JP2015021598A - 断熱ユニット及びそれを備えた熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な耐久性を備える断熱ユニット及びそれを備えた熱処理装置を提供する。【解決手段】断熱ユニット１１は、シリカとアルミナとからなる断熱体２１と、断熱体２１の内壁面に設けられた発熱体２２と、を備えている。断熱体２１の内壁面には、その内壁の円周方向に複数の凹部２１ａが設けられている。発熱体２２は、凹部２１ａ内に、発熱体２２の一部が断熱体２１の内壁面から露出するように設置されている断熱体２１はアルミナの含有量が６５重量％以上となるように形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、断熱ユニット及びそれを備えた熱処理装置に関する。

従来、半導体装置を製造する際、半導体ウエハに成膜等の処理を施す熱処理装置が用いられている。このような熱処理装置では、半導体ウエハを熱処理するための反応管と、この反応管を覆うように設けられた断熱ユニットと、を備えている。断熱ユニットは、例えば、特許文献１に開示されているように、反応管を覆って設けられる断熱材と、断熱材の内周面に設けられた発熱体と、を備えている。

特開平１０−２３３２７７号公報

しかし、発熱体を高温で長期間使用すると発熱体にたわみ等が発生し、発熱体と断熱材とが接触するおそれがある。このように発熱体と断熱材とが接触すると反応し、やがては発熱体が断線してしまうという問題がある。このため、熱処理装置を長期間使用した際の発熱体の断線を防ぎ、良好な耐久性を有する断熱ユニット及びそれを備えた熱処理装置が求められている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、良好な耐久性を有する断熱ユニット及びそれを備えた熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる断熱ユニットは、
アルミナのみからなる、または、アルミナとシリカとからなる断熱体と、
前記断熱体の内壁面に設けられた発熱体と、を備え、
前記断熱体は前記アルミナの含有量が６５重量％以上である、
ことを特徴とする。

前記断熱体の内壁面には、その内壁の円周方向に複数の凹部が設けられ、
前記発熱体は、前記凹部内に、当該発熱体の一部が前記断熱体の内壁面から露出するように設置されている、ことが好ましい。

前記凹部は、例えば、前記発熱体の上下方向、及び、径方向の熱膨張による収縮に対応するクリアランスが設けられている。
前記発熱体は、例えば、スパイラル状に形成されている。
前記発熱体は、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金である。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点にかかる熱処理装置は、
複数の被処理体を収容する反応室と、
本発明の第１の観点にかかる断熱ユニットと、を備え、
前記断熱ユニットは、前記反応室を覆うように配置され、当該反応室内を所定の温度に設定する、ことを特徴とする。

前記断熱ユニットは、例えば、前記反応室内の温度を８００℃以上に設定する。

本発明によれば、良好な耐久性を有する断熱ユニット及びそれを備えた熱処理装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の熱処理装置を示す図である。 断熱ユニットの一部を模式的に示す斜視図である。 断熱ユニットの一部を模式的に示す断面図である。 実施例の発熱体を示す画像である。 比較例の発熱体を示す画像である。

以下、本実施の形態に係る断熱ユニットとそれを備えた熱処理装置について説明する。なお、本実施の形態では、断熱ユニットを備えた熱処理装置として、図１に示すバッチ式の縦型の熱処理装置を用いた場合を例に説明する。

図１に示すように、熱処理装置１は、長手方向が垂直方向に向けられた略円筒状の反応管２を備えている。反応管２は、内管３と、内管３を覆うとともに内管３と一定の間隔を有するように形成された有天井の外管４とから構成された二重管構造を有する。内管３及び外管４は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。

外管４の下方には、筒状に形成されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるマニホールド５が配置されている。マニホールド５は、外管４の下端と気密に接続されている。また、内管３は、マニホールド５の内壁から突出するとともに、マニホールド５と一体に形成された支持リング６に支持されている。

マニホールド５の下方には蓋体７が配置され、ボートエレベータ８により蓋体７は上下動可能に構成されている。そして、ボートエレベータ８により蓋体７が上昇すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が閉鎖され、ボートエレベータ８により蓋体７が下降すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が開口される。

蓋体７には、例えば、石英からなるウエハボート９が載置されている。ウエハボート９は、被処理体、例えば、半導体ウエハ１０が垂直方向に所定の間隔をおいて複数枚収容可能に構成されている。

反応管２の周囲には、反応管２を取り囲むように、断熱ユニット１１が設けられている。断熱ユニット１１は、略円筒形状の断熱体２１と、断熱体２１の内壁面に設けられた発熱体２２と、を備えている。この発熱体２２により、反応管２の内部が所定の温度に加熱され、この結果、半導体ウエハ１０が所定の温度に加熱される。

図２及び図３に断熱ユニット１１の概要を示す。図２に示すように、断熱体２１は、略円筒形状に形成されている。断熱体２１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のみからなる、または、アルミナとシリカ（ＳｉＯ_２）とからなる。断熱体２１は、アルミナとシリカとからなることが好ましい。断熱体２１は、アルミナの含有量が６５重量％以上となるように形成されており、アルミナの含有量が６５〜９５重量％、好ましくは６５〜８０重量％、より好ましくは６５〜７５重量％となるように形成されている。使用する断熱体２１を形成するアルミナの含有量をかかる範囲にすることにより、断熱体２１と発熱体２２との反応性を低下させることができるためである。このため、断熱ユニット１１の基本構造を変えることなく、昇降温性能、最高使用温度、及び、寿命を向上させることができる。すなわち、断熱ユニット１１により反応管２内を８００℃以上、さらに１０００℃以上で熱処理装置１を長期間使用しても、発熱体２２の断線を防止することができる。

また、断熱体２１の内壁面には、内壁の円周方向に複数の凹部２１ａが設けられている。複数の凹部２１ａは、所定の距離だけ離間するように配置されている。この凹部２１ａ内には、図３に示すように、発熱体２２の一部が断熱体２１の内壁面から露出するように設置されている。このように発熱体２２の一部が露出するように設置しているので、例えば、発熱体２２が断熱体２１内に完全に収められ露出しない場合と比較して、発熱体２２の熱こもりを抑制し、速やかな昇降温性能を向上させることができる。また、最高使用温度を向上させることが可能となる。なお、図１では図示の都合上、発熱体２２全体が断熱体２１から露出するような構成で示されている。

凹部２１ａは、図３に示すように、断熱体２１の円周方向に外側に窪んで形成されている。なお、図３では、凹部の断面形状が略方形の例を挙げているが、円形等であってもよい。

また、凹部２１ａは、発熱体２２の上下方向、及び、径方向の熱膨張による収縮に対応するクリアランスが設けられている。このため、さらに、昇降温性能、最高使用温度、及び、寿命を向上させることができる。

発熱体２２としては、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金を用いることが好ましい。Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金を用いることにより、発熱体２２の表面に、アルミナからなる保護酸化皮膜が形成されるためである。この保護酸化皮膜により、発熱体２２は、良好な耐酸化性を備え、高温での使用が可能となる。

また、発熱体２２は、スパイラル状に形成されることが好ましい。スパイラル状に形成することにより、発熱体２２を効率的に配置することができ、高出力の発熱体２２を得ることができる。なお、発熱体２２は、例えば、図示しないピン等の保持部材で保持される。

発熱体２２は、各段の凹部２１ａで終結するように配置し、各段の発熱体２２に個別に電流を供給する構成であってもよく、隣り合う凹部２１ａに配置された発熱体２２同士を端子等により結線して、複数の凹部２１ａに配置された発熱体２２を一つのグループとして、断熱ユニット内で複数のグループを備えるように発熱体２２を結線してもよい。また、発熱体２２は、上下方向に螺旋状に連続していてもよい。

このように、本実施の形態の断熱ユニット１１では、アルミナの含有量を６５重量％以上としているので、発熱体２２にたわみ等が発生し、断熱体２１と発熱体２２とが接触した場合でも、断熱体２１と発熱体２２とが反応し、発熱体２２の保護酸化被膜が破壊され、発熱体２２が断線に至るという事態を防ぐことができる。

マニホールド５の側面には、複数の処理ガス導入管１３が挿通（接続）されている。なお、図１では処理ガス導入管１３を１つだけ描いている。処理ガス導入管１３は、内管３内を臨むように配設されている。例えば、図１に示すように、処理ガス導入管１３は、支持リング６より下方（内管３の下方）のマニホールド５の側面に挿通されている。

処理ガス導入管１３は、図示しないマスフローコントローラ等を介して、図示しない処理ガス導入源に接続されている。このため、処理ガス導入源から処理ガス導入管１３を介して所望量の処理ガスが反応管２内に導入される。

マニホールド５の側面には反応管２内のガスを排気するための排気口１４が設けられている。排気口１４は支持リング６より上方に設けられており、反応管２内の内管３と外管４との間に形成された空間に連通する。そして、内管３で発生した排ガス等が内管３と外管４との間の空間を通って排気口１４に排気される。

マニホールド５の側面の排気口１４の下方には、パージガス導入管１５が挿通されている。パージガス導入管１５には、図示しないパージガス導入源が接続されており、パージガス導入源からパージガス導入管１５を介して所望量のパージガス、例えば、窒素ガスが反応管２内に導入される。

排気口１４には排気管１６が気密に接続されている。排気管１６には、その上流側から、バルブ１７と、真空ポンプ１８とが介設されている。バルブ１７は、排気管１６の開度を調整して、反応管２内の圧力を所定の圧力に制御する。真空ポンプ１８は、排気管１６を介して反応管２内のガスを排気するとともに、反応管２内の圧力を調整する。

なお、排気管１６には、図示しないトラップ、スクラバー等が介設されており、反応管２から排気された排ガスを、無害化した後、熱処理装置１外に排気するように構成されている。

また、熱処理装置１は、装置各部の制御を行う制御部１００を備えている。制御部１００は、例えば、操作パネル、温度センサ（群）、圧力計（群）、ヒータコントローラ、マスフローコントローラ（ＭＦＣ： Mass Flow Controller）制御部、バルブ制御部等が接続されており、熱処理装置１の各部を制御する。

以上のように構成された熱処理装置１では、以下のように、被処理体、例えば、半導体ウエハ１０に所望の処理を実施する。まず、制御部１００は、断熱ユニット１１の発熱体２２により反応管２内を所定の温度に維持するとともに、半導体ウエハ１０を収容したウエハボート９を蓋体７上に載置し、ボートエレベータ８により蓋体７を上昇させ、半導体ウエハ１０（ウエハボート９）を反応管２内にロードする。次に、制御部１００は、発熱体２２により反応管２内を所定の温度に加熱するとともに、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力に設定する。続いて、制御部１００は、処理ガス導入管１３から処理ガスを反応管２内に導入して、半導体ウエハ１０に所望の処理を実施する。半導体ウエハ１０に所望の処理が実施されると、制御部１００は、処理ガス導入管１３からの処理ガスの導入を停止して反応管２内のガスを排出し、発熱体２２により反応管２内を所定の温度に維持する。また、制御部１００は、反応管２内を常圧に戻す。次に、制御部１００は、ボートエレベータ８により蓋体７を下降させることにより、半導体ウエハ１０をアンロードし、処理を終了する。

このような処理において、反応管２内を８００℃以上、さらには１０００℃以上にする場合、発熱体２２にたわみ等が発生し、発熱体２２と断熱材２１とが接触するおそれがあるが、本実施の形態の断熱ユニット１１では、アルミナの含有量を６５重量％以上としているので、断熱体２１と発熱体２２との反応性を低下させることができ、発熱体２２が断線に至るという事態を防ぐことができる。このように、反応管２内を８００℃以上、さらには１０００℃以上に加熱するような高温処理においても、良好な耐久性を有する断熱ユニット１１及びそれを備えた熱処理装置１を提供することができる。

次に、本発明の効果を確認するため、断熱ユニット１１を備えた熱処理装置１について、発熱体２２の耐久性試験を行った。

（実施例）
実施例の断熱ユニット１１では、断熱体２１を形成するアルミナの含有量を７０重量％、シリカの含有量を３０重量％とし、この断熱体２１の凹部２１ａ内に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなるスパイラル状の発熱体２２を、その一部が断熱体２１の内壁面から露出するように設置した。また、発熱体２２の耐久性試験は、断熱ユニット１１を１０００℃下において６００時間経過させた。６００時間経過後の発熱体２２の画像を図４に示す。

（比較例）
断熱体２１を形成するアルミナの含有量を６０重量％、シリカの含有量を４０重量％としたこと以外は実施例と同様の断熱ユニットを１０００℃下において６００時間経過させた。６００時間経過後の発熱体２２の画像を図５に示す。

図４に示すように、実施例では、発熱体２２に腐食等はみられず、断線も生じないことを確認した。一方、図５に示すように、比較例では、発熱体２２の一部（図５の右上の破線で囲んだ箇所）に断線がみられた。

このように、本実施の形態の断熱ユニット１１では、断熱体２１を形成するアルミナの割合を上昇させることにより、断熱体２１と発熱体２２との反応性を低下させることができる。特に、本実施の形態では、断熱体２１の組成を変更するのみで、反応性を低下させることができるため、熱処理装置１の基本構造を変更することなく、熱処理装置１の寿命を向上させることができる。また、熱処理装置１の最高使用温度も向上させることができる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、断熱体２１を形成するアルミナの含有量が６５重量％以上となるように形成されているので、断熱体２１と発熱体２２との反応性を低下させることができ、良好な耐久性を有する断熱ユニット１１及びそれを備えた熱処理装置１を提供することができる。また、断熱ユニット１１の基本構造を変えることなく、昇降温性能、最高使用温度、及び、寿命を向上させることができる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。例えば、上記実施の形態では、円筒型の断熱体２１を例に挙げて本発明を説明したが、本発明の断熱体２１は円筒型に限定されるものではなく、例えば、断熱体２１の形状を、多角形、円柱、球状等、様々な形とすることが可能である。更に、断熱体２１を円形や方形のパネル状に形成して、その一面に発熱体２２を設けるような構成としてもよい。

上記実施の形態では、発熱体２２がスパイラル状に形成されている場合を例に本発明を説明したが、発熱体２２の形状は他の形状であってもよく、例えば、帯状であってもよい。また、発熱体２２に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金を用いた場合を例に本発明を説明したが、発熱可能な各種の材料を用いてもよい。

上記実施の形態では、発熱体２２が断熱体２１の凹部２１ａ内に設けられる場合を例に本発明を説明したが、例えば、凹部２１ａのような窪みを設けずに、ピン等の保持部材によって、断熱体２１の内周面に周方向に沿って、断熱体２１との間に所定のクリアランスを有するように配置してもよい。また、発熱体２２の一部が断熱体２１の内壁面内に収容されていてもよい。さらに、発熱体２２がパネル状の場合には、パネルの一面にピン等の保持部材によって所定のクリアランスを有するように保持してもよい。

また、断熱体２１の外周面は、断熱体２１の形状保持及び補強のため、金属、例えば、ステンレス製のアウターシェル等に覆われていてもよい。また、アウターシェルの外周には、水冷ジャケット等の外部への熱影響を抑制する手段を備えてもよい。

上記実施の形態では、熱処理装置１として、二重管構造のバッチ式の縦型の熱処理装置を用いた場合を例に本発明を説明したが、例えば、本発明を単管構造のバッチ式の熱処理装置に適用することも可能である。

本発明は、断熱ユニット及びそれを備えた熱処理装置に有用である。

１ 熱処理装置
２ 反応管
３ 内管
４ 外管
５ マニホールド
６ 支持リング
７ 蓋体
８ ボートエレベータ
９ ウエハボート
１０ 半導体ウエハ
１１ 断熱ユニット
１３ 処理ガス導入管
１４ 排気口
１５ パージガス導入管
１６ 排気管
１７ バルブ
１８ 真空ポンプ
２１ 断熱体
２１ａ 凹部
２２ 発熱体
１００ 制御部

Claims (7)

1. アルミナのみからなる、または、アルミナとシリカとからなる断熱体と、
   前記断熱体の内壁面に設けられた発熱体と、を備え、
   前記断熱体は前記アルミナの含有量が６５重量％以上である、
   ことを特徴とする断熱ユニット。
2. 前記断熱体の内壁面には、その内壁の円周方向に複数の凹部が設けられ、
   前記発熱体は、前記凹部内に、当該発熱体の一部が前記断熱体の内壁面から露出するように設置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の断熱ユニット。
3. 前記凹部は、前記発熱体の上下方向、及び、径方向の熱膨張による収縮に対応するクリアランスが設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載の断熱ユニット。
4. 前記発熱体はスパイラル状に形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の断熱ユニット。
5. 前記発熱体は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の断熱ユニット。
6. 複数の被処理体を収容する反応室と、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の断熱ユニットと、を備え、
   前記断熱ユニットは、前記反応室を覆うように配置され、当該反応室内を所定の温度に設定する、ことを特徴とする熱処理装置。
7. 前記断熱ユニットは、前記反応室内の温度を８００℃以上に設定する、ことを特徴とする請求項６に記載の熱処理装置。