JP2005057193A

JP2005057193A - 気化器

Info

Publication number: JP2005057193A
Application number: JP2003289011A
Authority: JP
Inventors: Mitsushi Kawao; 満志川尾
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】熱を効率的に液体材料微粒子に伝達する熱効率に優れる気化器を提供すること。
【解決手段】気化器１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を高温に保持された気化チャンバ３０内の気化面Ｓ１に向けて噴霧し、噴霧された液体材料微粒子Ｍを気化し、気化により生成した材料ガスＶをＣＶＤ成膜装置に供給する。気化面Ｓ１は、ステンレス鋼よりも熱伝導率の高い材料で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＶＤ成膜に用いられ、液体有機金属や有機金属溶液等の液体材料を気化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、霧状の液体材料に十分に熱が伝わらない点が挙げられる。そこで、従来は、気化チャンバに配設された複数のヒータの発熱量を独立に制御することにより、気化チャンバの温度を設定していた。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１１０５４６号公報（第４頁、図２）

上記の従来技術では、未気化残渣やパーティクルの発生を防止するために、ヒータの発熱量を気化チャンバの領域毎に制御しているが、ヒータの熱を効率的に霧状の液体材料に伝達する点に関しては、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を高温に保持された気化チャンバ内の気化面に向けて噴霧し、噴霧された液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをＣＶＤ成膜装置に供給する気化器であって、気化面は、ステンレス鋼よりも熱伝導率の高い材料で形成されてい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を高温に保持された気化チャンバ内の気化面に向けて噴霧し、噴霧された液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをＣＶＤ成膜装置に供給する気化器であって、気化面は、非平滑面であることを特徴とする。その非平滑面は、メッシュ状または凹凸形状であることが好ましい。

（３）請求項４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を高温雰囲気中に噴霧する噴霧ノズル部と、噴霧された液体材料の微粒子を気化して材料ガスを生成する気化チャンバと、気化チャンバを加熱する加熱手段とを有し、気化チャンバには、液体材料の噴霧方向と直交して配置される少なくとも２つの加熱部材で仕切られる少なくとも３つの気化室が設けられ、各気化室が加熱部材を介して連通され、最終段の気化室がＣＶＤ成膜装置に接続されていることを特徴とする。その加熱部材は、メッシュ状または多孔形状を有する板材であることが好ましい。
（４）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を高温雰囲気中に噴霧する噴霧ノズル部と、噴霧された前記液体材料の微粒子を気化して材料ガスを生成する気化室装置と、気化室装置を加熱する加熱手段とを有し、気化室装置は、噴霧ノズル部からの液体材料の微粒子を導入する第１の気化室と、第１の気化室と連通管で連通され、第１の気化室からの未気化の液体材料の微粒子を気化してＣＶＤ成膜装置に供給する第２の気化室とを少なくとも備えることを特徴とする。

（５）請求項７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を高温に保持された気化チャンバ内の気化面に向けて噴霧し、噴霧された液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをＣＶＤ成膜装置に供給する気化器であって、気化チャンバの材料ガス排出口を通過する液体材料の微粒子の通過経路を延長する通路延長部材を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、熱を効率的に霧状の液体材料に伝達する熱効率に優れ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１〜６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は、本発明の実施の形態による気化器の全体構造を模式的に示す断面図である。気化器１は、噴射ノズル部２０と気化チャンバ３０とを備えている。噴射ノズル部２０には二重管２１が設けられており、内側導管２１ａには、液体材料供給管Ｌ１が接続され、外側導管２１ｂには、ガス供給管Ｌ２が接続されている。

二重管２１の上部には冷却ジャケット２２が設けられており、冷却ジャケット２２には、冷却水供給管Ｌ３が接続され、冷却水路２３内を冷却水Ｃが二重管２１の軸周りに循環するような構成となっている。噴射ノズル部２０の先端付近にはフランジ２４が設けられており、フランジ２４をボルト２５で気化チャンバ３０に締結することにより、噴射ノズル部２０が気化チャンバ３０に固定される。このとき、二重管２１の先端部２１ｃは、気化チャンバ３０の気化室３０ａに露出する。

気化チャンバ３０には加熱用ヒータ３１が設けられており、気化チャンバ３０の内壁３２の温度が液体材料Ｍの気化温度程度となるように加熱される。気化チャンバ３０の内壁３２には、気化面Ｓ１が形成されている。仮想線で示される３次元領域Ａは、噴射ノズル部２０により気化室３０ａ内に噴出する液体材料Ｍの噴出流の存在領域であり、この噴出流が当接する内壁３２の表面部分を気化面と呼ぶ。気化面については後に詳述する。また、気化チャンバ３０には、液体材料Ｍが気化して生成した材料ガスを外部に送出する排出口３３が設けられている。排出口３３は、成膜装置、例えばＣＶＤリアクタ（不図示）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Ｌ１から内側導管２１ａへ送出され、キャリアガスＧ２は、ガス供給管Ｌ２から外側導管２１ｂへ送出される。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，Ｇ２は、例えば、窒素やアルゴンなどの不活性ガスである。

内側導管２１ａの内径は、液体材料供給管Ｌ１の内径よりも小さく絞られており、気液混合物（Ｍ＋Ｇ１）は、内側導管２１ａ内では気液２相流状態で流れ、内側導管２１ａの先端２１ｃに到達する。一方、ガス供給管Ｌ２からのキャリアガスＧ２は、外側導管２１ｂと内側導管２１ａとの間の環状空間を流れて、二重管２１の先端２１ｃから気化室３０ａへと噴出する。その結果、内側導管２１ａの先端２１ｃから噴出する液体材料Ｍは、霧状の微粒子となって気化室３０ａ内に噴出される。

霧状の液体材料Ｍのほとんど総ては、液体材料Ｍの気化温度程度に保持された内壁３２、特に気化面Ｓ１と接触して気化する。また、一度気化した後に再凝集して生成したパーティクルＰも、内壁３２、特に気化面Ｓ１と接触して気化する。気化により生成する材料ガスＶは、排出口３３からＣＶＤリアクタへと排出される。

気化を完全に行うためには、加熱用ヒータ３１の電流値を上げて気化面Ｓ１或いは内壁３２の温度を気化温度以上に高くすればよいが、エネルギー消費量が大きくなるという欠点がある。本実施の形態では、気化面Ｓ１に熱伝導率の高い材料を用い、加熱用ヒータ３１からの熱エネルギーを効率良く霧状の液体材料Ｍへ与えることにより、未気化の液体微粒子の残留やパーティクルＰの発生を低減する。

従来、気化チャンバ３０の気化面Ｓ１或いは内壁３２は、ステンレス鋼で作製されているが、本実施の形態では、気化面Ｓ１は、炭化珪素（ＳｉＣ）で作製されている。ＳｉＣの熱伝導率は１２５Ｗ／ｍ・Ｋであり、ステンレス鋼に対して約８倍高い値である。気化面Ｓ１の材質としてＳｉＣを用いることにより、気化熱に相当する熱量を短時間で加熱用ヒータ３１から霧状の液体材料Ｍへ供給できるので、未気化の液体微粒子Ｍが残留しなくなり、パーティクルＰが発生しなくなる。熱伝導率の高い材料として、ＳｉＣの他に、アルミニウム、アルミニウム合金、銅などを用いることができる。

〈第２の実施の形態〉
図２および３は、本発明の第２の実施の形態による気化器の概略構成図である。第１の実施の形態と同様、気化器１は、噴射ノズル部２０と気化チャンバ３０とを備えており、３次元領域Ａは、液体材料Ｍが霧状の噴出流として存在する領域である。本実施の形態では、第１の実施の形態と相違する特徴について説明する。

図２に示される気化面Ｓ２は、メッシュ状を呈している。メッシュ状部材としては、ステンレス鋼の金網を積層圧縮したもの、ステンレス鋼の連続繊維をマット状に圧縮成形したもの、ステンレス鋼の短繊維や粉末を圧縮焼結したものが用いられる。本明細書では、このようなメッシュ状部材を非平滑面を有する部材と呼ぶ。メッシュ状部材は、多数の空隙を含むため、見かけの表面積は平滑な部材と比べるとはるかに大きい。液体微粒子Ｍは、空隙にトラップされ、気化熱に相当する熱量を十分に与えられるので、未気化の液体微粒子は存在しなくなる。また、気化面Ｓ２がメッシュ状であると、液体材料Ｍに含まれる気化しにくい不純物粒子をトラップできるので、これらがＣＶＤリアクタへ排出されるのを防止する効果もある。

気化面Ｓ２を形成する材料として、ステンレス鋼よりも熱伝導率が高いアルミニウム、アルミニウム合金又は銅を用いると、より一層有効である。

気化面として、メッシュ状に代えて凹凸形状にしてもよい。図３に示される気化面Ｓ３は、凹凸が形成された面である。凹凸を有する部材としては、ステンレス鋼の板材に凹凸を形成する機械加工をしたものや板材表面に化学処理をしたものが用いられる。機械加工としては、切削、プレス、砥粒噴射（ブラスト）などがある。化学処理としては、エッチング液中浸漬による腐食がある。部材表面の凹凸に関しては、大きさ、深さ、存在密度は任意である。本明細書では、このような凹凸形状部材を非平滑面を有する部材と呼ぶ。このような凹凸を有する部材は、見かけの表面積が平滑な部材と比べると大きいので、メッシュ状部材と同様の作用で、未気化の液体微粒子Ｍは存在しなくなる。また、ステンレス鋼よりも熱伝導率が高いアルミニウム、アルミニウム合金又は銅を用いると、より一層有効である。

〈第３の実施の形態〉
図４は、本発明の第３の実施の形態による気化器の概略構成図である。図４に示される気化面Ｓ４は、貫通孔が多数形成された多孔板（加熱板）３４ａ上に設けられた非平滑面である。第１の実施の形態と同様にヒータ３１を備えた気化チャンバ３０の気化室３０ａ内には、多孔板３４ａに加えて、多孔板３４ｂ、３４ｃが順に配置されている。多孔板３４ａ，３４ｂ、３４ｃには、それぞれ不図示のヒータが設けられ、液体材料Ｍの気化温度程度に加熱されている。多孔板３４ａは、気化チャンバ３０の内壁３２よりも噴射ノズル部２０の先端２１ｃに近い場所に位置する。Ｂ１は多孔板３４ａと３４ｂの間の領域、Ｂ２は多孔板３４ｂと３４ｃの間の領域、Ｂ３は多孔板３４ｃと内壁３２の間の領域を示す。

図４では、先端２１ｃから気化面Ｓ４までの３次元領域Ａ´は、液体材料Ｍが霧状の噴出流として存在する領域である。霧状の液体材料Ｍは、気化面Ｓ４と多孔板３４ａの貫通孔３７の内面による熱伝導や熱輻射を受けて気化する。気化によって生成した材料ガスＶと未気化の液体微粒子Ｍは、貫通孔３７を通過して空間領域Ｂ１に到達し、多孔板３４ｂの貫通孔３８を通過して空間領域Ｂ２に到達し、さらに多孔板３４ｃの貫通孔３９を通過して空間領域Ｂ３に到達する。未気化の液体微粒子Ｍは、貫通孔３７〜３９を通過する度に加熱されるので、最終的にほぼ完全に消滅して材料ガスＶとなる。特に、多孔板３４ａ、３４ｂ，３４ｃを厚くすれば、貫通孔３７〜３９も長くなるので、未気化の液体微粒子Ｍの存在確率は、より一層減少する。

なお、多孔板は少なくとも２つ、多孔板によって仕切られる空間領域は少なくとも３つ備えていればよい。
また、このような多段構造において、多孔板の代わりにメッシュ状やフィルタ状の部材を用いても、同様の効果が得られる。さらに、多孔板、メッシュ状部材、フィルタ状部材として、熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅などを用いると、より一層大きな効果が得られる。

〈第４の実施の形態〉
図５は、本発明の第４の実施の形態による気化器の概略構成図である。図５に示されるように、本実施の形態では、密閉筺体３５内に多段構成の気化室装置４０が設けられている。気化室装置４０は、液体材料Ｍの導入口４１から排気口４２までの間に内部が空洞の小室（気化室）４０ａ〜４０ｄを有し、また、小室と小室との間は、複数の管で配管接続されている。排気口４２は、密閉筺体３５に設けられた排出口３３に接続されている。気化室装置４０は、密閉筺体３５内に設けられたランプヒータ４３により全体が液体材料Ｍの気化温度程度に加熱される。

霧状の液体材料Ｍは、その大部分が導入口４１から気化室装置４０内に入り、ランプヒータ４３からの輻射熱により加熱され、ほぼ完全に気化し、材料ガスＶとして排気口４２を経由して排出口３３から不図示のＣＶＤリアクタへと排出される。液体材料微粒子Ｍは、気化室装置４０内、特に小室４０ａ〜４０ｄ内で自由に運動し、内面衝突を繰り返しながら排気口４２へと移動してゆく。液体材料微粒子Ｍは、このように長い行程をとるので、気化室装置４０から十分に気化熱を受け取ることができる。また、気化室装置４０は、ランプヒータ４３からの輻射熱により加熱され、気化室装置４０全体の温度が均一となるために、高効率の熱伝導効果が得られる。なお、小室は、２つ以上であればいくつ設けてもよい。

〈第５の実施の形態〉
図６は、本発明の第５の実施の形態による気化器の概略構成図である。図６（ａ）に示されるように、本実施の形態では、気化チャンバ３０の気化室３０ａ内に、排出口３３を覆うようにスリット付きフィルタ５０が設けられている。図６（ｂ）は、スリット付きフィルタ５０の構造を模式的に示す透視図である。フィルタ５０は、中央部に貫通穴５１が形成され、外周から貫通穴５１に向かって延在するスリット５２が複数形成され、内部にヒータが組み込まれた円板である。通常は、液体材料微粒子Ｍは、気化チャンバ３０の気化面３２ａや内壁３２でほぼ完全に気化するが、前述したように未気化微粒子Ｍが僅かに残存する場合には、フィルタ５０によってその未気化微粒子Ｍを気化させることができる。未気化微粒子Ｍは、スリット５２内を内面衝突を繰り返しながら貫通穴５１へと移動し、ＣＶＤリアクタへ排出される。フィルタ５０を設けることにより、液体材料微粒子Ｍの気化はより一層完全になる。フィルタ５０は、１枚でもよいし、２枚以上を多段に配置してもよい。なお、未気化微粒子Ｍの通過経路を延長するものであれば、スリットのみに限定されず、例えば細管でもよい。また、スリット付きフィルタ５０にヒータを設けず、気化チャンバ３０の内壁３２からの熱伝導により、フィルタ５０を加熱してもよい。

これら第１〜第５の実施の形態は、２つ以上を組み合わせて用いることができる。例えば、第１と第２の実施の形態を組み合わせて、気化面を熱伝導率の良い非平滑面とすれば、熱効率は単独のものよりも向上する。また、第１、第２および第５の実施の形態を組み合わせて、気化面を熱伝導率の良い非平滑面とした上でスリット付きフィルタを排出口に設ければ、熱効率はより一層向上する。

本発明の第１の実施の形態に係る気化器の構成を模式的に示す断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る気化器の第１の構成を模式的に示す断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る気化器の第２の構成を模式的に示す断面図である。本発明の第３の実施の形態に係る気化器の構成を模式的に示す断面図である。本発明の第４の実施の形態に係る気化器の構成を模式的に示す断面図である。本発明の第５の実施の形態に係る気化器の構成を模式的に示す断面図（ａ）およびフィルタの透視図（ｂ）である。

符号の説明

１：気化器
２０：噴射ノズル部
３０：気化チャンバ
３０ａ：気化室
３１：ヒータ
３２：内壁
３３：排出口
４０：導管
５０：スリット付きフィルタ
Ｍ：液体材料（液体材料微粒子）
Ａ：３次元領域
Ｐ：パーティクル
Ｖ：材料ガス
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６：気化面

Claims

液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料を高温に保持された気化チャンバ内の気化面に向けて噴霧し、噴霧された前記液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをＣＶＤ成膜装置に供給する気化器において、
前記気化面は、ステンレス鋼よりも熱伝導率の高い材料で形成されていることを特徴とする気化器。
液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料を高温に保持された気化チャンバ内の気化面に向けて噴霧し、噴霧された前記液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをＣＶＤ成膜装置に供給する気化器において、
前記気化面は、非平滑面であることを特徴とする気化器。
請求項２に記載の気化器において、
前記非平滑面は、メッシュ状または凹凸形状であることを特徴とする気化器。
液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料を高温雰囲気中に噴霧する噴霧ノズル部と、
噴霧された前記液体材料の微粒子を気化して材料ガスを生成する気化チャンバと、
前記気化チャンバを加熱する加熱手段とを有し、
前記気化チャンバには、前記液体材料の噴霧方向と直交して配置される少なくとも２つの加熱部材で仕切られる少なくとも３つの気化室が設けられ、各気化室が前記加熱部材を介して連通され、最終段の気化室がＣＶＤ成膜装置に接続されていることを特徴とする気化器。
請求項４に記載の気化器において、
前記加熱部材は、メッシュ状または多孔形状を有する板材であることを特徴とする気化器。
液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料を高温雰囲気中に噴霧する噴霧ノズル部と、
噴霧された前記液体材料の微粒子を気化して材料ガスを生成する気化室装置と、
前記気化室装置を加熱する加熱手段とを有し、
前記気化室装置は、
前記噴霧ノズル部からの液体材料の微粒子を導入する第１の気化室と、
前記第１の気化室と連通管で連通され、前記第１の気化室からの未気化の液体材料の微粒子を気化してＣＶＤ成膜装置に供給する第２の気化室とを少なくとも備えることを特徴とする気化器。
液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料を高温に保持された気化チャンバ内の気化面に向けて噴霧し、噴霧された前記液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをＣＶＤ成膜装置に供給する気化器において、
前記気化チャンバの材料ガス排出口を通過する前記液体材料の微粒子の通過経路を延長する通路延長部材を設けたことを特徴とする気化器。