KR20030007162A - 가스 전달 계측관 - Google Patents

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KR20030007162A
KR20030007162A KR1020020040745A KR20020040745A KR20030007162A KR 20030007162 A KR20030007162 A KR 20030007162A KR 1020020040745 A KR1020020040745 A KR 1020020040745A KR 20020040745 A KR20020040745 A KR 20020040745A KR 20030007162 A KR20030007162 A KR 20030007162A
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gas delivery
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KR1020020040745A
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재이브라이언 데돈트네이
안토니 데사
사무엘 쿠리타
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에이에스엠엘 유에스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 가스 전달 계측관에 관한 것이다. 이러한 가스 전달 계측관은 축방향으로 배열된 2개의 겹쳐 놓여진 관을 포함하며, 내부관 및 외부관은 조립체의 일단부를 통해 가스를 수용하고 내부관은 외부관의 대향 단부로 가스를 이송시킨다. 외부관은 하나 이상의 오리피스 어래이를 포함한다. 가스 입구에 연결된 외부관의 대향 단부로의 가스의 이송은, 단일관을 통해서만 가스를 유입시킴으로써 달성될 수 있는 것 보다 가스 전달 계측관의 전체 길이에 걸쳐 보다 균일한 후방 압력을 제공한다.

Description

가스 전달 계측관{GAS DELIVERY METERING TUBE}
본 특허 발명은 본 명세서에 참고 문헌으로 첨부되고 1999년 12월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제 09/470,446호의 부분 연속 출원이다.
본 발명은 일반적으로 가스를 전달하기 위한 가스 전달 계량관에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 실질적으로 균일한 가스 분배를 증진시키는 겹쳐 놓여지고 축방향 정렬 또는 동축선인 가스 전달 계량관에 관한 것이다.
가스의 전달은 매우 다양한 산업에서 중요한 양상을 가진다. 예를 들면, 반도체 프로세싱 또는 제조의 분야에서, 가스의 전달은 결정적인 역할을 한다. 하나의 타입의 반도체 프로세싱은 화학 증착이다. 안정 화합물이 소정의 가스상태의 화학물의 열적 반응 또는 분해에 의하여 형성되어 이러한 안정 화합물이 기판의 표면에 증착될 때 화학 증착이 발생된다. 화학 증착 시스템은 많은 형태를 가져온다. 이 같은 프로세스를 위한 하나의 장치는 콘베이어 벨트가 설치된 대기압 CVD(APCVD) 시스템을 포함하는데, 대기압 CVD(APCVD) 시스템은 본 명세서에 참고문헌으로서 첨부되고 양수인의 소유인 미국 특허 제 4,834,020호에 설명되어 있다. 플라즈마 강화 CVD(PECVD) 시스템, 및 저압 CVD (LPCVD) 시스템과 같은 다른 타입의 CVD 장치가 사용될 수 있다.
반도체 프로세싱 시스템의 중요한 부품은 증착 발생되는 증착 챔버, 및 화학물을 증착 챔버에 있는 기판의 표면으로 가스 상태로 전달하기 위해 이용되는 분사기(injector)를 포함한다. 가스는 기판에 걸쳐 분배되고, 가스가 반응하여 기판의 표면에 수용가능한 필름을 증착한다. 증착 챔버는 증착이 발생될 수 있는 제어된 환경을 제공하도록 주의깊게 설계되어야 한다. 예를 들면, 챔버에는 가스 제한부가 제공되어야 하지만, 가스의 예비 반응 및 비균일한 필름의 증착을 발생시킬 수 있는 가스의 재순환을 감소시킨다. 챔버는 과잉 반응물 및 반응 부산물을 제거하지만 반응을 위한 기판으로의 가스의 유동이 중단하지 않는 배출 수단이 제공되어야 한다. 더욱이, 챔버의 온도 및 챔버의 부품은 반응 가스의 응축을 피하고, 부산물 먼지의 축적을 최소화하며 시스템을 세척할 수 있도록 주의깊게 제공되어야 한다. 부가적으로, 증착 챔버는 증착 챔버의 작동 동안 기계적 보전성(mechanical integrity)(허용 오차와 같은)을 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 인자 모두는 증착을 위한 적절한 환경을 제공하도록 주의깊게 균형을 잡아야 한다.
이 같은 증착 챔버에서 분사기의 기능은 제어된 방식으로 원하는 위치로 가스를 분배하는 것이다. 가스의 제어된 분배는 가스의 예비 혼합 및 앞선 반응을 최소화함으로써 부분적으로 효율적이고, 균일한 기상 반응의 기회를 최대화한다. 이것은 기판에 고질의 필름을 초래하는 적절한 화학적 종의 제조를 증진시킨다.제어된 가스 분배는 전체 필름이 균일한 구성이 되도록 하는 것을 요구한다. 완전한 반응은 우수한 질의 필름을 위한 더 큰 기회를 제공한다. 가스 유동이 제어되지 않는 경우, 화학적 반응은 최적이 아니며 그 결과 균일한 구성이 아닌 필름이 될 것이다. 필름이 균일한 구성이 아닌 경우, 반도체의 적절한 기능이 손상된다. 따라서, 분사기 설계가 제어된 방식으로 가스의 원하는 유동을 촉진시키는 것이 중요하다.
가스는 챔버의 다른 영역에서 분배될 수 있으며 및/또는 분사기에 부가된 부품에 의하여 분배될 수 있다. 예를 들면, 불활성 가스는 소정의 방식으로 증착 가스를 분리 및/또는 향하도록 챔버로 이송될 수 있다. 불활성 및 다른 가스는 희석 및 캐리어 가스로서 기능하도록 챔버로 전달될 수 있다. 이 같은 방식으로 가스의 이용의 이같은 예는 현재 계류중인 특허 출원 제 09/185,180호에서 찾아 볼 수 있으며, 이는 본 명세서에서 참고문헌으로 첨부되어 완전한 공개가 이루어진다.
반도체 제조 분야에서, 장치를 가지고 0.2 마이크로미터보다 작은 형상 수축(geometry shrinking)은 필름 증착 두께에 대해 2%보다 작은 범위의 비균일성에 대한 요구가 증가된다. 선형 가스 분배 시스템에 대한 종래 기술은 이러한 더 큰 요구조건을 충족하는데 완전히 성공적이지 못하다. 가장 간단한 종래 기술 설계는 도 1에 도시된 바와 같은 표면을 따라 구멍(hole) 또는 오리피스(orifice)의 분배를 구비한 단일관이며, 이 단일관은 L의 관 길이와 D의 직경을 가지며 d의 직경을 가지는 다중 오리피스를 가진다. 가스는 압력(P0) 및 초기 속도(V0)로 관의 일단부로 도입된다. 이러한 설계에서, 균일성은 통상적으로 압력에 좌우된다. 각각의 오리피스에서, 압력 및 유동은 소정의 양만큼 감소된다. 오리피스 크기가 관 직경(D)에 비해 작다고 가정할 때, 공급 압력은 적합하게 크며, 그때 오리피스당 압력 및 유동 감소는 P0및 V0에 비해 작다. 관을 따라서 속도의 감소는 작은 가스 유동을 제외하고 압력에서의 증가가 동반된다. 가스 공급원으로부터 일정한 거리에서, 관에서의 압력(P0)은 강하된다(P0-Δp로 표현된 바와 같이). 동일한 직경 및 동일한 간격으로 이격된 오리피스를 가지는 단일 계량관으로, 균일한 가스 유동이 달성되지 않는다. 단일관 종래 기술의 특별한 결점은 더 큰 기판 크기 또는 직경을 수용하도록 요구되는 증가된 길이에 걸쳐 유용한 균일성을 제공하는데 있어 어려움이 있다. 소정의 압력에 대해, D, d, 및 L 사이의 주어진 크기 관계는 동일한 주어진 직경의 이러한 오리피스를 재분배하거나 동일하게 이격된 구멍의 직경을 변화시킴으로써 다소 균일한 속도 벡터(v1) 및 균일한 가스 유동을 초래한다. 그러나, 오직 하나의 특별한 작동 상태가 아닌 경우, 오리피스의 이러한 분배는 작동 상태의 좁은 범위에 대해 최적 유동을 초래한다. 더욱이, 이 같은 종래 기술 설계는 가스 유동 및 압력에 따라 약 5 내지 10%의 높은 두께 비균일성을 가지는 필름을 통상적으로 생산한다. 부가적으로, 낮은 가스 유동 및 낮은 압력에서, 가스의 더 높은 유동은 도 2에 도시된 바와 같은 공급원에 가장 가까운 단부로부터 나타난다. 즉, P0가 상대적으로 낮은 값인 경우, 관에서의 전체 압력은 가스 공급원으로부터의 거리의 함수로서 더 신속히 강하된다. 이러한 경우 전체 유동 균일성이 매우 불충분하다. 게다가, 이같은 관으로부터의 가스 유동은 공급 유동 및 압력이 증가할 때 증가되는 지향성(또한 "제트(jetting)"하고 함)으로 향하는 경향이 있다. 관으로부터의 가스 유동은 비균일적이고 도 3a에 도시된 바와 같이 관의 길이에 걸쳐 선형 감소를 보여준다. 선택적으로, 가스는 도 3b에 도시된 바와 같이 관의 각각의 단부로 도입될 수 있다. 두 개의 경우 가스 유동은 균일하게 분배되지 않아 웨이퍼에 걸쳐 비균일 증착을 초래한다.
다른 종래 기술 접근 방법은 다공성 재료의 단일관의 이용이다. 다시, 가스는 관의 일단부에서 도입된다. 이러한 접근 방법으로, 구멍을 구비한 관을 동반하는 "제트" 문제는 최소화된다. 재료의 다공성은 통상적으로 관 내의 달성가능한 후방 압력(backing pressure)을 결정하며, 따라서 또한 관의 길이를 따른 전체 균일성을 결정한다. 예를 들면, 스크린 메시(screen mesh)는 다공성 재료를 고려할 수 있다. 최상의 균일성을 위해, 메시는 관의 전체 길이에 따라 유용한 후방 압력을 유지하도록 가스 유동에 대한 유용한 저항을 제공하여야 한다. 유동에 대한 통상적인 저항은 관 표면적에 대한 전체 개구 면적에 좌우된다. 메시 개구는 통상적으로 재료의 두께 정도이거나 더 크다(>0.005 인치). 제 2 실례는 마이크로미터 정도(이 같은 재료는 종종 여과 장치에 종종 사용된다.)의 입자 간격 및 밀리미터 정도의 두께를 가지는 다공성 세라믹이다. 이 같은 재료는 전달 라인의 전체 길이에 따른 전달 가스의 유용한 균일성 및 균일한 후방 압력의 증강을 가능하게 하도록 가스 유동에 대한 저항을 제공한다.
다공성 세라믹 관이 가스 전달의 유용한 균일성을 제공할 수 있지만, 재료자체적으로 매우 부서지기 쉬우며, 넓은 범위의 온도를 견딜 수도 있는 가스 공급 라인에 대한 밀봉을 제작하기가 어렵다.
제 3 선택예는 공급원으로부터의 거리의 함수로서 관 직경을 점점 줄어들도록 하여 유동의 질량율이 감소되는 동안 유체 속도가 일정하게 유지된다. 이러한 접근에 대한 주요 단점은 하나의 유동율에서 균일한 유동에 대해 최적화된 설계가 또 다른 유동률에서 정확히 작용하지 않는다는 것이다.
단일 천공형 또는 다공형 관을 이용하는 종래 기술의 가장 큰 약점은 전달 관의 길이를 따른 위치의 함수로서 비균일한 유동을 초래하는 압력에서의 변화에 대해 상대적으로 높은 감도를 보여준다는 것이다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 비균일 유동은 가스 유동율의 스트롱 펑션(strong function)이며, 상이한 적용분야 및 프로세스 상태가 상이한 가스 유동률을 요구할 때, 균일한 필름 증착을 제공하는 프로세스를 설계하고 개발하기가 상당히 복잡하게 된다. 도 4에 도시된 플로트(plots)는 레이놀드 상수 100<Re<2000를 가지는, CVD 분야의 통상적인 크기 및 가스 유동 상태의 범위를 나타낸다. 더욱이, 웨이퍼 직경이 증가할 때, 필름 비 균일성은 가스 전달관의 증가하는 길이와 함께 종종 악화된다.
압력에서의 변화는 사용자에 의하여 신중히 부과될 수 있지만, 종종 CVD 시스템에 대한 설비 가스 전달 시스템에서의 변동에 의해 발생된다. 따라서, 종래 기술로, 가스 압력에서의 변화는 분사기 및/또는 증착 챔버내의 가스 전달의 균일성에 영향을 미치고, 그때 기판상의 구성 또는 필름의 균일성을 초래하는 영향을미친다. 즉, 종래 기술 시스템으로 가스 전달 장치는 오직 하나의 작동 상태에 대해 유용할 수 있다. 따라서, 특히 전달 시스템의 변동에 영향을 받지 않는 길이를 따라 가스의 분배 및/또는 거의 균일한 유동을 증진시키는 가스 전달 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 가스를 전달하기 위한 개선된 가스 전달 계량관을 제공하는 것이며, 더욱 상세하게는, 일단부에서 가스가 공급되는 가스 전달관의 길이를 따라 실질적으로 균일한 가스 전달을 제공하는 것이다. 이러한 목적 및 다른 목적은 겹쳐 놓여지고 축방향으로 정렬 또는 동축의 계량관의 조합체를 가지는 가스 전달 계량관에 의하여 달성되는데, 이러한 가스 전달 계량관은 최내측 관이 가스를 수용하고 상기 최내측 관의 길이에 걸쳐 거의 균일한 후방 압력을 설정하며 최외측 관은 가스 전달관을 통해 균일한 가스의 분배 유출을 제공한다. 본 발명의 또 다른 양상에서, 가스 전달 계량관은 가스 전달 계량관을 수용하기 위한 하나 이상의 포트를 가지는 하나 이상의 분사기 조립체와의 결합체가 제공된다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 가스 전달 계량관은 가스 전달 계량관을 수용하기 위한 하나 이상의 플래넘(plenum)을 가지는 차폐물 조립체와의 조합체가 제공된다. 가스 전달 계량관은 반도체 분야에서 이용하기 위해 특히 적절하다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 가스를 전달하기 위한 가스 전달 계량관은, 유입단 및 폐쇄단을 가지는 외부관과 외부관의 실질적인 길이를 따라 연장되는 외부관에 형성된 하나 이상의 오리피스 어래이(orifice array)를 포함한다. 유입단 및유출단을 가지는 내부관은 내부관과 외부관 사이에 유효 환형 공간을 형성하는 외부관과 겹쳐 놓여지고 축방향으로 정렬된다. 내부관의 유출단은 외부관의 폐쇄단에 앞서 종결된다. 가스 유동 디바이더(gas flow divider)는 내부관 및 외부관의 유입단에 인접하여 배치되고, 내부관에 결합되는 제 1 가스 유동 통로와, 내부관과 외부관 사이의 환형 공간에 결합되는 제 2 가스 유동 경로를 가진다.
도면을 참조하여, 아래에 기재된 본 발명의 상세한 설명과 첨부된 청구범위를 읽으면 본 발명의 다른 목적들 및 장점들이 명확해 질 것이다.
도 1은 종래에 사용되는 단일관에서의 가스 유동의 단면도이다.
도 2는 압력이 낮을 때 종래에 사용되는 단일관에서의 가스 유동의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 가스 유동 비균일성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 종래 기술에 있어서 여러 유형의 관들의 길이를 따라 가스 유동 분배를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 가스 전달관의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 2가지 실시예에 따른 가스 전달관의 단부 단면도이다.
도 7은 본 발명의 가스 전달관을 사용할 수 있는 분사기와 보호 차폐물을 나타내는 CVD 증착 챔버의 일례의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 가스 전달관을 사용할 수 있는 분사기의 일례의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 가스 계측관의 다른 실시예의 분해도이다.
도 10은 본 발명의 가스 계측관의 일례의 양 단부를 나타내는 부분 측면도이다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 본 발명의 가스 계측관의 일례의 단부의 부분적인 단면과 함께, 가스 계측관의 각 단부에서의 내부 구성의 상세도를 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 가스 계측관 내에 사용되는 가스 유동 디바이더의 일례의 단면도 및 단부도를 각각 나타낸다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 가스 계측관 내에 사용되는 스페이서 또는 스탠드오프의 일례의 단면도 및 단부도를 각각 나타낸다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 가스 계측관과 함께 사용될 수 있는 가스 공급 포트의 일례의 사시도 및 측면 단면도를 각각 도시한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 가스 전달 계측관12 : 내부관
13 : 내부관의 유입단14 : 외부관
15 : 환형 공간16 : (내부관의)오리피스 어래이
17 : 내부관의 유출단18 : (외부관의)오리피스 어래이
20 : CVD 시스템22 : 분사기
24 : 보호 차폐물 조립체25 : 플래넘
32 : 포트35 : 엔드 캡
37 : 외부관의 유입단38 : 가스 유동 디바이더
40 : 스탠드오프 스페이서41 : 디스크
42 : 복수의 소형 오리피스43 : 스탠드오프 부분
44 : 중앙 오리피스46 : 중심 구멍
48 : 단일 유닛 블록49 : 포켓
50 : 가스 공급 포트 62 : 가스 공급 커넥터
64 : 중공관 스터브66 : 어댑터
99 : 커버(또는 캡)
본 발명의 특별한 장점은, 길이를 따라 특히 관의 길이를 따라 가스 분배를 계측하고, 광범위한 작동 상태의 범위 또는 가스 유동 범위에 걸친 압력 변화에 대해 관으로부터 생성된 가스 분배가 보다 적게 감응하게 하며, 그리고 종래 기술의 단점들을 제거하는 가스 분배관을 제공하는 것이다. 본 발명은 2개 이상이 겹쳐 놓여져 축방향으로 정렬되거나 동축 관들의 관 조립체를 갖춘 가스 전달관으로 이루어지며, 바람직하게 최내부관이 가스 공급부에 부착되며, 내부관 및 외부관 모두에는 최내부 및 최외부 관들의 길이를 따라 분포된 하나 이상의 오리피스 어래이를 가진다. 설명을 위해, 원형 단면을 가지는 축방향으로 정렬된 겹쳐 놓여진 관(nested tube)으로 이루어지는 가스 전달 계측관(10)을 가정하지만, 3중 중첩 또는 그 이상 수의 동축관과 같은 다른 수들의 관들이 사용될 수 있다. 반도체 기판을 처리하는데 사용되는 가스 전달관의 길이는 전형적으로 기판의 폭 또는 직경보다 긴 수 cm이다.
본 발명의 일실시예는 도 5 및 도 6a과 관련되어 도시되어 있다. 도 5는 환형 공간(15)에 의해 분리된 동축의 내부관(12) 및 외부관(14)을 가지는 2개의 관 조립체로 이루어지는 가스 전달관(10)의 개략적인 도면이다. 각각의 관은 2개의 단부를 갖추고 있다. 내부관(12)의 일단부(13)는 가스 공급부에 부착되며 타단부(17)는 캐핑(capping)되어 있다. 내부관(12)의 실질적인 길이를 따라 하나 이상의 오리피스 어래이(16)가 분포되며, 이들 어래이는 내부관(12)의 전체 길이를 따라 일정한 후방 압력(backing pressure)을 생성시키도록 위치되고 크기화되어 있으며, 또한, 내부관(12)으로부터 환형 공간(15) 안으로 충분한 가스를 공급한다. 외부관(14)은 그 실질적인 길이를 따라 분포된 오리피스 어래이(18)를 포함한다. 하나 이상의 오리피스 어래이(18)는 환형 공간 내부에 일정한 후방 압력을 유지하도록, 그리고 외부관(14)으로부터 외부관(14)과 인접한 영역 안으로 균일한 가스 유동을 제공하도록 위치되고 크기화되어 있다. 바람직하게, 외부관(14)은 양 단부가 캐핑되어 있으나, 다른 실시예에서는 외부관이 가스 공급부를 수용할 수도 있다. 바람직하게, 도 5 및 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 내부 오리피스 라인(16)은 외부 오리피스의 라인 어래이(18)로부터 회전방향으로 180도 옵셋(offset)되어 있다. 그러나, 이들 어래이 사이에 임의의 회전방향 어래이 및 라인 어래이가 사용될 수 있다. 바람직한 실시예는 외부 오리피스 어래이로부터 내부 오리피스 어래이를 180도 정렬시킨다.
가스 전달관(10)이 축방향으로 겹쳐 배열된 관을 가지는 것으로 설명하였지만, 추가의 관이 사용될 수도 있다. 예컨대, 가스 전달관(10)이 3개 이상의 공통축 관들로 이루어질 수 있다. 2개 이상이 겹쳐 놓여진 동축 관들의 사용을 통해, 본 발명의 장치는 내부관의 길이를 따라 일정한 후방 압력을 먼저 생성시키고, 관 조립체(10)의 전체 길이에 걸쳐 2개의 관 사이의 환형 공간에 대한 압력의 균일성 및 일치성을 유지시키고 전달함으로써, 넓은 유동 범위에 걸쳐 압력 효과에 대한 감응도를 감소시킨다. 따라서, 생성된 외부관으로부터 가스 유출이 상당히 일정할 수 있다. 본 발명은 따라서 2 단계에서 관 조립체의 길이에 걸쳐 압력 및 유동의 생성을 효과적으로 분리시킨다.
상술한 바와 같이, 하나의 오리피스 어래이를 가지며 일단부에서 가스가 공급되는 단일관을 구비한 종래 기술은 오리피스 어래이 외부로 일정한 유동을 제공하도록 가스 후방 압력이 전체 길이에 걸쳐 동일해야 함을 필요로 한다. 낮은 유동 상태에서, 후방 압력은 너무 낮게 떨어질 수 있고, 공급부로부터 가장 멀리 떨어진 오리피스로부터의 유동은 관의 길이에 걸쳐 불균일한 분배가 되게 한다. 반대로, 본 발명에 따르면, 내부관(12)은 그 전체 길이를 따라 균일한 후방 압력을 생성시키도록 오리피스(16)의 직경 및 어래이로 크기화된다. 즉, 관의 직경과 오리피스의 직경 사이의 관계는 중요하다. 오리피스(16)는 내부관(12)의 실질적인 길이, 바람직하게 전체 길이를 따라 분포하며, 내부관으로부터 외부로의 가스 유동에 대해 충분한 저항을 보장할 수 있는 크기와 수를 가져서, 전체의 내부관의 길이 안에서 후방 압력을 생성시킨다. 내부관으로부터의 가스 유동은 그 길이를 따라 균일하게 분포하고, 내부관 및 외부관 사이의 환형 공간에 공급된다.
모크타리(Mokhtari) 등의 저서("Flow Uniformity and Pressure Variation inMulti-Outlet Flow Distribution Pipes," Advances in Analytical, Experimental and Computational Technologies in Fluids, Structures, Transients and Natural hazards, ASME, PVP - Volume 355, 113페이지, 1997)에는, 단일관을 따라 일정한 유동을 발생시키기 위한 내부관(12; Din), 관 길이(L) 및 오리피스 크기(din) 사이의 일반적인 관계가 설명되어 있다. 또한, 모크타리는 일례로서 L/Din>50을 제안하였으나, 아크리보스(Acrivos) 등의 저서("Flow Distribution in Manifolds," Chemical Engineering Science, Vol. 10, 112~124페이지, Pergamon Press 1959)에서는 L/Din>70을 필요로 한다. 또한, 모크타리 등의 저서에는, Din/din≒10이상은 관의 전체 길이에 걸쳐 양호한 유동 균일성을 제공하는 것으로 기대됨을 제시한다. 아크리보스는 매니폴드의 면적(πDin 2/4)에 대한 총 오리피스 면적(Nπdin 2/4)의 비율이 단위원(unity)을 초과하지 않는다고 제시한다.
따라서, 종래 기술은 단일관에서 비교적 안정된 후방 압력을 생성시키기 위한 일련의 규칙을 제공한다. 구체적으로, 다음 관계가 보여진다. 즉, L/D<70, D/d≒>10, 및 Na포트/A관≒1, 여기서 N은 관 내의 오피리스의 수이고, a포트는 이들 오리피스의 단면적이다. 이러한 종래 기술은 단일관 배열체에 한정되지만, 상술한 바와 같이, 이러한 단일관 배열체는 성능면에서 제한적이며 만족스러운 막(film) 균일성을 제공하지 않는다.
본 발명자는 내부관(12)에 대해 유지되는 종래 기술의 조건은 내부관(12) 내부에 비교적 안정된 후방 압력(P0-Δp)을 생성시킨다는 것을 발견했다. 또한, 본 발명자는 내부관(12)의 오리피스(16)로부터 유지되는 실질적으로 일정한 가스 유동은 2개의 관 사이의 환형 공간(15) 안으로 공급되며, 이들 관들의 전체 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 가스 유동을 제공한다는 것을 발견했다. 본 발명에 따르면, 내부관(12)과 외부관(14) 사이의 압력의 균일성은 환형 공간의 크기에 의해 성립되며, 가스 분배의 균일성이 내부관(12)의 오리피스(16)의 분포에 의해 좌우되지만, 외부관(14)과 그 외부관(14)의 오리피스(18)의 추가에 의해 실질적으로 향상된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 2개 이상의 동축의 관의 결합은 최내부관(12)과 최외부관(14) 사이의 환형 공간(15) 내부에 그리고 이러한 관들의 길이를 따라 일정하고 균일한 압력을 생성시켜, 최외부관으로부터의 가스의 분포가 상당히 일정할 수 있게 한다.
본 발명자는 내부관(12)의 단면적에 대한 내부관(12)과 외부관(14) 사이의 환형 공간의 단면적이 거의 동일해야 하지만, 각각에 대해 적어도 3가지의 인자 내에 있어야 한다. 즉, 유효 환형 공간의 유효 직경(Deff)과, 그리고 최내부 관의 내부 직경(Din)은 각각에 대해 3가지의 인자 내에 있어야 하며, 바람직하게 Deff≒Din이다. 또한, 관 내부의 모든 오리피스의 총 단면적에 대한 관의 내부 면적의 비율은 대략 10이상, 바람직하게 100이상이어야 한다. 즉, 표면적외부/NA외부≒10이상이다. 이것은 상당히 개선된 가스 유동 불균일 값, 즉 종래 기술에 의해 얻어진 약 5 내지 10%와 비교할 때 본 발명에 대해 약 3% 범위 이하인 값을 제공한다. 관 길이에대한 가스 유동 균일성 사이의 관계의 감응도는 내부관(12)에 대한 것보다 외부관(14)에 대한 것이 보다 적다.
요약컨대, 본 발명의 개념은, 내부관의 설계를 통해 가스 전달관의 길이를 따라 일정한 후방 압력을 생성시키고, 내부관과 외부관의 형상적인 관계를 통해 길이에 걸쳐 일정한 압력 및 균일한 분포를 유지시키며, 그리고 마지막으로 외부관의 오리피스 분포를 통해 가스 유동을 계측하는 것이다.
본 발명은 수 많은 응용 분야에서 사용될 수 있다. 이들 중 2개의 응용 분야를 아래에 설명한다. 일실시예에서, 본 발명의 가스 전달 계측관(10)은 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 선형 분사기 배열체를 사용하여 대기/대기 이하(subatmospheric)의 화학 기상 증착 시스템에 사용된다. 이러한 가스 전달 계측관(10)은 분사기 자체(도 8에 도시됨) 내부 및/또는 분사기 측면에 세워진 차폐물(도 7에 도시됨) 내부에 사용될 수 있다.
도 7에 CVD 시스템(20)의 일부분이 도시되어 있다. CVD 시스템(20)은 분사기(22), 보호 차폐물 조립체(24) 및 웨이퍼(26)를 포함하는 증착 챔버를 포함하며, 이러한 웨이퍼(26)는 분사기(22) 및 차폐물 조립체(24) 아래에서 증착 영역(28)을 통해 벨트와 같은 이송 메카니즘(30)에 의해 이송된다. 가스는 분사기로부터 증착 영역(28) 안으로 분사되며 웨이퍼의 표면 상에서 층 또는 막을 증착시키도록 작용한다. 차폐물 조립체(24)는 전형적으로 질소와 같은 불활성 가스를 분사하는데, 이러한 가스는 분사기 표면 상에 증착의 형성을 최소화하는 것을 돕고 증착 영역(28)을 고립시키는 작용을 돕는다. 이러한 실시예에서, 차폐물 조립체(24)는4개의 섹션으로 이루어지며, 이들 중 2개는 분사기(22) 측면에 세워진다. 이러한 유형의 CVD 시스템의 실례는 미국특허 제 5,849,088호, 및 미국 특허출원 제 09/185,180(대리인 도켓(docket) 번호 제 A-65583-1호)에 개시되어 있으며, 이들 모두의 개시는 그 전체가 참조로서 여기에 첨부되어 있다.
약 3% 미만의 막 두께 불균일성에 대한 산업상 조건에 의하면, 분사기 측면에 위치하는 차폐물 가스 유동에 대해 시간 초과에 대해 안정을 유지하는 것이 중요하며, 분사기의 각 측면 상의 가스 유동은 그 자신의 길이를 따라 잘 형성되어 있으며, 또한 분사기의 맞은 편 상의 가스 유동에 대해서도 잘 형성되어 있다. 증착 가스는 선형 분사기에 의해 기판의 표면 상에 수직으로 전달되고, 가스는 분사기의 한 측면으로 배출된다. 보다 구체적으로, 차폐물 조립체(24)의 제 1 목표는 분사기(22)와 배출 경로 표면 상에 사용되지 않는 물질의 증착을 최소화시키는 것이다. 차폐물 조립체(24)는 몇 가지의 섹션으로 이루어지며, 다공성 물질의 외형면은 불활성 가스가 통과하여 내부로 전달되는 플래넘(25)을 형성한다. 불활성 가스는 배출 경로 안으로 전달되고, 사용되지 않는 증착 가스 스트림을 희석시키며, 그리고 사용되지 않는 가스를 배출 경로 표면으로부터 멀어지도록 인도한다.
최대 효과에 대해, 불활성 가스는 증착 영역의 하류에 바로 전달되어야 하고, 이러한 접근성은 불활성 가스가 웨이퍼 기판 상에서 증착 가스의 분배가 방해받지 않을 것을 필요로 한다. 또한, 원하는 막들을 형성하도록 증착 가스가 반응 및 재혼합될 수 있게 하기 위해, 전형적인 APCVD 및 SACVD 도구는 기판에 열의 적용을 필요로 한다. 웨이퍼 온도는 전형적으로 500℃ 이상이며, 바로 가열되지 않은 주변 장치도 상승된 온도(몇 백℃)가 될 수 있다. 따라서, 차폐물과 분사기의 길이를 따라 증착 가스에 필요한 균일성(즉, 약 1% 비균일성 미만)과 유사한 균일성으로 불활성 가스가 계측되고 전달되는 것이 바람직하고, 그 하드웨어 설계는 광범위한 온도 범위에 걸쳐 작동이 가능해야 한다. 본 발명의 가스 전달관(10)의 특별한 장점은 기판의 직경 또는 폭에 걸쳐 놓여지는 차폐물 조립체의 전체 폭에 걸쳐 이러한 계측된 가스 유동을 제공하기에 매우 적합하다는 것이며, 이것은 특히 300mm 웨이퍼와 같은 커다란 직경의 기판에 대해 특히 유리하다. 특히, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가스 전달관(10)은 하나 이상의 차폐물 조립체 섹션의 플래넘(25)에 위치할 수도 있다. 이러한 가스 전달관(10)은 차폐물 조립체 섹션 내부에서 임의의 원하는 위치에 위치할 수 있고, 하나 이상의 관이 각각의 섹션 내부에 위치할 수 있다.
전형적으로, 차폐물(24) 및 분사기(22)는 플루오르화수소산(hydrofluoric acid)과 같은 에칭액으로 세척하기 위해 제거된다. 따라서, 가스 전달관(10)도 이러한 세척액을 견디고, 또는 차폐물 조립체 혼자 역할을 할 수 있도록 용이하게 제거가능한 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 가스 전달관(10)은 자체로 분사기 조립체(22) 내부에서 사용될 수 있으며, 바람직하게, 이들 모두의 개시가 그 전체가 참조로서 여기에 첨부되어 있는 미국특허 제 5,849,088호, 및 미국 특허출원 제 09/185,180(대리인 도켓(docket) 번호 제 A-65583-1호)에 개시된 유형와 같은 선형 분사기 내부에 사용될 수 있다. 대체로, 분사기(22)는 다중 교차 채널 또는 포트(32)로 이루어지는데, 이러한 포트(32)는 분사기(22)의 길이를 따라 뻗어 있고 그 각각은 역시 분사기(22)의 길이를 따라 연장되어 있는 채널과 같은 협소한 슬롯(36)에 의해 공통 가스 전달면에 연결되어 있다. 가스는 가스 전달면(34)에서 유출되어 증착 영역(28)(즉, 체적)을 통해 웨이퍼 기판(26) 위에 나오게 된다. 바람직하게, 증착 가스들은 각각의 포트(32)에 분리되어 공급된다. 인용된 개시들은 분사기(22)의 전체 길이를 따라 증착 가스들의 균일한 분배를 보장하기 위한 몇 가지 구성을 상세한 거론하고 있다. 본 발명의 가스 전달관(10)의 특별한 장점은 원하는 균일하고 또는 계측된 가스 유동을 제공하기 위해 분사기(22)의 하나 이상의 플래넘(32) 안으로 삽입될 수도 있는 가스 전달 장치로서 매우 적합하다는 것이다.
전형적으로, 종래 기술을 사용하는 막 두께의 비균일성은 약 2% 범위에 가깝지만, 본 발명은 사용되는 프로세스 화학 작용의 유형과 CVD 상태에 따라 4% 내지 5% 막 두께 비균일성 이상으로 변화할 수 있다. 본 발명은 종래 기술에 비해 보다 개선된 가스 분배의 균일성을 제공하여, 약 2% 미만의 범위의 막 불균일성이 나타나게 함으로써, 종래 기술보다 실질적인 개선점을 가진다.
본 발명의 특별한 장점은 가스 전달 시스템의 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 분배를 보장하도록 가스 유동을 계측하는 수단을 제공한다는 점이다. 차폐물 적용에 대해, 가스 유량은 전형적으로 관(tube) 당 소수의 분당 표준 리터(standard liters per minute; slm) 내지 약 30 slm 정도이지만, 분사기 적용에 대해 가스 유량은 바람직하게 몇 slm 내지 20 slm 정도이다. 차폐물 적용에서는 불활성 가스가 차폐 스크린 뒤에 비교적 비제한된 체적 안으로 전달되지만, 분사기 적용에서는 플래넘과 채널 슬롯의 교차 근접이 가스 분배를 조절하는 것과 유동을 인도하는 것을 돕는다.
선형 분사기, 차폐물 및 기판 배열체의 형상은 가스가 가스 전달관의 일단부에 인도되게 하는 것을 필요로 한다. 선형 가스 분배 시스템의 종래 기술은 어떤 APCVD 시스템, 특히 폭이 200mm이하인 기판에 대한 APCVD 시스템에서 성공하지 못 했던 접근 방법을 포함한다. 가장 단순한 유형의 구성은 도 1 및 도 2에 도시되어 있고 상술한 바와 같이 그 표면을 따라 오리피스의 분포를 가지는 단일관이다.
본 발명의 가스 전달 계측관이 차폐물 응용 분야에 사용되는 경우에 대해, 가스 유동이 불활성 가스 전달 조립체로부터 "제트" 분사되기 보다는, 관으로부터 균일하게 방위각으로 출현해야 한다. 이 경우에, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외부관 오리피스 분포는 관의 길이를 따라 방위각으로 분포된(도 6b) 소형 구멍의 몇 개의 어래이 및 열(row)일 수도 있다.
도 8에 도시된 분사기 응용 분야의 경우에 대해, 분사기는 교차 채널 또는 포트 그 자체는 본 발명의 조립체 둘레로 경계선(boundary)을 형성하고, 슬롯 채널을 통해 혼합 챔버에 가스가 유동하기 전에 가스 방향을 조절할 수 있다. 따라서, 외부관 오리피스 분포를 지배하는 규칙은 차폐물 응용 분야의 규칙보다 분사기 응용 분야에서 보다 덜 제한적이고, 관 길이를 따라 몇 개의 열(rows)과 아마도 보다 긴 피치(pitch)로 이루어질 수 있다. 본 발명의 가스 전달 계측관을 이용하는 것은 차폐물 응용 분야 분사기 응용 분야 모두에서 보다 균일한 가스 유동을 증진시킨다. 2개의 특정 실례가 설명되었지만, 본 발명의 가스 전달 계측관은 단독으로사용될 수 있고, 또한, 모든 CVD 응용 분야, 반도체 장치 등과 같이, 실질적으로 균일한 가스 전달이 요구되는 다수의 응용 분야에 적합하다.
실 험
도해만을 위해 아래에 몇 가지의 실례를 제공하지만, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 여러 실례들의 매개 변수를 표 1에 나타낸다.
내부관 외부관
케이스(case) 열(#) 열 당 구멍 수(#) 구멍 직경 ID OD 열(#) 열 당 구멍 수(#) 구멍 직경 ID OD
A 1@2@ 3938 0.014 0.114 0.134 5 156 0.014 0.186 0.25
B 1 39 0.010 0.114 0.134 6 156 0.014 0.186 0.25
C 다공성
D 1 39 0.0095 0.136 0.156 1 77 0.0138 0.261 0.281
E 1 39 0.0095 0.136 0.156 3 3.06×0.005 0.261 0.281
예시적인 실례:
실례 1:다음은, 도 7에서 설명된 것과 유사한 보호 차폐물 내부에 위치한 계측관에 대해 사용되는, 표 1의 케이스 A에 나타낸 구성 매개 변수의 활력성(viability)을 설명한다.
후방 압력은 약 200토르(Torr)
가스 유동: 5 내지 30 l/min per tube
내부관 길이(제 1 구멍에서 마지막 구멍) ≒ 9.26 인치(inches)
외부관 길이(제 1 구멍에서 마지막 구성) ≒ 9.7 인치(inches)
표 1에 나타낸 바와 같이, 내부관 크기는 내경(ID)이 0.114인치, 외경(OD)이0.134이고, 외부관의 크기는 내경(ID)이 0.186인치, 외경(OD)이 0.250인치이다.
외부관과 내부관 사이의 환형 부분에 대한 유효 직경(Deff)은 아래에 의해 결정된다.
여기서, A외부는 외부관의 단면적이고, A내부는 내부관의 단면적이며, 각각 직경 ID외부및 OD내부를 가지고 있고, Deff는 내부관과 외부관 사이의 환형 부분의 유효 직경이다. 따라서, 상기 제공된 조건에 대해 식(3)을 풀면:
= 2×[(.186/2)2-(.134/2)2]1/2=0.129 인치=Deff
이 된다. 중요한 것은 관의 단면적과 관의 구멍의 단면적의 총합 사이를 비교하는 것이다. 내부관에 대해, 단면적은 π(ID내부/2)2=π(.114/2)2=0.00325π이고, 구멍의 단면적은 π(.007)2=0.000049π이다.
내부관 구성에 대해, 우리는 모크타리와 아크리보스의 종래 기술에서와 같이 3가지 조건의 값에 관심을 가진다. 이들 3가지 조건은 (a)관의 직경에 대한 길이의 비, (b)포트 직경에 대한 관의 직경의 비, 그리고 (c)관의 단면적에 대한 모든 구멍의 면적의 총합의 비이다. 구체적으로:
L/D<70(4a)
D/d≒>10(4b)
NA포트/A관≒≤1(4c)
표 1의 케이스 A의 내부관 구성에 대해 위에서 계산된 값은:
(a) 내부관 L/D = 9.26/0.114 = 81
(b) 내부관 D/d = 0.114/0.014 = 8.1
(c) 내부관의 단면적에 대한 오리피스의 총 수의 비:
39×(0.000049)π/(0.00325π)=0.6
와 같이 산출된다. 제안된 구성의 계산된 값을 종래 기술의 가이드라인의 구성(식 (4a),(4b),(4c))과 비교하면, 케이스 A의 내부관에 대한 제안된 구성은 대략 균일한 유동을 위한 조건을 충족한다는 것을 나타내며, 구성 결과는 조건 (4a)의 높은 쪽에 있다.
본 발명에 따르면, 외부관의 구성 기준은:
Deff≒Din(또는 적어도 각각에 대해 3개의 인자 내에서) (5a)
표면적외부/NA외부≒10이상(5b)
이다. 여기서, Din은 최내측 관의 내경이고, 표면적외부는 최외측 관의 표면적이며, NA외부는 최외측 관의 모든 오리피스의 총 단면적이다.
외부관에 대한 표 1의 케이스 A의 구성값은:
(a) Deff=0.129≒0.114=Din
(b) 포트의 단면적에 대한 표면적=(9.7)π(.186)/(156×5×.0072π)=47이고 구성 기준이 따라서 충족된다.
실례 2:다음은, (도 7에서 설명된 바와 같이)분사기 조립체 내부에서 계측관에 대해 사용되는, 표 1의 케이스 D에 나타낸 구성 매개 변수의 활력성을 설명한다.
후방 압력은 약 200토르(Torr)
가스 유동: 2 내지 20 l/min per tube
내부관 길이(제 1 구멍에서 마지막 구멍) ≒ 9.27 인치(inches)
내부관 및 외부관의 내경 및 외경의 크기는 표 1의 케이스 D에 주어져 있다. 여러 핵심 구성(key design) 값이 상술한 실례 1에서 설명된 식과 과정을 이용하여 계산될 수 있다.
외부관과 내부관 사이의 환형 부분에 대한 유효 직경(Deff)
= 2×[(.261/2)2-(.156/2)2]1/2=0.209 인치=Deff
내부관의 단면적 = π(.136/2)2=0.00462π이고,
내부 및 외부 오리피스의 단면적은 π(.0048)2=0.000023π이다.
이러한 데이타를 사용하여, 케이스 D의 내부관 구성에 대해 (4a), (4b), (4c)에서 나타내어진 식은 다음과 같이 계산된다.
L/Din=9.27/.136=68
Din/d=.136/.0095=14.3
NA포트/A관=39π(.0048)2/.00462π=0.19
제안된 구성의 계산된 값을 종래 기술의 구성 가이드라인과 비교하면, 케이스 D의 내부관에 대한 제안된 구성은 대략 균일한 유동을 위한 조건을 충족한다는 것을 나타낸다.
케이스 D에 대한 제안된 외부관 구성은 식 (5a) 및 식 (5b)의 기준에 대해 증명되어야 한다. 케이스 D에 대해, 제 1 식이 만족한다; 즉, Deff/Din=.209/.136=1.54는 요구되는 3가지의 인자 내에서 양호하다. 케이스 D의 외부관은 각각 0.0138인치를 가지는 77개의 구멍으로 이루어진다. 따라서, 대략 9.7인치의 외부관에 대한 식 (5b)는, 9.7π(.261)/(77×.00692π)=690이 된다.
실례 3:표 1의 케이스 E는 케이스 D와 동일한 내부관 구성을 사용하지만, 외부관 내에 오리피스의 선형 배열보다 협소한 일련의 3개의 슬롯을 구비한다. 따라서, 본 발명에 따른 이러한 일련의 슬롯을 가지는 외부관에 대한 관계식은:
전과 같이, Deff/Din=.209/.136=1.54이다.
슬롯 단면적에 대한 표면적 = (9.7)π(.261)/(3×3.060×.005)=173
이고, 또한 외부관의 기준에 충족된다.
최내측 관과 최외측 관 사이의 환형 공간은 유효 환형 공간이다. 즉, 관들이 다양한 형상(원통 형상에 추가로)일 수 있으므로, 환형 공간은 관들의 형상과 무관한 최내측 관과 최외측 관 사이의 영역이다.
상술하였고 앞선 실험에 의해 증명되었듯이, 본 발명의 가스 전달 계측관은, 관 길이를 따라 균일한 유동을 발생시키는 것과 무관하게 일정한 후방 압력을 발생시키기 위한 수단을 생성함으로써, 직경 크기 또는 길이와 무관하게, 주어진 길이를 따라 실질적으로 균일한 가스 유동을 제공한다. 나타낸 바와 같이, 환형 단면 체적은 원하는 유량 및 균일성을 달성하는데 중요하다. 특히 유리한 것은, 종횡비(즉, 구멍-대-벽 두께)가 1이하라면; 또는 공급 가스가 공급되지 않는다면, 또한, 공급 가스 공급이 가스 유동을 제한하지 않는다면, 원하는 결과를 달성하는데 관의 벽 크기가 중요하지 않다는 것을 발견했다.
또 다른 장점은, 축방향으로 겹쳐 놓여진 관들이 상이한 형상일 수 있다. 예컨대, 도면에 도시된 원통형 관들과 반대로, 겹쳐 놓여진 관들이 축방향으로 배열된 2개의 사각형 관으로 이루어질 수 있다. 게다가, 본 발명의 가스 전달 계측관들은 원할 때 "제트" 타입의 가스 유동을 제공하도록 구성될 수 있거나, 대안으로 제트가 없는 것으로 구성될 수 있다.
새로운 실시예
본 발명의 다른 실시예는 도 9 내지 도 14에 도시되어 있다. 도 9는 환형 공간(15)에 의해 분리된 겹쳐 놓인 동축 내부관(12) 및 외부관(14)을 갖춘 2개의 관 조립체를 포함하는 가스 전달 계측관(10)의 분해도이다. 외부관(14)은 엔드 캡(end cap; 35)에 의해 일단이 폐쇄되어 있지만, 외부관(14)의 대향 유입단(37)은 가스 공급 포트(50)에 부착되어 있다. 외부관(14)은 예컨대 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 외부관(14)의 실질적인 길이를 따라 분포된 하나 이상의 오리피스 어래이(18)를 포함한다. 내부관(12)은 개방 유입단(13) 및 유출단(17)을 구비하고, 외부관(14)과 겹쳐 놓여져 있다. 내부관(12)은 오리피스의 어래이에 포함되어 있지 않다.
내부관(12)의 유출단(17)은 엔드 캡(35)의 내부면과 접촉하지 않지만, 도 11a 및 도 11 c에 도시되어 있는 바와 같이, 엔드 캡(35)으로부터 일정 거리 떨어져서 종결되어 있어서, 내부관(12)의 유출단(17)으로부터 환형 공간(15) 안으로 가스가 유동할 수 있다. 내부관(12)의 유출단(17)으로부터 엔드 캡(35)의 내부면가지 분리된 정확한 거리는 계측관의 작동에서 중요한 매개 변수가 아니다. 작동이 허용가능한 거리의 범위는 대략 0.1인치 내지 0.25인치로 예상된다. 본 발명의 구체적인 실시예에서, 분리 거리는 0.135인치이다. 이것은 일단부에만 단일 가스 공급 포트만을 사용할 때 가스 전달 계측관(10)의 양 단부에 가스를 공급하는 장점을 제공한다.
단일 가스 공급 포트(50)만을 사용할 때 가스 전달 계측관(10)의 양 단부에가스를 이송하기 위해, 본 발명은 외부관 및 내부관의 유입단들에 인접하여 위치하는 가스 유동 디바이더(gas flow divider; 38)를 제공한다. 이러한 가스 유동 디바이더(38)는 내부관(12)에 연결된 제 1 유동 경로와, 내부관들과 외부관들 사이의 환형 공간(15)에 연결된 제 2 유동 경로를 구비한다. 보다 구체적으로, 가스 유동 디바이더(38)는 엔드 캡(35)과 마주하는 외부관(14)의 유입단(37)에 근접하여 위치하고 내부관(12)의 유입단(13)과 대략 평평한 가로방향 축선을 따라 정렬된다. 도 12a 및 도 12b에 그 일례가 도시되어 있는 가스 유동 디바이더(38)는 관통하여 혀성된 복수의 소형 오리피스(42)와 중심 오리피스(44)를 구비하는 디스크(41)로 이루어진다. 중앙 오리피스(44)는 내부관(12)의 외경과 대략 동일한 직경을 가지며, 내부관의 가로방향 중심선을 따라 내부관의 유입단(13)과 인접하여 위치하여 내부관(12) 안으로의 제 1 가스 유동 경로를 제공한다. 이러한 복수의 소형 오리피스(42)는 바람직하게 디스크(41)의 원주 둘레에 위치하고 환형 공간(15) 안으로의 제 2 가스 유동 경로를 제공한다. 대안으로, 가스 유동 디바이더(38)는 내부관(12)의 유입단(13) 상에 플랜지로서 형성될 수 있고, 관통하여 형성된 복수의 오리피스(42)를 갖춘 립(lip)을 구비한다. 다른 실시예에서, 가스 유동 디바이더(38)는 가스 공급 포트(50)의 일부로서 형성될 수도 있다.
중앙 오리피스(44) 및 복수의 오리피스(42)의 직경은 특별히 제한되어 있지 않지만, 복수의 오리피스(42)의 단면적의 총합이 내부관(12)의 내부의 단면적과 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 또한, 복수의 오리피스(42)는 모두 동일한 직경을 가질 수 있고, 대안으로 모든 오리피스(42)의 직경이 상이할 수도 있다. 일례에서, 오리피스(42)의 직경은 약 0.015인치 내지 0.025인치의 범위에 있고, 내부관(12)의 내경이 약 0.065인치 내지 0.075인치의 범위에 있다.
내부관(12)은 하나 이상의 스탠드오프 스페이서(standoff spacers; 40)에 의해 적어도 부분적으로 외부관(14) 내부에서 축방향으로 지지된다. 스탠드오프 스페이서(40)는 외부관(14) 내부에서 내부관(12)의 축방향 중심에 제공된다. 스탠드오프 스페이서(40)의 일례가 도 13a 및 도 13b에 도시되어 있으며, 하나 이상의 스탠드오프 부분(43) 및 중심 구멍(46)을 갖춘 얇은 시트(thin sheet)로 이루어져 있다. 중심 구멍(46)의 직경은 내부관(12)의 외경보다 다소 크다. 내부관(12)은 구멍(46) 안으로 축방향으로 삽입되고, 스탠드오프 부분(43)은 외부관의 내벽과 결합되어 있다. 하나 이상의 스탠드오프 스페이서는 내부관의 유출단(17)에 인접하여 위치한다. 스탠드오프 부분(43)은 환형 공간(15)의 차단을 실질적으로 최소화시키는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 특별한 장점은, 가스 전달 계측관(10)의 일단부에만 단일 가스 공급 유입구를 사용할 때, 가스 전달 계측관(10) 내부에서 양 단부에 가스의 전달을 제공한다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같은 단일 가스 공급 포트(50)에 의해 가스가 공급된다. 이러한 가스 공급 포트(50)는 가스 전달 계측관(10)의 일단부에 배치되며, 내부에 중공(hollow)의 체적 또는 포켓(49)이 형성되어 있는 단일 유닛 블록(single unit block; 48), 가스 공급 커넥터(62), 및 중공관 스터브(hollow tube stub; 64)로 이루어진다. 가스 경로를 밀폐시키기 위해 포켓(49) 상에 커버 또는 캡(99)이 용접된다. 가스 공급 커넥터(62)에는 가스공급부로부터 포켓(49)을 통해 가스를 이송하여 중공관 조립체(64)를 통해 유출시키기 위한 배관(plumbing)(도시 안함)이 부착되어 있다. 중공관 스터브(64)는 가스 전달 계측관(10)에 연결되어 있다. 외부관(14)은 일단부에 어댑터(adapter; 66)를 포함한다. 이러한 어댑터(66)는 외부관(14)을 보다 큰 직경의 중공관 스터브(64)에 결합시킨다. 일실시예에서, 가스 유동 디바이더(38)는 중공관 스터브(64)와 어댑터(66) 사이에 위치하며, 이들 3개의 부재 모두 함께 용접되어 있다. 이러한 실시예에서, 어댑터(66)는 결국 외부관(14)의 연장부로서 기능하여, 가스 유동 디바이더(38)를 통해 환형 공간(15) 안으로 가스가 이동하면서 유동 분열이 실질적으로 존재하지 않는다.
작동 중에, 가스는 가스 공급부로부터 가스 공급 커넥터(62)를 통해 포켓(49) 안으로 이송된다. 가스는 포켓(49)을 통해, 중공관 스터브(64)를 거쳐 유출되어, 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있는 바와 같이 가스 전달 계측관(10) 안으로 이동한다. 가스가 가스 전달 계측관(10)에 접근하면, 가스 유동 디바이더(38)로 이송되고, 중앙 오리피스(44)에 의해 제공된 제 1 유동 경로와, 복수의 소형 오리피스(42)에 의해 제공된 제 2 유동 경로 사이에서 분기된다. 중앙 오리피스(44)에 의해 분리된 가스는 내부관(12)으로 유입되고, 복수의 소형 오리피스(42)에 의해 분리된 가스는 환형 공간(15) 안으로 유입된다. 거의 동일한 이들 2개의 경로의 단면적이 유지됨으로써, 대략 동일한 체적의 가스 유량이 2개의 가스 유동 경로에 제공된다. 내부관(12)은 그 길이를 따라 오리피스가 없기 때문에, 가스는 내부관(12)의 유출단에서 내부관(12)으로부터 유출되어, 내부관(12)의 유입단의 대향 단부에서 환형 공간(15)으로 유입된다. 즉, 내부관으로부터의 가스는 복수의 오리피스(42)를 통해 가스가 환형 공간(15)으로 유입되는 곳의 대향 단부에서 환형 공간(15)으로 들어간다. 따라서, 가스는 가스 전달 계측관(10)의 양 단부에서 이송되지만, 가스 전달 계측관(10)의 일단부에만 단일 가스 공급 포트가 사용되어 있다.
도 9 내지 도 14에 도시된 예시적인 실시예에서, 가스 전달 계측관(10)내의 오리피스(18)의 어래이는 실질적으로 동일한 크기와 동일 거리의 간격을 가지지만, 다른 실시예가 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 사용될 수도 있다. 예컨대, 오리피스(18)의 피치(pitch)는 가스 유동 패턴을 제공하는 것을 변경시킬 수도 있다. 다른 실시예에서, 개별의 오리피스의 직경은 가스 유동 패턴에 맞추어 크기가 변경될 수 있다. 오리피스(18)는 임의의 적합한 기술에 의해 형성될 수도 있다. 예컨대, 오리피스(18)가 팝 관통공(pop through holes)으로서 형성될 수도 있다. 대안으로, 오리피스는 바람직하게, 루비(ruby)와 같이 기계가공 오차를 없애기 위한 물질로 형성된 후, 팝 관통공 안에 자리하게 된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 본 발명의 개시를 연구한 당업자들에게 명확할 수 있다. 상술한 본 발명의 특정 실시예 및 실례들은 도해 및 설명을 위해 제시되었고, 본 발명이 어떤 특정한 전술한 실례로 도해되었지만, 이로 인해 본 발명을 한정하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 이들은 본 발명을 개시된 상세한 형태로 완전하게 하고 제한하려는 의도가 아니며, 분명히 여러 변경, 실시예 및 변화가 본 발명의 교시의 견지에서 가능하다. 본 발명의 요지는 여기에 개시된 일반적 영역을 포함하며, 여기 첨부된 청구범위 및 이들의 균등물도 아우른다.
본 발명에 따른 가스 전달 계측관은 축방향으로 배열된 2개의 겹쳐 놓인 관을 포함하며, 내부관 및 외부관은 조립체의 일단부를 통해 가스를 수용하고 내부관은 외부관의 대향 단부로 가스를 이송시킨다. 외부관은 하나 이상의 오리피스 어래이를 포함한다. 가스 입구에 연결된 외부관의 대향 단부로의 가스의 이송은, 단일관을 통해서만 가스를 유입시킴으로써 달성될 수 있는 것 보다 가스 전달 계측관의 전체 길이에 걸쳐 보다 균일한 후방 압력을 제공한다.

Claims (14)

  1. 가스를 전달하기 위한 가스 전달 계측관으로서,
    유입단 및 폐쇄단을 갖춘 외부관으로서, 상기 외부관의 대부분의 길이를 따라 연장되는 하나 이상의 오리피스 어래이가 내에 형성되어 있는 외부관과,
    개방 유입단 및 유출단을 갖춘 내부관으로서, 상기 외부관과 겹쳐 놓여지고 축방향으로 정렬되어 상기 외부관과 상기 내부관 사이에 유효 환형 공간이 형성되며, 상기 내부관의 유출단이 상기 외부관의 폐쇄단 이전에 종결되는 내부관과, 그리고
    상기 내부관 및 상기 외부관들의 유입단들과 인접하여 위치하고, 상기 내부관에 연결된 제 1 가스 유동 경로, 및 상기 내부관들과 상기 외부관들 사이의 상기 환형 공간에 연결된 제 2 유동 경로를 구비하는 가스 유동 디바이더를 포함하는 가스 전달 계측관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 유동 디바이더는 상기 제 1 가스 유동 경로를 형성하는 중앙 오리피스, 및 상기 제 2 가스 유동 경로를 형성하는 복수의 소형 오리피스를 갖춘 디스크를 포함하는 가스 전달 계측관.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 유동 디바이더는 상기 내부관의 유입단 상에 플랜지를 포함하며, 상기 플랜지는 상기 제 2 가스 유동 경로를 형성하는 복수의소형 오리피스를 포함하는 립을 구비하는 가스 전달 계측관.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 내부관의 내부의 단면적은 상기 가스 유동 디바이더 내의 상기 복수의 소형 오리피스의 총 단면적과 대략 동일한 가스 전달 계측관.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 전달 계측관에 가스를 공급하기 위해 상기 내부관 및 상기 외부관의 유입단에 연결된 단일 가스 공급 포트를 더 포함하는 가스 전달 계측관.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가스 공급 포트는 커버에 의해 밀봉되어 제한된 통로를 생성하는 포켓이 내부에 형성되어 있는 블록과, 가스를 수용하기 위해 상기 포켓에 연결된 가스 공급 커넥터와, 그리고 상기 가스를 이송하기 위해 상기 외부관 및 상기 내부관의 유입단과 상기 포켓에 연결된 중공관 조립체를 포함하는 가스 전달 계측관.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 외부관의 내측에 상기 내부관을 축방향으로 정렬시키도록 상기 내부관에는 하나 이상의 스탠드오프 스페이서가 부착되어 있는 가스 전달 계측관.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 전달 계측관이 화학 기상 증착 시스템에 사용되는 가스 전달 계측관.
  9. 제 1 항의 가스 전달 계측관과, 상기 가스 전달 계측관을 수용하기 위한 하나 이상의 포트를 구비한 하나 이상의 분사기 조립체를 조합한 조합체.
  10. 제 1 항의 가스 전달 계측관과, 상기 가스 전달 계측관을 수용하기 위한 하나 이상의 플래넘을 구비한 하나 이상의 차폐물 조립체를 조합한 조합체.
  11. 가스를 전달하기 위한 가스 전달 계측관으로서,
    유입단 및 폐쇄단을 갖춘 외부관으로서, 상기 외부관의 대부분의 길이를 따라 연장되는 하나 이상의 오리피스 어래이가 내에 형성되어 있는 외부관과,
    개방 유입단 및 유출단을 갖춘 내부관으로서, 상기 외부관과 겹쳐 놓여지고 축방향으로 정렬되어 상기 외부관과 상기 내부관 사이에 유효 환형 공간이 형성되며, 상기 내부관의 유출단이 상기 외부관의 폐쇄단 이전에 종결되는 내부관과,
    상기 내부관 및 상기 외부관들의 유입단들과 인접하여 위치하고, 상기 내부관에 연결된 제 1 가스 유동 경로, 및 상기 내부관들과 상기 외부관들 사이의 상기 환형 공간에 연결된 제 2 유동 경로를 구비하는 가스 유동 디바이더와, 그리고
    상기 가스 전달 계측관에 가스를 공급하기 위해 상기 외부관 및 상기 내부관의 유입단에 연결되어 있는 단일 가스 공급 포트를 포함하며, 상기 가스 전달 계측관의 양 단부에 가스를 이송시키는 동안 상기 단일 가스 공급 포트가 일단부에만 연결되어 있는 가스 전달 계측관.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 가스 유동 디바이더는 상기 제 1 가스 유동 경로를 형성하는 중앙 오리피스, 및 상기 제 2 가스 유동 경로를 형성하는 복수의 소형 오리피스를 갖춘 디스크를 포함하는 가스 전달 계측관.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 가스 유동 디바이더는 상기 내부관의 유입단 상에 플랜지를 포함하며, 상기 플랜지는 상기 제 2 가스 유동 경로를 형성하는 복수의 소형 오리피스를 포함하는 립을 구비하는 가스 전달 계측관.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 가스 공급 포트는 커버에 의해 밀봉되어 제한된 통로를 생성하는 포켓이 내부에 형성되어 있는 블록과, 가스를 수용하기 위해 상기 포켓에 연결된 가스 공급 커넥터와, 그리고 상기 가스를 이송하기 위해 상기 내부관의 유입단 및 상기 외부관과 상기 포켓에 연결된 중공관 조립체를 포함하는 가스 전달 계측관.
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