JP2005051006A - 気化器 - Google Patents

Abstract

【課題】 噴霧された液体材料微粒子の大径化を防止し、気化チャンバ内での液体材料微粒子の分布を均一にする気化器を提供すること。
【解決手段】 気化器は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料ＭとキャリアガスＧ１とを混合した気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）を二重管１０の先端部１０Ｂから噴霧し、噴霧された液体材料Ｍを気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する。
二重管１０は、気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）を移送する内側導管１０ａと、気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）を霧化するための霧化用ガスＧ２を移送する外側導管１０ｂとを有するとともに、内側導管１０ａと外側導管１０ｂとの間の筒状空間Ｒ１に、二重管１０と軸方向を同一とする複数の細管１３を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体有機金属や有機金属溶液等の液体材料を気化し、気化した材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化器に関する。

半導体デバイス製造工程における薄膜形成方法の一つとしてＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が知られている。このＭＯＣＶＤ法では、液体有機金属若しくは有機金属溶液等の液体材料をＭＯＣＶＤ装置の直前で気化して供給することにより、制御性および安定性を向上させ得る。この場合、高温に保たれた気化チャンバ内に噴射ノズルから液体材料を噴霧して、液体材料を気化させている。

液体材料の種類や気化チャンバ内の温度分布等によって、霧状の液体材料の総てが気化チャンバ内で気化されず、その一部が気化チャンバから配管を介してＣＶＤ装置側へと排出される場合がある。気化が不完全であると、排出された未気化の微粒子が配管中で固化して未気化残渣として残留したり、気化した材料ガスが再凝集してパーティクルが発生する。この未気化の微粒子やパーティクルがＣＶＤ装置まで達すると、成膜不良を生じさせる恐れがある。気化が不完全となる原因の１つに、液体材料が均一な霧状にならないことが挙げられる。従来技術としては、液体材料の霧化を促進するために、噴射ノズルの先端にオリフィス部材を設けた気化器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１０５６４６号公報（第３頁、図５）

上記のオリフィス部材は、霧化用ガスの流速を調整して霧化を効率的に行うことができる。しかし、オリフィス部材でガスの流速を調整しても、霧状の液体材料微粒子の粒子径が大きくなるのを防止し、気化チャンバ内での液体材料微粒子の分布を均一にすることは、必ずしも十分ではなかった。

（１）請求項１の気化器は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、噴霧された液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、噴射ノズルは、気液混合材料を移送する内側導管と、この内側導管が挿入され、気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側導管と、内側導管内において、該内側導管と軸方向を同一に設けられる複数の細管とを有することを特徴とする。

（２）請求項２の気化器は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、噴霧された液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、噴射ノズルは、気液混合材料を移送する内側導管と、この内側導管が挿入され、気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側導管と、内側導管と外側導管との間の筒状空間において、内側および外側導管と軸方向を同一に設けられる複数の細管とを有することを特徴とする。

（３）請求項３の気化器は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、噴霧された液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、噴射ノズルは、気液混合材料を移送する内側導管および気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側導管とを有する二重管構造であり、二重管構造の先端部の外周には、前記内側導管と外側導管とを取り囲み、パージ用ガスを噴出するパージ用ガス噴出部を設けることを特徴とする。このパージ用ガスは、加熱されたヘリウムガスであることが好ましい。
（４）請求項１〜４の気化器は、二重管の先端部付近で、内側導管と外側導管との間の間隙を減少するためのオリフィス部材をさらに設けることができる。

（５）請求項６の気化器は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、噴霧された液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、噴射ノズルは、気液混合材料を移送する内側通路および気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側通路とが形成された石英管と、石英管の外周面との間に、該石英管の外側通路に霧化用ガスを供給するための通路を形成する管状部材とを有することを特徴とする。

本発明によれば、液体材料微粒子の粒子径を一定とし、その分布を均一とする気化器を提供することができる。

以下、本発明による気化器について図１〜５を参照しながら説明する。同じ構成部品には同一符号を付し、説明を省略する。
〈第１の実施の形態〉
図１（ａ）は、第１の実施の形態の気化器の全体構成を示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の上端部１０Ａ付近を拡大した断面図である。
気化器１００は、噴射ノズル１と気化チャンバ２とを備えている。噴射ノズル１には、図１（ｂ）に示されるように、内側の導管１０ａと外側の導管１０ｂとから成る二重管１０が設けられている。二重管１０は、上端部１０Ａにおいて、内側導管１０ａが液体材料供給管３と配管接続されるとともに、内側導管１０ａと外側導管１０ｂとから形成される環状開口がガス供給管５に対して開放された構造になっている。また、二重管１０の先端部１０Ｂに近接してオリフィス板１１が配設されている。プラグ・ナット構造の継手４は、内側導管１０ａと液体材料供給管３とを接続するために用いられる。

二重管１０の上部には、冷却水供給管６に接続された冷却ジャケット７が設けられており、冷却ジャケット７の冷却水路７ａ内を冷却水が二重管１０の軸周りに循環するように構成されている。冷却ロッド８は、上端が冷却ジャケット７に貫挿されるとともに、二重管１０の外周側面に接して取り囲むように配設されている。

噴射ノズル１の下方には、ケーシング９が設けられており、ケーシング９と一体のフランジ９ａをボルト９ｂで気化チャンバ２に締結することにより、噴射ノズル１が気化チャンバ２に固定される。このとき、二重管１０の先端部１０Ｂは、気化チャンバ２の気化室２ａに露出する。

気化チャンバ２には、複数箇所に加熱用ヒータｈが設けられており、ヒータｈにより気化チャンバ２の内壁２ｂの温度が液体材料の気化温度程度となるように加熱される。また、気化チャンバ２には、液体材料が気化して生成した材料ガスを外部に送出する排出口２ｃが設けられている。排出口２ｃは、不図示のＣＶＤ成膜装置へ配管接続されている。

液体材料ＭとキャリアガスＧ１が混合した気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）は、液体材料供給管３から内側導管１０ａへ導入され、霧化用ガスＧ２は、ガス供給管５から環状開口を経て外側導管１０ｂへ導入される。液体材料Ｍは、液体有機金属や有機金属溶液であり、例えば、液体有機金属としてはＣｕやＴａなどの有機金属があり、有機金属溶液としてはＢａ，Ｓｒ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｚｒなどの有機金属をＴＨＦ(tetrahydrofuran）等の有機溶剤に溶かしたものがある。キャリアガスＧ１および霧化用ガスＧ２は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスである。

気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）は、液体材料供給管３の内径が絞られた箇所から気液２相流となり、内側導管１０ａ内では気液２相流状態で流れ、二重管１０の先端部１０Ｂに到達する。気液２相流とは、気体が導管の内壁に沿って流れ、液体が気体に包まれるようにして流れ、気体と液体とが相分離している流れを指す。一方、ガス供給管５から供給される霧化用ガスＧ２は、上端部１０Ａで内側導管１０ａと外側導管１０ｂとから形成される環状開口から二重管１０内に流れ込み、筒状空間Ｒ１を流れ、二重管１０の先端部１０Ｂから気化室２ａ内に噴出する。

二重管１０の先端部１０Ｂでは、オリフィス板１１により筒状空間が絞られているために、キャリアガスＧ２の流速が大きくなる。この霧吹きの作用によって、二重管１０の先端部１０Ｂに到達した液体材料Ｍは、霧状の微粒子となって気化室２ａ内に噴出する。霧状の微粒子が分布している領域は、略円錐状の３次元領域Ａで表わされている。霧状の液体材料微粒子は、気化室２ａ内で気化し、材料ガスとして排出口２ｃから送出される。

本発明は、噴射ノズル先端部の構造に特徴があり、以下、図２〜５を参照しながら、噴射ノズル先端部について説明する。
図２（ａ）は、第１の実施の形態の気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
二重管１０は、例えばステンレス鋼で製作され、内側導管１０ａは、外側導管１０ｂより突出しており、この突出部がオリフィス板１１の穴部に貫挿されており、筒状空間Ｒ１は、オリフィス板１１の穴部で細く絞られた構造になっている。そのため、図中、上から下へ筒状空間Ｒ１を流れる霧化用ガスＧ２は、オリフィス板１１の位置で流速が大きくなる。オリフィス板１１は、オリフィス板１１の穴部と内側導管１０ａとの間隙を全周で一定に保つように、ノズルリング１２で固定される。すなわち、オリフィス板１１は、押えリング１２ｂを介して固定リング１２ａをケーシング９に螺合することにより固定される。筒状空間Ｒ１の横断面における幅が均一になるために、霧状の微粒子の分布も均一になる。

図２（ｂ）に示されるように、内側導管１０ａの内部には、多数の細管１３がその軸方向を内側導管１０ａの軸方向に揃えて稠密に設けられている。図２（ａ）中、上から下へ内側導管１０ａ内を流れる気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）は、各々の細管１３で気液２相流状態を保ったまま先端部１０Ｂに到達し、気化チャンバ内に噴霧される。また、内側導管１０ａの横断面が細管１３によって細分化されるので、気液２相流は層流を維持し易くなる。内側導管１０ａ内部に多数の細管を設けることにより、液体微粒子は、一層微細になるとともに、粒子径の大きなものが生じなくなる。さらに、内側導管１０ａの軸周りの液体微粒子の分布も均一となる。

〈第２の実施の形態〉
図３（ａ）は、第２の実施の形態の気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。本実施の形態の気化器は、図１に示される気化器と同様であり、第１の実施の形態と異なる特徴について説明する。
図３（ｂ）に示されるように、内側導管２０ａと外側導管２０ｂとで形成される筒状空間Ｒ２に、多数の細管２３がその軸方向を内側導管２０および外側導管２０ｂの軸方向に揃えて稠密に設けられている。

図３（ａ）中、上から下へ筒状空間Ｒ２、すなわち多数の細管２３内を流れる霧化用ガスＧ２は、筒状空間Ｒ２の横断面上では、内周部も外周部もガスの流れは均一になる。また、多数の細管２３が内側導管２０ａと外側導管２０ｂとの間隔を一定に保持するスペーサーの役割をするので、二重管２０の全周にわたって噴出するガス量やガス流速が均等になる。従って、噴霧された液体微粒子が均一に分布するとともに、液体微粒子同士が結合してより大きな微粒子を形成することがなくなる。

〈第３の実施の形態〉
図４は、第３の実施の形態の気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図である。である。本実施の形態の気化器は、図１に示される気化器と同様であり、第１の実施の形態と異なる特徴について説明する。
二重管３０の内側導管３０ａは、外側導管３０ｂより気化器側に突出しており、この突出部がオリフィス板１１の穴部に貫挿されており、筒状空間Ｒ３は、オリフィス板１１の穴部で細く絞られた構造になっている。オリフィス板１１は、押えリング１１２ｂを介して固定リング１１２ａをケーシング９に螺合することにより固定される。

本実施の形態では、ケーシング９を取り囲むようにパージ用ガス噴出部５０が設けられいる。パージ用ガス噴出部５０は、導入経路５１、加熱器５２および噴出経路５３を有する。不図示のパージ用ガス供給部から導入経路５１に導入された窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等のパージ用ガスＧ３は、加熱器５２で所定温度に加熱され、噴出経路５３から気化チャンバ内に噴出する。噴出したパージ用ガスＧ３は、霧化用ガスＧ２の噴流により進路を曲げられた後に、３次元領域Ａの周囲を取り囲むように、図中、ガス流領域Ｂを下方へ流れていく。

噴出経路５３は、二重管３０の軸方向に対して角度θだけ傾斜して設けられている。気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）の噴霧中に、パージ用ガスＧ３を噴出させると、加熱作用により気化を促進するとともに、噴出圧により噴射ノズル先端部３０Ｂに未気化の液体微粒子や固体の生成物が付着するのを防止できる。特に、パージ用ガスＧ３を用いることにより、筒状空間Ｒ３の周辺への液体微粒子や固体の生成物の付着がなくなり、噴射ノズル先端部３０Ｂが清浄に保たれるので、噴霧された液体微粒子が均一に分布するとともに、液体微粒子同士が結合してより大きな微粒子を形成することがなくなる。なお、パージ用ガスＧ３の噴出圧の効力は、角度θにより変えることができる。

３次元領域Ａに分布する霧状の液体微粒子は、気化チャンバ内の高温に加えて、パージ用ガスＧ３の高温によって気化が促進される。パージ用ガスＧ３として熱伝導率の高いヘリウムガスを用いると、より一層気化効率が向上する。また、気化チャンバの内壁、フィルタ、排出口に設けられるメッシュ部材やスリット板等に残留した未気化の液体微粒子がヘリウムガスに覆われると、熱が伝わり易くなるため、未気化残渣の発生も極めて少なくなる。

上述した第１〜第３の実施の形態では、オリフィス部材が設けられている気化器について説明したが、オリフィス部材を設けずに、二重管の先端部付近で内側導管と外側導管との間の間隙を減少するように二重管を構成することができる。

〈第４の実施の形態〉
図５（ａ）は、第４の実施の形態の気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＩＶ−ＩＶ断面図である。本実施の形態の気化器は、図１に示される気化器と同様であり、第１の実施の形態と異なる特徴について説明する。

石英管４０は、その中心に内側通路４０ａが形成され、先端部近傍では、内側通路４０ａの外周部に外側通路４０ｂが石英ガラスで一体に製作される。石英管４０は、第１〜第３の実施の形態における二重管に対応するものである。霧化用ガスＧ２は、図５（ａ）中、上から下へ管状部材４２と石英管４０との間隙Ｓを流れる。管状部材４２は、第１〜第３の実施の形態における冷却ロッド８で代用することができる。

図５（ｂ）に示される横断面では、間隙Ｓと筒状空間Ｒ４は連通していないが、図５（ｃ）に示される横断面では、間隙Ｓと筒状空間Ｒ４は連通している。従って、この連通部分から霧化用ガスＧ２が筒状空間Ｒ４に流入し、石英管４０の先端部４０Ｂから気化チャンバ内へ噴出する。穴明き板４１の穴部は、外側通路４０ｂの外周面と接触し、この接触部分により間隙Ｓがシールされるので、霧化用ガスＧ２は漏出しない。なお、筒状空間Ｒ４は、先端部４０Ｂ付近で狭められているので、第１〜第３の実施の形態におけるオリフィス板１１を設ける必要がない。

石英管４０を用いると、ネブライザ等で実績のあるガラス加工の手法を利用できるので、金属加工に比較して、内側通路４０ａと外側通路４０ｂとの間隔を一定に加工する精度を高くすることができる。また、石英管４０は、元々、面粗さが小さいので、気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）の気液２相流が乱れなくなるとともに、通路の内外周面を研磨する加工を省略できる。さらに、内側通路４０ａと外側通路４０ｂとは先端部４０Ｂの端面が同一面上にあるので、端面をフラットにする加工も容易である。従って、石英管４０を用いることにより、その全周にわたって噴出するガス量やガス流速が均等になるため、噴霧された液体微粒子が均一に分布するとともに、液体微粒子同士が結合してより大きな微粒子を形成することがなくなる。

本発明は、上記の実施の形態を組み合わせて用いてもよい。例えば、第１と第２の実施の形態の組み合わせ、第１と第３の実施の形態の組み合わせ、第２と第３の実施の形態の組み合わせ、および第２と第３の実施の形態の組み合わせが挙げられる。

本発明の第１の実施の形態に係る気化器の全体構成を示す断面図（ａ）および部分拡大断面図（ｂ）である。 本発明の第１の実施の形態に係る気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図（ａ）およびＩ−Ｉ断面図（ｂ）である。 本発明の第２の実施の形態に係る気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図（ａ）およびＩＩ−ＩＩ断面図（ｂ）である。 本発明の第３の実施の形態に係る気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る気化器の噴射ノズル先端部の構造を示す部分断面図（ａ）、ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図（ｂ）およびＩＶ−ＩＶ断面図（ｃ）である。

符号の説明

１：噴射ノズル
２：気化チャンバ
３：液体材料供給管
５：ガス供給管
６：冷却水供給管
８：冷却ロッド
１０，２０，３０：二重管
１０ａ，２０ａ，３０ａ：内側導管
１０ｂ，２０ｂ，３０ｂ：外側導管
１１：オリフィス板
１２：ノズルリング
１３，２３：細管
４０：石英管
５０：パージ用ガス噴出部
１００：気化器
Ａ：３次元領域
Ｍ＋Ｇ１：気液混合物
Ｇ２：霧化用ガス
Ｇ３：パージ用ガス
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４：筒状空間

Claims (6)

1. 液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、
   噴霧された前記液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、
   前記噴射ノズルは、
   前記気液混合材料を移送する内側導管と、
   前記内側導管が挿入され、前記気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側導管と、
   前記内側導管内において、該内側導管と軸方向を同一に設けられる複数の細管とを有することを特徴とする気化器。
2. 液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、
   噴霧された前記液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、
   前記噴射ノズルは、
   前記気液混合材料を移送する内側導管と、
   前記内側導管が挿入され、前記気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側導管と、
   前記内側導管と外側導管との間の筒状空間において、前記内側および外側導管と軸方向を同一に設けられる複数の細管とを有することを特徴とする気化器。
3. 液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、
   噴霧された前記液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、
   前記噴射ノズルは、前記気液混合材料を移送する内側導管および前記気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側導管とを有する二重管構造であり、
   前記二重管構造の先端部の外周には、前記内側導管と外側導管とを取り囲み、パージ用ガスを噴出するパージ用ガス噴出部を設けることを特徴とする気化器。
4. 請求項３に記載の気化器において、
   前記パージ用ガスは、加熱されたヘリウムガスであることを特徴とする気化器。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の気化器において、
   前記噴射ノズルの先端部付近で前記内側導管と外側導管との間の間隙を減少するためのオリフィス部材をさらに設けることを特徴とする気化器。
6. 液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を噴霧する噴射ノズルと、
   噴霧された前記液体材料を気化し、気化された材料ガスをＣＶＤ成膜装置へ供給する気化チャンバとを備え、
   前記噴射ノズルは、
   前記気液混合材料を移送する内側通路および前記気液混合材料を霧化するための霧化用ガスを移送する外側通路とが形成された石英管と、
   前記石英管の外周面との間に、前記石英管の外側通路に前記霧化用ガスを供給するための通路を形成する管状部材とを有することを特徴とする気化器。

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