KR101246921B1 - 원료공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 에피탁셜성장(Epitaxial Growth)에 따른 박막을 형성하는 박막형성장치(Thin Film Forming Apparatus)에 원료가스를 공급하는 원료공급장치에 관한 것이다.
원료공급장치(105)는, 캐리어가스를 원료용기(151)에 도입하는 도입배관(152a)과, 원료용기로부터 도출한 원료가스가 운송되어지는 배송배관(152b)과, 운송배관부터 분기해서 원료가스를 성막실(101)에 공급하기 위한 공급배관(155a)과, 운송배관(152a)으로부터 분기해서 원료가스를 도입배관(152a)으로 되돌기 위한 순환배관(155b)과, 도입배관에 설치된 도입밸브(156a)과, 공급배관에 설치된 공급밸브(156b)와, 순환배관에 설치된 순환밸브(156c)와 각 밸브의 개폐를 제어하는 제어부(157)를 구비하고 있다. 제어부는, 공급밸브와 순환밸브와의 개폐를 다른 상태로 제어한다. 이것에 의해서, 원료의 낭비를 제어한 상태로, 보다 안정된 원료가스를 공급할 수 있다.

Description

원료공급장치{RAW MATERIAL SUPPLYING DEVICE}
본 발명은, 에피탁셜성장(Epitaxial Growth)에 따른 박막을 형성하는 박막형성장치(Thin Film Forming Apparatus)에 원료가스를 공급하는 원료공급장치에 관한 것이다.
최근에, 300℃정도의 저온에서 양질의 박막을 더욱 균질한 상태로 형성 등 각종 특징을 구비한 기술로써, 원자층 및 분자층 단위로 박막의 형성이 가능한 원자층성장(Atomic Layer Deposition: ALD)법이, 주목받고 있다. 원자층성장법(ALD)은, 형성하려는 막(膜)을 구성하는 각 원소의 원료가스를 기판에 교차 공급하는 것으로서, 원자층 단위로 박막을 형성하는 에피탁셜성장(Epitaxial Growth) 기술이다.
이와 같은 원자층성장법을 이용한 박막의 형성에 관해서는, 예를 들면 형성하자고 하는 막을 구성하는 금속의 유기화합물의 기체를 원료가스로써 이용하고 있다. 이와 같은 유기합금속화합물은, 대부분 상온(20℃정도)에서는, 액체이다. 따라서, 원자층성장법 등의 에피탁셜성장에서는, 액체상태인 유기금속화합물을, 버블링법(Bubbling Method)에 의해서 기화(氣化)시켜 원료가스로 하고 있다(특개평5-074758호 및 특개평5-251348호). 버블링법에 따른 액체원료를 기화하는 방법은, 구조가 간단하고, 또한 버블링을 이용한 가스를 기화한 원료가스의 캐리어 가스(Carrier Gas)로써 이용할 수 있는 등, 액체원료를 기화해서 공급하는 간편한 원료공급수단이다.
그런데, 원자층성장법으로는, 원료가스를 기판의 위에서 간헐적으로 공급한다. 이 간헐적인 가스 공급을 버블링법(Bubble Method)으로 실현하기 위해서는, 예를 들면, 가스를 공급할 때만 버블링을 하는 방법이 있다. 그렇지만, 버블링법으로는, 버블링을 개시한 직후는, 가스의 생성상태를 안정시키지 못하고, 또한, 버블링을 개시한 직후와, 버블링을 어느 정도 계속한 한 후는, 생성한 기화가스의 양(농도)이 변화한다. 그 때문에, 버블링의 정지와 개시를 반복하는 방법으로는, 안정된 원료가스를 공급하는 것이 용이하지 않다.
이것에 대비해서, 새롭게 제안된 방법은, 버블링은 계속하지만 원료가스는 공급하지 않는, 예를 들면, 생성하고 있는 원료가스를 버리는 가스경로(Gas Path)를 배기경로(Exhaust Path)로 교체하는 방법이 있다. 이 방법으로 하면, 버블링을 계속해서 할 수 있기에, 안정된 원료가스의 공급이 가능하게 된다. 그렇지만, 기판에 원료가스의 공급을 정지하는 할 때는, 원료가스를 폐기하기 때문에, 원료가스가 낭비되고, 원료 코스트의 상승을 초래하게 된다.
본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이고, 원료의 낭비를 억제한 상태로, 보다 안정된 원료가스를 공급할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관련된 원료공급장치는, 원료액이 수용된 원료용기와, 원료용기(Raw Material Vessel)에 접속되어, 원료액을 버블링(Bubbling) 하기 위해서 캐리어 가스(Carrier Gas)를 원료용기에 도입하는 도입배관(Introduction Pipe)과, 원료용기에 접속되어, 버블링으로부터 발생되어서 원료용기로부터 도출(導出)된 원료가스가 운송되는 운송배관(Transport Pipe)과, 운송배관이 설치되고, 원료가스를 운송하는 펌프(Pump)와, 배송배관으로부터 분기(分岐)되어서 공급대상에 접속되어, 원료가스를 공급대상에 공급하기 위해서 공급배관(Supply Pipe)과, 운송배관으로부터 분기해서 도입배관에 접속된 순환배관(Circulation Pipe)과, 도입배관의 순환배관과의 접속부에서도 캐리어가스의 공급측에 설치된 도입밸브(Introduction Valve)와, 공급배관에 설치된 공급밸브(Supply Valve)와, 순환배관에 설치된 순환밸브와, 도입밸브, 공급밸브 및 순환밸브에 접속되어, 각각의 밸브의 개폐를 제어하는 제어부(Controller)를 구비하는데 여기서, 제어부(Controller)는, 적어도 공급밸브와 순환밸브와의 개폐를 다른 상태로 제어하도록 되어 있다.
본 발명에 의하면, 공급밸브는 운송배관(Transport Pipe)부터 분기해서 원료가스를 공급대상으로 공급하는 공급배관에 설치되고, 순환밸브(Circulation Valve)는 운송배관으로부터 분기해서 도입배관으로 연통하는 순환배관에 설치되고, 제어부는 적어도 공급밸브와 순환밸브와의 개폐를 다른 상태로 제어하도록 했다. 따라서, 원료의 낭비를 제어한 상태에서, 보다 안정된 원료가스를 공급할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은, 본 발명의 실시 예에 있어서 원료공급장치의 구성 및 원료공급장치로부터 원료를 공급받는 박막형성장치의 구성을 표시한 도이다.
도2는, 본 발명의 실시 예에 있어서 원료공급장치의 동작 예를 설명하기 위한 타이밍 챠트(Timing Chart)이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 관해서 도를 참조해서 설명한다. 도1는 실시 예에 있어서 원료공급장치의 구성, 및 원료공급장치로부터 원료를 공급받는 박막형성장치의 구성을 표시하는 도이다. 박막형성장치는, 에피탁셜 성장에 의한 막의 성장이 이루어지는 성막실(Film Forming Chamber)(102)와, 배기기구(Exhaust Mechanism)(104)를 포함하며, 원료공급장치(105)로부터 원료를 박막형성장치로 공급가능 하도록 되어 있다. 박막형성대상의 기판(103)는 기판대(102)의 위에 재치(載置)되어 있다. 또한, 이 박막형성장치는, 성막실(101)에, 산화가스를 공급하는 산화가스공급부(Oxidizing Gas Supply Unit)(106)과, 질소가스 또는 아르곤(Ar)등의 불활성(不活性)가스로 된 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스공급부(Purge Gas Supply Unit)(107)를 구비한다. 박막형성장치는, 예를 들면, 원자층성장장치이다.
원료공급장치(105)는, 액체 원료가 수용된 원료용기(151)와, 원료용기(151)에 캐리어가스를 도입하는 도입배관(152a)와, 원료용기(151)에 접속된 원료용기(151)에서 생성된 원료가스가 캐리어가스와 함께 운송되는 운송배관(152b)와, 운송배관(152b)로 설치되어 원료가스 및 캐리어가스를 운송하는 펌프(153)과, 펌프(153)에서 운송되는 원료가스 및 캐리어가스의 유량(流量)을 제어하는 마스플로우 콘트롤러(MFC; Massflow controller)(154)를 구비한다. 도입배관(152)에는, 도시하지 않은 캐리어가스 및 압입된 봄베(Bombe)등의 캐리어가스 공급부에 접속되어 있다.
또한, 원료공급장치(105)는, 운송배관(152b)부터 분기해서 성막실(공급대상)(101)에 접속되고, 원료가스 및 캐리어가스를 성막실(101)에 공급되기 위해서 공급배관(155a)와, 운송배관(152b)로부터 분기해서 도입배관(152a)에 접속되어, 원료가스 및 캐리어가스를 도입배관(152a)(원료용기)(151)로 돌리기 위해서 순환배관(155b)와, 도입배관(152a)에 설치된 도입밸브(156a)와, 공급배관(155a)에 설치된 공급밸브(156b)와, 순환배관(155b)에 설치된 순환밸브(156c)와 도입밸브(156a), 공급밸브(156b), 및 순환밸브(156c)에 접속되어 각각의 밸브(156a~156c)의 개폐를 제어하는 제어부(157)과, 도입배관(152a)에 접속해서 설치된 압력계(158)를 구비한다. 도입밸브(156a)는, 운송배관(152a)의 순환배관(155b)가 접속되어 있는 개소(個所)부터 캐리어가스의 공급측에 설치되어 있다. 또한, 이것들의 각 부분은, 항온조(恒溫曺)(159)에 수용되어, 소정의 온도에 가온(보온)가능하게 되어 있다. 이와 같이 보온해서 두는 것으로, 예를 들면, 순환배관(155b) 등의 배관에 있어서 원료가스의 액화를 제어할 수 있다.
먼저, 원료용기(151)에 있어서는, 도입배관(152a)에 연통하는 도입관(버블가스 도입구)가, 수용하고 있는 원료액 중에 침설(沈設)되어, 원료액 중에 캐리어가스가 도입(버블링)가능하게 되어 있다. 캐리어가스는, 예를 들면 질소가스 및 아르곤(Ar) 등의 불활성가스이다. 또한, 원료용기(151)의 내부의 원료액면(原料液面)으부터 위의 공간에, 운송배관(152b)의 도입구가 배치되어, 버블링으로부터 얻어진 원료액의 기화가스가 도입 가능하게 되어 있다.
또한, 원료용기(151)부터 도입된 펌프(153)으로부터 운송된, MFC(154)으로부터 유량이 제어된 원료가스 및 캐리어가스는, 제어부(157)에 제어된 공급밸브(156b) 및 순환밸브(156c)의 개폐제어로부터, 공급배관(155a) 혹은 순환배관(155b)의 어느 쪽으로 들어가게 된다. 예를 들면, 공급밸브(156b)가 개방상태로 되어 순환밸프(156c)가 막아진 상태에선, 배송배관(152b)를 운송된 원료가스 및 캐리어가스는, 공급배관(155a)로 들어가 성막실(101)로 공급되어 있다. 한 편, 순환밸브(156c)가 개방상태로 되어서 공급밸브(156b)가 막힌 상태에서는, 운송배관(152b)를 배송된 원료가스 및 캐리어가스는, 순환배관(155b)로 들어가 도입배관(152a)로 되돌아 간다.
또한, 도입배관(152a)에는, 도입밸브(156a)를 개입해서 캐리어가스가 공급된다. 도입밸브(156a)의 개폐는, 압력계(158)가 계측되어 있는 도입배관(152a)의 내부압력의 값에 의해, 제어부(157)가 제어한다. 예를 들면, 제어부(157)에는, 이미 설정된 압력치가 설정되어 있고, 압력계(158)부터 계측된 압력치가 설정 압력치의 하한치보다 저하하면, 제어부(157)의 제어로부터 도입밸브(156a)가 개방되어, 도입배관(152a)에 캐리어가스가 도입된 상태로 된다. 또한, 압력계(158)에 의해 계측된 압력치가 설정 압력치의 상한치보다 높게 되면, 제어부(157)의 제어로 인해서 도입밸브(156a)가 막혀, 도입배관(152a)에 대한 캐리어가스 도입이 정지된다.
이하, 제어부(157)에 의한 각 밸브의 제어 예 및 원료가스의 공급동작 예에 관해서, 도1의 구성도 및 도2의 타이밍챠트를 이용해서 설명한다. 초기단계에선, 도입배관(152a)의 내부의 압력이, 설정 압력치의 상한치를 달하지 않는 상태이고, 또한, 박막형성장치에 있어서 박막형성이 개시되지 않는 상태이다. 이 상태에선, 제어부(157)는, 공급밸브(156b)는 막혀, 도입밸브(156a) 및 순환밸브(156c)를 열린 상태로 제어한다. 또한, 펌프(153)로부터, 운송배관(152b)중의 가스가, 원료용기(151)측으로부터 MFC(154)측으로 운송되는 상태가 된다.
이것들로부터, 도입배관(152a)에는 캐리어가스가 공급되어, 원료용기(151)에 수용된 원료액 중에 캐리어가스를 도입되어 버블링되고, 원료액의 기화가스가 생성된다. 또한, 원료용기(151)에 있어서 생성된 기화가스는, 원료용기(151)에 도출되고, 운송배관(152b)를 펌프(153)으로 운송되고, MFC(154)로부터 유량이 제어되어, 순환배관(155b)를 경유해서 도입배관(152a)로 되돌아 간다.
이후, 도입배관(152a)의 내부의 압력이, 설정 압력치의 상한치를 달해서 이것이 압력계(158)에 검출되면, 제어부(157)가 도입밸브(156a)를 막고, 도입배관(152a)에 대한 캐리어가스의 공급이 정지된다. 이것에 의해서, 도입배관(152a), 원료용기(151), 운송배관(152b), 및 순환배관(155b)의 계(系)는, 막혀진 순환상태가 된다. 또한, 막혀진 계에 있어서는, 펌프(153)에 의한 가스의 운송은 계속되어지기 때문에, 원료용기(151)에 있어서는, 도입배관(152a)의 버블가스 도입구로부터는, 수용되어 있는 원료액에 대한 캐리어가스의 버블링이 계속된다. 이와 같이 해서 원료용기(151)에서 생성된 원료가스는, 캐리어가스와 함께, 상기 계를 순환하게 된다.
상술했던 것처럼, 순환상태가 된 후, 원자성장층방법에 있어서 흡착공정이 개시되는 시각t1에 있어서, 제어부(157)는, 순환배관(155b)를 막고 공급배관(155a)를 개방상태가 된다. 이 제어로부터, 펌프(153)로부터 운송된 MFC(154)로부터 유량이 제어된 원료가스 및 캐리어가스는, 공급배관(155a)를 운송된 성막실(101)로 도입된 상태가 된다. 이와 같이 해서 성막실(101)에 도입된 원료가스는, 기판대(102)로부터 소정온도에 가열된 기판(103)의 위에 공급된 이 표면의 흡착하고, 기판(103)의 표면에는, 원료가 되는 1분자층분의 흡착층이 형성되도록 되어 있다.
다음에, 흡착 공정이 종료되면 퍼지 공정이 개시된 시각t2에 있어서, 제어부(157)는, 공급밸브(156b)를 막고, 순환밸브(156c)를 개방상태로 제어한다. 이 결과, 원료공급치(105)에선, 상술한 순환상태가 되고, 원료용기(151)에 있어서는, 도입배관(152a)의 버블가스 도입구에선, 수용된 원료액에 대한 캐리어가스의 버블링이 계속되어, 이와 같이 해서 원료용기(151)에서 생성된 원료가스는, 캐리어가스와 함께, 상기 계를 순환하게 된다.
또한, 이 때, 예를 들면, 성막실(101)의 원료가스의 공급에 의해서, 도입배관(152a)의 내부압력이 설정압력치의 하한치 이하로 저하해서, 이것이, 압력계(158)로부터 검출되면, 제어부(157)는, 도입밸브(156a)를 개방하고, 도입배관 (152a)에 캐리어가스가 도입된 상태가 된다. 이 상태에 있어서도, 원료용기(151)에 있어서는, 수용된 원료액에 대한 캐리어가스의 배블링이 계속된다. 이후, 퍼지 공정 중의 시각t2에 있어서, 도입배관(152a)의 내부의 압력이, 설정압력치의 상한치에 달해서, 이것이 압력계(158)에 검출되면, 제어부(157)가 도입밸브(156a)를 막는다. 이것에 의해, 도입배관(152a)에 대한 캐리어가스의 공급이 정지되고, 앞서 서술한 순환의 상태가 된다.
이 퍼지 공정에서는, 퍼지 가스공급부(107)로부터, 예를 들면, 질소가스 및 아르곤(Ar)가스 등의 퍼지가스가 성막실(101)로 도입되고, 더해져, 배기기구(104)로부터 성막실(101)내부의 가스(원료가스)가 배기된다.
이후, 시각t3에 있어서, 퍼지 공정 종료하고, 산화 공정이 개시되면, 시각t4에서 산화 공정이 종료되고, 이 후의 퍼지 공정이 종료하고, 다음의 흡착 공정이 개시되는 시각t5까지는, 상술된 순환 상태가 계속된다. 또한, 산화 공정에서는, 퍼저가스 공급부107에 의해서 퍼지가스의 공급이 정지되고, 산화가스공급부(106)부터 산화가스가 공급된다. 이 산화가스의 공급에 의해, 기판(103)의 위에 형성되는 1분자층분의 흡착층이 산화되어, 1분자층분의 산화층이 형성된 상태가 된다.
또한, 시각t4부터 개시된 퍼지 공정에서는, 퍼지가스 공급부(107)로부터, 예를 들면, 질소가스 및 아르곤(Ar)가스 등의 퍼지 가스가 성막실(101)로 도입되고, 더해지면, 배기기구(104)로부터 성막실(101)내부의 가스(산화가스)가 배기된다.
다음으로, 시각t5에 있어서, 퍼지 공정이 종료되고, 다음 흡착 공정이 개시되면, 앞서 서술 한대로, 제어부(157)는, 순환배관(155b)를 막고 공급배관(155a)를 개방상태로 한다. 이 제어에 따른, 펌프(153)로부터 운송되어 MFC(154)에 따른 유량이 제어된 원료가스 및 캐리어가스는, 공급배관(155a)를 운송된 성막실(101)에 도입된 상태가 된다. 이와 같이 해서 성막실(101)로 도입된 원료가스는, 기판(103)의 위에 공급된 기판(103)의 위에 형성된 산화층의 표면에 흡착해서, 산화층의 표면에는, 원료부터 이루어진 1분자층분의 흡착층이 형성되도록 된다.
다음으로, 흡착 공정이 종료되면 퍼지 공정이 개시되는 시각t6에 있어서, 제어부(157)는, 공급밸브(156b)를 막고 순환밸브(156c)를 개방상태로 제어한다. 이 퍼지 공정으로는, 퍼지가스 공급부(107)로부터, 예를 들면, 질소가스 및 아르곤(Ar)가스 등의 퍼지가스가 성막실(101)로 도입되고, 더해져, 배기기구(104)로부터 성막실(101)내부의 가스(원료가스)가 배기된다.
또한, 이 때, 앞서 서술한 것처럼, 성막실(101)로 원료가스의 공급에 따라, 도입배관(152a)의 내부압력이 설정압력치의 하한치 이하로 저하하고, 이것이, 압력계(158)로부터 검출되어, 제어부(157)의 제어로부터, 도입밸브(156a)가 개방되어, 도입배관(152a)에 캐리어가스가 도입된 상태가 된다. 이후, 퍼지 공정 중의 시각t6'에 있어서, 도입배관(152a)의 내부의 압력이, 설정압력치의 상한치에 달해서 이것이 압력치(158)에 검출되면, 제어부(157)의 제어에 의해 도입밸브(156a)가 막히게 된다. 이것에 의해서, 도입배관(152a)에 대한 캐리어가스의 공급이 정지되고, 앞서 서술한 순환 상태가 된다.
상술한 흡착, 퍼지, 산화, 퍼지라는, 잘 알려진 원자층성장의 1사이클을 반복하는 것으로, 예를 들면 원료를 구성하고 있는 금속 산화물로 이루어진 소망(所望)의 성막이, 기판(103)위에 형성된 상태를 얻을 수 있다. 또한, 상술에서는, 흡착공정이 종료한 단계에서, 도입밸브(156a)이 개방된 캐리어가스가 도입배관(152a)로 공급되도록 했지만, 이것으로는 한계가 없는 것은 아니다. 예를 들면, 흡착 공정의 원료가스가 성막실(101)에 공급되는 도중에서, 도입배관(152a)에 있어서 내부압력이 설정압력치의 하한보다 저하한 것이 압력계(158)로부터 측정되면, 제어부(157)의 제어에 의해, 도입밸브(156a)가 개방된 캐리어가스가 도입배관(152a)에 공급되도록 해도 좋다.
이상으로 설명했듯이, 본 실시 예에 의하면, 제어부(157)의 제어에 의해, 공급밸브(156b)와 순환밸브(156c)의 개폐를 다른 상태로 제어하도록 했기에, 성막실(101)에 대한 원료가스를 공급하지 않는 상태로 놓아도, 원료용기(151)에 있어서는, 수용되어 있는 원료액에 대한 캐리어가스의 배블링이 계속되어, 원료가스의 생성이 계속된다. 더하여, 생성된 원료가스는, 펌프(153) 운송동작에 의해서, 도입배관(152a)로부터 순환배관(155b)를 경유해서 도입배관(152a)에 순환되어 있기에, 폐기되는 것은 없다.
101 성막실 102 기판대
103 기판 104 배기기구
105 원료공급장치 106 공급부
107 퍼지가스 공급부 151 원료공급
152a 도입배관 152b 운송배관
153 펌프 154 MFC
155a 공급배관 155b 순환배관
156a 캐리어가스 156b 공급밸브
157 제어부 158 압력계
159 도입밸브

Claims (2)

  1. 원료액이 수용된 원료용기와,
    상기 원료용기에 접속되어, 상기 원료액을 버블링하기 위한 캐리어가스를 상기 원료용기에 도입하는 도입배관과,
    상기 원료용기에 접속되어, 버블링에 의해 발생하고 상기 원료용기부터 도출한 원료가스가 운송된 운송배관과,
    상기 운송배관에 설치되고, 상기 원료가스를 운송하는 펌프와,
    상기 운송배관으로부터 분기해서 공급대상에 접속되고, 상기 원료가스를 상기 공급대상에 공급하기 위한 공급배관과,
    상기 운송배관부터 분기해서 상기 도입배관에 접속된 순환배관과,
    상기 도입배관의 상기 순환배관과의 접속부로부터 상기 캐리어가스의 공급측에 설치된 도입밸브와,
    상기 공급배관에 설치된 공급밸브와,
    상기 순환배관에 설치된 순환밸브와,
    상기 도입밸브, 상기 공급밸브 및 상기 순환밸브에 접속되어, 각각의 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 적어도 상기 공급밸브와 상기 순환밸브와의 개폐를 다른 상태로 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 원료공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도입밸브와 상기 원료용기와의 간의 상기 도입배관의 내부압력을 측정하는 압력계를 추가로 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 압력계의 측정결과로부터 상기 도입밸브의 개폐를 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 원료공급장치.
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