KR20230129391A - 박막 증착을 위한 액체 전구체 분사 - Google Patents

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알렉스 핑켈만
닐로이 머케르지
미겔 샐다나
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유제누스 인크.
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Abstract

본 발명은 일반적으로는 반도체 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 증착용 액체 전구체 분사 장치 및 방법에 관한 것이다. 박막 증착 챔버 내로 액체 전구체를 분사하는 방법은 액체 분사 유닛을 이용하여 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화시키고 기화 챔버에서 무화 전구체 액적을 기화 액체 전구체로 기화시켜 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계를 포함한다. 액체 분사 유닛과 액체 전구체는, 액체 분사 유닛에서의 제1 액체 전구체 온도와, 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 제1 액체 전구체 압력과, 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 제1 기체 압력을 포함하는 저 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛을 작동하면 액체 전구체의 질량 유량이 제1 기간 동안 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 10%보다 큰 차이만큼 변화하도록 되어 있다. 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛을 작동시키는 것을 포함한다. 고 안정성 조건은 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도로서 제1 액체 전구체 온도보다 낮은 제2 액체 전구체 온도와; 분사 유닛 상류측의 액체 압력으로서 제1 액체 압력보다 높은 제2 액체 압력과; 액체 분사 유닛 하류측의 기체 압력으로서 제1 기체 압력보다 높은 제2 기체 압력 중 하나 이상을 포함한다. 고 안정성 조건은 제1 기간과 기간이 동일한 제2 기간 동안 액체 전구체의 질량 유량이 평균 질량 유량 대비 10% 미만의 차이만큼 변화하도록 한다.

Description

박막 증착을 위한 액체 전구체 분사
본 발명은 일반적으로 반도체 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 증착을 위한 액체 전구체 분사 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 수평 방향 치수가 계속 변경됨에 따라, 전극 및 유전체와 같은 기능성 박막의 두께 변경을 포함하여 반도체 소자의 수직 방향 치수도 이에 상응하는 변경이 이루어지고 있다. 반도체 제조는 공정 흐름 전반에 걸쳐 증착되는 다양한 박막을 필요로 한다. 습식 및 건식 증착 방법을 포함한 다양한 기술을 사용하여 다양한 박막을 증착할 수 있다. 습식 증착 방법에는 연무/비말 증착, 졸-겔 방법, 스핀 코팅 등이 있다. 건식 증착 방법에는 예컨대, 물리 기상 증착(PVD) 및 증발 증착과 같은 물리 기상 기반 기술이 있다. 건식 증착 방법은 예컨대 화학 기상 증착(CVD) 및 원자층 증착(ALD)과 같은 전구체 및/또는 화학 반응 기반 기술도 포함한다.
제1 양태에서, 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 방법은 액체 분사 유닛을 사용하여 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화시키고 기화 챔버에서 무화 전구체 액적을 기화 액체 전구체로 기화시켜 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계를 포함한다. 액체 분사 유닛과 액체 전구체는, 액체 분사 유닛에서의 제1 액체 전구체 온도와, 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 제1 액체 전구체 압력과, 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 제1 기체 압력을 포함하는 저 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛을 작동시키면 액체 전구체의 질량 유량이 제1 기간 동안 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 10%보다 큰 차이로 변화하도록 되어 있다. 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛을 작동시키는 단계를 포함한다. 고 안정성 조건은 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도로서 제1 액체 전구체 온도보다 낮은 제2 액체 전구체 온도와, 분사 유닛 상류측의 액체 전구체 압력으로서 제1 액체 전구체 압력보다 높은 제2 액체 전구체 압력과, 액체 분사 유닛 하류측의 기체 압력으로서 제1 기체 압력보다 높은 제2 기체 압력 중 하나 이상을 포함한다. 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛을 작동시키면, 액체 전구체의 질량 유량은 제1 기간과 기간이 동일한 제2 기간 동안 평균 질량 유량 대비 10% 미만의 차이로 변화한다.
제2 양태에서, 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 방법은 액체 분사 유닛을 사용하여 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화시키고 기화 챔버에서 무화 전구체 액적을 기화 액체 전구체로 기화시켜 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하도록 구성된 액체 전구체 전달 유닛을 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 액체 분사 유닛에서의 제1 액체 전구체 온도와, 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 제1 액체 전구체 압력과, 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 제1 기체 압력을 포함하는 저 안정성 조건 하에서 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계를 추가로 포함한다. 본 방법은 제1 기간 동안 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 10%보다 큰 차이가 나는 액체 전구체의 질량 유량 변동을 감지하는 단계를 추가로 포함한다. 본 방법은 고 안정성 조건 하에서 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계를 추가로 포함한다. 고 안정성 조건은 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도로서 제1 액체 전구체 온도보다 낮은 제2 액체 전구체 온도와, 분사 유닛 상류측의 전구체 압력으로서 제1 액체 전구체 압력보다 높은 제2 액체 전구체 압력과, 액체 분사 유닛 하류측의 기체 압력으로서 제1 기체 압력보다 높은 제2 기체 압력 중 하나 이상을 포함한다. 고 안정성 조건 하에서 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하면 액체 전구체의 질량 유량은 제1 기간과 기간이 동일한 제2 기간 동안 평균 질량 유량 대비 10% 미만의 차이로 변화한다.
제3 양태에서, 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 장치는 상기 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하도록 구성되는 액체 전구체 전달 시스템을 포함한다. 액체 전구체 전달 시스템은 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화하도록 구성된 액체 분사 유닛과, 액체 분사 유닛으로부터 무화 전구체 액적을 공급 받아 무화 전구체 액적과 운반 기체를 포함하는 혼합물을 형성하도록 구성된 혼합 영역과, 혼합물을 공급 받아 혼합물 내의 무화 전구체 액적을 기화시켜 기화 액체 전구체를 형성하도록 구성된 기화 챔버를 포함한다. 본 장치는 혼합 영역으로 도입되기에 앞서 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도를 감지 및 제어하도록 구성된 분사 유닛 온도 제어 시스템과, 혼합 영역으로 도입되기에 앞서 운반 기체 온도를 감지 및 제어하도록 구성된 운반 기체 온도 제어 시스템과, 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 액체 전구체 압력을 감지 및 제어하도록 구성된 액체 가압 압력 제어 시스템과, 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 기체 압력을 감지 및 제어하도록 구성된 하류 기체 압력 제어 시스템 중 하나 이상을 포함하는 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템을 추가로 포함한다.
도 1a는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하도록 구성된 박막 증착 시스템을 예시한 도면이다.
도 1b는 실시예에 따른 것으로, 도 1a에 도시된 박막 증착 시스템의 박막 증착 챔버를 예시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하기 위한 액체 전구체 전달 유닛을 예시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예에 따른 것으로, 액체 전구체를 전구체 액적으로 무화하도록 구성된 예시적인 액체 전구체 분사 유닛을 예시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 방법을 예시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버로의 기화 액체 전구체의 전달을 제어하기 위한 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템을 예시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 실시예에 따른 액체 전구체 전달 방법 및 시스템이 구현될 수 있는 박막 증착 공정을 예시한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 액체 전구체 전달 방법을 사용하여 펄스 모드로 박막 증착 챔버로 도입되는 액체 전구체에 대해 측정된, 시간 경과에 따른 질량 유량을 나타낸 실험 그래프이다.
원자층 증착(ALD) 공정과 같은 주기적 증착 공정은 비교적 종횡비가 높은(예컨대, 2:1) 구조물 상에 비교적 등각적(conformal)인 도전성 절연성 박막을 높은 균일도로 형성할 수 있다. 일반적으로 ALD에 비해 등각성과 균일도가 떨어지지만, 화학 기상 증착(CVD)과 같은 연속 증착 공정을 사용하여 증착된 박막은 생산성이 더 높고 비용이 덜 든다. ALD와 CVD는 원소 금속, 반도체(예컨대, Si, 3족 내지 5족 원소 등), 유전체(예컨대, SiO2, AlN, HfO2, ZrO2 등), 희토류 산화물, 도전성 산화물 및 산화물(예컨대, TiN, IrO2 등), 강유전체(예컨대, PbTiO3, LaNiO3 등), 초전도체(예컨대, YBa2Cu3O7-x), 칼코겐화물(예컨대, GeSbTe) 등을 포함하는 다양한 막을 증착하는 데 사용할 수 있다.
CVD 및 ALD 공정과 같은 전구체 기반 또는 화학 반응 기반 박막 증착 기술에서는 전구체가 반응기로 전달된 후 반응기 내에서 (가열될 수 있는) 기판으로 이송되어 박막을 증착한다. 증기압이 높은(예컨대, 0.1 Torr 초과) 기체 전구체가 비교적 제어하기가 용이할 수 있지만, 모든 전구체가 상압 및 상온에서 기체 형태인 것은 아니다. 대부분의 전구체는 액체 형태로 시판된다. 기체 전구체의 전달에 비해, 액체 전구체를 반응기 챔버로 정밀하게 전달하는 것은 상대적으로 제어하기가 더 어렵고, 이에 따라 액체 전구체를 사용하여 생성된 박막의 조성, 나노 구조 및 밀도를 제어하기가 기체 전구체에 비해 더 어려워진다. 따라서, 성장률, 기판 내 균일도, 기판 간 균일도, 표면 형태, 막 밀도 등과 같은, 결과적인 박막 증착 특성의 제어를 개선하기 위해서는 반응기 챔버로의 액체 전구체 전달을 개선할 필요가 있다.
액체 전구체를 기반으로 하는 몇몇 종래의 전구체 또는 화학 반응 기반 박막 증착 기술에서는 버블러(bubbler) 기술이 사용될 수 있다. 버블러 기술에서는 액체 전구체를 버블러(일반적으로 스테인레스 스틸 통) 내부에 저장하고 불활성 운반 기체(예컨대, Ar, He 또는 N2)를 액체 전구체 내부에 도입하여 기포를 발생시킨다. 전구체 증기는 버블러 내의 공기를 포화시키고, 이에 따라 생성된 증기가 기판 표면 상으로 도입된다. 이런 기술에서 반응물의 전달은 버블러의 온도, 운반 기체의 유량, 액체 표면에 대한 압력을 포함하는 파라미터에 따라 달라진다. 버블러 기반 기술은 몇몇 액체 전구체에서는 만족스러운 효과를 볼 수 있지만, 증기압이 비교적 낮은 전구체에는 적합하지 않을 수 있다. 이는, 버블러를 가열하는 것이 통 내부의 증기압을 높이는 실용적인 방법일 수 있긴 해도, 버블러가 가열될 수 있는 최대 온도가 전구체의 분해 온도로 제한될 수 있기 때문이다. 대다수의 액체 전구체는 분해 온도가 비교적 낮다. 따라서, 버블러 기반 기술은 증기압이 실용상 충분히 높은(예컨대, 0.1 Torr 초과) 수준이 되는 온도와 전구체가 분해되는 온도 사이의 온도 대역(temperature window)이 비교적 좁은, 예컨대, 약 150℃, 100℃, 또는 50℃ 미만인 전구체에 대해서는 실용적이지 않을 수 있다. 따라서 버블러 기반 기술은 비교적 높은 온도에서도 안정적인 전구체를 사용하는 기술로 국한될 수 있다.
버블러 기반 액체 전구체 전달 방법의 한계를 극복하기 위해, 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 직접 액체 분사 기술을 사용한다. 본 명세서에서, 용어 "직접 액체 분사(DLI)"는 액체 전구체 전달 유닛, 예컨대, 분사기를 사용하여 반응물의 증착 영역에 액체 전구체를 공급하는 기술을 의미한다. 버블러 기술과 같은 여타의 기술과 달리, DLI 기반 기술에서는 액체 전구체가 진공 상태의 저압 증착 챔버 내로의 분사 지점까지 액체 형태를 유지한다. DLI 기반 기술은 증기압이 실용상 충분히 높은(예컨대, 0.1 Torr 초과) 온도와 전구체가 분해되는 온도 사이의 온도 대역이 비교적 좁은 전구체의 경우에도 액체의 질량 유량을 정밀하게 조절할 수 있다. 본 명세서에 개시된 몇몇 실시예에 따르면, 액체 전구체 전달 방법 및 시스템에 의해 사용되는 전구체의 온도 대역은 150℃, 100℃, 50℃, 25℃ 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 온도 대역 미만일 수 있다.
몇몇 DLI 기반 기술에서는 액체 전구체가 증발 챔버를 거쳐 기화된다. 다른 경우, 액체 전구체는 가열된 기판 표면에 액체 상태로, 예컨대, 무화 전구체 액적 형태로 도달하여 기화된 후에 분해된다. 전구체가 기판에 도달했을 때 여전히 액체 상태인 경우라면, 증착 방법은 액적 생성 방법에 따라 비말 또는 연무 열분해라고 칭할 수 있다. 보통 증발이 고온으로 가열된 기판 부근에서 일어나기 때문에 몇몇 비말/연무 열분해 공정은 상압 CVD라 칭할 수 있다. DLI 기반 기술의 장점으로는 액체 전구체의 비교적 낮은 온도(예컨대, 실온)를 들 수 있는데, 이는 열적 안정성이 낮고 증기압이 낮은 전구체의 사용을 가능하게 한다.
본 발명자는 종래의 몇몇 액체 전달 시스템 및 방법에서는 액체 전구체의 질량 유량이 불안정한 현상이 나타날 수 있다는 것을 인식하였다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자는 이런 질량 유량의 불안정성을 초래하는 원인 중 하나는 무엇보다도 액체 전구체가 분사 지점에서 저압 영역, 예컨대, 기화 챔버 내로 분사되기 전에 분사 지점 상류에 있는 종래의 밸브 또는 분사기에서(또는 그 부근에서) 의도와는 다르게(또는 과도하게) 기화되는 것과 관련이 있을 수 있다는 것을 발견했다. 종래의 밸브나 분사기에 의해 전달될 때, 액체 전구체는 분사 지점까지 액체 상태를 유지하도록 되어 있다. 그러나, 본 발명자는 액체 전구체의 의도하지 않은 기화가 분사 지점 상류에서 상당량 발생할 수 있다는 것을 발견했다. 분사 지점 상류에서 의도하지 않은 기화가 발생하는 이유는 어느 정도는 액체 전구체가 분사 지점에서 기화 온도에 가까운 온도로 가열될 수 있기 때문이고/이거나 밸브 또는 분사기 하류측 기체 압력이 증착 중의 기화 압력에 비해 상당히 낮은 압력일 수 있기 때문이다. 그 결과, 액체 전구체의 의도하지 않은 기화가 분사 지점의 상류에서 상당량 발생할 수 있다. 분사 지점 상류에서 액체 전구체가 기화되면 그 내부에 기공이나 기포가 생길 수 있고, 이는 결국 박막 증착 챔버에서 박막을 증착하기 위한 액체 전구체의 질량 유량이 불안정해지는 결과를 낳을 수 있다. 이런 문제점 및 여타의 문제점을 해결하기 위해, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 액체 전구체의 질량 유량의 안정성 및 반복성을 향상시키면서 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달할 수 있게 한다.
액체 전구체 분사를 위해 구성된 박막 증착 시스템
도 1a는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하도록 구성된 박막 증착 시스템을 예시한 도면이다. 박막 증착 시스템(100)은 액체 전구체 패널(108)로부터 하나 이상의 액체 전구체를 공급 받도록 구성된 액체 전구체 전달 유닛(112)을 포함한다. 액체 전구체 전달 유닛(112)은 질량 유량 제어기(114a)에 의해 그 유동이 제어되는 운반 기체, 예컨대, 수소 또는 불활성 기체(예컨대, Ar 또는 N2)를 운반 기체 라인(114)을 통해 공급 받도록 추가로 구성된다. 액체 전구체 전달 유닛(112)은 박막 증착 챔버(104) 내로 하나 이상의 기화 액체 전구체를 배출하도록 구성된다. 박막 증착 챔버(104)는 하나 이상의 액체 전구체 유입 라인(118)을 통해 기화 액체 전구체를 공급 받도록 구성되고, 질량 유량 제어기(120a)에 의해 그 유동이 제어되는 하나 이상의 기체 전구체, 예컨대, O2 또는 NH3 같은 산화제를 하나 이상의 기체 전구체 유입 라인(118)을 통해 기체 패널(116)로부터 공급 받도록 추가로 구성된다.
액체 패널(108)은 하나 이상의 액체 전구체 공급 유닛(110-1, 110-2,..., 110-n)을 포함하고, 액체 전구체 공급 유닛은 각각의 액체 전구체를 수용하도록 구성된 각각의 액체 탱크(110a-1, 110a-2,..., 110a-n)를 포함한다. 액체 탱크(110a-1, 110a-2,..., 110a-n)는 각각의 가압 기체 라인(110b-1, 110b-2,..., 110b-n) 및 각각의 액체 전달 라인(110c-1, 110c-2,..., 110c-n)에 연결된다. 액체 탱크(110a-1, 110a-2,..., 110a-n)와 액체 전구체 전달 유닛(112) 사이의 액체 전달 라인(110c-1, 110c-2,..., 110c-n)의 유로에는 각각의 액체 유량계(LFM)(110d-1, 110d-2,..., 110d-n)가 배치된다.
예시한 실시예에서는 복수의 액체 전구체가 공통 액체 전구체 전달 유닛(112)으로 도입되는 것으로 묘사되어 있다. 그러나, 이런 구성으로만 국한되는 것은 아니고, 다른 구성에서는 복수 개의 액체 전구체 전달 유닛(112)이 마련되어, 각각의 전구체 분사 유닛(112)이 각각의 액체 전구체 전용으로 사용될 수 있다. 또한, 단 하나의 운반 기체 라인(114)이 액체 전구체 전달 유닛(112)에 연결되는 것으로 묘사되어 있다. 그러나, 이런 구성으로만 국한되는 것은 아니고, 각각 전용 액체 분사 유닛(112)에 연결되는 복수의 운반 기체 라인(114)이 마련되어, 각각의 액체 분사 유닛(112)이 전용 액체 전구체 및 전용 운반 기체를 공급받도록 할 수 있다(예컨대 도 2).
각각의 액체 전구체 공급 유닛(110-1, 110-2,..., 110-n)은 유사한 방식으로 정성적으로(qualitatively) 작동될 수 있다. 예로서 액체 전구체 공급 유닛(110-1)을 참조하면, 가압 기체, 예컨대, 수소 또는 헬륨, 아르곤, 질소 등과 같은 불활성 기체가 기체 질량 유량 제어기(미도시)를 통해 가압 기체 라인(110b-1)에서 액체 탱크(110a-1) 내로 유동한다. 가압 기체는 액체 전구체를 액체 탱크(110a-1) 밖으로 밀어내고, 액체 전달 라인(110c-1)은 액체 탱크(110a-1)에서 밀려 나온 액체 전구체를 액체 전구체 전달 유닛(112)으로 전달한다.
도 1b는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 시스템, 예컨대, 도 1a와 관련하여 전술한 박막 증착 시스템(100)의 박막 증착 챔버를 예시한 도면이다. 박막 증착 챔버(104)는 진공 상태에서 기밀하게 챔버를 밀폐하도록 구성되는 챔버 하우징(111)을 포함한다.
박막 증착 챔버(104)의 하부에는 기판(117)을 그 위에 배치하도록 구성된 상면(124S)을 갖는 발열체(susceptor)(124)가 마련된다. 발열체(124)는 가열기(115)에 의해 공정 온도까지 가열될 수 있다. 몇몇 구성에서, 발열체(124)는 막 균일도를 향상시키기 위해 회전축(D)을 중심으로 회전될 수 있다. 회전은 중심축에 대해서 이루어질 수 있다. 배출구(128)를 통해 박막 증착 챔버(104)에 연결되는 진공 펌프(미도시)가 박막 증착 챔버(104) 내의 기체를 배기하도록 구성된다. 박막 증착 챔버(104)의 상부에는 기판(117) 상으로 기체 혼합물을 토출하기 위한 복수의 개구부를 갖는 기체 분배판 또는 샤워 헤드(113)가 마련된다.
액체 전구체 전달 유닛(112)에서 배출된 기화 액체 전구체를 전달하도록 구성된 하나 이상의 액체 전구체 유입 라인(118)과 기체 패널(116)에서 배출된 각각의 기체 전구체, 예컨대, 산화제를 전달하도록 구성된 하나 이상의 기체 전구체 유입 라인(120)이 샤워 헤드(113)에 연결된다. 하나 이상의 질량 유량계(132)가 기화 액체 전구체 및 기체 전구체의 질량 유량을 측정하기 위해 액체 전구체 유입 라인(118) 및 기체 전구체 유입 라인(120)의 유로에 배치될 수 있다. 기화 액체 전구체(들)의 질량 유량 변동은 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템(500)(도 5)에 의해 감지되어, 본 명세서에 개시된 다양한 실시예에 따른 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체를 전달하는 방법을 가동시키게 된다. 예컨대, 감지된 기화 액체 전구체의 질량 유량이 제조 공차보다 큰 차이로 변동하는 경우, 예컨대, 제1 기간 동안 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 10%보다 큰 차이로 변동하는 경우, 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템(500)은 실시예에 따른 방법(400)(도 4)을 개시시킬 수 있다.
액체 전구체 전달 시스템
도 2는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버, 예컨대, 도 1b와 관련하여 전술한 박막 증착 챔버 내로 기화 액체 전구체를 전달하기 위한 액체 전구체 분사 시스템을 예시한 도면이다. 액체 전구체 분사 시스템(200)은 액체 전구체 전달 유닛(112)을 포함한다. 액체 전구체 전달 유닛(112)은 액체 전구체 공급 유닛(110)으로부터 액상 액체 전구체를 공급 받도록 구성된 액체 분사 유닛(204)을 포함한다. 액체 전구체 공급 유닛(110)은 액체 전구체(228)를 저장한 액체 탱크(110a)를 포함한다. 가압 기체(push gas) 라인(110b)이 압력 조절기(224)를 통해 액체 탱크(110a)에 연결된다. 액체 전달 라인(110c)이 액체 전구체(228)를 무화하도록 구성된 액체 분사 유닛(204)에 연결된다. 본 명세서에서, 용어 "무화"는 액체 전구체를 전구체 액적의 비말로 형성하는 공정을 의미한다. 무화 액적은 예컨대, 약 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 액적은 부피 대비 표면적 비가 높아서 기화 액체 전구체로의 신속한 기화에 최적화되어 있다.
작동 시, 액체 탱크(110a) 밖으로 액체 전구체(228)를 전달하기 위해, 가압 기체, 예컨대, 수소 또는 헬륨, 아르곤, 질소 등의 불활성 기체가 가압 기체 라인(110b)을 통해 액체 탱크(110a)로 공급되어 액체 전구체(228)를 액체 탱크(110a)에서 밀어낸다. 가압 기체 라인(110b)을 통해 유동하는 가스 흐름은 압력 조절기(224)에 의해 조절될 수 있다. 밀려 나온 액체 전구체는 액체 전달 라인(110c)을 통해 액체 분사 유닛(204)으로 전달된다.
액체 전구체 전달 유닛(112)은 운반 기체 라인(114)을 통해 수소 또는 헬륨, 아르곤, 질소 등과 같은 불활성 기체일 수 있는 운반 기체를 공급 받도록 구성된 운반 기체 밸브(208)를 추가로 포함한다. 운반 기체 가열기(220)가 운반 기체 밸브(208)로 전달되는 운반 기체의 온도를 조절하기 위해 운반 기체 라인(114)의 유로에 배치될 수 있다. 액체 전구체 전달 유닛(112)은 액체 분사 유닛(204) 및 운반 기체 밸브(208) 하류에 배치되고 무화 액체 전구체 액적과 운반 기체를 혼합하여 무화 액체 전구체 혼합물을 형성하도록 구성되는 혼합 영역(212)을 추가로 포함한다. 액체 분사 유닛(204)과 운반 기체 밸브(208)는 무화 전구체 액적과 운반 기체를 각각 혼합 영역(212)으로 분사하도록 구성된다. 몇몇 구성에서는, 액체 분사 유닛(204)에서 토출되는 무화 전구체 액적의 궤적과 운반 기체 밸브(208)에서 토출되는 운반 기체의 궤적이 혼합 영역(212) 내의 혼합 지점에서 교차하여, 기화되기에 앞서 무화 액체 전구체 혼합물이 무화 전구체 액적과 운반 기체의 혼합을 통해 효율적으로 형성되도록 할 수 있다.
혼합 영역(212)에서 무화 전구체 액적과 운반 기체가 혼합되어 형성된 무화 액체 전구체 혼합물은 이어서 기화 챔버(216) 내로 도입된다. 기화 챔버(216)는 무화 액체 전구체 혼합물 내의 무화 전구체 액적을 기화시켜 기화 액체 전구체와 운반 기체를 포함하는 기화 액체 전구체 혼합물을 형성하도록 구성된다. 기화 챔버(216)의 부피는 대략 1 리터 내지 3 리터일 수 있다. 기화 챔버(216)는 기화 수단, 예컨대, 가열기를 포함한다. 예컨대, 무화 전구체 액적의 기화는 기화 챔버(216)의 벽을 가열함으로써 부분적으로 이루어질 수 있다. 기화 챔버(216)의 벽은 예컨대, 무화 전구체 액적이 상압 하의 액체 전구체의 기화 온도와 분해 온도 사이의 온도로 가열되도록 하는 온도까지 가열될 수 있다. 예컨대, 상압에서 기화 온도가 200℃이고 분해 온도가 250℃인 액체 전구체의 경우, 기화 챔버(216)는 200℃ 내지 250℃의 온도로 가열될 수 있다. 도 1a 및 도 1b와 관련하여 전술한 바와 같이, 기화 챔버(216)는 이와 같이 형성된 기화 액체 전구체 혼합물을 액체 전구체 유입구(118)를 통해, 그리고 더 나아가서는 샤워 헤드(113)를 통해 박막 증착 챔버(104) 내로 전달하도록 구성된다. 도 1a 및 도 1b와 관련하여 전술한 바와 같이, 하나 이상의 기체 전구체, 예컨대, 기체 패널(116)로부터 공급되는 산화제가, 역시 샤워 헤드(113)에 연결된 기체 전구체 유입구(120)를 통해 전달된다.
도 2를 계속 참조하면, 진공 상태이거나 소정의 박막 증착 챔버 압력 상태일 수 있는 박막 증착 챔버(104)에 연결되어 있긴 하지만, 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216)는 증착 챔버 압력보다 높은 국소 압력을 갖도록 구성될 수 있다. 이런 높은 국소 압력은 컨덕턴스(conductance)를 제한하도록 혼합 영역(212) 및/또는 기화 챔버(216)의 내부 체적의 형상을 설계함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216) 중 하나 이상은 샤워 헤드(113)의 평면에 수직한 연직 방향으로 길쭉하게 연장되는 세장형 구간을 포함할 수 있고, 이에 따라 연직 방향으로 압력 구배가 존재하게 된다. 예컨대, 혼합 영역(212) 및/또는 기화 챔버(216) 중 하나 이상은 수평 방향의 폭 또는 직경 대비 연직 방향 길이의 종횡비가 2:1, 4:1, 6:1, 8:1, 10:1 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값보다 클 수 있다. 대안으로서, 혼합 영역(212) 및/또는 기화 챔버(216)는 예컨대, 컨덕턴스 제한 오리피스에 의해 부분적으로 배기가 저지될 수 있다. 대안으로서, 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216) 중 하나 이상은 그 하부에 연속 조절 가능한 컨덕턴스 제어 수단, 예컨대, 압력 조절기 또는 버터플라이 밸브 등을 포함할 수 있고, 이에 따라 그 내부의 국소 압력이 증착 챔버 압력보다 높아질 수 있다. 예컨대, 컨덕턴스 제어 수단은 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216) 사이 및/또는 기화 챔버(216)와 박막 증착 챔버(104) 사이, 예컨대, 샤워 헤드(113)의 상류에 배치될 수 있다.
예시한 실시예에서, 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216)는 별도의 챔버들로 묘사되어 있다. 그러나, 이런 구성으로만 국한되는 것은 아니고, 다른 구성에서는 혼합 영역(212)이 기화 챔버(216)의 일부를 이루면서, 형상과 크기가 다른 내부 체적, 예컨대, 전술한 바와 같은 세장형 체적을 가질 수 있다. 또 다른 구성에서는, 혼합 영역(212)이 생략될 수 있고, 무화 액체 전구체와 운반 기체가 직접 기화 챔버(216) 내로 도입될 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 액체 분사 유닛(204)은 액체 전구체를 무화 전구체 액적 또는 연무로 무화하도록 구성된 적절한 수단을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 액체 분사 유닛(204)은 정량 밸브를 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 실시예에 따른 것으로, 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화하도록 구성된 정량 밸브(304)를 포함하는 예시적인 액체 전구체 분사 유닛(204)을 예시한 도면이다. 예시한 정량 밸브(304)는 그 사양 및 디자인이 본 명세서에 원용되는 노드슨사 (Nordson EFD LLC)의 피코(등록상표)(PICO™) 밸브와 유사한 것이다. 도 3a는 폐쇄 상태의 정량 밸브(304)를 예시하고, 도 3b는 개방 상태의 정량 밸브(304)를 예시한다. 정량 밸브(304)는 액체 전구체 공급 유닛(110)(도 2)으로부터 액체 전구체(228)를 공급 받기 위해 액체 공급 라인(110c)에 연결된 유입구(302)와, 혼합 영역(212)(도 2)에 연결된 배출구(320)를 포함한다. 정량 밸브(304)는 압전 액추에이터에 의해 구동되어 화살표로 표시된 바와 같이 상하로 이동되도록 구성된 레버(308)를 포함한다. 레버(308)의 말단부에는 수직 막대(312)가 이동 가능하게 연결된다. 레버(308)의 이동은 화살표로 표시된 바와 같이 막대(312)의 상응하는 수직 이동을 유발한다. 막대(312)의 하단부에는 내마모성 세라믹으로 형성된 반구형 실링 볼(316)이 배치된다. 노즐판이라고도 칭하는 세라믹 밸브 시트(318)가 실링 볼(316) 하부에 배치된다. 세라믹 밸브 시트(318)는 실링 볼(316)의 직경보다 작은 개구부를 갖는다. 개구부의 직경은 예컨대 50 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 예시한 정량 밸브(304)에서, 밸브 시트(318)의 개구부는 분사 지점을 나타낼 수 있다. 본 명세서에서, "분사 지점"은 액체 전구체(228)가 무화 전구체 액적으로 무화되는 액체 분사 유닛(204) 내부의 영역을 의미한다. 분사 지점은 또한, 액체 전구체가 액체 상태인 정량 밸브(304)의 상류 부분과, 저압 영역, 예컨대, 혼합 영역(212)에 노출되는 정량 밸브(304)의 하류 부분을 구분하는 지점을 의미하기도 한다.
작동 시, 도 3a에 묘사된 바와 같이 실링 볼(316)이 밸브 시트(318) 상에 안착되면 개구부 또는 분사 지점이 실링 볼(316)에 의해 폐쇄되어 정량 밸브(304)에서 액체 전구체(228)가 분사되지 못하도록 한다. 반면에, 도 3b에 도시된 바와 같이 실링 볼(316)이 밸브 시트(318)에서 들어 올려지면 개구부 또는 분사 지점이 실링 볼(316)에 의해 개방되어 정량 밸브(304)에서 액체 전구체(228)가 분사 또는 분출될 수 있게 한다.
액체 분사 유닛(204)의 다른 구현예(도 2)도 가능하다. 대안적인 구현예에 따르면, 분사 유닛(204)(도 2)은 제어 가능 밸브를 포함하는 질량 유량 제어기를 포함할 수 있는데, 이 경우에는 밸브의 위치를 달리함으로써 액체 유량을 변화시키게 된다. 또 다른 대안적인 구현예에 따르면, 분사 유닛(204)은 제어 가능한 밸브를 포함하지 않는 질량 유량계를 포함할 수 있는데, 이 경우에는 질량 유량계에 가해지는 구동 압력을 달리함으로써 액체 유량을 변화시킬 수 있다.
액체 분사 방법 및 제어 시스템
도 4는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 방법을 예시한 도면이다. 도 5는 실시예에 따른 것으로, 박막 증착 챔버로의 기화 액체 전구체 전달을 제어하기 위한 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템을 예시한 도면이다. 이하에서는, 액체 전구체 전달 방법(400)(도 4)을 제어 시스템(500)(도 5)과 함께 설명한다.
도 5를 참조하면, 박막 증착 챔버로의 기화 액체 전구체 전달을 제어하기 위한 액체 전구체 전달 제어 시스템(500)은, 서로 통신 가능하게 결합되고 중앙 제어 유닛(550)에 통신 가능하게 결합되는 액체 가압 압력 제어 시스템(510)과, 분사 유닛 온도 제어 시스템(520)과, 운반 기체 온도 제어 시스템(530)과, 하류 압력 제어 시스템(540)을 포함한다. 액체 분사 유닛(204)(도 2) 상류에 배치될 수 있는 액체 가압 압력 제어 시스템(510)은 서로 통신 가능하게 결합된 액체 압력 감지 수단(514)과 액체 압력 제어 수단(518)을 사용하여 액체 전구체 분사 유닛(112)(도 2) 상류에 배치된 액체 이송 라인(110c)(도 2)의 액체 전구체 가압 압력을 제어하도록 구성된다. 액체 분사 유닛(204)(도 2)에(또는 그 상류에) 배치될 수 있는 분사 유닛 온도 제어 시스템(520)은 서로 통신 가능하게 결합된 액체 온도 감지 수단(524)과 액체 온도 제어 수단(528)을 사용하여 액체 분사 유닛(204)(도 2)에서의(또는 그 상류측에서의) 액체 전구체 온도를 제어하도록 구성된다. 운반 기체 밸브(208)(도 2)에(또는 그 상류에) 배치될 수 있는 운반 기체 온도 제어 시스템(530)은 서로 통신 가능하게 결합된 운반 기체 온도 감지 수단(534)과 운반 기체 온도 제어 수단(538)을 사용하여 운반 기체 밸브(208)(도 2)에서의(또는 그 상류측에서의) 운반 기체 온도를 제어하도록 구성된다. 액체 분사 유닛(204)(도 2) 하류에 배치될 수 있는 하류 압력 제어 시스템(540)은 서로 통신 가능하게 결합된 기체 압력 감지 수단(544)과 기체 압력 제어 수단(548)을 사용하여 액체 분사 유닛(204)(도 2) 하류측의 기체 압력을 제어하도록 구성된다. 액체 압력 감지 수단(514)과 기체 압력 감지 수단(544)은 각각, 적절한 압력 센서, 예컨대 압력계, 변환기 등을 포함할 수 있다. 액체 온도 감지 수단(524)과 운반 기체 온도 감지 수단(534)은 각각, 적절한 온도 센서, 예컨대 열전대, 서미스터, 저항 온도 감지기 등을 포함할 수 있다. 액체 압력 제어 수단(518)과 기체 압력 제어 수단(548)은 각각, 적절한 제어 회로 및/또는 알고리즘에 의해 제어될 수 있는 압력 조절기, 제어 밸브 등을 포함할 수 있다. 액체 온도 제어 수단(528)과 운반 기체 온도 제어 수단(538)은 각각, 내부 또는 외부 제어 회로 및/또는 알고리즘에 의해 제어될 수 있는 가열기 및/또는 냉각기를 포함할 수 있다.
도 5를 계속 참조하면, 액체 가압 압력 제어 시스템(510), 분사 유닛 온도 제어 시스템(520), 운반 기체 온도 제어 시스템(530) 및 하류 압력 제어 시스템(540)과 그 각각의 감지 수단 및 그 내부에 구비된 제어 수단은 각각 서로 통신 가능하게 결합되고 중앙 제어 또는 처리 유닛(550)에 통신 가능하게 결합된다. 중앙 제어 또는 처리 유닛(550)은 액체 가압 압력 제어 시스템(510), 분사 유닛 온도 제어 시스템(520), 운반 기체 온도 제어 시스템(530) 및 하류 압력 제어 시스템(540)과 통신하고 이들 시스템을 적어도 부분적으로 자동으로 제어하기 위한 실행 가능 알고리즘을 저장 및 실행하도록 공통적으로 구성되는 프로세서, 메모리 및 저장 장치를 포함하여, 상기 방법(400)의 일부 또는 전부를 자동으로 또는 알고리즘 방식으로 구현할 수 있다. 예컨대, 액체 가압 압력 제어 시스템(510), 분사 유닛 온도 제어 시스템(520), 운반 기체 온도 제어 시스템(530) 및 하류 압력 제어 시스템(540) 중 하나 이상은 소정의 제조 공차 범위를 벗어나는 질량 유량의 변동이 감지될 때 가동될 수 있다. 유량 변동은 예컨대, 질량 유량계(132)(도 1b)에 의해 감지될 수 있다. 제조 공차를 벗어나는 질량 유량 변동이 감지되면, 액체 압력 제어 수단(518), 액체 온도 제어 수단(528), 운반 기체 온도 제어 수단(538) 및 기체 압력 제어 수단(548) 중 하나 이상은 중앙 제어 유닛(550)과 협력하여 액체 이송 라인(110c)(도 2)의 액체 가압 압력과, 액체 분사 유닛(204)(도 2)에서의(또는 그 상류측에서의) 액체 전구체 온도와, 운반 기체 밸브(208)(도 2)에서의(또는 그 상류측에서의) 운반 기체 온도와, 액체 분사 유닛(204)(도 2) 하류측에서의 기체 압력을 적어도 부분적으로 자동으로 또는 알고리즘 방식으로 조절할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 박막 증착 챔버 내로 액체 전구체를 전달하는 방법(400)은 박막 증착 챔버(104)(도 2) 내로 기화 액체 전구체(228)(도 2)를 전달하도록 구성된 액체 전구체 전달 유닛(112)(도 2)을 제공하는 단계(410)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 액체 전구체 전달 유닛(112)은 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화하도록 구성된 액체 분사 유닛(204)(도 2)과, 박막 증착 챔버(104)(도 2) 내로 전달하기에 앞서 무화 전구체 액적을 기화하도록 구성된 기화 챔버(216)(도 2)를 포함한다. 본 방법은 액체 전구체 전달 유닛(112)을 사용하여 박막 증착 챔버(104) 내로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계를 추가로 포함하되, 기화 액체 전구체 전달 단계는 액체 분사 유닛(204)을 사용하여 액체 전구체(228)를 무화 전구체 액적으로 무화시키고 기화 챔버(216)를 사용하여 무화 전구체 액적을 기화 액체 전구체로 기화시키는 단계를 포함한다. 액체 전구체 전달 유닛(112)과 액체 전구체(228)는 액체 전구체 전달 유닛(112)이 저 안정성 조건 하에서 작동될 때 액체 전구체의 질량 유량이 제1 기간 동안 액체 전구체(228)의 평균 질량 유량 대비 제조 공차보다 큰 차이로 변화하도록 되어 있다.
이런 변동을 야기하는 저 안정성 조건은 액체 분사 유닛(204)(도 2)에서의 제1 액체 전구체 온도(TPL1)와, 액체 분사 유닛(204) 상류측의 제1 액체 전구체 압력(PPL1)과, 액체 분사 유닛(204) 하류측의 제1 기체 압력(PPG1) 중 하나 이상을 포함한다. 본 발명자는 질량 유량의 이런 변동이 기판 내에서의 두께, 조성 및 막질(예컨대, 밀도)의 차이뿐만 아니라 기판들 간의 두께, 조성 및 막질(예컨대, 밀도)의 차이를 포함하는 제조 불균일성을 초래할 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명자는 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛(112)을 작동시키면 액체 전구체의 질량 유량이 제1 기간과 기간이 동일한 제2 기간동안 평균 질량 유량 대비 제조 공차 미만의 차이로 변화한다는 것을 발견했다. 몇몇 실시예에서, 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛(112)을 작동(420)시키는 단계는 액체 분사 유닛(204)(도 2)에서의 액체 전구체(228)의 온도를 제1 액체 전구체 온도(TPL1)보다 낮은 제2 액체 전구체 온도(TPL2)로 설정하거나 감소시키는 단계(424)와; 분사 유닛 상류측 액체 전구체(228)의 압력을 제1 액체 전구체 압력(PPL1)보다 높은 제2 전구체 압력(PPL2)으로 설정하거나 증가시키는 단계(426)와; 액체 분사 유닛(204) 하류측 기체 압력을 제1 기체 압력(PPG1)보다 높은 제2 기체 압력(PPG2)으로 설정하거나 증가시키는 단계(428)를 포함한다.
도 4를 계속 참조하면, 본 발명자는 본 명세서에 개시된 다양한 실시예에 따라 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛(112)(도 2)을 작동(420)시키면 안정성과 반복성을 향상시키면서 박막 증착 챔버(104)(도 2)로 액체 전구체(228)를 전달할 수 있는 유리한 효과가 있다는 것을 발견했다. 전술한 바와 같이, 안정성 및 반복성의 향상은 무엇보다도 분사 지점 상류에서 액체 전구체를 계속 액체 상태로 유지하고 액체 전구체가 기화되지 못하도록 함으로써 적어도 부분적으로 가능해진다. 유리하게는, 본 방법(400)은 분사 지점 상류에서 액체 전구체의 기화를 상당히 억제하고 이를 통해 기공 또는 기포의 형성을 억제하여 박막 증착 챔버(104)(도 2)에서 박막을 증착하기 위한 기화 전구체의 안정성을 향상시킬 수 있다.
유리하게는, 향상된 액체 전구체의 질량 유량의 안정성 및 반복성은 액체 전구체가 분사 지점에서 기화 온도 또는 이에 가까운 온도로 가열되고/되거나 분사 지점 하류측 기체 압력이 증착 동안의 기화 압력보다 상당히 낮은 압력이더라도 유지될 수 있다. 본 명세서에서, "기화 온도"는 액체 전구체의 증기압이 증착에 충분한 수준이 되는 온도, 예컨대, 증기압이 약 0.1 Torr, 0.2 Torr, 0.5 Torr, 1 Torr 또는 이들 값 중 임의의 값에 의해 정의되는 범위 내의 값보다 높아지는 온도를 의미한다. 액체 전구체(228)의 온도는 기화 온도 및/또는 분해 온도에 대한 근접도에 따라 정의될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 액체 전구체 전달 유닛(112)(도 2)에서의(또는 그 내부의 분사 지점에서의) 액체 전구체(228)(도 2)의 온도는 액체 전구체(228)의 기화 온도의 ±50℃, ±30℃, ±20℃, ±10℃ 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 온도이거나, 액체 전구체의 분해 온도보다 50℃, 30℃, 20℃, 10℃ 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값만큼 낮은 온도일 수 있다. 분사 지점 하류에서의 압력, 예컨대, 혼합 영역(212)(도 2), 기화 챔버(216)(도 2) 및/또는 박막 증착 챔버(104)(도 2) 내에서의 압력은 0.01 Torr 내지 0.2 Torr, 0.2 Torr 내지 0.4 Torr, 0.4 Torr 내지 0.6 Torr, 0.6 Torr 내지 0.8 Torr, 0.8 Torr 내지 1.0 Torr, 1.0 Torr 내지 1.5 Torr, 1.5 Torr 내지 2.0 Torr, 2.0 Torr 내지 2.5 Torr, 2.5 Torr 내지 3.0 Torr, 3.0 Torr 내지 4.0 Torr, 4.0 Torr 내지 5.0 Torr, 5.0 Torr 내지 6.0 Torr, 6.0 Torr 내지 7.0 Torr, 7.0 Torr 내지 8.0 Torr, 8.0 Torr 내지 9.0 Torr, 9.0 Torr 내지 10.0 Torr, 10.0 Torr 내지 11.0 Torr, 11.0 Torr 내지 12.0 Torr 또는 이들 값 중 임의의 값에 의해 정의되는 범위 내의 압력일 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 향상된 안정성 및 반복성은 질량 유량의 변동률로 정량화될 수 있는데, 이는 제조 공차를 기준으로 질량 유량계(132)(도 1b)에 의해 측정될 수 있다. 유리하게는, 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛(112)을 작동시키면 액체 전구체의 질량 유량이 제조 공차 이내로 유지될 수 있다. 액체 전구체 질량 유량의 제조 공차는 적용 분야에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 첨단 테크놀로지 노드를 위한 메모리 및 논리 반도체 칩 제조용 유전성/도전성 박막의 경우(예컨대, 130 nm 미만)의 경우, 제조 공차는 1 밀리초, 5 밀리초, 10 밀리초, 20 밀리초, 50 밀리초, 100 밀리초, 200 밀리초, 500 밀리초, 1 초, 2 초, 5 초, 10 초, 20 초, 50 초, 100 초, 200 초, 500 초, 1,000초, 2,000초, 5,000초, 10,000 초, 100,000 초, 1,000,000 초 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값보다 긴 시간 동안 액체 전구체의 질량 유량이 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 1%, 2%, 5%, 10%, 20% 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값만큼 차이가 나게 변동해서는 안 된다는 것을 지시할 수 있다. 예컨대, 상기 기간은 전후의 박막 증착 시스템 예방 유지보수 작업 사이에 수행되는 수백 또는 수천 회의 웨이퍼 공정에서의 총 노출 시간에 해당할 수 있다. 예컨대 화학 기상 증착(CVD)과 같은 연속 전구체 노출의 경우, 상기 기간은 연속적인 기간을 나타낼 수 있다. 원자층 증착(ALD)과 같은 주기적 전구체 노출의 경우, 상기 기간은 단일 펄스의 기간이거나 복수 회의 증착을 합계한 기간일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 기간은 액체 전구체 전달 유닛(112)(도 2) 가동 개시 시점의 초기 급등 또는 하락과 같은 일시적인 효과를 제외할 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 몇몇 실시예에서, 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛(112)(도 2)을 작동시키는 단계(420)는 액체 분사 유닛(204)에 있는 액체 전구체(228)의 온도(TPL)를 저 안정성 조건 하의 제1 액체 전구체 온도(TPL1)보다 낮은 제2 액체 전구체 온도(TPL2)로 설정하거나 감소시키는 단계(424)를 포함한다. TPL2는 분사 유닛 온도 제어 시스템(520)(도 5)을 사용하거나 분사 유닛 온도 제어 시스템(520)과 운반 기체 온도 제어 시스템(530)(도 5)과 함께 사용하여 액체 분사 유닛(112)(도 2)에 있는 액체 전구체(228)(도 2)의 온도를 제2 액체 전구체 온도(TPL2)로 감소시킴으로써 부분적으로 달성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 분사 유닛 온도 제어 시스템(520)은 액체 온도 감지 수단(524)과 액체 온도 제어 수단(528)을 사용하여 혼합 영역(212)으로 분무되기에 앞서 액체 전구체의 온도를 능동적으로 제어하도록 구성된다. 예컨대, 질량 유량계(132)(도 1b)에 의해 제조 공차를 벗어나는 질량 유량 변동이 감지될 때, 액체 온도 감지 수단(534)과 액체 온도 제어 수단(528)은 중앙 제어 유닛(550)과 협력하여 액체 분사 유닛(204)(도 2) 내의 분사 지점에서의(또는 그 상류측에서의) 액체 전구체 온도를 적어도 부분적으로 자동으로 또는 알고리즘 방식으로 조절할 수 있다.
액체 온도 제어 수단(528)은 혼합 영역(212)(도 2)으로 분무되기에 앞서 분사 유닛(204)(도 2)에 있는 액체 전구체(228)의 온도(TPL)를 낮추기 위한 능동 냉각 수단을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 분사 지점 상류, 예컨대, 분사 지점 바로 상류에 있는 액체 전구체의 제1 및 제2 액체 전구체 온도(TPL1, TPL2) 중 하나 이상은 액체 전구체(228)의 상압에서의 기화 온도의 ±50℃, ±30℃, ±20℃, ±10℃ 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 온도로 설정 또는 감소되거나, 액체 전구체(228)(도 2)의 상압에서의 분해 온도보다 50℃, 30℃, 20℃, 10℃°또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값만큼 낮은 온도로 설정 또는 감소될 수 있다. 능동 냉각은 액체 전구체의 온도를 적어도 5℃ 내지 50℃, 5℃ 내지 10℃, 10℃ 내지 20℃, 20℃ 내지 30℃, 40℃ 내지 50℃ 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값만큼 TPL1에서 TPL2로 설정하거나 감소시킬 수 있는 유리한 효과가 있다. 전술한 바와 같이, 상기 범위보다 낮은 TPL은 액체 전구체의 부적절한 기화를 초래할 수 있는 반면 상기 범위보다 높은 TPL은 액체 전구체의 분해를 초래할 수 있기 때문에, 상기 범위 내로 TPL을 제어하는 것이 매우 중요할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명자는 상황에 따라서는 본 명세서에 기술된 대로 액체 전구체의 온도를 낮추는 것이 의도하지 않은 부정적인 결과를 초래할 수 있다는 것을 발견했다. 예컨대, 액체 전구체 온도가 낮을수록 무화 또는 전구체 액적 형성 효율이 떨어지고/지거나 혼합 영역(212)에서의 혼합 효율이 떨어지고/지거나 기화 챔버(216)에서의 기화 효율이 떨어질 수 있다. 이런 부정적 효과와 여타의 있음직한 부정적 효과를 처리하기 위해, 몇몇 실시예에서는 후술하는 바와 같이 운반 기체를 가열하고 냉각된 액체 전구체로부터 형성된 무화 전구체 액적을 가열된 운반 기체와 혼합 영역(212)(도 2)에서 혼합함으로써 액체 전구체(228)의 낮아진 제2 액체 전구체 온도(TPL2)를 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.
도 5를 참조하면, 운반 기체 온도 제어 시스템(530)은 운반 기체 온도 감지 수단(534)과 운반 기체 온도 제어 수단(538)을 사용하여 혼합 영역(212)으로 도입되기에 앞서 운반 기체의 온도(TCG)를 능동적으로 제어하도록 구성된다. 예컨대, 질량 유량계(132)(도 1b)에 의해 제조 공차를 벗어나는 질량 유량 변동이 감지되면, 운반 기체 온도 감지 수단(534)과 운반 기체 온도 제어 수단(538)은 중앙 제어 유닛(550)과 협력하여 혼합 영역(212)(도 2) 상류측 운반 기체 밸브(208)에서 운반 기체가 보다 높은 온도로 가열되고/되거나 보다 높은 온도로 유지되도록 운반 기체 온도를 적어도 부분적으로 자동으로 또는 알고리즘 방식으로 조절할 수 있다.
이런 실시예에서, 운반 기체 밸브(208)는 혼합 영역(212)으로 전달되기에 앞서 운반 기체의 온도를 능동적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 운반 기체 온도 제어 시스템(530)은 운반 기체 밸브(208)에 설치되는 능동 가열 수단을 포함할 수 있다. 운반 기체 온도 제어 시스템(520)은 예컨대, 운반 기체 밸브(208) 상류측 운반 기체 온도를 감지하도록 구성된 운반 기체 온도 감지 수단(534)과, 혼합 영역(212)으로 도입되기에 앞서 운반 기체의 온도를 능동적으로 증가시키기 위해 가열기를 포함하는 운반 기체 온도 제어 수단(538)을 포함할 수 있다. 저 안정성 조건 하의 낮은 운반 기체 온도(TCG1)를 갖는 운반 기체는 적어도 5℃ 내지 50℃, 5℃ 내지 10℃, 10℃ 내지 20℃, 20℃ 내지 30℃, 40℃ 내지 50℃ 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 온도만큼 더 높은 운반 기체 온도(TCG2)로 가열될 수 있다.
유리하게는, 운반 기체의 온도를 저 안정성 조건 하의 TCG1에서 고 안정성 조건 하의 TCG2로 증가시킴으로써 액체 전구체가 혼합 영역(212)(도 2)으로 분무될 때 발생하는 액체 전구체 냉각 효과를 적어도 부분적으로 보상할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 제2 액체 전구체 온도(TPL2)를 갖는 액체 전구체로부터 형성된 무화 전구체 액적을 TCG2로 가열된 운반 기체와 혼합하여 형성되는 무화 액체 전구체 혼합물의 온도는 저 안정성 조건 하의 제1 액체 전구체 온도(TPL1)를 갖는 액체 전구체로부터 형성된 무화 전구체 액적을 가열 전인 TCG1의 온도를 갖는 운반 기체와 혼합하여 형성되는 무화 액체 전구체 혼합물의 온도와 실질적으로 동일할 수 있다. 예컨대, 저 안정성 조건 하에서 혼합 영역(212)에서 형성되는 무화 액체 전구체 혼합물과 고 안정성 조건 하에서 혼합 영역(212)에서 형성되는 무화 액체 전구체 혼합물 사이의 온도 차는 5℃ 내지 50℃, 5℃ 내지 10℃, 10℃ 내지 20℃, 20℃ 내지 30℃, 40℃ 내지 50℃ 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값일 수 있다. 온도가 지나치게 낮으면 액체 전구체의 부적절한 기화를 초래할 수 있고 온도가 지나치게 높으면 액체 전구체의 분해를 초래할 수 있기 때문에, 무화 전구체 혼합물의 온도를 상기 범위 내로 제어하는 것이 매우 중요할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 4를 계속 참조하면, 몇몇 실시예에서, 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛(112)(도 2)을 작동시키는 단계(420)는 액체 분사 유닛(112) 분사 지점 상류측에 있는 액체 전구체(228)의 액체 압력(PPL)을 저 안정성 조건 하의 제1 액체 압력(PPL1)보다 높은 고 안정성 조건 하의 제2 액체 압력(PPL2)으로 설정하거나 증가시키는 단계(426)를 포함한다. 액체 전구체(228)의 액체 압력을 설정 또는 증가시키는 단계(426)는 액체 가압 압력 제어 시스템(510)을 사용하여 수행될 수 있다. 일 구현예에서는, 액체 탱크(110a) 밖으로 액체 전구체(228)를 밀어내는 압력을 증가시키기 위해, 가압 기체 라인(110b)(도 2)을 통해 액체 탱크(110a)(도 2)로 공급되는 가압 기체, 예컨대, 수소 또는 헬륨, 아르곤, 질소 등과 같은 불활성 기체의 압력을 증가시킬 수 있다. 가압 기체 라인(110b) 내의 증가된 가압 압력은 압력 조절기(224)(도 2)에 의해 조절될 수 있다. 액체 탱크(110c)에서 밀려 나온 PPL2의 압력을 갖는 액체 전구체(228)는 액체 전달 라인(110c)을 통해 분사 유닛(204)으로 전달된다.
도 5를 참조하면, 액체 가압 압력 제어 시스템(510)은 액체 압력 감지 수단(514)과 액체 압력 제어 수단(518)을 사용하여 혼합 영역(212)(도 2)으로 분무되기에 앞서 액체 전구체(228)(도 2)의 PPL을 능동적으로 제어하도록 구성된다. 예컨대, 질량 유량계(132)(도 1b)에 의해 제조 공차를 벗어나는 질량 유량 변동이 감지되면, 액체 압력 감지 수단(514)과 액체 압력 제어 수단(518)은 중앙 제어 유닛(550)과 협력하여 액체 분사 유닛(204)(도 2) 상류측, 예컨대, 액체 전구체 공급 유닛(110)에서의 액체 전구체 압력을 적어도 부분적으로 자동으로 또는 알고리즘 방식으로 조절할 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, PPL2의 압력을 갖는 액체 전구체(228)를 분사 유닛(204)으로 제어 가능하게 전달하기 위해, 액체 분사 유닛(112) 상류측 PPL을 설정 또는 증가시키는 단계는 액체 전구체 공급 유닛(110)(도 2)에 있는 액체 가압 기체를 조절하는 것을 포함한다. 압력 조절기(224)는 액체 전달 라인(110c)의 액체 가압 압력이 10 psia 내지 50 psia, 10 psia 내지 15 psia, 15 psia 내지 20 psia, 20 내지 25 psia, 25 psia 내지 30 psia, 30 psia 내지 35 psia, 35 psia 내지 40 psia, 40 psia 내지 45 psia, 45 psia 내지 50 psia, 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 압력, 예컨대, 14 psia 내지 30 psia, 예컨대, 28 psia로 조절될 수 있도록 구성된다.
도 4를 계속 참조하면, 또 다른 실시예에서, 고 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛(112)을 작동시키는 단계(420)는 분사 유닛(112) 하류측 기체 압력(PPG)을 제1 기체 압력(PPG1)보다 높은 제2 기체 압력(PPG2)으로 설정하거나 증가시키는 단계를 포함한다. PPG2는 하류 압력 제어 시스템(540)을 사용하여 액체 분사 유닛(112)과 박막 증착 챔버(104) 사이의 영역에서의 컨덕턴스를 제한함으로써 적어도 부분적으로 달성될 수 있다. 예컨대, 컨덕턴스를 제한하여 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216) 중 하나 이상에서의 PPG를 국소적으로 증가시킴으로써 PPG를 증가시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, PPG의 국소적 증가는 샤워 헤드(113)의 평면에 수직한 연직 방향으로 혼합 영역(112) 및 기화 챔버(216) 중 하나 이상의 체적을 길쭉하게 연장하여 연직 방향으로 압력 구배가 생성되도록 함으로써 이루어질 수 있다. 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216) 중 하나 이상을 길쭉하게 연장하는 것은 폭 또는 직경 대비 연직 방향 길이의 종횡비가 2:1, 4:1, 6:1, 8:1, 10:1 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 값보다 크도록 그 체적을 길쭉하게 연장하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시예에서, 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216) 중 하나 이상은 압력 조절기 또는 버터플라이 밸브와 같은 연속 조절 가능한 컨덕턴스 제어 수단을 그 하부에 포함하여, 그 내부의 국소 압력이 박막 증착 챔버(104)(도 2) 내의 기체 압력보다 높게 조절되도록 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 하류 압력 제어 시스템(540)은 기체 압력 감지 수단(544)과 기체 압력 제어 수단(548)을 사용하여 액체 분사 유닛(112) 하류측, 예컨대, 혼합 영역(212) 및/또는 기화 챔버(216) 내의 액체 전구체를 능동적으로 제어하도록 구성된다. 예컨대, 질량 유량계(132)(도 1b)에 의해 제조 공차를 벗어나는 질량 유량 변동이 감지되면, 기체 압력 감지 수단(544)과 기체 압력 제어 수단(548)은 중앙 제어 유닛(550)과 협력하여 액체 분사 유닛(112) 하류측, 예컨대, 혼합 영역(212) 및/또는 기화 챔버(216) 내의 기체 압력을 적어도 부분적으로 자동으로 또는 알고리즘 방식으로 조절할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 증착이 진행되는 동안 박막 증착 챔버(104) 내의 총 압력은 0.001 Torr 내지 3.0 Torr, 3.0 Torr 내지 5.0 Torr, 5.0 Torr 내지 7.0 Torr, 7.0 Torr 내지 10.0 Torr 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 압력일 수 있다. 전도(conduction)가 크게 저하되지 않는다면, PPG1은 박막 증착 챔버(104) 내의 총 압력과 동일하거나 다를 수 있고, 0.001 Torr 내지 3.0 Torr, 3.0 Torr 내지 5.0 Torr, 5.0 Torr 내지 7.0 Torr, 7.0 Torr 내지 10.0 Torr 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 압력일 수 있다. 하류 압력 제어 시스템(540)을 사용하여, 혼합 영역(212)과 기화 챔버(216) 중 하나 이상의 국소 압력을 박막 증착 챔버(104)의 압력에 비해 예컨대, 10%, 20%, 50%, 100%, 200%, 500% 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 비율을 초과하여 차이가 나는 높은 압력, 예컨대, 0.002 Torr 내지 3.0 Torr, 3.0 Torr 내지 5.0 Torr, 5.0 Torr 내지 7.0 Torr, 7.0 Torr내지 9.0 Torr 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 압력으로 설정하거나 증가시킬 수 있다.
적용 분야
박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 방법 및 시스템은 다양한 전구체 기반 증착 공정에서 구현될 수 있다. 도 6a 내지 도 6c는 실시예에 따른 액체 전구체 전달 방법 및 시스템이 구현될 수 있는 박막 증착 공정을 예시한 도면이다. 실시예에 따른 액체 전구체 전달이 구현될 수 있는 박막 공정의 대표적인 예로는 화학 기상 증착(도 6a), 원자 기상 증착(도 6b) 및 원자층 증착(도 6c)을 들 수 있다. 도 6a 내지 도 6c 각각은 Y축에 전구체 파라미터를, X축에 시간을 나타낸 개략적인 그래프이다. 전구체 파라미터는 예컨대, 전구체 유량, 전구체 분압, 또는 전구체 도입에 따른 챔버 압력을 포함할 수 있다. 도 6a 내지 도 6c 각각은 제1 전구체(610)와 제2 전구체(620)를 도시한다. 제1 및 제2 전구체(610, 620) 중 하나 이상이 액체 전구체(들)일 수 있거나, 제1 및 제2 전구체(610, 620) 중 하나만 액체 전구체일 수 있다. 예컨대, 제1 전구체(610)는 기체 패널(116)(도 2)로부터 공급되는 산화 전구체, 예컨대, O2 또는 NH3일 수 있고, 제2 전구체는 액체 전구체(228)(도 2), 예컨대, 금속 전구체일 수 있다. 제1 및 제2 전구체(610, 620) 중 하나 이상은 운반 기체와 함께 도입될 수 있다. 예시의 목적으로 두 개의 전구체만 도시되어 있지만, 두 개 이상의 전구체가 있을 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 6a는 연속 증착 공정, 예컨대, 화학 기상 증착(CVD)을 이용한 박막 증착이 진행되는 동안 시간 경과에 따른 전구체 파라미터를 개략적으로 예시한 그래프이다. 예시한 연속 증착 공정은 박막 증착 챔버(104)(도 2) 내로 제1 전구체(610)와 제2 전구체(610)를 동시에 또는 시간상 중첩되는 방식으로 도입하는 단계를 포함한다.
도 6c는 주기적 증착 공정, 예컨대 원자층 증착(ALD)을 이용한 박막 증착이 진행되는 동안 시간 경과에 따른 전구체 파라미터를 개략적으로 예시한 그래프이다. 예시한 주기적 증착 공정은 제1 전구체(610)의 펄스와, 뒤이어 제2 전구체(620)의 펄스를 주기적으로 도입하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 전구체(610, 620) 각각의 노출 시간 또는 펄스 시간은 약 0.1 초 내지 1 초, 1 초 내지 10 초, 10 초 내지 30 초, 30 초 내지 60 초, 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 기간일 수 있다. 도입 주기(310)는 원하는 두께의 박막을 증착하기 위해 복수 회 반복될 수 있다. 제1 전구체(610)의 펄스와 제2 전구체(620)의 펄스는 정화 기체(purge gas)를 동반하거나 정화 기체에 의해 서로 분리될 수 있다. 정화 기체는 연속적이거나 펄스 형태일 수 있다. 사용할 수 있는 정화 기체의 예로는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2) 및 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다. 도시한 예에서, 제1 및 제2 전구체(610, 620)의 도입 주기는 시간상 중첩되지 않는다. 그러나, 이런 예로만 국한되는 것은 아니고, 도입 주기가 부분적으로 중첩될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 정화 기체의 펄스는 연속적으로 또는 제1 및 제2 전구체(610, 620)의 펄스를 서로 분리시키는 펄스로서 박막 증착 챔버(104)(도 2) 내로 도입될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 전구체(610) 및 제2 전구체(620)의 펄스는 정화 기체 없이 펌프 배기에 의해 서로 분리될 수 있다.
도 6b는 복합(hybrid) 증착 공정, 예컨대, 원자 기상 증착(AVD)을 이용한 박막 증착이 진행되는 동안 시간 경과에 따른 전구체 파라미터를 개략적으로 예시한 그래프이다. 예시한 복합 증착 공정은 제2 전구체(620)의 펄스를 주기적으로 도입하면서 제1 전구체를 연속적으로 또는 제2 전구체(620)의 적어도 하나의 펄스를 가로지르는 펄스 형태로 도입하는 단계를 포함한다. 제2 전구체(620) 및 제1 전구체(610)(펄스 형태일 경우)의 노출 시간 또는 펄스 시간은 약 0.1 초 내지 1 초, 1 초 내지 10 초, 10 초 내지 30 초, 30 초 내지 60 초, 또는 이들 값 중 임의의 값으로 정의되는 범위 내의 기간일 수 있다. 예시한 실시예에서, 제1 전구체(610)는 제2 전구체의 복수의 펄스를 가로지른다. 그러나, 이런 예로만 국한되는 것은 아니고, 제1 전구체는 제2 전구체(620)의 하나의 펄스만을 부분적으로 또는 완전히 가로지를 수도 있다. 제1 전구체(610) 및 제2 전구체(620) 중 하나 이상은 운반 기체 또는 정화 기체를 동반할 수 있다. 정화 기체 또는 운반 기체는 연속적이거나 펄스 형태일 수 있고, 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있되 이에 국한되지는 않는다.
박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 방법 및 시스템은 B, N, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, Ge, As, Se, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hf, Ta, W, Re, Ti, La 및 Er 등을 포함하는 액체 전구체에 적용되도록 구성될 수 있다. 금속용 액체 전구체는 해당 금속과 관련된 유기 착물에 따라, 금속 β-디케토네이트, 금속 시클로펜타디에닐, 금속 알콕사이드, 금속 알킬, 금속 알킬아미드와 같은 금속 할로겐화물 또는 금속-유기 화합물일 수 있다. 액체 전구체는 액체 상태의 전구체이거나 용매에 용해된 고체 전구체일 수 있다. 액체 전구체는 금속 산화물, 금속 질화물, 화합물 반도체, 칼코겐화물, 불화물 및 원소 금속 등의 화합물을 형성하는 데 사용할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 전달 방법을 사용하여 펄스 모드로 도입되는 액체 전구체에 대해 측정된, 시간 경과에 따른 질량 유량을 나타낸 실험 그래프의 예시이다. 도 7에서 Y축은 분당 표준 입방 센티미터(sccm) 단위의 유량이고, X축은 시간(시간:분:초)을 나타낸다. 도시한 예에서, 액체 전구체 펄스의 기간은 약 60초이다. 각각의 액체 전구체 펄스에 있어, 액체 분사 유닛(112)(도 2)의 분사 지점을 개방하는 순간에 해당하는 초기의 일시적 급등 후에는 펄스 내에서는 물론 재현 가능한 펄스들 간에도 질량 유량이 매우 일정하다. 전술한 바와 같이, 예시한 실시예와 같은 주기적 전구체 노출의 경우, 제조 공차를 정의하기 위한 기간은 단일 펄스의 기간이거나 복수 회의 증착을 합계한 기간일 수 있다. 예시한 실시예에서, 기간은 액체 전구체 전달 유닛(112)(도 2)의 가동 개시 시점의 초기 급등을 제외할 수 있다.
특정 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이들 실시예는 본 발명을 한정하려는 의도가 아니라 예시의 목적으로 제시된 것이다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 수정 및 개선이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예에 대한 이런 단순 수정 및 개선은 개시된 기술의 범위 내에 속하며, 개시된 기술의 구체적인 범위는 첨부된 청구범위에 의해 추가적으로 정의될 것이다.
이상에서, 전술한 실시예 중 임의의 실시예의 임의의 특징은 다른 실시예의 임의의 다른 특징과 결합되거나 그에 의해 대체될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
문맥에서 명확하게 달리 요구하지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 "포함하다", "가지다" 등의 용어는 배제 또는 망라의 의미와는 반대되는 포함의 의미, 즉 "포함하되 이에 한정되지 않는다"는 의미로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 일반적으로 사용되는 용어 "결합된"은 직접 연결되거나 아니면 하나 이상의 중간 요소를 통해 연결될 수 있는 둘 이상의 요소를 지칭한다. 마찬가지로, 본 명세서에서 일반적으로 사용되는 용어 "연결된"은 직접 연결되거나 아니면 하나 이상의 중간 요소를 통해 연결될 수 있는 둘 이상의 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "본 명세서에서", "위에서", "아래에서" 및 이와 유사한 의미의 용어는 본 출원 전체를 지칭하고 본 출원의 특정 부분을 지칭하지는 않는다. 문맥상 허용되는 경우, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 단수 또는 복수 형태의 용어는 복수 또는 단수를 각각 포함할 수도 있다. 두 개 이상의 항목을 포함하는 목록과 관련하여 "또는"이라는 용어가 사용되는 경우, 해당 용어는 목록의 항목들 중 임의의 것, 목록의 항목들 전부 및 목록의 항목들의 임의의 조합을 포함하는 용어의 해석을 모두 포함한다.
또한, "할 수 있다", "할 수도 있다", "등", "예컨대", "예를 들어" 등과 같은, 본 명세서에서 사용되는 조건부 용어는, 특별히 달리 명시되지 않거나 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 일반적으로 특정 실시예가 특정 구성, 요소 및/또는 상태를 포함하는 반면 다른 실시예는 특정 구성, 요소 및/또는 상태를 포함하지 않는다는 것을 전달하기 위한 것이다. 따라서, 이런 조건부 용어는 일반적으로 특징, 요소 및/또는 상태가 하나 이상의 실시예에 어떤 식으로든 요구된다는 것을 시사하거나, 이런 특징, 요소 및/또는 상태가 특정 실시예에 포함되거나 수행되어야 한다는 것을 시사하기 위한 것이 아니다.
특정 실시예들이 설명되었지만, 이런 실시예들은 단지 예로서 제시되었고, 본 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 실제로, 본 명세서에 기술된 신규한 장치, 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며, 더 나아가 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템의 다양한 생략, 대체 및 형태 변경이 본 개시의 사상에서 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 예컨대, 특징들이 소정의 배열로 제시되어 있지만, 대안적인 실시예들은 다른 구성요소 및/또는 센서 위상을 사용하여 유사한 기능을 수행할 수 있으며, 일부 특징들은 삭제, 이동, 추가, 세분화, 조합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 특징 각각은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 전술한 다양한 실시예의 요소 및 행위의 임의의 적절한 조합이 서로 결합되어 추가적인 실시예를 제공할 수 있다. 전술한 다양한 특징 및 과정은 서로 독립적으로 구현될 수도 있고, 다양한 방식으로 결합될 수도 있다. 본 개시의 특징들의 가능한 모든 조합 및 하위 조합은 본 개시의 범위 내에 속하도록 의도되어 있다.

Claims (40)

  1. 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 방법으로서,
    액체 분사 유닛을 사용하여 상기 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화시키고 기화 챔버에서 상기 무화 전구체 액적을 기화 액체 전구체로 기화시켜 상기 박막 증착 챔버로 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계를 포함하되,
    상기 액체 분사 유닛과 상기 액체 전구체는, 상기 액체 분사 유닛에서의 제1 액체 전구체 온도와, 상기 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 제1 액체 전구체 압력과, 상기 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 제1 기체 압력을 포함하는 저 안정성 조건 하에서 액체 전구체 전달 유닛을 작동시키면 상기 액체 전구체의 질량 유량이 제1 기간 동안 상기 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 10%보다 큰 차이로 변화하도록 되어 있고,
    상기 박막 증착 챔버로 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는,
    상기 액체 전구체의 질량 유량이 제1 기간과 기간이 동일한 제2 기간 동안 평균 질량 유량 대비 10% 미만의 차이로 변화하도록,
    상기 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도로서 상기 제1 액체 전구체 온도보다 낮은 제2 액체 전구체 온도와,
    상기 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 액체 전구체 압력으로서 상기 제1 액체 전구체 압력보다 높은 제2 액체 전구체 압력과,
    상기 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 기체 압력으로서 상기 제1 기체 압력보다 높은 제2 기체 압력 중 하나 이상을 포함하는 고 안정성 조건 하에서 상기 액체 전구체 전달 유닛을 작동시키는 단계를 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고 안정성 조건은 상기 액체 분사 유닛에서의 상기 제2 액체 전구체 온도를 포함하고, 상기 제2 액체 전구체 온도는 상기 액체 분사 유닛에 있는 상기 액체 전구체를 능동적으로 냉각함으로써 적어도 부분적으로 달성되는, 액체 전구체 전달 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는 상기 무화 전구체 액적을 기화시키기에 앞서 상기 무화 전구체 액적과 운반 기체를 혼합하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 운반 기체를 전달하는 단계는 상기 운반 기체를 가열하는 단계를 포함하고, 이에 따라 상기 혼합은 상기 냉각된 무화 전구체 액적과 상기 가열된 운반 기체를 혼합하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 액체 전구체를 냉각하는 것은 상기 액체 전구체의 온도를 적어도 5℃ 감소시키는 것을 포함하고, 상기 운반 기체를 가열하는 것은 상기 운반 기체의 온도를 적어도 5℃ 증가시키는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 액체 전구체 온도를 갖는 상기 액체 전구체로부터 형성된 상기 무화 전구체 액적과 상기 가열된 운반 기체의 혼합물의 온도는 상기 제1 액체 전구체 온도를 갖는 상기 액체 전구체로부터 형성된 상기 무화 전구체 액적과 가열 전의 상기 운반 기체의 혼합물의 온도와 실질적으로 동일한, 액체 전구체 전달 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고 안정성 조건은 상기 제1 액체 압력보다 높은 상기 분사 유닛 상류측 상기 제2 액체 압력을 포함하고, 상기 제2 액체 압력은 상기 액체 분사 유닛 상류측의 액체 가압 압력을 설정함으로써 적어도 부분적으로 달성되는, 액체 전구체 전달 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 액체 분사 유닛 상류측의 상기 액체 가압 압력을 설정하는 것은 상기 액체 전구체를 저장하는 액체 전구체 공급 유닛에 있는 액체 가압 기체를 조절하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 액체 가압 기체를 조절하는 것은 상기 액체 가압 압력이 14 psia를 초과하도록 조절하는 것을 포함하고 조절 전 액체 가압 압력은 14 psia 미만인, 액체 전구체 전달 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고 안정성 조건은 상기 제1 기체 압력보다 높은 상기 액체 분사 유닛 하류측 상기 제2 기체 압력을 포함하고, 상기 제2 기체 압력은 상기 박막 증착 챔버 내의 압력보다 높은, 액체 전구체 전달 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 액체 분사 유닛 하류측 상기 제2 기체 압력은 상기 상기 액체 분사 유닛과 상기 박막 증착 챔버 사이의 컨덕턴스를 제한함으로써 적어도 부분적으로 달성되는, 액체 전구체 전달 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 무화 전구체 액적은 혼합 영역으로 도입되고, 상기 무화 전구체 액적은 기화 챔버에서 기화되며, 상기 컨덕턴스를 제한하는 것은 상기 혼합 영역과 상기 기화 챔버 중 하나 이상을 종횡비가 1:1을 초과하도록 폭 방향 대비 길이 방향으로 길쭉하게 연장하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 컨덕턴스를 제한하는 것은 밸브 또는 조절기를 조절하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제2 기체 압력은 상기 제1 기체 압력보다 적어도 10% 더 높은, 액체 전구체 전달 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 액체 전구체는 상압에서의 기화 온도와 분해 온도 사이의 차가 100℃ 미만인, 액체 전구체 전달 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 기간은 10 초를 초과하는, 액체 전구체 전달 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는 주기적 증착 공정에 의해 박막을 증착하기 위해 상기 기화 액체 전구체의 펄스를 전달하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 액체 전구체를 전달하는 단계는 연속 증착 공정에 의해 박막을 증착하기 위해 상기 액체 전구체를 연속적으로 전달하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  19. 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 방법으로서,
    액체 분사 유닛을 사용하여 상기 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화시키고 기화 챔버에서 상기 무화 전구체 액적을 기화 액체 전구체로 기화시켜 상기 박막 증착 챔버로 상기 기화 액체 전구체를 전달하도록 구성된 액체 전구체 전달 유닛을 제공하는 단계와;
    상기 액체 분사 유닛에서의 제1 액체 전구체 온도와, 상기 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 제1 액체 전구체 압력과, 상기 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 제1 기체 압력을 포함하는 저 안정성 조건 하에서 상기 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하는 단계와;
    제1 기간 동안 상기 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 10% 넘게 차이가 나는 상기 액체 전구체의 질량 유량 변동을 감지하는 단계와;
    상기 액체 전구체의 질량 유량이 제1 기간과 기간이 동일한 제2 기간 동안 평균 질량 유량에 대비 10% 미만의 차이로 변화하도록,
    상기 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도로서 상기 제1 액체 전구체 온도보다 낮은 제2 액체 전구체 온도와,
    상기 상기 분사 유닛 상류측의 전구체 압력으로서 상기 제1 액체 전구체 압력보다 높은 제2 액체 전구체 압력과,
    상기 액체 분사 유닛 하류측의 기체 압력으로서 상기 제1 기체 압력보다 높은 제2 기체 압력 중 하나 이상을 포함하는 고 안정성 조건 하에서 상기 박막 증착 챔버로 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계를 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 고 안정성 조건은 상기 액체 분사 유닛에서의 상기 제2 액체 전구체 온도를 포함하고, 상기 제2 액체 전구체 온도는 상기 액체 분사 유닛에 있는 상기 액체 전구체를 능동적으로 냉각하여 그 온도를 적어도 5℃ 감소시킴으로써 적어도 부분적으로 달성되는, 액체 전구체 전달 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는 상기 무화 전구체 액적을 기화시키기에 앞서 상기 무화 전구체 액적과 가열된 운반 기체를 혼합하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제2 액체 전구체 온도를 갖는 상기 액체 전구체로부터 형성된 상기 무화 전구체 액적과 상기 가열된 운반 기체의 혼합물의 온도는 상기 제1 액체 전구체 온도를 갖는 상기 액체 전구체로부터 형성된 상기 무화 전구체 액적과 가열 전 상기 운반 기체의 혼합물의 온도와 실질적으로 동일한, 액체 전구체 전달 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 고 안정성 조건은 상기 제2 액체 압력을 포함하고, 상기 제2 액체 압력은 상기 액체 전구체를 저장하는 상기 액체 분사 유닛 상류측의 액체 가압 압력을 설정함으로써 적어도 부분적으로 달성되는, 액체 전구체 전달 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 액체 가압 압력은 14 psia를 초과하도록 설정되고, 상기 저 안정성 조건 하의 액체 가압 압력은 14 psia 미만인, 액체 전구체 전달 방법.
  25. 제19항에 있어서, 상기 고 안정성 조건은 상기 제2 기체 압력을 포함하고, 상기 제2 기체 압력은 상기 박막 증착 챔버 내의 압력보다 높은, 액체 전구체 전달 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 액체 분사 유닛 하류측 상기 제2 기체 압력은 상기 상기 액체 분사 유닛과 상기 박막 증착 챔버 사이의 컨덕턴스를 제한함으로써 적어도 부분적으로 달성되고, 이에 따라 상기 제2 기체 압력은 상기 제1 기체 압력보다 적어도 10% 더 높아지게 되는, 액체 전구체 전달 방법.
  27. 제19항에 있어서, 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는 주기적 증착 공정에 의해 박막을 증착하기 위해 상기 기화 액체 전구체의 펄스를 전달하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  28. 제19항에 있어서, 상기 기화 액체 전구체를 전달하는 단계는 연속 증착 공정에 의해 박막을 증착하기 위해 상기 액체 전구체를 연속적으로 전달하는 것을 포함하는, 액체 전구체 전달 방법.
  29. 박막 증착 챔버로 액체 전구체를 전달하는 장치로서,
    상기 박막 증착 챔버로 기화 액체 전구체를 전달하도록 구성되고, 상기 액체 전구체를 무화 전구체 액적으로 무화하도록 구성된 액체 분사 유닛과, 상기 액체 분사 유닛으로부터 상기 무화 전구체 액적을 공급 받아 상기 무화 전구체 액적과 운반 기체를 포함하는 혼합물을 형성하도록 구성된 혼합 영역과, 상기 혼합물을 공급 받아 상기 혼합물 내의 상기 무화 전구체 액적을 기화시켜 기화 액체 전구체를 형성하도록 구성된 기화 챔버를 포함하는 액체 전구체 전달 시스템과;
    상기 혼합 영역으로 도입되기에 앞서 상기 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도를 감지 및 제어하도록 구성된 분사 유닛 온도 제어 시스템과, 상기 혼합 영역으로 도입되기에 앞서 운반 기체 온도를 감지 및 제어하도록 구성된 운반 기체 온도 제어 시스템과, 상기 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 액체 전구체 압력을 감지 및 제어하도록 구성된 액체 가압 압력 제어 시스템과, 상기 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 기체 압력을 감지 및 제어하도록 구성된 하류 기체 압력 제어 시스템 중 하나 이상을 포함하는 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템을 포함하는 액체 전구체 전달 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템은
    10 초를 초과하는 기간 동안 상기 액체 전구체의 평균 질량 유량 대비 10% 넘게 차이가 나는 질량 유량 변동을 포함하는, 제조 공차를 벗어나는 상기 액체 전구체의 질량 유량 변동을 감지할 때, 상기 분사 유닛 온도 제어 시스템, 상기 운반 기체 온도 제어 시스템, 상기 액체 가압 압력 제어 시스템 및 상기 하류 기체 압력 제어 시스템 중 하나 이상을 가동하도록 구성되는, 액체 전구체 전달 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템은
    상기 액체 분사 유닛에서의 제1 액체 전구체 온도와, 상기 액체 전구체 분사 유닛 상류측의 제1 액체 전구체 압력과, 상기 액체 전구체 분사 유닛 하류측의 제1 기체 압력을 포함하는 저 안정성 조건 하에서 상기 제조 공차를 벗어나는 상기 액체 전구체의 질량 유량 변동을 감지할 때, 상기 액체 전구체 전달 유닛이
    상기 액체 분사 유닛에서의 액체 전구체 온도로서 상기 제1 액체 전구체 온도보다 낮은 제2 액체 전구체 온도와,
    상기 분사 유닛 상류측의 액체 전구체 압력으로서 상기 제1 액체 전구체 압력보다 높은 제2 액체 전구체 압력과,
    상기 분사 유닛 하류측의 기체 압력으로서 상기 제1 기체 압력보다 높은 제2 기체 압력 중 하나 이상을 포함하는 고 안정성 조건 하에서 작동되어,
    상기 액체 전구체의 질량 유량이 10 초를 초과하는 기간 동안 평균 질량 유량 대비 10% 미만의 차이만큼 변화하도록 구성되는, 액체 전구체 전달 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템은 액체 냉각 수단을 사용하여 상기 액체 분사 유닛에 있는 상기 액체 전구체를 능동적으로 냉각하여 그 온도를 적어도 5℃ 감소시킴으로써 적어도 부분적으로 상기 제2 액체 전구체 온도를 달성하도록 구성된 상기 분사 유닛 온도 제어 시스템을 포함하는, 액체 전구체 전달 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템은 상기 냉각된 무화 전구체 액적과 상기 혼합 영역에서 혼합되기에 앞서 기체 가열 수단을 사용하여 상기 운반 기체를 가열하도록 구성된 상기 운반 기체 온도 제어 시스템을 추가로 포함하는, 액체 전구체 전달 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제2 액체 전구체 온도를 갖는 상기 액체 전구체로부터 형성된 상기 무화 전구체 액적과 상기 가열된 운반 기체의 혼합물의 온도는 상기 제1 액체 전구체 온도를 갖는 상기 액체 전구체로부터 형성된 상기 무화 전구체 액적과 가열 안 된 상기 운반 기체의 혼합물의 온도와 실질적으로 동일한, 액체 전구체 전달 장치.
  35. 제31항에 있어서, 상기 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템은 상기 액체 전구체를 저장하는 액체 전구체 공급 유닛에 있는 가압 기체를 이용하여 상기 액체 분사 유닛 상류측의 액체 가압 압력을 설정함으로써 적어도 부분적으로 상기 제2 액체 전구체 압력을 달성하도록 구성된 상기 액체 가압 압력 제어 시스템을 포함하는, 액체 전구체 전달 장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 액체 전구체 공급 유닛은 상기 고 안정성 조건 하에서 상기 액체 가압 압력을 14 psia를 초과하는 값으로 설정하기 위한 압력 조절기를 포함하고, 상기 저 안정성 조건 하의 액체 가압 압력은 14 psia 미만인, 액체 전구체 전달 장치.
  37. 제31항에 있어서, 상기 액체 전구체 전달 안정성 제어 시스템은 상기 액체 분사 유닛 하류측의 상기 제2 기체 압력을 설정하도록 구성된 컨덕턴스 제한 수단을 포함하는 상기 하류 기체 압력 제어 시스템을 포함하는, 액체 전구체 전달 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 컨덕턴스 제한 수단은 상기 제2 기체 압력이 상기 제1 기체 압력보다 적어도 10% 더 높도록 상기 액체 분사 유닛과 상기 박막 증착 챔버 사이의 컨덕턴스를 제한하도록 구성되는, 액체 전구체 전달 장치.
  39. 제29항에 있어서, 상기 액체 전달 시스템은 주기적 증착 공정에 의해 박막을 증착하기 위해 상기 기화 액체 전구체의 펄스를 전달하도록 구성되는, 액체 전구체 전달 장치.
  40. 제29항에 있어서, 상기 액체 전달 시스템은 연속 증착 공정에 의해 박막을 증착하기 위해 상기 기화 액체 전구체를 연속적으로 전달하도록 구성되는, 액체 전구체 전달 장치.
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