KR100421223B1 - 화학 기상 반응기용 샤워헤드 - Google Patents

화학 기상 반응기용 샤워헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기상 반응기용 샤워헤드에 관하여 개시한다. 개시된 화학 기상 반응기용 샤워헤드는 3개의 제1, 제2 및 제3원형플레이트가 측면이 실링되게 순차적으로 적층된다. 상기 제1원형플레이트에는, 중심축으로부터 소정거리 이격된 n 개의 소스주입홀; 및 반응개스주입홀;이 형성되어 있다. 상기 제2원형플레이트에는, 상기 반응개스주입홀에 대응하는 반응개스통과홀; 및 상기 소스주입홀들을 중심으로 하는 n 개의 균등분할된 섹터;가 형성되어 있다. 상기 섹터에는, 상기 중심축 및 외주로부터 각각 소정거리 이격되게 형성된 제1그루브; 상기 제1그루브에서 상기 섹터의 경계선으로 연장되어 형성된 다수의 제2그루브; 및 상기 제2그루브의 하부에서 다수의 소스분산홀;이 형성되어 있다. 상기 제3원형플레이트에는, 상기 소스분산홀이 상기 제3원형플레이트를 통과하도록 형성된 소스통과홀; 상기 소스통과홀로부터 소정거리 이격되고, 상기 반응개스주입홀과 개방되어 상기 반응개스의 확산경로가 되는 제3그루브; 및 상기 제3그루브의 하부에서 다수의 반응개스분사홀;을 구비한다.

Description

화학 기상 반응기용 샤워헤드{Showerhead for chemical vapor reactor}
본 발명은 화학 기상 반응기용 샤워헤드(showerhead)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기금속을 기화시켜서 화학증착 또는 원자층 증착을 시키는 화학 기상 반응기에 유기금속 소스 및 반응개스를 주입하는 샤워헤드에 관한 것이다.
유기금속 화학증착법이나 원자층 증착방법은 기화된 유기금속을 전구체로 하여 기판 상에 박막을 형성하는 공정이며, 높은 증착 속도와 조성 조절의 용이성 등으로 박막제조에 널리 사용되고 있다.
고품질의 증착층을 얻기 위해서는 낮은 온도에서 시분할로 필요한 화학물질을 반응시키면서 박막을 형성시키는 원자층 증착방법이 바람직하다.
도 1은 화학 증착 반응기의 개략 설명도이다.
도면을 참조하면, 기화기(미도시)로부터 기상의 소스가 샤워헤드(10)를 통해서 반응기(20)로 인입된다. 소스로는 예컨대, AlCH3)3, HfCl5, Ta(OCH2CH3)5등을 들수 있으며, 이를 통해 Al2O3, Hf2O5, Ta2O5등의 박막을 얻을 수가 있다. 반응기(20) 내에는 히터(22)에 의해 가열된 기판(24)이 배치되어 있으며, 인입된 소스는 기판(24) 상에 층을 형성한다. 다음에, 아르곤 또는 질소 개스로 소스 인입관(30)을 퍼지(purge)한다. 이어서 과량의 산화제 또는 환원제인 반응개스를 샤워헤드(10)로 주입하고 남은 반응개스를 퍼지하여 배기팬(26)으로 배출한다.
샤워헤드(10)에는 제1(12) 및 제2슬리트(14)가 형성되어 있어 인입된 소스가 제1슬리트(12)에서 일차적으로 분산된 후 제2슬리트(14)를 통해서 재분사되는 구조이다.
그러나 상기와 같은 샤워헤드를 사용시 소스가 소스인입관(30)에 가까운 곳으로로부터 먼 쪽으로 소스 밀도가 낮아지는 경향이 있다.
도 2는 미국특허 제6,050,506호에 개시된 샤워헤드(50)의 일부 평면도이다. 도면을 참조하면, 소스가 샤워헤드(50)로부터 균일하게 기판으로 분사되도록 홀들(52,54,56)을 배치하였다. 즉, 소스 주입구로부터 가까운 내측홀(52)로부터 중간홀(54) 및 외측홀(56)로 먼 곳으로 갈 수록 홀을 많이 형성하였다.
그러나, 이러한 구조의 샤워헤드 출구로부터 균일하게 소스를 분산시키기 위한 홀의 설계가 어렵고, 또한 하나의 물질 소스에 맞춘 샤워헤드는 다른 물질 소스에 일률적으로 적용할 수 없는 문제가 있다.
특히 하나 이상의 물질 소스를 혼합하여 반응기로 주입시키는 경우, 두 소스 사이의 샤워헤드에서의 경로 길이 차이가 커서 기판의 위치에 따라 소스가 도착하는 시간이 달라지고, 샤워헤드 출구의 위치에 따라 혼합된 소스의 분리현상이 생길수 있다. 또한, 소스마다 기체에서 고체로 변환되는 비율이 달라서 샤워헤드 출구의 위치에 따라 농도비가 달라지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 샤워헤드 출구로부터 균일한 소스가 배출되는 화학 기상 반응기용 샤워헤드를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 화학 증착 반응기의 개략 설명도,
도 2는 미국특허 제6,050,506호에 개시된 샤워헤드의 일부 평면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기상 반응기용 샤워헤드의 분해 사시도,
도 4는 도 3의 제2원형플레이트(120)의 평면도,
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 절개한 면의 단면도,
도 6은 도 3의 제3원형플레이트(150)의 평면도,
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ'선을 따라 절개한 면의 단면도,
도 8a 및 도 8b는 종래의 샤워헤드 및 본 발명의 제1실시예에 따른 샤워헤드를 가지고 아르곤 기체를 통과시킬 때의 유속과 유량을 샤워헤드 위치별로 시뮬레이션한 도면,
도 9는 제1실시예의 변형예로서 제2원형플레이트를 도시한 평면도,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 샤워헤드의 전개사시도,
도 11은 도 10의 제2원형플레이트(320)의 평면도,
도 12는 도 11의 ⅩⅡ-ⅩⅡ'선을 따라 절개한 면의 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100,300: 샤워헤드(showerhead) 110,310: 제1원형플레이트
112,312: 반응개스주입홀 114,314: 소스주입홀
120,320: 제2원형플레이트 122,322: 반응개스통과홀
126: 제1그루브(groove) 128: 제2그루브
130: 소스분산홀 150,350: 제3원형플레이트
152: 소스통과홀 156: 반응개스분사홀
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 화학 기상 반응기용 샤워헤드는, 3개의 제1, 제2 및 제3원형플레이트가 순차적으로 적층되고, 측면이 실링되게 형성되며,
상기 제1원형플레이트에는, 중심축으로부터 소정거리 이격된 동심원상에 균등한 간격으로 배치되는 적어도 두 개인 n 개의 소스주입홀; 및 상기 제1원형플레이트를 관통하는 반응개스주입홀;이 형성되어 있으며,
상기 제2원형플레이트에는, 상기 반응개스주입홀에 대응하는 반응개스통과홀; 및 상기 소스주입홀들을 중심으로 하는 n 개의 균등분할된 섹터;가 형성되어 있으며,
상기 섹터에는, 상기 중심축으로부터 상기 소스주입홀을 향해서 연장되는 선에서 상기 중심축 및 외주로부터 각각 소정거리 이격되게 형성된 제1그루브; 상기 제1그루브에서 상기 섹터의 경계선으로부터 소정 거리 이격된 위치까지 연장되어 형성된 다수의 제2그루브; 및 상기 제2그루브의 하부에서 다수의 소스분산홀;이 형성되어 있으며,
상기 제3원형플레이트에는, 상기 소스분산홀에 대응하여 상기 소스분산홀을 통과한 소스가 상기 제3원형플레이트를 통과하도록 형성된 소스통과홀; 상기 소스통과홀로부터 소정거리 이격되고, 상기 반응개스주입홀과 개방되어 상기 반응개스의 확산경로가 되는 제3그루브; 및 상기 제3그루브의 하부에서 다수의 반응개스분사홀;을 구비한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 화학 기상 반응기용 샤워헤드에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 화학 기상 반응기용 샤워헤드(100)의 분해 사시도를 나타낸 것이며, 도 4는 도 3의 제2원형플레이트(120)의 평면도이며, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 절개한 면의 단면도이다.
도면을 참조하면, 3개의 제1, 제2 및 제3원형플레이트(110,120,150)가 순차적으로 적층되며, 측면은 실링되게 밀착된다. 상기 제1원형플레이트(110)에는, 그 중앙을 관통하는 반응개스주입홀(112) 및 반응개스주입홀(112)으로부터 소정거리 이격된 동심원상에 균등분되어 배치된 4 개의 소스주입홀(114)이 형성되어 있다.
상기 제2원형플레이트(120)에는, 상기 반응개스주입홀(112)에 대응하는 반응개스통과홀(122)이 형성되어 있으며, 상기 소스주입홀들(114)을 중심으로 하는 4 개의 균등분할된 섹터(121)가 형성되어 있다.
상기 각 섹터(121)에는, 상기 반응개스통과홀(122)로부터 상기소스주입홀(114)이 닿는 부분(도 4의 127)을 향해서 연장되는 선에서 상기 반응개스통과홀(122) 및 외주(124)로부터 각각 소정거리 이격되게 제1그루브(groove)(126)가 형성되어 있다. 상기 제1그루브(126)에서, 상기 섹터(121)의 경계선으로부터 소정 거리 이격된 위치까지 연장되어 다수의 제2그루브(128)가 형성되어 있다. 상기 제2그루브(128)의 하부에는 다수의 소스분산홀(130)이 형성되어 있다.
상기 제1그루브(126) 및 제1원형플레이트(110)에 의해 형성되는 소스의 통과 단면적은 제2그루브(128) 및 제1원형플레이트(110)에 의해 형성되는 소스의 통과 단면적보다 넓다. 또한, 상기 반응개스통과홀(122)은 반응개스주입홀(112)과 같거나 또는 그를 내포하는 것이 바람직하다.
도 6은 도 3의 제3원형플레이트(150)의 평면도이며, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ'선을 따라 절개한 면의 단면도이다.
상기 제3원형플레이트(150)에는, 제1 및 제2원형플레이트(110, 120)를 통과한 반을개스가 닿아서 분산되는 중앙점(162)과, 상기 소스분산홀(130)에 대응하여 상기 소스분산홀(130)을 통과한 소스가 상기 제3원형플레이트(150)를 통과하도록 소스통과홀(152)이 형성되어 있다. 상기 소스통과홀(152)로부터 소정거리 이격되고, 상기 반응개스통과홀(122)과 통기되어 상기 반응개스의 확산경로가 되는 제3그루브(154)가 소스통과홀(152)을 포위하며 그물망 형태로 연통되어 있다. 상기 제3그루브(154)의 하부에는 다수의 반응개스분사홀(156)이 형성되어 있다.
상기 구조의 샤워헤드의 작용을 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 소스주입홀(114)을 통해서 증착시키고자 하는 소스를 샤워헤드(100)로 주입시킨다. 주입된 소스는 소스주입홀(114)과 맞닿는 제2원형플레이트(120)의 제1그루브(126) 상에 닿아서 제1그루브(126)를 통해서 퍼져나간다. 이와 동시에 제1그루브(126)를 중심으로 좌우로 배치된 제2그루브(128)로 퍼지면서 제2그루브(128)의 하부에 형성된 소스분산홀(130)을 통해서 하방으로 진입한다.
이 소스는 소스분산홀(130)과 연통된 제3원형플레이트(150)의 소스통과홀(152)을 통해서 샤워헤드(100)를 벗어나서 기판으로 분사된다. 이어서, 아르곤 또는 질소 개스로 샤워헤드(100)에 잔존하는 소스를 퍼지한다.
다음에, 반응개스를 샤워헤드(100)를 통해 반응기로 분사시키는 과정은 다음과 같다. 먼저, 반응개스 주입홀(112)로 반응개스를 주입하면, 주입된 반응개스는 제2원형플레이트(120)에 상기 반응개스주입홀(112)과 대응되게 형성된 반응개스통과홀(122)을 지나서 제3원형플레이트(150)에 진입된다. 진입된 반응개스는 제3원형플레이트(150)의 중앙에 맞닿아서 옆으로 퍼진다. 이 때 제3원형플레이트(150)에서 반응개스통과홀(122)과 연통되고 소스통과홀(152)을 포위하면서 형성된 그물모양의 제3그루브(154)를 통해서 분산된다. 분산된 반응개스는 제3그루브(154)의 하부에 형성된 반응개스분사홀(156)을 통해 반응기로 분사된다. 이어서, 아르곤 또는 질소 개스로 샤워헤드(100)에 잔존하는 소스를 퍼지한다. 이어서, 아르곤 또는 질소 개스로 샤워헤드(100)에 잔존하는 소스를 퍼지한다.
따라서, 상기 제2원형플레이트(120)의 4개의 섹터로 소스가 분할되어 공급되며, 공급된 소스는 각 섹터의 제1 및 제2그루브(126, 128)를 통해 고르게 분산된다.
한편, 반응개스는 제3원형플레이트(150)에서 분산되는 정도가 소스에 비해 떨어지지만, 일반적으로 반응개스는 그 확산속도가 빠르고 공급량이 많으므로 불균일한 분산으로 발생되는 문제는 적다.
도 8a 및 도 8b는 종래의 샤워헤드 및 본 발명의 제1실시예에 따른 샤워헤드를 가지고 아르곤(Ar) 기체를 가지고 유속과 유량 분포를 샤워헤드 위치별로 시뮬레이션한 결과이다.
종래의 샤워헤드에서는 소스가 하나의 주입홀로 들어가서 분산되므로 도 8a에 도시된 바와 같이 중앙부에서는 소스의 속도가 빨라져서 소스가 집중되는 현상을 볼 수 있다. 그러나, 본 발명의 제1실시예에 따른 샤워헤드는 4개의 소스주입홀로 소스가 분산되어 주입된 후, 다시 소스분산홀을 통해서 분산되므로 도 8b에 도시된 바와 같이 소스의 확산속도가 균일해 지는 것을 알 수 있다.
도 9는 제1실시예의 변형예로서 제2원형플레이트를 도시한 평면도이며, 상기 제1실시예와 같은 구성요소에는 동일한 참조부호를 사용한고 상세한 설명은 생략한다.
도면을 참조하면, 제1그루브(126)의 양측에서 동심원상으로 제2그루브(228)가 형성되어 있다. 제2그루브(228)의 하부에는 소정 간격으로 그하부를 관통하는 소스분산홀(230)이 형성되어 있다. 상기 제1그루브(126), 제2그룹(228) 및 소스분산홀(230)의 개략적인 단면도는 도 5를 참조한다.
상기 제1그루브, 제2그루브 및 소스주입홀의 배치는 다양한 형태로 변형될수 있다.
먼저, 제2그루브(228)의 배치는 소스주입홀(122)이 맞닿는 부분으로부터 멀어질수록 제2그루브(228) 사이의 폭이 좁아져서 소스가 섹터(121)에 고르게 분산된다.
또 다른 변형예로서, 제2그루브(228) 사이의 간격은 동일하게 하고, 제2그루브(228)의 단면적을 소스주입홀(114)과 맞닿는 부분(127)로부터 바깥쪽으로 넓어지게 형성할 수도 있다. 또한, 제2그루브(228)의 하부에 형성된 소스분산홀(130)에의해 형성된 단면적 밀도를 상기 소스주입홀(114)과 맞닿는 부분(127)로부터 멀어질수록 넓게 형성할 수도 있다.
또한, 제1그루브 및 제2그루브에 의해 형성되는 소스의 통과 단면적을 상기 소스주입홀(114)과 맞닿는 부분(127)로부터 바깥쪽으로 넓어지게 형성하여 소스의 확산분포를 균일하게 할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 샤워헤드(300)의 전개사시도이며, 도 11은 도 10의 제2원형플레이트(320)의 평면도이며, 도 12는 도 11의 ⅩⅡ-ⅩⅡ'선을 따라 절개한 면의 단면도이며, 제1실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도면을 참조하면, 3개의 제1, 제2 및 제3원형플레이트(310,320,350)가 순차적으로 적층되며, 측면은 실링되게 밀착된다. 상기 제1원형플레이트(310)에는, 그 중앙으로부터 소정거리 이격된 동심원상에 균등분되어 배치된 4 개의 소스주입홀(314)이 형성되어 있으며, 소스주입홀(314) 사이에는 서로 대칭되게 4개의 반응개스주입홀(312)이 형성되어 있다.
상기 제2원형플레이트(320)에는, 상기 반응개스주입홀들(312)에 대응하며 상기 제2원형플레이트를 관통하는 반응개스통과홀들(322)이 형성되어 있다.
상기 제3원형플레이트(350)에는, 반응개스통과홀(322)이 닿는 부분과 통기되어 상기 반응개스의 확산경로가 되는 제3그루브(154)가 소스통과홀(152)을 포위하며 그물망 형태로 연통되어 있다. 상기 제3그루브(154)의 하부에는 다수의 반응개스분사홀(156)이 형성되어 있다.
따라서, 제2실시예에 의한 샤워헤드(300)는 반응개스도 분할되어 공급된다. 공급된 반응개스는 제3그루브(154)를 통해 확산되어 반응개스분사홀(156)을 통해 분산된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 화학 기상 반응기용 샤워헤드는 주입된 소스를 다수의 섹터로 1차적으로 분할공급하며, 이어서 각 섹터에 형성된 그루브를 통해 고르게 분산하여 반응기에 공급한다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 3개의 제1, 제2 및 제3원형플레이트가 순차적으로 적층되고, 측면이 실링되게 형성되며,
    상기 제1원형플레이트에는, 중심축으로부터 소정거리 이격된 동심원상에 균등한 간격으로 배치되는 적어도 두 개인 n 개의 소스주입홀; 및 상기 제1원형플레이트를 관통하는 반응개스주입홀;이 형성되어 있으며,
    상기 제2원형플레이트에는, 상기 반응개스주입홀에 대응하는 반응개스통과홀; 및 상기 소스주입홀들을 중심으로 하는 n 개의 균등분할된 섹터;가 형성되어 있으며,
    상기 섹터에는, 상기 중심축으로부터 상기 소스주입홀을 향해서 연장되는 선에서 상기 중심축 및 외주로부터 각각 소정거리 이격되게 형성된 제1그루브; 상기 제1그루브에서 상기 섹터의 경계선으로부터 소정 거리 이격된 위치까지 연장되어 형성된 다수의 제2그루브; 및 상기 제2그루브의 하부에서 다수의 소스분산홀;이 형성되어 있으며,
    상기 제3원형플레이트에는, 상기 소스분산홀에 대응하여 상기 소스분산홀을 통과한 소스가 상기 제3원형플레이트를 통과하도록 형성된 소스통과홀; 상기 소스통과홀로부터 소정거리 이격되고, 상기 반응개스주입홀과 개방되어 상기 반응개스의 확산경로가 되는 제3그루브; 및 상기 제3그루브의 하부에서 다수의 반응개스분사홀;이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응개스통과홀은 상기 중심축에 형성된 홀인 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응개스통과홀은 상기 중심축으로부터 소정거리 이격된 동심원상에 균등한 간격으로 배치되며, 상기 섹터의 경계선에 배치된 적어도 두 개의 홀인 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1그루브의 단면적은 제2그루브의 단면적보다 넓은 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제2그루브는 상기 중심축을 중심으로 한 다수의 동심원 상에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제2그루브의 소스 통과 단면적은 상기 소스주입홀로부터 멀어질수록 넓어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제2그루브는 그 단면적이 실질적으로 동일하며, 상기 소스주입홀로부터 멀어질수록 상기 제2그루브 사이의 간격이 좁아지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1그루브의 단면적은 상기 소스주입홀로부터 멀어질수록 소스가 통과되는 단면적이 넓어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 소스분산홀의 단면적은 상기 소스주입홀로부터 멀어질수록 넓어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
  10. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 소스분산홀은 상기 소스주입홀로부터 멀어질수록 더 많아지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 반응기용 샤워헤드.
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