JP2007017101A

JP2007017101A - 流体加熱装置

Info

Publication number: JP2007017101A
Application number: JP2005199995A
Authority: JP
Inventors: Akira Sugano; 晃菅野; Kazuo Shibata; 和生柴田
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】容易に製作でき、しかも電源コードが熱の影響を受けにくい、新規な流体加熱装置を提供する。
【解決手段】円筒形状を有する石英ガラス製の内筒部１ａ及び外筒部１ｂと有し、前記内筒部と外筒部の間の空間が密閉空間１ｄとされた石英ガラス製のガス導入管１と、前記密閉空間１ｄに収容された被加熱部材２と、前記被加熱部材２に対して、マイクロウェーブを照射するマグネトロン１１と、前記ガス導入管１の外周囲を覆い、前記マグネトロンから照射されたマイクロウェーブの拡散を抑制する遮蔽部材１２とを備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、流体加熱装置に関し、例えば半導体の製造装置に好適に用いることができる流体加熱装置に関する。

半導体製造プロセスにおいて、例えば、不純物拡散炉、酸化炉、アニール炉、薄膜製造装置、エッチング装置等において種々の半導体加熱処理炉が用いられている。そして、半導体加熱処理炉に用いられるガスは、半導体加熱処理炉の前段に設けられたガス導入管の内部を通過中に、ヒータによって予熱され、予熱されたガスが前記半導体ガス処理炉に供給されるように構成されている。
このようなガス供給管の内部を流通する流体に対する流体加熱装置として、本願出願人は特許文献１に記載された流体加熱装置を提案している。
特開２００２−２７７０５４号公報

ところで、前記特許文献１に示された流体加熱装置のみならず、他の流体加熱装置であってもヒータを発熱させるために、前記ヒータには電力の供給を受ける端子部が形成されている。
しかしながら、前記特許文献１に記載したような石英ガラス管の内部にカーボンワイヤーを封入したヒータにあっては、その端子部を形成するには多くの工程を必要とし、容易に形成し難かった。
また、半導体加熱処理炉の近傍に流体加熱装置が配置された場合、ヒータの端子部に電力を供給する電源コードは、前記ヒータからの熱のみならず加熱処理炉の熱の影響を受け、好ましいものではなかった。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、容易に製作でき、しかも電源コードが熱の影響を受けにくい、新規な流体加熱装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかる流体加熱装置にあっては、円筒形状を有する石英ガラス製の内筒部及び外筒部と有し、前記内筒部と外筒部の間の空間が密閉空間とされた石英ガラス製のガス導入管と、前記密閉空間に収容された被加熱部材と、前記被加熱部材に対して、マイクロウェーブを照射するマグネトロンと、前記ガス導入管の外周囲を覆い、前記マグネトロンから照射されたマイクロウェーブの拡散を抑制する遮蔽部材とを備えることを特徴としている。

前記した本発明にかかる流体加熱装置にあっては、石英ガラス製のガス導入管の内部に被加熱部材を封入し、この被加熱部材に対してマイクロウェーブを照射する。これによって被加熱部材は加熱され、この加熱された被加熱部材によってガス導入管を流れる流体は加熱される。

このように、本発明にかかる流体加熱装置が形成されているため、従来の場合のようにヒータに端子部を形成する必要がなく、容易に製作することができる。
また、例えば、半導体加熱処理炉のような他の加熱体の近傍に、ガス導入管が配置された場合にも、他の加熱体から離した位置にマグネトロンを配置することにより、電源コードに対する熱の影響を極力抑制することができる。

ここで、前記被加熱部材が、直径２〜１５μｍのカーボン繊維であることが望ましい。このように前記被加熱部材が直径２〜１５μｍのカーボン繊維である場合には、耐久性を有すると共に充分な発熱を得ることができる。

以上のように本発明によれば、容易に製作でき、しかも電源コードが熱の影響を受けにくい、新規な流体加熱装置を得ることができる。

本発明にかかる流体加熱装置の一実施形態について、図１乃至図４に基づいて説明する。尚、図１はガス導入管の断面図、図２はガス導入管の密閉空間内に被加熱部材が収容された状態を示す断面図、図３は被加熱部材の概略図、図４は、前記ガス導入管を含む流体加熱装置を示す概略構成図である。

図１に示すように、ガス導入管１は石英ガラスで形成され、円筒形状を有する石英ガラス製の内筒部１ａと外筒部１ｂと備えている。前記内筒部１ａと外筒部１ｂの端面１ｃは連結され、閉塞されており、前記内筒部１ａと外筒部１ｂの間の空間１ｄは密閉空間とされる。また、前記ガス導入管１の中心部には、ガスが流通する流通路１ｅが形成されている。

この密閉空間１ｄの内部には、図２に示すように被加熱部材２が収容されると共に、その内部は前記被加熱部材の酸化を防止するため、不活性ガス雰囲気になされている。更に、熱膨張によるガス導入管１の破損を防止するため、前記密閉空間１ｄは６．０〜４０．０ｋＰａに減圧されている。

次に、被加熱部材２について図３に基づいて説明する。
この被加熱部材２は、カーボン繊維を纏めたカーボンワイヤー、あるいはカーボン繊維から形成されたフェルト、更にカーボン繊維から形成されたシートであっても良い。また、前記したように密閉空間に配置されるため、前記被加熱部材２からガスが放出されない、あるいはガスが極力放出されない素材を用いることが好ましい。

また、カーボン繊維の直径は２〜１５μｍであることが望ましく、直径２〜１５μｍカーボン繊維が、少なくとも５０％以上含まれていることが望ましい。
直径２μｍよりの細いカーボン繊維の場合には、密閉空間内部の残留酸素により各部で断線する可能性がある。一方、直径１５μｍよりの太いカーボン繊維の場合には、抵抗加熱が生じにくく、所望の温度を得られない可能性があるためである。
更に、カーボン繊維の素材は天然素材（木材、草など）からの生成物であっても、石油系からのものであっても良い。
また、被加熱部材は、カーボン繊維の集合体であっても、また複数の束ねたカーボン長繊維を織り込んだもの、いずれであっても良い。

また、被加熱部材の発熱性状の均質性、耐久安定性等の観点及びダスト発生回避上の観点から、前記カーボン繊維は高純度であることが好ましく、特に金属不純物が低濃度であることが望ましい。このカーボン繊維に金属不純物が含まれていると、高温時に、ガス導入管１を形成する石英ガラスと反応し、石英ガラスを失透させる。そして、究極的には、前記ガス導入管１に穴が開き、密閉空間内に大気進入し、カーボン繊維が消失するという虞があるためである。
なお、金属不純物とはＮｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｎ、Ｎａ，Ｃａ，Ｋなどである。また、不純物濃度は５００ｐｐｍ以下であることが望ましく、より好ましくは、５０ｐｐｍ以下であることが望ましい。

更に、被加熱部材２の具体例を、カーボン繊維を纏めたカーボンワイヤーを例にとって、図３に基づいて説明する。
図３に示すように、このカーボンワイヤー発熱体２は、極細いカーボン長繊維を束ねたカーボン繊維束を、編紐形状、あるいは組紐形状に複数束編み上げて作製したものであり、非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れている。
また、細いカーボン長繊維の繊維束を複数本編んで作製されたものであるため、フレキシビリティに富み、形状変形順応性や加工性に優れている。これによって被加熱部材２をガス導入管１の密閉空間１ｄの内に螺旋状に巻いて配置したり、ガス導入管１の長さ方向で折り返し配置したり、様々な態様が可能となる。

具体的には、前記カーボンワイヤー２としては、直径２乃至１５μｍのカーボン繊維、例えば、直径７μｍのカーボン長繊維を約３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を１０束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度である。

なお、前記編紐あるいは組紐形状のカーボンワイヤー２は、表面にカーボン繊維の毛羽立ち２ａを有することが好ましく、前記毛羽立ちとは、カーボン繊維（長繊維）が切断されたものの一部が、カーボンワイヤー２の外周面から突出したものである。

そして、このようなカーボンワイヤー２を、密閉空間１ｄの内部に収容した際、前記毛羽立ち１０ａのみが内筒部１ａ及び外筒部１ｂの壁面と接触し、カーボンワイヤーの本体は実質的に接触しないように収容することが好ましい。
そのようにすることによって、石英ガラス（ＳｉＯ₂）とカーボンワイヤー２の炭素（Ｃ）との高温下における反応が極力抑えられ、石英ガラスの劣化、カーボンワイヤーの耐久性の低下が抑制される。このカーボン繊維による表面の毛羽立ちは０．５乃至２．５ｍｍ程度であることが好ましい。

前記密閉空間に収容される被加熱部材２の体積が、前記密閉空間の容積の１５％以上４５％以下であることが望ましい。被加熱部材２が密閉空間の容積の４５％を超えて収容されている場合、カーボン繊維同士が接触するため抵抗加熱が発生しにくく、狙った温度を得られない虞がある。一方、被加熱部材２が密閉空間の容積の１５％未満の場合、発熱源の不足により所望の温度まで昇温できない虞がある。
また、密閉空間１ｄに対して、可能な限り均一にカーボンワイヤー２が配置されていることが望ましいが、粗密が存在しても特に問題はない。

次に、流体加熱装置の全体の構成について、図４に基づいて説明する。
この流体加熱装置１０は、ガス導入管１と、前記ガス導入管１の密閉空間１ｄに収容された被加熱部材２と、被加熱部材２に対して、マイクロウェーブを照射するマグネトロン１１と、前記ガス導入管１の外周囲を覆い、前記マグネトロン１１から照射されたマイクロウェーブの拡散を抑制する遮蔽部材１２とを備えている。

前記ガス導入管１の両端部には接続部１３，１４が設けられ、ガス供給管１５，１６の間に接続される。尚、ガス供給管１６側が、加熱されたガスを必要とする半導体熱処理炉等である。

また、前記遮蔽部材２０は、ガス導入管１の外周囲を覆う遮蔽部材本体１２ａと、前記マグネトロン１１からのマイクロウェーブを前記遮蔽部材１２ａの内部に導く誘導部１２ｂとを備えている。このように、遮蔽部材１２に誘導部１２ａが設けられているため、例えば、半導体熱処理炉等の加熱体からマグネトロン１１を離した位置に配置することができる。

更に、マグネトロン１１は一般的に用いられているものを用いることができ、図中の符号１１ａはマイクロウェーブ（２４５０ＭＨｚ）を照射するためのアンテナ部であり、１１ｂは電源コードが接続される端子部である。前記したように、加熱体（例えば、半導体加熱処理炉）からマグネトロン１１を離した位置に配置することができるため、電源コードに対する熱の影響を極力排除することができる。

このように構成された流体加熱装置にあっては、マグネトロン１１から発生するマイクロウェーブ（２４５０ＭＨｚ）を被加熱部材２に照射することで、被加熱部材２が加熱される。その結果、ガス導入管１は加熱体となり、ガス導入管１の流通路１ｅを流れるガスを加熱する。

〔実施例１〕
直径４ｍｍ、肉厚１ｍｍ、直径８ｍｍ、肉厚１ｍｍの石英パイプを使い二重管（ガス導入管）を作成した。外筒と内筒の隙間には７μｍのカーボン繊維一万本からなるワイヤーを螺旋状に配置し詰め込み、その空間を１Ｔｏｒｒ程度の減圧状態とし、密閉空間とした。
そして、図４に示すように二重管（ガス導入管）の前後にはガスの供給管設け、二重管自体を遮蔽部材（ＳＵＳ管）で覆った。これに、マイクロウェーブ（２４５０ＭＨｚ）を照射しＮ₂ガス（０．２ｓｌｍ）を流したところ、ガス供給管１５側（ＩＮ側）でＮ₂ガスの温度２０℃に対して、ガス導入管を通過したガス供給管１６側（ＯＵＴ側）でガス温度２００℃のガスを得ることができた。

本発明にかかる流体加熱装置は、半導体熱処理炉における流体加熱装置に限定されるものではなく、広く、あらゆる分野において用いられる流体の加熱装置として好適に用いることができる。

図１は、図１はガス導入管の断面図である。図２は、ガス導入管の密閉空間内に被加熱部材が収容された状を示す断面図である。図３は、被加熱部材の概略図である。図４は、前記ガス導入管を含む流体加熱装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ガス導入管
１ａ内筒部
１ｂ外筒部
１ｃ端面部
１ｄ密閉空間
１ｅ流通路
２被加熱部材（カーボンワイヤー）
２ａ毛羽立ち
１０流体加熱装置
１１マグネトロン
１１ａアンテナ部
１１ｂ端子部
１２遮蔽部材
１２ａ遮蔽部部材本体
１２ｂ誘導部
１３接続部
１４接続部
１５ガス供給管
１６ガス供給管

Claims

円筒形状を有する石英ガラス製の内筒部及び外筒部と有し、前記内筒部と外筒部の間の空間が密閉空間とされた石英ガラス製のガス導入管と、
前記密閉空間に収容された被加熱部材と、
前記被加熱部材に対して、マイクロウェーブを照射するマグネトロンと、
前記ガス導入管の外周囲を覆い、前記マグネトロンから照射されたマイクロウェーブの拡散を抑制する遮蔽部材とを備えることを特徴とする流体加熱装置。
前記被加熱部材が、直径２〜１５μｍのカーボン繊維であることを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。