KR20200095435A

KR20200095435A - 가스 분배 네트워크에서의 흐름 밸런싱

Info

Publication number: KR20200095435A
Application number: KR1020200093081A
Authority: KR
Inventors: 제프리 워맥; 스티번 라우
Original assignee: 노벨러스 시스템즈, 인코포레이티드
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2020-08-10
Also published as: US8925588B2; KR20220020869A; KR20140023244A; TW201430264A; KR20230124866A; KR102568977B1; US20150075626A1; KR102140842B1; US20140048141A1; SG2013061247A; US9268340B2; TWI636218B; KR102360546B1

Abstract

본 발명은, 프로세스 가스를 멀티-스테이션 증착 챔버 내의 2 이상의 스테이션에 공급하는 흐름 분배 네트워크에 관한 것이다. 각 흐름 분배 네트워크는 유입부 및 프로세스 가스를 스테이션으로 전달하기 위한 흐름 분배 라인을 포함한다. 흐름 분배 라인은 유입부로부터 하류 측의 분기점 및 분기점으로부터 하류 측의 2 이상의 지류를 포함한다. 각 지류는 스테이션으로 공급한다. 흐름 분배 네트워크는 또한 각 지류에 매우 가변적인 흐름 엘리먼트를 포함한다. 제한 컴포넌트는 각 지류에서 가변적인 제어 엘리먼트로부터 하류 측에 위치된다. 이러한 제한 컴포넌트들은 명목상 동일하고, 유입부 압력을 과도하게 증가시키기 않으면서 흐름 밸런싱을 개선할 수 있도록 가변적인 흐름 컴포넌트로부터 압력 강하의 대부분을 시프트시키도록 디자인된다. 일부 케이스에서, 부하 시프팅 (load shifting) 은 더 가변적인 흐름 컴포넌트가 언쵸킹 흐름 체제 (unchoked flow regime) 에서 동작하게 할 수 있다.

Description

가스 분배 네트워크에서의 흐름 밸런싱{FLOW BALANCING IN GAS DISTRIBUTION NETWORKS}

본 발명은 가스 분배 네트워크에서의 흐름 밸런싱에 관한 것이다.

현존하는 흐름 분배 네트워크 (flow distribution network) 는, 대칭이며 큰 컴포넌트들 및 정밀한 공차에 의존함으로써, 지류 (branch) 에 흐름을 균등하게 분배한다. 이것은 액체나 고압 가스에 대해 적합할 수도 있는 반면, 저압 압축성 유체 (low pressure compressible fluid) 에 의해 경험되는 속도는 유체 공학의 엘리먼트 (fluidic element) 에서의 작은 변화를 증폭시켜, 흐름의 균형을 깨뜨린다. 이 문제점은 차단 밸브에서 발견되는 것과 같은 복잡한 기하학적 구조에 특히 극심하다.

2010년 12월 16일 출원된 미국 특허출원 제12/970,846호 (본 명세서에 전체적으로 참조로서 포함된다) 에 기재된 것과 같은, 가스 흐름을 플라즈마 온 (on) 으로 바꾸는 프로세스 시퀀스 (sequence) 는, 일반적으로 프로세스 스테이션 (예를 들어, 챔버) 에 가능한 한 가깝게 위치되는 밸브를 필요로 한다. 이것은, 결과적으로, 네트워크의 각 지류에 위치되는 차단 밸브를 필요로 하는데, 이 차단 밸브는 흐름 불균형을 일으킬 수 있다. 여타의 어플리케이션들, 특히 하나의 반응기 또는 복수의 반응기들 내의 복수의 스테이션들로의 동시적인 가스 흐름을 수반하는 그러한 어플리케이션들은, 또한 개별의 스테이션들이나 반응기들에 대한 흐름 불균형을 겪을 수 있다.

기존의 기술을 사용하여 플로우 레이트 (flow rate) 를 밸런싱 (balancing) 하는 것은 지류 전체에 걸쳐 대칭을 요구하며, 이것은 일부 어플리케이션들에 있어서는 가능하지 않거나 바람직하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 대칭은 기존의 차단 밸브와 같은 매우 가변적인 유체 공학적 엘리먼트를 사용하지 못하게 할 수도 있다. 지류 전체에 걸쳐 대칭을 유지하도록 이러한 유체 공학적 엘리먼트들을 매우 낮은 공차로 제작하는 것은 엄두를 못낼 만큼 고비용일 수도 있다. 대안적으로, 흐름을 밸런싱하도록 대형의 엘리먼트를 사용하는 것은 시스템 내의 상당한 압력 강하를 요구하며, 이것은 비용을 증가시키고 최대 흐름을 제한할 수 있다.

실시형태들에서, 흐름 분배 네트워크는 멀티-스테이션 증착 챔버 내의 2 이상의 스테이션에 프로세스 가스를 공급한다. 상기 흐름 분배 네트워크는 상기 프로세스 가스를 수용하기 위한 적어도 하나의 유입부 및 가스를 전달하기 위한 흐름 분배 라인의 네트워크를 포함한다. 상기 흐름 분배 라인의 네트워크는 상기 유입부로부터 하류 측의 분기점 (branch point) 및 상기 분기점으로부터 하류 측의 2 이상의 지류 (branch) 를 포함한다. 각 지류는 대응하는 스테이션으로 프로세스 가스를 공급하기 위한 유출부를 포함한다. 상기 흐름 분배 네트워크는 또한 상기 지류에 걸친 엘리먼트 간에 (from element to element) 적어도 대략 2% 만큼 변동하는 흐름 계수 C_v 값을 가지는 가변적인 흐름 엘리먼트 (예를 들어, 차단 밸브) 를 포함한다. 제한 컴포넌트는 각 지류의 가변적인 제어 엘리먼트로부터 하류 측에 위치된다. 상기 제한 컴포넌트는, 예를 들어 상기 가변적인 제어 엘리먼트의 하류 측의 연관된 흐름 분배 라인에 있어서의 수축부 (constriction) 일 수도 있다. 상기 제한 컴포넌트들은 명목상 (nominally) 동일하다. 상기 프로세스 가스의 흐름은, 상기 유출부에서의 압력 이상인 흐름 분배 네트워크에 걸쳐, 상기 유입부로부터 상기 유출부까지, 시스템 압력 강하를 야기한다. 일부 케이스에서, 상기 흐름 분배 네트워크의 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는 언쵸킹 흐름 체제 (unchoked flow regime) 에서 동작될 수도 있다.

상기 흐름 분배 네트워크의 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는, 평균적으로, 상기 흐름 분배 네트워크에서의 상기 시스템 압력 강하 중 제1 부분을 야기한다. 상기 제한 컴포넌트는, 평균적으로, 상기 흐름 분배 네트워크에서의 상기 압력 강하 중 제2 부분을 야기한다. 일부 케이스에서, 상기 제1 부분에 대한 상기 제2 부분의 비는 대략 5:1 내지 대략 20:1 이다.

일부 케이스에서, 상기 시스템 압력 강하를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함할 수도 있다. 상기 컨트롤러는 상기 유입부와, 1 이상의 유출부 및/또는 상기 네트워크의 여타의 컴포넌트와 연통할 수도 있다.

실시형태들의 측면에서, 상기 제한 컴포넌트는 상기 지류의 상기 제한 컴포넌트에 걸쳐 평균적으로 특정 시스템 압력 강하를 야기할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제한 컴포넌트는, 평균적으로 상기 제한 컴포넌트에 걸쳐 적어도 대략 3%의 상기 시스템 압력 강하를 야기할 수도 있다. 다른 예시에서, 상기 제한 컴포넌트는, 평균적으로 상기 제한 컴포넌트에 걸쳐 적어도 대략 50%의 상기 시스템 압력 강하를 야기할 수도 있다. 또 다른 예시에서, 상기 제한 컴포넌트는, 평균적으로 상기 제한 컴포넌트에 걸쳐 10% 내지 80%의 상기 시스템 압력 강하를 야기할 수도 있다.

다른 측면에서, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는 상기 지류의 상기 엘리먼트에 걸쳐 평균적으로 특정 시스템 압력 강하를 야기할 수도 있다. 예를 들어, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는, 평균적으로 상기 가변적인 흐름 엘리먼트에 걸쳐 상기 흐름 분배 네트워크에서의 대략 5% 이하의 총 압력 강하를 야기할 수도 있다. 다른 예시에서, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는, 평균적으로 상기 가변적인 흐름 엘리먼트에 걸쳐 상기 흐름 분배 네트워크에서의 대략 10% 이하의 총 압력 강하를 야기할 수도 있다.

또 다른 측면에서, 흐름 분배 네트워크는, 각 엘리먼트가 실질적으로 동일한 압력 강하를 경험하는 경우 지류에 걸쳐 엘리먼트 간 (from element to element), 평균적으로 적어도 대략 2% 만큼 변동하는 질량 유량 (mass flow rate) 을 야기하는 가변적인 흐름 엘리먼트를 가질 수도 있다. 다른 예시에서, 가변적인 흐름 엘리먼트에서의 질량 유량은 적어도 5% 또는 10% 만큼 변동할 수도 있다.

다른 측면에서, 흐름 분배 네트워크는, 특정 비율보다 작도록 지류에 걸쳐 평균적으로 변동하는 흐름 계수 C_v 값을 가지는 지류에 있는 제한 컴포넌트를 가질 수도 있다. 예를 들어, 상기 제한 컴포넌트는, 상기 지류에 걸쳐 컴포넌트 간에 1% 이하만큼 평균적으로 변동할 수도 있다. 다른 예시로서, 상기 제한 컴포넌트는, 상기 지류에 걸쳐 컴포넌트 간에 4% 이하만큼 평균적으로 변동할 수도 있다.

다른 측면에서, 제한 컴포넌트는, 프로세스 가스를 스테이션에 공급하도록 명목상 (nominally) 균일한 질량 유량으로 각각의 유출부로 제공할 수도 있다. 상기 명목상 균일한 질량 유량은, 예를 들어 일부 케이스에서 유출부 간 대략 1% 이하만큼 변동할 수도 있다. 다른 예시에서, 상기 명목상 균일한 질량 유량은 유출부 간 대략 2% 이하만큼 변동할 수도 있다.

이것들과 다른 측면들은 도면들을 참조로 하여 이하에서 더 기술된다.

저압 흐름 분배 네트워크 내에서 복수의 스테이션으로 전달되는 압축성 유체의 흐름을 밸런싱하는 기법이 제공된다. 흐름을 밸런싱하기 위해서, 흐름 제한기가 스테이션으로의 유출부 부근의 분배 라인의 복수의 지류의 단부 (end) 에 도입된다. 흐름 제한기들은 명목상 (nominally) 동일하고, 유입부 압력을 과도하게 증가시키지 않으면서 지류에서 상류 측에 위치되는 상대적으로 매우 가변적인 유체 역학적 엘리먼트로부터 덜 가변적인 하류 측 제한기로 압력 강하의 대부분을 시프트시키도록 설계된다. 압력 부하를 덜 가변적인 제한기로 시프트시키는 것은 보다 가변적인 유체공학적 엘리먼트가 언쵸킹된 (unchoked) 흐름 체제 (regime) 에서 작동하게 하여, 흐름 밸런싱을 개선할 수 있다. 이러한 기법은, 지류 전체에 걸친, 매우 가변적인 유체공학적 엘리먼트와 여타의 비대칭성의 불균형 영향에 대해 보상하는 것을 도와서, 대형의 유체공학적 컴포넌트의 사용을 불필요하게 한다.

도 1a는, 실시형태들에 따른, 멀티-스테이션 흐름 분배 네트워크 내의 4 개의 증착 스테이션에 대한 정규화된 증착 레이트 (deposition rate) 의 그래프이다.
도 1b는 도 1a의 멀티-스테이션 흐름 분배 네트워크 내의 4 개의 증착 스테이션에 대한 정규화된 증착 레이트 및 흐름 계수 C_v 의 그래프이다.
도 2a는 본 명세서에 기술된 특정 실시형태들에 따라서, 4 개의 스테이션을 가진 흐름 분배 네트워크의 컴포넌트의 개략적인 다이어그램이다.
도 2b는 제한 컴포넌트 (제한기) 가 있는 네트워크와 없는 네트워크에서의 노드에서의 압력을 보여주는, 도 2a의 흐름 분배 네트워크의 컴포넌트의 개략적인 다이어그램이다.
도 2c는 도 2a와 도 2b의 흐름 분배 네트워크의 지류를 따르는 상이한 거리에서의 압력 강하를 도시한 그래프이다.
도 2d는, 실시형태들에 따른, 4 개의 스테이션을 가진 흐름 분배 네트워크의 컴포넌트의 선도 (line drawing) 이다.
도 2e는, 실시형태들에 따른, 2 개의 스테이션을 가진 흐름 분배 네트워크의 컴포넌트의 선도이다.
도 3a 및 도 3b는, 제한 컴포넌트를 포함하도록, 도 2a 및 도 2b의 흐름 분배 네트워크의 일부분에의 디자인 변경을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 4a는, 실시형태들에 따른, 흐름 분배 네트워크의 지류에 걸쳐 흐름 밸런싱을 개선시키도록 제한 컴포넌트를 디자인하는 방법을 도시한 그래프이다.
도 4b는 도 4a의 그래프의 일부분의 보다 자세한 도면의 그래프이다.
도 4c는 제한기가 있을 때와 없을 때의, 도 2a 및 도 2b의 흐름 분배 네트워크의 다양한 부피 유량 (volumetric flow rate) 에 대한 유입부 압력 Pinlet 의 변동을 도시한 그래프이다.
도 5a는 실시형태들의 유체공학적 엘리먼트에서의 상류 압력 P_in 에 대한 부피 유량 (slm) 을 도시한 그래프이다.
도 5b는 도 5a의 유체공학적 엘리먼트에서의 하류 압력에 대한 압력 강하를 도시한 그래프이다.
도 5c는, 도 2a 및 도 2b의 흐름 분배 네트워크의 제한 컴포넌트에서의 레벨 (level) 또는 제한 (restriction) 에 대해서 플로우 레이트의 변동성 및 가변적인 흐름 엘리먼트에서의 압력비의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시형태들의 흐름 분배 네트워크에서의 흐름 밸런싱에 대한 전자 회로 아날로지의 다이어그램이다.

본 출원은 2012년 8월 17일 출원된 미국 가특허출원 제61/684,261 호 및 2012년 11월 2일 출원된 미국 특허출원 제13/667,282호의 우선권을 주장하며, 앞서 언급된 출원은 본 명세서에 전체로서 그리고 모든 목적에 맞도록 참조로 포함된다.

이하의 명세서에서, 제공된 실시형태들의 완전한 이해를 제공하기 위해서, 많은 특정 상세가 제시된다. 개시된 실시형태들은 이 특정 상세의 일부 또는 전부 없이 실행될 수도 있다. 다른 예시들에서, 널리 알려진 프로세스 작업은, 불필요하게 개시된 실시형태들을 불명료하게 하지 않기 위해, 상세히 기재하지 않았다. 개시된 실시형태들은 특정한 실시형태들과 함께 설명될 것이지만, 개시된 실시형태들을 제한하려는 의도는 없다는 점을 이해하여야 한다.

흐름 밸런싱을 가진 흐름 분배 네트워크

실시형태들에서, 흐름 제한 컴포넌트 (flow restrictive component)(제한기) 는 흐름 분배 네트워크 내의 분배 라인의 복수의 지류 (branch) 각각에 배치된다. 이러한 흐름 제한 컴포넌트들은 명목상 동일하다. 이러한 네트워크는 공급원(들)으로부터 가스를 수용하기 위한 1 이상의 유입부 (inlet) 를 포함한다. 이러한 네트워크는 또한 유입부로부터 하류 측의 적어도 하나의 분기점 (branch point) 및 상기 분기점으로부터 하류 측의 2 이상의 지류를 포함한다. 유입부(들)로부터의 가스는 2 이상의 유출부 (outlet) 로 가는 도중에 지류들로 분할된다. 각각의 지류는 연관된 유출부를 통해 가스를 개별 스테이션으로 공급한다. 이 명세서에 제시된 일부 실시형태들은 4 개의 스테이션을 채용하며, 각각에는 흐름 분배 네트워크에 의해 프로세스 가스가 공급된다. 이 명세서에서 제시되는 다른 실시형태들은 2 개의 스테이션을 채용한다. 일반적으로, 흐름 분배 네트워크의 실시형태들은 2 이상의 스테이션을 포함할 수도 있다.

실시형태들의 흐름 분배 네트워크의 스테이션은, 예를 들어, 1 이상의 다음의 프로세스 [화학적 기상 증착 (CVD), 원자층 증착 (ALD), 컨포멀 막 증착 (conformal film deposition), 플라즈마 강화된 (plasma enhanced) 화학적 기상 증착 등] 가 일어날 수도 있는 챔버 (예컨대, 반응 챔버) 또는 챔버의 부분들일 수 있다. 일부 케이스에서, 흐름 분배 네트워크의 스테이션은 멀티-스테이션 증착 반응기에 있을 수 있다. 각각의 이러한 스테이션은 샤워 헤드 (showerhead) 가 갖춰진 반응 챔버일 수도 있으며, 이것은 프로세스 가스를 흐름 분배 네트워크의 유출부로부터 수용하여 프로세스 가스를 스테이션의 내부로 제공한다.

멀티-스테이션 반응기는, 한대가 하나의 챔버 환경에서 함께 동일한 또는 상이한 프로세스들을 수행할 수 있게 하며, 그렇게 함으로써 워크 피스 (work piece) 공정의 효율이 증가한다. 일반적으로, 많은 스테이션들이 단일 챔버 내에서 가능할 수도 있다. 스테이션들은 동일하거나 상이한 기능을 가질 수 있다. 하나의 케이스에서, 개별 스테이션은 뚜렷이 구별되는 프로세스 상태 하에서 작동할 수 있고, 또한 서로로부터 상당히 분리될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 스테이션은 하나의 온도 체제 하에서 작동할 수 있고, 반면 다른 스테이션은 상이한 온도 체제 하에서 작동할 수도 있다. 어떤 작동은, 상이한 온도 체제 (예를 들어, 보다 높은 온도) 가 필요할 수도 있고, 또한 상이한 스테이션 또는 스테이션들에서 수행될 수도 있다. 어떤 실시형태에 따르면, 각각의 프로세스 챔버는, 동일한 상태 하 또는 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 또는 여타의 재료의 동일한 두께가 정확하게 각각의 스테이션에서 동시에 증착될 수 있도록 하는 상태 하에서 작동한다.

복수의 스테이션에서의 프로세스 상태들과 그 자체의 프로세스 흐름은, 특정 프로세스 변수들, 플로우 레이트 및 시간, 온도, 유입부 압력, 유출부(들) 압력 등의 모니터링, 유지 및/또는 조정을 위한 프로그램 명령 (instruction) 들을 포함하는 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 명령들은 일부 또는 전부의 파라미터들을 명시하여, 프로세스의 운용을 수행할 수도 있다. 컨트롤러는 상이한 장치 스테이션들에 상이하거나 동일한 명령을 구성할 수도 있고, 이에 따라 스테이션들이 독립적으로 또는 동시에 작동되도록 할 수 있다.

컨트롤러는 일반적으로 1 이상의 메모리 디바이스 및 1 이상의 프로세서를 포함할 것이다. 프로세스는 중앙처리장치 (CPU) 또는 컴퓨터, 아날로그 및/또는 디지털 입력/출력 연결부, 스텝퍼 모터 컨트롤러 보드, 및 다른 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 적절한 제어 동작을 구현하기 위한 명령은 프로세서에서 실행된다. 이러한 명령들은 컨트롤러와 연관된 메모리 디바이스에 저장되거나 또는 그들은 네트워크를 통해 제공될 수도 있다. 일반적으로, 시스템 컨트롤러와 연관된 유저 인터페이스 (user interface) 가 존재한다. 유저 인터페이스는 디스플레이 스크린, 프로세스 상태를 표시하기 위한 그래픽적인 소프트웨어 및 포인팅 디바이스 (pointing device), 키보드, 터치 스크린, 마이크로폰 및 다른 컴포넌트들과 같은 유저 입력 디바이스를 포함할 수도 있다.

상이한 프로세스들의 동작을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 어떠한 기존의 컴퓨터 판독가능 프로그래밍 언어 : 예컨대, 어셈블리 언어, C, C++, 파스칼, 포트란 또는 여타의 것들로 작성될 수 있다. 컴파일된 오브젝트 코드 (compiled object code) 또는 스크립트 (script) 는, 프로그램에 식별되는 태스크 (task) 를 수행하도록 프로세서에 의해 실행된다.

프로세스를 모니터링하기 위한 신호는 시스템 컨트롤러의 아날로그 및/또는 디지털 입력 연결부에 의해 제공될 수도 있다. 프로세스를 제어하기 위한 신호는 프로세싱 시스템의 아날로그 및 디지털 출력 연결부에 출력된다.

실시형태들에서, 흐름 분배 네트워크는 프로세스 가스와 같은 압축성 유체 (compressible fluid) 를 1 이상의 스테이션에 전달하도록 설계되거나 구성된다. 전구체 가스 (precursor gas) 는 실시형태들의 많은 어플리케이션 (application) 에 사용되는 프로세스 가스일 수도 있다. 프로세스 가스는, 예를 들어 대기압을 초과하는 유출부 압력, 대기압인 유출부 압력, 대기압보다 낮은 유출부 압력, 거의 진공의 유출부 압력을 포함하는 넓은 범위의 압력에서 흐름 분배 네트워크를 통해 스테이션으로 전달될 수도 있다. 일부 케이스에서는, 네트워크 유입부 가스 압력 (P_inlet) 은 50 내지 1000 torr 일 수도 있다. 보통, 흐름 분배 네트워크에서, 유입부로부터 유출부까지의, 네트워크에 걸친 총 압력 강하 (ΔP_system) 는 가스가 전달되는 스테이션 (P_outlet) 에 대한 절대압과 비교하여 상대적으로 크다. 즉, 비 ΔP_system/P_outlet은 1보다 크다. 일부 구현에 있어서, 비 ΔP_system/P_outlet 은 1 내지 20이다. 별도의 언급이 없으면, 본 명세서에 기술된 실시형태들과 특징들은 다음과 같은 점을 채용한다고 가정해야만 한다. (1) 복수의 유출부로의 지류를 가진 흐름 분배 네트워크로서, (2) 흐름 분배 네트워크는, 이러한 복수의 유출부로 압축성 유체를 전달하기 위한 것이며, (3) 이러한 압축성 유체의 총 압력 강하는 유출부 압력과 비교하여 크다.

어떤 개시된 실시형태들에서, (정밀한 공차로 가공된 오리피스 (orifice) 또는 튜브와 같은) 정밀 제한 컴포넌트는 흐름 분배 네트워크에서 지류의 단부 각각에 부가된다. 정밀 제한 컴포넌트는 유출부에 또는 유출부 근방에 위치하여, 낮은 유출부 압력 P_outlet 으로 스테이션에 프로세스 가스를 공급한다 (예를 들어, 5 torr, 6 torr, 7 torr 등). 일반적으로, 지류들에 걸쳐 제한 컴포넌트들 사이의 흐름 계수 C_v 값의 상대적으로 낮은 변동 (예를 들어, 5% 이하, 1% 이하, 2% 이하, 3% 이하, 4% 이하 등) 을 가지도록, 제한 컴포넌트들은 명목상 동일하다. 제한 컴포넌트들은 가장 제한적인 지류의 전형적 압력 강하와 일치하도록 디자인될 수도 있으며, 여기서 지류는 분배 네트워크가 비대칭적인 경우에서와 같이, 동일한 흐름 특성을 가지지 않는다. 제한 컴포넌트 (제한기) 로부터 바로 상류 측 지점에서의 압력을 올림으로써, 지류에서의 가스의 밀도는 증가되어, 차례로, 지류의 상류 부분에서의 손실들 (예를 들어, 압력 강하) 를 줄이는 속도를 감소시킨다. 종종 이러한 상류 부분은, 특정 종류의 밸브와 같은 매우 가변적인 유체공학적 엘리먼트를 포함한다. 이러한 매우 가변적인 컴포넌트에서의 손실을 줄이는 것은 각 지류 간의 (from branch to branch) 흐름의 변동성을 감소시켜, 스테이션 간의 (from station to station) 흐름 균일성을 증대시킨다. - 특히 적층된 필름 (stacked film) 에 중요한 결과이다.

저압 가스를 분배하기 위해 본 명세서에서 개시되는 디자인과 기법은 지류 간의 유체공학적 엘리먼트 변동성 (비대칭성) 에도 불구하고 흐름 분배 네트워크의 각각의 지류에 개선된 흐름 매칭 (flow matching) 을 제공한다. 이러한 디자인 및 기법은 또한 매우 가변적인 유체공학적 엘리먼트 (예를 들어, 차단 밸브) 로부터 덜 가변적인 유체공학적 엘리먼트로 일부 네트워크 압력 강하를 시프트시킬 수도 있다 ("부하 시프팅 (load shifting)"). 덜 가변적인 유체공학적 엘리먼트의 예로서는, 예컨대 오리피스 또는 가공된 튜브와 같은 정밀한 공차로 용이하게 그리고 지속적으로 생산될 수 있는 제한 컴포넌트를 포함한다. 이러한 제한 컴포넌트는 각각의 지류에 위치될 때 흐름 밸런싱을 개선할 수 있는 흐름 계수 C_v 값에 있어서 보다 낮은 변동성을 가질 수 있다.

흐름 분배 네트워크는 매우 가변적인 유체공학적 엘리먼트에서 쵸크 흐름 (choked flow) 를 경험할 수 있다. 매우 가변적인 유체공학적 엘리먼트로부터 하류 측에 제한 컴포넌트를 부가하는 것은 덜 가변적인 제한 컴포넌트로 쵸크 흐름을 시프트시킬 수 있다. 쵸크 흐름을 더 가변적인 유체공학적 엘리먼트로부터 덜 가변적인 제한 컴포넌트로 시프트시키는 것은, 쵸크 흐름과 연관된 더 큰 압력 강하가 있기 때문에, 유익할 수 있다. 유체공학적 엘리먼트를 통한 압축성 유체의 쵸크 흐름은 유입부 압력 중 높은 비율 (예를 들어, 50%) 이 되도록 유체공학적 요소에서의 압력 강하를 필요로 한다. 본 명세서에서 기술되는 것과 같은 부하 시프팅에 의해, 총 압력 강하 중 더 큰 부분이 덜 가변적인 제한 컴포넌트로 시프트되고, 이것은 플로우 레이트에 있어서 상대적으로 작은 변동에 기여한다.

어떤 실시형태들에서, 흐름 분배 네트워크에서의 전체적 압력 강하를 상당히 증가시키지 않으면서, 또는 흐름 분배 네트워크의 1 이상의 유입부에서의 압력을 상당히 증가시키지 않으면서, 흐름 밸런싱을 상당히 개선시키기 위해, 개시된 디자인은 전달된 가스의 압축성 (compressibility) 을 레버리징 (leveraging) 한다. 일부 실행의 다른 혜택은 1) 매우 가변적인 흐름 엘리먼트에서 상대적인 압력 강하가 극적으로 감소되기 때문에, 제한 컴포넌트의 상류 측의 매우 가변적인 흐름 엘리먼트의 사용이 가능해진다는 점, 2) 제한 컴포넌트 (제한기) 가 가장 제한적인 지류에서의 압력 강하를 맞추도록 크기가 부여되었기 때문에, 네트워크 유체공학적 엘리먼트에서의 대칭에 대한 필요를 제거하고, 이것은 전체의 질량 유량 (mass flow rate) 을 상당히 밸런싱할 수 있는 점, 3) 네트워크에서의 가스 흐름의 속도가 보다 높은 압력에 의해 감소될 것이기 때문에, 보다 작은 네트워크 컴포넌트의 사용을 가능하게 한다는 점, 및/또는 4) "부하 시프팅" 을 채용함으로써 보다 효율적으로 밸런싱 문제를 해결하기 위해, 저압 가스에서 압력을 변화시키는 상당한 효과를 활용할 수 있다는 점을 포함한다.

도 1a 및 도 1b는, 예를 들어 실리콘 옥사이드 (silicon oxide), 실리콘 나이트라이드 (silicon nitride), 폴리실리콘 (polysilicon) 및/또는 여타의 재료의 증착이 일어나는 4개의 개별 반응 스테이션으로 저압 가스를 전달하기 위한 멀티-스테이션 흐름 분배 네트워크에서의 관찰 결과를 나타낸다. 이 흐름 분배 네트워크는, 예를 들어 수직으로 집적된 메모리 (VIM; vertically integrated memory) 의 제조에 사용될 수 있다. 결과는 지류의 단부에 도입된, 본 명세서에 기술된 덜 가변적인 제한 컴포넌트 없이 관찰되었다.

도 1a에서, 정규화된 (normalized) 증착 레이트 (deposition rate) (예를 들어, 특정 스테이션에서의 증착 레이트/스테이션들에서의 가장 높은 증착 레이트) 이, 흐름 분배 네트워크에서 4 개의 증착 스테이션에 대해 도시된다. 많은 어플리케이션들에서, 증착 레이트가, 복수의 스테이션 전체에 걸쳐 대략 최대 변화량보다 작게, 가장 높은 증착 레이트로부터 변동하는 것이 요구된다. 도시된 어플리케이션에서, 4 개의 증착 스테이션 전체에 걸쳐 대략 1% 최대 허용가능 변화량 이하로 증착 레이트가 변동하는 것이 요구된다. 도 1a에 있어서, 상당히 높은, 3% 인 스테이션 2에서의 변화량 및 7% 인 스테이션 1 및 4 에서의 변화량이 관찰하의 네트워크에서 관찰되었다. 증착 레이트에 있어서의 관찰된 변화량의 원인은, 반응물 농도의 변화, RF (radio frequency) 전력의 변화 (플라즈마-보조형 증착 반응의 케이스에), 및 전구체 또는 시스템의 챔버나 개별 스테이션으로 전달되는 여타의 프로세스 가스의 질량 유량의 변화에 기인할 수도 있다. 이러한 개시의 맥락에서, 질량 유량의 변화는 다뤄질 변화와 같다. 본 명세서에서 다뤄지는 "가스 플로우 레이트" 또는 "플로우 레이트" 또는 "흐름"의 변화는 프로세스 가스의 질량 유량의 변화와 같다는 점에 대해 이해되어야만 한다. 증착 레이트는 질량 유량의 함수이기 때문에, 프로세스 가스의 질량 유량의 변화는 직접적으로 증착 레이트에 영향을 미친다.

질량 유량이 증착 레이트에 미치는 영향이 도 1b에 나타내는 그래프에 반영된다. 보다 구체적으로는, 도 1b의 그래프는, 4 개의 스테이션에서의 정규화된 증착 레이트에 대응하고, 또한, 스테이션들로의 가스 흐름을 제어하는 유체공학적 엘리먼트 (예컨대, 밸브) 의 흐름 계수 C_v 값의 다소간의 척도라는 점을 보여준다. 파라미터 C_v는 밸브와 같은 특정 유체공학적 엘리먼트에서 질량 유량을 압력 강하와 관련시킨다. 유체공학적 엘리먼트에 걸쳐서의 고정된 압력 강하에 대해, 보다 높은 C_v 값은 보다 높은 질량 유량에 대응한다. 물론, 가스 흐름을 수용하는 스테이션에서, 보다 높은 질량 유량은 보다 높은 증착 레이트에 대응한다.

실시형태들의 기법과 디자인은 흐름 분배 네트워크의 스테이션들로 명목상 균일한 프로세스 가스의 질량 유량을 제공할 수도 있다. 실시형태들에서, 명목상 균일한 질량 유량은 스테이션 간에서 (from station to station) 작은 비 (예를 들어, 1%, 2%, 0.5% 등) 보다 적게 변한다. 스테이션 전체에 걸친 명목상 균일한 질량 유량은 스테이션 전체에 걸친 명목상 균일한 증착 레이트에 대응한다. 실시형태들의 이러한 기법들 및 디자인들로부터 이득을 얻을 수 있는 어플리케이션은 유전체의 적층 층 (stacked layer) 을 채용한 VIM 의 제조이다. 스택들은, 예를 들어 옥사이드 및 나이트라이드의 교차 층 (alternating layer) 및/또는 옥사이드와 폴리실리콘의 교차 층을 포함할 수도 있다. 개별 층의 두께가 잘 제어되고 스테이션 간에 일관적이어야 하는, VIM 과 같은 어플리케이션에서 긴요하다. 물론, 본 명세서에서 개시된 기법들 및 장치는 VIM 어플리케이션에 한정되는 것은 아니다. 집적 회로 제조자, LED 제조자, 광발전 제조자 등과 관련된 많은 여타의 어플리케이션이 본 명세서에 개시된 기법들 및 장치로부터 이득을 얻을 수 있다.

도 2a는, 본 명세서에 개시된 특정 실시형태에 따른, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 구성을 도시한 개략적인 다이어그램이다. 도시된 구성에 있어서, 흐름 분배 네트워크 (10) 는 멀티-스테이션 증착 반응기이다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는, 스테이션 1 (20(a)), 스테이션 2 (20(b)), 스테이션 3 (20(c)) 및 스테이션 4 (20(d)) 를 포함하는 4 개의 스테이션들 (20) 로 프로세스 가스를 전달하는 흐름 분배 라인 (12) 의 네트워크를 포함한다. 이러한 도시에서, 스테이션 (20) 들은 반응 챔버 내의 증착 스테이션이다. 각각의 스테이션 (20) 들은, 프로세스 가스를 수용하여 스테이션 (20) 의 내부로 프로세스 가스를 공급하는 샤워헤드 (showerhead) 를 포함한다. 여타의 케이스들에서, 스테이션 (20) 들은 다른 컴포넌트를 포함할 수도 있다.

프로세스 가스는, 각각의 매니폴드 (manifold) 의 2 개의 유입부 (30(a) 및 30(b)) 중 1 이상을 통해 흐름 분배 네트워크 (10) 로 공급될 수 있다. 도시된 흐름 분배 네트워크 (10) 는, 흐름 분배 라인 (12) 내의 T 피팅 (fitting) [또한 본 명세서에서 T 자관 (Ts 또는 Tees) 으로 지칭됨] 에서 3 개의 분기점 (40(a), 42(a) 및 42(b)) 을 가진다. 매니폴드 1 및 2 의 유입부 (30(a) 및 30(b)) 로부터, 가스는 제1 분기점 (40(a)) 에서의 T 피팅과 만나는데, 이 T 피팅은 가스 흐름을 2 개의 부분으로 나누고, 어느 하나의 부분은 가스를 스테이션 2 (20(b)) 및 스테이션 3 (20(c)) 으로 공급하고, 다른 하나의 부분은 가스를 스테이션 1 (20(a)) 및 스테이션 4 (20(d)) 로 공급한다. 각각의 이들 라인들은, 제1 분기점 (40(a)) 으로부터 하류 측의 T 피팅에서 2 개의 이차적인 분기점 (42(a) 및 42(b)) 을 가지는데, 이 T 피팅은 가스 흐름을 스테이션 1 (20(a)), 스테이션 2 (20(b)), 스테이션 3 (20(c)) 및 스테이션 4 (20(d)) 로의 4 개의 개별적인 지류로 분할한다.

부가적으로, 도 2a의 흐름 분배 네트워크 (10) 의 다이어그램에서 도시된 바와 같이, 각각의 스테이션 (20) 은, 관련된 스테이션 (20) 에 직접 가스를 공급하는 2 개의 로컬 (local) 유입부 (50(a) 및 50(b)) 를 가진다. 도시된 실시예에서, 로컬 유입부 (50(a)) 는 매니폴드 3 유입부이고, 로컬 유입부 (50(b)) 는 TEOS 유입부이다. TEOS 는 실리콘 옥사이드 및 관련된 물질들을 형성하도록 종종 사용되는 전구체이다. 실제로, 이러한 로컬 유입부 (50(a) 및 50(b)) 는 연관된 스테이션 (20) 에 직접 임의의 수의 상이한 가스들을 공급하도록 채용될 수 있다.

개별 지류의 상이한 스테이션 (10) 에서의 질량 유량 및 관련된 증착 레이트의 변동성의 원인은 도시된 흐름 분배 네트워크 (10) 에서의 관심사이다. 본 명세서에 기술된 변동성의 주된 원인은, 주어진 환경의 세트 하에서, 동일한 디자인을 가지는 엘리먼트들 간에서 (from element to element) 질량 유량이 변하거나, 또는 단일 요소에서 이따금 (from time to time) 질량 유량이 변하는 유체적 요소 (예를 들어, 밸브, 제한 컴포넌트, 분배 라인 등) 의 디자인에 있다. 밸브 및 제한 컴포넌트의 케이스에 있어서, 동일한 디자인을 가지는 엘리먼트들 간의 비대칭은 제조 공차 및 여타의 제조 변동 (fabrication variation) 들에 근거한다. 변동의 원인이 하나의 지류와 다른 지류 간의 흐름 분배 라인의 비대칭에 있는 경우, 비대칭은 분배 라인 (12) 의 비대칭적 길이, 장애물 (예컨대, 분배 라인 상의 찌꺼기), 피팅 및/또는 굽은 곳 [예컨대, 엘보우 (elbow)] 과 연관될 수도 있다.

유체공학적 엘리먼트의 변동성은 종종 동일한 디자인을 가지는 유체공학적 엘리먼트들 간의 흐름 계수 C_v 값의 변동으로 나타내어진다. 상술한 바와 같이, 흐름 계수 C_v 는 유체공학적 엘리먼트 전체에 걸쳐 질량 유량을 압력 강하에 관련시킨다. 도시된 실시형태들에서, 지류 전체에 걸친 질량 유량의 변동성의 주된 원인은, 지류의 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 들 간의 흐름 계수 C_v 값의 변동에 기초하였다. 비록 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 가 예시된 실시예에서 밸브로 도시되었다 할지라도, 가변적인 흐름 엘리먼트들은 변동성의 여타의 원인일 수도 있고, 또는 여타의 실시형태들에서의 지류 전체에 걸친 변동성의 원인의 조합일 수도 있다.

흐름 분배 네트워크 (10) 의 변동성의 주된 원인일 수도 있는 밸브의 예시는 차단 밸브 (예를 들어, Veriflo ® ISO 9001 밸브) 이다. 기존의 차단 밸브의 피쳐 (feature) 의 변동성은 대략 +-10% 일 수 있다. 기존의 차단 밸브에 있어서의 변동성의 원인은, 다이어프램 (diaphragm) 의 변형과 더불어 밸브를 차단하는 기계적 액츄에이터 또는 밸브에서의 흐름 제어 메커니즘과 연관될 수도 있다.

실시형태들에서, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 의 흐름 계수 C_v는 적어도 대략, 예를 들어, 1%, 2%, 5%, 10% 등 만큼 지류 전체에 걸쳐 엘리먼트들 간에서 (from element to element) 평균적으로 변한다. 예를 들어, 각 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 의 흐름 계수 C_v 는 흐름 분배 네트워크 (10) 에서의 모든 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 로부터 계산되는 명목 (nominal) C_v 값으로부터 적어도 대략 2% 만큼 변할 수도 있다.

일부 케이스에서, 흐름 분배 네트워크 (10) 내의 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 의 계수 C_v 는, 지류 전체에 걸쳐 엘리먼트 간에서 (from element to element) 적어도 대략 최소 레이트 변동 (예를 들어, 2%, 5% 등) 만큼 변동함으로써, 최대 허용 변동 (예를 들어, 1%, 2% 등) 보다 큰, 스테이션에서의 질량 유량 또는 증착 레이트의 변동에 대응하게 된다. 예를 들어, 흐름 계수 C_v 값은, 네트워크가 아직 정밀한 제한기를 보유하지 않은 상태에서 1% 초과의 최대 허용 변동의 증착 레이트 변동을 만들기 위해, 적어도 2%의 최소 레이트 변동만큼 변동하기를 요구할 수도 있다. 증착 레이트는 최대 허용 변동 위이기 때문에, 매우 가변적인 유체공학적 엘리먼트의 하류 측에 덜 가변적인 유체공학적 엘리먼트를 위치시키는 것에 의한 흐름 밸런싱은, 최대 허용 변동보다 작게 증착 레이트 변동을 감소시키도록 사용될 수 있다.

도 2a로 돌아가서, 흐름 분배 네트워크 (10) 는 가변적인 흐름 엘리먼트 (60(a), 60(b), 60(c) 및 60(d)) 로부터 하류 측의 4 개의 제한 컴포넌트 (70) 를 포함한다. 제한 컴포넌트 (70) 들은, 최대 변동 (예를 들어, 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4% 등) 또는 모든 제한 컴포넌트 (70) 들의 명목 C_v 값들로부터 더 작게, 지류 내 컴포넌트들 간에서 (from component to component) 변동하는 흐름 계수 C_v 값을 가지도록, 명목상 동일하다. 명목상 동일한 제한 컴포넌트 (70) 들은, 흐름 계수 C_v 값의 최대 변동 이내의 값을 가지기 위해, 예를 들어 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4% 등 보다 작은 공차 내에서 제조될 수 있는 치수를 가진, 동일한 디자인 특징을 가진다.

프로세스 가스 흐름은 제한 컴포넌트 (70) 로부터 하류 측의 유출부 (80) 를 통해 스테이션으로 제공된다. 실시형태들에서, 제한 컴포넌트 (70) 는 프로세스 가스를 각각의 유출부 (80) 로 제공하여, 스테이션 (20) 을 명목상 균일한 질량 유량 및/또는 명목상 균일한 증착 레이트로 공급한다. 명목상 균일한 레이트는 모든 스테이션 (20) 에서의 명목 레이트로부터 최대 허용 변동 (예를 들어, 1%, 2% 등) 이내로 변동한다. 예를 들어, 지류에서의 제한 컴포넌트 (70) 는 유출부 (80) 간 대략 1% 보다 작게 변동하는 질량 유량으로 프로세스 가스를 제공할 수도 있다.

도 2b는, 흐름 분배 네트워크 (10) 가 도시된 것과 같은 제한 컴포넌트 (70) 를 포함할 때, 그리고 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하지 않을 때, 압력이 도 2a의 흐름 분배 네트워크 (10) 내에서 어떻게 변동하는지에 대해 도시한다. 양 네트워크 (10) 에 대해 계산된 압력 값은 도면에서 다양한 노드 (node) 에 보여진다. 괄호 내의 노드 압력은, 네트워크 (10) 가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하지 않는 경우의 압력이다. 괄호 외부의 노드 압력은, 네트워크 (10) 가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하는 경우의 압력이다. 네트워크 (10) 가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함할 경우의 네트워크 (10) 에 도시된 압력은, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 로부터 제한 컴포넌트 (70) 로 시프트된 부하 (압력 강하) 를 보여준다. 중요하게는, 제한 컴포넌트 (70) (제한기) 를 가진, 도시된 디자인에서, 네트워크 (10) 에서의 총 압력 강하 ΔP_system 에 대한 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 의 압력 강하의 기여 (contribution) 는 56% 에서 9% 로 감소되었다. 압력 강하 ΔP_system 은 도 2c에 표시된 그래프를 참조로 하여 더 설명된다.

실시형태들에서, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 는, 평균적으로, 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하는 흐름 분배 네트워크 (10) 내의 총 압력 강하 ΔP_system 에 대해 최대한으로 잡아 대략 최대 밸브 기여 (예를 들어, 5%, 10%, 15%, 20% 등) 를 기여한다. 예를 들어, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 는, 평균적으로 지류 전체에 걸쳐 최대한으로 잡아 네트워크 (10) 내에서의 총 압력 강하 ΔP_system 의 대략 20% 기여할 수도 있다. 다른 실시예로서, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 는, 평균적으로 지류 전체에 걸쳐 최대한으로 잡아 네트워크 (10) 내에서의 총 압력 강하 ΔP_system 의 대략 10% 기여할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 평균적으로 지류 전체에 걸쳐 최대한으로 잡아 네트워크 (10) 내에서의 총 압력 강하 ΔP_system 의 대략 5% 기여할 수도 있다.

실시형태들에서, 제한 컴포넌트 (70) 는, 평균적으로 총 압력 강하 ΔP_system 에 적어도 대략 예를 들어 3%, 5%, 10%, 25%, 50%, 60% 또는 70% 의 최소 기여를 기여한다. 일 실시형태에서, 제한 컴포넌트 (70) 는, 평균적으로, 적어도 대략 3% 기여한다. 다른 실시형태에서, 제한 컴포넌트 (70) 는, 평균적으로, 적어도 대략 50% 기여한다. 또 다른 실시형태에서, 제한 컴포넌트 (70) 는, 평균적으로, 10% 내지 80% 기여한다.

도 2b에 나타내어지는 압력 값은 Mathcad ® 모델을 사용하여 계산되었다. Mathcad ® 모델은 4개의 스테이션 (20) 에서 제1 분기점 (40(a)) 에서 유출부 (80) (예를 들어, 샤워헤드 매니폴드) 로의 흐름 분배 네크워크 (10) 의 일부분을 포함하였다. 사용된 가스는 N₂O 12 slm, N₂ 5 slm 및 He 4 slm 의 혼합물이었다. 모델에 사용된 ρ, μ, Cp 및 k 는 혼합물의 특성에 기초하였다. 달시-바이스바흐 (Darcy-Weisbach) 방정식이 튜브에 사용되었고, 콜브룩 (Colebrook) 방정식이 마찰 계수에 사용되었다. 등가길이법 (equivalent length method) 가 흐름 분배 라인 (12) 에서의 피팅들 [예를 들어, 엘보우들, T 자관들 (tees)] 에 사용되었다. Swagelok ® MS-06-84 밸브가, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 인 모델로 사용되었다. 모든 방법들은 완전 발달 흐름 (fully developed flow) 을 가정한다. C_v 는 측정값으로부터 계산되었다 (.301-.314). 그동안 유출부 압력 P_outlet 은 6 torr 였고, 온도는 25 ℃ 였다.

도 2c는, 유입부로부터의 거리의 함수로서, 도 2a 및 도 2b 의 흐름 분배 네트워크 (10) 의 다양한 노드에서 계산된 압력의 그래프이다. 도 2c의 그래프는, 도시된 것과 같이 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하는 흐름 분배 네트워크 (10) 내에서 어떻게 압력이 변하는지에 대해 나타내는 제1 곡선을 포함한다. 그래프는 또한 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하지 않는 경우 흐름 분배 네트워크 (10) 내에서 어떻게 압력이 변하는지에 대해 나타내는 제2 곡선을 포함한다. 제1 분기점으로부터 가장 멀리 떨어진 거리에서의 유출부 압력은 양 케이스 모두에서 6 Torr 이다. 실시형태들에서, 유출부 압력 P_outlet 은 프로세스를 위한 흐름을 크게 초과하는, 유출부 매니폴드에서의 펌핑 속도를 가짐으로써, 낮은 압력으로 유지될 수도 있다.

제한 컴포넌트 (70) 를 포함하지 않는 흐름 분배 네트워크 (10) 에서, 유입부 압력은 97.5 Torr 이다. 특히 흥미롭게도, 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하지 않는 흐름 분배 네트워크 (10) 의 4개의 지류 각각에서의 밸브를 지나면서 압력이 ~70 Torr 부터 ~18.7 Torr 로 떨어진다. 유입부 압력, 압력 강하 및 유출부 압력은 지류 [다리 (leg)] 의 각각에서 약간 변동한다. 전술한 바와 같이, 밸브는 서술된 흐름 분배 네트워크 (10) 의 플로우 레이트 변동성의 주된 원인이다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이, 제한 컴포넌트 (70) 가 없는 흐름 분배 네트워크 (10) 에서의 총 압력 강하의 대략 56% 가 이 밸브들을 통한 흐름에서 발생한다. 결과적으로, 이 밸브들의 변동성은, 각 스테이션 (20) 으로 전달되는 가스의 질량 유량의 변동성으로 해석된다. 그리고, 물론 질량 유량의 변동성은 증착 레이트의 변동성에 대응한다.

제한 컴포넌트 (70) 를 포함하는 흐름 분배 네트워크 (10) 에서, 유입부의 압력은 128.7 Torr 이다. 이 케이스에서, 밸브를 지나면서 ~108 Torr 로부터 ~97 Torr 로 압력이 떨어지고, 제한 컴포넌트 (70) 로부터 하류 측의 유출부에서 ~97 Torr 로부터 6 Torr 로 압력이 떨어진다. 이 케이스에서, 압력 강하는 제한 컴포넌트 (70) 로 시프트되었다. 중요하게는, 제한 컴포넌트 (70) 를 가진 디자인에서, 흐름 분배 네트워크 (10) 에서의 총 압력 강하에 대한 밸브의 기여는 56% 에서 9% 로 감소되었다. 또한, 유입부 압력은, 흐름 분배 네트워크가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하지 않는 경우의 97.5 Torr 로부터 흐름 분배 네트워크가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하는 경우의 128.7 Torr 로 증가한다. 제한 컴포넌트 (70) 로 압력 강하를 시프트시키는 것은 총 시스템 압력 강하를 증가시킨다. 어떤 구현들에서, 시스템 압력 강하를 증가시키는 경우 과도 압력을 방지하기 위해 가스 차단의 단계를 취할 수도 있다.

도 2c의 그래프는 또한, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) (여기서는 밸브) 가 총 압력 강하 ΔP_system 의 제1 부분 (ΔP_V) 에 기여하고, 제한 컴포넌트 (70) 가 총 압력 강하 ΔP_system 의 제2 부분 (ΔP_R) 에 기여하는 것을 나타낸다. 또한, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 다른 컴포넌트로부터도 역시 상대적으로 작은 기여가 있다. 흐름 분배 네트워크 (10) 가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하고 있는 경우, 압력 강하는 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 로부터 제한 컴포넌트 (70) 로 시프트된다. 이 케이스에서, 네트워크 (10) 내의 총 압력 강하에 대한 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 로부터의 압력 강하의 기여는 56% 에서 9%로 떨어진다. 실시형태들에서, 평균적으로 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 에 의해 기여되는 제1 부분에 대한, 평균적으로 제한 컴포넌트 (70) 에 의해 기여되는 제2 부분의 비는, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1 등과 같은, 적어도 최소값이다. 일부 이행들에서, 제한 컴포넌트 (70) 는 최대값 (예를 들어, 150 torr, 200 torr, 300 torr, 400 torr, 500 torr, 600 torr 등) 아래에서 유입부 압력을 유지하도록 디자인될 수 있다.

도 2d는, 실시형태들에 따른, 4 개의 스테이션을 가진 흐름 분배 네트워크 (10) 의 컴포넌트의 선도이다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 4 개의 스테이션 (미도시) 으로 프로세스 가스를 공급하는 분배 라인 (12) 의 네트워크를 포함한다. 프로세스 가스는 유입부 (미도시) 로부터 흐름 분배 네트워크 (10) 로 제공된다. 도시된 흐름 분배 네트워크 (10) 는, 흐름 분배 라인 (12) 내의 T 피팅에서 3 개의 분기점 (40(a), 42(a) 및 42(b)) 을 가진다. 유입부로부터, 가스는 제1 분기점 (40(a)) 에 있는 제1 T 피팅을 만나게 되고, 이것은 가스 흐름을 두 부분으로 분할하는데, 어느 하나의 부분은 가스를 2 개의 스테이션으로 제공하고, 다른 하나의 부분은 가스를 2 개의 다른 스테이션으로 제공한다. 각각의 이들 라인들은 제1 분기점 (40(a)) 으로부터 하류 측의 T 피팅에서 2 개의 이차적인 분기점 (42(a) 및 42(b)) 를 가진다. 이에 따라, 가스 흐름은 대응하는 스테이션으로의 4 개의 개별 지류로 분할된다.

도 2d에 도시된 흐름 분배 네트워크 (10) 는 또한 밸브로서 본 명세서에 도시된, 4 개의 가변적인 흐름 엘리먼트 (60(a), 60(b), 60(c) 및 60(d)) 를 포함한다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 또한 가변적인 흐름 엘리먼트 (60(a), 60(b), 60(c) 및 60(d)) 로부터 하류 측의 4 개의 제한 컴포넌트 (70) 를 포함한다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 또한 4 개의 스테이션에 대한 4 개의 유출부 (80) 를 포함한다. 4 개의 제한 컴포넌트 (70) 는 유출부 (80) 에 위치되거나 또는 그 근처에 위치된다. 제한 컴포넌트 (70) 들은 명목상 동일하고, 더 가변적인 흐름 엘리먼트로부터 덜 가변적인 제한 컴포넌트로 압력 강하의 대부분을 시프트시키도록 디자인된다.

도 2e는 실시형태들에 따른, 2 개의 스테이션을 가진 흐름 분배 네트워크 (10) 의 컴포넌트의 선도이다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 2 개의 스테이션 (미도시) 으로 프로세스 가스를 전달하는 흐름 분배 라인 (12) 의 네트워크를 포함한다. 프로세스 가스는 유입부 (미도시) 로부터 흐름 분배 네트워크 (10) 로 제공된다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 T 자관 피팅에서 단일 분기점 (40(a)) 을 가진다. 유입부 (30) 로부터, 가스는 분기점 (40(a)) 에 있는 제1 T 자관을 만나게 되고, 이것은 가스 흐름을 2 개의 지류를 통하는 2 개의 부분들로 분할한다. 어느 하나의 지류는 가스를 어느 하나의 스테이션으로 제공하고, 다른 하나의 지류는 가스를 다른 하나의 스테이션으로 제공한다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 또한, 밸브로 본 명세서에서 도시되는, 2 개의 가변적인 흐름 엘리먼트 (60(a) 및 60(b)) 를 포함한다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 또한 가변적인 흐름 엘리먼트 (60(a) 및 60(b)) 로부터 하류 측의 2 개의 제한 컴포넌트 (70) 를 포함한다. 흐름 분배 네트워크 (10) 는 또한 2 개의 스테이션으로의 2 개의 유출부 (80) 를 포함한다. 2 개의 제한 컴포넌트 (70) 는 유출부 (80) 에 위치되거나 또는 그 근처에 위치된다. 제한 컴포넌트 (70) 는 명목상 동일하고, 더 가변적인 흐름 요소로부터 덜 가변적인 제한 컴포넌트로 압력 강하의 대부분을 시프트시키도록 디자인된다.

본 명세서에 개시된 독창적인 특징들은 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d에 도시된 것과 같은 흐름 분배 네트워크 (10) 로 한정되지 않는다는 점을 이해하여야만 한다. 예를 들어, 어떤 실시형태는 개별 스테이션에서 분리된 로컬 스테이션 유입부를 이용하지 않는다. 부가적으로, 어떤 흐름 분배 네트워크는 단지 단일 매니폴드 유입부를 채용한다. 더 나아가, 2 개의 스테이션 및 4 개의 스테이션이 예시된 네트워크로 도시되었으나, 개시된 실시형태들은 2 개 또는 4 개의 스테이션으로 한정되지 않는다. 사실상, 압축성 유체를 2 개 이상의 스테이션으로 전달하기 위한 임의의 네트워크가 채용될 수도 있다. 대응하게, 2 개의 지류 및 4 개의 지류를 포함하는 분배 라인의 네트워크가 예시된 네트워크로 도시되었으나, 개시된 실시형태들은 임의의 개수의 지류라도 가질 수도 있다. 또한, 비록 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 가 예시된 실시예에서 밸브로서 도시되었으나, 변동성의 어떠한 원인 또는 변동성의 원인의 조합이 포함될 수 있다. 다른 실시예로서, 어떤 실시형태들은 네트워크 (10) 의 다양한 컴포넌트들에서의 압력을 제어하기 위한 1 이상의 컨트롤러를 포함하여, 특정 컴포넌트에서의 압력을 조절하는 것 및/또는 네트워크 (10) 의 전반에 걸친 압력 강하를 조절하는 것을 행할 수도 있다.

도 3a 및 도 3b는, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 것과 같은 흐름 분배 네트워크 (10) 의 유체공학적 엘리먼트에 있어서의 디자인을 변경한 개략도이다. 변경은, 밸브와 반응기 내의 스테이션 (20) 으로의 유출부 (80) 사이에 제한 컴포넌트 (70) 를 도입한다. 도 3a는 유체공학적 엘리먼트의 변경되지 않은 (베이스라인) 디자인을 도시한다. 도 3b는, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 지류의 주된 흐름 경로에 제한 컴포넌트 (70) 를 가지는 유체공학적 엘리먼트의 수정 버젼을 도시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 2 개의 엘리먼트 간의 유일한 차이점은, 도 3a는 샤워헤드 (반응기 스테이션으로의 분배 네트워크의 흐름 유출부) 로 공급하는 하부 도관에 제한 컴포넌트 (70) 를 포함한다는 점이다. 도 3a 및 도 3b에서 나타내어지는 유체공학적 엘리먼트로 공급하는 상부 도관은 도 2a 및 도 2b에서의 매니폴드 3 을 위한 로컬 유입부 (50(a)) 와 연관된다. 제한 컴포넌트 (70) 는 지류의 밸브로부터 하류에 위치되는 유입부에 수축부 (constriction) 로서 도시된다. 압축부는 대략 0.09 인치의 내경 (ID; inner diameter) 을 갖는 것으로 제공된다. 변경되지 않은 하부 도관의 ID 는 대략 0.180 인치이다. 다른 실시형태들에서, 다른 ID가 사용될 수 있다.

제한 컴포넌트 (70) 는, 단지 도 3a 및 도 3b에서 나타내어지는 것과 같이 분리된 로컬 매니폴드 유입부를 가진 U-형 또는 V-형 디자인을 가지는 것들 뿐만 아니라, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 많은 상이한 타입으로 사용될 수 있다. 또한, 제한 컴포넌트 (70) 를 위한 다른 디자인이 사용될 수 있다는 점을 이해하여야만 한다.

디자인적인 관점에서, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 의 압력비를 감소시키고, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 를 언쵸크 (un-choke) 하기 위해, 밸브 또는 다른 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 로부터 하류에 제한 컴포넌트 (70) 가 부가되는 점이 주목될 수도 있다. 나아가, 일관적인 컴포넌트 (예를 들어, 제한 컴포넌트 (70)) 는 흐름 분배 네트워크 (10) 의 각 지류에서 가장 제한적인 유체공학적 엘리먼트여야만 한다. 다시 말하면, 어떠한 지류에서의 가장 큰 압력 강하는 주로 일관적인 컴포넌트에서 일어난다. 부가적으로, 다리 (지류) 에서의 흐름을 밸런싱하고, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 에서 압력 부하를 시프트시키기 위한, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 수정은, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 총 압력 강하 ΔP_system 에 있어서의 커다란 증가 및 네트워크 (10) 의 유입부 압력 P_inlet 에 있어서의 가능한한 커다란 증가를 초래하지 않는 방식으로 행하여져야 한다.

흐름을 밸런싱하기 위한 제한 컴포넌트의 디자인

위에서 언급한 바와 같이, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 지류 전체에 걸친 질량 유량 또는 증착 레이트의 변동성이, 예컨대 대략 1%, 2% 등 미만으로 매우 작은 흐름 분배 네트워크 (10) 를 가지는 것이 바람직하다. 부가적으로, 흐름 분배 네트워크 (10) 에서 유입부 압력 P_inlet 을 과도하게 증가시키지 않고 이 목적을 만족시키는 것이 바람직하다.

도 4a는, 실시형태들에 따른, 유입부 압력 P_inlet 을 과도하게 증가시키지 않고 흐름을 밸런싱하는 제한 컴포넌트 디자인을 선택함으로써, 흐름 분배 네트워크 (10) 의 지류 전체에 걸쳐, 변동성의 저레벨 이내에서, 흐름을 밸런싱하는 기법을 도시하는 그래프이다. 이 방법은, 도 2a 및 도 2b의 4 개의 스테이션을 가지는 흐름 분배 네트워크 (10) 의 제한 컴포넌트 (70) 의 내경을 변화시킨다. 결과는, 앞서 기술하였듯이, Mathcad ® 모델에 기초한다.

도 4a의 그래프는 2 개의 곡선을 가진다. 제1 곡선은 제한 컴포넌트 (70) 의 내경이 0.04 인치에서 0.18 인치로 변함에 따른, 4 개의 스테이션 간의 질량 유량의 변동을 보여준다. 제2 곡선은 제한 컴포넌트 (70) 의 내경이 0.04 인치에서 0.18 인치로 변함에 따른, 네트워크의 유입부 압력을 보여준다. 내경은, 최대 허용 변동 (이 케이스에서는 1%) 미만인 질량 유량의 변동을 가지고, 상대적으로 낮은 유입부 압력을 유지하도록 선택된다. 그래프에 나타내어지는 바와 같이, 0.090 인치의 내경을 가진 제한 컴포넌트 (70) 는 각 지류를 통해 제공되는 질량 유량의 변동에서 적절히 작은 변동을 제공하고, 또한 동시에 흐름 분배 네트워크 (10) 에서의 상대적으로 낮은 유입부 압력을 유지한다.

도 4b는 0.0895로부터 0.0905 인치까지 제한 컴포넌트 (70) 의 내경의 상이한 값들에 대한 4 개의 스테이션에서의 질량 유량의 변동을 보여주는 제1 곡선의 일부분을 포함하는, 도 4a 의 그래프의 일부분의 보다 상세한 도면의 그래프이다. 그래프는 질량 유량의 변동에서 0.09 인치 근방의 제한 컴포넌트 (70) 의 내경의 작은 변동의 효과를 보여준다. 0.09 인치 내경 근처의, +-0.0002 인치의 실현 가능한 공차는, +-0.0002 인치의 실현 가능한 공차 내로 가공된 다른 제한 컴포넌트 (70) 의 질량 유량의 변동성을 보여준다. 더 작은 실현 가능한 공차 (예컨대, +-0.0001 인치) 는, 예를 들어 레이져 컷 컴포넌트 (laser cut component) 에 가능하다.

도 4c는, 도 2a 및 도 2b의 흐름 분배 네트워크 (10) 의 Mathcad ® 모델로부터 계산된 다양한 부피 유량 (volumetric flow rate) 에 대한 유입부 압력 P_inlet 의 변동을 보여주는 그래프이다. 그래프는, 분배 네트워크 (10) 가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하지 않는 경우 분배 네트워크 (10) 내에서 어떻게 유입부 압력이 변하는지 보여주는 제1 곡선을 포함한다. 이 케이스에서, 공급하는 샤워헤드 사이 (between feeding the showerhead) 의 하부 도관의 내경은 도 3a에 도시된 것과 같이 0.18 인치의 베이스라인 값이다. 그래프는 또한, 분배 네트워크 (10) 가 제한 컴포넌트 (70) 를 포함하는 경우 분배 네트워크 (10) 내에서 상이한 부피 유량에 대해 유입부 압력 P_inlet 이 어떻게 변하는지 보여주는 제2 곡선을 포함한다. 이 케이스에서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 내경은 0.09 인치이다. 비교는 흐름 분배 네트워크에서의 부피 유량의 범위로 제공되고, 여기서 slm 은 분당 기준 리터 (standard liter per minute) 이다. 모델링된 분배 네트워크에 나타나듯이, 제한 컴포넌트 (70) 의 도입은 유입부 압력 P_inlet 을 대략 10 내지 50 torr 만큼 증가시킨다. 이 증가는 견딜 수 있는 범위 이내가 좋다.

쵸크 흐름 (Choked Flow)

압축성 유체에 있어서의 쵸크 흐름은, 수학식 2a에 따르면 하류 압력 P_out 에 대한 상류 압력 P_in 의 비가 임계 압력 비 P^* (수학식 1에 정의) 와 같거나 큰 경우 유체공학적 엘리먼트 (예컨대, 밸브, 제한 컴포넌트 등) 에 일어난다. 언쵸크 흐름 (unchoked flow) 은, 비 P_in/P_out 이 수학식 3a에 기초된 임계 압력 비 P^* 보다 작은 경우 일어난다. 쵸크 흐름과 언쵸크 흐름에 대한 유량 Q 는 각각 수학식 2b 와 수학식 3b 에 나타내어진다. 보여지는 바와 같이, 계수 C_v 는 유체공학적 엘리먼트에서의 압력에 대해 유량 Q 를 관련시킨다.

.....(수학식 1)

여기서, P^* = 임계 압력 비, k = c_p/c_v = 유체에 대한 비열의 비

유체공학적 엘리먼트를 통과하는, 압축성 유체에서의 쵸크 흐름에 대해 [쵸크 체제 (choked regime)]:

......(수학식 2a)

.......(수학식 2b)

유체공학적 엘리먼트를 통과하는, 압축성 유체에서의 언쵸크 흐름에 대해 [언쵸크 체제 (unchoked regime)]:

.......(수학식 3a)

......(수학식 3b)

여기서, C_v = 유체공학적 엘리먼트의 흐름 계수, Q = 플로우 레이트, N = 유닛에 기초한 상수, P_in = 유체공학적 엘리먼트 상류 압력, P_out = 유체공학적 엘리먼트 하류 압력, ΔP = 유체공학적 엘리먼트를 통과한 총 압력 강하 (P_in - P_out), S_g = 유체의 비중, T_in = 유체공학적 엘리먼트 유입부 온도

밸브와 같은 유체공학적 엘리먼트에서의 흐름은, 임계 압력 비 P^* 의 값보다 크게 하기 위해 하류 압력 P_out 에 대한 상류 압력 P_in 의 비를 증가시킬 양만큼 그것의 하류 압력 P_out 이 그것의 상류 압력 P_in 아래로 강하할 때 쵸크될 수 있고, 이것은 유체 특성에 의존한다. 쵸크된 경우, 유체공학적 엘리먼트의 상류 압력 P_in 과 플로우 레이트 Q 는, 수학식 2b에 따라 유출부 압력 P_out 에 독립적이 된다.

유체공학적 엘리먼트를 언쵸크시키기 위해, 하류 압력 P_out 은 상류 가스의 속도를 감소시키도록 증가될 수 있고, 이것은 상류 가스의 밀도를 증가시키고, 또한 하류 압력 P_out 에 대한 상류 압력 P_in 의 비를 임계 압력 비 P^* 아래로 감소시킨다. 유체공학적 엘리먼트를 언쵸킹하기 위한 한 가지 기법은, 임계 압력 비 P^* 미만으로 비 P_in/P_out 을 감소시키기 위해, 유체공학적 엘리먼트의 하류에 제한부 (restriction) 를 위치시킴으로써, 압력 부하를 상기 제한부로 시프트시키는 것이다.

도 5a는, 밸브와 같은 유체공학적 엘리먼트에서의 상류 압력 P_in 에서의 증가와 함께 부피 유량 (slm) 이 어떻게 변하는지 보여주는 그래프이다. 하류 압력 P_out 은 300 torr 에서 일정하게 유지되고, 흐름 계수 C_v 는 0.55 이다. 이 그래프는 상류 압력 P_in 및 부피 유량에 관하여 유체공학적 엘리먼트의 쵸크된 체제 및 언쵸크된 체제를 보여준다. 도시된 바와 같이, 유입부 압력 P_in 이, 하류 압력에 대한 상류 압력의 비를 임계 압력 비 P^* 보다 위로 증가시키는 양만큼, 하류 압력 P_out 이상이 되면서, 유체공학적 엘리먼트에서의 흐름은 쵸크된다.

도 5b는, 유체공학적 엘리먼트에서의 하류 압력 P_out (예컨대, 밸브 유출부 압력) 을 증가시킴으로써, 유체공학적 엘리먼트를 통한 속도가 감소될 수 있고, 그에 따라 유체공학적 엘리먼트를 통한 압력 강하를 감소시키는 것을 보여주는 그래프이다. 하류 압력 P_out 은, 밸브 유출부로부터 하류 측의 제한 컴포넌트 (70) 를 도입함으로써 증가된다.

도 5c는, 실시형태들에 따른, 제한 컴포넌트 (70) 를 도입함으로써, 4 개의 스테이션 (20) 을 가지는 흐름 분배 네트워크 (10) (예를 들어, 도 2a 및 도 2b에서 도시된 네트워크) 에서의 흐름 밸런싱을 도시한 그래프이다. 그래프는, 제한 컴포넌트 (70) 의 내경에 기초한 다양한 제한에 대해 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 전체에 걸친 비 P_out/P_in 이 어떻게 변화하는지를 보여주는 제1 곡선을 가진다. 그래프는, 제한 컴포넌트 (70) 의 내경에 기초한 다양한 제한에 대해 스테이션 전체에 걸친 플로우 레이트의 변동이 어떻게 변화하는지 보여주는 제2 곡선을 가진다. 쵸크된 그리고 언쵸크된 체제는 P_out/P_in 비에 관하여 나타내어진다. 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 는, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 의 하류측 내경이 대략 0.130 인치 보다 클 경우 쵸크된 영역에 있다. 이 영역에서, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 의 P_out 은 P_in 의 50% 보다 작다.

언쵸크된 영역에서, 제한 컴포넌트 (70) 의 내경을 증가시키는 것은 4 개의 스테이션에 대한 유량의 변동을 개선시킬 수 있다. 쵸크된 영역에서, 내경이 0.130 인치보다 큰 경우, 제2 곡선은 상대적으로 편평하고 플로우 레이트의 변화량은 제한 컴포넌트 (70) 의 내경의 변화에 덜 관계된다. 즉, 내경의 변화에 대한 플로우 레이트의 변동의 변화는, 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 가 쵸크된 체제에 있는 경우보다 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 가 언쵸크된 체제에 있는 경우에 상대적으로 더 크다. 게다가, 밸브보다 낮은 변동성을 나타내는, 압력 부하를 제한 컴포넌트 (70) 로 시프트시키는 것에 의해, 플로우 레이트 분배 네트워크의 각각의 지류에서의 플로우 레이트의 전체적인 일관성 또는 정확성이 증가한다.

본 명세서에 기술된 흐름 분배 네트워크 (10) 는 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 또는 여타의 유체공학적 엘리먼트를 통하는 흐름을 언쵸크할 수 있다. 이러한 흐름 분배 네트워크 (10) 는 쵸킹된 엘리먼트로부터 제한 컴포넌트 (70) 로 압력 강하를 시프트시키기 위해, 각각의 쵸킹된 엘리먼트로부터 하류 측에 제한 컴포넌트 (70) 를 위치시킴으로써, 흐름을 언쵸크한다. 압력 강하는, 쵸킹된 엘리먼트에서의 하류 압력 P_out 에 대한 상류 압력 P_in 의 비를 수학식 1에서 정의된 임계 압력 비 P^* 보다 작도록 감소시킬 정도의 양만큼 시프트된다. 예를 들어, 제한 컴포넌트 (70) 는, 평균적으로, 제한 컴포넌트로부터 상류 측의 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 를 언쵸크하기 위해 필요한 최소 압력 강하 이상인 압력 강하를 야기하기 위해 디자인될 수도 있다. 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 를 언쵸크하기 위해 필요한 최소 압력 강하는 수학식 1로부터 결정될 수 있다. 흐름 분배 네트워크 (10) 에서 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 를 언쵸크하는 것은, 지류들 간의 (from branch to branch) 플로우 레이트의 전체적인 변동을 감소시켜, 흐름 밸런싱을 개선시킨다. 부하 시프팅의 결과로서, 제한 컴포넌트 (70) 는 쵸킹될 수 있다. 제한 컴포넌트 (70) 는 상대적 상수값인 C_v 를 가지기 때문에, 이러한 컴포넌트를 쵸킹하는 것은 사전에 쵸킹된 가변적인 흐름 엘리먼트 (60) 에 의해 야기되는 플로우 레이트의 변동과 비교하여 상대적으로 작은 플로우 레이트의 변동을 야기하므로, 흐름 밸런싱이 전체적으로 개선된다.

도 6은 실시형태들의 흐름 분배 네트워크 (10) 에서의 흐름 밸런싱을 위한 전기 회로 아날로지 (analogy) 의 다이어그램이다. 아날로지에서, 저항은 유체공학적 엘리먼트를 나타내는데, 여기서 저항에 걸친 전압은 유체공학적 엘리먼트에 걸친 압력 강하와 대응하고, 저항을 통과하는 전류는 유체공학적 엘리먼트를 통과하는 질량 흐름과 대응한다. 직렬 회로에서의 저항은 R_total = R₁ 및 R₂ 이다. 만약 회로에서의 두 다리가 일관되지 않은 컴포넌트에 의해 불균형된다면, 보다 높은 저항값 및 일관성의 밸러스트 (ballast) 를 부가함으로써 밸런싱을 개선한다. 도시된 바와 같이, 전기 회로의 각 다리 상에 큰 저항의 부가는 회로의 개별 다리에서의 총 저항값의 비에서 "에러 (error)" 를 감소시킨다. 아날로지에 의해, 큰 압력 강하 (예를 들어, 유체 흐름에 대한 큰 저항) 를 제공하는 유체공학적 엘리먼트의 도입은, 유체공학적 네트워크의 지류를 통하는 플로우 레이트의 비에서 "에러" 를 유사하게 감소시킨다. 따라서, 이러한 제한적인 유체공학적 엘리먼트의 도입은 네트워크의 전체적 밸런싱을 개선한다.

흐름 분배 네트워크의 제어

본 명세서에 개시된 것과 같은 흐름 분배 네트워크 (10) 는 많은 상이한 종류의 프로세싱 툴에 채용될 수도 있다. 예를 들어, 이전에 참조로서 포함된, 미국 특허 출원 제12/970,846호에서 기술된 멀티-스테이션 반응기에는, 본 명세서에 기술된 것과 같은 흐름 분배 네트워크 (10) 가 갖춰질 수도 있다.

일부 실시형태들에서, (1 이상의 물리적, 논리적인 컨트롤러를 포함할 수도 있는) 시스템 컨트롤러가 프로세싱 툴의 일부 또는 전부의 동작을 제어한다. 예를 들어, 시스템 컨트롤러는 실시형태들의 흐름 분배 네트워크 (10) 의 유입부 또는 유입부들에서의 압력을 제어할 수 있다. 시스템 컨트롤러는 프로세서 상에서 실행되는 시스템 컨트롤 소프트웨어를 실행한다. 시스템 컨트롤 소프트웨어는 타이밍, 가스의 혼합, 유입부 압력, 챔버 및/또는 스테이션 압력, 챔버 및/또는 스테이션 온도, 웨이퍼 온도, 목표 전력 레벨, RF 전력 레벨, 기판 페데스탈 (pedestal), 척 및/또는 서셉터 (susceptor) 위치, 및 프로세스 툴에 의해 수행되는 특정 프로세스의 여타의 파라미터를 제어하기 위한 명령 (instruction) 을 포함할 수도 있다. 시스템 컨트롤 소프트웨어는 어떠한 적합한 방식으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 프로세스 툴 컴포넌트 서브루틴 (subroutine) 또는 컨트롤 객체가, 다양한 프로세스 툴 프로세스를 수행하는데 필요한, 프로세스 툴 컴포넌트의 동작을 제어하도록 작성될 수도 있다. 시스템 컨트롤 소프트웨어는 어떠한 적합한 컴퓨터 판독가능 프로그램 언어로 코딩되어도 된다.

실시형태들에서, 시스템 컨트롤러는 유입부(들) 압력, 1 이상의 유출부에서의 압력 및/또는 흐름 분배 네트워크 (10) 전체에 걸친 평균한 시스템 압력 강하를 제어할 수도 있다. 시스템 컨트롤러는, 유입부(들), 유출부들, 스테이션들 등과 같은 흐름 분배 네트워크 (10) 의 1 이상의 컴포넌트와 연통할 수도 있다. 시스템 컨트롤러는, 압력을 제어하도록 1 이상의 컴포넌트에 신호를 보낼 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 시스템 컨트롤 소프트웨어는 상술한 다양한 파라미터를 제어하기 위한 입력/출력 제어 (IOC) 시퀀싱 (sequencing) 명령을 포함한다. 예를 들어, CFD 프로세스의 각 단계는 시스템 컨트롤러에 의한 수행을 위한 1 이상의 명령을 포함할 수도 있다. CFD 프로세스 단계를 위한 프로세스 상태를 설정하기 위한 명령이 대응하는 CFD 레시피 (recipe) 단계에 포함될 수도 있다. 일부 실시형태에서, CFD 레시피 단계는 연속적으로 배열될 수도 있고, 이에 따라 CFD 프로세스 단계를 위한 모든 명령들은 그 프로세스 단계와 함께 동시에 실행된다.

여타의 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 프로그램은 일부 실시형태들에 채용될 수도 있다. 프로그램 또는 이러한 목적을 위한 프로그램의 부분의 예시는 기판 포지셔닝 프로그램, 프로세스 가스 제어 프로그램, 압력 제어 프로그램, 히터 제어 프로그램 및 플라즈마 제어 프로그램을 포함한다.

기판 포지셔닝 프로그램은, 기판을 페데스탈로 로딩하고 기판과 프로세스 툴의 여타의 부품 사이의 간격을 제어하는데 사용되는 프로세스 툴 컴포넌트를 위한 프로그램 코드를 포함할 수도 있다.

프로세스 가스 제어 프로그램은, 프로세스 스테이션 내의 압력을 안정화시키기 위해, 가스 조성과 플로우 레이트를 제어하고 선택적으로 증착 전에 1 이상의 프로세스 스테이션으로 가스를 흐름시키기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 압력 컨트롤 프로그램은, 예를 들어 프로세스 스테이션의 배기 시스템에서의 스로틀 밸브 (throttle valve), 프로세스 스테이션으로의 가스 흐름 등을 조절함으로써, 프로세스 스테이션 (20) 에서의 압력을 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 압력 컨트롤 프로그램은, 1) 유입부(들) (30) 에서의 압력을 제어하기 위한 코드, 2) 유출부 (80) 에서의 압력을 제어하기 위한 코드, 3) 스테이션 (20) 에서의 압력을 제어하기 위한 코드, 및/또는 4) 흐름 분배 네트워크 (10) 의 지류에 걸친, 평균한 총 시스템 압력 강하를 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다.

히터 컨트롤 프로그램은 기판을 가열하는데 사용되는 히팅 유닛에 대한 전류를 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 히터 컨트롤 프로그램은 기판으로의 열 교환 가스 (예컨대, 헬륨) 의 전달을 제어할 수도 있다.

플라즈마 컨트롤 프로그램은 1 이상의 프로세스 스테이션의 프로세스 전극에 인가되는 RF 전력 레벨을 설정하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 시스템 컨트롤러와 연관된 유저 인터페이스가 있을 수 있다. 유저 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치 및/또는 프로세스 상태의 그래픽적인 소프트웨어 디스플레이 및 포인팅 디바이스, 키보드, 터치 스크린, 마이크로폰 등과 같은 사용자 입력 디바이스를 포함할 수도 있다.

일부 실시형태에서, 시스템 컨트롤러에 의해 조정되는 파라미터는 프로세스 상태와 관련될 수도 있다. 비제한적인 실시예는 프로세스 가스 조성 및 플로우 레이트, 온도, 압력, (RF 바이어스 전력 레벨과 같은) 플라즈마 상태, 압력, 온도 등을 포함한다. 이러한 파라미터는 레시피의 형식으로 유저에게 제공될 수도 있고, 이것은 유저 인터페이스를 이용하여 입력될 수도 있다.

프로세스를 모니터링 하기 위한 신호는, 다양한 프로세스 툴 센서로부터의 시스템 컨트롤러의 아날로그 및/또는 디지털 입력 연결부에 의해 제공될 수도 있다. 프로세스를 제어하기 위한 신호는 프로세스 툴의 아날로그 및 디지털 연결부에 출력될 수도 있다. 모니터링될 수 있는 프로세스 툴 센서의 비제한적인 실시예는 질량 흐름 컨트롤러, [마노미터 (manometer) 와 같은] 압력 센서, 열전대 (thermocouple) 등을 포함한다. 적당하게 프로그램된 피드백 (feedback) 및 제어 알고리즘은 이러한 센서들로부터의 데이터를 이용하여 프로세스 상태를 유지할 수도 있다.

시스템 컨트롤러는 상술한 증착 프로세스를 구현하기 위한 프로그램 명령을 포함할 수도 있다. 프로그램 명령은, DC 전력 레벨, RF 바이어스 전력 레벨, 압력, 온도 등과 같은 다양한 프로세스 파라미터를 제어할 수도 있다. 명령은, 본 명세서에서 기술된 다양한 실시형태에 따른 필름 스택의 인-시츄 증착 (in-situ deposition) 을 작동하도록 파라미터를 제어할 수도 있다.

앞서 기술된 장치/프로세스는, 예를 들어 반도체 디바이스, 디스플레이, LED, 광전지 패널 등의 제작 또는 제조를 위한 리소그래피 패터닝 툴 또는 프로세스와 결합하여 사용될 수도 있다. 전형적으로, 비록 필수적이지는 않지만, 이러한 툴/프로세스는 공통 제작 시설에서 함께 사용되거나 수행될 수 있다. 필름의 리소그래피 패터닝은 전형적으로 이하의 조작들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있고, 각 조작은 다수의 가능한 툴로 가능해진다. 이하의 조작들은, (1) 스핀-온 (spin-on) 또는 스프레이-온 (spray-on) 툴을 사용하여, 워크피스 (workpiece), 예컨대 기판에 포토레지스트를 도포하는 것, (2) 핫 플레이트 (hot plate) 또는 노 (furnace) 또는 UV 경화 툴을 사용하여 포토레지스트를 경화시키는 것, (3) 웨이퍼 스텝퍼 (wafer stepper) 와 같은 툴로 가시광 또는 UV 광 또는 엑스레이 광에 포토레지스트를 노광시키는 것, (4) 레지스트를 선택적으로 제거하도록 레지스트를 현상함으로써, 습식 벤치 (wet bench) 와 같은 툴을 사용하여 그것을 패터닝하는 것, (5) 건식 또는 플라즈마-보조형 에칭 툴을 사용함으로써, 밑에 있는 필름 또는 워크피스로 레지스트 패턴을 전사시키는 것, 및 (6) RF 나 마이크로파 플라즈마 레지스트 스트리퍼 (stripper) 와 같은 툴을 사용하여 레지스트를 제거하는 것이다.

많은 변형이 가능하기 때문에, 본 명세서에서 기술된 구성 및/또는 접근은 현실적인 예시이고, 이러한 특정 실시형태 또는 실시예는 제한적인 의미로 고려되지 않아야 한다는 점에 대해 이해되어야 한다. 본 명세서에 기술된 특정 루틴이나 방법은 1 이상의 많은 프로세싱 계획을 나타낼 수 있다. 예시된 다양한 행동은 예시된 시퀀스에서 행해질 수도 있고, 다른 시퀀스에서 행해질 수도 있고, 병렬적으로 행해질 수도 있고, 또는 어떤 경우에는 생략될 수도 있다. 또한, 상술한 프로세스의 순서는 변경될 수도 있다.

Claims

흐름 분배 네트워크로서,
프로세스 가스를 수용하도록 구성된 유입부;
상기 유입부로부터 하류 측의 분기점 (branch point) 및 상기 분기점으로부터 하류 측의 2 이상의 지류 (branch) 를 포함하는, 상기 프로세스 가스를 전달하도록 구성된 흐름 분배 라인의 네트워크 (network) 로서, 각 지류는 멀티-스테이션 증착 챔버의 2 이상의 스테이션 중 대응하는 스테이션에 프로세스 가스를 공급하도록 구성된 유출부를 가지는, 상기 흐름 분배 라인의 네트워크;
상기 지류에 걸친 엘리먼트 간에 적어도 2% 만큼 변동하는 흐름 계수 (C_v) 값을 가지는 각 지류 내에 있는 가변적인 흐름 엘리먼트; 및
압력 부하를 제한 컴포넌트로 시프트시키기 위한, 각 지류의 가변적인 흐름 엘리먼트로부터 하류 측의 상기 제한 컴포넌트로서, 상기 제한 컴포넌트들은 명목상 (nominally) 동일한, 상기 제한 컴포넌트를 포함하며,
상기 흐름 분배 네트워크는, 동작 동안 상기 프로세스 가스의 흐름이 상기 유입부로부터 상기 유출부까지, 상기 흐름 분배 네트워크에 걸쳐, 상기 유출부에서의 압력 이상인, 시스템 압력 강하를 야기하도록 구성되고,
상기 각 지류의 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는 상기 압력 부하를 상기 제한 컴포넌트로 시프트시킴으로서 동작 동안 언쵸킹 흐름 체제 (unchoked flow regime) 로 동작하도록 구성되는, 흐름 분배 네트워크.
제1 항에 있어서,
상기 제한 컴포넌트는, 동작 동안 상기 제한 컴포넌트에 걸쳐 평균적으로 적어도 3%의 상기 시스템 압력 강하를 야기하는, 흐름 분배 네크워크.
제1 항에 있어서,
상기 제한 컴포넌트는, 동작 동안 상기 제한 컴포넌트에 걸쳐 평균적으로 적어도 50%의 상기 시스템 압력 강하를 야기하는, 흐름 분배 네크워크.
제1 항에 있어서,
상기 제한 컴포넌트는, 동작 동안 상기 제한 컴포넌트에 걸쳐 평균적으로 10% 내지 80%의 상기 시스템 압력 강하를 야기하는, 흐름 분배 네크워크.
제1 항에 있어서,
동작 동안, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트에 걸쳐 평균적으로 10% 이하의 상기 흐름 분배 네트워크에서의 시스템 압력 강하를 야기하는, 흐름 분배 네크워크.
제1 항에 있어서,
동작 동안, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트에 걸쳐 평균적으로 5% 이하의 상기 흐름 분배 네트워크에서의 시스템 압력 강하를 야기하는, 흐름 분배 네크워크.
제1 항에 있어서,
동작 동안, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는, 평균적으로, 상기 흐름 분배 네트워크에서의 시스템 압력 강하 중 제1 부분을 야기하고, 상기 제한 컴포넌트는, 평균적으로, 상기 흐름 분배 네트워크에서의 시스템 압력 강하 중 제2 부분을 야기하며,
상기 제1 부분에 대한 상기 제2 부분의 비는 5:1 내지 20:1 인, 흐름 분배 네트워크.
제1 항에 있어서,
동작 동안, 상기 가변적인 흐름 엘리먼트는, 각 가변적인 흐름 엘리먼트가 실질적으로 동일한 압력 강하를 경험하는 경우 지류에 걸쳐 가변적인 흐름 엘리먼트 간 평균적으로 적어도 2% 만큼 변동하는 질량 유량 (mass flow rate) 을 만드는, 흐름 분배 네트워크.
제1 항에 있어서,
동작 동안, 상기 지류에서의 상기 제한 컴포넌트는, 상기 지류에 걸쳐 컴포넌트 간에 1% 이하만큼 평균적으로 변동하는 C_v 값을 가지는, 흐름 분배 네트워크.