JP4411341B2 - 縦型熱処理装置用の熱交換器及び縦型熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、縦型熱処理装置用の熱交換器及び縦型熱処理装置に関する。

半導体装置の製造においては、被処理体例えば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おり、その一つとして、一度に多数枚のウエハの熱処理が可能な縦型熱処理装置が使用されている。この縦型熱処理装置としては、ウエハを収容して熱処理するための処理容器と、この処理容器の周囲を覆うように設けられたヒータと、該ヒータ内に空気を送り込むと共にヒータ内の空気を吸引排気してヒータ内を強制的に冷却する強制空冷機構とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。この縦型熱処理装置によれば、急速昇降温が可能であるため、熱処理の迅速化やスループットの向上が図れる。

上記ヒータ内は排気配管を介して工場排気系に接続されているが、上記強制空冷機構の作動により高温の空気が多量に工場排気系に流れることによる熱的影響を抑制するために、上記排気配管にはヒータ内から強制的に排気される高温の空気を常温の冷却水と熱交換して冷却する熱交換器が設けられている。

この熱交換器は、図６に示すように、多数枚の波状薄板（フィン）２２を真空ロウ付けにより積層一体化して交互に空気通路と冷却水通路を複数形成したコア２３と、該コア２３の冷却水通路に冷却水を流通させる水冷配管を接続するための水冷配管接続部２５と、上記コア２３を収容しその空気通路に空気を流通させる排気配管を接続するための排気配管接続部２９を有するケース２７とを備えている。上記コア２３は上記ケース２７内にロウ付けにより固定されていた。

特開２００３−２０９０６３号公報

しかしながら、上述したような積層フィンタイプの熱交換器においては、上記コア２３が冷却されているのに対して上記ケース２７の空気入口側が高温（例えば２７０℃程度）に晒されるだけでなく、ケース２７の空気入口側温度が一定ではなく、日に何回も（例えば１０回程度）常温から高温までの急激な温度変化が繰り返されるため、肉厚の薄いフィン２２を積層したコア２３に対して肉厚の厚いケース２７が熱膨張収縮を繰り返すことによりケース２７に接しているコア２３のフィン２２に繰返し応力による疲労破壊が発生し、耐久性の低下や疲労破壊によるコア２３からの漏水を生じることが考えられる。コア２３からの漏水が発生すると、例えばケース２７と排気配管の接続部等からの漏水が生じ、縦型熱処理装置や室内を濡らす不具合を誘発する恐れがある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、コアの疲労破壊及び疲労破壊によるコアからの漏水を防止することができ、耐久性の向上が図れる縦型熱処理装置用の熱交換器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処理容器と、該処理容器の周囲を覆うように設けられ上記被処理体を加熱するヒータと、該ヒータ内に空気を送り込むと共にヒータ内の空気を吸引排気してヒータ内を冷却する強制空冷機構とを備えた縦型熱処理装置における上記ヒータ内から吸引排気される高温の空気を冷却するための熱交換器であって、該熱交換器は、波状薄板を積層して交互に隣接する空気通路と冷却水通路を形成したコアと、該コアの冷却水通路に冷却水を流通させる水冷配管を接続するための水冷配管接続部と、上記コアを収容しその空気通路に空気を流通させる排気配管を接続するための排気配管接続部を有するケースとを備え、上記コアとケースの熱膨張差を吸収するために上記ケース内に上記コアを移動自在に設けられ、上記水冷配管接続部の根元の外周には、係合部が設けられ、上記コアには、上記係合部を含む水冷配管接続部の径方向の移動を許容する開口部が形成されていると共に、上記係合部に半径方向から係合して水冷配管接続時に水冷配管接続部の根元に加わる捻り応力を抑制するための係合溝を有する半割りの補強板が係合位置と非係合位置に選択的に固定可能に設けられていることを特徴とする。

第２の発明は、被処理体を収容して熱処理する処理容器と、該処理容器の周囲を覆うように設けられ上記被処理体を加熱するヒータと、該ヒータ内に空気を送り込むと共にヒータ内の空気を吸引排気してヒータ内を冷却する強制空冷機構と、上記ヒータ内から吸引排気される高温の空気を冷却するための熱交換器とを備えた縦型熱処理装置であって、上記熱交換器は、波状薄板を積層して交互に隣接する空気通路と冷却水通路を形成したコアと、該コアの冷却水通路に冷却水を流通させる水冷配管を接続するための水冷配管接続部と、上記コアを収容しその空気通路に上記ヒータ内からの空気を流通させる排気配管を接続するための排気配管接続部を有するケースとを備え、上記コアとケースの熱膨張差を吸収するために上記ケース内に上記コアが移動自在に設けられ、上記水冷配管接続部の根元の外周には、係合部が設けられ、上記コアには、上記係合部を含む水冷配管接続部の径方向の移動を許容する開口部が形成されていると共に、上記係合部に半径方向から係合して水冷配管接続時に水冷配管接続部の根元に加わる捻り応力を抑制するための係合溝を有する半割りの補強板が係合位置と非係合位置に選択的に固定可能に設けられていることを特徴とする。

上記ケースとコアとの間にはスぺーサが介在されていることが好ましい。

本発明によれば、コアの疲労破壊及び疲労破壊によるコアからの漏水を防止することができ、耐久性の向上が図れる。

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図、図２は熱交換器の要部縦断面図、図３は図２のＡ部拡大断面図である。

図１において、１は縦型熱処理装置で、この縦型熱処理装置１は、図示しない筐体と、該筐体内に設けられ被処理体例えば半導体ウエハｗを収容して所定の熱処理を行う縦型の処理容器（反応管ともいう）２を備えている。この処理容器２は、耐熱性及び耐食性を有する石英（石英ガラス）により形成されている。処理容器２は、上部がドーム状、具体的には逆漏斗状に形成されており、下部が炉口３として開口している。前記処理容器２の下部の開口端にはフランジ部４が設けられ、該フランジ部４がフランジ押えを介してベースプレートに固定されている（図示省略）。

処理容器２の下側部には処理ガスや不活性ガス（例えばＮ_２）を導入するガス導入管を接続するためのガス導入口部が設けられている（図示省略）。処理容器２の頂部中央には排気管５を接続するための排気口部６がＬ字状に屈曲して形成されている。排気管５には処理容器２内を所定の圧力例えば−１０ｋＰａ程度に減圧可能な真空ポンプ、圧力センサ、圧力制御弁、コントローラを備えた圧力制御システムが設けられている。

前記処理容器２の周囲にはこれを覆うように処理容器２内を所定の温度例えば３００〜１０００℃に加熱制御可能な円筒状のヒータ７が設けられている。ヒータ７としては、金属製（例えばＳＵＳ製）の水冷ジャケットからなる円筒状のヒータ本体７ａと、該ヒータ本体７ａの内周に配設されたカーボンワイヤ式のヒータエレメント（図示省略）とを備え、急速昇降温が可能なものが好ましい。ヒータ７はベースプレート上に設置されている。ヒータ７の上部は天板８で覆われ、前記排気口部６は天板８を貫通してヒータ７の上部から突出されている。なお、ヒータ７としては、円筒状の断熱材の内周にヒータエレメント（抵抗発熱線）を配設してなるものであってもよい。

処理容器２の下方には、処理容器２の下部の開口（炉口）３を密閉する蓋体１９が図示しない昇降機構により昇降可能（開閉可能）に設けられている。この蓋体９の上方には複数例えば２５〜５０枚程度のウエハｗを上下方向に所定の間隔で多段に搭載保持する石英製のボート（保持具）１０が設けられている。このボート１０は下部中央部に支柱１１を有し、該支柱１１が蓋体９の中央部に設けられた回転導入機構１２に接続されている。前記蓋体９の中央部には炉口３からの放熱を抑制する手段として面状の加熱ヒータや遮熱板を備えたサーモプラグ１３が前記支柱１１と干渉しない状態で設けられている。なお、上記サーモプラグ１３の代わりに蓋体９上に保温筒を載置し、この保温筒上にボート１０を載置するようにしてもよい。処理容器２の下方には、蓋体９の降下により処理容器２内からボート１０を搬出し、該ボート１０と運搬容器であるキャリア（カセット）との間でウエハｗの移載を行うためのローデングエリア１４が設けられている。

プロセス降温時又はドライクリーニング等の保守時にヒータ７及びヒータ７内の処理容器２を強制空冷するために、ヒータ内に空気を送り込むと共にヒータ内の空気を吸引排気してヒータ７内を強制的に冷却する強制空冷機構１５が設けられている。この強制空冷機構１５は、例えば常温（室温）の空気をヒータ７内に送入するための送風機１６を備えた送風ノズル１７と、ヒータ７の上部に排気配管（排気ダクトともいう）１８を介して接続された工場排気系１９とからなっている。工場排気系１９は微減圧（例えば０．４気圧程度）で吸引排気するようになっている。なお、工場排気系１９と排気配管１８との間に排気ファン２０が設けられていてもよい。また、ヒータ７内に空気を送り込む方式としては、ヒータ７の周壁に配設した複数のノズルから処理容器２の接線方向に空気を噴射して処理容器２の周囲に旋回流を生じさせるようにしてもよい。

また、上記強制空冷機構１５により工場排気系１９に直接排気される高温で多量の空気による不具合を回避するために、ヒータ７内と工場排気系１９を繋ぐ排気配管１８には上記高温の空気を常温（２５〜３０℃程度）の冷却水と熱交換させて冷却する（降温させる）熱交換器２１が設けられている。この熱交換器２１は、波状薄板（フィン）２２を積層して交互に空気通路（図示省略）と冷却水通路（図示省略）を形成したコア２３と、該コア２３の冷却水通路に冷却水を流通させる水冷配管（図示省略）を接続するための水冷配管接続部２５ａ，２５ｂと、上記コア２３を収容しその空気通路に上記ヒータ７内（すなわちヒータ本体７ａ内）からの空気を流通させる排気配管１８を接続するための排気配管接続部２６ａ，２６ｂを有するケース２７とを備えている。

上記波状薄板２２は、厚さが０．３ｍｍ程度で耐熱性及び耐食性の高い材質例えばＳＵＳ３１６Ｌ製であることが好ましい。積層方向に隣り合う波状薄板２２は、波が互いに交差するように角度をずらして配置され、交差した部分がロウ付けにより接合されている。上記コア２３の長手方向一端部と他端部とには各層の冷却水通路に冷却水を分配供給する給水ヘッダー部２８ａと、各層の冷却水通路からの冷却水を合流排水する排水ヘッダー部２８ｂとが設けられ、コア２３の上部の一端部と他端部とには給水ヘッダー部２８ａ，排水ヘッダー部２８ｂと連通する筒状の水冷配管接続部（冷却水入口，冷却水出口）２５ａ，２５ｂが突設されている。

上記ケース２７は、両端が開放された角筒状の胴部２７ａと、該胴部２７ａの両端に設けられた裁頭角錐状の空気入口ヘッダー部（分配管）２７ｂ及び空気出口ヘッダー部（集合管）２７ｃとからなり、これらヘッダー部２７ｂ，２７ｃに排気配管接続部（フランジ）２６ａ，２６ｂが設けられている。ケース２７は、水と接せず、コア２３ほど耐食性を要求されないため、例えばＳＵＳ３０４製であることが好ましい。

上記コア２３とケース２７の熱膨張差によるコア２３へのストレス（応力集中）を抑制するために、すなわち上記コア２３とケース２７の熱膨張差を吸収するために、上記ケース２７内に上記コア２３が移動自在に設けられている。この場合、ケース２７とコア２３との間には熱膨張による相対的移動を許容し得る隙間３０が設けられており、該隙間３０には、これらケース２７とコア２３が相対的移動（摺動）で擦れることによりコア２３の波状薄板２２に発生する磨耗穴の発生を防止するためにスぺーサ３１が介在されていることが好ましい。このスぺーサ３１としては、コア２３の材質と同じであることが好ましく、更には、波状薄板又は波状板（厚板を含む）であることがコア２３と一体となってケース２７の内面を摺動できる点で好ましい。また、図３に示すようにスぺーサ３１とコア２３との間、スぺーサ３１とケース２７との間には、それぞれ熱膨張による相対的移動を許容ないし吸収し得る隙間Ｓ１，Ｓ２が設けられていることが好ましい。

図４は水冷配管接続部の補強構造を示す断面図、図５は水冷配管接続部の補強板を概略的に示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は補強板を保持位置にした平面図、（ｃ）は補強板を開放位置にした平面図である。上記水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元の外周には、水冷配管接続時の回動止め用の係合部３２が設けられ、上記コア２３には、上記係合部３２を含む水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの径方向の移動を許容する開口部３３が形成されている。上記係合部３２は、例えば円環部の両側部を切り落とした形状とされているが、角形（例えば四角形や六角形等）に形成されていてもよい。上記係合部３２は水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元に一体形成されている。上記係合部３２に半径方向から係合して水冷配管接続時に水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元に加わる捻り応力を抑制するための係合溝３４を有する半割りで左右一対の補強板３５が係合位置（左右の補強板が係合部を挟んで保持する位置；保持位置）と非係合位置（左右の補強板が互いに離反して係合部を開放する位置；開放位置）に選択的に固定可能に設けられている。

コア２３の上面部には上記補強板３５の両端部をコア２３の上面部に対して締付け固定するためのネジ３６を螺着するためのネジ孔３７が設けられている。補強板３５の両端部には、補強板３５を係合位置（保持位置）と非係合位置（開放位置）とに選択的に移動可能な長穴３８が設けられており、ネジ３６により補強板３５が上記何れかの位置に固定可能になっている。

上記水冷配管接続部２５ａ，２５ｂには、水冷配管を接続するために例えば図５に示すようにＬ字状の管継手３９が接続される。この管継手３９のナット３９ａを締付ける時に水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元に捻り応力がかかり、コア２３の上面部が変形ないし剥離する不具合を防止するために上記係合部３２及び補強板３５が設けられている。すなわち、上記係合部３２を含む水冷配管接続部２５ａ，２５ｂは、コア２３の上面部に給水ヘッダー部２８ａ、排水ヘッダー部２８ｂと軸心を一致させた状態で溶接により接合されているが、コア２３の移動に伴う水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの移動を許容するべくケース２７には固定されていないため、水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元に水冷配管接続時に捻り応力がかかり易い。この問題を解消するために上記係合部３２及び補強板３５が採用されている。上記熱交換器２１においては、コア２３の磨耗による冷却水の漏水を防止することができるのであるが、万が一冷却水の漏水が発生した場合にその漏水を検出するために、ケース２７の空気出口ヘッダー部２７ｃの底面にはリークセンサを取付けるための継手部４０が設けられていることが好ましい。

以上の構成からなる縦型熱処理装置１において、熱交換器２１を取付けないし交換する手順について説明する。先ず、熱交換器２１における水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの補強板３５が保持位置に固定されていることを確認したら、その水冷配管接続部２５ａ，２５ｂに管継手３９を取付けた後、その熱交換器２１を縦型熱処理装置１の筐体上に搭載する。次に、その熱交換器２１に排気配管１８及び水冷配管を接続したら、最後に上記補強板３５を開放位置に固定すればよい。

上記熱交換器２１によれば、波状薄板２２を積層して交互に空気通路と冷却水通路を複数形成したコア２３と、該コア２３の冷却水通路に冷却水を流通させる水冷配管を接続するための水冷配管接続部２５ａ、２５ｂと、上記コア２３を収容しその空気通路に空気を流通させる排気配管１８を接続するための排気配管接続部２６ａ，２６ｂを有するケース２７とを備え、上記コア２３とケース２７の熱膨張差を吸収するために上記ケース２７内に上記コア２３を移動自在に設けているため、コア２３の疲労破壊及び疲労破壊によるコア２３からの漏水を防止することができ、耐久性の向上が図れる。

また、上記ケース２７とコア２３との間にはスぺーサ３１が介在されているため、ケース２７とコア２３が相対的移動（摺動）で擦れることによりコア２３の波状薄板２２に発生する磨耗穴の発生を防止することができ、耐久性の向上が図れると共に漏水の発生を防止することができる。

上記水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元の外周には、係合部３２が設けられ、上記コア２３には、上記係合部３２を含む水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの径方向の移動を許容する開口部３３が形成されていると共に、上記係合部３２に半径方向から係合して水冷配管接続時に水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元に加わる捻り応力を抑制するための係合溝３４を有する半割りの補強板３５が係合位置と非係合位置に選択的に固定可能に設けられているため、水冷配管接続時に水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの根元における捻り応力の発生を防止でき、コア２３の上面部の変形ないし波状薄板の剥離を防止でき、耐久性の向上が図れ、水冷配管接続後においては、補強板３５を開放位置（非係合位置）に固定しておくことにより、コア２３の移動に伴う水冷配管接続部２５ａ，２５ｂの移動を許容することができる。

また、上記縦型熱処理装置１によれば、ヒータ７内に空気を送り込むと共にヒータ７内の空気を吸引排気してヒータ７内を強制的に冷却する強制空冷機構１５を備えているため、プロセス降温時又はドライクリーニング等の保守時に処理容器２を迅速に降温させることができ、装置運用上の待ち時間ないし保守時のダウンタイムの短縮化が図れ、スループットの向上ないし生産性の向上が図れる。

上記熱交換器２１の評価方法として、縦型熱処理装置１と同様の熱サイクルをかけられる実験装置を作成し、最高加熱温度を４００℃として高負荷試験を行い効果を確認した。その結果、従来品では２１９サイクルで漏水が発生したのに対し、対策品（実施例品）では３０００サイクル以上（平成１９年１０月１２日現在で３３６６サイクル）でも漏水が発生せず、１０倍以上の耐久性があることが確認された。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更等が可能である。例えば、スぺーサ３１としては、波状板であることが好ましいが、波状板でなくても良い。

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図である。 熱交換器の要部縦断面図である。 図２のＡ部拡大断面図である。 水冷配管接続部の補強構造を示す断面図である。 水冷配管接続部の補強板を概略的に示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は補強板を保持位置にした平面図、（ｃ）は補強板を開放位置にした平面図である。 熱交換器の内部構造を概略的に示す一部断面斜視図である。

符号の説明

１ 縦型熱処理装置
ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
２ 処理容器
７ ヒータ
１５ 強制空冷機構
１８ 排気配管
１９ 工場排気系
２１ 熱交換器
２２ 波状薄板
２３ コア
２５ａ，２５ｂ 水冷配管接続部
２６ａ，２６ｂ 排気配管接続部
２７ ケース
３０ 隙間
３１ スぺーサ
３２ 係合部
３３ 開口部
３４ 係合溝
３５ 補強板

Claims (4)

1. 被処理体を収容して熱処理する処理容器と、該処理容器の周囲を覆うように設けられ上記被処理体を加熱するヒータと、該ヒータ内に空気を送り込むと共にヒータ内の空気を吸引排気してヒータ内を冷却する強制空冷機構とを備えた縦型熱処理装置における上記ヒータ内から吸引排気される高温の空気を冷却するための熱交換器であって、該熱交換器は、波状薄板を積層して交互に隣接する空気通路と冷却水通路を形成したコアと、該コアの冷却水通路に冷却水を流通させる水冷配管を接続するための水冷配管接続部と、上記コアを収容しその空気通路に空気を流通させる排気配管を接続するための排気配管接続部を有するケースとを備え、上記コアとケースの熱膨張差を吸収するために上記ケース内に上記コアを移動自在に設けられ、上記水冷配管接続部の根元の外周には、係合部が設けられ、上記コアには、上記係合部を含む水冷配管接続部の径方向の移動を許容する開口部が形成されていると共に、上記係合部に半径方向から係合して水冷配管接続時に水冷配管接続部の根元に加わる捻り応力を抑制するための係合溝を有する半割りの補強板が係合位置と非係合位置に選択的に固定可能に設けられていることを特徴とする縦型熱処理装置用の熱交換器。
2. 上記ケースとコアとの間にはスペーサが介在されていることを特徴とする請求項１記載の縦型熱処理装置用の熱交換器。
3. 被処理体を収容して熱処理する処理容器と、該処理容器の周囲を覆うように設けられ上記被処理体を加熱するヒータと、該ヒータ内に空気を送り込むと共にヒータ内の空気を吸引排気してヒータ内を冷却する強制空冷機構と、上記ヒータ内から吸引排気される高温の空気を冷却するための熱交換器とを備えた縦型熱処理装置であって、上記熱交換器は、波状薄板を積層して交互に隣接する空気通路と冷却水通路を形成したコアと、該コアの冷却水通路に冷却水を流通させる水冷配管を接続するための水冷配管接続部と、上記コアを収容しその空気通路に上記ヒータ内からの空気を流通させる排気配管を接続するための排気配管接続部を有するケースとを備え、上記コアとケースの熱膨張差を吸収するために上記ケース内に上記コアが移動自在に設けられ、上記水冷配管接続部の根元の外周には、係合部が設けられ、上記コアには、上記係合部を含む水冷配管接続部の径方向の移動を許容する開口部が形成されていると共に、上記係合部に半径方向から係合して水冷配管接続時に水冷配管接続部の根元に加わる捻り応力を抑制するための係合溝を有する半割りの補強板が係合位置と非係合位置に選択的に固定可能に設けられていることを特徴とする縦型熱処理装置。
4. 上記ケースとコアとの間にはスペーサが介在されていることを特徴とする請求項３記載の縦型熱処理装置。

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