KR20160003578A - 박막 증착에서 여과 및 가스/증기 혼합 장치 - Google Patents

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와이. 에이치. 리우 벤자민
마 야민
딘 덕
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엠 에스피 코포레이션
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Abstract

본 발명은 가스/증기 혼합물로부터 입자를 제거하고, 동시에 가스/증기 혼합물의 균일성을 향상시켜 박막 증착 및 반도체 소자 제조를 위해 보다 균일하게 혼합된 혼합물 스트림을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

박막 증착에서 여과 및 가스/증기 혼합 장치 {Apparatus for filtration and gas/vapor mixing in thin film deposition}
본 출원은 2008년 5월 30일자로 제출된 미국 출원 제61/057,271호를 우선권 주장한다.
본 발명은 가스/증기 혼합물로부터 입자를 제거하고, 동시에 가스/증기 혼합물의 균일성을 향상시켜 박막 증착 및 반도체 소자 제조를 위해 보다 균일하게 혼합된 혼합물 스트림을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 장치는 실리콘 및 다른 반도체 웨이퍼 상에 집적 회로 소자들을 제조하는데 특히 유용하다. 또한, 본 장치는 CVD(chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PE-CVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 및 다른 공정들을 포함하는 다양한 박막 증착 공정에 적합하다. 이 공정에서 액체 전구체는 운반 가스에 증기를 형성하기 위해 증발된다. 그리고 나서, 가스/증기 혼합물은 기판 상에 박막을 증착하기 위한 증착 챔버로 유입된다.
증기를 형성하기 위한 액체 또는 고체 전구체의 증발은 입자의 형성을 동반한다. 이 입자들은 수백 또는 수천 나노미터의 직경에서 작은 나노미터의 사이즈를 갖는다. 증기 장치에서 진공 챔버로 가스/증기 혼합물 스트림에 의해 운반되는 입자들은 제품 수율의 손실을 포함하는 유해한 영향들을 유발하도록 기판 표면 상에 증착될 수 있다. 제어되지 않은 상태의 입자 오염은 반도체 소자 제조에의 생산성 및 수익성에 심각한 영향을 줄 수 있다.
웨이퍼의 입자 오염을 감소시키기 위한 종래 기술은 가스 스트림 과정에서 필터를 통해 입자 제거를 제거하여 입자들이 가스/증기 스트림에 의해 증착 챔버로 운반되는 것을 방지한다.
US 6,409,839에 기재된 것과 같은 전구체 증발 시스템은 입자 제거를 위한 필터를 포함하여, 배출되는 가스/증기 혼합물이 실질적으로 입자 오염이 없게 만드는 것을 보장한다. 뜨거운 증기는 냉각 필터 내에서 응축할 수 있으므로, 필터를 가열해야만한다.
US 6,409,839에 개시된 증기 장치는 자체 증기 시스템과 실질적으로 동일한 온도로 가열하는 내장 필터를 가져 열처리되지 않거나 불충분하게 열처리된 필터 상에서 잠재적 증기 응축을 최소화한다.
증발 공정의 다른 면은 가스/증기 혼합물 스트림에 걸쳐 가스/증기 조성이 균일한 가스/증기 혼합물을 갖기 위한 것이다.
가스/증기의 불균일한 혼합은 증착 박막의 두께 변화를 일으킬 수 있는 가스/증기의 혼합 비율에 변화를 발생시킬 수 있다. 수백 또는 수천개의 집적 회로 칩이 300㎚의 직경을 갖는 싱글 웨이퍼 상에 만들어진 경우, 웨이퍼 또는 웨이퍼에서 웨이퍼에 걸친 박막 두께에 변화가 소자 품질에 변화를 일으키며, 때로는 소자 제조 실패를 발생시켜 제품 수율 저하를 야기시킬 수 있다.
본 발명은 가스/증기 혼합물로부터 입자를 제거하고, 동시에 가스/증기 혼합물의 균일성을 향상시켜 박막 증착 및 반도체 소자 제조를 위해 보다 균일하게 혼합된 혼합물 스트림을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치에서, 필터는 혼합물 스트림이 입자 제거를 위한 장치를 통해 통과하는 동안 가스와 증기의 균일한 혼합을 촉진하도록 설계된 인클로저의 내측에 위치된다. 상기 인클로저는 전기저으로 열처리되며, 인클로저를 수용하는 온도 센서와 증기 응축을 방지하기 위해 실질적으로 균일한 온도로 가열되도록 그 내부에 장착되는 필터를 제공한다. 가스/증기 혼합물은 가스/증기 혼합 스트림을 통해 발생하는 원심력에 의해 어떠한 외부 힘이나 이동 요소 없이 흐름 방향으로 변화되어 생성된다. 또한, 혼합은 여과 장치 내에 형성된 터뷸런트(turbulent) 분출을 이용함으로써 생성될 수 있다.
우선시되는 실시 예에서, 유입 및 배출 튜브는 원형 형상의 인클로저에 수직하며, 혼합을 위해 필요되는 원심력을 생성하도록 흐름 방향으로 총 각을 변경하여 약 180° 정도로 두 번 직각 회전하여 가스/증기 혼합물을 생성하는 것과 같은 방법으로 장치를 설계한다. 또한, 가스와 증기의 혼합을 보다 증가시키기 위해 터뷸런트 분출을 이용한다.
다른 실시 예에서, 상기 장치는 가스 스트림을 발생하는 내부 통로를 가져 약 540° 정도의 전체 가중 방향 변화를 위해 각각 약 90° 정도로 총 여섯 번 직각 회전한다.
또 다른 실시 예에서, 두 개 병렬 여과 및 혼합 시스템은 동일한 장치로 통합되어 단일 여과 및 혼합 시스템의 흐름 용량을 두 배로 만든다.
본 발명은 가스/증기 혼합물로부터 입자를 제거하고, 동시에 가스/증기 혼합물의 균일성을 향상시켜 박막 증착 및 반도체 소자 제조를 위해 보다 균일하게 혼합된 혼합물 스트림을 생성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 증기 생성 및 박막 증착 시스템에서 여과 및 혼합 장치를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 여과 및 혼합 장치에 대한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 장치의 A-A' 단면도,
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 여과 및 혼합 장치에 대한 도면, 그리고,
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 여과 및 혼합 장치에 대한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
도 1은 40으로 표기된 전구체 증기 장치와 50으로 표기된 박막 증착 시스템 사이에 위치하는 본 발명의 여과 및 혼합 장치를 나타낸다.
증기 장치(40)는 가스 흐름 제어부(20)를 통해 소스(15)로부터 운반 가스를 공급받는 기화부(10), 액체 소스(25) 및 액체 흐름 제어부(30)로 구성된 전구체 액체 공급 시스템을 포함한다.
기화부는 기화되기 위한 시스템으로 흐르는 액체 전구체를 수용하기 위하여 적절하게 높은 온도로 가열하며, 또한 시스템으로 운반 가스가 흐르는 동안 증기를 실질적으로 동일한 온도로 가열한다. 그리고 나서 가스와 증기는 출구(35)를 통해 가스/증기 혼합물로써 기화부 밖으로 흐른다.
50으로 표기되는 박막 증착 시스템은 박막이 증착되기 위한 웨이퍼(51)를 포함하는 증착 챔버(55)로 구성된다. 웨이퍼 상에 집적 회로 소자 칩을 제조하기 위해 공통적으로 이용되는 증착 공정은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PE-CVD(Plasma Enhanced Chemical Capor Deposition) 및 ALD(Atomic Layer Deposition), 다른 공정들이 포함될 수 있다.
증착 챔버(55)는 가스/증기 혼합물이 유입될 수 있는 유입구(60) 및 증착 챔버(55)의 하류에 위치된 진공 펌프(70)로 가스/증기 혼합물을 배출할 수 있는 배출구(65)를 제공한다. 시스템은 챔버가 적정 압력으로 유지될 수 있도록 보통 전자적 제어를 제공하며, 그 내부에 포함된 웨이퍼와 증착 챔버 자체는 웨이퍼 상에 최적의 박막을 형성하기 위해 그들 각각의 적정 온도를 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예를 나타낸다. 장치는 필터 요소(120)을 포함하는 기저부(115) 상에 형성된 인클로저(110)를 포함한다.
이 인클로저(110)는 보통 기저부(115) 상에 용접되어 진공 타이트 시스템을 형성한다. 또한, 기저부(115) 내에 유입 흐름 통로(130) 및 배출 흐름 통로(140)를 제공하여 가스/증기 혼합물을 유입 및 배출한다.
그리고, 유입 흐름 통로(130)와 각 관계(angular relationship)에 있는 오리피스(150) 형태를 갖는 구멍이 있다. 이 경우, 우선되는 각도는 약 90°정도로, 유입 흐름 통로(130)를 통해 흐르는 가스/증기 혼합물이 약 90°정도 회전되어 필터 요소(120)의 일 측으로 흐를 수 있도록 한다.
오리피스(150)로부터 발생되는 가스/증기 혼합물은 터뷸런트(turbulent) 분출을 형성하여 가스/증기 혼합물에 대해서 추가적인 터뷸런트 가스 혼합을 제공한다.
필터 요소(120)는 사실상 다공성이며, 일반적으로 기저부(115)에 용접된다. 가스/증기 혼합물은 다공성 필터의 비어있는 기공 공간을 통해 흘러 가스에서 발생된 입자 물질을 제거할 수 있다. 따라서, 필터 요소(120)를 통해 통과하는 가스/증기 혼합물이 깨끗해질 수 있으며, 입자 오염을 없앨 수 있다. 그리고 나서 이렇게 정화된 가스/증기 스트림은 오리피스(160) 형태를 갖는 다른 구멍을 통해 통과한다.
또한, 오리피스(160)는 보통 배출 흐름 통로(140)와 약 직각의 각 관계를 갖는다. 이 각 관계는 가스/증기 혼합물을 약 90°정도로 또 다른 회전을 만들어 배출 흐름 통로(140)를 통해 장치에서 배출되도록 한다.
장치의 적절한 기능을 구현하기 위해, 오리피스(150)의 직경(D1)은 유입 흐름 통로(130)의 직경(D2)과 비교할 때 너무 작거나 너무 크지 않아야 한다. 작은 직경(D1)은 좋은 혼합을 제공할 수 있으나 매우 큰 압력 저하를 발생시킨다. 또한, 큰 직경(D1)은 장치를 통한 전체적인 압력 저하를 감소시킬 수 있으나, 가스/증기 혼합물 스트림의 불충분한 혼합을 발생시킨다.
장치의 적절한 기능을 구현하기 위한 직경 D1/D2의 비율은 약 0.5 ~ 2.0 사이의 값으로 유지될 수 있다. 이와 유사하게 오리피스(160)의 직경(D3)과 배출 흐름 통로(140)의 직경(D4)에 대한 직경 D3/D4의 비율은 적절한 한계 내에서 유지될 수 있으며, 대체로 약 0.5 ~ 2.0 사이의 값을 가질 수 있다.
장치는 일반적으로 전자 히터(170) 및 온도 센서(180)를 제공한다. 전자적인 제어 수단(미도시)에 의해, 전체 장치는 적절하게 높으면서 실질적으로 균일한 온도로 가열하여 장치 내측의 증기 응축을 방지할 수 있다. 장치의 동작 온도는 도 1에 도시된 기화부(10)의 설정 온도와 같거나 다소 높을 수 있다.
박막 증착은 종종 진공 조건 하에서 생성하기 때문에 전체 장치는 시스템에서 주위의 공기가 누출되는 것을 방지하기 위해 진공이 타이트되어야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위해 장치는 보통 스테인레스 스틸로 구성될 수 있으며, 모든 구성은 높은 온도와 진공 타이트 동작이 허용될 수 있도록 함께 용접될 수 있다.
도 1에 도시된 증기 장치(40)와 박막 증착 시스템(50) 사이에 본 발명에서 개시하는 장치(100)가 위치하지 않을 경우에는, 가스/증기 혼합물이 기화부(10)의 배출구(35)에서 증착 챔버(55)의 유입구(60)를 연결하는 튜브를 통해 직접 흐를 수 있다. 이 연결 튜브를 통해 흐르는 가스/증기 혼합물은 사실상, 일반적으로 층을 이룬다. 터뷸런트 혼합은 보통 중요할 정도로 발생하지 않는다.
만약 가스/증기 혼합물이 기화부(10)의 배출구(35)에서 배출될 때 균일하게 혼합되지 않는다면, 유입구(60)를 통해 증착 챔버(55)로 유입되는 경우에 일반적으로 불균일하게 혼합된 것이 남는다. 이 같이 가스/증기 혼합에서 불균일성은 웨이퍼 상에 발생하는 박막 두께를 불균일하게 하여 제조된 소자의 품질에 영향을 끼치며 제품 수율 저하를 야기시킬 가능성이 있다.
원형 튜브를 통한 가스 흐름에서, 가스 흐름 특성은 레이놀즈 수(Reynolds number)에 의해 결정될 수 있다. Re로 정의되는 레이놀즈 수는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 V는 튜브를 통한 가스의 속도, D는 튜브의 직경, ρ는 가스 밀도이며 μ는 가스의 점도를 나타낸다. 예를 들어, 직경이 1/2인치(inch)인 튜브를 통해 질소의 분당 1 기준 리터(slm) 가스 흐름에 대해서, 레이놀즈 수는 약 100 이 된다. 튜브를 통한 유체 흐름에서, 층에서 터뷸런트 흐름으로의 변화는 2300의 레이놀즈 수 주변에서 발생한다.
2300 이하의 레이놀즈 수는 튜브에서 층 흐름을 유도할 수 있다. 2300 이상의 레이놀즈 수는 보통 튜브에서 터뷸런트 흐름을 유도하여 유체 터뷸런스(turbulence)를 발생시킬 수 있다. 따라서, 100의 레이놀즈 수에서 그 흐름은 층이 될 수 있다.
박막 증착 장치에서 가스 흐름은 상기 예에서 인용된 1.0(slm) 값보다 높을 수 있다. 일부 공정에서, 가스 흐름은 10(slm)만큼 높을 수 있다. 10(slm)에서도 레이놀즈 수는 여전히 1000 정도가 될 수 있다. 가스 흐름은 층으로 남겨질 수 있다. 단, 가스 흐름이 20(slm)보다 큰 범위에 도달할 때, 터뷸런트 흐름의 상태가 만들어 질 수 있다.
층 흐름에서, 가스와 증기는 효과적으로 혼합될 수 없다. 혼합은 여전히 분자 내부 확산의 과정을 통해 발생할 수 있다. 그러나 분자 내부 확산은 터뷸런트 혼합보다 매우 느린 공정이며, 종종 집적 회로 소자에서 큰 비중의 상업적 제조에 포함되는 반도체 산업에 정확하게 균일한 혼합 필요성을 제공하는데 충분하지 않다.
*도 2의 장치에서, 혼합물이 오리피스(150, 160)를 통해 흐름 방향에서 약 90°로 회전하는 것에 의해 혼합이 발생한다. 가스 흐름이 충분하게 높은 속도와 동시에 회전을 하는 경우, 원심력이 혼합물 흐름에서 가스와 증기의 향상된 혼합을 유도하기 위한 중심 회전 와동(center-rotating vortices)을 만들어 가스를 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 가스가 오리피스(160)를 통해 필터 요소(120)의 내측에 비어 있는 공간으로 흐르는 경우, 터뷸런트 혼합을 만들도록 빠르게 감속할 수 있는 가스 분출을 형성한다. 이 수단에 의해 혼합물이 입자 제거를 위한 장치를 통과하면서 혼합물의 균일성이 향상된다.
도 3은 도 2에 도시된 장치에서 A-A'의 단면도이다. 도 3에서 각각의 구성들은 도 2에서와 동일한 참조 번호로 표기된다. 원형의 인클로저는 110으로 표기되며, 필터 요소는 120으로 표기고, 유입 흐름 통로 및 배출 흐름 통로를 포함하는 튜브는 130 및 140으로 표기되며, 오리피스는 150 및 160으로 표기된다. 그리고, 원형의 인클로저(110) 주위에 있는 전기 히터는 170으로 표기된다.
인클로저(110)를 균일하게 가열하기 위해, 170으로 밴드 히터가 이용된다. 밴드 히터는 인클로저(110)의 주위에 위치하며, 인클로저(110)의 주위에서 타이트한 나사(미도시)에 의해 조여지며, 갭(115)을 포함한 금속 밴드 형태로 만들어진다. 이는 시스템의 열 반응을 향상시키기 위한 것으로, 밴드 히터와 인클로저(110)의 사이에 좋은 열 접촉을 형성한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예를 나타낸다. 도 4에서 시스템의 모든 구성 요소들은 도 2 및 도 3에 표기된 참조 부호와 유사하다. 이 실시예에서는 추가적인 흐름 통로들을 제공한다.
유입 흐름 통로(130)를 통해 장치에 유입되는 가스는 먼저, 원형 통로(190)를 통해 상부 방향으로 향한다. 그리고 나서, 가스는 오리피스(150)에서 필터 요소(120)의 내측 캐비티로 흐르기 전에, 수평 원형 통로(180)를 통해 흐른다. 이 후, 가스는 오리피스(160)를 통해 필터 요소의 하부측으로 배출된다.
가스는 배출 흐름 통로(140)를 통해 장치(100)의 외부로 배출되기 전에, 수평 원형 흐름 통로(185)와 수직 원형 흐름 통로(195)를 통해 흐른다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예를 나타낸다. 제3 실시예는 도 2에 도시된 장치와 거의 동일하게 구성된 두 개의 시스템으로 구성된다. 이 두 개의 시스템은 끝단과 끝단이 마주하여 위치되며, 두 개의 동일한 인클로저 상에서 유입 흐름 통로(130), 배출 흐름 통로(130) 및 기저부(115)를 공유한다. 또한, 각각 필터 요소를 포함하는 두 개의 동일한 인클로저는 단일 필터를 형성하기 위해 용접되어 개별 시스템에서 두 배의 흐름 용량과 두 배의 필터 영역을 갖는다.
이 개시는 박막 증착 및 반도체 집적 회로 소자 제조의 필요성 이해, 여과 및 유체 흐름의 유체 메카닉의 기본적인 이해를 바탕으로 여과 및 혼합 장치를 고안하는 기본적인 접근 방법을 보여준다. 필터 및 여과 시스템 고안에 대한 당업자는 상기 접근 방식을 바탕한 이 고안이 만들어내는 향상을 이해할 수 있으며 그 접근 방식을 여기서 설명되는 것과 본질적으로 다르지 않은 다른 가능한 고안들에 적용할 수 있다. 따라서 추가적인 다른 고안이 더 설명될 수 없다.
100 : 여과 및 혼합 장치 110 : 인클로저
115 : 기저부 120 : 필터 요소
130 : 유입 흐름 통로 140 : 배출 흐름 통로
150, 160 : 오리피스 170 : 전기 히터
180 : 온도 센서

Claims (1)

  1. 기판 상에 박막을 증착하기 위한 입자 여과 및 가스/증기 혼합 장치에 있어서,
    입자 여과를 위한 제1 다공성 필터 요소를 포함하는 제1 인클로저(enclosure); 및
    상기 제1 인클로저에 가스/증기 혼합물을 유입 및 배출하기 위한 유입 흐름 통로 및 배출 흐름 통로를 가지며 상기 제1 인클로저와 부착되는 기저부;을 포함하며
    상기 혼합물은 상기 박막 증착을 위한 액체 전구체로부터 증기가 형성되며 가열된 배출 가스/증기 혼합물 스트림을 생성하는 증발 장치에 의해 형성되고,
    상기 장치는, (i) 상기 가스/증기 혼합물의 흐름 방향을 변경하는 것에 의해 생성된 원심력을 이용하여 상기 가스/증기 혼합물의 혼합을 일으키는 흐름 방향을 실질적 변경하거나 (ii) 흐름 감속으로 인해 혼합을 만드는 가스 분출을 형성하도록 두 개의 상기 유입 흐름 통로와 배출 흐름 통로 각각과 각 관계(angular relationship)에 있는 오리피스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 및 가스/증기 혼합 장치.
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