KR20000029100A - 동력학적 가스 배합 전달 시스템 및 방법 - Google Patents

동력학적 가스 배합 전달 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동력학적 가스 배합 전달 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따라 제조되는 배합된 가스 혼합물은 화학적 증착 장치 또는 이와 유사한 처리 장치에 사용된다. 하나의 실시 형태는, 다수개의 유체를 처리하여 배합된 가스 혼합물을 형성하고, 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 공급하여 이 배합된 가스 혼합물을 1개 이상의 장치로 전달하는 방법이다. 제1 단계는 제1 유체를 공급하는 단계이다. 제2 단계는 제1 유체를 이 제1 유체의 적어도 일부가 증기가 되는 온도로 가열하는 단계이다. 제3 단계는, 제1 유체의 증기부를, 하나 이상의 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도까지 과열시키는 단계이다. 제4 단계는 제2 유체를 공급하는 단계이다. 제5 단계는, 제1 유체의 과열된 증기부가 제2 유체와 접촉했을 때 제1 유체의 과열된 증기부의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 제2 유체를 가열하는 단계이다. 제6 단계는, 가열된 제2 유체와 제1 유체의 과열된 증기부를 혼합하여 화학적 증착에 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성을 가진 배합된 가스 혼합물을 형성시키는 단계이다. 최종 단계는 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하는 단계이다. 바람직한 실시 형태에서, 제1 유체는 트리클로로실란이고, 제2 유체는 수소이다.

Description

동력학적 가스 배합 전달 시스템 및 방법{DYNAMIC BLENDING GAS DELIVERY SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 2종 이상의 유체를 동력학적으로 배합하여 배합된 가스 혼합물을 형성하고, 이 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더를 경유하여 에피택셜 필름 성장 공정 또는 유사한 층 침착 공정을 비롯한 화학 증착 공정을 위한 1개 이상의 장치로 전달하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 다른 용도에도 사용할 수 있긴 하나, 반도체 제조 시에 특히 유용하다.
반도체 제조업자들은, 규소 와퍼 상에 박막(예, 에피택셜 규소)을 성장시키는 데 있어 트리클로로실란(SiHCl3)(TCS)과 수소(H2)의 침착 가스 혼합물을 자주 사용한다. 그러한 혼합물은, 버블러 장치 내에서 특정의 온도로 보유되는 TCS 액체 내에 H2가스를 스파징하거나 또는 버블링하여 제조하는 것이 통상적이다. 상기 버블러 장치는, TCS로 포화된 H2가스 캐리어 스트림을 반도체 제조에 사용되는 처리 장치 내로 전달시킨다. 그러나, 상기 스트림은 처리 장치 내에 일정한 조성 상태로 전달되도록 포화시켜야 하기 때문에, 가공업자의 공급 라인에서 응축이 발생하지 않도록 버블러를 처리 장치에 근접하게 배치해야 한다(응축은 스트림의 조성에 영향을 미치기 때문에). 따라서, 각 처리 장치는 통상적으로 자체 버블러를 구비하고 있으며, 따라서 TCS를 취급하는 데 필요한 경비가 상당히 상승하는 한편 반도체 제조 설비의 가용 용적은 감소한다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 불포화 상태(즉, TCS의 이슬점이 보다 낮은 상태)에서 일정한 조성을 가진 배합된 가스 혼합물을 제공하는 전달 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은, 배합된 가스 혼합물을 여러 개의 장치로 전달할 수 있는 분배 헤더를 제공하여 필요 용적을 줄이고 자본을 경감시키는 것이다.
본 발명의 제3 목적은, 배합된 가스 혼합물을 가변적 개수의 처리 장치로 공급하는 한편 스트림의 조성을 일정하게 유지시킬 수 있는 성능을 제공하는 것이다.
본 발명의 제4 목적은, 최종 사용 장치의 요구 조건이 변하는 경우 스트림의 조성을 급속하게 조정할 수 있는 성능을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명을 설명하는 공정 흐름도이다.
도 2는 포화된 스트림과 15 몰%의 아르곤에 의해 탈포화된 스트림인 경우에 15 psia 하에서의 TCS/H2혼합물의 포화 곡선을 나타낸 그래프이다.
본 발명은, 가스의 동력학적 배합 전달 시스템 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 동력학적 배합 방법에 따라 제조되는 배합된 가스 혼합물에 관한 것이다. 이 배합된 가스 혼합물은 화학적 증착 장치 또는 다른 유사한 처리 장치, 예를 들면 에피택셜 필름 성장 공정에 사용되는 장치에 이용된다.
본 발명의 제1 실시 형태는, 다수개의 유체를 처리하여 배합된 가스 혼합물을 형성하고, 이 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 공급하고 이 분배 헤더로부터 상기 배합된 가스 혼합물을 1개 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 방법이다. 이 방법은 7 단계를 포함한다. 제1 단계는 제1 유체를 공급하는 단계이다. 제2 단계는, 제1 유체를 이 제1 유체의 적어도 일부가 증기가 되는 온도로 가열하는 단계이다. 제3 단계는, 제1 유체의 증기부를, 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 과열시키는 단계이다. 제4 단계는 제2 유체를 공급하는 단계이다. 제5 단계는, 제1 유체의 과열된 증기부가 제2 유체와 접촉했을 때 제1 유체의 과열된 증기부가 응축되지 않기에 충분한 온도까지 제2 유체를 가열하는 단계이다. 제6 단계는, 가열된 제2 유체와 제1 유체의 과열된 증기부를 혼합하여 화학적 증착, 에피택셜 필름 성장 또는 유사 공정에 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성을 가진 배합된 가스 혼합물을 형성시키는 단계이다. 최종 단계는 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달한 후, 이 분배 헤더로부터 상기 혼합물을 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 단계이다.
상기 장치 및 방법에서, 제1 유체는 트리클로로실란(SiHCl3)(TCS)이고, 제2 유체는 수소(H2)이다. 그러나, 본 발명은 다른 증착 유체를 동력학적으로 배합하고 전달시키는 데에도 이용할 수 있다. 예를 들어, 사염화규소(SiCl4), 디클로로실란 (SiH2Cl2), 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS), 옥시염화인(POCl3), 트리메틸실란 (SiH(CH3)3), 삼염화붕소(BCl3) 및 헥사플루오르화텅스텐(WF6)을 비롯한 다른 제1 유체에도 이용할 수 있으며, 또한 이들에만 국한되는 것은 아니다. 다른 가능한 제2 유체로는 헬륨, 질소, 아르곤 및 산소가 있으나, 이들에만 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 제2 실시 형태는, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 단계를 더 포함하는 방법이다. 이 실시 형태의 하나의 변형예에서, 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 단계는, (a) 제1 유체의 유량을 측정하는 단계, (b) 제2 유체의 유량을 측정하는 단계, (c) 분배 헤더 내부의 압력 변화를 측정하는 단계, 및 (d) 제1 유체와 제2 유체의 유량을, 분배 헤더 내부의 측정된 압력 변화에 반비례하여 상기 바람직한 유량비로 조절하는 단계를 포함한다.
제3 실시 형태는, 상기 제1 실시 형태의 단계들 이외에도 3 단계를 더 포함한다. 제1 추가 단계는, 배합된 기체 혼합물 또는 제1 유체나 제2 유체와 반응하지 않는 제3 유체를 공급하는 단계이다. 제2 추가 단계는, 하나 이상의 화학 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 상기 제3 유체를 가열하는 단계이다. 제3 추가 단계는, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체의 바람직한 몰비를 유지시키고, 또한 분배 헤더 내에서 배합된 가스 혼합물의 응축이 방지되도록, 가스 상의 가열된 제3 유체 일정량을 상기 배합된 가스 혼합물과 혼합하는 단계이다. 이 실시 형태의 하나의 변형예에서 제3 유체는 불활성 가스이다.
제4 실시 형태는 제3 실시 형태의 단계 이외에도 하나의 단계를 더 포함한다. 이 추가의 단계는, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 단계이다.
제5 실시 형태는 제1 실시 형태의 단계 이외에도 2 단계를 더 포함한다. 제1 추가 단계는 분배 헤더의 상류에 저장 완충기를 제공하는 단계이다. 제2 추가 단계는 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하기 전에 저장 완충기로 전달하는 단계이다.
제6 실시 형태는, 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 공급한 후 이 분배 헤더로부터 상기 배합된 가스 혼합물을 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 동력학적 가스 배합 전달 시스템이다. 상기 시스템은, (1) 제1 유체를 공급하는 수단, (2) 제1 유체를, 이 제1 유체의 적어도 일부가 증기가 되는 온도로 가열하는 수단 , (3) 상기 제1 유체의 증기부를, 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 과열시키는 수단, (4) 제2 유체를 공급하는 수단, (5) 제1 유체의 과열된 증기부가 제2 유체와 접촉했을 때 제1 유체의 과열된 증기부의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 제2 유체를 가열하는 수단, (6) 제1 유체의 과열된 증기부와 가열된 제2 유체를 혼합하여, 화학적 증착, 에피택셜 필름 성장 또는 유사한 공정에 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성을 가진 배합된 가스 혼합물을 형성하는 수단, (7) 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하고, 이 분배 헤더로부터 상기 가스 혼합물을 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 수단을 포함한다.
바람직한 실시 형태에서, 제1 유체는 트리클로로실란(TCS)이고, 제2 유체는 수소(H2)이다. 그러나, TCS 이외에 사염화규소(SiCl4), 디클로로실란(SiH2Cl2), 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS), 옥시염화인(POCl3), 트리메틸실란(SiH(CH3)3), 삼염화붕소(BCl3), 및 헥사플루오르화텅스텐(WF6) 등의 다른 유체를 제1 유체로 사용할 수도 있으며, 이들에만 국한되는 것도 아니다. 다른 가능한 제2 유체로는 헬륨, 질소, 아르곤 및 산소가 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다.
제7 실시 형태는, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 수단을 포함하고 있는 점을 제외하고는 제6 실시 형태와 유사한 동력학적 가스 배합 전달 시스템이다. 바람직한 실시 형태에서, 제1 유체와 제2 유체간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 수단은 유량비 콘트롤러이다.
제7 실시 형태의 또다른 변형예에서, 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 수단은, (1) 제1 유체의 유량을 측정하는 수단, (2) 제2 유체의 유량을 측정하는 수단, (3) 분배 헤더 내부의 압력 변화를 측정하는 수단, 및 (4) 분배 헤더 내부의 측정된 압력 변화에 반비례하여 제1 유체와 제2 유체의 유량비를 바람직한 유량비로 조절하는 수단을 포함한다.
이 실시 형태의 변형예는 제8 실시 형태로서, 이것은 (1) 제1 유체의 유량을 감지하고 그 신호 표시를 제공하는 제1 센서, (2) 제2 유체의 유량을 감지하고 그 신호 표시를 제공하는 제2 센서, (3) 분배 헤더 내부의 압력 변화를 감지하고 그 신호 표시를 제공하는 제3 센서, 및 (4) 제1 센서, 제2 센서, 및 제3 센서로부터 신호를 받고, 제1 유체 및 제2 유체의 유량을 결정하며, 분배 헤더 내부의 압력 변화를 결정한 후, 바람직한 유량비를 유지시키기 위해 제1 유체 및 제2 유체의 유량에 필요한 임의의 조절치를 결정한 다음, 그 필요한 유량 조절치에 대한 하나 이상의 신호 표시를 유량비 콘트롤러로 전송하는 컴퓨터를 갖추고 있다. 바람직한 실시 형태에서, 컴퓨터는 프로그램된 논리 콘트롤러이다.
제9 실시 형태는 상기 거론한 제6 실시 형태의 수단 이외에 3개의 수단을 더 포함한다. 이 3개의 추가 수단은, (1) 제1 유체나 제2 유체, 또는 배합된 가스 혼합물과 반응하지 않는 제3 유체를 공급하는 수단, (2) 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 상기 제3 유체를 가열하는 수단, 및 (3) 제1 유체와 제2 유체의 바람직한 몰비가 유지되고 분배 헤더 내에서 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하도록, 가스 상의 가열된 제3 유체 일정량을 배합된 가스 혼합물과 혼합하는 수단이다. 바람직한 실시 형태에서, 제3 유체는 불활성 가스, 예를 들어 아르곤 또는 헬륨이다.
제10 실시 형태는 제9 실시 형태의 단계들 외에도 하나의 단계를 더 포함한다. 이 추가의 단계는, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 단계이다.
본 발명의 제11 실시 형태는 상기 거론한 제6 실시 형태의 수단 이외에도 2개의 수단을 더 포함한다. 이 2개의 추가 수단은, (1) 분배 헤더의 상류에 존재하는 저장 완충기, 및 (2) 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하기 전에 저장 완충기로 전달하는 수단이다.
제12 실시 형태에서 동력학적 가스 배합 전달 시스템은 시스템을 세정하는 수단을 갖추고 있다.
제13 실시 형태는, 침착 공정 가스를 배합하여 이를 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 시스템이다. 이 시스템은, (1) 침착 공정 가스를 축적하고, 침착 공정 가스를 상기 각 장치의 수요에 대응하여 각 장치로 분배하는 분배 헤더, (2) 분배 헤더로부터 침착 공정 가스의 유동량 변화에 의해 야기되는 분배 헤더 내 압력 강하를 측정하기 위해 분배 헤더와 통신 관계에 있는 센서, (3) 액상 침착 물질의 공급원, (4) 액상 침착 물질을 기화시키고 생성된 증기를 과열시키는 가열기, (5) 가열기로부터 분배 헤더로 이동하는 과열된 증기의 유량을 제어하는 제1 유량 콘트롤러, 및 (6) 과열된 증기의 유량이 분배 헤더 내부의 압력 변화와 반비례하도록 제1 유량 콘트롤러를 제어하는 수단을 갖추고 있다.
제14 실시 형태는 제13 실시 형태의 수단 이외에, (1) 하나 이상의 캐리어 가스의 하나 이상의 공급원, (2) 각 캐리어 가스의 유량을 제어하기 위해 캐리어 가스의 각 공급원과 통신 관계에 있는 추가의 유량 콘트롤러, (3) 제1 콘트롤러를 통과하는 과열된 증기의 물질 유량에 대해 소정의 비가 되도록 상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는 수단, (4) 유량 제어된 각 캐리어 가스를 유량 제어된 과열 증기와 배합하는 동력학적 배합 수단, 및 (5) 생성되는 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달시키는 수단을 더 갖추고 있다. 이 실시 형태의 하나의 변형예에는 2종 이상의 캐리어 가스, 즉 반응성 물질인 1종 이상의 캐리어 가스와 불활성 물질인 1종 이상의 캐리어 가스가 존재한다.
제15 실시 형태는, 각 캐리어 가스를 배합하기 전에 그 온도를 과열된 증기의 이슬점 이상으로 상승시키는 가열 수단의 추가 부재를 갖추고 있는 점을 제외하고는 제14 실시 형태와 유사하다.
본 발명의 또다른 실시 형태는, 제1 실시 형태 및 제3 실시 형태의 방법(이들에만 국한되는 것은 아님)을 비롯한 전술한 방법들에 따라 제조되는 배합된 가스 혼합물이다.
본 발명은, 배합된 가스 혼합물을 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 동력학적 가스 배합 전달 시스템을 교시하고 있다. 또한, 본 발명은 다수 종의 유체를 처리하여 배합된 가스 혼합물을 형성하고, 이 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달한 후 이 분배 헤더로부터 배합된 가스 혼합물을 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 방법을 교시하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태는 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시되고 후술하는 구체적 경우는, TCS를 H2가스와 배합하여 포화된 혼합물 또는 약간 탈포화된 혼합물을 제공하는 경우이다. 그러나, 본 발명은 TCS 및 H2가스 이외의 유체를 동력학적으로 배합하는 데에도 이용할 수 있다. 사용할 수 있는 다른 유체로는 사염화규소(SiCl4), 디클로로실란(SiH2Cl2), 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS), 옥시염화인(POCl3), 트리메틸실란(SiH(CH3)3), 삼염화붕소(BCl3) 및 헥사플루오르화텅스텐 (WF6)이 있으며, 이들에만 국한되는 것도 아니다. 사용할 수 있는 다른 가스로는 헬륨, 질소, 아르곤 및 산소가 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다.
도 1에 점선으로 표시한 시스템 부(200)는 선택 부재이다. 이 선택 부재는, 가스 혼합물을 불활성 가스(예, 아르곤 또는 헬륨)으로 탈포화시켜 바람직한 TCS/H2비를 유지시키는 성능을 제공한다. 다른 불활성 가스도 사용도 사용할 수 있다. 실제로, 배합되는 가스(예, TCS 및 H2)와 반응하지 않는 가스면 어떤 것도 사용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 액상 TCS 공급원(12)은 라인(14)을 통해 가열기(18)로 유동한다. 라인(14) 내 유량은 기압식 분리 밸브(16)에 의해 제어된다. 가열기(18)는, 다중 패스 열 교환기로 작용하는 전기 가열기 블록이다. 가열기는, 액상 TCS를 기화시키고, 여기서 생성된 증기를, 배합된 가스 혼합물이 장치 하류, 특히 장치 공급원(86)에서 응축되는 것을 방지하는 작동 온도로 과열시킨다(장치 공급원(86)은 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치일 수 있다.) 가열기에는, TCS의 온도에 대한 신호 표시를 온도 지시 콘트롤러(24)에 제공해주는 온도 부재(22)가 설치되어 있으며, 상기 콘트롤러(24)는 콘트롤(20)에 신호를 보내 가열기를 제어한다(즉, 필요에 따라 에너지 입력량을 증가시키거나 또는 감소시킴). 온도 지시 콘트롤러는 고온 및 저온에 대한 경보 수단을 갖출 수도 있다.
과열된 TCS 증기는 가열기(18)로부터 라인(26)을 경유하여 유동한다. 라인(26) 내 압력은 압력 변환기(28)에 의해 측정되고, 상기 압력 변환기(28)는 압력 지시 수단(30)에 압력 신호 표시를 제공해준다. 압력 지시 수단은 고압 및 저압에 대한 경보 수단을 갖출 수도 있다. 마찬가지로, 이 라인 내 온도는 온도 부재(32)로 측정하며, 이 부재(32)는 온도 지시 수단(34)에 온도 신호 표시를 제공해준다. 온도 지시 수단은 고온 및 저온에 대한 경보 수단을 갖출 수도 있다.
또한, 라인(26)에는, 압력 지시 스위치(40) 및 고압 스위치(42)를 갖춘 파열 디스크(36) 및 안전 밸브(38)가 설치된다.
과열된 TCS 증기의 유량은, 분배 헤더(82) 내 압력에 비례하여 작동하는 기압 작동식 제어 밸브(44)에 의해 제어되며, 상기 분배 헤더(82)는 통상 "장치 공급원(86)"으로 칭해지는 하나 이상의 처리 장치에 연결된다. 분배 헤더(82) 내 압력은 압력 변환기(72)에 의해 측정되고, 이 압력 변환기(72)는 압력 지시 콘트롤러(46)에 신호를 보내 기압 작동식 제어 밸브(44)를 제어한다. 압력 지시 수단(74)은 고압 및 저압에 대한 경보 수단을 갖출 수 있다. 분배 헤더(82) 내 압력이 저하되면 TCS의 수요 유량이 증가하는 한편, 역으로 헤더 내 압력이 상승하면 TCS 수요 유량이 감소한다(즉, TCS 유량은 분배 헤더 내부의 측정 압력 변화에 반비례적으로 조절된다).
과열된 TCS 증기의 유량은 물질 유량 부재(48)로 측정하는데, 상기 부재(48)는 신호를 유량 신호 지시 수단(50)으로 보내고, 이 신호는 프로그램된 논리 콘트롤러(PLC) 또는 다른 유형의 컴퓨터(도시되지 않음)에 입력된다. 물질 유량 부재(40)를 통과하는 유량을 나타내는 상기 신호는 또한 고-고 유량 경보기(52)에도 보내진다. PLC는 특히 각종 매개 변수(예, 온도, 압력, 유량 등)의 감지 수단으로부터 입력 신호를 받고, 특히 유체의 유량을 제어하여 바람직한 가스 배합물을 유지시키는 제어 밸브를 제어하는 콘트롤러로 출력 신호를 전송하는 데 적합하다.
또한, PLC(도시되지 않음)는 과열된 TCS 증기의 유량에 대한 신호 표시를 유량 지시 수단(50')에 제공하고, 상기 지시 수단(50')은 H2가스 공급 라인(114) 상의 기압 작동식 밸브(116)를 제어하여 과열된 TCS 증기와 H2가스(캐리어 가스) 간의 유량비를 바람직하게 유지시키는 유량비 콘트롤러(118)로 신호를 보낸다. H2공급원(90)은 라인(94)을 경유하여 가열기(100)로 유동한다. 라인(94)을 경유하는 유량은 체크 밸브(92)에 의해 제한될 수 있고, 수동식 분리 밸브(96)에 의해 제어될 수도 있다. H2가스 스트림은 가열기(100) 내에서 가열하여, 과열된 TCS 증기가 찬 H2가스와 접했을 때 응축이 발생할 수 있는 가능성을 최소화시킨다.
온도 부재(104)는 온도 지시 콘트롤러(102)로 신호를 보내고, 상기 콘트롤러(102)는 콘트롤(98)로 신호를 보내 H2공급원의 온도를 바람직한 온도로 유지시킨다. 가열된 H2가스는 라인(114)을 통해 열 교환기(100)로부터 기압 작동식 제어 밸브(116)로 유동한다. 라인(114) 내 온도는 온도 부재(110)로 측정하고, 상기 부재(110)는 온도 지시 수단(112)에 온도 신호 표시를 제공하며, 이 수단(112)은 고온 및 저온에 대한 경보 수단을 가질 수도 있다. 라인(114) 내 압력은 압력 변환기(106)로 측정하고, 이 압력 변환기(106)는 압력 지시 수단(108)으로 압력에 대한 신호 표시를 제공하며, 상기 지시 수단(108)은 고압 및 저압에 대한 경보 수단을 가질 수도 있다.
유량비 콘트롤러(118)는 유량 지시 수단(50')(이것은 유량 부재(48)를 통과하는 과열된 TCS 증기의 유량을 지시하는 수단임)으로부터 신호를 받는 것 이외에도, 유량 지시 수단(124)(이것은, 상기 유량 지시 수단(124)에 신호 표시를 제공하는 유량 부재(122)를 통과하는 가스의 유량을 나타내는 수단임)으로부터 신호를 받는다. 유량 지시 수단(124)은 고-고 유량 경보 수단(126)에 신호를 보낸다.
가열된 H2가스(캐리어 가스)는 유량 부재(122)로부터 라인(128)을 경유하여 유동하며, 상기 라인(128)은, 과열된 TCS 증기가 가열된 H2가스와 배합되는 라인(54)에 연결된다. 이 배합된 가스 혼합물은 라인(54)을 경유하여 저장 완충기(56)로 이송되며, 상기 완충기(56)는 시스템의 총 유량이 하향 또는 상향 변동될 때 발생하는 약간의 조성 변동 및 하류의 배치 처리로 인한 유동 교류를 경감시켜 준다. 저장 완충기에는, 임의의 액체를 감지하여 고액 경보 장치(60)에 신호를 보내는 수위 스위치(58)가 설치되어 있다. 액체가 경보 수위까지 상승하여 가열기(18) 및/또는 가열기(100)에서 열 손실이 발생할 수도 있는 경우에는, 보호를 위해 시스템이 자동적으로 정지된다.
배합된 가스 혼합물은 저장 완충기(56)로부터 라인(62)으로 유동한다. 라인(62) 내 압력은 압력 변환기(64)에 의해 측정되고, 이 압력 변환기(64)는 압력 지시 콘트롤러(66)로 압력의 신호 표시를 보내며, 상기 콘트롤러(66)는 기압 작동식 제어 밸브(68)를 제어한다. 이 밸브는, 최종 사용 부재(예, 반도체 제조기의 처리 장치)가 필요로 하는 시스템 작동 조건에 따라 설정되는 압력 변환기(64)의 설정점을 기준으로 하여 저장 완충기 내 압력을 유지시킨다.
배합된 가스 혼합물은 밸브(68)로부터 라인(62)을 경유하여 필터(70)로 계속 유동하며, 상기 필터(70)는 배합된 가스 혼합물이 분배 헤더(82) 내로 유입되기 전에 상기 가스 혼합물을 여과한다. 분배 헤더를 경유하여 장치 공급원(86) 내로 유입되는 유량은 기압식 분리 밸브 또는 수동식 분리 밸브(84)를 통해 제어될 수 있다.
분석기 연결부(78)는, 라인(62)을 경유하여 분배 헤더(82)로 유동하는 유동물을 샘플링하기 위한 부분이다. 분석기를 분석기 연결부에 부착시키면, 배합된 가스 혼합물 스트림의 조성을 확인할 수 있다. 수동식 분리 밸브(76)는 분석기 연결부로의 유량을 제어하는 데 사용된다.
시스템의 선택 부재(200)는 헬륨, 아르곤, 또는 일부 다른 불활성 가스를 탈포화 가스로 첨가할 수 있는 성능을 제공한다. 이로써, 최종 사용 부재에서는 TCS 대 T2가스의 특이적 몰비가 유지되는 한편 가스 분배 헤더(82) 내의 응축이 최소화될 수 있다.
불활성 가스(20)는 라인(208)을 통해 가열기(212) 내로 유동한다. 체크 밸브(204) 및 수동식 분리 밸브(206)는 불활성 가스의 유량을 제어하는 데 사용될 수 있다. 가열기(212)는, 다중 패스 열 교환기로 작용하는 전기 가열기 블록이다. 열 교환기에는, 가열된 불활성 가스의 온도에 대한 신호 표시를 온도 지시 콘트롤러(216)를 거쳐 콘트롤(20)로 보내는 온도 부재(214)가 설치되며, 상기 콘트롤(210)은 가열기(212)를 제어하는 기능을 한다.
가열된 불활성 가스는 열 교환기(212)로부터 라인(218)을 경유하여 유동한다. 이 라인 내의 압력은 압력 변환기(220)에 의해 측정되고, 압력 변환기(220)는 압력에 대한 신호 표시를 압력 지시 수단(222)에 제공한다. 압력 지시 수단은, 고압 및 저압에 대한 경보 수단을 포함할 수도 있다. 마찬가지로, 이 라인 내 온도는 온도 부재(224)에 의해 측정되고, 이 부재(224)는 그 신호를 온도 지시 수단(226)으로 보낸다. 온도 지시 수단은 고온 및 저온에 대한 경보 수단을 포함할 수도 있다.
가열된 불활성 가스의 유량은 기압 작동식 제어 밸브(228)에 의해 제어된다. 이 밸브는, 유량 지시 수단(50")에서 유래하는 과열된 TCS 증기의 유량에 대한 신호 표시를 PLC로부터 받는 유량비 콘트롤러(230)에 의해 제어된다. 또한, 유량 콘트롤러(230)는 유량 부재(238)를 통과하는 불활성 가스의 유량에 대한 신호 표시를 유량 지시 수단(234)으로부터 받는다. 또한, 유량 지시 수단(234)은 고-고 유량 경보 수단(236)으로 신호를 보낸다.
가열된 불활성 가스는 유량 부재(238)로부터 라인(240)을 경유하여 라인(54)으로 유동한 후, 이곳에서 상기 가열된 불활성 가스는 배합된 TCS/H2와 혼합된다. 배합된 가스 혼합물 중의 제3 성분으로서 불활성 가스를 첨가하면 TCS와 H2가스 간의 바람직한 몰비에는 영향을 미치지 않고 배합된 스트림의 이슬점이 저하된다.
에피택셜 장치 내 TCS/H2반응은 하기 반응식 1로 표현된다.
SiHCl3+ H2Si + 3HCl
화학량론적 조건에서, 1몰의 TCS와 반응하는 데에는 1몰의 H2가 필요하다. 이상적인 조건 하에서는, TCS/H2혼합물이 등몰 혼합물 상태로 에픽택셜 장치 또는 화학 증착 장치 내에 공급된다. 그러나, 공업 분야에서는 과량의 H2를 사용하는 것을 통상적으로 선호한다.
TCS/H2시스템의 포화 곡선은 도 2에 제시하였다. 그래프의 상부 라인은 포화된 스트림을 나타낸 것이고, 하부 라인은 15 몰%의 아르곤에 의해 탈포화된 스트림을 나타낸 것이다. 15 psia 하에 총 스트림 중의 TCS/H2비가 정해진 상태에서, 각 라인 아래의 온도에서는 액상으로 존재함을 지시해준다. 상측 및 좌측의 스트림 조건은 탈포화된 조건, 예를 들어 이미 포화된 스트림에 H2를 첨가하는(TCS/H2의 비를 저하시키는) 조건을 지시하는 것이다. 비교를 위해, 제3 성분으로서 아르곤을 첨가하는(이슬점을 저하시키는) 효과 역시 그래프에 제시하였다. 이는, TCS/H2몰비에 영향을 미치지 않고 스트림을 탈포화시키기를 원할 수도 있는 특정의 최종 사용자에게 유리할 수도 있다.
상기 시스템은, 처음 시동 전에, 작동 중에, 그리고 최종 작동 중지 과정 중에 시스템의 라인들을 통해 세정 가스로 세정하여 정화시킬 수 있다. 세정 가스(130)는 불활성 가스, 예를 들어 아르곤이다. 상기 세정 가스가 시스템을 통과한 후, 시스템 세정물(148)은 세정기, 연소기 또는 다른 조작 시스템(도시되지 않음)으로 보내진다. 세정 가스 공급원(130)으로 부터의 세정 가스 유량은 여러 체크 밸브(132,160,168,172,138) 및 수동식 분리 밸브(134,162,170,174)에 의해 제어된다. 세정 가스는 세정 가스 공급원으로부터 라인(136)을 경유하여 시스템으로 유동한다. 수동식 분리 밸브(140)는 세정 가스의 벤투리관(144)(또는 다른 진공 발생기)으로의 유량을 제어한다. 압력 변환기(152)는 라인(150) 내 압력을 측정하여 압력 지시 수단(154)으로 신호를 보내고, 상기 수단(154)은 고압 상태에서 기압식 분리 밸브(156)를 폐쇄시키는 연동 수단이다. 압력 지시 수단(154)은 고압 및 저압에 대한 경보 수단을 가질 수도 있다.
본 발명은 2종 이상의 유체를 동력학적으로 배합하여 배합된 가스 혼합물을 형성하고, 이 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더를 경유하여 에피택셜 필름 성장 공정 또는 유사한 층 침착 공정을 비롯한 화학 증착 공정을 위한 1개 이상의 장치로 전달하는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명은 특히 반도체 제조 시에 유용하다.

Claims (27)

  1. 다수의 유체를 처리하여 배합된 가스 혼합물을 형성하고, 이 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 공급한 후 이 분배 헤더로부터 상기 혼합물을 하나 이상의 화학 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 방법으로서,
    제1 유체를 공급하는 단계,
    제1 유체를, 이 제1 유체의 적어도 일부가 증기가 되는 온도로 가열하는 단계,
    제1 유체의 증기부를, 하나 이상의 장치로 전달되는 상기 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 과열시키는 단계,
    제2 유체를 공급하는 단계,
    제2 유체를, 상기 제1 유체의 과열된 증기부가 제2 유체와 접촉했을 때 상기 과열된 증기부의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 가열하는 단계,
    가열된 제2 유체와 제1 유체의 과열된 증기부를 혼합하여, 화학적 증착, 에피택셜 필름 성장 또는 유사한 공정에 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성을 가진 배합된 가스 혼합물을 형성시키는 단계,
    배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하고, 이 분배 헤더로부터 상기 배합된 가스 혼합물을 하나 이상의 장치로 전달하는 단계
    를 포함하는 것이 특징인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 유체나 제2 유체 또는 배합된 가스 혼합물과 반응하지 않는 제3 유체를 공급하는 단계,
    상기 제3 유체를, 상기 하나 이상의 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 가열하는 단계, 및
    배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체의 바람직한 몰비를 유지시키고, 또한 분배 헤더 내에서 배합된 가스 혼합물의 응축이 방지될 수 있도록, 가스 상의 가열된 제3 유체 일정량과 상기 배합된 가스 혼합물을 혼합하는 단계
    를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    분배 헤더의 상류에 저장 완충기를 제공하는 단계, 및
    배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하기 전에 저장 완충기로 전달하는 단계
    를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  6. 제2항에 있어서, 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 단계가,
    제1 유체의 유량을 측정하는 단계,
    제2 유체의 유량을 측정하는 단계,
    분배 헤더 내부의 압력 변화를 측정하는 단계, 및
    제1 유체와 제2 유체의 유량을 분배 헤더 내부의 측정된 압력 변화에 반비례하여 바람직한 유량비로 조절하는 단계
    를 포함하는 것이 특징인 방법.
  7. 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 공급하고, 이 분배 헤더로부터 상기 혼합물을 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 동력학적 가스 배합 전달 시스템으로서,
    제1 유체를 공급하는 수단,
    제1 유체를, 이 제1 유체의 적어도 일부가 증기가 되는 온도로 가열하는 수단,
    제1 유체의 증기부를, 상기 하나 이상의 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 과열시키는 단계,
    제2 유체를 공급하는 수단,
    제2 유체를, 제1 유체의 과열된 증기부가 제2 유체부와 접촉했을 때 상기 제1 유체의 과열된 증기부의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 가열하는 수단,
    가열된 제2 유체와 제1 유체의 과열된 증기부를 혼합하여, 화학적 증착, 에피택셜 필름 성장 또는 유사한 공정에 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성을 가진 배합된 가스 혼합물을 형성하는 수단, 및
    배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하고, 이 분배 헤더로부터 상기 배합된 가스 혼합물을 하나 이상의 장치로 전달하는 수단
    을 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성과 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 수단을 더 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    제1 유체나 제2 유체 또는 배합된 가스 혼합물과 반응하지 않는 제3 수단을 공급하는 수단,
    제3 유체를, 하나 이상의 장치로 전달되는 배합된 가스 혼합물의 응축을 방지하기에 충분한 온도로 가열하는 수단, 및
    배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체의 바람직한 몰비를 유지시키고, 또한 분배 헤더 내에서 배합된 가스 혼합물의 응축이 방지될 수 있도록, 가스 상의 가열된 제3 유체 일정량을 상기 배합된 가스 혼합물과 혼합하는 수단
    을 더 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 배합된 가스 혼합물의 바람직한 물리적 특성 및 화학적 특성이 유지되도록 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 몰비를 자동적으로 유지시키는 수단을 더 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    분배 헤더의 상류에 존재하는 저장 완충기,
    배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하기 전에, 이 배합된 가스 혼합물을 저장 완충기로 전달시키는 수단
    을 더 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 몰비를 자동적으로 유지시키는 수단이,
    제1 유체의 유량을 측정하는 수단,
    제2 유체의 유량을 측정하는 수단,
    분배 헤더 내부의 압력 변화를 측정하는 수단, 및
    제1 유체와 제2 유체의 유량을 분배 헤더 내부의 측정된 압력 변화와 반비례하여 바람직한 유량비로 조절하는 수단
    을 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 제1 유체와 제2 유체 간의 바람직한 유량비를 자동적으로 유지시키는 수단이 유량비 콘트롤러인 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  14. 제7항에 있어서, 시스템을 세정하는 수단을 더 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    제1 유체의 유량을 감지하여 그 신호 표지를 제공하는 제1 센서,
    제2 유체의 유량을 감지하여 그 신호 표시를 제공하는 제2 센서,
    분배 헤더 내부의 압력 변화를 감지하고 그 신호 표시를 제공하는 제3 센서, 및
    상기 제1 센서, 제2 센서 및 제3 센서로부터 신호를 받고, 제1 유체 및 제2 유체의 유량을 결정하며, 분배 헤더 내부의 압력 변화를 결정한 후, 바람직한 유량비를 유지시키기 위해 제1 유체와 제2 유체의 유량에 필요한 임의의 조절치를 결정한 다음, 그 필요한 유량 조절치에 대한 하나 이상의 신호 표시를 유량비 콘트롤러로 전송하는 컴퓨터
    를 더 포함하는 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 컴퓨터는 프로그램된 논리 콘트롤러인 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 제1 유체는 트리클로로실란이고, 제2 유체는 수소인 것이 특징인 방법.
  18. 제3항에 있어서, 제3 유체는 불활성 가스인 것이 특징인 방법
  19. 제7항에 있어서, 제1 유체는 트리클로로실란이고, 제2 유체는 수소인 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  20. 제9항에 있어서, 제3 유체는 불활성 가스인 것이 특징인 동력학적 가스 배합 전달 시스템.
  21. 침착 공정 가스를 축적시키고, 침착 공정 가스를 장치의 수요량에 대응하여 각 장치로 분배하는 분배 헤더,
    분배 헤더로부터의 침착 공정 가스의 유량 변화에 의해 야기되는 분배 헤더 내 압력 변화를 결정하기 위해 분배 헤더와 통신 관계에 있는 센서,
    액상 침착 물질의 공급원,
    액상 침착 물질을 기화시키고, 생성된 증기를 과열시키는 가열기,
    가열기로부터 분배 헤더로 유동하는 과열된 증기의 유량을 제어하는 제1 유량 콘트롤러, 및
    과열된 증기 유량이 분배 헤더 내부의 압력 변화에 반비례하도록 제1 유량 콘트롤러를 제어하는 수단
    을 포함하는 것이 특징인, 침착 공정 가스를 배합한 후 하나 이상의 화학적 증착 장치 또는 유사한 처리 장치로 전달하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    하나 이상의 캐리어 가스의 하나 이상의 공급원,
    각 캐리어 가스의 유량을 제어하기 위해 각 캐리어 가스의 공급원과 통신 관계에 있는 추가의 유량 콘트롤러,
    캐리어 가스의 유량이 제1 유량 콘트롤러를 통과하는 과열된 증기의 물질 유량에 대해 소정의 비가 되도록 추가의 유량 콘트롤러를 제어하는 수단,
    각 유량 제어된 캐리어 가스를 유량 제어된 과열 증기와 배합하는 동력학적 배합 수단, 및
    생성되는 배합된 가스 혼합물을 분배 헤더로 전달하는 수단
    을 더 포함하는 것이 특징인 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 2종 이상의 캐리어 가스가 존재하고, 이중 1종 이상의 캐리어 가스는 반응성 물질이고, 1종 이상의 캐리어 가스는 불활성 물질인 것이 특징인 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 배합 단계 이전에, 각 캐리어 가스의 온도를 과열된 증기의 이슬점 이상으로 상승시키는 가열 수단을 더 포함하는 것이 특징인 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 배합 단계 이전에, 각 캐리어 가스의 온도를 과열된 증기의 이슬점 이상으로 상승시키는 가열 수단을 더 포함하는 것이 특징인 시스템.
  26. 제1항의 방법에 따라 제조되는 배합된 가스 혼합물.
  27. 제3항의 방법에 따라 제조되는 배합된 가스 혼합물.
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