KR100756627B1

KR100756627B1 - 기화기

Info

Publication number: KR100756627B1
Application number: KR1020000066140A
Authority: KR
Inventors: 한영기; 양철훈; 김동현; 한근조; 오기영
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2007-09-07
Also published as: KR20020036122A

Abstract

본 발명에 따른 기화기는, 액상원료를 가열하여 기체원료로 기화시키는 기화기 몸체; 기화기 몸체의 일단에 나사 결합되어 분리 또는 연결이 가능한 수나사 단부 캡; 기화기 몸체와 수나사 단부 캡 사이에 위치되는 제1 진공 실링 수단; 수나사 단부 캡에 삽입되는 액상원료공급관; 기화기 몸체의 타단에 나사 결합되어 분리 또는 연결이 가능한 밸브; 기화기 몸체와 밸브 사이에 위치되는 제2 진공실링 수단; 및 밸브에 연결된 기체원료공급관을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 노즐효과를 극대화시켜 불완전한 기화에 의한 파티클 발생을 최소화함으로써 수명(life time)이 길뿐만 아니라, 간단한 구조를 갖음으로써 수리 및 클리닝(cleaning)이 용이하여 다운(down) 시간을 최소화할 수 있는 LDS를 제공할 수 있다.

기화기, LDS, 필터 가스켓

Description

기화기 {Vaporizer}

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 기화기를 설명하기 위한 개략도들;

도 2 내지 도 10은 본 발명의 여러 변형례와 이에 따른 BST 박막증착 특성평가 그래프를 각각 나타낸 도면들이다.

본 발명은 기화기(vaporizer)에 관한 것으로서, 특히 액상소스원료를 기화시켜 이를 CVD(chemical vapor deposition) 공정이 수행되는 진공챔버로 공급하는 기화기에 관한 것이다.

CVD 공정을 수행하기 위하여 액상의 소스원료를 기화시키는 과정이 종종 필요하다. 특히, MOCVD법에 사용되는 대부분의 금속-유기물 원료(Metal-Organic Source)는 상온에서 용액성 액체이기 때문에 이러한 기화 과정이 특히 필요하다. 따라서, 용액성 액체원료를 기화시켜 CVD 공정이 수행되는 진공챔버로 공급하는 액 체원료 전달 시스템(Liquid reagent Delivery System, 이하 'LDS')에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.

LDS는 필연적으로 용적성 액체를 기화시키는 기화기를 구비한다. 이미 상용화된 기화기는 구조가 매우 복잡하고, 크기 또한 매우 크다. 이는 기화효율을 높이기 위한 의도의 결과인데, 이로 인해서 몇가지 문제점이 대두되고 있다.

첫째, 기화기의 크기가 커지면 이에 따라 LDS 전체의 부피가 커져야만 한다. 이렇게 LDS 전체의 부피가 커지면 소스원료가 흐르는 전체적인 관(line)의 길이가 길어질 수 밖에 없으며 이에 따른 제어영역(control zone)도 많아지게 된다. 따라서, 소스원료가 부분적으로 응축되는 문제가 심각해지게 된다.

둘째, 기화기의 구조가 복잡하기 때문에 기화기에 이상이 발생하는 경우에는 기화기의 수리가 오래 걸려 LDS 전체의 다운(down) 시간이 길어지고, 심지어는 기화기의 수리가 불가능하여 기화기 자체를 바꿔야하는 비용상의 문제도 발생하게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 노즐효과를 극대화시켜 불완전한 기화에 의한 파티클 발생을 최소화함으로써 수명(life time)이 길 뿐만 아니라, 간단한 구조를 갖음으로써 수리 및 클리닝(cleaning)이 용이하여 LDS의 다운(down) 시간을 최소화 할 수 있는 기화기를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 내부에 가열수단을 포함하고 액상원료를 통과시키면서 기체원료로 기화시키는 기화기는: 액상원료를 가열하여 기체원료로 기화시키는 기화기 몸체; 상기 기화기 몸체의 일단에 나사 결합되어 분리 또는 연결이 가능한 수나사 단부 캡; 상기 기화기 몸체와 상기 수나사 단부 캡 사이에 위치되는 제1 진공 실링 수단; 상기 수나사 단부 캡에 삽입되는 액상원료공급관; 상기 기화기 몸체의 타단에 나사 결합되어 분리 또는 연결이 가능한 밸브; 상기 기화기 몸체와 상기 밸브 사이에 위치되는 제2 진공실링 수단; 및 상기 밸브에 연결된 기체원료공급관을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 액상원료공급관이 상기 기화기 몸체 내로 삽입되며 그 삽입길이는 원료의 특징에 따라 적절한 길이로 조절할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하며, 상기 제1 진공 실링 수단과 상기 제2 진공 실링 수단 중 적어도 어느 하나는 일반 가스켓 또는 필터 가스켓인 것이 바람직하다. 그리고 상기 액상원료공급관과 상기 기화기 몸체의 내경의 비가 1/16“ : 1/4“ ~ 1/16“ : 1/2“ 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 밸브는 플리커 밸브인 것이 바람직하며, 상기 액상원료공급관의 끝단이 상기 수나사 단부 캡을 관통하여 상기 기화기 몸체 내부에 위치하며 끝단의 형태는 나선형인 것이 바람직하다.

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

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 기화기를 설명하기 위한 개략도들이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 커넥터(30)의 양단에는 암나사가 각각 형성되어 있다. 그리고, 기화기 몸체(10)의 일단에는 수나사가 형성되어 있으며, 이를 통해 기화기 몸체(10)가 커넥터(30)의 일단에 나사결합 된다. 커넥터(30)의 타단에는 수나사 단부 캡(20)이 커넥터(30)와 나사결합되도록 설치되며, 수나사 단부 캡(20)에 의하여 기화기 몸체(10)의 단부가 막히게 된다. 기화기 몸체(10)에는 가열수단이 설치되어 있다.

액상원료공급관(40)은 수나사 단부 캡(20)에 삽입 설치된다. 이 때, 삽입 길이를 변화시킬 수 있도록 액상원료공급관(40)과 수나사 단부 캡(20)은 용접(welding)이 아닌 스웨지 락 피팅(swage lock fitting)방법으로 진공 실링(vacuum sealing)된다. 그리고, 액상원료공급관(40)의 기화기 몸체(10) 내로의 삽입길이는 소스의 특성에 따라 결정하는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 삽입단이 기화기 몸체(10) 내부에 도달하되 삽입부가 나선형태를 갖도록 하는 것이 바람직할 수도 있다.

기체원료공급관(80)은 기화기 몸체(10)의 타단에서 연장되어 진공챔버와 연결되도록 설치된다. 기화기 몸체(10)에서의 기화초기부터 기체원료를 진공챔버로 공급하면 기체원료의 공급흐름이 일정치 않게 되어 박막증착공정이 불안정하게 진행된다. 이를 방지하기 위해서, 기체원료공급관(80)에서 분기되어 진공펌프와 연결되는 바이패스관(미도시)이 설치된다. 기체원료를 안정하게 진공챔버로 공급하기 위해서, 기화초기에는 기체원료를 상기 바이패스관을 통하여 일단 외부로 배출하고 기화기 몸체(10)에서 기화가 어느 정도 진행되어 안정화되면 그 때서야 외부로의 배출을 멈추고 기체원료공급관(80)을 통하여 진공챔버로만 기체원료를 공급한다. 상기 바이패스관 및 기체원료공급관(80)을 통한 기체 흐름 여부는 플리커 밸브(flicker valve, 70)에 의하여 각각 결정된다.

기체원료공급관(80)의 플리커 밸브(70) 후단에는 필터 가스켓(filer gasket, 90‘)이 설치된다. 기화기 몸체(10)와 수나사 단부 캡(20) 사이와, 플리커 밸브(70)의 전단에는 스웨지 락 피팅방법으로 진공 실링할 수 있는 레귤러 가스켓(regular gasket, 60, 65)이 각각 설치된다.
종래의 기화기는 양단부가 용접된 하나의 일체형 몸체로 구성되었지만, 본 발명에서는 기화기를 구성하는 각 부분을 일체화시키는 용접방식을 사용하지 않고 기화기 몸체(10)와 플리커 밸브(70) 및 수나사 단부 캡(70)을 스웨지 락 피팅방법으로 진공 실링하였다. 따라서 본 발명에 의하면 기화기를 수리 및 클리닝(Cleaning)할 때 기화기 전체를 교체하지 않고 기화기 몸체(10)와 플리커 밸브(70)와 수나사 단부 캡(20) 각각을 분리한 후 일부만을 교체할 수 있게 된다.

액상원료공급관(40)에는 운반기체 주입관(50)이 연결되어 있으며, 운반기체 주입관(50)을 통하여 주입되는 운반기체, 예컨대 Ar기체에 편승하여 액상원료가 액상원료공급관(40)을 통하여 기화기 몸체(10)로 주입되고, 기화기 몸체(10)에서 액상원료가 기화되어 기체원료공급관(80)을 거쳐 진공챔버로 공급된다.

운반기체와 액상원료의 원활한 믹싱(mixing)과, 순간적인 부피팽창에 의한 기화효율의 극대화를 위해서 액상원료공급관(40)의 내경은 1/16"가 되도록 하였고, 기화기 몸체(10)의 내경은 1/2"~1/4"가 되도록 하였다. 따라서 좁은 액상원료공급관(40)을 흐르던 액상원료와 운반기체가 기화기 몸체(10)에 들어와서 내경이 커진 공간으로 유입되면서 순간적인 부피 팽창이 더 쉽게 일어날 수 있다. 액상원료공급관(40) 내경과 기화기 몸체(10) 내경의 차이가 클수록 기화효율이 좋을 것이다.

도 2 내지 도 10은 본 발명의 여러 변형례와 이에 따른 BST 박막증착 특성평가 그래프를 각각 나타낸 도면들이다. 여기서 도 1a와 동일한 참조번호는 동일기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.

도 2는 도 1a와 달리 다른 곳에는 레귤러 가스켓이 설치되고 기화기 몸체(10)와 수나사 단부 캡(20) 사이에만 필터 가스켓(60')이 설치되며, 액상원료 공급관(40)이 수나사 단부 캡(20)의 상단부까지 삽입되는 경우를 나타낸 것이다.

처음 웨이퍼 10매 진행시에는 웨이퍼 간의 두께 균일도가 1.79%로 양호한 값이 얻어졌으나, 그 후의 웨이퍼 10매 진행시에는 많은 양의 파우더(power)가 필터 가스켓(60') 주위에 발생하였음을 육안으로 확인할 수 있었다. 이는 필터 가스켓(60')을 사용함으로 인해 기화기 몸체(10) 내부 압력 증가에 따른 과포화와, 소스원료가 액체상태로 필터 가스켓(60')과 만나지만 필터 가스켓(60') 자체는 어떠한 열원도 보유하지 않은 상태이기 때문에 소스원료에 의한 급격한 열 손실에 따른 응축 현상에 기인한 것이다.

도 3은 도 2와 달리 필터 가스켓(60') 대신에 레귤러 가스켓(60)을 사용한 경우이다. 이 경우는 웨이퍼 간의 두께 균일도가 1.16%, 2.03%로써 우수한 결과가 얻어졌으며, Ti 조성에 있어서도 표준편차가 1% 이하로써 우수하였다. 그러나, 실험 종료 후 내부를 관찰한 결과 미세하고 딱딱한 파티클이 기화기 몸체(10)의 내벽에 넓게 발생하였음을 알 수 있었다. 파티클의 발생은 효율적으로 방지를 하지 못하지만 재현성 측면에서는 도 2보다는 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

도 4는 도 3의 경우에다가 플리커 밸브의 전단에 필터 가스켓(65')을 더 설치한 경우이다. 필터 가스켓(65')은 기화기 몸체(10) 내부에 발생한 파티클이 진공챔버의 내부로 들어가는 것을 방지하기 위한 것이다. 웨이퍼 간의 두께 균일도는 0.92%, 0.61%로써 우수하였으며, Ti 조성에 있어서도 표준편차가 1.08%로써 우수하였다. 파티클은 수나사 단부 캡(20)의 바닥쪽에만 겔(gel) 형태로 소량 발생하였으며, 필터 가스켓(65') 주위에는 발생하지 않았다. 바닥에 존재하는 겔 형태의 파티 클은 필터 가스켓(65')의 사용에 따른 과포화에 기인한 것이다.

도 5는 도 1a의 경우를 나타낸 것이다. 도 4의 경우에 파우더가 겔 형태로 발생하였는데 이는 기화기 몸체(10)의 내부압력이 높은 것에 기인한 것으로 판단되어 필터 게스켓의 위치를 플리커 밸브(70)의 후단에 위치시키고 플리커 밸브(70)의 전단에는 레귤러 가스켓(65)을 설치하였다. 이로 인해 파티클의 발생은 감소하였으며, 파티클이 형태도 건조 겔(dried gel)형태를 나타냈다. 파우더의 형태가 겔 상태인 경우에는 파우더가 흘러내리기 때문에 기화기의 재현성에 문제가 있게 되는데, 상기와 같이 파우더의 형태가 건조 겔 상태로 되면 기화기 몸체(10) 내벽에 파우더가 완전히 붙어 있게 되어 재현성이 향상된다.

도 6은 도 5와 동일하며 단지 수나사 단부 캡(20')의 내부 형태와 액상원료공급관(40)의 삽입길이만을 바꾼 경우이다. 수나사 단부 캡(20')의 내경은 액상원료공급관(40) 삽입부에서는 액상원료공급관(40) 외경과 동일하고 기화기 몸체(10) 쪽으로 갈수록 점점 확대되는 형태를 이룬다. 그리고, 액상원료공급관(40)의 삽입단은 수나사 단부 캡(20)의 하단부에 위치한다. 이때의 웨이퍼간의 두께 균일도는 0.89%, 0.59%로써 우수하였으며, Ti 조성에 있어서도 표준편차가 0.7%로서 매우 우수하였다.

액상원료공급관(40)의 삽입부는 기화기 몸체(10) 내부의 다른 곳보다 더 낮은 온도를 가지므로, 삽입길이를 짧게 할 수록 응축에 의한 파티클의 발생율이 떨어지게 된다. 또한, 삽입길이가 짧을수록 파티클의 정체구역이 적어진다. 따라서, 이와 같이 액상원료공급관(40)의 삽입길이를 짧게 하는 것이 바람직하다.

도 7은 도 5와 동일하며 단지 수나사 단부 캡(20")의 내경이 다를 뿐이다. 즉, 수나사 단부 캡(20")의 내경을 액상원료공급관(40)의 외경과 거의 동일하도록 한 경우이다. 이 경우는 웨이퍼 간의 두께 균일도가 0.9%, 2.0% 이고, Ti 조성에 있어서도 표준편차가 0.87%로써 전체적으로 도 6의 경우와 비슷한 결과를 나타냈다.

도 8은 도 5의 경우와 동일하면서 단지 수나사 단부 캡(20"')의 내부형태만 다를 뿐이다. 즉, 도 5의 경우는 수나사 단부 캡(20) 내경이 1/2"로 일정한데 반하여, 도 8의 경우는 수나사 단부 캡(20''')의 내경이 기화기 몸체(10) 쪽으로 갈수록 1/4" 에서 1/2"로 넓어지는 경우이다. 웨이퍼간의 두께 균일도는 1.47%, 1.18%이고, Ti 조성에 있어서도 표준편차가 1.01% 로써 양호한 결과를 얻었으나, 파티클의 발생에 대해서는 도 6 및 도 7 경우보다 양호한 결과를 얻지는 못하였다. 이는 1/4"의 존재로 인하여 노즐효과가 감소되어 기화율이 떨어졌기 때문이다.

도 9는 도 7의 경우와 동일하면서 단지 액상원료공급관(40)의 삽입길이만을 길게 한 경우이다. 이 경우에는 파우더가 수나사 단부 캡(20)의 하단에 형성되는 것이 아니라 액상원료공급관(40)의 삽입부 외벽에 응축된 형태로 발생하였다.

도 10은 도 5와 동일하면서 단지 액상원료공급관(40) 삽입부의 형태를 나선형(spiral)으로 하고, 그 삽입부의 끝단이 기화기 몸체(10) 내부에 위치하도록 한 경우이다. 이 경우는 웨이퍼간의 두께 균일도가 1.23%, 1.54%로 매우 양호하고, Ti 조성에 있어서도 표준편차가 0.78%로써 매우 양호한 결과를 나타내었다. 파우더도 거의 육안으로 확인 안 될 정도로 소량 발생하였다. 이렇게 파우더의 발생이 적은 이유는 소스의 예비가열(pre-heating) 효과와, 정체에 의한 소스가 넓은 관으로 나오면서 노즐 효과의 극대화에 의해 소스 분사시 완전히 기화되기 때문이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 기화기의 여러 변형례에 의하면, 액상원료공급관(40)의 내경이 작을수록 효과적임을 알 수 있다. 즉, 기화기 몸체(10)로 유입되는 액적의 크기를 작게 만들수록 좋은 재현성을 확보할 수 있었다. 그리고, 진공챔버로의 파티클의 유입 방지 및 기화기 몸체(10)의 내부 압력증가에 의한 파티클의 발생감소를 위해서 필터 가스켓을 사용하는 것이 효과가 있음을 알 수 있었다. 또한, 기화기 내에서의 소스원료의 예비가열(pre-heating)이 파티클 발생 억제에 유용하다는 것을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명에 의하면, 노즐효과를 극대화시켜 불완전한 기화에 의한 파티클 발생을 최소화함으로써 수명(life time)이 길 뿐만 아니라, 간단한 구조를 갖음으로써 수리 및 클리닝(cleaning)이 용이하여 다운(down) 시간을 최소화 할 수 있는 LDS를 제공할 수 있다.

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

Claims

내부에 가열수단을 포함하고 액상원료를 통과시키면서 기체원료로 기화시키는 기화기에 있어서,

액상원료를 가열하여 기체원료로 기화시키는 기화기 몸체;

상기 기화기 몸체의 일단에 나사 결합되어 분리 또는 연결이 가능한 수나사 단부 캡;

상기 기화기 몸체와 상기 수나사 단부 캡 사이에 위치되는 제1 진공 실링 수단;

상기 수나사 단부 캡을 통하여 상기 기화기 몸체 내로 삽입되며 그 삽입길이가 조절될 수 있도록 설치되는 액상원료공급관;

상기 기화기 몸체의 타단에 나사 결합되어 분리 또는 연결이 가능한 밸브;

상기 기화기 몸체와 상기 밸브 사이에 위치되는 제2 진공실링 수단; 및

상기 밸브에 연결된 기체원료공급관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 기화기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제1 진공 실링 수단과 상기 제2 진공 실링 수단이 가스켓인 것을 특징으로 하는 기화기.
제1항에 있어서, 상기 제1 진공 실링 수단과 상기 제2 진공 실링 수단 중 적어도 어느 하나는 필터 가스켓인 것을 특징으로 하는 기화기.
제1항에 있어서, 상기 액상원료공급관과 상기 기화기 몸체의 내경의 비가 1/16“ : 1/4“ ~ 1/16“ : 1/2“ 인 것을 특징으로 하는 기화기.
제1항에 있어서, 상기 밸브는 플리커 밸브인 것을 특징으로 하는 기화기.
제1항에 있어서, 상기 액상원료공급관의 끝단이 상기 수나사 단부 캡을 관통하여 상기 기화기 몸체 내부에 위치하며 끝단의 형태는 나선형인 것을 특징으로 하는 기화기.