JPS623001A - 外部燃焼酸化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、外部燃焼酸化装置、特に、酸素を予め加熱
して供給する外部燃焼醸化装置に関する〔従来の技術〕 半導体ウェーハの拡散酸化処理力゛法として、水蒸気拡
散酸化が広く採用されている。この水蒸気拡散酸化では
、半導体ウェーハに高品質の拡散酸ｌヒ処理を施すため
、高純度の水蒸気が、反応ガスとして、半導体熱処理装
置に供給される。水素を酸素雰囲気中で燃焼させて水蒸
気が得られ、水素と酸素とを反応させる装置として、外
部燃焼酸化装置が知られている。

外部燃焼酸化装置は、半導体熱処理装置に隣接して配設
され、高純度の酸素で充満された外部燃焼酸化装置内に
高純度の水素を供給し１、水素を燃焼させて水蒸気が得
られる。そして、水蒸気は、外部燃焼酸化装置から、ジ
ヨイントおよび輸送管を介して、半導体熱処理装置の反
応管内に送られる。

しかしながら、水素燃焼の初期段階に、外部燃焼酸化装
置内に結露が発生し、水蒸気を汚染する虞れがある。つ
まり、外部燃焼酸化装置の炉体は、熱膨張係数が小さく
耐熱性に勝れた石英ガラスから形成される。そのため、
水素燃焼の初期段階では、炉体の内壁面と外壁面とに大
きな温度差が生じ、結露が炉体の内壁面に生じやすい、
つまり、水蒸気が外部燃焼酸化装置の炉体の内壁面に付
着して水滴化しやすい、そして、水蒸気は、水滴化され
ると、不純物を非常に溶解しやすくなり、石英ガラスか
ら成る炉体に含まれる不純物が、水滴中に溶解される。

水素燃焼によって熱エネルギーが生じ、炉体内の酸素お
よび炉体が加熱される。そのため、水素燃焼が進むと、
炉体内壁面の水滴は、加熱され、水蒸気に戻る。このよ
うな水蒸気は、上記のように、炉体からの不純物を含有
しており、拡散酸化処理の反応ガスとして適する高純度
の水蒸気は、もはや得られない。

公知の外部燃焼酸化装置は、炉体の周囲に配置した結露
防止用ヒーターを備え、水素燃焼の初期においては、ヒ
ーターに通電して、炉体壁面を加熱している。このよう
な方法では、炉体壁面の内外における温度差がなくなり
、内壁面での結露の発生が防止できる。そのため、水蒸
気の汚染が防止できる。なお、炉体内での燃焼が進み、
炉体等が十分加熱され、炉体内外の温度差がなくなると
、ヒーターへの通電が停止される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、結露は、炉体の内壁面に最も発生しやすいとは
いえ、外部燃焼酸化装置の他の部分にも発生している。

たとえば、酸素および水素は、いずれも、導管内を流れ
てノズル手段から噴出されるが、酸素等は、予め加熱さ
れることなく、常温で供給される。半導体熱処理装置の
スループット向上のために、できるだけ多くの水蒸気が
必要とされ、水素は、外部燃焼酸化装置の炉体内に、可
能な限り大量に供給される。また、＃素は、通常、過剰
ぎみに供給される。ここで、ノズル手段は、炉体の内部
に露出し、酸素等の供給用導管の一部も、炉体の内部に
露出する。ノズル手段および導管も、炉体と同様に、石
英ガラスから形成されるが、内部を流れる常温の酸素等
によって、はぼ常温に維持される傾向にある。しかし、
ノズル手段および導管の、外部燃焼酸化装置の炉体内に
、露出する部分は、水素燃焼の初期においては、内外壁
面に温度墓が生じ、炉体の内部に露出する部分において
、ノズル手段および導管の外壁面に結露が生じる。なお
、炉体内での水素燃焼が進み、炉体内が十分加熱される
と、ノズル手段等に結露が生じることはなく、ノズル手
段等の結露は、水素燃焼の初期においてのみ問題とされ
る。

炉体の周囲に結露防止用ヒーターを配設した公知の構成
は、炉体壁面での結露を防止できるが、炉体内を十分加
熱できず、ノズル手段等の壁面における結露を防止でき
ない。そして、ノズル手段等の結露は、炉体内での水素
燃焼がかなり進み、水素燃焼に伴なう熱エネルギーによ
って、ノズル手段等が加熱された後でないと、防止でき
ない。

そのため、水素燃焼の初期においてノズル手段等に生じ
た結露が、水素燃焼の進行とともに水蒸気を汚染し、十
分に高純度の水蒸気が得られ難い。

この発明は、炉体壁面での結露だけでなく、ノズル手段
等における結露をも防止する。外部燃焼酸化装置の提供
を目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明に係る外部燃焼酸
化装置は、ノズル手段から噴出される以前に、酸素を加
熱する加熱手段を具備して構成されている。

〔作用〕

このような構成では、予め加熱された酸素によって、た
とえば、酸素のノズル手段および導管は、加熱される。

そのため、外部燃焼酸化装置の炉体内部に露出する部分
においても温度差が小さくなり、結露が生じにくい、従
って、水蒸気が汚染されにくく、十分に高純度の水蒸気
が得られる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しながらこの発明の実施例について詳
細に説明する。

第１図および第２図に示すように、この発明に係る外部
燃焼酸化装置ｌＯは、炉体１２と、水素を供給するノズ
ル手段１４と、酸素を供給するノズル手段１６とを備え
ている。ここで、炉体１２、ノズル手段１４．１Ｂは、
いずれも石英ガラスから形成されている。

水素用ノズル手段１４は、炉体１２の開口に取付けられ
たキャップ１８の基盤中央に配設されている。

また、水素用ノズル手段１４は、複数の、実施例では２
個の、ノズル２０．２１を有している。そして、ノズル
２０．２１は、その軸線２２．２３が、炉体１２の軸線
１７上で交差するように、配設されている（第５図参照
）、そして、水素は、キャップ１８の中央に位置する導
管２Ｂを介して供給される。

他方、酸素用ノズル手段１６のノズル２８は、水素用ノ
ズル手段１４のノズル２０．２１の先端付近に酸素を供
給するように、ノズル２０．２１に隣接して配設されて
いる。酸素供給用の導管３０は、導入用導管部３１と、
加熱用導管部３２とから形成され、酸素は、加熱用導管
部３２を流れる際、加熱される。なお、導管２８．３０
は、いずれも、石英ガラスから形成されている。加熱用
導管部３２は、導管部３１に連結された軸線方向の導管
部３３と、ノズル２８に連結された軸線方向の導管部３
４と、これらの導管部３３．３４を連通する導管部３５
とを備え、十分な加熱有効長を炉体内に有して構成され
ている。そして、軸線方向の導管部３３．３４は、多重
筒形、実施例では二重筒形゛に構成され、酸素は、内管
３Ｂと外管３７との空隙３８．３９内を流れる。それぞ
れの内管３６は、空隙に対して封止され、ヒーター４０
が、多重筒の内方筒内に、実施例では内管内に配設され
ているこのような構成において、酸素は、導管部３３．
３４の空隙３Ｂ、３８内を流通する際、ヒーター４０に
よって徐々に加熱される。ここで、導管３０が、十分な
加熱有効長を炉体内に有して構成されているため、酸素
は、十分加熱されてノズル２８から炉体１２内に噴出さ
れる。たとえば、８００Ｗのヒーターを利用すれば、酸
素を８５０℃程度まで加熱される。

そして、加熱用導管部３３．３４およびノズル２８、連
結用導管部３５は、ヒーター４０によって直接にまたは
内部を流れる高温の酸素によって間接に、それぞれ加熱
される。そのため、ノズル２８および酸素供給用導管３
０の壁面の内外での温度差が小さくなり、結露が壁面に
生じにくくなる。なお、連結用導管部３５にもヒーター
を配設し、内部を流れる酸素を加熱してもよい。

ところで、水素燃焼は、酸素を炉体内に充満した後、水
素を炉体内に噴出してなされる。この発明では、上記の
ように、酸素は、導管３０内を流れる際、十分に、たと
えば８５０℃程度まで、加熱されて、ノズル２８から炉
体１２内に供給される。そして、炉体１２、水素のノズ
ル２Ｇ、　２１、および、ヒーター４０が配設されてい
ない水素供給用導管２Ｂは、炉体内に充満された高温の
酸素によって、水素燃焼前に加熱される。そのため、炉
体等の壁面の内外における温度差が少なくなり、壁面で
の結露が生じにくくなる。このように、酸素が流れる導
管３０やノズル２８だけでなく、炉体１０、水素用ノズ
ル２０．２１．および、水素供給用導管２６、酸素用導
管３２が、水素燃焼前において、加熱される。そのため
、外部燃焼酸化装置のあらゆる部分での、結露の発生が
抑制され、不純物の溶解が妨げられる。

従って、水素燃焼時での水蒸気の汚染が防止され、高純
度の水蒸気が得られる。

更に、炉体１２内に充満された高温の空気は、水素燃焼
前に、導管４２から流出し、ジヨイントおよび輸送管を
経て、半導体熱処理装置の反応管内に流入する。そして
、ジヨイント、輸送管、反応管を流れる際、酸素は、ジ
ヨイント等を加熱し、ジヨイント等における結露が、防
止される。

酸素中での水素の着火温度は、約４５０℃である、その
ため、ノズル２０．２１から噴出される水素は、ノズル
２８から噴出される高温の、たとえば８５０℃の、酸素
と反応して瞬時に燃焼する。従って、公知の外部燃焼装
置において、水素用ノズル１段１４に隣接して配設され
ていた着火用ヒーターが、この発明では、省略できる。

実施例では、酸素を加熱しているが、水素を加熱しても
着火用ヒーターが省略できる。

また、実施例では、酸素供給用導管３０が、ト分な加熱
有効長を炉体内に有して構成され、酸素を炉体内部で加
熱している。このような炉体内雇熱方式では、導管３２
の加熱用導管部３３．３４からの放熱を利用して、炉体
内の酸素を更に加熱できる。

しかし、酸素等は、ノズルから噴出される以前に加熱さ
れておれば足りる。従って、炉体内部の供給用導管内で
加熱することなく、炉体１２の外部で予め加熱した酸素
等が炉体内に供給される炉体外加熱方式を採用してもよ
い。

更に、酸素と、ヒータ４０の配設された内管３６との接
触表面積が広い程、酸素を効率良く加熱できることは明
らかである。そのため、酸素供給用導管の加熱用導管部
３２の内管の外部に、フィンを備えることが好ましい、
第３図に示すように、酸素供給用導管　１３０の内管　
１３６は、中実のフィン５０を一体に備えて構成できる
。このように構成すれば、空隙　１３８を流れる酸素は
、フィン５０の存在によって、効果的に加熱される。ま
た、第４図に示すように、中空のフィン２５０を、酸素
用導管２３０の内管２３６の外部に溶着してもよい、そ
して、空隙２３８だけでなく、中空フィン　２５０内に
も酸素を流せば、酸素を一層効果的に加熱できる。

また、実施例では、酸素供給用導管３０は、炉体１２の
軸線方向にのびているが、螺旋形に配設して、炉体内の
加熱有効長さを十分とってもよい。

１−記構成において、ノズル２０．２１から噴出される
水素は、ノズル２８から噴出される高温の酸素ど反応し
て瞬時に燃焼する。そして、生じた２本の炎は、炉体１
２の軸線１７上で衝突し、相互に打消し合って拡散し、
一体化される。そのため、軸線１７方向について考える
と、一体化された炎は、ノズル２０．２１からの炎が、
衝突しないで自由にのびた場合に比較して、当然に、か
な゛り短くなる。従って、炉体、ひいては、外部燃焼酸
化装置１０の軸線方向の長さが減少でき、外部燃焼酸化
装置を小型化できる。また、単一のノズルから水素を噴
出する公知の構成に比較して、複数のノズル２０．２１
から水素が同時に噴出されるため、大量の水素が燃焼処
理される。従って、大量の水蒸気が発生し、半導体熱処
理装置のスルーブー７トが向−ヒする。なお、実施例に
おいて、水素用ノズル手段１４は、２本のノズル２０．
２１を有しているが、ノズルの数が多ければ、水素を一
層多く噴出できることはいうまでもない。

炉体１２の軸線１７上での、炎の衝突点が、ノズル２０
．２１に近すざると、ノズル２０，２１を高温化して損
傷させ、達すぎると、炎の長さを十分短縮できない、そ
のため、第５図に示すように、衝突点を決定するノズル
の軸線２２．２３と軸線１７との挟角、すなわち、ノズ
ル２０．２１の傾斜角は、たとえば。

３０度ないし６０度に、好ましくは４５度程度に、設定
される。ここで、炎の衝突点が軸線１７　、、ｌ−に位
置すれば、炉体１２の側壁の局部加熱が、防止されるた
め、ノズル２０．２１は、通常、同一の傾斜角で配設さ
れる。しかし、局部加熱が生じない範囲で、傾斜角が若
干異なっていてもよい。つまり、炉体Ｉ２に局部加熱を
生じない範囲で、ノズルの軸線２２゜２３が、軸線１７
からズして交差してもよい。

なお、水蒸気は、外部燃焼酸化装置ｉｏから、導管４２
を介して流出し、ジヨイントを経て、半導体熱処理装置
の反応管内に導入される。

水素燃焼が開始されると、ヒーター４０への通電は停止
される。しかし、水素燃焼に伴なう熱エネルギーによっ
て、炉体等は十分に加熱され、炉体等の結露は、当然に
防止される。

また、水素燃焼゛に伴なう熱エネルギーによって、水素
燃焼が進むと、炉体が高温化する虞れがある。そのため
、冷却手段を炉体の周囲に配設して、炉体を適宜冷却す
ることが好ましい。冷却手段として、たとえば、熱交換
媒体が内部を流れる熱交換器を、炉体に接触させること
なく炉体の周囲に設けることが考えられる。このような
熱交換器は、炉体に接触していないため、炉体の壁面内
外に大きな温度差を生じることなく、炉体を冷却できる
。

〔発明の効果〕

上記のように、この発明に係る外部燃焼酸化装置は、ノ
ズル手段から噴出される以前に、酸素を加熱する加熱手
段を具備して構成されている。

このような構成では、予め加熱された酸素によって、酸
素のノズル手段および導管は、加熱される。そのため、
外部燃焼酸化装置の炉体内部に露出する部分においても
温度差が小さくなり、結露が生じにくい、そのため、水
蒸気が汚染されにくく、十分に高純度の水蒸気が得られ
る。また、このような構成では、予め加熱されて供給さ
れる酸素によって、酸素のノズル手段および導管は、加
熱される。そのため、外部燃焼酸化装置の炉体内部に露
出する部分においても温度差が小さくなり、結露が生じ
にくい。

また、高温の酸素が水素燃焼前に炉体内辷充満されるた
め、酸素が流れるノズル手段や導管だけでなく、炉体、
水素用ノズル、および、水素供給用導管も、水素燃焼前
において、加熱される。そのため、外部燃焼酸化装置の
あらゆる部分での、結露の発生が抑制され、不純物の溶
解が妨げられる。

更に、炉体内に充満された高温の酸素は、水素燃焼前に
、炉体から流出し、ジヨイントおよび輸送管を経て、半
導体熱処理装置の反応管内に流入する。そして、ジヨイ
ント、輸送管１反応管を流れる際、酸素は、ジヨイント
等を、水素燃焼前に、加熱し、ジヨイント等における結
露も、防止される。

このように、酸素を予め加熱して流せば、炉体、酸素お
よび水素用のノズル、酸素および水素供給用導管といっ
た全ての部材が、水素燃焼前において、加熱される。そ
のため、外部燃焼酸化装置のあらゆる部分での、結露の
発生が抑制され、不純物の溶解が妨げられる。更に、ジ
ゴイント、輸送管、反応管での結露の発生も抑制される
。従って、水素燃焼時での水蒸気の汚染が防止され、高
純度の水蒸気が得られる。

上述した実施例は、この発明を説明するためのものであ
り、この発明を何等限定するものでなく、この発明の技
術範囲内で変形、改造等の施されたものも全てこの発明
に包含されることはいうまでもない、たとえば、実施例
において、炉体は水平に配設されているが、垂直に配設
してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、この発明に係る外部燃焼酸化装
置の縦断面図および左側面図、第３図および第４図は、
酸素供給用導管の各変形例を示す横断面図、 第５図は、水素用ノズル手段の平面図である。 １０：外部燃焼酸化装置、１２：炉体、１４二水素用ノ
ズル手段、１６：酸素用ノズル手段、１７：炉体の軸線
、２０．２１：水素用ノズル手段のノズル、２２．２３
：ノズルの軸線、２Ｂ＝水素供給用導管、２８：酸素用
ノズル手段のノズル、　３０．１３０　、２３０　　：
酸素供給用導管、　３１ないし３５：酸素供給用導管の
導管部、　３６，１３８　、２３８　：内管、　３７．
１３？　、　２３７　：外管、　３８．３９．１３８　
、２３８　　：酸素流通用空第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体拡散装置で使用される反応ガスとしての酸
   素および水素を半導体拡散装置の外部で予め燃焼処理す
   る外部燃焼酸化装置において、ノズル手段から噴出され
   る以前に、酸素を加熱する加熱手段を具備している外部
   燃焼酸化装置。
2. （２）ノズル手段に連通する導管が多重筒形に形成され
   、加熱手段は、内方筒または筒間の空隙のいずれか一方
   に配設されたヒーターを備え、他方を流通する酸素を、
   ヒーターによって、加熱する特許請求の範囲第１項記載
   の外部燃焼酸化装置。
3. （３）導管が、外部燃焼酸化装置の炉体内において、多
   重筒形に形成され、酸素を炉体内で加熱している特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の外部燃焼酸化装置。
4. （４）導管は、外方筒とフィンを外部に備えた内方筒と
   からなる二重筒形に形成され、加熱手段は、内方筒内に
   配設され、酸素が内方筒と外方筒との隙間を流通してい
   る特許請求の範囲第３項記載の外部燃焼酸化装置。
5. （５）フィンが中空に形成され、酸素が、フィン内をも
   流通している特許請求の範囲第４項記載の外部燃焼酸化
   装置。