KR20040044493A - 용액의 분별 증발 및 분리용 다중 챔버 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외피(envelope, 11, 111, 211) 내에서 용매와 화합물 또는 용질로 이루어진 액체 용액(SO)을 증발시키는 증발 장치(10)에 관한 것으로, 본 장치는 분리 칸막이(14)에 의해 각 성분에 독립한 복수의 개별 증기 유동을 발생시키는 출구( S1, S2, Sn )를 통해 분별 증발이 가능하도록 된 수개의 개별 기초 챔버( 12A, 12B,, 12N )로 분할된 여러개의 증발구역을 포함한다. 용액(SO)은 가장 낮은 온도(T1)의 제 1 챔버(12A) 내로 주입되어, 다공성의 가동 부재(16)에 스며들고, 이 가동 부재는 점점 더 높은 온도( T1, T2,, Tn )로 가열된 상기 챔버와 연속적으로 접촉하면서 수개의 칸막이(14)를 관통한다. 중성의 캐리어 가스(GV)가 상이한 챔버 사이에서 가스 유동의 압력 손실을 조절하기 위해 상기 칸막이(14) 근처에서 주입된다.

Description

용액의 분별 증발 및 분리용 다중 챔버 장치 {MULTIPLE-CHAMBER DEVICE FOR FRACTIONATED EVAPORATION AND SEPARATION OF A SOLUTION}

공지된 시스템으로 용액의 증발로부터 얻은 증기 혼합물( 유기 용매 증기 + 분해된 액상 또는 고상의 유기금속 CVD 전구체( precursor ) 증기 )만을 챔버에 보낼 수 있다. CVD의 경우, 용매 증기는 다루기 까다롭다.

다른 공지된 장치에 따르면, 단 하나의 인클로저 내에서 다른 온도의 2개의 개별 증발구역에서 용매와 용질로 구성된 용액의 증발이 이루어지며 용매 증기와 용질 증기가 분리된다. 단 하나의 증발 인클로저가 사용되고, 2개의 증발구역 사이에 가스 유동을 위한 압력 손실이 없기 때문에, 효율적인 증기의 분리가 어렵거나 심지어 불가능하게 된다.

본 발명은 인클로저( enclosure ) 내에서 용매와 화합물 또는 용질로 이루어진 액체 용액을 증발시키는 장치에 관한 것으로, 이 장치는 용액의 n개 성분의 각 증발 온도에 대응하는 상이한 온도를 갖는 증발구역, 및 용매의 증기와 화합물의 증기를 분리하는 수단을 포함한다.

도 1 은 본 발명에 따른 다중 챔버 증발-분리 장치의 개략도이다.

도 2 는 캐리어 가스 주입 시스템을 보여주는 도 1 의 부분 확대도이다.

도 3A 는 도 2 의 선 3-3 을 따라 자른 단면도이고, 도 3B 는 도 3A 의 변형도이다.

도 4 는 CVD용에 적합한 2개의 챔버를 갖는 증발-분리 장치의 개략도이다.

도 5 는 압력 조절 시스템이 구비된 도 4 의 장치의 개략도이다.

도 6 은 3개의 챔버를 갖는 도 4 의 장치의 변형도이다.

도 7 은 도 4 에 대응하는 바람직한 실시예의 길이방향 단면도이다.

도 8 은 도 7 의 선 8-8 을 따라 자른 단면도이다.

도 9 및 도 10 은 2개의 전구체의 증기상 분해가 발생할 때, 시간에 따른 기재 질량의 증가를 나타내는 그래프이다.

도 11 은 용액 유량에 따른 CVD에 의한 상기 층의 성장 속도의 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적은 용매와 화합물 또는 용질로 이루어진 용액 성분의 효율적인 분리가 가능한 분별 증발 장치를 구현하는 것이다.

본 발명에 따른 장치는,

- 상이한 증발구역들이, 분리 칸막이에 의해, 각 성분에 독립한 복수의 개별 증기 유동을 발생시키는 출구를 통해 분별 증발이 가능하도록 된 수개의 개별 기초 챔버로 분할되고,

- 용액은, 점점 더 높은 온도로 가열된 상기 챔버와 연속적으로 접촉하면서 상이한 칸막이를 관통하는 다공성의 가동 부재에 스며들도록, 가장 낮은 온도의 제 1 챔버 내로 주입되며,

- 상기 증발 장치는, 상이한 챔버 사이에서의 가스 유동의 압력 손실을 조절하기 위해 상기 칸막이 근처에서 중성의 캐리어 가스를 주입하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 태양에 따라, 다공성의 가동 부재는 최대 온도까지 기계적 특성을 유지하는 내화재로 만들어진다. 가동 부재는, 모터에 의해 주기적으로 구동되고, 루프를 형성하도록 그 자체가 닫혀 있는 나선형 코일 스프링으로 형성된다.

본 발명의 다른 태양에 따라, 각 챔버에, 가열 유닛 및 한 성분당 하나의 출구가 장치된다. 각 챔버의 압력이, 챔버 내의 압력 표시 게이지와 관련하여 작동하는 압력 조절 장치 및 출구에 설치된 가변 개방 밸브에 의해 조절된다.

본 발명의 또다른 태양에 따라, 금속 인클로저가 스테인레스강 또는 알루미늄으로 만들어지고, 분리 칸막이가 열 절연재로 만들어지며, 또한 각 분리 칸막이는 상기 가동 부재가 통과하는 구멍을 갖고 있다. 가동 부재가 주기적으로 움직이는 경우, 각 분리 칸막이는 가동 부재의 통과를 위한 2개의 구멍( 전진 방향용 구멍과 복귀 방향용 구멍 )을 갖는다. 캐리어 가스를 주입하는 수단은, 상이한 챔버 사이에 가스 유동을 분배하는 주입관을 포함하고, 압력 손실은, 칸막이의 폭, 및 구멍과 가동 부재 사이의 틈에 대응하는 차동 구획에 의존한다.

증발기 인클로저의 외부에, 챔버 사이의 열전달을 방지하는 열교환기가 장치될 수 있다.

용액이 용매와 전구체를 포함하는 CVD용의 경우, 주위온도로 가열된 제 1 챔버의 출구가 증발된 용매를 응축 시스템으로 안내하고, 더 높은 온도로 가열된 제 2 챔버의 출구가 증발된 전구체를 CVD 반응기로 보낸다.

다른 장점과 특징은, 제한적이지 않은 예로서 주어지고 첨부된 도면에 의해 나타난 본 발명의 실시예에 대한 이하의 기재로 더 명확해질 것이다.

도 1 내지 도 3A 에서, 증발-분리 장치(10)는 가스 유동의 압력 손실이 조절되는 중간 칸막이(14)로 서로 분리된 수개의 기초 챔버( 12A, 12B,...12N )로 분할된 인클로저(11)를 포함한다. 이것은 다중 증발구역과 챔버가 구비된 시스템으로서, 증발될 SO 용액은 적어도 1종의 용액( 유기 또는 유기금속 화합물에 의해 형성된 용매 )과 용매에 용해가능한 1종 이상의 다른 고상 또는 액상 화합물( 유기 또는 유기금속 용질 )로 구성된다.

SO 용액은 주위온도에서 저온 구역에 위치된 증발-분리 장치(10)의 제 1 챔버(12A) 내로 주입된다. SO 용액은 최대 온도(Tn)까지 기계적 특성을 유지하는 넓은 표면의 다공성 및 내화성 가동 부재(16)에 스며든다. 그리고 나서, SO 용액이 스며든 가동 부재(16)는, 용액의 n 개 성분 각각의 증발온도인 T1, T2,... Tn( 단, T1 < T2 < ... < Tn )으로 가열된 n 개의 구역과 접촉하면서, 챔버( 12A, 12B,...12N )를 분리시키는 칸막이(14)를 연속적으로 통과한다. 각 온도( T1, T2,...Tn )는 대응하는 챔버( 12A, 12B,... 12N )에 위치된 가열 유닛( 18A,18B,...18N )에 의해 얻어진다.

가동 부재(16)는 가열 유닛( 18A, 18B,...18N )에 가능한 한 가까이 지나가고, 챔버( 12A, 12B,...12N )의 각 증발구역이 한 성분 당 하나의 출구( S1, S2,...Sn )를 포함한다. 그러므로, 증발-분리 장치(10)는 복수의 개별 증기 유동을 발생시킨다.

각 증발구역의 압력이 조절되어야 한다. 각 증발구역에 대해, 대응하는 챔버( 12A, 12B,...12N )에 설치된 압력 표시 게이지( P1, P2,... Pn ) 및 대응하는 출구( S1, S2,...Sn )에 설치된 가변 개방 밸브( V1, V2,...Vn )를 포함하는 압력 조절 시스템이 각 증발구역의 압력 조절을 위해 이용될 수 있다. 상기 밸브( V1, V2,...Vn )와 상이한 게이지( P1, P2,... Pn )에 전기적으로 연결된 조절 유닛(R)으로 인해, 밸브 개방 명령이 전달될 수 있고, 그 결과 다른 압력 설정값을 얻을 수 있다.

상기 장치의 최적의 작동을 위해, 각 증발구역 사이에 가능한 가장 뚜렷한 온도 변화가 이루어져야 하고, 상기 구역 사이에서 가스 유동을 위한 압력 손실이 발생되어야 한다( 도 2 및 도 3 ). 이 압력 손실은 칸막이(14)의 폭(L), 및 칸막이(14) 내에서의 가동 부재(16)의 통과를 위한 틈에 대응하는 차동 구획( 24, differntial section )에 의존한다. 또한, 인접한 구역 또는 구역들의 온도에 영향을 주는 한 구역의 가열을 방지할 필요가 있어서, 각 구역은 인접한 구역에 대해 단열되어야 한다. 가열 유닛( 18A, 18B,...18N )과 챔버( 12A, 12B,...12N )의 벽(20)이 스테인레스강 또는 알루미늄으로 만들어지는 것이 바람직하다.

가열 수단은 가열 유닛( 18A, 18B,...18N )의 내부 또는 인클로저(11)의 벽(20) 주위 외부에 설치될 수 있다. 내부 열 절연을 위해, 중간 칸막이(14)는 예를 들면, 테플론(PTFE)과 같이 입자를 방출하지 않는 열 절연재로 만들어진다. 칸막이(14)는 가동 부재(16)가 한 구역에서 다른 구역으로 통과할 수 있도록 하나 이상의 소통 구멍(communication hole, 22)을 갖는다. 외부 열 절연을 위해, 모든 종류의 열 절연재가 이용될 수 있다. 차동 구획(24)은 상기 구멍(22)의 단면과 가동 부재(16)의 단면 사이의 차에 대응한다. 도 3B 에서, 각 칸막이(14)는 가동 부재(16)의 주기적 루프식 순환을 위한 2개의 구멍(22)을 갖는다.

증발-분리 장치의 열 분포를 더욱 개선하기 위해, 외벽(20)에 고정된 열교환기( 나타나 있지 않음 )가 각 구역 사이에 장치될 수 있다. 이 열교환기는 금속 외벽(20)을 통해 한 구역에서 다른 구역으로의 열 전달을 방지하도록 설계된다.

상이한 출구( S1, S2,...Sn ) 사이의 증기 유동 분포를 개선하기 위해, 중성의 캐리어 가스( 질소, 아르곤, 헬륨... )가 각 분리 칸막이(14)의 높이에서 주입된다. 각 캐리어 가스 주입 라인에 유량 조절 시스템이 장치된다. 주입( 도 2 )은 3개의 개별 주입관( Ai, Bi 그리고 Ci )을 통해 Ai, Bi, Ci, Ai + Bi, Ai + Ci, Bi + Ci 또는 Ai + Bi + Ci 의 조합으로 이루어질 수 있다. 차동 구획(24)을 통해 한 구역에서 다른 구역으로의 캐리어 가스의 통과를 강제하기 위해, 칸막이(14)와 벽(20)의 내면 사이의 공간을 최소화하는 것이 바람직하다. 한 쌍의 O링(26, 28)으로 이 공간을 0까지 감소시킬 수 있다.

챔버(12A)로의 SO 용액의 공급은, 예를 들면, 자동차 주입기, 액체 질량 조절 유량계, 주사기, 도우징 마이크로펌프( dosing micro-pump ), 초음파 스프레이 노즐 등의 액체 주입 시스템을 이용하여 조절되어야 한다. SO 용액의 주입은 단속적으로 또는 연속적으로 이루어질 수 있다.

본 장치의 다른 실시예에서, SO 용액이 증발될 n개의 성분을 포함하는 반면, 단지 p개의 증발구역과 관련된 증기 출구( p < n 임)가 장치되는데, 특정 성분들이 서로 비슷한 증발온도를 가질 수 있고, 이로 인해 동일한 구역에서 증발할 수 있기 때문이다. 이 장치는 하나 이상의 출구를 통해 증기 혼합물이 유동하도록 설계된 특정 용도에 유리하다.

본 장치의 또다른 실시예에서, 독립된 액체 주입 시스템에 의해 공급되는 수개의 다공성 및 내화성 가동 부재(16)가 장치된다.

가동 부재(16)에 동일한 조성의 용액이 공급되는 경우, 이 장치는 각 증기 출구에서 큰 증기 유동을 얻는데 유리하게 이용될 수 있다.

가동 부재(16)에 상이한 조성의 용액이 공급되는 경우, 이 장치는

- 용액에 혼합될 수 없는( 용액내 반응, 불용해성 등 ) 2종 이상의 화합물을 동일한 증기 출구를 통해 배출하는데,

- 또는, 일정한 증기 유량( 즉, 주어진 농도에서의 일정한 용액 유량 )으로 1종 이상의 화합물을, 그리고 가변 증기 유량( 즉, 주어진 농도에서의 다양한 용액 유량 )으로 1종 이상의 화합물을 동일한 증기 출구를 통해 배출하는데 유리하게 이용될 수 있다.

이하에서 본 발명의 몇몇 이용예를 기재한다.

예 1 : 액상 혼합물을 형성하는 화합물의 분리 및 정제

2종 이상의 휘발성 화합물( 예를 들면, 이성질체 )이 용액으로 형성될 수 있고, 이 용액으로부터 동시에 결정화될 수 있다. 그러므로, 결정화는 이 화합물의 분리 수단이 아니다. 결정화로 생긴 고상 화합물의 혼합물의 분별 승화가 언제나 가능한 것은 아니다. 사실상 승화에 의한 정화는 상당히 낮은 압력( 0.1 내지 0.001 mbar )에서 주로 이루어지는데, 낮은 압력으로 인해 화합물의 기화 온도가 서로 가까워져 화합물의 효율적인 분리가 어렵게 된다. 본 발명으로 인해, 훨씬 더 높은 압력( 1 mbar 내지 대기압 )에서 고체를 증발시키는 작업이 가능하고, 충분한 증발 온도 차가 유지되어 효율적인 분리가 이루어진다.

예 2 : 증기상의 용매 증기를 화학적 증착 챔버로 보내지 않고 용액 내의 CVD 전구체를 증발시키는 장치

CVD 의 경우, 용액( 유기 용매 + 유기금속 전구체(들) )이 증발기 내로 주입되어, 낮은 포화증기압을 갖는 열적으로 불안정한 화합물의 재생가능하고 안정적인 증발을 가능케 한다. 사실상 증발될 화합물은 증발기 내에서 가동 부재(16)의 넓은 표면에( 증발에 유리하다 ) 침전되고, 증발기 내에 주입되지 않으면 주위온도로 유지된다.

그러나, 공지된 시스템은 용액의 증발로 얻은 증기의 혼합물( 유기 용매 증기 + 분해된 액상 또는 고상의 유기금속 CVD 전구체 증기 )만을 챔버로 보낼 수 있다. CVD에 대한 적용에 있어, 본 발명에 따른 장치는 단지 액상 또는 고상의유기금속 CVD 전구체 증기만을 CVD 반응기로 선택적으로 보낼 수 있다. 다루기 까다로울 수 있는 용매 증기는 CVD 반응기에 연결되지 않은 출구로 보내진다.

CVD 챔버 내에 유기 용매( 탄소가 많음 )가 있으면 무탄소 침전을 얻으려할 때 문제가 발생할 수 있다. 산화 분위기에서 낮은 압력과 고온에서 침전이 일어나는 것 또한 불편한데, 이는 바람직하지 않은 탄산염을 생성할 수 있기 때문이다( 예를 들면, 알카리 토류 그리고/또는 란탄계열원소를 함유하는 침전의 경우 ). 산화 분위기( O₂, O₃, N₂O, H₂O등 )에서 대기압과 비슷한 압력에서 침전이 이루어지는 CVD 챔버에 용매가 존재하면, CVD 챔버에 폭발적인 열분해 현상( 내연 기관에서 일어나는 것과 유사함 )이 발생할 수 있다.

이하에서 예 2 의 적용을 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다.

도 4 는 CVD용 증발-분리 장치의 일반적인 작동을 나타내는 도면이다.

상기 장치(100)는 유기 용매 그리고 액상 또는 고상의 유기금속 CVD 전구체(들)의 증발점에 대응하는 2개의 상이한 온도로 가열된 2개의 챔버( 112A, 112B )로 분할된 길이방향의 인클로저(111)로 형성된다. 2개의 챔버( 112A, 112B )는 열 절연재로 만들어진 내부 칸막이(114)에 의해 분리된다. 액상 또는 고상의 유기금속 CVD 전구체(들)은 캐리어 액체( 유기 용매 )에 용해되고, SO 용액은 인클로저(111) 내에서 주기적으로 순환하는 챔버(112A) 내의 가동 부재(116)상으로 제어 방식으로 주입된다.

SO 용액이 스며든 가동 부재(116)는 2개의 챔버( 112A, 112B )를 통해 이동한다. T1 온도까지 가열된 제 1 챔버(112A)에서, 용매는 증발되고, 제 1 출구(S1)로 향한다. 그러므로, 용매 증기는 응축 시스템(113) 또는 저온 트랩을 이용하여 회수될 수 있고, 이들의 내벽은 T1보다 낮은 온도이다. 제 2 챔버(112B)는 T1보다 높은 T2 온도까지 가열되고, 전구체(들)은 증발되고, T2로 가열된 라인을 통해 CVD 반응기에 연결된 출구(S2)로 보내진다.

도 5 를 참조하여, 용매를 위한 응축 시스템(113)과 CVD 반응기에, 펌프 시스템( PP1, PP2 ) 또는 출구(S1, S2)를 통해 증발-분리 장치(100)으로부터 응축 시스템(113)과 CVD 반응기로 증기를 유동시킬 수 있는 벤트가 장치되어야 한다.

증발-분리 장치(100)는 진공 또는 대기압하에서 작동할 수 있다. 대기압보다 낮은 압력의 경우, 2개의 압력 조절 시스템( R1, R2 )이 필요한데, R1은 증발 장치(100)에 할당되고, R2는 CVD 반응기 침전 챔버에 할당된다. 제 1 챔버( 112A, T1 온도임 )의 압력은 CVD 반응기의 압력과 동일하거나 상이할 수 있다. 용매와 전구체 증기를 각각의 출구( S1, S2 )로 향하도록 하기 위해, 하나 이상의 캐리어 가스 GV 라인이 사용된다. 상기 장치에는 가동 부재(116)를 증발기(100) 내에서 주기적 운동이 가능하도록 구동 및 안내하는 수단이 장치된다.

용액에 혼합될 수 없는 CVD 전구체의 경우, 상이한 액체 라인으로 공급받는 수개의 가동 부재(116)를 병렬로 사용할 필요가 있다. 전구체는 수개의 가동 부재로부터 단 하나의 출구에서 증발하고, 그리고 나서 전구체가 증기상으로 섞인다( 다중 원소 CVD 침전의 경우 ). 전구체 하나당 하나의 가동 부재(116)를 사용하면 조성 구배를 갖는 다중 원소 층이 또한 침전될 수 있다. 어떤 전구체가침전되는 과정에서는, 용액 유량( 일정한 농도를 가짐 )이 다른 전구체의 용액 유량과는 무관하게 변하게 된다. 이 유량 변화는 일정하게 또는 연속적으로 증가할 수 있다.

다중 금속 재료가 침전되는 CVD 공정에서, 전구체 중 일부가 다른 전구체의 증발 온도에서 열적으로 분해되기 때문에, 동일한 온도에서 전구체들을 증발시키는 것은 불가능하다.

도 6 에서, 증발기(200)가 칸막이(214)에 의해 분리된 3개의 챔버( 212A, 212B, 212C )를 갖는데, 이 챔버의 온도는 각각 T1, T2, T3 이다. 최소한의 바람직한 경우, n개의 CVD 전구체가 존재한다면, n+1개의 출구를 갖는 증발기( 용매를 위한 하나의 출구와 CVD 전구체를 위한 n개의 출구 )가 사용되어야 한다. n개의 CVD 전구체 출구는, n개의 전구체의 증발온도인 T1, T2,...Tn 으로 가열된 n개의 개별 라인에 의해 동일한 CVD 반응기에 연결되어 있다.

부가물( 금속상에 중성으로 용매화된 하나 이상의 루이스 염기를 갖는, 공유결합 분자성 유기금속 착물 )인 CVD 전구체를 이용하는 경우, 용매 외에도 루이스 염기 또는 염기들을 제거하고( 이들이 유기성, 즉 탄산염화되어 있다면 ), 용매화되지 않은 공유결합 분자성 유기금속 착물( 루이스 염기들이 추출된 )을 CVD 반응기로 보내기만 하는 것이 바람직할 수 있다.

이 경우에 도 6 의 증발기(200)가 사용되어야 한다. 인클로저(211)의 제 1 챔버(212A)가 용매의 증발을 위해 사용되고, 제 2 챔버(212B)가 부가물의 용매 추출을 위해 사용되며, 제 3 챔버(212C)가 CVD 전구체의 증발을 위해 사용된다.

수종의 부가물을 사용하는 경우, 부가물의 용매 추출 온도와 전구체의 증발 온도에 따라, 수개의 챔버가 부가물의 용매 추출을 위해 그리고 CVD 전구체의 증발을 위해 사용될 수 있다.

도 7 및 도 8 은 도 4 의 장치의 바람직한 실시예를 보여준다. 2개의 챔버( 112A, 112B )는 인클로저(111) 주위에 설치된 외부 가열 칼라( external heating collar, 나타나 있지 않음 ) 또는 챔버( 112A, 112B ) 내부에 장치된 가열 카트리지( 나타나있지 않음 )에 의해 가열된다. 열교환기(150)가 인클로저(111) 외부에서 챔버(112A)와 챔버(112B) 사이에 설치된다. 이 열교환기는, 증발기의 벽에 직접 고정되며 열전도성이 좋은 금속으로 만들어진 부재, 그 부재에 고정된 히트씽크( heat sink ), 그리고 그 히트씽크에 고정된 팬( fan )으로 구성된다.

가동 부재(116)는 350℃까지 탄성을 유지하고 루프 형태로 그 자체가 닫힌 나선형 코일 스프링이다. 가동 부재는 외부 모터(154)에 의해 움직이는 롤러(152)를 통해 증발기 내에서 주기적으로 구동된다. 모터(154)의 축이 증발기 챔버(112A)로 들어간다. 자기 결합 모터( magnetic coupling motor )가 또한 사용될 수 있는데, 이로써 축이 증발기 내로 들어가지 않아도 된다.

주입된 SO 용액은 얇은 액막 형태로 가동 부재(116)의 스프링 코일 사이에 침전된다. 스프링의 흡수 능력을 증가시키기 위해, 스프링 내부는 액체가 쉽게 스며드는 재료( 예를 들면, 유리섬유 )로 라이닝 처리될 수 있다. 시스템은 2개의 증발구역 사이에서 열 절연재(PTFE)로 만들어진 칸막이(114)를 포함한다.3개의 캐리어 가스 GV 주입관이 칸막이(114) 근처에 설치된다.

이 장치에 의해 실시되는 CVD 공정의 예는, 유기금속 전구체, 즉 크실렌( 오르토, 메타 또는 파라 ), 메시틸렌(mesitylene) 또는 디글림(diglyme)에 용해된 유기금속 전구체 [Y(thd)₃(L_B)_x] ( L_B= 루이스 염기, 예를 들면, o-페난트롤린(o-phenantroline) ), Cu(thd)₂그리고 [Ba(thd)₂(L_B)y] ( L_B= 루이스 염기, 예를 들면, 트리글림(triglyme) 또는 테트라글림(tetraglyme) )로부터 YBa₂Cu₃O₇로 된 초전도층을 합성하는 것이다. 이 용매들은 20℃에서 약 10 Torr 또는 그 이상의 증기압을 나타낸다. 이 경우 침전층의 초전도성은 CVD 반응기의 탄소 농도에 많이 의존하고, 그러므로 유기 용매 증기를 CVD 반응기에 보내지 않도록 할 필요가 있다.

이 증발 장치를 이 전구체들의 증발에 대해 미량천칭으로 시험하였다. 이 시험에서, CVD 침전 온도로 가열된 미량천칭 챔버가 CVD 반응기 역할을 하고, 증발기의 CVD 전구체 증기의 출구에 연결되어 있다. 미량천칭 챔버의 기재를 천칭의 아암(arm)에 올려놓고 실시간으로 연속적으로 무게를 잰다. 이로써 기재 중량의 증가를 시간의 경과에 따라 측정할 수 있다.

이 증가는 증발기로부터 나온 전구체 증기의 분해의 결과이다. 이 시스템에서, 증발기는 일정한 용액 유량에 있어 시간이 흐름에 따라 안정적인 전구체 증기 유량을 나타냄을 알 수 있다( 도 9 및 도 10 이 시간에 따른 기재 중량의 선형적 증가를 보여줌 ).

일정한 농도의 용액의 경우, 용액 유량에 따라 CVD에 의한 상기 층의 성장 속도가 선형적으로 증가함을 또한 보여준다( 도 11 ).

약어

thd = 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵타네디오네이트(heptanedionate)

트리글림 = 2,5,8,11-테트라옥사도데칸(tetraoxadodecane)

테트라글림 = 2,5,8,11,14-펜타옥사펜타데칸(pentaoxapentadecane)

m-크실렌 = 메타크실렌

M = mol/l

도 9 내지 11 에 대한 설명

도 9 : m-크실렌 내의 0.1 M의 Cu(thd)₂용액에서 Cu의 증발에 있어서 시간(분)에 따른 기재 중량(㎎)의 증가를 나타낸다.. 곡선은 증발기 장치에 연결된 미량천칭으로 얻었다.

도 10 : m-크실렌 내의 0.1 M의 [Ba(thd)₂(테트라글림)] 용액에서 증발된 [Ba(thd)₂(테트라글림)]의 증기상 분해에 있어서 시간(분)에 따른 기재 중량(㎎)의 증가를 나타낸다. 곡선은 증발기 장치에 연결된 미량천칭으로 얻었다.

도 11 : m-크실렌 내의 0.1 M의 [Ba(thd)₂(테트라글림)] 용액에 있어서 증발기로 공급되는 액체의 유량(d)에 따른 기재에의 화학 기상 증착율(v)을 나타낸다.

Claims (11)

1. 인클로저( 11, 111, 211 ) 내에서 용매와 화합물 또는 용질로 이루어진 액체 용액(SO)을 증발시키는 증발 장치( 10, 100, 200 )로서, 용액(SO)의 n개 성분의 각 증발 온도에 대응하는 상이한 온도( T1, T2,...Tn )를 갖는 증발구역, 및 용매의 증기와 화합물의 증기를 분리하는 수단을 포함하는 상기 증발 장치에 있어서,

   상이한 증발구역들이, 분리 칸막이( 14, 114, 214 )에 의해, 각 성분에 독립한 복수의 개별 증기 유동을 발생시키는 출구( S1, S2,... Sn )를 통해 분별 증발이 가능하도록 된 수개의 개별 기초 챔버( 12A, 12B,... 12N; 112A, 112B; 212A, 212B, 212C )로 분할되고,

   용액(SO)은, 점점 더 높은 온도( T1, T2,...Tn )로 가열된 상기 챔버와 연속적으로 접촉하면서 상이한 칸막이( 14, 114, 214 )를 관통하는 다공성의 가동 부재( 16, 116, 216 )에 스며들도록, 가장 낮은 온도(T1)의 제 1 챔버( 12A, 112A, 212A ) 내로 주입되며,

   상기 증발 장치는, 상이한 챔버 사이에서의 가스 유동의 압력 손실을 조절하기 위해 상기 칸막이( 14, 114, 214 ) 근처에서 중성의 캐리어 가스(GV)를 주입하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 가동 부재( 16, 116, 216 )는 최대 온도(Tn)까지 기계적 특성을 유지하는 내화재로 만들어진 것을 특징으로 하는 증발 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 가동 부재(116)는, 모터(154)에 의해 주기적으로 구동되고, 루프를 형성하도록 그 자체가 닫혀 있는 나선형 코일 스프링으로 형성된 것을 특징으로 하는 증발 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 각 챔버( 12A, 12B, ... 12N )에, 가열 유닛( 18A, 18B, ... 18N ) 및 한 성분당 하나의 출구( S1, S2, ... Sn )가 장치된 것을 특징으로 하는 증발 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 각 챔버( 12A, 12B, ... 12N )의 압력은, 챔버 내의 압력 표시 게이지( P1, P2,... Pn )와 관련하여 작동하는 압력 조절 장치( R, R1, R2 ) 및 상기 출구( S1, S2,...Sn )에 설치된 가변 개방 밸브( V1, V2,...Vn )에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 인클로저( 11, 111, 211 )는 스테인레스강 또는 알루미늄으로 만들어지고, 상기 분리 칸막이( 14, 114, 214 )는 열 절연재로 만들어지며, 또한 각 분리 칸막이는 상기 가동 부재( 16, 116, 216 )가 통과하는 구멍(22)을 갖는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 캐리어 가스(GV)를 주입하는 수단은, 다른 챔버 사이에가스 유동을 분배하는 주입관( A1, B1, C1; A2, B2, C2; An, Bn, Cn; GV )을 포함하고, 상기 압력 손실은, 상기 칸막이( 14, 114, 214 )의 폭, 및 상기 구멍(22)과 가동 부재( 16, 116, 216 ) 사이의 틈에 대응하는 차동 구획(24)에 의존하는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 인클로저(11)의 외벽에, 챔버 사이의 열전달을 방지하는 열교환기(150)가 장치된 것을 특징으로 하는 증발 장치.
9. 용액(SO)이 용매와 전구체를 포함하는 CVD용으로 설계된 제 1 항에 따른 증발 장치에 있어서, 상기 온도(T1)로 가열된 제 1 챔버(112A)의 출구(S1)가 증발된 용매를 응축 시스템(113)으로 안내하고, 상기 온도(T2)로 가열된 제 2 챔버(112B)의 출구(S2)가 증발된 전구체를 CVD 반응기로 보내는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 용액(SO)이 1종 이상의 전구체를 포함하는 경우, 상기 온도(T2)보다 높은 온도(T3)로 가열된 제 3 챔버(212C)가 출구(S3)에 의해 반응기(CVD)에 연결된 것을 특징으로 하는 증발 장치.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 응축 시스템(113) 및 상기 반응기(CVD)에, 챔버로부터 증기 유동을 추출하기 위한 펌프 시스템( PP1, PP2 )이 장치된 것을 특징으로하는 증발 장치.