KR19990006704A - 오존 유량 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 오존 가스 공급 유량을 제어하기 위한 오존 유량 제어 장치는 오존 가스가 공급되는 유입관과, 바이패스관과 유입관으로부터 분기된 센서관과, 센서관의 온도 변화를 측정하고 오존의 유량에 대응하는 제어 신호를 발생시키기 위한 제어 신호 발생기 회로와, 바이패스관과 센서관에 연결된 배출관과, 배출관 내에 마련되고 제어 신호에 대응하여 제어된 개구를 갖는 밸브와, 센서관에 공급된 오존 가스를 소정의 온도로 가열하기 위한 히터를 포함한다.

Description

오존 유량 제어 장치
본 발명은 오존 유량 제어 장치에 관한 것이고, 특히 질소 가스를 함유한 오존 가스의 유량을 제어하기 위한 오존 유량 제어 장치에 관한 것이다.
소위 대기압 CVD는 반도체 장치의 반도체 웨이퍼 상에 박막을 형성하기 위한 방법 중 하나이다. 일예로, 대기압 CVD에서, 박막은 오존 가스(O3)와 TEOS (Si(OC2H5)4)와 같은 가스를 반응실 내로 도입하고 오존 가스와 TEOS의 반응 생성물을 웨이퍼 상에 전착시킴으로서 형성된다. 소정의 요소를 함유한 그러한 박막을 얻기 위해, 대기압 CVD 장치의 가스 공급 장치 내에 마련된 유량 제어 장치에 의해 가스 유량이 소정치 만큼 반응실 내로 유입되도록 유지시키는 것이 필요하다. 도1은 종래의 대기압 CVD의 가스 공급 장치의 하나의 예를 도시한 블록 선도이다. 종래의 기술에 대해서는 도1을 참고로 하여 설명하기로 한다. 도1에서, 산소 가스(O2)와 질소 가스(N2)를 오존 발생기(1)에 공급하기 위한 공기 밸브(2, 3)가 각각 마련되고, 산소 가스와 질소 가스의 혼합물은 가스 유량을 조절하기 위한 유량계(MFM)(12)에 공급된다. 질소 가스 라인에서, 질소 가스 유량을 제어하기 위한 유량 컨트롤러(MFC)(4)는 공기 밸브(3)의 입력측에 연결된다. 공기 밸브(5)는 오존 발생기(1)의 출력측에 연결되고 유량 컨트롤러(7)는 오존 가스를 대기압 화학 증착(CVD)실로 유동시키기 위해 오존 발생기(7)의 입력측에 연결된다. 공기 밸브(5)에 대해 교호식으로 온-오프 제어되는 공기 밸브(6)는 질소 가스를 대기압 CVD실로 유동시키기 위해 공기 밸브(5)와 유량 컨트롤러(7) 사이에 연결된다.
한편, TEOS 가스 공급 장치는 공기 밸브(9)와 대기압 CVD실(8)에 연결된 유량 컨트롤러(11)를 포함한다. 공기 밸브(9)에 대해 교호식으로 온-오프 제어된 공기 밸브(10)는 질소 가스를 대기압 CVD실(8)에 공급하기 위해 공기 밸브(9)와 유량 컨트롤러(11) 사이에 연결된다.
질소 가스를 발생 오존 내의 산소 가스에 부가하는 이유에 대하여 설명하기로 한다. 단지 산소 가스 만으로부터 오존을 발생시키는 것이 가능하다. 그러나, 그러한 경우에, 시간이 지남에 따라 오존 농도가 감소하게 되고 오존 농도를 충분히 높게 유지하는 것이 불가능해진다. 한편, 질소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스 또는 이산화탄소의 1 내지 10 용적 %를 산소 가스에 첨가하여 오존 가스를 발생시킴으로서, 시간 경과에 따른 오존 농도의 감소 없이 단지 산소 가스 만으로부터 발생된 것 보다 오존 가스의 농도를 더 높게 하는 것이 가능함을 알 수 있다. 대개, 첨가될 가스는 공장의 라인(line) 가스로서의 질소 가스의 공급의 용이함과, 낮은 비용, 및 다른 첨가제 가스에 비해 오존 농도를 높이 유지시키는 가능성의 측면에서 질소 가스로 된다. 특히, TEOS 및 오존 가스를 이용함으로서 SiO2막의 성장에 있어서, 오존 농도는 약 140g/Nm3로 유지되어야 한다. 따라서, 첨가제 가스로서의 질소 가스의 이용은 유익하다.
이제, 대기압 CVD 장치의 가스 공급 장치의 작동에 대해 설명하기로 한다. 대개, 박막 성형에 있어서, 불완전한 반응 생성물은 오존 가스를 대기압 CVD실에 공급함으로서 대기압 CVD실로의 가스 도입시에 형성이 방지되고, 오존 가스 공급을 지속시키는 동안 일정 시간 경과후에, TEOS 가스를 대기압 CVD실에 도입한다. 우선적으로, 질소 가스는 비작동 상태에 있는 오존 발생기(1)로 공기 밸브(2, 3, 5, 9)를 폐쇄하고 공기 밸브(6, 10)를 개방시킴으로서 유량 컨트롤러(7, 11)의 유량 제어 하에서 대기압 CVD실(8) 내로 도입된다. 박막이 형성될 때, 공기 밸브(6)는 폐쇄되고 공기 밸브(2, 3, 5)는 유량 컨트롤러(4)에 의해 결정된 유량만큼, 일예로 유량 컨트롤러(7, 4)에 의해 결정된 산소 가스 유량의 1 용적 %로 산소 가스와 함께 질소 가스를 오존 발생기(1)에 공급하도록 개방된다. 이러한 상태에서, 오존 발생기(1)는 작동되어, 산소 가스는 소정의 농도를 갖는 오존으로 변화되고 대기압 CVD실(8) 내로 도입된다. 이 경우에, 유량계(12)와 유량 컨트롤러(7)의 유량을 나타내고 비교함으로서, 유량 컨트롤러(7)가 유량 제어를 정상적으로 수행하고 있는지를 판단할 수 있다. 공기 밸브(10, 9)는 각각 폐쇄 및 개방되고, 유량 컨트롤러(11)에 의해 제어된 유량 만큼 TEOS 가스를 대기압 CVD실(8) 내로 도입하는 대기압 CVD실(8)로의 오존 공급으로부터 일정 시간 경과 후에, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 얇은 SiO2가 형성된다. 박막 형성이 완료된 후에, 가스 라인의 상태는 막 성형에 앞서 그에 복귀된다.
유량 컨트롤러와 유량계에 대해 설명하기로 한다. 도2는 동일 구조를 갖는 유량 컨트롤러(4, 7, 11) 중 하나의 컨트롤러(7)의 단면도이다. 도2에서, 가스 유로는 바이패스관(52)과 배출관(54)을 형성하도록 결합된 센서관(53)으로 분기된 유입관(51)과, 센서관(53)을 가열하기 위해 약 0.3mm의 내경을 갖는 센서관(53)의 상류부와 하류부 상에 각각 마련된 한 쌍의 히터 코일(55)과, 히터 코일(55)과 함께 브릿지 회로를 구성하는 회로를 포함하는 제어부(56), 및 밸브(58)를 포함한다. 가스가 센서관(53)을 통과할 때, 브릿지 회로의 안정은 센서관(53) 내의 열량에 의해 파괴되고 가스의 유량에 대응하는 출력 신호는 브릿지 회로로부터 출력된다. 출력 신호는 제어부(56)에 의해 외부 유량 설정 신호(57)와 비교되고 그 사이의 차이는 그 개방을 제어하기 위해 밸브 제어 신호(59)로서 밸브(58)로 출력되어 가스의 유량을 제어한다.
유량계는 유량계가 밸브(58)와 같은 유량 제어 밸브를 구비하고 있지 않고 단지 유량을 나타내도록 작동된다는 점을 제외하고는 유량 컨트롤러의 구조와 동일 구조를 갖는다.
전술된 구조를 갖는 종래 기술의 유량 컨트롤러에서, 히터 코일(55)이 배치되어 있는 센서관(53)의 상류측 상의 배관 일부의 온도는 유량 컨트롤러를 통한 가스 유동 중에 실제 실내 온도로 유지된다.
소량의 질소 가스가 첨가된 산소 가스를 이용한 오존 발생에 의한 대기압 CVD의 수행에 있어서, 전술된 구조를 갖고 질소 가스를 함유한 오존 가스 라인을 이용한 종래의 유량 컨트롤러는 오존 가스 유량의 축적량이 증가될 때 가스 유량을 정확히 제어할 수 없는 문제점이 있게 된다.
본 발명의 발명자는 이러한 문제점을 연구하여 왔고 질소 산화물 중 하나인 소량의 N2O5가 시간 경과에 따른 오존 농도의 감소의 제한을 위해 산소 가스에 첨가된 질소 가스로 인해 오존 발생기 내에 발생된 오존과 함께 생성되고 그러한 문제점은 그 내경이 작고 온도가 실제로 실내 온도인 유량 컨트롤러의 센서관의 유입부 근방에서 N2O5의 전착 및 축적에 의해 야기됨을 발견하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 질소 산화물이 축적되지 않는 센서관을 구비한 오존 유량 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 오존 가스 공급량을 제어하기 위한 오존 유량 제어 장치는 오존 가스가 공급되는 유입관과, 바이패스관과 유입관으로부터 분기된 센서관과, 센서관의 온도 변화를 측정하고 오존의 유량에 대응하는 제어 신호를 발생시키기 위한 제어 신호 발생기 회로와, 바이패스관과 센서관에 연결된 배출관과, 배출관 내에 마련되고 제어 신호에 대응하여 제어된 개구를 갖는 밸브와, 센서관에 공급된 오존 가스를 소정의 온도로 가열하기 위한 히터를 포함한다.
본 발명의 전술된 목적 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면에 연관된 본 발명의 이하의 상세한 설명을 참고로 잘 알 수 있다.
도1은 종래의 오존 유량 제어 장치를 이용한 CVD 장치의 블록 선도.
도2는 도1에 도시된 오존 유량 제어 장치의 개략 단면도.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 오존 유량 제어 장치를 이용한 CVD 장치의 블록 선도.
도4는 도3에 도시된 오존 유량 제어 장치의 개략 단면도.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 오존 유량 제어 장치를 이용한 CVD 장치의 블록 선도.
도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 오존 유량 제어 장치를 이용한 CVD 장치의 블록 선도.
도7은 본 발명의 오존 유량 제어 장치의 가열 온도와 수명 사이의 관계를 도시한 그래프.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 오존 발생기
2, 3, 5, 6 : 공기 밸브
7 : 유량 컨트롤러
13 : 히터
14 : 온도 센서
15 : 온도 제어부
우선, 본 발명의 제1 실시예에 대해서는 도3 및 도4를 참고로 하여 설명하기로 하고, 도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 오존 유량 제어 장치를 이용한 대기압 CVD 장치의 가스 공급 장치의 블록 선도이고, 도4는 도3에 도시된 가스 공급 장치 내의 유량 컨트롤러(7)로서 사용되는 오존 유량 제어 장치의 가열부의 개략 단면도이다. 도4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에서, 온도 조절부(15)는 오존 라인의 유량 컨트롤러(7)의 본체부(62) 상에 장착된 히터(13)와 본체부(62) 내에 내장된 온도 센서(14)를 포함한다. 온도 조절부(15)는 온도 센서(14)에 의해 검출된 온도를 소정의 온도와 비교하여 온도 센서(14)에 의해 검출된 온도가 소정의 온도로 되도록 히터(13)에 공급된 전력을 제어한다.
작동에 대해서는 도3을 참고로 하여 설명하기로 한다. 도4에 도시된 오존 유량 제어 장치는 유량 컨트롤러(7)로서 이용되고 유량 컨트롤러(7)의 온도는 47℃ 내지 60℃의 범위 내의, 일예로 50℃의 소정값으로 설정된다. 즉, 유량 컨트롤러(7)의 온도는 오존 가스가 유량 컨트롤러(7)를 통해 흐를 때 47℃ 내지 60℃의 범위로 제어되고, 공기 밸브(2, 3, 5)는 개방되고 오존 발생기(1)는 작동 상태에 있으며, 마찬가지로 오존 가스가 유량 컨트롤러를 통해 흐를 때 공기 밸브(2, 3, 5)는 폐쇄되고 오존 발생기(1)는 비작동 상태에 있고 공기 밸브(6)는 개방된다. 다시 말해, 온도 제어는 유량 컨트롤러(7)의 온도가 항상 47℃ 내지 60℃의 범위 내에 있도록 수행된다. 대안으로, 오존 가스가 유량 컨트롤러(7)를 통해 흐를 때만, 즉 공기 밸브(2, 3, 5)가 개방되고 오존 발생기(1)가 작동 상태에 있을 때에만, 유량 컨트롤러(7)의 온도를 47℃ 내지 60℃의 범위로 제어하는 것이 가능하다. 유량 컨트롤러(7)의 온도를 제어하기 위한 이유는 실내 온도로 유지되고 비정상 유량을 나타내는 종래의 유량 컨트롤러(7)의 센서관(53)의 유입부 근방에 고체 물질이 존재하고 고체 물질이 고형화될 수 있는 질소 산화물인 N2O5를 포함한다는 사실에 근거한다. 부수적으로, N2O5는 47℃에서 승화하고 질산을 형성하기 위해 수분과 강하게 반응하는 용해성 무색 고체 물질이다.
도7은 오존 라인의 유량 컨트롤러의 최적 온도를 알아내기 위해 본 발명의 발명자에 의해 실행된 실험 결과를 도시한 것이다. 도7에서, 유량 컨트롤러(7)의 유량 표시는 유량계(12)의 유량 표시와 비교되고 유량 컨트롤러의 수명은 발생된 오존 가스의 축적된 유량이 증가되고 유량 컨트롤러(7)에 의한 가스 유량 제어가 부정확해질 때 결정된다. 세로좌표 상에 나타난 값, 즉 수명 시간은 오존 발생의 축적 시간에 의해 나타낸다. 이러한 실험에서, 47℃ 및 60℃로 가열될 때의 유량 컨트롤러의 수명은 600시간 내지 700시간 만큼 길고 80℃로 가열될 때의 수명은 가열하지 않을 때와 같이 짧다. 컨트롤러가 가열되지 않을 때와 40℃로 가열될 때의 유량 컨트롤러에 의한 비정상 유량의 표시는 유량 컨트롤러(7)의 센서관(53)의 유입부 근방에서 물질의 축적된 전착에 의해 기인되고 47℃, 60℃ 및 80℃로 가열될 때의 유량의 표시는 유량 컨트롤러(7)의 배관의 내부면의 부식에 의해 기인된다. 47℃ 및 60℃로 가열되는 경우와 비교하여 80℃로 가열될 때의 유량 컨트롤러(7)의 수명이 짧은 이유는 질산으로 인한 배관의 부식 속도가 더 빠르기 때문인 것으로 생각된다. 실험 결과를 기초로 하여, 질소 가스를 함유하고 오존 유량 제어 장치를 통과하는 오존 가스의 온도 제어 범위는 N2O5의 비등점인 47℃로부터 60℃로서 결정된다.
본 발명의 제2 실시예에 대해서는 도5를 참고로 하여 설명하기로 한다. 제2 실시예에서, 제1 실시예에 이용된 히터(13)와 온도 센서(14)는 유량 컨트롤러(7)에 장착되지 않고 오존 발생기(1)로 이어지는 공기 밸브(5)로부터 유량 컨트롤러(7)로의 가스 배관에 장착되고, 배관의 온도는 온도 제어부(15)에 의해 47℃ 내지 60℃의 범위로 제어된다. 제2 실시예에서, 온도 제어 시기는 제1 실시예와 유사하다. 제2 실시예에서 얻은 효과는 제1 실시예의 효과와 동일하다.
제3 실시예에 대해서는 도6을 참고로 하여 설명하기로 한다. 제3 실시예에서, 히터(13)는 오존 가스와 접촉하는 대기압 CVD실(8)의 오존 발생기(1) 사이에 배열된 모든 가스 배관 부분은 그 위에 전착된 물질을 가열할 수 있고 히터(13)의 온도는 유량 컨트롤러(7)의 본체부(62) 내에 내장된 온도 센서(14)에 의해 검출된 온도를 기초로 온도 제어부(15)에 의해 제어되도록 장착된다. 유량 컨트롤러(7)로부터 대기압 CVD실(8)로의 가스 배관의 일부를 덮는 히터(13)를 제공함으로서 배관부가 부식되는 것을 방지하게 되고 유량 컨트롤러(7)의 유량의 비정상에 대한 측정과 직접 관련이 없게 된다. 또한, 오존 가스의 함유된 수분을 제거하기 위해, 수분을 가스로부터 제거하기 위한 수단(16)이 오존 발생기(1)의 가스 배관부 상류에 마련된다. 수분 제거 수단(16)은 실리카겔이나 분자체(molecular sieve)와 같은 가스 건조제를 함유한 수분 건조기 또는 가스 정화기로 될 수 있다.
제3 실시예의 작동에 대해 설명하기로 한다. 오존 가스의 유동에 앞서, 공기 밸브(2, 5)는 오존 발생기(1)가 작동되지 않도록 개방된다. 그후, 수분이 제거된 오존 가스는 유량 컨트롤러(7)의 유량 제어 하에서 대기압 CVD실(8)로 공급되고, 그와 동시에 오존 라인 배관부의 온도는 히터(13)와, 오존 배관의 내부면 상에 흡수된 수분을 제거하는 온도 센서(14)와 온도 조절부(15)와, 공기 밸브(5, 6) 및 유량 컨트롤러(7)에 의해 60℃로 설정된다. 그후에, 오존 라인 배관부의 온도는 제1 및 제2 실시예와 동일한 온도 조절 시기로 온도 조절부(15)에 의해 47℃ 내지 60℃의 범위로 제어된다.
제3 실시예의 경우에, N2O5의 전착으로 인해 오존 라인 내의 유량 컨트롤러(7)의 센서관의 유입부의 막힘을 방지하는 효과는 제1 및 제2 실시예와 마찬가지로 얻게 된다. 또한, 제3 실시예에서, 수분 제거 수단(16)이 마련되고 오존 라인의 가스 배관부가 그를 통해 수분이 제거되는 유동 오존 가스에 의해 배관의 내부를 건조시키기 위해 그 내부면 상에 전착된 물질을 가열할 수 있도록 배치되기 때문에, 도7을 참고로 하여 제1 실시예에 기재된 유량 컨트롤러(7) 내의 배관의 부식으로 인한 비정상 유량은 방지될 수 있어, 유량 컨트롤러(7)의 수명은 제1 및 제2 실시예의 경우와 비교하여 더 늘어나게 된다.
본 발명은 구체적인 실시예를 참고로 하여 설명되었지만, 이러한 설명은 제한된 의미로 해석되어서는 안된다. 기재된 실시예의 다양한 수정은 본 발명의 설명을 참고로 그 기술 분야에 숙련된 자라면 잘 알 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 범주 내에 있는 어떠한 수정예 또는 실시예를 포함하게 된다.

Claims (10)

  1. 오존 가스가 공급되는 유입관과,
    바이패스관과 유입관으로부터 분기된 센서관과,
    센서관의 온도 변화를 측정하고 오존 가스의 유량에 대응하는 제어 신호를 발생시키기 위한 제어 신호 발생기 회로와,
    바이패스관과 센서관에 연결된 배출관과,
    배출관 내에 마련되고 제어 신호에 대응하여 제어된 개구를 구비한 밸브와, 센서관에 공급된 오존 가스를 소정의 온도로 가열하기 위한 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 가스 공급 유량을 제어하기 위한 오존 유량 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 소정 온도는 47℃ 내지 60℃의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 오존 유량 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 가열 수단은 적어도 유입관을 가열하기 위한 히터와, 유입관의 온도를 측정하기 위한 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 온도 정보에 대응하여 상기 히터를 제어하기 위한 온도 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 유량 제어 장치.
  4. 산소 가스와 질소 가스로부터 오존 가스를 발생시키기 위한 오존 가스 발생기와,
    오존 가스를 소정 유량으로 챔버에 공급하기 위해, 가스관을 통해 상기 오존 발생기에 의해 발생된 오존 가스가 공급된 오존 유량 제어 장치와,
    상기 가스관을 소정 온도로 가열하고 가열된 오존 가스를 상기 오존 유량 제어 장치에 공급하기 위한 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 함유한 오존 가스를 챔버에 공급하기 위한 오존 가스 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서, 소정 온도는 47℃ 내지 60℃의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 오존 가스 공급 장치.
  6. 제4항에 있어서, 가열 수단은 적어도 유입관을 가열하기 위한 히터와, 유입관의 온도를 측정하기 위한 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 온도 정보에 대응하여 상기 히터를 제어하기 위한 온도 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 가스 공급 장치.
  7. 산소 가스와 질소 가스로부터 오존 가스를 발생시키기 위한 오존 가스 발생기와,
    오존 가스를 소정 유량으로 챔버에 공급하기 위해, 가스관을 통해 상기 오존 발생기에 의해 발생된 오존 가스가 공급된 오존 유량 제어 장치와,
    상기 가스관으로부터 상기 챔버로의 배관을 소정 온도로 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 함유한 오존 가스를 챔버에 공급하기 위한 오존 가스 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서, 소정 온도는 47℃ 내지 60℃의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 오존 가스 공급 장치.
  9. 제8항에 있어서, 가열 수단은 가스관으로부터 챔버로의 배관을 가열하기 위한 히터와, 상기 배관의 온도를 측정하기 위한 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 온도 정보에 대응하여 상기 히터를 제어하기 위한 온도 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 가스 공급 장치.
  10. 제7항에 있어서, 가스에 함유된 수분을 제거하기 위해 가스관 내에 마련된 수분 제거 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 가스 공급 장치.
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