KR100455224B1 - 기화기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 기화기는, 자신에 공급되는 액상 소스를 기화시켜서 캐리어 가스로 운반하는 기체 흐름관을 가지는 기화기에 있어서, 기체 흐름관의 내경보다 작은 내경을 가지고 액상 소스를 공급하는 액상 소스 공급관과, 기체 흐름관 내로 주입되는 캐리어 가스의 온도를 높이는 캐리어 가스 승온수단과, 캐리어 가스 승온수단에 연결되어 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급관과, 액상 소스 공급관의 내경보다 작은 직경을 가지는 소스 분사구가 중앙에 뚫려 있으며, 소스 분사구를 중심으로 소스 분사구 보다 작은 직경을 가지는 복수 개의 캐리어 가스 분사구가 뚫려 있고, 자신의 외경은 기체 흐름관의 외경보다 크지 않는 분배판과, 캐리어 가스 승온수단 및 기체흐름관에 열을 공급하는 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 액상 소스 공급관과 기체 흐름관을 연결하는 분배판의 구조를 변화시키고 캐리어 가스 승온수단을 마련함으로써, 다수의 히터로 복잡한 구조를 이루었던 기화기를 간단하게 제조하여 반도체 산업발전에 이바지 할 수 있다.

Description

기화기{Vaporizer}

본 발명은 MOCVD에서 사용되는 기화기에 관한 것으로서, 특히, 기화된 소스의 재응축을 방지하고 소스의 균일하게 이동시킬 수 있는 기화기에 관한 것이다.

반도체 소자의 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. 기존의 CVD공정은 박막 증착 방법에 따라서 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)로 그 종류가 구분되었던 것에 반해 MOCVD는 사용하는 원료의 형태에 따른 분류이다. 기존의 CVD 공정에 사용하는 원료는 모두 기체 상태였으나, MOCVD방법에서 요구되는 새로운 재료로서 Ta₂O₅, BST[(Ba+Sr)TiO₃], Ru …등과 같이 기체상태로 존재하지 않고 고체 혹은 액체 상태로 존재하는 물질들이 사용되기 때문이다.

여기서, 일반적으로 고체상태의 원료는 그대로를 MOCVD방법에 사용하기는 여러 가지로 어려운 점이 많아, 각 원료에 적합한 용매를 사용하여 액체 상태로 변화시켜 사용하는 경우가 대부분이다. 이와 같이, MOCVD방법은, 기존의 CVD방법들과는 달리, 액체 상태의 원료를 기체화시킬 수 있는 장치 LDS(액체이송장치)를 도입하여 기체 상태로 기화시킨 후에, 생성된 유기 금속 화합물 증기를 증착하고자 하는 기판이 있는 곳까지 운반하여 고온에서 접촉시킴으로써 기판 상에 원하는 박막을 증착시키는 공정이다.

MOCVD를 구현하는데 있어서 여러 가지의 기술적인 문제점이 있는데, 그 중 가장 큰 문제로 대두되고 있는 것이 액상의 유기 금속 소스를 기상(氣相)으로 전환시키는 기화기를 적절하게 구비하는 것이다.

이하에서, 유기 금속 소스 용액을 기화시키기 위한 종래의 기화기를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 종래의 MOCVD에서 이용되는 기화기의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 액상 유기금속 소스는 저장조(미도시)에 저장되며, 주공급관(미도시)은 상기 저장조에 연결된다. 액상 유기금속 소스를 공급하는 액상 소스 공급관(10)은 상기 주공급관에 연결되며, 액상 유기 소스는 주공급관 및 액상 소스 공급관(10)을 순차적으로 거쳐서 기체 흐름관(20)으로 공급된다. 이때, 기체 흐름관(20)의 둘레에는 기체 흐름관(20)을 가열하여 주입되는 액상 소스를 기화시키기 위해 열을 제공하는 제 1블록히터(block heater)(61)가 설치된다.

기체 흐름관(20)은 내경이 액상 소스 공급관(10) 보다 더 큰 내경을 가진다. 이때, 액상 소스 공급관(10)과 기체 흐름관(20)은 내경이 서로 다르기 때문에, 이들을 직접 연결시킬 수 없어서 액상 소스 공급관(10)과 기체 흐름관(20)을 연결시키기 위한 매개체로 분배판(30)이 설치된다.

도 2는 종래의 기화기에 설치된 분배판을 나타내기 위한 개략도이다.

여기서, 도 2의 (a)는 종래의 기화기에 설치된 분배판의 평면도이고, 도 2의 (b)는 종래의 기화기에 설치된 분배판의 사시도이다.

도 2를 참조하면, 분배판(30)은 중앙에는 액상 소스 공급관의 내경과 동일한 직경을 가지는 분사구(31)가 뚫려 있으며, 외경을 기체 흐름관의 직경 크기로 하며, 분사구(31)와 액상 소스 공급관이 마주 보게 연결시킨다.

다시, 도 1을 참조하면, 액상 소스 공급관(10)에는 캐리어 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 공급관(40)이 연결되는 데, 액상 소스 공급관(10) 및 캐리어 가스 공급관(40)의 각각의 주입구에는 밸브(11, 41)들이 각각 설치되어 액상 소스 주입 및 캐리어 가스 주입을 조절하게 된다. 여기서, 캐리어 가스는 외부에 설치된 나선 히터(spiral heater)(50)에서 가열된 상태에서 밸브(41)를 통하여 액상 소스 공급관(10) 내로 주입되어 액상 소스와 만나게 된다. 이렇게, 가열된 캐리어 가스가 밸브(41)를 통과하는 동안 온도가 저하되어 기체 흐름관에서 가열된 소스와 만나면, 소스 보다 낮은 온도 상태의 캐리어 가스가 소스를 재응축시켜 파우더를 발생하기 때문에 분배판(30)의 분사구를 막는 클로깅(clogging) 현상이 발생할 수 있어서, 다시 밸브(41)를 가열하기 위해서 캐리어 가스 공급관(40)이 연결된 액상 소스 공급관(10) 영역 및 캐리어 가스 공급관(40)의 주입 밸브(41)까지 둘러싸 가열할 수 있는 제 2블록 히터(62)를 마련하고 있다.

이와 같이, 종래의 기화기에서는 외부에서 캐리어 가스를 가열하여 밸브의 조절로 액상 소스와 캐리어 가스가 만나는 방법이기 때문에, 기체 흐름관 내에서 낮은 온도의 캐리어 가스가 기화된 소스를 재응축시키는 현상을 방지하기 위해서는 외부의 열원으로 나선 히터가 필요하게 되는 것이다.

또한, 밸브를 통과하는 영역에서 온도가 저하되는 캐리어 가스의 온도를 유지하기 위해서는 열을 공급하기 위한 제 2블록 히터를 제조해야하는 데, 밸브 주변까지 감싸는 복잡한 형상 때문에 제조가 어려우며 비용도 많이 든다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래의 기화기의 구조를보다 간략화하고 캐리어 가스가 기화된 소스를 보다 원활하게 이동시킬 수 있는 기화기를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 MOCVD에서 이용되는 기화기의 구성을 나타내는 개략도;

도 2는 종래의 기화기에 설치된 분배판을 나타내기 위한 개략도;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기화기를 설명하기 위한 개략도; 및

도 4는 본 발명에 따른 기화기에 설치된 분배판을 나타내기 위한 개략도이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 기화기는,양단이 개방된 기체 흐름관;상기 기체 흐름관의 한쪽 끝단을 막도록 설치되며, 가운데에는 소스 분사구가 뚫려져 있고, 상기 소스 분사구 둘레에는 상기 소스 분사구보다 작은 직경을 가지는 캐리어가스 분사구가 복수개 뚫려져 있는 분배판;상기 캐리어가스 분사구와는 연결되지 않으면서 상기 소스 분사구와 연결되도록 설치되며 상기 소스 분사구보다는 더 큰 내경을 가지는 액상소스 공급관;상기 액상소스 공급관 둘레를 감싸면서 상기 캐리어가스 분사구를 덮도록 설치되며 다공성 부재로 이루어진 캐리어가스 승온수단;상기 기체흐름관, 액상소스 공급관, 및 캐리어가스 승온수단의 둘레를 감싸도록 설치되는 가열수단; 및상기 가열수단을 관통하여 상기 캐리어가스 승온수단에 캐리어가스를 공급하도록 설치되는 캐리어가스 공급관; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 분배판의 상기 캐리어 가스 분사구는 4개∼64개인 것이 좋다.

더 나아가, 상기 캐리어가스 분사구는 상기 소스 분사구를 향햐여 5 ~ 80°기울어지는 것이 좋다.

이때, 상기 캐리어 가스 승온수단으로는 메탈 필터 또는 다공성 메탈 스폰지로 이루어지거나, 또는 세라믹볼이 충진되어 이루어지는 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 가열수단은 열선을 포함하여 형성된 블록히터이다.

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

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기화기를 설명하기 위한 개략도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 MOCVD에 사용되는 기화기는 액상 소스 공급관(100), 기체 흐름관(200), 액상 소스 공급관(100)과 기체 흐름관(200)을 잇는 분배판(300), 캐리어 가스 공급관(400), 캐리어 가스 승온수단(500), 및 가열 수단(600)으로 이루어진다.

액상 소스 공급관(100)은 액체 상태의 소스를 주공급관(미도시)으로부터 주입받아 이동시킨다. 이때, 대체로 상용되는 1/16∼1/4inch line을 사용하고, 이에 한정하는 것은 아니어서 기화기의 본체의 크기에 따라서 여러 가지를 이용할 수 있다.

기체 흐름관(200)은 액상 소스 공급관(100) 보다 더 큰 내경를 갖는 데, 이는 확관 효과에 의해 기화 효율을 보다 높이기 위한 것이다. 그리고, 액상 소스 및 캐리어 가스를 주입 받아서, 액체 상태의 소스에 열을 공급하여 기체 상태로 상변이시켜 캐리어 가스와 함께 이동시킨다.

도 4는 본 발명에 따른 기화기에 설치된 분배판을 나타내기 위한 개략도이다.

여기서, 도 4의 (a)는 본 발명의 기화기에 설치된 분배판의 평면도이고, 도 4의 (b)는 종래의 기화기에 설치된 분배판의 사시도이다.

분배판(300)은 외경이 기체 흐름관(200)의 내경보다 크지 않은 크기로 이루어져 기체 흐름관(200)과 액상 소스 공급관(100)을 연결하며, 중앙에 소스 분사구(301)가 뚫려 있어서 기체 흐름관 내로 액상 소스를 분사시키며, 소스 분사구(301)를 중심으로 캐리어 가스 분사구(302)가 복수 개 뚫려 있어서 기체 흐름관 내로 캐리어 가스를 분사시킨다. 여기서, 소스 분사구(301)는 직경이 액상 소스 공급관의 내경보다 크지 않아서 액상 소스가 소스 분사구(301)를 통과하여 기체 흐름관에 분사될 때, 보다 넓게 퍼지게 하여 효율적으로 기화시킬 수 있게 되어 있으며, 소스 분사구(301)가 뚫어진 분배판(300) 내의 통로는 액상 소스의 흐름방향과 같은 수직 방향이다. 캐리어 가스 분사구(302)는 직경이 소스 분사구(301)보다 작게 이루어져서 소스 분사구(301)를 중심으로 복수 개가 배열되어 액상 소스의 흐름 방향으로 캐리어 가스가 균일하게 주입되어 이동하도록 이루어진다. 그리고, 캐리어 가스 분사구를 뚫는 분배판(300) 내의 캐리어 가스 통로는 분배판에 대하여 5˚∼80˚의 기울기를 가져서 액상 소스의 흐름방향에 대한 캐리어 가스 흐름방향을 균일하게 하는 것이 가능하다.

다시, 도 3을 참조하면, 캐리어 가스 승온수단(500)은 기체 흐름관의 밑단, 즉 분배판(300)과 액상 소스 공급관(100)을 연결하는 주변 영역에 설치하고, 공급되는 캐리어 가스의 온도를 높이게 된다.

본 실시예와 같이, 캐리어 가스 승온수단이 분배판이 끼워진 기체 흐름관의 밑단 주변 영역에서 이루어지는 것만을 한정하는 것은 아니어서, 캐리어 가스 승온수단이 분배판을 감싸는 형상으로 이루어져서 기체 흐름관 밑단에 캐리어 가스 승온수단과 분배판을 일체로 끼워 넣는 형상으로 이루어져도 좋다. 이때, 분배판은 가장자리에 캐리어 가스 승온수단이 둘러 싸여지므로 기체흐름관의 내경보다는 작은 직경을 가지게 된다.

이때, 캐리어가스 승온수단은 메탈, 메탈 필터, 다공성 메탈 스폰지로 이루어지거나 또는 세라믹 볼이 충진되어 이루어진 것을 사용할 수 있는데, 캐리어가스의 온도상승은 캐리어가스가 상기 캐리어 가스 승온수단을 통과하도록 하여서 캐리어 가스의 체류시간을 증가시킴으로써 충분한 열을 공급받아 이루어지게 되는 것이다.

또한, 캐리어 가스 공급관(400)은 캐리어 가스 승온수단(500)에 캐리어 가스를 공급하고, 본 발명에 따른 기화기 전체를 둘러싸 열을 공급할 수 있도록 열선을 포함하는 하나의 블록히터(600)를 마련한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 기화기에 의하면, 액상 소스 공급관과 기체 흐름관을 연결하는 분배판의 구조를 변화시키고, 캐리어 가스 승온수단을 마련함으로써, 다수의 히터로 복잡한 구조를 이루었던 기화기를 간단하게 제조하여 반도체 산업발전에 이바지 할 수 있다.

또한, 캐리어 가스 승온수단에서 낮은 온도의 캐리어 가스에 열을 가한 후기화된 소스와 만나게 함으로써 클로깅과 같은 종래 문제를 해결하는 효과가 있고,분사판을 이용하여 캐리어 가스가 보다 원활하게 소스를 이동시키는 것이 가능하여 공정의 효율성을 높이는 효과가 있다.

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

Claims (5)

1. 양단이 개방된 기체 흐름관;

   상기 기체 흐름관의 한쪽 끝단을 막도록 설치되며, 가운데에는 소스 분사구가 뚫려져 있고, 상기 소스 분사구 둘레에는 상기 소스 분사구보다 작은 직경을 가지는 캐리어가스 분사구가 복수개 뚫려져 있는 분배판;

   상기 캐리어가스 분사구와는 연결되지 않으면서 상기 소스 분사구와 연결되도록 설치되며 상기 소스 분사구보다는 더 큰 내경을 가지는 액상소스 공급관;

   상기 액상소스 공급관 둘레를 감싸면서 상기 캐리어가스 분사구를 덮도록 설치되며 다공성 부재로 이루어진 캐리어가스 승온수단;

   상기 기체흐름관, 액상소스 공급관, 및 캐리어가스 승온수단의 둘레를 감싸도록 설치되는 가열수단; 및

   상기 가열수단을 관통하여 상기 캐리어가스 승온수단에 캐리어가스를 공급하도록 설치되는 캐리어가스 공급관; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 기화기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분배판의 상기 캐리어 가스 분사구는 4개∼64개인 것을 특징으로 하는 기화기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 캐리어가스 분사구는 상기 소스 분사구를 향햐여 5 ~ 80°기울어지는 것을 특징으로 하는 기화기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 캐리어가스 승온수단이 메탈 필터 또는 다공성 메탈 스폰지로 이루어지거나, 또는 세라믹볼이 충진되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 기화기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 가열수단은 열선을 포함하여 형성된 블록히터인 것을 특징으로 하는 기화기.