JP5029966B2 - Deposition equipment - Google Patents
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Description
本発明は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により半導体結晶を成長させるための成膜装置、ならびに、MOCVD法による半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus for growing a semiconductor crystal by a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, and a method for manufacturing a semiconductor element by the MOCVD method.
ZnO系化合物半導体材料は、窒化ガリウム(以下、GaNという)系化合物半導体と同様に大きなバンドギャップ(Eg=3.37eV)を持つことから近紫外から可視光まで発光可能である。また、ZnO系材料(n=2.0)は、GaN(n=2.5)と比較して、屈折率が小さいため光取り出し効率が高く、励起子結合エネルギーが大きい(60meV)など、GaN系(24meV)よりも発光効率の高い素子を実現する可能性を秘めている。 Since the ZnO-based compound semiconductor material has a large band gap (Eg = 3.37 eV) like the gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) -based compound semiconductor, it can emit light from near ultraviolet to visible light. In addition, ZnO-based material (n = 2.0) has a higher refractive index than GaN (n = 2.5), and thus has high light extraction efficiency and high exciton binding energy (60 meV). It has the potential to realize an element with higher luminous efficiency than the system (24 meV).
現在ZnO系半導体結晶を作製する方法としては、分子線エピタキシー(以下、MBEという)法、真空蒸着法、スパッタリング法、有機金属気相エピタキシー(以下、MOVPEという)法、ならびに、液体ソースCVD法が検討されている。液体ソースCVD法は、特許文献1〜5に記載されているように、高い蒸気圧の材料を溶媒に溶かした材料溶液を気化器まで圧送し、霧化および/または気化してリアクターに供給し、結晶を成長させ成膜する方法である。しかし、液体ソースCVD法は材料溶液の霧化や気化が不安定になりやすく、この問題を解決することが求められている。 Currently, methods for producing ZnO-based semiconductor crystals include molecular beam epitaxy (hereinafter referred to as MBE) method, vacuum deposition method, sputtering method, metalorganic vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as MOVPE) method, and liquid source CVD method. It is being considered. In the liquid source CVD method, as described in Patent Documents 1 to 5, a material solution obtained by dissolving a material having a high vapor pressure in a solvent is pumped to a vaporizer, atomized and / or vaporized, and supplied to a reactor. This is a method of growing a crystal to form a film. However, the liquid source CVD method tends to make the atomization and vaporization of the material solution unstable, and it is required to solve this problem.
特許文献1に記載の技術では、昇華性を有するβ-ジケトン系有機金属化合物を材料とする場合、この材料を気化器で単独で加熱し昇華させると成膜すべき基板に到達する前に管壁等で析出するため、有機溶媒と混合した状態で気化器で蒸発させるとともに、基板表面を酸化しておくことを提案している。これにより、有機溶媒分子がβジケトン有機金属を取り囲むように付着すると考え、基板に到達する前に管壁等で析出しにくく、かつ、基板上で酸素ガスと反応し高品質な金属酸化膜を効率よく成膜できるとしている。 In the technique described in Patent Document 1, when a β-diketone-based organometallic compound having sublimability is used as a material, if this material is heated by a vaporizer alone and sublimated, the tube is formed before reaching the substrate to be deposited. In order to deposit on a wall or the like, it is proposed to evaporate with a vaporizer while being mixed with an organic solvent and to oxidize the substrate surface. As a result, it is considered that the organic solvent molecules are attached so as to surround the β-diketone organic metal, and it is difficult to deposit on the tube wall or the like before reaching the substrate, and it reacts with oxygen gas on the substrate to form a high-quality metal oxide film. It is said that the film can be formed efficiently.
特許文献2では、固体材料をテトラヒドロフラン等の溶媒に溶解した材料溶液を気化器で気化させる際に固体材料が析出し、その一部がパーティクルとなって膜に混入する現象を抑制することを目的としている。特許文献2の技術では、気化器における固体材料の析出の原因が、テトラヒドロフランと固体材料との沸点の差が大きく、気化器でテトラヒドロフランが一気に気化して固体材料が析出することにあると考え、テトラヒドロフランよりも沸点の高い溶媒を気化器の前段で混合する手法を提案している。これにより、気化を安定させ、固体材料の析出を減少させ、膜質低下や膜厚不均一の問題の解決を図っている。 Patent Document 2 aims to suppress the phenomenon that a solid material is deposited when a material solution obtained by dissolving the solid material in a solvent such as tetrahydrofuran is vaporized by a vaporizer, and a part of the solid material becomes particles and is mixed into the film. It is said. In the technique of Patent Document 2, it is considered that the cause of precipitation of the solid material in the vaporizer is that the difference in boiling point between tetrahydrofuran and the solid material is large, and tetrahydrofuran is vaporized at once in the vaporizer and the solid material is precipitated. A method is proposed in which a solvent having a boiling point higher than that of tetrahydrofuran is mixed before the vaporizer. Thereby, vaporization is stabilized, precipitation of solid material is reduced, and the problem of film quality deterioration and film thickness nonuniformity is solved.
特許文献3の技術は、固体材料を有機溶剤に溶解した材料溶液を液体供給管で気化器に供給する際、液体供給管内で有機溶剤が気化して固体材料が析出したり、管内で有機溶媒が突沸して材料溶液を気化器に安定供給できないという問題を解決することを目的としている。このため、特許文献3の技術では、管の先端部を先細ノズル形状(液体圧力調整手段)にすることにより管内の液体圧力を気化器内部圧力より高くし、管内での有機溶剤のガス化を抑制することを提案している。 In the technique of Patent Document 3, when a material solution in which a solid material is dissolved in an organic solvent is supplied to a vaporizer with a liquid supply pipe, the organic solvent is vaporized in the liquid supply pipe to precipitate a solid material, The purpose is to solve the problem that the material solution cannot be stably supplied to the vaporizer due to sudden boiling. For this reason, in the technique of Patent Document 3, the tip of the tube is formed into a tapered nozzle shape (liquid pressure adjusting means) so that the liquid pressure in the tube is higher than the vaporizer internal pressure, and gasification of the organic solvent in the tube is performed. Propose to suppress.
特許文献4に記載の技術は、固体に有機金属材料固体を有機溶剤に溶かした材料溶液を気化器で気化させる際に、熱を長時間受けることによる変質や、有機溶剤のみが先に気化することによる有機金属材料の析出や重合等、濃度変化に起因する問題を解決することを目的としている。特許文献4では気化器に、材料溶液を液体で維持する第1領域と液体を気化させる第2領域とを設け、第1領域の圧力を第2領域の圧力よりも高く維持することを提案している。 In the technique described in Patent Document 4, when a material solution in which an organic metal material solid is dissolved in an organic solvent is vaporized with a vaporizer, the deterioration caused by receiving heat for a long time, or only the organic solvent is vaporized first. The purpose is to solve problems caused by concentration changes such as precipitation and polymerization of organometallic materials. Patent Document 4 proposes to provide a vaporizer with a first region for maintaining the material solution in liquid and a second region for vaporizing the liquid, and maintaining the pressure in the first region higher than the pressure in the second region. ing.
特許文献5では、目詰まりを起こさず長期使用を可能な気化器を提供するために、材料溶液とキャリアガスが接触する領域ではキャリアガスと原料溶液の圧力が材料溶液の蒸気圧より高くなるように制御する。反応部(反応容器、リアクター)の圧力は、気化器内の圧力より低く設定することを提案している。 In Patent Document 5, in order to provide a vaporizer that can be used for a long time without causing clogging, the pressure of the carrier gas and the raw material solution is higher than the vapor pressure of the raw material solution in the region where the material solution and the carrier gas are in contact with each other. To control. It has been proposed to set the pressure in the reaction section (reaction vessel, reactor) lower than the pressure in the vaporizer.
従来の液体ソースCVD法では、(1)送液管や霧化ノズルなどの箇所で固体材料が再析出して目詰まりを起し易い、(2)気化器内に固体材料が再析出・堆積するなどして、反応チャンバー115への有機金属材料ガスの供給量が不安定(設定値より増加または減少)になる、(3)再析出した固体材料がパーティクルとして反応容器に流れ込み、基板に付着して異常成長を起こす、など装置の運用安定性に関する問題や、成長する結晶の膜質を悪化させる問題がある。 In the conventional liquid source CVD method, (1) the solid material re-precipitates easily at the parts such as the liquid feed pipe and the atomizing nozzle, and clogging is likely to occur. (2) The solid material re-deposits and deposits in the vaporizer. As a result, the supply amount of the organometallic material gas to the reaction chamber 115 becomes unstable (increase or decrease from the set value). (3) The re-deposited solid material flows into the reaction vessel as particles and adheres to the substrate. Thus, there are problems related to the operational stability of the apparatus, such as abnormal growth, and problems of deteriorating the film quality of the growing crystal.
上述の特許文献1〜5では、上記問題を解決しようと各種の提案をしているが、十分に解決されるに至っていない。 In the above-mentioned Patent Documents 1 to 5, various proposals are made to solve the above problem, but they have not been sufficiently solved.
本発明の目的は、材料溶液を完全に気化し、基板に安定供給することができる成膜装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a film forming apparatus capable of completely vaporizing a material solution and stably supplying it to a substrate.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様によれば、内部に基板を保持する基板保持部を備えた反応容器と、常温で液体の材料溶液と霧化支援のためのガスとを噴出することにより材料溶液を霧状にする霧化部と、霧状の材料溶液を気化させて反応容器に供給する気化部とを有する成膜装置が提供される。気化器は、内部空間を有する容器と、容器内の空間を加熱し、霧状の材料溶液を気化させる加熱部とを備える。容器の一端には霧化部が備えられ、内部空間に向かって前記材料溶液と霧化支援ガスを噴出し、容器の他端には気化した材料溶液を反応容器に向かって送り出す送出口が設けられている。加熱部は、霧化部と開口との間の空間に配置された1以上のフィンと、該フィンを加熱するヒーターとを備える。このような構成とすることにより、霧化した材料溶液をフィンにより効率よく加熱することができ、完全気化を実現することができる。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a reaction vessel provided with a substrate holding part for holding a substrate therein, a material solution which is liquid at room temperature, and a gas for atomization support There is provided a film forming apparatus having an atomizing unit that atomizes a material solution by ejecting and a vaporizing unit that vaporizes the atomized material solution and supplies the atomized material solution to a reaction vessel. The vaporizer includes a container having an internal space, and a heating unit that heats the space in the container and vaporizes the mist-like material solution. One end of the container is provided with an atomizing section, and the material solution and the atomization assisting gas are ejected toward the internal space, and the other end of the container is provided with a delivery outlet for delivering the vaporized material solution toward the reaction container. It has been. The heating unit includes one or more fins arranged in a space between the atomization unit and the opening, and a heater that heats the fins. By setting it as such a structure, the atomized material solution can be efficiently heated with a fin, and complete vaporization can be implement | achieved.
例えば、霧化部から噴出された霧状の前記材料溶液を整流するために、フィンと霧化部との間には所定の距離の整流空間が設けられていることが望ましい。 For example, in order to rectify the atomized material solution ejected from the atomizing section, it is desirable that a rectifying space having a predetermined distance be provided between the fin and the atomizing section.
また、例えばフィンと送出口との間には、所定の距離の空間が設けられていることが望ましい。 For example, it is desirable that a space of a predetermined distance is provided between the fin and the delivery port.
また、例えばヒーターを制御し、フィンの表面温度を材料溶液に含まれる有機金属材料の熱分解温度よりも低い温度に維持する制御部を有する構成にすることが可能である。 Further, for example, it is possible to have a control unit that controls the heater and maintains the surface temperature of the fin at a temperature lower than the thermal decomposition temperature of the organometallic material contained in the material solution.
容器の内部空間を所定の圧力に維持する圧力調整部を有する構成にすることが可能である。 It is possible to make it the structure which has a pressure adjustment part which maintains the internal space of a container at a predetermined pressure.
霧化部は、例えば、材料溶液を噴出する噴出口と、その周囲から前記加熱された霧化支援ガスを噴出する噴出口とを備える構成にすることができる。 An atomization part can be set as the structure provided with the jet nozzle which ejects a material solution, and the jet nozzle which jets the said heating atomization assistance gas from the circumference | surroundings, for example.
霧化部は、例えば、材料溶液を中心軸に対して30°以上60°以下の角度で噴霧する構成にする。 The atomizing unit is configured to spray the material solution at an angle of 30 ° to 60 ° with respect to the central axis.
霧化部は、例えば材料溶液を粒径60μm以下の液滴を形成するものを用いることが望ましい。 As the atomizing section, for example, a material solution that forms droplets having a particle size of 60 μm or less is desirably used.
フィンの主平面は、霧化部と送出口とを結ぶ軸に対して平行に向けられていることが望ましい。 It is desirable that the main plane of the fin be oriented parallel to the axis connecting the atomizing section and the delivery port.
フィンは複数枚備えられている場合、フィンの主平面は、軸を中心に放射状に配置されている構成にすることができる。 When a plurality of fins are provided, the main plane of the fins can be configured to be arranged radially around the axis.
複数枚のフィンが軸方向について複数段に分割され、段ごとにフィンの向きが交互に配置されている構成にすることも可能である。 It is also possible to adopt a configuration in which a plurality of fins are divided into a plurality of stages in the axial direction, and the directions of the fins are alternately arranged for each stage.
整流空間の距離Lは、
0.7<(L・tanθ)/r≦1.0
(ただし、θ:霧化部の噴出し角度(中心軸からの角度)、r:フィンの半径)
に設定することが好ましい。
The distance L of the rectifying space is
0.7 <(L · tan θ) /r≦1.0
(However, θ: angle of spraying of the atomizing section (angle from the central axis), r: radius of the fin)
It is preferable to set to.
フィンと送出口までの距離L2は、フィンの直径と同等以上であることが好ましい。偏流を防止することができるためである。 Distance L 2 to the fin and the delivery port is preferably a fin diameter equal to or greater than. This is because the drift can be prevented.
加熱部は、容器の外側から内部空間を加熱する外部ヒーターを含む構成にすることも可能である。 The heating unit may include an external heater that heats the internal space from the outside of the container.
本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明は、液体ソースMOCVD法によって良質な金属酸化物結晶、例えばZnO結晶を基板上に成長するために、常に完全に気化された有機金属材料を安定した流量および濃度で基板上に送気する構成とした。 In order to grow a high-quality metal oxide crystal, for example, a ZnO crystal, on a substrate by a liquid source MOCVD method, the present invention always supplies a completely vaporized organometallic material to the substrate at a stable flow rate and concentration. The configuration.
まず、本発明の液体ソースMOCVD装置について説明する。本発明の液体ソースMOCVD装置は、図1に示すように、材料溶液416を収容するための容器417と、溶媒414を収容するための容器415と、材料溶液を気化する気化器409と、成膜すべき基板421が内部に配置される反応容器420と、材料ガスを加熱する材料ガス加熱器411と、霧化支援ガスを加熱する霧化支援ガス加熱器407とを有している。ここでいう材料溶液416とは、成膜材料となる溶質(有機金属化合物)を所定の濃度で溶媒に溶かした溶液である。本実施形態では溶質として常温で液体の材料、例えばβジケトン系金属錯体を用いる。材料ガスとは、常温で気体の成膜材料である。霧化支援ガスとは、材料溶液の霧化(ミスト化)を支援するために用いるガスである。 First, the liquid source MOCVD apparatus of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the liquid source MOCVD apparatus of the present invention includes a container 417 for containing a material solution 416, a container 415 for containing a solvent 414, a vaporizer 409 for vaporizing the material solution, and a component. It has a reaction vessel 420 in which a substrate 421 to be deposited is disposed, a material gas heater 411 for heating the material gas, and an atomization support gas heater 407 for heating the atomization support gas. The material solution 416 here is a solution in which a solute (organometallic compound) serving as a film forming material is dissolved in a solvent at a predetermined concentration. In the present embodiment, a material that is liquid at room temperature, for example, a β-diketone metal complex, is used as the solute. The material gas is a film forming material that is gaseous at room temperature. The atomization assisting gas is a gas used to assist atomization (misting) of the material solution.
材料溶液容器417および溶媒容器415には、それぞれ流量調節装置418a、418bが取り付けられた送液管419の先端が挿入されている。2本の送液管419は途中で合流し、1本の送液管419となって気化器409に接続されている。また、材料溶液容器417および溶媒容器415には、それぞれの液面を加圧するための不活性ガスを供給する加圧用不活性ガス配管413が接続されている。加圧用不活性ガス配管413には不活性ガス供給源11が接続されている。不活性ガスによって材料溶液容器417および溶媒容器415の液面を加圧することにより、材料溶液416および溶媒414は送液管419を圧送される。 Inserted into the material solution container 417 and the solvent container 415 are tips of liquid feeding pipes 419 to which flow rate adjusting devices 418a and 418b are attached, respectively. The two liquid supply pipes 419 are joined on the way to form one liquid supply pipe 419 and connected to the vaporizer 409. The material solution container 417 and the solvent container 415 are connected to a pressurizing inert gas pipe 413 that supplies an inert gas for pressurizing each liquid surface. An inert gas supply source 11 is connected to the pressurizing inert gas pipe 413. By pressurizing the liquid surfaces of the material solution container 417 and the solvent container 415 with an inert gas, the material solution 416 and the solvent 414 are pumped through the liquid feeding pipe 419.
材料溶液416および溶媒414は、それぞれ流量調節装置418a、418bによって流量を調節された後気化器409まで圧送される。これにより、成膜時には材料溶液416を気化器409に供給することができる。また、メンテナンス時には溶媒414を供給して送液管419等を洗浄できる。なお、材料溶液416の溶質を溶かしている溶媒と、溶媒容器415の溶媒414とは、同じ溶媒であっても異なる溶媒であってもよいが、ここでは同じ溶媒を用いる。 The material solution 416 and the solvent 414 are pumped to the vaporizer 409 after the flow rate is adjusted by the flow rate adjusting devices 418a and 418b, respectively. Thus, the material solution 416 can be supplied to the vaporizer 409 during film formation. Further, during maintenance, the solvent 414 can be supplied to wash the liquid feeding tube 419 and the like. Note that the solvent dissolving the solute of the material solution 416 and the solvent 414 of the solvent container 415 may be the same solvent or different solvents, but here, the same solvent is used.
本実施形態では、加圧用ガスとしてヘリウムガスを用いる。ヘリウムガスは液体への溶解度が低いため、圧送圧力を高くしても材料溶液416や溶媒414に溶解しにくく、液体流量調節装置418aおよび418b以降に減圧されても、送液管419内で気泡を発生しにくい。 In this embodiment, helium gas is used as the pressurizing gas. Since helium gas has a low solubility in liquid, it is difficult to dissolve in the material solution 416 and the solvent 414 even if the pumping pressure is increased, and even if the pressure is reduced after the liquid flow control devices 418a and 418b, bubbles are generated in the liquid feeding pipe 419. It is hard to generate.
気化器409には、霧化支援ガス(不活性ガス)を供給する霧化支援ガス送気管406が接続されている。霧化支援ガスは、霧化ノズル408において材料溶液416の霧化(ミスト化)を支援するために用いられる。霧化支援ガス送気管406には、不活性ガス供給源12と霧化支援ガスの流量を調節する気体流量調節装置405aが接続されている。 An atomization support gas air supply pipe 406 that supplies atomization support gas (inert gas) is connected to the vaporizer 409. The atomization assisting gas is used to assist atomization (misting) of the material solution 416 in the atomizing nozzle 408. A gas flow rate adjusting device 405 a that adjusts the flow rate of the atomization support gas and the inert gas supply source 12 is connected to the atomization support gas supply pipe 406.
霧化支援ガス送気管406には、霧化支援ガスを所定の温度まで加熱するための霧化支援ガス加熱器407が接続されている。霧化支援ガス加熱器407は、霧化支援ガスを通過させる管と、その周囲に配置されたヒーターとを備えている。これにより、霧化支援ガスを加熱して気化器409に供給することができ、気化器409における材料溶液の完全気化を実現することが可能になる。なお、霧化支援ガス加熱器407には温度調節器18が接続され、温度を調節している。 An atomization assistance gas heater 407 for heating the atomization assistance gas to a predetermined temperature is connected to the atomization assistance gas supply pipe 406. The atomization assistance gas heater 407 includes a pipe through which the atomization assistance gas passes and a heater disposed around the pipe. Thereby, the atomization support gas can be heated and supplied to the vaporizer 409, and the complete vaporization of the material solution in the vaporizer 409 can be realized. Note that the temperature controller 18 is connected to the atomization assist gas heater 407 to adjust the temperature.
気化器409で気化された材料溶液のガスは、材料溶液ガス導入管14によって反応容器420に導入される。材料溶液ガス導入管14には、管内を流れる材料溶液ガスの温度を保持するためのヒーター(不図示)が備えられている。導入管14の途中には、常温で気体の材料である材料ガスを材料溶液のガスに合流させるための材料ガス誘導管412が接続されている。材料溶液ガス導入管14には導入弁426が配置されている。 The gas of the material solution vaporized by the vaporizer 409 is introduced into the reaction vessel 420 through the material solution gas introduction pipe 14. The material solution gas introduction pipe 14 is provided with a heater (not shown) for maintaining the temperature of the material solution gas flowing in the pipe. In the middle of the introduction pipe 14, there is connected a material gas guide pipe 412 for joining a material gas, which is a gaseous material at room temperature, with a gas of the material solution. An introduction valve 426 is disposed in the material solution gas introduction pipe 14.
材料ガス誘導管412には、材料ガスを加熱するための材料ガス加熱器411が接続されている。材料ガス加熱器411には、材料ガス送気管410を介して、材料ガス供給源13および材料ガスの流量調節装置405dが接続され、所定流量の材料ガスを所定の温度(例えば材料ガス誘導管412を流れる材料溶液のガスと同じ温度)まで加熱して、材料溶液のガスと合流させることができる。これにより、材料溶液のガスの温度を低下させることなく材料ガスと混合でき、材料溶液の完全気化状態を維持したまま、材料ガスとともに反応容器420に供給することができる。また、材料ガス導入管412を気化器409の後段、すなわち気化器409と反応容器420との間の材料溶液ガス導入管14に接続したことにより、材料ガス流量を増減した場合でも、気化器409を流れるガス流量・温度に影響を与えない。これにより、気化器409内の材料溶液416の完全気化を実現する温度および圧力の状態を保ったまま材料ガス流量を増減できる。 A material gas heater 411 for heating the material gas is connected to the material gas induction tube 412. The material gas heater 411 is connected to the material gas supply source 13 and the material gas flow rate adjusting device 405d via the material gas supply pipe 410, and the material gas at a predetermined flow rate (for example, the material gas induction tube 412). To the same temperature as the gas of the material solution flowing through the gas, and can be combined with the gas of the material solution. Thereby, it can mix with material gas, without lowering | hanging the temperature of the gas of a material solution, and can be supplied to the reaction container 420 with material gas, maintaining the complete vaporization state of material solution. Even when the material gas flow rate is increased or decreased by connecting the material gas introduction pipe 412 to the latter stage of the vaporizer 409, that is, the material solution gas introduction pipe 14 between the vaporizer 409 and the reaction vessel 420, the vaporizer 409 Does not affect the flow rate and temperature of gas flowing through the. As a result, the material gas flow rate can be increased or decreased while maintaining the temperature and pressure conditions for realizing complete vaporization of the material solution 416 in the vaporizer 409.
材料ガス送気管410には、材料ガスにキャリアガスとして不活性ガスを混入するための不活性ガス配管402が接続されている。不活性ガス配管402には、流量調節装置405bを介して不活性ガス供給源12が接続されている。 An inert gas pipe 402 for mixing an inert gas as a carrier gas into the material gas is connected to the material gas supply pipe 410. The inert gas supply source 12 is connected to the inert gas pipe 402 via a flow rate adjusting device 405b.
また、霧化支援ガス送気管406には、材料ガス配管404が途中で合流している。材料ガス配管404は、流量調節装置405cを介して材料ガス供給源13に接続されている。これにより、所定流量の材料ガスを霧化支援ガスに混入させることが可能である。材料ガスが酸素である場合、気化器409において材料溶液416や溶媒414を酸化して低分子化させることや、溶媒分子の結合の一部を切断するクラッキングを生じさせることが可能であるため、溶質の種類によっては、基板421上で溶質の有機金属と酸素との結合が容易になる。 In addition, the material gas pipe 404 is joined to the atomization support gas supply pipe 406 on the way. The material gas pipe 404 is connected to the material gas supply source 13 via the flow rate adjusting device 405c. Thereby, it is possible to mix the material gas of predetermined flow volume into the atomization assistance gas. When the material gas is oxygen, it is possible to oxidize the material solution 416 and the solvent 414 in the vaporizer 409 to reduce the molecular weight, or to cause cracking that cuts a part of the bond of the solvent molecules. Depending on the type of solute, the solute organic metal and oxygen can be easily combined on the substrate 421.
反応容器420には、バッファタンク429、捕集装置423および圧力調整弁424を介して排気装置15が接続されている。バッファタンク429は圧力の緩衝装置の役割をもち、圧力センサー17が取り付けてある。捕集装置423は、基板421への成膜に使用されなかった材料溶液のガスを回収している。 The exhaust device 15 is connected to the reaction container 420 via a buffer tank 429, a collection device 423, and a pressure adjustment valve 424. The buffer tank 429 serves as a pressure buffering device, and has a pressure sensor 17 attached thereto. The collection device 423 collects a material solution gas that has not been used for film formation on the substrate 421.
導入管14には、排気弁427が備えられたドレイン配管425が接続され、ドレイン配管425は、バッファタンク429、捕集装置423および圧力調整弁424を介して排気装置15と接続されている。導入管14に設けられた導入弁426もしくはドレイン配管425に設けられた排気弁427が開状態の場合、反応容器420内の圧力は気化器409内の圧力およびバッファタンク429の圧力と等しい。バッファタンク429の圧力を圧力センサー17により検出することにより、反応容器420および気化器409の圧力を検出することができる。 A drain pipe 425 provided with an exhaust valve 427 is connected to the introduction pipe 14, and the drain pipe 425 is connected to the exhaust apparatus 15 via a buffer tank 429, a collection device 423, and a pressure adjustment valve 424. When the introduction valve 426 provided in the introduction pipe 14 or the exhaust valve 427 provided in the drain pipe 425 is open, the pressure in the reaction vessel 420 is equal to the pressure in the vaporizer 409 and the pressure in the buffer tank 429. By detecting the pressure in the buffer tank 429 by the pressure sensor 17, the pressure in the reaction vessel 420 and the vaporizer 409 can be detected.
圧力調整弁424には圧力調整器21が取り付けられている。圧力調整器21には中央制御装置16が接続され、圧力調整器21の動作を制御する。中央制御装置16は、バッファタンク429の圧力センサー17が検出した圧力データを取り込んで、所定の圧力となるように圧力調整器21を介して圧力調整弁424を制御する。これにより、気化器409内の材料溶液416の蒸気圧が飽和蒸気圧に達しないように制御することにより、気化器409における材料溶液416の完全気化を実現することができる。 A pressure regulator 21 is attached to the pressure regulating valve 424. The central controller 16 is connected to the pressure regulator 21 and controls the operation of the pressure regulator 21. The central control device 16 takes in the pressure data detected by the pressure sensor 17 of the buffer tank 429 and controls the pressure adjustment valve 424 via the pressure regulator 21 so as to obtain a predetermined pressure. Thereby, the vaporization of the material solution 416 in the vaporizer 409 can be realized by controlling the vapor pressure of the material solution 416 in the vaporizer 409 so as not to reach the saturated vapor pressure.
つぎに、気化器409の構成について図2(a),(b)、図3、図4および図5を用いて説明する。 Next, the configuration of the vaporizer 409 will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b), FIG. 3, FIG. 4, and FIG.
気化器409は、図2(a)、(b)に示したように、円柱状の内部空間を有する本体900と、本体900の上部に固定された霧化ノズル408と、内部空間の所定位置に配置された熱交換フィン907とを備えて構成される。本体900の内部空間の下部には、開口60が設けられている。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the vaporizer 409 includes a main body 900 having a cylindrical inner space, an atomizing nozzle 408 fixed to the upper portion of the main body 900, and a predetermined position in the inner space. And heat exchange fins 907 arranged on the surface. An opening 60 is provided in the lower part of the internal space of the main body 900.
霧化ノズル408は、図3のように径の異なる2本の管を同心に配置した二重管構造となっている。内側の管31には上述の送液管419が接続されて、外側の管32には、霧化支援ガス加熱器407が接続されている。よって、内側の管31の先端からは、材料溶液416と溶媒414との混合液体が噴出され、外側の管32の先端からは、所定の温度に加熱された霧化支援ガスが所定の送気圧で噴出される。 The atomizing nozzle 408 has a double tube structure in which two tubes having different diameters are arranged concentrically as shown in FIG. The above-described liquid feeding pipe 419 is connected to the inner pipe 31, and the atomization assist gas heater 407 is connected to the outer pipe 32. Therefore, the liquid mixture of the material solution 416 and the solvent 414 is ejected from the tip of the inner tube 31, and the atomization assisting gas heated to a predetermined temperature is supplied from the tip of the outer tube 32 to a predetermined air pressure. Is ejected at.
霧化ノズル408の管31、32の径や先端形状は、図2(a)、図3および図4のように管32から所定の広がり角度θで噴出される霧化支援ガスが渦流となり、管31から噴出される材料溶液を巻き込んで細分化し、所定の粒径分布の材料溶液ミスト(材料溶液の液滴)51を形成するように設計されている。 The diameters and tip shapes of the tubes 31 and 32 of the atomizing nozzle 408 are such that the atomization assisting gas ejected from the tube 32 at a predetermined spread angle θ as shown in FIG. 2A, FIG. 3 and FIG. The material solution ejected from the tube 31 is entrained and subdivided to form a material solution mist (material solution droplet) 51 having a predetermined particle size distribution.
霧化ノズル408と熱交換フィン907までの空間は、図2および図4のように霧化支援ガスおよび材料溶液ミストが広がるミスト整流空間55である。ミスト整流空間55の長さLは、広がり角度θで広がっていくミストの流れを、熱交換フィン907の直径2rよりも若干小さい径2rmまで広げるように設定する。これにより、熱交換フィン907に材料溶液ミスト51が接触する面積を増加させることができ、効率よく加熱することが可能になる。例えば、材料溶液ミスト51の広がりの径2rmを、熱交換フィン907の直径2rの0.7倍〜1.0倍にする場合には、0.7<(L・tanθ)/r<1.0を満たすようにミスト整流空間55の長さLを設定する。 The space between the atomizing nozzle 408 and the heat exchange fins 907 is a mist rectifying space 55 in which the atomization assisting gas and the material solution mist spread as shown in FIGS. The length L of the mist rectifying space 55, the flow of mist spreads in spread angle theta, set to expand to a slightly smaller diameter 2r m than the diameter 2r of the heat exchange fins 907. Thereby, the area which the material solution mist 51 contacts with the heat exchange fin 907 can be increased, and it becomes possible to heat efficiently. For example, the diameter 2r m extent of material solution mist 51, when the 0.7-fold to 1.0 times the diameter 2r of the heat exchange fins 907, 0.7 <(L · tanθ) / r <1 The length L of the mist rectification space 55 is set so as to satisfy 0.0.
広がり角度θは、30°以上60°以下であることが望ましい。このように設定することにより、ミスト整流空間55の長さLをコンパクトにすることができる。また、ミスト同士が接近しすぎず、溶媒気化がしやすくなる。さらに、θを60°以下にすることにより、ミストが気化器409の内壁面に付着しにくいという利点があるためである。 The spread angle θ is desirably 30 ° or more and 60 ° or less. By setting in this way, the length L of the mist rectification space 55 can be made compact. Further, the mists are not too close to each other, and the solvent is easily vaporized. Furthermore, it is because there exists an advantage that it is hard to adhere to the inner wall face of the vaporizer | carburetor 409 by making (theta) 60 degrees or less.
本体900の周囲は外部ヒーター905で覆われ、外部ヒーター905は温度調節器906により温度調節がなされている。外部ヒーター905は、本体900の内部空間全体を加熱する。 The periphery of the main body 900 is covered with an external heater 905, and the temperature of the external heater 905 is adjusted by a temperature controller 906. The external heater 905 heats the entire internal space of the main body 900.
熱交換フィン907は、図5(a)に斜視図と上面図を示したように90度おきに配置された4枚のフィンを備えている。4枚のフィンには、それぞれ内部ヒーター908が内蔵されている(図2(a)、(b)参照)。内部ヒーター908には温度調節器909が接続されており、フィンの温度を調節する。内部ヒーター908により4枚のフィンを所定の温度に加熱することにより、外部ヒーター905からの加熱と合わせて、熱交換フィン907が配置された空間(熱交換エリア56)を通過する材料溶液のミスト51を加熱する。ミスト51の溶媒が気化し、沸点まで加熱されると気化は促進される。図4に示したように材料溶液のミスト51から溶媒が蒸発して溶質のミスト52と溶媒気体53に分離する。溶質ミスト52はさらに加熱され、溶質の蒸気圧は上昇して溶質の気化が促進され、溶質気体54となる。よって、材料溶液ミスト51は、熱交換フィン907が配置された熱交換エリア56を通過することにより完全に気化し、溶媒気体53と溶質気体54の混合ガスとなる。 The heat exchange fins 907 include four fins arranged every 90 degrees as shown in the perspective view and the top view in FIG. An internal heater 908 is built in each of the four fins (see FIGS. 2A and 2B). A temperature controller 909 is connected to the internal heater 908 to adjust the fin temperature. The mist of the material solution that passes through the space (heat exchange area 56) where the heat exchange fins 907 are arranged together with the heating from the external heater 905 by heating the four fins to a predetermined temperature by the internal heater 908. 51 is heated. When the solvent of the mist 51 is vaporized and heated to the boiling point, vaporization is promoted. As shown in FIG. 4, the solvent evaporates from the material solution mist 51 and is separated into a solute mist 52 and a solvent gas 53. The solute mist 52 is further heated, the vapor pressure of the solute is increased, and the vaporization of the solute is promoted to become a solute gas 54. Therefore, the material solution mist 51 is completely vaporized by passing through the heat exchange area 56 in which the heat exchange fins 907 are arranged, and becomes a mixed gas of the solvent gas 53 and the solute gas 54.
4枚のフィン907は、主平面が、ミストやガスの流れに対して平行になるように設置することにより、ガスの流れを妨げず、材料やミストのフィンへの付着を防止できるため望ましい。ここでは霧化ノズル408と開口60を結ぶ軸に平行に4枚のフィン907を配置している。 The four fins 907 are desirable because the main plane is installed so as to be parallel to the flow of mist and gas, so that the gas flow is not hindered and adhesion of the material and mist to the fin can be prevented. Here, four fins 907 are arranged in parallel to the axis connecting the atomizing nozzle 408 and the opening 60.
熱交換フィン907と気化器900底部との間の空間は、偏流防止空間57として所定の長さL2の空間が設けられている。偏流防止空間57は、熱交換エリア56と底部の開口60との距離をL2以上離すことにより、熱交換エリア56を通過する溶液ミスト51、溶質ミスト52、溶媒気体53および溶質気体54が開口60の中心とする径方向に狭い空間に偏らず、熱交換エリア56を径方向に広がって流れる。これにより熱交換フィン907と溶液ミスト51等との接触面積を増加させることができ、加熱効率を高めることができる。偏流防止空間57の長さL2は、熱交換エリア56の径(すなわち熱交換フィン907の径2r)と同等以上(L2≧2r)に設定する。 The space between the heat exchange fin 907 and the bottom of the vaporizer 900 is provided with a space having a predetermined length L 2 as the drift prevention space 57. Anti-flow distortion space 57, by increasing the distance between the opening 60 of the heat exchange area 56 and the bottom portion L 2 or more, the solution mist 51 that passes through the heat exchange area 56, the solute mist 52, the solvent gas 53 and solute gas 54 is opened The heat exchange area 56 flows in a radial direction without being biased toward a radially narrow space at the center of 60. Thereby, the contact area of the heat exchange fin 907 and the solution mist 51 etc. can be increased, and heating efficiency can be improved. The length L 2 of the drift prevention space 57 is set to be equal to or larger than the diameter of the heat exchange area 56 (that is, the diameter 2r of the heat exchange fin 907) (L 2 ≧ 2r).
気化器409の底部の開口60には材料溶液ガス導入管14が接続されている。材料溶液ガス導入管14は、溶媒気体53と溶質気体54の混合ガスを反応容器420まで送る。 The material solution gas introduction pipe 14 is connected to the opening 60 at the bottom of the vaporizer 409. The material solution gas introduction pipe 14 sends a mixed gas of the solvent gas 53 and the solute gas 54 to the reaction vessel 420.
材料溶液ガス導入管14の途中には、材料ガス誘導管412が接続されている。材料ガス誘導管412は、材料溶液ガス導入管14を流れる溶媒気体53と溶質気体54の混合ガスに、材料ガスを合流させる。材料ガスは、材料ガス加熱器411により溶媒気体53および溶質気体54の混合ガスの温度以上に加熱されているため、混合ガスの温度を低下させることなく、材料溶液の完全気化状態を維持したまま混合され、反応容器420に供給される。 In the middle of the material solution gas introduction pipe 14, a material gas induction pipe 412 is connected. The material gas guide pipe 412 joins the material gas to the mixed gas of the solvent gas 53 and the solute gas 54 flowing through the material solution gas introduction pipe 14. Since the material gas is heated by the material gas heater 411 to a temperature equal to or higher than the temperature of the mixed gas of the solvent gas 53 and the solute gas 54, the completely vaporized state of the material solution is maintained without lowering the temperature of the mixed gas. It is mixed and supplied to the reaction vessel 420.
また、熱交換フィン907の形状としては、図5(b)のようにフィンを軸方向について多段階に分割し、それを奇数段と偶数段で互い違いに配置した形状とすることも可能である。この形状は、溶質ミスト52等の流れを切るようにフィンが配置されているため、溶質ミスト52等の流れに生じる温度分布を低減することができ、効率よく気化させることができる。 Further, as the shape of the heat exchange fin 907, as shown in FIG. 5B, the fin may be divided into multiple stages in the axial direction, and the fins may be alternately arranged in odd and even stages. . In this shape, since the fins are arranged so as to cut the flow of the solute mist 52 and the like, the temperature distribution generated in the flow of the solute mist 52 and the like can be reduced and can be efficiently vaporized.
さらに別の熱交換フィン907の形状としては、図5(c)のように3本の内部ヒーターを頂点として三角形の筒型にフィンを配置し、さらに各頂点から外側に張り出すように2枚ずつのフィンを備えた形状にすることも可能である。図5(c)の熱交換フィン907は、三角形の筒の外側だけでなく、内部空間においても溶液ミスト51が加熱され気化されるため、フィンの実効表面積が大きく、気化効率を高くすることができる。 As another heat exchange fin 907 shape, as shown in FIG. 5 (c), the fins are arranged in a triangular tube shape with three internal heaters as vertices, and two pieces are projected so as to project outward from each vertices. It is also possible to have a shape with each fin. The heat exchange fin 907 in FIG. 5C heats and vaporizes the solution mist 51 not only outside the triangular tube but also in the internal space, so that the effective surface area of the fin is large and the vaporization efficiency can be increased. it can.
つぎに、中央制御装置16の動作について、図6を用いて説明する。中央処理装置16には、予め定められた各種の設定値(実験結果や経験値から導き出した値)が操作者によって入力される(ステップ601)。中央制御装置16はこの入力を受け付け(ステップ602)、各制御機器に設定値を設定する(ステップ603)。これにより下記の制御動作を行う。 Next, the operation of the central controller 16 will be described with reference to FIG. Various kinds of predetermined set values (values derived from experimental results and experience values) are input to the central processing unit 16 by the operator (step 601). The central control device 16 accepts this input (step 602) and sets a set value for each control device (step 603). As a result, the following control operation is performed.
中央制御装置16は、材料溶液416および溶媒414の圧送量の制御を行うために、液体流量調節装置418a、418bに操作者から入力された流量を設定する信号を受け渡す(ステップ603−1)。中央制御装置16からの信号を受けた液体流量調節装置418a、418bは、材料溶液416および溶媒414をそれぞれ計量し、霧化ノズル408へ送液する(ステップ604)。 The central control device 16 delivers a signal for setting the flow rate input by the operator to the liquid flow rate adjustment devices 418a and 418b in order to control the pumping amount of the material solution 416 and the solvent 414 (step 603-1). . Receiving the signal from the central controller 16, the liquid flow rate adjusters 418a and 418b measure the material solution 416 and the solvent 414, respectively, and send them to the atomizing nozzle 408 (step 604).
また、中央制御装置16は、霧化支援ガスの供給量および温度を制御する。まず中央制御装置16は、気体流量調節装置405a、405cに操作者から受け付けた流量を設定する信号を送る(ステップ603−2)。この信号を受けた気体流量調節装置405a、405cは、霧化支援ガスを計量し、霧化支援ガス加熱器407へ送る(ステップ605)。中央制御装置16は、霧化支援ガス加熱器407に取り付けられた温度調節器18に、操作者から受け付けた温度を設定する信号を送る(ステップ603−3)。霧化支援ガス加熱器407は、設定された温度まで霧化支援ガスを加熱する(ステップ606)。温度調節器18は、加熱器606の温度を所定の設定温度(例えば300℃)にフィードバック制御する(ステップ607、608)。これにより、所定の温度まで加熱された霧化支援ガスを霧化ノズル408へ送ることができる。 The central control device 16 controls the supply amount and temperature of the atomization support gas. First, the central control device 16 sends a signal for setting the flow rate received from the operator to the gas flow rate adjustment devices 405a and 405c (step 603-2). The gas flow control devices 405a and 405c receiving this signal measure the atomization support gas and send it to the atomization support gas heater 407 (step 605). The central control device 16 sends a signal for setting the temperature received from the operator to the temperature adjuster 18 attached to the atomization assist gas heater 407 (step 603-3). The atomization assistance gas heater 407 heats the atomization assistance gas to the set temperature (step 606). The temperature controller 18 feedback-controls the temperature of the heater 606 to a predetermined set temperature (for example, 300 ° C.) (steps 607 and 608). Thereby, the atomization assistance gas heated to the predetermined temperature can be sent to the atomization nozzle 408.
上述の各ステップ604、605、606、607により、霧化ノズル408に供給される材料溶液416の流量および霧化支援ガスの温度および流量が制御される。霧化ノズル408からは、材料溶液416が吐出され、霧化支援ガスによってミスト化される(例えば、材料溶液ミスト粒径60μm)。中央制御装置16は、気化器409における材料溶液の完全気化のために、気化器409の外部ヒーター905の温度調節器906および内部ヒーター908の温度調節器909に、操作者から受け付けた設定温度(例えば300℃)を設定する(ステップ603−6)。温度調節器906、909は、気化器409の内部空間の温度を設定温度にフィードバック制御する(ステップ613、614)。気化器409の外部および内部ヒーター905、907は、気化器409の内部空間を設定温度まで加熱することにより、図4で説明したように材料溶液ミスト51を完全気化し、溶媒気体53と溶質気体54の混合ガスに変化させる(ステップ615)。 By the above steps 604, 605, 606, and 607, the flow rate of the material solution 416 supplied to the atomization nozzle 408 and the temperature and flow rate of the atomization support gas are controlled. The material solution 416 is discharged from the atomization nozzle 408 and is misted by the atomization support gas (for example, the material solution mist particle size is 60 μm). For complete vaporization of the material solution in the vaporizer 409, the central controller 16 sends the set temperature received from the operator to the temperature controller 906 of the external heater 905 and the temperature controller 909 of the internal heater 908 of the vaporizer 409. For example, 300 ° C. is set (step 603-6). The temperature controllers 906 and 909 feedback control the temperature of the internal space of the vaporizer 409 to the set temperature (steps 613 and 614). The external and internal heaters 905 and 907 of the vaporizer 409 completely evaporate the material solution mist 51 as described with reference to FIG. 4 by heating the internal space of the vaporizer 409 to the set temperature, and the solvent gas 53 and the solute gas. The mixed gas is changed to 54 (step 615).
一方、中央制御装置16は、材料ガス(酸素ガス)の流量および温度の制御を行うために、気体流量調節装置405bおよび405dに、操作者から受け付けた設定流量を設定する(ステップ603−4)。気体流量調節装置405bおよび405dは、材料ガスを計量し、材料ガス加熱器411へ送る(ステップ609)。また、中央制御装置16は、材料ガス加熱器411に接続された温度調節器19に、操作者から受け付けた設定温度を設定する(ステップ603−5)。材料ガス加熱器411は、材料ガスを加熱する(ステップ610)。このとき。材料ガス加熱器411の温度は、温度調節器19により所定の設定温度(例えば300℃)にフィードバック制御される(ステップ611、612)。設定温度は、気化器409で気化された材料溶液のガスの温度と同等以上とする。 On the other hand, in order to control the flow rate and temperature of the material gas (oxygen gas), the central control device 16 sets the set flow rate received from the operator in the gas flow rate adjustment devices 405b and 405d (step 603-4). . The gas flow control devices 405b and 405d measure the material gas and send it to the material gas heater 411 (step 609). Moreover, the central control apparatus 16 sets the preset temperature received from the operator to the temperature regulator 19 connected to the material gas heater 411 (step 603-5). The material gas heater 411 heats the material gas (step 610). At this time. The temperature of the material gas heater 411 is feedback-controlled by the temperature controller 19 to a predetermined set temperature (for example, 300 ° C.) (steps 611 and 612). The set temperature is equal to or higher than the temperature of the gas of the material solution vaporized by the vaporizer 409.
また、中央制御装置16は、反応容器420内の基板加熱器422の温度調節器20に、操作者から受け付けた設定温度を設定する(ステップ603−8)。温度調節器20は、基板加熱器422の温度を設定温度にフィードバック制御する(ステップ619、620)。 The central controller 16 sets the set temperature received from the operator in the temperature controller 20 of the substrate heater 422 in the reaction vessel 420 (step 603-8). The temperature controller 20 feedback-controls the temperature of the substrate heater 422 to the set temperature (steps 619 and 620).
さらに中央制御装置16は、反応容器420から気体流量調節装置405a〜405d後段までの各空間(反応容器420、気化器409、霧化支援ガス加熱器407、材料ガス加熱器411およびこれらの間の配管)の圧力をフィードバック制御する。すなわち、これらの各空間の圧力はバッファタンク429内の圧力と等しいため、反応容器420内の圧力を圧力センサ17により検出する(ステップ616)。中央制御装置16は、圧力調整器21に、操作者から受け付けた設定圧力を設定する(ステップ603−7)。圧力調整器21は、圧力センサー17の検出した圧力が設定圧力になるように圧力調整弁424をフィードバック制御する(ステップ617、618)。これにより、反応容器420、気化器409、霧化支援ガス加熱器407、材料ガス加熱器411等の空間の圧力を所定圧力に制御することができる。 Further, the central control device 16 includes each space (reaction vessel 420, vaporizer 409, atomization support gas heater 407, material gas heater 411, and the space between them from the reaction vessel 420 to the subsequent stage of the gas flow rate adjustment devices 405a to 405d. Feedback control of piping pressure. That is, since the pressure in each of these spaces is equal to the pressure in the buffer tank 429, the pressure in the reaction container 420 is detected by the pressure sensor 17 (step 616). The central controller 16 sets the set pressure received from the operator in the pressure regulator 21 (step 603-7). The pressure regulator 21 feedback-controls the pressure regulating valve 424 so that the pressure detected by the pressure sensor 17 becomes the set pressure (steps 617 and 618). Thereby, the pressure of the space of the reaction vessel 420, the vaporizer 409, the atomization assist gas heater 407, the material gas heater 411, and the like can be controlled to a predetermined pressure.
また、中央制御装置16は、材料溶液ガス導入管14を流れる材料溶液のガスの温度を所定の温度にフィードバック制御することにより保温している。 The central controller 16 keeps the temperature of the material solution gas flowing through the material solution gas introduction pipe 14 by feedback control of the temperature of the material solution gas to a predetermined temperature.
次に、本実施形態の液体ソースMOCVD装置を用いて成膜を行う方法をついて説明する。ここでは、一例としてZnO結晶膜を成膜する方法について説明する。 Next, a method for forming a film using the liquid source MOCVD apparatus of this embodiment will be described. Here, as an example, a method of forming a ZnO crystal film will be described.
材料溶液416の例としては、溶質として有機金属材料であるβジケトン系金属錯体であるビズ(6−エチル−2、2−ジメチル−3、5−デカンジオナト)亜鉛(以下、Zn(EDMDD)2)を用いる。また、材料溶液416の溶媒として、エチルシクロヘキサン(以下、ECH)を用いる。材料溶液416の濃度は例えば0.2mol/Lとする。また、溶媒容器415の溶媒もECHを用いる。 As an example of the material solution 416, bis (6-ethyl-2,2-dimethyl-3,5-decanedionato) zinc (hereinafter referred to as Zn (EDMDD) 2 ) which is a β-diketone metal complex which is an organometallic material as a solute. Is used. In addition, ethylcyclohexane (hereinafter, ECH) is used as a solvent for the material solution 416. The concentration of the material solution 416 is, for example, 0.2 mol / L. The solvent in the solvent container 415 also uses ECH.
この有機金属材料は、室温で液体なので溶媒の蒸発により固体が析出することが無い。また、溶媒と全域混合するので必要な濃度に調整することができる。また、材料溶液容器417の交換、液体流量調節装置418aの交換、送液管419のメンテナンス、霧化ノズル408の洗浄作業などの際に、残留した材料溶液416を溶媒414を供給して容易に洗浄除去できる。 Since this organometallic material is liquid at room temperature, no solid is precipitated by evaporation of the solvent. Moreover, since it mixes with a solvent whole area, it can adjust to a required density | concentration. Further, when the material solution container 417 is replaced, the liquid flow rate adjusting device 418a is replaced, the liquid feeding pipe 419 is maintained, the atomizing nozzle 408 is cleaned, the remaining material solution 416 is easily supplied with the solvent 414. Can be removed by washing.
他の溶質の例としては、同じβジケトン系の、Mt(THD)n(THD:テトラメチルヘプタンジオナト、Mt:金属、Ba、Pb、Sr、La、Zn)、Mt(METHD)n(METHD:メトキシエトキシテトラメチルヘプタンジオナト、Mt:金属、Ba、Pb、Sr、Ru、Zr)、Mt(OD)n(OD:オクタジオナト、Mt:金属、Zn、Ru)、およびMt(EDMDD)n(EDMDD:エチルジメチルデカンジオナト、Mt:金属、Cu、Zn、Mg、La、Pr、Nd、Tm、Dy、Er、Ho、Tb、Yb、Ga)などから選択することが可能である。 Examples of other solutes include Mt (THD) n (THD: tetramethylheptanedionate, Mt: metal, Ba, Pb, Sr, La, Zn), Mt (METHD) n (METHD) of the same β-diketone type. : Methoxyethoxytetramethylheptanedionate, Mt: metal, Ba, Pb, Sr, Ru, Zr), Mt (OD) n (OD: octadionato, Mt: metal, Zn, Ru), and Mt (EDMDD) n ( EMDDD: ethyldimethyldecanedionate, Mt: metal, Cu, Zn, Mg, La, Pr, Nd, Tm, Dy, Er, Ho, Tb, Yb, Ga) and the like can be selected.
また、Zn(DPM)2 (DPM:ジピバロイルメタナト)をはじめとする固体材料を溶質として使用することが可能である。また、前記以外の材料も可能であるが、溶媒と反応せず、分離、沈殿しない溶媒との組み合わせとなるように考慮する必要がある。 Moreover, it is possible to use a solid material including Zn (DPM) 2 (DPM: dipivaloylmethanato) as a solute. Although materials other than those described above are possible, it is necessary to consider such a combination with a solvent that does not react with the solvent and does not separate or precipitate.
材料溶液の溶媒として用いるエチルシクロヘキサン(ECH)は、無極性環状飽和炭化水素系の溶媒であり、溶質のZn(EDMDD)2とは室温で相互反応しない。またECHの蒸気圧は、20℃で約1.3kPaと比較的高く、本発明の材料溶液の霧化・気化を安定させる操作に適している。同様な溶媒として、酢酸ブチル、i−ブチルアルコール、トルエンなどを好適に使用することができる。また、さらに蒸気圧の高い材料としては、テトラヒドロフラン(以下、THF)、ヘキサンなどを用いることができる。これらは、成膜条件を考慮して適切に選択することができる。 Ethylcyclohexane (ECH) used as a solvent for the material solution is a nonpolar cyclic saturated hydrocarbon solvent and does not interact with the solute Zn (EDMDD) 2 at room temperature. Further, the vapor pressure of ECH is relatively high at about 1.3 kPa at 20 ° C., which is suitable for the operation for stabilizing the atomization / vaporization of the material solution of the present invention. As a similar solvent, butyl acetate, i-butyl alcohol, toluene and the like can be preferably used. Further, as a material having a higher vapor pressure, tetrahydrofuran (hereinafter referred to as THF), hexane, or the like can be used. These can be appropriately selected in consideration of the film forming conditions.
材料溶液容器417に供給する材料溶液加圧用ガスとしては、ヘリウム(以下、He)ガスを用いることができる。例えば、200kPaで材料溶液416の液面を加圧し、液体流量調節装置418aによって流量を1.0sccmに調整し、送液管419を通して霧化ノズル408へ送る。 As the material solution pressurizing gas supplied to the material solution container 417, helium (hereinafter referred to as He) gas can be used. For example, the liquid surface of the material solution 416 is pressurized at 200 kPa, the flow rate is adjusted to 1.0 sccm by the liquid flow rate adjusting device 418 a, and sent to the atomizing nozzle 408 through the liquid feeding tube 419.
Heガスは液体への溶解度が低いという利点があり、圧送圧力を高くしても減圧時に気泡を発生しにくい。但し、窒素ガス(N2)、アルゴンガス(Ar)などでも、送圧が400kPa以下ならば、材料溶液に溶解する量はわずかであるため、液体流量調節装置418a後の減圧下でも材料溶液416の中で気泡を発することは無いので問題無く使用することができる。 He gas has an advantage of low solubility in a liquid, and even when the pumping pressure is increased, bubbles are not easily generated during decompression. However, even in the case of nitrogen gas (N 2 ), argon gas (Ar), etc., if the feed pressure is 400 kPa or less, the amount dissolved in the material solution is small, and therefore the material solution 416 even under reduced pressure after the liquid flow rate control device 418a. Since no bubbles are generated in the inside, it can be used without any problem.
材料溶液容器417から霧化ノズル408までの間は、本実施形態では材料溶液容器417および送液管419の加熱は行っていない。ただし、材料溶液416の濃度が濃く、材料溶液の粘度が高い場合には、加熱して粘度を下げると安定供給できる。但し、溶媒が配管内で気化または突沸しない温度に設定する。 In the present embodiment, the material solution container 417 and the liquid feeding pipe 419 are not heated between the material solution container 417 and the atomization nozzle 408. However, when the concentration of the material solution 416 is high and the viscosity of the material solution is high, stable supply can be achieved by heating to lower the viscosity. However, the temperature is set so that the solvent does not vaporize or bump in the pipe.
一方、霧化支援ガスは、霧化ノズル408に供給する前に、気体流量調節装置405aにて流量を調整する。さらに、霧化支援ガス送気管406を通じて霧化支援ガス加熱器407へ送り、適切な温度まで加熱した後、霧化ノズル408へ供給する。 On the other hand, before the atomization support gas is supplied to the atomization nozzle 408, the flow rate is adjusted by the gas flow rate adjusting device 405a. Further, it is sent to the atomization support gas heater 407 through the atomization support gas air supply pipe 406, heated to an appropriate temperature, and then supplied to the atomization nozzle 408.
霧化支援ガスとしては、例えば窒素ガスを用い、気体流量調節装置405aで流量250sccmに調整する。霧化支援ガス加熱器407の温度設定は、例えば、気化器409内の圧力2.0kPaにおいて霧化ノズル408からの噴出し温度が250℃となるように設定する。 As the atomization support gas, for example, nitrogen gas is used, and the flow rate is adjusted to 250 sccm by the gas flow rate adjusting device 405a. The temperature setting of the atomization assist gas heater 407 is set so that, for example, the ejection temperature from the atomization nozzle 408 is 250 ° C. at a pressure of 2.0 kPa in the vaporizer 409.
霧化支援ガスは、気体流量調節装置405a通過後、断熱膨張によりガス温度が低下する。また、気化器409内で材料溶液416の霧化の際に、気化熱でミストおよび気体の温度が低下する。そこで、断熱膨張による温度低下を補い、かつ、気化器409における気化を促進する温度まで加温するため、あらかじめ所定の温度まで霧化支援ガス加熱器407で加熱する。このように霧化支援ガスを加温することで、霧化ノズル408から気化器409へ噴霧された直後より、材料溶液ミスト51は加熱され溶媒の気化が促進する。そして溶質ミスト52の生成が速くなると同時に溶質ミスト52の気化も促進され、短時間での材料溶液の気化が可能となる。よって気化効率を向上させることができる。 The atomization assisting gas has its gas temperature lowered by adiabatic expansion after passing through the gas flow control device 405a. In addition, when the material solution 416 is atomized in the vaporizer 409, the temperature of the mist and gas is reduced by the heat of vaporization. Therefore, in order to compensate for the temperature decrease due to adiabatic expansion and to warm to a temperature that promotes vaporization in the vaporizer 409, the atomization support gas heater 407 is heated to a predetermined temperature in advance. By heating the atomization support gas in this manner, the material solution mist 51 is heated immediately after being sprayed from the atomization nozzle 408 to the vaporizer 409, and the vaporization of the solvent is promoted. And the production | generation of the solute mist 52 becomes quick, and vaporization of the solute mist 52 is also accelerated | stimulated, and vaporization of the material solution in a short time is attained. Therefore, vaporization efficiency can be improved.
ただし、霧化支援ガスの温度は、気化器409内の温度が、溶質(例えばZn(EDMDD)2)の熱分解温度より常に低くなる様に設定する必要がある。気化器409内の温度は、霧化支援ガスの温度のみならず、外部および内部ヒータ905,908の設定温度との関係によって決まるため、中央制御装置16により制御する。 However, the temperature of the atomization assisting gas needs to be set so that the temperature in the vaporizer 409 is always lower than the thermal decomposition temperature of the solute (for example, Zn (EDMDD) 2 ). The temperature in the vaporizer 409 is controlled not only by the temperature of the atomization assist gas but also by the relationship with the set temperatures of the external and internal heaters 905 and 908, and thus is controlled by the central controller 16.
気体流量調節装置405cに所定流量を設定することにより、霧化支援ガスに材料ガスである酸素ガスを混合することも可能である。材料溶液である有機金属化合物材料および有機溶媒は、酸素により酸化されることで低分子化またはクラッキングを生じるものがある。このため、霧化支援ガスに予め酸素ガスを混合することで、基板421上でのZn元素と酸素の結合を容易になることがあるからである。ここでいうクラッキングとは、酸化反応による低分子化と、前記反応により発生したラジカルや中間体等が溶媒分子に衝突し、溶媒分子の結合の一部を切断することを言う。 By setting a predetermined flow rate in the gas flow rate adjusting device 405c, it is also possible to mix oxygen gas, which is a material gas, with the atomization support gas. Some organic metal compound materials and organic solvents that are material solutions are oxidized or oxidized to cause molecular weight reduction or cracking. For this reason, it is because it may become easy to combine Zn element and oxygen on the substrate 421 by previously mixing oxygen gas with the atomization assist gas. The term “cracking” as used herein means that the molecular weight is reduced by an oxidation reaction, and radicals or intermediates generated by the reaction collide with solvent molecules to cut off some of the solvent molecule bonds.
霧化支援ガスは、窒素(N2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、水素(H2)などの不活性ガスを好適に用いることができる。これらを二つ以上混合したガスでも良い。 As the atomization assisting gas, an inert gas such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), hydrogen (H 2 ), or the like can be preferably used. A gas in which two or more of these are mixed may be used.
また、材料ガスは、酸素(O2)、水蒸気(H2O)、亜酸化窒素(N2O)、亜硝酸ガス(NO2)などの酸素を含むガスを好適に用いることができる。これらを二つ以上混合したガスでも良い。 As the material gas, a gas containing oxygen such as oxygen (O 2 ), water vapor (H 2 O), nitrous oxide (N 2 O), and nitrous acid gas (NO 2 ) can be preferably used. A gas in which two or more of these are mixed may be used.
材料溶液は、図4を用いて説明したように霧化ノズルで微粒子液滴(ミスト)にされる。霧化ノズル408の形状は上述した図3の構造であるため、圧送されてきた材料溶液は、加熱された霧化支援ガスと、霧化ノズル先端で合流する。ノズル408の形状の作用により霧化支援ガスは噴出されると角度θで広がりながら旋回する渦流となる。これに巻き込まれることにより材料溶液416は細かく均一な液滴(ミスト)になり、気化器409内に噴霧される。 As described with reference to FIG. 4, the material solution is made into fine particle droplets (mist) by the atomizing nozzle. Since the shape of the atomizing nozzle 408 is the structure of FIG. 3 described above, the material solution that has been pumped joins the heated atomization assisting gas at the tip of the atomizing nozzle. When the atomization assisting gas is ejected by the action of the shape of the nozzle 408, it becomes a swirling current swirling while spreading at an angle θ. By being entrained in this, the material solution 416 becomes fine and uniform droplets (mist) and is sprayed into the vaporizer 409.
霧化ノズル408は、例えば、液体流量0.05〜1.00ml/min、液体粘性10cP(センチポアズ)以下、霧化支援ガス容積15000〜20000ml/min、2次側圧力(気化器409圧力)〜20kPaという条件において、液体粒径60μm以下のミストを発生する性能のものを用いる。この霧化ノズル408は、2次側圧力が0.1kPaの場合、霧化支援ガスは15〜20ml/min(標準状態)、1kPaの場合、150〜200ml/min(標準状態)、10kPaの場合、1500〜2000ml/min(標準状態)が必要となる。なお、2次側圧力が20kPa以上では、液体粒径は大きくなるので、それに合わせて気化器容積を大きくすればよい。 The atomization nozzle 408 has, for example, a liquid flow rate of 0.05 to 1.00 ml / min, a liquid viscosity of 10 cP (centipoise) or less, an atomization assist gas volume of 15000 to 20000 ml / min, and a secondary pressure (vaporizer 409 pressure). Under the condition of 20 kPa, a material having a capability of generating mist having a liquid particle size of 60 μm or less is used. When the secondary pressure is 0.1 kPa, the atomization support gas is 15-20 ml / min (standard state), 1 kPa, 150-200 ml / min (standard state), 10 kPa. , 1500-2000 ml / min (standard state) is required. Note that when the secondary pressure is 20 kPa or more, the liquid particle size increases, and accordingly, the vaporizer volume may be increased accordingly.
また、霧化後の液体粒径(ミスト径)は、液体流量、液体粘度、霧化支援ガス流量、2次圧、温度等で変化するが、これらの条件が一定なら粒径も一定になる。 In addition, the liquid particle diameter (mist diameter) after atomization varies depending on the liquid flow rate, liquid viscosity, atomization assisting gas flow rate, secondary pressure, temperature, etc. If these conditions are constant, the particle diameter is also constant. .
図3の構造の霧化ノズル408は、中心部から材料溶液416が吐出され、その外周部から霧化支援ガスが噴出し、ミスト化する構造である。この構造により霧化ノズル先端部は、常に洗浄されるため、溶質成分が析出、堆積することはない。なお、霧化ノズル408の中心部から霧化支援ガスを噴出させ、外周部から材料溶液416を吐出させることも可能であるが、材料溶液416がノズル先端部に溜まり、溶質成分が析出、堆積する可能性がある。 The atomizing nozzle 408 having the structure shown in FIG. 3 has a structure in which the material solution 416 is discharged from the central portion, and the atomization assisting gas is ejected from the outer peripheral portion to be misted. Since the tip of the atomizing nozzle is always cleaned by this structure, no solute component is deposited or deposited. It is also possible to eject the atomization assisting gas from the central portion of the atomizing nozzle 408 and discharge the material solution 416 from the outer peripheral portion. However, the material solution 416 accumulates at the tip of the nozzle, and solute components are deposited and deposited. there's a possibility that.
気化器409内の材料溶液416のミスト51は、図4を用いて説明したように、気化器409内で加熱されることによりミスト51表面から(蒸気圧の高い)溶媒が優先的に気化して溶媒気体53となり、材料溶質成分が濃縮されたさらに粒径の小さいミスト(溶質ミスト52)になる。更に、微粒子化した溶質ミスト52表面より有機金属材料成分が気化して溶質気体54となることにより、溶質ミスト52は消滅する。これにより、材料溶液416は全てガス化する。 As described with reference to FIG. 4, the mist 51 of the material solution 416 in the vaporizer 409 is preferentially vaporized from the surface of the mist 51 (high vapor pressure) by being heated in the vaporizer 409. Thus, the solvent gas 53 becomes a mist (solute mist 52) having a smaller particle diameter in which the material solute components are concentrated. Further, the organic metal material component is vaporized from the surface of the finely divided solute mist 52 to become a solute gas 54, whereby the solute mist 52 disappears. Thereby, all the material solution 416 is gasified.
気化器409内においては、蒸気圧の高い溶媒成分が優先的に材料溶液ミスト51から気化する。従って材料溶液ミスト51は気化器409上部から下部に移動するに従い、溶質成分の濃度が高く、粒径の小さい溶質ミスト52へと変化する。この作用により、材料溶液ミスト51よりも溶質ミスト52の方が比表面積(=表面積/体積)は大きくなるため、溶質(亜鉛有機金属材料)の気化が促進される。 In the vaporizer 409, the solvent component having a high vapor pressure is preferentially vaporized from the material solution mist 51. Therefore, as the material solution mist 51 moves from the upper part of the vaporizer 409 to the lower part, the material solution mist 51 changes to a solute mist 52 having a high concentration of solute components and a small particle diameter. By this action, the specific surface area (= surface area / volume) of the solute mist 52 is larger than that of the material solution mist 51, so that the vaporization of the solute (zinc organometallic material) is promoted.
材料溶液ミスト51の粒径を例えば、最大で60μmとすれば、その表面積、体積および比表面積は表1のようになる。また、溶質ミスト52についても表1のように見積もることができる。なお、濃度0.01mol/L、0.2mol/Lおよび1.2mol/Lである材料溶液416の25℃における液体粘性はそれぞれ0.8cP、1.0cPおよび8.0cP程度であるため、本実施形態の霧化ノズル408により噴霧、霧化が可能である。本発明では、粒径60μmの材料溶液ミスト51は気化が可能である。このとき、溶媒の気化から溶質ミスト52に変化させた後、溶質を気化させる二段階気化とし、材料溶液ミスト51の比表面積に対して、溶質ミスト52の比表面積が2倍前後以上あると、溶質ミスト52の気化が効果的に進むため好ましい。
以上の過程により、気化器409においてガス化した材料溶液416(材料溶液ガス)は、霧化支援ガスとともに、反応容器420へ供給される。なお、気化器409から反応容器420までの区間は、気化した材料溶液416が再凝集(析出)しないように加熱することが望ましい。 Through the above process, the material solution 416 (material solution gas) gasified in the vaporizer 409 is supplied to the reaction vessel 420 together with the atomization assist gas. Note that it is desirable to heat the section from the vaporizer 409 to the reaction vessel 420 so that the vaporized material solution 416 does not re-aggregate (precipitate).
なお、材料溶液ミスト51の粒径を小さく均一にすることで、溶媒蒸発面積が広くなり早く溶媒を気化させることができる。また、気化時間(気化器409内の距離)を一定化させることができる。また溶媒気化後の溶質気化についても同様である。よって、材料溶液ミスト51の径が小さくなるように霧化ノズル408および材料溶液や霧化支援ガスの供給条件等を設定することが望ましい。 In addition, by making the particle diameter of the material solution mist 51 small and uniform, the solvent evaporation area becomes wide and the solvent can be vaporized quickly. Further, the vaporization time (distance in the vaporizer 409) can be made constant. The same applies to solute vaporization after solvent vaporization. Therefore, it is desirable to set the atomization nozzle 408 and the supply conditions of the material solution and the atomization assisting gas so that the diameter of the material solution mist 51 becomes small.
気化器409としては、直径10cm、長さ65cmのサイズで、内部気化用ヒーター908を設置し、フィン907を備え、さらに保温用の外部ヒーター905を備えた構造とした。また、ヒーター908,905は、接ガス部の温度が300℃、気化した材料溶液ガスおよび霧化支援ガスが開口60を通過する際のガス温度が250℃になるように中央制御装置16で設定した。これにより、気化器409内のミストおよびガスの温度を有機金属材料(溶質)の熱分解温度以下にできるため、材料の熱変質を防止できる。 The vaporizer 409 has a structure with a diameter of 10 cm and a length of 65 cm, an internal vaporization heater 908, a fin 907, and an external heater 905 for heat insulation. The heaters 908 and 905 are set by the central controller 16 so that the temperature of the gas contact part is 300 ° C., and the gas temperature when the vaporized material solution gas and the atomization assist gas pass through the opening 60 is 250 ° C. did. Thereby, the temperature of the mist and gas in the vaporizer 409 can be made equal to or lower than the thermal decomposition temperature of the organometallic material (solute), so that thermal alteration of the material can be prevented.
気化器409の内圧は、溶媒を気化させるために、気化器409内の温度における溶媒蒸気圧よりも低くなるように設定する必要がある。 The internal pressure of the vaporizer 409 needs to be set to be lower than the solvent vapor pressure at the temperature in the vaporizer 409 in order to vaporize the solvent.
同時に、気化器409内の空間は、材料溶液416の蒸気(溶媒気体53および溶質気体54)が飽和蒸気圧に達しないように、材料溶液供給量および霧化支援ガス流量と、および気化器内圧力および気化器温度を設定することが望ましい。例えば、材料溶液416を1.0sccm供給した場合、溶質のZn(EDMDD)2のモル流量は、2×10−4mol/minである。この状態で霧化支援ガス供給量を250sccm、気化器内圧力2.0kPa、温度250℃に設定すると、気化器409内の流量は約24.3L/minとなる。よって材料濃度は8.2×10−6mol/Lとなり、250℃におけるZn(EDMDD)2の理論溶解度(以下、溶存濃度)は4.9×10−4mol/Lであるから、飽和率は0.017(1.7%)であり、1よりも小さい。飽和率を1以下に保つことにより、材料溶液416を気化しやすい状態に維持することができる。飽和率の演算方法については、後で詳しく説明する。 At the same time, the space in the vaporizer 409 includes the material solution supply amount and the atomization assist gas flow rate, and the vaporizer inside the vaporizer so that the vapor (solvent gas 53 and solute gas 54) of the material solution 416 does not reach the saturated vapor pressure. It is desirable to set the pressure and vaporizer temperature. For example, when the material solution 416 is supplied at 1.0 sccm, the molar flow rate of the solute Zn (EDMDD) 2 is 2 × 10 −4 mol / min. In this state, when the atomization assist gas supply amount is set to 250 sccm, the vaporizer pressure 2.0 kPa, and the temperature 250 ° C., the flow rate in the vaporizer 409 is about 24.3 L / min. Therefore, the material concentration is 8.2 × 10 −6 mol / L, and the theoretical solubility (hereinafter, dissolved concentration) of Zn (EDMDD) 2 at 250 ° C. is 4.9 × 10 −4 mol / L. Is 0.017 (1.7%), which is smaller than 1. By maintaining the saturation rate at 1 or less, the material solution 416 can be maintained in a state where it is easily vaporized. A method for calculating the saturation rate will be described in detail later.
材料ガスは、気体流量調節装置405dにて流量を調整した後、材料ガス送気管410を通じて材料ガス加熱器411へ送気する。材料ガスは、気体流量調整装置405dの後段で断熱膨張するため、温度が低下する。また気化器409から供給される材料溶液416のガスと混合される際に材料溶液416のガスの温度を低下させ、再凝集を生じさせないために、同温にすることが望ましい。本実施形態では、材料ガス加熱器411で加熱することにより、材料溶液416のガスと同じ温度にすることができる。加熱された材料ガスは、材料ガス誘導管412を経て反応容器420手前で、材料溶液416のガスおよび霧化支援ガスの混合ガスと合流し、反応容器420へ供給される。 The material gas is supplied to the material gas heater 411 through the material gas supply pipe 410 after the flow rate is adjusted by the gas flow rate adjusting device 405d. Since the material gas is adiabatically expanded after the gas flow rate adjusting device 405d, the temperature is lowered. Further, it is desirable to keep the temperature of the material solution 416 at the same temperature in order to lower the temperature of the material solution 416 when it is mixed with the gas of the material solution 416 supplied from the vaporizer 409 and to prevent reaggregation. In this embodiment, the same temperature as the gas of the material solution 416 can be obtained by heating with the material gas heater 411. The heated material gas is combined with the gas mixture of the material solution 416 and the atomization assist gas through the material gas induction pipe 412 and before the reaction vessel 420, and is supplied to the reaction vessel 420.
材料ガスは、例えば酸素ガスを用いる場合、流量を2.0SLMに設定する。材料ガス加熱器411の噴出し部の温度は、気化器409より送気されてくる霧化支援ガスおよび材料溶液ガスと同じ温度、例えば250℃に設定する。 For example, when oxygen gas is used as the material gas, the flow rate is set to 2.0 SLM. The temperature of the ejection part of the material gas heater 411 is set to the same temperature as the atomization support gas and material solution gas sent from the vaporizer 409, for example, 250 ° C.
本実施形態では、材料ガスを気化器409よりも反応容器420寄りで材料溶液416のガスおよび霧化支援ガスと合流する構造としているため、材料ガスの流量を増減した場合でも、気化器409を流れるガス流量・温度を一定に保つことが出来る。したがって、材料ガスの増減にかかわらず、気化器409内の蒸気圧を飽和蒸気圧以下に容易に維持することができるため、気化器409における完全気化を維持することができる。 In the present embodiment, since the material gas is configured to merge with the gas of the material solution 416 and the atomization support gas closer to the reaction vessel 420 than the vaporizer 409, the vaporizer 409 is disposed even when the flow rate of the material gas is increased or decreased. The flowing gas flow and temperature can be kept constant. Therefore, the vapor pressure in the vaporizer 409 can be easily maintained below the saturated vapor pressure regardless of the increase or decrease in the material gas, so that complete vaporization in the vaporizer 409 can be maintained.
材料ガスには、窒素ガスなどの不活性ガスを混合することも可能である。不活性ガスの流量は、気体流量調節装置405bにより設定する。これにより、反応容器420に流れ込むガス流量を一定にすることが可能である。この場合、反応容器420に流れる不活性ガス流量を、
不活性ガス流量=(反応容器420に流れ込むガス流量)―(霧化支援ガス流量+材料溶液ガス流量+材料ガス流量)
に設定する。また、反応容器420に流れ込むガス流量を増減したい場合は、不活性ガス流量を増減させることで、材料ガスの量を増減させることなく実現できる。
The material gas can be mixed with an inert gas such as nitrogen gas. The flow rate of the inert gas is set by the gas flow rate adjusting device 405b. Thereby, the gas flow rate flowing into the reaction vessel 420 can be made constant. In this case, the flow rate of the inert gas flowing through the reaction vessel 420 is
Inert gas flow rate = (gas flow rate flowing into reaction vessel 420)-(atomization support gas flow rate + material solution gas flow rate + material gas flow rate)
Set to. Further, when it is desired to increase or decrease the flow rate of gas flowing into the reaction vessel 420, it can be realized without increasing or decreasing the amount of material gas by increasing or decreasing the inert gas flow rate.
なお、材料ガスは、気化器409の前段から導入することも可能であるし、気化器409の前段および後段の両方からの導入も可能である。材料ガスとして酸素ガス(あるいは酸化剤とし用いるその他のガス)を用いる場合は、材料溶液の種類が酸化による劣化を生じさせない種類であることや、気化器409の温度が材料溶液の酸化による劣化を生じさせない温度であることをあらかじめ検討することが望ましい。 The material gas can be introduced from the front stage of the vaporizer 409 or can be introduced from both the front stage and the rear stage of the vaporizer 409. When oxygen gas (or other gas used as an oxidizing agent) is used as the material gas, the material solution is of a type that does not cause deterioration due to oxidation, and the temperature of the vaporizer 409 is deteriorated due to oxidation of the material solution. It is desirable to consider in advance that the temperature does not occur.
反応容器420のサセプター428には、基板421をセットする。例えば基板421として、C面サファイア基板を用いる。その後必要に応じて、基板加熱器422にて基板421を加熱する。霧化支援ガスとして気体流量調整装置405aより所定流量の例えば窒素ガス、材料溶液416として例えばZn(EDMDD)2のECH溶液を液体流量調整装置418aより所定流量で供給し、気化器409で霧化後完全に気化し、反応容器420へ供給する。反応容器420の手前で、材料溶液416のガスに所定流量および温度の材料ガス(例えば酸素)を混合する。これにより、基板421上に所定時間、例えば60分間結晶成長させ、厚み1.0μmのZnO単結晶を得ることができる。 A substrate 421 is set on the susceptor 428 of the reaction vessel 420. For example, a C-plane sapphire substrate is used as the substrate 421. Thereafter, the substrate 421 is heated by the substrate heater 422 as necessary. For example, nitrogen gas at a predetermined flow rate is supplied from the gas flow rate adjustment device 405a as the atomization support gas, and an ECH solution of Zn (EDMDD) 2 , for example, as the material solution 416 is supplied from the liquid flow rate adjustment device 418a at a predetermined flow rate and atomized by the vaporizer 409. After that, it is completely vaporized and supplied to the reaction vessel 420. A material gas (for example, oxygen) having a predetermined flow rate and temperature is mixed with the gas of the material solution 416 before the reaction vessel 420. Thereby, the crystal is grown on the substrate 421 for a predetermined time, for example, 60 minutes, and a ZnO single crystal having a thickness of 1.0 μm can be obtained.
本実施形態では、気化器409において材料溶液を完全気化して、安定して反応容器420に供給することができるため、均一で均質さらに不純物を取り込まない良好なZnO単結晶膜が得られる。 In this embodiment, since the material solution can be completely vaporized in the vaporizer 409 and stably supplied to the reaction vessel 420, a uniform ZnO single crystal film that is uniform and homogeneous and does not take in impurities can be obtained.
また、本実施形態では、材料溶液容器417から霧化ノズル408の先端までの送液管419内に気泡を“入れない”また“発生させない”で供給することができる。送液管419内に気泡が存在すると、気化器409における霧化・気化が不安定になり、基板への材料溶液ガスの供給が断続的になり、材料溶液ガスの濃度が変動する、溶液ミスト粒径の分布が広くなり(気化しきれない大きな粒径のミストが混ざる)気化したガス中にミストが混入するなどの問題を起こすが、本実施形態ではこれを防ぐことができる。 Further, in the present embodiment, bubbles can be supplied without “entering” or “not generating” bubbles in the liquid feeding pipe 419 from the material solution container 417 to the tip of the atomizing nozzle 408. When bubbles are present in the liquid feeding pipe 419, the atomization / vaporization in the vaporizer 409 becomes unstable, the supply of the material solution gas to the substrate becomes intermittent, and the concentration of the material solution gas fluctuates. The particle size distribution becomes wider (mixed with mist having a large particle size that cannot be vaporized), which causes problems such as mixing of mist into the vaporized gas, but this embodiment can prevent this.
本実施形態では送液管419内に気泡を“発生させない”ために、送液管419内の圧力を所定値に設定する。すなわち、送液管419内の圧力を溶媒の蒸気圧よりも大きく設定する下記(式1)の関係を維持することにより、材料溶液416溶媒が揮発しガス化して気泡となるのを抑制する。具体的には、送液管419内の圧力は、気化器420内の圧力に等しいため、中央制御装置16が圧力調節器21を介して圧力調整弁424を制御することにより設定することができる。ただし、霧化ノズル408先端の吸出し効果は無視できるものとする。
(溶媒の蒸気圧P)<(送液管内の圧力) ・・・(式1)
P(mmHg)=10^[A−B/(T+C)] ・・・(式2:アントワン式)
P(mmHg):圧力
T(℃):液温
A:材料固有の定数
B:材料固有の定数
C:材料固有の定数
ただし、式2において、溶質によるモル沸点上昇は無視できるものとし、溶媒の蒸気圧は溶媒の種類、温度で決まるものと仮定している。
In the present embodiment, the pressure in the liquid supply pipe 419 is set to a predetermined value in order to “not generate” bubbles in the liquid supply pipe 419. That is, by maintaining the relationship of the following (formula 1) in which the pressure in the liquid feeding pipe 419 is set to be larger than the vapor pressure of the solvent, the material solution 416 is prevented from evaporating and gasifying into bubbles. Specifically, since the pressure in the liquid supply pipe 419 is equal to the pressure in the vaporizer 420, the pressure can be set by the central controller 16 controlling the pressure adjustment valve 424 via the pressure regulator 21. . However, the suction effect at the tip of the atomizing nozzle 408 can be ignored.
(Vapor pressure P of solvent) <(pressure in liquid feeding pipe) (Equation 1)
P (mmHg) = 10 ^ [AB / (T + C)] (Formula 2: Antoine formula)
P (mmHg): Pressure T (° C.): Liquid temperature A: Material-specific constant B: Material-specific constant C: Material-specific constant However, in Formula 2, the increase in molar boiling point due to the solute is negligible. It is assumed that the vapor pressure is determined by the solvent type and temperature.
また、本実施形態では、材料溶液416に気泡を“入れない”で、連続的に霧化ノズル408から噴出する構成とすることにより、材料溶液416を微細かつ一定粒径の材料溶液ミストにし、連続して気化器に噴霧することを可能にしている。本実施形態の霧化ノズル408の構成は、図3を用いてすでに説明したように、ノズル中央部の穴より材料溶液416を放出し、その穴を囲むように周囲に設けられた穴より霧化支援ガスを渦流化して放出する。そして支援ガスの渦流により材料溶液416は、微細な粒径の液状粒子(材料溶液のミスト51(図4参照))になる。 Further, in the present embodiment, the material solution 416 is made into a material solution mist having a fine and constant particle size by continuously ejecting from the atomizing nozzle 408 without “bubbles” in the material solution 416, It makes it possible to spray the vaporizer continuously. The configuration of the atomizing nozzle 408 of the present embodiment is as described above with reference to FIG. 3. The material solution 416 is discharged from the hole at the center of the nozzle, and the fog is formed from the hole provided around the hole so as to surround the hole. The gas for gasification is swirled and released. The material solution 416 becomes liquid particles (material solution mist 51 (see FIG. 4)) having a fine particle diameter by the vortex of the support gas.
このように図3の構造の霧化ノズル408を用いることで、材料溶液416に気泡が混ざることがなく、ノズル先端まで送液することができる。更には、霧化支援ガスが材料溶液放出口周囲に流れており放出口周囲に液溜ができることを防止することができる。 As described above, by using the atomizing nozzle 408 having the structure shown in FIG. 3, the material solution 416 is not mixed with bubbles and can be fed to the tip of the nozzle. Furthermore, it is possible to prevent the atomization assisting gas from flowing around the material solution discharge port and liquid from being formed around the discharge port.
ここで、霧化ノズルの比較例として、図7の霧化ノズルについて説明する。図7の霧化ノズルは、材料溶液と霧化支援ガスとを噴出前に合流させる構造である。この構造においては、霧化支援ガスの送気圧で材料溶液が液状微粒子になる。このタイプの霧化ノズルは、材料溶液内に霧化支援ガスの気泡が混入するため、ノズル先端からの噴霧が断続的となり、霧化粒径分布が広くなる。さらに、ノズル先端部において材料溶液成分が付着し液溜ができやすい。液溜の発生は、材料溶液供給量のズレを起すのと同時に、突発的にミストに液溜めの液滴が混入するため供給流量のズレを起す。更に、液溜めが残存ミストの原因になる。材料溶液ミストの粒径分布が大きいことは、気化器内で全ての材料溶液ミストを気化しきれないため、ミストが基板上へ飛散、付着し、異常成長や欠陥の要因となる。 Here, the atomizing nozzle of FIG. 7 will be described as a comparative example of the atomizing nozzle. The atomization nozzle of FIG. 7 has a structure in which the material solution and the atomization assisting gas are merged before jetting. In this structure, the material solution becomes liquid fine particles by the supply pressure of the atomization assisting gas. In this type of atomizing nozzle, since the bubbles of the atomization assisting gas are mixed in the material solution, spraying from the nozzle tip becomes intermittent, and the atomized particle size distribution becomes wide. Furthermore, the material solution component adheres at the nozzle tip and the liquid can easily be accumulated. The generation of the liquid reservoir causes a deviation of the supply amount of the material solution, and at the same time, the liquid droplet of the liquid reservoir suddenly enters the mist, causing a deviation of the supply flow rate. Furthermore, the liquid reservoir causes residual mist. When the particle size distribution of the material solution mist is large, not all the material solution mists can be vaporized in the vaporizer, so that the mists are scattered and adhered onto the substrate, causing abnormal growth and defects.
ここで、上述した気化器409内の材料溶液416の蒸気の飽和率の演算方法についてさらに説明する。液体が気化するためは、液体量に見合う空間(容積)が必要である、また空間に存在(溶存)できる蒸気量(濃度または分圧)は系の温度で決まる。即ち、材料溶液を完全気化させるには、単純に霧化支援ガスの流量(容積)が材料溶液の気化に必要な空間を上回る必要がある。簡単に言えば材料溶液の飽和率が1.0以下である必要がある。 Here, the calculation method of the vapor saturation rate of the material solution 416 in the vaporizer 409 will be further described. In order for the liquid to vaporize, a space (volume) corresponding to the amount of liquid is required, and the amount of vapor (concentration or partial pressure) that can exist (dissolve) in the space is determined by the temperature of the system. That is, in order to completely vaporize the material solution, the flow rate (volume) of the atomization support gas simply needs to exceed the space necessary for vaporizing the material solution. In short, the saturation rate of the material solution needs to be 1.0 or less.
溶質である有機金属材料の飽和率は、簡便に以下の要領で計算することができる。まず、供給溶質量が気化可能・不可能は別にして、モル濃度を求める。気化器内の霧化支援ガスの圧力・温度は気化器内の値と同じとして、下記の式3、式4で求める。
(Pst・Fst)/Tst=(Pvp・Fvp)/Tvp ・・・(式3)
Fvp=(Pst・Fst/Tst)・(Tvp/Pvp) ・・・(式4)
Pst(atm):気体流量調節器の単位圧力
Fst(L/min):気体流量調節器の単位流量
Tst(K):気体流量調節器の単位圧力
Pvp(atm):気化器内の霧化支援ガスの圧力
Fvp(L/min):気化器内の霧化支援ガスの流量
Tvp(K):気化器内の霧化支援ガスの温度
The saturation rate of the organometallic material that is a solute can be easily calculated in the following manner. First, the molar concentration is determined, with or without the supply mass being vaporizable. The pressure and temperature of the atomization support gas in the vaporizer are determined by the following formulas 3 and 4 assuming that the pressure and temperature are the same as those in the vaporizer.
(P st · F st ) / T st = (P vp · F vp ) / T vp (Equation 3)
Fvp = ( Pst * Fst / Tst ) * ( Tvp / Pvp ) (Formula 4)
P st (atm): Unit pressure of the gas flow controller F st (L / min): Unit flow of the gas flow controller T st (K): Unit pressure of the gas flow controller P vp (atm): Inside the vaporizer The pressure of the atomization support gas Fvp (L / min): The flow rate of the atomization support gas in the vaporizer Tvp (K): The temperature of the atomization support gas in the vaporizer
次に、溶質のモル流量は次の式5で求めることができる。
Msv=Csv・Fmix ・・・(式5)
Msv(mol/min):溶質のモル流量
Csv(mol/L):溶質のモル濃度
Fmix(L/min):溶液の流量
このとき溶質が、気化器409中で霧化支援ガス中に溶存する必要があるので、そのモル濃度Csvは次の式6のようになる。
Csv=Msv/Fvp ・・・(式6)
Csv(mol/L):溶質蒸気モル濃度
Next, the molar flow rate of the solute can be obtained by the following equation 5.
M sv = C sv · F mix (Formula 5)
M sv (mol / min): Molar flow rate of solute C sv (mol / L): Molar concentration of solute F mix (L / min): Flow rate of solution At this time, the solute is in the atomization assisting gas in the vaporizer 409. Therefore, the molar concentration C sv is expressed by the following equation (6).
C sv = M sv / F vp (Expression 6)
C sv (mol / L): Molar concentration of solute vapor
次に溶質の飽和濃度を求める。まず、液体の蒸気圧算出の式2(アントワン式)より溶質の分圧Pを求める。
P(mmHg)=10^[A−B/(T+C)] ・・・(式2)
P(mmHg):圧力
T(℃):液温
A:定数
B:定数
C:定数
Next, the saturation concentration of the solute is determined. First, the partial pressure P of the solute is obtained from Equation 2 (Antoine equation) for calculating the vapor pressure of the liquid.
P (mmHg) = 10 ^ [AB / (T + C)] (Formula 2)
P (mmHg): Pressure T (° C.): Liquid temperature A: Constant B: Constant C: Constant
気体の状態方程式と、n/V=Cの関係より霧化支援ガスに溶存可能な飽和溶質モル濃度を式7より求める。
Csat=P/(R・Tvp) ・・・(式7)
Csat(mol/L):溶質飽和モル濃度
R(l・atm/K・mol):気体定数=0.08205784
最後に溶質飽和モル濃度Csatで溶質蒸気モル濃度Csvを除して式8のように飽和率を導き出す。
Sv=(Csv/Csat) ・・・(式8)
Sv:溶質の飽和率
From the equation of state of gas and the relationship of n / V = C, the saturated solute molar concentration that can be dissolved in the atomization support gas is obtained from Equation 7.
C sat = P / (R · T vp ) (Expression 7)
C sat (mol / L): solute saturation molar concentration R (l · atm / K · mol): gas constant = 0.820205784
Finally, the solute vapor molar concentration C sv is divided by the solute saturated molar concentration C sat to derive the saturation rate as shown in Equation 8.
S v = (C sv / C sat) ··· ( Equation 8)
S v : Saturation rate of solute
なお、溶質の飽和率Svが、1.0以下ならば、理論上溶質は完全気化することが可能であるが、飽和蒸気圧付近の蒸発速度等は遅くなるので現実的には溶質の飽和率Svが0.3以下程度にすることが望ましい。気化器409等の小型化、設定ガス濃度を変えたときの追従性を考えると溶質の飽和率Svが0.1以下であることがさらに望ましい。 Incidentally, saturation S v of the solute is, if 1.0, although theoretically solutes can be completely vaporized, the solute realistic because the evaporation speed, etc. is slowed near the saturated vapor pressure saturated It is desirable that the rate Sv be about 0.3 or less. Miniaturization of such vaporizer 409, saturation S v solute Given the followability when changing the setting gas concentration is more preferably 0.1 or less.
上述してきたように、本実施形態では、材料溶液のノズルまでの安定供給、気化器による材料溶液ミストの完全気化、加熱した材料ガスを気化器の後段より導入する効果により、基板上に供給される材料溶液ガス中に残留ミストが無くなり、材料溶液ガスの濃度が安定し、ガス材料の線速や供給ガス温度などを正確に制御でき、良質な結晶成長が可能である。 As described above, in this embodiment, the material solution is supplied onto the substrate by the stable supply to the nozzle, the complete vaporization of the material solution mist by the vaporizer, and the effect of introducing the heated material gas from the subsequent stage of the vaporizer. Residual mist is eliminated in the material solution gas, the concentration of the material solution gas is stabilized, the linear velocity of the gas material, the supply gas temperature, etc. can be accurately controlled, and high-quality crystal growth is possible.
本実施形態の装置は、特に酸化亜鉛(ZnO)系化合物半導体結晶の成長に適している。 The apparatus of this embodiment is particularly suitable for the growth of zinc oxide (ZnO) -based compound semiconductor crystals.
ここで、本実施の形態で結晶成長させた酸化亜鉛系化合物半導体膜を用いた半導体発光素子について図8を用いて説明する。 Here, a semiconductor light-emitting element using the zinc oxide-based compound semiconductor film which is crystal-grown in this embodiment will be described with reference to FIG.
半導体発光素子の構造は、図20に示したように、基板421上に、緩衝層201、n型酸化物半導体層202、p型酸化物半導体層203を積層した構造である。p型酸化物半導体層203の上には、p側電極(透光性電極)204が配置され、その上にp型電極パッド205が配置されている。基板421の下面には、n側電極206とn側電極接合部材207が積層されている。 The structure of the semiconductor light emitting element is a structure in which a buffer layer 201, an n-type oxide semiconductor layer 202, and a p-type oxide semiconductor layer 203 are stacked on a substrate 421 as shown in FIG. A p-side electrode (translucent electrode) 204 is disposed on the p-type oxide semiconductor layer 203, and a p-type electrode pad 205 is disposed thereon. An n-side electrode 206 and an n-side electrode bonding member 207 are stacked on the lower surface of the substrate 421.
基板421としては酸化亜鉛またはサファイア等を用いることができる。緩衝層21は酸化亜鉛の結晶再構成層である。n型酸化物半導体層202およびp型酸化物半導体層203は、n型およびp型の不純物をそれぞれ添加した酸化亜鉛を結晶成長させた層である。 As the substrate 421, zinc oxide, sapphire, or the like can be used. The buffer layer 21 is a zinc oxide crystal reconstruction layer. The n-type oxide semiconductor layer 202 and the p-type oxide semiconductor layer 203 are layers obtained by crystal growth of zinc oxide to which n-type and p-type impurities are added, respectively.
緩衝層201、n型酸化物半導体層202、p型酸化物半導体層203は、本実施形態の液体ソースMOCVD装置を用いて成膜することができる。 The buffer layer 201, the n-type oxide semiconductor layer 202, and the p-type oxide semiconductor layer 203 can be formed using the liquid source MOCVD apparatus of this embodiment.
材料溶液416としては、上述した溶質Zn(EDMDD)2を、溶媒ECHに溶解したものを用いることができる。 As the material solution 416, the above-described solute Zn (EDMDD) 2 dissolved in the solvent ECH can be used.
ZnO結晶は、アンドープ状態でもn型であるが、成長温度を変更して、n型半導体膜中の残留キャリア密度を調整することにより、さらにn型特性を強くすることも可能である。また、ドーパントを用いるのであれば、例えばn型不純物としてGaを用いる場合、Ga(EDMDD)3をECHに溶解したドーパント溶液を追加して成長すればよい。 Although the ZnO crystal is n-type even in an undoped state, it is possible to further enhance the n-type characteristics by adjusting the residual carrier density in the n-type semiconductor film by changing the growth temperature. If a dopant is used, for example, when Ga is used as an n-type impurity, a dopant solution in which Ga (EDMDD) 3 is dissolved in ECH may be added and grown.
また、p型不純物として、例えば窒素をドーピングするが、ドーパントガスとしてアンモニア(以下、NH3)ガスを供給すればよい。 Further, for example, nitrogen is doped as a p-type impurity, but ammonia (hereinafter, NH 3 ) gas may be supplied as a dopant gas.
さらに、バンドギャップエンジニアリングの調節を考慮して、例えば、p型酸化物半導体層にMg混晶系の酸化物半導体を用いる場合、Mgの材料溶液として、例えば、Mg(EDMDD)2を、溶媒ECHに溶解したものを用いることができる。なお、各種不純物を事前に適量混合したカクテル材料溶液を用いてもよい。 Further, considering the adjustment of the band gap engineering, for example, when an Mg mixed crystal type oxide semiconductor is used for the p-type oxide semiconductor layer, for example, Mg (EDMDD) 2 is used as a solvent ECH as a Mg material solution. What was melt | dissolved in can be used. In addition, you may use the cocktail material solution which mixed various amounts of impurities beforehand.
本実施形態の液体ソースMOCVD装置を用いることにより、結晶性に優れたn型酸化物半導体層202、p型酸化物半導体層203を形成することができる。 By using the liquid source MOCVD apparatus of this embodiment, the n-type oxide semiconductor layer 202 and the p-type oxide semiconductor layer 203 having excellent crystallinity can be formed.
p側電極(透光性電極)204、p側電極パッド205、n側電極206およびn側電極接続部材207の成膜工程、および、素子の分割工程は、公知の方法により行う。 The film forming process and the element dividing process of the p-side electrode (translucent electrode) 204, the p-side electrode pad 205, the n-side electrode 206, and the n-side electrode connecting member 207 are performed by known methods.
本実施の形態の製造方法により製造した半導体発光素子は、n型酸化物半導体層202、p型酸化物半導体層203の結晶性が優れているため、従来に比べて発光効率を向上させることができる。 Since the semiconductor light emitting element manufactured by the manufacturing method of this embodiment has excellent crystallinity of the n-type oxide semiconductor layer 202 and the p-type oxide semiconductor layer 203, light emission efficiency can be improved as compared with the conventional case. it can.
本発明のように、上述した液体材料およびガス材料を用い、同様の成長方法にて酸化物半導体発光素子を作製する場合、緩衝層201は無くてもよい。 When an oxide semiconductor light emitting element is manufactured by the same growth method using the above-described liquid material and gas material as in the present invention, the buffer layer 201 may not be provided.
なお、n型酸化物半導体層202、p型酸化物半導体層203の間に量子井戸構造を含む発光層を形成しても良い。 Note that a light-emitting layer including a quantum well structure may be formed between the n-type oxide semiconductor layer 202 and the p-type oxide semiconductor layer 203.
上述してきた実施形態では、図1に示したように圧力調整弁424を反応容器420よりも排気側に配置しているが、本発明はこの構成に限られるものではない。例えば図9に示したように、気化器409と反応容器420との間に圧力調整弁424を配置し、気化器409に圧力センサー17を備える構成にすることも可能である。圧力調整器21は、中央制御装置16の制御下で、圧力センサー17が検出した気化器409内の圧力が設定された所定の圧力となるようにフィードバック制御する。気化器409の温度は、上述の実施形態と同様に温度調節器18によりフィードバック制御する。図9の構成では、圧力調整弁424により気化器409内の圧力を反応容器420内の圧力とは異なる圧力に設定することができるため、気化器409単独で、気化器温度および/または圧力を調整して、材料溶液を完全気化させる条件(溶質蒸気の飽和率が1以下)に制御することが可能になる。ただし、圧力差が大きいと、ガスの断熱膨張によって、気化させたガスの温度が圧力調整弁424通過後に下がり、材料溶液ガスが再凝集する。従って、気化器409内の圧力と反応容器420内の圧力差は100kPa以下が良く、望ましくは50kPa以下、さらに望ましくは30kPa以下が良い。または、溶液蒸気の飽和率が1以下を維持できる温度差になるようにする。 In the embodiment described above, the pressure regulating valve 424 is disposed on the exhaust side of the reaction vessel 420 as shown in FIG. 1, but the present invention is not limited to this configuration. For example, as shown in FIG. 9, a pressure regulating valve 424 may be disposed between the vaporizer 409 and the reaction vessel 420, and the vaporizer 409 may include the pressure sensor 17. Under the control of the central controller 16, the pressure regulator 21 performs feedback control so that the pressure in the vaporizer 409 detected by the pressure sensor 17 becomes a predetermined pressure. The temperature of the vaporizer 409 is feedback controlled by the temperature regulator 18 as in the above-described embodiment. In the configuration of FIG. 9, since the pressure in the vaporizer 409 can be set to a pressure different from the pressure in the reaction vessel 420 by the pressure regulating valve 424, the vaporizer temperature and / or pressure can be set by the vaporizer 409 alone. By adjusting, it becomes possible to control the conditions so that the material solution is completely vaporized (the saturation rate of the solute vapor is 1 or less). However, if the pressure difference is large, the temperature of the vaporized gas decreases after passing through the pressure regulating valve 424 due to adiabatic expansion of the gas, and the material solution gas reaggregates. Accordingly, the difference between the pressure in the vaporizer 409 and the pressure in the reaction vessel 420 is preferably 100 kPa or less, desirably 50 kPa or less, and more desirably 30 kPa or less. Alternatively, the temperature difference is such that the saturation rate of the solution vapor can be maintained at 1 or less.
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例では図1の液体ソースMOCVD装置を用いてZnO膜を成膜した。装置構成については実施の形態で説明したのでここでは説明を省略する。
Examples of the present invention will be described below.
In this example, a ZnO film was formed using the liquid source MOCVD apparatus shown in FIG. Since the apparatus configuration has been described in the embodiment, the description thereof is omitted here.
材料溶液416としては、溶質Zn(EDMDD)2を、溶媒ECHに溶解した溶液を用いた。材料溶液416の濃度は0.2mol/Lとした。液体材料加圧用ガス11としてはヘリウムガスを用いた。 As the material solution 416, a solution in which the solute Zn (EDMDD) 2 was dissolved in the solvent ECH was used. The concentration of the material solution 416 was 0.2 mol / L. As the liquid material pressurizing gas 11, helium gas was used.
操作者は、サセプター428にC面サファイア基板421をセットした。操作者は、中央制御装置16に各種設定値を設定した。これに応じて中央制御装置16は気体流量調整装置405b、405dを制御し、気体流量調整装置405dより窒素ガスを0.25SLM、気体流量調整装置405dより酸素ガスを0.5SLMの流量で反応容器に供給した。また、供給したガスの温度が250℃になる様に材料ガス加熱器411の温度を温度調節装置19を介して中央制御装置16により制御した。同時に、反応容器420内が2.0kPaとなる様に圧力調整弁424を圧力調整装置21を介して中央制御装置16により制御した。その後、基板加熱器422を温度調節器20によりフィードバック制御し、基板温度900℃まで加熱し、10分間熱処理した。 The operator sets the C-plane sapphire substrate 421 on the susceptor 428. The operator sets various setting values in the central controller 16. In response to this, the central control device 16 controls the gas flow rate adjusting devices 405b and 405d, and the reaction vessel at a flow rate of 0.25 SLM for nitrogen gas from the gas flow rate adjusting device 405d and 0.5 SLM for oxygen gas from the gas flow rate adjusting device 405d. Supplied to. Further, the temperature of the material gas heater 411 was controlled by the central controller 16 via the temperature controller 19 so that the temperature of the supplied gas was 250 ° C. At the same time, the pressure control valve 424 was controlled by the central control device 16 via the pressure control device 21 so that the inside of the reaction vessel 420 became 2.0 kPa. Thereafter, the substrate heater 422 was feedback controlled by the temperature controller 20, heated to a substrate temperature of 900 ° C., and heat-treated for 10 minutes.
次に、基板加熱器422を制御し、基板温度を750℃まで降下させ保持した。この状態で、気体流量調整装置405aを中央制御装置16により制御し、霧化支援ガスとして窒素ガスを0.25SLMで霧化支援ガス加熱器407に供給した。また、材料溶液加圧用ガス11としてヘリウムガスを用い、200kPaで材料溶液容器417の材料溶液416の液面を加圧した。液体流量調整装置418aを中央制御装置16により制御し、材料溶液416を1.0sccmで気化器409に供給した。これにより、霧化支援ガスおよび材料溶液を気化器409に所定の流量で供給し、気化器409で完全に気化して、反応容器420へ供給した。なお、送液管419の温度は25℃以下になるように管理した。 Next, the substrate heater 422 was controlled, and the substrate temperature was lowered to 750 ° C. and held. In this state, the gas flow rate adjusting device 405a was controlled by the central control device 16, and nitrogen gas was supplied to the atomization assist gas heater 407 at 0.25 SLM as the atomization assist gas. Further, helium gas was used as the material solution pressurizing gas 11, and the liquid surface of the material solution 416 in the material solution container 417 was pressurized at 200 kPa. The liquid flow rate adjusting device 418a was controlled by the central control device 16, and the material solution 416 was supplied to the vaporizer 409 at 1.0 sccm. Thereby, the atomization support gas and the material solution were supplied to the vaporizer 409 at a predetermined flow rate, completely vaporized by the vaporizer 409, and supplied to the reaction vessel 420. The temperature of the liquid feeding tube 419 was controlled so as to be 25 ° C. or lower.
このとき霧化支援ガス加熱器407の加熱温度は、気化器409の霧化ノズル408から噴出す時点(気化器409内の圧力2.0kPa)で霧化支援ガスの温度が250℃となるように、温度調節器18を介して中央制御装置16により制御した。また、気化器409の外部および内部ヒーター905,908は、気化器409から気化した材料溶液416のガスが材料溶液ガス導入管14に流れ込む時点(噴出し時点)で250℃となるように中央制御装置16により制御した。熱交換フィン907の接ガス面の温度が300℃のとき、材料溶液ガスの温度が250℃であった。 At this time, the heating temperature of the atomization assisting gas heater 407 is such that the temperature of the atomization assisting gas becomes 250 ° C. at the time of ejection from the atomizing nozzle 408 of the vaporizer 409 (pressure in the vaporizer 409 is 2.0 kPa). Then, the temperature was controlled by the central controller 16 through the temperature controller 18. Further, the external heaters 905 and 908 of the vaporizer 409 are centrally controlled so that the temperature of the material solution 416 vaporized from the vaporizer 409 is 250 ° C. when the gas flows into the material solution gas introduction pipe 14 (spout time). Controlled by device 16. When the temperature of the gas contact surface of the heat exchange fin 907 was 300 ° C., the temperature of the material solution gas was 250 ° C.
また、気体流量調整装置405dへの設定流量を変更し、材料ガスとしての酸素を2.0SLMの流量で材料ガス加熱器411を介して反応容器420に供給した。材料ガス加熱器411の加熱温度は、材料ガス誘導管412が材料溶液ガス導入管14に合流する地点で材料ガスの温度が250℃となるように設定した。 Further, the set flow rate to the gas flow rate adjusting device 405d was changed, and oxygen as the material gas was supplied to the reaction vessel 420 via the material gas heater 411 at a flow rate of 2.0 SLM. The heating temperature of the material gas heater 411 was set so that the temperature of the material gas was 250 ° C. at the point where the material gas induction tube 412 joined the material solution gas introduction tube 14.
この条件で、材料溶液(Zn(EDMDD)2/ECH)416のガスおよび材料ガス(酸素ガス)を60分間、基板421上へ供給して結晶成長させることにより、サファイア基板上に厚み1.0μmのZnO単結晶を得た。 Under this condition, a material solution (Zn (EDMDD) 2 / ECH) 416 gas and a material gas (oxygen gas) are supplied onto the substrate 421 for 60 minutes to grow crystals, whereby a thickness of 1.0 μm is formed on the sapphire substrate. ZnO single crystal was obtained.
上記成膜条件は、送液管419における材料溶液416に気泡を発生させないための条件である式1の関係:
(溶媒の蒸気圧P)<(送液管内の圧力) ・・・(式1)
を満たしている。すなわち、溶媒の蒸気圧Pを上述の式2に基づき具体的に計算すると、下記したように溶媒の蒸気圧Pは、1.7kPaであり、送液管内の圧力すなわち反応容器420の圧力2.0kPaよりも小さく、式1を満たしている。よって、材料溶液は送液管内および霧化ノズル内部で気泡を発生せず、霧化ノズルから気化器内へ噴霧される。
P(mmHg)=10^[A−B/(T+C)] ・・・(式2)
=10^[6.99949−1465.203/(25+224.044)]=13.1(mmHg)
=1.7(kPa)
ただし、
P(mmHg):ECH蒸気圧
T(℃):25
A:6.99949
B:1465.203
C:224.044
The film formation condition is the relationship of Formula 1 which is a condition for preventing bubbles from being generated in the material solution 416 in the liquid supply tube 419:
(Vapor pressure P of solvent) <(pressure in liquid feeding pipe) (Equation 1)
Meet. That is, when the vapor pressure P of the solvent is specifically calculated based on the above equation 2, the vapor pressure P of the solvent is 1.7 kPa as described below, and the pressure in the liquid feeding pipe, that is, the pressure 2. It is smaller than 0 kPa and satisfies Equation 1. Therefore, the material solution is sprayed from the atomizing nozzle into the vaporizer without generating bubbles in the liquid feeding pipe and inside the atomizing nozzle.
P (mmHg) = 10 ^ [AB / (T + C)] (Formula 2)
= 10 ^ [6.9999-1465.203 / (25 + 224.044)] = 13.1 (mmHg)
= 1.7 (kPa)
However,
P (mmHg): ECH vapor pressure T (° C.): 25
A: 6.99949
B: 1465.203
C: 224.044
つぎに、本実施例の成長条件において、気化器409内の空間における材料溶液の蒸気の飽和率が1.0以下であることを確認する。 Next, it is confirmed that the vapor saturation rate of the material solution in the space in the vaporizer 409 is 1.0 or less under the growth conditions of this example.
実施例における気化器409内の霧化支援ガスの流量は、式4より、
Fvp=(Pst・Fst/Tst)・(Tvp/Pvp) ・・・(式4)
= {(1.0×0.25)/273.15}×(523.15/0.0197)= 24.3(L/min)
溶質モル流量は式5より、
Msv=Csv・Fmix ・・・(式5)
= 0.2×1.0×10−3
= 0.2×10−3(mol/min)
溶質蒸気モル濃度Csvは式6により、
Csv=Msv/Fvp ・・・(式6)
= (0.2×10−3)/24.3
= 8.24×10−6(mol/L)
The flow rate of the atomization support gas in the vaporizer 409 in the embodiment is expressed by the following equation 4.
Fvp = ( Pst * Fst / Tst ) * ( Tvp / Pvp ) (Formula 4)
= {(1.0 × 0.25) /273.15} × (523.15 / 0.0197) = 24.3 (L / min)
The solute molar flow rate is calculated from Equation 5,
M sv = C sv · F mix (Formula 5)
= 0.2 × 1.0 × 10 −3
= 0.2 × 10 −3 (mol / min)
Solute vapor molarity C sv is given by equation 6
C sv = M sv / F vp (Expression 6)
= (0.2 × 10 −3 ) /24.3
= 8.24 × 10 −6 (mol / L)
次に溶質の飽和濃度を求める。まず、液体材料(Zn(EDMDD)2)の蒸気圧算出の式2’より溶質の分圧Pを求める。
P(mmHg)=10^[A−B/T] ・・・(式2’)
T(K): 523.15 (=250℃)
A: 11.540
B: 5408
∴ P= 15.94(mmHg)= 0.021(atm)
Next, the saturation concentration of the solute is determined. First, the partial pressure P of the solute is obtained from Equation 2 ′ for calculating the vapor pressure of the liquid material (Zn (EDMDD) 2 ).
P (mmHg) = 10 ^ [AB / T] (Formula 2 ′)
T (K): 523.15 (= 250 ° C.)
A: 11.540
B: 5408
∴ P = 15.94 (mmHg) = 0.021 (atm)
霧化支援ガスに溶存可能な飽和溶質モル濃度は式7より、
Csat=P/(R・Tvp) ・・・(式7)
= 0.021/(0.08205784×523.15)
= 4.89×10−4(mol/L)
The saturated solute molar concentration that can be dissolved in the atomization assisting gas is from Equation 7,
C sat = P / (R · T vp ) (Expression 7)
= 0.021 / (0.0820205784 × 523.15)
= 4.89 × 10 −4 (mol / L)
飽和溶質モル濃度Csatで溶質蒸気モル濃度Csvを除して式8により飽和率Svを導き出すと、飽和率は0.017である。
Sv=(Csv/Csat) ・・・(式8)
= (8.24×10−6)/(4.89×10−4)
= 0.017
By dividing the solute vapor molar concentration C sv by the saturated solute molar concentration C sat and deriving the saturation rate S v by Equation 8, the saturation rate is 0.017.
S v = (C sv / C sat) ··· ( Equation 8)
= (8.24 × 10 −6 ) / (4.89 × 10 −4 )
= 0.017
したがって、本実施例の条件では、気化器409内の空間の溶質の飽和率Svが、1.0以下であるため、気化器409における完全気化が可能であることが確認できた。しかも、飽和率(0.017)は、0.3以下であるため蒸発速度が速く、速やかに完全気化を実現できる。 Therefore, under the conditions of this example, since the saturation rate Sv of the solute in the space in the vaporizer 409 is 1.0 or less, it was confirmed that complete vaporization in the vaporizer 409 is possible. Moreover, since the saturation rate (0.017) is 0.3 or less, the evaporation rate is high, and complete vaporization can be realized quickly.
実施例の条件では、気化器409における熱交換フィン907の接ガス面温度が300℃のとき材料溶液ガスの噴出し温度が250℃であったので熱交換率を下記の式9で定義すると85%となる。
熱交換率=(気化後の材料溶液ガス温度/気化器内部温度)×100) ・・・(式6)
In the conditions of the example, when the gas contact surface temperature of the heat exchange fin 907 in the vaporizer 409 is 300 ° C., the material solution gas ejection temperature is 250 ° C. %.
Heat exchange rate = (material solution gas temperature after vaporization / vaporizer internal temperature) × 100) (Equation 6)
なお、熱交換フィン907の接ガス面の温度が300℃であるので、ガス温度を有機金属材料の熱分解温度以下にでき、基板面到達前に材料の熱変質を防止できる。 In addition, since the temperature of the gas contact surface of the heat exchange fin 907 is 300 ° C., the gas temperature can be made equal to or lower than the pyrolysis temperature of the organometallic material, and thermal alteration of the material can be prevented before reaching the substrate surface.
(比較例)
比較例として、図10の液体ソースMOCVD装置を用いて同様にZnO膜の成長を行った。
(Comparative example)
As a comparative example, a ZnO film was similarly grown using the liquid source MOCVD apparatus of FIG.
図10の装置は、本発明の図1の液体ソースMOCVD装置と異なり、霧化支援ガス加熱器407、材料ガス加熱器411を備えていない。また、気化器316は、図10に示したように霧化ノズル315として、上記実施の形態の比較例として説明した図7の霧化ノズルを用いている。また、気化器316は、フィンおよび内部ヒーターを備えていない。また、気化器316内の材料溶液の蒸気を飽和蒸気圧以下に維持する制御も行っていない。 Unlike the liquid source MOCVD apparatus of FIG. 1 of the present invention, the apparatus of FIG. 10 does not include the atomization assist gas heater 407 and the material gas heater 411. Further, the vaporizer 316 uses the atomizing nozzle of FIG. 7 described as a comparative example of the above embodiment as the atomizing nozzle 315 as shown in FIG. Further, the vaporizer 316 does not include fins and an internal heater. Moreover, the control which maintains the vapor | steam of the material solution in the vaporizer 316 below a saturated vapor pressure is not performed.
比較例の成膜条件は、以下のように設定した。材料溶液416の溶質・溶媒・濃度と流量、材料溶液加圧ガス種とその圧力、基板421材質とその熱処理・成長温度は、実施例と同じに設定した。結晶成長前に気化器316および反応容器420を250℃に加熱し、極力材料溶液が管壁に付着しないようにした。 The film forming conditions of the comparative example were set as follows. The solute / solvent / concentration and flow rate of the material solution 416, the material solution pressurized gas type and its pressure, the substrate 421 material and its heat treatment / growth temperature were set to be the same as in the example. Prior to crystal growth, the vaporizer 316 and the reaction vessel 420 were heated to 250 ° C. to prevent the material solution from adhering to the tube wall as much as possible.
霧化支援ガスを兼用する材料ガスとして、窒素ガスと酸素ガスを用い、気体流量調節装置405aにて流量250sccm、気体流量調節装置405cにて2.0SLMにそれぞれ調整し、気化器316の霧化ノズルへ315に供給した。 Nitrogen gas and oxygen gas are used as the material gas that also serves as the atomization support gas, and the flow rate is adjusted to 250 sccm by the gas flow rate adjustment device 405a and 2.0 SLM by the gas flow rate adjustment device 405c. 315 was supplied to the nozzle.
霧化ノズル315は、図7のように噴出口の手前で2本の管を合流させて材料溶液と霧化支援ガスを混合するため、合流後は図11のように材料溶液の液滴の間に霧化支援ガスが挟まれた状態で管内を移動し、ガスの勢いによってノズル先端から噴出される。このため材料溶液の噴出が断続的になるとともに、形成される溶液ミスト51のサイズが不揃いで粒径分布が大きくなる。粒径の大きな溶液ミスト51は、気化器316内で溶媒および溶質の気化に時間がかかり、気化器316の出口まで到達しても溶質ミスト52が残存する。このため、気化器316において材料溶液を完全に気化することが難しく、溶質ミスト52が残存した状態で反応容器420へ材料溶液のガスを送り出す。 As shown in FIG. 7, the atomizing nozzle 315 joins the two tubes before the jet outlet to mix the material solution and the atomization assisting gas. It moves in the pipe with the atomization support gas sandwiched between them, and is ejected from the nozzle tip by the momentum of the gas. For this reason, the ejection of the material solution becomes intermittent, and the size of the formed solution mist 51 is not uniform and the particle size distribution becomes large. The solution mist 51 having a large particle size takes time to vaporize the solvent and solute in the vaporizer 316, and the solute mist 52 remains even when reaching the outlet of the vaporizer 316. For this reason, it is difficult to completely vaporize the material solution in the vaporizer 316, and the gas of the material solution is sent out to the reaction vessel 420 with the solute mist 52 remaining.
気化器316および反応容器420内の圧力は、圧力調整弁424により600Paに調整した。 The pressure in the vaporizer 316 and the reaction vessel 420 was adjusted to 600 Pa by the pressure adjustment valve 424.
気化器316により気化した材料溶液のガスと霧化支援ガスを兼用する材料ガスとの混合ガスを反応容器420内に導入して基板421上へ噴き付け、60分間ZnOを結晶成長させた。成長したZnO結晶膜は基板温度を徐々に下げて冷却した。 A mixed gas of a material solution vaporized by the vaporizer 316 and a material gas also serving as an atomization assisting gas was introduced into the reaction vessel 420 and sprayed onto the substrate 421 to grow ZnO for 60 minutes. The grown ZnO crystal film was cooled by gradually lowering the substrate temperature.
本比較例は、実施例と同じく溶質に液体材料であるZn(EDMDD)2を用いているため、溶媒の気化によって溶質が配管内や、霧化ノズル内部で析出することはなくなった。しかし、良質な結晶成長の実現には至らなかった。 Since this comparative example uses Zn (EDMDD) 2 which is a liquid material as the solute as in the example, the solute does not precipitate in the pipe or the atomizing nozzle due to the vaporization of the solvent. However, high quality crystal growth was not realized.
(評価)
実施例と比較例で結晶成長したZnO結晶について微分干渉顕微鏡および走査型電子顕微鏡による観察像を得た。微分干渉顕微鏡像は、オリンパス製工業用検査顕微鏡MX51を用いて観察を行った。走査型電子顕微鏡像は、日立製作所製走査型電子顕微鏡S−2600Nを用いて成長膜表面の微視的な観察を行った。
(Evaluation)
Observation images of the ZnO crystals grown in Examples and Comparative Examples using differential interference microscope and scanning electron microscope were obtained. The differential interference microscope image was observed using an Olympus industrial inspection microscope MX51. The scanning electron microscope image was obtained by microscopic observation of the growth film surface using a scanning electron microscope S-2600N manufactured by Hitachi, Ltd.
また、二次イオン質量分析(SIMS)法により実施例と比較例のZnO結晶を分析した。 In addition, ZnO crystals of Examples and Comparative Examples were analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) method.
さらに、実施例と比較例のZnO結晶の膜厚と凹凸を触診式表面形状測定装置((株)アルバック製DEKTAK)により測定した。 Furthermore, the film thickness and unevenness | corrugation of the ZnO crystal of an Example and a comparative example were measured with the palpation type surface shape measuring apparatus (Corporation | KK ULVAC make DEKTAK).
(評価結果)
微分干渉顕微鏡観察像を図12(a),(b)に示す。図12(b)の実施例のZnO結晶のサンプル表面はヒルロックの無い滑らかな表面であることを確認した。これに対して図12(a)のように比較例のZnO結晶のサンプルではヒルロックが密集した凹凸があった。
(Evaluation results)
The differential interference microscope observation images are shown in FIGS. It was confirmed that the sample surface of the ZnO crystal of the example of FIG. 12B was a smooth surface without hillrock. On the other hand, as shown in FIG. 12A, the ZnO crystal sample of the comparative example had irregularities with dense hillrocks.
走査型電子顕微鏡像を図12(c)、(d)に示す。図12(d)のように倍率5000倍で観察を行ったところ、実施例のサンプルは緻密な膜であることが確認された。これに対して比較例のサンプルは、図12(c)のようにZnO結晶膜上に更に3〜5μmサイズのヒルロックが形成された膜であった。 Scanning electron microscope images are shown in FIGS. When observation was performed at a magnification of 5000 as shown in FIG. 12D, it was confirmed that the sample of the example was a dense film. On the other hand, the sample of the comparative example was a film in which 3-5 μm hillocks were further formed on the ZnO crystal film as shown in FIG.
SIMS観察結果を図13(a)、(b)に示す。図13(b)より実施例のZnO結晶のサンプルの膜は、不純物である炭素および水素の濃度が分析下限界であることが確認された。これに対して比較例サンプルのZnO結晶膜中の不純物である炭素および水素濃度は、図13(a)のように其々1×1021前後及び1×1020程度含まれていることを確認した。 The SIMS observation results are shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b). From FIG. 13 (b), it was confirmed that the concentration of carbon and hydrogen as impurities was the lower limit of analysis in the sample film of the ZnO crystal of the example. On the other hand, it is confirmed that the carbon and hydrogen concentrations as impurities in the ZnO crystal film of the comparative sample are included around 1 × 10 21 and about 1 × 10 20 as shown in FIG. did.
また、膜厚測定により、実施例のZnO結晶膜のサンプルは1.0μm、比較例のサンプルは0.8μmの厚みであることを確認した。このことから、実施例の成膜装置では、比較例の成膜装置と比較してより効率的に材料を成膜に利用できたものと思われる。 Moreover, it was confirmed by film thickness measurement that the sample of the ZnO crystal film of the example had a thickness of 1.0 μm and the sample of the comparative example had a thickness of 0.8 μm. From this, it is considered that the film forming apparatus of the example could use the material for film formation more efficiently than the film forming apparatus of the comparative example.
以上の結果より、材料溶液ガスの供給を安定化し、更に材料溶液を完全ガス化する本発明により、均一で均質さらに不純物を取り込まない良好なZnO単結晶膜が得られたのは明らかである。 From the above results, it is clear that a good ZnO single crystal film that is uniform and homogeneous and does not take in impurities can be obtained by the present invention that stabilizes the supply of the material solution gas and further completely gasifies the material solution.
402…不活性ガス配管、404…材料ガス配管、405…気体流量調節装置、406…霧化支援ガス送気管、407…霧化支援ガス加熱器、408…霧化ノズル、409…気化器、410…材料ガス送気管、411…材料ガス加熱器、412…材料ガス誘導管、413…液体材料加圧用不活性ガス配管、414…溶媒、415…溶媒容器、416…材料溶液(溶剤+溶質)、417…材料溶液容器、418…液体流量調節装置、419…送液管、420…反応容器、421…基板、422…基板加熱器、423…捕集装置、424…圧力調整弁、425…ドレイン配管、426…導入弁、427…排気弁、428…サセプター。 402 ... Inert gas piping, 404 ... Material gas piping, 405 ... Gas flow rate adjusting device, 406 ... Atomization support gas feed pipe, 407 ... Atomization support gas heater, 408 ... Atomization nozzle, 409 ... Vaporizer, 410 ... Material gas air supply pipe, 411 ... Material gas heater, 412 ... Material gas induction pipe, 413 ... Inert gas pipe for pressurizing liquid material, 414 ... Solvent, 415 ... Solvent container, 416 ... Material solution (solvent + solute), 417 ... Material solution container, 418 ... Liquid flow rate control device, 419 ... Liquid feed pipe, 420 ... Reaction vessel, 421 ... Substrate, 422 ... Substrate heater, 423 ... Collection device, 424 ... Pressure adjustment valve, 425 ... Drain piping 426 ... introduction valve, 427 ... exhaust valve, 428 ... susceptor.
Claims (13)
前記気化器は、内部空間を有する容器と、容器内の空間を加熱し、前記霧状の材料溶液を気化させる加熱部とを備え、
前記容器の一端には前記霧化部が備えられ、前記内部空間に向かって前記材料溶液と霧化支援ガスを噴出し、前記容器の他端には気化した前記材料溶液を前記反応容器に向かって送り出す送出口が設けられ、
前記加熱部は、前記霧化部と前記送出口との間の空間に配置された1以上のフィンと、該フィンを加熱するヒーターとを備え、
前記フィンの主平面は、前記霧化部と前記送出口とを結ぶ軸に対して平行に向けられていることを特徴とする成膜装置。 A reaction vessel having a substrate holding unit for holding a substrate therein, an atomizing unit for atomizing the material solution by ejecting a liquid material solution and a gas for atomization support at room temperature, and a mist A vaporization unit that vaporizes the material solution in a shape and supplies the vaporized material solution to the reaction vessel,
The vaporizer includes a container having an internal space, and a heating unit that heats the space in the container and vaporizes the mist-like material solution,
One end of the container is provided with the atomizing section, the material solution and the atomization assisting gas are ejected toward the internal space, and the vaporized material solution is directed to the reaction container at the other end of the container. A delivery outlet is provided,
The heating unit includes one or more fins disposed in a space between the atomization unit and the delivery port, and a heater that heats the fins .
The main surface of the said fin is orientated in parallel with the axis | shaft which connects the said atomization part and the said delivery port, The film-forming apparatus characterized by the above-mentioned .
0.7<(L・tanθ)/r≦1.0
(ただし、θ:霧化部の噴出し角度(中心軸からの角度)、r:フィンの半径)
であることを特徴とする成膜装置。 3. The film forming apparatus according to claim 2, wherein the distance L of the rectifying space is
0.7 <(L · tan θ) /r≦1.0
(However, θ: angle of spraying of the atomizing section (angle from the central axis), r: radius of the fin)
A film forming apparatus characterized by the above.
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