JP2003130311A - 火炎加水分解蒸着工程用バーナーの火炎安定化装置 - Google Patents

火炎加水分解蒸着工程用バーナーの火炎安定化装置

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JP2003130311A JP2002206042A JP2002206042A JP2003130311A JP 2003130311 A JP2003130311 A JP 2003130311A JP 2002206042 A JP2002206042 A JP 2002206042A JP 2002206042 A JP2002206042 A JP 2002206042A JP 2003130311 A JP2003130311 A JP 2003130311A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】同軸流拡散火炎周囲に流動を安定化させる付加
装置を追加することにより、周囲流動による火炎及び火
炎内粒子流動の攪乱を防止して粒子の付着効率を増加さ
せ、より安定的に均一な粒子付着を実現することができ
るバーナーの火炎安定化装置を提供する。 【解決手段】火炎安定化装置は、火炎加水分解蒸着工程
で基板上に火炎を噴射する同軸流拡散火炎バーナー１０
０と、火炎と粒子流動を安定化させるために、不安定な
周囲の流動から火炎を隔離するようバーナー１００に並
置した火炎安定器３０と、からなる。火炎安定化器３０
はセラミック材質の微細管束３２として構成され、その
微細管束３２は、外周方向に積層される多層構造に形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は火炎加水分解蒸着
(ＦＨＤ:Flame hydrolysis Deposition)を利用した微細
粒子製造用バーナーに関するもので、特に、火炎を利用
してウェーハ上に微細粒子から光導波用薄膜を安定に形
成するためのバーナーに対する火炎安定化装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、火炎加水分解蒸着(以下、Ｆ
ＨＤ)技術は、光ファイバ母材技術から発達し、平面導
波路形の光回路を製作するために応用されている。ハロ
ゲン化合物(ＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４など)の気相混合物
は、例えばシリコンのような適切な基板上に直接的に蒸
着される微細グラス粒子を形成するために、酸素−水素
火炎内で反応する。高純度シリカ技術は、シリコンマザ
ーボード(silicon motherboard)上への能動デバイスと
受動デバイスのハイブリッド集積化という可能性だけで
はなく、シリコンチップ上に多数の受動的機能を集積化
する潜在的可能性を提供する。
【０００３】火炎を利用した微細粒子製造工程では、多
数個の同心円ノズルの構成をもつ同軸流拡散火炎(co-fl
ow diffusion flame)バーナーで形成される酸素−水素
火炎を利用することが一般的であり、この場合、原料物
質は火炎と共に噴射され、火炎内で加水分解反応(flame
hydrolysis)、または酸化反応(oxidation)を経て、微
細な粒子を形成するようになる。生成された微細粒子は
火炎に沿って移動しながら、相互間の衝突により凝集(c
oagulation)して成長し、熱泳動(thermophoresis)によ
り多様な形態で基板に付着する。付着した粒子は用途に
よって焼結、乾燥過程を経ることになるが、その代表的
な例として、光ファイバを製造するためのＯＶＤ(Outsi
de Vapor Deposition)、ＶＡＤ(Vapor-phase Axial Dep
osition)、そして、平面光導波薄膜を製造するための火
炎加水分解蒸着工程(ＦＨＤ)がある。
【０００４】平面光導波路技術はインターネット及びマ
ルチメディア通信の成長に寄与してきた。このような分
野は、より多くのネットワーク容量、光ファイバのよう
な高域幅(high-bandwidth)の媒体選択を強力に要求して
いる。光リンクではすべての帯域のデータ伝送率を増加
させるための三つの技術がある。この三つの技術は、空
間分割多重化技術(space division multiplexing、ＳＤ
Ｍ)、時分割多重化技術(time division multiplexing、
ＴＤＭ)、波長分割多重化技術(wavelength division mu
ltiplexing、ＷＤＭ)を意味する。
【０００５】平面光導波路技術は、例えば、特定波長の
追加やフィルタリングなどの機能を効率的且つ柔軟に、
低コストで遂行できるようにする。
【０００６】従来の火炎加水分解蒸着(ＦＨＤ)工程で使
用される多数の同心円ノズル構成をもつ同軸流火炎拡散
用バーナー(burner)１００の概略的な構成が図１、図２
に示されている。ここで、“火炎拡散”とは、燃料と酸
化ガスストリームが大量拡散により化学反応領域で混合
されることを意味する。
【０００７】図１、図２に示されたように、同軸流火炎
拡散用バーナー１００の中心から原料物質(source mate
rial)及び搬送気体(carrier gas)(矢印Ａ方向)が噴射さ
れ、その周囲に水素(Ｈ２)(矢印Ｂ方向)と酸素(Ｏ２)
(矢印Ｃ方向)の燃焼による火炎(Ｆ)が形成される。粒子
を生成するための原料物質には主にＳｉＣｌ４、ＧｅＣ
ｌ４、ＰＯＣｌ３などが使用され、これらは常温で液体
であるので、搬送気体によりバブリング(bubbling)され
た後に使用される。前記Ｈ２とＯ２の燃焼により生成さ
れるＨ２ＯまたはＯＨとバーナー１００の中心から噴射
され拡散した原料物質とが接触する位置で加水分解反応
が発生し、この加水分解反応により生成された粒子は、
火炎(Ｆ)に沿って移動して熱泳動現象(thermophoresis)
によりシリコンウェーハ(Ｗ)に付着する。
【０００８】この時、火炎(Ｆ)内で生成され成長する粒
子の大きさは、数ｎｍから数十ｎｍ程度と非常に小さ
く、慣性(inertia)の影響を無視することができるの
で、火炎(Ｆ)内粒子の速度は、気体の速度と温度勾配に
よる熱泳動速度(thermophoretic velocity)の和として
考えられる。
【０００９】そのため、火炎(Ｆ)の流動が流線(streaml
ine)を定義することができる層流(laminar flow)である
場合、火炎(Ｆ)内の粒子もこれと類似な速度分布を有す
るようになるが、火炎(Ｆ)が流線を定義できない、即ち
速度の揺動(fluctuation)がある乱流(turbulent flow)
である場合には、火炎(Ｆ)内の粒子も流体の流れに応じ
て不安定な速度を有するようになる。その結果、粒子の
付着効率が減少し、不均一な粒子付着により粒子付着の
均一度も減少するようになる。
【００１０】前記バーナー１００で生成される同軸流拡
散火炎において、火炎(Ｆ)が不安定になる理由は、二つ
に大別することができる。一つの理由は、同心円ノズル
で噴射されるガスの速度差による剪断流(shear flow)で
あり、これは工程条件、即ち、火炎(Ｆ)の形成、原料物
質、そして搬送気体の流量により決定される。もう一つ
の理由は、生成された火炎(Ｆ)外部の気体と火炎(Ｆ)と
の速度差及び圧力差による周囲気体の流入(entrainmen
t)及び剪断流であり、これは火炎(Ｆ)が生成される周囲
の流動に依存する。
【００１１】一般的な火炎加水分解蒸着工程の場合、回
転または直線移動することで (矢印Ｄ方向)バーナー１
００に対し相対速度を有するシリコンウェーハ(silicon
wafer)(Ｗ)上に、重力方向に傾けた火炎(Ｆ)が位置
し、そして、シリコンウェーハ(Ｗ)に付着しなかった粒
子及び火炎(Ｆ)を排気する排気管１２の吸引によって、
排気流動(exhaust flow)(矢印Ｅ方向)が火炎(Ｆ)近所に
存在する。また、シリコンウェーハ(Ｗ)の加熱による自
然対流(natural convection)現象が存在し、火炎(Ｆ)自
体も浮力(buoyancy)(矢印Ｇ方向)の影響を受けるように
なるので、火炎加水分解蒸着工程の火炎(Ｆ)及び火炎
(Ｆ)周囲の流動は不安定になりやすい特性を有してい
る。
【００１２】そこで、最外郭に周囲空気流入を防止して
火炎(Ｆ)を安定化させるための火炎遮断管１０(flame s
hied tube)を設置する方法が、火炎加水分解蒸着で使用
される同軸流火炎拡散用バーナー１００に一般的に使用
されている。
【００１３】しかし、この方法も、火炎遮断管１０を出
た後の火炎(Ｆ)の不安定性を根本的に解決できないの
で、高い粒子付着効率及び均一度を期待することはでき
ず、また、流動の不安定性に起因した渦流(vortex)など
により、シリコンウェーハ(Ｗ)に付着しなかったグラス
スート(glass soot)粒子がバーナー１００の外部に付着
したり、蒸着チェンバー(deposition chamber)内に付着
しまという汚染の問題を解決できない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
問題を改善した火炎バーナーを提供することにある。す
なわち、同軸流拡散火炎周囲に流動を安定化させる付加
装置を追加することにより、周囲流動による火炎及び火
炎内粒子流動の攪乱を防止して粒子の付着効率を増加さ
せ、より安定的に均一な粒子付着を実現することができ
るバーナーの火炎安定化装置を提供する。さらに、火炎
周囲の渦流及び流動攪乱により、グラススートがバーナ
ーと蒸着チェンバーに付着することで生じる汚染を防止
することができるバーナーの火炎安定化装置を提供す
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、火炎加水分解蒸着工程で基板上に
火炎を噴射する同軸流拡散火炎バーナーと、前記火炎と
粒子流動を安定化するために、前記バーナーに並置さ
れ、前記噴射された火炎を不安定な周囲の流動から隔離
する火炎安定器と、からなる火炎加水分解蒸着工程用バ
ーナーの火炎安定化装置を提案する。
【００１６】また、前記目的を達成するために、本発明
は、不安定な周囲の流動と粒子流動から火炎を安定化す
るための方法として、同軸流拡散火炎バーナーの中心側
に原料物質を投入する段階と、 前記バーナーの中心に
並置された多数のチャネルを通じて火炎加水分解工程に
含まれない不活性ガスを投入する段階と、前記バーナー
から噴射された火炎と同一の方向に流動が発展するよう
に前記不活性ガスの流れを許容する段階と、からなる方
法を提案する。
【００１７】
【発明の実施形態】以下、本発明の望ましい実施形態に
ついて添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の発明
において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連
した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略す
る。
【００１８】図３は本発明の望ましい一実施形態による
火炎安定化装置が適用されたバーナーの構成を示す断面
図である。
【００１９】図４は本発明の望ましい一実施形態による
火炎安定化装置が適用されたバーナーにより火炎が噴射
され、シリコンウェーハに薄膜を形成する状態を示す概
略図である。
【００２０】図３、図４に示されたように、本発明の火
炎安定化装置は、火炎加水分解で使用される同軸流拡散
火炎用バーナー(co-flow diffusion flame burner)１０
０と、この同軸流拡散火炎用バーナー１００に提供され
た火炎安定化器(flame stabilizer)３０と、からなる。
バーナー１００の中心から、原料物質(source materia
l)と、原料物質をバブリングするために使用される搬送
気体(carrier gas)が共に噴射(矢印Ａ方向)される。そ
して、その外周に沿って、水素及び温度調節用希釈気体
の混合気体(矢印Ｂ方向)と酸素の噴射(矢印Ｃ方向)とに
より発生する燃焼で火炎(Ｆ)が形成される構造である。
これに追加して、バーナー１００の外郭周囲に存在する
空気流入を防止して火炎を安定化させるために、火炎遮
断管１０が提供される。
【００２１】前記粒子を生成するための原料物質には主
にＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４、ＰＯＣｌ３、ＳｉＣｌ４な
どが使用される。
【００２２】本発明の実施形態による火炎安定化装置
は、上記の同軸流拡散火炎用バーナー１００と、このバ
ーナー１００の外周面に沿って提供され外部流動から火
炎(Ｆ)を安定化させるためのガスを噴射する火炎安定化
器３０と、からなる。火炎安定化器３０は中空形に構成
され、バーナー１００の周囲を同軸方向に囲むように装
着される。ただしこれに限らず、同軸流拡散火炎用バー
ナー１００の中心に対し並置する他の構成も可能である
ことに注意すべきである。例えば、火炎安定化器３０は
バーナー１００を完全に囲む必要はない。また、火炎安
定化器３０の形状も多様なものが可能である。
【００２３】具体的に、火炎安定化器３０はセラミック
(ceramic)材質の微細管束３２(honeycomb)として構成さ
れ、その微細管束３２は、外周方向に積層される多層構
造に形成される。火炎安定化器３０の構成は、この他に
も例えば、多数のチャネル、または多分岐経路を使用す
ることもできる。さらに、セラミック以外の他の火炎遅
延及び／または抑止(resistant)物質を使用してもよ
い。多層の微細管束３２の直径は両端で同一である必要
はない。微細管束には多様な断面形状、例えば、円形、
正方形、長円形、六角形などの形状が使用できることに
注意すべきである。微細管束３２は任意の形状に配列す
るか、アレイパータンのような形状に積層することがで
きる。
【００２４】本発明による火炎安定化器３０では、酸素
(Ｏ２)、窒素(Ｎ２)、アルゴン(Ａｒ)、ヘリウム(Ｈｅ)
など、火炎加水分解反応に参与しない不活性ガスがセラ
ミック微細管束３２を通じて噴射され、この不活性ガス
は直径が小さい微細管束３２を通過しながら、完全発達
した流動(fully developed flow)になる。その完全発達
した不活性ガスは、火炎安定化器３０の出口で、火炎
(Ｆ)の噴射方向と同一の方向の速度成分のみを有するよ
うになる。
【００２５】火炎安定化器３０に注入された不活性ガス
は、小さい直径の微細管束３２を通過しながら速度分布
が完全発達流動に変化して、火炎噴射方向に対し垂直方
向の速度分布は除去され、火炎噴射方向と同一の方向の
速度成分のみが残るようになる。そのため、このような
速度分布を有する不活性ガスが火炎周囲に多層に噴射
(矢印Ｈ方向)されると、停滞した空気の流入により誘発
される火炎噴射方向と垂直方向の流動を遮断、または最
小化することができ、シリコンウェーハ(Ｗ)とバーナー
１００の相対速度(矢印Ｄ方向)差による剪断流(shear f
low)、排気流動(suction flow)の不安定性が火炎(Ｆ)に
伝達される現象を最小化するようになる。
【００２６】即ち、同軸流拡散火炎用バーナー１００に
おいて、不活性ガスを多層構造のセラミック微細管束３
２を通じて火炎(Ｆ)周囲に噴射(矢印Ｈ方向)することに
より、加熱されるシリコンウェーハ(Ｗ)(silicon wafe
r)での自然対流、排気流動などで誘発される不安定性の
火炎への伝達を遮断することが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、火炎
加水分解蒸着工程で使用する同軸流拡散火炎バーナー
に、火炎噴射方向と同一方向の速度を有する不活性ガス
を火炎周囲に多層に噴射する装置を追加することによ
り、火炎以外の原因により誘発される不安定性を除去し
て火炎及び火炎内の粒子流動が層流を維持できるように
なる。このように火炎内の粒子流動が層流を維持する
と、温度勾配による熱泳動効果が極大化され、これによ
って粒子の付着効率の増加、即ち、同一の質量の原料物
質を使用する場合、シリコンウェーハに付着する粒子質
量の増加及び粒子付着均一度の増加効果が達成される。
また、火炎周囲の流動攪乱を抑制することにより、火炎
で生成されたグラススートが火炎加水分解蒸着用バーナ
ー及び蒸着チェンバーを汚染することを防止することが
できるので、バーナーの周期的な洗滌過程(cleaning)が
不要になり、これによるバーナー破損及び再現性低下を
防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の火炎加水分解蒸着工程で適用されるバー
ナーで火炎が噴射されシリコンウェーハに薄膜を形成す
る状態を示す概略図である。
【図２】図１に示されたバーナーの正面図である。
【図３】本発明の一実施形態による火炎安定化装置が適
用されたバーナーの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による火炎安定化装置が適
用されたバーナーで火炎が噴射されシリコンウェーハに
薄膜を形成する状態を示す概略図である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２３Ｄ 14/56 Ｆ２３Ｄ 14/56 Ｚ 14/84 14/84 Ｃ Ｆターム(参考） 3K017 CA04 CB01 CB05 CD03 CF03 CH01 CH04 3K019 AA02 BA04 3K065 TA08 TA14 TD05 TD10 TE06 TH01 4G014 AH16

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (ａ) 火炎加水分解蒸着工程で基板上に
    火炎を噴射するための同軸流拡散火炎バーナーと、(ｂ)
    前記火炎と粒子流動を安定化するために、前記バーナ
    ーに並置され、前記噴射された火炎を不安定な周囲の流
    動から隔離する火炎安定器と、からなることを特徴とす
    る火炎安定化装置。
  2. 【請求項２】 前記火炎安定器は、前記バーナー周囲に
    沿って前記バーナーの中心と同軸に位置することを特徴
    とする請求項１に記載の火炎安定化装置。
  3. 【請求項３】 前記火炎安定器は、多数のチャネルをも
    ち、これらチャネルを通過するガスが完全発達した流動
    となって前記火炎外周周辺に沿って噴射される構成であ
    ることを特徴とする請求項２に記載の火炎安定化装置。
  4. 【請求項４】 前記チャネルは、微細管束として構成さ
    れることを特徴とする請求項３に記載の火炎安定化装
    置。
  5. 【請求項５】 前記微細管束は、外周方向に少なくとも
    １層以上積層される構造であることを特徴とする請求項
    ４に記載の火炎安定化装置。
  6. 【請求項６】 前記火炎安定器は、セラミック材質で構
    成されることを特徴とする請求項１に記載の火炎安定化
    装置。
  7. 【請求項７】 前記火炎安定器は、不活性ガスを噴射す
    ることを特徴とする請求項１に記載のバーナーの火炎安
    定化装置。
  8. 【請求項８】 前記不活性ガスは、酸素、窒素、アルゴ
    ン、及びヘリウムを含むことを特徴とする請求項１に記
    載の火炎安定化装置。
  9. 【請求項９】 前記火炎安定器は、前記バーナーの外周
    を完全に囲むように装着され、火炎噴射方向と同一の方
    向に噴射を行う構成であることを特徴とする請求項１に
    記載の火炎安定化装置。
  10. 【請求項１０】 (ａ) 火炎加水分解蒸着工程で基板上
    に火炎を噴射するための同軸流拡散火炎バーナーと、
    (ｂ) 前記火炎と粒子流動を安定化するために、前記噴
    射された火炎を不安定な周囲の流動から隔離する火炎安
    定器手段と、からなることを特徴とする火炎安定化装
    置。
  11. 【請求項１１】 不安定な周囲の流動と粒子流動から火
    炎を安定化するための方法であって、(１) 同軸流拡散
    火炎バーナーの中心側に原料物質を投入する段階と、
    (２) 前記バーナーの中心に並置された多数のチャネル
    を通じて火炎加水分解工程に含まれない不活性ガスを投
    入する段階と、(３) 前記バーナーから噴射された火炎
    と同一の方向に流動が発展するように前記不活性ガスの
    流れを許容する段階と、からなることを特徴とする方
    法。
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