特許 7127792 ガス供給装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-22

(45)【発行日】2022-08-30

(54)【発明の名称】ガス供給装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 7/02 20060101AFI20220823BHJP

   C23C 16/24 20060101ALI20220823BHJP

   C23C 16/452 20060101ALI20220823BHJP

【ＦＩ】

B01J7/02 A

C23C16/24

C23C16/452

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022077155

(22)【出願日】2022-05-09

【審査請求日】2022-05-19

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000219565

【氏名又は名称】東横化学株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504084317

【氏名又は名称】株式会社 テクノ・バンダリー

(74)【代理人】

【識別番号】110000224

【氏名又は名称】特許業務法人田治米国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】丸谷 周平

(72)【発明者】

【氏名】三浦 充剛

【審査官】山本 吾一

(56)【参考文献】

【文献】特開平８－１８７４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３１９０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２８４６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１１５２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－５３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １６／００

Ｂ０１Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｌ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体成分とキャリアガスとを加熱し、液体成分が気化した成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを生成する蒸発器、及び
蒸発器で生成された混合ガスを冷却し、過飽和分を凝縮分離させた成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを供給する冷却器
を備えた混合ガス供給装置であって、
蒸発器は、軸を水平方向に向けた筒型の胴を有し、胴内に軸方向に伸びた熱媒体用チューブを有するシェルアンドチューブ型加熱機構を備え、
蒸発器の胴内には、キャリアガスのバブリング用の孔が複数箇所に開いたキャリアガス用チューブが水平方向に伸びており、
蒸発器の胴の下部には液体成分供給口が設けられ、
蒸発器の胴の上部には、液体成分が気化した成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを送出する送出口が設けられ、
冷却器の下部が蒸発器の送出口と配管で連続すると共に、液体成分供給口と配管で連続し、冷却器で形成された凝縮液が、液体成分供給口から蒸発器の胴内に戻る混合ガス供給装置。

【請求項2】

キャリアガス用チューブが、蒸発器の胴の軸方向の一方の管板から対向する管板に向かって伸びている請求項１記載の混合ガス供給装置。

【請求項3】

キャリアガス用チューブは、キャリアガスのバブリング用孔として下向きに開口した孔を有する請求項１記載の混合ガス供給装置。

【請求項4】

複数本のキャリアガス用チューブが、胴内の下部で並列しており、隣り合うキャリアガス用チューブのバブリング用孔が蒸発器の胴の軸方向に互い違いに形成されている請求項３記載の混合ガス供給装置。

【請求項5】

蒸発器の送出口の開口径が、胴の内径の５０％以上である請求項１～４のいずれかに記載の混合ガス供給装置。

【請求項6】

熱媒体用チューブを流れる熱媒体が胴内に導入されてから排出されるまでに胴の両端の管板の間を複数回往復する請求項１～４のいずれかに記載の混合ガス供給装置。

【請求項7】

蒸発器の送出口と冷却器下部から伸びた配管との接続部分に、蒸発器の胴内の観察用窓が設けられている請求項１～４のいずれかに記載の混合ガス供給装置。

【請求項8】

液体成分が液体トリクロロシランであり、キャリアガスが水素ガスである請求項１～４のいずれかに記載の混合ガス供給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はガス供給装置に関し、特に、半導体産業等で使用されるトリクロロシランと水素の混合ガスの供給に有用なガス供給装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より半導体産業等においてはキャリアガスと成分ガスとの混合ガスが使用されている。例えば、半導体エピタキシャルシリコンウエハの製造工程では、トリクロロシランガスを成分ガスとし、水素ガスをキャリアガスとする混合ガスが使用される。

【0003】

トリクロロシランガスと水素ガスの混合ガスの供給装置として、過飽和のトリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスを冷却器に導入し、過飽和分のトリクロロシランを凝集分離し、冷却器から飽和濃度のトリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスを送出する装置が知られている（特許文献１）。また、このようなガス供給装置において、過飽和のトリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスを得るために、液体トリクロロシランと水素ガスとを蒸発器に導入することが知られている（特許文献２、特許文献３）。蒸発器では、水素ガスをバブリングしながら液体トリクロロシランを気化させ、トリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスを生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第4542643号公報

【文献】特許第4505077号公報

【文献】特許第6503293号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したガス供給装置において、蒸発器における加熱方式としてはヒーター加熱又はジャケット式の熱媒体加熱方法が用いられている。しかしながら、装置構成をよりコンパクトにし、かつ、過飽和のトリクロロシランガスと水素との混合ガスを効率よく生成することが望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者は、蒸発器としてシェルアンドチューブ型加熱器の胴の下部から液体トリクロロシランを供給すると共に、バブリング用の孔を複数箇所に有するチューブを胴内に伸ばして水素ガスを液体クロロシラン中でバブリングすると、過飽和のトリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスを効率よく生成することができ、また蒸発器をコンパクトにできることを想到し、本発明を完成した。

【0007】

即ち、本発明は、液体成分とキャリアガスとを加熱し、液体成分が気化した成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを生成する蒸発器、及び
蒸発器で生成された混合ガスを冷却し、過飽和分を凝縮分離させた成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを供給する冷却器
を備えた混合ガス供給装置であって、
蒸発器は、軸を水平方向に向けた筒型の胴を有し、胴内に軸方向に伸びた熱媒体用チューブを有するシェルアンドチューブ型加熱機構を備え、
蒸発器の胴内には、キャリアガスのバブリング用の孔が複数箇所に開いたキャリアガス用チューブが水平方向に伸びており、
蒸発器の胴の下部には液体成分供給口が設けられ、
蒸発器の胴の上部には、液体成分が気化した成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを送出する送出口が設けられ、
冷却器の下部が蒸発器の送出口と配管で連続すると共に、液体成分供給口と配管で連続し、冷却器で形成された凝縮液が、液体成分供給口から蒸発器の胴内に戻る混合ガス供給装置を提供する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の混合ガス供給装置によれば、シェルアンドチューブ型加熱機構を備えた蒸発器を用いるので、液体成分を効率よく加熱し、気化させることができる。さらに、このシェルアンドチューブ型加熱機構を備えた蒸発器の胴内に、キャリアガスのバブリング用の孔が複数箇所に開いたキャリアガス用チューブを有するので、バブリングによるキャリアガスの気泡中に液体成分が気化した成分ガスを取り込ませることができ、過飽和状態の成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを効率よく生成することができる。
したがって、蒸発器を小型化し、混合ガス供給装置全体をコンパクトに構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施例の混合ガス供給装置の構成図である。

【図2】図２は、実施例の混合ガス供給装置の蒸発器の分解図である。

【図3】図３は、実施例の混合ガス供給装置の水素導入側管板を蒸発器内部側から見た斜視図である。

【図4】図４は、管板溝における熱媒体用チューブの配置図である。

【図5】図５は、観察用窓の切欠断面図である。

【図6】図６は、キャリアガス用チューブを蒸発器の下面側から見た平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

【0011】

図１は、本発明の一実施例の混合ガス供給装置１の構成図である。この混合ガス供給装置１は、飽和濃度に調整されたトリクロロシランガスと水素ガスの混合ガス（以下、濃度調整ガスともいう）の供給に好ましく用いられる。混合ガス供給装置１は、蒸発器１０と冷却器３０を有する。

【0012】

蒸発器１０には、液体成分として液体トリクロロシランが供給され、キャリアガスとして水素ガスが供給される。蒸発器１０は、これらを加熱することにより液体トリクロロシランを気化させてトリクロロシランガスとし、成分ガスとしてのトリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスを生成する。この混合ガスではトリクロロシランが過飽和となっている。

【0013】

蒸発器１０は加熱機構としてシェルアンドチューブ型加熱機構を有する。即ち、蒸発器１０は軸Ａを水平方向に向けた筒型の胴１１を有し、胴１１内にＡ軸方向に伸びた複数本の熱媒体用チューブ１２を有する。本発明では蒸発器１０における加熱効率を上げるため、複数本の熱媒体用チューブ１２で形成される流路で熱媒体に胴１１の両側の管板１３、１４の間を複数回往復させることが好ましい。この場合、複数回の往復の各回の往路又は復路がそれぞれ複数本の熱媒体用チューブで形成されるように、多数本の熱媒体用チューブを複数のグループに分け、各グループが複数本ずつの熱媒体用チューブで形成されるようにし、各グループを往路又は復路の流路とすることができる。例えば、図２に（１）～（１０）の矢印の流れ方向で示すように、胴１１の一方の端部の管板１３から流入した熱媒体をグループ１の複数本の熱媒体用チューブ１２で他方の管板１４に向かわせ（矢印１）、他方の管板１４からグループ２の複数本の熱媒体用チューブ１２で一方の管板１３に向かわせ（矢印２）、再度この管板１３からグループ３の複数本の熱媒体用チューブ１２で他方の管板１４に向かわせる。これを繰り返し、グループ１からグループ１０の熱媒体用チューブ１２を用いて、一方の管板１３と他方の管板１４との間を熱媒体に５往復させる。この場合、一方の管板１３の内面には６つの管板溝１３Ａを設け、他方の管板１４の内面には５つの管板溝１４Ａを設け、管板溝で往路のグループの流路と復路のグループの流路を繋げる。図４は、管板１４の管板溝１４における熱媒体用チューブのグループ１（Ｇ１）～グループ１０（Ｇ１０）配置図である。各グループＧ１～Ｇ１０は破線で囲まれている。

【0014】

なお、熱媒体としては、公知の不活性物質を使用することができ、例えば、フロリナート（登録商標）、ガルデン（登録商標）等を挙げることができる。

【0015】

熱媒体に上述の複数本の熱媒体用チューブ１２を用いて対向する管板間１３、１４を複数回往復させる流路をとらせることにより蒸発器１０で液体成分を加熱する熱効率が向上するので、本発明では蒸発器１０を小型化することができる。よって、例えば、冷却器３０から１８～３２％のトリクロロシランガスを１６ｇ／分の流量で３チャンネルに供給する場合に、蒸発器１０の胴１１のサイズを外径１３０～２２０ｍｍ、軸Ａ方向の長さ３５０～５００ｍｍとコンパクトにすることができる。個々の熱媒体用チューブとしては、例えば内径２０ｍｍ程度のステンレス管を使用することができる。この場合、熱媒体により胴１１内の温度を、例えば２５～４０℃の所定温度に維持する。

【0016】

本実施例の混合ガス供給装置１において、蒸発器１０のシェルアンドチューブ型加熱機構の管板１３、１４は固定管板であるが、本発明では、シェルアンドチューブ型加熱機構の管板をＵ字型、遊動頭型等としてもよい。

【0017】

蒸発器１０の胴１１内には、キャリアガス用チューブ１６、１７が水平方向に伸びている。より具体的には、キャリアガスとする水素ガスの供給用配管１５が管板１４に繋がり、配管１５に２本の直管状のキャリアガス用チューブ１６、１７が繋がっている。この管板１４には、胴１１内の温度を計測する温度計Ｔ1が設けられている（図１）。

【0018】

キャリアガス用チューブ１６、１７は、複数本の熱媒体用チューブ１２のうち下側にあるものと並列するようにして、胴１１の底近傍を一つの管板１４から対向する管板１３に向かって軸Ａ方向に伸び、該管板１３の近傍に達している。なお、本実施例ではキャリアガス用チューブ１６、１７が一つの管板１４から該管板１４に対向する管板１３に向かって直線的に伸びているが、本発明はこれに限られない。例えば、キャリアガス用チューブは３本以上としてもよく、屈曲させてもよい。また、前述の熱媒体の流路が、熱媒体用チューブ１２と管板溝１３Ａ、１４Ａにより、対向する管板１３、１４の間を往復するものとなっているのに対し、キャリアガス用チューブ１６、１７は一つの管板１４から伸びているがもう一つの管板１３に達しておらず、個々のキャリアガス用チューブ１６、１７の先端は閉じている。このようにキャリアガス用チューブ１６、１７を先端の閉じた直管状とすることにより蒸発器１０の構成をよりシンプルにすることができる。

【0019】

図６に示すように、キャリアガス用チューブ１６、１７には、キャリアガスのバブリング用孔として下向きの孔１６Ｈ、１７Ｈを有する。本発明において、複数本のキャリアガス用チューブが蒸発器の胴１１の下部で並列している場合に、隣り合うキャリアガスのバブリング用孔は、蒸発器１０の胴１１の軸Ａ方向に互い違いに形成されていることが好ましい。また、孔１６Ｈ、１７Ｈを下向きの孔とすることにより、孔１６Ｈ、１７Ｈから放出されたキャリがガスの気泡が胴１１内に溜めた液体成分中により長く接触し、この気泡中に液体成分が気化した成分ガスが取り込まれやすくなる。

【0020】

一方、蒸発器１０の胴１１の下部で軸Ａ方向の中央部には液体成分供給口２０が形成されており、蒸発器下端バルブ２１を通って液体成分供給口２０から液体成分として液体トリクロロシランが胴１１内に供給される。即ち、液体成分補給弁２２から圧送補給された液体トリクロロシランが蒸発器下端バルブ２１を通って液体成分供給口２０に供給される。また、冷却器３０で凝縮した液体トリクロロシランも配管３７から蒸発器下端バルブ２１と液体成分供給口２０を通って胴１１内に供給される。

【0021】

液体成分供給口２０と、冷却器３０の下端との間には液面計測器を設けて胴１１内の液量を検出し、胴１１内の液量を適正に管理することが好ましい。

【0022】

蒸発器１０の胴１１の上部で軸Ａ方向の中央部には、胴１１内での液体成分の気化により生じた成分ガスと、キャリアガス用チューブの孔１６Ｈ、１７Ｈからバブリングされたキャリアガスとの混合ガスを送出する送出口２３が形成されている。混合ガスの送出口２３の開口径Ｌ1は、この開口径の面積に圧力計Ｐ、安全弁、配管３１、観察用窓３３を収める点及び蒸発器１０をコンパクトに構成する点から、胴の内径Ｌ2の５０％以上１００％以下が好ましく、６０～８０％がより好ましい。

【0023】

混合ガスの送出口２３は、冷却器３０の下部に繋がる配管３１との接続部分にフランジ２４を有する。冷却器３０の下部に繋がる配管３１にもフランジ３２が形成され、このフランジ３２と前述のフランジ２４とが接合される。フランジ３２で囲まれた部分に、蒸発器１０の胴１１内の観察用窓３３が設けられている。観察用窓３３は、光学研磨された透明強化ガラス３３Ｇを、フランジ３３Ｆ１及び押さえフランジ３３Ｆ２で挟むことにより形成されている（図５）。胴１１内を外気から遮断するため、二つのフランジ３３Ｆ１、３３Ｆ２の間には適切なシール部材を挟持させることが好ましい。観察窓用窓３３の大きさは直径２０～４０ｍｍとすることが好ましい。これにより、胴１１内のキャリアガスのバブリング状態を容易に目視観察することができる。

【0024】

フランジ３２で囲まれた部分には、蒸発器１０の胴１１内の圧力を計測する圧力計Ｐ、圧力調節計、コントロールバルブが設けられ、これにより胴１１内の圧力を、例えば、０．０９～０．１７ＭＰａ（Ｇ）に制御する。また、何らかの原因による圧力上昇に備えて、胴１１内のガスを逃がす圧力放出弁２５が設けられる。
また、前述の配管３１には仕切弁３４が設けられている。仕切弁３４により、混合ガス供給装置１は法規で規定される「圧力容器」に該当しなくなり、取り扱いが簡便になる。

【0025】

蒸発器１０の送出口２３から送出された混合ガスは、配管３１により冷却器３０の下部に供給される。

【0026】

本発明において冷却器３０は、特許文献２、３に記載の冷却器と同様とすることができ、例えば多管式熱交換器を使用することができる。即ち、冷却器３０は、蒸発器１０からの混合ガスが通る複数のチューブ３５と、複数のチューブ３５の周りを流れる冷媒の流路３６を有し、混合ガスが通るチューブ３５の複数箇所には温度計Ｔ2が設けられ、温度がモニターされる。冷媒は冷却器３０の上段から下段へ流れ、冷却器３０内の温度を、例えば１０～２０℃に制御する。特に、濃度調整ガス供給口３８における成分ガスの濃度は、系の圧力と凝縮温度により決まるため、冷却器３０の上段に供給される冷媒の温度はチーラーで所定の範囲（好ましくは±０．１℃）に制御することが好ましい。

【0027】

蒸発器１０から送出された混合ガスはチューブ３５を通る間に流路３６を流れる冷媒により冷却され、過飽和分のトリクロロシランが凝集分離され、凝縮分離された液体トリクロロシランが冷却器３０の下端部から配管３７を通って蒸発器１０の液体成分供給口２０に送られる。一方、冷却器３０の上端部の濃度調整ガス供給口３８からは、濃度調整ガスとして飽和濃度のトリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスが供給される。濃度調整ガス供給口３８には流量計Ｆや濃度計が設けられ、濃度調整ガスの供給量に応じて蒸発器１０から冷却器３０への混合ガスの送出量などが制御される。

【0028】

こうして、この実施例の混合ガス供給装置１によれば、所定の飽和濃度に調整されたトリクロロシランガスと水素ガスの混合ガスを、高い濃度安定性で供給でき、しかもコンパクトな装置構成をすることができる。

【0029】

なお、本発明の混合ガス供給装置は、トリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスの供給に限られず、例えば、テトラクロロシランガスと水素ガスとの混合ガス、トリクロロシランとアルゴンとの混合ガス、メチルトリクロロシランガスと水素ガスとの混合ガス等の供給にも好ましく使用することができる。

【符号の説明】

【0030】

１ 混合ガス供給装置
１０ 蒸発器
１１ 胴
１２ 熱媒体用チューブ
１３ 管板
１３Ａ 管板溝
１４ 管板
１４Ａ 管板溝
１５ 配管
１６ キャリアガス用チューブ
１６Ｈ キャリアガスのバブリング用孔
１７ キャリアガス用チューブ
１７Ｈ キャリアガスのバブリング用孔
２０ 液体成分供給口
２１ 蒸発器下端バルブ
２２ 液体成分補給弁
２３ 送出口
２４ フランジ
２５ 圧力放出弁
３０ 冷却器
３１ 配管
３２ フランジ
３３ 蒸発器の胴内の観察用窓
３４ 仕切弁
３５ チューブ
３６ 冷媒の流路
３７ 配管
３８ 濃度調整ガス供給口
Ａ 軸
Ｆ 流量計
Ｐ 圧力計
Ｔ1、Ｔ2 温度計

【要約】

【課題】成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを、コンパクトな装置構成で効率よく供給する。
【解決手段】混合ガス供給装置１が、液体成分とキャリアガスとを加熱し、液体成分が気化した成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを生成する蒸発器１０、及び蒸発器１０で生成された混合ガスを冷却し、過飽和分を凝縮分離させた成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを供給する冷却器３０を備える。蒸発器１０は、シェルアンドチューブ型加熱機構を備え、蒸発器１０の胴１１内には、キャリアガスのバブリング用の孔１６Ｈ、１７Ｈが複数箇所に開いたキャリアガス用チューブ１６、１７が水平方向に伸び、蒸発器１０の胴１１の下部には液体成分供給口２０が設けられ、蒸発器１０の胴１１の上部には、液体成分が気化した成分ガスとキャリアガスとの混合ガスを送出する送出口２３が設けられ、冷却器３０の下部が蒸発器１０の送出口２３と配管３１で連続する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】