JPH11124674A

JPH11124674A - 気化装置

Info

Publication number: JPH11124674A
Application number: JP30490197A
Authority: JP
Inventors: Hidenao Suzuki; 秀直鈴木; Kuniaki Horie; 邦明堀江; Tsutomu Nakada; 勉中田; Mitsunao Shibazaki; 光直柴崎
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-05-11
Anticipated expiration: 2017-10-20
Also published as: JP3633763B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高誘電体あるいは強誘電体の素材となる複雑
な気化特性を持つような液体原料を、安定にかつ効率良
く気化することができる気化装置を提供する。【解決手段】供給源からの液体を液体状態で維持する
第１の領域２６と、第１の領域の下流側に隣接して設け
られて液体を気化させる第２の領域２８と、第１の領域
の圧力を第２の領域より高く保持する圧力保持手段Ｖ
と、第１の領域の液体を第１の領域の圧力における気化
温度より低く、第２の領域の圧力における気化温度より
高い温度に加熱する第１の加熱手段１６と、第２の領域
において液体の気化熱を補う第２の加熱手段４８とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液体を原料
とする薄膜気相成長装置に用いる気化装置に係り、特
に、チタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体あ
るいは強誘電体薄膜材料を気化させるのに好適な気化装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体産業における集積回路の集
積度の向上はめざましく、現状のメガビットオーダか
ら、将来のギガビットオーダを睨んだＤＲＡＭの研究開
発が行われている。かかるＤＲＡＭの製造のために必要
な大容量素子の製造に用いる誘電体薄膜として、誘電率
が１０以下であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、誘
電率が２０程度である五酸化タンタル（Ｔa₂Ｏ₅）薄膜
に替わって、誘電率が３００程度であるチタン酸バリウ
ム（ＢaＴiＯ₃）、あるいはチタン酸ストロンチウム
（ＳrＴiＯ₃）又はこれらの混合物であるチタン酸バリ
ウムストロンチウム等の金属酸化物薄膜材料が有望視さ
れている。また、更に誘電率が高いＰＺＴ、ＰＬＺＴ、
Ｙ１等の強誘電体の薄膜材料も有望視されている。

【０００３】このような素材の成膜を行なう方法とし
て、化学気相成長（ＣＶＤ）が有望とされており、この
場合、成膜反応槽内において原料ガスを被成膜基板に安
定的に供給する必要がある。原料ガスは、常温で固体の
Ｂａ（ＤＰＭ）₂ ，Ｓｒ（ＤＰＭ）₂ などを有機溶剤
（例えば、ＴＨＦなど）を溶解させ液状化したものを加
熱して気化するようにしている。

【０００４】このような液体原料は、熱を必要以上に長
時間受けていると変質してしまう、あるいは主に溶媒で
ある有機溶剤のみが先に気化し、有機金属自体の濃度が
濃くなって重合し、気化困難になってしまうことがあ
る。例えば、Ｂａ（ＤＰＭ）₂，Ｓｒ（ＤＰＭ）₂を有機
溶媒であるＴＨＦ中に溶解した液体原料では、溶剤の液
相範囲は図１０の（ａ）の領域であり、原料の固相・液
相範囲は（ａ＋ｃ）である。従って、領域（ａ）の原料
を気化させるために領域（ｃ）を通過する際に、溶剤の
みが気化して原料が析出し、通路を塞いだり、濃度変化
による品質悪化を招くので、気化の際は液体原料を一気
に高温領域に持っていく必要があると考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、液体原
料の気化にはできるだけ短時間に必要な熱の供給を行わ
ないと、特に液体原料の供給量の変動に温度が敏感に反
応して変動し、原料が上記の領域（ｃ）に留まって組成
が変化したり、気化した後に温度が低下して凝縮したり
する可能性がある。また、気化装置においては状況に応
じて微小流量を制御する必要性があるが、気化状態が不
安定であると流量の制御も困難となる。

【０００６】この発明は、高誘電体あるいは強誘電体の
素材となる複雑な気化特性を持つような液体原料を、安
定にかつ効率良く気化することができる気化装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、供給源からの液体を液体状態で維持する第１の領域
と、前記第１の領域の下流側に隣接して設けられて前記
液体を気化させる第２の領域と、前記第１の領域の圧力
を前記第２の領域より高く保持する圧力保持手段と、前
記第１の領域の液体を前記第１の領域の圧力における気
化温度より低く、前記第２の領域の圧力における気化温
度より高い温度に加熱する第１の加熱手段と、前記第２
の領域において液体の気化熱を補う第２の加熱手段とを
有することを特徴とする気化装置である。

【０００８】これにより、第１の領域における液体の温
度をその原料が変質・劣化等をしない最大温度まで上昇
させ、かつ液体状態を保持するような温度、圧力条件に
しておくことにより、第２の領域による蒸発に必要な熱
量を第１の領域において最大限蓄積させることができ
る。

【０００９】第１の領域において予め充分な熱量が供給
されており、液体は第２の領域の圧力条件下では気相線
より上の過熱（スーパーヒート）状態になっているいる
のでその顕熱によって気化潜熱を得る。従って、熱量不
足による温度低下により気化が不安定になることが防止
される。また、第１の領域から第２の領域に移る時に、
瞬時に気化が行われるとともに、その前の第１の領域は
充分高圧に維持されているので、溶剤の部分的な気化が
起きることが防止される。

【００１０】請求項２に記載の発明は、前記第１の領域
の圧力を前記第２の領域の温度における液体の蒸気圧よ
り高く保持する圧力保持手段を有したことを特徴とする
請求項１に記載の気化装置である。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記第１又は第
２の加熱手段が流動性を有する加熱媒体であることを特
徴とする請求項１に記載の気化装置である。例えば、所
定の化学的に合成されたオイルを用いることにより、充
分な熱容量により効率的で安定な加熱が行われる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、前記圧力保持手
段が逆止弁であることを特徴とする請求項１に記載の気
化装置である。例えば、前記弁体と前記弁座の接触線を
周方向に延びて形成することにより、大きな圧力勾配を
形成しつつつ、所定の気化通路を構成して一定の気化効
率を確保することができる。

【００１３】請求項５に記載の発明は、前記第１の領域
又は第２の領域に気化したガスを搬送するキャリアガ
ス、溶媒、クリーニング用のガス又は溶剤を導入する手
段を有することを特徴とする請求項１に記載の気化装置
である。これにより、気化効率の増大、気化の安定性向
上という作用を得る。

【００１４】請求項６に記載の発明は、前記第２の加熱
手段が流動性を有する加熱媒体であり、前記第２の領域
への熱の移動経路が前記逆止弁の弁体を主体とし、該弁
体がシート状の部位を有することを特徴とする請求項４
に記載の気化装置である。

【００１５】請求項７に記載の発明は、前記シート上の
部位が液体を重力により受ける方向に設置されているこ
とを特徴とする請求項６に記載の気化装置である。

【００１６】請求項８に記載の発明は、前記第２の領域
と第１の領域との境界部の前後で前記液体が急激に体積
膨張する構造を有することを特徴とする請求項１に記載
の気化装置である。

【００１７】請求項９に記載の発明は、液体が前記第２
の領域に流入した直後、あるいは第２の領域に流入して
一度急激に膨張した直後はゆるやかに通路断面積が増大
していく構造を有することを特徴とする請求項１に記載
の気化装置である。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明の一実施
の形態の気化装置を示すもので、図１（ａ）は全体の断
面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視図、図２は、要部を
拡大して示す図である。なお、図１は、弁が全開の状態
を示し、図２は、弁が閉じた状態を示す。気化は、通
常、図２に近い状態で行われる。

【００１９】この気化装置は、上側ケーシング１０と下
側ケーシング１２が間にダイアフラム（弁体）１４を挟
んで結合されて構成されている。上側ケーシング１０に
は、中央に第１の加熱媒体空間１６に囲まれた液体原料
供給流路１８が形成され、これは上側ケーシング１０の
下面に開口している。上側ケーシング１０の下面には、
図１（ｂ）に示すように、周方向に延びる突条（ダイア
フラム押え部）２０とダイアフラム１４で囲まれた扁平
な円形の凹所２２が形成されている。ダイアフラム１４
は、例えば、Ｃｏ合金のように、薄くしても破れるよう
なことがなく、シール性のよい材質であることが好まし
い。液体原料供給流路１８には、液体原料が液体原料供
給部からマスフローコントローラーや定量ポンプ等を使
って定量で供給される構造となっている。液体原料供給
流路１８は、液体原料がここを通る時間が必要以上に長
くならないように十分細く設計されている。

【００２０】図１（ｂ）に示すように、上側ケーシング
１０の下面の凹所２２には、さらに内側に同心状に第２
の突条（弁座）２４が形成されており、その内側が液体
原料供給流路１８が開口する液体空間２６、外側が気化
空間２８となっている。気化空間２８は環状の空間であ
り、一方側に、上側ケーシング１０に形成された排気流
路３０の排気ポート３２が開口し、他方側にＡｒ等のキ
ャリアガスを供給するキャリアガス流路３４のキャリア
ガスポート３６が開口している。又このキャリアガスポ
ート３６は、クリーニング用のガスあるいは溶剤を供給
することもある。液体原料供給流路１８と液体空間２６
が第１の領域を構成し、気化空間２８及び排気流路３０
が第２の領域を構成している。

【００２１】下側ケーシング１２には弁装置Ｖが組み込
まれている。すなわち、下側ケーシング１２の中央には
弁孔４０が形成され、これには、頂部に弁支持体４２を
取り付けたシャフト４４が上下動可能に収容されてい
る。この弁支持体４２は、その頂面が弁座２４と同じ程
度の径を有する平坦面あるいは曲率の大きい曲面となっ
ており、縁部はなだらかに傾斜するテーパ面４６となっ
ている。この弁支持体４２の周囲を取り囲むように第２
の加熱媒体空間４８が形成され、これには熱媒体流入流
路５０と流出流路５２が連絡しており、これらの流路に
は外部の熱媒体循環配管が接続されている。

【００２２】この弁装置Ｖは、弁支持体４２を押圧手段
によって所定の圧力で上方に付勢し、液体原料側の圧力
がこれより大きくなった場合に液体原料を気化空間２８
へ滲み出させるようにするものであり、この実施の形態
では、ばね装置５４とエアシリンダ装置５６の２つの押
圧手段を備えている。すなわち、下側ケーシング１２の
高さ方向中央部にシャフト４４を囲むばね空間５８が形
成され、これには、ばね押え６０を介してシャフト４４
を上方に付勢するコイルばね６２が収容されている。ま
た、下部には、上下に空気ポート６４，６６を有するエ
アシリンダ空間６８が形成され、これにはシャフト４４
に取り付けたピストン板７０が摺動自在に収容され、必
要箇所にはシール部材が配置されている。

【００２３】なお、弁装置Ｖの作動圧力を設定し、その
設定圧力通りに弁が作動するように制御する弁制御部、
第１の加熱媒体空間１６や第２の加熱媒体空間４８内の
熱媒体の温度を制御する温度制御部等が設けられている
が、その詳細は省略する。第１の加熱媒体空間１６の熱
媒体温度は、気体空間２８の圧力における気化温度より
高い温度に設定されている。また、第２の加熱媒体空間
４８の熱媒体温度は、弁支持体４２及びダイアフラム１
４を液体原料の気体空間２８の圧力における気化温度よ
り高い温度に加熱するようになっている。

【００２４】以下、このように構成された気化装置の作
用を説明する。予め、各部の温度や圧力等を所定値に設
定し、排気ポートには下流の成膜装置等を接続してお
く。液体原料は、図示しない原料供給部より細管状の原
料供給流路１８を介して液体空間２６に流入する。原料
供給部の圧送ポンプにおいては、その供給圧力が、押圧
手段５４，５６による弁支持体４２の付勢力よりやや大
きくなるように調整される。これにより、液体原料は、
弁支持体４２により支持された弁体１４と弁座２４の接
触線に沿って、供給圧力と弁体押圧力の微小な差によっ
て形成された微小な隙間から微量づつ気化空間２８に供
給される。

【００２５】この第１の領域と第２の領域の境界部の２
次側において、圧力が瞬時に開放されて低圧領域に入
る。この過程で原料の一部は瞬時に気化するが、このと
きの不足分の気化熱は、シート状の弁体１４の裏側から
加熱媒体によって供給される。弁体１４は薄いシート状
であるため、熱の供給速度は充分速く、またこの実施の
形態ではシート面が下側にあるため、流入直後に気化で
きなかった材料も加熱シート面上に乗って充分に熱が供
給されることになる。キャリアガスは、上述した未気化
分の存在部分を必ず経由して排出される構造となってい
るため、その部位の原料蒸気圧を下げ、これによっても
気化効率が向上する。

【００２６】なお、この発明では、上述したように、弁
体１４と弁座２４の接触線の前後における圧力勾配（圧
力差）を大きくすることが、原料により多くの熱量を液
体の状態で保有させることができるので好ましいが、発
明が上述したような作用を発揮するためには、１５ｋｇ
ｆ／ｃｍ²であることが好ましい。また、第２の領域を
経由した後の気体に対しては、急激な圧力変動があると
気化熱の供給が不充分となって温度が低下し、気化が不
安定となる。従って、第２の領域から排気経路３０へ向
かう通路の断面積を漸次増大するように形成して急激な
体積膨張を抑制し、温度降下を防ぐ構造が望ましい。

【００２７】図３は、この発明の第２の実施の形態を示
すもので、キャリアガス供給流路７２をミキサ７４を介
して液体原料供給流路７６と合流させ、キャリアガスを
液体原料に事前に混合するようにしている。これによ
り、キャリアガスが第１の領域と第２の領域の境界部を
通過するため、キャリアガスによる原料蒸気の置換が十
分行われるため、液体原料の気化が一層効率的に行われ
る。

【００２８】図４は、この発明の第３の実施の形態を示
すもので、キャリアガス流路７８と液体原料供給流路８
０を二重管構造としてそれぞれ液体空間２６に開口さ
せ、キャリアガスと液体原料を同時に液体空間２６に供
給するようにしている。これによっても、図３の場合と
同様に、液体原料の蒸気の置換効率が上がるため気化が
効率的に行われる。

【００２９】図５は、この発明の第４の実施の形態を示
すもので、これまでの実施の形態では、原料が流通する
空間と弁装置側の空間を弁体であるダイアフラム１４自
体で区画していたが、この実施の形態ではベローズ８２
を用いている。すなわち、シャフト４４の先端に、先の
弁支持体と同様の形状を有する弁体８４が取り付けら
れ、これの下縁部にベローズ８２の上端が取り付けら
れ、ベローズ８２の下端はケーシング８６の弁収容孔８
８の内面に突出する環状板９０の内端に取り付けられて
いる。

【００３０】ベローズ８２の内側の空間は第２の加熱媒
体空間９２となっており、流路９４，９６を介して供給
される熱媒体がシャフト４４及び弁体８４を加熱して気
化熱を補給するようにしている。なお、この実施の形態
では、気化空間２８は弁体８４及びベローズ８２を取り
囲む筒状の空間として構成され、ベローズ自体の外面も
加熱面として作用するようになっている。

【００３１】図６は、この発明の第５の実施の形態を示
すもので、第４の実施の形態において、キャリアガス流
路７２をミキサ７４を介して液体原料供給流路７６と合
流させる構成としたものである。また、図７は、この発
明の第６の実施の形態を示すもので、第４の実施の形態
において、キャリアガス流路７８と液体原料供給流路８
０を二重管構造としたものである。

【００３２】図８及び図９は、この発明のさらに他の実
施の形態を示すものである。これらの実施の形態は、第
１の領域における温度と第２の領域の圧力における原料
の気化温度との差、すなわち過熱（スーパーヒート）の
程度（＝ΔＴ）に対応して第１の領域から第２の領域に
向かう境界領域の部分の流路の拡大の程度を変えている
ものである。

【００３３】図８の第７の実施の形態は、ΔＴを比較的
小さく設定した場合に好適なもので、弁座２４と弁体１
４の間の角度θ₁を小さく設定している。この場合は、
液体原料が顕熱として持っている熱量があまり大きくな
いので、上記のような構成とすることにより、急激な流
路拡大による体積膨張を防止して、気体の温度低下によ
る気化の不安定化を防止する。

【００３４】一方、図９の第８の実施の形態は、ΔＴを
比較的大きく設定した場合に好適なもので、弁座２４と
弁体１４の間の角度θ₂も大きく設定している。この場
合は、液体原料が顕熱として持っている熱量が大きいの
で、急激な堆積膨張を行わせて気化効率を上昇すること
ができる。なお、ΔＴをどの程度に設定することができ
るかは、対象とする原料によって異なり、気化温度と反
応温度の幅が小さい原料は、ΔＴを大きく設定すること
はできない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、第１の領域を高圧に保持して液体の劣化を防止しつ
つ、第１の領域からより低圧の第２の領域に移る時に瞬
時に気化を行うので、高誘電体あるいは強誘電体の素材
となる複雑な気化特性を持つような液体原料の変質や部
分的気化を防止して安定かつ効率良く気化することがで
きる。また、液体に気化の前段階で気化熱を予め充分与
えているので、気化領域での熱不足による温度不安定に
より、気化装置内や配管内の詰まりを生じることが防止
され、安定な気化動作を微小流量を精度良く制御しなが
ら行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態の気化装置の
（ａ）全体の構成を示す断面図、（ｂ）そのＡ−Ａ矢視
図である。

【図２】図１（ａ）の装置の要部を拡大して示す図であ
る。

【図３】この発明の第２の実施の形態の気化装置の断面
図である。

【図４】この発明の第３の実施の形態の気化装置の断面
図である。

【図５】この発明の第４の実施の形態の気化装置の断面
図である。

【図６】この発明の第５の実施の形態の気化装置の断面
図である。

【図７】この発明の第６の実施の形態の気化装置の断面
図である。

【図８】この発明の第７の実施の形態の気化装置の断面
図である。

【図９】この発明の第８の実施の形態の気化装置の断面
図である。

【図１０】液体原料の特性を示す状態図である。

【符号の説明】

１０上側ケーシング１２下側ケーシング１４ダイアフラム（弁体）１６第１の加熱媒体空間１８，７６，８０液体原料供給流路２０ダイアフラム押え部２２凹所２４弁座２６液体空間（第１の領域）２８気化空間（第２の領域）３０排気流路３２排気ポート３４，７２，７８キャリアガス流路４２弁体４８，９２第２の加熱媒体空間５４ばね装置５６エアシリンダ装置Ｖ弁装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柴崎光直東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】供給源からの液体を液体状態で維持する
第１の領域と、前記第１の領域の下流側に隣接して設けられて前記液体
を気化させる第２の領域と、前記第１の領域の圧力を前記第２の領域より高く保持す
る圧力保持手段と、前記第１の領域の液体を前記第１の領域の圧力における
気化温度より低く、前記第２の領域の圧力における気化
温度より高い温度に加熱する第１の加熱手段と、前記第２の領域において液体の気化熱を補う第２の加熱
手段とを有することを特徴とする気化装置。
【請求項２】前記第１の領域の圧力を前記第２の領域
の温度における液体の蒸気圧より高く保持する圧力保持
手段を有したことを特徴とする請求項１に記載の気化装
置。
【請求項３】前記第１又は第２の加熱手段が流動性を
有する加熱媒体であることを特徴とする請求項１に記載
の気化装置。
【請求項４】前記圧力保持手段が逆止弁であることを
特徴とする請求項１に記載の気化装置。
【請求項５】前記第１の領域又は第２の領域に気化し
たガスを搬送するキャリアガス、溶媒、クリーニング用
のガス又は溶剤を導入する手段を有することを特徴とす
る請求項１に記載の気化装置。
【請求項６】前記第２の加熱手段が流動性を有する加
熱媒体であり、前記第２の領域への熱の移動経路が前記
逆止弁の弁体が主体であり、該弁体がシート状の部位を
有することを特徴とする請求項４に記載の気化装置。
【請求項７】前記シート上の部位が液体を重力により
受ける方向に設置されていることを特徴とする請求項６
に記載の気化装置。
【請求項８】前記第２の領域と第１の領域との境界部
の前後で前記液体が急激に体積膨張する構造を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
【請求項９】液体が前記第２の領域に流入した直後、
あるいは第２の領域に流入して一度急激に膨張した直後
はゆるやかに通路断面積が増大していく構造を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の気化装置。