JP2001068464A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部燃焼装置で発生した水蒸気に加熱したＮ
₂ガス等の不活性ガスを容易に導入できるようにして、
不活性ガス導入による水蒸気の温度低下を防止する。 【解決手段】 外部燃焼装置は、水素ガスＨ₂と酸素ガ
スＯ₂とを燃焼管３内で加熱して燃焼させることにより
水蒸気を発生させ、水蒸気を水蒸気導出管７から外部に
導出する。この導出される水蒸気の分圧を調整するため
に、水蒸気にＮ₂ガスを導入する不活性ガス導入管１５
を設ける。この不活性ガス導入管１５を燃焼管３内に設
ける。不活性ガス導入管１５は、燃焼炎が接しないよう
に燃焼管３の内壁に沿わせて下流側に延出させ、水蒸気
導出管７の途中でＮ₂を水蒸気中に導出するために、燃
焼管３の他端に取り付けた水蒸気導出管７内に引き出
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱処理装置に係り、
特に反応管内に水蒸気を供給する外部燃焼装置を有する
ものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の縦型拡散装置では、図６に示すよ
うに、外部燃焼装置の燃焼管３で発生したプロセスガス
（ここではＨ₂Ｏ）が、ウエット酸化炉に入る前に窒素
ガスＮ₂と混合されるようになっている。図７に、ウエ
ット酸化炉で使用される外部燃焼装置の詳細構成図を示
す。外部燃焼装置は、そのウエット酸化炉に外部から水
蒸気を供給するものであり、燃焼用ヒータ１で加熱した
燃焼管３内に水素ガスＨ₂と酸素ガスＯ₂とを導入して加
熱し、この加熱により燃焼させて水蒸気を発生させる。
発生させた水蒸気を水蒸気導出管７より外部に導出し、
反応管内に供給する。この外部燃焼装置では、反応管内
に導入される水蒸気の分圧を下げるために、不活性ガス
導入管１８を水蒸気導出管７内に挿入して、窒素ガスＮ
₂等の不活性ガスを水蒸気に導入するようになってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｎ₂ガスを水
蒸気に導入する不活性ガス導入管１８が、外部から燃焼
用ヒータ１の加熱が及ぶ範囲外にある水蒸気導出管７に
取り付けられているため、水蒸気に導入されるＮ₂ガス
は水蒸気に比して冷たく、この冷たいＮ₂ガスにより水
蒸気が冷やされて水滴となる。この水滴が反応管内で残
留水分となって、反応管内で成膜する酸化膜の膜厚レー
トを均一にすることができず、パーティクルの原因にも
なるという問題がある。また、反応管内に導入される水
蒸気の温度が低くなると、反応管内でもガス導入部側の
温度が下がり、ウェハ内の面内均一性が悪くなる。

【０００４】上述した膜厚レートの均一化及びウェハの
面内均一化の問題を解消するためには、水蒸気に導入す
るＮ₂ガスを加熱する必要がある。しかし、図８に示す
ように、不活性ガス導入管１８を螺旋状に巻回して、そ
の周りにヒータ１７を設けると、Ｎ₂ガスを加熱するた
めのヒータ１７が、燃焼用ヒータ１とは別個に必要とな
る。従って、装置が大型化し、消費電力も上がるという
新たな問題が生じる。

【０００５】本発明の課題は、不活性ガス導入による供
給水蒸気の温度が下がるという従来技術の問題を解消し
て、新規なヒータを要することなく、加熱状態の不活性
ガスを水蒸気に混合することが可能な熱処理装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、水素ガスと酸
素ガスとを加熱領域で加熱して燃焼させることにより水
蒸気を発生させ、該水蒸気を外部に導出する燃焼装置で
あって、前記水蒸気の分圧を調整するために、導出され
る前記水蒸気に不活性ガスを導入する不活性ガス導入路
を設け、前記不活性ガス導入路の少なくとも一部を前記
加熱領域に設けたことを特徴とした燃焼装置を有する熱
処理装置である。

【０００７】加熱領域は、例えば燃焼用ヒータ等によっ
て加熱され、水素と酸素の混合ガスを燃焼温度まで高め
て燃焼させる燃焼管内や、燃焼用ヒータ内等であり、ヒ
ータによる加熱が及ぶ範囲である。熱処理装置は、例え
ばウエット酸化炉などの縦型拡散装置である。燃焼装置
は、例えば水蒸気を発生して反応管内に導入する外部燃
焼装置である。不活性ガスは、Ｎ₂ガス、Ａｒガスなど
である。不活性ガス導入路を加熱領域に設ける仕方は、
例えば不活性ガスを導く不活性ガス導入管の一部を加熱
領域内に走らせたり、加熱領域を外管と内管とからなる
２重管構造として外管と内管との間に不活性ガスを導く
ようにしたりする。

【０００８】水素ガスと酸素ガスを混合して加熱領域で
加熱し、この加熱による燃焼で水蒸気を発生させる。こ
の水蒸気は外部に導出して、例えば反応管内に導入す
る。反応管内に導入する際に水蒸気分圧を下げるために
導出された水蒸気にＮ₂ガスなどの不活性ガスを導入す
る。不活性ガスを導入する不活性ガス導入路は加熱領域
に設けられているため、不活性ガスは不活性ガス導入路
を流れている過程で予備加熱され、水蒸気と同等の温度
になる。従って、不活性ガスにより水蒸気の温度が下が
ったり、水蒸気が水滴となったりすることがなくなる。
その結果、反応管内での温度の低下が防止できるため、
膜厚レートや面内均一が不安定になることがない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の燃焼装置を有する
熱処理装置の実施の形態を説明する。

【００１０】図５は、熱処理装置としてのウエット酸化
炉と外部燃焼装置との関連を示す斜視図である。ウエッ
ト酸化炉は、反応管３１内にＳｉウェハを水蒸気雰囲気
中で高温、長時間保持して、Ｓｉウェハの表面に高純度
の酸化膜を生成する炉である。反応管３１内を所定の温
度に加熱し、ガス供給管３２、ガス導入管３３より反応
ガスを反応管３１内に導入し、ウェハ表面に薄膜を生成
し、反応ガスは排気口３６、図示しない排気管を経て排
気される。 ガス供給管３２に外部燃焼装置３４が接続
され、外部燃焼装置３４の燃焼管３で生成された水蒸気
が、ガス供給管３２、ガス導入管３３を介して反応管３
１に供給される。図１に、ウエット酸化炉で使用される
外部燃焼装置の詳細な構成図を示す。外部燃焼装置は、
燃焼用ヒータ１で加熱した燃焼管３内に水素ガスＨ₂と
酸素ガスＯ₂とを導入して加熱し、この加熱により燃焼
させて水蒸気を発生し、発生した水蒸気を外部に導出す
る装置である。

【００１１】外部燃焼装置は、混合ガスから水蒸気を発
生する燃焼管３、混合ガスを加熱して燃焼させる燃焼用
ヒータ１、燃焼用ヒータ１を冷却する水冷ジャケット４
から主に構成される。燃焼管３は石英ガラスで構成さ
れ、両端は閉じられている。閉じた一端に石英ガラス製
のガス導入管８が取り付けられ、同じく閉じた他端に石
英ガラス製の水蒸気導出管７が取り付けられる。

【００１２】ガス導入管８は、酸素ガスＯ₂を燃焼管３
内に導入する外管９と、水素ガスＨ₂を燃焼管３内に導
入するために前記外管９内に同軸的に配設された内管１
０との二重管で構成され、燃焼管３に一体的に取り付け
られている。

【００１３】二重管で構成されたガス導入管８の一方の
導入口となる水素ガス導入口５は、外管９より飛出して
いる内管１０の端部に形成され、他方の酸素ガス導入口
６は外管９の途中に連結されている。ガス導入管８の燃
焼管３に対する取付部に形成されたガス導出口１１は、
内側に水素ガスノズル１２が設けられ、この水素ガスノ
ズル１２を取り囲むように多数の酸素ガスノズル１３が
設けられていて、各ノズル１２、１３から噴出したＨ₂
ガスとＯ₂ガスとが充分に混合されて燃焼管３内に供給
できるようになっている。

【００１４】水蒸気導出管７は燃焼管３に一体的に取り
付けられ、ウエット酸化炉のガス供給管３２に接続さ
れ、外部燃焼装置で発生した水蒸気を反応管３１（図
５）内に供給できるようになっている。

【００１５】水蒸気導出管７を取り付けてある燃焼管３
の下流側の一部を残して燃焼管３の外周に温度を均一に
するための均熱管２が設けられ、この均熱管２の外周に
混合ガスを加熱して燃焼させる燃焼用ヒータ１が設けら
れ、さらに燃焼用ヒータ１の外側に冷却用の水冷ジャケ
ット４が設けられる。前記燃焼管３の一部（燃焼用ヒー
タ１の加熱が及ばない範囲）は、水蒸気導出管７の一部
を含めて断熱材１４で覆っている。なお、図に示すよう
に燃焼管３の前端部およびガス導入管８の一部も断熱材
１４で覆っている。

【００１６】そして、燃焼管３の一端から断熱材１４を
通して燃焼管３内にＮ₂を導入する石英ガラス製の不活
性ガス導入路としての不活性ガス導入管１５を挿入し、
燃焼炎が接しないように燃焼管３の内壁に沿わせて下流
側に延出させ、燃焼管３の他端に取り付けた水蒸気導出
管７内に引き出し、水蒸気導出管７の途中で、Ｎ₂ガス
を噴出するようになっている。燃焼用ヒータ１で囲まれ
ている上記燃焼管３の領域が、水素ガスと酸素ガスとを
加熱して燃焼させる加熱領域を構成している。ここで燃
焼炎が接しないように燃焼管３の内壁に不活性ガス導入
管１５を沿わせるのは、水蒸気の発生に支障が生じない
ようにするためである。

【００１７】水素ガス導入口５からガス導入管８の内管
１０内に水素ガスを流し、酸素ガス導入口６からガス導
入管８の外管９と内管１０との間隙内に酸素ガスを流し
て、燃焼管３内に導入する。燃焼管３内で水素ガスの外
側から酸素ガスを混合して燃焼させ、水蒸気を発生させ
る。発生した水蒸気は、その水蒸気の分圧を下げるため
に、水蒸気導出管７から反応管３１に供給される途中
で、不活性ガス導入管１５から導かれてきたＮ₂ガスと
混合される。不活性ガス導入管１５は、燃焼管３の内壁
に沿って延出されているので、燃焼用ヒータ熱で窒素ガ
スＮ₂が加熱される。

【００１８】上述したように実施の形態では、不活性ガ
ス導入管１５から窒素ガスＮ₂を導いて水蒸気に導入す
るが、不活性ガス導入管１５を燃焼用ヒータ１の加熱領
域である燃焼管３内を走らせ、窒素ガスＮ₂を予備加熱
してから水蒸気導出管７の途中から導出するため、窒素
ガスＮ₂により水蒸気が冷やされることも、水滴となる
こともない。

【００１９】また、加熱Ｎ₂ガスを水蒸気と混合できる
ため、外部燃焼装置に接続される反応管３１内に水分が
残留することがなく、膜厚レートを均一にすることがで
きる。また、反応管３１内での温度差を小さくすること
で面内均一性も向上する。また、導入水蒸気の温度が低
くならないので、反応管３１内でもガス導入部側の温度
が下がったり、ウェハ内の面内均一性が悪くならない。
さらに、Ｎ₂ガスの加熱源に燃焼用ヒータを利用したの
で、窒素ガスを加熱するために別のヒータを要しない。
したがって装置が大型化し、消費電力が上がるという問
題も生じない。

【００２０】なお、図２に示すように、燃焼管３内に挿
入する不活性ガス導入管１５を螺旋状に巻回して、加熱
効率を上げるようにしてもよい。この場合にも、不活性
ガス導入管１５は、燃焼炎が接しないように燃焼管３の
内壁に沿わせることが好ましい。

【００２１】上述した実施の形態では、不活性ガス導入
管１５を燃焼管３内に挿通させるようにしたが、本発明
はこれに限定されない。例えば図３に示すように、燃焼
管２０を２重管として構成して、内管２２と外管２１と
の間を不活性ガス導入路１６としてもよい。即ち、図４
に示すように、燃焼管２０は混合ガスを燃焼して水蒸気
を発生させる内管２２と、Ｎ₂ガスを水蒸気導出管７側
に導出するために前記内管２２外に同軸的に配設された
外管２１との二重管で構成する。外管２１と内管２２と
の間の間隙を不活性ガス導入路１６としてＮ₂を流す。
これによっても上述した不活性ガス導入管１５と同様な
効果が得られる。さらに、不活性ガス導入管１５を燃焼
管内ではなく燃焼用ヒータ１内に通すようにしてもよ
い。このように不活性ガス導入管を、二重管構造の外管
としたり燃焼用ヒータ内を通すようにしたりすると、不
活性ガス導入管は燃焼炎に影響を与えないので、水蒸気
発生に支障が生じるおそれがない。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、水素ガスと酸素ガスを
加熱する加熱領域で不活性ガスを加熱するようにしたの
で、不活性ガスを加熱するために新規なヒータを必要と
しない。また、加熱した不活性ガスを水蒸気と混合でき
るため、膜厚レートを均一にすることが可能となり、パ
ーティクルの発生を防止できる。さらに加熱した不活性
ガスを混合した水蒸気を導出するので、この水蒸気を導
入される炉、例えば反応炉内の温度差を小さく抑えるこ
とができ、膜の面内均一性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱処理装置の実施の形態による外部燃焼装置の
詳細断面図である。

【図２】変形例を示す外部燃焼装置の概略断面図であ
る。

【図３】他の実施の形態による外部燃焼装置の概略断面
図である。

【図４】図３の詳細断面図である。

【図５】縦型反応炉と外部燃焼装置との関連を示す斜視
図である。

【図６】従来例の外部燃焼装置の概略断面図である。

【図７】図６の詳細断面図である。

【図８】従来検討された外部燃焼装置の概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 燃焼用ヒータ ３ 燃焼管 ７ 水蒸気導出管 ８ ガス導入管 ９ 外管 １０ 内管 １５ 不活性ガス導入管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 徹 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA20 AC11 BB02 BB15 EB02 EB03 EC07 EC09 EE05 EE14

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素ガスと酸素ガスとを加熱領域で加熱し
   て燃焼させることにより水蒸気を発生させ、該水蒸気を
   外部に導出する燃焼装置であって、 前記水蒸気の分圧を調整するために、導出される前記水
   蒸気に不活性ガスを導入する不活性ガス導入路を設け、 前記不活性ガス導入路の少なくとも一部を前記加熱領域
   に設けたことを特徴とした燃焼装置を有する熱処理装
   置。