JP6094994B2 - 原料ガス生成供給方法 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、Siソースガス供給源からアミノシランガスを供給することが開示されている。
気相成長装置に、自己分解しやすく、かつ生成後保存されたアミノシランを供給して、薄膜(例えば、シリコン酸化膜)を成膜した場合、該薄膜の膜質がばらついてしまう。
また、原料由来のSi−Si結合が膜中に残存するため、リーク電流が高く、絶縁膜としてあまり適していないという問題もあった。
このため、特許文献2に開示された成膜装置を用いた場合、アミノシランの自己分解により、成膜された薄膜の膜質がばらつく恐れがあった。
図1は、本発明の第1の実施の形態の原料ガス生成供給方法を実施する際に使用する原料ガス生成供給装置の概略構成を示す図である。
図1では、説明の便宜上、第1及び第2の容器12,19は、断面図として図示し、第1及び第2のマイクロリアクタ27,42は、平面視した図として図示する。
また、図1では、説明の便宜上、原料ガス生成供給装置10の構成要素ではない気相成長装置101、原料ガス供給ライン102、及び接続部103を図示する。
テトラヒドロフラン溶液に含まれるエチルアミンのモル濃度は、例えば、0.8mol/Lとすることができる。また、テトラヒドロフラン溶液に含まれるジメチルアミンのモル濃度は、例えば、0.4mol/Lとすることができる。
第1の接続部材17は、Oリング31を介して、第1のマイクロリアクタ27上に配置された第1の板材29−1の装着部29A(第1の板材29−1を貫通する孔)に装着されている。第1の接続部材17は、装着部29Aに対して着脱可能な構成とされている。
また、例えば、第1の接続部材17としてプラグを用いると共に、第1の板材29−1の装着部29Aをソケットで構成することで、装着部29Aに対して第1の接続部材17をワンタッチで着脱させる構造を用いてもよい。
ジメチルスルホキシド溶液に含まれるテトラクロロシランのモル濃度は、例えば、0.1mol/Lとすることができる。また、ジメチルスルホキシド溶液に含まれるジクロロシランのモル濃度は、例えば、0.1mol/Lとすることができる。
上記第1及び第2の溶液13,21は、第1のマイクロリアクタ27を用いて、アミノシランを含む反応物を生成するための溶液である。
図1〜図3を参照するに、第1のマイクロリアクタ27は、第1の板状部材61と、第2の板状部材62と、第3の板状部材63と、第1の溶液供給用流路71と、第2の溶液供給用流路72と、反応用流路73と、を有する。
第1の板状部材61の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。この場合、第1の板状部材61の厚さは、例えば、500μmとすることができる。
第2の板状部材62は、矩形とされ、その外形が第1の板材29−1の外形よりも小さくなるように構成されている。第2の板状部材62の外形は、例えば、第1の板状部材61の外形と同じ大きさにすることができる。
第2の貫通溝65は、その一端が第2の接続部材25の下方に配置されており、他端が第1の貫通溝66の他端及び第3の貫通溝67の一端と一体とされている。上記第1及び第2の貫通溝65,66よりなる貫通溝は、平面視V字形状とされている。
第3の貫通溝67は、その一端が第2の接続部材25の下方に配置されており、他端が第1の貫通溝66の他端及び第3の貫通溝67の一端と一体とされている。第3の貫通溝67は、第2の板状部材62の長手方向に延在している。
第2の板状部材62の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。この場合、第2の板状部材62の厚さは、例えば、500μmとすることができる。
なお、図示してはいないが、第3の板状部材63は、第2の接続部材25の先端の外周を露出する貫通部(図示せず)と、第3の接続部材37の先端の外周を露出する貫通部(図示せず)と、を有する。
第3の板状部材63の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。この場合、第3の板状部材63の厚さは、例えば、500μmとすることができる。
第1の溶液供給用流路71の延在方向に対して直交する面方向で第1の溶液供給用流路71を切断した際の第1の溶液供給用流路71の切断面の形状は、例えば、四角形とすることができる。
第2の溶液供給用流路72の延在方向に対して直交する面方向で第2の溶液供給用流路72を切断した際の第2の溶液供給用流路72の切断面の形状は、例えば、四角形とすることができる。
反応用流路73は、第1の溶液供給用流路71を介して供給された第1の溶液13と、第2の溶液供給用流路72を介して供給された第2の溶液21と、を反応させて、アミノシランを含む反応物を生成するための流路である。
第2の板状部材62の厚さが500μmの場合、反応用流路73の高さは、例えば、500μmとすることができる。この場合、反応用流路73の幅は、例えば、100μmとすることができる。
第1の実施の形態では、第1の溶液供給用流路71、第2の溶液供給用流路72、及び反応用流路73の切断面の形状としては、例えば、円形、楕円形、半円形状等を用いることができる。
第1の板材29−1の外形は、第1のマイクロリアクタ27の外形よりも大きくなるように構成されている。
上記3つの装着部(具体的には、装着部29A、及び2つの装着部(図示せず))は、第1の板材29−1を貫通するように設けられている。
第1の板材29−1としては、例えば、金属板やガラス板等を用いることができる。
第1の板材29−2の外形は、第2のマイクロリアクタ42の外形よりも大きくなるように構成されている。
これら4つの装着部(図示せず)は、先に説明した装着部29Aと同様な構成とされている。
第1の板材29−2としては、例えば、金属板やガラス板等を用いることができる。
なお、図示してはいないが、Oリング31は、第2の接続部材25(図1参照)、第3の接続部材37(図1参照)、第4の接続部材39(図1参照)、第5の接続部材47(図1参照)、第6の接続部材48(図1参照)、及び第7の接続部材53(図1参照)の周囲をそれぞれ囲むように配置されている。
第2の板材33−1の外形は、第1のマイクロリアクタ27の外形よりも大きくなるように構成されている。第2の板材33−1としては、例えば、金属板やガラス板等を用いることができる。
第2の板材33−2の外形は、第2のマイクロリアクタ42の外形よりも大きくなるように構成されている。第2の板材33−2としては、例えば、金属板やガラス板等を用いることができる。
また、図1を参照するに、挟み込み部材35は、第2のマイクロリアクタ42を収容する第1及び第2の板材29−2,33−2の短辺を挟み込むように、2つ設けられている。2つの挟み込み部材35は、対向するように配置されている。
反応物含有液体供給ライン38は、第2のマイクロリアクタ42に、第1のマイクロリアクタ27で生成されたアミノシランを含む反応物を供給するためのラインである。
第1の板状部材76は、矩形とされた第2の板材33−2上に配置されている。第1の板状部材76の外形は、第1及び第2の板材29−2,33−2の外形よりも小さくなるように構成されている。
第1の板状部材76の材料としてガラスを用いる場合、第1の板状部材76の厚さは、例えば、500μmとすることができる。
第2の板状部材77は、矩形とされ、その外形が第1の板材29−1の外形よりも小さくなるように構成されている。第2の板状部材77の外形は、例えば、第1の板状部材76の外形と同じ大きさにすることができる。
第1の貫通溝91は、その一端が第1の板材29−2に装着された第5の接続部材47の下方に配置されており、他端が第2の貫通溝92の他端及び第3の貫通溝93の一端と一体とされている。平面視した際の第1の貫通溝91の形状としては、例えば、L字型を用いることができる。
第3の貫通溝93としては、例えば、第2の板状部材77の長手方向に延在する第1の部分と、該第1の部分と一体とされ、かつ該長手方向に対して直交する方向に延在する第2の部分と、を少なくとも1つ以上有する貫通溝を用いることができる。
第3の板状部材78の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。この場合、第3の板状部材78の厚さは、例えば、500μmとすることができる。
第2の板状部材77の厚さが500μmの場合、キャリアガス供給用流路81の高さは、例えば、500μmとすることができる。この場合、キャリアガス供給用流路81の幅は、例えば、100μmとすることができる。
第2の板状部材77の厚さが500μmの場合、反応物供給用流路82の高さは、例えば、500μmとすることができる。この場合、反応物供給用流路82の幅は、例えば、100μmとすることができる。
気液分離用流路84は、気体用流路84Aと、液体用流路84Bと、を有する。気体用流路84Aは、液体用流路84Bと一体とされ、かつ液体用流路84Bと並走する流路である。気液分離用流路84を区画する第1ないし第3の板状部材76〜78の面は、疎水性処理(具体的には、例えば、第1ないし第3の板状部材76〜78の材料がガラスの場合、オクタデシルトリクロロシランをガラス表面のOH基と反応させる表面処理)が施されている。
平面視した状態において、ガス用流路85の形状は、例えば、L字型とすることができる。
反応物用流路87に流入した未反応物質を含む液体は、第6の接続部材48及び液体排出ライン51を介して、排出される。
上記構成とされた第2のマイクロリアクタ42は、一対の挟み込み部材35により、第1の板材29−2と第2の板材33−2との間に挟み込まれている。
キャリアガス供給ライン45は、一端がキャリアガス供給部44と接続され、かつ他端が第5の接続部材47と接続されている。キャリアガス供給ライン45は、キャリアガス供給部44から供給されたキャリアガスをキャリアガス供給用流路81に供給する。
なお、キャリアガス供給ライン45に、キャリアガスの流量を制御する流量制御部(図示せず)を設けてもよい。
第6の接続部材48は、第1の板材29−2に形成された装着部(図示せず)に対して、着脱可能な構成とされている。第6の接続部材48は、先に説明した第1の接続部材17と同様な構成とされている。
第7の接続部材53は、第1の板材29−2に形成された装着部(図示せず)に対して、着脱可能な構成とされている。第7の接続部材53は、原料ガス取り出しライン54の一端と接続されている。ガス用流路85により輸送されたアミノシラン及びヘリウムガスを含むガスは、第7の接続部材53を介して、原料ガス取り出しライン54に導出される。
原料ガス取り出しライン54は、気相成長装置101のチャンバ(図示せず)内に、接続部103及び原料ガス供給ライン102を介して、アミノシラン及びヘリウムガスを含むガスを供給する。
始めに、第1の容器12内に、第1の溶液13として、例えば、エチルアミン(例えば、モル濃度が0.8mol/L)を含有したテトラヒドロフラン溶液、或いはジメチルアミン(例えば、モル濃度が0.4mol/L)を含有したテトラヒドロフラン溶液を準備する。
次いで、第2の容器19内に、第2の溶液21として、例えば、テトラクロロシラン(例えば、モル濃度が0.1mol/L)を含有したジメチルスルホキシド溶液、或いはジクロロシラン(例えば、モル濃度が0.1mol/L)を含有したジメチルスルホキシド溶液を準備する。
このとき、キャリアガス供給用流路81に、キャリアガス(例えば、ヘリウムガス)を供給する。
このとき、アミノシラン及びキャリアガスを含むガスは、ガス用流路85を流れ、未反応物質を含む液体は、反応物用流路87を流れる。
図8は、本発明の第2の実施の形態の原料ガス生成供給方法を実施する際に使用する原料ガス生成供給装置の概略構成を示す図である。図8では、説明の便宜上、図1に示す第2のマイクロリアクタ42と同一構成とされた2つの第2のマイクロリアクタの符号を「42−1」及び「42−2」として図示する。
さらに、図8では、図1に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
これにより、第2のマイクロリアクタ42−1の反応物供給用流路82−1には、第3の接続部材37、反応物含有液体供給ライン38、及び第4の接続部材39−1を介して、第1のマイクロリアクタ42−1で生成されたアミノシランを含む反応物が供給される。
これにより、第2のマイクロリアクタ42−2の反応物供給用流路82−2には、第6の接続部材48−1、反応物含有液体供給ライン115、及び第4の接続部材39−2を介して、第2のマイクロリアクタ27から排出されるアミノシランを含む反応物が供給される。
なお、第2のマイクロリアクタ42−1のキャリアガス供給用流路81−1からはヘリウムが供給され、気液分離用流路84−1において低沸点溶媒が蒸発し、ガス用流路85−1からは、低沸点溶媒を含むヘリウムが排出される。
第2のマイクロリアクタ42−2は、第7の接続部材53−2、原料ガス取り出しライン54、接続部103、及び原料ガス供給ライン102を介して、気相成長装置101のチャンバ(図示せず)内に、純度の高いアミノシラン、及びキャリアガスを含むガスを供給する。
反応物含有液体供給ライン115は、その一端が第6の接続部材48−1と接続されており、他端が第4の接続部材39−2と接続されている。
図9は、本発明の第3の実施の形態の原料ガス生成供給方法を実施する際に使用する原料ガス生成供給装置の概略構成を示す図である。図9において、図8に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
例えば、気相成長装置101の原料ガスの使用量によっては、3つよりも多くのマイクロリアクタ群111を設けてもよい。
実施例1では、図8に示す原料ガス生成供給装置110を用いることで、取得されるテトラキスエチルアミノシランの純度及び収率を評価した。
具体的には、以下の方法により、テトラキスエチルアミノシランを取得した。
第1の溶液供給用流路71にエチルアミン(0.8mol/L)を含有したテトラヒドロフラン溶液を1μL/minの供給速度で供給すると共に、第2の溶液供給用流路72にテトラクロロシラン(0.1mol/L)を含有したジメチルスルホキシド溶液を1μL/minの供給速度で供給した。
次いで、反応物供給用流路82−1に、該粗反応物を供給し、低沸点のテトラヒドロフランを気相ヘリウム中に除去した。
その後、テトラキスエチルアミノシラン(流速が0.075mmol/min)の純度及び収率を測定したところ、純度が99%で、収率75%であることが分かった。
このとき、純度は、アネルバ社製のM−401QA四重極質量分析計を用いて測定し、収率は、アネルバ社製のM−401QA四重極質量分析計を用いて測定した。
なお、アミノシラン系化合物の販売価格を考慮すると、約66%以上の収率が好ましい。
実施例2では、図9に示す原料ガス生成供給装置120(但し、20個のマイクロリアクタ群111を原料ガス取り出しライン54と接続した装置)を用いることで、取得されるテトラキスエチルアミノシランの純度及び収率を評価した。
このとき、評価に使用する装置として、原料ガス生成供給装置120を用いたこと以外は、実施例1と同じ条件を用いて、テトラキスエチルアミノシランを取得した。
図10は、実施例2及び比較例1のテトラキスエチルアミノシランの濃度と当該物質をボトルに充填した後バブリングによる供給を開始した時刻からの経過時間との関係を示す図である。
このことから、量産工程においても、繰り返し再現性良く、同品質の薄膜を形成し続けることができると考えられる。
比較例1では、以下の方法により、テトラキスエチルアミノシランを作成した。
始めに、エチルアミン(1mol/L)を含むテトラヒドロフラン溶液を12Lと、テトラクロロシラン510g(3mol)と、を10L用フラスコ内で混合して、テトラキスエチルアミノシランを含む粗反応物を得た。
上記合成作業を6回繰り返すことで、12molのテトラキスエチルアミノシランを得た。
次いで、図11に示す評価装置130を用いて、テトラキスエチルアミノシランの濃度と経過時間との関係について調べた。
具体的には、まず、供給容器131内にテトラキスエチルアミノシランを移した。次いで、供給容器131内にテトラキスエチルアミノシランを、気化器132を介して、1.5mmol/min(0.3g/min)の流量で120時間連続気化供給した。このとき、気化器132としては、堀場エステック社製のVC−1310(型番)を用いた。
図10を参照するに、90時間経過したところから、アミノシランの濃度が徐々に減少し、アミノシランが変性していることが確認できた。
Si[NH(C2H5)]4+H2O→Si(OH)[NH(C2H5)]3+NH2(C2H5)・・・(1)
実施例3では、図8に示す原料ガス生成供給装置110を用いることで、取得されるテトラキスエチルアミノシランの純度及び収率を評価した。
具体的には、以下の方法により、ビスジメチルアミノシランを取得した。
第1の溶液供給用流路71にジメチルアミン(0.4mol/L)を含有したテトラヒドロフラン溶液を1μL/minの供給速度で供給すると共に、第2の溶液供給用流路72にジクロロシラン(0.1mol/L)を含有したジメチルスルホキシド溶液を1μL/minの供給速度で供給した。
次いで、反応物供給用流路82−1に、該粗反応物を供給し、低沸点のテトラヒドロフランを気相窒素中に除去した。
その後、ビスジメチルアミノシラン(流速が0.08mmol/min)の純度及び収率を測定したところ、純度が99%で、収率80%であることが分かった。
実施例4では、図9に示す原料ガス生成供給装置120(但し、マイクロリアクタ群111を20個接続した装置)を用いることで、取得されるビスジメチルアミノシランの純度及び収率を評価した。
このとき、評価に使用する装置として、原料ガス生成供給装置120を用いたこと以外は、実施例1と同じ条件を用いて、ビスジメチルアミノシランを取得した。
図12は、実施例4及び比較例2のビスジメチルアミノシランの濃度と当該物質をボトルに充填した後バブリングによる供給を開始した時刻からの経過時間との関係を示す図である。
このことから、量産工程においても、繰り返し再現性良く、同品質の薄膜を形成し続けることができると考えられる。
比較例2では、以下の方法により、ビスジメチルアミノシランを作成した。
始めに、ジメチルアミン(1mol/L)を含むテトラヒドロフラン溶液を6Lとジクロロシラン510g(3mol)と、を10L用フラスコ内で混合して、ビスジメチルアミノシランを含む粗反応物を得た。
上記合成作業を6回繰り返すことで、12molのビスジメチルアミノシランを得た。
具体的には、まず、供給容器131内にビスジメチルアミノシランを移した。次いで、供給容器131内にビスジメチルアミノシランを、気化器132を介して、1.5mmol/min(0.3g/min)の流量で120時間連続気化供給した。
図12を参照するに、90時間経過したところから、ビスジメチルアミノシランの濃度が徐々に減少し、ビスジメチルアミノシランが変性していることが確認できた。
Si[NH(C2H5)]4+H2O→Si(OH)[NH(C2H5)]3+NH2(C2H5)・・・(2)
54…原料ガス取り出しライン、61,76…第1の板状部材、62,77…第2の板状部材、63,78…第3の板状部材、63A…貫通部、65,91…第1の貫通溝、66,92…第2の貫通溝、67,93…第3の貫通溝、71…第1の溶液供給用流路、72…第2の溶液供給用流路、73…反応用流路、76…第1の板状部材、77…第2の板状部材、78…第3の板状部材、81,81−1,81−2…キャリアガス供給用流路、82,82−1,82−2…反応物供給用流路、84,84−1,84−2…気液分離用流路、84A…気体用流路、84B…液体用流路、85,85−1,85−2…ガス用流路、87,87−1,87−2…反応物用流路、94…第4の貫通溝、95…第5の貫通溝、101…気相成長装置、102…原料ガス供給ライン、103…接続部、111…マイクロリアクタ群、130…評価装置、131…供給容器、132…気化器、133…濃度測定器
Claims (3)
- 第1のマイクロリアクタの反応用流路に、アルキルアミンを含む第1の溶液、及びクロロシランを含む第2の溶液を供給して、前記反応用流路で反応させることで、アミノシランを含む反応物を生成する反応物生成工程と、
第2のマイクロリアクタの気液分離流路に、キャリアガス及び前記反応物を供給して、成膜時の原料ガスとなるアミノシラン、及び前記キャリアガスを含むガスと、未反応物質を含む液体と、を分離する気液分離工程と、
気相成長装置に、前記第2のマイクロリアクタで生成された前記ガスをリアルタイムで供給する原料ガス供給工程と、
を含み、
さらに、前記反応物生成工程の前に、前記第1のマイクロリアクタ、及び直列に接続された複数の前記第2のマイクロリアクタよりなるマイクロリアクタ群を準備するマイクロリアクタ群準備工程を有し、
前記気液分離工程では、複数の前記第2のマイクロリアクタのうち、前記第1のマイクロリアクタと接続されていない全ての前記第2のマイクロリアクタに、前記未反応物質を含む液体、及び前記キャリアガスを供給することで、前記ガスを取得することを特徴とする原料ガス生成供給方法。 - 前記マイクロリアクタ群準備工程では、複数の前記マイクロリアクタ群を準備し、
前記原料ガス供給工程では、複数の前記マイクロリアクタ群により取得される前記ガスを前記気相成長装置に供給することを特徴とする請求項1記載の原料ガス生成供給方法。
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