DE4436908A1 - Düse für eine Verbrennungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse für eine Verbrennungsvor­ richtung, beispielsweise eine Injektordüse für einen Quarzbrenner eines Diffusionsofens.

Eine solche Düse ist aus der US-PS 4 680 008 bekannt. In einer Brennkammer befindet sich eine Injektordüse, die aus einem Quarzrohr mit einem sich aufweitenden Endstück besteht. Durch diese Injektordüse wird Wasserstoff (H₂) in die Brennkammer eingeleitet. Durch ein weiteres Quarzrohr, das die Injektordüse teilweise umgibt, wird gleichzeitig Sauerstoff (O₂) in die Brennkammer eingeleitet. In einem Verbrennungsprozeß bildet sich Wasserdampf (H₂O) in der Brennkammer. Bei der Halbleiterherstellung wird eine derartige Anordnung zur Bildung von Oxidschichten bei verschiedenen Halbleiterprozessen benutzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse mit verbesserter Flammenform zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Bündel, bestehend aus einer Mehrzahl von Röhrchen, in einem Rohr angeordnet ist.

Während bei der bekannten Anordnung die Flamme eine im Vergleich zum Durchmesser sehr große Länge und nahe an der Austrittsöffnung der Düse sehr große Hitze aufweist, ist die Flamme bei der erfindungsgemäßen Anordnung wesentlich kürzer bei größerem Durchmesser. Bei der bekannten An­ ordnung führt eine geringfügige Dejustierung der Injektor­ düse beispielsweise dadurch, daß der Austrittsbereich der Düse im Laufe der Zeit immer weiter abbrennt, dazu, daß die Flamme auf die Innenwand der Brennkammer trifft und dort zu Rekristallisationen führt. Sowohl die Rekristalli­ sationen an der Düsenöffnung als auch an der Innenwand der Brennkammer erhöhen erheblich die Anzahl der Partikel in der Brennkammer, was gerade bei der Halbleiterherstellung vermieden werden muß. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung entfällt die äußerst kritische Justierung der Injektordü­ se, und außerdem ist die Partikelbildung durch Rekristal­ lisationen deutlich geringer. Aufgrund höherer Austritts­ geschwindigkeit des Wasserstoffs aus der Düse weist die Flamme bei gleichem Gasdurchsatz wie bei einer Düse der bekannten Art erst in einem Abstand von der Düsenaus­ trittsöffnung eine große Hitze auf, so daß die Düse in wesentlich geringerem Maße abbrennt und deshalb deutlich länger einsetzbar ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Röhrchen und das Rohr aus Quarz bestehen. Dies gewähr­ leistet, daß möglichst wenig Fremdpartikel bei den bei der Verbrennung herrschenden Temperaturen aus der Düse selbst in die Brennkammer gelangen und daß die Qualität der Produkte vor allem bei der Halbleiterherstellung möglichst hoch ist.

Zur festen Verbindung der Röhrchen und des Rohres sind die Röhrchen in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung miteinander verschmolzen und in das Rohr eingeschmolzen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Längsachsen der Röhrchen parallel zueinander und parallel zur Längsachse des Rohres angeordnet sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die schwierige Herstellung des Rohrbündels vereinfacht wird. Außerdem wird dadurch die Richtung, in der der Wasserstoff aus der Düse austritt, und die Form der Flamme in vorteilhafter Weise bestimmt.

Eine weitere Vereinfachung der Herstellung ergibt sich bei einer weitergehenden Ausgestaltung, bei der die Röhrchen und das Rohr die Form von geraden Kreiszylindern aufwei­ sen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brenners für einen Diffusionsofen,

Fig. 2 eine Injektordüse in einer Schnittzeichnung und

Fig. 3 die Injektordüse in Vorderansicht.

Mit 1 ist in Fig. 1 eine Quarzbrennkammer bezeichnet, die sich an einem Ende zu einer Austrittsöffnung 2 für den in der Brennkammer 1 erzeugten Wasserdampf verjüngt. Am anderen Ende der Brennkammer 1 ist der Injektor 3 mit der Injektordüse 4 angebracht. Durch die Zuleitung 5 wird Wasserstoff durch die Injektordüse 4 in die Brennkammer 1 geleitet und vermischt sich dort mit dem Sauerstoff, der durch eine weitere Zuleitung 6 durch den Injektor 3 und den ringförmigen Spalt 13 um die Düse 4 in die Brennkammer 1 strömt. Ein nicht dargestelltes Heizelement außerhalb der Brennkammer 1 beheizt die Brennkammer 1, wodurch das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch unter Bildung von Wasser­ dampf in der Brennkammer 1 verbrennt. Die Flamme 7 hat dabei etwa die dargestellte Form.

Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung durch einen Teil des Injektors 3 mit der Düse 4. Die Düse 4 besteht aus einem Rohr 8, in dem ein Bündel 9, bestehend aus einer Anzahl von Röhrchen mit wesentlich geringerem Durchmesser als das äußere Rohr 8, fest angeordnet - beispielsweise einge­ schmolzen - ist. Die Röhrchen sind parallel zueinander angeordnet, miteinander zu dem Bündel 9 verschmolzen und weisen ebenso wie das Rohr 8 die Form von geraden Kreiszy­ lindern auf. An dem Rohr 8 ist ein konisches Rohrstück 10 angebracht - beispielsweise angeschweißt - zur Verbindung der Düse 4 mit der Wasserstoffzuleitung 5. Der Injektor 3 besteht aus zwei aneinander angebrachten Rohren 11 und 12, wobei zwischen dem Rohr 11 und dem Rohr 8 der Düse 4 ein schmaler ringförmiger Spalt 13 bleibt, durch den der Sauerstoff in die Brennkammer 1 einströmt.

In der Vorderansicht der Injektordüse 4 in Fig. 3 ist deutlich das aus einer Mehrzahl von Röhrchen bestehende Bündel 9 erkennbar. Die genannten Vorteile werden in besonderem Maße erreicht, wenn das Bündel 9 aus mindestens 25 Röhrchen besteht.

Bei der gezeigten Ausgestaltung der Erfindung weist die Flamme 7 ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser an der dicksten Stelle von etwa 4 : 1 auf, während bei der bekannten Anordnung die Flamme ein Verhältnis von etwa 60 : 1 aufweist. Da außerdem bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Flamme 7 nicht direkt an der Austrittsöff­ nung der Düse 4 brennt, ist die Anzahl der in die Brenn­ kammer 1 gelangenden Partikel geringer, die sich durch Rekristallisation an der Düse 4 ablösen. Dies verhindert weiterhin eine Dejustierung der Düse 4 bereits nach kurzer Betriebsdauer, wodurch die Flamme 7 wie bei der bekannten Anordnung dann auf die Innenwand der Brennkammer 1 treffen und dort Partikel durch Rekristallisation erzeugen kann. Da der Abbrand der Düse 4 wesentlich langsamer vor sich geht, kann die Düse 4 etwa um den Faktor drei länger eingesetzt werden. Letzlich wird auch die Qualität der Produkte aufgrund der geringeren Partikelzahl verbessert.

Hergestellt wird die Injektordüse 4 in der Weise, daß die Röhrchen längs in das Rohr 8 hineingeschoben werden, so daß das Rohr 8 möglichst gut ausgefüllt ist. Die Röhrchen werden dann in einem Erwärmungsprozeß in das Rohr 8 eingeschweißt, miteinander verschmolzen, und gleichzeitig wird das Bündel 9 und das Rohr 8 gezogen, bis der ge­ wünschte Außendurchmesser des Rohres 8 erreicht ist. Im gezeigten Beispiel wurden etwa 50 Röhrchen vom Durchmesser 1,5 mm in ein Rohr 8 vom Durchmesser 20 mm gesteckt, und anschließend wurde das Rohr 8 auf einen Außendurchmesser von 16,5 mm gezogen. Schließlich wurde von der Düse 4 ein Teilstück etwa der Länge 8 mm abgetrennt und mit dem konischen Rohrstück 10 verschweißt.

Eingesetzt wird eine derartige Düse in Diffusionsöfen bei der Halbleiterherstellung, aber auch andere Einsatzmög­ lichkeiten wie eine Verbrennungsvorrichtung für Gefahrgase sind aufgrund der mit dieser Düse erreichbaren sehr hohen Verbrennungstemperaturen denkbar.

Claims (6)

1. Düse für eine Verbrennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bündel, bestehend aus einer Mehrzahl von Röhrchen, in einem Rohr angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen und das Rohr aus Quarz bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen miteinander verschmolzen und in das Rohr eingeschmolzen sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Röhrchen parallel zueinander und parallel zur Längsachse des Rohres angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen und das Rohr die Form von geraden Kreiszylindern aufweisen.

6. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit der Mehrzahl von Röhrchen ausgefüllt wird, und daß die Röhrchen und das Rohr erwärmt und auf den gewünschten Durchmesser des Rohres gezogen werden.