WO2021145716A1 - 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템 - Google Patents

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WO2021145716A1
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sensor
stabilization system
process chamber
connection pipe
gas
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홍영호
최현식
홍기우
나가오히로후미
미키신이치
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주식회사 한국에이티아이
아토나프 가부시키가이샤
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    • G01N2001/2238—Sampling from a closed space, e.g. food package, head space the gas being compressed or pressurized

Definitions

  • the present invention relates to manufacturing-related equipment such as semiconductor devices, and more particularly, it is added to a sensor device that detects a process state by introducing gas inside a process chamber so that the amount of gas flowing into the sensor device can be stabilized at an appropriate level. to a sensor inlet gas flow stabilization system.
  • Manufacturing equipment such as a semiconductor device or a display device is configured to create a variety of environments for a wide variety of manufacturing processes. Many processes, such as deposition processes such as PVD and CVD, and etching processes such as dry etching, are performed in a low-pressure vacuum environment.
  • the degree of deposition or etching is directly related to the performance or failure of the semiconductor device to be completed, so it must be strictly controlled, and almost all factors such as time, temperature, and the amount of source gas supplied are very precisely controlled. do.
  • various types of sensors are used for each process in order to detect the completion time of the process or to check the critical state and timing of other processes.
  • a part of the sensor may be provided in the process chamber itself, and a part may be provided in a separate space other than the process chamber.
  • a sensing target element capable of detecting the state of a process performed in the process chamber should be transmitted to the sensor. .
  • FIG. 1 is a conceptual block diagram showing an example of a combination of a process chamber of a conventional semiconductor device manufacturing equipment and a sensor device for sensing for the process chamber.
  • a pump connection pipe (15) is disclosed.
  • the combined configuration of the dry pump or the turbo pump is an example of a vacuum pump and does not exclude vacuum pumps of other shapes and configurations.
  • Drawing number 11 is a residual gas analyzer (residual gas analyzer: 11), P1 is a vacuum pressure gauge of the process chamber, and when the information sensed by these is input to the process gas control system (Process gas control system: 40), the process gas control system is A flow controller (MFC; 50) installed in the pipe from the three gas sources A, B, and C controls the gas ratio and flow rate flowing into the process chamber by giving control signals to the control valve of the attached pipe.
  • MFC flow controller
  • a turbo molecular pump (TMP: 13) and a dry pump 14 are connected to the process chamber 10 for discharging internal gas to maintain the internal space in a high vacuum, and a connection port is connected to the pump connection pipe 15 .
  • One sensor connection pipe 30 is branched through (port: 31) so that a part of the internal gas flows into the sensor device 20 .
  • a needle valve (not shown) may be installed at the inlet of the sensor device, and a vacuum pump consisting of a turbo pump and a dry pump combination to maintain a high vacuum of about 10 -6 Torr for accurate measurement, and an internal vacuum degree or pressure A vacuum pressure gauge (P2: 22) for measuring the
  • MS mass spectrometer
  • TOF Time of Flight
  • QMS Quadrature
  • Fig. 2 is a box-shaped conceptual diagram showing a configuration concept of one type of such MS.
  • the sensor device 20 is a gas inlet device (inlet system: 23) such as an orifice or a valve in one case (envelop: 21) or an analysis device such as chromatography, an ionizer (ion source: 24), A mass analyzer (25) and a detector (detector: 26) are provided, and when a sample is introduced from the outside, the sample is ionized through electron collision or laser irradiation, and the ionized sample material is subjected to a mass spectrometer. Through the and detector, the number of per second per mass can be measured, and the detection result data is transmitted to a data processing system (data system).
  • data system data system
  • the sensor device and the process chamber are spatially directly connected so that the sensor device can analyze the gas in the process chamber, and through this, process progress confirmation, end point detection (EPD), monitoring of by-products, etc.
  • process progress confirmation can be obtained by controlling the amount, ratio, time, etc. of the source gas injected through analysis in the process process.
  • the pressure inside the process chamber may change rapidly depending on the process conditions, and accordingly, the amount of the target sample flowing into the MS inlet, which is the sensor device, may vary greatly.
  • the pressure during the process of the process chamber is 10 -5 Torr or more, and the internal vacuum or pressure of the MS fluctuates about 5*10 -5 to 5*10 -6 Torr. If the pressure is high), the inflow of the sample (gas inside the process chamber) at the inlet of the sensor device is excessively injected, so the sensor analysis value rises and stagnation in the pipeline (the connection pipe between the process chamber and the sensor device) may occur. Conversely, when the process chamber has a higher vacuum than MS (when the pressure is low), the sample flow at the inlet decreases, the sensor analysis value decreases, and a backflow into the process chamber may occur, which may also act as a particle source for the process chamber. There is a need for preventive measures.
  • the pressure in the process chamber is slightly higher than the pressure in the process chamber and the pressure inside the sensor device at a similar level, but the reality is that the pressure in the process chamber changes rapidly depending on the amount of gas injected.
  • the present invention is a configuration that can prevent the sensor analysis value from greatly changing and the analysis value data reliability from falling while the internal pressure of the sensor device added to the above-described conventional manufacturing equipment is rapidly changed according to the pressure fluctuation of the process chamber
  • An object of the present invention is to provide a sensor inlet gas flow stabilization system comprising a.
  • the sensor inlet gas flow stabilization system of the present invention for achieving the above object
  • the sensor connection in manufacturing equipment having a process chamber, a vacuum pump installed to remove gas inside the process chamber, and a sensor device configured to detect components by receiving the gas inside the process chamber through a sensor connection pipe
  • Components including piping to stably provide a part of the internal gas of the process chamber to the sensor device within a certain range per hour despite a change in the pressure state of the process chamber to the sensor connection pipe, for example, in the sensor connection pipe
  • a bypass pipe for allowing gas to be discharged to the outside without entering the sensor device is further provided.
  • the sensor inflow gas flow stabilization system comprises a sensor connection pipe, an orifice for connecting the sensor connection pipe and the sensor device, and a bypass pipe connected to the sensor connection pipe at a portion where the sensor connection pipe and the orifice are connected.
  • the sensor connection pipe, the bypass pipe, and the sensor device may be respectively connected to the three types of the splitter connection pipe, and at this time, an orifice may be installed fixedly or replaceably in the branch connecting the splitter connection pipe and the sensor device among the three.
  • a vacuum pressure gauge may be provided in the sensor connection pipe, and a manually operated vacuum pump may be further provided in the bypass pipe as a separate vacuum pump for a stabilization system.
  • the front end of the vacuum pump for the stabilization system installed in the bypass pipe (here, 'front end' refers to the part that passes ahead of the air flow in the pipe) or the sensor connection pipe at the front end of the orifice controls or interrupts the air flow.
  • a valve that can do it may be further provided.
  • the sensor inflow gas flow stabilization system has a configuration of a splitter, and the splitter is a vacuum pressure gauge for measuring the pressure in the sensor connection pipe, a bypass pipe, a vacuum pump installed in this pipe, and a control installed in the bypass pipe
  • the valve may be provided with a controller for adjusting the control valve by sensing the pressure of the vacuum pressure gauge.
  • control valve may be configured to be controlled by a controller in a proportional control or PWM control method.
  • the internal pressure of the MS which is a sensor device connected to the process chamber to which the vacuum of the manufacturing equipment is applied, rapidly changes according to the pressure fluctuation of the process chamber, the sensor analysis value changes significantly, and the analysis value data reliability decreases.
  • problems such as a delay in detecting the current state of the process chamber by the sensor device can be prevented by using the gas flow stabilization system.
  • the present invention it is possible to reduce the management burden by increasing the durability life of the MS sensor device and reducing the need for maintenance.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram conceptually showing the configuration of a process chamber to which a vacuum of conventional manufacturing equipment is applied and a sensor device connected thereto;
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of the configuration of one MS as a sensor device
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a sensor inlet gas flow stabilization system and peripheral configuration according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a sensor inlet gas flow stabilization system and peripheral configuration according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a sensor inflow gas flow stabilization system and peripheral components of a semiconductor device manufacturing equipment according to an embodiment of the present invention.
  • an orifice 230 is formed at the end of the sensor connection pipe 300 that connects the process chamber 100 and the sensor device 200 through a port, and the orifice is formed.
  • a bypass pipe 315 is installed in the portion, and a manually operated dry pump 330 is further installed as a component for the stabilization system in the bypass pipe. The operator can control whether or not the gas flows and the flow amount through the dry pump 330 for the stabilization system and an accompanying valve while monitoring the vacuum pressure gauge at each position, and there is a control valve at the front end of the dry pump 330 for the stabilization system shown here.
  • a 320 may be further installed, and a control valve 325 may be further installed in a portion close to the orifice of the sensor connection pipe.
  • the inlet of the dry pump 330 for the stabilization system is connected to the sensor connection pipe 300 through the pipe portion where the orifice 230 is installed, and the outlet of the dry pump is coupled to the process chamber 100 together with the outlet of the sensor device. It is connected to the process chamber vacuum line 150 at the rear end of the vacuum pump 140 for the process chamber, thereby discharging gas to the vacuum line 160 of the facility.
  • the sensor connection pipe, the bypass pipe, and the sensor device may be respectively connected to three branches of the splitter connection pipe, and in this case, the branch connecting the splitter connection pipe and the sensor device among the three The orifice may be installed fixedly or interchangeably.
  • the dry pump 330 for the stabilization system connected to the sensor connection pipe 300 removes excess gas that has not flowed into the sensor device 200: MS from the sensor connection pipe 300, and the sensor device 200 ) at the entrance, an orifice 230 may be installed in the pipe to help uniformly control the flow rate of gas introduced into the sensor device 200 from the pipe.
  • this embodiment can help maintain the stability of the sensor device 200 compared to the prior art, but according to the pressure conditions of the process chamber 100 because the operator manually adjusts the dry pump 330 for the stabilization system. It is necessary to adjust the size by replacing the orifice 230 , and it is difficult to quickly respond to a sudden change in pressure in the process chamber 100 .
  • FIG. 4 shows an embodiment in which a splitter is installed as a kind of gas flow stabilization system in the sensor connection pipe 400 between the process chamber 100 and the sensor device 200 .
  • an automatic control type gas flow stabilization system is installed instead of the simple bypass pipe of FIG. 3 and the dry pump 330 for the stabilization system.
  • a first automatic valve 451 capable of performing a shutdown function in the form of an on/off valve at a port position for introducing gas of the process chamber 100 to the sensor connection pipe 400 and
  • a second automatic valve 452 in the form of a flow control valve or a pressure control valve is installed, and the first automatic valve and the second automatic valve are a controller for a stabilization system that has received a detection signal from a vacuum pressure gauge (P2: 420) for a stabilization system (440).
  • P2 vacuum pressure gauge
  • the gas flow stabilization system includes a dry pump 430 for a stabilization system installed in a branch pipe or a bypass pipe 415 branching from the sensor connection pipe 400 through an orifice 230, and the bypass pipe 415. It further includes a third automatic valve 453 to be installed.
  • the outlet of the dry pump 430 for the stabilization system is a process chamber vacuum line 150 and a process chamber vacuum line 150 at the rear end of the vacuum pump 140 for the process chamber coupled to the process chamber 100 together with the outlet of the sensor device 200 as shown in FIG. It is connected to discharge the gas to the vacuum line 160 of the facility.
  • the third automatic valve and dry pump 430 for the stabilization system may also be controlled by the controller 440 for the stabilization system that has received the detection signal of the vacuum pressure gauge P2 for the stabilization system 420 .
  • controller 440 for the stabilization system may be connected to the operator interface 460 to be controlled by an operator at a remote location as shown in FIG. 4 to enable remote control.
  • the controller 440 for the stabilization system may have a scheduler function that is operated by a program input in advance in conjunction with a timer.
  • the controller 440 for the stabilization system makes it possible to operate the equipment to operate and stop each element such as a valve or a vacuum pump of the stabilization system at a pre-reserved time, and as shown, typically the controller for the stabilization system ( 440) may be configured to send and receive signals to and from the MS, which is a sensor device, and to enable interlocking to start operation at a predetermined time and end operation at a predetermined time.
  • the MS and the splitter can be controlled at the same time, and the MS and the MS are supplied only when the on/off valve 451 and the automatic valve 452 are opened at a set time through the scheduler function to supply chamber gas. It can also cause MS to stop the measurement when it proceeds with the measurement and other times the valve is completely closed.
  • the sample gas can be automatically adjusted to constantly flow into the MS regardless of the process pressure change in the process chamber.
  • An orifice or metering valve is installed at the entrance of the sensor device to control the amount of gas flowing into the sensor device. By removing it from the sample line, it can have the effect of eliminating dead space and preventing data delay from occurring.
  • the vacuum pressure gauge for the stabilization system installed in the connecting pipe continuously delivers the pressure value to the controller, and the controller adjusts individual automatic valves to keep the pressure in the connecting pipe constant regardless of the pressure in the process chamber.
  • an atomic layer deposition valve ALD valve
  • a proportional control valve that can control a minute flow rate, which is conventionally used, may be used as the automatic adjustment valve.
  • the ALD valve Since the ALD valve is used in the past, it has the advantage that it is relatively easy to configure the system by easily adopting and using a ready-made product, and a pulse width modulation (PWM) circuit is provided for such automatic valve control. .
  • PWM pulse width modulation
  • the controller receives the pressure (pressure in the pipe) at the front end of the pipe dry pump and determines the opening and closing cycle of the automatic valve as a feedback.
  • the ALD valve of this configuration has disadvantages in that the pressure damping is severe below 10 Hz, the lifespan of the valve can be significantly shortened, and the configuration is large and complex.
  • the proportional control valve may include a metering valve as a kind of flow control valve and a server actuator for automatic control of the flow rate of the metering valve.
  • the proportional control valve may also be provided with a vacuum pressure gauge for measuring the degree of vacuum.
  • this proportional control valve linearly controls the amount of opening and closing by the opening/closing operation, there is no pressure damping phenomenon, and stable control is possible using a proven metering valve. Mounting of the heater can be relatively easy. However, in order to construct a new proportional control valve, it may be necessary to develop a suitable controller combination.
  • the temperature control of the connection pipe and the splitter through a heat jacket or other type of heater installed in the connection pipe or valve, etc. is performed to prevent deposition of process by-products inside the pipe Also, it is possible to ensure that there is no change in the analysis value (measured value, sensed value) of the sensor device due to the influence of pressure change due to temperature change in this space.
  • Pipe temperature control through such a heater can also be performed by the controller.
  • the temperature sensor is installed on the connecting pipe or the orifice or valve at the inlet of the sensor device, and the part itself coupled to the connecting pipe or the connecting pipe, or the gas in the connecting pipe The operation of transferring the temperature of the controller needs to be made.
  • the controller may be configured to automatically adjust all of the components constituting the gas flow stabilization system, or manually adjust some elements while automatically adjusting only limited elements It may be made to do. For example, on the one hand, it receives pressure information from the sensor connection pipe and automatically adjusts the automatic valve that controls the amount of gas flowing from the process chamber, while on the other hand, the vacuum pump installed in the bypass pipe or an accompanying valve is manually adjusted. you can also keep
  • the controller may have an automatic valve control function and a heater control function, and the heater control may be recognized as a temperature control function from another point of view.
  • the dry pump which is a vacuum pump coupled to the pipe, may be controlled in an on/off manner.
  • Such a controller may directly control these components as it is considered to be a single computer, but may have a configuration to control each component by being combined with an existing computer and transmitting a control signal through the computer.
  • a corresponding program which is software, to receive a signal from the controller and generate and transmit a signal for controlling each component.

Abstract

공정챔버, 공정챔버의 내부 기체를 제거할 수 있도록 설치된 공정챔버용 진공펌프, 공정챔버의 내부 기체를 센서 연결배관을 통해 전달받아 성분 검출을 할 수 있도록 이루어진 센서장치를 구비하는 제조장비에서 센서 연결배관과 이 센서 연결배관에서 분기되어 일부 가스가 센서로 투입되지 않고 외부로 바로 배출될 수 있도록 하는 바이패스 배관을 포함하여, 공정챔버의 압력 상태 변화에 상관없이 센서장치에 시간당 일정 범위 내에서 안정적으로 내부 기체 일부를 제공하도록 이루어진 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면 반도체장치 제조장비 등에서 진공이 적용되는 공정 챔버와 연결되는 센서장치로서 MS의 내부 압력이 공정 챔버의 압력 변동에 따라 급격하게 변화하면서 센서장치의 분석값이 크게 변화하고 분석값 데이터 신뢰도가 떨어지게 되는 것을 가스 흐름 안정화 시스템을 이용하여 방지하고, MS 센서장치의 내구수명을 늘리고 유지 보수의 필요성을 줄여 관리 부담을 경감시킬 수 있다.

Description

센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템
본 발명은 반도체장치 등의 제조 관련 장비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정 챔버의 내부 가스를 유입시켜 공정 상태를 감지하는 센서장치에 부가되어 센서장치로의 유입 가스량을 적정 수준에서 안정화시킬 수 있도록 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템에 관한 것이다.
반도체장치나 디스플레이장치 등의 제조장비는 매우 다양한 제조 공정을 위해 다양한 환경을 조성할 수 있도록 구성된다. 여러 공정 가운데 PVD, CVD와 같은 증착 공정, 드라이 에칭과 같은 식각 공정 등 상당수는 저압 진공 환경에서 이루어진다.
이런 환경에서 증착이나 식각이 이루어지는 정도는 완성될 반도체 장치의 성능이나 불량 여부에 직접적으로 연관되므로 매우 엄밀하게 통제되어야 하며, 시간, 온도, 공급되는 소오스 가스의 양 등 거의 모든 요소가 매우 정밀하게 조절된다.
그리고 공정의 완료 시점을 감지하기 위하여 혹은 기타 공정의 중요 상태 및 시점을 확인하기 위해 공정별로 다양한 종류의 센서가 사용된다.
센서의 일부는 공정 챔버 자체에 구비될 수 있고, 일부는 공정 챔버 외에 별도 공간에 구비될 수 있으며, 이런 경우, 공정 챔버에서 이루어지는 공정의 상태를 감지할 수 있는 감지 대상 요소가 센서로 전달되어야 한다.
도1은 종래의 한 반도체장치 제조 장비의 공정 챔버 및 이 공정 챔버를 위한 감지용 센서장치의 결합 구성예를 나타내는 하나의 개념적 구성도이다.
여기서는 공정 챔버(process chamber: 10)와 이 공정 챔버에 진공을 제공하기 위한 터보 펌프(13), 드라이 펌프(14), 공정 챔버(10)에서 내부 기체를 외부로 배출하기 위하여 진공 펌프와 연결하는 펌프 연결배관(15)이 개시된다. 여기서 드라이 펌프나 터보 펌프의 결합 구성은 진공펌프의 하나의 예시이며 다른 형태 및 구성의 진공펌프를 배재하는 것은 아니다.
도면번호 11은 잔류가스분석기(residual gas analyzer: 11)이며, P1은 공정챔버의 진공압력계이고, 이들이 감지한 정보가 공정가스 조절시스템(Process gas control system: 40)으로 입력되면 공정가스 조절시스템은 A, B, C 세 가지 가스공급원으로부터의 배관에 설치된 유량조절기(MFC; 50)가 부속된 배관의 조절밸브 등에 조절신호를 주어 공정챔버에 유입되는 가스 비율 및 유량을 조절한다.
공정 챔버(10)에는 내부 기체를 배출하여 내부 공간을 고진공으로 유지하기 위한 터보 펌프(TMP: turbo molecular pump: 13) 및 드라이 펌프(14)가 연결되어 있고, 펌프 연결배관(15)에는 연결 포트(port: 31)를 통해 하나의 센서 연결배관(30)이 분기되어 내부 기체 일부가 센서장치(20)로 유입된다.
센서장치 입구에는 니들밸브(needle valve: 미도시)가 설치될 수 있고, 내부에는 정확한 측정을 위해 10-6Torr 정도의 고진공을 유지하도록 터보 펌프와 드라이 펌프 조합으로 이루어진 진공펌프 및 내부 진공도 혹은 기압을 측정하기 위한 진공압력계(P2: 22)가 설치된다.
여기서 센서장치(20)로는 질량분석기(MS: mass spectrometer)가 사용된다. MS로는 TOF(Time of Flight)형, QMS(Quadrupole)형 등 기존에 알려진 여러 다양한 종류가 있으며, 가령, 대상물질이 이온화 질량 분리 장치 (Mass Analyzer)에 의해 시료를 분리하여 시료물질의 원소 조성에 대한 정보, 화학분자의 구조적인 정보를 획득할 수 있으며, 분석하고자 하는 물질의 정량 및 정성 분석을 위해 많이 사용된다.
도2는 이러한 MS의 한 형태의 구성 개념을 나타내는 박스형 개념도이다.
도2에서는 센서장치(20)는 하나의 케이스(envelop: 21) 내에 오리피스나 밸브 등의 가스 유입장치(inlet system: 23) 또는 크로마토크래피와 같은 분석장치, 이온화 장치(ion source: 24), 질량분석기(mass analyzer: 25), 검출기(detector: 26)가 구비되고, 외부에서 샘플이 도입(sample in)되면 전자의 충돌이나 레이저 조사 등을 통해 샘플을 이온화시키고, 이온화된 샘플 물질은 질량 분석기와 검출기를 통해 질량별 초당 개수를 측정할 수 있으며, 검출 결과 데이터가 데이터 처리 시스템(data system)으로 전달되도록 이루어진다.
이러한 구성예는 기존이 이미 잘 알려진 것이므로 여기서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 구성에서는 센서장치와 공정 챔버가 공간적으로 바로 연결되어 센서장치는 공정 챔버 내의 가스를 분석할 수 있고, 이를 통해 공정 진행 사항 확인, 공정 종료 시점 측정(EPD: end point detection), 부산물 발생 모니터링 등을 할 수 있으며, 공정 과정에서의 분석을 통해 주입되는 소오스 가스의 량, 비율, 시간 등을 조절하여 공정 개선 및 시간 단축의 효과를 얻을 수 있다.
그런데 이런 구성에서 공정 챔버 내부는 당연히 공정 상황에 따라 압력이 급격히 변화할 수 있는데 그에 따라 센서 장치인 MS 입구로 대상 샘플 유입량이 크게 변동될 수 있다.
즉, 일반적으로 공정 챔버의 공정 중 압력은 10-5 Torr 이상이고, MS 내부 진공도 혹은 압력은 5*10-5 내지 5*10-6 Torr 정도로 변동되는데, MS보다 공정 챔버가 저진공일 경우 (압력이 높을 경우) 센서장치 입구의 샘플(공정챔버 내부 기체) 유입량이 과다 주입되어 센서 분석값이 상승하고 관로(공정챔버와 센서장치 사이의 연결배관) 내의 정체 현상이 발생할 수 있다. 반대로 MS보다 공정챔버가 고진공일 경우 (압력이 낮을 경우) 입구의 샘플 유입량이 감소하고 센서 분석값이 감소하고 공정 챔버로 역류 현상이 발생할 수도 있으며 이는 공정 챔버의 파티클 소스(particle source)로도 작용할 수 있어 방지 대책이 필요한 실정이다.
따라서 공정 챔버의 압력과 센서 장치 내부 압력은 비슷한 수준에서 공정챔버의 압력이 약간 높은 것이 바람직하지만 공정 챔버의 압력은 가스의 주입량 등에 의해 급격히 변하는 것이 현실이다.
그리고 MS 센서장치의 측정값 혹은 데이터의 신뢰도를 높이기 위해서는 센서 장치의 입구와 연결되는 공정 챔버와 센서장치 사이의 관로 공간의 압력이 일정하게 유지되는 것이 요청된다.
본 발명은 상술한 종래의 제조장비에 부가되는 센서 장치의 내부 압력이 공정 챔버의 압력 변동에 따라 급격하게 변화하면서 센서 분석값이 크게 변화하고 분석값 데이터 신뢰도가 떨어지게 되는 것을 방지할 수 있도록 하는 구성을 구비하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템은
공정챔버, 상기 공정챔버의 내부 기체를 제거할 수 있도록 설치된 진공펌프, 상기 공정챔버의 내부 기체를 센서 연결배관을 통해 전달받아 성분 검출을 할 수 있도록 이루어진 센서장치를 구비하는 제조장비에서 상기 센서 연결배관을 포함하면서 상기 센서 연결배관에 상기 공정챔버의 압력 상태 변화에도 불구하고 상기 센서장치에 시간당 일정 범위 내에서 안정적으로 상기 공정챔버의 내부 기체 일부를 제공하도록 하는 구성요소들, 가령 센서 연결배관에서 가스가 센서장치에 들어가지 않고 외부로 배출될 수 있도록 하는 바이패스 배관이 더 구비되어 이루어지는 것이다.
본 발명에서 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템은 센서 연결배관, 이 센서 연결배관과 센서장치를 연결하는 오리피스, 이 센서 연결배관과 오리피스가 연결되는 부분에서 센서 연결배관과 연결되는 바이패스 배관을 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 센서 연결배관, 바이패스 배관 및 센서장치는 스플리터 연결관의 세 가지와 각각 연결될 수 있고, 이때 세 가지 중 스플리터 연결관과 센서장치를 연결하는 가지에는 오리피스가 고정적으로 혹은 교체 가능하게 설치될 수 있다.
이때, 센서 연결배관에는 진공압력계가 구비될 수 있고, 바이패스 배관에는 별도의 안정화 시스템용 진공펌프로서 수동조작 진공펌프가 더 구비될 수 있다.
이때, 바이패스 배관에 설치되는 안정화 시스템용 진공펌프 전단(여기서 '전단'은 배관에서 공기 흐름 상 앞서 지나가게 되는 부분을 의미하는 것임)이나 오리피스 전단에 있는 센서 연결배관에는 공기 흐름을 조절 혹은 단속할 수 있는 밸브가 더 구비될 수 있다.
본 발명에서 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템은 스플리터의 구성을 가지고, 스플리터는 상기 센서 연결배관에 압력을 측정하기 위한 진공압력계, 바이패스 배관, 이 배관에 설치되는 진공펌프, 바이패스 배관에 설치되는 조절 밸브, 진공압력계의 압력을 감지하여 조절 밸브를 조절하는 콘트롤러를 구비하여 이루어지는 것일 수 있다.
이때 조절 밸브는 콘트롤러에 의해 비례제어나 PWM 제어 방식으로 제어를 하도록 이루어진 것일 수 있다.
본 발명에 따르면 제조장비의 진공이 적용되는 공정 챔버와 연결되는 센서 장치인 MS의 내부 압력이 공정 챔버의 압력 변동에 따라 급격하게 변화하면서 센서 분석값이 크게 변화하고 분석값 데이터 신뢰도가 떨어지게 되는 것, 현재의 공정 챔버의 상태를 센서 장치에서 감지함에 있어서 지연이 발생하는 것과 같은 문제 상황을 가스 흐름 안정화 시스템을 이용하여 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면 MS 센서장치의 내구수명을 늘리고 유지 보수의 필요성을 줄여 관리 부담을 경감시킬 수 있다.
도1은 종래의 제조장비의 진공이 적용되는 공정챔버 및 여기에 연결된 센서장치의 구성을 개념적으로 나타내는 구성개념도,
도2는 센서장치로서 하나의 MS의 구성 개념도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템 및 주변 구성을 나타내는 개념도,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템 및 주변 구성을 나타내는 개념도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체장치 제조장비의 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템 및 주변 구성을 나타내는 구성 개념도이다.
여기서는 종래의 반도체장치 제조장비의 경우와 비교할 때, 포트를 통해 공정 챔버(100)와 센서장치(200)를 연결하는 센서 연결배관(300) 끝단에 오리피스(230)가 형성되고, 오리피스가 형성된 배관 부분에는 바이패스 배관(315)이 설치되고, 바이패스 배관에는 수동 조작되는 드라이 펌프(330)가 안정화 시스템용 구성요소로서 더 설치된다. 오퍼레이터는 각 위치의 진공압력계를 모니터링하면서 안정화 시스템용 드라이펌프(330) 및 이에 딸린 밸브를 통해 가스의 유동 여부 및 유동량을 조절할 수 있고, 여기서 도시되는 안정화 시스템용 드라이펌프(330) 앞단에는 조절밸브(320)가 더 설치될 수도 있으며, 센서 연결배관의 오리피스 가까운 부분에도 조절밸브(325)가 더 설치될 수 있다.
여기서 안정화 시스템용 드라이펌프(330)의 유입구는 오리피스(230)가 설치된 배관 부분을 통해 센서 연결배관(300)과 연결되고 이 드라이펌프의 배출구는 센서장치의 배출구와 함께 공정 챔버(100)와 결합된 공정챔버용 진공 펌프(140) 후단에서 공정챔버 진공라인(150)과 연결되어 설비의 진공 라인(160)으로 가스를 배출하게 된다.
도면에서는 명확하게 도시되지 않지만 이때, 센서 연결배관, 바이패스 배관 및 센서장치는 스플리터 연결관의 세 가지(branch)와 각각 연결될 수 있고, 이때 세 가지 중 스플리터 연결관과 센서장치를 연결하는 가지에는 오리피스가 고정적으로 혹은 교체 가능하게 설치될 수 있다.
이런 구성에서는 센서 연결배관(300)과 연결되는 안정화 시스템용 드라이펌프(330)가 센서장치(200: MS)에 유입되지 않은 여분 가스를 센서 연결배관(300)에서 제거하게 되며, 센서장치(200) 입구에는 배관에 오리피스(230)를 설치하여 배관에서 센서장치(200)로 도입되는 가스 유량을 일정하게 조절하도록 도움을 줄 수 있다.
이런 구성에 따르면 공정 챔버(100) 압력 변화에 따른 데이터 왜곡현상이 방지되고 센서 연결배관(300)의 데드 스페이스(dead space, dead volume)에 의한 데이터 지연 현상을 개선할 수 있다.
그런데, 이러한 실시예는 종래에 비해 센서장치(200)의 안정성을 유지하는데 도움을 줄 수 있지만 오퍼레이터가 안정화 시스템용 드라이펌프(330)를 수동으로 조절하는 관계로 공정챔버(100) 압력조건에 따라 오리피스(230) 교체로 사이즈 조절을 할 필요가 있고, 공정챔버(100) 압력 급변시 신속하게 대응하기에는 어려움이 있다.
물론 오리피스(230) 대신에 센서장치(200) 입구에 교체 없이 조절가능한 니들밸브(미도시)를 설치하면 이런 번거로움은 줄일 수 있지만 여전히 신속한 대응에는 충분하지 못한 점이 있다.
도4는 공정챔버(100)와 센서장치(200) 사이의 센서 연결배관(400)에 일종의 가스 흐름 안정화 시스템으로서 스플리터를 설치하는 실시예를 나타낸다.
여기서는 도3의 단순한 바이패스 배관과 안정화 시스템용 드라이펌프(330)를 구비한 구성 대신에 자동조절 형태의 가스 흐름 안정화 시스템을 설치한다. 가스 흐름 안정화 시스템으로서, 센서 연결배관(400)으로 공정챔버(100)의 가스를 유입시키는 포트 위치에는 온/오프 밸브 형태로 셧다운(shutdown)기능을 담당할 수 있는 제1 자동밸브(451) 및 유량 조절 밸브 혹은 압력 조절 밸브 형태의 제2 자동밸브(452)가 설치되고, 이 제1 자동밸브 및 제2 자동밸브는 안정화 시스템용 진공압력계(P2: 420)의 감지 신호를 받은 안정화 시스템용 콘트롤러(440)에 의해 조절된다.
가스 흐름 안정화 시스템은 센서 연결배관(400)에서 오리피스(230)를 통해 분기되는 가지배관 혹은 바이패스 배관(415)에 설치되는 안정화 시스템용 드라이펌프(430)와, 이 바이패스 배관(415)에 설치되는 제3 자동밸브(453)를 더 구비한다. 안정화 시스템용 드라이펌프(430)의 배출구는 도3과 같이 센서장치(200)의 배출구와 함께 공정 챔버(100)와 결합된 공정챔버용 진공펌프(140) 후단에서 공정챔버 진공라인(150)과 연결되어 설비의 진공 라인(160)으로 가스를 배출하게 된다. 이 제3 자동밸브 및 안정화 시스템용 드라이펌프(430)도 안정화 시스템용 진공압력계(P2: 420)의 감지 신호를 받은 안정화 시스템용 콘트롤러(440)에 의해 조절될 수 있다.
한편, 안정화 시스템용 콘트롤러(440)는 도4에 도시된 바와 같이 원격지에 있는 오퍼레이터에 의해 조절될 수 있도록 오퍼레이터 인터페이스(460)와 연결되어 원격 조절(remote control)이 가능하게 이루어질 수 있다.
또한, 안정화 시스템용 콘트롤러(440)는 타이머와 연동되어 미리 입력된 프로그램에 의해 동작되는 스케쥴러(scheduler) 기능을 구비하는 것일 수 있다. 이런 경우, 안정화 시스템용 콘트롤러(440)는 미리 예약된 시간에 안정화 시스템의 밸브나 진공펌프와 같은 각 요소를 동작시키고 중단시키는 장비 운영이 가능하게 되며, 도시된 바와 같이 통상적으로 안정화 시스템용 콘트롤러(440)를 센서 장치인 MS와 신호를 주고받을 수 있도록 하고, 연동 가능하게 하여 정해진 시각에 가동을 시작하고 정해진 시각에 가동을 끝내는 구성이 가능할 수 있다.
가령, 유저가 외부에서 원격 조절을 할 때 MS와 스플리터를 동시에 콘트롤할 수 있으며, 스케줄러 기능을 통해 정해진 시간에 온오프 밸브(451), 자동 밸브(452)가 열려 챔버 가스가 공급될 때에만 MS가 측정을 진행하고 그 외에 밸브가 완전히 닫혔을 때에는 MS가 측정을 중단하게 할 수도 있다.
이런 구성에서는 공정 챔버에서의 공정 압력 변화에 상관없이 샘플 가스가 MS에 일정하게 유입되도록 자동 조절할 수 있다.
센서 장치 입구에는 오리피스나 계량 밸브를 설치하여 센서 장치로 유입되는 가스량을 일정하게 조절할 수 있고, 배관에 연결된 지관(가지배관)과 지관에 설치된 드라이 펌프를 이용하여 센서 장치에 유입되지 못한 잔여 가스를 샘플라인에서 제거하여 데드 스페이스를 없애고 데이터 지연이 발생하는 것을 방지하는 효과를 가질 수 있다.
또한 연결배관에 설치된 안정화 시스템용 진공압력계는 지속적으로 콘트롤러에 압력 수치를 전달하고 콘트롤러는 개개의 자동밸브를 조절하여 공정 챔버의 압력에 상관없이 연결배관 내 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
자동 조절이 이루어지는 본원 발명 실시예의 밸브에 대해 좀 더 살펴보면, 이런 자동조절 밸브로는 기존에 사용되는, 미세한 유량 조절이 가능한 ALD 밸브(atomic layer deposition valve)나 비례제어 밸브가 사용될 수 있다.
ALD 밸브는 기존에 사용되는 것이므로 쉽게 기성품을 채택하여 사용함으로써 시스템을 구성하기가 비교적 용이하다는 장점이 있으며, 이런 자동밸브 조절에는 펄스폭제어(PWM: pulse width modulation) 회로가 구비되어 이용될 수 있다. 이러한 PWM 제어에서는 배관 드라이 펌프 앞단의 압력(배관 내 압력)을 콘트롤러가 입력받아 피드백으로 자동밸브의 열림 및 닫힘 주기를 결정하게 될 수 있다.
그러나 이런 구성의 ALD 밸브는 10헤르츠 미만에서 압력 댐핑이 심하고 밸브의 수명이 대폭 단축될 수 있으며, 구성이 크고 복잡하다는 단점이 있다.
한편, 비례제어 밸브는 일종의 유량 조절 밸브로서의 미터링 밸브(metering valve)와 이 미터링 밸브의 유량 자동조절을 위한 서버 액츄에이터를 구비하여 이루어질 수 있다. 비례제어 밸브도 ALD 밸브와 마찬가지로 진공도 측정을 위한 진공압력계를 함께 구비하여 이루어질 수 있다.
이런 비례제어 밸브는 개폐동작에 의한 개폐량을 선형 제어하므로 압력 댐핑 현상이 없고, 실증된 미터링 밸브를 사용하여 안정적 제어가 가능하며, 사용수명이 밸브 본체의 수명과 같아 수명단축의 문제가 없고, 히터의 장착이 비교적 용이하게 될 수 있다. 그러나 신규의 비례제어 밸브를 구성하기 위해서는 이에 맞는 콘트롤러 조합을 위한 개발이 필요할 수 있다.
한편, 이러한 실시예들에서의 구성에 더하여 연결배관이나 밸브 등에 설치되는 히트자켓(heat jacket) 혹은 다른 타입의 히터를 통한 연결배관 및 스플리터 온도제어를 실시하여 배관 내부에 공정 부산물이 증착되는 것을 방지하고, 이 공간에서의 온도 변화로 인한 압력 변화의 영향으로 센서장치의 분석값(측정값, 감지값)의 변화가 없도록 할 수 있다.
이러한 히터를 통한 배관 온도 제어도 콘트롤러에 의해 이루어질 수 있으며, 이런 경우, 온도 센서가 연결배관이나 센서장치 입구의 오리피스나 밸브 등에 설치되어 연결배관이나 연결배관에 결합된 부품 자체, 혹은 연결배관 내 가스의 온도를 콘트롤러로 전달하는 동작이 이루어질 필요가 있다.
본 발명에서 자동 조절에 필요한 안정화 시스템용 콘트롤러를 좀 더 살펴보면, 이 콘트롤러는 가스흐름 안정화 시스템을 이루는 구성요소들 전반을 자동조절하도록 이루어지는 것일 수 있고, 혹은 제한된 요소들만 자동조절하면서 일부 요소는 수동조절을 하도록 이루어진 것일 수 있다. 가령, 한편으로는 센서 연결배관에서 압력 정보를 받아 공정챔버에서 유입되는 가스량을 조절하는 자동밸브를 자동조절하면서, 한편으로는 바이패스 배관에 설치된 진공펌프나 그에 딸린 밸브는 수동으로 조절하는 방식을 유지할 수도 있다.
가령, 이 콘트롤러는 자동밸브 제어 기능과 히터 제어 기능을 구비하여 이루어질 수 있고, 히터 제어는 다른 관점에서 온도 제어 기능으로 인식될 수 있다. 또한 배관에 결합된 진공펌프인 드라이펌프를 온/오프 방식으로 제어할 수도 있다.
이러한 콘트롤러는 자체가 하나의 컴퓨터로 생각되면서 이들 구성요소를 직접 제어할 수도 있지만 기존의 컴퓨터와 결합되어 컴퓨터를 통해 제어신호를 전달함으로써 각 구성요소를 제어하는 구성을 가질 수도 있다. 물론 이런 경우, 컴퓨터는 콘트롤러의 신호를 받아 각 구성요소를 제어하는 신호를 발생시키고 전달하도록 소프트웨어인 해당 프로그램을 구비하는 것이 필요하다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.
따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 공정챔버, 상기 공정챔버의 내부 기체를 제거할 수 있도록 설치된 공정챔버용 진공펌프, 상기 공정챔버의 내부 기체를 센서 연결배관을 통해 전달받아 성분 검출을 할 수 있도록 이루어진 센서장치를 포함하여 이루어지는 제조장비에서
    상기 센서 연결배관과, 상기 센서 연결배관의 가스 가운데 일부가 상기 센서장치로 투입되지 않고 외부로 배출될 수 있도록 하는 바이패스 배관을 포함하면서 상기 센서 연결배관에 상기 공정챔버의 압력 상태 변화에도 불구하고 상기 센서장치에 시간당 일정 범위 내에서 안정적으로 상기 공정챔버의 내부 기체 일부를 제공하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 연결배관과 상기 센서장치는 오리피스를 통해 연결되며,
    상기 바이패스 배관은 상기 센서 연결배관과 상기 센서장치를 연결하는 상기 오리피스가 설치된 부분에서 상기 센서 연결배관과 연결되고,
    상기 바이패스 배관에는 안정화 시스템용 진공펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 연결배관 내의 가스 압력을 측정하기 위한 안정화 시스템용 진공압력계를 구비하고, 상기 안정화 시스템용 진공펌프는 상기 안정화 시스템용 진공압력계를 보고 수동으로 조절할 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 연결배관 내의 가스 압력을 측정하기 위한 안정화 시스템용 진공압력계, 상기 센서 연결배관에서 상기 공정챔버의 내부 기체를 받아들이는 입구 부분에 설치되는 자동밸브와, 상기 안정화 시스템용 진공압력계가 감지한 압력 정보를 받아 상기 자동밸브를 통한 기체 유입량을 조절하고, 상기 안정화 시스템용 진공펌프의 가동을 조절하는 안정화 시스템용 콘트롤러가 더 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자동밸브는 상기 안정화 시스템용 콘트롤러에 의해 비례제어나 펄스폭 제어(PWM) 방식으로 제어되는 것임을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 연결배관이나 상기 자동밸브에는 히터 및 온도센서가 구비되고,
    상기 안정화 시스템용 콘트롤러는 상기 온도센서의 온도정보를 받아 상기 히터의 가동을 조절하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 연결배관에서 상기 공정챔버의 내부 기체를 받아들이는 입구 부분에 설치되는 자동밸브와, 상기 안정화 시스템용 진공압력계가 감지한 압력 정보를 받아 상기 자동밸브를 통한 기체 유입량을 조절하는 안정화 시스템용 콘트롤러가 더 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
  8. 제 2 항 내지 제 5 항과 제 7 항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 연결배관, 상기 바이패스 배관 및 상기 센서장치는 스플리터 연결관의 세 가지와 각각 연결되며,
    상기 스플리터 연결관과 상기 센서장치를 연결하는 가지에는 상기 오리피스가 설치되는 것을 특징으로 하는 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템.
PCT/KR2021/000582 2020-01-17 2021-01-15 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템 WO2021145716A1 (ko)

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US17/792,947 US20230045932A1 (en) 2020-01-17 2021-01-15 System for stabilizing flow of gas introduced into sensor
JP2022543504A JP2023510419A (ja) 2020-01-17 2021-01-15 センサーに導入されるガスの流れを安定させるためのシステム
CN202180009531.5A CN114981943A (zh) 2020-01-17 2021-01-15 传感器进气流稳定系统

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KR10-2020-0006792 2020-01-17
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KR1020200137988A KR102423263B1 (ko) 2020-01-17 2020-10-23 센서 유입 가스 흐름 안정화 시스템
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