JP5357053B2 - 液体材料気化装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造において用いられる各種の液体原料を気化する液体材料気化装置に関するものである。

従来の液体材料気化装置としては、例えば特許文献１に示すように、ヒータによって加熱される本体ブロック内に、液体材料及びキャリアガスが混合される気液混合部と、当該気液混合部に液体材料を導入する液体材料導入路と、前記気液混合部にキャリアガスを導入するキャリアガス導入路と、液体材料及びキャリアガスからなる混合体を減圧気化させる気化ノズル部と、気化ノズル部により気化された混合ガスを導出する混合ガス導出路と、を備えたものがある。

そして、この種の液体材料気化装置において、キャリアガスの流量は、混合体中における液体材料の分圧に直接影響するため、液体材料の気化発生量を決定づける重要因子である。

しかしながら、上述した従来の液体材料気化装置では、導入されたキャリアガスは、全量が気化ノズル部を経由する構造となっている。そうすると、この気化ノズル部におけるキャリアガスの圧力損失が大きく、キャリアガスの流量が制限されてしまうという問題がある。その結果、液体材料の気化発生量が、制限されてしまうという問題がある。

また、単純には気化ノズル部のノズル形状（ノズル径）を変更して、キャリアガスの流量を増大させることが考えられるが、ノズル形状は、気化効率に多大な影響を及ぼすため、容易に変更できないという問題もある。
特開２００４−３１４４１号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、ノズル形状を変更すること無く、キャリアガスの大流量化を可能にすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る液体材料気化装置は、液体材料及びキャリアガスが混合される気液混合部と、前記気液混合部に前記液体材料を導入する液体材料導入路と、前記気液混合部に前記キャリアガスを導入するキャリアガス導入路と、前記気液混合部に連通し、前記液体材料及び前記キャリアガスからなる混合体を減圧気化させる気化ノズル部と、前記気化ノズル部に連通し、前記気化ノズル部により気化された混合ガスを導出する混合ガス導出路と、前記キャリアガス導入路及び前記混合ガス導出路を連通し、前記キャリアガス導入路から前記混合ガス導出路へ前記キャリアガスを流すバイパス路と、を具備し、前記キャリアガスが、前記気化ノズル部と前記バイパス路とに分かれて流れるように構成されたことを特徴とする。

このようなものであれば、キャリアガス導入路を流れるキャリアガスの全量が気化ノズル部を通過するのではなく、その一部がバイパス路を通過して混合ガス導出路内に流入するため、気化ノズル部のノズル形状を変更すること無く、キャリアガスを大流量化することができる。その結果、液体材料の分圧を下げることができ、液体材料の気化量を増大化することができる。

また、前記バイパス路の前記混合ガス導出路における開口が、前記気化ノズル部の開口近傍に設けられていることが望ましい。これならば、バイパス路からのキャリアガスが、気化ノズル部を通過した混合体に衝突することにより、混合体の気化を一層促進することができる。

装置の汎用性を向上させるためには、前記バイパス路の開閉を行う開閉機構を備えていることが望ましい。

さらに装置の汎用性を向上させるとともに、液体材料の気化条件等に合わせてキャリアガスの流量を調節可能にするためには、前記バイパス路内を流れるキャリアガスの流量制御を行う流量制御機構を備えていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、ノズル形状を変更すること無く、キャリアガスの大流量化を可能にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る液体材料気化装置の断面図。 同実施形態の気化ノズル部及びバイパス路を主として示す部分拡大断面図。 同実施形態における本体ブロックの内部構成を示す斜視図。 同実施形態におけるバイパス径と流量との関係を示す図。 本発明の第２実施形態に係る液体材料気化装置の断面図。 同実施形態の気化ノズル部及びバイパス路を主として示す部分拡大断面図。 変形実施形態に係る液体材料気化システムの概略図。

符号の説明

１００・・・液体材料気化装置
ＬＭ・・・液体材料
ＣＧ・・・キャリアガス
ＭＧ・・・混合ガス
１・・・気液混合室
２・・・液体材料導入路
３・・・キャリアガス導入路
４・・・気化ノズル部
５・・・混合ガス導出路
６・・・バイパス路
９・・・流れ制御部（開閉機構、流量制御機構）

＜第１実施形態＞
以下に本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は、本実施形態に係る液体材料気化装置１００の縦断面図であり、図２は、気化ノズル部４及びバイパス路６を主として示す部分拡大断面図であり、図３は、本体ブロック２００の内部構成を示す断面斜視図である。

＜装置構成＞ 本実施形態に係る液体材料気化装置１００は、流量制御機能を備えた制御バルブ内において、半導体製造において用いられる種々の液体材料ＬＭを気化するものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、液体材料気化装置１００に液体材料ＬＭを供給する液体材料供給管、キャリアガスＣＧを供給するキャリアガス供給管及び混合ガスＭＧを導出する混合ガス導出管が接続される本体ブロック２００、及び当該本体ブロック２００内を流れるキャリアガスＣＧ、液体材料ＬＭ及び混合ガスＭＧの流量を制御する弁ブロック３００から構成され、気液混合部である気液混合室１と、液体材料導入路２と、キャリアガス導入路３と、気化ノズル部４と、混合ガス導出路５と、バイパス路６と、を備えている。

以下、各部について説明する。

まず、本体ブロック２００及び弁ブロック３００について説明する。本体ブロック２００は、図１、図２及び図３に示すように、例えば概略直方体形状のものであり、ステンレス鋼などの耐熱性及び耐腐食性に富む材料から形成され、その内部には、液体材料導入路２、キャリアガス導入路３、気化ノズル部４、混合ガス導出路５及びバイパス路６が形成されている。また、本体ブロック２００における弁ブロック３００が取り付けられる上面には、気液混合室１が形成される凹部２０１が形成されている。尚、図１中の８は、本体ブロック２００全体を所定の温度に加熱するヒータであり、例えばカートリッジヒータを用いることができる。

凹部２０１は、液体材料導入路２の下流側に設けられた垂直部２１が開口しており、さらに凹部２０１の中央部には、凹部２０１よりもやや高いバルブシート２０２が形成され、このバルブシート２０２にキャリアガス導入路３の逆流防止用ノズル部３１と気化ノズル部４が開口した混合溝２０３が形成されている。

弁ブロック３００は、制御バルブとして機能するものであり、図１に示すように、本体ブロック２００の上面にシール部材７を介して設けられ、例えばステンレス鋼等のように熱伝導性及び耐腐食性の良い材料から形成されている。そして、弁ブロック３００は、前記本体ブロック２００の上面に形成された凹部２０１との間で気液混合室１を形成するダイアフラム３０１と、当該ダイアフラム３０１を押圧して変形させるアクチュエータ３０２とを備えている。

ダイアフラム３０１は、耐熱性及び耐腐食性が良好且つ適当な弾性を有する材料から形成され、バルブシート２０２の上面と当接又は離間する弁部３０１ａと、当該弁部３０１ａの周囲に形成された薄肉部３０１ｂと、当該薄肉部３０１ｂの周囲に形成され、本体ブロック２００に固定される厚肉部３０１ｃと、アクチュエータ３０２からの押圧力を弁部３０１ａに伝達する軸部３０１ｄとを備えている。そして、ダイアフラム３０１は、ばねによって上方に常時付勢されることにより、弁部３０１ａがバルブシート２０２からは離間しているが、軸部３０１ｄにより下方への押圧力が作用すると、弁部３０１ａがバルブシート２０２と当接する方向に変位するように構成されている。このようにして、弁体３０１ａとバルブシート２０２との位置関係により、キャリアガスＣＧ、液体材料ＬＭ及び混合ガスＭＧの流量を制御することができる。

アクチュエータ３０２は、ダイアフラム３０１を下方に押圧してこれを変位させるものであり、弁ブロック３００の上部に設けられたハウジング３０３内に複数の圧電素子を積層して成るピエゾスタック３０２ａと、このピエゾスタック３０２ａ及びダイアフラム３０１の間に設けられ、ピエゾスタック３０２ａの力を軸部３０１ｄに伝達する真球３０２ｂとを備えるピエゾアクチュエータである。

次に、気液混合室１と、液体材料導入路２と、キャリアガス導入路３と、気化ノズル部４と、混合ガス導出路５と、バイパス路６について説明する。気液混合室１は、図１及び図２に示すように、液体材料ＬＭ及びキャリアガスＣＧが混合される空間であり、弁ブロック３００のダイアフラム３０１及び本体ブロック２００の上面の凹部２０１から形成され、実質的に気液混合室１として機能するのは、凹部２０１の混合溝２０３とダイアフラム３０１とから形成される空間である（特に図２参照）。

液体材料導入路２は、気液混合室１に前記液体材料ＬＭを導入するものである。そして、液体材料導入路２は、図３に示すように、その一端が、本体ブロック２００の側面に開口し、他端が、本体ブロック２００の上面の気液混合室１（混合溝２０３）に開口する概略Ｌ字形状をなすものである。

キャリアガス導入路３は、気液混合室１のキャリアガスＣＧを導入するものである、そして、キャリアガス導入路３は、図１及び図３に示すように、その一端が、本体ブロック２００の側面（例えば、液体材料導入路２の開口が設けられている側面以外の側面）に開口し、他端が本体ブロック２００の上面の気液混合室１に開口する概略Ｌ字形状をなすものである。また、気液混合室１に開口する垂直部には、キャリアガス導入路３から気液混合室１内に流入したキャリアガスＣＧが再びキャリアガス導入路３内に逆流しないように、逆流防止用ノズル部３１が形成されている。

気化ノズル部４は、特に図２に示すように、気液混合室１（具体的には混合溝２０３）に連通して設けられ、気液混合室１内において生成された液体材料ＬＭ及びキャリアガスＣＧからなる混合体を減圧気化させるものである。その形状は、直径が混合ガス導出路５の内径に比べてかなり小さく、また、長さもかなり小さく、例えば直径が１．０ｍｍ以下であり、長さが１．０ｍｍ程度である。

混合ガス導出路５は、気化ノズル部４に連通して設けられ、気化ノズル部４により気化された混合ガスＭＧを導出するものである。そして、混合ガス導出路５は、図１及び図３に示すように、その一端が、本体ブロック２００の側面（例えば、液体材料導入路２の開口が設けられている側面、キャリアガス導入路３の開口が設けられている側面以外の側面）に開口し、他端が、上流側側周面５ｂに開口している気化ノズル部４の下流側に連通している。具体的には、混合ガス導出路５の他端側周面（上流側側周面５ｂ）において気化ノズル部４が開口するように連通している（図２参照）。なお、液体材料導入路２の一端、キャリアガス導入路３の一端及び混合ガス導出路５の一端は本体ブロック２００の同一側面に開口していても良い。

キャリアガス導入路３及び混合ガス導出路５は、図１〜図３に示すように、キャリアガス導入路３の流路方向と混合ガス導出路５の流路方向とが概略同一線上となるように形成されている。また、その内径をほぼ同一としている。そして、それらキャリアガス導入路３及び混合ガス導出路５は、隔壁２０４を介して分離されている。

バイパス路６は、図１〜図３に示すように、その一端が、キャリアガス導入路３に開口し、他端が、混合ガス導出路５に開口して、キャリアガス導入路３及び混合ガス導出路５を連通し、キャリアガスＣＧをキャリアガス導入路３から混合ガス導出路５へ流すものである。

本実施形態のバイパス路６は、特に図２に示すように、隔壁２０４に設けられ、その一端が、キャリアガス導入路３の下流側端面３ａに開口し、他端が、混合ガス導出路５の上流側端面５ａに開口する概略円柱形状をなすものである。そして、バイパス路６は、その流路方向が、キャリアガス導入路３の流路方向及び混合ガス導出路５の流路方向とほぼ同一方向に設けられている。このように流路方向が同一に設けられているので、キャリアガス導入路３内のキャリアガスＣＧの一部がバイパス路６を通過しやすくすることができる。

また、バイパス路６の混合ガス導出路５における開口（バイパス路６の混合ガス導出路５の上流側端面５ａにおける開口）は、気化ノズル部４の下流側開口近傍に設けられている。本実施形態では、気化ノズル部からの混合体の流れと、バイパス路６からのキャリアガスＣＧの流れとが、ほぼ直角に衝突するように設けられている。これにより、バイパス路６を通過して、混合ガス導出路５内に流入したキャリアガスＣＧが、気化ノズル部４を通過した混合体に直接衝突するので、気化ノズル部４で細粒化されない液滴を細粒化することができ、気化効率を向上することができるようになる。

このように構成した液体材料気化装置１００において、キャリアガスＣＧは、キャリアガス導入路３を流れ、逆流防止用ノズル部３１から気液混合室１を通り気化ノズル部４を通るルートと、バイパス路６を通るルートとに分流する。

このとき、気化ノズル部４を通るキャリアガスＣＧの流量は、差圧０．１ＭＰａにおいて数ＬＭ（Ｌ／ｍｉｎ）程度であるが、バイパス路６を通るキャリアガスＣＧの流量は、数十ＬＭ程度にできる。

ここで図３を参照して、バイパス路６の直径と流量との関係について説明する。なお、ノズルを通るガス流量は、圧力条件一定の理想的な条件下では、ノズルの断面積に比例する。

図３から、バイパス路６の形状は、単純にノズル形状と同じ形状であると仮定して、ノズル径０．２［ｍｍ］の時の流量をＱ［ＳＬＭ］とすると、例えば直径０．４［ｍｍ］の気化ノズル部４に対して、直径１．０［ｍｍ］のバイパス路６を有する液体材料気化装置１００では、４Ｑ（気化ノズル部４の流量）＋２５Ｑ（バイパス路６の流量）＝２９Ｑの流量を流すことができる。つまり、バイパス路６無しの場合の流量４Ｑに対して約７倍の流量を流すことができる。バイパス路６の直径を大きくすることにより、さらなるキャリアガスＣＧの大流量化が可能となる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る液体材料気化装置１００によれば、キャリアガス導入路３を流れるキャリアガスＣＧの全量がノズル部３１、４を通過するのではなく、その一部がバイパス路６を通過して混合ガス導出路５内に流入するため、キャリアガスＣＧを大流量化することができる。その結果、液体材料ＬＭの分圧を下げることができ、液体材料ＬＭの気化量を増大化することができる。

また、混合体によって気化ノズル部４が詰まった場合でも、キャリアガスＣＧはバイパス路６を流れるので、パージ不可能状態を回避することができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態に係る液体材料気化装置１００について図面を参照して説明する。なお、前記第１実施形態の液体材料気化装置１００と同一又は対応する部材には、同一の符号を用いている。なお、なお、図５は、本実施形態に係る液体材料気化装置１００の縦断面図であり、図６は、気化ノズル部４及びバイパス路６を主として示す部分拡大断面図であり、

本実施形態に係る液体材料気化装置１００は、前記第１実施形態の液体材料気化装置１００とはバイパス路６の構成が異なる。

バイパス路６は、図５及び図６に示すように、その一端が、キャリアガス導入路３の下流側側周面３ｂに開口し、他端が、混合ガス導出路５の上流側側周面５ｂに開口している。

より詳細には、バイパス路６の一端は、キャリアガス導入路３の下流側側周面３ｂにおいて、逆流防止用ノズル部３１の反対側に設けられ、他端は、混合ガス導出路５の上流側側周面５ｂにおいて、気化ノズル部４の反対側に設けられている。

本実施形態のバイパス路６は、第１流路６１と第２流路６２とからなり、それら各流路６１、６２は、本体ブロック２００の下面に設けられた凹部２０５において開口している。詳細には、図５に示すように、凹部２０５の中央部に設けられ、凹部２０５よりもやや高いバルブシート２０６において第１流路６１及び第２流路６２が開口している。

そして、バイパス路６の間には、バイパス路６の開閉を行う開閉機構及びバイパス路６内を流れるキャリアガスＣＧの流量制御を行う流量制御機構の機能を発揮するバイパス流量制御部９が設けられている。

このバイパス流量制御部９は、本体ブロック２００の下面、つまり、本体ブロック２００において前記弁ブロック３００が設けられた面と反対側の面にシール部材１０を介して設けられた制御バルブである。その構成は、前記第１実施形態の弁ブロック３００と同一であり、前記本体ブロック２００の下面に形成された凹部２０５のバルブシート２０６に対して進退移動するダイアフラム９０１と、当該ダイアフラム９０１を押圧して変形させるアクチュエータ９０２と、を備えている。

そして、アクチュエータ９０２によりダイアフラム９０１をバルブシートに２０６に当接させると、バイパス路６は閉塞（遮断）される。一方、アクチュエータ９０２によりダイアフラム９０１をバルブシート２０６から離間させると、バイパス路６が開成（開通）し、キャリアガスＣＧが混合ガス導出路５に流れる。このとき、ダイアフラム９０１とバルブシート２０６との距離により、バイパス路６を流れるキャリアガスＣＧの流量を調節することができる。

つまり、バイパス流量制御部９により、バイパス路６を開放（ＯＰＥＮ）状態にすると、バイパス路６にキャリアガスＣＧを分流することができ、閉塞（ＣＬＯＳＥ）状態にすると、従来と同様に、逆流防止用ノズル部３１から気液混合室１を通り気化ノズル部４を通るルートのみにキャリアガスＣＧを流すことができる。また、バイパス路６をＯＰＥＮ状態にしている際に、バイパス流量制御部９により、バイパス路６を流れるキャリアガスＣＧの流量を制御することができる。

＜第２実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の液体材料気化装置１００によれば、前記第１実施形態の効果に加えて、バイパス路６を流れるキャリアガスＣＧの流量を直接制御することができるので、種々の液体材料ＬＭに合わせて的確な流量制御を行うことができ、気化効率を向上させることができる。

＜その他の変形実施形態＞ なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、前記第１実施形態では、キャリアガス導入路３は、逆流防止用ノズル部３１を備えなくても良い。

また、キャリアガス導入路３、混合ガス導出路５、液体材料導入路２及びバイパス路６の形状は、前記各実施形態に限定されず、適宜変更して形成しても良い。

さらに、前記実施形態では、逆流防止用ノズル部３１と気化ノズル部４とは、互いに同一サイズとなるように構成しているので、キャリアガス導入路３を混合ガス導出路５として用い、混合ガス導出路５をキャリアガス導入路３として用いることができ、液体材料気化装置１００の配管接続の自由度を増すことができる。

その上、バイパス路６は、１つに限られず、複数設けても良い。

前記第２実施形態では、バイパス路６の開閉を行う開閉機構及びバイパス路６内の流量制御を行う流量制御機構を１つのバイパス流量制御部によって構成しているが、開閉機構及び流量制御機構をそれぞれ別々に設けても良いし、それら何れか一方を設けるようにしても良い。

また、前記第２実施形態の液体材料気化装置１００を用いて図７に示す液体材料気化システムを構成しても良い。この液体材料気化システムは、バイパス路６内のキャリアガス流量を制御する流量制御機構（バイパス流量制御部９）を有する液体材料気化装置１００と、当該液体材料気化装置１００に液体材料ＬＭを供給するための液体材料供給管４００と、前記液体材料気化装置１００にキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管５００と、前記液体材料供給管４００及び前記キャリアガス供給管５００にそれぞれ設けられたマスフローメータ６００、７００と、を備えている。このような構成により、キャリアガス供給管５００に設けられたマスフローメータ７００からの出力信号に基づいて、バイパス流量制御部９をフィードバック制御して、バイパス路６を流れるキャリアガスの流量を調節する。また、液体材料供給管４００に設けられたマスフローメータ６００からの出力信号に基づいて、弁ブロック３００をフィードバック制御して、気化ノズル部４に流入する液体材料ＬＭの流量を調節する。

さらに、上記マスフローメータ６００、７００は、熱式又は差圧式のマスフローメータであれば良い。熱式又は差圧式のマスフローコントローラでも同様の効果を得ることができる。

加えて、前記実施形態の液体材料気化装置を半導体製造プロセスのみならず、ひいては半導体製造プロセス以外の液体材料を気化するような用途一般に用いることができるのは勿論である。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明によって、液体材料気化装置において、ノズル形状を変更すること無く、キャリアガスの大流量化を可能にすることができる。

Claims (4)

1. 液体材料及びキャリアガスが混合される気液混合部と、
   前記気液混合部に前記液体材料を導入する液体材料導入路と、
   前記気液混合部に前記キャリアガスを導入するキャリアガス導入路と、
   前記気液混合部に連通し、前記液体材料及び前記キャリアガスからなる混合体を減圧気化させる気化ノズル部と、
   前記気化ノズル部に連通し、前記気化ノズル部により気化された混合ガスを導出する混合ガス導出路と、
   前記キャリアガス導入路及び前記混合ガス導出路を連通し、前記キャリアガス導入路から前記混合ガス導出路へ前記キャリアガスを流すバイパス路と、を具備し、
   前記キャリアガスが、前記気化ノズル部と前記バイパス路とに分かれて流れるように構成された液体材料気化装置。
2. 前記バイパス路の前記混合ガス導出路における開口が、前記気化ノズル部の下流側開口近傍に設けられている請求項１記載の液体材料気化装置。
3. 前記バイパス路の開閉を行う開閉機構を備えている請求項１記載の液体材料気化装置。
4. 前記バイパス路内を流れるキャリアガスの流量制御を行う流量制御機構を備えている請求項１記載の液体材料気化装置。
   

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