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1. KR1020060066109 - VAPORIZER

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[ KO ]
명 세 서
기화기{VAPORIZER}
  기술분야
 본 발명은 반응관 내를 통과하는 원료 용액을 분산시킨 캐리어가스를 히터의 복사열로 기화하기 위한 기화기에 관한 것이다.
  배경기술
 특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2000-216150호
 최근 전자디바이스의 분야에서는, 회로의 고밀도화와 함께 전자디바이스를 한층 더 소형화 및 고성능화할 것이 요망되고 있으며, 예를 들어 트랜지스터의 조합으로 정보의 기억동작을 행하는 SRAM (Static Random Access read write Memory), EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), 또는 트랜지스터와 커패시터의 조합으로 정보의 기억동작을 행하는 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 등과 같이, 전자디바이스의 기능을 단순히 회로구성만으로 달성할 뿐만 아니라 기능성 박막 등의 재료 자체의 특성을 이용하여 디바이스의 기능을 실현하는 것이 유리해지고 있다.
 그 때문에, 전자부품에 사용되는 유전체 재료 등의 박막화가 요망되고 있다. 이러한 재료를 박막화하는 하나의 방법으로서 CVD 법이 있다.
 이 CVD 법은 PVD 법, 졸겔법, 그 밖의 성막법에 비하여 성막속도가 빠르고, 다층박막의 제조가 용이하다는 등의 특징을 갖고 있다. 또한 MOCVD 법은 유기물을 함유하는 화합물을 박막 형성용 원료로 사용하는 CVD 법이며, 안전성이 높고, 막 속에 할로겐화물이 혼입되지 않는다는 이점을 갖는다.
 MOCVD 법에 사용되는 원료는 일반적으로 고체 분말 또는 액체이며, 이들 원료를 용기에 넣고 일반적으로 감압 중에서 가열하고 원료를 기화기로 기화시킨 후, 캐리어가스에 의해 박막 성막장치 내로 보내고 있다.
 도 4 는 이러한 MOCVD 법의 기화 시스템의 시스템 블록도 (특허문헌 1 참조) 이다.
 이 도 4 에 있어서, 부호 10 은 복수의 원료 용액 등을 기화기 (1) 에 공급하는 공급부이다.
 공급부 (10) 는, 캐리어가스 (예를 들어 N 2 또는 Ar) 가 충전된 가스통 (11), 산소가 충전된 산소통 (12), 냉각수가 저류 (貯留) 된 저수탱크 (13), 강유전체 박막용 원료 (예를 들어 3 종류의 유기 금속 착물로서 Sr(DPM) 2, Bi(C 6H 5) 3, Ta(OC 2H 5) 5) 및 용제로서 THF (테트라히드로푸란) 를 저류한 복수의 저장탱크 (14∼17), 가스통 (11) 과 기화기 (1) 에 접속된 가스공급관 (18), 산소통 (12) 과 기화기 (1) 에 접속된 산소공급관 (19), 저수탱크 (13) 와 기화기 (1) 과 접속된 급수관 (20) 및 배수관 (21), 저장탱크 (14∼17) 와 기화기 (1) 에 접속된 액체공급관 (22∼25), 및 저장탱크 (14∼17) 와 가스통 (11) 에 접속된 다기관 (多岐管) (26) 을 구비하고 있다.
 가스공급관 (18) 의 경로 중에는 밸브 (18a) 와 매스 플로 컨트롤러 (18b) 가 형성되고, 산소공급관 (19) 의 경로 중에는 밸브 (19a) 와 매스 플로 컨트롤러 (19b) 와 밸브 (19c) 가 형성되고, 급수관 (20) 의 경로 중에는 밸브 (20a) 가 형성되고, 용제용 액체공급관 (22) 의 경로 중에는 밸브 (22a) 와 매스 플로 컨트롤러 (22b) 가 형성되고, 착물용 액체공급관 (23∼25) 의 경로 중에는 밸브 (23a∼25a) 와 매스 플로 컨트롤러 (23b∼25b) 가 형성되고, 다기관 (26) 의 경로 중에는 밸브 (26a∼26d) 와 에어퍼지 (26c) 와 밸브 (26f) 가 형성되어 있다. 그리고 액체공급관 (23∼25) 은 액체공급관 (22) 과 접속되도록 분지되어 있고, 각각 밸브 (23c∼25c) 가 형성되어 있다.
 가스통 (11) 에 충전된 캐리어가스는, 가스공급관 (18) 의 밸브 (18a) 를 여는 것에 의해 매스 플로 컨트롤러 (18b) 로 유량 제어되어 기화기 (1) 로 공급된다. 또, 가스통 (11) 에 충전된 캐리어가스는, 다기관 (26) 의 밸브 (26f) 및 밸브 (26a∼26d) 를 여는 것과 함께 에어퍼지용 밸브 (26e) 의 방출상태를 닫음으로써 캐리어가스가 저장탱크 (14∼17) 로 보내진다. 이로써, 저장탱크 (14∼17) 내는 캐리어가스에 의해 가압되고, 저류된 원료 용액은 그 용액 내에 선단이 위치하고 있는 액체공급관 (22∼25) 내에서 밀려 올라가 매스 플로 컨트롤러 (22b∼25b) 에 의해 유량 제어된 후, 기화기 (1) 의 접속관 (2∼5) 에 수송된다.
 또, 동시에 산소통 (12) 으로부터 매스 플로 컨트롤러 (19b) 로 일정 유량으로 제어된 산소 (산화제) 가 기화기 (1) 에 수송된다.
 그리고, 급수관 (20) 의 밸브 (20a) 를 여는 것에 의해 저수탱크 (13) 내의 냉각수가 기화기 (1) 의 내부를 순환하여 기화기 (1) 를 냉각한다.
 또한 접속관 (27∼30) 은, 도시예에서는 기화기 (1) 의 축선방향을 따라 병설되어 있지만, 실제로는 저수탱크 (13) 로부터의 급수관 (20) 또는 배수관 (21) 과 접속되는 접속관 (31, 32) 에 의해 방사상으로 교대로 형성되어 있다.
 저장탱크 (14∼16) 내에 저류된 원료 용액은, 용제인 THF 에 상온에서 액체 또는 고체상인 유기 금속 착물 (Sr(DPM) 2, Bi(C 6H 5) 3, Ta(OC 2H 5) 5) 을 용해하고 있기 때문에, 그대로 방치해 두면 THF 용제의 증발에 의해 유기 금속 착물이 석출되어 최종적으로 고형상 (固形狀) 이 된다. 따라서, 원액과 접촉한 액체공급관 (23∼25) 의 내부가 이것에 의해 폐색되는 것을 방지하기 때문에, 성막작업 종료후의 액체공급관 (23∼25) 내 및 기화기 (1) 내를 저장탱크 (17) 내의 THF 로 세정하면 된다. 이 때의 세정은, 매스 플로 컨트롤러 (23b∼25b) 의 출구측으로부터 기화기 (1) 까지의 구간으로 하고, 작업 종료후에 저장탱크 (17) 내에 저류된 THF 로 씻어내는 것이다.
 도 3 은 기화기 (1) 의 요부의 구성을 나타내는 단면도이다. 이 도 3 에있어서, 기화기 (1) 는 가스공급관 (18) 이 접속되는 분산기 (2), 분산기 (2) 의 하류측에 연속하여 접속된 반응관 (3), 및 반응관 (3) 의 주위를 덮는 히터 (4) 를 구비하고 있다.
 분산기 (2) 는 가스공급관 (18) 과 동축상에 위치하는 가스통로 (5) 를 갖는다. 이 가스통로 (5) 의 개시단 상류구 (5a) 와 종료단 분사구 (5b) 사이에는 각 접속관 (27∼30) 의 선단이 위치하고 있고 (도면에서는 대향 배치된 접속관 (28, 29) 만 도시), 이것에 의해 저장탱크 (14∼16) 내에 저류된 원료 용액이 이 가스통로 (5) 내에 공급 가능하게 되어 있다. 또한, 분산기 (2) 에는 접속관 (31, 32) 에 연통되어 저수탱크 (13) 내의 냉각수가 순환하기 위한 냉각경로 (6) 가 형성되어 있다. 그리고, 분산기 (2) 에는 가스공급관 (18) 의 개시단 상류구 (5a) 보다도 상류측에 일단이 위치함과 함께 종료단 분사구 (5b) 에 타단이 위치하는 로드 (7) 와, 이 로드 (7) 의 타단을 지지하는 핀 (8) 을 구비하고 있다. 또, 로드 (7) 의 일단은 가스공급관 (18) 의 단부 부근에 형성된 핀 (9) 에 의해 유지되어 있다.
 히터 (4) 는 반응관 (3) 을 대략 전체 길이에 걸쳐 포위하는 원통형상의 세라믹 히터 또는 나선상으로 형성된 것이 사용되고 있다.
 이러한 구성에서는, 분산기 (2) 의 내부에 구멍을 관통시켜 그 구멍의 축선과 동축상에 위치하도록 구멍의 내경 (4.50㎜) 보다도 작은 외경 (4.48㎜) 을 갖는 로드 (7) 를 넣는다. 분산기 (2) 와 로드 (7) 사이에 형성된 공간에 의해 가스통로 (5) 가 형성된다. 로드 (7) 는 비스 (9) 에 의해 위치 결정 상태로 유지되어 있다.
 또, 가스통로 (5) 의 단면 폭은 0.02㎜ 가 된다. 이 때, 가스통로 (5) 의 단면 폭은 0.005∼0.10㎜ 가 바람직하다. 이것은, 0.005㎜ 미만이면 가공이 곤란하고, 0.10㎜ 를 초과하면 캐리어가스를 고속화하기 위해 고압의 캐리어가스를 사용해야 할 필요가 생기기 때문이다.
 가스통로 (5) 의 상류에서는 가스공급관 (18) 으로부터 캐리어가스가 도입된다. 이 캐리어가스에는 가스통로 (5) 의 중도부에 위치하는 각 접속관 (27∼30) 의 선단으로부터 원료 용액이 적하되기 때문에, 이 원료 용액이 가스통로 (5) 를 통과하는 캐리어가스에 분산된다.
 이로 인해, 가스통로 (5) 하류의 종료단 분사구 (5b) 로부터 반응관 (3) 에 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 분사되고, 반응관 (3) 내를 흐르는 원료 용액을 분산한 캐리어가스를 히터 (4) 로 가열하여 기화한 후, 도시를 생략한 박막 성막장치에 보내진다.
  발명의 개시
  발명이 해결하고자 하는 과제
 그런데, 상기와 같이 구성된 기화기 (1) 에서는 반응관 (3) 의 주위를 히터 (4) 로 덮고 있는 구성이기 때문에, 반응관 (3) 의 길이에 상당하는 원료 용액을 분산한 캐리어가스의 기화경로 길이 (반응시간) 를 길게 확보하는 것이 곤란하고, 반응관 (3) 의 외주 부근과 중심 부근에서는 히터 (4) 의 복사열에 의한 가열온도에 차이가 생기는 것과 함께 원료 용액의 종류나 분산량 등에 따라서는 기화기 (1) 의 크기를 변경하지 않으면 충분한 기화가 불가능하다는 문제가 있었다.
 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여, 캐리어가스의 반응시간을 길게 확보할 수 있는 기화기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
  과제를 해결하기 위한 수단
 그 목적을 달성하기 위하여, 청구항 1 에 기재된 기화기는, 액체 또는 분체로 이루어지는 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 상류측으로부터 공급되는 나선상의 반응관; 및 그 반응관 내를 통과하는 원료 용액을 분산한 캐리어가스를 복사열로 가열하여 기화시키는 히터를 구비하는 것을 요지로 한다.
 청구항 2 에 기재된 기화기는, 상기 히터가 상기 반응관의 내측에 배치되어 있는 것을 요지로 한다.
  발명의 효과
 본 발명의 기화기에 의하면, 나선상의 반응관에 액체 또는 분체로 이루어지는 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 상류측으로부터 공급되고, 반응관 내를 통과하는 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 히터의 복사열에 의해 기화됨으로써, 반응관의 경로를 길게 확보할 수 있는데다가, 그 내부를 통과할 때 발생하는 원심력에 의해 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 통과방향과 교차하는 방향으로 교반됨으로써 빈틈없이 히터로부터의 복사열에 의한 기화가 촉진된다.
 청구항 2 에 기재된 기화기에 의하면, 히터가 반응관의 내측에 배치되어 있기 때문에 기화기의 소형화에 공헌할 수 있다.
  발명을 실시하기 위한 최선의 형태
 다음으로, 본 발명의 기화기를 MOCVD 용 기화기에 적용하여 도면에 기초하여 설명한다.
 도 2 는 본 발명의 기화기를 갖는 MOCVD 용 기화 시스템의 시스템 블록도, 도 1 은 본 발명의 기화기의 요부를 나타내고, 도 1(a) 는 요부의 정면도, 도 1(b) 는 반응관의 단면도이다.
 도 2 에 있어서, 부호 10 은 복수의 원료 용액 등을 기화기 (101) 로 공급하는 공급부이다. 또, 이 공급부 (10) 및 분산기 (2) 의 구성은 도 4 에 나타낸 종래 기술과 동일하기 때문에 그 상세한 설명은 생략한다.
 기화기 (101) 는, 가스공급관 (18) 이 접속되는 분산기 (2), 분산기 (2) 의 하류측에 연속하여 접속된 반응관 (103), 및 반응관 (103) 의 주위를 덮는 히터 (104) 를 구비하고 있다.
 반응관 (103) 은 그 중도부가 나선상으로 형성되어 있고, 예를 들어 분산기 (2) 로부터 도시를 생략하는 박막 성막장치까지의 기계적 이간 거리는 종래 기술에서 설명한 것과 동일거리로 되어 있고, 기화 시스템 전체의 장치의 크기를 대략 동일하게 할 수 있다. 또, 반응관 (103) 은 나선상으로 형성되어 있기 때문에 분산기 (2) 로부터 도시를 생략하는 박막 성막장치까지의 거리 중 실질적인 반응부분의 거리가 길게 확보되어 있다.
 히터 (104) 는, 세라믹 히터 등의 막대형인 것이 반응관 (103) 의 나선부분의 중심에 대략 전체 길이에 걸쳐 배치되어 있다. 또, 히터 (104) 를 반응관 (103) 의 내측 또는 외측에 위치하는 나선상 관체로 구성해도 되며, 이들을 병용해도 된다.
 이러한 구성에서는, 분산부 (2) 에 접속된 각 접속관 (27∼30) 의 선단에서 원료 용액이 적하되어 가스공급관 (18) 으로부터 도입된 캐리어가스에 원료 용액이 분산된다.
 이것에 의해, 분산부 (2) 의 하류로부터 반응관 (103) 에 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 분사되고, 반응관 (103) 내를 흐르는 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 히터 (104) 로 가열되어 기화한 후, 도시를 생략하는 박막 성막장치로 보내진다.
 이 때, 반응관 (103) 이 나선상으로 형성되어 있기 때문에, 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이 반응관 (103) 내에서는 그 반송방향과 교차하는 방향으로 원심력을 따른 난류가 발생하고, 반응관의 내측과 외측에서 캐리어가스가 교반된 상태가 되어, 히터 (104) 로부터의 복사열에 의해 빈틈없이 기화할 수 있다.
  도면의 간단한 설명
 도 1 은 본 발명의 기화기의 요부를 나타내고, (A) 는 요부의 정면도, (B) 는 반응관의 단면도이다.
 도 2 는 본 발명의 기화기를 갖는 MOCVD 용 기화 시스템의 시스템 블록도이다.
 도 3 은 기화기의 분산부의 종단면도이다.
 도 4 는 종래의 기화기를 갖는 MOCVD 용 기화 시스템의 시스템 블록도이다.
  부호의 설명
 101 : 기화기 103 : 반응관
 104 : 히터
  산업상이용가능성
 본 발명의 기화기에 의하면, 나선상의 반응관에 액체 또는 분체로 이루어지는 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 상류측으로부터 공급되고, 반응관 내를 통과하는 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 히터의 복사열에 의해 기화됨으로써, 반응관의 경로를 길게 확보할 수 있는데다가, 그 내부를 통과할 때 발생하는 원심력에 의해 원료 용액을 분산한 캐리어가스가 통과방향과 교차하는 방향으로 교반됨으로써 빈틈없이 히터로부터의 복사열에 의한 기화가 촉진된다.
 청구항 2 에 기재된 기화기에 의하면, 히터가 반응관의 내측에 배치되어 있기 때문에 기화기의 소형화에 공헌할 수 있다.