JP2001059178A - 化学気相成長法における原料供給装置及び原料供給方法 - Google Patents

化学気相成長法における原料供給装置及び原料供給方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体原料が飽和蒸気圧まで混入したガスを安
定的に得る固体原料供給方法及び供給装置を提供する。 【解決手段】 固体を原料として薄膜を化学気相成長法
により成膜する成膜装置の原料供給装置であって、気体
を導入及び導出する導入開口及び導出開口並びに導入開
口及び導出開口の間に固定原料が広げられる底部を有
し、導入及び導出される気体を、底部上に広げられた固
定原料の表面上で移動させつつ該固定原料に接触せしめ
る間隙を画定する壁を有する小容器と、小容器を収容し
保持する原料容器と、原料容器を加熱する加熱装置と、
原料容器にキャリアガスを導入しかつ小容器の導出開口
に連通するキャリアガス搬送手段と、からなることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学気相成長法に
おける成膜装置の原料供給装置に関し、特に有機金属化
合物を原料とした酸化物薄膜を成膜する成膜装置の原料
気化装置及び原料供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】強誘電体などの酸化物薄膜の作成法とし
て、スパッタ法、液相エピタキシャル法、ゾールゲール
法などが試みられている。そのような酸化物薄膜の作成
法のうちの一つとして、有機金属化学気相成長（ＭＯＣ
ＶＤ）法が知られている。ＭＯＣＶＤ法は、大きな析出
速度と段差被覆性を持つという特徴があり、エピタキシ
ャル成長の可能な成膜法として知られている。
【０００３】酸化物膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤの原
料としては、例えば１５０〜２００℃の温度で昇華によ
る蒸気圧が比較的高くとれるジピバロイルメタン（ＤＰ
Ｍ）金属錯体が用いられる。図１は、従来のＭＯＣＶＤ
装置に用いられていた原料供給装置の断面図である。図
中、１は原料の容器、２はＭＯＣＶＤ用の固体の有機金
属化合物（ＭＯ）原料、３は原料保持用のメッシュ金
網、４はキャリアガスの導入路、５はフランジ、６は原
料が混入されたガスの送出路、７はオーブンを表す。
【０００４】図１に示すように、パウダー状の固体原料
２は、ステンレス製の一対のメッシュ金網３の間に保
持、原料容器１中にセットされ、容器を原料が気化可能
でかつ分解しない温度までオーブン７で加熱、容器中に
導入路４からアルゴン（Ａｒ）ガスなどのキャリアガス
を導入、固体原料２中を通過させてキャリアガス中に原
料を昇華、混入させて、送出路６よりＭＯＣＶＤ装置に
輸送、供給される。
【０００５】以上のように、従来の固体原料供給装置
は、パウダー状の原料を金属メッシュで保持し、キャリ
アガスが直接原料中を通過することによって原料が混入
したガスを供給するようになっている。図２は従来の固
体原料供給装置中のメッシュに挟まれた固体原料の初期
状態を、図３はある程度キャリアガスを通過させた後の
当該固体原料の状態を、それぞれ示している。図中２は
固体原料、２１は原料中に発生するキャリアガスの通過
孔を示す。また、図中の矢印はガスの通過経路を示して
いる。
【０００６】従来の固体原料供給装置では、原料が新し
い初期状態においては、図２のように、キャリアガスは
原料固体２中全体に浸透しながら通過するので、所定の
条件で、所定の濃度の原料が混入したガスが安定的に得
られる。しかし、この原料を何度か使用し、ある程度キ
ャリアガスを原料に通過させた後には、図３のように、
原料固体２中にガスの通過孔２１が形成され、キャリア
ガスは通過孔２１内を通過するようになる。原料固体中
にガスの通過孔２１が形成されると、原料が主にガスの
通過孔２１に沿った部分で消費されるようになる。
【０００７】さらに、一般には以上のことに併せて、固
体原料の再結晶による粒径の肥大化が進行するため、こ
のようなキャリアガスの流路の偏りは、時間の経過と共
にいっそう顕著になってくる。その結果、キャリアガス
の導入条件を初期状態と同じにしておいた場合、ガス中
の固体原料成分の濃度が初期よりも低くなってしまい、
また、ガス中の原料濃度が安定しなくなる。そのため、
結果として成膜後の物質の膜厚が薄くなるうえ、成膜結
果のバラツキも発生してしまうという問題があった。
【０００８】供給される原料濃度を濃くするためには、
原料容器内に保持する原料を多くしたり、あるいは同種
の原料容器を複数個接続するなどの手段が取られてい
た。メッシュ間にパウダー状の固体原料を保持する場
合、量が少ないと濃い原料ガスを得ることができない。
また、原料使用時間の経過と共に固体原料が減少してく
るが、初期に比べるとポーラスとなりキャリアガスに接
触する面積が変化し、同じ気化条件では得られる原料ガ
ス濃度が徐々に低下するため、一定の供給原料濃度を維
持することが困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な課題を解決するためになされたもので、固体原料が飽
和蒸気圧まで混入したガスを安定的に得る固体原料供給
方法及び供給装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の原料供給装置
は、固体の例えば有機金属化合物を原料として薄膜を化
学気相成長法により成膜する成膜装置の原料供給装置で
あって、気体を導入及び導出する導入開口及び導出開口
並びに前記導入開口及び導出開口の間に固体原料が広げ
られる底部を有し、導入及び導出される気体を、前記底
部上に広げられた固体原料の表面上で移動させつつ該固
体原料に接触せしめる間隙を画定する壁を有する小容器
と、前記小容器を収容し保持する原料容器と、前記原料
容器を加熱する加熱装置と、前記原料容器にキャリアガ
スを導入しかつ前記小容器の前記導出開口に連通するキ
ャリアガス搬送手段と、からなることを特徴とする。
【００１１】本発明の原料供給装置においては、前記小
容器は、前記原料容器に対し着脱自在に結合される手段
を有することを特徴とする。本発明の原料供給装置にお
いては、前記小容器は、前記小容器同士が結合される手
段を有することを特徴とする。本発明の原料供給装置に
おいては、前記小容器の複数は、キャリアガスが前記小
容器内を直列に通過するように、結合されている。
【００１２】本発明の原料供給装置においては、前記間
隙を画定する壁は、前記導入及び導出される気体を前記
固体原料の表面上で拡散する拡散手段を有することを特
徴とする。本発明の原料供給装置においては、前記小容
器は、前記底部を画定するシャーレ状部材を有すること
を特徴とする。
【００１３】本発明の原料供給方法は、固体を原料とし
て薄膜を化学気相成長法により成膜する成膜装置への原
料供給方法であって、気体を導入及び導出する導入開口
及び導出開口並びに前記導入開口及び導出開口の間に固
体原料が広げられる底部を有する小容器の前記底部に、
固体原料を広げる工程と、前記小容器ごと加熱しつつ、
導入及び導出されるキャリアガスを、前記底部上に広げ
られた固体原料の表面上で移動させつつ該固体原料に接
触せしめる工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】本発明の原料供給方法においては、前記導
入及び導出されるキャリアガス及び気化した気体を前記
固体原料の表面上で拡散する工程と、を含むことを特徴
とする。本発明の原料供給方法においては、前記キャリ
アガスが前記小容器内を直列に通過するように、前記小
容器の複数を結合する工程と、を含むことを特徴とす
る。
【００１５】本発明の原料供給装置及び供給方法におい
ては、固体原料をカートリッジ即ち小容器に広げて充填
するため、固体原料の表面を、キャリアガスが無理なく
通過することができる。また、固体原料粒体そのものの
大きさには関係しないためキャリアガスの通過経路が不
変であるため、原料供給装置通過後のキャリアガスの原
料成分濃度が安定したガスを長期的に得ることができ
る。また、カートリッジを多段としてキャリアガスに対
して直列に配することで濃い原料ガスを得ることができ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照しつつ説明する。図４は、実施例のＭＯＣＶＤ装置に
用いる原料供給装置の断面図である。図中、１は原料容
器、２はＭＯＣＶＤ用の固体の有機金属化合物（ＭＯ）
原料、３０ａ、３０ｂ、３０ｃは原料を収納する小容器
すなわち原料収納カートリッジ、４は原料容器１内に連
通するキャリアガスの導入路、５は原料容器１のフラン
ジ、６は原料収納カートリッジに連通しかつ原料ガスが
混入ガスの送出路、７は加熱用のオーブンを表す。この
原料容器、原料収納カートリッジ等の実施例の原料供給
装置に使用する材質はステンレスなどＭＯ原料に対して
不活性な材質とする。
【００１７】実施例の原料供給装置では、原料容器１内
に複数段例えば３段の原料収納カートリッジ３０ａ、３
０ｂ、３０ｃが互いに接続されて設けてある。円筒形の
原料収納カートリッジの各々にはその底部３１にステン
レス製のシャーレ状の受け皿３２が載置されている。シ
ャーレ３２の平坦な底部３２ａにはパウダー状の原料２
が均一の深さで載置されている。一般的には固体原料の
形態はパウダー状であるが、一度溶融して固化したディ
スク状でもよい。後者の場合、表面積は小さくなるがそ
の表面からガス化が進むため、原料の表面積はシャーレ
底が露出するまで一定となる。この結果、濃度一定のガ
スを長時間供給でき、原料使用効率がよい。
【００１８】シャーレ３２は各原料収納カートリッジの
底部３１の中央にスペーサ３２を介して着脱自在に載置
され、シャーレ３２の底部３２ａ及び側壁の外側面と、
カートリッジの底部３１及び側壁の内側面との間にガス
通路３００が形成されている。さらに、原料収納カート
リッジの底部３２中央には、気体を導入又は導出する開
口３３が設けられている。各原料収納カートリッジの上
部周縁には上部ネジ部３４が設けられている。カートリ
ッジの円形蓋部３５の中央に気体導出開口３３が設けら
れている。原料収納カートリッジ３０ａと蓋部３５と
は、カートリッジの上部ネジ部３４と蓋部３５の下部ネ
ジ部３６とにより、螺合している。蓋部３５の外径は原
料収納カートリッジ３０ａの外径より大きいので、蓋部
３５の外縁部は原料容器のフランジ５の座部５５に係止
できる構造となっている。すなわち蓋部３５の外縁部に
より、原料収納カートリッジは、原料容器１に対し着脱
自在に結合される。このように、結合した原料収納カー
トリッジごと、各原料収納カートリッジごと、シャーレ
ごと、と交換が容易に構成されている。
【００１９】原料収納カートリッジ３０ａの下部周縁に
は下部ネジ部３６が設けられている。原料収納カートリ
ッジ３０ａの下部ネジ部３６と、原料収納カートリッジ
３０ｂの上部ネジ部３４とが螺合している。同様に、原
料収納カートリッジ３０ｂの下部周縁には下部ネジ部３
６が設けられ、その下部ネジ部３６と、最下段の原料収
納カートリッジ３０ｃの上部ネジ部３４とが螺合してい
る。このように、原料収納カートリッジはその蓋ととも
に、原料収納カートリッジ同士を結合する手段として上
下部ネジ部３４，３６を備えている。
【００２０】固体原料を気化装置に装填する場合は、原
料収納カートリッジの各々のシャーレ３２に固体原料を
一様に載置して、順にカートリッジ及び蓋部３５を螺合
し、一体となった原料収納カートリッジを、その蓋部３
５の外縁部が原料容器のフランジ５の座部５５に係止す
るように、原料容器１に固定し、ガスケット４０を入れ
て、ガスの送出路６が設けられた容器蓋５０へボルト締
めする。このように、容器はボルト締めなどの手段によ
り開閉可能とすることでカートリッジごとの原料交換が
可能である。さらにガスケット及びキャリアガス入出部
分に設けたバルブにより、完全に外気と遮断可能となっ
ている。
【００２１】キャリアガスがカートリッジ各段に収納さ
れた原料上をシャーレの周辺から中心へ又はその逆に隈
無く流れるように、シャーレ３１が原料収納カートリッ
ジ３０内に配置されており、さらに、キャリアガスが複
数の原料収納カートリッジを直列に通過するように、カ
ートリッジが結合されている。従って、結合された原料
収納カートリッジの底部の外側の壁及びカートリッジ蓋
が空間すなわち間隙を画定するので、キャリアガスが原
料収納カートリッジの底部すなわち底上げとなっている
シャーレ底部上に広げられた固体原料の表面上で移動し
つつ該固体原料に接触することができる。
【００２２】このようにすることで、原料収納カートリ
ッジのシャーレの総面積と段数に応じた一定濃度の濃い
原料ガスを長時間得ることができる。これは原料がシャ
ーレ上の原料の表面部分から気化していくため、原料の
使用が進んでシャーレ底面が露出するまでその表面積が
一定となるためである。この際、原料収納カートリッジ
各段のシャーレ内でキャリアガスの拡散効果を持たせる
ため、原料収納カートリッジの底部の外側壁で画定され
たシャーレ上のキャリアガスの通路の拡散板６０を挿入
すると、より効果的である。拡散板６０はその先端が固
体原料２に接触しないようにカートリッジ蓋部３５及び
カートリッジの底部３１から原料へ向け突出している。
これによりキャリアガスが固体原料表面をなめるように
流れることができる。
【００２３】さらに、一つの原料容器内にて多段カート
リッジとなる構造としたため、複数の原料容器を直列に
接続するのと比べて省スペースでよいため、加熱手段と
なるオーブンが小型のものでよく、部品点数も少なくで
きる。図５に示すように、原料ガスの流れは、最下段の
原料収納カートリッジ３０ｃ底部に設けた開口３３から
キャリアガスが入り、カートリッジ及びシャーレ３２の
底面間を流れてその外周部分からシャーレに広げられた
原料表面を流れる。この際、シャーレ内にリング状に設
けられた拡散板６０によってガスは拡散されることで十
分に原料表面と接触する。
【００２４】次に中段の原料収納カートリッジ３０ｂ底
部に設けられた開口３３から下段で気化した原料を取り
込んだガスが導入され、先と同じようにして進行する。
最後に、上段の原料収納カートリッジ３０ａも同様に気
体が進行して、蓋３５の送出通路６から反応装置へ、気
体が送られる。この例では３段の原料収納カートリッジ
に対して直列に原料が流れるが、カートリッジは２段以
上であれば効果的である。また、原料ガス濃度に応じ
て、１つの原料収納カートリッジ、或いは４個以上の原
料収納カートリッジを用いることができる。
【００２５】この実施例では各原料収納カートリッジ内
の拡散板６０が図６に示すように、厚さの薄い環状の形
状を有しているものを用いたが、図７に示すように、拡
散板６０の板厚を厚くして拡散板６０の自由端面の面積
を大きくして気体の層流れを原料表面に平行に流れる用
にしてもよい。さらに、図８に示すように、拡散板６０
が円形断面でなく、多角形状や星型の断面の筒体として
も、気体拡散の効果は得られる。
【００２６】さらに、図９に示すように、他の実施例と
して、それぞれに固体原料を広げるするシャーレを設け
ずに、その底部に固体原料を直接広げる原料収納カート
リッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｃを互いに直列に接続する
構成とすることもできる。この原料収納カートリッジは
いわゆるしゃぶしゃぶ鍋のような形状をしており、その
環状底部に一様に固体原料が配置されている。カートリ
ッジ中央に開口３３ａが円筒状に上方へ突出して、その
端部周縁には複数の切欠部３３ｂが設けられている。円
筒開口３３ａの端部上には帽子形状の拡散円板６５が保
持されている。拡散円板６５の帽子クラウン部分の複数
の切欠部３３ｂから進入する気体は、拡散円板６５の帽
子つば部分下を層流として流れ、固体原料２の表面を接
触しながら進行する。このように、キャリアガスがカー
トリッジ各段に収納された原料上をシャーレの中央から
周辺へ隈無く流れるので、原料の利用効果が高まる。な
お、この実施例で拡散円板６５の帽子つば部分を省いて
も、拡散円板６５の側面内部が十分な気体拡散効果を発
揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の原料供給装置の概略断面図である。
【図２】 従来の原料供給装置におけるメッシュに挟ま
れた初期状態の固体原料の概略断面図である。
【図３】 従来の原料供給装置におけるメッシュに挟ま
れたキャリアガスを通過させた後の固体原料の概略断面
図である。
【図４】 本発明による実施例の原料供給装置の概略断
面図である。
【図５】 本発明による実施例の原料供給装置における
カートリッジの概略断面図である。
【図６】 図５におけるＡＡ線に沿った原料供給装置に
おけるカートリッジ内の拡散板の断面図である。
【図７】 本発明による他の実施例の原料供給装置にお
けるカートリッジ内の拡散板の断面図である。
【図８】 本発明による他の実施例の原料供給装置にお
けるカートリッジ内の拡散板の断面図である。
【図９】 本発明による他の実施例の原料供給装置にお
けるカートリッジの概略断面図である。
【符号の説明】
１ 原料容器 ２ 固体原料 ５ フランジ ６ ガスの送出路 ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 原料収納カートリッジ ３１ 原料収納カートリッジ底部 ３２ シャーレ状の受け皿 ３３ 開口 ３４ 上部ネジ部 ３５ カートリッジ蓋部 ３６ 下部ネジ部 ４０ ガスケット ５０ 容器蓋 ５５ 座部 ６０ 拡散板 ３００ ガス通路
フロントページの続き (72)発明者 竹間 清文 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号 パ イオニア株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 AA16 EA01 5F045 AA04 EE02 EE14 EE20

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体を原料として薄膜を化学気相成長法
    により成膜する成膜装置の原料供給装置であって、 気体を導入及び導出する導入開口及び導出開口並びに前
    記導入開口及び導出開口の間に固体原料が広げられる底
    部を有し、導入及び導出される気体を、前記底部上に広
    げられた固体原料の表面上で移動させつつ該固体原料に
    接触せしめる間隙を画定する壁を有する小容器と、 前記小容器を収容し保持する原料容器と、 前記原料容器を加熱する加熱装置と、 前記原料容器にキャリアガスを導入しかつ前記小容器の
    前記導出開口に連通するキャリアガス搬送手段と、から
    なることを特徴とする原料供給装置。
  2. 【請求項２】 前記小容器は、前記原料容器に対し着脱
    自在に結合される手段を有することを特徴とする請求項
    １記載の原料供給装置。
  3. 【請求項３】 前記小容器は、前記小容器同士が結合さ
    れる手段を有することを特徴とする請求項１記載の原料
    供給装置。
  4. 【請求項４】 前記小容器の複数は、キャリアガスが前
    記小容器内を直列に通過するように、結合されているこ
    とを特徴とする請求項１記載の原料供給装置。
  5. 【請求項５】 前記間隙を画定する壁は、前記導入及び
    導出される気体を前記固体原料の表面上で拡散する拡散
    手段を有することを特徴とする請求項１記載の原料供給
    装置。
  6. 【請求項６】 前記小容器は、前記底部を画定するシャ
    ーレ状部材を有することを特徴とする請求項１記載の原
    料供給装置。
  7. 【請求項７】 固体を原料として薄膜を化学気相成長法
    により成膜する成膜装置への原料供給方法であって、 気体を導入及び導出する導入開口及び導出開口並びに前
    記導入開口及び導出開口の間に固体原料が広げられる底
    部を有する小容器の前記底部に、固体原料を広げる工程
    と、 前記小容器ごと加熱しつつ、導入及び導出されるキャリ
    アガスを、前記底部上に広げられた固体原料の表面上で
    移動させつつ該固体原料に接触せしめる工程と、を含む
    ことを特徴とする原料供給方法。
  8. 【請求項８】 前記導入及び導出されるキャリアガス及
    び気化した気体を前記固体原料の表面上で拡散する工程
    と、を含むことを特徴とする請求項７記載の原料供給方
    法。
  9. 【請求項９】 前記キャリアガスが前記小容器内を直列
    に通過するように、前記小容器の複数を結合する工程
    と、を含むことを特徴とする請求項７記載の原料供給方
    法。
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