流体加熱装置およびこれを利用した半導体処理装置
【課題】
水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置と半導体処理装置を提供することにある。
【解決手段】
この発明は、高温に加熱された流体を送出する真空断熱の第２の石英ガラス管が発熱体の加熱領域の外側まで延びて第１のガラス管に結合されている。この第２のガラス管は、第１のガラス管からの熱を遮断するバッファ管となり、第２のガラス管の材質がガラスであるので、熱は伝わり難く、その送出側の温度を低く抑えることができる。
水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置と半導体処理装置を提供することにある。
【解決手段】
この発明は、高温に加熱された流体を送出する真空断熱の第２の石英ガラス管が発熱体の加熱領域の外側まで延びて第１のガラス管に結合されている。この第２のガラス管は、第１のガラス管からの熱を遮断するバッファ管となり、第２のガラス管の材質がガラスであるので、熱は伝わり難く、その送出側の温度を低く抑えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体加熱装置およびこれを利用した半導体処理装置に関し、詳しくは、半導体製造における各種熱処理装置に導入する水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造における熱処理プロセスで使用される装置には、酸化、拡散、アニールなどの熱処理装置と低圧ＣＶＤ装置（ＬＰ−ＣＶＤ）などの半導体製造装置とがある。
拡散系の熱処理装置では、各種のガスが反応炉の下部から均熱管の外側を通り、上部に至って、上部からスタックされたウエハ処理領域に導入されてここを上から下に通過して下部へと至り、その後、排出される。
これに対してＬＰ−ＣＶＤなどでは、下部から直接スタックされたウエハ処理領域に導入されてここを下から上に通過して上部へと至り、ウエハ処理領域の外側を通り、その後、下部から排出される。そのため、ウエハ処理領域内でスタックされたウエハの均熱を確保するためにダミーウエハが多く積層されている。
ＬＰ−ＣＶＤ等の反応炉では反応ガス等は、通常６００°Ｃ〜８００°Ｃの温度とされ、成膜の均一性と品質の向上を図るためにキャリアガスあるいは反応ガスは２００°Ｃ以上に加熱されてＬＰ−ＣＶＤに供給される。なお、ＬＰ−ＣＶＤは、腐食性のガスが導入され、反応炉の圧力が低い分、汚染物質に曝され易い。
最近ではＬＰ−ＣＶＤにおいては種々の固体材料や液体材料を原料とするガスが使用され、しかも、微細化、大口径化に対応するために、反応ガスに対して高精度な予熱を行う要請があって、それにより反応炉におけるウエハ内、ウエハ間の温度精度を高めて、膜品質、膜厚等のばらつきの低減が図られている。そのため、原料ガスのクリーン化の要求がある。
ところで、耐腐食性の高い石英等のガラス管で腐食性のガスを加熱して高温のガスをＣＶＤ装置等に導入する技術についてはすでに公知である（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−３１５９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のステンレススチール製のガス輸送管（以下ステンレス管）等の金属管での長い距離を輸送するガスの供給は、２００°乃至３００°Ｃを越える予熱をすると、ウエハに対する金属粒子、フレークによる金属汚染（メタルコンタミ）等の問題が発生する。そこで、原料ガスのクリーン化の要求から、ガス輸送管は金属ではなく、特許文献１に記載されるような石英等のガラス管を使用することが好ましい。
特許文献１に記載されるように、石英等のガラス管を使用する場合には、ガラス管と金属管との接続、ガラス管のガス導入口、ガス排出口のシールをするＯリング等のシール材が必要になる。しかし、シリコンゴムやテフロン（登録商標）のようなＯリングは２００°Ｃ〜３００°Ｃまでしか使用できない。
そこで、特許文献１では、Ｏリングを用いることなく管端部にフランジを形成して鏡面仕上げをしてステンレス管と石英ガラス管とを接合している。このようにシールすることなく、管接続をすればガス漏れが発生する。そのため、管結合に際してはガスケットやＯリングを介して行うことが必須となる。
２００°程度の予熱のシールとして使用されるガスケットは金属ガスケットが用いられる。金属ガスケットでは、２００°Ｃを越える温度に輸送ガスを前加熱するとなるとウエハに対するメタルコンタミを抑えることが難しくなる。シリコンゴムやテフロン（登録商標）のような材料のＯリングも汚染源となる。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置を提供することにある。
また、この発明の他の目的は、反応炉に汚染されていない原料ガス等を高温で供給することが可能な半導体処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このような目的を達成するための第１の発明の流体加熱装置の構成は、供給された流体を加熱して排出する流体加熱装置において、流体が流される第１のガラス管と、第１のガラス管の管軸に沿ってこれの外側に配置された棒状の発熱体と、第１のガラス管の内径より小さい外径を有し、第１のガラス管の流体送出側端部に端部が結合されて第１のガラス管に連通しかつ発熱体の加熱領域の外側まで延びた真空断熱の第２のガラス管とを備えるものである。
【０００５】
また、第２の発明の流体加熱装置の構成は、前記発熱体をランプヒータとして複数本設け、第１の石英ガラス管と複数本のランプヒータとをケースで被覆し、第１の石英ガラス管の胴部外周には蓄熱部材を被覆して、ランプヒータにより蓄熱部材を介して第１の石英ガラス管を加熱するものであり、第２の石英ガラス管から送出されるガスは、半導体を製造しあるいは処理する反応炉に導入されるものである。
さらに、第３の発明の半導体処理装置の構成は、反応炉を有し、前記第１および第２の発明の流体加熱装置の第２の石英ガラス管から送出される流体を反応炉に導入するものである。
【発明の効果】
【０００６】
第１および第２の発明にあっては、高温に加熱された流体を送出する真空断熱の第２の石英ガラス管が発熱体の加熱領域の外側まで延びて第１のガラス管に結合されている。この第２のガラス管は、第１のガラス管からの熱を遮断するバッファ管となり、第２のガラス管の材質がガラスであるので、熱は伝わり難く、その送出側の温度を低く抑えることができる。
第２のガラス管は真空断熱の二重管となっているので、第１のガラス管により輸送ガスを８００°Ｃ〜１０００°Ｃに加熱しても第２のガラス管の外管の温度は、２００°Ｃか、それ以下のＯリング等のシール部材が使用できる低い温度に抑えることができる。そこで、この第２のガラス管の外側にＯリング等のシール部材を設けて、金属管等の他の管に接合することが可能となる。これにより第１のガラス管を第２のガラス管を介してシールして金属管等の他の管に結合することが可能になる。
しかも、第２のガラス管の内管を反応炉に結合すれば、輸送ガスの温度が高くなっても反応炉でのメタルコンタミなどが発生しないクリーンなガスを加熱送出することができる。
特に、第２の発明では、前記発熱体をランプヒータとして複数本設けて蓄熱部材を介して第１の石英ガラス管を加熱する。これにより銅あるいはアルミニウム製等の伝熱ブロック等が不要となり、加熱部を小型化できる。しかも、胴部外周に黒鉛パイプ等の蓄熱部材を設けることで、これが輻射熱を受けて第１の石英ガラス管をランプヒータで効率よく加熱することができる。これによりガス加熱の温度レスポンスを向上させることができる。
さらに、第１の石英ガラス管のガス導入側の結合をサイクロン結合とすれば、第１の石英ガラス管の管長を比較的短くしても効率よいガス加熱ができる。
その結果、水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置に実現できる。
特に、ＣＶＤ装置にあっては、ランプヒータを利用することで加熱温度に対するレスポンスを速くすることができかつメタルコンタミを低減できさらに流体を高温にできるので、ＣＶＤ原料等の半導体製造装置の原料などの予熱、過熱水蒸気の生成に対して高い効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、この発明の流体加熱装置を適用した一実施例の半導体処理装置で使用されるガス加熱装置の説明図、そのＡ−Ａ断面図、そしてガス加熱装置の温度分布についての説明図、図２は、断面Ｃリングの黒鉛パイプ蓄熱部材の説明図、図３は、反応炉へガスを導入する他の実施例のガス加熱装置の断面説明図である。
図１（ａ），図１（ｂ）において、１０は、ガス加熱装置であり、１は、加熱部石英ガラス管（以下加熱部石英管）、２は、断熱バッファ部石英ガラス管（以下断熱バッファ石英管）、３は、ガス導入部石英ガラス管（以下ガス導入石英管）であって、断熱バッファ石英管２とガス導入石英管３とは、加熱部石英管１の前後にそれぞれの管軸が一致するように結合されている。
断熱バッファ石英管２は、内管２ａと外管２ｂとからなる真空断熱二重管であって、断熱バッファ石英管２とガス導入石英管３とは、それぞれ加熱部石英管１の外径よりも管外径が小さく、断熱バッファ石英管２の外管２ｂとガス導入石英管３とは、それぞれ加熱部石英管１の端部から内部に端部が挿入されて溶接接合部Ｍにおいて石英溶接接合されている。
【０００８】
加熱部石英管１に結合されていない断熱バッファ石英管２のガス送出側の端部は、外管２ｂよりも内管２ａが突出して先端側は二重構造にはなっていない。内管２ａと外管２ｂとが二重構造になっている端部には、金属製の袋継手部材（雌型）４が外管２ｂに嵌合して受口がガス送出側に向かって外管２ｂにガラス溶着で固定されている。この袋継手部材４には、金属製の雄継手部材５とが嵌合していて、雄継手部材５の内側にはＯリング５ａがシール部材として設けられている。雄継手部材５の先は、ステンレス管のガス輸送管６に溶接接合されている。
なお、ここでのステンレス管のガス輸送管６のガス輸送距離は比較的短いものとする。
袋継手部材４と雄継手部材５とは螺合結合する構造のものであってもよい。溶接結合する構造に限定されない。螺合結合する場合にはＯリング５ａに換えて金属ガスケット等のシール部材を使用するとよい。
これにより、Ｏリング５ａを介してガス輸送管６と断熱バッファ石英管２とが結合され、断熱バッファ石英管２を介して加熱部石英管１にガス輸送管６が接合される。加熱部石英管１に結合されていないガス導入石英管３のガス導入側の端部もステンレス製のガス輸送管とＯリングを介して同様な結合をすることになるが、図ではその部分は省略してある。これについては図３の実施例で説明する。
【０００９】
加熱部石英管１とガス導入石英管３との端部の結合は、加熱部石英管１の断面円形の接線方向あるいはこれに平行な方向に噴射するサイクロン結合Ｓ（図１（ａ）参照）となっている。これにより導入されるガスがサイクロン状となって断面円形の加熱部石英管１の内壁面に接線方向へ送出される。その結果、導入されたガスは、断面円形の加熱部石英管１の内壁面に沿ってサイクロンとなって流れて効率よく加熱され、断熱バッファ石英管２へと輸送される。
７は、アルミニウム製の円筒ケーシングであり、円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとが閉塞された円筒であり、内部が気密状態になっている。円筒ケーシング７は、加熱部石英管１を中心部に内蔵し、加熱部石英管１と加熱部石英管１に結合する断熱バッファ石英管２の端部から加熱部石英管１に結合するガス導入石英管３の端部までの空間を被覆して内部を気密状態にしている。７ｃは、その内部空間であり、内部空間７ｃに接する円筒ケーシング７の内側壁面は、金メッキされている。
内部空間７ｃには、内側壁面と加熱部石英管１との間に棒状の赤外線ランプヒータ（ハロゲンヒータ）８が設けられ、これが円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとを貫通して、これの給電端子が円筒ケーシング７から外部に導出されている。
この赤外線ランプヒータ８は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図に示すように、加熱部石英管１の軸を中心としてこれの外周に１２０°の角度間隔で３本設けられている。
また、８ａは、赤外線ランプヒータ８の発光部であり、この発光部８ａに対応して加熱部石英管１の外周には蓄熱部材として黒鉛パイプ（カーボンパイプ）９が嵌合装着されている。ここで、黒鉛パイプ９は、赤外線ランプヒータ８から輻射熱を受けて蓄熱してその蓄熱により加熱部石英管１を加熱する。
【００１０】
円筒ケーシング７の側壁には、加熱部石英管１の管軸に平行になるように、管軸に沿って水冷のための貫通孔１１が穿孔されている。
この貫通孔１１は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図に示すように、赤外線ランプヒータ８に対して６０°時計方向に回転して１２０°の角度配置で赤外線ランプヒータ８の間に配置されるように３本設けられている。
なお、図１（ａ）の断面図は、これらの関係が分かるように、垂直な切断ではなく、赤外線ランプヒータ８の管軸を通るように、加熱部石英管１の中心を基準にして１２０°の角度をもって切断した断面図になっている。
１２は、熱電対のセンサであって、円筒底部７ｂ側から赤外線ランプヒータ８の発光部８ａの中心部付近まで挿入され、先頭部に熱電対が設けられている。
円筒ケーシング７の側壁の中央部には、真空引き用の真空吸引ポート１３が穿孔されている。真空吸引ポート１３の貫通孔１３ａは、内部空間７ｃに貫通し、その頭部には袋継手部材１３ｂが設けられている。
さらに、断熱バッファ石英管２の中央部にも真空吸引ポート１４が設けられ、これが内管２ａと外管２ｂとの間の空間に孔１４ａを介して連通している。１４ｂは、頭部に設けられた袋継手部材１３ｂである。
これにより、真空吸引ポート１３，１４がそれぞれに真空ポンプにより吸引されたときには、内部空間７ｃと、断熱バッファ石英管２の内管７ａと外管７ｂとの間にある層が真空になる。これにより断熱バッファ石英管２は真空断熱管となる。
なお、真空吸引ポート１３，１４は、１×１０−４Torr以下の圧力で真空吸引され、真空吸引された後は雄プラッグ等でこれらが螺合閉塞される。
【００１１】
黒鉛パイプ９は、図２に示すように、縦割りのスリット９ａが１個所側面に入った断面Ｃリングの黒鉛パイプである。これは、赤外線ランプヒータ８の発光部８ａの位置に対応して加熱部石英管１に装着されている。黒鉛パイプ９の長さは発光部８ａに対応し、その内径は、加熱部石英管１の外径より少し小さい特定の値に選択されている。それ故に、黒鉛パイプ９には縦割りのスリット９ａが必要になる。
その理由を次に説明する。
この黒鉛パイプ９は、加熱部石英管１の黒鉛パイプ９が目標加熱温度、例えば、８００°Ｃに加熱されたときに、内径が加熱部石英管１の外径に一致するようにあらかじめその厚さと径とが選択されている。
例えば、加熱部石英管１の外径が常温で２０ｍｍφであるとし、黒鉛（カーボン）の膨張係数が４×１０６／Ｋであるとし、石英ガラスの膨張係数は、０．４７×１０６／Ｋであるとする。
【００１２】
加熱部石英管１が目標温度８００°Ｃになったときの、加熱部石英管１の外周の伸びは、０．４７×１０６×８００×２０π＝０．０２３６ｍｍである。
一方、８００°Ｃにおいて加熱部石英管１の外径に密着嵌合する黒鉛パイプ９の内周は、２０π＋０．０２３６＝６２．８５５ｍｍとして算出できる。
これから８００°低下したときの黒鉛パイプ９の内周の縮み量は、４×１０６×（−８００）×６２．８５５＝０．２０１ｍｍである。
よって、常温時の黒鉛パイプ９の内周は、６２．８５５−０．２０１＝６２．６５４ｍｍとなる。
その結果、黒鉛パイプ９の内径は、６２．６５４÷π＝１９．９４ｍｍとなる。
なお、計算の都合上で、ここでは常温を２５°とはせずに、零度として黒鉛パイプ９の内径を算出している。２５°を零度としても誤差の範囲であり、算出値は実質的にはほとんど影響はない。
【００１３】
１９．９４ｍｍの内径の黒鉛パイプ９を常温で外径が２０ｍｍφの加熱部石英管１の外周に装着することはできない。一方、２０ｍｍφの径の黒鉛パイプ９を常温で装着すると、８００°Ｃでは、黒鉛パイプ９が膨張して加熱部石英管１の外周と黒鉛パイプ９の内周との間に間隙ができて、これらの間の密着性が確保できない。それにより、輻射熱を受けた黒鉛パイプ９による加熱部石英管１の加熱効率が低下する。
そこで、考えらえられたのが、加熱部石英管１の外径より小さい内径の黒鉛パイプ９に縦割りのスリット９ａを入れて、黒鉛パイプ９の内径を拡げて加熱部石英管１に強制装着することである。０．０６ｍｍ程度の拡がりは、黒鉛パイプ９の弾性力で十分に対応できる。
これにより、黒鉛パイプ９は、図２に示すように加熱部石英管１に装着され、目的の温度、上記の例では、８００°Ｃで加熱部石英管１の周囲に密着してかつスリット９ａの開口も実質的に閉鎖される。その結果、赤外線ランプヒータ８の輻射熱で加熱された黒鉛パイプ９を介して加熱部石英管１を効率よく加熱することができる。
これにより、最高で８００°Ｃ程度まで加熱部石英管１の内部を流れるサイクロン化されたガスを効率よく加熱することができる。しかも、赤外線ランプヒータ８の加熱は、温度の昇降に対する温度レスポンスが速い。この温度レスポンスを考慮すると、黒鉛パイプ９の厚さは、０．２ｍｍ〜２ｍｍ程度の範囲から選択することが好ましいが、流体を加熱する単位時間当たりの熱量に応じて厚さを増減するとよい。
なお、前記は、加熱部石英管１の外径を常温で２０ｍｍφとした場合である。これは一例であって、同様な考え方により、加熱部石英管１の外径に応じて黒鉛パイプ９の内径を算出できることはもちろんである。
【００１４】
図１（ｃ）は、ガス加熱装置１０の温度分布についての説明図である。
ガス導入石英管３から導入されたガスは、赤外線ランプヒータ８の発光部８ａの導入側端部から急激な温度上昇をして、発光部８ａの送出側の端部でほぼ８００°Ｃに達し、断熱バッファ石英管２へと送出される。ガス導入石英管３から導入されるガスの温度ＲＴは、２００°Ｃ前後の温度である。
このような高温加熱が加熱部石英管１で行われたとしても、袋継手部材（雌型）４の位置の断熱バッファ石英管２の外管２ｂの温度は２００°Ｃ以下であり、Ｏリングを使用することが可能である。
なお、８００°Ｃ程度の加熱をするときに袋継手部材（雌型）４の位置において断熱バッファ石英管２の外管２ｂの温度を２００°Ｃ以下にするときには、その目安として、加熱部石英管１の外径を１５ｍｍφ〜３０ｍｍφ程度とし、断熱バッファ石英管２の外管７ａの外径を６ｍｍφ〜２０ｍｍφ程度としたときに、断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１との結合部から袋継手部材４までの距離は５０ｍｍ以上とし、２００ｍｍ程度以下の長さを採ることが好ましい。
【００１５】
その理由は、石英管自体は熱伝導率が低いので、横方向に距離を稼ぐことで、送出側端部に８００°Ｃの熱がそのまま伝導することはほとんどなく、加熱部石英管１との結合部からの距離に応じて急激なカーブで温度が低下する。しかも、断熱バッファ石英管２は真空断熱管になっているので、その外管２ｂの温度は、断熱バッファ石英管２の端部において流出するガスが８００°Ｃになっていても、ガス自体の比熱が低いことにより、断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１の結合部から５０ｍｍ以上離れた位置の断熱バッファ石英管２の外管７ｂの端部の温度は２００°Ｃ以下に抑えることができる。
これによりＯリング等のシール部材で管結合部をシールすることができ、ガス漏れも発生しない。
袋継手部材４を設ける断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１との結合部から距離（位置）は、加熱部石英管１の目標加熱温度との関係で、前記の例を目安として適宜設計すればよく、加熱部石英管１の外径と断熱バッファ石英管２の多少の外径の変更は、袋継手部材４の距離（位置）に大きな影響を与えない。
【００１６】
図３は、反応炉へガスを導入する他の実施例のガス加熱装置の断面説明図である。
図３（ａ）は、貫通孔１１の中心を通るガス加熱装置の縦断面図であって、図示する都合上、円筒ケーシング７の途中を省略して２分割した図として上下配置で示してある。
図３（ａ）において、２０は、反応炉であって、反応炉２０の底部側壁面２１には、貫通孔２１ａが穿孔され、断熱バッファ石英管２の端部に設けられた袋継手部材４に結合した雄継手部材５の後端側が貫通孔２１ａの途中まで外壁側から挿入されて埋設されて端部が気密にされている。
断熱バッファ石英管２の外管２ｂの端部より突出した内管２ａの先端側は、反応炉２０の内側空間まで突出して、加熱したガスを反応炉２０に送出する。
なお、円筒ケーシング７の円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとは、円筒ケーシング７の本体７０に対してＯリング７０ａ，７０ｂを介してねじにて本体７０に螺合固定されて気密される構成を採る。この位置でのＯリング７０ａ，７０ｂは、貫通孔１１を流れる水により冷却されるので、２００°Ｃ以下を確保できる。
【００１７】
この実施例では、断熱バッファ石英管２に設けられた真空吸引ポート１４が削除されている。それに換えて断熱バッファ石英管２と加熱部石英管１との結合に隣接して内部空間７ｃに配置された外管２ｂには真空引き用の孔２ｃが穿孔されている。
また、図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図に示すように、円筒ケーシング７の本体７０と円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとで形成される内側空間７ｃは、赤外線ランプヒータ８の背面側の反射光を効率よく利用するために赤外線ランプヒータ８の背面の内壁面が赤外線ランプヒータ８の管軸を中心とする断面半円形に削り取られ、半切筒７１，７２，７３として内壁面がそれぞれに形成されている。
水冷のための貫通孔１１は、半切筒７１，７２，７３の間にある肉厚の側壁に貫通して設けられている。なお、貫通孔１１に端部に設けられる、水を導入するための接続ポートは図では省略してある。
さらに、円筒ケーシング７の外側には、図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図において二点鎖線でで示すように八角形の金属カバー１５が設けられている。
【００１８】
この実施例では、袋継手部材４とは別に金属製の袋継手部材（雌型）４０が設けられている。袋継手部材４０は、断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１との結合部から５０ｍｍ程度のところに外管２ｂに嵌合して受口が加熱部石英管１側に向かって外管２ｂにガラス溶着で固定されている。
この袋継手部材４０には、金属製の雄継手部材４１がＯリング４１ａを介して嵌合している。雄継手部材４１の根本は、円筒頭部７ａに埋設されて端部が気密にされている。
また、反対側で加熱部石英管１と接合されたガス導入石英管３にも加熱部石英管１の結合部から３０ｍｍ程度のところに、金属製の袋継手部材（雌型）４２がガス導入石英管３にガラス溶着で固定されている。
袋継手部材４２は、双方向に受口を持つ双方向継手であって、加熱部石英管１の結合部側では、金属製の雄継手部材４３とＯリング４３ａを介して嵌合している。雄継手部材４３の根本は、円筒底部７ｂに埋設されて端部が気密にされている。
また、袋継手部材４２は、雄継手部材４３に対して反対側において金属製の雄継手部材４４とＯリング４４ａを介して嵌合している。雄継手部材４４の先にはテンレス管のガス輸送管が溶接接合されている。
これにより、断熱バッファ石英管２とガス導入石英管３とは、加熱部石英管１と同様にそれぞれ雄継手部材４１，４２を介して円筒ケーシング７に一体的に支持される。
【００１９】
ところで、半導体製造における熱処理プロセスでは、過熱水蒸気を発生して反応炉に送り込み、基板を過熱水蒸気に曝して基板上のシリコン層を熱処理することが行われる。これによりシリコン層が再結晶化してこの再結晶化の際にシリコン層の表面に酸化膜が形成される。この酸化膜は現在絶縁膜として利用されている。
そこで、図１，図３で説明した実施例の黒鉛パイプ９を加熱部石英管１から取り外して、ガス加熱装置１０を過熱水蒸気生成する加熱装置にすることができる。
すなわち、ガス加熱装置１０を流体加熱装置としてこれに水あるいは水蒸気を導入して過熱水蒸気を生成することが可能である。
この場合には、加熱部石英管１へ導入された水あるいは水蒸気は、ガスよりも比熱が高いので黒鉛パイプ９を介すことなく、透明な石英ガラスの壁面を介して直接赤外線の輻射熱で流体を加熱することが可能になる。これにより過熱水蒸気を断熱バッファ石英管２を経て反応炉２０にクリーンな状態で送出することができる。
したがって、この発明は、液体等の流体を過熱するときには黒鉛パイプ９を必ずしも設ける必要はない。また、この発明は、水を含めて、流体加熱装置に適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
以上説明してきたが、実施例の黒鉛パイプの蓄熱部材は、黒鉛を利用するものに限定されるものではなく、また、実施例の赤外線ランプヒータは、その他のランプヒータあるいはシースヒータであってもよい。
また、この発明のガス加熱装置は、実施例では横型で使用しているが、縦型であってもよいことはもちろんである。
さらに、実施例では、円筒ケーシングの内部空間を真空にしているが、この内部空間は必ずしも真空にする必要はない。さらに、円筒ケーシングは、円筒に限定されるものではない。
さらに、この発明は、実施例の石英ガラス管が通常のガラス管であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）は、この発明の流体加熱装置を適用した一実施例の半導体処理装置で使用されるガス加熱装置の説明図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、そして図１（ｃ）ガス加熱装置の温度分布についての説明図である。
【図２】図２は、断面Ｃリングの黒鉛パイプ蓄熱部材の説明図である。
【図３】図３（ａ）は、反応炉へガスを導入する他の実施例のガス加熱装置の断面説明図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…加熱部石英ガラス管（加熱部石英管）、
２…断熱バッファ部石英ガラス管（断熱バッファ石英管）、２ａ…内管、２ｂ…外管、
３…ガス導入部石英ガラス管（ガス導入石英管）、４…袋継手部材（雌型）、
５…雄継手部材、５ａ，７０ａ，７０ｂ…Ｏリング、６…ガス輸送管、
７…ケーシング、７ａ…円筒円筒頭部、７ｂ…円筒底部、
８…赤外線ランプヒータ、９…黒鉛パイプ、１０…ガス加熱装置、
１１…貫通孔、１２…熱電対のセンサ、１３，１４…真空吸引ポート、
１５…金属カバー、２０…反応炉、２１ａ…貫通孔。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体加熱装置およびこれを利用した半導体処理装置に関し、詳しくは、半導体製造における各種熱処理装置に導入する水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造における熱処理プロセスで使用される装置には、酸化、拡散、アニールなどの熱処理装置と低圧ＣＶＤ装置（ＬＰ−ＣＶＤ）などの半導体製造装置とがある。
拡散系の熱処理装置では、各種のガスが反応炉の下部から均熱管の外側を通り、上部に至って、上部からスタックされたウエハ処理領域に導入されてここを上から下に通過して下部へと至り、その後、排出される。
これに対してＬＰ−ＣＶＤなどでは、下部から直接スタックされたウエハ処理領域に導入されてここを下から上に通過して上部へと至り、ウエハ処理領域の外側を通り、その後、下部から排出される。そのため、ウエハ処理領域内でスタックされたウエハの均熱を確保するためにダミーウエハが多く積層されている。
ＬＰ−ＣＶＤ等の反応炉では反応ガス等は、通常６００°Ｃ〜８００°Ｃの温度とされ、成膜の均一性と品質の向上を図るためにキャリアガスあるいは反応ガスは２００°Ｃ以上に加熱されてＬＰ−ＣＶＤに供給される。なお、ＬＰ−ＣＶＤは、腐食性のガスが導入され、反応炉の圧力が低い分、汚染物質に曝され易い。
最近ではＬＰ−ＣＶＤにおいては種々の固体材料や液体材料を原料とするガスが使用され、しかも、微細化、大口径化に対応するために、反応ガスに対して高精度な予熱を行う要請があって、それにより反応炉におけるウエハ内、ウエハ間の温度精度を高めて、膜品質、膜厚等のばらつきの低減が図られている。そのため、原料ガスのクリーン化の要求がある。
ところで、耐腐食性の高い石英等のガラス管で腐食性のガスを加熱して高温のガスをＣＶＤ装置等に導入する技術についてはすでに公知である（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−３１５９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のステンレススチール製のガス輸送管（以下ステンレス管）等の金属管での長い距離を輸送するガスの供給は、２００°乃至３００°Ｃを越える予熱をすると、ウエハに対する金属粒子、フレークによる金属汚染（メタルコンタミ）等の問題が発生する。そこで、原料ガスのクリーン化の要求から、ガス輸送管は金属ではなく、特許文献１に記載されるような石英等のガラス管を使用することが好ましい。
特許文献１に記載されるように、石英等のガラス管を使用する場合には、ガラス管と金属管との接続、ガラス管のガス導入口、ガス排出口のシールをするＯリング等のシール材が必要になる。しかし、シリコンゴムやテフロン（登録商標）のようなＯリングは２００°Ｃ〜３００°Ｃまでしか使用できない。
そこで、特許文献１では、Ｏリングを用いることなく管端部にフランジを形成して鏡面仕上げをしてステンレス管と石英ガラス管とを接合している。このようにシールすることなく、管接続をすればガス漏れが発生する。そのため、管結合に際してはガスケットやＯリングを介して行うことが必須となる。
２００°程度の予熱のシールとして使用されるガスケットは金属ガスケットが用いられる。金属ガスケットでは、２００°Ｃを越える温度に輸送ガスを前加熱するとなるとウエハに対するメタルコンタミを抑えることが難しくなる。シリコンゴムやテフロン（登録商標）のような材料のＯリングも汚染源となる。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置を提供することにある。
また、この発明の他の目的は、反応炉に汚染されていない原料ガス等を高温で供給することが可能な半導体処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このような目的を達成するための第１の発明の流体加熱装置の構成は、供給された流体を加熱して排出する流体加熱装置において、流体が流される第１のガラス管と、第１のガラス管の管軸に沿ってこれの外側に配置された棒状の発熱体と、第１のガラス管の内径より小さい外径を有し、第１のガラス管の流体送出側端部に端部が結合されて第１のガラス管に連通しかつ発熱体の加熱領域の外側まで延びた真空断熱の第２のガラス管とを備えるものである。
【０００５】
また、第２の発明の流体加熱装置の構成は、前記発熱体をランプヒータとして複数本設け、第１の石英ガラス管と複数本のランプヒータとをケースで被覆し、第１の石英ガラス管の胴部外周には蓄熱部材を被覆して、ランプヒータにより蓄熱部材を介して第１の石英ガラス管を加熱するものであり、第２の石英ガラス管から送出されるガスは、半導体を製造しあるいは処理する反応炉に導入されるものである。
さらに、第３の発明の半導体処理装置の構成は、反応炉を有し、前記第１および第２の発明の流体加熱装置の第２の石英ガラス管から送出される流体を反応炉に導入するものである。
【発明の効果】
【０００６】
第１および第２の発明にあっては、高温に加熱された流体を送出する真空断熱の第２の石英ガラス管が発熱体の加熱領域の外側まで延びて第１のガラス管に結合されている。この第２のガラス管は、第１のガラス管からの熱を遮断するバッファ管となり、第２のガラス管の材質がガラスであるので、熱は伝わり難く、その送出側の温度を低く抑えることができる。
第２のガラス管は真空断熱の二重管となっているので、第１のガラス管により輸送ガスを８００°Ｃ〜１０００°Ｃに加熱しても第２のガラス管の外管の温度は、２００°Ｃか、それ以下のＯリング等のシール部材が使用できる低い温度に抑えることができる。そこで、この第２のガラス管の外側にＯリング等のシール部材を設けて、金属管等の他の管に接合することが可能となる。これにより第１のガラス管を第２のガラス管を介してシールして金属管等の他の管に結合することが可能になる。
しかも、第２のガラス管の内管を反応炉に結合すれば、輸送ガスの温度が高くなっても反応炉でのメタルコンタミなどが発生しないクリーンなガスを加熱送出することができる。
特に、第２の発明では、前記発熱体をランプヒータとして複数本設けて蓄熱部材を介して第１の石英ガラス管を加熱する。これにより銅あるいはアルミニウム製等の伝熱ブロック等が不要となり、加熱部を小型化できる。しかも、胴部外周に黒鉛パイプ等の蓄熱部材を設けることで、これが輻射熱を受けて第１の石英ガラス管をランプヒータで効率よく加熱することができる。これによりガス加熱の温度レスポンスを向上させることができる。
さらに、第１の石英ガラス管のガス導入側の結合をサイクロン結合とすれば、第１の石英ガラス管の管長を比較的短くしても効率よいガス加熱ができる。
その結果、水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置に実現できる。
特に、ＣＶＤ装置にあっては、ランプヒータを利用することで加熱温度に対するレスポンスを速くすることができかつメタルコンタミを低減できさらに流体を高温にできるので、ＣＶＤ原料等の半導体製造装置の原料などの予熱、過熱水蒸気の生成に対して高い効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、この発明の流体加熱装置を適用した一実施例の半導体処理装置で使用されるガス加熱装置の説明図、そのＡ−Ａ断面図、そしてガス加熱装置の温度分布についての説明図、図２は、断面Ｃリングの黒鉛パイプ蓄熱部材の説明図、図３は、反応炉へガスを導入する他の実施例のガス加熱装置の断面説明図である。
図１（ａ），図１（ｂ）において、１０は、ガス加熱装置であり、１は、加熱部石英ガラス管（以下加熱部石英管）、２は、断熱バッファ部石英ガラス管（以下断熱バッファ石英管）、３は、ガス導入部石英ガラス管（以下ガス導入石英管）であって、断熱バッファ石英管２とガス導入石英管３とは、加熱部石英管１の前後にそれぞれの管軸が一致するように結合されている。
断熱バッファ石英管２は、内管２ａと外管２ｂとからなる真空断熱二重管であって、断熱バッファ石英管２とガス導入石英管３とは、それぞれ加熱部石英管１の外径よりも管外径が小さく、断熱バッファ石英管２の外管２ｂとガス導入石英管３とは、それぞれ加熱部石英管１の端部から内部に端部が挿入されて溶接接合部Ｍにおいて石英溶接接合されている。
【０００８】
加熱部石英管１に結合されていない断熱バッファ石英管２のガス送出側の端部は、外管２ｂよりも内管２ａが突出して先端側は二重構造にはなっていない。内管２ａと外管２ｂとが二重構造になっている端部には、金属製の袋継手部材（雌型）４が外管２ｂに嵌合して受口がガス送出側に向かって外管２ｂにガラス溶着で固定されている。この袋継手部材４には、金属製の雄継手部材５とが嵌合していて、雄継手部材５の内側にはＯリング５ａがシール部材として設けられている。雄継手部材５の先は、ステンレス管のガス輸送管６に溶接接合されている。
なお、ここでのステンレス管のガス輸送管６のガス輸送距離は比較的短いものとする。
袋継手部材４と雄継手部材５とは螺合結合する構造のものであってもよい。溶接結合する構造に限定されない。螺合結合する場合にはＯリング５ａに換えて金属ガスケット等のシール部材を使用するとよい。
これにより、Ｏリング５ａを介してガス輸送管６と断熱バッファ石英管２とが結合され、断熱バッファ石英管２を介して加熱部石英管１にガス輸送管６が接合される。加熱部石英管１に結合されていないガス導入石英管３のガス導入側の端部もステンレス製のガス輸送管とＯリングを介して同様な結合をすることになるが、図ではその部分は省略してある。これについては図３の実施例で説明する。
【０００９】
加熱部石英管１とガス導入石英管３との端部の結合は、加熱部石英管１の断面円形の接線方向あるいはこれに平行な方向に噴射するサイクロン結合Ｓ（図１（ａ）参照）となっている。これにより導入されるガスがサイクロン状となって断面円形の加熱部石英管１の内壁面に接線方向へ送出される。その結果、導入されたガスは、断面円形の加熱部石英管１の内壁面に沿ってサイクロンとなって流れて効率よく加熱され、断熱バッファ石英管２へと輸送される。
７は、アルミニウム製の円筒ケーシングであり、円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとが閉塞された円筒であり、内部が気密状態になっている。円筒ケーシング７は、加熱部石英管１を中心部に内蔵し、加熱部石英管１と加熱部石英管１に結合する断熱バッファ石英管２の端部から加熱部石英管１に結合するガス導入石英管３の端部までの空間を被覆して内部を気密状態にしている。７ｃは、その内部空間であり、内部空間７ｃに接する円筒ケーシング７の内側壁面は、金メッキされている。
内部空間７ｃには、内側壁面と加熱部石英管１との間に棒状の赤外線ランプヒータ（ハロゲンヒータ）８が設けられ、これが円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとを貫通して、これの給電端子が円筒ケーシング７から外部に導出されている。
この赤外線ランプヒータ８は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図に示すように、加熱部石英管１の軸を中心としてこれの外周に１２０°の角度間隔で３本設けられている。
また、８ａは、赤外線ランプヒータ８の発光部であり、この発光部８ａに対応して加熱部石英管１の外周には蓄熱部材として黒鉛パイプ（カーボンパイプ）９が嵌合装着されている。ここで、黒鉛パイプ９は、赤外線ランプヒータ８から輻射熱を受けて蓄熱してその蓄熱により加熱部石英管１を加熱する。
【００１０】
円筒ケーシング７の側壁には、加熱部石英管１の管軸に平行になるように、管軸に沿って水冷のための貫通孔１１が穿孔されている。
この貫通孔１１は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図に示すように、赤外線ランプヒータ８に対して６０°時計方向に回転して１２０°の角度配置で赤外線ランプヒータ８の間に配置されるように３本設けられている。
なお、図１（ａ）の断面図は、これらの関係が分かるように、垂直な切断ではなく、赤外線ランプヒータ８の管軸を通るように、加熱部石英管１の中心を基準にして１２０°の角度をもって切断した断面図になっている。
１２は、熱電対のセンサであって、円筒底部７ｂ側から赤外線ランプヒータ８の発光部８ａの中心部付近まで挿入され、先頭部に熱電対が設けられている。
円筒ケーシング７の側壁の中央部には、真空引き用の真空吸引ポート１３が穿孔されている。真空吸引ポート１３の貫通孔１３ａは、内部空間７ｃに貫通し、その頭部には袋継手部材１３ｂが設けられている。
さらに、断熱バッファ石英管２の中央部にも真空吸引ポート１４が設けられ、これが内管２ａと外管２ｂとの間の空間に孔１４ａを介して連通している。１４ｂは、頭部に設けられた袋継手部材１３ｂである。
これにより、真空吸引ポート１３，１４がそれぞれに真空ポンプにより吸引されたときには、内部空間７ｃと、断熱バッファ石英管２の内管７ａと外管７ｂとの間にある層が真空になる。これにより断熱バッファ石英管２は真空断熱管となる。
なお、真空吸引ポート１３，１４は、１×１０−４Torr以下の圧力で真空吸引され、真空吸引された後は雄プラッグ等でこれらが螺合閉塞される。
【００１１】
黒鉛パイプ９は、図２に示すように、縦割りのスリット９ａが１個所側面に入った断面Ｃリングの黒鉛パイプである。これは、赤外線ランプヒータ８の発光部８ａの位置に対応して加熱部石英管１に装着されている。黒鉛パイプ９の長さは発光部８ａに対応し、その内径は、加熱部石英管１の外径より少し小さい特定の値に選択されている。それ故に、黒鉛パイプ９には縦割りのスリット９ａが必要になる。
その理由を次に説明する。
この黒鉛パイプ９は、加熱部石英管１の黒鉛パイプ９が目標加熱温度、例えば、８００°Ｃに加熱されたときに、内径が加熱部石英管１の外径に一致するようにあらかじめその厚さと径とが選択されている。
例えば、加熱部石英管１の外径が常温で２０ｍｍφであるとし、黒鉛（カーボン）の膨張係数が４×１０６／Ｋであるとし、石英ガラスの膨張係数は、０．４７×１０６／Ｋであるとする。
【００１２】
加熱部石英管１が目標温度８００°Ｃになったときの、加熱部石英管１の外周の伸びは、０．４７×１０６×８００×２０π＝０．０２３６ｍｍである。
一方、８００°Ｃにおいて加熱部石英管１の外径に密着嵌合する黒鉛パイプ９の内周は、２０π＋０．０２３６＝６２．８５５ｍｍとして算出できる。
これから８００°低下したときの黒鉛パイプ９の内周の縮み量は、４×１０６×（−８００）×６２．８５５＝０．２０１ｍｍである。
よって、常温時の黒鉛パイプ９の内周は、６２．８５５−０．２０１＝６２．６５４ｍｍとなる。
その結果、黒鉛パイプ９の内径は、６２．６５４÷π＝１９．９４ｍｍとなる。
なお、計算の都合上で、ここでは常温を２５°とはせずに、零度として黒鉛パイプ９の内径を算出している。２５°を零度としても誤差の範囲であり、算出値は実質的にはほとんど影響はない。
【００１３】
１９．９４ｍｍの内径の黒鉛パイプ９を常温で外径が２０ｍｍφの加熱部石英管１の外周に装着することはできない。一方、２０ｍｍφの径の黒鉛パイプ９を常温で装着すると、８００°Ｃでは、黒鉛パイプ９が膨張して加熱部石英管１の外周と黒鉛パイプ９の内周との間に間隙ができて、これらの間の密着性が確保できない。それにより、輻射熱を受けた黒鉛パイプ９による加熱部石英管１の加熱効率が低下する。
そこで、考えらえられたのが、加熱部石英管１の外径より小さい内径の黒鉛パイプ９に縦割りのスリット９ａを入れて、黒鉛パイプ９の内径を拡げて加熱部石英管１に強制装着することである。０．０６ｍｍ程度の拡がりは、黒鉛パイプ９の弾性力で十分に対応できる。
これにより、黒鉛パイプ９は、図２に示すように加熱部石英管１に装着され、目的の温度、上記の例では、８００°Ｃで加熱部石英管１の周囲に密着してかつスリット９ａの開口も実質的に閉鎖される。その結果、赤外線ランプヒータ８の輻射熱で加熱された黒鉛パイプ９を介して加熱部石英管１を効率よく加熱することができる。
これにより、最高で８００°Ｃ程度まで加熱部石英管１の内部を流れるサイクロン化されたガスを効率よく加熱することができる。しかも、赤外線ランプヒータ８の加熱は、温度の昇降に対する温度レスポンスが速い。この温度レスポンスを考慮すると、黒鉛パイプ９の厚さは、０．２ｍｍ〜２ｍｍ程度の範囲から選択することが好ましいが、流体を加熱する単位時間当たりの熱量に応じて厚さを増減するとよい。
なお、前記は、加熱部石英管１の外径を常温で２０ｍｍφとした場合である。これは一例であって、同様な考え方により、加熱部石英管１の外径に応じて黒鉛パイプ９の内径を算出できることはもちろんである。
【００１４】
図１（ｃ）は、ガス加熱装置１０の温度分布についての説明図である。
ガス導入石英管３から導入されたガスは、赤外線ランプヒータ８の発光部８ａの導入側端部から急激な温度上昇をして、発光部８ａの送出側の端部でほぼ８００°Ｃに達し、断熱バッファ石英管２へと送出される。ガス導入石英管３から導入されるガスの温度ＲＴは、２００°Ｃ前後の温度である。
このような高温加熱が加熱部石英管１で行われたとしても、袋継手部材（雌型）４の位置の断熱バッファ石英管２の外管２ｂの温度は２００°Ｃ以下であり、Ｏリングを使用することが可能である。
なお、８００°Ｃ程度の加熱をするときに袋継手部材（雌型）４の位置において断熱バッファ石英管２の外管２ｂの温度を２００°Ｃ以下にするときには、その目安として、加熱部石英管１の外径を１５ｍｍφ〜３０ｍｍφ程度とし、断熱バッファ石英管２の外管７ａの外径を６ｍｍφ〜２０ｍｍφ程度としたときに、断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１との結合部から袋継手部材４までの距離は５０ｍｍ以上とし、２００ｍｍ程度以下の長さを採ることが好ましい。
【００１５】
その理由は、石英管自体は熱伝導率が低いので、横方向に距離を稼ぐことで、送出側端部に８００°Ｃの熱がそのまま伝導することはほとんどなく、加熱部石英管１との結合部からの距離に応じて急激なカーブで温度が低下する。しかも、断熱バッファ石英管２は真空断熱管になっているので、その外管２ｂの温度は、断熱バッファ石英管２の端部において流出するガスが８００°Ｃになっていても、ガス自体の比熱が低いことにより、断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１の結合部から５０ｍｍ以上離れた位置の断熱バッファ石英管２の外管７ｂの端部の温度は２００°Ｃ以下に抑えることができる。
これによりＯリング等のシール部材で管結合部をシールすることができ、ガス漏れも発生しない。
袋継手部材４を設ける断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１との結合部から距離（位置）は、加熱部石英管１の目標加熱温度との関係で、前記の例を目安として適宜設計すればよく、加熱部石英管１の外径と断熱バッファ石英管２の多少の外径の変更は、袋継手部材４の距離（位置）に大きな影響を与えない。
【００１６】
図３は、反応炉へガスを導入する他の実施例のガス加熱装置の断面説明図である。
図３（ａ）は、貫通孔１１の中心を通るガス加熱装置の縦断面図であって、図示する都合上、円筒ケーシング７の途中を省略して２分割した図として上下配置で示してある。
図３（ａ）において、２０は、反応炉であって、反応炉２０の底部側壁面２１には、貫通孔２１ａが穿孔され、断熱バッファ石英管２の端部に設けられた袋継手部材４に結合した雄継手部材５の後端側が貫通孔２１ａの途中まで外壁側から挿入されて埋設されて端部が気密にされている。
断熱バッファ石英管２の外管２ｂの端部より突出した内管２ａの先端側は、反応炉２０の内側空間まで突出して、加熱したガスを反応炉２０に送出する。
なお、円筒ケーシング７の円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとは、円筒ケーシング７の本体７０に対してＯリング７０ａ，７０ｂを介してねじにて本体７０に螺合固定されて気密される構成を採る。この位置でのＯリング７０ａ，７０ｂは、貫通孔１１を流れる水により冷却されるので、２００°Ｃ以下を確保できる。
【００１７】
この実施例では、断熱バッファ石英管２に設けられた真空吸引ポート１４が削除されている。それに換えて断熱バッファ石英管２と加熱部石英管１との結合に隣接して内部空間７ｃに配置された外管２ｂには真空引き用の孔２ｃが穿孔されている。
また、図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図に示すように、円筒ケーシング７の本体７０と円筒頭部７ａと円筒底部７ｂとで形成される内側空間７ｃは、赤外線ランプヒータ８の背面側の反射光を効率よく利用するために赤外線ランプヒータ８の背面の内壁面が赤外線ランプヒータ８の管軸を中心とする断面半円形に削り取られ、半切筒７１，７２，７３として内壁面がそれぞれに形成されている。
水冷のための貫通孔１１は、半切筒７１，７２，７３の間にある肉厚の側壁に貫通して設けられている。なお、貫通孔１１に端部に設けられる、水を導入するための接続ポートは図では省略してある。
さらに、円筒ケーシング７の外側には、図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図において二点鎖線でで示すように八角形の金属カバー１５が設けられている。
【００１８】
この実施例では、袋継手部材４とは別に金属製の袋継手部材（雌型）４０が設けられている。袋継手部材４０は、断熱バッファ石英管２の加熱部石英管１との結合部から５０ｍｍ程度のところに外管２ｂに嵌合して受口が加熱部石英管１側に向かって外管２ｂにガラス溶着で固定されている。
この袋継手部材４０には、金属製の雄継手部材４１がＯリング４１ａを介して嵌合している。雄継手部材４１の根本は、円筒頭部７ａに埋設されて端部が気密にされている。
また、反対側で加熱部石英管１と接合されたガス導入石英管３にも加熱部石英管１の結合部から３０ｍｍ程度のところに、金属製の袋継手部材（雌型）４２がガス導入石英管３にガラス溶着で固定されている。
袋継手部材４２は、双方向に受口を持つ双方向継手であって、加熱部石英管１の結合部側では、金属製の雄継手部材４３とＯリング４３ａを介して嵌合している。雄継手部材４３の根本は、円筒底部７ｂに埋設されて端部が気密にされている。
また、袋継手部材４２は、雄継手部材４３に対して反対側において金属製の雄継手部材４４とＯリング４４ａを介して嵌合している。雄継手部材４４の先にはテンレス管のガス輸送管が溶接接合されている。
これにより、断熱バッファ石英管２とガス導入石英管３とは、加熱部石英管１と同様にそれぞれ雄継手部材４１，４２を介して円筒ケーシング７に一体的に支持される。
【００１９】
ところで、半導体製造における熱処理プロセスでは、過熱水蒸気を発生して反応炉に送り込み、基板を過熱水蒸気に曝して基板上のシリコン層を熱処理することが行われる。これによりシリコン層が再結晶化してこの再結晶化の際にシリコン層の表面に酸化膜が形成される。この酸化膜は現在絶縁膜として利用されている。
そこで、図１，図３で説明した実施例の黒鉛パイプ９を加熱部石英管１から取り外して、ガス加熱装置１０を過熱水蒸気生成する加熱装置にすることができる。
すなわち、ガス加熱装置１０を流体加熱装置としてこれに水あるいは水蒸気を導入して過熱水蒸気を生成することが可能である。
この場合には、加熱部石英管１へ導入された水あるいは水蒸気は、ガスよりも比熱が高いので黒鉛パイプ９を介すことなく、透明な石英ガラスの壁面を介して直接赤外線の輻射熱で流体を加熱することが可能になる。これにより過熱水蒸気を断熱バッファ石英管２を経て反応炉２０にクリーンな状態で送出することができる。
したがって、この発明は、液体等の流体を過熱するときには黒鉛パイプ９を必ずしも設ける必要はない。また、この発明は、水を含めて、流体加熱装置に適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
以上説明してきたが、実施例の黒鉛パイプの蓄熱部材は、黒鉛を利用するものに限定されるものではなく、また、実施例の赤外線ランプヒータは、その他のランプヒータあるいはシースヒータであってもよい。
また、この発明のガス加熱装置は、実施例では横型で使用しているが、縦型であってもよいことはもちろんである。
さらに、実施例では、円筒ケーシングの内部空間を真空にしているが、この内部空間は必ずしも真空にする必要はない。さらに、円筒ケーシングは、円筒に限定されるものではない。
さらに、この発明は、実施例の石英ガラス管が通常のガラス管であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）は、この発明の流体加熱装置を適用した一実施例の半導体処理装置で使用されるガス加熱装置の説明図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、そして図１（ｃ）ガス加熱装置の温度分布についての説明図である。
【図２】図２は、断面Ｃリングの黒鉛パイプ蓄熱部材の説明図である。
【図３】図３（ａ）は、反応炉へガスを導入する他の実施例のガス加熱装置の断面説明図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…加熱部石英ガラス管（加熱部石英管）、
２…断熱バッファ部石英ガラス管（断熱バッファ石英管）、２ａ…内管、２ｂ…外管、
３…ガス導入部石英ガラス管（ガス導入石英管）、４…袋継手部材（雌型）、
５…雄継手部材、５ａ，７０ａ，７０ｂ…Ｏリング、６…ガス輸送管、
７…ケーシング、７ａ…円筒円筒頭部、７ｂ…円筒底部、
８…赤外線ランプヒータ、９…黒鉛パイプ、１０…ガス加熱装置、
１１…貫通孔、１２…熱電対のセンサ、１３，１４…真空吸引ポート、
１５…金属カバー、２０…反応炉、２１ａ…貫通孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された流体を加熱して送出する流体加熱装置において、
前記流体が流される第１のガラス管と、
前記第１のガラス管の管軸に沿ってこれの外側に配置された棒状の発熱体と、前記第１のガラス管の内径より小さい外径を有し、前記第１のガラス管の流体送出側端部に端部が結合されて前記第１のガラス管に連通しかつ前記発熱体による前記第１のガラス管の加熱領域の外側まで延びた真空断熱の第２のガラス管とを備える流体加熱装置。
【請求項２】
前記第１のガラス管および前記第２のガラス管は、それぞれ石英ガラス管であり、前記第２の石英ガラス管の前記流体を送出する端部における真空断熱のための外管の温度は、シール部材が使用可能な温度か、それ以下であって、前記発熱体は、ランプヒータであり、複数本設けられ、前記第１の石英ガラス管と複数本の前記ランプヒータとは、ケースで被覆されケース内部が気密状態にされている請求項１記載の流体加熱装置。
【請求項３】
さらに前記第１の石英ガラス管の胴部外周を被覆する蓄熱部材を有し、前記流体はガスであって、前記ランプヒータは赤外線ヒータであり、前記蓄熱部材を介して前記第１の石英ガラス管が加熱され、前記第２の石英ガラス管から送出される前記ガスは、半導体を製造しあるいは処理する反応炉に導入される請求項２記載の流体加熱装置。
【請求項４】
前記ケースは、金属製で内側空間が真空に保持され、前記第１の石英ガラス管の流体送出側端部からの前記第２の石英ガラス管の管長は、５０ｍｍ〜２００ｍｍであって、前記流体送出側端部に結合されていない側の前記第２の石英ガラス管の端部は、真空断熱の外管に第１のシール部材が装着され、この第１のシール部材を介して前記第２の石英ガラス管が第１の金属管に結合されかつ真空断熱のための内管が前記外管の端部から突出して前記反応炉の内部まで伸びている請求項３記載の流体加熱装置。
【請求項５】
前記蓄熱部材は黒鉛パイプであって、この黒鉛パイプは、軸方向に沿って側面にスリットが設けられ断面において一部が開口したリングとなっていて、目的とする加熱温度になったときに前記第１の石英ガラス管の胴部外径に対応する内径を有する請求項４記載の流体加熱装置。
【請求項６】
前記第１の石英ガラス管の内径より小さい外径を有し、前記流体送出側端部と反対側の前記第１の石英ガラス管の端部に端部が結合されて前記第１の石英ガラス管に連通して前記ガスを前記第１の石英ガラス管に供給する第３の石英ガラス管を有し、前記第１の石英ガラス管に結合されていない側の前記第３の石英ガラス管の端部は、第２のシール部材が装着され、この第２のシール部材を介して前記第３の石英ガラス管が第２の金属管に結合される請求項５記載の流体加熱装置。
【請求項７】
前記第１および第２のシール部材はそれぞれＯリングであり、前記第３の石英ガラス管は、前記ガスが前記第１の石英ガラス管の断面円形の接線方向あるいはこれに平行な方向に噴射されるように前記第１の石英ガラス管と結合し、前記第２の石英ガラス管の真空断熱の外管には前記金属ケースの内側空間と連通する孔が設けられ、前記金属ケースの内壁面は金メッキされている請求項６記載の流体加熱装置。
【請求項８】
前記請求項１〜７項のいずれか１項記載の流体ガス加熱装置と、この流体加熱装置の前記第２の石英ガラス管から送出される流体を導入する反応炉とを有する半導体処理装置。
【請求項１】
供給された流体を加熱して送出する流体加熱装置において、
前記流体が流される第１のガラス管と、
前記第１のガラス管の管軸に沿ってこれの外側に配置された棒状の発熱体と、前記第１のガラス管の内径より小さい外径を有し、前記第１のガラス管の流体送出側端部に端部が結合されて前記第１のガラス管に連通しかつ前記発熱体による前記第１のガラス管の加熱領域の外側まで延びた真空断熱の第２のガラス管とを備える流体加熱装置。
【請求項２】
前記第１のガラス管および前記第２のガラス管は、それぞれ石英ガラス管であり、前記第２の石英ガラス管の前記流体を送出する端部における真空断熱のための外管の温度は、シール部材が使用可能な温度か、それ以下であって、前記発熱体は、ランプヒータであり、複数本設けられ、前記第１の石英ガラス管と複数本の前記ランプヒータとは、ケースで被覆されケース内部が気密状態にされている請求項１記載の流体加熱装置。
【請求項３】
さらに前記第１の石英ガラス管の胴部外周を被覆する蓄熱部材を有し、前記流体はガスであって、前記ランプヒータは赤外線ヒータであり、前記蓄熱部材を介して前記第１の石英ガラス管が加熱され、前記第２の石英ガラス管から送出される前記ガスは、半導体を製造しあるいは処理する反応炉に導入される請求項２記載の流体加熱装置。
【請求項４】
前記ケースは、金属製で内側空間が真空に保持され、前記第１の石英ガラス管の流体送出側端部からの前記第２の石英ガラス管の管長は、５０ｍｍ〜２００ｍｍであって、前記流体送出側端部に結合されていない側の前記第２の石英ガラス管の端部は、真空断熱の外管に第１のシール部材が装着され、この第１のシール部材を介して前記第２の石英ガラス管が第１の金属管に結合されかつ真空断熱のための内管が前記外管の端部から突出して前記反応炉の内部まで伸びている請求項３記載の流体加熱装置。
【請求項５】
前記蓄熱部材は黒鉛パイプであって、この黒鉛パイプは、軸方向に沿って側面にスリットが設けられ断面において一部が開口したリングとなっていて、目的とする加熱温度になったときに前記第１の石英ガラス管の胴部外径に対応する内径を有する請求項４記載の流体加熱装置。
【請求項６】
前記第１の石英ガラス管の内径より小さい外径を有し、前記流体送出側端部と反対側の前記第１の石英ガラス管の端部に端部が結合されて前記第１の石英ガラス管に連通して前記ガスを前記第１の石英ガラス管に供給する第３の石英ガラス管を有し、前記第１の石英ガラス管に結合されていない側の前記第３の石英ガラス管の端部は、第２のシール部材が装着され、この第２のシール部材を介して前記第３の石英ガラス管が第２の金属管に結合される請求項５記載の流体加熱装置。
【請求項７】
前記第１および第２のシール部材はそれぞれＯリングであり、前記第３の石英ガラス管は、前記ガスが前記第１の石英ガラス管の断面円形の接線方向あるいはこれに平行な方向に噴射されるように前記第１の石英ガラス管と結合し、前記第２の石英ガラス管の真空断熱の外管には前記金属ケースの内側空間と連通する孔が設けられ、前記金属ケースの内壁面は金メッキされている請求項６記載の流体加熱装置。
【請求項８】
前記請求項１〜７項のいずれか１項記載の流体ガス加熱装置と、この流体加熱装置の前記第２の石英ガラス管から送出される流体を導入する反応炉とを有する半導体処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−９０４２２（Ｐ２０１０−９０４２２Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６０３７１（Ｐ２００８−２６０３７１）
【出願日】平成２０年１０月７日（２００８．１０．７）
【出願人】（５９１０７３４３０）創研工業株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月７日（２００８．１０．７）
【出願人】（５９１０７３４３０）創研工業株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
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