JP4595356B2 - Raw material vaporizer for metalorganic chemical vapor deposition equipment - Google Patents

Raw material vaporizer for metalorganic chemical vapor deposition equipment Download PDF

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Description

本発明は、液体充填平衡気化を可能とする有機金属化学気相堆積装置用原料気化器であって、該装置による成膜に際して、原料の連続的な供給と安定な気化を可能とする気化器に関する。   The present invention relates to a raw material vaporizer for a metal organic chemical vapor deposition apparatus capable of liquid-filled equilibrium vaporization, and a vaporizer capable of continuous supply of raw materials and stable vaporization during film formation by the apparatus About.

種々の有機金属化合物を気化器を用いて気化させて得られる原料ガスをキャリアガス用いて反応室内へ搬送して分解させ、該分解物を該反応室内に配置した基板上へ堆積させることによって成膜する方法、即ち、有機金属化学気相堆積(MOCVD)法は、(i)段差被覆性に優れている、(ii)緻密な膜が得られる、(iii)大面積ウエハへの均質な成膜が可能である、および(iv)プロセスの低温化が可能である、等の利点を有するので、高集積化と量産化に適した成膜方法として当該分野では汎用されている。   A raw material gas obtained by vaporizing various organometallic compounds using a vaporizer is conveyed into a reaction chamber using a carrier gas for decomposition, and the decomposition product is deposited on a substrate disposed in the reaction chamber. The film forming method, that is, the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, is (i) excellent in step coverage, (ii) a dense film can be obtained, and (iii) homogeneous formation on a large area wafer. Since it has advantages such as being capable of forming a film and (iv) being capable of lowering the process temperature, it is widely used in the field as a film forming method suitable for high integration and mass production.

この有機金属化学気相堆積法における原料気化方式としては、容器内に収容した固体原料を加熱して得られる昇華ガスをキャリアガスを用いて反応室内へ搬送する単純固体昇華法、粉体原料を多孔質セラミックボールに担持させて表面積変化に伴う気化量変化を抑制する担持固体昇華法、加熱した液体原料中へキャリアガスを通して蒸気圧分の原料ガスを搬送する液体バブリング法、および原料を液体状態で気化器内へ供給する液体供給法が知られている。   The raw material vaporization method in this metal organic chemical vapor deposition method includes a simple solid sublimation method in which a sublimation gas obtained by heating a solid raw material contained in a container is transferred into a reaction chamber using a carrier gas, and a powder raw material. A supported solid sublimation method that suppresses the change in the amount of vaporization accompanying a change in surface area by supporting it on a porous ceramic ball, a liquid bubbling method that transports a source gas corresponding to vapor pressure through a carrier gas into a heated liquid source, and the source in a liquid state A liquid supply method for supplying the gas into the vaporizer is known.

なお、より具体的な単純固体昇華法としては、(i)有機アルカリ土類金属錯体を一旦溶融させた後、該溶融物を原料容器内で冷却固化させ、次いでこれを該錯体の融点以下の温度で気化させるか、または該溶融物を筒状の容器内へ長手軸方向の厚みが略一定になるように鋳込み、次いで該長手方向にキャリアガスを通流させながら該錯体をその融点以下の温度で気化させる方法(特許文献1参照)、および(ii)平均粒子径が0.03〜5.0mmのビス(シクロペンタジエニル)ルテニウムをキャリアガスを通流させながら加熱気化させる方法(特許文献2参照)が例示される。   As a more specific simple solid sublimation method, (i) once the organic alkaline earth metal complex is melted, the melt is cooled and solidified in a raw material container, and then this is less than the melting point of the complex. Vaporize at a temperature, or cast the melt into a cylindrical container so that the thickness in the longitudinal axis direction is substantially constant, and then pass the carrier gas in the longitudinal direction to allow the complex to have a melting point or lower. A method of vaporizing at a temperature (see Patent Document 1), and (ii) a method of heating and vaporizing bis (cyclopentadienyl) ruthenium having an average particle diameter of 0.03 to 5.0 mm while flowing a carrier gas (Patent) Reference 2) is exemplified.

しかしながら、単純固体昇華法には、昇華に伴う原料表面積の変化により気化量が安定しないだけでなく、原料の連続的充填ができないために工業化には不向きであるという問題があり、また、担持固体昇華法も、原料の連続的充填が困難なために工業化には不適当である。   However, the simple solid sublimation method has a problem that the vaporization amount is not stable due to the change of the raw material surface area accompanying sublimation, and it is not suitable for industrialization because the raw material cannot be continuously filled. The sublimation method is also unsuitable for industrialization because continuous filling of raw materials is difficult.

さらに、バブリング法には、原料全体が長時間にわたって熱に曝されるために劣化するという問題があるだけでなく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等を原料とする薄膜の成膜においては毒性の高いPb原料(例えば、四エチル鉛、テトラネオペントキシ鉛等)を使用せざるを得ないために工業化は困難であるという問題がある。   Furthermore, the bubbling method not only has a problem that the entire raw material is deteriorated because it is exposed to heat for a long time, but is also toxic in the film formation using lead zirconate titanate (PZT) or the like as a raw material. Therefore, there is a problem that industrialization is difficult because a high Pb raw material (for example, tetraethyl lead, tetraneopentoxy lead, etc.) must be used.

一方、液体供給法は、原料を液体状態で輸送するために、工業化への応用が期待されているが、この方法には、(i)高温に加熱した気化器内へ原料液体を直接的に噴射するために気化条件によっては原料の分解が生じることがあり、また、原料がミスト状態で搬送されるためにパーティクルが発生する、(ii)原料と共に大量の溶剤ガスも基板上まで搬送されるために膜中へ炭素が不純物として取り込まれるだけでなく、排気系への負担が大きくなってメンテナンス費用が増加する、(iii)溶剤として多用されるテトラヒドロフラン(THF)は侵食性が高いためにバイトン製Oリングに致命的損傷を与え、メンテナンス費用を増加させる、および(iv)一般にキャリアガス流量が大きいために高価な原料の利用効率が低く、製品のコストが増加する、という問題がある。
特開平11−193462号公報 特開2003−160865号公報
On the other hand, the liquid supply method is expected to be applied to industrialization in order to transport the raw material in a liquid state. In this method, (i) the raw material liquid is directly fed into a vaporizer heated to a high temperature. Depending on the vaporization conditions for injection, the raw material may be decomposed, and particles are generated because the raw material is transported in a mist state. (Ii) A large amount of solvent gas is transported to the substrate together with the raw material. Therefore, not only carbon is taken into the film as an impurity, but also the burden on the exhaust system is increased and maintenance costs are increased. (Iii) Tetrahydrofuran (THF), which is frequently used as a solvent, is highly erodible and therefore viton. Fatal damage to O-rings made, increase maintenance costs, and (iv) the use of expensive raw materials is generally low due to the large carrier gas flow rate, resulting in low product costs There is a problem of increasing.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-193462 JP 2003-160865 A

本発明は、有機金属化学気相堆積法における液体供給法の上記問題点、特に、固体原料の昇華に伴って該原料の表面積が変化すると共に、該原料の温度が変化するために再現性良く薄膜を形成することができないという問題、固体原料を追加するためには薄膜形成装置を停止させなければならず、該装置の稼動率が低下するという問題、および多元素薄膜を作製する場合には、液体流量の経時的変化によって形成される薄膜の組成が変動するという問題を解消することによって、原料の連続的充填と安定気化を可能にする有機金属化学気相堆積装置用原料気化器を提供するためになされたものである。   The present invention has the above problems of the liquid supply method in the metal organic chemical vapor deposition method, in particular, the surface area of the raw material changes with the sublimation of the solid raw material, and the temperature of the raw material changes. The problem that a thin film cannot be formed, the thin film forming apparatus must be stopped in order to add a solid raw material, the problem that the operating rate of the apparatus is reduced, and the case of producing a multi-element thin film Provides a raw material vaporizer for metal organic chemical vapor deposition equipment that enables continuous filling and stable vaporization of raw materials by eliminating the problem of fluctuations in the composition of the thin film formed by changes in the liquid flow rate over time It was made to do.

本発明の第一の観点によれば、「有機金属化学気相堆積装置用原料気化器において、該気化器内に存在する固体原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィスを具有することを特徴とする該気化器」が提供される。   According to the first aspect of the present invention, “in the raw material vaporizer for a metal organic chemical vapor deposition apparatus, the vapor pressure of the solid raw material present in the vaporizer is kept substantially constant. There is provided a vaporizer comprising an orifice having a pore size.

本発明の第二の観点によれば、「有機金属化学気相堆積装置用原料気化器であって、(i)液体原料を充填するための充填口、(ii)該液体原料に含まれる溶剤を除去した後に残留する固体原料の気化に際して、該気化器内の該固体原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス、および(iii)加熱用ヒーターを具備する該気化器」が提供される。   According to a second aspect of the present invention, “a raw material vaporizer for a metal organic chemical vapor deposition apparatus, (i) a filling port for filling a liquid raw material, (ii) a solvent contained in the liquid raw material. And (iii) a heater for heating that has a hole diameter large enough to keep the vapor pressure of the solid material in the vaporizer substantially constant when the solid material remaining after the vaporization is removed. The carburetor is provided.

本発明の第三の観点によれば、「有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法において、気化器内に配設されたオリフィスであって、該気化器内に存在する該原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィスを通して該原料ガスが有機金属化学気相堆積装置系へ供給されることを特徴とする該原料ガスの供給方法」が提供される。   According to a third aspect of the present invention, “in the method for supplying a raw material gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus, an orifice disposed in a vaporizer, wherein the raw material present in the vaporizer Provided is a method for supplying a source gas, characterized in that the source gas is supplied to an organometallic chemical vapor deposition system through an orifice having a pore size such that the vapor pressure is kept substantially constant. Is done.

本発明の第四の観点によれば、「下記の工程(i)〜(v)を有する有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法:
(i)固体原料から溶剤を用いて液体原料を調製し、
(ii)該液体原料を、該固体原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィスを具有する気化器内へ、該気化器に接続された配管を通して導入し、
(iii)該気化器内の液体原料に含まれる溶剤を該気化器内から蒸発除去させ、
(iv)該気化器内に残留する該固体原料を加熱昇華させることによって該気化器内に該原料ガスを発生させ、次いで
(v)該原料ガスを該オリフィスを通して有機金属化学気相堆積装置系へ供給する」が提供される。
According to a fourth aspect of the present invention, “a method of supplying a source gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus having the following steps (i) to (v):
(I) preparing a liquid raw material from a solid raw material using a solvent;
(Ii) introducing the liquid raw material into a vaporizer having an orifice having a pore size such that the vapor pressure of the solid raw material is maintained substantially constant through a pipe connected to the vaporizer; ,
(Iii) evaporating and removing the solvent contained in the liquid raw material in the vaporizer from the vaporizer;
(Iv) generating the source gas in the vaporizer by heating and sublimating the solid source remaining in the vaporizer; and (v) a metal organic chemical vapor deposition apparatus system through the orifice. Is provided.

本発明による気化器を使用する場合には、気化器内の原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるために、該原料の昇華に伴う原料表面積の変化に起因する原料の気化量が安定しないという問題は発生せず、また、固体原料を、溶剤を用いて液体状態に調製した後で配管を通して気化器内へ充填できるので、工業化への応用にとって重要な原料の連続的供給が可能となる。さらに、該気化器を使用する場合には、所定量以上の液体原料が気化器内へ導入されればよく、また、該原料の気化量は気化器内の温度によって適宜調整することができるので、多元素系薄膜を作成する際の組成調整を正確かつ安定におこなうことが可能となり、従来の液体流量制御器を使用する場合の液体流量の経時的変化に起因する組成変動の問題は発生しない。
従って、例えば、従来は原料選択の幅が狭いために毒性の高い四エチル鉛やテトラネオペントキシ鉛等を使用しなければならないために、工業的な規模での有機金属化学気相堆積法による製造が困難であったチタン酸ジルコン酸鉛薄膜も、本発明によれば、該方法によって工業的に製造することが可能となる。
When the vaporizer according to the present invention is used, since the vapor pressure of the raw material in the vaporizer is kept substantially constant, the vaporization amount of the raw material due to the change in the raw material surface area accompanying sublimation of the raw material is stable. In addition, since the solid raw material can be filled into the vaporizer through the pipe after being prepared in a liquid state using a solvent, it is possible to continuously supply the raw material important for industrial application. Become. Further, when the vaporizer is used, it is sufficient that a predetermined amount or more of liquid raw material is introduced into the vaporizer, and the vaporization amount of the raw material can be appropriately adjusted according to the temperature in the vaporizer. This makes it possible to accurately and stably adjust the composition when creating a multi-element thin film, and there is no problem of composition fluctuations due to changes in liquid flow over time when using a conventional liquid flow controller. .
Therefore, for example, conventionally, since the range of raw material selection is narrow, it is necessary to use highly toxic tetraethyl lead, tetraneopentoxy lead, etc., and therefore, by an organic metal chemical vapor deposition method on an industrial scale. According to the present invention, a lead zirconate titanate thin film that has been difficult to manufacture can also be industrially manufactured by the method.

以下、上記の本発明を添付図に基づいて説明する。
図1は、本発明による気化器を装備する有機金属化学気相堆積装置の一態様を示す模式的構成図である。
また、図2は、図1に示す本発明による気化器の操作手順を示す模式的構成図である。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a metal organic chemical vapor deposition apparatus equipped with a vaporizer according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an operation procedure of the vaporizer according to the present invention shown in FIG.

本発明の第一の観点によれば、「有機金属化学気相堆積装置用原料気化器9において、該気化器9内に存在する固体原料10の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8を具有することを特徴とする該気化器9」が提供される。
この場合、「気化器9内に存在する固体原料10の蒸気圧が実質上一定に保持される」とは、気化器9の設定温度によって規定される固体原料10の蒸気圧PmmHgと気化器9内で実測される固体原料10の蒸気圧P'mmHgとの差が約0〜0.5mmHg、好ましくは約0〜0.2mmHg、特に好ましくは約0〜0.05mmHgの範囲内に保持されることを意味する。
According to the first aspect of the present invention, “in the raw material vaporizer 9 for a metal organic chemical vapor deposition apparatus, the vapor pressure of the solid raw material 10 existing in the vaporizer 9 is maintained substantially constant. The carburetor 9 "is provided, characterized in that it comprises an orifice 8 having a large pore size.
In this case, “the vapor pressure of the solid raw material 10 existing in the vaporizer 9 is kept substantially constant” means that the vapor pressure PmmHg of the solid raw material 10 defined by the set temperature of the vaporizer 9 and the vaporizer 9 The difference from the vapor pressure P′mmHg of the solid raw material 10 measured in the above is maintained in the range of about 0 to 0.5 mmHg, preferably about 0 to 0.2 mmHg, particularly preferably about 0 to 0.05 mmHg. Means that.

固体原料10の蒸気圧に関する上記の条件が満たされるためには、気化器9に配設されるオリフィス8の孔径を約50〜5000μm、好ましくは約100〜3000μm、特に好ましくは約500〜1500μmに設定する。オリフィス8の孔径が約50μmよりも小さくなると、基板2に堆積される薄膜の成膜速度が実用上不十分となり、また、オリフィス8の孔径が約5000μmよりも大きくなると、気化器9内での固体原料10の蒸気圧が一定に保ち得なくなる。
なお、気化器9の体積、オリフィス8の孔径、成膜速度および固体原料10の蒸気圧等を考慮して、複数個のオリフィスを配設してもよい。
In order to satisfy the above-mentioned conditions concerning the vapor pressure of the solid raw material 10, the hole diameter of the orifice 8 disposed in the vaporizer 9 is about 50 to 5000 μm, preferably about 100 to 3000 μm, particularly preferably about 500 to 1500 μm. Set. When the hole diameter of the orifice 8 is smaller than about 50 μm, the film forming speed of the thin film deposited on the substrate 2 becomes practically insufficient, and when the hole diameter of the orifice 8 is larger than about 5000 μm, the inside of the vaporizer 9 The vapor pressure of the solid raw material 10 cannot be kept constant.
A plurality of orifices may be provided in consideration of the volume of the vaporizer 9, the hole diameter of the orifice 8, the film forming speed, the vapor pressure of the solid raw material 10, and the like.

上記の本発明による気化器9を使用する場合には、気化器9の内部で気化して発生する原料ガスの量に比較して、該気化器9に配設されたオリフィス8を通して反応室3へ供給される原料ガスの量は殆ど無視できる程度であるために、気化器9の内部は常に平衡状態に保たれ、しかも固体原料10の気化量は該原料の表面積等に左右されることなく該原料の蒸気圧によってほぼ決定されるため、反応室3への原料ガスの供給は長時間にわたって安定しておこなわれる。   When the above-described vaporizer 9 according to the present invention is used, the reaction chamber 3 is passed through the orifice 8 provided in the vaporizer 9 as compared with the amount of the raw material gas generated by vaporization inside the vaporizer 9. Since the amount of the raw material gas supplied to is almost negligible, the inside of the vaporizer 9 is always kept in an equilibrium state, and the vaporization amount of the solid raw material 10 is not affected by the surface area of the raw material. Since it is almost determined by the vapor pressure of the raw material, the supply of the raw material gas to the reaction chamber 3 is stably performed for a long time.

本発明の第二の観点によれば、「有機金属化学気相堆積装置用原料気化器9であって、(i)液体原料13を充填するための充填口14、(ii)該液体原料13に含まれる溶剤を除去した後に残留する固体原料10の気化に際して、該気化器9内の該固体原料10の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8、および(iii)加熱用ヒーター7を具備する該気化器9」が提供される。   According to the second aspect of the present invention, “a raw material vaporizer 9 for a metal organic chemical vapor deposition apparatus, comprising (i) a filling port 14 for filling a liquid raw material 13, (ii) the liquid raw material 13. An orifice 8 having a pore size such that the vapor pressure of the solid raw material 10 in the vaporizer 9 is kept substantially constant when the solid raw material 10 remaining after removing the solvent contained in the vaporizer 9 is vaporized, and (Iii) The vaporizer 9 "provided with the heater 7 for heating is provided.

気化器9に配設された充填口14には、液体原料源と連絡する配管11が接続され、液体原料13は該充填口14を通して気化器9の内部へ充填される。充填口14の口径は特に限定的ではないが、常用される気化器9(容積:約10〜100cc)の場合には、通常は約1〜8mm、好ましくは約2〜6mm、特に好ましくは約3〜4mmである。
所望により、使用する気化器9の容積、充填口14の口径の大きさ、および気化器9の連続的な使用時間等に応じて、複数の充填口を配設してもよい。
The filling port 14 provided in the vaporizer 9 is connected to a pipe 11 communicating with the liquid source source, and the liquid source 13 is filled into the vaporizer 9 through the filling port 14. The diameter of the filling port 14 is not particularly limited, but in the case of a commonly used vaporizer 9 (volume: about 10 to 100 cc), it is usually about 1 to 8 mm, preferably about 2 to 6 mm, particularly preferably about 3-4 mm.
If desired, a plurality of filling ports may be arranged according to the volume of the vaporizer 9 to be used, the size of the diameter of the filling port 14, the continuous use time of the vaporizer 9, and the like.

上記の充填口14を通して気化器9の内部へ導入された液体原料13は、気化器9の底部に配設された加熱用ヒーター7による加熱処理に付され、これによって液体原料13に含まれる溶剤は蒸発除去され、気化器9の底部には固体原料10が残留する。この残留する固体原料10を加熱用ヒーター7を用いて適当な温度に加熱して気化させることによって気化器9の内部に原料ガスを発生させる。   The liquid raw material 13 introduced into the vaporizer 9 through the filling port 14 is subjected to a heat treatment by the heating heater 7 disposed at the bottom of the vaporizer 9, thereby the solvent contained in the liquid raw material 13. Is removed by evaporation, and the solid raw material 10 remains at the bottom of the vaporizer 9. The remaining solid raw material 10 is heated to an appropriate temperature using the heater 7 and vaporized to generate a raw material gas inside the vaporizer 9.

気化器9には、このような残留固体原料10の気化に際して、該気化器内の該固体原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8が配設される。該オリフィス8の形態に関しては、本発明の第一の観点による気化器の場合の上記説明がそのまま適用される。   The vaporizer 9 is provided with an orifice 8 having such a diameter that the vapor pressure of the solid raw material in the vaporizer is kept substantially constant when the residual solid raw material 10 is vaporized. The Regarding the form of the orifice 8, the above description of the vaporizer according to the first aspect of the present invention is applied as it is.

従って、(i)液体原料13を充填するための充填口14、(ii)該液体原料13に含まれる溶剤を除去した後に残留する固体原料10の気化に際して、該気化器9内の該固体原料10の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8、および(iii)加熱用ヒーター7を具備する本発明による有機金属化学気相堆積装置用原料気化器9を使用する場合には、気化器9の内部で気化して発生する原料ガスの量に比較して、該気化器9に配設されたオリフィス8を通して反応室3へ供給される原料ガスの量は殆ど無視できる程度であるために、気化器9の内部は常の平衡状態に保たれ、しかも固体原料10の気化量は該原料の表面積等に左右されることなく該原料の蒸気圧によってほぼ決定されるため、反応室3への原料ガスの供給は長時間にわたって安定しておこなわれる。 Therefore, (i) a filling port 14 for filling the liquid raw material 13 and (ii) the solid raw material in the vaporizer 9 upon vaporization of the solid raw material 10 remaining after removing the solvent contained in the liquid raw material 13 A raw material vaporizer 9 for a metal organic chemical vapor deposition apparatus according to the present invention, comprising an orifice 8 having a pore size such that the vapor pressure of 10 is kept substantially constant, and (iii) a heater 7 for heating. When used, the amount of raw material gas supplied to the reaction chamber 3 through the orifice 8 provided in the vaporizer 9 is compared with the amount of raw material gas generated by vaporization inside the vaporizer 9. Since it is almost negligible, the inside of the vaporizer 9 is kept in an ordinary equilibrium state, and the vaporization amount of the solid raw material 10 is almost determined by the vapor pressure of the raw material without being influenced by the surface area of the raw material. To the reaction chamber 3 The supply of material gas is stably performed for a long time.

本発明の第三の観点によれば、「有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法において、気化器9内に配設されたオリフィス8であって、該気化器9内に存在する該原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8を通して該原料ガスが有機金属化学気相堆積装置系へ供給されることを特徴とする該原料ガスの供給方法」が提供される。   According to the third aspect of the present invention, “in the method of supplying a source gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus, the orifice 8 is disposed in the vaporizer 9 and exists in the vaporizer 9. Supply of the source gas, characterized in that the source gas is supplied to the organometallic chemical vapor deposition system through an orifice 8 having a pore size such that the vapor pressure of the source is kept substantially constant. Method "is provided.

図1に示す態様の有機金属化学気相堆積装置は、(i)基板2と基板加熱ヒーター1を収容する反応室3、(ii)真空ポンプ5’を含む排気系、(iii)キャリアガスとしてのアルゴンガスの供給源、流量調整器16および予熱器4を含むキャリアガス供給系、並びに(iv)反応ガスとしての酸素ガスの供給源、流量調整器16’および予熱器4’を含む反応ガス供給系から構成される。この場合、基板2に達する前のキャリアガス、反応ガスおよび原料ガスは、反応室3の下部領域に装着された保温ヒーター12によって保温される。   The metal organic chemical vapor deposition apparatus of the embodiment shown in FIG. 1 includes (i) a reaction chamber 3 that accommodates a substrate 2 and a substrate heater 1, (ii) an exhaust system that includes a vacuum pump 5 ', and (iii) a carrier gas. A source of argon gas, a carrier gas supply system including a flow rate regulator 16 and a preheater 4, and (iv) a source of oxygen gas as a reaction gas, a reaction gas including a flow rate regulator 16 ′ and a preheater 4 ′ Consists of supply system. In this case, the carrier gas, the reaction gas, and the raw material gas before reaching the substrate 2 are kept warm by the heat retaining heater 12 attached to the lower region of the reaction chamber 3.

保温ヒーター12が装着された反応室3の下部領域には、気化器9が接続され、該下部領域と気化器は、該気化器に配設されたオリフィス8を介して連絡される。該オリフィス8は、該気化器内に存在する固体原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有する。該オリフィス8の形態に関しては、本発明の第一の観点による気化器の場合の上記説明がそのまま適用される。   A vaporizer 9 is connected to a lower region of the reaction chamber 3 to which the heat retaining heater 12 is attached, and the lower region and the vaporizer are communicated with each other through an orifice 8 provided in the vaporizer. The orifice 8 has a pore size such that the vapor pressure of the solid raw material present in the vaporizer is kept substantially constant. Regarding the form of the orifice 8, the above description of the vaporizer according to the first aspect of the present invention is applied as it is.

従って、有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法において、気化器9内に配設されたオリフィス8であって、該気化器9内に存在する該原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8を通して該原料ガスを有機金属化学気相堆積装置系へ供給する本発明方法によれば、気化器9の内部で気化して発生する原料ガスの量に比較して、該気化器9に配設されたオリフィス8を通して反応室3へ供給される原料ガスの量は殆ど無視できる程度であるために、気化器9の内部は常に平衡状態に保たれ、しかも固体原料10の気化量は該原料の表面積等に左右されることなく該原料の蒸気圧によってほぼ決定されるため、反応室3への原料ガスの供給は長時間にわたって安定しておこなわれる。   Therefore, in the method of supplying a source gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus, the vapor pressure of the raw material existing in the vaporizer 9 at the orifice 8 disposed in the vaporizer 9 is substantially constant. According to the method of the present invention in which the raw material gas is supplied to the organometallic chemical vapor deposition apparatus system through the orifice 8 having such a large pore diameter, the raw material gas generated by vaporizing inside the vaporizer 9 can be obtained. Compared with the amount, the amount of the raw material gas supplied to the reaction chamber 3 through the orifice 8 provided in the vaporizer 9 is almost negligible, so the inside of the vaporizer 9 is always kept in an equilibrium state. In addition, since the vaporization amount of the solid raw material 10 is substantially determined by the vapor pressure of the raw material without being influenced by the surface area of the raw material, the supply of the raw material gas to the reaction chamber 3 is performed stably for a long time. It is.

本発明の第四の観点によれば、「下記の工程(i)〜(v)を有する有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法:
(i)固体原料から溶剤を用いて液体原料13を調製し、
(ii)該液体原料13を、該固体原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8を具有する気化器9内へ、該気化器9に接続された配管11を通して導入し、
(iii)該気化器9内の液体原料13に含まれる溶剤を該気化器9内から蒸発除去させ、
(iv)該気化器9内に残留する該固体原料10を加熱昇華させることによって該気化器内に該原料ガスを発生させ、次いで
(v)該原料ガスを該オリフィス8を通して有機金属化学気相堆積装置系へ供給する」が提供される。
According to a fourth aspect of the present invention, “a method of supplying a source gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus having the following steps (i) to (v):
(I) preparing a liquid material 13 from a solid material using a solvent;
(Ii) The liquid raw material 13 was connected to the vaporizer 9 into a vaporizer 9 having an orifice 8 having a pore size such that the vapor pressure of the solid raw material was maintained substantially constant. Introduced through pipe 11,
(Iii) evaporating and removing the solvent contained in the liquid raw material 13 in the vaporizer 9 from the vaporizer 9;
(Iv) The raw material gas remaining in the vaporizer 9 is heated and sublimated to generate the raw material gas in the vaporizer, and then (v) the raw material gas is passed through the orifice 8 to the organometallic chemical vapor phase. To the deposition system is provided.

液体原料13は、反応室3の内部に設置された基板2に堆積される薄膜の原料となる固体原料10を溶剤中に溶解させるか、分散させるか、懸濁させるか、または乳濁させることによって調製されるが、該液体原料13は溶液であるのが最も好ましい。
液体原料13の濃度は、固体原料10の種類、溶剤の種類、および原料の充填効率等に応じて適宜選定すればよく、特に限定的ではないが、通常は、約0.1〜5mol/l、好ましくは約0.2〜2mol/l、特に好ましくは約0.5〜1mol/lである。
The liquid raw material 13 is obtained by dissolving, dispersing, suspending, or emulsifying the solid raw material 10 as a thin film raw material deposited on the substrate 2 installed in the reaction chamber 3 in a solvent. The liquid raw material 13 is most preferably a solution.
The concentration of the liquid raw material 13 may be appropriately selected according to the type of the solid raw material 10, the type of the solvent, and the charging efficiency of the raw material, and is not particularly limited, but is usually about 0.1 to 5 mol / l. , Preferably about 0.2 to 2 mol / l, particularly preferably about 0.5 to 1 mol / l.

固体原料から液体原料13を調製するために使用する溶剤は、固体原料の溶解度および溶剤のコストや毒性等を考慮して適宜選択すればよく、特に限定的ではないが、次の溶剤が例示される:テトラヒドロフラン、酢酸ブチル、エチルシクロヘキサン、トルエン、キシレンおよびテトラエチルヘプタンジオン。
所望により、このような溶剤は2種以上適宜併用してもよい。
The solvent used for preparing the liquid raw material 13 from the solid raw material may be appropriately selected in consideration of the solubility of the solid raw material and the cost and toxicity of the solvent, and is not particularly limited, but the following solvents are exemplified. Tetrahydrofuran, butyl acetate, ethylcyclohexane, toluene, xylene and tetraethylheptanedione.
If desired, two or more of these solvents may be used in combination as appropriate.

上記のようにして調製された液体原料13は、固体原料10の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィス8を具有する気化器9内へ、該気化器9に接続された配管11を通して導入し、次いで液体原料13に含まれる溶剤を該気化器9内から蒸発除去させる。   The liquid raw material 13 prepared as described above is supplied into the vaporizer 9 having an orifice 8 having a pore size such that the vapor pressure of the solid raw material 10 is maintained substantially constant. Then, the solvent is introduced through the pipe 11 connected to, and then the solvent contained in the liquid raw material 13 is evaporated and removed from the vaporizer 9.

この場合の操作手順を図2に基づいてさらに説明する。
図2の(A)に示す状態においては、液体原料導入用配管11に連絡するバルブ6を開放すると共に、配管11と真空ポンプ5に連絡するバルブ6’を閉鎖する。
図2の(B)に示す状態においては、系外の液体原料13は、液体流量調整器15、バルブ6および配管11を経由し、気化器9の原料充填口14から気化器内へ充填される。
図2の(C)に示す状態においては、バルブ6の閉鎖とバルブ6’の開放をおこなった後、気化器9の底部に貯留された液体原料13を加熱ヒーター7によって加熱することによって溶剤を蒸発させると共に、真空ポンプ5を駆動させて気化器9の内部を排気する。この排気によって、気化器内の溶剤は液体原料充填口14から配管11とバルブ6’を経由して系外へ除去され、気化器9の底部には固体原料10が残留する。溶剤を除去した後は、バルブ6’を閉鎖する。
The operation procedure in this case will be further described with reference to FIG.
In the state shown in FIG. 2A, the valve 6 communicating with the liquid material introduction pipe 11 is opened, and the valve 6 ′ communicating with the pipe 11 and the vacuum pump 5 is closed.
In the state shown in FIG. 2B, the liquid raw material 13 outside the system is filled into the vaporizer from the raw material filling port 14 of the vaporizer 9 via the liquid flow rate regulator 15, the valve 6 and the pipe 11. The
In the state shown in FIG. 2C, after the valve 6 is closed and the valve 6 ′ is opened, the liquid raw material 13 stored at the bottom of the vaporizer 9 is heated by the heater 7, so that the solvent is removed. While evaporating, the inside of the vaporizer 9 is exhausted by driving the vacuum pump 5. By this exhaust, the solvent in the vaporizer is removed from the liquid raw material filling port 14 via the pipe 11 and the valve 6 ′, and the solid raw material 10 remains at the bottom of the vaporizer 9. After removing the solvent, the valve 6 'is closed.

なお、上記の溶剤除去工程において、反応室(成膜室)3の内部の圧力を気化器9の内部の圧力よりも高く設定することによって、気化器9から反応室3への溶剤ガスの侵入を抑止することができる。   In the above solvent removal step, the pressure inside the reaction chamber (film formation chamber) 3 is set higher than the pressure inside the vaporizer 9 so that the solvent gas enters the reaction chamber 3 from the vaporizer 9. Can be suppressed.

本発明の第四の観点による有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法においても、該オリフィス8の形態に関しては、本発明の第一の観点による気化器の場合の上記説明がそのまま適用される。   Also in the method for supplying a source gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus according to the fourth aspect of the present invention, the above description in the case of the vaporizer according to the first aspect of the present invention is applied as it is with respect to the form of the orifice 8. Is done.

上記のようにして気化器9内の液体原料13から溶剤を除去することによって該気化器9内に残留する固体原料10を加熱昇華させることにより、該気化器内に原料ガスを発生させ、次いで、該原料ガスは該オリフィス8を通して有機金属化学気相堆積装置系へ供給される。   The raw material gas is generated in the vaporizer by heating and sublimating the solid raw material 10 remaining in the vaporizer 9 by removing the solvent from the liquid raw material 13 in the vaporizer 9 as described above. The source gas is supplied to the metal organic chemical vapor deposition system through the orifice 8.

有機金属化学気相堆積装置系内においては、例えば、次のようにして成膜条件を設定する。即ち、基板2の温度を基板加熱ヒーター1を用いて所定の温度(例えば、500℃)に設定し、反応室3の内部の圧力を真空ポンプ5’を用いて所定の圧力(例えば、275Pa)に調整し、固体原料10の昇華によって発生する原料ガスのキャリアガスとしてのアルゴンの流量を流量調整器16を用いて所定の流量(例えば、14scc/m)に調整すると共に、反応ガスとしての酸素ガスの流量を流量調整器16’を用いて所定の流量(例えば、100scc/m)に調整し、また、気化器9の内部の温度は加熱用ヒーター7を用いて所定の温度(例えば、150℃、155℃または160℃)に設定する。
このような成膜条件下において、基板2上に所望の薄膜(例えば、TiO薄膜)を形成させることができる。
In the metal organic chemical vapor deposition system, film forming conditions are set as follows, for example. That is, the temperature of the substrate 2 is set to a predetermined temperature (for example, 500 ° C.) using the substrate heater 1, and the pressure inside the reaction chamber 3 is set to a predetermined pressure (for example, 275 Pa) using the vacuum pump 5 ′. The flow rate of argon as the carrier gas of the source gas generated by sublimation of the solid source 10 is adjusted to a predetermined flow rate (for example, 14 sccc / m) using the flow rate regulator 16 and oxygen as the reaction gas The flow rate of the gas is adjusted to a predetermined flow rate (for example, 100 scc / m) using the flow rate adjuster 16 ′, and the temperature inside the vaporizer 9 is set to a predetermined temperature (for example, 150 ° C. using the heater 7). 155 ° C or 160 ° C).
Under such film forming conditions, a desired thin film (for example, a TiO 2 thin film) can be formed on the substrate 2.

上記の本発明による有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法によれば、気化器9の内部で気化して発生する原料ガスの量に比較して、該気化器9に配設されたオリフィス8を通して反応室3へ供給される原料ガスの量は殆ど無視できる程度であるために、気化器9の内部は常に平衡状態に保たれ、しかも固体原料10の気化量は該原料の表面積等に左右されることなく該原料の蒸気圧によってほぼ決定されるため、反応室3への原料ガスの供給は長時間にわたって安定しておこなわれる。   According to the above-described method for supplying a raw material gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus according to the present invention, the material gas disposed in the vaporizer 9 is compared with the amount of the raw material gas generated by vaporization inside the vaporizer 9. Since the amount of the raw material gas supplied to the reaction chamber 3 through the orifice 8 is almost negligible, the inside of the vaporizer 9 is always kept in an equilibrium state, and the vaporization amount of the solid raw material 10 is the surface area of the raw material. Therefore, the supply of the raw material gas to the reaction chamber 3 is performed stably for a long time.

また、この原料ガス供給方法によれば、固体原料は溶剤を用いて液体状態に変換した後で、気化器9を開放することなく、系外からの配管11を通して気化器9内へ連続的または逐次的に導入され、次いで成膜に先だって、該液体原料13中の溶剤のみが蒸発除去させるので、気化器9内においては常に新鮮な固体原料から原料ガスが発生し、該原料ガスはオリフィス8を通して連続的に有機金属化学気相堆積装置系へ供給される。   Also, according to this raw material gas supply method, after the solid raw material is converted into a liquid state using a solvent, the vaporizer 9 is continuously opened into the vaporizer 9 through the piping 11 from outside the system without opening the vaporizer 9 or Introduced sequentially and then, prior to film formation, only the solvent in the liquid source 13 is evaporated and removed, so that a source gas is always generated from a fresh solid source in the vaporizer 9, and the source gas is supplied to the orifice 8. Through the metal-organic chemical vapor deposition system.

図1に示す有機金属化学気相堆積装置を使用してTiO薄膜を作製した。
チタンイソプロポキシピバロイルメタン(2.66g)をテトラヒドロフラン(10ml)に溶解させることによって原料溶液を調製した(原料濃度:0.5mol/l)。また、TiO薄膜を堆積させるための基板2としてはシリコンウエハを使用した。
この原料溶液を気化器9内へ配管11を通して導入した。真空ポンプ5を用いて気化器内を排気しながら加熱用ヒーター7を用いて原料溶液を80℃で15分間加熱することによってテトラヒドロフランを気化器内から蒸発除去した。
この場合の操作手順は、図2に基づいて先に説明した手順に準拠しておこなった。
次いで、基板2の温度を基板加熱ヒーター1を用いて500℃に設定し、反応室3の内部の圧力を真空ポンプ5’を用いて275Paに調整し、個体原料10の昇華によって発生する原料ガスのキャリアガスとしてのアルゴンの流量を流量調整器16を用いて14scc/mに調整すると共に、反応ガスとしての酸素ガスの流量を流量調整器16’を用いて100scc/mに調整し、また、気化器9の内部の温度は加熱用ヒーター7を用いて150℃、155℃または160℃に設定した。
A TiO 2 thin film was prepared using the metal organic chemical vapor deposition apparatus shown in FIG.
A raw material solution was prepared by dissolving titanium isopropoxypivaloylmethane (2.66 g) in tetrahydrofuran (10 ml) (raw material concentration: 0.5 mol / l). A silicon wafer was used as the substrate 2 for depositing the TiO 2 thin film.
This raw material solution was introduced into the vaporizer 9 through the pipe 11. Tetrahydrofuran was evaporated and removed from the vaporizer by heating the raw material solution at 80 ° C. for 15 minutes using the heater 7 while evacuating the vaporizer using the vacuum pump 5.
The operation procedure in this case was performed in accordance with the procedure described above with reference to FIG.
Next, the temperature of the substrate 2 is set to 500 ° C. using the substrate heater 1, the pressure inside the reaction chamber 3 is adjusted to 275 Pa using the vacuum pump 5 ′, and the raw material gas generated by sublimation of the solid raw material 10 The flow rate of argon as a carrier gas is adjusted to 14 scc / m using the flow rate regulator 16, the flow rate of oxygen gas as the reaction gas is adjusted to 100 scc / m using the flow rate regulator 16 ′, The temperature inside the vaporizer 9 was set to 150 ° C., 155 ° C. or 160 ° C. using the heater 7 for heating.

上記の成膜条件下において、基板上にTiO薄膜を形成させ、該薄膜の膜厚を経時的(20分後、25分後、30分後および35分後)に測定した。この測定結果を図3に示す。
図3から明らかなように、いずれの気化温度においても、二酸化チタン薄膜の膜厚は堆積時間の増加に伴ってほぼ直線的に増加しており、このことは、本発明による気化器を使用する場合には、固体原料の安定した気化と一定の堆積速度が達成されることを示す。また、図3は、気化器9の温度を適宜選定することによって、基板上への原料ガスの堆積速度を制御することができることも示す。
Under the above film forming conditions, a TiO 2 thin film was formed on the substrate, and the film thickness of the thin film was measured over time (after 20 minutes, 25 minutes, 30 minutes and 35 minutes). The measurement results are shown in FIG.
As can be seen from FIG. 3, at any vaporization temperature, the thickness of the titanium dioxide thin film increases almost linearly with increasing deposition time, which uses the vaporizer according to the present invention. In some cases, it indicates that a stable vaporization of the solid source and a constant deposition rate are achieved. FIG. 3 also shows that the deposition rate of the source gas on the substrate can be controlled by appropriately selecting the temperature of the vaporizer 9.

工業的生産においては、生産プロセスの稼動率は製品のコスト等の観点から非常に重要な要件である。本発明による有機金属化学気相堆積装置用原料気化器を使用する場合には、均一薄膜を製造するために重要な原料の安定的気化が保証されるだけでなく、装置の稼動率を高めるために重要な原料の連続的もしくは逐次的供給が可能となる。従って、有機金属化学気相堆積法による薄膜の量産プロセス中へ本発明による気化器を組入れることによって、該量産プロセスの稼動率が大幅に高められ、このことと原料の安定的気化と相俟って、均一な薄膜製品を低コストで提供することが可能となる。   In industrial production, the operating rate of the production process is a very important requirement from the viewpoint of product cost and the like. When the raw material vaporizer for metal organic chemical vapor deposition apparatus according to the present invention is used, not only the stable vaporization of the raw material important for producing a uniform thin film is guaranteed, but also the operating rate of the apparatus is increased. It is possible to continuously or sequentially supply the important raw materials. Therefore, by incorporating the vaporizer according to the present invention into the mass production process of the thin film by the metal organic chemical vapor deposition method, the operation rate of the mass production process is significantly increased, and this is combined with the stable vaporization of the raw material. Thus, a uniform thin film product can be provided at a low cost.

本発明による有機金属化学気相堆積装置用原料気化器は、有機金属化学気相堆積法による薄膜の製造に際して、一般的に適用できるものであるが、特に、機能性酸化物薄膜の製造、就中、強誘電体薄膜メモリーFeRAM用のPb(Zr,Ti)O、 SrBiTa、および(Bi,La)Ti12等の成膜に有用である。 The raw material vaporizer for metal organic chemical vapor deposition apparatus according to the present invention can be generally applied in the production of thin films by the metal organic chemical vapor deposition method. Among them, it is useful for forming Pb (Zr, Ti) O 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 and the like for ferroelectric thin film memory FeRAM.

図1は、本発明による気化器を装備する有機金属化学気相堆積装置の一態様を示す模式的構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a metal organic chemical vapor deposition apparatus equipped with a vaporizer according to the present invention. 図2は、図1に示す本発明による気化器の操作手順を示す模式的構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an operation procedure of the vaporizer according to the present invention shown in FIG. 図3は、本発明の実施例で測定された基板上のTiO薄膜の膜厚と原料ガスの堆積時間との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the film thickness of the TiO 2 thin film on the substrate and the deposition time of the source gas measured in the example of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板加熱ヒーター
2 基板
3 反応室
4 予熱器
4’ 予熱器
5 真空ポンプ
5’ 真空ポンプ
6 バルブ
6’ バルブ
7 加熱用ヒーター
8 オリフィス
9 気化器
10 固体原料
11 液体原料導入用配管
12 保温用ヒーター
13 液体原料
14 液体原料用充填口
15 液体流量調整器
16 流量調整器
16’ 流量調整器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate heater 2 Substrate 3 Reaction chamber 4 Preheater 4 'Preheater 5 Vacuum pump 5' Vacuum pump 6 Valve 6 'Valve 7 Heating heater 8 Orifice 9 Vaporizer 10 Solid raw material 11 Liquid raw material introduction pipe 12 Heating heater 13 Liquid material 14 Filling port for liquid material 15 Liquid flow rate regulator 16 Flow rate regulator 16 'Flow rate regulator

Claims (5)

下記の工程(i)〜(v)を有する有機金属化学気相堆積装置用原料ガスの供給方法:
(i)固体原料から溶剤を用いて液体原料を調製し、
(ii)該液体原料を、該固体原料の蒸気圧が実質上一定に保持されるような大きさの孔径を有するオリフィスを具有する気化器内へ、該気化器に接続された配管を通して導入し、
(iii)該気化器内の液体原料に含まれる溶剤を該気化器内から蒸発除去させ、
(iv)該気化器内に残留する該固体原料を加熱昇華させることによって該気化器内に該原料ガスを発生させ、次いで
(v)該原料ガスを該オリフィスを通して有機金属化学気相堆積装置系へ供給する。
A method for supplying a source gas for a metal organic chemical vapor deposition apparatus having the following steps (i) to (v):
(I) preparing a liquid raw material from a solid raw material using a solvent;
(Ii) introducing the liquid raw material into a vaporizer having an orifice having a pore size such that the vapor pressure of the solid raw material is maintained substantially constant through a pipe connected to the vaporizer; ,
(Iii) evaporating and removing the solvent contained in the liquid raw material in the vaporizer from the vaporizer;
(Iv) generating the source gas in the vaporizer by heating and sublimating the solid source remaining in the vaporizer; and (v) a metal organic chemical vapor deposition apparatus system through the orifice. To supply.
オリフィスの孔径が50〜5000μmである請求項記載の方法。 The method according to claim 1 , wherein the orifice has a pore diameter of 50 to 5000 μm. 堆積される薄膜がチタン酸ジルコン酸鉛である請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2 , wherein the deposited thin film is lead zirconate titanate. 固体原料を溶剤に溶解させて液体原料を調製する請求項記載の方法。 The method according to claim 1 , wherein the liquid raw material is prepared by dissolving the solid raw material in a solvent. 溶剤がテトラヒドロフラン、酢酸ブチル、エチルシクロヘキサン、トルエン、キシレンおよびテトラエチルヘプタンジオンから成る群から選択される溶剤である請求項記載の方法。 Solvent tetrahydrofuran, butyl acetate, ethylcyclohexane, method of claim 1, wherein a solvent selected from toluene, the group consisting of xylene and tetraethyl heptanedione.
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