(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波発生手段と、
該マイクロ波発生手段で発生したマイクロ波を案内する導波管と、
該導波管内に配置され、給水口及び蒸気送出口を上面に、排水口を下部に有する容器と、
該容器内に配置され、水を浸潤させて保持する構造体と、
該構造体に水を供給する給水手段と、
を備え、前記容器の給水口、蒸気送出口及び排水口は前記導波管の相当位置に設けた開口を通して外部配管とそれぞれ接続されて成ることを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気発生装置において、前記容器は石英から成ることを特徴とする蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を加熱し水蒸気を発生する蒸気発生装置に関し、更に詳しくは、スチーム酸化法によるシリコンの酸化膜形成に好適な蒸気発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の製造工程においては、基板を構成するシリコンそのものを酸化することにより酸化シリコン膜を形成することがよく行われる。シリコン基板表面の酸化方法には種々のものが実用に供されているが、その中で、容器に貯留されている純水を加熱して発生させた蒸気を、加熱されているシリコン基板に接触させてＳｉＯ２を形成するというスチーム酸化法は、酸化速度が比較的速く、厚い被膜層を比較的短時間で形成することができるという特長を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスチーム酸化法では、容器の底部に設置したヒータにより容器内の純水を底面から加熱しているため、沸騰により生じた気泡が上昇して水面で破裂する（いわゆる突沸する）際に微小水滴を飛散させ、それによって微小水滴が水蒸気に巻き込まれて送出される。また、突沸に伴って蒸気の発生流量が変動する。特に、均質で厚い酸化被膜を得る場合には、長時間に亘って安定した蒸気が供給されることが要求される。したがって、蒸気に水滴が混入することや、蒸気流量に脈動があることは好ましくない。
【０００４】
なお、一般の蒸気発生装置では、容器出口に流量調節弁などの流量制御機構を設けることで流量を一定にする構成も採られているが、酸化スチーム法では、これらの機構から溶出する不純物が蒸気に混入することがシリコン基板の品質に重大な悪影響を及ぼす。そのため、このような制御機構を用いることができない。また、流量調節弁を用いる場合には、その出口側と入口側とで圧力差が必要であるため、容器内の圧力を高くせざるをえない。これにより、容器自体の耐圧性を高める必要があるのみならず、容器内の純水の沸点が高くなり容器からの不純物の溶出が助長されるという問題を引き起こす。
【０００５】
更に、突沸による流量変動が無視できる程度であるとしても、供給する蒸気流量を制御するには何らかの流量制御手段が必要であり、上述のような流量制御機構に依らずに流量を制御する方法として、ヒータへの供給電力を調節して貯留水への加熱量を変化させることが考えられる。ところが、この場合には、容器である石英ガラスの熱抵抗や熱容量、及び容器内に貯留した水量に比例して、制御の応答時間が遅くなる欠点がある。即ち、蒸発により減少した水量を補うために容器に給水を行った結果として、貯留水の温度が僅かに低下した場合に、蒸気の発生が極端に少なくなり、元の目標流量まで戻るのに時間を要することになる。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その主たる目的は、蒸気の流量制御機構を用いることなく、安定した流量の蒸気を得ることができる蒸気発生装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、不純物の混入がきわめて少ない、また水滴も混じらない質の高い蒸気を得ることができる蒸気発生装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る第１の蒸気発生装置は、
マイクロ波発生手段と、
該マイクロ波発生手段で発生したマイクロ波を案内する導波管と、
該導波管内に配置され、給水口及び蒸気送出口を上面に、排水口を下部に有する容器と、
該容器内に配置され、水を浸潤させて保持する構造体と、
該構造体に水を供給する給水手段と、
を備え、前記容器の給水口、蒸気送出口及び排水口は前記導波管の相当位置に設けた開口を通して外部配管とそれぞれ接続されて成ることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る第２の蒸気発生装置は、上記第１の蒸気発生装置において、前記容器は石英から成ることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態及び効果】
本発明に係る第１の蒸気発生装置では、マイクロ波発生手段により導波管内にマイクロ波を供給しながら、給水手段により外部配管から給水口を介して容器内に水を供給する。すると、容器内において、供給された水は直ちに構造体内部に浸潤し、その内部に保持される。マイクロ波がこの構造体を通過する際に、保持されている水はマイクロ波加熱され、短時間で温度が上昇し、気化・膨張する。このようにして構造体の内部で発生した蒸気は、連通した空孔を通って構造体の表面全体から出てゆく。また、その過程で、まだ温度が充分に上昇していない水と接触すると、一旦気化した水蒸気は潜熱を奪われて凝縮する。そのため、構造体全体が均熱化され、結果として、構造体全体からむらなく蒸気が発生する。このようにして構造体から発生した蒸気は蒸気送出口から外部配管を通して取り出される。また、構造体に浸潤し得ないほどの水が供給された場合には、容器内に貯留した水は排水口から外部配管を通して排出される。
【００１５】
この第１の蒸気発生装置では、構造体に供給する水の流量と導波管に供給するマイクロ波のエネルギ強度とを適宜に設定することにより、構造体に供給した水の全てを蒸気に変換して送出することができる。したがって、送出される蒸気流量は供給される水の流量によって決まり、この給水流量を制御することにより蒸気流量を制御することができる。給水流量は、例えば流量調節弁等で制御することもできるし、給水手段が送液ポンプである場合には、送液ポンプの動作を制御して送液量を変えることもできる。
【００１６】
この第１の蒸気発生装置によれば、蒸気流量を制御するために蒸気送出側に流量制御機構を設ける必要がない。給水流路側には何らかの流量制御機構が必要となるが、例えば流量調節弁を設ける場合であっても、ここを通過する水の温度は蒸気に比べて格段に低いので、流量調節弁からの不純物の溶出は殆どない。また、構造体を加熱してそれに接触した水を気化させるのではなく、水を直接的にマイクロ波加熱しているので、水は構造体に接触しているものの構造体からの不純物の溶出も殆どない。したがって、不純物を含まない純水を構造体に給水しさえすれば、不純物の混入がない、きわめて清浄な蒸気を得ることができる。また、上述のように給水流量を制御することにより、蒸気流量もきわめて安定させることができる。更に、構造体に供給された水は瞬時に気化して蒸気となるので、蒸気流量を変化させたい場合の応答性もきわめて良好である。また、突沸による水滴の飛散も生じないので、蒸気中に微細水滴を含まず、きわめて均質の蒸気を得ることができる。また、導波管内には水や蒸気が漏出することがないので、導波管内部に水が溢流することや、蒸気が導波管を通ってマイクロ波発生手段に到達することを防止することができる。
【００２３】
また、上記構成では容器自体がマイクロ波加熱されてしまうと水の加熱効率が劣化するが、第２の蒸気発生装置によれば、容器は誘電率及び誘電正接が低くそれ自身はマイクロ波加熱されにくい石英から成るので、構造体に浸潤した水に与えるエネルギを奪うことなく、効率的に水を蒸発させることができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明に係る蒸気発生装置の一実施例を図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施例による蒸気発生装置１０を利用したシリコン表面酸化装置の一例を示す構成図、図２は図１中のＡ−Ａ’線略断面図である。
【００２５】
図１において、加熱炉１は筒状のカンタルヒータであって、その内側には炭化ケイ素から成る炉心管２が配設され、炉心管２の端面は同じく炭化ケイ素から成る栓３で閉塞されている。炉心管２の内部には試料台４が取り出し可能に設置されており、試料台４には複数枚のシリコン基板５を略平行に載置できるようになっている。また、炉心管２の下部には圧抜き開口６が設けられている。この炉心管２の内部と蒸気発生装置１０とは蒸気供給管７で接続されている。
【００２６】
蒸気発生装置１０において、導波管１１は、図２に示すように、横幅が高さよりも大きな長方形の断面構造を有し、両端面１１ａ、１１ｂが閉塞された金属製の方形導波管である。この導波管１１の一方の端面１１ａの近傍には、マイクロ波を発生させるマグネトロン１２が、アンテナを内部に突出して取り付けられている。また、導波管１１の他方の端面１１ｂから所定間隔だけ離間した位置には、内部に多孔質体１４を備える容器１３が配置されている。
【００２７】
この容器１３は、例えば石英ガラスから成り、水導入管１５が接続された水供給口１３ａと、蒸気送出管１６が接続された蒸気送出口１３ｂとを上面に有し、排水管１７が接続された排水口１３ｃを下面に有している。なお、容器１３の材料はこれに限定されるものではなく、好ましくはマイクロ波により加熱されにくい材料であればよい。
【００２８】
蒸気送出管１６は蒸気供給管７に接続されている。また、水導入管１５は流量調節弁１８を介して純水供給管１９に接続されており、流量調節弁１８が開放されると、純水供給管１９を通して供給された純水が水導入管１５を通って水供給口１３ａから容器１３内に供給されるようになっている。
【００２９】
多孔質体１４は微細で且つ互いに連通した空孔を内部に多数有する固体であって、この連通した空孔内に順次純水を案内することにより、純水を表面から内部に浸潤させて保持することができる。したがって、多孔質体１４としては種々のものを用いることができるが、例えば、内部に多数の空孔を形成した石英ガラスやプラスチック等の合成樹脂体、或いは合成樹脂製のスポンジ体（海綿状体）等とすることができる。また、内部の空孔の占有割合を表す気泡率は発生可能な蒸気流量を左右するから、充分な蒸気流量を得るには気泡率を２０〜８０％程度とするとよい。ここでは、上記要件を満たした材料として、気泡率が約３０％の石英ガラスから成る多孔質体１４を用いている。
【００３０】
容器１３下方の導波管１１の壁面には開口１１ｃが設けられ、その開口１１ｃの外側には赤外線受光センサ２０が配置されている。この赤外線受光センサ２０の検出出力は温度検出部２１に入力され、その温度検出結果は制御部２２に与えられる。制御部２２は例えばマイクロコンピュータ等を中心に構成することができ、予め与えられた制御プログラムに従って、マグネトロン１２へ電力を供給する高周波電源２３や上記流量調節弁１８を制御する。
【００３１】
次に、このシリコン表面酸化装置でシリコン基板を酸化させる際の動作を説明する。作業者は試料台４にシリコン基板５を載置し、これを炉心管２の内部に収容する。図示しない操作パネル等からの動作開始の指示に応じて、図示しない電源から加熱炉１のカンタルヒータに加熱電流を供給し、加熱炉１を所定温度にまで加熱する。
【００３２】
蒸気発生装置１０において、制御部２２は流量調節弁１８の開度を適宜に調整し、所定流量でもって純水を水導入管１５に流す。このときの流量は、水供給口１３ａから多孔質体１４上面に純水が滴下する程度とするとよい。滴下した純水は速やかに多孔質体１４に浸潤するため、後述のように流量を適切に設定しておけば容器１３内に純水が流下することはない。
【００３３】
また制御部２２は、マグネトロン１２に電流を供給し始めるように高周波電源２３を制御する。これにより、マグネトロン１２は所定周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）で発振し、マイクロ波が導波管１１の内部に供給される。導波管１１の内部を伝播したマイクロ波は容器１３の壁面を通過し、更に多孔質体１４を通過しようとするが、このとき多孔質体１４に保持されている純水が負荷となる。即ち、マイクロ波のエネルギは純水に与えられ、純水は瞬時に気化する。純水は気化すると同時に急激に膨張し、連通した空孔を通って多孔質体１４の外部へと出る。
【００３４】
このとき、空孔の分布が甚だしく不均一であると、多孔質体１４の内部での純水の分布自体が不均一になる。そのため、マイクロ波による加熱のむらが生じ易く、蒸気の発生効率を低下させる恐れがある。したがって、多孔質体１４全体からほぼむらなく蒸気を発生させるには、空孔ができるだけ均一に分布していることが望ましい。
【００３５】
上述したようなマイクロ波加熱により、多孔質体１４の各面の表面から多量の蒸気が発生し、蒸気送出口１３ｂから蒸気送出管１６及び蒸気供給管７を通って炉心管２に送り込まれる。炉心管２の内部ではシリコン基板５が加熱された状態にあるため、その表面が蒸気と反応してＳｉＯ２  の膜が形成される。この構成では、純水が気化して蒸気になる過程で不純物が溶出しない、又は溶出したとしてもきわめて少ないので、蒸気は不純物を含まず、きわめて欠陥の少ない良好なＳｉＯ２  膜が形成される。
【００３６】
本実施例の蒸気発生装置１０では、所望の蒸気流量に相当する純水の流量が流量調節弁１８で得られるようにし、且つ、その流量の純水を気化させるに必要なエネルギを上回るようなマイクロ波を導波管１１に供給するように駆動電流を制御することにより、容器１３に供給した水を全て気化させて炉心管２へと送出することができる。したがって、このような動作を行う限りにおいて排水管１７は不要である。しかしながら、例えば誤って多量の純水を容器１３に導入してしまった場合や、或いは、例えば容器１３内部や多孔質体１４を洗浄する場合には、容器１３内に貯留した純水を排水管１７を介して外部へと排出することができる。
【００３７】
ところで、例えば、流量調節弁１８が故障している場合、或いは純水供給管１９に純水が供給されない場合には、多孔質体１４に純水が浸潤しない状態でマイクロ波が供給され続けることになる。たとえ多孔質体１４自体が比較的マイクロ波加熱されにくい材料で形成されていたとしても、純水という負荷が無いと、多孔質体１４自体が負荷となって加熱される。過度の温度上昇は多孔質体１４を損傷する恐れがある。また、純水という負荷が無い場合、多孔質体１４に吸収されなかった残りのマイクロ波は導波管１１の終端面１１ｂで反射し、マグネトロン１２まで戻ってマグネトロン１２自体を加熱する。また、このような不所望の加熱がないとしても、加熱対象物が無い又は極端に不足した状態で無為にマイクロ波を発生させ続けることは、無駄な電力を消費することを意味する。
【００３８】
赤外線受光センサ２０及び温度検出部２１は、このような不具合を解消するために利用される。即ち、多孔質体１４に純水がほぼ常時浸潤している状態では、多孔質体１４自体の温度はあまり上昇しないが、純水が無くなる又は極端に不足すると多孔質体１４自体の温度が上昇してゆく。温度が上昇するに伴い多孔質体１４から発せられる赤外線の強度は増加し、温度検出部２１は赤外線受光センサ２０からの受光信号に基づいて多孔質体１４の温度を検出する。
【００３９】
制御部２２はこの検出温度を予め定めた所定値と比較し、検出温度が所定値を越えた場合には、純水が供給されていないものと判断して、マグネトロン１２への駆動電流を減少又は停止するように高周波電源２３を制御する。これにより、マイクロ波のエネルギが減少し又は発振が停止し、多孔質体１４の過度の温度上昇やマグネトロン１２自体の加熱を回避することができる。
【００４０】
容器１３内に純水が供給されていないことを検出するために他の手段を用いた蒸気発生装置の構成を図３に示す。上述したように、多孔質体１４に純水が浸潤しない状態では、たとえ多孔質体１４に一部のマイクロ波が吸収されたとしても、マグネトロン１２へと戻るマイクロ波が格段に増加する。その結果、マグネトロン１２自体の温度が上昇する。そこで、この蒸気発生装置では、マグネトロン１２の陽極の放熱フィン１２ａに温度センサ３０を取り付け、この温度センサ３０の検出出力により温度を判断する。そして、この検出温度が所定値以上になったならば容器１３への純水の供給がなくなったと判断し、高周波電源２３を適宜に制御する。この構成によっても、上記実施例と同様の効果を奏する。
【００４１】
以上、本発明の実施例について例示し説明したが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で種々の他の変形及び修正を行うことができることは当業者にとって明らかである。したがって、このような変形及び修正は、本発明の請求の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である蒸気発生装置を利用したシリコン表面酸化装置の一例を示す構成図。
【図２】図１中のＡ−Ａ’線略断面図。
【図３】本発明の他の実施例である蒸気発生装置の構成図。
【符号の説明】
１０…蒸気発生装置
１１…導波管
１１ａ、１１ｂ…端面
１１ｃ…開口
１２…マグネトロン
１２ａ…放熱フィン
１３…容器
１３ａ…水供給口
１３ｂ…蒸気送出口
１３ｃ…排水口
１４…多孔質体
１５…水導入管
１６…蒸気送出管
１７…排水管
１８…流量調節弁
１９…純水供給管
２０…赤外線受光センサ
２１…温度検出部
２２…制御部
２３…高周波電源
３０…温度センサ
【図１】
0003607927.tif 000002
【図２】
0003607927.tif 000003
【図３】
0003607927.tif 000004