KR20140005314A - 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체 원료 가스 공급원과, 상기 액체 원료 가스를 저류하는 소스 탱크와, 상기 소스 탱크의 내부 상방 공간부로부터 액체 원료 가스 증기인 원료 가스를 프로세스 챔버에 공급하는 가스 유통로와, 상기 가스 유통로의 상류측에 개재되어 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 공급압을 설정값으로 유지하는 자동 압력 조정기와, 상기 가스 유통로의 하류측에 개재되어 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스 통로를 개폐하는 공급 가스 스위칭 밸브와, 상기 공급 가스 스위칭 밸브의 입구측과 출구측 중 적어도 한 쪽에 설치된 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 유량을 조정하는 오리피스와, 상기 소스 탱크와 상기 가스 유통로와 공급 가스 스위칭 밸브 및 오리피스를 설정 온도로 가열하는 항온 가열 장치로 이루어지고, 자동 압력 조정기의 하류측 원료 가스의 공급압을 소망의 압력으로 제어하면서 설정 유량의 원료 가스를 프로세스 챔버에 공급한다.

Description

반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치{RAW MATERIAL GAS SUPPLY DEVICE FOR SEMICONDUCTOR MANUFACTURING DEVICE}
본 발명은 소위 ALD법에 의한 반도체 제조 장치로의 가스 공급 장치의 개량에 관한 것이며, 프로세스 챔버 내에 복수의 처리용 가스(원료 가스)를 고정밀도로 유량 제어하면서, 신속하고 또한 정확하게 스위칭 공급할 수 있게 한 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치에 관한 것이다.
소위 ALD(Atomic Layer Deposition)법은 그 양호한 열이력이나 단차 피복성의 점에서 반도체 제조의 성막 프로세스에 널리 활용되고 있다.
그러나, 이 ALD법은 2종류 이상의 원료 가스나 액체 원료 가스의 증기류를 프로세스 챔버 내에 교대로 공급하여 웨이퍼 등의 표면에서의 화학 반응에 의해 성막하는 것이며, 소위 1시퀀스로 1원자층 상당의 막두께를 고정밀도로 형성할 수 있다.
그 중에서도, 사염화티타늄(TiCl4)과 암모니아(NH3)를 전구체로서 사용한 질화티타늄(TiN)의 성막은 반도체 제조에 있어서의 중요한 프로세스이며 사염화티타늄(TiCl4)의 공급 유량의 제어 정밀도가 질화티타늄의 막두께나 그 품질에 큰 영향을 주게 된다.
그 때문에, 종전부터 사염화티타늄(TiCl4) 등의 원료 가스의 공급에 대해서는 각종의 기술이 개발되어 있고, 예를 들면, 도 4의 원료 가스 공급 장치(일본 특허 제 4605790호)에서는 캐리어 가스원(21)으로부터 압력 조정기(22), 매스 플로우 컨트롤러(23)를 통해서 캐리어 가스(G1')가 소스 탱크(25) 내에 공급되고, 액체 원료(24)의 증기(G2')와 캐리어 가스(G1')의 혼합 가스(G0')가 압력 컨트롤 밸브(CV) 및 개폐 밸브(V1)를 통해서 프로세스 챔버(29) 내에 공급되어 있고, 압력 컨트롤 밸브(CV) 및 개폐 밸브(V1)의 개폐 제어에 의해 프로세스 챔버(29)로의 가스(G0')의 공급을 제어하고 있다.
또한, 도 4에 있어서 27은 소스 탱크(25)의 내압부 압력의 자동 압력 조정 장치이며, 관로(L) 내의 압력 및 온도의 검출값으로부터 탱크 내압을 연산하여 단자(28)로부터 입력한 설정 압력과의 차이가 제로가 되는 방향으로 압력 컨트롤 밸브(CV)를 개폐 제어함으로써 소스 탱크 내압을 설정값으로 유지하는 것이다.
또한, 26은 항온 가열부, 30은 히터, 31은 밸브, Gn'은 다른 원료 가스, Vn은 다른 원료 가스(Gn')의 개폐 밸브이다.
상기 도 4의 원료 가스 공급 장치에서는, 우선 소스 탱크(25) 내에 공급하는 캐리어 가스(G1')의 압력이 압력 조정기(22)에 의해 소정 압력값(PG1)으로 설정되고, 또한 그 공급 유량이 열식 질량 유량 제어 장치(매스 플로우 컨트롤러)(23)에 의해 소정 유량 값으로 설정된다. 또한, 소스 탱크(25)의 부분 등이 약 150℃의 고온도로 가열 보유된다.
캐리어 가스(G1')의 공급량과 소스 탱크(25)의 온도와 소스 탱크(25)의 내부압력[혼합 가스(G0')의 압력]이 설정값으로 각각 유지됨으로써 압력 컨트롤 밸브(CV)를 통해서 정혼합비로 정유량의 혼합 가스(G0')가 열식 질량 유량 제어 장치(23)의 설정 유량에 비례한 소정의 유량값으로 고정밀도로 제어되면서 공급되고, 개폐 밸브(V1)가 개방됨으로써 프로세스 챔버(29)에 공급된다.
도 5는 이러한 종류의 원료 가스 공급 장치의 다른 예를 나타내는 것이며, 캐리어 가스(G1')의 버블링 작용에 의해 소스 탱크(25) 내의 액체 원료 가스(TiCl4)를 증발시킴과 아울러, 캐리어 가스(G1')와 원료 가스 증기(G2')와 캐리어 가스에 수반되는 원료 가스 입자의 혼합체(G0)를 기화기(35)에 유입시켜 기화된 혼합 가스(G0')를 버퍼 탱크(33)를 통해서 밸브 개폐 기구(34)에 공급하고, 밸브(V1)의 개ㆍ폐 제어(온ㆍ오프 제어)에 의해 소정량의 혼합 가스(G0')가 챔버(29) 내에 공급된다.
또한, 도 5에 있어서는 상기 소스 탱크(25) 내의 액체 원료 가스(TiCl4)(24)는 약 100℃(증기압 269Torr)로, 기화기(35)는 약 200℃로, 각 버퍼 챔버(33)는(내용적 약 500∼1000cc) 약 170℃로, 밸브 개폐 기구(34)는 약 200℃로 각각 가열되어 있다.
또한, 혼합 가스(TiCl4+캐리어 가스)(G0')의 공급 유량은 약 20sccm이며, 아르곤(Ar) 및 암모니아(NH3)의 공급압은 0.15PaG, 공급 유량은 각각 약 10SLM이다. 또한, 프로세스 챔버(29)의 내용적은 500∼1000cc이며 내압은 1Torr 이하로 유지되고 있다.
상기 챔버(29)로의 원료 가스의 공급시에는 소정의 내압으로써 각 버퍼 탱크(33) 내에 저류되어 있는 원료 가스를 밸브 개폐 기구(34) 내의 개폐 밸브(V1∼Vn)를 순차적으로 소정 시간 간격으로 온ㆍ오프(예를 들면, TiCl4의 경우에는 개방 시간 약 0.2초, 폐쇄 시간 약 0.93초)함으로써 각 원료 가스가 소정량씩 차례대로 공급되어 1사이클의 성막이 행해진다.
상기 도 4에 나타낸 가스 공급 장치는 소스 탱크 내 자동 압력 조정 장치(27)에 의해 소스 탱크(25) 내의 공간부 압력[혼합 가스 (G0')의 압력]을 설정값으로 유지하고 있기 때문에 버퍼 탱크(33)를 사용하지 않아도 소정량의 원료 가스(G0')를 고정밀도로 유량 제어하면서 밸브 개폐 기구[개폐 밸브(V1)](34)에 공급할 수 있다.
또한, 도 5의 원료 가스 공급 장치에 있어서도 버퍼 탱크(33)를 사용하고 있기 때문에 공급하는 각 원료 가스(G0', GAr, GNH3)의 압력 변동이 전무하게 되고, 소정 유량의 각 원료 가스를 밸브 개폐 기구(34)를 통해서 챔버(29) 내에 공급할 수 있어 우수한 효용을 갖는 것이다.
그러나, 종전의 도 4 및 도 5에 나타낸 가스 공급 장치에도 해결해야 할 문제점이 많이 남겨져 있다.
우선, 도 4 및 도 5의 가스 공급 장치에 있어서 캐리어 가스(G1')를 사용하여 액체 원료 가스(24)의 증기(G2')를 원료 가스로서 프로세스 챔버(29)에 공급하고 있기 때문에 액체 원료 가스(24)의 증기(G2')만을 직접적으로 프로세스 챔버(29)에 공급할 수 없고, 그 결과 혼합 가스(G0') 내의 원료 가스(G2')의 농도 관리에 수고가 들고, 고정밀도의 원료 가스(G2')의 공급량 제어가 곤란해진다는 문제가 있다.
또한, 도 4의 가스 공급 장치에는, 가. 고가인 열식 질량 유량 제어 장치(23)를 사용하고 있기 때문에 원료의 기화 공급 장치의 제조 비용의 인하를 가늠하기 어렵고, 열식 질량 유량 제어 장치(23)에의 캐리어 가스 공급압을 고정밀도 제어할 필요가 있어 압력 조정기(22)의 설비비가 증가하는 것, 열식 질량 유량 제어 장치(23)로써 혼합 가스(G0')의 유량을 직접적으로 제어할 수 없는 것, 다. 버블링 방식이기 때문에 고체 원료나 저증기압의 원료인 경우에는 안정된 원료 증기의 공급이 어렵게 되어 프로세스 챔버로의 혼합 가스 공급이 불안정해지기 쉬운 것, 라. 소스 탱크 내의 원료액면의 변동에 따라서 혼합 가스(G0') 내의 원료 증기(G2')의 농도가 크게 변동하여 원료 증기(G2')의 농도 제어가 어려운 것, 마. 입구측의 캐리어 가스의 유량과 출구측의 혼합 가스 유량(전체 유량)이 다르므로 혼합 가스 유량의 고정밀도의 유량 제어가 곤란한 것, 바. 소스 탱크의 내압의 고정밀도한 제어가 용이하지 않고, 결과적으로 탱크 내의 혼합 가스 내의 원료 증기의 분압에 직접 관련되는 원료 농도의 조정이 용이하지 않은 것, 등의 문제가 있다.
또한, 도 5의 가스 공급 장치에 있어서는 상기 도 4의 가스 공급 장치에 있어서의 가~바 등의 문제 이외에, 스위치 기구(34)에 설치된 개폐 밸브(V1)를 펄스 구동 밸브로 하고, 그 개폐 스위칭 시간을 조정함으로써 원료 가스(G0')의 공급량을 제어하는 구성으로 하고 있기 때문에 고정밀도의 유량 제어가 곤란한 데다 개폐 밸브(V1)의 보수 관리에 많은 수고를 요하고, 또한 원료 가스(G0')의 공급압의 안정화를 도모하기 위해서 버퍼 챔버(33)를 필요로 하기 때문에 장치의 소형화를 모색할 수 없다는 문제가 있다.
일본 특허 제 4605790호 일본 특허 공개 2009－226408호
본 발명은 종전의 도 4 및 도 5의 가스 공급 장치에 있어서의 상술과 같은 문제, 즉 가. 원료 가스만을 단독으로 또한 고정밀도로 유량 제어하면서 안정 공급할 수 없는 것, 나. 프로세스 챔버의 직근에 설치한 펄스 구동 밸브의 개폐 제어에 의해 원료 가스의 공급 유량을 제어하는 구성으로 있기 때문에 고정밀도의 유량 제어가 곤란한 것, 다. 버퍼 챔버를 사용하거나 열식 유량 제어 장치를 사용하기 때문에 원료 가스 공급 장치의 대폭적인 소형화나 저비용화가 곤란한 것 등의 문제를 해결하고자 하는 것이며, 캐리어 가스를 사용하지 않고 원료 가스만을 단독으로, 또한 열식 유량 제어 장치나 유량 제어용 펄스 밸브를 사용하지 않고 원료 가스 통로 내에 설치한 자동 압력 조정 장치에 의한 2차측 가스 유통로 내의 원료 가스 압력의 조정과 오리피스의 사용에 의해, 고정밀도로 유량 제어하면서 안정되게 원료 가스의 공급을 할 수 있게 한 원료 가스 공급 장치를 제공하는 것이다.
청구항 1의 발명은 액체 원료 가스 공급원과, 상기 액체 원료 가스를 저류하는 소스 탱크와, 상기 소스 탱크의 내부 상방 공간부로부터 액체 원료 가스 증기인 원료 가스를 프로세스 챔버에 공급하는 가스 유통로와, 상기 가스 유통로의 상류측에 개재되어 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 공급압을 설정값으로 유지하는 자동 압력 조정기와, 상기 가스 유통로의 하류측에 개재되어 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 통로를 개폐하는 공급 가스 스위칭 밸브와, 상기 공급 가스 스위칭 밸브의 입구측과 출구측 중 적어도 한 쪽에 설치되고 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 유량을 조정하는 스로틀부와, 상기 소스 탱크와 상기 가스 유통로와 공급 가스 스위칭 밸브 및 스로틀부를 설정 온도로 가열하는 항온 가열 장치로 이루어지고, 자동 압력 조정기의 하류측의 원료 가스의 공급압을 소망하는 압력으로 제어하면서 설정 유량의 원료 가스를 프로세스 챔버에 공급하는 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
청구항 2의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 액체 원료 가스를 사염화티타늄(TiCl4)으로 한 것이다.
청구항 3의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 스로틀부를 공급 가스 스위칭 밸브의 입구측에 설치하도록 한 것이다.
청구항 4의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 항온 가열 장치에 의해 소스 탱크를 100℃~250℃의 온도로 가열하도록 한 것이다.
청구항 5의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 항온 가열 장치에 의해 가스 유통로와 자동 압력 조정기와 스로틀부 및 스위칭 밸브를 100℃~250℃의 온도로 가열하도록 한 것이다.
청구항 6의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 원료 가스의 가스 유통로와 병렬로, 아르곤 가스를 공급하는 가스 유통로와 암모니아 가스를 공급하는 가스 유통로를 각각 설치하도록 한 것이다.
(발명의 효과)
본원 발명에 있어서는 소스 탱크의 온도를 설정값으로 유지함과 아울러 소스 탱크의 내부 상방 공간부로부터 도출된 액체 원료 가스의 증기인 원료 가스(G1)의 프로세스 챔버로의 공급 압력을 자동 압력 조정 장치에 의해 제어하고, 자동 압력 조정 장치의 ２차측 가스 유통로 내의 원료 가스압을 소망하는 설정압으로 유지하면서 원료 가스(G1)를 스로틀부를 통해 프로세스 챔버에 공급하는 구성으로 하고 있다.
그 결과, 캐리어 가스를 사용하지 않고 액체 원료 가스(G1)만을 고정밀도로 유량 제어하면서 공급할 수 있고, 원료 가스(G1)의 안정된 공급이 가능해짐과 아울러 유량 제어성이 대폭 향상된다.
또한, 원료 가스(G1)의 유통로는 자동 압력 조정 장치와 스로틀부와 공급 가스 스위칭 밸브로 이루어지는 간단한 구성으로 되어, 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치의 대폭적인 소형화가 가능해짐과 아울러 액체 원료 가스의 사용량의 판별이 용이해지며, 또한 오리피스에 의해 원료 가스의 공급 스위칭시에 있어서의 이종 가스의 역류가 유효하게 방지되게 된다.
또한, 자동 압력 조정 장치에 의해 원료 가스(G1)의 공급압을 일정하게 유지하고 또한 스로틀부 구경을 적절하게 선정함과 아울러 소스 탱크나 원료 가스(G1)의 온도 조정을 행함으로써 원료 가스(G1)의 공급 유량을 매우 고정밀도로 제어할 수 있고, 소위 성막 공정의 고성능화나 반도체 제품의 대폭적인 품질 향상이 가능해 진다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 원료 가스 공급 장치의 구성을 나타내는 계통도이다.
도 2는 자동 압력 조정 장치의 구성 설명도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 원료 가스 공급 라인의 압력, 온도, 유량 등의 일례를 나타내는 것이다.
도 4는 종전의 원료 가스 공급 장치의 구성을 나타내는 계통도이다.
도 5는 종전의 다른 원료 가스 공급 장치의 구성을 나타내는 계통도이다.
이하, 도면에 의거해서 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 원료 가스 공급 장치의 구성 계통도이며, 상기 원료 가스 공급 장치는 액체 원료 탱크(1), 액체 원료 유량 미터(2), 액체 원료 공급 밸브(3), 액체 원료 가스(4), 소스 탱크(5), 원료 가스 출구 밸브 (7), 프로세스 챔버(11)에 공급하는 원료 가스 유통로(9)의 내부 압력을 제어하는 자동 압력 조정 장치(6), 프로세스 챔버(11)에 공급하는 가스(G)의 공급 유량을 조정하는 스로틀부(여기서는, 오리피스를 사용)(8), 가스 유통로(9), 공급 가스 스위칭 밸브(10), 가스 유통로(9)나 소스 탱크(5) 등을 가온하는 항온 가열 장치(15) 등으로 구성되어 있다.
또한, 도 1에 있어서는 액체 원료 탱크(1) 이외에 암모니아 가스 탱크(1G2), 아르곤 가스 탱크(1G3), 기타 가스 탱크(1Gn)가 설치되어 있고, 각 가스 유통로(9G2, 9G3, 9Gn)에는 각각 자동 압력 조정기(6G2, 6G3, 6Gn), 오리피스(8G2, G3, 8Gn), 공급 스위칭 밸브(10G2, 10G3, 10Gn)가 각각 설치되어 있으며, 프로세스 챔버(7)로 원료 가스(G1, G2, G3, Gn)가 각각 스위칭 공급되어 간다.
도 1을 참조하여 액체 원료 가스(4)는 액체 원료 탱크(1)로부터 유량 미터(2), 액체 원료 공급 밸브(3)를 통해서 소스 탱크(5) 내로 공급되며, 여기에서 항온 가열 장치(15)에 의해 소정 온도로 가열된 상태로 저류된다.
또한, 본 실시예에서는 액체 원료 가스의 하나로서 사염화티타늄(TiCl4)이 사용되고 있으며, 이하 액체 원료 가스(4)를 TiCl4로서 설명을 한다.
소스 탱크(5) 내의 액체 원료 가스(4)는 소스 탱크(5)를 약 100℃∼110℃로 가열함으로써 그 가열 온도에 있어서의 액체 원료 가스(4)의 포화 증기압(예를 들면 100℃, 269Torr)의 증기(G1)가 생성되어 소스 탱크(5)의 내부 상방 공간(5a) 내에 충만하게 된다.
생성된 액체 원료 가스(4)의 포화 증기(G1)는 원료 가스 출구 밸브(7)를 통해서 자동 압력 조정기(6G1)에 유입되고, 자동 압력 조정기(6G1)에 의해 소정의 설정압으로 조정되며, 오리피스(8G1), 원료 가스 공급 스위칭 밸브(10G1)를 통해서 프로세스 챔버(11)에 공급되어 간다.
상기 자동 압력 조정기(6G1)는 소스 탱크(5)로부터의 원료 가스(G1)의 출구측 근방에 설치되어 있고, 소스 탱크(5) 내로부터의 원료 가스(G1)의 자동 압력 조정기(6G1)의 2차측에 있어서의 압력을 소정 설정값으로 자동 조정하기 위한 것이다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같이 자동 압력 조정기(6G1)의 유출측의 원료 가스(G1)의 압력(P1) 및 온도(T1)를 검출함과 아울러 상기 검출 압력(P1) 및 온도(T1)를 사용하여 연산 제어부(12)에 있어서 온도 보정을 행함으로써 현실의 고온 혼합 가스(G1)의 압력으로 보정하는 연산을 행하고, 또한 상기 연산한 원료 가스(G1)의 압력값(Pt)과 설정 입력 단자(13)로부터의 설정 압력값(Ps)을 대비하여 양자의 편차(Pd)가 제로가 되는 방향으로 컨트롤 밸브(V0)의 개폐를 제어한다.
또한, 도 2는 자동 압력 조정기(6G1)의 블록 구성을 나타낸 것이며, 그 연산 제어부(12)는 온도 보정 회로(12a), 비교 회로(12b), 입출력 회로(12c) 및 출력 회로(12d) 등으로 구성되어 있다.
즉, 압력 검출기(P1) 및 온도 검출기(T1)로부터의 검출값은 디지털 신호로 변환되어서 온도 보정 회로(12a)에 입력되고, 여기에서 검출 압력(P1)이 검출 압력(Pt)으로 보정된 뒤 비교 회로(12b)에 입력된다. 또한, 설정 압력의 입력 신호(Ps)가 단자(13)로부터 입력되고, 입출력 회로(12b)에서 디지털값으로 변환된 뒤 비교 회로(12b)에 입력되며, 여기에서 상기 온도 보정 회로(12a)로부터의 온도 보정을 한 검출 압력(Pt)보다 클 경우에는 컨트롤 밸브(V0)의 구동부에 제어 신호(Pd)가 출력된다. 이것에 의해, 컨트롤 밸브(V0)가 폐쇄 방향으로 구동되어 설정 압력 입력 신호(Ps)와 온도 보정한 검출 압력(Pt)의 차(Pd=Ps-Pt)가 제로가 될 때까지 밸브 폐쇄 방향으로 구동된다.
또한, 반대로 상기 설정 압력 입력 신호(Ps)가 온도 보정을 한 검출 압력(Pt)보다 작을 경우에는 컨트롤 밸브(V0)의 구동부에 제어 신호(Pd)가 출력되어 컨트롤 밸브(eV0)가 밸브 개방 방향으로 구동된다. 이것에 의해 양자의 차(Ps-Pt)가 제로가 될 때까지 밸브 개방 방향으로 구동이 접속된다.
자동 압력 조정기(6G1)에 의해 그 2차측의 가스 압력이 설정 압력으로 유지된 원료 가스(G1)는 오리피스(8G1)에 있어서 원료 가스(G1)의 설정 압력과 오리피스(8G1)의 구경과 가스 온도에 따른 소정의 유량으로서 공급 가스 스위칭 밸브(10G1)를 통해서 프로세스 챔버(11)에 공급된다.
또한, 상기 설명에 있어서는 원료 가스(G1)의 가스 유통로(9G1)의 라인만을 설명했지만, 가스 유통로(9G2)나 가스 유통로(9G3) 등의 라인도 소스 탱크(5)의 부분을 제외하면 상기 가스 유통로(9G1)의 경우와 전부 같다.
또한, 상기 설명에 있어서는 오리피스(8)를 공급 가스 스위칭 밸브(10)의 상류측에 설치하도록 하고 있지만, 오리피스(8)를 공급 가스 스위칭 밸브(10)의 하류측에 설치해도 좋고, 또는 하류측과 상류측의 양쪽에 설치하도록 해도 좋다.
또한, 액체 원료 가스로서는 사염화티타늄을 사용하고 있지만, 다른 액체 원료, 예를 들면 TEOS 등이라도 좋은 것은 물론이며, 항온 가열 장치(15)에 의한 소스 탱크(5)나 가스 유통로(9), 공급 가스 스위칭 밸브(10)의 가열 온도는 사용하는 액체 원료 가스의 포화 증기압이나 원료 가스의 필요 유량 및 압력에 따라서 적절하게 선정되게 된다.
본 발명에 있어서는 자동 압력 조정 장치(6)에 의해 그 2차측의 원료 가스의 압력 및 온도가 설정값으로 유지됨과 아울러 오리피스(8)를 통해 그 유량을 조정하고 있기 때문에, 종전과 같이 유량 조정을 위해서 공급 가스 스위칭 밸브(10)의 개방도 제어를 행할 필요는 전혀 없고, 단지 공급 가스의 스위칭을 행하기만 하면 된다. 따라서, 보다 고정밀도의 유량 제어를 행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 있어서는 필요한 원료 가스만을 직접적으로 고정밀도의 유량 제어 하에 프로세스 챔버(11)에 공급할 수 있어, 원료 가스 유통로(9) 등의 소구경화나 간소화를 도모할 수 있음과 아울러 원료 가스의 농도 관리가 불필요하게 된다.
도 3은 원료 가스를 TiCl4로 하고, 또한 TiCl4 가스의 유량을 10sccm으로 했을 경우의 자동 압력 조정기(6G1) 등을 포함하는 가스 유통로(9G1)의 압력, 온도, 유량 등의 관계를 나타내는 것이며, 소스 탱크 온도=100℃, 소스 탱크 내부 공간(5a)의 TiCl4 가스 압력=269Torr(100℃), 자동 압력 조정기(6G1)의 상류측 압력 (P1)=269Torr, 자동 압력 조정기(6G1)의 하류측 압력(P2)=200Torr, 오리피스(8G1)의 구경 0.1㎜φ로 함으로써 10sccm의 TiCl4 가스의 공급이 가능한 것이 확인되어 있다. 또한, 오리피스(8G1)와 공급 가스 스위칭 밸브(10G1) 사이의 거리(L2)는 10㎜ 이하로 하고, 또한 자동 압력 조정 장치(6G1)와 오리피스(8G1) 사이의 거리(L1)는 약 2m로 하고 있다.
또한, TiCl4 가스의 유량은 온도의 함수가 되기 때문에 자동 압력 조정 장치(6G1)의 2차측 제어압(P2)을 조절함으로써 원료 가스(G1)의 유량 조정을 할 수 있다.
같은 방법에 의해, NH3 가스 유통로(9G2)에 대해서도 NH3 가스(G2)=10SLM으로 했을 경우에 대해 검토를 했다. 그 결과, 자동 압력 조정기(6G2)의 제어 압력 (P2)=790Torr, 온도 23℃, 오리피스(8G2)의 구경=1.0㎜일 때, 약 유량 10SLM의 NH3원료 가스(G2)가 공급 가능하다(오리피스 하류압이 P2에 대하여 임계 팽창 조건을 만족시킬 때).
또한, Ar 가스 유통로(9G2)에 대해서도 압력 조정기(6G3)의 제어압 (P2)=1100Torr, 온도 23℃, 오리피스(8G3)의 구경=1.0㎜일 때, 약 유량 10SLM의 Ar 가스(G3)가 공급 가능하다(오리피스 하류압이 P2에 대하여 임계 팽창 조건을 만족시킬 때).
(산업상 이용가능성)
본 발명은 ALD법에 사용하는 원료의 기화 공급 장치로서 뿐만 아니라, 반도체 제조 장치나 화학품 제조 장치 등에 있어서 가압 저류원으로부터 프로세스 챔버로 기체를 공급하는 구성의 모든 기체 공급 장치에 적용할 수 있다.
G1: 원료 가스 G2: 암모니아 가스
G3: 아르곤 가스 Gn: 기타 가스
1: 유체 원료 가스 탱크(사염화티타늄) 1G2: 암모니아 가스 탱크
1G3: 아르곤 가스 탱크 1Gn: 기타 가스종의 탱크
2: 액체 원료 유량 미터 3: 액체 원료 공급 밸브
4: 액체 원료 가스(사염화티타늄, TiCl4) 5: 소스 탱크
5a: 소스 탱크의 내부 공간 6: 자동 압력 조정 장치
6G1: 사염화티타늄 가스의 자동 압력 조정기
6G2: 암모니아 가스의 자동 압력 조정기
6G3: 아르곤 가스의 자동 압력 조정기
7: 원료 가스 출구 밸브 7G2: 암모니아 가스 출구 밸브
7G3: 아르곤 가스 출구 밸브 7Gn: 기타 가스 출구 밸브
8: 스로틀부(오리피스) 8G1: 사염화 가스의 오리피스
8G2: 암모니아 가스의 오리피스 8G3: 아르곤 가스의 오리피스
8Gn: 기타 오리피스 9: 가스 유통로
9G1: 사염화티타늄 가스 유통로 9G2: 암모니아 가스 유통로
9G3: 아르곤 가스 유통로 9Gn: 기타 가스의 유통로
10: 공급 가스 스위칭 밸브 11: 프로세스 챔버
12: 연산 제어부 12a: 온도 보정 회로
12b: 비교 회로 12c: 입·출력 회로
12d: 출력 회로 V0: 컨트롤 밸브
13: 설정 입력 단자 14: 출력 신호 단자
15: 항온 가열 장치 P1: G1의 압력(검출 압력)
T1: G1의 온도(검출 온도) Pt: 보정 검출 압력
Tt: 보정 검출 온도 Ps: 설정 압력 입력 신호
Pd: 제어 신호 Pot: 출력 신호
21: 캐리어 가스원 22: 압력 조정기
23: 매스 플로우 컨트롤러 24: 액체 원료 가스(TiCl4)
25: 소스 탱크 26: 항온 가열부
27: 소스 탱크 내압 자동 압력 조정 장치 28: 단자
29: 프로세스 챔버 30: 히터
31: 웨이퍼 32: 진공 펌프
33: 버퍼 챔버 34: 밸브 개폐 기구
35: 기화기 G1': 캐리어 가스
G2': 액체 원료의 증기 G0': 혼합 가스
Gn': 다른 원료 가스 Cv: 압력 컨트롤 밸브
V1ㆍV 2ㆍV 3: 개폐 밸브 Vn: 관로
Go: 혼합체

Claims (6)

  1. 액체 원료 가스 공급원과, 상기 액체 원료 가스를 저류하는 소스 탱크와, 상기 소스 탱크의 내부 상방 공간부로부터 액체 원료 가스 증기인 원료 가스를 프로세스 챔버에 공급하는 가스 유통로와, 상기 가스 유통로의 상류측에 개재되어 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 공급압을 설정값으로 유지하는 자동 압력 조정기와, 상기 가스 유통로의 하류측에 개재되어 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 통로를 개폐하는 공급 가스 스위칭 밸브와, 상기 공급 가스 스위칭 밸브의 입구측과 출구측 중 적어도 한 쪽에 설치되고 프로세스 챔버에 공급하는 원료 가스의 유량을 조정하는 스로틀부와, 상기 소스 탱크와 상기 가스 유통로와 공급 가스 스위칭 밸브 및 스로틀부를 설정 온도로 가열하는 항온 가열 장치로 이루어지고, 자동 압력 조정기의 하류측 원료 가스의 공급압을 소망의 압력으로 제어하면서 설정 유량의 원료 가스를 프로세스 챔버에 공급하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    액체 원료 가스를 사염화티타늄(TiCl4)으로 하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    스로틀부를 공급 가스 스위칭 밸브의 입구측에 설치하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    항온 가열 장치에 의해 소스 탱크를 100℃~200℃의 온도로 가열하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    항온 가열 장치에 의해 가스 유통로와 자동 압력 조정기와 스로틀부 및 스위칭 밸브를 100℃~200℃의 온도로 가열하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    원료 가스의 가스 유통로와 병렬로, 아르곤 가스를 공급하는 가스 유통로와 암모니아 가스를 공급하는 가스 유통로를 각각 설치하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치의 원료 가스 공급 장치.
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