KR101388817B1 - Temperature controlled cold trap for a vapour deposition process and uses thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (i) 1종 이상의 목적하는 성분 및 1종 이상의 목적하지 않는 성분을 포함하는 증기상 혼합물을 응축 장치에 도입하는 단계, (ii) 열 전달 기체를 활용하여 응축 장치에서 온도를 제어하는 단계, 및 (iii) 상기 증기상 혼합물의 일부 이상을 선택적으로 응축하여 상기 1종 이상의 목적하는 성분을 함유하는 회수된 내용물을 얻기에 충분한 온도 및 압력에서 응축 장치를 작동시키는 단계를 포함하는 분리 방법에 관한 것이다. 분리 방법은 화학적 증착 또는 원자층 증착 방법에서의 미반응 유기금속 화합물 전구체의 회수와 같은 반도체 분야에서 유용하다.The present invention comprises the steps of (i) introducing a vapor phase mixture comprising at least one desired component and at least one undesired component into the condensation apparatus, and (ii) controlling the temperature in the condensation apparatus utilizing a heat transfer gas. And (iii) operating the condensation apparatus at a temperature and pressure sufficient to selectively condense at least a portion of said vapor phase mixture to obtain a recovered content containing said at least one desired component. It is about. Separation methods are useful in semiconductor applications such as recovery of unreacted organometallic compound precursors in chemical vapor deposition or atomic layer deposition methods.
화학적 증착 방법, 박막 증착 방법, 응축 장치, 선택적 분리 방법 Chemical vapor deposition method, thin film deposition method, condensation unit, selective separation method
Description
본 발명은 (i) 1종 이상의 목적하는 성분 및 1종 이상의 목적하지 않는 성분을 포함하는 증기상 혼합물을 응축 장치로 도입하는 단계, (ii) 열 전달 기체를 활용하여 응축 장치의 온도를 제어하는 단계, 및 (iii) 상기 증기상 혼합물의 일부 이상을 선택적으로 응축하여 상기 1종 이상의 목적하는 성분을 함유하는 회수된 내용물을 얻기에 충분한 온도 및 압력에서 응축 장치를 작동시키는 단계를 포함하는 분리 방법에 관한 것이다.The present invention comprises the steps of (i) introducing a vapor phase mixture comprising at least one desired component and at least one undesired component into a condensation apparatus, and (ii) controlling the temperature of the condensation apparatus utilizing a heat transfer gas. And (iii) operating the condensation apparatus at a temperature and pressure sufficient to selectively condense at least a portion of said vapor phase mixture to obtain a recovered content containing said at least one desired component. It is about.
화학적 증착법은 반도체 제조 또는 가공 동안 기판, 예컨대 웨이퍼 또는 다른 표면 상에 재료의 막(film)을 형성하기 위해 사용한다. 화학적 증착에서, 화학적 증착 화학 화합물로도 공지된 화학적 증착 전구체는 열적으로, 화학적으로, 광화학적으로 또는 플라즈마 활성화에 의해서 분해되어 목적하는 조성물을 갖는 박막을 형성한다. 예를 들면, 증기상 화학적 증착 전구체를 전구체의 분해 온도보다 높은 온도로 가열된 기판과 접촉시켜 기판 상에 금속 함유 막을 형성한다. 바람직하게는 화학적 증착 전구체는 휘발성이고, 열 분해성이고 화학적 증착 조건 하에서 균일한 막을 생성할 수 있다.Chemical vapor deposition is used to form a film of material on a substrate such as a wafer or other surface during semiconductor manufacturing or processing. In chemical vapor deposition, chemical vapor deposition precursors, also known as chemical vapor deposition chemical compounds, decompose thermally, chemically, photochemically or by plasma activation to form a thin film having the desired composition. For example, a vapor phase chemical vapor deposition precursor is contacted with a substrate heated to a temperature above the decomposition temperature of the precursor to form a metal containing film on the substrate. Preferably the chemical vapor deposition precursor is volatile, thermally decomposable and can produce a uniform film under chemical vapor deposition conditions.
화학적 증착에 의한 박막의 생산 비용은 유기금속 화합물의 비용 및 전구체 전달 시스템에서 증발된 유기금속 화합물의 양에 대한 증착 반응기에서 소비된 유기 금속 화합물의 양의 비율, 즉 전구체 이용률에 따라 좌우된다. 통상적인 화학 증착에서 전구체 이용률은 10% 이하로 낮을 수 있고, 대부분의 도입된 유기금속 화합물을 함유하는 원료 기체는 실질적으로 배출 기체로 처리될 수 있다. 통상적인 방법에서, 배출 기체 중 유기금속 화합물은 유기금속 화합물이 미반응된 상태에 있을 경우라도 폐기될 수 있다. 전구체 이용률이 낮은 경우에 증착 막의 생산 비용은 유기금속 화합물의 가격에 더 영향을 받는다.The cost of producing the thin film by chemical vapor deposition depends on the cost of the organometallic compound and the ratio of the amount of organometallic compound consumed in the deposition reactor to the amount of organometallic compound evaporated in the precursor delivery system, ie precursor utilization. Precursor utilization in conventional chemical vapor deposition can be as low as 10% or less, and the feed gas containing most of the introduced organometallic compounds can be treated substantially with the off gas. In a conventional method, the organometallic compound in the exhaust gas may be discarded even when the organometallic compound is in an unreacted state. At low precursor utilization, the production cost of the deposited film is further influenced by the price of the organometallic compound.
유기금속 화합물은 일반적으로 여러 합성 단계를 요구하기 때문에 비싸다. 예를 들면, 금속 자체가 고가가 아닌 경우에도, 금속이 유기금속 화합물로 합성적으로 전환될 경우 비용이 상당히 증가한다. 통상적인 화학 증착에 의한 막 생산 비용은 비싼 유기금속 화합물의 가격으로 인해 필연적으로 증가한다.Organometallic compounds are expensive because they generally require several synthetic steps. For example, even if the metal itself is not expensive, the cost increases significantly if the metal is converted synthetically to an organometallic compound. Film production costs by conventional chemical vapor deposition necessarily increase due to the price of expensive organometallic compounds.
귀금속, 예컨대 루테늄의 박막은 고성능 전극을 얻기 위한 박막 전극용 재료로서 미래에 상당히 사용될 것으로 예측된다. 귀금속은 자연적으로 희귀 금속이고 고가이며, 그의 유기금속 화합물은 상당히 고가이다. 따라서, 귀금속 막을 통상적인 화학 증착에 의해 제조할 경우, 막 형성 비용이 더욱 증가할 것으로 예측할 수 있다.Thin films of noble metals such as ruthenium are expected to be used significantly in the future as materials for thin film electrodes to obtain high performance electrodes. Precious metals are naturally rare metals and expensive, and their organometallic compounds are quite expensive. Therefore, when the noble metal film is produced by conventional chemical vapor deposition, it can be expected that the film formation cost will further increase.
유기금속 화합물 전구체는 박막 생성시 사용된다. 미래의 막 형성 방법은 높은 화합물 비용 및 낮은 공정 효율을 근거로 유기금속 화합물 회수를 정당화할 수 있다. 화합물 회수가 정당화될 수 있는 분야에서는, 배출 기체의 특정 성분 (예를 들어, 원료 화합물 분자)을 응축시키면서 다른 성분 (예를 들어, 보조 반응물 및 부산물)의 응축을 억제할 수 있는 것이 유리할 것이다. 통상적인 회수 방법이 갖는 문제점은 다양한 박막 증착 시스템의 배출물로부터의 다성분 혼합물을 선택적으로 분리하는 것이 불가능하다는 것이다.Organometallic compound precursors are used in the production of thin films. Future film formation methods may justify organometallic compound recovery based on high compound cost and low process efficiency. In areas where compound recovery can be justified, it would be advantageous to be able to inhibit the condensation of other components (eg, auxiliary reactants and by-products) while condensing certain components (eg, raw compound molecules) of the off-gas. A problem with conventional recovery methods is that it is not possible to selectively separate the multicomponent mixtures from the emissions of various thin film deposition systems.
따라서, 화학적 증착에서 사용되는 미반응 유기금속 화합물을 배출 기체로부터 선택적으로 회수하여 특히 루테늄과 같은 귀금속을 사용하는 박막의 화학적 증착을 위한 막의 생산 비용을 줄이는 새로운 방법을 개발하는 것이 당업계에 필요하다.Therefore, there is a need in the art to develop a new method of selectively recovering unreacted organometallic compounds used in chemical vapor deposition from exhaust gases to reduce the production cost of films for chemical vapor deposition of thin films using noble metals, especially ruthenium. .
<발명의 개요>SUMMARY OF THE INVENTION [
본 발명은 일반적으로 가변 온도 응축기를 사용하여 공정 기체의 성분을 선택적으로 분리 및 회수하는 방법에 관한 것이다. 응축기는 약 20℃(293K) 내지 약 -196℃(77K), 바람직하게는 약 20℃(293K) 내지 약 -100℃(173K), 보다 바람직하게는 약 -30℃(243K) 내지 약 -100℃(173K)의 온도 및 약 10,000 Torr 내지 약 1 X 10-6 Torr, 바람직하게는 약 1,000 Torr 내지 약 1 X 10-3 Torr, 보다 바람직하게는 약 10 Torr 내지 약 0.01 Torr의 압력에서 작동하여 챔버, 예를 들면 증착 챔버를 빠져나가는 유출물에서 1종 이상의 성분을 안전하고 효과적으로 분리 및 회수한다. 응축은 열 전달 기체, 예컨대 차가운 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 이산화탄소 또는 청정 건조 공기를 사용하여 달성된다. 응축기 온도는 열 전달 기체의 유속 및/또는 온도를 조절함으로써 제어된다.The present invention generally relates to a method for selectively separating and recovering components of a process gas using a variable temperature condenser. The condenser is about 20 ° C (293K) to about -196 ° C (77K), preferably about 20 ° C (293K) to about -100 ° C (173K), and more preferably about -30 ° C (243K) to about -100 Operating at a temperature of < RTI ID = 0.0 > 173K < / RTI > and from about 10,000 Torr to about 1
본 발명은 부분적으로 (i) 1종 이상의 목적하는 성분 및 1종 이상의 목적하지 않는 성분을 포함하는 기체상 혼합물을 응축 장치로 도입하는 단계, (ii) 열 전달 기체를 활용하여 응축 장치의 온도를 제어하는 단계, 및 (iii) 상기 기체상 혼합물의 일부 이상을 선택적으로 응축하여 상기 1종 이상의 목적하는 성분을 함유하는 회수 내용물을 얻는데 충분한 온도 및 압력에서 응축 장치를 작동시키는 단계를 포함하는 분리 방법에 관한 것이다.The present invention relates in part to (i) introducing a gaseous mixture comprising at least one desired component and at least one undesired component into a condensing apparatus, and (ii) utilizing a heat transfer gas to adjust the temperature of the condensing apparatus. Controlling, and (iii) operating the condensation apparatus at a temperature and pressure sufficient to selectively condense at least a portion of said gaseous mixture to obtain a recovered content containing said at least one desired component. It is about.
또한 본 발명은 부분적으로 (i) 분배(dispensing) 장치에서 상기 유기금속 화합물을 가열하고 증발시켜 원료 기체를 얻는 단계, (ii) 상기 원료 기체를 기판을 함유하는 반응기에 도입하고, 원료 기체가 기판의 표면 상에서 반응하여 금속 함유 박막, 예를 들어 금속 또는 금속 화합물, 예컨대 산화물, 질화물, 탄화물 등을 생성하도록 하는 단계, (iii) 미반응 원료 기체를 포함하는 유출물 기체를 반응기로부터 제거하는 단계, (iv) 유출물 기체를 응축 장치에 도입하는 단계, (v) 열 전달 기체를 활용하여 응축 장치의 온도를 제어하는 단계, 및 (vi) 상기 미반응 원료 기체의 일부 이상을 선택적으로 응축하여 미반응 유기금속 화합물을 함유하는 회수 내용물을 얻기에 충분한 온도 및 압력에서 응축 장치를 작동하는 단계를 포함하는 유기금속 화합물의 회수 방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention provides a method for preparing a raw material gas, comprising: (i) heating and evaporating the organometallic compound in a dispensing apparatus to obtain a raw material gas; (ii) introducing the raw material gas into a reactor containing a substrate, wherein the raw material gas Reacting on the surface of the metal to produce a thin film containing metal, such as a metal or metal compound, such as oxides, nitrides, carbides, etc., (iii) removing effluent gas from the reactor, the effluent gas comprising unreacted raw material gas, (iv) introducing the effluent gas into the condensation unit, (v) controlling the temperature of the condensation unit using a heat transfer gas, and (vi) selectively condensing at least a portion of the unreacted raw material gas to Operating the condensation apparatus at a temperature and pressure sufficient to obtain a recovery content containing the reactive organometallic compound. It is about.
추가로 본 발명은 부분적으로 (i) 유기금속 화합물을 가열하고 증발시켜 원료 기체를 얻기 위한 분배 장치, (ii) 기판의 표면 상에 원료 기체를 반응시켜 금속 함유 박막, 예를 들어 금속 또는 금속 화합물 예컨대 산화물, 질화물, 탄화물 등을 얻기 위한, 기판을 함유하는 반응기, 및 (iii) 미반응 원료 기체를 포함하는 유출물 기체의 일부 이상을 반응기로부터 선택적으로 응축하기 위한, 가변 온도 응축 장치를 포함하는 박막 형성용 장치에 관한 것이다.Further, the present invention relates in part to (i) a dispensing apparatus for heating and evaporating an organometallic compound to obtain a raw material gas, and (ii) reacting the raw material gas on the surface of the substrate to produce a metal-containing thin film, for example a metal or metal compound. A reactor containing a substrate, for example to obtain oxides, nitrides, carbides, and the like, and (iii) a variable temperature condensation device for selectively condensing at least a portion of the effluent gas, including unreacted raw material gas, from the reactor. A device for forming a thin film.
도 1은 예시적인 공정 흐름 및 본 발명과 연관된 상응하는 질량 수지(mass balance)를 도시한다. 이러한 질량 수지는 박막 증착 시스템의 전체에 걸친 상이한 단계에서 공정 기체의 흐름 및 조성을 설명한다.1 shows an exemplary process flow and corresponding mass balance associated with the present invention. This mass balance describes the flow and composition of the process gas at different stages throughout the thin film deposition system.
도 2는 하기 실시예 2에서 사용된 가변 온도 응축기의 개략도이다.2 is a schematic of the variable temperature condenser used in Example 2 below.
도 3은 하기 실시예 2에서의 응축기 온도 및 질소 흐름의 이력을 도시한다.3 shows the history of condenser temperature and nitrogen flow in Example 2 below.
도 4는 하기 실시예 1에서의 암모니아 및 1-에틸-1'-메틸루테노센의 증기압 데이터를 도시한다.4 shows vapor pressure data of ammonia and 1-ethyl-1′-methylruthenocene in Example 1 below.
상기에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 가변 온도 응축기를 사용한다. 가변 온도 응축기는 응축기의 열 제거 속도 및 생성 온도를 제어할 수 있는 능력을 갖는다. 가변 온도 응축기는 우선 저온 열싱크(heat sink) (예를 들어, 액체 질소)에 의해서 냉각된 후에 응축기에 보내어지는 열 전달 기체를 활용한다. 응축기로부터의 열 제거 속도 및 그의 상응하는 온도는 주로 열싱크의 온도 및 열 전달 기체의 흐름에 의해서 제어된다. 가변 온도 응축기는 기체 혼합물을 분리하는데 사용될 수 있다. 응축기의 온도를 제어함으로써, 목적하지 않은 성분을 응축하지 않으면서 혼합물의 목적하는 성분을 응축시킬 수 있다.As indicated above, the present invention uses a variable temperature condenser. Variable temperature condensers have the ability to control the heat removal rate and production temperature of the condenser. The variable temperature condenser first utilizes a heat transfer gas that is cooled by a low temperature heat sink (eg liquid nitrogen) and then sent to the condenser. The rate of heat removal from the condenser and its corresponding temperature is controlled primarily by the temperature of the heat sink and the flow of heat transfer gas. Variable temperature condensers can be used to separate the gas mixture. By controlling the temperature of the condenser, it is possible to condense the desired components of the mixture without condensing the unwanted components.
기체 혼합물 중 목적하지 않은 성분으로부터 목적하는 성분의 선택적 분리를 달성하기 위해서, 가변 온도 응축기를 대략 상온 또는 20℃(293K) 내지 약 -196도(77K), 바람직하게는 대략 상온 내지 20℃(293K) 내지 약 -100℃(173K), 보다 바람직하게는 약 -30℃(243K) 내지 약 -100℃(173K)의 온도에서 작동시킨다. 또한 가변 온도 응축기는 약 10,000 Torr 내지 약 1 X 10-6 Torr, 바람직하게는 약 1,000 Torr 내지 약 1 X 10-3 Torr, 보다 바람직하게는 약 10 Torr 내지 약 0.01 Torr의 압력으로 작동시킨다.In order to achieve selective separation of the desired components from the undesired components in the gas mixture, the variable temperature condenser is approximately room temperature or from 20 ° C. (293K) to about −196 degrees (77K), preferably approximately room temperature to 20 ° C. (293K). ) To about -100 ° C (173K), more preferably about -30 ° C (243K) to about -100 ° C (173K). The variable temperature condenser is also operated at a pressure of about 10,000 Torr to about 1 × 10 −6 Torr, preferably about 1,000 Torr to about 1 × 10 −3 Torr, more preferably about 10 Torr to about 0.01 Torr.
공정 기체로부터 성분을 선택적으로 응축시키는 능력은 정제 및 안전성을 포함하는 중요한 함의를 갖는다. 응축기 온도의 제어는 응축상의 목적하는 성분의 농도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 목적하지 않는 성분의 응축을 방지하는 것은 또한 배치 응축기의 용량을 증가시킨다. 추가로, 특정 성분 (예를 들면, 암모니아 및 산소)은 실온으로 되돌아갈 경우 (예를 들면, 휴면 상태, 용량 도달시 교체, 의도하지 않은 열 손실) 응축기에서 높은 압력을 발생시킬 수 있다. 박막 증착 방법의 낮은 압력 (약 1 Torr)은 일반적으로 유기금속 전구체를 효율적으로(99% 초과) 응축시키기 위해서 낮은 응축기 온도 (-100℃ 내지 -30℃)를 필요로 한다. 불운하게도, 고정 온도 응축기를 사용하면 원치 않는 성분이 응축될 수 있다. 이는 열 제거가 없는 경우에 장치 압력 한계가 초과되는 경우 우발적인 작업자 노출을 야기할 수도 있다.The ability to selectively condense components from the process gas has important implications including purification and safety. Control of the condenser temperature can be used to increase the concentration of the desired component in the condensation phase. Preventing condensation of unwanted components also increases the capacity of the batch condenser. In addition, certain components (eg, ammonia and oxygen) may generate high pressure in the condenser when returning to room temperature (eg, dormant state, replacement upon reaching capacity, unintended heat loss). The low pressure (about 1 Torr) of the thin film deposition method generally requires a low condenser temperature (-100 ° C. to −30 ° C.) to condense the organometallic precursor efficiently (more than 99%). Unfortunately, the use of fixed temperature condensers can condense unwanted components. This may lead to accidental worker exposure if the device pressure limit is exceeded in the absence of heat removal.
열 전달 매체로서 기체를 사용하는 것은 액체를 사용하는 것, 예컨대 폐쇄 루프 글리콜/물 순환기를 사용하는 것에 비해 보다 깨끗하고 안전한 대안이다. 콜드 핑거(cold finger) 중 잔류 유체는 불활성 분위기, 예를 들면 글로브 박스(glove box)에서 빼내는 것을 필요로 하는 공기 민감성 전구체의 회수에 바람직하지 않다.Using gas as the heat transfer medium is a cleaner and safer alternative to using liquids, such as using closed loop glycol / water circulators. Residual fluid in cold fingers is undesirable for the recovery of air sensitive precursors that require pulling out of an inert atmosphere, such as a glove box.
전구체 회수는 최근에 생겨난 기술이다. 종래 관행 및 발명은 고정된 온도 (예를 들면, 냉각조 및 액체 질소)에서 수행되는 콜드 트랩(cold trap)의 사용을 논의하였다. 가변 온도 응축기는 액체에 비해 보다 낮은 기체의 열 용량으로 인해 냉각조보다 빠르게 목적하는 온도에 도달할 수 있다. 열 전달 기체로서 질소를 사용하는 것은 결빙 축적(frost buildup) 및 콜드 핑거 유입관의 가능한 플러깅을 억제하는 추가의 이익이 있다.Precursor recovery is a recent technology. Conventional practices and inventions have discussed the use of cold traps carried out at fixed temperatures (eg, cooling baths and liquid nitrogen). The variable temperature condenser can reach the desired temperature faster than the cooling bath due to the lower heat capacity of the gas compared to the liquid. Using nitrogen as the heat transfer gas has the additional benefit of inhibiting frost buildup and possible plugging of the cold finger inlet ducts.
본 발명은 다양한 전구체 및 보조 반응물의 용도의 관점에서 유연성(flexibility)을 제공한다. 예를 들면, -196℃(예를 들면, 액체 질소)의 온도에서 작동하는 고정 온도 응축기를 사용하는 경우, 일부 환경에서는 전구체가 암모니아 또는 산소를 함유하는 혼합물로부터 안전하게 분리될 수 없다. 반면에 냉각수 트랩(예를 들어, 얼음조)를 사용하는 경우, 온도가 목적하는 성분(예를 들어, 전구체)을 응축시키기에 충분히 낮지 않을 수 있다. 콜드 핑거를 가로지르는 열 구배(불균일성)는 가변 온도 응축기를 사용할 경우 증가된 대류 열 전달로 인해 냉각조 또는 액체 질소 조에 비해 작다.The present invention provides flexibility in terms of the use of various precursors and auxiliary reactants. For example, when using a fixed temperature condenser operating at a temperature of −196 ° C. (eg liquid nitrogen), in some circumstances the precursor cannot be safely separated from the mixture containing ammonia or oxygen. On the other hand, when using a coolant trap (eg ice bath), the temperature may not be low enough to condense the desired component (eg precursor). The thermal gradient across the cold fingers (non-uniformity) is small compared to cooling baths or liquid nitrogen baths due to increased convective heat transfer when using variable temperature condensers.
본 발명의 이점은 종래 기술(고정 온도 응축기)에 비해 증가된 전구체 회수 장치의 유연성이다. 증가된 유연성은 단일 설계에 의해 다양한 유형의 혼합물을 분리할 수 있게 한다.An advantage of the present invention is the increased flexibility of precursor recovery apparatus over the prior art (fixed temperature condenser). Increased flexibility allows the separation of various types of mixtures by a single design.
일반적인 예로서, 전구체 A가 공정 기체의 성분이고 운반 기체 B 및 보조 반응물 C와 결합되어 공정 기체를 형성하는 것을 고려한다. 추가로, 1종 이상의 부산물 (D)는 막 형성 방법의 결과로서 생성된다. 혼합물 (A, B, C 및 D)는 막 형성 반응기를 빠져나가고 응축기를 통과한다. 만약 있다면, 어떤 성분이 응축될 것인지 결정하기 위해서, (1) 각 성분의 유속, (2) 응축기 내 압력, (3) 응축기의 온도 및 (4) 각 성분의 증기압 곡선을 알 필요가 있다.As a general example, consider that precursor A is a component of the process gas and combines with carrier gas B and auxiliary reactant C to form the process gas. In addition, at least one by-product (D) is produced as a result of the film formation method. The mixtures (A, B, C and D) exit the film forming reactor and pass through a condenser. If so, it is necessary to know the flow rate of each component, (2) the pressure in the condenser, (3) the temperature of the condenser and (4) the vapor pressure curve of each component to determine which components will condense.
한 실시양태에서, 본 발명은 유기금속 화합물 성분을 통상적으로 폐기하는 배출 기체로부터 선택적으로 회수하는 단계 및 임의로는 회수된 유기금속 화합물을 정제하여 증착에 의한 막 형성 단계에서 형성된 부산물을 제거하는 정제 단계를 포함하는 박막 형성을 위한 증착 방법이다. 이 방법에 따르면, 유기금속 화합물을 재순환한다. 회수 기술로서, 본 발명은 배출 기체를 냉각하고 회수된 내용물로서 회수하는 기술을 사용한다. 임의의 정제 기술은 회수된 내용물을 증류하는 것이다. 이러한 증착 박막 공정은 본원에 기술된 바와 같이 가변 온도 응축기를 활용하여 유기금속 화합물을 선택적으로 회수한다.In one embodiment, the present invention provides a purification step of selectively recovering an organometallic compound component from an off-gas which is typically disposed of and optionally purifying the recovered organometallic compound to remove by-products formed in the film formation step by deposition. Deposition method for forming a thin film comprising a. According to this method, the organometallic compound is recycled. As a recovery technique, the present invention uses the technique of cooling the exhaust gas and recovering it as recovered contents. Any purification technique is to distill the recovered contents. This deposition thin film process utilizes a variable temperature condenser as described herein to selectively recover organometallic compounds.
본 발명의 한 실시양태는 박막 증착 시스템의 하류에 가변 온도 응축기를 위치시키는 것을 포함한다. 배출 기체 혼합물이 가변 온도 응축기를 통해 흐름에 따라, 가변 온도 응축기의 내부 표면의 온도가 어떤 성분이 응축되고 어떤 것이 통과하는지를 지시할 것이다. 실험 데이터가 없는 경우, 증기압 데이터를 목적하는 성분의 보유 및 분리 선택도 (응축된 목적하는 성분%/응축된 목적하지 않은 성분%)를 모두 최대화시키는 최적 온도를 결정하는데 사용할 수 있다. 미사용 전구체를 배출 기체 혼합물로부터 응축하는 최종 목표는 박막 증착을 위한 원료로서 이를 재사용하는 것이다. 전구체를 재사용하기 전에, 바람직하게는 정제하여 공정에 의해서 도입된 불순물을 제거해야 한다. 후속 정제 비용은 정제 공정 중 제1 단계로서 가변 온도 응축기를 사용하여 최소화할 수 있다.One embodiment of the invention includes positioning a variable temperature condenser downstream of the thin film deposition system. As the exhaust gas mixture flows through the variable temperature condenser, the temperature of the inner surface of the variable temperature condenser will indicate which components are condensed and which are passed through. In the absence of experimental data, vapor pressure data can be used to determine the optimum temperature that maximizes both retention and separation selectivity of the desired component (% condensed desired component /% condensed undesired component). The final goal of condensing the unused precursor from the exhaust gas mixture is to reuse it as raw material for thin film deposition. Prior to reuse of the precursor, it should preferably be purified to remove impurities introduced by the process. Subsequent purification costs can be minimized by using a variable temperature condenser as the first step in the purification process.
회수된 유기금속 화합물을 정제하는 것은 선택사항이다. 정제 단계에서, 원료 기체의 반응을 통해 형성된 반응 부산물 (분해 생성물)이 증착에 의해 막 형성 단계에서 배출 기체로 도입되기 때문에, 반응 부산물을 회수된 유기금속 화합물 성분으로부터 분리하고 제거할 수 있다.Purification of the recovered organometallic compound is optional. In the purification step, since reaction by-products (decomposition products) formed through the reaction of the raw gas are introduced into the exhaust gas in the film formation step by deposition, the reaction by-products can be separated and removed from the recovered organometallic compound component.
본 발명의 한 실시양태는 유기금속 화합물을 가열하고 증발시켜 원료 기체를 생성하는 증발 단계, 기판 상에 원료 기체를 도입하고 원료 기체를 기판의 표면 상에서 반응시켜 금속 함유 박막, 예를 들어 금속 또는 금속 화합물, 예컨대 산화물, 질화물, 탄화물 등을 생성하는 박막 형성 단계, 및 박막 형성 단계에서 형성된 반응 생성물 및 미반응 원료 기체를 함유하는 배출 기체를 냉각시켜 미반응 원료 기체를 응축 또는 고화시켜 액체 또는 고체 유기금속 화합물을 함유하는 회수 내용물을 생성하는 회수 단계를 포함하는 박막 형성을 위한 증착 방법을 포함한다. 임의로는 방법은 회수 내용물로부터 유기금속 화합물을 분리하고 정제하는 정제 단계를 포함한다.One embodiment of the present invention provides an evaporation step of heating and evaporating an organometallic compound to produce a source gas, introducing the source gas onto the substrate and reacting the source gas on the surface of the substrate to produce a metal-containing thin film, such as a metal or metal A thin film forming step for producing a compound such as an oxide, nitride, carbide, and the like, and the exhaust gas containing the reaction product and the unreacted raw material gas formed in the thin film forming step is cooled to condense or solidify the unreacted raw material gas to form a liquid or solid organic compound. A deposition method for forming a thin film comprising a recovery step of producing recovery contents containing a metal compound. Optionally, the method includes a purification step of separating and purifying the organometallic compound from the recovered contents.
유기금속 화합물은 일반적으로 낮은 융점 및 비점을 나타내기 때문에, 상 변화는 상대적으로 낮은 온도에서 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면, 배출 기체를 냉각시켜 유기금속 화합물의 기체 상태로에서 고체 상태 또는 액체 상태로의 상변화를 유도하여 유기금속 화합물을 회수한다. 회수된 유기금속 화합물을 임의로는 추가로 정제하여 고순도 유기금속 화합물을 생성한다. 본 발명은 미반응 유기금속 화합물을 함유한 성분을 회수할 수 있고, 재순환될 수 있는 상태로 유기금속 화합물을 추출할 수 있다. 따라서, 본 발명은 재료의 이용 효율이 낮은 경우에도, 재순환되는 유기금속 화합물을 통해서 박막의 생산 비용을 줄일 수 있다.Since organometallic compounds generally exhibit low melting and boiling points, phase changes can occur at relatively low temperatures. According to the present invention, the exhaust gas is cooled to induce a phase change of the organometallic compound from the gas phase to the solid state or the liquid state to recover the organometallic compound. The recovered organometallic compound is optionally further purified to produce a high purity organometallic compound. The present invention can recover the component containing the unreacted organometallic compound, and can extract the organometallic compound in a state that can be recycled. Therefore, the present invention can reduce the production cost of the thin film through the organometallic compound to be recycled, even when the use efficiency of the material is low.
한 실시양태에서, 본 발명은 (i) 증기상 반응물 분배 장치를 제공하고, (ii) 유기금속 화합물을 포함하며 상온에서 액체 또는 고체인 반응물을 상기 증기상 반응물 분배 장치에 첨가하고, (iii) 반응물을 증발시키기에 충분한 온도로 상기 증기상 반응물 분배 장치에서 반응물을 가열하여 증기상 반응물을 제공하고, (iv) 상기 증기상 반응물 분배 장치에 운반 기체를 공급하고, (v) 증기상 반응물 및 운반 기체를 상기 증기상 반응물 분배 장치로부터 상기 증기상 반응물 배출 라인을 통해 배출하고, (vi) 증기상 반응물 및 운반 기체를 증착 챔버에 공급하고, (vii) 증기상 반응물을 증착 챔버 내의 가열가능한 서셉터(susceptor) 상의 기판과 접촉시키고, (viii) 임의의 남아있는 유출물을 증착 챔버에 연결된 유출물 배출 라인을 통해 배출하고, (ix) 미반응 증기상 반응물을 포함하는 유출물을 응축 장치에 공급하고, (x) 열 전달 기체를 활용하여 응축 장치의 온도를 제어하고, (xi) 상기 미반응 증기상 반응물의 일부 이상을 선택적으로 응축시켜 미반응 유기금속 화합물을 함유하는 회수 내용물을 생성하기에 충분한 온도 및 압력에서 응축 장치를 작동시키는 것을 포함하는 유기금속 화합물의 회수 방법에 관한 것이다.In one embodiment, the present invention provides (i) providing a vapor phase reactant distribution device, (ii) adding a reactant comprising an organometallic compound and liquid or solid at room temperature to the vapor phase reactant distribution device, and (iii) Heating the reactants in the vapor phase reactant distribution device to a temperature sufficient to evaporate the reactants to provide vapor phase reactants, (iv) supply a carrier gas to the vapor phase reactant distribution device, and (v) vapor phase reactants and transport Evacuating gas from the vapor phase reactant distribution device through the vapor phase reactant discharge line, (vi) supplying vapor phase reactant and carrier gas to the deposition chamber, and (vii) heating the vapor phase reactant in the deposition chamber. (viii) drain any remaining effluent through the effluent discharge line connected to the deposition chamber, and (ix) unreacted vapor phase reaction. Effluent containing water is supplied to the condensation unit, (x) the heat transfer gas is used to control the temperature of the condensation unit, and (xi) selectively condenses at least a portion of the unreacted vapor phase reactants to unreacted organic A method of recovering an organometallic compound comprising operating the condensation apparatus at a temperature and pressure sufficient to produce a recovery content containing the metal compound.
도 1은 예시적인 공정 흐름 및 본 발명에 관련된 상응하는 질량 수지를 기술한다. 이러한 질량 수지는 박막 증착 시스템 전체에 걸친 상이한 단계에서 공정 기체의 흐름 및 조성을 설명한다. 각 노드(node)로 들어가고 나오는 전체 흐름(들)은 아래첨자로 표기하였다 (예를 들어, 노드 1에서 2로의 전체 흐름은 "F12"로 표기함). 전구체의 흐름은 아래첨자 "pre"를 첨가하여 표기하였다 (예를 들어, 노드 2에서 3으로의 전구체 흐름은 "Fpre23"으로 표기함).1 describes an exemplary process flow and corresponding mass resins associated with the present invention. This mass balance describes the flow and composition of the process gas at different stages throughout the thin film deposition system. The total flow (s) entering and exiting each node is indicated by subscripts (for example, the total flow from
증발 기체 (예를 들어, 질소, 아르곤 및 헬륨)은 전구체 증발기 (노드 3)에서 전달 시스템 (노드 5)로 전구체 증기를 이송하는데 사용된다. 증발기를 빠져나가는 기체 혼합물 중 전구체의 몰 분율은 xpre35로서 표기된다. 증발기를 빠져나가는 혼합물이 전구체로 포화된다고 가정하는 경우, xpre35의 이론적 값은 전구체 증기압을 전체 압력으로 나눈 값과 동일하다. 실제로, 혼합물은 완전히 포화되지 않을 수 있고, 포화도 (0 내지 100%)는 장비 및 공정 조건에 따라 변할 수 있다. 포화도는 공정 조건의 함수로서 측정되고 연관지을 수 있다. 단순하게 하기 위하여, 포화도를 100%로 가정하겠다.Evaporative gases (eg, nitrogen, argon and helium) are used to transfer precursor vapor from the precursor evaporator (node 3) to the delivery system (node 5). The molar fraction of precursor in the gas mixture leaving the evaporator is denoted as x pre35 . Assuming that the mixture exiting the evaporator is saturated with the precursor, the theoretical value of x pre35 is equal to the precursor vapor pressure divided by the total pressure. In practice, the mixture may not be fully saturated and the saturation (0-100%) may vary depending on the equipment and process conditions. Saturation can be measured and correlated as a function of process conditions. For simplicity, the saturation is assumed to be 100%.
보조 반응물 (예를 들어, 수소, 산소)을 비롯한 추가 기체 종을 전달 시스템의 공정 기체 혼합물에 첨가한다. 전달 시스템으로부터, 공정 기체는 반응기로 보내어진다. 반응기 내의 기판을 목적하는 조건(예를 들어, 온도 및 압력)에서 공정 기체와 접촉시켜 적절한 특성(예를 들어, 두께, 조성 및 형상)을 갖는 박막을 증착시킨다. Fpre67로 표기된 반응기 중 전구체 소비에 대한 2개의 주된 경로는 의도된 기판 상에 증착된 막 및 반응기 내부 표면 상의 목적하지 않은 막 침착물이다. 역시 바람직하지 않으나, 전구체는 또한 기체상 반응에 의해서 소비될 수도 있다.Additional gas species, including auxiliary reactants (eg hydrogen, oxygen), are added to the process gas mixture of the delivery system. From the delivery system, process gas is sent to the reactor. The substrate in the reactor is contacted with the process gas at the desired conditions (eg, temperature and pressure) to deposit a thin film having suitable properties (eg, thickness, composition and shape). Two main pathways for precursor consumption in the reactor labeled F pre67 are films deposited on the intended substrate and undesired film deposits on the reactor inner surface. Again undesirable, the precursor may also be consumed by gas phase reaction.
증발된 전구체의 양(Fpre23)으로 나눈 반응기에서 소비된 전구체의 양(Fpre67)은 전구체 이용률 (또한 증착 효율로 불리움)로서 정의된다. 많은 박막 공정에 있어서, 전구체 이용률은 100% 미만이다. 전구체 이용률이 매우 낮은 (예를 들어, 10% 미만) 공정의 경우, 낮은 전구체 이용률은 기술적 성능을 기준으로 바람직한 용액인 전구체의 사용을 제한할 수 있다. 미사용 전구체를 응축 및 재순환하는 것은 최적의 막 특성을 생성하는 보다 고가의 전구체의 사용을 가능하게 할 수 있다.The amount of precursor consumed in the reactor (F pre67 ) divided by the amount of precursor evaporated (F pre23 ) is defined as precursor utilization (also called deposition efficiency). In many thin film processes, the precursor utilization is less than 100%. For processes with very low precursor utilization (eg, less than 10%), low precursor utilization may limit the use of precursors, which are preferred solutions based on technical performance. Condensing and recycling unused precursors may enable the use of more expensive precursors that produce optimal film properties.
상기 기술된 바와 같은 액체 유기금속 화합물 전구체는 미립자화되고 기판 상에 분무될 수도 있다. 사용될 수 있는 미립자화 및 분무 장치, 예컨대 노즐, 분무기 등은 당업계에 공지되어 있다.Liquid organometallic compound precursors as described above may be atomized and sprayed onto the substrate. Particulate and spray devices such as nozzles, sprayers and the like that can be used are known in the art.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 기술된 것과 같은 유기금속 화합물은 분말, 막 또는 코팅을 형성하는 기상 증착 기법에서 사용된다. 화합물은 단일 원료 전구체로서 사용될 수도 있거나, 또는 1종 이상의 다른 전구체, 예를 들어 1종 이상의 다른 유기금속 화합물 또는 금속 착물을 가열하여 생성된 증기와 함께 사용될 수도 있다. 상기 기술된 것과 같은 유기금속 화합물 전구체 하나 초과를 소정의 공정에 사용할 수도 있다.In a preferred embodiment of the invention, organometallic compounds as described above are used in vapor deposition techniques to form powders, films or coatings. The compound may be used as a single source precursor or may be used with steam generated by heating one or more other precursors, for example one or more other organometallic compounds or metal complexes. More than one organometallic compound precursor, such as those described above, may be used in certain processes.
증착은 다른 기체상 성분의 존재하에서 수행할 수 있다. 본 발명의 한 실시양태에서, 막 증착은 1종 이상의 비반응성 운반 기체의 존재하에서 수행한다. 비반응성 기체의 예는 공정 조건 하에서 유기금속 화합물 전구체와 반응하지 않는 불활성 기체, 예를 들어, 질소, 아르곤, 헬륨 및 기타 기체를 포함한다. 다른 실시양태에서, 막 증착은 1종 이상의 반응성 기체의 존재하에서 수행한다. 사용될 수 있는 일부 반응성 기체는 히드라진, 산소, 수소, 공기, 산소가 풍부한 공기, 오존(O3), 산화질소(N2O), 수증기, 유기물 증기, 암모니아 등을 포함하되 이에 제한되지 않는다. 당업계에 공지된 바와 같이, 산화성 기체, 예컨대 공기, 산소, 산소가 풍부한 공기, O3, N2O 또는 산화성 유기 화합물의 증기의 존재는 금속 산화물 막의 형성에 유리하다.Deposition can be performed in the presence of other gas phase components. In one embodiment of the invention, the film deposition is performed in the presence of at least one non-reactive carrier gas. Examples of non-reactive gases include inert gases such as nitrogen, argon, helium and other gases that do not react with the organometallic compound precursor under process conditions. In other embodiments, film deposition is performed in the presence of one or more reactive gases. Some reactive gases that may be used include, but are not limited to, hydrazine, oxygen, hydrogen, air, oxygen rich air, ozone (O 3 ), nitrogen oxides (N 2 O), water vapor, organic vapors, ammonia, and the like. As is known in the art, the presence of oxidizing gases such as air, oxygen, oxygen rich air, O 3 , N 2 O or vapors of oxidative organic compounds is advantageous for the formation of metal oxide films.
한 실시양태에서, 수소 또는 다른 환원성 기체를 300℃ 미만의 온도에서 BEOL (생산라인 후단) 원자층 증착 공정에 사용하여, 증착을 BEOL 집적 전략의 나머지와 상용성 있는 방식으로 수행할 수 있다. 루테늄을 사용한 BEOL 연결부(interconnect) 형성을 위한 예시적인 원자층 증착 전략은, 낮은 K 복구, 탄탈 질화물 원자층 증착, 루테늄 원자층 증착 및 구리 전기화학적 증착이다. 수소 환원가능한 루테늄 착물을 또한 MIM 스택 전지 DRAM 캐패시터에서 루테늄 집적에 사용할 수 있다.In one embodiment, hydrogen or other reducing gas can be used in a BEOL (post-production line) atomic layer deposition process at a temperature below 300 ° C., so that deposition can be performed in a manner compatible with the rest of the BEOL integration strategy. Exemplary atomic layer deposition strategies for forming BEOL interconnects using ruthenium are low K recovery, tantalum nitride atomic layer deposition, ruthenium atomic layer deposition and copper electrochemical deposition. Hydrogen-reducible ruthenium complexes can also be used for ruthenium integration in MIM stack cell DRAM capacitors.
본원에 기술된 증착 방법을 수행하여 단일 금속을 포함하는 막, 분말 또는 코팅, 또는 단일 금속 또는 금속 화합물, 예컨대 산화물, 질화물, 탄화물 등을 포함하는 막, 분말 또는 코팅을 형성할 수 있다. 혼합된 막, 분말 또는 코팅, 예를 들어 혼합 금속 산화물 막을 증착할 수도 있다. 혼합 금속 산화물 막은 예를 들어, 적어도 하나는 상기 기술된 유기금속 화합물로부터 선택된 다수의 유기금속 전구체를 사용함으로써 형성할 수 있다.The deposition methods described herein can be performed to form a film, powder or coating comprising a single metal, or a film, powder or coating comprising a single metal or metal compound such as oxides, nitrides, carbides and the like. Mixed films, powders or coatings may also be deposited, for example mixed metal oxide films. The mixed metal oxide film can be formed, for example, by using a plurality of organometallic precursors selected from at least one of the organometallic compounds described above.
증기상 막 증착을 수행하여 목적하는 두께, 예를 들어 약 1 nm 내지 1 mm 초과의 범위의 막을 형성할 수 있다. 본원에 기술된 전구체는 특히 박막, 예를 들어 약 10 nm 내지 약 100 nm의 범위의 두께를 갖는 막을 생성하는데 매우 유용하다. 본 발명의 막은 특히 예를 들어, CMOS(상보성 금속 산화막 반도체) 로직에서 p형 금속 전극으로서, DRAM 분야에 대한 캐패시터 전극으로서 및 유전체 물질으로서 금속 전극 제조에 고려될 수 있다.Vapor phase film deposition can be performed to form a film in a desired thickness, for example in the range of about 1 nm to more than 1 mm. The precursors described herein are particularly useful for producing thin films, such as films having a thickness in the range of about 10 nm to about 100 nm. The film of the present invention can be considered in particular in the manufacture of metal electrodes, for example, as p-type metal electrodes in CMOS (complementary metal oxide semiconductor) logic, as capacitor electrodes for DRAM applications and as dielectric materials.
또한, 방법은 2개 이상의 층이 상 또는 조성이 상이한 층화된 막을 제조하는데 적합하다. 층화된 막의 예는 금속-절연체-반도체, 및 금속-절연체-금속을 포함한다.The method is also suitable for producing layered films in which two or more layers differ in phase or composition. Examples of layered films include metal-insulator-semiconductors, and metal-insulator-metals.
한 실시양태에서, 본 발명은 상기 기술된 유기금속 화합물 전구체의 증기를 열적으로, 화학적으로, 광화학적으로, 또는 플라즈마 활성화에 의해서 분해하여 기판 상에 막을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 예를 들면, 화합물에 의해 생성된 증기를 유기금속 화합물이 분해되어 기판 상에 막을 형성하도록 하기에 충분한 온도를 갖는 기판과 접촉시킨다.In one embodiment, the present invention relates to a method comprising the step of thermally, chemically, photochemically, or by plasma activation the vapor of the organometallic compound precursor described above to form a film on a substrate. For example, the vapor generated by the compound is contacted with a substrate having a temperature sufficient to allow the organometallic compound to decompose to form a film on the substrate.
유기금속 화합물 전구체는 화학적 증기 증착, 또는 보다 구체적으로 당업계에 공지된 금속유기 화학적 증착 공정에 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기술된 유기금속 화합물 전구체는 저압 뿐만 아니라 대기 중의 화학적 증착 공정에 사용될 수 있다. 화합물은 전체 반응 챔버가 가열되는 방법인 고온 벽 화학적 증착 및 단지 기판이 가열되는 기술인 저온 벽 또는 고온 벽 유형의 화학적 증착에 사용할 수 있다.Organometallic compound precursors may be used in chemical vapor deposition, or more specifically metalorganic chemical vapor deposition processes known in the art. For example, the organometallic compound precursors described above can be used in low pressure as well as chemical vapor deposition processes in the atmosphere. The compounds can be used for high temperature wall chemical vapor deposition, in which the entire reaction chamber is heated, and for low temperature wall or hot wall type chemical vapor deposition, in which only the substrate is heated.
상기 기술된 유기금속 화합물 전구체는 플라즈마 또는 광-보조 화학적 증착 방법에 사용할 수 있고, 이 방법에서는 플라즈마로부터의 에너지 또는 전자기 에너지를 각각 화학적 증착 전구체를 활성화시키는데 사용한다. 또한, 화합물은 각각 이온빔 또는 전자빔을 기판에 보내어 화학적 증착 전구체를 분해하기 위한 에너지를 공급하는, 이온빔, 전자빔 보조 화학적 증착 공정에 사용될 수 있다. 레이저 광을 기판에 보내어 화학적 증착 전구체의 광분해 반응에 영향을 주는 레이저 보조 화학적 증착 방법도 또한 사용할 수 있다.The organometallic compound precursors described above can be used in a plasma or light-assisted chemical vapor deposition method, wherein energy or electromagnetic energy from the plasma is used to activate the chemical vapor deposition precursor, respectively. In addition, the compounds may be used in ion beam, electron beam assisted chemical vapor deposition processes, each of which sends an ion beam or electron beam to a substrate to supply energy for decomposing the chemical vapor deposition precursor. Laser assisted chemical vapor deposition methods can also be used that direct laser light to a substrate to affect the photolysis reaction of the chemical vapor deposition precursor.
본 발명의 방법은 당업계에 공지된 다양한 화학 증착 반응기, 예컨대 고온 또는 저온 벽 반응기, 플라즈마 보조, 빔-보조 또는 레이저-보조 반응기에서 수행할 수 있다.The process of the invention can be carried out in a variety of chemical vapor deposition reactors known in the art, such as hot or cold wall reactors, plasma assisted, beam assisted or laser assisted reactors.
본 발명의 방법을 사용하여 코팅할 수 있는 기판의 예는 고체 기판, 예컨대 금속 기판, 예를 들어 Al, Ni, Ti, Co, Pt, Ta; 금속 규화물, 예를 들어 TiSi2, CoSi2, NiSi2; 반도체 재료, 예를 들어 Si, SiGe, GaAs, InP, 다이아몬드, GaN, SiC; 절연체, 예를 들어 SiO2, Si3N4, HfO2, Ta2O5, Al2O3, 바륨 스트론튬 티타네이트(BST); 장벽 재료, 예를 들어 TiN, TaN; 또는 재료의 조합물을 포함하는 기판을 포함한다. 추가로, 막 또는 코팅물을 유리, 세라믹, 플라스틱, 열경화성 중합체 재료 및 다른 코팅물 또는 막 층 상에 형성할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 막 증착을 전자 부품의 제조 또는 가공시 사용되는 기판에 실시한다. 다른 실시양태에서, 기판을 사용하여 고온에서 산화제의 존재하에 안정한 저 저항률 전도체 침착물 또는 광학적으로 투과하는 막을 지지한다.Examples of substrates that can be coated using the method of the invention include solid substrates such as metal substrates such as Al, Ni, Ti, Co, Pt, Ta; Metal silicides such as TiSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 ; Semiconductor materials such as Si, SiGe, GaAs, InP, diamond, GaN, SiC; Insulators such as SiO 2 , Si 3 N 4 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , barium strontium titanate (BST); Barrier materials such as TiN, TaN; Or a substrate comprising a combination of materials. In addition, films or coatings may be formed on glass, ceramics, plastics, thermoset polymeric materials and other coatings or film layers. In a preferred embodiment, film deposition is carried out on substrates used in the manufacture or processing of electronic components. In other embodiments, the substrates are used to support low resistivity conductor deposits or optically transmissive films that are stable in the presence of oxidants at high temperatures.
본 발명의 방법을 수행하여 매끈하고 평평한 표면을 갖는 기판 상에 막을 침착시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 이 방법을 수행하여 웨이퍼 제조 또는 가공시 사용되는 기판 상에 막을 침착시킨다. 예를 들면, 이 방법을 수행하여 형상, 예컨대 홈(trench), 구멍(hole) 또는 비아(via)를 포함하는 패턴화된 기판 상에 막을 침착시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 웨이퍼 제조 또는 가공의 다른 단계, 예를 들어 마스킹, 에칭 등과 통합될 수 있다.The method of the present invention can be performed to deposit a film on a substrate having a smooth and flat surface. In one embodiment, this method is performed to deposit a film on a substrate used in wafer fabrication or processing. For example, this method can be performed to deposit a film on a patterned substrate that includes a shape, such as a trench, hole, or via. In addition, the method of the present invention can be integrated with other steps of wafer fabrication or processing, such as masking, etching, and the like.
화학적 증착 막은 목적하는 두께로 증착할 수 있다. 예를 들어, 형성된 막은 1 마이크로미터 미만, 바람직하게는 500 나노미터 미만, 보다 바람직하게는 200 나노미터 미만의 두께일 수 있다. 50 나노미터 미만의 두께인 막, 예를 들어 약 0.1 내지 약 20 나노미터의 두께를 갖는 막도 또한 생성할 수 있다.Chemical vapor deposition films may be deposited to a desired thickness. For example, the formed film may be less than 1 micrometer thick, preferably less than 500 nanometer thick, more preferably less than 200 nanometer thick. Membranes having a thickness of less than 50 nanometers, such as those having a thickness of about 0.1 to about 20 nanometers, may also be produced.
상기 기술된 유기금속 화합물 전구체는 또한 본 발명의 방법에서, 전구체의 펄스, 반응성 기체 (예를 들어, 산화제) 및 불활성 기체 스트림에 교대로 기판을 노출시키는, 원자층 증착(ALD) 또는 원자층 핵화(ALN) 기술에 의해 막을 형성하기 위해 사용할 수 있다. 순차적 층 침착 기술은 예를 들어 미국 특허 제6,287,965호 및 동 제6,342,277호에 기술되어 있다. 두 특허의 개시 내용은 그 전체를 참고로 본원에 인용한다.The organometallic compound precursors described above are also in the process of the invention, atomic layer deposition (ALD) or atomic layer nucleation, which in turn exposes the substrate to a pulse, reactive gas (eg oxidant) and inert gas stream of the precursor. It can be used to form a film by the (ALN) technique. Sequential layer deposition techniques are described, for example, in US Pat. Nos. 6,287,965 and 6,342,277. The disclosures of both patents are incorporated herein by reference in their entirety.
예를 들어, 하나의 ALD 주기에서, 기판을 단계적인 방식으로 a) 불활성 기체, b) 전구체 증기를 운반하는 불활성 기체, c) 불활성 기체, 및 d) 산화제(단독 또는 불활성 기체와 함께)에 노출시킨다. 일반적으로, 각 단계는 장비가 허용하는 정도까지 짧게 (예를 들어, 밀리초) 및 공정이 필요로 하는 정도까지 길게 (예를 들어, 수초 내지 수분) 할 수 있다. 일 주기의 기간은 짧게 밀리초 및 길게 수 분일 수 있다. 주기는 수 분에서 수 시간의 범위일 수 있는 주기에 걸쳐서 반복된다. 생성된 막은 수 나노미터로 얇게 또는 예를 들어 1 밀리미터 (mm)로 보다 두껍게 할 수 있다.For example, in one ALD cycle, the substrate is exposed in a stepwise manner to a) an inert gas, b) an inert gas carrying precursor vapor, c) an inert gas, and d) an oxidant (alone or with an inert gas). Let's do it. In general, each step can be as short as the equipment allows (eg milliseconds) and as long as the process requires (eg several seconds to several minutes). The duration of the work cycle can be short milliseconds and long minutes. The cycle is repeated over a period that may range from minutes to hours. The resulting film can be as thin as a few nanometers or thicker, for example 1 millimeter (mm).
전구체는 분해되어 기판 상에 금속 함유 막을 형성한다. 또한, 반응은 전구체로부터 유기 재료를 생성한다. 유기 재료는 용매 유체에 의해서 용해되고 기판으로부터 쉽게 제거된다. 또한 금속 산화물 막을 예를 들어 산화 기체를 사용함으로써 형성할 수 있다.The precursor decomposes to form a metal containing film on the substrate. The reaction also produces organic materials from the precursors. The organic material is dissolved by the solvent fluid and easily removed from the substrate. It is also possible to form a metal oxide film by using an oxidizing gas, for example.
한 예로, 분해 공정은 1개 이상의 기판을 수납한 반응 챔버에서 수행한다. 전체 챔버를 예를 들어 노(furnace)를 사용하여 가열함으로써 기판을 목적하는 온도로 가열한다. 유기금속 화합물의 증기는 예를 들어, 챔버에 진공을 가함으로써 생성할 수 있다. 저비점 화합물에 대해서, 챔버는 화합물의 증발을 유발할 정도로 충분하게 고온일 수 있다. 증기는 가열된 기판의 표면에 접촉하면서 분해되고 금속 함유 막, 예를 들어 금속 또는 금속 화합물, 예컨대 산화물, 질화물, 탄화물 등을 형성한다. 상기 기술된 바와 같이, 유기금속 화합물 전구체는 단독으로 또는 1종 이상의 성분, 예컨대 다른 유기금속 전구체, 불활성 운반 기체 또는 반응성 기체와 조합하여 사용할 수 있다.As an example, the decomposition process is performed in a reaction chamber containing one or more substrates. The entire chamber is heated to the desired temperature, for example by using a furnace to heat it. Vapors of organometallic compounds can be produced, for example, by applying a vacuum to the chamber. For low boiling compounds, the chamber may be hot enough to cause evaporation of the compound. The vapor decomposes in contact with the surface of the heated substrate and forms a metal containing film such as a metal or metal compound such as oxides, nitrides, carbides and the like. As described above, the organometallic compound precursor may be used alone or in combination with one or more components, such as other organometallic precursors, inert carrier gases or reactive gases.
본 발명의 방법에 의한 막 생성시 사용될 수 있는 시스템에서, 원료는 가스-블렌딩 다기관(manifold)로 보내어져 막 성장이 수행되는 증착 반응기에 공급되는 공정 기체를 생성할 수 있다. 원료는 운반 기체, 반응성 기체, 퍼징 기체, 전구체, 에칭/세정 기체 등을 포함하되 이에 제한되지 않는다. 공정 기체 조성의 정확한 제어는 질량 흐름 조절기, 밸브, 압력 변환기, 및 당업계에 공지된 다른 장치를 사용하여 달성된다. 배출 다기관은 우회 스트림 뿐만 아니라 증착 반응기를 빠져나가는 기체를 진공 펌프로 운반할 수 있다. 진공 펌프 하류의 제거 시스템을 사용하여 배출 가스로부터 임의의 독성 물질을 제거할 수 있다. 증착 시스템은 공정 기체 조성의 측정을 가능케 하는, 잔류 기체 분석기를 포함하는 원위치(in-situ) 분석 시스템을 장착할 수 있다. 제어 및 데이터 수집 시스템은 다양한 공정 매개변수(예를 들어, 온도, 압력 유속 등)를 모니터링할 수 있다.In a system that can be used in film formation by the method of the present invention, the raw material can be sent to a gas-blending manifold to produce a process gas that is fed to a deposition reactor in which film growth is performed. Raw materials include, but are not limited to, carrier gases, reactive gases, purging gases, precursors, etching / cleaning gases, and the like. Accurate control of the process gas composition is achieved using mass flow regulators, valves, pressure transducers, and other devices known in the art. The exhaust manifold can carry the gas exiting the deposition reactor as well as the bypass stream to a vacuum pump. A removal system downstream of the vacuum pump can be used to remove any toxic material from the exhaust gas. The deposition system may be equipped with an in-situ analysis system that includes a residual gas analyzer that enables measurement of process gas composition. Control and data collection systems can monitor various process parameters (eg, temperature, pressure flow rate, etc.).
상기 기술된 유기금속 화합물 전구체를 사용하여 단일 금속을 포함하는 막, 또는 단일 금속 산화물, 질화물, 탄화물 등을 포함하는 막을 생성할 수 있다. 혼합된 막, 예를 들어 혼합된 금속 함유 막을 증착할 수도 있다. 이러한 막은 예를 들어 여러 유기금속 전구체를 사용하여 생성한다. 금속 막은 예를 들어 운반 기체, 증기 또는 다른 산소 공급원을 사용하지 않고 형성할 수도 있다.The organometallic compound precursors described above can be used to produce a film comprising a single metal, or a film comprising a single metal oxide, nitride, carbide, and the like. It is also possible to deposit mixed films, for example mixed metal containing films. Such films are produced using, for example, various organometallic precursors. The metal film may be formed, for example, without the use of a carrier gas, steam or other oxygen source.
본원에 기술된 방법에 의해 형성된 막은 당업계에 공지된 방법, 예를 들어 X선 회절, 오제 분광법(Auger spectroscopy), X-선 광전자 방출 분광법, 원자력 분광법, 주사 전자 현미경 및 당업계에 공지된 다른 기술에 의해서 특성화할 수 있다. 막의 저항률 및 열 안정성은 당업계에 공지된 방법에 의해서 측정할 수 있다.Membranes formed by the methods described herein are methods known in the art, such as X-ray diffraction, Auger spectroscopy, X-ray photoelectron emission spectroscopy, nuclear spectroscopy, scanning electron microscopy and other known in the art. It can be characterized by technology. The resistivity and thermal stability of the membrane can be measured by methods known in the art.
다시 도 1을 참조하면, 막 형성에 소비되지 않은 전구체는 반응기 배출물로 빠져나간다. 반응기로부터 배출된 공정 기체의 조성은 전구체 이용률에 기초하여 계산된다. 반응기 하류의 응축기를 사용하여 증기상으로부터 성분을 제거할 수 있다. 응축기의 온도는 응축상의 조성에 영향을 받을 것이다. 전구체 회수에 있어서, 목표는 전구체의 응축을 최대화하고 다른 종의 응축을 최소화하는 것이다. 전구체가 응축기의 기체상에서 포화 상태에 도달할 경우, 응축기를 빠져나가는 전구체의 이론적 몰 분율(xpre810)을 전구체 증기압을 전체 압력으로 나눔으로써 계산할 수 있다. 전구체 증발기에 관한 종래의 논의와 유사하게, 실제로 응축기의 포화도는 100%가 아니다. 응축기 온도는 전구체의 최대량을 유지하고 다른 종의 응축에 대한 전구체 응축의 선택도를 최적화하도록 제어되어야 한다. 응축기 효율은 응축기에서 응축된 전구체의 양을 응축기에 도입된 전구체의 양으로 나눈 것으로 정의된다.Referring again to FIG. 1, precursors not consumed for film formation exit to the reactor effluent. The composition of the process gas exiting the reactor is calculated based on the precursor utilization. Condensers downstream of the reactor can be used to remove components from the vapor phase. The temperature of the condenser will be affected by the composition of the condensate phase. In precursor recovery, the goal is to maximize the condensation of the precursor and minimize the condensation of other species. When the precursor reaches saturation in the gas phase of the condenser, the theoretical mole fraction (x pre810 ) of the precursor exiting the condenser can be calculated by dividing the precursor vapor pressure by the total pressure. Similar to the prior discussion regarding precursor evaporators, in fact the saturation of the condenser is not 100%. The condenser temperature should be controlled to maintain the maximum amount of precursor and optimize the selectivity of precursor condensation over other species of condensation. Condenser efficiency is defined as the amount of precursor condensed in the condenser divided by the amount of precursor introduced into the condenser.
회수 단계에서 배출 가스를 냉각시키기 위한 조건은 사용된 유기금속 화합물의 특성에 의해서 결정된다. 회수 단계에서 배출 가스를 냉각시키고 유기금속 화합물을 회수하기 위한 특정 메카니즘은 예를 들어 가변 온도 응축기를 반응기 챔버로부터의 배관에 탑재하는 배치를 포함한다.The conditions for cooling the exhaust gas in the recovery stage are determined by the nature of the organometallic compound used. Particular mechanisms for cooling the exhaust gas in the recovery step and for recovering the organometallic compound include, for example, arrangements for mounting the variable temperature condenser in the piping from the reactor chamber.
응축기가 그의 용량에 근접할 경우, 응축된 물질을 제거해야 한다. 이 때 전구체를 응축된 재료로부터 분리하고 전구체 저장소로 되돌려서 막 형성 공정에 사용한다. 임의의 응축되지 않은 전구체는 제거 시스템으로 진행되어 적절한 방식으로 폐기된다.If the condenser approaches its capacity, the condensed material must be removed. The precursor is then separated from the condensed material and returned to the precursor reservoir for use in the film formation process. Any uncondensed precursor proceeds to the removal system and is discarded in an appropriate manner.
회수 단계에서 회수된 회수 내용물은 기본적으로 미반응 유기금속 화합물 및 반응 생성물로 이루어질 수 있다. 이러한 반응 생성물은 물, 이산화탄소, 알데히드, 포름산, 화합물의 산화물 또는 수산화물, 및 기타 저분자량 화합물을 포함할 수 있다. 금속 원자는 박막 형성을 위한 반응에 의해서 유기금속 화합물로부터 제거되고, 유기금속 화합물은 분해되어 이러한 저분자량 화합물을 생성한다. 이러한 물 및 다른 반응 생성물은 불순물이지만, 이들은 정제되는 목표 유기금속 화합물의 것과는 매우 상이한 물리적 특성을 갖기 때문에 정제 단계에서 쉽게 분리 및 제거할 수 있다.The recovered contents recovered in the recovery step may consist essentially of unreacted organometallic compounds and reaction products. Such reaction products may include water, carbon dioxide, aldehydes, formic acid, oxides or hydroxides of compounds, and other low molecular weight compounds. Metal atoms are removed from the organometallic compound by a reaction for forming a thin film, and the organometallic compound is decomposed to produce such a low molecular weight compound. These water and other reaction products are impurities, but they can be easily separated and removed in the purification step because they have very different physical properties than those of the target organometallic compound to be purified.
따라서, 유기금속 화합물을 정제 단계에서 회수된 내용물의 증류에 의해서 분리하는 것이 바람직하다. 우수한 순도를 갖는 유기금속 화합물은 유기금속 화합물은 일반적으로 낮은 용융점 및 비점을 갖고 상기 기술된 바와 같이 비교적 낮은 온도에서 상 전환을 유도할 수 있기 때문에 증류에 의해서 직접 분리될 수 있다. 추가로, 증류는 복잡한 장비를 필요로 하지 않으며, 비교적 용이한 정제 기술이다.Therefore, it is preferable to separate the organometallic compound by distillation of the contents recovered in the purification step. Organometallic compounds with good purity can be separated directly by distillation because organometallic compounds generally have low melting and boiling points and can lead to phase inversion at relatively low temperatures as described above. In addition, distillation does not require complicated equipment and is a relatively easy purification technique.
본 발명에서 사용하기 위한 유기금속 화합물은 특별히 제한되지 않는다. 다양한 금속, 예컨대, 루테늄, 백금, 팔라듐, 구리, 인듐, 란탄, 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 란탄족 원소, 지르코늄, 니오븀, 알루미늄, 티탄, 및 레늄의 유기 화합물이 박막 형성을 위한 재료로서 사용될 수 있다. 이들 금속 중 일부는 금속 그 자체로서는 저렴하지만, 그의 유기금속 화합물은 상당히 고가이다. 따라서, 이들 금속 또는 금속 산화물, 질화물, 탄화물 등의 박막 형성시 비용을 감소시킬 수 있다.The organometallic compound for use in the present invention is not particularly limited. Organic compounds of various metals such as ruthenium, platinum, palladium, copper, indium, lanthanum, tantalum, tungsten, molybdenum, lanthanide elements, zirconium, niobium, aluminum, titanium, and rhenium can be used as materials for thin film formation. . Some of these metals are inexpensive as the metals themselves, but their organometallic compounds are quite expensive. Therefore, it is possible to reduce costs in forming thin films of these metals or metal oxides, nitrides, carbides and the like.
추가로, 본 발명은 최근 귀금속 박막에 대한 수요 증가 및 귀금속의 유기 화합물의 높은 가격을 고려할 경우, 귀금속, 예컨대 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐 또는 오스뮴의 유기금속 화합물을 사용하는 박막의 제조에 특히 유용하다.In addition, the present invention, in view of the recent increase in demand for thin films of noble metals and the high price of organic compounds of noble metals, has been applied to the preparation of thin films using noble metals such as organometallic compounds of platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium or osmium. Especially useful.
마지막으로, 가변 온도 응축기 장치가 적용되는 박막 생성용 화학적 증착 장치를 예시할 것이다. 박막 형성을 위한 화학적 증착 방법은 가변 온도 응축기 장치 및 통상적인 박막 생성용 화학적 증착 장치에 그의 배치의 큰 변화 없이 부가된 임의의 정제 단계를 이용하여 수행한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 박막 생성용 화학적 증착 장치는 재료로서 유기금속 화합물을 함유하는 용액을 포함하는 박막 생성용 화학적 증착 장치로서, 용액을 가열하여 유기금속 화합물을 증발시켜서 원료 가스를 얻는 가열 장치, 및 원료 가스를 반응시켜 금속 함유 박막, 예를 들어 금속 또는 금속 화합물, 예컨대 산화물, 질화물, 탄화물 등을 기판 상에 형성하는 반응기를 포함한다. 장치는, 반응기로부터 하류 측에, 반응을 통해 형성된 반응 생성물 및 미반응 원료 기체로 구성된 배출 기체로부터 유기금속 화합물을 함유하는 회수된 내용물을 얻기 위한 가변 온도 응축기, 및 임의로는 회수된 내용물로부터 유기금속 화합물을 분리하고 정제하기 위한 정제 장치를 포함한다.Finally, the chemical vapor deposition apparatus for thin film production to which the variable temperature condenser apparatus is applied will be illustrated. Chemical vapor deposition methods for thin film formation are carried out using any of the purification steps added to the variable temperature condenser apparatus and conventional chemical vapor deposition apparatus for thin film production without significant change in their arrangement. Specifically, the chemical vapor deposition apparatus for thin film generation according to the present invention is a chemical vapor deposition apparatus for thin film generation comprising a solution containing an organometallic compound as a material, a heating device for heating the solution to evaporate the organometallic compound to obtain a source gas And a reactor for reacting the source gas to form a metal-containing thin film such as a metal or a metal compound such as an oxide, nitride, carbide, or the like on a substrate. The apparatus comprises a variable temperature condenser for obtaining the recovered contents containing the organometallic compound from an off gas consisting of the reaction product and the unreacted raw material gas formed via the reaction downstream from the reactor, and optionally from the recovered contents And a purification device for separating and purifying the compound.
장치를 포함하는 본 발명의 다른 실시양태는 하기 내용을 포함한다: 대기압 미만의 압력에서 운전되는 공정을 위해 (박막 증착은 통상적으로 대기압 또는 그 미만에서 수행됨), 응축기를 적절하게 설계해야 하고 (예를 들어, 진공 상용성); 응축기는 대기 성분 (예를 들어, 물 및 산소)의 투과 및 이어지는 반응의 가능성을 최소화하기 위해서 금속 실(seal)을 가져야 하고; 응축기는 응축 효율이 높도록 설계 및 운전해야 하고 (이는 표면적과 체류 시간을 최대화하는 것을 비롯한 다양한 기술을 통해 달성할 수 있음); 응축기의 온도는 센서 (예를 들어, 열전대)를 사용하여 모니터닝하고; 온도 신호를 사용하여 열 전달 기체 (예를 들어, 질소)를 조절하여 열 제거 속도를 제어한다.Other embodiments of the present invention, including apparatus, include the following: For processes operated at subatmospheric pressure (thin film deposition is typically carried out at or below atmospheric pressure), the condenser must be properly designed (eg Vacuum compatibility); The condenser must have a metal seal to minimize the permeation of atmospheric components (eg water and oxygen) and the possibility of subsequent reactions; Condensers must be designed and operated for high condensation efficiency (which can be achieved through various techniques, including maximizing surface area and residence time); The temperature of the condenser is monitored using a sensor (eg thermocouple); The temperature signal is used to adjust the heat transfer gas (eg nitrogen) to control the rate of heat removal.
당업자는 하기 청구항에 보다 구체적으로 정의된 바와 같이 본 발명의 범위와 취지를 벗어나지 않으면서 다양한 변화가 본원에 상세하게 기술된 방법에 대해 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들면, 본 발명은 박막 증착이 아닌 분야에 적용될 수 있고(예를 들어, 화학 또는 제약 산업에서 일반적인 분리 기술을 위해 또는 분석 목적을 위해); 다수의 화합물의 혼합물을 분리하기 위해 다수의 가변 온도 응축기 장치를 사용할 수 있고; 응축기는 주기적으로 액체를 배수하기 위해 밸브가 장착될 수 있고; 다중 센서를 사용하여 응축기 온도 프로파일을 측정할 수 있고; 가열기가 열전달 유체 라인에 설치되어 트랩을 가열할 수 있고; 응축기 상에 금속 개스킷 실을 사용할 수 있고; 센서(열전대)가 액체 질소 듀어(dewar)에 설치되어 재충전되어야 할 시기를 나타낼 수 있고; 센서가 응축기에 설치되어 용량에 도달한 때를 나타낼 수 있는 것 등이 있다. 열 전달 가스의 허용불가능한 흐름(예를 들어, 흐름 없음)을 나타내는 흐름 경보 신호를 사용하여 운전자에게 경고하거나 자동적으로 사건을 촉발시킬 수 있다.Those skilled in the art will recognize that various changes may be made to the methods described herein in detail without departing from the scope and spirit of the invention as more specifically defined in the following claims. For example, the present invention can be applied to applications other than thin film deposition (eg, for separation techniques or analytical purposes common in the chemical or pharmaceutical industry); Multiple variable temperature condenser devices can be used to separate mixtures of multiple compounds; The condenser can be equipped with a valve to periodically drain the liquid; Multiple sensors can be used to measure the condenser temperature profile; A heater may be installed in the heat transfer fluid line to heat the trap; Metal gasket seals may be used on the condenser; A sensor (thermocouple) can be installed in the liquid nitrogen dewar to indicate when it needs to be recharged; This may indicate when the sensor is installed in the condenser and reaches its capacity. Flow alarm signals indicative of an unacceptable flow of heat transfer gas (eg, no flow) can be used to alert the driver or to trigger an event automatically.
본 발명의 방법에 의해서 회수된 유기금속 화합물에 대해서는, 재결정화를 통해, 보다 바람직하게는 반응 잔류물(예를 들어, 헥산)의 추출 및 크로마토그래피를 통해, 가장 바람직하게는 승화 및 증류를 통해 임의의 정제를 실시할 수 있다.For organometallic compounds recovered by the process of the invention, through recrystallization, more preferably through extraction and chromatography of the reaction residue (eg hexane), most preferably through sublimation and distillation. Any purification can be carried out.
회수된 유기금속 화합물을 특성화하는데 사용할 수 있는 기술의 예는 분석적 기체 크로마토그래피, 핵 자기 공명법, 열중량 분석법, 유도 결합 플라즈마 질량 분광법, 시차 주사 열량계, 증기압 및 점도 측정법을 포함하되 이에 제한되지 않는다.Examples of techniques that can be used to characterize recovered organometallic compounds include, but are not limited to, analytical gas chromatography, nuclear magnetic resonance, thermogravimetric analysis, inductively coupled plasma mass spectroscopy, differential scanning calorimetry, vapor pressure, and viscosity measurements. .
상기 기술된 유기금속 화합물 전구체의 상대 증기압, 또는 상대 휘발도는 당업계에 공지된 열중량 분석 기술에 의해 측정할 수 있다. 또한, 평형 증기압은 예를 들어 밀봉된 용기로부터 모든 기체를 탈기시킨 후에, 화합물의 증기를 용기에 도입하고, 압력을 당업계에 공지된 바와 같이 측정될 수 있다.The relative vapor pressure, or relative volatility, of the organometallic compound precursors described above can be measured by thermogravimetric analysis techniques known in the art. In addition, the equilibrium vapor pressure can be measured, for example, after degassing all gas from the sealed vessel, introducing the vapor of the compound into the vessel, and the pressure as known in the art.
또한, 본 발명의 범위 내에서, 열 전달 기체의 온도는 액체 질소 이외의 방법을 사용하여 감소시킬 수 있다. 별법의 열싱크 매체는 예를 들어 -50℃ 미만의 온도에서 유지되는 액체 및 고체, 예컨대 극저온 액체(예를 들어, 아르곤 및 헬륨) 및 고체 이산화탄소를 포함한다.In addition, within the scope of the present invention, the temperature of the heat transfer gas can be reduced using methods other than liquid nitrogen. Alternative heat sink media include, for example, liquids and solids such as cryogenic liquids (eg, argon and helium) and solid carbon dioxide that are maintained at temperatures below -50 ° C.
또다른 실시양태에서, 본 발명은 다수의 가변 온도 응축기를 직렬로 사용하는 것에 관한 것이다. 다중 가변 온도 응축기를 직렬로 사용하는 것은 다수의 성분을 선택적으로 응축시키는 능력을 제공한다. 특정 분야에 따라, 직렬로 배열된 가변 온도 응축기 각각으로부터 회수된 내용물은 재사용가능한 재료 또는 폐기 재료로서 간주할 수 있다.In another embodiment, the present invention relates to the use of multiple variable temperature condensers in series. Using multiple variable temperature condensers in series provides the ability to selectively condense multiple components. Depending on the particular application, the contents recovered from each of the variable temperature condensers arranged in series can be regarded as reusable material or waste material.
본 발명의 추가 실시양태에서, 회수된 내용물은 다시 공정의 투입부로 직접 운반(예를 들어, 펌핑)할 수 있다 (예를 들어, 재순환).In a further embodiment of the invention, the recovered contents can be conveyed directly (eg, pumped) back to the input of the process (eg recycle).
본원에 기술된 다른 분야에 추가로, 가변 온도 응축기는 합성 및 분석 목적으로 사용될 수 있다.In addition to the other fields described herein, variable temperature condensers can be used for synthesis and analysis purposes.
본원에서 사용된 바와 같이, 응축은 기체 또는 증기 상태에서 액체 또는 고체 상태로 변화하는 것을 가리킨다. 또한 응축은 액체 상태에서 고체 상태로 변화하는 것을 포함할 수 있다.As used herein, condensation refers to a change from a gaseous or vapor state to a liquid or solid state. Condensation may also include changing from a liquid state to a solid state.
본 발명의 다양한 변형과 변경은 당업자에게 명백할 것이며, 이러한 변형 및 변경은 본 출원의 범위 및 청구항의 취지 및 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications and variations of the present invention will be apparent to those skilled in the art, and such modifications and variations are to be understood as being included within the spirit and scope of the present application and claims.
실시예Example 1 One
1-에틸-1'-메틸루테노센 및 암모니아를 플라즈마 강화 원자층 증착 (PEALD) 방법에 의한 루테늄 막의 증착에 사용하였다. 본 방법에서, 기판을 4 단계 주기를 사용하여 노출시켰다. 각각의 단계 동안의 공정 기체 조성을 하기 표에 기술하였다.1-ethyl-1'-methylruthenocene and ammonia were used for the deposition of ruthenium films by the plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) method. In this method, the substrate was exposed using a four step cycle. The process gas composition during each step is described in the table below.
1-에틸-1'-메틸루테노센 및 암모니아를 사용하는 PEALD 방법을 위한 일반적인 범위의 조건을 하기 표에 기술하였다.The general range of conditions for the PEALD process using 1-ethyl-1'-methylruthenocene and ammonia is described in the table below.
1-에틸-1'-메틸루테노센 및 암모니아에 대한 증기압 데이터를 도 4에 나타내었다.Vapor pressure data for 1-ethyl-1′-methylruthenocene and ammonia are shown in FIG. 4.
이들 두 재료의 증기압은 하기 식에 의해서 어림할 수 있다:The vapor pressures of these two materials can be approximated by the formula:
Pvap(Torr)=e[A-B/T(K)] P vap (Torr) = e [AB / T (K)]
도 4의 데이터에 기초하여, 상기 식의 R-제곱값 및 상수 A 및 B의 최적값은 다음과 같다.Based on the data in FIG. 4, the R-squared values of the equation and the optimal values of the constants A and B are as follows.
배출 가스 중 특정 성분의 얼마의 분율이 응축되는지 계산하기 위해서, 응축기의 온도 및 압력을 알 필요가 있었다. 또한, 응축기에 도입되는 배출 가스의 조성, 예를 들어 각 성분의 몰 분율을 알 필요가 있었다.In order to calculate how much of a certain component of the exhaust gas condenses, it was necessary to know the temperature and pressure of the condenser. In addition, it was necessary to know the composition of the exhaust gas introduced into the condenser, for example, the mole fraction of each component.
목표는 100%의 1-에틸-1'-메틸루테노센과 0%의 암모니아(없음)를 응축시키는 것이다. 가장 효율적인 분리는 암모니아의 응축을 방지하기 위해서 응축기 온도가 암모니아의 이슬점 초과에 있을 경우 발생할 것이다. 이슬점 온도는 액체 또는 고체가 증기상과 평형인 온도이다(예를 들어, 증발/승화 속도는 응축 속도와 동일함). 또한 공정은 가능한한 많은 1-에틸-1'-메틸루테노센을 응축시키기에 충분히 낮은 응축기 온도를 유지하는 요구에 의해서 제한된다. 1-에틸-1'-메틸루테노센 및 암모니아를 함유하는 혼합물에 대해서, 최적 응축기 온도는 암모니아의 이슬점의 약간 위이다.The goal is to condense 100% 1-ethyl-1'-methylruthenocene and 0% ammonia (none). The most efficient separation will occur when the condenser temperature is above the ammonia dew point to prevent condensation of ammonia. The dew point temperature is the temperature at which the liquid or solid is in equilibrium with the vapor phase (eg, the evaporation / sublimation rate is the same as the condensation rate). The process is also limited by the requirement to maintain a condenser temperature low enough to condense as much of 1-ethyl-1'-methylruthenocene as possible. For mixtures containing 1-ethyl-1'-methylruthenocene and ammonia, the optimum condenser temperature is slightly above the dew point of ammonia.
가변 온도 응축기의 이용률을 예시하기 위해서, 하기 실시예를 고려한다. 응축기 내의 전체 압력은 1 Torr이다. 펄스화된 방법 (예를 들어, ALD 또는 PEALD)에서, 응축기로 들어가는 배출 기체 혼합물 중 성분 (예를 들어, 암모니아 및 1-에틸-1'-메틸루테노센)의 몰 분율은 시간에 따라 변할 것이다. 암모니아 또는 1-에틸-1'-메틸루테노센의 최대 분압은 1 Torr이다. 1 Torr의 부분압에서, 1-에틸-1'-메틸루테노센의 이슬점 온도는 대략 100℃이다. 질량 전달 저항이 없는 경우, 1-에틸-1'-메틸루테노센의 부분압을 목적하는 값으로 줄이는데 필요한 온도를 계산할 수 있다. 예를 들어, 1-에틸-1'-메틸루테노센의 부분압을 99.999% (예를 들어, 1 Torr에서 0.00001 Torr로) 줄이는 것은 -30℃의 응축기 온도를 필요로 할 것이다. 실제 응용시의 질량 전달 제한의 존재로 인해, 가능한 가장 낮은 응축기 온도에서 운전하는 것이 바람직하다. 1 Torr의 압력에서 암모니아의 이슬점 온도는 -116℃이다. 결과적으로, 암모니아의 응축을 방지하지만 가능한 많은 1-에틸-1'-메틸루테노센을 응축시키기 위해서 -116℃보다 약간 높은 온도에서 응축기를 운전하게 될 것이다.To illustrate the utilization of a variable temperature condenser, consider the following examples. The total pressure in the condenser is 1 Torr. In a pulsed process (eg ALD or PEALD), the mole fraction of the components (eg ammonia and 1-ethyl-1'-methylruthenocene) in the off-gas mixture entering the condenser will vary over time . The maximum partial pressure of ammonia or 1-ethyl-1'-methylruthenocene is 1 Torr. At a partial pressure of 1 Torr, the dew point temperature of 1-ethyl-1'-methylruthenocene is approximately 100 ° C. In the absence of mass transfer resistance, the temperature required to reduce the partial pressure of 1-ethyl-1'-methylruthenocene to the desired value can be calculated. For example, reducing the partial pressure of 1-ethyl-1'-methylruthenocene to 99.999% (eg, from 1 Torr to 0.00001 Torr) would require a condenser temperature of -30 ° C. Due to the presence of mass transfer limitations in practical applications, it is desirable to operate at the lowest possible condenser temperature. The dew point temperature of ammonia at a pressure of 1 Torr is -116 ° C. As a result, the condenser will be operated at a temperature slightly above -116 ° C. to prevent condensation of ammonia but to condense as much of 1-ethyl-1'-methylruthenocene as possible.
공정 조건의 변화는 최적 응축기 온도에 영향을 미칠 것이다. 구체적으로, 암모니아의 부분압을 증가시키는 것(예를 들어, 고정된 조성에서 전체 압력을 증가시킴)은 암모니아의 응축을 방지하기 위해서 응축기 온도를 증가시키는 것을 필요로 한다. 추가로, 암모니아 이외의 보조 반응물의 사용 및/또는 반응 부산물의 존재가 또한 최저 허용가능한 응축기 온도에 영향을 미칠 것이다. 가변 온도 응축기는 고정 온도 장치(예를 들어, 액체 질소)에 비해 이러한 유형의 공정 변화에 용이하게 적응할 수 있다.Changes in process conditions will affect the optimum condenser temperature. Specifically, increasing the partial pressure of ammonia (e.g., increasing the total pressure at a fixed composition) requires increasing the condenser temperature to prevent condensation of the ammonia. In addition, the use of auxiliary reactants other than ammonia and / or the presence of reaction byproducts will also affect the lowest allowable condenser temperature. Variable temperature condensers can easily adapt to this type of process change compared to fixed temperature devices (eg liquid nitrogen).
열 전달 매체로서 건조 불활성 기체 (예를 들어, 질소)를 사용함으로써 2가지 이점을 얻는다. 첫번째로, 시스템의 열 질량이 액체 열 전달 유체에 비해 감소된다. 이는 응축기의 온도를 변화시키는데 (예를 들어, 응축기를 공정 온도로 냉각시키거나 응축기를 실온으로 되돌림) 걸리는 시간을 감소시킨다. 두번째 이점은 응축된 전구체를 제거하기 위해서 필요할 수 있는(전구체는 공기-민감성임을 가정함), 글로브 박스 내에서의 응축기 조작과 관련된다. 열 전달 유체로서 건조 불활성 기체(예를 들어, 질소)의 사용은 응축기가 물에 노출되고/되거나 다른 열 전달 액체에 노출되는 것(이것은 글로브 박스에 후속 사용에 바람직하지 않음)을 방지한다.Two advantages are obtained by using dry inert gas (eg nitrogen) as the heat transfer medium. First, the thermal mass of the system is reduced compared to the liquid heat transfer fluid. This reduces the time it takes to change the temperature of the condenser (eg, cool the condenser to process temperature or return the condenser to room temperature). The second advantage relates to the condenser operation in the glove box, which may be necessary to remove the condensed precursor (assuming the precursor is air-sensitive). The use of dry inert gas (eg nitrogen) as the heat transfer fluid prevents the condenser from being exposed to water and / or other heat transfer liquids, which is undesirable for subsequent use in the glove box.
실시예Example 2 2
MKS 인스트루먼츠사(MKS Instruments)에서 공급한 분 당 20 표준 리터 (slpm) 질량 흐름 제어기를 사용하여 액체 질소로 충전된 듀어(2 리터 용량)에 담근 코일에 대한 질소 흐름을 제어하였다. 이어서 질소 열 전달 기체를 공정 기체 응축기의 콜드 핑거 (MDC 베큠 프로덕츠사 (MDC Vacuum Products)에서 상업적으로 시판 중인 KDFT4150-2LN, 4 인치 몸체 직경, 1.5 인치 유입 및 배출 관 직경)로 보냈다. 질소 열 전달 기체를 0.035 인치의 벽 두께를 갖는 ¼인치 스테인리스 강 튜브를 사용하여 운반하였다. 콜드 핑거로의 질소 열 전달 기체의 흐름을, 응축기 온도를 피드백 신호로서 사용하여 조정하였다. A형 K 열전대 (1/8 인치 직경, 12인치 길이 스테인리스강 외피)를 사용하여 콜드 핑거 온도를 모니터링하였다. 도 2는 사용된 장치를 도시한다. 도 3은 응축기 온도 및 질소 흐름의 이력을 나타낸 다. -100℃(173K) 미만의 온도가 달성가능하였고 본 실시예는 응축기 온도를 피드백 배치를 사용하여 자동적으로 제어할 수 있음을 나타낸다. 설정 온도는 25℃에서 -125℃로 매 10분 마다 25℃의 단계로 감소되었다. 최대 흐름에서 (분 당 20 표준 리터), 응축기 온도를 대략적으로 30℃/분씩 감소시킬 수 있었다.A nitrogen standard for the coils immersed in a dewar (2 liter capacity) filled with liquid nitrogen was used using a 20 standard liters per minute (slpm) mass flow controller supplied by MKS Instruments. Nitrogen heat transfer gas was then sent to the cold finger of the process gas condenser (KDFT4150-2LN, 4 inch body diameter, 1.5 inch inlet and outlet tube diameters commercially available from MDC Vacuum Products). Nitrogen heat transfer gas was delivered using a 1/4 inch stainless steel tube with a wall thickness of 0.035 inches. The flow of nitrogen heat transfer gas to the cold finger was adjusted using the condenser temperature as the feedback signal. Cold finger temperature was monitored using a Type A thermocouple (1/8 inch diameter, 12 inch long stainless steel sheath). 2 shows the device used. 3 shows the history of condenser temperature and nitrogen flow. Temperatures below -100 ° C. (173 K) were achievable and the present example shows that the condenser temperature can be automatically controlled using a feedback arrangement. The set temperature was reduced from 25 ° C. to −125 ° C. in steps of 25 ° C. every 10 minutes. At maximum flow (20 standard liters per minute), the condenser temperature could be reduced by approximately 30 ° C / min.
실시예Example 3 3
100℃(173K) 미만의 온도에서 응축기를 작동하고 제어하는 능력을 도 2에 도시된 장치에서 평가하였다. 열 전달 기체로서 질소를 사용하여, 분 당 약 10 표준 리터의 흐름을 액체 질소의 듀어에 담근 코일을 통해 공급하였다. 이어서, 열 전달 기체를 스테인리스강 액체 질소 트랩의 콜드 핑거(응축기) 상으로 배출하여 콜드 핑거의 온도가 -100℃(173K) 미만이 되게 하였다. 또한, 콜드 핑거의 온도는 피드백 회로의 응축기 열전대로부터의 신호를 사용하여 -100℃(173K) 내지 상온 사이의 값으로 제어할 수 있어, 코일을 통과하는 질소의 흐름과 그에 따른 열 제거 속도를 조절할 수 있었다.The ability to operate and control the condenser at temperatures below 100 ° C. (173 K) was evaluated in the apparatus shown in FIG. 2. Using nitrogen as the heat transfer gas, a flow of about 10 standard liters per minute was fed through a coil immersed in a dewar of liquid nitrogen. The heat transfer gas was then discharged onto the cold fingers (condenser) of the stainless steel liquid nitrogen trap to bring the temperature of the cold fingers below −100 ° C. (173 K). In addition, the temperature of the cold finger can be controlled to a value between -100 ° C (173K) and room temperature using a signal from the condenser thermocouple of the feedback circuit to control the flow of nitrogen through the coil and thus the rate of heat removal. Could.
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