KR100746433B1 - 고온 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로 하나 이상의 기화 요소를 통해 기화 상태로 변환될 기화기로 액체 상태로 이송되고 챔버 구성요소 상에 바람직하지 못한 응축이 방지되도록 상승된 온도로 이송되어야 하는 기화를 요구하는 재료, 특히 저휘발성 전구체를 증착하기 위한 증착 챔버를 제공한다. 일 양태에서, 챔버는 신속한 제거, 세척 및/또는 교체가 가능하도록 구성되고 바람직하게는 증착 재료의 열팽창계수에 근접한 열팽창계수를 갖는 재료로 구성된 기화 표면으로서 일련의 가열 온도가 제어된 내부 라이너를 포함한다. 이러한 기화 표면은 기화 표면의 표면 상에 분사된 액체 전구체를 흘려보내고, 이후 시스템 내로 더 유동하기 전에 흘려진 전구체를 정화한다. 특히, 고용량 다이나믹 메모리 모듈에서 용융한 집적회로를 제조하기 위해 바륨, 스트론튬, 산화티타늄(BST) 박막과 같은 금속-산화물 박막을 실리콘 웨이퍼 상에 증착하는 장치 및 방법을 구현한다. 바람직하게, 챔버의 내부 표면은 챔버 상에 그리고 관련 가스 유동 표면 상에 기화된 재료가 분해 및/또는 응축되는 것을 방지하기 위해 상온 보다 높은 온도, 즉 약 150℃ 내지 약 300℃의 적절한 온도로 조절가능하고 유지가능하다.

Description

고온 필터 {HIGH TEMPERATURE FILTER}
도 1은 본 발명의 챔버 시스템의 사시도.
도 2는 본 발명의 챔버의 단면도.
도 3a는 가열된 가스 피이드스루우(feedthrough)의 단면도.
도 3b는 가스 피이드스루우의 단면도.
도 4는 본 발명의 챔버 및 관련 퍼지 가스 펌핑 노우즈 조립체의 선택적인 실시예의 단면도.
도 5는 챔버 라이너의 실질적인 바닥 사시도.
도 6은 저항성 가열 요소용 연결기를 도시한 챔버 라이너의 단면도.
도 7은 본 발명의 덮개의 상부도.
도 8은 가스 매니폴드의 부분 단면도.
도 9는 가스 매니폴드의 상부도.
도 10은 가스 매니폴드의 단면도.
도 11은 가열된 노우즈 라이너의 측면도.
도 12는 노우즈 라이너의 장착 플랜지의 단부도.
도 13은 냉각 트랩 필터 부재의 사시도.
도 14는 챔버 및 기화기 모듈의 사시도.
도 15는 본 발명의 기화기의 단면도.
도 16은 기화기의 개략적인 상부도.
도 17은 기화기의 상부 부분의 개략적인 단면도.
도 18은 기화기의 다른 실시예의 단면도.
도 19는 도 18에 도시된 기화기의 개략적인 상부도.
도 20은 기화기의 다른 실시예의 단면도.
도 21은 도 20에 도시된 기화기의 개략적인 상부도.
도 22는 액체 이송 시스템의 개략도.
도 23은 제로 사부피 밸브의 사시도.
도 24는 제로 사부피 밸브의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : CVD 시스템 14 : 덮개 조립체
24 : 기판 지지부재 26 : 가스 분배 플레이트
28 : 챔버 라이너 40 : 가스 피이드스루우
46 : 가스 매니폴드 50 : 밀봉 부재
70 : 메인 몸체 154 : 기화기
177 : 분배관 170 : 필터
본 발명은 액체 전구체를 기화 및 여과시키고 적절한 기판 상에 증착시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 기판 상에 바륨 스트론튬 티타네이트(BST) 박막과 같은 금속 산화물 박막을 증착하는 것과 관련된 전구체를 여과하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
집적 회로의 밀도 증가(ICs)는 높은 유전상수를 갖는 재료가 고용량 DRAMs를 형성하기 위한 캐패시터와 같은 전기적 소자에 사용될 수 있도록 하는 요구를 증가시킨다. 유기금속 화합물과 같은 높은 유전상수를 갖는 재료를 포함하는 캐패시터는 표준 SiO2-Si3N4-SiO2 스택 캐패시터 보다 훨씬 높은 캐패시턴스 밀도를 갖는다. 따라서, 최근에는 유기금속 화합물이 IC 제조 재료로서 선택된다.
초대규모 집적회로(ULSI)에서 사용되는 재료로서 관심이 증가되는 유기금속 화합물 중 하나는 높은 캐패시턴스에 기인한 BST이다. BST를 증착하기 위해 과거에 사용된 증착 기술은 RF 마그네트론 스퍼터링, 레이저 절개, 졸-겔 공정, 및 금속 유기 재료의 화학 기상 증착(CVD)을 포함한다.
액체 소오스 BST CVD 공정은 화합물을 분무하는 단계와, 분무된 화합물을 기화하는 단계와, 가열된 기판 상에 기화된 화합물을 증착하는 단계와, 그리고 증착된 박막을 어닐링하는 단계를 포함한다. 이러한 공정은 앰풀(ampoule)로부터 화합물이 증착되는 기판의 표면으로의 기화 및 최종 이송을 수행하는 이송 시스템 내로의 전구체의 도입으로부터 액체 전구체와 가스에 대한 높은 레벨의 제어를 요구한다.
제어된 온도 및 압력 환경의 영향 하에서 균일한 두께의 박막을 증착하는 반복가능한 공정을 제공하는 것이 목적이다. 그렇지만, 이러한 목적은 BST 전구체가 고온 분해와 저온 응축 사이에서 기화에 대한 좁은 범위를 가지기 때문에 만족스럽게 달성하지 못하였다. 따라서, 기화기로부터 배출 시스템을 통한 챔버 내로의 온도가 제어된 유동 경로는 비교적 엄격하게 제어되어야 한다. 추가로, 전구체는 이송 라인 및 시스템에 거쳐 배치된 밸브 내에 증착물을 형성하는 경향이 있다.
직면하게 되는 다른 문제점은 액체 전구체를 기화시키기 어렵거나 효율성이 떨어진다는 점이다. 전형적으로, 기화기의 낮은 전도성에 기인하여 액체 전구체의 일부분만이 기화되며, 이에 의해 증착 속도가 억제되고 공정이 지속적으로 반복되지 못한다. 추가로, CVD 공정에서 사용된 공지된 기화기는 좁은 통로가 적용되는데, 이는 사용하는 동안 기화되지 않은 전구체로 막히게 되고 안정화될 수 있는 연속적인 흐름 공정에 적용되지 못한다. 막힌 통로는 공정 반복성 및 증착 속도에 악영향을 미치는 액체 전구체의 기화 효율성을 감소시킨다. 또한, 공지된 기화기는 온도가 제어된 표면이 부족하며, 기화기로 주입하기 이전에 전구체의 분해를 방지할 수 있는 저온으로 액체 전구체를 유지할 수 있는 능력이 부족하다. 따라서, 바람직한 온도 제어의 결여는 기화기 내의 분사 라인 내에 재료가 증착되게 하며, 전구체의 조기 응축 또는 바람직하지 못한 분해를 유발한다.
따라서, 본 발명의 목적은 통로를 따라 전구체가 바람직하지 못하게 응축하거나 분해되는 것을 방지하고 시스템 내에서의 온도 구배를 방지하면서, 전구체를 효율적으로 기화하고 동시에 전구체를 여과하며 기판의 표면으로 기화된 전구체를 이송하고, 그리고 챔버 내의 상승된 온도를 유지하면서 시스템을 배출하는, 액체 전구체를 기화기로 이송할 수 있는 증착 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 하나 이상의 기화 요소를 통해 기화 상태로 변환될 기화기로 액체 상태로 이송되고 챔버 구성요소 상에 바람직하지 못한 응축이 방지되도록 상승된 온도로 이송되어야 하는 일반적으로 기화를 요구하는 재료, 특히 저휘발성 전구체를 증착하기 위한 증착 챔버를 제공하는 것이다. 일 양태에서, 챔버는 신속한 제거, 세척 및/또는 교체가 가능하도록 구성되고 바람직하게는 증착 재료의 열팽창계수에 근접한 열팽창계수를 갖는 재료로 구성된 기화 표면으로서 일련의 가열 온도가 제어된 내부 라이너를 포함한다. 이러한 기화 표면은 기화 표면의 표면 상에 분사된 액체 전구체를 흘려보내고(flash), 이후 시스템 내로 더 유동하기 전에 흘려진 전구체를 정화한다. 특히, 고용량 다이나믹 메모리 모듈에서 용융한 집적회로를 제조하기 위해 바륨, 스트론튬, 산화티타늄(BST) 박막과 같은 금속-산화물 박막을 실리콘 웨이퍼 상에 증착하는 장치 및 방법을 구현한다. 바람직하게, 챔버의 내부 표면은 챔버 상에 그리고 관련 가스 유동 표면 상에 기화된 재료가 분해 및/또는 응축되는 것을 방지하기 위해 상온 보다 높은 온도, 즉 약 150℃ 내지 약 300℃의 적절한 온도로 조절가능하고 유지가능하다.
일 양태에서, 처리 챔버용 가스 피이드스루우는 유입구 및 배출구를 갖추고 있고 챔버와 밀봉을 형성하기 위한 표면을 한정하는 도관, 및 이러한 도관 내에 배치된 필터를 포함하는데, 필터는 필터를 가로질러 과도한 압력차가 형성되는 것을 충분히 방지할 수 있는 구멍 크기와 표면적을 갖는다.
다른 양태에서, 박막을 증착하는 방법은 하나 이상의 액체 전구체를 기화기로 이송하는 단계와, 하나 이상의 액체 전구체를 기화시키는 단계와, 가스 피이드스루우를 통해 기화된 전구체를 유동시키는 단계와, 그리고 가스 피이드스루우 내에서 기화된 전구체를 여과하는 단계를 포함한다.
또다른 양태에서, 기판 처리 시스템용 기화기는 액체 전구체를 위한 유입 사이트, 상기 액체 전구체를 기화하기 위해 상기 전구체 유입 사이트 주위에 밀봉가능하게 배치된 천공형 분배기 표면, 기화된 전구체를 위한 배출 사이트, 상기 천공형 분배기 표면과 상기 배출 사이트 사이에 배치된 하나 이상의 필터, 및 상기 기화기의 내측에 열적으로 연결된 가열 부재를 포함한다. 또다른 양태에서, 기판 처리 시스템용 기화기는 몸체, 몸체 내에 배치된 노즐, 및 상기 노즐 주위에 배치되고 약 100 마이크론 또는 그보다 작은 기화된 유체가 통과할 수 있는 구멍을 갖춘 하나 이상의 기화 부재를 포함한다.
또다른 양태에서, 박막을 증착하기 위한 처리 챔버는 하나 이상의 온도가 제어된 표면을 갖춘 엔클로저를 형성하는 챔버 몸체, 상기 챔버 몸체 상에 이동가능하게 장착되고 가열된 메인 몸체 및 외부 온도가 제어된 칼라를 포함하는 덮개, 및 상기 챔버 및 가스 소오스에 유체식으로 연결되고 내부에 필터가 배치된 환형의 가스 피이드스루우를 포함하며, 상기 필터는 필터를 가로질러 과도한 압력차가 형성되는 것을 충분히 방지할 수 있는 구멍 크기와 표면적을 갖는다. 일 양태에서, 박막을 증착하는 처리 챔버는 하나 이상의 온도 제어 표면을 갖춘 챔버 몸체, 상기 챔버 몸체 상에 이동가능하게 장착된 덮개, 및 기화기를 포함한다. 이러한 기화기는 액체 전구체를 위한 유입 사이트, 상기 액체 전구체를 기화하기 위해 상기 전구체 유입 사이트 주위에 배치된 천공형 분배기 표면, 기화된 전구체를 위한 배출 사이트, 상기 천공형 분배기 표면과 상기 배출 사이트 사이에 배치된 하나 이상의 필터, 및 상기 기화기의 내측에 열적으로 연결된 가열 부재를 포함한다.
또다른 양태에서, 박막을 증착하는 처리 챔버는 하나 이상의 온도가 제어된 표면을 갖춘 챔버 몸체, 상기 챔버 몸체 상에 이동가능하게 장착되고 가열된 메인 몸체 및 온도가 제어된 칼라를 갖춘 덮개, 및 상기 챔버와 상기 가스 소오스에 유체식으로 연결되고 내부에 필터가 배치된 가스 피이드스루우를 포함한다. 또다른 양태에서, 처리 챔버용 가스 피이드스루우는 유입구 및 배출구를 갖추고 있고 챔버와 밀봉을 형성하기 위한 표면을 한정하는 도관, 및 상기 도관 내에 배치된 필터를 포함한다. 또 다른 양태에서, 박막을 증착하는 처리 챔버는 하나 이상의 온도가 제어된 표면을 갖춘 챔버 몸체, 상기 챔버 몸체 상에 이동가능하게 장착되고 가열된 메인 몸체 및 온도가 제어된 칼라를 포함하는 덮개, 및 상기 챔버 몸체에 유체식으로 연결된 기화기를 포함하며, 상기 기화기는 상기 기화기 내에 배치된 노즐, 및 상기 노즐 주위에 배치되고 약 100 마이크론 또는 그보다 작은 기화된 유체가 통과할 수 있는 구멍을 갖춘 하나 이상의 기화 부재를 포함한다.
본 발명은 전구체 액체의 기화를 요구하는 다른 박막 뿐만 아니라 얇은 금속-산화물 박막을 증착하는데 유용한 액체 이송 화학 기상 증착 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템은 ULSI DRAMs에 사용된 캐패시터 뿐만 아니라 여러 다른 전기적 소자를 제조하기에 유용한 금속-산화물 유전체를 제조하는데 특별히 사용된다. 일반적으로, 본 발명의 시스템으로 제조될 수 있는 소자는 기판 상에 증착된 하나 이상의 절연층, 유전층, 또는 전극 재료를 가지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 CVD 시스템(10)의 사시도이다. 이러한 시스템(10)은 일반적으로 챔버 몸체(12), 가열된 덮개 조립체(14), 집적 기화기 모듈(16), 및 배출/펌핑 시스템(18)을 포함한다. 도 1에 도시되지 않았지만, 본 발명의 특징은 기화기 모듈로 액체 전구체를 공급하기 위한 액체 이송 시스템이다. 이러한 시스템의 크기 및 치수는 본 발명의 공정이 수행될 소재의 크기 및 형태에 의해 결정된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 200mm 실리콘 웨이퍼와 같은 원형 기판을 처리하도록 구성된 챔버를 참조하여 기술될 것이다.
본 발명의 발명자들은 실질적인 모든 시스템 구성요소(기판 및 기판 가열기 이외에)가 이상적인 등온 시스템 온도(즉, BST에 대해 270℃±5℃)로 유지된다면, 증착층의 균일성이 강화될 수 있고, 시스템 유지보수 비용이 감소될 수 있음을 알아내었다. 증착 챔버는 기판과 기판 지지부재의 상대적인 고온에 기인하여 발생될 수 있는 열구배를 최소화시키기 위한 특정 요소를 포함하는 여러 능동적 및 수동적 열제어 시스템과 결합한다. 이러한 증착 챔버는 또한 이상적인 등온 시스템 온도 아래로 냉각함으로써 메인 챔버 밀봉을 보호하는 역할을 하는 온도 제어 특정 요소를 포함한다. 다른 유사한 온도 제어 특정 요소가 화염 분사를 방지하도록 챔버 덮개를 둘러싸는 커버를 비교적 안정된 온도로 유지한다. 냉각은 시스템 화학물에 노출된 시스템 구성 요소의 현저한 열변동 및 열구배를 발생시키지 않고 또한 과도한 냉각 및 가열 전력 손실을 유발하지 않으면서 달성된다.
증착 챔버
도 2는 가열된 덮개 조립체(14)를 지지하는 챔버 몸체(12)를 보여주는 증착 챔버의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 챔버 몸체(12)는 내벽(22)에 의하여 주변에 형성된 내측 환형 처리 영역(20)을 형성한다. 기판 지지 부재(24)는 챔버의 바닥을 통하여 연장되며 처리 영역(20)의 하단부를 형성한다. 덮개에 설치된 가스 분배 플레이트(26)는 처리 영역(20)의 상부 한계부를 형성한다. 챔버 몸체(12) 및 덮개 조립체(14)는 알루미늄, 스테인레스 강철 또는 그들의 조합물과 같은 강성 재료로 제작하는 것이 바람직하다. 또한 챔버 몸체(12)는 증착 증기가 기판으로 전달된 경우 증착 증기의 나머지를 퍼징하기 위한 펌프 포트를 형성한다. 가스 분배 조립체를 둘러싸는 일반적인 U형 통로는 가스가 통하여 배출 시스템으로 이끌어지는 펌핑 채널을 형성한다.
기판 지지 부재(24)는 금속, 예를 들면 알루미늄을 포함할 수 있는데 상기 금속에는 항열 성분이 부착되거나 매립될 수 있다. 선택적으로, 지지 부재는 세라믹 블록 및 인접한 전극에 의하여 발산되는 RF 에너지에 의하여 열이 발생하는 매립된 접지 플레이트를 포함할 수 있다. 적절한 기판 지지 부재 및 관련된 리프트 조립체는 본 명세서에서 참고문헌으로서 첨부되며 동시 계류중이며 명칭이 "개선된 자체 정렬 리프트 메카니즘"이며 1997년 7월 14일에 출원된 미국 특허 출원번호 제 08,892,612호에 도시되며 설명된다. 이 기판 지지 부재는 캘리포니아 산타 클라라에 소재한 "어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드"로부터 모델명 CxZ으로 입수할 수 있다.
기판 지지 부재는 챔버 몸체를 통하여 형성된 슬릿 밸브 아래 기판 삽입/제거 위치와 가스 분배 플레이트(26)에 인접한 증착 위치 사이에서 기판을 이동시키기 위하여 중앙 엘리베이터 축(30)상에서 상승 및 하강할 수 있다. 챔버내로의 축의 유입 포인트는 접을 수 있는 벨로우즈(collapsible bellows)로 밀봉된다. 기판은 기판 지지 부재(24)를 통하여 연장되는 일련의 4개의 통로(34)에 슬라이드가능하게 지지되는 일련의 리프팅 핀(32)으로부터 상승하거나 일련의 리프팅 핀(32)에 의하여 로봇 블레이트에 배치된다. 각각의 핀의 바로 아래에는 기판이 슬릿 밸브 개구(도시안됨)를 통하여 챔버내로 이동하는 로봇 블레이드에 배치되거나 로봇 블레이드로부터 상승되도록 하는 리프팅 플레이트(36)가 있다.
챔버 몸체(12)는 덮개 조립체(lid assembly; 14)상에 장착된 가스 분배 플레이트(26)로 하나 이상의 전구체 가스(precursor gases)를 전달하기 위한 유입구(42) 및 배출구(44)를 가지는 가열된 가스 전달 피이드스루우(heated gas delivery feedthrough; 40)를 수용하기 위한 하나 이상의 통로(38)를 형성한다. 통로(38)는 상부 및 하부 단부가 서로 만나는 쇼울더(shoulder; 58)를 형성하기 위하여 직경이 상이한 상부 및 하부 단부를 형성한다. 가스 배출구(44)는 가스 분배 플레이트(26)로 가스를 전달하기 위하여 적어도 제 1 가스 통로(48)를 포함하는 혼합가스 매니폴드(46)로 유체가 연통가능하게 연결된다. 바람직하게는 스테인레스 강철 c-스프링을 구비한 테프론®(TEFRON®)으로 제작된 밀봉부재(50)는 가스 전달 피이드스루우(40)와 가스 매니폴드(46) 사이의 밀봉 연결을 제공하기 위하여 상부 챔버상의 배출구(44) 주위에 배치된다.
도 3a는 챔버 벽을 통하여 형성된 환형 통로(38)에 배치된 가열된 가스 전달 피이드스루우(40)를 보여주는 단면도이다. 통로는 통로의 상단부에 배치된 쇼율더(58)를 포함하며 오링 밀봉 부재와 같은 밀봉 부재(50)를 포함한다. 피이드스루우는 외부 도관(outer conduit; 41) 및 외부 도관내에 배치된 내부 도관(45)을 포함한다. 외부 도관은 통로의 쇼율더에 장착되는 장착 쇼율더(43)를 포함한다. 외부 도관은 쇼울더(58)와 밀봉 부재(50)에 통로(38)내의 밀봉 위치의 피이드스루우를 고정하기 위한 록 너트(lock nut)를 수용하기 위한 나사부를 가지는 하단부를 포함한다. 내부 도관(45)은 덮개 조립체와 밀봉 부재(50)에서 밀봉을 형성하기 위하여 상부 장착면(49)을 형성하며 챔버 몸체의 바닥과 정합하기 위한 하단부에 플랜지(62)를 포함한다. 케이블형 가열기(64) 또는 다른 적절한 가열기는 원하는 온도로 피이드스루우를 가열하기 위하여 피이드스루우의 내부 도관과 긴밀히 접촉하도록 배치된다. 방사 실드(radiation shield; 65)는 열 방사가 외부 도관(41)을 가열하는 것을 방지하기 위하여 가열기 위에 배치된다. 동력 리드(power lead; 67)는 피이드스루우의 하단부로부터 연장되며 피이드스루우를 가열하는 적절한 동력원으로 연결된다. 열전쌍(66)은 피이드스루우의 온도를 모니터링하기 위하여 가열된 가스 전달 피이드스루우에 삽입되거나 배치된다. 피이드스루우는 통로에 장착되며 스크류 타입 커넥터 또는 다른 적절한 커넥터를 이용하여 통로내에 고정된다.
외부 도관(41)의 상부벽(47)은 밀봉 부재(50)에 인접한 열 쵸크(heat choke)를 제공하기 위하여 얇아져 챔버 몸체의 내벽과 외측면 사이에 갭을 형성하기 위한 크기를 가진다. 밀봉 부재(50)는 약 300℃의 온도를 견딜 수 있는 고온의 오링이 바람직하다. 얇은 벽은 밀봉 부재(50)를 보호하기 위하여 쇼율더(58)로 열 전도가 감소되는 것을 최소화한다. 열 전도를 최소화함으로써, 작은 동력이 피이드스루우를 가열하기 위하여 요구된다. 부가적으로, 작은 열 질량은 피드백 제어를 위해 더 우수한 열 제어 및 더 빠른 반응을 제공한다. 또한 외부 도관상의 열 쵸크는 삽입물에 직접 연결되며 덮개 몸체에 의하여 가열되는 혼합 가스 매니폴드(46)로부터 열이 손실되는 것을 방지한다. 이것은 증기화된 가스의 통로를 따라 냉각점(cold spot)이 발생하는 것을 방지한다.
필터(270)는 유입구(42)와 배출구(44) 사이의 피이드스루우(40)에 형성된 통로(268)에 배치될 수 있다. 필터(270)는 가스가 가스 매니폴드(46)로 유입되기 전에 피이드스루우를 통하여 전구체 가스 유동을 정화시키기 위한 크기를 가지는 구멍(porosity)을 가지는 튜브와 같은 원통 중공형 부재를 포함하는 것이 바람직하다. 부가적으로, 구멍은 비증기화된 액체 전구체 재료의 유입을 감소시킨다. 필터 재료는 티타늄, 니켈, 하스탈로이®(Hastalloy®), 알루미늄, 산화 알루미늄, 바륨 스트론튬 티탄산염, 질화 알루미늄, 탄화 규소 또는 그들의 조합물과 같이 전구체 가스와 반응하지 않는 스테인레스 강철 또는 다른 재료일 수 있다. 필터 재료를 통과한 바람직한 구멍은 100 마이크론 또는 그보다 작을 수 있으며, 바람직하게는 약 5 내지 약 20 마이크론 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 약 10 마이크론일 수 있다. 구멍은 전구체 성분, 원하는 유동 속도 및 압력 강하, 필터의 유효 수명, 및 시스템의 청결에 따라 변화될 수 있다. 필터에서의 상대적으로 큰, 예를 들면, 10 마이크론 크기의 구멍은 필터를 가로질러 상대적으로 낮은 차압으로 약 150℃ 내지 약 300℃와 같은 높은 작동 온도에서 상대적으로 높은 효율로 약 0.2 마이크론으로 낮아지는 증기화 작동으로부터의 잔여물과 같은 상대적으로 작은 미립자를 여과할 수 있다. 대안적으로, 필터 재료는 필터 재료에서 형성된 순환하는 관통 통로를 가지는 소결된 재료일 수 있다. 바람직하게는, 필터(270)는 표면적을 증가시키며 막힘(clogging)을 방지하기 위하여 피이드스루우의 최대 거리를 연장하여, 결과적으로 필터 수명이 증가된다. 예를 들면 나사에 의하여 형성된 홈과 같은 표면 텍스쳐(surface texture) 또는 다른 표면 구조물은 부가적인 표면적을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 필터(270)는 배치되어 필터로 접근되는 경우 도구를 필요로 하지 않고 손에 의하여 통로(268)에서 제거된다. 통로(268)에 배치된 필터에 걸친 압력 강하는 1/8 인치 벽 두께를 가지는 튜브 필터(270)의 10 마이크론의 구멍 크기로 약 400 sccm 내지 약 500 sccm의 유동에 대해 약 1 토르(Torr) 내지 약 20 토르일 수 있으며, 바람직하게는 약 1 토르 내지 약 2 토르이다. 약 10 마이크론의 구멍은 BST 공정에 대한 유효 수명과 적절한 정화 공정 사이의 실제적인 균형이다. 구멍은 원하는 정화 수준, 전구체 및 다른 성분, 및 증발기 및 시스템에서의 위치에 따라 변할 수 있다.
필터(270)는 필터의 하단부 주위에 배치되는 칼라(274)를 포함하며 칼라를 통하여 필터 내로 연장되는 하나 이상의 핀(272)에 의하여 필터(270)에 고정된다. 상부 장착면(49)을 형성하는 내부 도관(45)은 필터(270)에 결합되는 칼라(274)를 수용하는 크기를 가지는 테이퍼진 카운터 싱크(countersink; 276)를 포함한다. 칼라(274) 및 핀(272)은 테프론®과 같은 고온 플리머(high temperature polymer)로 제작되는 것이 바람직하다. 칼라(274) 및 대응하는 카운터 싱크(276)는 피이드스루우(40)가 필터의 상단부를 밀봉하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 덮개 조립체(14)로 장착되는 경우 칼라(274)를 압축시키기에 충분한 두께 및 깊이일 수 있다. 대안적으로, 내부 도관(45)은 피이드스루우의 필터를 밀봉하기 위하여 하나 이상의 오링(도시안됨)을 포함할 수 있다. 필터(270)는 밸브 수단 및 다른 업스트림 장치(upstream equipment)와 같은 부재에 의하여 발생된 가스 유동 스트림에서 발생되는 불순물을 제거하기 위하여 설계될 수 있다.
도 3b에는 가열되지 않는 가스 피이드스루우의 일 실시예가 도시된다. 산화제 가스는 이 비 가열된 피이드스루우를 통하여 유동된다. 그러나, 가열된 산화제 가스 피이드스루우가 요구되는 분야에서, 도 3a에 도시된 것과 유사한 피이드스루우가 이용될 수 있다. 도 3b의 피이드스루우는 케이블 가열기 및 열전쌍이 제거되는 것을 제외하고 도 3a의 피이드스루우와 유사하다. 또한, 피이드스루우의 크기는 공정의 요구조건에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에서, 비 가열 산화제 가스 피이드스루우는 더 작은 통로를 가지며 그러므로 전체 크기는 다소 더 작다.
도 2를 다시 참조하면, (다수의 상이한 위치에서 이용될 수 있는) 제거가능한 증착 챔버 라이너는 증착 챔버의 주기적인 세척을 용이하게 한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 라이너는 기판 지지 부재(24)가 인접한 상부 챔버 표면을 덮는 총괄적인 또는 (즉, 부착된 또는 중복된 유닛으로서 하나 이상의 성분으로부터 조립된) 기능적으로 총괄적인 일반적인 챔버 라이너(28)를 포함하며 바닥 라이너(21)는 기판 지지 부재 아래 하부 챔버벽 표면을 덮는다. 라이너 재료는 금속, 예를 들면 스테인레스 강철 또는 알루미늄, 세라믹 재료(예를 들면 Al2O3) 또는 수정으로 제작될 수 있으며 챔버 표면 상에서 가스 증기의 응축 및 분해를 방지하기 위한 최적 등온계 온도에서 거의 라이너 벽을 유지하는 활성의 PID 제어 가열 부품을 구비할 수 있다. 라이너가 제작되는 재료는 할로겐 및 할로겐화된 원위치의 세척 성분에 대한 화학적 내성을 설명하는 것이 바람직하며, 공정 화학물에 의하여 역으로 영향을 받거나 역으로 영향을 주지 않는 것이 바람직하다.
챔버 라이너(28)는 용이하게 세척 및/또는 교체될 수 있는 챔버내에 제거가능한 표면을 제공하기 위하여 챔버의 내벽(22)에 인접하여 배치하는 것이 가능하다. 라이너(28)는 바람직하게는 3개이며 라이너의 하부면 주위에 등간격인 지지체(22)상의 챔버에 지지된다. 지지체(23)는 챔버 라이너(28)와 챔버 몸체 사이의 접촉면적을 최소화하기 위한 크기를 가짐으로써 라이너와 챔버 몸체 사이의 열 전도를 최소화한다. 일 실시예에서, 라이너는 가열된 덮개와 가열된 기판 지지 부재로부터의 방사에 의하여 가열된다. 이 실시예는 피동 부유 라이너(passive floating linear)로서 지칭된다. 선택적으로, 라이너는 라이너 내에 배치된 저항성의 가열기(25)(도 5에 도시됨), 또는 다른 적절한 가열기를 포함하여, 이상적인 등온으로 능동적으로 가열되어 유지될 수 있다.
도 5는 라이너에 배치된 저항성의 가열기(25) 및 코일로의 전기 접속을 수용하는 라이너의 하부면에 장착된 전기 커넥터(27)를 가지는 가열된 라이너(28)의 저면 사시도이다. 능동적으로 가열되는 실시예는 능동 부유 라이너(active floating linear)로서 지칭된다.
도 6은 전기 커넥터(27)가 배치되는 챔버의 바닥 상에 장착된 외부 하우징을 보여주는 능동 부유 라이너(28)의 단면도이다. 라이너의 열 팽창 때문에, 확장의 수용은 챔버에 장착된 외부 하우징에 의하여 제공되며 제지된다. 외부 하우징은 벨로우즈(35)를 장착하며 챔버의 바닥을 장착하기 위하여 외부 하우징의 단부에 배치된 플랜지(31, 33)를 가지는 제 1 도관(29)을 포함한다. 벨로우즈는 플랜지(33)의 하단부로 일단부 및 하우징에 제공된 플랜지(39)에서 제 2 도관(137)으로 타단부에서 장착된다. 벨로우즈는 전기 커넥터(27) 또는 라이너(28)에서의 임의의 열 팽창을 수용하기 위한 크기를 가지며 신축된다. 코일로의 전기 접속은 동력원으로의 용이한 접속을 위하여 제 2 도관(137)의 단부를 통하여 연장된다.
기판 지지 부재 아래 라이너의 부분이 통상적으로 증기 유동으로부터 격리되기 때문에, 이러한 부분의 온도 제어는 덜 중요하다. 그러나, 기판 지지 부재 아래의 라이너의 부분은 저항성의 가열 부품 또는 다른 적절한 가열 부재를 이용하여 능동적으로 가열될 수 있다. 기판 지지 부재 아래 또는 위의 라이너 온도는 바람직하게 약 200℃ 내지 약 750℃, 가장 바람직하게는 약 200℃ 내지 약 300℃, 또는 원하는 증착 재료에 대하여 적절한 다른 온도 범위로 유지된다.
도 2를 참조하면, (도 2에 도시된) 밀봉 에지 링(160)은 기판 지지 부재(24)의 주변 에지와 접촉 및 오버랩하기 위하여 챔버에 배치되며 기판 지지 부재(24)에 지지된다. 주변 리브는 정렬되는 위치에서 링을 유지하기 위하여 링의 하부에 제공될 수 있다. 에지 링은 라이너(28)와 기판 지지 부재(24) 사이의 고리형 공간(162)을 폐쇄함으로써, 증착 챔버의 하부 내로 유입되는 증착 증기의 양을 실질적으로 감소시킨다. 게다가, 에지 링은 방사 실드로서 작용한다. 가스 분배 플레이트(26)의 외측 주변부는 기판의 직경을 넘어 통상적으로 연장된다. 에지 링(160)은 기판 지지 부재에 의하여 직접 방사된 열로부터 가스 분배 플레이트(26)의 이 부분을 보호한다. 에지 링(160)은 열 적 사이클동안 플레이킹(flaking)에 의한 입자의 발생 가능성을 감소시키기 위하여 증착 재료의 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수를 가지는 재료로 제작하는 것이 바람직하다. BST의 경우, 하나의 이 같은 에지 링 재료는 티타늄이다.
덮개 조립체(14)는 예를 들면 알루미늄과 같이 높은 열 전도성을 가지는 금속으로 형성되거나 기계가공된 메인 몸체(70)를 포함한다. 메인 덮개 몸체는 얇은 외벽(76)을 형성하는 주변 주위에 형성된 환형 채널(74)을 형성한다. 지지 링(78)은 스테인레스 강철 또는 다른 열 절연체로 제작하는 것이 바람직하며, 외벽(76)으로의 열 전도를 방지하며 덮개용 구조적 지지를 제공하기 위하여 채널 내에 배치된다. 몸체 부재의 얇은 외벽은 오링 밀봉 부재와 같은 밀봉 부재(72)에서의 공정 동안 챔버 몸체로 밀봉되는 덮개의 베이스(71)용 열 쵸크를 제공한다. 밀봉 부재(72)는 챔버의 진공 타이트 밀봉을 유지하기 위하여 챔버 몸체(12) 및 덮개 조립체의 주변 경계면에 배치된다. 밀봉 부재를 능동적으로 냉각시키기 위하여, 하나 이상의 냉각 채널(73)이 외벽(76)의 하부립에 배치되는 것이 바람직하다. 열 교환 유체(예를 들면, 물, 에틸렌 글리콜, 실리콘 오일 등)은 밀봉 부재의 열을 제거하기 위하여 채널을 통하여 순환된다.
얇은 외벽(76)에 의하여 제공된 열 쵸크는 덮개에 배치된 가열 부품(80)에 의하여 발생된 열로부터 챔버 덮개 조립체(14) 및 챔버 몸체(12) 사이의 밀봉 부재(72)를 격리한다. 열 쵸크는 다른 장치 부품상의 상당히 불리한 냉각 효과를 유도함이 없이 오링(72)의 상부에서 채널내의 국부적 능동적 냉각을 허용함으로써 밀봉 부재(72)의 열 보호를 제공한다. 얇은 벽(76)은 작은 단면적(A) 및 긴 길이(l)에 의한 가열 부품과 오링 사이의 효과적인 열적 배리어를 제공한다.
메인 덮개 몸체(70)의 상부면은 가열 부품(80)을 수용하기 위한 나선형 홈과 같은 복수의 환형 리세스(79)를 형성한다. 바람직한 일 실시예에서, 약 6200 W의 동력 출력을 구비한 가열기가 이용된다. 그러나, 덮개의 재료 성분 및 처리 온도를 포함하여 동력의 양은 덮개 디자인 및 기하학적 형태에 따라 변화한다. 동력은 덮개에 배치된 피이드스루우(85)를 통하여 가열 부품으로 전달된다. 가열기는 덮개에 다르게 배치되거나 위치된 열전쌍(82)으로부터 수신된 신호를 근거로 하여 통상적인 PID 피드백 제어부로 제어되는 것이 바람직하다. 열 실드로서 작용하는 환형 플레이트(84)는 가열 부품의 상부에 장착된다. 수 냉각된 커버 플레이트(82)는 능동적 피드백 온도 제어를 위하여 덮개로부터 열을 제거하기 위한 제어된 메카니즘을 제공하기 위하여 플레이트(84)에 걸쳐 또는 플레이트에 배치된다.
냉각 채널(100)은 덮개 조립체(14)의 상부 커버 플레이트(86)에 형성되는 것이 바람직하다. 냉각 채널(100)은 덮개로부터 열을 제거한다. 게다가, 열 쵸크 갭, 바람직하게는 약 25 mils는 냉각동안 덮개로부터 제거된 열의 양을 제어하기 위하여 이용된다. BST와 같은 재료의 증착동안, 기판은 기판 지지 부재에 의하여 400℃ 이상의 온도로 가열된다. 기판 및 기판 지지 부재로부터의 열은 가스 분배 플레이트(26)로 방사됨으로써 최적 등온계 온도상의 온도를 증가시킨다. 덮개와 가스 분배 플레이트(26) 사이의 열 전도 또는 전달을 증가시킴으로써, 기판 및 기판 지지 부재 유도된 온도 구배 및 동요가 감소될 수 있다. 덮개와 가스 분배 플레이트(26) 사이의 열 전도를 개선하기 위하여, 불활성 가스(예를 들면, 헬륨, 수소 등)는 이 부품의 고리형 경계면 주위를 순환한다. 불활성 가스는 원형, 나선형 또는 다른 형상일 수 있는 채널(102)내로 유입된다. 채널은 가스 분배 플레이트(26) 및 메인 덮개 몸체(70)의 정합 고리형 표면 및/또는 커버 플레이트(86)에 형성될 수 있다. 불활성 가스는 가스 매니폴드에 연결된 피이드스루우를 경유하여 냉각 플레이트 또는 챔버의 바닥을 통하여 상부로부터 유입될 수 있다. 채널의 가스 압력은 약 1 내지 100 Torr의 범위 내에 유지될 수 있으며, 약 1 토르 내지 약 20 토르의 범위 내가 바람직하다. 높은 열 전도율 때문에, 순환하는 불활성 가스는 덮개 조립체(14)와 가스분배 플레이트(26) 사이의 열 전달을 개선할 수 있다.
가열 부품을 포함하는 덮개 조립체는 증기 유입구 통로 및 가스 분배 플레이트를 이상적인 등온계 온도, 예를 들면, 270℃±5를 유지하도록 구성된다. 피동 및 능동 냉각 부품은 챔버 몸체와 덮개 조립체 사이에 배치된 덮개 및 밀봉 부재(72)를 실질적으로 낮은 온도, 예를 들면, 100℃ 또는 더 낮은 온도로 유지하기 위하여 이용된다.
혼합 가스 매니폴드(46)는 페이스 플레이트(92)위의 큰 영역상으로 가스를 초기에 분산 또는 분배하기 위하여 블로커 플레이트(90)로 가스를 전달하는 중앙 개구(88)를 포함한다. 각각의 블로커 플레이트(blocker plate) 및 페이스 플레이트(face plate)는 플레이트(90, 92)의 영역상으로 가스를 균등하게 분배하는 다수의 구멍을 가지며 서로 가스 분배 플레이트(26)를 형성한다. 페이스 플레이트(92)는 기판 지지 부재(24)상에 배치된 기판의 영역상으로 가스를 비균일하게 분배한다. 가스 분배 플레이트(26) 및 혼합 가스 매니폴드(46)는 알루미늄으로 제작되는 것이 바람직하며 가스 분배 플레이트로부터 온도가 제어된 덮개 조립체(14)로 열 전달을 허용하도록 충분히 두껍다.
가스 분배 플레이트 조립체에 대하여, 상대적으로 더 두꺼운 페이스 플레이트(92)와 함께 종래의 얇은 블로커 플레이트의 이용은 열 전도 시스템으로서 작용한다. 혼합 가스 매니폴드(46)는 열 용량 및 높은 열 전도율이 가스 분배 플레이트의 중앙으로부터 주변으로 열 관성 저항 온도 변화의 공급원으로서 작용하는 가 열된 매스(mass)로서 작용한다. 가스 혼합 매니폴드(46)는 기판 표면을 가로지르는 가스 부피의 더욱 균일한 분배를 제공하기 위한 플레이트의 재료를 통한 "채널링(channeling)"의 효과를 피한다. 가스 분배 플레이트는 알루미늄으로 제작하는 것이 바람직하지만, 또 다른 열 전도 재료가 이용될 수 있다.
도 7은 가열 부품(80)과 혼합 가스 매니폴드(46)를 보여주는 챔버 덮개의 평면도이다. 덮개 몸체의 하부면은 가스 매니폴드(46)를 장착하기 위한 하나 이상의 채널(104)을 형성한다. 통로(38)에 유사한 하나 이상의 산화제 가스 통로(52)는 원하는 경우 채널 벽을 통하여 혼합 가스 매니폴드(46)로 하나 이상의 산화제 가스를 전달하기 위하여 가열될 수 있는 산화제 가스 전달 피이드스루우를 수용하기 위한 통로(38)에 인접한 채널 몸체(12)에 형성된다. 제한 갭 통로(37)는 높은 속도 전달 뿐만 아니라 가스 분배 플레이트(26)로부터 가스 혼합 업스트림의 혼합을 제공하기 위하여 가스 통로(54)의 단부를 증기화된 가스 통로(48)의 단부로 연결한다.
도 8은 가스 매니폴드(46)의 부분 단면도이다. 가스 매니폴드(46)는 일단부에는 하나 이상의 가스 유입구(38, 52) 및 타단부에는 가스 배출구(56)를 가지는 하나 이상의 가스 통로(48, 54)를 형성하는 가스 전달 블록(61)을 포함한다. 가스 배출구(56)는 가스 분배 플레이트(26)의 가스 유입구로서 작용한다.
도 9는 가스 매니폴드의 평면도이다. 환형 전도 제한 플레이트(63)는 가스 분배 플레이트(26)를 장착하며 가스 매니폴드(46)와 가스 분배 플레이트(26) 사이의 경계면에서의 가스 누출을 방지하기 위한 가스 전달 블록(61)(도 2에 도시됨)의 하부면에 장착된다.
도 10은 가스 매니폴드의 단면도이다. 전도 제한 플레이트(63)는 가스 분배 플레이트가 고정되는 환형 장착 리세스(165)를 형성하는 크기를 가진다.
도 8을 다시 참조하면, 증기화된 제 1 가스 통로(48) 및 산화제 가스 통로(54)는 가스 유입구로부터 가스 배출구로 가스 매니폴드의 길이를 따라 적어도 부분적으로 연장된다. 제한 가스 통로(37)는 산화제 가스를 최적으로 혼합하여 가스 배출구로 전달하여 블로커 플레이트와 페이스 플레이트로 전달하기 위하여 증기 가스 통로 및 산화제 가스 통로 사이에 배치된다. 제한 가스 통로(37)는 가스의 혼합을 보조하기 위하여 상대적으로 높은 속도로 증기화된 가스 통로 내로 산화제 가스를 전달한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 일련의 제 2 증기화된 가스 통로 및 산화제 가스 통로, 캐리어 가스 통로 또는 (원격의 플라즈마 공급원으로부터 세척 가스류를 전달하기 위한) 세척 가스 통로는 제 2 가스 매니폴드로 상기 가스를 전달하기 위하여 챔버 벽을 통하여 제공된다.
도 4는 본 발명의 펌핑 시스템(18)의 부분 단면도이다. 펌핑 시스템(18)은 배출 통로 및 관련된 펌프를 챔버로 연결하는 챔버에 장착된 펌핑 노우즈(pumping nose; 106)를 포함한다. 펌핑 노우즈(106)는 길이를 따라 가스 통로(110)를 형성하는 하우징(108)을 포함한다. 하우징은 제거가능한 가열된 라이너(112)를 포함한다. 하우징 및 라이너는 게이트 밸브(120)를 구비한, 냉각 트랩(cold trap) 및 배출 펌프로 연결된 한 쌍의 포트(114, 116) 및 터보 펌프(118) 또는 다른 고 진공 펌프로 연결된 다른 포트(116)를 형성한다.
제거가능한 가열된 라이너(112)는 노우즈 하우징(nose housing; 108)내에 슬라이드가능하게 장착되는 크기 및 모양을 가지며 하우징의 단부에 장착되도록 일단부에 장착 플랜지(122)를 포함한다. 제 2 장착 플레이트(123)는 먼저 장착되어 밀봉 부재(125)를 이용하여 밀봉된다. 배출 라이너는 고 진공 펌프 및 배출 펌프 및 관련된 냉각 트랩에 연결되는 것이 바람직한 챔버의 배출 매니폴드 내로 개방되는 중앙 가스 통로(110), 및 두 개의 배출 포트를 형성하는 몸체(124)를 포함한다. 6개의 장착 블록(126, 128, 130)(3개가 도시됨)은 4개의 카트리지 가열기(132) 및 두 개의 열전쌍(134)을 장착하기 위한 중앙 통로의 길이를 따라 적어도 부분적으로 연장된다. 다중 열전쌍은 백업(back up)을 제공할 뿐만 아니라 온도 균일성을 체크할 수 있다. 일 실시예에서, 열전쌍은 라이너의 바닥을 따라 연장되며 가열기는 라이너의 중앙 부분 및 상부를 따라 배치된다. 그러나, 다른 상부 및 바닥의 가열기와 중앙의 열전쌍 또는 바닥 및 중앙의 가열기 및 상부의 열전쌍과 같은 다른 구성이 본 발명에 의하여 실시될 수 있다. 가열기는 평행하게 연결되는 것이 바람직하며 두 개의 접속이 동력원으로 용이하게 연결하기 위하여 라이너의 장착 플랜지에 제공한다. 캡은 시스템으로부터 제거되는 경우 배출 라이너가 가열기로의 전기 접속을 위태롭게 하는 위험 없이 세척할 수 있도록 장착 플레이트 상에 제공될 수 있다. 캡은 오링 밀봉 부재 또는 다른 적절한 밀봉 부재를 이용하여 제 2 장착 플레이트(123)로 밀봉될 수 잇다. 또한, 핸들은 세척 배스(cleaning bath)의 노우즈 및 서브머진(submersion)으로부터 배출 라이너의 용이한 제거를 촉진시키기 위하여 제 2 장착 플레이트에 장착되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 제 2 장착 플레이트(123)는 가열기 및 열전쌍 케이블을 위한 신속한 접속을 포함한다.
증착 증기 유입구 통로(68)는 덮개 조립체(14)를 통하여 축방향으로 연장될 수 있는 증발기 배출포트(도 2에 도시됨)와 직접 연통된다. 유입구 통로를 둘러싸는 환형 리세스는 메인 덮개 몸체의 상측면에 형성된다.
도 11은 제거가능한 가열된 라이너(112)의 단면도이다. 장착 플랜지(122)에 인접한 라이너의 단부는 열 쵸크로서 작용하는 주변 주위에 얇은 벽부(136)를 포함한다. 열 쵸크는 장착 플랜지(122)와 배출 하우징 사이에 배치된 오링이 상승된 온도로 처리되지 않는 것이 보장된다. 부가적으로, 열 쵸크는 하우징으로 전달되는 열의 양을 조절함으로써 라이너를 가열하기 위하여 요구되는 동력의 양을 최소화(즉, 최적화)한다. 챔버에 근접한 단부는 배출 매니폴드의 내벽의 곡선 형상과 정합하기 위하여 만곡된다. 테프론® 스크류(138)는 라이너가 노우즈 라이너 및/또는 하우징의 스크래칭을 방지하기 위하여 하우징으로부터의 제거 또는 삽입하기 위하여 슬라이드되는 부드러운 표면을 제공하기 위하여 적어도 배출 라이너의 바닥 및/또는 측벽, 바람직하게는 양쪽의 배출 라이너의 챔버에 삽입된다. 테프론®은 재료가 250℃를 견딜 수 있으며 원하지 않는 불순물을 방출하지 않으며 다양한 침식성 세척 용액(aggressive cleaning solutions)과 양립할 수 있기 때문에 바람직하다. 그러나, 3가지 특성을 처리하는 다른 재료로 형성된 나사 또는 플러그는 유효하게 이용될 수 있다. 도 12는 가열기 및 열전쌍 접속 및 위치를 보여주는 제 2 장착 플랜지(122)의 정면도이다.
도 4를 참조하면, 터보펌프(118) 또는 다른 고 진공 펌프는 펌핑 노우즈의 배출포트(116)에 장착된다. 게이트 밸브(120)는 터보 펌프와 챔버와의 선택적인 연통을 가능하게 하기 위하여 터보 펌프 및 노우즈 사이에 분포된다. 터보 펌프는 캘리포니아, 산타 클라라에 소재한 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드로부터 입수가능한 엔듀라®(Endura®)와 같은 처리 플랫폼과 양립할 수 있는 매우 낮은 압력으로 진공 펌프를 아래로 진공시킬 수 있다. 러핑 펌프(roughing pump), 드라이 펌프(dry pump) 또는 본 산업에서 이용된 다른 펌프와 같은 배출 펌프가 공정동안 챔버를 펌핑하기 위하여 노우즈의 배출 포트(114)에서 챔버에 연결된다. 냉각 트랩(140)은 펌프에 해로울 수 있는 증착 물질을 정화하여 배출하기 위하여 배출 펌프에 연결되는 도관에 배치된다. 부가적으로, 제 2 냉각 트랩(142)은 제 1 냉각 트랩 아래 배치되며 증발기로부터 바이패스 라인으로 연결된다. 바이패스 라인 및 관련된 냉각 트랩은 시스템이 웨이퍼 공정동안 증발된 재료의 전달을 허용함으로써 연속적인 유동에서 작동하도록 한다.
도 13은 본 발명의 냉각 트랩 필터의 사시도이다. 냉각 트랩은 관형 하우징(144)(도 1에 도시됨)에 수용되며 재료의 농축을 위한 다수의 냉각된 통로(148)를 포함하는 여과 부재(146)를 포함한다. 여과 부재는 베이스부(147) 및 여과부(149)를 포함한다. 여과부(149)에는 다수의 냉각된 통로(148)가 형성된다. 워터 유입구(water inlet; 151) 및 워터 배출구(water outlet; 153)는 도관(155, 157)에 배치된다. 가스는 여과 부재를 통과하며 여과 부재의 중앙부(150)와 연통되도록 배치된 배출 통로를 연속적으로 통과한다. 이 구조물은 가스가 여과부(149) 및 배출 시스템을 통과하는 것을 가능하게 한다. 하우징(144)은 중앙 챔버부(150)와 유체가 연통되도록 연결된 유입구를 가지는 배출 펌프로 연결된 도관을 장착하여 가스가 냉각 트랩을 통과하며 처리 시스템(disposal system)으로 도관을 통하여 연속되도록 한다.
퍼지 가스 배열체는 가스 실드에서 챔버의 바닥으로부터 방출되는 가스를 상방 유동시키는 챔버의 하부에 퍼지 가스를 제공한다. 가스 실드 강도는 질량 유동 제어기로 조절가능하다. 적절한 퍼지 가스는 헬륨, 아르곤 및 질소를 포함하며, 실링 벨로우즈내의 기판 지지 부재 및 엘리베이터 축 주위에 균일하게 가스를 분배하기 위한 퍼지 라인 및 원형 매니폴드를 통하여 유입될 수 있다. 가스 유량은 증착공정과의 간섭을 피하기 위하여 상대적으로 낮게, 예를 들면 50sccm으로 설정되어야 한다. 부가적으로, 퍼지 가스는 라이너에 인접한 배출 공간으로 향하며 웨이퍼의 에지로부터 배출된다.
기화기
도 14는 챔버(12)에 인접하여 장착된 기화 모듈(16)을 나타내는 사시도이다. 기화기(154)는 기화기 캐비넷(155) 내에 장착되며, 챔버로의 입구에 연결된 출구 라인(156)을 포함한다. 출구 라인(156)을 따라, 제 1 밸브(157)가 배치되며, 이는 이어서 캐비넷(155)의 후방을 통해 연장되며, 냉각 트랩(142)(도 1 참조)이 배치된 도관에 의해 배출 시스템에 연결된 바이패스 라인(미도시)에 연결된다. 바이패스 라인은 액체 용제 뿐만 아니라 기화된 가스 모두를, 밸브로부터 하류에 배치된 냉각 트랩 내에 공급하여, 시스템의 세정 동안 기화된 가스를 챔버에 공급하기에 적합하다. 밸브는 기화된 물질의 챔버로의 또는 배출 시스템 내의 냉각 트랩을 통한 공급을 제어한다. 제 2 밸브(158)는 제 1 밸브로부터 하류에 배치되어, 기화된 가스를 챔버 내로 선택적으로 공급한다. 제 2 밸브는 챔버의 하부에 로드(rod) 및 와셔 조립체(washer assembly; 159)를 통해 장착된다. 조립체는 공급 라인뿐만 아니라 밸브를 챔버에 대해 조정 가능하게 한다. 장착부(mount)는 일반적으로 제 1 및 제 2 링(160, 161)을 각각 포함하며, 이들 중 하나는 다른 하나 내에 배치되어, 제 2 밸브(158) 및 공급 라인을 회전 가능하게 조정한다. 제 2 밸브(158)는 다수의 로드(162)(여기서는 4개)에 의해 제 2 링(161)에 장착되며, 로드는 링으로부터 장착되며 로드 및 제 2 링(161)의 상부 위에 배치되는 스프링(163)을 포함한다. 도 2에 나타난 바와 같이 2개의 링(160, 161)은, 스프링 및 로드 배열에 의해 조립체의 수직 조정이 가능하게 되는 한편, 조립체의 회전을 가능하게 하여, 가스 공급 라인을 피이드스루우(feedthrough; 40)를 통해 챔버 내로 적절히 정렬을 되게 한다. 일반적으로 서스펜션 장치는 열팽창/수축을 자동적으로 상쇄시켜 기계적 또는 열적 응력 없이 진공 밀봉을 유지한다.
도 15는 기화기(154)의 한 실시예에 대한 개략적인 단면도이다. 기화기는 일반적으로 외측 몸체(166)를 포함하며, 이 몸체는 하나 이상의 동심 기화요소를 포함한다. 기화요소(vaporizing elements)는 다공성을 가져, 기화된 전구체 유체가 통과할 수 있게 하여, 전구체는 기화되고 동시에 여과된다. 밴드 가열기와 같은 가열기(167)가 외측 몸체(166)의 외주 둘레에 배치되어 전구체 액체의 기화를 위한 열을 제공한다. 분사노즐(170)은 노즐 조정기(nozzle adjuster; 173)를 통해 배치되며 기화기의 입구 포트(172)에 유동적으로 결합된다. 입구 포트(172)는 전구체 액체가 아르곤과 같은 캐리어 가스와 바람직하게 혼합되어 노즐(170)로 유동하게 한다. 진공 펌프(미도시)는 기화기의 하부에 배치되어 기화기를 통하여 유체를 빨아들인다. 노즐 조정기(173)는 기화기(154) 내의 노즐높이에 의해, 기화기 내의 분사(spray disbursement)가 정밀 조정될 수 있도록 한다.
상부 블록(188)은 외측 몸체(166)의 외측부분에 배치되며, 관(177, 178, 180)과 관의 일단에서 결합한다. 하부 블록(186)은 외측 몸체(166)의 하부에 배치되며 관(177, 178, 180)의 타단에 결합된다. 상부 블록(188)은 테프론®과 같은 고온 폴리머로 만들어지는 것이 바람직하다. 상부 블록(188)은 외측 몸체(166)의 상부에서 리세스(183)와 결합하는 돌출부(179)를 포함하여, 상부 블록을 외측 몸체에 대해 위치시키는 것을 돕는다. 하부 블록(186) 역시 테프론®과 같은 고온 폴리머로 만들어지는 것이 바람직하며 관의 타단과 결합한다.
주 출구(184)는 하부 블록(186) 아래에 배치되며, 외측 몸체(166)의 둘레를 향해 연장되는 출구 플랜지(185)를 포함한다. 테프론®으로 만들어진 C자형의 실링과 같은 실링(187)이 출구 플랜지(185)와 외측 몸체(166)의 접촉면 사이에 배치되어, 외측 몸체의 내부를 대기로부터 밀봉한다. 이와 달리 실링(187)은 O링일 수도 있다. 주 출구(184) 역시 출구 관(189)을 포함하며 이 관은, 도 2에 나타난 바와 같이 가스 디퓨져(46) 앞에, 기화된 전구체 가스를 위한 통로를 규정한다. 리테이너 링(retainer ring; 190)은 출구 플랜지(185) 아래에 배치되며 외측 몸체(166)와 나사식으로 연결된다. 와셔(191)는 리테이너 링(190)과 출구 플랜지(185) 사이에 배치된다. 리테이너 링(190)이 외측 몸체(166) 내로 나사 결합됨에 따라, 링(190)은 하부 몸체(186), 관(177, 178, 180) 및 상부 블록(188) 위에 압축력을 가하여 이들 사이를 밀봉시킨다.
노즐(170)은 상부 블록(188)을 통해 외측 몸체(166) 내로, 그리고 분배관(distributor tube; 177)에 의해 둘러싸인 공간 내로 돌입된다. 분배관(177)은 스테인레스강 또는 도 3a에 나타난 필터 관(270)에 대해 설명된 물질과 유사한, 전구체와 반응하지 않는 다른 비반응성 물질로 만들어지며, 관의 위쪽 약 2/3 및 관의 하부 1/3 지름 약 0.062인치의 일련의 구멍을 통해, 약 75 마이크론 또는 그 이상, 바람직하게는 100 마이크론의 구멍을 가진다. 구멍에 걸쳐 예를 들어, 약 0.02 내지 약 0.2인치의 다른 크기 및 구멍이 사용될 수도 있다. 관은 소결재료로 만들어져 다공성을 획득할 수 있다. 예를 들어, 나사에 의해 형성된 홈 또는 다른 표면구조와 같은 표면 조직도 추가적인 표면적을 제공하여 분배기 링(177) 둘레에 분사된 액체의 "위킹(wicking)"을 증가시킬 수 있다. 컵(176)은 분배관(177)의 하단에 배치되며 분배관(177) 벽에서 기화되지 않는 액체를 위한 중앙 리셉터클(central receptacle)을 형성한다. 노즐(170)로부터 분사된 전구체 액체는 분배관(177)의 내벽 위에 분산된다. 분배관(177)은 가열기(167)의 열에 의해 분배 관(177)과 결합하는 하부 블록(186) 및 외측 몸체(166)를 통해 가열된다. 전구체 액체가 내측벽과 점함으로써, 액체는 "플래쉬(flash)" 즉 기화되어 가스로 된다. 바로 기화되지 않는 과잉 액체는 컵(176) 내의 분배관(177) 바닥에 축적될 수 있다. 분배관(177)의 구멍은 기화된 가스가 이후의 단계에서 후속되는 여과를 위해 분배관을 통해 흐르게 한다. 분배관(177)의 아래쪽 1/3의 구멍에 의해, 분배관(177)을 통한 기화된 가스 및/또는 액체도 후속 단계에서 여과될 수 있다.
제 2 관(178)은 분배관(177) 주위에 동심으로 배치된다. 제 2 관(178)의 각 단부는 상부 블록(188) 및 하부 블록(186)과 밀봉 가능하게 결합되어 있다. 제 2 관(178)은, 비록 원하는 여과 레벨과 사용되는 전구체에 따라 다른 재료와 구멍이 사용될 수 있지만, 약 100 마이크론의 구멍이 구비된 스테인레스강으로도 만들어질 수 있다. 분배관(177)에 의해 분배된 가스 및/또는 액체는 제 2 관(178)을 통해 여과된다. 이 제 2 관도 분배관(177)과 마찬가지로 가열되어, 분배관(177)으로부터 유동되는 임의의 잔류 액체가 기화되는 것을 돕는다.
하나 이상의 관(180)이 제 2 관(178) 및 외측 몸체(166)의 내벽에 배치되어 제 2 관을 둘러싼다. 관(180) 역시 분배관(177)과 유사한 재료로 만들어질 수 있으나, 높은 수준의 여과를 위해 약 5 내지 20 마이크론의 구멍, 즉 제 2 관 및/또는 분배관(177)보다 한 차수 낮은 크기의 구멍을 가지는 것이 바람직하다. 압력 강하는 도 3a 및 3b에 나타난 피이드스루우에 대해 설명된 압력 강하와 유사할 수 있다. 관(180)의 내면은 실질적으로, 제 2 관(178)을 통해 여과되는 전구체 액체로부터 밀봉되어, 유체가 다공성 여과 매체를 통하도록 한다. 관(180)의 하단은 하나 또는 그 이상의 출구 포트(182)로 배출된다. 전구체 유체는 다공성이 낮은 관(180)을 통해 여과되고, 도 2에 나타난 바와 같이 가스 매니폴드(46)로의 공급을 위해 출구 포트(182) 및 주 출구(184)로 들어간다.
외측 몸체(166)는 가스 입구(168)에 결합된 캐리어 가스 공급 통로(193)를 포함하는 것이 바람직하다. 통로(193)는 가열기(167)에 인접하여 외측 몸체(166)의 벽을 따라 길이방향으로 그리고 노즐(170)에 인접하여 외측 몸체의 상부 내로 반경방향으로 배치된다. 통로(193)에 의해, 캐리어가스가 예비 가열되어 노즐을 따라 외측 몸체(166) 내로 유동된다. 캐리어가스는 노즐(170)을 "위킹(wick)"하는 임의의 전구체 유체 액적을 분산시키는데 도움이 된다.
도 16은 외측 몸체(16)의 개략적인 단면도이다. 분배관(177)은 외측 몸체(166)의 중심을 향해 배치되며 제 2 관(178)으로 둘러싸인다. 하나 이상의 관(180)이 제 2 관과 외측 몸체(166)의 내벽 사이에서 각 방향으로(angularly) 배치된다. 각 관(180)은 출구 포트(182)에 결합되는 것이 바람직하다.
도 17은 외측 몸체(166) 및 상부 블록(188)의 개략적인 단면도이다. 노즐(170)은 외측 몸체(166)와 상부 블록(188)을 통해 분배관(177)의 내부면으로 연장된다. 분배관(177)은 제 2 관(178)에 의해 둘러싸이며 하나 이상의 관(180)은 제 2 관(178)과 외측 몸체(166) 사이에 배치된다. 상부 블록(188)의 돌출부(179)는 외측 몸체(166)의 리세스(183)에 의해 수용되어 상부 블록(188)을 외측 몸체(166)에 대해 정렬시킨다. 캐리어 가스 통로(193)는 노즐(170)을 둘러싸는 동심의 환상 통로(174)에 유동적으로 결합되어, 하나 이상의 캐리어 가스를 노즐의 선단으로 공급한다. 동심의 가스 통로는 낮은 마찰계수와 막힘(clogging) 방지를 위해 PTFE로 만들어지는 것이 바람직하다. 캐리어가스는 노즐 둘레에서 동심으로 기화되어 노즐 선단에 액적이 형성되는 것과 노즐(170)의 외측 실린더를 위로 올리는 것을 방지한다. 노즐(170)에 공급된 액체는 아르곤과 같은 캐리어가스 내에서 운반된다.
액적이 "프라이팬 위에서 움직이는 것(dance on the frying pan)"과 같은 효과를 방지하기 위한 플래쉬 기화(flash vaporization)의 조정은, 분배관(177) 내 노즐(170)의 높이와 캐리어 가스 및 액체 전구체 혼합물의 유속을 조정함으로써 이루어진다. 초기의 "플래쉬" 기화 이후 남아 있는 임의의 액적은, 상기 혼합물이 기화 요소, 즉 필터 관을 통해 진행됨으로써 기화된다. 그 결과로서 생기는 증착가스는 이후 출구 포트(182)를 지나 중앙의 주 출구(184)를 통하여 증착 챔버로 공급된다. 혼합물은 실질적으로 미리 설정된 최적의 등온 시스템 온도(예를 들어, 270±5℃)로 유지된다. 배출포트는 높은 전도율로 설계되어, 전구체 증기가 기화기로부터 챔버 내로 용이하게 운반된다.
혼합물을 균일하게 가열된 표면의 넓은 영역에 노출시키고, 기화요소를 통한 가스 유동 방향이 변하는 동안 액적의 충돌에 의해 유동 내에 포획된 액적을 여과시키는 표면적이 증가된 기화기를 제공함으로써, BST 및 캐리어가스와 같은 전구체 성분의 혼합물을 기화하도록 기화기(154)가 작동된다. 유동속도, 따라서 충돌 여과 효과는 보조 아르곤의 유동 또는 기화기 분사 플러밍(plumbing)에 대한 다른 캐리어 가스 입력에 의해 독립적으로 제어된다. 종래의 배열과 달리, 가열량 예를 들어 기화, 혼합물에 공급된 전력 등은 기화를 완료하기 위해 실제로 필요한 동력 레벨보다 실질적으로 크다. 완전한 기화를 위해 필요한 동력의 양은 전구체 성분과 캐리어 가스와 혼합물의 유동속도의 화학적 함수이다. 한 예로서 유동속도가 0.10ml/min인 BST와 약 200sccm 내지 약 300sccm의 유동속도의 예를 들어 아르곤 같은 캐리어가스에 대해, 유동을 가열하여 완전히 기화하는데 필요한 동력은 거의 10W이다. 이 기체 전구체 성분 혼합물의 유속과 직접 관련이 있는 가스 유동의 양을 제어하는데 측정 밸브가 사용될 수 있다.
기화기(154)에 전달되는 열적 동력은 혼합물의 완전한 기화에 필요한 10W보다 1 내지 2차수 높은 동력, 즉 약 100W 내지 1,000W 사이의 동력으로, 바람직하게는 약 20 내지 약 30배 더 높은 동력, 즉, 약 200W 내지 3000W로 설정된다. 따라서 유동하는 혼합물에 의해 흡수되는 가열 동력은 가용 가열 동력의 일부이다. 가스 증기에 의해 흡수된 동력은 가용 동력에 비해 많아야 작은 손실(perturbation)에 불과하므로, 열원을 실질적으로 등온(예를 들어 270±5℃)으로 유지할 수 있다. 일반적으로, 사용되는 전구체 성분 혼합물에 따라, 이상적인 등온 시스템 온도는 약 200℃ 내지 300℃ 범위일 것이다.
가열기(167)는 약 1000W 내지 3000W의 총가열 동력을 외측 몸체(166) 따라서 상부 및 하부 블록에 공급하는 것이 바람직하다. 가열기는, 종래의 PID 제어기에 의해, 주 기화 섹션을 최적의 등온에 유지하도록 제어된다. 제어기는, 외측 몸체(166) 내에 위치한 열전쌍에 의해 연결되어 온도를 모니터링한다.
도 18은 기화기(154)의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다. 중공의 외측 몸체(166)는 가열기(167)에 결합된다. 노즐(170)은 입구(172)로부터 외측 몸체(166), 가이드 플러그(169)를 통해 도 15에 나타난 바와 같이 분배관(177)의 내부로 배치된다. 캐리어 가스 통로(193)는, 노즐을 둘러싸는 동심 통로(174)에 유동적으로 결합되며, 외측 몸체(166) 및 가이드 플러그(169) 내에 규정된다. 가이드 플러그(169)의 위쪽은 외측 몸체(166)의 리세스(183) 내에 수용된다. 가이드 플러그(169)의 하부는, 외측 몸체(166)의 상부에 배치된 상판(187)에 결합된다. 하부 블록(186)은 외측 몸체(166)의 하부에 배치된다.
기화기의 일부를 형성하여 여과하는 일련의 동심 관은, 상판(187) 및 하부 블록(186) 사이에 배치된다. 상판과 하부 블록 사이에 배치되는 분배관(177)은 노즐(170)의 출구를 둘러싼다. 내측 관(192) 및 외측 관(195)을 가지는 한 쌍의 관은 분배관(177)을 동심으로 둘러싼다. 한 쌍의 제 1 관은 도 15에 나타난 것과 유사한 재료로 만들어질 수 있으며 약 100 마이크론의 큰 구멍을 가지는 것이 바람직하다. 테프론®으로 만들어지는 것이 바람직한 환상 플러그(194)는 한 쌍의 제 1 관을 관의 상단부에서 분리하여 밀봉한다. 분배관(177)으로부터 유동되어 온 임의의 잔류 액체 및 가스는 내측 관(192)을 통해 여과된다. 통로(196)는 내측 관(192)과 외측 관(195) 사이에서 규정되며, 주 출구(184)에 유동적으로 결합된다.
한 쌍의 제 2 관은 한 쌍의 제 1 관 둘레에 배치되며 내측 관(197) 및 외측 관(199)을 포함한다. 한 쌍의 제 2 관은 한 쌍의 제 1 관과 유사한 재료로 만들어질 수 있으며, 약 5 내지 20 마이크론, 바람직하게는 약 10 마이크론의 구멍을 가진다. 테프론®으로 만들어지는 것이 바람직한 환상 링(196)은 실링과 한 쌍의 제 2 관을 관의 상단에서 분리시킨다. 다른 환상 링(171)은 한 쌍의 제 1 관과 한 쌍의 제 2 관 사이에서 실링을 분리시킨다. 한 쌍의 제 1 관으로부터 유동되어온 가스 및 임의의 잔류 액체는 한 쌍의 제 2 관의 내측 관(197)을 통해 여과된다. 통로(198)는 한 쌍의 제 2 관의 내측 관(197) 및 외측 관(199) 사이에서 규정되며 주 출구(184)에 유동적으로 결합된다.
도 19는 도 18에 나타난 기화기의 평면도이다. 분배관(177)은 한 쌍의 제 1 관의 외측 관(195) 및 내측 관(192)에 의해 동심으로 둘러싸인다. 환상 통로(196)는 한 쌍의 제 1 관의 외측 관(195) 및 내측 관에 사이에 규정된다. 외측 관(195)은 한 쌍의 제 2 관의 내측 관(197)에 의해 그리고 이후 외측 관(199)에 의해 동심으로 둘러싸인다. 환상 통로(198)는 한 쌍의 제 2 관의 내측 관 및 외측 관 사이에서 규정된다.
도 20은 기화기(154)의 다른 실시예에 대한 개략적인 단면도이다. 기화기는 한 쌍의 제 1 관(192, 195) 및 통로(198)가 없는 점을 제외하고는 도 18 및 도 19에 나타난 기화기와 유사하다. 한 쌍의 관(197, 199)은 분배관(177)을 동심으로 둘러싸며 약 5 내지 20 마이크론, 바람직하게는 약 10 마이크론의 구멍을 가지는 것이 좋다. 환상 통로(198)는 주 출구(184)에 유동적으로 결합되며 관을 통해 여과되는 가스를 위한 포트를 제공한다.
도 21은 도 20에 나타난 기화기를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 분배관(177)은 한 쌍의 관(197, 199)에 의해 동심으로 둘러싸인다. 통로(198)는 관(197, 199) 사이에서 규정된다.
전구체 액체는 노즐(170)로부터 분배관(177) 내로 분사된다. 가열기(167)에 의해 가열되는 분배관(177)은 액체 및 가스를 "플래쉬" 기화한다. 마찬가지로 가열기(167)에 의해 가열되며 캐리어가스 통로(193)로부터 도입되는 캐리어가스, 그리고 전구체 액체에 의해 포획되는 캐리어가스는 분배관(177)의 내벽을 따르게 되며, 분배관 내의 구멍을 통해 흐를 수 있다. 기화된 가스 및 임의의 잔류 액체는 액체의 여과 및 기화를 위해 한 쌍의 제 1 관을 지난다. 가스는 한 쌍의 제 1 관의 내측 관(192)을 통해 유입되고 통로(196)를 통해 주 출구(184) 내로 배출되어, 증착 챔버로 공급된다. 일부 가스 및/또는 액체는 한 쌍의 제 1 관의 외측 관(195)을 통해 배출되고 이후 한 쌍의 제 2 관의 내측 관(197)을 통해 여과된다. 가스는 통로(196)를 통해 주 출구(184) 내로 배출된다.
시스템의 적용
본 발명의 시스템을 사용하여 증착될 수 있는 금속산화물 층의 예로는 오산화탄탈(Ta2O5), 지르코네이트 티타네이트(ZrxTiyOz), 스트론튬 타이타네이트(SrTiO3), 바륨 스트론튬 타이타네이트(BST), 리드 지르코네이트 타이타네이트(PZT), 란탄이 도핑된 PZT, 비스무트 타이타네이트(Bi4Ti3O12), 바륨 타이타네이트(BaTiO3), BST, PZT, 란탄 도핑된 PZT 등이 포함된다. 증착될 수 있는 다른 재료에는 기화와 분해 사이의 범위가 좁은 다른 재료가 포함된다.
본 발명에 사용되는 기판은 주로 P형 및 N형 실리콘을 포함한다. 구체적인 반응화학 및 원하는 최종 제품에 따라, 예를 들어 게르마늄, 다이아몬드, 예를 들어 GaAs, InP, Si/Ge, 및 SiC를 포함하는 화합물 및 세라믹을 포함하는 다른 기판 재료가 사용될 수 있다.
집적회로소자에서 회로 요소 위의 층을 위한 재료는 선택은 형성된 소자에, 그리고 특정한 층이 현재 또는 이후에 접하게 되는 다른 층에 의존한다. 예를 들어 DRAM은 투과율(permittivity)이 높은 축전기가 필요하나, 금속산화물 유전체층은 고유전 특성이 필요하지 않다.
본 발명에 의해 제조될 수 있는 소자에는 64Mbit, 256Mbit, 1Gbit 및 4Gbit DRAMs가 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 시스템은 구리와 같은 재료뿐만 아니라 휘발성인 다른 액체 전구체에도 특히 적용된다.
액체 공급 시스템
도 22는 액체 공급 시스템(200)을 개략적으로 나타낸다. 액체 공급 시스템은 일반적으로 액체 전구체 모듈(202), 용제 모듈(204) 및 기화기 모듈(206)을 포함한다. 한 실시예에서, 액체 전구체 모듈(202)은 2개의 압축된 앰풀(ampoules; 208, 210) 및 각 앰풀에 연결된 액체 공급 라인(212)을 포함한다. 밸브는 액체 공급 시스템의 길이를 따라 배치되어, 앰풀로부터 혼합 포트 그리고 이후 기화기로의 액체 유동을 제어한다. 이하 설명되는 제로 사부피 밸브(zero dead volume valves)는 그 안에 전구체가 모여 밸브를 손상시킬 뿐만 아니라 공정의 안정화 및/또는 반복 가능성에 악영향을 미치는 것을 방지한다. 제로 사부피 밸브는, 용제를 사용하여 라인으로부터 전구체가 신속하게 흐르도록 한다. 정비하는 동안 용제는 라인(214)에 의해 액체 공급 라인(212)에 연결되어(plumbed), 시스템을 씻어 낸다. 게다가 퍼지 가스 라인은 액체 공급 라인에 연관되어 용제를 라인으로부터 신속하 게 퍼징하여, 앰풀, 밸브 및/또는 LFC를 포함하는 시스템이 10 내지 30분 내에 정비될 수 있게 된다. 밸브는, 필요할 때 혼합 포트로부터 위쪽에 있는 액체 공급 라인 내로 용제가 도입되어, 바이패스 라인(218)을 통해 그리고 냉각 트랩 및 배출 매니폴드를 포함하는 회수 시스템(recovery system)을 통해 라인을 씻어낼 수 있도록 설계된다.
앰풀은, 고압 펌프 즉 러빙부(rubbing parts)가 전구체에 노출되는 고사이클 기계 펌프가 없이도, 예를 들어 500psi까지의 고압에서 액체 전구체를 공급하도록 설계된다. 압력을 공급하기 위해, 아르곤과 같은 불활성가스가 약 90psi의 압력에서 라인(220)을 통해 앰풀 내로 장입된다. 액체 출구 라인(222)은, 예를 들어 아르곤 같은 불활성가스가 앰풀에 공급되고 적절한 밸브가 개방됨에 따라, 액체가 적절한 밸브를 통해 출구를 통해 액체 공급 라인 내로 밀려나오도록 앰풀 내에 배치된다.
액체 공급라인(212)은 각 앰풀로부터 기화기로 연결된다. 제 1 사부피 밸브는 앰풀의 출구에 배치되어, 액체가 공급 라인(212)으로 공급되는 것을 제어한다. 밸브는 바이패스 라인(218)과 액체 공급 라인(212)을 연결하는 3방향 밸브인 것이 바람직하다. 이어서 바이패스 라인(218)은 냉각 트랩 및 배출 매니폴드(미도시)에 연결된다. 고압 게이지(224) 및 LFC(226)은 용제와 퍼지 가스를 도입시키는 밸브(228)로부터 하류에 배치된다. LFC는 액체가 바이패스 라인(218)에 배치된 혼합 포트(230)로 공급되는 것을 제어하여, 라인 내의 압력을 모니터링함으로써 정비 과정이 완료되도록 한다.
액체 전구체 공급 라인(212)은 액체 전구체를 기화기(14) 상류의 혼합 포트(230) 내로 공급한다. 용제 공급 라인(234)도 용제를 혼합 포트로부터 액체 공급 라인 내로 공급한다. 혼합 포트에서는, 액체 전구체와 용제가 혼합되어 기화기 내로 공급된다. 기화기에서, 캐리어 가스 라인(236)은 캐리어가스를 공급 라인 내로 공급하여 액체 전구체와 용제를 모세관 또는 노즐을 통해 기화기 내로 운반한다. 더욱이 동심 캐리어 가스 라인(238)은 캐리어 가스를 노즐 또는 분사 팁 주위에 공급하여, 소량의 액체조차도 기화 표면으로 공급되게 한다. 혼합 포트로부터 기화기 내로의 공급 라인은 테프론® PTFE와 같이 마찰계수가 낮은 재료로 만들어져, 라인의 막힘을 방지하는 것이 바람직하다. 마찰계수가 낮으면 적은 부피의 액체 전구체가 공급되는 것을 돕는다.
용제 모듈(204)은 액체 전구체 앰풀과 유사한 하나 이상의 장입 가능한 앰풀을 포함한다. 2개의 용제 앰풀(240, 242) 및 2개의 액체 전구체 앰풀(208, 210)이 있다. 액체 전구체 앰풀은, 혼합 포트에서 혼합될 수 있는 2개의 별개의 전구체를 공급하거나 같은 전구체를 함께 또는 교대로 공급할 수 있다.
액체 전구체 앰풀은 바닥이 슬롯 형성/침식되게(sculptured) 설계되어, 액체를 앰풀 내에서 아래로 흐르게 하여, 낮은 레벨에서도 액체가 아주 낮은 수준에서 검출되고 앰풀로부터 흘러나올 수 있도록 한다. 낮은 레벨에서의 검출 및 공급은 고가의 액체로 처리하는데 있어서 낭비를 피하는데 특히 중요하다. 또 앰풀은 아주 낮은 레벨에서도 그 안의 액체의 부피를 구별할 수 있는 초음파 검출기를 포함하여, 연속 처리가 이루어질 수 있다.
도 23은 제로 사부피 밸브의 사시도이다. 밸브는 액체 전구체 입구(252) 및 용제 입구(254) 및 단일 출구(256)를 포함한다. 용제는 용제 제어 액추에이터(258)를 통해 용제 입구를 통해 액체 전구체 제어 액추에이터(260)로 우회된다. 도 20에 나타난 것과 같이, 플런저(262)는 용제가 용제 제어 액추에이터로 들어가고 그로부터 나오는 것을 제어한다. 액추에이터 내의 플런저(264)가 개방 위치에 있을 때, 액체 전구체는 전구체 입구(252)를 통해 전구체 제어 액추에이터(260) 내로 우회한다. 플런저가 폐쇄 위치에 있을 때, 전구체는 액추에이터 내로 들어가지 않으며, 플런저에 의해 그리고 밸브를 통한 용제의 유동에 의해 밸브로부터 흘러나온다. 용제는, 플런저가 개방 위치에 있거나 폐쇄 위치에 있거나 전구체 제어 액추에이터(260)로 들어갈 수 있어, 도 24에 나타난 바와 같이 밸브가 용제 퍼지될 수 있다. 플런저는, 용제가 액추에이터로 유동하게 하는 한편 액체 전구체 입구를 밀봉하는 윤곽으로 되어 있다. 액체 전구체가 폐쇄될 때 연속적인 용제 유동에 의해 시스템은 용제에 의해 연속적으로 퍼지된다.
더욱이, 단일 액추에이터 밸브는 앰풀의 출구에 배치되어, 액체 전구체의 공급을 제어하여 액추에이터 안이 막히는 것을 방지한다. 또 2방향 밸브는 기화기 내 액체 유동 제어기의 하류에 배치되는 것이 바람직하다.
공급 관은 테프론®과 같은 물질로 만들어져 마찰 없는 유동을 촉진함으로써, 관의 경로를 따른 막힘과 증착을 방지한다. 테프론®은, BST 증착에 사용되는 티타늄, 바륨 및 스트론튬 전구체 액체와 같은 재료를 위해 더 좋은 도관이 된다.
플러밍 시스템(plumbing system)은, 정비하는 동안 라인 및 밸브의 급속 플 러싱(rapid flushing)이 가능하도록 설계된다. 게다가 시스템은 이후 각 밸브를 폐쇄(shutdown)할 수 있을 뿐만 아니라 정전시 기화기와 공급 라인을 통해 제어된 양의 용제가 자동 플러쉬되도록 되어 있다. 이러한 안전한 특징에 의해, 제어되지 않은 정전시 시스템이 막히지 않는다.
공급 시스템은 또, 아르곤과 같은 캐리어가스가 용제를 통해 버블링되어 전구체로부터 너무 빨리 용제 기화되는 것을 억제하여, 전구체 액체가 기화기로 가는 중에 건조되지 않게 하는 버블러 시스템을 포함할 수 있다.
이 상태의 액체 유동 제어기 및 피조일렉트릭 제어 밸브도 시스템에 대한 제어를 강화하기 위해 사용될 수 있다. 라인 내에 화학물질이 남아 있는지 측정하기 위해, 용제 라인 및 전구체에 존재하는 고압 게이지 및 진공 매니폴드 위의 진공 게이지가 사용된다. 이들 게이지는 보드에 탑재된 누설 강도 측정장치로도 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예는, 니들 밸브와 같은 관련된 LFC와 2개의 가압된 앰풀을 가지는 액체 CVD 요소 공급 시스템을 포함하며, 이는 슬라이딩 실링 없이 작동되며 따라서 250psi보다 낮은 압력에서 사용될 수 있다. 2개의 용제 앰풀은, 세정 및 유지를 위해 용제를 액체 공급 시스템 라인으로 공급할 뿐만 아니라 프로세싱되는 동안 혼합 포트 내로 공급한다.
BST 프로세스
증착 프로세스에 요구되는 증기는, 소정의 질량 및 분자비로 혼합된 제 1 및 제 2의 기화된 액체 전구체이다. BST의 증착에 사용하기 위한 제 1 액체 전구체는, Ba 및 Sr 폴리아민 화합물을 부틸 아세테이트와 같은 적절한 용제로 혼합한 것이 바람직하다. 바람직한 혼합물은 2(테트라 메틸 헵탄디오네이트)(bis(tetra methyl heptandionate) 바륨 펜타 메틸 디에틸렌 트리아민(Ba PMDET(tmhd2)로도 알려짐), 2(테트라 메틸 헵탄디오네이트) 스트론튬 펜타 메틸 디에틸렌 트리아민(Sr PMDET(tmhd2)로도 알려짐) 또는 이와 달리 2(테트라 메틸 헵탄디오네이트) 바륨 테트라글림(Sr(tmhd2) 테트라글림으로도 알려짐), 및 2(테트라 메틸 헵탄디오네이트)2이소프로파니드 티타늄(Ti(I-pr-o)(tmhd2)로도 알려짐) 또는 Ti(tBuO)2(tmhd2))와 같은 다른 티탄 금속 유기 소스의 결합이다. 제 1 전구체와 제 2 전구체 사이의 결합된 금속분자비(molar ratio)는 약 2:1:4Ba:Sr:Ti인 것이 바람직하다. 분자비는 약 2:1:2로부터 약 2:1:8까지 변할 수 있다. 사용될 수 있는 다른 전구체에는 펜타 메틸 디에틸렌 트리아민(PMDET) 성분이 없는 전구체가 포함된다. 이러한 전구체에 대한 적절한 용제는 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran; THF)일 수 있다.
BST 프로세스는 기화된 제 1 및 제 2 액체 전구체를, 산소, N2O, O3 또는 이들의 혼합물과 같은 산화제 가스와, 전구체의 기화 온도보다 높고 성분을 손상시키는 온도보다 낮은 온도에서, 혼합한다. 이 공정은 기판의 온도 변화, 액체 전구체의 용제 함량, 그리고 결합된 가스 내의 산화제 농도에 매우 민감하다. 웨이퍼 온도를 증가시킴으로써 증착속도가 증가되고, 액체 전구체의 용제 함량을 감소시킴으로써 필름의 헤이즈(haze)를 감소시키고, 산화제의 유동속도를 제어함으로써 필름 및 결정 상의 거칠기를 제어할 수 있다.
이상은 본 발명의 실시예에 관한 것이나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예 및 추가 실시예가 고안될 수 있으며, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위에 의해 정해진다.
상기한 본 발명에 의해, 통로를 따라 전구체가 바람직하지 못하게 응축하거나 분해되는 것을 방지하고 시스템 내에서의 온도 구배를 방지할 수 있으며, 전구체를 효율적으로 기화하고 동시에 전구체를 여과하며 기판의 표면으로 기화된 전구체를 이송하고, 그리고 챔버 내의 상승된 온도를 유지할 수 있다.

Claims (69)

  1. 처리 챔버용 가스 피이드스루우에 있어서,
    유입구 및 배출구를 갖추고 있고 챔버와 밀봉을 형성하기 위한 표면을 한정하는 도관; 및
    상기 도관 내에 배치된 필터로서, 상기 필터를 가로질러 과도한 압력차가 형성되는 것을 방지할 수 있는 구멍 크기 및 표면적을 갖는 필터;를 포함하는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터가 0.2 마이크론의 크기를 갖는 미립자 물질을 여과할 수 있는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터가 5 내지 80 마이크론의 구멍 크기를 갖는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터가 5 내지 50 마이크론의 구멍 크기를 갖는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터가 5 내지 20 마이크론의 구멍 크기를 갖는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터가 5 내지 15 마이크론의 구멍 크기를 갖는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도관의 길이를 따라 배치된 가열 부재를 더 포함하는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열 부재가 150 내지 300℃의 피이드스루우 온도를 유지할 수 있는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열 부재 부근에 배치된 열전쌍을 더 포함하는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터가 상기 도관의 길이를 따라 종방향으로 배치된 관형 부재를 포함하는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터가 상기 필터의 내부 표면 상에 하나 이상의 그루브를 포함하는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력차가 0 내지 20torr 사이인,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  13. 박막을 증착하기 위한 처리 챔버로서,
    a) 하나 이상의 온도가 제어된 표면을 갖춘 엔클로저를 형성하는 챔버 몸체;
    b) 상기 챔버 몸체 상에 이동가능하게 장착되고, 가열된 메인 몸체 및 외부 온도가 제어된 칼라를 포함하는 덮개; 및
    c) 상기 챔버 및 가스 소오스에 유체식으로 연결되고 내부에 필터가 배치된 환형의 가스 피이드스루우;를 포함하며,
    상기 필터는 상기 필터를 가로질러 과도한 압력차가 형성되는 것을 방지할 수 있는 구멍 크기 및 표면적을 갖는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 필터의 표면적이 상기 필터를 가로질러 과도한 압력차를 형성하지 않으면서 100개 이상의 기판을 처리할 수 있는 크기를 갖는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 소오스가 기화기를 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 기화기가 내부에 배치된 하나 이상의 필터를 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기화기의 하류에 배치된 진공 펌프를 더 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 필터는 소결된 스테인레스강, 티타늄, 니켈, 알루미늄, 산화알루미늄, 바륨 스트론튬 티타네이트, 질화알루미늄, 탄화규소, 또는 이들의 조합을 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 박막을 증착하기 위한 처리 챔버로서,
    a) 하나 이상의 온도가 제어된 표면을 갖춘 챔버 몸체;
    b) 상기 챔버 몸체 상에 이동가능하게 장착되고, 가열된 메인 몸체와 온도가 제어된 칼라를 갖춘 덮개; 및
    c) 상기 챔버와 가스 소오스에 유체식으로 연결되고, 내부에 필터가 배치된 가스 피이드스루우;를 포함하고,
    상기 필터가 상기 필터를 가로질러 과도한 압력차가 형성되는 것을 방지할 수 있는 구멍 크기 및 표면적을 갖는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 필터가 상기 가스 피이드스루우의 길이를 따라 종방향으로 배치된 관형 부재를 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 가스 피이드스루우가 가열 부재를 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 필터가 5 마이크론 내지 100 마이크론의 구멍을 갖는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  37. 제 33 항에 있어서,
    상기 가스 피이드스루우의 상류에 유체식으로 연결된 기화기를 더 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 기화기의 하류에 배치된 진공 펌프를 더 포함하는,
    박막을 증착하기 위한 처리 챔버.
  39. 처리 챔버용 가스 피이드스루우로서,
    a) 유입구 및 배출구를 갖추고 있고, 상기 챔버와 밀봉을 형성하기 위한 표면을 한정하는 도관; 및
    b) 상기 도관 내에 배치된 필터;를 포함하고,
    상기 필터가 상기 필터를 가로질러 과도한 압력차가 형성되는 것을 방지할 수 있는 구멍 크기 및 표면적을 갖는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 도관의 길이를 따라 배치된 가열 부재를 더 포함하는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 필터가 5 마이크론 내지 100 마이크론의 구멍을 갖는,
    처리 챔버용 가스 피이드스루우.
  42. 박막을 증착하는 방법으로서,
    a) 하나 이상의 액체 전구체를 기화기로 이송하는 단계;
    b) 상기 이상의 액체 전구체를 기화시키는 단계;
    c) 상기 기화된 전구체를 내부에 필터가 배치된 가스 피이드스루우를 통해 유동시키는 단계; 및
    d) 상기 가스 피이드스루우 내에서 상기 기화된 전구체를 여과하는 단계;를 포함하고,
    상기 필터가 상기 필터를 가로질러 과도한 압력차가 형성되는 것을 방지할 수 있는 구멍 크기 및 표면적을 갖는,
    박막을 증착하는 방법.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 가스 피이드스루우를 가열하는 단계를 더 포함하는,
    박막을 증착하는 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 기화된 전구체를 여과하는 단계는 5 마이크론 내지 100 마이크론의 구멍을 갖는 필터를 통해 여과하는 단계를 포함하는,
    박막을 증착하는 방법.
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