JP6013917B2 - 気化器及び気化方法 - Google Patents

Description

本発明は、キャリアガスに含まれた成膜用液体材料を気化する気化器、この気化器を備えた成膜装置に関する。

従来、ＭＯＣＶＤ装置を含むＣＶＤ装置等を用いて半導体ウエハーの表面を成膜する成膜装置において、成膜用液体材料を含むキャリアガスを気化器に供給し、この気化器内でキャリアガスに含まれる成膜用液体材料を気化させる技術が知られている。

また、このような気化器においては、気化器の外周や気化器内にキャリアガスを供給する配管の外周にヒータを配置し、そのヒータ熱によってキャリアガスに含まれる成膜材料を気化させている（例えば、特許文献１から３）。
また、特許文献４には、キャリアガスに液体原料を導入し、ミクロンオーダー以下（１ミクロン以下）に微細化した液体原料をキャリアガスに分散させ（以下、液体原料が分散したキャリアガスを原料ガスという。）、この原料ガスを気化器に導入して気化させた後、成膜室において成膜する技術が開示されている。その際、溶媒のみが気化してしまい、出口の目詰まりが発生することを防止すること等を目的として、出口を冷却するための手段を設けてある。また、液体原料をより小さな粒子としてキャリアガス中に分散させるためにキャリアガスの流速は50〜340m／secが好適な条件として用いられている。
しかし、上記技術により成膜を行うと、膜の表面に波紋が生じてしまうことがある。また、膜中あるいは表面にパーティクルの存在が認められる。さらに、膜の組成が目標とする組成からずれてしまうことがある。また、カーボン含有量が多くなることがある。
さらに、特許文献４記載の記述においては、例えば、ＳＴＯ膜を成膜する場合、気化器の出口近傍における他の装置との継ぎ手部近傍において温度を300℃以上の温度に設定してあかなければ液体原料を気化することができなかった。すなわち、理論上の温度よりはるかに高い温度に設定する必要があった。しかし、例えば、継ぎ手部を300℃に加熱する場合、継ぎ手部におけるＯリングとして高い耐熱性が要求されることとなり、メタルリングを使用せざるを得ない場合も生じていた。
特許文献５には、気化部の形状が、ガスの入力側に対して、拡がりを持つ形状であって、内部にヒータを配置した薄膜成膜液体原料用気化器について記載されている。

特開平１１−１８６１７０号公報 ２０００−０３１１３４号公報 ２００３−２２４１１８号公報 ＷＯ０２／０５８１４１号公報 ２００２−１１５０６７号公報

特許文献４では、例えば、ＳＴＯ膜を成膜する場合、気化器の出口近傍における他の装置との継ぎ手部近傍において温度を300℃以上の温度に設定しておかなければ液体原料を気化することができなかった。すなわち、理論上の温度よりはるかに高い温度に設定する必要があった。しかし、例えば、継ぎ手部を300℃に加熱する場合、継ぎ手部におけるＯリングとして高い耐熱性が要求されることとなり、メタルリングを使用せざるを得ない場合も生ずるという問題点があった。
特許文献５では、気化部の形状が、ガスの入力側に対して、拡がりを持つ形状であるために、ガスの流れが、凹湾の形状の部分で停滞する、あるいは気流の乱れにより噴流に偏りが生じ、十分な気化が困難となり、また、凹湾の形状部分に付着物が蓄積し、パーティクルの発生などの問題点があった。
本発明は、膜における、波紋、パーティクル、カーボン量を減少させることができ、しかも所望の組成を有する膜を形成することができる原料供給可能な気化器を提供することを目的とする。
また、このような気化器を用いることにより、気化器内での気化を促進して、成膜時の波紋の発生等を抑制することができる成膜装置を提供することを目的とする。
本発明は、必要以上の加熱を要することなく気化を十分に行うことが可能な気化器を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、成膜用液体材料が分散しているキャリアガスが導入される気化器本体と、該気化器本体の内部に配置されたヒータ本体とを備えており、前記ヒータ本体は、導入部、円周部、排出部の順に構成され、前記ヒータ本体の導入部の形状が、円錐又は多角錐形状である気化器において、
前記内部に配置されたヒータがある部分の円周部周辺の通路断面積は、ヒータが無い部分の通路断面積の０．８〜１．２であることを特徴とする気化器である。
本発明者は、従来技術が有する問題の原因について各種実験を重ねて探求した。その結果、キャリアガス中に分散した液体材料が十分気化されないまま成膜室に送り込まれてしまうことに原因があるのではないかとの知見を抱き上記問題の解明を試みた。その結果、加熱温度を単純に高くしただけでは、必ずしも未気化を防止することはできないことを実験により確認した。また、温度を高くすることは継ぎ手部などへの悪影響を与える。
各種実験を重ねる中で、液体原料が分散したキャリアガスの通路にヒータを配置しておくと上記問題点が一気に解決できることを偶然見出し、本発明をなすに到ったものである。
図１におけるＳ０で示した部分の断面積と、内部ヒータ４が配置された部分における通路断面積Ｓ１との関係として、Ｓ１は、Ｓ０に対して０．８〜１．２とすることが好ましく、０．９〜１．１とすることがより好ましい。この範囲とした場合には、気化は瞬間的に行われ、未反応の液体原料は激減することが確認された。
なお、通路断面積Ｓ１に関して、請求項４に記載した、ヒータがある部分の通路断面積は、図１にて、ヒータが円筒状の周辺の通路断面積であり、請求項５に記載した、ヒータがある部分の前記円錐形状周辺の通路断面積は、ヒータの導入部の円錐形状周辺のヒータが円錐状の周辺の通路断面積である。
また、内部ヒータは、原料ガス導入部側に円錐又は多角錐形状の傾斜部を設けておくことが乱流防止の上好ましい。この傾斜部に対応するガス導入部の断面積もＳ１と同じとすることが好ましい。
従って、気化器の外形も、内部ヒータの傾斜部に沿って傾斜部が形成される。なお、排出部側にも傾斜を設けることが好ましい。

請求項３に係る発明は、前記ヒータ本体は、キャリアガスの導入部の延長線上に配置されている請求項１又は２記載の気化器である。
原料ガスの気化器内への導入部における面積は、０．１〜１ｍｍ２であり、その部分から原料溶液が分散したキャリアガスが気化器内に導入される。そのガスの流れの延長線上の部分で流速が大きくなり、気化器内において熱を受領する時間が短くなる。そこで、原料ガスの通路の遮蔽物となるように内部ヒータを配置することが好ましい。

請求項４に係る発明は、気化後のガス排出部は、前記キャリアガスの導入部の延長軸上に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の気化器である。
気化器の長さは（図１におけるＨ）は、成膜条件によっても変動するが、一般的には、５〜１００ｃｍ、あるいは１０〜５０ｃｍの寸法を有している。原料ガスの導入が高速で行われると、気化に必要な熱を受領することなく一気に導入口から排気口まで流れてしまうおそれがある。従って、排気部は、前記キャリアガスの導入部の延長軸上に配置されている場合に特に有効である。

請求項５に係る発明は、キャリアガスの導入部を冷却するための手段が設けてある請求項１乃至４のいずれか１項記載の気化器である。
キャリアガスの通路、液体原料、原料ガスの通路乃至原料ガスの導入部を冷却（特に溶媒の沸点以下の温度への冷却）することにより導入部における目詰まりを防止できるが、かかる冷却を行った場合に特に本発明は有効である。
請求項６に係る発明は、前記気化器本体の排出側外周に第２のヒータが配置されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の気化器である。
前記第２のヒータを配置することによって、気化路での温度差を、更に縮小することが可能となる。

請求項７に係る発明は、前記ヒータ本体の導入部の円錐形状は、高さ／円錐底部の直径は、０．５〜１の範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の気化器である。ここで、高さ／円錐底部の直径が、０．５未満であると、円錐形状が、平坦となって、キャリアガスの流れに対して抵抗となる不具合が生じ、また高さ／円錐底部の直径が、１を超えると、円錐形状の高さが長くなり、気化器装置の長さ寸法の増加となる不具合が生ずる。
請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれか１項記載の気化器を備えていることを特徴とする成膜装置である。

この際、前記気化器本体は、キャリアガスの導入口付近に形成されてキャリアガスの排出方向に向かって拡開する導入部と、該導入部に連続する胴部と、該胴部からのキャリアガス排出方向に向かって縮閉する排出部とを備え、前記ヒータ本体は、キャリアガスの導入口付近に形成されてキャリアガス排出方向に向かって拡開する導入部と、該導入部に連続する胴部と、該胴部からキャリアガス排出方向に向かって縮閉する排出部を一体に備えていることが好ましい。

また、前記気化器本体並びに前記ヒータ本体の各導入部と円周部と排出部とが略同位置に対応するように構成されていることが好ましい。

さらに、前記気化器本体と前記ヒータ本体とは、キャリアガスの排出方向と交差する平断面形状が略真円であり、且つその各中心が同軸上に配置されていることが好ましい。

尚、先に説明したように、前記気化器本体の排出側外周に第２のヒータを配置しても良い。
請求項９に係る発明は、請求項１乃至７のいずれか１項記載の気化器において、成膜用液体材料を含むキャリアガスは、５０ｍ／ｓｅｃ〜３５０ｍ／ｓｅｃの速度で気化器本体に導入されることを特徴とする気化方法である。
液体原料を裁断し、小さな粒子（外径１μｍ以下）として霧化し、キャリアガス中に分散させるために、５０ｍ／ｓｅｃ〜３５０ｍ／ｓｅｃ（特に亜音速（音速の０．６〜０．７５）のキャリアガスに液体原料を導入することが好適に使用されるのが好ましい。かかる条件の場合において本発明を適用すると気化率を大幅に向上させることが可能となる。

請求項１〜９による気化器によれば、膜における、波紋、パーティクル、カーボン量を減少させることができ、しかも所望の組成を有する膜を形成することができる原料供給可能な気化器を提供することができる。
請求項８による気化器によれば、気化路での温度差を、更に縮小することが可能となる気化器を提供することができる。

請求項１０による成膜装置によれば、気化器内での気化を促進して、成膜時の波紋の発生等を抑制することができる成膜装置を提供できる。
本発明は、必要以上の加熱を要することなく気化を十分に行うことが可能な、しかも、温度管理を容易とすることができる気化器を提供することができる。

本発明の一実施の形態による気化器の説明図。 図１の本発明の気化器のＡＡ断面図。 本発明の他の実施の形態による気化器の説明図。

１ 気化器
２ 配管接続部
３ 気化器本体
３ａ 導入部
３ｂ 円筒部
３ｃ 排出部
４ ヒータ本体
４ａ 導入部
４ｂ 円周部
４ｃ 排出部
５ 気化路
６ 第２のヒータ

次に、本発明の一実施の形態に係る気化器について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による気化器の説明図、図２は、図１の本発明の気化器のＡＡ断面図、図３は、本発明の他の実施の形態による気化器の説明図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る気化器１は、矢印Ａに示すように、図示上方から、成膜用液体材料を含むキャリアガスが流入され、矢印Ｂに示すように、図示下方側へとミスト排出することで最膜室等に気化されたキャリアガスを排出するものである。
尚、図１に示すように、気化器１へは、複数の成膜用液体材料を投入（矢印Ｃ、Ｄ参照）することも可能であるし、これらを切り替え投入することも可能である。

また、気化器１は、図示上方に配置されて上述したキャリアガスを投入するための配管接続部２と、配管接続部２に接続された気化器本体３と、気化器本体３内に配置されたヒータ本体４とを備えている。尚、気化器本体３の図示下方は、配管接続部２と同様の配管接続部を接続ＳＨたり、成膜装置（チャンバ）を接続するなど、使用目的に応じて任意である。

気化器本体３は、図示上下に分割されており、図２に示すように、断面（水平断面）略真円形状を呈している。また、気化器本体３は、配管接続部２から図示下方へと円錐又は多角錐形状に拡開する導入部３ａと、導入部３ａに連続する円周部（胴部）３ｂと、図示下方へと円錐又は多角錐形状に縮閉する排出部３ｃとを備えている。

ヒータ本体４は、図示上下に分割されており、図２に示すように、断面（水平断面）略真円形状を呈している。これにより、気化器本体３の中心とヒータ本体４の中心とを同軸上に配置することによって、気化器本体３の内部とヒータ本体４の外周とで形成される気化路５を均等に区画することができ、均一な気化を行うことができる。また、気化器本体３は、配管接続部２側に位置して図示下方へと円錐形状に拡開する導入部４ａと、導入部４ａに連続する円筒部（胴部）４ｂと、図示下方へと円錐形状に縮閉する排出部４ｃとが一体に形成されている。さらに、ヒータ本体４は、直接発熱しても良いし、内部加熱の何れでも良い。この際、ヒータ本体４は、その表面温度の設定により直接気化路５内の温度を管理することができるうえ、キャリアガスはヒータ本体４に直接接触しつつ図示下方へと排出されるため、キャリアガスの気化を効率良く行うことができる。

なお、ヒータ本体４は、本実施の形態では、気化器本体の導入部３ａと、ヒータ本体の導入部４ａ、気化器本体の円筒部３ｂとヒータ本体の円筒部４ｂ、気化器本体の排出部３ｃとヒータ本体の排出部４ｃとが略同位置に対応するように構成されている。また、ヒータ本体４は、気化路５のうち、気化器本体の導入部３ａ付近の経路長Ｌをキャリアガス（ミスト）が拡散して平らになる距離（例えば、5cm）で設定することにより、より満遍なく気化することができる。

これにより、気化路５内の温度は、例えば、気化器本体の導入部３ａ付近（≒経路長Ｌ）においては、約290℃、それ以降を約270℃といったように、温度差の低い気化路５を形成することができる。

また、この温度差を無くすために、例えば、気化器本体３の排出側外周に第２のヒータを配置しても良い。
図３は、本発明の他の実施の形態による気化器の説明図であり、気化器本体３の排出側外周に第２のヒータ６を配置した例である。

上記の構成において、配管接続部２から気化路５内に供給されたキャリアガス（ミスト）は、ヒータ本体の導入部４ａで拡散されつつヒータ本体の円筒部４ｂの外周付近を通過してヒータ本体の排出部４ｃで合流される。

これにより、気化器本体３の長さＨよりも気化路５の経路長を長く設定することができ、気化器本体３の小型化を実現したものでありながら、キャリアガスの滞在時間を長く確保し得て、ヒータ本体４による直接加熱効果と相まって、十分なキャリアガスの気化を実現することができる。
本発明では、例えば、ＳＴＯの成膜に際して、気化室内を250℃として成膜を行ったところ、気化器と他の装置（例えば、成膜装置）との継ぎ手部も250℃であり、その条件でも膜における波紋、パーティクル、カーボン量は著しく減少しており、しかも所望の組成に対するずれを小さくすることができた。

気化室の入り口側におけるヒータの部分（導入部）の形状を円錐 としてＳＴＯ膜（膜Ａ）を形成した。
なお、本例では、高さ／円錐の底辺直径を、０．６とした。
本例では、円周部周辺の通路断面積は、ヒータが無い部分の通路断面積 と同じとした。
一方、ヒータの導入部を円柱として同様にＳＴＯ膜（膜Ｂ）を形成した。

膜Ａにおいては、SrTiO3の化学量論比からのずれは、膜Bにおけるそれの半分以下であった。
また、膜Ａは膜Ｂに対して、パーティクル数、カーボン量ともに１／４以下であった。
円周部周辺の通路断面積がヒータが無い部分の通路断面積の０．８〜１．２とした場合には、 ０．８未満、１．２を超えた場合に比べて、本発明効果はより優れていた。

本発明によれば、内部での気化効果を向上させることができ、しかも温度管理を容易とすることができる気化器を提供することができ、この気化器を用いた成膜装置の性能の向上を実現することができる。

Claims (9)

1. 成膜用液体材料が分散しているキャリアガスが導入される気化器本体と、該気化器本体の内部に配置されたヒータ本体とを備えており、前記ヒータ本体は、導入部、円周部、排出部の順に構成され、前記ヒータ本体の導入部の形状が、円錐又は多角錐形状である気化器において、
   前記内部に配置されたヒータがある部分の円周部周辺の通路断面積は、ヒータが無い部分の通路断面積の０．８〜１．２であることを特徴とする気化器。
2. 成膜用液体材料が分散しているキャリアガスが導入される気化器本体と、該気化器本体の内部に配置されたヒータ本体とを備えており、前記ヒータ本体は、導入部、円周部、排出部の順に構成され、前記ヒータ本体の導入部の形状が、円錐又は多角錐形状である気化器において、
   前記内部に配置されたヒータがある部分の導入部の円錐形状周辺の通路断面積は、前記ヒータ本体の導入部におけるヒータが無い部分の通路断面積の０．８〜１．２であることを特徴とする気化器。
3. 前記ヒータ本体は、キャリアガスの導入部の延長軸上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の気化器。
4. 気化後のガスの排出部は、前記キャリアガスの導入部の延長軸上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の気化器。
5. キャリアガスの導入部を冷却するための手段を設けてあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の気化器。
6. 前記気化器本体の排出側外周に、第２のヒータが配置されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の気化器。
7. 前記ヒータ本体の導入部の円錐形状は、高さ／円錐底部の直径は、０．５〜１の範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の気化器。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の気化器を備えていることを特徴とする成膜装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の気化器において、成膜用液体材料を含むキャリアガスは、５０ｍ／ｓｅｃ〜３５０ｍ／ｓｅｃの速度で気化器本体に導入されることを特徴とする気化方法。

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