KR100443290B1 - 액체원료 기화장치 - Google Patents

Abstract

높은 기화효율을 갖도록 그 구조가 개선된 액체원료 기화장치에 관해 개시한다. 본 발명의 액체원료 기화장치의 가장 큰 특징은, 내부유도관(18')의 외주면에 액체 원료가 통과하는 나선형의 유로(19)를 형성하여 액체 원료를 기화시키는 히터주변을 지나는 길이를 길게 함으로써 높은 기화효율을 갖는다는 것이다.

Description

액체원료 기화장치 {Vaporizer for liquid source}

본 발명은 액체 운반시스템(Liquid Delivery System ; 이하, "LDS"라 한다)을 구비하는 화학기상 증착장치에 사용되는 액체원료 기화장치에 관한 것으로서, 특히 높은 기화효율을 갖도록 그 구조가 개선된 액체원료 기화장치에 관한 것이다.

화학기상 증착공정에 의해 형성된 막의 질은 반응가스를 반응기 내부로 공급하는 데 사용되는 LDS의 구조와 성능에 크게 의존한다. 따라서, 대부분의 반도체 제조업체나 장비업체 모두 특화된 LDS를 개발하여 반도체 소자 제조공정에 응용하고 있다. 그런데, 종래의 화학기상 증착장치에 의한 막 형성에 사용하는 LDS는, 구조가 복잡할 뿐 아니라, 공정이 진행됨에 따라 막의 균일성과 재현성이 저하되는 구조적인 문제점을 갖고 있다. 이러한 LDS의 구조적인 문제점을 개선시키기 위한 노력이 진행 중에 있으며, 이하 종래의 LDS중에서 액체원료 기화장치의 구조 동작과 그에 따른 문제점을 설명하면 다음과 같다.

액체원료를 공급하는 공급관은 액체원료탱크와 액체원료 기화장치 사이를 연결하고 있다. 이 공급관을 통해 액체원료가 기화장치로 공급된다. 또한, 공급관은 분사기와 상통되어 있다. 그리고, 분사기는 원통형 유도관과 상통되어 있다. 이 때,분사기에는 유도관과 연결된 부위에 분사를 위한 분사구가 형성되어 있다. 이 분사구를 통해 액체원료의 분사가 이루어진다. 분사가 이루어진 액체원료는 유도관을 따라 이동하게 된다. 이 때, 이 유도관의 외부에는 히팅 코일 및 히팅 자켓(JACKET) 등의 히터가 구비되는데, 이 히터에 의해 유도관을 통해 이동하는 액체원료의 기화가 이루어진다. 기화가 이루어진 원료는 반응기로 공급되고, 이에 따라 반응기내에서 웨이퍼 상에 막형성이 이루어진다.

그러나, 상기한 종래의 액체원료 기화장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 유도관을 따라 외부에 히터가 설치되어 있기 때문에, 유도관의 내주면에서는 기화가 잘 이루어지는 반면, 유도관의 중앙에서는 기화가 잘 이루어지지 않는다는 문제점이 있다. 이로 인해, 유도로 내부에 기화되지 않은 액체원료가 정체되는 문제점이 있다.

둘째, 상기 첫째 문제점인 유도관내의 위치에 따른 기화율의 차이로 인해, 유도관의 내주면에서 원료의 흐름이 빠른 반면 유도관의 중앙에서 원료의 흐름이느려져 유도관의 유동속도가 불균일하다는 문제점이 있다.

결과적으로, 액체원료 유량제어기를 사용하여 일정하게 기화장치 내로 액체원료를 공급하더라도, 유도관내에서의 기화율이 불균일하여 반응기로 공급되는 기체 상태의 원료공급이 불균일하게 된다. 이 때문에, 반응기로 유입되는 원료를 재현성있게 조절할 수 없어 형성되는 막의 균일도와 재현성이 떨어진다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 액체원료 기화장치는 분사기를 설치하였으나 기화효율의 증대를 기대할 수 없었고 이로 인해, 기화효율을 높이기 위해 필요이상의 온도로 액체 원료를 가열함으로써 기화장치 자체의 열화를 가져온다는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 한국특허 제296983호에서는 도 1과 같은 액체원료 기화장치를 개시한 바 있다.

도 1을 참조하면, 액체원료 공급원으로부터 공급된 액체원료를 기화장치에 이동시키기 위해, 공급관(12)이 기화장치와 연결되어 있다. 공급관(12)은 단턱부를 형성시킨 제1연결체(13)의 내부와 연결되고, 제1 연결체(13)는 단턱부를 형성시킨 분사기(14)의 내부와 연결되어 있다. 또한, 분사기(14)는 단턱부를 형성시킨 제2 연결체(15)의 내부와 연결되어 있다. 이와 같이, 제1 연결체(13)와, 분사기(14) 및 제2 연결체(15)는 액체원료의 누설을 방지하기 위해 각각에 단턱부를 형성시켜 순차적으로 연결되며, 액체원료를 이동시키기 위해 그들의 중앙부는 상통되어 있다.

특히, 액체원료 공급원으로부터 공급되는 액체원료가 분사기(14)에 충분히 주입될 수 있도록, 분사기(14) 내부에 형성된 제1 공간(16)의 직경은 공급관(12)의직경보다 크게 형성되어 있다.

또한, 분사기(14)에는 내부유도관(18)을 내삽시키기 위한 일정 직경을 갖는 출구가 제2 연결체(15)와 상통되는 위치에 마련되는데, 이 출구에 액체원료를 분사시킴과 동시에 유도하기 위한 내부유도관(18)의 일단이 내삽되어 있다. 이 때, 내부유도관(18)이 상기 출구에 내삽되어 분사의 기능을 수행할 수 있도록, 내부유도관(18)의 직경은 상기 출구의 직경보다 작게 제작되어 있다. 본 기술에서는 분사 효과를 증대시키기 위해 내부유도관(18)의 직경보다 큰 단턱을 형성시켜 상기출구에 내삽시키고 있다.

이로 인해, 이 출구와 내부유도관(18) 사이에 오-링(O-RING)형상의 분사구(20)가 생성된다. 분사의 효과를 최대로 하기 위해 오-링형상의 분사구 두께는 충분히 얇게 조절된다.

또한, 공급관(12)을 통해 액체원료가 제1 공간(16)에 채워졌을 때, 액체원료의 흐름을 유선형으로 유도하여 분사구(20)에 집중시킬 수 있도록, 분사기(14)에 내삽된 내부유도관(18)의 일단에는 내부유도관(18)과 일체인 원뿔형상의 흐름개선돌출부(22)가 제1 공간(16)내에 위치하여 있다. 한편, 원통형상의 내부유도관(18)을 사용하지 않고 직각기둥형상의 내부유도관을 사용할 경우에 사각링형상의 분사구가 생성되므로 흐름개선돌출부도 사각뿔의 형상을 갖는다. 또한,내부유도관(18)과 흐름개선돌출부(22)를 따로 제작한 후 결합시킬 수도 있다.

오-링 형상의 분사구(20)를 통과하여 분사된 액체원료가 충분히 유입됨과 동시에 유도로(24)에 집중되어 유도로(24)를 따라 균일하게 이동시킬 수 있도록, 원뿔형상의 제2 공간(26)이 마련되어 있다.

단턱을 형성시킨 제2 연결체(15)의 내부와 연결되는 외부유도관(28)이 내부유도관(18)을 둘러 싸고 있다. 유도로(24)는 내부유도관(18)과 이를 둘러싼 외부유도관(28)의 사이에 형성되어 있다. 이에 따라, 유도로(24)는 오-링형상의 공간을 형성하게 된다. 오-링 형상의 유도로(24) 두께는 내부유도관(18)과 외부유도관(28)의 직경을 조절하여 임의로 조절할 수 있으며 얇을수록 기화율은 상승된다. 그러나, 너무 얇으면 유동속도가 느려져 반응기에 공급하는 원료의 공급속도가 너무 느려지므로 일정한 간격을 유지하는 것이 바람직하다.

내부유도관(18)과 외부유도관(28) 사이에 형성된 유도로(24)를 따라 진행하는 액체원료를 기화시키기 위해, 히팅 코일 및 히팅 자켓(JACKET) 등의 히터(미도시)가 외부유도관(28)의 외부를 둘러싸고 있다. 히터(미도시)는 액체원료의 예비가 열을 위해 분사기(14)의 주위에도 설치할 수 있다.

한편, 본 기술에서는, 반응기로 기화된 원료를 공급시키기 전에, 일정한 유동속도를 유지시킴과 동시에 완벽한 기화를 위해 유도로(24) 구간 내에 중간분사기(30)를 구비시킨다. 외부유도관(28)은 단턱을 형성시킨 중간분사기(30)의 내부와 연결되어 있다. 또한, 중간분사기(30)는 그 내부에 일정직경을 갖는 관통된 구멍이 형성되어 있다. 중간분사가 효과적으로 이루어질 수 있도록, 내부유도관(18)의 선단부를 원뿔형으로 제작하고, 이 원뿔형 선단부를 일정 직경의 구멍에 내삽시킨다. 이에 따라, 오링 형상의 분사구(20')가 만들어진다. 중간분사기(30)는 분사기화에 의한 기화효율을 증대시키기 위해 임의로 다수개 설치할 수 있다.

중간분사기(30)와 히터(미도시)에 의해 기화된 원료를 반응기로 공급시킴과 동시에 기화장치로부터 배출시키기 위해, 배출관(32)이 기화장치와 반응기 사이에 위치해 있다.

그러나, 도 1에 도시된 종래기술의 경우에 내부유도관(18)과 외부유도관(28) 사이의 공간을 통해 액체원료가 공급되기 때문에 내부유도관(18)과 외부유도관(28)이 직선형태를 가진다면 액체원료가 통과하는 유로도 역시 직선형태를 가질 수 밖에 없다. 따라서, 액체원료가 완전히 기화되도록 하기 위해서는 내부유도관(18)과 외부유도관(28)의 길이가 길어야 하며, 이를 둘러싸는 히터(미도시)의 길이도 길어야 한다. 따라서, 액체원료 기화장치를 구성하는 부품이 커지고, 그에 따라 액체원료 기화장치의 크기도 커져야 한다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 액체원료가 통과하는 유로를 변형하여 높은 기화효율을 갖는 액체원료 기화장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 액체원료 기화장치의 개략적 단면도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체원료 기화장치의 개략적 단면도; 및

도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도에서 내부유도관(18')만을 나타낸 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 액체원료 기화장치는, 액체원료를 공급하는 액체원료 공급관과 연결되어 상기 액체 원료 공급관으로부터 공급되어 오는 액체원료를 기화시켜 이를 반도체 제조장치로 공급하는 액체원료 기화장치로서,

상기 액체원료 공급관으로부터 액체원료를 받아들이는 유입구와 상기 유입구를 통하여 자신에게 유입된 액체원료가 유압에 의해 토출되도록 상기 유입구와 대향하는 토출구가 마련되는 분사기와;

상기 토출구보다는 작은 직경의 원기둥 형태를 하여 상기 토출구에 내삽되며, 액체원료가 상기 토출구를 통하여 유선형의 흐름으로 용이하게 토출되도록 내삽 부위는 끝부분이 뾰족한 형태를 가지며, 상기 토출구에 위치하는 부분에는 상기 토출구와 자신 사이의 틈의 더 좁아지도록 둘레에 단턱부가 형성되며, 자신의 외주면에 액체 원료가 통과하는 나선형의 홈으로 이루어진 유로를 가지는 내부유도관과;

상기 내부유도관의 외주면에 자신의 내주면이 밀착하도록 둘러싸는 외부유도관과;

상기 유로를 통과하는 액체 원료가 열기화되도록 상기 외부유도관을 둘러싸도록 설치되는 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 유로를 적어도 두 개 이상으로 만들어도 좋다.

또한, 상기 가열수단은 블록 히터인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 내부유도관(18')과 외부유도관(28)이 모두 우수한 열전도율을 가지는 금속으로 만들어지는 것이 바람직하며, 상기 금속이 스테인레스 스틸인 것이 더욱 바람직하다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도면 중에 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체원료 기화장치의 개략적 단면도이다.

도 2의 액체원료 기화장치는 도 1에 도시된 종래의 액체원료 기화장치를 개량한 것으로서, 전체적인 구성은 거의 동일하며, 차이점은 다음과 같다.

위에서 설명한 종래의 액체원료 기화장치에서는 액체원료가 통과하는 유로(24)가 내부유도관(18)과 외부유도관(28) 사이의 틈에 의해 주어지나(도 1 참조), 본 발명의 실시예의 기화장치에서는 내부유도관(18')의 외주면과 외부유도관(28)의 내주면이 서로 밀착하고 있기 때문에 그 틈에 의해서는 유로가 제공되지 않는다(도 2 참조). 그러나, 본 발명의 실시예의 기화장치에서는, 내부유도관(18')의 외주면에 액체 원료가 통과하는 나선형의 홈의 유로(19)가 형성되어 있다. 내부유도관(18')의 축을 따라 직선형 홈 대신 나선형의 홈을 형성하여 유로를 마련한 이유는 외부유도관(28)을 둘러싸는 블록 히터(미도시)로 이루어진 가열 수단에 의해 액체원료를 기화시키는 경우 블록 히터 부근을 지나는 유로의 길이가 길수록 기화효율이 높아지기 때문이다. 즉, 유로(19)를 나선형으로 만듦으로써 짧은 길이의 내부유도관(18')과 블록 히터를 사용하여도 우수한 기화효율을 나타낼 수 있다. 내부유도관(18')의 외주면에 나선형 홈을 겹치지 않게 여러 개 형성한다면, 이와 같은 유로(19)를 다수 개 만들어서 기화효율을 더 높일 수도 있다.

한편, 내부유도관(18')과 외부유도관(28)의 재질로는 열전도도가 우수한 금속을 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 스테인레스 스틸(제품명:SUS)을 사용하는 것이 좋다.

도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도에서 내부유도관(18')만을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 내부유도관(18')의 외주면에 서로 분리되고 평행한 2개의 나선형 유로(19a, 19b)가 형성되어 있다. 이와 같은 유로는 내부유도관(18')의 외주면에 나선형이면서 높이에 따라 폭이 다른 홈을 형성하고, 넓은 폭의 홈부분에 유연성 금속 스트라이프(21a, 21b)를 채워넣음으로써 만들 수 있다. 도 3에 도시된 유로는 본 발명의 실시예에 해당할 뿐 제한적인 것은 아니다. 따라서, 많은 다른 형태의 나선형 유로를 만들 수 있음은 물론이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 히터 주위를 지나는 유로의 길이가 길어지므로 기화효율을 90% 이상 얻을 수 있을 뿐 아니라 액체원료 기화장치의 소형화도 달성할 수 있다.

Claims (5)

1. 액체원료를 공급하는 액체원료 공급관(12)과 연결되어 상기 액체 원료 공급관(12)으로부터 공급되어 오는 액체원료를 기화시켜 이를 반도체 제조장치로 공급하는 액체원료 기화장치에 있어서,

   상기 액체원료 공급관(12)으로부터 액체원료를 받아들이는 유입구와 상기 유입구를 통하여 자신에게 유입된 액체원료가 유압에 의해 토출되도록 상기 유입구와 대향하는 토출구가 마련되는 분사기(14)와;

   상기 토출구보다는 작은 직경의 원기둥 형태를 하여 상기 토출구에 내삽되며, 액체원료가 상기 토출구를 통하여 유선형의 흐름으로 용이하게 토출되도록 내삽 부위는 끝부분이 뾰족한 형태를 가지며, 상기 토출구에 위치하는 부분에는 상기 토출구와 자신 사이의 틈의 더 좁아지도록 둘레에 단턱부가 형성되며, 자신의 외주면에 액체 원료가 통과하는 나선형의 홈으로 이루어진 유로(19)를 가지는 내부유도관(18')과;

   상기 내부유도관(18')의 외주면에 자신의 내주면이 밀착하도록 둘러싸는 외부유도관(28)과;

   상기 유로(19)를 통과하는 액체 원료가 열기화되도록 상기 외부유도관(28)을 둘러싸도록 설치되는 가열수단;

   을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 유로(19)가 적어도 둘 이상인 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가열수단이 블록 히터인 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 내부유도관(18')과 외부유도관(28)이 모두 열전도율이 우수한 금속으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 금속이 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 액체원료 기화장치.