(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼から成るガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを組み合わせて成る反応炉本体の内部空間内に、ステンレス鋼から成る入口側反射体と出口側反射体と金属スクリーンとを配設すると共に、前記出口側炉本体部材の内壁面に白金コーティング皮膜を形成し、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素とを非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉に於いて、前記反応炉本体の内部空間内の白金コーティング皮膜を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成し、前記白金コーティング皮膜以外の金属表面の触媒作用による水素と酸素の局部的な反応を防いで水素への着火又はガス供給口側への逆火を防止する構成としたことを特徴とする水分発生用反応炉。
【請求項２】
ガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを組み合わせて成る反応炉本体の内部空間内に、入口側反射体と出口側反射体と金属スクリーンとを配設すると共に、前記出口側炉本体部材の内壁面に白金コーティング皮膜を形成し、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素とを非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉に於いて、前記入口側炉本体部材と両反射体と金属フィルターとを水素及び酸素に対して触媒活性を有しない非触媒性の鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金又は銅合金の中の何れかにより形成し、前記白金コーティング皮膜以外の金属表面の触媒作用による水素と酸素の局部的な反応を防いで水素への着火又はガス供給口側への逆火を防止する構成としたことを特徴とする水分発生用反応炉。
【請求項３】
非触媒性の金属材から成る入口側炉本体部材の内表面と両反射体の外表面と金属スクリーンの外表面に、保護皮膜としてＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る薄膜を形成するようにした請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として半導体製造装置に於いて利用される水分発生用反応炉の改良に係り、水素への着火や逆火等の発生を完全に防止して安全性の大幅な向上を可能とした水分発生用反応炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造に於けるシリコンへの酸化膜付けには、少なくとも１０００ＳＣＣＭ（標準状態下で１０００ｃｃ／ｍｉｎ）の量の高純度水分を必要とする。
これ等の用途に供するため、本願発明者等は先きに図５に示す様な構成の水分発生用反応炉を開発し、ＷＯ９７／２８０８５号としてこれを公開している。
即ち、図５に於いて、Ａは反応炉本体、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、３は入口側内部空間、４は出口側内部空間、５は入口側反射体、６は出口側反射体、７は金属フィルター、８は白金コーティング触媒層であり、また前記白金コーティング触媒層８は図６に示すように、出口側炉本体部材２の内表面にＴｉＮ等のバリヤー皮膜８ａを設け、その上に、更に白金コーティング皮膜８ｂを積層固着することにより形成されている。
【０００３】
水分の発生に際しては、ガス供給口１ａから予かじめ所定の混合率で混合されたＨ2 とＯ2 の混合ガスＧを反応炉本体Ａ内へ供給する。反応炉本体Ａの入口側内部空間３内へ供給された混合ガスＧは、入口側反射体５及び金属フィルター７によって拡散され、出口側内部空間４内へ流入して白金コーティング皮膜８ｂと接触することにより、Ｏ2 及びＨ2 の反応性が活性化される。
【０００４】
白金コーティング皮膜８ｂとの接触により活性化されたＨ2 とＯ2 とは、約４００℃〜５００℃前後の高温下で反応をし、水分ガス（水蒸気）に転換される。また、発生した水分ガス（水蒸気）は、水分ガス取出口２ａから半導体製造用のプロセスチャンバー（図示省略）等へ供給されて行く。
尚、高温下でＯ2 とＨ2 とを反応させる水分反応炉本体Ａは、その内部空間３・４内の温度をＨ2 又はＨ2 含有ガスの発火温度以下の温度に保持することにより、ＨとＯの爆発的な燃焼反応を防止つつ適宜の速度で両者を反応させ、所要流量の水分ガスを発生する。
【０００５】
上記図５の反応炉本体Ａは、所望流量の高純度水分を極く小形の反応炉本体でもって連続的に、しかも高反応率の下で簡便に発生させることができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、図５のような構成の水分発生炉にも未だ解決すべき多くの問題が残されており、その中でも特に解決を急ぐ問題は、Ｈ2 への着火やガス供給口１ａからの逆火をより完全に防止すると云う点である。
【０００６】
上述したように、水分発生用反応炉本体Ａの内部空間内の温度は、Ｈ2 又はＨ2 含有ガスの最低限界着火温度（約５６０℃、Ｈ2 とＯ2 の混合率に応じて限界着火温度は約５６０℃より上昇する）よりも相当に低い約４５０℃〜５００℃の温度に保持されており、Ｈ2 とＯ2 の爆発的な燃焼反応は抑制されるようになっている。
しかし、水分発生用反応炉Ａの内部空間３・４側の温度を常に完全に前記限界着火温度以下の値に保持することは、現実にはなかなか困難なことであり、入口側炉本体部材１や出口側炉本体部材２等の内壁面の温度が、何等かの原因で局部的に限界着火温度以上に上昇することがある。
【０００７】
尚、万一、前記入口側炉本体部材１や出口側炉本体部材２の内壁面温度が局部的に限界着火温度以上に上昇したとしても、常にＯ2 とＨ2 との爆発的な燃焼反応が生じて逆火を生ずるとは限らず、一般的には着火や逆火を生じないケースが多いが、混合ガスＧ内のＨ2 濃度が特に高い場合には、稀にＨ2 への着火或いは逆火を生ずることがある。
【０００８】
前記Ｈ2 への着火や逆火を生ずる原因、即ち両炉本体部材１・２や金属フィルター７等の局部的で且つ急激な温度上昇を生ずる原因は、不明であって未だ十分にその原因の特定は行なわれていない。
しかし、本願発明者等はこれまでの水分発生用反応炉の製造並びに使用の経験からして、反応炉本体Ａを構成する入口側炉本体部材１の内壁面（ガス供給口１ａ側の炉本体部材の内壁面）や入口側反射体５、出口側反射体６、金属フィルター７等の外表面の金属触媒作用により、混合ガスＧ内のＨ2 とＯ2 が活性化され、前記内壁面等に局部的で且つ急激な温度上昇が生じたことが、Ｈ2 への着火の第１原因であると想定している。
【０００９】
即ち、入口側炉本体部材１や両反射体５・６、金属フィルター７等は全てステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）により形成されている。そして、これ等各部材の外表面は、通常自然に形成された各種金属の酸化物皮膜や不働態皮膜によって覆われており、これによってステンレス鋼外表面が本来保持している所謂触媒活性は、抑制されている。
ところが、約４５０℃〜５００℃程度の高温下でＨ2 濃度の高い混合ガスＧ中に、前記酸化物皮膜や不働態皮膜が長時間晒されると、酸化物皮膜等がステンレス鋼表面から剥離脱落あるいは表面が還元されて金属表面が局部的に露出される。その結果、ステンレス鋼外表面の金属触媒活性が発揮され、Ｏ2 とＨ2 との反応が局部的に急速且つ高密度で進行し、これによって反応炉本体Ａの内部空間３・４内の白金コーティング触媒層８を設けた部分以外の局部の表面温度が、Ｈ2 （又はＨ2 含有ガス）の着火限界温度以上に上昇したものと想定される。
【００１０】
尚、前記反応炉本体Ａの内部空間３・４内の局部的な温度上昇を防止するためには、反応炉本体Ａ自体を大形化してその熱容量を増大させると共に、放熱又は冷却装置を設けて反応炉本体Ａの冷却性能の強化を図るのが通常の方策である。
しかし、半導体製造装置は一般にクリーンルーム内に設置されるものであり、その設置スペースを大きく取ることは困難である。そのため、半導体製造装置に付随する水分発生用反応炉もその小型化に対する要求が特に厳しく、反応炉本体Ａの大型化や冷却装置の増強を以って、上述の如き水分発生用反応炉の内部に於ける局部的な温度上昇を防止しようとする方策は、現実的に採用が不可能な状態にある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の水分発生用反応炉に於ける上述のような問題、即ち反応炉本体Ａを構成する入口側及び出口側炉本体部材１・２の内部空間内の温度をＨ2 又はＨ2 含有ガスの限界着火温度よりも相当に低い温度に保持していても、Ｈ2 濃度の高い混合ガスを使用している場合には、水分の発生中にＨ2 への着火又は逆火を生ずることがあると云う問題を解決せんとするものであり、反応炉本体Ａを大形化してその熱容量の増大を図ったり、或いは反応炉本体Ａの冷却装置を大形化してその冷能力を大幅に高めるような方策によらず、しかも水分発生用反応炉の運転中に於けるＨ2 への着火や逆火の発生を完全に防止できるようにした、水分発生用反応炉を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、従前の水分発生用反応炉に於けるＨ2 への着火や逆火の発生原因を究明する過程を通して、前記着火や逆火を生ずる原因が「反応炉本体の内部空間側の金属外表面に形成されていた酸化物皮膜等の剥離脱落により、金属表面の触媒活性が発揮され、この金属表面の触媒活性によってＯ2 とＨ2 の反応が局部的に急激にしかも高密度で進行し、金属表面の温度が部分的にＨ2 含有ガスの限界着火温度以上に上昇したことによる。」ことを、知得した。
【００１３】
本発明は、本願発明者等の上記知得に基づいて創作されたものであり、請求項１の発明は、ステンレス鋼から成るガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを組み合わせて成る反応炉本体の内部空間内に、ステンレス鋼から成る入口側反射体と出口側反射体と金属スクリーンとを配設すると共に、前記出口側炉本体部材の内壁面に白金コーティング皮膜を形成し、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素とを非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉に於いて、前記反応炉本体の内部空間内の白金コーティング皮膜を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成し、前記白金コーティング皮膜以外の金属表面の触媒作用による水素と酸素の局部的な反応を防いで水素への着火又はガス供給口側への逆火を防止する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、ガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを組み合わせて成る反応炉本体の内部空間内に、入口側反射体と出口側反射体と金属スクリーンとを配設すると共に、前記出口側炉本体部材の内壁面に白金コーティング皮膜を形成し、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素とを非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉に於いて、前記入口側炉本体部材と両反射体と金属フィルターとを水素及び酸素に対して触媒活性を有しない非触媒性の鉄−クロム−アルミ合金、アルミ合金又は銅合金の中の何れかにより形成し、前記白金コーティング皮膜以外の金属表面の触媒作用による水素と酸素の局部的な反応を防いで水素への着火又はガス供給口側への逆火を防止する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、非触媒性の金属材から成る入口側炉本体部材の内表面と両反射体の外表面と金属スクリーンの外表面に、保護皮膜としてＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る薄膜を形成するようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉の断面図である。図１に於いてＡは反応炉本体、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、３は入口側内部空間、４は出口側内部空間、５は入口側反射体、６は出口側反射体、７は金属フィルター、８は白金コーティング触媒層、８ａはバリヤー皮膜、８ｂは白金コーティング皮膜、９・１０・１１はバリヤー皮膜であり、入口側炉本体部材の内壁面のバリヤー皮膜９、出入口側反射体の外表面のバリヤー部材１０及び金属フィルターの外表面のバリヤー皮膜１１を除いてその他の部材は、前記図５の場合とほぼ同一であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００２１】
本発明に係る水分発生用反応炉本体Ａはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の入口側炉本体部材１と出口側炉本体部材２とを気密状に連結することにより、円形の中空デスク状に形成されている。
前記入口側炉本体部材１には、その内部に底面が球面状の窪部が設けられており、ガス供給口１ａが窪部内へ連通されている。また、出口側炉本体部材２には、内部に底面が球面状の窪部が設けられており、水分ガス取出口２ａが窪部内へ連通されている。更に、両炉本体部材１・２の内側外周端面にはフランジ体が夫々形成されており、金属フィルター７のフランジを介して両フランジ体を気密状に溶接固定することにより、水分発生用反応炉本体Ａが構成されている。
【００２２】
前記入口側反射体５は全面が開放された有底の円筒状を呈しており、入口側炉本体部材１のガス供給口１ａと対向する位置に溶接により固定されている。同様に、出口側反射体６は出口側炉本体部材２の水分ガス取出口２ａと対向する位置に固定されている。
また、前記金属フィルター７は平均２μｍ〜２００μｍメッシュの透孔を有するステンレス鋼製フィルターから形成されている。
尚、本発明の水分発生用の反応炉本体Ａでは、後述するように前記入口側炉本体部材１の内表面、両反射体５・６の外表面及び金属フィルター７の外表面に夫々バリヤー皮膜９・１０・１１が形成されている。
【００２３】
ガス供給口１ａを通して入口側反射体５へ向けて噴射されたガスは、反射体５の底面へ衝突したあと、外周壁に設けた透孔を通して矢印方向に噴射され、入口側内部空間３内で拡散されることによりフィルター７のほぼ全面を均等に通過し、出口側炉本体部材２の出口側内部空間４内へ入る。また、出口側内部空間４内へ噴射されたガスは、白金コーティング触媒層８の全面に亘って均等に衝突接触し、これにより所謂触媒活性化されることになる。更に、出口側内部空間４内に形成された水分ガスは、出口側反射体６の周壁の透孔を通して水分ガス取出口２ａへ導出されて行く。
【００２４】
前記白金コーティング触媒層８はＳＵＳ３１６Ｌ製の出口側炉本体部材２の内表面の全域に形成されており、図２に示す如く炉本体部材２の内表面にＴｉＮ製のバリヤー皮膜８ａを形成したあと、当該バリヤー皮膜８ａの上に白金コーティング皮膜８ｂが形成されており、前記バリヤー皮膜８ａと白金コーティング皮膜８ｂとによって本発明に係る白金コーティング触媒層８が構成されている。
前記白金コーティング皮膜８ｂの厚さは０．１μｍ〜３μｍ位いが適当であり、本実施態様に於いては約１μｍの厚さの白金コーティング皮膜８ｂが形成されている。また、バリヤー皮膜８ａの厚さは０．１μｍ〜５μｍ程度が最適であり、本実施態様では約２μｍの厚さのＴｉＮ製のバリヤー皮膜が形成されている。
【００２５】
本発明の実施形態に於いては、白金コーティング触媒層８を形成する出口側炉本体部材２だけでなく、入口側炉本体部材１の内表面や両反射体５・６の外表面、金属フィルター７の外表面にもＴｉＮ製のバリヤー皮膜９・１０・１１が形成されている。図３は入口側炉本体部材１の内表面のバリヤー皮膜９の形成状態を示すものである。
即ち、各バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の形成に際しては、先ず、出口側炉本体部材２等の内表面に適宜の表面処理を施し、ステンレス鋼表面に自然形成されている各種金属の酸化膜や不働態膜を除去する。次にＴｉＮによるバリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の形成を行なう。本実施態様に於いてはイオンプレーティング工法により厚さ約２μｍのＴｉＮ製バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１を形成している。
【００２６】
前記バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の材質としてはＴｉＮの外にＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等を使用することが可能である。非触媒性であり、しかも耐還元性及び酸化性に優れているからである。
また、バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の厚さは前述の通り０．１μｍ〜５μｍ程度が適当である。何故なら、厚さが０．１μｍ以下であると、バリヤー機能が十分に発揮されず、また逆に、厚さが５μｍを越えるとバリヤー皮膜そのものの形成に手数がかかるうえ、加熱時の膨張差等が原因となってバリヤー皮膜の剥離等を生ずる虞れがあるからである。
更に、バリヤー皮膜の形成方法としては、前記イオンプレーティング工法以外に、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、溶射法等を用いることも可能である。
【００２７】
前記出口側炉本体部材２の方は、バリヤー皮膜８ａの形成が終わると、引き続きその上に白金コーティング皮膜８ｂを形成する。本実施態様に於いては、イオンプレーティング工法により厚さ約１μｍの白金コーティング皮膜８ｂを形成している。
前記白金コーティング皮膜８ｂの厚さは０．１μｍ〜３μｍ程度が適当である。何故なら、厚さが０．１μｍ以下の場合には、長期に亘って触媒活性を発揮することが困難となり、また逆に、厚さが３μｍ以上になると、白金コーティング皮膜８ｂの形成費が高騰するうえ、３μｍ以上の厚さにしても触媒活性度やその保持期間にほとんど差がなく、しかも加熱時に膨張差等によって剥離を生ずる虞れがあるからである。
また、白金コーティング皮膜８ｂの形成方法は、イオンプレーティング工法以外にイオンスパッタリング法、真空蒸着法、化学蒸着法、ホットプレス法等が使用可能であり、更に、バリヤー皮膜８ａがＴｉＮ等の導電性のある物質の時にはメッキ法も使用可能である。
【００２８】
図４は本発明の第２実施形態を示すものである。当該第２実施形態に於いては、入口側炉本体１、両反射体５・６及び金属スクリーン７を形成する素材に、例えば鉄−クロム−アルミ合金やアルミ合金、銅合金等のＨ2 やＯ2 に対して所謂触媒活性を有しない材質の素材が使用されている。従って、白金コーティング触媒層８を設けた部分以外では、Ｈ2 やＯ2 が水分の発生中に活性化されることは無く、Ｏ2 とＨ2 の反応による局部的な温度上昇も起らない。
【００２９】
尚、図４の第２実施形態に於いては、出口側反射体１２は、厚さ約２ｍｍの鉄−クロム−アルミ合金を用いて円形の部分球穀状（即ち円形の浅皿形）に形成されており、出口側炉本体部材２の窪部の湾曲面と同じ曲率半径の湾曲面に仕上げられている。
また、当該出口側反射体１２は、出口側炉本体部材２の水分ガス取出口２ａを中心としてこれに対向状に配置され、約１ｍｍの間隙Ｌを保持した状態でその外周縁の４ケ所に形成した支持片を介して、出口側炉本体部材２の内側面へ溶接固着されている。
【００３０】
入口側炉本体部材１や両反射体５・１２、金属フィルター７等にステンレス鋼やニッケル合金鋼、ニッケル鋼以外の金属表面の触媒活性を有しない金属（例えば鉄−クロム−アルミ合金）を使用した場合には、これ等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方が望ましい。
尚、鉄−クロム−アルミ合金を使用した場合には、部材に事前に熱処理を施し、その表面をアルミナ皮膜で覆うようにしている。
また、前記表面処理としては、例えば図１の第１実施形態に於いて使用したＴｉＮ等の非触媒性であり且つ耐食性、耐還元性及び耐酸化性に優れたバリヤー皮膜を形成するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明に於いては、反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を形成した以外の部分を、非触媒性で且つ耐還元性、耐酸化性に優れたバリヤー皮膜で覆う構成としているため、水分発生炉の運転中に触媒作用を有する生の金属表面が露出することがない。その結果、Ｈ2 濃度の高い混合ガスを用いて、長期に亘って水分発生を行なっても、前記白金コーティング触媒層以外の部分の金属表面の触媒作用によってＯ2 とＨ2 が局部的に激しく反応することが皆無となり、これによって従前のようなＨ2 への着火や逆火の発生がより完全に防止される。
【００３２】
また、請求項２の発明に於いては、反応炉本体を形成する部材を酸素や水素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金等の非触媒性で且つ耐還元性及び耐酸化性に優れた材質の素材でもって形成するようにしているため、白金コーティング触媒層以外の部分の金属表面の触媒作用が起因となってＨ2 への着火や逆火が発生することが発生することが皆無となり、水分発生用反応炉の安全性が大幅に向上する。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図２】白金コーティング皮膜の形成状態を示す部分縦断面図である。
【図３】バリヤー皮膜の形成状態を示す部分縦断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図５】従前の水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図６】図５の白金コーティング皮膜層の形成状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ａは反応炉本体、Ｈ2 は水素ガス、Ｏ2 は酸素ガス、Ｇは混合ガス、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、３は反応炉入口側内部空間、４は反応炉の出口側内部空間、５は入口側反射体、６・１２は出口側反射体、７は金属フィルター、８は白金コーティング触媒層、８ａはバリヤー皮膜、８ｂは白金コーティング皮膜、９は入口側炉本体部材内壁面のバリヤー皮膜、１０は入口側及び出口側反射体外表面のバリヤー皮膜、１１は金属フィルター外表面のバリヤー皮膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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