KR100310033B1 - 화학기상증착장치의액체운반시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 원료 탱크 내의 원료의 양의 많고 적음에 관계없이 시간에 따른 흐르는 원료의 양, 속도 그리고 압력을 균일하게 조절할 수 있는 액체 운반 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 시스템은 운반가스를 사용하는 대신에 원료 탱크 자체의 체적을 축소시켜 원료 탱크의 내압 증가에 의해서 원료를 배출구로 밀어내는 방식을 사용하는 액체 원료 탱크를 갖는다. 액체 운반 시스템은 원료 탱크(source tank) 원료주입구, 원료배출구, 밸브를 가지며, 원료탱크 체적 변화 구조로써 벨로스 또는 피스톤을 이용한다. 원료 탱크는 크기뿐 아니라 형태 자체를 변화시킴으로서 내부 압력을 변화시켜 액체 원료를 배출시키는 벨로스일 수도 있다. 이와는 달리, 내부 부피는 일정하지만, 내부에 공급되는 유체에 의해 팽창할 수 있는 팽창 장치가 설치될 수도 있다.

Description

화학 기상 증착 장치의 액체 운반 시스템 {Liquid Delivery System for Use with Chemical Vapor Deposition Device}

본 발명은 화학 기상 증착 장치에 사용하는 액체 운반 시스템(Liquid Delivery System, LDS)에 관한 것이다. 특히, 운송되는 원료의 유동량을 적절히유지함으로써 막질의 균일성을 향상시킬 뿐 아니라 구조가 단순한 액체 운반 시스템에 관한 것이다.

화학 기상 증착에 의해 형성된 막질은 액체 운반 시스템의 구조와 성능에 크게 의존한다. 따라서, 대부분의 반도체 제조 업체나 장치 업체 모두 특화된 액체 운반 시스템을 개발하여 제조공정에 응용하고 있다. 기존의 화학 기상 증착 장치에 의한 막 형성 방법에서 사용하는 액체 운반시스템은 구조가 복잡할 뿐 아니라 사용하는 시간이 지남에 따라서 원료 액체의 유동속도가 달라져 막의 균일성과 재현성이 저하되는 문제가 있다.

도1은 기존의 화학 기상 증착 장치의 액체 운반 시스템을 도시한다. 도1을 참조하면, 기존의 시스템은 원료탱크(source tank; 103), 레벨센서(도시하지 않음), 운반가스 주입관(101), 원료 배출관(102), 입구측 밸브(112), 출구측 밸브(122) 그리고 압력게이지(121)로 이루어져 있다. 탱크(103)에는 주입구(142)와 배출구(144)가 부착되어 있다. 주입구(142)와 배출구(144)에는 입구측 밸브(112)와 출구측 밸브(122)가 각각 설치되어 있다. 탱크(103) 내에는 레벨 센서가 설치된다. 그리고 상기와 동일한 구조와 성능을 가지며 리필용 탱크(106)을 갖는 시스템을 리필용으로 구비하고 있는 것이 일반적이다.

먼저, 액체 원료(132)가 탱크(103) 내에 수용된다. 그 후 운반가스를 압력 게이지(Pressure Gauge; 111)로 조절하여 주입구(142)를 통하여 적절한 양을 주입한다. 운반가스는 N₂또는 Ar과 같은 8족 원소의 가스이다. 운반가스의 주입 압력에 의하여 원료탱크(103)안의 액체 원료(104)를 배출관(102)을 통하여 배출한다. 이 때의 배출량은 밸브(122)와 압력게이지(121)를 사용하여 적정량이 흐르도록 조절할 수 있다. 원료(132)의 액위가 낮아지면, 원료 탱크(103) 내의 레벨센서가 작동하여 원료의 교체 시기를 알 수 있도록 한다. 레벨센서가 원료의 교체시기를 나타내면 리필탱크(106)로 교환하여 사용한다.

종래의 액체 운반 시스템은 일정하게 고정된 크기의 원료 탱크에 운반가스를 주입함으로써 탱크 안의 액체 원료를 밀어내어 운반하는 방식이다. 따라서, 증착이 진행됨에 따라서 원료를 소모하게 되면 액위가 달라지고 탱크 내의 원료의 양이 달라진다. 따라서, 일정한 양의 운반가스를 주입하더라도 배출구를 통하여 밀려 나오는 원료의 양에 차이가 나게 된다. 이로 인해 증착되는 막질의 균일성과 재현성에 문제가 생긴다. 또한 탱크 내의 원료를 모두 사용하게 되면 리필 탱크(106)로 교환해야 하므로, 전체 액체 운반 시스템의 구조가 복잡하고 유지 비용이 많이 드는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 원료 탱크 내의 원료의 양의 많고 적음에 관계없이 시간에 따른 흐르는 원료의 양, 속도 그리고 압력을 균일하게 조절할 수 있는 액체 운반 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공급되는 원료를 사용함으로써 형성되는 막의 균일성과 재현성 특성을 크게 향상시킬 수 있는 액체 운반 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하고 유지비용이 적게드는 액체 운반 시스템을 제공하는 것이다.

도1은 종래의 기술에 따른 액체 운반 시스템의 구조도

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 운반 시스템의 구조도

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 운반 시스템의 구조도

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 운반 시스템의 구조도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2, 42, 62 : 탱크 3 : 피스톤

4 : 원료 액체 5 : 벨로스

15 : 입구관 17 : 출구관

34 : 상한 센서 35 : 하한센서

44 : 벨로스 64 : 블래더

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 운반가스를 사용하는 대신에 원료 탱크-즉 원료 수용 공간-자체의 체적을 축소시켜 원료 탱크-원료 수용 공간-의 내압 증가에 의해서 원료를 배출구로 밀어내는 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 액체 원료 탱크를 제공한다.

본 발명의 한 측면에 따르면, 반응기에 원료를 공급하기 위하여 액체 원료를 수용하는 액체 원료 공급장치에 있어서,

벽으로 둘러싸여 있으며, 상부에는 액체 원료를 배출하는 출구가 형성되어 있는 액체 수용 용기와,

상기 액체 수용 용기의 내부를 제1공간-상기 제1공간에는 액체원료가 수용됨-과 제2공간으로 구획하는 경계부재와,

상기 제1공간의 체적을 감소시키는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 반응기에 원료를 공급하기 위하여 액체 원료를 수용하는 액체 원료 공급장치에 있어서,

출구가 형성된 천정부와 상기 천정부와 연결된 측벽과 상기 측벽과 연결된 바닥으로 이루어지며, 상기 측벽의 적어도 일부에는 주름이 형성되어 있는 액체 수용 용기와,

상기 액체 수용 용기의 주름을 변형시켜 상기 액체 수용 용기의 체적을 감소시키도록 상기 바닥에 연결된 구동기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 반응기에 원료를 공급하기 위하여 액체 원료를 수용하는 액체 원료 공급장치에 있어서,

벽으로 둘러싸여 있으며, 상부에 출구가 형성되어 있는 액체 수용 용기와,

상기 액체 수용 용기 내에 위치하며 팽창이 가능한 팽창장치와,

상기 팽창장치에 연결된 유체공급장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치가 제공된다.

본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 액체 운반 시스템은 원료 탱크(source tank) 원료주입구, 원료배출구, 밸브를 가지며, 원료탱크 체적 변화 구조로써 벨로스 또는 피스톤을 이용한다. 다른 실시예에서는 원료 탱크는 크기뿐 아니라 형태 자체를 변화시킴으로서 내부 압력을 변화시켜 액체 원료를 배출시키는 벨로스일 수도 있다. 이와는 달리, 내부 부피는 일정하지만, 내부에 공급되는 유체에 의해 팽창할 수 있는 팽창 장치가 설치될 수도 있다.

반도체 제조 공정의 형성 방법을 살펴보면, 점점 더 많은 공정에서 기존의 스퍼터링과 같은 물리 기상 증착 방법 대신에 화학 기상 증착법을 이용한다. 화학 증착 방법에 의해 형성되는 막의 특성은 액체 운반 시스템의 구조와 성능에 크게 의존하게 된다. 바꿔 말하면, 액체 운반 시스템의 구조와 성능, 즉 ① 막 형성 중에 막의 원료의 유동 속도를 균일하게 조절하는 능력, ② 막의 원료를 미세 조정한계, ③ 막의 원료의 운반량과 속도의 재현성에 의해 막의 특성이 좌우된다. 또한, 액체 운반 시스템의 구조가 양산에 적합하도록 단순하며 유지 비용이 적절해야 한다.

본 발명에서는 원료 탱크에 운반가스를 주입하여 운반가스의 주입한 양에 비례하는 액체 원료를 배출하게 하는 종래의 시스템을 사용하는 대신에 원료 탱크 자체의 체적을 변화시켜 그 압력에 의해서 원료를 배출하는 방법을 사용한다. 이때 원료 탱크의 체적을 변화시키는 방법으로는 ① 원료 탱크 한 면에 벨로스(bellows)나 피스톤(piston) 등을 장착하여 안으로 밀거나 밖으로 당기는 방안, ②액체 원료 내부에 외부에서 그 체적을 조절할 수 있는 물체를 삽입하여 그 물체의 체적 변화에 의한 압력으로 액체 원료를 배출하게 하는 방안, ③ 원료탱크 자체를 벨로스로 만들어 사용하는 방안을 들 수 있다.

따라서 원료 탱크 자체의 부피가 변화하는 것이므로 초기의 원료가 사용되더라도 전체 탱크 체적에 대한 원료의 부피비가 일정하므로 원료의 양의 많고 적음에 관계없이 시간에 따른 원료의 흐름을 균일하게 조절할 수 있다. 이 결과 반도체 제조 공정 중 화학 기상 증착에 사용함으로써 형성되는 막의 균일성과 재현성 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 운반 시스템은 원료 탱크(source tank; 2)와 피스톤(piston; 3)과 벨로스(bellows; 5)로 이루어진다. 탱크(2)는 몸체(9)와 상부 덮개(12)와 바닥프레임(13)으로 구성된다.몸체(9)는 통상 원통형이다. 상부 덮개(12)에는 입구(14)와 출구(15)가 마련된다. 입구(14)에는 주입관(16)이, 출구(15)에 배출관(17)이 부착되어 있다. 입구관(16)과 출구관(17)에는 각각 입구측 밸브(19)와 출구측 밸브(22)가 마련된다. 출구관(17)에는 압력게이지(24)가 설치된다. 몸체(9)와 덮개(12)는 볼트 등의 적절한 방법으로 결합되며, 그 사이에는 O-링(26)이 있어 액체의 누설을 방지한다.

탱크(2) 내부에는 피스톤(3)이 위치한다. 피스톤(3)에는 피스톤(3)과 탱크(3) 내벽 사이의 누설을 방지하기 위한 O-링(33)이 설치된다. 피스톤(3)은 중공의 연결 막대(29)가 연결되어 있다. 연결 막대(29)는 바닥프레임(13)을 지나 외부로 연장된다. 피스톤(3)과 바닥 프레임(13) 사이에는 벨로스(5)가 설치된다. 벨로스(5)의 내부 공간은 연결 막대(29)의 내부 구멍과 유체가 이동할 수 있도록 연통되어 있으며, 이를 통하여 외부와 연결된다. 연결 막대(29)는 액체 또는 공기 등의 기체 공급 장치(도시하지 않음)와 연결된다. 따라서, 액체, 공기 등의 유체를 벨로스(5) 내 공간으로 공급할 수 있다. 연결 막대(29)는 유압 또는 공압 실린더와 연결될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 연결 막대 대신에 다른 통로를 통하여 유압 또는 공압을 벨로스 내에 가할 수도 있다.

연결 막대(29)와 바닥프레임(13)에는 상한 센서(upper limit sensor; 34), 하한 센서(lower limit sensor; 35)가 설치되어 있다. 피스톤(3)의 위치를 감지하기 위한 위치 센서(position sensor; 도시하지 않음)도 설치된다. 피스톤(3)의 위치는 항상 위치 센서에 의해서 감지하게 되면, 피스톤(3)의 구동 속도를 제어할 수있고, 항상 원료 탱크 내의 원료의 양을 알 수 있다. 이러한 센서는 항상 3개를 모두 갖출 필요는 없다. 예를 들면, 위치 센서 하나만으로 상한, 하한을 모두 감지할 수도 있다. 다른 실시예에서는 상한 센서만을 구비할 수도 있다. 또한, 다른 실시예에서는 센서들이 바닥프레임(13)이 아닌 다른 적절한 위치에 설치될 수도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 공급 시스템의 작용을 설명한다. 도2를 참조하면, 먼저, 탱크(2) 내에 액체원료(4)를 주입관(16)를 통하여 공급한다. 하한센서(35)가 피스톤의 하한을 감지하면, 입구 밸브(19)를 닫는다. 이어서, 출구 밸브(22)를 열고, 벨로스(5) 내부 공간에 액체 또는 공기의 유체를 공급한다. 이에 따라, 벨로스(5) 내의 압력이 증가하고 증가하는 압력에 의해 원료탱크(2) 내의 피스톤(3)이 위로 이동하여 탱크 내부의 체적을 감소시킨다. 이러한 체적 변화로 인해 원료탱크(2)안의 액체 원료(4)를 배출관(17)을 통하여 배출한다. 원료 탱크(2) 내의 원료가 배출되고, 피스톤이 상한에 이르면 상한 센서(34)가 이를 감지하여 피스톤(3)의 동작을 멈추며, 원료의 교체 또는 재주입 시기를 알 수 있도록 한다. 상한센서(34)가 원료의 교체시기를 나타내면 입구 밸브(19)를 열어 원료탱크(3) 내로 입구(14)를 통해 원료(4)를 주입한다. 위치센서는 피스톤(3)이 이동하는 것을 감지할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 벨로스(5)가 설치되지 않고 피스톤(3)의 연결 막대(29)를 외부의 구동기구(도시하지 않음)와 연결할 수도 있다. 이 때의 구동기구로는 공압이나 유압 실린더 또는 모터와 연결된 피니언과 랙기어 또는 볼스크류등 통상의 직선 구동기구를 사용한다.

도3에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도3을 참조하면, 원료 탱크(42)는 측면에 주름이 형성된 벨로스(44)로 이루어져 있다. 벨로스(44)의 하면은 직선운동기구와 연결되어 있다. 이 실시예에 나타난 액체 공급 시스템의 작동은 앞의 실시예와 동일하다. 벨로스로 형성된 탱크는 밀봉(sealing)을 위한 O-링 등이 필요 없다.

도4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 탱크(62) 내에는 블래더(bladder; 64)가 설치되어 있다. 블래더(64)는 일정한 크기의 원료탱크(62) 내부에서 임의로 체적을 변화시킬 수 있다. 블래더(64)는 외부와 연결통로(65)를 통하여 연결된다. 블래더(64)에 외부로부터 정해진 양의 가스가 주입되면, 블래더(64)는 팽창한다. 블래더(64)의 팽창에 따라 원료 액체가 일정하게 배출된다. 블래더(64) 내부에 공급되는 가스의 양은 밸브(66)와 압력게이지(67)에 의해 조절된다.

위와 같은 본 발명의 구성에 따라 다음과 같은 효과가 있다. 먼저, 원료 탱크 내의 원료의 양의 많고 적음에 관계없이 시간에 따른 흐르는 원료의 양, 속도 그리고 압력을 균일하게 조절할 수 있다. 따라서, 반도체 제조 공정 중에 이와 같이 공급되는 원료를 사용함으로써 형성되는 막의 균일성과 재현성 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 전체 시스템의 구조가 단순하며, 제작 및 유지비용이 감소되어 매우 경제적이다.

Claims (9)

1. 반응기에 원료를 공급하기 위하여 액체 원료를 수용하는 액체 원료 공급장치에 있어서,

   벽으로 둘러싸여 있으며 상부에는 액체 원료를 배출하는 출구가 형성되어 있는 액체 수용 용기와,

   상기 액체 수용 용기의 내부를 제1공간-상기 제1공간에는 액체원료가 수용됨-과 제2공간으로 구획하는 경계부재와,

   상기 제1공간의 체적을 감소시키는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1공간의 체적을 감소시키는 수단은 상기 경계부재를 출구측으로 이동시키기 위한 직선 이송 기구인 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 수용용기에는 상기 제2공간을 상기 수용용기의 외부와 연결하기 위한 구멍이 형성되며, 상기 제1공간의 체적을 감소시키는 수단은 상기 구멍을 통하여 상기 제2공간과 연결되는 유체 공급 장치인 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 수용용기의 상기 제2공간에 위치하며 그 상부 끝단은 상기 경계부재와 부착되며 그 외벽은 경계부재의 아래쪽에 위치하는 벽에 부착된 벨로즈를 구비하며, 상기 수용용기에는 상기 벨로즈 내측을 상기 수용용기의 외부와 연결하기 위한 통로가 형성되며, 상기 제1공간의 체적을 감소시키는 수단은 상기 벨로즈 내측과 상기 통로를 통하여 연결된 유체 공급 장치인 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
5. 제2항, 제3항, 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 수용용기의 벽과 접하는 상기 경계부재의 둘레에 상기 경계부재와 상기 수용용기의 벽 사이를 밀봉하기 위한 링을 구비한 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
6. 제2항, 제3항, 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 경계부재의 위치를 감지하기 위한 위치센서를 구비한 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 수용용기의 벽과 접하는 상기 경계부재의 둘레는 상기 수용용기의 벽에 고정되며, 상기 수용용기에는 상기 제2공간을 상기 수용용기의 외부와 연결하기 위한 구멍이 형성되며, 상기 경계부재의 적어도 일부분은 상기 구멍을 통하여 제2공간에 유체가 공급됨에 따라 늘어나고 제2공간에서 유체를 제거하면 복원되는 탄성소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
8. 반응기에 원료를 공급하기 위하여 액체 원료를 수용하는 액체 원료 공급장치에 있어서,

   출구가 형성된 천정부와 상기 천정부와 연결된 측벽과 상기 측벽과 연결된 바닥으로 이루어지며 상기 측벽의 적어도 일부에는 측벽의 둘레를 따라 주름이 형성되어 있는 액체 수용 용기와,

   상기 액체 수용 용기에 형성된 주름을 변형시켜 상기 액체 수용 용기의 체적을 감소시키도록 상기 바닥에 연결된 구동기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.
9. 반응기에 원료를 공급하기 위하여 액체 원료를 수용하는 액체 원료 공급장치에 있어서,

   벽으로 둘러싸여 있으며, 상부에 출구가 형성되어 있는 액체 수용 용기와,

   상기 액체 수용 용기 내에 위치하며 팽창이 가능한 팽창장치와,

   상기 팽창장치에 연결된 유체공급장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 원료 공급장치.