KR101001369B1 - 고체화합물의 기화용 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체화합물의 기화용 가열장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 박막을 형성하는 반도체 제조공정에서와 같이 고체화합물을 가열하여 유효 성분의 반응성분을 기화시켜 분리하되, 가열하는 방법으로 항온조를 사용하여 고체화합물이 저장된 가열챔버를 일정한 온도로 가열해 원하는 원소의 기체만 수취하도록 한 것이다. 또한, 이송가스에 의해 분리된 기체를 이송하는 이송관은 가열챔버 외주면을 나선으로 감은 후 가열챔버 하부로 공급되도록 하여, 가열챔버로 공급되는 과정에서 이송가스의 온도를 높이고, 가열된 고온의 이송가스는 가열챔버의 분말상 고체화합물에 분사되게 함으로써, 고체화합물 전체에 고르게 열을 전달시켜 반응기체를 수취하도록 하는 고체화합물의 기화용 가열장치에 관한 것이다.

본 발명의 고체화합물의 기화용 가열장치는, 고체화합물을 가열하여 반응기체를 수취하는 기화용 가열장치에 있어서, 담수된 물에 의해 열을 전달하는 항온조와; 상기 항온조에 담지되어 항온조의 열을 내부로 전달하는 용기로, 내측 상하부에 각각 필터를 설치하여 상부의 배출실과 중앙의 반응실 및 하부의 유입실로 구획하고, 상기 구획된 반응실에는 분말상의 고체화합물을 적재한 가열챔버와; 상기 가열챔버의 유입실로 이송가스를 공급하되, 상기 가열챔버의 외주면을 나선으로 감아 항온조로부터 열을 흡수해 고온으로 가열된 상태의 이송가스를 공급하게 하는 이송가스 이송관과; 상기 가열챔버의 배출실 상부와 연통설치되어 고온의 가열에 의해 기화된 기체성분을 이송가스에 의해 배출시키는 배출관과; 상기 가열챔버의 반응실 온도를 측정하여 측정온도에 따라 항온조의 가열온도를 조절하게 하는 온도센서;를 포함하여 구성된다.

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Description

고체화합물의 기화용 가열장치{Heating Equipment for Vaporization of Solid Compound}

본 발명은 고체화합물의 기화용 가열장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 박막을 형성하는 반도체 제조공정에서와 같이 고체화합물을 가열하여 유효 성분의 반응성분을 기화시켜 분리하되, 가열하는 방법으로 항온조를 사용하여 고체화합물이 저장된 가열챔버를 일정한 온도로 가열해 원하는 원소의 기체만 수취하도록 한 것이다. 또한, 이송가스에 의해 분리된 기체를 이송하는 이송관은 가열챔버 외주면을 나선으로 감은 후 가열챔버 하부로 공급되도록 하여, 가열챔버로 공급되는 과정에서 이송가스의 온도를 높이고, 가열된 고온의 이송가스는 가열챔버의 분말상 고체화합물에 분사되게 함으로써, 고체화합물 전체에 고르게 열을 전달시켜 반응기체를 수취하도록 하는 고체화합물의 기화용 가열장치에 관한 것이다.

반도체 제조공정에는 다양한 방법으로 반도체 기판에 각종 박막을 증착하고 있다. 일반적인 증착방법으로는 물리적 방법인 스퍼터링 방법을 많이 사용하였으나 단차피복성이 떨어져서 근래에는 금속 유기물 전구체를 사용한 화학기상증착법이 널리 이용되고 있다.

그러나, 상기 방법도 스퍼터링 방식의 단점은 개선하였으나, 박막의 형성 온도가 높고, 두께를 수 Å 단위로 정밀하게 제어할 수 없는 문제점을 가지고 있으며, 두 가지 이상의 반응 가스가 동시에 반응기 내부로 공급되어 기체 상태에서 반응을 일으키므로 이 과정에서 오염원이 되는 입자가 생길 수도 있다.

상기 문제점을 해소하기 위해 원자층 단위의 미소한 두께를 가지는 박막을 형성하는 ALD(atomic layer deposition;원자층 증착) 방법이 제안되었다. 상기 방법은 기판(웨이퍼)에 각각의 반응물을 분리 주입하여 반응물(reactant)이 화학적으로 기판 표면에 포화 흡착되는 반응 사이클을 수차례 반복하여 박막을 형성하는 방법이다.

이와같이 반응기체를 이용하여 얇은 박막을 형성하는 방법은 반도체생산공정 이외에 산업 전방에 걸쳐 그 수요가 발생되고 있다.

상기 반응기체를 공급하기 위한 종래 가열장치(1)는 도 4를 참조한 바와같이 고체화합물이 저장된 가열챔버(2)와, 상기 가열챔버의 저면을 직접 가열하는 가열수단(3)과, 상기 가열에 의해 발생된 기체성분을 이송가스에 실어서 기판에 증착이 이루어지는 진공챔버로 이송하는 이송관(4)으로 구성된다.

상기 방식은 필요한 성분을 갖는 고체화합물을 가열수단으로 가열된 가열챔버로 직접 열전달하여 고체화합물의 유효원소를 분리공급하는 것이나, 가열챔버의 내벽과 접하는 고체화합물 부분에서만 집중적인 분리반응이 이루어짐으로 원하는 반응기체 량을 얻기 위해서는 더 많은 열을 가해야된다. 그러나 상기 가열온도를 증가시킬 경우 고체화합물의 일측에만 고열이 직접 전달되어 다른 원소의 분리가 이루어져 공급되는 반응기체에 불순물이 포함됨으로 품질을 저하시키게 된다.

따라서, 고체화합물의 특정부위에 고열이 집중되는 것을 방지하면서 열을 고르게 전달시켜 분리반응이 전체적으로 이루어지게 하는 새로운 구조에 대한 연구가 필요하다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 고체화합물의 기화용 가열장치는,

고체화합물을 가열하여 반응기체를 수취하는 기화용 가열장치에 있어서, 담수된 물에 의해 열을 전달하는 항온조와; 상기 항온조에 담지되어 항온조의 열을 내부로 전달하는 용기로, 내측 상하부에 각각 필터를 설치하여 상부의 배출실과 중앙의 반응실 및 하부의 유입실로 구획하고, 상기 구획된 반응실에는 분말상의 고체화합물을 적재한 가열챔버와; 상기 가열챔버의 유입실로 이송가스를 공급하되, 상기 가열챔버의 외주면을 나선으로 감아 항온조로부터 열을 흡수해 고온으로 가열된 상태의 이송가스를 공급하게 하는 이송가스 이송관과; 상기 가열챔버의 배출실 상부와 연통설치되어 고온의 가열에 의해 기화된 기체성분을 이송가스에 의해 배출시키는 배출관과; 상기 가열챔버의 반응실 온도를 측정하는 온도센서와; 상기 온도센서의 측정온도에 따라 항온조의 가열온도를 조절하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 고체화합물의 기화용 가열장치는,

박막을 형성하는 반도체 제조공정에서와 같이 고체화합물을 가열하여 유효 성분의 반응성분을 기화시켜 분리하되, 가열하는 방법으로 항온조를 사용하여 고체화합물이 저장된 가열챔버를 일정한 온도로 가열해 원하는 원소의 기체만 수취하도록 한 것이다. 또한, 이송가스에 의해 분리된 기체를 이송하는 이송관은 가열챔버 외주면을 나선으로 감은 후 가열챔버 하부로 공급되도록 하여, 가열챔버로 공급되는 과정에서 이송가스의 온도를 높이고, 가열된 고온의 이송가스는 가열챔버의 분말상 고체화합물에 분사되게 함으로써, 고체화합물 전체에 고르게 열을 전달시켜 용이하게 반응기체를 수취하도록 하는 유용한 장치의 제공이 가능하게 되었다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1과 2를 참조한 바와같이 본 발명에 따른 고체화합물의 기화용 가열장 치(10)는 항온조(20)를 구비한다. 상기 항온조(20)는 내부에 물 또는 기타 액상의 물질을 담수하여 가열에 의해 온도를 상승시킨다. 상기 항온조는 후술되는 가열챔버(30)에 열을 전달하기 위한 수단으로 가열챔버 전방위를 통해 열 전달이 이루어진다. 이와같이 전방위를 통해 동일/유사한 열을 전달하는 방법은 기존에 특정부위만 가열하여 열을공급하는 방법보다는 열전달 효율을 증가시킴은 물론 고열의 공급으로 인한 기기의 파손을 방지할 수 있다. 즉, 가열챔버(30)는 다수의 개별적인 부품의 조립으로 구성됨으로 특정부위에만 열을 가할 경우 열팽창율이 서로 달라 연결부위에 갭이 발생되어 내부 저장물질이 누출되거나, 크랙이 발생되어 기기가 파손될 수 있는 문제점이 발생될 수 있는데 항온조를 이용해 열전달이 이루어지면 가열챔버 전면을 통해 동일한 온도의 열을 전달함으로 열팽창에 따른 기기간의 이격 정도를 최소화하여 갭발생과 크랙발생율을 저하시킬 수 있다. 상기 항온조는 외부로부터 불꽃에 의해 가열되거나, 전열판을 통한 가열등 공지된 다양한 방법으로 가열이 이루어지도록 할 수 있으며, 후술되는 온도센서(60)와 연계하여 내부 고체화합물 온도의 높고 낮음에 따라 가열 유무를 조절할 수 있도록 하는 제어부를 포함하도록 할 수 있다.

상기 항온조의 내부에는 저장된 물에 의해 열을 전달받도록 하는 가열챔버(30)가 담지된다. 상기 가열챔버는 내부를 중공으로 형성하여 고체화합물을 적재할 수 있게 하였다. 상기 고체화합물은 덩어리형태 또는 알갱이형태 또는 분말형태등 다양한 형태로 제공될 수 있다. 또한, 상기 가열챔버의 내부공간은 상부필 터(35)와 하부필터(34)를 설치하여 내부를 유입실(31)과 반응실(32) 및 배출실(33)로 구획한다.

상기 유입실(31)은 구획된 하부에 위치하여 외부로부터 이송가스를 유입받아 하부필터(34)를 통해 반응실(32)로 이송가스를 분사하게 한다.

또한 상기 반응실(32)은 분말상의 고체화합물(80)이 저장되는 공간으로, 하부의 유입실(31)에서 분사되는 이송가스에 의해 고체화합물이 유동되도록 하고, 항온조(20)로부터 전달되는 고온에 의해 고체화합물에서 기화된 기체성분(반응기체)을 이송가스에 실어서 상부의 배출실(33)로 이동되도록 한다. 따라서, 상기 반응실에 적재되어 있는 분말상의 고체화합물이 유입실이나 배출실로 유입되는 것을 차단하기 위해 상기 상하부 필터(34,35)는 기체성분은 통과하고 분체는 필터링 될 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 필터로 사용할 수 있는 재질의 일예로는 미세공이 형성된 금속판이나, 내열성을 갖는 부직포 및 수지제등이 사용될 수 있다.

또한 상기 배출실(33)은 반응실에서 기화된 기체성분이 이송가스에 실려 포집하여 최종적인 배출이 이루어지는 공간이다. 즉, 이송가스에 의해 분체의 고체화합물이 배출되는 것을 방지하기 위해 상부필터(35)에 의해 구획된 공간이며, 구획된 세 개의 실중에서 가장 작은 부피로 형성된다.

상기 가열챔버(30)에는 이송가스를 유입실로 공급하기 위한 이송관(40)이 연통설치된다. 상기 이송관은 외부의 이송가스탱크에서 가열챔버의 유입실(31)로 단 거리를 갖도록 유로를 형성할 수 있으나, 도시된 바와같이 항온조(20) 내부에서 가열챔버(30)의 외주면을 나선으로 수회 감은 후에 유입실로 공급되게 하여 항온조 내에서의 이송관 이동경로를 길게 형성할 수 있다. 상기한 바와같이 항온조 내에서의 이송관(40)의 이동경로를 길게 형성하면, 이송관을 따라 유동되는 이송가스는 유동되는 과정에서 항온조의 온도를 전달받아 고온으로 가열된다. 따라서, 가열챔버(30) 내에서 반응실(32)의 분말상 고체화합물에 분사시 이송가스의 열에너지를 고체화합물(80) 각 결정체에 세밀하게 전달할 수 있다. 즉, 항온조(20)로부터 직접 가열챔버(30)에 전달되는 열과 이송가스에 의한 열전달이 동시에 이루어져 가열챔버 내에 저장된 분말상의 고체화합물에 고른 열전달이 이루어져 필요한 반응기체의 분리가 용이하게 이루어지게 할 수 있는 것이다.

또한, 상기 가열챔버의 배출실(33)에는 배출관(50)이 연통설치된다. 상기 배출관은 상부필터(35)에 의해 분말을 필터링 한 가스성분을 사용하고자 하는 장소로 이송시키는 관체이다. 일예로 반도체 공정의 박막을 형성하기 위한 반응기체로 사용할 경우 반응기체의 공급과 차단이 반복적으로 이루어진다. 따라서, 상기 이송관(40)과 배출관(50)에는 솔레노이드밸브와 같이 단속이 용이하게 이루어질 수 있는 밸브(70)를 장착하여 이송가스 및 반응가스의 공급량을 단속하도록 하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 가열챔버 내에는 온도센서(60)를 장착하여 반응실에 적재되어 있는 분말상의 고체화합물(80)의 온도를 체크하도록 할 수 있다. 이는 고체화합물 에서 분리하고자 하는 반응기체의 기화온도를 설정하기 위한 것으로 필요 온도 이하일 경우 항온조의 온도를 높여 열을 더 공급하도록 하고, 필요온도범위 이상일 경우에는 항온조의 열발생을 차단하여 반응기체를 수취할 수 있는 최적의 온도를 제공하도록 한다.

다음으로 상기 가열챔버에는 배플(70)을 더 설치할 수 있다. 상기 배플은 가열챔버 반응실(32)의 내벽으로부터 대향되는 방향으로 다수 형성되어 기화된 반응기체가 이송가스에 실려 상기 배플 사이를 지그재그 형태로 지나 배출실의 배출관으로 배출되도록 한 것이다. 이와같이 배플을 다수 형성하여 기화된 반응가스의 배출경로를 지그재그로 형성한 것은 이송가스 분사로 유동된 분말상의 고체혼합물이 부유되어 상부필터(35)에 흡착되는 것을 차단하여 상부필터를 통한 배출량 저하를 방지하도록 한 것이다. 또한 상기 배플을 가열챔버의 내벽으로부터 하향경사를 갖도록 함으로써 유동되는 고체화합물이 부유되어 배플의 상부에 쌓이는 것을 방지하도록 할 수 있다.

상기한 바와같은 고체화합물의 기화용 가열장치의 작동상태를 간단하게 설명하면,

먼저 항온조(20)의 온도를 증가시켜 항온조에 담수된 물을 가열하고 이를 가열챔버(30)로 전달한다. 상기 가열챔버의 반응실(32)에 저장된 고체화합물(80)은 열을 전달받아 기화가 이루어짐으로써 필요원소인 반응기체를 수취한다. 이 때 상 기 이송관(40)에는 이송가스를 가열챔버의 유입실(31)로 공급하고 유입실로 공급된 이송가스는 하부필터(34)를 통해 상부 반응실(32)로 공급되게 함으로써 분체의 고체화합물의 유동이 이루어지도록 해 발생된 반응기체가 용이하게 배출되게 함은 물론 이송가스에 실려 배플(70)과 상부필터(35)를 순차적으로 통과하여 배출실(33)과 연통된 배출관(50)으로의 배출이 이루어지도록 한다. 상기 과정에서 이송관(40)은 가열챔버를 나선으로 감은 구조를 갖고 있으므로, 이송관을 통해 유동되는 이송가스는 유동되는 과정에서 고열로 가열되어 가열챔버의 반응실(32)로 분사시 이송가스에 내재된 열로도 고체화합물을 가열하여 기화를 촉진시킬 수 있게 한 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

도 1과 2는 본 발명의 실시일예에 따른 고체화합물 기화용 가열장치의 개략도.

도 3은 배플이 형성된 고체화합물 기화용 가열장치를 도시한 개략도.

도 4는 종래 고체화합물 기화용 가열장치를 도시한 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가열장치

20 : 항온조

30 : 가열챔버

31 : 유입실 32 : 반응실 33 : 배출실

34 : 하부필터 35 : 상부필터 36 : 배플

40 : 이송관

50 : 배출관

60 : 온도센서

70 : 밸브

80 : 고체화합물

Claims (2)

1. 고체화합물을 가열하여 반응기체를 수취하는 기화용 가열장치에 있어서,

   담수된 물에 의해 열을 전달하는 항온조(20)와;

   상기 항온조에 담지되어 항온조의 열을 내부로 전달하는 용기로, 내측 상하부에 각각 필터(34,35)를 설치하여 상부의 배출실(33)과 중앙의 반응실(32) 및 하부의 유입실(31)로 구획하고, 상기 구획된 반응실에는 분말상의 고체화합물(80)을 적재한 가열챔버(30)와;

   상기 가열챔버의 유입실(31)로 이송가스를 공급하되, 상기 가열챔버의 외주면을 나선으로 감아 항온조로부터 열을 흡수해 고온으로 가열된 상태의 이송가스를 공급하게 하는 이송가스 이송관(40)과;

   상기 가열챔버의 배출실(33) 상부와 연통설치되어 고온의 가열에 의해 기화된 기체성분을 이송가스에 의해 배출시키는 배출관(50)과;

   상기 가열챔버의 반응실(32) 온도를 측정하는 온도센서(60)와;

   상기 온도센서의 측정온도에 따라 항온조의 가열온도를 조절하는 제어부;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고체화합물의 기화용 가열장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가열챔버의 반응실(32) 상부에는 내벽으로부터 하향경사를 갖는 배플(baffle; 36)을 다수 형성하여 이송가스가 분사된 분말상의 고체혼합물이 부유되 는 것을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 고체화합물의 기화용 가열장치.

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