JP3263383B2 - 縦型加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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
から加熱する縦型加熱装置に関し、例えば、半導体ウエ
ハを縦に積層した状態で熱ＣＶＤ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を目的と
した縦型加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】半導体製造装置の中でも最も古くから主要
装置として使われてきているバッチ式熱拡散装置（縦型
拡散装置）においても、次のような特性条件が求められ
ている。 （オ)処理温度は８００〜１１００℃と高温、（カ）面
内温度分布が±３℃以下、（キ）処理温度が高いので重
金属汚染が一切ないこと、（ク）昇温降温速度１００℃
／ｍｉｎ以上が望めること、（ケ）エコロジーの観点か
ら省電力型でなければならないこと、

【０００４】多数枚（１００枚以上）の半導体ウエハを
一度に処理する拡散装置は、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
理するものである。

【０００５】この縦型拡散装置は、アウターチューブと
称される石英または金属シリコンを含浸させた炭化ケイ
素焼結体の反応管の中に、ガス流路を形成するためもイ
ンナーチューブと称される周面に小さな穴を多数開けた
石英または炭化ケイ素焼結体のパイプを配置し、このイ
ンナーチューブの中にボートが配置される構造になって
いる。反応性ガスはアウターチューブとインナーチュー
ブの間の隙間を流れ、半導体ウエハ上にドーパンドが拡
散し、或いは熱−化学反応によって薄膜が形成される。
アウターチューブの外側は、一般に大気圧となってお
り、所定の温度を得るため、アウターチューブを囲むよ
うに配置された断熱材の内側に発熱線を配線した電気炉
が構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】この縦型拡散装置
は上下に長く、またヒータは大気中に配置されるため、
幾つかの欠点がある。例えば、アウターチューブと発熱
線の間の空気が対流を起こすため、温度の部分的なむら
が発生する。これを補正するために、円筒状の炉壁を４
〜５ブロックに分割し、それぞれ個別に温度制御しなけ
ればならない。しかし、処理温度にまで加熱する温度上
昇時と、高温状態を長時間維持する薄膜形成時とでは、
各ブロックに与える電力量が異なるので、各ウエハ間の
温度を常に均等にするためには、その温度制御が非常に
複雑になる。

【０００７】また、アウターチューブをその周囲から加
熱するヒータは、酸素を含む大気中に置かれるので、耐
酸化性の高い金属が選ばれている。現在最も高温に耐え
るヒータはドイツのカンタル社製の発熱線である。この
発熱線は、Ｃｒが２２％、Ａｌが５．５％、残部がＦｅ
の合金発熱線であり、その最高発熱温度は約１３００℃
である。炉全体に必要とされる電力は、６０〜８０ｋＷ
の大電力であるため、線径４〜５ｍｍのカンタル社製の
発熱線を１０〜３０ｍｍのコイル状とし、これをファイ
ンセラミック製の断熱材の内側に埋め込み、その一部を
断熱材から露出させて、１ブロック分のヒータとしてい
る。

【０００８】しかし、アウターチューブを１０００℃以
上の温度に加熱するためには、発熱線を１３００℃近く
まで発熱させる必要があり、高温でヒータが断線しやす
い。また円筒形の炉壁に対して発熱線は線状であるた
め、円筒面内の温度分布が一様になりなりにくい。さら
には、ヒータの温度上限が１３００℃に制限されるた
め、アウターチューブの昇温速度は５〜１０℃／ｍｉｎ
が限界となる。そのため、常温から処理可能な温度であ
る１０００℃以上の温度に加熱するまでに時間がかかっ
てしまい、１処理サイクルの時間が長くなる。

【０００９】この昇温速度の不足を補う方法として、炉
壁の温度を常温まで戻さず、３００〜５００℃まで下げ
た状態で保温しながら、アウターチューブを含むインナ
ーチューブ及び加熱物全体を導入したり排出する方法が
採られる。しかしこの場合、半導体ウエハの導入時にボ
ートの上端側に配置された半導体ウエハが空気中で高温
に曝されるため、半導体ウエハの表面に酸化膜が発生
し、半導体デバイスの信頼性を低下させる原因となる。
これを避ける方法としてインナーチューブ及び加熱物側
の空間を真空にしておいてから、アウターチューブ全体
を炉入、炉出する方法もとられている。しかしこの方法
では真空排気系が複雑であり、また真空も不完全になら
ざるをえないので、同様にして残留ガスによる酸化膜形
成が問題となる。

【００１０】半導体ウエハの排出時においても、アウタ
ーチューブ内が真空に保たれたとしてもボートの上端側
に配置された半導体ウエハが残留ガス中に長い時間高温
に曝される結果、処理後の上と下側の半導体ウエハの表
面にムラが発生しやすくなる。アウターチューブ内の温
度を常温まで下げて半導体ウエハの導入や排出をするの
が理想である。しかしそうすると、従来の縦型拡散装置
では、室温に下がるまで非常に長い時間を要し、次の処
理サイクルでの温度上昇にもまた長い時間を要する欠点
が生じる。

【００１１】このように従来の縦型拡散装置は、アウタ
ーチューブ内の温度の昇降時間が長いため、この縦型拡
散装置を使って１日当たり処理できる半導体ウエハは、
１〜２サイクル分が限度であった。また、１サイクルの
処理に要する時間が長く、また半導体ウエハの導入、排
出時にも或る程度の温度を維持しなければならないた
め、常にヒータへの電力の供給が必要であり、消費電力
が大きいという課題がある。

【００１２】本発明は、このような従来の縦型拡散装置
における課題に鑑み、アウターチューブの加熱効率がよ
く、そのため短時間でアウターチューブを高温に加熱で
きると共に、温度の下降速度も速く、これにより、１サ
イクルの処理時間を短縮できると共に、常温でのワーク
の導入、排出を可能とし、併せてヒータの寿命の長期化
と消費電力の低減、さらにはアウターチューブ側の汚濁
の防止が可能な縦型加熱装置を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記の目的
を達成するため、アウターチューブ９の周囲を囲むよう
に真空チューブ４を設け、この真空チューブ４内に真空
空間３を形成し、この真空空間３内に前記アウターチュ
ーブ９をその周囲から加熱するヒータ１２、１３を設け
た。この真空空間３により真空断熱部を形成し、その内
部に配置したグラファイト製のヒータ１２、１３による
アウターチューブ９の加熱を効率よく行えるようにし
た。さらに、真空空間３にガス導入口１８を接続し、真
空空間３にガスを導入できるようにし、冷却時には、ア
ウターチューブ９の周囲に外部からガスを導入し、アウ
ターチューブ９を直接強制冷却できるようにした。加え
て、真空チューブ４により真空空間３内に配置されたヒ
ータ１２、１３とアウターチューブ９側を気密にシール
し、ヒータ１２、１４から発生する粉末状の塵がアウタ
ーチューブ９側に及ばないようにした。

【００１４】本発明による縦型加熱装置は、加熱処理さ
れる加熱物が収納される空間を周囲から囲むように立設
された円筒形の化学的、熱的に安定した材料からなるイ
ンナーチューブ８と、このインナーチューブ８を囲むよ
うに立設され、内部を気密空間に保持する化学的、熱的
に安定した材料からなるアウターチューブ９と、これら
アウターチューブ９とインナーチューブ８の内部を加熱
するヒータ１２、１３とを有する。さらに、アウターチ
ューブ９の周囲を囲むように配置されると共に、アウタ
ーチューブ９側を外気に対して気密にシールする二重壁
の真空チューブ４を有し、この真空チューブ４内に外部
に対して気密にシールされ、且つ減圧可能な真空空間３
が形成され、この真空空間３内に前記のヒータ１２、１
３が収納されている。

【００１５】このような縦型加熱装置では、アウターチ
ューブ９の周囲が真空断熱層となる真空空間３で囲まれ
ているので、高い断熱性が得られる。そして、その真空
空間３に配置された第一と第二のヒータ１２、１３でア
ウターチューブ９をその周囲から加熱するとき、アウタ
ーチューブ９を効率よく加熱行することができる。これ
により、アウターチューブ９内の昇温速度を速くするこ
とが可能となる。

【００１６】加熱時にヒータ１２、１３が真空空間３の
中で発熱するので、ヒータ１２、１３の高温下での酸化
が起こらず、ヒータ１２、１３の寿命を延ばすことがで
きる。むしろ、酸化を考慮せずに任意のヒータ１２、１
３を選択することができ、例えばグラファイトヒータを
使用することもできる。

【００１７】なお、グラファイト製のヒータ１２、１３
を使用した場合、ヒータ１２、１３から粉末状の塵埃が
発生し、これがアウターチューブ９側の汚染を招くおそ
れがある。これについて、本発明による縦型加熱装置で
は、ヒータ１２、１３が、外部に対して気密にシールさ
れた真空チューブ４内の真空空間３内に収納されている
ので、グラファイト製のヒータ１２、１３から発生する
塵埃等がアウターチューブ９側に及ばず、アウターチュ
ーブ９側を清浄に保つことができる。

【００１８】前記真空空間３にガス導入口１８を接続す
ることにより、ヒータ１２、１３の発熱を停止し、アウ
ターチューブ９内を冷却する時に、真空空間３にガスを
導入することで、アウターチューブ９をその周囲から直
接強制冷却することもできる。これにより、加熱処理後
のアウターチューブ９内の降温速度を早くすることがで
き、アウターチューブ９内を短時間で常温に戻すことが
できる。

【００１９】例えば、前記ヒータ１２、１３は、アウタ
ーチューブ９の周囲を円筒状に囲むんで配置した第一の
ヒータ１２と、アウターチューブ９の上面に対向するよ
う配置した第二のヒータ１３との２系統とする。アウタ
ーチューブ９の周囲を円筒状に囲む第一のヒータ１２
は、アウターチューブ９を加熱するメインヒータとして
機能する。アウターチューブ９の上面に対向するよう配
置した第二のヒータ１３は、それを発熱するか否か或い
はその出力の調整等でアウターチューブ９やインナーチ
ューブ８内部の縦方向の温度分布を変化させることがで
きる。

【００２０】前記アウターチューブ９の外周面を囲む第
一のヒータ１２として、特にグラファイトヒータを使用
する場合、長尺板状のＵ字形に連なったヒータ部材３１
を円周方向に並べて複数本配置し、且つ閉じたサークル
状に順次直列に接続して円筒形のヒータ１２として構成
するとよい。こうすることにより、グラファイトヒータ
の成形体からなるヒータ部材３１を閉じたサークル状に
接続することができる。そして、このヒータ部材３１を
接続する結線回路の離れた３つの位置に電極３６を設け
ることにより、トライアングル状の三相結線ヒータを構
成することができ、安価な商用三相電源からヒータ１２
に電力を供給することが可能となる。

【００２１】このような円筒形の第一のヒータ１２のよ
うな円筒状の面発熱ヒータでは、円周方向の温度のばら
つきが±０．３℃以下という均熱性が得られる。そし
て、面発熱で高電気抵抗を有するヒータ部材３１を得る
には、極めて薄いヒータ部材３１としなければならな
い。この点について、ヒータ部材３１を上から下に吊り
下げるようにして円筒状に配置することにより、ごく薄
いヒータ部材３１でも容易に円筒形に配置することがで
きる。

【００２２】このような第一のヒータ１２の構造におい
ては、前記ヒータ部材３１、３１の一部をトリミングす
ることにより、部分的な電気抵抗を調整することができ
る。すなわち、ヒータ部材３１、３１のトリミングされ
た部分では、トリミングされていない部分より電気の流
れに対して直交する断面の面積が小さくなるため、抵抗
が大きくなり、発熱量が増大する。

【００２３】他方、アウターチューブ９の上面に対向す
るよう配置した第二のヒータ１３として、特にグラファ
イトヒータを使用する場合、ドーナツ円板形のヒータ部
材５１の内周と外周から円周方向に交互に放射状にスリ
ット５３、５４を入れてサークル状に連続したヒータ１
３とするのがよい。こうすることにより、グラファイト
の成形体であるヒータ部材５１を閉じたサークル状に接
続することができる。そして、このヒータ部材５１の互
いに離れた３つの位置に電極５６を設けることにより、
トライアングル状の三相結線ヒータを構成することがで
き、安価な商用三相電源からヒータ１３に電力を供給す
ることが可能となる。

【００２４】このようなヒータ１３の構造において、ヒ
ータ１３の内周から外周に向かってその断面を薄くする
ことによって、その電気抵抗を調整することができる。
すなわち、円板形のヒータ部材５１の内周と外周から円
周方向に交互に放射状にスリット５３、５４を入れてヒ
ータ１３を構成した場合、ヒータ部材５１の内周側に比
べて外周側のスリット５３、５４の間の幅が広くなる。
その分だけヒータ部材５１の内周側より外周側の厚さを
薄くすることにより、ヒータ部材５１の内周側と外周側
との電流の流れと直交する断面の面積を概ね均等に調整
し、発熱量のばらつきを解消することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による縦型加熱装置の全体を示してお
り、ラック状のボート２７に円板形の半導体ウエハであ
る加熱物２８を装填し、この加熱物２８を上下に間隔を
あけて並べて保持した状態で熱ＣＶＤ処理する縦型拡散
装置に縦型加熱装置を適用した例である。

【００２６】前記のボート２７は、円盤状の耐熱部材か
らなるベース板１に取り付けたエレベータ２３に取り付
けられ、ベース板１の上方で上下動される。べース板１
からは円筒形のインナーチューブ８が立設され、このイ
ンナーチューブ８が前記ボート２７に搭載された加熱物
２８をその周囲から囲む。このインナーチューブ８は、
石英または金属シリコンを含浸させた炭化ケイ素焼結体
等の化学的、熱的に安定した材料で形成されている。こ
のインナーチューブ８の周壁には多数の通孔が開設さ
れ、インナーチューブ８の上端は開口している。

【００２７】インナーチューブ８を囲むようにしてその
外側にベース１からアウターチューブ９が立設されてい
る。このアウターチューブ９は、インナーチューブ８と
同様に石英または金属シリコンを含浸させた炭化ケイ素
焼結体等の化学的、熱的に安定した材料で形成されてい
る。

【００２８】アウターチューブ９は上端を閉じた円筒形
を呈し、その下端部は、ベース板１に気密に固定されて
いるため、このアウターチューブ９は、前記インナーチ
ューブ８の周囲を気密に囲み、その内側に気密な空間を
形成している。ベース板１のアウターチューブ９とイン
ナーチューブ８との間の部分に真空バルブ２２を介して
真空ポンプ２１が接続され、アウターチューブ９の内部
が真空状態に減圧できるようになっている。

【００２９】ベース板１の上には、２重円筒管からなる
真空チューブ４の下端部１１がリング状のシール部材２
により気密に接合されている。図１及び図７に示すよう
に、真空チューブ４は、石英等の化学的に安定した材料
で形成されたもので、内筒１７ａと外筒１７ｂとが一体
に形成された二重管となっている。すなわち、内筒１７
ａと外筒１７ｂとの下端部１１は一体に連なって閉じて
いる。また、外筒１７ｂの上部は開いているが、内筒１
７ａの上部２９は一体に連なっており、閉じている。外
筒１７ｂの上端部３０はフランジ状となっている。

【００３０】図１に示すように、真空チューブ４の外周
面には、冷却パイプ２０が取り付けられ、この冷却パイ
プ２０に流通する水、その他の冷却液により、真空チュ
ーブ４が冷却されるようになっている。また、真空チュ
ーブ４の外筒１７ｂの上端部３０には蓋体１６が載せら
れ、真空チューブ４の外筒１７ｂの上端部３０と蓋体１
６とは、リング状のシール部材５により気密にシールさ
れる。この状態で蓋体１６はベース部材１と上下に平行
に対向し、その間に真空チューブ４を挟持している。

【００３１】蓋体１６の外筒１７ｂの上端部３０の内側
部分には、ガス排出口６を介して真空ポンプ１４が接続
され、この真空ポンプ１４にガスリザーバ１５が接続さ
れている。このガスリザーバ１５には、クリーナ１８及
びバルブ１９を介してガス導入口７が接続されている。
このガス導入口７は、蓋体１６を貫通して真空チューブ
４に内部に接続されている。

【００３２】真空チューブ４の内面、具体的には真空チ
ューブ４の内筒１７ａと外筒１７ｂとの間の円筒空間及
び内筒１７ａの上部２９と蓋体１６との間の上部空間は
真空空間３となっており、前記真空ポンプ１４により減
圧される。さらに、この真空空間３の中には、グラファ
イト等の断熱材１０が挿入されている。この断熱材１０
は、真空チューブ４の内側に赤外線を反射する反射部材
に代えることができ、また断熱材１０の内面に反射面を
形成してもよい。

【００３３】この真空空間３の中の断熱材１０の内側に
は、ヒータ１２、１３が配置されている。まず、真空チ
ューブ４の内筒１７ａと外筒１７ｂとの間の部分の断熱
材１０の内側に、円筒形の第一のヒータ１２が配置さ
れ、この第一のヒータ１２は、アウターチューブ９の周
囲を円筒状に囲んでいる。後述するように、この第一の
ヒータ１２の３本の端子２６を絶縁した状態で真空チュ
ーブ４の外に取り出し、電源に接続する。

【００３４】また、真空チューブ１４の内筒１７ａの上
部２９と蓋体１６との間の部分の断熱材１０の内側に、
円板状の第二のヒータ１３が対向している。後述するよ
うに、この第二のヒータ１３の３本の端子５６を絶縁状
態で真空チューブ４の外に取り出し、電源に接続する。
前記ベース板１には、インナーチューブ８とアウターチ
ューブ９との間の空間に反応ガスを導入する反応ガス導
入口２４と、インナーチューブ８の内側の空間から反応
ガスを排出する反応ガス排出口２５とが設けられてい
る。

【００３５】図２は、アウターチューブ９の周囲を囲む
円筒状の第一のヒータ１２の例を示す。この第一のヒー
タ１２は、長尺な板状のヒータ部材３１、このヒータ部
材３１の上端を接続するための接続ブロック３２、この
接続ブロック３２を放射状に固定するための固定リング
３３及び一部の接続ブロック３２に取り付けられる棒状
の端子３６とを有する。図示の例では、ヒータ部材３１
と接続ブロック３２とが１２個ずつ使用され、端子３６
が３本使用されている。ヒータ部材３１と接続ブロック
３２の数は、ヒータ１２の全体としての径の大きさ等に
応じて任意に設定できる。

【００３６】固定リング３３は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢＮ、Ｓｉ
₃Ｎ₄等の耐熱性絶縁セラミックからなるリング状のもの
である。グラファイトやセラミック等で作られたネジ３
５により、固定リング３３の外周側に１２個の接続ブロ
ック３２を等角度間隔で放射状に固定するもので、その
ためのネジ孔を有している。

【００３７】接続ブロック３２は、後述するヒータ部材
３１と同材質のグラファイトからなるもので、図３に示
すように、個々の接続ブロック３２は、平面形状が５角
形を呈している。その幅は、円を１２等分した幅よりや
や狭い。この接続ブロック３２の基端側の上面は一段低
くなっており、そこにはネジ孔４０が設けられている。
さらに、先端面は、対象な２つの面が１５０゜の角度で
交差しておりそれら２つの先端面には、ネジ孔３９が設
けられている。

【００３８】接続ブロック３２の少なくとも３個には、
その基端側より一段高くなった先端側の上面に、電極３
６の下端を固定するためのネジ孔３８が設けられてい
る。また、図２に示すように、接続ブロック３２の少な
くとも３個には、前記のネジ孔３８に代えて、電極３６
より径の大きな通孔４６が設けられている。

【００３９】図２及び図３に示すように、ヒータ部材３
１は、中央にスリット４２を有する長尺なグラファイト
板からなっている。すなわち、このヒータ部材３１は、
上端から下端近くまでスリット４２を入れ、事実上Ｕ字
形に連なった長尺板状のグラファイト板である。その上
端には、ネジを通す通孔４１が設けられている。

【００４０】図２に示すように、接続ブロック３２は、
固定リング３３の外周側に等角度間隔で配列され、この
状態で接続ブロック３２の上面が一段低くなった基端側
が固定リング３３のネジ孔に通したグラファイト製のネ
ジ３５で固定される。このネジ３５は、図３に示した接
続ブロック３２の前記ネジ孔４０に締め込まれる。この
状態では、接続ブロック３２が円周方向に間隔を置いた
状態で固定リング３３の外周に放射状に配列される。

【００４１】なお、電極３６を取り付けるためのネジ孔
３８を有する接続ブロック３２が３つおきに配置され
る。そしてこれらの接続ブロック３２のネジ孔３８に電
極３６の下端のネジ３７をねじ込み、電極３６を固定す
る。また、通孔４６を有する接続ブロック３２も３つお
きに配置され、ネジ孔３８を有する接続ブロック３２と
通孔４６を有する接続ブロック３２との間に１つずつの
接続ブロック３２が配置される。

【００４２】接続ブロック３２の先端面には、前記ヒー
タ部材３１の上端を固定し、隣接するヒータ部材３１を
接続ブロック３２を介して順次接続する。すなわち、ヒ
ータ部材３１のスリット４２の両側の一対の上端を隣接
する接続ブロック３２の先端面に当て、ヒータ部材３１
の上端の通孔４１（図３参照）にネジ３４を通し、これ
を接続ブロック３２の先端面のネジ孔３９（図３参照）
にねじ込んで締め込む。このようにして、１２本のヒー
タ部材３１の一対の上端を隣接する接続ブロック３２の
先端面にそれぞれ固定し、これらヒータ部材３１を円筒
状に配列すると共に、これらヒータ部材３１を接続ブロ
ック３２を介して閉じたループ状に直列に接続する。

【００４３】このようにして組み立てられたヒータ１２
は、図１に示すようにして真空チューブ４の内筒１７ａ
と外筒１７ｂとの間の断熱材１０の内側に挿入され、真
空空間３に配置される。電極３６は、真空チューブ４の
上の蓋体２６から絶縁部材を介して真空チューブ４の外
部に気密に引き出し、電源に接続する。互いに離れた３
つの接続部材３２に前記の電極３６を設けることによ
り、閉じたループ状に接続されたヒータ部材３１の３カ
所設けた電極３６を介して電源を接続することになる。
これにより、トライアングル状の三相結線ヒータを構成
することができ、三相電源からヒータに電力を供給する
ことが可能となる。

【００４４】図４は、前述のようなヒータ１２に使用さ
れるヒータ部材３１の例を示すものである。図４（ａ）
は、図１及び図２により前述したヒータ部材３１であ
り、その断面形状は、上下両端を除いて全体に等しい。
この図４（ａ）のヒータ部材３１を標準的なものとする
と、図４（ｂ）〜（ｄ）は、ヒータ部材３１の下端をト
リミングし、その断面積を一部小さくしている。

【００４５】図４（ｂ）は、ヒータ部材３１の下端側の
両側をトリミングして切欠４３を設け、これによりヒー
タ部材３１の下端側の断面積を一部小さくしている。図
４（ｃ）は、ヒータ部材３１の下端側の両側に孔４４を
設け、これによりヒータ部材３１の下端側の断面積を一
部小さくしている。さらに、図４（ｄ）は、ヒータ部材
３１の下端側を厚さ方向にトリミングして削除部４５設
け、これによりヒータ部材３１の下端側の断面積を一部
小さくしている。何れの場合も、ヒータ部材３１の下端
側の断面積が一部小さくなることにより、単位面積当た
りの電流密度がその分だけ大きくなり、電気抵抗が増大
し、ヒータ部材３１の下端部の発熱量を増大させること
ができる。

【００４６】図５と図６は、アウターチューブ９の上面
に対向させた第二のヒータ１３を示している。これらの
図に示すように、第二のヒータ１３は、グラファイトか
らなるヒータ部材５１からなり、このヒータ部材５１
は、中央にセンターホール５２を有するドーナツ円板状
のものである。このヒータ部材５１は、そのセンターホ
ール５２の周囲の部分が厚く、外周部分にわたって次第
に薄くなるような勾配を有している。

【００４７】ヒータ部材５１の内周と外周から円周方向
に交互に放射状にスリット５３、５４が形成され、これ
によりヒータ部材５１は、その円周方向に向けて蛇行す
るように連続している。これにより、グラファイト製の
成形体であるヒータ部材５１を閉じたサークル状に接続
することができる。そして、ヒータ部材５１の外周部の
１２０゜ずつはなれた３点には、部分的に平面の電極取
付部５５が形成され、ここに棒状のグラファイトからな
る電極５６が立設されている。

【００４８】前記電極５６は、前述した第一のヒータ１
２の接続ブロック３２の通孔４６を非接触で貫通し、さ
らに断熱材１０及び蓋体２６から絶縁部材を介して真空
チューブ４の外部に気密に引き出し、電源に接続する。
前記の電極５６は、閉じたループ状に接続されたヒータ
部材５１の３カ所に等間隔で設けられているため、トラ
イアングル状の三相結線ヒータを構成することができ、
三相電源からヒータに電力を供給することが可能とな
る。

【００４９】このようなヒータ部材５１の形状では、ヒ
ータ部材５１の内周側に比べて外周側のスリット５３、
５４の間の幅が広くなる。その分だけヒータ部材５１の
内周側より外周側の厚さを薄くすることにより、ヒータ
部材５１の内周側と外周側との電流の流れと直交する断
面の面積を概ね均等に調整し、発熱量のばらつきを解消
することができる。

【００５０】このような構造を有する縦型加熱装置で
は、真空チューブ４内に充填されている窒素ガスやアル
ゴンガス等の不活性ガスを真空ポンプ１４で排気し、こ
の不活性ガスをガスリザーバ１５に圧縮状態で蓄えてお
き、真空空間３内を真空とする。この状態で第一と第二
のヒータ１２、１３でアウターチューブ９をその周囲か
ら加熱し、加熱物２８を加熱処理する。このとき、アウ
ターチューブ９の周囲が真空空間３を有する真空チュー
ブ４で囲まれているので、真空断熱層により高い断熱性
が得られる。これにより、第一と第二のヒータ１２、１
３によるアウターチューブ９の加熱を効率よく行うこと
ができ、アウターチューブ９内の昇温速度を速く、且つ
加熱物の円周方向の温度の均熱性を保って加熱すること
が可能となる。

【００５１】また、ヒータ１２、１３が真空となった真
空チューブ４内３に配置されているので、ヒータ１２、
１３の高温下での酸化によるヒータ１２、１３の早期の
断線等が起こりにくくなる。むしろ、酸化を考慮せずに
任意のヒータ１２、１３を選択することができ、前述の
ようなグラファイトからなるヒータ１２、１３を使用す
ることができる。

【００５２】さらに、加熱物２８の加熱処理が終わり、
ヒータ１２、１３の発熱を停止したとき、前記ガス導入
口１８から真空チューブ４内にガスを導入することによ
り、アウターチューブ９内をその周囲から強制冷却する
こともできる。これにより、加熱処理後のアウターチュ
ーブ９内の降温速度を早くすることができ、アウターチ
ューブ９内を短時間で常温に戻すことができる。

【００５３】すなわち、ガスリザーバ１５に蓄えた不活
性ガスを、クリーナ１８及びバルブ１９を経てガス導入
口７から真空チューブ４内に導入する。蓋体１６の外に
配置したガスリザーバ１５に蓄えた窒素ガスやアルゴン
ガス等の不活性ガスは、加熱されておらず、常温に保た
れるため、高温に加熱された真空チューブ４内に導入さ
れると、真空空間３内の温度を下げる冷却ガスとして利
用される。

【００５４】また、グラファイト製のヒータ１２、１３
が、外部に対して気密にシールされた真空チューブ４に
収納されているので、グラファイト製のヒータ１２、１
３から発生する塵埃等がアウターチューブ９側に及ば
ず、アウターチューブ９側を清浄に保つことができる。

【００５５】図８は、図１に示すような縦型加熱装置の
試験機を使用し、加熱試験を行った結果である。加熱経
過時間（分）を横軸に、加熱物２８である半導体ウエハ
の１００枚の１段目、７段目、２７段目、４７段目、６
７段目、８７段目の６枚の平均温度Ｔ（℃）を縦軸に示
した。

【００５６】真空チューブ４はＡｌ製とし、その外筒１
７ｂの高さは１２００ｍｍ、直径５００ｍｍとした。ア
ウターチューブ９はＳｉＣ製とし、その高さは９７０ｍ
ｍ、直径３０２ｍｍとした。第一のヒータ１２は、高さ
１００２ｍｍ、幅８５．２ｍｍ、スリット幅８ｍｍ、厚
さ５ｍｍのグラファイト製長尺板状の１２枚のヒータ部
材３１を、直径３６０ｍｍの円筒形配列とした。第二の
ヒータ１３は、グラファイト製とし、その外径３００ｍ
ｍ、内径６０ｍｍ、中央部厚さは２３ｍｍ、周辺部厚さ
は５ｍｍとした。

【００５７】加熱物２８としては、高さ８６０ｍｍ、直
径２６６ｍｍのＳｉＣ製のインナーチューブ８の中のボ
ート２７に、上下ピッチ６．３５ｍｍで８インチのシリ
コンウエハを１００枚装填した。

【００５８】真空空間３を１×１０^-4Ｐａに減圧した状
態で、前記第一のヒータ１２のみに電流３８０〜３９０
Ａ、電圧７５Ｖ、電力５０ｋＷの三相交流を流し、加熱
しながらボート２７の中央部と上部のシリコンウエハ６
枚ずつの温度を測定し、それらの平均を図７に示してい
る。図８から明らかな通り、加熱開始から約１０数分で
１００枚のウエハ全部が９００℃に達している。

【００５９】図９は、１段目のウエハを９００℃の温度
まで加熱した後、ヒータ１２、１３の発熱を停止し、そ
の後の温度降下の状況を示したグラフである。「両サイ
ド真空」は、真空チューブ４内を終始真空としたまま降
温試験を行った結果であり、他は１段目のウエハが約６
００℃の温度まで降温した時点でそれぞれ１０Ｔｏｒ
ｒ、１００Ｔｏｒｒ、７６０Ｔｏｒｒの圧力に常温のア
ルゴンガスを真空チューブ４内に導入して降温試験を行
った結果である。

【００６０】図９から明らかな通り、真空チューブ４内
を終始真空としたまま降温させたときに比べて、１段目
のウエハが約６００℃の温度まで降温した時点でアルゴ
ンガスを真空チューブ４内に導入して降温させたとき
は、１段目のウエハが常温になるまでに約３時間短縮さ
れる。

【００６１】図１０は、本発明による縦型加熱装置と従
来の縦型加熱装置との加熱サイクルを模式的に比較した
ものである。斜線で示した部分は、１加熱サイクルにお
いて消費する加熱電力を示す。

【００６２】図１０（ｂ）に示すように、従来の縦型加
熱装置では、アウターチューブを常温まで冷却せずに、
３００〜５００℃に保温した状態で、アウターチューブ
に半導体ウエハをチャージして内側を真空にして装置全
体を炉入する。この間に前記保温電力が必要となる。ま
たこのとき、アウターチューブ内の残留ガス（主成分
水）が、半導体ウエハの表面に酸化膜が発生する原因と
なる。

【００６３】半導体ウエハの導入の後、加熱を開始する
が、温度上昇速度が遅いために、処理温度に達するまで
時間がかかり、その間消費する電力も大きい。処理が終
わり、アウターチューブ内を冷却するときは、加熱炉の
外面を水冷するが、アウターチューブに対しては直接的
な強制冷却をしないため、その中の降温速度が遅く、半
導体ウエハの排出に至るまで時間がかかる。

【００６４】さらに、半導体ウエハの排出時において
も、導入時と同様に３００〜５００℃に保温した状態で
排出を行うため、その間に保温電力が必要となる。また
このとき、アウターチューブ内の反応性ガスはストップ
され、真空を保って、全体を炉出されるが、ボートの上
端側に配置された半導体ウエハは残留ガスに長い時間高
温に曝される結果、処理後の半導体ウエハの表面にさら
に酸化膜が発生しやすくなるうえ、残留ガスとの反応に
よって成膜される膜厚が上下のウエハにおいて差が生じ
る。

【００６５】前述の通り、アウターチューブ内の温度を
常温まで下げて半導体ウエハの導入や排出をするのが理
想であるが、従来の縦型加熱装置では、室温に下がるま
で非常に長い時間を要し、次の処理サイクルでの温度上
昇にもまた長い時間を要する欠点がある。そのため、保
温状態での半導体ウエハの導入や排出を余儀なくされ
る。また、１サイクルの加熱処理に要する全体の時間も
長くなり、消費電力も大きい。

【００６６】これに対し、本発明による縦型加熱装置で
は、図１０（ａ）に示すように、アウターチューブ９を
保温せず、常温まで冷却した状態で半導体ウエハのイン
ナーチューブへの導入を行うことができる。従って、こ
の間の保温電力は不要である。またこのとき、導入され
る半導体ウエハが空気や残留ガスが高温に曝されること
がなく、半導体ウエハの表面に酸化膜が発生したり、膜
厚に不均衡が生じない。

【００６７】半導体ウエハの導入の後、加熱を開始する
が、真空空間３の断熱作用と、グラファイトからなるヒ
ータ１２ではグラファイトの発熱時の温度が２０００℃
を越えても（実際は１０００〜１３００℃で済む）断線
の心配がなく、かつ略面発熱となるため加熱効率によ
り、温度上昇速度が速いために、処理温度に達するまで
短時間で済み、その間消費する電力も小さい。処理が終
わり、アウターチューブ内を冷却するときは、真空チュ
ーブ４の外面を水冷すると共に、真空空間３に冷却ガス
を導入し、アウターチューブを直接強制冷却するため、
その中の降温速度が速く、短時間で常温に戻すことがで
きる。

【００６８】さらに、半導体ウエハの排出時において
も、導入時と同様にアウターチューブ９を保温せずに排
出を行うため、保温電力が不要である。また、処理され
た半導体ウエハが空気や残留ガスで高温に曝されること
もなく、また炉出時のアウターチューブを真空に保つ必
要がない。処理後の半導体ウエハの表面に酸化膜や不均
一性が発生しない。

【００６９】図１１は、前述した縦型加熱装置の試験機
において、加熱時における第一のヒータ１２の中心軸上
の温度分布を測定した結果である。ここでは、加熱物で
ある半導体ウエハのボート上の装填ピッチを５．２ｍｍ
とし、温度測定位置をその半導体ウエハの位置（ボート
の段数）で表してある。１段目が最上位である。それぞ
れ第一のヒータ１２と第二のヒータ１３とに合計３ｋ
Ｗ、３．５ｋＷ、４．６ｋＷ、６ｋＷ、８．２ｋＷの電
力を供給して加熱し、半導体ウエハの温度が定常状態に
達した時点の温度測定結果を示している。

【００７０】図１１から明らかな通り、１０００℃を目
標に加熱した状態では、１段目から約１１０段目までの
半導体ウエハの温度が１０００．９±０．９℃に収まっ
た。すなわち、１段目から約１１０段目までの半導体ウ
エハの加熱温度のばらつきは±０．９℃であった。な
お、第一のヒータ１２としては、図４（ｄ）に示すよう
に、トリミングされたヒータ部材１３を使用した。

【００７１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による縦型加
熱装置では、アウターチューブ９の周囲に高い断熱性を
有する真空空間３を形成することにより、その真空空間
３に配置されたヒータ１２、１３でアウターチューブ９
を効率よく加熱することができる。これにより、アウタ
ーチューブ９内の昇温速度を速くすることが可能とな
る。また、加熱時のヒータ１２、１３は真空空間３にあ
るため、ヒータ１２、１３の酸化等が起こらず、その寿
命を延ばすことができる。しかも、グラファイトヒータ
等、任意のヒータ１２、１３を選択することができる。

【００７２】さらに、冷却時に真空空間３にガスを導入
して、アウターチューブ９を直接その周囲から強制冷却
することができる。これにより、加熱処理後のアウター
チューブ９内の降温速度を早くすることができ、アウタ
ーチューブ９内を短時間で常温に戻すことができる。そ
のため、加熱物が高温で空気に曝されることがなくな
る。

【００７３】これらの理由から、本発明によれば、加熱
処理サイクルが短く、短時間処理が可能であり、省エネ
ルギー型で、高品質な処理が可能で、しかもヒータの寿
命の長い縦型加熱装置が得られる。

【００７４】しかも、ヒータ１２、１３が、外部に対し
て気密にシールされた真空チューブ４内の真空空間３内
に収納されているので、グラファイト製のヒータ１２、
１３を使用した場合でも、それらのヒータ１２、１３か
ら発生する塵埃等がアウターチューブ９側に及ばず、ア
ウターチューブ９側を清浄に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による縦型加熱装置の例を示す概略縦断
側面図である。

【図２】同縦型加熱装置に使用される円筒形ヒータの一
例を示す斜視図である。

【図３】同円筒形ヒータの一部の構成部材を示す分解斜
視図である。

【図４】同円筒形ヒータに使用される板状のヒータ部材
の各例を示す斜視図である。

【図５】同縦型加熱装置に使用される円板形ヒータの一
例を示す平面図である。

【図６】図５のＡ−Ａ線縦断側面図である。

【図７】前記縦型加熱装置に使用される真空チューブの
例を示す半縦断斜視図である。

【図８】本発明による縦型加熱装置の例により加熱試験
を行った結果として加熱時間と加熱温度との関係を示す
グラフである。

【図９】本発明による縦型加熱装置の例により降温試験
を行った結果として冷却時間と温度下降時間との関係を
示すグラフである。

【図１０】本発明による縦型加熱装置と従来の加熱装置
の加熱サイクルを模式的に比較したチャートである。

【図１１】本発明による縦型加熱装置の例により加熱試
験を行った結果として半導体ウエハの装填位置と温度分
布との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

３ 真空空間 ４ 真空チューブ ６ ガス排出口 ７ ガス導入口 ８ インナーチューブ ９ アウターチューブ １２ 第一のヒータ １３ 第二のヒータ ３１ 第一のヒータのヒータ部材 ３６ 第一のヒータの電極 ５１ 第二のヒータのヒータ部材 ５３ ヒータ部材のスリット ５４ ヒータ部材のスリット ５６ 第二のヒータの電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−283160（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−234119（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−166195（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−89790（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−137416（ＪＰ，Ａ) 特許3088419（ＪＰ，Ｂ２) 特許3100376（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭49−37062（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭46−15576（ＪＰ，Ｙ１) 実公 昭38−2078（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/22 H01L 21/31

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱処理される加熱物が収納される空間
   を周囲から囲むように立設された円筒形の化学的、熱的
   に安定した材料からなるインナーチューブ（８）と、こ
   のインナーチューブ（８）を囲むように立設され、内部
   を気密空間に保持する化学的、熱的に安定した材料から
   なるアウターチューブ（９）と、これらアウターチュー
   ブ（９）とインナーチューブ（８）の内部を加熱するヒ
   ータ（１２）、（１３）とを有する縦型加熱装置におい
   て、アウターチューブ（９）の周囲を囲むように配置さ
   れると共にアウターチューブ（９）側を外気に対して気
   密にシールする二重壁の真空チューブ（４）を有し、こ
   の真空チューブ（４）の内部に外部に対して気密にシー
   ルされ、且つ減圧可能な真空空間（３）が形成され、こ
   の真空空間（３）内にアウターチューブ（９）の周囲を
   円筒状に囲んで配置した第一のヒータ（１２）と、アウ
   ターチューブ（９）の上面に対向して配置した第二のヒ
   ータ（１３）とが収納され、このうちアウターチューブ
   （９）の外周面を囲む第一のヒータ（１２）は、長尺板
   状のＵ字形に連なったヒータ部材（３１）が上から吊り
   下げられた状態で円周方向に並べて複数本配置され、且
   つ閉じたサークル状に順次直列に接続されていることを
   特徴とする縦型加熱装置。
2. 【請求項２】 前記真空チューブ（４）内の真空空間
   （３）からガスを排出するガス排出口（６）とガスを導
   入するガス導入口（７）とを有することを特徴とする請
   求項１に記載の縦型加熱装置。
3. 【請求項３】 前記ヒータ（１２）、（１３）はグラフ
   ァイトからなることを特徴とする請求項１または２に記
   載の縦型加熱装置。
4. 【請求項４】 前記アウターチューブ（９）の外周面を
   囲む第一のヒータ（１２）は、互いに離れた３つの位置
   に設けた電極（３６）により、三相結線されていること
   を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の縦型加熱装
   置。
5. 【請求項５】 前記第一のヒータ部材（３１）は、その
   一部をトリミングして部分的な電気抵抗が調整されてい
   ることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の縦型
   加熱装置。
6. 【請求項６】 前記アウターチューブ（９）の上面に対
   向するよう配置した第二のヒータ（１３）は、円板形の
   ヒータ部材（５１）の内周と外周から円周方向に交互に
   放射状にスリット（５３）、（５４）を入れてリング状
   に連続していることを特徴とする請求項１〜５の何れか
   に記載の縦型加熱装置。
7. 【請求項７】 前記アウターチューブ（９）の上面に対
   向するよう配置した第二のヒータ（１３）は、互いに離
   れた３つの位置に設けた電極（５６）により、三相結線
   されていることを特徴とする請求項６に記載の縦型加熱
   装置。
8. 【請求項８】 アウターチューブ（９）の上面に対向す
   るよう配置した第二のヒータ（１３）は、内周から外周
   に向かってその断面を薄くすることによって電気抵抗が
   均一化されていることを特徴とする請求項６または７に
   記載の縦型加熱装置。