JP4141441B2 - 急速熱処理装置の加熱モジュール - Google Patents

Description

本発明は、急速熱処理用装置の加熱モジュールに関し、特に、ランプなどのための冷却手段が備えられた急速熱処理装置の加熱モジュールに関する。

ウエハの熱処理用装置の代表例として、急速熱処理用装置（ＲＴＰ）がある。急速熱処理用装置は、急速熱アニール、急速熱洗浄、急速熱化学蒸着、急速熱酸化、急速熱窒化処理を遂行するために使用される。

急速熱処理装置の場合には、ウエハ温度が、非常に短期間に広い範囲で上昇及び下降されるので、正確な温度制御がどうしても必要となる。この正確な温度制御のために、まず第１に、急速熱処理装置の加熱モジュールをウエハに熱を均等に供給するように設計されているかどうかどうしても検討する必要がある。急速熱処理装置は熱源としてはハロゲンランプを使用する。前記ハロゲンランプは様々な形状と電源を有している。ハロゲンランプの形状によって、加熱モジュールに用意されている加熱炉は形状が様々に変えられる。加熱炉は、タングステンハロゲンランプを固定する役目をし、熱源の効率的な使用を可能とする。このために、加熱炉は各ランプの側面または後面に反射板を設置するために使用される。これらの反射板の形状によって、温度の分布が大きく変わる。

図１Ａ乃至図１Ｃは、従来技術による急速熱処理装置用加熱モジュールの異なる実施形態を各々説明する概略図である。

従来技術による加熱モジュールの第１実施形態を描いた図１Ａを参照すると、加熱モジュールは、複数の反射板１３を有する加熱炉１１および複数の電球タイプのタングステンハロゲンランプ１２よりなる。ハロゲンランプ１２は間隔を保ちながらいくつかの異なる直径の同心円を形成するような方法で、加熱炉１１の内側に設置されている。各反射板１３は、１つの同心円を隣接する別の同心円から分離するように配置される。すなわち、同心円の円周に沿って配列されたランプ１２から放射された光はすべて、一体化した一枚の反射板１３によって反射される。このため、この場合、同じ円周上に位置するランプ１２の温度が一体的に制御されるので、より正確な温度の制御は不可能である。

従来技術による加熱モジュールの第２実施形態を描いた図１Ｂを参照すると、加熱モジュールは、図１Ａに示されている第１実施形態と同じ方法で、いくつかの異なる直径の同心円を形成するように、いくつかの異なる直径の同心円を形成するように加熱炉２１の内側に設置されている電球タイプのランプ２２からなる。この第２の実施形態は、加熱炉２１が、電球タイプのランプ２２と同じ管状形状を各々有する反射板２３を有する点と、ランプ２２が、一対一の方法で各反射板２３に対応する方法で加熱炉２１の内側に設置され、各々がそれによって特定領域にのみ熱を加えるように構成されている点で、第１実施形態と異なっている。上述のように構成された加熱モジュールは、各ランプ２２の放射角が非常に小さく、その結果熱効率が悪いという不都合をがある。このため、第２実施形態の加熱モジュールは、図１Ａに示された加熱モジュールと比較した時により多くのランプを必要とする。この結果、温度制御装置の複雑さが増加し、システムの製作コストも増加することになる。

従来技術による加熱モジュールの第３実施形態を描いた図１Ｃを参照すると、加熱モジュールは、一枚の反射板３３だけを有する加熱炉３１および複数の細長い棒型のランプ３２からなる。細長い棒型ランプ３２は、ランプ３２の熱効率を向上させるために、ウエハと平行にウエハ上に設置されるような方法で、加熱炉の３１の内側に設置されている。反射板３３は、全てのランプ３２から放射される全ての光を反射するように構成されている。この場合、しかしながら、各ランプ３２から放射される光線の放射角が相互に干渉・重複するので、特定領域の温度の正確な制御を達成するのが不可能であった。

発明の詳細な説明

したがって、本発明は上記問題点を考慮してなされ、本発明の目的は、正確な温度制御、その熱効率の向上を可能とし、そして結果的に使用の容易さを実現する急速熱処理用装置の加熱モジュールを提供することである。

本発明によって、上記および他の目的は、急速熱処理用装置の加熱モジュールの提供によって達成され、該急速熱処理用装置の加熱モジュールは、その片側に複数の反射体を、そして反射体の内側と加熱炉の一方の外側とを連通させる複数の第１のガス流路を含む加熱炉；各反射体に設置されたランプ；加熱炉の一方の外側に設置され、各々、加熱炉に形成された各第１のガス流路と連通するように、そこを貫通して孔をあけられた複数の第１の冷却ガス流入穴を有する冷却ガス流入装置；反射体の端部と反射体の端部と向かい合その表面との間に第２のガス流路を規定するように、反射体の端部から間隔を空けながら反射体の下部に設置される石英窓；加熱炉に石英窓を固定させるための石英窓固定装置；および第２のガス流路と連通する冷却ガス排出装置からなる。

本発明の上述および他の目的、特徴、利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明により、よりはっきりと理解できるであろう

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の好ましい実施形態による急速熱処理装置用加熱モジュールの全体構造を示す図であり、図２Ｃ乃至図２Ｇは、図２Ａ及び図２Ｂに示す加熱モジュールの各構成要素を示す図である。より詳しくは、図２Ａは、加熱炉上面の形状を主に示す概略図であり、図２Ｂは、冷却ガス流入装置上面の形状を主に示す概略図であり、図２Ｃは、図２Ａにおいて示されたＤ−Ｄ’線に沿った断面図であり、図２Ｄは、図２Ａにおいて示されたＥ−Ｅ’線に沿った断面図であり、図２Ｅは、図２Ａにおいて示されたＦ−Ｆ’線に沿った断面図である。図２Ｆは、図２Ａにおいて示されたＧ−Ｇ’線に沿った断面図である。各図面において矢印は、冷却ガスの流れを示す。

図２Ａ乃至図２Ｇを参照すると、本発明による急速熱処理装置用加熱モジュールは、加熱炉１００、複数のランプ２００、冷却ガス流入装置３００、石英窓４００、石英窓固定装置５００、及び冷却ガス排出装置６００からなる。

加熱炉１００は、その下側に複数の反射体１１０が刻まれており、複数の第１ガス流路１２０が形成されている。これらのガス流路１２０は、反射体１１０の内側と加熱炉１００の上部外側が連通する役目をする。各反射体１１０は、その内側に一対一の方法でランプ２００が各々設置されている。この場合、反射体１１０とランプ２００は第１ガス流路１２０を介して流入する冷却ガスによって冷却されるように構成されている。必要であれば、反射体１１０は、各々そこに反射板を備えられてもよく、その内側面が反射材料でコーティングされてもよい。

反射体１１０は、第１の反射体部Ｉ、第２の反射体部ＩＩおよび第３の反射体部ＩＩＩを形成するように配置されている。第１の反射体部Ｉにおいて、各反射体１１０は、棒型のランプ２００がそれぞれ縦方向に設置されるように、横方向に互いに並行に形成されている。第２の反射体部ＩＩは、縦方向に第１の反射体部Ｉと反対側に位置している。第３の反射体部ＩＩＩは、第１の反射体部Ｉと第２の反射体部ＩＩの間に位置する。第３の反射体部ＩＩＩにおいて、各反射体１１０は、各棒型ランプ２００が横方向に設置されるように、縦方向に互いに並行に形成されている。ここで、縦方向及び横方向は、特定方向を示すのではなく、お互いに対しての比較方向の直交する関係を示すものである。すなわち、第１及び第２の反射体部Ｉ，ＩＩに設置された棒型ランプ２００から伸びる仮想線は、第３の反射体部ＩＩＩに設置された棒型ランプ２００から伸びる仮想線と直交する。

第１及び第２の反射体部Ｉ，ＩＩは、加熱モジュールの大きさにしたがって横方向への長さが変えられる。あるいは加熱モジュールは、互いに向かい合った加熱モジュールの左および右側に位置している少なくとも２つの第３の反射体部ＩＩＩを備えてもよい。この場合、２つの第３の反射体部ＩＩＩの間に、第４の反射体部ＩＶが設置されることが好ましい。第４の反射体部ＩＶは、Ｕ字型ランプが設置されている。すなわち、加熱炉１００の縁に沿って位置する第１乃至第３の反射体部Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩは、ランプの熱効率を向上させるために棒型ランプが設置され、一方、第４の反射体部ＩＶは、その設置の便利性のためにＵ字型ランプが設置される。したがって、Ｕ字型ランプと結合する電極を設置するために、加熱炉１００は、好ましくは縦に貫通する穴１４０が形成されている。

上述のように、ランプが格子形状に配置されている、つまり、いくつかのランプは縦方向に配列され、残りのランプは横方向に配列されているので、比較的広い領域にわたって均一な温度分布を達成することができる。また、Ｕ型ランプは、棒型ランプを設置するのが難しい特定の領域に、設置されるので、その使用が容易となる。

反射体１１０のそれぞれは、反射体１１０に設置されたランプ２００の上部を取り囲むように形状が決められているドーム型の上部１１１と、ドーム型の上部１１１の下端から下方に広がるように傾斜された側壁１１２とからなる。反射体１１０は、そこに設置された一つの棒型ランプまたはＵ字型ランプから放射される光を反射するように、一方向に伸びた細長い形状をしている。各反射体１１０は、その両側に位置する隣の反射体と隣接した側壁を共有する。ようするに、各反射体１１０は、ドーム型の上部１１１から下方に広がるように形状が決められ、その間に位置する結合された側壁１１２を共有しながら、隣の反射体１１０と連続して連結されている。このように、各反射体１１０は、各ランプ２００がそこに一対一の方法で設置されるように独立した構造を採用しており、それぞれオン状態のランプとオフ状態のランプの間には干渉がなく、その結果ランプ正確な制御ができるようになる。さらに、各反射体が、ランプから放射され光線を効率よく反射できる構造であるので、ランプの熱効率は向上する。

各反射体１１０の側壁１１２は、横方向に貫通する細長い穴１１３が形成される。横方向に貫通する細長い穴１１３は、加熱炉１００の第１のガス流路１２０を通って入ってくる冷却ガスの円滑な流れと排出の働きをする。

加熱炉１００の内部にはさらに、冷却水用の水路１３０がさらに形成される。冷却水は、反射体１１０とランプ２００を冷却するのに使用される。冷却水が各反射体の全ての部分を効果的に冷却し、円滑な流れを確保できるようにするために、各水路１３０は、各反射体１１０のドーム型の上部１１１と近接する所定領域が曲線部１３１を形成するようなつくりで構成され、反射体１１０の側壁１１２と隣接するもう１つの所定領域は、曲線部１３１の下端から下方に狭くなっていく傾斜部１３２，１３３を形成とすることが好ましい。

冷却ガス流入装置３００は、複数の第１の冷却ガス流入穴３１０が形成されている。第１の冷却ガス流入穴３１０は、第１のガス流路１２０と連通するように、各々加熱炉１００の上部外側に位置する。各第１のガス流路１２０と第１の冷却ガス流入穴３１０との間の連結領域が傾斜面を有するように形成されていると、開口率が増加し、それによって第１のガス流路１２０への円滑なガス注入が達成され、注入された冷却ガスにおける拡散効果を生じる。一方、上述のようなＵ字型ランプの容易な設置のために、冷却ガス流入装置３００は、加熱炉１００に形成された縦の貫通穴１４０の真上に開口３３０が形成されるのが好ましい。

この場合、各反射体１１０が各第１の冷却ガス流入穴３１０と一対一の方法で対応する状態で、冷却ガスの反射体１１０への円滑な流入を確保するために、複数の第１のガス流路１２０が、各反射体１１０の内側の１つを第１の冷却ガス流入穴３１０と接続するために備えられることが好ましい。各第１の冷却ガス流入穴３１０は、冷却ガスがそれに沿って流入し拡散されるように二つ、三つ或いはそれ以上の傾斜面を有するように形成される。そのような形状において、穴３１０の冷却ガス排出端部３１２の内側断面積が、その流入端部３１１の内側断面積より大きいので、それによって、第１の冷却ガス流入穴３１０の内部空間が所定の圧力室として機能するようにする。さらに、第１の冷却ガス流入穴３１０が不均一な圧力分布にも対応できるようにするために、第１の冷却ガス流入穴３１０の流入端部３１１と隣接する所定領域３１３は、ドーム形状を有するように形成されるのが好ましい。

石英窓４００は、その間に隙間４１０を定義するように、反射体１１０の下端から所定間隔離れながら反射体１１０の下部に設置される。流入した冷却ガスが隙間から排出されるので、隙間４１０を以下では第２のガス流路４１０と呼ばれる。

石英窓固定装置５００は、加熱炉１００に石英窓４００を固定させる働きをする。

冷却ガス排出装置６００は、第２のガス流路４１０と連通する。

冷却ガス流入装置３００の第１の冷却ガス流入穴３１０を通って流入した冷却ガスは、加熱炉１００に形成された第１のガス流路１２０に流入し、その結果ランプ２００と、ランプ２００から放射される熱によって加熱される反射体１１０を冷却するために使用されるようになる。そして、第２のガス流路４１０及び反射体１１０の側壁１１１に形成された細長い穴１１３を通る使用された冷却ガスは、冷却ガス排出装置６００を通って排出される。ランプ２００及び反射体１１０などは、水路１３０を通って循環する冷却水によっても冷却される。ランプ２００と反射体１１０などが上述のように冷却されるので、ランプ２００などの円滑な作動を確保し使用寿命を延ばすことを実現する。さらに、急速熱処理装置を使用する反復的な熱処理工程を行うのに必要とされる準備時間を縮めることができる。

一方、加熱炉１００は、石英窓４００と反射体１１０との間に定義された第２のガス流路４１０と、加熱炉１００の上部外側を連通する働きをする、少なくとも一つの第３のガス流路１５０がさらに形成されている。冷却ガス流入装置３００は、加熱炉１００に形成された第３のガス流路１５０に対応するために、少なくとも一つの第２の冷却ガス流入穴３２０がさらに形成され、これによって、第３のガス流路１５０と連通するようになる。冷却ガスが、第１の冷却ガス流入穴３１０のそれよりも高圧の第２の冷却ガス流入穴３２０に入るので、その結果、冷却ガスの円滑な排出となる。この場合、第２のガス流路４１０と第３のガス流路１５０との間の連結領域が傾斜面として形成されると、開口率が増加し、それにより第２のガス流路４１０への円滑なガスの注入が達成され、注入されたガスの拡散効果を生じる。

石英窓固定装置５００は、第２のガス流路４１０と通じる溝として形成されたガス捕集部５１０と、第２のガス流路４１０と通じる第３の冷却ガス流入穴５２０とからなる。冷却ガス排出装置６００はガス捕集部５１０と通じるように設置される。第１の冷却ガス流入穴３１０及び第２の冷却ガス流入穴３２０を通って流入した冷却ガスは、冷却ガス排出装置６００に向かって流れる間に大量の熱を吸収することによって温度が上昇し、それによってランプ２００などに影響を及ぼすようになる。それゆえ、第３の冷却ガス流入穴５２０は、新しい冷却ガスを流入することを可能にする役目をし、そしてまた、円滑な冷却ガスの排出を図る役目をする。

さらに、各ランプが設置された各反射体の両側に形成された開口部のサイズを最小化することによって反射率を高めることができる。

上述の説明からわかるように、本発明による急速熱処理装置の加熱モジュールによると、加熱モジュールに備えられたランプ、反射体などは、加熱処理中または加熱処理後に冷却されるので、円滑な作動を維持し、その使用寿命を延ばし、反復的な熱処理工程を行うのに必要とされる準備時間を縮めることが可能となる。

さらに、本発明によれば、各反射体は、各ランプが一対一の方法で設置されるようにする独立した構造を選択している。このことが、熱源の正確な制御を可能にしている。かつ、各反射体が、ランプから放射する光を効率よく反射できる構造を有しているので、ランプの熱効率を向上することができる。

さらに、棒型のランプが格子形に配列されているので、広い領域にわたって均一な温度分布が得られ。さらに、棒型ランプを設置するのが難しい特定の領域には、Ｕ字型ランプを設置するので、その使用が容易となる。

本発明の好ましい実施形態は例示を目的として開示されているので、当業者は、添付の請求項に開示されているように、本発明の範囲と精神から逸脱することなく、様々な変更、追加、置換えが可能であることは明らかである。

従来技術による急速熱処理装置用加熱モジュールの各々異なる実施形態を描いた概略図である。 従来技術による急速熱処理装置用加熱モジュールの各々異なる実施形態を描いた概略図である。 従来技術による急速熱処理装置用加熱モジュールの各々異なる実施形態を描いた概略図である。 Ａ乃至Ｇは、本発明の好ましい実施形態による急速熱処理装置の加熱モジュールを示す図である。

Claims (12)

1. その片側に複数の反射体、および前記各反射体の内側を前記反射体の別の外側と各々連通させるための複数の第１のガス流路とを備える加熱炉と、
   前記各反射体に設置されるランプと、
   前記加熱炉の別の外側に設置され、前記加熱炉に形成された各第１のガス流路と各々連通するように、そこを貫通して穴をあけられた複数の第１の冷却ガス流入穴を有する冷却ガス流入装置と、
   前記反射体の端部と反射体の端部に向かい合う窓の表面との間に第２のガス流路を画定するように、前記反射体の端部から所定の間隔離れながら前記反射体の下部に設置された石英窓と、
   前記加熱炉に前記石英窓を固定させる石英窓固定装置と、
   および前記第２のガス流路と通じる冷却ガス排出装置とを備える急速熱処理用装置の加熱モジュールであって、
   前記加熱炉は、各棒型ランプが縦方向に設置されるように前記反射体が横方向に互いに並行に形成された第１の反射体部と、
   前記第１の反射体部と縦方向に反対側に配置される第２の反射体部と、
   および、前記第１の反射体部と前記第２の反射体部との間に配置され、そこに各棒型ランプが横方向に設置されるように前記反射体が縦方向に互いに並行に形成された第３の反射体部と、を備えることを特徴とする急速熱処理用装置の加熱モジュール。
2. 前記加熱炉が、その中に冷却水の水路を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱モジュール。
3. 各反射体が各第１の冷却ガス流入穴と一対一の方法で対応した状態で、前記第１のガス流路が、各反射体の内側を対応する第１の冷却ガス流入穴と連通させるために、前記加熱炉に多数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱モジュール。
4. 前記第１の冷却ガス流入穴のそれぞれは、流入する冷却ガスの拡散のために、その冷却ガス流入端よりも、冷却ガス排出端での内側断面積が大きいことを特徴とする請求項１または３に記載の加熱モジュール。
5. 各第１の冷却ガス流入穴は、その冷却ガス流入端と隣接するドーム型の形状の所定領域を有することを特徴とする請求項４に記載の加熱モジュール。
6. 各反射体は、ドーム型部と、それに隣接するドーム型部の端部から外側に向かって広がるように傾斜された側壁とからなり、各反射体は、その両側に位置する隣の反射体と隣接する側壁を共有することを特徴とする請求項１に記載の加熱モジュール。
7. 前記反射体の側壁は横方向に貫通する細長い穴が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の加熱モジュール。
8. 前記加熱炉は、前記反射体を冷却するための冷却水の水路をその中に備え、各水路は各反射体のドーム型部と近接するその所定領域が曲線部を形成するように構成されており、そして各反射体の前記側壁に近接する他の所定領域は、それに近接する曲線部の端部からお互いに向かって内側に傾斜された傾斜部を形成しており、それによって、冷却水が前記側壁の全部にわたって流れるようにすることを特徴とする請求項６または７に記載の加熱モジュール。
9. 前記第３の反射体部は、横方向に互いに向かい合うように備えられた少なくとも二つの第３の反射体部を含み、加熱炉はさらに、２つの第３の反射体部の間に、Ｕ字型ランプが設置される第４の反射体部を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱モジュール。
10. 各Ｕ字型ランプと結合されるように電極を各々設置するために、前記加熱炉は縦方向に貫通する穴がさらに形成されることを特徴とする請求項９に記載の加熱モジュール。
11. 前記加熱炉は、前記第２のガス流路と前記加熱炉の他の外側とを連通させるための少なくとも一つの第３のガス流路が備えられ、
    前記冷却ガス流入装置は、前記加熱炉に一対一の方法で形成された前記第３のガス流路と対応する少なくとも一つの第２の冷却ガス流入穴がさらに形成されることを特徴とする請求項１に記載の加熱モジュール。
12. 前記石英窓固定装置は、前記第２のガス流路と通じるガス捕集部と、前記第２のガス流路と通じる第３の冷却ガス流入穴を備え、
    前記冷却ガス排出装置は、前記ガス捕集部と通じることを特徴とする請求項１に記載の加熱モジュール。

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