JP2004040078A - 超高純度水蒸気を生成するための方法と構造 - Google Patents

Abstract

【課題】実施するのが簡単なプロセス、および、注入器の実用寿命を著しく延ばすこととなる超高純度水蒸気を生成するための構造を提供する。
【解決手段】酸素と水とが、化学量論を僅かに越えている比率で、トーチ１へ送り込まれ、純粋な補給酸素は、それがプロセス室に入ったとき、かなり超過した酸素を水蒸気中に生成するため、燃焼の間に形成される水蒸気と混合される。そのために、密閉されているトーチ１へ水素と酸素とを送り込むための供給管３，４を有するトーチ１と、プロセス室へと繋がる吐き出し管５とを備え、各供給管３，４には、流量制御器７，８が割り当てられており、プロセス室へと繋がる吐き出し管５は、質量流量制御器１０が備えられている、補給酸素用の供給管９を介して、酸素供給部と接続されている。
【選択図】　図１

Description

本発明は、水素および酸素のための別々の供給管と、形成される水蒸気をプロセス室へ吐き出すための吐き出し管とを有する、密閉トーチ内において、水素を酸化することにより、超高純度水蒸気を生成するための方法に関するものである。本発明は、この方法を実施するための構造にも関するものである。
【０００１】
酸化プロセスは、半導体部品を製造するための半導体ウエハーの処理に含まれる広範囲のプロセス工程において実施される。これに関連して、純粋な酸素の代わりに、水蒸気を酸化剤として使用することが好適であると証明された。しかし、酸化を目的として使用される水蒸気は、水を蒸発させて簡単に生成できず、むしろ、極めて高い純度を必要とするため、水素の燃焼（酸化）によって生成されなければならない。この目的のため、酸素と水素とは、超高純度ガスとして提供され、特別なトーチ内で燃焼される必要がある。この種のトーチは、風船型フラスコ（ｂａｌｌｏｏｎ）としても知られている。
【０００２】
この種の風船型フラスコは、一方側に、超高純度ガスのための注入器を有している。超高純度ガスは、供給され同軸経路を介して注入器へ送り込まれる。そして、反対側に、燃焼の間に形成される水蒸気をプロセス室へ吐き出すための吐き出し管を備えている。供給される水素および酸素の量は、補助質量流量制御器によって制御されている。
【０００３】
いかなる悪影響も防止するために、注入器、ならびに、供給および吐き出し管を含む風船型フラスコ全体は、石英ガラスにより形成されており、一体に溶接されている。このことにより、内部全体を、外界に対して確実に密封できる。その結果、外界の大気による悪影響の可能性はない。さらに、注入器には、電気加熱器が備えられている。その結果、注入器と注入器を通るガスとを＞５００℃の温度に予熱できる。
【０００４】
注入器へ送り込まれるガスは、注入器の先端において、相互に混合され、風船型フラスコ内の炎で燃焼される。大抵の注入器は、水素の確実な完全酸化を実現するために、約１：０．６５のＨ_２：Ｏ_２混合率のために開発されている。いくつかの応用例では、反対の混合率、即ち０．６５：１が、よりよい酸化均一性を生じ特に好ましいことが証明されている。このことは、純粋な化学量論の燃焼に必要とされるよりも著しく多い酸素が、注入器に供給されることを意味している。しかし、このことは、炎の温度がかなり上昇することを伴い、注入器の先端が、「焼き尽される」または失透するという結果となる。このことにより、注入器の実用寿命がかなり短縮する。さらに、この現象は、更なる問題を引き起こす粒子を生成することもある。従って、総合的にみれば、全ての燃焼装置が使用できなくなり、修理または注入器の交換による再生の必要がある。
【０００５】
しかし、注入器の交換は、必然的に装置の停止時間に繋がり、従って、生産率を減少させる。注入器の実用寿命を延ばすために、そのデザインの変更が試みられている。しかし、利用できる結果を達成できていない。
【０００６】
同じ構造は、質量流量制御器が適切に制御されている結果、少量の酸素を、（どの燃焼プロセスも使用せずに）予め酸化することを目的として、プロセス室へ供給するためにも使用される。
【０００７】
従って、本発明は、実施するのが簡単なプロセス、および、注入器の実用寿命を著しく延ばすこととなる超高純度水蒸気を生成するための構造を提供する目的を基礎としている。
【０００８】
本発明が基礎としている目的は、冒頭部分に記載したようなプロセスにおいて、化学量論を僅かに超えた率の酸素と水とが、トーチ（ｔｏｒｃｈ）へ送り込まれ、純粋な補給酸素が、それがプロセス室に入ったとき、かなり過剰の酸素を水蒸気中に生成するために、燃焼の間に形成される水蒸気と混合されるという事実により、達成される。
【０００９】
実施するのが特に簡単なこの方法は、注入器の実用寿命を著しく延長し、一方、燃焼後に補給酸素を供給することは、いかなる問題も提示しない。本発明は、補給酸素の量、または、水蒸気中の自由酸素の比率を、注入器または風船型フラスコ（ｂａｌｌｏｏｎ）の実用寿命に全体的に不利に影響することなく、全く自由に選択できる。
【００１０】
風船型フラスコの排気口に起こりうる凝結物質の形成によって、水蒸気が少しでも冷却されるのを避けるために、本発明の第１の開発は、水蒸気に送り込まれる補給酸素を、所定の温度に予熱しておく。補給酸素の予熱は、水素燃焼の熱エネルギーを使用して直接行われてもよい。
【００１１】
この方法の特に有利な構成では、酸素と水素とが、０．６５：１の比率でトーチへ送り込まれ、補給酸素が、トーチでの酸化プロセスの間に形成される水蒸気と混合される。
【００１２】
本発明のほかの構成では、トーチへ送り込まれるガスは、予熱されている。予熱温度は、少なくとも１００℃である。
【００１３】
更に、本発明が基礎とする目的は、密封トーチへ水素および酸素を送り込むための供給管を有するトーチと、プロセス室へと繋がる吐き出し管とを備え、各供給管には、質量流量制御器が割り当てられている構造において、プロセス室へと繋がる吐き出し管が、質量流量制御器が備えられている補給酸素用の供給管を介して、酸素供給部と繋がっているという事実により達成される。
【００１４】
このことにより、生成される水蒸気の酸素含有量を、全く自由に設定できる。水素炎の温度は、補給酸素の供給に全く影響されないので、注入器、ひいては、装置燃焼装置全体の実用寿命をかなり延長できる。これにより、作動経費をかなり節約できる。
【００１５】
補給酸素を十分に予熱できるように、補給酸素用の供給管には、加熱装置が備えられており、この加熱装置は、接続経路への管の接続部のごく近傍に配置されている。
【００１６】
本発明の特別な構成においては、加熱装置は、トーチを少なくとも部分的に取り囲んでいる、補給酸素用の供給管のパイプ部を備えていることとする。その結果、炎の熱エネルギーを使用して補給酸素を予熱できる。
【００１７】
すべての悪影響の可能性を排除するため、燃焼装置の全ての部品、すなわち、全ての管と風船型フラスコとは、石英ガラスで作られている。
【００１８】
本発明を、以下に、実施例を参照してより詳しく説明する。添付の図面は、自由に設定できる補給酸素含有量によって超高純度水蒸気を生成するための本発明に係る装置装置の概要を示す。
【００１９】
この装置は、実質的に、トーチ（風船形フラスコ）１を備えている。その一方側には、このトーチ１に、別々の供給管３、４を介して、水素供給部と酸素供給部とにそれぞれ接続されている注入器２が突出している。風船形フラスコ１の注入器２の反対側には、吐き出し管５があり、この吐き出し管５は、酸化プロセスが行われるプロセス室（図示せず）と接続されている。
【００２０】
注入器２へ送り込まれ、炎６により燃焼される水素と酸素とを正確に計測できるように、各供給管３、４に質量流量制御器７、８がある。通常操作では、０．６５部の酸素と１部の水素とが、注入器へ送り込まれる。その結果、水蒸気を形成するための燃焼が化学量論を僅かに越える率で生じる。補給酸素が、更なる供給管９を介して、吐き出し管５へ導入される結果、所望のかなり超過した酸素の生成が、燃焼後に水蒸気中に生成される。供給管９に割り当てられている質量流量制御器１０は、同じく、補給酸素の量を正確に設定するのに使用される。
【００２１】
炎６の最低温度を確実にするため、加熱装置１１がある。この過熱装置１１は、風船型フラスコ１の外側の両供給線３、４を、注入器のすぐ上流側で取り囲んでいる。
【００２２】
燃焼により生成される水蒸気が不必要に冷却され吐き出し管５に望ましくない凝結を形成することがないように、供給される補給酸素は、加熱装置１２によって、水蒸気とほぼ同じ温度まで予熱されている。使用される加熱装置１２は、標準的な電気加熱器、または、炎６の余熱でもよい。
【００２３】
この構造により、炎６へ送り込まれるガスを、全く自由に設定できる。その結果、注入器２の設定温度で、燃焼を行え、この場合、水蒸気中の補給酸素の量を、注入器の実用寿命に影響を与えることなく、同じく自由に選択できる。常に最良の条件下で燃焼が行われることは、従来技術と比べて実用寿命を大幅に延ばすことに繋がりひいては、維持費および停止時間を大幅に節約することに繋がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自由に設定できる補給酸素含有量によって超高純度水蒸気を生成するための本発明に係る装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
１　　トーチ（風船型フラスコ）
２　　注入器
３　　供給管
４　　供給管
５　　吐き出し管
６　　炎
７　　質量流量制御器
８　　質量流量制御器
９　　供給管
１０　質量流量制御器
１１　加熱装置
１２　加熱装置

Claims (11)

1. 水素および酸素のための別々の供給管と、形成される水蒸気をプロセス室へ吐き出すための吐き出し管とを有する密閉トーチ内で、水素を酸化することにより超高純度水蒸気を生成するための方法であって、
   酸素と水とは、化学量論を少し超えている比率でトーチ（１）へ送り込まれ、純粋な補給酸素は、それがプロセス室に入ったとき、かなり過剰の酸素を水蒸気中に生成するために、燃焼の間に形成される水蒸気と混合されることを特徴とする方法。
2. 水蒸気へ送り込まれた上記補給酸素は、所定の温度に予熱されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 上記補給酸素の予熱は、水素炎の熱エネルギーを利用して直接行われることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 酸素と水素とは、０．６５：１の比率にトーチへ送り込まれ、補給酸素は、トーチにおける酸化プロセスの間に形成される水蒸気と混合されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 上記トーチ（１）へ送り込まれるガスは、予熱されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 予熱温度は、少なくとも１００℃であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 密閉トーチ（１）へ水素と酸素とを送り込むための供給管（３，４）を有するトーチ（１）と、プロセス室へ繋がる吐き出し管（５）とを備え、各供給管（３，４）は、質量流量制御器（７，８）に割り当てられている構造であって、
   プロセス室へと繋がる吐き出し管（５）は、質量流量制御器（１０）が備えられた補給酸素用の供給管（９）を介して、酸素供給部と接続されていることを特徴とする、請求項１から６に記載の方法を実施するための構造。
8. 補給酸素用の上記供給管（９）に、加熱装置（１２）が備えられていることを特徴とする、請求項７に記載の構造。
9. 上記加熱装置（１２）は、吐き出し管（５）への供給管（９）の接続部のごく近傍に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の構造。
10. 上記加熱装置（１２）は、トーチ（１）を少なくとも部分的に取り囲んでいる、補給酸素用供給管（９）のパイプ部を備えていることを特徴とする、請求項９に記載の構造。
11. 全ての管とトーチとは、石英ガラスで作られていることを特徴とする、請求項７ないし１０に記載の構造。

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