KR100336917B1 - 진공챔버를정화시키기위한방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼상에 집적회로 구조물을 제조하는데 사용하기에 적합한 진공 챔버를 정화시키는 방법을 제공하려는 것이다. 본 발명의 방법은 정화될챔버를 제공하는 단계, 및 아르곤가스와 같은 가열된 비 반응성 가스를 진공 챔버를를 통하여 유동시키는 단계를 포함한다. 비 반응성 가스는 적이도 90℃의 온도로 가열된다. 또한, 챔버는 가스가 챔버를 통해서 유동하는 동안에 적어도 90℃의 온도로 유지 되도록 가열된다. 챔버를 통과하는 가열된 비 반응성 가스와 유동은 탈착된 불순물 또는 오염물질을 진공 챔버로 부터 제거한다. 가열된 진공 챔버를 통해서 가열된 가스를 유동시킨후에, 가스의 유동은 중단되고, 고온인 챔버는 챔버에 누설의 문제점이 있는지 없는지를 결정하기 위하여 약 5×10-7Torr 입력의 진공으로 펌핑된다. 누설의 존재는 유사한 크기의 챔버에 대한 펌핑과 비교하거나, 또는 질소와 산소 또는 이들중 어느 하나와 같은 일반적인 가스의 분압을 측정함으로써 결정된다. 만일, 산소의 분압이 5×l0-8Torr 보다 높고, 질소의 분압이 2×10-7Torr 보다 높으면, 진공 챔버는 누설의 문제점을 갖고 있는 것으로 간주된다. 그러므로, 펌핑 시간은 진공 챔버를 고온으로 유지시키면서 누설 문제점을 점검함으로써 단축시킬 수 있다.

Description

진공챔버를 정화시키기 위한 방법
본 발명은 진공챔버의 정화(purging) 및 펌핑(pumping)에 관한 것이며, 특히 집적회로 구조물의 제조에 사용되기 적합한 극초진공(ultra-high vacuum)으로 진공챔버를 펌핑하기 위한 방법에 관한 것이다.
종래의 기술분야에 있어서, 예를 들어 반도체 웨이퍼상에 집적회로 구조물을 형성하는데 사용될 수 있는 얇은 막처리 장치에 극초진공을 제공하기 위하여 상당한 노력들이 계속되어 왔다. 극초진공은 집적회로 구조물의 제조과정 동안에 낮은수준의 오염을 유지시키는데 중요하다. 그러나, 예를 들어 물리적인 증기증착 (PVD) 처리가 실행되는 경우에, 극초진공으로의 펌핑에서는 소요시간을 최소화하는 것이 중요한데, 왜냐하면 이러한 시간은 비생산적인 시간이기 때문이다. 또한, 극초진공에 대하여 진공 챔버 장치를 시험하려는 경우, 낭비되는 펌핑시간을 피하기 위해서 극초진공으로의 펌핑중에 진공 챔버의 진공의 보전성을 예측하는 것이 바람직하다.
진공장치의 정화 또는 오염방지를 위해서, 전자 폴리싱, 증가된 온도에서의 베이킹(baking), 광자-자극 탈착(desorption) 및 산소 또는 희가스(noble gas)를 사용하는 글로우 방전 세척 등과 같은 방법들을 포함한 다앙한 방법들이 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 방법들은 문제점을 가지고 있다. 예를 들어서, 베이킹은 시간을 소비한다. 왜냐하면, 챔버내의 표면으로부터 떨어져 나온 분자가 챔버출구를 통해서 효과적으로 제거되지 않기 때문이다. 챔버 표면으로부터 떨어져 나올 때, 탈착된(desorbed) 분자는 불규칙한 경로를 취할 수 있다. 따라서, 이 분자는 챔버의 다른 표면들에 충돌하여 재흡착될 수 있다. 한편, 글로우 방전 세척은 챔버 표면내로의 세척가스의 흡착에 의해서 또다른 오염을 야기할 수 있다. 즉, 이러한 가스들은 추후에 방출됨으로써 오염을 발생시킨다. 또한, 글로우 방전 세척은 균일하게 진행되지 않으며, 복잡한 형상의 챔버에서 특히 그러하다.
수 분내에 극초진공에 도달할 수 있는 다른 장치들도 있다. 그러나, 그와 같은 장치들은 물의 흡착과 오염물질을 최소화시킬 수 있는 값비싼 거울면, 초건조 질소가스를 이용하는 글로우 방전세척, 및 이중의 터보모레큘러(turbomolecular)펌프를 채용하기 때문에 값이 매우 비싸고, 따라서 비실용적이다.
그러므로, 비교적 단시간내에 진공챔버를 정화시키고 극초진공으로 펌핑하여 오염이 없는 환경을 조성하기 위한 경제적인 방법이 필요로 하게된다.
본 발명의 목적은 가열된 비반응성 정화가스를 이용하여 진공챔버로부터 오염물질을 제거하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 이와 같은 가열된 비반응성 정화가스와, 상기 가열된 가스내에 탈착된 오염물질을 비말 동반(entrain)시켜 제거하는 대기압 이하의 확산과의 조합을 이용하여, 오염물질을 제거하는 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적 및 다른 목적들은 본 명세서 및 첨부된 특허청구의 범위를 통해서 명백하게 밝혀질 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 반도체 웨이퍼상에 직접회로 구조물을 제조하는데 사용하기 적당한 진공챔버를 정화시키기 위한 개선된 방법이 제공된다. 이 방법은 정화될 챔버를 제공하는 단계와, 아르곤가스와 같은 가열된 비반응성 가스를 챔버를 통해서 유동시키는 단계를 포함한다. 비반응성 가스는 적어도 약 90℃의 온도로 가열된다. 또한, 가스가 챔버를 통하여 유동하는 동안에 챔버는 적어도 약 90℃의 온도로 유지되도록 가열되어야 한다. 챔버를 통한 비반응성 가스의 유동은 이탈된 불순물 또는 오염물질들을 흡수하고, 그리고 가스내에서 이들을 효과적으로 세정한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 진공 챔버를 극초진공으로 펌핑하기 전에 진공 챔버내에 흡수된 오염물질들을 제거하기 위해서 진공 챔버를 정화 및 펌핑하는 방법에 관한 것이다. 진공 챔버는 집적회로 구조물의 제조, 및 반도체 웨이퍼상에 다른 반도체 장치를 제조하는데 사용하기에 적당하거나, 또는 극초진공이 요구되는 임의의 다른 재료, 조립, 및/또는 공정들에 사용하기 적당하다.
제 1도를 참조하면, 아르곤과 같은 비반응성 가스의 공급원(1)으로부터 나온 가스는 히이터(2) 및 유동 제어기(3)를 거쳐서 챔버(4)로 유동한다. 진공 챔버와 같은 이 챔버(4)는 불순물 또는 오염물질들을 제거시키도록 정화된다. 실제적으로 다수의 펌프로 구성될 수 있는 진공 펌프(5)가 챔버(4)에 또한 연결된다.
공급되는 가스는 진공 챔버(4)로 들어가기 전에 히이터(2)에 의해서 가열된다. 정상적으로, 가스는 진공 챔버(4)로 들어가기 전에 적어도 90℃의 온도로 가열된다. 챔버(4)의 내부면상에 흡착된 오염물 분자들을 떨어지게 하기 위해서는, 챔버(4)로 들어가기 전에 가스를 약 150℃ 내지 약 250℃의 온도 범위로, 통상적으로는 약 150℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 진공 챔버(4)로 들어가기 전의 아르곤 가스의 가열은 히이터(2)를 구성하는 유도성 히이터 또는 저항성 히이터를 사용하여 달성될 수 있다.
유동 제어기(3)는 챔버(4)로의 소정 수준의 가열된 가스 유동을 유지하기 위해서, 챔버(4)로 유동하는 가스의 흐름내에 위치되는 가스 유동 미터를 포함한다.
도면에 도시된 바와 같이, 진공 챔버로 유동하는 가스의 온도는 예를 들어 열전쌍(thermocouple)과 같은 온도 측정수단(6)에 의해서 모니터된다. 열전쌍은 가스에 대한 열 입력이 소정수준으로 유지되도록 조절한다.
또한, 가열된 가스가 진공 챔버에 가해지는 열원으로서 사용되는 한편, 진공 챔버에서는 챔버 히이터(7)로 구성되는 독립적인 공급원에 의해서 진공 챔버에 추가의 열을 제공하는 것이 바람직하다. 그러므로, 진공 챔버(4)로 추가의 열을 공급 또는 전달하기 위해서, 램프, 챔버 히이터 또는 가스 라인 히이터와 같은 독립적인 히이터가 사용될 것이다. 독립적인 히이터는 비반응성 가스가 챔버를 통과하여 세정하는 동안에 챔버내의 가스 온도를 통상적으로 90℃ 내지 250℃로 유지하는 것을 돕는다.
비반응성 가스를 가열하는 것 뿐만 아니라 챔버를 가열하는 것도 또한 중요하다. 왜냐하면, 챔버의 표면에 대한 오염 분자들의 결합 에너지를 깨뜨리는데에는 에너지가 소요되기 때문이다. 이러한 결합 에너지는 분자들이 챔버의 내부로 이탈되기 전에 극복되어야 한다. 그와 같은 에너지는 챔버벽을 때리는 아르곤 분자들에 의해서, 챔버 벽상에 흡착된 오염분자에 인가 되어질 수 있지만, 이것은 흡착된 모든 분자들의 제거에 필요한 시간 길이 때문에 효과적이지 않다. 마찬가지로, 챔버 히이터를 이용하여 챔버를 가열하는 것은 독립된 히이터와 조합하여 가열된 가스를 사용하는 것 만큼 효율적이지 못하다. 그러므로, 본 방법의 제 1단계는 챔버의 내부 표면으로부터 오염 분자의 효과적인 이탈을 보장하는 것이다. 이것은 오염 분자들의 결합 에너지를 신속하고 효율적으로 깨뜨리기에 충분한 수준의 에너지를 챔버에 부과함으로써 달성된다.
도면에 도시된 바와 같이, 챔버내의 열을 조절하기 위한 목적으로서, 챔버온도가 독립적인 히이터로부터의 열 입력을 제어하는 열전쌍을 구비한 온도 측정 수단(9)에서 측정된다.
위에서 언급한 바와 같이, 챔버 및 내부 부품들은 진공장치의 조립후, 그러나, 아르곤 가스의 도입 또는 유동 전에 가열된다. 즉, 장치는 챔버내에 진공이 조성되는 동안에, 그러나 가스가 챔버내로 유동하기 전에, 히이터에 의해서 가열된다. 그와 같은 베이킹은 챔버를 구성하는 재료들에 흡착된 표면 오염물질들을 이탈시키도록 설계된다. 그러나, 이와 같은 베이킹은 그렇게 이탈된 오염물질들을 진공 챔버 내부 표면으로부터 제거시키는데에는 효과적이지 못하다. 왜냐하면, 이탈된 오염물질과 표면과의 재결합으로 인하여 이와 같은 분자들을 제거하는 효율이 낮아지기 때문이다. 베이킹에 의해서 탈착된 분자들은 배출되기 전에 탈착된 분자들이 취할 수 있는 임의의 불규칙한 경로 때문에, 챔버의 다른 지역에 자주 흡착된다. 또한, 오염물질들의 탈착에 필요한 에너지의 양은 그와 같은 베이킹에 의해서만 단독으로 공급될 수 없다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 진공 챔버로부터 오염물질들을 효과적으로 정화시키기 위한 두 번째 관점의 방법에서는 오염물질들의 분자가 이탈된 후에 진공 챔버 표면상에 재흡착되는 것을 방지시키는 단계를 포함한다. 이것은 진공 챔버를 통해서 유동하는 가열된 가스 유동에 의해서 달성되는데, 여기에서 가열된 가스는 이탈된 오염물 분자들과 접촉한다. 챔버를 통과하는 가열된 가스 유동 또는 세정은 오염물 분자들이 챔버의 내부 표면상에 재흡착되는 것을 방지한다. 또한, 가스의 유동은 단지 최소한의 재흡착 여지만을 남기면서 오염물 분자들을 챔버의 배출구로효과적으로 이동시킨다.
가열된 가스는 압력하에서 진공 챔버내로 분사될 수 있으며, 그리고 진공챔버에서 대기압 상태로 배출될 수 있게 된다. 이것은 챔버를 정(正)의 압력으로 유지시킨다. 이와는 달리, 가스는 압력하에서 진공 챔버로 분사될 수 있고, 그리고 탈착된 오염물질들과 함께 대기압 이하에서 펌핑 장치에 의해서 제거될 수도 있다. 이 경우에도, 챔버는 여전히 정(正)의 압력 하에서 정화될 것이다. 그러나, 바람직하게도, 가열된 가스는 비교적 높은 대기압 이하의 압력에서 진공 챔버내로 도입되고, 그리고 나서 탈착된 오염물질들과 함께 펌핑 장치에 의해서 대기압 이하의 압력에서 제거된다. 공정은 챔버를 대기압 이하로 유지시키기 위하여 작동시키는 것이 바람직하다. 이것은 내부 챔버 표면상에 존재하게 될 독성있는 분자들의 이탈을 최소화시키기 위한 것 등과 같은 몇가지 이유 때문이다. 그러므로, 가열된 가스가 챔버를 통해서 유동하는 동안에, 챔버는 도면상에 나타낸 바와 같은 압력 측정수단(8)에서 측정한 바와 같이 약 50 내지 750Torr의 압력하에서 유지하는 것이 바람직하다.
이러한 압력은 하나 또는 수개의 러핑(roughing) 펌프로 구성되는 진공 펌프 시스템에 의해서 유지된다. 챔버 압력은 압력 게이지에 의해서 측정되고, 바람직한 챔버 압력을 유지시키기 위하여 진공 챔버로 중계된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 러핑 진공 펌프는 가스가 유동하는 동안 연속적으로 작동된다. 대기압 이하를 유지하는 것은 챔버를 통과하는 가스의 유동을 돕고, 결과적으로 이탈된 오염분자들의 제거를 돕는다.
챔버내로의 가열된 가스의 유동은 소정 수준으로 유지된다. 예를 들면, 챔버로부터 탈착된 오염물질들을 바람직하게 정화시키기에 충분한 가스 유동을 보장하도록 적어도 약 5sccm(standard cubic centimeter per second)의 최소 유동을 5리터 용량의 챔버내로 제공하며, 바람직하게는, 약 20sccm내지 150sccm의 유동을 5리터 용량의 챔버내로 제공한다.
여기에서는 설명을 위해서 가열된 아르곤을 정화가스로서 사용하였지만, 다른 불활성 가스를 포함하는 다른 가스들이 사용될 수 있음을 이해할수 있을 것이다. 상기 정화 가스는 예컨대 질소 또는 네온 뿐만 아니라 그와 같은 가스들의 조합으로 구성될 수 있다. 그러나, 아르곤을 사용하는 것이 바람직하다.
공정 진행 중에, 가열된 비반응성 가스는 소정의 기간 동안 진공 챔버를 통하여 펌핑된다. 그런 다음에 챔버가 시험된다. 즉, 뜨거운 동안에 고 진공의 달성 및 유지가 가능한 지를 결정하기 위해 시험된다. 이 기간은 극초진공으로 펌핑될 수 있는 이미 시험된 진공 챔버(동일한 크기)를 기초로하여 경험적으로 결정될 수 있다. 산소 또는 질소, 또는 다른 일반적인 가스들에 대한 분압의 분석은 시험전에 요구되는 펌프 정지 시간을 결정하는데 사용된다. 따라서 소정의 시간 동안 진공 챔버를 통과하는 비반응성 가스의 펌핑 또는 유동이 이루어진 후에, 챔버로의 가열된 가스의 유동이 중단된다. 그 다음에, 챔버의 압력 또는 진공도가 점검된다. 챔버가 고온으로 여전히 유지되는 동안에 바람직하기로는 약 4×10-7내지 6×10-7Torr 범위의, 통상적으로는 약 5×10-7Torr의 극초진공으로 챔버를 진공시킴으로써,챔버는 오염물질의 존재에 대하여 점검된다.
만일 이러한 압력하에서 이미 시험되었던 챔버와 비교할 때 압력이 높아졌다면, 이것은 챔버에 누설의 문제점이 있음을 나타낸다. 그러므로, 산소, 질소, 또는 다른 일반적인 가스를 이용하는 그 이상의 정화는 챔버를 깨끗하게 하지 못하며, 핌핑 또한 무의미해진다. 이와는 달리, 분압의 점검 후에, 만약 판독결과가 예전에 시험된 챔버와 비교하여 동일하거나 또는 비정상적으로 높지 않으면, 이것은 진공챔버에 누설이 일어나지 않고 또한 진공 챔버가 제작 사양에 적합함을 나타내게 된다. 그런 다음에 진공 챔버는 극초진공으로 펌핑될 수 있다. 그러므로, 결함있는 챔버상에서 오랜 펌핑 시간을 들이는 것이 방지된다. 이러한 방법은 챔버를 극초진공으로 펌핑하는 시도가 있기 전에 결함있는 챔버를 발견해 내는 시험에 의해서, 챔버가 펌핑되는 시간을 매우 짧게 할 수 있는 장점이 있다.
극초진공으로의 펌핑은 위에서 언급한 바와 같이, 러핑 펌프를 먼저 사용한 후에, 저온펌프, 터보펌프, 또는 이와 동등한 고진공 펌핑장치를 사용하여 펌핑함으로써 달성된다. 챔버는 예컨대 5×10-9Torr의 극초진공이 달성되도록 펌핑될 수 있다.
진공 챔버는 극초진공으로 펌핑된 후에, 저장 또는 수송 목적으로 질소와 같은 소정가스로 채워질 것이다. 질소는 이러한 목적에 특히 유용하다. 왜냐하면, 질소의 진공 챔버면에 대한 결합력이 아르곤보다 강하기 때문이다. 질소의 사용이 유리한데, 이는 질소가 존재함으로써 물분자가 챔버벽에 결합되는 것이 방지되기 때문이다. 질소는 약 40mJ/mole의 결합 강도를 가지며, 아르곤은 약 20mJ/mole의 결합 강도를 갖는다. 그러므로, 약1OOmJ/mole의 결합 강도를 갖는 물분자는 챔버벽으로부터 질소를 교체시키는데 있어서, 챔버벽으로부터 아르곤을 교체시키는 것과 동일한 능력을 가지지 못한다. 다음은 본 발명의 더욱 상세한 실시예이다.
실시예
이 실시예에서는 물리적인 증기 증착에 사용되는 챔버로서 진공 챔버가 예컨대 미합중국 캘리포니아 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스사에 의해서 시판되는 어플라이드 머티어리얼스 엔듀라(Applied Materials EnduraTM) 다중챔버 반도체 처리장치에 포함된 5리터 용량의 진공 챔버와 같은 것이 사용될 수 있다. 아르곤 가스의 공급원이 챔버에 부착될 수 있다. 챔버를 극초진공으로 펌핑하기 위해서 2개의 진공 펌핑 스테이지가 챔버에 부착된다. 제 1진공 펌핑 스테이지는 러핑 펌핑 스테이지가 될 수 있고, 이것은 레이볼드 인코포레이티드 (Leybold, lnc.)사에 의해서 시판되는 DC-25 BCS 베인 펌프 또는 WSU-151 루트 블로우어 (Roots Blower)와 같은 하나 또는 그 이상의 러핑 펌프를 포함하는 것이다. 또한, 제 2펌핑 스테이지는 CTI 인코포레이티드사에 의해서 시판되는 CTI CRYO-TORR8F와 같은 저온 펌프가 될 것이다.
아르곤 가스는 챔버로 도입되기 전에 약 150℃의 온도로 가열될 수 있다. 챔버로의 아르곤 가스의 유량은 적어도 약 5sccm이 될 것이다. 그리고, 펌핑장치와 조합으로서 약 50 내지 750Torr의 챔버내 압력을 유지하기에 충분하게 된다. 러핑 펌프는 아르곤 가스가 챔버를 통해서 유동하는 동안에 챔버 내에 750Torr의 압력을 제공하도록 작동될 수 있다. 할로겐 램프와 같은 히이터는 챔버의 온도를 약 97℃로 유지하기 위해서 챔버의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다. 1시간 내지 2시간 후에, 챔버로의 아르곤 가스의 유동은 중단되고, 챔버는 5×10-7Torr로 펌핑될 수 있다. 그런 다음, 진공 챔버를 떠나는 가스의 분압이 분석될 수 있다. 만약, 산소의 분압이 약 5×10-8Torr 보다 높고 질소의 분압이 약 2×1O-7Torr 보다 높으면, 진공 챔버는 누설의 문제점을 가진 것으로 간주될 수 있다. 그러므로, 극초진공으로 펌핑하려는 시도는 불필요하다. 그러나, 만약 산소의 분압 및 질소의 분압이 상기 특정 양 보다 적으면, 챔버는 주위 온도에 도달하자마자 5×10-9Torr의 극초진공으로 펌핑될 것이 예견된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 진공 챔버를 정화시키기 위한 개선된 방법을 제공한다. 이 방법은 챔버를 극초진공으로 펌핑하는데 소비되는 시간을 현저히 감소시킬 수 있다.
제 1도는 본 발명의 공정을 수행하는데 사용되는 장치들을 개략적으로 나타낸 도면.
*도면의 주요무분에 대한 부호의 설명 *
1 : 아르곤가스 공급원 2 : 히이터
3 : 유동 제어기 4 : 챔버
5 : 진공 펌프 6,9 : 온도 측정수단
7 : 챔버 히이터 8 : 압력 측정수단

Claims (7)

  1. 반도체 웨이퍼상에 집적회로 구조물을 제조하는데 사용하기에 적당한 진공 챔버를 정화시키기 위한 방법으로서,
    (a) 정화될 진공 챔버를 제공하는 단계와,
    (b) 적어도 90℃의 온도로 가열된 비반응성 가스를 상기 진공 챔버를 통해서 유동시키는 단계;
    (c) 상기 챔버를 50-750 Torr의 감소된 압력으로 유지하는 단계; 및
    (d) 상기 가열된 비반응성 가스가 상기 진공 챔버를 통해서 유동하는 동안 상기 진공 챔버를 적어도 90℃의 온도로 유지시켜, 상기 진공 챔버로부터 불순물을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 비반응성 가스가 아르곤, 질소 및 네온으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 챔버는 상기 가열된 가스가 상기 챔버 내부를 통과하기 이전에 적어도 90℃의 온도로 가열되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 비반응성 가스는 90℃ 내지 250℃의 온도로 가열되는 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 챔버는 90℃ 내지 250℃의 온도로 가열되는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 진공 챔버로의 상기 비반응성 가스의 유동을 중단시키는 단계, 및 상기 진공 챔버로부터 상기 비반응성 가스를 배출시키고 상기 진공 챔버의 진공의 완전성을 시험하기 위하여 상기 진공 챔버에 적어도 4×10-7Torr압력의 진공을 조성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 주위 온도에서 적어도 5×10-9의 극초진공 상태로 상기 챔버를 펌핑하는 단계를 더 포함하는 방법.
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