂可以在热交换器中用于在经冷却制冷剂进入调节回路之前以所期望温度使经冷却制冷剂加热。
20.在一些实施例中，可以使用通过混合来自压缩机的混合制冷剂和来自制冷系统的混合制冷剂提供的温度控制来提供总体温度控制，其中其他温度控制机制（诸如对混合制冷剂的质量流率控制）提供更精细的温度控制。
21.在一些实施例中，所述温度控制装置包括：用于控制进入到所述至少一个调节回路中的制冷剂流的至少一个阀。
22.一种控制调节回路内的温度的相对简单方式是使用阀控制进入到调节回路中的制冷剂流。
23.在一些实施例中，所述至少一个阀包括以下中的至少一者：开/关阀以及比例控制阀。
24.用于控制混合制冷剂流的阀可以是简单开/关阀和/或比例控制阀。在任一情况下，可能有利的是，使用快速循环或快速反应阀来提供所需反应时间和灵敏度。开/关阀可以是快速循环电磁阀。比例控制阀可以是伺服或步进马达致动的阀。
25.在一些实施例中，所述温度控制装置包括：用于在混合制冷剂进入所述至少一个调节回路之前改变所述混合制冷剂的组成的组成控制设备。
26.由于所述制冷剂是包括不同化合物的混合制冷剂，所述化合物处于不同相，因此一种调整这种混合制冷剂的温度的方式可以是在制冷剂进入调节回路时调整制冷剂的组成和相。
27.在一些实施例中，所述组成控制设备包括：相分离器，通过控制离开所述相分离器的液相制冷剂的质量流率和后续膨胀中的至少一者来控制所述混合制冷剂的所述组成。
28.由于所述混合制冷剂由具有不同沸点的制冷剂形成，因此可以使用相分离器来从混合物中去除至少一些较低沸点制冷剂，并且以此方式改变混合制冷剂的组成。通过控制
分离出的较低沸点制冷剂的量，可以控制混合制冷剂的组成，并且从而控制由混合制冷剂提供的温度控制。
29.混合制冷剂的温度和冷却容量将取决于混合制冷剂流内的制冷剂的气相与液相的比，并且因此，一种控制温度的方式可以是控制混合制冷剂的相组成。这可以例如通过使用膨胀设备来完成。
30.在一些实施例中，所述温度控制装置包括：用于控制至少一个调节回路处的混合制冷剂的压力的蒸发器调压器。
31.在一些情况下，蒸发器调压器可以呈膨胀阀的形式以控制调节回路处的混合制冷剂的压力，并且以此方式控制其温度。
32.在一些实施例中，所述温度控制装置包括：热交换器，所述混合制冷剂的至少一部分流过所述热交换器，所述热交换器被配置成接收至少一种更热流体的受控流。
33.一种控制混合制冷剂的温度的方式是通过使用热交换器。所述热交换器可以具有较高温度流体流，其可以是来自制冷系统的另一部分（诸如来自压缩机，或来自相分离器中的一者）的流体，或者其可以是处于更热温度的流体过程。可以使用流量控制阀来控制两种流体的流量，并且因此控制制冷剂的温度。热交换器可以位于所述至少一个调节回路之前。
34.在一些实施例中，所述温度控制装置包括：用于控制所述混合制冷剂的膨胀、并且因此控制所述至少一个调节回路内的所述混合制冷剂的压力的膨胀设备。
35.可以使用膨胀设备控制混合制冷剂的温度，所述膨胀设备在混合制冷剂进入所述至少一个调节回路之前控制所述混合制冷剂的膨胀。
36.在一些实施例中，所述制冷系统包括至少一个压缩机，所述温度控制电路系统包括用于控制所述至少一个压缩机的排放质量流率的控制电路系统。
37.替代地和/或另外，所述温度控制电路系统可以控制由所述压缩机压缩和输出的制冷剂的量。这又将控制制冷剂的温度，并且可以是提供此控制的能量高效方式。
38.在一些实施例中，所述制冷系统包括并联布置的多个压缩机，所述温度控制电路系统包括用于通过控制以下中的至少一者来控制所述多个压缩机的排放质量流率的控制电路系统：操作的所述多个压缩机的数量；所述多个压缩机中的至少一者的控制速度；以及卸载所述多个压缩机中的至少一者。
39.在许多系统中，制冷系统可以具有多个压缩机，因为这提供更大可靠性并允许所述系统在无需关闭的情况下进行维修。这些压缩机可以并联布置，并且所述温度控制装置可以使用温度控制电路系统控制温度以控制这些压缩机中的一者或多者的排放质量流率。这可以通过控制操作的压缩机的数量和/或所述压缩机中的至少一者的速度和/或所述压缩机中的至少一者的至少部分卸载来完成。这再次是减少压缩机的输出的能量高效方式。
40.第二方面提供一种包括半导体加工室的装置，其包括至少一个调节回路，以及根据第一方面的温度控制装置，所述温度控制装置被布置成使得来自所述温度控制装置的混合制冷剂被供应到所述至少一个调节回路并流过所述至少一个调节回路。
41.第三方面提供一种通过将半导体加工室内的至少一个调节回路的温度控制至多个预先确定的温度中的一者来控制所述半导体加工室内的至少一个半导体晶片的温度的
方法，所述温度中的至少一者低于-100℃；所述方法包括：将混合制冷剂从制冷系统供应到所述半导体加工室内的所述至少一个调节回路；以及从所述至少一个调节回路接收所述混合制冷剂；从至少一个温度传感器接收指示所述至少一个调节回路的温度的信号并且根据所述所接收的信号和所述预先确定的温度通过控制供应到所述至少一个调节回路的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者来控制所述温度。
42.在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述其他特别且优选方面。从属权利要求的特征可以视情况并且按除权利要求中明确阐述的那些组合以外的组合与独立权利要求的特征组合。
43.在一装置特征被描述为可操作以提供一功能的情况下，将了解，这包括提供该功能或者被调适或配置成提供该功能的装置特征。
附图说明
44.现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：图1示出根据一实施例的晶片温度控制装置；图2示出根据一实施例的用于控制多个晶片的温度的装置；并且图3示出根据一实施例的用于以不同温度调节多个半导体晶片的系统。
具体实施方式
45.在任何更详细地论述实施例之前，将首先提供概述。
46.实施例提出一种使用混合制冷剂的制冷系统，诸如基于自动复叠制冷循环的混合制冷剂焦耳汤普森制冷系统。此类制冷系统能够以极佳能效和非常紧凑占用空间实现低至-180c的温度。与复叠制冷冷却器相反，这些制冷系统仅使用一个压缩机来实现这些极低温度。制冷系统还具有显著较少数量的整体部件、尤其是移动部分，这导致更紧凑占用空间和泵维护之间长得多的时间。
47.实施例描述一种用以在一些情况下经由在-180c至+150c温度范围内的夹头调节（加热和冷却两者）半导体晶片、而无需辅助传热流体（冷却剂）的装置。通过将晶片或夹头直接耦接到混合制冷剂焦耳汤普森制冷系统来调节所述晶片或夹头，混合制冷剂焦耳汤普森制冷系统将制冷剂混合物引入到可以在夹头内的调节回路的调节通道中。制冷剂混合物可以是2-5种制冷剂的混合物。实施例提供用于制冷剂的温度控制的手段。
48.实施例适于制造诸如但不限于mram和3d-nand等har设备所需的下一代低温蚀刻和沉积工艺。
49.图1示出用于冷却或加热安装在半导体真空加工室内的半导体晶片夹头上的半导体晶片的半导体晶片温度控制装置。
50.所述半导体晶片温度控制装置包括连接到调节回路20的根据一实施例的温度控制装置100，在此实施例中，调节回路20包括晶片夹头内的通道。温度控制装置100包括极低温制冷系统，其包括用于压缩混合制冷剂的压缩机1和任选油分离器2，油分离器2的第一出口为冷凝器3供料。油分离器2的第二出口经由回油管线130供料回到压缩机吸入管线122。
如果使用无油压缩机，则不需要油分离器2。
51.所述制冷系统是自动制冷复叠系统，并且进一步包括热交换器4、相分离器5、热交换器6、相分离器7和热交换器8以及呈流量计量设备(fmd) 10形式的膨胀设备。所述热交换器提供从较高压制冷剂到较低压制冷剂的热传递。fmd将较高压制冷剂节流至较低压并由于所述节流过程而产生制冷效果。
52.通过制冷过程的供应制冷剂流动路径如下：热交换器4的供应入口由液体管线110供料，并且热交换器4的供应出口为相分离器5的供应入口供料。相分离器5的供应出口为热交换器6的供应入口供料，并且热交换器6的供应出口为相分离器7的供应入口供料。相分离器7的供应出口为热交换器8的供应入口供料。热交换器8的供应出口为到晶片调节回路的制冷剂供应管线供料。
53.通过制冷过程的返回制冷剂流动路径如下：热交换器8的返回入口由来自晶片调节回路20的制冷剂返回管线供料，并且热交换器8的返回出口为热交换器6的返回入口供料。热交换器6的返回出口为热交换器4的返回入口供料。热交换器4的返回出口为到压缩机1的吸入管线122供料。
54.另外，相分离器5的第二出口为fmd 12供料，fmd 12在热交换器6与热交换器8之间的节点处向制冷剂返回路径中供料。相分离器7的第二出口为fmd 11供料，fmd 11在热交换器8与晶片调节回路20返回管线之间的节点处向制冷剂返回路径中供料。
55.在每一情况下，相分离器7和8都用于使液体制冷剂与蒸气制冷剂分离。分离效率从40%变化至100%（即，60%至0%的任何量的液体可以通过第一出口离开）。第一出口优选地是蒸气。到返回路径的第二出口选择性地是液体。来自每一相分离器的液体通过被认定为流量计量设备(fmd)的节流设备膨胀，所述节流设备通常是膨胀阀或毛细管。因此，液体在离开相分离器5和7时处于高压，并且在与返回的低压制冷剂混合时处于低压。
56.图1还示出了温度控制电路系统30，所述温度控制电路系统30被配置成控制供应到半导体晶片回路的混合制冷剂的温度。在此实施例中，所述温度控制电路从温度传感器32接收信号并通过控制制冷系统100中的组份中的一者来控制温度。
57.在一个实施例中，温度控制电路系统30控制压缩机1以控制传送到调节回路20的混合制冷剂的温度。温度控制电路系统30可以从制冷系统的控制器接收指示一个或多个加工室中所需的温度的信号。在此实施例中，压缩机1是并联布置的多个压缩机，并且温度控制电路系统30根据加工室所需的温度并根据由温度传感器32测量的温度（温度传感器32将指示所测量温度的信号传输到控制电路系统30）在任何时候控制操作的压缩机的数量。在其他实施例中，控制电路系统32可以通过控制（一个或多个）压缩机1的加载或速度中的一者来控制所述（一个或多个）压缩机的流率。
58.替代地和/或另外，温度控制可以由对流量控制阀12的合适控制提供，流量控制阀12控制来自相分离器5的液相制冷剂的流量和膨胀。通过控制从相分离器5中出来的液体的膨胀，可以控制剩余混合制冷剂的组成和相。从而提供控制传送到调节回路20的混合制冷剂的热物理性质的能力。
59.在一些实施例中，容纳半导体晶片调节回路的半导体加工室可以远离制冷系统，并且在这种情况下，不是具有监视供应到调节回路的混合制冷剂的温度的温度传感器，而是可以从监视晶片的温度的半导体室控制电路系统接收指示调节回路的温度的信号。
60.图2示出替代实施例，其中制冷系统100为多个调节回路20供料用于调节多个半导体晶片。在此实施例中，温度控制电路系统30通过控制相应膨胀设备10a和10b来控制供应到每一调节回路的制冷剂的温度。在此实施例中，膨胀设备10a和10b呈电子膨胀阀的形式，并且因此控制制冷剂的温度。
61.图3示出替代实施例，其中从压缩机1输出的更热的气体被引导至任选油分离器2并从那里引导至三个不同通道中的一者或多者。一个通道引导流通过自动复叠制冷系统，使得所述流体被冷却，并且另两个通道朝向两个调节回路20中的每一者引导流体。朝向调节回路的通道包括控制流量的阀26a和26b。这些通道中的流朝向调节回路流动并且可以在流入调节回路之前与来自制冷系统的经冷却流体汇合。应注意，虽然示出两个调节回路，但是可能存在任何数量的调节回路和对应气体流动通道。
62.如上所述，制冷系统使用针对图1所述的自动复叠系统冷却从压缩机输出的流体。经冷却流体朝向连接到每一调节回路20的输出传送。来自压缩机的更热的气体也被朝向这些输出引导。
63.温度控制电路系统30可以提供温度控制，温度控制电路系统30从半导体加工控制电路系统接收指示每一室、并且因此每一调节回路所需的温度的信息。温度控制电路系统30控制每一热气体管线中的阀26a和26b以及制冷管线中的阀27a和27b以给出更热和更冷流体的受控流量并在调节回路处提供所需温度。因此，如果要使调节回路中的一者或多者加热，则关闭来自制冷系统的阀27a或27b中的一者或两者并打开阀26a或26b中的一者或多者，从而允许来自压缩机的热气体进入到相应调节回路中以使晶片加热。可能的是，两个室处于循环中的不同点处，并且一个室被加热，而另一个室被冷却，并且这可以通过对阀的控制来完成。
64.通过打开阀26、27中的每一者达一定量或达一定时间来混合这两种流，可以提供进一步温度控制。在此情况下，温度传感器32a和32b向温度控制电路系统提供信号，从而允许其根据需要调节流量。
65.在其他实施例中，通过其他手段（诸如通过对膨胀设备的控制或对压缩机的控制，或者使用比例流量控制阀对流率的控制）提供更多样或更精确温度控制。
66.上文描述的制冷系统使用包括许多不同制冷剂的混合制冷剂。制冷剂掺和物可以包含属于以下类别中的一者或多者的个别组份：有机化合物、无机化合物、不饱和有机化合物、非共沸混合物、共沸混合物、天然制冷剂（n2、nh3、甲烷、乙烷、co2等等）、惰性气体（氩气、氖气等等）。
67.所述制冷剂充当调节回路中的调节流体，使得使用所述制冷剂掺和物作为调节流体直接调节半导体晶片夹头。制冷系统的最冷点处的制冷剂掺和物通常由2-5种成分组成。提出将制冷剂掺和物引入到加工装置内部的调节回路中，诸如半导体夹头内。因此，所述夹头直接耦接到制冷系统。此布置允许工作流体（制冷剂混合物）从加热循环或在加热循环中吸收热以便以高效方式向晶片夹头提供热。这导致比通过使用辅助传热流体获得的传热效率高至少一数量级的传热效率。
68.在要从晶片提取热时的工作循环（操作模式）中，制冷剂混合物可以利用显热和潜热热去除模式。流体的潜热容量比显热容量高几个数量级。然而，为了使潜热容量发挥作用，工作流体需要发生相变（液体到蒸气）。在若干实施例中，多组份制冷剂混合物在其进入
调节回路时处于混合相（液体-蒸气混合物）。当暴露至来自夹头的热时，混合物的液相成分蒸发、从而吸收潜热，而蒸气相成分从晶片吸收显热。当流体在恒定压力下发生相变时，其温度也保持恒定。在本发明中利用此热力学性质来在均匀温度下吸收热。由于潜热容量比显热容量大得多，因此大部分热被正经历相变的成分吸收。这又意味着调节回路内部的温度基本上保持恒定，这是任何半导体加工应用的重要要求。
69.实施例的另一重要优点是具有多个独立晶片调节回路的能力，所述晶片调节回路可以同时调节多个夹头、并且在一些实施例中若干晶片夹头。这绘示在图2和图3中。
70.对晶片夹头的加热：流入晶片夹头的制冷剂可以借助于电加热器或者经由与来自压缩机的热排放的热交换或者经由与来自系统的中间部件的热制冷剂或压缩机排放口处的热制冷剂的热交换被加热至所需设定点温度，所述制冷剂可以直接循环通过半导体夹头。上述手段中的每一者可以独立或协力使用以达到所需加热能力和温度。
71.应注意，实施例的温度控制装置通过控制传送到用于加热或冷却晶片的调节回路的调节流体的温度来提供温度控制。所述调节回路可以位于晶片支撑件中，所述晶片支撑件可以是夹头或冷板。
72.本发明的实施例通过使用温度控制电路系统提供温度控制，所述温度控制电路系统控制制冷系统内的组份以通过改变输出到调节回路的制冷剂的相组成、压力、其质量流率或其温度来改变由所述制冷剂提供的冷却。以下设计可以独立或协力地使用：1. 借助于开/关阀控制进入晶片夹头的冷制冷剂的质量流率。此阀可以被气动或电气致动。一个实例可以是快速循环电磁阀。
73.2. 借助于比例控制阀控制进入晶片夹头的冷制冷剂的质量流率。一个实例可以是伺服或步进马达致动的阀。
74.3. 借助于膨胀设备控制饱和液体流在其进入半导体晶片夹头之前的膨胀。此设备可以是一个或多个毛细管、恒温膨胀阀、电子膨胀阀或这些选项的组合。
75.4. 借助于热交换器在冷制冷剂进入晶片夹头之前向所述冷制冷剂添加热。此热交换器（单程/多程、单通道/多通道）可以具有可以与冷制冷剂交换热的1个或多个流体流（处于更热温度）。可以使用开/关循环或比例流量控制阀控制通过热交换器的所有流体的流率。
76.5. 借助于热交换器在冷制冷剂进入晶片夹头之前向所述冷制冷剂添加热。此热交换器（单程/多程、单通道/多通道）可以具有可以与冷制冷剂交换热的处于更热温度的水或任何其他可用工艺流体（不是低温冷却器的一部分）。可以使用开/关循环或比例流量控制阀控制通过热交换器的所有流体的流率。
77.6. 通过使来自制冷系统的另一部分的受控量的热制冷剂与冷制冷剂流混合来获得处于目标温度的混合物。可以经由开/关循环或比例流量控制阀控制所述流体的质量流率。
78.7. 通过改变进入晶片夹头的混合制冷剂流的组成。这可以通过改变制冷系统的
‘
堆栈(stack)’的操作参数（温度和压力）来完成。可以通过控制从一个或多个相分离器中出来的液体制冷剂的流率来改变堆栈参数。这可以借助于诸如开/关阀、比例控制阀、恒温膨胀阀、电子膨胀阀等等流量控制设备/减压设备（项目11、12）完成。
79.8. 通过改变压缩机的排放质量流率。这可以借助于压缩机卸载机、变速压缩机等
等完成。
80.9. 在使用压缩机撬块（compressor skid）（并联操作的多个压缩机）的情况。通过借助于打开/关闭个别压缩机或使用vfd来使个别压缩机减速或通过根据需要卸载个别压缩机来改变压缩机撬块的总体排放质量流率。
81.10. 通过使压缩机排放质量流的一部分转移，使得其在不通过制冷系统的其余部分的情况下再循环回到压缩机。实质上，使制冷剂质量流的一部分短路。这可以借助于排放压力控制阀、热气旁通阀、开/关电磁/气动流量控制阀、比例流量控制阀等等完成。
82.11. 通过使用epr（蒸发器调压器）阀来控制半导体晶片夹头处的制冷剂混合物的饱和压力，并且从而控制温度。
83.在若干实施例中，所述制冷系统包含用于监视压力、温度、流率、压缩机电流等等的在半导体调节/加工行业中普遍存在的测量/感测设备（热电偶、压力变送器、流量计、电流计）。这些可以是标准或定制类型的测量设备。由于行业中普遍存在的各种可用选项，因此可以不详细提及这些测量设备的数量和类型。
84.低温冷却器内部的一个或多个控制器（标准或定制）记录、存储和分析来自测量设备的读数（温度、压力、质量流率等等）。这些控制器可以是标准或定制基于微处理器的控制器、plc类型控制器、pid类型控制器，仅列举几个选项。所述控制器可以是上文列举（但不限于）的多种类型的控制器选项的组合。所述制冷系统还具有存储关于系统和/或工艺参数的数据的能力，所述数据诸如但不限于温度、压力、流率、电流、功耗等等。所述制冷系统也能够进行远程操作，其中所述单元可以由远程操作员或计算机控制。所述制冷系统可以借助于可以是有线或无线数据连接的标准或定制协议（以太网、以太网ip、usb等等，仅列举几例）与其他制冷系统、远程操作员（人或计算机）通信。
85.总之，实施例可以提供以下优点：1. 可能的大设定点温度包络，-180c至+150c2. 以高冷却容量（几千瓦范围）和高能效在下至-180c温度下调节半导体晶片夹头的能力3. 与当今半导体冷却器相比，晶片夹头处的显著更高的传热效率4. 利用制冷剂的高潜热容量来从半导体晶片夹头去除热的能力5. 与当今半导体冷却器相比，显著更高的整体能效（千瓦/千瓦冷却容量）6. 在-180c至+150c范围内的用户可设定温度下对半导体晶片夹头进行温度控制的能力7. 比当今半导体冷却器高出一数量级的占用空间效率（千瓦冷却容量/制冷系统的单位面积）8. 消除需要辅助传热流体以及相关联成本、空间和维护要求9. 消除与流体之间的多个传热步骤相关联的固有低效率10. 快得多的启动时间，因为在系统可以开始操作之前无需冷却/加热大量流体11. 低热惯性和对温度设定点或操作模式（冷却、加热）的变化快得多的响应时间12. 同时调节多个半导体晶片夹头的能力，因为多个冷却/加热电路可用13. 较低泄漏概率，因为缺少传热流体总之，实施例包括混合制冷剂制冷系统，其包括基于自动复叠热力循环工作的闭
环温度控制装置。这种系统中的工作流体是制冷剂的混合物（掺和物）。基于制冷剂掺和物的性质（热物理和电学）选择制冷剂掺和物的每一成分，所述性质包括但不限于饱和温度、比热、电导率、介电强度、与其他制冷剂的混溶性等等。
86.虽然本文中已经参考附图详细公开本发明的说明性实施例，但是应理解，本发明并不限于所述精确实施例，并且本领域技术人员可以在不背离如由所附权利要求书及其等效内容限定的本发明的范围的情况下在本文中实现各种改变和修改。
87.附图标记1
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压缩机2
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油分离器3
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冷凝器4
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热交换器5、7、25
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相分离器6
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热交换器8
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热交换器9
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压力容器10、11、12
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膨胀设备20
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调节回路26a、26b、27a、27b 阀30
ꢀ–
温度控制电路系统32、32a、32b 温度传感器100温度控制装置。

技术特征：

1.一种用于供应流体以控制半导体加工室内的至少一个半导体晶片的温度的温度控制装置，所述温度控制装置包括：混合制冷剂制冷系统；所述温度控制装置被配置成将所述混合制冷剂供应到所述半导体加工室内的至少一个调节回路并从所述至少一个调节回路接收所述混合制冷剂；其中所述温度控制装置包括用于将所述至少一个调节回路的温度控制至多个预先确定的温度中的一者的温度控制电路系统，所述温度中的至少一者低于-100℃；所述温度控制电路系统被配置成从至少一个温度传感器接收指示所述至少一个调节回路的温度的信号并根据所述所接收的信号和所述预先确定的温度通过控制供应到所述至少一个调节回路的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者来控制所述至少一个调节回路的所述温度。2.根据任一前述权利要求所述的温度控制装置，其中所述温度控制装置包括：所述至少一个温度传感器。3.根据权利要求1或2所述的温度控制装置，其中所述装置被配置成将所述混合制冷剂供应到多个调节回路用于冷却或调节多个半导体晶片，所述多个调节回路相互并联布置，所述温度控制装置被配置成在加工循环期间控制所述混合制冷剂通过所述多个调节回路中的选定调节回路的循环。4.根据权利要求3所述的温度控制装置，其中所述温度控制电路系统被配置成通过控制供应到所述多个调节回路中的每一者的所述混合制冷剂的质量流率、温度或组成中的至少一者来个别地控制所述多个调节回路的温度。5.根据权利要求4所述的温度控制装置，其中所述温度控制电路系统被配置成从多个温度传感器接收指示每一所述多个调节回路的温度的信号并根据所述所接收的信号和所述预先确定的温度通过控制供应到所述多个调节回路中的每一者的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者来控制所述多个调节回路的所述温度。6.根据任一前述权利要求所述的温度控制装置，其包括：旁通混合制冷剂通道，用于围绕所述制冷系统的至少一部分引导从所述压缩机输出的所述混合制冷剂的一部分，使得所述旁通通道中的混合制冷剂比由所述制冷系统输出的混合制冷剂更热；其中所述温度控制电路系统被配置成通过控制来自所述旁通通道的所述混合制冷剂和从所述制冷系统输出的所述混合制冷剂中的至少一者到所述至少一个晶片调节回路的供应来控制输出到所述多个调节回路中的所述选定调节回路中的每一者的所述混合制冷剂的温度。7.根据任一前述权利要求所述的温度控制装置，其中所述温度控制装置包括：用于控制进入到所述至少一个调节回路中的制冷剂流的至少一个阀。8.根据权利要求7所述的温度控制装置，其中所述至少一个阀包括以下中的至少一者：开/关阀和比例流量控制阀。9.根据任一前述权利要求所述的温度控制装置，其中所述温度控制装置包括：用于在所述混合制冷剂被供应到所述至少一个调节回路之前改变所述混合制冷剂的组成和相的组成控制设备。
10.根据权利要求9所述的温度控制装置，其中所述组成控制设备包括：相分离器，通过控制离开所述相分离器的液相制冷剂的质量流率和后续膨胀中的至少一者来控制所述混合制冷剂的所述组成。11.根据权利要求9或10所述的温度控制装置，其中所述组成控制设备包括用于控制所述混合制冷剂的相组成的设备。12.根据权利要求11所述的温度控制装置，其中所述温度控制装置包括：用于控制供应到所述至少一个调节回路或从所述至少一个调节回路接收的所述混合制冷剂的压力的蒸发器调压器。13.根据前述权利要求所述的温度控制装置，其中所述温度控制装置包括：热交换器，所述混合制冷剂的至少一部分流过所述热交换器，所述热交换器被配置成从所述制冷剂系统的另一部分接收至少一种更热流体的受控流。14.根据任一前述权利要求所述的温度控制装置，其中所述温度控制装置包括：用于控制所述混合制冷剂的膨胀、并且因此所述至少一个调节回路内的所述混合制冷剂的压力和温度的膨胀设备。15.根据任一前述权利要求所述的温度控制装置，其中所述制冷系统包括至少一个压缩机，所述温度控制电路系统包括用于控制所述至少一个压缩机的排放质量流率的控制电路系统。16.根据权利要求15所述的温度控制装置，其中所述制冷系统包括并联布置的多个压缩机，所述温度控制电路系统包括用于通过控制以下中的至少一者来控制所述多个压缩机的排放质量流率的控制电路系统：操作的所述多个压缩机的数量；所述多个压缩机中的至少一者的控制速度；以及卸载所述多个压缩机中的至少一者。17.一种包括半导体加工室的装置，其包括至少一个调节回路，以及根据任一前述权利要求所述的温度控制装置，所述温度控制装置被布置成使得来自所述温度控制装置的混合制冷剂被供应到所述至少一个调节回路。18.一种通过将半导体加工室内的至少一个调节回路的温度控制至多个预先确定的温度中的一者来控制所述半导体加工室内的至少一个半导体晶片的温度的方法，所述温度中的至少一者低于-100℃；所述方法包括：将混合制冷剂从制冷系统供应到所述半导体加工室内的所述至少一个调节回路；从所述至少一个调节回路接收所述混合制冷剂；以及从至少一个温度传感器接收指示所述至少一个调节回路的温度的信号并且根据所述所接收的信号和所述预先确定的温度通过控制供应到所述至少一个调节回路的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者来控制所述温度。

技术总结

一种用于供应流体以控制半导体加工室内的至少一个半导体晶片的温度的温度控制装置，所述温度控制装置包括：混合制冷剂制冷系统；所述温度控制装置被配置成将所述混合制冷剂供应到所述半导体加工室内的至少一个调节回路并从所述至少一个调节回路接收所述混合制冷剂。所述温度控制装置包括用于将所述至少一个调节回路的温度控制至多个预先确定的温度中的一者的温度控制电路系统，所述温度中的至少一者低于-100℃，所述温度控制电路系统被配置成通过控制供应到所述至少一个调节回路的所述混合制冷剂的质量流率、组成或温度中的至少一者来控制所述至少一个调节回路的温度。少一者来控制所述至少一个调节回路的温度。少一者来控制所述至少一个调节回路的温度。