KR20210137227A - 펄스 가스 전달을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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준후아 딩
마이클 엘'바씨
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엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
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Abstract

펄스 가스 전달 시스템에서, 챔버는 상류측 밸브를 통해 소정의 압력으로 사전-충전된다. 그 다음, 가스 펄스 중에 가스의 유동을 제어하기 위해 하류측 제어 밸브가 개방된다. 전용 제어기가 펄스 중에 검출되는 압력 및 온도에 기반하여 펄스 중에 피드백 루프에 하류측 제어 밸브를 제어할 수 있다.

Description

펄스 가스 전달을 위한 방법 및 장치
본 출원은 2019년 4월 5일에 출원된 미국출원 제16/376,861호의 계속 출원이다. 상기 출원의 전체 교시는 본 출원에 참조로서 포함된다.
원자 층 증착(ALD: atomic layer deposition) 공정과 같은 반도체 제조 공정은 여러 개의 공정 단계에 걸쳐 여러 개의 상이한 가스 및 가스 혼합물을 다양한 양으로 전달하는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 가스는 처리 시설에서 탱크에 저장되고, 탱크로부터 화학 기상 증착 반응기(vapor deposition reactors), 진공 스퍼터링 머신(vacuum sputtering machines), 및 플라즈마 에칭기(plasma etchers) 등과 같은 처리 툴(processing tool)로 계량된 양의 가스를 전달하는 데에 가스 계량 시스템이 사용된다. 통상적으로, 밸브, 압력 조절기, 질량 유동 제어기(MFCs: mass flow controller), 질량 유동비 제어 시스템과 같은 구성 요소가 가스 계량 시스템에, 또는 가스 계량 시스템으로부터 처리 툴로의 유동 경로에 포함된다.
펄스 가스 전달 디바이스는 가스의 펄스화된 질량 유동(pulsed mass flow)을 반도체 공정 툴(process tool)로 전달하기 위해 개발되어 왔다. 고속 공정은, 다이 대 다이(die-to-die) 및 웨이퍼 대 물(wafer-to-water) 상호 연결을 제공하도록 관통-실리콘 비아(TSCs: through-silicon vias)를 포함하는 진보된 3-D 집적 회로를 제조하기 위해 펄스 가스 전달이 사용될 수 있다.
종래의 압력 기반 펄스 가스 전달 디바이스는, 출구 차단 밸브가 폐쇄된 상태에서 입구 차단 밸브를 통해 소정의 압력(predetermined pressure)으로 체적을 충전한다. 그 다음, 입구 밸브가 폐쇄되고 출구 밸브가 개방되어, 체적의 압력이 또 다른 소정 수준으로 떨어질 때까지 공정 툴에 가스를 전달(pass)한다. 개방된 출구 밸브를 통해 유동하는 가스의 질량은 이상 기체 법칙에 따라 밸브가 개방 및 폐쇄될 때의 압력 차, 가스의 체적 및 온도에 따라 달라진다. 보다 최근에는, 질량 유동 제어기가 유동 센서로부터의 피드백 루프에 기반하여 펄스 전달에 적응되어 왔다. 일반적으로, MFC는 입구 포트, 출구 포트, 질량 유동 센서, 및 희망하는 질량 유동을 달성하기 위해 조절되는(adjusted) 비례 제어 밸브(proportional control valve)를 포함한다. 신속하게 폐쇄되는 제어 밸브를 이용하여 유동이 펄스화될 수 있다.
압력 기반 펄스 가스 전달 시스템에 대한 개선책이 제공된다. 특히, 챔버의 하류에 있는 통상적인 온/오프 차단 밸브가 조절 가능한 제어 밸브로 대체된다. 제어 밸브의 개방 정도는, 유동을 제한하여 펄스 중에 압력 기반 전달의 제어를 가능하게 하도록 제어될 수 있다. 펄스 중에 피드백 루프를 통한 제어를 포함한 적절한 제어로 인해, 소정의 양의 가스(a prescribed dose of gas)가 소정의 펄스 지속 기간에 걸쳐 정확하게 전달될 수 있다.
펄스 가스 전달 시스템은, 체적을 갖는 챔버, 챔버 내 가스의 압력을 검출하도록 구성되는 압력 센서, 및 챔버 내 가스의 온도를 나타내는 온도를 검출하도록 구성되는 온도 센서를 포함한다. 상류측 밸브는 챔버로의 가스의 유동을 제어하도록 구성된다. 하류측 제어 밸브는 챔버 밖으로의 가스의 유동을 제어하도록 구성된다. 제어기는 챔버를 초기 압력만큼 충전하기 위해 상류측 밸브와 하류측 제어 밸브를 제어하고, 그 다음 검출된 압력 및 온도에 기반하여 가스 펄스의 전달되는 양 및 기간을 제어하기 위해 챔버 밖으로 유동하는 가스의 가스 펄스 중에 하류측 제어 밸브를 통해 유동을 제어하도록 구성된다.
제어기는 펄스 중에 검출되는 압력 및 온도에 기반하여 펄스 중에 유동을 조절(regulate)하기 위해 피드백 루프에서 하류측 제어 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.
제어기는 챔버 밖으로의 가스 유량을 계산하고, 계산된 유량과 목표 유동 설정 값에 기반하여 챔버 밖으로의 가스 유량(flow rate)을 조절하기 위해 하류측 제어 밸브를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 제어기는 다음의 압력 감쇠율 식에 기반하여 유량(Q)을 계산하도록 구성될 수 있으며,
Figure pct00001
이때 V는 챔버의 체적을 나타내고, Tstp는 표준 온도를 나타내며, Pstp는 표준 압력을 나타내고, P는 챔버 내 가스의 압력을 나타내고, T는 챔버 내 가스의 온도를 나타낸다.
제어기는 챔버의 밖으로 전달되는 가스 양을 계산하고, 가스 펄스 중에 소정의 가스 양을 전달하기 위해 하류측 제어 밸브를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 제어기는 챔버의 체적, 펄스가 시작될 때 압력 센서에 의해 검출되는 챔버 내 가스의 초기 압력, 펄스 중에 압력 센서에 의해 검출되는 챔버 내 가스의 압력, 그리고 펄스 중에 온도 센서에 의해 검출되는 온도에 기반하여 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산할 수 있다. 펄스 중의 시간(t)에 챔버 밖으로 전달되는 가스의 몰 양(Δn(t))은 다음의 함수에 따라 계산될 수 있으며,
Figure pct00002
,
이때, V는 챔버의 체적을 나타내고, Pt0는 펄스가 시작될 때 체적 내 가스의 압력을 나타내며, Pt는 펄스 중 시간(t)의 챔버 내 가스의 압력을 나타내고, Tt는 펄스 중 시간(t)의 가스의 온도를 나타낸다.
제어기는 소정의 펄스 형상을 달성하기 위해 펄스 동안 유량을 조절하도록 구성될 수 있다. 제어기는 펄스 동안 실질적으로 일정한 유량을 달성하기 위해 하류측 제어 밸브를 조절하도록 구성될 수 있다.
펄스 가스 전달을 위한 방법에서, 챔버에 가스를 초기 압력만큼 충전하기 위해 하류측 제어 밸브는 폐쇄되어 있는 동안 상류측 밸브는 개방된다. 상류측 밸브는 초기 압력에 도달하면 폐쇄된다. 상류측 밸브가 폐쇄된 후에 챔버 밖으로 유동하는 가스의 펄스를 시작하기 위해 하류측 밸브가 개방된다. 소정의 펄스 기간(period of the pulse)에 걸쳐 소정의 양을 전달하기 위해 챔버 밖으로 유동하는 가스의 펄스 동안 하류측 제어 밸브가 제어된다.
유체의 펄스를 전달하는 방법은 입구 밸브로 챔버로의 유체 유동을 제어하는 단계, 압력 센서로 챔버 내 가스의 압력을 검출하는 단계, 온도 센서로 챔버 내 가스의 온도를 나타내는 온도를 검출하는 단계, 및 유체의 펄스 중에 하류측 제어 밸브를 통해 유체 유동을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
챔버 내 가스의 압력 및 온도가 검출될 수 있고, 검출된 압력 및 온도에 기반하여 하류측 제어 밸브가 제어된다. 하류측 제어 밸브는 소정의 양 또는 소정의 펄스 기간에 도달하면 폐쇄될 수 있다. 방법의 단계들은 전용 제어기(dedicated controller)의 제어 하에서 소정의 펄스 수만큼 반복될 수 있다.
챔버 밖으로의 가스의 유량이 측정될 수 있고, 펄스 중에, 측정되는 유량을 유동 설정 값으로 조절하기 위해 하류측 제어 밸브가 제어될 수 있다. 또한, 펄스 중에, 챔버의 밖으로 전달되는 가스의 양이 계산될 수 있고, 소정의 펄스 시간 동안 소정의 가스 양을 전달하기 위해 하류측 제어 밸브가 제어될 수 있다.
펄스 중에, 소정의 펄스 형상을 달성하기 위해 유량이 조절될 수 있다. 펄스 중에 실질적으로 일정한 유량을 달성하기 위해 펄스 중에 하류측 제어 밸브가 조절될 수 있다.
하류측 제어 밸브를 통한 유체의 유동은 펄스 중에 검출되는 압력 및 온도로부터의 피드백에 기반하여 제어될 수 있다. 챔버 밖으로의 가스의 유량이 계산될 수 있고, 계산된 유량 및 목표되는 유동 설정 값에 기반하여 챔버 밖으로의 가스의 유량을 조절하기 위해 하류측 제어 밸브가 제어될 수 있다.
방법은 챔버의 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산하고, 가스 펄스 중에 소정의 가스 양을 전달하기 위해 하류측 제어 밸브를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 것은, 첨부된 도면에 도시되어 있는 것과 같은 이하의 예시적인 실시예의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 첨부된 도면에서 동일한 도면 부호는 상이한 도면 전반에서 동일한 부품을 지칭한다. 도면은 반드시 축척에 맞춰진 것은 아니며, 실시예를 도시하는 것에 중점을 둔다.
도 1은 종래의 압력 기반 펄스 전달 시스템을 도시한다.
도 2는 도 1의 압력 기반 펄스 가스 전달 시스템의 작동을 도시한다.
도 3은 열 센서를 이용한 종래의 펄스형 질량 유동 제어기를 도시한다.
도 4는 압력-기반 유동 센서를 이용한 종래의 펄스형 질량 유동 제어기를 도시한다.
도 5는 본 발명을 구현하는 펄스 전달 시스템을 도시한다.
도 6은 도 5의 시스템의 작동을 도시한다.
도 7은 도 5의 펄스 가스 전달 시스템의 작동을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 도 5의 시스템의 펄스 전달 공정을 나타내는 흐름도이다.
예시적인 실시예의 설명은 다음과 같다.
가스 제어 시스템은 특정한 가스의 질량, 예를 들어 반도체 제조 공정 또는 화학 공정에서 공정 가스의 펄스 전달을 위해 사용된다.
가스의 질량은 공정 챔버에 전달되는 유동의 펄스 동안 전달되어야 하는 유체의 희망하는 몰 수(number of moles)로서 명시될 수 있다. '몰(mole)'은 단위 기호가 mol인, 국제 단위계(SI)에 있어서의 물질의 양에 대한 측정 단위이다. '몰'은 정의상 표준 원자량이 12인 탄소의 동위 원소인 탄소-12(12C)의 12그램 중에 있는 원자와 같은 수의 구성 입자, 예를 들어 원자, 분자, 이온, 전자, 또는 양성자를 포함하는 물질의 양 또는 샘플로서 정의된다. 이 수는 약 6.022140857x10^23mol-1의 값을 갖는 아보가드로 상수(Avogadro constant)에 의해 표현된다. 몰은 화학 반응의 반응물과 생성물의 양을 표현하기 위한 편리한 방법으로서 널리 사용된다. 몰 부피(molar volume)(기호: Vm)는 주어진 온도 및 압력에서 1몰의 물질이 차지하는 부피이다. 이는 몰 질량(molar mass, M)을 질량 밀도(ρ)로 나눈 것과 같다.
도 1은 전체 내용이 참조로서 포함되는 샤지(Sahjii) 등에 의해 발명된 2009년 12월 8일에 출원된 미국특허 제7,628,860호에 제시되어 있는 것과 같은 압력-기반 펄스 가스 전달을 이용한 종래의 펄스 가스 전달 디바이스(102)를 도시한다. 압력 기반 몰 측정 기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 알려진 체적(V)으로 도입되는 가스의 압력(P) 대 시간(t) 응답을 활용한다. 디바이스(102)는 알려진 체적(V)을 갖는 챔버(104), 챔버(104)의 상류에 위치되는 입구 밸브(106)(“Vin”), 및 챔버(104)의 하류에 위치되는 출구 밸브(107)(“Vout”)를 포함한다. 또한, 챔버(104)에 위치되는 압력 센서(108) 및 챔버 내 가스 온도의 표시를 제공하기 위해 챔버의 벽의 온도를 측정하는 온도 센서(110)가 제공된다.
먼저, 하류측 밸브(107)가 폐쇄된 상태에서 상류측 밸브(106)를 개방함으로써, 일정 시간(period of time)(도 2의 “충전(Charge)” 기간 Δt=(t1-t0))에 걸쳐 챔버 또는 체적(104)을 채우기 위해 가스 유동(Qi)이 디바이스에 진입하고 압력 변화가 발생하도록 하여, 가스 공급원(105)으로부터 소정의 압력으로 디바이스(102)가 충전될 수 있다. 시간(t1) 및 압력(P1)에서, 상류측 밸브(106)는 폐쇄되어 있다(“Vin 폐쇄”). 그 다음, 공정은 챔버(104) 내 가스가 설정 값(set point)으로 안정화될 수 있도록 하는 시간(t2-t1)을 포함한다. 이 시간 동안, 압력 센서(108) 및 온도 센서(110)에 의해 압력 및 온도 측정값이 획득된다. 하류측 밸브(107)를 개방할 때(도 2의 시간 t2에서 “Vout 개방”), 밸브(107)가 소정의 압력(P2)에서 다시 폐쇄될 때까지(시간 t3에서 “Vout 폐쇄”) 가스 유동(Qo)이 디바이스(102)를 빠져나가, 디바이스로부터 처리 툴(111)로 가스 펄스를 전달한다.
도 2에 도시된 펄스 가스 전달은 호스트 제어기(host controller)(114)로부터 명령되는 전달 방법을 실행하는 디바이스(102)의 전용 제어기(112)에서 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 펄스 전달은 호스트 제어기(114)로부터의 트리거 신호(trigger signal), 예를 들어 제어 신호에 의해 개시된다. 전달되는 가스의 몰은 이상 기체 법칙 Δn=(ΔP*V)/(R*T)의 원칙에 기초하여 추정될 수 있다.
전달 챔버 내 압력 강하에 기반하여 결정되는 유량을 이용한 다중 채널 펄스 가스 전달이, 본 명세서에 참조로서 그 전체 내용이 포함되는, 딩(Ding) 등에 의해 발명되어 2016년 5월 24일에 등록된 미국특허 제9,348,339호에 설명되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 접근 방법은 몇 가지 제한사항을 갖는다. 충전 압력이 엄격하게 제어되어야 한다. 펄스 전달의 정확성 및 반복 가능성은 하류측 셧오프 밸브(shut-off valve)의 속도 및 신뢰성에 의존한다. 빠른 응답 시간을 갖는 셧오프 밸브가 희망된다. 하지만, 밸브가 노후되면, 적응형 조정을 구현하거나 밸브를 교체해야 할 수 있으며, 이는 각각 복잡성을 증가시키거나 통상적으로 공정의 중단을 요구한다. 종종, 펄스 형상(예를 들어, 펄스 폭)이 원치 않는 형상이거나, 펄스가 희망하는 구형파(square wave)와 충분히 일치하지 않는다. 또한, 가스 체적으로 챔버(104)를 충전하려는 요구는 시간을 필요로 한다. 각 펄스 이전의 가스 충전 시간 및 안정화 시간은 신속한 가스 전달 사이클 시간을 제한한다.
하지만, 압력 기반 몰 측정 기법의 이점은, 측정되는 특정 가스 또는 가스 혼합물에 대한 지식 없이도 적용될 수 있다는 점이다. 챔버 체적에 걸친 질량 균형 및 이상 기체 법칙의 적용으로부터 도출되는 가스 전달량(gas delivery amount)은 가스 독립적이며, 측정되는 가스의 거동을 특성화하는 3개의 상태 변수, 압력(P), 온도(T), 및 체적(V)에 의존한다.
도 3은 질량 유동 제어기에 기반한 종래의 펄스 전달 시스템을 도시한다. 통상의 질량 유동 제어기에서, 비례 제어 밸브(304)는 유동 센서(306)에 의해 감지되는 소정의 유동 설정 값까지 개방된다. 예를 들어, 유동 센서(306)는 온도 기반 유동 센서일 수 있다. 설정 값을 충족하도록 비례 제어 밸브(304)의 개방 정도를 제어하기 위해 전용 제어기(308)를 통한 피드백이 사용된다. 펄스 전달 시스템에서는, 신속하게 개방 및 폐쇄될 수 있는 밸브(304)가 사용된다. 호스트 제어기(114)는 전용 제어기(308)에 희망하는 설정 값과 펄스 온 시간을 전송한다. 이는, 호스트 제어기로부터의 트리거에 의해 개시되는 펄스 시퀀스를 위한 펄스 온 및 오프 시간 또한 전송할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 온도 기반 펄스 MFC들의 단점은 고온 작동에 제한되고 장기 드리프트(long-term drift) 문제를 가질 수 있다는 점이다.
도 4는 가스의 펄스 전달을 위한 종래의 압력 기반 MFC(402) 시스템을 도시한다. 호스트 제어기(114)는 예를 들어, 펄스 몰 설정 값, 펄스 온 기간, 펄스 오프 기간, 및 반복되는 펄스의 수와 같은 희망하는 펄스 전달 정보와 관련된 정보를 전용 제어기(404)에 제공하기 위해, MFC(402)와 통신한다. 펄스 전달 사이클을 개시하기 위해, 호스트 제어기(114)는 전용 제어기(404)에 트리거 신호를 전송한다. MFC(402)는 가스 소스(gas source)로부터 유동 채널(408)로의 유체 유동을 제어하기 위해 제어 밸브(406)(예를 들어, 비례 제어 밸브)를 포함한다. MFC(402)의 제어기(404)는 유체의 펄스 중에 공정 챔버로 전달되는 유체를 제어하기 위해 제어 밸브(406)를 통한 유체 유동을 제어하도록 구성된다. 제어기(404)는, 유동 채널 내의 유량(Q)을 측정하기 위해 제공되는 유동 센서(410)로부터의 피드백에 기반하여 제어 밸브(406)를 통한 유체 유동을 제어한다. 유동 센서(410)는 유동 채널(410) 내의 유동 제한기(412) 및 상류 및 하류 압력 센서(각각 414 및 416)를 포함한다. 제어 밸브(406)는 제한기(410)및 압력 센서들의 상류측에 있다. 유동 제어는 온도 센서(418)에 반응(responsive)할 수도 있다.
도 3 및 도 4의 디바이스에 대한 펄스 가스 전달량은 다음의 식에 의해 계산될 수 있으며,
Figure pct00003
(1)
이때 Δn은 몰 단위의 전달되는 가스이며, Q는 유동 센서에 의해 측정되는 유량, t1은 펄스의 시작 시간, t2는 펄스의 종료 시간이다.
펄스 MFC 가스 전달은, 본 명세서에 그 전체 내용이 참조로서 포함되는, 준화 딩(Junhua Ding) 등에 의해 발명되고 발명의 명칭이 “System for and Method of Fast Pulse gas Delivery”인 국제특허공보 WO 2012/116281 A1에 더 설명된다.
도 4의 압력 기반 MFC의 개선책이 2018년 2월 2일에 출원된 계류중인 미국특허출원 제15/887,447호 및 2019년 1월 28일에 출원된 대응하는 PCT 출원 PCT/US2019/015356에 제시되어 있다. 그 시스템에서, 단순히 비례 제어 밸브로 획득할 수 있는 것보다 더 신속하게 펄스를 개시 및 종결하기 위해 MFC의 출력에 차단 밸브가 제공된다. 제어기는 제어 밸브를 통해 유동을 제어하고 전달되는 유체의 추정되는 몰 수에 기반하여 차단 밸브를 스위칭하도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 압력 기반, 감쇠율 펄스 가스 전달 시스템(pressure based rate-of-decay pulse gas delivery systems)의 개선책을 도시한다. 챔버(504)는 알려진 체적(V)을 갖는다. 챔버(504) 내 유체의 압력은 압력 센서(506)에 의해 감지되고, 가스 온도는 온도 센서(508)에 의해 감지된다. 감지된 압력 및 감지된 온도는 모두, 호스트 제어기(114)와 통신하는 전용 제어기(514)에 공급된다. 제어기(514)는 상류측 밸브(510) 및 하류측 밸브(512)의 작동을 제어한다. 상류측 밸브(510)는 체적(504)을 충전하기 위한 종래의 온/오프 형 차단 밸브일 수 있지만, 제어 밸브일 수도 있다. 중요한 것은, 하류측 밸브(512)가 통상의 온/오프 형 차단 밸브가 아니라, 질량 유동 제어기에서 통상적으로 사용되는 비례 제어 밸브와 같이, 밸브의 개방이 제어 신호에 응답하여 제어될 수 있는 조절 가능한 제어 밸브라는 점이다.
도 5의 펄스 가스 전달 시스템의 작동이 도 6에 도시되고, 제어 흐름도가 도 7 및 도 8에 제시된다. 도 6은 이전 펄스(604)에 이어지는 제어된 유동의 펄스(602) 형태를 도시한다.
702에서, 호스트 제어기는 제어기(514)를 구성하기 위한 파라미터를 전송한다. 본 명세서에는 2개의 대안적인 구성이 제시된다. “시간 기반 전달(Time Based Delivery)”에서, 호스트 제어기는 다음의 파라미터, 유동 설정 값(Qsp), 펄스 온 시간(Ton), 펄스 오프 시간(Toff) 및/또는 펄스의 수(N)를 시스템에 전송한다. “몰 기반 전달(Mole Based Delivery)”에서, 호스트 제어기는 다음의 파라미터, 펄스 전달 몰 양 설정 값(Msp), 펄스 온 시간(Ton), 펄스 오프 시간(Toff), 및/또는 반복 펄스의 수(N)를 시스템에 전송한다. 이러한 몰 기반 전달에서, 펄스 형상이 사각형이라고 가정하면, 목표되는 유량 설정 값(Qsp)은 몰 양 설정 값(Msp)으로부터 다음과 같이 계산될 수 있으며,
Figure pct00004
(2)
이때 k1은 전환 상수이다.
두 방법 모두 다음과 같이 진행된다. 704에서 하류측 밸브(512)가 폐쇄되고, 706에서 챔버(504)를 708에서 측정되는 소정의 압력으로 충전하기 위해 상류측 밸브가 개방된다. 그 다음 상류측 밸브가 710에서 폐쇄된다. 712에서, 호스트 제어기는 도 8의 펄스 가스 전달 공정을 작동시키기(trigger) 위해 전용 제어기(514)에 트리거 신호를 전송한다.
802에서, 제어기(514)의 펄스-온 타이머가 리셋(reset)된다. 804에서, 도 6에서 펄스(604) 시작 시의 시간(t0)에, 하류측 밸브(512)가 개방되고, 펄스 전달이 소정의 양 설정 값 및 펄스 온 기간과 일치하도록 펄스 양 설정 값 및 펄스 온 기간에 기초하여 목표된 유동 설정 값(Qsp)으로 유동을 조절하기 위해, 하류측 밸브의 개방을 제어하는 데 피드백 제어 루프가 사용된다. 측정된 유량은 전달 챔버 체적에 대한 감쇠율 방법에 기반하여 다음과 같이 계산되며,
Figure pct00005
(3)
이때 Q는 밸브(512)를 통한 가스 유동, V는 챔버(504)의 체적, Tstp는 표준 온도 상수, Pstp는 표준 압력 상수, P는 센서(506)에 의해 측정되는 압력, 그리고 T는 온도 센서(508)에 의해 측정되는 가스의 온도이다.
시간 기반 전달 방법에서, 펄스 온 시간(Ton)에 도달하면, 704에서 제어기(514)는 단일 펄스의 전달을 완료하기 위해 하류측 밸브(512)를 폐쇄한다.
몰 기반 전달 방법에서, 804에서 추가적인 피드백 제어 루프가 제공된다. 전달 펄스 동안의 가스 전달량은 다음 수학식을 이용하여 계산될 수 있으며,
Figure pct00006
(4)
이때 Δn(t)는 시간에 따른 밸브(512)를 통과한 가스의 몰 양, Pt0는 하류측 밸브가 처음 개방되었을 때의 초기 충전 압력, Pt는 하류측 밸브가 t1에 폐쇄되었을 때의 최종 압력, T는 가스 온도, 그리고 R은 이상 기체 상수(ideal gas constant)이다.
시스템은 펄스 온 기간에 도달하였을 때 전달될 가스의 몰 단위의 총량을 추정할 수 있다.
시스템은 이러한 추정된 값이 몰 설정 값(Msp)과 일치하지 않을 경우, 유동 설정 값(Qsp)을 조정할 수 있다. 환언하면, 유동 설정 값(Qsp)을 조절하기 위해 제2 피드백 루프가 사용된다. 제1 피드백 제어 루프는 항상, 시간 기반 전달 및 몰 기반 전달 모두의 경우에서 유량을 유동 설정 값으로 제어하기 위해 사용된다. 몰 기반 전달에서, 제어기(514)는 펄스 전달 동안, 각각의 펄스에 대해 목표되는 펄스-온 기간 내에 희망하는 몰 수를 정확하게 전달하기 위해, 펄스 동안 전달되는 계산된 몰 수의 피드백에 기반하여 자동으로 유동 설정 값(Qsp)을 조절하고, 이로 인해 제어 밸브(512)를 조절한다. 몰 기반 전달에서, 2개의 피드백 제어 루프가 몰 설정 값(Msp) 및 펄스 온 시간(Ton) 요건 모두를 만족할 수 있다.
제어기는 이전의 펄스 전달의 피드백에 기반하여 제어 밸브(512)의 개방을 조절할 수도 있다.
806에서, 시간(t1)에 펄스-온 기간이 경과하였거나 양(dose amount)에 도달하였을 때 하류측 제어 밸브(512)가 폐쇄된다. 두 방법 모두에서, 808에서 펄스-오프 타이머가 리셋된다. 810에서, 시간(t1)에 챔버의 체적을 소정의 압력으로 충전하기 위해 상류측 밸브가 개방된다. 도 6은 하류측 밸브가 폐쇄되자 마자 상류측 밸브가 개방되는 것으로 도시되어 있지만, 적절한 지연이 제공될 수 있다. 812에서, t2에서 소정의 압력에 도달하였을 때 상류측 밸브가 폐쇄된다. 814에서, 시스템은 챔버 내 가스가 안정화되도록 펄스 오프 기간 동안 대기한다. 제어 밸브(512)에 의해 제공되는 제어 때문에, 안정화 동작(stability action) 이후의 시작 압력(Pt0)은 종래의 감쇠율 옵션에서보다 결정적(critical)이지 않다. 결과적으로, 펄스 오프 시간이 비교적 짧아질 수 있다. 816에서, 전달된 펄스의 수가 펄스 수 설정 값보다 작으면 이전 단계(802-814)들이 반복된다.
개시된 시스템은 몇 가지 이점을 제공한다. 펄스 전달 기간 동안 유량을 제어함으로써 정확한 몰 전달량을 제공한다. 펄스 형상이 제어될 수 있다. 고온 작업이 가능하다. 상류측 밸브를 완전히 개방함으로써 신속한 충전을 달성할 수 있다. 유량 및 전달량은 가스 독립적이므로, 이상 기체 방정식이 사용될 수 있지만, 비이상 기체 방정식이 사용될 수도 있다. 펄스와 유동이 제어되는 동안 전달되는 몰의 양이 계산되기 때문에, 초기 압력(Pt0)이 덜 정확할 수 있다. 시스템은 ALD/ALE 및 TSV 공정과 같은 많은 신속 펄스 전달 어플리케이션에서 사용될 수 있다.
예시적인 실시예들이 특히 도시 및 설명되었지만, 통상의 기술자라면 첨부된 청구항에 포함되는 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 세부 사항 면에서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (30)

  1. 체적을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내 가스의 압력을 검출하도록 구성되는 압력 센서;
    상기 챔버 내 가스의 온도를 나타내는 온도를 검출하도록 구성되는 온도 센서;
    상기 챔버로의 가스의 유동을 제어하도록 구성되는 상류측 밸브;
    상기 챔버 밖으로의 가스의 유동을 제어하도록 구성되는 하류측 제어 밸브; 및
    상기 챔버를 초기 압력까지 충전하기 위해 상기 상류측 밸브와 상기 하류측 제어 밸브를 제어하고, 그 이후에 상기 검출된 압력과 온도에 기반하여 가스 펄스의 전달되는 양(dose) 및 기간을 제어하기 위해 상기 챔버의 밖으로 유동하는 가스의 가스 펄스 동안 상기 하류측 제어 밸브를 통한 유동을 제어하도록 구성되는, 제어기
    를 포함하는, 펄스 가스 전달 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 펄스 동안 검출되는 압력 및 온도에 기반하여, 상기 펄스 동안 시스템 밖으로의 유동을 조절하기 위해 피드백 루프에서 상기 하류측 제어 밸브를 제어하도록 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 챔버 밖으로의 가스의 유량(flow rate)을 계산하고, 상기 계산된 유량 및 목표되는 유동 설정 값(targeted flow set point)에 기반하여 상기 챔버 밖으로의 가스의 유량을 조절하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 제어하도록 추가적으로 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 다음의 식,
    Figure pct00007

    에 기반하여 유량(Q)을 계산하도록 구성되고,
    이때 V는 상기 챔버의 체적을 나타내고, Tstp는 표준 온도를 나타내며, Pstp는 표준 압력을 나타내고, P는 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내고, T는 상기 챔버 내 가스의 온도를 나타내는, 펄스 가스 전달 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산하고, 상기 가스 펄스 동안 소정의 가스의 양을 전달하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 제어하도록 추가적으로 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 챔버의 체적, 상기 펄스가 시작될 때 상기 압력 센서에 의해 검출되는 상기 챔버 내 가스의 초기 압력, 상기 펄스 중에 상기 압력 센서에 의해 검출되는 상기 챔버 내 가스의 압력, 및 상기 펄스 중에 상기 온도 센서에 의해 검출되는 가스의 온도에 기반하여, 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산하도록 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 다음의 식,
    Figure pct00008

    에 기반하여, 상기 펄스 중 시간(t)에 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양(Δn(t))을 계산하도록 구성되고,
    이때 V는 상기 챔버의 체적을 나타내고, Pt0는 상기 펄스가 시작될 때 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내며, Pt는 상기 펄스 중 시간(t)에서의 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내고, Tt는 상기 펄스 중 시간(t)에서의 가스의 온도를 나타내는, 펄스 가스 전달 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산하고, 가스 펄스 동안 소정의 가스 양을 전달하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 제어하도록 추가적으로 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 챔버의 체적, 상기 펄스가 시작될 때 상기 압력 센서에 의해 검출되는 상기 챔버 내 가스의 초기 압력, 상기 펄스 중에 상기 압력 센서에 의해 검출되는 상기 챔버 내 가스의 압력, 및 상기 펄스 중에 상기 온도 센서에 의해 검출되는 가스의 온도에 기반하여, 상기 챔버의 밖으로 전달되는 가스의 상기 양을 계산하도록 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는 다음의 함수,
    Figure pct00009

    에 따라, 상기 펄스 중 시간(t)에 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 상기 양(Δn(t))을 계산하도록 구성되고,
    이때 V는 상기 챔버의 체적을 나타내고, Pt0는 상기 펄스가 시작될 때 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내며, Pt는 상기 펄스 중 시간(t)에서의 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내고, Tt는 상기 펄스 중 시간(t)에서의 가스의 온도를 나타내는, 펄스 가스 전달 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 소정의 펄스 형상을 달성하기 위해 상기 펄스 동안 유량을 조절하도록 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 펄스 동안 실질적으로 일정한 유량을 달성하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 조절하도록 구성되는, 펄스 가스 전달 시스템.
  13. (i) 챔버에 가스를 초기 압력까지 충전하기 위해 하류측 제어 밸브를 폐쇄하는 동안 상류측 밸브를 개방하는 단계;
    (ii) 초기 압력에 도달하면 상기 상류측 밸브를 폐쇄하는 단계;
    (iii) 상기 초기 압력에 도달하면, 상기 상류측 밸브가 폐쇄된 후에, 상기 챔버 밖으로 유동하는 가스의 펄스를 시작하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 개방하는 단계;
    (iv) 상기 펄스의 소정의 기간에 걸쳐 소정의 양을 전달하기 위해, 상기 챔버 밖으로 유동하는 가스의 상기 펄스 동안, 상기 하류측 제어 밸브를 제어하는 단계
    를 포함하는, 펄스형 가스(pulsed gas) 전달의 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 펄스 중에 상기 챔버 내 가스의 압력과 온도를 검출하고, 상기 검출된 압력과 온도에 기반하여 상기 하류측 제어 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는, 펄스형 가스 전달의 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    소정의 가스 양에 도달하면 상기 하류측 제어 밸브가 폐쇄되도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 펄스형 가스 전달의 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    희망하는 펄스 온 타임(pulse on time)에 도달하면 상기 하류측 제어 밸브가 폐쇄되도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 펄스형 가스 전달의 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    펄스 수에 대한 전용 제어기의 제어 하에서 (i) 내지 (iv) 단계들을 반복하는 단계를 더 포함하는, 펄스형 가스 전달의 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 챔버 밖으로의 가스의 유량을 측정하고, 펄스 중에 상기 측정된 유량을 목표되는 유동 설정 값으로 조절하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는, 펄스 가스 전달의 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 펄스 중에, 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산하고, 소정의 펄스 시간 동안 소정의 가스 양을 전달하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는, 펄스 가스 전달의 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    소정의 펄스 형상을 달성하기 위해 상기 펄스 동안 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는, 펄스 가스 전달의 방법.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 펄스 동안 실질적으로 일정한 유량을 달성하기 위해 상기 펄스 동안 상기 하류측 제어 밸브를 조절하는 단계를 더 포함하는, 펄스 가스 전달의 방법.
  22. 유체의 펄스를 전달하는 방법으로서,
    입구 밸브를 갖는 챔버 내로의 유체의 유동을 제어하는 단계;
    상기 챔버 내 가스의 압력을 압력 센서로 검출하는 단계;
    상기 챔버 내 가스의 온도를 나타내는 온도를 온도 센서로 검출하는 단계; 및
    상기 유체의 펄스 동안 하류측 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하는 단계
    를 포함하는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 하류측 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하는 단계는 상기 펄스 중에 검출되는 상기 압력 및 상기 온도로부터의 피드백에 기반하는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 챔버 밖으로의 가스의 유량을 계산하고, 상기 계산된 유량과 목표되는 유동 설정 값에 기반하여 상기 챔버 밖으로의 가스의 유량을 조절하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 방법은 다음의 식,
    Figure pct00010

    에 기반하여 유량(Q)을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    이때 V는 상기 챔버의 체적을 나타내고, Tstp는 표준 온도를 나타내고, Pstp는 표준 압력을 나타내고, P는 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내며, T는 상기 챔버 내 가스의 온도를 나타내는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산하고, 상기 가스 펄스 동안 소정의 가스 양을 전달하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 챔버의 체적, 상기 펄스가 시작될 때 상기 압력 센서에 의해 검출되는 상기 챔버 내 가스의 초기 압력, 상기 펄스 중에 상기 압력 센서에 의해 검출되는 상기 챔버 내 가스의 압력, 및 상기 펄스 중에 상기 온도 센서에 의해 검출되는 가스의 온도에 기반하여, 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양을 계산하는 단계를 더 포함하는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 방법은 다음의 함수,
    Figure pct00011

    에 따라, 상기 펄스 중 시간(t)에 상기 챔버 밖으로 전달되는 가스의 양(Δn(t))을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    이때, V는 상기 챔버의 체적을 나타내고, Pt0는 상기 펄스가 시작될 때 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내고, Pt는 상기 펄스 중에 시간(t)에서의 상기 챔버 내 가스의 압력을 나타내고, Tt는 상기 펄스 중에 시간(t)에서의 가스의 온도를 나타내는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  29. 제22항에 있어서,
    소정의 펄스 형상을 달성하기 위해 상기 펄스 동안 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 펄스 동안 실질적으로 일정한 유량을 달성하기 위해 상기 하류측 제어 밸브를 조절하는 단계를 더 포함하는, 유체의 펄스를 전달하는 방법.
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