JP2014186833A - ヒータ装置及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】支持部材の破損を抑制可能なヒータ装置を提供すること。
【解決手段】円筒状の断熱部材と、前記断熱部材の内周側に螺旋状に複数回巻回して配置されたヒータエレメントと、前記ヒータエレメントの内周側に配置され、前記断熱部材の軸方向に伸びる第１の部材と、前記第１の部材から、前記断熱部材の径方向外側へと伸び、前記断熱部材の軸方向に隣り合う前記ヒータエレメントの間を通って、端部が前記断熱部材に埋設されて形成される複数の第２の部材と、を有する支持部材と、を有し、前記第１の部材は、前記軸方向の熱膨張を許容する許容部を有する、ヒータ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータ装置及び熱処理装置に関する。

例えば半導体装置の製造においては、被処理体である半導体ウエハに対して、成膜処理、酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理などの処理が施される。これらの処理を施す際には、被処理体を収容する処理容器と、この処理容器の外周側に、処理容器を囲むように配置されたヒータ装置とを備える、熱処理装置が用いられる。

ヒータ装置は、例えば、抵抗発熱体（ヒータエレメント）と、このヒータエレメントの周囲に設けられた円筒体状の断熱部材とを含んで構成される。具体的には、断熱部材の内周側に、ヒータエレメントが、支持部材を介して、例えば螺旋状に巻回して配置される。支持部材は、ヒータエレメントを、摺動可能に所定のピッチで支持する。

ところで、このようなヒータ装置において、ヒータエレメントは、摺動可能なように、断熱部材との間にクリアランスを有して支持されている。しかしながら、ヒータエレメントは、高温下で繰り返し使用されることによりクリープ歪を生じ、その線長が経時的に伸びる。このヒータエレメントの線長の伸び（以後、永久伸びと呼ぶ）によりヒータエレメントに発生した余長が屈曲変形すると、軸方向で隣り合うヒータエレメント同士が接触し、ショートが発生する。また、永久伸びや、ヒータエレメントの加熱冷却に伴って発生する熱伸縮などの変形によって発生する応力が要因となり、ヒータエレメントが破断することがある。

このような問題を解消するために、特許文献１には、ヒータエレメントの熱膨張収縮に伴う径方向の移動を許容しつつ、ヒータエレメントが下方に移動するのを防止するヒータ装置が開示されている。

特開２０１３−１６５０２号公報

しかしながら、特許文献１のヒータ装置の支持部材は、加熱及び冷却時に自身の熱膨張及び熱収縮を吸収できず、支持部材が破損する又は断熱部材から脱落することがある。これによって、ヒータエレメントが支持部材から脱落し、ヒータエレメント同士が接触して、ショートが発生するなどの問題が生じる。

上述の課題に対して、支持部材の破損を抑制可能なヒータ装置を提供する。

円筒状の断熱部材と、
前記断熱部材の内周側に螺旋状に複数回巻回して配置されたヒータエレメントと、
前記ヒータエレメントの内周側に配置され、前記断熱部材の軸方向に伸びる第１の部材と、前記第１の部材から、前記断熱部材の径方向外側へと伸び、前記断熱部材の軸方向に隣り合う前記ヒータエレメントの間を通って、端部が前記断熱部材に埋設されて形成される複数の第２の部材と、を有する支持部材と、
を有し、
前記第１の部材は、前記軸方向の熱膨張を許容する許容部を有する、
ヒータ装置。

支持部材の破損を抑制可能なヒータ装置を提供できる。

図１は、本実施形態のヒータ装置及び該ヒータ装置を備えた熱処理装置の一例の概略構成図である。 図２は、本実施形態のヒータ装置の一例の概略斜視図である。 図３は、本実施形態のヒータ装置の一例の部分的横断面図である。 図４は、本実施形態のヒータ装置の一例の部分的縦断面図である。 図５は、本実施形態のヒータ装置の他の例の部分的縦断面図である。 図６は、本実施形態の断熱部材の中心から見た、第１の部材の概略図である。 図７は、本実施形態のヒータ装置の他の例の部分的縦断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
（熱処理装置）
先ず、本実施形態のヒータ装置及びこのヒータ装置を備える熱処理装置の基本構成の一例を説明する。

図１に、本実施形態のヒータ装置及びこのヒータ装置を備えた熱処理装置の一例の概略構成図を示す。なお、本明細書においては、一例として、被処理体である半導体ウエハＷを一度に多数枚収容して酸化処理、拡散処理等の熱処理を施すことができるヒータ装置及びこのヒータ装置を有する縦型熱処理装置の例について説明する。しかしながら、本発明はこの点において限定されず、他の種々のタイプのヒータ装置及び熱処理装置であっても良い。

図１に示されるように、縦型の熱処理装置２は、長手方向が垂直である処理容器４を有する。処理容器４は、例えば、有天井の外筒６と、外筒６の内側に同心的に配置された円筒体の内筒８とを有する、２重管構造で構成される。

外筒６及び内筒８は、石英などの耐熱性材料から形成される。外筒６及び内筒８は、ステンレスなどから形成されるマニホールド１０によって、その下端部が保持される。マニホールド１０は、ベースプレート１２に固定される。なお、マニホールド１０を設けず、処理容器４全体を、例えば石英によって形成する構成であっても良い。

マニホールド１０の下端部の開口部には、例えばステンレススチールから形成される円盤状のキャップ部１４が、Ｏリングなどのシール部材１６を介して気密封止可能に取り付けられている。また、キャップ部１４の略中心部には、例えば磁性流体シール１８によって気密状態で回転可能な回転軸２０が挿通されている。この回転軸２０の下端は、回転機構２２に接続されており、上端は、例えばステンレススチールから形成されるテーブル２４が固定されている。

テーブル２４上には、例えば石英製の保温筒２６が設置されている。また、保温筒２６上には、支持具として例えば石英製のウエハボート２８が載置される。

ウエハボート２８には、例えば５０〜１５０枚の被処理体としての半導体ウエハWが、所定の間隔、例えば１０ｍｍ程度のピッチで収容される。ウエハボート２８、保温筒２６、テーブル２４及びキャップ部１４は、例えばボートエレベータである昇降機構３０により、処理容器４内に一体となってロード、アンロードされる。

マニホールド１０の下部には、処理容器４内に処理ガスを導入するための、ガス導入手段３２が設けられる。ガス導入手段３２は、マニホールド１０を気密に貫通するように設けられたガスノズル３４を有する。

なお、図１では、ガス導入手段３２が１つ設置される構成を示したが、本発明はこの点において限定されない。使用するガス種の数などに依存して、複数のガス導入手段３２を有する熱処理装置であっても良い。また、ガスノズル３４から処理容器４へと導入されるガスは、図示しない流量制御機構により、流量制御される。

マニホールド１０の上部には、ガス出口３６が設けられており、ガス出口３６には排気系３８が連結される。排気系３８は、ガス出口３６に接続された排気通路４０と、排気通路４０の途中に順次接続された圧力調整弁４２及び真空ポンプ４４とを含む。排気系３８により、処理容器４内の雰囲気を圧力調整しながら排気することができる。

処理容器４の外周側には、処理容器４を囲むようにしてウエハWなどの被処理体を加熱するヒータ装置４８が設けられる。

次に、このヒータ装置４８について、図を参照することにより、具体的な構成例について説明する。

（ヒータ装置）
図１に示されるように、本実施形態のヒータ装置４８は、天井面を有する円筒体の断熱部材５０を有する。断熱部材５０は、例えば、熱伝導性が低く、比較的柔らかい無定形のシリカ及びアルミナの混合物によって形成される。なお、以後、本明細書において、「軸方向」、「周方向」及び「径方向」とは、各々、円筒体の断熱部材５０の軸方向、周方向及び径方向を指す。

図１に示されるように、断熱部材５０は、その内周が処理容器４の外面に対して所定の距離だけ離間するよう配置される。また、断熱部材５０の外周には、ステンレススチールなどから形成される保護カバー５１が、断熱部材５０の外周全面を覆うように取り付けられている。

限定されないが、断熱部材５０の内径は、例えば被処理体としてφ３００ｍｍのウエハＷを処理する場合、例えば５５０ｍｍとすることができ、断熱部材５０の外径は、例えば６００ｍｍ〜７００ｍｍとすることができる。

図２に、本実施形態のヒータ装置の一例の概略斜視図を示す。

図２に示されるように、断熱部材５０の内周側には、ヒータエレメント５２が、断熱部材５０と接触しない所定の巻径及び所定の配列ピッチで、螺旋状に巻回して配置されている。具体例としては、ヒータエレメント５２は、所定熱量を確保できる所定の配列ピッチ（例えば３ｍｍ〜１０ｍｍ）及び断熱部材５０の内壁面から所定の間隙（例えば３ｍｍ〜１０ｍｍ程度）を隔てた状態で、後述する支持部材５４によって、熱膨張及び熱収縮可能に支持されている。また、ヒータエレメントの断面の直径は、一般的に、１〜１０ｍｍ程度である。

ヒータエレメント５２の材質としては、公知の抵抗発熱体を全て使用することができ、特に限定されない。ヒータエレメント５２の具体例としては、鉄−クロム−アルミニウム系（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系）合金のヒータエレメントなどが挙げられる。Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金のヒータエレメントは、一般的には、Ｃｒ：１５〜３０ｗｔ％、Ａｌ：５〜３０ｗｔ％、Ｆｅ：残部の組成のヒータエレメントであり、さらにその他の添加元素を含んでも良い。

その他の添加元素としては、例えば、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、希土類金属、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、ホウ素（Ｂ）が挙げられる。これらの添加元素の含有量は、ヒータエレメントの製造方法や、必要とされるヒータエレメントの物性（例えば、耐クリープ性、耐酸化性）などによっても異なるが、通常、１ｗｔ％以下である。

ヒータエレメント５２は、軸方向において、複数のゾーン（例えば４つのゾーン）に分割されていても良い。この場合、各々のゾーンのヒータエレメント５２の端部には、図２及び後述する図４に示されるように、断熱部材５０を貫通して断熱部材５０の外部へと伸びる、電極接続用の端子板５３が設けられる。ヒータエレメント５２を、軸方向において複数のゾーンに分割することにより、ヒータ装置４８内の処理容器４内を、断熱部材５０の軸方向に複数のゾーンに分けて温度制御ができる。即ち、軸方向において、温度バラツキが少ないヒータ装置とすることができる。

端子板５３は、ヒータエレメント５２と同じ材質のものを使用することができる。また、端子板５３は、溶断防止及び放熱量などの観点から、所定の断面積の板状に形成される。

また、本実施形態のヒータ装置４８は、断熱部材５０の内周面に、断熱部材５０の軸方向に伸び、かつ、周方向に所定の間隔で設けられる支持部材５４を有する。ヒータエレメント５２は、この支持部材５４を介して摺動可能に支持されている。

本実施形態の支持部材５４の具体的な実施形態について、図を参照して説明する。

（支持部材）
図３に、本実施形態のヒータ装置の一例の部分的横断面図を示し、図４に、本実施形態のヒータ装置の一例の部分的縦断面図を示す。

図３、図４及び前述の図２に示されるように、ヒータ装置４８の支持部材５４は、第１の部材５６と第２の部材５８とを有する。

第１の部材５６は、ヒータエレメント５２の内周側に配置され、断熱部材５０の軸方向に伸びて形成される。また、第２の部材５８は、この第１の部材５６から、断熱部材５０の径方向外側へと伸び、断熱部材５０の軸方向に隣り合うヒータエレメント５２の間を通って、端部６０が断熱部材５０に埋設されて形成される。即ち、ヒータエレメント５２は、第１の部材５６と第２の部材５８と断熱部材５０とで囲まれる領域内で、摺動可能に支持される。

支持部材５４の第１の部材５６及び第２の部材５８は、耐熱性及び絶縁性を有する、例えばセラミックなどの材料から形成される。

図３に示されるように、第２の部材５８の端部６０には、断熱部材５０から支持部材５４が抜けるのを防止するために、第２の部材５８に対して、例えば垂直な方向に、突出部６２が設けられていても良い。

従来から、断熱部材にレール部材を設けて、このレール部材を介して支持部材が軸方向に移動可能に配置されたヒータ装置が知られている。しかしながら、このようなヒータ装置に設けられるレール部材は、構造上強度を要するため、断熱部材と同様の材料を使用することができない。そのため、断熱部材よりも断熱性能に劣る材料を使用して、レール部材が形成される。レール部材に使用されている高い強度を有する材料は、断熱部材と比較して熱容量及び熱伝導率が大きいため、レール部材からの放熱量が大きくなる。結果として、レール部材を有するヒータ装置は、消費電力が大きくなる傾向にある。

また、レール部材を製造するために、装置全体での部品点数が増加するため、構造が複雑化し、かつ、コストが高くなると同時に、装置の重量も増加する。そのため、レール部材を有するヒータ装置は、放熱ムラが大きく、均一な加熱が困難であるという問題点を有する。

一方、本願のヒータ装置４８は、第２の部材５８の端部６０が、断熱部材５０に直接埋設されて形成されている。そのため、レール部材を有するヒータ装置に対して、放熱ムラが小さく、均一に被処理体を加熱可能であり、消費電力が小さいヒータ装置である。また、ヒータ装置の製造工程を減らすことが可能であり、かつ、吸引成形などにより容易に形成することが可能であるため、ヒータ装置４８全体の製造コストを小さくできるという利点を有する。

第２の部材５８の、断熱部材５０に対する埋設長さは、特に限定されないが、例えば１５〜２０ｍｍとすることができる。

また、本実施形態において、第１の部材５６は、断熱部材５０の軸方向の熱膨張を許容する許容部を有する。図４に示されるように、本実施形態において許容部は、第１の部材５６を、断熱部材５０の軸方向に分離する空隙６４である。

空隙６４などの許容部を有さない従来のヒータ装置は、昇温時において、支持部材５４が、自身の熱膨張を吸収できず、破損することがある。支持部材５４と断熱部材５０とでは、熱膨張率が大きく異なることから、特に、高温熱処理で繰り返し使用される場合、支持部材５４が破損しやすい。支持部材５４が破損して、この破損箇所などからヒータエレメント５２が脱落した場合、ヒータエレメント５２同士が接触してショートし、ヒータ装置が故障することがある。

しかしながら、本実施形態においては、第１の部材５６は、支持部材５４の軸方向の熱膨張を許容する（吸収する）許容部である空隙６４を有する。そのため、支持部材５４が、断熱部材５０の軸方向に熱膨張した場合であっても、空隙６４によって、この熱膨張を許容することが可能となる。そのため、本実施形態のヒータ装置４８は、支持部材５４の破損が発生せず、長期間安定的に稼動することが可能となる。

図４に示す例では、空隙６４は、１つの第２の部材５８に対応して、１つの空隙６４が設けられている、即ち、ヒータエレメント５２の１ターン毎に１つの空隙６４が設けられている例を示したが、本発明は、この点において限定されない。図５（ａ）〜（ｃ）に、本実施形態のヒータ装置の他の例の部分的縦断面図を示す。

図５（ａ）の例では、複数の第２の部材５８に対応して、１つの空隙６４が形成されている点で、図４に示す例とは異なる。即ち、しかしながら、図５（ａ）の例では、１つの第２の部材５８毎に、１つの第１の部材５６が形成され、隣り合う第１の部材５６の間の一部には、空隙６４が形成されずに第１の部材５６同士が当接しおり、３つの第１の部材５６毎に空隙６４が形成されている。なお、図５（ａ）の例では、３つの第２の部材５８毎に、１つの空隙６４がされている例を示したが、２つ又は４つ以上の第２の部材５８毎に、１つの空隙６４が形成されていても良い。

また、図５（ｂ）の例では、図５（ａ）と同様に、複数の第２の部材５８に対応して、１つの空隙６４が形成されている。しかしながら、図５（ａ）の例では、１つの第２の部材５８毎に、１つの第１の部材５６が形成されているが、図５（ｂ）の例では複数の第２の部材５８に対して一体的に第１の部材５６が形成されている点で、図５（ａ）の例とは異なる。即ち、図５（ｂ）の例では、支持部材５４は、断熱部材５０の軸方向の断面において、櫛形状の形状を有し、この櫛形状の支持部材５４が、断熱部材５０の軸方向に沿って、所定のピッチを有し、かつ、隣り合う支持部材５４の間に空隙６４を有して配置されている。

さらに、図５（ｃ）の例で示されるように、複数の第２の部材５８毎に、１つの第１の部材５６が形成される、即ち、支持部材５４が図５（ｂ）の例と同様に櫛形状の形状を有し、かつ、隣り合う第１の部材５６の間の一部には空隙６４が形成されずに第１の部材５６同士が当接している構造であっても良い。より具体的には、図５（ｃ）は、２つの第１の部材５６毎に空隙６４が形成されている。なお、図５（ｃ）の例では、２つの第１の部材５６毎に１つの空隙６４が形成されている例を示したが、３つ以上の第１の部材５６毎に１つの空隙６４が形成されていても良い。

空隙６４の幅は、特に限定されないが、ヒータエレメント５２の断面の直径よりも小さいことが好ましい。これによって、空隙６４を介して、支持部材５４からヒータエレメント５２が脱落することを防止することができる。

また、第１の部材５６の断熱部材５０の径方向の幅は、ヒータエレメント５２の熱膨張収縮の長さよりも長くすることが好ましい。これにより、もし、第１の部材５６が、断熱部材５０の径方向に移動した場合であっても、隣り合う第１の部材５６同士が、断熱部材５０の軸方向から見て重なっている領域を有する。そのため、ヒータエレメント５２が、支持部材５４から脱落することを防止することができる。

また、支持部材５４は、断熱部材５０の内周面に、周方向に所定の間隔、例えば３０度の間隔で配置されている。

前述した通り、ヒータエレメント５２は、この支持部材５４を介して摺動可能に支持されている。製造時における、断熱部材５０とヒータエレメント５２の外周との距離（クリアランスとも称する）は、ヒータ装置４８のサイズや使用温度などを考慮して、使用温度での熱膨張量程度、更に長期使用する場合にはヒータエレメント５２の線長伸び分も合わせて考慮して、具体例としては３ｍｍ〜１０ｍｍ程度とされる。断熱部材５０とヒータエレメント５２の外周との間にクリアランスが設けられることにより、ヒータエレメント５２の加熱冷却に伴う熱伸縮による変位が許容され、結果、ヒータエレメント５２は、支持部材５４を介して摺動可能に支持される。

また、空隙６４を介して隣り合う第１の部材５６は、互いに係合可能な形状であることが好ましい。図６に、本実施形態の断熱部材５０の中心から見た、第１の部材５６の外形の一例を示す。

図６（ａ）〜図６（ｃ）に示されるように、空隙６４を介して隣り合う第１の部材５６が、互いに係合可能な形状とすることにより、空隙６４を介してヒータエレメント５２が支持部材５４から脱落する可能性を更に低減することができる。

また、この際、空隙６４を介して隣り合う第１の部材５６の一方の、断熱部材５０の中心から見た外周形状は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、空隙６４側にＲ状に突出していることが好ましい。これによって、空隙６４を介して隣り合う第１の部材５６同士が接触した場合であっても、接触時の摩擦抵抗を減らすことができるため、支持部材５４の脱落の可能性をより低減することができる。

さらに、ヒータエレメント５２が熱膨張及び熱収縮により摺動する際の摩擦抵抗を減らすために、第１の部材５６及び第２の部材５８の、ヒータエレメント５２と当接する面は、曲面状に形成されていることが好ましい。

以上のように構成されたヒータ装置４８及びこのヒータ装置４８を有する熱処理装置２は、第１の部材５６が、断熱部材５０の軸方向の熱膨張を許容する空隙６４を有する。そのため、支持部材５４が、自身の熱膨張及び熱収縮を許容できずに、破損することを抑制することができる。即ち、支持部材５４の破損の可能性が低い、長期間安定的に稼動可能なヒータ装置及び熱処理装置を提供できる。

［第２の実施形態］
図７に、本実施形態のヒータ装置の他の例の部分的縦断面図を示す。第２の実施形態のヒータ装置４８は、第１の支持部材５６における許容部が熱収縮可能な耐熱部材６６である点において、第１の実施形態とは異なる。

熱収縮可能な耐熱部材６６を配置することによって、第１の実施形態のヒータ装置と同様に、第１の部材５６自身が、断熱部材５０の軸方向の熱膨張を許容することが可能となる。そのため、支持部材５４の破損の可能性が低い、長期間安定的に稼動可能なヒータ装置及び熱処理装置を提供できる。

熱収縮可能な耐熱部材６６としては、ブランケット状の耐熱部材などが挙げられ、具体的には、アルミナファイバー、シリカファイバーなどのセラミックファイバーなどを使用することができる。

なお、第１の実施形態と同様に、１つの第２の部材５８に対応して、１つの耐熱部材６６が設けられていても良いし、複数の第２の部材５８に対応して、１つの耐熱部材６６が設けられていても良い。

なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

２ 熱処理装置
４ 処理容器
６ 外筒
８ 内筒
２８ ウエハボート
４８ ヒータ装置
５０ 断熱部材
５１ 保護カバー
５２ ヒータエレメント
５４ 支持部材
５６ 第１の部材
５８ 第２の部材
６０ 端部
６２ 突出部
６４ 空隙
Ｗ 被処理体

Claims (10)

1. 円筒状の断熱部材と、
   前記断熱部材の内周側に螺旋状に複数回巻回して配置されたヒータエレメントと、
   前記ヒータエレメントの内周側に配置され、前記断熱部材の軸方向に伸びる第１の部材と、前記第１の部材から、前記断熱部材の径方向外側へと伸び、前記断熱部材の軸方向に隣り合う前記ヒータエレメントの間を通って、端部が前記断熱部材に埋設されて形成される複数の第２の部材と、を有する支持部材と、
   を有し、
   前記第１の部材は、前記軸方向の熱膨張を許容する許容部を有する、
   ヒータ装置。
2. １つの前記第２の部材に対応して、１つの前記許容部が形成されている、
   請求項１に記載のヒータ装置。
3. 複数の前記第２の部材に対応して、１つの前記許容部が形成されている、
   請求項１に記載のヒータ装置。
4. 前記許容部は、前記第１の部材を前記軸方向に分離する空隙を含む、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒータ装置。
5. 前記空隙を介して隣り合う前記第１の部材は、互いに係合可能な形状である、
   請求項４に記載のヒータ装置。
6. 前記空隙を介して隣り合う前記第１の部材の一方の、前記断熱部材の中心から見た外周形状は、前記空隙側にＲ状に突出している、
   請求項５に記載のヒータ装置。
7. 前記第１の部材の、前記断熱部材の径方向の幅は、前記ヒータエレメントの熱膨張収縮の長さよりも長い、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載のヒータ装置。
8. 前記許容部は、熱収縮可能な耐熱部材を含む、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒータ装置。
9. 前記熱収縮可能な断熱部材は、ブランケット状の断熱部材である、
   請求項８に記載のヒータ装置。
10. 被処理体を収納するための処理容器と、
    前記処理容器の外周に、前記処理容器を囲むように配置された、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のヒータ装置と、
    を有する、熱処理装置。

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