KR20210005523A - 액체 기화기 - Google Patents

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KR20210005523A
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control chamber
reactant
vaporizer
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KR1020200080577A
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Inventor
제렐드 리 윙클러
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에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
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Abstract

반도체 처리 장치가 개시된다. 본 장치는 반응기, 및 반응기에 반응물 증기를 제공하도록 구성된 기화기를 포함한다. 본 장치는 기화기와 반응기 사이에 공정 제어 챔버를 포함할 수 있다. 본 장치는, 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하도록 구성된 제어 시스템을 포함할 수 있다.

Description

액체 기화기{LIQUID VAPORIZER}
본 분야는 액체 기화기, 예를 들어 반도체 공정 장치용 액체 기화기에 관한 것이다.
반도체 공정 중에, 다양한 반응물 증기가 반응 챔버 내에 공급된다. 일부 응용 분야에서, 반응물 가스는 반응물 소스 용기에서 가스 형태로 저장된다. 이러한 응용에서, 반응물 증기는 주위 압력과 온도에서 주로 가스 형태이다. 그러나, 일부 경우에서 주위 압력과 온도에서 액체 또는 고체인 소스 화학 물질의 증기가 사용된다. 이들 물질은 기상 증착과 같은 반응 공정 동안, 충분한 양의 증기를 생성하도록 가열될 수 있다. 반도체 산업용 화학 기상 증착(CVD)은 반응물 증기의 연속 스트림을 요청할 수 있고, 원자층 증착(ALD)은 구성에 따라 연속 스트림 또는 펄스 공급을 요청할 수 있다. 두 경우 모두, 공정에 대한 주입량 및 효과를 제어하기 위해, 단위 시간당 또는 펄스당 공급된 반응물의 양을 일부 정확하게 아는 것이 중요할 수 있다.
일부 고체 및 액체 물질의 경우, 실온에서 증기압은 매우 낮아서 충분한 양의 반응물 증기를 생성하기 위해 가열되고/가열되거나 낮은 압력으로 유지되어야 한다. 일단 기화되는 경우, 기상 반응물은 공정 처리 시스템을 통해 증기 형태로 유지되어서, 기상 반응물을 반응 챔버에 전달하는 것과 연관된 반응 챔버, 밸브, 필터, 도관 및 다른 구성 요소에서의 바람직하지 않은 응축을 방지하도록 하는 것이 중요하다. 이러한 고체 또는 액체 물질로부터의 기상 반응물은 또한 반도체 산업(예, 에칭, 도핑 등) 및 다양한 기타 산업에 있어서 다른 유형의 화학 반응에 유용할 수 있지만, 예를 들어 CVD 또는 ALD에서 사용되는 금속 및 반도체 전구체에 대한 관심이 특히 많다. 그러나, 반응물 증기의 개선된 형성 및 반응기로의 전달에 대한 요구가 계속 있다.
다른 구현예에서, 반도체 공정 처리 장치가 개시된다. 상기 장치는 반응기, 및 상기 반응기에 반응물 증기를 제공하도록 구성된 기화기를 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 기화기와 상기 반응기 사이에 공정 제어 챔버를 포함할 수 있다. 상기 장치는, 상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하도록 구성된 제어 시스템을 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 기화된 반응물을 형성하기 위한 장치가 개시된다. 상기 장치는 반응물 소스를 반응물 증기로 기화시키도록 구성된 기화기를 포함할 수 있으며, 상기 기화기는 제1 온도로 제1 열 구역에 배치된다. 상기 장치는 상기 기화기의 하류에 있는 공정 제어 챔버를 포함할 수 있으며, 상기 공정 제어 챔버는 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 제2 열 구역에 배치된다. 상기 장치는, 상기 제1 온도에서 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 상기 기화기 내의 제1 압력을 유지하도록 구성된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은, 상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하도록 구성될 수 있다.
다른 구현예에서, 기화된 반응물을 형성하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 반응물 소스를 기화기에 공급하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 기화기는 제1 온도로 제1 열 구역에 배치된다. 상기 방법은 상기 반응물 소스를 기화시켜 반응물 증기를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 제1 온도에서 상기 반응물 증기의 전체 증기 압력 이하로 상기 기화기 내의 압력을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 반응물 증기를 공정 제어 챔버로 이송하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 공정 제어 챔버는 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 제2 열 구역에 배치된다. 상기 방법은, 상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 기화된 반응물을 형성하기 위한 장치가 개시된다. 상기 장치는 액체 반응물로부터 반응물 증기를 형성하도록 구성된 기화기를 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 기화기의 하류에 공정 제어 챔버를 포함할 수 있다. 상기 장치는, 상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하도록 구성된 제어 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점이 여러 가지 구현예의 도면을 참조하여 이제 설명될 것이며, 구현예는 본 발명을 예시하되 제한하지 않도록 의도된다.
도 1은 다양한 구현예에 따른 반도체 처리 장치의 개략적인 시스템 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 반도체 처리 장치의 개략적인 시스템 다이어그램이고, 액체 반응물 소스를 포함한다.
도 3은 다른 구현예에 따라, 액체 반응물 소스 및 비활성 가스 소스를 포함한 반도체 처리 장치의 개략적인 시스템 다이어그램이다.
도 4는 다양한 구현예에 따라, 반도체 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
본원에 개시된 구현예는, 반도체 처리 장치에서 사용하기 위한 반응물 액체를 기화시키기 위해, 개선된 액체 기화기(예, 직접식 액체 주입 기화기)에 관한 것이다. 본원에 개시된 구현예는 임의의 적합한 유형의 반도체 처리 장치와 함께 사용될 수 있고, 이는 원자층 증착(ALD) 장치, 화학 기상 증착(CVD) 장치, 금속유기 CVD(MOCVD) 장치, 물리 기상 증착 장치(PVD)등을 포함한다.
예를 들어, ALD는 기판 상에 상당히 균일한 박막을 성장하는 방법이다. 시-분할 ALD 반응기에서, 기판은 불순물이 없는 반응 공간 내에 배치되고, 적어도 두 개의 상이한 전구체(반응물 증기)가 기상으로 교대 반복적으로 반응 공간 내에 주입된다. 따라서, 반응물 증기는. 하나 이상의 전구체 및 하나 이상의 용매를 포함한 증기를 포함할 수 있다. 막의 성장은 원자 또는 분자의 고체 상태 층을 형성하기 위해 기판의 표면상에서 일어나는 교번적인 표면 반응에 기반하는데, 그 이유는 교번 주입된 기상 전구체의 분자는 그 표면층을 가진 기판에서만 반응하도록 반응물 및 기판 온도가 선택되기 때문이다. 반응물은 각 주입 사이클 동안 표면이 실질적으로 포화되도록 충분히 높은 주입량으로 주입된다. 따라서, 공정은 상당히 자기 조절적이고, 출발 물질의 농도에 의존하지 않음으로써 매우 높은 막 균일성, 및 단일 원자 또는 분자층의 두께 정확성을 달성할 수 있다. 공간-분할 ALD 반응기에서 유사한 결과가 얻어질 수 있으며, 기판은 상이한 반응물에 교대로 노출되는 구역으로 이동된다. 반응물은 성장하는 막(전구체)에 기여할 수 있고/있거나 후속 반응물의 반응 또는 흡착을 촉진하기 위해 전구체의 흡착된 종으로부터 리간드를 분해하는 것과 같은 다른 기능을 수행할 수 있다.
ALD 방법은 원소성 및 화합물성 박막 모두 성장하는 데 사용될 수 있다. ALD는 사이클에서 반복되는 다른 2개 이상의 반응물을 수반할 수 있으며, 상이한 사이클은 상이한 수의 반응물을 가질 수 있다. 순수한 ALD 반응은 사이클당 단일층보다 작게 생성하는 경향이 있지만, ALD의 변형은 사이클당 단일층보다 많이 증착할 수 있다.
ALD 방법을 사용하여 막을 성장시키는 것은 단계별(층별) 특성으로 인해 느린 공정이 될 수 있다. 적어도 2개의 가스 펄스가 교대로 되어 원하는 물질의 한 층을 형성하고, 펄스는 제어되지 않은 막의 성장 및 ALD 반응기의 오염을 방지하기 위해 서로 분리되어 유지된다. 각각의 펄스 이후에, 박막 성장 공정의 기체 반응 생성물뿐만 아니라 과잉의 기상 반응물이 반응 공간으로부터 제거되거나, 기판이 이들을 담는 구역에서 제거된다. 시-분할된 예에서, 이는 반응 공간을 진공으로 만들거나, 연속적인 펄스 사이의 비활성 가스 흐름으로 반응 공간을 퍼지하거나, 또는 모두에 의해 달성될 수 있다. 퍼지는 반응물 펄스 사이의 도관에 비활성 가스의 컬럼을 사용한다. 퍼지는 효율, 및 연속 펄스 사이에 효과적인 확산 장벽을 형성하는 능력 때문에 제조 규모에서 널리 사용된다. 정상적으로 비활성 퍼지 가스는 반응물 펄스 중에 캐리어 가스로서 사용되어, 반응물 증기가 반응 공간에 공급되기 전에 희석된다.
충분한 기판 노출 및 반응 공간의 양호한 퍼지는 성공적인 ALD 공정에 있어서 바람직하다. 즉, (점근선 포화 곡선의 평평한 부분에서) 기판이 실질적으로 포화될 만큼 펄스가 강해야 하며, 퍼지는 반응기로부터 모든 전구체 잔류물 및 바람직하지 않은 반응 생성물을 실제적으로 제거하기에 충분히 효율적이어야 한다. 퍼지 시간은 전구체 노출 시간에 비해 상대적으로 길 수 있다.
전술한 바와 같이, 액체 전구체(또는 전구체-용매 혼합물)는 액체 주입 기화기와 같은 기화기에서 기화되어 반응기 또는 반응 챔버에 전달될 반응물 증기를 형성할 수 있다. 그러나, 일부 장치에서, 기화기와 반응 챔버 사이의 시스템 일부에서의 압력 및 온도는 다양할 수 있다. 공정 제어 챔버 내의 온도 및/또는 압력의 변화 (또는 기화기와 반응 챔버 사이의 경로를 따라 이러한 다른 변화)는 기화된 반응물을 액적으로 응축시킬 수 있다. 반응 챔버의 상류에서 반응물 증기가 응축하면 반응 챔버 내에 액적을 생성시킬 수 있으며, 이는 공정 처리된 기판(예, 처리된 웨이퍼) 내 결함을 야기할 수 있고 처리 수율을 감소시킬 수 있다.
또한, 다양한 반도체 처리 장치에서, 기화기는, 사이클 사이에서 비활성 가스를 기화기에 공급함으로써, 반응물 가스가 퍼지된다. 기화기는 일부 장치에서 큰 부피를 가질 수 있으며, 이러한 큰 부피를 퍼지하는 시간은 처리량을 상당히 낮출 수 있다. 일부 처리 장치에서, 과량의 입자는, 펄스 당 불충분한 유량 제어로 기인한 큰 압력 변동으로 인해 반응 챔버 내에 생성될 수 있다. 또한, 반응기의 상류에 필터를 배치하는 것이 어려울 수 있으며, 이는 반응 챔버 및 기판으로의 액적의 전달을 유도할 수 있다.
도 1은 다양한 구현예에 따른 반도체 처리 장치(1)의 개략적인 시스템 다이어그램이다. 도 2는 도 1의 반도체 처리 장치의 개략적인 시스템 다이어그램이고, 액체 기화기(10)로 액체 반응물을 공급하는 액체 반응물 소스(3)를 포함한다. 액체 기화기(10)는 공정 제어 챔버(20)에 기화된 반응물을 공급할 수 있고, 이는 반응기 어셈블리 또는 반응기(21)에 공급하기 위해 반응물이 증기 형태로 남는 것을 보장하도록 구성된다. 액체 반응물은 액체 전구체, 또는 액체 전구체(예, 지르코늄 아미노 알콕시드, 예를 들어 Zr(dmae)4, Zr(dmae)2(OtBu)2, 및 Zr(dmae)2(OIpr)2와 같은, 지르코늄 유기금속 또는 Zr MO, 여기서 dmae는 디메틸아미노에톡시드[OCH]2CH2N(CH3)2]임)와 용매(예, 옥탄)의 혼합물을 포함할 수 있다. 액체 반응물 소스(3)는 액체 반응물을 액체 주입 라인(7)을 따라 기화기(10)에 공급할 수 있다. 액체 질량 흐름 제어기(액체 MFC)(2)는, 액체 주입 라인(7)을 따라 액체 반응물의 흐름을 제어 또는 계량하기 위해 제공될 수 있다. 제1 밸브(11)는, 기화기(10) 내로 액체 반응물의 흐름(예, 압력 및/또는 유량)을 조절할 수 있다. 제1 밸브(11)는 임의의 적합한 유형의 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 구현예에서, 제1 밸브(11)는, 액체 주입 라인(7)을 통한 유량을 조절하기 위해 복수의 유동 컨덕턴스 설정을 갖는 조절 밸브를 포함할 수 있다.
분무기 또는 주입기(5)는 액체 반응물을 액체 주입 라인(7)을 따라 제공될 수 있고 기화기(10)에 전달될 고속 분무로 액체 반응물을 분무한다. 본원에 기술된 바와 같이, 기화기(10)의 압력 및 온도는, 주입된 액체 반응물이 반응물 증기로 기화되도록 제어될 수 있다. 반응물 증기는, 제1 반응물 증기 공급 라인(8)을 따라 필터(4)로 공급될 수 있다. 필터는, 불완전한 기화 또는 응축으로 인해 존재하는 임의의 액적을 포획하고 기화시키도록 구성될 수 있다.
다양한 구현예에서, 본원에 개시된 바와 같이, 반응물 및 기화된 용매의 혼합물일 수 있는 반응물 증기는, 별도의 비활성 캐리어 가스 공급을 사용하지 않고, 제1 공급 라인(8)을 따라 공급될 수 있다. 제1 공급 라인(8)을 통해 반응물 증기를 운반하기 위한 별도의 비활성 가스 소스를 생략하면, 유익하게도 장치(1)와 연관된 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 기화기(10)의 부피가 커질 수 있어서 기화기(10)의 반복된 퍼지는 처리량을 감소시킨다. 나타낸 구현예에서, 액체 반응물과 함께 공급된 용매 증기는 반응물을 운반하고 기화기(10)로부터 반응물 증기의 일부를 형성하는 역할을 할 수 있으며, 이는 기화기(10)로 별도의 캐리어 가스를 공급할 필요성을 제거할 수 있다.
공정 제어 챔버(20)는 기화기(10)와 반응기(21) 사이에 배치될 수 있다. 공정 제어 챔버(20)는, 제2 반응물 증기 공급 라인(9)을 따라 반응기(21)에 공급된 반응물 증기의 양을 계량하거나 제어할 수 있다. 따라서, 공정 제어 챔버(20)는 반응기(21)로의 펄스 전달 타이밍 및 펄스 폭을 제어하도록 구성될 수 있다.
제2 밸브(12)는 공정 제어 챔버(20)의 상류에 배치될 수 있다. 나타낸 구현예에서, 제2 밸브(12)는 필터(4)와 공정 제어 챔버(20) 사이에 배치될 수 있다. 다른 구현예에서, 제2 밸브(12)는 필터(4)와 기화기(10) 사이에 배치될 수 있다. 제2 밸브(12)는, 기화된 반응물의 유동 컨덕턴스를 제어하기 위한 조절 밸브를 포함할 수 있다. 제3 밸브(13)는, 공정 제어 챔버(20)의 하류에, 예를 들어 공정 제어 챔버(20)와 반응기(21) 사이에 배치될 수 있다. 제3 밸브(13)는, 일부 구현예에서 유동 컨덕턴스를 제어하기 위한 조절 밸브를 포함할 수 있다. 다른 유형의 밸브가 다른 구현예에 적합할 수 있다.
제2 반응물 증기 공급 라인(9)은 반응물 증기를 반응기(21)의 유입구 매니폴드(18)에 공급할 수 있다. 유입구 매니폴드(18)는, 반응물 증기를 반응기(21)의 반응 챔버(30)에 공급할 수 있다. 나타낸 바와 같은 샤워헤드 또는 다른 구현예에서 수평 주입 장치를 포함하는 분산 장치(35)는, 복수의 개구(19)와 유체 연통하는 플레넘(32)을 포함할 수 있다. 반응물 증기는 개구(19)를 통과하여 반응 챔버(30) 내로 공급될 수 있다. 기판 지지부(22)는, 반응 챔버(30) 내에서 웨이퍼와 같은 기판(36)을 지지하도록 구성되거나 크기를 갖거나 형상화될 수 있다. 분산된 반응물 증기는 기판과 접촉하고 반응하여 기판 상에 층(예, 단층)을 형성할 수 있다. 분산 장치(35)는, 기판 상에 균일한 층을 형성하기 위한 방식으로 반응물 증기를 분산시킬 수 있다.
배기 라인(23)은 반응 챔버(30)와 유체 연통할 수 있다. 진공 펌프(24)는 흡입력을 배기 라인(23)에 인가하여, 증기와 과잉의 물질을 반응 챔버(30)로부터 배기할 수 있다. 반응기(21)는 원자층 증착(ALD) 장치, 화학 기상 증착(CVD) 장치 등과 같은 임의의 적합한 유형의 반도체 반응기를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2의 구현예에서, 제1 압력 변환기(14)는 제1 변환기 라인(15)을 통해서 기화기(10) 내의 압력을 모니터링할 수 있다. 제2 압력 변환기(16)는 제2 변환기 라인(17)을 통해서 공정 제어 챔버(20) 내의 압력을 모니터링할 수 있다. 제1 피드백 회로(25)는 제1 압력 변환기(14)를 제1 밸브(11)와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 제2 피드백 회로(26)는 제2 변환기(16)를 제2 밸브(12)와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 제어 시스템(34)은 장치(1)의 다양한 구성 요소의 작동을 제어할 수 있다. 제어 시스템(34)은, 제1 밸브(11), 제2 밸브(12), 제1 압력 변환기(14), 제2 변환기(16), 제3 밸브(13), 반응기(21)(및 그 내부의 다양한 구성 요소), 및 진공 펌프(24) 중 하나 이상의 작동을 제어하도록 구성된 프로세싱 전자 장치를 포함할 수 있다.
도 2에서 단일 구조체로 나타내었지만, 제어 시스템(34)은, 장치(1)의 다양한 구성 요소의 작동을 제어하는 프로세서, 메모리 소자, 및 다른 전자 구성 요소를 갖는 복수의 제어기 또는 서브 시스템을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 제어 시스템(또는 제어기)이란 용어는 다른 장치(예컨대, 밸브, 센서 등)와 통합되거나 연결될 수 있는 개별 제어기 장치 및 처리 전자 장치의 임의의 조합을 포함한다. 따라서, 일부 구현예에서, 제어 시스템(34)은, 다중(또는 모든) 시스템 구성 요소의 작동을 제어하는 중앙 집중식 제어기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 시스템(34)은, 하나 이상의 시스템 구성 요소의 작동을 제어하는 복수의 분산 제어기를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 불충분한 기화 또는 응축은 반응 챔버(30)에서 막 성장의 변형을 유도할 수 있으며, 이는 수율을 감소시킬 수 있다. 또한, 일부 공정 처리 장치는, 기화기로부터, 임의의 개재 공정 제어 챔버 또는 밸브 배열이 없는 반응기로 반응물 증기를 전달할 수 있으며, 이는 반응 챔버(30)로의 액체의 전달을 유도할 수 있다. 유익하게, 도 1 및 도 2의 구현예는 기화기(10)와 공정 제어 챔버(20)에서 측정된 압력의 피드백 제어를 포함할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 장치(1)는 제1 온도로 유지되는 제1 열 구역(27), 및 제2 온도로 유지되는 제2 열 구역(28)을 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 제2 열 구역(28)의 제2 온도는 제1 열 구역(27)의 제1 온도보다 높을 수 있다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 제2 온도는 5°C 내지 50°C의 범위, 5°C 내지 35°C 범위, 또는 10°C 내지 25°C 범위의 온도 차이만큼 제1 온도보다 높을 수 있다. 제1 열 구역(27)은 기화기(10)를 포함할 수 있다. 제2 열 구역(28)은, 제2 열 구역(28) 내의 구성 요소를 연결하는 공급 라인과 함께, 필터(4), 제2 밸브(12), 공정 제어 챔버(20) 및 제3 밸브(9)를 포함할 수 있다. 열 구역(27, 28)이 분리되는 경우, 구역 사이에서의 공급 라인(8) 부분에 히터 재킷을 구비하여 제1 열 구역(27)의 온도 이상으로 라인을 유지할 수 있다.
가열된 제2 열 구역(28) 내에 필터(4)를 배치하면, 필터(4)를 통해 전달될 수 있는 액적의 포획 및 기화를 유익하게 향상시킬 수 있다. 고온 필터(4)는, 별도의 액적 크기 제어 기구(예, 고 흐름 비활성 가스 주입) 또는 플래시 비접촉 주입부의 사용을 제거할 수 있다. 또한, 상이한 온도로 있는 가열 구역에 기화기(10)와 공정 제어 챔버(20)를 배치하면, 장치(1)로 하여금 반응기 공정 파라미터를 미세하게 조정시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 밸브(11, 12)는, 원하는 공정 반응기 파라미터를 얻기 위해 반응기 내로 용매와 전구체 유량을 증가 또는 감소시키도록 제어 시스템(34)에 의해 조절될 수 있다.
예를 들어, 기화기(10)에 대한 제1 압력 설정 포인트는, 적어도 부분적으로 특정 반응물-용매 혼합물, 제1 열 구역(27)의 온도, 기화기(10)의 부피, 기화기(10)를 통한 유량, 및 기화기(10)의 온도에서 반응물 재료의 이슬점 압력(예, 본원에 사용된 바와 같이 반응물이 증기 형태로 남는 최대 근사 압력)에 기초하여 계산될 수 있다. 상기 계산된 제1 압력 설정 포인트는 기화기(10) 내의 압력에 대해 상한을 설정할 수 있고, 제어 시스템(34) 내로 입력될 수 있다. 제1 압력 변환기(14)는 기화기(10) 내의 압력을 모니터링할 수 있고, 상기 측정된 압력을, 제1 피드백 회로(25) 및/또는 제어 시스템(34)을 따라 제1 밸브(11)에 다시 피드백 할 수 있다. 피드백 회로(25) 및/또는 제어 시스템(34)은, 임의의 적합한 폐쇄 루프 제어 기법을 사용하여 기화기(10) 내의 압력을 제1 압력 설정 포인트 이하로 유지할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(34)은 상기 측정된 압력과 상기 제1 압력 설정 포인트의 차이를 계산할 수 있다. 상기 계산된 차이에 기초하여, 제어 시스템(34)은, 제1 온도에서 반응물 이슬점 압력 이하로 압력을 유지하도록 기화기(10)의 압력을 조절하기 위해, 제1 밸브(11)에 제어 신호를 전송하여 밸브(11)의 유동 컨덕턴스 설정을 조절할 수 있다.
밸브(11)(또는 밸브(12))에 대한 압력 설정 포인트를 결정하는 예로서, 반응물과 용매의 혼합물의 비중을 계산할 수 있다. 제1 실시예에서, 반응물로서 50% 지르코늄 금속-유기(ZrMO)(예, 지르코늄 아미노 알콕시드)을 사용하고 용매로서 50% 옥탄을 사용한 혼합물의 경우, 비중은 약 0.961일 수 있다. 이 예에서, 혼합물의 유량은 약 0.00133 g-액체/msec일 수 있다. 제1 열 구역(27)에서 150℃의 설정 온도에 대해, ZrMO의 대응하는 증기압은 약 45 토르일 수 있다. 0.5 L의 부피를 갖는 기화기(10)에 대해 대응하는 총 증기 압력은 대략 159 토르이고, 이는 제1 밸브(11)에 대한 제1 압력 설정 포인트일 수 있다. 압력 설정 포인트는 물론 혼합 조성물 및 공정 파라미터에 따라 다양할 것이다. 제1 실시예와 동일한 공정 파라미터를 갖는 제2 실시예로서, 20% ZrMO 반응물 및 80% 옥탄 용매 혼합물은 약 500 토르의 총 증기 압력을 갖는다.
유사하게, 공정 제어 챔버(20)에 대한 제2 압력 설정 포인트는, 적어도 부분적으로 반응물-용매 혼합물, 제2 열 구역(28)의 온도, 공정 제어 챔버(20)의 부피, 공정 제어 챔버(20)를 통한 유량, 및 공정 제어 챔버(20)의 온도에서 반응물 재료의 공지된 이슬점 압력에 기초하여 계산될 수 있다. 상기 계산된 제2 압력 설정 포인트는 공정 제어 챔버(20) 내의 압력에 대해 상한을 설정할 수 있고, 제어 시스템(34) 내로 입력될 수 있다. 제2 압력 변환기(16)는 공정 제어 챔버(20) 내의 압력을 모니터링할 수 있고, 상기 측정된 압력을, 제2 피드백 회로(26) 및/또는 제어 시스템(34)을 따라 제2 밸브(12)에 다시 피드백 할 수 있다. 제2 피드백 회로(26) 및/또는 제어 시스템(34)은, 임의의 적합한 폐쇄 루프 제어 기법을 사용하여 공정 제어 부피(20) 내의 압력을 제2 압력 설정 포인트 이하로 유지할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(34)은 상기 측정된 압력과 상기 제2 압력 설정 포인트의 차이를 계산할 수 있다. 상기 계산된 차이에 기초하여, 제어 시스템(34)은, 제2 온도에서 반응물 이슬점 압력 이하로 압력을 유지하도록 공정 제어 챔버(20)의 압력을 조절하기 위해, 제2 밸브(12)에 제어 신호를 전송하여 밸브(12)의 유동 컨덕턴스 설정을 조절할 수 있다.
따라서, 밸브(11, 12), 압력 변환기(14, 16), 및 피드백 회로(25, 26)는 응축 및 불충분한 기화를 방지하기 위해 기화기(10) 및 공정 제어 챔버(20) 내의 각각의 압력을 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 두 개의 피드백 회로(25, 26)가 상이한 온도에서 유지되는 두 개의 열 구역(27, 28)에 대해 제공되기 때문에, 장치(1)는 반응기 처리 파라미터 및 반응물 유량을 미세 조정할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 제어 시스템(34)은 공정 제어 챔버(20)의 상류에 있는 반응물 증기의 압력을 낮추도록 구성될 수 있다. 제2 열 구역(28)의 제2 온도가 제1 열 구역(27)의 제1 온도보다 높을 수 있기 때문에, 반응물 증기는 낮은 압력에서도 응축되지 않으면서 압력의 하락이 반응물 가스의 반응기로의 주입량을 조절하고 반응 공정을 안정화하는 데 도움이 될 수 있다. 다른 구현예에서, 제어 시스템(34)은, 반응 처리 파라미터를 조정하기 위해 공정 제어 챔버(20)의 상류 압력을 증가시키거나 달리 조절하도록 구성될 수 있다.
도 3은 도 1의 반도체 처리 장치의 개략적인 시스템 다이어그램으로, 액체 반응물 소스(3) 및 비활성 가스 소스(29)를 포함한다. 달리 언급이 없는 한, 도 3의 구성 요소는 도 1 및 도 2의 유사 번호의 구성 요소와 동일하거나 일반적으로 유사할 수 있다. 반응물 소스(3)만이 존재하는 도 1 및 도 2의 구현예와 달리, 도 3에서, 장치(1)는 비활성 가스 라인(33)을 따라 기화기(10)의 주입기(5)에 비활성 캐리어 가스를 공급할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 가스 질량 흐름 제어기(MFC)(6)는 비활성 가스 라인(33)을 따라 가스 공급량을 계량할 수 있다. 제4 밸브(31)가 비활성 가스 라인(33)을 따라 제공되어, 비활성 가스의 기화기(10)로의 흐름을 조절할 수 있다. 제4 밸브(31)는, 일부 구현예에서 복수의 유동 컨덕턴스 설정을 갖는 조절 밸브를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 제4 밸브(31)는 이중 온/오프 밸브를 포함할 수 있고, 여기서 밸브(31)는 비활성 가스 라인(33)을 따라 비활성 가스의 흐름을 허용하거나 차단한다. 도 3의 구현예에서, 비활성 가스는 반응물 증기를 반응기(21)에 공급하는 것을 보조할 수 있다. 예를 들어, 비활성 가스는 주입기(5)에 반응물 액체를 분무하는 것을 보조할 수 있으며, 이는 기화 효율을 개선한다.
도 4는 다양한 구현예에 따라, 반도체 처리 방법(40)을 나타내는 흐름도이다. 방법(40)은, 액체 반응물이 기화기에 공급되는 블록(41)에서 시작할 수 있다. 기화기는 제1 온도로 제1 열 구역에 배치될 수 있다. 블록(42)을 보면, 반응물은 기화기에서 기화되어 반응물 증기를 형성할 수 있다. 나타낸 직접식 액체 주입 구현예에서, 기화는 분무뿐만 아니라 가열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분무화는, 고속의 불활성 가스 흐름과 혼합하면서 분무되는 비접촉식 주입기를 통과할 수 있는 반면에, 분무화되거나 에어로졸화된 반응물의 기화는, 기화기에 열 에너지를 인가하여 그 온도를 증가시키는 하나 이상의 히터(예, 복사 히터)에 의해 보조받을 수 있다.
블록(43)에서, 기화기 내의 압력은 제1 온도에서 반응물 증기(임의의 용매 포함)의 이슬점 압력 이하로 유지될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 다양한 구현예에서, 제1 밸브는 기화기의 상류에 배치될 수 있다. 제1 압력 변환기는 기화기와 유체 연통할 수 있다. 제1 피드백 제어 회로는, 제1 압력 변환기 및 제1 밸브를 전기적으로 연결할 수 있다. 제1 피드백 제어 회로는, 응축 및 불완전한 기화를 방지하기 위해 압력이 압력 설정 지점 아래에 있도록 보장할 수 있다.
블록(44)을 보면, 반응물 증기는 기화기의 하류에 있는 공정 제어 챔버로 전달될 수 있다. 공정 제어 챔버는 제1 온도보다 높은 제2 온도로 제2 열 구역에 배치될 수 있다. 공정 제어 챔버는, 공정 제어 챔버의 하류에 배치될 수 있는 반응기에 반응물 증기의 공급(또는 펄스)을 계량할 수 있다.
블록(45)에서, 공정 제어 챔버 내의 압력은, 공정 제어 챔버 내의 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여 조절될 수 있다. 공정 제어 챔버 내의 압력은, 반응물 증기의 증기 상태를 유지하기 위해 제2 온도에서 반응물 증기(임의의 용매 포함)의 최대 압력 이하로 유지될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 다양한 구현예에서, 제2 밸브는 공정 제어 챔버의 상류에 배치될 수 있다. 제2 압력 변환기는 공정 제어 챔버와 유체 연통할 수 있다. 제2 피드백 제어 회로는, 제2 압력 변환기 및 제2 밸브를 전기적으로 연결할 수 있다. 제2 피드백 제어 회로는, 응축 및 불완전한 기화를 방지하기 위해 압력이 압력 설정 지점 아래에 있도록 보장할 수 있다. 또한, 일부 구현예에서, 공정 제어 챔버의 상류에 있는 압력 설정 포인트는 반응기 공정의 공정 파라미터를 조절하기 위해 기화기로부터 낮아질 수 있다.
전술한 것이 명확성 및 이해의 목적을 위해 예시 및 실시예로서 상세하게 설명되었지만, 특정 변경 및 수정이 실시될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 설명 및 실시예가 본 발명의 범주를 본원에 기술된 특정 구현예 및 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 개시된 구현예의 진정한 범주 및 사상에 따른 모든 변형 및 대안도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본원에서 설명된 모든 특징, 양태 및 장점이 본 구현예를 실시하기 위해 반드시 요구되는 것은 아니다.

Claims (34)

  1. 반도체 처리 장치로서,
    반응기;
    반응물 증기를 상기 반응기에 제공하도록 구성된 기화기;
    상기 기화기와 상기 반응기 사이의 공정 제어 챔버;
    상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 상기 기화기 내의 압력을 유지하도록 구성되는, 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기화기와 유체 연통하는 제1 압력 변환기를 추가로 포함하되, 상기 제어 시스템은, 상기 제1 압력 변환기에 의해 획득된 하나 이상의 압력 측정으로부터의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 기화기 내의 압력을 유지하도록 구성된 프로세싱 전자 장치를 포함하는, 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기화기의 상류에 있고 상기 제1 압력 변환기와 전기 연통하는 제1 밸브를 추가로 포함하되, 상기 제1 밸브는 상기 기화기 내의 압력을 조절하도록 구성되는, 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 반응물 증기는 기화된 용매를 포함하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버와 유체 연통하는 제2 압력 변환기를 추가로 포함하되, 상기 제어 시스템은, 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 조절하고 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 유지하도록 구성된 프로세싱 전자 장치를 포함하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 상기 제2 압력 변환기에 의해 획득된 하나 이상의 압력 측정으로부터의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 조절하도록 구성되는, 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 있고 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 조절하도록 구성된 제2 밸브를 추가로 포함하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 밸브의 상류에 필터를 추가로 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기화기는 제1 온도로 제1 열 구역에 배치되고 상기 공정 제어 챔버는 제2 온도로 제2 열 구역에 배치되고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 큰, 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버와 상기 반응기 사이에 있고, 상기 반응물 증기가 상기 반응기로 흐르는 것을 조절하도록 구성된 제3 밸브를 추가로 포함하는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 기화기는 비활성 가스 공급 라인에 연결되지 않는, 장치.
  13. 제1항에 있어서, 액체 반응물을 상기 기화기에 전달하는 액체 반응물 소스를 추가로 포함하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기화기의 상류에 있는 분무기를 추가로 포함하는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 액체 반응물이 상기 기화기로 흐르는 것을 계량하기 위한 액체 질량 흐름 제어기(MFC)를 추가로 포함하는 장치.
  16. 기화된 반응물을 형성하기 위한 장치로서, 상기 장치는,
    반응물 소스를 반응물 증기로 기화시키도록 구성되고 제1 온도로 제1 열 구역에 배치되는 기화기;
    상기 기화기의 하류에 있고 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 제2 열 구역에 배치되는 공정 제어 챔버;
    제어 시스템(상기 제어 시스템은,
    상기 제1 온도에서 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 상기 기화기 내의 제1 압력을 유지하고,
    상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하도록 구성됨)을 포함하는, 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버의 하류에 있는 반응기를 추가로 포함하는 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 반응물 소스는, 액체 반응물을 상기 공정 제어 챔버에 전달하는 액체 반응물 소스를 포함하는, 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 제2 온도에서 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 유지하도록 구성되는, 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 기화기의 상류에 있는 있는 제1 밸브, 상기 기화기와 유체 연통하는 제1 압력 변환기, 및 상기 제1 압력 변환기와 상기 제1 밸브와 전기 연통하는 제1 피드백 회로를 추가로 포함하는 장치.
  21. 제16항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 있는 있는 제2 밸브, 상기 공정 제어 챔버와 유체 연통하는 제2 압력 변환기, 및 상기 제2 압력 변환기와 상기 제2 밸브와 전기 연통하는 제2 피드백 회로를 추가로 포함하는 장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 있고 제2 열 구역에 배치된 필터를 추가로 포함하는 장치.
  23. 제16항에 있어서, 상기 기화기의 상류에 있는 분무기를 추가로 포함하는 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 액체 반응물이 상기 기화기로 흐르는 것을 계량하기 위한 액체 질량 흐름 제어기(MFC)를 추가로 포함하는 장치.
  25. 기화된 반응물을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    제1 온도로 제1 열 구역에 배치된 기화기에 반응물 소스를 공급하는 단계;
    상기 반응물 소스를 기화시켜 반응물 증기를 형성하는 단계;
    상기 제1 온도에서 상기 반응물 증기의 전체 증기 압력 이하로 상기 기화기 내 압력을 유지하는 단계;
    상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 제2 열 구역에 배치된 상기 공정 제어 챔버로 상기 반응물 증기를 이송하는 단계; 및
    상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 제2 온도에서 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 유지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버로부터 반도체 처리 챔버로 상기 반응물 증기를 펄스화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 기화된 반응물을 형성하기 위한 장치로서, 상기 장치는,
    액체 반응물로부터 반응물 증기를 형성하도록 구성된 기화기;
    상기 기화기의 하류에 있는 공정 제어 챔버;
    상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 조절하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는, 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 상기 기화기 내의 압력을 유지하도록 구성되는, 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 기화기와 유체 연통하는 제1 압력 변환기를 추가로 포함하되, 상기 제어 시스템은, 상기 제1 압력 변환기에 의해 획득된 하나 이상의 압력 측정으로부터의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 기화기 내의 압력을 유지하도록 구성된 프로세싱 전자 장치를 포함하는, 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 기화기의 상류에 있고 상기 제1 압력 변환기와 전기 연통하는 제1 밸브를 추가로 포함하되, 상기 제1 밸브는 상기 기화기 내의 압력을 조절하도록 구성되는, 장치.
  32. 제28항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버와 유체 연통하는 제2 압력 변환기를 추가로 포함하되, 상기 제어 시스템은, 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 조절하고 상기 반응 제어 챔버 내 압력을 상기 반응물 증기의 이슬점 압력 이하로 유지하도록 구성된 프로세싱 전자 장치를 포함하는, 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 상기 제2 압력 변환기에 의해 획득된 하나 이상의 압력 측정으로부터의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 조절하도록 구성되는, 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 있고 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 조절하도록 구성된 제2 밸브를 추가로 포함하는 장치.
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