JPH03111552A

JPH03111552A - 金属管酸化処理装置

Info

Publication number: JPH03111552A
Application number: JP1249773A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Yoshiyuki Nakahara; 仲原　喜行; Shigeki Hayashi; 茂樹林; Takashi Sakanaka; 阪中　隆; Eiji Ota; 栄治太田; Fumio Nakahara; 中原　文生
Original assignee: Osaka Oxygen Industries Ltd
Current assignee: Osaka Oxygen Industries Ltd
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1991-05-13
Also published as: EP0512113A1; WO1991005071A1; CA2067095A1; EP0512113A4; DE69023666T2; US5295668A; ATE130377T1; DE69023666D1; KR920703867A; EP0512113B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は金属酸化処理装置に係り、特に超高清浄なガス
配管系や超高真空の装置に用いられる金属管の不動態化
処理を行う金属酸化処理装置に関する。

［先行技術及び発明が解決しようとする課題］近年、超
高真空を実現する技術や、あるいは真空チャンバ内に所
定のガスを小流量流し込み超高清浄な減圧雰囲気をつく
り出す技術が非常に重要となってきている。これらの技
術は、材料特性の研究、各種薄膜の形成、半導体デバイ
スの製造等に広く用いられており、その結果益々高い真
空度が実現されているが、さらに、不純物元素および不
純物分子の混入を極限まで減少させた減圧７囲気を実現
することが非常に強く望まれている。

例えば、半導体デバイスを例にとれば、集積回路の集積
度を向上させるため、単位素子の寸法は年々小さくなっ
ており、１μｍからサブミクロン、さらに、０，５μｍ
以下の寸法を持つ半導体デバイスの実用化のために盛ん
に研究開発が行われている。

このような半導体デバイスの製造は、薄膜を形成する工
程や、形成された薄膜を所定の回路パターンにエツチン
グする工程等をくり返して行われる。そしてこのような
プロセスは、通常シリコンウェハを真空チャンバ内に入
れ、超高真空状態、あるいは所定のガスを導入した減圧
雰囲気で行われるのが普通である。これらの工程に、も
し不純物が混入すれば、例えば薄膜のＩＩ！！質が劣化
したり、微細加工の精度が得られなくなるなどの開題を
生じる。これが超高真空、超高清浄な減圧雰囲気が要求
される理由である。

超高真空や、超高清浄な減圧雰囲気の実現をこれまで阻
んでいた最大の原因の一つとして、チャンバやガス配管
などに広く用いられているステンレス鋼等の表面から放
出されるガスがあげられる。特に、表面に吸着していた
水分が真空あるいは減圧７囲気中において脱離してくる
のが最も大きな汚染源となっていた。

第６図は、各種装置におけるガス配管系および反応チャ
ンバを合わせたシステムのトータルリーク量（配管系お
よび反応チャンバ内表面からの放出ガス量と外部リーク
との和）とガスの汚染の関係を示したグラフである。な
お、もとのガスは全く不純物を含まないものとしている
。図中の複数の線は、ガスの流量をパラメータとして様
々な値に変化させた場合の結果について示している。当
然のことながら、ガス流量が少なくなる程、内表面から
の放出ガスの影響が顕在化し、相対的に不純物濃度は高
くなる。

半導体プロセスは、ハイアスペクト比の穴開は及び穴埋
め等のより精度の高いプロセスを実現するためガスの流
量を益々少なくする傾向にあり、例えば数１０ｃｃ／ｍ
ｉｎやそれ以下の流量を用いるのがサブミクロンＵ　Ｌ
　Ｓ　、１のプロセスでは普通となフている。かりに、
１０ｃｃ／ｍｉｎの流量を用いたとすると、現在広く用
いられている装置のように１０”３〜１０−’Ｔｏ　ｒ
　ｒ　−１１７ｓ　ｅ　ｃ程度のシステムトータルリー
クがあるとガスの純度は１％〜１０ｐｐｍになり、高清
浄プロセスとは程遠いものになってしまう。

本発明者は、超高清浄ガス供給システムを発明し、シス
テムの外部からのリーク量を現状の検出器の検出限界で
ある１　ｘｉ　Ｏ−”　Ｔｏｒｒ−Ｊ２／ｓｅｅ以下に
抑えこむことに成功している。しかし、システム内部か
らのリーク、すなわち、前述のステンレス鋼の表面から
の放出ガス成分のため、減圧雰囲気の不純物濃度を下げ
ることができなかった。現在の超高真空技術における表
面処理により得られている表面放出ガス量の最小値は、
ステンレス鋼の場合、ｌｘ　１０−”　Ｔｏ　ｒ　ｒ・
Ｉｌ／　（ｓ　ｅ　ｅ−ｅｒｎ’）であり、チャンバの
内部に露出している表面積を例えば１ｍ″と最も小さく
見積フたとしても、トータルではｌＸｌ０−’Ｔ　ｏ　
ｒ　ｒ−Ｉｔ　／　ｓ　ｅ　ｃのリーク量となり、ガス
流量１０ｃｅ／ｍｉｎに対しｉｐｐｍ程度の純度のガス
しか得られない。ガス流量をさらに小さくすると、さら
に純度が落ちることは言うまでもない。

チャンバ内表面からの脱ガス成分を、トータルシステム
の外部リーク量と同じｌＸｌ０−”Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ−１
，７ｓ　ｅ　ｃと同程度まで下げるには、ステンレス鋼
の表面からの脱ガスを１ｘｉｏ−１５Ｔｏｒｒ−ｆｌ／
５ｅｃｃｒｎ’以下とする必要があり、そのため、ガス
放出量を少なくするステンレス鋼の表面の処理技術が強
く求められていた。

また、半導体製造プロセスでは、比較的安定な一般ガス
（０２、Ｎ２　、Ａｒ、Ｈ２、Ｈｅ）から反応性、腐食
性及び毒性の強い特殊ガスまで、多種多様なガスが使用
される。通常これらのガスを扱う配管やチャンバの材料
には、反応性、耐腐食性、高強度、２次加工性の容易さ
、溶接の容易さ、及び内表面の研磨の施し易さからステ
ンレス鋼が使用されることが多い。

ステンレス鋼は、乾燥ガス雰囲気中では耐食性に優れて
いる。しかしながら、特殊ガスの中には７囲気中に水分
が存在すると加水分解して塩酸やフッ酸を生成し強い腐
食性を示す三塩化ホウ素（ＢＣｎ＊　）や三フッ化ホウ
素（ＢＦ３）等があり、上述のＢＣｊ２３やＢＦ３のよ
うな塩素系やフッ素系のガス雰囲気中で水分が存在する
場合にはステンレス鋼は容易に腐食されてしまう。この
ため、ステンレス鋼の表面研磨後には耐腐食性処理が不
可欠となる。

耐腐食性処理方法としてはステンレス鋼に耐食性の強い
金属を被覆するＮ１−Ｗ−Ｐコーティング（クリーンニ
スコーティング法）等があるが、この方法ではクラック
、ピンホールが生じ易いばかりでなく、湿式メツキを用
いる方法であるために内表面の水分の吸着量や溶液残留
成分が多くなる等の問題を有している。他の方法として
は金属表面に薄い酸化物皮膜を作る不動態化処理による
耐腐食性処理が挙げられる。ステンレス鋼は液中に十分
な酸化剤があれば浸漬しただけで不動態化するので、こ
の方法では通常は常温あるいは若干温度を上げた状態で
硝酸溶液に浸漬し、不動態化処理を行っている。しかし
この方法も湿式の方法であるため、配管やチャンバ内面
に水分および処理溶液の歿留分が多く存在する。以上の
方法において、特に内表面に吸着された水分の存在は、
塩素系、フッ素系ガスを流した場合、ステンレス鋼に痛
烈なダメージを与えることになる。

従って、腐食性ガスに対してもダメージをうけることな
く、かつ水分の吸蔵や吸着の少ない、不動態膜を形成し
たステンレスによりチャンバやガス供給系を構成するこ
とが、超高真空技術や半導体プロセスに非常に重要であ
る。

例えば、ステンレス鋼管の不動態化処理については、水
分の含有量がｔｏｐｐ、ｂ以下といった高清浄な雰囲気
で加熱酸化処理を行った時に、脱ガス特性に優れた不動
態膜が得られている。

第７図は、内面処理状態の異なるステンレス鋼管を常温
でパージした時にパージガス中に含まれる水分量の変化
を示している。実験は、全長４ｍの３　／　８　”のス
テンレス−鋼管にＮ２ガスを４５０ｃｃｍの流量で流し
、出口のＮ２ガス中に含まれる水分量をＨＹＣＯ５ＭＯ
（低温光学露点計）で測定した。

第７図において（ａ）は、内面を電解研磨したステンレ
ス鋼管についてテストした結果を示している。

第７図に示す試験は、相対湿度５０％、温度２３℃のク
リーンルームに約１週間放置した後に行った。

第７図の（ａ）から明らかなように、電解研磨管にいて
は多量の水分が検出されていることが分かる。約１時間
通ガスした後も約１００ｐｐｂもの水分が検出されてお
り、２時間後も水分量は約５０ｐｐｂも検出されており
、なかなか水分量が減少しないことがわかる。

これに対し、高清浄ドライ７囲気で不動態膜を形成した
場合には極めて優れた吸着ガスの脱ガス特性を持ってい
ることが本発明者により解明された。

ところが、極めて優れた吸着ガスの脱ガス特性を持って
いるステンレス鋼管をつくるためには水分含有量をｔｏ
ｐｐｂ以下とする必要があり、水分含有量を１　ｏｐｐ
ｂ以下の超高清浄な酸化雰囲気を実現するためには、高
度の条件制御が必要であり、高コストで生産効率が悪く
、量産に適したものとはいえなかフた。すなわち、従来
−数的に使用されていた金属酸化処理装置及び金属酸化
処理方法では、このような超高清浄の酸化雰囲気を実現
することができなかった。

また、特に１／４“、３／８”及び１／２”といった内
径の小さいステンレス鋼管等では、ガスが流れにくく滞
留しやすいため、ステンレス鋼管の内部は大気雰囲気に
晒されて汚染されたままの状態で酸化処理が行われてし
まっていた。また、ステンレス鋼管の外側は、通常、性
能に関係ないため、内面に比べて非常に汚染されている
。この外面に接するガスが内面を処理するガスに混入す
るようなことがあれば、内面を処理するガスの超高清浄
度を保つことは非常に困難であり、これでは耐腐食性に
優れ、かつ水分の吸蔵、吸着の少ない良質の不動態膜を
形成することはできない。また、ステンレス鋼管の外側
は、表面の荒さ、汚さによって酸化処理後の表面は汚く
なってしまう。

このステンレス鋼管の外側が酸化されるということは、
内部に不純物が混入し、内面に良質の不動態膜を形成で
きないと共に、見た目が汚なく、クリーンルーム内に配
管した場合にパーティクルが発生するといった問題の原
因となる。

したがって、ステンレス鋼管等の被酸化処理金属の不動
態化処理の量産化技術において、その内表面に耐腐食性
に優れ、かつ水分の吸蔵、吸着の少ない不動態膜を形成
するとともに、その外面が酸化されない技術を確立する
ことが望まれていた。

そこで、かかる技術として別途第８図に示す装置が提案
されている（特願昭６３−１９５１８５号）。

′ｆＪ８図に示す装置は、ステンレス鋼管１０１の外径
とほぼ同一の径を有する溝１３４が一方の面に形成され
、他方の面にはガスの導入口１３５・排気口１３６が形
成され、さらに、溝１３４と導入口１３５・排気口１３
６とを連通せしめた一対のホルダー１０３，１０４を用
い、さらに、酸化処理炉１３７内に不活性ガスを１１９
から導入し、１２１から排気し得る構造を有している。

ステンレス鋼管１０１はその端において溝１３４に挿入
されホルダー１０３，１０４に保持される。また、ホル
ダー１０３．１０４の他方の面にはそれぞれガス導入管
１０７．ガス排気管１０９が接続されている。

すなわち、この技術の最大の特徴は、酸化処理炉１３７
においてステンレス鋼管１０１の一方の端からガスを導
入しつつ他方の端から常にガス排気することにより、酸
化処理炉１３７内で被酸化処理金属たるステンレス鋼管
１０１の内表面から脱離した水分等の不純物を酸化処理
炉外に排気し、ステンレス鋼管１０１をドライな酸化処
理雰囲気中で加熱酸化せしめることができる。これによ
り、酸化処理７囲気中の水分濃度を目的とする値以下（
例えばステンレス鋼の場合１０ｐｐｂ以下）まで下げる
ことができ、被酸化処理金属の表面に良好な不動態膜を
形成することを可能とするものである。

また、内径の小さいステンレス鋼管等のガスの流れにく
いステンレス鋼管であってもガスの導入口と排気口をス
テンレス鋼管の両端に接する形で配首しているため、ス
テンレス鋼管の内部に酸化処理雰囲気ガスを流し、被酸
化処理金属をトライな酸化ＩＡ埋雰囲気中で加熱酸化せ
しめることか可能となる。これにより、酸化処理雰囲気
中の水分濃度を目的値以下（例えば１０ｐｐｂ以下）ま
で下げることができ、被酸化処理金属の表面に良好な不
動態膜を形成することを可能とするものである。

しかし、この技術においては次のような課題が生ずるこ
とが判明した。

■第１に、ステンレス鋼管１０１をホルダー１０３．１
０４の溝１３４に挿入することが困難であるということ
である。すなわち、溝１３４の内径をステンレス鋼管１
０１の外径より大きくしすぎると溝１３４とステンレス
鋼管１０１との間に隙間が生じ、その隙間から酸化性ガ
スが酸化処理炉１３７内に流入してしまいステンレス鋼
管１０１の内面に良質の不動態膜を形成することはでき
ないと共に、外面をも酸化してしまうので、かかる現象
を防止するために溝１３４の内径はステンレス鋼管１０
１の外径とほぼ同一とする必要がある。しかし、溝１３
４の内径とステンレス鋼管１０１の外径とをほぼ同一の
大きさにすると、溝１３４にステンレス鋼管１０１を挿
入することは困難となってしまう。

特にステンレス鋼管１０１が長尺の場合あるいは径が小
さい場合には困難性は一層増加する。

また、ステンレス鋼管１０１の内径とほぼ同一に溝１３
４の内径を精度よく加工することも困難である。

■第２に、溝の加工を精度よく加工し得たとしても、ス
テンレス鋼管の外径にバラツキがある場合には、外径が
大きいときには溝１３４に挿入できなくなり、逆に外径
が小さいときには前述したように隙間が生じ、ステンレ
ス鋼管１０１の内面に良質の不動態膜を形成することは
できないと共に、外面に外面焼きが発生してしまう。な
お、かかる外面焼けはステンレス鋼管１０１の端部に生
じやすい。

■ステンレス鋼管のホルダー１０３と１０４との間隔は
一定であるため、ステンレス鋼管の長さにバラツキがあ
った場合には、第９図に示すように、短いステンレス鋼
管１０１Ｓにあっては溝１３４とステンレス鋼管１０１
Ｓとの間に隙間が生じ、その隙間から酸化性ガスが酸化
処理炉１３７内に流入し、■、■で述べたような内面に
良質の不動態膜を形成することはできないと共に、外面
焼けが生じてしまう。

■加熱時にステンレス鋼管１０１に熱膨張による伸びが
生じると、両端が拘束されているため被処理管に変形が
生じてしまう。変形を防止しようとして遊びをもたせる
と■で述べたように、導入口から酸化性ガスが酸化処理
炉空間内に流れステンレス鋼管の内面に良質の不動態膜
を形成することはできないと共に、外面が酸化されてし
まう。

■ステンレス鋼管が長尺管の場合には中央部において自
重によるたわみが生じてしまう。

なお、以上の課題は本発明者か見い出したものであり、
かかる課題の発見に基づいて本発明はなされたものであ
る。

［課題を解決するための手段］本発明の金属酸化処理装置は、不活性ガスを内部に導入
するための不活性ガス導入口と、不活性ガスを外部に排
気するための不活性ガス排気口とを有する酸化処理炉と
：該酸化処理炉内において被処理管をその一端において保
持するとともに被処理管内に該酸化処理炉の外部からガ
スを各ステンレス鋼管１０１に均等に導入するための第
１の中空保持体と；該酸化処理炉内において被処理管を
その他端において保持するとともに被処理管内からガス
を酸化処理炉外部に排気するための第２の中空保持体と
・を有し、該第１の中空保持体および該第２の中空保持体における
被処理管の保持部を管状体とし、かつ、該管状体の外周
に、先端に向かって外径が漸時減少するテーパーを形成
し、さらに、被処理管の長平方向に該第２の中空保持体
が変位し得るように該第２の中空保持体の適宜の位置に
スプリングを装着したことを特徴とする。

また、不活性ガスを内部に導入するための不活性ガス導
入口と、不活性ガスを外部に排気するための不活性ガス
排気口とを有する酸化処理炉と該酸化処理炉内において被処理管をその一端において保
持するとともに被処理管内に該酸化処理炉の外部からガ
スを各ステンレス鋼管１０１に均等に導入するための第
１の中空保持体と：核酸化処理炉内において被処理管を
その他端において保持するとともに被処理管内からガス
を酸化処理炉外部に排気するための第２の中空保持体と
：を有し、該第１の中空保持体および該第２の中空保持体における
被処理管の保持部を管状体とし、かつ、該管状体の外周
に、先端に向かって外径が漸時減少するテーパーを形成
し、該第１の中空保持体の管状体の外側に、該管状体を覆う
ように覆管を設け、かつ、該管状体と該覆管とにより形
成される空間を該酸化処理炉の外部と連通せしめたこと
を特徴とする。

さらに、不活性ガスを内部に導入するための不活性ガス
導入口と、不活性ガスを外部に排気するための不活性ガ
ス排気口とを有する酸化処理炉と。

該酸化処理炉内において被処理管をその一端において保
持するとともに被処理管内に該酸化／Ａ埋炉の外部から
ガスを各ステンレス鋼管１０１に均等に導入するための
第１の中空保持体と該酸化処理炉内において被処理管を
その他端において保持するとともに被処理管内からガス
を酸化処理炉外部に排気するための第２の中空保持体と
：を有し、該第１の中空保持体および該第２の中空保持体における
被処理管の保持部を管状体とし、かっ、該管状体の外周
に、先端に向かって外径が漸時減少するテーパーを形成
し、さらに、該第２の中空抱持体の該管状体の端部近傍
に少なくとも１つの孔を設けたことを特徴とする。

［作用］（請求項１）本発明では、保持体の保持部を管状体とし、また、その
外周にテーパ一部を設け、さらに、変位可能にスプリン
グを装着しているため、ステンレス鋼管の内径にバラツ
キがあっても、ステンレス管を保持部に容易に保持せし
めることが可能である。また、ステンレス鋼管に長さの
バラツキがあっても保持体はステンレス鋼管に絶えず押
しつけられているため保持体とステンレス鋼管との間に
隙間が生ずることがなく、内面に良質の不動態膜を形成
することはてぎないと共に、外面焼けを防止することが
できる。又、消耗品となる゛ガスケットを使用せず管端
の再仕上げや再洗浄等の必要がなく、コストダウンと生
産性向上が同時に可能となった。

（請求項２）本発明では、第１の保持体の管状体を覆うように覆管を
設けており、しかも管状体と覆管とにより形成される空
間を酸化処理炉の外部と連通せしめているため、被処理
管から酸化性ガスが被処理管の外部に拡散してもこの酸
化性ガスは被処理管と接触することがなく、酸化処理炉
の外部に放出されてしまい、被処理管の第１保持体近傍
におりる外面焼けを防止することができる。

（請求項３）本発明では、第２保持体の管状体の端部近傍に孔を設け
ているため、被処理管から酸化性ガスが被処理管の夕１
部に拡散してもこの酸化性ガスは孔を介して酸化処理炉
の外部へ放出されるので、被！Ａ理管の第２保持体近傍
における外面焼けを防止することができる。

（以下余白）［実施例コ以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す装置の概略図である。

本例では、不活性ガスを酸化処理炉１３７の内部に導入
するための不活性ガス導入口１５１と、不活性ガスを外
部に排気するための不活性ガス排気口１５２ａ、ｂとを
有する酸化処理炉１３７と・該加熱炉内１０２においてステンレス鋼管１０１をその
一端において保持するするとともに複数のステンレス鋼
管１０１内に酸化処理炉１３７外部からガスを均等に導
入するための第１の中空保持体たるホルダー１０３と；酸化処理炉１３７内においてステンレス鋼管１０１を、
その他端において保持するとともにステンレス鋼管１０
１内からガスを酸化処理炉１３７外部に排気するための
第２の中空保持体たるホルダー１０４とを有する金属管酸化処理装置において、ホルダー１０３
およびホルダー１０４における、ステンレス鋼管１０１
の保持部を管状体１３８とし、該管状体１３８の外周に
、先端に向かって漸時外径が減少するテーパー１６７１
６８を設け、さらに、ステンレス鋼管１０１の長手方向
にホルダー１０４が変位し得るようにホルダー１０４に
スプリング１３９を設けである。

以下この装置をより詳細に説明する。

第１図において、１０１は被酸化処理金属管であるステ
ンレス鋼管であり、通常内面電解研磨管５ＵＳ３１６Ｌ
材で、直径１／４”、３／８”および１／２”程度で、
長さ４ｍの定尺品が、複数本収納されている。上記以外
の直径、長さ、材料であってもよいことはいうまでもな
い。

１０２は酸化炉チャンバーであり、加熱酸化処理を行っ
たとき、ガスの気密性等を考慮すると、ステンレス鋼の
内面電解研磨、不動態化処理を施したステンレス鋼で作
ることが好ましい。酸化処理炉１３７には、不活性ガス
を内部に導入するための不活性ガス導入口１５１と、不
活性ガスを外部に排気するための不活性ガス排気口１５
２ａ１５２ｂが設けられている。不活性ガス導入口１５
１は、酸化処理炉１３７における、ステンレス鋼管の出
入口側とは反対側（図面上右側）に設け、不活性ガス排
気口は、出入口側（図面上左側）に設けることが好まし
い。このように設けておくと、ホルダー１０３．１０４
等を酸化処理炉１３７内へ収納する時に炉Ｍ１２３を開
けたとしても不活性ガスは、出入口側とは反対側から出
入口側に流れるため、酸化処理炉１３７内への大気の流
入を最小限とすることができ、ひいては酸化チャンバー
１０２の内壁の大気による汚染を最小限とすることがで
き、酸化炉チャンバー１０２内のパージを短時間で行う
ことかできると共にキャスター１４４に、焼は付きなど
による作動不良等が発生しないように冷却の効果も持ち
合わしている。

１０３は、ステンレス鋼管１０１の手前側端を保持し、
ステンレス鋼管１０１内に酸化処理炉１３７の外部から
ガスを導入するための第１の保持体たるホルダーであり
、１０４は、ステンレス鋼管１０１の奥側端を保持し、
・ガスを酸化処理炉１３７の外部に排気するための第２
の保持体たるホルダーである。第１の保持体１０３、第
２の保持体１０４は、保持部が、ステンレス鋼管１０１
の内部形状に対応する管状体１３８をなしており、さら
に、管状体１３８の外周にはテーパー１６７が形成され
ている。このテーパーは、先端に向かって、漸時減少し
、ステンレス鋼管１０１の内径よりも小さくなっていく
。

また、第２の保持体１０４にはスプリング１３９が装着
されているため、外部からの応力に対応して第２の保持
体１０４は変位可能となっている。本例では、第２の保
持体フランジ１４０に慴動可能に嵌合されており、スプ
リング１３９はフランジ１４０と保持体１０４との間に
装着されている。したがって、ステンレス鋼管を保持さ
せる際には、第２の保持体を、多少奥側（図面上右側）
へ引いた状態で第１の保持体１０３のテーパー１６７部
にステンレス鋼管１０１の一端を挿入し、ステンレス鋼
管１０１の他端を第２の保持体１０４のテーパー１６８
部に挿入した後、第２の保持体１０４を放せば、ステン
レス鋼管１０１を容易に保持体１０３，１０４に保持せ
しめることができる。

また、かかるスプリング１３９を設けているため、酸化
処理時にステンレス鋼管１０１が膨張したとしても、膨
張に対応して第２の保持体１０４は変位するので、熱膨
張による変形も生じない。

さらに、第２の保持体１０４にはスプリング１３９が設
けられているため第２の保持体１０４には図面上左側へ
変位しようとする力が働き、しかも管状体１３８にはテ
ーパー１６７が形成されているためステンレス鋼管１０
１の内径にバラツキがあったとしてもステンレス鋼管１
０１の端部内面に管状体１３８は密着し、両者間には隙
間が士１゛′、ない− さらに、ステレス鋼管１０１には図面上、左側向きの力
が加わりステンレス鋼管１０１の左側は第１の保持体１
０３の管状体１３８に押圧され、また、この管状体１３
８にテーパー１６７が形成されているのでステンレス鋼
管１０１の左端内径のバラツキあるいは長さにバラツキ
があったとしてもステンレス鋼管１０１と第１の保持体
１０３との間にも隙間が生じない。その結果、ステンレ
ス鋼管１０１には外面焼は等の発生がない。

なお、本例では、保持体１０３は中空の心管１４２に固
定されており、また保持体１０４は心管１４２に設けら
れたフランジ１４０の孔に慴動可能に嵌合しである。さ
らに、保持体１０４のカス排気側端と心管１４２の中空
部とをフレキシブルな中空継手１４３にて接続しである
。このように、保持体１０３，１０４を心ｖ１４２に設
ケチおけば、全体がユニットをなし一体化が可能となり
、心管１４２等の酸化炉チャンバー１０２内への収納が
容易となる。

−ｋＡ＋、−ｈｓ−１）ｙ　　　　　ｊＡＡｆｙ−＋”
、＃　　１　Ａ’）　　σ）６’Ａ＃に設けており、収
納がより一層容易となっている。

なお、心管１４２に、第３図に示すような所定の寸法の
切込１４１ａを有する鍔状体１４１を設けておけば、そ
の切込１４１ａにステンレス鋼管１０１を挿入するだけ
で容易に管の装着が可能となる。なお、ここで、所定の
寸法とは、鍔状体１４１の切込１４１ａにステンレス鋼
管１０１を挿入した状態でステンレス鋼管１０１の中心
軸が、保持体１０３，１０４の管状体１３７の中心軸と
ほぼ一致するような寸法である。また、ステンレス鋼管
１０１の中央部にたわみが発生することを防止し得るの
みならず、ステンレス鋼管１０１の位置決めを容易に行
うことができる。なお、この鍔状体１４１は、アウトガ
スフリーパーティクルフリー、熱膨張等を考慮するとス
テンレス鋼を用いることが好ましい。

さらに、第２の保持体１０４のテーパ一部から少し奥側
に内部と連通する孔１７０を少なくとも１つ設けておけ
ば、ステンレス鋼管１０１とホルダー１０４のシール部
分であるテーパー１６８より酸化性ガスが拡散力により
酸化炉チャンバー１０２内へ拡散しようとしてもテーパ
ー１６９の外部の雰囲気ガスと共に孔１，７０を通して
回収され、酸化処理炉１３７の外部へ放出されることに
より酸化炉チャンバー１０２の不活性７囲気が保持でき
、外面焼けを防止することができる。

一方、酸化性ガスの拡散はホルダー１０３側においてホ
ルダー１０４側と同様に生じ、ホルダー１０３側のステ
ンレス鋼管に外面焼けするが、ホルダー１０４側と同様
な孔を設けると、チャンバー１０２の：囲気ガスがステ
ンレス鋼管１ｏ１内に混入しくホルダー１０３側は酸化
性ガスの上流であるため）、ステンレス鋼管１０１内の
ガス濃度を任意に制御することができなくなる共に、微
小であるにせよチャンバー１０２からのアウトガス等の
コンタミネーションの影響をステンレス鋼管１０１の内
面はもろに受けてしまうことにな。そこで、外面けを防
止するとともにこのような不具合を解決するために、管
状体１３８の外側に、管状体１３８を覆い二重管構造を
なすように覆管１６０を形成し、管状体１３８と覆管１
６０とで形成される空間と酸化処理炉１３７の外部とを
連通するための系１９０を、内面処理用のガス（酸化性
ガス）を導入する系とは別に、設けておけばよい。この
ように構成すれば、シール部１６７を介して酸化性ガス
がステンレス鋼管１０１外部に拡散してもそのガスは、
系１９０を介して酸化処理炉１３７の外部に放出されて
しまうためステンレス鋼管１０１の外面焼けを防止する
ことが可能となる。なお、系１９０を介して放出するガ
スの流量は浮子式流量計１９１により制御すればよい。

１０７は各ステンレス鋼管１０１の内部にパージ用ガス
（例えばＡｒ、Ｎ２等）および酸化処理雰囲気ガス（例
えば０２等）を供給するためのガス導入ラインである。

この導入ライン１０７は保持体１０３に形成されている
導入口１４５に接続されている。

一方、１０９は、ガス導入ライン１０７、第１の中空保
持体１０３、ステンレス鋼管１０１内、第２の中空保持
体１０４、フレキシブルチューブ１４３、中空の心管１
４２内部を通ったガスを酸化処理炉１３７外に排気する
ための排気ラインであり、心管１４２の端に接続されて
いる。

１５１はステンレス鋼管１０１の外面を不活性雰囲気と
してステンレス鋼管１０１の外面が酸化されることによ
って汚れることを防止するための不活性ガス（例えばＡ
ｒ）を酸化炉チャンバー１０２内に供給するための不活
性ガス導入口であり、ガスライン１０８に接続されてい
る。１５２ａ、１５２ｂは不活性ガスを酸化処理炉１３
７外に排気するための不活性ガス排気口であり、排気ラ
イン１１０ａ、１１０ｂに接続されている。

図において１１１ａ、１１１ｂは流量計（例えば浮き子
式流量計）であり、１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃｌ１
６ｄはマスフローコントローラーである。

マスフローコン１へローラー１１６ａ〜ｄは、炉内の圧
力にかかわらず一定の質量、流量を設定、制御すること
ができる。流量計１１１ａ、１１１ｂはニードル弁を内
蔵しており、そのニードル弁の開度により炉内の圧力を
調整することがで各る。このことによりステンレス鋼管
１０１の内、外に任意の差圧および流量を設定すること
が可能となる。

１１４ａ　　１１４ｂ　　１１５ａ　　１１５ｂはスト
ップバルブである。１２２は酸化炉チャンバー１０２を
加熱するための加熱器であるヒーターである。酸化処理
温度の均一性を得るため、炉１２２を長手方向に６ゾー
ンに分割し、それぞれのゾーンで独立した設定値に制御
することができ、ステンレス鋼管１０１に熱電対挿入用
ボート１９２を通して各所に熱電対を何け、ステンレス
鋼管１０１上での実際の温度を測定しながら６つの設定
値を調節することによりステンレス鋼管１０１上での温
度差を極力小さくして均一な処理が可能となる。

また、上記の効果により予備加熱を実施しなくとも十分
な温度の均一性が得られる。ただし、酸化用ガス導入口
１４５からホルダー１０３の間はパイプを螺旋状にし、
この間の長さを十分に長くとり、その部分を予熱ゾーン
とすれば酸化性ガスはほぼ炉内の温度まで加熱さ・れて
ステンレス鋼管１０１内に導入される。

（収納手順）次に、この装置の機能、操作手順を図面を用いて説明す
る。

第４図は、酸化炉チャンバー１０２からのユニットを取
り出したときの状態図であり、ステンレス鋼管を収納す
る前の準備状態である。不動態化処理技術において、そ
の処理雰囲気の清浄度は形成される不動態膜の膜厚、膜
質に大きな影響を与えるため、できるだけクリーンな雰
囲気で開放することが必要である。このため、酸化炉チ
ャンバー１０２内が大気に開放されている状態はできる
たけ短時間にし、大気成分が酸化炉チャンバー１０２内
を汚染することを極力防止するようにする。

この大気による汚染を考慮すると、第１図に示すように
、開放する炉蓋は炉蓋１２３側にし、炉蓋１２３側から
はパージ用ガス（例えばＡｒ）を流し続けていき、大気
成分が酸化処理炉１３７内に混入することを防止する方
法を取ることが最も好ましい。

第１の中空保持体１０３の管状体１３８のテーパー１６
７に、ステンレス鋼管１０１の一端を挿入する（第４図
（ａ））。次に、ステンレス鋼管１０１を鍔体１４１の
切込にはめ込む（第２図（ｂ））。その際、第２の保持
体１０４は少し引きぎみにしておく。

次で、第２の保持体１０４を放すと、第２の保持体１０
４の管状体のテーパーはステンレス鋼管１０１の他端に
挿入される。この行程を繰り返して保持体に複数個のス
テンレス鋼管を保持させる（第４図ｃｄ））。

次に、ユニット酸化処理炉内に収納する（第４図（ｅ）
〜（ｆ））。

第４図（ｆ）はステンレス鋼管１０１が保持されたユニ
ットを酸化炉チャンバー１０２内に収納した状態を示す
。この状、恒で、ステンレス鋼管１０１の内部および酸
化処理炉１３７内にパージ用ガス（例えばＡｒ）を流し
、大気に晒されて汚染された酸化処理炉１３７内および
ステンレス鋼管１０１内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に
買換する。大気成分の除去には、真空排気とガス封入を
繰り返す真空パージが特に有効である。また、酸化炉チ
ャンバー１０２およびユニット等のＨ２Ｏ，Ｃｏ２等の
吸湯分子の除去には１２０℃程度に加熱した状態で真空
引きや、不活性ガスパージを行う”ベーキングが特に有
効である。

このとき、まず、１２０℃程度の温度を選ぶ理由は、残
留している０２等の酸化性ガスが除去できていない間に
酸化が開始すると、水分を含んだ酸化膜が成長してしま
い、本装置の処理目的であるところの水分を含まない緻
密な膜が得られないからである。

次に、酸化処理炉１３７およびステンレス鋼管１０１の
ベーキングおよびパージを行う。ベーキングは、酸化処
理温度（例えば４００’Ｃ〜５５０℃）と同じ温度で、
出口からのガス中の水分量が、５ｐｐｂ程度以下になる
まで行う。

パージ用ガスによるベーキング、パージが終了した後、
ステンレス鋼管１０１内部に供給するガスを酸化性ガス
（例えば０２）を添加して、酸化処理（不動態化処理）
を開始する。

このガスの添加の際には、水分を中心とする汚染物質が
系内に混入することがある。これは、供給するガス（例
えば０２）が停止状態になっていたために配管内壁から
の水分を中心とする放出ガスによって汚染されていたこ
とが大きな原因となっていた。したがフて、酸化処理雰
囲気ガスおよびパージ用ガスを常時パージできるシステ
ムとし、このガス切り替え時の系内の汚染を極力抑え込
むことが望ましい。

第５図は、このガス切り替え時の系内の汚染を防止する
配管システムの例である。１１６ａ１１６ｂおよび１１
８はそれぞれ第１図に示したマスフローコントローラー
およびガス供給配管に相当する。１４６酸化処理雰囲気
ガス（例えば０２）の供給ライン、１４５はパージ用ガ
ス（例えばＡｒ）の供給ラインであり、もちろん酸化処
理を行うステンレス鋼管の本数、酸化処理炉１３７の大
きさによっても異なるが、３／８”又は１／２”程度の
内面電解研磨５ＵＳ３１６Ｌ管で構成される。１１４ａ
〜ｄはストップバルブであり、４個のバルブを一体化し
、デッドスペースを極力小さくしたモノブロックバルブ
である。

８０７．８０８は排気口からの大気成分の逆拡散による
混入を防止するためのスパイラル管、８０９．８１０は
ニードルバルブである。１０７は酸化処理ガス供給ライ
ンであり、第１図に示す酸化処理炉１３７ヘガスを供給
するラインである。

次に、第５図の配管システムの操作について説明する。

まず、酸化炉内のパージを行う時には、バルブ１１４ｂ
、１１４ｃを閉じ、１１４ａを開け、パージ用ガスを１
１４から１１６ａ、１１８を経由して１０７に供給する
。この時、バルブ１１４Ｃを開け、酸化処理雰囲気ガス
を１４６から８０７．８０９を経由して排気ラインヘバ
ージしておく。酸化炉内のパージが終了したら、次にマ
スフローコントローラー１１６ｂを、添加量の１／３程
度に設定し、バルブ１１４ｄを閉とすると同時に、１１
４ｂを開とする。添加量の１１５に設定することおよび
１１４ｄ、１１４ｂを同時に逆動作させることは添加の
オーバーシュートを防止するための対策であり、もちろ
んマスフローコントローラーのスロースタートモードな
どを使用しても良いことはいうまでもない。

なお、オーバーシュートの防止については、添加を３回
程度に分け、５分〜１０分ごとに実施することで解決で
きる。

また、酸化炉チャンバー１０２内に酸化処理雰囲気ガス
を供給する前に、ステンレス鋼管１０１の外部（酸化処
理炉１３７内部）を流れる不活性ガスよりもステンレス
鋼管１０１の内部を流れ酸化処理７囲気ガスの供給圧力
を０．０５〜０．３５ｋｇ／ｃゴ程度低くして、保持体
１０３．１０４から外部へ酸化処理：囲気ガスが流出し
ないようにし、ステンレス鋼管１０１の外側が酸化され
ることを防止し、ステンレス鋼管の外部が酸化されて汚
くならないようにすることが望ましい。

本実施例で、排気口から排気されるガス中の水分量を測
定したところ、酸化処理中は安定してｔｏｐｐｂ以下の
値を達成していた。特に、ユニット収納時に１５１側か
ら不活性ガスを流した場合には１０ｐｐｂ以下に達する
までの時間を短縮でき、また、第５図の配管システムを
用いた場合にはガスの切り替え時にも１０ｐｐｂ以下の
値を保ち続けることができた。

さらに、本実施例を用いて得られた全長４ｍの３　／　
８　”のステンレス鋼管について、相対湿度５０％、温
度２３℃のクリーンルームに約１週間放置した後、Ｎ２
ガスを０．４５ｆｌ／ｍｉｎの流量で流し、出口のＡｒ
ガス中に含まれる水分量をＨＹＣＯＳＭＯ（低温光学露
点計）で測定したところ、第７図のグラフのｂに示され
るように、通ガス後４５分後には約１ｏｐｐｂに落ち、
８０分以Ｒはバックグラウンドのレベル０．１２ｐｐｂ
以下となった。すなわち、本実施例を用いて得られたス
テンレス鋼管は極めて優れた吸着ガスの脱ガス特性を持
っており、この結果も、水分の含有量が１０ｐｐｂ以下
の超高清浄な雰囲気で加熱酸化処理が行われたことを示
している。

以上に述べたように、本実施例によって、従来−数的に
使用されていた金属酸化処理装置および金属酸化処理方
法では実現することができなかった水分含有量ｔｏｐｐ
ｂ以下の超高清浄な酸化雰囲気を、低コストで生産効率
も良く実現することができた。

なお、以上の実施例ではステンレス鋼管の不動態化処理
を行う第１図の装置について説明をしたが、これはステ
ンレス鋼管の不動態化処理だけでなく、その他の材質・
形状の金属、例えばＮ１Ａｆｉ等のパイプやバルブ等の
配管部品、高清浄な減圧装置部品等の不動態化処理にも
適用できることは明らかである。また、本実施例の装置
は酸化処理炉１３７か横型のものを示したが、縦型であ
ってもよい。

［発明の効果］（請求項１）本発明では、保持体の保持部を管状体とし、また、その
外周にテーパ一部を設け、さらに、変位可能にスプリン
グを装着しているため、ステンレス鋼管の内径にバラツ
キがあっても、ステンレス管を保持部に容易に保持せし
めることが可能である。また、ステンレス鋼管に長さの
バラツキがあっても保持体はステンレス鋼管に絶えず押
しつけられているため保持体とステンレス鋼管との間に
隙間が生ずることがなく、内面に良質の不動態膜を形成
することはできないと共に、外面焼けを防止することが
できる。又、消耗品となる゛ガスケット”を使用せず管
端の再仕上げや再洗浄等の必要がなく、コストダウンと
生産性向上が同時に可能となった。

（請求項２、請求項３）本発明では、被処理管からその外部に拡散する酸化性ガ
スを被処理管と接触させずに酸化処理炉の外部に放出す
ることができるため、被処理管の外面焼けを防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は本発明の実施例に係り、第１図は装
置の一部側断面図、第２図は保持体の拡大図、第３図は
鍔状体の正面図、第４図は、収納手順を示す側面図、第
５図はガス供給系回路図である。第６図は装置のリーク
量と不純物量との関係を示すグラフ、第７図はステンレ
ス鋼管からのガス放出量を示すグラフ、第８図および第
９図はは先行例を示す装置側断面図である。（符号の説明）１０１・・・被酸化処理金属管（ステンレス鋼管）、１
０１Ｓ・・・ステンレス鋼管、１０２・・・酸化炉チャ
ンバー　１０３・・・第１の保持体（第１のホルダー）
、１０４・・・第２の保持体（第２のホルダー）、１０
７・・・ガス導入ライン、１０８・・・ガスライン、１
０９・・・ガス排気管、１１０ａ、１１０ｂ・・・排気
ライン、１ｌｌａ、１ｌｌｂ・・・流量計、１１４　ａ
　、　　１１４ｂ、　　　１１４ｃ、　　　＋　　１４
ｄ１１５ａ、　　１１５ｂ−−−ストップバルブ、１１
６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１４６ｄ−マスフローコン
トローラー、１１９・・・不活性ガス、１２２・・・ヒ
ーター、１２３．１２４・・・炉蓋、１２５１２６・・
・加熱ヒーター、１３４・・・溝、１３５・・・導入口
、１３６・・・排気口、１３７・・・酸化処理炉、１３
８・・・管状体、１３９・・・スプリング、１４０・・
・フランジ、１４１・・・鍔状体、１４１ａ・・・切込
、１４２・・・心管、１４３・・・継手（フレキシブル
チューブ）、１４４・・・キャスター、１４５・・・パ
ージ用ガス供給ライン、１４５°・・・導入口、１４６
・・・酸化性ガス供給ライン、１５１・・・不活性ガス
導入口、１５２ａ、１５２ｂ・・・不活性ガス排気口、
１６０・・・覆管、１６７．１６８・・・テーパー（シ
ール部）、１４０・・・保持体フランジ、１７０・・・
孔、１９０・・・放出系、１９１・・・浮子式流量計、
８０７　８０８・・・スパイラル管、８０９．８１０・
・・ニードルバルブ。第３図４２第図（ａ）（Ｃ）第５図０７第図装置の全リーク量（Ｔｏｒｒ−１／ｓｅｅ　）第図 ○ ０００＋２０ＩＭＥ（ｍｉｎ）ｒＨす駒Ｊ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）不活性ガスを内部に導入するための不活性ガス導
入口と、不活性ガスを外部に排気するための不活性ガス
排気口とを有する酸化処理炉と；該酸化処理炉内におい
て被処理管をその一端において保持するとともに被処理
管内に該酸化処理炉の外部からガスを導入するための第
１の中空保持体と；該酸化処理炉内において被処理管をその他端において保
持するとともに被処理管内からガスを酸化処理炉外部に
排気するための第２の中空保持体と；を有し、該第１の中空保持体および該第２の中空保持体における
被処理管の保持部を管状体とし、かつ、該管状体の外周
に、先端に向かって外径が漸時減少するテーパーを形成
し、さらに、被処理管の長手方向に該第２の中空保持体
が変位し得るように該第２の中空保持体の適宜の位置に
スプリングを装着したことを特徴とする金属管酸化処理
装置。
（２）不活性ガスを内部に導入するための不活性ガス導
入口と、不活性ガスを外部に排気するための不活性ガス
排気口とを有する酸化処理炉と；該酸化処理炉内におい
て被処理管をその一端において保持するとともに被処理
管内に該酸化処理炉の外部からガスを導入するための第
１の中空保持体と；該酸化処理炉内において被処理管をその他端において保
持するとともに被処理管内からガスを酸化処理炉外部に
排気するための第２の中空保持体と；を有し、該第１の中空保持体および該第２の中空保持体における
被処理管の保持部を管状体とし、かつ、該管状体の外周
に、先端に向かって外径が漸時減少するテーパーを形成
し、該第１の中空保持体の管状体の外側に、該管状体を覆う
ように覆管を設け、かつ、該管状体と該覆管とにより形
成される空間を該酸化処理炉の外部と連通せしめたこと
を特徴とする金属管酸化処理装置。
（３）不活性ガスを内部に導入するための不活性ガス導
入口と、不活性ガスを外部に排気するための不活性ガス
排気口とを有する酸化処理炉と；該酸化処理炉内におい
て被処理管をその一端において保持するとともに被処理
管内に該酸化処理炉の外部からガスを導入するための第
１の中空保持体と；該酸化処理炉内において被処理管をその他端において保
持するとともに被処理管内からガスを酸化処理炉外部に
排気するための第２の中空保持体と；を有し、該第１の中空保持体および該第２の中空保持体における
被処理管の保持部を管状体とし、かつ、該管状体の外周
に、先端に向かって外径が漸時減少するテーパーを形成
し、さらに、該第２の中空抱持体の該管状体の端部近傍
に少なくとも１つの孔を設けたことを特徴とする金属管
酸化処理装置。
（４）請求項１において、該第１の中空保持体の管状体
の外側に、該管状体を覆うように覆管を設け、かつ、該
管状体と該覆管とにより形成される空間を該酸化処理炉
の外部と連通せしめたことを特徴とする金属管酸化処理
装置。
（５）請求項３において、該第１の中空保持体の管状体
の外側に、該管状体を覆うように覆管を設け、かつ、該
管状体と該覆管とにより形成される空間を該酸化処理炉
の外部と連通せしめたことを特徴とする金属管酸化処理
装置。
（６）請求項２において、該第２の中空抱持体の該管状
体の端部近傍に少なくとも１つの孔を設けたことを特徴
とする金属管酸化処理装置。
（７）請求項１ないし６において、第２の保持体を、中
空の心管の外周にフランジを介して設けるとともに、該
第２の中空保持体の排気口と該心管の中空部とをフレキ
シブルな中空継手を介して接続したことを特徴とする金
属管酸化処理装置。
（８）請求項１ないし７において、心管の外周に、所定
寸法の切込を有する鍔体を設けたことを特徴とする金属
管酸化処理装置。
（９）請求項１ないし８において、心管の適宜位置にに
キャスターを設けたことを特徴とする金属管酸化処理装
置。