KR20230065219A - 기상 처리를 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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제랄드 리 윈클러
처크 리
마이클 에프. 슐츠
존 케빈 수그루
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에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
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Abstract

반도체 처리 장치는 기판을 내부에 수용하도록 크기를 갖는 반응 챔버를 포함하는 반응기 어셈블리를 포함할 수 있다. 배기 라인은 반응 챔버와 유체 연통하고, 반응 챔버 밖으로 가스를 전달하도록 구성된다. 밸브는 배기 라인을 따라 가스의 흐름을 조절하도록 배기 라인을 따라 배치될 수 있다. 제어 시스템은 밸브의 작동을 제어하기 위해 개방 루프 제어 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다.

Description

기상 처리를 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING VAPOR PHASE PROCESSING}
이는 기상 공정을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로 특히, 전체 유량이 공정 중 변하는 기상 공정을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
원자층 증착(ALD)은 기판 상에 상당히 균일한 박막을 성장하는 방법이다. 시분할 ALD 반응기에서, 기판은 불순물이 없는 반응 공간 내에 배치되고, 적어도 2개의 상이한 휘발성 전구체(반응 증기)가 기상으로 교대 반복적으로 반응 공간 내에 주입된다. 막의 성장은 원자 또는 분자의 고체 상태 층을 형성하기 위해 기판의 표면상에서 일어나는 자기-제한적인 표면 반응에 기반하기 때문에, 선택적으로 주입된 기상 전구체의 분자는 그 표면층을 가진 기판에서만 반응하도록 기판의 반응물 및 온도가 선택된다. 반응물은 각 주입 사이클 동안 표면이 실질적으로 포화되도록 충분히 높은 주입량으로 주입된다. 따라서, 공정은 상당히 자기 조절적이고, 출발 물질의 농도, 온도, 또는 노출 지속 시간(적어도 비교적 넓은 공정 윈도우 내에서)에 매우 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 화합물 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 계단별(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.
반응물의 시간 및 소비를 위해 높은 막 품질과 효율을 보장하도록 하면서, 퍼지로부터 주입으로 및 또는 반대로의 전이를 제어하는 것이 도전 과제일 수 있다. 따라서, 증착 공정을 제어하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 계속 필요하다.
본 개시의 시스템 및 방법은 몇 가지 특징을 가지며, 그 중 하나만이 그 바람직한 속성을 단독으로 책임지는 것은 아니다. 다음의 청구 범위에 의해 표현된 바와 같이 본 개시의 범위를 제한하지 않고, 다양한 특징이 이제 간략하게 논의될 것이다. 이 논의를 고려한 후 특히, "상세한 설명"이라는 명칭의 섹션을 읽은 후에, 본원에 기술된 특징이 전통적인 가스 전달 방법 및 시스템에 대해 어떻게 몇 가지 이점을 제공하는지 이해할 것이다.
일 구현예에서, 원자층 증착(ALD) 장치가 개시된다. ALD 장치는 기판을 내부에 수용하도록 크기를 갖는 반응 챔버를 포함하는 반응기 어셈블리를 포함할 수 있다. ALD 장치는 반응 챔버와 유체 연통하는 배기 라인을 포함할 수 있으며, 배기 라인은 반응 챔버 밖으로 가스를 전달하도록 구성된다. ALD 장치는 배기 라인을 따라 가스의 흐름을 조절하기 위해 배기 라인을 따라 배치된 밸브를 포함할 수 있으며, 밸브는 복수의 흐름 전도 설정을 갖는다. ALD 장치는 밸브의 작동을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함할 수 있다. ALD 장치의 주입 상태 동안, 제어 시스템은 복수의 흐름 전도 설정의 제1 흐름 전도에 대응하는 밸브에 제1 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. ALD 장치의 퍼지 상태 동안, 제어 시스템은 복수의 흐름 전도 설정의 제2 흐름 전도에 대응하는 밸브에 제2 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.
다른 구현예에서, 반도체 처리 장치가 개시된다. 반도체 처리 장치는 기판을 내부에 수용하도록 크기를 갖는 반응 챔버를 포함하는 반응기 어셈블리를 포함할 수 있다. 반도체 처리 장치는 반응 챔버와 유체 연통하는 배기 라인을 포함할 수 있으며, 배기 라인은 반응 챔버 밖으로 가스를 전달하도록 구성된다. 반도체 처리 장치는 배기 라인을 따라 가스 흐름을 조절하기 위해 배기 라인을 따라 배치된 밸브를 포함할 수 있다. 반도체 처리 장치는 밸브의 작동을 제어하기 위해 개방 루프 제어 모드에서 작동하도록 구성된 제어 시스템을 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 원자층 증착(ALD) 장치를 제어하는 방법이 개시된다. ALD 장치는 반응 챔버, 반응 챔버 밖으로 가스를 전달하는 배기 라인, 및 배기 라인을 따르는 밸브를 포함할 수 있다. 상기 방법은, ALD 장치의 주입 상태를 위해, 반응 챔버 내 제1 희망 압력과 주입 상태에 대한 제1 가스 부하에 적어도 부분적으로 기반하여 제1 흐름 전도에 대응하는 밸브의 제1 흐름 전도 설정을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, ALD 장치의 퍼지 상태를 위해, 반응 챔버 내 제2 희망 압력과 퍼지 상태에 대한 제2 가스 부하에 적어도 부분적으로 기반하여 제2 흐름 전도에 대응하는 밸브의 제2 흐름 전도 설정을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 주입 상태의 적어도 일부를 위해 상기 밸브를 상기 제1 흐름 전도 설정으로 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 주입 상태 동안 반응 챔버 내로 제1 반응물 증기를 펄스화하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 퍼지 상태의 적어도 일부를 위해 상기 밸브를 상기 제2 흐름 전도 설정으로 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 비활성 가스를 상기 퍼지 상태 동안 반응 챔버에 공급함으로써 반응 챔버를 퍼지하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태, 및 장점은 이제 몇 가지 구현예의 도면을 참조하여 설명될 것이고, 이는 도시하기 위해 의도된 것이며 본 발명을 제한하기 위해 의도된 것은 아니다.
도 1a는 처리 단계 동안 도시된 반응기 어셈블리를 포함하는 반도체 처리 장치의 개략적인 측면도이다.
도 1b는 적재/비적재 단계 동안 도시된 도 1a의 반도체 처리 장치의 개략적인 측면도이다.
도 2는 가스 부하(유량), 밸브 제어 압력, 밸브 설정 포인트 또는 위치, 반응 챔버 내의 측정된 압력, 및 도 1a 및 도 1b에 도시된 반도체 처리 장치에 대해 측정된 웨이퍼 압력 및 제어 압력 사이의 차이의 대표적인 값을 나타낸 표이다.
도 3은 복수의 가스 부하에 걸쳐 도식화하고 반도체 처리 장치의 배기 라인을 따라 밸브의 설정 포인트 대 측정된 반응 챔버 압력을 도식화한 그래프의 예이다.
도 4는 밸브와 전기 통신하는 제어 시스템의 개략적인 시스템 다이어그램이다.
도 5는 다양한 구현예에 따라, ALD 장치를 작동하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 6a는 본원에 개시된 다양한 구현예에 따라, 완전 개방 구성의 밸브의 개략적인 평면도이다.
도 6b는 완전 폐쇄 구성에 있는 도 6a의 밸브의 개략적인 평면도이다.
도 7은 도 6a 내지 도 6b에 도시된 밸브를 사용하여, 퍼지 사이클, 주입 사이클, 다른 퍼지 사이클에 대해 시간에 따른 상대적 흐름 전도의 그래프이다.
본원에 개시된 다양한 구현예는 반도체 처리 장치에서 증착 공정을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 구현예는 증착 장치(예, 원자층 증착(ALD) 장치, 화학 기상 증착(CVD) 장치 등)의 맥락에서 설명되는 반면에, 당업자는 공정 중에 전체 유량 및/또는 압력이 빈번하게 변할 수 있는 다른 유형의 처리를 위해 본원에서 교시된 원리 및 장점에 대한 응용 분야를 이해할 것이다.
도 1a는 장치(1)의 처리 단계 동안 도시된 반응기 어셈블리를 포함하는 반도체 처리 장치(18)의 개략적인 측면도이다. 도 1b는 장치(1)의 적재 단계 동안 도시된 도 1a의 반도체 처리 장치(1)의 개략적인 측면도이다. 도 1a 내지 도 1b에 도시된 구현예는 ALD 장치를 도시하지만, 본원에 개시된 구현예는 임의의 적절한 유형의 반도체 공정 처리 장치(예, 임의의 적합한 유형의 증착 장치)와 함께 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 반도체 처리 장치, 제어 시스템, 및 방법은 미국 특허 제8,211,230호, 미국 특허 제8,216,380호, 2017년 11월 3일에 출원된 미국 특허 출원 제15/803,615호, 2017년 10월 16일에 출원된 미국 특허 출원 제15/785,231호; 및 미국 특허 제9,574,268호를 통해 설명된 처리 시스템과 함께 사용될 수 있고, 이들 각각의 전체 내용이 모든 목적을 위해 본원에 참조로 인용된다.
반응기 어셈블리(18)는 하부 로딩 챔버(8) 위에 배치된 상부 반응 챔버(2)를 포함할 수 있다. 반응 챔버(2)는 처리용 기판(예, 반도체 웨이퍼)를 수용하도록 크기 조정될 수 있다. 반응기 어셈블리(18)에 적재하기 위해, 도 1b에 도시된 바와 같이 이동 가능한 아암(6)에 의해 지지되는 서셉터(5)가 하강되어 서셉터(5)가 로딩 챔버(8) 내에 배치된다. 구현예에 있어서, 서셉터(5)는 저항성 히터와 같은 내부 가열 기구를 포함할 수 있다. (예를 들어, 웨이퍼와 같은) 기판이 나타내지 않았지만, 서셉터(5) 상에 위치할 수 있다. 이동 가능한 아암(6)은 반응 챔버(2) 내에 기판(미도시)을 위치시키기 위해 수직으로 상승될 수 있다. 예를 들어, 이동 가능한 아암(6)은 서셉터(5)의 상부 표면이 반응 챔버(2)에 노출되도록 상승될 수 있다. 격벽(9)은 반응 챔버(2) 및 로딩 챔버(8)를 분리할 수 있다. 구현예에 있어서, 서셉터(5)와 격벽(9) 사이에 도시된 작은 갭 또는 일련의 개구를 통한 것과 같이 공정 위치(도 1a)에서 로딩 챔버(8)와 반응 챔버(2) 사이의 일부 제한된 유체 연통이 있을 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 로딩 챔버(8) 내의 압력을 측정하기 위해 하부 챔버(LC) 압력 변환기(tranducer)(16)가 로딩 챔버(8) 내에 제공될 수 있다. 예시된 구현예에서, 반응 챔버(2)에서의 가스 흐름에 대한 바람직하지 않은 영향을 피하기 위해 반응 챔버(2)에는 압력 측정 장치가 존재하지 않는다.
ALD 공정 같은 증착 공정 동안, 영향을 미치는 가스 gi (예, 반응물 및/또는 비활성 가스)는 유입 매니폴드(7)를 통해서 교대 반복적으로 반응기 어셈블리(18)에 공급될 수 있다. 예를 들어, ALD 공정의 펄스화 또는 주입 상태 동안, 반응물 가스는 유입 매니폴드(7)를 통해 반응기 어셈블리(18)에 공급될 수 있다. 반응물 가스는 기판 상의 타겟 종과 반응하여 원하는 반응물의 단층을 형성할 수 있다. 퍼지 상태 동안, 비활성 가스는 유입 매니폴드(7)를 통해 반응기 어셈블리(18)에 공급되어 과량의 반응물(및 다른) 가스를 반응 챔버(2)로부터 퍼지할 수 있다. 주입 및 퍼지 단계는 층이 원하는 전체 두께에 도달할 때까지 한 번에 층을 성장시키기 위해 교대로 반복될 수 있다. 영향을 미치는 가스 gi는, 샤워헤드 플레이트(3) 및 샤워헤드 플레이트(3) 위에 배치된 샤워헤드 플레넘(4)을 포함하는 샤워헤드 어셈블리에 의해 도 1a에서 기판에 걸쳐 분산될 수 있다. 샤워헤드 플레이트(3)는 기판에 걸쳐 영향을 미치는 가스 gi를 평탄하고 균일하게 분산할 수 있는 복수의 개구(미도시)를 포함할 수 있다. 샤워헤드 어셈블리가 도 1a 및 도 1b에 도시되지만, 수평 유동형 반응기와 같이, 다른 유형의 반응기가 개시된 구현예와 함께 사용될 수 있는 점을 이해해야 한다.
반응 챔버(2) 내의 반응물 및/또는 비활성 가스는 진공원(10)(예, 진공 펌프)에 의해 배기 라인(17)을 따라 반응기 어셈블리(18)로부터 제거될 수 있다. 반응기 어셈블리(18)로부터 배기 가스 ge를 인출하도록 배기 라인(17)과 반응 챔버(2)에 음압을 가하도록 진공원(10)은 활성화될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 가스는 반응 챔버(2)와 배기 라인(17) 사이에 유체 연통을 제공하는, 하나 또는 복수의 배기 포트(들)(13)를 통해 반응 챔버(2)를 빠져나갈 수 있다. 도시된 구현예에서, 배기 포트(들)(13)는 배기 라인(17)과 연통하는 배기 링을 공급한다. 밸브(14)(예, 흐름 제어 밸브)는 배기 라인(17)을 따라 배기 가스 ge의 흐름을 계량하기 위해 복수의 설정 포인트나 위치에서 조정 가능하게 개방되고 폐쇄될 수 있다. 복수의 설정 포인트 또는 위치는 밸브(14)의 복수의 해당 흐름 전도에 대응할 수 있다. 도 1a 내지 도 1b에 도시된 밸브(14)는 배기 가스 ge의 흐름을 배기 라인(17)을 통해 증가시키거나 감소시키기 위해 복수의 위치에서 개방될 수 있는 쓰로틀 밸브를 포함한다. 예를 들어, 밸브(14)는 0 %와 100 % 개방 사이에 위치할 수 있으며, 0 %는 완전히 폐쇄된 것을 나타내고 100 %는 완전히 개방된 것을 나타내고, 그 사이의 다양한 위치 중 임의의 위치에 있다. 다른 구현예에서, 도 6a 및 도 6b와 관련하여 후술하는 바와 같이, 밸브(14)는 배기 가스 ge의 흐름을 배기 라인(17)을 통해 제어하도록 구성된 볼 밸브를 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 배기 라인 압력 변환기(15)는 배기 라인(17)을 따라 제공되어 배기 라인(17)을 따라 배기 가스 ge의 압력을 측정할 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 제어 시스템(19)은 반도체 처리 장치(1)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템(19)은 모듈 제어기(11) 및 밸브 제어기(12)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제어 시스템(19)은 장치(1)의 전체 작동을 제어하기 위한 추가 제어기를 포함할 수 있다. 모듈 제어기(11)는 처리 제어 모드, 처리 유형, 사용된 레시피, 및 특정 공정에 대한 다른 파라미터를 (자동으로 또는 수동으로) 선택하도록 구성될 수 있다. 모듈 제어기(11)는 밸브(14)의 작동을 제어하도록 구성된 밸브 제어기(12)와 통신할 수 있다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이, 모듈 제어기(11)는 공정의 단계 또는 상태(예, 주입 또는 퍼지), 장치(1)의 제어 모드 작동(예, 상기 장치(1)가 개방 또는 폐쇄 루프 제어 모드에서 작동되어야 하는지 여부), 제어 압력 설정 포인트(예, 폐쇄 루프 제어를 위해), 및 복수의 밸브 위치 설정 포인트(예, 밸브(14)의 고정된 제어 위치)에 관해 밸브 제어기(12)에 명령어를 전송할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 그리고 모듈 제어기(11)로부터의 명령어에 기반하여 밸브 제어기(12)는 밸브(14)에 명령어를 전송하여 밸브(14)의 복수의 흐름 전도에 대응하는 복수의 설정 포인트 중 하나에 밸브를 배치시킬 수 있다. 이러한 명령어는 예를 들어, 복수의 흐름 전도 또는 전도 범위 및 대응하는 복수의 밸브 위치를 갖는 룩업 테이블에 기반할 수 있다. 모듈 제어기(11) 및 밸브 제어기(12)는 밸브(14) 및/또는 처리 장치(1)의 다른 구성 요소의 작동을 제어하기 위해 임의의 적합한 프로세싱 전자 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모듈 제어기(11) 및/또는 밸브 제어기(12)는 관련 메모리 장치(들) 상에 저장된 명령어를 실행하도록 구성된 관련 비일시적 컴퓨터 판독가능 메모리 장치(들) 및 프로세서(들)를 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서 예를 들어, 밸브 제어기(12)는 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC)를 포함할 수 있다. 임의의 다른 적절한 유형의 제어기 또는 프로세싱 전자 장치가 사용될 수 있다.
반응 챔버(2) 및 배기 라인(17)을 통한 전체 유량 및 해당 전도가 원자층 증착(ALD) 공정과 같은 다중 단계 공정에서 변하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 퍼지 상태 동안 처리량을 최대화하고 반응물/부산물 체류 시간을 감소시키기 위해, 반응 챔버(2)로부터 과량의 가스 또는 폐기물 가스를 신속하게 퍼지하도록 높은 유량(가스 부하)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, ALD 주입 상태와 같은 증착 단계 동안, 반응물의 최소 낭비를 갖는 포화(또는 준포화)를 달성하기 위해, 더 낮은 유량(기체 부하)에서 더 긴 반응물 체류 시간을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 많은 ALD 공정은 압력 변동 및 공동 오염물 문제(예, 박리(spalling))를 피하기 위해, 주입 및 퍼지 동안의 반응 챔버(2)에서 비교적 일정한 전체 유량 및/또는 균일한 압력을 유지하고자 한다. 따라서, 많은 ALD 레시피는 일정한 전체 가스 부하 또는 유량을 사용한다. 그러나, 일정한 가스 부하를 사용하면 퍼지 효율 및/또는 막 증착의 품질이 희생될 수 있다.
일부 배열에서, 반응 챔버(2) 내의 압력은 폐쇄 루프 제어 모드를 사용하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 일부 배열에서 배기 라인 압력 변환기(15)는 배기 가스 ge의 압력을 상기 배기 라인(17)을 따라 측정하기 위해 사용될 수 있다. 배기 라인(17)을 따라 측정된 압력은 제어 시스템(19)으로 다시 피드백될 수 있다. 다양한 제어 알고리즘(예, 비례 제어 미분 또는 PID, 제어 알고리즘)을 사용하여 변환기(15)에 의해 측정된 압력을 제어하도록 밸브(14)의 설정 포인트를 조정할 수 있다. 그러나, 배기 라인(17)을 따라 배기 라인 압력 변환기(15)에 의해 취해진 압력 측정에 폐쇄 루프 피드백 제어가 기반하는 것은 부정확할 수 있고, 반응 챔버(2) 내의 가스의 압력(또는 압력 변화)을 정확하게 반영하지 않을 수 있어서, 반응 챔버(2) 내의 압력의 부정확하거나 덜 최적인 제어를 초래한다. 유사하게, 공정 중에 챔버 사이의 제한된 유체 연통 및 상이한 유량에 기인하여 로딩 챔버(8) 내의 압력은 반응 챔버(2) 내의 압력을 정확하게 반영하지 않을 수 있고, 반응 챔버 내의 상기 전술한 압력 측정 장치는 데드 레그 또는 난류를 생성함으로써 원하는 유동 역학을 방해할 수 있다.
예를 들어, 배기 포트(13)는 반응 챔버(2)에서 배기 라인(17)으로의 가스 유출에 대한 제한으로서 작용할 수 있다. 배기 포트(13)의 수축은 반응 챔버(2) 내의 실제 압력과는 다른(예, 낮은) 배기 라인 압력 변환기(15)의 압력 판독값의 결과를 가질 수 있다. 또한, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 배기 라인 압력 변환기(15)는 중간 흐름 용적에 의해, 예를 들어 배기 부분(13)(및 임의의 중간 배기 플레넘) 및 변환기(15)의 상류에 있는 배기 라인(17)의 체적을 통해 반응 챔버(2)로부터 이격될 수 있다. 변환기(15)와 반응 챔버(2) 사이의 공간 내의 변환기(15)의 상류에 있는 이러한 추가 용적은, 폐쇄 루프 제어 방법의 반응을 느리게 할 수 있다. 또한, 가스 부하가 200 내지 500 밀리초마다 변할 수 있기 때문에 고속 ALD 공정에서 밸브(14)의 폐쇄 루프 피드백 제어는 적합하지 않을 수 있다. 일부 쓰로틀 밸브는 이러한 고속으로 스위칭할 수 없고/없거나, 이러한 급속 스위칭은 밸브에 손상을 줄 수 있다. 또한, 반응 챔버(2) 자체 내에 압력 변환기를 배치하는 것이 바람직하지 않을 수 있는데, 그 이유는 이러한 작은 공간 내 압력 변환기(15)의 존재가 웨이퍼 위의 흐름 패턴과 간섭할 수 있고 막 성장에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
따라서, 반응 챔버(2)의 압력을 제어하는 개선된 방법이 계속 필요하다. 본원에 개시된 다양한 구현예는 개방 루프 제어(예, 밸브(14)의 고정된 위치 제어)를 이용하여 주입 상태 및 퍼지 상태 동안에 반응 챔버(2) 내의 압력을 간접적으로 제어한다. 예를 들어, 일부 구현예에서, LC 변환기(16)는 진공 펌프(10)에 의해 적용된 다양한 가스 부하(유량)에서 로딩 챔버(8) 내의 압력을 측정하는 데 사용될 수 있고, 로딩 챔버(8) 내의 측정된 압력은 대응하는 설정 포인트 또는 밸브의 설정 위치)와 상관 관계가 있을 수 있다(밸브의 대응하는 유체 전도를 나타냄). 다양한 구현예에서, 흐름 제어기(예, 압력 제어기 또는 주 흐름 제어기, 또는 MFC)가 반응 챔버(2)의 상류에 제공되어 원하는 가스 부하를 조정 및/또는 제공할 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 밸브(14)는 챔버(2) 내의 압력을 변화시킬 수 있는 배기 라인(17)을 통한 흐름에 대한 제한으로서 작용할 수 있다(참조 예, 도 3). 본원에 개시된 구현예에서, 진공 펌프(10)는 달리 언급되지 않는 한 일정한 속도로 활성화될 수 있다. 그러나, 다른 구현예에서, 진공 펌프(10)의 속도는 공정 중에 변할 수 있다.
기판이 증착 공정을 거치고 있는 처리 단계 동안(도 1a), 로딩 챔버(8) 내에 배치된 LC 변환기(16)는 상부 반응 챔버(2) 내의 압력을 정확하게 나타낼 수 없다. 예를 들어, 반응 챔버(2) 및 로딩 챔버(8)는 가스가 반응 챔버(2)에서 로딩 챔버(8) 내로 흐르는 것을 방지하기 위해 공정 동안 분리될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 격벽(9) 및 서셉터(5)는 작은 갭에 의해 또는 격벽(9)과 서셉터(5) 사이의 공간 내의 다수의 개구에 의해 횡방향으로 서로 가까이 이격될 수 있다. 일부 배열에서, 격벽(9)과 서셉터(5)의 가까운 간격과 조합하여 가스가 로딩 챔버(8) 내로 흐르는 것을 방지할 수 있는 반응 챔버(2)보다 더 높은 압력으로 로딩 챔버(8) 내의 압력이 설정될 수 있다. 오염을 최소화하기 위한 다른 배열이 또한 본원에서 교시된 구현예와 호환될 수 있지만, 로딩 챔버(8)로 가스가 진입하는 것을 방지하는 것은 로딩 챔버(8)로의 및/또는 로딩 챔버로부터의 웨이퍼를 전달하는 동안에 로딩 챔버(8) 및 LC 변환기(16)의 오염을 감소시키는 데 유리할 수 있다.
개방 루프 제어를 위해 장치(1)를 보정하기 위해, 이동 가능한 아암(6) 및 서셉터(5)는 수직으로 하향 이동될 수 있어서, 서셉터(5)가 로딩 챔버(5) 안에 있고, 이는 반응 및 로딩 챔버(2, 8) 사이의 유체 밀봉을 파괴하고 반응 및 로딩 챔버(2, 8)가 연속 체적 또는 챔버를 한정하도록 한다. 따라서, 서셉터(5)가 도 1b에 도시된 위치에 있는 경우, LC 변환기(16)는 반응 챔버(2) 내의 압력을 표시할 수 있고, 이는 도 1b에 도시된 위치로 로딩 챔버(8)와 유체 연통하고 개방된 상태이다. 반응 챔버(2)의 압력은 복수의 가스 부하(유량) 양단에서 밸브(14)의 복수의 설정 포인트 또는 위치용 LC 변환기(16)에 의해 측정될 수 있다. 측정된 반응 챔버 압력, 밸브 설정 포인트, 및 가스 부하는 룩업 테이블(LUT)에 저장될 수 있고/있거나 그래프로 도식화되어 입력 데이터를 제어 시스템(19)에 제공할 수 있다. 다른 구현예에서의 반응 챔버 내 압력은, 반응 챔버 내 직접적인 압력 측정을 위한 임시 또는 영구 계기와 같이, 보정을 위한 공정 위치에서 서셉터로 직접 측정될 수 있다.
도 2는 가스 부하(유량), 밸브 제어 압력, 밸브 설정 포인트 또는 위치, 측정된 웨이퍼 압력(즉, 반응 챔버(2) 내의 압력), 및 측정된 웨이퍼 압력과 제어 압력 사이의 차이의 대표적인 값을 나타낸 표이다. 도 2에 도시된 표는 폐쇄 루프 제어 시스템에 대해 얻어진 값을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브(14)가 1 Torr의 제어 압력으로 설정될 때, 반응 챔버(2)의 압력은 가스 부하가 적어도 10배 증가됨에 따라 800 mTorr를 초과하여 변할 수 있다. 이러한 가스 부하의 변화는 폐쇄 루프 제어 모드 동안 반응 챔버(2)의 큰 변화를 초래할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브 설정 포인트는 일반적으로 더 높은 가스 부하(예, 높은 유량에서의 퍼지 부하)로 개방되어 낮은 가스 부하(예, 낮은 유량에서의 주입 부하) 아래 웨이퍼 압력을 일치시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 부하를 변경하기 위해 압력 변동 제어를 개선하는 것이 중요할 수 있다.
도 3은 복수의 가스 부하에 걸쳐 밸브(14)의 설정 포인트 대 측정된 반응 챔버 압력을 도식화한 그래프의 예이다. 도 3에 도시된 그래프는 개략적이나, LUT에 제공된 데이터를 대표하는 것으로 간주될 수 있다. 전술한 바와 같이, 도 3 (및 대응하는 LUT)의 그래프는 제1 특정 가스 부하 또는 유량 F1에서 밸브(14)의 복수의 설정 포인트 또는 위치에 대해 반응 챔버(2)의 압력을 (직접 또는 간접적으로) 측정함으로써 생성될 수 있다. 가스 부하 또는 유량 F1은 제2 가스 부하 또는 유량 F2로 증가될 수 있고, 반응 챔버(2)의 압력은 제2 유량 F2에서 밸브(14)의 복수의 설정 포인트에 대해 측정될 수 있다. 모든 원하는 유량 FN에 대한 압력 및 밸브 위치가 결정될 때까지, 교정은 계속될 수 있다. 따라서, LUT는 압력 대 밸브 설정 포인트(밸브 흐름 전도에 관련됨) 대 장치(1)에 (예를 들어, 챔버 상류에 제공된 (MFC나 압력 제어기와 같은) 제어기로)적용된 가스 부하에 대한 보정값을 포함하는 매트릭스를 포함할 수 있다. 전체 가스 부하 또는 유량 F는 반응 챔버(2) 내로의 총 유량을 나타낼 수 있다. 다른 구현예에서, 분석 기능 또는 곡선 피팅은 반응 챔버 설정 압력, 밸브 설정(밸브(14)의 전도), 및 펌프(5)에 의해 제공되는 가스 부하(유량)를 관련시키기 위해 결정될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 유량의 경우 챔버 내의 압력은 밸브의 흐름 전도(예, 밸브를 개방하는 방법과 관련됨) 증가에 따라 감소할 수 있다.
따라서, 이러한 주입 및 퍼지 상태에 대한 레시피에 의해 제공된 가스 부하가 주어지면, ALD 공정 동안에 제어 시스템(19)(또는 사용자)은 주입 또는 퍼지 상태에서 반응 챔버(2)에 대해 희망 설정 압력 Pset을 선택할 수 있다. 예를 들어, 낮은 제1 유량 F1이 주입 상태 동안 (공정 레시피에 따라, 유량 F1을 제어하는 제어기로) 사용되는 경우에 제어 시스템(19)(또는 사용자)이 밸브(14)의 제1 전도 설정을 결정할 수 있고, 예를 들어. 약 Pset인 반응 챔버(2) 압력을 만드는 제1 유량 F1을 위한 커브를 따라 밸브(14)의 제1 설정 위치 V1 (위치 1)를 결정할 수 있다. 제어 시스템(19)은 밸브(14)가 주입 동안에 제1 설정 위치 V1로 이동하도록 명령할 수 있다. 주입이 완료된 후, 제어 시스템(19)은 반응물 가스의 흐름을 끊을 수 있다. 높은 제2 유량 F2가 퍼지 상태 동안 (레시피에 따라, 유량 F2를 제어하는 제어기로) 사용되는 경우에 제어 시스템(19)(또는 사용자)이 밸브의 제2 전도 설정을 결정할 수 있고, 예를 들어. 약 Pset인 반응 챔버(2) 압력을 만드는 제2 유량 F2를 위한 커브를 따라 밸브(14)의 제2 설정 위치 V2(위치 2)를 결정할 수 있다. 제어 시스템(19)은 밸브(14)가 퍼지 동안에 제2 설정 위치 V2로 이동하도록 명령할 수 있다. 위의 실시예가 상태(주입 또는 퍼지)별로 하나의 밸브(또는 전도) 설정을 기술하지만, 다양한 구현예에서 다수의 밸브 또는 전도 설정이 상태(주입 또는 퍼지)별로 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
도 3에 도시되고 전술한 예시는 압력 변동과 공동 오염 문제를 최소화하기 위해 퍼지 및 주입 동안에 대략 일정한 압력으로 반응 챔버(2)의 압력을 유지하고자 함을 가정한다. 물론, 본원에 기술된 개방 루프 제어는 원하는 경우 공정의 상이한 단계에서 상이한 압력 설정 포인트를 가지고 또한 채택될 수 있다. 또한, 하나의 퍼지 및 하나의 주입 단계만이 이 예시적 ALD 공정에서 설명되었지만, 증착 공정의 특정 사이클은 1회 이상의 주입 단계 및/또는 1개 이상의 퍼지 단계를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 증착 공정(예, ALD 공정)은, 예를 들어 2개의 상이한 반응물 증기(상이한 밸브 전도 및 지속시간을 이용할 수 있음) 및 2개의 상이한 퍼지(동일한 밸브의 전도 및 지속기간을 가질 수도 있고 아닐 수도 있음)를 포함하는 4개 페이즈를 갖는 사이클을 포함할 수 있다. 또한, 일부 증착 공정(예, ALD 공정)은 각각의 사이클에서 1, 2 또는 3개의 퍼지 페이즈를 가지고 3개의 상이한 반응물 증기를 펄스화하는 사이클을 포함할 수 있다. 다른 증착 공정(예, ALD 공정)은 각각의 사이클에서 1, 2, 3 또는 4개의 퍼지 페이즈를 가지고 4개의 상이한 반응물 증기를 펄스화하는 사이클을 포함할 수 있다.
유익하게, 본원에서 설명된 LUT 및 도 3에 도시된 그래프는 개방 루프 또는 고정 위치의 사용을 가능하게 할 수 있으며, 밸브 위치를 스위칭하기 이전에 배기 라인 압력 변환기(15)(또는 다른 센서)에 의해 제어 시스템(19)으로 어떤 활성 피드백도 제공되지 않도록 제어할 수 있다. 따라서, 장치(1)가 퍼지 상태로 배치될 때, 밸브(14)는 퍼지 유량에서의 희망 압력에 기반하여 밸브 위치 또는 설정 위치로 설정될 수 있다. 따라서, 장치(1)가 주입 상태로 배치될 때, 밸브(14)는 퍼지 유량에서의 희망 압력에 기반하여 밸브 위치 또는 설정 위치로 설정될 수 있다. 본원에 설명된 개방 루프 제어 방법이 폐쇄 루프 제어보다 우수할 수 있는데, 그 이유는 변환기(15)에 의해 배기 라인(17)을 따라 실시간 취해진 압력 측정과는 대조적으로, 밸브 설정 위치가 다양한 유량으로 반응 챔버(2)의 압력에 더 정확하게 대응하기 때문이다. 또한, 본원에 개시된 기술은 배기 가스 ge에 노출되는 압력 변환기(15)에 대한 필요성을 제거할 수 있는데, 변환기를 손상시킬 수 있는 반응 챔버(2)의 가스로부터 격리된 LC 변환기(16)를 사용하는 것이 더 유리하다. 따라서, 본원에 개시된 개방 루프 제어 방법은, 기상 처리 동안, 특히 상이한 단계에서 상이하게 원하는 전체 유량을 갖는 공정, 및 더 특히 페이즈 사이의 신속한 스위치를 갖는 공정에 대해, 반응 챔버(2)에서의 압력 제어를 개선할 수 있다. 예를 들어, 다양한 ALD 공정에서, 주입 단계는 약 50 msec 내지 5 sec의 기간 동안 지속될 수 있다.
또한, 본원에 개시된 다양한 구현예는 제어 신호의 디지털 출력에 관한 폐쇄 루프 압력 제어 시스템의 추가 단점을 해결한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 밸브(14)의 설정 포인트 또는 위치(예. 쓰로틀 밸브)는 밸브(14)의 다른 구조 부재나 플레이트의 위치를 제어하여 밸브(14) 및 배기 라인(17)을 통한 흐름을 조정 가능하게 제한할 수 있다. 그러나, 많은 폐쇄 루프 제어 시스템은 디지털 출력을 이용하는데, 이는 폐쇄 루프 제어 시스템에 의해 계산된, 원하는 아날로그 설정 포인트에서 밸브(14)의 위치를 정확하게 설정하는 것을 어렵게 할 수 있다. 예를 들어 폐쇄 루프 제어 시스템에서, 제어 시스템은 제어 시스템의 디지털 출력과 밀접하게 상관되지 않는 밸브(14)용 아날로그 설정 포인트를 계산할 수 있다.
도 4는 밸브(14)와 전기 통신하는 제어 시스템(19)의 개략적인 시스템 다이어그램이다. 도 1a 내지 도 1b와 관련하여 전술한 바와 같이, 모듈 제어기(11)는 밸브 제어기(12)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있으며, 차례로 밸브(14)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다. 도 4에서, 모듈 제어기(11)는 출력 신호 블록(11a 내지 11e)을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 제1 통신 채널(20a)을 통해서 밸브 제어기(12)로 송신될 디지털 또는 아날로그 출력값을 포함한다. 제1 통신 채널(20a)은 모듈 제어기(11)와 밸브 제어기(12) 사이에 임의의 적합한 유선 또는 무선 전기 또는 데이터 연결을 포함할 수 있다.
예를 들어, ALD 공정에 대해 모듈 제어기(11)의 제1 출력 신호 블록(11a)에서, 반도체 처리 장치(1)가 챔버(2)에 반응물 가스를 공급하는 주입 공정 내에 또는 챔버(2)로부터 과잉 가스를 제거하는 퍼지 공정 내에 배치되는지 여부를 지시하기 위해 디지털 출력 DO2가 제공될 수 있다. 예를 들어, 장치(1)가 주입 상태에 배치되어야 한다고 모듈 제어기(11)가 결정하는 경우, DO2 신호는 밸브(14)의 위치 1(예, 도3의 V1)에 대응하는 낮은 흐름 전도를 갖는 주입 상태를 표시하기 위해 0(zero)으로 설정될 수 있다. 대조적으로 장치(1)가 퍼지 상태에 배치되어야 한다고 모듈 제어기(11)가 결정하는 경우, DO2 신호는 밸브(14)의 위치 2(예, 도3의 V2)에 대응하는 높은 흐름 전도를 갖는 퍼지 상태를 표시하기 위해 1로 설정될 수 있다. 신호가 퍼지 상태에 대해 0으로 설정될 수 있고 주입 상태에 대해 1로 설정될 수 있음을 도 4의 설명 전체를 통해 이해해야 한다. 따라서, 블록(11a)의 디지털 출력 DO2는 장치(1)가 주입 상태 또는 퍼지 상태에 배치되는지 여부를 밸브 제어기(12)에 명령할 수 있다.
모듈 제어기(11)의 제2 출력 블록(11b)에서, 디지털 출력 DO1은 공정의 제어 모드, 예를 들어 상기 장치(1)가 압력 설정 포인트 제어가 제공되는 폐쇄 루프 피드백 제어(DO1=0)에서 작동하는지, 또는 상기 밸브 위치가 실시간 피드백 없이 변경되는 개방 루프(고정 위치) 제어(DO1=1)로 작동하는 지에 관련한 명령어를 포함할 수 있다. 정적 아날로그 변수 AO1-AO3은 처리 전에 레시피 단계에 의해 정의될 수 있고, 예를 들어 AO1-AO3는 제어 시스템(19)에 의해 또는 사용자에 의해 수동으로 설정될 수 있다(예, 사용자 인터페이스를 통해). 제3 블록(11c)에서, 아날로그 출력 AO1은 폐쇄 루프 제어가 선택된 경우 원하는 설정 포인트 압력을 나타내는 폐쇄 루프 제어 압력 포인트를 나타낼 수 있다. 제4 블록(11d)에서, 아날로그 출력 AO2는 밸브(14)의 위치 1, 예를 들어 도 3에 도시된 위치 V1을 나타낼 수 있다. 전술한 바와 같이, 위치 1은 반응 챔버(2)에 반응물 가스를 펄스화하는 동안 사용될 낮은 흐름 전도 상태를 나타낼 수 있다. 제5 블록(11e)에서, 아날로그 출력 AO3은 밸브(14)의 위치 2, 예를 들어 도 3에 도시된 위치 V2를 나타낼 수 있다. 전술한 바와 같이, 위치 2는 반응 챔버(2)에 과잉의 가스를 퍼지하는 동안 사용될 높은 흐름 전도 상태를 나타낼 수 있다. 블록(11a 내지 11e)으로부터의 디지털 및 아날로그 출력은 제1 통신 채널(20a)을 통해서 밸브 제어기(12)에 전송될 수 있다.
밸브 제어기(12)로 돌아가서, 모듈 제어기(11)에 의해 전송된 명령어는 아날로그 또는 디지털 입력 블록(12a 내지 12e)에 의해 수신될 수 있다. 제1 블록(12a)에서, 디지털 입력 DI2는 모듈 제어기(11)로부터의 디지털 출력 DO2에 대응할 수 있다. 주입 및 퍼지 단계가 신속하게 교번되기 때문에, 출력 및 입력 블록(11a, 12a)은 비교적 고속인 통신 채널로 제공될 수 있다. 제2 내지 제5 입력 블록(12b-12e)에서, DI1은 모듈 제어기(11)의 블록(11b)으로부터 전송된 디지털 모드 선택을 나타낼 수 있다. AI1은 모듈 제어기(11)의 블록(11c)으로부터 전송된 아날로그 압력 설정 제어 포인트를 나타낼 수 있다. AI2는 모듈 제어기(11)의 블록(11d)으로부터 전송된 밸브(14)의 위치(1)를 나타낼 수 있다. 그리고 AI3은 모듈 제어기(11)의 블록(11e)으로부터 전송된 밸브(14)의 위치(2)를 나타낼 수 있다. 블록(11b 내지 11e, 및 12b 내지 12e)의 값이 전체 공정(또는 다수의 공정)에 사용될 수 있기 때문에, 더 느린 통신 네트워크가 사용될 수 있다.
밸브 제어기(12)는 복수의 논리 블록(12f, 12g, 및 12h)을 또한 포함할 수 있다. 프로세싱 전자 장치는 밸브 제어기(12)의 메모리 장치(들)에 저장된 명령어를 실행하여, 그 중에서도 장치의 제어 모드, 공정 상태(예, 퍼지 또는 주입), 밸브 설정 위치, 폐쇄 루프 제어를 위한 압력 설정 포인트 등을 결정한다. 예를 들어, 제1 로직 블록(12f)에서 DI1=0(압력 설정 포인트로 폐쇄된 루프 제어를 나타냄)인 경우에 밸브 제어기(12)의 디지털 출력 DO1(블록(12i) 참조)이 마찬가지로 0으로 설정되어 폐쇄 루프 제어를 나타낼 수 있고, 밸브 제어기(12)의 아날로그 출력(AO1)(블록(12j) 참조) 은 AI1에 저장된 압력 제어 설정 포인트로 설정될 수 있다. 이러한 배열에서, 밸브 제어기(12)는 제2 통신 채널(20b)로 각각 밸브(14)의 블록(14a, 14b)에 DO1 및 AO1을 전송할 수 있다. 따라서, 밸브(14)에서 디지털 입력 DI=0으로, 밸브(14)는 폐쇄 루프 피드백 모드에서 작동할 수 있다. 밸브(14)에서의 압력 설정 제어 포인트와 같은 아날로그 입력 AI로, 장치(14)는 압력 설정 제어 포인트를 사용하여 증착 공정의 폐쇄 루프 피드백을 구동할 수 있다.
대안적으로, 밸브 제어기(12)의 제2 로직 블록(12g)에서, DI1=1(위치 설정 포인트를 갖는 개방 루프 제어를 나타냄)의 경우 및 DI2=0(밸브가 위치 1에 위치해야 함을 나타냄)인 경우, 블록(12i)의 디지털 출력 DO1은 1로 설정되고, 블록(12j)의 아날로그 출력 AO1이 AI2로 설정되어 밸브(14)의 위치 1을 나타낸다(예, V1). 밸브 제어기(12)의 DO1 및 AO1을 제2 통신 채널(20b)로 밸브(14)의 각각의 블록(14a, 14b)에 송신할 때, 밸브(14)에서 디지털 입력 DI=1을, 밸브(14)를 개방 루프 제어 모드로 배치한다(예, 피드백 없음). 위치 1과 같은 아날로그 입력 AI로, 밸브(14)는 도 3에 도시된 바와 같이, 저 흐름 전도 반응물 펄스 상태를 나타내는 위치 1로 이동한다(V1).
유사하게, 밸브 제어기(12)의 제3 로직 블록(12h)에서, DI1=1(위치 설정 포인트를 갖는 개방 루프 제어를 나타냄)의 경우 및 DI2=1(밸브가 위치 2에 위치해야 함을 나타냄)인 경우, 블록(12i)의 디지털 출력 DO1은 1로 설정되고, 블록(12j)의 아날로그 출력 AO1이 AI3로 설정되어 밸브(14)의 위치 2를 나타낸다(예, V 2 ). 밸브 제어기(12)의 DO1 및 AO1을 제2 통신 채널(20b)로 밸브(14)의 각각의 블록(14a, 14b)에 송신할 때, 밸브(14)에서 디지털 입력 DI=1을, 밸브(14)를 개방 루프 제어 모드로 배치한다(예, 피드백 없음). 위치 2와 같은 아날로그 입력 AI로, 밸브14는 도 3에 도시된 바와 같이 높은 흐름 전도 퍼지 상태를 나타내는 위치 2(V2)로 이동할 수 있다.
따라서, 본원에 개시된 구현예는 유익하게 연속적인 범위의 밸브 위치를 갖는 밸브(14)를 작동시키기 위해 디지털 제어 시스템을 이용할 수 있다. 본원에 개시된 구현예는 폐쇄 루프 제어 모드에서, 또는 개방 루프 제어 모드에서 작동하는지 여부를 선택할 수 있다.
도 5는 다양한 구현예에 따라, ALD 장치를 작동하기 위한 방법(50)을 도시하는 흐름도이다. 특히, 방법(50)은 개방 루프 제어 방법을 사용하여 반응 챔버(2) 내의 압력을 제어하기 위한 다양한 단계를 도시한다. 블록(51)에서 시작하여, 제1 흐름 전도에 대응하는 밸브의 제1 전도 설정이 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b 그리고 도 3 및 도 4의 구현예에 대해, 배기 라인(17)을 따라 밸브(14)의 사전 프로그래밍된 제1 설정 포인트가 결정된다. 사전 프로그래밍된 제1 설정 포인트는 밸브(14)가 얼마나 개방되는지(예, 0 % 내지 100 % 개방)를 나타내는 밸브(14) 내의 이동 가능한 부재 위치를 나타낼 수 있다. 사전 프로그래밍된 제1 설정 포인트는 반응 챔버(2)에서의 제1 희망 압력 및 배기 라인(17)에 인가되는 제1 가스 부하에 적어도 부분적으로 기반하여 밸브(14)의 제1 흐름 전도 설정에 대응할 수 있다. 전술한 바와 같은 LUT(또는 LUT를 나타내는 그래프)는, 희망 압력 및 장치에 예를 들어 반응 챔버(2)의 상류에 있는 제어기를 통해 장치에 인가되는 가스 부하(유량)에 기반하여, 밸브(14)의 사전 프로그래밍된 제1 설정 포인트 또는 설정 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 다른 배열, 경험적으로 설계된 기능 또는 (예를 들어, 도 3과 유사한 곡선을 기반으로 하는) 곡선 핏팅은 반응 챔버(2)에서의 희망 압력, 밸브(14)의 제1 흐름 전도 설정, 및 가스 부하를 관련시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 사전 프로그래밍된 제1 설정 포인트는 반응 챔버(2) 내로 반응물 가스를 펄스화하는 동안 사용되는 비교적 낮은 흐름 전도에 대응할 수 있다. 도 3에 도시된 예로 돌아가면, 밸브의 사전 프로그래밍된 제1 설정 포인트는 위치 1(또는 V1)에 대응하도록 결정될 수 있다. 전술한 바와 같은 LUT는, 서셉터(5)가 반응 챔버(2) 아래의 로딩 챔버(8) 내에 배치되는 경우, LC 변환기(16)를 사용하여 반응 챔버(2)의 압력 및 로딩 챔버(8)의 압력을 측정함으로써 생성될 수 있다. 대안적으로, 압력은 예를 들어, 이러한 목적을 위해 임시 또는 영구 기구를 사용하여, 교정을 위해 반응 챔버(2)에서 바로 측정될 수 있다.
블록(52)으로 돌아가면, 제2 흐름 전도에 대응하는 밸브의 제2 전도 설정이 결정될 수 있다. 예를 들어, 배기 라인(17)을 따라 밸브(14)의 사전 프로그래밍된 제2 설정 포인트가 결정될 수 있다. 사전 프로그래밍된 제2 설정 포인트는 반응 챔버(2)에서의 제2 희망 압력 및 제2 가스 부하에 적어도 부분적으로 기반하여 밸브(14)의 제2 흐름 전도 설정에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 전술한 바와 같이, 제2 희망 압력은 제1 희망 압력과 대략 동일할 수 있어서, 주입 및 퍼지 단계 동안 반응 챔버(2)에 일반적으로 일정한 압력을 유지시킨다. 전술한 바와 같은 LUT(또는 LUT를 나타내는 그래프)는, 제2 희망 압력 및 인가되는 가스 부하(유량)에 기반하여, 밸브(14)의 사전 프로그래밍된 제2 설정 포인트 또는 설정 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 사전 프로그래밍된 제2 설정 포인트는 반응 챔버(2)로부터 과잉 도는 폐가스를 퍼지하는 동안 사용되는 비교적 높은 흐름 전도에 대응할 수 있다. 도 3에 도시된 예로 돌아가면, 밸브의 사전 프로그래밍된 제2 설정 포인트는 위치 2(또는 V2)에 대응하도록 결정될 수 있다.
블록(53)에서, 모듈 제어기(11)는 밸브 제어기(12)에 밸브(14)를 주입 상태로 배치하도록, 예를 들어 제1 전도 설정으로 명령할 수 있다. 주입을 위해, 밸브 제어기(12)는 밸브(14)를 위치 1(V1)으로 이동하여 주입 동안에 비교적 낮은 흐름 전도를 제공하도록 명령한다. 블록(54)에서, 제어 시스템(19)은 반도체 처리 장치(1)가 반응물 가스를 반응 챔버(2) 내로 펄스화하여 기판 상에 반응물의 층을 성장시킬 수 있다. 주입 후, 블록(55)에서, 모듈 제어기(11)는 밸브(14)를 제2 흐름 전도 상태로 예를 들어, 퍼지 상태의 밸브 설정으로 배치하도록 밸브 제어기(12)에 명령할 수 있다. 퍼지를 위해, 밸브 제어기(12)는 밸브(14)를 위치 2(V2)로 이동하여 퍼지 동안에 비교적 높은 흐름 전도를 제공하도록 명령한다. 블록(56)에서, 제어 시스템(19)은 반도체 처리 장치(1)로 하여금 반응 챔버(2)로부터 과잉의 또는 폐 가스를 퍼지시킬 수 있다. 블록(57)으로 이동하면, 제어 시스템(19)은 공정이 반복되는 지의 여부를 결정할 수 있다. 결정이 예인 경우, 방법(50)은 블록(53)으로 복귀하여 밸브(14)를 제1 흐름 전도 설정 예를 들어, 사전 프로그래밍된 설정 포인트(위치 1)로 배치하여 추가 반응물 가스를 챔버(2) 내로 펄스화하도록 한다. 결정이 아니요라면, 그 때는 방법(50)이 종료된다.
도 6a는 본원에 개시된 다양한 구현예에 따라, 완전 개방 구성의 밸브(14)의 개략적인 평면도이다. 도 6b는 완전 폐쇄 구성에 있는 도 6a의 밸브(14)의 개략적인 평면도이다. 일부 구현예에서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 밸브(14)는 도 1a 내지 도 5와 관련하여 전술한 반도체 처리 장치(1)와 관련하여 사용될 수 있다. 다른 구현예에서, 도 1a 내지 도 5의 반도체 처리 장치(1)는 전술한 쓰로틀 밸브와 같은 상이한 유형의 밸브를 이용할 수 있다. 또한, 도 6a 및 도 6b의 밸브(14)는 전술한 반도체 처리 장치(1)와 상이한 장치를 포함하는 임의의 적합한 유형의 반도체 처리 시스템에 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 실제로, 도 6a 및 도 6b의 밸브(14)는 ALD 장치, CVD 장치, 다른 유형의 증착 장치, 비증착 장비(예를 들어, 에칭 장비), 또는 도관 또는 파이프를 통해 가변 흐름 전도를 이용하는 임의의 다른 적합한 장치에 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 반도체 처리 장치용 가변 흐름 전도 시스템을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 후속 주입 단계 이전에 처리량을 개선하고 과잉 가스를 제거하기 위해, 반응 챔버의 퍼지 동안 높은 흐름 전도(높은 유량)를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 반응 챔버 내 반응물 가스 체류 시간을 증가시키도록 주입 동안에 낮은 흐름 전도(낮은 유량)을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 최근 반도체 소자는 다양한 표면 토폴로지를 갖는, 예를 들어 100층 초과의 수 많은 층을 사용한다. 다수의 층 및 복잡한 표면 토폴로지를 갖는 장치를 제작하기 위해, 더 큰 표면적이 반응물 층에 의해 덮이는 것을 보장하기 위해 반응 챔버 내 반응물 가스 체류 시간을 더 증가시키는 것이 중요할 수 있고, 동시에 ALD 퍼지와 같은 공정의 다른 페이즈에서 낮은 잔류 시간을 갖는 것이 중요할 수 있다. 다른 증기 처리는 공정의 상이한 단계에서 상이한 전체 유량을 유사하게 요구할 수 있다. 따라서, 반도체 처리를 위한 개선된 가변 전도 장치에 대한 지속적인 요구는 남는다.
특히 밸브가 반응기의 배기 라인에서 반응 가스 노출에 의해 부작용(예, 밸브를 폐쇄할 수 있는 층의 축적)을 겪는 증착 반응기에서, 밸브(14)는 가변 전도체 처리 및/또는 처리에 특히 적합한 밸브를 포함할 수 있다. 도시된 구현예에서, 밸브(14)는 밸브 몸체(31)를 통해 제공되는 보어(bore)(32)를 갖는 둥근 밸브 몸체(31)를 갖는 볼 밸브를 포함한다. 도시된 구현예에서, 둥근 밸브 몸체(31)는 볼 형상(예, 거의 구형인) 부재를 포함한다. 플랜지(35)는 배기 라인(17) 상에 또는 그 주위에 제공될 수 있다. 밸브 몸체(31)는 플랜지(35)에 대한 밸브 몸체(31)의 회전을 허용하도록, 밸브 몸체(31)와 플랜지(35)의 내부 표면 사이에 제공된 갭으로 플랜지(35) 내에 안착될 수 있다. 모터(30)는 모터 출력 샤프트(36)를 통해서 밸브 몸체(31)에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 출력 샤프트(36)는 밸브 몸체(31)에 용접되거나 그렇지 않으면 기계적으로 연결될 수 있다. 활성화될 때, 모터(30)는 회전을 출력 샤프트(36)에 그리고 차례로 밸브 몸체(31)에 부여하여 밸브 몸체(31)를 출력 샤프트(36)에 평행한 길이 방향축 또는 회전축 x에 대해 회전시킨다(R). 모터(30)는 고속(예, 적어도 약 1000 rpm)에서 작동하여 빠른 퍼지-주입-퍼지-주입 사이클(예, 1회 사이클 60 ms임)을 만들 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 밸브 몸체(31)를 통해 형성된 보어(32)는 모터(30)의 회전축 또는 길이 방향축 x에 비평행하게(예, 수직으로) 배향될 수 있다. 도 6a에서, 모터(30)는 보어(32)가 배기 라인(17)의 흐름축 y에 평행하도록 보어(32)를 위치시킬 수 있다. 보어(32)가 배기 라인(17)의 흐름축 y에 평행한 경우, 밸브(14)는 최대 흐름 전도 상태에 있는 것으로 간주될 수 있으며, 밸브(14)는 가스가 배기 라인(17)을 통해 흐를 수 있도록 완전히 개방된다. 대조적으로 도 6b에서, 모터(30)는 보어(32)가 배기 라인(17)의 흐름축 y에 수직으로 배향되도록 보어를 위치시킬 수 있다. 도 6b의 배열에서, 수직 배향된 보어(32)는 실질적으로 모든 가스가 밸브(14)와 배기 라인(17)을 통해 흐르는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 보어(32)가 배기 라인(17)의 흐름축 y에 평행하게 배향되는 경우, 밸브(14)는 최소 흐름 전도 상태에 있는 것으로 간주될 수 있으며, 밸브(14)는 가스가 배기 라인(17)을 통해 흐르는 것을 실질적으로 차단한다. 이하의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 밸브(14)는 이들 두 개의 상태에 제한되지 않지만, 그 대신 무한 개의 개구 정도를 통해 가변 회전 속도로 회전할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 밸브(14)는 밸브 몸체(31)의 주변부 주위에 배치된 비활성 가스 커튼 영역(33)을 더 포함할 수 있다. 비활성 가스 커튼 영역(33)은 유입구 포트를 통해 플랜지(35)와 밸브 몸체(31)의 외부 주변부 사이의 갭 내로 공급되는 비활성 가스의 영역을 포함할 수 있다. 비활성 가스 커튼(33)은 밸브 몸체(31) 주위에 발라스트를 생성하는 밸브 몸체(31) 주위의 외부 퍼지 영역을 포함할 수 있다. 밸브(14)가 도 6a에 도시된 개방 구성에 있는 경우, 비활성 가스 커튼 영역(33)은 반응물 또는 다른 가스가 밸브 몸체(31)의 외부 주변부 상의 갭으로 진입하는 것을 유익하게 방지하여, 오염 위험을 감소시킬 수 있고 밸브(14)의 빠른 성능을 유지할 수 있다. 비활성 가스 커튼(33)은 회전축 x를 중심으로 낮은 마찰 회전을 허용할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 밸브의 2개의 상태(최대 및 최소 흐름 전도 각각)를 도시하지만, 밸브(14)는 유익하도록 회전축 x에 대해 복수의 배향으로 배치될 수 있다. 다양한 구현예에서, 밸브 몸체(31) 및 보어(32)는 회전축 x를 중심으로 연속적인 배향 또는 각도의 범위 예를 들어, 0° 내지 360°의 범위 내에서 배치될 수 있다. 밸브 몸체(31) 및 보어(32)는 회전축 x에 대해 두 방향으로 회전될 수 있다. 밸브 몸체(31)와 보어(32)는 보어(32)가 배기 가스 라인(17)을 따라 가스에 노출되는 수많은 배향으로 배치될 수 있다. 보어(32)가 가스 라인(17)에 대해 각을 만들어 보어(32)의 작은 영역만이 배기 가스 라인(17)에 노출되는 경우, 밸브(14)를 통한 유량은 비교적 낮을 것이다. 보어(32)가 가스 라인(17)에 대해 각을 만들어 보어(32)의 비교적 큰 영역이 배기 가스 라인에 노출되는 경우, 밸브(14)를 통한 유량은 비교적 높을 것이다. 모터(30)는 회전축 x를 중심으로 밸브 몸체(31) 및 보어(32)의 배향을 정확하게 제어할 수 있고, 이 배향은 보어(32)를 통한 유량과 상관될 수 있다. 따라서, 유익하게 회전축 x에 대해 복수의 각도로 보어(32)를 배향하는 능력을 통해, 도 6a 및 도 6b에 도시된 밸브(14)는 배기 가스 라인(17)을 통해 가변 흐름 전도를 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 밸브(14)는 회전축 x에 대해 연속적인 각도를 제공할 수 있고, 따라서 밸브(14) 및 가스 라인(17)을 통한 연속적인 유량 범위를 제공할 수 있다.
밸브 몸체(31)와 보어(32)의 배향을 제어하기 위해, 배향 센서(34)가 밸브 몸체(31) 근처의 플랜지(35) 상에 제공될 수 있다. 배향 센서(34)는 밸브 몸체(31)가 회전함에 따라 정지 상태로 유지될 수 있다. 배향 센서(34)는 보어(32)의 선단 에지(37), 보어의 후단 에지(38), 및 선단 에지 및 후단 에지(37, 38) 사이의 보어(32)의 영역을 감지함으로써 배향을 측정할 수 있다. 다양한 구현예에서, 배향 센서(34)는 자기 센서를 포함할 수 있지만, 다른 유형의 센서를 사용할 수 있다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 모터 인코더는 밸브 몸체(31)의 배향을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 제어 시스템(19)은 밸브 몸체(31) 및 보어(32)의 배향을 제어하는 데 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(19)은 모터(30)의 작동을 제어하고/하거나 배향 센서(34)에 의해 변환된 신호를 수신하도록 구성된 프로세싱 전자 장치를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 시스템(19)은 원하는 흐름 전도에 대응할 수 있는, 밸브(14)에 대한 배향 설정 포인트가 제공되는 피드백 제어 기술을 이용할 수 있다. 제어 시스템(19)은 밸브 몸체(31)와 보어(32)의 전류 배향을 나타내는 배향 센서(34)로부터의 신호를 수신할 수 있다. 배향 설정 포인트와 현재 배향 사이의 차이에 기반하여, 제어 시스템은 모터(30)에 명령어 신호를 전송하여 모터(30)가 밸브 몸체(31)를 원하는 흐름 전도에 대응하는 원하는 배향 설정 포인트로 회전시키도록 하기 위해, 다양한 제어 기술(예, PID 제어 기술을 포함함)을 이용할 수 있다.
퍼지 사이클 또는 상태 동안, 제어 시스템(19)은 모터(30)에 원하는 또는 사전 프로그래밍된 비교적 높은 흐름 전도에 대응하는 하나 또는 복수의 배향으로 밸브 몸체(31) 및 보어(32)를 회전시키도록 명령할 수 있다. 따라서, 특정 단계(주입 또는 퍼지) 동안, 평균 전도는 회전 속도를 제어함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 밸브 몸체(31)와 보어(32)의 회전 속도는 주입 동안에 느려져서 평균 전도를 감소시키고/시키거나 퍼지 동안 증가되어 평균 전도를 증가시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 모터(30)는 퍼지 및 주입 상태 동안에 밸브 몸체(31)와 보어(32)를 연속적으로 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 모터(30)는 퍼지 동안 더 높은 속도로 밸브 몸체(31)와 보어(32)를 회전시킬 수 있고/있거나 퍼지 동안 보어(32)의 더 큰 영역을 배기 라인(17)에 노출시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 모터(30)는 주입 동안에 더 낮은 속도로 밸브 몸체(31)와 보어(32)를 회전시킬 수 있고/거나 주입 동안에 보어(32)의 더 작은 영역을 배기 라인(17)에 노출시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 모터(30)는 퍼지 및/또는 주입 동안에 특정 배향으로 밸브 몸체(31)와 보어의 회전을 정지시킬 수 있다. 예를 들어, 퍼지 동안에 모터(30)는 흐름 전도를 최대화하거나 증가시키는 배향에서 밸브 몸체(31)과 보어(32)의 회전을 정지시킬 수 있다(예, 도 6a에 도시된 바와 같음). 다른 예로서, 주입 동안에 모터(30)는 반응 챔버(2)에서 반응물 증기 체류 시간을 증가시키도록 흐름 전도를 최소화하거나 감소시키는 배향으로 밸브 몸체(31) 및 보어(32)를 회전시키는 것을 중단할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제어 시스템(19)은 배향 센서(34)로부터의 신호에 기반한 피드백 제어 기술을 이용할 수 있다.
도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 밸브(14)를 사용하여, 퍼지 사이클, 주입 사이클, 다른 퍼지 사이클에 대해 시간에 따른 상대적 흐름 전도의 그래프이다. 퍼지 펄스에 대해 도시된 바와 같이, 제어 시스템(19)은 밸브(14)를 흐름 전도성을 증가시키거나 최대화하는 하나 또는 복수의 전도 설정으로 예를 들어, 보어(32)가 배기 가스 라인(17)의 상기 흐름축 y에 일반적으로 평행하고 도6a에 도시된 배향으로 배치하도록 모터(30)에게 명령할 수 있다. 퍼지 중 높은 흐름 전도 설정(들)을 제공하면 퍼지 사이클 동안 높은 유량 결과를 갖는다. 본원에 설명된 바와 같이, 특정 공정 처리 페이즈(주입 또는 퍼지) 동안 및/또는 처리 페이즈 사이에서, 제어 시스템(19) 및 모터(30)는 회전축 x에 대해 밸브 몸체(31)와 보어(32)의 각속도 및 가속도를 제어할 수 있다. 다음 주입 사이클 이전에 퍼지 사이클을 종료하기 위해, 퍼지 중 모터(30)는 고속으로 밸브 몸체(31)를 회전시킬 수 있다.
대조적으로, 주입 중 밸브(14)는 하나 이상의 비교적 낮은 흐름 전도 설정(들)으로 설정될 수 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이 비교적 낮은 유량 결과를 갖는다. 예를 들어, 보어(32)는 밸브(14)를 통한 흐름을 감소시키는 방식으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서 밸브(14)의 회전 속도가 느려질 수 있고/있거나 배기 라인(17)에 노출된 보어(32)의 영역이 예를 들어, 주입 중 밸브 몸체(31)의 다양한 배향에서 흐름축 y에 대해 상대적으로 큰 각도(그러나 90° 미만임)로 비교적 작게 될 수 있다. 비교적 큰 각도 및/또는 낮은 각속도는 보어(32)의 작은 부분을 더 긴 시간 동안 배기 라인(17)에 노출시켜, 주입 중 낮은 유량 및 긴 체류 시간 결과를 가질 수 있다. 또한, 주입 중 밸브 몸체(31)와 보어(32)의 각속도는 상대적으로 낮을 수 있어서 반응 챔버(2) 내의 반응물 가스가 상대적으로 정지되게 하여 챔버(2)에서 체류 시간을 증가시키고 층의 형성을 개선시킬 수 있다.
따라서, 도 6a 내지 도 7에 도시된 볼 밸브(14)는 임의의 적합한 유형의 반도체 처리 장치에 대해 고속 가변 흐름 전도를 유익하게 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 도 6a 내지 도 7의 밸브(14)는 반도체 기상 처리 장치의 배기 라인(17)을 따라 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 장치는 기상 증착 장치이다. 일부 구현예에서, 장치는 주기적 CVD 장치이다. 일부 구현예에서, 장치는 ALD 장치이다. 또한, 비활성 가스 커튼(33)은, 보어(32)가 배기 라인(17)에 적어도 부분적으로 노출되는 경우 반응물 가스가 밸브 몸체(31)의 외주를 오염시키는 것을 유익하게 차단할 수 있다.
전술한 것이 명확성 및 이해의 목적을 위해 도시 및 예로서 상세하게 설명되었지만, 특정 변경 및 수정이 실시될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 설명 및 예가 본 발명의 범위를 본원에 기술된 특정 구현예 및 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 본 발명의 진정한 범위 및 사상으로 다가오는 모든 변형 및 대안을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본원에서 기술된 모든 특징, 양태 및 장점이 본 발명을 실시하기 위해 반드시 요구되는 것은 아니다.

Claims (1)

  1. 원자층 증착(ALD) 장치로서,
    내부에 기판을 수용하도록 크기를 갖는 반응 챔버를 포함하는 반응기 어셈블리;
    상기 반응 챔버 밖으로 가스를 전달하도록 구성되며 상기 반응 챔버와 유체 연통하는 배기 라인;
    복수의 흐름 전도 설정을 가지며 상기 배기 라인을 따라 상기 가스의 흐름을 조절하도록 상기 배기 라인을 따라 배치되는 밸브; 및
    상기 밸브의 작동을 제어하도록 구성되는 개방 루프 제어 시스템을 포함하되,
    상기 개방 루프 제어 시스템에 상기 밸브의 작동과 관련된 활성 피드백이 제공되지 않으며,
    상기 ALD 장치의 주입 상태 동안에 상기 제어 시스템은 상기 복수의 흐름 전도 설정의 0이 아닌(non-zero) 제1 흐름 전도에 대응하는 상기 밸브에 제1 신호를 전송하도록 구성되고,
    상기 ALD 장치의 퍼지 상태 동안에 상기 제어 시스템은 상기 복수의 흐름 전도 설정의 0이 아닌(non-zero) 제2 흐름 전도에 대응하는 상기 밸브에 제2 신호를 전송하도록 구성되며,
    상기 제1 신호는 상기 제2 신호와 다른, 원자층 증착(ALD) 장치.
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