KR100756626B1 - 기체 믹싱 포트 및 이를 이용한 액상반응원료 운반시스템 - Google Patents

기체 믹싱 포트 및 이를 이용한 액상반응원료 운반시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 기체 믹싱 포트는: 2 개 이상의 단차를 가지며 밑면으로부터 윗면으로 직경이 순차적으로 감소하는 축경부; 및 축경부의 하부에 연결되는 제1유체흐름관과 제2유체흐름관; 이 포함되는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 따른 액상반응원료 운반시스템은: 복수개의 반응원료 저장조; 복수개의 반응원료 저장조로부터 공급되는 각각의 반응원료를 기화시키는 기화기; 기화기에 연결되는 반응원료 공급관; 및 2 개 이상의 단차를 가지며 밑면으로부터 윗면으로 직경이 순차적으로 감소하는 축경부와, 일단은 반응원료 공급관에 연결되고 타단은 축경부의 하부에 연결되는 복수개의 유체흐름관을 포함하는 기체 믹싱 포트가 구비되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 기화기에서 기화된 기체원료의 효과적인 혼합을 유도함으로써 박막형성의 재현성을 향상시킬 수 있다.
기화기, BST, LDS

Description

기체 믹싱 포트 및 이를 이용한 액상반응원료 운반시스템{Gas mixing port and liquid reagent delivery system using the same}
도 1a 및 도 1b는 종래의 액상반응원료 운반시스템을 설명하기 위한 개략도;
도 2는 도 1a 및 도 1b의 액상반응원료 운반시스템을 이용하여 15매의 웨이퍼에 대하여 재현성을 테스트한 결과 그래프;
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 액상반응원료 운반시스템을 설명하기 위한 도면들;
도 4는 도 3a 내지 도 3c의 액상반응원료 운반시스템을 이용하여 10매의 웨이퍼에 대하여 재현성을 테스트한 결과 그래프이다
본 발명은 기체 믹싱 포트 및 이를 이용한 액상반응원료 운반시스템(Liquid reagent Delivery System, LDS)에 관한 것으로서, 특히 반도체소자를 제조하기 위한 화학기상증착공정에서 액상의 반응원료를 기화시켜 반응기 내로 공급하기 위한 기체 믹싱 포트 및 이를 이용한 액상반응원료 운반시스템에 관한 것이다.
반도체소자의 제조공정에 있어서, 고품질의 막을 형성시키기 위해 금속-유기물 전구체(Metal-Organic Precursor)를 이용하는 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)방법이 많이 개발되고 있다. 이 때, 대부분의 금속-유기물 전구체는 상온에서 용액성 액체이기 때문에 화학기상증착법에 적용하기 위해서는 반응기에 이를 공급하기 전에 미리 기체로 만드는 과정이 필요하다.
여러개의 전구체를 기화시켜 이를 반응기에 공급할 경우에는 각각의 전구체의 기화속도를 정확히 제어하여야 원하는 박막의 조성을 얻을 수 있다. 그러나, 종래의 액상반응원료 운반시스템을 사용할 경우에는 여러개의 액상 전구체 각각의 기화속도를 정확하게 제어하더라도 기화된 후에 이들이 제대로 혼합되지 않은 채로 반응기에 유입되기 때문에 박막의 조성이 불균일하게 되어 재현성에 문제가 있게 된다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 액상반응원료 운반시스템을 설명하기 위한 개략도이다. BST(Barium Strontium Titanate)박막을 형성하는 경우를 도 1을 참조하여 설명하면, 제1 반응원료 저장조(10)에는 Ba(METHD)2와 Sr(METHD)2가 메탄올과 같은 솔벤트에 용해되어 형성되는 Ba/Sr 전구체가 저장되며, 제2 반응원료 저장조(20)에는 Ti(MPD)(THD)2 가 솔벤트에 용해되어 이루어진 Ti 전구체가 저장된다. 이렇게 Ba 전구체와 Sr 전구체를 하나의 용액으로 만들고, Ti 전구체는 별도의 용액으로 마련하는 이유는 상기 Ba 전구체와 Sr의 전구체는 평형증기압이 각각 230℃(0.045torr) 및 200℃(0.73torr)로 거의 비슷한 데 반해 상기 Ti 전구체의 평형증기압은 124℃(0.1torr)로써 상대적으로 매우 높기 때문이다.
제1 기화기(60a)와 제2 기화기(60b)는 제1 반응원료 저장조(10) 및 제2 반응원료 저장조(20)에 각각 연결되어 설치되며, Ba/Sr 전구체와 Ti 전구체는 제1 기화기(60a) 및 제2 기화기(60b)에서 각각 기화된다. 이렇게 제1 기화기(60a) 및 제2 기화기(60b)에서 기화된 기체는 제1 기체 유입관(14) 및 제2 기체 유입관(24)을 통하여 각각의 기화기(60a, 60b)에서 빠져나와 혼합기체 유입관(30)을 통하여 서로 혼합된 상태로 반응기(70)에 공급된다. 각각의 기화기(60a, 60b)에서 기화된 기체가 서로 혼합되는 부분은 제1 기체 유입관(14)과 제2 기체 유입관(24) 및 혼합기체 유입관(30)이 서로 만나는 지점이며 이를 참조부호 A로 표시하였다. 참조부호 A로 표시한 부분은 1b에 상세히 도시되었다.
이러한 종래의 액상반응원료 운반시스템은 기화기(60a, 60b)가 반응원료 저장조(10, 20)에 각각 별도로 연결되기 때문에 반응원료 저장조(10, 20)에 저장된 액상 반응원료의 기화온도에 따라 기화기(60a, 60b)의 온도를 독립적으로 조절할 수 있어 액상반응원료의 선택의 폭이 넓다는 장점이 있다.
도 1b를 참조하면, 혼합부(A)에서는 기체의 운동성에 의하여 참조부호 C로 도시한 부분에 많은 기체들이 충돌하게 된다. 이 때, 그 충돌부위(C)는 유입관이 가열체(미도시)와 직접 닿는 형태로 되어 있기 때문에, 충돌부위(C)는 충돌되는 많은 기체들에 의해 상대적으로 열 에너지를 빼앗기게 된다. 따라서, 충돌부위(C)는 항상 같은 온도를 유지하고 있는 다른 부분에 비하여 상대적으로 낮은 온도를 갖게 된다. 이러한 충돌부위(C)에 의해 혼합부로 유입된 기체 원료는 낮은 온도 부분에 서 부분적인 응축 현상이 일어나게 된다. 이러한 응축은 이후 공급되는 원료에 의해 급속하게 진행되기 때문에 반응기(70)에 공급되는 기체원료의 조성이 불 균일해지게 된다.
한편, 기체는 충돌부위(C)에 충돌하여 어느 정도 난류를 형성하기는 하지만 대부분은 층류(laminar flow)를 이루게 된다. 따라서, 충분한 기체 혼합이 이루어지지 않아 상술한 바와 같은 박막 조성의 불균일성이 더욱 커지게 되며, 이로 인해 재현성도 크게 떨어지게 된다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 액상반응원료 운반시스템을 이용하여 15매의 웨이퍼에 대하여 재현성을 테스트한 결과 그래프이다. 이 때의 공정 조건은 표 1에 제시되었다.
Ar(Ba/Sr 운반기체) Ar(Ti 운반기체) Ba/Sr 전구체 Ti 전구체 O2(별도로 반응기에 공급) 기판 온도 증착 시간 반응기 압력
300sccm 300sccm 0.2mg/min 0.05mg/min 200sccm 420℃ 700초 2torr
도 2를 참조하면, 웨이퍼에 따른 평균 박막두께 편차는 18.90%이고, 평균 Ti 조성편차는 2.27%로써 비교적 좋지 못한 재현성 결과가 나타남을 볼 수 있다. 이러한 결과는 상술한 바와 같이 기체원료들이 균일하게 혼합되지 못한 상태에서 반응기로 공급되는 것에 기인한 것이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 복수개의 액체원료를 기화시켜 이를 반응기에 공급할 때에 기화기 내에서 기화되어 형성된 기체가 난류운동을 하여 충분히 서로 혼합되게 함과 동시에, 혼합부위에서 기체들에게 열을 빼앗기더라도 그 영향이 최소화되도록 혼합부위의 열용량(heat capacity)을 크게 하여 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 기체 믹싱 포트 및 이를 이용한 액상반응원료 운반장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 기체 믹싱 포트는: 2 개 이상의 단차를 가지며 밑면으로부터 윗면으로 직경이 순차적으로 감소하는 축경부; 및 상기 축경부의 하부에 연결되는 제1유체흐름관과 제2유체흐름관이 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 액상반응원료 운반장치는: 복수개의 반응원료 저장조; 상기 복수개의 반응원료 저장조로부터 공급되는 각각의 반응원료를 기화시키는 기화기; 상기 기화기에 연결되는 반응원료 공급관; 및 2 개 이상의 단차를 가지며 밑면으로부터 윗면으로 직경이 순차적으로 감소하는 축경부와, 일단은 상기 반응원료 공급관에 연결되고 타단은 상기 축경부의 하부에 연결되는 복수개의 유체흐름관을 포함하는 기체 믹싱 포트가 구비되는 것을 특징으로 한다.
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이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 액상반응원료 운반시스템을 설명하기 위한 도면들이다. 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 제1 반응원료 저장조(110)에는 Ba(METHD)2(Methoxy Ethoxy Tetramethyl Heptane Dionato Barium)와 Sr(METHD)2 (Methoxy Ethoxy Tetramethyl Heptane Dionato Strontium)가 혼합된 Ba/Sr 전구체가 저장되고, 제2 반응원료 저장조(120)에는 Ti(MPD)(THD)2 (Methoxy Pentane Dioxy Tetramethyl Heptane Dionato Titanium)가 저장된다. 솔벤트 저장조(150)에는 솔벤트, 예컨대 메탄올, THF(tetrahydrofuran), 또는 부틸아세테이트가 저장된다.
일반적으로, (Ba0.7,Sr0.3)Ti1.1O3인 경우가 전기적 특성이 가장 좋다고 알려져 있으므로 이에 근접하거나 이와 동일한 조성비를 갖는 박막을 얻기 위하여, 반응원료저장조(110, 120)에 저장되는 Ba : Sr : Ti 비가 0.03~0.06 : 0.02~0.06 : 0.1~0.4 가 되도록 한다.
제1 반응원료 저장조(110)에는 제1 반응원료 공급관(111)이 연결되며, 제2 반응원료 저장조(120)에는 제2 반응원료 공급관(121)이 연결되도록 설치된다. 제1 반응원료 공급관(111)과 제2 반응원료 공급관(121)에는 제1 LMFC(liquid mass flow controller, 112) 및 제2 LMFC(122)가 각각 설치되며, 제1 LMFC(112) 및 제2 LMFC(122) 다음에는 제1 기화기(200a) 및 제2 기화기(200b)가 각각 마련된다.
상기 Ba/Sr 전구체와 상기 Ti 전구체는 헬륨기체에 의해 상기 솔벤트와 적당한 몰비로 혼합된 상태로 반응원료 공급관(111, 121)을 통하여 제1 LMFC(liquid mass flow controller, 112) 및 제2 LMFC(122) 쪽으로 각각 흘러가게 되고, 이들은 LMFC(112, 122)에 의해 적절한 유량으로 조절되어 각각의 기화기(200a, 200b)로 공급된다. LMFC(112, 122)를 거친 용액상태의 전구체들이 운반기체의 흐름에 편승하여 기화기(200a, 200b)로 공급되도록 반응원료 공급관(111, 121)에는 운반기체, 예컨대 아르곤 기체를 공급하기 위한 운반기체 주입관(113, 123)이 각각 설치된다.
기화기(200a, 200b)에서 각각 기화된 기체원료는 기체 믹싱 포트(160)에서 균일하게 혼합된 후에 반응기(170)로 공급되게 된다.
본 발명의 특징부인 기체 믹싱 포트(160)는 하부몸체(160a)와 상부몸체(160b)로 구성된다. 하부몸체(160a)와 상부몸체(160b)는 원기둥 모양의 벌크(bulk) 형태를 갖는다. 하부몸체(160a)에는 제1 유체 흐름관(114) 및 제2 유체 흐름관(124)이 자신의 윗면과 밑면을 관통하도록 형성된다. 여기서, 제1 유체 흐름관(114)과 제2 유체 흐름관(124)은 제1 반응원료 공급관(111) 및 제2 반응원료 공급관(121)에 각각 연결된다. 그리고, 상부몸체(160b)에는 단차를 가지면서 직경이 밑면으로부터 점점 감소되는 축경부(130)가 자신의 밑면과 윗면을 관통하도록 형성된다.
하부몸체(160a)의 윗면 외주부와 상부몸체(160b)의 밑면 외주부에는 플랜지(162)가 마련되며, 이를 통해 하부몸체(160a)와 상부몸체(160b)는 플랜지 결합한다. 밀폐효과를 높이기 위해서 플랜지 사이에 오링이 개재되도록 하는 것이 바람직하다. 하부몸체(160a) 및 상부몸체(160b)의 둘레에는 유체 흐름관(114, 124) 및 축경부(130)에 흐르는 유체를 가열하기 위하여 가열수단(164)이 설치된다.
하부몸체(160a)와 상부몸체(160b)를 일체형으로 만들지 않고 이와 같이 구분하는 것은 일체형으로 만들 경우에 축경부(130)를 기계적으로 형성시키기가 거의 불가능하기 때문이다.
본 발명의 가장 중요한 특징부인 기체 믹싱 포트(160)의 동작원리를 도 2c를 주로 참고하여 설명하면 다음과 같다. 도 2c에서는 하부몸체(160a)와 상부몸체(160b)의 구분을 생략하였다.
LMFC(112, 122)를 거친 액상의 Ba/Sr 반응원료와 Ti 반응원료는 기화기(200a, 200b)에 의해 기화된 후에 운반기체의 흐름에 계속 편승하여 제1 유체 흐름관(114) 및 제2 유체 흐름관(124)으로 유입되고 가열수단(164)에 의해 응축없이 서로 혼합되게 된다. 혼합된 기체는 축경부(130)의 단차부에 충돌하면서 축경 부(130)의 윗방향으로 빠져나간다. 따라서, 단차가 형성된 부위에서 난류현상이 나타나게 되어 기체들이 잘 혼합되게 된다. 축경부(130)의 둘레에는 두꺼운 벌크 형태로 되어 있기 때문에 축경부(130)에 충돌된 기체들의 열 에너지가 외부로 쉽게 외부로 발산되어 빠져나가기가 어렵다. 오히려, 가열수단(164)에 의해 축경부(130)에 열 에너지가 계속 공급되고 있는 상황이므로 단차부위에서 기체들이 열 에너지를 얻게 된다. 단차에 의해 기체들이 충돌되는 부분의 면적이 더 증가되기 때문에 이러한 현상은 더욱 두드러지게 나타난다.
한편, 기화초기부터 BST 소스기체를 반응기(170)로 공급하게 되면 BST 소스기체의 흐름이 일정치 않게 되어 BST박막 증착공정이 불안정하게 진행되게 된다. 이를 위해서 축경부(130)에 진공펌프와 연결되는 분기관(140)을 설치하여, 기화초기에는 BST 소스기체를 일단 외부로 배출하고 기화가 어느 정도 진행되어 안정화되면 그 때서야 BST 소스기체의 외부로의 배출을 멈추고 반응기(170)로만 BST 소스기체를 공급한다. BST 소스 기체에 의해 진공 펌프가 손상되는 것을 방지하기 위하여 분기관(140)에는 콜드 트랩(cold trap, 142)이 설치된다.
도 4는 도 3a 내지 도 3c의 액상반응원료 운반시스템을 이용하여 10매의 웨이퍼에 대하여 재현성을 테스트한 결과 그래프이다. 이 때의 공정 조건은 표 1과 동일하다. 도 4를 참조하면, 웨이퍼에 따른 평균 박막두께 편차는 9.46%이고, 평균 Ti 조성편차는 1.75%로써 도 2의 경우보다 매우 양호함을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 기체 믹싱 포트 및 이를 이용한 액상반응원료 운반시스템에 의하면, 복수개의 액체원료를 각각 기화시켜 이를 반응기에 공급할 때에 기체 믹싱 포트를 구비하여 기화기에서 기화된 기체원료의 효과적인 혼합을 유도함으로써 박막형성의 재현성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 본 발명의 기체 믹싱 포트(160)에 의하면, 기체원료가 축경부(130)에서 난류운동에 의하여 충분히 혼합될 뿐만 아니라 축경부(130)가 벌크(bulk)로 둘러싸여 있으면서 가열수단(164)에 의해 계속 가열되기 때문에 기체의 열에너지가 외부로 손실되지 않고 오히려 열 에너지를 공급받게 되어 균일한 조성을 갖는 소스기체가 반응기(170)로 공급되게 된다. 따라서, 박막이 균일한 조성으로 형성되게 된다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (4)

  1. 2 개 이상의 단차를 가지며 밑면으로부터 윗면으로 직경이 순차적으로 감소하는 축경부; 및
    상기 축경부의 하부에 연결되는 제1유체흐름관과 제2유체흐름관
    이 포함되는 것을 특징으로 하는 기체 믹싱 포트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 축경부를 가진 상부몸체와 상기 제1유체흐름관과 상기 제2유체흐름관을 가진 하부몸체가 플랜지 결합하는 것을 특징으로 하는 기체 믹싱 포트.
  3. 복수개의 반응원료 저장조;
    상기 복수개의 반응원료 저장조로부터 공급되는 각각의 반응원료를 기화시키는 기화기;
    상기 기화기에 연결되는 반응원료 공급관; 및
    2 개 이상의 단차를 가지며 밑면으로부터 윗면으로 직경이 순차적으로 감소하는 축경부와, 일단은 상기 반응원료 공급관에 연결되고 타단은 상기 축경부의 하부에 연결되는 복수개의 유체흐름관을 포함하는 기체 믹싱 포트
    가 구비되는 것을 특징으로 하는 액상반응원료 운반장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 축경부 주위에 가열수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 기체 믹싱 포트.
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JPS57114659A (en) * 1980-12-29 1982-07-16 Seiko Epson Corp Vacuum cvd device
JPH11150284A (ja) * 1997-11-19 1999-06-02 Tdk Corp 多結晶シリコン薄膜の製造方法
KR19990054826A (ko) * 1997-12-26 1999-07-15 구본준 반도체 화학기상증착장비의 가스혼합장치

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