(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を移送管路の先端部から噴霧する噴霧部と、噴霧された前記液体材料を気化する気化部とを備え、気化された前記液体材料をＣＶＤ成膜装置へと供給する気化器において、
前記移送管路は、気液２相流で前記液体材料が移送される内側配管と、前記内側配管が隙間を介して内挿されるとともに霧化用ガスを移送する外側配管とから成る二重配管構造と、
前記外側配管の周囲を覆うように接触して配設され、前記移送管路を冷却する冷却ロッドとを有し、
前記内側配管が隙間を介して貫挿される孔部が形成され、前記外側配管により移送された霧化用ガスを前記隙間から前記気化部へと噴出させるオリフィス部材を、前記内側配管の先端部に設けたことを特徴とする気化器。
【請求項２】
液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を移送管路の先端部から噴霧する噴霧部と、噴霧された前記液体材料を気化する気化部とを備え、気化された前記液体材料をＣＶＤ成膜装置へと供給する気化器において、
前記移送管路は、気液２相流で前記液体材料が移送される内側配管と、前記内側配管が隙間を介して内挿されるとともに霧化用ガスを移送する外側配管とから成る二重配管構造を有し、
前記内側配管が隙間を介して貫挿される孔部が形成され、前記外側配管により移送された霧化用ガスを前記隙間から前記気化部へと噴出させるオリフィス部材を、前記内側配管の先端部に設け、
気化された前記液体材料が再凝縮するのを防止する気化面が形成され、前記内側配管の先端部に近接して前記噴霧部の先端に設けられるノズルリングを備え、
前記オリフィス部材をＰＥＥＫ（polyether ether ketone）で形成して前記ノズルリングと前記外側配管の先端との間に挟持するとともに、前記オリフィス部材と前記外側配管の先端との間にＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）から成るシール材を配設したことを特徴とする気化器。
【請求項３】
請求項２に記載の気化器において、
前記ノズルリングは、前記噴霧部の先端に螺合する第１部材と、前記第１部材とは別体で形成され、前記オリフィス部材と前記第１部材との間に挟持される第２部材とから成ることを特徴とする気化器。
【請求項４】
液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を移送管路の先端部から噴霧する噴霧部と、噴霧された前記液体材料を気化する気化部とを備え、気化された前記液体材料をＣＶＤ成膜装置へと供給する気化器において、
前記移送管路は、気液２相流で前記液体材料が移送される内側配管と、前記内側配管が隙間を介して内挿されるとともに霧化用ガスを移送する外側配管とから成る二重配管構造を有し、
前記内側配管が隙間を介して貫挿される孔部が形成され、前記外側配管により移送された霧化用ガスを前記隙間から前記気化部へと噴出させるオリフィス部材を、前記内側配管の先端部に設け、
気化された前記液体材料が再凝縮するのを防止する気化面が形成されるとともに、前記内側配管の先端部に近接して前記気化部に固定されるノズルリングを備え、
前記オリフィス部材をＰＥＥＫ（polyether ether ketone）で形成して前記ノズルリングと前記外側配管の先端との間に挟持するとともに、前記オリフィス部材と前記外側配管の先端との間にＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）から成るシール材を配設したことを特徴とする気化器。
【請求項５】
請求項２〜請求項４のいずれかに記載の気化器において、
前記内側配管を前記噴霧部に固定する継手として、メタルガスケットおよびそのメタルガスケットを挟持するように設けられる一対の継手部材を有するガスケット式シール継手を備え、前記一対の継手部材の一方を前記噴霧部に固設するとともに、前記一対の継手部材の他方を前記内側配管に固設して、前記ガスケット式シール継手の軸方向締め付け量の調整により、前記内側配管先端部の前記オリフィス部材からの突出量を調整可能としたことを特徴とする気化器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＶＤ成膜に用いられ、液体有機金属や有機金属溶液等の液体材料を気化する気化器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造工程における薄膜形成方法の一つとしてＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法があるが、スパッタ等に比べて膜質，成膜速度，ステップカバレッジなどが優れていることから近年盛んに利用されている。ＭＯＣＶＤ装置に用いられているＣＶＤガス供給法としてはバブリング法や昇華法などがあるが、液体有機金属若しくは有機金属を有機溶剤に溶かした液体材料をＣＶＤリアクタ直前で気化して供給する方法が、制御性および安定性の面でより優れた方法として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の気化器では、液体材料を気化させた際に未気化残渣が発生し易く、気化器に詰まりが発生したり、残渣によるパーティクルが成膜条件に影響を与える等して、成膜の安定性や再現性に問題があった。また、気化量をそれ程大きくすることができず、プロセス上のマージンがとれないという課題もあった。
【０００４】
本発明の目的は、液体有機金属や有機金属溶液等を気化する気化器において、液体材料の霧化をより効果的に行わせ、未気化残渣やパーティクルの発生を低減することができる気化器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図２，図４，図５および図１０に対応付けて説明する。
（１）図２、図４および図５に対応付けて説明すると、請求項１の発明は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を移送管路２００の先端部から噴霧する噴霧部２０と、噴霧された液体材料を気化する気化部２１とを備え、気化された液体材料をＣＶＤ成膜装置へと供給する気化器２に適用され、移送管路２００は、気液２相流で液体材料が移送される内側配管２００ａと、内側配管２００ａが隙間を介して内挿されるとともに霧化用ガスを移送する外側配管２００ｂとから成る二重配管構造と、外側配管２００ｂの周囲を覆うように接触して配設され、移送管路２００を冷却する冷却ロッドとを有し、内側配管２００ａが隙間を介して貫挿される孔部が形成され、外側配管２００ｂにより移送された霧化用ガスを前記隙間から気化部２１へと噴出させるオリフィス部材２１２を、内側配管２００ａの先端部に設けたことにより上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明による気化器は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を移送管路２００の先端部から噴霧する噴霧部２０と、噴霧された液体材料を気化する気化部２１とを備え、気化された液体材料をＣＶＤ成膜装置へと供給する気化器２に適用され、移送管路２００は、気液２相流で液体材料が移送される内側配管２００ａと、内側配管２００ａが隙間を介して内挿されるとともに霧化用ガスを移送する外側配管２００ｂとから成る二重配管構造を有し、内側配管２００ａが隙間を介して貫挿される孔部が形成され、外側配管２００ｂにより移送された霧化用ガスを隙間から気化部２１へと噴出させるオリフィス部材２１２を、内側配管２００ａの先端部に設け、気化された液体材料が再凝縮するのを防止する気化面２１１ａが形成され、内側配管２００ａの先端部に近接して噴霧部２０の先端に設けられるノズルリング２１１を備え、オリフィス部材２１２をＰＥＥＫ（polyether ether ketone）で形成してノズルリング２１１と外側配管２００ｂの先端との間に挟持するとともに、オリフィス部材２１２と外側配管２００ｂの先端との間にＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）から成るシール材２１３を配設したことを特徴とする。
（３）図１０に対応付けて説明すると、請求項３の発明は、請求項２に記載の気化器において、ノズルリング２１４は、噴霧部２０の先端に螺合する第１部材２１４ａと、第１部材２１４ａとは別体で形成され、オリフィス部材２１２と第１部材２１４ａとの間に挟持される第２部材２１４ｂとから成る。
（４）請求項４の発明は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合材料を移送管路２００の先端部から噴霧する噴霧部２０と、噴霧された液体材料を気化する気化部２１とを備え、気化された液体材料をＣＶＤ成膜装置へと供給する気化器２に適用され、移送管路２００は、気液２相流で液体材料が移送される内側配管２００ａと、内側配管２００ａが隙間を介して内挿されるとともに霧化用ガスを移送する外側配管２００ｂとから成る二重配管構造を有し、内側配管２００ａが隙間を介して貫挿される孔部が形成され、外側配管２００ｂにより移送された霧化用ガスを隙間から気化部２１へと噴出させるオリフィス部材２１２を、内側配管２００ａの先端部に設け、気化された液体材料が再凝縮するのを防止する気化面２１５ａが形成されるとともに、内側配管２００ａの先端部に近接して気化部２１に固定されるノズルリング２１５を備え、オリフィス部材２１２をＰＥＥＫ（polyether ether ketone）で形成してノズルリング２１５と外側配管２００ｂの先端との間に挟持するとともに、オリフィス部材２１２と外側配管２００ｂの先端との間にＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）から成るシール材２１３を配設したものである。
（５）図３および図５に対応付けて説明すると、請求項５の発明は、請求項２〜請求項４のいずれかに記載の気化器において、内側配管２００ａを噴霧部２０に固定する継手として、メタルガスケット２３３およびそのメタルガスケット２２３を挟持するように設けられる一対の継手部材２２０ａ，２２０ｂを有するガスケット式シール継手２２を備え、一対の継手部材２２０ａ，２２０ｂの一方２２０ｂを噴霧部２０に固設するとともに、一対の継手部材２２０ａ，２２０ｂの他方２２０ａを内側配管２００ａに固設して、ガスケット式シール継手の軸方向締め付け量の調整により、内側配管先端部のオリフィス部材２１２からの突出量ｈを調整可能としたものである。
【０００６】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は気化装置全体の概略構成を示す図である。１は気化器２に液体有機金属や有機金属溶液等（以下では、これらを液体材料と呼ぶ）を供給する液体材料供給装置であり、供給された液体材料は気化器２で気化されてＣＤＶ装置に設けられたＣＶＤリアクタに供給される。例えば、液体有機金属としてはＣｕやＴａなどの有機金属があり、有機金属溶液としてはＢａ，Ｓｒ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｚｒなどの有機金属を有機溶剤に溶かしたもがある。
【０００８】
液体材料供給装置１に設けられた材料容器３Ａ，３Ｂ，３Ｃには、ＭＯＣＶＤに用いられる液体材料４Ａ，４Ｂ，４Ｃが充填されている。例えば、ＢＳＴ膜（BaSrTi酸化膜）を成膜する場合には、原料であるＢａ、Ｓｒ、Ｔｉを有機溶剤ＴＨＦ（tetrahydrofuran）で溶解したものが液体材料４Ａ，４Ｂ，４Ｃとして用いられる。また、溶剤容器３ＤにはＴＨＦが溶剤４Ｄとして充填されている。なお、容器３Ａ〜３Ｄは原料の数に応じて設けられ、必ずしも４個とは限らない。
【０００９】
各容器３Ａ〜３Ｄには、チャージガスライン５と移送ライン６Ａ〜６Ｄとが接続されている。各容器３Ａ〜３Ｄ内にチャージガスライン５を介してチャージガスが供給されると、各容器３Ａ〜３Ｄに充填されている液体材料４Ａ〜４Ｃおよび溶剤４Ｄの液面にガス圧が加わり、液体材料４Ａ〜４Ｃおよび溶剤４Ｄが各移送ライン６Ａ〜６Ｄへとそれぞれ押し出される。移送ライン６Ａ〜６Ｄに押し出された各液体材料４Ａ〜４Ｃおよび溶剤４Ｄは、ガス圧によってさらに移送ライン６Ｅへと移送され、この移送ライン６Ｅ内で混合状態となる。
【００１０】
移送ライン６Ｅにはキャリアガスライン７からキャリアガスが供給されるようになっており、キャリアガス、液体材料４Ａ〜４Ｃおよび溶剤４Ｄは気液２相流状態となって気化器２へと供給される。気化器２にはキャリアガスライン７を介してキャリアガスが供給されており、気化された材料はキャリアガスによってＣＶＤリアクタへと送られる。
【００１１】
なお、チャージガスおよびキャリアガスには窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが用いられる。また、移送ライン６Ａ〜６Ｅにおける液体材料４Ａ〜４Ｃや溶剤４Ｄの滞留量はできるだけ低減するのが好ましく、本実施の形態では、移送ライン６Ａ〜６Ｃには１／８インチの配管を用いている。
【００１２】
各移送ライン６Ａ〜６Ｄには、マスフローメータ８Ａ〜８Ｄおよび遮断機能付き流量制御バルブ９Ａ〜９Ｄが設けられている。マスフローメータ８Ａ〜８Ｄで液体材料４Ａ〜４Ｃおよび溶剤４Ｄの流量を各々監視しつつ流量制御バルブ９Ａ〜９Ｄを制御して、液体材料４Ａ〜４Ｃおよび溶剤４Ｄの流量が適切となるようにしている。なお、移送ライン６Ｅの気化器直前にミキサを設けて、液体材料の混合状態をより向上させるようにしても良い。さらに、各液体材料４Ａ〜４Ｃの流量を制御する流量制御バルブ９Ａ〜９Ｄに代えて、プランジャポンプ等のポンプを用いて流量制御するようにしても良い。
【００１３】
図２は気化器２を正面から見た断面図である。気化器２は液体材料４Ａ〜４Ｃを噴霧して霧状とするノズル部２０と、ノズル部２０から噴霧された液体材料をさらに気化する気化チャンバ２１とを備えている。ノズル部２０には二重管２００が設けられており、移送ライン６Ｅから導入された液体材料４Ａ〜４Ｃの混合液およびキャリアガスライン７から導入されたキャリアガスは、この二重管２００に導かれる。なお、このキャリアガスは液体材料４Ａ〜４Ｃを霧化するために用いられるものであり、以下では霧化用ガスと呼ぶことにする。
【００１４】
気化チャンバ２１には加熱用のヒータｈ１〜ｈ６が設けられており、気化チャンバ２１は液体材料４Ａ〜４Ｃの気化温度より高い温度に保持されている。ノズル部２０から二点鎖線２３で示すように鉛直下向きに噴霧された液体材料４Ａ〜４Ｃは、気化チャンバ２１内で気化された後に、排出口２４を介して不図示のＣＶＤリアクタへと送られる。
【００１５】
２２は移送ライン６Ｅを気化器のノズル部２０に接続するための継手であり、図３に継手２２部分の拡大図を示した。継手２２は、一対のスリーブ２２０ａ，２２０ｂ、ナット２２１、プラグ２２２、メタルガスケット２２３とで構成されている。移送ライン６Ｅの配管２２４はスリーブ２２０ａを軸方向に貫通するように配設されており、配管２２４は溶接等によりスリーブ２２０ａに固設されている。スリーブ２２０ａ，２２０ｂの互いに対向する面にはリング状に突出するシール面Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ形成されており、各シール面Ｓ１，Ｓ２の間にメタルガスケット２２３を挟持するように配設してプラグ２２２をナット２２１にねじ込むことにより、配管２２４がノズル部２０に固定されることになる。配管２２４は１／１６インチのＳＵＳ管が用いられ、符号Ｃで示す部分においてスウェージングにより外径１ｍｍ以下の細いチューブに加工されている。なお、この細いチューブの部分の寸法については、流量等を考慮して最適な太さに設定される。以下では、符号Ｃより下側の細管部分を内側配管２００ａと呼ぶことにする。
【００１６】
図４は図２のＡ部拡大図であり、上述した二重管２００は内側配管２００ａと外側配管２００ｂとから成る。内側配管２００ａには液体材料４Ａ〜４Ｃとキャリアガスとの気液流体が流れ、内側配管２００ａと外側配管２００ｂとの間の環状空間には霧化用ガスが流れる。外側配管２００ｂは溶接等により水冷ブロック２０１に固設されており、内側配管２００ａは上述したスリーブ２２０ａ（図３参照）に固設されている。二重配管２００の周囲には外側配管２００ｂに接して冷却ロッド２０２が設けられており、図２に示すように冷却ロッド２０２は二重配管２００の下端部分まで延在している。
【００１７】
冷却ロッド２０２の外周上部には雄ねじ部２０３が形成されており、水冷ブロック２０１の凹部２０４に形成された雌ねじ部２０５に前記雄ねじ部２０３をねじ込むようにして、冷却ロッド２０２を水冷ブロック２０１に固定する。図２に示すように、水冷ブロック２０１には冷却水路２０６が形成されており、冷却水パイプ２０７を介して外部から供給された冷却水がこの冷却水路２０６を循環することにより水冷ブロック２０１が冷却される。冷却ロッド２０２は水冷ブロック２０１により冷却され、さらに、冷却ロッド２０２は二重配管２００を冷却する。
【００１８】
図２の水冷ブロック２０１の図示下側には冷却ブロック２０２の周囲を覆うケーシング２０８が設けられており、ケーシング下部には固定用フランジ２０８ａが形成されている。このフランジ２０８ａを気化チャンバ２１に固定することにより、ノズル部２０が気化チャンバ２１に取り付けられる。なお、本実施の形態では、水冷ブロック２０１と冷却ロッド２０２とを別個に形成してネジ締結する構造としたが、これらを一体に形成しても良い。また、冷却ロッド２０２には銅のように熱伝導性の良い物質が用いられる。
【００１９】
次に、ノズル部２０の先端部分の構造について図５のＢ部拡大図を参照して説明する。ケーシング２０８の先端部分２０８ｂは薄く形成されており、外側配管２００ｂの先端部と溶接等により接合されている。そのため、ケーシング２０８の内部空間２０９と気化チャンバ空間２１０とは隔離されており、冷却ロッド２０２は気化ガスによる腐食から防止されている。内部空間２０９は図２に示すようにパイプ２１１を介して真空排気できる構造となっており、内部空間２０９を真空状態とすることにより、対流によるケーシング２０８から冷却ロッド２０２への熱浸入を防止している。
【００２０】
内側配管２００ａは外側配管２００ｂよりも図示下方に突出し、さらに、オリフィス部材２１２の中心部に形成された孔を貫通して突出している。内側配管２００ａと外側配管２００ｂとの間を図示下方に流れてきた霧化用ガスは、オリフィス部材２１２と外側配管２００ｂとの間に形成された隙間、例えば、１ｍｍ以下の微小隙間を通って気化チャンバ空間２１０へと噴出される。この霧化用ガスによって、液体材料４Ａ〜４Ｃは内側配管２００ａから排出される際に霧化され、霧状の液体材料４Ａ〜４Ｃが気化チャンバ空間２１０に噴霧される。
【００２１】
なお、本実施の形態の気化器では、内側配管２００ａの先端がオリフィス部材２１２の下方に僅かに突出した状態で使用するのが好ましい。この突出量ｈの調整は、図３に示した継手２２の締め付け力を変えて行う。具体的には、メタルシールに必要な締め付け力で継手２２を締め付けたときに、内側配管２００ａの先端がオリフィス部材２１２の下面とほぼ同一となるように内側配管２００ａの軸方向寸法を設定し、継手２２の増し締めにより突出量ｈの微調整を行う。
【００２２】
オリフィス部材２１２は、ノズルリング２１１によってシール材２１３を挟持するようにケーシング先端部２０８ｂに固定される。ケーシング２０８の先端に袋ナット形式で取り付けられるノズルリング２１１には、円錐面状の気化面２１１ａが形成されている。ノズルリング２１１はノズル部２０から噴霧された液体材料４Ａ〜４Ｃがノズル部２０先端部分に再凝縮するのを防止するものであり、気化チャンバ２１に固定されるフランジ２０８ａ（図２参照）を介して流入する熱により高温に保たれている。その結果、霧化された液体材料４Ａ〜４Ｃが気化面２１１ａに付着しても、未気化残渣が生じることはない。
【００２３】
上述したケーシング２０８，ノズルリング２１１，配管２００ａ，２００ｂ等は、腐食等を考慮してＳＵＳ等で形成される。一方、オリフィス部材２１２，シール材２１３は、ノズルリング２１１から冷却ロッド２０２への熱浸入が低減されるように、断熱性の良い樹脂等が用いられる。特に、オリフィス部材２１２やシール材２１３は液体材料４Ａ〜４Ｃに対する耐食性も要求されるので、断熱性、耐熱性，耐薬品性に優れたＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）で形成するのが望ましい。また、高温環境やノズルリング２１１の締め付けによるオリフィス部材２１２の変形を防止するため、より硬度の高いＰＥＥＫ（polyether ether ketone）で形成するようにしても良い。
【００２４】
このように、断熱材から成るオリフィス部材２１２やシール材２１３は、ノズルリング２１１から冷却ロッド２０２への熱浸入を低減することによって冷却ロッド２０２の温度上昇を防止しているが、逆に、ノズルリング２１１が冷却ロッド２０２により冷却されてノズルリング２１１の温度が低下するのを防止している。
【００２５】
《冷却ロッド２０２による冷却効果の説明》
液体材料４Ａ〜４Ｃを気化器で気化させる際には、未気化残渣の発生や熱履歴による液体材料４Ａ〜４Ｃの変質を防止するために、液体材料４Ａ〜４Ｃの減圧と加熱とをほぼ同時に、かつ、瞬時に行う必要がある。本実施の形態では、二重配管２００の軸方向に延在する冷却ロッド２０２を二重配管２００の周囲を覆うように配設し、かつ、冷却ロッド２０２を二重配管２００の噴出部付近まで設けた。それにより、内側配管２００ａを流れる液体材料４Ａ〜４Ｃは、気化チャンバ空間２１０に噴出される直前まで充分に冷却されることになる。
【００２６】
ここで、冷却ロッド２０２とケーシング２０８との間には断熱空間２０９が形成され、冷却ロッド２０２とケーシング２０８とは薄肉の先端部２０８ｂのみが接触している。さらに、高温のノズルリング２１１との間には断熱性に優れるオリフィス部材２１２およびシール材２１３とが介在するため、高温の気化チャンバ２１やノズルリング２１１から冷却ロッド２０２へ熱が浸入するのを低減することができる。
【００２７】
図６は冷却ロッド２０２の冷却効果を説明する図であり、気化チャンバ２１を２５０℃に加熱したときの内側配管２００ａ内の軸方向温度分布データを示したものである。冷却水の温度は８℃、空間２０９の圧力は１３３３Ｐａ（＝１０Ｔｏｒｒ）とした。図６において、縦軸は内側配管２００ａの温度、横軸は冷却ロッド２０２の先端から図示上方に測った距離を表しており、マイナスの距離は冷却ロッド２０２の先端から下方に突出している部分を表している。図６に示すように、２５０℃という高温環境下においても、冷却ロッド２０２の冷却効果により内側配管２００ａの温度は十分低温に保たれており、例えば、ロッド先端から１０ｍｍの位置では約５０℃となっている。
【００２８】
図７は、気化前後における液体材料の温度および圧力の変化を定性的に示したものであり、（ａ）は本実施の形態の気化器に関するものであり、（ｂ）および（ｃ）は従来の気化器に関するものである。図７において、縦軸は温度および圧力を、横軸は時間をそれぞれ表しており、図の左側領域は液体状態における温度および圧力を示し、図の右側領域は気化後の温度および圧力を表している。
【００２９】
図７の（ｂ）は、特開平５−２５３４０２号公報に記載の装置を用いた場合の温度および圧力の変化を示したものである。特開平５−２５３４０２号公報に記載の装置では、気化器にポンプで送られてきた液体材料は、気化器に設けられた高温のディスクに接触して加熱された後に、減圧→気化を行うというプロセスが採用されている。また、図７の（ｃ）は、特表平８−５０８３１５号公報に記載の装置を用いた場合の温度および圧力の変化を示したものである。特表平８−５０８３１５号公報に記載の装置では、加圧された液体材料を加熱した後に、減圧下に置かれたメッシュに染み込ませて気化させている。
【００３０】
図７の（ｂ）および（ｃ）のいずれの場合にも、液体材料が室温・高圧状態から高温・減圧状態に変化するまでの中間状態Ｄが比較的長くなっている。この中間状態では熱履歴により液体材料が変質しやすく、未気化残渣の発生や気化器の詰まり等が生じやすい。一方、本実施の形態の気化器では、液体材料４Ａ〜４Ｃは内側配管２００ａから噴出される直前まで冷却ロッド２０２により冷却されているため、中間状態Ｄは図７（ａ）に示すように僅かな時間となり、液体材料４Ａ〜４Ｃの変質，未気化残渣および気化器の詰まり等を低減させることができる。
【００３１】
《噴霧性能についての説明》
上述したように、内側配管２００ａは外径１ｍｍ以下の細管であって、以下に説明するように、管内の気液２相流が環状噴霧流となるように内側配管内２００ａを流れる液体材料４Ａ〜４Ｃおよびキャリアガスの流量を調整する。ここで、環状噴霧流とは、気液２相流の液相流量に比べて気相流量が多く、管壁に液膜が存在し、気相の管断面中心部には多数の液滴を伴っている流れである。なお、安定な噴霧を行うための流量条件については後述する。
【００３２】
また、噴霧性能は上述した液体材料４Ａ〜４Ｃおよびキャリアガスの流量や配管寸法だけでなく、外側配管２００ｂを流れる霧化用ガスの流量にも依存する。図８は、内側配管２００ａ内の液流量，ガス流量および外側配管２００ｂ内のガス流量と噴霧安定性との関係を説明する図である。なお、図８に示した測定では、内側配管２００ａを流れる液体としてＴＨＦを用い、キャリアガスおよび霧化用ガスとして窒素ガスを用いた。
【００３３】
図８において、縦軸はキャリアガスの流量（ＳＣＣＭ）を表し、横軸はＴＨＦの流量（ｃｃ／ｍｉｎ）を表している。この測定では、噴霧状態を、連続した噴霧が観察される「安定噴霧」と、不連続に液滴が突沸して気化チャンバ内圧力が大きく変動する「不安定噴霧」とに区別して実験を行った。図８では、○印で安定噴霧のデータを表し、×印で不安定噴霧を表した。なお、霧化用ガスについては、圧力１３３３Ｐａ（＝１０Ｔｏｒｒ）〜６６６６Ｐａ（＝５０Ｔｏｒｒ）で流量５０ＳＣＣＭとし、ＴＨＦの１次圧は１．７ＭＰａとした。また、気化チャンバ温度は２５０℃とした。
【００３４】
図８に示すように、ＴＨＦ流量が多いほど噴霧が不安定になり、キャリアガスが多いほど安定に噴霧する傾向がある。また、キャリアガスが多い状態ではＴＨＦの流量に上限があり、ラインＬ１がその限界を表している。例えば、キャリアガス流量＝４００ＳＣＣＭとラインＬ１との交点では、ＴＨＦ流量は約１．７（ｃｃ／ｍｉｎ）であるので、キャリアガス流量が４００ＳＣＣＭのときには、ＴＨＦは１．７（ｃｃ／ｍｉｎ）を超えて流せない。そして、ラインＬ１より下側で、かつ、ラインＬ２より左側の領域Ｆ１においては噴霧を安定的に行うことができ、ラインＬ１より下側で、かつ、ラインＬ２より右側の領域Ｆ２では噴霧が不安定となることが図８から分かる。
【００３５】
例えば、内側配管２００ａを流れる液体金属材料および溶剤ＴＨＦの混合液流量を０．８（ｃｃ／ｍｉｎ）とした場合には、キャリアガス流量１５０（ＳＣＣＭ）、噴霧ガス流量５０（ＳＣＣＭ）が好ましく、混合液流量を１．２（ｃｃ／ｍｉｎ）とした場合には、キャリアガス流量２５０（ＳＣＣＭ）、噴霧ガス流量５０（ＳＣＣＭ）が好ましい。
【００３６】
なお、図４の内側配管２００ａの外径に対してオリフィス部材２１２の孔径ｅを調節することにより、オリフィス部材２１２と内側配管２００ａとの隙間を流れる霧化用ガスの流速を適当な値に設定する。さらに、この隙間を流れる霧化用ガスによって、内側配管２００ａの先端部分はオリフィス部材２１２の孔に対してセンタリングされる。
【００３７】
《冷却ロッドの変形例》
図９は冷却ロッド２０２の変形例を示す図であり、（ａ）は冷却ロッド２０２Ｂの断面図、（ｂ）は冷却ロッド２０２Ｃの断面図である。図９（ａ）は図２の冷却ロッド２０２と水冷ブロック２０１とを一体構造としたものであり、水冷部２５１とロッド部２５２を備え、銅のような高熱伝導性の材料により形成される。このように一体構造とした冷却ロッド２０２Ｂでは、上述した冷却ロッド２０２と水冷ブロック２０１とをネジ構造により一体とした場合に比べて、ロッド部２５２の冷却効率が向上する。
【００３８】
図９（ｂ）の冷却ロッド２０２Ｃは、図９（ａ）の冷却ロッド２０２Ｂにヒートパイプ構造をさらに追加したものである。冷却ロッド２０２Ｃでは、水冷部２５３に設けられた冷却水路２０６に近接する部分からロッド部２５４の先端にかけて円環状空洞２５５が形成されており、空洞２５５内にはアルコール等の冷媒が封入されている。空洞２５５内に封入された冷媒は高温部である空洞２５５の下部で蒸発し、低温部である空洞２５５の上部で液化する。そのため、ロッド部２５４の熱伝導に加えて、冷媒を介したロッド部２５４から水冷部２５３への熱移動により、冷却ロッド２０２Ｂに比べて冷却効率の向上を図ることができる。なお、冷却ロッド２０２Ｃでは部材に空洞２５５を形成してヒートパイプ構造としたが、図９（ａ）に示す冷却ロッド２０２Ｂに市販のヒートパイプを埋め込んだ構造としても良い。
【００３９】
図２，３に示した水冷ブロック２０１および冷却ロッド２０２では、互いの固定をネジ構造としたが圧接により一体としても良い。圧接構造を採用した場合、例えば、銅の冷却ブロック２０２に対して水冷ブロック２０１を異種金属であるＳＵＳで形成した場合でも、異種金属界面の接伝達効率を向上させることができる。
【００４０】
《ノズルリングの変形例》
図１０は図５に示したノズルリング２１１の変形例を示す図である。図１０の（ａ）は２分割構造のノズルリング２１４を示したものであり、ノズルリング２１４は袋ナット部２１４ａと押さえリング２１４ｂとで構成されている。図５に示したノズルリング２１１では、ノズルリング２１１を締め付けてケーシングに固定する際に、オリフィス部材２１２も一緒に回転してしまうという不具合が生じる。しかし、図１０（ａ）に示す２分割構造のノズルリング２１４の場合には、袋ナット部２１４ａを締め付けても、オリフィス部材２１２は押さえリング２１４ｂにより押さえられ、袋ナット部２１４ａと一緒に回るのを防止することができる。
【００４１】
図１０の（ｂ）はノズルリング２１１の他の変形例である。ノズルリング２１５はフランジ２１６にネジ構造により固定されており、フランジ２１６はボルト２１７により気化チャンバ２１の内壁面に固定されている。その結果、気化チャンバ２１からノズルリング２１５への熱移動がより大きくなり、ノズルリング２１５を気化チャンバ２１とほぼ同一温度に保つことができ、気化面２１５ａにおける未気化残渣の発生を防止することができる。ノズルリング２１５の軸方向位置は、ノズルリング２１５をフランジ２１６へねじ込むことによりを調整する。なお、ここではノズルリング２１５とフランジ２１６とを別体としたが、両者を一体に形成しても良い。
【００４２】
ところで、ノズルリング２１１，２１４，２１５に霧化された液体金属材料が付着し難いように、それらの表面にＰＴＦＥをコーティングしても良い。これにより、未気化残渣の発生がより低減される。また、ノズルリング２１１，２１４，２１５の表面に酸化膜などの耐食性の黒色被膜を形成することにより、気化チャンバ２１からの輻射熱を吸収しやすくして、ノズルリング２１１，２１４，２１５をより気化チャンバ２１に近い温度に保つようにしても良い。
【００４３】
《移送ライン６Ｅと内側配管２００ａとの接続に関する説明》
次に、移送ライン６Ｅと内側配管２００ａとの接続について説明する。上述した実施の形態では、図３のＣに示すように、移送ライン６Ｅの配管２２４をスウェージングにより絞り込んで外径１ｍｍ以下の細管に加工し、その細管を内側配管２００ａとして使用した。その結果、液体金属材料とキャリアガスとを混合した気液流体の流れを滑らかにし、液体金属材料の詰まりや材料変質の原因となるデッドボリュームを排除するようにした。
【００４４】
図１１は接続方法の他の例を示す図である。図１１の（ａ）は配管２２４の中に内側配管２００ａの上端部を内挿して溶接したものであり、（ｂ）は（ａ）と同様に内側配管２００ａを内挿して配管２２４を外周からカシメた構造としたものである。いずれも低コストであることが特徴である。また、図１１（ｃ）に示すものでは、配管２２４が固設されたスリーブ２２０ａにネジ部２３１を有する円筒孔２３２が形成されている。そして、先端部外周にＰＴＦＥのリング状シール材２３３を装着した内側配管２００ａを円筒孔２３２に挿入し、内側配管２００ａに外挿されたセットスクリュー２３４を円筒孔２３２のネジ部２３１に締め込む。その結果、内側配管２００ａ外周面と円筒孔２３２の内周面とがシール材２３３によりシールされる。この場合、比較的安価であり、詰まりの生じやすい内側配管２００ａのみを容易に交換することができる。
【００４５】
上述した実施の形態では、液体材料４Ａ〜４Ｃと接する金属部分、例えば、配管２００ａ，２００ｂ，２２４や継手２２をＳＵＳ製としたが、より耐食性の高い材質であるＴｉやＴｉ合金（ＴｉＮ等）を用いても良い。
【００４６】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、二重管２００は移送管路を、ノズル部２０は噴霧部を、気化チャンバ２１は気化部を、袋ナット部２１４ａは第１部材を、押さえリング２１４ｂは第２部材をそれぞれ構成する。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜請求項５の発明によれば、気液２相流の液体材料を内側配管から噴出するとともに、内側配管とオリフィス部材との隙間から霧化用ガスを噴出することにより、液体材料の霧化をより効果的に行うことができる。その結果、未気化残渣の発生やパーティクルの発生を低減させることができる。
請求項２〜請求項４の発明によれば、ノズルリングと移送管路を構成する外側配管との間に断熱性のオリフィス部材およびシール部材を配することにより、ノズルリングから移送配管への熱浸入を低減することができる。
請求項５の発明によれば、内側配管先端部のオリフィス部材からの突出量を容易に調整することができ、最適な噴霧条件に調整しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】気化装置全体の概略構成を示す図である。
【図２】気化器２を詳細に示す断面図である。
【図３】継手２２の拡大図である。
【図４】図２のＡ部の拡大図である。
【図５】図２のＢ部の拡大図である。
【図６】冷却ロッド２０２の冷却効果を説明する図である。
【図７】気化前後における液体材料の温度および圧力の変化を定性的に示す図であり、（ａ）は本実施の形態の気化器に関するもので、（ｂ）および（ｃ）は従来の気化器に関するものである。
【図８】噴霧安定性を説明する図である。
【図９】冷却ロッド２０２の変形例を示す図であり、（ａ）は第１の変形例を、（ｂ）は第２の変形例をそれぞれ示す。
【図１０】ノズルリング２１１の変形例を示す図であり、（ａ）は第１の変形例を、（ｂ）は第２の変形例をそれぞれ示す。
【図１１】配管２２４および内側配管２００ａの他の接続方法を示す図であり、（ａ）は第１の例、（ｂ）は第２の例、（ｃ）は第３の例をそれぞれ示す。
【符号の説明】
２  気化器
２０  ノズル部
２１  気化チャンバ
２００  ２重管
２００ａ  内側配管
２００ｂ  外側配管
２０１  水冷ブロック
２０２，２０２Ｂ，２０２Ｃ  冷却ロッド
２０８  ケーシング
２１１，２１４，２１５  ノズルリング
２１２  オリフィス部材
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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