JP4255425B2 - 原料気化装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体又は液体からなる原料を気化する原料気化装置に関する。

薄膜を形成するＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置等の成膜装置では、原料気化装置により粉末状態、固体（固形）状態または液体状態にある成膜原料を気化して原料ガスとし、これを成膜室へ供給する。この原料気化装置は、原料を収容する密閉された容器、この容器を加熱するヒータ等から構成され、容器内へ導入したキャリアガスとともに気化された原料ガスを容器の上部から取り出して成膜室へ供給する（例えば、特許文献１，２参照。）。
上記の原料気化装置では、成膜速度を向上させるために、短時間により多量の成膜原料を気化するとともに、安定した量の原料ガスを供給できるようにすることが求められている。このため、上記の特許文献１は、容器にヒータを内蔵することにより原料を効率よく加熱する技術を開示しており、上記の特許文献２は、容器内にフィンを設けて外部からの熱を効率良く原料に伝達する技術を開示している。

特開２００３−３３２２４３号公報 特開２００１−２２７６９７号公報

ところで、成膜原料は温度が高いほど気化しやすいので、容器に収容した成膜原料のうち、加熱された容器の内壁面と直接触れる部分は気化が進みやすいが、内壁面から離れた容器の内部に存在する成膜原料は気化しにくい。このため、従来の容器では、原料と接触する内壁面の面積が限られるため、原料を効率良く気化することが難しい。
また、原料に粉末状の原料を用いた場合には、容器に直接触れる原料が気化したのちに容器と原料との間に隙間が形成されやすく、この隙間が形成された領域では気化量が低下し、粉末状の原料が崩落して隙間がなくなるまでは気化量が回復しない。このため、気化量が低下するとともに、気化量がばらつき、安定した成膜を行えない。この問題は、容器内に上記のフィンを設けた場合にも原料とフィンとの間で同様に発生し得る。

本発明は、上記従来技術の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、成膜材料の単位時間あたりの気化量を増加させることができると共に、一定量のガスを安定的に供給可能な原料気化装置を提供することにある。

本発明の原料気化装置は、気化すべき原料を収容する容器と、容器を加熱する加熱手段と、を備え、容器内で気化された原料を所定の処理領域に供給し得る原料気化装置であって、容器は、原料として加熱により昇華する粉末状の原料を収容するものであり、その底面から上方に向かって突出する複数の突起を有し、複数の突起は、下方に向けて末広がる傾斜面を画定するように形成され、粉末状の原料は、傾斜面に触れる領域を有して容器に収容される、ことを特徴としている。
この構成によれば、容器内に収容した原料の容器との接触面積が複数の突起により増大するので、原料の単位時間当たりの気化量は増大する。すなわち、加熱手段によって加熱される容器に原料が直接触れる面積が増加するので、単位時間当たりの気化量を増加させることができる。
また、突起の傾斜面は、粉末状の原料の気化が進むのに伴って原料の自重による移動、崩落を促すように作用する。すなわち、原料が気化した後の傾斜面には、未だ気化していない原料が自重による移動、崩落により新たに供給される。このため、原料と傾斜面との接触状態を安定的に保つことができ、単位時間当たりの気化量を一定レベルに維持することができる。

上記構成において、複数の突起は、それぞれ同心をもつ環状に配列して形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、突起の形状を環状にすることにより、各突起における温度のむらの発生を防ぐことができ、突起内において気化量がばらつくのを防ぐことができる。また、複数の突起を、同心をもつ環状に配列したことにより容器に収容した原料に対して容器の外周側から中心部にわたって効率良く熱を伝えることができる。

上記構成において、複数の突起は、それぞれ円錐状または角錐状に形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、複数の突起を円錐状または角錐状に形成することにより、突起の表面積を大きくすることができると同時に、原料の自重による移動、崩落を促す傾斜面を形成することができる。

上記構成において、複数の突起には、容器の形成材料よりも高い熱伝導率をもつ材料からなりかつ加熱手段により加熱される伝熱部材が埋設されている、
構成を採用できる。
この構成によれば、高熱伝導率をもつ伝熱部材は、加熱手段からの熱を突起の表面に効率良く伝達するため、加熱手段を容器に内蔵することなく突起の表面に十分な熱量を伝達することができる。

上記構成において、複数の突起は、容器の中心に向かうに連れてその突出高さが増加するように形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、容器の内壁面から離れた容器の中心部に存在する原料に対しても効率良く熱を伝えることができて単位時間当たりの気化量を増加させることができるとともに、容器内における気化量にむらが生じるのを防ぐことができる。

上記構成において、加熱手段は、容器の外壁面を加熱する加熱ユニットである、構成を採用できる。
この構成によれば、容器をむらなく加熱することができ容器内における気化量のむらの発生を防ぐことができるとともに、加熱手段による制約を受けずに容器を形成することができ、複数の突起を容器に一体的に形成することが容易となる。

上記構成において、複数の突起は、その上端部がエッジ状または尖鋭に形成されている、
構成を採用できる。
この構成によれば、粉末状の原料の崩落をさらに促進させることができる。

上記構成において、容器は、その内部にキャリアガスを導くための導入口を有する、構成を採用できる。
この構成によれば、容器内にキャリアガスを導入することにより、原料の気化が促進され、単位時間当たりの気化量を増大させることができる。

本発明の原料気化装置によれば、単位時間あたりの気化量を増加させることができるとともに、一定量のガスを安定的に供給することが可能となる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図４は、本発明に係る原料気化装置の一実施形態を示すものであり、図１は本発明の原料気化装置を備えた成膜システムの概略構成図であり、図２は原料気化装置の内部構造を示す断面図、図３（ａ）は容器の蓋を取り外した状態の原料気化装置の上面図、図３（ｂ）は容器における突起の斜視図、及び図４は容器内の突起の作用を説明するための図である。

この処理システムは、図１に示すように、成膜チャンバ１、原料ガス送出管２、キャリアガス導入管３、排気ポンプ４、原料気化装置１００等から構成される。
成膜チャンバ１は、原料気化装置１００から供給される原料ガスを内部に設置した基板５に吸着させて薄膜を形成する成膜処理を行うためのものであり、成膜チャンバ１の内部は大気から遮断されている。排気ポンプ４は、成膜チャンバ１内を必要に応じて排気、減圧する。

キャリアガス導入管３及び原料ガス送出管２には、それぞれ開閉バルブ３ａ及び２ａが接続され、これらの開閉バルブ３ａ及び２ａを開閉することにより、後述する容器１１０へキャリアガスＣＧが導入されるとともに、容器１１０から成膜チャンバ１へ原料ガスＧ及びキャリアガスＣＧが送出される。
キャリアガスＣＧは、容器１１０内に収容される原料の気化を促進させる等の役割を果たす。キャリアガスＣＧには、例えば、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。

原料気化装置１００は、成膜に必要な原料ガスＧを原料ガス送出管２を通じて成膜チャンバ１へ供給する。
この原料気化装置１００は、図１ないし図３に示すように、容器１１０、加熱手段としての加熱ユニット１２０、加熱ユニット１２０の外周を囲繞するカバー１３０等から構成される。

容器１１０は、下端側が閉塞された円筒状に形成され、上端側の開口を開閉可能な蓋部１１５を有し、内部に気化すべき原料を収容する収容空間を有する。この容器１１０は、たとえば、ステンレススチール等の金属で形成されている。

容器１１０の底面１１３には、上方に向かって突出する複数の突起１１４が一体的に形成されている。
突起１１４は、それぞれ同心をもつ環状に配列して形成されていると共に、下方に向けて末広がる傾斜面１１４ａを画定するように形成されている。尚、これらの突起１１４は、略同じ突出高さになるように形成されている。
また、各突起１１４のもつ２つの傾斜面１１４ａは、上方に向かって先細りとなるように傾斜しており、各突起１１４の上端部はエッジ状に形成されている。
また、隣接する傾斜面１１４ａ間及び最外周に位置する傾斜面１１４ａと容器１１０の内壁面１１２との間には、断面形状がＶ字状の溝が形成されている。

容器１１０の蓋部１１５は、容器１１０の開口を密閉しており、この蓋部１１５には、容器１１０の内部にキャリアガスＣＧを導くための導入口としてのキャリアガス導入管３と、容器１１０の内部で気化された原料ガスＧをキャリアガスＣＧとともに成膜チャンバ１へ送出する原料ガス送出管２とが接続されている。

加熱ユニット１２０は、上端側が開口し下端側が閉塞した円筒状に形成されており、全体が発熱する。この加熱ユニット１２０は、容器１１０の外壁面１１１に接触し、外壁面１１１を直接加熱する。これにより、容器１１０の全体が略均一な温度に加熱される。
なお、本実施形態では、加熱ユニット１２０を容器１１０の外側に配置し、加熱ユニット１２０と容器１１０とを別体としているが、このように構成することで、加熱ユニット１２０による制約を受けることなく容器１１０を形成することができるので、容器１１０に複数の突起１１４を一体的に形成することが容易にでき、また、突起１１４の形状や寸法を任意に設定することができる。

次に、上記の原料気化装置１００の作用について図４を参照して説明する。
容器１１０の内部に、薄膜を形成するのに用いる原料３０を収容する。原料３０は、例えば、粉末状の固体原料であり、加熱により昇華する性質を有する。
原料３０を容器１１０に収容すると、図４に示すように、複数の突起１１４間の溝や突起１１４と容器１１０の内壁面１１２との間の溝に粉末状の原料３０が満たされる。

粉末状の原料３０が各溝に満たされた状態において、加熱ユニット１２０により容器１１０を加熱すると、主に、図４において斜線で示す領域Ｒにおいて原料３０の気化が進む。領域Ｒは、容器１１０の内壁面１１２、底面１１３、及び突起１１４の傾斜面１１４ａに直接触れる領域である。尚、容器１１０内の原料３０のうち、内壁面１１２や突起１１４の傾斜面１１４ａから離隔した領域にある原料３０も容器１１０全体の温度上昇により気化する。
領域Ｒに存在する原料３０は、昇華することにより上昇し、蓋部２１５に接続された原料ガス送出管２を通じて成膜室１へ送出される。

本実施形態では、容器１１０の底面１１３に複数の突起１１４を設けているので、底面１１３が平坦な場合に比べて、原料３０に直接的に熱が伝わる面積が大幅に拡大している。これにより、容器１１０の底面１１３が平坦な場合と比べて、単位時間当たりの気化量は大幅に増加する。
一方、領域Ｒに存在する原料３０が気化すると、領域Ｒに存在していた原料３０がなくなるが、突起１１４の表面である傾斜面１１４ａが粉末状の原料３０の自重による下方への移動や崩落を促すので、原料３０が気化したのちにも継続的に新たな原料３０が領域Ｒへ供給される。これにより、突起１１４の表面と原料３０との間の接触状態が継続して安定的に保たれる。この結果、単位時間当たりの気化量が安定し、一定量の原料ガスを安定的に供給することが可能となる。

また、本実施形態によれば、加熱ユニット１２０により容器１１０の外壁面１１１を直接加熱するとともに、容器１１０の底面１１３に同心をもつ環状の突起１１４を複数配列したので、各突起１１４の表面における温度にむらが発生しにくく、容器１１０内において気化量のばらつきの発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態によれば、複数の突起１１４の上端部をエッジ状に形成したので、このエッジ状の上端部のせん断作用により粉末状の原料３０の崩落をさらに促進することができる。

図５は、本発明の他の実施形態に係る原料気化装置２００の内部構造を示す断面図である。尚、図５において、上記した実施形態に係る原料気化装置１００と同一構成部分については同じ符号を使用している。
本実施形態に係る原料気化装置２００と上述した原料気化装置１００との間で異なる構成は、容器内に形成する突起の形状である。

図５に示すように、容器２１０の底面２１３には、上方に向かって突出する複数の突起２１４が一体的に形成されている。
複数の突起２１４は、それぞれ同心をもつ環状に配列して形成されているとともに、下方に向けて末広がる傾斜面２１４ａを画定するように形成されている。
また、複数の突起２１４は、容器２１０の中心に向かうに連れて突出高さが増加するように形成されている。すなわち、容器２１０の中心に最も近い突起２１０の突出高さが最も高く、容器２１０の中心から最も離れた突起２１０の突出高さが最も低くなるように形成されている。

本実施形態では、容器２１０の中心に向かうに連れて高い突起２１４を形成することにより、容器２１０の中心に近いほど、原料３０と突起２１４との接触面積が増加する。このため、上述した実施形態と同様の作用、効果が奏されることに加えて、容器２１０の中心部に存在する原料３０への熱の伝達量を増加させ、単位時間当たりの気化量をさらに増加させることが可能となる。また、容器２１０の中心に向かうに連れて高い突起２１４を形成することにより、容器２１０の中心領域に存在する原料３０へ直接与えることのできる熱量を増加させることができるので、容器２１０の内壁面１１２に近い領域に比べて中心領域における単位時間当たりの気化量が相対的に低くなるのを防ぐことができる。

図６は、本発明のさらに他の実施形態に係る原料気化装置３００の内部構造を示す断面図である。尚、図６において、図１ないし図４において説明した実施形態に係る原料気化装置１００と同一構成部分については同じ符号を使用している。
原料気化装置３００と上述した実施形態に係る原料気化装置１００との間で異なる構成は、容器の突起の内部に容器の形成材料よりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱部材を埋め込んだ点である。

図６に示すように、容器３１０の底面３１３には、上方に向かって同じ高さで突出する複数の突起３１４が一体的に形成されている。
複数の突起３１４は、それぞれ同心をもつ環状に配列して形成されているとともに、下方に向けて末広がる傾斜面３１４ａを画定するように形成されている。

伝熱部材１４０は、複数の突起３１４の外形に相応した形状を有し、断面が三角形状の環状の部材からなり、各突起３１４に下側から埋め込まれ、上端部が各突起３１４の上端部付近まで延びている。
伝熱部材１４０は、容器３１０の形成材料よりも高い熱伝導率を有する材料で形成されている。容器３１０の形成材料がステンレススチールの場合には、伝熱部材は、たとえば、銅合金などのステンレススチールよりも熱伝導率の高い金属材料で形成される。
伝熱部材１４０の下端面は、容器３１０の下端面から露出しており、加熱ユニット１２０に直接接触している。これにより、伝熱部材１４０は加熱ユニット１２０により直接加熱される。

伝熱部材１４０を突起３１４に埋め込むと、伝熱部材１４０は容器３１０を形成する材料よりも高い熱伝導率を有するので、伝熱部材１４０を設けない場合に比べて加熱ユニット１２０からの熱が複数の突起３１４の表面へ効率良く伝達され、これらの表面において原料３０に十分な量の熱を与えることができる。すなわち、本実施形態によれば、容器３１０にヒータを内蔵することなく、複数の突起３１４へ十分な量の熱を与えることができて単位時間当たりの気化量を増加させることが可能である。また、伝熱部材１４０を埋設するための凹部をもつ容器３１０を形成したのちに伝熱部材１４０を埋め込めばよいので、容器３１０の製造も容易となる。

なお、本実施形態に係る伝熱部材１４０を図５において説明した原料気化装置２００の容器２１０の突起２１４に埋設することも可能である。

図７は、本発明のさらに他の実施形態に係る原料気化装置４００の内部構造を示す図である。なお、図７において、図１ないし図４において説明した実施形態に係る原料気化装置１００と同一構成部分については同じ符号を使用している。
原料気化装置４００と上述した実施形態に係る原料気化装置１００との間で異なる点は、容器内に形成する突起の形状である。

図７に示すように、容器４１０の底面４１３には、上方に向かって突出する複数の円錐状の突起４１４が一体的に形成されており、各突起４１４は、下方に向けて末広がる円錐面からなる傾斜面４１４ａを有する。また、複数の突起４１４は、容器２１０の中心に向かうに連れて突出高さが増加するように形成されている。

本実施形態によれば、複数の突起４１４を円錐状に形成することにより、突起４１４の表面積を大きくすることができるとともに、原料３０の自重による移動、崩落を促す傾斜面４１４ａを形成することができる。
また、複数の突起４１４の上端部は尖鋭に形成され、この尖鋭な上端部が容器４１０内に収容された粉末状の原料３０を貫くことで原料３０の崩落をさらに促進することができる。
さらに、突起４１４は、容器２１０の中心に向かうに連れて突出高さが増加するように形成することにより、図５において説明した実施形態と同様に、容器４１０の中心部に存在する原料３０への熱の伝達量を増加させ、単位時間当たりの気化量をさらに増加させることが可能となる。

なお、本実施形態では、突起４１４を円錐状に形成した場合について説明したが、三角錐、四角錐などの角錐状に形成することも可能である。また、上記した伝熱部材１４０を本実施形態に係る容器４１０の突起４１４に埋設することも可能である。さらに、複数の突起４１４の高さを同じにすることも可能である。

上述した実施形態では、突起の上端部をエッジ状または尖鋭に形成する構成とした場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、平坦面や湾曲面とすることも可能である。
また、上述した実施形態では、原料として粉末状のものを用いた場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、本発明は固体状態（固形状態）あるいは液体状態の原料にも適用可能である。
また、上述した実施形態では、環状の突起を３重に配列した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、２重または４重以上の環状の突起とすることも可能である。
また、上述した実施形態では、原料気化装置を成膜処理に用いた場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、原料気化装置をエッチング処理に用いることも可能である。

また、上述した実施形態では、容器にキャリアガス導入管３を設けた場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、キャリアガス導入管３を設けない構成とすることも可能である。
また、上述した実施形態では、加熱ユニットと容器とを別体としたが、これに限定されるわけではなく、容器に加熱手段を内蔵することも可能である。
また、上述した実施形態では、成膜チャンバに１台の原料気化装置を接続した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、それぞれ異なる原料を気化する複数台の原料気化装置を接続することができる。

以上述べたように、本発明の原料気化装置は、半導体装置、液晶パネルなどの表示装置等の製造工程に用いられる成膜装置へ原料ガスを供給する原料気化装置として適用することができるのはもちろんのこと、原料ガスの供給が必要な対象のいずれに用いても有用である。

本発明の原料気化装置を備えた成膜システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る原料気化装置の断面図である。 原料気化装置を構成する上蓋を取り外した状態で上方から見た図である。 原料気化装置を構成する容器に原料を収容した状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る原料気化装置の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る原料気化装置の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る原料気化装置の内部構造を示す破断面を一部に含む斜視図である。

符号の説明

１…成膜チャンバ
２…原料ガス送出管
３…キャリアガス導入管
４…排気ポンプ
３０…原料
１００，２００，３００，４００…原料気化装置
１１０，２１０，３１０，４１０…容器
１１３，２１３，３１３，４１３…底面
１１４，２１４，３１４，４１４…突起
１１４ａ，２１４ａ，３１４ａ，４１４ａ…傾斜面
１２０…加熱ユニット（加熱手段）
１３０…カバー
１４０…伝熱部材
Ｇ…原料ガス
ＣＧ…キャリアガス

Claims (8)

1. 気化すべき原料を収容する容器と、前記容器を加熱する加熱手段と、を備え、前記容器内で気化された原料を所定の処理領域に供給し得る原料気化装置であって、
   前記容器は、前記原料として加熱により昇華する粉末状の原料を収容するものであり、その底面から上方に向かって突出する複数の突起を有し、
   前記複数の突起は、下方に向けて末広がる傾斜面を画定するように形成され、
   前記粉末状の原料は、前記傾斜面に触れる領域を有して前記容器に収容される、
   ことを特徴とする原料気化装置。
2. 前記複数の突起は、それぞれ同心をもつ環状に配列して形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の原料気化装置。
3. 前記複数の突起は、それぞれ円錐状または角錐状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の原料気化装置。
4. 前記複数の突起は、前記容器の中心に向かうに連れてその突出高さが増加するように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の原料気化装置。
5. 前記複数の突起には、前記容器の形成材料よりも高い熱伝導率をもつ材料からなりかつ前記加熱手段により加熱される伝熱部材が埋設されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の原料気化装置。
6. 前記加熱手段は、前記容器の外壁面を加熱する加熱ユニットである、
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の原料気化装置。
7. 前記複数の突起は、その上端部がエッジ状または尖鋭に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の原料気化装置。
8. 前記容器は、その内部にキャリアガスを導くための導入口を有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の原料気化装置。

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