JP3330570B2 - 模擬測温板及び縦型加熱炉用温度測定装置 - Google Patents
模擬測温板及び縦型加熱炉用温度測定装置Info
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Description
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
とした縦型加炉において、加熱物である半導体ウエハの
表面上及び積層方向の温度やその分布を測定するための
測温板とそれを使用した縦型加熱炉用温度測定装置に関
する。
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。
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、
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。
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、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ヒータを配線した縦型加
熱炉が構成されている。
れる半導体ウエハの表面の面方向或いは上下の配列方向
の温度分布を多元的且つ多面的に測定する手段は無かっ
た。従来では熱電対等の測温素子を炉内の適当箇所に配
置し、これにより炉内全体の温度を把握し、制御してい
た。
のような従来の縦型加熱炉用の温度測定手段では、縦型
加熱炉の構造上或いはヒータの配置上の問題に起因して
発生する半導体ウエハの平面上或いは上下の半導体ウエ
ハ配列方向の温度のばらつき等を多元的或いは多面的に
把握することができず、縦型加熱炉の過熱温度の正確性
や均一性等の評価を正確に行うことができなかった。
電対等の測温素子を使用することが考えられる。しか
し、半導体ウエハを500℃以上の温度に加熱する条件
の下では、半導体ウエハが熱電対を構成するアルメルや
クロメル或いはそれらのシースを形成するステンレスと
化学反応してしまうという不都合がある。また、この問
題に対処するため、白金系の熱電対を使用すると、多数
本の熱電対を使用する場合に、コストが高くなり、実用
的ではない。
は、加熱炉で半導体ウエハを急加熱、急冷しなければな
らない。このため、半導体ウエハの熱衝撃が大きく、半
導体ウエハを繰り返し温度測定に供すると、半導体ウエ
ハの寿命が短く、この点でも実用性に乏しくなる。
温度測定における課題に鑑み、その第一の目的は、半導
体ウエハに代わって加熱炉に装填して模擬的に温度測定
が可能な測温板を提供することを目的とする。さらに、
本発明の第二の目的は、加熱物の面方向或いは上下の加
熱物の加熱温度の分布、ばらつき等を簡便かつ正確に測
定することができ、それにより加熱物の面方向或いは上
下の配列方向の加熱物の加熱温度の正確性や均一性を多
元的或いは多面的に正しく把握することができる縦型加
熱炉用温度測定装置を提供することを目的とする。
を達成するため、高温下で熱電対32を構成する材料と
化学反応しない材質からなる加熱板測温板14に熱電対
32を取り付け、さらにその測温板14に加工した穴3
4、38、39または溝37で測温板14の熱特性を加
熱物28と近似させるようにした。そして、加熱炉内で
ボート27に上下に並べて配置された板状の加熱物28
に代えて前記の測温板14を装填し、加熱物28の代わ
りに測温板14の温度を測定するようにした。
状の加熱物28に代えて加熱炉内に装填され、加熱物2
8の温度を模擬的に測定するもであり、高温下で熱電対
32とは化学反応しない測温板14と、この測温板14
に設けた穴31または溝35により測温板14の内部に
取り付けられ、且つ測温点36を測温板14の内部に埋
設した熱電対32と、測温板14の放射方向の熱伝導率
を加熱物28と近似させるため測温板14に設けた穴3
4、38、39または溝37を有する。
発明による縦型加熱炉用温度測定装置は、板状の加熱物
28を上下に並べて配置する縦型のボート27と、この
ボート27に上下に並べて配置された加熱物28の周囲
に配置され、これら加熱物28をその周囲から加熱する
ヒータ12、13とを有する縦型加熱炉において、前記
ボート27に上下に並べて配置された加熱物28に代え
て同ボート27に装填された前記の測温板14と、この
測温板14の表面温度を測定する熱電対32とを設けた
ものである。前記測温板14は、加熱物28と同じ材質
の同じ形状の板体かまたは物性が近似する材料からなる
同じ形状の板体である。
は、加熱物28に代えてボート27に測温板14を装填
することで、ボート27上の任意の段の温度を測定する
ことができる。特に、ボート27の異なる複数の段にそ
れぞれ測温板14を装填することで、ボート27に配列
られる加熱物27の上下の配列方向の温度分布を測定す
ることができる。また、加熱物28に代えてボート27
に装填される板状の測温板14の温度を複数箇所で測定
することで、加熱物28を模擬してその面方向の温度分
布を容易に測定することができる。
は、高温下で熱電対32とは化学反応しない材質のもの
からなるため、高温に加熱した状態での模擬的温度作成
に使用することができる。しかも、測温板14は、それ
に加工した穴34、38、39または溝37により、測
温板14の放射方向の熱流量や熱容量を加熱物28と近
似させられているため、加熱物28の加熱温度を忠実に
再現することができる。なお、前記測温板14とほぼ同
等の材質からなり、前記加熱物28より径の大きなガイ
ド板29をボート27に装填し、これによって熱電対3
2をガイドし、熱電対32の引出線が加熱物28との接
触を避けるようにするとよい。
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
まず、縦型加熱炉とこの縦型加熱炉に使用する本発明に
よる温度測定装置の構成について説明する。図1は、縦
型加熱炉とこの縦型加熱炉に使用する本発明による温度
測定装置の全体を示している。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。
化珪素等からなり、半導体ウエハである加熱物28を縦
に百数十段装填できるラック状のものである。下段が盤
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。
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
は多数の通穴が開設され、インナーチューブ8の上端は
開口している。
状の耐熱部材からなる継手2に気密に接合されており、
この継手2には、円筒形の真空容器4の下部周壁5の下
端部が気密に接合されている。すなわち、真空容器4の
下部周壁5の下端部が前記継手2を介して気密に取り付
けた前記ベース板1によって閉じられている。
を有し、これら円筒形の下部周壁5と上部周壁6とがフ
ランジ継手7を介して気密に接合され、全体として円筒
形の周壁が構成されている。さらに、真空容器4は、円
板状の蓋体16を有し、この蓋体16が前記上部周壁6
の上端を気密に閉じる。下部周壁5と上部周壁6、その
下端を閉じるベース板1及び上端を閉じる蓋体16によ
り、真空容器4は気密な圧力容器として構成されてい
る。
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、真空容器4が冷却されるようになっ
ている。真空容器4の下部周壁5には、真空バルブ22
を介して真空ポンプ21が接続されている。また、真空
容器4の蓋体16には、ガス導入口18が接続され、こ
のガス導入口18はマスフローコントローラ19を介し
てガス供給源(図示せず)に接続されている。
の下部周壁5、上部周壁6及び蓋体16の内側にグラフ
ァイト等の断熱材10が挿入されている。この断熱材1
0は、真空容器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。
り出したフランジを有し、このフランジと前記継手2の
内側に張り出したフランジとの間に、アウターチューブ
9の下端部から外側に張り出したフランジが気密に挟持
され、これによってアウターチューブ9が真空容器4の
内部に立設されている。また、ベース板1と継手2は水
路(図示せず)を有し、その流水によって冷却される。
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。
を呈し、その下端部のフランジは、真空容器4の下部周
壁5と継手2との間に気密に挟持されているため、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。
の内側には、前記のアウターチューブ9を囲んでヒータ
12、13が配置されている。アウターチューブ9の周
囲には、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容器4の外に取
り出し、電源に接続する。
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
態で真空容器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。
内部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し、加熱物28を加
熱処理する。ここで、このような縦型加熱炉において加
熱される加熱物28の加熱温度を測定するための加熱温
度測定装置を構成する。
導体ウエハ等の円板状の加熱物28に代えて、円板状の
測温板14を装填する。図4は、前記の加熱温度測定装
置において、加熱物28に代えてボート27に装填され
る測温板14の例を示す。この測温板14は、熱電対を
構成するアルメルやクロメル等の金属、さらにはそのシ
ースであるステンレスと高温下で化学反応しない材質に
より、同加熱物に近い形状に作られたものである。例え
ば、グラファイト、炭化ケイ素、窒化ケイ素等を使用す
ることができ、特に加工性のよいグラファイトが好適で
ある。
小穴31を穿穴し、この小穴31にシース型の熱電対3
2を挿入し、その測温点36を小穴31の底に埋設して
いる。図4の例では、測温板14に60゜間隔で放射状
に小穴31を設け、各小穴31に熱電対32を挿入して
いる。小穴31の深さはそれぞれ異なっており、熱電対
32の測温点36は、測温板14の中心から径方向に異
なる位置に埋設されている。
=0.3〜0.7mmであるのに対し、グラファイトは
脆いので、厚さがt=2〜3mmのものを使用し、φ1
mm程度の小穴31を穿穴する。さらに図4の例では、
測温板14に複数の穴34を穿穴し、これにより測温板
14の容積を減少させ、シリコンウエハである加熱物2
8より厚さが大きい分だけ熱容量が大きくなるのを調整
し、比熱×重量=比熱×(密度×容積)で表される熱容
量を調整している。この穴34は、小穴31が通過する
位置を避けて穿穴してある。
り厚さが大きい分だけ放射方向の断面積が大きくなるの
を調整し、放射方向の熱流量を近似させる。例えば、あ
る円板の厚さをtとし、中心から半径rの位置の放射方
向の温度勾配をΔθとすると、その半径rの位置の放射
方向の全熱流量Qは、熱伝導率K、温度勾配Δθ及びそ
の半径rの位置の断面積に比例し、Q=−KΔθ(2π
rt)となる。熱伝導率Kや厚さをが異なる加熱物28
と測温板14において、この放射方向の全熱流量Qを近
似させるために、前記の穴34により、測温板14を一
部減肉する。その穴34による半径rの位置の断面積減
少分をAとすると、Q=−KΔθ(2πrt−A)と
し、放射方向の全熱流量Qを調整する。
合、カーボン微粒子の飛散を避けるため、測温板14の
表面に炭化ケイ素等のコーティングを施すことが好まし
い。図5では、測温板14に熱電対32を取り付けるた
めの小穴31に代えて、測温板14の表面上にその外周
側から中心に向けて放射状に溝35を設け、その中に熱
電対32を埋め込んだものである。溝35の長さはそれ
ぞれ異なっており、熱電対32の測温点32は、測温板
14の中心から径方向に異なる位置に埋設されている。
その他の点は、前記図4により説明した例と同様であ
る。
した測温板14において、穴34は、小穴31が通過す
る位置を避けて穿穴せずに、穴34を小穴31が通過す
る位置に穿穴している。その他の構成は、図4に示した
例と同じである。図7に示した測温板14は、前記図5
に示した測温板14において、穴34に代えて、測温板
14の表面上に、その中心回りの同心円上に複数の溝3
7を形成している。その他の構成は、図5に示した例と
同じである。
す円形の穴34に代えて、測温板14の中心に回りに等
角度間隔でコ字形の穴38を設けている。この穴38に
よる形成されるコ字形は、測温板14の外周側に開いて
いる。測温板14の外周から中心に向けて穿穴した小穴
31は前記コ字形の穴38に達しない深さまで設けら
れ、その底部の測温点36を設けている。従って、その
測温点36は、前記コ字形の穴38より外周側にある。
この測温板14の例は、測温板14の中心から熱電対3
2の測温点36に向けて放射状に流れる熱流を大幅に制
限するのに好適である。なお、このコ字形の穴38は、
測温板14の両面に貫通しない溝に代えることもでき
る。
す円形の穴34に代えて、測温板14に四角形の穴39
を設けている。また、この四角形の穴39は、放射状で
はなく、縦横に配列してある。その他の点は、基本的に
図8に示す測温板と同様である。このように、測温板1
4における放射方向の熱流を調整するために設ける穴や
溝の形状や配置は、必要に応じて適宜のものを使用する
ことができる。
込んだ測温板14は、図1に示すようにして、ボート2
7に装填される半導体ウエハ等の加熱物28に代えてボ
ート27に装填する。例えば、温度測定をしようとする
段の加熱物28に代えて測温板14を装填する。測温板
14の表面に測温点を埋め込んだ熱電対32は、温度測
定器3に接続し、温度を測定する。
4の間に、同測温板14とほぼ同等の材質からなり、前
記加熱物28より径の大きなガイド板29を装填する。
これによって熱電対32の引出線を加熱物より外側にガ
イドし、熱電対32の引出線が加熱物28との接触を避
けるこのガイド板29が測温板14と同様のグラファイ
トである場合、カーボン微粒子の飛散を避けるため、こ
のガイド板29の表面にも炭化ケイ素等のコーティング
を施すことが好ましい。
測温板14の表面に埋め込まれた複数の測温点により、
加熱時における測温板14の表面の面方向の温度分布を
測定することが出来る。また、加熱物28に代えてボー
ト27の異なる段に装填された測温板14に設けられた
測温点において、ボート27の縦方向、つまり段方向の
温度分布を測定するころができる。
試験機を使用し、加熱試験を行うに当たり、測温板14
を装填した段と、各段に装填された各測温板14へ埋め
込んだ測温点の位置を番号で示してある。インナーチュ
ーブ8は、高さ860mm、直径266mmのSiC製
であり、その中に上下ピッチ5.2mmの152段のボ
ート27を挿入した。加熱物28としては、8インチの
シリコンウエハを100枚装填した。ボート27の支柱
は4本である。
ウエハに代えて、前記ボートの1段目、10段目、35
段目、60段目、85段目、110段目、135段目、
152段目に装填した。各測温板14が支持されるボー
ト27の柱の部分を「●」マークで示し、熱電対の測温
点の埋め込み位置を番号で示した。
04mm、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970mm、直径302m
m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枚のヒータ部材を、直径360
mm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300mm、内径60mm、中
央部厚さは23mm、周辺部厚さは5mmとした。
置において、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、前記ボ
ート27の1段目、10段目、35段目、60段目、8
5段目、110段目、135段目及び152段目に装填
した測温板14で温度を測定した他、参考データとして
ボート27の160段目及び165段目相当位置の温度
を測定している。それぞれ第一のヒータ12と第二のヒ
ータ13とに合計3kW、3.5kW、4.6kW、6
kW、8.2kWの電力を供給して加熱し、加熱物28
である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。
に8.2kWの電力を供給して加熱した状態では、1段
目から約85段目までの半導体ウエハの温度が100
0.9±0.9℃に収まったことが分かった。すなわ
ち、1段目から約85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。3kW、3.5k
W、4.6kW、6kWの電力を供給して加熱したとき
も、定常状態の温度は異なるが、温度ばらつきは概ね同
様の傾向が見られる。
して加熱した時に、各測温板14の測温点で測定された
温度を示す。表1がボート27の1段目、10段目、3
5段目及び60段目に装填した測温板14の測温点で測
定された温度を示している。また、表2がボート27の
85段目、110段目、135段目及び152段目に装
填した測温板14の測温点で測定された温度を示してい
る。ここでは、各測温板14における面方向の温度の平
均値とそのばらつきを把握することができる。
温板では、半導体ウエハに代わって加熱炉に装填して模
擬的に温度測定が可能となる。さらに、この模擬測温板
を使用した本発明による縦型加熱炉用温度測定装置で
は、縦型加熱炉における加熱物28の面方向或いは上下
の配列方向の加熱物28の加熱温度の分布、ばらつき等
を多元的或いは多面的に簡単に測定することができる。
これにより、加熱物28の面方向或いは上下の配列方向
の加熱物の加熱温度の正確性や均一性を多元的或いは多
面的に正しく把握することができる。よって、縦型拡散
炉における半導体ウエハ等の熱CVDにおいて、炉内全
体の適切且つ正確な温度管理が可能となる。
を使用した縦型加熱炉の例を示す概略縦断側面図であ
る。
配置例とその測温点の埋め込み位置の例を示す説明図で
ある。
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。
明による模擬測温板の例を示す平面図である。
明による模擬測温板の他の例を示す平面図である。
明による模擬測温板の他の例を示す平面図である。
明による模擬測温板の他の例を示す平面図である。
明による模擬測温板の他の例を示す平面図である。
明による模擬測温板の他の例を示す平面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 板状の加熱物(28)に代えて加熱炉内
に装填され、加熱物(28)の温度を模擬的に測定する
模擬測温板であって、高温下で熱電対(32)とは化学
反応しない測温板(14)と、この測温板(14)に設
けた穴(31)または溝(35)により測温板(14)
の内部に取り付けられ、且つ測温点(36)を測温板
(14)の内部に埋設した熱電対(32)と、測温板
(14)の放射方向の熱流量を加熱物(28)と近似さ
せるため測温板(14)に設けた穴(34)、(3
8)、(39)または溝(37)を有することを特徴と
する模擬測温板。 - 【請求項2】 板状の加熱物(28)を上下に並べて配
置する縦型のボート(27)と、このボート(27)に
上下に並べて配置された加熱物(28)の周囲に配置さ
れ、これら加熱物(28)をその周囲から加熱するヒー
タ(12)、(13)とを有する縦型加熱炉において前
記加熱物(28)の温度を測定する縦型加熱炉用温度測
定装置において、前記ボート(27)に上下に並べて配
置された加熱物(28)に代えて請求項1に記載の模擬
測温板を同ボート(27)に装填し、前記熱電対(3
2)は前記測温板(14)の表面温度を測定することを
特徴とする縦型加熱炉用温度測定装置。 - 【請求項3】 前記測温板(14)は、加熱物(28)
と同じ材質の同じ形状の板体かまたは物性が近似する材
料からなる同じ形状の板体であることを特徴とする請求
項2に記載の縦型加熱炉用温度測定装置。 - 【請求項4】 熱電対(32)に引出線が加熱物(2
8)との接触を避けるため、前記測温板(14)とほぼ
同等の材質からなり、前記加熱物(28)より径の大き
なガイド板(29)をボート(27)に装填したことを
特徴とする請求項2または3に記載の縦型加熱炉用温度
測定装置。
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