JP2005533232A - 低温から高温の範囲のための可変ヒータエレメント - Google Patents

Abstract

【解決手段】 半導体製造環境において、断熱し温度を制御するための方法及び装置である。本発明は、炉の内外間の熱移動を最小化すべく、半導体炉のプロセスチャンバのまわりに取り付けるようにデザインされた、少なくともひとつのモジュール式の加熱エレメントから構成される。ベースリングないしシリンダ２００，５００，７００は、ヒータリングとも称されるもので、半導体のミニバッチ炉における内殻のまわりに適合すべく、そのサイズが定められている。ベースリング２００，５００，７００は、その内周に、等間隔に隔てられた複数の通路２２０，５２０を有している。炉の内部を暖めるために、これらの通路内には、周知のタイプの加熱コイルが配置される。コイルは通路内に、取り外し可能に、又は永久的に取り付けられる。

Description

発明の詳細な説明

（関連出願）
本願は、公式に譲渡された、発明の名称を「熱処理システム("Thermal Processing System")」とする２００２年７月１５日に出願された米国仮特許第６０／３９６，５３６号、及び発明の名称を「熱処理システム及びその使用方法("Thermal Processing System and Method for Using the Same")」とする２００２年１１月２２日に出願された米国仮特許第６０／４２８，５２６号を基礎とする優先権を主張し、これらの出願の全文をここで参照して引用する。

本発明は一般に、半導体製造環境を断熱し加熱するための方法及び装置に関し、特に、ミニバッチ炉において、広い温度範囲にわたって使用するのに好適な、選択可能な断熱・加熱エレメントに関する。

炉は広範囲の産業において一般的に使用されていて、それらには、半導体基板ないしウエハからの集積回路ないし半導体デバイスの製造が含まれる。半導体ウエハの熱処理には、例えば、加熱処理や、アニーリング、ドーパント材料の拡散若しくはドライビング、材料層の蒸着若しくは成長、及び基板からの材料のエッチングないし除去などが含まれる。これらの処理工程では、しばしば、処理工程前に又は処理工程中に、２５０〜１２００℃の温度にまでウエハを加熱することが必要になる。さらに、これらの処理工程では代表的に、処理ガスの温度変動や処理ガスのプロセスチャンバへの導入速度変動にもかかわらず、処理工程にわたって均一な温度にウエハが維持されることが求められる。

従来の炉は、代表的に、炉内に配置され、又は炉に取り囲まれた、容積の大きいプロセスチャンバから構成されている。炉は、代表的に、複数の相互連結された加熱コイルを有している。熱処理されるべき基板は、プロセスチャンバ内に密封されてから、炉によって所望の温度にまで加熱されて、処理工程が実行される。多くの処理工程、例えば化学蒸着法では、最初に密封されたプロセスチャンバを排気して、その後に、反応ガスやプロセスガスを導入して、基板上に反応核種を形成ないし堆積させている。

熱処理装置の熱的な要求条件を満たすために、いくつかのデザイン上の困難な点がある。例えば、プロセスチャンバの温度は、例えば熱処理の開始時及び終了時などに、迅速に変化しなければならない。さらに、いずれの１日についても、処理される半導体ウエハの数が最大になるためには、炉のダウン時間は最小であるべきである。また、コスト効率のためには高い運転温度における電力消費は最小であるべきである一方、半導体処理工程に過剰にオペレータを介入させることを避けるためには、低い温度における温度制御は容易でなければならない。

複数の相互連結された加熱コイルを有する半導体炉は、炉を加熱・冷却するための簡単な方法を提供するけれども、１個のコイルが故障した場合には、加熱アレイ全体を交換しなければならない。さらに、この構造は、すべての加熱コイルへの電力を同時に増やすことによってのみ、プロセスチャンバの温度勾配に応答することができるので、チャンバの異なった部分の温度変動を解消するためには、チャンバの特定の部分が過熱されることがある。これは、ウエハに悪影響を与える。このことは、最新の大型のウエハサイズと、複雑な集積回路においては、１枚のウエハが極めて高価であるために、特に関心事になる。
従って、上述した問題点を解決できるような、装置及び方法に対するニーズが存在する。

一般に、本発明は、半導体製造環境において、断熱し温度を制御するための装置及び方法を開示している。より詳しくは、本発明は少なくともひとつのモジュール式の加熱エレメントを備え、該加熱エレメントは、ベースリングと取り付けられた断熱ブロックとから構成されている。加熱エレメントは、炉の内外間の熱移動を最小化すべく、半導体炉のまわりに取り付けられるようにデザインされている。

実施形態においては、ベースリングないしシリンダは、ヒータリングとも称されるもので、半導体のミニバッチ炉における内殻のまわりに適合すべく、そのサイズが定められている。ベースリングは、その内周に、等間隔に隔てられた複数の通路を有していて、これらのそれぞれが加熱コイルを収容している。コイルは通路内に、取り外し可能に、又は永久的に取り付けられる。

本発明の実施形態の説明を続けると、炉のプロセスチャンバを完全に断熱するために、３つのヒータリングが、積み上げるように配置される。変形例としては、２個、５個などの異なる数のヒータリングを使用して、プロセスチャンバを取り囲むようにしても良い。複数のリングを使用して、それぞれリングに対応するような別々の加熱領域に炉を分割して、１又は複数のリング内のコイルへの電力を選択的に調節することによって、領域間における温度勾配を容易に監視し制御することが可能になる。さらに、万一、加熱コイルが故障したとしても、取り外して交換しなければならないのは、当該コイルを含む加熱エレメントだけである。これは、それ以外の加熱エレメントを取り外すことなく、炉の運転中に実行することができる。

本発明のひとつの実施形態は、外側に配置された多数の断熱ブロックを有している。断面視においては、そうしたヒータリングは歯車に似ていて、断熱ブロックは歯車の歯に対応している。断熱ブロックの数、厚み、及び幅については、必要とされる正確な加熱／断熱特性に応じて、変更される。
この実施形態は、各リングの加熱及び断熱特性を変更するために、“オン・ザ・フライ”にて調節される。断熱ブロックが取り付けられた間のスペースに、各リングの高さに沿って、断熱材料の追加的なスペーサを挿入する。これらのスペーサは、ヒータリングの断熱効果を増加させる。

本発明の更に別の実施形態では、リングの外側に補助インターロックシリンダを配置することによって、ヒータリングの熱特性が変更される。シリンダの内径には、多数の内側断熱ブロック（「内側断熱体」）が取り付けられていて、補助シリンダをヒータリングのまわりに配置させたときには、ベースリングの外側に沿った断熱ブロック間のスペース中に、内側断熱体は嵌入する。補助シリンダは、様々な形式に配列された断熱ブロックを有することができる。

［概要］
一般に、本願に開示される方法及び装置は、半導体製造環境における、断熱及び温度制御のためのものである。より詳しくは、本願に開示されるモジュール式の加熱エレメントは、炉の内外間の熱移動を最小化すべく、半導体炉のプロセスチャンバのまわりに取り付けられるように、デザインされている。

実施形態においては、ベースリングないしシリンダは、ヒータリングとも称されるもので、半導体のミニバッチ炉における内殻のまわりに適合すべく、そのサイズが定められている。ベースリングは、その内周に、等間隔に隔てられた複数の通路を有している。炉の内部を暖めるために、これらの通路内には、周知のタイプを含む任意の適当なタイプの加熱コイルが配置される。コイルは通路内に、取り外し可能に、又は永久的に取り付けられる。

本発明の実施形態の説明を続けると、炉を完全に断熱して取り囲むために、複数のヒータリングが、積み上げるように配置される。例えば、図１の実施形態では、３つのヒータリング１００が互いに積み上げられていて、炉内の側壁を完全に取り囲んでいる。複数のリングを使用して、それぞれ１又は複数のリングに対応するような別々の加熱領域に炉を分割して、１又は複数のリング内のコイルへの電力を選択的に調節することによって、領域間における温度勾配を容易に監視し制御することが可能になる。さらに、万一、加熱コイルが故障したとしても、取り外して交換しなければならないのは、当該コイルを含む加熱エレメントだけである。このため、図１の実施形態では、修理コストが最小になるが、というのは、１個のコイルが故障しても、３分の２の加熱コイルと断熱部材とは廃棄されることがないからである。

別の実施形態は、広い温度範囲で炉を運転できるように、異なったデザインをもったヒータリングを含んでいる。概して、半導体の製造は、２００〜１２５０℃の温度範囲において行われる。実行されるプロセスや製造される半導体の数に応じ、炉は異なった温度範囲にわたって運転されるので、異なる温度について、異なる量の断熱が要求される。

断熱性が小さくなると、代表的に、加熱の安定性は良くなり、制御は容易になる。例えば、小さい断熱量のヒータリングを用いると、炉壁を介して熱が容易に発散されるため、例えば目標の炉の温度をオーバーシュートした場合などに、温度下降にかかる時間は最短になる。同様に、制御の容易さは最大になるが、というのは、多くの従来の炉に使用されているような電力制御の固体素子は、総出力のおよそ３％を越える安定した状態の電力消費時に、より精密に電力を制御するからである。例についての説明を続けると、断熱性が大きくなると、与えられた温度を維持するために必要な電力は減少するが、というのは、炉から失なわれる熱損失が少なくなるためである。従って、熱移動が課題として最小になる低温にあっては小さい断熱性が好ましく、一方、熱移動が電力消費を増加させる高温にあっては大きな断熱性が好ましいことになる。

ひとつの実施形態は、外側に配置された多数の断熱ブロックを有している。断面視においては、そうしたヒータリングは歯車に似ていて、断熱ブロックは歯車の歯に対応している。断熱ブロックの数、厚み、及び幅については、必要とされる正確な加熱／断熱特性に応じて、変更される。例えば、低温の加熱エレメントは、比較的幅狭の断熱ブロックを有していて（これらは、長手方向には必要に応じて連続していても不連続でも良い。）、各ブロック間には大きな隙間を有している一方で、高温の加熱エレメントは、厚みないし幅の大きいブロックを有していて、あるいは、より多数のブロックを有していて、又はこれらの組み合わせによるブロックを有している。極度に高い温度においては、断熱ブロックに代えて、断熱材料の中実なシリンダを用いる。ヒータリングはモジュール式になっているので、半導体炉がその運転モードを低温から高温へ変更させる場合には、１又は複数のリングを容易に交換することができる。

さらに、この実施形態では、各リングの加熱及び断熱特性を変更するために、“オン・ザ・フライ”にて調節をすることができる。断熱ブロックが取り付けられた間のスペースに、各リングの長さに沿って、断熱材料の追加的なスペーサを挿入する。これらのスペーサは、ヒータリングの断熱効果を増加させるので、本発明のユーザは、必要に応じて熱特性を調節することができる。従って、高温において電力使用を最小化するのに高い断熱性が必要な場合には、リングを交換せずに、追加的な断熱スペーサを加えても良い。

本発明の更に別の実施形態では、リングの外側に補助インターロックシリンダを配置することによって、ヒータリングの熱特性が変更される。補助断熱シリンダは、ヒータリングの直径をわずかに上回る直径を有している。さらに、シリンダの内径には、多数の内側断熱ブロック（「内側断熱体」）が取り付けられていて、補助シリンダをヒータリングのまわりに配置させたときには、ベースリングの外側に沿った断熱ブロック間のスペース中に、内側断熱体は嵌入する。補助シリンダは、様々な形式に配列された内側断熱体を有することができる。例えば、ひとつの補助シリンダは、一連の断熱ブロックを有していて、これらは低温のヒータリングに嵌め合わせられると、補助シリンダの断熱ブロックはヒータリングの断熱ブロックと接触するように配列される。この構成によれば、断熱ブロック間の隙間を完全に排除することができ、極めて高温の断熱構成を模擬することができる。別の補助シリンダは、中間温度の環境にて使用するために、断熱ブロック間に比較的小さな隙間を残すように構成される。

［運転環境］
図１は、半導体のミニバッチ炉のための模式的な運転環境を示している。炉１４０は一般に、ウエハ１０８のバッチを受け入れるように適合しているキャリアないしボート１０６と、ウエハ１０８の温度を熱処理のための所望の温度に昇温させる複数の加熱エレメント１００を有する熱源１４０と、を備えたプロセスチャンバ１０２を含んでいる。炉１４０はさらに、１又は複数の光学的又は電子的な温度検出要素１１４を含んでいて、これは例えば、抵抗温度素子（ＲＴＤ）や熱電対などであり、プロセスチャンバ１０２の中の温度を監視し、及び／又は、加熱エレメント１００の動作を制御する。

図示の実施形態では、温度検出要素１１４は、プロセスチャンバ１０２の中における複数箇所の温度を検出するための、複数の独立した温度検出ノードないし箇所を有する、プロファイル熱電対１１４である。変形例としては、温度検出要素は、加熱エレメント１００から延在し、互いに関係をもたないような、一連のスパイク熱電対（図示せず）でも良い。炉１４０はまた、処理工程のために及び／又はウエハ１０８の冷却のために、流体やガス、蒸気をプロセスチャンバ１０２の中へ導入するための１又は複数のインジェクタ１１６と、パージ要素をプロセスチャンバの中へ導入するための１又は複数の排気ないしパージポート１１８（１つだけを図示している）とを含んでいる。ウエハ１０８の付近のプロセスガスや蒸気の濃度を高めると共に、プロセスチャンバの囲み１０１の内面に形成された蒸着物のフレークや剥離片によってウエハが汚染されることを抑制するために、ライナー１２０を用いている。

一般的に、プロセスチャンバ１０２は、Ｏリング１２２などのシールによって、プラットホームないしベースプレート１２４に対して密封されて、熱処理中には、ウエハ１０８を完全に閉じ込める。インジェクタ１１６、熱電対１１４、及びパージポート１１８のための開口部は、Ｏリングや、ＶＣＲ（登録商標）、又はＣＦ（登録商標）の取付具などのシールを用いて密封される。処理工程中に、放出され又は導入されるガスや蒸気は、プロセスチャンバ１０２の壁に形成された排気ポート１２６を通して、又は図１に示すように、ベースプレート１２４のプレナム１２７を介して排出される。プロセスチャンバ１０２は、熱処理工程中には、大気圧に維持したり、又は１又は複数の荒引き（ラフィング）ポンプ、ブロワ、高真空ポンプ、及び、ラフィング弁、スロットル弁、及び／又はフォアライン弁を含むような、ポンプ装置（図示せず）によって、ほぼ真空にまで排気したりすることができる。

プロセスチャンバの囲み１０１とライナー１２０とは、任意の金属、セラミックス、結晶又はガラス材料であって、高温及び高真空の運転による熱及び機械応力に耐えられる、及び処理工程中に使用され又は放出されるガス及び蒸気による腐食に抵抗をもつような材料から作ることができる。好ましくは、プロセスチャンバの囲み１０１は、機械的応力に耐えるのに充分な厚みをもち、プロセスの副産物の堆積に抵抗力がある、不透明、半透明、又は透明な石英ガラスから作られていて、処理環境の汚染の可能性を低下させている。任意的な事項としては、プロセスチャンバの囲み１０１とライナー１２０とは、不透明な石英から作られて、ウエハ１０８が処理される領域ないし処理領域１２８からシール１２２へ熱伝導して放出されることを抑制ないし排除する。

図１の実施形態では、例示的に、６つの加熱エレメントが採用されている。第１の加熱エレメント１５２は、プロセスチャンバ１０２の上部に隣接していて、一方、第２のエレメント１５４は、チャンバの底部に沿って配置されている。第３の加熱エレメント１５６は、チャンバの底部部分を包囲している。第４、第５、及び第６の加熱エレメント１００は、機能及び動作的には同一のものになっていて、プロセスチャンバ１０２の残りの側部を取り囲んでいる。これらの３つの加熱エレメント１００は、プロセスチャンバを３つの温度領域に分割していて、これらは互いに独立的に制御される。一般的に、加熱エレメントは、プロセスチャンバ１０２をおよそ２５０〜１２５０℃の間の運転温度に維持するように動作する。正確な運転温度は、チャンバ内に積み込まれたウエハ、製造されるウエハのタイプ、プロセス条件などに応じて変化する。従って、各加熱エレメント１００は、完全に、潜在的な運転温度の全範囲に維持することができる。

［加熱エレメント］
１． 低温の実施形態
図２は、加熱エレメント１００又は加熱エレメント１５６のいずれかについての、ひとつの実施形態２４０を示している。図２に示した加熱エレメント２４０は、低温の環境において使用すべく構成されている。加熱エレメント２４０は、ベースリング２００と、間隔を隔てられた複数の断熱ブロック２１０とを含んでいる。ベースリング２００の内側には、等間隔に、一連のコイル凹部２２０が設けられている。

ベースリング２００は代表的に、断熱特性をもった、真空成形された繊維から作られている。例えば、ベースリングは、低密度アルミナ・シリカ繊維断熱材から作られる。低密度アルミナ・シリカ繊維断熱材を用いた物品の製造については、当業者に一般に知られている。断熱ブロック２１０は、ベースリング２００と一体的をなす部分として作っても良いし、後になって取り付けても良い。断熱ブロックをベースリングに固定するためには、当業者に知られているあらゆる取付手段を採用することができる。

一般的に言えば、ベースリング２００のサイズは、プロセスチャンバ１０２の外側まわりに合致するように定められている。ベースリング２００の内側は、プロセスチャンバ１０２の外壁（図１参照）から小さい距離を隔てるように、又はチャンバと面一に配置されるようになっている。ベースリング２００とプロセスチャンバ１０２との間に小さい空間を残すことによって、介在した空気は加熱コイルが発生させた熱を分配して、ウエハにわたる均一な温度分布を発生させる助けになり、また、冷却の助けにもなる。プロセスチャンバ１０２の殻に対して、ベースリング２００を面一に取り付けるならば、プロセスチャンバの内側への熱移動は減少するので、電力についての要求条件を最小限にすることができる。従って、状況が異なれば、異なったサイズの加熱エレメント１００が必要になる。しかしながら、本実施形態においては、ヒータリング１００の内径は約２０．５インチであり、外径は約２６．５インチであり、高さは約３〜９インチである。代表的に、単一の炉に、複数のヒータリング１００が使用される。本実施形態においては、上部断熱リング（約３インチの高さ）と、３つのメインヒータリング（それぞれ約９インチの高さ）と、ベースヒータリング（約３インチの高さ）とのすべてが、単一の炉のまわりに配置されていて、“ヒータの積み重ね”を形成している。このヒータの積み重ねの高さは、概略３６インチである。

本実施形態においては、ベースリング２００のまわりには、等間隔に複数の断熱ブロック２１０が配置されている。代表的には、断熱ブロック２１０は、ベースリング２００と同一の材料から作られるけれども、必要があれば、異なるタイプの断熱材から作っても良い。さらに、本実施形態においては、各断熱ブロック２１０は同一の材料から形成されているけれども、必要があれば、異なる断熱材から様々なブロックを作っても良い。本実施形態においては、断熱ブロック２１０の幅は、外縁部とベースリング２００に接触する縁部とで概略等しくなっているけれども、変形例の実施形態においては、ブロック２１０の長さにわたって、断熱材の幅を増減させても良い。

図２に示した加熱エレメント２４０は、低温運転用にデザインされているために、断熱ブロック２１０は、ベースリング２００の全表面積のうちの、比較的小さい割合をカバーしている。低温の運転においては、熱損失は比較的小さい。このことは、また、電力についての要求条件が最小であることを意味している。従って、小さい断熱性を使用することによって、本実施形態による加熱エレメント１００では、加熱の安定性を良くすると共に、温度制御を容易にしている。
断熱ブロック２１０のひとつを通って、一対のヒータスタッド２３０が延通している。

図３は、ヒータスタッド２３０とコイル３００とによって形成される電気回路図を示している。ヒータスタッド２３０は、コイル凹部２２０に沿って設けられた加熱コイル３００に電気的に結合されていて、該コイルに電力を供給する。一連の加熱コイル３００とヒータスタッド２３０とが一緒になって、電気的なループを形成していて、電源（図示せず）からコイルに電力が供給される。スタッド２３０によって加熱コイル３００に結合される電源は、直接的に又は遠隔的に、物理的に又は電気的に、スタッドに結合することができることに留意されたい。すなわち、電源が図３に示した電気ループを閉じても良いし、スタッド２３０と電源との間に複数の介在的な要素が存在していても良い。スタッドを介してコイルへ電力を流すことができる、当業者に知られたあらゆる方法及び構成は、ここで想定されるものである。加熱コイル３００は、もちろん、当業者に周知のように、コイルの高い抵抗によって、電気エネルギーを熱に変換するものである。従って、ヒータスタッド２３０を介して加熱コイル３００に供給される電力を変化させるならば、加熱エレメント１００が発生する熱を容易に制御することができる。加熱コイル３００に適した材料には、ニッケル−クロムの電気抵抗合金や、鉄−クロム−アルミニウムの電気抵抗合金が含まれる。

図４は、図２に示した加熱エレメント１００の平面図を示している。ベースリングと、突出した断熱ブロック２１０と、加熱コイル凹部２２０と、ヒータスタッド２３０とのすべてが示されている。一般に、加熱コイル凹部を通り抜ける破線と破線に対して垂直な個々の線との交点は、それぞれの加熱コイル凹部の中心を示している。

２． 中間温度の実施形態
図５は、中間温度の環境において好適に使用できる、第２の実施形態５４０を示している。図５に示した加熱エレメント５２０もまた、ベースリング５００と、リングの外側に配置された一連の断熱ブロック５１０と、ベースリングの外側に沿って配置されたコイル凹部５２０と、一対のヒータスタッド５３０とを有している。概略的には、中間温度の構成による加熱エレメント５４０は、図２に示した構成と同一になっている。これらの実施形態間における相違点を以下に列挙する。

まず、本実施形態に含まれる断熱ブロック５１０の数は、図２の低温の実施形態における数に比べると、実質的に増加している。一般に、本実施形態においては、それぞれのコイル凹部５２０の後方に、ひとつの断熱ブロック５１０が配置されている。ベースリング５００のおよそ５０％が、断熱ブロック５１０によってカバーされている。それぞれのコイル３００の後方にひとつの断熱ブロックを配置することによって、表面温度が最も高い箇所に、ゆえに熱損失が最も速く生じる箇所に、リング５００の外面に沿った断熱が提供される。しかしながら、リングを構成する材料及びリングの物理的寸法によって決定されるベースリング５００の熱特性によっては、コイル３００から放射される熱はリングの外側に沿って充分に均一に分配される。そうした事例においては、必要に応じて、断熱ブロック２１０は、リング２００の外側に沿った任意の箇所に配置することができる。

ベースリング５００の比例的に大きい割合が断熱ブロックによってカバーされているので、図５に示した加熱エレメント５４０は、図２に示した実施形態に比べて、熱をより良く維持する。従って、本実施形態においては、熱的な安定性は犠牲になるけれども、電力消費は比較的小さくなる。

図６は、図５に示した中間温度の加熱エレメント１００の平面図を示している。一般に、加熱コイル凹部を通り抜ける破線と破線に対して垂直な個々の線との交点は、それぞれの加熱コイル凹部の中心を示している。

３． 高温の実施形態
図７に示した実施形態による加熱エレメント７４０は、高温運転用のものであり、前述したものと同様に、ベースリング７００とヒータスタッド７３０とを含んでいる。しかしながら、本実施形態による加熱エレメント７４０は、個別的な断熱ブロックを備えていない。代わりに、断熱シリンダ７１０は、ベースリング７００を完全に包囲している。シリンダ７１０は、最大の断熱性及び熱保持を提供するもので、これは、電力損失と、炉の外側の加熱とを最小化するべく、高温運転において望ましいものである。一般に、図７に示した実施形態の動作は、前述した実施形態の動作と同様である。

図２〜６に示した実施形態は、等間隔に隔てられた断熱ブロックを有しているけれども、ベースリングの周に沿ってブロックを均一に分配しなければならないという理由はないことに留意されたい。加熱エレメントの製造中に、必要に応じてブロックをずらしても、ほとんどの状況において、エレメントの動作特性に悪影響を与えることはない。さらに、前述した実施形態においては、複数のコイルは、互いに電気的に結合されて様々なコイル凹部２２０の中に取り付けられていたけれども、変形例の実施形態においては、コイルを別々の電気要素にしたり、及び／又は、取り外し可能にしたりしても良い。

４． 複数領域制御運転の実施形態
図８は、特定の実施形態による加熱エレメント１００が据え付けられて動作している、ミニバッチ炉８４０の横断面図を示している。一般的に言えば、炉１４０は、３つの別個の温度領域に分割され（図８に“ＴＺ１”、“ＴＺ２”、“ＴＺ３”と示している）、これらがそれぞれ、固有の加熱エレメント８００，８１０，８２０に対応している。加熱エレメント８００，８１０，８２０は、個別に設置され、取り外され、制御される。それぞれの加熱エレメントを別々に据え付けたり交換したりできるために、いずれかのひとつのコイルが故障したとしても、交換が必要になるのは加熱コイル３００の１／３だけである。本実施形態においては、炉８４０の運転中には、加熱エレメント８００，８１０，８２０を交換することは出来ないけれども、変形例の実施形態においてはそうした“稼動中交換”を可能にしている。

さらに、各加熱エレメント８００，８１０，８２０は独立的に制御されるので、必要に応じて単一の領域ＴＺ１，ＴＺ２，ＴＺ３の温度を上昇させ又は下降させることで、プロセスチャンバ１０２からの熱損失を補償したり、ウエハにわたる均一な熱分布を確保したりすることができる。

例えば、チャンバ１０２内の望ましいプロセス温度は７５０℃であるとする。前述の如く、プロセスチャンバ１０２内の複数箇所における温度は、列をなすスパイク熱電対８３０，８４０，８５０，８６０，８７０や、プロファイル熱電対８８０、又は他の温度検出要素によって測定される。さらに、スパイク熱電対は、加熱エレメントを貫通して延在していても良く（例えばスパイク熱電対８３０）、または、隣接する加熱エレメント間の空間を占有していても良い（例えばスパイク熱電対８９０）。チャンバ１０２内の平均温度が７５０℃であるとしても、ひとつの熱電対８５０が検出した領域ＴＺ３の箇所の温度は７３０℃であることがある。領域ＴＺ３の温度を上昇させるべく、すべての加熱エレメント８００，８１０，８２０の電力を増加させるのではなく、２つの加熱エレメント８００，８１０は安定状態に保持したまま、加熱不足領域に関連のある加熱エレメント８２０へ、追加的な電力を迂回させる。この結果、領域ＴＺ３の温度は上昇し、（熱移動効果を無視すれば）他の領域ＴＺ１及びＴＺ２の温度は比較的一定なままに維持される。従って、熱をより直接的に適用できるおかげで、単一領域の温度をより迅速に昇温できるだけでなく、装置全体の電力は節約される。

［殻が１つの環境］
図９に断面図を示した実施形態においては、炉１４０の外殻９５０の内側に、様々な加熱エレメント９００，９１０，９２０，９３０が配置されている。加熱エレメントは、斜線の陰影によって表わしている。斜線の陰影は、全体的に加熱エレメントを示していて、加熱エレメントの個別の構成要素は示していないことを理解されたい。この運転環境においては、実際に外殻９５０に接触しているのは、断熱ブロック２１０（あるいは実施形態に応じて５１０又は７１０）だけである。ベースリング２００は接触していない（図９の断面は一連の断熱ブロック２１０に沿った断面である。）。

加熱エレメント９００，９１０，９２０において唯一、外殻９５０に接触している部分が、断熱ブロック２１０であるために、外殻は比較的低温に維持され、触ることができる。加熱コイル３００が発生させる熱の大部分は、断熱ブロック２１０のシールド特性と、ベースリング２００と外殻９５０との間にある空洞とのために、外殻９５０へ達することがない。従って、オペレータは、火傷する危険なく、運転中の炉に安全に触れることができる。

また、炉１４０の外殻９５０には、１又は複数の入口ポート９６０と出口ポート９７０とが設けられている。炉１４０の底部ないし外殻９５０の底部に設けられた入口ポート９６０に流入した空気は、それぞれの加熱エレメント９００，９１０，９２０，９３０のベースリング２００に取り付けられた断熱ブロック２１０の間の空間を通って上昇し、出口ポート９７０から排出される。隣接する断熱ブロックと、ベースリングと、外殻とによって形成される空間は、煙突として有効に機能する。熱は上昇するので、冷たい空気が入口ポート９６０から引き込まれて、加熱された後には、出口ポート９７０を通って排出される。空気の動きは、対流式の冷却器のように働いて、それぞれの“煙突”内の温度を、もって外殻９５０と加熱エレメント９００，９１０，９２０，９３０の温度を効果的に引き下げる。

さらに、それぞれの入口ポート９６０及び出口ポート９７０には、カバー（図示せず）を設けても良い。カバーを開き又は閉じることによって、対流冷却効果を利用したり排除したりすることができる。さらに、カバーに、完全な封止から完全な開口までの範囲の様々な動作をさせることで、炉１４０に吸い込まれる正確な空気量を容易に調節することができる。これは、外殻９５０についてだけでなく、加熱エレメント９００，９１０，９２０，９３０及びプロセスチャンバ１０２自体についても、温度調節の追加的な手段を提供する。

［殻が２つの環境］
図１０は、内殻１０００と外殻１０１０とを備えた炉１０５０にて運転している、本発明の実施形態を示している。一般に、加熱エレメント１０５０，１０６０，１０７０は、内殻１０００と炉壁との間に配置されている。ここでも、斜線の陰影は、全体的に加熱エレメントを示していて、加熱エレメントの個別の構成要素は示していない。外殻１０１０の表面には、入口ポート１０２０と出口ポート１０３０とが設けられる。それぞれのポートは、完全に又は部分的に開閉できるようなカバーを備えると良い。

この環境においては、内殻１０００と外殻１０１０とによって形成された円筒形チャンバ１０４０は、前述した断熱ブロック２１０間にある空間と同じように作用して、空気を循環させ、外殻を対流によって冷却する。空気流は、ポートカバー１０２０，１０３０を調節することによって調整することができる。この実施形態では、空気流は主として外殻１０１０を冷却するように作用して、外殻に安全に触れられるようにしている。加熱エレメント１００に与える影響は、空気が加熱エレメントに沿って直接流れない限りにおいて、最小である。

しかしながら、入口ポート１０００と出口ポート１０１０とを完全に気密カバーで閉じた場合には、円筒形チャンバ１０４０の内側は追加的な断熱層として作用して、運転中の炉１０５０から熱が逃げることを防止する。変形例としては、真空ポンプ（図示せず）をチャンバ１０４０に開口している別のポートに取り付けて、チャンバ内を部分真空にしても良い。この部分真空になった空間は、さらに効果的な断熱材として働く。いずれかの（空気又は真空による）断熱方法によれば、プロセスチャンバ１０２内の温度維持が助長させて、加熱エレメントについての電力要求条件を緩和させることができる。

図１０の殻が２つの実施形態は、図７の実施形態による加熱エレメントと併用すると特に有用であることが理解されるだろう。

［断熱スペーサ］
本発明の更に別の実施形態においては、様々な断熱スペーサ１１００を追加したり取り外したりすることによって、加熱エレメント１００の断熱特性を“オン・ザ・フライ”にて変更することができる。図１１は、複数の断熱スペーサ１１００を含んでなる加熱エレメント１００を示している。断熱シリンダ７１０は、代表的には、加熱エレメント１００と同じくシリカ繊維とアルミニウムとの複合材料から形成されるけれども、変形例の実施形態においては、異なる断熱特性をもつ異なる材料から作るようにしても良い。

断熱スペーサ１１００のサイズは、該スペーサが、隣接する断熱ブロック２１０、ベースリング２００の外側、及び、図９に示した炉にあっては外殻９５０、また、図１０に示した炉にあっては内殻１０００によって形成された空間内に配置されるようになっている。スペーサ１１００は、追加的な断熱性を得るべく、簡単に炉の上部又は底部から滑り入れることができ、加熱エレメント１００を分解したり異なるエレメントを据え付けたりする必要はない。より多くの断熱スペーサ１１００を加えれば、加熱エレメントの総合的な断熱効果は高まる。従って、単に多数のスペーサを加えることで、低温の加熱エレメント１００（例えば図２）は、中間温度の又は高温の加熱エレメント（例えば図５及び図７）の特性を模擬することができる。同様に、中間温度の加熱エレメント１００は、充分な断熱スペーサ１１００を加えることによって、高温の加熱エレメントの効果を複製することができる。

代表的には、断熱スペーサ１１００は、断熱ブロック２１０と概略同一である幅及び高さを有しているけれども、必要な断熱特性に応じた長さに変更しても良い。変形例の実施形態においては、それぞれの断熱スペーサ１１００は、ベースリング２００ないし断熱ブロック２１０に対して、およそ３倍の高さになっているので、ひとつの断熱スペーサを、運転中に、３つの加熱エレメント１００の全域に沿って配置することができる。

［補助シリンダ］
前述した断熱スペーサ１１００の変形例は、補助断熱シリンダ１２００の概念である。図１２は、加熱エレメント１００とこれに合致した補助シリンダ１２００とを上から見た断面図である。

一般に、補助断熱シリンダ１２００は、外側シェル１２１０と、少なくともひとつの内側断熱体１２２０とを備えている。シェル１２１０の内面について測定したときの直径は、ベースリング２００の直径にひとつの断熱ブロック２１０の幅を加えた寸法に概略等しい。こうして、シェル１２１０の内面は、断熱ブロック２１０外側に、ぴったりと接触する。内側断熱体１２２０は、加熱エレメント１００の断熱ブロック２１０と概略同一である高さ及び幅を有していて、ベースリング２００の外側にぴったりと合致する。内側断熱体１２２０の数及び配置については、補助断熱シリンダ１２００を加熱エレメント１００のまわりに嵌め合わせたときに、内側断熱体が断熱ブロック２１０と重ならないようになっている。実際上、２つの部材は、断熱ブロックと内側断熱体とが歯である歯車のように噛合する。

シェル１２１０は比較的薄いので、使用時には、シェルはほとんど又は全く断熱を提供することがない。代わりに、補助シリンダ１２００によって提供される追加的な断熱の大部分は、内側断熱体１２２０に由来するものである。従って、シェル１２１０は、炉１４０の運転温度に耐えられるようなあらゆる材料から作ることができ、一方、内側断熱体は代表的には、前述したシリカ繊維とアルミニウムとの複合材料から形成される。変形例の実施形態においては、シェル１２１０は、断熱効果を提供するようになっていて、内側断熱体１２２０及び加熱エレメント１００と同一の断熱複合材から作られるようにしても良い。

本発明のそれぞれの実施形態においては、所望の追加的な断熱特性に応じて、様々な補助シリンダ１２００をデザインし、製造し、採用することができる。例えば、図２に示した低温の実施形態では、２つの異なる種類の補助断熱シリンダ１２００を使用することができる。第１のシリンダは比較的少数の内側断熱体１２２０を有していて、低温の実施形態のまわりに配置されると、中間温度の加熱エレメント１００をシミュレートして、空間に形成された通路を通って空気が流れられるようになっている。第２のシリンダ１２００は、ずっと多い（あるいは長い）内側断熱体１２２０を有していて、加熱エレメント１００の断熱ブロック２１０間にあるすべての空間を充填する。これは、高温の加熱エレメント１００をシミュレートすることになる。

［結論］
本発明の例示的な実施形態についての以上の説明から当業者は理解するだろうが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、説明した実施形態に対して多数の変更を行うことが可能である。例えば、加熱エレメントに異なる物理的寸法をもたせたり、これを異なる材料から製造したりすることができる。さらに、特定の実施形態及び方法に関連させて本発明を説明したけれども、そうした説明は例示であって限定ではない。従って、本発明の適切な範囲は特許請求の範囲によって定められるものであり、前述した例示によって定められるものではない。

図１は、本発明の実施形態のための例示的な運転環境を示している。 図２は、低温環境での使用に適している、本発明の第１の実施形態を示している。 図３は、本発明による実施形態の電気回路図を示している。 図４は、図２の実施形態を示した平面図である。 図５は、中間温度環境での使用に適している、本発明の第２の実施形態を示している。 図６は、図５の実施形態を示した平面図である。 図７は、高温環境での使用に適している、本発明の第３の実施形態を示している。 図８は、適当な運転環境において運転している３つの加熱エレメントを示している。 図９は、１つの殻の環境で運転している、本発明の第１の実施形態を示している。 図１０は、２つの殻の環境で運転している、本発明の第１の実施形態を示している。 図１１は、本発明の実施形態と併用される、断熱スペーサの組を示している。 図１２は、本発明の実施形態と併用される、補助シリンダを示している。

Claims (20)

1. 半導体製造炉の一部分を加熱するための加熱エレメントであって、この加熱エレメントが、
   ひとつのコイル凹部を有しているベースリングと、
   ひとつのコイル凹部の中に配置されたコイルと、
   ベースリングに取り付けられた断熱ブロックと、を備え、
   加熱エレメントは、炉の全体よりも実質的に少ない部分を取り囲んでいる、
   ことを特徴とする加熱エレメント。
2. 加熱コイルは、コイル凹部の中に取り外し可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱エレメント。
3. 断熱ブロックは、加熱コイルのすぐ背後に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱エレメント。
4. ベースリングと断熱ブロックとはいずれも、同一の断熱材料から作られていることを特徴とする請求項１に記載の加熱エレメント。
5. 断熱材料は、真空成形されたシリカ繊維とアルミニウムとの複合材料であることを特徴とする請求項４に記載の加熱エレメント。
6. 断熱ブロックは、ベースリングに永久的に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の加熱エレメント。
7. 加熱エレメントは、低温にて運転すべく構成されていることを特徴とする請求項６に記載の加熱エレメント。
8. 加熱エレメントは、中間温度にて運転すべく構成されていることを特徴とする請求項６に記載の加熱エレメント。
9. 加熱エレメントは、高温にて運転すべく構成されていることを特徴とする請求項６に記載の加熱エレメント。
10. 断熱ブロックと第２の隣接する断熱ブロックとの間に取り外し可能に配置される、断熱スペーサをさらに備えていることを特徴とする請求項６に記載の加熱エレメント。
11. 断熱スペーサは、加熱エレメントの運転中に、一時的に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の加熱エレメント。
12. 加熱エレメントは、さらに補助断熱シリンダを備え、この補助断熱シリンダが、
    ベースリングと少なくともひとつの断熱ブロックとの組み合わせのまわりに適合すべく、そのサイズが定められた外側円筒シェルと、
    断熱ブロックと隣接する断熱ブロックとの間に適合すべく、そのサイズが定められた内側断熱体と、
    を備えていることを特徴とする請求項６に記載の加熱エレメント。
13. 前記加熱エレメントにおいて、
    外側円筒シェルの内面は、断熱ブロックの外面と、隣接する断熱ブロックの外面とに接触し、
    内側断熱体の内面は、ベースリングの外面に接触している、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の加熱エレメント。
14. 半導体製造炉を加熱及び断熱するための方法であって、この方法が、
    所望の運転温度を定める段階と、
    定められた所望の運転温度に応じて、対応する加熱エレメントの構成を選択する段階と、
    適切な構成を有する第１及び第２の加熱エレメントを炉のまわりに配置する段階であって、第１の加熱エレメントは第１及び第２の温度領域に対応しているような上記配置する段階と、
    第１及び第２の加熱エレメントにおける少なくともひとつのコイルに電力を供給する段階と、
    を備えていることを特徴とする方法。
15. 前記方法がさらに、
    第１の温度領域における温度変動を検出する段階と、
    検出された温度変動に応じて、第１の加熱エレメントの少なくともひとつのコイルに追加的な電力を供給する段階と、
    を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記方法がさらに、
    第１の加熱エレメントにおける加熱コイルが、もはや機能していないことを検出する段階と、
    機能していない加熱コイルの検出に応じて、第２の加熱エレメントを配置したままで、第１の加熱エレメントを交換する段階と、
    を備えていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記方法がさらに、
    炉の運転温度を高めるために、少なくともひとつのコイルへの電力を増加させる段階と、
    少なくともひとつのコイルへの電力の増加に応じて、第１及び第２の加熱エレメントに断熱スペーサを追加する段階と、
    を備えていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記方法がさらに、
    炉の運転温度を高めるために、少なくともひとつのコイルへの電力を増加させる段階と、
    少なくともひとつのコイルへの電力の増加に応じて、第１及び第２の加熱エレメントのまわりに補助断熱シリンダを配置する段階と、
    を備えていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 半導体製造炉を断熱するためのヒータの構成であって、このヒータが、
    第１のヒータであって、前記第１のヒータが、
    少なくともひとつの第１のコイル凹部を有しているような、第１のベースリングと、
    少なくともひとつの第１のコイル凹部の中に配置された、少なくともひとつの第１の加熱コイルと、
    第１のベースリングに取り付けられた、少なくともひとつの第１の断熱ブロックと、を備え、
    第１のヒータに隣接して配置された第２のヒータであって、この第２のヒータが、
    少なくともひとつの第２のコイル凹部を有しているような、第２のベースリングと、
    少なくともひとつの第２のコイル凹部の中に配置された、少なくともひとつの第２の加熱コイルと、
    第２のベースリングに取り付けられた、少なくともひとつの第２の断熱ブロックと、を備え、
    少なくともひとつの第１の加熱コイルと、少なくともひとつの第２の加熱コイルとへ、電力を供給するための電力手段と、を備え、
    少なくともひとつの第１の加熱コイルと、少なくともひとつの第２の加熱コイルとは、炉内の温度を維持すべく協働する、
    ことを特徴とするヒータの構成。
20. 第２のヒータを取り外すことなく、第１のヒータが取り外されることを特徴とする請求項１９に記載のヒータの構成。

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