KR101003809B1 - 기화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기화기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기화기의 내부에 다공성 부재를 내장하여 액상 원료의 기화 효율을 향상시키는 기화기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 기화기는 원료 공급장치와 기판 증착장치 사이에 구비되어 액상 원료를 기화시키는 장치로서, 상기 액상 원료가 기화되는 내부 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버의 내부 공간을 상기 액상 원료의 인입 방향을 따라 분할하여 적어도 하나의 수용 공간을 형성하는 복수의 격벽 및 상기 수용 공간에 포화 상태로 채워지는 다수의 다공성 부재를 포함한다.
기화, 기화기, 다공성, 세라믹 볼, 화학증착

Description

기화기{Vaporizer}
본 발명은 기화기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기화기의 내부에 다공성 부재를 내장하여 액상 원료의 기화 효율을 향상시키는 기화기에 관한 것이다.
최근, 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED 개발 등으로 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 기술 중 유기금속화합물 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)이 각광받고 있다.
MOCVD란, 유기금속화합물로서 유기 라디칼과 금속이 결합된 물질들을 전구체로 이용하는 화학기상증착 방법으로서 유기금속화합물 또는 유기금속화합물과 수소화합물을 원료로 하고 수소 등을 이송기체(carrier gas)로 사용하여 기판 위에서 비가역적 열분해 반응이 일어나도록 함으로써 고체 상태의 결정을 성장시키는 방법이다. 이러한 MOCVD 기술은 원료가 모두 기체 상태로 공급되기 때문에 공급되는 원료의 양을 비교적 쉽고 정확하게 조절할 수 있어 다원계 및 다층 에피택셜 성장(epitaxial growth)에 적합하고, 기판만 일정 온도로 가열하면 되므로 하나의 온도 영역만이 필요하게 되어 장치가 간단해지며 대량 생산이 가능한 장점 등이 있다.
이와 같은 MOCVD 장비에 적용되는 종래의 일반적인 기화기의 구성을 첨부된 도 1을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
종래의 일반적인 기화기(10)는 액상 원료가 기화되는 챔버(14)의 내부로 이송기체(g)와 액상 원료(s)가 챔버(14)의 일측에 연결된 인입구 가스라인(12)을 통해 인입된다. 이때, 액상 원료(s)는 인입구 가스라인(12)의 내부 직경보다 작게 형성된 분사구(13)를 통과하면서 압력차에 의해 작은 입자로 분무되고, 분무된 액상 원료 입자는 챔버(14)의 외주면에 구비된 히팅 블럭(11)에서 가해지는 열에 의해 기화된다. 기화된 원료는 인입구 가스라인(12)과 대향되는 배출구 가스라인(19)을 통해 기화기(10)의 외부로 배출된다.
그런데, 종래의 기화기(10)에서는 분부된 액상 원료 입자가 히팅 블럭(11)에서 가해지는 열에 의해 챔버(14)의 내부에서 기화되나, 챔버(14) 내부의 넓은 공간에서 빠른 속도로 이동하기 때문에 충분한 기화 시간을 가지지 못하며, 이로 인하여 기화 효율이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 기화 효율의 저하는 액상 원료가 완전하게 기화된 상태로 배출되지 못하고 챔버(14) 및 가스라인(12, 19) 상에 액체 상태로 잔류하게 되어 반도체 공정 중 파티클의 발생 원인으로 작용하게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기화기의 챔버 내부에 분무된 액상 원료 입자가 충분한 기화열을 받을 수 있도록 다수의 다공성 부재를 내장하여 기화 효율을 향상시키는 기화기를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기화기는 원료 공급장치와 기판 증착장치 사이에 구비되어 액상 원료를 기화시키는 장치로서, 상기 액상 원료가 기화되는 내부 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버의 내부 공간을 상기 액상 원료의 인입 방향을 따라 분할하여 적어도 하나의 수용 공간을 형성하는 복수의 격벽 및 상기 수용 공간에 포화 상태로 채워지는 다수의 다공성 부재를 포함한다.
본 발명에 따르면 액상 원료의 기화가 일어나는 내부 공간을 가열하는 히팅 블럭을 구비한 기화기의 챔버 내부에 다공성 부재를 내장하여 분무된 액상 원료 입자의 열접촉 면적 및 이동 경로를 증가시켜 액상 원료가 미기화되거나 재환원되는 것을 방지함으로써 액상 원료의 기화 효율을 향상시킨다.
또한, 기화기를 복잡한 구조로 변경하지 않고 챔버의 내부 공간을 분할하여 복수의 수용 공간을 형성하고, 각 수용 공간에 직경의 크기가 서로 다른 다공성 부재를 내장시킬 수 있어 기화 효율 및 기화 속도를 용이하게 제어할 수 있다. 이로부터 박막 제조 공정에서 불완전한 기화로 인하여 기판에 파티클로 작용하는 액상 원료의 생성을 방지하여 양질의 박막을 제조할 수 있는 효과가 있다.
이후, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명에 따른 기화기의 일반적인 적용예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 기화기는 실시예로서 유기금속화합물 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)에 적용시켜 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 기화기(100)는 원료 공급장치(20)와 기판 증착장치(30) 사이에 구비되며, 인입구 가스라인(120)을 통해 원료 공급장치(20)로부터 액상 원료(liquid source; S)와 이송기체(carrier gas; G)를 공급받고, 이를 기화기(100)의 내부로 통과시켜 액상 원료(S)를 기체 상태로 기화시킨다. 사용되는 액상 원료(S)는 유기금속화합물 또는 유기금속화합물과 수소화합물로 이루어지며, 이송기체(G)는 수소(H2) 등이 사용된다. 기화된 액상 원료(S)와 이송기체(G)는 기화기(100)에 연결된 배출구 가스라인(190)을 통해 배출되어 기판 증착장치(30)로 공급되고 기판 상에 고체 상태의 결정을 성장시키는 증착공정에 사용된다.(도 2에 도 시된 기화기(100)는 후술되는 여러 실시예에 따른 기화기(100a, 100b, 100c)를 포함한다)
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기화기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기화기의 구성을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기화기의 구성을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 다수의 세라믹 볼의 일부를 확대하여 나타낸 도면이며, 도 7은 도 6에 도시된 세라믹 볼 및 세라믹 볼에 형성된 미세 공극을 촬영한 실사진이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 각각의 실시예에 따른 기화기(100a, 100b, 100c)는 원료 공급장치(20)와 기판 증착장치(30) 사이에 구비되어 액상 원료(S)를 기체 상태로 기화시키는 장치로서, 상기 액상 원료(S)가 기화되는 내부 공간을 제공하는 챔버(chamber; 140)와, 상기 챔버(140)의 내부 공간을 상기 액상 원료(S)의 인입 방향을 따라 분할하여 적어도 하나의 수용 공간(A; Aa, Ab, Ac)을 형성하는 복수의 격벽(party wall; 210) 및 상기 수용 공간(A; Aa, Ab, Ac)에 포화 상태로 채워지는 다수의 다공성 부재(200)를 포함한다.
챔버(140)는 액상 원료(S)가 기화되는 내부 공간을 제공한다. 이러한 챔버(140)에는 챔버(140)의 내부로 열을 가하는 히팅 블럭(heating block; 110)이 챔버(140)의 외측에 결합되며, 챔버(140)의 내부 공간으로 액상 원료(S)와 이송기체(G)가 공급되는 인입구 가스라인(120)이 챔버(140)의 일측면에 연결되고, 인입구 가스라인(120)과 대향되어 챔버(140)의 타측면에는 기화가 이루어진 액상 원료(S) 와 이송기체(G)가 배출되는 배출구 가스라인(190)이 연결된다. 그리고, 인입구 가스라인(120)이 연결되는 챔버(140)의 일측면에는 분사구(130)가 챔버(140)의 일측면을 관통하여 형성된다. 챔버(140)는 내부에 빈 공간이 형성된 원통 형상이나 다각기둥 형상 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 본 실시예에서는 액상 원료(S)의 인입 방향을 따라 챔버(140)의 내부 공간의 위치 차이에 의한 기화 효율의 차이를 최소화하고 액상 원료(S)의 입자 흐름을 균일하게 하기 위하여 원통형의 챔버(140)가 사용되었다. 챔버(140)의 내부 공간으로 인입되는 액상 원료(S)로는 TEOS, Ta2O(C2H5)5, Cu(hfac)(VTMS) 등과 같은 액체유기 화학물이 사용되고, 기화 과정을 거쳐 SiO2, Ta2O5, Cu 등과 같은 박막을 형성하거나 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3), BST((Ba, Sr)TiO3) 등과 같은 강유전체 재료가 사용되어진다. 원료의 초기 상태가 고체 상태인 원료인 경우에는 그대로 MOCVD 방법에 사용하기 어려워 각 원료에 적합한 용매를 사용하여 액체 상태로 변화시켜 사용한다.
히팅 블럭(110)은 챔버(140)의 외주면에 여러 겹으로 감겨지는 히팅 코일(heating coil)이나 챔버(140)의 외주면을 감싸는 히팅 자켓(heating jacket) 등으로 구성된다. 히팅 블럭(110)의 일측으로는 히팅 블럭(110)에 전원을 공급하는 전원선(미도시)이 연결된다. 한편, 액체 상태 또는 기화된 상태의 원료와 직접 접촉하는 챔버(140)의 내주면에는 부식 또는 마찰에 의한 손상 등을 방지하기 위하여 교체가 가능한 금속 보호막이 결합될 수 있다.
챔버(140)의 내부 공간과 인입구 가스라인(120) 사이에 위치하는 분사 구(130)는 인입구 가스라인(120)의 내부 직경 크기보다 작은 크기의 직경을 갖는다. 이러한 직경 차이는 챔버(140)의 내부와 외부에 각각 형성되는 압력차에 의한 인입 속도의 증가를 유발시키고 결국 액상 원료(S)를 미세한 입자로 챔버(140)의 내부 공간에 분무시킨다. 본 실시예에서 분사구(130)는 0.2㎜∼0.5㎜ 범위를 갖는 직경 크기로 형성되었다.
한편, 챔버(140)의 일측면을 관통하여 형성되는 분사구(130)는 도 5에 도시된 바와 같이 복수개로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기화기(100c)에서와 같이 인입구 가스라인(120')의 일단을 변형시켜 복수개의 분사구(130'; 130a, 130b, 130c)에 액상 원료(S)와 이송기체(G)를 분할하여 인입시킬 수 있다. 이로 인하여, 액상 원료(S)의 기화 처리속도가 증가하며, 챔버(140)의 내부 공간에 균일하게 액상 원료(S)를 분무시킬 수 있다. 한편, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기화기(100c)는 인입구 가스라인(120')과 분사구(130') 부분을 변형한 실시예로서 후술하는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기화기(100a) 및 제 2 실시예에 따른 기화기(100b)에 적용되는 챔버(140)의 구성을 모두 적용시킬 수 있다.
이와 같은 챔버(140) 및 기타 연결 가스라인(120, 190) 등을 통해 기화가 일어나는 과정을 살펴보면, 우선 원료 공급장치(20)에서 공급된 액상 원료(S) 및 이송기체(G)가 인입구 가스라인(120)을 통해 챔버(140)의 내측으로 공급된다. 이때, 챔버(140)의 내부 공간은 챔버(140)의 일측에 구비되는 압축펌프(미도시) 등에 의해서 감압된 상태로 유지된다. 공급된 액상 원료(S)는 이송기체(G)와 함께 분사구(130)를 통과하면서 작은 액상 입자로 분무된다. 작은 액상 입자는 이송기체(G) 의 이동에 따라 다수의 다공성 부재(200)가 내장된 챔버(140)의 내부 공간을 통과하면서 열을 받아 기화되고 배출구 가스라인(190)을 통해 챔버(140) 외부로 배출되어 기판 처리장치(30)에 전달, 사용된다.
챔버(140)의 내부 공간에 내장되는 다수의 다공성 부재(200)는 열전도성이 우수한 금속 또는 세라믹 재질로 이루어지고, 히팅 블럭(110)에 의해서 가열되어 일정한 온도로 유지된다. 다공성 부재(200)로는 메탈 스펀지(metal sponge), 다공성 메탈 볼(metal ball) 또는 다공성 세라믹 볼(ceramic ball) 등이 사용된다. 후술하는 내용에서는 다공성 부재(200)로서 다공성 세라믹 볼을 적용시켜 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 챔버(140)의 내부 공간에 내장되는 다수의 세라믹 볼(200)은 각각이 구형 또는 계란형으로 이루어진다.(다공성 부재로서 메탈 스펀지를 사용할 경우에는 크기가 작은 플레이트 형상으로 이루어진다) 이러한 구형의 세라믹 볼(200)은 챔버(140)의 내부 공간에 내장시 자체적으로 액상 원료(S)의 이동 경로를 증가시킨다. 즉, 액상 원료(S)의 입자가 세라믹 볼(200)의 표면을 따라 이동하는 경로(R1 또는 R2)는 다수의 세라믹 볼(200)이 내장되지 않는 종래의 기화기(10)에서 직선을 갖는 액상 원료(S) 입자의 이동 경로보다 굴곡되는 부분이 형성되어 보다 길어진 경로를 형성한다. 또한, 세라믹 볼(200)은 가열되어 높은 온도의 표면을 유지하는데, 액상 원료(S)의 입자가 부딪치거나 인접되는 열접촉 면적이 증가된다.
구형으로 이루어진 다수의 세라믹 볼(200)의 내장에 의한 효과를 보다 증가 시키기 위해 본 발명에서는 다공성 재질(porous material)의 다수의 세라믹 볼(200)이 사용된다. 즉, 세라믹 볼(200)에 굴곡된 다수의 홈 또는 홀으로 이루어진 미세 공극(202; 도6 또는 도7(b)참조)을 형성하고, 액상 원료(S)의 입자가 통과하도록 함으로써 밋밋한 구형의 세라믹 볼과 달리 액상 원료(S)의 입자가 지나가는 경로(r1, r2)를 추가적으로 형성한다.
이와 같이, 다공성을 갖는 세라믹 볼(200)을 기화기(100)에 내장시킴으로써 액상 원료(S)의 기화 효율을 향상시킨다. 기화 효율이 향상된다는 것은 액상 원료(S)의 미기화되는 양과 기화되었으나 다시 액상으로 환원되는 양이 감소된다는 의미이다. 본 실시예에서 세라믹 볼(200)은 99.8% 이상의 고순도를 갖는 알루미나(Al2O3)로 이루어지며, 히팅 블럭(110)에서 가해주는 열에 의해 높은 온도로 가열된다. 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 1㎜∼10㎜ 범위의 직경 크기를 갖는 세라믹 볼(200)이 사용되었다.
다공성 세라믹 볼(200)은 챔버(140)의 내부 공간에서 일정한 영역에 모여 가두어진다. 이를 위해 챔버(140)의 내부 공간에는 세라믹 볼(200)이 가두어지는 수용 공간(A; Aa, Ab, Ac)이 형성된다. 수용 공간은 본 발명의 제 1 실시예에서와 같이 챔버(140)의 내부 공간에 하나의 영역(A)을 형성될 수 있으며, 본 발명의 제 2 실시예에서와 같이 액상 원료(S)의 인입 방향을 따라 복수개(Aa, Ab, Ac)로 분할되어 형성될 수도 있다.
하나의 수용 공간(A)에 세라믹 볼(200)을 내장시키는 경우, 액상 원료(S)의 종류, 기화량, 기화 속도, 기화 효율 등의 다양한 요인을 감안하여 수용 공간(A)의 폭(L)과 수용되는 세라믹 볼(200)의 직경 크기가 변경된다. 마찬가지로 챔버(140)의 내부 공간에 복수개의 분할된 수용 공간(Aa, Ab, Ac)이 구비되는 경우에도 수용 공간의 폭(La, Lb, Lc)이 변경될 수 있다. 복수의 수용 공간(Aa, Ab, Ac)이 적용되는 경우에는 기화 속도 및 기화 효율 등을 용이하게 제어하기 위해 각각의 수용 공간(Aa, Ab, Ac)에 크기가 다른 세라믹 볼(200a, 200b, 200c)을 내장시킬 수 있다.
텅 비어있는 챔버(140)의 내부 공간에서 다수의 세라믹 볼(200)을 일정한 영역, 즉 수용 공간(A; Aa, Ab, Ac)에 가두기 위해서 복수의 격벽(210; 210a, 210b, 210c)이 구비된다. 하나의 수용 공간을 형성하기 위해서는 한 쌍의 격벽이 사용되며, 한 쌍의 격벽이 이격되어 형성된 수용 공간에는 다수의 세라믹 볼(200)이 빈틈없는 상태, 즉 포화 상태로 채워진다. 이때문에 액상 원료(S)는 챔버(140)의 내부 공간에 형성되는 수용 공간(A; Aa, Ab, Ac)을 반드시 통과하게 된다.
앞서, 본 실시예에서 챔버(140)가 원통형으로 이루어진다고 설명하였는데, 이 때문에 챔버(140)의 내부 공간은 원형 단면을 가지며 챔버(140)의 내주면에 밀착되는 격벽(210) 역시 원판형으로 이루어진다. 물론, 챔버의 형상이 변형되어 내부 공간의 단면 형상이 변하게 되면 이에 따라 격벽의 형상도 변형됨은 당연하다.
판(plate) 형상의 격벽(210) 표면에는 미세한 다수의 관통홀(212)이 형성되며, 이 다수의 관통홀(212)을 통해 액상 원료(S)와 이송기체(G)가 세라믹 볼(200)의 미세 공극(212)을 통과하게 된다. 격벽(210)에 형성된 다수의 관통홀(212)은 세라믹 볼(200)이 수용 공간(A)에서 빠져나오지 못하도록 세라믹 볼(200)의 직경 크 기보다 작은 크기의 직경을 가진다.
세라믹 볼(200)을 통과하면서 기화된 원료(S)는 이송기체(G)와 함께 배출구 가스라인(190)에 인접한 격벽(210)을 빠져 나온 후 배출된다. 배출된 기체 상태의 원료(S)는 반도체 제조 설비의 반응기인 기판 처리장치(30;도2참조)로 공급되고, 반응기에서 기판 처리가 이루어진다. 이와 같이, 본 발명에 따른 기화기를 통해 액상 원료가 미기화되거나 재환원되는 것을 줄이거나 또는 방지함으로써 액상 원료의 기화 효율을 향상시켜 반도체 제조공정에서 양질의 박막을 제조할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 기화기를 본 발명의 일실시예로서 MOCVD에서 사용되는 기화기로서 설명하였으나, 이 외에도 높은 기화 효율이 요구되는 액상 원료의 기화기 또는 기화장치로 다양하게 사용할 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 기화기의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 기화기의 일반적인 적용예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기화기의 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기화기의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기화기의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 다수의 세라믹 볼의 일부를 확대하여 나타낸 도면.
도 7은 도 6에 도시된 세라믹 볼 및 세라믹 볼에 형성된 미세 공극을 촬영한 실사진.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
100, 100a, 100b, 100c : 기화기 110 : 히팅 블럭
120, 120' : 인입구 가스라인 130, 130' : 분사구
140 : 챔버 190 : 배출구 가스라인
200, 200a, 200b, 200c : 다공성 부재 202 : 미세 공극
210, 210a, 210b, 210c : 격벽 212 : 관통홀
S : 액상 원료 G: 이송기체
A, Aa, Ab, Ac : 수용 공간

Claims (6)

  1. 원료 공급장치와 기판 증착 장치 사이에 구비되어 액상 원료를 기화시키는 장치에 있어서,
    상기 액상 원료가 기화되는 내부 공간을 제공하는 챔버와;
    상기 챔버의 내부 공간을 상기 액상 원료의 인입 방향을 따라 분할하여 적어도 하나의 수용 공간을 형성하는 복수의 격벽; 및
    상기 수용 공간에 포화 상태로 채워지며, 메탈 스폰지, 다공성 메탈 볼 또는 다공성 세라믹 볼로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 다수의 다공성 부재를 포함하는 기화기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 볼에는 다수의 미세 공극이 형성되고, 1㎜∼10㎜ 범위의 직경 크기를 갖는 알루미나(Al2O3)를 재질로 하는 기화기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 챔버의 내주면에 밀착되고, 상기 다공성 부재의 직경 크기보다 작은 크기의 직경을 갖는 다수의 관통홀이 형성된 기화기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버의 내부 공간에 배치된 복수의 격벽에 의해 형성되는 복수의 수용 공간 각각은 상이한 폭을 갖도록 형성되며, 상기 복수의 수용 공간 각각에 수용되는 다공성 부재의 크기가 서로 다르도록 하는 기화기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버의 일측면에는 상기 액상 원료가 인입되어 분무되는 적어도 하나의 분사구가 관통되어 형성되며, 상기 분사구는 0.2㎜∼0.5㎜ 범위의 직경 크기를 갖는 기화기.
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