JPH11335845A

JPH11335845A - 液体原料気化装置

Info

Publication number: JPH11335845A
Application number: JP15538098A
Authority: JP
Inventors: Hidenao Suzuki; 秀直鈴木; Tsutomu Nakada; 勉中田; Yuji Abe; 祐士阿部; Yuji Araki; 裕二荒木
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 1999-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】高・強誘電体を成膜するための原料等の、気
化が困難である液体原料を安定に効率良く気化させるこ
とができる気化装置を提供する。【解決手段】溶媒中に該溶媒より気化しにくい溶質を
溶解させた原料を加熱して気化させる気化器において、
前記原料を前記溶媒が核沸騰しかつ膜沸騰しないような
状態に維持する第１の気化領域１４と、前記第１の気化
領域で加熱された原料を前記溶質が気化する状態に維持
する第２の気化領域１８とを有することを特徴とする。

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液体原
料気化装置に関する。

【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。

【０００３】ところで、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、最終的に成膜室内で原料ガスを被成膜基
板に安定的に供給する必要がある。原料ガスは気化特性
を安定化するため、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）に溶
解させたものを加熱して気化するようにしている。しか
しながら、このような高誘電体あるいは強誘電体の原料
を安定的に気化させるのは非常に困難である。これは、
これらの原料の気化温度と分解温度が接近している、
原料（溶質）の気化温度と有機溶剤（溶媒）の気化温
度に差がある、原料（溶質）の蒸気圧が非常に低い、
などの理由による。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、このような液体
原料を気化させる方法として、液体原料を液状のままあ
るいは霧化させて加熱部材の加熱面に接触させる方法が
ある。この場合、最初に加熱面に接する液部が加熱さ
れ、ここで気泡が発生してこれの移動により撹拌作用を
生じて熱伝達が促進される（核沸騰）。

【０００５】ところが、加熱面の温度が高過ぎ、あるい
は圧力が低過ぎる場合には、加熱面において生成した気
泡が加熱面から離れる前に次の気泡が発生し、加熱面が
常に気泡で覆われる状態となり（膜沸騰）、熱伝達率が
大きく低下する。この結果、液体原料の気化効率が低下
する。

【０００６】本発明は、このような課題に鑑み、高・強
誘電体を成膜するための原料等の、気化が困難である液
体原料を安定に効率良く気化させることができる気化装
置を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、溶媒中に該溶媒より気化しにくい溶質を溶解させた
原料を加熱して気化させる気化器において、前記原料を
前記溶媒が核沸騰しかつ膜沸騰しないような状態に維持
する第１の気化領域と、前記第１の気化領域で加熱され
た原料を前記溶質が気化する状態に維持する第２の気化
領域とを有することを特徴とする液体原料気化装置であ
る。

【０００８】このような構成においては、第１の気化領
域で核沸騰が進行し、加熱面と液体又は液滴の間の熱伝
達率が高い状態が維持され、全体が均一な気化動作温度
に昇温した気液混合相が得られる。これは、さらに第２
の気化領域に達し、原料である溶質が一気に気化する。
従って、高・強誘電体の成膜原料のような気化しにくい
液体原料を、溶媒の分離を最小限に抑えて円滑に効率良
く気化させることができる。

【０００９】請求項２に記載の発明は、前記第１の気化
領域と第２の気化領域は等しい気化動作温度に維持さ
れ、前記第１の気化領域の圧力は前記気化動作温度にお
いて前記溶媒が膜沸騰を起こさない圧力に維持されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の液体原料気化装置
である。気化動作温度に維持する手段は、オイル等の加
熱媒体を流すジャケット構造が好適であるが、伝熱ヒー
タ等が適宜に採用可能である。

【００１０】請求項３に記載の発明は、前記第１の気化
領域と第２の気化領域は減圧手段によって区画されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の液体原料気化装置
である。これは、例えば、細管、コイル状管、オリフィ
ス、微細隙間を有する二重管等のガス流れの抵抗体とな
るような任意の構造が採用可能である。

【００１１】請求項４に記載の発明は、前記減圧手段
は、該減圧手段の中での気化熱を補うための加熱媒体ジ
ャケット内に収容されていることを特徴とする請求項３
に記載の液体原料気化装置である。

【００１２】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４
のいずれかに記載の液体原料気化装置を具備することを
特徴とする成膜装置である。

【００１３】請求項６に記載の発明は、内部圧力を設定
可能な気密な容器と、該容器の内部に収容された温度調
整可能な加熱板と、該加熱板上に試験液を滴下可能なノ
ズルとを備え、前記加熱板上の液滴の挙動を観察可能に
なっていることを特徴とする液体の沸騰試験装置であ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る気化装置の
１つの実施の形態を示すもので、これは、オイル等の加
熱媒体が流通する加熱媒体ジャケット１０の中に、液体
原料及び気化原料が流通する原料流路が構成されてい
る。この原料流路１２は、下方に向かう傾斜した第１の
気化流路１４と、コイル状の細管からなる減圧流路１６
と、減圧流路１６の下流の第２の気化流路１８とから構
成されている。加熱媒体ジャケット１０には、加熱媒体
の温度を制御しつつ配管を介して循環供給する図示しな
い加熱媒体循環装置が設けられており、また、加熱媒体
の温度を測定する温度センサが設けられている。

【００１５】第１及び第２の気化流路１４，１８はそれ
ぞれ減圧流路１６より大径であり、減圧流路１６とはテ
ーパ部１４ａ，１８ａを介して接続されている。第２の
気化流路１８の下流側は成膜室を介して真空ポンプに接
続されており、真空ポンプの動作によりその排気能力と
上流側からのキャリアガスや原料の量とのバランスで決
まる所定の圧力になる。

【００１６】第１の気化流路１４はマスフローコントロ
ーラ２０、ヒータ２２を備えたキャリアガス配管２４を
介してＡｒ等のキャリアガス源に接続されている。ヒー
タ２２は、被加熱体（液体原料）の温度とキャリアガス
の温度を同じにするためのものである。第１の気化流路
１４には、上流側部分に液体原料供給配管２６が挿入さ
れて開口し、また、所定箇所には圧力センサ２８が設け
られている。液体原料供給配管２６は、加熱ジャケット
１０に設けた貫通孔３０に空気断熱層３２及び伝熱性の
低いテフロン製のＯリング３４を介して挿通されてお
り、加熱ジャケット１０からの熱による昇温を回避する
ようになっている。コイル状の減圧流路１６は下流に行
くほど減圧されるので、減圧流路１６内の気化された原
料は下流へ行くに従い断熱膨張し温度が下がるので、こ
れを防止するため減圧流路１６を加熱ジャケット１０に
より加熱している。

【００１７】この気化装置には、加熱ジャケット１０の
加熱媒体の温度及び第１の気化流路１４の圧力を制御す
る制御装置が設けられている。この制御装置は、加熱ジ
ャケット１０の温度センサの出力値に基づいて加熱媒体
循環装置のヒータや循環ポンプを制御し、加熱媒体の温
度を所定の温度（以下、「気化動作温度」と呼ぶ）に維
持するようになっている。また、第１の気化流路１４の
圧力センサの出力値に基づいてキャリアガスのマスフロ
ーコントローラ２０を制御し、第１の気化流路１４を上
記の気化動作温度において溶媒が核沸騰するような状態
に維持するようになっている。すなわち、溶媒は沸騰す
るが膜沸騰が支配的にならず、また、この条件下で溶質
は気化しない。

【００１８】図２に示すのは、このような圧力条件を求
めるための試験装置４０であり、オイル等の加熱媒体流
路４２を有する容器４４と、これを気密に覆う透明な蓋
４６と、該容器４４を所定圧力に真空排気する排気系４
８と、容器４４の内部に水平に配置された加熱板５０
と、蓋４６を貫通して加熱板５０の上方に所定距離（５
ｍｍ程度）置いた位置まで延びる液体原料供給パイプ５
２とを備えている。蓋４６を通して外部から加熱板５０
を観察するテレビカメラを配置してもよい。

【００１９】このような装置において、温度と圧力の条
件を変えながらパイプ５２から原料液滴を加熱板５０に
供給し、加熱板５０上での原料液滴の挙動を観察する。
図３はその一例で、（ａ）〜（ｄ）は同じ温度におい
て、圧力を、それぞれ０．０Torr，１００Torr，３００
Torr，７６０Torrと上げていった場合の状況を示すもの
である。（ａ）では液滴はゴロゴロ動き回っていて膜沸
騰状態であることが推定される。（ｂ）及び（ｃ）では
液滴が排気方向に直線的に流れるが、（ｃ）の方が大き
さがやや大きい。（ｄ）では、液滴が、一滴、一滴落ち
ると同時にジワーッと気化する。

【００２０】従って、この実験から、この溶媒について
は、３００Torrから７６０Torrの間で膜沸騰から核沸騰
に移行していると判定される。このように、この試験装
置を用いれば、任意の溶液についてこのような圧力領域
（又は温度領域）を求めることができる。

【００２１】以下、図１の構成の気化装置の作用を説明
する。制御装置により、加熱ジャケット１０内は温度セ
ンサの出力値に基づいて所定の気化動作温度に維持され
ている。第１の気化流路にキャリアガスをキャリアガス
供給配管２４から供給しながら液体原料供給配管２６よ
り液体原料を供給し、液体原料を含む液滴を生成する。
成膜室の排気系は所定の条件で稼動しており、第２の気
化流路１８は気化動作温度において溶質が気化するよう
な圧力状態に維持されている。

【００２２】制御装置によってマスフローコントローラ
２０を調整し、第１の気化流路１４を気化動作温度にお
いて核沸騰圧力条件にすると、ここで核沸騰が主に進行
し、加熱面と液体又は液滴の間の熱伝達率が高い状態が
維持される。従って、液体や液滴の内部まで温度が均一
に昇温するとともに、加熱面近傍では比較的穏やかな沸
騰が進行する。

【００２３】このように、全体が均一な気化動作温度に
昇温した気液混合相である原料流体は、コイル状の細管
からなる減圧流路１６に流れ、その過程で徐々に減圧さ
れて気化が進行しながら第２の気化流路１８に達する。
ここでは、溶媒が膜沸騰すると同時に溶質が気化するよ
うな圧力条件になっており、ここで原料が一気に気化す
る。この過程では多大な気化潜熱が必要であるが、減圧
流路１６がコイル状の細管で形成されているので、加熱
媒体から充分な量の熱を得ることができる。

【００２４】このように、気化流路を圧力条件が異なる
２つの流路に分け、第１の流路では溶媒の沸騰を適度に
行わせて充分な均熱加熱を行い、第２の流路で溶質を含
めて一気に気化させるので、高・強誘電体の成膜原料の
ような気化しにくい液体原料を、溶媒の分離を最小限に
抑えて円滑に効率良く気化させることができる。

【００２５】図５に本発明に係る気化器を具備する成膜
装置の構成例を示す。図５は、例えば、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を示す図であり、本発明に係る気
化器Ｖの下流側に成膜室Ｃが設けられ、さらにその下流
側の排気経路に真空ポンプＰが配置されてメインライン
１が構成されている。メインライン１には、成膜室Ｃに
酸素等の反応ガスを供給する反応ガス配管２が設けられ
ている。成膜室Ｃには、基板Ｗを加熱・保持する保持台
Ｈと、これに対向してノズル孔Ｎより原料ガスや反応ガ
スを噴射するシャワヘッドＳが設けられている。

【００２６】このような成膜装置では、気化器において
安定な条件で気化を行うために気化器Ｖへの原料供給を
短い時間のピッチで遮断しないようにしており、一方、
成膜室Ｃでは、成膜時間の管理、処理基板の交換のため
に原料ガスの流れを正確に制御する必要がある。そこ
で、メインライン１とは別に、成膜室Ｃをバイパスする
バイパスライン３が設けられており、開閉弁Ｖ₁，Ｖ₂に
よって気化器Ｖをいずれかに選択的に接続するようにし
ている。従って、成膜処理を行っていない場合には原料
ガスはバイパスライン３に流れ、高い濃度で含まれる原
料ガスはトラップ４において凝結して捕集される。成膜
処理を開始する場合には、開閉弁Ｖ₁，Ｖ₂の切換によっ
てメインライン１より成膜室Ｃを経由して排気を行う。

【００２７】図４は本発明の第２の実施の形態を示すも
ので、外筒６０と、これに同心に所定重複長さだけ挿入
された内筒６２によって気化流路が構成されている。外
筒６０の外側には、上流側に冷却媒体ジャケット６６が
形成され、気化流路６４からの熱により原料が事前に加
熱されるのを防止する加熱防止部６８を形成している。
また、下流側には、外筒６０の外側に加熱媒体ジャケッ
ト７０が構成され、内筒６２の内部にヒータ７２が内装
されて気化部７４が構成されている。加熱防止部６８と
気化部７４の間にはマスフローコントローラ７６、圧力
センサ７８を有するキャリアガス供給配管８０が接続さ
れている。

【００２８】気化部７４では外筒６０と内筒６２の間の
空間が第１の気化流路８２を構成し、その下流側の外筒
６０内の空間が第２の気化流路８４を構成する。第１の
気化流路８２は外筒６０の端部の液体原料供給口８６に
連絡し、第２の気化流路８４の下流側端部は成膜室に連
絡している。この例では、第１の気化流路８２が減圧流
路を兼ねているので、第１の気化流路８２で原料の圧力
が徐々に下がって行くが、圧力を溶媒が核沸騰するが膜
沸騰しないように設定すれば、第１の実施の形態と同様
の作用効果を得ることができることは自明である。第１
の気化流路８２は下流へ行くほど減圧されるので、第１
の気化流路８２内の気化された原料は下流へ行くに従い
断熱膨張し温度が下がるので、これを防止するため、第
１の気化流路８２を加熱媒体ジャケット７０により加熱
している。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の気化領域で核沸騰が進行し、加熱面と液体又は液
滴の間の熱伝達率が高い状態が維持され、全体が均一な
気化動作温度に昇温した気液混合相が得られ、さらに第
２の気化領域に達して溶質が一気に気化する。従って、
高・強誘電体の成膜原料のような気化しにくい液体原料
を、溶媒の分離を最小限に抑えて円滑に効率良く気化さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の気化装置を示す断
面図である。

【図２】本発明を実施するための試験装置を示す断面図
である。

【図３】図２の試験装置における試験結果を示す図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施の形態の気化装置を示す断
面図である。

【図５】本発明に係る気化装置を具備する成膜装置を示
す図である。

【符号の説明】

１０加熱ジャケット１２原料流路１４第１の気化流路１６減圧流路１８第２の気化流路２４キャリアガス供給配管２６液体原料供給配管２８圧力センサ４０試験装置６０外筒６２内筒６４気化流路６６冷却媒体ジャケット６８加熱防止部７０加熱媒体ジャケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荒木裕二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】溶媒中に該溶媒より気化しにくい溶質を
溶解させた原料を加熱して気化させる気化器において、前記原料を前記溶媒が核沸騰しかつ膜沸騰しないような
状態に維持する第１の気化領域と、前記第１の気化領域で加熱された原料を前記溶質が気化
する状態に維持する第２の気化領域とを有することを特
徴とする液体原料気化装置。
【請求項２】前記第１の気化領域と第２の気化領域は
等しい気化動作温度に維持され、前記第１の気化領域の
圧力は前記気化動作温度において前記溶媒が膜沸騰を起
こさない圧力に維持されていることを特徴とする請求項
１に記載の液体原料気化装置。
【請求項３】前記第１の気化領域と第２の気化領域は
減圧手段によって区画されていることを特徴とする請求
項１に記載の液体原料気化装置。
【請求項４】前記減圧手段は、該減圧手段の中での気
化熱を補うための加熱媒体ジャケット内に収容されてい
ることを特徴とする請求項３に記載の液体原料気化装
置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の液体
原料気化装置を具備することを特徴とする成膜装置。
【請求項６】内部圧力を設定可能な気密な容器と、該
容器の内部に収容された温度調整可能な加熱板と、該加
熱板上に試験液を滴下可能なノズルとを備え、前記加熱
板上の液滴の挙動を観察可能になっていることを特徴と
する液体の沸騰試験装置。