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KR101172275B1 - 기화 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

기화 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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KR101172275B1
KR101172275B1 KR1020090135890A KR20090135890A KR101172275B1 KR 101172275 B1 KR101172275 B1 KR 101172275B1 KR 1020090135890 A KR1020090135890 A KR 1020090135890A KR 20090135890 A KR20090135890 A KR 20090135890A KR 101172275 B1 KR101172275 B1 KR 101172275B1
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vaporization
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crucible
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unit
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KR1020090135890A
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서승철
공두원
이종하
이경범
정성재
조황신
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에스엔유 프리시젼 주식회사
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Abstract

본 발명은 원료 물질을 수용하는 기화 도가니와, 상기 기화 도가니를 가열하여 상기 원료 물질을 기화시키는 기화 가열부와, 상기 기화 도가니의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 상기 기화 가열부의 인가 전원을 측정하는 전원 측정부 및 상기 온도 측정부의 온도 변화값 및 상기 전원 측정부의 전원 변화값 중 어느 하나를 근거로 원료 물질의 기화량을 조절하는 제어부를 구비하는 기화 장치 및 이의 제어 방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명은 원료 물질의 기화시 온도 변화값 또는 전원 변화값을 통해 기화량을 측정하는 비접촉/전자식 방식을 사용한다. 따라서, 접촉식 방식과 달리 기화량 측정 수단이 원료 가스에 직접 접촉하지 않으므로 다양한 원료 공급이 가능하고, 대용량 원료 및 장시간 원료 공급시에도 성능이 저하되지 않는다. 그리고, 전자식 방식으로 기화량을 매우 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 보다 정밀한 원료 공급이 가능하다.
기화기, 도가니, 인젝터, 압력 게이지, 온도 센서

Description

기화 장치 및 이의 제어 방법{VAPORIZING APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 기화 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원료 물질을 가스 형태로 기화시켜 공급하는 기화 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적인 진공 가열 증착 방식에서는 원료 물질이 고상 또는 액상인 경우에 이를 기화시키는 과정이 수반되며, 이를 위해 챔버 내부에 또는 챔버 외부에 원료 기화 장치가 구비된다. 이러한 원료 기화 장치는 고상 또는 액상의 원료 물질을 기화(또는 증발)시키기 위한 기화 수단 외에 기화되는 원료 물질의 양을 측정하고, 측정된 값을 근거로 하여 기화량을 원하는 목표치로 조절하기 위한 기화량 조절 수단을 더 구비하는 것이 보통이다.
이러한 기화량 조절 수단은 크리스탈 센서(crystal sensor)를 통해 크리스탈의 진동수 변화를 측정하거나, 또는 압력 게이지를 통해 기화 압력 변화를 측정하여, 기화량이 원하는 목표치보다 높으면 원료 공급량을 줄이거나, 또는 가열 온도나 인가 파워(Power)를 낮추도록 제어하고, 반대의 경우는 원료 공급량을 늘리거 나, 또는 가열 온도 또는 인가 파워를 높이도록 제어하는 방식으로 동작되는 것이 보통이다.
그러나, 크리스탈 센서를 이용하는 경우에는 크리스탈 센서 표면에 증착되는 양이 어느 정도 이상 되면 수명이 다하여 더 이상 정밀한 측정이 불가능하게 된다. 따라서, 대량의 원료 공급이 필요한 경우 또는 장시간 연속 공정이 필요한 경우에 적합치 않으며, 원료 물질이 크리스탈 표면에 잘 흡착되지 않는 경우에는 진동수 변화가 증발량에 비례하지 않으므로 사용이 불가능하다.
그리고, 압력 게이지를 이용하는 경우에는 증발된 원료 물질이 압력 게이지의 내부 부품과 화학적 반응을 일으켜 오동작을 초래할 수 있고, 어느 정도 이상 사용하면 증발된 원료 물질이 압력 게이지의 입구 통로를 막아 정확한 압력 측정이 불가능한 경우가 종종 발생된다. 또한, 압력 게이지는 대략적인 기화 압력의 변화를 측정할 수 있으나, 미세한 압력 변화에 민감하지 않아 정밀한 제어가 필요한 공정에는 적합하지 않다.
이처럼, 종래의 기화량 조절 방식은 이종의 막질 형상을 위한 다양한 원료 공급, 대면적 기판 사용에 따른 대용량 원료 공급, 양산성 확보를 위한 장시간 원료 공급 및 공정 미세화에 따른 정밀한 원료 공급 등이 요구되는 최근의 공정 흐름에 적합치 않은 문제점이 있었다.
본 발명은 다양한 원료 공급, 대용량 원료 공급, 장시간 원료 공급 및 정밀한 원료 공급 등에 적합한 기화량 제어 수단을 구비하는 기화 장치 및 이의 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 실시간으로 원료 물질의 기화량을 확인할 수 있는 기화량 제어 수단을 구비하는 기화 장치 및 이의 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 기화기의 구조 개선을 통해 기화 속도 향상, 기화 품질 향상을 달성하도록 한 기화 장치 및 이의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 기화 장치는, 원료 물질을 수용하는 기화 도가니; 상기 기화 도가니를 가열하여 상기 원료 물질을 기화시키는 기화 가열부; 상기 기화 도가니의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 기화 가열부의 인가 전원을 측정하는 전원 측정부; 및 상기 온도 측정부의 온도 변화값 및 상기 전원 측정부의 전원 변화값 중 어느 하나를 근거로 원료 물질의 기화량을 조절하는 제어부; 를 포함한다.
상기 제어부는 상기 기화 도가니의 온도를 일정하게 제어하고, 상기 전원 측정부의 전원 변화값을 근거로 원료 물질의 기화량을 조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 기화 가열부의 인가 전원을 일정하게 제어하고, 상기 온도 측정부의 온도 변화값을 근거로 원료 물질의 기화량을 조절할 수 있다.
상기 온도 측정부는 상기 기화 도가니 내부에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 기화 장치는 상기 기화 도가니를 둘러싸는 하우징 및 상기 하우징 내부의 기화 압력을 측정하는 압력 게이지를 더 포함할 수 있다. 또는, 상기의 기화 장치는 상기 기화 도가니 내부의 기화 압력을 측정하는 압력 게이지를 더 포함할 수 있다.
상기 기화 장치는 상기 기화 도가니로 원료 물질을 공급하는 원료 공급부를 포함하고, 상기 원료 공급부는 고상의 원료 물질이 저장되는 액화 도가니와, 상기 액화 도가니를 가열하여 원료 물질을 액화시키는 액화 가열부 및 상기 액화 도가니의 원료 물질을 외부로 배출시키는 배출 수단을 포함할 수 있다.
상기 기화 도가니는 상기 원료 물질이 수용되는 내부 공간이 형성된 몸체부 및 상기 몸체부에 결합되어 내부 공간에 수용된 원료 물질을 배출하기 위한 적어도 하나의 배출구가 형성된 배출판을 포함할 수 있다.
상기 배출판은 다수로 마련되어 상기 몸체부의 내부 공간을 상하로 구획하도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 배출판에는 기화 가열부가 매설될 수도 있다.
상기 배출판의 외측 표면은 중심부와 주변부의 높이가 다르게 예를 들어, 전등갓 형상 또는 깔대기 형상을 이루도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 기화 장치는, 원료 물질을 수용하는 기화 도가니; 및 상기 기화 도가니를 가열하는 기화 가열부; 를 포함하고, 상기 원료 물질이 수용되는 내부 공간이 형성된 몸체부; 및 상기 내부 공간에 수용된 원료 물질을 배 출하기 위한 적어도 하나의 배출구를 구비하며, 상기 내부 공간을 상하로 구획하도록 배치된 다수의 배출판; 을 포함한다.
상기 기화 가열부는 상기 기화 도가니의 외측에 배치되거나, 상기 다수의 배출판 중 적어도 하나에 매설될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 기화 장치는, 원료 물질을 수용하는 기화 도가니; 및 상기 기화 도가니를 가열하는 기화 가열부; 를 포함하고, 상기 기화 도가니에서 원료 물질이 수용되는 바닥면은 중심부와 주변부의 높이가 다르게 형성된다. 즉, 상기 기화 도가니의 바닥면은 중심부가 주변부보다 높게 형성되거나, 반대로 중심부가 주변부보다 낮게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 기화 장치의 제어 방법은, 기화 도가니에 원료 물질을 공급하는 단계; 상기 원료 물질의 기화를 위해 기화 가열부로 상기 기화 도가니를 가열하는 단계; 상기 기화 도가니의 온도 변화값 및 상기 기화 가열부의 전원 변화값 중 어느 하나를 측정하여, 상기 원료 물질의 기화량을 계산하는 단계; 및 상기 기화량에 근거하여 상기 기화 도가니로 공급되는 원료 물질의 공급량을 제어하는 단계; 를 포함한다.
상기 온도 변화값은 상기 기화 가열부의 전원을 일정하게 유지한 상태에서 상기 기화 도가니의 온도 변화값을 측정하는 것이 바람직하다.
상기 전원 변화값은 상기 기화 도가니의 온도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 기화 가열부의 전원 변화값을 측정하는 것이 바람직하다.
상기 전원 변화값은 전력, 전압, 전류 중 어느 하나의 변화값을 포함할 수 있다.
상기 기화량 계산 단계는 상기 기화 도가니를 둘러싸는 하우징 내부의 압력 변화값을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 원료 물질의 기화량은 상기 온도 변화값 및 전원 변화값 중 어느 하나와, 상기 압력 변화값을 이용하여 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 원료 물질의 기화시 온도 변화값 또는 전원 변화값을 통해 기화량을 측정하는 비접촉/전자식 방식을 사용한다. 따라서, 접촉식 방식과 달리 기화량 측정 수단이 원료 가스에 직접 접촉하지 않으므로 다양한 원료 공급이 가능하고, 대용량 원료 및 장시간 원료 공급시에도 성능이 저하되지 않는다. 그리고, 전자식 방식으로 기화량을 매우 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 보다 정밀한 원료 공급이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예들은 실시간으로 기화량을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 기화 속도, 기화 온도, 기화 전력 등 기화 과정의 다양한 정보를 획득할 수 있으므로, 원료 물질의 특성에 따른 최적의 기화 조건을 용이하게 설계할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 기화부 구성을 제시함으로써, 원료 물질의 특성에 따라 최적의 기화부 구성을 선택하여 신속하고 안정된 기화 조건을 용이하게 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 대량의 원료 물질을 액화시킨 후 필요한 소량의 원료 물질만을 기화시키는 단계적 기화 방식을 적용하여 원료 물질의 대용량화에 따른 높은 생산성을 달성할 수 있고, 소량 기화 방식에 따른 증착 속도의 조절 및 증착 품질의 유지가 용이하다.
이후, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기화 장치를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 상기의 기화 장치는, 고상 또는 액상의 원료 물질(S)을 공급하는 원료 공급부(100)와, 상기 원료 공급부(100)를 통해 공급된 원료 물질을 기화시키는 원료 기화부((210,220,230,240,250,270;200)와, 상기 원료 기화부(200)와 연통되어 기화된 원료 물질을 원하는 목적 공간으로 분사시키는 인젝터(injector) (300)와, 상기 원료 공급부(100)에서 상기 원료 기화부(200)로 공급되는 원료 물질의 공급량 및 상기 원료 기화부(200)에서 기화되는 원료 물질의 기화량을 제어하는 제어부(500)를 포함한다.
원료 공급부(100)는 고상 또는 액상의 원료 물질 중 어느 하나를 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 본 실시예는 고상의 원료 물질(S)을 원료 공급부(100)에서 액화시킨 후 액상의 원료 물질을 원료 기화부(200)로 공급하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 원료 공급부(100)는 원료 물질이 저장되는 실린더 형상의 액화 도가니(110)와, 상기 액화 도가니(110)를 가열하여 원료 물질을 액화시키는 액화 가열부(130)와, 상기 액화 도가니(110)의 원료 물질을 배출시키는 배출 수단 예를 들어, 상기 액화 도가니(110)의 일측에 장입되어 원료 물질을 가압 배출시키는 피스톤부(120)를 구비하고, 상기 액화 도가니(110) 및 상기 피스톤부(120)를 수용하여 진공 환경을 제공하는 하우징(140)을 더 구비한다.
상기 액화 도가니(110)는 일측이 개방되고 타측이 막혀있는 실린더 형상으로 제작되어, 내부에 원료 물질(S)이 충진되는 소정의 저장 공간(A)을 제공한다. 이러한 액화 도가니(110)는 횡단면이 원형인 경우에 한정되지 않으며, 사각, 오각 등 다각형 형태로 구성될 수 있음은 물론이다. 또한, 이러한 액화 도가니(110)의 몸통에는 원료 물질(S)이 투입되는 적어도 하나의 원료 투입구(111) 및 내부의 저장된 원료 물질(S)이 배출되는 적어도 하나의 원료 배출구(112)가 형성된다. 예를 들어, 본 실시예는 액화 도가니(110)의 몸통 상부에 원료 투입구(111)가 형성되고, 막혀있는 액화 도가니(110)의 몸통 바닥, 또는 측면에 원료 배출구(112)가 형성된다.
상기 액화 가열부(130)는 액화 도가니(110)에 저장된 고상의 원료 물질(S)을 가열하여 액화시키는 열 에너지를 공급하는 수단으로서, 고상의 원료 물질(S)을 액화시킬 수 있는 열 에너지를 공급할 수 있다면 어떠한 수단이 사용되어도 무방하다. 예를 들어, 코어 히터, 판상 히터, 램프 히터 등과 같은 저항식 가열 수단과 고주파 코일과 같은 고주파 가열 수단이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 코어 히터를 사용하였으며, 액화 도가니(110)의 외측 영역을 코어 히터가 감싸도록 구성하 였다. 물론, 상기의 액화 가열부(130)가 반드시 액화 도가니(110)의 외측에 마련될 필요는 없으며, 액화 도가니(110)의 내측에 위치될 수도 있고, 액화 도가니(110)의 몸체에 매립될 수도 있다. 또한, 하우징(140) 자체에 가열 수단이 마련되어 상기의 액화 가열부(130)를 대체할 수도 있다.
상기 피스톤부(120)는 액화 도가니(110)의 저장 공간(A)에 충진된 원료 물질(S)을 기화부(200)로 점진적으로 이송시키는 수단으로서, 상기 액화 도가니(110)의 내부에 구비되어 원료 물질(S)을 가압하여 이송시키는 헤드(121)와, 일측이 상기 헤드(121)에 연결되고, 타측이 상기 액화 도가니(110)의 외측으로 연장되어 상기 헤드(121)와 일체로 이동되는 로드(122)와, 상기 로드(122)의 타측에 연결되어 상기 로드(122)를 이동시키는 구동부(123)를 포함한다. 상기 구동부(123)는 모터 또는 유압식 실린더와 같이 상기 로드(122)를 상하로 이동시킬 수 있는 수단이라면 어떠한 수단이 사용되어도 무방하다. 예를 들어, 본 실시예서는 회전 운동을 직선 운동으로 변환 가능하고, 정밀한 구동 제어가 가능한 선형 모터를 사용하였다.
원료 기화부(200)는 내부에 기화 공간을 제공하는 하우징(210)과, 상기 하우징(210) 내부로 원료 물질을 투입시키고 상기 원료 물질을 기화시키는 기화기(220)를 포함한다.
상기 하우징(210)은 이송관(400)을 통해 액화 도가니(110)의 원료 배출구(112)와 연통되어 액상의 원료 물질(S)을 공급받고, 액상의 원료 물질(S)이 기화되는 소정의 공간을 제공한다. 상기 이송관(400)의 일측은 하우징(210)의 내측으로 삽입되어 소정 길이 연장되고, 연장 단부에는 기화 공간으로 원료 물질을 투입하 고, 투입된 액상의 원료 물질을 기화시키기 위한 기화기(220)와 연결된다.
상기 기화기(220)는 하우징(210) 내부로 투입된 원료 물질을 수용하는 기화 도가니(221)와, 상기 기화 도가니(221)를 가열하여 상기 원료 물질을 기화시키는 기화 가열부(222)를 포함한다. 이러한 기화 도가니(221) 및 상기 기화 가열부(222)의 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
상기 인젝터(300)는 기화실(210)의 일측에서 수평 방향으로 연장되어 소정의 길이를 갖는 바(bar) 형상으로 제작된다. 물론, 상기의 인젝터(300)는 공정 방향에 따라 수직 방향 또는 경사 방향으로 연장되도록 형성될 수 있으며, 바(bar) 형상과 같은 선형(line-type) 분사 방식 대신에 점형(point-type) 분사 방식 또는 면형(plane-type) 분사 방식으로 구성될 수도 있다. 이러한 인젝터(300))의 몸체 내부에는 인젝터(300)에서 기화된 원료 물질(S)이 유입되는 연통 유로(310)가 형성되고, 몸체 외면에는 상기 연통 유로(310)에서 연장되어 외측으로 개구된 다수의 분사구(320)가 형성된다. 이때, 분사구들(320)의 형성 위치 및 형성 개수는 기화된 원료 물질(S)이 기판(G)이 위치된 방향으로만 분사되도록 제어되는 것이 바람직하다. 또한, 도시되지는 않았지만, 분사구들(320)은 인젝터(300)의 몸체에서 외측으로 소정 길이로 돌출된 분사 노즐 형태로 형성될 수도 있다. 따라서, 원료 기화부(200)에서 기화된 원료 물질(S)은 인젝터(300)의 연통 유로(310)를 통해 유동되어, 인젝터(300)의 분사구들(320)을 통해 목적 방향 예를 들어, 기판 상부로 균일하게 분사된다.
제어부(500)는 원료 액화부(100), 원료 기화부(200) 및 인젝터(300)에 장착 된 각종 장치들의 동작을 전반적으로 제어하여, 최종적으로 인젝터(300)를 통해 분사되는 원료 가스의 분사량, 분사 속도 및 기화 품질을 제어한다. 이를 위해, 원료 기화부(200)에는 내부의 기화 압력을 감지하기 위한 압력 게이지(270)가 마련되어, 상기 압력 게이지(270)를 통해 측정된 기화 압력을 근거로 하여 제어부(500)가 피스톤부(120)의 구동 제어를 수행함으로써, 원료 기화부(200)로 공급되는 액상 원료 물질의 양이 제어된다. 즉, 기화 압력이 목표 수준보다 낮으면 피스톤부(120)의 헤드(121) 전진 속도를 높여 액상 원료 물질의 공급량을 늘려주고, 반대로 기화 압력이 목표 수준보다 높으면 피스톤부(120)의 헤드(121) 전진 속도를 낮춰 액상 원료 물질의 공급량을 줄여준다.
특히, 본 실시예의 기화 장치는 하우징(210) 내부에 기화기(220)의 표면 온도 특히, 기화 도가니(221)의 온도를 측정하는 온도 측정부(230)가 마련되고, 기화기(220)의 인가 전원 특히, 기화 가열부(222)를 측정하는 전원 측정부(240)를 구비하여, 기화기(220)의 온도 변화값 및 기화기(220)의 전원 변화값이 실시간으로 제어부(500)로 전송된다. 여기서 '전원' 이란 전력, 전압, 전류를 모두 포함하는 것으로서, 전원 측정부(240)는 필요에 따라 이 중 어느 하나를 선택하여 측정할 수 있다. 일반적으로 원료 물질의 기화 과정에서는 주변 '물체 즉, 기화기(220)의 온도가 변화되는 현상이 나타난다. 따라서, 제어부(500)를 통해 기화기(220)의 온도 및 기화기(220)의 인가 전원 중 어느 하나를 일정하게 유지 제어하면, 기화기(220)의 온도 변화값 또는 기화기(220)의 전원 변화값을 통해 기화량의 미세한 변화량을 계산하여 실시간으로 확인할 수 있다. 이러한 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2는 본 발명의 제 1 실험예에 따라 온도를 일정하게 제어한 상태에서 기화 과정에서의 전력 변화값을 측정한 그래프이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 기화 도가니(221)의 온도는 공정 시작 시점부터 공정 종료 시점까지 일정하게 유지된다. 원료 물질의 기화가 시작되면(Ts) 기화 도가니(221)는 열을 빼앗기게 되므로, 온도 유지를 위해 기화 가열부(222)의 인가 전력이 상승하게 된다. 반대로, 원료 물질의 기화가 종료되면(Te) 기화 도가니(221)는 더 이상 열을 빼앗기지 않으므로, 기화 가열부(222)의 인가 전력은 원래대로 낮아지게 된다. 그리고, 기화량이 균일한 시점에서는 기화 가열부(222)의 인가 전력 또한 일정하게 유지되지만, 일부 시점에서 기화량이 미세하게 변화되면(Tp1,Tp2) 그에 따라 기화 가열부(222)의 온도 또한 미세하게 변화된다. 따라서, 기화 도가니(221)의 온도를 일정하게 유지하는 경우에는 기화 가열부(222)의 온도 변화값을 통해 기화량을 매우 정확하게 확인할 수 있다.
반면, 도 3는 본 발명의 제 2 실험예에 따라 전력을 일정하게 제어한 상태에서 기화 과정에서의 온도 변화값을 측정한 그래프이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 기화 가열부(222)의 전력은 공정 시작 시점부터 공정 종료 시점까지 일정하게 유지된다. 원료 물질의 기화가 시작되면(Ts) 기화 도가니(221)는 열을 빼앗기게 되는데, 인가 전력은 그대로 유지되므로 기화 도가니(221)의 온도가 낮아지게 된다. 반대로, 원료 물질의 기화가 종료되면(Te) 기화 도가니(221)는 더 이상 열을 빼앗기지 않으므로, 기화 도가니(221)의 온도는 원래대로 높아지게 된다. 그리고, 기화량 이 균일한 시점에서는 기화 도가니(221)의 온도 또한 일정하게 유지되지만, 일부 시점에서 기화량이 미세하게(Tp1,Tp2) 변화되면 그에 따라 기화 도가니(221)의 온도 또한 미세하게 변화된다. 따라서, 기화 가열부(22)의 인가 전력을 일정하게 유지하는 경우에는 기화 도가니(221)의 온도 변화값을 통해 기화량을 매우 정확하게 확인할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 기화 장치는 원료 물질(S)을 기화 도가니(221)로 공급한 후 기화 가열부(222)를 통해 원료 물질을 기화시킨다. 이때, 압력 게이지(270)를 통해 측정된 기화량에 근거하여 제어부(500)가 원료 물질의 공급량 및 원료 물질의 기화 속도를 제어한다. 또한, 온도 측정부(230)를 통해 측정한 기화 도가니(221)의 온도 변화값 또는 전력 측정부(240)를 통해 측정한 기화 가열부(222)의 전원 변화값을 통해 더욱 정확한 기화량을 확인하여 제어부(500)가 원료 물질의 공급량 및 원료 물질의 기화 속도를 더욱 미세하게 제어한다. 따라서, 압력 게이지(270)를 포함하는 제 1 기화량 측정 수단과, 온도 측정부(230) 및 전력 측정부(240)를 포함하는 제 2 기화량 측정 수단의 병행 사용을 통해 인젝터(300)를 통해 분사되는 원료 가스의 분사량, 분사 속도 및 기화 품질을 원하는 목표 범위로 더욱 세밀하게 정밀하게 제어할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 기화량 측정 수단과 상기 제 2 기화량 측정 수단 중 어느 하나를 주된 수단으로 사용하고, 다른 하나를 보조 수단으로 활용하는 상호 보완적 사용도 가능함은 물론이다.
또한, 본 실시예에 따른 기화 장치는 실시간으로 기화량을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 기화 속도, 기화 온도, 기화 전력 등 기화 과정의 다양한 정보를 획득 할 수 있으므로, 원료 물질의 특성에 따른 최적의 기화 조건을 용이하게 설계할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 기화 장치는 고상 및 액상의 원료 물질 모두 사용이 가능하여 원료의 선택이 자유롭다. 또한, 원료 액화부(100)에서 대량의 원료 물질을 액화시키고, 이 중에서 필요한 소량의 원료 물질만을 원료 기화부(200)에서 기화시키는 단계적 가열 방식이므로, 원료 물질의 대용량화에 따른 높은 생산성을 달성할 수 있고, 소량 기화 방식에 따른 증착 속도의 조절 및 증착 품질의 유지가 용이하다. 또한, 대량의 원료 물질을 전부 기화시키는 것이 아니라 필요한 소량의 원료 물질만 기화시키므로, 열량 소모를 최소화할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 기화 장치의 기화기는 기화 속도 및 기화 품질 향상을 위해 다양하게 변형될 수 있으며, 이하에서는 본 발명에 적용 가능한 다양한 기화기를 예시하여 설명한다.
도 4은 본 발명의 제 1 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 변형예에 따른 기화기를 나타낸 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 기화기(600)는 이송관(400)에 결합되고 상기 이송관(400)을 통해 공급된 원료 물질이 수용되는 내부 공간이 형성된 몸체부(620)와, 상기 몸체부(620)에 결합되고 상기 내부 공간에 수용된 원료 물질을 배출하기 위한 적어도 하나의 배출구(611)가 형성된 배출판(610)을 구비하는 기화 도가니(610,620)를 구비하고, 상기 기화 도가니(610,620)의 외측에 기화 가열부(630)가 배치된다. 이때, 상기 기화 가열부(630)는 기화 도가니(610,620)의 외측 둘레 전체 또는 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 몸체부(620)는 일측이 개방되고 타측이 막혀있는 실린더 형상으로 제작되어, 개방 영역에 상기 배출판(610)이 결합됨으로써, 실린더 내부와 상기 배출판(610) 사이에 내부 공간이 형성될 수 있다. 또한, 이송관(400)은 몸체부(610)의 하벽 또는 측벽을 관통하도록 연결되어 이송관(400)과 몸체부(610)의 내부 공간이 상호 연통될 수 있다.
상기 배출판(610)은 평평한 판상 형태로 제작되어, 표면에 적어도 하나의 배출구(611)가 형성된다. 이때, 원료 물질의 균일한 배출을 위해 배출구(611)는 다수로 구성되고, 방사상 대칭 구조를 이루도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 배출판(610)은 다수(610a~610c)의 마련되어 몸체부(610)의 내부 공간을 상하로 구획하도록 설치될 수 있다.
이와 같은 기화기(600)는 몸체부(610)의 내부 공간에 상하로 이격 배치된 다수의 배출판들(610a~610c) 중 일부는 배출 흐름을 균일화시켜주는 배플판의 역할을 하게 됨으로써 균일성이 더욱 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제 2 변형예에 따른 기화기를 나타낸 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 기화기(700)는 판상 형태로 제작된 배출판(710) 내부에 기화 가열부(미도시)가 매설되도록 설치되고, 기화 가열부(미도시)가 매설된 배출판(710)은 다수(710a~710c)로 마련되어 몸체부(720)의 내부 공간을 상하로 구획하도록 설치된다. 이러한 몸체부(720)는 절연성 소재 예를 들어, 세라믹 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 기화기(700)는 기화 도가니(710,720)와 기화 가열부(222)를 일체화함으로써 외관 구성을 단순화하고 기화 가열부(미도시)의 노출에 따른 파손 우려를 최소화할 수 있다. 또한, 다단계 배출판들(710a~710c)은 원료 물질을 단계적으로 가열시켜줌으로써 기화 속도 및 기화 품질을 더욱 향상시켜준다.
도 8은 본 발명의 제 3 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도이고, 도 9는 본 발명의 제 3 변형예에 따른 기화기의 동작 과정을 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 기화기(800)는, 바닥면(812)을 제공하는 몸체부(810)와 바닥면(812)의 테두리를 따라 상방으로 연장된 측벽링(813)이 원료 물질(S)이 수용되는 기화 도가니(810)를 형성하고, 상기 기화 도가니의 외측에 기화 가열부(820)가 배치된다. 이때, 기화 도가니(810)의 바닥면(812) 중심부에 원료 물질을 공급하는 이송관(400)이 관통 결합된다. 또한, 상기 기화 도가니(810)의 바닥면(812)은 중심부가 주변부보다 높게 형성되어 볼록한 전등갓 형상의 경사면을 이루도록 형성된다. 따라서, 이송관(400)을 통해 공급된 액상의 원료 물질(S)은 경사면을 따라 흐르면서 사방으로 퍼지게 되므로, 원료 물질의 가열 면적이 넓어져서 기화 속도가 빨라질 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 4 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도이고, 도 11은 본 발명의 제 4 변형예에 따른 기화기의 동작 과정을 나타낸 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 기화기(900) 또한 바닥면(912)을 제공하는 몸체부(910)와 바닥면(912)의 테두리를 따라 상방으로 연장된 측벽링(913)이 원료 물질(S)이 수용되는 기화 도가니(910)를 형성하고, 상기 기화 도가니의 외측에 기화 가열부(920)가 배치된다. 다만, 상기 기화 도가니(910)의 바닥면(912)은 중심부가 주변부보다 낮게 형성되어 오목한 깔때기 형상의 경사면을 이루도록 형성된다. 따라서, 이송관(400)을 통해 공급된 액상의 원료 물질(S)은 저부 즉, 기화 도가니(910)의 바닥면(912) 중심부에서부터 채워져서 동일한 수평 높이를 이루기 때문에, 동일한 수평 높이에 해당하는 영역에서 원료 물질이 기화되므로 기화 속도가 흔들림이 없이 안정되게 유지될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 기화부는 다양하게 변형 가능함으로써, 원료 물질의 특성에 따라 최적의 기화부를 선택하여 신속하고 안정된 기화 조건을 용이하게 확보할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기화 장치를 나타낸 모식도이다.
도 12를 참조하면, 상기의 기화 장치는, 원료 물질(S)을 공급하는 원료 공급부(100)와, 상기 원료 공급부(100)를 통해 공급된 원료 물질을 기화시키는 원료 기화부(1220,1230,1240,1250;1200)와, 상기 원료 기화부(1200)와 연통되어 기화된 원료 물질을 원하는 목적 공간으로 분사시키는 인젝터(300)와, 상기 원료 공급부(100)에서 상기 원료 기화부(1200)로 공급되는 원료 물질의 공급량 및 상기 원료 기화부(1200)에서 기화되는 원료 물질의 기화량을 제어하는 제어부(500)를 포함한다.
상기 원료 기화부(1200)는 기화 공간을 제공하고 기화 공간 내부로 투입된 원료 물질을 수용하는 기화 도가니(1221)와, 상기 기화 도가니(1221)를 가열하여 상기 원료 물질을 기화시키는 기화 가열부(1222)를 포함한다.
또한, 상기의 기화 장치는 기화 도가니(1221)의 내부 온도, 특히 바닥 온도를 측정하는 온도 측정부(1230) 및 기화 가열부(1222)의 전원을 측정하는 전원 측정부(1240)를 구비하고, 기화 도가니(1221) 내부의 기화 압력을 감지하는 압력 게지(1270)를 구비한다. 따라서, 제어부는 기화 도가니(1221)의 온도 변화값, 기화 가열부(1222)의 전원 변화값, 기화 도가니(1221)의 압력 변화값을 실시간으로 전송받아 원료 물질의 기화량을 매우 정확하게 계산할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기화 장치는 기화 도가니(1221) 자체가 하우징(도 1의 210) 역할을 하기 때문에 비용 절감이 가능하다.
한편, 전술한 제 1, 제 2 실시예에 따른 기화 장치는 고상 또는 액상의 원료 물질을 기화시킨 후 이를 챔버 내부로 공급함으로써 기판 상에 소정의 박막을 형성하는 다양한 박막 증착 장치 예를 들어, PECVD 장치, MOCVD 장치 등에 적용될 수 있음은 물론이다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기화 장치를 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 제 1 실험예에 따라 온도를 일정하게 제어한 상태에서 기화 과정에서의 전력 변화값을 측정한 그래프.
도 3는 본 발명의 제 2 실험예에 따라 전력을 일정하게 제어한 상태에서 기화 과정에서의 온도 변화값을 측정한 그래프.
도 4은 본 발명의 제 1 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 제 1 변형예에 따른 기화기를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명의 제 2 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 제 2 변형예에 따른 기화기를 나타낸 사시도.
도 8은 본 발명의 제 3 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 제 3 변형예에 따른 기화기의 동작과정을 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 제 4 변형예에 따른 기화기를 나타낸 단면도.
도 11은 본 발명의 제 4 변형예에 따른 기화기의 동작과정을 나타낸 단면도.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기화 장치를 나타낸 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 원료 액화부 110: 액화 도가니
120: 피스톤부 130: 액화 가열부
200: 원료 기화부 210: 하우징
220: 기화기 221: 기화 도가니
222: 기화 가열부 230: 온도 측정부
240: 전원 측정부 300: 인젝터
400: 이송관 500: 제어부

Claims (23)

  1. 원료 물질이 저장되는 액화 도가니;
    상기 액화 도가니의 일측에 장입되어 상기 원료 물질을 가압 배출시키는 피스톤부;
    상기 액화 도가니와 연결되어, 상기 액화 도가니로부터 원료 물질을 공급받아 기화시키는 기화 도가니;
    상기 기화 도가니를 둘러싸는 하우징;
    상기 기화 도가니를 가열하여 상기 원료 물질을 기화시키는 기화 가열부;
    상기 기화 도가니의 온도를 측정하는 온도 측정부;
    상기 기화 가열부의 인가 전원을 측정하는 전원 측정부;
    상기 기화 도가니의 기화 압력을 측정하는 압력 게이지;
    상기 압력 게이지를 통해 측정된 기화 압력을 근거로 상기 피스톤부의 구동 속도를 제어하고, 상기 압력 게이지의 기화 압력, 상기 온도 측정부의 온도 변화값 및 상기 전원 측정부의 전원 변화값 중 적어도 어느 하나를 근거로 원료 물질의 기화량을 조절하는 제어부; 를 포함하는 기화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기화 도가니의 온도를 일정하게 제어하고, 상기 전원 측정부의 전원 변화값을 근거로 원료 물질의 기화량을 조절하는 기화 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기화 가열부의 인가 전원을 일정하게 제어하고, 상기 온도 측정부의 온도 변화값을 근거로 원료 물질의 기화량을 조절하는 기화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 측정부는 상기 기화 도가니 내부에 설치되는 기화 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화 도가니를 둘러싸는 하우징을 포함하고,
    상기 압력 게이지는 상기 하우징 내부의 기화 압력을 측정하는 기화 장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화 도가니로 원료 물질을 공급하는 원료 공급부를 포함하고,
    상기 원료 공급부는,
    고상의 원료 물질이 저장되는 액화 도가니;
    상기 액화 도가니를 가열하여 원료 물질을 액화시키는 액화 가열부; 및
    상기 액화 도가니의 원료 물질을 외부로 배출시키는 배출 수단; 을 포함하는 기화 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화 도가니는,
    상기 원료 물질이 수용되는 내부 공간이 형성된 몸체부; 및
    상기 몸체부에 결합되어 내부 공간에 수용된 원료 물질을 배출하기 위한 적어도 하나의 배출구가 형성된 배출판; 을 포함하는 기화 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 배출판은 다수로 마련되어 상기 몸체부의 내부 공간을 상하로 구획하는 기화장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 배출판에는 기화 가열부가 매설되는 기화장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 배출판의 외측 표면은 중심부와 주변부의 높이가 다르게 형성된 기화 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 배출판의 외측 표면은 전등갓 형상 또는 깔대기 형상을 이루는 기화 장치.
  13. 원료 물질이 저장되는 액화 도가니;
    상기 액화 도가니의 일측에 장입되어 상기 원료 물질을 가압 배출시키는 피스톤부;
    상기 액화 도가니와 연결되어, 상기 액화 도가니로부터 원료 물질을 공급받아 기화시키는 기화기;
    상기 기화기의 기화 압력을 감지하는 압력 게이지; 를 포함하고,
    상기 기화기는,
    상기 원료 물질이 수용되는 내부 공간이 형성된 몸체부; 및
    상기 몸체부에 결합되고, 상기 내부 공간에 수용된 원료 물질을 배출하기 위한 적어도 하나의 배출구가 형성되며, 상기 내부 공간을 상하로 구획하도록 배치된 다수의 배출판; 을 구비하는 기화 도가니 및 상기 기화 도가니를 가열하는 기화 가열부; 를 포함하는 기화 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기화 가열부는 상기 기화 도가니의 외측에 배치되는 기화 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 기화 가열부는 상기 다수의 배출판 중 적어도 하나에 매설되는 기화 장치.
  16. 청구항 1 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 기화 도가니에서 원료 물질이 수용되는 바닥면은 중심부와 주변부의 높이가 다르게 형성된 기화 장치.
  17. 청구항 16에 있어서
    상기 기화 도가니의 바닥면은 중심부가 주변부보다 높게 형성된 기화 장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 기화 도가니의 바닥면은 중심부가 주변부보다 낮게 형성된 기화 장치.
  19. 원료 물질이 수용된 액화 도가니 내부로 피스톤부를 전진시켜, 상기 원료 물질을 가압 배출시킴으로써, 기화 도가니에 원료 물질을 공급하는 단계;
    상기 원료 물질의 기화를 위해 기화 가열부로 상기 기화 도가니를 가열하는 단계;
    상기 기화 도가니의 기화 압력, 온도 변화값 및 상기 기화 가열부의 전원 변화값 중 어느 하나를 측정하여, 상기 원료 물질의 기화량을 계산하는 단계; 및
    상기 기화량을 근거로, 상기 피스톤부의 전진 속도, 상기 기화 가열부에 공급되는 전원 값 중 적어도 어느 하나를 조절하여, 상기 기화 도가니로 공급되는 원료 물질의 공급량을 제어하는 단계; 를 포함하는 기화 장치의 제어 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 온도 변화값은,
    상기 기화 가열부의 전원을 일정하게 유지한 상태에서 상기 기화 도가니의 온도 변화값을 측정하는 기화 장치의 제어 방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 전원 변화값은,
    상기 기화 도가니의 온도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 기화 가열부의 전원 변화값을 측정하는 기화 장치의 제어 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 전원 변화값은 전력, 전압, 전류 중 어느 하나의 변화값을 포함하는 기화 장치의 제어 방법.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 기화량 계산 단계는,
    상기 기화 도가니를 둘러싸는 하우징 내부의 압력 변화값을 측정하는 단계; 를 포함하고,
    상기 원료 물질의 기화량은,
    상기 온도 변화값 및 전원 변화값 중 어느 하나와, 상기 압력 변화값을 이용하여 계산하는 기화 장치의 제어 방법.
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