Loadlock 챔버 시스템은 클린룸의 대기상태에서 공정 장치내의 밀폐된 진공 환경으로 웨이퍼를 이송하는 데 가장 효과적인 수단이다. 이러한 시스템의 작동 주기는 프로세스 챔버 안팎으로 웨이퍼를 이송하는데 필요한 밸브 및 도어 활성화의 자동 시퀀스를 사용한다. 작동 순서는 서로 다른 챔버 압력 설정 값과 챔버에 있는 하나 이상의 압력 센서의 판독값 사이의 일치를 사용하여 게이트된다. 로드락 작동은 공정 처리량 또는 웨이퍼 품질에 영향을 미치지 않아야 한다(즉, 추가 입자 오염 없어야 함).
로드 락 시스템 설계 및 기능에 대한 엔지니어링 개선은주기 시간 단축 및 또는 입자 이벤트 최소화에 중점을 둔다. 이러한 목표들 중 하나에 대한 가장 효과적인 해결책이 다른 목표들에 심각한 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 점에서 이러한 목표들을 동시에 달성하는 것은 심각한 공학적인 도전이다. 예를 들어, 퍼지 동작 중에 내부 압력을 milliTorr 진공 범위에서 주변으로 상승시키기 위해 불활성 가스를 로드락 챔버로 공급한다. 퍼지 시간을 줄이려고 하면 로드 록 도어가 열릴 때 챔버 압력이 주변 온도보다 약간 낮아질 수 있다. 이로 인해 새로 처리 된 웨이퍼 표면에 대한 주변 습도의 영향 또는 일반적으로 내부 챔버 표면에 남아있는 입자의 난류로 인한 탈락을 통해 웨이퍼 품질에 악영향을 미칠 수있는 대기의 유입이 발생된다. 이를 회피하려는 시도에서 퍼지 시간이 증가하고 챔버 도어가 열리기 전에 압력이 대기압 이상으로 상승 할 위험이 있다. 이 경우 로드 록 도어가 열리면 가스가 튀어 나오게 된다. 챔버 내에서 발생하는 가스 난류는 웨이퍼 표면에 떨어질 수 있는 입자를 제거 할 수 있다. 빠르고 청정하다는 이러한 상충되는 요구 사항은 각 로드 록의 작동 단계에서 압력 측정을 적절하게 적용함으로서 해결 될 수 있다. 로드 록 챔버 시스템 내의 다른 작동주기에 대해서도 유사한 모순적인 요구 사항이 존재한다. 이 기사에서는로드 록 시스템에서 주기 시간을 크게 개선하고 입자 이벤트를 줄이는 압력 측정 기술 및 계측의 최근 발전에 대해 설명한다.
배기 및 벤팅 시간의 저감
일반적인 로딩록 시스템의 주기 시간 예산은 웨이퍼를 관련 프로세스 챔버로 들어가고 나오는 데 필요한 몇 가지 순차적 작업에 필요한 시간으로 구성된다. 여기에는 기계적 웨이퍼 이송 작업, 슬릿 밸브의 개폐, 챔버의 배기 및 벤팅이 포함된다. 배기 및 환기 사이클에 대해 예산 책정된 기간은 지배적이지는 않더라도 많은 로드락 시스템의 작동에서 유의하다. 그 결과, 적재 시스템 설계의 많은 초점은 챔버의 대피 및 배출 작업을 가속화하는 데 집중되었다.
시간 최적화 시스템 작동을 위한 설계 고려사항에서 공통적인 요인은 챔버 용적이다. 챔버 용적 감소는 펌프 다운 및 Vent-up 사이클의 단축을 의미한다. 그 결과, 시간이 지남에 따라 로드락 챔버의 기계적 레이아웃은 웨이퍼 크기에 비례하는 최소 볼륨으로 진화하는 이 설계 필수 사항에 대응했다.
배기 속도는 배기 사이클 시간에 대한 중요한 매개변수로서, 배기 속도가 높을수록 배기 시간이 단축되어 목표 진공 압력에 도달한다. 초기, 상대적으로 높은 압력 기간 동안, 적재함 펌프다운 동안, 붕괴 곡선이 그림 1과 같이 압력이 기하급수적으로 감소한다. 압력 강하는 P = P0e-t/τ 관계를 따른다. 여기서 Po는 시작 압력, t는 경과 시간, τ은 시스템의 시간 상수이다.
시간 상수인 τ은 펌프 다운 속도를 결정한다. τ = V/S의 유효 펌핑 속도에 대한 부피 비율이다. 이러한 관계는 유효 배기속도가 단순히 진공 펌프의 정격 속도가 아니라는 점에서 보기보다 다소 복잡하다. 펌프와 프로세스 챔버 사이의 진공 라인과 기타 진공 시스템 구성품의 컨덕턴스는 배기 속도에 강한 영향을 미친다. 펌프와 챔버 사이의 진공 라인과 장비 구성품 구성에서 발생하는 다양한 요인에 의해 컨덕턴스가 감소된다. 펌프와 챔버 사이의 거리, 진공 라인의 직경, 진공 라인의 벤딩 수와 심각도 및 격리 밸브 위치에 따라 부정적인 영향의 정도가 달라진다. Loadlock 챔버의 시스템 또는 챔버 장착형 펌프에 대한 최근의 추세는 이러한 제약이 배기 속도에 미치는 영향을 제거하고자 하는 최소화 하기 위함이다.

그림 1은 배기 속도도 챔버 압력에 크게 의존한다는 것을 보여준다. 로드락 압력이 1 Torr 이하로 떨어지면 저압에서 기계식 진공 펌프의 펌핑 용량에 내재된 한계와 로드락 표면에서 기체종 아웃가싱의 느린 이송이 결합되어 배기속도가 감소한다. 효율적이고 신속한 로드락 사이클은 배기 곡선의 낮은 경사면에 있는 압력에서 사용되는 압력 측정 기법이 매우 정밀할 때에만 달성할 수 있다. 예를 들어, 그림 1의 데이터로 대표되는 로드락이 웨이퍼 이송 단계를 시작하기 전에 압력이 20mTorr에 도달할 때까지 기다리도록 프로그래밍된 경우 8mTorr의 게이지 오류는 웨이퍼 이송 시작 시 5초의 불필요한 지연을 발생시킨다. 그러한 게이지의 부정확성은 모든 로드락 사이클에 대해 이 시간 페널티를 발생시켜 시스템에 상당한 영향을 미치게 된다. 처리량 따라서 웨이퍼 이송 지점에서의 정확한 mTorr 압력 측정은 이러한 지연을 제거하고 로드락 시스템 처리량을 최적화하기 위해 매우 중요하다.
또한 로드락 사이클 시간 지연은 환기 사이클이 끝날 때 주변 대기압에 도달할 때 챔버 압력 측정의 부정확한 결과를 통해 발생할 수 있다. 벤트업 타이밍의 경우, 벤트 가스 유량과 챔버 용적은 Loadlock 챔버 압력의 상승 속도에 대한 시간 상수를 결정한다. 로드락 압력이 외부 클린 룸 또는 미니 환경의 주변 압력에 가까워지면 로드 락 압력 게이지의 판독 값과 주변 압력에 대한 설정 값 간의 일치에 따라 로드락 도어 개방 시간과 배기가스 흐름 차단 시간이 결정됩니다. 일반적으로 이 설정점은 주변 압력보다 몇 Torr 높을 수 있다.
도어가 열릴 때 로드락 압력이 너무 낮으면 (열렸을 때 진공 포장 용기와는 달리) 주변 공기가 적재함 챔버로 유입될 수 있는 "팝"이 발생한다. 이 경우 소개에서 설명한 대로 웨이퍼 표면의 오염이 발생할 수 있다. 반대로 이 문제를 피하기 위해 압력 설정 지점을 불필요하게 높게 설정하면 환기 주기가 필요 이상으로 오래 걸리고 웨이퍼 처리량이 시스템에서 달성할 수 있는 최대치에서 감소한다.
역사적으로 이 벤팅 타이밍 문제를 해결하기 위해 두 가지 장비 구성이 사용되어 왔다. 첫 번째 접근방식은 절대 대기압 센서를 사용하여 부하락 압력을 이전 환기 사이클에서 측정한 압력인 "저장된" 값과 비교한다. 두 번째 접근방식은 실시간 주변 압력과 로드락 압력을 직접 비교하는 차압 센서를 사용한다. 두 번째 접근법은 관련 소프트웨어 오버헤드와 한 환기 사이클에서 다음 환기 사이클로 인한 주변 압력 변화로 인한 오류 가능성을 피하면서 "도어 개방" 압력 값을 저장하고 업데이트할 필요가 없기 때문에 많은 시스템 통합업체들이 선호한다. 이 응용 프로그램에 사용되는 차압 게이지는 0.1 Torr 분해능 이상이어야 한다.
분진 입자 감소
로드락 표면의 누적된 입자 오염 수준은 가장 깨끗한 환경에서도 피할 수 없다. 다행히도, Van der Waals 힘은 다른, 더 큰 힘에 의해 방해되지 않는 한, 이러한 하중 잠금 표면에 입자를 남기는 경향이 있다. 따라서 탈구된 입자는 로크 챔버의 웨이퍼를 오염시킬 수 있으므로, 방해할 수 있는 힘의 도입을 방지하여 표면에 정지해 있는 입자를 제거하는 데 분명한 이점이 있다. 직접적인 기계적 움직임의 작용 외에, 하중 잠금 표면에서 입자가 빠져나갈 수 있는 가장 일반적인 방법은 과도한 가스 흐름으로 인한 난류를 통해서이다. 따라서 높은 가스 유량은 환기 및 펌프 다운에 대한 사이클 시간을 줄이는 동시에 입자 이벤트의 가능성을 증가시킨다.
압력 측정은 허용 가능한 가스 유량을 최대화하는 동시에 로드 락 챔버 내에서 파티클 이벤트가 발생할 수 있다. 챔버의 정밀한 압력 측정값을 이용하여 압력 변화 속도를 감시할 수 있으며, 이를 가스 유량을 신뢰성 있게 나타내는 지표로 사용할 수 있다. 압력 변화율이 어느 방향이든 너무 큰 경우, 대기 입자를 제거하고 존재하는 웨이퍼를 오염시킬 수 있는 잠재력과 함께 챔버 내에 기체 난기류가 존재할 가능성이 높다는 것을 나타낸다. 낮은 난류, 고속 배기 및 벤팅을 위한 압력 센서 요건은 앞 절에서 설명한 바와 같이 배기 및 환기 설정점의 최적 일치를 위해 필요한 요건과 다르다. 이 경우 0.1 Torr에서 1 기압까지 매우 넓은 범위에 걸쳐 높은 수준의 선형성과 정확도로 압력을 빠르고 지속적으로 실시간 측정해야 한다. 압력 변화 속도에 대한 관련 데이터 보고서를 제공할 수 있는 능력도 이러한 시스템에서는 바람직하다.
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