KR101505497B1 - Small volume symmetric flow single wafer ald apparatus - Google Patents
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Abstract
ALD 반응기 챔버는 이의 둘레에서 환형의 부착된 흐름 고리 도관을 구비하는 수직으로 이동한 가열기-서셉터를 포함하며, 상기 도관은, 가열기-서셉터가 가공 위치에 놓이는 경우에 흐름 고리의 바닥에 대해 웨이퍼 위 및 웨이퍼 아래의 반응기의 외부 공간을 분리시키는 그의 가장자리에서 외부 표면을 갖는다. 서셉터가 가공 위치에 놓이는 경우에, 흐름 고리의 외부 가장자리는, 반응기의 Hd에 부착된 환형 고리에 근접하여 위치하며, 상기 고리 및 도관과 함께 홈내 설상체 (TIG)의 구성을 형성한다. 몇몇의 경우에, 상기 TIG 설계는 계단형 외형 (SC)을 지녀, 이에 의해 반응기의 외부 공간에 대한 하류 가스의 확산-역류를 제한할 수 있다. The ALD reactor chamber includes a vertically moved heater-susceptor having an annular attached flow ring conduit therearound, the conduit having a heater-susceptor disposed about the bottom of the flow loop when the heater- And has an outer surface at its edge separating the outer space of the reactor above the wafer and below the wafer. When the susceptor is placed in the processing position, the outer edge of the flow loop is located close to the annular ring attached to the Hd of the reactor and forms the configuration of the grooved body (TIG) with the ring and the conduit. In some cases, the TIG design has a stepped contour (SC), thereby limiting diffusion-backflow of the downstream gas to the exterior space of the reactor.
Description
본 발명은 축이탈 (off-axis) 웨이퍼 이송 슬롯 밸브 및/또는 축이탈 하류 펌핑 도관에 관련된 가스 흐름의 대칭성을 유지하면서 반응 공간의 용적을 최소화시킴으로써 ALD 주기 시간을 개선시키는 소용적의 대칭 흐름형 원자층 증착 (ALD) 장치에 관한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is based on the discovery that a small, symmetrical flow-type atom that improves the ALD cycle time by minimizing the volume of the reaction space while maintaining the symmetry of the gas flow associated with the off-axis wafer transfer slot valve and / Layer deposition (ALD) device.
ALD 반응기는 다양한 설계 구성을 지닐 수 있다. 종래의 단일 웨이퍼 ALD 반응기의 구성에는 교차 흐름형 설계(cross-flow design)가 포함되는데, 이 설계에서는 화학 전구체의 연속 노출 (펄스) 및 주입된 가스의 제거 (퍼지)가 웨이퍼 표면을 가로질러 실질적으로 수평으로 유동하며, 이들은 또한 수평 방향으로 펌핑되어 배출된다. 웨이퍼의 이송은 가스 흐름 방향에 대해 직각에서 동일한 수평 평면 내에서 이루어질 수 있다. 용어 "진행파 (traveling wave)"는 주입 오리피스로부터 펌프 오리피스까지의 시간 의존적인 전구체 펄스의 이동을 지칭하는데 사용된다 [참조: 예를 들어, T. Suntola, "Atomic Layer Epitaxy" in Handbook of Crystal Growth 3, Huerle ed., Ch. 14, pp. 601 et seq. (1994)].The ALD reactor can have a variety of design configurations. The construction of a conventional single wafer ALD reactor includes a cross-flow design in which continuous exposure (pulses) of the chemical precursor and removal (purge) of the injected gas are carried out substantially And they are also pumped out in the horizontal direction and discharged. The transfer of the wafers can take place in the same horizontal plane at right angles to the gas flow direction. The term "traveling wave" is used to refer to the movement of a precursor pulse in a time-dependent manner from an injection orifice to a pump orifice (see, e.g., T. Suntola, "Atomic Layer Epitaxy" in Handbook of Crystal Growth 3 , Huerle ed., Ch. 14, pp. 601 et seq. (1994).
소위 "순수한" ALD 공정에서, 제 2 전구체가 도입되기 전에 제 1 전구체가 반응 공간으로부터 완전히 제거된다 [참조: S. M. Bedair, "Atomic layer epitaxy deposition processes," J. Vac. Sci. Tech. B12 (1), Jan/Feb, pp. 179 et seq. (1994)]. 그러나, 웨이퍼가 더욱 큰 사이즈, 예를 들어 300 mm 및 450 mm로 규모커지고 주기 시간이 하한에 가까워짐에 따라, 진행파 방향으로 웨이퍼의 가장자리에서 바람직하지 않은 기생 화학적 기상 증착 (CVD)이 일어난다. 이러한 기생 CVD는 제 1 전구체의 분산 추적 테일부와 제 2 전구체의 시작부에서 남아있는 전구체의 시간 및 공간에서의 동시적 공존으로부터 야기되는 바람직하지 않은 화학 반응에 기인한다. 이러한 기생 CVD를 피하기 위해, 펄스 사이에서 전구체의 제거가 이용된다. 이는 종종 긴 제거 시간이 요구된다. 수평의 단일 웨이퍼 설계에서는, 이러한 기생 CVD를 피하기 위해, 제 1 전구체 펄스의 추적 가장자리의 농도를 미량 수준, 예를 들어 제 1 전구체 피크 값의 약 1% 미만의 임의 값으로 감소시켜야 한다 [참조: 예를 들어, 썬톨라 (Suntola)의 미국 특허 제 6,015,590호]. In a so-called "pure" ALD process, the first precursor is completely removed from the reaction space before the second precursor is introduced (see S. M. Bedair, "Atomic layer epitaxy deposition processes," Sci. Tech. B12 (1), Jan / Feb, pp. 179 et seq. (1994). However, undesirable parasitic chemical vapor deposition (CVD) occurs at the edge of the wafer in the traveling wave direction as the wafer becomes larger in size, e.g., 300 mm and 450 mm, and the cycle time approaches the lower limit. This parasitic CVD is due to undesirable chemical reactions resulting from the simultaneous coexistence of the dispersion tracer portion of the first precursor and the remaining precursor at the beginning of the second precursor in time and space. To avoid this parasitic CVD, the removal of the precursor between the pulses is used. This often requires a long removal time. In a horizontal single wafer design, the concentration of the trailing edge of the first precursor pulse must be reduced to a minor level, e. G., Any value less than about 1% of the first precursor peak value, to avoid such parasitic CVD For example, in US Pat. No. 6,015,590 to Suntola.
ALD가 자체 제어형 (self-limiting) 공정이기 때문에, 전구체 제거 기간 -이는 일반적으로 "퍼지 기간"으로 지칭됨- 에 대해 충분한 시간이 이용된다면 CVD가 의미없을 것이기 때문에 전구체의 방향 및 흐름 대칭성은 중요하지 않다고 논의될 수 있다. 그러나, 고 증착율 (두께/단위 시간 또는 낮은 주기 시간)을 위해서는, 퍼지 시간이 상업적인 제조 값을 위해 가능한 최저의 시간에 가까워짐에 따라, 흐름 대칭성은 중요해지게 된다.Since ALD is a self-limiting process, the direction and flow symmetry of the precursor is not important, as CVD will be meaningless if sufficient time is used for the precursor removal period - generally referred to as the "purge period & Can be discussed. However, for high deposition rates (thickness / unit time or low cycle time), flow symmetry becomes important as the purge time approaches the lowest possible time for commercial manufacturing values.
대안적인 단일 웨이퍼 설계는 선-중심 및 선-대칭의 수직 가스 분배 모듈 (GDM)로부터 주입된 (예를 들어, 선-중심 오리피스 또는 샤워헤드를 이용하여) 전 구체 가스를 이용하며, 이 경우 분산 테일은 유리하게는 -높은 역 확산의 경우에- 웨이퍼 반경 (직경의 1/2 값)에서 중첩되도록 제한되며, 더욱 신속한 펌핑 (모든 방위각에서 펌핑되는) 및 미사용된 가스 및 부산물 가스의 제거를 허용한다.An alternative single wafer design utilizes precursor gas injected from a line-centered and line-symmetrical vertical gas distribution module (GDM) (e.g., using a line-centered orifice or showerhead) The tail is advantageously limited to overlap in the wafer radius (1/2 of the diameter) in the case of high despreading, allowing for faster pumping (pumped at all azimuths) and removal of unused and byproduct gases do.
현재 다수의 단일 웨이퍼 상업적 ALD 반응기는 방사상 흐름 후에 수직 펌핑이 이루어지는 수직 전구체 주입을 이용한다. 도 1은 2개의 전구체 (A 및 B)가 밸브 (12a, 12b)를 통해 반응 챔버 (14) 내로 수직으로 주입되는 그러한 ALD 반응기 시스템 (10)을 도시하고 있다. 가스는 펌프 (16)에 의해 챔버 (14)로부터 추출된다. 도시된 바와 같이, 챔버 (14) 내에서의 가스 흐름은 초기에는, 예를 들어 전형적으로 서셉터 (22)에 의해 지지되는, 웨이퍼 (20) 위에 선 대칭적으로 위치한 다른 주입기 (18) 또는 샤워헤드로부터 수직이고, 이후 웨이퍼 (20) 중심에서 이의 가장자리까지는 방사상 외측을 향한다. 이후, 가스가 수직 흐름으로 챔버 (14)로부터 펌핑되어 배출되는데, 이 경우 조합된 방사상/수직 흐름 펌핑이 제공된다. 이상적으로, 이러한 구성은 웨이퍼 가장자리에서 흐름 대칭성을 제공한다.Currently, many single wafer commercial ALD reactors utilize vertical precursor implantation where vertical pumping occurs after radial flow. Figure 1 shows such an
도 2에 도시된 바와 같이, 상업적인 단일 웨이퍼 시스템에서, 가공할 웨이퍼는 로봇식 중심 핸들러 (24)에 의해 반응기 내로 도입된다. 이러한 웨이퍼 이송 장치는 또한 실리콘 칩 제조 산업에 이용되는 CVD 장치에 일반적으로 사용된다. 웨이퍼 (26)가 전형적으로, 반응기 벽에 인접한 반응 챔버 (14)의 외부 표면 또는 반경 상에 있는 특정의 방위각 및 범위 (θ1 및 Δθ1)에서 직사각형 슬롯 밸브 (28)를 통해 도입된다. 이 슬롯 밸브 (28) 및 챔버 (14) 내로의 이의 직사각형 통로는 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이 방사상 가스 흐름의 대칭성을 깨뜨린다.As shown in Figure 2, in a commercial single wafer system, the wafer to be processed is introduced into the reactor by a
또한, 하류 배출 펌프 (16)는 방위각 및 범위 (θ2 및 Δθ2)로 일반적으로 설정되고, 여기서 θ2는 일반적으로 θ1과 반드시 동일하지 않아도 된다. 이러한 배열이 서셉터의 수직 방향으로의 이동을 허용하도록 축상의 기계적 구동 지지 하드웨어를 수용한다고 하여도, 이러한 비대칭성은 순환 포켓, 정체 구역 및/또는 펌핑 방위각 불균일성을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 전구체 흐름으로부터 잔류 전구체가 펌핑되거나 웨이퍼로부터의 불균일한 방위각 흐름으로 제거되면, 기생 CVD가 웨이퍼의 한 방위각 방향으로 비대칭적으로 또는 불균일하게 일어나도록 하기 위해 부가적인 장치가 제공된다. 이 경우, 기생 CVD의 시작부는 재순환, 정체 및/또는 펌핑 효과 때문에 특정한 방위각 방향 또는 각(들)에 걸쳐 비대칭적으로 그리고 영구적으로 일어난다.In addition, the
적은 반응 공간의 용적 [웨이퍼와 전구체 주입 부품 (예를 들어, 샤워헤드) 사이에서 웨이퍼 위의 공간]이 바람직하다는 것은 당업계에 공지되어 있다 [참조: 예를 들어, M. Ritala and M. Leskela, "Atomic Layer Deposition" in Handbook of Thin Film Materials, H. Nalwa, ed., vol. 1, Ch. 2, pp. 103 et seq. (2002)]. 전구체 제거 시간의 감소, 체류 시간 (PV/F, 여기서 P는 압력이고 V는 반응 공간의 용적이며 F는 반응 공간을 통한 흐름이다)의 감소 및 이에 따라 ALD 주기 시간의 감소를 위해서는 ALD 반응 공간의 용적이 최소화되어야 한다. 수직으로 이동가능 한 서셉터 설계 (참조: 예를 들어, 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에 참조로 포함되는, 도어링 등 (Doering et al)의 미국 특허 제 5,855,675호)를 사용하면, 웨이퍼 평면과 반응기 덮개에 있는 가스 분배 오리피스 (샤워헤드) 사이의 거리가 흐름 및 체류 시간이 균일해지도록 최적화될 수 있다; 즉, 반응 공간의 용적은 국소적으로 균일한 노출을 제한하는 가운데 최소화될 수 있다. 뿐만 아니라, 반응 공간은 기생 반응 공간 용적인, 서셉터 가장자리와 반응기 상부 내부 벽 사이에 환형 구역을 포함할 수 있다.It is known in the art that the volume of the reaction space (the space above the wafer between the wafer and the precursor injection part (e.g., showerhead)) is well known in the art (see, for example, M. Ritala and M. Leskela , "Atomic Layer Deposition" in Handbook of Thin Film Materials, H. Nalwa, ed., Vol. 1, Ch. 2, pp. 103 et seq. (2002). In order to decrease the precursor removal time, the retention time (PV / F, where P is the pressure, V is the volume of the reaction space and F is the flow through the reaction space) and thus the ALD cycle time, The volume should be minimized. Using a vertically movable susceptor design (see, for example, U.S. Patent No. 5,855,675 to Doering et al., Assigned to the assignee of the present invention and incorporated herein by reference) And the gas distribution orifice (showerhead) in the reactor lid can be optimized to make the flow and residence time uniform; That is, the volume of the reaction space can be minimized while locally limiting uniform exposure. In addition, the reaction space may include an annular zone between the susceptor edge and the upper reactor inner wall for parasitic reaction space.
웨이퍼 슬롯 밸브 및 웨이퍼 통로의 방위각 배치로 인해 깨진 흐름 대칭성이, 웨이퍼 및 이의 가열기/서셉터가 가공 위치에 놓이는 경우에 웨이퍼가 웨이퍼 슬롯 밸브 위에 위치하도록 구성된 수직으로 이동가능한 서셉터/가열기를 이용함으로써 실질적으로 회복되었다 하더라도, 이 방법은 여전히 대칭 흐름의 미세 제어 측면에서 제한되었다. 예를 들어, 하류 가스가 계속하여 정체 구역을 형성하고, 서셉터가 이의 가공 위치에 놓이는 경우에 웨이퍼 평면 아래의 웨이퍼 슬롯 밸브와 관련된 포켓 내에서 소용돌이가 형성될 수 있다. 그러므로, 종래의 웨이퍼 (슬롯) 이송 장치를 사용하여 작업하는 능력을 보유하면서, 최소의 반응 공간 용적 및 개선된 대칭 흐름을 제공하는 반응기 설계가 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 요건에 대한 해법을 제공하며, 고 처리량, 고 성능 (HP)의 단일 웨이퍼 반응기를 제공하는, 대칭 흐름과 함께 적은 제한된 용적을 제공한다.The broken flow symmetry due to the wafer slot valve and azimuthal placement of the wafer passageway is achieved by using a vertically movable susceptor / heater configured to position the wafer above the wafer slot valve when the wafer and its heater / Although substantially recovered, this method was still limited in terms of fine control of the symmetrical flow. For example, a vortex can be formed in the pocket associated with the wafer slot valve below the wafer plane when the downstream gas continues to form a stagnation zone and the susceptor is placed in its processing position. Therefore, there is a need for a reactor design that provides minimal reaction space volume and improved symmetric flow while retaining the ability to work with conventional wafer (slot) transfer devices. The present invention provides a solution to this requirement and provides a less limited volume with symmetrical flow, which provides a high throughput, high performance (HP) single wafer reactor.
발명의 개요Summary of the Invention
본 발명의 일 구체예에서, 반응 챔버 장치는 수직으로 이동가능한 가열기-서 셉터를 포함하는데, 상기 가열기-서셉터는, 서셉터가 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 웨이퍼 이송 슬롯 밸브의 바닥 아래로 연장되는 흐름 고리의 유출 포트를 구비한, 가스 도관으로서 작용하는 환형의 부착된 흐름 고리에 연결된다.In one embodiment of the present invention, the reaction chamber apparatus comprises a vertically movable heater-susceptor which, when the susceptor is in a machined (higher) position, Is connected to an annular attached flow loop which acts as a gas conduit, with an outlet port of the flow loop extending downward.
본 발명의 다른 구체예는, 서셉터의 둘레에서 환형의 부착된 흐름 고리 도관에 연결된 가열기-서셉터를 포함하는 반응 챔버 장치를 제공하는데, 상기 도관은, 가열기-서셉터가 이의 로딩 위치에 대해 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 제한된 반응 공간으로부터 흐름 고리의 바닥에 대해 웨이퍼 위 및 웨이퍼 아래의 반응기의 외부 공간을 분리하는 그의 가장자리에서 외부 표면을 갖는다.Another embodiment of the present invention provides a reaction chamber apparatus comprising a heater-susceptor coupled to an annular attached flow ring conduit around a susceptor, the conduit having a heater- Has an outer surface at its edge that separates the outer space of the reactor above the wafer and below the wafer from the bottom of the flow loop from the limited reaction space when placed in the processing (higher) position.
또다른 구체예에서, 본 발명은 서셉터 둘레에서 환형의 부착된 흐름 고리 도관에 연결된 가열기-서셉터를 포함하는 반응 챔버 장치를 제공하는데, 상기 도관은, 가열기-서셉터가 로딩 위치에 대해 이의 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 제한된 반응 공간으로부터 웨이퍼 위의 반응기의 외부 공간을 분리시키는 그의 가장자리에서 외부 표면을 가지며, 상기 외부 가장자리는 반응기 덮개에 부착된 환형 고리에 근접하여 위치하며 고리 및 도관 외부 부재와 함께 홈내 설상체 (tongue in groove: TIG)의 구성으로서 작용한다. 몇몇의 경우에, TIG 설계는 계단형 외형을 지녀, 반응기 외부 공간에 대한 하류 가스의 확산 역류를 제한할 수 있다.In another embodiment, the present invention provides a reaction chamber apparatus comprising a heater-susceptor coupled to an annular attached flow ring conduit around a susceptor, the conduit having a heater- Has an outer surface at its edge that separates the outer space of the reactor above the wafer from the limited reaction space when placed in the processing (higher) position, the outer edge being located proximate to the annular ring attached to the reactor lid, And acts as a tongue in groove (TIG) configuration with the conduit outer member. In some cases, the TIG design has a stepped geometry to limit the back flow of downstream gas to the reactor exterior space.
본 발명의 다른 구체예는 로딩 (더욱 낮은) 위치에 대해 수직으로 이동가능한 서셉터 (VMS)를 갖는 반응 챔버 장치를 제공하는데, 상기 서셉터는 서셉터 둘레에서 환형의 부착된 흐름 고리 (AFR) (또는 심층류 고리 (DFR)) 도관에 연결되며, 상기 환형 AFR은 반응 가스 유출물을, 반응 챔버의 선-중심에 있는 중심에 대해 축 이탈되어 있는 하류 펌프로 이동시킨다. 몇몇의 경우에, 하류 배플(56)이 환형 AFR의 출력 오리피스(42)와 하류 펌프(16) 사이에 위치하여, 상류 웨이퍼 평면 내의 웨이퍼 가장자리에서 대칭의 가스 흐름이 이루어지게 할 수 있다.Another embodiment of the present invention provides a reaction chamber apparatus having a vertically movable susceptor (VMS) for loading (lower) position, the susceptor having an annular attached flow loop (AFR) around the susceptor, (Or deep flow loop (DFR)) conduit, which moves the reaction gas effluent to a downstream pump that is off-axis with respect to the line-centered center of the reaction chamber. In some cases, a
본 발명의 또다른 구체예는, 상기 기술된 바와 같고 반응 공간, AFR 도관, 및 펌프로 이어지는 하부 챔버로부터 가스 스트림을 제거하도록 연결된 펌프를 구비하는 TIG 챔버의 구성을 제공한다. 반응 공간 및 AFR 도관을 우회할 수 있는 가스 주입 오리피스는, 이 오리피스를 통해 주입된 가스가, AFR의 출력 오리피스(42) 아래의 펌프로 연결되는 스트림 내로 유입되도록 위치한다. 그러므로, 이 오리피스는 ALD 주기화 동안 주기적으로, AFR의 출력 오리피스(42)와 하류 펌프 오리피스 사이에 추가 수축장치 없이, 펌프의 입력으로 직접적으로 이어지는 펌핑 도관 내로 가스를 직접 주입시킨다.Another embodiment of the present invention provides a configuration of a TIG chamber as described above and having a reaction chamber, an AFR conduit, and a pump connected to remove the gas stream from the bottom chamber leading to the pump. The gas injection orifices that can bypass the reaction space and the AFR conduits are positioned such that the gas injected through the orifices enters the stream connected to the pump below the
또다른 구체예에서, ALD 장치는 각각의 공정 모듈이 하나 이상의 반응기 챔버를 갖는 다수개의 공정 모듈을 포함하는데, 상기 각각의 반응기 챔버는 가공 위치와 로드/언로드 위치 사이에서 수직으로 이동가능한 기판 홀더를 수용하고, 기판 홀더의 각각은, 각각의 기판 홀더가 가공 위치에 있는 경우 각각의 반응기 챔버 내에 가스 배출 포트가 형성되도록 각각의 반응기 챔버 내에 배향되고, 상기 배출 포트는 각 반응기 챔버의 원주 벽 및 각 기판 홀더의 가장자리 표면에 의해 형성된다. 가스 배출 포트 채널의 벽은 기판 홀더에 부착되러 이와 함께 이동할 수 있다. 가스 배출 포트 채널의 외부 벽 구획의 상부 구획이 고리 홈(114) 내에 위치하는 것이 바람직하며, 이 고리 홈(114)은, 그 자체로 각 반응기 챔버의 가스 유입물 분배기 주위로 끼워지는 원형 실드 (circular shield) 주위로 끼워진다. In another embodiment, the ALD apparatus includes a plurality of process modules, each process module having one or more reactor chambers, each reactor chamber having a vertically movable substrate holder between a working position and a load / unload position And each of the substrate holders is oriented in a respective reactor chamber such that a gas outlet port is formed in each of the reactor chambers when each substrate holder is in a working position, And is formed by the edge surface of the substrate holder. The wall of the gas outlet port channel is attached to the substrate holder and can move with it. It is preferred that the upper section of the outer wall section of the gas outlet port channel be located within the
본 발명의 다른 구체예, 특징 및 이점이 이하에서 논의된다.Other embodiments, features and advantages of the present invention are discussed below.
본 발명을 첨부되는 도면을 참조로 비제한적인 예로서 설명한다:The invention is illustrated by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings:
도 1은 전구체가 수직으로 주입되고 조합된 방사상/수직의 흐름 펌핑이 이루어지는 ALD 반응기를 도시한다.Figure 1 shows an ALD reactor in which a precursor is injected vertically and a combined radial / vertical flow pumping occurs.
도 2는 ALD 장치 내에서 방사상 가스 흐름의 대칭성을 파괴시키는 슬롯 밸브, 및 축이탈 하류 펌프를 도시한다.Figure 2 shows a slot valve and an off-axis downstream pump that breaks the symmetry of the radial gas flow within the ALD device.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따라 구성된 ALD 장치 내 슬롯 밸브 아래에서 심층류 고리(DFR), 웨이퍼 슬롯 밸브 위치 및 DFR의 출력 오리피스(42)의 상대적인 배향을 도시한다.Figure 3 illustrates the relative orientation of the deep flow loop (DFR), wafer slot valve position and
도 4a 및 4b는 DFR로 가스를 안내하는 윤곽선 (coutoured fillet)에 의해 반응 공간의 코너에서 비사용 구역의 제거 및 대안적인 계단형 설계를 보여주는 본 발명의 일 구체예에 따른 홈내 설상체 (TIG) 구성의 ALD 장치의 상세도이다.Figures 4A and 4B illustrate the removal of the unused zone at the corners of the reaction space by a coutoured fillet of the gas into the DFR and the removal of the unused zone and the alternative stepwise design of the trough in accordance with one embodiment of the present invention. And Fig.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 ALD 장치에서 흐름 상류를 대칭화시키는 하류 배플(56)의 사용을 도시한다.5 illustrates the use of a
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따라 구성된, 각각의 모듈이 관련된 로드 록 (load lock)과 함께 4개의 반응기 챔버 및 하나의 이송 챔버를 갖는 총 2개의 공정 모듈을 구비한, ALD 다수개의 단일 웨이퍼 (multi-single wafer: MSW) 공정 장치의 상부 설계도를 도시한다.Figure 6 shows an ALD having a total of two process modules, constructed in accordance with one embodiment of the present invention, with four reactor chambers and one transfer chamber, with each module associated with a load lock. Top plan view of a multi-single wafer (MSW) process apparatus.
도 7은 도 6에 도시된 MSW 장치의 반응기 챔버의 단면도를 도시한다.Figure 7 shows a cross-sectional view of the reactor chamber of the MSW apparatus shown in Figure 6;
도 8은 더욱 낮은 (로드/언로드) 위치에서 수직으로 이동가능한 서셉터를 갖는 도 6에 도시된 MSW 장치의 반응기 챔버를 추가로 상세히 도시한다.Figure 8 shows in further detail the reactor chamber of the MSW apparatus shown in Figure 6 with a vertically movable susceptor in a lower (load / unload) position.
반응기 벽으로의 화학적 전달을 최소화하면서 대칭 흐름을 지닌 최소의 ALD 반응 용적에 대해 규정된 소용적의 대칭 흐름형 (SVSF) 장치가 본원에서 설명된다. 이러한 설명에는, 반응기 설계 및 이의 기능성 뿐만 아니라, 반응 공간에 대한 소용적의 조합된 효과에 대한 논의, 재순환없이 반응기 벽으로부터 반응 공간을 분리시키기 위한 일반화된 설계, 웨이퍼 평면 아래의 가스 팽창 용적의 최소화, 및 모든 경우에서 정비성 및 조립 특성을 갖는 축이탈 펌핑 도관에서 흐름 대칭성을 달성하도록 적합하게 설계된 시간차 (time-phased) 다중수준 제어된 하류 펌프 구성이 포함된다.A small-scale, symmetrical flow (SVSF) device is described herein for a minimum ALD reaction volume with a symmetrical flow while minimizing chemical transfer to the reactor wall. This description includes not only the reactor design and its functionality, but also a discussion of the combinatorial effect of the small space for the reaction space, a generalized design for separating the reaction space from the reactor walls without recirculation, minimization of the gas expansion volume below the wafer plane, And a time-phased multi-level controlled downstream pump arrangement that is suitably designed to achieve flow symmetry in an off-axis pumping conduit with maintainability and assembly characteristics in all cases.
본 발명의 일 구체예에서, 반응 챔버 장치는 수직으로 이동가능한 가열기-서셉터를 포함하는데, 상기 가열기-서셉터는, 서셉터가 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 웨이퍼 이송 슬롯 밸브의 바닥 아래로 연장되는 흐름 고리의 유출 포트를 구비한, 가스 도관으로서 작용하는 환형의 부착된 흐름 고리에 연결된다.In one embodiment of the present invention, the reaction chamber apparatus comprises a vertically movable heater-susceptor which, when the susceptor is in a machined (higher) position, Is connected to an annular attached flow loop which acts as a gas conduit, with an outlet port of the flow loop extending downward.
본 발명의 다른 구체예는 서셉터 둘레에서 환형의 부착된 흐름 고리 도관에 연결된 가열기-서셉터를 포함하는 반응 챔버 장치를 제공하는데, 상기 도관은, 가열기-서셉터가 이의 로딩 위치에 대해 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 한정된 반응 공간으로부터 흐름 고리의 바닥에 대해 웨이퍼 위 및 웨이퍼 아래의 반응기의 외부 공간을 분리시키는 그의 가장자리에서 외부 표면을 갖는다.Another embodiment of the present invention provides a reaction chamber apparatus comprising a heater-susceptor connected to an annular attached flow ring conduit around a susceptor, the conduit having a heater-susceptor for processing Higher position), the outer surface at its edge separating the outer space of the reactor above the wafer and below the wafer from the bottom of the flow loop from the limited reaction space.
또다른 구체예에서, 본 발명은 서셉터 둘레에서 환형의 부착된 흐름 고리 도관에 연결된 가열기-서셉터를 포함하는 반응 챔버 장치를 제공하는데, 상기 도관은, 가열기-서셉터가 이의 로딩 위치에 대해 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 한정된 반응 공간으로부터 웨이퍼 위의 반응기 외부 공간을 분리시키는 그의 가장자리에서 외부 표면을 가지며, 상기 외부 가장자리는 반응기 덮개에 부착된 환형 고리에 근접하게 위치하며 고리 및 도관 외부 부재와 함께 홈내 설상체 (TIG)의 구성으로 함께 작용한다. 몇몇의 경우에, TIG 설계는 계단형 외형 (SC)을 지녀, 반응기 외부 공간으로의 하류 가스의 확산-역류를 제한할 수 있다.In yet another embodiment, the present invention provides a reaction chamber apparatus comprising a heater-susceptor connected to an annular attached flow ring conduit around a susceptor, wherein the conduit is configured such that the heater- Has an outer surface at its periphery that separates the reactor outer space above the wafer from the confined reaction space when placed in the processing (higher) position, the outer edge being located proximate the annular ring attached to the reactor lid, (TIG) together with the outer member. In some cases, the TIG design has a stepped contour (SC), which can limit the diffusion-backflow of the downstream gas to the outside space of the reactor.
중요하게는, 본 발명의 구체예에서, 설상체 및 홈(52) 부재의 설계 및 작동은, 이들 부재가 서로 물리적으로 접촉되지 않도록 이루어진다. 접촉 부재는 입자 공급원 장치일 것이며, 이는 금속 대 금속의 접촉에 의한 접착 (진공에서 금속의 접합)을 유도할 수 있고 가열기-서셉터의 수축을 절충시킬 수 있다. 또한, 접촉 설계는 기계적 안정성을 유지하는데 있어서 상당한 어려움을 지닐 것이다. 이러한 이유로, 본 발명자들은 "근접한" 또는 "확산-억제 (diffusion-seal)형"의 TIG 장치를 설계하고 작동시켰다.Significantly, in embodiments of the present invention, the design and operation of the tongue and
본 발명의 다른 구체예는, 로딩 (더욱 낮은) 위치에 대해 수직으로 이동가능한 서셉터 (VMS)를 구비한 반응 챔버 장치를 제공하는데, 상기 서셉터는 서셉터 둘레에서 환형의 부착된 흐름 고리 (AFR)(또는 심층류 고리 (DFR)) 도관에 연결되고, 상기 환형의 AFR은 반응 가스 유출물을, 반응 챔버의 선-중심에 있는 중심에 대해 축-이탈되어 있는 하류 펌프 오리피스로 이동시킨다. 몇몇의 경우에, 상류 웨이퍼 평면 내의 웨이퍼 가장자리에서 대칭 가스 흐름을 형성시키기 위해 환형 AFR의 출력 오리피스(42)와 하류 펌프(16) 사이에 하류 배플(56)이 위치할 수 있다.Another embodiment of the present invention provides a reaction chamber device with a vertically movable susceptor (VMS) for a loading (lower) position, the susceptor having an annular attached flow loop AFR) (or deep-flow loop (DFR)) conduit, which moves the reaction gas effluent to a downstream pump orifice that is off-axis with respect to the line-centered center of the reaction chamber. In some cases, the
본 발명의 또다른 구체예는 상기 기술된 바와 같고 반응 공간으로부터 가스 스트림을 제거하도록 연결된 펌프를 구비하는 TIG 챔버 구성을 제공하는데, 상기 AFR 도관 및 하부 챔버는 펌프로 이어진다. 반응 공간 및 AFR 도관을 우회할 수 있는 가스 주입 오리피스는, 이 오리피스를 통해 주입된 가스가, AFR의 출력 오리피스(42) 아래의 펌프로 이어지는 스트림 내로 유입되도록 위치한다. 그러므로, 상기 오리피스는 ALD 주기화 동안에 주기적으로, AFR의 출력 오리피스(42) 및 하류 펌프 오리피스 사이에서 추가의 수축장치 없이, 펌프의 입력으로 직접적으로 이어지는 펌핑 도관 내로 가스를 직접 주입시킨다. 몇몇의 경우에, 이렇게 주입된 가스는 균일한 노출 및 균일한 체류 시간을 달성하기 위해 방위각 지점에서 주입될 수 있다. 또한, AFR의 오리피스는 이 오리피스의 평면에서 홀 형태의 수축장치를 구비할 수 있으며, 상기 홀은 웨이퍼 평면에서 대칭 흐름을 유도하도록 상이한 방위각 방향으로 상이하게 설계될 수 있다. 이러한 TIG 설계는, TIG 덮개 부재의 내부 가장자리가 반응 공간에서 미사용 공간을 없애도록 곡선화되게 이루어질 수 있다.Another embodiment of the present invention provides a TIG chamber configuration as described above and having a pump connected to remove the gas stream from the reaction space, wherein the AFR conduit and the lower chamber are connected to a pump. The gas injection orifices that can bypass the reaction space and the AFR conduit are positioned such that the gas injected through the orifice enters the stream leading to the pump below the
본원에 설명된 HP ALD 설계는, 예를 들어 상기 참조된 미국 특허 출원 제 11/224,767호 및 독일 특허 출원 제 DE 102005056326.6호에 설명된 바와 같이 "다수개의-단일 웨이퍼 (MSW)" 반응기 시스템에 추가로 이용될 수 있다. 그 경우에, 다수 (예를 들어, 4개)의 실질적으로 독립적인 HP 반응기가 공통의 진공 하우징 시스템에 위치할 수 있다. DE 102005056326.6호에는, 동일한 마스터 진공 하우징 내에 위치한 다른 실질적으로 독립적으로 작동하는 반응기 사이에서 적은 가스 흐름 (대류성 흐름에 반대되는, 주로 확산에 의한 역류)의 부가된 요건이 존재한다.The HP ALD design described herein is described in more detail, for example, in US patent application Ser. No. 11 / 224,767, referenced above, and in "Multiple-Single Wafer (MSW)" reactor systems as described in German Patent Application DE 102005056326.6 . ≪ / RTI > In that case, a plurality (e.g., four) of substantially independent HP reactors may be located in a common vacuum housing system. In DE 102005056326.6 there is an additional requirement of less gas flow (mainly counter diffusion flow, as opposed to convective flow) between other substantially independently operating reactors located in the same master vacuum housing.
더욱 구체적으로, 다수개의 단일 웨이퍼 시스템에서는, 다수개의 반응기 챔버가 단일 공정 모듈 내에 배열된다. 바람직하게는 원형 웨이퍼인 기판은 공통의 공정 챔버 중에 놓이지 않는 대신, 가스 배출 구역 내의 흐름 동력에 연결되는 개별 반응기 챔버 중에 놓인다. 공정 모듈 중의 개별 반응기 챔버는 공통의 로드/언로드 단계 동안 로딩/언로딩될 수 있다. 이를 실행키 위해, 기판 홀더가 가공 위치로부터 로드/언로드 위치로 하강된다. 가공 위치에서, 기판 홀더의 벽은 본원에 설명된 가스 배출 유출 포트를 형성한다. 기판 홀더가, 하나의 챔버에서 다른 챔버로의 가스 흐름이 방지되도록 확산 배리어를 통해 가공 위치에 놓이게 되는 경우 개별 반응기 챔버는 분리된다. 개별 챔버는 바람직하게는 공통의 높이에서 배열되고, 로드/언로드 장치의 회전 축에 의해 형성된 중심 주위로 모여진다.More specifically, in a plurality of single wafer systems, a plurality of reactor chambers are arranged in a single process module. The substrate, which is preferably a circular wafer, is not placed in a common process chamber, but rather is placed in a separate reactor chamber which is connected to the flow power in the gas discharge zone. The individual reactor chambers in the process module can be loaded / unloaded during a common load / unload phase. To do this, the substrate holder is lowered from the working position to the load / unload position. At the processing position, the walls of the substrate holder form the gas discharge outlet port described herein. The individual reactor chambers are separated when the substrate holder is placed in the processing position through the diffusion barrier to prevent gas flow from one chamber to the other. The individual chambers are preferably arranged at a common height and gathered about a center formed by the rotational axis of the load / unload device.
지금부터 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 구체예에 따라 구성된 HP ALD 시스템 (30)이 도시되어 있는데, 이 시스템 (30)은 재순환되지 않는 한정된 반응 공간 용적 (32) (최소화되고 최적화된), 대칭 흐름, 및 HP 반응 구역 외측의 적은 가스 반응물 이송에 관하여 정량화된다. 상기 시스템 (30)은 반응기 챔버 (34) 및 상기 설명된 것과 유사한 다수의 부품을 포함한다. 챔버 (34) 내에는 수직으로 이동가능한 가열기-서셉터 (36) (예를 들어, 현 양수인에 의해 소유된 상기 참조된 특허에서 논의된 바와 같이 구성된)가 수용되는데, 이 가열기-서셉터 (36) 위에 웨이퍼 (38)가 놓인다. 가열기-서셉터 (36)는 이의 둘레에서, 가스 도관으로 작용하는 환형의 흐름 고리 (40)에 연결된다. 흐름 고리 (40)는, 서셉터 (36)가 이의 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 웨이퍼 이송 슬롯 밸브 (28) 바닥 아래에 위치한 유출 포트 (42)를 구비한다.Referring now to Figure 3, there is shown an
본 발명의 ALD 시스템은 단일 웨이퍼 증착에 사용될 수 있거나, 몇몇의 경우에는, 다수의 더욱 소형의 웨이퍼가 챔버 내부의 단일 캐리어 상에 위치할 수 있다. 중요하게는, 단일의, 단독 기립형 웨이퍼 반응기로서의 이러한 한정된 설계를 사용한다는 점에서, 반응물이 반응기 챔버의 내벽 상에 증착되는 것으로부터 유리하게 보호되어, 단일 웨이퍼 반응기에 대한 유지 이점에서 진보되어 있다.The ALD system of the present invention may be used for single wafer deposition, or, in some cases, multiple smaller wafers may be located on a single carrier within the chamber. Importantly, the reactants are advantageously protected from being deposited on the inner wall of the reactor chamber in that they use this limited design as a single, sole-standing wafer reactor, and are advancing in the maintenance advantages for a single wafer reactor .
서셉터 (36) 둘레에 부착된 환형의 흐름 고리 도관 (40)은, 가열기-서셉터가 로딩 위치에 대해 가공 (더욱 높은) 위치에 놓이는 경우에 한정된 반응 공간으로부터의 흐름 고리의 바닥에 대해 웨이퍼 위 및 웨이퍼 아래의 반응기의 외부 공간을 분리시키는 그의 가장자리에서 외부 표면 (44)을 갖는다. 상기 외부 가장자리 (44)는, 반응기 덮개 (48)에 부착된 환형 고리 (46)에 근접하고, 상기 고리 (46) 및 도관 외부 부재 (44)와 함께 홈내 설상체 (TIG)의 구성으로 작용한다. 즉, 도면에 도시된 대로, 흐름 고리의 외부 가장자리는 반응기 덮개에 부착된 환형 고리 중의 홈(52) 내에 끼워진다. 몇몇의 경우에, TIG 설계는 계단형 외형 (SC)을 지녀, 반응기 외부 공간으로 하류 가스의 확산-역류를 제한할 수 있다. 환형의 흐름 고리는 반응 가스 유출물을, 반응 챔버의 선-중심에 있는 중심에 대해 축이탈되어 있는 하류 펌프 (16)로 이동시킨다.An annular
소용적의 대칭 흐름형 ALD 반응기의 설계에는, 가스 전구체를, 높은 위상 특성을 지닌 반도체 웨이퍼 또는 웨이퍼들 또는 워크피스 또는 워크피스들을 가로질러 신속하고 실질적으로 균일하게 이송시키는 것이 고려되어야 한다. 최소한의 노출 시간 및 효율적인 전구체의 사용을 얻기 위해서, 본 발명자들은 화학적 전구체가, 거의 동일한 농도를 가지면서, 거의 동일한 기간 내에 웨이퍼의 중심 및 가장자리에서 높은 어스펙트 특성을 갖기를 요망한다.In the design of a small, symmetrical flow ALD reactor, it should be considered to transfer the gas precursor quickly and substantially uniformly across semiconductor wafers or wafers or workpieces or workpieces with high phase characteristics. In order to obtain a minimum exposure time and the use of efficient precursors, the inventors wish that the chemical precursors will have high aspect properties at the center and edges of the wafer within approximately the same period, with approximately the same concentration.
동시 노출의 이점은 웨이퍼 면적에 걸쳐 효율적인 등각의 코팅을 달성한다는 것이다. 높은 위상 특성의 웨이퍼내 불균일성은 최적으로 작아질 것이며, 그와 동시에 최소량의 전구체가 사용될 것이다. 이를 이해하기 위해서, 본 발명자들은 높은 어스펙트 비를 갖는 "홀" 코팅에 대한 이론을 참조하였다 [R. Gordon, et al., "A Kinetic Model for Step Coverage by Atomic Layer Deposition in Narrow Holes or Trenches," Chem. Vap. Deposition, 9, No. 2, pp. 73 et seq. (2003)]. 단일 ALD 전구체의 노출은 최정상부로부터 홀 바닥으로의 가스 확산 이송에 의해 진행된다. 제 1 전구체가 도달되는 웨이퍼 상의 위치 근방에 위치한 홀이 먼저 최정상부 근방을 적절하게 충분한 량의 단일 펄스로 코팅시키고 후에 홀 바닥을 코팅시킬 것이다. 제 1 전구체가 웨이퍼로 도달되는 위치로부터 멀리 떨어진 홀은 후에 이들 특성을 갖는 바닥을 충분하게 코팅시킬 것이다. 분배된 수직 주입이 이루어진 반응기가 이러한 조건을 효율적으로 충족시키기에 더욱 적합한 반면, 수평 주입이 이루어진 반응기는 이러한 측면에서 불량하게 작동된다. 효율적인 코팅을 얻기 위해서는, 가스가 전체 웨이퍼 표면에 걸쳐 가능한 한 동시에 분배되는, 적절하게 설계된 샤워헤드 또는 가스 분배 다기관 (GDM)을 사용하는 것이 바람직하다.An advantage of simultaneous exposure is that an efficient conformal coating is achieved across the wafer area. The non-uniformity in the wafer with high phase characteristics will be minimized optimally and at the same time a minimum amount of precursor will be used. To understand this, the present inventors have referred to the theory of "hole " coating with a high aspect ratio [R. Gordon, et al., "A Kinetic Model for Step Coverage by Atomic Layer Deposition in Narrow Holes or Trenches," Chem. Vap. Deposition, 9, No. 2, pp. 73 et seq. (2003). Exposure of a single ALD precursor proceeds by gas diffusion transfer from the top to the bottom of the hole. A hole located near the position on the wafer where the first precursor is reached will first coat the vicinity of the topmost portion with a suitably sufficient amount of a single pulse and then coat the hole bottom. Holes remote from the position at which the first precursor reaches the wafer will then sufficiently coat the bottom with these properties. Reactors with distributed vertical injection are more suitable for efficiently meeting these conditions, while reactors with horizontal injection are poorly operated in this respect. In order to obtain an efficient coating, it is desirable to use a suitably designed showerhead or gas distribution manifold (GDM) in which the gas is dispensed simultaneously over the entire wafer surface as much as possible.
최적의 ALD 시스템에는, 화학적 전구체의 GDM 내로의 신속하고 효율적인 이송, 및 차례로 반응 공간으로의 신속한 전구체 흐름을 제공하는 GDM의 고려가 포함된다 [참조: 예를 들어, 2006년 4월 5일자로 출원되고, 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에 참고로 포함되는, 달톤 등 (Dalton et al.)의 미국 특허 출원 제 11/278,700호]. 균일한 주입 및 짧은 체류 시간을 갖는 샤워헤드 (및 높은 부분압의 화학적 전구체 공급원 기화기)에 대한 상세한 설계는 반응기 자체의 설계와는 별도로 고려되나, 이러한 설계는 충분히 경쟁력있는 시스템을 얻기 위한 최적의 실시와 최적화되고 통합되어야 한다.Optimal ALD systems include the consideration of GDM to provide rapid and efficient transfer of chemical precursors into the GDM and, in turn, rapid precursor flow to the reaction space (see, for example, application filed on April 5, 2006 And U.S. Patent Application Serial No. 11 / 278,700 to Dalton et al., Assigned to the assignee of the present invention and incorporated herein by reference). The detailed design of showerheads (and high partial pressure chemical precursor source vaporizers) with uniform injection and short residence time is considered separate from the design of the reactor itself, but the design is optimized for optimum performance Optimized and integrated.
요컨대, 본 발명에 따라 구성된 고성능 시스템은, GDM에 의해 높은 부분압의 전구체 증기를 신속하게 이송시킬 수 있는 화학 전구체 공급원, 및 최적화된 반응기 챔버 설계를 포함한다. 이를 위해, 본 발명자들은 서로에 대한 모듈로서 그리고 개별적으로 최적화된 화학 공급원/이송, GDM 및 반응기를 고찰한다. 그러나, 상기 언급한 바와 같이, 높은 위상 특성을 갖는 효율적이고 균일한 코팅을 위해서, 본 발명자는 거의 동시에 웨이퍼 중심 및 가장자리에서의 선대칭적인 노출, 및 웨이퍼 가장자리에서의 흐름에 대해 선대칭되는 반응기 설계를 유리하게 이용하고 있다.In summary, a high performance system constructed in accordance with the present invention includes a chemical precursor source that can rapidly deliver high partial pressure precursor vapor by GDM, and an optimized reactor chamber design. To this end, the inventors contemplate chemical supply / transport, GDM and reactor optimized as modules for each other and individually. However, as noted above, for efficient and uniform coating with high phase characteristics, the present inventors have found that the symmetrical exposure at the center and edge of the wafer at approximately the same time, and the reactor design that is symmetrical about the flow at the wafer edge, .
선-대칭 흐름의 장점을 고려하여, 본 발명자들은 노출, 및 반응물 및 부산물의 제거 동안 대칭 흐름의 이점을 논의한다. 방위각 대칭성을 이용하여 전구체를 제거하는 경우의 중요성은 웨이퍼 가장자리 주위의 모든 방위각 지점에서 기생 CVD의 개시를 최소화시키는 것과 관련된다. 또한, 방위각 대칭성을 갖든지 또는 그렇지 않든지 간에, 설계에 의해 웨이퍼 슬롯 밸브와 관련된 포켓 영역 내에서 흐름이 재순환되거나 불필요한 코너에서 정체되게 된다면, 소용돌이가 생성될 수 있고, 전구체 잔여물이 전구체 제거/퍼지 기간 중에 남아있어 기생 CVD를 유발시킬 수 있다.In light of the advantages of the line-symmetric flow, we discuss the benefits of symmetrical flow during exposure, and removal of reactants and byproducts. The importance of removing the precursor using azimuthal symmetry is related to minimizing the onset of parasitic CVD at all azimuthal points around the wafer edge. Also, whatever the azimuthal symmetry or otherwise, if the flow is recirculated or stagnated at unnecessary corners in the pocket region associated with the wafer slot valve by design, a vortex can be created and the precursor residue is removed / Remains during the purge period and can induce parasitic CVD.
따라서, 설계의 출발시 제한 사항에는 하기 것들이 포함된다:Therefore, the start-up limitations of the design include:
a. 주입 흐름이 목표 워크피스에 대해 선-대칭적인 기하구조를 갖는 GDM을 지지한다. 예를 들어, 이는 원형 웨이퍼 (또는 다른 워크피스)의 중심과 정렬되는 (적어도 가공 위치에 놓이는 경우) 중심을 갖는 원형 GDM, 또는 그 위에서 증착이 일어나는 원형 웨이퍼 (또는 워크피스) 그룹일 수 있다.a. The injection flow supports GDM with a linear-symmetric geometry for the target workpiece. For example, it may be a circular GDM with center (if at least in the machining position) aligned with the center of the circular wafer (or other workpiece), or a group of circular wafers (or workpieces) on which deposition takes place.
b. 웨이퍼가, 직사각형의 슬롯 밸브를 통한 로봇 처리에 의한 수평 이동을 이용하여 가열기-서셉터 상에 위치한다.b. The wafer is positioned on the heater-susceptor using a horizontal movement by a robotic process through a rectangular slot valve.
c. 하류 펌프로 이어지는 펌핑 포트는 중심 웨이퍼 축에 대해 축 이탈될 수 있다.c. The pumping port leading to the downstream pump may be off-axis with respect to the center wafer axis.
d. 반응 공간 (샤워헤드와 웨이퍼 표면 사이의 용적)이 최소화되어야 한다.d. The reaction space (the volume between the showerhead and the wafer surface) must be minimized.
e. 하류 용적이 최소화되어야 하며, 긴 퍼지 시간을 야기하게 되는 가스 팽창이 최소화되고, (불필요한) 하류 수축의 이용이 제거되어야 하며, 반응 공간에서 하류 펌프까지의 컨덕턴스 (conductance)가 최대화되어야 한다.e. The downstream volume must be minimized, the gas expansion causing the long purge time to be minimized, the use of (unneeded) downstream contraction eliminated, and the conductance from the reaction space to the downstream pump must be maximized.
f. 하류 펌프의 효율적인 펌핑 속도를 변경시켜 웨이퍼에 대한 ALD 반응 효율을 개선시키기 위해 가스 유입물의 도입 지점의 하류 측에 대한 수축 제한을 이용하지 않고 다중수준 흐름이 얻어질 수 있다.f. Multi-level flow can be obtained without using shrinkage restrictions on the downstream side of the introduction point of the gas influent to improve the ALD reaction efficiency for the wafer by changing the effective pumping rate of the downstream pump.
ALD 주기 시간 (CT)은 제 1 전구체의 노출, 이후의 제 1 전구체의 미사용분 및 제 1 전구체 반응 부산물의 제거 (또는 "퍼지"), 및 이후의 제 2 전구체의 노출 및 제 2 전구체 미사용분 및 제 2 전구체 반응 부산물의 제거로 구성된다. 이들 4개의 주기 시간 요소의 합이 ALD CT가 된다.The ALD cycle time (CT) is determined by the exposure of the first precursor, subsequent removal of the first precursor and subsequent removal of the first precursor reaction product (or "purge"), and subsequent exposure of the second precursor, And removal of the second precursor reaction by-products. The sum of these four periodic time elements is ALD CT.
본 발명자의 방법에서는, 반응 공간의 용적을 최소화시키기 위해, 안내용 펌핑 도관을 가열기-서셉터의 가장자리에 부착시킴으로써 한정된 흐름 경로가 형성된다. 이 설계는 흐름 경로를 가능한 한 웨이퍼 가까이에 위치시키며, 가열기-서셉터에 기계적으로 부착되는 흐름 고리의 형태를 취하고 있다. 이동가능한 수직 서셉터에 부착되는 환형의 도관 흐름 고리를 이용함으로써 제거 시간이 대폭 감소되고 CT가 개선된다.In our method, a confined flow path is formed by attaching an inner chamber pumping conduit to the edge of the heater-susceptor to minimize the volume of the reaction space. This design places the flow path as close to the wafer as possible and takes the form of a flow loop mechanically attached to the heater-susceptor. Removal time is greatly reduced and CT is improved by using an annular conduit flow loop attached to a movable vertical susceptor.
환형의 흐름 고리는 명목상 서셉터 (36)와 동일한 높이에서 입력 오리피스 (50)를 갖는 도관(40)을 구비하고 있다. 환형의 흐름 고리 도관(40)의 출력 오리피스(42)는, 웨이퍼 (즉, 서셉터)가 가공 위치에 놓이는 경우에 슬롯 밸브 (28)의 하부 가장자리 아래 또는 실질적으로 그 아래에 놓인다. 이러한 제한은 슬롯 밸브로부터 우수한 대류성 흐름의 분리를 제공하며, 웨이퍼 가장자리 및 웨이퍼 표면 바로 하류에서의 흐름 대칭성을 개선시킨다. 심층류 고리 (DFR)가 이후 적절하게 형성된다. DFR의 외부 가장자리는 하류 반응기 챔버 벽 (51)의 내측에 가까이 위치하여, 슬롯 밸브 및 상부의 외부 반응기 벽 표면에 대한 확산성 역류를 최소화시킨다.The annular flow ring has a
흐름 고리 (40)를 구비한 수직으로 이동가능한 서셉터 (36)가 이의 "상향" 또는 가공 위치로 상승되는 경우에, DFR의 외부 표면 부재 (44)는, 반응기의 덮개 (48)의 내측에 부착되는 "덮개-고리" (46)의 제 2 표면 부재의 바닥에 대해 매우 근접하게 그리고 상기 바닥과 중첩되도록 위치한다. 덮개 고리 부재의 내부 표면 및 흐름 고리의 외부 표면은 반응물 흐름에 대해 한정되는 표면을 형성하며 반응 공간에 대한 제한을 제공한다.When the vertically
반복적인 모의시험에 의해, 반응물의 일부 소량이 흐름 고리의 도관 내에서 상류 흐름을 역 확산시키고, 덮개 고리 외측의 의도적으로 분리된 영역 (55)에 도달한다. 이에 의해 반응기 벽 (57) 상에 원치않는 퇴적물이 형성되고, 다수개의 단일 웨이퍼 반응기의 경우에는 의도적인 독립된 반응기들 사이에서 과도한 확산성 누화가 일어난다.By repetitive simulation tests, some small amount of reactant despreads the upstream flow in the conduit of the flow loop, reaching the intentionally separated region 55 outside the cover ring. This creates undesirable deposits on the
그러므로, 본 발명의 일 구체예에서, 덮개 고리 (46)는 가공을 위해 "상향"으로 위치하는 경우에 흐름 고리의 외부 표면 (44)의 리세스 내로의 삽입을 허용하는 리세스로 구성된다. 이의 결과물이 도 4a에 도시된 바와 같은 "홈내 설상체 (TIG)" 설계이다. 모의실험에 의해, 이러한 설계로부터 웨이퍼 증착율에 비해 외부 반응기벽 상의 정상상태 증착율에서 100배 정도의 감소가 얻어진다.Therefore, in one embodiment of the present invention, the
확산성 역류에 대한 더욱 추가의 감소는 흐름 고리 (40) 및 덮개 고리 (46)에 대해 조화된 계단형 외형을 갖는 TIG를 이용함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 구성은 도 4b에 도시되어 있다. 이 구성에서, 흐름 고리 (40)의 외부 표면은 2개 부분 (44a, 44b)으로 분할되고, 이중 내부 부분 (44a)은 덮개 고리 (46)의 내부 및 외부 부분 사이에 형성된 홈(52) 부분과 중첩되고, 외부 부분 (44b)은 홈(52) 내로 연장된다. 함께, 흐름 고리의 내부 및 외부 부분 (44a, 44b)은 덮개 고리 (46)의 홈(52) 내로 중첩되고 연장되는 계단형과 유사한 구조를 닮아 있다.A further reduction in diffusional backflow can be obtained by using a TIG having a stepped contour harmonized with the
도 4b의 계단형 TIG 설계를 위한 역-확산을 지지하는 모의실험으로부터, 계단형 내의 공간에 따라 달라지나, 정상 상태 웨이퍼 증착율에 비해 역-확산에서 최대 10,000배의 감소가 나타남을 알 수 있다. 상기한 계단형 설계는 또한, 그렇지 않으면 유지하기 어려운 TIG 설계에서 필요한 공차 (tolerances)를 생성시킬 수 있는 기계적 열 팽창 문제를 해소한다. 다중 수준의 계단형 설계 (예를 들어, 반응기 벽으로의 확산성 이송을 훨씬 더 감소시킬 수 있는, 각각 홈(52) 내에서 연속적인 거리로 중첩되고 연장되는 44a 및 44b와 같은 다수개 부분을 포함하는)는 도시되어 있지 않다 (본 발명의 범위 내에서 고려되긴 하더라도). 따라서, 다수 단계를 이용하여, "일반화된 계단형" 설계로 이를 수 있는 부착된 흐름 고리 설계에 대해서는 성능 체계가 존재한다.The back-diffusion supporting simulation for the step-like TIG design of FIG. 4B shows that a maximum 10,000-fold reduction in back-diffusion compared to steady-state wafer deposition varies with the space within the stepped structure. The step-like design also addresses the mechanical thermal expansion problem that can create the necessary tolerances in a otherwise difficult to maintain TIG design. Multiple levels of stepped design (e.g., multiple portions such as 44a and 44b, which overlap and extend at successive distances in the
대안적으로, 단일 핀 (fin) 부재 (이중 고리보다는)가 반응기 덮개의 내부 표면에 부착되고 DFR이 가공 위치 동안 서셉터의 외부 고리에 대해 중첩 위치로 위치하는 경우에, 대안적인 구체예가 실현된다. 그러나, 이 경우, 반응 공간은 한정될 것이나, 웨이퍼와 동일한 수직 높이에 있는 반응기 외부 벽으로의 반응물 확산은 잘 분리되지 않을 것이다. 유사하게, DFR이 슬롯 밸브보다 더 깊이 연장됨에 따라 한정되지 않는 경우, 슬롯 밸브에 대한 재순환 및 분리는 불량해질 것이다. 이러한 불량한 대안책은, 계단형 TIG 설계와 조합된 부착된 연장된 깊이의 환형 DFR이 특히 선호됨을 의미한다. TIG 설계는, TIG 덮개 요소의 내부 가장자리가 반응 공간에서 미사용 공간을 없애도록 곡선화되게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 것과 같은 곡선화되거나 돌출된 (countered) 윤곽선 (54)이 사용될 수 있다.Alternatively, an alternative embodiment is realized when a single fin member (rather than a double loop) is attached to the inner surface of the reactor lid and the DFR is located in an overlapping position with respect to the outer ring of the susceptor during the working position . However, in this case, the reaction space will be limited, but the reactant diffusion to the reactor outer wall at the same vertical height as the wafer will not be well separated. Similarly, if the DFR is not limited as it extends deeper than the slot valve, recirculation and separation for the slot valve will be poor. This poor alternative means that an annular extended DFR with attached depth combined with a stepped TIG design is particularly preferred. The TIG design can be made such that the inner edge of the TIG lid element is curved to eliminate unused space in the reaction space. For example, a curved or countered
모의실험으로부터, 도 3에 도시된 설계가 축이탈 펌프로 인해 대략 10%의 비대칭 흐름을 나타냄이 확인된다. 이러한 축-이탈 펌프의 위치는, 방위각 흐름을 균형맞추도록 중심 맞춰진, 약 10 내지 150도의 방위각에 걸치는 하류 배플(56)을 위치시킴으로써 설계될 수 있다. 그러한 구성이 도 5에 도시되어 있다.From the simulation, it is confirmed that the design shown in Fig. 3 shows an asymmetric flow of about 10% due to the off-axis pump. The position of such an off-axis pump can be designed by placing a
상술된 ALD 시스템은, 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에 참고로 포함되며 하류 수축장치를 필요로 하지 않는 리우 등 (Liu et al)의 미국 특허 출원 제 10/791,030호 (이 출원은 또한 WO 03/062490호에서 스네 (Sneh)에 의해 제안된 양-수준 (bi-level) 흐름 시스템을 논의하고 있다)에 기술된 것과 같은 다중수준 흐름 설계를 이용하여 작동될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 구체예들은 상술되고 반응 공간으로부터 가스 스트림을 제거하도록 연결된 펌프를 구비하며 AFR 도관 및 하부 챔버가 펌프로 연결되는 TIG 챔버 구성을 제공할 수 있다. 반응 공간 및 AFR 도관을 우회할 수 있는 가스 주입 오리피스는, 이 오리피스를 통해 주입된 가스가 AFR의 출력 오리피스(42) 아래의 펌프로 이어지는 스트림 내로 유입되도록 위치한다. 따라서, 상기 오리피스는 ALD 주기화 동안 주기적으로, AFR의 출력 오리피스(42)와 하류 펌프 오리피스 사이에 추가 수축장치 없이, 펌프의 입력으로 직접 이어지는 펌프 도관내로 가스를 직접 주입시킨다. 몇몇의 경우에, 이렇게 주입된 가스는 균일한 노출 및 균일한 체류 시간을 달성하도록 방위각 지점에서 주입될 수 있다. TIG 설계는, TIG 덮개 부재의 내부 가장자리가 반응 공간 내 미사용 공간을 제거하도록 곡선화되게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 것과 같은 곡선화되거나 돌출된 윤곽선 (54)이 사용될 수 있다.The above-described ALD system is described in U. S. Patent Application No. 10 / 791,030 to Liu et al., Which is assigned to the assignee of the present invention and which is incorporated herein by reference and does not require a downstream shrinkage device Level flow design proposed by Sneh in < RTI ID = 0.0 > U. < / RTI > Thus, embodiments of the present invention may provide a TIG chamber configuration, as described above and having a pump connected to remove the gas stream from the reaction space, wherein the AFR conduit and the lower chamber are pumped. The gas injection orifices that can bypass the reaction space and the AFR conduits are positioned such that the gas injected through the orifices enters the stream leading to the pump below the
정비 특성 또한 바람직하다. 심층류 고리의 내측 벽 상의 ALD 퇴적물은 궁극적으로 정비를 요할 것이다. 이것은, 가열기-서셉터로의 덮개-통로 (lid-access)를 이용하는 정비 과정에 이어, 사용된 DFR 부품의 수동 제거 및 교체에 의해 수행된다. 사용된 심층류 고리는 세척되고 재사용될 수 있다.Maintenance characteristics are also desirable. ALD deposits on the inner wall of the deep-run loop will ultimately require maintenance. This is accomplished by manual removal and replacement of the used DFR components followed by a maintenance procedure using a lid-access to the heater-susceptor. The deep-flow rings used can be cleaned and reused.
지지 데이터와 함께 모의실험 방법 및 결과가, 본원에 참고로 포함된 상기 인용된 가 특허출원의 부록 A에 주어져 있다.Simulation methods and results with support data are given in Appendix A of the above-cited patent application, which is incorporated herein by reference.
지금부터 도 6을 참조하면, 상술된 것과 유사하며, 상기 논의된 TIG 끼워진 고리를 사용하여 구성된 개별 반응기 챔버를 포함할 수 있는 다수개의 단일 웨이퍼 ALD 공정 장치가 도시되어 있다. 예시된 장치는, 각각이 4개의 개별 챔버 (60)를 구비하는 총 2개의 공정 모듈 (58)을 포함한다. 도 6에는 도시되어 있지 않으나 이송 챔버 (62)의 로봇 팔의 도움으로, 기판이 2개의 로드 록 (64)에서부터 공정 모듈 (58) 내로 이송될 수 있는데, 이 공정 모듈 (58)에서 기판이 반응기 챔버 (60) 중에서 코팅된다. 대기 (atmospheric) 웨이퍼 이송 모듈 (68) 및 2개의 인접한 로드 록은, 진공 이송 챔버로 그리고 진공 이송 챔버로부터의 로딩 및 언로딩을 위한 웨이퍼 이송을 제공한다. 냉각 스테이션 (66)이 또한 제공되어 있다.Referring now to FIG. 6, there is shown a plurality of single wafer ALD process devices, similar to those described above, that may include individual reactor chambers configured using the TIG-fitted rings discussed above. The illustrated apparatus includes a total of two
도 7에 도시된 바대로, 반응기 챔버의 각각은 기판 (72)을 지지하기 위한 기판 홀더 (70)를 포함한다. 기판 (72)은 기판 홀더 (70) 상에 위치하며, 이의 면적 대부분을 덮는다. 다만, 공정 챔버를 둘러싸는 실드 (74)에 의해 형성되는 챔버 (60)의 외부 둘레 구역은 기판 홀더 (70)에 의해 덮혀지지 않는다. 이러한 구성에 의해 원형의 가스 배출 포트 (76)가 형성된다.As shown in FIG. 7, each of the reactor chambers includes a
모든 챔버 (60)의 덮개 또는 천장은 원형 실드 (74)에 의해 포위되는 가스 유입 오리피스 (GDM과 같은) 부품 (78)을 포함한다. 공정 가스 및 캐리어 가스에 대한 가스 유입물 (80)은 가스 유입 오리피스 부품(78) 내로 함께 합류된다. 가스 유입물 (80)은 가스 유입 오리피스 부품 (78)의 거의 전 높이에 걸쳐 연장되는 가스 용적 내로 공급된다. 가스 유입 오리피스 부품(78)은 이의 하면 상에, 챔버 (60)를 향하여 돌출되는 다수개의 체 (sieve)와 유사한 가스 유출 개구를 형성한다 (도 7에는 도시되어 있지 않음). 이러한 가스 유출 개구를 통해, 공정 가스 및 캐리어 가스가 챔버 (60) 내로 유동할 수 있다.The cover or ceiling of all
특히, 이 구체예에서, 가스는 챔버를 통해, 가스가 실드 (74)에 의해 수직 하향으로 분기되는 둘레 영역을 향한 방사상 방향으로 수평으로 유동한다 (수직 주입 후에). 이후, 가스는 원형의 가스 배출 채널 (76)을 통해 유동하며, 이 채널 (76)은 내부 채널 벽 (82) 및 외부 채널 벽 (84)으로 형성된다. 가스 배출 채널 (76)로부터 흘러나오는 가스는, 공정 모듈 (98)의 중심 축을 둘러싸는 공통의 가스 유출 도관 (86) 내로 유동한다. 앞선 라인 및 진공 펌프는 상기한 공통의 가스 유출 도관 (86)으로 연결될 수 있다.In particular, in this embodiment, the gas flows horizontally through the chamber in a radial direction toward the peripheral region where the gas diverges vertically downwardly by the shield 74 (after vertical injection). Thereafter, the gas flows through the circular
채널 내부 벽 (82)은 또한 기판 홀더 (70)의 외부 벽이기도 하다. 기판 홀더 (70)는, 모두 함께, 뒤집어진 포트와 같이 형상화된 바디를 형성한다. 상기 포트의 평탄한 외부 벽 (또는 "바닥")은 기판 (72)에 대한 지지 표면을 형성한다. 원통형 포트 벽 (82)의 외부 벽은 가스 배출 유출 포트 (76)의 내부 벽을 형성한다. 채널 내부 벽 (82)으로부터 틈에 의해 분리되는 채널 외부 벽 (84)은 채널 내부 벽 (82) 및 이에 따라 기판 홀더 (70)에 단단하게 연결된다. 이러한 확고한 연결을 위해, 리브 또는 버팀목이 사용될 수 있다 (도시되지 않음).The channel
채널 외부 벽 (84) (계단형 설계의 "라이저 (riser)")의 상부 구획 (90)은, 기판 홀더 (70)가 가공 위치에 놓이는 경우에 실드에 대해 방사상 외측에 위치하는 밀봉 고리 (92)의 고리 홈(114) 내로 끼워진다. 이 상부 구획 (90)에서, 외부 채널 벽 (84)의 재료 두께는 디자인드-인 (designed-in) 단계에 따라 감소된다. 밀봉 고리 (92)는 바닥이 개방되고 외부 채널 벽 (84)의 구획 (90)이 유입될 수 있는 고리 홈(114)을 형성한다. 이에 의해 챔버 (60)와 가스 공간 (94) 사이에 가스 시일링이 형성된다. (심층류 고리의) 외부 채널 벽은 또한 가스 유출 도관 (86)의 내부 벽 (96)에 대해 (가스 확산 흐름) 밀봉 표면을 형성한다. 따라서, 가스 유출 도관 (86)을 통해 유동하는 가스는 가스 공간 (94) 내로 도달할 수 없다. 기판 홀더 (70)가 가공 위치로부터 로딩 위치로 하강되면, 파이프 형상의 외부 채널 벽 (84)의 외부 표면이 가스 유출 도관 (86)의 내부 벽 (96)을 따라 (적은 공간 내에서) 이동한다.The
도시된 바대로, ALD 장치는 중심 축 (98)에 대해 대칭일 수 있다. 리프팅 핀 (lifting pin) (100)(기판 홀더 (70) 내의 개구 (102)를 통해 작동하는)이 또한 제공될 수 있다. 기판 홀더 (70)는 축받이대 (pedestal) (104)에 의해 지지되며 챔버는 최정상부 (106)를 구비할 수 있다.As shown, the ALD device may be symmetrical with respect to the
도 7에 도시된 위치로부터 출발하는 경우, 리프트 핀 (100)은, 기판 (72)이 접촉점 (108, 110) 상에 놓이도록 수축된 상태에 있다. 도 8은 반응기 (60) 내에서 더욱 낮은 (로딩/언로딩) 위치에 있는 기판 홀더를 도시하고 있다. 기판 (72)을 반응기 내/외로 이송시키기 위해서, 기판은 리프트 핀 (100)을 이용하여 상승될 수 있는데, 상기 리프트 핀 (100)은 도 7에 도시된 수축된 위치로부터, 로딩 및 언로딩 이송이 일어날 수 있는 수준 위의 위치에서 리프트 핀에 의해 지지된 기판 지지 위치로 구동 장치 (도시되지 않음)에 의해 구동된다. 이러한 방식으로, 기판들이 반응 챔버로/반응 챔버로부터 연속적으로 로딩/언로딩될 수 있다.7, the lift pins 100 are in a contracted state such that the
외부 채널 벽 (84)의 구획 (90)이 밀봉 고리 (92)의 고리 홈(114) 내로 삽입되는 시일링 계면의 확대도가 도 8에 또한 도시되어 있다. An enlarged view of the sealing interface in which the
그러므로, 기판 홀더가 가공 위치에 놓이는 경우에, 기판 홀더와 단단하게 연결되는, 채널 벽의 상부 구획이 자체적으로 실드에 의해 덮혀지는 원형 밀봉 고리의 고리 홈(114) 내로 삽입된다. 이러한 원형 실드 (74) 및 밀봉 고리 (92)는 단일 조각-부품 (piece-part)으로 합쳐질 수 있다. 원형 실드 (74)는 공정 챔버의 원주 벽을 형성하고, 가스 유입 오리피스 부품(78)으로부터, 가스 배출 채널 (76)의 내부 (82) 및 외부 (84) 벽으로 둘러싸이는 가스 배출 채널로 수직 방향으로 연장되는데, 여기서 상기 내부 벽은 기판 홀더 (70)와 단단히 연결된다. 기판 홀더가, 기판 표면 상에서의 층 성장이 일어나는 상기 언급된 가공 위치로부터 로드/언로드 위치로 하강되면, 개별 공정 챔버 간의 틈새 공간이 개방된다. 이러한 로딩 및 언로딩 위치에서, 기판 홀더는 틈새 공간 아래에 놓인다. 기판 홀더는 리프트 핀의 관통을 위한 개구를 형성한다. 이 리프트 핀은 리프트 기구에 의해 상승되며, 이들 리프트 핀을 기판 홀더로부터 분리시키기 위해 하면으로부터 기판을 들어올린다. 로드 및 언로드 작동을 수행하기 위해서, 반응기 챔버는, 이를 통해 로봇 팔이 반응기 챔버로 도달할 수 있는 측면 슬롯 개구를 형성한다. 기판 홀더는 리프트 축에 의해 운반되고, 이 축은 기판 홀더를 상술된 바와 같이 수직으로 이동시킬 수 있다.Therefore, when the substrate holder is placed in the processing position, the upper section of the channel wall, which is tightly connected with the substrate holder, is inserted into the
따라서, 반응기 벽으로의 화학적 전달을 최소화시키면서 대칭 흐름을 갖는 최소의 ALD 반응 용적에 대해 형성된 소용적의 대칭 흐름형 (SVSF) 장치가 설명되었다. 특정의 예시된 구체예에 대해 논의하였더라도, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 단지 후속하는 청구범위에 의해서 판단되어야 한다.Thus, a small, symmetrical flow (SVSF) device formed for a minimal ALD reaction volume with a symmetrical flow while minimizing chemical transfer to the reactor wall has been described. Although specific exemplary embodiments have been discussed, the present invention is not intended to be limited by these, and the present invention should be determined only by the following claims.
Claims (16)
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