WO2008041769A1

WO2008041769A1 - Liquid material vaporizer

Info

Publication number: WO2008041769A1
Application number: PCT/JP2007/069610
Authority: WO
Inventors: Ichiro Nishikawa; Takeshi Kawano
Original assignee: Horiba Stec, Co., Ltd.
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2008-04-10
Also published as: KR20140094657A; US20100044461A1; CN101523572A; KR101431290B1; KR20090059115A; US8763928B2; CN101523572B; JPWO2008041769A1; JP5118644B2

Description

明細書

液体材料気化装置

技術分野

[0001] 本発明は、例えば半導体製造プロセスで用いる各種の液体原料等を気化するための気化装置に関するものである。

背景技術

[0002] 従来のこの種の気化装置は、成膜等に用いる液体原料とキャリアガスとからなる気液混合体をノズルから放出して減圧するとともに、ノズルの下流に設けた加熱路で加熱して、前記液体原料を気化するような構成を有する（特許文献 1)。

[0003] しかしながら、最近の半導体素子の high-kプロセス用原料としてよく用いられる液体材料の中には、低蒸気圧でかつ熱分解しやすいという性質のものがあり、その結果以下のような不具合が従来に増して生じるようになってきている。

[0004] すなわち、このような液体原料は、低蒸気圧であることから気化のために高温にする必要があるが、その一方で熱分解しやすいため、気化のための高温にさらされると、原料の一部が劣化して残渣となり、ノズルでの閉塞やパーティクル発生が生じ得る

[0005] さらに、従来の気化装置は、単体ノズル構造であるため、ノズルでの閉塞が発生すると、継続しての気化発生が不可能となり、動作がほぼ停止するという不具合が生じ得る。特に半導体製造プロセスでは、このような動作停止が生じることは好ましいものではない。

[0006] 力、といって、例えば、単純にノズルを複数化すると、各ノズルから出た噴霧同士が重なるところと重ならなレ、ところとで濃度の違レ、が生じ、その濃度の高レ、部分を完全に気化させるような高い温度設定にせざるを得なくなる。その結果、原料の熱分解が生じやすくなる。

[0007] これを若干改良したものとして、図 14のような構造のものも知られている。ここでは、複数のノズルに対応するように、加熱路が複数本設けられた構造が記載されている。し力、しながら、加熱路とノズルとは不連続でその間に空間があるため、やはり各ノズル力、ら出た噴霧の重なり具合の違いによる噴霧の濃淡が生じ、程度の違いこそあれ、結局前述同様の不具合が生じ得る。

特許文献 1 :特開 2003— 163168号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その主たる目的は、加熱温度を低減しても気化が可能な構造にすることで原料劣化の防止及び残渣の低減を図るとともに、閉塞リスクの低減を期待でき、し力、も気化流量の増大化が容易な気化装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0009] すなわち、本発明に係る気化装置は、液相又は気液混合相状態にある原料を導入するための導入ポートと、その導入ポートの下流に設けられて前記原料を気化する気化部と、この気化部で気化した原料を導出する導出ポートとを備えてなるものであつて、前記気化部が、前記原料を噴霧するノズルとそのノズルの下流に連続して設けた加熱路とからなる流路状のものであり、その気化部を、前記導入ポートと導出ポートとの間に並列に複数設けて、各気化部を互いに独立して前記原料が流通するように構成して!/ヽることを特徴とする。

[0010] このようなものであれば、複数の気化部が互いに干渉することなく独立して原料を流すので、それぞれのノズルから出た噴霧は、対応する加熱路にのみ流れて噴霧同士の重なりによる濃淡が形成されず、ほぼ均一な濃度の噴霧となる。そしてこのような均一な濃度の噴霧に対して加熱による気化が行われるので、濃淡の濃レ、部分にあわせて温度を設定し気化を行わざるを得ないものと比べて、加熱量を低減させ、低い温度での気化を効率よく行うことができる。

[0011] 本発明による気化効率向上は別の観点からも言える。すなわち本発明のように複数の加熱路を有したものと、従来のように 1本の加熱路のみを有したものとを比較した場合、ノズルの総断面積が互いに等しい（等流量）とすると、複数の加熱路を有したもののほうが、 1本あたりの気化量が少なくて済むうえ、内部を流れる流体への接触面積が大きぐ熱を効率的に伝えられるので、低い温度で気化を効率よく行うことができる。また、従来のものでは径が大きくなるので中心部に熱が伝わりにくぐその中心部での気化にあわせた高めの温度設定をしなければならないところ、本発明のものでは、 1本 1本の加熱路を細くでき、温度分布を生じにくくできるので、この点からも低い温度で気化を効率よく行うことができると言える。

[0012] そしてその結果、本発明によれば、原料の熱分解による残渣発生やノズルの目詰まりを抑制できるし、逆に言えば、従来と同じような温度に設定するのであれば、より多くの原料を流すことができる、すなわち大流量発生が可能になる。

[0013] さらに、仮に 1つのノズルが詰まっても他のノズルから原料は流れるため、動作が完全に停止するというリスクを低減できる。そのためには気化部をより多く設けることが望ましい。

[0014] 気化部における加熱構造ゃ流路構造を簡単化するとともに、効率よい加熱ができるようにするには、前記各気化部を単一の第 1ブロック体（以下、共通ブロック体と称する場合もある）に形成し、その第 1ブロック体に熱を与えることによって各加熱路での気化が行われるようにして!/、るものが好まし!/、。

[0015] 導入ポートから各気化部へ原料を分流させるための流路をより簡単に作成できるようにするには、前記導入ポートからの原料を各気化部に分流させるための分流路が形成された第 2ブロック体（以下、分流ブロック体と称する場合もある）をさらに設け、その第 2ブロック体を前記第 1ブロック体の前段に配設するようにしているものが好適である。

発明の効果

[0016] このように本発明によれば、従来に比して低い温度での気化を行うことができるようになり、原料の熱分解による残渣発生やノズルの目詰まりを抑制できる。また逆に言うと、従来と同じような温度に設定するのであれば、より多くの原料を流すことができる、すなわち大流量発生が可能になる。

さらに、仮に 1つのノズルが詰まっても他のノズルから原料は流れるため、動作が完全に停止するとレ、うリスクを低減できる。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]本発明の一実施形態に係る気化装置の構造を模式的に示す構造縦断面図。 [図 2]同実施形態における第 1ブロック体の中央縦断面図。

[図 3]同実施形態における第 1ブロック体の一方の端面図。

[図 4]同実施形態における第 1ブロック体の他方の端面図。

[図 5]同実施形態における第 2ブロック体の中央縦断面図。

[図 6]同実施形態における第 2ブロック体の一方の端面図。

[図 7]同実施形態における第 2ブロック体の他方の端面図。

[図 8]図 1における要部詳細図。

[図 9]同実施形態にかかる気化装置の性能実験システムを示す模式図。

[図 10]図 9に示す性能実験システムを用いたときの、同実施形態にかかる気化装置の性能を示す実験結果。

[図 11]図 9に示す性能実験システムを用いたときの、同実施形態にかかる気化装置の性能を示す実験結果。

[図 12]図 9に示す性能実験システムの気化装置を、単一バルブ、単一流路を有した従来の気化装置に置き換えて実験した実験結果。

[図 13]単一バルブ、単一流路を有した従来の気化装置と、本実施形態に係る気化装置との、加熱路内部の温度分布をそれぞれ比較したシミュレーション結果。

[図 14]従来の他の気化装置の一例を示す概要図。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

[0019] 本実施形態に係る気化装置 Aは、例えば半導体製造システム（図示しない）の一部を構成するもので、成膜用の真空チャンバ（図示しない）に接続されて半導体素子形成のための原料を気相状態で供給する機能を有する。

[0020] 具体的にこのものは、図 1に示すように、液相状態にある前記原料 (以下、液体原料とも言う） LMとキャリアガス CGとを混合して気液混合体 GLを生成する気液混合機構 1と、この気液混合体 GLに含まれる液体原料 LMを気化して気相状態（以下、原料ガスとも言う）にし、その原料ガス GSを前記キャリアガス CGとともに外部、すなわち真空チャンバへ導出する気化本体機構 2と、を備えて!/、る。

[0021] まず気液混合機構 1から簡単に説明しておくと、この気液混合機構 1には、気液混合室 13が形成されており、この気液混合室 13に、液体原料導入路 la及びキャリアガス導入路 lbが連通されている。そしてこの気液混合室 13で、前述したように液体原料 LMとキャリアガス CGとが混合される。このようにして生成された気液混合体 GLは、この気液混合室 13にやはり連通している導出路 lcから導出される。なお、キャリアガス CGのみを、常時ないし所定時期に導入し、導出路 lc及び/又はノズルを含めた気化部に発生した残渣をパージするように構成してもよい。

[0022] この気液混合機構 1は、さらに流量制御部 12をも具備しており、液体原料 LMの流量を予め定められた一定流量に維持する機能を有する。この流量制御部 12は、例えばダイヤフラム 121で支持された弁体 120をピエゾァクチユエータ 122で駆動し、液体原料導入路 la等に配置されたバルブの開度をコントロールして流量制御を行うものである。

[0023] 一方、気化本体機構 2は、気液混合体 GLを導入するための導入ポート P1と、その導入ポート P1の下流に設けられて気液混合体 GLに含まれる液体原料 LMを気化する気化部 3と、そこで気化した原料ガス GSを導出する導出ポート P2とを備えて!/、る。

[0024] しかしてこの実施形態では、図 2〜図 4、図 8にも示すように、前記気化部 3を、前記導入ポート P1と導出ポート P2との間に並列に複数 (ここでは例えば 4本)設け、各気化部 3が互いに独立して干渉することなく原料を流通させるように構成している。

[0025] 気化部 3はそれぞれ、気液混合体 GLに含まれる液体原料 LMを減圧噴霧するノズル 31とそのノズル 31の下流に連続して設けられた加熱路 32とからなる 1本の流路状のものであり、互いに等しい形状をなす。なお、「連続して設ける」とは、ノズルと加熱路とが、連続した内周面によって途切れなく覆われているということであり、ノズル 31 から噴射された原料 LMが、他の加熱路 32に一切混入することなぐ対応する加熱路 32に全て導入されるように構成されているということである。そしてこの実施形態では、それら各気化部 3を、単一の第 1ブロック体（共通ブロック体) 4に形成するようにしている。

[0026] この第 1ブロック体 4は、例えば、耐腐食性及び熱伝導性の双方に優れた金属を素材とする円柱状をなすもので、前記 4本の気化部 3は、当該第 1ブロック体 4の中心軸に平行に、この第 1ブロック体 4の一端面 4aから他端面 4bに亘つて貫通するように設けられている。

[0027] ノズル 31は、気化部 3の流路径を絞ることで形成してある。また、前記第 1ブロック体 4には、ここでは、気化部 3に平行に 1又は複数の孔を設け、その孔に嵌合する長尺状のカートリッジヒータ HIを、当該第 1ブロック体 4のほぼ端から端に亘つて挿入するようにしている（図 1等参照）。このことにより、ノズル 31より下流の流路がそこを通過する流体に熱を与える加熱路 32として機能するように構成してある。かかる構成の利点としては、加工しやすい、径方向にコンパクト化を図りやすい、カートリッジヒータ H 1は一般的に発熱量が大きいため十分な加熱を行える、カートリッジヒータ HIが共通ブロック体 4に埋設されるため効率的に熱を伝達できる、とレ、つた点が挙げられる。なお、その他に、例えば筒状のヒータを前記第 1ブロック体 4の側周囲に外嵌させたり、面板状のヒータを前記第 1ブロック体 4の側周囲に巻き付けたりしてもよい。

[0028] さらにこの実施形態では、図 5〜図 7、図 8にも示すように、前記気液混合機構 1の導出路 lcから導出される気液混合体 GLを、前述した各気化部 3に分流させるため、第 2ブロック体（分流ブロック体） 5を、前記第 1ブロック体 4の前段、つまりその一端面 4aに取り付けている。

[0029] この第 2ブロック体 5は、前記第 1ブロック体 4より小径の円柱状をなすもので、その一端面 5aの中央部に、前記導出路 lcと接続される導入ポート P1が形成されている。そして、この導入ポート P1から直線状をなす複数本 (ここでは 4本）の分流路 6が、当該第 2ブロック体 5の他端面 5bに向かってやや斜めに貫通している。各分流路 6の他端開口は、前記各気化部 3の先端開口とそれぞれ対応する位置に設定してあり、第 1ブロック体 4の一端面 4aに第 2ブロック体 5の他端面 5bを、軸を合わせて取り付けることにより、各分流路 6と各気化部 3とがそれぞれ連通するように構成してある。

[0030] なお、第 1ブロック体及び第 2ブロック体は、内部を流れる流体の特性上、ここでは耐熱性、耐腐食性に優れた材料で構成する必要がある。

[0031] また、この第 2ブロック体 5は、第 1ブロック体 4に取り付けた状態で当該第 1ブロック体 4の一端面 4aから突出するように構成してあり、第 2ブロック体 5における突出部分の側周囲にさらに予熱用ブロック H2を取り付けている。この予熱用ブロック H2は、リング状をなす例えばアルミ製のもので、第 1ブロック体 4からの熱を受け取って、ここを通過する気液混合体 GLを予熱できるように構成してある。

[0032] なお、第 2ブロック体 5を第 1ブロック体 4とは別体で設けているのは、主として、導入ポート P1から各気化部 3への分流路 6を簡単に構成できるという利点からである。分流ブロック体 5と第 1ブロック体 4とは同一素材を用いてもよ!/、し別素材を用いてもよ!/、

[0033] しかして、このような構成であれば、各ノズル 31から出た噴霧は対応する各加熱路 32にのみ流れるので、噴霧同士が重なり合って濃淡を作ることなぐほぼ均一な濃度の噴霧となる。そしてこのような均一な濃度の噴霧に対して気化を行うので、濃淡の濃レヽ部分にあわせて温度を設定し気化を行わざるを得な!/、ものと比べて、加熱量を低減させ、低!/、温度で気化を効率よく行うことができる。

[0034] また、この装置 Aのように複数の加熱路 3のものと、従来のように 1本の加熱路のものとを比較した場合、ノズルの断面積が互いに等しい（等流量）とすると、複数の加熱路のほうが、 1本あたりの気化量が少なくて済むため、この点からも低い温度で気化を効率よく行うことができる。その他に考えられる要因としては、複数の加熱路のほうが内部を流れる流体等への接触面積が大きぐ熱を効率的に伝えられるといったことや、従来のものでは径が大きくなるので中心部に熱が伝わりにくぐその中心部での気化にあわせた高めの温度設定をしなければならないところ、複数にすれば 1本 1本の加熱路を細くでき、温度分布が生じにくいから低めの温度設定でもよい、といったことが挙げられる。

[0035] つまり、従来に比して低い温度での気化を行うことができるようになり、原料の熱分解による残渣発生やノズル 3の目詰まりを抑制できる。また逆に言うと、従来と同じような温度に設定するのであれば、より多くの原料を流すことができる、すなわち大流量発生が可能になる。

[0036] さらに、仮に 1つのノズル 3が詰まっても他のノズル 3から原料は流れるため、動作が完全に停止するとレ、うリスクを低減できる。

[0037] 次に、本実施形態の気化装置 Aによる、より具体的な効果を、単一のノズル及び単一の加熱路を有した従来の気化装置との比較において行った実験の結果により説明する。 [0038] この実験では、図 9に示すシステムを用いた。この図中、符号 MVは気化装置を示し、本実施形態の気化装置又は従来の気化装置が、ここに配置される。また、符号 P は圧力センサ、 MFCは質量流量制御装置、 LMFMは液体流量計、 GMFMはガス流量計をそれぞれ示して!/、る。

[0039] そして、半導体素子形成のための原料と同等の蒸気圧を有した実験用液体原料を、気化装置の液体原料導入路 laに導入するとともに、キャリアガス導入路 lbには、窒素ガスを導入するようにしてレ、る。

[0040] このときの実験での諸元は以下のとおりである。

原料流量： 0.25， 0.5, 0.75, 1.0, 1.25 [g/min]

キャリアガス： 1 [SLM]

気化装置における流量制御部の温度： 60 [°C]

•気化装置における気化部の温度： 120又は 140 [°C]

•気化装置より下流側（二次側）の配管温度： 140 [°C]

'背圧： 5 [Torr]。

[0041] そして、上記諸元の下、キャリアガスを流し続けた状態で、原料を 1分間流し、その後 30秒間原料を止めると!/、うサイクルを繰り返し行!/、、気化装置の下流に設けたガス流量計 GMFMで、ガス流量を経時測定した。原料の流量は、最初のサイクルでは 0 . 25[g/min]であり、サイクル毎に、当該原料の流量を 0. 25[g/min]ずつ増加させ、原料流量が 1. 25[g/min]となるまでサイクルを繰り返した。そのときの流量測定結果を図 10〜図 12に示す。

[0042] ところで、気化装置には、ある一定流量の液体原料が定期的に導入されるわけであるから、原料の気化が完全に行われていれば、気化装置の下流でのガス流量が安定し、その測定波形は、上辺が平らな矩形波状になる。ところ力気化がうまく行われていなければ、気化されない原料の分だけガス流量に変動が生じ、ガス流量の測定波形における、特に上辺部分がぎざぎざとした不安定な形状となる。

[0043] そこで、気化部を 140°Cにしたときの、本実施形態の気化装置と従来の気化装置とによる実験結果を示す図 10と図 12とを比較してみる。図 10から明らかなように、本実施形態の気化装置では、流量を 1. 25 [g/min]まで上げても、測定波形にほとんど乱れがないのに対し、図 12に示すように、従来の気化装置では、測定波形が安定しているのは、 0. 5[g/min]までであって、それ以上では波形が乱れており、気化が適切に行われていないことがわかる。すなわち、同じ温度であれば、本実施形態に係る気化装置の方が、従来のものよりも大流量を流せるとレ、う効果を奏するのがわかる。

[0044] また、図 11は、本実施形態の気化装置において、気化部を 120°Cまで下げたときの実験結果であるが、これによれば、従来の気化装置と同じぐ 0. 5[g/min]まで測定波形が安定していることがわかる。すなわち、同じ流量を流すのであれば、本実施形態に係る気化装置の方が、従来のものよりも温度を下げることができるのがわかる。

[0045] さらに、図 13に、シミュレーションによる気化部の内部温度分布を示す。従来の気化装置における気化部は、下流に到るまで温度の低い領域が広がっているのに対し、本実施形態のものは、上流の一部のみが温度が低いだけで、その他の領域は高温に保たれており、気化効率において優れていることがこの結果力もも明らかにわかる

[0046] なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、気化部は 4本に限られず、 2本、 9本など、設計の許す範囲で何本でも良い。ここでノズル径の具体例を挙げておくと、例えば従来の単体ノズルのものと同じ気化量を期待するのであれば、 2本のものだと単体ノズルの約 0. 7倍、 4本のものだと単体ノズルの約 0. 5倍、 9本のものだと単体ノズルの約 0. 33倍にすればよ!/、。

[0047] 加熱路の断面積 (径)も、気化効率に寄与する。従来の単体加熱路の断面積よりも本発明に係る複数加熱路の総断面積を小さくすれば、同じ流量を供給した場合に、当然に断面積の小さい本発明の加熱路の方力流速が速くなる。流速が速くなると、ヒータから与えられる熱量が低減する不利はあるものの、それによる付与熱量の低減効果が顕著になる一定限度までであれば、流速増大によるノズルからの噴霧の微細化や、圧力低減効果が優勢になって、気化効率の向上を図ることが可能となる。

[0048] また、ヒータが第 1ブロック体の周囲に巻かれているものでは、ヒータから各気化部への距離が等しくなるように、気化部が横断面でみて同一円上に回転対称に形成されているものが好ましい。各気化部に対応させて等距離にそれぞれヒータを設ける（例えば、気化部が 4つなら、ヒータも 4つ）ようにしてもよい。各気化部への加熱条件が可及的に等しくなるため、加熱ムラを抑制でき、低い温度で気化を効率よく行うことがでさるカゝらである。

[0049] 第 1ブロック体は、円柱状である必要はなぐ直方体や角柱など種々の形状が考えられる。第 2ブロック体も同様である。また、第 1ブロック体と第 2ブロック体を一体構造にしてもよい。

[0050] さらに言えば、これらブロック体を必ずしも設ける必要はなぐ互いに分離させた配管内に気化部を構成してもよい。この場合、配管ごとに加熱する必要がある。

[0051] また、加熱路内に充填材をいれることで、圧力が低くても熱が伝わりやすくなり、さらに好適に気化できる。充填材はチタンでできていることが好ましい。チタンは熱伝導性に優れるためである。また、充填材の形状としては、例えばボール状のものが挙げられる力スタティックミキサーであることがより好ましい。こうすることで、圧力が低くても熱が伝わりやすいだけでなぐ圧力損失も小さくなるためさらに好適に気化できる。

[0052] さらに、ノズルより下流の、例えば加熱路の出口近傍にフィルターを取り付けることで、気液混合体のうち気化しきれなかった液体原料を除去できる。

[0053] また、この気化装置を、低蒸気圧材料からなる high-k材料等を取り扱う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にも、液体原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もちろんである。

[0054] その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

産業上の利用可能性

[0055] 本発明により、加熱温度を低減しても気化が可能となり、原料劣化の防止及び残渣の低減を促進できるとともに、閉塞リスクの低減を期待でき、しかも気化流量の増大化が容易な気化装置を提供することが可能になる。

Claims

請求の範囲

[1] 液相又は気液混合相状態にある原料を導入するための導入ポートと、その導入ポートの下流に設けられて前記原料を気化する気化部と、この気化部で気化した原料を導出する導出ポートとを備えてなるものであって、

前記気化部を、前記原料を噴霧するノズルとそのノズルの下流に連続して設けた加熱路とからなる流路状のものとするとともに、複数の気化部を、前記導入ポートと導出ポートとの間に並列に設け、なおかつ、各気化部を互いに独立して前記原料が流れるように構成して!/、ることを特徴とする気化装置。

[2] 前記各気化部を形成した単一の第 1ブロック体を設け、その第 1ブロック体に熱を与えることによって前記各加熱路での気化促進が行われるように構成している請求項 1 記載の気化装置。

[3] 前記導入ポートからの原料を各気化部に分流させるための分流路が形成された第 2ブロック体をさらに設け、その第 2ブロック体を前記第 1ブロック体の前段に配設するようにして!/、る請求項 2記載の気化装置。