JP4331768B2 - 熱処理炉及び縦型熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理炉及び該熱処理炉を備えた縦型熱処理装置に関する。

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酸化、拡散、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの処理を施すために、各種の熱処理装置が用いられている。そして、その一般的な熱処理装置は、半導体ウエハを収容して熱処理するための処理容器（反応管）と、この処理容器の周囲を覆うように設けられ処理容器内のウエハを加熱するヒータ（加熱装置）とから主に構成される熱処理炉を備えている。上記ヒータは、円筒状の断熱材と、この断熱材の内周に支持体を介して設けられた発熱抵抗体とから主に構成されている。

上記発熱抵抗体としては、例えばバッチ処理が可能な熱処理装置の場合でいうと、円筒状の断熱材の内壁面に沿って配置される螺旋状のヒータ線（発熱抵抗線）が用いられ、炉内を例えば８００〜１０００℃程度に高温に加熱することができる。また、上記断熱材としては、例えばセラミックファイバ等からなる断熱材料を円筒状に焼成してなるものが用いられ、輻射熱および伝導熱として奪われる熱量を減少させて効率のよい加熱を助長することができる。上記支持体としては、例えばセラミック製のものが用いられ、上記ヒータ線を熱膨張および熱収縮可能に所定のピッチで支持するようになっている。

ところで、上記熱処理炉においては、上記ヒータ線が螺旋状に形成されていると共に熱膨張および熱収縮可能なように断熱材との間にクリアランスをとって支持されている。しかし、ヒータ線は高温下で使用されることによりクリープ歪を生じ、その線長は時間とともに徐々に伸びて行く。また、加熱時においても、ヒータ線は熱膨張を起こす。さらに、降温時には、ヒータ線に空気を吹付けて急速冷却を行うタイプのものもある。このように昇降温を繰り返すことによりヒータ線が変形し、隣接するヒータ線とショートして断線が発生する場合がある。

特に、縦型の熱処理炉の場合、昇降温による熱膨張と熱収縮の繰り返しによりヒータ線が支持体内で移動する際に重力により僅かずつヒータ線が下方に移動し、最下ターンに移動分が蓄積していき、ヒータ線の移動の蓄積により巻き径が大きくなり、断熱材の内面まで達して外側に膨張できなくなったヒータ線が上下に変形し、隣接するヒータ線とショートすると断線が発生する。

なお、このような問題を解消するためにヒータ線のクリープや熱膨張等による伸びの一端側への累積を防止するために、ヒータ線の外側部に炉の半径方向外方に突出した軸状等の固定部材を溶接で取付け、この固定部材の先端を断熱材中に埋め込んで固定するようにしたものも提案されている（特許文献１参照）。

特開平１０−２３３２７７号公報

しかしながら、前述のように単にヒータ線の外側部に固定部材を溶接で接合しただけのものでは、接合部が高温に晒されるだけでなく、発熱抵抗体の熱膨張収縮に伴い接合部に応力が集中し易く、耐久性の低下（短寿命化）を招くことが考えられると共に、固定部材が棒軸状であると、断熱材から抜け易く十分な保持力を確保することが難しい。

ウエハの急速昇降温処理をしたい場合、急速昇温時にヒータ線に大きなパワーを掛ける必要があるが、今までの一般的なヒータ線では負荷が大きすぎて断線し易いため、大きなパワーを掛けることができず、急速昇降温処理に限界があった。なお、この問題を解消するには断線しにくい高価なヒータ線を用いる必要があり、コストの増大を招く問題がある。

一方、ヒータ線の負荷を低減させ、長寿命化（耐久性の向上）を図るには、投入パワーに対してのヒータ線表面積（エレメント表面積）の割合を増やすことが効果的である。ヒータ線表面積を増やすと、ヒータ表面温度が低下してヒータ線の負荷が低減されるからである。いわゆるスパイラルタイプ（螺旋型）のヒータ線にあっては、所定の空間に効率的にエレメントを配置できるため、負荷低減のデザインとして用いられている。しかしながら、このスパイラルタイプのヒータ線を用いたヒータないし熱処理炉においては、例えば図９に示すように、ヒータ線１８を固定するために断熱材１６の中にヒータ線１８を埋め込んだ構造になっているため、炉心の加熱対象物に対して断熱材１６を介しての加熱となり、急速に昇温させることが困難である。降温の際にも断熱材１６を介してのヒータ線１８の冷却となり、また断熱材１６の熱容量増もあり、急速降温も難しい。更に、ヒータ線１８の膨張分のクリアランスが確保されていないため、ヒータ線自体が膨張時にストレスを受けてしまい、耐久性の低下を招いている。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、急速昇降温が可能で且つ耐久性の向上及びコストの低減が図れる熱処理炉及び縦型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に、本発明のうち、第１の発明は、被処理体を収容して熱処理するための処理容器と、該処理容器の周囲を覆うように設けられ被処理体を加熱する円筒状のヒータとを備えた熱処理炉において、上記ヒータは、円筒状の断熱材と、該断熱材の内周に軸方向に多段に形成された溝状の棚部と、各棚部に沿って配置された螺旋型の発熱抵抗線とを具備し、上記断熱材には上記発熱抵抗線を適宜間隔でヒータの径方向に移動可能に且つ棚部から脱落しないように保持するピン部材を配設したことを特徴とする。

第２の発明は、下部が炉口として開放され被処理体を収容して熱処理するための縦長の処理容器の周囲に上記被処理体を加熱する円筒状のヒータを設けてなる熱処理炉と、上記炉口を閉塞する蓋体と、該蓋体上に被処理体を多段に保持する保持具を載置し、該蓋体を昇降させて蓋体の開閉と上記処理容器内への保持具の搬入搬出を行う昇降機構と備えた縦型熱処理装置において、上記ヒータは、円筒状の断熱材と、該断熱材の内周に上下方向に多段に形成された溝状の棚部と、各棚部に沿って配置された螺旋型の発熱抵抗線とを具備し、上記断熱材には上記発熱抵抗線を適宜間隔でヒータの径方向に移動可能に且つ棚部から脱落しないように保持するピン部材を配設したことを特徴とする。

上記ピン部材は、発熱抵抗線の外側ターン部分をＵ字部分で保持すべく平面Ｕ字状に形成され、その両脚部が断熱材を内側から外側に貫通し、断熱材の外面で折り曲げられていることが好ましい。

上記断熱材の棚部には、該棚部を内外に貫通する強制空冷用空気吹出し孔が形成されていることが好ましい。

上記発熱抵抗線は、上記棚部の先端部に螺旋部の中心が位置するように配置されていることが好ましい。

本発明によれば、断熱材の内周の各段の棚部に螺旋型の発熱抵抗線を露出した状態で設置しているため、急速昇降温が可能であると共に耐久性の向上及びコストの低減が図れる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を基に詳述する。図１は本発明の実施の形態である縦型熱処理装置を概略的に示す縦断面図、図２は図１のＡ部拡大断面図、図３はヒータエレメントの結線例を概略的に示す図、図４はヒータエレメントの他の結線例を概略的に示す図、図５はヒータエレメントの更に他の結線例を概略的に示す図、図６は縦型熱処理炉の一部横断面図である
図１において、１は半導体製造装置の一つである縦型の熱処理装置であり、この熱処理装置１は、被処理体例えば半導体ウエハｗを一度に多数枚収容して酸化、拡散、減圧ＣＶＤ等の熱処理を施すことができる縦型の熱処理炉２を備えている。この熱処理炉２は、ウエハｗを収容して熱処理するための処理容器（反応管ともいう）３と、該処理容器３の周囲を覆うように設けられウエハｗを加熱する円筒状のヒータ（加熱装置）５とを備えている。

上記熱処理装置１は、ヒータ５を設置するためのベースプレート６を備えている。このベースプレート６には処理容器３を下方から上方に挿入するための開口部７が形成されており、この開口部７にはベースプレート６と処理容器３との間の隙間を覆うように図示しない断熱材が設けられている。

上記処理容器３は、石英製で、上端が閉塞され、下端が炉口３ａとして開口された縦長の円筒状に形成されている。処理容器３の開口端には外向きのフランジ３ｂが形成され、該フランジ３ｂが図示しないフランジ押えを介して上記ベースプレート６に支持されている。図示例の処理容器３は、下側部に処理ガスや不活性ガス等を処理容器３内に導入する導入ポート（導入口）８及び処理容器３内のガスを排気するための図示しない排気ポート（排気口）が設けられている。導入ポート８にはガス供給源が接続され、排気ポートには例えば１０〜１０^-8Ｔｏｒｒ程度に減圧制御が可能な真空ポンプを備えた排気系が接続されている。

処理容器３の下方には、処理容器３の下端開口部（炉口）３ａを閉塞する上下方向に開閉可能な蓋体１０が図示しない昇降機構により昇降移動可能に設けられている。この蓋体１０の上部には、炉口の保温手段である例えば保温筒１１が載置され、該保温筒１１の上部には例えば直径が３００ｍｍのウエハｗを多数枚例えば１００〜１５０枚程度上下方向に所定の間隔で搭載する保持具である石英製のボート１２が載置されている。蓋体１０には、ボート１２をその軸心回りに回転する回転機構１３が設けられている。ボート１２は、蓋体１０の下降移動により処理容器３内から下方のローディングエリア１５内に搬出（アンロード）され、ウエハｗの移替え後、蓋体１０の上昇移動により処理容器３内に搬入（ロード）される。

上記ヒータ５は、図２ないし図６にも示すように、円筒状の断熱材１６と、該断熱材１６の内周に軸方向（図示例では上下方向）に多段に形成された溝状の棚部１７と、各棚部１７に沿って配置されたスパイラルタイプ（螺旋型）のヒータ線（発熱抵抗線）１８とを具備している。断熱材は、例えばシリカ、アルミナあるいは珪酸アルミナを含む無機質繊維からなっている。

上記断熱材１６には上記ヒータ線１８を適宜間隔で径方向に移動可能に且つ棚部１７から脱落ないし脱出しないように保持するピン部材２０が配設されている。上記円筒状の断熱材１６の内周にはこれと同心の環状の溝部２１が軸方向に所定ピッチないし適宜間隔で多段に形成されている。溝部２１は断面方形であることが好ましく、その溝幅と溝深さはヒータ線１８を余裕を持って収容できる寸法に設定されている。すなわち、溝部２１にはヒータ線１８の上下方向及び径方向の熱膨張収縮を吸収するのに十分なクリアランスが設けられている。

ヒータ線１８は、例えば鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）およびアルミニウム（Ａｌ）の合金線（いわゆるカンタル線）からなっている。このヒータ線１８は、例えば太さ（直径）が３ｍｍ、スパイラル部１８ａの内径ｄａが１０ｍｍ、同外径ｄｂが１６ｍｍである。上記ヒータ線１８は、上記棚部１７の先端部ないし先端部付近にスパイラル部１８ａの中心ｃが位置するように配置ないし保持されていることが昇降温速度の向上を図る上で好ましい。

ヒータ線１８は、従来のヒータ線のように上下方向に螺旋状に連続しているのではなく、図２ないし図３に示すように各段の棚部１７上に配置され、各段で終結している。このため、ヒータ線１８が自重で下方に移動して蓄積するようなことはない。また、ヒータ線１８は、隣り合う上段と下段との間で渡し込まれ、複数段（図示例では４段）ごとに直列に接続されていると共に複数段ごとの各グループの最下段の始端１ａと最上段の終端４ｂとに電極接続用の端子板２２ａ，２２ｂがそれぞれ接続されている。これにより、ヒータ５は熱処理炉２内を上下方向に複数のゾーンに分けて温度制御ができるように構成されている。

ヒータ線１８の結線パターンとしては、例えば図３、図４、図５に示すものが考えられる。図３に示すヒータ線の結線パターンは、一段目（最下段）終端１ｂと二段目の始端２ａとが結線部２３で結線（接続）されるというように、下段の終端１ｂ，２ｂ，３ｂと上段（次段）の始端２ａ，３ａ，４ａとが順に結線されている。なお、連続したヒータ線１８を各段に配線する場合、各段を結ぶ部分（結線部２３）はヒータ線１８のスパイラル部１８ａを引き伸ばすことにより結線部としてもよい。図３に示すヒータ線１８の結線パターンは、結線部２３が断熱材の内側に配置されているのに対し、図４に示すヒータ線１８の結線パターンは、結線部２４が断熱材の外側に配置されている。このため、下段の終端１ｂと上段の始端２ａとには端子板２２ｃ，２２ｃが接続され、これら端子板２２ｃ，２２ｃ同士が結線部例えば電線２５で電気的に接続されている。図５に示すヒータ線１８の結線パターンは、円筒状の断熱材が図７に示すように半割りすなわち縦に二分割にされている場合に好適であり、二分割された断熱材１６に対応してヒータ線１８が各段内で二分割されている。分割されたヒータ線１８は、最下段と最上段の一端に端子板２２ａ，２２ｂがそれぞれ接続されており、下段の終端１ｂ，２ｂ，３ｂと上段の始端２ａ，３ａ，４ａとが順次結線部２６で結線されている。なお、ヒータ線１８の結線パターンとしては上記以外のものも適用可能である。

上記端子板２２ａ，２２ｂ，２２ｃはヒータ線１８と同じ材質からなり、溶断防止と放熱量の抑制の観点から所要断面積の板状に形成されている。上記ヒータ線１８の始端又は終端となる端子接続部分は、予め径方向外方に引き伸ばされており、端子板に溶接により接合されている。端子板２２ａ，２２ｂ，２２ｃは一端が断熱材中に埋設され、他端が断熱材の外面から径方向外方に突出している。

上記ピン部材２０は、図６に示すようにヒータ線１８の外側ターン部分２７をＵ字部分２０ａで保持すべく平面Ｕ字状に形成され、その両脚部２０ｂ，２０ｂが断熱材１６を径方向の内側から外側に貫通し、断熱材１６の外面で折り曲げられていることが好ましい。これにより、ピン部材２０を容易に取付けることができると共に、ヒータ線１８を径方向に所定範囲で移動可能に支持し且つ径方向内方への飛出しないし脱出を防止することができる。

断熱材１６の形状を保持すると共に断熱材１６を補強するために、図１に示すように、断熱材１６の外周は金属製例えばステンレス製の外皮（アウターシェル）２８で覆われている。また、ヒータ外部への熱影響を抑制するために、外皮２８の外周は水冷ジャケット３０で覆われている。断熱材１６の頂部にはこれを覆う上部断熱材３１が設けられ、この上部断熱材３１の上部には外皮２８の頂部（上端部）を覆うステンレス製の天板３２が設けられている。

熱処理後にウエハを急速降温させて処理の迅速化ないしスループットの向上を図るために、ヒータ５にはヒータ５と処理容器３との間の空間３３内の雰囲気を外部に排出する排熱系３５と、上記空間３３内に常温（２０〜３０℃）の空気を導入して強制的に冷却する強制空冷手段３６とが設けられている。上記排熱系３５は、例えばヒータ５の上部に設けられた排気口３７と、該排気口３７と図示しない工場排気系とを結ぶ図示しない排熱管とから主に構成されている。排熱管には図示しない排気ブロワ及び熱交換器が設けられている。

上記強制空冷手段３６は、上記断熱材１６と外皮２８の間に高さ方向に複数形成された環状流路３８と、各環状流路３８から断熱材１６の中心斜め方向へ空気を吹き出して上記空間３３の周方向に旋回流を生じさせるべく断熱材１６に設けられた強制空冷用空気吹出し孔４０とを有している。なお、該吹出し孔４０は、直接風を処理容器３に当てるよう断熱材１６に対して直角に設けられていてられていてもよい。上記環状流路３８は、断熱材１６の外周に帯状又は環状の断熱材４１を貼り付けるか、或いは断熱材１６の外周を環状に削ることにより形成されている。上記空気吹出し孔４０は、図７（ａ），（ｂ）に示すように断熱材１６の棚部１７に該棚部１７を径方向の内外に貫通するように形成されていることが好ましい。このように空気吹出し孔４０を棚部１７に設けることにより、ヒータ線に邪魔されることなく空気を上記空間３３に噴出すことができる。

上記外皮２８の外面には、各環状流路３８に冷却流体を分配供給するための共通の１本の図示しない供給ダクトが高さ方向に沿って設けられ、外皮２８には供給ダクト内と各環状流路３８とを連通する連通口が形成されている。供給ダクトにはクリーンルーム内の空気を冷却流体として吸引し、圧送供給する図示しない冷却流体供給源（例えば送風機）が開閉バルブを介して接続されている。

以上のように構成された熱処理炉２ないし縦型熱処理装置１によれば、ウエハｗを収容して熱処理するための処理容器３と、該処理容器３の周囲を覆うように設けられウエハｗを加熱する円筒状のヒータ５とを備え、上記ヒータ５は、円筒状の断熱材１６と、該断熱材１６の内周に軸方向に多段に形成された溝状の棚部１７と、各棚部１７に沿って配置されたスパイルタイプのヒータ線１８とを具備し、上記断熱材１６には上記ヒータ線１８を適宜間隔でヒータ５の径方向に移動可能に且つ棚部１７から脱落しないように保持するピン部材２０を配設しているため、断熱材１６の内周の各段の棚部１７にスパイルタイプのヒータ線５を露出した状態で設置することができ、急速昇降温が可能であると共に耐久性の向上及びコストの低減が図れる。スパイラルタイプのヒータ線１８を用いることにより、エレメント表面積の割合を効果的に増やしてヒータ表面温度の低下によるヒータ線の負荷の低減が図れ、破断を抑制することができるため、ヒータ線１８に大パワーを投入して急速昇温させることできる。また、断線が抑制されるため、耐久性の向上・長寿命化が図れると共に、ヒータ線１８として安価なカンタル線を用いることが可能となり、コストの低減が図れる。上記ヒータ線１８は、上記棚部１７の先端部ないし先端部付近にスパイラル部１８ａの中心ｃが位置するように配置されているため、加熱対象（ウエハ）に対して輻射範囲が広がり（ウエハから見えるヒータエレメントの露出部分が多くなり）、棚部の長さが短いほどヒータエレメントの露出部分が上部もしくは下部のウエハに広がり、昇温速度が向上し、また、棚部の長さが短いほど熱容量が小さくなり、ヒータエレメント自体も開放部分が多いほど熱こもりもなくなり、かつ強制空冷のエアにも当たり易くなり、降温速度が向上する。

図８は断熱材の他の例を示す斜視図である。ヒータ５の断熱材１６としては、熱膨張収縮による内部応力により内面に亀裂を生じる場合があるので、これを防止するために図８に示すように、内面部に軸方向に沿った切れ込み（スリット）４２が形成されていることが好ましい。上記切れ込み４２にヒータ線の結線部を通してもよい。また、ヒータの組立性を考慮して、断熱材１６は、各棚部１７の下面位置で上下に分割されていることが好ましい。すなわち、断熱材１６は上下方向に多段に分割された分割ブロック１６ａからなっており、一段目の分割ブロック１６ａの棚部１７にヒータ線を設置したら、二段目の分割ブロック１６ａを積み上げて該二段目の分割ブロック１６ａの棚部１７にヒータ線１８を設置するという具合にヒータ線１８を各段の棚部１７に容易に設置することができ、組立性の向上が図れる。この場合、上下に隣接する分割ブロック１６ａには互いに係合する位置決め用の凹部４３ａと凸部４３ｂが対向面に周方向に沿って形成されていることが好ましい。なお、断熱材１６としては、図７に示すように円筒を半割にした形状で成形することが部品点数の削減を図る上で有効である。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、処理容器としては、導入管部及び排気管部を有する耐熱金属例えばステンレス鋼製の円筒状のマニホールドを下端部に接続してなるものであってもよく、また、二重管構造であってもよい。

本発明の実施の形態である縦型熱処理装置を概略的に示す縦断面図である。 図１のＡ部拡大断面図である。 ヒータエレメントの結線例を概略的に示す図である。 ヒータエレメントの他の結線例を概略的に示す図である。 ヒータエレメントの更に他の結線例を概略的に示す図である。 縦型熱処理炉の一部横断面図である。 断熱材の一例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 断熱材の他の例を示す斜視図である。 従来のヒータの一例を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は内周面の図である。

符号の説明

ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
１ 縦型熱処理装置
２ 熱処理炉
３ 処理容器
３ａ 炉口
１６ 断熱材
１７ 棚部
１８ ヒータ線（発熱抵抗線）
１８ａ スパイラル部（螺旋部）
２０ ピン部材
２０ａ Ｕ字部分
２０ｂ 脚部
４０ 強制空冷用空気吹出し孔

Claims (8)

1. 被処理体を収容して熱処理するための処理容器と、該処理容器の周囲を覆うように設けられ被処理体を加熱する円筒状のヒータとを備えた熱処理炉において、上記ヒータは、円筒状の断熱材と、該断熱材の内周に軸方向に多段に形成された溝状の棚部と、各棚部に沿って配置された螺旋型の発熱抵抗線とを具備し、上記断熱材には上記発熱抵抗線を適宜間隔でヒータの径方向に移動可能に且つ棚部から脱落しないように保持するピン部材を配設したことを特徴とする熱処理炉。
2. 上記ピン部材は、発熱抵抗線の外側ターン部分をＵ字部分で保持すべく平面Ｕ字状に形成され、その両脚部が断熱材を内側から外側に貫通し、断熱材の外面で折り曲げられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉。
3. 上記断熱材の棚部には、該棚部を内外に貫通する強制空冷用空気吹出し孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉。
4. 上記発熱抵抗線は、上記棚部の先端部に螺旋部の中心が位置するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉。
5. 下部が炉口として開放され被処理体を収容して熱処理するための縦長の処理容器の周囲に上記被処理体を加熱する円筒状のヒータを設けてなる熱処理炉と、上記炉口を閉塞する蓋体と、該蓋体上に被処理体を多段に保持する保持具を載置し、該蓋体を昇降させて蓋体の開閉と上記処理容器内への保持具の搬入搬出を行う昇降機構と備えた縦型熱処理装置において、上記ヒータは、円筒状の断熱材と、該断熱材の内周に上下方向に多段に形成された溝状の棚部と、各棚部に沿って配置された螺旋型の発熱抵抗線とを具備し、上記断熱材には上記発熱抵抗線を適宜間隔でヒータの径方向に移動可能に且つ棚部から脱落しないように保持するピン部材を配設したことを特徴とする縦型熱処理装置。
6. 上記ピン部材は、発熱抵抗線の外側ターン部分をＵ字部分で保持すべく平面Ｕ字状に形成され、その両脚部が断熱材を内側から外側に貫通し、断熱材の外面で折り曲げられていることを特徴とする請求項５記載の縦型熱処理装置。
7. 上記断熱材の棚部には、該棚部を内外に貫通する強制空冷用空気吹出し孔が形成されていることを特徴とする請求項５記載の縦型熱処理装置。
8. 上記発熱抵抗線は、上記棚部の先端部に螺旋部の中心が位置するように配置されていることを特徴とする請求項５記載の縦型熱処理装置。

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