水分発生用反応炉
【課題】 白金触媒層を有する反応炉内に水素ガスと酸素ガスとを供給し、触媒反応させることにより、燃焼させることなく、水素ガスと酸素ガスとの着火点より低い触媒反応温度で高純度の水分を発生させる水分発生用反応炉において、母材と白金触媒層との間に設けたバリア層に対し、白金触媒層高い付着力を長期間維持することができる水分発生用反応炉を提供する。
【解決手段】 ガス入口及び水分出口が設けられた反応炉本体と、前記反応炉本体の内壁面の少なくとも一部に成膜されたＹ２Ｏ３バリア層と、該Ｙ２Ｏ３バリア層上の少なくとも一部に成膜された白金触媒層と、を有することとした。前記Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚は、好ましくは、５０ｎｍ〜５μｍである。
【解決手段】 ガス入口及び水分出口が設けられた反応炉本体と、前記反応炉本体の内壁面の少なくとも一部に成膜されたＹ２Ｏ３バリア層と、該Ｙ２Ｏ３バリア層上の少なくとも一部に成膜された白金触媒層と、を有することとした。前記Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚は、好ましくは、５０ｎｍ〜５μｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白金触媒層を有する反応炉内に水素ガスと酸素ガスとを供給し、触媒反応させることにより、燃焼（約２０００℃）させることなく、水素ガスと酸素ガスとの着火点（５００〜５８０℃）より低い触媒反応温度（４００℃以下）で高純度の水分を発生させる水分発生用反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造に於ける水分酸化法を用いたシリコンの酸化膜付けにおいて、超高純度の水分を連続的に供給するために用いられる水分発生用反応炉が知られている（例えば、特許文献１〜５）。
【０００３】
この種の水分発生用反応炉は、例えば、図４に示すように、炉本体部材２２、２３を対向状に組み合せ溶接することにより、反応用の内部空間Ｐを有する反応炉本体が形成されており、この反応炉本体に原料ガス入口２４、水分ガス出口２５、入口側反射体２６、出口側反射体２７等を夫々設けると共に、原料ガス入口２４と対向する側の炉本体部材２３の内壁面に白金触媒層２８ｂを設けることにより形成されている。
【０００４】
反応炉のステンレス製母材と白金触媒層２８ｂとの間にはバリア層２８ａが形成され、該バリア層によって、母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止し、白金触媒層の劣化を防止している。
【０００５】
バリア層２８ａの厚さは０．１μｍ〜５μｍ程度とされ、例えば、ＴｉＮからなるバリア層２８ａがイオンプレーティング法により形成されている。更に、白金触媒層２８ｂの厚さは１ｎｍ〜０．５ｍｍとされ、例えば、真空蒸着法により形成されている。尚、バリア層２８ａの形成方法としては、前記イオンプレーティング法以外に、イオンスパッタリング法や真空蒸着法等のＰＶＤ法や化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ホットプレス法、溶射法等を用いられる。また、白金触媒層２８ｂの形成方法は、前記真空蒸着法以外に、イオンプレーティング法やイオンスパッタリング法、化学蒸着法、ホットプレス法等が用いられ、更に、バリア層２８ａがＴｉＮ等の導電性のある物質の時にはメッキ法も用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第９７／２８０８５号パンプレット
【特許文献２】特開２０００−１６９１０８号公報
【特許文献３】特開２０００−１６９１０９号公報
【特許文献４】特開２０００−１６９１１０号公報
【特許文献５】特開２００２−２７４８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のＴｉＮ等からなるバリア層は、長期間使用すると白金触媒層のバリア層への付着力（剥離強度）が低下するという問題があった。
【０００８】
このような付着力の経時低下は、触媒反応による活性化された酸素（Ｏ２ラジカル）が白金触媒層を通過してバリア層の白金触媒層との界面付近を徐々に酸化することにより、バリア層と白金触媒層との付着力を低下させるためと考えられる。
【０００９】
このような付着力の低下は通常の使用状態において白金触媒を剥離させる程ではないが、例えば、メンテナンス時の意図しない落下等による水分発生用反応炉への予期しない衝撃等により、白金触媒層が部分的に剥離する恐れがある。
【００１０】
白金触媒層が剥離すると、剥離した白金がコンタミネーションとなって、製造される半導体の品質に重大な悪影響を及ぼすことになる。
【００１１】
また、白金触媒層が剥離すると、剥離した白金は熱容量が小さく、水素ガスと酸素ガスの触媒反応によって生じる反応熱によって温度が上昇し着火源となるため、爆発や燃焼による製造装置の損傷や安全性の問題も生じる。
【００１２】
そこで、本発明は、白金触媒層のバリア層に対する高い付着力を長期間維持することができる水分発生用反応炉を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は鋭意研究の結果、バリア層をＹ２Ｏ３によって形成することにより、白金触媒層がバリア層との間に高い付着力を長期間維持できることを見出した。
【００１４】
従って、上記目的を達成するため、本発明は、ガス入口及び水分出口が設けられた反応炉本体と、前記反応炉本体の内壁面の少なくとも一部に形成されたＹ２Ｏ３バリア層と、該Ｙ２Ｏ３バリア層上の少なくとも一部に形成された白金触媒層と、を有する水分発生用反応炉を提供する。
【００１５】
前記Ｙ２Ｏ３層の膜厚は、５０ｎｍ〜５μｍであることが好ましく、１００〜３００ｎｍであることがより好ましい。
【００１６】
また、前記反応炉本体は、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることが好ましい。
【００１７】
また、水分発生用反応炉は、少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることが好ましい。
【００１８】
また、前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質によって形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、反応炉本体部材や反射体のような反応炉内のガスに接する面を有する部材を、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質を使用するようにすることが好ましい。
【００２０】
前記触媒活性を有しない材料は、鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金、又は銅合金であることが好ましい。
【００２１】
また、前記反応炉本体の、内部空間内の前記白金触媒層を設けた部分以外の部位が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることが好ましい。
【００２２】
さらに、水分発生用反応炉は、少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料からなるバリア層によって被覆されていることが好ましい。
【００２３】
さらにまた、前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることが好ましい。
【００２４】
前記触媒活性を有しない材料からなるバリア層が、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮ、及び、Ｙ２Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも1種の材料により形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、反応炉本体の内壁面にＹ２Ｏ３バリア層を成膜し、このＹ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層を成膜することにより、白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層への付着力の経時低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１、２について白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層への付着力を試験した結果を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例３、４について白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層への付着力を試験した結果を示すグラフである。
【図３】比較例について白金触媒層のＴｉＮバリア層への付着力を試験した結果を示すグラフである。
【図４】従来の水分発生用反応炉の一形態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る水分発生用反応炉の実施形態について、以下に図１〜４を参照して説明する。なお、バリア層２８ａをＹ２Ｏ３にした点を除き、水分発生用反応炉の構造は従来と同様であるので、図４を参照する。
【００２８】
水分発生用反応炉は、出口側の炉本体部材２３の内壁面に、Ｙ２Ｏ３バリア層が成膜され、該Ｙ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層２８ｂが成膜されている。このＹ２Ｏ３バリア層は、炉本体部材２３の母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止するバリア層である。入口側の炉本体部材２２の内壁面にも、出口側の炉本体部材２３と同様に、Ｙ２Ｏ３バリア層を成膜し、該Ｙ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層を形成することもできるが、原料ガス入口２４の入口近傍で水分発生反応が活発に行なわれると入口側接続用金具等の温度が上昇し過ぎるおそれがあるため、入口側の炉本体部材２２の原料ガス入口２４の中心から少なくとも半径１０ｍｍ位の範囲、望ましくは半径１５〜２５ｍ位の範囲には白金触媒層を形成しないことが望ましい。
【００２９】
反応炉本体の母材には、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼、ニッケル合金鋼、ニッケル鋼が用いられ得る。反応炉本体がステンレス鋼、ニッケル合金鋼、ニッケル鋼のようにＯ２やＨ２に対して触媒活性作用を及ぼし得る材料により形成されている場合は特に、炉内の白金触媒層が形成されていない部分は、酸素及び水素に対する触媒活性を有しない非触媒性のバリア層を、母材による触媒活性を妨げるためのバリア層として成膜しておくことが望ましい。そのようなバリア層の材料としては、ＴｉＮ、ＴｉＣ 、ＴｉＣＮ 、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮを挙げることができるが、Ｙ２Ｏ３としてもよい。なお、これらの材料を２種以上用いても良い。
【００３０】
このことは、反応炉本体内に反射体２６，２７が設けられている場合には、当該反射体２６，２７についても同様である。すなわち、反射体２６，２７の母材が、Ｏ２やＨ２に対して触媒活性作用を及ぼし得る材料である場合には、酸素及び水素に対する触媒活性を有しない非触媒性のバリア層を成膜することが望ましい。
【００３１】
なお、母材による触媒活性を妨げるためのバリア層としてＹ２Ｏ３を用いる場合、このバリア層を、上記した母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止するバリア層と共通化することができる。すなわち、炉本体部材２３，２４の内面全面にＹ２Ｏ３のバリア層を成膜した後、該バリア層上の所望部分のみに白金触媒層２８ｂを成膜すれば良い。
【００３２】
反射体２６，２７は、反応炉内に対向して配置され得る。反射体２６，２７は、図示例ではディスク状に形成されているが、反応炉の内部空間Ｐ内へ流入した混合ガスとの衝突により混合ガスを拡散させる効率を高めることができるものであれば、その形態は限定されない。入口側の反射体２６は、入口側の炉本体部材２２と一定の間隙を介して原料ガス入口２４を遮るように、スペーサー３１を介して固定ネジ３０により炉本体部材２２に固定されている。出口側の反射体２６もまた、出口側の炉本体部材２２と一定の間隙を介して原料ガス入口２４を遮るように、スペーサー３１を介して固定ネジ３０により炉本体部材２３に固定されている。反射体は、螺子止めに限らず、溶接等の他の固定手段により固定することもできる。なお、図示例では一対の反射体を備える例を示したが、反射体は一つでもよく、その場合、好ましくは出口側の反射体２７のみが設けられ得る。
【００３３】
原料ガス入口２４を通して反射体２６へ向けて噴射された混合ガスＧは、反射体２６へ衝突したあと内部空間Ｐ内で拡散され、拡散された混合ガスＧは、白金触媒層２８ｂの全面に亘って略均等に衝突接触することにより所謂触媒活性化されＨ２とＯ２とが反応することにより水分ガスが生成される。また、内部空間Ｐ内に形成された水分ガスは、出口側の反射体２７と出口側の炉体本体部材２３との隙間Ｌを通して水分ガス出口２５へ導出されて行く。
【００３４】
反応炉の炉本体部材２２，２３の母材及び反射体２６、２７の母材として、ステンレス鋼、ニッケル合金鋼、ニッケル鋼のようにＯ２ガスやＨ２ガスに対して触媒活性作用を及ぼし得る材料に代えて、Ｏ２ガスやＨ２ガスに対して触媒活性作用を及ぼさない材料、例えば、鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金、銅合金を用いても良い。
【００３５】
反応炉の炉本体部材２２，２３の母材を上記のような触媒活性を有しない材料によって形成した場合には、内部空間内のＹ２Ｏ３バリア層２８ａを設けた部分以外の部分では、これ等の非触媒性材の外表面に、内部ガスや内部金属組成材の外部への放出を防止するための適宜の表面処理を施すことが望ましい。前記表面処理としては、非触媒性で且つ耐食性、耐還元性及び耐酸化性に優れたバリア層を成膜することができる。そのようなバリア層としては、ＴｉＮ、ＴｉＣ 、ＴｉＣＮ 、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮを用いることができるが、Ｙ２Ｏ３を用いても良いし。これらの材料を２種以上用いても良い。なお、この場合も、前記表面処理としてＹ２Ｏ３のバリア層を用いる場合は、このバリア層を、上記した母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止するバリア層と共通化することができる。反射体２６，２７についても、上記と同様の記表面処理を施すことが好ましい。
【００３６】
Ｙ２Ｏ３バリア層は、ゾル−ゲル法によって好適に形成することができ、例えば、ステンレス鋼等で形成された炉本体の母材上に、イットリウムアルコキシドの有機溶剤溶液をスピンコーティング、ディップコーティング、又はスプレーコーティング等によって塗布し、塗膜を乾燥させた後、酸素雰囲気中で５００〜６００℃×１〜５時間焼成することによって成膜することができる。なお、ＴｉＮ、ＴｉＣ 、ＴｉＣＮ 、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、或いはＣｒＮのバリア層は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、真空蒸着法等のＰＶＤ法や化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ホットプレス法、溶射法等を用いて、厚さ０．１〜５μｍに形成することができる。
【００３７】
Ｙ２Ｏ３バリア層を上記ゾル−ゲル法のような湿式法により成膜する場合、１回の塗布及び焼成で膜厚５０ｎｍ程度の皮膜を得ることができるので、必要に応じて所望膜厚（例えば、１００ｎｍ、３００ｎｍ）になるまで塗布及び焼成を複数回繰り返す。
【００３８】
ステンレス母材中の不純物が白金触媒層に拡散するのを防ぐバリア性能を高めるためにはバリア層の膜厚がより厚い方が好ましいとも考えられるが、Ｙ２Ｏ３バリア層の原料の粒子径や成膜工程を精密に制御することでピンホール等の欠陥の無い緻密な膜を成膜することにより従来のＴｉＮバリア層より薄い膜厚で同等のバリア性能を得ることが可能であり、コーティング回数及び焼成回数の増加によるコストアップを考慮すれば、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚を３００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
一方、イットリウムは高価な材料であるためＹ２Ｏ３バリア層の膜厚をより薄くしてコスト低減を図ることが好ましいが、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚が薄過ぎるとバリア性能を低下させる恐れがあるし、その膜厚の制御も困難になるため、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚は、通常は１００ｎｍ以上としているが、５０ｎｍ以上あれば十分に機能を発揮することが出来る。
【００４０】
なお、Ｙ２Ｏ３バリア層は、製造設備のコスト削減の観点からゾル−ゲル法によって成膜することが好ましいが、それに限らず、溶射法、ＰＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等によって成膜することもできる。溶射法等の乾式法によれば、前記湿式法の如く同じ工程を繰り返さなくてもＹ２Ｏ３バリア層の膜厚を厚くすることができるが、乾式法の場合であっても、材料コストを考慮すればＹ２Ｏ３バリア層の膜厚を５μｍ以下とすることが好ましい。
【００４１】
Ｙ２Ｏ３バリア層の上に、白金触媒層が成膜される。白金触媒層は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、化学蒸着法、ホットプレス法等によって成膜することができる。
【００４２】
白金触媒層の膜厚は、０．１μｍ〜３μｍ（１００ｎｍ〜３０００ｎｍ）とすることが好ましい。すなわち、薄過ぎると触媒としての機能及び前記保護膜としての機能を十分に果たせなくなるため、０．１μｍ（１００ｎｍ）以上とすることが好ましい。一方、白金触媒層は、触媒としての機能、及び、後述するようにバリア層の保護膜としても機能を考慮すれば、膜厚を厚くする方が好ましいが、厚すぎるとコスト高となるため、３μｍ（３０００ｎｍ）以下とすることが好ましく、０．５μｍ（５００ｎｍ）以下とすることがより好ましい。
【００４３】
実施例
白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層に対する付着力について、以下の手順にて試験した。
【００４４】
［実施例１］
まず、ＳＵＳ３１６Ｌ製の円形基板（直径３５ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を用意した。 株式会社高純度化学研究所製Ｙ２Ｏ３コート材料（ＹＹＫ０１ＬＢＹ−０３：褐色液体）を、スプレーノズルよって基板上に吹き付けて塗布し、乾燥させた後、Ｏ２／Ｎ２比２０％の酸化雰囲気中で５００℃×１時間の加熱処理（焼成）を施した。一度の塗布及び加熱処理により、約５０ｎｍの膜厚のＹ２Ｏ３膜が成膜され、塗布及び加熱処理を２回繰り返すことにより、約１００ｎｍの膜厚のＹ２Ｏ３バリア層を形成した。
【００４５】
次いで、イオンプレーティング装置（神港精機株式会社製ＡＡＩＦ―Ｔ１２１００ＳＢ型）を用いて、Ｙ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層を以下のようにして成膜した。
【００４６】
すなわち、アルゴンイオンのボンバード（Ａｒボンバード）によりＹ２Ｏ３バリア層表面の酸化膜等を除去した後、イオンプレーティング処理により白金触媒層を成膜した。Ａｒボンバードは、Ａｒ流量２６０ｓｃｃｍ、基板バイアス−１５００Ｖ、処理時間１０分とした。成膜工程では、基板バイアス−５００Ｖ、イオン化電極５０Ｖ、成膜速度０．０２５μｍ／分、ＥＢ電圧９ｋＶとし、膜厚が０．２３μｍ（２３０ｎｍ）の白金触媒層を形成した。
【００４７】
上記のようにして成膜した実施例について、付着力試験を行った。試験装置は、アドヒージョンテスター（塗膜付着力試験機、コーテック株式会社製Ｔｙｐｅ ０６１０型）を用いた。
【００４８】
試験装置に付属のドリーを、所定のエポキシ樹脂系接着剤を用いて、白金触媒層に接着させた。ドリーを接着した試料を、５００℃の空気雰囲気で４００時間加熱して環境加速を行いつつ、５０時間毎にアドヒージョンテスターによる剥離強度測定を行った。
【００４９】
［実施例２］
実施例１と同様にして、膜厚０．３μｍ（３００ｎｍ）のＹ２Ｏ３バリア層を基板上に成膜し、該Ｙ２Ｏ３バリア層の上に膜厚０．２３μｍ（２３０ｎｍ）の白金触媒層を成膜し、実施例１と同条件でアドヒージョンテスターによる付着力試験を行った。
【００５０】
［実施例３］
白金触媒層の膜厚を０．２８μｍ（２８０ｎｍ）とした以外は実施例１と同様の試料を作成した。
【００５１】
試験装置に付属のドリーを、所定のエポキシ樹脂系接着剤を用いて、白金触媒層に接着させた。ドリーを接着した試料を、５００℃の空気雰囲気で１０００時間加熱して環境加速を行いつつ、５０時間毎にアドヒージョンテスターによる剥離強度測定を行った。
【００５２】
［実施例４］
実施例３と同じ試料を用いた。試験装置に付属のドリーを、所定のエポキシ樹脂系接着剤を用いて、白金触媒層に接着させた。ドリーを接着した試料を、５５０℃の空気雰囲気で１０００時間加熱して環境加速を行いつつ、５０時間毎にアドヒージョンテスターによる剥離強度測定を行った。
【００５３】
比較例
Ｙ２Ｏ３膜に代えてＴｉＮ膜をバリア層とし、ＴｉＮバリア層上に白金触媒層を形成した。ＴｉＮバリア層は、カソードアーク方式イオンプレーティング装置を用いて成膜し、膜厚を３μｍとした。成膜したＴｉＮバリア層の上に、イオンプレーティング装置（神港精機株式会社製ＡＡＩＦ―Ｔ１２１００ＳＢ型）により、０．３μｍ（３００ｎｍ）の白金触媒層を成膜した。実施例１〜３と同様に、５００℃の空気雰囲気で加熱して環境加速を行いつつ、前記アドヒージョンテスターによる剥離強度試験を行った。
【００５４】
上記実施例及び比較例の試験結果のグラフを図１〜図３に示す。図１は、実施例１，２の試験結果を表わし、図２は実施例３，４の試験結果を表わし、図３は比較例の試験結果を表わしている。
【００５５】
図１〜図３のグラフを参照すれば、比較例では２００時間経過後に付着力が極端に低下しているが、実施例１，２については４００時間経過時でも付着力が殆ど低下しておらず、実施例３，４については１０００時間経過時でも付着力が殆ど低下していないことが分かる。
【００５６】
実施例１と実施例２とを比較すれば、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚が変わっても、付着力への影響が見られなかった。しかしながら、実施例１と実施例３とを比較すれば、実施例１より白金触媒層の膜厚が厚い実施例３の方が高い付着力を維持していることから、白金触媒層の膜厚が厚い方が高い付着力を維持することが分かる。これは、白金触媒層が厚い方が、Ｙ２Ｏ３バリア層の白金触媒層との界面付近が酸化されにくいためと考えられる。すなわち、白金触媒層は、Ｙ２Ｏ３バリア層を酸化から保護する保護膜としても機能すると考えられる。ただし、白金触媒層とＹ２Ｏ３バリア層との付着力は、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上あれば実用上の問題を生じることはない。実施例１〜４の試験結果によればＹ２Ｏ３バリア層の白金触媒層との付着力の経時低下が殆ど見られないから、付着力の観点からは、実施例１のようにＹ２Ｏ３バリア層の膜厚が０．１μｍ（１００ｎｍ）もあれば実用上の問題は生じない。
【００５７】
また、実施例と比較例とを対比すれば、Ｙ２Ｏ３バリア層は、ＴｉＮバリア層（３μｍ）の１０分の１以下の膜厚（０．３μｍ、０．１μｍ）であっても、ＴｉＮバリア層よりも高い付着力を維持することが分かった。これは、Ｙ２Ｏ３バリア層が、ＴｉＮバリア層よりも標準生成ギブスエネルギーが大きく安定した物質であり耐酸化性に優れているためと考えられる。したがって、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚を制御することにより、チタンに比べて高価なイットリウムを使用しても、ＴｉＮバリア層と同等又はそれ以下のコストで、より優れた付着性能を有するＹ２Ｏ３バリア層を形成することができる。
【符号の説明】
【００５８】
２２、２３ 炉本体部材
２４ 原料ガス入口
２５ 水分ガス出口
２６ 入口側反射体
２７ 出口側反射体
２８ａ バリア層
２８ｂ 白金触媒層
３０ 固定ネジ
３１ スペーサー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白金触媒層を有する反応炉内に水素ガスと酸素ガスとを供給し、触媒反応させることにより、燃焼（約２０００℃）させることなく、水素ガスと酸素ガスとの着火点（５００〜５８０℃）より低い触媒反応温度（４００℃以下）で高純度の水分を発生させる水分発生用反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造に於ける水分酸化法を用いたシリコンの酸化膜付けにおいて、超高純度の水分を連続的に供給するために用いられる水分発生用反応炉が知られている（例えば、特許文献１〜５）。
【０００３】
この種の水分発生用反応炉は、例えば、図４に示すように、炉本体部材２２、２３を対向状に組み合せ溶接することにより、反応用の内部空間Ｐを有する反応炉本体が形成されており、この反応炉本体に原料ガス入口２４、水分ガス出口２５、入口側反射体２６、出口側反射体２７等を夫々設けると共に、原料ガス入口２４と対向する側の炉本体部材２３の内壁面に白金触媒層２８ｂを設けることにより形成されている。
【０００４】
反応炉のステンレス製母材と白金触媒層２８ｂとの間にはバリア層２８ａが形成され、該バリア層によって、母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止し、白金触媒層の劣化を防止している。
【０００５】
バリア層２８ａの厚さは０．１μｍ〜５μｍ程度とされ、例えば、ＴｉＮからなるバリア層２８ａがイオンプレーティング法により形成されている。更に、白金触媒層２８ｂの厚さは１ｎｍ〜０．５ｍｍとされ、例えば、真空蒸着法により形成されている。尚、バリア層２８ａの形成方法としては、前記イオンプレーティング法以外に、イオンスパッタリング法や真空蒸着法等のＰＶＤ法や化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ホットプレス法、溶射法等を用いられる。また、白金触媒層２８ｂの形成方法は、前記真空蒸着法以外に、イオンプレーティング法やイオンスパッタリング法、化学蒸着法、ホットプレス法等が用いられ、更に、バリア層２８ａがＴｉＮ等の導電性のある物質の時にはメッキ法も用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第９７／２８０８５号パンプレット
【特許文献２】特開２０００−１６９１０８号公報
【特許文献３】特開２０００−１６９１０９号公報
【特許文献４】特開２０００−１６９１１０号公報
【特許文献５】特開２００２−２７４８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のＴｉＮ等からなるバリア層は、長期間使用すると白金触媒層のバリア層への付着力（剥離強度）が低下するという問題があった。
【０００８】
このような付着力の経時低下は、触媒反応による活性化された酸素（Ｏ２ラジカル）が白金触媒層を通過してバリア層の白金触媒層との界面付近を徐々に酸化することにより、バリア層と白金触媒層との付着力を低下させるためと考えられる。
【０００９】
このような付着力の低下は通常の使用状態において白金触媒を剥離させる程ではないが、例えば、メンテナンス時の意図しない落下等による水分発生用反応炉への予期しない衝撃等により、白金触媒層が部分的に剥離する恐れがある。
【００１０】
白金触媒層が剥離すると、剥離した白金がコンタミネーションとなって、製造される半導体の品質に重大な悪影響を及ぼすことになる。
【００１１】
また、白金触媒層が剥離すると、剥離した白金は熱容量が小さく、水素ガスと酸素ガスの触媒反応によって生じる反応熱によって温度が上昇し着火源となるため、爆発や燃焼による製造装置の損傷や安全性の問題も生じる。
【００１２】
そこで、本発明は、白金触媒層のバリア層に対する高い付着力を長期間維持することができる水分発生用反応炉を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は鋭意研究の結果、バリア層をＹ２Ｏ３によって形成することにより、白金触媒層がバリア層との間に高い付着力を長期間維持できることを見出した。
【００１４】
従って、上記目的を達成するため、本発明は、ガス入口及び水分出口が設けられた反応炉本体と、前記反応炉本体の内壁面の少なくとも一部に形成されたＹ２Ｏ３バリア層と、該Ｙ２Ｏ３バリア層上の少なくとも一部に形成された白金触媒層と、を有する水分発生用反応炉を提供する。
【００１５】
前記Ｙ２Ｏ３層の膜厚は、５０ｎｍ〜５μｍであることが好ましく、１００〜３００ｎｍであることがより好ましい。
【００１６】
また、前記反応炉本体は、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることが好ましい。
【００１７】
また、水分発生用反応炉は、少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることが好ましい。
【００１８】
また、前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質によって形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、反応炉本体部材や反射体のような反応炉内のガスに接する面を有する部材を、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質を使用するようにすることが好ましい。
【００２０】
前記触媒活性を有しない材料は、鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金、又は銅合金であることが好ましい。
【００２１】
また、前記反応炉本体の、内部空間内の前記白金触媒層を設けた部分以外の部位が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることが好ましい。
【００２２】
さらに、水分発生用反応炉は、少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料からなるバリア層によって被覆されていることが好ましい。
【００２３】
さらにまた、前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることが好ましい。
【００２４】
前記触媒活性を有しない材料からなるバリア層が、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮ、及び、Ｙ２Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも1種の材料により形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、反応炉本体の内壁面にＹ２Ｏ３バリア層を成膜し、このＹ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層を成膜することにより、白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層への付着力の経時低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１、２について白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層への付着力を試験した結果を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例３、４について白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層への付着力を試験した結果を示すグラフである。
【図３】比較例について白金触媒層のＴｉＮバリア層への付着力を試験した結果を示すグラフである。
【図４】従来の水分発生用反応炉の一形態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る水分発生用反応炉の実施形態について、以下に図１〜４を参照して説明する。なお、バリア層２８ａをＹ２Ｏ３にした点を除き、水分発生用反応炉の構造は従来と同様であるので、図４を参照する。
【００２８】
水分発生用反応炉は、出口側の炉本体部材２３の内壁面に、Ｙ２Ｏ３バリア層が成膜され、該Ｙ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層２８ｂが成膜されている。このＹ２Ｏ３バリア層は、炉本体部材２３の母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止するバリア層である。入口側の炉本体部材２２の内壁面にも、出口側の炉本体部材２３と同様に、Ｙ２Ｏ３バリア層を成膜し、該Ｙ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層を形成することもできるが、原料ガス入口２４の入口近傍で水分発生反応が活発に行なわれると入口側接続用金具等の温度が上昇し過ぎるおそれがあるため、入口側の炉本体部材２２の原料ガス入口２４の中心から少なくとも半径１０ｍｍ位の範囲、望ましくは半径１５〜２５ｍ位の範囲には白金触媒層を形成しないことが望ましい。
【００２９】
反応炉本体の母材には、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼、ニッケル合金鋼、ニッケル鋼が用いられ得る。反応炉本体がステンレス鋼、ニッケル合金鋼、ニッケル鋼のようにＯ２やＨ２に対して触媒活性作用を及ぼし得る材料により形成されている場合は特に、炉内の白金触媒層が形成されていない部分は、酸素及び水素に対する触媒活性を有しない非触媒性のバリア層を、母材による触媒活性を妨げるためのバリア層として成膜しておくことが望ましい。そのようなバリア層の材料としては、ＴｉＮ、ＴｉＣ 、ＴｉＣＮ 、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮを挙げることができるが、Ｙ２Ｏ３としてもよい。なお、これらの材料を２種以上用いても良い。
【００３０】
このことは、反応炉本体内に反射体２６，２７が設けられている場合には、当該反射体２６，２７についても同様である。すなわち、反射体２６，２７の母材が、Ｏ２やＨ２に対して触媒活性作用を及ぼし得る材料である場合には、酸素及び水素に対する触媒活性を有しない非触媒性のバリア層を成膜することが望ましい。
【００３１】
なお、母材による触媒活性を妨げるためのバリア層としてＹ２Ｏ３を用いる場合、このバリア層を、上記した母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止するバリア層と共通化することができる。すなわち、炉本体部材２３，２４の内面全面にＹ２Ｏ３のバリア層を成膜した後、該バリア層上の所望部分のみに白金触媒層２８ｂを成膜すれば良い。
【００３２】
反射体２６，２７は、反応炉内に対向して配置され得る。反射体２６，２７は、図示例ではディスク状に形成されているが、反応炉の内部空間Ｐ内へ流入した混合ガスとの衝突により混合ガスを拡散させる効率を高めることができるものであれば、その形態は限定されない。入口側の反射体２６は、入口側の炉本体部材２２と一定の間隙を介して原料ガス入口２４を遮るように、スペーサー３１を介して固定ネジ３０により炉本体部材２２に固定されている。出口側の反射体２６もまた、出口側の炉本体部材２２と一定の間隙を介して原料ガス入口２４を遮るように、スペーサー３１を介して固定ネジ３０により炉本体部材２３に固定されている。反射体は、螺子止めに限らず、溶接等の他の固定手段により固定することもできる。なお、図示例では一対の反射体を備える例を示したが、反射体は一つでもよく、その場合、好ましくは出口側の反射体２７のみが設けられ得る。
【００３３】
原料ガス入口２４を通して反射体２６へ向けて噴射された混合ガスＧは、反射体２６へ衝突したあと内部空間Ｐ内で拡散され、拡散された混合ガスＧは、白金触媒層２８ｂの全面に亘って略均等に衝突接触することにより所謂触媒活性化されＨ２とＯ２とが反応することにより水分ガスが生成される。また、内部空間Ｐ内に形成された水分ガスは、出口側の反射体２７と出口側の炉体本体部材２３との隙間Ｌを通して水分ガス出口２５へ導出されて行く。
【００３４】
反応炉の炉本体部材２２，２３の母材及び反射体２６、２７の母材として、ステンレス鋼、ニッケル合金鋼、ニッケル鋼のようにＯ２ガスやＨ２ガスに対して触媒活性作用を及ぼし得る材料に代えて、Ｏ２ガスやＨ２ガスに対して触媒活性作用を及ぼさない材料、例えば、鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金、銅合金を用いても良い。
【００３５】
反応炉の炉本体部材２２，２３の母材を上記のような触媒活性を有しない材料によって形成した場合には、内部空間内のＹ２Ｏ３バリア層２８ａを設けた部分以外の部分では、これ等の非触媒性材の外表面に、内部ガスや内部金属組成材の外部への放出を防止するための適宜の表面処理を施すことが望ましい。前記表面処理としては、非触媒性で且つ耐食性、耐還元性及び耐酸化性に優れたバリア層を成膜することができる。そのようなバリア層としては、ＴｉＮ、ＴｉＣ 、ＴｉＣＮ 、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮを用いることができるが、Ｙ２Ｏ３を用いても良いし。これらの材料を２種以上用いても良い。なお、この場合も、前記表面処理としてＹ２Ｏ３のバリア層を用いる場合は、このバリア層を、上記した母材中の不純物が白金触媒層２８ｂ内に拡散することを阻止するバリア層と共通化することができる。反射体２６，２７についても、上記と同様の記表面処理を施すことが好ましい。
【００３６】
Ｙ２Ｏ３バリア層は、ゾル−ゲル法によって好適に形成することができ、例えば、ステンレス鋼等で形成された炉本体の母材上に、イットリウムアルコキシドの有機溶剤溶液をスピンコーティング、ディップコーティング、又はスプレーコーティング等によって塗布し、塗膜を乾燥させた後、酸素雰囲気中で５００〜６００℃×１〜５時間焼成することによって成膜することができる。なお、ＴｉＮ、ＴｉＣ 、ＴｉＣＮ 、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、或いはＣｒＮのバリア層は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、真空蒸着法等のＰＶＤ法や化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ホットプレス法、溶射法等を用いて、厚さ０．１〜５μｍに形成することができる。
【００３７】
Ｙ２Ｏ３バリア層を上記ゾル−ゲル法のような湿式法により成膜する場合、１回の塗布及び焼成で膜厚５０ｎｍ程度の皮膜を得ることができるので、必要に応じて所望膜厚（例えば、１００ｎｍ、３００ｎｍ）になるまで塗布及び焼成を複数回繰り返す。
【００３８】
ステンレス母材中の不純物が白金触媒層に拡散するのを防ぐバリア性能を高めるためにはバリア層の膜厚がより厚い方が好ましいとも考えられるが、Ｙ２Ｏ３バリア層の原料の粒子径や成膜工程を精密に制御することでピンホール等の欠陥の無い緻密な膜を成膜することにより従来のＴｉＮバリア層より薄い膜厚で同等のバリア性能を得ることが可能であり、コーティング回数及び焼成回数の増加によるコストアップを考慮すれば、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚を３００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
一方、イットリウムは高価な材料であるためＹ２Ｏ３バリア層の膜厚をより薄くしてコスト低減を図ることが好ましいが、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚が薄過ぎるとバリア性能を低下させる恐れがあるし、その膜厚の制御も困難になるため、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚は、通常は１００ｎｍ以上としているが、５０ｎｍ以上あれば十分に機能を発揮することが出来る。
【００４０】
なお、Ｙ２Ｏ３バリア層は、製造設備のコスト削減の観点からゾル−ゲル法によって成膜することが好ましいが、それに限らず、溶射法、ＰＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等によって成膜することもできる。溶射法等の乾式法によれば、前記湿式法の如く同じ工程を繰り返さなくてもＹ２Ｏ３バリア層の膜厚を厚くすることができるが、乾式法の場合であっても、材料コストを考慮すればＹ２Ｏ３バリア層の膜厚を５μｍ以下とすることが好ましい。
【００４１】
Ｙ２Ｏ３バリア層の上に、白金触媒層が成膜される。白金触媒層は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、化学蒸着法、ホットプレス法等によって成膜することができる。
【００４２】
白金触媒層の膜厚は、０．１μｍ〜３μｍ（１００ｎｍ〜３０００ｎｍ）とすることが好ましい。すなわち、薄過ぎると触媒としての機能及び前記保護膜としての機能を十分に果たせなくなるため、０．１μｍ（１００ｎｍ）以上とすることが好ましい。一方、白金触媒層は、触媒としての機能、及び、後述するようにバリア層の保護膜としても機能を考慮すれば、膜厚を厚くする方が好ましいが、厚すぎるとコスト高となるため、３μｍ（３０００ｎｍ）以下とすることが好ましく、０．５μｍ（５００ｎｍ）以下とすることがより好ましい。
【００４３】
実施例
白金触媒層のＹ２Ｏ３バリア層に対する付着力について、以下の手順にて試験した。
【００４４】
［実施例１］
まず、ＳＵＳ３１６Ｌ製の円形基板（直径３５ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を用意した。 株式会社高純度化学研究所製Ｙ２Ｏ３コート材料（ＹＹＫ０１ＬＢＹ−０３：褐色液体）を、スプレーノズルよって基板上に吹き付けて塗布し、乾燥させた後、Ｏ２／Ｎ２比２０％の酸化雰囲気中で５００℃×１時間の加熱処理（焼成）を施した。一度の塗布及び加熱処理により、約５０ｎｍの膜厚のＹ２Ｏ３膜が成膜され、塗布及び加熱処理を２回繰り返すことにより、約１００ｎｍの膜厚のＹ２Ｏ３バリア層を形成した。
【００４５】
次いで、イオンプレーティング装置（神港精機株式会社製ＡＡＩＦ―Ｔ１２１００ＳＢ型）を用いて、Ｙ２Ｏ３バリア層上に白金触媒層を以下のようにして成膜した。
【００４６】
すなわち、アルゴンイオンのボンバード（Ａｒボンバード）によりＹ２Ｏ３バリア層表面の酸化膜等を除去した後、イオンプレーティング処理により白金触媒層を成膜した。Ａｒボンバードは、Ａｒ流量２６０ｓｃｃｍ、基板バイアス−１５００Ｖ、処理時間１０分とした。成膜工程では、基板バイアス−５００Ｖ、イオン化電極５０Ｖ、成膜速度０．０２５μｍ／分、ＥＢ電圧９ｋＶとし、膜厚が０．２３μｍ（２３０ｎｍ）の白金触媒層を形成した。
【００４７】
上記のようにして成膜した実施例について、付着力試験を行った。試験装置は、アドヒージョンテスター（塗膜付着力試験機、コーテック株式会社製Ｔｙｐｅ ０６１０型）を用いた。
【００４８】
試験装置に付属のドリーを、所定のエポキシ樹脂系接着剤を用いて、白金触媒層に接着させた。ドリーを接着した試料を、５００℃の空気雰囲気で４００時間加熱して環境加速を行いつつ、５０時間毎にアドヒージョンテスターによる剥離強度測定を行った。
【００４９】
［実施例２］
実施例１と同様にして、膜厚０．３μｍ（３００ｎｍ）のＹ２Ｏ３バリア層を基板上に成膜し、該Ｙ２Ｏ３バリア層の上に膜厚０．２３μｍ（２３０ｎｍ）の白金触媒層を成膜し、実施例１と同条件でアドヒージョンテスターによる付着力試験を行った。
【００５０】
［実施例３］
白金触媒層の膜厚を０．２８μｍ（２８０ｎｍ）とした以外は実施例１と同様の試料を作成した。
【００５１】
試験装置に付属のドリーを、所定のエポキシ樹脂系接着剤を用いて、白金触媒層に接着させた。ドリーを接着した試料を、５００℃の空気雰囲気で１０００時間加熱して環境加速を行いつつ、５０時間毎にアドヒージョンテスターによる剥離強度測定を行った。
【００５２】
［実施例４］
実施例３と同じ試料を用いた。試験装置に付属のドリーを、所定のエポキシ樹脂系接着剤を用いて、白金触媒層に接着させた。ドリーを接着した試料を、５５０℃の空気雰囲気で１０００時間加熱して環境加速を行いつつ、５０時間毎にアドヒージョンテスターによる剥離強度測定を行った。
【００５３】
比較例
Ｙ２Ｏ３膜に代えてＴｉＮ膜をバリア層とし、ＴｉＮバリア層上に白金触媒層を形成した。ＴｉＮバリア層は、カソードアーク方式イオンプレーティング装置を用いて成膜し、膜厚を３μｍとした。成膜したＴｉＮバリア層の上に、イオンプレーティング装置（神港精機株式会社製ＡＡＩＦ―Ｔ１２１００ＳＢ型）により、０．３μｍ（３００ｎｍ）の白金触媒層を成膜した。実施例１〜３と同様に、５００℃の空気雰囲気で加熱して環境加速を行いつつ、前記アドヒージョンテスターによる剥離強度試験を行った。
【００５４】
上記実施例及び比較例の試験結果のグラフを図１〜図３に示す。図１は、実施例１，２の試験結果を表わし、図２は実施例３，４の試験結果を表わし、図３は比較例の試験結果を表わしている。
【００５５】
図１〜図３のグラフを参照すれば、比較例では２００時間経過後に付着力が極端に低下しているが、実施例１，２については４００時間経過時でも付着力が殆ど低下しておらず、実施例３，４については１０００時間経過時でも付着力が殆ど低下していないことが分かる。
【００５６】
実施例１と実施例２とを比較すれば、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚が変わっても、付着力への影響が見られなかった。しかしながら、実施例１と実施例３とを比較すれば、実施例１より白金触媒層の膜厚が厚い実施例３の方が高い付着力を維持していることから、白金触媒層の膜厚が厚い方が高い付着力を維持することが分かる。これは、白金触媒層が厚い方が、Ｙ２Ｏ３バリア層の白金触媒層との界面付近が酸化されにくいためと考えられる。すなわち、白金触媒層は、Ｙ２Ｏ３バリア層を酸化から保護する保護膜としても機能すると考えられる。ただし、白金触媒層とＹ２Ｏ３バリア層との付着力は、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上あれば実用上の問題を生じることはない。実施例１〜４の試験結果によればＹ２Ｏ３バリア層の白金触媒層との付着力の経時低下が殆ど見られないから、付着力の観点からは、実施例１のようにＹ２Ｏ３バリア層の膜厚が０．１μｍ（１００ｎｍ）もあれば実用上の問題は生じない。
【００５７】
また、実施例と比較例とを対比すれば、Ｙ２Ｏ３バリア層は、ＴｉＮバリア層（３μｍ）の１０分の１以下の膜厚（０．３μｍ、０．１μｍ）であっても、ＴｉＮバリア層よりも高い付着力を維持することが分かった。これは、Ｙ２Ｏ３バリア層が、ＴｉＮバリア層よりも標準生成ギブスエネルギーが大きく安定した物質であり耐酸化性に優れているためと考えられる。したがって、Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚を制御することにより、チタンに比べて高価なイットリウムを使用しても、ＴｉＮバリア層と同等又はそれ以下のコストで、より優れた付着性能を有するＹ２Ｏ３バリア層を形成することができる。
【符号の説明】
【００５８】
２２、２３ 炉本体部材
２４ 原料ガス入口
２５ 水分ガス出口
２６ 入口側反射体
２７ 出口側反射体
２８ａ バリア層
２８ｂ 白金触媒層
３０ 固定ネジ
３１ スペーサー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス入口及び水分出口が設けられた反応炉本体と、前記反応炉本体の内壁面の少なくとも一部に成膜されたＹ２Ｏ３バリア層と、該Ｙ２Ｏ３バリア層上の少なくとも一部に成膜された白金触媒層と、を有することを特徴とする水分発生用反応炉。
【請求項２】
前記Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚が５０ｎｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の水分発生用反応炉。
【請求項３】
前記反応炉本体が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項４】
少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項５】
前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の水分発生用反応炉。
【請求項６】
反応炉本体部材や反射体のような反応炉内のガスに接する面を有する部材を、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質を使用するようにした請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項７】
前記触媒活性を有しない材料が、鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金、又は銅合金であることを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の水分発生用反応炉。
【請求項８】
前記反応炉本体の、内部空間内の前記白金触媒層を設けた部分以外の部位が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項９】
少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料からなるバリア層によって被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１０】
前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１１】
前記触媒活性を有しない材料からなるバリア層が、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮ、及び、Ｙ２Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも1種の材料により形成されていることを特徴とする請求項８〜１０の何れかに記載の水分発生用反応炉。
【請求項１】
ガス入口及び水分出口が設けられた反応炉本体と、前記反応炉本体の内壁面の少なくとも一部に成膜されたＹ２Ｏ３バリア層と、該Ｙ２Ｏ３バリア層上の少なくとも一部に成膜された白金触媒層と、を有することを特徴とする水分発生用反応炉。
【請求項２】
前記Ｙ２Ｏ３バリア層の膜厚が５０ｎｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の水分発生用反応炉。
【請求項３】
前記反応炉本体が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項４】
少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項５】
前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の水分発生用反応炉。
【請求項６】
反応炉本体部材や反射体のような反応炉内のガスに接する面を有する部材を、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質を使用するようにした請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項７】
前記触媒活性を有しない材料が、鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金、又は銅合金であることを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の水分発生用反応炉。
【請求項８】
前記反応炉本体の、内部空間内の前記白金触媒層を設けた部分以外の部位が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項９】
少なくとも１枚の反射体を前記反応炉本体内に更に備え、該反射体が、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材料からなるバリア層によって被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１０】
前記反射体は、前記ガス入口及び前記水分出口の少なくとも一方を所定間隔を介して遮るように、前記反応炉本体にスペーサーを介して固定ネジによって固定されており、前記スペーサー及び前記固定ネジが水素及び酸素に対して触媒活性を有しない材質からなるバリア層によって被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１１】
前記触媒活性を有しない材料からなるバリア層が、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｒＮ、及び、Ｙ２Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも1種の材料により形成されていることを特徴とする請求項８〜１０の何れかに記載の水分発生用反応炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２５４５２５（Ｐ２０１０−２５４５２５Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０７１３９（Ｐ２００９−１０７１３９）
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
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