JP2005235962A - 加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却効果を高くして処理室内を急速冷却することができ、これにより装置のスループットを向上させることができる加熱炉を提供する。
【解決手段】 加熱炉１０は、内部に処理室を形成し、被処理物１を収容する処理容器４と、処理容器４の周囲に配設され被処理物１を加熱する加熱ヒータ５と、処理容器４と加熱ヒータ５との間に配設され、処理容器４を包囲する中間容器７と、これらを収容する炉体６と、炉の冷却時に中間容器７と処理容器４との間の空間２２に液体の冷媒１３を供給する冷媒供給装置１４とを備えている。中間容器７は、冷媒供給時に内部の冷媒１３が中間容器７と炉体６との間に漏洩しないように構成されている。加熱処理終了後、冷媒供給装置１４により空間２２に冷媒１３を供給して処理容器４を冷却することにより、処理室３内を急速冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体の製造工程で用いられる各種の薄膜製造装置、不純物拡散炉、熱酸化炉又はエッチング装置等に使用される加熱炉に関するものであり、更に詳しくは、炉内の急速冷却を可能にした加熱炉に関する。

半導体の製造工程において、半導体ウエハに不純物拡散や熱酸化等の熱処理を行う工程では加熱炉が用いられる。このような加熱炉の中で例えば酸化炉では処理室ガス雰囲気を高圧にすることによって高い酸化レートを実現しているものがある。図３は、従来の一般的な加熱炉の概略構成を示すものであり、加熱炉４０は、被処理物（半導体ウエハ）４１を縦方向に多数枚搭載可能な被処理物保持具（ウエハボード）４２と、内部に処理室４３を形成し被処理物保持具４２を収容可能な空断面円形の処理容器４４と、処理容器４４の外側にこれを囲むように設けられた加熱ヒータ４５と、これらを収容し断熱壁を有する炉体４６と、処理容器４４内の処理室４３に処理用ガス４７を供給する処理用ガス供給管４８と、処理室４３内の処理用ガス４３を排出する処理用ガス排出管４９と、炉体６に炉内用ガス５１を供給し、これを排出する炉内ガス給排気管５０とを備えて構成されている。かかる構成の加熱炉４０では、半導体ウエハ４１を処理容器４４に入れた後に所定の圧力及び温度まで加圧・昇温して処理を行い、その後大気圧まで減圧、降温して大気開放し、半導体ウエハ４１を取り出すのが一般的である。

ところで、上記のような加熱炉は、処理終了後、大気開放するまでに十分に半導体ウエハ４１の温度を下げる必要がある。これは大気開放による急激な温度変化によって半導体ウエハ４１に熱歪が生じることを防ぐためである。特に液晶基板では下地のガラス部に応力が加わることを避ける必要がある。この降温時間は処理のスループットに影響するため短縮する必要がある。また、高温状態での不純物の拡散を最小限にする意味でも、冷却時間を短縮する必要がある。半導体ウエハ４１の熱は処理室４３を介して外部に伝熱していくため、処理室４３をいかに早く冷却するかが重要である。

そこで、従来、処理室４３を冷却する方法として、図３に示すように、炉体４６の外側に冷却チューブ５４を取り付け、この中に冷却水を流通させて炉体４６を冷却することによって処理室４３を冷却する方式が採用されている。また、炉体４６の外側に冷却チューブ５４を取り付ける代わりに、炉体４６の壁部内に冷却水用流路を設け、これに冷却水を流通させて炉体４６を冷却するという方式もある。

また、下記特許文献１には、別の冷却機構を採用した加熱炉が開示されている。特許文献１の「半導体製造装置」は、上下の縦断面方向の温度差が少なく、均等な熱履歴で種々の均質な熱処理が行え、かつ急速等温冷却を可能とすることを目的とし、図４に示すように、ヒータ６１の上部に設けられている通気穴６２から反応管６３の外周部の加熱炉６４内の熱い雰囲気を、ラジエータ６５を通して、冷却用ブロワ６６により吸引し外部へ排出するとともに、反応管６３の外周部に密接して冷却気体噴出管６７を設け、この冷却気体噴出管６７の冷却気体噴出孔６８から冷却空気を噴出するように構成されている。かかる装置により、冷たい外気７０が外気導入口７１から入り、反応管６３の外周部を通り、加熱炉６４の上部に設けられた通気穴６２から炉外に排出される間に、外気７０により反応管６３が冷却されると同時に、冷却気体噴出管６７の冷却気体噴出孔６８から噴出される冷却空気により反応管６３が冷却され、これにより反応管６３内部の処理室が冷却される。

特願平８−７４０５８号広報

しかしながら、従来技術には以下のような問題点があった。
（１）炉体４６の外側に冷却チューブ５４を設け、この内部に冷却水を流通させる方式では、元来、炉体４６の外部は通常大気程度の温度になっているため、冷却水を通す効果が現れにくい。
（２）炉体４６の壁部内に冷却水用流路を設け、この流路に冷却水を流通させる方式では、炉体４６の壁部を構成する断熱材の実効的な容積が減少するため、断熱壁としての機能が低下する。
（３）上記２つの冷却方式では、冷却すべき処理室４３からの熱の逃げを考えたとき、前記の構造から処理室４３、処理容器４４、炉体４６、冷却水の過程を経て熱が移動するため、熱容量の大きな石英や断熱材の存在によって効率的な冷却ができない。
（４）特許文献１の「半導体製造装置」では、冷却媒体が空気であるため、十分な冷却効果は望めない。
（５）このように冷却効果が低いことから冷却時間を短縮することができず、この結果、装置のスループット（処理能力）を向上させることができない。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、冷却効果を高くして処理室内を急速冷却することができ、これにより装置のスループットを向上させることができる加熱炉を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の加熱炉は、内部に処理室を形成し、被処理物を収容する処理容器と、該処理容器の周囲に配設され前記被処理物を加熱する加熱ヒータと、前記処理容器と加熱ヒータとの間に配設され、前記処理容器を包囲する中間容器と、これらを収容する炉体と、炉の冷却時に前記中間容器と処理容器との間に液体の冷媒を供給する冷媒供給装置と、前記中間容器と処理容器との間に供給された冷媒を排出する冷媒排出管とを備え、前記中間容器は、冷媒供給時に内部の冷媒が該中間容器と前記炉体との間に漏洩しないように構成されている、ことを特徴としている（請求項１）。

かかる本発明の加熱炉によれば、処理容器とは別に処理容器と加熱ヒータとの間に中間容器を設置して２重構造とするとともに、中間容器と処理容器との間に液体の冷媒を供給するので、この冷媒により処理容器を急速に冷却し、処理室内の被処理物を急速冷却することができる。上述した従来の冷却構造では、処理室の熱は石英（処理容器）、断熱材（炉体）等の熱容量の大きな構造物を経由して外部に伝熱していたが、本発明により処理室の熱を直接冷却水に伝熱させることができる。これにより、処理室内を急速冷却して降温時間を短縮することができるため、装置のスループットが大幅に向上する。

また、本発明の好ましい実施の形態によれば、前記中間容器の内部空間と炉体側との空間は互いに独立した空間を形成しており、中間容器と処理容器との間に圧力調整用ガスを供給する手段を更に備える（請求項２）。

かかる構成によれば、中間容器の内部空間と炉体側との空間を互いに独立した空間とする構成としても、中間容器と処理容器との間に圧力調整用ガスを供給することにより、炉体側及び処理室の圧力に抗することができるため、中間容器の破損を防止することができる。

また、本発明の好ましい実施の形態によれば、前記圧力調整用ガスを予熱するガス予熱器を更に備える（請求項３）。

中間容器を備えることによって装置全体の熱容量が大きくなって昇温が遅くなることが考えられる。そこで、かかる構成では、中間容器と処理容器との間に供給する圧力調整用ガスをガス予熱器により予熱しておき、これを供給するようにした。これにより、中間容器を加熱することができ、熱容量が大きくなることによる昇温の遅れを回避することができる。

また、本発明の好ましい実施の形態によれば、前記中間容器は、冷媒供給時に中間容器内で発生する冷媒の蒸気をその外部に排出させるための開閉可能な開閉バルブを備えた蒸気排出部を有する（請求項４）。

かかる構成によれば、冷媒が高温の処理容器に接触して蒸発したときの蒸気を、蒸気排出部の開閉バルブを開けて中間容器の外部に排出するので、中間容器内の圧力上昇を防止することができる。

また、本発明の好ましい実施の形態によれば、前記中間容器は、その内部空間と炉体側の空間とを連通する開口部を有する（請求項５）。

かかる構成によれば、中間容器の内部が炉体側の空間と連通しているので、炉体の圧力を調節することにより中間容器内部の圧力も同時に調節することができる。したがって、中間容器内部の圧力を調節する手段を個別に設ける必要がなく、装置の構成を簡素化することができる。また、かかる構成により、冷媒が高温の処理容器に接触して蒸発したときの蒸気を、炉体側に排出することができるので、中間容器内の圧力上昇を防止できる。

上述したように、本発明の加熱炉によれば、冷却効果を高くして処理室内を急速冷却することができ、これにより装置のスループットを向上させることができる等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による加熱炉の概略構成を示すものである。同図に示す加熱炉１０は、高圧酸化炉として構成されており、処理容器４と、加熱ヒータ５と、炉体６と、中間容器７と、処理用ガス供給管８と、処理用ガス排出管９と、炉内ガス給排気管１１と、冷媒供給装置１４と、冷媒排出管１７と、圧力調整用ガス給排気手段１８と、ガス予熱器２０とを備えている。

処理容器４は、石英ガラスからなり上部が閉じた中空円筒形を成しており、内部に被処理物保持具（ウエハボード）２を収容できるようになっている。被処理物保持具２は、被処理物（半導体ウエハ）１を多数枚（例えば、１００〜１５０枚程度）縦に並べて搭載できるようになっている。

加熱ヒータ５は、処理容器４の外側にこれを囲むように設けられており、これにより被処理物１を加熱する。

中間容器７は、石英ガラスからなり、処理容器４を包囲するように加熱ヒータ５と処理容器４との間に配設されている。この中間容器７は上部が閉じ下端部が開口した中空円筒形を成しており、下端部で処理容器４の下端部に水密的に固定されている。これにより、中間容器７の内部空間２２と炉体６側との空間２４は互いに独立した空間を形成している。また、中間容器７は、開閉可能な開閉バルブ２７を備えた蒸気排出部２６を備えている。なお、中間容器７は石英ガラスからなるものに限られず、その他の赤外線を透過させる性質を有するものであれば他の材料からなるものであってもよい。

炉体６は、これらを収容しており、その壁部は断熱材で構成されている。

処理用ガス供給管８は、処理室３内に処理用ガス３０を導入する配管であり、処理用ガス排出管９は、処理室３内の処理用ガス３０を排出する配管である。処理室３は、処理時には処理用ガス３０を導入して所定の圧力まで昇圧される。処理用ガス３０の供給・排出は、流量調節弁３１、３２により調節される。

炉内ガス給排気管１１は、炉体６内の圧力を処理室の圧力と同等程度に調整するための炉内用ガス１２の給排気を行うための配管であり、ガスの給排気は流量調節弁３３、３４により調節される。この炉内用ガス１２は例えば空気である。

冷媒供給装置１４は、中間容器７の上部に接続され、冷媒としての冷却水１３を中間容器７と処理容器４との間の空間２２に供給する冷媒供給管１５と、冷却水１３の流量を調節する流量調節弁３５とを備えている。本実施の形態において冷媒は水であるが、他の適当な冷媒を使用してもよい。冷媒排出管１７は、中間容器７に接続され、空間２２から冷却水１３を排出するようになっている。

圧力調整用ガス給排気手段１８は、中間容器７と処理容器４との間の空間２２に圧力調整用ガス３９を供給する機能と、この圧力調整用ガス３９を排気する機能とを有しており、ガス給排気管１９と、流量調節弁３６とを備えている。この圧力調整用ガス給排気手段１８により、中間容器７と処理容器４との間の空間２２の圧力は、処理室３と炉体６側の空間２４の圧力に抗し得る圧力に昇圧される。

予熱器２０は、圧力調整用ガス給排気手段１８に取り付けられており、中間容器７に供給する圧力調整用ガス３９を予熱するようになっている。

次に、上記構成による本発明の加熱炉４０の動作について説明する。加熱炉４０では、半導体ウエハ１をウエハボード２に搭載し、処理容器４に挿入した後に処理用ガス供給管８から処理室３内に処理用ガス３０を供給するとともに、加熱ヒータ５により加熱を開始して、所定の圧力及び温度まで加圧・昇温して処理を行う。また、これと同時に炉内ガス給排気管１１から炉内用ガス１２を供給し、炉体６内を所定の圧力まで昇圧する。

さらに、これと同時に、中間容器７と処理容器４との間の空間２２にガス供給管１９から圧力調整用ガス３９を供給し、空間２２の圧力を炉体６側の空間２４の圧力及び処理室３の圧力と同等程度にする。これにより、炉体６側及び処理室３の圧力に抗することができるため、中間容器７が炉体６側及び処理室３の圧力により破損するのを防止することができる。

中間容器７を備えることによって装置全体の熱容量が大きくなって昇温が遅くなることも考えられるが、圧力調整用ガスは予熱器２０により予熱されているので、この熱により中間容器７を加熱することができ、熱容量が大きくなることによる昇温の遅れを回避することができる。

処理終了後、処理室３、空間２２及び空間２４の圧力を大気圧まで減圧し、冷媒供給装置１４により空間２２に冷却水１３を供給し、処理容器４の上から冷却水１３をかける。冷却水１３は処理容器４の外周部を冷却しながら下降し、冷媒排出管１７から排出される。したがって、この冷却水１３により処理容器４を急速に冷却し、処理室３内の半導体ウエハ１を急速冷却することができる。上述した従来の冷却構造では、処理室３の熱は石英（処理容器４）、断熱材（炉体６）等の熱容量の大きな構造物を経由して外部に伝熱していたが、本発明により処理室３の熱を直接冷却水１３に伝熱させることができる。この結果、例えば、従来８００℃から２００℃まで降温するのに約１時間を要していたのが、本発明によれば、これを約１０分程度に短縮することが可能である。これにより、処理室３内を急速冷却して降温時間を短縮することができるため、装置のスループットを大幅に向上させることができる。

また、冷却水供給時には、冷却水１３が高温の処理容器４及び中間容器７に接触して蒸発するが、このとき蒸気排出部２６の開閉バルブを開けて蒸気を排出することにより、中間容器７内の圧力上昇を防止することができる。

その後、処理室３内の温度が十分に低下したら、半導体ウエハ１を取り出す。

次に、本発明の第２の実施の形態による加熱炉について説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態による加熱炉１０の概略構成を示すものである。同図に示す加熱炉１０において、中間容器７は上部にその内部空間２２と炉体側の空間２４とを連通する開口部７ａを有している。この開口部７ａは、冷却水供給時に、中間容器７内に供給された冷却水１３が炉体６側の空間２４に飛散したり漏洩したりしないように形成する。これにより加熱ヒータ５等に冷却水が飛散するのを防止することができる。なお、開口部７ａの大きさは特に制限はないが、上述したように冷却水１３が空間２４に飛散したり漏洩したりしないようにする必要がある。

冷媒供給装置１４は、炉体６に中間容器７の開口部７ａから冷媒（冷却水１３）を供給できるように設置されている。また、第１の実施の形態では圧力調整用ガス給排気手段１８及び予熱器２０を備えていたが、本実施の形態では、これを備えていない。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

かかる構成によれば、中間容器７の内部空間２２が炉体６側の空間２４と連通しているので、炉体６の圧力を調節することにより中間容器７内の空間２２の圧力も同時に調節することができる。したがって、第１の実施の形態で説明したような中間容器７内部の圧力を調節する手段（圧力調整用ガス給排気手段１８）を個別に設ける必要がなく、装置の構成を簡素化することができる。

また、冷媒が高温の処理容器４及び中間容器７に接触して蒸発したときの蒸気を、炉体６側の空間２４に排出することができるので、中間容器７内の空間２２の圧力上昇を防止できる。

なお、本発明の第２の実施の形態による加熱炉１０の動作は、圧力調整用ガス給排気手段１８及び蒸気排出部２６の動作が無い点を除いては、第１の実施の形態と同様である。

なお、上述した第１及び第２の実施の形態では、加熱炉１０は酸化炉として説明したが、本発明はこれに限定されず、薄膜製造装置、不純物拡散炉、エッチング装置等その他の加熱炉についも同様に適用可能である。また、上述した第１及び第２の実施の形態では加熱炉１０は、処理容器４及び加熱ヒータ５が縦方向に配置された縦型加熱炉であるが、本発明はこれに限定されず、処理容器４及び加熱ヒータ５が横方向に配置された横型加熱炉にも同様に適用可能である。

その他、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の第１の実施の形態による加熱炉の概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による加熱炉の概略構成を示す図である。 従来の加熱炉の概略構成を示す図である。 特許文献１の「半導体製造装置」の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 被処理物（半導体ウエハ）
２ 被処理物保持具（ウエハボード）
３ 処理室
４ 処理容器
５ 加熱ヒータ
６ 炉体
７ 中間容器
７ａ 開口部
８ 処理用ガス供給管
９ 処理用ガス排出管
１０ 加熱炉
１１ 炉内ガス給排気管
１２ 炉内用ガス
１３ 冷媒（冷却水）
１４ 冷媒供給装置
１５ 冷媒供給管
１７ 冷媒排出管
１８ 圧力調整ガス給排気手段
１９ ガス供給管
２０ ガス予熱器
２２ 空間
２４ 空間
２６ 蒸気排出部
２７ 開閉バルブ
３０ 処理用ガス
３９ 圧力調整用ガス
３１〜３６ 流量調節弁

Claims (5)

1. 内部に処理室を形成し、被処理物を収容する処理容器と、
   該処理容器の周囲に配設され前記被処理物を加熱する加熱ヒータと、
   前記処理容器と加熱ヒータとの間に配設され、前記処理容器を包囲する中間容器と、
   これらを収容する炉体と、
   炉の冷却時に前記中間容器と処理容器との間に液体の冷媒を供給する冷媒供給装置と、
   前記中間容器と処理容器との間に供給された冷媒を排出する冷媒排出管と、を備え、
   前記中間容器は、冷媒供給時に内部の冷媒が該中間容器と前記炉体との間に漏洩しないように構成されている、ことを特徴とする加熱炉。
2. 前記中間容器の内部空間と炉体側との空間は互いに独立した空間を形成しており、中間容器と処理容器との間に圧力調整用ガスを供給する手段を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
3. 前記圧力調整用ガスを予熱するガス予熱器を更に備える、ことを特徴とする請求項２に記載の加熱炉。
4. 前記中間容器は、冷媒供給時に中間容器内で発生する冷媒の蒸気をその外部に排出させるための開閉可能な開閉バルブを備えた蒸気排出部を有する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の加熱炉。
5. 前記中間容器は、その内部空間と炉体側の空間とを連通する開口部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。

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