DE112011103330T5

DE112011103330T5 - System und Verfahren zur schnellen Puls-Gasabgabe

Info

Publication number: DE112011103330T5
Application number: DE201111103330
Authority: DE
Inventors: Junhua Ding
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: TWI487806B; US20120073672A1; CN103221576A; TW201231712A; KR20130097215A; KR102153443B1; JP2013540201A; DE112011103330B4; KR20190104638A; CN103221576B; GB201305601D0; KR101961782B1; GB2496830A; GB2496830B; WO2012044658A1; US8997686B2; KR20150092368A; JP5788515B2; SG189096A1; KR20190006096A

Abstract

Ein System und ein Verfahren zur Abgabe von Pulsen einer gewünschten Gasmasse an ein Werkzeug ist beschrieben. System zur Abgabe von Pulsen einer gewünschten Gasmasse an eine Bearbeitungskammer oder ein Werkzeug, umfassend: eine Gasabgabekammer; ein erstes Ventil, das so angeordnet ist, dass es den Gasdurchfluss in die Gasabgabekammer regelt; ein zweites Ventil, das so angeordnet ist, dass es den Durchfluss von Gas regelt, das die Gasabgabekammer verlässt, sodass das Gas die Gasabgabekammer in Pulsen verlassen kann, jeder mit einer als Funktion des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer und der Dauer des jeweiligen Pulses gewählten Masse; und eine Druckregelanordnung, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie den Gasdurchfluss in die Gasabgabekammer so regelt, dass das Gas in der Gasabgabekammer auf einen Anfangsdruck-Sollwert vorgeladen wird, bevor die Gaspulse abgegeben werden, sodass die Schwankung des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer geregelt ist, bevor die Gaspulse abgegeben werden, und die Reproduzierbarkeit der Massenabgabe als Funktion der Dauer jedes der Pulse verbessert ist.

Description

In Zusammenhang stehende Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht Anmeldungs-Vorrang vor der US-Patentanmeldung Nr. 12/893,554, eingereicht am 29. September 2010, deren gesamte Lehren hier durch Verweis aufgenommen sind.
Hintergrund
Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf Gasabgabevorrichtungen und genauer auf ein Verfahren und ein System zur schnellen Puls-Gasabgabe. Wie er hier benutzt ist, schließt der Begriff „Gas” den Begriff „Dämpfe” ein, sollten die beiden Begriffe als unterschiedlich angesehen sein.
Übersicht
Die Herstellung oder Fertigung von Halbleiterbauelementen erfordert oft die sorgfältige Synchronisierung und genau abgemessene Abgabe von bis zu einem Dutzend Gasen an ein Verfahrenswerkzeug, wie etwa eine Vakuum-Bearbeitungskammer. Verschiedene Rezepturen werden im Verarbeitungsprozess verwendet, und viele diskrete Verarbeitungsschritte, in denen ein Halbleiterbauelement gereinigt, poliert, oxidiert, geätzt, dotiert, metallisiert usw. wird, können erforderlich sein. Die benutzten Schritte, ihre spezielle Abfolge und die zugehörigen Materialien tragen alle zur Herstellung spezieller Bauelemente bei.
Da immer mehr Bauelementegrößen unter 90 nm geschrumpft sind, ist Atomlagenabscheidung (ALD-Prozesse) weiter für eine Vielzahl von Anwendungen erforderlich, wie etwa die Abscheidung von Sperren für Kupfer-Zwischenverbindungen, die Schaffung von Wolfram-Keimbildungsschichten und die Herstellung höchst leitfähiger Dielektrika. Im ALD-Prozess werden zwei oder mehr Vorläufergase in Pulsen abgegeben und strömen über eine Wafer-Oberfläche in einer unter Vakuum gehaltenen Bearbeitungskammer. Die beiden oder mehr Vorläufergase strömen in alternierender oder sequentieller Weise, sodass die Gase mit den Stellen oder Funktionsgruppen auf der Wafer-Oberfläche reagieren können. Wenn alle verfügbaren Stellen mit einem der Vorläufergase gesättigt sind (z. B. Gas A), stoppt die Reaktion, und ein Spülgas wird verwendet, um die überschüssigen Vorläufermoleküle aus der Bearbeitungskammer auszuspülen. Der Vorgang wird wiederholt, während das nächste Vorläufergas (d. h. Gas B) über die Wafer-Oberfläche strömt. Bei einem Prozess, an dem zwei Vorläufergase beteiligt sind, kann ein Zyklus definiert sein als: ein Puls des Vorläufers A, Spülung, ein Puls des Vorläufers B und Spülung. Ein Zyklus kann die Pulse zusätzlicher Vorläufergase sowie Wiederholungen eines Vorläufergases enthalten, mit der Verwendung eines Spülgases zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen von Vorläufergasen. Diese Sequenz wird wiederholt, bis die endgültige Dicke erreicht ist. Diese sequentiellen, selbst begrenzenden Oberflächenreaktionen führen zu einer Einzelschicht der abgeschiedenen Schicht pro Zyklus.
Die Pulse von Vorläufergasen in die Bearbeitungskammer werden normalerweise unter Verwendung von Ventilen des Ein-/Aus-Typs geregelt, die einfach über einen vorgegebenen Zeitraum geöffnet werden, um mit jedem Puls eine gewünschte Menge (Masse) an Vorläufergas in die Bearbeitungskammer abzugeben. Alternativ wird ein Massendurchflussregler, eine eigenständige Vorrichtung, umfassend einen Messumformer, ein Regelventil und Regel- und Signalverarbeitungselektronik, verwendet, um eine Menge an Gas (Masse) in vorgegebenen und reproduzierbaren Durchflussraten in kurzen Zeitabständen abzugeben. In beiden Fällen wird die Materialmenge (Masse), die in die Bearbeitungskammer strömt, nicht tatsächlich gemessen, sondern aus Messparametern der Zustandsgleichung der idealen Gase abgeleitet.
Es wurden Systeme, die als Puls-Gasabgabevorrichtungen (PGD-Vorrichtungen) bekannt sind, entwickelt, die einen gepulsten Massendurchfluss an Vorläufergasen in Halbleiter-Bearbeitungskammern und andere Bearbeitungswerkzeuge messen und abgeben können. Solche Vorrichtungen sind ausgelegt, reproduzierbare und genaue Mengen (Masse) an Gasen zur Verwendung in Halbleiter-Fertigungsprozessen vorzusehen, wie etwa Atomlagenabscheidungsprozessen (ALD-Prozessen).
PGDs enthalten gewöhnlich ein Abgabereservoir oder eine Abgabekammer, die das während des ALD-Prozesses abzugebende Gas enthält und der Bearbeitungskammer oder dem Werkzeug vorgelagert ist. Durch Messen des Drucks und der Temperatur des Gases in der Abgabekammer und Regeln des Gasdurchflusses aus der Abgabekammer als Funktion des Druckabfalls des Gases in der Kammer während der Abgabe kann die Masse eines während der ALD abgegebenen Gaspulses genau geregelt werden. Der Durchfluss des Gaspulses aus der Kammer wird mit einem Auslassventil des Ein-/Aus-Typs zwischen der Abgabekammer der PGD und dem Prozesswerkzeug geregelt, das das Gas empfängt. Die Zeitdauer, während der das Ventil offen sein muss, um einen Gaspuls einer gegebenen Masse abzugeben, ist eine weitere Funktion des Anfangsdrucks des Gases in der Kammer und des der Bearbeitungskammer oder dem Werkzeug nachgelagerten Drucks. Zum Beispiel erfordert bei einer gegebenen abzugebenden Gasmenge der Anfangsdruck in der Abgabekammer bei einem höheren Anfangsdruck eine kürzere Zeit, während der das Ventil offen sein muss, als bei einem niedrigeren Anfangsdruck, da der Massendurchfluss bei dem höheren Anfangsdruck schneller geschieht. Der Ladezeitraum und der Abgabezeitraum von PGDs sollte bei Anwendungen zur schnellen Puls-Gasabgabe streng geregelt werden, um genaue Abgabe vorgeschriebener Mengen an Gas(en) sicherzustellen. Folglich sollten der vorgelagerte Druck der PGDs sowie der geladene Druck in den PGDs streng geregelt sein, um die Reproduzierbarkeits- und Genauigkeitsanforderungen des ALD-Verfahrens zu erfüllen.
Weiter weisen die Einlass- und Auslassventile in der PGD eine endliche Ansprechzeit auf, um von einem Zustand (Ein/Aus) zu einem anderen Zustand (Aus/Ein) überzugehen, wenn die Ventile entweder zum Laden der Kammer oder Abgeben des Gaspulses angesteuert werden. Zum Beispiel beträgt eine typische Ansprechzeit von pneumatischen Absperrventilen in ALD-Anwendungen zwischen ungefähr 5 und 35 Millisekunden. Die Ansprechzeit der Ventile kann einem Ansprechen auf die durch die PGD-Regelung gesendete Ventilansteuerung eine Verzögerung hinzufügen, die entweder ein Überladen der PGD-Kammer oder eine Über-Abgabe des Gaspulses an die Bearbeitungskammern oder Werkzeuge verursacht, wie in 2 dargestellt. Zum Beispiel ist im Lademodus der PGD das Auslassventil geschlossen, das Einlassventil ist offen, damit Gas in die Abgabekammer der PGD eintreten kann, und die PGD-Regelung überwacht die Druckänderung. Die PGD-Regelung muss durch Berücksichtigen der Ansprechzeit (oder Verzögerung) des Einlassventils frühzeitig einen Absperrbefehl an das Einlassventil senden, bevor die Abgabekammer den Drucksollwert erreicht; sonst kann die Abgabekammer überladen werden, oder der Abgabekammerdruck liegt oberhalb des Sollwerts.
In jüngster Zeit wurden bestimmte Verfahren entwickelt, die eine gepulste Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit oder im Zeitmultiplex erfordern. Zum Beispiel entwickelt die Halbleiterindustrie fortschrittliche Silizium-Durchkontaktierungen (TSVs) für dreidimensionale integrierte Schaltungen, um Zwischenverbindungsfähigkeit für das Stapeln von Chip auf Chip oder Wafer auf Wafer vorzusehen. Die Hersteller ziehen zur Zeit eine breite Vielfalt von dreidimensionalen Integrationsmodellen in Betracht, die einen ebenso breiten Bereich an TSV-Ätzanforderungen darstellen. Plasma-Ätztechnik, wie etwa das Bosch-Verfahren, das weitgehend für tiefes Siliziumätzen bei Speicherbauelementen und der MEMS-Fertigung verwendet wurde, ist gut für die TSV-Erzeugung geeignet. Das Bosch-Verfahren, auch als gepulstes Hochgeschwindigkeits- oder Zeitmultiplexätzen bekannt, wechselt wiederholt zwischen zwei Modi, um fast vertikale Strukturen unter Verwendung von SF₆ und die Abscheidung einer chemisch trägen Passivierungsschicht unter Verwendung von C₄F₈ zu erreichen. Für großtechnischen Erfolg erforderliche Vorgaben für TSV sind: angemessene Funktionalität, niedrige Kosten und erwiesene Zuverlässigkeit.
Zur Zeit gibt es zwei Ansätze nach dem Stand der Technik für Hochgeschwindigkeits-Puls-Gasabgabe in einem Bosch-Verfahren. Der erste Ansatz nach dem Stand der Technik ist es, Massendurchflussregler (MFCs) mit kurzer Ansprechzeit zu verwenden, um Gasströme der Abgabepulsgase ein- und auszuschalten. Dieses Verfahren leidet unter niedriger Abgabegeschwindigkeit und schlechter Reproduzierbarkeit und Genauigkeit. Der zweite Ansatz nach dem Stand der Technik umfasst die Verwendung von MFCs, die mit nachgeschalteten Dreiwegeventilen gekoppelt sind. Die MFCs halten konstanten Durchfluss aufrecht, und die nachgeschalteten Dreiwegeventile schalten häufig zwischen der Prozessleitung und der Ableitungsleitung um, um Pulsgase zur Bearbeitungskammer abzugeben. Ganz klar wird eine Menge der Gase vergeudet, was die Verfahrenskosten erhöht. Das zweite Verfahren leidet auch bei der Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Abgabe. Somit ist es wünschenswert, eine Lösung für Hochgeschwindigkeits-Pulsabgabeanwendungen zu schaffen, wie etwa das zur TSV-Erzeugung verwendete Bosch-Verfahren, die diese Probleme reduziert oder überwindet.
Beschreibung des Standes der Technik
Beispiele von Pulsmassendurchfluss-Abgabesysteme sind zu finden in den US-Patenten Nr. 7615120 ; 7628860 , 7662233 und 7735452 sowie den US-Patentveröffentlichungen Nr. 2006/00601139 und 2006/0130755 .
Zusammenfassung
Wie oben beschrieben, ist der anfängliche Kammerdruck der Abgabekammer ausschlaggebend für die Reproduzierbarkeit der Puls-Gasabgabe. Daher kann man durch strenge Regelung der Schwankung des anfänglichen Kammerdrucks vor der Puls-Gasabgabe die Reproduzierbarkeit der Puls-Gasabgabe verbessern.
Demgemäß umfasst gemäß einem Aspekt der hier beschriebenen Lehren ein System zur Abgabe von Pulsen einer gewünschten Gasmasse an eine Bearbeitungskammer oder ein Werkzeug: eine Gasabgabekammer; ein erstes Ventil, das so angeordnet ist, dass es den Gasdurchfluss in die Gasabgabekammer regelt; ein zweites Ventil, das so angeordnet ist, dass es den Durchfluss von Gas regelt, das die Gasabgabekammer verlässt, sodass das Gas die Gasabgabekammer in Pulsen verlassen kann, jeder mit einer als Funktion des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer und der Dauer des jeweiligen Pulses gewählten Masse; und eine Druckregelanordnung, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie den Gasdurchfluss in die Gasabgabekammer so regelt, dass das Gas in der Gasabgabekammer auf einen Anfangsdruck-Sollwert vorgeladen wird, bevor die Gaspulse abgegeben werden, sodass die Schwankung des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer geregelt ist, bevor die Gaspulse abgegeben werden, und die Reproduzierbarkeit der Massenabgabe als Funktion der Dauer jedes der Pulse verbessert ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der hier beschriebenen Lehren umfasst ein Verfahren zur Abgabe von Pulsen einer gewünschten Gasmasse an ein Werkzeug:
Regeln des Gasdurchflusses in die Gasabgabekammer, und Regeln des Durchflusses von Gas, das die Gasabgabekammer verlässt, sodass das Gas die Gasabgabekammer in Pulsen verlassen kann, von denen jeder eine als Funktion des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer und der Dauer des jeweiligen Pulses gewählte Masse aufweist; und Vorladen des Gases in der Gasabgabekammer auf einen Anfangsdruck-Sollwert, um die Gaspulse so abzugeben, dass die Schwankung des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer geregelt ist, bevor die Gaspulse abgegeben werden, und die Reproduzierbarkeit der Massenabgabe als Funktion der Dauer jedes der Pulse verbessert ist.
Diese sowie andere Bestandteile, Schritte, Merkmale, Ziele, Nutzen und Vorteile werden jetzt aus einer Durchsicht der folgenden genauen Beschreibung erläuternder Ausführungsformen, der begleitenden Zeichnung und der Ansprüche deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Zeichnung offenbart erläuternde Ausführungsformen. Sie legt nicht alle Ausführungsformen dar. Andere Ausführungsformen können zusätzlich oder stattdessen verwendet werden. Einzelheiten, die offensichtlich oder unnötig sein können, können zur Platzersparnis oder zu effektiverer Darstellung weggelassen sein. Dagegen können einige Ausführungsformen ohne alle der Einzelheiten umgesetzt werden, die offenbart sind. Wenn dieselbe Bezugsnummer in verschiedenen Figuren erscheint, bezieht sie sich auf dieselben oder ähnliche Bauteile oder Schritte.
1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Gasabgabesystems zum Vorsehen von Hochgeschwindigkeits-Pulsabgabe;
2 ist eine grafische Darstellung des Drucks in der Kammer der in 1 gezeigten PGD über der Zeit während der Abgabe eines Gaspulses aus der Abgabekammer;
3 ist ein Blockschaltbild der Verwendung des mit einer Gasquelle und einem Bearbeitungswerkzeug gekoppelten Systems; und
4 teilweise ein Blockschaltbild, teilweise ein Schaltbild eines ALD-Systems, das das Gasabgabesystem des in 1 gezeigten Typs enthält.
Genaue Beschreibung erläuternder Ausführungsformen
Erläuternde Ausführungsformen werden nun beschrieben. Andere Ausführungsformen können zusätzlich oder stattdessen verwendet werden. Einzelheiten, die offensichtlich oder unnötig sein können, können zur Platzersparnis oder zu einer effektiveren Darstellung weggelassen sein.
Dagegen können einige Ausführungsformen ohne alle der Einzelheiten umgesetzt werden, die offenbart sind.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Systems, das ausgelegt ist zum Vorsehen von Hochgeschwindigkeits-Pulsabgabe eines Gases. Das System 10 und das durch Verwenden des Systems ausgeführte Verfahren sind insbesondere dazu gedacht, verunreinigungsfreie, genau abgemessene Mengen an Prozessgasen an ein Halbleiterwerkzeug abzugeben, wie etwa eine Halbleiterbearbeitungskammer oder eine Plasma-Ätzmaschine. Das Gasabgabesystem 10 misst zuverlässig die Menge an Material (Masse), die in das Halbleiterwerkzeug strömt, und sieht genaue Abgabe der Masse eines Gases in Pulsen relativ kurzer Dauer in zuverlässiger und reproduzierbarer Weise vor. Weiter verwendet das System einen weiter vereinfachten Betrieb, während es Abgabe der gewünschten Anzahl an Gas-Molen über einen breiten Wertebereich vorsieht, ohne die Notwendigkeit, Gas abzuleiten, um die genauen, zuverlässigen und reproduzierbaren Ergebnisse zu erzielen.
In 1 enthält das gezeigte System 10 eine Gasabgabekammer oder ein Reservoir 12, ein Einlassventil 14, das den Massendurchfluss in die Gasabgabekammer 12 regelt, und ein Auslassventil 16, das den Massendurchfluss aus der Gasabgabekammer 12 regelt. In der dargestellten Ausführungsform sind das Einlass- und das Auslassventil Absperrventile mit relativ schnellem Absperrverhalten, d. h. Übergang von einem offenen Zustand zu einem abgesperrten Zustand in der Größenordnung von einer bis fünf Millisekunden, obwohl dies deutlich variieren kann.
Das Massendurchfluss-Abgabesystem 10 weist auch einen Drucksensor oder -messumformer 18 auf, um Signale vorzusehen, die Druckmessungen in der Kammer 12 darstellen, und einen Temperatursensor 20, um Signale vorzusehen, die Temperaturmessungen an oder in der Kammer 12 darstellen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung steht der Temperatursensor 20 in Kontakt mit einer Wand der Kammer 12 und sieht Messung der Temperatur der Wand vor.
Ein Signal, das den gewünschten Massendurchfluss darstellt, ist am Eingang 22 der Pulsabgaberegelung 24 vorgesehen. Die Regelung 24 empfängt auch Eingänge, die den Druck und die Temperatur darstellen, die durch den Druckmessumformer 18 bzw. den Temperatursensor 20 gemessen sind. Der Eingang 22 kann auch Signale empfangen, die andere Bearbeitungsanweisungen und verschiedene Bedingungen darstellen. Das System enthält auch einen oder mehrere Ausgänge 26 und 28 zum Vorsehen von Regelsignalen, die benutzt werden, um den Betrieb der Einlass- und Auslassventile 14 bzw. 16 zu regeln. Wie nachstehend offensichtlicher wird, ist die Dauer des zum Öffnen des Einlassventils 14 benutzten Regelsignals eine Funktion des Druckpegels, der in der Abgabekammer 12 vor der Abgabe eines Gaspulses gewünscht ist, wobei die Dauer des zum Öffnen des Auslassventils 16 benutzten Regelsignals eine Funktion des Gaspulses ist (der wiederum mit der abgegebenen Gasmasse korreliert ist), der durch das Auslassventil abgegeben wird.
Um eine umfassendere Lösung für die schnelle Abgabe im Pulsmodus vorzusehen, den Abgabezyklus zu beschleunigen und einen sehr schnellen Betrieb der Abgabe im Pulsmodus zu ermöglichen, den Bereich und die Genauigkeit der Abgabedosen im Pulsmodus zu verbessern und die Betriebskomplexität für Benutzer des Systems zu reduzieren, enthält das System weiter zusätzliche Bestandteile, die eingerichtet sind, einen geregelteren Anfangsdruck in der Abgabekammer 12 vor der Abgabe von Gas durch das Ventil 16 an ein Werkzeug vorzusehen, sodass der gemessene Durchfluss aus der Kammer 12 genauer und besser reproduzierbar ist und mit kürzeren Pulsraten betrieben werden kann.
Wie in der in 1 dargestellten Ausführungsform gezeigt, umfasst das System 10 weiter eine Pufferkammer oder ein Reservoir 40 zum Halten des durch das Einlassventil 14 abzugebenden Gases, sodass der Druck in der Kammer 12 auf einen vorgegebenen Pegel vorgeladen werden kann, bevor eine Dosis oder eine Serie von Dosen des Gases durch das Auslassventil 16 abgegeben wird. Um das Gas von einer Gasquelle 52 in die und aus der Vorkammer oder Pufferkammer 40 zu regeln, ist ein Regelventil 42 am Eingang der Pufferkammer 40 vorgesehen, um den Gasdurchfluss aus einer Quelle des Gases in die Kammer 40 zu regeln. Das Einlassregelventil 42 kann ein proportionales Regelventil sein, das geeignet ist, so geregelt zu werden, dass es den Druck in der Kammer 40 im Wesentlichen auf einem konstanten vorgegebenen Pegel hält. Es kann während des Vorladeschritts offen bleiben, wenn Gas aus der Kammer 40 durch das Einlassventil 14 in die Kammer 12 vorgesehen ist, oder geschlossen, wenn Gas aus der Kammer 40 durch das Einlassventil 14 in die Kammer 12 strömt. Weiter kann es so geregelt sein, dass der Druck in der Kammer aufrecht erhalten wird, unabhängig davon, ob Gas zur Bearbeitungskammer abgegeben wird. Ein Drucksensor oder -messumformer 44 sieht ein Signal vor, das den Druck in der Kammer 40 darstellt. Ein Signal, das den Druck darstellt, ist für den Druckregler 46 vorgesehen und so verbunden, dass es ein Regelsignal zum Einlassventil 42 als Funktion der Druckmessung vorsieht. Schließlich ist ein Haupt-Puls-Gasabgaberegler 48 zum Regeln des gesamten Systems vorgesehen.
Der Regler 48 ist so eingerichtet, dass er Daten und Anweisungen für jeden und von jedem der Regler 24 und 46 vorsieht, sowie Daten und Anweisungen für eine und von einer Benutzerschnittstelle 50. Die Benutzerschnittstelle 50 kann jede geeignete Vorrichtung sein, wie etwa ein Computer, der eine Tastatur und einen Monitor enthält und so eingerichtet ist, dass ein Benutzer die Schnittstelle benutzen kann, um das Gasabgabesystem 10 zu bedienen. Es sollte offensichtlich sein, dass, während drei Prozessoren 24, 46 und 48 gezeigt sind, das System mit einer beliebigen Anzahl von Reglern arbeiten kann, um die Funktionen der drei dargestellten Regler auszuführen, wobei eine einzelne Vorrichtung effektiver ist. Die Pufferkammer 40 weist ein Volumen V₁ zum Enthalten von Gas auf, das sie von der Pufferkammer 52 empfangen hat. Das in der Kammer 40 vorgesehene Gas wird benutzt, um den vorgelagerten Druck Pi des für die Kammer 12 vorgesehenen Gases zu regeln. Der Anfangsdruck P₂ des Volumens V₂ von Gas oder Dampf in der Kammer 12 kann daher geregelt werden. Somit kann die Schwankung des anfänglichen Ladedrucks P₂ des Volumens V₂ vor dem Abgeben jedes Pulses minimiert werden. Der Drucksollwert des Gases im Puffervolumen V₁ der Pufferkammer 40 ist eine Funktion des Gastyps, des durch den Benutzer über die Benutzerschnittstelle 50 festgelegten Puls-Gasabgabemengen-Sollwerts. Genauer, P_1,Sw = Funktion1(Gastyp, Puls-Gasabgabe-Sollwert); (1) wobei P_1,Sw der Drucksollwert der Pufferkammer ist,
Gastyp für die Eigenschaften des abgegebenen Gases steht, wie etwa Molekulargewicht, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität usw., und
Puls-Gasabgabe-Sollwert der Sollwert der Puls-Gasabgabemenge für jede Dosis ist.
Unter Bezugnahme auf 2 zeigt die grafische Darstellung die Änderungen des Drucks in der Abgabekammer 12, wenn die Kammer auf einen vorgegebenen Druckpegel geladen wird, bevor sie einen oder mehrere Gaspulse abgibt, und dann wird Gas während der Abgabe eines Pulses durch das Auslassventil 16 aus der Abgabekammer 12 ausgestoßen.
Genauer wird das Einlassventil 42 vor der Zeit t₀ aktiv so geregelt, dass der Druck in der Pufferkammer 40, P₁, auf den vorgegebenen Pegel geregelt wird, wie er in Gleichung (1) definiert ist. Zur Zeit t₀ ist das Auslassventil 16 geschlossen, und das Einlassventil 14 ist offen, sodass Gas in die Kammer 12 zu dem vorgegebenen Druck P_2,Sw strömt, der durch den Puls-Gasabgaberegler 48 auf Grundlage der durch die Benutzerschnittstelle 50 vorgesehenen Eingabe festgelegt ist. Genauer, P_2,Sw = Funktion2(Gastyp, Puls-Gasabgabe-Sollwert); (2) wobei P_2,Sw der Drucksollwert der Abgabekammer ist,
Gastyp für die Eigenschaften des abgegebenen Gases steht, wie etwa Molekulargewicht, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität usw., und Puls-Gasabgabe-Sollwert der Sollwert der Puls-Gasabgabemenge für jede Dosis ist.
Wenn der vorgegebene Druck P_2,Sw erreicht ist, wird das Einlassventil 14 zur Zeit t₁ geschlossen. Wie in 2 zu sehen, tritt während des Zeitintervalls Δt₁ (der Zeit, die das Einlassventil benötigt, um vollständig zu schließen) eine Überladung (oder ein Drucküberschwingen) auf, wobei der Druck während dieser Zeit ansteigt und dann auf einen Ruhepegel abfällt. Der Druck darf einschwingen. Das System ist somit geladen und bereit, eine vorgegebene Mol-Menge an Gas abzugeben, die als Puls über das Auslassventil 16 abgegeben wird, das sich zur Zeit t₂ über einen vorgegebenen Zeitraum öffnet und zur Zeit t₃ schließt, wenn die programmierte Mol-Menge abgegeben wurde. Wie in 2 zu sehen, wird eine endliche Zeit, Δt₂, benötigt, damit sich das Auslassventil vollständig schließt, wenn es zur Zeit t₃ angesteuert wird zu schließen. Folglich gibt es dort wieder ein gewisses Überschwingen (Über-Abgabe) von Gas, bevor sich das Gas in der Kammer beim endgültigen Druck P_f beruhigt, wie gezeigt. Der Zyklus kann dann unter Verwendung des Gases in der Pufferkammer 40 zum Laden der Abgabekammer 12 vor der Abgabe des nächsten Pulses wiederholt werden.
Die Menge des zwischen t₂ und t₄ in 2 abgegebenen Pulsgases, Δn, kann durch die folgende Gleichung analysiert werden:
wobei Q die Durchflussrate durch das Auslassventil 16 ist,
C_v oder C_v(t) die Durchflusskennzahl des Ventils ist, die eine Funktion der Zeit ist, wenn es sich öffnet oder schließt,
C_v0 die Durchflusskennzahl des vollständig offenen Ventils ist,
IC_v der integrale Wert der Ventil-Durchflusskennzahl während des Ventil-Schließvorgangs von t₃ bis t₄ ist,
P der Druck in der Abgabekammer 12 ist,
P_f der Enddruck der Abgabekammer ist und
P_d der der Abgabekammer 12 nachgelagerte Druck ist.
Wie gezeigt, definiert der Term IC_v·(P_f – P_d) die Menge der Über-Abgabe in Mol. Zu beachten ist, dass IC_v eine Zufallsvariable ist, d. h. die Schließzeit des Auslassventils ist eine Zufallsvariable. Wenn das System kein Vorladen der Kammer 12 mit Gas aus einer Pufferkammer (wie etwa 40) mit einem vorgegebenen konstanten Druck P_1,Sw vorsähe, könnte der Abgabekammer-Anfangsdruck P₂ variieren, sodass der Betrag dieses Fehlers variieren würde, da der Kammer-Enddruckwert P_f von Zyklus zu Zyklus variieren würde. Je höher der Anfangsdruck, desto größer die Auswirkung des Fehlers. Durch Verwenden des Puffervolumens der Kammer 40 ist der vorgelagerte, durch die Kammer 40 für die Abgabekammer 12 vorgesehene Druck so, dass die Schwankung des Ladedrucks in der Kammer 12 mit einem streng geregelten konstanten vorgelagerten Druck minimiert ist. Dies stellt sicher, dass der Fehler IC_v·(P_f – P_d) auf innerhalb eines kleineren Fehlerbereichs beschränkt würde. Durch Beschränken des Fehlers auf einen kleineren Fehlerbereich ist es möglich, eine bessere Kompensation der Fehler auf reproduzierbare Weise vorzusehen, sodass die Abgabe der genauen Gasmenge akkurater ist. Durch Vorsehen eines vorgelagerten Volumens mit einem relativ konstanten Druck als Funktion von Gastyp und Puls-Gasabgabe-Sollwert ist das System in die Lage versetzt, den in der Kammer 12 geladenen Druck streng zu regeln. Daher ist die Schwankung beim geladenen Druck minimiert, was auch den Reproduzierbarkeitsfehler der Puls-Gasabgabe minimierte, der durch die Unsicherheit der Ventilzeit verursacht wird.
Eine Anwendung des Pulsabgabesystems ist es, das allgemein bei 10A in 3 gezeigte Pulsabgabesystem zu verwenden, um die Pulse zu regeln, die für ein bei 100 gezeigtes Halbleiterwerkzeug vorgesehen sind.
Eine weitere Anwendung ist es, zwei oder mehrere Pulsabgabesysteme (in 4 sind zwei bei 10B und 10C gezeigt) eines Atomlagenabscheidungssystems 110 zu verwenden, wie etwa des im US-Patent Nr. 7615120 gezeigten Typs, der in Verfahren mit chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) verwendet wird. Zum Beispiel wird in einem solchen System jedes System 10A und 10B benutzt, um die Pulse von Vorläufergasen zu regeln, die für den ALD-Reaktor (Atomlagenabscheidung) 110 vorgesehen sind. Genauer wird Gas von einem der beiden Systeme 10B oder 10C für das Mischsammelrohr 112 vorgesehen. Das Letztere weist zwei Einlässe für das Einführen von Gasen aus den Systemen 10B und 10C auf. Ein Trägergas wird eingeführt, und der Gasstrom wird am Mischsammelrohr aufgespalten. Das Trägergas ist typischerweise ein Inertgas, wie etwa Stickstoff. In dem gegebenen Beispiel ist die Chemikalie A ein durch das System 10C vorgesehener Vorläufer, und die Chemikalie B ist ein durch das System 10B vorgesehener Vorläufer. Der Träger und die Vorläufergase werden gemischt und für eine Plasmabildungszone 114 zum Bilden von Plasma aus den gemischten Gasen vorgesehen.
Das Plasma wird für einen Gasverteiler 116 vorgesehen, der das Gas im ALD-Reaktor 110 verteilt. Ein Wafer 118 ist auf einem Waferträger 120 angeordnet, wobei beide durch eine Heizung 122 erwärmt sind. Ein Drosselventil 124 und eine Pumpe 126 sind benutzt, um das Vakuum im Reaktor 110 zu regeln und die Gase abzuleiten, die während des Prozesses von den Systemen 10B und 10C vorgesehen sind.
Wie beschrieben, misst das Gasabgabesystem 10 zuverlässig die Menge an Material (Masse), die in das Halbleiterwerkzeug fließt, und sieht genaue Abgabe der Masse eines Gases in Pulsen relativ kurzer Dauer in zuverlässiger und reproduzierbarer Weise vor. Weiter verwendet das System einen weiter vereinfachten Betrieb, während es Abgabe der gewünschten Anzahl von Gas-Molen über einen breiten Wertebereich vorsieht, ohne die Notwendigkeit, Gas abzuleiten, um die genauen, zuverlässigen und reproduzierbaren Ergebnisse zu erzielen.
Die Bestandteile, Schritte, Merkmale, Ziele, Nutzen und Vorteile, die beschrieben wurden, sind nur erläuternd. Keine davon, und auch nicht die diesbezüglichen Beschreibungen, sollen den Schutzumfang in irgendeiner Weise beschränken. Zahlreiche andere Ausführungsform sind ebenfalls in Betracht gezogen. Dazu gehören Ausführungsformen, die weniger, zusätzliche und/oder andere Bestandteile, Schritte, Merkmale, Ziele, Nutzen und Vorteile aufweisen. Diese umfassen auch Ausführungsformen, in denen die Bestandteile und/oder Schritte anders angeordnet sind und/oder in anderer Reihenfolge stehen.
Sofern nicht anders angegeben, sind alle Messungen, Werte, Bewertungen, Positionen, Größen, Maße und anderen Angaben, die in dieser Beschreibung einschließlich der folgenden Ansprüche dargelegt sind, näherungsweise, nicht exakt. Es ist beabsichtigt, dass sie einen angemessenen Bereich aufweisen, der vereinbar mit den Funktionen ist, auf die sie sich beziehen, und mit dem, was in der zugehörigen Technik üblich ist.
Alle Artikel, Patente, Patentanmeldungen und anderen Veröffentlichungen, die in dieser Offenbarung zitiert wurden, sind hierdurch durch Verweis hier aufgenommen.
Der Ausdruck „Einrichtung für”, wenn er in einem Anspruch verwendet ist, ist so beabsichtigt und sollte so aufgefasst werden, dass er die entsprechenden Aufbauten und Materialien einbezieht, die beschrieben wurden, sowie ihre Äquivalente. Ähnlich ist der Ausdruck ”Schritt für”, wenn er in einem Anspruch verwendet ist, so beabsichtigt und sollte so aufgefasst werden, dass er die entsprechenden Vorgänge, die beschrieben wurden, sowie ihre Äquivalente einbezieht. Das Fehlen dieser Ausdrücke in einem Anspruch bedeutet, dass nicht beabsichtigt ist und nicht so aufgefasst werden sollte, dass der Anspruch auf beliebige der entsprechenden Aufbauten, Materialien oder Vorgänge oder ihre Äquivalente beschränkt sein soll.
Nichts, was angegeben oder dargestellt wurde, ist so beabsichtigt und sollte so aufgefasst werden, dass es eine Zueignung eines beliebigen Bestandteils, Schritts, Merkmals, Ziels, Nutzens, Vorteils oder Äquivalents für die Öffentlichkeit verursacht, ungeachtet, ob es in den Ansprüchen aufgezählt ist.
Der Schutzumfang ist einzig durch die Ansprüche begrenzt, die jetzt folgen. Dieser Umfang ist so beabsichtigt und sollte so aufgefasst werden, dass er so weit ist, wie mit der gewöhnlichen Bedeutung der Sprache vereinbar, die in den Ansprüchen verwendet ist, ausgelegt im Lichte dieser Beschreibung und des Erteilungsverfahrens, das folgt, und dass er alle Aufbau- und Funktions-Äquivalente einbezieht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7615120 [0011, 0035]
US 7628860 [0011]
US 7662233 [0011]
US 7735452 [0011]
US 2006/00601139 [0011]
US 2006/0130755 [0011]

Claims

System zur Abgabe von Pulsen einer gewünschten Gasmasse an eine Bearbeitungskammer oder ein Werkzeug, umfassend: eine Gasabgabekammer; ein erstes Ventil, das so angeordnet ist, dass es den Gasdurchfluss in die Gasabgabekammer regelt; ein zweites Ventil, das so angeordnet ist, dass es den Durchfluss von Gas regelt, das die Gasabgabekammer verlässt, sodass das Gas die Gasabgabekammer in Pulsen verlassen kann, jeder mit einer als Funktion des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer und der Dauer des jeweiligen Pulses gewählten Masse; und eine Druckregelanordnung, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie den Gasdurchfluss in die Gasabgabekammer so regelt, dass das Gas in der Gasabgabekammer auf einen Anfangsdruck-Sollwert vorgeladen wird, bevor die Gaspulse abgegeben werden, sodass die Schwankung des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer geregelt ist, bevor die Gaspulse abgegeben werden, und die Reproduzierbarkeit der Massenabgabe als Funktion der Dauer jedes der Pulse verbessert ist.
System nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen Druckmessumformer, so angeordnet, dass er ein Drucksignal als Funktion des Drucks in der Gasabgabekammer vorsieht, wobei die Druckregelanordnung einen Regler zum Regeln des Gasdurchflusses in das Gasabgabesystem als Funktion des Drucksignals enthält.
System nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen Temperatursensor, so angeordnet, dass er ein Temperatursignal als Funktion der Gastemperatur in der Gasabgabekammer vorsieht, wobei die Druckregelanordnung einen Regler zum Regeln des Gasdurchflusses in das Gasabgabesystem als Funktion des Temperatursignals enthält.
System nach Anspruch 1, wobei die Druckregelanordnung einen ersten Regler enthält, der eingerichtet und angeordnet ist, den Gasdurchfluss in das und aus der Gasabgabekammer als Funktion des Drucks in der Gasabgabekammer zu regeln.
System nach Anspruch 1, wobei die Druckregelanordnung eine Vorkammer enthält, ausgelegt und angeordnet, das Gas aufzunehmen und wahlweise gekoppelt, um Gas durch das erste Ventil in die Gasabgabekammer vorzusehen, indem die Funktion des ersten Ventils so geregelt wird, dass die Schwankungen des Anfangsdruck-Sollwerts des Gases in der Gasabgabekammer vor der Puls-Gasabgabe von Gaspulsen geregelt sind.
System nach Anspruch 5, wobei die Druckregelanordnung weiter so ausgelegt und angeordnet ist, dass sie das erste Ventil so regelt, dass der Gasdurchfluss aus der Vorkammer in die Gasabgabekammer geregelt ist, um die Schwankungen des Anfangsdruck-Sollwerts des Gases in der Gasabgabekammer vor der Puls-Gasabgabe von Gaspulsen zu regeln.
System nach Anspruch 5, weiter enthaltend einen ersten Druckmessumformer, so angeordnet, dass er ein erstes Drucksignal als Funktion des Drucks in der Gasabgabekammer vorsieht, und einen zweiten Druckmessumformer, so angeordnet, dass er ein zweites Drucksignal als Funktion des Drucks in der Vorkammer vorsieht, wobei die Druckregelanordnung einen Regler zum Regeln des Gasdurchflusses in das Gasabgabesystem als Funktion des ersten und des zweiten Drucksignals enthält.
System nach Anspruch 7, weiter enthaltend ein drittes Ventil, so angeordnet, dass es den Durchfluss in die Vorkammer regelt, und wobei die Druckregelansordnung so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie das dritte Ventil so regelt, dass es den Gasdurchfluss in die Vorkammer als Funktion des zweiten Drucksignals regelt, dass sie das erste Ventil so regelt, dass es den Durchfluss von Fluid aus der Vorkammer in die Gasabgabekammer als Funktion des ersten und des zweiten Drucksignals regelt, und den Durchfluss von Gas, das die Gasabgabekammer verlässt, als Funktion des ersten Drucksignals regelt.
System nach Anspruch 8, wobei die Regleranordnung enthält: einen ersten Regler, so eingerichtet und angeordnet, dass er das erste und das zweite Ventil regelt, und einen zweiten Regler, so eingerichtet und angeordnet, dass er das dritte Ventil regelt, und einen dritten Regler, so eingerichtet und angeordnet, dass er den ersten und den zweiten Regler regelt.
System nach Anspruch 5, wobei die Vorkammer wahlweise mit der Gasabgabekammer gekoppelt wird, um die Gasabgabekammer durch das erste Ventil mit dem Gas zu laden.
System nach Anspruch 5, wobei die Regleranordnung so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie das erste Regelventil so regelt, dass der Druck in der Vorkammer auf einem gewählten Druck gehalten wird.
System nach Anspruch 11, wobei der Anfangsdruck in der Gasabgabekammer eine Funktion des Gastyps und der gewählten Masse des abzugebenden Gaspulses ist.
Verfahren zur Abgabe von Pulsen einer gewünschten Gasmasse an eine Bearbeitungskammer oder ein Werkzeug, umfassend: Regeln des Gasdurchflusses in die Gasabgabekammer, und Regeln des Durchflusses von Gas, das die Gasabgabekammer verlässt, sodass das Gas die Gasabgabekammer in Pulsen verlassen kann, von denen jeder eine als Funktion des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer und der Dauer des jeweiligen Pulses gewählte Masse aufweist; und Vorladen des Gases in der Gasabgabekammer auf einen Anfangsdruck-Sollwert, um die Gaspulse so abzugeben, dass die Schwankung des Anfangsdrucks des Gases in der Gasabgabekammer geregelt ist, bevor die Gaspulse abgegeben werden, und die Reproduzierbarkeit der Massenabgabe als Funktion der Dauer jedes der Pulse verbessert ist.
Verfahren nach Anspruch 13, weiter enthaltend Regeln des Gasflusses in das Gasabgabesystem als Funktion des Drucks in der Gasabgabekammer.
Verfahren nach Anspruch 13, weiter enthaltend Regeln des Gasflusses in das Gasabgabesystem als Funktion der Temperatur des Gases in der Gasabgabekammer.
Verfahren nach Anspruch 13, weiter enthaltend Regeln des Gasflusses in die und aus der Gasabgabekammer als Funktion des Drucks in der Gasabgabekammer.
Verfahren nach Anspruch 13, weiter enthaltend Aufnehmen des Gases in einer Vorkammer und wahlweise Regeln des Gasdurchflusses aus der Vorkammer in die Gasabgabekammer, indem die Funktion eines Ventils so geregelt wird, dass die Schwankungen des Anfangsdruck-Sollwerts des Gases in der Gasabgabekammer vor der Puls-Gasabgabe von Gaspulsen geregelt sind.
Verfahren nach Anspruch 17, weiter enthaltend Regeln eines Einlassventils zur Vorkammer, um den Gasdurchfluss in die Vorkammer als Funktion des Gasdrucks in der Vorkammer zu regeln, Regeln eines Einlassventils zur Gasabgabekammer, um den Gasdurchfluss von der Vorkammer in die Gasabgabekammer als Funktion des Drucks in der Vorkammer und des Drucks in der Gasabgabekammer zu regeln, und Regeln eines Auslassventils, um den Fluiddurchfluss aus der Gasabgabekammer zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Anfangsdruck-Sollwert eine Funktion des Gastyps und der gewählten Masse des abzugebenden Gaspulses ist.