KR101176155B1 - 버블러를 포함하는 가스공급장치 - Google Patents

버블러를 포함하는 가스공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 소스물질을 기화시키는 버블러, 기판을 처리하는 챔버, 상기 버블러와 상기 챔버를 연결하는 가스공급관, 상기 버블러에 저장된 소스물질에 단부가 침지되도록 설치되는 운반가스공급관을 포함하는 가스공급장치에 있어서, 상기 운반가스공급관은, 상기 버블러의 상부에서 하부방향으로 설치되는 본체부; 수평방향의 좌표성분을 가지도록 상기 본체부의 하단에 결합하는 분사부를 포함하는 가스공급장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 버블러에서 소스물질의 잔량이 줄어들어도 기화량을 최대한 일정하게 함으로써 챔버 내부로 공급되는 소스물질의 양을 일정하게 유지하여 공정재현성을 높일 수 있게 된다.
가스공급장치, 버블러, 운반가스공급관

Description

버블러를 포함하는 가스공급장치{Gas supply apparatus comprising bubbler}
도 1은 종래 가스공급장치의 구성도
도 2는 버블러에서 소스물질이 기화되는 모습을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스공급장치의 구성도
도 4 및 도 5는 소스물질의 잔량이 많은 경우와 적은 경우에 기포가 포물선 궤적을 따라 이동하는 모습을 각각 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스공급장치의 구성도
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스공급장치의 구성도
도 8a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스공급장치의 평면도
도 8b는 도8a의 가스공급장치에서 기포의 운동궤적을 나타낸 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 가스공급장치 110 : 버블러
120 : 운반가스공급관 122 : 본체부
124 : 분사부 126 : 분사홀
128 : 완충부 130 : 운반가스유량조절장치
140 : 가스공급관 150 : 밸브
본 발명은 반도체소자의 제조장치에 관한 것으로서 구체적으로는 액상의 소스물질을 기화시켜 챔버 내부로 공급하는 가스공급장치에 관한 것이다.
반도체소자는 기판에 소정의 박막을 증착한 후 포토리소그라피 공정, 식각 공정 등을 거쳐 소정의 회로패턴을 형성함으로써 제조된다.
일반적으로 반도체소자의 제조공정에서 증착되는 박막의 종류는 층간절연막, 게이트절연막, 커패시터유전막, 패시베이션막 등 다양하며, 이들 박막은 산화실리콘, 질화실리콘, 폴리실리콘, 금속 등을 이용하여 형성된다.
이들 박막을 증착하는 방법에도 여러 가지가 있는데, 예를 들어 소스물질과 반응물질을 챔버 내로 분사하여 이들의 화학반응물을 기판에 증착시키는 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition), 전기장에 의해 가속된 이온을 소스물질에 충돌시켜 분리되는 원자를 기판에 증착시키는 물리기상증착(PVD: Physical Vapor Deposition), 먼저 챔버 내부로 소스물질을 분사하여 기판상에 증착시킨 후에 반응물질을 분사하여 기판상에서 소스물질과 반응시킴으로써 원자층 두께의 박막을 증착하는 ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 방법이 그것이다.
본 발명은 이러한 박막증착공정에서 사용되는 소스물질을 챔버내부로 공급하 는 가스공급장치에 관한 것으로서, 특히 액상의 소스물질을 기화시기는 버블러(bubbler)에 관한 것이다.
도 1은 이러한 버블러를 포함하는 가스공급장치(10)의 개략적인 구성을 도시한 것으로서, 소스물질(30)을 기화시키는 버블러(1), 버블러(1)의 상부에서 연결되며 단부가 소스물질(30)에 침지되는 운반가스공급관(2), 운반가스공급관(2)에 연결되는 운반가스유량조절장치(Mass Flow Controller: MFC)(3), 일단은 상기 버블러(1)의 상부에 연결되고 타단은 기판을 처리하는 챔버(20)에 연결되는 가스공급관(4), 가스공급관(4)에 설치되어 공정주기에 따라 온/오프되는 밸브(5)를 포함하며, 상기 버블러(1)는 저장된 소스물질(30)을 기화시키기 위한 히터(미도시)를 구비한다.
운반가스공급관(2)은 운반가스저장부(미도시)로부터 불활성가스 또는 N2 등의 운반가스를 버블러(1) 내부로 공급하며, 이렇게 공급된 운반가스는 기화된 소스물질을 가스공급관(4)을 통해 챔버(20)까지 운반하는 역할을 한다.
버블러(1)에서기화되는 소스물질의 종류는 박막의 종류에 따라 달라지며, 예를 들어 커패시터유전막으로 사용되는 산화하프늄(HfO2) 박막을 증착하는 경우에는 TEMAH(Tetrakis Ethyl Methyl Amino Hafnium: Hf(N(C2H5)CH3)4) 와 같은 액상의 소스물질을 기화시켜 사용한다.
챔버(20)에는 버블러(1)와 이어지는 가스공급관(4)이 연결되는 이외에도 별 도의 반응가스공급관(미도시)이 연결된다. 산화하프늄(HfO2) 박막을 증착하는 경우에는 버블러(1)에서 기화된 TEMAH가 운반가스를 통해 챔버(20) 내부로 공급되는 한편 O2 또는 O3 등의 반응가스가 반응가스공급관(미도시)을 통해 챔버(20) 내부로 공급된다.
그러면 챔버 내부에서 TEMAH와 O2 , 또는 TEMAH와 O3 가 반응하여 산화하프늄(HfO2)이 생성되고 이것이 기판에 증착되어 산화하프늄 박막이 형성된다.
이러한 박막증착 공정에서는 매 기판마다 동일한 두께와 균일도를 가지는 박막이 증착될 수 있어야 하므로, 챔버 내부의 압력, 온도 등 공정조건을 동일하게 유지해야 할 뿐만 아니라 소스물질의 압력 및 공급량도 정밀하게 제어하여야 한다. 또한 전술한 바와 같은 가스공급장치(10)에서는 버블러(1)에서 기화되는 소스물질의 기화량을 일정하게 유지시키는 것이 아주 중요한 공정요소로 작용한다.
버블러(1)에 저장된 소스물질(30)이 액면에서만 기화되면 기화되는 양에 한계가 있기 때문에 통상은 운반가스공급관(2)의 단부를 소스물질(30)에 침지시켜 기포를 발생시킴으로써 기화량을 증가시키고 있다.
따라서 도 2에 도시된 바와 같이 운반가스는 운반가스공급부(2)의 단부를 통해 배출되어 기포(40)의 형태로 소스물질(30)을 통과하며, 소스물질(30)을 통과하는 동안 기포(40)의 내부로 소스물질의 기화가 일어나기 때문에 소스물질의 기화량이 증가하게 된다. 기포(40)가 소스물질을 지나는 경로를 길게 하기 위하여 통상 운반가스공급관(2)의 단부를 버블러(1)의 바닥면에 근접 설치한다.
그런데 이와 같은 방법을 적용하여도 버블러(1) 내부의 소스물질의 잔량이 줄어들수록 기포(40)에 가해지는 압력이 줄어들 뿐만 아니라 기포(40)가 소스물질을 통과하는 경로도 짧아지기 때문에 기포(40)의 내부로 기화되는 양도 줄어들 수밖에 없다. 따라서 챔버 내부로 공급되는 소스물질의 양이 일정하게 유지되지 못하여 공정재현성에 문제를 일으키게 된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 버블러에서 소스물질의 잔량이 줄어들어도 기화량을 최대한 일정하게 유지함으로써 챔버 내부로 공급되는 소스물질의 양을 일정하게 유지할 수 있는 방안을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 소스물질을 기화시키는 버블러, 기판을 처리하는 챔버, 상기 버블러와 상기 챔버를 연결하는 가스공급관, 상기 버블러에 저장된 소스물질에 단부가 침지되도록 설치되는 운반가스공급관을 포함하는 가스공급장치에 있어서, 상기 운반가스공급관은, 상기 버블러의 상부에서 하부방향으로 설치되는 본체부; 상기 본체부의 하단에 상기 본체부보다 큰 직경의 완충부가 결합되고, 상기 완충부에는 다수의 분사부가 상기 버블러의 내측벽을 향해 설치되며, 상기 다수의 분사부는 상기 버블러의 중심을 지나는 선에 대하여 소정 각도만큼 기울어지도록 설치되는 가스공급장치를 제공한다.
이때, 상기 다수의 분사부는 수평면과 -10도 내지 +10도의 각도를 가지도록 설치되며, 상기 다수의 분사부의 상면에는 다수의 분사홀이 형성된다.
그리고, 상기 다수의 분사부는 서로 대칭적으로 배치된다.
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이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스공급장치(100)의 구성도로서, 소스물질(30)을 기화시키는 버블러(110), 상기 버블러(110)에 연결되며 단부가 소스물질(30)에 침지되는 운반가스공급관(120), 운반가스공급관(120)에 연결되는 운반가스유량조절장치(130), 일단은 상기 버블러(110)의 상부에 연결되고 타단은 기판을 처리하는 챔버(20)에 연결되는 가스공급관(140), 가스공급관(140)에 설치되어 공정주기에 따라 온/오프되는 밸브(150)를 포함하며, 상기 버블러(110)에는 저장된 소스물질(30)을 기화시키기 위해 히터(미도시)가 설치된다.
운반가스공급관(120)은 운반가스저장부(미도시)로부터 불활성가스 또는 N2등 의 운반가스를 버블러(110) 내부로 공급하며, 이렇게 공급된 운반가스는 소스물질(30)을 기화시킬 뿐만 아니라 기화된 소스물질을 가스공급관(140)을 통해 챔버(20)까지 운반하는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 운반가스공급관(120)은 버블러(110)의 상부에서 하부방향으로 설치되는 본체부(122)와 운반가스를 수평방향으로 분사하기 위해 본체부(122)의 하단에 수평방향의 좌표성분을 가지도록 연결되는 분사부(124)로 이루어진다.
운반가스는 분사부(124)의 개구된 단부를 통해 분사되며, 분사부(124)는 버블러(110)의 바닥면에 닿을 정도로 소스물질(30)에 충분히 침지시켜 설치되는 것이 바람직하다.
따라서 도 4에 도시된 바와 같이 분사부(124)의 단부를 통해 분사된 운반가스의 기포(40)는 수평방향으로 분사된 후 부력에 의하여 점차 상승하므로 전체적으로 포물선 궤적을 그리면서 운동하게 된다.
운반가스의 기포(40)가 이와 같이 포물선 궤적을 따라 이동하면 도 2와 같이 분사된 후 거의 수직방향으로 상승하여 직선운동을 하는 경우에 비하여 기포(40)의 이동경로가 1.3 내지 1.5배 정도 길어지므로, 기포(40)의 내부로 소스물질이 기화되는 양이 증가하게 된다.
또한 기포(40)에 가해지는 압력도 버블러(110)의 하부에서 더 높으므로 버블러(110)의 바닥면 부근에서 수평방향으로 기포(40)가 분사되면 수직방향으로 상승하는 경우에 비하여 고압영역을 통과하는 시간이 길어지기 때문에 종래보다 더 많 은 기화량을 얻을 수 있다.
또한 소스물질의 잔량이 줄어들면, 종래에는 수직방향으로 상승하는 기포의 경로가 짧아져서 기포(40) 내부로 기화되는 양이 급격히 줄어들기 때문에 챔버 내부로 공급되는 소스물질의 양을 일정하게 유지하기 어려웠으나, 도 5와 같이 기포(40)를 수평방향으로 분사하면 기포(40)가 소스물질(30)의 내부를 통과하는 거리가 길어지기 때문에 기화량의 감소를 최소화하여 챔버 내부로 공급되는 소스물질의 양을 최대한 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 운반가스공급관(120)의 분사부(124)는 본 발명의 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있는데, 예를 들어 소스물질(30)을 통과하는 기포(40)의 양을 늘리기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 분사부(124)의 상부에 다수의 분사홀(126)을 형성할 수도 있다.
또한 운반가스공급관(120)의 본체부(122)의 하단에 수평방향으로 다수의 분사부(124)를 대칭적으로 연결할 수도 있다. 도 7은 하나의 본체부(122)에 제1,2 분사부(124a, 124b)가 서로 대칭적으로 형성된 경우를 예시한 것이며, 이 경우 기포(40)의 포물선 운동이 버블러(110)의 측벽에 의하여 방해될 위험이 있긴 하지만 버블러(110)의 직경이 기포(40)의 운동을 방해하지 않을 정도로 충분히 큰 경우에는 기화량을 늘리는데 매우 유용하다.
한편, 기포(40)의 운동 궤적을 더욱 길게 하기 위하여 도 8a에 도시된 바와 같이 운반가스공급관(120)의 본체부(122) 하단에 다수의 분사부(124a, 124b, 124c, 124d)를 대칭적으로 설치하고, 각 분사부가 버블러(110)의 중심을 지나는 선에 대하여 수평면을 기준으로 각만큼 기울어지도록 설치할 수도 있다.
이때 각 분사부(124a,124b,124c,124d)에서의 분사압력을 비슷하게 유지하는 것이 바람직하므로 이를 위해 본체부(122)의 하단에 본체부(122) 보다 큰 직경의 완충부(128)를 설치하고, 상기 완충부(128)의 측부에 각 분사부(124a, 124b, 124c, 124d)를 연결하는 것이 바람직하다.
따라서 각 분사부에서 분사된 운반가스는 버블러(110)의 내측벽에 도달한 후 방향이 전환되어 버블러(110)의 내측벽을 따라 운동하게 되며, 이때 기포(40)는 부력에 의한 상승운동을 계속하므로 전체적으로 도 8b에 도시된 바와 같이 입체 나선형의 운동궤적을 그리게 된다.
이 경우는 종래에 비해 운동궤적이 훨씬 길어지므로 기화량도 크게 증가한다.
이상에서는 수직으로 설치되는 운반가스공급관(120)의 본체부(122) 하단에 형성된 분사부(124)에서 운반가스가 수평방향으로 분사되는 경우를 설명하였다.
그러나 기포(40)의 분사방향이 수평면에 대하여 ±10도의 범위 내이면 기포(40)가 소스물질(30)을 통과하는 시간과 거리를 충분히 확보할 수 있어 본 발명의 목적을 달성하는데 큰 지장이 없으므로 운반가스가 반드시 수평방향으로 분사되어야 하는 것은 아니다.
수평면에 대하여 10도 이하로 기포(40)를 분사할 수도 있으나, 상기 분사부 (124)는 소스물질(30)의 압력이 높은 버블러(110)의 바닥면 부근에 설치되는 것이 바람직하고, 분사부(124)의 출구가 버블러(110)의 바닥면을 향할수록 기포(40)의 상승운동이 직선궤적에 가까워지는 점을 감안하여 분사각도를 (-)방향으로 더 조정하는 것은 바람직하지 않다.
한편 이상에서는 반도체소자 제조장치에 사용되는 가스공급장치를 설명하였으나, 반도체제조장치와 유사한 공정이 적용되는 평면표시패널의 제조장치에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따르면 버블러에서 소스물질의 잔량이 줄어들어도 기화량을 최대한 일정하게 함으로써 챔버 내부로 공급되는 소스물질의 양을 일정하게 유지하여 공정재현성을 높일 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 소스물질을 기화시키는 버블러, 기판을 처리하는 챔버, 상기 버블러와 상기 챔버를 연결하는 가스공급관, 상기 버블러에 저장된 소스물질에 단부가 침지되도록 설치되는 운반가스공급관을 포함하는 가스공급장치에 있어서,
    상기 운반가스공급관은,
    상기 버블러의 상부에서 하부방향으로 설치되는 본체부;
    상기 본체부의 하단에 상기 본체부보다 큰 직경의 완충부가 결합되고, 상기 완충부에는 다수의 분사부가 상기 버블러의 내측벽을 향해 설치되며, 상기 다수의 분사부는 상기 버블러의 중심을 지나는 선에 대하여 소정 각도만큼 기울어지도록 설치되는 가스공급장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 분사부는 수평면과 -10도 내지 +10도의 각도를 가지도록 설치되는 가스공급장치
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 분사부의 상면에는 다수의 분사홀이 형성되는 가스공급장치
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 분사부는 서로 대칭적으로 배치되는 가스공급장치
  5. 삭제
  6. 삭제
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