KR20090097207A - 진공 공정에서의 기체 처리 장치 - Google Patents

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올리버 랏툰데
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오씨 외를리콘 발처스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

진공 처리 공정에서 기체-상승 패턴을 조절하기 위한 장치에서 기체 흡입구(1)는 질량-유량-제어기 MFC(2)에 동작가능하게 연결되고; MFC(2)는 다시 제 1의 밸브(5)에 의해 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결되며 이와 평행하게 제 2의 밸브(6)를 통해 벤트-라인(4)에 동작가능하게 연결된다. 벤트-라인(4)과의 연결은 벤트-라인(4)의 펌프 단면적을 변화시키기 위한 수단을 더 포함한다. 다른 구현예에서 진공 처리 공정에서 기체-상승 패턴을 조절하기 위한 장치는 밸브(11)에 의해 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(13)를 포함하고, 기체 흡입구(13)와 밸브(11) 사이의 연결은 다이아프램(diaphragm)(12)을 더 포함한다.
질량 유량 제어기, 밸브, 진공 챔버, 벤트 라인, 다이아프램

Description

진공 공정에서의 기체 처리 장치{APPARATUS FOR GAS HANDLING IN VACUUM PROCESSES}
본 출원은 2007년 1월 4일자로 출원되고 본원에 언급함으로써 그 내용이 전체적으로 통합된 미국 가특허출원 60/883,348의 이익을 청구한다.
본 발명은 기체 처리 기술에 관계하며, 보다 구체적으로 진공 챔버 내에서 빠른 기체 처리(기체 압력의 증가/감소)에 관계한다. 이는 짧은 사이클 시간의 고 쓰루풋(high throughput)에서 특히 고압을 적용하는 진공 스퍼터링 장치에 유용하다.
발명의 배경기술
스퍼터링은 에너제틱 이온(energetic ions)에 의한 물질의 충돌(bombardment)에 기인하여 고체 타겟 내의 원자들이 기체상으로 분출되는 진공 내에서의 물리 기상 증착(PVD) 공정이다. 에너제틱 이온들은 불활성 기체, 대개 아르곤으로부터 이온화됨으로써 생성된 아트(art)의 상태로 존재한다. 스퍼터링은 대개 박막 증착에 사용될 뿐 아니라 분석 기술에도 사용된다. 진공 챔버 내에서 기판의 PVD(또는 화학 기상 증착 (CVD))공정에서 많은 프로세스들은 기체 압력의 정밀하고 빠른 변화를 필요로 한다. 하나의 전형적인 적용은 멀티 챔버 진공 시스템 내에서의 고압력 스퍼터링으로, 기판은 높은 기체 압력에서 처리되고 하나의 챔버로부터 다른 챔버로의 이동은 현저히 낮은 압력에서 수행되어 이웃하는 챔버를 방해하지 말아야 한다. 다수의 이러한 적용들(예를 들어, 광학적 또는 마그네틱 데이터저장 산업용 디스크-형상 기판의 공정)은 고 쓰루풋을 보장하기 위해 짧은 프로세스 시간을 필요로 한다.
하나의 구체적인 적용은 흔히 알려진 LMR(수평 자기 기록(longitudinal magnetic recording))에 비하여 저장 밀도를 증가시키기 위해 사용된 기술인 PMR(수직 자기 기록(perpendicular magnetic recording))용 마그네틱 디스크 공정이다. 전류 PMR 미디어의 저장층은 Ru 층에 증착된 CoCrPt-SiO2와 같은 입상 물질(granular material)로 구성되었고, 양자 모두 매우 고압력(1 x 10-1 hPa 까지)에서 스퍼터되어 마그네틱 성질을 최적화시킨다. SNR(잡음비에 대한 신호)에 대한 가장 좋은 퍼포먼스(performance)는 두 개의 스텝으로 Ru 층을 스퍼터링함에 의해 성취된다("2-스텝 Ru"); 제 1의 층은 로우 투 미디엄(low to medium) 압력(10-3 hPa 레짐(regime))에서 스퍼터된다; 제 2의 층은 매우 높은 압력(10-2 에서 10-1 hPa 레짐)에서 스퍼터된다. 고압력에서 제 2의 층은 약 6nm의 상부 저장층에 대하여 바람직한 입경분포를 생성하는데 반면에 제 1의 층은 Ru의 바람직한 c-축 방향을 초 기화하고/초기화하거나 SUL(연자성 하지층(soft magnetic un- delrlayer))과 저장층 사이에서 마그네틱 커플링을 감소시키는 것이 필요한 것으로 추측된다.
알려진 기술들
질량 유량 제어기(MFC)는 기체의 유량을 특정하고 조절하기 위해 사용되는 장치이다. 질량 유량 제어기는 유량 속도의 특별한 범위에서 구체적인 유형의 기체를 조절하도록 디자인되고 조정된다. MFC는 세트포인트(setpoint) 0 에서 100%까지 그것의 풀 스케일 레인지(full scale range)로 주어질 수 있지만 전형적으로 10 내지 90%의 풀 스케일에서 작동되고 최고의 정확도가 얻어진다. 장치는 그리고나서 주어진 세트포인트로 유량의 속도를 조절한다. 모든 질량 유량 제어기들은 적어도 흡입구, 배출구, 질량 유량 센서 및 비례 조절 밸브를 구비한다. MFC는 대개 폐쇄된 루프 조절 시스템(closed loop control system)으로 피트(fitted)되는데 이것은 오퍼레이터(또는 외부의 회로/컴퓨터)에 의한 입력 신호로 주어지며 이 입력 신호는 질량 유량 센서에서의 값에 비교되고 비례 밸브를 조절하여 필요한 유량을 수득한다.
1) 보통 기체 유량을 조절하기 위해 사용되는 MFCs는 그것들의 유량 세트포인트의 현저한 변화 이후에 기체 유량을 안정화시키기 위해 상당한 양의 시간이 필요하다. 도 1은 가스 흡입구(1), MFC(2), 진공 챔버(3), 벤트-라인(4) 및 밸브들(5,6)을 구비한 종래의 배열을 보여준다. 이러한 셋-업을 사용하는 것은 보통 의 방법으로, MFC(2)로부터의 기체 유량은 진공 챔버(3) 내로 방향되거나 소위 벤트 라인(4)(예를 들어, 진공 시스템의 포어-진공(fore-vacuum) 라인)내로 퍼지된다. MFC(2)는 항상 일정한 유량을 수송할 수 있다. 이러한 셋-업은 "기체 퍼지(gas purge)"라 불릴 것이다.
2) 충분한 고압력에서 기체로 채워진 부피로부터의 기체 팽창에 의한 기체 압력 피크를 생성하는 것("기체 팽창") 또한 일반적인 지식으로 고려될 수 있다. 두 개의 스위치가능한 밸브(8,9)를 사용한 전형적인 셋-업이 도 2에 도시되었다: 팽창 부피(7)는 기체 흡입구(1)로부터의 기체로 채워졌고(기체의 흡입 압력에 의해 측정된 압력), 밸브(8)은 열리고 밸브(9)는 닫혔다. 그 후에 밸브(8)은 닫히고 기체 부피는 열린 밸브(9)에 의해 진공 챔버(3) 내로 팽창될 수 있다.
3) 고 압력 스퍼터링을 위해 펌프 단면적을 좁히는 기계적인 부분들을 사용하는 것 또한 보통의 지식이다("스로틀 밸브(throttle valve)").
선행기술의 문제점
만일 기판들이 높은 기체 압력으로 처리되는 동안 하나의 챔버로부터 다른 하나로의 이동이 현저히 낮은 압력에서 수행되어야 하면, 모든 알려진 통상의 접근들은 기체를 안정화하기 위해 현저한 시간량을 필요로 한다(초 범위). 2-스텝 Ru 공정의 구체적인 케이스에 대하여 이러한 필름 스택(stack)은 통상 두 개의 연속 진공 챔버 내에 증착되고, 제 1의 챔버는 로우 투 미디엄(low to medium) 압력에서 작동하고 제 2의 챔버는 고압력에서 작동한다. 따라서 두 개의 공정 스테이션(station)들이 차지되고 두 세트의 스퍼터링 타겟들이 필요하며 이는 모두 공정 비용을 증가시킨다.
발명의 요약
본 발명의 하나의 양상은 진공 공정 적용에서 특히 고압력 적용들에 적합한짧은 압력 펄스를 생성하고 기체 압력 안정화를 위한 일반해(general solution)에 관계한다. 본 발명의 다른 양상에 의한 솔루션은 하나의 진공 챔버 내의 서로 다른 압력(예를 들어, 2-스텝 Ru 공정)에서 정밀하고 빠른 기체 안정화로 2-스텝 공정을 수행하기 위해 짧은 사이클 시간을 가능하게 하도록 기술된다.
진공 처리 공정에서 기체-상승(gas-rise) 패턴을 조절하기 위한 장치는 기체 흡입구(1)가 질량-유량-제어기 MFC(2)와 동작가능하게 연결된다; 상기 MFC(2)는 다시 제 1의 밸브(5)에 의해 진공 챔버(3)와 동작가능하게 연결되고 이와 평행하게 제 2 밸브(6)에 의해 벤트-라인(4)과 동작가능하게 연결된다. 벤트-라인(4)과의 상기 연결은 상기 벤트-라인(4)의 펌프 단면적을 변경시키기 위한 수단을 더 포함한다. 다른 구현예에서 진공 처리 공정에서 기체-상승 패턴을 조절하기 위한 장치는 밸브(11)에 의해 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(13)를 포함하는데, 기체 흡입구(13) 및 밸브(11) 사이의 연결은 다이아프램(diaphragm)(12)을 더 포함한다.
다른 구현예에서 진공 처리 공정에서 기체-상승 패턴을 조절하기 위한 장치는 밸브(18)에 의해 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(14) 및 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결된 진공 펌프(17)를 포함하는데, 진공 챔버(3)와 진공 펌프(17) 사이의 연결은 스로틀(throttle) 밸브(16)를 더 포함한다.
그 이상의 적용들이 상술되고 도면에 도시된 본 발명에 의한 구현예들의 조합을 포함한다.
발명의 상세한 설명
1) 빠른 기체 압력 상승 및 안정화를 위한 수단
a) 다양한 벤트 라인의 펌프 단면적을 갖는 기체 퍼지
본 발명에 의한 일구현예가 도 3에 의해 기술될 것이다. 구성(configuration)은 도 1로부터 유래된 배열을 보여준다. 그러나 벤트 라인(4)의 펌프 단면적을 변화시킴으로써(예를 들어 니들 밸브(10)에 의해), 벤트-라인(4)으로부터 진공 챔버(3)로의 기체 유량을 스위칭한 후에 기체 압력의 개시(onset)를 조절하는 것이 가능하다(도 4 참조).
만일 벤트 라인(4)의 단면적이 진공 챔버(3) 내로의 기체 라인에 비하여 현저히 작고, 기체 유량이 진공 챔버(3) 내로 스위치되면(즉, 벤트-라인 내로의 밸브(6)가 닫히고 동시에 진공 챔버 내로의 밸브(5)가 열리면), 이는 벤트-라인 내의 고압력을 초래(lead)하여 기체 압력 피크(peak)("기체 오버슈트(gas overshoot)")을 초래한다.
반면, 벤트 라인(4)의 단면적이 진공 챔버(3) 내로의 기체 라인에 비하여 현저히 크다면 벤트-라인(4) 내의 더 작은 압력은 기체 압력의 느린 증가를 초래한다("기체 언더슈트(gas undershoot)"). 만일 벤트 라인의 펌프 단면적에 대한 적절한 세팅이 선택된다면 기체 압력 신호 상승은 0.1초 만큼 짧을 수 있다(도 4에서의 니들 밸브의 5 턴(turns)).
도 4는 도 3의 셋-업의 실험적인 결과를 도시한 도면이다. 니들 밸브(10)의 서로 다른 세팅에 대한 시간에 따른 아르곤(Ar) 기체의 압력이 도시되었다. "턴(Turns)"은 턴(turns) CCW의 수를 의미한다; 제로는 "니들 밸브가 완전히 닫힘"에 대응된다; "1 턴"은 최고 피크에 대응되고, "2 턴"은 제 2의 하나(second one) 등을 의미한다. "기체 ON(Gas ON)"은 계단식 그래프로 표시된다. 도시된 바와 같이, 니들 밸브(10)에 의해 벤트-라인(4)의 단면적을 변화시킴으로써 기체 압력 행동은 기체 압력 피크(기체 오버슈트, 예를 들어 "1 턴") 및 기체 압력의 느린 증가(기체 언더슈트, 예를 들어, "7 턴")사이에서 규정될 수 있다.
b) 다이아프램(diaphragm) 및 밸브의 조합을 사용한 기체 부스트(gas boost)
매우 짧고 재생가능한 기체 압력 펄스가 또한 도 5에 도시된 셋-업에 의해 실현될 수 있다. 다양한 흡입 압력을 갖는 분리된 기체 흡입기(13)(예를 들어 감압 조절기를 적용)는 다이아프램(12)(매우 작은 구멍을 가짐)과 스위치가능한 밸브(11) 사이의 부피(volume)로 일정하게 기체를 공급한다. 진공 챔버(3) 에서의 주기적인 공정(예를 들어 진공 장치에서의 기판의 공정)에 대한 기체 부스트 셋-업의 정상적인 작동 동안 이러한 기체 부피는 밸브(11)의 열림에 의해 진공 챔버 내로 확장된다.
구멍의 구경은 밸브(11)가 항상 열린다면 구경을 통한 진공 챔버(3) 내로의 기체 유량이 바람직한 공정 압력에 비하여 무시될 수 있을 정도(예를 들어, 10-4 hPa 범위 이내)로 선택된다. 따라서 기체 압력 패턴은 실질적으로 밸브(11)가 열리도록 유지되는 동안 시간에 대하여 독립적이다. 다이아프램(12)의 구경을 세팅하기 위한 유일한 제한은 원하는 사이클 시간 동안 구경을 통한 유량이 충분히 높아 다이아프램(12)의 구경과 밸브(11)사이의 부피를 채울 수 있어야 한다는 것이다.
이러한 기체 부스트 셋-업을 사용한 기체 압력의 매우 빠른 증가는 기체 흡입 압력(도면 참조)을 조절하거나 기체 팽창 부피 사이즈를 변화시킴으로써 압력 피크의 높이가 다양해지는 곳에서 실현될 수 있다.
이러한 기체 부스트 방법의 효과는 선행기술 섹션 2)에 기재된 기체 팽창 방법과 유사하지만 단지 하나의 밸브를 적용하는 것은 비용에 있어 보다 효과적이다. 도 6은 도 5에 의한 일구현예에서 기체 흡입구(13)로부터의 흡입 압력의 서로 다른 세팅에 대한 시간에 따른 기체 압력의 상대적인 결과를 나타낸다. "1.0 bar"는 가장 낮은 피크로 표시되고, "1.6bar"는 최상 피크로 표시되며, "기체 ON"은 계단식 그래프로 표시된다.
도 7은 "밸브 열림" 신호의 서로 다른 펄스 길이에 대한 시간에 따른 압력을 나타내며 팽창 부피를 비우기 위해 필요한 구체적인 시간 이후에 기체 패턴이 밸브(11)의 개방 시간에서 독립적인 것을 보여준다. 도 7에서 "20ms"는 가장 낮은 피크를 표시하고, 40-160 ms에 대한 그래프는 다른 그래프의 오버레이(overlay)로 표시된다. 기체 ON(Gas ON) = 계단식 그래프.
2) 2-스텝 공정
본 발명의 하나의 적용은
a) 압력을 증가/감소시키기 위해 닫히고/열린 진공 펌프 정면에서의 빠른 스로틀 밸브(throttle valve),
b) 고압력 적용에 대한 빠른 압력 증가를 위해 제 2의 기체(기체 퍼지 원리)의 부가 및/또는 기체 부스트를 적용하는 것이 조합된 스로틀 밸브를 사용하는 것에 의한 2-스텝 공정(제 1의 스텝에 비해 현저히 다른 기체 압력을 갖는 제 2의 스텝)이다.
a) 스로틀 밸브 작동
도 8은 도 9에 도시된 셋업에서 실현된 주기적인 2-스텝 공정의 압력 패턴을 나타낸다: 기체 퍼지를 갖는 하나의 기체 흡입구(14)를 사용한 공정 챔버(3) 및 진공 챔버(3)와 진공 펌프(17) 사이의 스로틀 밸브(16); 도 8에서 구획 i는 MFC(2)의 유량 세트-포인트(set-point)에 의해 세트된 기체 압력 p1을 나타낸다. 구획 ii의 초기에서 스로틀 밸브(16)는 닫혀 압력 증가를 초래하고, 대략 1.5s 이후에, MFC 유량과 스로틀 밸브(16)의 구체적인 형태에 의해 결정되는 압력 p2가 된다. 구획 ii 이후에 스로틀 밸브(16)는 다시 열리고 펌프-아웃에 대하여 디자인된 다양한 시간 간격(구획 iii)이후에 진행된 기판이 다음 챔버로 이동되는 동안 새로운 기판이 챔버로 옮겨진다. (주: 이러한 경우 MFC의 아르곤 기체 유량은 결코 턴-오프 되지 않는데 이는 시스템을 통한 이동 동안 10-3 hPa 범위의 불활성 기체 압력이 허용될 수 있기 때문이다.)
b) 빠른 기체 상승 시간에 대한 기체 펄스를 동반한 스로틀 밸브
구획 ii(도 8)의 초기에서 압력 상승 시간을 가속화하기 위해 부가적인 제 2의 MFC(20) 및 기체 퍼지 셋-업(문단 1a에 기술된 바와 같음) 및 /또는 기체 부스트 셋-업(문단 1b에 기술된 바와 같음)은 기체 매니폴드(manifold)에 부가된다. 각각의 개략도가 도 10 및 도 11에 도시되었다. 각각의 제 2의 기체 흡입구는 참조부호 15로 표시되었다.
본 발명에 의한 다른 구현예에서, 예를 들어 기체 퍼지 셋-업을 위해 기체 흡입구(15)에 대해 최적화된 기체 오버슈트 세팅은 외견상 동시적인 압력 상승을 초래한다. 도 12는 도 10의 셋-업에 대하여 서로 다른 적용에 대한 기체 압력 행동을 나타낸다.
"스로틀을 구비한 기체 1", 중간 그래프는 기체 흡입구(14)에 연결된 브랜치(branch)의 효과를 도시하였다.
"기체 2(스로틀 없음)"은 가장 낮은 그래프이고 스로틀 밸브(16)를 사용하지 않은 기체 흡입구(15)의 효과를 기술하였다. "스로틀을 구비한 기체 1+2"는 최상 그래프에서 양자가 혼합된 것을 사용하는 효과를 기술하였다.
발명의 다른 이점
기체 부스트 접근은 공정 동안 사용되는 기체 유량이 독립적으로 세트될 수 있는 매우 짧은 고압력 펄스를 보장할 수 있기 때문에 또한 플라스마 공정에서 점화를 돕는것에 아주 적합하다(특히 RF 공정).
도 1 및 2는 각각 선행기술에 의해 알려진 진공 처리 공정에서 안정한 압력 또는 기체 펄스를 생성하기 위한 배열을 도시한 도면이다.
도 3은 니들-밸브(needle-valve)를 사용한 본 발명의 일구현예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 의한 일 구현예의 실험적인 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 다이아프램(diaphragm)을 구비한 다른 신규한(inventive) 구현예를 도시한 도면이다.
도 6 및 7은 도 5에 의한 일 구현예의 실험적인 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 주기적인 2-스텝-증착 공정의 압력 패턴을 표시한 도면이다.
도 9는 진공 챔버와 진공 펌프 사이에 스로틀 밸브를 사용한 셋-업(set-up) 을 도시한 도면이다.
도 10은 진공 펌프 정면에서 스로틀 밸브와 동반하여 적용된 2 MFCs(기체 퍼지(purge)를 갖는 제 2의 기체-라인)를 사용한 2-스텝 공정에 대한 베이직 셋-업을 도시한 도면이다.
도 11은 진공 펌프 정면에서 스로틀 밸브와 동반하여 적용된 1 MFC 및 하나의 기체 부스트 라인(boost line)을 사용한 2-스텝 공정에 대한 베이직 셋-업을 도시한 도면이다.
도 12는 도 10에 도시된 셋-업에 대한 기체 상승 패턴을 도시한 도면이다.

Claims (10)

  1. 질량-유량-제어기 MFC(2)에 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(1)를 포함하는, 진공 처리 공정에서 기체-상승 패턴(gas-rise pattern)을 조절하기 위한 장치(Apparatus)로서,
    상기 MFC(2)는 다시 제 1의 밸브(5)에 의해 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결되고 이와 평행하게 제 2의 밸브(6)에 의해 벤트-라인(4)에 동작가능하게 연결되고;
    상기 벤트-라인(4)과의 연결은 상기 벤트-라인(4)의 펌프 단면적을 변경시키기 위한 수단을 더 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 벤트-라인(4)의 펌프 단면적을 변경시키기 위한 수단은 니들 밸브(10)인 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 벤트-라인(4)의 단면적은 상기 진공 챔버(3) 내로의 기체 라인에 비하여 현저히 더 작은 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 벤트-라인(4)의 단면적은 상기 진공 챔버(3) 내로의 기체 라인에 비하여 현저히 더 큰 장치.
  5. 밸브(11)에 의해 진공 챔버(3)과 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(13)를 포함하는, 진공 처리 공정에서 기체-상승 패턴을 조절하기 위한 장치로서, 기체 흡입구(13)와 밸브(11)사이의 연결은 다이아프램(diaphragm)(12)을 더 포함하는 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 기체 흡입구(13)는 다양한 흡입 압력을 허용하도록 감압 조절기(pressure reducing regulator)를 포함하는 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 다이아프램(12)과 밸브(11) 사이의 연결은 기체에 대한 부피(volume)를 포함하는 장치.
  8. 밸브(18)에 의해 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(14) 및 진공 챔버(3)와 동작가능하게 연결된 진공 펌프(17)를 포함하는, 진공 처리 공정에서 기체-상승 패턴을 조절하기 위한 장치로서, 상기 진공 챔버(3)와 진공 펌프(17) 사이의 연결은 스로틀 밸브(throttle valve)(16)를 더 포함하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 장치는 부가적인 질량 유량 제어기(20) 및 밸브(5)에 의해 상기 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(15)를 더 포함하고, 상기 기체 흡입구(15)는 상기 MFC(20) 및 부가적인 밸브(6)에 의해 벤트-라인(4)에 평행하게 연결되고; 상기 벤트-라인(4)과의 연결은 상기 벤트-라인(4)의 펌프 단면적을 변화시키기 위한 수단을 더 포함하는 장치.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 장치는 밸브(11)에 의해 상기 진공 챔버(3)에 동작가능하게 연결된 기체 흡입구(15)를 더 포함하고, 기체 흡입구(15)와 밸브(11) 사이의 연결은 다이아프램(12)을 더 포함하는 장치.
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