JP6694093B2 - 気化器 - Google Patents

Description

本発明は、気化に先だって液体原料を霧化させるための噴霧用キャリアガスを使用しない気化器に関し、更に詳しくは、液体原料の気化器への導入管（毛細管）を多孔質部材（焼結フィルター）に接触又は近接させることによって、気化過程での圧力変動が極めて小さい気化器に係る。

半導体デバイスの製造工程には、製膜工程、エッチング工程、拡散工程などがあるが、それらの工程では、多くは原料としてガスが使用されている。しかしながら、近年、原料ガスに代わって液体原料が多用されるようになってきた。

この液体原料は、気化器によってガスに変換されて反応工程に供される。原料がガスの場合は、マスフローコントローラにより、流量制御されるために流量の安定性は良好である。
一方、液体原料では、流量制御された液体原料を気化器に導入し、気化器内部で噴霧ガスによってこれを霧化した後、これを加熱によって気化させることになるが、原料がガスの場合に比べて圧力変動が大きい。均一な膜を安定的に作成するためには、このような圧力変動を出来る限り抑制する必要がある。
このような半導体成膜工程で、最新の半導体成膜工程では、キャリアガスを使用しない場合が増えている。このような噴霧ガスやキャリアガスを使用しない気化工程では、後述する理由で噴霧ガスやキャリアガスを使用する場合より圧力変動は著しく大きくなる。

特許３６５０５４３号公報 特許４６０１５３５号公報

液体原料を効率良く、かつ安定的に気化させるために、上記のように液体原料を噴霧器によって噴霧し、気化室内に導入する方法が採用されている。これによって安定的な気化が行われ気化室内部の圧力変動は抑制される。
しかし、噴霧器を使用しない最新の方法では、液体原料は細い導入管から滴下され、大粒の液滴のまま気化室に導入される。導入された液滴は、加熱された気化室の内壁に次々と接触し瞬間的に気化される。そのため、気化室の内壁に突沸が次々発生し、気化器の内部圧（気化室の内圧）は大幅に変動する。この変動は成膜装置に供給される原料ガスの粗密となって現れる。これは成膜装置に対して致命的であり、均一な成膜が妨げられる。これが噴霧器を使用しない場合の気化工程における大きな問題となっている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、噴霧器を用いない方法において、液体原料が加熱面に接触したときに発生する突沸を抑制して気化器内部の圧力変動が非常に少ない気化器を提供することにある。

請求項１に記載した発明は、
内部に気化空間５を有する容器本体１０と、
前記気化空間５内に設けられ、加熱されている多孔質部材３０と、
外部から気化空間５に挿通され、液体原料Ｌを多孔質部材３０に供給する導入管４０と、
多孔質部材３０にて気化されて生成した原料ガスＧを気化空間５から外部に排出するガス排出路７とで構成された気化器１であって、
前記導入管４０の出口４１が多孔質部材３０に接触するように配置され、
前記導入管４０の出口４１の近傍の側面に微小貫通孔４５が穿設されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の気化器１において、
多孔質部材３０の表面に導入管４０の出口４１が挿入される凹部３４が形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載の気化器１において、
多孔質部材３０が、金属焼結体、セラミックス、金属網積層体又は金属繊維不織布の焼結体で構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項１に記載の気化器１において、
多孔質部材３０が、複数の多孔質板３０ａ・３０ｂの積層体で構成されていることを特徴とする。

請求項５に記載した発明は、請求項２に記載の気化器１において、
多孔質部材３０が、複数の多孔質板３０ａ・３０ｂの積層体で構成され、導入管４０の出口４１側の多孔質板３０ａに凹部３４を形成するための貫通孔３４ａが設けられ、前記出口４１から遠い方の多孔質板３０ｂは平板状に構成されていることを特徴とする。

請求項６に記載した発明は、
内部に気化空間５を有する容器本体１０と、
前記気化空間５内に設けられ、加熱されている多孔質部材３０と、
外部から気化空間５に挿通され、液体原料Ｌを多孔質部材３０に供給する導入管４０と、
多孔質部材３０にて気化されて生成した原料ガスＧを気化空間５から外部に排出するガス排出路７とで構成された気化器１であって、
前記導入管４０の出口４１が多孔質部材３０に接触するように配置され、
前記導入管４０の出口４１の端面４２に至る切欠４８が前記出口４１の近傍に設けられていることを特徴とする。

本発明の気化器１は、その導入管４０の出口４１が多孔質部材３０に接触または上記のような範囲の離間距離Ｈで近接して配置されているので、出口４１から出た液体原料Ｌは、多孔質部材３０に接触すると同時に気化されるより早く多孔質部材３０内に浸透し、出口４１に一致する点を中心にその周囲に急速に拡散する。
そして、導入管４０の出口４１に一致する点の周囲において、多孔質部材３０の表面から液体原料Ｌが徐々に連続的に蒸発する。これにより気化器１内での圧力変動が大幅に抑制される。

本発明の気化器とこれに接続された液体流量制御バルブの縦断面図である。 本発明の多孔質部材に導入管を接触させた状態の縦断面図である。 図２のＸ−Ｘ線断面矢視図である。 図２の場合において、出口が閉塞され、微小貫通孔から液体原料が流出している場合の縦断面図である。 本発明の多孔質部材に導入管を離間させた状態の縦断面図である。 本発明の多孔質部材の凹部に導入管を挿入させた状態の縦断面図である。 本発明の多孔質部材が金属金網積層体の焼結体である場合の縦断面図である。 本発明の多孔質部材が金属繊維不織布焼結体である場合の縦断面図である。 本発明の多孔質部材が複数枚で構成されている状態の縦断面図である。 本発明の多孔質部材が複数枚で構成されて、最上部の多孔質板に貫通孔が設けられている状態の縦断面図である。 本発明の導入管の出口端部に切欠を設けた状態の縦断面図である。

以下、本発明を図面に従って説明する。図１は本発明にかかる気化器１の縦断面図で、容器本体１０と、多孔質部材３０と、導入管４０と、ヒータ５０ａ・５０ｂ及び熱電対６０ａ・６０ｂとで構成されている。

容器本体１０は、アウターブロック１１とインナーブロック２１とで構成され、これらは液体原料Ｌに冒されない耐蝕性材料で構成されている。アウターブロック１１には下面開口の収納穴１２が形成されており、且つアウターブロック１１の上面から収納穴１２の天井面に至る挿通孔１３が穿設されている。そして、収納穴１２を取り巻くアウターブロック１１の側壁１４には、１〜複数のヒータ５０ａが嵌め込まれ、アウターブロック１１を設定温度に加熱するようになっている。アウターブロック１１の天井部分にはアウターブロック１１の温度を測定する熱電対６０ａが装着されている。その先端は天井部分に接する気化空間５の温度を正確に測るため、天井部分に近接する部分まで挿入されている。

インナーブロック２１は、基台２２と、該基台２２の上面中央に突設された台部２３とで構成され、インナーブロック２１の底部から台部２３の上面近傍に至る部分にインナーブロック２１用のヒータ５０ｂが１〜複数本装着されている。
台部２３の上面とアウターブロック１１の収納穴１２の天井面との間には空間が設けられており、この空間を気化空間５とする。また、収納穴１２の内周面と台部２３との外周面との間に全周にわたって隙間が設けられており、この隙間をガス排出路７の一部を構成するガス排出隙間１７とする。

そしてインナーブロック２１内には下面から台部２３の上面に向かって下面開口のセンター穴２４が設けられている。センター穴２４の下面は蓋部材２７で閉塞されている。このセンター穴２４の上端部の側面からガス排出隙間１７に連通するガス導入孔２５が設けられ、センター穴２４の底部近傍の側面から基台２２の側面に設けられたガス排出ノズル２９の先端に通ずるガス排出孔２６が設けられている。これらガス排出隙間１７、ガス導入孔２５、センター穴２４及びガス排出孔２６でガス排出路７が形成される。そして、この場合も気化空間５内の温度を検知するために、台部２３の上面近くの温度を測定するため、インナーブロック２１の底部から台部２３の上面近くまで熱電対６０ｂが装着されている。
なお、アウターブロック１１のヒータ５０ａで気化空間５内の温度を気化可能な温度に十分に保てる場合は、インナーブロック２１のヒータ５０ｂは省略される。逆に、インナーブロック２１のヒータ５０ｂで気化空間５内の温度を気化可能な温度に十分に保てる場合は、アウターブロック１１のヒータ５０ａは省略される。

多孔質部材３０は厚板円板状の部材で、耐食性に優れたステンレス鋼、ハステロイ、パーマロイなどの合金の粒子３１の焼結体、液体原料Ｌの種類によってはその他の金属、例えば、銅やアルミニウム、鉄などの焼結体、更には、セラミックスの焼結体なども利用可能である。
これら多孔質部材３０の粒子３１の間に設けられた隙間３８は互いに連通し（いわゆる、連続気泡型）、且つ多孔質部材３０の表面（更には後述する凹部３４の内周面と底面）に無数に開口している。厚みは気化空間５の高さ（台部２３から収納穴１２の天井面までの高さ）より薄く、最大の大きさは台部２３の上面全体を覆う大きさである。勿論、浸透した液体原料Ｌの気化を妨げないのであれば、台部２３の上面より小さくてもよい。

多孔質部材３０の他の例としては、図７に示すような耐食性、耐薬品性に優れた金網積層体の焼結体３２、図８に示すような耐食性、耐薬品性に優れた金属繊維の厚手の不織布状焼結体３３が挙げられる。これらの高さを及び面積は、上記の粒子３１の焼結体と同じである。これら金網や繊維の隙間が隙間３８となり、液体原料Ｌが浸透して行く。

これら多孔質部材３０の形状的な変形例として、図６に示すように多孔質部材３０の上面中心部に凹部３４を形成したものがある。この凹部３４には後述する導入管４０の下端である出口４１が挿入される。上記のようにこの凹部３４の内周面及び底面には無数の隙間３８が開口している。この凹部３４は金属金網積層体の焼結体３２、金属繊維の厚手の不織布状焼結体３３にも形成される。この多孔質部材３０はインナーブロック２１の台部２３の上面に固定される。

図９は、多孔質部材３０が複数の多孔質板３０ａ・３０ｂの積層体で構成されている例である。図では上下２枚であるが、勿論、これに限られず、３枚以上でも良い。これら多孔質板３０ａ・３０ｂの空隙率は同じとしてもよいが、最上層（導入管４０に近接している多孔質板３０ａ）の空隙率を大きく（即ち、粗）、それ以下の多孔質板３０ｂの空隙率を、最上層の多孔質板３０ａの空隙率より小さく（即ち、密）にしてもよい。そのためには、多孔質板３０ａ・３０ｂを構成する素材（上記に示す）を変えてもよい。
最上層の多孔質板３０ａはそれ以下の多孔質板３０ｂに比べて目詰まりしやすいので、目詰まりを生じた場合には最上層の多孔質板３０ａだけを交換するようにすればよい。

図１０は図６の変形例で、複数の多孔質板３０ａ・３０ｂの内、上の層（導入管４０の出口４１側）の多孔質板３０ａに凹部３４を形成するための貫通孔３４ａを設け、下側（出口４１から遠い方）の多孔質板３０ｂを平板状に構成し、図６に示すような凹部３４を導入管４０の出口４１の直下に位置するようにしてもよい。

導入管４０は、気化器１の上方に設置され、設定された質量流量の液体原料Ｌを下流である気化器１に供給する、例えば液体流量制御バルブ９のような装置から導出された毛細管である。図１では導入管４０は、１本の部材で表されているが、複数の部材を接合してもよい。この導入管４０も、多孔質部材３０と同様、耐食性、耐薬品性に優れた素材で構成されている。
この導入管４０は、全体を１本の毛細管で構成してもよいし、図２、図３のように先端部分の側面に微小貫通孔４５を設けてもよい。図では４個の微小貫通孔４５が設けられている。

そしてこの導入管４０は、図２のように、多孔質部材３０の表面にその先端の出口４１を接触させて設けられる場合と、図５のように、多孔質部材３０の表面と出口４１との間に若干の離間距離Ｈを空けて設置される場合の２通りがある。この使い分けは、原則的には液体原料Ｌが熱分解しやすくて反応生成物にいる堆積物７０ができやすいものに対しては、若干の離間距離Ｈを空けて設置し、そうでないものは接触させて使用する。

前記離間距離Ｈは通常０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であるが、離間距離Ｈの最大は、導入管４０の出口４１から液体原料Ｌを滴下させたとき、出口４１からその滴の下端までの大きさとする。これは、この離間距離Ｈが大き過ぎると液体原料Ｌを導入管４０から滴下させた時、その滴が出口から離れ、球状となって多孔質部材３０の上面に衝突することになり、その衝突の瞬間に突沸が生じて気化空間５内に大きな気圧変動を発生させるので、これを防ぐためである。即ち、離間距離Ｈを液体原料Ｌの滴の大きさをした場合、出口４１から滴下した液体原料Ｌの滴は、出口４１から離れる前に多孔質部材３０の表面に接触し、その瞬間に多孔質部材３０内に浸透して上記のような突沸を発生させない。

図１１は導入管４０の他の例で、導入管４０の出口４１の端面４２に至る切欠４８が前記出口４１の近傍（端面４２から１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内）に１乃至複数設けられている。該切欠４８は、図のように出口４１の端面４２に向かって切欠き幅が拡大する正面視三角形状でもよいし、切欠き幅が変わらない線状でも良い。

次に、本発明にかかる気化器１の使用例について説明する。気化器１のアウターブロック１１用のヒータ５０ａに通電するとアウターブロック１１が設定温度まで加熱される。温度管理はアウターブロック１１に設置されている熱電対６０ａでフィードバック制御にて行われる。これにより気化空間５内は、気化に適した温度に保たれ、これにより多孔質部材３０もその温度に保たれることになる。
図２の場合では、導入管４０は、その先端部分に微小貫通孔４５が設けられており、図１１の場合は切欠４８が設けられており、その出口４１は多孔質部材３０の上面に接するように設けられている。液体原料Ｌは加熱により反応生成物が発生しにくいものが選ばれる。

このような状態で、多孔質部材３０に向けて、例えば、液体流量制御バルブ９から質量流量制御された液体原料Ｌが導入管４０から供給されると、導入管４０の出口４１に到達した液体原料Ｌは、気化することなく、瞬時に多孔質部材３０の表面から隙間３８に浸透し、周囲に急速に拡散して行く。
多孔質部材３０はインナーブロック２１の台部２３の上面に固定され、上記のように設定温度に保たれているので、多孔質部材３０に浸透した液体原料Ｌは多孔質部材３０にて加熱される。加熱された液体原料Ｌは、導入管４０の周囲にて多孔質部材３０の表面に露出している隙間３８から突沸なく順次静的に気化して行く。その結果、気化空間５内の圧力変動は極めて小さくなり、安定的な気化が行われる。気化した原料ガスＧは、アウターブロック１１とインナーブロック２１との間のガス排出隙間１７、ガス導入孔２５、センター穴２４、及びガス排出孔２６で構成されるガス排出路７を通って次工程に送られる。これにより高精度な成膜が可能となる。

上記ではアウターブロック１１にヒータ５０ａのみを使用したが、このヒータ５０ａの能力を超えて液体原料Ｌが供給された場合、或いは液体原料Ｌの特性上、気化が容易でない場合、インナーブロック２１のヒータ５０ｂを併用することになる。多孔質部材３０はインナーブロック２１の台部２３の上面に固定されているので、インナーブロック２１のヒータ５０ｂに給電されると、その熱が多孔質部材３０に伝わる。
勿論、両ヒータ５０ａ・５０ｂは、熱電対６０ａ・６０ｂにより、熱管理されているので、最初の場合でも両ヒータ５０ａ・５０ｂを併用してもよい。

上記気化作業が長時間に及ぶと反応生成物が発生しにくい液体原料Ｌであっても導入管４０の出口４１に反応生成物が堆積し、遂には出口４１を閉塞する場合がある。この場合、出口４１近傍の側面に微小貫通孔４５から液体原料Ｌが押し出され、導入管４０の外面を伝って多孔質部材３０に静的に流下し直ちにこれに浸透する。このように出口近傍に微小貫通孔４５を設けておくと、たとえ出口４１が閉塞した場合でも、気化作業を中断することなく進められる。
図１１に示す切欠４８は微小貫通孔４５と同じで、出口４１に反応生成物が堆積しても切欠４８の、反応生成物堆積高さ以上の部分で開口しており、この部分から液体原料Ｌが静的に流下し直ちにこれに浸透する。

これに対して図５は多孔質部材３０の表面から導入管４０の出口４１を離間させて配置した場合である。適用される液体原料Ｌは、反応生成物が出来やすいものでも適用可能である。
この場合は、上記のように仮に導入管４０の出口４１から多孔質部材３０の隙間３８にかけての範囲で反応生成物が次第に堆積したとしても、堆積物７０と導入管４０の出口４１との間に液体原料Ｌが流出するだけの隙間が確保されるので、気化作業を中断することなく進められる。流出した液体原料Ｌは気化する前に多孔質部材３０に吸収され、隙間なしの場合と同様、静定な状態を保ちつつ気化される。

ここで、導入管４０の出口と多孔質部材３０との離間距離Ｈであるが、導入管４０の出口と多孔質部材３０との離間距離Ｈが大き過ぎると、出口４１から流出した液体原料Ｌがその表面張力によって球状となり、多孔質部材３０の表面に落下し、その瞬間に瞬時に気化して突沸が生じ、気化空間５に大きな圧力変動を発生させる。それ故、この離間距離Ｈが静的な気化作業を遂行する上で重要な要素となる。
離間距離Ｈは、通常、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの間で設定されるが、最大で出口４１から、出口４１から垂れ下がった滴の下端までの距離ということになる。この値は液体原料Ｌの表面張力により一定しないが、この値より小さい値を選定すればよく、実際には上記のような値が選定される。この意味からして上記数値は本発明において重要な意味を持つ。
なお、この場合において、最上層（及びこれを含む上層）の多孔質板３０ａが、下層の多孔質板３０ｂより粗に形成されている場合、最上層（及びこれを含む上層）の多孔質板３０ａへの液体原料Ｌの浸透速度が速くなり、上記突沸をより良く抑制できるようになる。

図６は、多孔質部材３０の表面中央に凹部３４を設け、この凹部３４の底に導入管４０の出口４１を接触、又は上記離間距離Ｈの範囲内で離間させて挿入した場合である。この場合は、上記の作用効果に加えて、凹部３４内に液体原料Ｌが溜まることになるので、液体原料Ｌが凹部３４の底部のみならず内側面から多孔質部材３０内に浸透していくことになり、浸透面積が増加する。これにより凹部３４を設けない場合よりも液体原料Ｌの多孔質部材３０への浸透速度が大きくなる。それ以外は上記と同様である。
なおこの場合において、多孔質部材３０が複数の多孔質板３０ａ・３０ｂで構成され、凹部３４用の貫通孔３４ａが形成されている多孔質板３０ａと、凹部３４用の貫通孔３４ａが形成されていない平板状の多孔質板３０ｂの内の最上層の多孔質板を上記のように粗に形成したものを用い、平板状の多孔質板３０ｂの内の最上層の多孔質板より下の多孔質板を上記のように密にした場合、粗な部分に液体原料Ｌの浸透速度が速くなり、上記同様突沸をより良く抑制できるようになる。

１：気化器、５：気化空間、７：ガス排出路、９：液体流量制御バルブ、１０：容器本体、１１：アウターブロック、１２：収納穴、１３：挿通孔、１４：側壁、１７：ガス排出隙間、２１：インナーブロック、２２：基台、２３：台部、２４：センター穴、２５：ガス導入孔、２６：ガス排出孔、２７：蓋部材、２９：ガス排出ノズル、３０：多孔質部材、３０ａ・３０ｂ：多孔質板、３１：粒子、３２：金属金網積層体の焼結体、３３：金属繊維の厚手の不織布状焼結体、３４：凹部、３４ａ：貫通孔、３８：隙間、４０：導入管、４１：出口、４２：端面、４５：微小貫通孔、４８：切欠、５０ａ・５０ｂ：ヒータ、６０ａ・６０ｂ：熱電対、７０：堆積物、Ｇ：原料ガス、Ｈ：離間距離、Ｌ：液体原料

Claims (6)

1. 内部に気化空間を有する容器本体と、
   前記気化空間内に設けられ、加熱されている多孔質部材と、
   外部から気化空間に挿通され、液体原料を多孔質部材に供給する導入管と、
   多孔質部材にて気化されて生成した原料ガスを気化空間から外部に排出するガス排出路とで構成された気化器であって、
   前記導入管の出口が多孔質部材に接触するように配置され、
   前記導入管の出口の近傍の側面に微小貫通孔が穿設されていることを特徴とする気化器。
   
2. 多孔質部材の表面に導入管の出口が挿入される凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気化器。
   
3. 多孔質部材が、金属焼結体、セラミックス、金属網積層体又は金属繊維不織布の焼結体のいずれか１で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気化器。
   
4. 多孔質部材が、複数の多孔質板の積層体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気化器。
   
5. 多孔質部材が、複数の多孔質板の積層体で構成され、導入管の出口側の多孔質板に凹部を形成するための貫通孔が設けられ、前記出口から遠い方の多孔質板は平板状に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の気化器。
   
6. 内部に気化空間を有する容器本体と、
   前記気化空間内に設けられ、加熱されている多孔質部材と、
   外部から気化空間に挿通され、液体原料を多孔質部材に供給する導入管と、
   多孔質部材にて気化されて生成した原料ガスを気化空間から外部に排出するガス排出路とで構成された気化器であって、
   前記導入管の出口が多孔質部材に接触するように配置され、
   前記導入管の出口の端面に至る切欠が前記出口の近傍に設けられていることを特徴とする気化器。