JP2011122223A - Vaporizer, cvd system, method for monitoring vaporized state, method for depositing thin film and method for producing superconducting wire rod - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原料溶液を気化して反応チャンバに原料ガスを供給する気化器、溶液気化型のCVD装置、気化器における気化状態の監視方法、薄膜の形成方法及び超電導線材の製造方法に関する。 The present invention relates to a vaporizer that vaporizes a raw material solution and supplies a raw material gas to a reaction chamber, a solution vaporization type CVD apparatus, a vaporization state monitoring method in the vaporizer, a thin film formation method, and a superconducting wire manufacturing method.
有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)は、半導体や誘電体、超電導体の成膜に広く応用されている。このMOCVD法では、反応チャンバにおいて原料ガスを基材表面に供給し化学反応させることにより成膜するが、有機金属原料(以下、MO原料)の蒸気圧が低く常温固体である場合には、原料をガス化して反応チャンバに供給するために、MO原料を溶解した溶液(原料溶液)を高温の気化器内に噴霧し、昇華させるという手法(溶液気化方式)が採られる。
YBCOからなる超電導体(以下、Y系超電導体)を成膜する場合にも、この溶液気化方式が用いられる。この場合、原料溶液として、例えばTHF(テトラヒドロフラン)の溶媒に、金属のβ−ジケトン錯体(例えばジピバロイルメタン(DPM:dipivaloylmethane)を溶解したものが用いられる。以下、金属MのDPM錯体をM(DPM)nと表す。
Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is widely applied to film formation of semiconductors, dielectrics, and superconductors. In this MOCVD method, a film is formed by supplying a raw material gas to the surface of a substrate in a reaction chamber to cause a chemical reaction. However, if the vapor pressure of the organometallic raw material (hereinafter referred to as MO raw material) is low and solid at room temperature, the raw material is In order to gasify the gas and supply it to the reaction chamber, a method (solution vaporization method) is employed in which a solution in which the MO raw material is dissolved (raw material solution) is sprayed into a high-temperature vaporizer and sublimated.
This solution vaporization method is also used when a superconductor made of YBCO (hereinafter referred to as a Y-based superconductor) is formed. In this case, for example, a solution of a metal β-diketone complex (for example, dipivaloylmethane (DPM)) in a solvent of THF (tetrahydrofuran) is used as a raw material solution. M (DPM) n .
上述した溶液気化方式では、基材表面に均一な薄膜を成長させるために、MO原料の気化状態が重要となる。特に、Y系超電導体の薄膜を成膜する場合、超電導体薄膜の組成は臨界電流特性(Ic特性)に大きく影響するため、この組成が変動する原因となるMO原料の気化状態は極めて重要となる。また、超電導線材を電力輸送や超電導磁気エネルギー貯蔵(SMES:Superconducting Magnetic Energy Storage)に利用するためには、長尺のテープ状基材に超電導体薄膜を連続的に成膜しなければならない。そこで、MO原料の気化状態を安定させるための様々な技術が提案されている。 In the solution vaporization method described above, the vaporization state of the MO raw material is important in order to grow a uniform thin film on the substrate surface. In particular, when forming a thin film of Y-based superconductor, because the composition of the superconductor thin film greatly affects the critical current characteristics (I c characteristics), the vaporization state of the MO material this composition causes to change critical It becomes. Further, in order to use the superconducting wire for power transportation or superconducting magnetic energy storage (SMES), a superconducting thin film must be continuously formed on a long tape-like substrate. Therefore, various techniques for stabilizing the vaporization state of the MO raw material have been proposed.
例えば、特許文献1,2には、気化器の配管に圧力センサを設け、キャリアガスの圧力変化を検知して気化器の噴出口の状況(配管詰まり)を監視する方法が開示されている。また例えば、特許文献3には、気化器内部の数箇所に圧力センサを設けて、気化状態をその場観察(in−situ観察)する方法が開示されている。その他、成膜後の膜厚や、成長形態、組成等をその場観察するような、結果系の観察方法により気化状態を改善することも多く行われている。
For example,
ところで、Y系超電導体薄膜の成膜に用いられるMO原料は昇華点が高いため、溶媒が蒸発したり温度が低下したりすると、固体原料が析出し、気化室へ原料を噴出するノズルや気化室内壁に堆積することがある。特に、Ba(DPM)2は、気化温度と分解温度が近いので、気化中にわずかに生じる分解のために、分解した原料が気化室内壁にペースト状に付着することがある。
そして、気化室内壁等にMO原料や分解した原料が付着して気化状態が悪化すると、気化室内の温度が低下したり、固体原料が気化室内で剥離して反応チャンバに供給されたりするなどの問題が生じる。いずれの場合も反応チャンバに安定した原料ガスを供給することができなくなる。
By the way, the MO raw material used for the film formation of the Y-based superconductor thin film has a high sublimation point. Therefore, when the solvent evaporates or the temperature decreases, a solid raw material is deposited, and a nozzle for ejecting the raw material into the vaporization chamber May accumulate on interior walls. In particular, since Ba (DPM) 2 has a vaporization temperature and a decomposition temperature close to each other, the decomposed raw material may adhere to the vaporization chamber wall in a paste form due to the slight decomposition that occurs during vaporization.
Then, if the MO raw material or decomposed raw material adheres to the inner wall of the vaporization chamber and the vaporization state deteriorates, the temperature in the vaporization chamber decreases, or the solid raw material is peeled off in the vaporization chamber and supplied to the reaction chamber. Problems arise. In either case, a stable source gas cannot be supplied to the reaction chamber.
特許文献1,2に記載の技術では、気化器におけるノズル詰まりを検知できるが、気化室内の気化状態までを監視することができない。特許文献3に記載の技術では、気化室内の圧力センサにより気化状態をその場観察することはできるが、気化室内壁に原料が付着していることを検知するのは困難である。また、結果系の観察方法ではレスポンスが遅く、気化状態の異常を速やかに解消できないため、超電導線材等の長尺品を連続して製造する場合に不向きである。
このように、従来の気化器では、気化器における気化状態の異常をすばやく検出できないため、反応チャンバに安定したMO原料ガスを供給することが困難となっている。
In the techniques described in
As described above, in the conventional vaporizer, it is difficult to quickly detect the abnormality of the vaporized state in the vaporizer, so that it is difficult to supply a stable MO source gas to the reaction chamber.
本発明は、気化器を備えた溶液気化型のCVD装置を用いて超電導体等の薄膜を形成する際に有用な技術であって、気化器における気化状態の異常により良質な薄膜の形成が阻害されるのを回避するための技術を提供することを目的とする。 The present invention is a technique useful for forming a thin film such as a superconductor using a solution vaporization type CVD apparatus equipped with a vaporizer, and obstructs the formation of a good quality thin film due to an abnormal vaporization state in the vaporizer. It aims at providing the technique for avoiding being done.
請求項1に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたもので、
気化室と、
前記気化室内に原料溶液を導入する導入部と、
前記気化室において気化された原料ガスを外部に導出する導出部と、
前記気化室の外周に設けられ、発熱体により前記気化室を加熱するヒータと、を備えた気化器において、
前記発熱体の近傍の第1温度TMを測定する第1温度センサと、
前記発熱体によって加熱される前記気化室の対応部分の第2温度Tbを測定する第2温度センサと、を設け、
前記発熱体の出力は、前記第2温度Tbが一定となるように制御されることを特徴とする。
The invention described in
A vaporization chamber;
An introduction part for introducing a raw material solution into the vaporization chamber;
A derivation unit for deriving the source gas vaporized in the vaporization chamber to the outside;
In a vaporizer provided with an outer periphery of the vaporization chamber and a heater that heats the vaporization chamber with a heating element,
A first temperature sensor for measuring a first temperature T M in the vicinity of the heating element,
A second temperature sensor for measuring a second temperature T b of the corresponding portion of the vaporizing chamber which is heated by the heating element, the provided
The output of the heating element is controlled so that the second temperature Tb is constant.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の気化器において、前記ヒータは、前記気化室の外周に多段に配置された個別に温度制御可能な複数の発熱体を有し、
前記複数の発熱体のそれぞれに対応して、前記第1温度センサ及び前記第2温度センサが設けられていることを特徴とする。
The invention according to
The first temperature sensor and the second temperature sensor are provided corresponding to each of the plurality of heating elements.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の気化器において、前記気化室及び前記ヒータは同心円上に配置され、
前記第1温度センサと前記第2温度センサは、同一径方向で離間して配置されていることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the vaporizer according to the first or second aspect, the vaporization chamber and the heater are arranged concentrically,
The first temperature sensor and the second temperature sensor are spaced apart from each other in the same radial direction.
請求項4に記載の発明は、請求項1から3の何れか一項に記載の気化器と、
固体原料を溶媒に溶解した原料溶液を前記気化器に供給する原料溶液供給部と、
前記気化器によって気化された原料ガスを基材表面に供給し化学反応させることにより薄膜を形成する反応チャンバと、を備えることを特徴とするCVD装置である。
The invention according to
A raw material solution supply unit for supplying a raw material solution obtained by dissolving a solid raw material in a solvent to the vaporizer;
And a reaction chamber for forming a thin film by supplying a raw material gas vaporized by the vaporizer to the surface of the base material to cause a chemical reaction.
請求項5に記載の発明は、請求項1から3の何れか一項に記載の気化器における気化状態の監視方法であって、
前記第1温度TMの変動量に基づいて、気化状態が異常であるか否かを判断することを特徴とする。
Invention of Claim 5 is the monitoring method of the vaporization state in the vaporizer as described in any one of
Based on the amount of change of the first temperature T M, vaporized state is characterized by determining whether it is abnormal.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の気化状態の監視方法において、基準温度に対する前記第1温度TMの変動量が所定値以上となったときに、気化状態が異常になったと判断することを特徴とする。 The invention described in claim 6 is the method of monitoring the state of vaporization of claim 5, when the amount of change of the first temperature T M with respect to the reference temperature exceeds a predetermined value, becomes vaporized state abnormality It is characterized by judging.
請求項7に記載の発明は、請求項4に記載のCVD装置を用い、前記気化器において前記第2温度Tbが一定となるようにヒータの出力を制御することにより原料溶液を気化させ、この気化された原料ガスを前記反応チャンバに供給し、基材表面で化学反応させることにより薄膜を形成する方法において、
基準温度に対する前記第1温度TMの変動量が所定値以上となったときに、気化状態が異常になったと判断し、
気化状態が異常になったと判断した場合に、前記反応チャンバへの原料ガスの供給を停止し、
前記原料溶液の供給を停止し、
前記溶媒のみを前記気化室内に導入してパージし、
前記原料溶液の供給を再開し、
前記第1温度TMが所定の値に回復した後、前記反応チャンバへの原料ガスの供給を再開することを特徴とする。
The invention according to claim 7 uses the CVD apparatus according to
When the amount of change of the first temperature T M with respect to the reference temperature is equal to or larger than a predetermined value, it is determined that the vaporized state becomes abnormal,
When it is determined that the vaporization state has become abnormal, the supply of the raw material gas to the reaction chamber is stopped,
Stop supplying the raw material solution,
Only the solvent is introduced into the vaporization chamber and purged,
Restart the supply of the raw material solution,
After the first temperature TM is restored to a predetermined value, the supply of the raw material gas to the reaction chamber is resumed.
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の薄膜の形成方法において、前記原料溶液の供給を停止し、前記溶媒のみを前記気化室内に導入してパージする際、
前記原料溶液の流量を徐々に減少させるとともに、前記溶媒の流量を徐々に増加させることにより全体流量を一定に保つことを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the method for forming a thin film according to claim 7, wherein when the supply of the raw material solution is stopped and only the solvent is introduced into the vaporizing chamber for purging,
The overall flow rate is kept constant by gradually decreasing the flow rate of the raw material solution and gradually increasing the flow rate of the solvent.
請求項9に記載の発明は、請求項7又は8に記載の薄膜の形成方法において、前記第1温度TMが所定の値に回復しない場合には、当該CVD装置の操業を停止して前記気化器のメンテナンスを行うことを特徴とする。 Invention according to claim 9, method of forming a thin film according to claim 7 or 8, when the first temperature T M is not recovered to a predetermined value, stops the operation of the CVD apparatus wherein It is characterized by performing maintenance of the vaporizer.
請求項10に記載の発明は、請求項7から9の何れか一項に記載の薄膜の形成方法により、長尺のテープ状基材の表面に超電導体薄膜を形成することを特徴とする超電導線材の製造方法である。 A tenth aspect of the present invention is a superconductivity characterized in that a superconducting thin film is formed on the surface of a long tape-like substrate by the method for forming a thin film according to any one of the seventh to ninth aspects. It is a manufacturing method of a wire.
本発明によれば、気化器における気化状態の異常をすばやく検出することができるので、速やかに正常な気化状態に回復させることが可能となる。これにより、反応チャンバに安定した原料ガスを供給することができるので、気化器における気化状態の異常により良質な薄膜の形成が阻害されるのを回避することができる。したがって、超電導体等からなる薄膜を均一に形成することができ、さらには長尺のテープ状基材に連続して成膜する場合にも好適である。 According to the present invention, it is possible to quickly detect an abnormality in the vaporization state in the vaporizer, so that it is possible to quickly recover to a normal vaporization state. Thereby, since stable source gas can be supplied to the reaction chamber, it can be avoided that the formation of a high-quality thin film is hindered due to the abnormality of the vaporization state in the vaporizer. Therefore, it is possible to uniformly form a thin film made of a superconductor or the like, and it is also suitable for continuously forming a film on a long tape-like substrate.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、実施形態に係る気化器10の概略構成を示す断面図である。図1に示すように、気化器10は、気化室11、導入部12、円筒型ヒータ13、導出部14を備えて構成されている。
気化室11は、上下面を閉塞された中空円筒体であり、上壁に導入部12が設けられ、底壁に導出部14が設けられている。
導入部12は、原料供給部30から供給された原料溶液を気化室11内に導入する。具体的には、先端に噴霧ノズルを有し、この噴霧ノズルから気化室11内に向けて原料溶液を噴霧する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
Drawing 1 is a sectional view showing a schematic structure of
The
The
ヒータ13は、気化室11の外周を囲繞する円筒形状を有し、発熱体131をマッフル材(断熱材)132で覆った構成とされている。発熱体131は、後述する第2温度Tbが設定温度で一定となるように出力が制御され、気化室11の壁体を所定の温度に加熱・保持する。
導出部14は、気化室11の底壁の略中央に設けられた導出口であり、気化室11において気化された原料ガスを反応チャンバ20に導出する。また、導出部14には、排気・排液用のベントライン17が接続されており、気化室11内の不要なガスを排気できるようになっている。
なお、導出部14の配置箇所は気化室11の底壁に限定されず、側壁に設けるようにしてもよい。また、ベントライン17は、導出部14からT字型に分岐する形態に限定されず、不要なガスを導出部14の近傍から排気できる形態であればよい。例えば、気化室11の側壁下部に設けてもよいし、気化室11の底壁に導出部14と並んで設けてもよい。
The
The lead-out
In addition, the arrangement | positioning location of the derivation | leading-out
本実施形態の気化器10は、さらに、第1温度センサ15と第2温度センサ16を備えている。第1温度センサ15及び第2温度センサ16は、例えば熱電対で構成される。
第1温度センサ15は、例えば発熱体131にできるだけ近い部位に配置され、その部位の温度、すなわち発熱体131の近傍の温度(第1温度)TMを測定する。第2温度センサ16は、例えば気化室11の外壁表面に接触するように配置され、その部位の温度、すなわち発熱体131によって加熱される気化室11の対応部分の温度(第2温度)Tbを測定する。
The
The
また、第1温度センサ15と第2温度センサ16は、発熱体131の高さ方向の中央で、同じ高さとなるように、すなわち同一径方向で距離L(例えば8mm)だけ離間して配置されている。第1温度センサ15及び第2温度センサ16により径方向に異なる2箇所の温度TM,Tbを計測することで、その温度差に基づいて、発熱体131から気化室11に向かう熱伝達経路における熱流量をモニタすることができる。
The
気化室11内において、原料の分解や気化室11の内壁への付着等の異常反応が生じると、反応熱が発生する。また、気化室11の内壁に原料が付着すると、内壁の熱伝導率が徐々に変化する。このように、反応熱が発生したり、気化室11の内壁の熱伝導率が変化したりして、気化室11内で熱変動が生じると、第2温度Tbが変動する。
このとき、第2温度Tbを一定(設定温度±3℃以内)に保持するために、気化室11内の熱変動(反応熱の発生や反応室11の熱伝導率の変化)を補償すべく、発熱体131の出力が制御される。例えば、気化室11内の熱変動により第2温度Tbが設定温度よりも低くなると発熱体131の出力が増大され、第2温度Tbが設定温度よりも高くなると発熱体131の出力が減少される。第1温度(発熱体131の近傍の温度)TMは発熱体131の出力に応じて刻々と変化することとなる。
When an abnormal reaction such as decomposition of the raw material or adhesion to the inner wall of the vaporizing
At this time, in order to hold the second temperature T b at a constant (set temperature ± 3 ° C. or less), to compensate for the thermal variations in the vaporizing chamber 11 (change of the thermal conductivity of the heat of reaction generated and the reaction chamber 11) Therefore, the output of the
ここで、発熱体131から気化室11に向かう熱伝達経路における熱流量Q(M−b)は下式(1)で与えられる。
Q(M−b)=k・A・(TM−Tb)/L ・・・(1)
k:熱伝達経路における等価熱伝導率
A:伝熱面積
L:第1温度センサ15と第2温度センサ16の距離
Here, the heat flow Q (Mb) in the heat transfer path from the
Q (M−b) = k · A · (T M −T b ) / L (1)
k: equivalent thermal conductivity in the heat transfer path A: heat transfer area L: distance between the
気化室11内の熱変動を補償するために発熱体131の出力が制御された結果、第1温度TMがTM1からTM2に変化していれば、式(1)より熱流量は
ΔQ(M−b)=k・A・(TM2−TM1)/L ・・・(2)
だけ変動したことになる。すなわち、図2に示すように、第1温度TMの変動量(TM2−TM1)を検出することによって、熱流量の変動ΔQ(M−b)を評価でき、気化室11内の熱変動を監視できる。
If the first temperature T M is changed from T M1 to T M2 as a result of controlling the output of the
Only fluctuated. That is, as shown in FIG. 2, by detecting the fluctuation amount (T M2 −T M1 ) of the first temperature T M , the fluctuation ΔQ (M−b) of the heat flow rate can be evaluated, and the heat in the
気化室11内の熱変動は気化状態の変化に起因するので、第1温度センサ15により発熱体131の近傍の第1温度TMを測定(その場測定)することによって、気化室11内の気化状態の変化を監視でき、気化状態の異常を検出できることになる。例えば、正常な気化状態における第1温度TMを基準温度TSとして予め取得しておき、この基準温度TSと薄膜形成中に測定された第1温度TMの差(基準温度TSに対する第1温度TMの変動量)が所定値以上となった場合に、気化状態が異常であると判断する。
Since the thermal variation of the vaporizing
なお、異常と判断する第1温度TMの変動量は、気化室11の容量やサイズ、発熱体131の位置、発熱体131と第1温度センサ15の距離などによって適宜設定される。
本実施形態では、これらの影響因子と実験結果を考慮したうえで、第1温度TMの変動量が±5℃以上となった場合に気化状態が異常であると判断する。例えば、図2において、第1温度TM1(=260℃)を基準温度TSとすれば、第1温度TMがTM2(=270℃)となった場合には、変動量が10℃となるので、気化状態が異常であると判断される。
Incidentally, the amount of change of the first temperature T M of determining as abnormal, the capacity and size of the
In the present embodiment, in consideration of the experimental results with these influence factors, vaporized state is determined to be abnormal when the variation amount of the first temperature T M becomes ± 5 ℃ or higher. For example, in FIG. 2, if the first temperature T M1 (= 260 ° C.) is the reference temperature T S , the variation amount is 10 ° C. when the first temperature T M becomes T M2 (= 270 ° C.). Therefore, it is determined that the vaporization state is abnormal.
図3は、気化器10を備えた溶液気化型のCVD装置の概略構成を示す図である。ここでは、Y系超電導体薄膜を成膜する場合に用いられるCVD装置の一例について示している。
図3に示すように、CVD装置1は、気化器10、反応チャンバ20、原料溶液供給部30を備えて構成されている。原料溶液供給部30は、原料溶液を貯留する原料容器31〜33と、溶媒を貯留する溶媒容器34とを備えている。原料容器31〜33には、それぞれ溶媒であるTHFにイットリウム(Y)、バリウム(Ba)、銅(Cu)のDPM錯体を溶解させたY(DPM)3/THF,Ba(DPM)2/THF,Cu(DPM)2/THFが貯留されている。また、溶媒容器34には、溶媒であるTHFが貯留されている。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a solution vaporization type CVD apparatus provided with the
As shown in FIG. 3, the
CVD装置1において、原料容器31〜33に貯留されている原料溶液又は溶媒容器34に貯留されているTHFは、Heなどの不活性ガスにより容器内の圧力を上昇させることで容器外へ圧送される。原料溶液及び溶媒の流量は、流量計によって調整される。そして、原料溶液輸送管35において、原料溶液Y(DPM)3/THF,Ba(DPM)2/THF,Cu(DPM)2/THFが所定比で混合される。
混合された原料溶液は、Ar等の噴霧用ガスと合流して気化器10に導入され、噴霧ノズルから噴霧される。そして、気化器10の内壁に衝突して瞬時に気化され、この気化ガスが図示しないO2ガスとともに原料ガスとして反応チャンバ20に供給される。反応チャンバ20に導入された原料ガスが基材表面に供給され化学反応することでY系超電導体薄膜が形成される。
なお、原料溶液輸送管35の形態は、Y、Ba、Cuの原料溶液とTHFがそれぞれ所定の比率で混合されて気化器10に送られる形態であればよい。例えば、前記3種類の原料溶液をそれぞれ独立して輸送可能に構成し、Ar等の噴霧用ガスと合流する部分で混合されるような形態でもよい。この場合、それぞれの原料溶液の輸送管にTHFが供給される構成とし、原料溶液とTHFの混合液が輸送されるようにする。
In the
The mixed raw material solution is combined with a spraying gas such as Ar, introduced into the
The form of the raw material
このY系超電導体薄膜の形成工程では、基準温度TSに対する第1温度TMの変動量に基づいて気化器10における気化状態を常時監視する。
基準温度TSに対する第1温度TMの変動量が所定値(例えば±5℃)以上になると、気化室11内の気化状態が異常であると判断し、気化器10からの導出経路をベントライン17側に切り替えて反応チャンバ20への原料ガスの供給を停止する。すなわち、原料の分解等により気化室11内で熱変動が生じ、気化状態の異常が検出された場合には、気化状態の安定していない原料ガスが反応チャンバ20に導入されるのを遮断して、基材表面での成膜を停止するようにしている。
In the Y-based superconductor thin film forming process, constantly monitors the state of vaporization in the
When the fluctuation amount of the first temperature T M with respect to the reference temperature T S becomes a predetermined value (for example, ± 5 ° C.) or more, it is determined that the vaporization state in the
次に、気化器10への原料溶液の供給を停止し、THFのみを気化室11内に導入して所定時間(例えば40min)パージする。これにより、気化室11の内壁に付着している固体原料等が除去されるので、正常な気化状態に回復できる。
このとき、原料溶液の流量を徐々に減少させるとともに、THFの流量を徐々に増加させることにより全体の流量を一定に保つようにするのが望ましい。気化器10に導入される流量が急激に変化すると、気化器10に原料溶液及び溶媒を導入する配管が詰まったり、気化室11内の圧力が急激に変動したりして、気化状態がさらに悪化する虞があるためである。
THFによりパージした後、気化器11への原料溶液の供給を再開する。そして、第1温度TMが所定の値(基準温度±5℃)に回復したことを確認した後、反応チャンバ20への原料ガスの供給を再開する。
Next, the supply of the raw material solution to the
At this time, it is desirable to keep the overall flow rate constant by gradually decreasing the flow rate of the raw material solution and gradually increasing the flow rate of THF. When the flow rate introduced into the
After purging with THF, the supply of the raw material solution to the
図4は、気化状態に異常が検出されたときにTHFでパージすることにより正常な気化状態に回復できた場合の作業手順、第1温度TMの変動及び成膜された超電導体薄膜のIc特性の一例について示す図である。
図4に示す例では、気化器10において第2温度Tbが210℃で一定にとなるように発熱体131の出力を制御した。このとき、正常な気化状態における第1温度TMは260℃であった。そこで、基準温度TSを260℃とし、第1温度TMが基準温度TSに対して±5℃以上変動したとき(すなわち265℃以上又は255℃以下となったとき)に、気化状態が異常であると判断した。
Figure 4 is a work procedure when able to recover to a normal state of vaporization by purging with THF when the abnormality is detected in the vaporized state, I of the superconducting thin film which is varied and the deposition of the first temperature T M It is a figure shown about an example of c characteristic.
In the example illustrated in FIG. 4, the output of the
図4に示すように、第1温度TMは、運転時間が23.5時間となった時点で260℃より上昇し始め、23.8時間となった時点で265℃となった。この時点で、気化状態が異常になっていると判断し、気化器10からの導出経路をベントライン17側に切り替えて反応チャンバ20への原料ガスの供給を停止した。
そして、気化器10への原料溶液の供給を停止し、THFのみを気化室11内に導入して0.7時間パージした。THFによりパージした後、気化器10への原料溶液の供給を再開した。第1温度TMが260℃に回復したことを確認した後、反応チャンバ20への原料ガスの供給を再開した。
As shown in FIG. 4, the first temperature T M, begins to rise from 260 ° C. When the operation time becomes 23.5 hours, became 265 ° C. at the time point when 23.8 hours. At this time, it was determined that the vaporization state was abnormal, the supply path from the
Then, the supply of the raw material solution to the
また、第1温度TMは、運転時間が27.5時間となった時点で260℃より上昇し始め、27.8時間となった時点で265℃となったので、上記と同様にしてTHFによるパージを行った。そして、THFによりパージした後、気化器10への原料溶液の供給を再開し、第1温度TMが260℃であること(気化状態が回復したこと)を確認し、反応チャンバ20への原料ガスの供給を再開した。
このようにして正常な気化状態の下で成膜されたY系超電導体薄膜は、Ic特性が約200Aでほぼ均一となり、良好な超電導特性を有することが確認された。
Also, the first temperature T M, begins to rise from 260 ° C. When the operation time becomes 27.5 hours, because a 265 ° C. at the time point when 27.8 hours, in the same manner as described above THF Purging with was performed. Then, after purging with THF, the supply of the raw material solution to the
Thus, it was confirmed that the Y-based superconductor thin film formed under the normal vaporization state has almost uniform Ic characteristics at about 200 A and has good superconducting characteristics.
図5は、気化状態に異常が検出されてもTHFでパージせずに気化状態を回復させなった場合の作業手順、第1温度TMの変動及び成膜された超電導体薄膜のIc特性の一例について示す図である。
図5に示す例では、気化器10において第2温度Tbが210℃で一定にとなるように発熱体131の出力を制御した。
5, I c characteristics of work procedures, superconductor thin film was varied and formation of the first temperature T M in the case where even if an abnormality is detected in the vaporized state was restored the vaporized state without purging with THF It is a figure shown about an example.
In the example shown in FIG. 5, the output of the
図5に示すように、第1温度TMは、運転時間が23.5時間となった時点で260℃より上昇し始め、23.8時間となった時点で265℃となった。この時点で、気化状態が異常になっていると判断できるが、そのままY系超電導体薄膜の形成を継続したところ、第1温度TMは275℃付近まで上昇した。
気化状態の異常が検出されて以降に成膜されたY系超電導体薄膜は、Ic特性が約70以下となり、著しく低下していた。気化状態が異常となっていることにより、反応チャンバ20に安定した原料ガスが供給されず、形成されたY系超電導体薄膜の組成がずれたためと考えられる。
As shown in FIG. 5, the first temperature T M began to rise from 260 ° C. when the operation time reached 23.5 hours, and reached 265 ° C. when it reached 23.8 hours. At this point, it can be determined that the vaporized state is in an abnormal, was it continued formation of Y-based superconductor thin film, the first temperature T M rose to around 275 ° C..
The Y-based superconductor thin film formed after the abnormality of the vaporized state was detected had an Ic characteristic of about 70 or less, which was significantly lowered. It is considered that because the vaporized state is abnormal, the stable source gas is not supplied to the
上述したように、気化状態の異常が検出されたときには、THFによるパージを行うことで、気化室11の内壁に付着している固体原料等を効率よく除去して、気化状態を回復させることができる。
しかしながら、気化室11の内壁に固体原料等が強固に付着するなどして、期待通りに気化状態を回復できない場合もある。この場合は、CVD装置1の操業を停止させ、メンテナンスを行うのが望ましい。具体的には、気化器10を分解して気化室11の内壁を清掃し、付着物を除去する。
そして、メンテナンスした後、気化器11への原料溶液の供給を再開し、反応チャンバ20への原料ガスの供給を再開する。基準温度TSに対する第1温度TMの変動量に基づいてTHFによるパージだけでは気化状態を回復できないことを容易に確認でき、この場合にはメンテナンスすることで正常な気化状態に効率よく回復することができる。
As described above, when an abnormality in the vaporized state is detected, purging with THF can efficiently remove the solid raw material or the like adhering to the inner wall of the
However, there is a case where the vaporized state cannot be recovered as expected due to, for example, solid material or the like firmly adhering to the inner wall of the
After the maintenance, the supply of the raw material solution to the
図6は、気化状態に異常が検出されたときにTHFでパージしても正常な気化状態に回復できず、メンテナンスを行った場合の作業手順、第1温度TMの変動及び成膜された超電導体薄膜のIc特性の一例について示す図である。
図6に示す例では、気化器10において第2温度Tbが210℃で一定にとなるように発熱体131の出力を制御した。また、基準温度TSを260℃とし、第1温度TMが基準温度TSに対して±5℃以上変動したときに、気化状態が異常であると判断した。
6 can not recover the normal state of vaporization be purged with THF when the abnormality is detected in the vaporized state, it is work procedures, variation and formation of the first temperature T M in the case of performing maintenance it is a diagram showing an example of I c characteristics of the superconducting thin film.
In the example shown in FIG. 6, the output of the
図6に示すように、第1温度TMは、運転時間が23.5時間となった時点で260℃より上昇し始め、23.8時間となった時点で265℃となった。この時点で、気化状態が異常になっていると判断し、気化器10からの導出経路をベントライン17側に切り替えて反応チャンバ20への原料ガスの供給を停止した。
そして、気化器10への原料溶液の供給を停止し、THFのみを気化室11内に導入して0.7時間パージした。THFによりパージした後、気化器10への原料溶液の供給を再開したが、第1温度TMは270℃より高く気化状態の回復が認められなかったので、CVD装置1の操業を停止して、メンテナンスを行った。
As shown in FIG. 6, the first temperature T M, begins to rise from 260 ° C. When the operation time becomes 23.5 hours, became 265 ° C. at the time point when 23.8 hours. At this time, it was determined that the vaporization state was abnormal, the supply path from the
Then, the supply of the raw material solution to the
メンテナンスした後、気化器11への原料溶液の供給を再開し、反応チャンバ20への原料ガスの供給を再開した。メンテナンス後の第1温度TMは260℃であり、正常な気化状態に回復していた。
このようにして正常な気化状態の下で成膜されたY系超電導体薄膜は、Ic特性が約200Aでほぼ均一となり、良好な超電導特性を有することが確認された。
After the maintenance, the supply of the raw material solution to the
Thus, it was confirmed that the Y-based superconductor thin film formed under the normal vaporization state has almost uniform Ic characteristics at about 200 A and has good superconducting characteristics.
図7は、気化状態に異常が検出されたときにTHFによるパージで気化状態の回復を試みた場合の作業手順、第1温度TMの変動及び成膜された超電導体薄膜のIc特性の一例について示す図である。
図7に示す例では、気化器10において第2温度Tbが210℃で一定にとなるように発熱体131の出力を制御した。また、基準温度TSを260℃とし、第1温度TMが基準温度TSに対して±5℃以上変動したときに、気化状態が異常であると判断した。
7, work procedure when an abnormality in the vaporized state attempts to recover vaporized state purging with THF when detected, the I c characteristics of the superconductor thin film was varied and formation of the first temperature T M It is a figure shown about an example.
In the example illustrated in FIG. 7, the output of the
図7に示すように、第1温度TMは、運転時間が23.5時間となった時点で260℃より上昇し始め、23.8時間となった時点で265℃となった。この時点で、気化状態が異常になっていると判断し、気化器10からの導出経路をベントライン17側に切り替えて反応チャンバ20への原料ガスの供給を停止した。
そして、気化器10への原料溶液の供給を停止し、THFのみを気化室11内に導入して0.7時間パージした。THFによりパージした後、気化器10への原料溶液の供給を再開したが、第1温度TMは270℃より高く気化状態の回復が認められなかったので、THFによるパージを再度行った。その後も何度かTHFによるパージを行ったが、第1温度TMは275℃付近で一定となり、気化状態は異常のままであった。
気化状態の異常が検出されて以降に成膜されたY系超電導体薄膜は、Ic特性が約70以下となり、著しく低下していた。気化状態が異常となっていることにより、反応チャンバ20に安定した原料ガスが供給されず、形成されたY系超電導体薄膜の組成がずれたためと考えられる。
As shown in FIG. 7, the first temperature T M began to rise from 260 ° C. when the operation time reached 23.5 hours, and reached 265 ° C. when it reached 23.8 hours. At this time, it was determined that the vaporization state was abnormal, the supply path from the
Then, the supply of the raw material solution to the
The Y-based superconductor thin film formed after the abnormality of the vaporized state was detected had an Ic characteristic of about 70 or less, which was significantly lowered. It is considered that because the vaporized state is abnormal, the stable source gas is not supplied to the
このように、実施形態の気化器10は、発熱体131の近傍の第1温度TMを測定する第1温度センサ15と、発熱体131によって加熱される気化室11の対応部分の第2温度Tbを測定する第2温度センサ16と、を備えている。そして、発熱体131の出力は、第2温度Tbが一定となるように制御される。
気化器10によれば、第1温度センサ15によるその場測定により気化状態の異常を簡単に検出することができるので、速やかに正常な気化状態に回復させることが可能となる。
Thus, the
According to the
また、実施形態に係るCVD装置1及び薄膜の形成方法によれば、反応チャンバ20に安定した原料ガスを供給することができるので、気化器10における気化状態の異常により良質な薄膜の形成が阻害されるのを回避することができ、薄膜を均一に形成することができる。
In addition, according to the
さらに、長尺のテープ状基材の表面に超電導体薄膜を形成する場合においては、気化状態の異常が検出されたときに成膜を一端停止し、気化状態を回復させてから成膜を再開するので、テープ状基材に連続して均一な超電導体薄膜を形成することができる。したがって、良好なIc特性を有する超電導線材を製造できる。 Furthermore, when a superconductor thin film is formed on the surface of a long tape-like substrate, the film formation is stopped once an abnormality in the vaporized state is detected, and the film formation is resumed after the vaporized state is recovered. Therefore, a uniform superconductor thin film can be continuously formed on the tape-shaped substrate. Therefore, a superconducting wire having good Ic characteristics can be manufactured.
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、気化器10のヒータ13が1つの発熱体131を有する構成について示したが、図8に示すように、ヒータ13が複数の発熱体131a〜131cを有する構成とし、これらを個別に温度制御できるようにしてもよい。この場合、それぞれの発熱体131a〜131cに対応して、第1温度センサ151〜153及び第2温度センサ161〜163を配置する。
このような構成とすることで、固体原料が析出して付着しやすい気化室入口(上部)や出口(下部)を独立して温度制御することができるとともに、気化器10における気化状態をより正確に監視することができる。
As mentioned above, although the invention made by this inventor was concretely demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, It can change in the range which does not deviate from the summary.
For example, in the above-described embodiment, the
By adopting such a configuration, it is possible to independently control the temperature of the vaporization chamber inlet (upper part) and outlet (lower part) where the solid raw material easily deposits and adheres, and the vaporization state in the
また例えば、上記実施形態では、第1温度TMを気化状態の異常を検出するためのモニタ用とし、第2温度Tbを定温制御用としているが、第1温度TMを定温制御用とし、第2温度Tbを気化状態の異常を判断するためのモニタ用とすることもできる。
この場合には、気化室11内で発生する熱変動を敏感に検出できるが、気化器内壁に徐々に生じる原料付着の検出は困難である。また、気化状態の異常を検出するだけでなく、極力安定な気化状態を保つためには、実施形態のように気化室11に近い部位を温度制御点とし、気化室11の温度を一定に保持することが望ましい。
Further, for example, in the above embodiment, the first temperature T M and monitor for detecting an abnormality of the state of vaporization, a second temperature T b although the for constant temperature control, the first temperature T M and a constant temperature control , it may be a monitor for determining the second temperature T b of vaporization abnormal state.
In this case, although the heat fluctuation generated in the
上記実施形態では、圧送用ガスとしてHeを用いた例を示したが、ArやN2等の不活性ガスを用いることができる。同様に、噴霧用ガスとしてArの代わりにHeやN2等の不活性ガスを用いることができる。
また、溶媒としてTHFを用いた例を示したが、キシレン、アルコール類、エーテル類、ケトン類、アミン類等、沸点100℃以下、かつ炭化水素類の有機溶剤を用いることができる。具体的には、ジエチルエーテル、ジエチルケトン、エタノール、テトラグリム(テトラグライム)、2,5,8,11,14−ペンタオキサペンタデカン等を適用できる。
In the above embodiment, an example of using He as pumping gas, it is possible to use an inert gas such as Ar or N 2. Similarly, an inert gas such as He or N 2 can be used as the atomizing gas instead of Ar.
Moreover, although the example which used THF as a solvent was shown, organic solvents, such as xylene, alcohols, ethers, ketones, amines, boiling
また、上記実施形態では、Y系超電導体薄膜を形成する場合について説明したが、本発明は、蒸気圧が低く常温固体である原料を使用してMOCVD法により薄膜を形成する場合に共通して適用できる技術である。例えば、固体原料として、酸素原子を介して金属原子と有機基とが結合した有機金属原料を使用する場合に適用できる。ここで、有機基は、アセチルアセトネート、ジピバロイルメタネート、アルコキシド、ヘキサフルオロアセチルアセトネート、ペンタフルオロプロパノイルピバロイルメタネートのいずれかであればよい。
また、チタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウムのような強誘電体の薄膜を形成する際の原料としては、バリウムジピバロイルメタネート「Ba(DPM)2」、ストロンチウムジピバロイルメタネート「Sr(DPM)2」、ビス(ジピバロイルメタネート)ジイソプロポキシチタニウム「Ti(iPrO)2(DPM)2」等が挙げられる。また、TTIP(Titanium Tetra Isopropoxide「Ti(OC3H7)4」)等をTHFに溶解させた原料でもよい。
In the above embodiment, the case where a Y-based superconductor thin film is formed has been described. However, the present invention is commonly used when a thin film is formed by MOCVD using a raw material having a low vapor pressure and a room temperature solid. Applicable technology. For example, the present invention can be applied to a case where an organic metal raw material in which a metal atom and an organic group are bonded through an oxygen atom is used as the solid raw material. Here, the organic group may be any one of acetylacetonate, dipivaloylmethanate, alkoxide, hexafluoroacetylacetonate, and pentafluoropropanoylpivaloylmethanate.
As raw materials for forming a ferroelectric thin film such as barium titanate or strontium titanate, barium dipivaloylmethanate “Ba (DPM) 2 ”, strontium dipivaloylmethanate “Sr” (DPM) 2 ”, bis (dipivaloylmethanate) diisopropoxytitanium“ Ti (iPrO) 2 (DPM) 2 ”and the like. Alternatively, a raw material in which TTIP (Titanium Tetra Isopropoxide “Ti (OC 3 H 7 ) 4 ”) or the like is dissolved in THF may be used.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 CVD装置
10 気化器
11 気化室
12 導入部
13 ヒータ
14 導出部
15 第1温度センサ
16 第2温度センサ
20 反応チャンバ
30 原料溶液供給部
131 発熱体
132 マッフル材(断熱材)
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記気化室内に原料溶液を導入する導入部と、
前記気化室において気化された原料ガスを外部に導出する導出部と、
前記気化室の外周に設けられ、発熱体により前記気化室を加熱するヒータと、を備えた気化器において、
前記発熱体の近傍の第1温度TMを測定する第1温度センサと、
前記発熱体によって加熱される前記気化室の対応部分の第2温度Tbを測定する第2温度センサと、を設け、
前記発熱体の出力は、前記第2温度Tbが一定となるように制御されることを特徴とする気化器。 A vaporization chamber;
An introduction part for introducing a raw material solution into the vaporization chamber;
A derivation unit for deriving the source gas vaporized in the vaporization chamber to the outside;
In a vaporizer provided with an outer periphery of the vaporization chamber and a heater that heats the vaporization chamber with a heating element,
A first temperature sensor for measuring a first temperature T M in the vicinity of the heating element,
A second temperature sensor for measuring a second temperature T b of the corresponding portion of the vaporizing chamber which is heated by the heating element, the provided
The vaporizer characterized in that the output of the heating element is controlled so that the second temperature Tb is constant.
前記複数の発熱体のそれぞれに対応して、前記第1温度センサ及び前記第2温度センサが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の気化器。 The heater has a plurality of heating elements individually controllable arranged in multiple stages on the outer periphery of the vaporization chamber,
The vaporizer according to claim 1, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are provided corresponding to each of the plurality of heating elements.
前記第1温度センサと前記第2温度センサは、同一径方向で離間して配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の気化器。 The vaporization chamber and the heater are arranged concentrically;
3. The vaporizer according to claim 1, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are spaced apart from each other in the same radial direction.
固体原料を溶媒に溶解した原料溶液を前記気化器に供給する原料溶液供給部と、
前記気化器によって気化された原料ガスを基材表面に供給し化学反応させることにより薄膜を形成する反応チャンバと、を備えることを特徴とするCVD装置。 A vaporizer according to any one of claims 1 to 3;
A raw material solution supply unit for supplying a raw material solution obtained by dissolving a solid raw material in a solvent to the vaporizer;
A CVD apparatus comprising: a reaction chamber that forms a thin film by supplying a raw material gas vaporized by the vaporizer to a surface of a base material to cause a chemical reaction.
前記第1温度TMの変動量に基づいて、気化状態が異常であるか否かを判断することを特徴とする気化状態の監視方法。 It is the monitoring method of the vaporization state in the vaporizer as described in any one of Claim 1 to 3,
On the basis of the amount of change of the first temperature T M, the method of monitoring the state of vaporization vaporized state is characterized by determining whether it is abnormal.
基準温度に対する前記第1温度TMの変動量が所定値以上となったときに、気化状態が異常になったと判断し、
気化状態が異常になったと判断した場合に、前記反応チャンバへの原料ガスの供給を停止し、
前記原料溶液の供給を停止し、
前記溶媒のみを前記気化室内に導入してパージし、
前記原料溶液の供給を再開し、
前記第1温度TMが所定の値に回復した後、前記反応チャンバへの原料ガスの供給を再開することを特徴とする薄膜の形成方法。 The raw material solution is vaporized by controlling the output of the heater so that the second temperature Tb becomes constant in the vaporizer using the CVD apparatus according to claim 4, and the vaporized raw material gas is reacted with the reaction. In a method of forming a thin film by supplying a chemical reaction on the surface of a substrate supplied to a chamber,
When the amount of change of the first temperature T M with respect to the reference temperature is equal to or larger than a predetermined value, it is determined that the vaporized state becomes abnormal,
When it is determined that the vaporization state has become abnormal, the supply of the raw material gas to the reaction chamber is stopped,
Stop supplying the raw material solution,
Only the solvent is introduced into the vaporization chamber and purged,
Restart the supply of the raw material solution,
After the first temperature TM is restored to a predetermined value, the supply of the raw material gas to the reaction chamber is restarted.
前記原料溶液の流量を徐々に減少させるとともに、前記溶媒の流量を徐々に増加させることにより全体流量を一定に保つことを特徴とする請求項7に記載の薄膜の形成方法。 When the supply of the raw material solution is stopped and only the solvent is introduced into the vaporizing chamber and purged,
8. The method of forming a thin film according to claim 7, wherein the overall flow rate is kept constant by gradually decreasing the flow rate of the raw material solution and gradually increasing the flow rate of the solvent.
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