JP2001007035A - 縦型加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱処理サイクルが短く、短時間処理が可能
であり、省エネルギー型で、高品質な処理が可能で、し
かもヒータの寿命の長い縦型加熱装置 【解決手段】 縦型加熱装置は、加熱処理される加熱物
が収納される空間を周囲から囲むように立設された円筒
形の化学的、熱的に安定した材料からなるインナーチュ
ーブ８と、このインナーチューブ８を囲むように立設さ
れ、内部を気密空間に保持する化学的、熱的に安定した
材料からなるアウターチューブ９と、これらアウターチ
ューブ９とインナーチューブ８の内部を加熱するヒータ
１２、１３とを有する。そして、アウターチューブ９の
周囲を囲むように真空空間３を形成し、この真空空間３
内に前記アウターチューブ９を囲んでヒータ１２、１３
が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、縦に長い単体加熱
物または縦に積層された複数の複合加熱物を、その周囲
から加熱する縦型加熱装置に関し、例えば、半導体ウエ
ハを縦に積層した状態で熱ＣＶＤ処理を行うため、それ
ら半導体ウエハを周囲から均一に加熱することを目的と
した縦型加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスにおけるキーテクノ
ロジーは、高精度な熱コントロールである。大型集積回
路（超ＬＳＩ）のますますの微細化と高速化、さらには
低コスト化が要求されるに伴って、超ＬＳＩの製造プロ
セスで形成される薄膜は、さらに薄く、高品位が要求さ
れようになっている。

【０００３】半導体製造装置の中でも最も古くから主要
装置として使われてきているバッチ式熱拡散装置（縦型
拡散装置）においても、次のような特性条件が求められ
ている。 （オ)処理温度は８００〜１１００℃と高温、（カ）面
内温度分布が±３℃以下、（キ）処理温度が高いので重
金属汚染が一切ないこと、（ク）昇温降温速度１００℃
／ｍｉｎ以上が望めること、（ケ）エコロジーの観点か
ら省電力型でなければならないこと、

【０００４】多数枚（１００枚以上）の半導体ウエハを
一度に処理する拡散装置は、プロセス技術の発達の初期
段階においては、多数の半導体ウエハをボート上に縦向
きに並べる横型から発達した。しかし、半導体ウエハの
大口径化と、クリンルーム内に占める床面積を最小にす
るために途中から縦型拡散装置が多用されるようになっ
た。この縦型拡散装置は、ラック状のボートに半導体ウ
エハを５〜６ｍｍ間隔に積層し、その周囲からウエハを
加熱し、そこに反応ガスを導入し、熱ＣＶＤの手段で処
理するものである。

【０００５】この縦型拡散装置は、アウターチューブと
称される石英または金属シリコンを含浸させた炭化ケイ
素焼結体の反応管の中に、ガス流路を形成するためもイ
ンナーチューブと称される周面に小さな穴を多数開けた
石英または炭化ケイ素焼結体のパイプを配置し、このイ
ンナーチューブの中にボートが配置される構造になって
いる。反応性ガスはアウターチューブとインナーチュー
ブの間の隙間を流れ、半導体ウエハ上にドーパンドが拡
散し、或いは熱−化学反応によって薄膜が形成される。
アウターチューブの外側は、一般に大気圧となってお
り、所定の温度を得るため、アウターチューブを囲むよ
うに配置された断熱材の内側に発熱線を配線した電気炉
が構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】この縦型拡散装置
は上下に長く、またヒータは大気中に配置されるため、
幾つかの欠点がある。例えば、アウターチューブと発熱
線の間の空気が対流を起こすため、温度の部分的なむら
が発生する。これを補正するために、円筒状の炉壁を４
〜５ブロックに分割し、それぞれ個別に温度制御しなけ
ればならない。しかし、処理温度にまで加熱する温度上
昇時と、高温状態を長時間維持する薄膜形成時とでは、
各ブロックに与える電力量が異なるので、各ウエハ間の
温度を常に均等にするためには、その温度制御が非常に
複雑になる。

【０００７】また、アウターチューブをその周囲から加
熱するヒータは、酸素を含む大気中に置かれるので、耐
酸化性の高い金属が選ばれている。現在最も高温に耐え
るヒータはドイツのカンタル社製の発熱線である。この
発熱線は、Ｃｒが２２％、Ａｌが５．５％、残部がＦｅ
の合金発熱線であり、その最高発熱温度は約１３００℃
である。炉全体に必要とされる電力は、６０〜８０ｋＷ
の大電力であるため、線径４〜５ｍｍのカンタル社製の
発熱線を１０〜３０ｍｍのコイル状とし、これをファイ
ンセラミック製の断熱材の内側に埋め込み、その一部を
断熱材から露出させて、１ブロック分のヒータとしてい
る。

【０００８】しかし、アウターチューブを１０００℃以
上の温度に加熱するためには、発熱線を１３００℃近く
まで発熱させる必要があり、高温でヒータが断線しやす
い。また円筒形の炉壁に対して発熱線は線状であるた
め、円筒面内の温度分布が一様になりなりにくい。さら
には、ヒータの温度上限が１３００℃に制限されるた
め、アウターチューブの昇温速度は５〜１０℃／ｍｉｎ
が限界となる。そのため、常温から処理可能な温度であ
る１０００℃以上の温度に加熱するまでに時間がかかっ
てしまい、１処理サイクルの時間が長くなる。

【０００９】この昇温速度の不足を補う方法として、炉
壁の温度を常温まで戻さず、３００〜５００℃まで下げ
た状態で保温しながら、アウターチューブを含むインナ
ーチューブ及び加熱物全体を導入したり排出する方法が
採られる。しかしこの場合、半導体ウエハの導入時にボ
ートの上端側に配置された半導体ウエハが空気中で高温
に曝されるため、半導体ウエハの表面に酸化膜が発生
し、半導体デバイスの信頼性を低下させる原因となる。
これを避ける方法としてインナーチューブ及び加熱物側
の空間を真空にしておいてから、アウターチューブ全体
を炉入、炉出する方法もとられている。しかしこの方法
では真空排気系が複雑であり、また真空も不完全になら
ざるをえないので、同様にして残留ガスによる酸化膜形
成が問題となる。

【００１０】半導体ウエハの排出時においても、アウタ
ーチューブ内が真空に保たれたとしてもボートの上端側
に配置された半導体ウエハが残留ガス中に長い時間高温
に曝される結果、処理後の上と下側の半導体ウエハの表
面にムラが発生しやすくなる。アウターチューブ内の温
度を常温まで下げて半導体ウエハの導入や排出をするの
が理想である。しかしそうすると、従来の縦型拡散装置
では、室温に下がるまで非常に長い時間を要し、次の処
理サイクルでの温度上昇にもまた長い時間を要する欠点
が生じる。

【００１１】このように従来の縦型拡散装置は、アウタ
ーチューブ内の温度の昇降時間が長いため、この縦型拡
散装置を使って１日当たり処理できる半導体ウエハは、
１〜２サイクル分が限度であった。また、１サイクルの
処理に要する時間が長く、また半導体ウエハの導入、排
出時にも或る程度の温度を維持しなければならないた
め、常にヒータへの電力の供給が必要であり、消費電力
が大きいという課題がある。

【００１２】本発明は、このような従来の縦型拡散装置
における課題に鑑み、アウターチューブの加熱効率がよ
く、そのため短時間でアウターチューブを高温に加熱で
きると共に、温度の下降速度も速く、これにより、１サ
イクルの処理時間を短縮できると共に、常温でのワーク
の導入、排出を可能とし、併せてヒータの寿命の長期化
と消費電力の低減が可能な縦型加熱装置を提供すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記の目的
を達成するため、アウターチューブ９の周囲を囲むよう
に真空空間３を形成し、この真空空間３内に前記アウタ
ーチューブ９をその周囲から加熱するヒータ１２、１３
を設けた。この真空空間３により真空断熱部を形成し、
その内部に配置したヒータ１２、１３によるアウターチ
ューブ９の加熱を効率よく行えるようにした。さらに、
真空空間３にガス導入口１８を接続し、真空空間３にガ
スを導入できるようにし、冷却時には、アウターチュー
ブ９の周囲に外部からガスを導入し、アウターチューブ
９を直接強制冷却できるようにした。

【００１４】本発明による縦型加熱装置は、加熱処理さ
れる加熱物が収納される空間を周囲から囲むように立設
された円筒形の化学的、熱的に安定した材料からなるイ
ンナーチューブ８と、このインナーチューブ８を囲むよ
うに立設され、内部を気密空間に保持する化学的、熱的
に安定した材料からなるアウターチューブ９と、これら
アウターチューブ９とインナーチューブ８の内部を加熱
するヒータ１２、１３とを有する。そして、アウターチ
ューブ９の周囲を囲むように真空空間３を形成し、この
真空空間３内に前記アウターチューブ９を囲んでヒータ
１２、１３が設けられている。

【００１５】このような縦型加熱装置では、アウターチ
ューブ９の周囲が真空断熱層となる真空空間３で囲まれ
ているので、高い断熱性が得られる。そして、その真空
空間３に配置された第一と第二のヒータ１２、１３でア
ウターチューブ９をその周囲から加熱するとき、アウタ
ーチューブ９を効率よく加熱行することができる。これ
により、アウターチューブ９内の昇温速度を速くするこ
とが可能となる。

【００１６】加熱時にヒータ１２、１３が真空空間３の
中で発熱するので、ヒータ１２、１３の高温下での酸化
が起こらず、ヒータ１２、１３の寿命を延ばすことがで
きる。むしろ、酸化を考慮せずに任意のヒータ１２、１
３を選択することができ、例えばグラファイトヒータを
使用することもできる。

【００１７】さらに、前記真空空間３にガス導入口１８
を接続することにより、ヒータ１２、１３の発熱を停止
し、アウターチューブ９内を冷却する時に、真空空間３
にガスを導入することで、アウターチューブ９をその周
囲から直接強制冷却することもできる。これにより、加
熱処理後のアウターチューブ９内の降温速度を早くする
ことができ、アウターチューブ９内を短時間で常温に戻
すことができる。

【００１８】例えば、前記ヒータ１２、１３は、アウタ
ーチューブ９の周囲を円筒状に囲むんで配置した第一の
ヒータ１２と、アウターチューブ９の上面に対向するよ
う配置した第二のヒータ１３との２系統とする。アウタ
ーチューブ９の周囲を円筒状に囲む第一のヒータ１２
は、アウターチューブ９を加熱するメインヒータとして
機能する。アウターチューブ９の上面に対向するよう配
置した第二のヒータ１３は、それを発熱するか否か或い
はその出力の調整等でアウターチューブ９やインナーチ
ューブ８内部の縦方向の温度分布を変化させることがで
きる。

【００１９】前記アウターチューブ９の外周面を囲む第
一のヒータ１２として、特にグラファイトヒータを使用
する場合、長尺板状のＵ字形に連なったヒータ部材３１
を円周方向に並べて複数本配置し、且つ閉じたサークル
状に順次直列に接続して円筒形のヒータ１２として構成
するとよい。こうすることにより、グラファイトヒータ
の成形体からなるヒータ部材３１を閉じたサークル状に
接続することができる。そして、このヒータ部材３１を
接続する結線回路の離れた３つの位置に電極３６を設け
ることにより、トライアングル状の三相結線ヒータを構
成することができ、安価な商用三相電源からヒータ１２
に電力を供給することが可能となる。

【００２０】このような円筒形の第一のヒータ１２のよ
うな円筒状の面発熱ヒータでは、円周方向の温度のばら
つきが±０．３℃以下という均熱性が得られる。そし
て、面発熱で高電気抵抗を有するヒータ部材３１を得る
には、極めて薄いヒータ部材３１としなければならな
い。この点について、ヒータ部材３１を上から下に吊り
下げるようにして円筒状に配置することにより、ごく薄
いヒータ部材３１でも容易に円筒形に配置することがで
きる。

【００２１】またこのような第一のヒータ１２の構造に
おいては、前記ヒータ部材３１、３１の一部をトリミン
グすることにより、部分的な電気抵抗を調整することが
できる。すなわち、ヒータ部材３１、３１のトリミング
された部分では、トリミングされていない部分より電気
の流れに対して直交する断面の面積が小さくなるため、
抵抗が大きくなり、発熱量が増大する。

【００２２】また、アウターチューブ９の上面に対向す
るよう配置した第二のヒータ１３として、特にグラファ
イトヒータを使用する場合、ドーナツ円板形のヒータ部
材５１の内周と外周から円周方向に交互に放射状にスリ
ット５３、５４を入れてサークル状に連続したヒータ１
３とするのがよい。こうすることにより、グラファイト
ヒータの成形体であるヒータ部材５１を閉じたサークル
状に接続することができる。そして、このヒータ部材５
１の互いに離れた３つの位置に電極５６を設けることに
より、トライアングル状の三相結線ヒータを構成するこ
とができ、安価な商用三相電源からヒータ１３に電力を
供給することが可能となる。

【００２３】このようなヒータ１３の構造において、ヒ
ータ１３の内周から外周に向かってその断面を薄くする
ことによって、その電気抵抗を調整することができる。
すなわち、円板形のヒータ部材５１の内周と外周から円
周方向に交互に放射状にスリット５３、５４を入れてヒ
ータ１３を構成した場合、ヒータ部材５１の内周側に比
べて外周側のスリット５３、５４の間の幅が広くなる。
その分だけヒータ部材５１の内周側より外周側の厚さを
薄くすることにより、ヒータ部材５１の内周側と外周側
との電流の流れと直交する断面の面積を概ね均等に調整
し、発熱量のばらつきを解消することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による縦型加熱装置の全体を示してお
り、ラック状のボート２７に円板形の半導体ウエハであ
る加熱物２８を装填し、この加熱物２８を上下に間隔を
あけて並べて保持した状態で熱ＣＶＤ処理する縦型拡散
装置に縦型加熱装置を適用した例である。

【００２５】前記のボート２７は、円盤状の耐熱部材か
らなるベース板１に取り付けたエレベータ２３に取り付
けられ、ベース板１の上方で上下動される。べース板１
からは円筒形のインナーチューブ８が立設され、このイ
ンナーチューブ８が前記ボート２７に搭載された加熱物
２８をその周囲から囲む。このインナーチューブ８は、
石英または金属シリコンを含浸させた炭化ケイ素焼結体
等の化学的、熱的に安定した材料で形成されている。こ
のインナーチューブ８の周壁には多数の通孔が開設さ
れ、インナーチューブ８の上端は開口している。

【００２６】ベース板１は、その上面外周部分がリング
状の耐熱部材からなる継手２に気密に接合されており、
この継手２には、円筒形の真空容器４の下部周壁５の下
端部が気密に接合されている。すなわち、真空容器４の
下部周壁５の下端部が前記継手２を介して気密に取り付
けた前記ベース板１によって閉じられている。

【００２７】真空容器４は、下部周壁５と上部周壁６と
を有し、これら円筒形の下部周壁５と上部周壁６とがフ
ランジ継手７を介して気密に接合され、全体として円筒
形の周壁が構成されている。さらに、真空容器４は、円
板状の蓋体１６を有し、この蓋体１６が前記上部周壁６
の上端を気密に閉じる。下部周壁５と上部周壁６、その
下端を閉じるベース板１及び上端を閉じる蓋体１６によ
り、真空容器４は気密な圧力容器として構成されてい
る。

【００２８】真空容器４の外面には、冷却パイプ２０が
取り付けられ、この冷却パイプ２０に流通する水、その
他の冷却液により、真空容器４が冷却されるようになっ
ている。真空容器４の下部周壁５には、真空バルブ２２
を介して真空ポンプ２１が接続されている。また、真空
容器４の蓋体１６には、ガス導入口１８が接続され、こ
のガス導入口１８はマスフローコントローラ１９を介し
てガス供給源（図示せず）に接続されている。

【００２９】真空容器４の内面、具体的には真空容器４
の下部周壁５、上部周壁６及び蓋体１６の内側にグラフ
ァイト等の断熱材１０が挿入されている。この断熱材１
０は、真空容器４の内側に赤外線を反射する反射部材に
代えることができ、また断熱材１０の内面に反射面を形
成してもよい。

【００３０】真空容器４の下部周壁５の下端に内側に張
り出したフランジを有し、このフランジと前記継手２の
内側に張り出したフランジとの間に、アウターチューブ
９の下端部から外側に張り出したフランジが気密に挟持
され、これによってアウターチューブ９が真空容器４の
内部に立設されている。また、ベース板１と継手２は水
路（図示せず）を有し、その流水によって冷却される。
このアウターチューブ９は、インナーチューブ８と同様
に石英または金属シリコンを含浸させた炭化ケイ素焼結
体等の化学的、熱的に安定した材料で形成されている。

【００３１】アウターチューブ９は上端を閉じた円筒形
を呈し、その下端部のフランジは、真空容器４の下部周
壁５と継手２との間に気密に挟持されているため、この
アウターチューブ９は、前記インナーチューブ８の周囲
を気密に囲み、その内側に気密な空間を形成している。
また、このアウターチューブ９の外側は、真空容器４と
共に気密な空間３を形成しており、前記真空ポンプ２１
を稼働してこの空間３からガス分子を排除することによ
り、アウターチューブ９と真空容器４との間に真空空間
３を形成することができる。この真空空間３は、アウタ
ーチューブ９の周囲と上面を囲んでいる。

【００３２】この真空空間３の断熱材１０の内側には、
前記のアウターチューブ９を囲んでヒータ１２、１３が
配置されている。アウターチューブ９の周囲には、円筒
形の第一のヒータ１２が配置され、この第一のヒータ１
２は、アウターチューブ９の周囲を円筒状に囲んでい
る。後述するように、この第一のヒータ１２の３本の端
子２６を絶縁した状態で真空容器４の外に取り出し、電
源に接続する。

【００３３】また、アウターチューブ９の上端面には、
円板状の第二のヒータ１３が対向している。後述するよ
うに、この第二のヒータ１３の３本の端子５６を絶縁状
態で真空容器４の外に取り出し、電源に接続する。前記
ベース板１には、インナーチューブ８とアウターチュー
ブ９との間の空間に反応ガスを導入する反応ガス導入口
２４と、インナーチューブ８の内側の空間から反応ガス
を排出する反応ガス排出口２５とが設けられている。

【００３４】図２は、アウターチューブ９の周囲を囲む
円筒状の第一のヒータ１２の例を示す。この第一のヒー
タ１２は、長尺な板状のヒータ部材３１、このヒータ部
材３１の上端を接続するための接続ブロック３２、この
接続ブロック３２を放射状に固定するための固定リング
３３及び一部の接続ブロック３２に取り付けられる棒状
の端子３６とを有する。図示の例では、ヒータ部材３１
と接続ブロック３２とが１２個ずつ使用され、端子３６
が３本使用されている。ヒータ部材３１と接続ブロック
３２の数は、ヒータ１２の全体としての径の大きさ等に
応じて任意に設定できる。

【００３５】固定リング３３は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢＮ、Ｓｉ
₃Ｎ₄等の耐熱性絶縁セラミックからなるリング状のもの
である。グラファイトやセラミック等で作られたネジ３
５により、固定リング３３の外周側に１２個の接続ブロ
ック３２を等角度間隔で放射状に固定するもので、その
ためのネジ孔を有している。

【００３６】接続ブロック３２は、後述するヒータ部材
３１と同材質のグラファイトからなるもので、図３に示
すように、個々の接続ブロック３２は、平面形状が５角
形を呈している。その幅は、円を１２等分した幅よりや
や狭い。この接続ブロック３２の基端側の上面は一段低
くなっており、そこにはネジ孔４０が設けられている。
さらに、先端面は、対象な２つの面が１５０゜の角度で
交差しておりそれら２つの先端面には、ネジ孔３９が設
けられている。

【００３７】接続ブロック３２の少なくとも３個には、
その基端側より一段高くなった先端側の上面に、電極３
６の下端を固定するためのネジ孔３８が設けられてい
る。また、図２に示すように、接続ブロック３２の少な
くとも３個には、前記のネジ孔３８に代えて、電極３６
より径の大きな通孔４６が設けられている。

【００３８】図２及び図３に示すように、ヒータ部材３
１は、中央にスリット４２を有する長尺なグラファイト
板からなっている。すなわち、このヒータ部材３１は、
上端から下端近くまでスリット４２を入れ、事実上Ｕ字
形に連なった長尺板状のグラファイト板である。その上
端には、ネジを通す通孔４１が設けられている。

【００３９】図２に示すように、接続ブロック３２は、
固定リング３３の外周側に等角度間隔で配列され、この
状態で接続ブロック３２の上面が一段低くなった基端側
が固定リング３３のネジ孔に通したグラファイト製のネ
ジ３５で固定される。このネジ３５は、図３に示した接
続ブロック３２の前記ネジ孔４０に締め込まれる。この
状態では、接続ブロック３２が円周方向に間隔を置いた
状態で固定リング３３の外周に放射状に配列される。

【００４０】なお、電極３６を取り付けるためのネジ孔
３８を有する接続ブロック３２が３つおきに配置され
る。そしてこれらの接続ブロック３２のネジ孔３８に電
極３６の下端のネジ３７をねじ込み、電極３６を固定す
る。また、通孔４６を有する接続ブロック３２も３つお
きに配置され、ネジ孔３８を有する接続ブロック３２と
通孔４６を有する接続ブロック３２との間に１つずつの
接続ブロック３２が配置される。

【００４１】接続ブロック３２の先端面には、前記ヒー
タ部材３１の上端を固定し、隣接するヒータ部材３１を
接続ブロック３２を介して順次接続する。すなわち、ヒ
ータ部材３１のスリット４２の両側の一対の上端を隣接
する接続ブロック３２の先端面に当て、ヒータ部材３１
の上端の通孔４１（図３参照）にネジ３４を通し、これ
を接続ブロック３２の先端面のネジ孔３９（図３参照）
にねじ込んで締め込む。このようにして、１２本のヒー
タ部材３１の一対の上端を隣接する接続ブロック３２の
先端面にそれぞれ固定し、これらヒータ部材３１を円筒
状に配列すると共に、これらヒータ部材３１を接続ブロ
ック３２を介して閉じたループ状に直列に接続する。

【００４２】このようにして組み立てられたヒータ１２
は、図１に示すようにして真空容器４とアウターチュー
ブ９との間に挿入され、真空空間３に配置される。電極
３６は、真空容器４の蓋体２６から絶縁部材を介して真
空容器４の外部に気密に引き出し、電源に接続する。互
いに離れた３つの接続部材３２に前記の電極３６を、を
設けることにより、閉じたループ状に接続されたヒータ
部材３１の３カ所設けた電極３６を介して電源を接続す
ることになる。これにより、トライアングル状の三相結
線ヒータを構成することができ、三相電源からヒータに
電力を供給することが可能となる。

【００４３】図４は、前述のようなヒータ１２に使用さ
れるヒータ部材３１の例を示すものである。図４（ａ）
は、図１及び図２により前述したヒータ部材３１であ
り、その断面形状は、上下両端を除いて全体に等しい。
この図４（ａ）のヒータ部材３１を標準的なものとする
と、図４（ｂ）〜（ｄ）は、ヒータ部材３１の下端をト
リミングし、その断面積を一部小さくしている。

【００４４】図４（ｂ）は、ヒータ部材３１の下端側の
両側をトリミングして切欠４３を設け、これによりヒー
タ部材３１の下端側の断面積を一部小さくしている。図
４（ｃ）は、ヒータ部材３１の下端側の両側に孔４４を
設け、これによりヒータ部材３１の下端側の断面積を一
部小さくしている。さらに、図４（ｄ）は、ヒータ部材
３１の下端側を厚さ方向にトリミングして削除部４５設
け、これによりヒータ部材３１の下端側の断面積を一部
小さくしている。何れの場合も、ヒータ部材３１の下端
側の断面積が一部小さくなることにより、単位面積当た
りの電流密度がその分だけ大きくなり、電気抵抗が増大
し、ヒータ部材３１の下端部の発熱量を増大させること
ができる。

【００４５】図５と図６は、アウターチューブ９の上面
に対向させた第二のヒータ１３を示している。これらの
図に示すように、第二のヒータ１３は、グラファイトか
らなるヒータ部材５１からなり、このヒータ部材５１
は、中央にセンターホール５２を有するドーナツ円板状
のものである。このヒータ部材５１は、そのセンターホ
ール５２の周囲の部分が厚く、外周部分にわたって次第
に薄くなるような勾配を有している。

【００４６】ヒータ部材５１の内周と外周から円周方向
に交互に放射状にスリット５３、５４が形成され、これ
によりヒータ部材５１は、その円周方向に向けて蛇行す
るように連続している。これにより、グラファイト製の
成形体であるヒータ部材５１を閉じたサークル状に接続
することができる。そして、ヒータ部材５１の外周部の
１２０゜ずつはなれた３点には、部分的に平面の電極取
付部５５が形成され、ここに棒状のグラファイトからな
る電極５６が立設されている。

【００４７】前記電極５６は、前述した第一のヒータ１
２の接続ブロック３２の通孔４６を非接触で貫通し、さ
らに真空容器４の蓋体２６から絶縁部材を介して真空容
器４の外部に気密に引き出し、電源に接続する。前記の
電極５６は、閉じたループ状に接続されたヒータ部材５
１の３カ所に等間隔で設けられているため、トライアン
グル状の三相結線ヒータを構成することができ、三相電
源からヒータに電力を供給することが可能となる。

【００４８】このようなヒータ部材５１の形状では、ヒ
ータ部材５１の内周側に比べて外周側のスリット５３、
５４の間の幅が広くなる。その分だけヒータ部材５１の
内周側より外周側の厚さを薄くすることにより、ヒータ
部材５１の内周側と外周側との電流の流れと直交する断
面の面積を概ね均等に調整し、発熱量のばらつきを解消
することができる。

【００４９】このような構造を有する縦型加熱装置で
は、真空空間３に配置された第一と第二のヒータ１２、
１３でアウターチューブ９をその周囲から加熱し、加熱
物２８を加熱処理するとき、アウターチューブ９の周囲
が真空断熱層となる真空空間３で囲まれているので、高
い断熱性が得られる。これにより、第一と第二のヒータ
１２、１３によるアウターチューブ９の加熱を効率よく
行うことができ、アウターチューブ９内の昇温速度を速
く、且つ加熱物の円周方向の温度の均熱性を保って加熱
することが可能となる。

【００５０】また、ヒータ１２、１３が真空空間３に配
置されているので、ヒータ１２、１３の高温下での酸化
によるヒータ１２、１３の早期の断線等が起こりにくく
なる。むしろ、酸化を考慮せずに任意のヒータ１２、１
３を選択することができ、前述のようなグラファイトか
らなるヒータ１２、１３を使用することができる。

【００５１】さらに、加熱物２８の加熱処理が終わり、
ヒータ１２、１３の発熱を停止したとき、前記ガス導入
口１８から真空空間３にガスを導入することにより、ア
ウターチューブ９内をその周囲から強制冷却することも
できる。これにより、加熱処理後のアウターチューブ９
内の降温速度を早くすることができ、アウターチューブ
９内を短時間で常温に戻すことができる。

【００５２】冷却ガスは真空ポンプ２１で排気しなが
ら、常に冷えた冷却ガスを導入する。真空空間３内の温
度が高いときは、冷却ガスとして窒素ガスやアルゴンガ
ス等の不活性ガスを使用する。そして、真空空間３内の
温度が或る程度下がったときに、冷却ガスとして空気を
使用するようにすれば、真空容器４の酸化やヒータ１
２、１３の焼失等が起こらない。

【００５３】図７は、図１に示すような縦型加熱装置の
試験機を使用し、加熱試験を行った結果である。加熱経
過時間（分）を横軸に、加熱物２８である半導体ウエハ
の１００枚の１、７、２７、４７、６７、８７段目の６
枚の平均温度Ｔ（℃）を縦軸に示した。

【００５４】真空容器３はＡｌ製とし、その高さは１２
０４ｍｍ、直径５００ｍｍとした。アウターチューブ９
はＳｉＣ製とし、その高さは９７０ｍｍ、直径３０２ｍ
ｍとした。第一のヒータ１２は、高さ１００２ｍｍ、幅
８５．２ｍｍ、スリット幅８ｍｍ、厚さ５ｍｍのグラフ
ァイト製長尺板状の１２枚のヒータ部材３１を、直径３
６０ｍｍの円筒形配列とした。第二のヒータ１３は、グ
ラファイト製とし、その外径３００ｍｍ、内径６０ｍ
ｍ、中央部厚さは２３ｍｍ、周辺部厚さは５ｍｍとし
た。

【００５５】加熱物２８としては、高さ８６０ｍｍ、直
径２６６ｍｍのＳｉＣ製のインナーチューブ８の中のボ
ート２７に、上下ピッチ６．３５ｍｍで８インチのシリ
コンウエハを１００枚装填した。真空空間３を１×１０
^-4Ｐａに減圧した状態で、前記第一のヒータ１２のみに
電流３８０〜３９０Ａ、電圧７５Ｖ、電力５０ｋＷの三
相交流を流し、加熱しながらボート２７の中央部と上部
のシリコンウエハ６枚ずつの温度を測定し、それらの平
均を図７に示している。

【００５６】図７から明らかな通り、加熱開始から約１
０数分で１００枚のウエハ全部が９００℃に達してい
る。図８は、本発明による縦型加熱装置と従来の縦型加
熱装置との加熱サイクルを模式的に比較したものであ
る。斜線で示した部分は、１加熱サイクルにおいて消費
する加熱電力を示す。

【００５７】図８（ｂ）に示すように、従来の縦型加熱
装置では、アウターチューブを常温まで冷却せずに、３
００〜５００℃に保温した状態で、アウターチューブに
半導体ウエハをチャージして内側を真空にして装置全体
を炉入する。この間に前記保温電力が必要となる。また
このとき、アウターチューブ内の残留ガス（主成分水）
が、半導体ウエハの表面に酸化膜が発生する原因とな
る。

【００５８】半導体ウエハの導入の後、加熱を開始する
が、温度上昇速度が遅いために、処理温度に達するまで
時間がかかり、その間消費する電力も大きい。処理が終
わり、アウターチューブ内を冷却するときは、加熱炉の
外面を水冷するが、アウターチューブに対しては直接的
な強制冷却をしないため、その中の降温速度が遅く、半
導体ウエハの排出に至るまで時間がかかる。

【００５９】さらに、半導体ウエハの排出時において
も、導入時と同様に３００〜５００℃に保温した状態で
排出を行うため、その間に保温電力が必要となる。また
このとき、アウターチューブ内の反応性ガスはストップ
され、真空を保って、全体を炉出されるが、ボートの上
端側に配置された半導体ウエハは残留ガスに長い時間高
温に曝される結果、処理後の半導体ウエハの表面にさら
に酸化膜が発生しやすくなるうえ、残留ガスとの反応に
よって成膜される膜厚が上下のウエハにおいて差が生じ
る。

【００６０】前述の通り、アウターチューブ内の温度を
常温まで下げて半導体ウエハの導入や排出をするのが理
想であるが、従来の縦型加熱装置では、室温に下がるま
で非常に長い時間を要し、次の処理サイクルでの温度上
昇にもまた長い時間を要する欠点がある。そのため、保
温状態での半導体ウエハの導入や排出を余儀なくされ
る。また、１サイクルの加熱処理に要する全体の時間も
長くなり、消費電力も大きい。

【００６１】これに対し、本発明による縦型加熱装置で
は、図８（ａ）に示すように、アウターチューブ９を保
温せず、常温まで冷却した状態で半導体ウエハのインナ
ーチューブへの導入を行うことができる。従って、この
間の保温電力は不要である。またこのとき、導入される
半導体ウエハが空気や残留ガスが高温に曝されることが
なく、半導体ウエハの表面に酸化膜が発生したり、膜厚
に不均衡が生じない。

【００６２】半導体ウエハの導入の後、加熱を開始する
が、真空空間３の断熱作用と、グラファイトからなるヒ
ータ１２ではグラファイトの発熱時の温度が２０００℃
を越えても（実際は１０００〜１３００℃で済む）断線
の心配がなく、かつ略面発熱となるため加熱効率によ
り、温度上昇速度が速いために、処理温度に達するまで
短時間で済み、その間消費する電力も小さい。処理が終
わり、アウターチューブ内を冷却するときは、真空容器
４の外面を水冷すると共に、真空空間３に冷却ガスを導
入し、アウターチューブを直接強制冷却するため、その
中の降温速度が速く、短時間で常温に戻すことができ
る。

【００６３】さらに、半導体ウエハの排出時において
も、導入時と同様にアウターチューブ９を保温せずに排
出を行うため、保温電力が不要である。また、処理され
た半導体ウエハが空気や残留ガスで高温に曝されること
もなく、また炉出時のアウターチューブを真空に保つ必
要がない。処理後の半導体ウエハの表面に酸化膜や不均
一性が発生しない。

【００６４】図９は、前述した縦型加熱装置の試験機に
おいて、加熱時における第一のヒータ１２の中心軸上の
温度分布を測定した結果、ここでは、加熱物である半導
体ウエハのボート上の装填ピッチを６．３５ｍｍとし、
温度測定位置をその半導体ウエハの位置（ボートの段
数）で表してある。１段目が最上位である。

【００６５】所定の温度に位置すべき領域の最下段位置
（目標均熱最下段位置）を上から８０段目までとし、ヒ
ータ１２、１３の加熱温度調整は、最上段（上面温調位
置）と、前記目標均熱最下段位置のほぼ中間位置（側面
温調位置＝４８段）との２点で行った。

【００６６】白印が第一と第二のヒータ１２、１３の双
方に電力を供給して発熱させた結果であり、黒印が側面
（周面）の第一のヒータ１２のみに電力を供給して発熱
させた結果である。何れも、合計で毎時３ｋＷ、４．２
ｋＷ、５．４ｋＷ、６．５ｋＷの電力を供給し、加熱開
始から１０分以上経過し、温度が定常状態に達したとき
の測定結果を示す。

【００６７】また、図１０は、同じようにして第一のヒ
ータ１２のみに７ｋＷの電力を供給し、加熱開始から１
０分以上経過し、温度が定常状態に達したときの温度測
定結果を示す。このグラフは、図９に比べて縦軸の温度
を拡大して示してある。これら図９及び図１０に示すよ
うに、段数１００段までの温度分布を見ると、第一のヒ
ータ１２のみを発熱させた場合、温度分布は、縦軸の温
度分布をｙ、横軸のウエハ段数１〜１００段をθとした
場合、θが約０〜１８０゜の範囲の正弦曲線に近似す
る。また、第一と第二のヒータ１２、１３の双方を発熱
させ、両ヒーター１２、１３が共に９００℃になるよう
温度を調節した場合は、温度分布は、縦軸の温度分布を
ｙ、横軸のウエハ段数１〜１００段をθとした場合、θ
が約０〜１８０゜の範囲の余弦曲線に近似し、１段目が
θ＝０となる。

【００６８】この結果、前記のような円筒状の第一のヒ
ータ１２と円板状の第二のヒータ１３とを組み合わせ、
第一のヒータ１２の上端側に第二のヒータ１３を配置
し、この第二のヒータ１３への電力の供給をオン−オフ
することにより、第一のヒータ１２の中心軸上の温度分
布を、正弦曲線と余弦曲線とに切り替えることができ
る。また例えば、図４に示すようなトリミング手段によ
り、ヒータ部材３１の電流の流れと垂直な断面Ａを温度
分布に対応した正弦曲線や余弦曲線とすることにより、
加熱物を加熱するエリアの温度分布を一定にすることも
できる。

【００６９】図１１は図４（ｄ）に示すように、５ｍｍ
板厚のグラファイト製のヒータ部材３１の先端部を２ｍ
ｍまでトリミングしたものを使用した円筒状の第一のヒ
ータ１２と、図４（ａ）に示すようなトリミングしてい
ないヒータ部材３１を使用した円筒状の第一のヒータ１
２とについて、加熱温度分布を比較したグラフである。

【００７０】トリミングされたヒータ部材３１は、上か
らウエハの８０枚目に対応する位置まで５ｍｍの厚さで
あり、８０枚以降に対応するヒータ部材３１の厚さは２
ｍｍまで薄くしてある。トリミングされていない均一な
５ｍｍの厚さのヒータ部材３１を使用した場合、余弦曲
線のθ＝０がウエハの１枚目であるのに対して、５ｍｍ
−２ｍｍにトリミングしたヒータ部材３１の場合、その
余弦曲線のθ＝０は、ウエハの７０枚目までシフトした
曲線になっている。すなわち約７０枚目までは均一加熱
が達成されたことになる。

【００７１】このときトリミングされたヒータ部材３１
でも、トリミングされていないヒータ部材３１でも、９
００℃を維持するために必要な電力は上面の第二のヒー
タ１３が２ｋＷ、周囲の第一のヒータ１２が５ｋＷでそ
のトータル７ｋＷは同じである。すなわち、トリミング
された部分の電気抵抗が上がり、ここの部分の発熱量が
増すために、余弦曲線がシフトしていることを意味して
いる。従って、トリミング比を５：２以上に増すことに
よって、またその位置を右側にシフトし、余弦曲線のθ
＝０の位置を８０枚以上に延ばせることになる。

【００７２】また図１１に示した加熱平衡状態におい
て、同一ウエハ内の１２点の温度計測点の温度のバラツ
キは、ウエハの７段目から６７段目のすべてにおいて±
０．３℃に治まっており、本発明の効異が発揮されてい
ることがわかる。これはとりもなおさず、板状のグラフ
ァイト製のヒータ部材３１が円筒状に複数配置された円
筒状面発熱体の中心軸上に加熱物が配置された効果であ
る。

【００７３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による縦型加
熱装置では、アウターチューブ９の周囲に高い断熱性を
有する真空空間３を形成することにより、その真空空間
３に配置されたヒータ１２、１３でアウターチューブ９
を効率よく加熱することができる。これにより、アウタ
ーチューブ９内の昇温速度を速くすることが可能とな
る。また、加熱時のヒータ１２、１３は真空空間３にあ
るため、ヒータ１２、１３の酸化等が起こらず、その寿
命を延ばすことができる。しかも、グラファイトヒータ
等、任意のヒータ１２、１３を選択することができる。

【００７４】さらに、前記真空空間３にガス導入口１８
を接続することにより、冷却時に真空空間３にガスを導
入して、アウターチューブ９を直接その周囲から強制冷
却することができる。これにより、加熱処理後のアウタ
ーチューブ９内の降温速度を早くすることができ、アウ
ターチューブ９内を短時間で常温に戻すことができる。
そのため、加熱物が高温で空気に曝されることがなくな
る。これらの理由から、本発明によれば、加熱処理サイ
クルが短く、短時間処理が可能であり、省エネルギー型
で、高品質な処理が可能で、しかもヒータの寿命の長い
縦型加熱装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による縦型加熱装置の例を示す概略縦断
側面図である。

【図２】同縦型加熱装置に使用される円筒形ヒータの一
例を示す斜視図である。

【図３】同円筒形ヒータの一部の構成部材を示す分解斜
視図である。

【図４】同円筒形ヒータに使用される板状のヒータ部材
の各例を示す斜視図である。

【図５】同縦型加熱装置に使用される円板形ヒータの一
例を示す平面図である。

【図６】図５のＡ−Ａ線縦断側面図である。

【図７】本発明による縦型加熱装置の例により加熱試験
を行った結果として加熱時間と加熱温度の関係を示すグ
ラフである。

【図８】本発明による縦型加熱装置と従来の加熱装置の
加熱サイクルを模式的に比較したチャートである。

【図９】本発明による縦型加熱装置の例により加熱試験
を行った結果として半導体ウエハの装填位置と温度分布
との関係を示すグラフである。

【図１０】本発明による縦型加熱装置の例により加熱試
験を行った結果として半導体ウエハの装填位置と温度分
布との関係を示すグラフである。

【図１１】本発明による縦型加熱装置において、トリミ
ングされたヒータ部材を使用した円筒状ヒータとトリミ
ングされてないヒータ部材を使用した円筒状ヒータとの
加熱比較試験を行った結果として半導体ウエハの装填位
置と温度分布との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

３ 真空空間 ８ インナーチューブ ９ アウターチューブ １２ 第一のヒータ １３ 第二のヒータ １８ ガス導入口 ３１ 第一のヒータのヒータ部材 ３６ 第一のヒータの電極 ５１ 第二のヒータのヒータ部材 ５３ ヒータ部材のスリット ５４ ヒータ部材のスリット ５６ 第二のヒータの電極

【手続補正書】

【提出日】平成１２年３月１６日（２０００．３．１
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項５】 前記アウターチューブ（９）の外周面を
囲む第一のヒータ（１２）は、互いに離れた３つの位置
に設けた電極（３６）により、三相結線されていること
を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の縦型加熱装
置。

【請求項６】 前記長尺板状のＵ字形に連なったヒータ
部材（３１）が上から吊り下げられた状態で円周方向に
並べて複数本配置されていることを特徴とする請求項１
〜５の何れかに記載の縦型加熱装置。

【請求項７】 前記第一のヒータ部材（３１）は、その
一部をトリミングして部分的な電気抵抗が調整されてい
ることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の縦型
加熱装置。

【請求項８】 前記アウターチューブ（９）の上面に対
向するよう配置した第二のヒータ（１３）は、円板形の
ヒータ部材（５１）の内周と外周から円周方向に交互に
放射状にスリット（５３）、（５４）を入れてリング状
に連続していることを特徴とする請求項１〜７の何れか
に記載の縦型加熱装置。

【請求項９】 前記アウターチューブ（９）の上面に対
向するよう配置した第二のヒータ（１３）は、互いに離
れた３つの位置に設けた電極（５６）により、三相結線
されていることを特徴とする請求項８に記載の縦型加熱
装置。

【請求項１０】 アウターチューブ（９）の上面に対向
するよう配置した第二のヒータ（１３）は、内周から外
周に向かってその断面を薄くすることによって電気抵抗
が均一化されていることを特徴とする請求項８または９
に記載の縦型加熱装置。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】前記ヒータ１２、１３は、アウターチュー
ブ９の周囲を円筒状に囲むんで配置した第一のヒータ１
２と、アウターチューブ９の上面に対向するよう配置し
た第二のヒータ１３との２系統とする。アウターチュー
ブ９の周囲を円筒状に囲む第一のヒータ１２は、アウタ
ーチューブ９を加熱するメインヒータとして機能する。
アウターチューブ９の上面に対向するよう配置した第二
のヒータ１３は、それを発熱するか否か或いはその出力
の調整等でアウターチューブ９やインナーチューブ８内
部の縦方向の温度分布を変化させることができる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】前記アウターチューブ９の外周面を囲む第
一のヒータ１２は、長尺板状のＵ字形に連なったヒータ
部材３１を円周方向に並べて複数本配置し、且つ閉じた
サークル状に順次直列に接続して円筒形のヒータ１２と
して構成する。こうすることにより、グラファイトヒー
タの成形体からなるヒータ部材３１を閉じたサークル状
に接続することができる。そして、このヒータ部材３１
を接続する結線回路の離れた３つの位置に電極３６を設
けることにより、トライアングル状の三相結線ヒータを
構成することができ、安価な商用三相電源からヒータ１
２に電力を供給することが可能となる。この第一のヒー
タ１２としては、特にグラファイトヒータを使用するこ
とができる。

【手続補正書】

【提出日】平成１２年６月１２日（２０００．６．１
２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項３】前記ヒータ（１２）、（１３）はグラファ
イトからなることを特徴とする請求項１または２の何れ
かに記載の縦型加熱装置。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱処理される加熱物が収納される空間
   を周囲から囲むように立設された円筒形の化学的、熱的
   に安定した材料からなるインナーチューブ（８）と、こ
   のインナーチューブ（８）を囲むように立設され、内部
   を気密空間に保持する化学的、熱的に安定した材料から
   なるアウターチューブ（９）と、これらアウターチュー
   ブ（９）とインナーチューブ（８）の内部を加熱するヒ
   ータ（１２）、（１３）とを有する縦型加熱装置におい
   て、アウターチューブ（９）の周囲を囲むように真空空
   間（３）を形成し、この真空空間（３）内に前記アウタ
   ーチューブ（９）を囲んでヒータ（１２）、（１３）を
   設けたことを特徴とする縦型加熱装置。
2. 【請求項２】 前記真空空間（３）に外部からガスを導
   入するガス導入口（１８）を有することを特徴とする請
   求項１に記載の縦型加熱装置。
3. 【請求項３】 前記ヒータ（１２）、（１３）は、アウ
   ターチューブ（９）の周囲を円筒状に囲んで配置した第
   一のヒータ（１２）と、アウターチューブ（９）の上面
   に対向して配置した第二のヒータ（１３）とからなるこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の縦型加熱装
   置。
4. 【請求項４】 前記ヒータ（１２）、（１３）はグラフ
   ァイトからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか
   に記載の縦型加熱装置。
5. 【請求項５】 前記アウターチューブ（９）の外周面を
   囲む第一のヒータ（１２）は、長尺板状のＵ字形に連な
   ったヒータ部材（３１）が円周方向に並べて複数本配置
   され、且つ閉じたサークル状に順次直列に接続されてい
   ることを特徴とする請求項４に記載の縦型加熱装置。
6. 【請求項６】 前記アウターチューブ（９）の外周面を
   囲む第一のヒータ（１２）は、互いに離れた３つの位置
   に設けた電極（３６）により、三相結線されていること
   を特徴とする請求項５に記載の縦型加熱装置。
7. 【請求項７】 前記長尺板状のＵ字形に連なったヒータ
   部材（３１）が上から吊り下げられた状態で円周方向に
   並べて複数本配置されていることを特徴とする請求項５
   または６に記載の縦型加熱装置。
8. 【請求項８】 前記第一のヒータ部材（３１）は、その
   一部をトリミングして部分的な電気抵抗が調整されてい
   ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の縦型
   加熱装置。
9. 【請求項９】 前記アウターチューブ（９）の上面に対
   向するよう配置した第二のヒータ（１３）は、円板形の
   ヒータ部材（５１）の内周と外周から円周方向に交互に
   放射状にスリット（５３）、（５４）を入れてリング状
   に連続していることを特徴とする請求項４〜８の何れか
   に記載の縦型加熱装置。
10. 【請求項１０】 前記アウターチューブ（９）の上面に
    対向するよう配置した第二のヒータ（１３）は、互いに
    離れた３つの位置に設けた電極（５６）により、三相結
    線されていることを特徴とする請求項９に記載の縦型加
    熱装置。
11. 【請求項１１】 アウターチューブ（９）の上面に対向
    するよう配置した第二のヒータ（１３）は、内周から外
    周に向かってその断面を薄くすることによって電気抵抗
    が均一化されていることを特徴とする請求項９または１
    ０に記載の縦型加熱装置。