KR19980020910U - 액상반응원료의 기화장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 액상반응원료의 기화장치에 관한 것으로, 특히 인젝트를 통해 분사된 용액성 반응원료를 입자화시키는 입자화 영역과, 상기 입자화된 반응원료를 고온 가열된 기화부재와 접촉시켜 순간적으로 기화시키는 기화영역과, 상기 기화영역과 입자화 영역의 사이에 위치하여 고온으로 가열된 기화영역으로부터 입자화 영역으로의 온도전달을 차단시키기 위한 열차단부로 구성되어, 반도체 소자 제조공정중 MOCVD 법에 의한 박막 증착시 용액성 반응원료를 박막형성이 용이하도록 기상으로 바꾸어 박막증착의 재현성을 달성할 수 있게 하여 반도체 소자의 제조수율을 향상시킬 수 있는 액상반응원료의 기화장치에 관한 것이다.

Description

액상반응원료의 기화장치

본 고안은 액상반응원료의 기화장치에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조공정중 엠.오 소스(Metal Organic Source)를 이용하여 박막(Thin Film)을 증착하는 엠.오 시.브이.디(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: 이하 MOCVD 라 칭함.)법에 있어서, 용액성 반응원료를 박막 형성이 용이하도록 기상(Vapor Phase)으로 바꾸어 박막증착의 재현성을 달성할 수 있게 하여 반도체 소자의 제조수율을 향상시킬 수 있는 액상반응원료의 기화장치에 관한 것이다.

종래의 용액성 반응원료의 기화방법은 반응원료가 담긴 용기(Bottle)를 반응에 필요한 충분한 증기압을 얻을 수 있는 온도로 가열한다.

그 다음 상기 용기내에서 기화된 반응원료를 질소나 아르곤의 운반가스(Carrier Gas)를 불어넣어 반응로에 공급하는 버블링(Bubbling) 방식이 주로 사용되어 지고 있다.

그러나 상기의 방식은 반응원료를 고온으로 장시간 유지해야 함에 따라 반응원료가 열화되는 현상이 발생되며, 상기 반응원료의 열화는 재현성 있게 증착공정을 달성할 수 없으며, 신뢰성 있는 박막의 형성을 얻을 수 없는 문제점이 있다.

또한 상기한 바의 문제점을 해결하기 위해 최근 개발되어 사용되는 기화 장치들에 있어서는, 이미 앞에서 언급한 반응원료를 액체상태로 기화기로 보내 고온 가열시키는 방법의 액상 액상 플래쉬 증발(Liquid Flash Evaporation) 방법이 사용되고 있으나, 상기와 같은 방법은 기화기에 공급되는 반응원료의 양이 전부 기화되지 못하는 문제점을 안고 있으며, 아울러 여러번 반복 사용함에 따라 기화기 내부 여러곳에 고체화된 반응원료가 형성되어 통로가 막히게 되는 문제점이 있다.

따라서 본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 액상의 반응원료를 미세입자로 입자화시키고, 입자화된 반응원료를 고온으로 가열된 기화부재와의 충돌에 의한 열전달로 순간적으로 기화시켜 액상의 반응원료를 효과적으로 기화시킬 수 있도록 한 액상반응원료의 기화장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 고안에 따른 액상반응원료의 기화장치의 구조를 도시한 단면도

도 2 는 상기 도 1 에 도시된 기화장치중 액상반응원료의 미세 입자화하는 원리를 도시하기 위한 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 인젝터2 : 운반가스 용기

2a : 이송관3 : 냉각경로

4 : 금속필터5, 7 : 실링부재

8 : 기화부재9 : 온도 감지기

10 : 히터11 : 열차단부재

12 : 히터블럭 본체13 : 히터블럭 커버

14 : 기화원료 출구

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 액상반응원료의 기화장치에 따르면, 최상부에 위치하여 용액성 반응원료를 공급하는 인젝터와, 상기 인젝터와 함께 상부에 위치하며 운반가스를 공급하는 운반가스 공급부와, 상기 공급된 용액성 반응원료를 통과시켜 일정크기 이하의 입자로 입자화 시키는 금속필터로 구성되는 반응원료 입자화부와; 상기 입자화부로부터 입자화된 반응원료를 공급받으며, 일정온도 이상의 고온상태로 유지되어 상기 입자화된 반응원료와 접촉하여 반응원료를 기화시키는 기화부재와, 상기 기화부재를 고온상태로 유지하기 위해 상기 기화부재의 인접부에 설치된 히터와, 상기 히터에 의한 기화부재의 온도조절을 위해 기화부재의 인접부에 설치된 온도감지 센서로 구성되는 반응원료 기화부와; 상기 반응원료 입자화부와 기화부의 사이에 위치하여 고온의 기화부로부터 전달되는 열을 차단하여 반응원료를 실온에서 입자화시킬 수 있도록 하는 열차단부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 고안의 상세한 설명을 하기로 한다.

도 1 은 본 고안에 따른 액상반응원료의 기화장치의 구조를 도시하기 위한 단면도이다.

상기 도면을 참조하면, 본 고안에 따른 액상반응 원료의 기화장치는 인젝트를 통해 분사된 용액성 반응원료를 입자화시키는 입자화 영역(A)과, 상기 입자화된 반응원료를 고온 열처리된 기화부재와 접촉시켜 순간적으로 기화시키는 기화영역(C)과, 상기 기화영역(C)과 입자화 영역(A)의 사이에 위치하여 상기 고온으로 가열된 기화영역(C)으로 부터 입자화 영역으로의 온도전달을 차단시키기 위한 열차단부(B)로 크게 구성된다.

먼저, 용액성 반응원료가 입자화되는 입자화 영역(A)의 구성에 대해 설명하기로 한다.

본 고안에 따른 액상반응 원료의 기화장치의 입자화 영역(A)은 내부로 액상용액을 공급하는 인젝터(1)와, 운반가스가 수용된 용기(2) 및 상기 인젝터(1)와 운반가스 용기(2)로부터 용액성 반응원료와 운반가스를 운반하기 위한 이송관(1a, 2a)과, 상기 인젝터(1)의 하부에 위치하여 액상 용액을 입자화 시키기 위한 금속필터(4)와, 입자화 영역(A)의 온도상승을 막기 위한 냉각 경로(3) 등으로 구성되어 있다.

액상용액을 상기 금속필터(4)로 공급하는 상기 용액성 반응원료 인젝터(1)는 용액을 일정량으로 공급시키기 위해 공급유량을 조절하는 유량 제어기(미도시)에 연결되어 있으며, 상기 인젝터(1)에 가해지는 용액의 압력은 유량 제어계에서 밀어주는 압력과 이송관(1a)의 관 크기에 의해 정해지므로, 상기 공급관(1)의 직경은 1mm 전후의 작은 직경의 크기로 한다.

운반가스를 공급하기 위한 가스 공급부(2)는 운반가스를 그 하부에 위치한 금속필터(4)에 고르게 분사시켜 주기 위해 균일하게 배열된 다수개의 운반가스 공급홀(미도시)에 운반가스를 공급한다.

상기 운반가스 공급부(2)로부터 나온 운반가스는 금속필터(4)까지 이송관(2a)를 통해 1mm 이하의 작은 직경으로 구성되게 하여 여러개의 홀에 운반가스가 분배되도록 한다.

다음 상기 액상의 반응원료와 운반가스가 공급되는 통로의 하부에 위치한 금속필터(4)는 입자화되지 않은 용액성 반응원료를 입자화시키는 부분으로서, 금속필터(4)의 그물망을 통과하여 입자화된 반응원료의 크기가 소정크기 이하의 미세입자로만 형성되도록 그물망의 크기가 정해진다. 예컨대, 상기 그 망의 크기가 40 ~ 10 ppi(pore per inch)로 형성한다.

또한 상기 금속필터(4)의 형상을 반응원료가 분사되는 인젝터(1) 방향으로 그 중앙부가 볼록하게 형성되게 하여 금속필터(4)의 앞과 뒤에 형성되는 압력차를 평형하게 이룰 수 있도록 한다.

다음 입자화된 반응원료가 금속필터(4)를 통해 빠져 나오는 통로를 형성하며 하부의 기화영역(C)으로 발생되는 고온의 열을 차단시키는 열차단부(B)는 온도전달을 차단시키기 용이한 재질 예컨대, 세라믹으로 형성된다.

한편 상기 열차단부(B)와 입자화 영역(A)은 체결볼트(5)로 상호 연결시키도록 하되, 그 경계부에는 기화기 기체의 진공 실링을 위한 실링부재 예컨대, 오-링(5)과 같은 실링부재를 설치한다.

상기 도시된 기화영역(C)은 입자화된 용액성 반응원료를 통과시킬 때 순간적으로 기화시키기 위한 부분으로 열을 가열하기 위한 히터(10)와, 내부온도를 감지하여 제어하기 위한 온도 감지기(9)와 유동체가 흐를 수 있고 고온의 열이 잘 전달될 수 있는 기화부재(8) 등으로 구성된다.

이때, 상기 온도 감지기(9)는 서멀커플(Thermal couple)을 사용할 수 있으며, 상기 기화부재(8)는 입자화된 반응원료가 통과할 수 있도록 스폰지 형태로 구성된 알루미늄 혹은 두랄루민 재질로 된 거품(Foam) 스폰지로 형성된다. 상기 기화부재(8)의 측방에 위치한 히터(10)로부터 열을 받으면 고온의 온도를 그대로 유지하게 된다.

또한 상기 온도 감지기(9)는 히터(9)와 기화부재(8)의 사이에 위치하여 기화부재(8)의 온도를 감지하여 조절할 수 있도록 한다.

도 2 는 상기 입자화 영역(A)에서 용액성 반응원료가 입자화되는 원리를 도시하기 위한 도면이다.

상기 도면을 참조하면, 용액성 반응원료는 인젝터(1)를 통해 흘러 나올 때 용액성 반응원료를 밀어주는 압력을 Ps 라 할때, 이때 작용하는 압력은 금속필터를 향하여 가압하는 형태로 작용한다. 또한 운반가스의 작용 압력을 P_G라 할때 금속필터(4)에 대해서 가압의 압력이 작용한다.

한편, MOCVD 법은 저압에서 사용됨에 따라 챔버에 작용하는 펌핑 압력의 저압이 전달되어 금속필터에 대해서 감압형태가 작용한다.

또한 용액성 반응원료의 통과 및 운반가스의 통과는 금속필터(4)의 통과 허용크기 및 두께에 의해 유속이 달라지게 되며, 이때 용액성 반응원료가 압하는 압력 P_S및 운반가스가 가하는 압력 P_G에 역으로 작용하는 압력의 저항요소를 R_f로 표현할 수 있다.

이와같이 금속필터(4) 주위로 작용하는 압력의 차이를 이용하여 반응원료가 흘러나와 금속필터내로 흘러들어가면 운반가스가 밀어내는 압력 P_G와 챔버에서 끌어 당기는 압력 P_C에 의해 용액성 반응원료가 금속필터(4)를 관통하게 되며 이때 관통할 때는 금속필터(4)의 통과 입자 허용크기에 의해 입자의 크기가 작아지게 된다.

또한 도 1에서 기화부재(8)를 이용한 고온 기화방법은 입자화된 용액성 반응원료가 고온의 다공질 포옴(8)을 통과할 때 반응원료 입자가 포옴(8)과 접촉함에 따라 순간 고온의 열전달을 받게 됨에 따라 기화된다.

이상 상술한 바와 같이, 본 고안에 따른 액상반응 원료의 기화장치를 이용하면 높은 온도에서나 기화되는 반응원료도 쉽게 기화시킬 수 있으며, 공급되는 반응원료를 충분히 기화시켜 반응로에 공급함에 따라 증착반응의 재현성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한 반응원료 선택에서도 용매의 종류 및 몰 농도에 관계없이 선택할 수 있는 장점을 제공해 줄 수도 있다. 이와같은 효과는 고온에서도 기화되기 어려운 반응원료를 용이하게 기화시킬 수 있으며, 반응원료에서 분리되어 고체 덩어리로 결집되어 기화기를 막히는 문제점 등을 해결할 수 있다.

Claims (7)

1. 최상부에 위치하여 용액성 반응원료를 공급하는 인젝터와, 상기 인젝터와 함께 상부에 위치하며 운반가스를 공급하는 운반가스 공급부와, 상기 공급된 용액성 반응원료를 통과시켜 일정크기 이하의 입자로 입자화 시키는 금속필터로 구성되는 반응원료 입자화부와;

   상기 입자화부로부터 입자화된 반응원료를 공급받으며, 일정온도 이상의 고온상태로 유지되어 상기 입자화된 반응원료와 접촉하여 반응원료를 기화시키는 기화부재와, 상기 기화부재를 고온상태로 유지하기 위해 상기 기화부재의 인접부에 설치된 히터와, 상기 히터에 의한 기화부재의 온도조절을 위해 기화부재의 인접부에 설치된 온도감지 센서로 구성되는 반응원료 기화부와;

   상기 반응원료 입자화부와 기화부의 사이에 위치하여 고온의 기화부로부터 전달되는 열을 차단하여 반응원료를 실온에서 입자화시킬 수 있도록 하는 열차단부로 구성되는 것을 특징으로 하는 액상반응 원료의 기화장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속필터는 반응원료 인젝터부를 향하여 중앙부가 볼록한 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 액상반응 원료의 기화장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속필터는 통과되는 반응원료의 입자 크기를 미세화하기 위해 그 망의 크기가 40 ~ 10 ppi 인 것을 특징으로 하는 액상반응 원료의 기화장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 열단차부는 세라믹으로 제조된 것을 특징으로 하는 액상반응 원료의 기화장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 입자화된 반응원료와 접촉하여 반응원료를 기화시키는 기화부재는 거품형태의 스폰지로 형성된 것을 특징으로 하는 액상반응 원료의 기화장치.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 기화부재의 표면에 백금이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 액상반응 원료의 기화장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 반응원료의 입자화부내에 반응원료의 실온유지를 위해 내부에 냉각수가 일정한 경로를 따라 움직이는 냉각경로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액상반응 원료의 기화장치.