KR100474970B1 - 박막증착장치용 기화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막증착장치용 기화기에 관한 것으로서, 내부에 공간이 형성되며, 이송가스가 유입되는 이송가스유입관과, 혼합가스가 유출되는 혼합가스유출관과, 그 내측벽에 설치되어 공간을 가열하기 위한 제1히터를 가지는 기화기본체; 및 기화기본체의 측부에 설치되는 것으로서 각각의 전구체를 기화기본체 내부로 분사하기 위한 적어도 1 개 이상의 분사유니트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

박막증착장치용 기화기{Vaporize for thin film deposition apparatus}
본 발명은 박막증착장치용 기화기에 관한 것으로서, 상세하게는 한 종류 이상의 전구체를 효과적으로 기화시킴과 동시에 이송가스와 고르게 혼합시키기 위한 박막증착장치용 기화기에 관한 것이다.
집적회로(ICs)는 그 밀도 증가에 따라 높은 유전상수를 갖는 재료를 필요로 하게 되었고, 이를 만족시키는 유기금속화합물로서 바륨스트론튬티탄(BST)이나 티탄산지르콘산납(PZT) 등이 소개되고 있다. 이러한 물질들을 ALD 또는 CVD 에 적용함에 있어 가장 중요한 것은 BST 나 PZT 를 형성하기 위한 여러 종류의 전구체를 효과적으로 다루는 것이다.
그런데, 전구체는 특성상 다루기가 난해하기 때문에, 순도높은 박막을 형성하기 위한 유기금속화합물을 구현하기가 매우 어려웠다. 따라서, ALD 나 CVD 에 적용되는 유기금속화합물을 만들기 위하여, 전구체를 정확히 제어함과 동시에 효과적으로 기화시키고 이송가스와 고르게 혼합하기 위한 기화기의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구를 반영하기 위하여 창출된 것으로서, 전구체의 정확한 제어와 효과적인 기화, 그리고 이송가스와 고른 혼합을 가능하게 할 수 있는 박막증착장치용 기화기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기는, 내부에 공간이 형성되며, 이송가스가 유입되는 이송가스유입관과, 혼합가스가 유출되는 혼합가스유출관과, 그 내측벽에 설치되어 공간을 가열하기 위한 제1히터를 가지는 기화기본체; 및 상기 기화기본체의 측부에 설치되는 것으로서 전구체를 상기 기화기본체 내부로 분사하기 위한 적어도 1 개 이상의 분사유니트;를 포함하며, 상기 분사유니트는, 전구체가 유입되는 전구체유입관과 연결된 관체와, 상기 관체 내부에 설치되어 외부의 전기적 신호에 의하여 상기 기화기본체 내부를 향하는 분사노즐을 선택적으로 개폐하는 솔레노이드밸브와, 상기 관체의 외부에 설치되는 냉각부를 가진다.
본 발명에 있어서, 상기 이송가스가 상기 기화기본체 내부에서 고르게 퍼지도록 하기 위한 것으로서, 상기 이송가스유입관 측의 기화기본체 내부에 설치되며 다수개의 구멍이 형성된 샤워노즐을 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 기화기본체 내부 중앙에 설치되는 것으로서 유입되는 전구체를 가열하기 위한 제2히터와, 상기 기화기본체 내부의 온도를 측정하여 상기 제1히터 또는/및 제2히터를 제어하기 위한 신호를 발생하는 센서를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 기화기본체 외부를 감싸는 절연체를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 기화기본체의 형상은 원기둥형상 또는 다각형기둥 형상이다.
본 발명에 있어서, 상기 기화기본체의 하단부는 전구체 및 이송가스의 혼합가스가 원활히 흐를 수 있도록 원추형으로 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제1실시예의 측단면도이고, 도 2는 도 2에 채용되는 샤워노즐의 사시도이며, 도 3은 도 1의 기화기를 상부에서 본 부분단면도이다.
도시된 바와 같이, 본원에 따른 기화기의 제1실시예는, 내부에 공간이 형성되는 기화기본체(10)와, 그 기화기본체(10)의 측부에 설치되는 적어도 1 개 이상의 분사유니트, 본 실시예에서는 기화기본체(10)의 측부에 대칭되게 설치되는 2 개의 제1,2분사유니트(20)(30)를 포함한다.
기화기본체(10)는 후술할 전구체와 이송가스가 혼합되는 곳으로서, 상부에 형성되어 이송가스가 유입되는 이송가스유입관(11)과, 하부에 형성되어 전구체와 이송가스가 혼합되어 이루어진 혼합가스가 유출되는 혼합가스유출관(12)을 가진다. 유출되는 혼합가스는 반응용기(미도시)로 공급된다.
기화기본체(10) 내부에는 유입되는 이송가스가 고르게 퍼질 수 있도록 하기 위한 샤워노즐(13)이 설치된다. 샤워노즐(13)은 도 3에 도시된 바와 같이, 여러개의 구멍(13a)이 형성된 원통 형상을 가지며, 이송가스유입관(11) 측의 기화기본체(10) 내부에 설치된다. 샤워노즐(13)은 이송가스를 기화기본체(10) 내부에서 고르게 퍼지게 하여, 그 이송가스가 후술할 제1,2분사유니트(20)(30)에서 분사되는 액상의 전구체와 고르게 혼합되도록 한다.
기화기본체(10) 내측에는, 그 기화기본체 내부를 가열하기 위한 제1히터(14)가 설치된다. 제1히터(14)는 기화기본체(10) 내부를 감싸도록 설치되며, 기화기본체(10) 내부로 유입되는 전구체에 에너지를 인가한다.
기화기본체(10) 외부에는, 외기와의 열전달을 방지하기 위한 절연체(15)가 설치된다. 절연체(15)는 기화기본체(10) 외부를 감싸도록 설치되며, 기화기본체(10) 내부와 외부 사이의 온도 편차를 최소화한다.
기화기본체(10) 내부의 하단부는 혼합된 전구체 및 이송가스가 원활히 흐를 수 있도록 원추형으로 되어 있다. 하단부가 원추형으로 됨으로써 전구체와 이송가스가 혼합되어 이루어진 혼합가스가 기화기본체(10) 내부에 정체되지 않고, 혼합가스유출관(12)을 통하여 효과적으로 배출될 수 있다.
상기한 기화기본체는 본 실시예에서 전체적으로 원기둥형상으로 되어있으나 이는 일 실시예에 불과하고, 삼각기둥형상, 사각기둥형상, 오각기둥형상, 육각기둥형상등 다양한 다각형 기둥 형상으로 구현할 수 있다.
분사유니트는 본 실시예에서 2 개 채용함으로써 제1,2분사유니트(20)(30)로 정의하고, 각각의 제1,2분사유니트(20)(30)는 각각 다른 종류의 전구체를 기화기본체(10) 내부로 분사한다. 이러한 분사유니트는 각각 관체와, 관체 내부에 설치되는 솔레노이드밸브와, 관체의 외부에 설치되는 냉각부를 가지는데, 설명을 위하여 관체를 제1,2관체라 정의하고, 솔레노이드밸브를 제1,2솔레노이드밸브라 정의하며, 냉각부를 제1,2냉각부라 정의한다. 여기서, 분사유니트는 전기적으로 작동되는 솔레노이드밸브를 채용하였으나 이는 일 실시예에 불과하고, 에어나 유압으로 작동되는 공지의 밸브를 사용할 수 도 있다.
제1분사유니트(20)는 기화기본체(10)의 일측부에 설치되는 제1관체(21)와, 제1관체(21) 내부에 설치되어 외부의 전기적 신호에 의하여 제어되는 제1솔레노이드밸브(22)와, 제1관체(21)의 외부에 설치되는 제1냉각부(23)를 가진다. 이때, 제1솔레노이드밸브(22)의 일측에는 기화기본체(10) 내부를 향하는 제1분사노즐(22a)이 형성되어 있다.
제1관체(21)는 전구체가 유입되는 제1전구체유입관(21a)과 연결된다. 제1솔레노이드밸브(22)는 전기적 신호에 의하여 제1분사노즐(22a)을 선택적으로 개폐하는 것으로서 공지의 것을 사용한다.
제1냉각부(23)는 기화기본체(10)에서 전달되는 열에 의한 제1분사유니트, 엄밀하게는 제1솔레노이드밸브(22)의 온도상승을 막기 위한 것이다. 본 실시예에서는 제1관체(21)의 외부를 감싸거나 경유하는 냉각 경로를 가지며, 이들 냉각 경로로 냉각수나 냉각공기가 흐르는 구조로 되어 있다. 제1냉각부(23)는 제1분사유니트(20)를 냉각시킴으로써 기화기본체(10)로부터의 전도열에 의한 전구체의 변질을 최소화한다.
한편, 기화기본체(10) 내부의 가스가 제1분사유니트(20)로 역류되는 것을 방지하거나, 기화기본체(10) 내부와 제1전구체유입관 내부로 외부의 가스가 유입되는 것을 방지하기 위한 다수개의 오링(24)이 사용될 수 있다. 오링(24)은 제1관체(21)와 제1솔레노이드밸브(22) 사이나, 기화기본체(10)와 제1분사유니트(20) 사이에 설치될 수 있다.
제2분사유니트(30)는 제1분사유니트(20)와 거의 유사하다. 즉, 제2분사유니트(30)는 기화기본체(10)의 타측부에 설치되는 제2관체(31)와, 제2관체(31) 내부에 설치되는 제2솔레노이드밸브(32)와, 제2관체(31)의 외부에 설치되는 제2냉각부(33)를 가지며, 제2솔레노이드밸브(32)의 일측에는 기화기본체(10) 내부를 향하는 제2분사노즐(32a)이 형성되어 있다. 그리고, 제2관체(31)는 전구체가 유입되는 제2전구체유입관(31a)과 연결된다. 상기한 구성은 제1분사유니트(20)에서 설명된 것과 거의 유사하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
각각의 분사유니트로 다른 종류의 전구체를 유입시킬 수 있으며, 이렇게 함으로써 원하는 전구체 혼합물을 얻을 수 있다.
상기한 구성을 가지는 기화기의 크기는 분사노즐에서 분사되는 전구체 양이나 전구체를 밀어주는 압력, 반응용기로 전구체를 흡입하는 압력에 따라 정하여지며, 여러개의 분사유니트를 가질 경우 분사된 전구체 사이의 간섭이 피하여질 정도로 전체 크기가 정하여 진다.
예를 들면, 박막이 AxBxCx 와 같은 다원계박막을 형성하는 경우나, AxBx/CxDx 와 같은 다층박막을 형성하는 경우에 기화기 전체 크기가 달라진다. 즉, AxBxCx 와 같은 다원계박막의 경우는 두 가지 전구체가 기화기 또는 반응용기 내에 동시에 존재하여야 하는데, 이때 기화기 크기를 너무 크게 하면 기화기 내에서 두 가지 전구체가 골고루 섞이지 못하는 경우가 생긴다. 또, AxBx/CxDx 와 같은 다층박막의 경우에, 기화기의 크기가 작으면 한쪽의 분사유니트의 분사노즐에(22a)서 에서 분사된 전구체에 의하여 다른 분사유니트의 분사노즐(32a)이 오염되어 서로 다른 박막을 증착시킬때 원하는 조성을 얻을 수 없게 된다. 따라서, 전구체가 다원계박막의 경우와 다층박막일때의 경우에 따라서 크기를 바꾸어 사용하여야 한다.
상기와 같은 구조의 박막증착장치용 기화기의 동작을 설명한다.
이송가스유입관(11)을 통하여 유입된 이송가스는 샤워노즐(13)을 거치면서 고르게 확산하고, 제1분사유니트(20)나 제2분사유니트(30)로 유입되어 분사노즐(22a)에 의하여 기화기본체(10) 내부로 들어온 전구체는 이송가스와 고르게 혼합된다. 이후, 계속 유입되는 이송가스에 의하여 혼합가스는 혼합가스유출관(12)을 통하여 반응용기로 유입된다. 이때, 제1,2분사유니트(20)(30)의 솔레노이드밸브(22)(32)는 전기에 의하여 정확한 제어가 가능하므로, 기화기본체(21) 내로 유입되는 전구체의 양을 정확히 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제2실시예를 상부에서 본 부분단면도이다. 여기서, 제1실시예와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일 부재이다. 본 실시예가 제1실시예와 다른 점은 분사유니트를 3 개 채용하는 것이며, 3 개의 제1,2,3분사유니트(20)(30)(40)는 기화기본체(10)에 대칭으로 설치되어 있다.
상기한 제1,2,3분사유니트(20)(30)(40)는 기화기본체(10)의 대칭으로 설치되는 제1,2,3관체(21)(31)(41), 각각의 관체 내부에 설치되는 제1,2,3솔레노이드밸브(22)(32)(42), 제1,2,3관체(21)(31)(41)의 외부에 설치되는 제1,2,3냉각부(23)(33)(43)를 가지며, 제1,2,3솔레노이드밸브(22)(32)(42)의 일측에는 기화기본체(10) 내부를 향하는 제1,2,3분사노즐(22a)(32a)(42a)이 형성되어 있다. 그리고, 제1,2,3관체(21)(31)(41)는 각각의 전구체가 유입되는 제1,2,3전구체유입관(21a)(31a)(41a)과 연결된다. 상기한 구성은 제1실시예에서 설명된 것과 거의 유사하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제3실시예의 측단면도이고, 도 6은 도 5의 기화기를 상부에서 본 부분단면도이다. 여기서, 제1,2실시예와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일 부재이다. 본 실시예가 제1실시예와 다른 점은 기화기본체(10) 내부에 제1히터(14)와는 독립적인 제2히터(16)와, 기화기본체(10) 내부의 온도를 측정할 수 있는 센서(17)를 설치하는 것이다. 이러한 제2히터(16)는 기화기본체(10) 내부 중심에 설치된다.
제2히터(16)는 제1히터(14)와 독립적으로 또는 동시에 작동하는 것으로서, 기화기본체(10) 내부에 유입된 전구체를 순간적으로 가열하기 위한 것이다. 즉, CVD 와 ALD 에 사용되는 액상의 전구체는 반응용기 내부로 유입되기 전에 기화기에서 최대 증기압을 가져야 하는데, 액상의 전구체가 최대 증기압을 가지려면 분사된 전구체에 순간적으로 높은 에너지를 가해야 하며, 이러한 높은 에너지는 열에 의하여 인가된다. 따라서, 기화기본체 내부를 일정한 온도로 유지함과 동시에 전구체에 충분한 에너지를 가하기 위하여 제1히터(14) 외에 제2히터(16)를 설치하는 것이다. 한편, 센서(17)는 기화기본체(10) 내부의 온도를 정확히 측정하여 제1,2히터(14)(16)의 동작을 제어하기 위한 신호를 발생한다.
도 7은 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제4실시예를 상부에서 본 부분단면도이다. 여기서, 제1,2,3실시예와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일 부재이다. 도시된 바와 같이, 제4실시예가 제3실시예와 다른 점은, 분사유니트를 3 개 채용하는 것이며, 3 개의 분사유니트(20)(30)(40)는 기화기본체(10)에 대칭으로 설치되어 있다.
제1,2,3,4실시예에서, 분사유니트를 2 개 또는 3 개를 예로써 설명하였지만 이는 일 실시예에 불과하고, 분사유니트는 1 이상 설치할 수 있음은 물론이다.
상기와 같은 구조의 박막증착장치용 기화기는 CVD 나 ALD 박막증착장치에 사용되며, 더 나아가 유지 보수성이 우수하고, 필름 증착이 균일하며, 온도가 제어되는 표면으로부터 기인하는 향상된 효율의 이점이 필요한 시스템이라면 어디에나 사용될 수 있다. 이러한 기화기는 다른 많은 전기 소자뿐만 아니라, 하나 이상의 절연체, 유전체 또는 도전체를 증착시키는데 광범위하게 사용할 수 있다.
첨부된 참조 도면에 의해 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 일 실시예에 불과하다. 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 바람직한 실시예를 충분히 이해하여 유사한 형태의 연속가스분사에 의한 반도체 박막증착장치를 구현할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기에 따르면, 기화기본체에 복수개의 분사유니트를 설치하고 각각의 분사유니트를 전기적 신호에 의하여 즉각적으로 제어할 수 있으므로, 각각의 분사유니트를 경유하는 특정의 전구체의 양을 정확히 제어함과 동시에 유입되는 이송가스와의 고른 혼합을 유도할 수 있다. 따라서, 이들 기화기를 박막증착장치에 적용할 경우에 고른 순도의 다원계박막이나 다층막을 효과적으로 증착할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제1실시예의 측단면도,
도 2는 도 1에 채용되는 샤워노즐의 사시도,
도 3은 도 1의 기화기를 상부에서 본 부분단면도,
도 4는 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제2실시예를 상부에서 본 부분단면도,
도 5는 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제3실시예의 측단면도,
도 6은 도 5의 기화기를 상부에서 본 부분단면도,
도 7은 본 발명에 따른 박막증착장치용 기화기의 제4실시예를 상부에서 본 부분단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 ... 기화기본체 11 ... 이송가스유입관
12 ... 혼합가스유출관 13 ... 샤워노즐
13a ... 구멍 14 ... 제1히터
15 ... 절연체 16 ... 제2히터
17 ... 센서 20, 30, 40 ... 제1,2,3분사유니트
21, 31, 41 ... 제1,2,3관체 21a, 31a, 41a ... 제1,2,3전구체유입관
22, 32, 42 ... 제1,2,3솔레노이드밸브
22a, 32a, 42a ... 제1,2,3분사노즐
23, 33, 43 ... 제1,2,3냉각부 24 ... 오링

Claims (7)

  1. 내부에 공간이 형성되며, 이송가스가 유입되는 이송가스유입관과, 혼합가스가 유출되는 혼합가스유출관과, 그 내측벽에 설치되어 공간을 가열하기 위한 제1히터를 가지는 기화기본체; 및
    상기 기화기본체의 측부에 설치되는 것으로서 전구체를 상기 기화기본체 내부로 분사하기 위한 적어도 1 개 이상의 분사유니트;를 포함하며,
    상기 분사유니트는, 전구체가 유입되는 전구체유입관과 연결된 관체와, 상기 관체 내부에 설치되어 외부의 전기적 신호에 의하여 상기 기화기본체 내부를 향하는 분사노즐을 선택적으로 개폐하는 솔레노이드밸브와, 상기 관체의 외부에 설치되는 냉각부를 가지는 것을 특징으로 하는 박막증착장치용 기화기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이송가스가 상기 기화기본체 내부에서 고르게 퍼지도록 하기 위한 것으로서, 상기 이송가스유입관 측의 기화기본체 내부에 설치되며 다수개의 구멍이 형성된 샤워노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치용 기화기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기화기본체 내부 중앙에 설치되는 것으로서 유입되는 전구체를 가열하기 위한 제2히터와, 상기 기화기본체 내부의 온도를 측정하여 상기 제1히터 또는/및 제2히터를 제어하기 위한 신호를 발생하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치용 기화기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기화기본체 외부를 감싸는 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치용 기화기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기화기본체의 형상은 원기둥형상 또는 다각형기둥 형상인 것을 특징으로 하는 박막증착장치용 기화기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기화기본체의 하단부는 전구체 및 이송가스의 혼합가스가 원활히 흐를 수 있도록 원추형으로 된 것을 특징으로 하는 박막증착장치용 기화기.
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