KR20190104638A - 펄스 가스의 고속 전달 장치 - Google Patents

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엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
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Abstract

목표로 하는 질량의 가스의 펄스를 프로세스 툴에 전달하기 위한 가스 전달 장치 및 그 방법이 기재되어 있다. 목표로 하는 질량의 가스의 펄스를 프로세스 챔버 또는 툴에 전달하기 위한 가스 전달 장치는, 가스 전달 챔버; 상기 가스 전달 챔버로 유입되는 가스의 흐름을 제어하도록 설치되는 유입 밸브; 가스가 상기 가스 전달 챔버로부터 펄스 상태로 유출되도록 상기 가스 전달 챔버에서 유출되는 가스의 흐름을 제어하고, 상기 가스 전달 챔버 내 가스의 초기 압력과 각 펄스의 지속시간의 함수로서 각각의 선택된 질량을 제어하도록 설치되는 유출 밸브; 및 가스의 펄스를 전달하기 전에 상기 가스 전달 챔버 내 가스의 시작 압력의 변동이 제어되고, 질량 전달의 반복성이 각각의 펄스의 지속시간의 함수로서 향상되도록, 가스의 펄스를 전달하기 전에 상기 가스 전달 챔버 내의 가스를 초기 압력 설정점까지 예비충전하기 위해 상기 가스 전달 챔버에 유입되는 가스의 흐름을 제어하도록 구성되고 설치되는 압력 제어 장치를 포함한다.

Description

펄스 가스의 고속 전달 장치{APPARATUS FOR FAST PULSE GAS DELIVERY}
본 발명은 일반적으로 가스 전달 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 신속한 펄스 가스 전달(pulse gas delivery) 방법 및 그것을 위한 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용되는 "가스"라는 용어는 이 용어가 "증기"라는 용어와 상이한 용어로 간주된다면 "증기"라는 용어도 포함한다.
관련 출원
본 출원은, 2010년 9월 29일에 출원된 미국 특허출원 제12/893,554호에 근거한 우선권을 주장하며, 상기 출원의 내용은 전체가 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
반도체 장치의 제조 또는 제작에는, 종종 12종에 달하는 많은 가스를 세심하게 동기화(synchronization)하고 정밀하게 측정하여 진공 처리 챔버와 같은 프로세스 툴(process tool)에 전달하는 것이 필요하다. 상기 제조 공정에는 다양한 레시피가 사용되고, 반도체 장치가 세정, 폴리싱, 산화, 마스킹, 에칭, 도핑, 금속화 등의 공정으로 처리되는 많은 개별적 처리 단계가 필요할 수 있다. 사용되는 단계들, 그러한 단계들의 특정 순서, 및 수반되는 물질 등이 모두 특정한 장치의 제조에 기여한다.
갈수록 더 많은 장치들의 크기가 90nm 미만으로 축소됨에 따라, 원자층 증착, 즉 ALD 공정은, 구리 인터커넥트용 장벽(barrier)의 증착, 텅스텐 핵형성층의 생성, 및 고전도성 유전체의 제조와 같은 다양한 어플리케이션을 위해 계속 요구되고 있다. ALD 공정에 있어서, 2종 이상의 전구체 가스가 펄스 상태로 전달되고, 진공 하에 유지되는 프로세스 챔버 내의 웨이퍼 표면 위로 흐른다. 2종 이상의 전구체 가스는 교차(alternating) 방식 또는 순차(sequential) 방식으로 흐르기 때문에, 상기 가스는 웨이퍼 표면 상의 사이트(site) 또는 작용기와 반응할 수 있다. 활용가능한 모든 사이트가 전구체 가스 중 하나(예; 가스 A)로 포화되어 있을 때, 반응은 정지되고, 프로세스 챔버로부터 과량의 전구체 분자를 퍼지(purge)시키기 위해 퍼지 가스가 사용된다. 다음 번 전구체 가스(즉; 가스 B)가 웨이퍼 표면 위로 흐름에 따라 상기 공정은 반복된다. 2종의 전구체 가스를 포함하는 공정에 있어서, 사이클이란 전구체 A의 1 펄스, 퍼지, 전구체 B의 1 펄스, 및 퍼지로 정의될 수 있다. 하나의 사이클은 추가적 전구체 가스의 펄스뿐만 아니라 전구체 가스의 반복(repeat)을 포함할 수 있고, 2종의 전구체 가스의 연속되는 펄스들 사이에서 퍼지 가스가 사용된다. 이러한 시퀀스는 최종적 두께에 도달될 때까지 반복된다. 이러한 순차적, 자체-제한적(self-limiting) 표면 반응은 1 사이클당 증착된 막의 단일층을 생성한다.
프로세스 챔버 내로의 전구체 가스의 펄스는, 각각의 펄스에 의해 프로세스 챔버 내로 원하는 양(질량)의 전구체 가스를 전달하기 위한 소정의 시간 동안 단순히 개방되는 온/오프형 밸브를 이용하여 제어되는 것이 일반적이다. 대안적으로, 변환기(transducer)를 포함하는 자체-수용(self-contained) 장치인 질량 유동 컨트롤러, 컨트롤 밸브 및 제어와 신호-처리 일렉트로닉스를 사용하여, 소정량(질량)의 가스를 짧은 시간 간격을 두고 소정의 반복가능한 유량으로 전달한다. 두 가지 경우 모두에 있어서, 프로세스 챔버에 유입되는 물질(질량)의 양은 실제로 측정되지 못하고, 이상 기체 법칙의 측정 파라미터로부터 추산된다.
펄스의 질량 유량의 전구체 가스를 측정하고 반도체 프로세스 챔버 및 다른 프로세스 툴 내로 전달할 수 있는, 펄스 가스 전달(PGD) 장치로 알려져 있는 시스템이 개발되었다. 그러한 장치는, 원자층 증착(ALD) 공정과 같은 반도체 제조 공정에서 사용하기 위해, 반복가능하고 정확한 양(질량)의 가스를 제공하도록 설계되어 있다.
PGD는, ALD 공정중에 프로세스 챔버 또는 툴의 상류로 전달될 가스를 수용하는 전달 저장조 또는 챔버를 포함하는 것이 보통이다. 전달 챔버 내 가스의 압력과 온도를 측정하고, 전달 공정중에 전달 챔버로부터의 가스의 흐름을 챔버 내 가스의 압력 강하의 함수로서 제어함으로써, ALD 공정중 전달되는 가스의 펄스의 질량을 정밀하게 제어할 수 있다. 전달 챔버로부터의 가스의 펄스의 흐름은, PGD의 전달 챔버와 가스를 받아들이는 프로세스 툴 사이의 대응하는 온/오프형 유출 밸브에 의해 제어된다. 주어진 질량의 가스의 펄스를 전달하기 위해 밸브가 개방되어야 하는 시간은, 대응하는 전달 챔버 내 가스의 시작 압력과 프로세스 툴의 하류 압력의 또 다른 함수이다. 예를 들면, 전달되어야 하는 주어진 양의 가스에 대해, 전달 챔버 내의 시작 압력이 높을수록 밸브의 개방 시간이 더 짧아지는데, 이는 상대적으로 높은 시작 압력에서는 질량 흐름이 더 빨라지기 때문이다. PGD의 충전 시간과 전달 시간은 정해진 양의 가스(들)의 정확한 전달이 보장되도록 신속한 펄스 가스 전달 어플리케이션에 있어서 엄밀하게 제어된다. 그 결과, ALD 공정의 반복(재현)성과 정확성 요건에 부합되도록, PGD의 상류 압력뿐만 아니라 PGD에서의 충전된 압력이 엄밀하게 제어되어야 한다.
또한, PGD 내의 유입 및 유출 밸브는, 상기 밸브들이 챔버를 충전하라는 명령, 또는 가스 펄스를 전달하라는 명령 중 어느 하나의 명령을 받을 때, 하나의 상태(온/오프)로부터 다른 하나의 상태(오프/온)로 전환하는 데에 한정된 응답 시간을 가진다. 예를 들면, ALD 어플리케이션에 있어서 유압 차단 밸브의 전형적인 응답 시간은 약 5∼35 밀리초 범위이다. 밸브의 응답 시간은 PGD 컨트롤러에 의해 송신된 밸브 명령에 대한 응답에 지연(delay)을 일으킬 수 있고, 이것은 도 2에 도시된 바와 같은, PGD 챔버의 과충전(overchargnig)을 초래하거나, 또는 프로세스 챔버 또는 툴에 대한 가스 펄스의 과전달(overdelivering)을 초래한다. 예를 들면, PGD의 충전 모드에 있어서, 유출 밸브는 닫히고, 유입 밸브는 가스가 PGD의 전달 챔버에 유입되도록 개방되고, PGD 컨트롤러는 압력 변화를 모니터링한다. PGD 컨트롤러는 유입 밸브의 응답 시간(또는 지연)을 고려하여 전달 챔버가 압력 설정치에 도달하기 훨씬 전에, 유입 밸브에 차단 명령을 보낼 필요가 있는데; 그렇지 않으면 전달 챔버는 과충전될 수 있고, 또는 전달 챔버 압력이 설정치보다 높아진다.
보다 최근에는, 고속 펄스형 또는 시간-다중화(time-multiplexed) 처리를 필요로 하는 공정이 개발되었다. 예를 들면, 반도체 공업은 다이-투-다이(die-to-die) 및 웨이퍼-투-웨이퍼 스태킹(stacking)을 위한 인터커넥트 능력을 제공하기 위해, 진보된 3-D 집적회로 스루-실리콘 바이어스(thru-silicon vias; TSVs)를 개발하고 있다. 제조사들은 현재, 동일하게 광범위한 TSV 에칭 요건을 제시하는 매우 다양한 3-D 집적 스킴을 고려하고 있다. 메모리 소자와 MEMS 제조시 딥(deep) 실리콘 에칭을 위해 널리 사용되어 온 Bosch 프로세스와 같은 플라즈마 에칭 기술은 TSV 생성에 매우 적합하다. 고속 펄스형 또는 시간-다중화 에칭으로도 알려져 있는 Bosch 프로세스는, SF6를 이용한 거의 수직인 구조와 C4F8를 이용한 화학적으로 불활성인 패시베이션층(passivation layer)의 증착을 달성하기 위해 두 가지 모드를 반복적으로 교대로 실시한다. 상업적 성공을 위해 필요한 TSV용 타겟은, 적절한 기능성, 낮은 비용 및 입증된 신뢰성이다.
현재, Bosch 프로세스에는 고속 펄스 가스 전달을 위한 두 가지 종래의 접근방법이 있다. 그 첫 번째 접근방법은, 전달 펄스 가스의 가스 흐름을 온, 오프시키기 위해 고속 응답 질량 유동 컨트롤러(MFC)를 사용하는 것이다. 이 방법은 전달 속도가 느리고, 반복성과 정확성이 불량하다는 문제가 있다. 두 번째 접근방법은 하류의 3-웨이 밸브와 커플링된 MFC를 사용하는 공정을 포함한다. MFC는 일정한 흐름을 유지하고, 하류의 3-웨이 밸브는 펄스 가스를 프로세스 챔버에 전달하기 위해, 프로세스 라인과 전환 덤프 라인(divert dump line) 사이에서 빈번하게 스위칭한다. 명백히, 다량의 가스가 낭비되고, 이는 프로세스 비용을 증가시킨다. 제2의 방법도 전달의 반복성과 정확성과 관련된 문제를 가진다. 따라서, TSV 생성을 위해 사용되는 Bosch 프로세스와 같은, 고속 펄스 전달 어플리케이션을 위한 해법을 제공하는 것이 요망된다.
펄스 질량 유동 전달 시스템의 예에 관한 문헌: 미국특허 제7,615,120호; 제7,628,860호; 제7,662,233호; 및 제7,735,452호; 미국 특허공개 제2006/00601139호; 및 제2006/0130755호.
본 발명의 목적은, 신속한 펄스 가스 전달 방법 및 그것을 위한 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같이, 전달 챔버의 시작 챔버 압력(starting chamber pressure)은 펄스 가스 전달의 반복성을 위해 매우 중요하다. 그러므로, 펄스 가스 전달 전에 시작 챔버 압력의 변동을 엄밀하게 제어함으로써, 가스 펄스 전달의 반복성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 목표로 하는 질량의 가스의 펄스를 프로세스 챔버 또는 툴에 전달하기 위한 시스템은, 가스 전달 챔버; 가스 전달 챔버로 유입되는 가스의 흐름을 제어하도록 설치되는 유입 밸브; 가스 전달 챔버로부터 가스가 펄스 상태로 유출되도록 가스 전달 챔버에서 유출되는 가스의 흐름을 제어하고, 가스 전달 챔버 내 가스의 초기 압력과 각 펄스의 지속시간의 함수로서 각각의 선택된 질량을 제어하도록 설치되는 유출 밸브; 및 가스의 펄스를 전달하기 전에 가스 전달 챔버 내 가스의 시작 압력의 변동이 제어되고, 질량 전달의 반복성이 각각의 펄스의 지속시간의 함수로서 향상되도록, 가스의 펄스를 전달하기 전에 가스 전달 챔버 내의 가스를 초기 압력 설정점까지 예비충전하기 위해 가스 전달 챔버에 유입되는 가스의 흐름을 제어하도록 구성되고 설치되는 압력 제어 장치를 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 목표로 하는 질량의 가스의 펄스를 프로세스 툴에 전달하는 방법은, 가스 전달 챔버로 유입되는 가스의 흐름을 제어하고, 가스 전달 챔버로부터 가스가 펄스 상태로 유출되도록 가스 전달 챔버에서 유출되는 가스의 흐름을 제어하고, 가스 전달 챔버 내 가스의 초기 압력과 각 펄스의 지속시간의 함수로서 각각의 선택된 질량을 제어하는 단계; 및 가스의 펄스를 전달하기 전에 가스 전달 챔버 내 가스의 시작 압력의 변동이 제어되고, 질량 전달의 반복성이 각각의 펄스의 지속시간의 함수로서 향상되도록, 가스의 펄스를 전달하기 전에 가스 전달 챔버 내의 가스를 초기 압력 설정점까지 예비충전하는 단계를 포함한다.
이러한 구성요소뿐만 아니라 다른 구성요소, 단계, 특징, 목적, 장점 및 이점은 이하의, 예시적 구현예에 대한 상세한 설명, 첨부된 도면 및 특허청구범위의 검토를 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 신속한 펄스 가스 전달 방법 및 그것을 위한 시스템이 제공된다.
도면은 예시적 구현예를 나타낸다. 도면이 모든 구현예를 제시하는 것은 아니다. 다른 구현예들이 부가적으로 또는 대안으로 사용될 수 있다. 명백하거나 불필요할 수 있는 상세한 설명은 지면의 절약 또는 보다 효과적인 예시를 위해 생략될 수 있다. 반대로, 몇몇 구현예는 개시되어 있는 구체적 사항을 모두 다 구비하지는 않아도 실시될 수 있다. 상이한 도면에서 동일한 번호가 나타날 때는, 그러한 번호는 동일하거나 유사한 컴포넌트 또는 단계를 의미한다.
도 1은 고속 펄스 전달을 제공하기 위한 가스 전달 시스템의 일 구현예의 블록도이다.
도 2는 전달 챔버로부터 가스의 펄스를 전달하는 동안, 도 1에 도시된 PGD의 챔버 내의 압력과 시간의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 3은 가스의 소스와 프로세스 툴에 결합된 시스템의 용도를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 형태의 가스 전달 시스템을 결합하는 ALD 시스템의 개략적이고 부분적인 블록도이다.
이제, 예시적 구현예를 설명하기로 한다. 다른 구현예도 부가적으로 또는 대안으로 사용될 수 있다. 명백하거나 불필요할 수 있는 상세한 설명은 지면의 절약 또는 보다 효과적인 예시를 위해 생략될 수 있다. 반대로, 몇몇 구현예는 개시되어 있는 구체적 사항을 모두 다 구비하지는 않아도 실시될 수 있다.
도 1은 가스의 고속 펄스 전달을 제공하도록 구성된 시스템의 일 구현예의 블록도이다. 상기 시스템(10) 및 그 시스템을 이용하여 수행되는 방법은, 특별히 오염물이 없는(contaminant-free), 정밀하게 계량된 양의 프로세스 가스를 반도체 처리 챔버 또는 플라즈마 에칭 기계와 같은 반도체 툴에 전달하기 위한 것이다. 가스 전달 시스템(10)은 반도체 툴에 유입되는 물질의 양(질량)을 신뢰성 있게 측정하고, 신뢰성 있고 반복가능한 방식으로 지속시간이 비교적 짧은 펄스로 가스의 질량의 정확한 전달을 제공한다. 또한, 상기 시스템은, 정확하고, 신뢰성 있으며, 반복가능한 결과를 얻기 위해 가스를 우회시킬(divert) 필요 없이, 목표로 하는 몰수의 가스를 폭 넓은 값에 걸쳐 전달하면서도 더 간편한 작업을 이용한다.
도 1에 있어서, 도시된 시스템(10)은 가스 전달 챔버 또는 저장조(12), 가스 전달 챔버(12)에 유입되는 질량 흐름을 제어하는 유입 밸브(14), 가스 전달 챔버(12)로부터 유출되는 질량 흐름을 제어하는 유출 밸브(16)를 포함한다. 도시된 구현예에 있어서, 유입 밸브와 유출 밸브는 비교적 빠른 차단 응답성, 즉, 변동될 수는 있지만, 개방 상태로부터 차단 상태까지 1∼5 밀리초 수준의 전환속도를 가진 차단 밸브이다.
질량 흐름 전달 시스템(10)은 또한 가스 전달 챔버(12) 내의 압력의 측정치를 나타내는 신호를 제공하는 압력 센서 또는 변환기(18) 및 가스 전달 챔버(12) 표면 또는 내부의 온도의 측정치를 나타내는 신호를 제공하는 온도 센서(20)를 가진다. 본 발명의 예시적 구현예에 따르면, 온도 센서(20)는 가스 전달 챔버(12)의 벽과 접촉 상태에 있고, 그 벽의 온도의 측정치를 제공한다.
목표로 하는 질량 흐름을 나타내는 신호는 펄스 전달 컨트롤러(24)의 입력부(22)에서 제공된다. 컨트롤러(24)는 또한 압력 변환기(18)와 온도 센서(20) 각각에 의해 측정된 압력과 온도를 나타내는 입력 신호를 수신한다. 입력부(22)는 또한 다른 프로세싱 지시와 다양한 조건을 나타내는 신호를 수신할 수 있다. 상기 시스템은 또한 유입 밸브(14)와 유출 밸브(16) 각각의 작업을 제어하는 데 사용되는 컨트롤 신호를 제공하는 하나 이상의 출력부(26, 28)를 포함한다. 이하에서 더 명백히 알 수 있는 바와 같이, 유입 밸브(14)를 개방하는 데 사용되는 컨트롤 신호의 지속시간은 가스의 펄스를 전달하기 전에 가스 전달 챔버(12)에서 요망되는 압력의 수준의 함수이고, 유출 밸브(16)을 개방하는 데 사용되는 컨트롤 신호의 지속시간은 유출 밸브를 통해 전달되는 가스(전달되는 가스의 질량과 상관관계가 있음)의 펄스의 지속시간의 함수이다.
고속 몰 전달을 위한 보다 포괄적인 해법을 제공하고, 전달 사이클을 가속시켜 매우 빠른 펄스 모드 전달 작업을 가능하게 하고, 펄스 모드 전달 도우즈(dose)의 범위와 정확성을 향상시키고, 시스템의 유저를 위해 작업의 복잡성을 감소시키기 위해서, 상기 시스템은 유출 밸브(16)를 통해 툴에 가스를 전달하기 전에 가스 전달 챔버(12) 내에 보다 제어된 시작 압력을 제공함으로써 가스 전달 챔버(12)로부터 측정된 흐름이 보다 정확하고 반복성 있으며 더 짧은 펄스 속도로 가동될 수 있도록 구성된, 추가적 컴포넌트를 포함한다.
도 1에 예시된 구현예에 나타낸 바와 같이, 시스템(10)은 유입 밸브(14)를 통해 전달되어야 하는 가스를 유지시키기 위한 버퍼 챔버(이를 '저장조' 또는 '대기실(antechamber)'이라고도 함)(40)를 추가로 포함함으로써, 가스 전달 챔버(12) 내의 압력은 유출 밸브(16)를 통해 가스의 도우즈 또는 일련의 도우즈를 전달하기 전에 소정의 레벨로 예비충전될 수 있다. 가스 소스(52)로부터 버퍼 챔버(40)에 유입 및 유출되는 가스를 제어하기 위해, 가스의 소스로부터 버퍼 챔버(40) 내로 가스의 흐름을 제어하는 유입 컨트롤 밸브(42)가 버퍼 챔버(40)의 입구에 제공된다. 유입 컨트롤 밸브(42)는 버퍼 챔버(40) 내의 압력을 실질적으로 일정한 소정의 레벨로 유지하도록 제어하기에 적합한 비례식(proportional) 컨트롤 밸브일 수 있다. 유입 컨트롤 밸브(42)는 가스가 버퍼 챔버(40)로부터 유입 밸브(14)를 통해 가스 전달 챔버(12) 내로 제공되는 예비충전 단계에서는 개방 상태로 유지될 수 있고, 또는 가스가 버퍼 챔버(40)로부터 유입 밸브(14)를 통해 가스 전달 챔버(12)로부터 유출될 때에는 닫힌 상태로 유지될 수 있다. 또한, 유입 컨트롤 밸브는 가스가 프로세스 챔버에 전달되고 있는지 여부에 관계없이 챔버 내의 압력이 유지되도록 제어될 수 있다. 압력 센서 또는 변환기(44)는 버퍼 챔버(40) 내의 압력을 나타내는 신호를 제공한다. 압력을 나타내는 신호는 압력 컨트롤러(46)에 제공되고, 압력 측정치의 함수로서 유입 컨트롤 밸브(42)에 컨트롤 신호를 제공하도록 연결된다. 마지막으로, 전체 시스템을 제어하기 위해 메인(main) 펄스 가스 전달 컨트롤러(48)가 제공된다.
상기 컨트롤러(48)는 각각의 컨트롤러(24, 46)에 대한 입출 데이터와 명령뿐만 아니라, 유저 인터페이스(50)에 대한 입출 데이터와 명령을 제공하도록 구성되어 있다. 유저 인터페이스(50)는 작업자가 가스 전달 시스템(10)을 가동하기 위해 인터페이스를 사용할 수 있도록 구성된, 키보드와 모니터를 포함하는 컴퓨터와 같은 임의의 적합한 장치일 수 있다. 도면에는 3개의 프로세서(24, 46, 48)가 도시되어 있지만, 상기 시스템은 3개의 예시된 컨트롤러의 기능을 수행하기 위해 임의의 갯수의 컨트롤러와 함께 가동할 수 있다는 것은 명백하고, 1개의 장치가 더 효율적이다. 버퍼 챔버(40)는 소스(52)로부터 받아들이는 가스를 수용하기 위한 체적(V1)을 가진다. 버퍼 챔버(40)에 제공된 가스는 가스 전달 챔버(12)에 제공된 가스의 상류 압력(P1)을 제어하는 데 사용된다. 따라서, 가스 전달 챔버(12) 내 가스 또는 증기의 체적(V2)의 시작 압력(P2)이 제어될 수 있다. 그러므로, 각 펄스의 전달 이전에 체적(V2)의 초기 충전 압력(P2)의 변동이 최소화될 수 있다. 버퍼 챔버(40)의 버퍼 체적(V1) 내 가스의 압력 설정점은 가스 타입, 유저 인터페이스(50)를 통해 유저에 의해 설정된 펄스 가스 전달량 설정점의 함수이다. 구체적으로는, 하기 식으로 표시된다:
P1,SP = 함수 1(가스_타입, 펄스_가스_전달_설정점); (1)
식에서, 'P1,SP'는 버퍼 챔버의 압력 설정점이고,
'가스_타입'은 분자량, 열용량, 열 전도도, 점도 등과 같은 전달되는 가스의 성질이고,
'펄스_가스_전달_설정점'은 각각의 도우즈에 대한 펄스 가스 전달량의 설정점이다.
도 2를 참조하면, 예시된 그래프는, 하나 이상의 가스의 펄스를 전달하기 전에 챔버가 소정의 압력 레벨로 충전된 다음, 유출 밸브(16)를 통해 펄스의 전달시 가스 전달 챔버(12)로부터 가스가 배출되는 과정에서, 가스 전달 챔버(12) 내 압력의 변화를 나타낸다.
구체적으로, 시각(t0) 이전에, 유입 컨트롤 밸브(42)는 버퍼 챔버(40) 내의 압력(P1)이 식(1)에 정의된 바와 같이 소정의 레벨로 조절되도록 능동적으로 제어된다. 시각(t0)에, 유출 밸브(16)가 닫히고, 유입 밸브(14)는 열림으로써, 유저 인터페이스(50)를 통해 제공된 입력에 의거하여 펄스 가스 전달 컨트롤러(48)에 의해 설정된 소정의 압력(P2,SP)까지 가스가 가스 전달 챔버(12)에 유입된다. 구체적으로는, 하기 식으로 표시된다:
P2,SP = 함수 2(가스_타입, 펄스_가스_전달_설정점); (2)
식에서, 'P2,SP'는 전달 챔버의 압력 설정점이고,
'가스_타입'은 분자량, 열용량, 열 전도도, 점도 등과 같은 전달되는 가스의 성질이고,
'펄스_가스_전달_설정점'은 각각의 도우즈에 대한 펄스 가스 전달량의 설정점이다.
소정의 압력(P2,SP)이 도달되면, 시각(t1)에 유입 밸브(14)는 닫힌다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시간 간격 △t1(유입 밸브가 완전히 닫히는 데 걸리는 시간) 동안 과충전(overcharge)(또는 압력의 오버슛(overshoot))이 일어나는데, 이 시간 동안 압력은 상승된 다음 정지 레벨(quiescent level)까지 떨어진다. 압력은 방치 하에 안정상태로 된다. 이렇게 해서 시스템은 충전되어 소정의 몰량의 가스를 유출 밸브(16)를 통해 펄스로서 전달할 준비가 되는데, 유출 밸브는 시각(t2)에 소정의 시간 동안 개방되고, 프로그램된 몰량이 전달된 시각(t3)에 닫힌다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 유출 밸브가 시각(t3)에 닫히도록 명령을 받았을 때 유출 밸브가 완전히 닫히는 데에 한정된 시간 △t2이 걸린다. 그 결과, 도시된 바와 같이 챔버 내의 가스가 최종 압력(Pf)에서 안정되기 전에, 다시 약간의 가스의 오버슛(과전달)이 일어난다. 그런 다음, 다음 번 펄스의 전달 전에 가스 전달 챔버(12)에 충전하기 위해 버퍼 챔버(40) 내의 가스를 사용하여 사이클이 반복될 수 있다.
도 2에서, t2와 t4 사이에 전달되는 펄스 가스의 양, △n은 하기 식에 의해 분석될수 있다:
Figure pat00001
식에서, Q는 유입 밸브(16)을 통한 유량이고,
Cv 또는 Cv(t)는 밸브가 개방 또는 밀폐되는 시간의 함수인 밸브의 컨덕턴스(conductance)이고,
Cv0는 완전 개방 상태의 밸브 컨덕턴스이고,
ICv는 밸브 밀폐 시간인 t3과 t4 사이의 밸브 컨덕턴스의 적분값이고,
P는 가스 전달 챔버(12) 내 압력이고,
Pf는 최종 전달 챔버 압력이고,
Pd는 가스 전달 챔버(12)의 하류 압력이다.
식에 나타난 바와 같이, ICvㆍ(Pf-Pd)는 과전달량(단위; 몰)을 한정한다. ICv가 사실상 랜덤 변수라는 사실, 즉 유출 밸브의 밀폐 시간이 랜덤 변수라는 사실을 주목해야 한다. 상기 시스템이 소정의 일정한 압력 P1,SP으로 버퍼 챔버(예컨대 도면 부호 40)로부터의 가스를 가스 전달 챔버(12)에 예비충전하지 않았다면, 시작 시점의 전달 챔버 압력 P2는 변동될 수 있고, 그 결과 최종 챔버 압력값 Pf는 사이클마다 변동될 것이기 때문에 이러한 오류의 양은 변동될 것이다. 시작 압력이 높을수록, 오류의 영향은 더 커진다. 버퍼 챔버(40)의 버퍼 체적을 사용함으로써, 버퍼 챔버(40)에 의해 가스 전달 챔버(12)에 제공되는 상류 압력은, 충분히 제어된 일정한 상류 압력에 의해 가스 전달 챔버(12) 내 충전 압력의 변동이 최소화되도록 하는 압력이다. 이로써, 오류 ICvㆍ(Pf-Pd)가 더 작은 오류의 범위 내로 제한되는 것이 보장된다. 오류를 더 작은 범위 내로 제한함으로써, 반복가능한 방식으로 오류에 대한 더 양호한 보상을 제공할 수 있고, 그 결과 정확한 양의 가스를 보다 정확하게 전달할 수 있다. 상류 체적을 가스 타입과 펄스 가스 전달 설정점의 함수로서 비교적 일정한 압력으로 제공함으로써, 상기 시스템은 가스 전달 챔버(12) 내 충전된 압력을 엄밀하게 제어할 수 있게 된다. 따라서, 충전된 압력에 대한 변동이 최소화되고, 또한 밸브 시간 불확실성에 의해 초래되는 펄스 가스 전달에 대한 반복성 오류가 최소화된다.
펄스 전달 시스템에 대한 하나의 어플리케이션은 도 3의 (10A)에 일반적으로 나타낸 펄스 전달 시스템을 (100)으로 표시된 반도체 툴에 제공되는 펄스를 제어하는 데 이용하는 것이다.
또 다른 어플리케이션은, 화학적 증기 증착(CVD) 공정에 사용되는, 미국특허 제7,615,120호에 기재된 형태와 같은 원자층 증착 시스템(110)의 2개 이상의 펄스 전달 시스템(도 4에서 (10B)와 (10C)에 2개로 표시됨)을 이용하는 것이다. 예를 들면, 그러한 시스템에 있어서, 각각의 시스템(10A, 10B)은 ALD(원자층 증착) 반응기(110)에 제공된 전구체 가스의 펄스를 제어하는 데 사용된다. 구체적으로, 가스는 시스템(10B) 또는 (10C) 중 어느 하나로부터 혼합 매니폴드(112)에 제공된다. 혼합 매니폴드(112)는 시스템(10B, 10C)으로부터 가스를 도입하기 위한 2개의 입구를 가진다. 캐리어 가스가 도입되고, 그 흐름은 혼합 매니폴드에서 분할된다. 캐리어 가스는 전형적으로, 질소와 같은 불활성 기체이다. 도시된 예에서, 화학물질 A는 시스템(10C)에 의해 제공되는 전구체이고, 화학물질 B는 시스템(10B)에 의해 제공되는 전구체이다. 캐리어 및 전구체 가스는 혼합되고, 플라즈마 형성 존(114)에 혼합 가스의 플라즈마를 형성하도록 제공된다.
플라즈마는, ALD 반응기(110) 내에 가스를 분배하는 가스 분배기(116)에 제공된다. 웨이퍼(118)는 웨이퍼 지지체(120) 상에 설치되고, 웨이퍼와 지지체는 모두 히터(122)에 의해 가열된다. 스로틀 밸브(124)와 펌프(126)는 반응기(110) 내의 진공을 제어하는 데 사용되고, 공정중에 시스템(10B, 10C)으로부터 제공되는 가스를 배기시킨다.
이상 설명한 바와 같이, 가스 전달 시스템(10)은 반도체 툴에 유입되는 물질의 양(질량)을 신뢰성있게 측정하고, 신뢰성 있고 반복가능한 방식으로 비교적 짧은 지속시간의 펄스로 가스의 질량을 정확하게 전달시킨다. 또한, 상기 시스템은, 정확하고 신뢰성 있으며 반복가능한 결과를 얻기 위해 가스를 우회시킬 필요 없이, 목표로 하는 몰수의 가스를 폭 넓은 값에 걸쳐 전달하면서도 더 간편한 작업을 이용한다.
본 명세서에 기재된 컴포넌트, 단계, 특징, 목적, 장점, 및 이점 등은 단지 예시적인 것이다. 이것들 중 어느 것도 또는 그와 관련된 어떠한 설명도 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 여러 가지 다른 구현예들도 고려될 수 있다. 여기에는 상대적으로 적은 갯수 또는 추가적이거나, 및/또는 상이한 컴포넌트, 단계, 특징, 목적, 장점 및 이점을 가지는 구현예들이 포함된다. 이것들도 컴포넌트 및/또는 단계가 상이하게 배열되고 및/또는 정돈되어 있는 구현예들을 포함한다.
달리 언급되지 않는 한, 이하의 특허청구범위를 포함하여 본 명세서에 제시되어 있는 모든 측정치, 값, 등급, 위치, 크기, 및 다른 규격은 정확한 값이 아니고 어림수이다. 그것들은 관련되어 있는 기능 및 그것들이 관련된 기술 분야에 통상적인 것과 부합되는 합리적인 범위를 가진다.
본 명세서에 인용된 모든 문헌, 특허, 특허출원, 및 그의 출판물들은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
특허청구범위에 사용되는 "수단"이라는 용어는 대응하는 구조 및 기재된 물질과 그의 등가물을 포함하기 위한 것이며, 또한 그와 같이 해석되어야 한다. 특허청구범위에 이러한 용어가 없는 경우는 그 청구항이 대응하는 구조, 물질 또는 작용이나 그의 등가물 중 어느 것으로든 제한되는 것이 아니며, 또한 그와 같이 해석되어서는 안된다.
기재되거나 예시된 그 어느 것도, 그것이 특허청구범위에 기재되어 있는지 여부에 관계없이, 어느 컴포넌트, 단계, 특징, 목적, 장점, 이점, 또는 그 등가물이 공공 목적을 위해 헌납되는 것으로 의도되거나 해석되어서는 안된다.
본 발명의 범위는 오로지 이하에 첨부되는 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 본 발명의 범위는, 본 명세서를 감안하여 해석되었을 때 특허청구범위에 사용되어 있는 언어의 통상적 의미 및 이후의 심사 기록과 부합되는 정도로 폭넓고, 모든 구조적 등가물 및 기능적 등가물을 포함하는 것이며, 또한 그와 같이 해석되어야 한다.

Claims (1)

  1. 목표로 하는 질량의 가스의 펄스를 프로세스 챔버 또는 프로세스 툴(tool)에 전달하는 가스 전달 장치.
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