KR20200139255A - 가스 펄싱 기반 공유 전구체 분배 시스템 및 사용 방법들 - Google Patents

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마르셀 이. 조세프손
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Abstract

단일 소스로부터 다수의 처리 챔버들로 균일한 가스 유동들을 제공하기 위한 가스 분배 장치가 설명된다. 복수의 하류 단부들을 갖는 공유 용적의 상류 단부에 조절기가 위치된다. 공유 용적의 각각의 하류 단부들에 유동 제어기가 위치되고, 유동 제어기는 오리피스 및 고속 펄싱 밸브를 포함한다. 가스 분배 장치를 사용하고 유동 제어기들을 교정하는 방법들이 또한 설명된다.

Description

가스 펄싱 기반 공유 전구체 분배 시스템 및 사용 방법들
본 개시내용의 실시예들은 일반적으로 가스 분배 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 개시내용의 실시예들은 펄싱 가스 유동들을 사용하여 다수의 처리 챔버들에 가스를 분배하기 위한 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스 형성은 통상적으로, 다수의 챔버들을 포함하는 기판 처리 플랫폼들에서 수행된다. 일부 경우들에서, 다중-챔버 처리 플랫폼 또는 클러스터 툴의 목적은, 제어된 환경에서 기판에 대해 2개 이상의 프로세스를 순차적으로 수행하는 것이다. 그러나, 다른 경우들에서, 다중-챔버 처리 플랫폼은 기판들에 대해 단일 처리 단계만을 수행할 수 있으며, 부가적인 챔버들은 플랫폼에 의해 기판들이 처리되는 속도를 최대화하도록 의도된다. 후자의 경우에서, 기판들에 대해 수행되는 프로세스는 전형적으로 배치 프로세스이며, 여기서, 비교적 많은 수, 예컨대 25개 또는 50개의 기판이 주어진 챔버에서 동시에 처리된다. 배치 처리는, 경제적으로 실용적인 방식으로 개별 기판들에 대해 수행되기에는 너무 시간 소모적인 프로세스들, 이를테면, 원자 층 증착(ALD) 프로세스들 및 일부 화학 기상 증착(CVD) 프로세스들에 특히 유익하다.
처리 동안, 고가의 전구체 가스들은 사용 중이지 않을 때 포어라인으로 전환(divert)됨으로써 자주 낭비된다. 부가적으로, 전구체 유동들을 제공하기 위한 전달 하드웨어는 고가이고, 종종, 각각의 그리고 모든 각각의 웨이퍼 처리 스테이션에 전구체를 전달하기 위한 전용 가스 스틱을 요구한다.
따라서, 다수의 처리 챔버 또는 프로세스 구역들에 균일하고 비교적 저렴하게 가스들을 전달하기 위한 장치 및 방법들에 대한 관련 기술분야의 필요성이 존재한다.
본 개시내용의 하나 이상의 실시예는, 상류 단부 및 복수의 하류 단부들을 갖는 공유 용적을 포함하는 가스 분배 장치에 관한 것이다. 공유 용적에 압력 게이지가 연결된다. 공유 용적의 상류 단부에 압력 제어기가 연결된다. 공유 용적의 하류 단부들 각각에 유동 제어기가 있다. 각각의 유동 제어기는 오리피스 및 고속 펄싱 밸브를 포함한다.
본 개시내용의 부가적인 실시예들은, 고속 펄싱 밸브 및 오리피스를 포함하는 유동 제어기를 교정하는 방법들에 관한 것이다. 방법들은, 공유 용적을 가압하기 위해 공유 용적의 상류 단부에 있는 압력 제어기를 개방하는 단계를 포함한다. 공유 용적은 상류 단부 및 복수의 하류 단부들을 갖고, 각각의 하류 단부는 유동 제어기를 갖는다. 공유 용적 내 압력을 격리시키기 위해 상류 단부에 있는 압력 제어기가 폐쇄된다. 공유 용적 내 압력이 측정된다. 하나의 유동 제어기의 고속 펄싱 밸브가 미리 결정된 횟수로 개방되고, 고속 펄싱 밸브를 개방한 후에 공유 용적 내 압력이 측정된다. 그 유동 제어기에 대해 고속 펄싱 밸브의 펄스당 공유 용적 내 압력 손실이 결정된다.
본 개시내용의 실시예들의 상기 언급된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 본 개시내용의 실시예들의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 실시예들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 실시예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 유의되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른 가스 분배 장치의 개략적인 표현을 도시한다.
도 2는, 도 1의 구역 II의 확대도를 도시한다.
도 3은, 도 1의 구역 III의 확대도를 도시한다.
본 개시내용의 실시예들은, 처리량을 최대화하고 처리 효율을 개선하기 위해 연속적인 기판 증착을 위한 기판 처리 시스템을 제공한다. 본 개시내용의 하나 이상의 실시예는 공간적 원자 층 증착 챔버와 관련하여 설명된다.
본 개시내용의 실시예들은, 웨이퍼 처리 챔버 내의 다수의 스테이션들에 그리고 원자 층 증착(ALD) 응용들을 위한 클러스터 툴 내의 다수의 챔버들에 전구체들을 분배하는 새로운 방식을 제공한다. 공유 용적은 유리하게, 배치(batch) 처리 챔버의 다수의 가스 배출구들 또는 전체 클러스터 툴에 대한 단일 전구체 분배에 사용된다. 일부 실시예들은 유리하게, 고가의 전구체들의 임의의 낭비 없이 클러스터 툴 내의 모든 챔버들의 모든 스테이션들에 대한 정확하고 반복가능한/재현가능한 전구체 전달을 보장하기 위한 가스 펄싱 기술을 제공한다.
본 개시내용의 일부 실시예들은 유리하게, 사용 중이지 않을 때 전구체를 포어라인으로 전환하는 것으로 인한 고가의 전구체들의 낭비를 최소화하는 장치 및 방법들을 제공한다. 일부 실시예들은 유리하게, ALD 챔버의 각각의 그리고 모든 각각의 웨이퍼 처리 스테이션에 전구체를 전달하기 위해 전용 가스 스틱을 사용하는 것으로 인한 높은 전구체 전달 하드웨어 비용들을 최소화하는 장치 및 방법들을 제공한다.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시예를 도시한다. 가스 분배 장치(100)는, 다수의 처리 스테이션들(101)에 가스들을 분배하기 위한 공유 용적(110)을 포함한다. "처리 스테이션들"이라는 용어의 사용은 임의의 챔버 또는 챔버의 프로세스 구역을 지칭한다. 예컨대, 처리 스테이션들(101)은 별개의 처리 챔버들일 수 있거나, 단일 배치 처리 챔버의 별개의 프로세스 구역들일 수 있다. 도 1에는 3개의 처리 스테이션(101)이 예시되지만, 통상의 기술자는, 3개보다 많거나 적은 처리 스테이션(101)이 장치, 즉, 가스 분배 장치(100)에 연결될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
공유 용적(110)은 상류 단부(111) 및 복수의 하류 단부들(112)을 갖는다. 일부 실시예들의 공유 용적(110)은, 도면들에 도시된 바와 같이, 가스 저장소(120) 또는 분배 라인들 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 공유 용적(110)은, 공유 용적(110)의 상류 단부(111)로부터 가스 저장소(120)로의 상류 분배 라인(130)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 공유 용적(110)은, 가스 저장소(120)로부터 복수의 하류 단부들(112)로의 하류 분배 라인(140)을 포함한다.
상류 단부(111)와 복수의 하류 단부들(112) 사이의 압력을 측정하기 위해 압력 게이지(150)가 공유 용적(110)에 연결될 수 있다. 압력 게이지(150)는, 상류 단부(111)와 하류 단부들(112) 사이의 임의의 지점에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 압력 게이지(150)는 가스 저장소 내 압력을 측정하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 공유 용적(110)의 상이한 지점들에서 압력을 측정하도록 구성되는 하나 초과의 압력 게이지가 존재한다.
공유 용적(110)의 상류 단부(111)에 압력 제어기(160)가 연결된다. 이러한 방식으로 사용되는 바와 같이, 가스 유동 구성요소가 다른 가스 유동 구성요소에 연결될 때, 가스 유동에 실질적으로 어떠한 간섭도 존재하지 않도록 구성요소들 사이에 유체 연통이 존재한다. 도 2에서 구역 II의 확대도에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들의 압력 제어기는 조절기(162) 또는 질량 유동 제어기 중 하나 이상을 포함한다. 조절기(162) 또는 질량 유동 제어기는, 통상의 기술자에게 알려져 있는 임의의 적합한 가스 조절기 또는 질량 유동 제어기일 수 있다. 조절기는 공유 용적(110)에 공급 압력(또는 입력 압력)을 제공한다. 조절기(162)는, 임의의 기계적 또는 전기적 제어된 비례 압력 제어 구성요소일 수 있다.
일부 실시예들에서, 압력 제어기(160)는 고속 펄싱 밸브(164)를 포함한다. 고속 펄싱 밸브(164)는, 조절기(162)와 공유 용적(110)의 상류 단부(111) 사이에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고속 펄싱 밸브(164)는 조절기(162)의 상류에 있다. 고속 펄싱 밸브(164)는, 50 밀리초 내에 개방 및/또는 폐쇄될 수 있는 임의의 밸브일 수 있다. 일부 실시예들에서, 고속 펄싱 밸브(164)는 40 밀리초, 30 밀리초, 20 밀리초, 또는 10 밀리초 내에 개방 및/또는 폐쇄될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고속 펄싱 밸브(164)는 50 밀리초, 40 밀리초, 30 밀리초, 20 밀리초, 또는 10 밀리초 내에 개방 및 폐쇄될 수 있다.
도 1에서, 유입 라인(166)을 통해 가스 소스(102)가 조절기(162)에 연결된다. 조절기(162)는 압력 제어기 도관(168)에 의해 고속 펄싱 밸브(164)로부터 이격된다. 압력 제어 도관(168)의 길이 및/또는 용적은 각각 임의의 적합한 길이 및/또는 용적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 압력 제어 도관(168)의 길이 및/또는 용적은, 고속 펄싱 밸브(164)가 조절기(162)와 접촉하도록 최소화된다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 가스 분배 장치(100)는 공유 용적(110)의 하류 단부들(112) 각각에서 유동 제어기(170)를 포함한다. 도 3은, 도 1의 구역 III의 확대도를 도시한다. 각각의 유동 제어기(170)는 오리피스(172) 및 고속 펄싱 밸브(174)를 포함한다. 오리피스(172)는, 도면들에 도시된 바와 같이, 고속 펄싱 밸브(174)의 상류에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 오리피스(172)는 고속 펄싱 밸브(174)의 하류에 있다.
오리피스(172)는 유동 제어 도관(176)을 통해 고속 펄싱 밸브(174)와 유체 연통한다. 유동 제어 도관(176)의 용적은 임의의 적합한 용적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 오리피스(172)와 고속 펄싱 밸브(174) 사이의 용적은, 오리피스(172) 및 고속 펄싱 밸브(174)가 접촉하도록 최소화된다. 일부 실시예들에서, 오리피스(172)는 고속 펄싱 밸브(174)의 유입 단부(173)에 또는 그 내에 있다. 일부 실시예들에서, 오리피스(172)는 고속 펄싱 밸브(174)의 배출 단부(175)에 또는 그 내에 있다.
일부 실시예들의 오리피스(172)는, 그를 통해 연장되는 정밀한 애퍼쳐(171)를 갖는 디스크 형상 구성요소이다. 오리피스(172)는 유동 경로에서 제한기로서의 역할을 한다. 일부 실시예들에서, 가스 분배 장치(100)는, 각각의 유동 제어기(170)의 하류 단부(178)에 연결되고 그와 유체 연통하는 하류 가스 도관(180)을 포함한다. 유동 제어기들 중 임의의 유동 제어기에서 하류 가스 도관(180)으로 빠져나가는 가스의 유량은, 하류 가스 도관에 있는 오리피스의 하류에서의 압력과 오리피스의 상류에서의 압력에서의 차이의 함수이다.
일부 실시예들에서, 유동 제어기들(170) 각각에 있는 오리피스들(172)의 상류에서의 압력은 실질적으로 동일하다. 이러한 방식으로 사용되는 바와 같이, "실질적으로 동일"이라는 용어는, 오리피스들(172) 직전의 압력이 모든 오리피스들(172)에서의 평균 압력에 대해 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 또는 1 % 내에 있다는 것을 의미한다.
일부 실시예들의 공유 용적(110)은, 각각의 하류 가스 도관(180)에서의 압력 섭동들이 평균 압력에 대해 ±5 %, ±4 %, ±3 %, ±2 %, 또는 ±1 % 미만이도록 충분히 크다.
본 개시내용의 일부 실시예들은, 고속 펄싱 밸브(174) 및 오리피스(172)를 포함하는 유동 제어부(170)를 교정하는 방법들에 관한 것이다. 공유 용적(110)을 가압하기 위해 공유 용적(110)의 상류 단부(111)에 있는 압력 제어기(160)가 개방된다. 압력 제어기(160)를 개방하는 것은, 조절기를 개방하는 것 및/또는 고속 펄싱 밸브(164)를 개방하는 것을 포함할 수 있다. 가압 동안, 유동 제어기들(170) 각각이 폐쇄된다. 공유 용적(110)을 가압한 후에, 압력 제어기(160)가 폐쇄되어 공유 용적을 격리시킨다.
공유 용적(110)의 압력은, 공유 용적(110)이 가압되는 동안 폐쇄된 압력 제어기(160) 및 유동 제어기(170)로 모니터링될 수 있다. 압력 게이지(150)를 사용하여 측정된 압력에서의 드리프트는 시스템에서의 누출을 표시할 수 있다.
공유 용적(110) 내 압력은 초기 압력으로서 측정된다. 유동 제어기들(170) 중 하나의 유동 제어기의 고속 펄싱 밸브들(174) 중 하나가 미리 결정된 횟수로 개방 및 폐쇄되고, 공유 용적의 최종 압력이 측정된다. 초기 압력에 대한 최종 압력에서의 차이를 밸브가 펄싱된 횟수로 나눈 것은, 그 고속 펄싱 밸브(174)의 펄스당 압력 손실을 제공한다.
이러한 프로세스는, 각각의 고속 펄싱 밸브(174)의 펄스당 압력 강하를 교정하기 위해 유동 제어기들(170) 각각에 대해 반복될 수 있다. 개별 오리피스들(172) 및 고속 펄싱 밸브들(174)에서의 차이들을 보상하기 위해, 고속 펄싱 밸브들(174) 중 하나 이상에 대한 펄스 윈도우가 변경될 수 있다.
일부 실시예들의 가스 분배 장치(100)는 제어기(190)를 더 포함한다. 제어기(190)는 가스 분배 장치(100)의 다양한 구성요소들에 결합되어 그들의 동작을 제어할 수 있다. 제어기(190)는, 장치를 제어하는 단일 제어기, 또는 장치의 개별 부분들을 제어하는 다수의 제어기들일 수 있다. 예컨대, 가스 분배 장치(100)는, 압력 제어기(160) 및 유동 제어기(170) 각각에 대해 별개의 제어기들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어기(190)는 중앙 처리 유닛, 메모리, 및 지원 회로들을 포함한다. 제어기(190)는 가스 분배 장치(100)를 직접, 또는 특정 프로세스 챔버 및/또는 지원 시스템 구성요소들과 연관된 컴퓨터들(또는 제어기들)을 통해 제어할 수 있다. 제어기(190)는, 다양한 챔버들 및 서브-프로세서들을 제어하기 위해 산업 현장에서 사용될 수 있는 임의의 형태의 범용 컴퓨터 프로세서 중 하나일 수 있다. 제어기의 메모리 또는 컴퓨터 판독가능 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크, 광학 저장 매체(예컨대, 컴팩트 디스크 또는 디지털 비디오 디스크), 플래시 드라이브, 또는 로컬 또는 원격의, 임의의 다른 형태의 디지털 저장소와 같은, 용이하게 이용가능한 메모리 중 하나 이상일 수 있다. 종래의 방식으로 프로세서를 지원하기 위해 지원 회로들이 CPU(196)에 결합된다. 이러한 회로들은 캐시, 전력 공급부들, 클록 회로들, 입력/출력 회로 및 서브시스템들 등을 포함한다. 하나 이상의 프로세스는, 본원에 설명된 방식으로 장치 또는 개별 구성요소들의 동작을 제어하도록 실행 또는 호출될 수 있는 소프트웨어 루틴으로서 메모리에 저장될 수 있다. 제어기(190)는, 유량들, 가스 밸브들, 가스 소스들, 또는 다양한 구성들을 수행하기 위한 다른 프로세스들을 제어하기 위한 임의의 명령들 또는 기능들을 포함할 수 있는 하나 이상의 구성을 포함할 수 있다.
제어기(190)는, 압력 제어기(160), 유동 제어기(170), 압력 게이지(150), 조절기(162), 고속 펄싱 밸브(164), 또는 고속 펄싱 밸브(174) 중 하나 이상에 연결될 수 있다. 제어기(190)는 하나 이상의 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(190)는, 고속 펄싱 밸브들(164, 174) 중 하나 이상을 개방 및/또는 폐쇄하기 위한 구성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제어기(190)는, 압력 게이지(150)를 사용하여 압력을 모니터링하기 위한 구성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제어기(190)는, 조절기(162)를 제어하기 위한 구성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제어기(190)는, 유동 제어기들(170)을 교정하기 위한 구성을 갖는다.
본 개시내용의 일부 실시예들은 처리 플랫폼에 관한 것이다. 예컨대, 도 1에 예시된 실시예는, 3개의 프로세스 챔버(처리 스테이션(101))를 갖는 처리 플랫폼으로 간주될 수 있다. 각각의 프로세스 스테이션(101)은, 하류 가스 도관(180)을 통해 공유 용적(110)의 하류 단부에서 하나의 유동 제어기(170)에 연결된다.
전술한 내용이 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 실시예들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 가스 분배 장치로서,
    상류 단부 및 복수의 하류 단부들을 갖는 공유 용적;
    상기 공유 용적에 연결되는 압력 게이지;
    상기 공유 용적의 상기 상류 단부에 연결되는 압력 제어기; 및
    상기 공유 용적의 상기 하류 단부들 각각에 있는 유동 제어기를 포함하며, 각각의 유동 제어기는 오리피스 및 고속 펄싱 밸브를 포함하는, 가스 분배 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공유 용적은, 가스 저장소, 상기 가스 저장소로부터 상기 공유 용적의 상기 복수의 하류 단부들로의 분배 라인들, 및 상기 공유 용적의 상기 상류 단부로부터 상기 가스 저장소로의 분배 라인들을 포함하는, 가스 분배 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압력 제어기는, 조절기와 상기 공유 용적 사이에 있는 고속 펄싱 밸브를 포함하는, 가스 분배 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 유동 제어기의 하류 단부에 연결되는 하류 가스 도관을 더 포함하는, 가스 분배 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 오리피스는, 상기 하류 단부들로부터의 가스의 유동을 제한하기 위한 제한기를 포함하는, 가스 분배 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    유동 제어기들 중 임의의 유동 제어기에서 상기 하류 가스 도관으로 빠져나가는 가스의 유량은, 상기 하류 가스 도관에 있는 상기 오리피스의 하류에서의 압력과 상기 오리피스의 상류에서의 압력에서의 차이의 함수인, 가스 분배 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    오리피스들의 상류에서의 압력은 상기 공유 용적의 각각의 하류 단부에 대해 실질적으로 동일한, 가스 분배 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    각각의 하류 가스 도관에서의 압력 섭동들은 ±2 % 이하인, 가스 분배 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유동 제어기의 고속 펄싱 밸브는 50 밀리초로 개방 또는 폐쇄되도록 구성되는, 가스 분배 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유동 제어기의 고속 펄싱 밸브는 상기 오리피스의 하류에 있는, 가스 분배 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유동 제어기의 고속 펄싱 밸브는 상기 오리피스의 상류에 있는, 가스 분배 장치.
  12. 복수의 처리 챔버들을 포함하는 처리 플랫폼으로서,
    각각의 챔버는, 제1항의 가스 분배 장치의 하류 가스 도관을 통해 공유 용적의 하류 단부에서 하나의 유동 제어기에 연결되는, 처리 플랫폼.
  13. 고속 펄싱 밸브 및 오리피스를 포함하는 유동 제어기를 교정하는 방법으로서,
    공유 용적을 가압하기 위해 상기 공유 용적의 상류 단부에 있는 압력 제어기를 개방하는 단계 ― 상기 공유 용적은 상기 상류 단부 및 복수의 하류 단부들을 갖고, 각각의 하류 단부는 상기 유동 제어기를 가짐 ―;
    상기 공유 용적 내 압력을 격리시키기 위해 상기 상류 단부에 있는 상기 압력 제어기를 폐쇄하는 단계;
    상기 공유 용적 내 압력을 측정하는 단계;
    하나의 유동 제어기의 고속 펄싱 밸브를 미리 결정된 횟수로 개방하는 단계;
    상기 고속 펄싱 밸브를 미리 결정된 횟수로 개방한 후에 상기 공유 용적 내 압력을 측정하는 단계; 및
    상기 고속 펄싱 밸브의 펄스당 상기 공유 용적 내 압력 손실을 결정하는 단계를 포함하는, 유동 제어기를 교정하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    각각의 고속 펄싱 밸브의 펄스당 전달되는 가스의 용적을 교정하기 위해 각각의 유동 제어기에 대해 상기 방법을 반복하는 단계를 더 포함하는, 유동 제어기를 교정하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    오리피스들 및 고속 펄싱 밸브들에서의 차이들을 보상하기 위해 상기 고속 펄싱 밸브들 중 하나 이상에 대한 펄스 윈도우를 조정하는 단계를 더 포함하는, 유동 제어기를 교정하는 방법.
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