KR100322411B1 - 액체원료 기화장치 - Google Patents

Abstract

화학기상증착공정에서 액상의 반응원료를 기화시켜 반응기내로 공급하는 데 적용되는 액체원료 기화장치에 관하여 개시한다. 본 발명은, 운반기체가 흐르되 운반기체가 흘러나가는 한 쪽 끝단에는 오리피스가 형성된 제1 운반기체 흐름관과, 상기 오리피스에서 연장되는 제2 운반기체 흐름관과, 액상의 반응원료를 공급하되 그 액상의 반응원료가 미립자화 되도록 액상의 반응원료를 상기 제2 운반기체 흐름관에 공급하는 액체원료 공급관과, 상기 제2 운반기체 흐름관에서 미립자화된 반응원료를 기화시키기 위한 기화수단과, 상기 기화수단에 의해 기화된 반응원료를 배출시키는 반응원료 배출수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 기화수단은, 상기 제2 운반기체 흐름관에서 연장되어 점점 그 직경이 확장되는 제3 운반기체 흐름관내에 서로 이격되어 설치되며 그 각각에는 상기 미립자화된 반응원료가 운반기체와 함께 통과되도록 복수개의 구멍이 형성된 복수개의 기화부재를 포함한다. 본 발명에 의하면, 기화효율이 매우 높아 기화가 잘되며 종래와 같은 클로깅 현상은 발생하지 아니한다.

Description

액체원료 기화장치 {Apparatus for vaporizing a liquid source}

본 발명은 액체원료 기화장치에 관한 것으로서, 특히, 화학기상증착공정에서액상의 반응원료를 기화시켜 반응기내로 공급하는 데 적용되는 액체원료 기화장치에 관한 것이다.

반도체소자의 제조공정에 있어서, 다양한 종류의 고품질의 막을 형성시키기 위해 금속-유기물 원료(Metal-Organic Source)를 이용하는 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)방법이 많이 개발되고 있다. 이때, 대부분의 금속-유기물 원료는 상온에서 용액성 액체이기 때문에 화학기상증착법에 적용하기 위해서는 반응기에 이를 공급하기 전에 미리 기체로 상변태(phase transformation)시키는 과정이 필요하다.

따라서, 용액성 액체반응원료를 기화시키는 여러 가지 방법들이 제안되었다. 가장 간단한 방법으로는 액체반응원료를 일정온도로 가열하여 기화시키는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 반응원료의 증기압이 매우 작거나, 증발온도에서 열적으로 불안정한 물질에 대해서는 바람직하지 않다. 또한, 용매가 용질보다 빨리 증발하기 때문에 증기압이 시간에 따라 변화하여 반응원료의 공급량을 원하는 바대로 일정하게 유지할 수 없다는 문제가 있다.

용액성 액체반응원료를 기화시키는 다른 방법으로는, 다공성 메탈 플릿(Porous Metal Frit)을 이용하거나, 다층의 메탈 디스크(Metal Disk)를 이용하는 방법이 있다.

전자의 경우는, 메탈 플릿이 스테인레스강으로 이루어진 소결제품이기 때문에 열전도율이 좋지 않아, 외부열원에 의한 간접가열로는 충분한 열량을 얻기가 힘들어 온도구배가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 기공(Pore)의 크기가 균일하지 못하기 때문에 유입되는 용액성 액체반응원료가 완전히 기화되지 못하고 고체용질이 정체되어 기화기의 내부가 막히는 이른바 클로깅(Clogging)현상이 발생하여 기화효율이 낮아지는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 이렇게 정체된 고체용질이 공정상의 오염원으로 작용하기도 한다. 후자의 경우도, 메탈 디스크의 내부와 외부의 온도편차 때문에 고체용질에 의해 기화기가 막히는 문제점이 있다.

그리고, 양자의 경우 모두에 사용되는 액체이송장치(Liquid Delivery System, LDS)가 많은 이송관과 밸브로 구성되어 있어 작동 메카니즘이 복잡하고, 그 유지 및 보수가 어려워 실제 양산공정에 적용하기에는 많은 문제점을 안고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기화효율이 증가되도록 액상의 반응원료를 먼저 미립자화 시키고 이 미립자화된 반응원료를 기화시킴으로써 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 액체원료 기화장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체원료 기화장치를 설명하기 위한 개략도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

110: 제1 운반기체 흐름관 120: 오리피스

130: 제2 운반기체 흐름관 140: 액체원료 공급관

150a: 제1 기화부재 150b: 제2 기화부재

160: 기화기 몸체 160: 볼트

163: 금속실링부재 170: 알루미늄 몰딩 블락형 히터

180: 제3 운반기체 흐름관 190: 배출구

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 액체원료 기화장치는, 운반기체가 흐르되 운반기체가 흘러나가는 한 쪽 끝단에는 오리피스가 형성된 제1 운반기체 흐름관과, 상기 오리피스에서 연장되는 제2 운반기체 흐름관과, 액상의 반응원료를 공급하되 그 액상의 반응원료가 미립자화 되도록 액상의 반응원료를 상기 제2 운반기체 흐름관에 공급하는 액체원료 공급관과, 상기 제2 운반기체 흐름관에서 미립자화된 반응원료를 기화시키기 위한 기화수단과, 상기 기화수단에 의해 기화된 반응원료를 배출시키는 반응원료 배출수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 기화수단은, 상기 제2 운반기체 흐름관에서 연장되어 점점 그 직경이 확장되는 제3 운반기체 흐름관내에 서로 이격되어 설치되며 그 각각에는 상기 미립자화된 반응원료가 운반기체와 함께 통과되도록 복수개의 구멍이 형성된 복수개의 기화부재와, 외부로부터 가해지는 전원에 의해 상기 각각의 기화부재를 가열하는 히터를 포함하여 이루어진다.

상기 각각의 기화부재는 알루미늄나이트라이드, 실리콘 카바이드, 소결 다이아몬드 중의 어느 하나의 재질로 선택되어 판형으로 구성되며, 상기 미립자화된 반응원료의 진행경로가 일직선이 되지 아니하도록, 서로 이웃하는 상기 기화부재에 각각 형성된 구멍은 그 중심축이 서로 다르게 배치된다.

상기 기화수단은, 상기 복수개의 기화부재를 그 내부에 포함하여 이들을 지지하되 상기 각각의 기화부재가 탈,부착될 수 있도록 분리가능하게 이루어진 기화기 몸체를 더 구비하고, 상기 히터는 상기 기화기 몸체와 밀접하게 접촉되도록 감싸게끔 설치되는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체원료 기화장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 제1 운반기체 흐름관(110)을 통하여 흐르는 운반기체는 그 끝단에 형성된 오리피스(120)에 연결되는 제2 운반기체 흐름관(130)으로 빠져나간다. 이 때, 제1 운반기체 흐름관(110)의 직경은 10.8mm이고, 오리피스(120)의 내경은 1.8mm이기 때문에 제2 운반기체 흐름관(130)에 흐르는 운반기체의 속력은 제1 운반기체 흐름관(110)에 흐르는 운반기체의 속력보다 훨씬 빠르다. 따라서, 베르누이 정리에 의하여 제1 운반기체 흐름관(110)의 내부압력보다 제2 운반기체 흐름관(130)의 내부압력이 훨씬 낮게 된다.

제2 운반기체 흐름관(130)의 내부압력은 제1 운반기체 흐름관(110)에 흐르는 운반기체의 유량 및 오리피스(120)의 직경에 의해 결정되므로, 제2 운반기체 흐름관(130)의 내부압력을 제어하기 위하여 제1 운반기체 흐름관(110)에는 관의 내부압력을 측정하는 압력측정기(미도시)와 운반기체의 유량을 제어하는 유량제어기(미도시)가 설치된다.

액상의 반응원료는 액체원료 공급관(140)을 통하여 제2 운반기체 흐름관(130)으로 공급된다. 이 때, 제2 운반기체 흐름관(130)의 내부압력이 매우 낮기 때문에, 제2 운반기체 흐름관(130)으로 공급된 액상의 반응원료는 순간적으로 미립자화된다. 액상의 반응원료의 공급유량은 액체원료 공급관(140)에 설치되는 액체유량제어기(미도시)에 의해 제어된다.

제2 운반기체 흐름관(130)에서 미립자화된 액상의 반응원료는 운반기체의 흐름에 편승하여 가열된 기화수단에 도달한 후에 기화된다. 여기서, 기화수단은 제1 기화부재(150a), 제2 기화부재(150b), 기화기 몸체(160), 및 히터(170)로 구성된다.

박형의 운모에 의해 전기적으로 서로 절연되는 니크롬선을 그 발열원으로 하며 전체적으로는 알루미늄으로 몰딩된 히터(170)로부터 기화기 몸체(160)로 보다 많은 열이 신속히 전달되도록 하기 위하여 히터(170)는 기화기 몸체(160)와 긴밀하게 밀착되도록 둘러 싸게끔 설치된다. 히터(170)에서 방출되는 열이 외부로 손실되지 않도록 히터(170)는 단열용 커버(미도시)로 둘러싸여 지며, 이러한 열 손실이 최소화되도록 히터(170)와 단열용 커버 사이에 버퍼 공기층이 더 마련된다. 이렇게 열의 외부 손실이 차단됨으로써 기화기 몸체(160)는 보다 더 균일한 온도 분포를 갖게 된다. 히터(170)의 온도를 보다 더 정확히 제어할 수 있도록 히터(170)의 온도를 감지하기 위한 온도 감지기(미도시)가 히터(170)의 적정 위치에 분산되어 복수개 설치된다.

히터(170)에서 방출되는 열은 기화기 몸체(160)를 통하여 그 내부에 지지되어 있는 제1 기화부재(150a) 및 제2 기화부재(150b)에 전달된다. 기화기 몸체(160)는 기화부재들(150a, 150b)이 용이하게 탈,부착될 수 있도록 그 상하가 볼트(161)에 의해 체결되어 분리가능하며, 상하 경계면에는 진공 실링(sealing)을 위하여 금속실링부재(163)가 개재(介在)된다.

제1 기화부재(150a)는 그 가장자리에 각각의 직경이 1mm인 구멍이 32개 형성된 2.3mm 두께의 판형으로 실리콘 카바이드 재질로 구성되며, 제2 기화부재(150b)는 그 중심부에 각각의 직경이 1mm인 구멍이 12개 형성된 3mm 두께의 판형 실리콘 카바이드 재질로 구성된다. 이들 기화부재들(150a, 150b)은 제2 운반기체흐름관(130)에서 연장되어 점점 그 직경이 확장되는 제3 운반기체 흐름관(180)내에 운반기체의 흐름방향과 수직하게 설치된다. 제3 운반기체 흐름관(180)의 직경을 확장시키는 이유는 운반기체에 편승하여 흐르는 미립자화된 반응원료와, 히터(170)에 의해 가열되는 제1 기화부재(150a)와의 접촉면적을 넓게 하기 위함이다.

제1 기화부재(150a)의 재질은 상기한 실리콘 카바이드 이외에 알루미늄나이트라이드나 소결다이아몬드로도 선택할 수 있는데, 이들은 열전도율이 좋기 때문에 히터(170)에서 방출되는 열이 쉽게 각각의 기화부재(150a, 150b)로 전도되어 온다.

운반기체와 함께 흐르는 미립자화된 액상의 반응원료는 제1 기화부재(150a)에 도달하여 1차적으로 기화되어, 운반기체와 함께 제1 기화부재(150a)에 형성된 구멍을 통하여 빠져 나간다. 이때, 미처 기화되지 않은 액상의 반응원료는 제1 기화부재(150a)와 2.5mm만큼 이격되어 설치되어 있는 제2 기화부재(150b)에 의해 완전히 기화된다.

한편, 제1 기화부재(150a)에는 구멍이 가장자리에 형성되고 제2 기화부재(150b)에는 구멍이 중심부에 형성되어 있기 때문에, 제1 기화부재(150a)와 제2 기화부재(150b) 사이에서 유체흐름의 경로가 바뀐다. 따라서, 액상의 반응원료가 제1 기화부재(150a)에서 미처 기화되지 않은 경우라 하더라도, 액상인 상태로 바로 제2 기화부재(150b)를 통과하는 것이 아니라 액상의 반응원료가 제2 기화부재(150b)에 닿음으로 인해 기화되게 된다. 이와 같이, 기화효율은 열전도율이 우수한 재질의 기화부재를 2개 서로 이격하여 설치함과 동시에 그 각각에 형성된 구멍의 중심축이 일치하지 아니하도록 함으로써 극대화된다.

제2 기화부재(150b)를 통과함으로써 기화된 반응원료는 기화기 본체(160)에 형성된 배출구(190)를 통하여 배출되어 반응기(미도시)로 공급된다. 반응기의 내부압력은 본 발명에 따른 기화장치의 내부 압력보다 약 25배 정도 작으므로 반응기에서 기화장치로의 유체흐름의 역류는 발생하지 않는다. 따라서, 반응기내의 압력은 반응기 내로 직접 유입되는 운반기체와, 기화된 반응원료의 양에 의해서만 결정된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 액체반응원료 기화장치에 의하면, 액상의 반응원료를 먼저 미립자로 만든 다음에 기화시키기 때문에 그 기화효율이 매우 높아 기화가 잘되며 종래와 같은 클로깅 현상은 발생하지 아니한다. 또한, 열전도율이 우수한 재질의 기화부재가 서로 이격되어 복수개 설치됨과 동시에 그 각각에 형성된 구멍의 중심축이 일치하지 않아 유체흐름이 일직선이 되지 않기 때문에 기화효율이 매우 높다. 나아가, 장치의 구조가 매우 간단하여 양산에 적용하기 용이하며, 히터가 기화기 몸체를 긴밀하게 밀착되어 둘러싸기 때문에 보다 많은 열이 기화기 몸체로 전달되어 그 기화효율이 향상된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

1. 운반기체가 흐르되 운반기체가 흘러나가는 한 쪽 끝단에는 오리피스가 형성된 제1 운반기체 흐름관;

   상기 오리피스에서 연장되는 제2 운반기체 흐름관;

   액상의 반응원료를 공급하되 그 액상의 반응원료가 미립자화 되도록 액상의 반응원료를 상기 제2 운반기체 흐름관에 공급하는 액체원료 공급관;

   상기 제2 운반기체 흐름관에서 미립자화된 반응원료를 기화시키기 위한 기화수단; 및

   상기 기화수단에 의해 기화된 반응원료를 배출시키는 반응원료 배출수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 기화수단이, 상기 제2 운반기체 흐름관에서 연장되어 점점 그 직경이 확장되는 제3 운반기체 흐름관내에 서로 이격되어 설치되며 그 각각에는 상기 미립자화된 반응원료가 운반기체와 함께 통과되도록 복수개의 구멍이 형성된 복수개의 기화부재와, 외부로부터 가해지는 전원에 의해 상기 각각의 기화부재를 가열하는 히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 각각의 기화부재가 알루미늄나이트라이드, 실리콘 카바이드 및 소결다이아몬드로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
4. 제3 항에 있어서, 상기 각각의 기화부재가 판형인 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
5. 제2 항에 있어서, 상기 미립자화된 반응원료의 진행경로가 일직선이 되지 아니하도록, 서로 이웃하는 상기 기화부재에 각각 형성된 구멍은 그 중심축이 서로 다르게 배치되는 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
6. 제2 항에 있어서, 상기 기화수단이 상기 복수개의 기화부재를 그 내부에 포함하여 이들을 지지하되 상기 각각의 기화부재가 탈,부착될 수 있도록 분리가능 하게 이루어진 기화기 몸체를 더 구비하고, 상기 히터는 상기 기화기 몸체를 긴밀하게 밀착되도록 감싸게끔 설치되는 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.