KR20130090146A - 전구체 샘플링 장치, 및 이를 이용한 전구체 샘플 분석방법 - Google Patents

전구체 샘플링 장치, 및 이를 이용한 전구체 샘플 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수용된 액상의 전구체가 기화되는 전구체 용기, 상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 공급되는 샘플링 모듈, 및 상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 유입되어, 내부에 안착된 웨이퍼에 화학 증착 공정이 수행되는 반응기를 포함하되, 상기 전구체 용기에서 기화된 전구체는 선택적으로 상기 샘플링 용기 또는 상기 반응기로 공급되는 전구체 샘플링 장치를 개시한다.

Description

전구체 샘플링 장치, 및 이를 이용한 전구체 샘플 분석방법{PRECURSOR SAMPLING APPARATUS AND METHOD FOR ANALYSIS OF PRECURSOR SAMPLE}
본 발명은 전구체 샘플링 장치에 관한 것으로서, 기화된 전구체를 용이하게 샘플링하여 다양한 분석이 가능한 전구체 샘플링 장치, 및 이를 이용한 전구체 샘플 분석방법에 관한 것이다.
반도체의 제작에 있어서, 종래에는 물리적 증착(physical evaporation) 방법인 스퍼터링(sputtering) 방법 등이 통상적으로 많이 사용되어 왔다. 그러나 반도체 등의 고집적화가 진행됨에 따라, 반도체 제작 과정에 있어서 화학 증착(chemical deposition) 및 원자층 증착(atomic layer deposition)과 같은 박막형성 공정들이 많이 도입되고 있다.
반도체의 고집적화에 의해 요구되는 선 폭이 점점 감소하고 있으며, 이에 따라 종래의 물리적 증착 방법으로는 현재 요구되는 정도의 폭을 갖는 가느다란 선을 제작하는 데 한계가 있으나, 화학 증착 공정은 우수한 층덮임(step coverage) 특성을 보이는 유기금속화합물(이하 전구체)를 사용함으로써 종래의 물리적 증착 방법의 한계를 극복할 수 있는 장점이 있다.
이러한 화학 증착 공정은 용기 내에 수용된 액체 상태의 전구체를 다양한 방법으로 기화시킨 후, 기화된 화학 기체를 반응기 내로 주입하여 웨이퍼에 증착하는 과정으로 이루어진다. 일반적으로 반응기 내에서 전구체를 이용하여 수십 매 이상의 웨이퍼에 유기금속박막을 증착한다.
그러나, 이러한 전구체는 유기 화합물이기 때문에 열분해가 상대적으로 쉽게 발생하므로 용기 내에서 장기간 고온에서 보관되는 경우 열분해되는 문제가 있다. 열분해된 전구체를 이용하여 화학 증착 공정을 수행한 경우 박막두께, 균일도 등을 조절하기 어려워 증착 특성이 떨어지는 문제가 있다.
그러나 일단 전구체를 용기에 담아 장비에 장착하면 전구체의 상태를 관찰할 방법이 없으므로, 장비에 장착된 이후에는 장비를 완전 해체하지 않는 한 전구체의 상태에 대하여 분석이 불가능한 문제가 있다.
또한, 용기에 담긴 전구체의 남은 양을 공정 진행 중에 실시간으로 진단할 만한 방법이 없어 전구체가 소모되기 이전에 교체 시점을 정확하게 파악하기 어려운 문제가 있다.
이를 방지하기 위하여 한국공개특허 제2007-0108727호 등에서는 초음파를 이용하여 전구체의 잔존량을 측정하고 있으나, 이는 수신된 초음파의 노이즈를 효과적으로 제거하지 못하여 정확한 잔존량을 측정하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기화된 전구체를 용이하게 샘플링하여 현재 전구체 상태에 대한 정확한 분석이 가능한 전구체 샘플링 장치 및 이를 이용한 전구체 샘플 분석방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 전구체 용기에 잔존하는 전구체의 양을 실시간으로 감지할 수 있는 전구체 샘플링 장치를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 전구체 샘플링 장치는, 수용된 액상의 전구체가 기화되도록 버블링되는 전구체 용기와, 상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 공급되는 샘플링 모듈, 및 상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 유입되어, 안착된 웨이퍼에 화학 증착 공정이 수행되는 반응기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 전구체 샘플링 장치는, 상기 전구체 용기와 샘플링 용기에 연결된 제1파이프 라인과, 상기 전구체 용기와 반응기에 연결된 제2파이프 라인을 더 포함하고, 상기 제1파이프라인과 제2파이프 라인에는 각각 제1밸브와 제2밸브가 형성되어 상기 제1밸브 또는 제2밸브의 선택적 개폐에 의해 상기 기화된 전구체가 상기 샘플링 모듈 또는 반응기로 공급된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 전구체 샘플링 장치는, 상기 샘플링 모듈이 상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 유입되는 샘플링 용기와, 상기 샘플링 용기가 삽입 고정되는 하우징, 및 상기 하우징의 외면에 밀착된 냉각기를 포함한다.
이때, 샘플링 용기는 끝단부에 토출부가 형성되고, 상기 토출부를 밀폐하는 마개가 결합된다.
본 발명의 일 특징에 따른 전구체 샘플 분석방법은, 전구체 용기에 수용된 액상의 전구체를 버블링하여 기화시키는 단계와, 상기 기화된 전구체를 샘플링 모듈에 공급하여 액화시키는 단계, 및 상기 액화된 전구체를 분석하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 반응기로 공급되는 기화된 전구체를 손쉽게 샘플링하여 전구체의 상태를 정확하게 분석할 수 있다.
또한, 화학 증착 공정을 수행하는 중에 필요한 경우만 전구체 샘플을 채취할 수 있으므로 화학 증착 공정을 연속적으로 수행할 수 있다.
또한, 전구체 용기에 잔존한 전구체의 양을 실시간으로 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체 샘플링 장치의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 일시예에 따른 샘플링 모듈의 분해 사시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체 용기에 계측기가 삽입된 상태를 보여주는 개념도이고,
도 4는 도 3의 A-A방향 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1을 참조할 때, 본 발명의 실시예에 따른 전구체 샘플링 장치는, 수용된 액상의 전구체가 기화되도록 버블링되는 전구체 용기(100)와, 상기 전구체 용기(100)로부터 기화된 전구체가 공급되는 샘플링 모듈(200), 및 상기 전구체 용기(100)로부터 기화된 전구체가 유입되어, 내부에 안착된 웨이퍼(W)에 화학 증착 공정이 수행되는 반응기(300)를 포함한다.
전구체 용기(100)는 내부에 공간이 마련되어 전구체가 수용되며, 전구체 용액을 외부와 차단한다. 이러한 전구체 용기(100)는 제1파이프 라인(410)을 통해 샘플링 모듈(200)과 연결되고, 제2파이프 라인(420)을 통해 반응기(300)와 연결되어 기화된 전구체가 각각 샘플링 모듈(200)과 반응기(300)에 공급될 수 있도록 구성된다.
이때, 제1파이프 라인(410)과 제2파이프 라인(420)의 배치는 도시된 것 이외에도 샘플링 모듈(200)과 반응기(300)에 기화된 전구체를 공급할 수 있는 다양한 구조로 변형될 수 있다.
전구체 용기(100)에 수용된 액상의 전구체는 기화되어 샘플링 모듈(200)과 반응기(300)에 공급되며, 액상의 전구체를 기화시키는 방법은 공지의 다양한 방법이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 고압의 기체가 수용된 봄베(도시되지 않음)로부터 기체가 상기 전구체 용기(100)에 분사되는 경우 액상의 전구체가 버블링되어 기화될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 액상의 전구체를 기화시킬 수 있는 다양한 방법이 적용될 수 있다.
제2파이프 라인(420)과 연결된 반응기(300)는 기화된 전구체가 공급되어 반응기(300) 내에 배치된 스테이지(310) 상에 웨이퍼(W)가 안착되고 그 위에서 전구체가 분사되어 화학 증착된다. 이러한 화학 증착 장비는 기존의 공지된 장비가 모두 사용될 수 있으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
제1파이프 라인(410)과 연결된 샘플링 모듈(200)은 기화된 전구체가 공급되어 액화됨으로써, 전구체의 샘플을 채취할 수 있도록 구성된다. 이때, 제2파이프 라인(420)에는 제2밸브(421)가 형성되고 제1파이프 라인(410)에는 제1밸브(411)가 형성되어, 기화된 전구체를 반응기(300)과 샘플링 모듈(200)에 선택적으로 공급된다.
예를 들면, 제1밸브(411)를 닫고 제2밸브(421)를 개방하여 반응기(300)에 연속적으로 기화된 전구체를 공급하다가, 전구체의 현재 상태에 대한 분석이 필요한 경우에는 제2밸브(421)를 닫고 제1밸브(411)를 개방시킴으로써 샘플링 모듈(200)에 전구체를 공급할 수 있다.
이후, 샘플링 모듈(200)에 필요한 양의 기화된 전구체가 공급된 경우에는, 다시 제1밸브(411)을 닫고 제2밸브(421)를 개방시켜 반응기(300)에 전구체를 연속적으로 공급하여 증착 공정을 수행한다.
이때, 제1밸브(411)와 제2밸브(421)를 동시에 개방시킨 상태에서 전구체 샘플을 채취해도 무방하나, 반응기(300)에 공급되는 전구체의 양을 일정하게 유지하여 균일한 두께의 화학 증착이 이루어지기 위해서는 제2밸브(421)를 닫고 전구체 샘플을 채집함이 바람직하다.
도 1과 도 2를 참조하여 샘플링 모듈(200)에 대해 자세히 살펴보면, 본 발명에 따른 샘플링 모듈(200)은, 전구체 용기(100)로부터 기화된 전구체가 유입되는 샘플링 용기(210)와, 샘플링 용기(210)가 삽입 고정되는 하우징(220), 및 하우징(220)의 외면에 밀착된 냉각기(230)를 포함한다.
샘플링 용기(210)는 일측면에 제1파이프 라인(410)이 삽입 및 탈착될 수 있는 홀(214)이 형성되고 그 반대면에는 액화된 전구체가 토출되는 토출구(212)가 형성된다. 토출구(212)는 마개(213)로 밀폐된다. 이러한 구성에 의하여 전구체 용기(100)에 담긴 액상의 전구체의 샘플을 채취할 수 있다.
하우징(220)은 샘플링 용기(210)가 수납될 수 있는 공간(221)이 마련되어 있으며, 외면에는 냉각기(230)가 밀착되어 냉각기(230)에서 방출되는 냉온을 샘플링 용기(210)에 전달하는 역할을 수행한다. 따라서 이러한 하우징(220)은 열전도율이 높은 재질이 선택되고, 열전도율이 높아지도록 충분히 얇은 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
하우징의 형상은 원통형으로 형성된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다각형상과 같이 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
냉각기(230)는 하우징과 밀착되어 배치되며, 샘플링 용기(210)에 냉온을 전달할 수 있는 다양한 냉각 장치가 적용될 수 있다. 예시적으로는 팰티어 모듈(Peltier Module)과 같이 소형 냉각에 적합한 장치가 선택될 수 있다.
본 실시예에서는 하우징(220)과 냉각기(230)이 분리된 형태로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 하우징(220)이 냉각기(230)의 일부일 수도 있다.
도 3을 참조할 때, 본 발명에서는 전구체 용기(100)에 수용된 전구체의 양을 측정하는 계측기(110)를 더 포함한다. 이러한 계측기(110)는 제1기판(111)과 제2기판(112)이 서로 이격 배치되고, 제1기판(111)과 제2기판(112)이 서로 마주보는 면에 각각 위치측정센서(114)와 초음파 진동자(113)가 길이방향으로 다수 개 부착된다. 이때, 위치측정센서(114)는 압력센서와 레이저 센서 등의 다양한 센서 선택될 수 있다.
제1기판(111)과 제2기판(112)은 일단이 고정부(115)에 의해 고정되며, 고정부(115)는 전구체 용기(100)에 삽입된다. 또한, 고정부(115)의 상단에는 손잡이(116)가 형성되어 필요시 전구체 용기(100)로부터 계측기(110)를 분리할 수 있도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 복수 개가 구비된 위치측정센서(114)에 의해 전구체 용기(100)에 잔존하고 있는 액상의 전구체의 양을 측정할 수 있으므로, 화학 증착이 진행됨에 따라 전구체 용기(100)에 담긴 전구체의 양이 감소되는 양을 실시간으로 측정하여 정확한 교체 시기를 판단할 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 4를 참조할 때, 주기적으로 초음파 진동자(113)에 의해 방출된 초음파 진동에 의해 위치측정센서(114)에 붙은 전구체 이물질이 효과적으로 제거되므로 전구체의 양을 더욱 정확하게 센싱할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 초음파 진동자(113)과 위치측정센서(114)는 서로 마주보고 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 위치측정센서(114)에 의해 센싱된 정보를 수신하는 제어부(도시되지 않음)와 초음파 진동자(113)에 소정 간격으로 전압을 인가하는 전원(도시되지 않음) 등이 더 구비됨은 자명하다.
이하에서는 상술한 전구체 샘플링 장치를 이용한 전구체 샘플 분석 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 전구체 샘플 분석 방법은 전구체 용기(100)에 수용된 액상의 전구체를 버블링하여 기화시키는 제1단계와, 상기 기화된 전구체를 샘플링 모듈(200)에 공급하여 액화시키는 제2단계, 및 상기 액화된 전구체를 분석하는 제3단계를 포함한다.
먼저, 제1단계는, 전구체 용기(100)에 수용된 액상의 전구체를 기화시킨다. 이때, 일 실시예로써 전구체 용기(100)에 고압의 가스를 불어넣어 액상의 전구체를 버블링함으로 전구체를 기화시키는 방법이 선택될 수 있다.
이후, 제2단계에서는 제2밸브(421)를 닫고 제1밸브(411)를 개방하여 샘플링 용기(210)에 기화된 전구체를 공급한다. 이때, 샘플링 용기(210)가 삽입된 하우징(220)의 외면은 냉각기(230)와 밀착되어 있으므로, 냉각기(230)에서 전달된 냉온에 의해 기체 상태의 전구체는 액화된다.
분석 가능한 양의 전구체 용액이 채집된 경우 제1밸브(411)를 닫고, 샘플링 용기(210)를 제1파이프 라인(410)과 하우징(220)에서 분리한 후, 샘플링 용기(210)의 마개(213)를 열어 전구체 용액을 분석용기에 토출한다.
이후, 제3단계에서는 분석용기에 담긴 전구체 용액을 이용하여 증기압 측정 또는 핵자기공명 분광법(NMR)등 다양한 방법으로 분석하여 전구체의 상태를 분석한다.
100: 전구체 용기 200: 샘플링 모듈
210: 샘플링 용기 300: 반응기

Claims (7)

  1. 수용된 액상의 전구체가 기화되는 전구체 용기;
    상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 공급되는 샘플링 모듈; 및
    상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 유입되어, 내부에 안착된 웨이퍼에 화학 증착 공정이 수행되는 반응기;를 포함하는 전구체 샘플링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전구체 용기와 샘플링 용기에 연결된 제1파이프 라인과, 상기 전구체 용기와 반응기에 연결된 제2파이프 라인을 더 포함하고,
    상기 제1파이프라인과 제2파이프 라인에는 각각 제1밸브와 제2밸브가 형성되어, 상기 제1밸브 또는 제2밸브의 개폐에 의해 상기 기화된 전구체가 선택적으로 상기 샘플링 모듈 또는 반응기로 공급되는 전구체 샘플링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 샘플링 모듈은, 상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 유입되는 샘플링 용기와, 상기 샘플링 용기가 삽입 고정되는 하우징, 및 상기 하우징의 외면에 밀착된 냉각기를 포함하는 전구체 샘플링 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 샘플링 용기는 끝단부에 토출구가 형성되고, 상기 토출구를 밀폐하는 마개가 결합된 전구체 샘플링 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 냉각기는 팰티어 모듈인 전구체 샘플링 장치.
  6. 전구체 용기에 수용된 액상의 전구체를 기화시키는 단계;
    상기 기화된 전구체를 샘플링 모듈에 공급하여 액화시키는 단계; 및
    상기 액화된 전구체를 분석하는 단계;를 포함하는 전구체 샘플 분석방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 샘플링 모듈은, 상기 전구체 용기로부터 기화된 전구체가 유입되는 샘플링 용기와, 상기 샘플링 용기가 삽입되는 하우징, 및 상기 하우징의 외면에 밀착된 냉각기를 포함하는 전구체 샘플 분석방법.
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