KR200207312Y1 - 렌즈 형태의 다공성 금속 스폰지가 장착된 순간기화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기금속 전구체로부터 금속박막을 제조하기 위한 화학증착 공정에 사용되는 순간기화기 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따라 가장자리부의 두께가 중심부의 두께 보다 얇도록 설계된 렌즈형 다공성 금속 스폰지가 장착된 순간기화기는 금속 스폰지의 부위에 따른 온도 편차가 감소되어 유기금속 전구체의 기화를 효율적으로 수행할 수 있다.

Description

렌즈 형태의 다공성 금속 스폰지가 장착된 순간기화기{FLASH VAPORIZOR EQUIPPED WITH A LENS-SHAPED POROUS METAL SPONGE}

본 고안은 유기금속화학증착법에 있어서 출발물질로 사용되는 유기금속 전구체를 기화시키는데 사용되는 순간기화기 장치에 관한 것으로, 특히 가장자리부가 중심부의 두께보다 얇은 렌즈 형태를 가져 부위에 따른 온도 편차가 감소된 다공성 금속 스폰지가 장착된 것을 특징으로 하는 개량된 순간기화기에 관한 것이다.

유기금속 화합물을 이용한 유기금속화학증착법(MOCVD)은, 전자 소자의 집적도가 높아지고 증착하고자 하는 고형물의 모습이 3차원화되면서 단순한 물리적 증착법에 의해서는 소자를 형성할 수 없게 됨에 따라 각광받고 있는 증착 기술로서, 액상 유기금속 화합물을 운반기체에 의해 기화기로 도입하여 기체 상태로 기화시킨 후에 생성된 유기금속 화합물 증기를 증착하고자 하는 기판이 있는 곳까지 운반하여 고온에서 접촉시킴으로써 분해시켜 기판 상에 금속 박막을 증착시키는 공정이다.

유기금속화학증착법을 구현하는데 있어서 여러 가지의 기술적인 문제점이 있는데, 그 중 가장 큰 문제로 대두되고 있는 것이 액상의 유기금속 전구체를 기상으로 전환시키는 것이다. 이와 관련하여 국내외에서 널리 이용되는 방법이 순간기화기에서 액상 유기금속 전구체를 기화시킬 때 다공성 금속 스폰지를 이용하여 열 전달 면적을 높임으로써 전구체를 순간기화시키는 것이다. 이와 관련하여, 유기금속 전구체 용액을 기화시키기 위한 순간기화기를 포함하는 유기금속화학증착 장치시스템을 도 1에 개략적으로 나타내었으며, 특히 순간기화기에 대한 상세도를 도 2에 나타내었다.

그러나, 순간기화기에 장착되는 통상의 금속 스폰지는 횡단면이 원형이고 종단면이 사각형인 원통(cylinder)형 구조를 갖고 있는데, 중심부는 온도가 낮아 기화가 잘 일어나지 않아서 기공이 막히는 현상이 발생하는 반면 가장자리부는 높은 온도를 인해 유기금속 화합물이 분해가 일어나는 등, 금속 스폰지의 부위에 따라 온도 차이가 발생하여 공정 수행이 곤란하다는 문제점이 있어 왔다.

따라서, 본 고안의 목적은, 다공성 금속 스폰지가 장착된 순간기화기의 기화 효율을 증대시키기 위해, 부위에 따른 온도 차이가 적도록 설계된 금속 스폰지를 제공하는 것이다.

도 1은 순간기화기 장치를 이용하여 유기금속 전구체 용액의 기화를 수행하는 화학 증착 시스템을 나타내는 개략도이고,

도 2는 도 1의 시스템에 사용된 순간기화기 장치의 상세도이고,

도 3a 및 도 3b는 각각 종래 기술 및 본 발명에 따른 다공성 금속 스폰지의 종단면 및 유체 흐름을 보여주는 도이고,

도 4는 기화기에서, 기화를 수행한 후의 전구체 잔여물을 연소시킬 때의 압력변화를 나타내는 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 고안에서는, 유기금속화학증착 (MOCVD) 공정에서 유기금속 전구체의 기화에 사용하기 위한 순간기화기에 있어서, 가장자리부의 두께가 중심부의 두께 보다 얇은 구조를 가진 렌즈형의 다공성 금속 스폰지가 장착되어 있음을 특징으로 하는 순간기화기를 제공한다.

이하, 본 고안에 대해 보다 상세히 설명한다.

본 고안은 유기금속 전구체의 기화를 위한 기존의 순간기화기에 사용되던 단순 원통형의 다공성 금속 스폰지에 있어서의 부위에 따른 온도 편차를 개선하기 위한 것으로, 금속 스폰지의 모양을 가장자리부의 두께가 중심부의 두께 보다 얇게 렌즈 형상으로 설계함을 특징으로 한다.

순간기화기에 있어서, 장착된 금속 스폰지의 작용은 하기 수학식 1 내지 3의 물질 수지와 하기 수학식 4의 에너지 수지로 나타낼 수 있다.

C∝A1/ℓ

상기 식에서,

P는 압력이고, V는 부피이고, n은 몰수이고, R은 이상기체 상수이고,

T는 온도이고, C는 컨덕턴스(conductance)이고,

η은 단위시간당 유입되는 화학증착용 전구체의 몰수이고,

A1은 기공의 단면적이고, ℓ는 두께이다.

상기 식에서,

k는 열전도도이고, A는 금속 스폰지에서 열전도가 일어나는 표면적이고,

H1은 유기금속의 기화열이고, H2는 용매의 기화열이고,

Cp는 열용량이고, T는 기화가 일어나는 온도이다.

상기 수학식들로부터도 알 수 있듯이, 순간기화기에 사용되는 다공성 금속 스폰지에 있어서, 기공의 단면적이 증가하면 기공의 개수가 줄어들고, 이에 따라 열전도가 일어나는 표면적(A)은 줄어들게 된다. 따라서, 쉽게 열전도를 높이기 위해 기공의 개수를 늘이게 되면 기공의 단면적이 줄어들어 물질 수지식에서 컨던턴스가 작아지게 되면서 단위시간당 처리할 수 있는 전구체의 몰수가 줄어들게 된다. 반대로 컨던턴스를 크게 하면 열전달 면적이 줄어들면서 기화에 사용될 수 있는 열량이 불충분하게 되면서 기화가 일어나지 않게 된다.

본 고안에 따르면, 다공성 금속 스폰지의 중심부와 가장자리부의 컨덕턴스를 균일하게 하고자 스폰지의 두께를 조절하여 스폰지의 가장자리부의 두께를 중심부 보다 얇게 설계하여 금속 스폰지를 렌즈 형태로 제작하였다. 이러한 형상으로 인해, 본 고안에 따른 금속 스폰지는, 온도가 높은 가장자리부는 컨덕턴스를 높여 기화를 많이 시키고, 중심부는 적은 양의 기화가 일어나게 함으로써, 양 부위의 온도 차이를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 고안에 따른 순간기화기는 높은 전구체 기화 효율을 나타낼 수 있다.

본 고안에 따른 렌즈형 금속 스폰지에 있어서 가장자리부 두께/중심부 두께 비는 바람직하게는 약 0.2 내지 0.9 범위일 수 있다.

본 고안에 따른 다공성 금속 스폰지의 재질로는 통상적으로 사용되는 모든 것이 이용될 수 있으며, 예로는 Al, Ni, 실리카 등이 있다.

본 고안에 따라 순간기화기에서 기화된 전구체 증기는 통상의 방법에 따라 아르곤 등과 같은 운송 가스에 의해 화학증착반응기로 도입되어 후속 화학증착 공정을 수행하게 된다.

이하, 실시예에 의해 본 고안을 설명하나, 본 고안의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다.

실시예

본 고안에 따라 렌즈형으로 제작된 1.5cm직경의 실리카 재질의 다공성 스폰지와 종래 기술에 따라 미국의 ATMI사에서 제조한 1.5cm직경의 원통형 금속 스폰지에 각각 여러 가지의 바륨-스트론튬-티타늄(BST) 박막 제조용 전구체 용액(Ba(tmhd)₂-PMDT, Ba(tmhd)₂-테트라글림, Ba(tmhd)₂-테트라엔 및 Ba(methd)₂: tmhd=테트라메틸헵탄디오네이트; PMDT=펜타메틸디에틸렌트리아민; 테트라엔=테트라에틸렌펜타아민; methd=메톡시에톡시테트라메틸헵탄디오네이트)을 20 토르(torr)의 압력 하에 운송가스로 Ar 200sccm을 사용하여 도입함으로써 열전달 효율을 비교하는 실험을 수행하였다.

종래 기술에 따른 통상의 원통형 다공성 금속 스폰지의 경우는, 다공성 금속 스폰지 가장자리부의 온도를 252℃로서 유지할 때 중심부의 온도가 232 ℃로서, 양 부위간의 온도 차이가 21℃가 남을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 중심부에서는 낮은 온도로 인해 기화가 일어나지 않으며, 가장자리부는 높은 온도로 인해 유기금속의 분해가 일어났다.

이에 반해, 본 고안에 따른 렌즈형의 금속 스폰지를 이용한 경우는, 가장자리부의 온도를 250 ℃로 유지할 때 중심부의 온도가 242℃로 양 부위의 온도가 8℃ 차이가 나게 되어, 종래의 원통형 금속 스폰지를 장착한 경우에 비해 온도 차이가 현저히 줄어들었음을 알 수 있었다.

다공성 금속 스폰지에서 부위에 따른 온도 차이가 크면 열전달 효율이 저하됨을 입증하기 위해, 기화기에 사용되는 금속 스폰지에서 기화를 수행한 후에 남은 전구체 잔여물을 기화기내에서 350℃의 온도에서 태움으로써 나타나는 압력을 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4의 그래프에서, 압력이 높으면 많은 잔여물이 생성됨을 나타내는데, 이에 따르면 금속 스폰지의 온도차가 20℃를 넘어서면 기화 시에 효율적인 공정을 수행할 수 없음을 확인할 수 있다. 따라서, 종래 기술에 따른 다공성 금속 스폰지와 같이, 금속 스폰지의 중심부와 가장자리부의 온도 차이가 20 ℃ 이상이 되면 열전달 효율이 떨어짐이 자명하다.

본 고안에 따른 렌즈 형태의 다공성 금속 스폰지가 장착된 순간기화기는 액상 유기금속 전구체를 효율적으로 기화시킬 수 있어 유기금속화학증착법에 사용하기에 매우 유용하다.

Claims (2)

1. 유기금속화학증착(MOCVD) 공정에서 유기금속 전구체를 기화시키는데 사용하기 위한 순간기화기에 있어서, 가장자리부의 두께가 중심부의 두께 보다 얇은 구조를 가진 렌즈형의 다공성 금속 스폰지가 장착되어 있음을 특징으로 하는 순간기화기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다공성 금속 스폰지 가장자리부의 두께/중심부의 두께 비가 0.2 내지 0.9 범위인 것을 특징으로 하는 순간 기화기.