KR101978398B1 - 전구체 소스 및 이를 포함하는 증착 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ALD(Atomic Layer Deposition)장치와 같은 장치에 대한 것으로서, 이러한 장치는 순차적 자기-포화 표면 반응에 의해 증착 반응기의 가열된 기판상에 물질을 증착하는 구조로된 전구체 소스를 포함한다. 또한 이러한 장치는 상기 전구체 소스로부터 상기 기판을 구비한 반응기에 구비된 반응 참버로 전구체 증기를 공급하는 인-피드 라인 및 전구체 소스 및 반응기 챔버 사이에서 전구체 증기의 응축이 액상 또는 고상으로 되는 것을 방지하기 위하여 반응기 챔버로부터 열을 사용하도록 된 구조체를 포함한다.

Description

전구체 소스 및 이를 포함하는 증착 반응기{Precursor source and deposition reactor therewith}
본 발명은 일반적으로 증착 반응기 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 그러나 배타적인 것은 아니며, 본 발명은 연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 표면에 물질이 증착되는 증착 반응기에 대한 전구체 소스, 장치 및 방법에 관한 것이다.
원자층 에피텍시(atomic layer epitaxy: ALE) 방법은 1970년대 초 Tuomo Suntola 박사에 의해 발명되었다. 이 방법에 대한 다른 일반적인 명칭은 원자층 증착(atomic layer deposition: ALD)이며 현재 ALE 대신에 사용되고 있다. ALD는 적어도 두 개의 반응성 전구체 종(reactive precursor species)을 가열된 반응 공간 내부에 위치한 기판으로의 연속적인 도입에 기초한 특수 화학 증착 방법이다. ALD의 성장 메카니즘은 화학 흡착(chemisorption)과 물리 흡착(physisorption) 사이의 결합력 차이에 의존한다. ALD는 증착 공정 동안 화학 흡착을 이용하고 물리 흡착을 제거한다. 화학 흡착 동안 고체 상(solid pahase) 표면의 원자(들)과 기체 상(gas phase)으로부터 도달된 분자 사이에 강력한 화학 결합이 형성된다. 물리 흡착에 의한 결합은 반데르발스 힘(van der Waals forces)만 수반하기 때문에 훨씬 약하다. 국지적인 온도가 분자들의 응결 온도 이상이 될 때, 물리 흡착 결합은 열 에너지에 의해 쉽게 파괴된다.
정의에 의해, ALD 반응기의 반응 공간은 박막 증착에 사용되는 각 ALD 전구체에 교번하며 연속적으로 노출될 수 있는 모든 가열된 표면을 포함한다. 기본적인 ALD 증착 사이클은 네 개의 연속적인 단계: 펄스(pulse) A, 퍼지(purge) A, 펄스 B, 및 퍼지 B.로 이루어진다. 펄스 A는 전형적으로 금속 전구체 증기로 구성되고, 펄스 B는 비금속 전구체 증기, 특히 질소 또는 산소 전구체 증기로 구성된다. 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 기체와 진공 펌프가 반응 공간으로부터 기체 반응 부산물과 잔여 반응 분자를 퍼징(pursing) 하는 데 사용된다. 증착 시컨스(sequence)는 적어도 하나의 증착 사이클을 포함한다. 증착 사이클은 증착 시컨스가 원하는 두께의 박막을 생산할 때까지 반복된다.
전구체 종은 화학 흡착을 통하여 가열된 표면의 반응 사이트(site)에 화학 결합을 형성한다. 조건들은 전형적으로 하나의 전구체가 펄스 하는 동안 표면상에 고체 재료의 분자 단층(monolayer)의 겨우 한 층이 표면상에 형성되는 그러한 방식을 따른다. 따라서, 성장 프로세서는 자기-종료(self-terminating)되거나 포화된다. 예를 들어, 제1 전구체는 흡착된 종에 부착된 상태를 유지하고 표면을 포화시키고, 다른 흡착을 방지하는 리간드(ligands)를 포함할 수 있다. 반응 공간 온도는, 전구체 분자 종이 본질적으로 변하지 않고 기판 상에 화학 흡착되도록, 이용된 전구체의 응결 온도 이상 및 열 분해 온도 이하로 유지된다. 본질적으로 변하지 않는다는 것은, 전구체 분자 종이 표면에 흡착될 때, 휘발성 리간드가 전구체 분자를 떨어뜨릴(come off) 수 있음을 의미한다. 표면은 본질적으로 반응 사이트의 제1 타입, 즉 제1 전구체 분자의 흡착된 종으로 포화 된다. 상기 흡착 단계는 전형적으로 초과 된 제1 전구체와 가능한 반응 부산물이 반응 공간으로부터 제거되는 제1 퍼지 단계(purge A)에 뒤따른다. 다음에, 제2 전구체 증기가 반응 공간에 도입된다. 제2 전구체 분자는 전형적으로 제1 전구체 분자의 흡착된 종과 반응함으로써 원하는 박막 재료를 형성한다. 이 성장은 일단 흡착된 제2 전구체의 전체 양이 소비되고 표면이 본질적으로 반응 사이트의 제2 타입으로 포화 되면 종결된다. 다음에, 초과 된 제2 전구체 증기와 가능한 반응 부산물 증기는 제2 퍼지 단계(purge B)에서 제거된다. 다음에, 사이클은 막이 원하는 두께로 성장할 때까지 반복된다. 증착 사이클은 보다 복잡해 질 수도 있다. 예를 들어, 사이클은 퍼징 단계에 의해 분리되는 세 개 또는 그 이상의 반응 증기 펄스를 포함할 수도 있다. 이와 같은 모든 증착 사이클은 논리 장치(logic unit)와 마이크로프로세서(microprocessor)에 의해 조정되는 시간이 정해지는 증착 시컨스를 형성한다.
ALD에 의해 성장된 박막은 치밀하고, 핀홀(pinhole)이 없고 균일한 두께를 형성한다. 예를 들어, 일명 TMA로 불리는 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum) (CH3)3Al과 250-300℃ 물에서 성장한 알루미늄 산화물은 보통 100-200 mm 웨이퍼 상에 약 1% 비균일도를 갖는다. ALD에 의해 성장된 금속 산화물 박막은 게이트 유전체, 전자발광 디스플레이 절연체, 커패시터 유전체 및 패시베이션층에 적합하다. ALD로 성장된 금속 질화물 박막은 예를 들어 이중 다마신 구조(dual damascene structure)에서 확산 베리어(diffusion barrier)로 적합하다. 박막의 ALD 성장에 대한 전구체 및 ALD 방법에 의해 증착되는 박막 재료는 2002년 Handbook of Thin Film Materials, Volume 1: Deposition and Processing of Thin Films, Chapter 2, Academic Press, 103 페이지에 개시된 M. Ritala 등의 논문 "Atomic Layer Deposition", 및 2005년 Journal of Applied Physics, vol. 97, 121301-121352 페이지에 개시된 R. Puurunen의 "Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process"에 개시되어 있으며, 여기에 참조 되었다.
예를 들어, ALE 및 ALD 법을 적절하게 이용한 장치는, 예를 들어, 1989년 Materials Science Reports, 4(7), Elsevier Science Publishers B.V., 261페이지에 개시된 T. Suntola의 논문 "Atomic Layer Epitaxy", 및 1994년 Handbook of Crystal Growth 3, Thin Film and Epitaxy, Part B: Growth Mechanisms and Dynamics, Chapter 14, lsevier Science Publishers B.V., 601 페이지에 개시된 T. Suntola의 "Atomic Layer Epitaxy"에 개시되어 있으며, 여기에 참조 되었다.
전구체 소스는 미국 특허 출원 공개 번호 US 2007/0117383A1에 개시되어 있으며, 여기에 참조 되었다.
또 다른 전구체 소스는 WO 특허 출원 공개 번호 WO 2006/1116181A1에 개시되어 있으며, 여기에 참조 되었다.
기존의 다양한 전구체 소스는 많은 문제점을 가지고 있다. 일반적인 문제 중 하나는 소스 화합물 라인(source chemical line) 안에서 전구체 증기의 응결을 방지하는 데 복잡하고 값비싼 가열 시스템이 요구된다는 점이다. 다른 일반적인 문제는 고체 전구체 표면 상에 크러스트(crust) 형성을 방지하는 데 복잡한 소스 구조체가 요구된다는 점이다. 또 다른 일반적인 문제는 전구체 소스를 존재시키는 것은 거대한 공간을 차지하고, 전구체 소스에 대한 서비스에 시간이 소요된다는 점이다.
본 발명은 상기와 같은 문제 및 그 밖의 다른 문제점을 해결하기 위하여, 연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 표면에 물질이 증착되는 증착 반응기에 대한 전구체 소스, 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면,
연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 증착 반응기 내부에서 가열된 기판에 물질을 증착하는 전구체 소스;
상기 전구체 소스로부터 상기 기판을 담고 있는 반응기를 포함하는 반응 챔버에 전구체 증기를 공급하는 인-피드(in-feed) 라인; 및
상기 전구체 소스와 상기 반응 챔버 사이에서 전구체 증기가 액체 또는 고체 상으로 응결되는 것을 방지하기 위하여 반응 챔버 히터(heater)로부터 열을 이용하는 구조체;를 포함하는 장치를 제공한다.
상기 기판은 하나 또는 하나 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전구체 소스는 상기 반응기로부터 열을 수용하는 돌출부를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 장치는 상기 돌출부 내부에 내부 넥(inner neck) 및 상기 돌출부 주위에 외부 넥(outer neck)를 포함하고, 상기 내부 넥 및 외부 넥은 그 사이에 갭(gap)을 형성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 장치는 상기 인-피드(in-feed) 라인 주위에 상기 돌출부로부터 주변부로 열 에너지 손실을 감소하기 위한 열 도체부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 분리가능하도록 부착(또는 제거) 가능한 소스 카트리지를 수용하는 소스 프레임워크(framework)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 상기 소스 카트리지 또는 소스 블록(block)에 열을 가하는 히터(heater)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 의하면,
연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 증착 반응기 내부에서 가열된 기판에 물질을 증착하는 전구체 소스;
상기 전구체 소스로부터 상기 기판을 담고 있는 상기 반응기를 포함하는 반응 챔버에 전구체 증기의 공급을 조절하는 상기 전구체 소스에 임베딩(embedded) 된 두 개의 펄싱 밸브(pursing valve); 및
하나의 펄싱 밸브로부터 다른 하나의 펄싱 밸브로 불활성 기체를 공급하는 상기 펄싱 밸브들 사이에 위치한 바이패스 라인;을 포함하는 장치를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 상기 바이패스 라인에 유량 제한기(flow restrictor)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 의하면,
연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 증착 반응기 내부에서 가열된 기판에 물질을 증착하는 전구체 소스;
상기 전구체 소스로부터 상기 기판을 담고 있는 상기 반응기를 포함하는 반응 챔버에 전구체 증기의 공급을 조절하는 상기 전구체 소스에 임베딩(embedded) 된 한 개의 펄싱 밸브;를 포함하고,
상기 장치는 상기 펄싱 밸브를 통하여, 상기 반응 챔버 쪽으로 불활성 기체 및 전구체 증기의 연속적인 최대 흐름을 쉽게하고, 전구체 카트리지에 압력을 일으키는 전구체 소스 카트리지에 불활성 기체를 전달한다.
일 실시예에 있어서, 상기 장치는 다음 전구체 펄스 주기가 시작될 때까지 상기 압력을 올린 후 상기 전구체 카트리지를 폐쇄하고;
상기 다음 전구체 펄스 주기가 시작될 때 상기 펄싱 밸브를 통하여 상기 반응 챔버 쪽으로 루트(route)를 개방한다.
본 발명의 제4 측면에 의하면,
전구체 소스는, 분리가능하도록 부착가능한 전구체 카트리지;
상기 전구체 소스에, 및 상기 전구체 소스로부터 상기 전구체 카트리지를 부착 및 분리하는 제1 연결부(fitting); 및
상기 증착 반응기 장치에, 및 상기 증착 반응기로부터 상기 전구체 소스를 부착 및 분리하는 제2 연결부(fitting);을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전구체 소스는 상기 제1 연결부과 연결된 파티클 필터(particle filter)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 전구체 소스는 전구체 재료가 상기 전구체 카트리지로부터 상기 제1 연결부으로 흐르는 것을 방지하기 위하여 상기 전구체 카트리지를 밀봉하는 밀봉부 또는 밸브를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서,상기 전구체 소스는,
상기 밀봉부 또는 밸브의 제1 측을 연결하는 제3 연결부; 및
상기 밀봉부 또는 밸브의 다른 측을 연결하는 제4 연결부;을 포함하고,
상기 제3 및 제4 연결부는 상기 밀봉부 또는 밸브를 분리하고 상기 카트리지를 클리닝하기 위해 개방될 수 있다.
본 발명의 제5 측면에 의하면,
전구체 카트리지는, 전구체 재료를 포함하는 전구체 보트(boat); 및
상기 전구체 보트를 수용하는 소결(sinter) 카트리지;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 소스 화합물(chemical)과 함께 안착 된 상기 전구체 보트는 안착부를 통해 상기 소결 카트리지에 수평으로 들어가도록 배열된다.
본 발명의 제6 측면에 의하면,
증착 반응기의 전구체 소스로부터 가열된 기판이 구비된 반응 챔버로 인-피드(in-feed) 라인을 따라 전구체 증기를 공급하는 단계;
연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 증착 반응기 내부에 가열된 기판에 재료를 증착하는 단계; 및
상기 전구체 소스와 상기 반응 챔버 사이에서 전구체 증기가 액체 또는 고체 상으로 응결되는 것을 방지하기 위하여 반응 챔버 히터(heater)로부터 열을 사용하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 반응기로부터 상기 인-피드(in-feed) 라인을 구비한 상기 소스 안의 돌출부로 열을 수용하고, 상기 수용된 열은 상기 인-피드(in-feed) 라인을 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 돌출부로부터 주변부로 열 에너지 손실을 감소하기 위하여 상기 인-피드(in-feed) 라인 주위에 열 도체부를 배치할 수 있다.
본 발명의 제7 측면에 의하면,
연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 증착 반응기 내부에 가열된 기판에 재료를 증착하는 단계; 및
전구체 소스로부터 상기 기판을 담고 있는 상기 반응기를 포함하는 반응 챔버에 상기 전구체 소스에 임베딩(embedded) 된 두 개의 펄싱 밸브로 전구체 증기의 공급을 조절하는 단계; 및
하나의 바이패스 라인을 통해 하나의 펄싱 밸브로부터 다른 하나의 펄싱 밸브에 불활성 기체를 공급하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제8 측면에 의하면,
연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 증착 반응기 내부에서 가열된 기판에 물질을 증착하는 단계;
전구체 소스로부터 상기 기판을 담고 있는 상기 반응기를 포함하는 반응 챔버에 상기 전구체 소스에 임베딩(embedded) 된 한 개의 펄싱 밸브로 전구체의 증기를 공급하는 단계; 및
상기 펄싱 밸브를 통하여 상기 반응 챔버 쪽으로 불활성 기체 및 전구체 증기의 연속적인 최대 흐름을 쉽게 하고, 전구체 카트리지에 압력을 일으키는 전구체 소스 카트리지에 불활성 기체를 전달하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제9 측면에 의하면,
전구체 소스를 작동하는 단계; 및
상기 전구체 소스의 소결(sinter) 카트리지에 소스 화합물(chemical)이 안착 된 수평 전구체 보트(boat)를 수용하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 전구체 소스의 다른 측면에 사용될 수 있는 분리가능하도록 부착할 수 있는 전구체 카트리지가 제공된다.
일 실시예에 있어서, 기판 위에 재료의 증착을 위한 전구체 소스가 제공되고, 상기 전구체 소스는 사용 밸브를 부착할 수 있는 프레임워크(framework), 전구체 카트리지를 부착할 수 있는 프레임워크, 피드-쓰루 도관(feed-through conduit), 적어도 하나의 사용 밸브, 및 통합 바이패스 유량 도관을 포함할 수 있다.
상기 장치, 소스, 전구체 카트리지 및 방법들은 연속적인 자기-포화(self-saturating surface reaction)에 의해 대기압 이하에서 가열된 기판 상에 물질이나 박막을 성장하는데 이용될 수 있 수 있으며, 그럼으로써 상기 장치는 ALD(Atomic Layer Deposition) 또는 ALE(Atomic Layer Epitaxy) 장치 또는 그 유사 장치로 이용될 수 있다. 원하는 박막의 두께는 전형적으로 1 단층 또는 1 분자 층에서부터 1000nm 또는 그 이상의 영역에까지 확장될 수 있다.
상기 장치, 소스, 전구체 카트리지 및 방법들은 연속적인 자기-포화(self-saturating surface reaction)에 의해 대기압 이하에서 가열된 기판 상에 물질이나 박막을 성장하는 소스 화합물 증기를 생성하는 데 이용될 수 있다. 소스 화합물 증기는 예를 들어 고체 또는 액체 화합물을 가열함으로써 생성될 수 있다. 이들은 예를 들어 실온에서 약 10hPa 이하의 증기압을 가질 수 있다.
어떤 실시예는 단순화된 가열 시스템을 구비한 증착 반응기를 위한 모듈식 전구체 소스를 제공할 수 있다. 어떤 실시예는 크러스트(crust) 형성을 방지하기 위하여 상기 소스 위로 온도 기울기를 조절하는 모듈식 전구체 소스를 제공할 수 있다. 어떤 실시예는 콤팩트한 풋프린트(frootprint)를 가지는 모듈식 전구체 소스를 제공할 수 있다.
어떤 실시예는 증강된 온도에서 고체 또는 액체 화합물로부터 증기를 생성하는데 사용되는 전구체 소스를 제공할 수 있다. 어떤 실시예는 낮은 증기압 전구체로부터 소스 화합물 증기를 생성하는 장치 및 방법에 관련될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 가열된 전구체 소스는 제거 가능한 전구체 카트리지, 및 임베딩 된 가열 시스템으로 상기 전구체 소스를 가열하는 수단을 포함할 수 있다. 상기 가열된 전구체 소스는 상기 전구체 소스 위로 온도 기울기를 만들기 위하여 상기 전구체 소스의 선택된 영역으로부터 열의 제거를 조절함으로써 상기 전구체 소스를 냉각시키는 수단을 포함할 수 있다. 상기 가열된 전구체 소스는, 상기 전구체 소스와 상기 반응 챔버 사이에서, 전구체 증기가 액체 또는 고체 상으로 응결되는 것을 방지하기 위하여 반응 챔버 열을 이용하는 구조체를 포함할 수 있다.
비록 분리된 측면들로 제시되었지만, 상기 다양한 측면들은 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 적절한 방법으로 결합 될 수 있음은 자명하다. 또한, 발명의 상세한 설명에 개시된 실시예들과, 일 측면에 관련된 종속 청구항들의 주제는 본 발명의 다른 측면들에 적용 가능하다. 또한, 어떤 측면에 대한 실시예는 적절한 방법으로 동일한 측면의 다른 실시예들과 결합 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연속적인 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 표면에 물질이 증착되는 증착 반응기에 대한 전구체 소스, 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 비-가열된 액체 소스 시스템이 증착 반응기에 부착된 종래 기술의 구조체의 개략적인 도면;
도 2는 비-가열된 액체 소스 시스템이 증착 반응기에 부착된 다른 종래 기술의 구조체의 개략적인 도면;
도 3은 두 개의 사용 밸브가 구비된 가열된 전구체 소스의 개략적인 도면;
도 4는 하나의 사용 밸브가 구비된 가열된 전구체 소스의 개략적인 도면;
도 5는 통합 카트리지 밀봉부(sealing)을 구비한 전구체 소스를 묘사한 개략적인 도면;
도 6은 통합 카트리지 밀봉부(sealing)을 구비한 전구체 소스를 묘사한 다른 개략적인 도면;
도 7은 전구체 펄스 주기 동안 전구체 소스 프로세서 구성 상태를 묘사한 개략적인 도면;
도 8은 가스 대전(charge) 주기 동안 전구체 소스 프로세서 구성 상태를 묘사한 개략적인 도면;
도 9는 퍼지 주기 동안 전구체 소스 프로세서 구성 상태를 묘사한 개략적인 도면;
도 10은 일 실시예에 따른 전구체 소스의 압력 및 시간을 묘사한 개략적인 도면;
도 11은 다른 실시예에 따른 전구체 소스의 압력 및 시간을 묘사한 개략적인 도면;
도 12는 불활성 기체 인-피드(in-feed) 시스템을 포함하는 가열된 전구체 소스를 묘사하는 개략적인 도면;
도 13은 불활성 기체 인-피드(in-feed) 시스템보다 적은 가열된 전구체 소스를 묘사하는 개략적인 도면;
도 14는 일 실시예에 따른 제거 가능한 전구체 컨테이너(container)를 포함하는 가열된 전구체 소스를 묘사하는 개략적인 도면;
도 15는 다른 실시예에 따른 가열된 전구체 소스 용의 제거 가능한 전구체 컨테이너를 묘사하는 개략적인 도면;
도 16은 또 다른 실시예에 따른 가열된 전구체 소스를 묘사하는 개략적인 도면;
도 17은 또 다른 실시예에 따른 가열된 전구체 소스를 묘사하는 개략적인 도면;
도 18은 일 실시예에 따른 밀봉 가능한 전구체 카트리지를 묘사하는 개략적인 도면;
도 19는 일 실시예에 따른 밀봉 가능한 전구체 카트리지의 사용을 묘사하는 개략적인 도면;
도 20은 밀봉 가능한 전구체 카트리지에 적절한 가열된 소스를 묘사하는 개략적인 도면;
도 21은 폐쇄된 위치에서 밀봉 가능한 전구체 카트리지를 묘사하는 개략적인 도면; 및
도 22는 개방된 위치에서 밀봉 가능한 전구체 카트리지를 묘사하는 개략적인 도면이다.
도 1은 펄스 시간 동안 비-가열 액체 전구체 소스(100)의 개략적인 도면을 도시하고 있다. 상기 전구체 소스(100)는 펄싱 밸브(104)에 의해 조절된다. 펄스 시간 동안, 상기 펄싱 밸브(104)는 개방된다. 액체 전구체는 전구체 증기를 생성하는 상기 소스(100) 내부에서 증발된다. 전구체 증기는 상기 개방된 펄싱 밸브(104)를 통하여 인-피드(in-feed) 라인(또는 인-피드 도관)에 들어갈 수 있도록 충분히 높은 압력을 가진다. 전구체 증기는 화살표(146)에 지시된 대로 도관(102)을 따라 흐르고, 펄싱 밸브(104)를 통과하여, 화살표(138)에 지시된 대로 인-피드 도관(108)을 따라 전구체 증기는 도관(108)을 따라 흐른다. 전구체 증기는 기판 홀더(118)를 장착하고 있는 가열된 반응 챔버(106)에 도달한다. 반응 챔버(106)는 중간 공간(126)으로부터 반응 챔버 덮개(116)로 밀봉되어 있다. 반응기(122)는 실내 공기에 대하여 진공 챔버 덮개(124)로 밀봉되어 있다. 전구체 증기는 상기 반응 챔버(106) 내부의 모든 가열된 표면 상에 화학 흡착된다. 상기 표면들은 상기 전구체 증기의 일 분자 층이 되도록 포화 된다. 나머지 전구체 증기와 표면 반응 부산물들은 화살표(148)에 지시된 대로, 배출 라인(112)을 통하여 상기 반응 챔버(106)로부터 진공 펌프(110)로 흐른다. 상기 진공 펌프(110)는 기체를 압축하고, 압축된 기체는 진공 펌프(110)에서 외부 도관(114)으로 배출된다. 질소 기체와 같은 불활성 기체는 캐리어(carrier) 및 퍼지 기체로 사용된다. 불활성 기체 소스(128)로부터 나온 불활성 기체의 흐름은 두 부분으로 나누어진다. 상기 흐름의 일 부분은 중간 공간 도관(132)을 직접 통과하고, 흐름의 다른 부분은 소스 라인 도관(130)으로 직접 흐른다. 중간 공간(126)으로 진행하는 불활성 기체의 유량 비율은 제1 질량 유량계(mass flow controller)(140)로 조절된다. 불활성 기체는 중간 공간(126)으로부터 유량 제한기(flow restrictor)(144)를 통해 배출 라인(112)으로 배출된다. 반응 챔버(112)로 진행하는 불활성 기체의 유량 비율은 제2 질량 유량계(134)에 의해 조절된다. 불활성 기체는 펄싱 밸브(104)로부터 반응 챔버(106) 쪽으로 전구체 증기를 밀어낸다. 기판 홀더(118), 상기 반응 챔버 덮개(116), 및 진공 챔버 덮개(124)는 승강 장치(120)에 의해 조절된다.
도 2는 퍼지(purge) 시간 동안 비가열 액체 소스(non-heated liquid precursor source)(100)의 개략적인 모습을 나타내는 도면이다. 펄싱 밸브(pulsing valve)(104)는 폐쇄되어 있다. 상기 액체 소스(100)는 상기 공급 도관(in-feed conduit)(108)으로부터 격리되어 있다. 비활성 기체는 상기 반응 챔버(106) 쪽으로 잔존 증기를 퍼지한다. 그 이후, 화살표 200이 가리키는 대로, 오직 순수 비활성 기체만 상기 공급 도관(108)을 따라 흐른다. 비활성 기체 또한 상기 반응 챔버(106)를 퍼지하고 표면 반응으로부터 기인한 잔존 증기와 기체 형태의 부산물(byproduct)로부터 상기 반응 챔버의 상기 기체 상태를 깨끗하게 한다. 상기 반응 챔버 내의 모든 기체들과 상기 중간 공간은 화살표 202가 가리키는 바와 같이, 최종적으로 상기 배출관(112)으로 들어가고 상기 진공 펌프(110) 쪽으로 흐른다.
도 3은 저 증기 압력 전구체를 증발하는데 사용되는 가열 듀얼 밸브 소스(a heated dual valve source)(300)(또는 소스 시스템)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 소스(300)는 열전도 소스 프레임워크(thermally conductive source framework)(302), 단열 커버(304), 제어 시스템(308)을 구비한 제1 펄싱 밸브(pulsing valve)(306), 제어 시스템(312)을 구비한 제2 펄싱 밸브(pulsing valve)(310) 및 전구체 카트리지(344)를 포함한다. 일반적으로 가열될 때 상기 전구체 카트리지(344)는 고체 또는 액체 상태(354) 및 기체 상태(356)의 전구체를 포함한다. 상기 제어 시스템들(308)(312)은 일반적으로 공압(pneumatic) 또는 전기적 제어 방법에 기반한다. 상기 소스 프레임워크(302)는 반응 챔버 공급 도관(in-feed line)(316)과 도관 커넥터(314)를 통해 결합된다. 돌출부(protrusion)가 상기 리액터(reactor)의 열 에너지를 개발한다. 이러한 리액터는 진공 챔버와 반응 챔버를 모두 포함한다. 상기 돌출부는 내부 넥(internal neck)(320)과, 외부 넥(external neck)(328)과, 넥 커넥터를 포함한다. 그리고, 상기 넥 커넥터는 한 쌍의 플렌지들(322)(324)과, 진공 챔버 벽(330)에 상기 돌출부를 부착시키기 위해 상기 플렌지들 사이에 구비되는 실(326)을 구비한다. 상기 내부 넥(internal neck)(320)과 외부 넥(external neck)(328) 사이의 진공 간격(332)은 상기 열 에너지 흐름을 위한 경로 길이를 증가시키고 상기 돌출부로부터 상기 주변 공간 분위기로, 그리고 상기 냉각 진공 챔버 벽(330)으로의 열 에너지 손실을 감소시킨다. 상기 내부 넥(320)과 상기 동축 열 전도 튜브(coaxial heat conductor tube)(318) 사이의 공기 간격(321)은 상기 열 에너지 흐름을 위한 경로 길이를 증가시키고 상기 돌출부로부터 상기 주변 공간 분위기로, 그리고 상기 냉각 진공 챔버 벽(330)으로의 열 에너지 손실을 감소시킨다. 상기 진공 챔버 내에 위치한 히터(미도시)는 상기 내부 넥(320)과 상기 돌출부의 상기 공급 도관(316)을 가열한다. 열 에너지 흐름은 두 부분으로 나누어진다. 상기 열 에너지 흐름의 제1 부분은 상기 내부 넥(320)과 상기 공급 도관(316)으로부터 상기 커넥터(314)를 향해 상기 공급 도관(316) 및 상기 열 전도 튜브(318)를 따라가는 제1 경로를 따라 전도(conduction)에 의해 이동한다. 상기 열 에너지 흐름의 제2 부분은 상기 내부 넥(320)으로부터 상기 플렌지들(322)(324)을 통해 상기 외부 넥(328)을 따라 상기 진공 챔버 벽(330)으로 향하는 제2 경로를 따라 대부분 전도(conduction)에 의해 이동한다. 동축 열 절연 패드(coaxial heat insulator pad)(325)는 상기 열 절연 커버(304) 내로의 상기 열 에너지 흐름의 제2 부분의 출입을 제한한다. 상기 제1 경로는 상기 ALD 리액터와 상기 전구체 소스 사이의 가열된 상기 공급 도관을 유지한다. 상기 제2 경로는 최대한 연장되며, 상기 공급 도관(316)으로부터 상기 진공 챔버 벽(330)까지 열 손실을 최소화하도록 최대한 작은 열 전도도를 가진다.
상기 가열된 전구체 소스(300)는 상기 ALD 리액터로부터 탈착되거나, 또는 상기 도관 커넥터(314)를 이용해 상기 ALD 리액터에 부착되고, 상기 탈착/부착 정도는 상기 점선(338) 또는 상기 넥 커넥터에 의해 지시된다. 예를 들어, 상기 도관 커넥터(314)는 상기 VCR 플렌지들 사이에 구비된 금속 실(metal seal)을 구비하는 VCR 커넥터일 수 있다. 또는, 상기 도관 커넥터(314)는 스웨즈락(Swagelok) 커넥터 또는 VCO 오링(o-ring) 커넥터일 수 있다. 예를 들어, 상기 넥 커넥터는 오링 실(o-ring seal)을 구비하는 조여진(clamped) 플렌지 커넥터이다.
티타늄 이소프로폭시드(Titanium isopropoxide)(Ti(OiPr)4)는 일반적으로 충분한 전구체 증기 압력을 얻기 위해 가열되어야 하는 소스 화학 물질의 일 예를 제공한다. Ti(OiPr)4 는 상기 전구체 카트리지(344)에 장착되고, 선택적인 입자 필터(particle filter)(352)는 상기 카트리지(344)의 윗부분에 위치한다. 일 실시예에 따라, 상기 카트리지(344)는 상기 소스 프레임워크(302)에 대해 오링 실(o-ring seal)에 의해 밀봉된다. 상기 카트리지(344)는 바닥에 조임-해제(leak-tight) 연결을 만들기 위해 죔 너트(tightening nut)에 의해 조여질 수 있다. 상기 카트리지(344)의 온도는 상기 카트리지(344)의 넥(346)에 부착된 제1 열전쌍(thermocouple)(358)로 측정된다. 상기 소스 프레임워크/본체(302)는 적어도 하나의 열원에 의해 가열된다. 일 실시예에 따라 상기 열원은 전기적으로 가열되는 저항기(resistor)(355)를 포함한다. 상기 열 저항기(355)는 컴퓨터로 제어되는 전원과 전선으로 연결되어 있다. 상기 열 저항기(355)의 온도는 제2 열전쌍(thermocouple)(362)로 측정된다. 열 절연 패드(350)는 상기 소스 카트리지(344)로부터 상기 대기로의 열 에너지 손실을 제한한다. 두 개의 펄싱 밸브(306)(310)는 예를 들어, 상기 소스 프레임워크(302)에 대해 금속 C-링 또는 O-링에 의해 밀봉된다. 상기 제1 펄싱 밸브(306)는 상기 소스 카트리지(344)의 상기 기체 상태(356) 내로 비활성 캐리어 기체(예를 들어 질소)를 투여(dosing)하기 위한 소스 유입 컨트롤러를 제공한다. 상기 제2 펄싱 밸브(310)는 소스 유출 도관(342), 나아가서는 상기 반응 챔버의 상기 공급 도관(316)으로 비활성 캐리어 기체와 혼합된 전구체 증기를 투여하기 위한 소스 유출 컨트롤러를 제공한다. 펄싱 밸브(306)(310)는 예를 들어 상기 밸브를 통해 개방 퍼지 도관(open purge conduit)을 갖는 3방향 밸브(3-way valve)일 수 있다.
퍼지기간 동안, 상기 밸브들은 폐쇄된다. 즉, 상기 밸브들의 제3 포트들, 예를 들어 밸브들(306)(310)의 소스 측은 상기 밸브들의 상기 퍼지 도관으로부터 격리된 채로 유지된다. 퍼지기간 동안, 모든 비활성 기체는 상기 제1 밸브 유입 도관(371), 상기 제2 밸브 쪽으로 인도하는 상기 바이패스 도관(336)을 향한 상기 제1 밸브 내의 상기 퍼지 도관, 상기 제2 밸브 내의 상기 퍼지 도관, 상기 소스 유출 도관(342) 및 상기 리액터의 상기 반응 챔버를 향한 상기 공급 도관(316)을 통해 흐른다. 상기 바이패스 도관은 적절한 흐름 제한 요소로써 작용하는 협소 관(narrow passage)(337)을 포함할 수 있다. 펄스기간 동안, 상기 밸브들(306)(310)은 개방된다. 즉, 상기 밸브들의 제3 포트들, 예를 들어 밸브들(306)(310)의 소스 측은 상기 밸브들의 상기 퍼지 도관과 유체 소통 상태를 유지한다. 상기 펄스기간 동안, 상기 비활성 기체의 흐름은 두 부분으로 나누어진다. 상기 비활성 기체의 흐름의 비율은 기체 유동 전도성(conductivities)의 비율에 의해 정의된다. 상기 비활성 기체 흐름의 제1 부분은 상기 제1 밸브 내의 상기 퍼지 도관으로부터 상기 카트리지 유입 도관(334)을 통해 상기 카트리지(344)의 상기 기체 상태(356)로 향한다. 비활성 기체는 상기 기체 상태(356) 내의 전구체 증기와 혼합된다. 상기 혼합된 결과물 기체는 상기 제2 밸브(310) 내의 상기 퍼지 도관을 향한 상기 카트리지 유출 도관(338)과, 상기 소스 유출 도관(342)과, 상기 리액터의 상기 반응 챔버를 향한 상기 공급 도관(316)을 통해 흐른다. 상기 비활성 기체 흐름의 제2 부분은 상기 선택적인 협소 관(narrow passage)(337)을 통해 상기 제2 밸브로 인도하는 상기 바이패스 도관(336)을 향한 상기 제1 밸브 내의 상기 퍼지 도관과, 상기 카트리지 유출 도관(338)으로부터 오는 상기 기체 혼합물과 혼합된 상기 비활성 기체 흐름의 상기 제2 부분이 위치한 상기 제2 밸브 내의 상기 퍼지 도관과, 상기 소스 유출 도관(342)과,상기 리액터의 상기 반응 챔버를 향한 상기 공급 도관(316)을 통해 흐른다.
다른 실시예에 따르면, 상기 소스 유입 밸브(306)는 먼저 개방되고, 비활성 기체는 상기 소스 카트리지(344)의 압력을 증가시키고, 그리고 나서 상기 소스 유입 밸브(306)가 폐쇄된다. 상기 소스 유출 밸브(310)는 결과적으로 폐쇄되고 비활성 기체의 상기 혼합물과 전구체 증기는 상기 전구체 카트리지의 외부로 흐르고 상기 전구체 카트리지의 압력은 감소한다.
도 4는 가열된 단일 밸브 전구체 소스(400)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 소스(400)의 구조는 제어 시스템(412)을 구비한 소스 유출 밸브(410)를 포함한다. 본 실시예에서, 상기 밸브(410)는 볼트에 의해 상기 소스 프레임워크(402)에 결합한다. 도면에서 도면 번호 445는 이와 같은 목적을 위해 상기 소스 프레임워크(402)에 생성된 홀들을 가리킨다. 상기 소스 프레임워크(402)는 상기 열 절연 커버(404)에 의해 덮여있고, 상기 리액터의 상기 공급 도관(316)에 커넥터(314)를 통해 부착된다. 일 실시예에 따라, 상기 커넥터(314)는 VCR 금속 밀봉 커넥터이다. 상기 소스 카트리지는 카트리지 본체(456)와 카트리지 넥(430)을 포함한다. 상기 소스 카트리지는 상기 소스 프레임워크(402)에 대해, 상기 카트리지의 바닥 영역에 위치한 오링(424), 상기 카트리지 넥 영역에 위치한 레이디얼 축 실(radial shaft seal)(432) 또는 상기 카트리지 넥(430)의 상부 영역에 위치한 오링(434)에 의해 밀봉된다. 잠금/죔 너트(locking/tightening nut)(426)는 밀봉 하우징에 대해 조여주고, 상기 밀봉 하우징(422) 또는 상기 카트리지 중 하나는 조임-해제(leak-tight) 연결을 만드는 실(seal)에 대해 가압된다. 열 절연 패드(428)는 상기 소스 카트리지로부터 상기 대기중으로의 열 에너지 손실을 제한한다. 전구체가 장착된 가열된 소스 카트리지는 고체 또는 액체 상태(416) 및 기체 상태(418)의 전구체를 포함한다. 상기 소스(400)가 상기 열원(355)을 포함한다면, 상기 카트리지의 온도는 상기 카트리지의 넥(420)을 통해 부착된 상기 열전쌍(358)로 측정될 수 있다.
퍼지기간 동안, 상기 펄싱 밸브(410)는 폐쇄된 채로 유지된다. 상기 펄싱 밸브를 통한 상기 퍼지 도관이 항상 개방되어 있기 때문에, 비활성 기체는 상기 밸브 유입 도관(438), 상기 퍼지 도관, 상기 소스 유출 도관(442) 및 상기 반응 챔버를 향한 상기 공급 도관(316)을 통해 흐른다.
펄스기간 동안, 상기 펄싱 밸브(410) 측면의 상기 소스 카트리지는 개방된다. 전구체 증기는 상기 카트리지 유출 도관(436)을 따라 상기 펄싱 밸브(410)의 상기 밸브 시트(valve seat)를 통해, 상기 밸브 유입 도관(438)을 통해 오는 상기 비활성 기체와 상기 증기가 혼합되는 상기 펄싱 밸브의 상기 퍼지 도관으로 흐른다. 따라서 전구체 증기는 비활성 기체의 흐름 내로 주입된다. 상기 결과물인 전구체 증기와 비활성 기체 혼합물은 상기 소스 유출 도관(442)과 상기 반응 챔버를 향한 상기 공급 도관(316)을 통해 흐른다.
일 실시예에 따라, 상기 비활성 기체의 압력은 상기 밸브 유입 도관(438)과 유사한 약 8 mbar 이다. 전구체는 상기 전구체의 상기 증기 압력이 상기 펄싱 밸브 내의 상기 주입 지점에서 상기 비활성 기체의 압력보다 높은 영역의 소스 온도로 가열된다. 일반적으로, 상기 소스 온도는 적어도 10 mbar 이상의 상기 전구체의 증기 압력을 얻기 위해 0 ~ +200 ℃의 범위에서 선택된다.
열 에너지는 상기 소스 카트리지의 상기 저부면으로부터 제어되는 방법으로 손실된다. 상기 기체 덩어리의 표면의 가장 온도가 낮은 영역은 상기 기체 덩어리의 최대로 얻은 증기 압력에 의해 결정된다. 상기 전구체 소스의 가장 온도가 낮은 영역은 상기 소스 카트리지의 상기 저부 표면이고, 상기 소스 카트리지와 상기 반응 챔버 사이의 다른 모든 표면은 상기 전구체 카트리지의 상기 저부 표면보다 높은 온도이다. 이러한 상기 표면들은 상기 퍼지 밸브가 개방되어 있을 때 상기 소스 카트리지와 유체 교환상태에 있다. 상기 전구체 카트리지 바닥과 상기 반응 챔버 사이의 모든 표면들은 상기 전구체 카트리지의 바닥보다 높은 온도를 갖기 때문에, 상기 전구체 증기의 응결은 이러한 표면들 상에서 방지된다.
도 5는 개방 위치에서 이동가능한 소스 카트리지를 구비한 가열 소스 시스템(500)을 개략적으로 나타낸다. 상기 펄싱 밸브(410)가 개방되면, 전구체 증기는 상기 소스 카트리지(512)로부터 소스 돌출부로, 통로 부분(hallway part)(516)을 통해 흐른다. 여기서, 통로 부분(hallway part)(516)은 개구부를 가지고, 상기 펄싱 밸브(410) 쪽으로, 그리고 나아가 상기 공급 도관(316) 쪽으로 상기 펄싱 밸브(410)를 통해 통로를 형성한다. 상기 카트리지(512)는 카트리지 넥(514)과 오링 실(518)(520)을 포함하는 상기 통로 부분(516)을 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 소스 프레임워크(402)는 상기 리액터의 상기 공급 도관(316)에 오링 실(508)을 이용해 부착된다. 플랫 플랜지(flat flange)(504)는 상기 오링(508)에 대해 동축 볼트(502)로 가압된다. 도면 번호 506은 상기 동축 볼트(502)의 쓰레드(thread)를 가리킨다. 상기 동축 열 절연 패드(318)를 제거한 후, 상기 동축 볼트(502)는 상기 동축 볼트(502)의 상기 상부 부분에 도구(tool)(예를 들면 렌치(wrench))를 가압함으로써 느슨해질 수 있다.
도 6은 폐쇄 위치에서 이동가능한 소스 카트리지를 구비하는 상기 가열 소스 시스템(500)을 개략적으로 나타낸다. 상기 잠금 너트(426)는 개방되어 있고, 상기 소스 카트리지(512)는 아래쪽으로 당겨져 있다. 상기 카트리지 넥(514)은 오링(518)(520)으로 밀봉되고, 유일한 유출 개구부는 상기 오링에 의해 밀봉된 영역에 위치한다. 상기 전구체 증기 부피 공간부(418)는 상기 소스 도관들의 나머지와 효율적으로 분리된다. 상기 증기 덩어리의 분리로 인해, 소스 화합물 증기(source chemical vapor)는 상기 전구체 소스 시스템이 소스 온도에서 대기 온도로 냉각될 때만 상기 소스 카트리지 내에서 응결될 수 있다.
도 7은 전구체 펄스기간 동안의 단일 밸브 가열 소스(700)를 개략적으로 나타낸다. 상기 소스(700)는 소스 프레임워크(702), 히터(720), 공급 돌기부(feed-through projection)(728), 펄싱 밸브(716) 및 전구체 카트리지(706)를 포함한다. 상기 소스 프레임워크(702)는 상기 가열 소스(700)로부터 주위로의 열 손실을 감소시키기 위한 단열층(704)으로 덮여있다. 상기 전구체 카트리지(706)는 액체 또는 고체의 전구체로 충전되어 있다. 이는 상기 카트리지 부피 공간부(752)의 일부가 상기 고체 또는 액체의 전구체를 차지하고, 상기 카트리지 부피 공간부의 나머지 일부가 전구체 증기 공간(754)을 기체 상태로 유효하게 하기 위함이다. 상기 전구체 카트리지(706)는 저장소(reservoir)와, 상기 카트리지를 오링 또는 방사 축 밀봉부(radial axis seal)(762)로 상기 소스 프레임워크(702)에 대해 밀봉하기 위한 넥(708), 그리고 상기 카트리지를 조종하기 위한 테일 돌기부(tail projection)(758)를 갖는다. 탈착 가능 열 절연층(760)은 상기 테일 돌기부(758)로부터 상기 대기로 손실되는 열 에너지의 양을 제어하기 위해 상기 테일 돌기부(758) 주위에 위치한다. 상기 히터(720)의 온도는 히터 열전쌍(724)에 의해 측정되고, 상기 전구체 카트리지(706)의 온도는 카트리지 열전쌍(764)에 의해 측정된다. 상기 히터 열전쌍(724)은 상기 히터로 공급되는 상기 전원(722)을 제어하기 위해 사용된다. 상기 히터의 온도가 프로그램된 최대 온도 허용치를 초과할 경우, 파워는 상기 히터(720)에 공급되지 않는다. 상기 열전쌍(764)으로부터 얻어지는 열전기(thermoelectric) 전압은 정확한 소스 온도에 도달하기 위해 상기 히터(720)에 공급되는 전원의 양을 제어하기 위한 PID 컨트롤러와 함께 사용되는 디지털 값으로 변환된다. 상기 소스 프레임워크(702)는 상기 전구체 카트리지(706)를 실질적으로 에워싼다. 상기 전구체 카트리지는 상기 소스 프레임워크와 열접촉한다. 상기 소스 프레임워크가 일정한 소스 온도로 가열될 때, 상기 전구체 카트리지는 상기 소스 프레임워크로부터 열 에너지를 받고, 상기 전구체 카트리지의 온도는 상기 소스 프레임워크의 온도에 도달하게 된다. 상기 테일 돌기부 영역은 상기 열 절연층(704)보다 약간 높은 열 전도도를 가진다. 따라서, 적은 양의 열 에너지가 상기 테일 돌기부 인근의 상기 전구체 카트리지 내의 표면이 예를 들어 0.1 - 10 ℃ 낮게 유지되거나 또는 상기 카트리지의 나머지 부분보다 1 - 3 ℃ 낮게 유지되는 상기 테일 돌기부(758)로 흐른다. 상기 연속적인 기체 공간 내에서 가장 온도가 낮은 영역은 현재 화학적인 종(species)의 최대 증기 압력을 결정한다. 따라서, 전구체 증기는, 상기 표면이 상기 테일 돌기부 벽보다 온도가 높고 상기 표면은 깨끗한 상태로 유지되기 때문에, 상기 펄싱 밸브 인근의 표면에서 응결할 수 없다. 상기 가열 소스(700)의 동작 원리는 상기 전구체 증기 공간(754) 내에서 상기 실제 기체 압력을 반영하는 가상의 압력 지시계(756)의 도움에 따라 이루어진다.
상기 펄싱 밸브(716)는 격벽 흐름 실(diaphragm flow seal)(미도시), 개방 밸브 유입구(717), 제어 소스 유입구(718), 소스 유출 도관(730)을 향해 도달하는 개방 밸브 유출구(714), 및 액츄에이터(710)를 포함한다. 상기 액츄에이터(710)를 제외한 상기 펄싱 밸브의 모든 부품들은 상기 소스 프레임워크와 동일한 소스 온도로 가열된다. 상기 액츄에이터(710)는 예를 들어 공압(pneumatic) 액츄에이터, 수압(hydraulic) 액츄에이터 또는 솔레노이드 액츄에이터일 수 있다. 상기 액츄에이터(710)는 상기 소스 프레임워크의 외부에 위치할 수 있고, 스템(stem)은 상기 액츄에이터에서 밸브 셔터(미도시)로 기계적인 힘을 전달한다. 상기 액츄에이터(710)는 제어 시스템(712)에 의해 제어될 수 있다. 상기 액츄에이터는 최대한 낮은 온도, 예를 들어 20 - 100℃로 유지될 수 있고, 다른 실시예에서는 상기 액츄에이터(710)의 수명을 증가시키기 위해 20 - 50℃로 유지될 수 있다. 상기 밸브 셔터는 바람직하게 상기 소스 유입구(718)에서 상기 밸브 유출구(714)까지의 기체의 흐름을 제어하는 일반적인 폐쇄된 금속 격벽(diaphragm) 이다. 공압적으로 활성화된 고온 스웨즈락(Swagelok) ALD 격벽 밸브가 본 발명의 가열된 전구체 소스에 적합한 펄싱 밸브(716)의 일 예로 제공될 수 있다.
비활성 기체 소스(736)로부터 발생된 질소 기체(또는 비활성 기체)의 유동률(flow rate)은 컴퓨터 제어 시스템에 의해 조절된다. 일 실시예에 따르면, 질량 흐름 제어기(mass flow controller)(738)는 예를 들어 0.05 - 1 초 이내, 어떤 실시예에서는 0.05초 - 0.1초 이내에 비활성 기체를 위한 새로운 질량 유동률을 세팅하기에 충분히 빠르다. 다른 실시예에 따르면, 표준 열 질량 흐름 제어기(738)는 비활성 기체를 위한 기본적인 일정한 질량 유동률을 세팅하는데 사용되고, 펄싱 밸브(744)는 상기 개방 밸브 유입구(717)에 도달하는 비활성 기체의 전체 질량 유동률이 하한값과 상한값 사이에서 조절되도록 소스 입구 도관(source entrance conduit)(780)에 비활성 기체를 더 추가하는 제어(746)에 사용된다. 상기 하한값은 예를 들어 10-500 sccm, 어떤 실시예에서는 50-100 sccm의 범위에서 선택된다. 상기 상한값은 예를 들어 니들 밸브(742) 또는 모세관(capillary)으로 조절되고, 상기 상한값은 예를 들어 10-2000 sccm, 어떤 실시예에서는 300-500 sccm의 범위에서 상기 상한값이 상기 하한값보다 높도록 선택된다. 상기 소스 입구 도관의 압력은 아날로그 또는 디지털 신호(750)를 데이터 처리 시스템으로 전송하는 압력 변환기(pressure transducer)(748)로 측정된다. 상기 신호는 상기 비활성 기체의 유동률이 적절한 범위 내에서 조절되도록 도와주는데 사용된다. 본 구조의 이점 중 하나는 상대적으로 비싼 부품들, 즉 상기 비활성 기체 질량 흐름 제어기(738), 상기 비활성 기체 펄싱 밸브(744) 및 상기 압력 변환기(748) 들이 온도가 낮은 영역에서 단지 비활성 질소 기체와만 접촉하도록 한다는데 있다.
전구체 증기 또는 전구체 증기와 비활성 기체의 혼합물은 상기 흐름 제어 밸브(또는 펄싱 밸브)(716)의 도움으로, 전구체 증기를 상기 소스 유출 도관(730)과 상기 반응 공간을 향해 밀어주는 비활성 캐리어 기체의 흐름 내로 주입된다.
도 8은 기체 충전 기간 동안 상기 단일 밸브 가열 소스(700)를 개략적으로 나타낸다. 몇몇 경우에, 상기 전구체의 증기 압력은 펄스기간 동안 상기 리액터로 효율적으로 들어가기에 너무 낮을 수 있다. 도 8에 도시된 실시예에서, 상기 소스 내의 상기 증기 압력은 상기 기체 충전 기간 동안 증가한다. 이러한 실시예에서, 비활성 기체는 압력을 올리기 위해 상기 밸브(716)를 통해 상기 전구체 소스 컨테이너/카트리지(706) 내로 이송된다. 상기 밸브(716)의 상기 소스 유입구(718)는 상기 다음 전구체 펄스의 개시까지 도 9에 도시된 것처럼 실질적으로 폐쇄된다. 이러한 폐쇄 상태에서, 전구체 증기와 비활성 기체의 혼합물은 상기 소스 유입구(718)를 통해 상기 소스 입구 도관(780) 내로 흐를 수 없고, 또한 상기 소스 출구 도관(73) 내로 흐를 수도 없다. 상기 다음 전구체 펄스의 개시까지, 상기 밸브(716)는 증가된 압력의 혼합물이 상기 소스 유입구(718)와 상기 소스 유출 도관(730)을 통해 도 7에 도시된 상기 리액터 쪽으로 더욱 원활하게 흐를 수 있도록 개방된다.
몇몇 실시예들에서 상기 가열 전구체 소스의 디자인을 위한 몇몇 규칙들이 다음과 같이 제시된다: 질량 이동은 강제된 유동에 의해서 보다 확산에 의하는 것이 더 빠르고, 기체들은 항상 높은 압력에서 낮은 압력 방향으로 흐르기 때문에, 압력 차이의 이점을 활용할 것. 열 에너지는 항상 고온에서 저온으로 이동하고, 기체 공간 내부에서 온도가 가장 낮은 영역이 상기 기체 공간에서 화학적 종의 증기 압력을 결정하기 때문에, 온도 차이의 이점을 활용할 것. 기계적인 이동 부품은 저온에서 더 오래 유지되기 때문에, 모든 가능한 기계적인 이동 부품은 저온 영역에 둘 것.
도 7 - 9에 도시된 상기 가열 소스의 작동은 증발 공정의 설명에서 더 자세히 기술된다. 산화 알루미늄 (Al2O3)은 가열된 염화 알루미늄 (AlCl3)(때때로 2분자체 Al2Cl6로 기재됨)과 수증기(H2O)로부터 생성된다. AlCl3 일부는 상기 가열 전구체 소스(700) 내에 위치한 상기 카트리지(706) 내에 충전된다. 상기 가열 전구체 소스는 상기 고체 AlCl3 조각 상부에 0.05 - 10 hPa 증기 압력의 AlCl3를 만들기 위해 프로그램된 소스 온도로 가열된다. 예를 들어, 상기 소스 온도가 100℃일 때, 결과적인 AlCl3 증기 압력은 상기 전구체 증기 공간(754) 내에서 1hPa 이다. 어떤 실시예들에서는, 가능한 낮은 소스 온도에서 상기 소스 화학 물질을 증발시키는 것이 유리한 반면, 상기 가열 소스 내에서 열에 민감한(head-sensitive) 전구체의 분해를 막기 위해, 상기 전체적인 기판 표면을 커버하기 위해 충분히 큰 전구체 증기 용량을 생성한다.
낮은 소스 압력에서 AlCl3를 증발시키는 이점은, 저압은 기체 분자의 확산 속도를 증가시키고 AlCl3의 증기 압력의 평형을 최대한 빨리 회복시키는 것을 도와준다는 것이다. 본 실시예에서, AlCl3 는 약 0.5 - 4.0 초 동안 상기 고체 AlCl3 조각들이 얻어지는 이상의 증기압인 약 0.05 - 10 hPa까지 증발된다. 상기 소스 유입 도관(780)을 통과하는 상기 비활성 기체 흐름은 약 1000 sccm까지 증가되고, 이는 상기 전구체 기체 공간(754) 내에서 상기 기체 압력 이상인 압력 값까지 상기 소스 유입 도관 내에서 상기 비활성 기체의 압력을 증가시킨다. 그리고나서, 상기 펄싱 밸브(718)의 상기 소스 측은 개방된다. 상기 소스 유입 도관(780)에서 상기 전구체 기체 공간까지 예를 들어 0.2 - 1.0초 동안 상기 소스 컨테이너(706)의 압력까지 흐르는 비활성 기체는 약 5- 20 hPa까지 비활성 기체를 증가시킨다. 비활성 기체는 소스 화학 증기와 혼합한다. 그리고나서 비활성 기체의 유동률은 상기 소스 유입 관(780)에서 상기 비활성 기체의 기체 압력을 감소하기 위하여 예를 들어 1000 sccm에서 100sccm까지 감소된다. 이제 상기 기체들의 유동 방향은 역전되고 상기 기체 혼합물은 상기 소스 컨테이너의 상기 전구체 증기 공간(754) 외부로 상기 펄싱 밸브(716)를 통해 상기 리액터 공급 관(730) 내로 흐른다. 캐리어 가스 흐름, 예를 들어 100 sccm의 질소 기체는 상기 비활성 기체/전구체 증기 혼합물을 상기 반응 공간(미도시) 내로 가압한다. 본 실시예의 이점 중 하나는 오직 단일의 펄싱 밸브만이 상기 전구체 소스의 가열 영역에서 필요하다는 것이다.
상기 반응 공간 내에서, 기판이 위치한 영역에서, AlCl3 분자는 유용한 반응 표면이 위치할 때까지 상기 기판 표면상에 화학 흡착하고, 즉 OH 그룹은 소모되고 상기 표면은 상기 AlCl3 분자의 분자층, 더 상세하게는 상기 AlCl3 분자의 부분인 ClAl< 및 Cl2Al-으로 포화된다. 여기서, "-"는 Al 원자와 표면 산소 원자 사이의 화학적 결합을 가리키고, "<"는 상기 Al 원자와 표면 산소 원자들 사이의 두 개의 화학 결합을 가리킨다. 상기 AlCl3 분자가 상기 표면 수산기(hydroxyl) OH 그룹과 반응할 때, 하나 또는 두 개의 염소 원자들은 수소 원자를 받고 반응의 부산물로서 기체 상태의 HCL 분자들을 생성한다.
상기 표면은 이제 염소(chlorine) 원자들로 덮여있다. 상기 AlCl3 분자가 상기 Cl로 덮여진 표면에 부착될 수 있는 유일한 방법은 물리적인 흡착(adsorption)에 의한 것이다. 그러나, 상기 기판의 온도는 상기 AlCl3 증기의 응결점 이상으로 유지되고 있기 때문에, 물리적인 흡착은 불가능하고 상기 과잉의 AlCl3 분자는 상기 기체 상태로 머물러 있다. 그 결과, 오직 AlCl3 분자 부분들의 단일의 분자층까지만 상기 기판 표면 위에 머무를 수 있다. 상기 AlCl3 노출 기간이 종료되면, 상기 펄싱 밸브(718)의 상기 소스 측은 폐쇄되고 상기 AlCl3 증기와 비활성 기체의 혼합물은 상기 펄싱 밸브(716)를 따라 비활성 기체 흐름 내로 상기 전구체 증기 공간(754)으로부터 주입되지 않고, 상기 증발 사이클은 제1 제거기간으로 진행한다. 상기 전구체 증발 공간(754)이 상기 주위 기체 도관으로부터 상기 폐쇄된 펄싱 밸브로 고립되었을 때, 상기 전구체 증기 공간(754)은 상기 소스 화학 펄스가 고체 AlCl3 조각들(752)로부터 AlCl3 증발에 의해 시작되는 동안 AlCl3 증기로부터 대폭 감소된다. 상기 반응 공급 도관(730)으로부터 오는 상기 기체의 화합물은 AlCl3 증기와 비활성 기체의 화합물로부터 순수 비활성 기체로 빠르게 변화한다. 잔존 AlCl3 분자들과 반응 부산물 분자들(HCl)은 상기 반응 공간으로부터 흐르는 비활성 기체에 의해 배출관 쪽으로 가이드 된다.
상기 증발 공정을 위한 산소 소스(또는 더 일반적으로 비금속 소스)에 관해, 기준이 도면 1-2에 만들어져 있다. 비금속 노출 기간 동안, H2O 증기는 상기 온도가 제어되는 액체 소스(100)로부터 세방향 밸브(104)를 통해 비활성 기체의 흐름 속으로 주입되고 상기 결과물인 기체 혼합물은 화살표 138이 가리키는 바와 같이 상기 리액터 공급 도관(108)을 통해 흐른다. 상기 기체 흐름은 상기 리액터 공급 도관으로부터 상기 기판(118)이 위치하는 상기 반응 챔버(106)로 가이드 된다. 나머지 전구체 도관, 예를 들어 상기 AlCl3 소스를 위한 리액터 공급 도관은 상기 반응 챔버(106) 쪽으로 비활성 기체의 흐름을 갖는다. 따라서, 하나의 전구체 도관이 상기 반응 챔버 내로 소스 화학 증기를 작동하기 위해 사용되는 동안, 나머지 전구체 도관은 흐르는 비활성 기체 분위기에 의해 보호된다.
상기 반응 공간에서, H2O 분자들은 상기 앞선 전구체 노출 동안 AlCl3 분자 부분들로 포화된 상기 기판(118) 표면상에 화학 흡착하고, 유용한 반응 표면이 위치할 때까지, 즉 표면 Cl 분자들은 소모되고 상기 표면은 상기 H2O 분자들로부터 발생된 상기 수산기 OH 그룹들의 분자층으로 포화된다. 이후 상기 H2O 분자들이 상기 표면에 흡착할 수 있는 유일한 방법은 물리적 흡착에 의해서이다. 그러나, 상기 기판 온도는 상기 H2O 증기의 응결점 이상을 유지하고 있고, 따라서 물리적 흡착은 불가능하고 상기 과잉의 H2O 분자들은 기체 상태로 머물러 있다. 그 결과, 오직 H2O 분자 부분들의 단일 분자 층까지만 상기 기판 표면과 결합하고 박막 물질을 형성할 수 있다. 상기 H2O 노출 시간이 종료되면, H2O 증기는 비활성 기체의 흐름 내로 더이상 주입되지 아니하고 상기 증발 사이클은 제2 제거기간으로 진행한다.
상기 제2 제거기간 동안, 상기 리액터 공급 도관(108)로부터 오는 상기 가스의 화합물은 H2O 증기와 비활성 기체의 화합물에서 순수한 비활성 기체로 빠르게 변화한다. 잔존 H2O 분자들과 반응 부산물 분자들, 즉 메탄(CH4) 분자들은 상기 반응 공간으로부터 상기 배출관 쪽으로 비활성 기체의 흐름에 의해 가이드 된다. 상기 기판 표면은 이제 박막 물질의 분자층, 이 경우에는 표면 OH 그룹을 가진 산화 알루미늄(Al2O3)으로 균일하게 덮여있다. 상기 기판은 상기 제1 제거기간, 상기 H2O 노출기간 및 상기 제2 제거기간 동안 덮여있던 상기 가열 전구체 소스(700)로부터 다음번의 AlCl3 증기 노출을 위해 준비된다. 상기 AlCl3 노출 기간, 상기 제1 제거기간, 상기 H2O 노출기간 및 상기 제2 제거기간을 포함하는 증발 사이클은 원하는 Al2O3 막의 두께를 얻을 때까지 반복된다. 이러한 과정에서 얻어진 Al2O3 박막의 일반적인 성장율은 약 0.9 옴스트롱/증착싸이클 이다.
도 10은 임의의 유니트들 중 제1 전구체 소스(source) 라인의 압력(1006) 및 제1 전구체 소스 용기의 압력(1008)을 시간의 함수로 나타낸 것을 도시한다. 본 실시예에서 전구체의 증기압이 평형 수준까지 회복되는 동안 비교적 높은 가스 압력이 소스 용기 내에서 유지된다. 전술한 가열된 전구체 소스가 제1 전구체 소스로 사용된다. 시각(t1)에는 가열된 소스(700,도 7참조)의 펄싱 밸브(pulsing valve:716,도 7참조)는 개방되고 전구체 용기 기체 용량(precursor container gas volume:754)의 압력(1008)은 감소한다. 시각(t2)에는 질량 유량계(mass flow contrlloer:738,도 7참조) 또는 불활성 기체 펄싱 밸브(744,도 7참조)에 의하여 소스 입구 도관(780, 도 7참조)의 불활성 기체 유량이 증가하고 라인 압력 트랜스듀서(748,도 7참조)로 측정할 때 소스 입구 도관(source entrance conduit:780)내에서 가스 압력(1006)은 갑자기 증가한다. 시간(t2-t3)의 구간(1028) 동안에 불활성 기체의 일부는 소스 용기로 들어가고 평형 압력에 도달할때까지 전구체 용기 기체 용량의 압력은 증가한다. 시각(t3)에는 펄싱 밸브(716,도 7참조)가 폐쇄되고 소스 용기는 소스 라인으로부터 고립된다. 소스 라인의 배기는 고속으로 계속된다. 시각(t4)에는 불활성 기체 유량이 소스 입구 도관에서 낮은 수준으로 감소한다. 시간(t4-t5)의 구간(1038)동안에 반응기(reactor)의 모든 펄싱 밸브는 폐쇄되고 불활성 기체를 통한 소스 도관 및 반응 챔버의 배기는 계속된다. 이러한 경우에 전구체 카트리지는 많은 표면 증발을 갖고, 그러므로 시각(t5)에 전구체의 증기압은 이미 평형 압력, 즉 소스 온도(source temperature)에서 최대증기압에 도달하고 가열된 전구체 소스는 다음 전구체 펄스를 위한 준비가 된다. 사용 가능한 전구체 증기량을 최대화하기 위하여 다음 펄스 사이클이 시작하는 시각(t8)전에 전구체 평형 압력에 도달하는 것이 바람직하다. 시각(t6)에는 제2 전구체 소스의 펄싱 밸브가 개방되고 제2 전구체 증기가 제2 전구체 소스 라인내의 불활성 기체 흐름 속으로 주입된다. 시각(t7)에 제2 전구체 소스의 펄싱 밸브가 폐쇄되고 제2 소스 라인내의 불활성 기체 유량이 감소한다. 시간(t7-t8)의 구간(1036)동안에 반응기의 모든 펄싱 밸브는 폐쇄되고 불활성 기체를 통한 소스 도관 및 반응 챔버의 배기는 계속된다. 하나의 펄싱 사이클은 시간(t1-t8)의 구간(1040)동안을 포함한다. 시각(t8)에는 시각(t1)에서처럼 같은 방법으로 제1 전구체 소스의 펄싱 밸브의 개방을 통하여 다음의 펄싱 사이클 수행이 시작된다.
도 11은 임의의 유니트들 중 제1 전구체 소스(source) 라인의 압력(1106) 및 제1 전구체 소스 용기의 압력(1108)을 시간의 함수로 나타낸 것을 도시한다. 본 실시예에서 전구체의 증기압이 평형 수준까지 회복되는 동안 비교적 낮은 가스 압력이 소스 용기 내에서 유지된다. 전술한 가열된 전구체 소스가 제1 전구체 소스로 사용된다. 시각(t9)에는 질량 유량계(mass flow contrlloer:738,도 7참조) 또는 불활성 기체 펄싱 밸브(744,도 7참조)에 의하여 소스 입구 도관(780, 도 7참조)의 불활성 기체 유량이 증가하고 라인 압력 트랜스듀서(748,도 7참조)로 측정할 때 소스 입구 도관(780)내에서 가스 압력(1106)은 갑자기 증가한다. 시각(t10)에는 가열된 소스(700,도 7참조)의 펄싱 밸브(pulsing valve:716,도 7참조)는 개방된다. 시간(t10-t11)의 구간(1128) 동안에 불활성 기체의 일부는 소스 용기로 들어가고 평형 압력에 도달할때까지 전구체 용기 기체 용량의 압력(1108)은 증가한다. 소스 용기 내에서의 압력 변화는 불활성 기체와 전구체 증기를 효과적으로 혼합하고 결과적으로 비교적 고압에서 불활성 기체 및 전구체 증기의 혼합물을 획득할 수 있다. 시각(t11)에는 불활성 기체 유량이 소스 입구 도관에서 낮은 수준으로 감소하고 소스 입구 도관의 압력은 급격하게 감소한다(곡선1106). 이와 동시에 소스 라인의 압력이 소스 용기의 압력보다 낮아 지기 때문에 소스 용기의 압력은 감소하기 시작하고, 펄싱 밸브는 개방된 채로 있고 소스 용기는 소스 라인과 유체 연결된 상태에 있게 된다. 시각(t12)에는 펄싱 밸브(716,도 7참조)가 폐쇄되고 소스 용기는 소스 라인으로부터 고립된다. 전구체 증기압은 증가하기 시작하고 시각(t13)에 평형 전구체 증기압에 도달한다. 소스 라인의 배기는 계속된다. 시간(t12-t14)의 구간(1138)동안에 반응기의 모든 펄싱 밸브는 폐쇄되고 불활성 기체를 통한 소스 도관 및 반응 챔버의 배기는 계속된다. 모든 잔여 전구체 분자 및 휘발성 반응 부산물은 반응기의 배기 라인으로 보내진다. 이러한 경우에 전구체 카트리지는 많은 표면 증발을 갖고, 그러므로 시각(t13)에 전구체의 증기압은 이미 평형 압력, 즉 소스 온도(source temperature)에서 최대증기압에 도달하고 가열된 전구체 소스는 다음 전구체 펄스를 위한 준비가 된다. 사용 가능한 전구체 증기량을 최대화하기 위하여 다음 펄스 사이클이 시작하는 시각(t16)전에 전구체 평형 압력에 도달하는 것이 바람직하다. 시각(t14)에는 제2 전구체 소스의 펄싱 밸브가 개방되고 제2 전구체 증기가 제2 전구체 소스 라인내의 불활성 기체 흐름 속으로 주입된다. 시각(t15)에 제2 전구체 소스의 펄싱 밸브가 폐쇄되고 제2 소스 라인내의 불활성 기체 유량이 감소한다. 시간(t15-t16)의 구간(1136)동안에 반응기의 모든 펄싱 밸브는 폐쇄되고 불활성 기체를 통한 소스 도관 및 반응 챔버의 배기는 계속된다. 모든 잔여 전구체 분자 및 휘발성 반응 부산물은 반응기의 배기 라인으로 보내진다. 하나의 펄싱 사이클은 시간(t9-t16)의 구간(1140)동안을 포함한다. 시각(t16)에는 시각(t9)에서처럼 같은 방법으로 제1 전구체 소스의 펄싱 밸브의 개방을 통하여 다음의 펄싱 사이클 수행이 시작된다.
도 10의 설명은 펄스 구간 동안 반응기로 효과적으로 진입하기에 액체 또는 고체 전구체 자체의 증기압이 너무 낮은 경우 및 전구체의 증발 속도가 낮은 실시예에 적합한 반면에, 도 11의 설명은 펄스 구간 동안 반응기로 효과적으로 진입하기에 전구체 자체의 증기압이 너무 낮은 경우 및 전구체의 증발 속도가 전구체 증기압의 빠른 회복을 위하여 충분히 빠른 경우의 실시예에 적합하다. 불활성 기체를 전구체 용기로 이송하는 것, 전구체 용기로부터 나온 전구체 증기 및 불활성 기체의 혼합 기체를 시기 적절하게 이동함에 따른 추가적인 압력 상승을 도 10 및 도 11이 활용한다.
도 12는 소스의 전구체 로딩 측(loading side)로부터 오는 강제된 주 운반 기체 흐름(primary carrier gas flow)을 갖는 가열된 전구체 소스(1200)의 개략적인 도면이다. 주 운반 기체 흐름은 주(primary) 불활성 기체 소스(1202), 질량 유량계를 위한 세팅값을 받고 질량 유량을 측정하는 I/O 인터페이스(1206)를 구비하는 불활성 기체 질량 유량계(1204), 수동 조작 가능한 흐름 제한 장치로 작용하는 니들 밸브(1210), 주 입구 도관(primary entrance conduit:1212), 승화 수집 도관(1214:sublimation collector conduit) 및 카트리지 입구 도관(1216:cartridge entrance conduit)으로 배열된다. 제2 운반 및 배기 기체 흐름은 별도의 기체 소스 또는 주 불활성 기체 소스(1202)와 같은 제2 불활성 기체 소스(736) 및 불활성 기체 질량 유량계(738)로 배열된다. 주 운반 기체 흐름은 전구체 카트리지(706)안의 기체 공간(754)내에서 전구체 증기와 혼합되고 그 혼합물은 소스 펄싱 밸브(710)로 분배된다. 카트리지 입구 도관(1216)은 분자 확산을 위한 통로를 길게 하고 승화 수집 도관(1214)의 영역에 이르도록 주 운반 기체 라인 위쪽으로의 전구체 기체 확산량을 감소시킨다. 카트리지 입구 도관(1216)의 내부 지름은 예를 들면 1 내지 20 밀리미터일 수 있고, 어떤 실시예에서 4 내지 8 밀리미터일 수 있고, 카트리지 입구 도관의 길이는 예를 들면 10 내지 100 밀리미터일 수 있고, 어떤 실시예에서 30 내지 50 밀리미터일 수 있다. 카트리지 입구 도관의 팁은 불활성 기체 흐름을 고체 또는 액체 전구체(752)로 가이드 하기 위한 컵(미도시)을 구비할 수 있다.
일 실시예에 따르면 질량 유량계(1204)는 비교적 긴 세팅 시간을 갖는 열(thermal)타입이다. ALD 공정은 전형적으로 0.1 초 내지 1초 수준의 짧은 펄스들을 이용하기 때문에 주 운반 기체 흐름을 위한 바이 패스 라인(1208)을 배치하는 것이 유익하다. 바이 패스 라인(1208)은 펄싱 밸브(716)가 폐쇄되는 때인 증착 공정의 배기 시간을 포함한 모든 시간에 불활성 기체가 질량 유량계(1204)를 통하여 흐르도록 한다. 바이 패스 라인(1208)은 유량 변동을 감소한다. 또 다른 실시예에 따르면 질량 유량계는 펄싱 밸브(716)에 의하여 생성된 압력 변동에 대응할 정도로 충분히 빠른 압력 기반 타입이다.
전구체 카트리지(706)의 온도는 제2 소스 열전쌍(second source thermocouple:1218)로 측정한다. 온도 측정은 전구체 소스의 히터(720)에 인가되는 가열 전력(722)의 양을 제어하는데 사용된다. 제2 소스 열전쌍(1218)은 가열된 전구체 소스 용량과 열접촉한다.
전구체(1200)는 제거할 수 있는 것이 바람직하다. 출구 연결부(outlet connection:732)를 개방하면, 주 운반 기체 라인 연결부(1220) 및 제2 운반 및 배기 기체 라인 연결부(734)는 전구체 소스가 증착 반응기(미도시)로부터 이격될 수 있게 한다. 전구체 카트리지(706)는 소스 온도까지 가열되고, 어떤 실시예에서 섭씨 40도 내지 섭씨 200도의 범위 중에서 선택된다. 펄싱 밸브(716)는 폐쇄 상태를 유지한다. 불활성 기체는 불활성 기체 소스(1202)로부터 질량 유량계(1204)를 통하여 바이 패스 도관(1208)으로 흐른다. 기체 공간(754)은 주 입구 도관(1212) 및 니들 밸브(1210)를 통하여 불활성 기체 소스와 정적 유체 연결 (static fluid communication)상태에 있기 때문에, 불활성 기체 흐름은 소스 카트리지(706)의 기체 공간(754)이 선택된 값의 압력을 갖도록 유지하게 하고, 구체적으로 어떤 실시예에서는 5 내지 30 mbar에 이르도록 한다. 전구체 화학물(752)은 전구체 화학물의 증기압 특성에 도달할때까지 전구체 카트리지의 기체상(754)으로 기화된다. 기체 공간(754)내의 전구체 분자들 일부는 카트리지 입구 도관(1216)을 통하여 전구체 분자가 승화 수집 도관(1214)의 내부 표면에 응집하는 승화 수집 도관(1214)으로 확산한다. 승화 수집 도관(1214)의 온도는 전구체 카트리지(706)의 기체 공간(754)의 온도보다 낮다. 화학 물질의 증기압 특성은 화학 물질 증기의 온도에 의존한다. 승화 수집 도관(1214)의 표면의 온도가 충분히 낮을 때, 화학 물질의 증기압 특성은 표면 근처에서는 무시할만하게 되고 전구체 분자들은 주 입구 도관(1212)으로 상향 확산할 수 없다. 전구체 소스(1200)의 가열, 이용 및 냉각하는 동안, 승화 수집 도관(1214)의 표면 온도는 상온보다 높은 것이 바람직하고 제2 소스 전열대(1218)로 측정할 때 소스 온도 이하인 것이 바람직하다. 펄스 시간이 시작할 때 펄싱 밸브(716)는 개방되고 펄스 시간이 끝날 때 펄싱 밸브(716)는 폐쇄된다. 펄스 시간 동안 전구체 카트리지의 기체 공간(754)은 개방된 펄싱 밸브를 통하여 소스 출구 도관(730)과 유체 연결된 상태에 있게 되고 전구체 증기는 주 불활성 기체 흐름의 도움으로 전구체 카트리지로부터 기판(미도시)을 포장하는 반응 공간 방향으로 보내진다.
도 13은 단일 펄싱 밸브(410) 및 전구체 카트리지(344)로부터 분리된 승화 수집 도관(1302)을 포함하는 가열된 전구체 소스(1300)를 도시하는 개략적인 도면이다. 승화 수집 도관(1302)은 밀봉부(seal:1306)를 통하여 소스 본체(402)와 부합된다. 첫 번째로 펄싱 밸브(310)가 폐쇄된 상태를 유지한다. 액체 또는 고체 전구체(1328)는 소스 온도까지 가열되고 예를 들면 섭씨 40 도 내지 200도의 범위 중 선택된 온도까지 가열된다. 전구체(1328)는 기화하고 전구체 증기압 특성에 도달할때까지 전구체 카트리지(344)의 기체 공간(1330)의 압력을 증가한다. 펄스 시간 동안 펄싱 밸브(410)는 개방된다. 불활성 운반 기체는 외부 불활성 기체 소스(1304)로부터 승화 수집 공간을 통하여 불활성 운반 기체가 전구체 증기와 혼합되는 전구체 카트리지의 기체 공간(1330)으로 흐른다. 그 결과의 혼합물은 펄싱 밸브(410)를 통하여 소스 출구 도관(442)으로 흐르고 나아가 기판(미도시)을 포장하는 반응 공간에 까지 흐른다. 배기 시간 동안 펄싱 밸브(410)는 폐쇄되고 전구체 증기는 전구체 소스를 통한 흐름을 멈춘다. 전구체 분자 일부는 기체 공간을 통하여 전구체 카트리지(344)보다 낮은 온도로 유지되는 승화 수집 도관(1302)으로 확산하고 승화 수집 도관의 내부 표면에 응축물(1310)을 형성한다.
도 14는 수동 카트리지 밸브(1408)로 밀봉될 수 있고 체결부(1412)의 개방에 의하여 가열된 전구체 소스로부터 분리되는 전구체 카트리지(1402)를 포함하는 가열된 전구체 소스(1400)를 도시한다. 전구체 소스(1400)는 전구체 소스(1400)를 증착 반응기 장치와의 결합 및 분리를 위한 제2 체결부(1422)를 포함한다. 밸브 본체(1418)를 구비하는 3-way 펄싱 밸브(1405)는 압축 공기에 의하여 제어된다. 이러한 목적을 위하여 펄싱 밸브는 압축된 공기를 받아들이는 연결부(1420)를 포함한다. 전구체 소스는 열전도 소스 본체(1424), 전원 공급부(1428) 및 열전쌍의 도움을 받는 열측정부(1430)를 구비하는 히터 카트리지(1426), 열차단층(1432) 및 커버(1434)를 포함한다. 전구체 카트리지(1402)의 바닥 근처에, 전구체 소스는 컴퓨터 제어 시스템(미도시)에 연결되는 연결부(1436)를 구비한 굴곡 열전쌍(1438)를 수납하기 위하여 기계적 처리된 통로를 구비하는 열전도 돌출부(1406)를 더 포함할 수 있다.
전구체 소스(1400)는 금속 또는 세라믹 재의 파티클 필터(1416,또는 가스켓 필터)를 갖고 카트리지 밸브(1408)방향으로 아래로 향하는 밀봉부(1414)를 체결부(1412)의 플랜지들 사이에 포함할 수 있다. 파티클 필터(1416)는 고체 전구체 파티클이 펄싱 밸브(1418)로 들어가는 것을 방지하고 반응기 공급 라인쪽으로 더 진입하는 것을 방지한다. 위쪽 방향으로 이동하는 전구체 파티클들은 파티클 필터(1416)의 외부면에서 정지되고 전구체 카트리지(1402)방향으로 되돌아간다.
전구체 카트리지(1402)를 교체하기 전에 소스 라인을 퍼지하는 방법을 여기에 설명하기로 한다. 수동 카트리지 밸브(1408)는 폐쇄된다. 가열된 전구체 소스는 도관의 벽들에 잔존하는 고체 또는 액체 전구체로부터 충분한 전구체 증기압을 생성할 정도로 가열된다. 펄싱 밸브(1405)는 개방된다. 3-way 펄싱 밸브(1405)를 통하여 소스 출구 도관(1442)으로 가는 불활성 기체의 유량은 상한, 예를 들면 1000sccm과 하한, 예를 들면 100sccm 사이의 값을 갖도록 조정한다. 높은 유량은 3-way 펄싱 밸브(1405)에서 불활성 기체의 압력을 증가하고 낮은 유량은 3-way 펄싱 밸브(1405)에서 불활성 기체의 압력을 감소하고 기체 펌핑 효과를 발생한다. 다양한 기체 압력은 기체상태의 잔존하는 전구체로부터 기포 및 데드엔드(dead ends)를 제거한다. 온도는 고체 또는 액체 전구체 잔여물을 기화시킬 수 있을 정도로 충분히 높아야 한다. 적어도 약 0.1hPa의 전구체 증기압을 생성하기 위한 소스 온도가 일반적으로 퍼지 속도를 가속하는데 사용된다. 일 실시예에서 반응 공간은 적어도 전구체 증기의 응축물이 반응 공간의 표면에 형성되는 것을 막을 수 있도록 전구체 소스의 온도만큼 가열된다.
중간 도관(1444) 및 소스 출구 도관(1442)은 불활성 기체를 통하여 압력이 가해지는데 예를 들면 1분 동안 5hPa 에서 20hPa로 가압되고, 1분 동안 20hPa 에서 5hPa로 다시 배기된다. 도관들로부터 전구체 잔여물을 제거하기 위하여 가압 및 배기 사이클은 복수 회 반복되는데, 예를 들면 5번 반복할 수 있고, 어떤 실시예에서는 적어도 10번 반복할 수 있다.
전구체 소스(1400)는 카트리지를 전구체 물질로 채운 후에 화학물 제조회사에 의하여 폐쇄될 수 있는 제3 체결부(1410)를 더 포함할 수 있다. 전구체 소스(1400)는 카트리지를 세정하기 위하여 개방될 수 있는 제4 체결부(1404)를 더 포함할 수 있다.
도 15는 또 다른 실시예에 관한 가열된 전구체 소스를 위한 제거 가능한 전구체 용기(1500)를 도시한다. 용기(1500)는 전구체 챔버(1502), 전구체를 수용하기 위한 전구체 저장부(1514), 전구체 저장부(1514)를 충진 또는 비우는 체결부(1504) 및 소스 출구 도관(1515)으로부터 전구체 챔버의 기체 공간을 고립시키는 밸브(1508)를 포함한다. 전구체 챔버(1502)는 선택적으로 세정을 위하여 전구체 용기(1500)를 분해하기 위한 넥 체결부(1506)를 더 포함할 수 있다. 체결부(1504) 영역으로부터 전구체 증기를 멀리 떨어지도록 유지하기 위하여 전구체 저장부(1514)의 벽은 전구체 챔버(1502)벽에 대항하여 밀봉부(1520)로 밀봉되는 것이 바람직하다. 전구체 저장부(1514)는 선택적으로 체결부(1504)를 개방한 후 전구체 챔버(1502)로부터 저장부를 빼내기 위한 핸들(1516) 및 고체 전구체 또는 파우더 파티클이 전구체 저장부로 출입하는 것을 방지하는 필터(1518)를 포함할 수 있다. 전구체 용기(1500)는 체결부(1512)에 의하여 전구체 소스의 다른 부재와 결합 및 분리가 가능하다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 가열된 전구체 소스를 도시한다. 측면 및 정면에서 본 가열된 전구체 소스(1600, 1602)는 소스 본체(1604), 밀봉 정면 플랜지(1606:sealble front flange), 로딩 포트(1608), 불활성 기체 입구 밸브(1610), 전구체 증기 출구 밸브(1612), 마운팅 플랜지(1614), 소스 본체 열차단부(1616), 펄싱 밸브 열차단부(1618) 및 로딩 포트 열차단부(1620)를 포함한다. 불활성 운반 및 배기 기체(예를 들면 질소 또는 아르곤)는 기체 입구 연결부(1622)를 통하여 가열된 소스에 도달한다. 불활성 기체 입구 밸브(1610) 및 전구체 증기 출구 밸브(1612)가 폐쇄될 때, 불활성 기체는 입구 도관(1624)을 통하여 흐르고 소스 바이 패스 도관(1628)을 통하여 흐르고 소스 출구 도관(1632)을 통하여 흐르고 반응기 공급 도관(1636)을 통하여 흐르고 반응 공간(미도시)에 도달한다. 불활성 기체 입구 밸브(1610) 및 전구체 증기 출구 밸브(1612)가 개방될 때, 불활성/운반 기체 흐름은 두 부분으로 나뉘어진다. 기체 흐름 제1 부분은 바이 패스 라인(1628)을 통하여 흐른다. 기체 흐름 제2 부분은 증기 공간 입구 도관(1626)을 통하여 가열된 소스의 증기 공간(1650)으로 들어간다. 기체 흐름 제2 부분은 가열된 소스의 증기 공간(1650)내에서 전구체 증기와 혼합된다. 그 결과로 제1 기체/증기 혼합물이 증기 공간 출구 도관(1630)을 통하여 증기 공간을 나온다. 제1 기체/증기 혼합물은 소스 바이 패스 도관(1628)으로부터 흘러온 기체 흐름 제1 부분에 추가되어져서 제2 기체/증기 혼합물을 형성한다. 제2 기체/증기 혼합물은 소스 출구 도관(1632) 및 반응기 공급 도관(1636)을 통하여 반응기 공간(미도시)으로 흘러간다. 수평 전구체 보트(1642)는 소결 카트리지(1638)내로 적재된다. 전구체 보트(1642)는 어떤 실시예에서 스테인레스 스틸, 니켈, 티타늄, 석영 유리, SiC 또는 Al2O3 를 포함하는 불활성 재료로 제조된다. 소결 카트리지(1638)는 체결부(1640)를 통하여 밀봉 정면 플랜지(1606)에 결합된다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 가열된 전구체 소스를 도시한다. 측면 및 정면에서 본 가열된 전구체 소스(1700, 1702)는 소스 본체(1704), 밀봉 정면 플랜지(1706:sealble front flange), 로딩 포트(1708), 불활성 기체 입구 밸브(1714), 전구체 증기 출구 밸브(1716), 마운팅 플랜지(1614), 소스 본체 및 펄싱 밸브 열차단부(1740), 로딩 포트 열차단부(1738) 및 공급 라인 열차단부(1742)를 포함한다. 소스 본체 및 펄싱 밸브 열차단부(1740)는 선택적으로 개별적 열차단부로 구성될 수 있다. 즉 하나는 소스 본체를 위한 것, 또 다른 하나는 펄싱 밸브를 위한 것으로 구성될 수 있다.
가열된 전구체 소스(1700,1702)는 장점들을 갖는다. 펄싱 밸브들(1714,1716)은 수평한 방향으로 소스 본체(1704)의 후면에 결합한다. 소스의 로딩 포트(1708)는 반응기의 정면을 향하고 가열된 소스의 작업자를 향한다. 전구체 카트리지(1758)의 로딩 및 언로딩이 용이하다.
가열된 소스의 온도는 와이어(1734)를 통하여 제어부(미도시)에 연결된 열전쌍(1732)로 측정한다. 가열 카트리지(1706)는 가열 부재 및 가열 카트리지의 국부적인 온도를 측정하기 위한 열전쌍을 포함한다. 불활성 기체 입구 밸브(1714) 및 전구체 증기 출구 밸브(1716)가 폐쇄될 때 불활성 배기/운반 기체(예를 들면 질소 또는 아르곤)는 다음의 도관들을 통하여 흐른다. 즉 소스 입구 도관(1718), 불활성 기체 입구 밸브(1714), 유량 제한기(1722)를 구비한 소스 바이 패스 라인, 전구체 증기 출구 밸브(1716) 및 소스 출구 도관(1726) 및 반응기 공급 도관(1728)을 통하여 흐른다.
불활성 기체 유입 밸브(1714) 및 전구체 증기 유출 밸브(1716)가 개방될 때, 불활성/운반 기체 흐름은 두 부분으로 나뉘어진다. 기체 흐름 제1 부분은 유량 제한기(1722)를 구비한 바이 패스 라인을 통하여 흐른다. 기체 흐름 제2 부분은 증기 공간 입구 도관(1720)을 통하여 가열된 소스의 증기 공간(1730)으로 들어간다. 기체 흐름 제2 부분은 가열된 소스의 증기 공간(1730)내에서 전구체 증기와 혼합된다. 그 결과로 제1 기체/증기 혼합물이 증기 공간 출구 도관(1724)을 통하여 증기 공간을 나온다. 제1 기체/증기 혼합물은 소스 바이 패스 도관으로부터 흘러온 기체 흐름 제1 부분에 추가되어져 제2 기체/증기 혼합물을 형성한다. 제2 기체/증기 혼합물은 소스 출구 도관(1726) 및 반응기 공급 도관(1728)을 통하여 반응기 공간(미도시)로 흘러간다.
가열된 전구체 시스템은 반응 챔버 히터의 방향으로부터 공급 도관(1728)을 따라서 가열된 소스 본체(1704)방향으로 유출되는 열에너지를 이용한다. 가열된 소스 넥(320)으로부터 주변으로의 열손실은 넥 열차단부(1742)에 의하여 최소화된다.
가열된 전구체 소스(1700)는 소스 입구 연결부(1718) 및 관통 체결부(1710:feed-through fitting)를 개방하여 반응기로부터 제거된다.
도 18은 일 실시예에 따른 밀봉 전구체 카트리지를 도시한다. 전구체 카트리지(1800, 도 18의 상부에 넥 영역 확대도가 도시되어 있다)는 카트리지 본체(1804), 카트리지 개구부(1834)를 구비한 카트리지 넥(1805), 카트리지 넥(1805)에 대하여 동적 밀봉부(1836,1838:dynamic seal,예를 들면 래디얼 샤프트 밀봉부)로 밀봉되는 슬라이드 슬리브(1806), 리턴 스프링(1830), 스토퍼 벌지(1832:stoper bulge) 및 선택적인 핸들(1808)을 포함한다. 전구체 카트리지는 고체 또는 액체 전구체 화학물(1824)로 채워진다. 전구체는 전구체의 평형 증기압 특성 및 소스 온도에 도달할때까지 카트리지의 기체 공간(1826)으로 기화한다. 카트리지-로(furnace: 1810)는 카트리지 본체(1804)에 대하여 정적 밀봉부(1820:예를 들면 오링 또는 래디얼 샤프트 밀봉부)로 밀봉되는 로-실린더(1822) 및 슬리브 푸셔(1818:sleeve pusher)를 포함한다. 3-way 밸브(1815)는 카트리지-로(1810)로 인도하는 도관(1835)에 부착된다. 펄싱 밸브(1815)는 전구체 소스 입구(1812), 불활성 기체를 위한 입구(1814) 및 반응 공간(미도시)을 향한 출구(1816)를 구비한다.
도 19는 밀봉 전구체 카트리지의 사용을 도시한다. 첫 번째로 소스 시스템은 도 19의 상부에 도시된 대로 불활성 기체를 통하여 배기된다. 전구체 카트리지(1804)는 카트리지 본체(1804)에 대하여 도가니 정적 밀봉부(1820)이 밀봉을 형성할 때까지 도가니 실린더(1810)로 밀려 들어가서 주변의 기체 상태(예를 들면 대기상태)로부터 카트리지-로의 기체 공간을 고립시킨다. 불활성 기체는 소스 라인을 통하여 펄싱 밸브(1814)의 배기 입구(1814)로부터 펄싱 밸브의 출구(1816)방향으로 흐른다. 펄싱 밸브 전구체 소스 입구(1812)가 개방될 때 도가니 실린더(1822)내부의 기체 공간은 소스 라인(1814,1816)과 유체 연결 상태에 있게 된다. 소스 라인의 불활성 기체 압력은 질량 유량계(미도시)에 의하여 다양한 값을 갖는다. 낮은 불활성 기체 유량(예를 들면 100sccm)은 소스 라인의 압력을 낮은 수치(예를 들면 4hPa)로 감소한다. 높은 불활성 기체 유량(예를 들면 1000sccm)은 소스 라인의 압력을 높은 수치(예를 들면 15hPa)로 증가한다. 높은 유량은 장시간 동안 유지되는데 예를 들면 1 분 동안 유지된다. 압력 변동은 카트리지로(1810)의 기체 공간으로부터 잔여 공기가 펌핑 아웃되도록 하고 도가니 실린더(1822)내부의 기체 공간에 순수한 불활성 기체만 남아있도록 한다. 펄싱 밸브를 배기한 후에 입구(1812)는 폐쇄된다.
다음으로 전구체 카트리지는 카트리지 넥에 있는 카트리지 개구부(1834)가 노출될 때까지 내부로 밀려들어가고 전구체 카트리지의 증기 공간(1826)은 카트리지 실린더(1822)의 기체 공간과 유체 연결 상태에 있게 된다. 전구체 카트리지(1804)가 소스 온도까지 가열될 때, 액체 또는 고체 전구체(1824)의 일부는 기체 공간이 전구체 증기로 포화될 때까지 카트리지-로의 기체 공간(1826)까지 기화된다. 펄싱 밸브 전구체 소스 입구(1812)가 개방될 때, 전구체 증기는 펄싱 밸브(1815)를 통하여 펄싱 밸브의 출구(1816)로 흐른다. 3-way 밸브를 통하여 펄싱 밸브의 배기 입구(1814)로부터 펄싱 밸브의 출구(1816)로 흐르는 운반 기체 흐름은 전구체 증기를 반응 챔버(미도시)방향으로 밀게 된다. 펄싱 밸브 입구(1812)가 폐쇄될 때 전구체 증기가 고갈된 전구체 카트리지의 기체 공간(1826)은 기체 공간이 다시 전구체 증기로 포화될 때까지 기화하는 액체 또는 고체 전구체로부터 새로운 전구체 증기를 받고 전구체 소스는 다음 전구체 펄스를 수행할 준비가 된다.
사용된 전구체 카트리지(1800)를 가열된 소스로부터 제거하거나 새로운 전구체 카트리지로 교환하는 경우에, 전구체 카트리지는 소스 온도로 유지되고 카트리지는 리턴 스프링(1830)이 카트리지 개구부(1834)상부의 슬라이드 슬리브(1806)를 밀수 있을 때까지 카트리지-로(1810)로부터 빼내게 되고 카트리지-로(1810)의 기체 공간으로부터 전구체 카트리지(1826)의 증기 공간을 고립시킨다. 여전히 전구체 카트리지(1800)의 표면과 접하는 로 정적 밀봉부(1820)는 카트리지-로(1810)의 기체 공간을 대기와 고립되도록 한다. 펄싱 밸브(1815)의 입구 측은 개방되고 카트리지-로(1810)의 기체 공간은 변동하는 압력을 갖는 불활성 기체로 배기된다. 잔여하는 전구체가 카트리지 실린더(1822)내부의 기체 공간으로부터 배기에 의하여 모두 제거될 때, 펄싱 밸브의 입구측(1812)은 폐쇄된다. 전구체 카트리지(1800)는 이때 카트리지-로(1810)로부터 제거되고 새로운 전구체 카트리지가 카트리지-로에 배치된다.
도 20은 밀봉식 전구체 카트리지에 적합한 가열된 전구체 소스(또는 소스 시스템)을 도시한다. 가열된 전구체 소스(2000)는 소스 본체(또는 프레임워크:302), 소스 본체에 대한 단열체(304:thermal insulator), 상기 히터 카트리지 온도를 측정하기 위한 열전쌍 연결부(363) 및 전원 연결부(362)를 구비한 히터 카트리지(355), 상기 소스 본체(304)의 온도를 측정하기 위한 열전쌍 연결부(1734), 밀봉식 전구체 카트리지(2002)에 대한 공간, 퍼지 유입 도관(371: purge inlet conduit), 소스 바이패스 도관(336), 소스 유출 도관(342), 바이패스 유동 제한기(337: by-pass flow restrictor), 카트리지 유입 도관(334) 및 카트리지 유출 도관(338)을 구비한다. 펄싱 밸브(2006, 2008)는 전구체 소스의 가열된 영역(2012) 내에 있다. 소스 유출 도관(342)은 단열체(320)에 의해 둘러싸이며, 상기 도관은 반응 챔버 히터(미도시)의 방향으로부터 도달하는 열에너지를 이용하여 능동적으로 가열된다. 가열된 전구체 소스(2000)는 체결 너트(21)를 위한 쓰레드부(2004)를 포함한다. 상기 소스 유입 밸브(2006) 및 소스 유출 밸브(2008)는 폐쇄되기 때문에, 비활성 캐리어/퍼지 가스는 퍼지 유입 도관(371)을 통하여 상기 소스 바이패스 도관(336)으로 또한 추가로 상기 소스 유출 도관(342)으로 유동할 수만 있다. 상기 유동 방향은 화살표(2014, 2016, 2022)로 도시된다. 상기 바이패스 유동 제한기(337: 예를 들어 0.6mm 구멍을 가지는 20mm 길이의 유리 캐필러리)는 인접한 도관에 비교하여 제한된 유동 컨덕턴스를 가진다. 따라서, 상기 바이패스 유동 제한기의 상류로의 도관 압력은 상기 바이패스 유동 제한기의 하류로의 도관 압력보다 높다(예를 들어 3-10 hPa 더 높다).
도 21은 폐쇄된 위치에서의 밀봉식 전구체 카트리지를 도시한다. 일실시예에 따르면, 밀봉식 전구체 카트리지 조립체는 카트리지 케이싱(2102), 케이싱 밀봉부(2104: 예를 들어 O-링), 케이싱을 위한 체결 너트(2106), 상기 카트리지 케이싱(2102)에 억지끼워맞춤되며 구멍(2114)을 구비한 카트리지 어댑터(2108), 카트리지 캡(2110), 카트리지 밀봉부(2112:예를 들어 O-링), 카트리지 본체(2116), 조절 벨로우즈(2118), 카트리지 캡(2110)과 함께 카트리지 본체를 상승 또는 하강시키는 조절 스템 또는 스크류(2120) 및 상기 카트리지 본체(2116)의 온도를 측정하는 카트리지 열전쌍(2122)을 포함한다. 상기 카트리지 밀봉부(2112)로 인하여, 전구체 증기는 구멍(2114)를 통하여 가스 공간(2126)으로부터 상승 공간(2125)으로 들어가지 못한다.
상기 전구체 소스 본체(2102)는 충분한 고온(예를 들어 원하는 전구체 온도에 따라 80-150℃)으로 히터 카트리지(355)로써 1차 가열된다. 상기 히터 카트리지(355)의 최대 허용 온도는 상기 전구체 소스의 오퍼레이터에 의해 프로그램된다. 일반적으로, 최대 허용 온도는 원하는 소스 본체 온도보다 약 +50℃ 더 높다. 상기 히터 카트리지(355)에 대한 전원이 스위칭되면, 상기 히터 카트리지의 온도 및 열 에너지는 고온의 히터 카트리지(355)에서 저온의 소스 본체(2102)로 흐르기 시작한다. 상기 히터 카트리지(355)의 온도가 프로그램된 최대 허용 온도에 도달하면, 상기 히터 카트리지에 대한 전원이 스위칭되어 차단된다. 상기 소스 본체(302)는 높은 전도도를 가지며, 상기 소스 본체의 부품들간의 온도는 일정해진다. 상기 소스 본체(302)는 단열체(304)로 커버되며, 상기 소스 본체(302)의 온도는 작은 가열 전원에 의해 유지된다. 소스 본체(302)보다 낮은 온도(예를 들어 1-5℃ 더 낮은 온도)에서 전구체 카트리지의 저부에 유지되는 것이 바람직하다. 상기 전구체 카트리지의 저부면은 상기 소스 본체(302)보다 적은 단열체를 가진다. 상기 전구체 소스의 최냉점(coldest spot)은 상기 전구체 카트리지의 저부에 형성된다. 상기 소스 화학성분의 증기압은 계쇄된 가스 부피 공간 내에 최냉점 근처에서 가장 낮은 값을 가진다. 상기 소스 시스템의 최냉점은 상기 카트리지 유입 도관(334) 및 카트리지 유출 도관(338)로부터 이격되어 있기 때문에, 상기 도관으로의 소스 화학성분의 응축이 방지된다.
일실시예에 따르면, 상기 소스 본체(302)는 소스 온도로 1차 가열되고 그 다음에 액체 또는 고체 전구체(2124)로 채워진 전구체 카트리지(2116)를 지지하는 카트리지 케이싱(2102)는 케이싱의 쓰레드된 체결 너트(2106)를 죔으로써 상기 소스 본체(3202)에 대하여 케이싱 O-링(2104)로써 밀봉된다. 잔류 공기는 비활성 가스로써 공간(2125)를 세정함으로써 리프터 공간(2125)으로부터 제거된다. 소스 유입 밸브(2006) 및 소스 유출 밸브(2008)는 개방되고, 상기 퍼지 유입 도관(371)을 통하여 오게 되는 비활성 가스의 유동속도는 최저값(예를 들어 100sccm) 및 최고값(예를 들어 1000sccm) 사이에서 가변되어 도관(334, 338) 및 리프터 공간(2125) 내에 파동 압력을 생성하게 된다.
도 22는 개방 위치에서의 밀봉식 전구체 카트리지를 도시한다. 퍼지 카트리지 조립체(카트리지 어댑터(2108), 카트리지 캡(2110), 카트리지 본체(2116))는 카트리지 캡(2110) 및 카트리지 밀봉부(2112) 사이에 충분히 큰 간격(예를 들어 2-5mm)이 생길때까지 조절 스템 또는 스크류(2120)로써 들어올려진다. 전구체 증기는 구멍(2114)를 거쳐서 상기 간격을 통하여 전구체 카트리지의 증기 공간(2126)으로부터 리프터 공간(2125)으로 유동 및/또는 확산되고, 나아가 선택적인 입자 필터(2204)를 통하여 크트리지 유입 도관(334) 및 카트리지 유출 도관(338)으로 유동 및/또는 확산하게 된다. 펄스 주기 동안 상기 소스 유입 밸브(2006) 및 소스 유출 밸브(2008)는 개방된 상태로 유지된다. 바이-패스 유동 제한기(2020)의 도움으로, 퍼지 유입 도관(371)에서의 불활성 가스의 압력은 카트리지 유입 도관(334)에서 전구체 증기의 압력보다 높은 값에서 유지된다. 그 결과로서, 화살표(2202)로서 도시된 유입 도관(334)을 따라 유동하는 불활성 가스는 화살표(2206)로 도시된 카트리지 유출 도관(338)을 향하여 전구체 증기를 밀어주게 된다. 전구체 증기와 불활성 가스의 혼합체는 개방된 소스 유출 밸브(2008)를 통하여 유동하게 되며, 화살표(2016)로 표시된 바이-패스 라인(336)을 따라 화살표(2022)로 표시된 소스 유출 도관을 향하여 그리고 반응 챔버(미도시)를 향하여 작은 불활성 가스가 유동하면서 밀리게 된다. 화살표(2014, 2016, 2022, 2202, 2008)의 길이는 실제 유동의 비례의 관계에 있다.
여기서의 가열된 전구체 소스 시스템은 예를 들어 약 200℃ 미만의 온도에서 적어도 약 0.5 hPa 의 증기 압력을 가지는 액체 화합물 또는 고체 화합물로부터 전구체 증기를 생성하기에 적합하다. 존재하는 가열된 전구체 소스 시스템으로써 사용되는 화합물은 할로겐화 금속(예를 들어 AlCl3, TaCl5), 시클로펜타디에닐메탈(cyclopentadienylmetals), 및 시클로펜타디에닐메탈의 유도체(예를 들어, 비스(시클로멘타디에틸)루테늄(Cp2Ru), 트리즈(메틸시클로펜타디에닐)스칸듐 ((CH3Cp)3Sc), 비스(메틸-η5-시클로텐타디에닐)마그네슘), 알콕시화 금속 (예를 들어, 티타튬 이소프로폭사이드(Ti(OiPr)4), 탄탈륨 펜타에톡사이드 (Ta(OEt)5)), 메탈베타디케토네이트(예를 들어, 트리스(2, 2, 6, 6-테트라메틸-3, 5-헵탄에디오나토) 란타늄 La(thd)3), 비스(아세틸아세토나토) 니켈 Ni(acac)2), 알킬아미도 메탈(예를 들어, 테트라키스(에틸메틸)아미도 하프늄 [TEMAH 로 알려진 (EtMe)N]4Hf]를 포함한다.
129가열된 전구체 소스로부터 얻어진 전구체 증기로 증착될 수 있는 박막은 산화 마그네슘(MgO)을 포함하는 IIA 족 산화물, 산화스칸듐(Sc2O3), 산화이트륨(Y2O3), 산화란타늄(La2O3), 산화란타늄 계열, 예를 들어, 산화가돌리늄(Gd2O3)을 포함하는 IIIB 족 산화물, 이산화티타늄(TiO2), 이산화지르코늄(ZrO2), 이산화하프늄(HfO2)을 포함하는 IVB 족 산화물, 오산화탄탈륨(Ta2O5)을 포함하는 VB 족 산화물, 삼산화 텅스텐(WO3)을 포함하는 VIB 족 산화물, (III)산화마그네슘(Mn2O3)를 포함하는 VIIB 족 산화물, 이산화루테늄(RuO2)을 포함하는 8족 산화물, (II) 산화니켈(NiO), (II) 산화구리(CuO)을 포함하는 IB족 산화물, 산화아연(ZnO)을 포함하는 IIB족 산화물, 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 IIIA족 산화물, 이산화규소(SiO2) 및 이산화주석(SnO2)을 포함하는 IVA족 산화물, 산화비스무트(Bi2O3)의 VA족 산화물, 알루미늄산염 금속 및 규산염 금속과 같은 족의 삼원 또는 4원 금속 산화물, Al2O3/HfO2와 같은 이러한 족의 나노라미네이트 산화 금속 및 산화 금속의 고체 용액, 질화란타늄(LaN)을 포함하는 IIB족 질화물, 질화티타늄(TiN)을 포함하는 IVB 질화물, 질화니호븀(NbN) 및 질화탄탈륨(Ta3N5)을 포함하는 VB 족 질화물, 질화몰리브덴을 포함하는 VI 족 질화물, 질화알루미늄(AlN)을 포함하는 IIIA족 질화물, 질화규소(Si3N4)를 포함하는 IVA족 질화물, 탄화질화텅스텐(WNxCy)을 포함하는 다른 금속 화합물을 포함하는 질화물 금속을 포함한다.
가열된 전구체 소스의 소스 온도는 약 40-200℃의 온도 범위의 실시예에서 선택될 수 있다. 이러한 범위는 순간적인 일반적인 범위일 수 있으며, 다른 실시예에서는 더 높은 온도가 적절할 수도 있다. 가열된 전구체 소스의 작동 압력은 다른 실시예에서 더 낮거나 높은 온도의 소스 압력이 가능하다고 하더라도 증착 과정에서 약 0.5-50hPa의 범위가 일반적이다. 가열된 전구체 소스는 3"-12" 실리콘 웨이퍼와 같은 단일 기판, 3"-12" 실리콘 기판의 2-50와 같은 배치 단계 반응기상의 다중 기판, 1㎛-1mm SiO2 의 1-1000g 과 같은 파우더 카트리지 반응기의 파우더상에 박막을 증착하는데 사용될 수 있다. 가열된 전구체 소스는 ALD반응기의 전구체 증기의 펄스 공급에 바람직하거나 CVD 반응기의 전구체 증기의 연속 공급에 사용될 수 있다. 일반적으로 1-3개의 가열된 전구체 소스들은 ALD 반응기에 부착된다. 이러한 실시예에서, 3개 이상의 가열된 전구체 소스들이 반응기에 부착된다. 가열된 전구체 소스의 용량은, 어떠한 실시예에서는 100g 이상의 소스 화합물이 제조 목적으로 소스 용기에 로딩되지만, 일반적으로는 1-100g 이 된다
구성 재료의 선택은 소스 화합물에 따라 결정된다. 예를 들어 구성 재료의 예로서 알루미늄, 스테인레스스틸(AISI 316L). 티타늄, 니켈, 하스텔로이(hastelloy)가 구성 재료로서 사용될 수 있다.
본 발명의 임의의 실시예에서, 히터 및 단열체와 함께 전체 가열된 전구체 소스는 반응기에 쉽게 부착되고, 소스의 재충전을 위하여 반응기로부터 제거될 수 있다. 소스 시스템의 온도가 간단한 단일 히터로써 제어될 수 있는 것은 또다른 장점이 된다.
예
아래의 예들은 임의의 실시예의 추가적인 예시를 보여준다.
예 1 - 가열된 전구체 소스의 증기-생성 용량
변환 인자:
100㎤ = 0.1dm3 = 1*10-4m3
1 mbar = 100Pa = 1 hPa
TEMAH 로 알려진 테트라키스(에틸메닐아미도) 하프늄은 소스 화합물로서 사용된다. 전구체의 평형 증기 압력이 +104℃에서 3hPa 가 되고 라인 압력이 15hPa 가 되면, 그 결과의 가스-증기 혼합물은 3 hPa/15hPa*100 vol.-% = 20 vol.-% 전구체를 함유한다. 전구체 카트리지의 증기상 부피는 100㎤ 이다. 상기 소스 압력이 펄스 동안에 5hPa 로 낮추어진다면, (15hPa-5hPa)/15hPa*100% = 67%의 전구체가 전구체 카트리지로부터 가이드되어 나온다. 67%*3hPa*100㎤ = 200mbar*㎤.
소스 압력이 +104℃(377K)이면, 기체 이상 방정식 pV = nRT에 따라, n = pV/RT = 200Pa*1*10-4㎥/(8.31441 Jmol-1K-1*377K) = 200N/m2*1*10-4㎥/(8.31441 Nmmol-1K-1*377K) = 0.02 Nm/3135Nmmol-1 = 0.00000638 mol 및 m(TEMAH) = 411.89g/mol*0.00000638mol = 0.00263g = 2.63mg.
이러한 실시예에서, 25%의 전구체 증기는 기판 표면상에 화학흡착되고, 75%의 전구체 증기는 반응기 챔버 벽상의 성장 박막 또는 ALD 반응기의 배기 라인으로 직접 손실된다. HfO2의 최대 밀도는 9.68g/㎤ (9.68mg/mm3 = 9.68*10-9mg/㎛3). 문언상으로, TEMAH 및 H2O로부터의 HfO2의 성장율은 +300℃에서 0.06nm/cycle 이다. 따라서, 매끄러운 1 ㎠ 표면 상에 추가된 HfO2 양은 0.06nm*0.01*109nm*0.01*109nm = 6*1012nm3 = 6000㎛3 이며, 질량은 9.68*10-9mg/㎛3*6000㎛3 = 0.0000581mg 이다. 이산화하프늄의 몰질량(M(HfO2))는 210.49g/mol 이며, TEMAH 의 몰질량은 411.89g/mol 이다. 따라서, 411.89g/mol/210.49g/mol*0.0000581mg = 0.00011mg 의 TEMAH 가 매끄러운 면의 1㎠을 커버하는데 필요하며, 25%의 화합흡착율로써, 0.00045mg 의 TEMAH 증기는 1㎠의 매끄러운 기판 표면을 커버하기 위하여 반응기 챔버에 공급되어야 한다. 전구체 소스는 전구체 펄스 동안에 2.66 mg 의 TEMAH 를 운반하게 되어서, 4-인치 웨이퍼이 75 조각을 배치처리하기에 충분한 2.66 mg/0.00045mg/㎠ = 5900㎠ 의 매끄러운 기판 표면을 커버할 수 있게 된다. 3hPa 에서 0.5hPa로 80% 증기 압력이 감소된 소스 화합물로써 100㎤ 에서 10㎤로 90% 증기 부피가 감소된 가열된 전구체 소스는 단일 100mm(4인치) 웨이퍼를 코팅하기에 충분한 5900㎠*0.1*0.2 = 118㎠의 면적상에 박막을 증착하기에 충분한 전구체 증기를 이미 제공하는 것으로 예상될 수 있다.
소스 시스템의 온도는 소스 카트리지의 저부에 인접하게 위치한 열전쌍으로써 측정된다. 상기 소스 시스템은 소스 프레임워크 내에 배치된 저항성 히터로써 가열된다. 상기 히터는 히터 온도를 측정하기 위한 내부 열전쌍을 포함한다. 히터의 전력 소비는 50-500W, 바람직하게는 100-200W 의 범위에 있는 것이 일반적이다. 이러한 낮은 전력 소비는 다른 실시예에서 펄스 라인 AC 볼트가 히터를 구동하는 온도 제어기로써 사용되더라도, PID 온도 제어기를 구비한 24VDC 전원이 히터를 구동하기 위하여 사용될 수 있음을 의미한다. 소스 유출 도관은 2방향으로부터 적극적으로 가열된다. 열은 소스 유출 도관의 저부를 향하여 소스 프레임워크로부터의 전도에 의해 이동하고 반응 챔버 히터로부터 소스 유출 도관의 상부로의 복사 및 대류에 의해 이동한다. 단열층 및 피드-쓰루 돌기부(feed-through projection)을 통하여 열손실이 최소화된다. 피드-쓰루 돌기부는 반응기의 중간 공간으로부터 피드-쓰루 플랜지로 연장된다. 외측 피드-쓰루 돌기부과 내측 피드-쓰루 돌기부 사이의 외측의 비어있는 간격은 열전도 경도를 연장시켜서 반응기의 저부 플랜지에 전도에 의한 열손실량을 감소시키게 된다. 기둥 형상의 넥 절연체는 밀봉 죔 너트를 둘러싸게 된다. 열 평형 블럭 및 내측 피드-쓰루 돌기부 사이의 내측 빈 간격으로 인하여 열 평형 블럭으로부터 반응기의 저부 플랜지로 열이 이동하는 것이 어렵게 된다. 다른 실시예에서, 피드-쓰루 영역은 전구체 증기의 응축 온도보다 높은 소스 라인 온도를 유지하기 위하여 다른 히터를 구비할 수 있다.
상기 소스 시스템은 넥 절연체를 제거하고 밀봉 죔 너트를 풀어줌으로써 반응기의 저부 플랜지로부터 피드-쓰루 돌기부 없이도 분리될 수 있다. 상기 소스 시스템은 클램핑 밀봉부를 풀어줌으로써 반응기의 저부 플랜지로부터 피드-쓰루 돌기부로써 분리된다. 200-250℃ 까지의 온도에도 견디는 실리콘 고무는 단열체에 적합한 재료의 예가 될 수 있다. 매우 컴팩트한 소스 시스템을 형성하기 위하여, 단열되는 표면은 "Supertherm®"와 같은 단열 세라믹 페인트로 코팅될 수 있다. Supertherm® 페인트는 연속적으로 약 260℃를 견딜 수 있으며 열전도와 적외선 복사를 차단한다. 대류에 의한 연손실은 건조된 페인트의 고체 구조에 의하여 매우 작게된다. 비교값으로서, 건조된 세라믹 페인트의 0.25-0.5mm 두께층은 고무 발포체의 100mm 두께의 부재만큼 효율적으로 프레임워크를 절연하기에 충분하다.
상기 소스 카트리지는 카트리지 본체, 카트리지 밀봉부 및 선택적인 입자 필터를 포함한다. 팁을 구비한 쓰레드된 카트리지 플랜지는 소스 프레임워크에 대하여 카트리지 본체를 밀어주게 되며, 카트리지 본체 및 소스 프레임 워크 간의 압축된 카트리지 밀봉부로 인하여 카트리지는 대기 중에 누설이 차단된다. 상기 카트리지 밀봉부는 예를 들어 200-230℃까지 견디는 비톤(Viton) 고무 또는 퍼플루오리네이트된 고무(perfluorinated rubber)(예들 들어, "Kalrez®", "Simriz®", "Chemraz®")로 된 O-링일 수 있다. 소스의 밀붕부에 대한 다른 적절한 재료는 예를 들어 Eriks O-링 기술 매뉴얼에서 선택될 수 있다.
소스 도관의 팁은 예를 들어 공차 결합, VCR 결합 또는 금속 페룰 결합에 의해 반응기 챔버에 부착될 수 있다.
예 2 - 가열된 전구체 소스를 구비한 오산화탄탈륨(Ta2O5)의 증착
탄탈륨 펜타에톡사이드 (Ta(OEt)5) 및 물은 핀란드의 피코선 오이(Picosun Oy)에 의해 제조된 "SUNALETM R-150 ALD" 반응기의 반응 공간내의 4" 실리콘 기판에 Ta2O5 박막을 증착하기 위하여 전구체로서 사용되었다. Ta(OEt)5 는 도기 온도 근처에서 점성 액체이며 +120℃ 에서 10 hPa의 증기압을 가지는데, 여기서 1hPa는 100Pa = 1 mbar 이다. Ta(OEt)5 는 대기 온도 근처에서 무시할만한 증기압력을 가지며, 가열된 전구체 소스는 상승된 소스 온도에서 중분한 소스 증기 압력을 억는데 사용되었다. Ta(OEt)5 는 가열된 전구체 소스의 반경방향 축 밀봉부로 밀려지는 유리 카트리지에 바늘 및 실린지로써 로딩된다. 물은 대기 온도의 액체임, 20℃에서 23hPa 의 증기압력을 가진다. 액체 전구체 소스는 25℃의 대기 온도 근처에서 물을 증기화하기 위하여 사용되었다.
100mm 실리콘 웨이퍼가 기판으로서 사용되었다. 기판은 기판 홀더에 놓여지며 홀더는 ALD 반응기의 반응 챔버로 낮추어졌다. 반응 공간 및 중간 공간은 기계적 진공 펌프로써 1hPa 절대압력 아래로 낮아지게 펌핑되었다. 진공 펌프가 운전하는 e동안, 반응 공간의 압력은 유동하는 질소 가스에 의해 약 1-3hPa 의 압력 범위로 조정되었다.
중간 공간의 압력은 반응 공간의 압력보다 약 3-5 hPa 높게 유지되어, 전구체 증기는 반응기 공간으로부터 중간 공간으로 누출되지 않게 된다. 다른 실시예에서, 가스들이 반응 공간으로부터 배기 라인으로 신속하게 제거될 수 있고 반응 가스들이 중간 공간을 향하여 누설되지 않는 한, 다른 종류의 압력 범위도 가능하다. 상기 반응 공간은 기판의 가열을 가속화하기 위하여 300℃로 예비가열되었다. 반응 공간 내에서 압력이 평형화된 후에, 반응 공간 내의 온도가 일정해질 때까지 약 5분 동안 처리 제어가 대기되었다.
4가지 기본 순차 단계들로 증착 싸이클이 구성된다: Ta(OEt)5 증기 노출 시간(0.2s), 제 1 제거 시간(2.0s), H2O 증기 노출 시간(0.1s), 제 2 제거 시간(4.0s). 처리 제어 유니트가 1000 개의 동일한 증착 싸이클로 구성된 증착 순서를 완료하면, 펌프 밸브는 닫혀지고 반응기는 대기압으로 순질소 가스를 배기시킨다. 기판 홀더는 반응기 챔버로부터 들어올려졌고 기판은 측정을 위하여 기판 홀더로부터 로부터 언로딩되었다.
증착 실험의 결과로서, 40nm 의 두께를 가진 Ta2O5 박막이 기판상에 형성되었다. Ta2O5 의 성장율은 300℃에서 0.07nm/cycle 이었다.
예 3 - 3가지 전구체 소스들로써 도핑된 산화 금속 박막을 증착
ALD 반응기는 디에틸징크(DEZ)가 로딩된 "PicosolutionTM" 전구체 소스, 저오하된 물이 로딩된 "PicosolutionTM" 전구체 소스 및 비스(메틸-η5-시클로펜타디에틸 마그네슘(CPMM)으로 로딩된 "PicosolutionTM" 전구체 소스를 구비한다. CPMM 소스는 +95℃로 가열되어, 증기압은 약 10hPa 가 되었다. 물 소스 온도는 펠티에 요소 쿨러로써 제어되어, 대기 온도보다 높은 온도가 다른 실시예에서 사용되어 소스 라인이 물의 응축을 방지하기 위하여 충분히 단열되더라도 물 소스의 온도는 대기 온도보다 약간 낮은 온도가 된다. 이러한 증착 예에서, 냉각된 물 소스의 온도는 +18℃가 되었다.
ALD 반응기의 반응 챔버는 +250℃로 가열되었다. 6인치 실리콘 웨이퍼는 반응 챔버로 로딩되었다. 반응 챔버 온도로 웨이퍼의 온도를 균형시키도록 균형 타이머는 약 5분으로 설정되었다.
*수증기는 수산화(OH)족으로써 기판 표면을 포화시키기 위하여 반응 챔버로 1차 펄스되었다. 일실시예에 따르면, 기판 표면이 박막 성장을 시작하기 위하여 충분한 수산화족을 함유하기 때문에 금속 전구체에 바로 펄스를 시작하는 것이 가능하였다.
다음으로, 증착 프로그램은 질소 퍼지 가스와 분리된 수증기, DEZ, CPMM 의 펄스를 공급한다. 그 결과, Mg 로써 도핑된 n-타입의 ZnO 박막은 2 옴스트롱/cycle 의 성장율로 웨이퍼에서 성장되었다.
본 발명의 장점은 위에서 설명되었다. 물론 본 발명의 특정 실시예에 따라 이러한 모든 장점이 필수적으로 얻어지는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 통상의 기술자는 본 발명은 여기서 교시되고 제안된 바와 같이 다른 목적이나 장점을 필수적으로 달성하지는 않으면서도 교시된 바와 같이 하나의 장점 또는 장점의 그룹을 최적화하거나 달성하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있다.
비록 본 발명은 임의의 바람직한 실시예를 통하여 설명되었지만, 통상의 기술자는 설명된 실시예를 넘어서 다양한 실시예 및/또는 본 발명의 사용례 그리고 그에 균등하거나 수정례에 까지 본 발명이 연장될 수있음을 이해한다. 또한, 본 발명의 다수의 변형례가 도시되고 설명되었고, 본 발명의 범위에 속하는 다른 변형예도 이렇나 설명에 기초하여 통상의 기술자에게 자명하다. 예를 들어, 이러한 실시예들의 특정 구성 및 형태의 다양한 조합 및 부(sub)조합이 본 발명의 범위 내에서 가능하게 된다. 따라서, 설명된 실시예의 다양한 특징 및 구성이 다른 것과 치환되거나 결합되어 설명된 발명의 변형예가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 특정 실시예에 한정되지 않으며 하기의 청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100:전구체 소스(100) 104: 펄싱 밸브
102: 도관 108: 인-피드 도관

Claims (22)

  1. 가열된 영역을 제공하는 가열된 열전도성 소스 본체;
    가열된 열전도성 소스 본체에 부착된 제 1 펄싱 밸브 및 제 2 펄싱 밸브; 및
    상기 제 1 펄싱 밸브로부터 제 2 펄싱 밸브로 이어지되, 유동 제한기를 포함하는 바이패스 도관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제거가능한 전구체 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    최냉각 스팟을 상기 전구체 카트리지의 하부에 배치하도록 상기 전구체 카트리지의 측면에 가열 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전구체 카트리지의 상부에 입자 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입자 필터는 운반 가스 공간 및 전구체 가스 공간을 분리하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전구체 가스 공간은 상기 입자 필터만을 경유하여 상기 운반 가스 공간과 유체 연통하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 바이패스 도관에 추가하여,
    상기 전구체 소스는, 상기 전구체 카트리지를 통하여 상기 제 1 펄싱 밸브로부터 제 2 펄싱 밸브까지의 가스 루트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 펄싱 밸브로부터 상기 전구체 카트리지로 이어지는 유입 도관, 및 상기 전구체 카트리지로부터 상기 열전도성 소스 본체에 의해 제공된 가열된 영역 내부의 상기 제 2 펄싱 밸브로 이어지는 유출 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 도관은 가열된 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 제한기는 고정된 유동 제한기인 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 제한기로서 기능하는 협폭의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체 소스는 반응 챔버 인-피드-라인에 부착될 수 있는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열된 열전도성 소스 본체는 단열 커버에 의해 덮인 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 펄싱 밸브 및 상기 제 2 펄싱 밸브는 다이아프램 밸브인 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 펄싱 밸브 및 제 2 펄싱 밸브는 3방향 밸브(three-way valve)인 것을 특징으로 하는 전구체 소스
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 펄싱 밸브는 1개의 유입구와 2개의 유출구를 구비하며, 상기 제 2 펄싱 밸브는 1개의 유출구와 2개의 유입구를 구비하되, 상기 전구체 소스는 전구체 카트리지 공간을 통하여 상기 제 1 펄싱 밸브로부터 상기 제 2 펄싱 밸브까지의 가스 루트를 구비하는 것을 특징으로 하는 전구체 소스.
  20. 제 1 항 내지 제 14 항, 제 18 항 및 제 19 항 중 어느 한 항의 전구체 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 반응기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 증착 반응기는 원자층 증착 반응기인 것을 특징으로 하는 증착 반응기.
  22. 제 20 항에 있어서,
    반응 챔버를 둘러싸는 진공 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 반응기.
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