KR100441293B1

KR100441293B1 - 가스 수송 계량관

Info

Publication number: KR100441293B1
Application number: KR10-2000-0026966A
Authority: KR
Inventors: 니틴 잉글; 네일디. 스토다드; 잭 야오; 숀 해밀톤; 리디아제이. 영; 안토니 데사
Original assignee: 실리콘 밸리 그룹 써어멀 시스템즈, 엘엘씨
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2004-07-23
Also published as: DE60004290D1; JP3612002B2; CA2308758A1; JP2001026874A; CN1274823A; EP1054311A1; DE60004290T2; EP1054311B1; CN1109129C; SG89328A1; TW452635B; KR20010087091A

Abstract

본 발명은 가스 수송관에 관한 것이다. 가스 수송관은 다수개의 축선으로 배열된 중첩관을 포함하며, 중첩관의 최내관은 가스를 수용하고, 최내관의 길이에 걸쳐 균일한 배압이 달성되며, 최외관은 가스 수송관을 통해 가스의 균일한 흐름을 분배한다.

Description

가스 수송 계량관 {GAS DELIVERY METERING TUBE}

본 발명은 일반적으로 가스 수송용 가스 수송 계량관에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 실질적으로 균일한 가스 분배를 촉진하는 중첩된 축배열의 또는 동축의 가스 수송 계량관에 관한 것이다.

가스의 수송은 많은 산업 분야에서 중요한 사항이다. 예를 들어, 반도체 처리 및 제조 분야에서, 가스의 수송은 중요한 역할을 한다. 반도체 처리 유형중 하나에는 화학 증착법이 있다. 화학 증착은 안정한 화합물이 특정 가스상 화학물질의 열적 반응 또는 분해에 의해 형성되고, 이러한 화합물이 기판 표면에 침착되는 경우에 일어난다. 화학 증착 시스템은 여러 형태를 나타낸다. 이러한 공정을 위한 장치는 본원의 참고 문헌으로 인용되고 양수인에 의해 소유되는 미국 특허 제 4,834,020호에 기술되어 있는 콘베이어 벨트가 설치된 대기압 CVD(APCVD) 시스템을 포함한다. 플라즈마 강화 CVD(PECVD) 시스템 및 저압 CVD(LPCVD) 시스템과 같은 또 다른 유형의 CVD 장치가 사용될 수 있다.

반도체 처리 시스템의 중요 구성 요소에는 증착이 일어나는 증착 챔버 및 증착 챔버에서 기판의 표면에 가스상 화학물질을 전달하기 위해 사용되는 주입기가 포함된다. 이러한 가스는 기판에 걸쳐 분배되어야 하며, 이로써 가스는 반응하여 기판의 표면에서 허용되는 막을 증착시킨다. 증착 챔버는 증착이 일어날 수 있는 조절되는 환경을 제공하도록 신중히 설계되어야 한다. 예를 들어, 챔버는 가스 밀폐식어야 하고, 가스의 사전 반응 및 비균질 막의 증착을 일으킬 수 있는 가스의 재순환을 감소시켜야 한다. 챔버에는 잉여 반응제 및 반응 부산물을 제거하나 반응을 위한 기판으로의 가스 흐름은 방해하지 않는, 배기 수단이 구비되어야 한다. 또한, 챔버와 구성 요소의 온도는 반응 가스의 응축이 발생하지 않고, 부산물 먼지의 축적을 최소화시키고, 시스템의 세척을 가능하게 할 수 있도록 신중히 조절되어야 한다. 또한, 증착 챔버는 바람직하게는 작동 전 기간에 걸쳐 기계적 일체성(허용오차와 같은)을 유지해야 한다. 이러한 모든 요소는 증착을 위한 적합한 환경을 제공하도록 신중하게 맞춰져야 한다.

이러한 증착 챔버에서 주입기의 기능은 조절되는 방식으로 목적하는 위치에 가스를 분배하는 것이다. 조절된 가스의 분배는 효과적인 균질한 가스상 반응의 기회를 최대화시켜 목적하는 류의 화학 종을 생성시킴으로써 기판상에 고품질 막을 형성시킬 것이다. 조절된 가스 분배는 막 전체가 균일한 조성물로 되도록 하는데 요구된다. 완벽한 반응은 우수한 품질의 막에 대한 기회를 더 많이 부여한다. 가스 흐름이 비조절적인 경우, 화학 반응은 최적이 되지 않을 것이며, 이 결과 균일한 조성물로 이루어지지 않은 막이 형성될 것이다. 막이 균일한 조성물로 되지 않는 경우, 반도체의 적합한 기능성이 손상된다. 따라서, 주입기 설계는 조절된 방식으로 가스의 목적하는 흐름을 용이하게 한다는 점에서 중요하다.

가스는 챔버의 다른 구역에 분배되고/되거나 주입기 이외의 구성 요소에 의해 분배될 수 있다. 예를 들어, 불활성 가스가 목적하는 방식으로 증착 가스를 분리 및/또는 유도하기 위해 운반될 수 있다. 불활성 및 기타 가스는 챔버에 전달되어 희석 가스 및 운반 가스로서 작용할 수 있다. 이러한 방식의 가스 용도의 예 중의 하나가 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 현재 계류중인 미국 특허 출원 제 09/185,180호에 기술되어 있다.

반도체 제조 분야에서, 0.2㎛ 미만으로 줄어든 소자의 경우에는 2% 범위 미만의 막 증착 두께 비균일성에 대한 수요가 증가된다. 선형 가스 분배 시스템에 대한 종래 기술은 이러한 보다 증가된 요건에 있어서는 완전히 성공적이지 않았다. 가장 간단한 종래 기술의 구조는 관의 길이가 L이고, 직경이 D이며, 직경 d의 다수의 오리피스를 갖는 도 1에 도시된 바와 같은 표면을 따라 홀 또는 오리피스가 분포되어 있는 단일관이다. 가스는 압력(P_o) 및 초기 속도(V_o)로 관의 한 단부에 도입된다. 이러한 구조에서, 균일성은 일반적으로 압력에 의존할 것이다. 각각의 오리피스에서 압력 및 유량은 어느 정도 감소된다. 오리피스 크기가 관 직경(D)과 비교하여 작으며, 공급 압력이 충분히 큰 경우를 가정하면, 오리피스당 압력 및 유량 감소는 P_o및 V_o에 비해 작다. 소량의 가스가 흐르는 경우를 제외하고는, 일반적으로 관을 따른 속도의 감소는 압력의 감소를 동반한다. 가스 공급원으로부터 멀리 떨어진 특정 거리에서, 관(P_o)에서의 압력은 저하될 것이다(P_o-Δp로 표시됨). 동일 직경으로 일정하게 이격되어 있는 오리피스를 갖는 단일 계량관의 경우, 균일한 가스 흐름이 달성되지 않는다. 종래 기술의 단일관에서 두드러진 결점은 큰 기판 크기 또는 직경을 수용하는데 요구되는 증가된 길이에 따른 우수한 균일성을 제공하기 어렵다는 것이다. 특정 압력에 대해, D, d 및 L 간의 주어진 치수 관계는, 동일하게 주어진 직경의 오리피스를 재분배하거나 또는 동일하게 이격된 홀의 직경을 변화시킴으로써 어느 정도 균일한 속도 벡터(v_i) 및 균일한 가스 유량을 유도할 것이다. 그러나, 이러한 오리피스의 분포는 단지 특정한 어느 한가지 작업 조건이 아닌 경우에는 협소한 범위의 작업 조건에 대해서 최적의 흐름을 제공할 것이다. 또한, 이러한 종래 기술의 설계는 일반적으로 가스 유량 및 압력에 따라서 약 5 내지 10%의 높은 두께 불균일성을 가진 막을 생성한다. 추가로, 낮은 가스 유량 및 저압에서, 도 2에서 도시된 바와 같이 공급에 가장 가까운 단부에서 고유량의 가스가 나타날 것이다. 즉, P_o가 비교적 낮은 값일 경우, 관의 전체 압력은 가스 공급원으로부터의 거리 함수에 따라 매우 급격히 강하된다. 이러한 경우에는 전체적인 흐름 균일성이 매우 불량할 것이다. 또한, 이러한 관으로부터의 가스 유량은 공급 유량 및 압력이 증가함에 따라 지향성(또한, "젯팅(jetting)"이라고도 함)이 증가되는 경향이 있을 것이다. 관으로부터의 가스 흐름은 균일하지 않으며, 도 3a에 도시된 바와 같이 길이에 걸쳐 직선형 감소(linear decrement)를 나타낸다. 다르게는, 가스는 도 3b에 도시된 바와 같이 관의 각 단부에 도입될 수 있다. 두 경우 모두에서, 가스 흐름은 균일하게 분포되지 않으며, 이는 웨이퍼에 불균일한 증착을 초래한다.

종래 기술의 또 다른 방법은 다공성 재료의 단일관을 사용하는 것이다. 또한, 가스가 관의 어느 한 단부에 도입된다. 이러한 방법에서는, 홀을 갖는 관이 동반하는 "젯팅" 문제는 최소화된다. 재료의 다공성은 일반적으로 관 내부에 달성될 수 있는 배압을 결정할 것이고, 이에 따라 또한 관의 길이에 따라 전체적인 균일성을 결정할 것이다. 예를 들어, 스크린 메쉬(screen mesh)는 다공성 물질로 간주될 수 있다. 최상의 균일성을 위해, 메쉬는 관의 길이 전체에 따라 우수한 배압을 유지하도록 가스 흐름에 대한 우수한 저항성을 제공하여야 한다. 일반적으로, 흐름에 대한 저항성은 관의 표면적에 대한 전체 개방 면적에 의존한다. 메쉬 개구는 일반적으로 재료의 두께와 같은 정도 또는 보다 큰 정도( 〉0.005인치)이다. 또 다른 예로는 마이크로미터 정도의 입자 간격과 밀리미터 정도의 두께를 가지는 다공성 세라믹(이러한 물질은 여과 장치에서 흔히 사용됨)이 있다. 이러한 재료는 균일 배압을 형성할 수 있도록 가스 흐름에 대한 저항과 수송 라인 전체 길이를 따라 수송되는 가스의 우수한 균일성을 제공할 수 있다.

다공성 세라믹 관이 가스 수송의 우수한 균일성을 제공할 수는 있지만, 재료 그 자체가 매우 취약하여 광범위한 온도 범위를 견딜 수 있는 가스 공급 라인에 대한 시일(seal)을 형성하기가 어렵다.

또 다른 대안으로는, 공급원으로부터 거리의 함수로서 관 직경을 테이퍼링하여 질량 흐름율이 감소하더라도 유체 속도를 일정하게 유지하는 것이다. 이 방법의 큰 결점은 특정 유량에서의 균일한 흐름으로 최적화된 설계가 또 다른 유량에서는 정확하게 작동되지 않을 것이라는 점이다.

단일의 천공된 또는 다공성의 관을 사용하는 종래 기술의 최대 결점은 압력 변화에 상대적으로 매우 민감하여 수송관의 길이에 따라 위치의 함수로서 불균일한 흐름을 초래한다는 것이다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 비균일 흐름은 가스 유량의 강력한 작용 인자이며, 상이한 가스 유량에 대해 요구되는 상이한 적용 및 공정 조건에 따라 균일한 막 증착을 제공하는 공정을 설계하고 개발시키는 것이 더욱 복잡하게 된다. 도 4에 도시된 플롯은 가스 흐름 조건의 범위와 레이놀드 수(Reynolds numbers)(R_e)가 100 초과 2000 미만인 CVD 적용에 일반적인 형태를 나타낸다. 또한, 웨이퍼 직경이 증가함에 따라, 막의 불균일성은 가스 수송관의 길이 증가와 함께 더욱 심화된다.

압력 변화는 사용자에 의해 신중하게 부여될 수 있지만, CVD 시스템으로의 가스 수송 시스템의 설비에 있어서 변동(fluctuation)으로 인해 흔히 일어날 수 있다. 따라서, 종래 기술에 있어서, 압력 변화는 주입기 및/또는 증착 챔버내에서의 가스 수송의 균일성에 영향을 미칠 것이며, 이후 기판상의 형성되는 막의 균일성 및 조성물에 영향을 미칠 것이다. 즉, 종래 기술의 시스템의 경우, 가스 수송 장치는 단지 하나의 작업 조건에 대해서만 유용할 수 있다. 따라서, 특히 수송 시스템에서의 변동에 영향받지 않고서, 길이에 따라, 실질적으로 균일하고 그리고 가스 흐름의 광범위한 작업 범위에 걸쳐서 실질적으로 균일한 가스 흐름 및/또는 분포를 촉진하는 가스 수송 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 가스 수송을 위한 개선된 가스 수송 계량관을 제공하는 데 있으며, 보다 구체적으로, 한 단부에서 가스가 공급되는 가스 수송관의 길이에 따라 실질적으로 균일한 가스 수송을 제공하는 데 있다. 이러한 목적 및 기타 목적은 최내관(innermost tube; 본 명세서에서 2 중첩관인 경우에 내측관으로도 지칭됨)은 가스를 수용하고 최내관의 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 배압을 달성하며, 그리고 최외관(outermost tube; 본 명세서에서 2 중첩관인 경우에 외측관으로도 지칭됨)은 가스 수송관을 통해 배출되는 가스의 균일한 흐름 분포를 제공한다. 중첩되고 축방향으로 배열되거나 동축의 계량관들의 조합을 갖는 가스 수송 계량관(gas delivery metering tube)에 의해 달성되는데, 여기에서 본 발명의 또 다른 일면에서는, 가스 수송 계량관이, 가스 수송 계량관을 수용하기 위한 하나 이상의 포트를 가지는 하나 이상의 주입기 어셈블리와 조합되어 제공된다. 본 발명의 또 다른 일면에서, 가스 수송 계량관은, 가스 수송 계량관을 수송하기 위한 하나 이상의 플레넘(plenum)을 가지는 차폐물 어셈블리와 함께 제공된다. 가스 수송 계량관은 특히 반도체 분야에 사용하기에 적합하다.

도 1은 종래 기술에 사용되는 단일관의 가스 흐름에 대한 단면도이다.

도 2는 압력이 낮은 경우 종래 기술에 사용되는 단일관의 가스 흐름에 대한 단면도이다.

도 3a 및 3b는 종래 기술의 불균일한 가스 흐름에 대한 개략도이다.

도 4는 여러 유형의 관의 길이에 따른 가스 흐름 분배를 도시한 그래프이다(종래 기술).

도 5는 본 발명의 가스 수송관의 단면도이다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 두 구체예에 따른 가스 수송관의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 가스 수송관을 사용할 수 있는 주입기 및 보호용 차폐물을 나타내는 CVD 증착 챔버의 한 예에 대한 단면도이다.

도 8은 본 발명의 가스 수송관을 사용할 수 있는 주입기의 한 예의 단면도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명*

10: 가스 수송관 12: 내측관

14: 외측관 15: 환형 공간

22: 주입기 24: 차폐물

26: 웨이퍼 기판 32: 포트

36: 채널

발명의 특별한 잇점은, 길이를 따라서, 특히 관의 길이를 따라서 가스 분배를 계량하는 가스 분배관을 제공하여, 관으로부터 형성된 가스 분배가 광범위한 작업 조건 또는 가스 흐름 범위에 걸쳐 압력 변화에 덜 민감하고, 종래 기술의 결점을 처리하는 데 있다. 본 발명은 두 개 이상의 중첩되고 축방향으로 배열되거나 또는 동축의 관들로된 튜브 조립체를 가지는 가스 수송관으로 이루어지며, 여기서 바람직하게는 최내관은 가스 공급원에 부착되고, 최내관 외측관 양자 모두는 최내관 및 최외관의 길이를 따라 분배된 하나 이상의 오리피스 어레이를 갖는다. 논의 목적상, 단면이 원형이고 축상으로 배열되고 두 개의 중첩된(nested) 관을 포함하는 가스 수송관(10)이 논의될 것이나, 세개 또는 그 이상의 중첩관 또는 동축관과 같은 다른 갯수의 관이 사용될 수 있다. 반도체 기판을 처리하기 위해 사용되는 가스 수송관의 길이는 기판의 폭 또는 직경보다 수 센티미터 긴 것이 일반적이다.

본 발명의 일 실시예가 도 5 및 도 6a와 관련하여 도시되어 있다. 도 5는 환형 공간(15)에 의해 분리된 동축의 내측관(12) 및 외측관(14)을 가지는 두 개의 관 어셈블리로 이루어진 가스 수송관(10)의 개략도이다. 각각의 관은 두 개의 단부를 갖는다. 내측관(12)의 한 단부(13)는 가스 공급원에 결합되어 있으며, 나머지 단부(17)는 캡핑되어 있다. 하나 이상의 오리피스(16) 어레이가 내측관(12)의 실질적 길이를 따라 분포되어 있으며, 그리고 내측관(12)의 전체 길이를 따라 균일한 배압을 달성하도록 배치되고 사이징되며, 그리고 내측관(12)으로부터 환형 공간(15)으로의 가스 흐름을 충분히 제공한다. 외측관(14)은 실질적인 길이를 따라 분포된 오리피스(18) 어레이를 포함한다. 하나 이상의 오리피스(18) 어레이는 환형 공간내에서 균일한 배압을 유지하도록 배치되고 사이징되며, 외측관(14)으로부터 외측관(14)에 인접한 영역으로 균일한 가스 흐름을 제공한다. 바람직하게는, 외측관(14)은 양 단부가 캡핑되나, 다른 실시예에서는 외측관이 또한 가스 공급원을 수용할 수 있다. 바람직하게는, 내측 오리피스(16)의 라인은 도 5 및 도 6a에 도시된 바와 같이 외측 오리피스(18)의 라인 어레이로부터 180도 회전 오프셋된다. 그러나, 이들 어레이 간에는 임의의 회전식 배치 및 직선 배치가 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서는 오리피스의 외측 어레이로부터 180도로 오리피스의 내측 어레이가 배열된다.

가스 수송관(10)이 두 개의 축방향으로 배열된 중첩관(two axially aligned nested tubes)을 갖는 것으로 기술되었지만, 추가의 관이 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 수송관(10)은 세개 또는 그 이상의 동축관으로 이루어질 수 있다. 두 개 또는 그 이상의 중첩되는 동축관의 사용을 통하여, 본 발명의 장치는 먼저 내측관의 길이를 따라서 균일한 배압을 달성시키고, 이러한 균일성과 관 어셈블리(10)의 전체 길이에 걸쳐 두 개의 관 사이에 환형 공간에 대한 압력의 균일성 및 항구성을 유지시키고 전달함으로써 광범위한 유동 범위에 대해 압력 효과의 민감성을 감소시킨다. 따라서, 외측관으로부터의 결과적인 가스 유출량은 상당히 균일할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 관 어셈블리의 길이에 걸쳐 압력 및 흐름의 설정을 두 단계로 효과적으로 분리시킨다.

위에서 논의된 바와 같이, 하나의 오리피스 어레이를 가지며 어느 한 단부에서 가스가 공급되는 단일관을 갖는 종래 기술은 오리피스 어레이로부터 균일한 흐름을 제공하기 위해서는 가스 배압이 전체 길이에 걸쳐 균등하게 될 것을 요한다. 저유량 조건하에서는, 배압이 지나치게 낮게 저하될 수 있으며, 공급원으로부터 가장 먼 오리피스로부터의 흐름은 떨어져서 관의 길이에 걸쳐 불균일한 분포를 초래할 수 있다. 대조적으로, 본 발명에 따르면, 본 발명의 내측관(12)은 전체 길이를 따라 균일한 배압을 달성하도록 직경 및 오리피스(16)의 어레이가 사이징된다. 즉, 관의 직경과 오리피스의 직경간의 관계는 중요하다. 오리피스(16)는 실질적인 길이를 따라 분포되며, 바람직하게는 내측관(12)의 전체 길이를 따라 분포되고, 전체 내측관의 길이내에서 배압을 형성시킬 수 있도록 내측관으로부터 외측으로의 가스 흐름에 대한 충분한 저항성을 보장하도록 사이징되고, 그 개수가 맞춰진다. 내측관으로부터의 가스 흐름은 그 길이를 따라 균일하게 분포되며, 내측관과 외측관 사이에 환형 공간으로 공급된다.

모크타리(Mokhtari) 등의 문헌("Flow Uniformity and Pressure Variation in Multi-Outlet Flow Distribution Pipes", Advances in Analytical, Experimentaland Computational Technologies in Fluids, Structures, Transients and Natural hazards, ASME, PVP - Volume 355, page 113, 1997)에는, 단일관을 따라 균일한 흐름을 달성하기 위한 내측관(12)의 내경(D_in), 관 길이(L) 및 오리피스 크기(d_in) 간의 일반적인 관계가 논의되어 있다. 추가로, 아크리보스(Acribos) 등의 문헌("Flow Distribution in Manifolds", Chemical Engineering Science, Vol. 10, pages 112 to 124, Pergamon Press 1959)은 L/D_in은 70 미만을 요하는 반면, 모크타리 등은 예에서 L/D_in이 50을 초과일 것을 제안하고 있다. 또한, 모크타리 등은 D_in/d_in 10 또는 그 이상이 관의 전체 길이에 걸쳐 우수한 흐름 균일성을 제공하도록 예상되어야 함을 보여준다. 아크리보스는 매니포울드의 면적(πD_in ²/4)에 대한 전체 오리피스 영역(Nπd_in ²/4)의 비가 1을 초과하지 않아야 함을 제안하고 있다.

따라서, 종래 기술은 단일관에서 비교적 안정한 배압을 달성시키는 일련의 규칙을 제공한다. 특히, 하기의 관계식으로 표현된다: L/D ＜ 70, D/d＞10, 및 Na_포트/A_관 1. 상기 관계식에서, N은 관에 있는 오리피스 수이고, a_포트는 이러한 오리피스 각각의 단면적이다. 이러한 종래 기술은 단일관 배열로 제한하고 있으나, 상기 논의된 바와 같이, 이러한 단일관은 성능에 있어서 제한이 있으며, 만족스러운 막 균일성을 제공하지 않는다.

본 발명의 발명자들은 내측관(12)에 대한 종래 기술의 요건을 유지하는 것이내측관(12)내의 상당히 안정한 배압(P_o-Δp)을 달성함을 발견하였다. 더 나아가서, 본 발명자들은 내측관의 오리피스로부터의 실질적으로 일정한 가스 흐름을 유지하는 것이 두 개의 관 사이의 환형 공간(15)으로 공급되어, 그리고 관의 전체 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 가스 흐름을 제공함을 발견하였다. 본 발명에 따르면, 내측관(12)과 외측관(14) 사이의 환형 공간에서의 압력 균일성은 환형 공간의 크기에 의해 달성되며, 가스 분포의 균일성은 내측관(12)의 오리피스(16)의 분포에 의해 결정되나, 실질적으로 외측관(14) 및 이 것의 오리피스(18)의 부가에 의해 개선된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 두 개 이상의 동축관의 결합이 최내관(12)와 최외관(14) 사이의 환형 공간(15)내에서, 그리고 이러한 관의 길이를 따라서 일정하고 균일한 압력을 달성시켜, 최외관으로부터의 매우 균일할 수 있는 가스 분포를 유도한다.

본 발명자들은 바람직하게는 내측관(12)의 단면적에 대해 내측관(12)과 외측관(14) 사이의 환형 공간(15)의 단면적이 거의 동일해야 하며, 적어도 서로에 대해 3배수내에 존재해야 함을 알게 되었다. 즉, 유효 환형 공간의 유효 직경(D_eff) 및 최외관의 내경(D_in)은 서로에 대해 3배수내, 바람직하게는 D_eff D_in이다. 관의 모든 오리피스의 총 단면적에 대한 관의 내표면적의 비는 약 10 또는 그 이상, 바람직하게는 100보다 커야 한다. 특히, 표면적_외측/NA_외측은 약 10 이상이다. 이는 상당히 개선된 가스 흐름 불균일값을 제공하는데, 즉, 종래 기술에 의해 얻어지는 약 5 내지 10%와 비교하여 본 발명은 약 3% 이하의 값이다. 관 길이에 대한 가스 흐름 균일성 간의 관계의 민감도는 내측관(12)에 대해서보다는 외측관(14)에 대해서는 훨씬 덜하다.

요약하면, 본 발명의 사상은, 내측관의 구성을 통해 가스 수송관의 길이를 따라 배압을 일정하게 달성한 후, 내측관 및 외측관의 기하학적 관계를 통해 길이에 걸쳐 일정한 압력 및 균일한 분포를 유지시키고, 최종적으로 외측관의 오리피스 분배를 통해 가스 흐름을 계량(meter)하는 것이다.

본 발명은 매우 광범위한 적용에 사용될 수 있다. 이러한 적용중 두가지가 하기에 논의될 것이다. 일 구체예에서, 본 발명의 가스 수송 계량관(10)은 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같은 선형 주입기 배열을 사용하는 대기압/대기압 미만의 화학 증착 시스템과 함께 사용된다. 가스 수송 계량관(10)은 주입기 자체내(도 8에 도시된 바와 같이) 및/또는 주입기의 측면에 있는 차폐물내(도 7에 도시된 바와 같이)에 사용될 수 있다.

CVD 시스템(20)의 일부가 도 7에 도시되어 있다. CVD 시스템(20)은 주입기(22), 보호용 차폐물 어셈블리(24), 및 주입기(22)와 차폐물 어셈블리 아래에서 그리고 증착 영역(28)을 통하도록 벨트와 같은 운반 메카니즘(30)에 의해 운반되는 웨이퍼(26)를 포함하는 증착 챔버를 포함한다. 가스는 주입기로부터 증착 영역(28)으로 주입되어 반응하여 웨이퍼 표면 상에 층 또는 막을 증착시킨다. 차폐물 어셈블리(24)는 일반적으로 질소와 같은 불활성 가스를 주입시키는데, 이는 주입기 표면상의 증착물 형성을 최소화시키도록 도와주며, 또한 증착 영역(28)을 격리시키는 데 도와주는 작용을 한다. 본 실시예에서, 차폐물 어셈블리(24)는 4개의 섹션으로 이루어지며, 이중 두 개의 섹션은 주입기(22)의 측면에 위치한다. 이러한 유형의 CVD 시스템의 예는 또한 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제 5,849,088호 및 미국 특허 출원 제 09/185,180호(추후, 미국 특허 제 6,056,824호로 특허됨)가 있다.

약 3% 미만 범위의 막 두께 불균일성에 대한 산업상 요건으로, 주입기의 측면에 위치하는 차폐 가스 흐름이 시간의 경과에도 안정한 상태를 유지하고, 주입기 각각의 측면 상의 가스 흐름이 그 자체 길이를 따라 정확히 형성되고, 주입기 반대 측상의 가스 흐름에 대해서도 정확히 형성되는 것이 중요하다. 증착 가스는 선형 주입기에 의해 기판 표면에 수직으로 전달되고, 가스는 주입기의 다른 측으로 배기된다. 보다 구체적으로, 차폐물 어셈블리(24)의 주요 목적은 주입기(22) 및 배기 경로 표면 상에 미사용된 물질이 증착되는 것을 최소화시키는 것이다. 차폐물 어셈블리(24)는 불활성 가스가 전달되는 플레넘(25)을 형성하는 천공된 재료의 외형면(contoured surface)을 갖는 수개의 섹션으로 이루어진다. 불활성 가스는 배기 경로로 전달되고 미사용된 증착 가스 스트림을 희석시키고, 또한 배기 경로 표면으로부터 멀리 미사용된 증착 가스를 유도한다.

최대 효과를 위해, 불활성 가스는 확실히 증착 영역의 다운스트림에 전달되어야 하며, 이러한 접근에는 불활성 가스가 웨이퍼 기판상으로의 증착 가스 분배를 교란시키지 않을 것을 요한다. 또한, 일반적인 APCVD 및 SACVD 장치는 증착 가스가 반응하여 목적하는 막을 형성하도록 재결합할 수 있도록 기판에 열을 가할 것을 요한다. 웨이퍼 온도는 일반적으로 500℃ 이상이며, 이에 따라 둘러싸고 있는 장치는 직접 가열되는 것은 아니더라도 온도의 상승이 예상될 수 있다(수백 ℃). 따라서, 불활성 가스는 차폐물 및 주입기의 길이를 따라서 증착 가스에 요구되는 균일성(즉, 약 1% 미만의 불균일성)에 유사한 균일성 상태에서 계량되고 수송되는 것이 바람직하고, 그리고 그 것의 하드웨어 설계는 온도의 광범위한 범위에 걸쳐 작동가능하여야 한다. 특히, 본 발명의 가스 수송관(10)이 기판의 직경 또는 폭으로 걸쳐 있는 차폐물 어셈블리의 전체 폭에 대해 이러한 계량된 가스 흐름을 제공하는데 매우 적합하다는 이점이 있으며, 이는 특히 300mm 웨이퍼와 같은 큰 기판 직경에 대해서는 특히 유리하다. 특히, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가스 수송관(10)은 하나 또는 그 이상의 차폐물 어셈블리 섹션의 플레넘(25)에 배치될 수 있다. 가스 수송관(10)은 차폐물 어셈블리 섹션의 어느 위치에서 배치될 수 있으며, 하나 또는 그 이상의 관이 각각의 섹션에 배치될 수 있다.

일반적으로, 차폐물(24) 및 주입기(22)는 불화수소산과 같은 부식제로 세척하기 위해 분리된다. 따라서, 가스 수송관(10)은 또한 이러한 세척액을 견딜 수 있고/있거나 차폐물 어셈블리 단독으로 제공할 수 있도록 용이하게 제거가능한 것이 바람직하다.

또 다른 실시예에서, 가스 수송관(10)은 주입기 어셈블리(22) 자체의 내부, 바람직하게는 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제 5,683,516호 및 미국 특허 출원 제 09/113,823호(추후 미국 특허 제 6,200,389호로 특허됨)에 기재된 유형과 같은 선형 주입기의 내부에 사용될 수 있으며, 상기 특허에 개시된 내용 전체는 본원에 참조되어 있다. 일반적으로, 주입기(22)는 주입기(22)의 길이로 연장되는 다중 교차 채널, 또는 포트(32)로 이루어지는데, 각각이 채널(36)과 같은 폭이 좁은 슬롯에 의해 공통의 가스 수송 표면(34)에 결합되며, 그 각각은 채널(36)과 같은 폭이 좁은 슬롯에 의해 공통의 가스 수송 표면(34)에 결합된다. 가스는 가스 수송 표면(34)에서 웨이퍼 기판(26) 바로 위 증착 영역(28)(즉, 부피)으로 배출된다. 바람직하게는, 증착 가스는 포트(32) 각각에 별도로 공급된다. 상기 인용된 문헌에서는 주입기(22)의 전체 길이를 따라 증착 가스의 균일한 분배를 보장하기 위한 몇 개의 구조에 대해 상세히 논의하고 있다. 특히, 본 발명의 가스 수송관(10)은 주입기(22)의 하나 이상의 플레넘(32)에 삽입될 수 있는 가스 수송 장치로서 적합하여 목적하는 균일하고/하거나 계량된 가스 흐름을 제공한다는 이점을 갖는다.

일반적으로, 종래 기술을 사용하는 막 두께의 불균일성은 약 2% 범위에 근접하나, 이는 사용되는 화학 공정의 유형 및 CVD 조건에 따라 4% 내지 5%까지의 막 두께 불균일성으로 다양할 수 있다. 본 발명은 가스 분배의 균일성을 더욱 개선시킴으로써 종래 기술을 개선시켜 약 2% 범위 이하의 막 불균일성을 유도하여 종래 기술에 비추어 상당히 개선된 것으로 입증되었다.

특히 유리하게는, 본 발명은 가스 흐름을 가스 수송 시스템의 길이를 따라 실질적으로 균일한 분포를 보장하도록 "계량(meter)"하는 수단을 제공한다. 차폐 물에의 적용을 위해서는, 가스 유량이 수 slm(standard liters per minute) 내지 약 30slm의 정도가 되고, 주입기에의 적용을 위해서 가스 유량은 바람직하게는 수 slm 내지 약 20slm이다. 차폐물에의 적용에서, 불활성 가스는 차폐 스크린을 뒤로하는 비제한적인 부피로 전달되는 반면에, 주입기에의 적용에서는 플레넘과 채널 슬롯의 교차 근접(cross proximity)은 가스 분배를 조절하고 흐름을 유도하는 데 도움을 준다.

선형 주입기, 차폐물 및 기판 배치의 기하학적 구조는 가스가 수송관의 한 단부에 도입될 것을 요한다. 선형 가스 분배 시스템에 대한 종래 기술에는 특정 APCVD 시스템, 특히 200mm 이상의 폭을 갖는 기판에 대한 것들에 성공적이지 않았던 몇몇 접근 방법을 포함한다. 가장 단순한 설계 유형은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 표면을 따라서 오리피스가 분포되어 있는 단일관이다.

본 발명의 가스 수송 계량관이 차폐물에의 적용에 사용되는 경우에 있어서, 가스 흐름이 불활성 가스 수송 어셈블리로부터 "젯팅"되는 것은 바람직하지 않으며, 오히려 관으로부터 방위각상으로(azimuthally) 나타나야 한다. 이러한 경우에, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 외측관 오리피스 분포 패턴은 관의 길이를 따른 작은 구멍들의 수 개의 어레이 또는 열이 될 수 있으며, 그리고 방위각상으로 분포될 수 있다(도 6b).

도 8에 도시된 주입기 적용의 경우에, 주입기 교차 채널 또는 포트 자체는 본 발명의 어셈블리 주변에 경계를 형성하며, 슬롯 채널을 통해 혼합 챔버로 흘러가기 전에 가스 방향을 조절할 수 있다. 따라서, 외측관 오리피스 분포 패턴을 규정하는 규칙은 차폐물에의 적용에서보다 주입기에의 적용에서 덜 제한적일 수 있으며, 관 길이를 따라 소수의 열 및 약간 더 긴 피치로 이루어질 수 있다. 본 발명의 가스 수송 계량관의 사용은 차폐물 및 주입기에서의 적용에서 가스 흐름을 보다 우수하게 균일하도록 촉진한다. 두 개의 구체적인 예가 논의되었지만, 본 발명의 가스 수송 계량관은 단독으로 사용될 수 있으며, 추가로 모든 CVD 응용, 반도체 장치 등에서와 같은 실질적으로 균일한 가스 수송이 요망되는 많은 적용에 적합한 것으로 이해해야 한다.

실험

몇몇 실시예가 단지 예시의 목적으로 하기에 제시되나, 본 발명을 이에 제한하려는 것은 아니다. 여러 실시예의 파라미터는 표 1에 기재된다:

표 1

실시예

실시예 1

하기에서는 도 7에 도시된 바와 유사한 보호용 차폐물에 배치된 계량관에 사용된, 표 1의 경우 A에 기재된 설계 파라미터의 실행 가능성을 입증한다.

배압은 약 200토르이다.

유량 : 관 당 5 내지 30ℓ/분

내측관 길이(제 1 홀에서 마지막 홀)9.26 인치

외측관 길이(제 1 홀에서 마지막 홀)9.7 인치

내측관 치수는 표에 기재되어 있으며(내경(ID)은 0.114인치이고, 외경(OD)은 0.134인치이다), 외측관 치수는 ID가 0.186인치이고, OD가 0.250인치이다.

내측관과 외측관 사이의 환형부(annulus)에 대한 유효 직경(D_eff)은 하기와 같이 결정될 수 있다:

(1)

상기 식에서,

A_외측은 직경이 ID_외측인 외측관의 단면적이고,

A_내측은 직경이 OD_내측인 내측관의 단면적이고,

D_eff는 내측관과 외측관 사이 환형부의 유효 직경이다.

따라서, 하기 제시되는 조건(2, 3)에 대해 식 3을 풀면 다음과 같다

= 2 x [(0.186/2)²-(0.134/2)²]^1/2=0.129 인치= D_eff

관의 단면적과 관 오리피스의 단면적의 합계 사이는 비교할 가치가 있다. 내측관에 있어서, 단면적은 π(ID_내측/2)²= π(0.114/2)²=0.00325π이고, 각각의 오리피스 단면적은 π(0.007)²=0.000049π이다.

내측관 설계에 있어서, 본 발명자들은 모크타리 및 아크리보스의 종래 기술에 기술된 바와 같은 세가지 조건의 가치에 관심을 가졌다. 세가지 조건은 (a) 관의 길이 대 직경의 비, (b) 관의 직경 대 포트 직경의 비, 및 (c) 모든 오리피스 면적의 합계 대 관의 단면적의 비이다. 특히

L/D ＜ 70 (4a)

D/d＞ 10 (4b)

NA_포트/A_관 ≤ 1 (4c)

표 1의 경우 A에서의 내측관 설계를 위한 상기에서 계산된 값은 하기와 같이 산출한다:

(a) 내측관 L/D = 9.26/0.114 =81

(b) 내측관 D/d = 0.114/0.014 =8.1

(c) 오리피스의 총수 대 내측관의 단면적:

39 x (0.000049)π/(0.00325π) =0.6

종래 기술의 설계 개요(식 4a, 4b, 4c)와 제안된 설계의 계산된 값을 비교하면, 경우 A의 내측관에 대한 제안된 설계가 균일한 흐름에 대한 조건에 대체로 부합함을 보여주며, 이는 이러한 설계가 조건 4a의 높은 측(high side)상에 대한 것임을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 외측관에 대한 설계 기준은 하기와 같다:

D_eff D_in(또는 적어도 서로에 대해 3배수내) (5a)

표면적_외측/ NA_외측 10이상 (5b)

상기 식에서, D_in은 최내관의 내경이며, 표면적_외측은 최외관의 표면적이고, NA_외측은 최외관의 모든 오리피스의 총 단면적이다.

외측관에 대한 표 1의 경우 A의 설계값은 하기와 같이 산출하며, 따라서 설계 기준은 부합된다:

(a) D_eff= 0.1290.114 = D_in

(b) 포트 단면적에 대한 표면적 = (9.7)π(0.186)/(156 x 5 x 0.007²π) = 47

실시예 2

하기에서는 주입기 어셈블리(도 7에 도시된 바와 같이)내에 배치된 계량관으로 사용된, 표 1의 경우 D에 기재된 설계 매개변수의 실행 가능성을 입증한다.

배압은 약 200토르이다.

유량 : 관 당 2 내지 20ℓ/분

내측관 길이(제 1 홀에서 마지막 홀)9.27 인치

내측관 및 외측관의 내측/외측 직경 치수는 표 1의 경우 D에 기재되어 있다. 여러 중요한 설계 값은 상기 실시예 1에 기재된 바와 같은 식 및 과정을 사용하여 계산될 수 있다. 특히, 내측관과 외측관 사이의 환형부에 대한 유효 직경(D_eff)은2 x [(0.261/2)²-(0.156/2)²]^1/2=0.209 인치= D_eff

내측관의 단면적 = π(0.136/2)²=0.00462π

내측 및 외측 오리피스의 단면적 = π(0.0048)²=0.000023π

이러한 데이타를 사용하여, 경우 D의 내측관 설계를 위해 4a, 4b, 4c에 기재된 관계는 하기와 같이 계산될 수 있다:

L/D_in= 9.27/0.136 =68

D_in/d = 0.136/0.0095 =14.3

Na_포트/A_관= 39π(0.0048)²/0.00462π =0.19

종래 기술의 설계 개요와 제안된 설계의 계산된 값을 비교하면, 경우 D의 내측관에 대한 제안된 설계가 균일한 흐름에 대한 조건에 대체로 부합함을 보여준다.

경우 D에 대한 제안된 외측관 설계는 또한 식 5a 및 5b의 기준에 대해 검증되어야 한다. 경우 D에 대해, 첫번째 관계가 부합된다. 즉, D_eff/D_in= 0.209/0.136 = 1.54이며, 이는 3배수 이내에 있는 것이다. 경우 D의 외측관은 각각의 직경이 0.0138 인치인 홀로 이루어진다. 따라서, 약 9.7인치 길이의 외측관에 대한 식 5b는 9.7π(0.261)/(77 x 0.0069²π) = 690이 된다.

실시예 3

표 1의 경우 E는 경우 D에서와 같은 동일한 내측관 설계를 사용하나 외측관의 선형 오리피스 어레이가 아닌 세개의 협소한 슬롯 한 세트를 갖는다. 본 발명에 따른 이러한 한 세트의 슬롯을 갖는 외측관에 대한 관계식은 따라서 하기와 같다:

D_eff/D_in= 0.209/0.1361.54 상기와 같음

슬롯 단면적에 대한 표면적 = (9.7)π(0.261)/(3x3.060x0.005) = 173

또한, 외측관에 대한 기준이 다시 부합된다.

최내관과 최외관 사이의 환형 공간은 유효 환형 공간이다. 즉, 환형 공간은, 관이 다양한 형태(원통형 이외)일 수 있기 때문에 관의 형태와 무관한 최내관과 최외관 사이의 영역이다.

상기 실험에 의해 기술되고 입증된 바와 같이, 본 발명의 가스 수송 계량관은 관 길이를 따라 균일한 흐름을 달성하는 것과는 독립하여 일정한 배압을 달성시키는 수단을 형성시킴으로써, 직경 크기 또는 길이에 무관하게, 설정된 길이를 따라 실질적으로 균일한 가스 흐름을 제공한다. 유리하게는, 가로세로비(즉, 홀-대-벽 두께)가 1이상인 경우에는, 관의 벽 크기는 목적하는 결과를 달성하는데 중요하지 않으며, 공급 가스 급송이 가스 흐름을 제한하지 않는 한 공급 가스의 급송이 중요하지 않음을 발견하였다.

추가로 유리하게는, 축방향으로 배열된 충첩관이 상이한 형태일 수 있다. 예를 들어, 중첩관은 도면에 도시된 원통형 관과는 대조적으로 축방향으로 배열된 두 개의 사각 관으로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 가스 수송 계량관은 목적하는 경우 "젯팅" 유형의 가스 흐름을 제공하도록 구성될 수 있으며, 선택적으로는 젯팅이 없도록 구성될 수 있다.

본 발명의 그 밖의 특징 및 이점은 본 발명의 명세서를 숙지한 당해 기술자들에게는 자명할 것이다. 본 발명의 상기 특정 구체예 및 실시예에 대한 기술은 예시 및 설명을 목적으로 제시된 것이며, 따라서, 본 발명은 선행하는 특정 실시예에 의해 설명되었더라도, 이로써 제한하려는 의도는 아니다. 또한, 기술된 상세한 형태로 본 발명을 철저히 규명하거나 제한하려는 의도는 아니며, 상기 설명에 비추어 많은 변경, 구현 및 변형이 명백히 가능하다. 본 발명의 범위는 본원에 기술된 일반적인 범위 및 첨부되는 청구의 범위 및 이들의 등가물을 포함하는 것으로 의도된다.

이에 따라, 본 발명은 가스 수송을 위한 개선된 가스 수송 계량관을 제공하며, 보다 구체적으로, 한 단부에 가스가 공급되는 가스 수송관의 길이에 따라 실질적으로 균일하게 가스를 수송할 수 있다.

Claims

가스를 수송하기 위한 가스 수송 계량관으로서,

동축으로 정렬되는 하나 이상의 최내관과 하나 이상의 최외관을 포함하며, 상기 하나 이상의 최내관과 상기 하나 이상의 최외관 사이에 형성되는 유효 환형 공간을 가지는 중첩관으로서, 상기 최내관은 두 개의 단부를 가지며, 상기 최내관의 일단부는 가스 공급원에 부착되고 타단부가 캡핑되어 있는 중첩관과, 그리고

상기 하나 이상의 최내관과 상기 하나 이상의 최외관 각각에 형성되고 상기 최내관과 상기 최외관의 각각의 실질적인 길이를 따라 연장되는 하나 이상의 오리피스 어레이를 포함하여,

상기 최내관의 실질적인 길이를 따라 상기 최내관내에 거의 균일한 배압이 발생되어서 상기 최외관의 실질적인 길이를 따라 상기 최외관에 있는 상기 오리피스로부터 나오는 가스의 거의 균일한 수송을 증진시키는,

가스 수송 계량관.
제 1 항에 있어서,

상기 유효 환형 공간은 유효 직경 D_eff를 가지m며, 상기 최내관은 내경 D_in을 가지며, 상기 D_eff와 상기 D_in은 서로 3배수 이내에 있는,

가스 수송 계량관.
제 1 항에 있어서,

상기 최내관은

L/D ＜ 70,

D/d＞10,

Na_포트/A_관 ≤1의 특성(여기에서, L은 상기 최내관의 길이이고, D는 상기 최내관의 직경이고, d는 상기 최내관의 오리피스의 어레이에 있는 하나의 오리피스의 직경이고, N은 상기 최내관에 있는 오리피스의 수이고, a_포트는 상기 오리피스 각각의 단면적이고, A_관은 상기 최내관의 단면적이다)을 가지며,

상기 최외관은

D_eff과 D_in이 서로 3배수 이내에 있으며,

표면적_외측/NA_외측이 10 이상이 되는 특성(여기에서, D_eff는 상기 유효 환형 공간의 유효 직경이고, D_in은 상기 최내관의 내경이며, 표면적_외측은 상기 최외관의 표면적이고, NA_외측은 상기 최외관의 모든 오리피스의 총 단면적이다)을 가지는,

가스 수송 계량관.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

D_eff가 D_in와 거의 동일한,

가스 수송 계량관.
제 1 항에 있어서,

상기 최외관의 표면적 대 상기 최외관에 형성된 오리피스의 총 단면적의 비가 약 10 이상이 되는,

가스 수송 계량관.
제 5 항에 있어서,

상기 최외관의 표면적 대 상기 최외관에 형성된 오리피스의 총 단면적으로 비가 100보다 큰,

가스 수송 계량관.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 계량관이 화학 증착 시스템에 사용되는,

가스 수송 계량관.
제 1 항에 있어서,

상기 최내관이 소정의 길이 및 직경을 가지며, 상기 길이 대 상기 직경의 비가 약 70 보다 작은 범위에 있는,

가스 수송 계량관.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 중첩관은 원통형 또는 사각형인,

가스 수송 계량관.
제 1 항 또는 제 3 항에 따른 가스 수송 계량관과 상기 가스 수송 계량관을 수용하기 위한 하나 이상의 포트를 가지는 하나 이상의 주입기 어셈블리와의 결합체.
제 1 항 또는 제 3 항에 따른 가스 수송 계량관과 상기 가스 수송 계량관을 수용하기 위한 하나 이상의 플레넘을 가지는 하나 이상의 차폐물 어셈블리와의 결합체.