KR100616136B1

KR100616136B1 - 화학 기상 증착 장치용 기화기

Info

Publication number: KR100616136B1
Application number: KR1020050022025A
Authority: KR
Inventors: 성기현; 최주호; 서주원; 박영호; 이응직
Original assignee: 주식회사 선익시스템
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2006-08-29
Also published as: KR20060043720A

Abstract

본 발명은 반도체 또는 디스플레이의 제조 등에 사용되는 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)장치에 가스 상태의 CVD 원료를 품질의 저하 없이 원하는 농도 및 유량으로 공급하기 위한 기화기에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 원하는 농도와 유량으로 충분히 기화된 균일한 기체 원료의 공급이 가능한 기화기를 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 박막 증착에 사용되는 원료를 기상 원료로 기화시키는 기화기는 원료를 증발시키는 증발실과, 상기 증발실의 상단부를 관통하여 설치되어 증발실 외부의 일단부에서 원료를 공급받아 증발실 중간에 위치하는 타단부인 원료 주입구를 통하여 상기 증발실로 원료를 주입하는 원료 주입관과, 일 단부에서 운반 가스를 공급받아 상기 증발실의 측부에 형성된 타 단부인 운반 가스 주입구를 통하여 상기 증발실로 운반 가스를 주입하는 운반 가스 주입관과, 상기 증발실의 측부에 형성된 증발실 배출구와 연결된 기화실과, 상기 증발실과 기화실을 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 가열기는 증발실에서 상기 원료 주입관의 원료 주입구가 존재하는 영역과 그 아래 영역만을 가열한다.

기화기, 기상 성장, 반도체, CVD, 증착, 액체 원료

Description

화학 기상 증착 장치용 기화기 {VAPORIZER FOR APPARATUS FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}

도 1은 종래의 액체 원료 기화기를 구비한 용액 기화 CVD 장치의 구성의 개략도.

도 2는 종래의 액체 원료 기화기의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 기화기의 개략 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 기화기의 일부를 절제한 부분단면 사시도.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 기화기의 출구에 절환 밸브가 장착된 변형예의 부분단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 증발실

200: 기화실

210: 기화실 흡입구

220: 기화실 출구

230: 기화기 출구

240: 배기구

250: 퍼지 가스 유입구

300: 원료 주입관

320: 원료 주입구

440: 운반 가스 주입구

400: 운반 가스 주입관

450, 450a, 450b: 운반 가스

500: 가열기

600: 원료 공급원

610: 원료 공급원 밸브

700: 절환밸브

710: 밸브 몸체

730: 모터

본 발명은 액체 원료를 기화시키는 기화기에 관한 것으로서, 특히 반도체 또는 디스플레이의 제조 등에 사용되는 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, 이하 CVD) 장치에 가스 상태의 CVD 원료를 품질의 저하 없이 원하는 농도 및 유량으로 공급하기 위한 기화기에 관한 것이다.

최근에, 디바이스의 고속화, 저소비전력화, 저비용화 등의 목적을 위하여, 반도체 메모리나 디바이스의 집적화가 급속하게 진행되고 있다. 그러나, 집적도가 향상하더라도, DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 구성요소인 커패시터에는 일정한 용량이 필요하고, 그것을 위해서는 커패시터 유전체층의 막두께를 얇게 할 필요가 있다.

그러나, 커패시터 유전체층으로서 지금까지 사용되고 있었던 산화 실리콘(SiO₂)에서는 박막화에 한계가 생기고 있다. 이 때문에, 커패시터 유전체층의 재료를 변경하여 유전율을 높이기 위해, 고유전율 재료를 커패시터 유전체층의 재료로서 이용하고, 또한 커패시터 전극의 재료로서 금속재료를 이용하는 연구/개발이 활발히 행해지고 있다. 구체적으로는 고유전율 재료로서, 산화 탄탈, 티타늄산 지르코늄산 납(PZT), 티타늄산 지르코늄산 란탄 납(PLZT), 티타늄산 스트론튬(ST), 티타늄산 바륨(BT), 티타늄산 바륨 스트론튬((Ba,Sr)TiO₃) 등이, 또한 금속재료로서 백금(Pt), 루테늄(Ru) 등이 각각 검토되고 있다.

이들 고유전율 재료 및 금속재료의 박막을 단차가 있는 반도체 소자의 패턴 상에 형성하기 위해서는, 복잡한 형상의 물체에 부착이 양호한 CVD법에 의한 막형성이 가장 유리하다. 이들 박막의 원료로는, 예를 들면 Pb 원으로서 Pb(DPM)₂(고체 원료), Zr 원으로서 Zr(OC(CH₃)₃)₄(액체 원료), Ti 원으로서 TI(OCH(CH₃)₂)₄(액체 원료), Ba 원으로서 Ba(DPM)₂(고체 원료), Sr 원으로서 Sr(DPM)₂(고체 원료)가 사용되고 있다. 그러나, 이들 원료는 고유전율 박막, 금속 박막 형성을 위한 CVD용 원료 로서 안정되고 양호한 기화특성을 원하는 만큼 충족시켜주고 있지 못하고 있다.

이러한 상황 하에 있어서, 테트라히드로푸란(C₄H₈0)이라는 유기용제에 종래의 고체원료를 용해하면 기화성이 비약적으로 향상된다는 사실을 알아내게 되어, 이와 같이 유기용제에 종래의 고체원료를 용해한 액체 원료가 CVD 원료로 많이 사용되고 있다.

도 1은 고유전율 박막 형성을 위한 용액 기화 CVD 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 CVD 장치는 액체 원료 기화기(11)와, 액체 원료 용기(12 내지 15)와, 가압관(16)과, 액체 원료 유량 제어계(17 내지 20)와, 운반 가스 공급관(21)과, 운반 가스 유량제어계(22)와, 연결관(23)과, 산화제 공급관(24)과, 원료가스 수송관(25)과, 수송관 가열히터(26)와, 반응실(27)과, 기판 히터(28)를 포함한다. 4개의 액체 원료 용기(12 내지 15)의 각각은 가압관(16)에 연결되고, 액체 원료 유량제어계(17 내지 20)의 각각을 거쳐 연결관(23)에 연결된다. 연결관(23)에는 운반 가스 공급관(21)이 운반 가스 유량제어계(22)를 통해 연결된다. 연결관(23)은 액체 원료 기화기(11)의 원료 공급관(33)에 연결된다. 액체 원료 기화기(11)에는 반응실(27)측으로 연장되는 원료가스 수송관(25)이 연결된다. 산화제 공급을 위한 산화제 공급관(24)은 반응용기(27)측으로 연장되도록 배치된다. 원료가스 수송관(25)을 가열하기 위한 수송관 가열히터(26)가 수송관(25) 둘레에 배치되고, 산화제 공급관(24)을 가열하기 위한 가열히터는 산화제 공급관(24) 둘레에 배치된다. 반응실(27) 내부에는 반도체 기판(29)을 가열 및 지지하기 위한 기판 히 터(28)가 지지된다.

운반 가스가 운반 가스 유량제어계(22)에 의해 유량이 조정되면서 운반 가스 공급관(21)으로부터 연결관(23)으로 흐른다. 액체 원료 용기(12 내지 15) 내부의 용액 원료는 가압관(16)으로부터 가압되고 액체 원료 유량제어계(17 내지 20)에 의해 유량 조정되어 연결관(23)으로 공급되고, 액체 원료 기화기(11) 내부로 분무된다. 액체 원료 기화기(11) 내부에 분무된 액체 원료는 액체 원료 기화기(11) 내부에서 기화된다. 기화된 가스(원료 가스)는 수송관 가열히터(26)에서 가열된 원료가스 수송관(25) 내부를 통과하여 반응실(27) 내부로 공급된다. 원료가스는 반응실(27) 내부에서 산화제 공급관(24)으로부터 공급된 산화제와 반응하여 기판 히터(28)로 가열된 반도체 기판(29) 상에 고유전율 박막 또는 금속박막을 형성한다. 이때, 액체 원료 용기(12 내지 15)에는 유기용매 테트라히드로푸란 및 용액 원료가 각각 충전되어 있다. 반응실(27) 내부는 압력이 133∼1330 Pa이고 온도가 400∼600??이며 0₂ 분위기에서 막형성이 행해진다.

도 2는 종래의 액체 원료 기화기의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 액체 원료 기화기(11)는 기화기 본체(30)와, 기화기 덮개(31)와, 히터(32)와, 원료 도입관(33)을 구비한다. 기화기 본체(30)와 기화기 덮개(31)는 기화실을 구성하고, 그들 내부에는 히터(32)가 매립된다. 기화기 덮개(31)에는 액체 원료와 운반 가스의 혼합체를 기화실 내부로 공급하기 위한 원료 공급관(33)이 연결된다. 기화기 본체(30)에는 기화된 원료를 배출하기 위한 기화실 출구가 설치 된다. 기화실 출구에는 기화된 원료를 반응실로 유입시키기 위한 원료가스 수송관(25)이 연결된다. 이 기화기 출구 부분과 원료가스 수송관(25)의 주위에는 수송관 가열히터(26)가 설치된다. 기화기 본체(30) 및 기화기 덮개(31)는 금속, 예를 들면 알루미늄(Al)이나 구리(Cu)와 같이 열전도성이 높은 금속으로 형성된다. 또한, 원료 공급관(33)에는 PTFE(폴리테트라풀루오로에틸렌)나 폴리이미드로 이루어진 가는 관이 사용되고, 원료가스 수송관(25)으로는 스테인레스강의 가는 관이 사용된다.

이와 같은 액체 원료 기화기(11)에서, 원료 공급관(33)의 종단으로부터 액체 원료가 운반 가스와 함께 비산 또는 분무됨으로써 기화실 내부로 공급된다. 기화실 내부로 공급된 액체 원료는 기화실의 내벽에 충돌한다. 이때, 기화기 본체(30) 및 기화기 덮개(31)는 히터(32)에 의해 가열된 상태로 되어 있기 때문에, 기화실의 내벽에 충돌한 액체 원료는 순간적으로 기화한다. 이와 같이 기화된 액체 원료(이하, 원료가스로 기재한다)는 기화실 출구부분으로부터 배출되어 반응실로 공급된다. 그러나, 기화기 본체(30) 및 기화기 덮개(31)는 히터(32)에 의해 가열되고 있기 때문에, 기화기 덮개(31)에 연결된 원료 공급관(33)으로도 그 열이 전달되어 원료 공급관(33)의 온도가 상승한다.

사용되는 액체 원료가 테트라히드로푸란(C₄H₈0)과 같은 유기용제에 고체원료를 용해시킨 경우, 온도가 상승된 원료 공급관(33)의 내부에서 액체 원료의 용매가 부분적으로 기화하는 경우가 발생하게 된다. 이와 같이 용매가 부분적으로 기화할 때, 액체 원료에 용해하고 있던 용질로서의 유기금속 화합물의 일부가 원료 공급관(33)의 내부에서 고체로 석출되는 경우가 발생하게 된다. 이때, 석출된 CVD 막의 원료인 유기화학 금속(이하, 기화 잔사(殘渣)라 한다)은 기화실의 내부와 원료 공급관(33)의 내부에 축적하게 된다. 이러한 축적된 기화 잔사는 기화실 내벽의 온도를 미묘하게 변화시키고, 결과적으로 액체 원료의 기화 특성에 악영향을 미친다. 이 때문에, 기화실로부터 반응실(27)로 안정적으로 원료가스를 보낼 수 없게 되어, CVD 막의 특성이 열화하는 문제가 발생한다. 또한, 기화실의 내부 등에 축적된 기화 잔사는 분말형의 고체성분으로서 기화된 원료와 함께 기화실 출구부분으로부터 배출되어, 반응실(27)에 도착하는 경우도 있다. 이러한 경우, 기화 잔사가 반응실(27)에서 CVD 막 가운데에 이물질로서 들어가, 이와 같은 CVD 막을 사용한 디바이스의 동작 불량의 요인이 되는 경우가 있다. 더욱이, 상기와 같은 CVD 장치를 장기간 사용하면, 기화실 내부에 축적된 기화 잔사에 의해 기화실의 내벽 온도가 저하한다. 그 결과, 액체 원료의 기화특성이 악영향을 받아 기화 잔사가 기화기 내부에 점점 더 축적되는 악순환이 일어난다. 이 때문에, 양호한 막질을 갖는 CVD 막을 장기간 안정적으로 얻는 것이 곤란하다.

또한, 사용되는 액체 원료는 통상 도 1에서 도시된 바와 같이 둘 이상의 액체를 혼합한 액체로서, 통상 기화 온도가 서로 다른 경우가 대부분이다. 이러한 경우, 전술된 액체 원료 기화기(11)의 히터(32)에 의해 기화기 덮개(31)에 연결된 원료 공급관(33)이 가열되면, 서로 혼합된 액체 원료의 일부가 원료 공급관(33) 내에서 기화되어, 기화되지 않은 액체 원료들의 혼합물만 기화실 내로 공급된다. 따 라서, 기화시키려는 혼합된 액체 원료에서 일부는 원료 공급관(33)에서 나머지 일부는 기화실 내에서 각각 기화되어 기화실 출구를 통하여 반응실(27)로 공급되기 때문에, 이러한 종래의 기화기는 원하는 농도 및 유량으로 균일한 기체 원료를 반응실(27)로 공급할 수 없다.

본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원하는 농도 및 유량으로 충분히 기화된 균일한 기체 원료의 공급이 가능한 기화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원료 공급관 내부에 축적되는 기화 잔사의 양을 감소시킴으로써, 장시간 공정 시 안정성, 정확성 및 제어성을 확보할 수 있는 기화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 두 가지 이상의 원료를 혼합하여 사용하는 박막 제조 공정에 적합한 기화기를 제공하는 것이다.

전술된 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기화기는 박막 증착에 사용되는 원료를 기상 원료로 기화시키기 위한 것으로서, 원료를 증발시키는 증발실과, 일 단부에서 원료를 공급받아 타 단부의 원료 주입구를 통하여 상기 증발실로 원료를 주입하는 원료 주입관과, 일 단부에서 운반 가스를 공급받아 타 단부의 운반 가 스 주입구를 통하여 상기 증발실로 운반 가스를 주입하는 운반 가스 주입관과, 일 단부가 상기 증발실의 배출구와 연결된 기화실과, 상기 증발실과 기화실을 가열하는 가열기를 포함한다.

상기 가열기는 증발실에서 상기 원료 주입관의 원료 주입구가 존재하는 영역과 그 아래 영역만을 가열할 수 있다. 상기 원료 주입관은 원료 주입구가 증발실 중간에 위치하도록 상기 증발실의 상단부를 관통하도록 설치될 수 있다. 더욱이, 이러한 상기 원료 주입구는 상기 증발실 배출구와 운반 가스 주입구보다 낮은 위치에 형성되고, 특히 상기 운반 가스 주입구는 증발실 배출구보다 높은 증발실의 상단 측부에 형성될 수 있다. 상기 증발실은 중공 원통 형상이며 하단부가 원추형인 것이 바람직하다. 또한, 상기 기화실은 나선형으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 기화실의 출구는 증발실 배출구보다 아래에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 기화실은 증발실을 둘러싸는 나선형으로 이루어지고, 상기 가열기는 증발실과 기화실 사이에 배치될 수도 있으며, 이 경우 상기 기화실의 외측부는 단열 처리되는 것이 바람직하다. 상기 운반 가스 주입관에는 밸브 및 압력 측정기가 마련되어 운반 가스의 유량과 압력을 제어할 수 있다. 상기 운반 가스 주입관에는 온도 측정기가 마련되어 증발실에 주입되는 운반 가스의 온도를 측정하여, 증발실에 소정 온도의 운반 가스가 주입되도록 할 수 있다. 상기 원료 주입관에는 밸브가 마련되어 운반 가스 및 원료 흐름을 제어할 수 있다. 상기 원료 주입관 일단부에는 다수의 서로 다른 원료 공급원이 연결되고, 각각의 원료 공급원과 원료 주입관의 일단부 사이에는 밸브가 각각 마련될 수 있다. 상기 증발실과 기화실 내의 온도를 측정하는 온 도 측정기와, 상기 온도 측정기에서 측정된 온도를 바탕으로 가열기의 온도를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 기화실의 타 단부인 기화실 출구에 인접하게 형성된 기화기 출구와, 상기 기화실의 출구에 인접하게 형성되고 기화기의 외부로 연결되는 배기구와, 상기 기화실의 출구가 상기 기화기 출구 또는 배기구와 선택적으로 연통되도록 절환하는 절환 밸브와, 상기 기화기 출구에는 상기 절환 밸브와 인접하게 형성된 개폐 가능한 퍼지 가스 유입구를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 절환 밸브에 의해 상기 기화실의 출구가 상기 기화기 출구와 연통되도록 절환되면 상기 퍼지 가스 유입구는 폐쇄되고, 상기 기화실의 출구가 상기 배기구와 연통되도록 절환되면 상기 퍼지 가스 유입구는 개방되도록, 상기 절환 밸브와 퍼지 가스 유입구의 개폐 밸브는 서로 연동할 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 기화기의 개략 단면도 및 부분단면 사시도이다. 본 발명에 따른 기화기는 증발실(100)과, 상기 증발실(100)과 연결된 기화실(200)과, 상기 증발실(100) 및 기화실(200)을 가열하는 가열기(500)와, 상기 증발실(100)로 운반 가스 및 원료를 주입하는 원료 주입관(300) 및 운반 가스 주입관(400)을 포함한다.

상기 증발실(100)은 중공 원통형으로 상단 측부에는 운반 가스 주입관(400)과 연결되기 위한 운반 가스 주입구(440)가 형성되고, 중간 측부에는 기화실(200)과 연결되어 증발실(100)에서 1차 증발된 가스를 기화실(200)로 배출하기 위한 증발실 배출구 또는 기화실 흡입구(210)가 형성되어 있다. 상기 증발실(100)의 하단 부는 원추 모양으로 형성되어 있고, 상단부에는 원료 주입관(300)이 증발실(100) 상단부를 관통하여 증발실(100)의 내부까지 연장되기 위한 관통 구멍이 형성되어 있다. 즉, 원료 주입관(300)은, 일단부는 증발실(100)의 외부에 있고 타단부는 증발실(100) 내부에 존재하도록, 증발실(100)의 상단을 관통하여 길게 연장 형성되어 있다. 증발실(100)의 외부에 있는 원료 주입관(300)의 일단부에는 복수개의 분기관이 형성되어 복수개의 액체 원료 공급원(600a 내지 600c)에 각각 연결된다. 상기 분기관의 각각에는 밸브(610a 내지 610c)가 마련되어 원료 공급원(600a 내지 600c)으로부터 공급되는 각각의 액체 원료의 유량이 조절되고, 원료 주입관(300)의 일단부에는 원료 밸브(310)가 마련되어 있어 증발실(100)로 공급되는 전체 액체 원료의 유량이 조절된다. 상기 원료 주입관(300)의 타단부인 원료 주입구(320)는 기화실 흡입구(210)를 지나 증발실(100)의 하부측에 위치한다. 상기 증발실(100)을 가열하는 가열기(500)는 증발실(100)의 하부 둘레에 배치되어 증발실(100)의 하부만을 가열한다. 즉, 가열기(500)는 증발실(100)의 외부에서 증발실(100)의 원료 주입구(320)가 존재하는 영역과 그 아래 영역을 가열하도록 배치되어 있다.

기화실(200)은 상기 가열기(500)를 사이에 두고 증발실(100)의 둘레를 감아내려가는 나선형의 관 형상이다. 가열기(500)를 증발실(100)과 기화실(200) 사이에 배치시키는 것은 하나의 가열기(500)로 증발실(100)과 기화실(200)을 동시에 가열하기 위함이다. 이와 같은 가열기(500)는 나선형 기화실(200)의 내측부(나선 중심부)만을 가열하기 때문에 기화실(200)의 외측부에 별도의 가열기가 배치되거나 또는 단열처리되는 것이 바람직하다. 물론 증발실(100)과 기화실(200)을 독립적으 로 가열시키기 위하여 이들을 서로 이격 위치시키고 각각에 별도의 가열기를 설치할 수도 있다. 이 경우, 증발실(100)과 기화실(200)을 위한 가열기가 각각 구비되어 장치가 커지는 문제가 있으나, 증발실(100)과 기화실(200) 내의 원료의 상태에 따라 이들의 온도를 최적으로 달리 제어할 수 있다. 기화실(200)의 일단부는 증발실 배출구 또는 기화실 흡입구(210)를 통하여 증발실(100)과 연결되고, 기화실 출구(220)인 타단부는 기화기 출구(230)를 통하여 (도 1에 도시된) CVD 장치와 연결되어 CVD 장치에 기화된 원료를 공급한다. 가열기(500)는 원료 주입구(320)가 존재하는 영역과 그 아래 영역을 가열하도록 배치되어 있기 때문에, 하나의 가열기(500)로 증발실(100)과 기화실(200)을 동시에 가열하려면 기화실(200)은 증발실(100)의 둘레를 감아내려가는 나선형의 관 형상이어야 한다. 따라서, 상기 기화실 출구(220)는 기화실 흡입구(210)보다 낮은 위치에 형성된다.

상기 운반 가스 주입관(400)의 일단부에는 운반 가스 밸브(410)를 통하여 (도시되지 않은) 운반 가스 공급원과 연결되고, 운반 가스 주입관(400)의 중간에는 운반 가스 압력 측정기(420) 및 온도 측정기(430)가 마련되어 있다. 상기 운반 가스 주입관(400)의 타단부인 운반 가스 주입구(440)는 증발실(100)의 측부와 연결되어 증발실(100)에 운반 가스를 공급한다. 이 때, 운반 가스는 소정 온도로 가열된 상태에서 운반 가스 주입관(400)을 통하여 증발실(100)로 공급된다.

본 발명의 기화기는 상기 운반 가스 압력 측정기(420)로부터 측정된 압력 측정 데이터를 바탕으로 기화기 상태를 관리하고, 운반 가스 주입관(400)에 설치된 온도 측정기(430)에서 일정한 온도를 유지 할수 있도록 하고, 밸브(610a 내지 610c) 및 원료 밸브(310)를 조절하여 공급되는 각각의 액체 원료의 유량 및 이들 전체 유량을 제어하는 제어기(도시 되지 않음)를 더 포함한다. 이때, 액체원료의 유량 제어는 LMFC(liquid mass flow controller)를 사용한다.

본 발명에 따른 기화기의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다. 소정 온도로 가열된 운반 가스(450)가 상기 운반 가스 주입관(400)을 거쳐 증발실(100)의 상단 측부에는 형성된 운반 가스 주입구(440)를 통하여 증발실(100)로 유입되면, 유입된 운반 가스(450)는 증발실의 하부측으로 유동하면서 일부 운반 가스(450a)는 기화실 흡입구(210)를 통하여 기화실(200)로 직접 유입되고 나머지 일부 운반 가스(450b)는 기화실 흡입구(210)를 지나 폐쇄된 증발실의 하단부를 돌아 나와서 기화실 흡입구(210)를 통하여 기화실(200)로 유입된다. 한편, 원료 밸브(310)는 기화되는 원료 가스의 농도를 조절하면서, 상기 원료 주입관(300)을 통하여 주입된 액체 원료가 원료 주입구(320)에 일정 부피의 액적으로 형성된 후에 증발실(100)의 하부벽으로 낙하하도록 액체 원료의 공급량은 조절해야 한다. 이와 같이 액체 원료가 원료 주입구(320)에 일정 부피의 액적으로 형성된 후에 소정 양으로 낙하하고, 낙하된 액적 형태의 액체 원료는 증발실(100)의 하부벽에 충돌하면서 순간적으로 증발하게 된다. 증발된 액체 원료(이하 기상 원료)는 기화실 흡입구(210)를 지나 폐쇄된 증발실의 하단부를 돌아 나오는 운반 가스(450b)에 확산된다. 증발실(100)의 하단부를 원추형으로 구성한 것은 액체 원료가 상향으로 증발될 때 운반 가스(450b)에 확산이 잘 이루어지도록 하기 위함이다. 운반 가스(450b)에 확산된 기상 원료는 운반 가스(450b)와 함께 기화실 흡입구(210)를 통하여 기화실(200)로 유입된다. 즉, 증발실(100)로 유입된 운반 가스(450) 중에서 일부 운반 가스(450a)는 기상 원료 없이 단독으로 기화실 흡입구(210)를 통하여 직접 기화실(200)로 유입되고, 다른 일부 운반 가스(450b)는 증발실(100)의 하단부를 돌아나오면서 (기상 원료가 확산되어) 기상 원료와 함께 기화실 흡입구(210)를 통과하여 기화실(200)로 유입된다. 따라서, 기화실 흡입구(210)에서 운반 가스(450a)와 운반 가스(450b)는 서로 만나게 된다. 이 때, 운반 가스(450b)는 증발실(100)의 하단부를 돌아서 나오고 기상 원료가 확산되어 있기 때문에 유속이 감소되지만, 기화실 흡입구(210)에서 유속이 빠른 운반 가스(450a)와 함께 기화실(200)로 유입되기 때문에 운반 가스(450b)도 다소 신속하게 증발실(100)을 빠져나와 기화실(200)로 유입된다. 이에 따라서, 증발된 원료가 증발실(100) 내에 머무르는 시간은 최소화될 수 있다. 이는 원료가 기화된 상태에서 증발실(100) 내에 오랫 동안 머물러 있으면, 유기물이 휘발되기 쉽고, 또 계속 적체된 양이 많아지면 서로 충돌에 의하여 리간드가 쉽게 끊어져서, 이들은 파티클을 유발하고 나아가 원료의 소멸에 의한 영향 등이 나타나기 때문이다.

이와 같이, 운반 가스(450a)와 운반 가스(450b)는 기화실 흡입구(210)를 통하여 기화실(200)로 함께 유입되어 기화실(200)을 지나는 동안 서로 혼합되면서 운반 가스(450b) 내에 확산되어 있는 기상 원료도 운반 가스(450a)에 확산된다. 이와 같이 기화실(200)에서는 증발실(100)에서 기상 원료가 전체 운반 가스에 고르게 확산될 뿐만 아니라, 기화실(200)도 전술된 바와 같이 가열기(500)에 의해 가열되어 있기 때문에 증발된 액체 원료가 기상 상태를 계속 유지하도록 한다. 더욱이, 증발실(100)에서 완전히 증발되지 못하거나 기화실(200) 내로 유입되는 과정에서 다시 액화된 원료는 기화실(200)에서 다시 증발(또는 기화)되도록 한다.

한편, 본 발명에서는 주입된 액체 원료가 원료 주입구(320)에 일정 부피의 액적으로 형성된 후에 증발실(100)의 하부벽으로 낙하하도록 하여 증발시키므로 원료 주입관(300)이 기화 온도 이상으로 가열되어서는 안된다. 이를 위하여 증발실(100)을 둘러싸는 가열기(500)는 전술한 바와 같이 원료 주입구(320)가 존재하는 영역과 그 아래 위치에 대응하는 증발실(100)의 외측에만 배치시키고, 증발실의 상부는 외부에 노출시킨다. 따라서, 원료 주입관(300)이 증발실(100)과 접촉하는 증발실(100)의 상단은 가열기(500)에 의해 가열되지 않게 되어 원료 주입관(300)이 가열되는 것을 방지하게 된다. 따라서, 원료 주입구(320)를 통하여 주입된 액체 원료는, 원료 주입관(300)에서는 증발이 일어나지 않고 증발실(100)의 하부벽에서만 증발이 일어난다. 따라서, 사용되는 액체원료가 유기용제에 고체원료를 용해시킨 경우 전술된 종래 기술의 문제점인 기화 잔사의 생성이 억제되고, 복수의 액체 원료가 혼합된 혼합 액체 원료의 경우 원하는 농도 및 유량으로 균일한 기상 원료를 얻을 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 기화기에서는 원료 공급관(33)을 통하여 기화실에 공급되는 운반 가스가 미리 가열되지 않는 데 반하여, 본 발명에서 증발실(100)로 주입되는 운반 가스는 전술한 바와 같이 소정의 온도로 미리 가열되어야 한다. 이는 종래의 기화기에 사용되는 운반 가스가 분무 상태(즉, 액체 상태)의 원료와 함께 원료 공급관(33)을 통하여 기화실에 공급되는 반면, 본 발명의 기 화기에서는 운반 가스가 단독으로 증발실(100) 내로 주입되고 증발실(100) 내에서 증발된 상태(즉, 기체 상태)의 원료가 운반 가스에 분산된다. 따라서, 본 발명에서는 종래의 기화기와 달리 증발된 기체 상태의 원료가 운반 가스에 분산될 때 다시 액화되지 않도록 가열된 상태에서 증발실(100) 내에 주입되어야 한다. 그러나, 운반 가스의 온도가 소정 온도 이상으로 높으면 운반 가스가 원료 주입관(300)을 가열하게 되어 원료 주입관(300) 내에서 액체 원료의 증발이 일어나게 된다. 따라서, 증발실(100) 내에 주입되는 운반 가스는, 증발실(100)로 공급되는 액체 원료의 종류에 따라 다르지만, 증발된 기체 상태의 원료가 운반 가스에 분산될 때 다시 액화되지 않는 온도 이상으로, 그리고 원료 주입관(300) 내의 액체 원료를 증발시키지 않는 온도 이하로 예비 가열되어 증발실(100)로 주입되는 것이 바람직하다.

본 발명의 기화기는 증발실(100)과 기화실(200)로 분리되고, 증발실(100)에서는 액체 원료를 1차적으로 기화(증발)시킨 기화 원료를 운반 가스에 확산시키고, 이를 기화실(200)에서 2차 기화시킴으로써 액체 원료의 충분한 기화 및 운반 가스로의 확산을 얻고자 하는 것이다. 이에 따라, 본 실시예와는 달리 기화실과 증발실은 서로 떨어져서 형성될 수 있으며, 그에 따라 서로 다른 가열기에 의해 서로 다른 온도로 가열될 수도 있다. 더욱이 증발기와 기화기의 형상 또한 여러 가지로 변형이 가능하다.

한편, 기화기에서 생성된 기상 원료는 반응기, 예를 들어 CVD 장치의 챔버로 유입된다. 이때, 기상 원료는 반응기에 계속적으로 유입되는 것이 아니라, 반응기에서 원료를 필요로 할 때에만 공급하게 된다. 이를 위하여 기화기를 반복적으로 작동 및 정지시키면 균일한 기상 연료를 얻기 위해 많은 시간이 소요된다. 따라서, 기화기의 출구측에 밸브를 장착함으로써 기상 연료를 반응기에 선택적으로 공급할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 기화기의 출구에 절환 밸브가 장착된 변형예의 부분단면도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 증발실(100) 둘레를 나선형으로 감싸고 있는 기화실(200)의 출구측인 하측 단부는 기화기의 수직 중심축으로 연장된 다음, 다시 하향 연장되어 기화실 출구(220)를 형성한다. 기화실 출구(220)의 하측에는 상기 기화실 출구(220)보다 직경이 큰 원통형의 중공부가 형성된다. 상기 중공부의 측부에서 기화기의 외측으로는 기화기 출구(230)와 배기구(240)가 기화기 본체를 관통하여 형성된다. 상기 기화기 출구(230)는 기상 연료를 공급받는 반응기에 연결되고, 상기 배기구(240)는 외부의 별도 연료 저장소에 연결된다. 상기 원통형의 중공부에는 상단부에는 측부까지 내부를 관통하는 절환 유로(715)가 형성된 밸브 몸체(710)가 회전 가능하게 장착되어 있다. 상기 밸브 몸체(710)는 그의 하측 단부에 결합된 축(720)을 통하여 기화기의 외측 하단부에 장착된 모터(730)에 의해 회전된다. 상기 밸브 몸체(710)의 상단부에 형성된 절환 유로(715)의 상부 개구는 기화실 출구(220)와 항상 연통되어 있고, 상기 밸브 몸체(710)의 측부에 형성된 절환 유로(715)의 측부 개구는 밸브 몸체(710)의 회전에 따라 기화기 출구(230)와 배기구(240)에 각각 연통된다. 이때, 절환 유로(715)의 상부 개구와 기화실 출구(220) 사이, 절환 유로(715)의 측부 개구와 기화기 출구(230) 및 배기구(240) 사이 에는 항상 기밀이 유지되어야 한다. 이들 위치 뿐만 아니라 밸브 몸체(710)가 회전할 때 상기 측부 개구의 이동 궤적에 대응하는 상기 원통형의 중공부의 측부와 절환 유로(715)의 측부 개구 사이에도 기밀이 유지되어야 함은 물론이다. 이와 같은 절환 밸브(700)는 공지의 로터리 절환 밸브로서, 그의 구성은 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 자명한 것이므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 또한, 상기와 같은 절환을 위해서는 이와 다른 다양한 공지의 절환 밸브가 사용될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 기화기 출구(230)에는 상기 절환 밸브(700)에 인접한 위치, 즉 절환 유로(715)의 측부 개구에 인접한 위치에는 개폐 가능한 퍼지 가스 유입구(250)가 더 형성된다. 상기 절환 밸브(700)에 의해 상기 기화실 출구(220)가 상기 기화기 출구(230)와 연통되도록 절환되면 이러한 퍼지 가스 유입구(250)는 폐쇄되고, 상기 기화실 출구(220)가 상기 배기구(240)와 연통되도록 절환되면 개방되도록 제어된다. 즉, 퍼지 가스 유입구(250)의 개폐 밸브는 상기 절환 밸브(700)의 밸브 몸체(710)의 회전과 연동하여 제어된다.

도 5a 및 도 5b를 다시 참조하여 이러한 기화기의 작동을 설명하면 다음과 같다. 도 5a는 기상 연료가 반응기에 공급되는 경우로서, 절환 밸브(700)는 절환 유로(715)의 측부 개구가 기화기 출구(230)와 연통하도록 밸브 몸체(710)를 회전시킨 상태이다. 이 경우, 배기구(240)는 폐쇄되고, 기화실 출구(220)와 기화기 출구(230)는 서로 연통되어 기화기에서 생성된 기상 연료는 도 5a의 화살표 A와 같이 유동하여 반응기로 공급된다. 이때, 기화기 출구(230)에 형성된 퍼지 가스 유입구 (250)는 폐쇄된 상태이다. 이 상태에서, 절환 밸브(700)가 작동하여, 절환 유로(715)의 측부 개구가 배기구(240)와 연통하도록 밸브 몸체(710)를 회전시키면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 기화기 출구(230)는 폐쇄되고, 기화실 출구(220)와 배기구(240)는 서로 연통되어 기화기에서 생성된 기상 연료는 도 5b의 화살표 A와 같이 유동하여 외부로 배출된다. 이와 같은 절환 밸브(700)의 작동과 연동하여 퍼지 가스 유입구(250)는 개방되도록 제어되어, 상기 퍼지 가스 유입구(250)로부터 퍼지 가스가 도 5b의 화살표 B와 같이 유동하여 기화기 출구(230)를 통하여 반응기로 유입되면서, 기화기 출구(230)와 반응기를 세척하게 된다.

이와 같이 기화기에 절환 밸브(700)를 일체로 형성한 본 변형예에 의해서, 기화기는 항상 일정한 기상 연료를 필요한 때에 즉각적으로 공급할 수 있게 된다.

본 발명은 복수의 원료 공급원에서 공급되는 액체 원료를 하나의 기화기로 기화시키는 것을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 제조하고자 하는 박막에 따라 단일 원료 공급원을 사용할 수 있음은 물론이다. 따라서, 이와 같이 하나의 원료에 하나의 기화기를 사용함으로써, 복수의 원료를 각각의 기화기에서 기화시켜 CVD 장치로 기상 원료를 각각 주입할 수도 있다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 기화기에 증발실로 주입된 액체 원료는 원료 주입관에서 증발이 일어나지 않고 증발실 내에서만 증발되어, 사용되는 액체원료가 유기용제에 고체원료를 용해시킨 경우 전술된 종래 기술의 문제점인 기화 잔사의 생성이 억제된다. 이에 따라서, 기화 잔사에 따른 기화기 내에 막힘의 발생이 감소하여 기화기로부터 CVD 반응실로 불순물이 함유되지 않은 완전 기화된 원료가스를 일정한 농도 및 유량으로 보낼 수 있다.

또한, 기화 잔사 발생의 감소는 기화기의 장시간 사용에도 막힘 현상의 감소로 기화기 내에 압력 상승이 잘 일어나지 않게 된다. 이에 따라서, 기화기의 장시간 사용시 운반 가스의 공급 압력을 증가시키지 않아도 안정적으로 균일한 기체 원료를 얻을 수 있다. 복수의 액체 원료가 혼합된 혼합 액체 원료를 사용하는 경우에도 액체 원료는 원료 주입관에서 증발이 일어나지 않고 증발실 내에서만 증발되어, 원하는 농도 및 유량으로 균일한 기상 원료를 얻을 수 있다.

더욱이, 상기 증발실에서 액체 원료를 1차적으로 기화(증발)시킨 기화 원료를 운반 가스와 확산시키고, 이를 기화실(200)에서 2차 기화시킴으로써 액체 원료의 충분한 기화 및 운반 가스로의 확산을 얻을 수 있다. 더욱이, 기화실이 증발실을 둘러싸기 때문에 기화실을 충분히 길게 하면서도 공간을 적게 차지하고 하나의 가열기로 이들을 동시에 가열할 수 있기 때문에, 기화기의 소형화가 가능하고 소비 에너지를 줄일 수 있다.

Claims

박막 증착에 사용되는 원료를 기상 원료로 기화시키는 기화기에 있어서,

원료를 증발시키는 증발실과,

일 단부에서 원료를 공급받아 타 단부의 원료 주입구를 통하여 상기 증발실로 원료를 주입하는 원료 주입관과,

일 단부에서 운반 가스를 공급받아 타 단부의 운반 가스 주입구를 통하여 상기 증발실로 운반 가스를 주입하는 운반 가스 주입관과,

일 단부가 상기 증발실의 배출구와 연결된 기화실과,

상기 증발실과 기화실을 가열하는 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1에 있어서, 상기 가열기는 증발실에서 상기 원료 주입관의 원료 주입구가 존재하는 영역과 그 아래 영역만을 가열하는 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 원료 주입관은 원료 주입구가 증발실 중간에 위치하도록 상기 증발실의 상단부를 관통하도록 설치된 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 원료 주입구는 상기 증발실 배출구 와 운반 가스 주입구보다 낮은 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 4에 있어서, 상기 운반 가스 주입구는 증발실 배출구보다 높은 증발실의 상단 측부에 형성된 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 증발실은 중공 원통 형상이며 하단부가 원추형인 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 기화실은 나선형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 7에 있어서, 상기 기화실의 타 단부인 기화실 출구는 증발실 배출구보다 아래에 형성된 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 기화실은 증발실을 둘러싸는 나선형으로 이루어지고, 상기 가열기는 증발실과 기화실 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 9에 있어서, 상기 기화실의 외측부는 단열 처리된 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 운반 가스 주입관에는 밸브 및 압력 측정기가 마련되어 운반 가스의 유량과 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 운반 가스 주입관에는 온도 측정기가 마련되어 증발실에 주입되는 운반 가스의 온도를 측정하여, 증발실에 소정 온도의 운반 가스가 주입되도록 하는 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 원료 주입관에는 밸브가 마련되어 운반 가스 및 원료 흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 원료 주입관 일단부에는 다수의 서로 다른 원료 공급원이 연결되고, 각각의 원료 공급원과 원료 주입관의 일단부 사이에는 밸브가 각각 마련된 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 증발실과 기화실 내의 온도를 측정하는 온도 측정기와, 상기 온도 측정기에서 측정된 온도를 바탕으로 가열기의 온도를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 기화실의 타 단부인 기화실 출구에 인접하게 형성된 기화기 출구와, 상기 기화실의 출구에 인접하게 형성되고 기화기의 외부로 연결되는 배기구와, 상기 기화실의 출구가 상기 기화기 출구 또는 배기구와 선택적으로 연통되도록 절환하는 절환 밸브와, 상기 기화기 출구에는 상기 절환 밸브와 인접하게 형성된 개폐 가능한 퍼지 가스 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기화기.
청구항 16에 있어서, 상기 절환 밸브에 의해 상기 기화실의 출구가 상기 기화기 출구와 연통되도록 절환되면 상기 퍼지 가스 유입구는 폐쇄되고, 상기 기화실의 출구가 상기 배기구와 연통되도록 절환되면 상기 퍼지 가스 유입구는 개방되도록, 상기 절환 밸브와 퍼지 가스 유입구의 개폐 밸브는 서로 연동하는 것을 특징으로 하는 기화기.