KR101387634B1 - 액상 전구체 증발을 위한 미세 액적 분무기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증발 및 그 다음의 기판 상의 박막 증착을 위하여 액적 에어로졸을 형성하기 위한 장치(10) 및 방법에 관한 것이다. 장치(10)는 장치를 통하여 액체 유동률을 제어하기 위한 메커니즘을 포함하며, 메커니즘은 액체 유동률을 조절하기 위한 압전 액츄에이터(240) 및 가스 소스가 액체와 결합할 때, 액체가 가스 내에 침전된 액적을 형성하도록 분무되고 이로써 그 다음의 기판 상의 박막 증착에 적합한 액적을 형성하는 것과 같이 압축 가스 소스로부터 가스를 끌어내는 분무 메커니즘을 포함한다. 방법은 압축 가스 소스로부터 가스를 끌어내는 단계 및 액체 가스로부터 액체를 끌어내는 단계를 포함한다. 액체 및 가스는 동축 유동 관계 또는 방사 유동 관계 혹은 방사 및 동축 유동 사이의 각형 관계중의 하나로 결합되는데 가스는 증발 및 그 다음의 기판 상의 박막 증착에 적합한 액적을 형성하기 위하여 액체를 끌어 모은다.

Description

액상 전구체 증발을 위한 미세 액적 분무기{FINE DROPLET ATOMIZER FOR LIQUID PRECURSOR VAPORIZATION}
본 발명은 증발을 위한 액적 에어로졸 및 그 다음의 기판 상의 박막 증착을 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 장치 제조를 위한 기판 상의 박막 증착(thin film deposition) 및 다른 적용들은 흔히 필름 형성을 위하여 필요한 전구체 증기(precursor vapor)를 포함하는 가스/증기(vapor) 혼합물을 사용하는 가스상 공정(gas phase process)를 통하여 달성된다. 혼합물은 일반적으로 기판 상에 박막을 형성하기 위하여 적절한 온도 및 압력 조건 하에서 증착 챔버(deposition chamber) 내로 도입된다. 액체 형태의 전구체의 경우에 있어서, 전구체 증기는 액체를 고온으로 적절하게 가열함으로써 발생될 수 있다. 캐리어 가스(carrier gas)는 그리고 나서 바람직한 가스/증기 혼합물을 형성하기 위하여 가스를 증기로 포화시키도록 액체를 통하여 거품이 일 수 있다. 대안으로서, 액체를 증발시키고 증기를 형성하기 위하여 액체를 뜨거운 금속 표면 상에 직접 주입함으로써 증기가 발생될 수 있다. 동시에, 가스/증기 혼합물을 생산하도록 증기를 빼내기 위하여 캐리어 가스가 또한 주입된다. 최근에, 직접적인 액체 주입 및 액적 증발을 통한 액체 증발이 증가적으로 사용된다. 이러한 과정에서, 전구체 액체는 가스에 침전되는 작은 액적들을 포함하는 액적 에어로졸(droplet aerosol)을 형성하기 위하여 캐리어 가스를 갖는 분무 장치 내로 주입된다. 액적 에어로졸은 그리고 나서 가열된 증발 챔버(vaporization chamber)에서 가스/증기 혼합물을 형성하기 위하여 가열된다.
캐리어 가스 내의 액적 증발이 일어나는 분무에 의한 전구체 증발은 액적이 가스 내에 침전되는 동안 증발되는 장점을 갖는다. 가스를 통하여 가열된 증발 챔버 벽으로부터 열이 간접적으로 전달되고, 그리고 나서 증발을 위하여 침전된 액적 내로 전달된다. 액체 및 뜨거운 금속 표면 사이의 직접적인 접촉이 제거될 수 있다. 전구체 액체 및 뜨거운 금속 표면 사이의 접촉은 전구체가 바람직하지 않은 부산물을 형성하기 위하여 열적으로 분해하도록 야기할 수 있다. 액적 증발은 반도체 장치 제조에서의 박막을 형성하도록 고순도의 가스/증기 혼합물을 생산하기 위하여 열 분해를 상당히 감소시킬 수 있다. 게다가, 증발 냉각 효과에 의해, 증발하는 액적의 표면 온도는 낮게 유지되며, 또한 충분히 높은 온도에서 액체상(liquid phase)에서 발생할 수 있는 열 분해를 감소시킨다.
반도체 장치 제조를 위한 전구체 화학물질을 증발시키기 위하여 액적 증발이 최근 수년간 성공적으로 사용되어 왔으나, 많은 현대 전구체 화학물질들은 증발시키기가 어렵다. 액체 분무 장치에서의 디자인 결점의 결과로서 열 분해 및 부산물 형성의 문제는 그대로 존재한다. 이는 특히 낮은 증기 압력을 갖는 고분자 질량 전구체들에 그렇다. 그러한 낮은 증기 압력 전구체들은 일반적으로 약 300 이상의 분자 질량(molecular weight)을 갖는다. 그것들의 증발은 상대적으로 높은 증발 온도를 필요로 한다. 그러나, 이러한 전구체 화학물질들은 덜 안정적이며 제조되는 반도체 장치에 해로운 부산물을 형성할 수 있는 열 분해가 일어나기 쉽다.
액체가 분무기를 통하여 가열된 증발 챔버 내로 도입될 때, 작은 액체 흐름 통로는 일반적으로 액체 통로 자체가 가열되는 고온 영역을 반드시 통과하여야 한다. 시간이 지남에 따라, 분해 산물이 형성되고 작은, 가열된 액체 유동 통로(liquid flow passageway) 내에 축적되고 통로가 막히도록 야기한다. 액체 유동 통로 내에 축적된 분해 물질은 또한 제거될 수 있으며 가스/증기 혼합물 내의 가스 유래 오염물질로 나타난다. 이러한 오염물질들은 가스/증기 혼합물에 의해 증착 챔버 내로 전달될 수 있으며 기판을 오염시키도록 기판 표면 상에 증착할 수 있다. 그 결과 제품 웨이퍼 상에 입자 수가 증가하고 장치 내의 결함이 증가하며, 제품 산출량의 손실을 가져온다.
본 발명은 증발을 위한 액적 에어로졸 및 그 다음의 기판 상의 박막 증착을 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
장치는 장치를 통하여 액체 흐름의 비율을 제어하기 위한 메커니즘을 포함하는데, 상기 메커니즘은 액체 흐름의 비율을 조절하기 위한 압전 액츄에이터(piezoelectric actuator) 및 가스 소스(gas source)가 액체와 결합될 때, 기판 상의 박막 증착에 적합한 액적 에어로졸을 형성하는 가스 내에 침전된 액적을 형성하기 위하여 액체가 분무되는 것과 같이 압축 가스 소스를 형성하기 위하여 가스를 뽑아내는 분무 메커니즘을 포함한다.
방법은 압축 가스 소스로부터 가스를 끌어내는 단계 및 액체 소스로부터 액체를 끌어내는 단계를 포함한다. 액체 및 가스는 동축 유동 관계(coaxial flow relationship) 또는 방사(radial) 유동 관계 혹은 동축 및 방사 유동 사이의 각형(angular) 관계 중의 하나로 결합되는데 가스는 증발에 적합한 액적 및 그 다음의 기판 상의 박막 증착을 형성하기 위하여 액체를 끌어 모은다.
따라서 증발을 위한 액적 에어로졸 및 기판 상의 박막 증착을 형성하기 위한 본 발명의 장치 및 방법들은 앞서 언급한 종래 기술의 단점들을 해결할 수 있으며, 또한 실온 또는 실온 이하에서 액상 전구체를 분무하는 것이 가능하여 높은 증발 온도를 요구하는 낮은 증기 압력 전구체, 또는 용액 분무 공정을 통하여 용매 내에 용해되는 고체 전구체를 증발시키는데 유용하고 다양한 적용분야에 적합하다.
도 1은 일 실시 예의 분무 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 분무 장치의 또 다른 실시 예의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 장치의 분무 장치의 또 다른 실시 예의 개략도이다.
도 4는 바람직한 실시 예에서 액체 유동 및 분무 장치의 개략도이다.
도 5는 바람직한 실시 예에서 본 발명의 분무 헤드를 도시한 방사 흐름 분무 헤드이다.
도 6은 회전 유동 분무 헤드이다.
도 1은 분무 장치의 일 실시 예의 계통도이다. 도면에 걸쳐 유사한 소재에 대하여 유사한 참조 특징들이 사용될 것이다. 분무 장치는 일반적으로 10에 도시된다. 증발되려는 전구체 화학물질을 포함하는 액체 소스(80) 및 증발을 위한 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 액체를 분무하도록 사용되는 캐리어 가스를 포함하는 압축 가스 소스(compressed gas source, 70)가 제공된다. 분무 장치(10)는 가스/증기 혼합물을 형성하기 위하여 분무 장치(10)에 의해 생산되는 액적 에어로졸(51)이 증발되는 가열된 증발 챔버(90)에 연결된다. 결과로 초래된 가스/증기 혼합물은 그리고 나서 박막 증착 및/또는 반도체 장치 제조를 위하여 증발 챔버 외부로 출구(outlet, 95)를 통하여 증착 챔버(도시되지 않음) 내로 흐른다.
분무 장치(10)에 전구체 액체가 가스 소스(70)로부터 들어가기 위한 액체 입구(liquid inlet, 22), 및 캐리어 가스가 가스 소스(70)로부터 들어가기 위한 가스 입구(24)을 갖는 헤더(header, 20)가 제공된다. 입구(22)를 들어가는데 있어서, 액체는 다른 단부(end)를 나갈 때까지 작은 금속 모세관(capillary tube, 60) 아래를 흐른다. 동시에 소스(70)로부터 캐리어 가스가 입구(24)를 통하여 분무 장치로 들어온다. 가스는 그리고 나서 두 개의 분리된 스트림(stream)을 형성하기 위하여 내부 관형 부재(tubular member, 50) 내의 개구부(opening, 26) 및 외부 관형 부재(40) 내의 개구부(27)를 통과한다. 하나의 스트림은 외부 관형 부재(40) 및 내부 관형 부재(50) 사이에 형성되는 가스 유동 통로(28)를 통하여 아래쪽으로 흐른다. 또 다른 스트림은 내부 관형 부재(50) 및 모세관(60) 사이에 형성되는 가스 유동 통로(32)를 통하여 아래쪽으로 흐른다. 이러한 가스 스트림들이 열리는 가스 유동 통로의 하부 단부(lower end)에 도달함에 따라, 그것들은 단일 스트림을 형성하도록 결합된다. 이러한 가스 스트림은 그리고 나서 가열된 증발 챔버(90) 내의 미세 액적(51)의 스프레이를 형성하기 위하여 금속 모세관의 단부 외부로 흐르는 액체를 분무하는, 고속 가스 제트(gas jet)를 생산하기 위하여 작은 오리피스(orifice, 34)를 통하여 흐르는데, 이때 증발 챔버는 분무 장치의 바닥부 플랜지(30)에 부착된다.
장치(10)는 진공 환경에서 작동하도록 디자인되는데, 따라서 상부 상의 헤더(20), 바닥부 상의 플랜지(30), 및 측면 상의 관형 부재(40)를 포함하는 시스템의 외부 엔벨로프(envelope)를 형성하는 모든 부품들은 누설을 방지하도록 구성된다. 헤더(20), 플랜지(30) 및 관형 부재(40)는 금속의 단단한 일체형으로 기계가공되거나, 또는 분리된 부품들로 제조되고 가스와 액체에 대하여 전체 누설이 없는 엔벨로프 및 분무를 형성하기 위하여 함께 용접된다. 유사하게, 바닥부 플랜지(30)는 또한 누설 방지 실(seal)을 통하여 증발 챔버(90)에 부착된다. 헤더(20), 플랜지(30) 및 관형 부재(40)를 포함하는 모든 부품들, 및 관형 부재(50)와 모세관(60)은 일반적으로 부식과 침식에 의한 오염을 예방하기 위하여 스테인레스 강 또는 다른 부식이 없는 금속으로 만들어진다.
분무 장치(10)는 가열된 증발 챔버와 함께 작동하도록 디자인된다. 고분자 중량 전구체에 대하여, 증발 온도는 일반적으로 섭씨 100도 이상이다. 몇몇 전구체에 대하여, 약 350℃ 이상의 증발 온도가 요구될 수 있다. 그리한 고체 전구체에 대하여, 고체는 반드시 용매(solvent)에 용해되어야 하며 그리고 나서 고체 전구체뿐만 아니라 용매 모두를 증발시키기 위한 액적을 형성하기 위하여 분무된다.
전구체가 분무 장치(10)의 금속 모세관(60)과 같은, 액체 유동 통로를 통하여 흐를 때, 금속 모세관을 통하여 흐르는 동안에 전구체 액체가 열적으로 분해되는 것을 방지하기 위하여 액체 유동 통로의 온도가 신중하게 제어되고 낮게 유지되는 것이 중요하다. 용매 기반 고체 전구체의 경우에, 용매는 작은 액체 유동 통로 내에 증착하고 그것이 막히도록 야기하기 위하여 고체 전구체를 두고 가는 가열된 액체 유동 통로 내에서 증발할 수 있다. 금속 모세관(60)의 온도가 분무 장치(10) 내에서 제어되는 방법이 아래에 설명된다.
분무 장치(10)의 모든 부품들은 금속, 일반적으로 스테인레스 강(stainless steel)으로 구성되고, 장치가 바닥부 플랜지(30)를 통하여 증발 챔버(90)에 부착하기 때문에, 장치(10)는 일반적으로 증발 챔버(90)와 뛰어난 열 접촉을 갖는다. 만일 분무 장치(10)에 의해 생산되는 전구체 액적을 증발시키기 위하여 증발 챔버(90)가 예를 들면, 130℃의 온도에서 작동되면, 도 1에 도시된 것과 유사한 디자인을 가지나, 아래에 설명되는 특별한 디자인 고려사항이 없는 장치(10)는 또한 증발 챔버 온도, 즉, 130℃에 가까운 온도일 것이다. 분무 장치(10)는 청정실(clean room)의 일반적인 20℃의 온도보다 높은 온도인, 주위 온도 내로 돌출하기 때문에, 장치(10)의 헤더(20)는 130℃의 증발 챔버 온도보다 다소 낮은 온도일 것이다. 헤더(20)와 뛰어난 열 접촉을 갖는 금속 모세관(60)은 따라서 또한 증발 챔버의 온도보다 다소 낮은 온도일 것이다.
헤더(20)의 온도 및 헤더에 부착되고 헤더와 뛰어난 열 접촉을 갖는 모세관(60)의 온도를 감소시키기 위하여, 장치(10)는 긴 길이의 박막(thin wall) 관형 부재(40)로 구성되며, 열이 가열된 증발 챔버로부터 상대적으로 차가운 헤더(20)로 전도되기 때문에 관 벽 두께 및 길이는 적어도 약 30℃의 온도 강하를 생산하기에 충분하다. 모세관은 헤더(20)와 뛰어난 열 접촉을 갖기 때문에, 따라서 모세관의 온도는 또한 약 30℃ 또는 헤더(20)보다 더 낮을 것이다.
관 형태인 부재의 벽을 통한 열의 전도는 열 전도의 푸리에의 법칙(Fourier's law)에 의해 지배된다,
Q=kAΔT/L (1)
여기서 Q는 튜브의 뜨거운 단부로부터 차가운 단부로의 열 전달률이고, k는 튜브의 열 전도도이며, A는 튜브의 단면적이며, L은 튜브 길이이며, ΔT는 튜브의 뜨거운 단부로부터 차가운 단부로의 온도 강하이다. 직경 D, 벽 두께 t를 갖는 박막 튜브에 대하여, 단면적 A는,
A=πDt 이다. (2)
따라서 열 전도율은
Q=kπDtΔT/L 이 될 것이다. (3)
등식 (3)은 관형 부재(40)를 통한 열 전도율은 튜브의 두께(t)에 정비례하고, 길이에 반비례하는 것을 나타낸다. 두께의 감소 및 튜브 길이의 증가는 튜브를 통한 열 전도를 감소시킬 것이다. 튜브의 차가운 단부는 헤더(20)에 연결되고 실질적으로 헤더(20)와 동일한 온도이기 때문에, 뜨거운 단부로부터 차가운 단부로의 전도에 의한 열 전달은 자연 대류 및 헤더를 통한 복사에 의해 반드시 주위로 소멸된다. 차가운 단부로의 열 전도율 감소는 따라서 헤더(20) 및 주변 환경의 온도의 사이의 온도 차이를 감소시킬 것이며, 헤더 온도를 주변 환경에 가깝게 만들 것이다. 따라서 헤더는 더 차가워질 것이다.
위의 분석은 헤드에 부착되는 모세관의 온도뿐만 아니라 헤더(20)의 온도를 감소시키는 간단하고, 또한 효과적인 방법은 튜브의 벽 두께(t)를 얇게 만들거나 또는 튜브의 길이(L)를 길게 만들거나 혹은 양자 모두 만드는 것이라는 것을 나타낸다. 부가적으로, 가스 입구(24)로 들어가고 가스 유동 통로(28 및 32)를 통하여 흐르는 캐리어 가스는 두 개의 차가운 피복(sheath) 유동 스트림을 형성할 것이다. 하나의 스트림은 헤더 아래 섹션의 차가운 금속 모세관(60)에 도움을 주기 위하여 통로(32)를 통하여 흐를 것이다. 또 다른 스트림은 그렇지 않으면 튜브를 통하여 헤더로 전도될 수 있는 추가 열을 가져감으로써 관형 하우징(40)의 냉각에 도움을 주기 위하여 통로(28)를 통하여 흐를 것이다. 이로써, 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 액체를 분무하도록 사용되는 캐리어 가스는 부가적으로 헤더 및 헤더에 부착되는 헤더 아래의 모세관 튜브의 섹션을 냉각하는데 도움을 주도록 사용될 것이다.
실험은 위의 접근법이 플랜지(30)로부터 헤더 및 금속 모세관(60)으로의 온도 강하를 튜브의 벽을 너무 얇게 만들지 않거나 또는 길이를 너무 길게 만들지 않고, 약 90℃까지 증가시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 관형 하우징(40)의 벽은 대기 아래의 작동 압력에 기인하여 얇게만 만들어질 수 있다. 관형 하우징의 두께는 반드시 진공을 견딜 수 있어야만 한다. 그러나, 관형 하우징이 얇을수록, 증발 챔버로부터의 열 전도는 작을 것이다. 게다가, 관형 하우징이 길수록, 열 전도는 또한 작을 것이다. 그러나, 관형 하우징(40)은 장치가 사용하기에 어려울 만큼 길어서는 안된다. 모세관(60)의 길이 및 내부 관형 부재(50)는 반드시 관형 하우징(40)의 길이와 상응해야 한다는 것은 당연할 것이다.
도 2는 본 발명의 장치의 다른 실시 예를 도시한다. 시스템의 모든 부품들은 확장된 표면 열교환기(140)의 추가를 제외하고는 도 1에 도시된 것과 동일하다. 열교환기(140)는 헤더(20)와 뛰어난 열 접촉으로 위치되며, 열이 자연 대류에 의해 효과적으로 소멸하도록 확장된 표면적을 갖는다. 열 소멸을 위한 부가적인 영역을 제공하기 위한 열교환기의 추가로, 헤더(20)의 온도는 더 감소될 수 있으며, 장치 주위의 주위 온도에 더 가까울 수 있다.
도 3은 본 발명의 장치의 또 다른 실시 예를 도시한다. 시스템의 모든 부품들은 열전 냉각기 소자(thermoelectric cooler element, 150) 및 부착된 자연 대류 냉각 핀(155)을 포함하는 열전 모듈의 추가를 제외하고는 도 1에 도시된 것과 동일하다. 열전 냉각기는 냉각기를 통하여 교류 전류의 적용을 갖는 냉각 효과를 생산할 수 있는 종래의 디자인이다. 제거된 열은 그리고 나서 열전 냉각기가 부착되는 냉각 핀에 의해 소멸된다. 열전 냉각 효과를 생산하기 위하여 바람직한 교류 전류를 생산하는데 필요한 관련된 전기 및 전자 회로망들은 열전 냉각 효과를 갖는 냉각 시스템 디자인 기술에 통상의 지식을 가진 자들에게 잘 알려진 기술이기 때문에 도시되지 않는다.
열전 냉각기의 추가로, 헤더 온도는 주위 실온 근처, 또는 실온 이하로 유지될 수 있는데, 따라서 실온 또는 실온 이하에서 액상 전구체를 분무하는 것이 가능하다. 이러한 저온 증발기는 높은 증발 온도를 요구하는 낮은 증기 압력 전구체, 또는 용액 분무 공정을 통하여 용매 내에 용해되는 고체 전구체를 증발시키는데 유용하다. 뜨거운 모세관을 통한 용액의 공급은 용매가 용액으로부터 증발하도록 야기할 것이며, 액체 유동 통로를 막기 위하여 고체 전구체를 남길 것이다.
본 발명에 설명된 방법들 외에 다른 냉각 방법들이 또한 사용될 수 있다. 냉각수, 냉각 가스, 또는 팬 등을 사용에 의한 열 소멸을 포함하는 이러한 방법들은 가열 및 냉각 장치 디자인 기술에 통상의 지식을 가진 자들에게 익숙할 것이며, 따라서 본 발명에서는 더 설명되지 않을 것이다.
도 4는 바람직한 실시 예에서 액체 유동률을 제어하고 액적 에어로졸을 생산하기 위한 본 발명의 장치를 도시한다. 그것은 특정 비율에서 액체를 배달하고 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 그렇게 배달된 액체를 분무하기 위한 분무 및 액체 유동 제어 장치(200)를 포함한다. 액적 에어로졸은 그리고 나서 기판 상의 박막 증착을 위한 가스/증기 혼합물을 형성하기 위하여 가열된 증발 챔버(도시되지 않음)로 들어간다. 소스(80) 내의 전구체 액체는 가압되고 액체 유동 센서(85)를 통하여 액체 입구(210) 내로 흐른다. 금속 모세관(260) 상의 다이어프램(diaphragm, 250) 및 액체 입구 개구부(264) 사이에 작은 갭 공간(gap space, 235)을 형성하기 위하여 얇은 금속 다이어프램(250)이 금속 모세관(260)의 입구 개구부(264) 근처에 위치하는데, 갭 공간(235)은 압전 액츄에이터(240)에 의해 조절가능하다.
압전 액츄에이터(240)는 전압 소스(280)로부터의 직류 전압에 대하여 팽창하거나 접촉할 수 있는 압전 재료로 제조되는데, 소스(280)로부터의 전압은 한 쌍의 전선(282 및 284)을 통하여 압전 액츄에이터(240)로 적용된다. 압전 액츄에이터의 하부 단부는 금속 다이어프램(250)을 단단하게 누르고 다이어프램 및 하우징(230) 사이에 단단히 지탱되는, 곡선의 표면(curved surface, 245)을 갖는데, 이는 일반적으로 금속으로 만들어지며 상당히 단단하다. 특정 극성의 직류 전압 및 전압 소스(280)로부터의 규모를 적용함으로써, 압전 액츄에이터는 팽창하거나 또는 접촉하도록 만들어질 수 있으며, 이로써 길이 및 다이어프램(250)과 액체 입구 개구부(264) 사이의 갭 공간을 변경할 수 있다. 그 결과 시스템을 통한 액체 유동률은 또한 극성 및 압전 액츄에이터 상의 전압 소스(280)에 의해 적용되는 전압에 대하여 변경될 것이다. 큰 갭 공간은 액체 유동률의 증가를 야기할 것이며, 반면에 작은 갭 공간은 액체 유동률의 감소를 야기할 것이다. 피드백 전자 제어를 통하여, 액체 유동 센서(85)의 전기 출력과 극성 및 전압 소스(280)로부터 적용된 직류 전압의 규모를 기초로 하여, 소스(80)로부터의 액체 유동률은 특정 설정점(set-point) 값으로 제어될 수 있다.
하우징(230)의 열 팽창 또는 접촉이 액체 유동률을 제어하는데 있어서 압전 액츄에이터의 작용에 영향을 미치는 것을 방지하기 위하여, 하우징 온도를 주위보다 높은 특정 값으로 제어하도록 온도 센서(290) 및 히터(heater, 295)가 제공되는데, 따라서 주위 온도의 변화가 하우징의 길이 및 압전 액츄에이터의 작동에 영향을 미치는 것을 방지한다.
모세관 입구(264)를 들어갈 때 액체는 금속 모세관(260) 내의 액체 유동 통로(262)를 통하여 흐를 것이며 그리고 나서 금속 모세관의 출구 단부에서의 출구 개구부(268) 외부로 흐를 것이다. 동시에, 소스(70)로부터의 캐리어 가스는 가스 유동 센서(75)를 통하여 가스 유동 통로의 입구 단부 내로 흐르는데, 가스 유동 통로는 일반적으로 실린더 형태의 분무기 바디(atomizer body, 270) 내에 수평 섹션(horizontal section, 274)과 수직 섹션(275)을 갖는다. 가스 유동은 그리고 나서 고속 가스 제트를 형성하기 위하여 실린더 형태의 금속 모세관(260) 및 또한 실린더 형태인 출구 오리피스(278) 사이의 환상 공간(annular space, 276)을 통하여 분무기 바디(270) 외부로 흐른다. 이러한 고속 가스 제트는 그리고 나서 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 금속 모세관 출구(268) 외부로 흐르는 액체를 분무한다. 액적 에어로졸은 그리고 나서 기판 상의 박막 증착을 위한 가스/증기 혼합물을 형성하기 위하여 가열된 증발 챔버(도시되지 않음)를 통하여 흐른다.
분무 및 액체 유동 제어 장치의 298에 도시된 분무 헤드의 디자인은 동축 유동 디자인을 기초로 한다. 이러한 디자인에서, 액체 출구(268) 및 환상 가스 출구(276)를 통한 액체 및 가스 유동은 각각 모두 금속 모세관(260)의 축(도시되지 않음)을 따라 동일한 축 방향으로 이동한다. 이러한 분무기 헤드 디자인은 일반적으로 많은 적용분야에 적합하다. 더 많이 요구되는 적용에 있어서, 장치를 만족시키기 위하여 더 작은 액적들이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 설명된 분무기 헤드의 또 다른 실시 예를 도시한다. 이러한 디자인에 있어서, 분무기 헤드(300) 내에 화살표(320 및 322)에 의해 도시된 가스 유동은 처음에 일반적으로 축 방향에서 아래쪽으로 흐른다. 이러한 가스 유동은 그리고 나서 분무기 헤드의 관형 분무기 바디(310) 내의 가스 유동 통로(312)의 외부 벽(315), 및 모세관(370)의 바닥부 근처의 헤드 피스(head piece, 314)의 외부 표면 사이에 형성되는 환상 공간(314)을 통과한다. 이러한 환상 가스 유동 통로(314)에서의 가스 유동은 하부 및 상부 표면(340 및 350)에 의해 경계진 가스 유동 통로(360)의 수평 섹션 내의 화살표(324 및 326)에 의해 도시된 것과 같이 90도 회전하도록 만들어진다.
가스 유동 통로(360)의 폭은 명확한 목적을 위하여 상당히 넓게 도시된다. 실제로, 가스 유동 통로의 경계 표면을 형성하는 하부(340) 및 상부 표면(350) 사이의 거리(S)는 상당히 작다. 거리(S)는 일반적으로 1.0㎜ 이하이며 주어진 부피 또는 질량 유동률에서 가스 유동의 속도가 더 높게 만들어질 수 있도록 훨씬 작게 만들어질 수 있다. 이러한 고속 가스 유동은 액체 유동 통로(342)를 통하여 금속 모세관 외부로 흐르는 액체 스트림(335)에 영향을 주기 때문에, 액체 스트림을 압축하여 직경이 더 작아지도록 야기한다. 이러한 작은 직경 액체 스트림은 그리고 나서 미세 액적 스프레이를 형성하도록 분무된다. 이러한 미세 액적 스프레이는 그리고 나서 가스/증기 혼합물을 형성하기 위하여 증발을 위한 미세 액적 에어로졸을 형성하도록 캐리어 가스와 혼합한다.
이상적으로 매우 작은 액적 크기의 액적을 생산하기 위하여 작은 가스 유동 통로(360)를 통한 가스 유동은 음속(sonic speed)에서이다. 실제로, 가스 유동 속도는 음속의 10분의 1, 즉 음속(speed of sound)의 0.1이며 여전히 많은 적용을 위하여 충분히 작은 직경의 액적 에어로졸 스프레이를 생산하기에 상당히 적합하다. 표준 온도 및 압력 조건 하에서 질소에서의 음속은 약 340m/s이다. 바람직한 분무 직경을 달성하도록 사용될 수 있는 분무 가스 속도는 34m/s부터 340m/s까지의 범위일 수 있다.
도 4 및 도 5의 분무기 헤드 디자인은 각각 축 유동 분무기(axial flow atomizer), 및 방사 유동 분무기로 언급될 수 있다. 도 4의 축 유동 디자인에서, 가스 유동은 금속 모세관(370)의 수직 축을 따라 존재한다. 도 5의 방사 유동 디자인에서, 가스 유동은 방사상, 즉 금속 모세관의 축에 직각 방향이다. 따라서 또한 액체 유동의 방향에 직각이다. 방사 유동 디자인은 축 유동 디자인과 비교하여 미세 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 더 많은 분무를 생산하는 것으로 알려져 왔다.
도 6은 분무 헤드의 또 다른 디자인을 도시한다. 이러한 디자인에서, 가스 유동은 화살표(470 및 475)에 의해 도시된 방향을 따라 두 개의 원뿔형 표면(conical surface, 480 및 490) 사이에 한정된다. 가스 유동은 따라서 액체 유동과 각형 관계를 가지며, 가스 및 액체 유동 스트림 사이의 각도(θ)는 0도 및 180도 사이에서 다양할 수 있다. 이러한 특별한 디자인은 각형 유동 분무기로 언급될 수 있다. 축 및 방사 유동 분무기는 따라서 각형 유동 분무기의 특별한 경우로서 나타낼 수 있는데, 축 유동 디자인은 θ=0도와 함께 달성되고 방사 유동은 θ=90도와 함께 달성된다.
비록 본 발명이 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명되었으나, 통상의 지식을 가진 자들은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 형태와 세부사항에서의 변경이 만들어질 수 있다는 것을 인식할 것이다.
10 : 분무 장치
20 : 헤더
22 : 액체 입구
24 : 가스 입구
26 : 내부 관형 부재 내의 개구부
27 : 외부 관형 부재 내의 개구부
28 : 가스 유동 통로
30 : 플랜지
32 : 가스 유동 통로
34 : 오리피스
40 : 관형 부재
50 : 내부 관형 부재
51 : 액적 에어로졸
60 : 모세관
70 : 압축 가스 소스
80 : 액체 소스 가스 소스
85 : 액체 유동 센서
90 : 증발 챔버
95 : 출구
140 : 열 교환기
155 : 열전 냉각기 소자
155 : 자연 대류 냉각 핀
200 : 분무 및 액체 유동 제어 장치
210 : 액체 입구
230 : 하우징
235 : 갭 공간
240 : 압전 액츄에이터
245 : 곡선의 표면
250 : 다이어프램
260 : 금속 모세관
262 : 액체 유동 통로
264 : 액체 입구 개구부
270 : 분무기 바디
274 : 수평 섹션
275 : 수직 섹션
276 : 환상 공간
278 : 오리피스
280 : 전압 소스
282, 284 : 전선
290 : 온도 센서
295 : 히터
300 : 분무기 헤드
310 : 분무기 바디
312 : 가스 유동 통로
314 : 헤드 피스
360 : 가스 유동 통로
480, 490 : 원뿔형 표면

Claims (10)

  1. 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치를 통한 액체 유동률을 제어하기 위한 메커니즘을 포함하되, 상기 메커니즘은,
    액체 유동률을 조절하기 위한 압전 액츄에이터, 및 상기 가스 내에 침전된 액적을 형성하고 증발과 기판 상의 박막 증착을 위한 액적 에어로졸을 형성하도록 액체 소스로부터 끌어낸 상기 액체를 분무하기 위하여 압축 가스 소스로부터 가스를 끌어내는 분무 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 부가적으로 히터 및 상기 압전 액츄에이터의 온도를 특정 설정점 온도로 제어하기 위한 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 방사 유동 분무 헤드를 포함하며 상기 가스는 상기 액적 에어로졸을 생산하기 위하여 상기 액체에 유입됨으로써 상기 액체의 스트림을 압축하는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 부가적으로 축 유동 분무 헤드를 포함하며 상기 가스 및 액체 유동은 동일한 축 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 부가적으로 각형 유동 분무 헤드를 더 포함하며 상기 가스는 수평에 대하여 0˚ 및 180˚ 사이의 각도에서 액체에 영향을 주는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 장치.
  6. 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 방법에 있어서,
    압축 가스 소스로부터 가스를 끌어내는 단계;
    액체 가스로부터 액체를 끌어내는 단계;를 포함하되,
    상기 액체 및 상기 가스는 방사 유동 분무 헤드 내에 결합되고,
    상기 가스는 증발 기판 상의 박막 증착을 위한 액적을 형성하기 위하여 액체 유동에 유입됨으로써 상기 액체의 스트림을 압축하는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 가스 유동은 적어도 음속의 0.1인 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 가스는 직각의 지향으로 액체를 끌어 모으는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 방법.
  9. 액적 에어로졸을 형성하기 위하여 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 방법에 있어서,
    압축 가스 소스로부터 가스를 끌어내는 단계;
    액체 가스로부터 액체를 끌어내는 단계;를 포함하되,
    상기 액체 및 상기 가스는 각형 유동 분무 헤드 내에 결합되고,
    상기 가스는 수평에 대하여 0˚ 및 180˚ 사이의 각형 유동으로 액체에 유입됨으로써 상기 액체의 스트림을 압축하는 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 가스 유동은 적어도 음속의 0.1인 것을 특징으로 하는 가스 내의 전구체 액체를 분무하기 위한 방법.
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