特開 2024-88243 気化器および液体材料気化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024088243

(43)【公開日】2024-07-02

(54)【発明の名称】気化器および液体材料気化装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20240625BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20240625BHJP

   C23C 16/448 20060101ALI20240625BHJP

   B01J 7/00 20060101ALI20240625BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

H01L21/31 B

C23C16/448

B01J7/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022203318

(22)【出願日】2022-12-20

(71)【出願人】

【識別番号】000127961

【氏名又は名称】株式会社堀場エステック

(74)【代理人】

【識別番号】110001933

【氏名又は名称】弁理士法人 佐野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西脇 圭亮

【テーマコード（参考）】

4G068

4K030

5F045

【Ｆターム（参考）】

4G068DB04

4G068DD01

4G068DD11

4K030EA01

4K030EA05

5F045AA03

5F045AC15

5F045AC16

5F045BB08

5F045EB03

5F045EE02

5F045EE04

(57)【要約】

【課題】液体材料の気化性能を向上させて、液体材料の大流量での気化を実現する。
【解決手段】気化器は、液体材料を加熱して気化させる気化室と、気化室内に配置される熱交換素子と、を備える。気化室は、内面に溝を有する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体材料を加熱して気化させる気化室と、
前記気化室内に配置される熱交換素子と、を備え、
前記気化室は、内面に溝を有する、気化器。

【請求項2】

前記溝は、前記気化室の前記内面において、前記気化室が延びる中心軸方向に沿って位置する、請求項１に記載の気化器。

【請求項3】

前記溝は、前記気化室の前記内面において、前記中心軸方向から見て周方向に間隔を置いて並んで位置する、請求項２に記載の気化器。

【請求項4】

前記熱交換素子は、複数のフィンを前記中心軸方向に連結したスタティックミキサで構成される、請求項２または３に記載の気化器。

【請求項5】

前記複数のフィンは、
前記中心軸方向から見て、周方向の一方向に捩じられた第１フィンと、
前記中心軸方向から見て、周方向の逆方向に捩じられた第２フィンと、を有し、
前記第１フィンと前記第２フィンとは、前記中心軸方向に交互に連結される、請求項４に記載の気化器。

【請求項6】

前記複数のフィンの少なくともいずれかは、開口部を有する、請求項４または５に記載の気化器。

【請求項7】

液体材料を加熱して気化させる気化室と、
前記気化室内に配置される熱交換素子と、を備え、
前記熱交換素子は、複数のフィンを前記中心軸方向に連結したスタティックミキサで構成され、
前記複数のフィンの少なくともいずれかは、開口部を有する、気化器。

【請求項8】

請求項１から７のいずれかに記載の気化器と、
前記気化器に液体材料を供給する液体材料供給部と、を備える液体材料気化装置。

【請求項9】

前記液体材料供給部は、前記液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合体を前記気化器に供給する、請求項８に記載の液体材料気化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気化器および液体材料気化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＤＬＩ（Direct Liquid Injection ）方式の気化器では、液体材料とキャリアガスとを混合した気液混合体をノズルにより気化室内に噴霧して、液体材料を気化させる。液体材料を気化室内で完全に気化させるため、気化室はヒータによって加熱される。

【0003】

気化室内には、スタティックミキサなどの熱交換素子が挿入される場合がある。熱交換素子は、気化させる液体材料との接触面積を増大させて、液体材料の熱交換効率を高め、液体材料の気化性能を向上させる目的で挿入される。

【0004】

なお、樹脂製で単なる撹拌目的のスタティックミキサについては、例えば特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０－２４７３４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、半導体製造プロセスにおける成膜面積の増大により、液体材料を大流量で気化させて半導体製造装置に供給することが求められている。液体材料を大流量で気化させるためには、気化室内での液体材料の熱交換効率をさらに向上させて、気化性能をさらに向上させることが要求される。このような点で、従来の気化器は改善の余地がある。

【0007】

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、液体材料の気化性能を向上させて、液体材料の大流量での気化を実現することができる気化器と、その気化器を備えた液体材料気化装置と、を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一側面に係る気化器は、液体材料を加熱して気化させる気化室と、前記気化室内に配置される熱交換素子と、を備え、前記気化室は、内面に溝を有する。

【0009】

本発明の他の側面に係る気化器は、液体材料を加熱して気化させる気化室と、前記気化室内に配置される熱交換素子と、を備え、前記熱交換素子は、複数のフィンを前記中心軸方向に連結したスタティックミキサで構成され、前記フィンは、開口部を有する。

【0010】

本発明のさらに他の側面に係る液体材料気化装置は、上記の気化器と、前記気化器に液体材料を供給する液体材料供給部と、を備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、液体材料の気化性能を向上させて、液体材料の大流量での気化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の一形態に係る液体材料気化装置の概略の構成を模式的に示す断面図である。

【図2】上記液体材料気化装置の気化器が備える熱交換素子としてのスタティックミキサの一部を示す斜視図である。

【図3】上記スタティックミキサの平面図である。

【図4】上記スタティックミキサを軸方向から見たときの図である。

【図5】上記スタティックミキサが配置された上記気化器を出口側から見たときの斜視図である。

【図6】上記気化器を中心軸方向から見たときの図である。

【図7】上記熱交換素子としての他のスタティックミキサの一部を示す斜視図である。

【図8】上記他のスタティックミキサを軸方向から見たときの図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【0014】

図１は、本実施形態の液体材料気化装置１の概略の構成を模式的に示す断面図である。液体材料気化装置１は、例えば半導体製造装置（図示せず）に設置される。液体材料気化装置１は、液体材料供給部２と、気化器３と、を備える。液体材料供給部２と気化器３とは、接続部４を介して繋がっているが、接続部４を介さずに直接つながっていてもよい。

【0015】

液体材料供給部２は、気化器３に液体材料ＬＱを供給する。このような液体材料供給部２は、例えば流量制御弁（流量調整弁）からなる。特に、本実施形態では、液体材料供給部２は、液体材料ＬＱとキャリアガスＣＧとを混合した気液混合体ＭＧを気化器３に供給する。上記の液体材料ＬＱは、半導体製造プロセスで用いる所望のガスの液体材料である。上記のキャリアガスＣＧとしては、例えば窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いることができる。

【0016】

液体材料ＬＱとキャリアガスＣＧとの混合は、気液混合部２ａにおいて行われる。気液混合部２ａは、例えば弁座部材と、弁体部材とを有して構成される。上記弁体部材は、アクチュエータ２ｂによって駆動されて、弁座部材に対して接触または離間する。弁座部材に対する弁体部材の接離により、弁座部材と弁体部材との間の隙間を介して流れる液体材料ＬＱの供給がオンオフされる。これにより、キャリアガスＣＧに対する液体材料ＬＱの混合のオンオフを切り替えることができる。アクチュエータ２ｂは、例えばピエゾ素子を複数枚積層したピエゾスタックで構成されるが、ソレノイド等で構成されてもよい。

【0017】

気化器３は、ノズル１１と、気化部１２と、を有する。気化部１２は、中心軸ＣＡ方向に延びる円筒形状の構造体であり、内部に気化室１３を有する。気化室１３の側壁を構成する円筒状の側壁部１２ａには、気化室１３を加熱するヒータ１４が埋め込まれる。

【0018】

ノズル１１は、気化部１２における中心軸ＣＡ方向の一端側に配置され、液体材料供給部２から供給される気液混合体ＭＧを、気化室１３内に噴霧する。噴霧された気液混合体ＭＧに含まれる液体材料ＬＱは、気化室１３内で加熱されて気化される。このように、気化器３は、液体材料ＬＱを加熱して気化させる気化室１３を備える。気化室１３内で気化されたガスは、気化室１３の中心軸ＣＡ方向の他端部側（出口側）から、不図示の半導体製造装置に向かって排出される。

【0019】

気化器３は、熱交換素子１５を備える。熱交換素子１５は、気化室１３内に例えば出口側から挿入され、気化室１３の内面と所定の位置で接して配置される。なお、例えば、気化部１２の入口にノズル１１を溶接等により固定する前に、熱交換素子１５を気化室１３内に入口側から挿入し、その後、気化部１２の入口にノズル１１を溶接してもよい。したがって、気化室１３内に熱交換素子１５を設置する際の熱交換素子１５の挿入方向は、特に限定されない。熱交換素子１５は、例えば熱伝導性を有する金属材料で形成される。上記金属材料としては、例えばＳＵＳ（ステンレス鋼）、銅、アルミニウム、チタン、などが挙げられる。

【0020】

熱交換素子１５は、例えばスタティックミキサ１５ａで構成される。図２および図３はそれぞれ、スタティックミキサ１５ａの一部を示す斜視図および平面図である。図４は、スタティックミキサ１５ａを軸ＡＸ方向から見たときの図である。なお、スタティックミキサ１５ａの軸ＡＸは、スタティックミキサ１５ａを気化室１３内に配置したときに、気化部１２の中心軸ＣＡと一致する軸である。したがって、気化器３においては、スタティックミキサ１５ａの「軸ＡＸ」を「中心軸ＣＡ」で適宜読み替えることができるとする。

【0021】

熱交換素子１５としてのスタティックミキサ１５ａは、複数のフィン１５０を軸ＡＸ方向に、つまり、中心軸ＣＡ方向に連結して構成される。なお、フィン１５０の枚数は複数であれば特に限定されない。複数のフィン１５０は、第１フィン１５１と、第２フィン１５２と、を有する。第１フィン１５１は、中心軸ＣＡ方向の一方側から見て平板を左回りに捩じって構成される。つまり、第１フィン１５１は、中心軸ＣＡ方向から見て、中心軸ＣＡを中心とする周方向の一方向に平板を捩じって構成される。第２フィン１５２は、中心軸ＣＡ方向の一方側から見て平板を右回りに捩じって構成される。つまり、第２フィン１５２は、中心軸ＣＡ方向から見て、周方向の上記一方向とは逆方向に平板を捩じって構成される。そして、第１フィン１５１と第２フィン１５２とは、中心軸ＣＡ方向に交互に位置し、溶接等により連結される。

【0022】

なお、スタティックミキサ１５ａの形成方法は上記の方法には限定されない。例えば、金属材料を用いて造形する３Ｄプリンタにより、スタティックミキサ１５ａを形成してもよいし、円柱状または角柱形状の柱状体を切削してスタティックミキサ１５ａを形成してもよい。

【0023】

図５は、スタティックミキサ１５ａが気化室１３内に配置された気化器３を出口側から見たときの斜視図である。図６は、上記気化器３を中心軸ＣＡ方向から見たときの図である。気化室１３は、内面に溝１３０を有する。溝１３０は、気化室１３の内面において、気化室１３が延びる中心軸ＣＡ方向に沿って位置する。また、図６に示すように、溝１３０は、気化室１３の内面において、中心軸ＣＡ方向から見て周方向に間隔を置いて並んで位置する。なお、溝１３０の本数は、特に限定されず、少なくとも１本の溝１３０が気化室１３の内面に形成されていればよい。

【0024】

本実施形態のように、気化室１３の内面に溝１３０が形成されることにより、溝１３０のない構成に比べて、気化室１３の内面の表面積が増大する。そして、気化室１３内に導入された気液混合体ＭＧに含まれる液体材料ＬＱの、気化室１３の内面に対する接触面積が増大する。これにより、気化室１３内での液体材料ＬＱの熱交換効率を向上させることができ、液体材料ＬＱの気化性能を向上させることができる。加えて、気化室１３内では、液体材料ＬＱが熱交換素子１５および気化室１３の内面の溝１３０の両者と接触することで、気化室１３内で流体の複雑な乱流が発生する。なお、上記流体には、気化する前の液体材料ＬＱ、液体材料ＬＱが気化された後のガス、およびキャリアガスＣＧが含まれる。上記乱流の発生により、上記流体に含まれる液体材料ＬＱの熱交換効率をより向上させることができ、液体材料ＬＱの気化性能をさらに向上させることができる。したがって、気化室１３内に大流量の液体材料ＬＱを導入しても、その大流量の液体材料ＬＱを気化させて半導体製造装置に排出することができる。つまり、液体材料ＬＱの気化性能を向上させて、近年要求されている液体材料ＬＱの大流量での気化を実現することができる。

【0025】

特に、液体材料気化装置１において、液体材料供給部２が、気液混合体ＭＧを気化器３に供給し、気化器３にて気液混合体ＭＧに含まれる液体材料ＬＱを気化させる構成において、液体材料ＬＱの大流量での気化を実現することができる。

【0026】

以上のことから、気化室１３の内面に形成された溝１３０は、気化室１３の内面の表面積を増大させ、気液混合体ＭＧ（液体材料ＬＱ）が溝１３０に入り込むことによって気化室１３内に複雑な乱流を発生させ、熱交換効率を向上させることができる構造体であると言うことができる。また、図６より、溝１３０は、中心軸ＣＡ方向から見て、スタティックミキサ１５ａよりも径方向外側に位置する構造体であるとも言うこともできる。

【0027】

また、気化器３において、溝１３０は、気化室１３内で中心軸ＣＡ方向に沿って位置するため、気化室１３の中心軸ＣＡ方向の全体にわたって、上記接触面積の増大による気化性能の向上と、複雑な乱流の発生による気化性能の向上とを図ることができる。これにより、大流量の液体材料を気化させることが確実に可能となる。また、溝１３０が中心軸ＣＡ方向に沿う構成であれば、気化室１３の内面に溝１３０を加工形成することも容易である。

【0028】

なお、気化室１３の内面において、溝１３０は螺旋形状で形成されてもよいし、中心軸ＣＡ周りの方向（周方向）に形成されてもよい。この場合、例えば、気化室１３を有する構造体（気化部１２）を、中心軸ＣＡを含む面で２分割して所望の形状の溝１３０をそれぞれ形成した後、分割した構造体同士を貼り合わせる等により、気化部１２を製造することができる。また、溝１３０は、途中で途切れていてもよい。

【0029】

また、図６で示したように、溝１３０は、気化室１３の内面において周方向に間隔を置いて並んで位置し、周方向の複数箇所に位置する。このため、気化室１３の内面に対する液体材料の接触面積を確実に増大させることができるとともに、液体材料を含む流体の複雑な乱流を確実に発生させることができる。

【0030】

また、熱交換素子１５は、複数のフィン１５０を連結したスタティックミキサ１５ａで構成される。各フィン１５０により、液体材料ＬＱを気化室１３内で撹拌させることができる。これにより、気化室１３内でより複雑な乱流を発生させて、液体材料ＬＱの熱交換効率の向上ひいては気化性能の向上を図ることができる。

【0031】

スタティックミキサ１５ａは、中心軸ＣＡ方向に交互に連結される第１フィン１５１および第２フィン１５２を有する。この構成では、気化室１３内において、第１フィン１５１または第２フィン１５２により、液体材料ＬＱの流路の分割（フィン１５０の表面側および裏面側への流路の分割）と、分割された各流路の合流とが繰り返される。これにより、気化室１３内でより複雑な乱流を確実に発生させて、気化性能の向上を図ることができる。

【0032】

図７は、他のスタティックミキサ１５ｂの一部を示す斜視図である。図８は、スタティックミキサ１５ｂを軸ＡＸ方向から見たときの図である。図１で示した気化器３の気化室１３内に配置する熱交換素子１５として、スタティックミキサ１５ａの代わりにスタティックミキサ１５ｂを用いてもよい。

【0033】

図７および図８に示すように、スタティックミキサ１５ｂは、第１フィン１５１および第２フィン１５２のそれぞれに、少なくとも１つの開口部１５Ｐを形成した以外は、図２等で示したスタティックミキサ１５ａと同様の構成である。開口部１５Ｐは、軸ＡＸ方向に開口した孔で形成される。このようなスタティックミキサ１５ｂは、図２等で示したスタティックミキサ１５ａの各フィン１５０に対して、軸ＡＸ方向に沿って切削工具（例えばドリル）を進行させて開口部１５Ｐとなる貫通孔を形成することにより、製造することができる。

【0034】

なお、開口部１５Ｐを、周囲が閉じた孔で形成する代わりに、周囲の一部が開いた切り欠きで形成してもよい。また、開口部１５Ｐは、第１フィン１５１および第２フィン１５２のどちらか一方にのみ形成されていてもよい。例えば開口部１５Ｐを有する第１フィン１５１と、開口部１５Ｐを有さない第２フィン１５２とを軸ＡＸ方向に溶接等によって連結してスタティックミキサ１５ｂを構成してもよい。また、開口部１５Ｐは、フィン１５０を厚さ方向（フィン１５０の表面または裏面と垂直な方向）に貫通する孔であってもよい。

【0035】

このように、スタティックミキサ１５ｂを構成する複数のフィン１５０の少なくともいずれかは、開口部１５Ｐを有する。このようなスタティックミキサ１５ｂを気化室１３内に配置することにより、気化室１３内では、液体材料ＬＱの流路として、フィン１５０によって（表面側および裏面側に）２分割されてフィン１５０に沿って流れる流路に加えて、フィン１５０の開口部１５Ｐを通る流路を発生させることができる。複数のフィン１５０により、これらの流路の分割と、分割された流路の合流とが繰り返されるため、気化室１３内で流体の複雑な乱流をより確実に発生させることができる。その結果、気化性能の向上を図る本実施形態の効果をより高めることができる。

【0036】

図７および図８で示したスタティックミキサ１５ｂを気化室１３内に配置した気化器３は、以下のように表現することができる。すなわち、上記気化器３は、液体材料ＬＱを加熱して気化させる気化室１３と、気化室１３内に配置される熱交換素子１５と、を備える。上記熱交換素子１５は、複数のフィン１５０を中心軸ＣＡ方向に連結したスタティックミキサ１５ｂで構成される。スタティックミキサ１５ｂの複数のフィン１５０の少なくともいずれかは、開口部１５Ｐを有する。この構成により、気化室１３内で流体の複雑な乱流をより確実に発生させて、気化性能の向上を図る本実施形態の効果をより高めることができると言える。

【0037】

なお、熱交換素子１５としてスタティックミキサ１５ｂを用いた場合でも、気化室１３の内面には溝１３０が形成されていることが望ましいが、溝１３０は形成されていなくてもよい。つまり、熱交換素子１５としてスタティックミキサ１５ｂを用いた場合、気化室１３の内面に溝１３０が形成されていなくても、気化室１３内での液体材料ＬＱの気化性能を向上させて、液体材料ＬＱの大流量での気化を実現することは可能である。

【0038】

本実施形態では、液体材料供給部２の内部において液体材料ＬＱとキャリアガスＣＧとを混合する内部混合方式の液体材料気化装置１について説明したが、液体材料気化装置１は、液体材料供給部２の外部で液体材料ＬＱとキャリアガスＣＧとを混合する外部混合方式であってもよい。外部混合方式では、例えば、液体材料供給部２がノズル１１を介して液体材料ＬＱを気化室１３内に導入し、別のルートでキャリアガスＣＧを気化室１３内に導入する。このような外部混合方式であっても、本実施形態の気化器３の構成を適用することにより、液体材料ＬＱの気化性能を向上させて、液体材料ＬＱの大流量での気化を実現することができることに変わりはない。

【0039】

図１の構成において熱交換素子１５をスタティックミキサ１５ａで構成する代わりに、充填材で構成してもよい。充填材は、金属製の粒状物質と、粒状物質に対して流路の上流側および下流側に配置されるフィルタと、を含んで構成される。このとき、気化室１３内に導入される気液混合体ＭＧに含まれる液体材料ＬＱを、気化室１３の内面の溝１３０に確実に接触させるため、気化室１３の内面の溝１３０の幅は、上記粒状物質の径よりも小さいとする。充填材により、スタティックミキサ１５ａと同等の熱交換効率を実現することができるため、充填材をスタティックミキサ１５ａの代わりに用いても、液体材料ＬＱの気化性能を向上させて、液体材料ＬＱの大流量での気化を実現することができる。

【0040】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で拡張または変更して実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明は、例えば半導体製造装置の前段に設けられる気化器に利用可能である。

【符号の説明】

【0042】

１ 液体材料気化装置
２ 液体材料供給部
３ 気化器
１３ 気化室
１５ 熱交換素子
１５Ｐ 開口部
１５ａ スタティックミキサ
１５ｂ スタティックミキサ
１３０ 溝
１５０ フィン
１５１ 第１フィン
１５２ 第２フィン
ＣＡ 中心軸
ＬＱ 液体材料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】