(57)【要約】【課題】液状材料を気化直近温度まで加熱して気化室内に供給できる気化器を提供すること。【解決手段】気化用ガスを螺旋状に移動させる円柱状のサイクロン発生空間１２内とこのサイクロン発生空間１２よりも小径のオリフィス１８内に液体材料移送管５を配置する。これによりサイクロン発生空間１２を囲む高温の壁面と気化用ガスを効率よく熱交換させて気化用ガス及び液体材料の温度を上げ、オリフィス１８を通る気化用ガスによって液体材料移送管５から出た霧化状態の液体材料を気化直近温度まで加熱して気化させる。【選択図】図２
2005310883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気化用ノズル内で第１内周面に囲まれる円柱状のサイクロン発生用空間と、
上記サイクロン発生用空間の延長上に形成され且つ上記サイクロン発生用空間よりも小径の第２内周面に囲まれるオリフィスと、
上記気化用ノズル内で上記サイクロン発生用空間の一部から接線方向に引き出されて気化用ガスを上記サイクロン発生用空間に供給する気化用ガス導入孔と、
上記オリフィスよりも小径に形成され且つ上記サイクロン発生用空間と上記オリフィス内とで上記第１内周面及び上記第２内周面から隙間をおいて配置されて液体材料を流す液体材料移送管と、
上記第１内周面及び上記第２内周面のそれぞれを加熱する加熱機構と、
上記オリフィスの端部を内部空間に向けて上記気化ノズルが取り付けられる気化室と、
を有する気化器。
【請求項２】
上記液体材料移送管の先端は、上記オリフィスの先端よりも上記サイクロン発生空間寄りに位置することを特徴とする請求項１に記載の気化器。
【請求項３】
前記サイクロン発生用空間と前記オリフィスはテーパー状通気孔を介して繋がっていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の気化器。
【請求項４】
上記気化用ノズルの先端部は、上記オリフィスの先端を頂部から露出させるテーパー形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の気化器。
【請求項５】
上記オリフィスの内部には、上記液体材料移送管に点接触する突起が周方向に間隔をおいて少なくとも３点で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の気化器。
【請求項６】
上記液体材料移送管の肉厚は２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の気化器。
【請求項７】
上記加熱機構により熱媒体を環流させる凹部が上記気化用ノズルに形成されていることを特徴とする請求項１記載の気化器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気化器に関し、より詳しくは電子デバイス、光半導体デバイスの製造などに用いられる気化器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスや光半導体デバイスを構成する薄膜を成長させる方法の１つとして、有機金属材料を用いるＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 法がある。
ＭＯＣＶＤ法では、薄膜を成長させ基板を設置した反応室内に有機材料ガスを導入する装置、例えば下記の特許文献１に記載されているような有機金属液体材料をキャリアガスとともに気化器に導入し、気化器で気化された有機金属材料を反応室内に導入する装置が使用される。
【０００３】
特許文献１に記載の気化器は、内側配管と外側配管からなる二重管を有し、外側配管と内側配管の間を通る霧化用ガスと内側配管内を通るガス混合液を気化チャンバに向けて直進させて流し、さらにガス混合液と霧化用ガスを同じ位置から気化チャンバ内に噴出する構造となっている。また、二重管の周囲は冷却ロッドで覆われ、これにより霧化用ガスとガス混合液は気化チャンバ空間に噴出される直前まで冷却され、チャンバ空間に噴出された直後に高温のノズルリングにより加熱される。
【特許文献１】特開２００２−１０５６４６号公報
【０００４】
そのような構造の気化器では、ガス混合液と霧化用ガスが二重管から気化チャンバに噴出される直前まで冷却された状態となっているため、二重管先端近傍に配置されたノズルリングによる加熱では十分な温度制御ができず、ガス混合液に含まれる有機液状材料が気化されずに気化チャンバの内壁面に付着し易くなってパーティクル発生の原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであって、その解決しようとする課題は、液状材料を気化直近温度まで確実に加熱して気化室内に供給できる気化器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような問題を解消するために本発明においては、気化用ノズル内で第１内周面に囲まれる円柱状のサイクロン発生用空間と、上記サイクロン発生用空間の延長上に形成され且つ上記サイクロン発生用空間よりも小径の第２内周面に囲まれるオリフィスと、上記気化用ノズル内で上記サイクロン発生用空間の一部から接線方向に引き出されて気化用ガスを上記サイクロン発生用空間に供給する気化用ガス導入孔と、上記オリフィスよりも小径に形成され且つ上記サイクロン発生用空内と上記オリフィス内で上記第１内周面及び上記第２内周面から隙間をおいて配置されて液体材料を流す液体材料移送管と、上記第１内周面サイクロン発生空間近傍の温度を制御する熱媒体環流用凹部と、上記オリフィスの端部を内部空間に向けて上記気化ノズルが取り付けられる気化室とを有する構造とした。
【発明の効果】
【０００７】
サイクロン発生用空間を囲む円筒状の内周面の接線方向に入射する気化用ガスはその内周面に接して螺旋状に移動しながらオリフィスに向かって進むので、加熱温度制御された内周面と気化用ガスが効率よく熱交換される。この状態では、サイクロン発生用空間の中央に配置される液体材料移送管内を通る液体材料の温度はサイクロン発生用空間温度とほぼ等しくなる。これに対して、小径のオリフィス内に配置された液体材料移送管はオリフィス内周面に接近しているのでオリフィス内周面から熱が伝わり易くなる。これにより、液体材料移送管から噴出した液体材料は、オリフィス内を通る気化用ガスによって霧化されるとともに、サイクロン発生用空間内で十分に加熱された気化用ガスとオリフィス内周面の熱によって液体材料気化直近温度まで加熱され気化室内空間からの熱により完全に気化することで気化室内壁への残渣付着や未気化残渣によるパーティクルの発生が生じにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
そこで以下に本発明の詳細を、有機気相成長装置用の気化器を例にとって説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示すものであって、金属製の気化室１内の空間に先端を突出させて取り付けられる気化ノズル１０に、気化用ガス源２に繋がる気化用ガス管３と液状材料容器４に繋がる給液管５とを接続した構造を有している。その気化用ガス源２には窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが充填され、また液状材料容器４には例えばバリウム、ストロンチウム、鉛、ジルコニウム等の金属をオクタン、酢酸ブチル、ＴＨＦ（tetrahydrofuran）などを溶剤に溶かした液体材料Ｒが貯えられている。
【０００９】
液体材料容器４は、その中の液体材料Ｒ上の空間に差し込まれたパージガス用ガス管７を介してパージガス源６から流されるパージガス、例えば不活性ガスによる空間の圧力の上昇により液体材料Ｒを給液管５を通して気化ノズル１０に送り出す構造となっている。気化用ガス管３とパージガス用ガス管７にはそれぞれマスフローコントローラー８ａ，８ｂが取り付けられていて、それぞれの管３，７内のガス流量が調整されている。
【００１０】
気化ノズル１０が取り付けられる気化室１はヒータ１Ｈにより加熱され、さらに気化室１の排気口には図示しない反応チャンバに繋がる原料ガス供給管９が接続されていて、気化室５内のガスを減圧状態の反応チャンバに送り出すように構成されている。
【００１１】
また、気化ノズル１０は図２に示すようにフランジ部を有する円柱状金属からなるヒートベース１１を有し、ヒートベース１１内には軸に沿って伸びる直径約１．５ｍｍの円柱形のサイクロン発生用空洞１２が形成されている。サイクロン発生用空洞１２は、その周囲のヒートベース１１とともにサイクロン熱交換器を構成する。
【００１２】
ヒートベース１１には、サイクロン発生用空洞１２の上流側に繋がり、さらに図３に示すようにサイクロン発生用空洞１２の縁からその内周面の接線方向に気化用ガスを噴射する気化用ガス導入孔１３が形成され、ガス管３に接続される。
【００１３】
また、ヒートベース１１の一端からサイクロン発生用空洞１２の側方側の領域には熱媒体環流用凹部１４が形成され、その中の液状熱媒体は液状熱媒体温度制御器１５によって入出するように構成されている。
【００１４】
ヒートベース１１のうちサイクロン発生用空洞１２の下流側の先端部にはヒートチップ１６がその凹部１６ａにより嵌め込まれている。このヒートチップ１６内には、下流側の径が小となるテーパー状通気孔１７と、これに連続するように内径約０．４ｍｍのオリフィス１８とが形成されている。
【００１５】
ヒートベース１１とヒートチップ１６には、サイクロン発生用空洞１２及びテーパー状通気孔１７の中を貫通してオリフィス１８内に到達する肉厚２０〜２５μｍ、内径０．３ｍｍの液体材料移送管１９が差し込まれている。液体材料移送管１９の先端は、オリフィス１８のサイクロン発生用空洞１２寄りに位置している。
【００１６】
また、液体材料移送管１９は、図４の断面図に示すように、オリフィス１８の内面の周方向に間隔をおいて少なくとも３カ所に形成された先ぼそり又は断面円形の突起１５ａにより中心線上に位置決めされている。これにより液体材料移送管１９は、サイクロン発生用空洞１２、テーパー状通気孔１７及びオリフィス１８のそれぞれの内周面との間に隙間が確保され、またヒートチップ１６から伝わる熱を前記オリフィス先ぼそり又は断面円形の突起１５ａ形状で移送管１９へ伝わりにくくし移送管１９内部での液体材料の温度上昇を防止している。
【００１７】
ヒートチップ１６の外周は円錐形状のテーパー１６ｂが形成されている。液体材料移送管１９の気化室１の外側端部は、ヒートベース１１に取り付けられたコネクションアングル２０により支持されている。コネクションアングル２０は、その両端が金属片２０ａ，２０ｂ、中央が熱絶縁セラミック片２０ｃで構成され、ヒートベース１１の側部からヒートベース１１の上方に位置するように略Ｌ字状に形成されており、ヒートベース１１の上方では液体材料移送管１９と給液管５を繋ぐ孔２０ｄを有している。
【００１８】
以上の構造を有する気化ノズル１０は、ヒートチップ１６のテーパー１６ａを気化室１のホール１ａから内部空間に連通させた状態で気化室１の上部に取り付けられていて、ヒートベース１１のフランジを気化室１の上面にネジ２１で取り付けることにより固定されている。
【００１９】
なお、図２において、符号２２は、液体材料移送管１９をヒートベース１１とコネクションアングル２０のそれぞれに密着固定するためのフランジ、２３は、コネクションアングル２０における金属片２０ａ，２０ｂと熱絶縁セラミック片２０ｃを接続するネジ、２４は給液管５に接続される継ぎ手、２５は気化用ガス管３に接続される継ぎ手、２６は、気化室１の外壁とヒートベース１１の間を密着するパッキンを示している。
【００２０】
この実施例において、１０〜３０Torr程度に減圧された気化室１をヒータ１Ｈにより例えば２００℃で加熱するとともに、ステンレス製のヒートベース１１のサイクロン発生空間近傍の熱媒体環流用凹部を液状熱媒体温度制御器１５により例えば１２０℃に温度制御する。この場合、ヒートチップ１６の温度は２００℃の気化室１からヒートベース１１外周経由の熱伝導又は気化室空間からの熱伝導により約１５０℃に加熱される。
【００２１】
このような状態において、ヒートベース１１内の気化用ガス導入孔１３に例えば３００sccmの流量で気化用ガスを供給すると、図５に示すように、サイクロン発生用空洞１２内でその断面の円の接線方向に噴射され、さらにサイクロン発生用空洞１２の内壁面上を螺旋状の軌道を描きながらテーパー状通気孔１７へ進み、ついでテーパー状通気孔１７とオリフィス１８を通ってヒートチップ１６の先端から気化室１内に噴出される。
【００２２】
サイクロン発生用空洞１２のうち１２０℃に温度制御された側壁面に沿って螺旋状に進む気化用ガスは、側壁面を構成するヒートベース１１との間で効率よく熱交換され約１１０℃まで加熱し、さらに、テーパー状通気孔１７とオリフィス１８内を進む気化用ガスは、ヒートチップ１６の熱により約１２０℃の規程温度に維持される。
【００２３】
また、給液管５を通して液状材料容器４から液体材料移送管１９内に例えば２ml／min.の流量で供給される液体材料は、ヒートチップ１６内で液体材料移送管１９の先端からオリフィス１８に噴出され、さらに、オリフィス１８と液体材料移送管１９の隙間を通過して来た高速、高温の気化用ガスの流れにより霧化されるとともにヒートチップ１６及び気化用ガスの熱によって液体材料気化直近温度まで加熱される。これにより、気化室１内に噴出された液体材料はヒートチップ１６の先端近傍でガスとなっている。なお、ヒートチップ１６から噴出したガスの広がりは、ヒートチップ１６のテーパー１６ｂの角度に依存する。
【００２４】
このように気化された液体材料は、ヒータ１Ｈにより加熱された気化室１内でガス状態を維持し、さらに気化室１の排気口から原料ガス供給管９を通して反応炉内に流れる。従って、液体材料は気化室１の内壁に殆ど付着せずに効率良く消費され、しかも気化室１のクリーニングサイクルを長くすることが可能になる。また、ヒートチップ１６の先端、即ち気化ノズル１０の先端には円錐状のテーパー１６ｂが形成されているため、その先端で液体材料が付着することがなく残渣は発生しくい。
【００２５】
サイクロン発生用空洞１２の中央に配置される液体材料移送管１９内を通る液体材料の温度はサイクロン発生用空洞１２温度とほぼ等しくなるため、ヒートベース１１のサイクロン発生空洞１２近傍の熱媒体環流用凹部を液状熱媒体温度制御器１５により溶媒沸点直近の温度に加熱温度制御すれば液体材料移送管１９内を通る液体材料の温度も溶媒沸点温度を超えることはなく移送管１９の内部で溶媒の揮発によるつまりが防止されると同時に液体材料温を溶媒が揮発しない温度まで加熱している。
【００２６】
さらに、液体材料移送管１９の肉厚は２０〜２５μｍと薄いので長さ方向の熱伝導抵抗が大きく、ヒートチップ１６のオリフィス１８からの熱が伝わりにくくなっている。従って、液状熱媒体温度制御器１５の温度設定を使用する液体材料特性に合わせだけで広範囲な液体材料に対応できる。
【００２７】
また、オリフィス１８とサイクロン発生用空洞１２の間にはテーパー状通気孔１７が介在しているので、液体材料移送管１９内の液体材料はテーパー状通気孔１７内で温度勾配を有し、オリフィス内１８で最も高くなるような温度分布となる。
【００２８】
オリフィス１８からガスが噴出されている気化室１７の真空度を調べたところ図６に示すような結果が得られた。なお、図７は、特許文献１に記載された気化ノズルを使用したときの気化室の真空度の計時変化を示す。
図６、図７を比較すると、本実施形態の気化器の方が気化室の真空度が安定しているため、気化ノズル１０から材料ガスが安定して供給されていることが確認できる。
【００２９】
次に、上記した気化器に用いられサイクロン熱交換器の熱交換についてさらに詳細を説明する。
図８（ａ）〜（ｃ）は、ヒータ３０に囲まれた単体のサイクロン熱交換器を示す断面図であって、ステンレスからなる例えば長さ約１４０ｍｍの円筒体３１の両端はステンレス製の蓋体３２ａ，３２ｂによって密閉されている。一方の蓋体３２ａのうち円筒体３１との接合部分の近傍には、円筒体３１内周から接線方向に引き出される内径１．７ｍｍ程度のガス導入孔３３が形成され、ガス導入孔３３にはガス供給管３４が接続されている。
【００３０】
また、他方の蓋体３２ｂの中央には、内径が約３〜４ｍｍの排気孔３５が形成され、その排気孔３５には排気管３６が接続されている。その排気管３６は例えば気化室、反応室などの減圧雰囲気に連通されている。なお、円筒体３１内を通過するガスの流速が３０〜１００ｍ／秒となるように円筒体３１の内径を設計することが好ましい。
【００３１】
このサイクロン熱交換器において、一方の蓋体３２ａのガス導入孔３３を通してガス供給管３４から円筒体３１内周の接線方向に３０〜１００ｍ／秒の流速でガスを噴射すると、円筒体３１内でガスは高速で円筒体３１内面上を螺旋状に旋回しながら排気口３５に向けて移動する。そのガスは、遠心力によって円筒体３１内面に強く接触してその内面上のガス滞留層（境界層）を破壊するので、ヒータ３０により加熱された円筒体３１の内面とガスの接触により熱交換が行われてガスが効率よく加熱される。
【００３２】
その熱交換は、従来のように一方の蓋体３２ａの中心から他方の蓋体３２ｂの中心に向けてガスを流す場合に比べて、ガスと円筒体３１の熱交換量が増える分だけ効率が上がることになる。
【００３３】
なお、円筒体３１の内面の表面粗さを例えば研磨により０．３μｍ以下と小さくすることにより、円筒体３１内を旋回するガスのエネルギーロスが最小になって乱流が防止されるので、排出されるまでのガスの旋回数が多くなって内面との実効的な接触面積が増え、この結果、ヒータ３０の温度に近い温度まで加熱される。しかも、そのような円筒体３１内面の表面粗さを小さくすることにより、表面粗さ内に付着し脱落するパーティクルがなくなり、例えば半導体デバイス製造用の高純度ガスの使用に適している。
【００３４】
次に、サイクロン熱交換器による熱交換の状態を実験により調べた結果を示す。その実験は、ガス導入孔３３を通して窒素ガスを円筒体３１内に導入し、ヒータ３０の加熱温度を１５０℃に設定し、ガス供給管３４内の窒素ガスの流速を段階的に変えて排気口３５から出る窒素ガスの温度を測定して行われた。その実験の結果を図９に示す。
【００３５】
図９によれば、ガス供給管３４内の窒素ガスの流速を５リットル／分にしたところ、排気口３５から排気された窒素ガスの温度はヒータ３０より約５℃低い値であった。また、流速を５リットル／分、１０リットル／分、１５リットル／分、２０リットル／分、２５リットル／分、３０リットル／分と変え場合の窒素ガスの排気温度差は５℃以内であった。これは、窒素ガスが円筒体３１内で接線方向に噴射されて円筒体３１内面上を螺旋状に進むために円筒体３１との熱交換が効率良く行われるからである。
【００３６】
これに対して、円筒体３１の接線方向にガスを導入せずに、窒素ガスを一方の蓋体３２ａの中心から流速５リットル／分で円筒体３１内に導入した場合には、図１０に示すような結果となった。図１０によれば、排気された窒素ガスとヒータ３０の温度差は約２０℃あり、さらに、窒素ガスの流速を大きくするほど排気された窒素ガスの温度は大幅に低下した。これは、円筒体３１内周面上のガス滞留層が破壊されずに残るので、中心軸に沿ってほぼ真っ直ぐ進む窒素ガスへの熱伝導抵抗が大きくなり、これによりガス流速が速いほど実質的な加熱時間が短くなるからである。
なお、円筒体３１内に導入されるのはガスに限られるものでなく、ガスに液体を霧状に混合したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の気化器の一実施形態を示す構成図である。
【図２】同上気化器に取り付けられる気化ノズルの一実施例を示す断面図である。
【図３】同上気化ノズルにおける液体材料移送管と気体ガス導入孔との接続状態を示すための図２の線Ｉ−Ｉにおける断面を示す断面図である。
【図４】同上気化ノズルにおける液体材料移送管とオリフィスの位置関係を示すための図２の線II−IIにおける断面を示す断面図である。
【図５】同上気化ノズルにおける液状材料と気化用ガスの流れを示す断面図である。
【図６】同上気化器における気化室内の真空度の時間的変化を示す図である。
【図７】従来の気化器における気化室内の真空度の時間的変化を示す図である。
【図８】本発明の気化器に用いられるサイクロン熱交換器の原理的実施例を示す正面図、側断面図及び背面図である。
【図９】同上サイクロン熱交換器におけるガス加熱温度とガス流量の関係を示す図である。
【図１０】一般的な熱交換器におけるガス加熱温度とガス流量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  気化室    ２  気化用ガス源    ３  気化用ガス管    ４  液状材料容器    ５  給液管    ６  パージガス源    ７  パージ用ガス管    １０  気化ノズル    １１  ヒートベース    １２  サイクロン発生用空洞    １３  気化用ガス導入孔    １４  熱媒体環流用凹部    １５  液状熱媒体温度制御器    １６  ヒートチップ    １７  テーパー状通気孔    １８  オリフィス    １９  液体材料移送管    ３０  ヒータ    ３１  円筒体    ３２ａ，３２ｂ  蓋体    ３３  ガス導入孔    ３５  排気孔
【図１】
2005310883.tif 000003
【図２】
2005310883.tif 000004
【図３】
2005310883.tif 000005
【図４】
2005310883.tif 000006
【図５】
2005310883.tif 000007
【図６】
2005310883.tif 000008
【図７】
2005310883.tif 000009
【図８】
2005310883.tif 000010
【図９】
2005310883.tif 000011
【図１０】
2005310883.tif 000012