JP2001049438A

JP2001049438A - 液体材料の気化供給装置

Info

Publication number: JP2001049438A
Application number: JP11228264A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Otsuka; 保則大塚
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2001-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで安定した気化効率が得られる液体
材料の気化供給装置を提供する。【解決手段】加熱手段14を備えた気化室8内に加熱し
た圧縮性ガスを音速あるいは亜音速に加速して噴出する
二流体霧化器9と、二流体霧化器9の圧縮性ガスの加速通
路に前記液体材料を供給する管路3、21とからなり、加
熱した圧縮性ガスにより液体材料を加熱するとともに、
圧縮性ガスの高速気流の運動エネルギにより前記液体材
料を微細化して気化室8へ噴霧し、加熱手段14を備えた
気化室8で霧化した液体材料を気化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】この発明は、液体材料を気化
して供給するための液体材料の気化供給装置に関する。
特に、半導体素子や電子回路等の製造における薄膜形成
工程やエッチング工程などに適用される液体材料の気化
供給装置に関する。

【0002】

【従来の技術】半導体素子や電子回路の製造工程におい
ては、近年、常温・常圧で液体である材料が多用されて
いる。例えば、層間絶縁膜形成用の常圧CVD法やプラズ
マCVD法には、テトラエトキシシラン(TEOS)などのアル
コキシシランが、酸化膜形成用の一部の工程には純水(H
₂O)が、Al配線形成用の減圧CVD法には、ジメチルアルミ
ニウムハイドライド(DMAlH)などのアルキルアルミニウ
ムが、ヒ化ガリウム(GaAs)系膜のMO-CVD法には、トリメ
チルガリウム(TMGa)などの有機金属が用いられている。
また、素子上のAl配線を形成するためのAl成膜のエッチ
ングには、三塩化ホウ素(BCl₃)や四塩化炭素(CCl₄)が用
いられている。

【0003】これらの液体材料は、成膜条件の制御などを容
易とするため、一旦液体から気化させてガスとして用い
られている。このため、液体材料を気化して供給するた
めの液体材料の気化供給装置が使用される。液体材料の
気化供給装置としては、液体材料を気化させてから気体
の流量を制御する気体流量制御法と、液体での流量を制
御してから気化する液体流量制御法とがある。

【0004】液体材料の気化供給装置としては、常温・常圧
で液体である物質を減圧して気化させる手段と、前記液
体を循環させ、細孔から噴出させて降らせる手段を備え
た装置(特開昭58-143522号公報)、内部が仕切板により
上段部と下段部とに仕切られてあり、下段部に液体を収
容しており、上段部に外部からバブリング用気体が導入
され充填される容器、上記仕切板を貫通して設けられ
た、上端が上記上段部にあり下端が上記下段部の下方に
延びており、上段部バブリング用気体を導き下段部の上
記液体中に吹き出させてバブリングするための導管、お
よび上記仕切板を貫通して下端が上記下段部の上部に開
口し、上端が上記容器上部から出されており、下段部内
の液体のバブリングにより気化された蒸気と、バブリン
グさせた気体とを外部に導出し供給するための導出管を
備えた装置(特開昭60-111417号公報)、原料タンク内に
バブリング用気体を導いてバブリングさせ、バブリング
により気化された蒸気と、バブリングさせた気体とを外
部に導出し供給する液体材料気化装置において、原料タ
ンク内へ液体材料を供給する配管に、定量リーク弁を配
置すると共に、該定量リーク弁の二次側に直列に開閉弁
を、または前記配管に微小流量弁を配置すると共に、該
微小流量弁と並列に開閉弁を配置した装置(実開平6-726
34号公報)等が提案されている。

【0005】液体流量制御法による液体材料の気化供給装置
としては、気化させることによって用いられる液体材料
の流量を制御する液体流量制御手段と、その液体流量制
御手段によって制御される前記液体材料を、超音波振動
により霧状にするとともに、加熱気化させる気化手段と
を備えた装置(特開平5-132779号公報)、加熱により液体
材料を直接気化させる気化室の一端に、液体材料源に接
続されるとともに、液体流量コントローラを備えた液体
導入管と、キャリアガス源に接続されると共に、質量流
量コントローラを備えたキャリアガス導入管とを接続
し、気化室の他端側には、気化ガス導出管を接続すると
共に、当該気化ガス導出管から気化によって生じたガス
をキャリアガスによって導出するようにした液体材料の
気化供給装置において、前記気化ガス導出管に圧力セン
サと圧力調整器を設け、圧力センサの検出出力に基づき
圧力調整器の調整を行う装置(特開平5-192501号公報)、
内部で発生した気体を排出するための気体排出口を有す
る気化器と、前記気化器に流量を調整しながら液体材料
を導入する液体導入手段と、前記気化器内に設けられた
発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電力を供給する電力供
給手段とを有する装置(特開平6-300197号公報)、液体流
量計と、気化機能と流量調整機能とを備え、液体流量計
を介して供給される液体材料を気化する気化器とを直列
に接続し、液体流量計によって検出される検出流量を設
定値と比較し、この比較結果に基づいて気化器に設けら
れた気化室に対する液体材料の流入量を制御する装置
(特開平7-227535号公報)等が提案されている。

【0006】液体流量制御法および気体流量制御法による液
体材料の気化供給装置としては、液体気化供給装置の液
体材料を気化する気化部の上流側に、液体材料を霧化す
る霧化器を設け、前記霧化器によって霧化された液体材
料を前記気化部に供給して気化し、気化部の下流側に、
該気化部により気化したガスの流量を制御するガス流量
制御部、あるいは気化部の上流側に、霧化器に供給する
液体材料の流量を制御する液体材料流量制御部を設けた
装置(特開平9-47697号公報)が提案されている。

【0007】

【発明が解決しようとする課題】前記の特開昭58-14352
2号公報、特開昭60-111417号公報および特開平6-72634
号公報に開示の液体材料の気化供給装置は、液体材料の
バブリングまたは液体材料を循環させて細孔から噴出さ
せて降らせ減圧して気化するため、気化器からのガス導
入系の材料濃度を安定させることが難しいという問題点
を有している。

【0008】また、特開平5-132779号公報、特開平5-192501
号公報、特開平6-300197号公報および特開平7-227535号
公報に開示の液体流量制御法による液体材料の気化供給
装置は、気化器内への液体材料の噴霧が液体材料の持つ
圧力エネルギのみによるため、十分に微細な液滴を発生
させることが難しく、安定して液体材料を気化させるに
は過大な熱量を気化器へ与えなければならない。そのた
め、気化器が複雑になり、コスト的に不利となる。同時
に、気化器から気化熱により失われる熱量が大きいた
め、気化器内の温度分布を時間的にも空間的にも一定に
保つことは難しいという問題点を有している。

【0009】さらに、特開平9-47697号公報に開示の液体流
量制御法および気体流量制御法による液体材料の気化供
給装置は、液体材料を常温で超音波霧化器により霧化し
て気化部に供給するため、加熱気化の安定化を図ること
ができるが、気化器から気化熱により失われる熱量が大
きいため、気化器内の温度分布を時間的にも空間的にも
一定に保つことは難しいという問題点を有している。

【0010】この発明の目的は、上記従来技術の問題点を解
消し、低コストで安定した気化効率が得られる液体材料
の気化供給装置を提供することにある。

【0011】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項1の液
体材料の気化供給装置は、加熱手段を備えた気化室内に
加熱した圧縮性ガスを音速あるいは亜音速に加速して噴
出する二流体霧化器と、二流体霧化器の圧縮性ガスの加
速通路に前記液体材料を供給する管路とからなり、圧縮
性ガスの高速気流の運動エネルギにより前記液体材料を
微細化して気化室へ噴霧するのである。

【0012】したがって、二流体霧化器の圧縮性ガス通路に
供給された液体材料は、加熱した圧縮性ガスの高速気流
の運動エネルギにより霧化して気化室へ噴霧されるた
め、圧縮性ガスとの熱交換により昇温すると共に、極微
細な霧状となるため単位質量当たりの表面積が大きくな
ると同時に、気化直前の不安定な液相状態となり、気化
室内での気化効率を高めることができる。

【0013】また、二流体霧化器および気化室内には、常に
加熱した圧縮性ガスが流通しているため、液体材料の再
液化が防止され、液詰まりのトラブルを防ぐことが可能
となる。同時に気化停止後の残留液体材料の置換作業
は、液体材料の供給を停止して加熱した圧縮性ガスの供
給を継続し、微細な霧状となっている残留液体材料を圧
縮性ガスに同伴させて排出できるため、極めて短時間で
終了する。このため、パージガスの歩留が上昇する。

【0014】この発明の請求項2の液体材料の気化供給装置
は、圧電アクチュエータを用いた定量ポンプにより液体
材料を二流体霧化器に定量的に供給する。このように、
圧電アクチュエータを用いた定量ポンプを用い、液体材
料を二流体霧化器に定量的に供給することによって、公
知のガス流量制御装置、例えば、質量流量制御器との組
合せにより、反応炉へのガス導入口の材料濃度を容易に
安定して正確に供給することが可能となる。

【0015】

【発明の実施の形態】この発明で用いる二流体霧化器に
は、音速あるいは亜音速以上に加速された高速気流と液
体材料が会合するように配管系を配置する。そして、二
流体霧化器では、高速気流の剪断力により液体材料を微
細な霧状とし、気化室に噴霧することができる。また、
二流体霧化器に接続された液体材料の導入配管は、高速
気流のエゼクタ効果によって負圧が生じる構造となって
いるため、圧縮性ガスによるインジェクション作用で、
液体材料を霧化室へ吸引することができるので、液体材
料の供給は定量ポンプを省略することが可能である。

【0016】この発明においては、不活性のキャリアガスや
反応性ガスなどの圧縮性ガスを、液体材料の蒸発温度に
近い温度に熱交換器において加熱し、二流体霧化器に供
給する。圧縮性ガスを加熱する熱交換器の加熱源として
は、電気ヒータの他、蒸気、燃焼排ガス、熱媒油等を用
いることができる。熱交換器としては、プレート形、プ
レートフィン形、チューブフィン形などを用いることが
できる。

【0017】この発明における液体材料の二流体霧化器への
供給は、圧電アクチュエータを用いた定量ポンプにより
液体材料アンプルから定量的に供給する。圧電アクチュ
エータを用いた定量ポンプとすることによって、圧電ア
クチュエータは位置決め分解能が極めて高く、応答が速
く、駆動力が大きく、変換効率が高いため、電圧、周波
数を調整することによって、液体材料の流量制御を正確
に行うことができる。

【0018】この発明で用いる二流体霧化器としては、外部
混合形、Yジェット形あるいは内部混合形を用いること
ができるが、Yジェット形が加熱した高速気体のインジ
ェクション作用で液体材料の導入配管に負圧が生じる構
造となっているため、液体材料を加速室に吸引すること
ができる。

【0019】この発明における気化室の加熱手段としては、
気化室の外部に近接して気化室内を霧化した液体材料の
蒸発温度以上に加熱できればよく、特に限定されない
が、発熱抵抗体、熱媒油コイル、蒸気コイルなどが挙げ
られる。また、気化室の加熱手段としては、コイルを用
いた誘導結合により加熱してもよく、気化室内に発熱抵
抗体を設けることもできる。この場合、発熱抵抗体は、
液体材料に不純物を混入させたり、逆に液体材料により
変質されない材質のものを用いる。このような材質とし
ては、例えば、炭化ケイ素や炭素、さらにはニクロム、
コンスタンタン、マンガンなどの通常の電気抵抗器に用
いる材質などを挙げることができる。あるいは表面処理
を施したアルミニウムまたはアルミニウム合金などを成
形したものに発熱抵抗体を挿入し、これを気化室内へ設
けることが挙げられる。

【0020】液体材料や圧縮性ガスの導入配管としては、流
体の流れを阻害しない範囲で内容積の小さいものを用い
ると、供給立ち上がりの応答性を高めることができる。
このような配管としては、例えば、1/4インチから1/32
インチ径のステンレスチューブが好ましい。

【0021】

【実施例】実施例1 この発明の詳細を実施の一例を示す図1、図2に基づいて
説明するが、この発明はこの実施例により拘束されるも
のではない。図1はこの発明の液体材料の気化供給装置
の全体説明図、図2は二流体霧化器の一例を示す断面図
である。

【0022】この発明の液体材料の気化供給装置は、密閉構
造のアンプル1に液体材料、例えばTa(OC₂H₅)₅などを収
容している。アンプル1には、上部にアンプル1内部に通
じる2本の配管2、3が接続され、一方の配管2は、アンプ
ル1内の液体材料を加圧するための図示していない不活
性ガスなどの供給源に連結され、またアンプル1の底部
付近まで延びた他方の配管3は、液体材料の開閉弁4、圧
電アクチュエータを用いた定量ポンプ5、開閉弁6、配管
21を介して気化器7の気化室8の上流側に配置した二流体
霧化器9に連結されている。

【0023】前記二流体霧化器9には、液体材料の気化ガス
を反応炉等へ導入するためのキャリアガスCGを供給する
キャリアガス導入配管10が連結されている。キャリアガ
ス導入配管10は、熱交換器11、キャリアガスCGの質量流
量を測定すると共に、ガス流量を制御する質量流量制御
器12、開閉弁13を介して図示していないキャリアガス供
給源に連結されている。ここで用いるキャリアガスとし
ては、H₂、He、Ar、N₂などがある。

【0024】前記気化器7は、例えば、通電により気化室8を
加熱する加熱手段14を備えており、気化室8の下流側
に、例えば図示しないCVD反応炉などへ原料ガスとキャ
リアガスとの混合ガスを供給する開閉弁15を備え、リボ
ンヒータなどにより保温されたガス導出管16が接続され
ている。また、気化器7には、液体材料の気化停止後、
残留気体を置換するための開閉弁17を備えたパージガス
導出管18が接続されている。前記ガス導出管16の開閉弁
15の直前には、液体材料の気化停止後、気化室8内の残
留気体を置換するための開閉弁19を備えたパージガス導
出管20が接続されている。

【0025】前記二流体霧化器9においては、質量流量制御
器12で質量流量制御されて熱交換器11で熱媒と熱交換し
て加熱された圧縮性キャリアガスCGが、キャリアガス導
入配管10により導入される。この時キャリアガスCGは、
図2に示すように、二流体霧化器9の加速部101で音速も
しくは亜音速に加速され、液体材料との会合部102へ供
給される。一方、液体材料は、定量ポンプ5により流量
制御され、加熱されて音速もしくは亜音速に加速された
キャリアガスCGのエゼクタ効果によって負圧の生じた配
管21により会合部102へ供給される。会合部102では、加
熱されて音速もしくは亜音速に加速されたキャリアガス
CGと流量制御された液体材料が会合し、加熱されたキャ
リアガスCGと液体材料の間で熱移動が行われる。同時
に、液体材料は、キャリアガスCGの運動エネルギにより
噴霧口103に到達するまでに微細な液滴に剪断霧化され
る。霧化された液体材料とキャリアガスCGは、噴霧口10
3から気化室8内へ噴霧され、気化室8内でさらに加熱さ
れて気化するよう構成する。

【0026】上記のように構成したことによって、先ず加熱
手段14に通電して気化室8内を所定の温度に加熱すると
共に、熱交換器11に熱媒を流通させる。この状態におい
て、質量流量制御器12によって一定流量に制御された圧
縮性キャリアガスCGを、熱交換器11で熱媒と熱交換させ
て所定温度に加熱してキャリアガス導入配管10により二
流体霧化器9に導入しながら、配管3を介して定量ポンプ
5により流量制御された液体材料LMを二流体霧化器9に導
入する。

【0027】このとき、液体材料LMは、二流体霧化器9の加
速部101で音速または亜音速に加速されて気化室8内に噴
出する加熱された圧縮性キャリアガスCGのエゼクタ効果
によって生じた配管21の負圧により吸引され、会合部10
2で加熱された圧縮性キャリアガスCGと会合熱交換して
昇温すると共に、高速気流の運動エネルギによる剪断力
により微細な霧状として気化室8内に噴霧される。この
気化室8内に霧化して噴霧された液体材料LMは、圧縮性
キャリアガスCGと熱交換して気化直前の不安定な霧状と
なっており、加熱手段14によりさらに加熱されて容易に
気化する。このため、従来の常温で気化室8内に噴霧す
る方法に比較し、気化までの昇温の分の熱量が少なくな
る分、気化器7の小型化ならびに低コスト化を図ること
ができる。

【0028】また、二流体霧化器9および気化室8内を常に加
熱した圧縮性キャリアガスCGが流通しているため、気化
室8内で気化した材料ガスの再液化が防止でき、液詰ま
りのトラブルを防止することができる。同時に液体材料
LMの気化停止後は、開閉弁15を閉止し、パージガス導出
配管18の開閉弁17およびパージガス導出配管20の開閉弁
19を開放し、配管3に設けた開閉弁4、6を閉止して液体
材料LMの供給を停止し、熱交換器11で熱媒と熱交換して
加熱された圧縮性キャリアガスCGのみを二流体霧化器9
を介して気化室8内に噴射し、パージガス導出配管18お
よび20よりパージガスを導出してパージするため、残留
液体の置換作業が極めて短時間で終了する。

【0029】なお、CVD装置のように低圧で使用に供する装
置への液体材料の供給は、気化器7内部も低圧になって
いるため、通常大気による剪断霧化は期待できないが、
この発明による二流体霧化器9は、圧縮性キャリアガスC
Gの運動エネルギにより液体材料を霧化するため、減圧C
VDにも適用することが可能である。

【0030】実施例2 実施例1の液体材料の気化供給装置の圧電アクチュエー
タを用いた定量ポンプ5を使用し、液体材料としてアル
コールを定量ポンプ5に1g/minで1000分供給し、吐出量
と時間との相関を5回測定した。その結果を図3に示す。
図3に示すように、5回共にその直線性および再現性が安
定しており、気化器7で完全に液体材料を気化すること
によって、極めて安定した材料ガスの供給が可能となる
ことを示している。

【0031】液体材料としてアルコールを圧電アクチュエー
タを用いた定量ポンプ5に2g/minで供給し、気化器7の二
流体霧化器9に加熱した圧縮性キャリアガスCGを供給
し、気化室8内に噴出する加熱された圧縮性キャリアガ
スCGのエゼクタ効果によって生じた配管21の負圧により
吸引し、会合部102で加熱された圧縮性キャリアガスCG
と熱交換して昇温すると共に、高速気流の運動エネルギ
による剪断力により微細な霧状として気化室8内に噴霧
気化した。そして、気化器7より材料ガスとキャリアガ
スとの混合ガスを導出するガス導出管16からの混合ガス
を30分間トラップで再液化し、その重量を測定した。そ
の結果を表1に示す。表1に示すように、定量ポンプ5の
設定値2g/minに対して100%の気化効率が得られた。

【0032】

【表1】

【0033】

【発明の効果】本発明の液体材料の気化供給装置は、常
温・常圧で液体である液体材料が二流体霧化器へ導入さ
れるまでは室温状態であるから、従来の気化供給装置と
異なり、熱の影響による液体材料の分解や組成変化とい
った問題を解決することができる。また、気化器の接液
部は、常に加熱されたキャリアガスを流通させることが
できるので、気化停止時の液体材料滞留部における液体
材料の変質を防止することができる。さらに、この発明
の二流体霧化器は、キャリアガスの運動エネルギにより
液体材料を霧化するため、減圧CVDへの適用に当たっ
て、超音波発振子などの高価な霧化器を要せず、液体材
料の気化供給装置の小型化およびコストダウンを図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】この発明の液体材料の気化供給装置の全体概略
説明図である。

【図2】この発明の二流体霧化器の一例を示す概略断面
図である。

【図3】実施例2における圧電アクチュエータを用いた定
量ポンプからのアルコール吐出量と時間との相関を示す
グラフである。

【符号の説明】

1 アンプル 2、3、21 配管 4、6、13、15、17、19 開閉弁 5 定量ポンプ 7 気化器 8 気化室 9 二流体霧化器 10 キャリアガス導入配管 11 熱交換器 12 質量流量制御器 14 加熱手段 16 ガス導出管 18、20 パージガス導出管 101 加速部 102 会合部 103 噴霧口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/365 Ｈ０１Ｌ 21/302 ＺＦターム(参考） 4G068 AA02 AA06 AB02 AC05 AC13 AD21 AE06 AF31 AF36 4K022 AA05 AA41 AA42 DA06 DB13 DB19 DB24 4K030 AA11 AA16 AA17 EA01 KA25 LA15 5F004 AA01 BA19 BC03 BD07 CA02 CB03 CB04 DA22 DA23 DA24 DA25 DB01 EB02 FA01 5F045 AA03 AB02 AC07 AC15 AC16 AC17 BB08 DP04 EE02 EF02 EK01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項1】半導体素子や電子回路等の製造における
薄膜形成工程やエッチング工程などの薄膜製作に適用さ
れる化学的気相成長法に使用する常温・常圧で液体であ
る材料の気化供給装置であって、加熱手段を備えた気化
室と加熱・加速した圧縮性ガスおよび前記液体材料を噴
霧する二流体霧化器とからなり、圧縮性ガスの高速気流
の運動エネルギにより前記液体材料を気化室内へ噴霧す
ることを特徴とする液体材料の気化供給装置。
【請求項2】圧電アクチュエータを用いた定量ポンプ
により液体材料を二流体霧化器へ定量的に供給すること
を特徴とする請求項1記載の液体材料の気化供給装置