CN103380486B - 汽化器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是可减少膜的波纹，微粒，和碳含量且可供应可形成具有期望组成的膜的原材料的汽化器。此外，提供无需额外加热可实施足够汽化的汽化器且可改善温度管理。汽化器包括成膜用液体材料分散于其中的载体气体所被导入的汽化器主体（3）和配置于汽化器主体内的加热器主体（4）。加热器主体的入口部分的形状为圆锥。
Description
技术领域
本发明涉及对包含于载体气体中的成膜用液体材料汽化的汽化器，和包括所述汽化器的成膜装置。
背景技术
通常，在使用包括MOCVD的CVD等设备在半导体薄片表面成膜的成膜装置中，包含成膜用液体材料的载体气体被供给汽化器且包含于载体气体的成膜用液体材料在所述汽化器中被汽化的技术是已知的。
此外，在这样的汽化器中，加热器被配置于汽化器的外周上或配置于向汽化器内供给载体气体的管的外周上，包含于载体气体内的成膜用材料被加热器的热量汽化（例如专利文献1-3）。
此外，在专利文献4中，液体原料被导入载体气体，液体原料被形成为大约为微米以下（1微米以下）的微小微粒并分散于载体气体中（在下文中，液体原料分散于其中的载体气体被称为原料气体），原料气体被导入汽化器并汽化，然后膜形成于反应腔内的技术被公开。这时，为了阻止仅溶剂被汽化导致例如出口的阻塞，冷却出口的单元被提供。此外，为了以更小的微粒分散液体原料到载体气体中，载体气体流速的优选的条件为流速在50-340m/sec的范围内。
然而，当利用本技术成膜时，有时在膜表面会形成波纹。此外，可辨认出膜内或表面有微粒的存在。此外，膜的成分有时会偏离目标成分。此外，碳含量有时会增加。
此外，在专利文献4的说明书中，例如，当STO膜形成时，液体原材料不能汽化除非在汽化器出口附近临近连接另一个设备处温度被设定为300℃以上。也就是说，需要设定温度远高于理论温度。然而，例如，在连接处被加热到300℃的情况下，在连接处O型环被需求以具有高耐热性，在某些情况下金属环不可避免的被使用。
专利文献5记载了薄膜成膜液体原料用汽化器其中汽化单元的形状为对应气体的入口侧扩散的形状且加热器被配置于汽化器内。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP-A-11-186170
专利文献2：JP-A-2000-031134
专利文献3：JP-A-2003-224118
专利文献4：WO02/058141
专利文献5：JP-A-2002-115067
发明内容
发明解决问题
在专利文献4中，例如，在STO膜成膜的情况下，液体原料不能汽化除非在汽化器出口附近临近连接另一个设备处温度被设定为300℃以上。也就是说，需要设定温度远高于理论温度。然而，例如，在连接处被加热到300℃的情况下，在连接处O型环被需求以具有高热抗性，导致在某些情况下金属环不可避免的被使用的问题。
在专利文献5中，由于汽化单元的形状为对应气体的入口处扩散的形状，例如气流在凹曲线形状的部分发生淤塞，且因气流的干扰喷流偏射很难实现足够的汽化，以及附着物在凹曲线形状的部分积累产生微粒的问题发生。
本发明的目的在于提供可减少膜的波纹，微粒，和碳含量且可供应可形成具有期望组成的膜的原材料的汽化器。
此外，目的在于提供成膜装置，其使用上述汽化器，可促进汽化器内的汽化并可抑制形成膜时的波纹等。
本发明的目的在于提供无需额外加热可实施足够的汽化的汽化器。
解决问题的手段
根据权利要求1的发明为汽化器其包括：成膜用液体材料分散于其中的载体气体所被导入的汽化器主体；和配置于汽化器主体内的加热器主体。所述加热器主体被配置依次包括入口部分，圆周部分，和排出部分，且加热器主体的入口部分的形状为圆锥或多角锥。
发明人通过进行不同的实验研究了传统技术中问题的原因。结果，本发明的发明人发现原因为在载体气体中分散的液体材料可能在未充分汽化的情况下被供给反应腔，并试图解决这个问题。结果，通过试验确认仅单纯的增加加热温度并不能一直阻止未汽化的发生。此外，气温的增加对例如连接等不利。
通过进行不同的试验，发明人偶然发现当加热器被配置于液体原料所分散的载体气体的通道，问题可被解决。然后发明人做出了本发明。
根据权利要求2的发明为根据权利要求1的汽化器，其中所述加热器主体被配置在载体气体的入口部分的延长线上。
原料气体进入汽化器的入口部分的面积为0.1-1mm2的范围，原料液体溶液所分散的载体气体被从入口部分导入汽化器。流速在气流的延长线上的部分处增长，在汽化器内热接收的时间缩短。因此，优选的，内部加热器被配置为以下方式，内部加热器遮蔽原料气体的通道。
根据权利要求3的发明为根据权利要求2所述的汽化器，其中气体气化后的排出部分布置于所述负载气体的入口部分的延长轴上。
尽管汽化器的长度（图1中的H）取决于形成膜的条件而不同，长度通常具有5-100cm，或10-50cm的长度范围。当原料气体被以高速导入时，很可能原料气体立即从入口流向排出口而没有吸收足够用于汽化的热量。因此，排出部分在被配置于负载气体的入口部分的延长轴上的情况下是特别有效的。
根据权利要求4的发明为根据权利要求1-3任一所述的汽化器，其中围绕内部布置有加热器的圆周部分的通道的横截面积为无加热器的通道的横截面积的0.8-1.2倍。
此外，根据权利要求5的发明为根据权利要求1-3任一所述的汽化器，其中围绕内部配置有加热器的入口部分的圆锥的通道的横截面积为在加热器主体的入口部分无加热器的通道的横截面积的0.8-1.2倍。
对于图1中S0指示的部分的横截面积和内部加热器4被配置的部分的通道的横截面积S1的关系，优选的，S1被设置为S0的0.8-1.2倍的范围内，更优选的，S1在0.9-1.1倍的范围内。在范围被设定的情况下，可确认汽化被瞬间实现且未反应的液体原料大幅减少。
需注意的是关于通道的横截面积S1，在权利要求4中的存在加热器的部分的通道的横截面积为图1中围绕圆柱形加热器的通道的横截面积。在权利要求5中的围绕存在加热器的部分的圆锥的通道的横截面积为加热器的导入部分的圆锥形状周围的加热器为圆锥形状的部分的周围的通道的横截面积。
此外，优选的，对于内部加热器，在圆锥或多角锥内斜坡部分被提供于原料气体入口部分侧用来阻止湍流。优选的，对应斜坡部分的气体入口部分的横截面积也与S1相同。
因此，汽化器的外形上也有沿内部加热器的斜坡部分形成的斜坡部分。需注意的是优选的，斜坡也被提供于排出部分侧。
根据权利要求6的发明为根据权利要求1-4任一所述的汽化器，其中含有成膜用液体材料的负载气体以50m/sec-350m/sec的速度范围被导入汽化器主体。
为了使液体原料被裁断和雾化为微粒（外径1μm以下），且微粒被分散于载体气体，优选的，液体原料以50m/sec到350m/sec的速度范围被导入载体气体（更特别的，以亚音速（音速的0.6-0.75倍）。当本发明被应用于这种情况下时，汽化速率可被显著的改善。
根据权利要求7的发明为根据权利要求1-5任一所述的汽化器，其中被配置用于冷却载体气体的入口部分的单元被提供。
载体气体的通道，液体原料，原料气体的通道乃至原料气体的入口部分被冷却（特别的，它们在溶剂的沸点温度以下被冷却），因此在入口部分阻塞可被阻止，且本发明在这样的冷却的情况下特别的有效。
根据权利要求8的发明为根据权利要求1-7任一所述的汽化器，其中第二加热器被配置于汽化器主体的排出侧的外围。
第二加热器被配置，因此在汽化通道的温差可被进一步减少。
根据权利要求9的发明为根据权利要求1-8任一所述的汽化器，其中在加热器主体的入口部分的圆锥内，圆锥高度/圆锥底部直径为0.5-1的范围。这里，当圆锥高度/圆锥底部直径小于0.5时，圆锥变的平坦导致圆锥成为载体气流的阻力的问题，而当圆锥高度/圆锥底部直径大于1时，圆锥高度增加导致汽化器装置长度增加的问题。
根据权利要求10的发明为包括权利要求1-9任一所述的汽化器的成膜装置。
这时，优选的，汽化器主体包括形成于载体气体入口附近并在载体气体的排出方向扩张它的开口的入口部分，与入口部分接续的主体，和自主体向载体气体的排出方向收缩它的开口的排出部分，加热器主体一体化的包括形成于载体气体入口附近并在载体气体的排出方向延伸它的开口的入口部分，与入口部分接续的主体，自主体向载体气体的排出方向收缩它的开口的排出部分。
此外，优选的，汽化器主体和加热器主体被配置为以下方式，汽化器主体的入口部分，圆周部分的位置，和加热器主体的入口部分，圆周部分，和排出部分的位置几乎在一样的位置对应。
此外，优选的，汽化器主体和加热器主体在与载体气体的排出方向交叉的水平横截面的形状为接近圆形，各圆形的中心为同轴的布置。
需注意的是如上所述，第二加热器可被布置于汽化器主体的排出侧的外周。
发明效果
根据权利要求1-9的汽化器，可提供可减少膜的波纹，微粒和碳含量和可供应能形成具有期望组成的膜的原料的汽化器。
根据权利要求8的汽化器，可提供可在汽化通道进一步减少温差的汽化器。
根据权利要求10的成膜装置，可提供可改善汽化器的汽化并在成膜中抑制波纹等的产生的成膜装置。
根据本发明，可提供可无需额外的加热实现足够的汽化并可改善温度控制的汽化器。
附图说明
图1为根据本发明实施例的汽化器的示例图；
图2为沿图1中根据本发明的汽化器的A-A线的截面图；
图3为根据本发明另一个实施例的汽化器的示例图。
引用数字和标记说明
1 汽化器
2 管连接单元
3 汽化器主体
3a 入口部分
3b 圆柱部分
3c 排出部分
4 加热器主体
4a 入口部分
4b 圆周部分
4c 排出部分
5 汽化通道
6 第二加热器
最佳实施例
下面，根据本发明的实施例的汽化器将根据附图被描述。
图1为根据本发明实施例的汽化器的示例图；图2为沿图1中根据本发明的汽化器的A-A线的截面图；图3为根据本发明另一个实施例的汽化器的示例图。
如图1中所示，在根据本发明的实施例的汽化器1中，包含成膜用液体材料的载体气体从图中箭头A指示的上部流入，喷雾如同图中箭头B所指示的被排出到图示的下侧，这样汽化的载体气体被排入到最膜腔等。
需注意的是如图1所示，若干成膜用液体材料可被投入汽化器（见箭头C和D）或成膜用液体材料可被切换并充入汽化器1。
此外，汽化器1包括图中被配置于上部的用来将上述载体气体充入的管连接单元2，连接到管连接单元2的汽化器主体3，和配置于汽化器主体3内的加热器主体4。需要注意的是图中汽化器主体3的下部根据目的自由的使用，例如SH连接类似管连接单元2的管连接单元和连接成膜装置（腔）等。
汽化器主体3在图中被分为上部和下部，并如图2所示在截面（水平截面）具有接近圆形的形状。此外，汽化器主体3包括以圆锥或多角锥形状自管连接单元2扩展到图中下部的入口部分3a，接续于入口部分3a的圆周部分（体部）3b，和以圆锥或多角锥形状收缩到图中下部的排出部分3c。
加热器主体4在图中被分为上部和下部，如图2所示在截面（水平截面）具有接近圆形的形状。这样，汽化器主体3的中心和加热器主体4的中心被同轴的配置，由汽化器主体3的内部和加热器主体4外围形成的汽化通道5可被均等的划分，均匀的汽化可实现。此外，在汽化器主体3内，位于管连接单元2侧并以圆锥形状扩展到图中下部的入口部分4a，接续于入口部分4a的圆柱部分（体部）4b，和以圆锥形状收缩开口到图中下部的排出部分4c为一体成型。此外，加热器主体4可通过任何方法产生热如直接产生热或内部产生热的方式。在加热中，加热器主体4可通过设定加热器主体4的表面温度直接控制汽化通道5的温度且加热器主体4可有效的汽化载体气体因为载体气体在图中被排出到下部同时直接接触加热器主体4。
需注意的是在实施例中，加热器主体4被设置为以下方式，汽化器主体的入口部分3a与加热器主体的入口部分4a几乎对应于同样的位置，汽化器主体的圆柱部分3b与加热器主体的圆柱部分4b几乎对应于同样的位置，以及汽化器主体的排出部分3c与加热器主体的排出部分4c几乎对应于同样的位置。此外，加热器主体4中，在汽化通道5内汽化器主体的入口部分3a附近的通道长度L被设置为载体气体（喷雾）在其中扩散和铺平的距离（例如5cm），这样更均匀的汽化可实现。
这样，温度差较小的汽化通道5可被形成为以下方式，例如汽化通道5内的温度在汽化器主体的入口部分3a附近（约等于通道长度L）为290℃左右而在入口部分3a之后的通道为270℃左右。
此外，第二加热器可被配置于汽化器主体3的排出侧的外周，以消除温差。
图3为根据本发明的另一个实施例的汽化器的示意图。这是第二加热器6被配置于汽化器主体3的排出侧的外周的示例。
在上述结构中，由管连接单元2供给汽化通道5的载体气体（喷雾）在加热器主体的入口部分4a附近扩散时通过加热器主体的圆柱部分4b的外周附近，载体气体在加热器主体的排出部分4c重新合流。
这样，汽化通道5的通道长度可被设置长于汽化器主体3的长度H，当实施小型化的汽化器主体3时载体气体的停滞时间可被保持更长，同时由于加热器主体4的直接加热的效果对载体气体足够的汽化可实现。
在本发明中，例如在形成STO膜时，汽化腔内部的温度被设置为用以形成膜的250℃的温度。在汽化器与另一个设备（例如成膜装置）的结合处的温度也在250℃。即使在这样的条件下膜的波纹，微粒，和碳含量被显著的减少，此外，期望的组成的成分的偏移可被减少。
实施例
STO膜（膜A）的形状随着汽化腔的入口侧的加热器的部分（入口部分）被形成为圆锥形而形成。
需注意的是在本例中，圆锥高度/圆锥底面直径被设置为0.6。
在本例中，圆周部分外围的通道的横截面积与无加热器的部分的通道的横截面积一样。
另一方面，STO膜（膜B）与加热器的入口部分形成为相同的圆柱形。
在膜A中，SrTiO3在化学计量上的偏移值为膜B的偏移值的一半或更少。
此外，膜A的微粒和碳含量为膜B的四分之一或更少。
在圆周部分外围的通道的横截面积被设置为无加热器的部分的通道的横截面积的0.8-1.2倍的范围内的情况下，本发明的影响相比在圆周部分外围的通道的横截面积被设置为无加热器的部分的通道的横截面积的0.8倍以下的范围内的情况和在圆周部分外围的通道的横截面积被设置为无加热器的部分的通道的横截面积的1.2倍以上的范围内的情况更优秀。
工业实用性
根据本发明，可提供可改善汽化器内部的汽化效果和改善温度控制的汽化器，且可实现使用本汽化器的成膜装置的性能的改善。
Claims (13)
1.汽化器包括：
成膜用液体材料分散于其中的载体气体所被导入的汽化器主体；和
配置于汽化器主体内且位于载体气体通道的加热器主体，其中：
所述加热器主体被配置依次包括入口部分，圆周部分，和排出部分；且
加热器主体的入口部分的形状为圆锥或多角锥；
汽化器主体的外形上有沿加热器的外形形成的斜坡部分。
2.根据权利要求1所述的汽化器，
其中所述斜坡部分被提供于排出部分侧。
3.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中加热器主体被配置在载体气体的入口部分的延长轴上。
4.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中载体气体的排出部分布置于所述载体气体的入口部分的延长轴上。
5.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中汽化器主体和加热器主体被配置为以下方式，汽化器主体的入口部分、圆周部分和排出部分的位置，和加热器主体的入口部分、圆周部分和排出部分的位置在一样的位置对应。
6.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中汽化器主体和加热器主体在与载体气体的排出方向交叉的水平横截面的形状为圆形，各圆形的中心为同轴的布置。
7.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中围绕内部布置有加热器的圆周部分的通道的横截面积为无加热器的通道的横截面积的0.8-1.2倍。
8.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中围绕内部配置有加热器的入口部分的圆锥的通道的横截面积为在加热器主体的入口部分无加热器的通道的横截面积的0.8-1.2倍。
9.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中含有成膜用液体材料的负载气体以50m/sec-350m/sec的速度范围被导入汽化器主体。
10.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中被配置用于冷却载体气体的入口部分的单元被提供。
11.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中第二加热器被配置于汽化器主体的排出侧的外围。
12.根据权利要求1或2所述的汽化器，
其中在加热器主体的入口部分的圆锥内，圆锥高度与圆锥底部直径的比值为0.5-1。
13.包括根据权利要求1-12任一所述的汽化器的成膜装置。
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