KR101501426B1 - 차압 측정들에 의한 가스 유동 제어 - Google Patents

Abstract

가스 유동 비교기는 가스 튜브를 통과하는 가스의 압력 또는 가스 유동을 설정하기 위해 가스 튜브 상에 장착되는 가스 제어기를 포함한다. 1차 유동 스플리터는 가스 튜브에 연결되는 입구 포트를 포함한다. 제 1 및 제 2 유동 제한기들이 1차 유동 스플리터에 연결된다. 한 쌍의 2차 유동 스플리터들이 유동 제한기의 제한기 출구에 각각 연결된다. 차압 게이지는 2차 유동 스플리터들에 연결된다. 한 쌍의 노즐 홀더들이 2차 유동 스플리터들에 연결되며 제 1 및 제 2 노즐들에 연결될 수 있다. 작동시, 차압 게이지는 제 1 및 제 2 노즐들을 통한 가스의 통행에서의 편차에 비례하는 차압을 등록한다.

Description

차압 측정들에 의한 가스 유동 제어 {GAS FLOW CONTROL BY DIFFERENTIAL PRESSURE MEASUREMENTS}

본 발명은 차압 측정들에 의한 가스 유동 제어에 관한 것이다.
전자 회로들 및 디스플레이들의 제작에 있어서, 반도체, 유전체 및 전도체 재료들과 같은 재료들이 기판 상에 증착되고 패턴화된다. 이들 재료들 중 일부는 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 처리들에 의해 증착되며, 다른 재료들은 기판 재료들의 산화 또는 질화에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 화학 기상 증착 처리들에서, 처리 가스가 챔버의 내측으로 도입되며, 필름을 기판 상에 증착하기 위해 가열 또는 RF 에너지에 의해 활성화된다(energized). 물리 기상 증착 처리에서, 기판 상에 타겟 재료의 층을 증착하기 위해 타겟이 처리 가스에 의해 스퍼터링된다. 에칭 처리들에서, 포토레지스트 또는 하드 마스크를 포함하는 패턴화된 마스크가 리소그래피 처리에 의해 기판 표면 상에 형성되며, 마스크 피쳐(feature)들 사이에 노출되는 기판 표면의 일부분들이 활성화된 처리 가스에 의해 에칭된다. 처리 가스는 단일 가스 또는 가스들의 혼합물일 수 있다. 증착 및 에칭 처리들과 추가의 평탄화 처리들은 전자 디바이스들과 디스플레이들을 제작하기 위한 기판의 처리를 위해 연속적으로 실시된다.

기판 처리 챔버들은 챔버 내로 처리 가스를 도입하기 위한 복수의 가스 노즐들을 가지는 가스 분배기들을 포함한다. 하나의 버전에서, 가스 분배기는 복수의 가스 노즐들을 갖는 판 또는 외피(enclosure)를 포함하는 샤워헤드이다. 다른 버전에서, 가스 분배기는 기판 주변의 둘레로부터 챔버의 내측으로 가스를 측면으로 분사시키도록 챔버 측벽을 통과하는 개개의 가스 노즐들을 포함한다. 또 다른 버전에서, 복수의 개개의 가스 노즐들은 기판 원주변의 둘레로부터 챔버의 내측으로 가스를 수직으로 분사한다. 또 다른 버전에서, 가스 분배기는 기판과 대면하는 가스 출구들의 열(array)을 갖는 샤워헤드를 포함한다.

그러나, 종래의 가스 분배기들은 종종 기판 표면 전반에 균일한 가스 유동 분배를 제공하는데 실패했다. 예를 들어, 상이한 가스 노즐들을 포함하는 가스 분배기는 종종, 예를 들어, 가스 노즐들의 치수들이 하나의 노즐로부터 다른 노즐로 변화할 때 상이한 노즐들로부터 상이한 가스 유량들로 통과시킨다. 다른 예로서, 샤워헤드는 종종, 각각의 출구 구멍(hole)으로부터 상이한 유량들을 초래하는 조금 상이한 직경들을 갖는 출구 구멍들을 가진다. 게다가, 몇몇 설계들에서, 가스 샤워헤드는 특정 출구들의 열 내의 한 출구로부터 다른 출구로 변화하는 가스 유량들을 제공할 수 있는 상이한 직경들을 갖는 출구들의 열들을 포함한다.

다른 문제점은 각각의 챔버 내에서 실질적으로 유사한 처리 속도들을 얻기 위해 다중-챔버 처리 장치의 두 개의 별도 챔버들에 대한 가스 유동을 밸런싱하기 위한 시도 시에 유발된다. 하나의 방법에서, 예를 들어 본 발명에 그 전체가 참조로서 포함되고 공동으로 양도된 미국 특허 제 6,843,882 호에 설명되어 있는 바와 같이, 챔버 공급용 튜브를 통과하는 처리 가스의 유동을 조절하기 위해 마이크로미터 밸브들이 사용된다. 별도의 마이크로미터 밸브들은 두 개의 상이한 챔버들로의 유동들을 밸런싱 또는 의도적으로 오프-밸런싱하기 위해 조절될 수 있다. 그러나, 마이크로미터들의 수동 조절은 노동 집약적이고, 작동자에 의한 부정확함들이 초래될 수 있다. 작동자는 임의의 회전 수로 마이크로미터들을 물리적으로 조절하는데, 그러한 조절은 작동자의 부주의한 행동에 의해 변경될 수 있다. 게다가, 각각의 챔버에 대한 밸런싱된 유동의 정확도의 레벨은 또한, 종종 결정하는데 어려움을 겪는다.

인풋 가스 유동을 두 개의 별도의 유동 스트림들로 분할하는 유량 제어 디바이스들이 또한 트윈 챔버(twin chamber)들에 대한 가스 유동을 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 메사츄세츠 윌밍톤 소재의 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드로부터의 DELTA^TM 유량 제어기는 인풋 유동을 두 개의 별도의 유동 스트림들로 분할한다. 또 다른 유동 제어 디바이스로서 미국 캘리포니아 밀피타스 소재의 셀러리티, 인코포레이티드로부터의 유량 분리기(RFS) 모듈은 챔버의 다중 영역들 또는 별도의 챔버들로 전달하기 위한 임의의 설정점 비율에 기초하여 인풋 가스 스트림으로부터 두 개의 분기 가스 스트림들로 유동을 전환시키기 위한 밸브를 사용한다. 이들 디바이스들에서, 각각의 챔버에 대한 유동은 유량계에 의해 측정된다. 그러한 디바이스들이 유효하지만, 비율의 정확도는 보통 유량의 ± 1%인 유량계들의 정확도에 의해 크게 영향을 받는다. 정확도 향상을 위해 보다 정확한 유량계들이 사용될 수 있지만, 그러한 유량계들은 고가이며 기판 처리 비용들이 추가된다.

따라서, 기판 표면 전반에 걸쳐 균일하거나 예정된(preset) 처리 속도들을 제공하기 위해 상이한 노즐들을 통과하는 공지되고 재현가능한(reproducible) 유량들을 제공할 수 있는 가스 분배기를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 가스 분배기의 상이한 노즐들을 통한 가스 유량들을 정확히 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 챔버 내에서 균일한 유량들을 얻기 위해 트윈 챔버들에 대한 가스의 유동을 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예들은 가스 유동 비교기를 포함한다. 상기 가스 유동 비교기는 가스 튜브 상에 장착되며, 상기 가스 튜브를 통과하는 가스의 유량 또는 압력을 제어하는 가스 제어 피드백 루프를 포함하는 가스 제어기와, 상기 가스 튜브로부터의 가스를 수용하는 입구 포트, 및 한 쌍의 아웃풋 포트들을 포함하는 1차 유동 스플리터와, 상기 1차 유동 스플리터의 아웃풋 포트에 각각 연결되며, 제한기 출구를 가지는 한 쌍의 유동 제한기와, 유동 제한기의 제한기 출구에 각각 연결되며 한 쌍의 제 1 및 제 2 아웃풋 포트들을 각각 포함하는 한 쌍의 2차 유동 스플리터들과, 상기 2차 유동 스플리터들의 두 개의 제 1 아웃풋 포트들에 연결되는 차압 게이지, 및 2차 유동 스플리터의 제 2 아웃풋 포트에 각각 연결되는 한 쌍의 노즐 홀더들을 포함하며, 상기 노즐 홀더들은 제 1 및 제 2 노즐들에 연결될 수 있으며, 상기 유동 제한기들과 제 1 및 제 2 노즐들을 통한 가스의 통행으로 상기 차압 게이지가 상기 제 1 및 제 2 노즐들을 통한 가스의 유량들 차이에 비례하는 차압을 등록시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 전술한 가스 유동 비교기를 포함하는 가스 유동 제어기를 포함한다. 제 1 및 제 2 노즐들은 한 단부에서 2차 유동 스플리터의 제 2 아웃풋 포트에 연결되며 다른 단부에서 챔버 내에 가스 분배기를 공급하는 기판 처리 챔버의 가스 입구 튜브에 연결되는 유동 조절 밸브들을 각각 포함하며, 상기 가스 유동 제어기는 상기 차압 게이지로부터 수신되는 신호에 응답하여 상기 유동 조절 밸브들을 통한 가스의 유동을 제어하도록 상기 유동 조절 밸브들을 조절한다.
본 발명의 실시예들은 전술한 가스 유동 제어기를 포함하는 기판 처리 장치를 포함한다. 상기 기판 처리 장치는 제 1 및 제 2 처리 챔버들을 포함하며, 각각의 챔버는 가스 분배기를 공급하는 가스 입구 튜브, 상기 가스 분배기와 대면하는 기판 지지대, 및 가스가 배기되는 배기 포트를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 트윈 챔버들을 갖는 기판 처리 장치용 가스 분배기를 포함한다. 상기 기판 처리 장치용 가스 분배기는 인풋 가스 매니폴드 및 차압 게이지에 연결될 수 있는 배면 구멍을 가지는 면판, 및 상기 면판과 대면하며 복수의 노즐들을 포함하는 차단판을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 전술한 가스 분배기를 포함하는 기판 처리 장치를 포함한다. 상기 기판 처리 장치는 제 1 및 제 2 처리 챔버들을 포함하며, 각각의 챔버는 가스 분배기, 상기 가스 분배기를 대면하는 기판 지지대, 및 가스가 배기되는 배기 포트를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 제 1 및 제 2 챔버들을 갖는 기판 처리 장치용 가스 유동 제어 시스템을 포함한다. 상기 기판 처리 장치용 가스 유동 제어 시스템은 제 1 인풋 가스 매니폴드, 제 1 배면 구멍, 및 상기 제 1 챔버로 가스를 유입하는 제 1 노즐 열을 포함하는 제 1 가스 분배기와, 제 2 인풋 가스 매니폴드, 제 2 배면 구멍, 및 상기 제 2 챔버로 가스를 유입하는 제 2 노즐 열을 포함하는 제 2 가스 분배기, 및 상기 제 1 가스 분배기의 제 1 노즐 열과 상기 제 2 가스 분배기의 제 2 노즐 열 사이의 가스 차압을 측정하도록 상기 제 1 및 제 2 배면 구멍들에 연결되는 차압 게이지를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 제 1 챔버의 제 1 가스 분배기 및 제 2 챔버의 제 2 가스 분배기로의 처리 가스 유동을 제어하는 방법을 포함한다. 상기 방법은, 처리 가스를 상기 제 1 가스 분배기의 내측으로 유동시키는 단계; 처리 가스를 상기 제 2 가스 분배기의 내측으로 유동시키는 단계; 상기 제 1 및 제 2 가스 분배기들 내의 처리 가스의 차압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 차압에 대해 상기 제 1 및 제 2 가스 분배기들의 내측으로 유동되는 처리 가스들의 유량들을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 특징들, 양상들, 및 장점들은 본 발명의 예들을 설명하는 다음의 상세한 설명, 청구의 범위, 및 첨부 도면들과 관련하여 보다 양호하게 이해될 것이다. 그러나, 이들 특징들의 각각은 본 발명에서 단지 특정 도면들에 대한 설명에만 사용되는 것이 아니고 일반적으로 사용될 수 있으며, 본 발명은 이들 특징들의 임의의 조합을 포함한다는 것이 이해된다.

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도 1a는 가스 유동 비교기의 실시예를 도시하는 개략적인 단면 도식도이며,

도 1b는 T-형상의 가스 커플러를 포함하는 유동 스플리터(splitter)의 실시예를 도시하는 개략적인 단면도이며,

도 1c는 유동 제한기(restrictor)의 실시예를 도시하는 개략적인 단면도이며,

도 1d는 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 전기 회로의 다이어그램이며,

도 2는 가스 유동 비교기의 실시예를 도시하는 사시도이며,

도 3a는 가스 유동 비교기의 노즐 홀더의 실시예를 도시하는 확대 사시도이며,

도 3b는 도 3a의 조립된 노즐 홀더의 사시도이며,

도 4는 가스 분배기의 실시예를 도시하는 개략적인 저면도이며,

도 5는 가스 분배기의 개개의 노즐들에 대한 상대 유량들을 테스팅하기 위한 샘플링 탐침과 조절가능한 니들 밸브 노즐을 갖는 가스 유동 비교기의 셋업을 도시하는 개략적인 다이어그램이며,

도 6은 진공 챔버인 외피 내에 장착된 가스 분배기의 노즐들의 열들의 비교 유량들을 테스팅하기 위한 유동 비교기 셋업을 도시하는 개략적인 다이어그램이며,

도 7은 면판(face plate)과 차단판(blocker plate)을 포함하는 가스 분배기의 노즐들의 유량들을 테스팅하기 위한 유동 비교기DML 셋업을 도시하는 개략적인 다이어그램이며,

도 8은 절대 측정 유량계를 사용하여 두 개의 가스 분배기들의 선택된 노즐들을 통해 얻은 유동 컨덕턴스의 두 개의 바아(bar) 그래프들이며,

도 9는 가스 분배기의 상이한 노즐들을 통해 측정된 유량들에 대응하는 압력 게이지에 의해 표시된 전압 측정값들의 상대적인 차이값을 수치화한 그래프이며,

도 10은 기판 상에 증착된 실리콘 산화물 필름의 필름 두께 편차의 등고선 맵(contour map)이며,

도 11은 도 10의 증착 처리에 사용된 가스 분배기의 상이한 노즐들을 통과하는 가스 유동의 등고선 맵이며,

도 12는 각각의 챔버의 가스 분배기들을 통과한 처리 가스의 유량들을 제어하기 위한 가스 유동 비교기 셋업 및 두 개의 챔버들을 갖는 기판 처리 장치의 개략적인 다이어그램이다.

도 1a 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 유동 비교기(20)의 실시예는 차압 측정을 통해서 복수의 노즐들을 통과하는 가스의 가스 변수에서의 차이를 측정할 수 있다. 측정된 가스 변수 차이는 예를 들어, 가스의 유량 또는 압력일 수 있다. 유동 비교기(20)는 튜브(26)를 통과하는 가스의 가스 압력 또는 가스 유량을 설정하기 위해 가스 튜브(26) 상에 장착되는 가스 제어기(24)를 포함한다. 가스 튜브(26)는 가스 소오스(30)에 연결되는 입구(28) 및 가스 튜브(26)로부터 가스가 외부로 통과하는 출구(32)를 가진다. 가스 소오스(30)는 예를 들어, 가스 가압 캐니스터와 같은 가스 공급원(34) 및 가스 공급원을 이탈하는 가스의 압력을 제어하기 위한 압력 조절기(36)를 포함한다. 하나의 버전에서, 가스 소오스(30)는 약 50 내지 약 150 psia의 압력에서 예를 들어, 질소와 같은 가스를 제공하도록 설정된다.

가스 제어기(24)는 선택된 가스 유량 또는 압력에서 가스를 장치로 제공한다. 도 2를 참조하면, 가스 소오스(도시 않음)로부터의 가스 유동은 가스 커플러(31)를 통해 가스 튜브(26)로 들어간다. 가스 튜브(26) 상의 가스 밸브(33)는 튜브(26)를 통과하는 가스 유동을 설정하도록 수동으로 작동된다. 그 다음에 가스 유동은, 미국 조지아주 아틀란타 소재의 맥마스터 칼(MaMaster Carr)로부터 이용가능한 것과 같은 종래의 가스 필터일 수 있는 가스 필터(35)를 통과한다. 가스 제어기(24)는 예를 들어, 가스 유동 제어기 또는 가스 압력 조절기일 수 있다. 하나의 버전에서, 가스 제어기(24)는 질량 유동 제어기(MFC) 또는 체적 유동 제어기와 같은 유량계(38)이다. 가스 제어기(24)는 유동 제어기 기반의 질량 유량계로서 일반적으로 공지된 가스 튜브(26)를 통과하는 가스의 유량을 제어하기 위한 가스 유동 제어 피드백 루프를 포함할 수 있다. 유량계(38) 상에서 설정된 유량은 가스가 튜브 출구(32)로부터 유동하는 속도이며, 질량 유량계(38)는 가스 유량을 모니터링하며 실질적으로 일정한 가스의 유량을 달성하도록 측정된 유량에 응답하여 내측 또는 외측 밸브를 조절한다. 실질적으로 일정하다는 의미는 유량이 5% 미만까지 변동된다는 것이다. 가스 제어기(24)는 실질적으로 일정한 가스 유량, 예를 들어 정상 유량로부터 5% 미만으로 변동하는 유량을 제공한다. 적합한 유량계(38)는 일본 교토 소재의 에스티이(STE)로부터의, 모델 번호 4400인 300 sccm 질소, MFC로부터의 질량 유동 제어기(MFC)이다. 가스 제어기(24)의 다른 버전으로는 미국 메사츄세츠 앤도버 소재의 엠케이에스(MKS) 인스트루먼츠로부터의 3000 sccm 속도의 MFC와 같은 압력 제어 MFC이다. 다른 적합한 가스 제어기들(24)은 미국 캘리포니아 옐바 린다 소재의 유니트(UNIT)로부터의 MFC들을 포함할 수 있다. 또 다른 가스 제어기(24)는 미국 오하이오 클리브랜드 소재의 파커 핸니핀 코포레이션(Parker Hannifin Corporation)의 자사인 베리프로(Veriflo)로부터 이용가능한 VARIFLO^TM 압력 조절기, 또는 미국 오하이오 솔론 소재의 스와게록(Swagelok)으로부터의 압력 조절기와 같은 압력 조절기(36)이다. 압력 디스플레이(37)는 가스 유량 비교기(20)에 가해진 가스의 압력을 판독하기 위해 유량계(38) 다음에 위치된다.

일정한 유량 및/또는 압력에서의 가스는 가스를 수용하기 위해 가스 튜브(26)의 출구(32)에 연결되는 입구 포트(44)를 가지는 1차 유동 스플리터(40)에 가해진다. 유동 스플리터(40)는 수용된 가스 유동을 제 1 및 제 2 아웃풋 포트들(48a,48b)로 분할한다. 유동 스플리터(40)는 가스 유동을 두 개의 별도의 그리고 동등한 가스 유동들로 분할하거나 또는 예정된 비율에 따라 가스 유동을 분할할 수 있다. 하나의 예에서, 유동 스플리터(40)는 제 1 및 제 2 아웃풋 포트들(48a,48b) 사이로, 수용된 가스 유동을 동등하게 분할한다. 이는 입구 포트(44)에 대해 대칭으로 아웃풋 포트들(48a,48b)을 위치시킴으로써 달성된다. 하나의 버전에서, 1차 유동 스플리터(40)는 도 1b에 도시된 바와 같은 T-형상의 가스 커플러(41)를 포함한다. T-형상의 가스 커플러(41)는, 가스 튜브에 대해 기밀식 밀봉(gas-tight seal)을 형성할 수 있는 커플링 터미너스(terminus)(46a 내지 46c)를 갖는 T-형상의 튜브의 각각의 레그(43a 내지 43c)를 갖는 T-형상의 중공형 튜브(42)를 포함한다. 적합한 T-형상의 커플러는 미국 오하이오 솔론 소재의 스와게록의 자사인 캐언 파이프 피팅스(Cajon Pipe Fittings)로부터 이용가능한 VCR 커플링을 갖는 1/4" 또는 1/2" 직경의 T-피팅(fitting)이다.

제 1 및 제 2 유동 제한기들(50,52)은 각각 제 1 및 제 2 아웃풋 포트들(48a,48b)에 각각 연결된다. 각각의 유동 제한기(50,52)는 유동 제한기 전반에 압력 강하를 제공한다. 두 개의 유동 제한기들(50,52)의 각각에 의해 제공되는 압력 강하는 통상적으로 동일한 압력 강하이나, 이들은 또한 상이한 압력 강하들일 수 있다. 하나의 버전에서, 제 1 유동 제한기(50)는 제한기 출구(54)를 가지며, 제 2 유동 제한기(52)는 제한기 출구(56)를 가진다. 도 1c에 도시된 바와 같은 유동 제한기(50)의 실시예의 단면은, 각각 터미너스(51a,51b) 내에 각각 있는 제한기 입구(55)와 제한기 출구(54)를 갖는 중공형 튜브(53)를 포함한다. 터미너스(51a,51b)는 기밀식 밀봉을 상부에 놓인 가스 튜브(53)에 제공하도록 형상화된다. 유동 제한기(50)는 튜브(53)의 중심부에 위치되는 예정된 치수를 갖는 애퍼처(aperture; 59)를 갖는 배플(baffle; 58)을 더 포함한다. 배플(58) 대신에, 튜브(53)는 또한, 바람직한 유동 제한을 제공하기 위해 수축된 영역(도시 않음)에서 더 큰 직경으로부터 더 좁은 직경으로 좁아질 수 있다. 또 다른 버전에서, 유동 제한기(50)는 노즐을 포함할 수 있다. 적합한 유동 제한기들(50,52)은 미국 메사츄세츠 왈탐 소재의 버드 프리시젼(BIRD Precision)으로부터 이용가능한 루비 프리시젼 오리피스들을 포함한다.

한 쌍의 2차 유동 스플리터들(60,62)이 유동 제한기들(50,52)의 제한기 출구들(54,56)에 연결된다. 제 1의 2차 유동 스플리터(60)는 입구 포트(63) 및 한 쌍의 제 1 아웃풋 포트들(64a,64b)을 포함하며, 제 2의 2차 유동 스플리터(62)는 또한 입구 포트(66)와 한 쌍의 제 2 아웃풋 포트들(68a,68b)을 가진다. 2차 유동 스플리터들(60,62)도 전술한 T-형상의 가스 커플러들(41)을 포함할 수 있다.

차압 게이지(70)가 2차 유동 스플리터들(60,62)의 아웃풋 포트들(64a,68a)을 가로질러 연결된다. 하나의 버전에서, 차압 게이지(70)는 적어도 1 Torr, 또는 심지어 적어도 5 Torr, 또는 심지어 50 Torr의 압력 범위를 측정하는데 적합하다. 차압 게이지(70)의 정확도는 유동 비교기(20)를 통과하는 가스의 압력 또는 유량에 의존한다. 예를 들어, 50 Torr의 압력 범위 측정 능력을 갖는 차압 게이지(70)가 적어도 약 ± 0.15 Torr의 정확도를 갖는 반면에, 1 Torr의 압력 범위를 측정할 수 있는 차압 게이지(70)는 0.005 Torr의 정확도를 가진다. 적합한 차압 게이지(70)는 전술한 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드로부터 이용가능한 MKS 223B 차압 변환기이다. 차압 게이지(70)는 측정된 차압에 대응하는 포지티브 또는 네거티브 전압을 생성하는 순방향 또는 역방향으로의 다이어프램(diaphragm) 변위에 의해 작동한다.

제 1 및 제 2 노즐 홀더들(80,82)은 2차 유동 스플리터들(60,62)의 한 쌍의 제 2 아웃풋 포트들(64b,68b)에 연결된다. 노즐 홀더들(80,82)은 노즐들을 통한 유량들의 비교 측정들을 위해 가스를 노즐들(106,102)에 공급하도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 노즐 홀더들(80,82)은 제 1 기준 노즐(106), 및 기준 노즐에 대한 그 자신의 유량에 대해 테스트되는 제 2 테스트 노즐(102)에 연결될 수 있거나; 또는 두 개의 노즐들(106,102)을 통한 상대 유량들은 서로 비교될 수 있다.

두 개의 노즐들(106,102)을 통한 가스의 유량을 비교하기 위해, 노즐들(106,102)은 노즐 홀더들(80,82)에 부착된다. 노즐 홀더(82) 내에 노즐(102)의 설치를 확대하여 보여주는 도면이 도 3a에 도시되어 있다. 노즐(102)은 폴리머 인서트(121)의 오목 컵(104)의 내측으로 슬라이딩하여 노즐(102)의 각진 숄더(107)가 폴리머 인서트(121)의 각진 내측면(109)과 접촉하게 한다. 테플론 와셔(108)가 밀봉 가스킷을 형성하도록 노즐(102)의 배면 단부(110) 상에 설치된다. 그 다음에, 노즐(102)을 갖는 인서트(121)의 조립체가 링 너트(112)의 매칭 공동(111)의 내측에 삽입된다. 그 다음에, 이러한 조립체는 기저부 커플러(116) 상에 나사 결합되어 양호한 밀봉을 형성하도록 손으로 조여진다. 도 3b에 도시된 바와 같이 연장되어 나가는 노즐(102)을 갖는 조립된 노즐 홀더(82)가 유동 비교기(20)의 가스 커플러 또는 튜브에 스냅 결합된다. 노즐(102)을 다른 테스트 노즐로 대체할 때, 노즐 홀더(82)의 컴포넌트들은 이소프로필 알콜로 세척(wipe cleaned)되어야 한다.

작동 시에, 가스 공급원(34)과 가스 제어기(24)가 일정한 유량의 가스 또는 일정한 압력의 가스를 유동 비교기(20)의 가스 튜브(26)의 입구(28)에 제공하는데 사용된다. 하나의 버전에서, 압력 조절기(36)가 16 mils의 직경을 갖는 노즐에 대해 일정한 압력, 예를 들어 약 10 내지 약 150 psig, 또는 심지어 40 psig에서 가스를 제공하도록 설정되며, 유량계(38)는 약 100 내지 약 3000 sccm, 다른 버전에서 300 sccm의 유량을 제공하도록 설정된다. 그러나, 설정된 가스 유량 또는 가스 압력은 다수의 노즐들(102), 예를 들어 천 개의 노즐들을 갖는 가스 분배기의 노즐들(102)의 사분원(quadrant)이 측정될 때 훨씬 더 크며, 여기서 유량은 약 80 slm 내지 약 140 slm, 또는 심지어 약 100 slm 내지 약 120 slm 범위의 레벨로 설정될 수 있다.

차압 게이지(70)는 각각의 테스트 세션의 초기에 0으로 설정된다. 일정한 유량 또는 일정한 압력 가스 공급원이 제 1 및 제 2 유동 제한기들(50,52)을 갖는 별도의 제 1 및 제 2 유동 채널들(120,122)을 통과하도록 가스를 지향시키는 1차 유동 스플리터(40)에 제공된다. 유동 제한기들(50,52)의 출구들(54,56)을 빠져나온 후에, 가스는 적어도 하나가 테스트될 제 1 및 제 2 노즐들(106,102)을 통과한다. 노즐들(106,102)을 통과하는 가스의 유량, 또는 노즐들(106,102) 전반의 압력 강하에 있어서의 어떠한 차이는 노즐들(106,102)을 통한 가스의 유량에서의 편차에 비례하는 차압을 차압 게이지(70)가 등록하게 한다. 노즐 성능을 측정하는 종래의 방법들은 중량 유량계를 사용하여 노즐을 통과하는 유동을 직접적으로 측정하고, 그러한 유동 측정 정확도는 노즐을 통한 전체 유동의 측정 정확도에 의해 제한된다. 대조적으로, 유동 비교기(20)는 노즐(106,102)을 통한 정상 유량의 약 ± 1.5% 이내의 유동 편차들의 측정을 허용한다. 노즐 유량은 업스트림 압력 및 두 개의 노즐들(106,102) 사이의 차압을 통한 노즐 저항의 백분률 변화로서 측정된다. 저항의 차이를 측정함으로써, 유동 비교기(20)는 종래의 유동 테스팅 디바이스들보다 적어도 10 배 정도의 양호한 유동 측정 정확도를 생성할 수 있다.

유동 비교기(20)의 작동은 도 1d에 도시된 바와 같은 휘트스톤 브리지(94) 전기 회로를 참조하여 설명될 수 있다. 휘트스톤 브리지(94)는, 두 개의 레그들 중 하나의 레그가 전압 소오스(93)에 의해 전력을 공급받는 미공지의 저항기를 포함하는 브리지 회로의 두 개의 레그들을 밸런싱함으로써 미공지 저항기의 미공지 전기 저항을 측정하는데 사용된다. 휘트스톤 브리지(94)에 있어서, R_X는 미공지 저항기를 나타내며; R₁, R₂ 및 R₃은 공지된 저항의 저항기들을 나타내며; R₂의 저항은 조절될 수 있다. 제 1 레그(95) 내의 두 개의 공지된 저항기들(R₂/R₁)의 비율이 제 2 레그(96) 내의 두 개의 미공지 저항기들(R_X/R₃)의 비율과 동등하다면, 두 개의 중간점들(97,98) 사이의 전압은 0이 될 것이며, 어떠한 전류도 중간점들(97,98) 사이에서 흐르지 않게 될 것이다. R₂는 이러한 조건이 도달될 때까지 변화된다. 전류 방향은 R₂가 너무 높거나 너무 낮은지를 표시한다. 제로 전류의 검출이 극히 높은 정확도로 수행될 수 있다. 따라서, R₁, R₂ 및 R₃가 높은 정밀도 값으로 공지되면, R_X는 R_X의 미소한 변화들이 밸런스를 깨뜨리고 용이하게 검출될 때와 동일한 정밀도로 측정될 수 있다. 검류계(99:R_g)를 통한 전류가 제로와 동등함을 의미하는, 휘트스톤 브리지(94)가 밸런스를 이룰 때, 소오스 전압 터미널들(101,103) 사이의 회로의 등가 저항(R_E)은 다음과 같이 R₃ + R₄과 병렬인 R₁ + R₂에 의해 결정된다:

R_E = {(R₁ + R₂)ㆍ(R₃ + R_X)}/{R₁ + R₂ + R₃ + R₄}

대안적으로, R₁ , R₂, 및 R₃가 공지되었으나 R₂가 조절되지 않으면, 검류계(99)를 통한 전압 또는 전류 흐름은 [키르히호프의 법칙(Kirchhoff"s rules)으로도 공지된] 키르히호프의 회로 법칙들을 사용하여 R_X의 값을 계산하는데 사용될 수 있다.

도 1a 및 도 2에 도시된 유동 비교기(20)에서, 유동 제한기들(50,52)과 노즐들(106,102)은 도 1d의 휘트스톤 브리지(94)의 미공지 저항기, 조절 가능한 저항기, 및 고정 저항기들을 나타내거나 이와 동등하다. 유동 비교기(20)에 대해서, 유동 제한기들(50,52)은 고정 유동 저항들(R₁ 및 R₂)을 각각 나타내며, 이는 값이 동등하여 R₁ = R₂ = R_u로 표시된다. 또한, 노즐들(106,102)은 각각, 유동 저항들(R₃,R₄)을 나타내며, 이는 또한 값이 동등해야 하므로 R₃ = R₄ = R_d = kR_u 로 표시되며, 여기서 k > 1이다. 그러나, R₄가 R₃로부터 △R만큼 변화되면, 차압은 다음과 같이 주어진다:

△P = Q {△R/[2(1 + k ) + △R/R_u]}

위의 식이 선형화될 때, △Pα△R, 그리고 따라서 유동 비교기(20)에 의해 측정된 차압은 두 개의 노즐들(106,102)의 유동 저항에 비례한다.

하나의 버전에서, 교정 노즐들의 키트는 또한, 유동 비교기(20)가 적절한 작동 순서에 있는지를 확인하는데 사용될 수 있다. 이러한 키트는 상이한 유형들의 노즐들(106,102) 또는 동일한 유형의, 즉 동일한 오리피스 치수들을 갖는 다수의 노즐들을 가질 수 있다. 예를 들어, 노즐들의 키트는 0.0005 인치의 증분들을 갖는 약 0.0135 내지 약 0.0210 인치의 크기의 개구를 갖는 노즐들을 포함할 수 있다. 교정 노즐들의 키트는 또한, 제어된 오리피스 크기를 가지는 일본, 교세라로부터의 세라믹 노즐들일 수 있다. 상기 키트는 테스트 노즐들의 실제 유량을 결정하기 위해 테스트될 노즐들을 교정하는데 유용하다.

다른 버전에서, 유동 비교기(20)는 기판 처리 챔버들로 처리 가스를 분배하는데 사용되는 가스 분배기(126)의 노즐들(102)에 연결되도록 구성된다. 그 하나의 버전이 도 4에 도시되어 있는 가스 분배기(126)는 복수의 이격된 노즐들(102)을 포함하며, 예를 들어 노즐들(102)은 약 100 내지 약 10,000개, 또는 심지어 약 1000 내지 약 6000개일 수 있다. 도 5는 가스 분배기(126)의 개개의 노즐들(102)의 유량들을 테스팅하는데 적합한 셋업을 도시한다. 이러한 셋업에서, 노즐 홀더(80)는 가스 분배기(126)의 각각의 개별 노즐(102)의 유량을 샘플링하는데 사용되는 샘플링 탐침(130)을 포함한다. 한 유형의 샘플링 작동에서, 샘플링 탐침(130)이 기준 노즐(106)에 대한 개별 노즐의 상대 유량을 측정하기 위해 특정 노즐(102) 위에 위치된다. 노즐 홀더(82)는 도 5에 도시된 바와 같이, 고정 치수의 노즐 또는 조절 가능한 니들 밸브(132)로 치수가 조절되는 개구를 갖는 조절 가능한 노즐일 수 있는 기준 노즐(106)에 연결된다. 후자의 경우에, 니들 밸브(132)는 가스 분배기(126) 상의 단일 선택 노즐(102)의 측정된 컨덕턴스와 매칭되도록 설정되며, 그 다음에 탐침(130)은 각각의 노즐을 통한 유량을 체크하도록 노즐에서 노즐로 이동된다. 이러한 방법은 가스 분배기(126)의 노즐들(102)을 통한 가스 유량들의 균일화를 확인할 수 있게 한다. 이러한 셋업에서, 가스 제어기(24)는 1000 sccm의 질소 가스 유량을 제공하도록 설정되었던 질량 유동 제어기를 포함하는 유량계(38)를 포함한다. 가스 유동 채널들(120,122) 내의 유동 제한기들(50,52)은 각각, 약 0.35 mm(0.014 인치)의 오리피스 직경들을 갖는 노즐들이었다. 차압 게이지(70)는 1 Torr의 차압 측정 범위를 가진다.

하나의 버전에서, 샘플링 탐침(130)은 제 1 직경을 가지는 제 1 튜브(129)를 포함하며 제 1 직경보다 작은 제 2 직경을 가지는 제 2 튜브(131)에 연결된다. 예를 들어, 제 1 튜브(129)는 약 6.4 mm(0.25 인치)의 제 1 직경을 가질 수 있으며, 3.2 mm(0.125 인치)의 보다 작은 제 2 직경을 가지는 제 2 튜브(131)를 수용한다. 튜브들(129,131)은 플라스틱 튜브들일 수 있다. O-링 밀봉(134)이 밀봉을 형성하도록 샘플링 탐침(130)의 제 2 튜브(131)의 개구 주위에 장착되며, O-링 밀봉(134)은 예를 들어, 약 3.2 mm(0.125 인치)의 직경을 갖는 내부 구멍과 약 6.4 mm(0.125 인치) 또는 그보다 큰 외측 크기를 가지는 실리콘 고무 링일 수 있다. 하나의 버전에서, 실리콘 고무 링은 약 20의 듀로미터 경도 측정치를 가진다. 실리콘 고무 링은 예를 들어, 미국 조지아 아틀란타 소재의 맥마스터-칼로부터 이용 가능한 20 듀로미터의 슈퍼-소프트 실리콘 고무일 수 있다. 다른 버전에서, 샘플링 탐침(130)은 평탄 표면에 대해 기밀식 밀봉을 형성하는데 적합하며 내부에 홈을 갖는 평탄 단부와 홈 내에 O-링 가스킷을 가지는 VCO 피팅을 포함한다. 적합한 O-링은 약 3.2 mm(0.125 인치)의 직경을 가질 수 있다. 유동 비교기(20)로 공급되는 가스는 질소일 수 있다.

또 다른 측정 방법에서, 기판 처리 장치(140)의 진공 챔버 또는 처리 챔버일 수 있는, 도 6에 도시된 바와 같은 외피(138) 내에 장착되는 단일 가스 분배기(126)의 둘 또는 그 초과의 노즐들(102)의 열들(128a,128b)의 상대적인 가스 유동 컨덕턴스를 측정하는데 유동 비교기(20)가 사용된다. 이러한 셋업에서, 노즐 홀더(80)는, 가스 분배기(126)의 다른 나머지 구멍들에 대한 밀봉을 해제하는 동안에, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같은 가스 분배기(126)의 노즐들(102)의 선택된 열(128a,128b) 또는 단일 노즐(102)을 통해 가스를 통과시키도록 구성된다. 외피(138)는 예를 들어, 전술한 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드로부터의 바라트론(BARATRON) 압력 게이지이고 100 Torr까지의 압력들을 측정할 수 있고 다이어프램을 가지는, 챔버 내의 압력을 측정하기 위한 압력 게이지(142)를 가진다. 외피(138)는 또한, 기계 변위식 진공 펌프, 예를 들어, 영국의 에드워즈 비오씨 컴파니로부터의 QDP-80과 같은 진공 펌프(144)를 갖는다. 노즐 홀더들(80,82)은 두 개의 사분원들 주위에 기밀식 밀봉을 형성함으로써 가스 분배기(126)의 노즐들(102)의 사분원을 포함하는 2개의 열들(128a,128b)의 상대적인 컨덕턴스를 측정하도록 구성된다. 단지 개방 노즐들(102)만을 통한 오직 가스 유량들만의 측정을 가능하게 하도록 측정되지 않는 가스 분배기(126)의 다른 노즐들(102)의 밀봉을 해제하는데 지그(jig)(도시되지 않음)가 또한 사용될 수 있다. 지그는 단순히 노즐들(102)을 덮기 위한 밀봉 디바이스이다. 가스 분배기(126) 내의 노즐들(102)의 개개의 열들(128a,128b)을 통한 평균 유량을 측정함으로써, 상이한 사분원들 또는 영역들을 통한 유량이 비교될 수 있다. 이는 노즐들(102)의 다른 제조 또는 불량한 기계가공으로부터 유발되는 노즐들(102)의 불균일한 열들(128a,128b)을 갖는 가스 분배기(126)들을 불량 처리하기 위한 불량 테스트로서 사용될 수 있다.

유동 비교기(20)와 함께 사용될 수 있는 다른 측정 방법은 도 7에 도시된 바와 같이 청정실 환경으로 배기되며, 각각 다수의 노즐들(106,102)을 갖는 차단판(135a,135b)과 대면하는, 인풋 가스 매니폴드(154a,154b)을 포함하는 면판(109a,109b)을 각각 포함하는 두 개의 가스 분배기들(126a,126b)의 노즐들의 가스 유동 컨덕턴스 비율들을 측정하는 것을 포함한다. 별도로 장착된 판들(126a,126b)의 노즐들(106,102)(또는 도 6에 도시된 바와 같은 가스 분배기(126)의 노즐들(102))을 통한 전체 유동과 유동의 균일도는 동일해야 하며, 그렇지 않으면 상기 판(들)을 사용하는 기판의 처리 중에 불균일한 처리가 발생한다. 두 개의 가스 분배기들(126a,126b)을 통한 전체 유량들을 비교하는데 적합한 셋업은 각각의 노즐 홀더(80,82)가 두 개의 가스 분배기들(126a,126b)(도 6)의 노즐(102)(도 5) 또는 노즐들(102)의 열(128a,128b)에 연결되도록 유동 비교기(20)를 장착하는 것을 포함한다. 유동 비교기(20)는 가스 분배기들(126a,126b)의 두 개의 면판들(109a,109b)의 배면 구멍들(105a,105b) 사이의 차압과 가스 소오스(30)로부터의 업스트림 또는 인풋 가스 압력을 측정함으로써 유동 저항 또는 컨덕턴스의 백분률 차이값을 측정한다. 유동 저항의 차이값을 측정함으로써, 유동 비교기(20)는 트윈 챔버들(138a,138b)에 대한 가스 분배기들(126a,126b)의 매칭을 개선하는데 사용될 수 있는 정확한 유량과 유동 균일도에 대한 데이터를 획득하는데 사용될 수 있다.

두 개의 가스 분배기들(126a,126b)을 통한 전체 유량들을 비교하는데 적합한 셋업은, 각각의 노즐 홀더(80,82)가 별도의 가스 분배기(126a,126b)를 공급하는 각각의 챔버(138a,138b)의 인풋 가스 매니폴드(154a,154b)에 연결되도록 장착되는 유동 비교기(20)를 포함한다. 이러한 셋업에서, 유동 비교기(20)는 두 개의 매니폴드들(144a,144b) 사이의 차압과 가스 소오스(30)로부터의 업스트림 또는 인풋 가스 압력을 측정함으로써 유동 저항 또는 컨덕턴스의 백분률 차이값을 측정한다. 저항의 차이값을 측정함으로써, 이러한 유동 비교기(20)는 트윈 챔버들(138a,138b)에서 가스 분배기들(126a,126b)의 매칭을 개선하는데 사용될 수 있는 정확한 유량과 유동 균일도에 대한 데이터를 획득하는데 사용될 수 있다.

종래의 유동 측정 장치를 사용하여 측정한 바와 같이, 가스 분배기(126) 또는 상이한 가스 분배기들(126a,126b)의 상이한 노즐들(102) 사이에서 발생될 수 있는 절대 유량들에서의 편차가 도 8에 도시되어 있다. 두 개의 상이한 가스 분배기들(126a,126b)의 선택된 노즐들(102)을 통해 획득된 유동 컨덕턴스 비율들이 그래프 상에 제공된다. 제 1 가스 분배기(126a)는 0.6 mm(0.024 인치) 크기의 노즐들(102)을 가지며, 제 2 가스 분배기(126b)는 0.7 mm(0.028 인치) 크기의 노즐들을 가진다. 노즐들을 통한 유량들은 제 1 가스 분배기(126a)에서 120으로부터 125 sccm으로, 그리고 제 2 가스 분배기(126b)에서 156으로부터 167 sccm으로 아주 상이하게 변화되었지만, 두 개의 가스 분배기들(126a,126b)에서의 선택된 노즐들(102)의 1% 보다 적은 값으로 차단(close off)되었던 경우에, 가스 분배기들(126a,126b)은 밸런싱된 유량들을 제공한다. 가스 분배기들(126a,126b)의 사분원들을 포함하는 노즐들의 두 개의 동등한 열들(128)의 비교는 또한 사분원들 사이의 유량들에 있어서 1% 보다도 더 가까운 일치를 초래했다. 그러나, 상이한 노즐들(102)을 통한 상이한 유량들은 기판 상에 상당히 상이한 증착 또는 에칭 비율들을 생성할 수 있다. 따라서, 이는 가스 분배기(126)의 개개의 노즐들(102)의 유동 측정들이 측정을 위해 중요하며 상당히 변동할 수 있다는 것을 입증한다. 이러한 예에서, 유동 측정 디바이스는 미국 아리조나 템페 소재의 디에이치 인스트루먼츠로부터의 MOLBLOC이었다.

차압 게이지(70)에 의해 측정된 전압들에 있어서, 가스 분배기(126)의 개개의 노즐들(102)을 통한 샘플링된 유량들의 상대적인 차이값의 편차에 대한 그래프가 도 9에 도시되어 있다. 이러한 그래프에서, +0.43 V를 갖는 가스 분배기(126)의 상이한 노즐들은 노즐을 통한 261 sccm의 유량에 상당하며, -0.80 V는 267 sccm에 상당하다. 상이한 유량들의 범위는, 기판(160) 상에 처리되는 재료의 두께 또는 다른 표면 특성들에 대한 처리 균일도 맵들과 상관관계가 있을 수 있는 유동 등고선 맵을 산출하기 위해 선택된 노즐들(102)에 대해 측정되었다. 유량계를 사용하여 절대 유동 측정들에 대치되는 차압 측정들을 수행함으로써, 유량 측정들에 있어서 훨씬 더 높은 정확도들이 달성되었다. 하나의 예에서, 차단기들을 갖는 가스 분배기들(126)을 통한 N₂의 140 slm의 유동은, 차압 게이지(70)의 분해능(resolution)이 1 mV였을 때 차단된 구멍 당 8 mV 이동(shift)들을 초래했다. 심지어 유동 변동들(fluctuations) 시에도, 이는 가스 분배기(126) 내에 천 개보다 많은 수의 노즐들로 커버될 단일 구멍을 검출할 수 있는 능력을 제공한다. 통상적인 질량 유량계는 단지 약 0.5%의 정확도를 갖는 절대 유동 측정들을 제공하지만; 본 발명의 방법은 기준 노즐(102)에 비교하여 0.1% 보다 더 양호한 유동 정확도들을 용이하게 달성했다.

처리 챔버 내의 실란 가스를 사용하여 기판(160)상에 증착된 실리콘 산화물 필름의 두께가 측정되었으며, 도 10의 등고선 맵에 도시되었다. 필름 두께는 약 52Å 범위까지 걸쳐서 폭넓게 변화되었으며, 평균 291 Å이고 약 266 내지 약 318 Å 범위였다. 또한, 증착 두께는 챔버 내에서 가스 분배기(126)의 회전과 함께 변화됨을 알아냈다. 그 다음에 유동 비교기(20)는 도 11에 도시된 바와 같이, 기판(160)의 처리에 사용되는 가스 분배기(126)의 유동 균일도 등고선 맵을 측정하는데 사용되었다. 유동 등고선 맵은 기판 두께 증착 맵과 상관관계가 있으며, 양자의 맵들은 낙수(waterfall) 패턴들의 매칭을 나타내며, 가스 분배기로부터의 보다 높은 유동들은 대응해서 보다 높은 증착 두께들을 제공함을 나타낸다. 이러한 예에서, 작은 노즐 구멍들을 생성하는데 사용되는 천공 방법들에서의 변화들, 즉 다수의 구멍들의 천공 후에 점차적으로 벗겨져 나가는 단일 천공 비트(drill bit) 또는 천공 과정 중에 판의 180도 회전하는 다수의 천공 비트들의 사용으로 가스 분배기(126) 전반에 상이한 직경들을 갖는 노즐들(102)을 발생시킨다는 것이 결정되었다.

다른 측정 셋업에서, 자동식 유동 균일도 맵핑 고정구(mapping fixture)가, 가스 분배기(126)의 상이한 노즐들(102)의 유동 균일도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정구는 유동 비교기 및 각각의 노즐(102)을 테스트하기 위해 상이한 노즐들로 가스 분배기(126) 전반에 걸쳐 샘플 탐침(130)을 이동시키기 위한 X-Y-Z 이동 스테이지를 포함할 수 있다. 이러한 테스트 고정구는 각각의 새로운 가스 분배기(126)에 대한 완전한 유동 등고선 맵의 측정을 허용한다.

기판 처리 장치(140)는 또한, 복수의 기판 처리 챔버들(138a,138b) 내측으로 처리 가스를 도입하는 노즐들(102)을 통한 복수의 가스 유량들을 제어하는 가스 제어기(24)를 포함할 수 있다. 하나의 버전에서, 가스 제어기(24)는 유동 비교기(20)를 포함하며, 챔버들(138a,138b)로의 처리 가스의 유량들을 자동으로 조절하는데 사용된다. 처리 가스는 미국 캘리포니아 어빈 소재의 아스트론에 의해 제조되는 RPS 소오스와 같은 원격 플라즈마 소오스로 활성화될 수 있다. 각각의 챔버(138a,138b)는 처리 가스를 차례로 가스 분배기(126a,126b)로 공급하는 가스 매니폴드(154a,154b)로 처리 가스를 공급하는 인풋 가스 라인(150a,150b)을 포함한다. 작동시, 유동 비교기(20)의 노즐 홀더들(80,82) ― 상기 노즐 홀더들(80,82)은 챔버들(138a,138b) 내에 가스 분배기들(126a,126b)을 공급하는 인풋 가스 라인들(150a,150b)에 연결됨 ― 그리고 제 1 및 제 2 유동 제한기들(50,52)을 통한 처리 가스의 통행은 유동 비교기(20)의 차압 게이지(70)가 노즐들(102)을 통한 가스의 유량에서의 편차에 비례하는 차압을 등록하게 한다.

작동시, 차압 신호가 차압 게이지(70)로부터 제어기(148)로 송신되며, 이 신호에 응답하여, 제어기(148)는 폐루프 제어 시스템을 형성하도록 기판 처리 챔버(138a,138b)의 인풋 가스 라인(150a,150b)에 연결되는 유동 조절 밸브(158a,158b)를 조절한다. 유동 조절 밸브들(158a,158b)은, 일 단부에서 2차 유동 스플리터(60,62)의 아웃풋 포트(64b,68b)에 각각 연결되며, 또 다른 단부에서 가스 분배기(126a,126b)를 챔버 내에 공급하는 챔버(138a,138b)의 인풋 가스 라인(150a,150b)에 각각 연결된다. 유동 조절 밸브들(158a,158b)은 제어기(148)로부터 수신되는 유동 제어 신호에 응답하여 인풋 가스 라인들(150a,150b)을 통과하는 처리 가스의 유동을 제어한다. 도시된 버전에서, 차압 게이지(70)는 유동 조절 밸브들(158a,158b) 앞에 위치된다. 게이지(70)가 고 유동 임피던스를 가지므로, 게이지(70)는 상기 밸브들(158a,158b) 및 가스 라인들(150a,150b)을 통해 통과하는 처리 가스의 유량들에 최소 영향을 끼친다. 따라서, 차압 게이지는 또한 가스 공급 채널들을 따라 다른 위치들에 놓일 수 있다.

챔버들(138a,138b)은 또한, 가스 분배기들(126a,126b)을 통한 차등 유동을 테스트하기 위한 진공 테스트 고정구들로서의 역할을 하는 외피들(133)로서 사용될 수 있다. 차압 게이지는 처리 가스를 각각의 챔버(138a,138b)에 공급하는 인풋 튜브들에 가해지는 가스의 차압을 측정한다.

하나의 버전에서, 유동 조절 밸브들(158a,158b)은 차압 게이지(70)로부터의 차압 신호에 응답하여 유동 조절의 자동화를 허용하도록 기계 가공된다. 예를 들어, 밸브들(158a,158b)은 전기 작동 또는 수동 작동될 수 있다. 일 실시예에서, 두 개의 밸브들(158a,158b)은 차압 게이지(70)로부터 측정된 0 Torr의 차압에 대응하는 신호에 소정의 설정점이 도달할 때까지 조절된다. 유사하게, 소정의 설정점이 -2 Torr인 경우, 예를 들면, 동등하지 않은 유량들이 각각의 가스 분배기(126a,126b)에 대해 요구될 때, 밸브들(158a,158b)은 그에 따라 조절될 수 있다. 이는 차압이 처리 레시피(recipe)에 설정될 수 있게 하며 장치(140)의 작동 중에 자동으로 수행될 수 있게 한다. 실제로, 제로 차압은 최상의 결과들을 제공하지 않을 수 있지만, 두 개의 가스 라인들(150a,150b) 사이에서 균일하게 분할된 유동을 유도할 것이다. 유리하게, 전체 유량들의 단지 약 1%의 유동 차이들의 분해능을 제공할 수 있는 종래의 유동 제어계(control meter)들과 대조적으로, 0.1 mtorr 정도로 작은 차등 배압 차이값들이 전체 유량들의 0.1%, 또는 심지어 유량들의 0.01%로 하락하는 유동 차이들을 분해하는데 사용될 수 있으며, 이는 10배 더 양호한 유동 분해능을 나타낸다.

장치(140)는 예를 들어, 미국 캘리포니아 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티리얼즈로부터의 트윈 챔버들(138a,138b)을 갖는 Producer^TM일 수 있다. 한 쌍의 처리 챔버들(138a,138b)은 상하로(one above the other) 배열되며, 각각의 챔버는 하나 또는 그 초과의 기판들(160)을 처리하는 능력을 제공한다. 챔버들(138a,138b)은, 많은 가능한 사용들 중의 하나의 예로서, 실리콘 웨이퍼들을 포함하는 기판들(160) 상에 실란 가스를 사용하여 실리콘 산화물 필름들을 증착하기 위해 사용될 수 있고, 상기 웨이퍼들은 300 mm의 치수들을 갖는다. 일 실시예에서, 챔버들(138a,138b)은 동일한 반도체 처리 작동들 또는 동일한 처리 작동들의 세트들을 수행하기 위한 동일한 컴포넌트들을 포함한다. 동일하게 구성되는 것은 절연 재료 또는 전도성 재료가 각각의 개개의 챔버(138a,138b) 내에 배열되는 웨이퍼 상에 증착되는 동일한 화학 기상 증착 작동들을 챔버(138a,138b)들이 동시에 수행하도록 허용한다. 다른 실시예들에서, 동일한 반도체 처리 챔버들(138a,138b)은, 일반적으로, 웨이퍼의 표면 상의 포토레지스트 또는 다른 유형의 마스킹 층 내의 개구들을 통해서 실리콘 웨이퍼들과 같은 기판들(160)을 에칭하는데 사용된다. 물론, 플라즈마 기상 증착, 에피택셜 층 증착, 또는 심지어 파스(pas) 에칭, 에칭 백 또는 스페이서 에칭 처리들과 같은 에칭 처리들과도 같은 임의의 적합한 반도체 작동이 챔버들(138a,138b) 내에서 동시에 수행될 수 있다. 설명될 바와 같이, 그러한 작동의 선택은 본 명세서에 설명된 시스템의 컨텍스트 내에서 임의적일 수 있다.

실리콘 웨이퍼들 또는 다른 유형의 반도체 웨이퍼들과 같은 기판들(160a,160b)은 기판 지지대(162a,162b) 상에 놓이도록 각각의 챔버(138a,138b)로 이송된다. 각각의 기판 지지대(162a,162b)는 기판(160a,160b)을 가열하기 위한 히터를 포함하는 온도 제어기(164a,164b)를 포함할 수 있다. 챔버들(138a,138b)을 통한 가스 유동들의 동등화는 단독으로, 반드시 필름 증착 속도들을 동등하게 하거나 챔버들(138a,138b) 내에서 동일한 처리 결과들을 생성하지는 않는다. 예를 들어, 가스 분배기들(126a,126b)과 기판들(160a,160b) 사이의 간격 및 온도 차들과 같은 다른 요인들로 인해 필름 두께에서 여전히 편차들이 존재할 수 있다. 웨이퍼 온도는 온도 제어기(164a,164b)를 사용하여 기판 지지대들(162a,162b)의 온도를 변화시킴으로써 조절된다. 간격은 기판 지지대(162a,162b)에 연결되는 간격 제어기(163a,163b)를 사용하여 조절된다.

챔버들(138a,138b)은 각각, 진공 펌프(170)로 이어지는 공통의 배기 라인(168)을 형성하도록 결합되는 별도의 배기 라인들(166a,166b)에 연결되는 배기 포트들(165a,165b)을 가진다. 작동시, 챔버들(138a,138b)은 예를 들어 러핑 펌프, 터보분자 펌프, 및 챔버들(138a,138b) 내에 소정을 압력을 제공하기 위한 다른 펌프들의 조합의 진공 펌프와 같은 펌프를 사용하여 낮은 압력으로 펌핑 다운된다. 다운스트림 스로틀 밸브들은 챔버들(138a,138b) 내의 가스 압력을 제어하도록 배기 라인들(166a,166b) 내에 제공된다.

플라즈마 강화 처리들에 사용될 때, 챔버들(138a,138b)은 또한, 가스 활성화기들(energizers)(180a,180b)을 가질 수 있다. 가스 활성화기들(180a,180b)은 챔버들(138a,138b) 내의 전극들, 챔버들 외측의 유도 코일, 또는 마이크로웨이브 또는 RF 소오스와 같은 원격 플라즈마 소오스일 수 있다. 가스 활성화기들(180a,180b)은 챔버들(138a,138b) 내에 플라즈마 또는 활성화된 가스 종들을 생성하고 유지하도록 가해지는 전력 레벨을 설정하는데 사용된다.

본 발명의 다수의 실시예들에 대한 전술한 설명은 본 발명에 대한 이해의 목적들로 제공되었다. 이들 설명은 본 발명을 전술한 정확한 형태들대로 한정하거나 총망라하도록 의도되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 3개 또는 그 초과의 챔버들을 매칭시키도록 사용될 수 있다. 또한, 다중 챔버 시스템 내의 하나 또는 그 초과의 챔버들은 하나보다 많은 수의 웨이퍼를 동시에 처리하도록 구성될 수 있다. 따라서, 다수의 변형들 및 변경들이 전술한 교시들의 관점에서 가능하다.

Claims (27)

1. 가스 유동 비교기를 포함하는 가스 유동 제어기로서,

   상기 가스 유동 비교기는,

   (a) 가스 튜브 상에 장착되며, 상기 가스 튜브를 통과하는 가스의 유량 또는 압력을 제어하기 위한 가스 제어 피드백 루프를 포함하는, 가스 제어기;

   (b) 상기 가스 튜브로부터의 가스를 수용하기 위한 입구 포트 및 한 쌍의 아웃풋 포트를 포함하는 1차 유동 스플리터;

   (c) 상기 1차 유동 스플리터의 아웃풋 포트에 각각 연결되며, 제한기 출구를 각각 가지는, 한 쌍의 유동 제한기;

   (d) 상기 유동 제한기의 제한기 출구에 각각 연결되며, 제 1 아웃풋 포트 및 제 2 아웃풋 포트의 쌍들을 각각 포함하는, 한 쌍의 2차 유동 스플리터;

   (e) 상기 2차 유동 스플리터의 두 개의 제 1 아웃풋 포트들에 연결되는 차압 게이지; 및

   (f) 상기 2차 유동 스플리터의 제 2 아웃풋 포트에 각각 연결되는 한 쌍의 노즐 홀더;를 포함하며,

   상기 노즐 홀더는 유동 조절 밸브를 각각 포함하는 제 1 노즐 및 제 2 노즐에 연결되고, 상기 유동 조절 밸브는 일 단부에서 상기 2차 유동 스플리터의 제 2 아웃풋 포트에 연결되며 다른 단부에서 기판 처리 챔버의 가스 분배기로 처리 가스를 공급하는 가스 입구 튜브에 연결되며, 상기 유동 제한기와 상기 제 1 노즐 및 제 2 노즐을 통한 가스의 통행은 상기 차압 게이지로 하여금 상기 제 1 노즐 및 제 2 노즐을 통한 가스의 유량들에서의 차이에 비례하는 차압을 나타내게 하고, 상기 가스 유동 제어기는 상기 차압 게이지로부터 수신되는 신호에 응답하여 상기 유동 조절 밸브를 통한 가스의 유동을 제어하도록 상기 유동 조절 밸브를 조절할 수 있는,

   가스 유동 제어기.
2. 제 1 항에 있어서,

   다음의 특성들,

   (1) 상기 차압 게이지는 (i) 적어도 1 Torr의 압력 범위를 측정하며, (ii) 적어도 0.001 Torr의 정확도를 포함하도록 구성됨;

   (2) 상기 1차 유동 스플리터 및 2차 유동 스플리터는 각각 T-형상의 가스 커플러를 포함함;

   (3) 각각의 상기 유동 제한기는 애퍼처(aperture)를 갖는 배플(baffle)을 포함함; 및

   (4) 상기 제 1 노즐은 테스트 노즐을 포함하고, 상기 제 2 노즐은 조절 가능한 니들 밸브를 포함함;

   중 하나 이상을 포함하는,

   가스 유동 제어기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 노즐 홀더는 처리 챔버 내의 가스 분배기의 인풋 튜브에 연결 가능하도록 구성되며, 상기 가스 분배기는 이격된 복수의 노즐들을 포함하는,

   가스 유동 제어기.
4. 제 3 항에 있어서,

   다음 구성 요소들,

   (1) 상기 가스 분배기의 하나 이상의 사분원(quadrant)의 노즐들 주위를 밀봉하여 상기 사분원을 통한 가스 유량의 측정이 가능하도록 구성되는 지그(jig); 및

   (2) 복수의 구멍들을 갖는 가스 분배기의 개개의 구멍의 유량을 샘플링하기 위한 샘플링 탐침,

   중 하나 이상을 포함하는,

   가스 유동 제어기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 노즐 및 제 2 노즐을 포함할 수 있는 교정 노즐들의 키트를 더 포함하는,

   가스 유동 제어기.
6. 삭제
7. 제 1 항에 따른 가스 유동 제어기를 포함하는 기판 처리 장치로서,

   제 1 처리 챔버 및 제 2 처리 챔버를 포함하며,

   각각의 챔버는 가스 분배기를 공급하는 가스 입구 튜브, 상기 가스 분배기와 대면하는 기판 지지대, 및 가스가 배기되는 배기 포트를 포함하는,

   기판 처리 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스 분배기는,

   (a) 상기 차압 게이지에 연결될 수 있는 배면 구멍 및 인풋 가스 매니폴드를 가지는 면판; 및

   (b) 상기 면판과 대면하며 복수의 노즐들을 포함하는 차단판;을 포함하는,

   가스 유동 제어기.
9. 제 8 항에 따른 가스 유동 제어기의 가스 분배기로서,

   상기 차압 게이지는 상기 배면 구멍을 통해 소통되는 차압을 측정하기 위해 상기 면판의 배면 구멍에 연결되는,

   가스 분배기.
10. 제 1 처리 챔버 및 제 2 처리 챔버를 포함하는 기판 처리 장치로서,

    각각의 처리 챔버는,

    (i) 제 8 항에 따른 가스 유동 제어기의 가스 분배기;

    (ii) 상기 가스 분배기와 대면하는 기판 지지대; 및

    (iii) 가스가 배기되는 배기 포트;를 포함하는,

    기판 처리 장치.
11. 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 갖는 기판 처리 장치용 가스 유동 제어 시스템으로서,

    (a) 상기 제 1 챔버로 가스를 유입하기 위해, 제 1 노즐들의 열, 제 1 인풋 가스 매니폴드 및 제 1 배면 구멍을 포함하는, 제 1 가스 분배기;

    (b) 상기 제 2 챔버로 가스를 유입하기 위해, 제 2 노즐들의 열, 제 2 인풋 가스 매니폴드 및 제 2 배면 구멍을 포함하는, 제 2 가스 분배기; 및

    (c) 상기 제 1 가스 분배기의 제 1 노즐들의 열과 상기 제 2 가스 분배기의 제 2 노즐들의 열 사이의 가스 차압을 측정하도록 상기 제 1 배면 구멍 및 제 2 배면 구멍에 연결되는, 제 1 항에 따른 가스 유동 제어기;를 포함하는,

    제 1 및 제 2 챔버들을 갖는 기판 처리 장치용 가스 유동 제어 시스템.
12. 삭제
13. 제 11 항에 따른 가스 유동 제어 시스템을 포함하는 기판 처리 장치로서,

    상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버는 상기 가스 분배기와 대면하는 기판 지지대, 및 가스가 통과하여 배기되는 배기 포트를 각각 포함하는,

    기판 처리 장치.
14. 제 11 항에 따른 가스 유동 제어 시스템을 이용하여, 제 1 챔버의 제 1 가스 분배기 및 제 2 챔버의 제 2 가스 분배기로의 처리 가스 유동을 제어하는 방법으로서,

    (a) 처리 가스를 상기 제 1 가스 분배기의 내측으로 유동시키는 단계;

    (b) 처리 가스를 상기 제 2 가스 분배기의 내측으로 유동시키는 단계;

    (c) 상기 제 1 가스 분배기 및 제 2 가스 분배기 내의 처리 가스의 차압을 측정하는 단계; 및

    (d) 측정된 상기 차압에 관련하여 상기 제 1 가스 분배기 및 제 2 가스 분배기의 내측으로 유동되는 처리 가스들의 유량들을 조절하는 단계;를 포함하는,

    제 1 챔버의 제 1 가스 분배기 및 제 2 챔버의 제 2 가스 분배기로의 처리 가스 유동을 제어하는 방법.
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제

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