JP2022061803A - 気化装置、ガス供給装置及びガス供給装置の制御方法 - Google Patents

気化装置、ガス供給装置及びガス供給装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】装置が小型で大流量のガスを供給可能な気化装置、ガス供給装置及びガス供給装置の制御方法を提供する。【解決手段】基板処理システム１において、液体材料気化供給装置３の気化装置２０は、液体原料を加熱する熱交換部２１と、加熱された液体原料を気化して原料ガスとする気化部２４と、を備える。熱交換部２１は、液体原料が供給され分岐する分岐部２２と、分岐部２２とそれぞれ接続される細管部２３と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、気化装置、ガス供給装置及びガス供給装置の制御方法に関する。
液体原料を気化させて、成膜処理装置に原料ガスを供給する基板処理システムが知られている。
特許文献１には、液体材料を気化する気化器と、前記気化器への液体材料の供給量を制御する供給量制御機器と、内部に流路が形成されるとともに、前記気化器及び前記供給量制御機器がそれぞれ取り付けられる機器取り付け面を有するマニホールドブロックとを具備し、前記気化器及び前記供給量制御機器が、前記機器取り付け面に取り付けられることにより、前記流路を介して繋がるように構成された気化システムが開示されている。
特開２０１６－１２２８４１号公報
一の側面では、本開示は、装置が小型で大流量のガスを供給可能な気化装置、ガス供給装置及びガス供給装置の制御方法を提供する。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、液体原料を加熱する熱交換部と、加熱された前記液体原料を気化して原料ガスとする気化部と、を備え、前記熱交換部は、前記液体原料が供給され分岐する分岐部と、前記分岐部とそれぞれ接続される細管部と、を有する、気化装置が提供される。
一の側面によれば、装置が小型で大流量のガスを供給可能な気化装置、ガス供給装置及びガス供給装置の制御方法を提供することができる。
第１実施形態に係る気化装置を備える基板処理システムの構成図の一例。 第１実施形態に係る気化装置における細管部及び気化部を示す斜視図の一例。 原料ガスの流量、原料ガスの圧力及び液体供給弁の制御を説明するグラフの一例。 気化部の配管形状を説明する断面図の一例。 第２実施形態に係る気化装置を示す斜視図の一例。 第２実施形態に係る気化装置の分岐部を示す断面図の一例。 第２実施形態に係る気化装置の細管部及び気化部を示す断面図の一例。 第３実施形態に係る気化装置を示す断面図の一例。 第３実施形態に係る気化装置の熱交換部を示す斜視図の一例。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る気化装置２０を備える基板処理システム１について、図１を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る気化装置２０を備える基板処理システム１の構成図の一例である。
基板処理システム１は、液体原料供給源２と、液体材料気化供給装置３と、処理容器４と、を備える。基板処理システム１は、液体原料供給源２から供給された液体原料（液体プリカーサ）を液体材料気化供給装置３に供給する。また、基板処理システム１は、液体材料気化供給装置３で液体原料を気化させて気化した原料ガスを処理容器４に供給することにより、処理容器４内の載置台５に載置された基板Ｗに所望の処理（例えば、成膜処理）を施す。なお、液体原料供給源２及び液体材料気化供給装置３は、処理容器４に原料ガスを供給するガス供給装置として機能する。
液体原料供給源２は、液体原料を貯留し、液体材料気化供給装置３に液体原料を供給する。
液体材料気化供給装置３は、液体原料供給源２から供給された液体原料を気化させて気化した原料ガスを貯留する。また、液体材料気化供給装置３は、貯留した原料ガスを処理容器４に供給する。液体材料気化供給装置３は、液体供給弁１０と、気化装置２０と、ガス流量調整装置３０と、制御装置４０と、を備える。
液体供給弁１０は、例えば開閉弁であって、液体原料供給源２から液体材料気化供給装置３に液体原料を供給する供給路に設けられている。液体供給弁１０の開閉は、制御装置４０によって制御される。
気化装置２０は、熱交換部２１と、気化部２４と、フィルタンク２５と、ヒータ２６と、を備える。
熱交換部２１は、分岐部２２と、複数の細管部２３と、を備える。液体原料供給源２から供給された液体原料は、分岐部２２で複数の細管部２３へと流路が分岐する。細管部２３は、微細で長い流路が形成されている。また、熱交換部２１は、ヒータ２６によって加熱されている。細管部２３を流れる液体原料は、ヒータ２６によって加熱された細管部２３と熱交換することにより、所定の加熱温度まで加熱される。このような構成により、省スペースで効率よく液体原料を加熱することができる。
気化部２４は、複数の細管部２３とそれぞれ接続される。気化部２４では、上流側から下流側に向かって空間（流路）が広がるように流路が形成されている。気化部２４は、例えば、上流側から下流側に向かって流路断面積が広がるように形成されている。また、例えば、上流側から下流側に向かって流路の内径が拡径するように形成されている。また、例えば、上流側から下流側に向かって流路がテーパ状に広がるように形成されている。また、気化部２４は、ヒータ２６によって加熱されている。
細管部２３で加熱温度まで加熱された液体原料は、気化部２４に供給される。気化部２４では、上流側から下流側に向かって空間（流路）が広がるように形成されていることにより、気化部２４の流路内の圧力を加熱温度の蒸気圧以下まで下げる。これにより、液体原料は、気化部２４の流路内で、強制的に対流沸騰させ、液体原料が気化して、原料ガスとなる。
また、気化装置２０によれば、細管部２３及び気化部２４の流路は圧損が少なく、液体原料をより減圧させることができる構造であるため、液体原料を気化させるのに必要な加熱温度を低減することができる。これにより、原料の熱による劣化を抑制することができる。
図２は、第１実施形態に係る気化装置２０における細管部２３及び気化部２４を示す斜視図の一例である。（ａ）は細管部２３の側から見た斜視図であり、（ｂ）は気化部２４の側から見た斜視図である。
図２に示す例において、細管部２３及び気化部２４の流路は、らせん状（ヘリカルカーブ）に形成されている。また、細管部２３の流路断面積は一定となっている。一方、気化部２４の流路断面積は、上流側よりも下流側が拡大するように形成されている。
このように、第１実施形態に係る気化装置２０では、スパイラル形状の流路を形成する。これにより、占有面積が少ない空間上に長く圧損の少ない流路を形成することができる。なお、細管部２３及び／又は気化部２４のスパイラル形状の流路は、例えば、粉末焼結等の積層造形（３Ｄプリンタ）で一体またはそれぞれ別体に成形されてもよく、孔（穴部）及び／又は溝（溝部）を設けた板状部材を複数積層して接合した板状部材積層構造としてもよい。このような構造とすることにより、内部に複雑な流路を有する細管部２３及び気化部２４を容易に形成することができる。
フィルタンク２５は、気化部２４で気化した原料ガスが充填される。また、フィルタンク２５は、ヒータ２６によって加熱されている。なお、フィルタンク２５の出口からガス流量調整装置３０までの配管、またはフィルタンク２５の出口から処理容器４までの配管は、原料ガスの再液化を防ぐ目的でフィルタンク２５の温度よりも高くなるように加熱されていてもよい。
ガス流量調整装置３０は、圧力センサ３１と、流量センサ３２と、流量制御弁３３と、を備える。
圧力センサ３１は、原料ガスの圧力を検出する。なお、図１において、圧力センサ３１は気化装置２０から処理容器４に原料ガスを供給する供給路に設けられるものとして図示しているが。これに限られるものではなく、例えば、フィルタンク２５に設けられていてもよい。圧力センサ３１で検出した原料ガスの圧力は、制御装置４０に出力される。
流量センサ３２は、原料ガスの流量を検出する。なお、図１に示すように、流量センサ３２は、気化装置２０から処理容器４に原料ガスを供給する供給路に設けられている。流量センサ３２で検出した原料ガスの流量は、制御装置４０に出力される。
流量制御弁３３は、気化装置２０から処理容器４に原料ガスを供給する供給路に設けられ、気化装置２０から処理容器４に供給する原料ガスの流量を制御する。流量制御弁３３の開度（流量）は、制御装置４０によって制御される。
制御装置４０は、圧力センサ３１で検出した原料ガスの圧力に基づいて、液体供給弁１０の開閉を制御する。また、制御装置４０は、流量センサ３２で検出した原料ガスの流量に基づいて、流量制御弁３３の開閉を制御する。
ここで、制御装置４０による液体供給弁１０の制御の一例について、図３を用いて説明する。図３は、原料ガスの流量、原料ガスの圧力及び液体供給弁１０の制御を説明するグラフの一例である。図３（ａ）は原料ガスの流量の時間変化を説明するグラフである。図３（ｂ）は原料ガスの圧力の時間変化を説明するグラフである。図３（ｃ）は液体供給弁１０の開閉の時間変化を説明するグラフである。
図３（ａ）に示すように、制御装置４０は、流量センサ３２で検出した原料ガスの流量に基づいて、流量制御弁３３の開閉を制御する。これにより、フィルタンク２５内の原料ガスの圧力が変動しても、一定の流量で処理容器４に原料ガスを供給することができる。
また、フィルタンク２５から処理容器４に原料ガスを供給することにより、図３（ｂ）に示すように、原料ガスの圧力が低下する。制御装置４０は、圧力センサ３１で検出した原料ガスの圧力に基づいて、液体供給弁１０の開閉を制御する。ここでは、制御装置４０は、圧力センサ３１で検出した原料ガスの圧力が所定の閾値（破線で示す）に達すると、液体供給弁１０を開く。そして、所定時間が経過すると、制御装置４０は、液体供給弁１０を閉じる。
これにより、気化装置２０に液体原料が供給され、気化した原料ガスがフィルタンク２５に充填される。よって、流量制御弁３３の作動供給圧力を維持することができる。なお、液体供給弁１０を開く所定時間は、気化部２４で供給された液体原料がすべて気化できるような液量に基づいて設定してもよい。
なお図１の例では、分岐部２２と液体原料供給源２との間に液体供給弁１０を配置しているが、分岐部にて分岐された各ライン夫々に液体供給弁を配置してもよい。
次に、気化部２４の配管形状について、図４を用いて説明する。図４は、気化部２４の配管形状を説明する断面図の一例である。
図４（ａ）は円管形状の配管１１１における原料の状態を説明する図の一例である。図４（ａ）に示すように、気化部２４（配管１１１）を流れる原料は、液体原料２００及び原料ガス２０１の気液混合状態（スラグ流、環状流）となっている。円管形状の配管１１１においては、液体原料２００が配管１１１の内壁面を覆うように位置している。このため、原料ガス２０１と配管１１１の壁面とは直接接しないようになっている。
図４（ｂ）は四角管形状の配管１１２における原料の状態を説明する図の一例である。同様に、気化部２４（配管１１２）を流れる原料は、液体原料２００及び原料ガス２０１の気液混合状態（スラグ流、環状流）となっている。ここで、四角管形状の配管１１２においては、液体原料２００が配管１１２の内壁面角部に位置している。このため、四角形状の辺の中央付近においては、原料ガス２０１と配管１１２の壁面とが直接接するようになっている。
図４（ｃ）は三角管形状の配管１１３における原料の状態を説明する図の一例である。同様に、気化部２４（配管１１３）を流れる原料は、液体原料２００及び原料ガス２０１の気液混合状態（スラグ流、環状流）となっている。ここで、三角管形状の配管１１３においては、液体原料２００が配管１１３の内壁面角部に位置している。このため、三角形状の辺の中央付近においては、原料ガス２０１と配管１１３の壁面とが直接接するようになっている。
このように、気化部２４における配管の断面形状は、多角形としてもよい。ここで、加熱された配管壁面と気体原料との熱交換効率は、加熱された配管壁面と液体原料との熱交換効率よりも高くなる。このため、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、配管の断面形状に角部を設けることにより、加熱された配管壁面と気体原料との接触面積を広くすることができ、熱交換性を向上させることができる。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る気化装置２０Ａを備える基板処理システムについて、説明する。第２実施形態に係る基板処理システムは、第１実施形態に係る基板処理システム１（図１参照）と比較して、気化装置２０Ａの構成が異なっている。その他の構成は同様であり、重複する説明を省略する。
第２実施形態に係る気化装置２０Ａについて、図５から図７を用いて説明する。図５は、第２実施形態に係る気化装置２０Ａを示す斜視図の一例である。図６は、第２実施形態に係る気化装置２０Ａの分岐部２２Ａを示す断面図の一例である。図７は、第２実施形態に係る気化装置２０Ａの細管部２３Ａ及び気化部２４Ａを示す断面図の一例である。なお、図５から図７において、フィルタンク２５及びヒータ２６は図示を省略している。
気化装置２０Ａは、熱交換部２１Ａと、気化部２４Ａと、フィルタンク（図示せず）と、ヒータ（図示せず）と、を備える。
熱交換部２１Ａは、分岐部２２Ａと、複数の細管部２３Ａと、を備える。図６に示すように、分岐部２２Ａに形成される流路は、大径部２２１と、大径部２２１から分岐した細径部２２２と、を有する。図７に示すように、細径部２２２は、細管部２３Ａと接続される。また、細管部２３Ａは気化部２４Ａと接続される。
液体原料供給源２から供給された液体原料は、分岐部２２Ａで複数の細管部２３Ａへと分岐する。また、熱交換部２１Ａは、ヒータによって加熱されている。細管部２３Ａを流れる液体原料は、ヒータによって加熱された細管部２３Ａと熱交換することにより、所定の加熱温度まで加熱される。このような構成により、省スペースで効率よく液体原料を加熱することができる。
気化部２４Ａは、複数の細管部２３Ａとそれぞれ接続される。気化部２４Ａでは、上流側から下流側に向かって空間（流路）が広がるように形成されている。気化部２４Ａは、例えば、上流側から下流側に向かって流路断面積が広がるように形成されている。また、例えば、上流側から下流側に向かって流路の内径が拡径するように形成されている。また、例えば、上流側から下流側に向かって流路がテーパ状に広がるように形成されている。また、気化部２４は、ヒータ２６によって加熱されている。
細管部２３Ａで加熱温度まで加熱された液体原料は、気化部２４Ａに供給される。気化部２４Ａでは、上流側から下流側に向かって空間（流路）が広がるように形成されていることにより、気化部２４Ａの流路内の圧力を加熱温度の蒸気圧以下まで下げる。これにより、液体原料は、気化部２４Ａの流路内で、強制的に対流沸騰させ、液体原料が気化して、原料ガスとなる。
このように、第２実施形態に係る気化装置２０Ａでは、Ｕ字形状の流路を形成する。これにより、圧損の少ない形状によって、微細で長い流路を形成することができる。なお、細管部２３及び気化部２４のＵ字形状の流路は、例えば、凹部が形成されたプレートを結合して成形されてもよい。
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る気化装置２０Ｂを備える基板処理システムについて、説明する。第３実施形態に係る基板処理システムは、第１実施形態に係る基板処理システム１（図１参照）と比較して、気化装置２０Ｂの構成が異なっている。その他の構成は同様であり、重複する説明を省略する。
第３実施形態に係る気化装置２０Ｂについて、図８から図９を用いて説明する。図８は、第３実施形態に係る気化装置２０Ｂを示す断面図の一例である。図９は、第３実施形態に係る気化装置２０Ｂの熱交換部２１Ｂを示す斜視図の一例である。なお、図８及び図９において、ヒータは図示を省略している。
気化装置２０Ｂは、熱交換部２１Ｂと、気化室２７Ｂと、ヒータ（図示せず）と、を備える。気化室２７Ｂは、多段のトレイ２８Ｂを有する。また、気化室２７Ｂの最下段にはセンサ２９Ｂが設けられている。
図９に示すように、熱交換部２１Ｂは、分岐部２２Ｂと、複数の細管部２３Ｂと、を備える。なお、図９に示す例において、細管部２３Ｂは、スパイラル形状の流路を形成する。これにより、占有面積が少ない空間上に長く圧損の少ない流路を形成することができる。
熱交換部２１Ｂは、ヒータによって加熱されている。熱交換部２１Ｂに供給される液体原料は、所定の加熱温度まで加熱される。加熱された液体原料は、気化室２７Ｂに供給される。なお、熱交換部２１Ｂの細管部２３Ｂの流路は、スパイラル形状の流路の場合を例に説明したが、これに限られるものではなく、Ｕ字形状の流路であってもよい。
気化室２７Ｂは、細管部２３Ｂよりも拡大した空間を有している。これにより、気化室２７Ｂに供給された液体原料は、減圧され、沸騰（気化）する。また、気化室２７Ｂに供給された液体原料は、トレイ２８Ｂ上を拡がる。気化室２７Ｂ及びトレイ２８Ｂはヒータによって加熱されている。これにより、トレイ２８上の液体原料も気化する。気化した原料ガスは、気化室２７Ｂ内に充填される。即ち、気化室２７Ｂは、フィルタンクとしての機能も有する。
トレイ２８Ｂは、図８に示すように交互に配置されている。気化室２７Ｂに流入した液体原料は、一の段のトレイ２８Ｂに流入し、一の段のトレイ２８Ｂの端から次の段のトレイ２８Ｂに流入することにより、上段から順に液体原料が供給されるようになっている。
気化室２７Ｂの最下段に設けられたセンサ２９Ｂは液体を検知するセンサである。センサ２９Ｂで液体を検知すると、制御装置４０は、液体供給弁１０（図１参照）を閉じるように制御する。これにより、気化室２７Ｂのトレイ２８Ｂに過剰に液体原料が供給されることを防止して、効率よく液体原料を気化させることができる。
以上、第１～第３実施形態に係る気化装置２０～２０Ｂを備える基板処理システムについて説明したが、本開示は上記実施形態等に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。
１ 基板処理システム
２ 液体原料供給源
３ 液体材料気化供給装置
４ 処理容器
５ 載置台
１０ 液体供給弁
２０ 気化装置
２１ 熱交換部
２２ 分岐部
２３ 細管部
２４ 気化部
２５ フィルタンク
２６ ヒータ
３０ ガス流量調整装置
３１ 圧力センサ
３２ 流量センサ
３３ 流量制御弁
４０ 制御装置
１１１～１１３ 配管
２００ 液体原料
２０１ 原料ガス

Claims (14)

  1. 液体原料を加熱する熱交換部と、
    加熱された前記液体原料を気化して原料ガスとする気化部と、を備え、
    前記熱交換部は、
    前記液体原料が供給され分岐する分岐部と、
    前記分岐部とそれぞれ接続される細管部と、を有する、気化装置。
  2. 前記細管部は、螺旋形状を有する、
    請求項１に記載の気化装置。
  3. 前記細管部は、Ｕ字形状を有する、
    請求項１に記載の気化装置。
  4. 前記気化部は、
    上流側の流路断面積よりも下流側の流路断面積が広がる、
    請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気化装置。
  5. 前記気化部及び／又は前記細管部は、穴部及び／又は溝部を有する板状部材を複数積層して形成する、
    請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の気化装置。
  6. 前記気化部に接続され、前記気化部で気化した前記原料ガスを充填するタンクを有する、
    請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の気化装置。
  7. 前記気化部は、
    多段に設けられた複数のトレイを有し、
    前記熱交換部で加熱された液体は、一の前記トレイに流入し、一の段の前記トレイから次の段の前記トレイに流入する、
    請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気化装置。
  8. 後段の前記トレイに設けられ、液体の流入を検知する液体センサを有する、
    請求項７に記載の気化装置。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の気化装置と、
    前記気化装置に液体を供給する液体原料供給源と、
    前記液体原料供給源から前記気化装置との供給路に設けられた液体供給弁と、
    前記気化装置で気化された原料ガスの圧力を検知する圧力検出部と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記圧力検出部の検出結果に基づいて、前記液体供給弁を制御する、ガス供給装置。
  10. 前記制御部は、
    前記圧力検出部で検出した圧力が所定圧力以下となると、前記液体供給弁を所定時間開弁する、
    請求項９に記載のガス供給装置。
  11. 請求項８に記載の気化装置と、
    前記気化装置に液体原料を供給する液体原料供給源と、
    前記液体原料供給源から前記気化装置との供給路に設けられた液体供給弁と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記液体センサが前記液体原料を検知すると、前記液体供給弁を閉じる、
    ガス供給装置。
  12. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の気化装置と、前記気化装置に液体を供給する液体原料供給源と、前記液体原料供給源から前記気化装置との供給路に設けられた液体供給弁と、前記気化装置で気化された原料ガスの圧力を検知する圧力検出部と、を備える、ガス供給装置の制御方法であって、
    前記圧力検出部の検出結果に基づいて、前記液体供給弁を制御する、ガス供給装置の制御方法。
  13. 前記圧力検出部で検出した圧力が所定圧力以下となると、前記液体供給弁を所定時間開弁する、
    請求項１２に記載のガス供給装置の制御方法。
  14. 請求項８に記載の気化装置と、前記気化装置に液体原料を供給する液体原料供給源と、前記液体原料供給源から前記気化装置との供給路に設けられた液体供給弁と、を備えるガス供給装置の制御方法であって、
    前記液体センサが前記液体原料を検知すると、前記液体供給弁を閉じる、ガス供給装置の制御方法。
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