KR20070118128A

KR20070118128A - 박막을 송출하기 위하여 액체를 기화시키는 방법 및 기화기

Info

Publication number: KR20070118128A
Application number: KR1020077024020A
Authority: KR
Inventors: 폴 메네기니; 알리 샤지이; 다니엘 스미스; 윌리엄 클락
Original assignee: 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-12-13
Also published as: GB2438807A; CN101171368A; TW200706686A; US20060207503A1; JP2008536006A; WO2006101697A2; WO2006101697A3; DE112006000631T5; GB0719261D0

Abstract

본 발명에 따른 기화기(10)는 액체용 입구(12)와 기체용 출구(14), 상기 기화기(10)의 출구(14)로 흐르는 기체를 제어하는 기체밸브(16), 및 상기 액체 입구(12)와 기체밸브(14) 사이에서 흐르는 액체를 가열하기 위한 수단(20)을 포함한다. 또한, 상기 기화기(10)는 액체가 기체밸브에 도달함에 따라 액체의 압력이 액체의 증기전이압력보다 낮아지도록 상기 액체에 압력강하를 발생시키며 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체의 열전달율을 증가시키는 수단(18)을 포함한다. 상기 압력강하는 등온조건에서 발생하고, 상기 밸브(16)가 개방되는 경우의 요구만에 따라 상기 액체는 기화된다. 상기 압력강하 및 열전달율 증가 수단(18)은 다공성 매개체의 플러그일 수 있다.

기화기, 액체 입구, 기체 출구, 열전달율, 기체밸브, 압력강하

Description

박막을 송출하기 위하여 액체를 기화시키는 방법 및 기화기{VAPORIZER AND METHOD OF VAPORIZING A LIQUID FOR THIN FILM DELIVERY}

본 발명은 박막을 형성하기 위하여 전구 기체를 기화시키는 방법 및 기화기에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조 또는 구성은 매우 복잡하다. 또한, 이러한 반도체 장치의 제조나 구성에 있어서는, 예를 들면 동기화를 신중하게 할 필요가 있고, 많은 기체를 공정 챔버로 정확하게 측정하여 송출하는 것이 필요하다. 반도체 장치에 있어서, 제조공정에 다양한 방법이 이용되고, 또한 세정, 연마, 산화, 마스킹(masking), 에칭, 도핑, 및 금속화(metalization)와 같은 여러 개별적인 공정단계가 필요할 수 있다. 이러한 여러 단계, 이들의 순서, 및 포함된 재료(물질) 모두가 구체적인 장치를 구성하는데 이용된다.

장치의 크기는 90nm 이하로 축소시키는데 기여하기 때문에, 반도체 로드맵은 구리배선용 배리어의 증착 및 텅스텐 결정핵생성층 같은 다양한 적용에 원자층 증착 공정 또는 ALD 공정이 요구되는 것을 나타낸다. ALD 공정에서, 둘 이상의 전구 기체는 진공상태로 유지되는 공정챔버에서의 웨이퍼 표면 상을 흐른다. 둘 이상의 전구 기체는 펄스인 다른 방법으로 흐르고, 이에 따라 상기 기체는 웨이퍼면 상의 부위나 기능기와 반응할 수 있다. 이용가능한 모든 부위가 전구 기체 중 하나(예를 들면, 기체 A)로부터 포화되는 경우, 퍼지기체(purge gas)는 공정챔버로부터 과도한 전구 분자를 제거하는데 이용된다. 다음의 전구 기체(즉, 기체 B)가 웨이퍼면 상을 흐르는 것처럼 이러한 공정은 반복된다. 일 사이클은 전구물질 A의 하나의 펄스, 퍼지, 전구물질 B의 하나의 펄스, 및 퍼지로 형성된다. 이러한 순서는 최종 두께에 도달될 때까지 반복된다. 이러한 연속적인 자기제어 표면반응(self-limiting surface reaction)은 사이클 당 하나의 단일층의 증착된 막을 형성한다.

공정챔버로 유입되는 전구물질의 펄스는 통상적으로 온/오프타입 밸브로 제어된다. 상기 온/오프타입 밸브는 요구되는 전구 기체의 양을 가열 유지 컨테이너로부터 공정챔버로 송출하기 위하여 소정 시간 동안 단순히 개방되는 구조이다. 또한, 변환기, 기체제어밸브, 및 제어신호 처리구성요소를 포함하는, 필요한 것이 완비된 장치(self-contained device)인 기체 질량유량 제어기는 짧은 시간 간격으로 반복가능한 기체 유량을 송출하는데 이용된다.

여러 경우, 전구 기체는 액체와 고체를 기화시켜서 형성된다. 액체를 기화시키는 현재의 표준화된 기술은 기화된 전구 기체를 가열 유지 컨테이너로 송출하기 위하여 별개의 기화기 장치를 갖는 액체 질량유량 제어기 또는 조합된 액체 질량유량 제어기와 기화기를 이용하는 것이다. 이러한 액체는 먼저 액체 질량유량 제어기에 의해 근원 컨테이너로부터 미터링되고, 가열 유지 컨테이너로 송출되기 전에 기 화기 장치에 의해 기화된다. 상기 온/오프타입 밸브 또는 기체 질량유량 제어기는 요구되는 전구 기체의 양을 가열 유지 컨테이너로부터 공정챔버로 송출하는데 이용된다. 그러나, 이와 같은 기술은 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다. 액체 질량유량 제어기 및 기화기 장치는 수천달러 이상일 수 있다. 또한, 많은 ALD 전구물질은 가열에 필요한 요구조건이 높고, 응축으로 인하여 정확한 유량제어가 어려우며 이용되기 전에 바람직하지 못한 방법으로 분해되는 문제점이 있다.

ALD 전구물질은 적용에 따라 크게 변화될 수 있다. 새로운 전구물질은 다른 물질 및 증착 막 요구조건을 위하여 여전히 개발 내지는 테스트 중이다. 공통적인 3개의 전구물질은 AL(CH₃)₃(Al₂O₃ 증착막), HfCl₄(HfO₂ 증착막), 및 ZrCl₄(ZrO₂ 증착막)이다. 이러한 각 기체용의 산소 전구물질은 일반적으로 H₂O, O₂, 또는 O₃이다. 다른 막(film) 타입은 ALD 또는 CVD 기술을 통해 증착될 수 있고, Ni, W, SiO₂, Ta₂O₅, TaN, TiO₂, WN, ZnO, ZrO₂, WCN, Ru, Ir, Pt, RuTiN, Ti, Mo, ZnS, WN_xC_y, HfSiO, La_xCa_yMnO₃, CuInS₂, In₂S₃, HfN, TiN, Cu, V₂O₅, 및 SiN을 포함한다. 그러나, 본 발명은 특정의 전구물질이나 공정에 제한되지 않는다.

원자층 증착(ALD) 공정에서 박막을 형성하기 위하여 새롭고 향상된 전구물질을 기화시키는 방법 및 기화기가 필요하다. 전구물질을 기화시키기 위한 새롭게 향상된 방법 및 기화기는 이전의 전구물질을 기화시키는 방법 및 장치에 비하여 디자인면에 있어서 비교적 단순하며 비용면에 있어서 저렴한 것이 바람직하다. 또한, 전구물질을 기화시키기 위한 새롭게 향상된 방법 및 기화기는 증기를 형성하고 이용에 앞서 증기를 저장하는 것에 대조적으로, 증기가 정확히 미터링되는 포인트에서의 요구에 따라 증기를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 액체를 수용하기 위한 입구와 기체를 송출하기 위한 출구; 상기 기화기의 출구로 흐르는 기체를 제어하는 기체밸브; 및 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체를 가열하기 위한 수단을 포함하는 기화기를 제공한다. 또한, 상기 기화기는 액체에 압력강하를 발생시키며 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체의 열전달율을 증가시키는 수단을 포함하고, 이에 따라 상기 액체가 기체밸브에 도달함에 따라 액체의 압력이 액체의 증기전이압력보다 낮아진다.

본 발명의 일관점에 따르면, 상기 유체 입구와 기체밸브 사이에 압력강하를 발생시키며 상기 유체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체에 열전달율을 증가시키는 수단은 상기 유체 입구를 기채밸브에 연결하는 다공성 매개체를 포함한다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기 기화기는 펄스된 전구 기체의 질량유량을 반도체 공정챔버로 송출하기 위한 시스템에 통합된다. 상기 시스템은 공정챔버로 흐르는 물질의 양(질량)을 정확하게 측정하여 반복가능하며 정확한 기체 질량의 양을 송출한다.

본 발명은 전술한 기화기의 구성요소를 포함하며, 유지체적부; 및 상기 유지체적부를 공정챔버에 연결하기 위한 기체밸브 를 더 포함하고, 상기 기화기의 출구가 유지체적부에 연결되는 동안에 상기 기화기의 입구는 액체 전구물질의 근원부에 연결될 수 있는 원자층 증착시스템을 제공한다.

본 발명은 전술한 기화기의 구성요소를 포함하며, 상기 기화기의 출구에 연결되는 유지체적부; 상기 유지체적부에서 유출되는 기체를 제어하는 출구밸브; 상기 유지체적부 내에서 압력을 측정하는 압력변환기; 상기 요구 기체 질량을 시스템으로부터 송출되도록 제공하기 위한 입력장치; 및 상기 밸브, 압력변환기, 및 입력장치에 연결되는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 입력장치를 통해 요구되는 기체 질량을 수용하고, 상기 출구 밸브를 폐쇄하고, 상기 기화기의 밸브를 개방하고, 상기 압력변환기로부터 측정된 유지체적부 압력을 수용하고, 상기 유지체적부 내에서의 압력이 소정 수준에 도달하는 경우에 기화기의 밸브를 폐쇄하고, 상기 유지체적부 내의 기체가 평형상태에 도달하게 소정의 대기시간을 기다리고, 시간=t₀에서 출구 밸브를 개방하고, 배출되는 기체의 질량이 요구 질량과 같은 경우에 시간=t^*에서 출구 밸브를 폐쇄하도록 프로그램되는 요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 입구를 통해 액체를 수용하고; 상기 입구에 기체밸브를 연결하고; 상기 액체의 압력이 강하되는 경우에 상기 액체의 온도가 낮아지지 않도록 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체를 가열하고; 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체의 연전달율을 증가시키고; 상기 액체가 기체밸브에 도달함에 따라 액체의 압력이 액체의 증기전이압력보다 낮아지도록 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체에 압력강하를 적용하는 액체를 기화시키는 방법을 제공한다.

본 발명은 다른 화학기상 증착(CVD) 공정 및 원자층 증착(ALD) 공정에서 박막을 형성하기 위하여 새롭고 향상된 전구물질을 기화시키는 방법 및 기화기를 제공한다. 이와 같이 전구물질을 기화시키기 위한 새롭게 향상된 방법 및 기화기는 디자인면에 있어서 비교적 단순하며 비용면에 있어서 저렴하다. 또한, 새롭게 향상된 방법 및 기화기는 증기가 미터링되는 경우(즉, 기체밸브가 개방되는 경우에만)의 요구에 따라 액체가 기화되게 한다.

본 발명의 부가적인 관점은 및 장점은 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 본 발명은 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따라 구성된 기화기를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따라 도1의 기화기를 포함하는 원자층 증착을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도3은 본 발명의 일실시예에 따라 도1의 기화기를 포함하는 펄스된 질량유량 송출시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따라 펄스된 질량유량을 송출하기 위한 것으로, 도3의 펄스된 질량유량 송출시스템을 작동시키는데 이용될 수 있는 방법을 나타낸 플로우차트이다.

도5는 본 발명의 일실시예에 따라 구성된 기화기의 측면도이다.

도6은 도5에 나타낸 기화기의 정면도이다.

도7은 도5의 7-7라인을 따라 나타낸 기화기의 단면도이다.

도8은 도5의 8-8라인을 따라 나타낸 기화기의 단면도이다.

도9는 도5의 기화기의 일부분을 확대하여 나타낸 것으로서, 입구를 통해 기화기의 다공성 플러그로 유입되는 액체흐름을 도시하며 밸브조립체와 기화기의 출구를 통해 다공성 플러그에서 유출되는 기체흐름을 도시한 확대단면도이다.

도10은 변화하는 세공 크기를 갖는 4개의 다공성 플러그 조립체를 통과하는 용수에 대하여 압력과 다공성 플러그 길이 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.

전술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도1 및 도2에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 공정이나 다른 화학기상 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 공정 과 같이 박막의 형성을 위하여 전구기체를 기화시키는 새롭게 향상된 방법 및 기화기(10)를 제공한다. 다른 관점에 의하면, 본 발명에 따른 새롭게 향상된 전구기체를 기화하는 방법 및 기화기는 디자인에 있어서 비교적 심플한 구조이며 비용면에서 비교적 싸다.

도1 및 도2에 나타낸 바와 같이, 상기 기화기(10)는 액체가 유입되는 입구(12), 기체가 유출되는 출구(14), 및 상기 출구(14)로 흐르는 기체를 제어하는 기체밸브(16)를 포함한다. 또한, 상기 기화기(10)는 액체 입구(12)와 기체밸브(16) 사이에서 원활하게 압력을 강하시키며 상기 액체 입구(12)와 기체밸브(16) 사이에서 흐르는 액체에 대하여 열전달율을 증가시키는 수단인 압력강하수단(18)을 포함한다. 상기 기화기(10)는 증기 곡선 아래에서 압력이 낮아지는 동안에 온도가 일정하거나 증가하도록 액체 입구(12)와 기체밸브(16) 사이에서 흐르는 액체를 가열하기 위한 수단인 가열수단(20)을 더 포함한다. 상기 액체의 압력이 증기전이압력(vapor transition pressure)보다 아래에서 낮아지며 상기 기체밸브에 도달함에 따라 기화되게 하는 압력강하수단(18)에 의해 상기 액체 입구로 유입되는 액체의 압력은 충분하며 신속하게 감소된다. 도면에 나타내지는 않았지만, 또한 상기 기화기(10)는 압력강하수단(10)의 온도를 모니터링하기 위한 센서 및 상기 온도에 기초해서 가열수단(20)을 제어하기 위한 제어기회로를 포함한다.

상기 증기압은 증기의 압력(증기가 다른 기체와 혼합되는 경우에서의 부분압력)이다. 소정의 온도에서 개별 물질에 대하여, 상기 물질의 증기가 물질의 액체나 고체 형태와 평행상태에 있는 압력이다. 이는 상기 온도에서 상기 물질의 포화증기 압이다. 증기압이란 용어는 포화증기압을 의미하는 것으로 나타내기도 한다. 소정 액체의 압력이 포화증기압과 같은 경우, 상기 액체는 부분적으로 기화된다. 즉, 액체와 증기는 평행상태에 있다. 온도가 일정한 경우에 있어서, 상기 압력이 감소되는 경우에 상기 평형상태는 변화되어 상기 물질은 기체 상태로 된다. 즉, 상기 액체는 전부 기화된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 압력을 강하시키며 상기 열전달율을 증가시키기 위한 압력강하수단은 다공성 매개체 플러그(18)를 포함한다. 상기 밸브의 출구에서의 압력은 액체의 증기압보다 낮아야 한다. 그렇지 않으면, 상기 액체는 다공성 매개체에서 유출되어 상기 기체밸브는 폐쇄될 수 없다. 기화한 액체는 열을 감소시키기 때문에 일정한 온도를 확보하는데 있어서 상기 열전달율은 필수적이다. 상기 다공성 매개체 플러그(18)의 국부적인 온도가 낮아지는 경우, 상기 포화증기압은 출구에서의 압력보다 아래에서 국부적으로 낮아질 것이다. 그래서, 상기 다공성 매개체 플러그(18)에서 기화가 발생되지 않을 수 있다.

예를 들면, Mott Corporation of Farmington(http://www.mottcorp.com)에서의 제품과 같은 적절한 다공성 매개체가 이용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다공성 매개체는 소결금속(sintered metal)으로 이루어진다. 상기 소결금속은 가소결된 20마이크론 미만의 평균 입자 크기를 갖는 금속분말로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 소결요소의 평균 입자 크기는 10마이크론 미만이고, 상기 소결금속은 적어도 5g/cc의 밀도를 갖는다. 상기 플러그(18)를 만드는데 이용된 금속은 큰 온도 및 내부식성과 같은 특별한 요건을 만족시키기 위하여 스테인리스 스틸, 니켈과 니켈합금, 및 티타늄 중에서 선택되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 금속 및 합금은 316L, 304L, 310, 347 및 340 스테인리스 스틸; C-276, C-22, X, N, B 및 B2 하스텔로이; 600, 625 및 690 인코넬; 200 니켈과 400 모넬^®(70Ni-30Cu); 티타늄; 및 20 합금을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 다공성 매개체 플러그(18)는 316L 스테인리스 스틸로 이루어진다. 또한, 상기 다공성 매개체 플러그(18)는 30psig의 압력(제로(0) 기준으로서 대기압을 이용한 게이지압)에서 질소의 10sccm(Standard Cubic Centimeters per Minute)의 유량을 제공하는데 적합하다. 다른 실시예에 따르면, 상기 다공성 매개체 플러그(18)는 다음과 이루어진다: 즉, 316L 스테인리스 스틸과 30psig에서 질소의 50sccm의 유량을 제공하는데 적합하게, 316L 스테인리스 스틸과 30psig에서 질소의 250sccm의 유량을 제공하는데 적합하게, 또는 200 니켈과 30psig에서 질소의 50sccm의 유량을 제공하는데 적합하게 이루어진다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다공성 매개체 플러그(18)는 원통형으로 연장되며 단일이고, 연장된 다공성 매개체를 포함할 수 있거나 또는 다공성 매개체의 연장된 조립체를 형성하기 위하여 적층되는 개별적인 삽입물을 포함할 수 있다.

상기 다공성 매개체 플러그(18)는 내부 실린더를 외부 슬리브에 동축으로 수용되게 조립될 수도 있고, 상기 내부 실린더와 외부 슬리브는 다른 다공성 매개체로 구성될 수 있다. 이와 같은 조립체는 증기의 흐름과 평행하게 제공될 것이다.

상기 다공성 매개체 플러그(18)의 다공성이나 세공(pore) 크기는 압력이 강하하는 것을 제어한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다공성 매개체 플러그(18)는 두개의 다른 프리트(frit) 크기로부터 하나로 소결하여 이루어지는 하나의 삽입물을 포함할 수 있다. 각 프리트 크기는 다른 세공 크기 또는 다공성에 대응한다.

상기 다공성 매개체 플러그(18)는 테플론, PFA, PTFA 등을 포함하는 중합재료, 석영, 및 세라믹(사파이어, 알루미나, 알루미늄 질화물 등)과 같은 금속 이외의 재료로 이루어질 수 있다.

상기 압력을 강하시키고 열전달율을 증가시키는 압력강하수단(18)은 길며 얇은 직선형상의 모세관, 길며 얇은 코일형상의 모세관, 한 다발의 얇은 모세관, 또는 적층흐름 구성요소 같은 다른 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도2에 나타낸 바와 같이, 도1의 기화기(10)는 원자층 증착(ALD) 공정이나 다른 화학기상 증착(CVD) 공정과 같이 박막을 형성하기 위하여 기화된 기체 전구물질(gas precursor)을 공정챔버(60)로 제공하는데 이용될 수 있다. 도1의 기화기(10)를 포함하는 원자층 증착 시스템(11)의 일예는 도2에 나타나 있고, 상기 시스템은 액체 전구물질의 근원부(30), 송출챔버(40), 및 상기 송출챔버(40)를 공정챔버(60)에 연결시키는 기체밸브(50)를 더 포함한다. 도2에 나타낸 바와 같이, 상기 기화기(10)의 입구(12)는 액체 근원부(30)에 연결되고, 상기 기화기의 출구(14)는 송출챔버(40)에 연결된다. 상기 기화기(10)는 액체 근원부(30)로부터 액체 전구 물질을 기화시키는데 이용되고, 기화된 액체 또는 전구기체를 송출챔버(40)로 송출시킨다. 도면에 나타내지는 않았지만, 상기 송출챔버(40)는 가열될 수 있다. 상기 기체밸브(50)는 공정챔버에서 박막이 형성되도록 송출챔버(40)로부터 공정챔버(60)로 전구기체를 송출하기 위하여 개폐될 수 있다.

도3은 본 발명에 따라 구성되는 질량유량 송출시스템(100)의 일예를 나타내고, 도1의 기화기(10)를 포함한다. 도4는 질량유량을 송출하기 위한 방법(200)의 일예를 나타낸 것으로, 상기 방법은 도3의 펄스된 질량유량 송출시스템을 작동시키는데 이용될 수 있다. 상기 시스템(100) 및 방법(200)은 ALD 또는 CVD 장치의 공정챔버 같은 반도체 공정챔버로 오염이 없으며 정확한 미터량의 공정기체를 송출하기 위한 것이다. 상기 질량유량 송출시스템(100) 및 방법(200)은 공정챔버로 유입되는 물질양(질량)을 실제로 측정한다. 또한, ALD 또는 CVD 공정 같은 반도체 제조공정에서 이용하기 위하여 상기 시스템(100) 및 방법(200)은 반복될 수 있으며 정확한 기체의 질량을 제공한다.

도3에 나타낸 바와 같이, 상기 질량유량 송출시스템(100)은 상기 기화기(10)에 연결되는 유지체적부(140) 및 상기 유지체적부(140)에서 유출되는 질량을 제어하는 밸브(150)를 포함한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 밸브(150)는 약 1밀리세컨드(millisecond)에서 5밀리세컨드의 비교적 빠른 응답시간을 갖는 온/오프타입 밸브로 이루어진다. 또한, 상기 질량유량 송출시스템(100)은 유지체적부(104) 내에서 압력을 측정하기 위한 압력변환기(104) 및 상기 유지체적부(140) 내에서 또는 유지체적부(140) 상에서 온도를 측정하기 위하여 온도센서(106)를 구비한다. 상 기 압력변환기(104)도 약 1밀리세컨드(millisecond)에서 5밀리세컨드의 비교적 빠른 응답시간을 갖는다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 온도센서(106)는 유지체적부(104)의 벽부와 접촉하고 있고, 상기 유지체적부(104)의 벽부의 온도를 측정한다. 본 발명의 송출시스템(100)에서 이용되는 적절한 압력변환기(104)의 예로는 본 발명의 출원인인 MKS Instrument of Wilmington, MA(http://www.mksinst.com)로부터 입수할 수 있는 Baratron^®상표의 압력변환기를 들 수 있다. 적절한 밸브(105)의 예로는 Swagelok Company of Solon, Ohio(www.swagelok.com)으로 부터 입수할 수 있는 원자층 증착용 다이어프램 밸브이다.

상기 질량유량 송출시스템(100)의 입출력 장치(108)는 (수동에 의해 직접적으로 또는 웨이퍼 처리 컴퓨터 제어기를 통해 간접적으로)요구되는 질량유량을 수용하고, 컴퓨터 제어기(즉, CPU; Computer Processing Unit)(102)는 압력변환기(104), 온도센서(106), 출구밸브(150), 및 입출력 장치(108)에 연결된다. 상기 입출력 장치(108)는 다른 처리지시가 입력되어 이용될 수도 있고, 상기 송출시스템(100)에 의해 송출되는 질량을 (수동에 의해 직접적으로 또는 웨이퍼 처리 컴퓨터 제어기를 통해 간접적으로)나타내는 표시를 제공하는데 이용될 수 있다. 상기 입출력 장치(108)는 키보드, 마우스, 및 모니터 등을 갖는 퍼스널 컴퓨터로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 도3에 나타낸 질량유량 송출시스템(100)의 제어기(102)는 도4에 나타낸 방법을 수행한다. 도3 및 도4에 나타낸 바와 같이, 상기 제어기(102)는 도4의 도면부호 202로 나타낸 것처럼 입출력 장치(108)를 통해 요구되는(바람직한) 질량유량(즉, 설정포인트)을 수용하고, 도4의 도면부호 204로 나타낸 것처럼 출구밸브(150)를 폐쇄하고, 도4의 도면부호 206으로 나타낸 것처럼 기화기(10)의 밸브(16)를 개방하고, 도4의 도면부호 208로 나타낸 것처럼 압력변환기(104)를 이용하여 유지체적부(140) 내에서 압력을 측정하고, 도4의 도면부호 210으로 나타낸 것처럼 유지체적부(140) 내에서의 압력이 소정 수준에 도달하는 경우에 입구밸브(16)를 폐쇄하도록 프로그램된다. 상기 소정 수준의 압력이란 사용자가 정의해서(설정해서) 입출력 장치(108)를 통해 제공될 수 있는 압력이다. 상기 소정 수준의 압력은, 예를 들어 200torr로 이루어질 수 있다.

소정의 대기시간이 지난 후, 상기 유지체적부(140)측의 기체는 평형상태에 도달하고, 상기 출구밸브(150)는 도4의 도면부호 212로 나타낸 것처럼 유지체적부(140)로부터 기체의 질량을 배출하기 위하여 개방된다. 상기 소정의 대기시간이란 사용자가 정의해서(설정해서) 입출력 장치(108)를 통해 제공될 수 있는 시간이다. 상기 소정의 대기시간은, 예를 들면 3초가 될 수 있다. 상기 출구밸브(150)는 도4의 도면부호 214로 나타낸 바와 같이 배출되는 기체의 질량이 사용자가 설정해서 요구되는 질량유량과 같은 경우에 폐쇄된다. 상기 출구밸브(150)는 짧은 시간(예를 들면, 100밀리세컨드에서 500밀리세컨드) 동안에만 개방된다. 상기 제어기(102)는 입출력 장치(108)로부터 배출되는 기체의 질량을 제공한다.

또한, 다른 작동 모드가 가능할 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우에는 상기 유지체적부(140)를 소정 압력으로 충전하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 상기 유지체적부가 다시 충전되기 전에 상기 유지체적부 내의 많은 기체는 출구밸브를 통해 송출될 수 있다. 다른 경우에는 많은 기체를 장시간 동안 송출하는 것이 바람직할 수 있고, 이 경우에 상기 출구밸브는 오랜 시간(예를 들어, 0.5초에서 30초) 동안 개방될 것이다. 또한, 상기 밸브의 작동수명은 입구 또는 출구에서 다수의 밸브를 이용함으로써 연장될 수 있다. 두 밸브 중 하나만이 펄스될 수 있고, 이에 따라 제1밸브가 고장(정지)나면, 제2밸브가 대신 수행하게 된다. 개방 또는 폐쇄 모드에서 밸브의 고장에 적절하게 대처하기 위하여, 4개의 밸브를 직렬로(연속해서) 두개로 구성하고 이를 다른 쌍과 평행하게 할 필요가 있다. 본 발명의 출원인에 의해 2004년 12월 17일자에 "Pulsed Mass Flow Deliver System and method"라는 명칭으로 출원된 미국특허 제11/015,465호에 배치와 관련하여 기재되어 있고, 이는 본 발명에 참조로서 통합된다.

고압의 적용에서, 상기 시스템(100)의 유지체적부(140) 내에서 기체의 온도는 온도 탐침기(106)를 이용하여 측정될 수 있다. 그러나, 저압의 적용 및 급속한 온도의 과도현상에서, 온도를 측정하기 위하여 탐침기를 이용하여 정확하게 나타내는 것은 충분하지 않다. 저압의 적용 및 급속한 온도의 과도현상의 경우, 기체의 온도를 산출하는데 실시간 물리적 모델이 후술할 바와 같이 이용된다.

어떤 전구 물질에서는 상기 물질을 간단히 가열하여 물질의 적합한 증기압을 달성하는데 어려울 수 있다. 예를 들어, 일부 물질은 과도한 가열로 송출에 적합한 증기압으로 분해하여, 효과적인 증착 공정을 감소시킨다. 다른 경우, 충분히 기화시키는데 필요한 온도가 바람직하지 않게 높을 수 있다. 이러한 경우, 상기 전구 물질은 부적절한 용매에 용해되어 기화될 수 있다. 용매물질의 예로는 다양한 알코올, 에테르, 아세톤, 및 오일 등을 포함할 수 있다. 구체적인 적용에 따라 유기용매 또는 무기용매가 적절할 수 있다. 초임계 이산화탄소는 다양한 물질의 효과적인 용매로서 작용할 수 있다.

이상적인 기체 법칙에 기초한 유지체적부(140)에서의 총 질량(m)은 다음과 같다:

m = ρV = (P/RT)V (1)

여기에서, ρ는 밀도를 나타내고, V는 체적을 나타내고, P는 절대압력을 나타내고, T는 절대온도를 나타내고, R은 기체상수를 나타낸다.

유지체적부(140) 내에서의 밀도역학은 다음과 같다:

dρ/dt = - (Ｑ_out ρ _STP/V) (2)

여기에서, Ｑ_out은 유지체적부(140)에서 유출되는 흐름이고, ρ _STP는 정상온도와 압력(STP)상태에서의 기체 밀도이다.

유지체적부(140) 내에서의 온도역학은 다음과 같다:

dT/dt = (ρ _STP/ρV)Ｑ_out(γ-1)T + (Nuk /l)(A_w/VC _ν ρ)(T_w-T) (3)

여기에서, γ는 비열비이고, Nu는 너슬렛 수(Nusslets number)이고, k는 기체의 열전도율이고, C _ν 는 정적비열비이고, l은 송출챔버의 특성길이고, T_w는 온도 탐침기(106)에 의해 제공되는 유지체적부(140)의 벽부의 온도이다.

출구 흐름(Ｑ_out)은 다음과 같이 산출될 수 있다:

Ｑ_out = - (V/ρ _STP)[(1/RT)(dρ/dt)-(P/RT²)(dT/dt)] (4)

상기 유지체적부(140)로부터 송출된 총 질량(△m)을 산출하기 위하여, 도3의 온도 탐침기(106)를 이용하는 것에 대립되는 것으로서 상기 유지체적부(140) 내에서 시간=t에서의 기체 온도(T(t))를 계산하기 위해 방정식 (3) 대신에 방정식 (4)가 이용된다. 상기 압력변환기(104)는 유지체적부(140) 내에서 시간=t에서의 압력(P(t))을 제공한다.

시간 t₀와 시간 t^*사이에서 상기 유지체적부(140)로부터 송출된 총 질량(△m)은 다음과 같다.

△m = m(t₀) - m(t^*) = V/R[P(t₀)/T(t₀) - (P(t^*)/t(t^*))] (5)

본 발명의 다른 관점에 따르면, 도3 및 도4에 나타낸 일예와 같은 질량유량 송출시스템 및 방법은 공정챔버로 유입되는 물질(질량)의 양을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 원자층 증착(ALD) 공정 같은 반도체 제조공정에서 이용하기 위하여 상기 시스템(100) 및 방법(200)은 반복될 수 있으며 정확한 기체의 질량을 제공한다.

도5 내지 도9는 본 발명에 따라 구성되는 기화기(300)의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 상기 기화기(300)는 다공성 플러그 조립체(318)를 구비한 밸브체(350)를 포함한다. 상기 기화기(300)는 도1의 기화기(10)와 유사하고, 유사한 구성요소는 도면부호에서 "3"을 서두에 붙인 같은 도면부호를 사용할 것이다.

도5 내지 도9의 기화기(300)는 원자층 증착에 다이어프램 밸브(316)를 이용한다. 예를 들어, 상기 밸브체(350)를 포함하는 원자층 증착에 적절한 다이어프램 밸브(316)는 Swagelok Company of Solon, Ohio(www.swagelok.com)으로 부터 입수할 수 있다.

도5 내지 도9에 나타낸 실시예에서, 상기 밸브체(350)는 입구(312) 및 출구(314)에 연결되는 암커넥터를 포함한다. 도7 내지 도9에 나타낸 바와 같이, 상기 밸브체(350)는 밸브시트(352), 상기 입구(312)로부터 밸브시트(352)로 연장되는 입구통로(354), 및 상기 밸브시트(352)로부터 출구(314)로 연장되는 출구통로(356)를 포함한다. 도7에 나타낸 바와 같이, 상기 밸브체(350)는 또한 가열기(320)를 수용하기 위한 보어(360)를 형성한다. 도8 및 도9에 나타낸 바와 같이, 또한 상기 밸브체(350)는 온도 모니터(321)를 수용하기 위한 보어(370)를 형성한다.

상기 다공성 플러그 조립체(318)는 밸브체(350)의 입구통로(354)에 위치된다. 본 실시예에서 나타낸 바와 같이, 상기 다공성 플러그 조립체(318)는 원통형으로 연장되며 단일이거나, 고형금속 슬리브에 수용되는 연장된 다공성 매개체를 포함한다. 또한, 상기 다공성 플러그 조립체는 연장된 조립체를 형성하기 위하여 적층되는 개별적인 삽입물을 포함할 수 있고, 상기 삽입물은 다른 다공성 매개체로 이루어질 수 있다(즉, 동일 압력에서 다른 유량을 제공함).

도10은 변화하는 세공 크기(K1, K2)를 갖는 4개의 다공성 플러그 조립체를 통과하는 일정 온도에서의 가상적인 액체에 대하여 압력과 다공성 플러그 길이 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 본 실시예에 나타낸 바와 같이, 상기 조립체의 전 체 길이는 약 0.014m이고, 상기 조립체는 또한 K1의 세공 크기를 갖는 제1부분 및 K2의 세공 크기를 갖는 제2부분을 포함한다. 상기 다공성 플러그 조립체 중 하나는 K1=K2=2.8e-13㎡으로 이루어진다. 다른 조립체는 K1= 5.6e-14㎡이고 K2= 5.5e-13㎡으로 이루어진다. 또 다른 조립체는 k1=3.0e-14㎡이고 K2= 2.8e-12㎡으로 이루어진다. 또 다른 조립체는 K1= 5.6e-14㎡이고 K2=1.4e-12㎡으로 이루어진다. 상기 그래프는 각 다공성 플러그 조립체에 의해 액체가 조립체를 통과하기 전에 기화하는 것을 나타낸 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims

액체용 입구;

기체용 출구;

상기 기체 출구로 흐르는 기체를 제어하는 기체밸브;

상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체를 가열하기 위한 수단; 및

상기 액체가 기체밸브에 도달함에 따라 액체의 압력이 액체의 증기전이압력보다 낮아지도록 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체에서의 압력을 강하시키며 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체의 열전달율을 증가시키는 수단

을 포함하는 기화기.
제1항에 있어서,

상기 압력강하 및 열전달율 증가 수단은 다공성 매개체의 플러그를 포함하는

기화기.
제2항에 있어서,

상기 다공성 매개체는 소결금속으로 이루어지는

기화기.
제3항에 있어서,

상기 소결금속은 20마이크론보다 작은 가소결된 평균 입자 크기를 갖는 금속분말로부터 형성되는

기화기.
제4항에 있어서,

상기 소결요소의 평균 입자 크기는 10마이크론 보다 작은

기화기.
제3항에 있어서,

상기 소결금속은 적어도 5g/cc의 밀도를 갖는

기화기.
제3항에 있어서,

상기 소결금속은 스테인리스 스틸, 니켈과 니켈합금, 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는

기화기.
제3항에 있어서,

상기 다공성 매개체 플러그는 연속해서 이루어진 제1세공 크기를 갖는 제1부분 및 제2세공 크기를 갖는 제2부분을 포함하는

기화기.
제3항에 있어서,

상기 다공성 매개체 플러그는 원통형으로 연장되고, 단일이거나 연장된 다공성 매개체를 포함하는

기화기.
제3항에 있어서,

상기 다공성 매개체 플러그는 연장된 다공성 매개체의 조립체를 형성하기 위하여 적층되는 개별적인 삽입물을 포함하는

기화기.
제3항에 있어서,

상기 다공성 매개체 플러그는 원통형으로 연장되고, 외부 슬리브에 동축으로 수용되는 내부 실린더를 포함하고, 상기 내부 실린더와 외부 슬리브는 다른 다공성 매개체로 이루어지는

기화기.
제3항에 있어서,

상기 밸브는 밸브체를 포함하고;

상기 밸브체는 밸브시트, 기화기의 입구로부터 밸브시트로 연장되는 입구통로, 및 상기 밸브시트로부터 기화기의 출구로 연장되는 출구통로를 포함하고;

상기 다공성 매개체는 입구통로에 위치되는

기화기.
제1항에 있어서,

온도센서를 더 포함하며,

상기 가열수단은 전기가열코일을 포함하는

기화기.
제1항에 있어서,

상기 밸브는 다이어프램 밸브를 포함하는

기화기.
제1항에 따른 기화기를 포함하는 원자층 증착시스템으로서,

유지체적부; 및

상기 유지체적부를 공정챔버에 연결하기 위한 기체밸브

를 더 포함하고,

상기 기화기의 출구가 유지체적부에 연결되는 동안에 상기 기화기의 입구는 액체 전구물질의 근원부에 연결될 수 있는

원자층 증착시스템.
제15항에 있어서,

상기 기체밸브를 통해 유지체적부에 연결되는 공정챔버

를 더 포함하는 원자층 증착시스템.
제1항에 따른 기화기를 포함하며 요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템으로서,

상기 기화기의 출구에 연결되는 유지체적부;

상기 유지체적부에서 유출되는 기체를 제어하는 출구밸브;

상기 유지체적부 내에서 압력을 측정하는 압력변환기;

상기 요구 기체 질량을 시스템으로부터 송출되도록 제공하기 위한 입력장치; 및

상기 밸브, 압력변환기, 및 입력장치에 연결되는 제어기

를 더 포함하고,

상기 제어기는 입력장치를 통해 요구되는 기체 질량을 수용하고, 상기 출구 밸브를 폐쇄하고, 상기 기화기의 밸브를 개방하고, 상기 압력변환기로부터 측정된 유지체적부 압력을 수용하고, 상기 유지체적부 내에서의 압력이 소정 수준에 도달하는 경우에 기화기의 밸브를 폐쇄하고, 상기 유지체적부 내의 기체가 평형상태에 도달하게 소정의 대기시간을 기다리고, 시간=t₀에서 출구 밸브를 개방하고, 배출되는 기체의 질량이 요구 질량과 같은 경우에 시간=t^*에서 출구 밸브를 폐쇄하도록 프로그램되는

요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템.
제17항에 있어서,

상기 소정의 대기시간은 3초로 이루어지는

요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템.
제17항에 있어서,

상기 시간 t^*는 100밀리세컨드에서 500밀리세컨드인

요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템.
제17항에 있어서,

상기 시간 t^*는 0.5초에서 30초인

요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템.
제17항에 있어서,

상기 유지체적부 내에서의 압력의 소정 수준은 유지체적부가 재충전되게 유구되기 전에 상기 유지체적부 내에서 많은 기체의 소정 수가 출구 밸브를 통해 송출되도록 하는

요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템.
제17항에 있어서,

액체가 기화기의 입구로 송출되기 전에 상기 액체는 적절한 용매에 용해되는

요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템.
제17항에 있어서,

상기 출구 밸브를 통해 유지체적부에 연결되는 공정챔버

를 더 포함하는 요구 기체 질량을 송출하기 위한 시스템.
입구를 통해 액체를 수용하고;

상기 입구에 기체밸브를 연결하고;

상기 액체의 압력이 강하되는 경우에 상기 액체의 온도가 낮아지지 않도록 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체를 가열하고;

상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체의 연전달율을 증가시키고;

상기 액체가 기체밸브에 도달함에 따라 액체의 압력이 액체의 증기전이압력보다 낮아지도록 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체에 압력강하를 적용하는

액체를 기화시키는 방법.
제24항에 있어서,

상기 액체의 열전달율을 증가시키기 위하여 상기 액체 입구와 기체밸브 사이에서 흐르는 액체에 압력강하를 적용하는데 다공성 매개체의 플러그가 이용되는

액체를 기화시키는 방법.
제24항에 있어서,

상기 액체가 입구를 통해 수용되기 전에 상기 액체는 적절한 용매에 용해되는

액체를 기화시키는 방법.