JP7577382B2

JP7577382B2 - 気化器および気化供給装置

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Publication number: JP7577382B2
Application number: JP2023505206A
Authority: JP
Inventors: 伊知郎徳田; 瑞貴中川; 圭志平尾; 幸男皆見
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2024-11-05
Anticipated expiration: 2042-02-01
Also published as: KR102776034B1; TW202244307A; JPWO2022190711A1; KR20230069985A; WO2022190711A1; US20240101446A1; TWI800264B

Description

本発明は、気化器および気化供給装置に関し、特に、半導体製造装置に設けられるアッシング装置等に気化させた超純水を供給するために適切に用いられる気化器およびこれを備える気化供給装置に関する。

半導体製造分野において、基板上に形成されたフォトレジスト膜をパターニング後に除去するために、アッシング装置またはアッシャーが広く利用されている。近年では、超純水を原料として用いてプラズマを生成し、これをフォトレジスト膜と反応させることによってアッシングを行う装置の開発も進められている。このような超純水によるドライプロセスのアッシングを行うことによって、作製される半導体デバイスへの悪影響を低減できるとともに、環境負荷の低減を図ることができる。

超純水を用いるアッシング装置としては、マイクロ波励起によって生成した水蒸気プラズマによってアッシングを行うものが知られている。原料ガスとなる水蒸気は、例えば、処理室内に導入した超純水を、減圧により気化させて発生させることができる。

また、別の態様のアッシング装置では、予め加熱器や気化器を用いて超純水を気化させておき、これを原料ガスとして処理室に導入することによって水蒸気プラズマを発生させることができる（例えば、特許文献１）。

気化器等を用いて超純水を予め気化させてから供給する方式では、所定温度の超純水ガスを制御された流量で処理室内に導入することができ、これによって、プラズマ放電に必要な電力を低減することができるという利点が得られる。また、特許文献２に記載されるように、適切な温度に制御された超純水ガスは、これを基板表面に直接吹き付けることによって、フォトレジスト等の有機物の除去を行うために使用し得る。

特開２００１－３０８０７０号公報特開２００２－１１０６１１号公報国際公開第２０１５／０８３３４３号特開２００１－９９７６５号公報特開２００４－６３７１５号公報

しかしながら、気化器を用いて超純水をガス化して供給する場合において、ガス供給系の構成によっては、供給開始時から停止時までの全体期間にわたって、所望流量で適切にガスを供給できない場合があることが、本発明者によってわかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、気化させた超純水をアッシング装置等に供給するために好適に用いられる気化器およびこれを備える気化供給装置を提供することをその主たる目的とする。

本発明の一実施形態による気化器は、液体を貯留する気化室と、前記気化室に設けられ、前記気化室に貯留された液体と接し、熱源として作用する巻回部及び巻回部から立設され端部にヒータ端子を備えた立設部を含む底部ヒータと、前記気化室に接続されたリリーフ弁とを備える。

ある実施形態において、上記の気化器は、前記気化室の側面を前記気化室の外側から加熱する側面ヒータをさらに備える。

ある実施形態において、上記の気化器は、前記気化室に送られる液体を予め加熱しておくためのヒータを有するプレタンクをさらに備える。

ある実施形態において、上記の気化器は、前記液体の液面レベルを測定するためのフロートセンサをさらに備え、前記底部ヒータの巻回部は前記フロートセンサの液面下限位置よりも低い位置に設けられている。

ある実施形態において、上記の気化器は、前記気化室内に貯留された液体の動きを促進させるための攪拌装置または揺動装置をさらに備える。

ある実施形態において、前記液体は超純水であり、気化させた超純水をアッシング装置に供給するために用いられる。

本発明の実施形態による気化供給装置は、上記いずれかの気化器と、前記気化器の下流側に設けられた圧力式流量制御装置であって、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を測定する上流圧力センサとを備え、前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開度を調整することによって前記絞り部の下流に流れるガスの流量を制御するように構成されている圧力式流量制御装置とを備える。

本発明の実施形態に係る気化器および気化供給装置を用いれば、超純水を気化させて、より大流量でガスとして適切に供給することが可能になる。

本発明の実施形態による気化器および気化供給装置を備える超純水ガス供給系を示す模式図である。図１に示した気化器が備えるメインタンクの例示的な構成を示す模式図である。メインタンクに設けられる底部ヒータを示す斜視図である。メインタンクのより具体的な設計例を示す斜視図である。下流側に接続される流量制御装置の近傍の構成を示す斜視図である。

本出願人は、気化器を用いて、超純水をガスの状態にしてからアッシング装置に供給する装置の開発を進めている。気化器で生成したガスは、例えば、下流側に設けられた圧力式流量制御装置によって流量を制御したうえでアッシング装置に供給される。

ここで、圧力式流量制御装置は、オリフィスプレートや臨界ノズルなどの絞り部を備えており、絞り部の上流側の圧力（以下、上流圧力Ｐ１と呼ぶことがある）を制御することによって、下流側の流量を制御する装置である（例えば特許文献３）。上流圧力Ｐ１は、圧力センサを用いて測定されており、絞り部上流側のコントロール弁の開度を、圧力センサの出力に基づいてフィードバック制御することによって制御される。

圧力式流量制御装置は、コントロール弁と絞り部とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の質量流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。また、圧力式流量制御装置は、コントロール弁の上流側の圧力（以下、供給圧力Ｐ０と呼ぶことがある）が変動しても、上流圧力Ｐ１を適切に制御できる限り流量の変動が生じにくく、流量制御の安定性に優れるという特長を有している。

ところが、圧力式流量制御装置を下流に設ける場合において、特に大流量（例えば１０ｇ／ｍｉｎ以上または８０００ｓｃｃｍ以上）の超純水ガスの供給を行うときには、気化器から比較的高圧力のガスを送出することが求められ、気化室内を例えば３００ｋＰａ以上の圧力に維持する必要がある。そして、高圧下で超純水を気化させるためには、超純水は例えば１３０℃以上の温度にまで加熱することが必要となる。

このため、本出願人が作製していた気化器では、メインタンクに設けられた気化室に送る前に、予めプレタンクにおいて超純水を予加熱し、比較的高温の超純水を気化室でヒータによって気化させていた。

しかしながら、本発明者の実験によれば、より大流量での超純水ガスの供給を行う場合には、気化室の大容量化の影響もあり、メインタンクにおいて以前より高効率でのヒータ加熱を行わないと、ガス供給の開始時に、超純水の気化（潜熱）による水温の低下が生じるとともに、ガス圧力の低下も生じ得ることがわかった。そして、ガス圧力の低下によって、圧力式流量制御装置を用いた流量制御が機能しなくなるおそれがあることがわかった。

なお、大流量化に対応するために、ガス供給前におけるヒータの加熱時間を増加させて、より高圧および高温の環境を構築しておくことが考えられる。しかし、気化室内が超純水の供給圧（例えば４００ｋＰａ）以上の圧力になったときには逆流が生じるため、過剰な高圧に設定することは困難である。また、ガス消費中の水温低下は温度センサによって検知でき、温調器によるヒータ制御によって所定温度に戻すように動作制御することができるが、ヒータの加熱効率が低い場合にはすぐに温度を戻すことができず、その結果、ガス圧力の低下ひいては圧力式流量制御装置の動作不良を招くことになる。

また、上記のガス供給開始時の問題に加えて、ガス供給の停止時には、圧力式流量制御装置のコントロール弁や下流の遮断弁が閉じられるため、気化室内部のガス圧力の上昇が生じる。そして、特に大流量ガスの供給に対応するためには、安全性を考慮して、大容量化した気化室が過剰な高圧にならないことが求められ、したがって、供給停止時のガス圧力の上昇を防止できる機能を備えることが好ましいこともわかった。

以上の知見に基づいて、本発明者は、メインタンク内の気化室において、より高効率でヒータ加熱を行うようにするとともに、安全対策も施された気化器および気化供給装置について鋭意検討し、本発明を完成させるに至った。これにより、例えば１０ｇ／ｍｉｎ以上、特には２０ｇ／ｍｉｎ以上での超純水の気化供給を開始時から終了時まで安定して行うことができるようになった。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態による気化供給装置１００が設けられた超純水ガスの供給系を示す。気化供給装置１００の上流側は、超純水（Ｈ_２Ｏ）源２に接続され、下流側は遮断弁４を介してプロセスチャンバ６に接続されている。プロセスチャンバ６には真空ポンプ８が接続されており、チャンバ内およびガス流路を減圧することができる。

本実施形態の気化供給装置１００は、気化器１０と、その下流側に接続された圧力式流量制御装置２０とによって構成されている。気化器１０は、超純水源２から圧送された超純水を液体Ｌの状態で受け取り、これをヒータによって加熱して気化させる。そして気化器１０において生成された超純水ガスＧは、圧力式流量制御装置２０によって流量が制御され、所望流量でプロセスチャンバ６に供給される。

圧力式流量制御装置２０は、コントロール弁２２と、絞り部２４と、これらの間に設けられた上流圧力センサ２６とを備えており、上流圧力センサ２６の出力に基づいてコントロール弁２２をフィードバック制御することにより、上流圧力Ｐ１を所望流量に対応する圧力に維持することができる。コントロール弁２２としては、例えば、ピエゾ素子駆動型バルブが用いられ、絞り部２４としては、例えば、小孔を穿孔したオリフィスプレートが用いられる。

圧力式流量制御装置２０は、臨界膨張条件Ｐ１／Ｐ２≧約２（アルゴンガスの場合）を満たすとき、流量Ｑが、絞り部２４の下流側の圧力である下流圧力Ｐ２によらず、上流圧力Ｐ１によって決まるという原理を利用して流量制御を行う。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部２４の下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ１・Ｐ１（Ｋ１は流体の種類と流体温度に依存する定数）によって与えられ、流量Ｑは上流圧力Ｐ１に比例する。また、圧力式流量制御装置２０は、下流圧力Ｐ２を測定する下流圧力センサ（図示せず）を備えていてもよく、この場合、臨界膨張条件を満足しない場合であっても流量を算出することができ、Ｑ＝Ｋ２・Ｐ２^ｍ（Ｐ１－Ｐ２）^ｎ（ここでＫ２は流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍ、ｎは実際の流量を元に導出される指数）から流量Ｑを算出することができる。

圧力式流量制御装置２０は、臨界膨張条件または非臨界膨張条件における流量計算式を用いてＱ＝Ｋ１・Ｐ１またはＱ＝Ｋ２・Ｐ２^ｍ（Ｐ１－Ｐ２）^ｎから演算流量を随時算出し、絞り部２４を通過するガスの流量が設定流量に近づくように（すなわち、演算流量と設定流量との差が０に近づくように）コントロール弁２２をフィードバック制御する。これにより、絞り部２４の下流側に所望の設定流量でガスを流すことができる。

また、本実施形態における気化器１０は、プレタンク１０Ｐと、その下流側のメインタンク１０Ｍとを備えている。プレタンク１０Ｐには、液体供給弁１１を介して超純水源２から超純水が供給され、ここで図示しないヒータおよび温度センサを用いて、気化しない程度の所定温度にまで予加熱される。プレタンク１０Ｐを設けることによって、メインタンク１０Ｍでの気化をより容易に行うことが可能になる。なお、プレタンク１０Ｐへの超純水の供給量は、液体供給弁１１の開閉タイミングおよび開時間を制御することによって、任意に調整することができる。

以下、気化器１０が備えるメインタンク１０Ｍの詳細構成について説明する。図２に示すように、メインタンク１０Ｍは、予加熱された超純水を貯留して気化させるための気化室１２と、気化室１２の底部に設けられた底部ヒータ１４Ｂと、気化室１２の側面に設けられた側面ヒータ１４Ｓとを備えている。気化室１２は、例えば、１５００ｃｃ～２０００ｃｃの比較的大容量のステンレス鋼製容器によって形成される。なお、本実施形態では、気化室１２の容量は、プレタンク１０Ｐの容量（例えば１０００ｃｃ～１５００ｃｃ）よりも大きく設定されている。

また、気化室１２には、リリーフ弁１６が接続されている。リリーフ弁１６は、過大圧力が発生したときに自動的に圧力を開放する弁であり、設定圧力以上になったときのみ開放される。これにより、ガス供給停止時などにおいて、気化室１２内が過剰圧力になることを防止することができる。なお、気化室１２の内部圧力は、ガス排出路に設けられた供給圧力センサ１９によって測定するようにしてもよいが、供給圧力センサ１９は必ずしも設けられていなくても良い。

さらに、気化室１２の内部には、レベルセンサ１８が設けられており、液面レベルを測定することができる。本実施形態では、レベルセンサ１８として、フロートセンサ（例えば、１フロート２接点警報型）が用いられている。フロートセンサには、液面下限位置が設定されており、フロートセンサは、フロートが下限位置まで低下したことを検知し、警報信号を出力することができる。

レベルセンサ１８から警報信号を受け取ったとき、気化器１０は、液体供給弁１１を開き、プレタンク１０Ｐを介して、気化室１２に超純水を補充することができる。これにより、気化室１２に一定量以上の超純水を常に貯留させておくことができる。

次に、底部ヒータ１４Ｂおよび側面ヒータ１４Ｓの詳細構成を説明する。底部ヒータ１４Ｂおよび側面ヒータ１４Ｓは、気化室１２内の超純水を気化させるために用いられる。本実施形態において、側面ヒータ１４Ｓとしては、気化室１２の側面を気化室１２の外側から加熱するように配置されたスペースヒータが用いられている。一方、底部ヒータ１４Ｂとしては、気化室１２の内部に設けられ、超純水と接するように配置されたシースヒータが用いられている。なお、液体貯留タンクの内部にヒータを有する気化器自体は、特許文献４または特許文献５において開示されている。

ここで、スペースヒータは、平板状で金属面を加熱するように構成された面状ヒータである。また、シースヒータは、ＭｇＯなどの絶縁粉末で満たされたヒータパイプ（シース）内を延びるニクロム線を有しており、端子を介して電気を流すことでニクロム線が発熱するように構成されている。

図３は、本実施形態の底部ヒータ１４Ｂとして用いられるシースヒータを示す。図示するように、底部ヒータ１４Ｂは、外部電源（図示省略）と接続されるヒータ端子１４３、１４３を両端に有する１本のシースパイプを、ヒータ端子１４３、１４３が隣り合うように立設部１４２、１４２を形成し、また、中央部が熱源として機能する巻回部１４１（すなわちニクロム線配置部）となるように折り曲げ加工を施して形成される。巻回部１４１は、図示する態様では２回半巻かれたものであるが、それ以上の回数巻かれたものであってもよいことは言うまでもない。また、蛇行して面内接触面積を増加させる形状を有していても良い。そして、底部ヒータ１４Ｂは、ヒータ端子１４３、１４３がタンクの天面から外部に突出するように、また、巻回部１４１がタンク内の底面近傍に位置するように配設される。なお、ヒータ端子１４３、１４３は一つにまとめた形状であっても良い。

このような構成を有する底部ヒータ１４Ｂを用いれば、特に気化室１２の下部において超純水を直接的により効率的に加熱することができる。このため、大流量の超純水ガスを流すときにも、気化室内での超純水の温度低下を防止することができ、したがって、ガス圧力の低下による圧力式流量制御装置２０の動作不良の発生を防止することができる。なお、気化室内での超純水の温度の低下は、図示しない温度センサによって測定されており、温調器を用いて底部ヒータ１４Ｂおよび側面ヒータ１４Ｓを作動させることによって、温度維持を図ることができる。

底部ヒータ１４Ｂは、その熱源部（ここではシースヒータの巻回部１４１）が、気化室１２の底部近傍に配置されている限り、任意の構成を有していてよい。ここで、気化室１２の底部近傍とは、気化室１２の高さ方向において、典型的には気化室１２の全高の半分以下の高さ位置を意味し、より具体的には、全高の１／３以下の高さ位置を意味するものとする。このような位置に熱源部を配置するために、上記シースヒータの立設部１４２の長さは、典型的には気化室１２の全高の半分以上の長さに設計され、より具体的には、全高の２／３以上の長さに設定される。

また、底部ヒータ１４Ｂの熱源部（ここではシースヒータの巻回部１４１）は、フロートセンサの液面下限位置よりも低い位置に設けられている。このため、超純水の補給により常に熱源部が液中に浸されるようになっており、空焚きによる機器の損傷も防止される。

側面ヒータ１４Ｓを構成するスペースヒータは、メインタンク１０Ｍの外側に設けられるため、タンク組み立て後にも設置可能であるが、底部ヒータ１４Ｂは気化室１２の内部に配置されるため、タンク組み立ての際に内部に組み入れることが必要である。底部ヒータ１４Ｂは、例えば、気化室上面を構成する蓋部材に、その端子部を溶接することによって固定することができる。このように、常に超純水と接する底部ヒータ１４Ｂのみを気化室１２の内部に配置することによって、構成や組み立て工程の複雑化をなるべく抑制しながら、超純水を効率的に加熱することが可能である。

以上に説明した気化器１０では、底部ヒータ１４Ｂによって、より高効率に加熱を行うことができ、圧力式流量制御装置２０を用いる場合においても、供給開始時から大流量で継続的に超純水ガスを所望流量で供給しつづけることができる。また、リリーフ弁１６が設けられているので、ガス供給停止時等に気化室内部の圧力が過剰になることが防止でき、内部のフロートセンサやバルブの破損を防止して、安全対策も図ることができる。

図４は、メインタンク１０Ｍのより具体的な構成例を示し、図５は、メインタンク１０Ｍの下流側に接続される圧力式流量制御装置２０の近傍の構成例を示す。

図４に示すように、メインタンク１０Ｍは、略立方体状の外観を有する気化室１２を備えており、気化室１２の上面には、プレタンク１０Ｐに接続される超純水入口１２Ｌと、圧力式流量制御装置２０に接続される超純水ガス出口１２Ｇとが設けられている。

側面ヒータ１４Ｓを構成するスペースヒータは、気化室１２を囲むように周囲４側面に設けられている。一方、底部ヒータ１４Ｂの端子部は、気化室１２の上面に配置される蓋部材１２Ｔに溶接により固定されており、底部ヒータ１４Ｂの発熱部は気化室１２の内部において底の方に配置される。メインタンク１０Ｍの組み立て工程においては、底部ヒータ１４Ｂを固定しておいた蓋部材１２Ｔを、気化室１２の上部開口を閉じるように固定することによって、底部ヒータ１４Ｂを内蔵しながら封止空間をなす気化室１２が形成される。

また、蓋部材１２Ｔには、上述したリリーフ弁１６、レベルセンサ１８の端子部、供給圧力センサ１９も固定されている。また、図示する本実施形態では、下流側のガス遮断弁として用いられる空気駆動弁（ＡＯＶ）２１も固定され、さらに、出口ヒータ１４Ｅを構成するカートリッジヒータが超純水ガス出口１２Ｇの近傍において固定されている。このカートリッジヒータは熱伝導性の良い金属部材に埋設されており、超純水ガス出口１２Ｇに至るガス流路を加熱して超純水ガスの再液化を防止するために用いられる。

また、図５に示すように、下流側の圧力式流量制御装置２０にも、ジャケットヒータなどの保温用ヒータ２８が設けられていてもよい。圧力式流量制御装置２０の温度は、温度センサ２７（ここでは熱電対）を用いて測定され、圧力式流量制御装置２０の近傍でのガスの再液化を防止できる温度（例えば１５０℃程度）に調節される。これによって、ガス出口２９からは、高温に保たれ、流量制御されたガスがプロセスチャンバに供給される。なお、メインタンク１０Ｍと圧力式流量制御装置２０とを接続する配管および圧力式流量制御装置２０の下流側の配管も、ヒータなどを用いて再液化が防止される温度に維持することが好適である。ただし、プレタンク１０Ｐとメインタンク１０Ｍとの間の配管は小容量（例えば５ｃｃ以下）のため、断熱材で覆うなどして保温性が確保されていれば十分であり、例えば約２０～３０秒ごとに温水の供給を行うことによって気化室１２での温度低下は問題とならないことが確認されている。

以上のようにして、メインタンク１０Ｍでの気化のための加熱効率を高めるとともに、圧力式流量制御装置２０を含むガス流路も加熱することによって、高温、高圧の超純水ガスをプロセスチャンバまで制御された大流量で供給することができる。

以上、本発明の一態様について説明したが、他の態様において、気化器１０のメインタンク１０Ｍには、気化室内に貯留された超純水の動きや流れを促進させるための攪拌装置または揺動装置が付加的に設けられていても良い。

攪拌装置は、例えば、底部ヒータ１４Ｂを上下動、左右動あるいは振動させる機械的機構によって構成することができる。もちろん、底部ヒータ１４Ｂとは別個に水中に沈めた羽部材を回転させるようなものであっても良い。また、揺動装置を用いてメインタンク１０Ｍそのものを揺動させることによっても気化室１２内の超純水を動かすことができる。このようにして超純水を積極的に動かすようにすれば、さらに加熱効率、加熱速度を向上させることができ、所望温度までの昇温時間を短縮し得る。

また、以上には、気化器の下流側に接続された圧力式流量制御装置を用いて流量を制御した超純水ガスを供給する態様を説明したが、他の態様の流量制御装置を用いて流量制御を行うことも可能である。

本発明の実施形態にかかる気化器および気化供給装置は、半導体製造設備のアッシング装置に超純水を気化してから供給するために好適に利用される。

２超純水源
４遮断弁
６プロセスチャンバ
８真空ポンプ
１０気化器
１０Ｍメインタンク
１０Ｐプレタンク
１２気化室
１４Ｂ底部ヒータ
１４Ｓ側面ヒータ
１４１巻回部
１４２立設部
１４３ヒータ端子
１６リリーフ弁
１８レベルセンサ
１９供給圧力センサ
２０圧力式流量制御装置
２２コントロール弁
２４絞り部
２６上流圧力センサ
１００気化供給装置

Claims

超純水を気化させてアッシング装置に供給するために用いられる気化器であって、
超純水を貯留する気化室と、
前記気化室に設けられ、前記気化室に貯留された超純水と接し、熱源として作用する巻回部及び巻回部から立設され端部にヒータ端子を備えた立設部を含む底部ヒータと、
前記気化室に接続されたリリーフ弁と、
前記気化室における超純水の液面レベルを測定するためのフロートセンサと、
前記気化室を閉じる蓋部材であって、超純水を気化室に供給するための入口および前記気化室からの超純水ガスを排出するための出口が設けられた蓋部材と
を備え、
前記底部ヒータの立設部は、前記ヒータ端子を露出させるようにして前記蓋部材に固定されており、前記底部ヒータの巻回部は、前記気化室において、前記フロートセンサの液面下限位置よりも低い位置に設けられている、気化器。
前記気化室の側面を前記気化室の外側から加熱する側面ヒータをさらに備える、請求項１に記載の気化器。
前記気化室に送られる超純水を予め加熱しておくためのヒータを有するプレタンクをさらに備える、請求項１または２に記載の気化器。
前記気化室内に貯留された超純水の動きを促進させるための攪拌装置または揺動装置をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の気化器。
請求項１から４のいずれかに記載の気化器と、
前記気化器の下流側に設けられた圧力式流量制御装置であって、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を測定する上流圧力センサとを備え、前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開度を調整することによって前記絞り部の下流に流れるガスの流量を制御するように構成されている圧力式流量制御装置と
を備える、気化供給装置。