JP2013077710A - 気化器 - Google Patents

Abstract

【課題】 気化器内の圧力の挙動を安定させることができる気化器を提供する。
【解決手段】 流入口及び流出口を備えるチャンバーと、該チャンバー内を加熱する加熱装置と、該チャンバー内に設けられ、該チャンバー内の液体材料を複数の区画に区分けする隔壁構造体１３と、隔壁構造体１３の下部に設けられ、隔壁構造体１３で区分けされた各区画間の液流通を許容する液流通部２０と、を備え、前記隔壁構造体が、格子状、ハニカム状、メッシュ状、又は、パイプ状の隔壁を有することとした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、気化器に係り、詳しくは主として液体の有機金属材料を気化するための気化器に関する。

従来、化合物半導体やＩＴＯ膜等の成膜工程において、有機金属気相成長法（MOCVD ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられている。そして、有機金属気相成長法では、液体の有機金属材料をキャリアガスでバブリングして気体とする、いわゆるバブリング法を用いた気化器が広く知られている（特許文献１、２等）。

しかしながら、バブリング法を用いる気化器では、バブリング流量、液面レベル、バブリングの気泡径、液温度などの様々なパラメータの変動によって気化ガスの供給濃度に変動を生じるという問題があった。

そのため、キャリアガスを用いることなく、原料ガスを気化器内で加熱して気化させ、気化させた原料ガスそのものを高温対応の圧力調整式流量制御装置により流量制御して反応容器に供給する、液体材料気化供給システムが提案されている（特許文献３）。この液体材料気化供給システムを用いて有機金属ガスの流量制御を行うことにより、バブリング法で問題となるバブリング流量等の影響を受けずに流量を制御することが可能となる。

特開２００２−８８４７７号 特開２０１０−２８４６２８号 特開２００９−２５２７６０号

しかしながら、上記液体材料気化供給システムでは、制御されたタイミングで間欠的に液体材料である有機金属材料が気化器内に供給されるが、液体材料を供給した後の気化器内の圧力の挙動が、液体材料が供給される毎に異なり、不安定であった。

そこで、本発明は、気化器内の圧力の挙動を安定させることができる気化器を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る気化器は、流入口及び流出口を備えるチャンバーと、該チャンバー内に収容される液体材料を加熱する加熱装置と、該チャンバー内の液体材料を複数の区画に区分けする隔壁構造体と、前記隔壁構造体で区分けされた各区画間の液流通を許容する液流通部と、を備え、前記隔壁構造体は、格子状、ハニカム状、メッシュ状、又は、パイプ状の隔壁を有することを特徴とする。

前記液流通部は、前記隔壁構造体の下端に形成された切り欠き部であることが好ましい。

前記隔壁構造体は、好ましくは、複数枚の隔壁プレートを交差状に連結することにより形成される。

前記隔壁プレートは第１の隔壁プレートと第２の隔壁プレートとを含み、前記第１の隔壁プレートは、上端から下方へ延びる第１のスリットを有し、該第１のスリットに前記第２の隔壁プレートを挿し込むことによって該第２の隔壁プレートと連結されることが好ましい。

前記隔壁プレートは第１の隔壁プレートと第２の隔壁プレートとを含み、前記第２の隔壁プレートは、下端から上方へ延びる第２のスリットを有し、該第２のスリットに前記第１の隔壁プレートを挿し込むことによって該第１の隔壁プレートと連結されることが好ましい。

前記隔壁プレートは第１の隔壁プレートと第２の隔壁プレートとを含み、前記第１の隔壁プレートは上端から下方へ延びる第１のスリットを有し、前記第２の隔壁プレートは下端から上方へ延びる第２のスリットを有し、前記第１のスリットの下端に前記第２のスリットを挿し込むことにより、前記第１のプレートと前記第２のプレートとが連結されることが好ましい。

本発明に係る気化器によれば、チャンバー内で気化される液体材料を複数の細分化された区画に区分けする隔壁構造体を設けたので、液体材料中の熱分布を均一にし、大きな対流が発生することによる液体材料温度の不均一を防ぐことによって、気化器内の圧力挙動を一定にすることができる。

本発明に係る気化器を含む液体材料気化供給システムの一実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る気化器の構成要素である隔壁構造体の組立前の隔壁プレートを示す平面図である。 図２の隔壁プレートを組み合わせた隔壁構造体を斜め上方から視た斜視図である。 図３の隔壁構造体を底側から視た斜視図である。 本発明実施例を用いた液体材料気化供給システムで流量制御した場合の気化器内の圧力と気化器外面の温度の時間変化を示すグラフである。 比較例の液体材料気化供給システムで流量制御した場合の気化器内の圧力と気化器外面の温度の時間変化を示すグラフである。 本発明に係る気化器の構成要素である隔壁構造体の他の実施形態を示す斜視図である。 比較例の気化器内の熱対流を概念的に示す説明図である。

本発明を実施するための形態について、以下に図１〜図８を参照して説明する。なお、全図を通し、同様の構成部分には同符号を付した。

図１は、気化器１を含む液体材料気化供給システムの一実施形態を示す概略構成図である。図１を参照すれば、液体材料気化供給システムでは、耐圧密閉型の液体材料容器２に溜められた液体材料である有機金属材料ＭＯは、窒素ガス等の不活性圧送用ガスＧがバルブ３、レギュレータ４を介し圧送ガス供給管５を通じて液体材料容器２の上部に圧送されることにより、一端が液体材料に水没させられた液体材料搬送管６を通じて液体材料容器２から押し出され、バルブ７を介して気化器１に供給される。気化器１内で所定温度に加熱されることにより液体状態にあった有機金属材料が気化したガスは、加熱温度に応じた所要の蒸気圧を持って圧力調整式流量制御装置８に送られ、そこで流量制御されて反応容器９に供給される。反応容器９は、下流側の真空ポンプ１０で減圧されている。なお、図１において破線で囲まれた領域は、加熱されている領域を示す。

気化器１は、流入口１ａ及び流出口１ｂを備えるチャンバー１１と、チャンバー１１内を加熱する加熱装置１２と、チャンバー１１内に配置されチャンバー１１内で気化される液体材料を複数の区画に区分けする隔壁構造体１３と、を備えている。

図示例のチャンバー１１は、チャンバー１１を通孔１４ａ、１５ａ付き仕切壁１４、１５によって複数の室１１ａ、１１ｂ、１１ｃに仕切られている。液体材料である有機金属材料が供給される第１室１１ａに隔壁構造体１３が収容されており、第１室１１ａで気化した有機金属ガスは、第２室１１ｂ、第３室１１ｃを経ることで、十分に加熱され得る。チャンバー１１内の室数は、適宜設定することができ、一室とすることもできる。チャンバー１１は、例えばステンレス鋼で形成することができる。

加熱装置１２は、チャンバー１１の前後左右側面、上面及び底面を覆うようにしてヒータープレートを固定することにより構成することができる。ヒータープレートは、例えば、アルミニウムや銅等のプレートにヒータを組み込んだものとすることができる。このような加熱装置１２は、特開２００９−２５２７６０号に開示された公知の加熱装置を充てることができる。加熱装置１２は、外部からチャンバー１１を加熱するものに限らず、チャンバー１１内に配置することもできる。

隔壁構造体１３は、図２〜図４に示すように、複数枚の隔壁プレート１６〜１９を直交状に連結することにより、上下開放の格子状アセンブリに形成することができる。隔壁プレート１６，１７は、上端から下方に延びる第１のスリット１６ａ、１７ａが形成されている。隔壁プレート１８，１９は、下端から上方に延びる第２のスリット１８ａ、１９ａが形成されている。第１のスリット１６ａ、１７ａに隔壁プレート１８，１９が挿し込まれ、第２のスリット１８ａ、１９ａに隔壁プレート１６，１７が挿し込まれて、隔壁プレート１６，１７と隔壁プレート１８，１９とが直交状に連結されている。第２のスリット１８ａ，１９ａは第１のスリット１６ａ、１７ａの下端に挿し込まれ、第１のスリット１６ａ，１７ａは第２のスリット１８ａ，１９ａの上端に挿し込まれる。隔壁プレート１６〜１９を連結して隔壁構造体１３を形成することにより隔壁構造体１３を低コストで製造することができ、第１及び第２のスリット１６ａ〜１９ａを嵌め合わせるだけで容易に組み立てることができる。なお、隔壁プレートは必ずしも直交状に連結した正方格子状である必要は無く、一定の包囲された区画が形成されるのであれば、隔壁プレート同士を連結する際に鋭角又は鈍角の角度を持たせても良い。

隔壁構造体１３の下部には、隔壁構造体１３で区分けされた各区画の液流通を許容する液流通部２０が形成される。液流通部２０は、図示例のように、隔壁構造体１３の下端に形成された切り欠き部によって構成することができる。液流通部は、隔壁構造体に形成した通孔（図示せず。）とすることもできる。或いは、隔壁構造体１３の下部にスペーサ（図示せず。）を介在させるかチャンバー１１の内壁に凸部（図示せず。）を形成する等して隔壁構造体１３の底面とチャンバー１１の内底面との間に形成した間隙によって液流通部を構成することもできる。液流通部２０を通じて液体が各隔壁で仕切られた各区画内の液体材料を相互に流通することにより、各区画内の液面が同じになる。

上記のような隔壁構造体１３は、チャンバー１１に溜まった液体材料を複数の小区画に区分けする。このような格子状隔壁構造体１３をチャンバー１１に収容することによって、区分けされた区画毎に収まっている液体材料の容積が小さくなり、均熱し易く、また、液体材料が隔壁構造体（チャンバー内面からの伝熱により加熱部として作用する。）に接触する表面積も大きくなる。その結果、区画毎に収まった液体材料の均熱性が高まり、大きな対流の発生による温度の不均衡の発生を抑制する効果を生じると考えられる。斯かる効果によって、後に明らかになるように、気化器１内のガス圧力は常に安定な挙動が得られる。

圧力調整式流量制御装置８は、図１に示すようにオリフィス３０、圧力センサ３１、制御弁３２、制御回路（図示せず）等を備える従来公知のもので、高温対応のものを充てることができる。圧力調整式流量制御装置（圧力式流量制御装置とも言う。）の流量制御の原理は、「オリフィスの上流側圧力が下流圧力の２倍以上あるとき、オリフィスを流れ出るガスが音速となり、その流量は上流圧力にのみ依存する。」ことを利用している。従って、オリフィスの上流側圧力Ｐ_１と下流側圧力Ｐ_２との関係がＰ_１＞２Ｐ_２の場合、オリフィスを流れ出る流量は下記式１のように表され、オリフィス断面積及びオリフィス上流側圧力Ｐ_１に比例して増加する。半導体プロセスは減圧下で行われることから、多くの場合、Ｐ_１＞２Ｐ_２の条件（臨界膨張条件）は満たされる。従って、オリフィス上流側圧力Ｐ_１を検出し、制御弁にてオリフィス上流側圧力を制御することによって流量を制御することができる。

Ｐ_１＜２Ｐ_２の場合は、下流側の圧力を無視できくなり、オリフィスを流れ出る流量は下記式（２）によって表され、これに基づいた流量制御がなされる。

式（１）、（２）において、Ｑ：標準状態に換算したときの体積流量（ｓｃｃｍ）、Ｓ：オリフィス断面積（ｍｍ^２）、Ｐ_１：オリフィス上流側圧力（絶対圧 ｋＰａ）、Ｐ_２：オリフィス下流側圧力（絶対圧 ｋＰａ）、Ｔ：オリフィス上流のガス温度（Ｋ）、Ｃ：ガス固有係数（分子量、ガス密度、比熱比により決定）である。

上記実施形態では平面視において正方格子状の隔壁構造体を例示したが、隔壁構造体は、チャンバー１１内に収容された液体材料を、更に複数の囲まれた領域に収容することにより、収容範囲を（好ましくは均等に）細分化できる構造であればよく、隔壁による区画形状を種々採用し得るメッシュ状、或いは正六角形の区画に仕切るハニカム状に形成することもできる。また、隔壁をパイプ状部材で形成することもでき、例えば図７に示すようにパイプ状部材２１を複数本束ねて溶接する等して連結一体化した隔壁構造体とすることもできる。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。但し、本発明は、下記実施例によって、限定されるものではない。

実施例
実施例では、図１に示した液体材料気化供給システムと同様のシステムを用い、気化器内に図２〜４に示した形状の格子状隔壁構造体を収容した。格子状隔壁構造体は、０．５ｍｍ厚のステンレス板で形成し、格子間隔（格子一区画の一辺の長さ）を３．６ｍｍ、高さ寸法を２．５ｃｍ、液流通部を構成する切り欠き凹部の高さ寸法を１ｍｍとした。液体材料してＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を用いた。圧送用ガス（窒素ガス）の圧力は絶対圧２００ｋＰａに設定した。気化器内の温度が７５℃になるように加熱装置を制御した。圧力調整式流量制御装置の下流側圧力は１．８Ｔｏｒｒに設定され、圧力調整式流量制御装置により流量を５６ｓｃｃｍに制御した。気化器内の液体のＴＧＭａが減少して気化器内の圧力が設定閾値圧力１１０ｋＰａ（絶対圧）になると、液体材料容器内のＴＭＧａを５秒間、気化器に圧送するように制御した。気化器内の圧力（Ｐ_０）と気化器第１室の外側下面温度の時間変化をモニターした結果を図５のグラフに示す。

比較例
比較例は、格子状隔壁構造体を備えない以外は上記の実施例と同じ条件とした。比較例の気化器内の圧力と気化室（第１室）の外側下面温度の時間変化を図６のグラフに示す。

図６のグラフから分かるように、比較例では、気化器内の圧力は上昇しながら極大値に達した後、時間の経過に伴って徐々に低下する傾向を示しており、約１７０ｋＰａ〜１６５ｋＰａの範囲で変動し、一定の値で安定しない。そして、極大値を迎えた後の気化器内圧力の挙動も気化器に液体ＴＧＭａを供給する毎に異なっている。すなわち、気化器内圧力は、極大値を迎えた後、そのまま徐々に圧力を低下させるか、一端極大値と同じ圧力で数分間保持するかの二通りの挙動を示している。これは、気化器に供給された液体材料に熱勾配が存在することによって液中に気化室内全体にわたる大きな対流（図８の矢印参照）が起こり、蒸気圧にバラツキを生じることによって、気化器内圧力の挙動に影響を与えていると考えられる。

一方、本発明の上記実施例では、図５のグラフから分かるように、気化器内の圧力は１７３〜１７４ｋＰａ（絶対圧）で安定しており、気化器に液体のＴＭＧａが何度供給されても殆ど同じ挙動を示している。これは、隔壁構造体によって液体収容領域が細分化された結果、液体材料中の温度勾配を小さくし、大きな対流が発生することによる液体材料温度の不均一を防ぐことによって、気化器内の圧力挙動を一定にしていると考えられる。

また、図５のグラフと図６のグラフとを比較すると、実施例は気化器外面の温度がほぼ安定しているが、比較例では気化器内の温度に顕著な変動が生じていることが分かる。比較例のように気化器の温度が不安定な場合、温度低下に伴う蒸気圧の低下が発生し、目的の蒸気圧が得られなくなり、蒸気圧の低下が圧力調整式流量制御装置の制御圧力を下回ると、正常な流量制御が不可能となる。それに対し、実施例のように気化器の温度を安定化することによって、上記のような欠点を完全に排除することが出来る。

上記の実施例と比較例の結果から、隔壁構造体を気化器内に収容することによって、液体の有機金属材料中の熱分布を均一にし、対流の発生を防ぐことができていると考えられる。従って、気化器内に隔壁構造体を収容することによって、気化器内圧力の安定した挙動を得ることができることが確認された。

１ 気化器
１３ 隔壁構造体
１６，１７，１８，１９ 隔壁プレート
１６ａ，１７ａ 第１のスリット
１８ａ，１９ａ 第２のスリット
２０ 液流通部

Claims (6)

1. 流入口及び流出口を備えるチャンバーと、
   該チャンバー内に収容される液体材料を加熱する加熱装置と、
   該チャンバー内に収容される液体材料を複数の区画に区分けする隔壁構造体と、
   前記隔壁構造体で区分けされた各区画間の液流通を許容する液流通部と、を備え、
   前記隔壁構造体は、格子状、ハニカム状、メッシュ状、又は、パイプ状の隔壁を有することを特徴とする気化器。
2. 前記液流通部は、前記隔壁構造体の下端に形成された切り欠き部であることを特徴とする請求項１に記載の気化器。
3. 前記隔壁構造体は、複数枚の隔壁プレートを交差状に連結することにより形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の気化器。
4. 前記隔壁プレートは第１の隔壁プレートと第２の隔壁プレートとを含み、前記第１の隔壁プレートは、上端から下方へ延びる第１のスリットを有し、該第１のスリットに前記第２の隔壁プレートを挿し込むことによって該第２の隔壁プレートと連結されることを特徴とする請求項３に記載の気化器。
5. 前記隔壁プレートは第１の隔壁プレートと第２の隔壁プレートとを含み、前記第２の隔壁プレートは、下端から上方へ延びる第２のスリットを有し、該第２のスリットに前記第１の隔壁プレートを挿し込むことによって該第１の隔壁プレートと連結されることを特徴とする請求項３に記載の気化器。
6. 前記隔壁プレートは第１の隔壁プレートと第２の隔壁プレートとを含み、前記第１の隔壁プレートは上端から下方へ延びる第１のスリットを有し、前記第２の隔壁プレートは下端から上方へ延びる第２のスリットを有し、前記第１のスリットの下端に前記第２のスリットを挿し込むことにより、前記第１のプレートと前記第２のプレートとが連結されることを特徴とする請求項３に記載の気化器。

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