KR20070011342A

KR20070011342A - 반도체 제조 가스 유량 분할기 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20070011342A
Application number: KR1020067020209A
Authority: KR
Inventors: 알리 샤지이; 시드하르쓰 나가르카티
Original assignee: 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2007-01-24
Also published as: JP2012169651A; US20050199342A1; CN1938661A; US7072743B2; WO2005094404A2; JP5300261B2; WO2005094404A3; KR101113776B1; GB2428823A; DE112005000485T5; JP2007528603A; GB2428823B; GB0618943D0

Abstract

본 발명은, 하나의 유량을 희망 비율의 2개 또는 그 이상의 2차 유량으로 분할하기 위한 시스템에 있어서, 하나의 유량을 받아들이도록 만들어진 주입구, 주입구에 연결된 적어도 2개의 2차 유량 라인, 적어도 하나의 희망 유량 비율을 수신하도록 만들어진 입력 장치, 유량 라인 각각에 의해 생성되는 생성물의 측정값을 제공하는 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터 및 입력 장치와 인-시튜 공정 모니터에 연결된 제어기를 포함하는 시스템을 제공한다. 제어기는 입력 장치를 통해 희망 유량 비율을 수신하고, 인-시튜 공정 모니터로부터 생성물 측정값을 수신하고, 희망 유량 비율 및 생성물 측정값에 기초하여 수정된 유량 비율을 산출하도록 프로그래밍된다. 생성물 측정값이 동일하지 않으면, 수정된 유량 비율은 희망 유량 비율과 상이해지게 된다.

가스 유량 분할기 시스템, 반도체 웨이퍼, 유량 라인, 유량 비율, 공정, 주입구, 방출구

Description

반도체 제조 가스 유량 분할기 시스템 및 방법{SEMICONDUCTOR MANUFACTURING GAS FLOW DIVIDER SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 일반적으로 반도체 제조 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 정밀하게 분할된 양의 공정 가스를 반도체 공정 챔버(chamber)에 전달하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 더 구체적으로, 본 발명은 공정 가스의 하나의 유량을 희망 비율로 2개 또는 그 이상의 유량으로 분할하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 여기서, 인-시튜 공정 모니터(in-situ process monitors)가 각각의 유량에 의해 생성되는 공정 결과를 실시간으로 감시하여 제공하는데 이용되고, 각각의 유량에 의해 생성되는 공정 결과가 동일하지 않으면, 시스템 및 방법은 원하는 공정 결과를 얻기 위하여 실시간으로 유량의 비율을 조정한다.

반도체 장치의 제조는 종종 철저한 동기화 및 다량의 가스의 공정 챔버로의 정밀하게 측정된 전달을 요구한다. 제조 공정에는 다양한 레시피(recipes)가 이용되며, 반도체 장치가 세정되고, 연마되고, 산화되고, 마스킹되고(masked), 에칭되고, 도핑되고(doped), 금속화되는 등의 많은 개별적 공정 단계가 요구될 수 있다. 이용되는 단계, 그 특정한 시퀀스 및 관련된 재료는 모두 특정 장치를 만드는데 기여한다.

따라서, 웨이퍼 제조 설비는 일반적으로, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 플라스마 증착(plasma deposition), 플라스마 에칭, 스퍼터링(sputtering) 및 다른 유사한 가스 제조 공정이 수행되는 영역을 포함하도록 구성된다. 화학 기상 증착 리액터(reactors), 진공 스퍼터링 머신(machines), 플라스마 에쳐(etcher) 또는 플라스마 화학 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 플라스마 공정 기계에 다양한 공정 가스가 함께 공급되어야 한다. 이 기계에는, 퓨어 가스(pure gases)가 정밀하게 측정된 양만큼 공급되어야 한다.

통상의 웨이퍼 제조 설비에 있어서, 가스는 탱크에 저장되어 있으며, 이는 파이프 또는 관로를 통하여 가스 박스에 연결된다. 가스 박스는 정밀하게 측정된 양의 비활성 또는 반응성의 퓨어 가스를 제조 설비의 탱크로부터 공정 기계로 전달한다. 가스 박스 또는 가스 측정 시스템은, 밸브, 압력 조절기와 변환기, 대용량 유량 제어기 및 필터/정화기와 같이 가스 측정 유닛을 갖는 복수의 가스 경로를 포함한다. 각각의 가스 경로는 별도의 가스 공급원과의 연결을 위한 주입구를 갖지만, 모든 가스 경로는 공정 기계와의 연결을 위한 하나의 방출구로 모인다.

때때로, 화합된 공정 가스를 동일한 유량으로 분할하거나, 또는 동일하지 않지만 비례하는 유량으로 분할하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가스 박스로부터의 하나의 가스 유량을 복수의 공정 챔버로 분할하고, 여기서 각각의 공정 챔버가 동 일한 유량을 받아들이는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 가스 박스로부터의 하나의 가스 유량을 단일 공정 챔버에서의 별도의 부분으로 분할하고, 여기서, 공정 챔버의 각각의 부분이 동일한 유량 또는 동일하지 않지만 비례하는 유량을 받아들이는 것도 바람직할 수 있다.

저압 또는 대기압 화학 기상 증착, 에칭, 에피택시(epitaxy)와 같은 다양한 반도체 제조 공정은, 공정 챔버 내에서 처리되고 있는 반도체 웨이퍼 위에 공정 가스를 고르게 살포하기 위하여 공정 챔버 내에서 샤워헤드(showerhead)를 이용한다. 이 샤워헤드는 단일 구역을 포함할 수도 있고, 또는 2개 이상의 구역을 포함할 수도 있다. 복수 구역 샤워헤드의 일례가, Moslehi 등의 미국특허 제5,453,124호, Lee 등의 미국특허 제5,624,498호, Moslehi 등의 미국특허 제5,976,261호, Li 등의 미국특허 제6,251,187호, Umotoy 등의 미국특허 제6,302,964호 및 Kholodenko 등의 미국특허 제6,676,760호에 개시되어 있지만, 이에 한정되지 않는다.

가스 박스의 1차 유량이 별도의 공정 챔버들 또는 단일 공정 챔버의 별도의 부분들 사이에서 원하는 대로 분할되는 것을 보장하기 위하여, 유량 분할 시스템이 이용된다. 유량 분할 시스템의 일례는, Goldman 등의 미극특허 제4,369,031호, McMillin 등의 미국특허 제6,333,272호, Taylor 등의 미국특허 제6,418,954호 및 미국특허공개공보 제2003/0130807호에 개시되어 있지만, 이에 한정되지는 않는다.

또한, 예를 들어, 별도의 공정 챔버들 또는 단일 공정 챔버의 별도의 부분들 사이에서 공정 가스의 하나의 유량을 분할하는데 이용될 수 있는 새롭고 향상된 가스 유량 분할 시스템 및 방법이 요구된다. 유량 분할 시스템 및 방법은, 필요하다 면 유량 분할 시스템 및 방법에 의해 생성되는 유량 비율을 즉시 조정하고, 실시간으로 반도체 웨이퍼 불균일성을 수정하기 위하여, 인-시튜 공정(웨이퍼 균일성) 감시를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 하나의 유량을 희망 비율의 2개 또는 그 이상의 2차 유량으로 분할하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 하나의 유량을 받아들이기 위한 주입구 및 이 주입구와 연결된 적어도 2개의 2차 유량 라인을 포함한다. 또한, 이 시스템은 적어도 하나의 희망 유량 비율(즉, 세트 포인트)을 수신하기 위한 입력 장치, 각각의 유량 라인에 의해 생성되는 생성물의 측정값(예를 들어, 반도체 웨이퍼 박막 측정값)을 제공하는 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터 및 입력 장치와 인-시튜 공정 모니터에 연결된 제어기도 포함한다. 제어기는 입력 장치를 통하여 희망 유량 비율을 수신하고, 인-시튜 공정 모니터로부터 생성물 측정값을 수신하고, 희망 유량 비율 및 생성물 측정값에 기초하여, 수정된 유량 비율을 산출하도록 프로그래밍된다.

본 발명의 일양태에 따르면, 시스템은 각각의 유량 라인에 연결된 별도의 공정 챔버를 포함하고, 각각의 공정 챔버는 각각의 공정 챔버 내에서 반도체 웨이퍼 측정값을 제공하기 위한 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 시스템은 모든 유량 라인에 연결된 공정 챔버를 포함하고, 공정 챔버에 위치한 반도체 웨이퍼는 유량 라인에 대응하는 구역들로 분할된다. 부가적인 양태에 따르면, 유량 라인은 공정 챔버의 샤워헤드에 연결되어 있고, 공정 챔버는 각각의 공정 챔버 내에서 반도체 웨이퍼의 각각의 구역의 측정값을 제공하기 위한 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터를 포함한다.

본 발명의 또다른 양태들 및 장점들에 따르면, 시스템은 반도체 웨이퍼 공정 불일치에 대하여 실시간으로 수정을 제공한다. 이 시스템은 별도의 공정 챔버들 사이 또는 단일 공정 챔버의 별도의 부분들 사이에서 공정 가스의 하나의 유량을 분할할 수 있고, 필요하다면 유량 분할 시스템 및 방법에 의해 생성되는 유량 비율을 즉시 조정하고, 실시간으로 반도체 웨이퍼 불균일성을 수정하기 위하여, 인-시튜 공정(웨이퍼 균일성) 감시를 포함하게 된다.

본 발명의 또다른 양태에 따르면, 인-시튜 공정 모니터는 차동 센서(differential sensor)를 포함한다. 따라서, 본 발명은 상대 교정만을 요구하는 센서를 이용하고, 장황하고 비싸며 종종 신뢰도가 떨어지는 절대 교정에 대한 요구를 회피한다.

본 발명의 부가적인 양태들 및 장점들은, 후술되는 설명으로부터, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 쉽게 명백해질 것이며, 여기서, 본 발명의 예시적인 일실시예가 간단히 일례로서 도시되고 설명된다. 본 발명이 실시됨에 따라, 본 발명은 다른 상이한 실시예들이 가능하고, 그 몇몇의 세부 사항들은 다양하고 분명한 양태에서 변형이 가능하며, 모두 본 발명으로부터 벗어나지 않는다. 따라서, 도면 및 설명은 사실상 예시적인 것으로 간주되고, 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다.

도1은 본 발명에 따라 구성되어 있고 가스 측정 박스와 단일 공정 챔버의 샤워헤드 사이에 연결된 유량 분할 시스템을 개략적으로 도시한 도면.

도2는 도1의 시스템에 있어서 유량을 분할하기 위한 방법을 설명하는 흐름도.

도3은 가스 측정 박스와 2개의 공정 챔버 사이에 연결된 도1의 유량 분할기 시스템을 개략적으로 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 시스템 13: 주입구

14a, 14b: 라인 20a, 20b: 밸브

24: 제어기 100: 인-시튜 공정 모니터

106: 공정 챔버 110: 가스 박스

112a, 112b, 112c, 112d: 스틱 200: 웨이퍼

도1 및 도2를 참조하면, 본 발명은 하나의 가스 유량을 희망 비율의 2개 또는 그 이상의 유량으로 분할하기 위한 유량 분할기 시스템(10) 및 방법(12)을 제공한다. 시스템(10) 및 방법(12)은 특히, 오염되지 않고 정밀하게 측정된 양의 공정 가스를 반도체 공정 챔버에 전달하기 위한 가스 측정 시스템과 함께 이용하도록 의 도된다. 본 발명의 시스템(10) 및 방법(12)은, 필요하다면 유량 비율을 즉시 조정하고, 실시간으로 반도체 웨이퍼 불균일성을 수정하기 위하여, 인-시튜 공정(웨이퍼 균일성) 감시를 포함한다.

도1은 가스 측정 박스(110)의 예시적인 일실시예와, 공정을 위한 반도체 웨이퍼(200)를 갖는 것으로 도시된 단일 공정 챔버(106)의 샤워헤드(107)의 예시적인 일실시예 사이에 연결되는 것으로 도시된 유량 분할 시스템(10)의 예시적인 일실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 가스 측정 박스(110)는 가스 공급원(예를 들어, 가스 탱크)(104a, 104b, 104c, 104d)으로부터(4개의 탱크가 도시되어 있지만, 시스템은 4개 이상 또는 이하의 탱크를 원하는 대로 포함할 수 있다), 예를 들어 공정 가스 및 정화 가스를 포함하여 복수의 가스를 받아들이고, 그리고 나서, 유량 분할 시스템(10)으로의 가스를 화합하고 정밀하게 측정한다.

가스 박스(110)는 복수의 가스 스틱(112a, 112b, 112c, 112d)을 갖는다(4개의 스틱이 도시되어 있지만, 가스 박스는 4개 이상 또는 이하의 스틱을 포함할 수 있다). 예를 들어, 각각의 스틱은 유량 제어기(MAC)(114), MFC 앞에 위치한 밸브(116) 및 MFC 뒤에 위치한 밸브(118)를 포함한다. 가스 스틱(112a, 112b, 112c, 112d)은, 가스 공급원(104a, 104b, 104c, 104d)에 각각 연결되어 있고, 오염되지 않고 정밀하게 측정된 양의 가스 또는 화합된 가스가 가스 박스(110)로부터 유량 분할기 시스템(10)에 공급될 수 있도록, 제어가능한 가스 통로를 제공한다. 도시되어 있지는 않지만, 스틱(112a, 112b, 112c, 112d)은 각각, 필터, 정화기 및 압력 변환기와 제어기와 같이, 가스를 감시하고 제어하기 위한 다른 구성요소와 함께 제 공될 수도 있다. 원한다면, 각각의 스틱으로부터의 가스 유량이 가스 박스에서 방출되기 전에 혼합되도록 하기 위하여, 스틱(112a, 112b, 112c, 112d)은, 예를 들어 방출구 분기관(outlet manifold)(128)에서 서로 연결되어 있다.

진공 펌프(120)는 가스 밸브(122)를 통하여 공정 챔버(106)에 연결되어 있다. 동작하는 동안, 진공 펌프(120)가 가스 박스(110) 및 유량 분할기 시스템(10)을 통하여 가스 공급원(104a, 104b, 104c, 104d)으로부터 공정 챔버(106)로 가스를 유도하며, 그 결과, 가스는 반도체 웨이퍼(200)를 처리하는데 이용될 수 있다. 공정 챔버(106)의 가스에 의해 수행되는 공정은 화학 기상 증착, 플라스마 증착, 플라스마 에칭 및 스퍼터링을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 이 공정들은 재료층이 웨이퍼(200)의 상부 표면에서 배치되거나 제거되도록 야기할 수 있고, 또는 웨이퍼(200) 상부 표면의 속성(예를 들어, 다공률(porosity))이 변화되도록 야기할 수도 있다. 웨이퍼(200)의 이러한 변화는 가스에 의해 야기되는 원하는 공정 과정을 판단하기 위하여 감시될 수 있다.

도1을 참조하면, 본 발명의 유량 분할기 시스템(10)은 가스 박스(110)의 방출구 분기관(128)으로부터 하나의 가스 유량을 받아들이기 위한 주입구 라인 또는 분기관(13), 및 주입구(13)에 연결된 제1 유량 라인(14a)과 제2 유량 라인(14b)을 포함한다. 각각의 라인(14a, 14b)은 라인을 통과하는 유량을 측정하여 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공하는 유량계(flow meter)(18a, 18b) 및 희망 유량 비율을 나타내는 신호에 기초하여 라인을 통과하는 유량을 제어하는 밸브(20a, 20b)와 함께 제공된다. 또한, 비율 시스템(10)은 희망 유량 비율을 수신하기 위한(조작자에 의해 직접적으로 또는 웨이퍼 처리 컴퓨터 제어기를 통하여 간접적으로) 입력 장치(22) 및 유량계(18a, 18b), 밸브(20a, 20b) 및 입력 장치(22)에 연결된 제어기(24)를 갖는다. 여기서, 유량 비율 α는 제2 라인(14b)을 통과하는 유량 Q₂을 제1 라인(14a)을 통과하는 유량 Q₁으로 나눈 값으로서 정의된다.

도1에 도시된 유량 분할기 시스템(10)의 예시적인 실시예가 단지 2개의 유량 라인(14a, 14b)만을 포함하지만, 본 발명에 따른 유량 분할기 시스템이 3개 이상의 유량 라인과 함께 제공될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.

또한, 유량 분할기 시스템(10)은 각각의 유량 라인(14a, 14b)에 의해 생성되는 생성물의 측정값을 제공하는 인-시튜 공정 모니터(100)도 포함한다. 예를 들어, 이 인-시튜 공정 모니터는 웨이퍼(200) 상부 표면에서 배치 또는 제거되고 있는 막층(layer of film)의 두께에 대한 측정값을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 인-시튜 공정 모니터(100)는 대안적으로 웨이퍼(200) 상부 표면의 속성(예를 들어, 다공률)의 측정값을 제공할 수도 있다. 인-시튜 공정 모니터(100)에 의해 제공되는 측정값은 공정 챔버(106) 내의 웨이퍼(200)에 대하여 가스에 의해 야기되는 원하는 공정 과정을 판단하는데 이용된다.

인-시튜 공정 모니터는 반도체 웨이퍼의 증착 막의 두께와 같은 속성을 판단하기 위하여 엘립소메트리(ellipsometry), 광학 발광 분광법(optical emission spectroscopy, OES) 및 간섭법과 같은 향상된 박막 측정법을 이용한다. 예시적인 일실시예에 따르면, 본 발명의 시스템(10)의 일부로서 이용되는 인-시튜 공정 모니 터(100)는 광원으로부터 방출되는 빛과 반사되는 빛의 비율을 감시함으로써 측정값을 얻는 차동 센서를 포함한다.

인-시튜 공정 모니터는 예를 들어, Bobel 등의 미국특허 제5,387,309호, Eriguchi 등의 미국특허 제6,113,733호, Peng 등의 미국특허 제6,117,348호, Johnson 등의 미국특허 제6,278,809호, Halliyal 등의 미국특허 제6,563,578호 및 Oluseyi 등의 미국특허 제6,633,391호에 개시되어 있으며, 이들의 전체 내용이 여기에 참조로서 포함되어 있다. 인-시튜 공정 모니터는 현재 예를 들어, Jobin Yvon Inc. of Edison, NJ(www.jobinyvon.com), SVT Associates, Inc. of Eden Prairie, MN(www.svta.com), Micro Photonics Inc. of Allentown, PA(www.microphotonics.com), Luxtron Corporation of Santa Clara, CA(www.luxtron.com) 및 4Wave, Inc. of Sterling, VA(www.4waveinc.com)로부터 이용가능하다.

도1의 예시적인 실시예에서, 시스템(10)의 유량 라인(14a, 14b)은 둘 다 공정 챔버(106)의 샤워헤드에 연결된다. 따라서, 제2 라인(14b)을 통과하는 유량 Q₂은 웨이퍼(200)의 외부 구역에 영향을 미치고, 제1 라인(14a)을 통과하는 유량 Q₁은 웨이퍼의 내부 구역에 영향을 미친다. 따라서, 웨이퍼(200)의 내부 구역은 제1 유량 라인(14a)에 대응하고, 웨이퍼(200)의 외부 구역은 제2 유량 라인(14b)에 대응한다.

도1의 예시적인 실시예에서, 인-시튜 공정 모니터(100)는 웨이퍼(200)의 내 부 구역으로부터의 적어도 하나의 측정값 M₁을 제공하며, 이는 제1 유량 라인(14a)를 통한 가스 유량의 공정 결과를 나타낸다. 또한, 인-시튜 공정 모니터(100)는 웨이퍼(200)의 외부 구역으로부터의 적어도 하나의 측정값 M₂도 제공하며, 이는 제2 유량 라인(14b)를 통한 가스 유량의 공정 결과를 나타낸다.

도2를 참조하면, 제어기(24)는, 단계(30)에서는 입력 장치(22)를 통하여 희망 유량 비율을 수신하고, 단계(32)에서는 유량계(18a, 18b)로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하며, 단계(34)에서는 측정된 유량에 기초하여 유량 라인(14a, 14b)을 통한 실제 유량 비율을 산출하고, 단계(36)에서는 실제 비율과 "수정된" 유량 비율을 비교하도록 프로그래밍된다. 또한, 제어기(24)는, 단계(38)에서는 실제 비율이 수정된 비율과 동일하지 않으면 유량 라인(14a, 14b) 중 적어도 하나의 라인을 통과하는 희망 유량을 산출하고, 단계(40)에서는 희망 유량을 나타내는 "조정" 신호를 밸브(20a, 20b) 중 적어도 하나에 제공하도록 프로그래밍된다. 따라서, 제어기(24)는 라인을 통과하는 실제 유량 비율이 수정된 유량 비율과 동일해질 때까지, 유량 라인(14a, 14b) 중 적어도 하나의 라인을 통과하는 유량을 조정한다.

또한, 제어기(24)는, 도2의 단계(50)에서는 인-시튜 공정 모니터로부터 측정값 M₁ 및 M₂를 수신하고, 단계(52)에서는 측정값 M₁과 M₂를 비교한다. 측정값 M₁과 M₂가 동일하면, 이는 유량 Q₁과 Q₂가 웨이퍼(200)의 내부와 외부 구역에서 동일한 공정 결과를 생성하였다는 것을 나타내며, 그에 따라, 제어기는(24)는 단계(54)에서 희망 유량 비율과 동일한 수정된 유량 비율을 산출하도록 프로그래밍된다. 즉, 유량 Q₁과 Q₂가 동일하지 않은 공정 결과(예를 들어, 웨이퍼(200)의 내부와 외부 구역의 동일하지 않은 막 두께)를 생성하고 있지 않기 때문에 수정이 없으며, 시스템(10)은 원하는 대로 동작하게 된다.

측정값 M₁과 M₂가 동일하지 않으면, 이는 유량 Q₁과 Q₂가 웨이퍼(200)의 내부와 외부 구역에서 동일한 공정 결과를 생성하지 않았다는 것을 나타내며, 그에 따라, 제어기(24)는 단계(56)에서 수정된 유량 비율을 산출하도록 프로그래밍된다. 우선, 제어기(24)는 공정 균일성 에러 ε_m=k _m/2[(M₁-M₂)/(M₁+M₂)]를 산출하며, 여기서, k _m은 임의의 양의 스칼라 상수이고, 그리고 나서, 희망 유량 비율 및 공정 균일성 에러 ε_m에 기초하여 수정된 유량 비율을 산출한다. 예시적인 일실시예에 따르면, 수정된 유량 비율은 희망 유량 비율과 공정 균일성 에러 ε_m을 곱한 값과 같다. 대안적으로, 수정된 유량 비율은 f(ε_m)에 의해 산출될 수 있으며, 여기서, f는 실제 이용되는 물리적 시스템에 기초한 모델 기반의 접근법을 이용하여 결정된 함수이다.

예시적인 일실시예에서, 제어기(24)는 제1 희망 유량을 나타내는 제1 라인(14a)의 밸브(20a)에 "초기" 신호를 제공하고, 실제 유량 비율이 희망 유량 비율과 동일하지 않으면 제2 희망 유량을 산출하며, 제2 희망 유량을 나타내는 제2 유량 라인(14b)의 밸브(20b)에 "조정" 신호를 제공하도록 프로그래밍된다. 조정 신호 V_c2는 다음 식을 이용하여 산출된다.

V_c2=K_pa(α-α_sp)+K_ia∫(α-α_sp)dt

여기서, V_c2는 제어기(24)로부터 제2 밸브(20b)로의 명령이고, K_pa는 비율 제어에 대한 비례 이득이며, K_ia는 비율 제어에 대한 적분 이득이고, α는 측정된 유량 비율이고, α_sp는 비율 세트 포인트 또는 희망 유량 비율이다. 이러한 방식으로, 제1 라인(14a)의 밸브(20a)는 고정된 오리피스(orifice)로서 동작하고, 제2 라인(14b)의 밸브(20b)는 가변 제어 밸브로서 동작한다. 이러한 특징은, 상이한 가스로 인한 유량 측정에서의 에러가 두 유량계(18a, 18b)에서 동일하기 때문에, 시스템(10)이 시스템을 통하여 제어되는 가스 종류에 관계없이 동작하도록 한다. 제어기(24)는 제1 라인(14a)의 밸브(20a)가 완전히 개방되도록 야기하여, 그 결과, 시스템(10)에 걸친 전체 압력 강하가 최소화되도록 프로그래밍되는 것이 바람직하다.

본 발명의 비율 시스템(10)과 함께 이용하는데 적합한 유량계(18a, 18b)의 예들로는 열적으로 기초한 Mass-Flo^®브랜드 제어기, MKS Instrument of Andover, MA(http://www.mksinst.com)가 있으며 본 발명의 양수인으로부터 이용가능하다. 또한, 적합한 밸브(20a, 20b)도 양수인으로부터 이용가능하다. 밸브(20a, 20b)는 비선형이며, 제어가능 범위가 좁다. 그러나, 유량계가 최대 감지 한도의 5퍼센트 이하에서는 보통 신뢰할 수 없기 때문에(예를 들어, 2,000sccm 열적 유량계는 100sccm 이하에서 신뢰할 수 없다), 열적 유량계는 시스템(10)에 의해 제공되는 제 어 범위를 결정하는데 있어서 제한 요소가 된다.

도시되어 있지 않지만, 유량 비율 시스템(10)은, 각각 제어기(24)에 연결된 밸브(20) 및 유량계(18)를 갖는 2개 이상의 유량 라인(14)과 함께 제공될 수 있다. 그리고, 유량 제어기가 각각의 라인의 유량계 및 밸브로서 이용되는 것도 상상할 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 개시된 비율 시스템(10)이 가스 박스와 공정 챔버 사이에 빠르고 쉬운 조립을 위한 모듈 유닛으로서 제공되는 것도 상상할 수 있다. 이러한 경우, 도1에 도시된 바와 같이, 비율 시스템(10)의 주입구 분기관(13)과 가스 박스(110)의 방출구 분기관(128) 사이에, 셧-오프(shut-off) 밸브 또는 적합한 커넥터(150)가 제공될 수도 있다.

본 발명에 따른 유량을 분할하기 위한 시스템 및 방법의 실시예들은 시스템(10)의 주입구(13) 및/또는 방출구에 대한 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 압력 센서에 의해 제공되는 주입구 압력 및/또는 방출구 압력 측정값은 제어기(24)에 의해 이용되며, 그 결과, 유량 비율 α를 제어할 뿐만 아니라 주입구 압력 및/또는 방출구 압력을 제어하게 된다.

압력 제어 특성을 부가하는 것은, 시스템(10) 성능을 향상시키고 시스템(10)의 장치 업스트림(upstream) 또는 다운스트림(downstream)에 대한 교란을 감소시키는 것을 포함하여 많은 부수적 장점을 갖는다. 최대 허용가능 압력에서 시스템(10)을 동작시킴으로써, 비율 제어 시스템의 안전성 요소에 대한 요구가 제거되거나 감소될 수 있다. 그리고, 밸브(20a, 20b)에 걸친 압력 강하를 제어하는 것은 밸브 성능을 향상시키고, 밸브 세트업, 매칭(matching) 및 조정을 보다 간단하게 한다. 따 라서, 본 발명은, 부가된 압력 제어 특성을 갖는, 유량을 분할하기 위한 시스템 및 방법을 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 본 발명은 유량 분할기 시스템(10)에 시스템의 주입구 및/또는 방출구에서의 압력 센서를 더 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명은 유량 분할 방법(12)에 주입구 및/또는 방출구에서의 압력을 측정하는 단계를 더 포함하도록 의도된다. 실제로, 본 애플리케이션은 청구되는 유량 분할 시스템 및 방법에 있어서 압력 측정을 이용하는 어떠한 제어 방법을 포함하는 것으로도 의도된다.

다음의 일례는 도1을 참조하여 만들어진다. 유량 비율 시스템(10)의 주입구(13)에 압력 센서(도시되어 있지 않음)를 부가한다고 가정하면, 제어기(24)는, 제2 라인(14b)을 통과하는 유량 Q₂; 제1 라인(14a)을 통과하는 유량 Q1; 및 압력 센서에 의해 제공되는 주입구(13)에서 측정된 압력 P_in의 3개의 입력을 취하도록 프로그래밍된다. 제어기(24)는, 단지 하나의 밸브를 제어하는 것이 아니라, 동적으로, 제1 및 제2 밸브(20a, 20b)로 명령을 내린다. 그러나, 비율 제어의 관점에서, "고정된 밸브"는 거의 개방되어 있고, 비율은 밸브 제어 범위의 10% ~ 50%에서 다른 밸브를 제어함으로써 결정된다. 압력 신호를 부가함으로써, 고정된 밸브는 주입구 압력을 제어하도록 세트되고, 다른 밸브가 유량 비율을 제어하는데 이용된다.

주입구 압력 제어의 일례는 다음과 같다.

V_c1=K_pp(P_in-P_t)+K_ip∫(P_in-P_t)dt

V_c2=K_p _α(α-α_sp)+K_i _α∫(α-α_sp)dt

여기서, V_c1은 제어기(24)로부터 제1 밸브(20a)로의 명령이고, V_c2는 제어기(24)로부터 제2 밸브(20b)로의 명령이며, K_pp는 압력 제어에 대한 비례 이득이고, K_ip는 압력 제어에 대한 적분 이득이고, K_pa는 비율 제어에 대한 비례 이득이며, K_ia는 비율 제어에 대한 적분 이득이고, α는 측정된 유량 비율이고, α_sp는 비율 세트 포인트 또는 희망 유량 비율이며, P_in은 측정된 주입구 압력이고, P_t는 동작 압력 임계값(threshold)(또는 원하는 압력)이다.

제어 시스템 및 방법이 비례-적분(PI)형 제어 시스템 및 방법으로서 설명되었지만, 제어 시스템 및 방법의 비례형, 적분형, 비례-미분(PD)형, 및 비례-적분-미분(PID)형과 같이, 다른 종류의 제어 시스템 및 방법이 이용될 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

도3에서, 시스템(10)은 유량 라인(14a, 14b)에 각각 연결된 별도의 공정 챔버(106, 108)를 포함하고, 각각의 공정 챔버(106, 108)는 각각의 공정 챔버 내의 반도체 웨이퍼(200) 측정값을 제공하기 위한 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터(100)를 포함한다.

본 발명의 또다른 양태들 및 장점들에 따르면, 시스템(10)은 반도체 웨이퍼 공정 불일치에 대하여 실시간으로 수정을 제공한다. 이 시스템(10)은 별도의 공정 챔버들(106, 108) 사이 또는 단일 공정 챔버(106)의 별도의 부분들 사이에서 공정 가스의 하나의 유량을 분할할 수 있고, 필요하다면 유량 분할 시스템(10)에 의해 생성되는 유량 비율을 즉시 조정하고, 실시간으로 반도체 웨이퍼 불균일성을 수정하기 위하여, 인-시튜 공정(웨이퍼 균일성) 감시를 포함하게 된다. 인-시튜 공정 모니터(100)가 차동 센서를 포함함에 따라, 인-시튜 공정 모니터는 상대 교정만을 요구하고, 장황하고 비싸며 종종 신뢰도가 떨어지는 절대 교정에 대한 요구를 회피한다.

본 명세서에서 설명된 예시적인 실시예들은 한정적이지 않고 일례로서 제시되었으며, 첨부된 청구범위에서 규정된 본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않고, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 다양한 변형예, 조합예 및 대안예가 실시될 수도 있다.

Claims

하나의 유량을 희망 비율의 2개 또는 그 이상의 2차 유량으로 분할하기 위한 시스템에 있어서,

상기 하나의 유량을 받아들이도록 만들어진 주입구;

상기 주입구에 연결된 적어도 2개의 2차 유량 라인;

적어도 하나의 희망 유량 비율을 수신하도록 만들어진 입력 장치;

상기 유량 라인 각각에 의해 생성되는 생성물의 측정값을 제공하는 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터(in-situ process monitor); 및

상기 입력 장치 및 상기 인-시튜 공정 모니터에 연결된 제어기

를 포함하고,

여기서, 상기 제어기는,

상기 입력 장치를 통해 상기 희망 유량 비율을 수신하고,

상기 인-시튜 공정 모니터로부터 상기 생성물 측정값을 수신하고,

상기 희망 유량 비율 및 상기 생성물 측정값에 기초하여 수정된 유량 비율을 산출하도록 프로그래밍되는

시스템.
제1항에 있어서,

각각의 유량 라인에 연결된 별도의 공정 챔버(process chamber)

를 더 포함하는 시스템.
제2항에 있어서,

각각의 공정 챔버는 각각의 공정 챔버 내의 반도체 웨이퍼의 측정값을 제공하기 위한 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터를 포함하는

시스템.
제3항에 있어서,

상기 인-시튜 공정 모니터에 의해 제공되는 측정값은 각각의 웨이퍼의 막 두께 측정값을 포함하는

시스템.
제1항에 있어서,

상기 유량 라인 모두에 연결된 단일 공정 챔버

를 더 포함하고,

상기 공정 챔버에 위치한 반도체 웨이퍼는 상기 유량 라인들에 대응하는 구 역들로 분할되어 있는

시스템.
제5항에 있어서,

상기 유량 라인들은 상기 공정 챔버의 샤워헤드(showerhead)에 연결되어 있는

시스템.
제5항에 있어서,

상기 공정 챔버는 상기 공정 챔버 내의 상기 반도체 웨이퍼의 각각의 구역의 측정값을 제공하기 위한 적어도 하나의 인-시튜 공정 모니터를 포함하는

시스템.
제7항에 있어서,

상기 인-시튜 공정 모니터에 의해 제공되는 측정값은 각각의 구역의 막 두께 측정값을 포함하는

시스템.
제1항에 있어서,

상기 시스템은 2개의 유량 라인을 포함하고, 상기 인-시튜 공정 모니터는 2개의 측정값 M₁과 M₂를 제공하고, 상기 제어기는 공정 균일성 에러 ε_m=k _m/2[(M₁-M₂)/(M₁+M₂)]를 산출하고 - 여기서, k _m은 임의의 양의 스칼라 상수임 -, 그리고 나서, 상기 희망 유량 비율 및 상기 공정 균일성 에러 ε_m에 기초하여 상기 수정된 유량 비율을 산출하도록 프로그래밍되는

시스템.
제1항에 있어서,

상기 수정된 유량 비율은 상기 희망 유량 비율과 상기 공정 균일성 에러 ε_m을 곱한 값과 같은

시스템.
제1항에 있어서,

상기 인-시튜 공정 모니터는 차동 센서(differential sensor)인

시스템.
제11항에 있어서,

상기 인-시튜 공정 모니터는 광원으로부터 방출되는 빛과 반사되는 빛의 비율을 감시함으로써 측정값을 얻는

시스템.
제1항에 있어서,

각각의 유량 라인은 상기 유량 라인을 통과하는 유량을 측정하는 유량계(flow meter) 및 상기 유량 라인을 통과하는 유량을 제어하는 밸브를 포함하고, 상기 제어기는 상기 유량계로부터 측정된 유량을 수신하고, 상기 측정된 유량에 기초하여 상기 유량 라인들을 통한 실제 유량 비율을 산출하고, 상기 수정된 유량 비율에 대하여 실제 비율을 비교하고, 상기 실제 비율이 수정된 희망 비율과 동일하지 않으면 상기 유량 라인 중 적어도 하나의 라인을 통과하는 희망 유량을 산출하고, 상기 희망 유량을 상기 밸브 중 적어도 하나에 제공하는

시스템.
제13항에 있어서,

상기 희망 유량은 실질적으로 K_p(α-α_sp)+K_i∫(α-α_sp)dt이고, K_p는 비례 이득이고, K_i는 적분 이득이고, α는 실제 유량 비율이고, α_sp는 수정된 유량 비율인

시스템.
제13항에 있어서,

상기 주입구에서의 압력을 측정하는 압력 센서

를 더 포함하는 시스템.
제15항에 있어서,

상기 제어기는 실질적으로 K_p _α(α-α_sp)+K_i _α∫(α-α_sp)dt인, 상기 희망 유량을 나타내는 신호를 제1 유량 라인의 밸브에 제공하고, 여기서, K_pa는 비율 제어에 대한 비례 이득이고, K_ia는 비율 제어에 대한 적분 이득이고, α는 상기 실제 유량 비율이고, α_sp는 상기 수정된 유량 비율인

시스템.
제16항에 있어서,

상기 제어기는 실질적으로 K_pp(P_in-P_t)+K_ip∫(P_in-P_t)dt인, 상기 희망 유량을 나타내는 신호를 제2 유량 라인의 밸브에 제공하고, 여기서, K_pp는 압력 제어에 대한 비례 이득이고, K_ip는 압력 제어에 대한 적분 이득이고, P_in은 측정된 주입구 압력이고, P_t는 동작 압력 임계값(threshold)인

시스템.
하나의 유량을 희망 비율의 2개 또는 그 이상의 2차 유량으로 분할하기 위한 방법에 있어서,

하나의 유량을 적어도 2개의 유량 라인으로 분할하는 단계;

각각의 유량 라인을 통과하는 유량을 측정하는 단계;

적어도 하나의 희망 유량 비율을 수신하는 단계;

상기 유량 라인 각각에 의해 생성되는 생성물을 인-시튜 측정하는 단계;

상기 희망 유량 비율 및 상기 생성물 측정값에 기초하여 수정된 유량 비율을 산출하는 단계;

상기 측정된 유량에 기초하여 상기 유량 라인들을 통한 실제 유량 비율을 산출하는 단계;

상기 실제 비율이 상기 수정된 비율과 동일하지 않으면, 적어도 하나의 상기 유량 라인을 통과하는 희망 유량을 산출하는 단계; 및

상기 유량 라인을 상기 희망 유량으로 조절하는 단계

를 포함하는 방법.
제18항에 있어서,

하나의 유량은 제1 유량 라인 및 제2 유량 라인으로 분할되고;

상기 제1 유량 라인은 제1 희망 유량으로 조절되고;

상기 실제 비율이 상기 수정된 비율과 동일하지 않으면, 제2 희망 유량은 상기 희망 비율 및 상기 제1 희망 유량을 이용하여 산출되고;

상기 제2 유량 라인은 상기 제2 희망 유량으로 조절되는

방법.
제19항에 있어서,

상기 제1 희망 유량은 상기 제1 라인이 완전히 개방되도록 야기하는

방법.
제18항에 있어서,

상기 희망 유량은 실질적으로 K_p(α-α_sp)+K_i∫(α-α_sp)dt와 같고, K_p는 비례 이득이고, K_i는 적분 이득이고, α는 상기 실제 유량 비율이고, α_sp는 상기 수정된 유량 비율인

방법.
제18항에 있어서,

주입구에서의 압력을 측정하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제22항에 있어서,

상기 유량 라인 중 하나에서의 희망 유량은 실질적으로 K_p _α(α-α_sp)+K_i _α∫(α-α_sp)dt와 같고, K_pa는 비율 제어에 대한 비례 이득이고, K_ia는 비율 제어에 대한 적분 이득이고, α는 상기 실제 유량 비율이고, α_sp는 상기 수정된 유량 비율인

방법.
제22항에 있어서,

상기 유량 라인 중 하나에서의 희망 유량은 실질적으로 K_pp(P_in-P_t)+K_ip∫(P_in-P_t)dt와 같고, K_pp는 압력 제어에 대한 비례 이득이고, K_ip는 압력 제어에 대한 적분 이득이고, P_in은 측정된 주입구 압력이고, P_t는 동작 압력 임계값인

방법.
제18항에 있어서,

각각의 유량 라인을 별도의 공정 챔버에 연결하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제18항에 있어서,

단일 공정 챔버를 상기 유량 라인 모두에 연결하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제26항에 있어서,

상기 유량 라인들은 상기 공정 챔버의 샤워헤드에 연결되어 있는

방법.
제18항에 있어서,

상기 수정된 유량 비율은 상기 희망 유량 비율 및 공정 균일성 에러 ε_m=k _m/2[(M₁-M₂)/(M₁+M₂)]에 기초하고, k _m은 임의의 양의 스칼라 상수이고, M₁과 M₂는 각각의 유량 라인에 의해 생성되는 생성물의 인-시튜 측정값인

방법.
제28항에 있어서,

상기 수정된 유량 비율은 상기 희망 유량 비율과 상기 공정 균일성 에러 ε_m을 곱한 값과 같은

방법.
제18항에 있어서,

상기 인-시튜 측정값은 차동 측정값을 포함하는

방법.
제18항에 있어서,

상기 생성물의 인-시튜 측정값은 광원으로부터 방출되는 빛과 반사되는 빛의 비율을 감시함으로써 얻어지는

방법.