JP2009124005A

JP2009124005A - 均熱高速昇降炉

Info

Publication number: JP2009124005A
Application number: JP2007297771A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Miura; 邦明三浦; Makoto Asaha; 信浅葉
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: JP5317462B2

Abstract

【課題】被加熱物の加熱、冷却効率に優れ、加熱と冷却が早く、被加熱物の温度ムラが小さく、高温下でハウジングから生じた塵が被加熱物に及びにくい均熱高速昇降炉を提供する。
【解決手段】均熱高速昇降炉は、縦型筒状のハウジング３の内側にヒータ２を配置し、ハウジング３の中に収納した被加熱物８を加熱するものである。ハウジング３の内側に筒形のインナーチューブ５を設け、このインナーチューブ５とハウジング３との間にヒータ２を配置すると共に、このヒータ２を配置した前記インナーチューブ５と前記ハウジング３との間の間隙を冷却ガスを通す冷却ガス通路６とし、ハウジング３の内側に筒形の熱反射板４を設ける。熱反射板４は絶縁性炭化珪素からなる。
【選択図】図１

Description

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均熱高速昇降炉に関し、一例を挙げると、半導体ウエハを縦に間隔を置いて配置した状態で熱処理を行うため、それら半導体ウエハを周囲から均一に加熱することや核燃料の温度特性試験等を目的とした均熱高速昇降炉に関する。

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）の益々の微細化と高速化、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。近年は、Ｓｉウエハの熱処理温度も１１００℃を超えＳｉＣウエハに至っては、１８００℃程度まで均一且つ高速に加熱しなければならない。

多数枚の半導体ウエハを一度に処理する均熱高速昇降炉は、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や加熱だけで熱拡散処理を行うものである。
他の用途としては、１７００℃程度に急速に加熱出来る細長い均熱高速昇降炉が酸化ウランペレットを焼き固めた原子核燃料の温度特性試験のための模擬燃料棒として利用されている。

この均熱高速昇降炉は、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。図７に示すように、アルミナ−シリカ系繊維をバインダやセラミック接着剤で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたものや黒鉛繊維をピッチ等で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたハウジング２３の中に、石英、アルミナ、サイアロン（窒化ケイ素アルミナやＳｉＯ_２などを固溶させて作るＳｉ_３Ｎ_４系のセラミックス）または炭化ケイ素焼結体等からなるインナーチューブ３０を配置している。反応性ガスは、インナーチューブ３０の中に導入され、ボート２９に間隔を置いて縦に配列した半導体ウエハ等の被加熱物２８の表面上に薄膜が形成される。ボート２９は駆動機構２５により上下動される。所定の温度を得るため、インナーチューブ３０を囲むようにヒータ２２、２２’が設けられている。またハウジング２３の外側またはその内部に、冷却ガスを通すための冷却ガス通路２４が設けられている。図７は、冷却ガス通路２４をハウジング２３の壁内に設けた例である。

このような均熱高速昇降炉においては、６００〜１７００℃に被加熱物を加熱するものであり、それらにおいてヒータとしては耐熱性の高いものが使用される。例えば、図８に示すように、Ｕ字形に折り返した棒状の導電性炭化珪素（ＳｉＣ）や珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）等からなるヒータ２２をハウジング２３の内側に環状に配置している。図９は、板状としたヒータ２２’の例を示すもので、例えば下記の特許文献１には、黒鉛ヒータを使用することが記載されている。
他方、均熱高速昇降炉を冷却するときは、前記の冷却ガス通路２４に冷却ガスを通し、ハウジング２３を冷却する。

前記のハウジング２３とヒータの他の例を図１０と図１１により具体的に説明する。
温度や雰囲気で違って来るが、密閉金属容器内を不活性ガス雰囲気にするものについては、例えば図１０のように、密閉金属容器内に黒鉛繊維をピッチで焼き固めて円筒形にした断熱成形体を内張し、その断熱成形体の内側に溝２５を掘り、その溝２５にタングステン等の高融点金属からなるコイル状のヒータ２２’を埋め込んだハウジング２３が使用される。

また、非密閉の大気圧中で使用する場合には、図１１に示すように、アルミナ−シリカ系繊維をバインダやセラミック接着剤で焼き固めた円筒形の断熱成形体体を非密閉の金属カバーで覆うことで型くずれを防止し、その断熱成形体に溝２５’を掘って、その溝２５’にコイル状のニクロム線やカンタル線或いは棒状の導電性ＳｉＣ発熱体２２”を埋め込んだハウジング２３が使用される。
導電性ＳｉＣとは、ＳｉＣに添加物を入れて導電性を付与したものである。絶縁性ＳｉＣとは、それ以外のもので酸化物（Ｙ_２Ｏ_３等）の焼結助剤を入れて焼結したもの等をさす。

しかし、このような均熱高速昇降炉の構造では、ヒータ２２、２２’や冷却ガス通路２４から炉の中心方向への熱伝達性が悪く、被加熱物２８の内周と外周との間で温度の差、いわゆる温度ムラが生じやすい。さらに、冷却ガス通路２４は断熱性のあるハウジング２３の外側またはその内部に設けられているため、冷却ガスから加熱室への熱伝達性が悪く、加熱終了から常温までに冷却する時間が長くかかる。また、ハウジング２３の内面から高温下で生じた塵が加熱炉の中に拡散しやすい。

特開２００１−６８５７号公報特開２００１−７０３５号公報特開平１１−１０２９１５号公報特開平５−２１５４７３号公報特開平５−２４８７７０号公報

本発明は、このような従来の均熱高速昇降炉における課題に鑑み、被加熱物の加熱、冷却効率に優れ、加熱と冷却が早く、被加熱物の温度ムラが小さく、高温下でハウジングの内面から生じた塵が被加熱物に及びにくい均熱高速昇降炉を提供することを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、ハウジング３とインナーチューブ５との間にヒータ２を配置すると共に、そのヒータ２の背後側、すなわちハウジング３の内面側に反射板４を設け、この反射板４とインナーチューブ５との間の隙間を、冷却ガスを通す冷却ガス通路６とした。

すなわち、本発明による均熱高速昇降炉は、縦型筒状のハウジング３の内側にヒータ２を配置し、ハウジング３の中に収納した被加熱物８を加熱するものであって、ハウジング３の内側に筒形のインナーチューブ５を設け、このインナーチューブ５とハウジング３との間にヒータ２を配置すると共に、このヒータ２を配置した前記インナーチューブ５と前記ハウジング３との間の間隙を冷却ガスを通す冷却ガス通路６とし、ハウジング３の内側に筒状の熱反射板４を設けたものである。熱反射板４は、炭化珪素等の輻射率εが大きいもので、ε＝0.6以上で耐熱性のある物、又は、石英ガラスの外側に金メッキや酸化錫コーティングして熱反射すからなるものがよい。

但し、金メッキや酸化錫等による熱反射方式は、ヒータ同士の影響や光同士の干渉によってインナーチューブ５があっても被加熱物８に温度分布が付きヒータ２とインナーチューブ５との隙間を大きくとらなければならないので、温度解析時に十分注意する必要がある。

このような本発明による均熱高速昇降炉では、ヒータ２から放出された熱がインナーチューブ５により拡散されるので、このインナーチューブ５の内側に均等に分散する。このようにインナーチューブ５の内側に熱が均等に分散することにより、被加熱物８の温度ムラが生じにくくなる。さらに、ヒータ２からハウジング３側に放射された熱は、熱反射板４によってハウジング３の内側に向けて反射されるため、被加熱物８へ及ぶ熱量を増加することが出来る。

一般にインナーチューブ５は、被加熱物８の雰囲気を限定し、外部からの汚染を守り、更に均熱化のためにある。しかし、高温領域になるとハウジング３内にある断熱成形体中の不純物（例えばアルカリ金属の酸化物）が、塵としてインナーチューブ５に付着するとインナーチューブ５内を拡散して行き、被加熱物８を汚染する。

これに対し、前記の本発明に係る均熱高速昇降炉では、図１と図２の様に、インナーチューブ５が設けられているのに加え、ハウジング３の内側に熱反射板４が設けられているので、ハウジング３の内周面からの塵のが無い。このため、インナーチューブ５の内側に配置される被加熱物８が塵により汚濁されない。

７以上説明した通り、本発明による均熱高速昇降炉では、加熱時と冷却時の熱応答性に優れ、早急に被加熱物の加熱と冷却が出来るのに加え、被加熱物の温度ムラも生じにくい。さらに、ハウジング３から生じた塵及び塵内不純物がインナーチューブ５の内側に及ばないため、被加熱物の塵による汚濁を避けることが出来る。

本発明では、前記の目的を達成するため、ハウジング３とインナーチューブ５との間にヒータ２を配置するのに加え、そのハウジング３とインナーチューブ５との間の隙間を冷却ガス通路６とし、さらにハウジング３の内面側に熱反射板４を設けた。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

均熱高速昇降炉は、基本的には図７の様な構造を有する。ここでは、図７以下に示した従来の均熱高速昇降炉との相違点について図１と図２により説明する。
図１と図２は、何れもハウジング３の部分を断面してその一部を示している。ハウジング３は、アルミナ−シリカ系繊維をバインダやセラミック接着剤で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたものや黒鉛繊維をピッチ等で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたもの等の耐熱性のある材料で作られた円筒形のものである。この内面には、絶縁性炭化珪素（ＳｉＣ）等の輻射率εが大きく熱反射板４自体が一旦熱を吸収して、熱を発する物の方が均熱化しやすいので、ε＝０．６以上で耐熱性が高く、熱伝導率の高いもの、或いはインナーチューブ５とヒータ２との隙間を大きくとらなければならないと云う欠点は有るものの石英ガラスの外側に金メッキや酸化錫コーティングして熱反射するものからなる熱反射板４が張られている。さらにその内側には、Ｕ字形に折り返した棒状のＳｉＣや珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）等からなるヒータ２を環状に配置している。

このヒータ２の内側には、石英、アルミナ、サイアロン、ＳｉＣ等からなるインナーチューブ５が設けられている。このインナーチューブ５の内側が加熱室７であり、ここに半導体ウエハやその他の被加熱物８が導入される。この構造では、ヒータ２がハウジング３の内面の熱反射板４とインナーチューブ５との間の隙間に配置されることになる。

このヒータ２が配置されたハウジング３の内面の熱反射板４とインナーチューブ５との間の隙間は、冷却ガスを通す冷却ガス通路６となっている。冷却ガスは、冷却ガス通路６を通してその上下に流しても、また円周方向に流してもよい。ハウジング３が密閉容器の場合は、冷却ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ_２）等に不活性ガスが使用される。ハウジング３が非密閉容器の場合、冷却ガスは大気でよい。

このような本発明による均熱高速昇降炉では、ヒータ２から放出された熱がインナーチューブ５により拡散され、インナーチューブ５の内側に均等に分散する。また、ヒータ２の背後に熱反射板４が設けられているため、ヒータ２からハウジング３側に放射された熱が熱反射板４によってハウジング３の内側に向けて反射され、熱の有効利用が図れる。

さらに、ハウジング３の内周面が熱反射板４で覆われるため、ハウジング３の内側から塵が生じず、高温時に塵による不純物が熱拡散によってインナーチューブ５を透過することが無いので、加熱室７に配置される被加熱物８がハウジング３の内側から生じた塵により汚染されることが無い。

図３は、図１と図２により前述した均熱高速昇降炉と図８により前述した均熱高速昇降炉とにおいて、冷却時の時間に伴う温度の下降を示すグラフである。何れも同じ条件で測定を行っている。温度の測定は、加熱室７、加熱室７の外側及びヒータ２において行っている。このグラフから明らかな通り、図１と図２により前述した均熱高速昇降炉では、図８により前述した均熱高速昇降炉に比べて冷却時の温度の下降が早く、熱応答性が良いことが分かる。

なお、前述した例では、Ｕ字形に折り返した棒状のヒータ２を用いた均熱高速昇降炉の例を説明したが、この棒状のヒータ２に代えて、例えば図９に示すような、切込みを入れた板状のヒータを用いた均熱高速昇降炉においても同様に本発明を適用出来ることは言うまでも無い。

図４と図５は、ハウジング３とその内側の熱反射板４とヒータ２のより詳しい構造の例を示した図である。
図４では、ハウジング３の内側に、部分円筒形のセグメント１３、すなわち端面が円弧状のセグメント１３をハウジング３の内側に張り、これをボルトとナット等の固定具１０でハウジング３の内側に固定し、同ハウジング３の内面を覆うように熱反射板４を形成している。ヒータ２は、ハウジング３の外側からその内側に導入し、熱反射板４を形成しているセグメント１３の内側に沿わせている。セグメント１３の内側でヒータ２をＵ字形に折り返し、その折り返し部分をセグメント１３の下端から突設したＬ字形のピン９により保持している。

図５の例は、基本的には図４と同じであるが、ここでは、セグメント１３として平板状、すなわち端面が直線状のセグメント１３を使用し、このセグメント１３をハウジング３の内側に張り、これをボルトとナット等の固定具１０でハウジング３の内側に固定し、同ハウジング３の内面を覆うように熱反射板４を形成している。ヒータ２は、やはりハウジング３の外側からその内側に導入し、熱反射板４を形成しているセグメント１３の内側に沿わせている。セグメント１３の内側でヒータ２をＵ字形に折り返し、その折り返し部分をセグメント１３の下端から突設したＬ字形のピン９により保持している。

図６は、例えば図４や図５の例において、隣接するセグメント１３、１３とそれらに沿わせたヒータ２、２を固定する固定部材１１の例を示す図である。固定部材１１は、セラミックス或いはタングステン等の高融点金属からなるもので、隣接するセグメント１３、１３の間にボルト等の固定具１２により固定され、隣接するセグメント１３、１３とそれに沿わせたヒータ２、２を共に固定するものである。

本発明による均熱高速昇降炉は、半導体ウエハの製造プロセスにおけるＣＶＤ法による膜形成のための熱処理の他、金属材料、金属スパッタリング膜の焼鈍のための熱処理炉や原子力燃料のウランペレットの加熱試験のための熱処理炉として利用が出来る。これらの分野において、加熱、冷却に要する時間を短縮出来るので、生産効率の向上を図ることが出来る。

本発明による均熱高速昇降炉の一実施例についてそのハウジングの部分を断面してその一部を示した半断面斜視図である。本発明による均熱高速昇降炉の一実施例についてそのハウジングの部分を断面してその一部を示した横断平面図である。前記実施例による均熱高速昇降炉と従来例の均熱高速昇降炉とにおける冷却時の時間に伴う温度の下降を示すグラフである。本発明による均熱高速昇降炉の一実施例についてそのハウジングの内面の一部を示した半断面斜視図である。本発明による均熱高速昇降炉の他の実施例についてそのハウジングの内面の一部を示した半断面斜視図である。本発明による均熱高速昇降炉の他の実施例について図４や図５の例において、ハウジングの内面の部材の固定手段を例示した半断面斜視図である。均熱高速昇降炉の従来例を示す全体概念縦断側面図である。均熱高速昇降炉の従来例についてそのハウジングの部分を断面してその一部を示した半断面斜視図である。均熱高速昇降炉の従来例について使用するヒータの他の例を示す斜視図である。均熱高速昇降炉の従来例について使用するヒータの他の例を示す斜視図である。均熱高速昇降炉の従来例について使用するヒータの他の例を示す斜視図である。

符号の説明

２ヒータ２
３ハウジング
４熱反射板
５インナーチューブ
６冷却ガス通路
８被加熱物

Claims

縦型筒状のハウジング（３）の内側にヒータ（２）を配置し、ハウジング（３）の中に収納した被加熱物（８）を加熱する均熱高速昇降炉において、ハウジング（３）の内側に筒形のインナーチューブ（５）を設け、このインナーチューブ（５）とハウジング（３）との間にヒータ（２）を配置すると共に、このヒータ（２）を配置した前記インナーチューブ（５）と前記ハウジング（３）との間の間隙を冷却ガスを通す冷却ガス通路（６）とし、ハウジング（３）の内側に筒状の熱反射板（４）を設けたことを特徴とする均熱高速昇降炉。
熱反射板（４）が絶縁性炭化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載の均熱高速昇降炉。