(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体原料を気化させる気化装置において、
液体原料を流通させる気化流路と、
該気化流路を流れる液体原料を間接又は直接に加熱する加熱構造体と、
前記気化流路に合流部において合流するキャリアガス供給流路とを備え、
前記加熱構造体は、前記合流部から前記キャリアガス供給流路に沿って延びて形成され、
前記加熱構造体で囲まれた前記キャリアガス供給流路の内部には、キャリアガスとの伝熱面積を拡大する熱交換促進部材が装着されていることを特徴とする気化装置。
【請求項２】
前記加熱構造体は、前記キャリアガス供給流路を囲んであるいはキャリアガス供給流路と一体で形成された加熱媒体収容空間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３】
前記キャリアガス供給流路の前記加熱構造体より上流側にキャリアガスを１次加熱する１次加熱手段が設けられてい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】
請求項１乃至３のいずれかに記載の気化装置と、
該気化装置の下流側に配置された気密な成膜室と、
該成膜室内において基板を保持する基板保持台と、
前記基板保持台に保持された基板を加熱する加熱手段と、
該基板に向けて前記気化装置で生成された原料ガスを噴射するガス供給ヘッドとを有することを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気化装置に関し、特に、チタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成する薄膜気相成長装置に気化原料を供給するために使用される気化装置に関する。
【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の製造のためには、小さな面積で大容量が得られるキャパシタ素子が必要である。このよう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に替えて、誘電率が２０程度である五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）薄膜、あるいは誘電率が３００程度であるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３) 、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又は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、さらに誘電率が高い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う方法として、化学気相成長法（ＣＶＤ）が有望とされている。図７は、この種のチタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成するための成膜装置の全体構成を示す図であり、液体原料を気化させる気化器１１０に液体原料供給流路１１２とキャリアガス供給流路１１４が接続され、下流側に原料ガス搬送流路１１６を介して密閉可能な成膜室１１８が設けられている。さらにその下流側の排気流路１２０に真空ポンプ１２２が配置されている。キャリアガス供給流路１１４には、キャリアガスを加熱するキャリアガス加熱器１２４と開閉弁１２６が設置され、このキャリアガス加熱器１２４の下流側を流れるキャリアガスはヒータ等の保温手段１２８で保温されるようになっている。また、成膜室１１８には、酸素等の酸化ガスを供給する酸化ガス配管１３０が接続されている。
【０００４】
このような構成の成膜装置により、基板Ｗを基板保持・加熱台１３２上に載置し、基板Ｗを所定温度に維持しつつガス供給ヘッド１３４のノズル穴１３６から原料ガスと酸化ガスとの混合ガスを基板Ｗに向けて噴射して、基板Ｗの表面に薄膜を成長させる。
【０００５】
この成膜装置では、原料ガスを成膜室内の被成膜基板に向けて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などを溶解し、さらに気化特性を安定化させるためにテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などの有機溶剤を混合した液体原料を気化器で加熱して気化させることによって生成される。
【０００６】
気化器１１０における気化を安定に行わせるために、液体原料の気化温度と等しい温度に加熱したキャリアガスを気化器１１０内に液体原料と個別に導入し、高温で低圧のキャリアガスが存在する状態で液体原料を気化させて、気化部の温度を下げることなく、気化部内の液体原料の分圧を下げて、気化器の気化効率を向上させている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような成膜装置において、気化器と成膜室との距離が離れていると、搬送の途中で原料ガスの変質を伴うことがあるため、気化器を成膜室の直近に設置することが好ましい。また、キャリアガス加熱器と気化器を離して配置すると、加熱後のキャリアガスの搬送中における温度の低下を防止するためにキャリアガス配管の保温手段が必要となる。そこで、キャリアガス加熱器と気化器をともに成膜室の近傍に配置すると、成膜室の近傍の狭い領域が混雑し、配管や保温用配線等が干渉する。
【０００８】
また、キャリアガス源に対して気化器は下流の真空チャンバーに連通しているのでかなりの低圧であり、キャリアガスを高圧状態で加熱しても気化器に至る過程で圧力降下し、断熱膨張によってガス温度が低下する。従って、キャリアガスの圧力を調整してから加熱するために、低圧で体積が大きくなったガスを加熱することが必要となって装置が大型化するという問題も有った。
【０００９】
本発明は上記の課題に鑑みて為されたもので、比較的簡単でかつコンパクトな構成により、キャリアガスを効率良く加熱して安定な液体原料気化を行なうことができる気化装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、液体原料を気化させる気化装置において、液体原料を流通させる気化流路と、該気化流路を流れる液体原料を間接又は直接に加熱する加熱構造体と、前記気化流路に合流部において合流するキャリアガス供給流路とを備え、前記加熱構造体は、前記合流部から前記キャリアガス供給流路に沿って延びて形成され、前記加熱構造体で囲まれた前記キャリアガス供給流路の内部には、キャリアガスとの伝熱面積を拡大する熱交換促進部材が装着されていることを特徴とする気化装置である。
【００１１】
これにより、キャリアガスはキャリアガス供給流路に延びる加熱構造体の部分で液体原料の気化温度に等しい温度に加熱され、その直後に温度を低下することなく液体原料と合流し、液体原料の気化を促進する。従って、個別の加熱手段を連絡する配管やこれを保温するための手段が不要となる。加熱構造体としては、電気ヒータや熱媒体を用いるもの等適宜のものが採用可能である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記加熱構造体は、前記キャリアガス供給流路を囲んであるいはキャリアガス供給流路と一体で形成された加熱媒体収容空間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。加熱媒体を用いることにより、温度を制御しつつ充分な熱量を供給して安定な気化が可能となる。
【００１４】
上記構成により、液体に比べて加熱しにくいキャリアガスを効率的に加熱することができる。
前記熱交換促進部材は多孔質体で構成されていることが好ましい。これにより、キャリアガスは細孔の内部において広い伝熱面積によって効率的に加熱される。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記キャリアガス供給流路の前記加熱構造体より上流側にキャリアガスを１次加熱する１次加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の気化装置である。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の気化装置と、該気化装置の下流側に配置された気密な成膜室と、該成膜室内において基板を保持する基板保持台と、前記基板保持台に保持された基板を加熱する加熱手段と、該基板に向けて前記気化装置で生成された原料ガスを噴射するガス供給ヘッドとを有することを特徴とする成膜装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、気化器を用いた成膜装置の全体的な構成を示すもので、気化器１０と、気化器１０の下流側に配置された成膜室１２とを備え、気化器１０と成膜室１２は原料ガス搬送流路１４で連絡されている。気化器１０は、図示しない液体原料源に開閉弁１６ａを有する液体原料供給流路１８を介して連結され、図示しないキャリアガス供給源に開閉弁１６ｂを有するキャリアガス供給流路２０を介して連結されている。成膜室１２には、基板Ｗを保持し、加熱する基板保持台２２と、気化器１０から供給された原料ガスと酸化ガス供給流路２４から供給された酸化ガスとを混合してノズル穴２６から基板Ｗに向けて噴射するガス供給ヘッド２８とを有する。成膜室１２の排気配管３０には、トラップ３２と排気ポンプ３４が設けられている。
【００１８】
気化器１０の内部には、図２に示すように、上流側端部の液体原料流入口４０から下流側端部の原料ガス流出口４２に略直線状に延びる原料流路４４と、長さ方向のほぼ中央で開口して原料流路４４に直交するキャリアガス導入路４６がそれぞれ設けられている。液体原料流入口４０は液体原料供給流路１８に、原料ガス流出口４２は原料ガス搬送流路１４にそれぞれ接続され、キャリアガス導入路４６はキャリアガス供給流路２０に連通している。
【００１９】
気化器１０の原料流路４４とキャリアガス導入路４６との合流点の上流側には、液体原料を安定であるような所定温度に維持するジャケット構造の保温部（保冷部）５０が、下流側には、液体原料を気化温度以上の、例えば２５０℃に加熱して気化させるジャケット構造の気化部５２がそれぞれ設けられている。また、キャリアガス導入路４６には、キャリアガスを液体原料の気化温度に等しい、例えば２５０℃に加熱するジャケット構造のキャリアガス加熱部５４が設けられている。
【００２０】
すなわち、保温部（保冷部）５０においては、原料流路４４を形成する主流路部５６と、この主流路部５６の周囲を同心状に囲繞する外殻部５８との間に冷却水（熱媒体）通路６０が同軸に設けられている。冷却水通路６０は、冷却水供給管６２と冷却水排出管６４に接続されている。一方、気化部５２及びキャリアガス加熱部５４においては、原料流路４４を形成する主流路部５６と、キャリアガス導入路４６を形成する分岐流路部７０の双方を、その合流部を含めて囲繞する外殻部６６との間に加熱オイル（熱媒体）通路６８が設けられている。この加熱オイル通路６８は、加熱オイル供給管７２と加熱オイル排出管７４に接続されている。
【００２１】
次に、この成膜装置の動作を説明する。成膜処理を行う時には、冷却水通路６０に所定温度の冷却水を、加熱オイル通路６８に所定温度の加熱オイルをそれぞれ供給する。この状態で、開閉弁１６ａを開いて、液体原料を液体原料供給流路１８から気化器１０の内部に供給し、同時に開閉弁１６ｂを開いて、キャリアガスをキャリアガス供給流路２０から気化器１０の内部に供給する。
【００２２】
気化器１０内に供給された液体原料は、原料流路４４内を流れ、保温部（保冷部）５０で冷却水と熱交換を行って所定温度に維持された後、気化部５２に達する。一方、気化器１０内に供給された低圧のキャリアガスは、キャリアガス導入路４６内を流れ、キャリアガス加熱部５４で加熱オイルと熱交換を行って、液体原料の気化温度の、例えば２５０℃に加熱され、しかる後、原料流路４４内を流れる液体原料と合流して気化部５２に達する。
【００２３】
気化器１０の気化部５２に達した液体原料は、加熱オイルと熱交換を行って、この気化温度の、例えば２５０℃に加熱されて気化する。この時、気化部５２には、液体原料の気化温度に等しい温度に加熱された低圧のキャリアガスが導入されているため、このキャリアガスで気化部５２の温度が低下してしまうことが防止され、或いはキャリアガスで液体原料の加熱が促され、かつ気化部５２内の液体原料の分圧が下げられて、気化器１０の気化効率が向上する。
【００２４】
そして、気化器１０で気化した原料ガスは、原料ガス搬送流路１４から成膜室１２に送られる。成膜室１２では、ガス供給ヘッド２８において原料ガスと酸化ガスとの混合ガスが生成され、ノズル穴２６から基板保持台２２に載置した基板に向けて噴射されて、成膜が行われる。
【００２５】
ここにおいて、キャリアガスは、液体原料と合流する直前においてキャリアガス加熱部５４の加熱構造体（外殻部６６、熱媒体６８）によって加熱されて気化器１０の気化部５２に導入される。従って、キャリアガスを原料合流部直前まで加熱しているので、途中でのキャリアガスの放熱はなくなり、また加熱するための熱媒体を気化部の加熱媒体と共有しているので、全体としての小型化、コンパクト化が図られるとともに、加熱器やそれに繋がるオイル配管等と干渉することなくなり、気化器１０を成膜室１２に近接した位置に配置することが可能となる。
【００２６】
図３は、本発明の第１の実施の形態を示すもので、この実施の形態が先の例と異なる点は、気化器１０の内部のキャリアガス導入路４６を形成する分岐流路部７０の内周面に、キャリアガスとの熱交換促進部材を構成する円柱状の多孔質体（焼結体）８０が装着されている点である。ここでは、分岐流路部７０の内周面に雌ねじが形成され、焼結体８０の外周面にこの雌ねじに螺合する雄ねじが形成され、両者を螺合することにより焼結体８０が装着されている。焼結体８０のキャリアガス供給流路に面する端部には、ガスの焼結体８０への導入を促進する凹所８１が形成されている。
【００２７】
この実施の形態によれば、キャリアガス加熱部５４において、焼結体８０は、分岐流路部７０を通じて加熱オイル通路６８内を流れる加熱オイルと熱交換を行って加熱され、キャリアガスは、焼結体８０に形成された多数の細孔の内部を流れて焼結体８０と熱交換を行う。これにより、焼結体８０と該焼結体８０の内部を流れるキャリアガスとの間に広い伝熱面積が確保され、コンパクトな構成でキャリアガスを確実に加熱することができる。この例では、焼結体８０が分岐流路部７０に螺合されているので、接着剤等を用いることなく両者の密着性が機械的に維持され、経時劣化による隙間の形成等によって熱交換効率が低下することが防止されるとともに、分解や交換の作業も容易となる。
【００２８】
図４は、第２の実施の形態を示すもので、分岐流路部７０の内周面に装着する熱交換促進部材として、有底円筒状の多孔質体（焼結体）８４の内部に通気性の無い栓部材８２を埋設したものを使用している。この焼結体８４は底部が原料流路４４に面するように分岐流路部７０の内周面に螺着されている。従って、キャリアガスは焼結体８４の表面に近い部分のみを流れることになり、焼結体８４の内部のキャリアガスの流れる経路を分岐流路部７０の内周面（熱供給面）により近接した位置のみに規制して、より効率的な熱交換を行うことができる。
【００２９】
図５は、第３の実施の形態を示すもので、キャリアガス導入路４６は分岐流路部７０で上流側に向かって尖塔状となるように形成され、ここに中空円錐台状の焼結体８６が分岐流路部７０の内周面に密着して装着されている。さらに、この焼結体８６の内部に、例えば電気ヒータからなる円錐台状のヒータ８８が密着して配置されている。これにより、テーパ形状による楔効果を利用して分岐流路部７０、焼結体８６及びヒータ８８を密着させ、焼結体８６の内部を流れるキャリアガスを該焼結体８６の内外面から加熱オイルとヒータで同時に加熱して、伝熱をより効果的に行うとともに、よりコンパクト化を実現することができる。
【００３０】
図６は、第４の実施の形態を示すもので、キャリアガス供給流路２０の開閉弁１６ｂの上流側に、キャリアガスを１次加熱する加熱器９０を備えている。これにより、加熱器９０でキャリアガスに１次加熱を施すことで、例えば伝熱面積不足でキャリアガス加熱部５４のみではキャリアガスを常温から必要温度まで加熱するのが困難な場合に対処することができる。
【００３１】
例えば加熱器９０による１次加熱部でキャリアガスを昇圧して必要な温度まで加熱する場合、キャリアガス加熱部５４は、キャリアガスの搬送の途中での圧力降下による断熱膨張に伴う温度低下及び放熱による温度低下を補うだけの能力があればよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、キャリアガスはキャリアガス供給流路に延びる加熱構造体の部分で液体原料の気化温度に等しい温度に加熱され、その直後に温度を低下することなく液体原料と合流し、液体原料の気化を促進する。従って、液体原料とキャリアガスを個別に加熱する手段が不要となり、また、キャリアガス加熱手段と気化器を連絡する配管やこれを保温するための手段が不要となるので、比較的簡単でかつコンパクトな構成により、キャリアガスを効率良く加熱して安定な液体原料気化を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  成膜装置の概略を示す図である。
【図２】  気化装置を示す断面図である。
【図３】  本発明の第１の実施の形態の気化装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】  本発明の第２の実施の形態の気化装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図５】  本発明の第３の実施の形態の気化装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図６】  本発明の第４の実施の形態の気化装置を備えた成膜装置の概略を示す図である。
【図７】従来の成膜装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
１０    気化器
１２    成膜室
１４    原料ガス搬送流路
１８    液体原料供給流路
２０    キャリアガス供給流路
２２    基板保持台
２８    ガス供給ヘッド
４４    原料流路
４６    キャリアガス導入路
５０    保温部
５２    気化部
５４    キャリアガス加熱部
６０    冷却水通路
６８    加熱オイル通路
８０，８４，８６    焼結体
８２    栓部材
８８    ヒータ
９０    加熱器
Ｗ      基板
【図１】
0003909507.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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