JP2006351774A - 熱処理装置、ヒータ及びヒータの製造方法 - Google Patents

熱処理装置、ヒータ及びヒータの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ノズルからの輻射光の漏れを防止でき、ヒータ内部の均熱性の悪化及びヒータ外部の温度上昇を抑制することができる熱処理装置、ヒータ及びヒータの製造方法を提供する。
【解決手段】 被処理体ｗを多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器３と、該処理容器３を覆い被処理体ｗを加熱する筒状のヒータ３と、該ヒータ３と処理容器２との間の空間１９内の雰囲気を排出する排熱系２０と、前記空間１９内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段２２とを備えた熱処理装置１であって、前記ヒータ３は筒状の断熱材１３の内周に発熱抵抗体１４を配設してなり、前記冷却手段２２は前記ヒータ３の断熱材１３中に埋設された複数の吹出しノズル２３を有し、各吹出しノズル２３はその入口２３ａと出口２３ｂが直線でつながらない形状に形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱処理装置、ヒータ及びヒータの製造方法に関するものである。
半導体デバイスの製造においては、被処理体例えば半導体ウエハに、酸化、拡散、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの処理を施すために、各種の処理装置（半導体製造装置）が用いられている。そして、その一つとして、一度に多数枚の被処理体の処理例えば熱処理が可能なバッチ式の熱処理装置例えば縦型熱処理装置が知られている。
この熱処理装置は、一般的に、多数枚のウエハを保持具であるボートに所定間隔で多段に搭載保持した状態で処理容器内に収容し、該処理容器を覆うように設けた筒状のヒータにより前記ウエハを加熱して所定の熱処理を施すようになっている。前記ヒータは、筒状の断熱材の内周に線状の発熱抵抗体を配設して構成されている。
このような熱処理装置においては、熱処理後、ウエハを急速降温させて処理の迅速化ないしスループットの向上を図るために、ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を外部に排出するように構成すると共に、前記空間内に冷却流体を導入して強制的に冷却するように構成することが行われている（例えば、特開平７−９９１６４号公報、特開平１１−２６０７４４号公報等参照）。
特開平７−９９１６４号公報 特開平１１−２６０７４４号公報
近年、熱処理装置においては、ウエハの処理枚数の増加に伴い、ヒータ及び内蔵物（例えば処理容器及びボート）の長さが長くなるため、強制冷却時に内蔵物に冷却温度むらが発生しやすくなり、ウエハの製品品質が不均一になる問題がある。また、冷却流体の流量を増加するためにノズルの口径を大きくすると、ノズルからの輻射光の漏れによる熱放散が大きくなるため、ヒータ内部の均熱性が悪化すると共に、ヒータ外部の温度上昇を招くという問題がある。
なお、特許文献２の場合、成型断熱材に斜め上方に向って開口した急冷口を設け、該急冷口より導入された冷却媒体が旋回流れを形成するようにしているため、強制冷却時に内蔵物の温度むらの発生をある程度抑制し得るが、急冷口に冷却媒体を供給するために、成型断熱材中に上下に伸びる冷却媒体導入路を所要数設けなければならず、製造及び構造が複雑化する。
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、ノズルからの輻射光の漏れを防止でき、ヒータ内部の均熱性の悪化及びヒータ外部の温度上昇を抑制することができる熱処理装置及びヒータの製造方法を提供することを目的とする。また、本発明の目的は、冷却温度むらを抑制することができと共に、製造及び構造の簡素化が図れる熱処理装置、ヒータ及びヒータの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のうち、請求項１に係る発明は、被処理体を多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器と、該処理容器を覆い被処理体を加熱する筒状のヒータと、該ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を排出する排熱系と、前記空間内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段とを備えた熱処理装置であって、前記ヒータは筒状の断熱材の内周に発熱抵抗体を配設してなり、前記冷却手段は前記ヒータの断熱材中に埋設された複数の吹出しノズルを有し、各吹出しノズルはその入口と出口が直線でつながらない形状に形成されていることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の熱処理装置において、前記吹出しノズルが側面略Ｚ字状に形成され、下側が入口、上側が出口とされていることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１記載の熱処理装置において、前記吹出しノズルが前記空間の周方向に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜していることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１記載の熱処理装置において、前記断熱材の外周が外皮で覆われ、該外皮に前記吹出しノズルの入口と連通する冷却流体導入部を設けたことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体とを備えたヒータであって、前記断熱材の内周に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために、断熱材中に、側面略Ｚ字状の吹出しノズルを平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜させた状態で複数埋設したことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体とを備えたヒータの製造方法であって、前記断熱材の内周に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために、断熱材中に、側面略Ｚ字状の吹出しノズルを平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜させた状態で埋設することを特徴とする。
請求項１に係る発明によれば、被処理体を多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器と、該処理容器を覆い被処理体を加熱する筒状のヒータと、該ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を排出する排熱系と、前記空間内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段とを備えた熱処理装置であって、前記ヒータは筒状の断熱材の内周に発熱抵抗体を配設してなり、前記冷却手段は前記ヒータの断熱材中に埋設された複数の吹出しノズルを有し、各吹出しノズルはその入口と出口が直線でつながらない形状に形成されているため、吹出しノズルからの輻射光の漏れを防止でき、ヒータ内部の均熱性の悪化及びヒータ外部の温度上昇を抑制することができる。
請求項２に係る発明によれば、前記吹出しノズルが側面略Ｚ字状に形成され、下側が入口、上側が出口とされているため、吹出しノズルからの輻射光ないし輻射熱の漏れないし逃げを防止できる。
請求項３に係る発明によれば、前記吹出しノズルが前記空間の周方向に沿って螺旋状に旋回する冷却流体の流れを形成するために平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜しているため、旋回流により冷却温度むらを抑制することができる。
請求項４に係る発明によれば、前記断熱材の外周が外皮で覆われ、該外皮に前記吹出しノズルの入口と連通する冷却流体導入部を設けているため、簡単な構造で冷却流体を吹出しノズルに供給することができる。
請求項５に係る発明によれば、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体とを備えたヒータであって、前記断熱材の内周に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために、断熱材中に、側面略Ｚ字状の吹出しノズルを平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜させた状態で複数埋設しているため、吹出しノズルからの輻射光の漏れを防止でき、ヒータ内部の均熱性の悪化及びヒータ外部の温度上昇を抑制することができると共に冷却温度むらを抑制することができる。
請求項６に係る発明によれば、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体とを備えたヒータの製造方法であって、前記断熱材の内周に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために、断熱材中に、側面略Ｚ字状の吹出しノズルを平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜させた状態で複数埋設するため、冷却温度むらを抑制することができと共に、製造及び構造の簡素化が図れる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を基に詳述する。
図１は本発明の実施の形態に係る熱処理装置の概略構成を示す縦断面図、図２は（ａ）は同熱処理装置の要部拡大断面図、（ｂ）は冷却媒体導入部の正面図、図３は吹出しノズルの配置を示すヒータの概略的横断面図、図４は図３の要部拡大断面図である。
これらの図に示すように、この熱処理装置１は、いわゆる縦型熱処理装置で、被処理体例えば半導体ウエハｗを多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器２と、該処理容器２を覆いウエハｗを加熱する筒状のヒータ３とを備えている。これらヒータ３及び処理容器２がいわゆる熱処理炉を構成している。
処理容器２は、プロセスチューブとも称し、石英製で、上端が閉塞され、下端が開口された縦長の筒状例えば円筒状に形成されている。図示例の処理容器２は、一重管構造であるが、二重管構造とされていてもよい。処理容器２の開口端には外向きのフランジ４が形成され、該フランジ４が図示しないフランジを押えを介してベースプレート５に支持されている。ベースプレート５には処理容器２を下方から上方に挿入するための開口部６が形成されている。処理容器２の下側部には処理ガスや不活性ガス等を処理容器２内に導入するための導入管部７及び処理容器２内のガスを排気するための図示しない排気管部が設けられている。なお、ベースプレート５の開口部６には、ベースプレート５と処理容器２との間の隙間を覆うように断熱材８が設けられている。
処理容器２の下方には、処理容器２の下端開口部（炉口）を閉塞する上下方向に開閉可能な蓋体９が図示しない昇降機構により昇降移動可能に設けられている。この蓋体９の上部には、炉口の保温手段である例えば保温筒１０が載置され、該保温筒１０の上部には例えば直径が３００ｍｍのウエハｗを多数枚例えば１５０枚程度上下方向に所定の間隔で搭載する保持具である石英製のボート１１が載置されている。蓋体９には、ボート１１をその軸心回りに回転する回転機構１２が設けられている。ボート１１は、蓋体９の下降移動により処理容器２内から下方のローディングエリア内に搬出（アンロード）され、ウエハｗの移替え後、蓋体９の上昇移動により処理容器２内に搬入（ロード）される。
前記ヒータ３はベースプレート５上に設置されている。ヒータ３は筒状（例えば円筒状）の断熱材１３の内周に発熱抵抗体１４を配設してなる。図示例では、断熱材１３の内周に線状の発熱抵抗体１４が蛇行状に配設されている。また、発熱抵抗体１４はヒータ３の高さ方向に複数のゾーンに分けて温度制御が可能なように各ゾーンに分けて配設されている。また、断熱材１３は発熱抵抗体１４の施工性を考慮して半割りにされていても良い。
断熱材１３の外周は、金属製例えばステンレス製の外皮（シェル）１６で覆われ、該外皮１６に前記吹出しノズル２３の入口２３ａと連通する冷却流体導入部２６が設けられている。図示例では、断熱材１３は外側断熱材１５を介して外皮１６で覆われている。外皮１６は、内側外皮１６ａと外側外皮１６ｂからなり、これら内側外皮１６ａと外側外皮１６ｂの間に冷却流体（例えば冷却水）を流通させる図示しない冷却管を配設することにより冷却ジャケットとして構成され、ヒータ外部への熱影響を抑制している。
断熱材１３の頂部にはこれを覆う上部断熱材１７が設けられ、該上部断熱材１７の上部には外皮１６の頂部を覆う天板１８が設けられている。ヒータ３にはヒータ３と処理容器２との間の空間１９内の雰囲気を外部に排出するための排熱系２０が設けられている。該排熱系２０は、例えばヒータ３の上部に設けられた排気口２１と、該排気口２１と図示しない工場排気系とを結ぶ図示しない排熱管とから主に構成されている。排熱管には図示しない排気ファン及び熱交換器が設けられている。
前記ヒータ３には前記空間１９内に冷却流体例えば冷却空気を吹出してヒータ３内部を強制的に冷却するための冷却手段２２が設けられている。該冷却手段２２は前記ヒータ３の断熱材１３中に埋設された複数の吹出しノズル２３を有し、各吹出しノズル２３はその入口２３ａと出口２３ｂが直線でつながらない形状例えば側面Ｚ字状に形成されている。すなわち、吹出しノズル２３は入口２３ａと出口２３ｂがオフセットされた段違い状に形成されている。この場合、吹出しノズル２３は熱が上昇気流により出口側から入口側に流れにくくするために下側が入口２３ａ、上側が出口２３ｂとされていることが好ましい。
また、図３ないし図４に示すように、吹出しノズル２３は前記空間１９の周方向に沿って螺旋状に旋回する冷却流体の流れを形成するために平面視でヒータ３の中心方向に対して概ね４５°傾斜して設けられている。ヒータ３内の空間１９には上部の排気口２１からの吸引排気により上昇気流が生じるため、吹出しノズル２３の出口２３ｂは斜め上方を向いて形成されている必要がなく、図示例では水平方向を向いて形成されているが、斜め上方を向いて形成されていても良い。吹出しノズル２３は耐熱性及び光不透過性を有する材質例えばセラミックにより形成されていることが好ましい。吹出しノズル２３の材質が光透過性を有していると、ヒータ内部の輻射光ないし輻射熱（熱線）が吹出しノズルの材質を通って外部に漏れてしまうからである。
ヒータを製造する場合には、図５の（ａ）に示すように断熱材１３に吹出しノズル２３を埋め込むための溝２４を外側から掘って形成する。この溝２４は、平面視でヒータ３の中心方向に対して概ね４５°傾斜して形成されている（図４参照）。次に、同図の（ｂ）に示すように前記溝２４に吹出しノズル２３を挿入し、溝２４から吹出しノズル２３が離脱しないように溝２４の空隙部２５に断熱材（例えば後述の補助断熱材）を充填して埋設すれば良い。吹出しノズル２３は、断熱材１３中に断熱材１３の内側と外側を連通する状態に埋設される。
このようにして断熱材１３に対してその上下方向及び周方向に適宜間隔で吹出しノズル２３を埋設したなら、断熱材１３の外周を外側断熱材１５を介して外皮１６で覆う。そして、図２に示すように外皮１６における吹出しノズル２３の入口２３ａ近傍に冷却流体導入部２６を設け、外側断熱材１５に吹出しノズル２３の入口２３ａと冷却流体導入部２６とをつなぐ通路（開口部）２７を設ける。
冷却流体導入部２６は、内側外皮１６ａに形成された開口部２８と、該開口部２８を覆うように内側外皮１６ａの外面に固着具例えばネジ２９で取付けられた冷却流体導入部材（冷却流体導入金具）３０とから主に構成されている。該冷却流体導入部材３０は、開口部２８と連通する凹部状の室３０ａを有し、冷却流体導入部材３０の加熱を防止するために該室３０ａの内周には補助断熱材３１が設けられていることが好ましい。また、冷却流体導入部材３０には図示しない冷却流体供給手段の冷却流体供給管が接続されている。冷却流体供給管には流量調整機構が設けられていても良い。
前記冷却流体導入部材３０を取付ける前に、外側断熱材１５に内外貫通するように通路（開口部）２７を形成し、該通路２７の内周に補助断熱材３２を設けておく。また、外側外皮１６ｂには冷却流体導入部材３０の取付作業用の開口部３３を設けておく。前記冷却流体供給手段は、熱処理装置１が設置されるクリーンルーム内の空気を冷却流体として吸引し、冷却流体供給管を介して各吹出しノズル２３に圧送供給するための図示しない送風機を備えている。
以上の構成からなる熱処理装置１によれば、ウエハｗを多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器２と、該処理容器２を覆いウエハｗを加熱する筒状のヒータ３と、該ヒータ３と処理容器２との間の空間１９内の雰囲気を排出する排熱系２０と、前記空間１９内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段２２とを備え、前記ヒータ３は筒状の断熱材１３の内周に発熱抵抗体１４を配設してなり、前記冷却手段２２は前記ヒータ３の断熱材１３中に埋設された複数の吹出しノズル２３を有し、各吹出しノズル２３はその入口２３ａと出口２３ｂが直線でつながらない形状に形成されているため、吹出しノズル２３からの輻射光の漏れを防止でき、ヒータ内部の均熱性の悪化及びヒータ外部（雰囲気）の温度上昇を抑制することができる。
前記吹出しノズル２３が側面略Ｚ字状に形成され、下側が入口２３ａ、上側が出口２３ｂとされているため、簡単な構造で吹出しノズル２３からの輻射光ないし輻射熱の漏れないし逃げを防止できる。また、前記吹出しノズル２３が前記ヒータ３と処理容器３との間の空間１９の周方向に沿って螺旋状に旋回する冷却流体の流れを形成するために平面視でヒータ３の中心方向に対して概ね４５°傾斜しているため、旋回流により冷却温度むらを抑制することができ、ウエハｗの製品品質の均一性の向上が図れる。
前記断熱材１３の外周が外側断熱材１５を介して外皮１６で覆われ、該外皮１６における前記吹出しノズル２３の入口２３ａ近傍に冷却流体導入部２６を設け、外側断熱材１５に吹出しノズル２３の入口２３ａと冷却流体導入部２６とをつなぐ通路２７を設けているため、簡単な構造で冷却流体を吹出しノズル２３に供給することができる。一方、前記ヒータ３の製造方法によれば、前記断熱材１３の内周に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために、断熱材１３中に、側面略Ｚ字状の吹出しノズル２３を平面視でヒータ３すなわち断熱材１３の中心方向に対して概ね４５°傾斜させた状態で埋設するため、吹出しノズル２３からの輻射光の漏れを防止でき、ヒータ内部の均熱性の悪化及びヒータ外部（雰囲気）の温度上昇を抑制することができ、冷却温度むらを抑制することができ、製造及び構造の簡素化が図れる。
図６は図４の吹出しノズルの一部を変形した断面図である。図６において、図４と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。図６の実施例では、吹出しノズル２３の出口部分が断熱材１３の内周面と面一になるように切断されている。
図７は吹出しノズルの変形例を示す斜視図である。図７の実施例では、吹出しノズル２３が縦長の中空箱部２３ｃと、該中空箱部２３ｃの前面部と後面部とに段違いに設けられた出口２３ｂ及び入口２３ａとから構成されている。
以上、本発明の実施の形態ないし実施例を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態ないし実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更等が可能である。例えば、吹出しノズル２３は、図８に示すように断熱材中に断面Ｚ字状の通路として断熱材と混然一体に形成されていても良い。
本発明の実施の形態に係る熱処理装置の概略構成を示す縦断面図である。 （ａ）は同熱処理装置の要部拡大断面図、（ｂ）は冷却媒体導入部の正面図である。 吹出しノズルの配置を示すヒータの概略的横断面図である。 図３の要部拡大断面図である。 ヒータの製造方法を説明する図である。 図４の吹出しノズルの一部を変形した断面図である。 吹出しノズルの変形例を示す斜視図である。 断熱材に設けられる吹出しノズルの変形例を示す要部断面図である。
符号の説明
１ 熱処理装置
ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
２ 処理容器
３ ヒータ
１３ 断熱材
１４ 抵抗発熱体
１５ 外側断熱材
１６ 外皮
１９ 空間
２０ 排熱系
２２ 冷却手段
２３ 吹出しノズル
２３ａ 入口
２３ｂ 出口
２６ 冷却流体導入部
２７ 通路

Claims (6)

  1. 被処理体を多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器と、該処理容器を覆い被処理体を加熱する筒状のヒータと、該ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を排出する排熱系と、前記空間内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段とを備えた熱処理装置であって、前記ヒータは筒状の断熱材の内周に発熱抵抗体を配設してなり、前記冷却手段は前記ヒータの断熱材中に埋設された複数の吹出しノズルを有し、各吹出しノズルはその入口と出口が直線でつながらない形状に形成されていることを特徴とする熱処理装置。
  2. 前記吹出しノズルは、側面略Ｚ字状に形成され、下側が入口、上側が出口とされていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
  3. 前記吹出しノズルは、前記空間の周方向に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜していることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
  4. 前記断熱材の外周は、外皮で覆われ、該外皮に前記吹出しノズルの入口と連通する冷却流体導入部を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
  5. 筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体とを備えたヒータであって、前記断熱材の内周に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために、断熱材中に、側面略Ｚ字状の吹出しノズルを平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜させた状態で複数埋設したことを特徴とするヒータ。
  6. 筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体とを備えたヒータの製造方法であって、前記断熱材の内周に沿って旋回する冷却流体の流れを形成するために、断熱材中に、側面略Ｚ字状の吹出しノズルを平面視でヒータの中心方向に対して概ね４５°傾斜させた状態で複数埋設することを特徴とするヒータの製造方法。
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