KR20140056704A - 씨브이디 공정용 유체의 유동 분배 장치 - Google Patents

Abstract

CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치는 화학기상증착법에서 공정용 소스 유체의 균일한 유동을 형성하기 위한 유동 분배 장치에 있어서, 소정 공간을 갖는 챔버와, 챔버 내부에 다층으로 마련되어 유체의 유동을 층층이 분할하기 위한 복수의 유동분할부재와, 각 유동분할부재에 마련되며 유체의 유동을 따라 층이 증가할수록 개수가 증가함과 동시에 균등하게 분할 마련되어 유체의 유동을 균일하게 형성하는 유동홀을 포함한다.

Description

씨브이디 공정용 유체의 유동 분배 장치{Flow distributing apparatus of fluid for CVD}

본 발명은 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학기상증착법에서 사용되는 공정용 소스 유체를 챔버 내 공간상에서 균일한 유동시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.

CVD(Chamical Vapor Deposition Method: 화학기상증착법) 공정은 반도체 및 디스플레이 생산에서 핵심소자인 각종 박막을 형성하는 기술로 현재 많은 장비가 개발되어 왔으며, 또한 현재보다 더 발달된 반도체 소자 및 디스플레이 생산을 위해서 지속적인 혁신이 요구되고 있다.

CVD 장비는 기체 상태의 소스 유체(형성할 원재료를 포함한 유체)를 기판(반도체 소자의 경우 실리콘 웨이퍼, 디스플레이의 경우 유리) 상에 공급하여 화학적인 결합을 통해 박막을 형성한다. 이때 박막의 균일성이 소자의 품질을 결정하는 핵심적인 요소이기 때문에, 소스 유체를 균일하게 공급하는 것이 가장 중요한 기술 중 하나로 꼽힌다.

종래의 CVD 장비들은 원형 샤워 헤드나 노즐 블럭을 이용하여 소스 유체를 기판 위에 배포하였지만, 이러한 방식은 대형 기판에서 균일성을 유지하기 어렵다. 물론, 종래 반도체 소자는 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하므로 개별적인 기판의 위치를 조절하여 이러한 불균일성을 해소하였고, 디스플레이는 현재 시장에서 판매중인 제품들의 기술적인 수준이 높지 않아 종래의 방식을 사용한 CVD 장비로도 생산이 가능하였다.

하지만, 실리콘 웨이퍼는 점진적으로 크기가 증대하고 있으며 또한 위치를 컨트롤하는 방식은 생산성이 낮아 앞으로의 시장에서의 요구에 미치지 못한다. 일례로 차세대 디스플레이로 꼽히는 AMOLED(active matrix organic light emitting divice)는 반도체 소자에 못지않은 정밀도를 요구하기 때문에 종래의 샤워 헤드나 노즐 블럭으로는 요구되는 균일성을 제공할 수 없다.

본 발명에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치는 유체의 유동 저항을 유동출구의 위치에 관계없이 동일하게 유지시키고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치는 화학기상증착법에서 공정용 소스 유체의 균일한 유동을 형성하기 위한 유동 분배 장치에 있어서, 소정 공간을 갖는 챔버와, 챔버 내부에 다층으로 마련되어 유체의 유동을 층층이 분할하기 위한 복수의 유동분할부재와, 각 유동분할부재에 마련되며 유체의 유동을 따라 층이 증가할수록 개수가 증가함과 동시에 균등하게 분할 마련되어 유체의 유동을 균일하게 형성하는 유동홀을 포함할 수 있다.

또한, 상기 유동분할부재의 최상층에 마련되는 유동홀은 짝수로 마련되며, 층이 증가할 때마다 유동홀은 제곱 형태로 증가할 수 있다.

또한, 상기 챔버는 동층에서 분할된 일측의 유동홀을 통과한 유체가 타측의 유동홀을 통과한 유체와 하층에서 상호 간섭되지 않도록 하는 격벽을 포함할 수 있다.

또한, 상기 유동홀들은 크기가 일정할 수 있다.

또한, 상기 챔버는 분산기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 화학기상증착법에서 공정용 소스 유체의 균일한 유동을 형성하기 위해 상부의 유체 투입구보다 상대적으로 확장한 유체 배출구를 하부에 구비하며 소정 공간을 갖는 챔버의 내부에 유동홀을 갖는 복수의 유동분할부재를 유체의 유동 방향을 따라 층상으로 마련하되, 각 층에 마련되는 유동분할부재의 유동홀은 상층에서 하층으로 갈수록 개수가 증가하면서 균등하게 분할 마련되는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 유체 유동 분배 장치는 챔버 내부에 유체의 유동 방향을 따라 유동분할부재를 다층 형태로 마련하고 상층의 유동분할부재에 마련되는 유동홀보다 하층의 유동분할부재에 마련되는 유동홀을 증가시키면서 균등하게 분할 배치함으로써 챔버를 흘러나가는 유체의 유동 저항을 유동출구의 위치에 관계없이 동일하게 유지시킬 수 있기 때문에 추가적인 장치 없이도 넓은 면적에 유체 유동을 균일하게 분배할 수 있다. 또한, 외부 교란에 의해 유동이 불균일해져도 유동량에 의해 저항이 결정되어 유동이 불균일해지면 많은 쪽에는 음의 되먹임이 발생하고 적은 쪽에는 양의 되먹임이 발생하여 자연스럽게 균형점으로 돌아간다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치의 일부 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치를 설명하기 위한 회로 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 나아가 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 도 1의 일부 단면도이다. CVD 공정은 다양한 방법이 있으며 이하에서 설명하는 방식은 그 일례에 지나지 않는다.

도면을 참조하면, 유체의 유동 분배 장치는 소정의 공간을 갖는 챔버(10)와, 챔버(10) 내부에 다층으로 마련되는 유동분할부재(20)와, 유동분할부재(20)에 마련되는 유동홀(30)을 포함한다.

챔버(10)는 유체 투입구(11)와 배출구(13)를 구비한다. 유체 투입구(11)는 챔버(10)의 상측에 마련되며, 유체 배출구(13)는 챔버(10)의 하측에 마련된다. 유체 배출구(13)는 컨베이어(1) 상을 수평 이동하는 웨이퍼(2)의 크기에 맞도록 세팅되기 때문에 통상적으로 유체 투입구(11)보다 확장되며, 웨이퍼(2)가 수평 이동하는 동안 유체가 반응해서 안착할 수 있도록 길고 폭이 좁게 마련된다. 컨베이어의 이동 속도에 따라 유체의 안착 두께가 조절될 수 있다.

유동분할부재(20)는 판상으로 가지며 챔버 내부에 상하로 배치되는 유체 투입구(11)로부터 배출구(13)의 수직 방향을 따라 다층으로 마련된다. 유동분할부재(20)의 개수는 챔버(10)의 체적에 따라 달라질 수 있으며, 유동분할부재(20)의 층수가 증가할수록 유체의 유동 균일성은 증가한다.

유동홈(30)은 유동분할부재(20) 상에 마련된다. 유동홈(30)은 다층으로 마련되는 층의 위치에 따라 개수가 달라지는데, 상층의 유동분할부재에 마련되는 유동홈보다 상대적으로 하층의 유동분할부재에 마련되는 유동홈의 개수는 증가하며 그 위치는 균등하게 분할 배치된다. 층이 증가할수록 유체의 유동 균일성은 높아진다.

일례로, 도 1 내지 도 3은 유체 투입구(11)를 통해 유입된 유체를 제1층(최상층)의 유동분할부재(20a)에서 두 개의 유동홀(31a,31A)을 통해 분할하여 유동시키고, 제2층의 유동분할부재(20b)에서는 네 개의 유동홀(32a,32b,32A,32B)을 통해 유체를 분할하여 유동시킨 것이다. 즉, 유동분할부재(20)의 층이 증가함(내려감)에 따라 그 위에 마련되는 유동홀(30)은 균등하게 분할된다.

또한, 동층의 유동분할부재(20a)에서 분할된 일측의 유동홀(31a)을 통과한 유체가 타측의 유동홀(31A)을 통과한 유체와 하층의 유동분할부재(20b)에 마련되는 유동홀(32a,32b,32A,32B)에서 상호 간섭되지 않도록 챔버(10)는 격벽(12)을 포함한다.

유동분할부재(20)에 마련되는 유동홀(30)들을 하층으로 내려갈수록 균등하게 분할하는 이유는 유동홀(30)을 병렬로 균등하게 층층히 배치할 경우 유체의 유동저항은 크게 변하지 않기 때문이다.

도 4는 본 발명의 유체 저항을 설명하기 위해 전기 저항의 병렬 구성을 예로 도시한 것이다. 도시한 바와 같이 전항 저항을 지속적으로 균등하게 병렬 배치하면 전기 저항의 총합은 도시한 바와 같이 최종적으로 R_total = R_o + R₁이 된다.

이 관점은 유체의 유동 저항에 그대로 적용할 수 있어서, 복수의 유동분할부재(20a,20b,...20n)를 유체의 유동 방향을 따라 층상으로 배치하고 각 층의 유동홀(31a,32a,32b,.., 31A,32A,32B,..) 개수를 상층에서 하층에서 증가시키면서 균일하게 분할 마련하면 유체 저항이 크게 증가하지 않으면서도 유체 투입구(11)의 유체를 상대적으로 넓은 유체 배출구(13)로 균일하게 유동시킬 수 있게 된다. 이때 챔버로 유입되는 유체의 유량 Q와 동층에 마련되는 복수의 유동홀을 분할 통과하는 유량 및 유체 배출구로 최종 배출되는 유량은 항상 일정하다.

또한, 유동분할부재(20)의 최상층에 마련되는 유동홀은 짝수로 마련되며, 층이 증가할 때마다 유동홀은 제곱 형태로 증가한다.

도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이 1차원 분배모델의 경우 2분할 방식의 판형 유동분할부재(20) 조합하여 병렬로 연결한 유동분할부재의 유동홀(31a,32a,32b,.., 31A,32A,32B,..) 개수는 층수 당 2의 거듭제곱 형태 예컨대 2,4,8,16...으로 늘어나며, 도 5에 도시한 2차원 분배모델의 경우 4분할 방식의 판형 유동분할부재(20)를 조합하여 병렬로 연결한 유동분할부재의 유동홀(31,32,..) 개수는 층수 당 4의 거듭제곱 형태 예컨대 4,16,64,256,..으로 늘어난다.

유동홀을 3,5,7,..과 같이 홀수로 마련하면 균등 분할 배치가 하층으로 유동할 수록 상대적으로 어려워진다.

한편, 유동분할부재(20)의 하류로 유동한 유체는 챔버(10)의 유체 배출구(13)를 빠져나가기 전에 마련되는 분산기(40)를 통해 더욱 균일하게 유동될 수 있다. 분산기(40)는 유로가 좁은 슬릿 형태로 마련되며, 복수개가 층층히 배치될 수록 유동 균일성을 높일 수 있다.

챔버(10), 유동분할부재(20), 분산기(40) 등은 반응 유체에 의해 부식이 발생하지 않도록 스레인레스 등의 재질로 마련될 수 있다.

한편, 일반적으로 유체 저항에 영향을 미치는 다른 대표적인 인자로서는 유동홀의 크기가 있지만, 본 실시 예에서는 유동홀들의 크기를 일정하게 함으로써 이를 제외할 수 있다. 이하에서는 그 이유를 설명한다.

먼저, 유체 유동에 의한 마찰 및 각종 비가역적 현상에 의한 마찰손실은 아래와 같은 식으로 표시할 수 있으며,

P:압력, ρ:유체밀도, V:평균속도, K_L:손실계수

유체 흐름이 직선, 곡선, 또는 여러 부품 등에 의하여 복잡하더라도 유동저항에 의한 총 마찰 손실

는 아래의 식으로 표현할 수 있다.

만약, 유체가 분기될 경우 유체가 분기되는 (유동)홀의 크기가 동일할 경우에는 유동속도 V 가 분기 개수에 반비례하여 줄어들기 때문에, 압력손실은 분기 개수의 제곱에 반비례하여 줄어든다. 즉, 분기의 증가에 따라 아래 그림과 같이 압력손실이 줄어든다.

만약 분기의 개수가 점점 늘어날 경우 총 압력손실의 최대값은 아래와 같으며,

일반적으로 분기의 개수는 제한되어 있으므로 최종적으로

가 된다.

따라서, 유동홀의 크기가 일정할 경우에는 최대 유체 저항에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

2..웨이퍼 10..챔버
11..유체 투입구 13..유체 배출구
12,14,..격벽 20..유동분할부재
30..유동홀

Claims (9)

1. 화학기상증착법에서 소스 유체의 균일한 유동을 형성하기 위한 유동 분배 장치에 있어서,
   소정 공간을 갖는 챔버와,
   상기 챔버 내부에 다층으로 마련되어 유체의 유동을 층층이 분할하기 위한 복수의 유동분할부재와,
   각 유동분할부재에 마련되며 유체의 유동을 따라 층이 증가할수록 개수가 증가함과 동시에 균등하게 분할 마련되어 유체의 유동을 균일하게 형성하는 유동홀을 포함하는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유동분할부재의 최상층에 마련되는 유동홀은 짝수로 마련되며,
   층이 증가할 때마다 유동홀은 제곱 형태로 증가하는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 챔버는 동층에서 분할된 일측의 유동홀을 통과한 유체가 타측의 유동홀을 통과한 유체와 하층에서 상호 간섭되지 않도록 하는 격벽을 포함하는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 유동홀들은 크기가 일정한 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 챔버는 분산기를 더 포함하는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
6. 화학기상증착법에서 공정용 소스 유체의 균일한 유동을 형성하기 위해 상부의 유체 투입구보다 상대적으로 확장된 유체 배출구를 하부에 구비하며 소정 공간을 갖는 챔버의 내부에 유동홀을 갖는 복수의 유동분할부재를 유체의 유동 방향을 따라 층상으로 마련하되, 각 층에 마련되는 유동분할부재의 유동홀은 상층에서 하층으로 갈수록 개수가 증가하면서 균등하게 분할 마련되는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 유동분할부재의 최상층에 마련되는 유동홀은 짝수로 마련되며,
   층이 증가할 때마다 유동홀은 제곱 형태로 증가하는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 챔버는 동층에서 분할된 일측의 유동홀을 통과한 유체가 타측의 유동홀을 통과한 유체와 하층에서 상호 간섭되지 않도록 하는 격벽을 포함하는 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.
9. 제 6항에 있어서,
   상기 유동홀들은 크기가 일정한 CVD 공정용 유체의 유동 분배 장치.

Images