JP4472007B2 - 加熱装置、これを用いた基板処理装置及び半導体装置の製造方法並びに貫通部材 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造技術、特に、被処理基板を処理室に収容して発熱体により加熱した状態で処理を施す熱処理技術に関し、加熱装置、これを用いた基板処理装置及び半導体装置の製造方法並びに貫通部材に関する。

図１に従来の加熱装置を用いた処理炉５００の概略断面図を示す。加熱装置は、略円筒形状で上端が蓋された金属製のケーシング５０１と、このケーシング５０１の内側に設けられた略円筒形状の断熱材５０２と、この断熱材５０２の内壁に設けられた発熱線５０３とを有する。この加熱装置の内側に、均熱管５０４及び処理室を形成する反応管５０５が設けられ、この反応管５０５中でウエハ５０６に所望の熱処理が施される。

近年、メタル配線プロセス(Ｃｕアニールなど)で、プロセス温度の低温化(３００℃以下)と、さらなるスループット向上が求められている。よって、ウエハの昇降温時間の短縮が重要とされている。しかし、かかる要請に図１に記載の如き加熱装置で応じると、現状のヒータは中高温領域で使用できるように大容量の断熱材を持っているため、昇降温特性が悪く、スループットの向上が困難であった。したがって、熱容量が少なく、高応答性の加熱装置が必要とされている。

また、特許文献１に係る基板処理装置では、発熱体に複数のピンを貫通させ、このピンから加熱空間に冷却ガスを送り込むことで、急激な冷却を可能としている。そして、冷却特性に着目することで、加熱装置の応答性を向上させている。

特許文献２に係る基板処理装置では、ヒーターユニットが、処理室の周りを取り囲むように敷設された発熱体と、この発熱体を取り囲むように敷設された第一反射体とこの第一反射体の外側に空間を取って取り囲むように敷設された第二反射体とを設け、処理室の昇降温効率を向上させてある。

しかし、いずれの従来技術においても、スループットの向上は不十分であり、発熱体のさらに適切な保持構造が必要とされていた。
ＷＯ２００７／０２３８５５ 特開２００４−３１１６４８

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、新たな発熱体の保持構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る加熱装置の特徴は、上下に蛇行状の上折返部及び下折返部を備えると共にこれら上折返部及び下折返部の間の素線部間に隙間を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を前記上折返部で保持する保持部と、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の前記隙間を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の表裏において突出し、前記貫通する方向に対する前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材とを有することにある。

上記本発明に係る基板処理装置の特徴によれば、側壁材は導電性材料で構成されるため、熱容量が少なくてスループットを向上させることができる。しかも、前記貫通する方向に対する発熱体の移動、特に中間部の移動を前記突出部により規制することで、この発熱体、特に中間部が側壁材に接触することもない。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態としての第一の実施形態を説明する。

図２〜７に示すように、基板処理装置１は、大略、処理室３０８を形成する反応容器３０９と、この反応容器の外周に配置された加熱装置３と、主制御装置４とを備えている。

加熱装置３は、大略、天井部１０、円筒状の中間部１１、下部１２及び端子ケース１３を有し、中間部１１には発熱体２０が支持されている。天井部１０には下面と側面に開口するエルボ状の排気導路８１が形成され、さらにその下部に反射装置９０を有している。中間部１１は、発熱体２０を支持するインナシェル５０を絶縁状態でアウタシェル６０により包囲し、さらに外周を化粧パネル７０で包囲している。インナシェル５０とアウタシェル６０とは導電性の材料から構成されており、例えば、ステンレス材等の金属材から構成されている。

中間部１１の上部と吸気アタッチメント７ｘとの間には冷却ガス導入ダクト７ｙが取り付けられる。吸気アタッチメント７ｘの開口には開閉バルブ７ａとして例えばバタフライバルブが装着され、流路が開閉できるようになっている。吸気アタッチメント７ｘは冷却ガス供給ライン７に接続される。インナシェル５０及びアウタシェル６０の間に円筒状の冷却媒体流通通路としての気道１４が形成される。冷却ガス導入ダクト７ｙは環状に略均等に配置された複数のパイプ６１により気道１４と連通している。一方、排気導路８１には強制排気を行う排気ブロア８ａを備えた強制排気ライン８が接続され、加熱装置３の内部空間である加熱空間の強制排気が行われる。そして、冷却ガス供給ライン７から導入された空気若しくは不活性ガス等のガスは気道１４及び後述の複数の碍子孔から加熱空間１８に冷却ガスとして供給され、強制排気ライン８から排気される。

反応容器３０９は、加熱空間１８に順次同心に配置される均熱管３１５及び反応管３１０を備え、この反応管３１０内に処理室３０８が形成される。この処理室３０８にはウェーハ３０５を水平多段に保持するボート３００が収納される。このボート３００は図示しないボートエレベータにより、処理室内３０８へ装入、引出し可能である。

反応管３１０内には反応ガス導入管５ｘ及び排気管６ｘが連通される。反応ガス導入管５ｘには流量制御器５ａが設けられ、排気管６ｘには圧力制御器６ａが設けられる。反応ガスが所定流量で導入されると共に前記反応管３１０内が所定圧力に維持される様に、排出口６ｙから内部ガスが排気され、排気管６ｘを通じて処理室外に排出される。

他の冷却ガス供給ライン５ｙは、均熱管３１５と反応管３１０との間に形成される均熱管内空間３１７に連通される。前記冷却ガス供給ライン５ｙには流量制御器５ｂが設けられる。また、吸気アタッチメント７ｘには開閉バルブ７ａが設けられる。強制排気ライン８には排気装置としての排気ブロア８ａが設けられる。すなわち、均熱管内空間３１７と加熱空間１８の双方に対して冷却ガスを適宜導入・調整することが可能である。

発熱体２０は中間部１１の円筒の軸心方向に対し、所要のゾーンＺ１〜Ｚ５に複数段に区分けされ、ゾーン制御が可能となっている。各ゾーンには各ゾーンの加熱温度を検出する温度検出器が設けられている。なお、発熱体２０は各ゾーンそれぞれの成形パターンを同じにすることにより、発熱量を各ゾーンとも均一にする様にしてもよい。

基板処理装置１の各部は主制御装置４によって制御され、例えば、反応管３１０内で処理されるウェーハ３０５の処理状態は、主制御装置４によって制御される。この主制御装置４は、温度モニタ部４ａ、加熱制御部（加熱制御装置）４ｂ、反射制御部４ｃ、第一流量制御部４ｄ、反応管３１０内の圧力を制御する圧力制御部４ｅ、第二流量制御部４ｆ、排気制御部４ｇ及び前記ボートエレベータ等の機構部を制御する駆動制御部４ｈを備えている。

温度モニタ部４ａは第一〜第三温度検出器ＴＣ１〜ＴＣ３の温度を検出する。ここで、第一温度検出器ＴＣ１は発熱体２０近傍で各ゾーンＺ１〜Ｚ５毎に設けられる。第二温度検出器ＴＣ２は反応管３１０内の周部における前記各ゾーンＺ１〜Ｚ５毎に設けられる。さらに、第３温度検出器ＴＣ３は反応管３１０より上方若しくは反応管３１０の上部中央を含む範囲に設けられている。

加熱制御部４ｂは、温度モニタ部４ａの検出結果に基づき各ゾーンＺ１〜Ｚ５の発熱体２０の発熱量を制御する。また、反射制御部４ｃは、温度モニタ部４ａの検出結果に基づき反射装置９０の駆動装置としてのアクチュエータ９９を制御する。そして、下面が鏡面仕上げされた反射体（リフレクタ）９１を適宜傾斜させて発熱体２０から反応管３１０の上部中央に対する集光度を変更し、同部分の温度制御を行う。

第一流量制御部４ｄは流量制御器５ａを制御し、圧力制御部４ｅは圧力制御器６ａを制御し、反応ガスの導入と圧力を制御する。また、第二流量制御部４ｆは流量制御器５ｂを制御し、排気制御部４ｇは開閉バルブ７ａ及び排気ブロア８ａを制御し、冷却ガスの導入と排出とを制御する。

図４に図２中のＡ部の拡大図を示す。発熱体（ヒータ素線）２０は、アルミナ等の絶縁素材としての吊り碍子３０によりインナシェル５０に固定されている。前記発熱体２０には急速加熱が可能である発熱材料、例えばＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金が用いられ、発熱表面積が大きくなる様に、断面は平板形状等の形状が採用され、面状発熱体として構成されている。発熱体２０は上下に蛇行状の折返部２１，２２を有しており、中間部は上折返部２１と下折返部２２とをそれぞれ半ピッチずらして接続する素線部２３と、各素線部２３間に位置する隙間２４から構成されている。また、発熱体２０の上部は吊り碍子３０に保持される折曲部２０ａとして折り曲げ加工がなされている。インナシェル５０内面は鏡面仕上げされており、発熱体の素線部２３裏面から輻射される熱線を前記内面で反射させ、隙間２４から加熱空間１８に向かって放射する。

絶縁材料としての吊り碍子３０はアルミナ等の耐熱絶縁材料よりなる上碍子３１及び下碍子３２からなり、上金具３３と下金具３４で発熱体２０の上部における折曲部２０ａを挟んで、ピン３５で溶着固定されている。下金具３４は二カ所の折曲部においてボルト３６によりインナシェル５０に取り付けられる。

インナシェル５０には中央に貫通孔４０ａを有し気道１４内の冷却ガスをインナシェル５０内部に供給する複数の急冷パイプ４０がインナシェル５０の内壁から加熱空間１８側に向かって突出するように設けられている。急冷パイプ４０はアルミナ等の絶縁耐熱材料により形成されている。この急冷パイプ４０は、隙間２４において発熱体２０を貫通する貫通部４０ｄと、この貫通部４０ｄが発熱体２０を貫通する貫通方向Ｖに交差する方向にこの貫通部４０ｄよりも突出する突出部としての略円形の鍔４０ｂ、４０ｃにより発熱体２０の中腹の動きを制限する。すなわち、一対の鍔４０ｂ、４０ｃ間の貫通部４０ｄに溝を形成する。さらに発熱体２０の下端を下段の吊り碍子３０の上端位置に重なる位置に設け、発熱体２０の下端の急冷パイプ４０の貫通方向に対する動きを制限する。

インナシェル５０の裏面には冷却媒体流通通路としての水冷管５９が設けられている。この水冷管５９は、インナシェル５０の外面に軸心方向に螺旋状に巻き付けられて溶着される。例えば給・排水経路５９ａ，５９ｂを介して冷却水等の冷却媒体を流すことによりインナシェル５０の温度上昇を防ぎ、ほぼ一定に保つ。

インナシェル５０の外側には複数の接続碍子５１を介して絶縁状態でアウタシェル６０が取り付けられる。接続碍子５１は絶縁性と耐熱性を有するアルミナ材で製作されているため、不測に発熱体２０とインナシェル５０とが接触し、インナシェル５０に電流が伝わる等により例えば短絡しても、接続碍子５１により電流がアウタシェル６０に伝わることはない。

接続碍子５１の内側はインナシェル５０に対し第一のボルト５２で固定される。一方、接続碍子５１の外側はアウタシェル６０に対し絶縁耐熱材料としての環状中空状のカラー５３を介して第二のボルト５４で固定される。カラー５３はアウタシェルの取付孔を貫通して設けられ、アウタシェル６０の肉厚よりも厚く形成され、第二のボルト５４の頭部下面と接続碍子５１外面との間にクリアランス（隙間）を設けている。インナシェル５０が熱膨張によって膨らんでも、その変形分をこのクリアランスにより吸収し、アウタシェル６０に熱応力が作用することを防ぎ、アウタシェル６０の変形を防止している。

アウタシェル６０のさらに外側には柱６２を介して最外殻である側壁外層としての化粧パネル７０が設けられている。この化粧パネル７０はフランジを有する柱６２を介してアウタシェル６０と例えば金属製のリべット６２ａにより固定アウタシェル６０の上部には円筒状の前記気道１４に連通する開口６１ａが設けられ、この開口６１ａにパイプ６１の一端が溶接される。パイプ６１は化粧パネル７０を貫通し、その他端が冷却ガス導入ダクト７ｙに連通している。なお、柱６２、化粧パネル７０は導電性を有する材料から構成されており、例えば、ステンレス材料等の金属材料から構成されている。このため、化粧パネル７０とアウタシェル６０とは柱６２を介して導電する状態で接続されている。なお、アウタシェル６０や化粧パネル７０に対する導電を上述の如く防ぐことで基板処理装置全体への導電を防止し、作業時の感電等や基板処理装置内の電装品が破損することを防いでいる。

図４に示すように、インナシェル５０は上下に複数分割されている。分割された上側のシェルとこれに隣接する下側のシェルとの間には隙間５０ｓが設けられている。そして、インナシェル５０のうち上側のシェルである上側シェルに設けられた第一フランジ５０ｔと下側シェルの水冷管５９との間にセラミックファイバー等の断熱部材よりなる断熱ブランケット５０ａを介在させ、隙間５０ｓからの熱逃げを防ぎ、熱的に上下のシェルを分断している。

図７に示すように、中間部１１の下部では、インナシェル５０の外側に張り出した第二フランジ５０ｘとアウタシェル６０の内側に張り出した第三フランジ６０ｘとの間に断熱及び絶縁部材としての断熱ブランケット５０ｙを介在させてある。これにより、インナシェル５０とアウタシェル６０との間は絶縁されると共に断熱ブランケット５０ｙにより気密状態が保たれる。また、第三フランジ６０ｘと底蓋７２ａとの間に断熱部材としての断熱ブランケット６０ｙを設け、インナシェル５０内部空間の気密を保っている。中間部１１と天井部１０との間にも同趣旨の構造が採用され、絶縁状態と気密状態が保たれる。最下段の発熱体２０の下部は発熱体２０の中腹の動きを制限する急冷パイプ４０とは別に設けられた急冷パイプ４２により支持されている。

次に、図４〜６，８〜１２を参照しながら、発熱体２０とその保持構造ないし支持構造について説明する。

図８は、打ち抜き加工後曲げ加工前の発熱体２０’の状態を、図９は折曲加工後の発熱体２０を示す。発熱体２０における蛇行状の上側折返部２１は方形を呈し、折り曲げ加工により保持用の折曲部２０ａとされる。後述の突起３２ｄによる移動制限を行い、発熱体の断線・短絡を防止し、寿命を延長させることが可能である。

一方、発熱体の下側折返部２２は、素線中腹部分と同じ帯幅 、若しくはそれ以上の帯幅で円弧状とし、素線部２３の質量を節約する。これにより、発熱体２０全体の熱容量を減少させ、発熱体２０全体の応答性を向上させている。

図４〜６，１０〜１２に示すように、吊り碍子３０を構成する上碍子３１及び下碍子３２にはそれぞれピン貫通用の孔３１ａ，３２ａが形成され、上碍子３１の外側下面の凸部３１ｂと下碍子３２の外側上面の凹部３２ｂとが嵌め合わされる。これにより、上碍子３１の内側下面３１ｃと下碍子３２の内側上面３２ｃとの間に先の折曲部２０ａを挟み込む隙間を形成する。上碍子３１は内側縁部３１ｄが下方に突出し、挟み込まれた折曲部２０ａの脱落を阻止するように保持する。

下碍子３２には、略四角柱形状の突起３２ｄが設けられ、この突起の両側に先の内側上面３２ｃが位置する。下碍子３２は複数個が間隔を隔ててピン３５に貫通され、隣り合う内側上面３２ｃ間に折曲部２０ａが配置される。発熱体２０は円筒状のインナシェル５０の内面の円弧方向Ｒに沿って配置されるが、折曲部２０ａの両端が先の突起３２ｄにそれぞれ接当することにより、円弧方向Ｒに対する移動が制限される。また、吊り碍子３０は、この円弧方向Ｒに対して間欠的に配置されるので、熱容量の大きな碍子の総量を減少させることにより全体の熱容量を減少させ、発熱体２０全体の応答性を向上させている。

前記急冷パイプ４０は、インナシェル５０の内面に対する直交方向であり前記発熱体２０を貫通する方向である貫通方向Ｖに突出する。そして、先の鍔４０ｂ，４０ｃにより上述の発熱体２０の中腹の動きを制限する。さらに発熱体２０の下端２２を下段の吊り碍子３０の上端位置に重なる箇所に配置することで、発熱体２０の下端２２の前記貫通方向Ｖに対する動きを制限する。すなわち、急冷パイプ４０で上下方向中腹の発熱体２０の加熱装置径方向ヘの凸変形と凹変形を制限し、吊り碍子３０で素線下端の凹変形を制限している。側壁材としてのインナシェル５０は熱容量の小さなステンレス鋼等の金属製材料で構成され、大気雰囲気で使用できる発熱体２０を絶縁した状態で固定することができる。なお、導電性のある物質の殆どは、金属等の低熱容量の物質であり、導電性のない物質の殆どは、アルミナ、石英などの高熱容量の物質であり、このような構造により、加熱装置３の応答性をさらに向上させている。

吊り碍子３０の上金具３３及び下金具３４は剛性の点では上記円弧方向Ｒに連続していることが望ましい。しかし、発熱体２０の加熱時の熱膨張による熱変形を防ぐため、分断の必要もある。そこで、適宜個数の吊り碍子３０毎に上金具３３及び下金具３４を分断することで、捻り剛性を保ちつつ熱膨張による下金具３４間の隙間３４ａを最小限に留めている。また、各下金具３４間に各上金具３３を跨らせることで、さらに捻り剛性を向上させている。

次に、図７を参照しながら、下部１２の構造について説明する。発熱体２０は一つ下層の吊り碍子３０によってインナシェル５０への下折返部２２の近接を阻止される。一方、最下段の発熱体２０に対してはこの吊り碍子が存在しない。そこで、この最下段では、発熱体２０の中腹に上述と同位置に急冷パイプ４０を設けて中腹部分の変形を抑制し、発熱体２０の下折返部２２にも他の急冷パイプ４２を設けて下折返部２２の上記貫通方向Ｖに対するインナシェル５０への近接、離隔変形を防いでいる。なお、両急冷パイプ４０，４２は同種の部材を用いているが、異なるものを用いてもよい。

ところで、図７の構成において、下側の急冷パイプ４２のみを用いた場合は、発熱体２０の下端の変形は制限できるが、発熱体２０の中腹の凸変形・凹変形を抑制することができない。発熱体２０の中腹が加熱空間１８側へ凸変形すると反応容器と接触の虞がある。また、発熱体２０の中腹が凹変形すれば、インナシェル５０との接触によるショート（インナシェルに電流が伝わる等、例えば短絡）の虞がある。一方、中腹の急冷パイプ４０のみを用いた場合は、発熱体２０の下端が凹変形すれば、インナシェル５０との接触によるショートの虞がある。さらに、これらの挙動で発熱体２０が頻繁に凸変形・凹変形すると、熱応力により断線の虞が増大し、発熱体寿命の低下に繋がる。図７の構成はこれらの問題を解消するものである。なお、上述の２つの急冷パイプを用いた図７の構造は、最下段のみに限らず、如何なる位置の発熱体に適用してもよい。但し、発熱体２０の支持方向（上下方向）に対する発熱体２０の集積度を向上させるには、一つ下層の吊り碍子３０によってインナシェル５０への下折返部２２の近接を阻止することが望ましい。また、熱容量の点からも、一つ下段の吊り碍子３０によってインナシェル５０への下折返部２２の近接を阻止するようにし、急冷パイプ（碍子）の使用量を減少させる方が良い。

図２，４に示すように、本実施形態では、上下方向に９段の発熱体２０が設けられ、インナシェル５０は上下方向に３分割され、各分割体が発熱体２０を３段保持する。そして、インナシェル５０間には熱膨張による伸びを吸収するために、隙間５０ｓが設けられる。また、冷却ガスが隙間５０ｓから加熱空間１８内部に供給されないように断熱材としての断熱ブランケット５０ｕで冷却ガスが隙間５０ｓを塞いでいる。本実施形態では、インナシェル５０の下端にフランジ５０ｔを設け、下段のインナシェル５０の最上段に位置する水冷管５９と同フランジ５０ｔとの間に断熱ブランケット５０ｕを挟み、この隙間５０ｓを塞いでいる。同構成によれば、断熱ブランケット５０ｕにはその伸縮性によりインナシェル５０の膨張・収縮を吸収し、インナシェル５０と加熱空間１８との気密性を維持することができる。

ここで、急冷パイプ４０の貫通孔４０ａは、反応容器３０９、延いては、その中のウエハを急速に冷却する。しかし、隙間５０ｓは、急冷パイプ４０に比べるとコンダクタンスも少ないため、冷却ガスの大部分は隙間５０ｓから加熱空間に漏洩する。しかも、隙間５０ｓはインナシェル５０の分割体同士の間に位置し、急冷パイプ４０の出口よりも反応容器３０９と隔たっている。特に反応容器３０９の手前には発熱体が存在するため、反応容器３０９への冷却が非効率となってしまう。これを防ぐために上記隙間５０ｓを塞ぐ構造が必要である。この構造は、隙間５０ｓの上下端ともフランジ５０ｔを設けたり水冷管５９を設けてもよいが、一方がフランジ、他方が水冷管の方が構造上無駄を生じずに優れている。

隙間５０ｓの近傍では水冷管５９を均一な冷却のために必ずしも適切な位置に配置できるとは限らない。したがって、上下９段に積層された発熱体２０の各段毎にインナシェルを分断して設けるのではなく、複数段の発熱体２０をインナシェル５０の一分割体に支持させ、ウエハ間の温度偏差の発生を抑制している。かかる点及び熱膨張による伸長量が比較的小さくて隙間の問題を解消できることから、本実施形態では各分割体に三段の発熱体２０を支持させてある。また、水冷管は各分割体毎に一系統設けるので全体で三系統であるが、温度制御が可能である限り、三分割体全体で一系統としたり、さらに異なる数の系統としてもよい。

次に、上記基板処理装置１の動作について説明する。
ウェーハ３０５の処理は、このウェーハ３０５が装填された前記ボート３００がボートエレベータにより前記反応管３１０に装入され、前記加熱装置３の加熱により所定温度迄急速加熱される。この加熱装置３により前記ウェーハ３０５を所定温度に加熱した状態で前記反応ガス導入管５ｘより反応ガスが導入され、前記排気管６ｘを介して排気ガスが排出され、前記ウェーハ３０５に所要の熱処理がなされる。

通常、前記ボート３００の装入前は所要の温度、例えば５５０℃に保温しておき、このボート３００が装入された後はウェーハ処理温度、例えば８５０℃迄昇温保持される。尚、装入前の温度、処理温度は基板処理装置での処理内容に応じて適切な温度が選択される。

前記発熱体２０の各段の発熱体２０は温度モニタ部４ａによって独立したゾーン毎に測定され、発熱体２０及び反射装置９０により温度制御される。各ゾーンの発熱体２０は連続した１つの発熱体であるので、この発熱体２０に異常があった場合、例えば断線があった場合も直ちに発見でき、各段の発熱体の劣化状態も容易に把握することができる。

処理が完了すると、ウェーハ出炉温度、例えば５５０℃迄急速冷却される。このウェーハ３０５処理後の冷却は、前記流量制御器５ａ及びエアバルブ７ａが開かれ、空気或は窒素ガス等不活性ガスが冷却ガスとして前記冷却ガス供給ライン５ｙ、７より供給される。前記冷却ガス供給ラインから供給された冷却ガスは急冷パイプ４０の貫通孔４０ａを通じて加熱空間１８に流入し、発熱体２０を外面、内面の両側から急速に冷却する。

このような冷却パイプ４０を用いた構成では、ヒータの冷却速度、延いてはウェーハの冷却速度を向上させることができ、ウェーハ処理のスループットを向上させることができる。また、冷却パイプ４０は発熱体押さえと冷却ガス供給管とを兼ねているため、別途ヒータ冷却用のガス管を設ける必要がなく、それ故、ヒータ内壁における発熱体面積を向上させることができる。さらに、冷却パイプ４０の貫通孔４０ａの開口部は発熱体２０よりも内側にて開口しているので、冷却ガスにより発熱体２０が局所的に冷却されることを防止する。その結果、発熱体２０の局所的な変形、捩れ、亀裂を抑制し、延いては、発熱体２０の断線、反応管３１０との接触を防止できる。

円筒状の気道１４に導入される冷却ガスは、容積の大きな冷却ガス導入ダクト７ｙを経て分散されることで、気道１４に均一に冷却ガスが流入し、冷却むらの発生が防止される。その後、冷却ガスは、複数のパイプ６１、気道１４、複数の急冷パイプ４０を介して加熱空間１８に吹き込まれ、加熱空間１８を上昇して排気導路８１より排気される。インナシェル５０内面は加熱空間１８を上昇する冷却ガスにより冷却され、均熱管３１５及び反応管３１０は加熱空間１８及び均熱管内空間３１７を上昇する冷却ガスにより急速に冷却される。これらにより反応管３１０内のウェーハ３０５は急速冷却される。発熱体２０にＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやカーボン、ＳｉＣ等の発熱体を採用することで、急速加熱、高温加熱が可能となり、更に冷却ガスによる加熱装置３の冷却により急速冷却が可能となっている。

冷却が完了すると、ボートエレベータによりボート３００が降下され、このボート３００から処理済のウェーハ３０５が払出される。尚、減圧処理の場合は、反応室を大気圧迄復帰させた後、ボート３００が降下される。

本明細書は以下の発明をも含むものとする。
１）基板を処理する基板処理装置に用いられる加熱装置であって、板状で切欠又は貫通孔を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料よりなる側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置された前記発熱体の保持部（保持体）と、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記切欠又は貫通孔を貫通する貫通部材とを備え、前記保持部は前記発熱体を一端のみで保持し、前記貫通部材は、前記発熱体の一端と他端との間の中間部（中間部位）においてこの発熱体の前記切欠又は貫通孔を貫通する貫通部（貫通部位）と、前記貫通する方向に交差する交差方向に対し前記貫通部よりも前記発熱体の表裏において突出し前記貫通する方向に対する前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する加熱装置。

２）蛇行状の折り返し構造を持つ発熱体と、導電性のある内壁と、この内壁に対し垂直方向に設けられる第一の絶縁碍子と、この内壁に対し垂直方向に設けられる第二の絶縁碍子とを有し、この発熱体の上端の折り返し部（折り返し部位）はこの第一の絶縁碍子に取付けされ、この発熱体の下端の折り返し部にはこの第二の絶縁碍子が挿入され、この第二の碍子に対し垂直に設けられた２つの鍔でこの発熱体の動きを制限するようにした基板処理装置、加熱装置及び発熱体の保持構造。

３）基板を収納し処理する処理室と、この処理室内の基板を加熱する発熱体とを有し、この発熱体は、発熱体とこの発熱体の外側に位置する筒状の第一のインナシェルと第二のインナシェルとを有し、この第一、第二のインナシェルを、所定の隙間を開けた状態で重ねて配置し、この第一のインナシェルの下端に第一の鍔を設け、この第一のインナシェルの下段に位置する第二のインナシェルの上端に第二の鍔を設け、この第一、この第二の鍔の間に伸縮性を有する部材を配置した基板処理装置、加熱装置及び発熱体の保持構造。なお、第二の鍔は、インナシェルを冷却するための水冷管とするとよい。

４）基板を収納し処理する処理室と、この処理室内の基板を加熱する発熱体とを有し、この発熱体の上端を挟んで支持する吊り碍子と、この素線の下端に挿入され、この発熱体の凸凹変形を抑制する２つの鍔を有する２つの碍子とで保持される基板処理装置、加熱装置及び発熱体の保持構造。

５）基板を収納し処理する処理室と、この処理室内の基板を加熱する発熱体とを有し、この発熱体は、蛇行状に折り返されておりその上端を碍子により保持され、この発熱体の上端の折り曲げ部を角形状として、この碍子の内側に設けた突起により周方向の移動が制限されていることを特徴とする発熱体を有する基板処理装置、加熱装置及び発熱体の保持構造。

６）筒状に形成された側壁と、複数の隙間を有する板状の発熱体とを備え、側壁の内面は熱線を反射可能に仕上げられ、前記側壁の筒状の内面に沿って発熱体を設け、発熱体の素線部表面は加熱空間に向かって熱線を輻射し、前記素線部裏面から輻射される熱線は前記内面により反射され前記隙間を通過して前記加熱空間に輻射される加熱装置、基板処理装置及び発熱体の保持構造。この構造では、素線部２３の幅に比較して隙間２４の幅を十分にとり、内面からの反射による熱線を有効活用できる幅としてある。この筒状の中心軸に沿って隙間を形成し、中心軸上側を前記保持部材により支持すると、輻射熱を尤も有効に活用すると共に発熱体の面密度を向上させることができるし、発熱体の線量を減少させて熱応答性を向上させることができる。また、筒状の内面を凹曲面とすることで、反射された熱線が隙間を通過して加熱空間内に輻射される効率を向上させることができ、この凹曲面は円弧面であることが望ましい。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

図１３〜１７に貫通部材としての急冷パイプ４０、４２の改変例４３〜４７を例示する。これら急冷パイプ４３〜４７等はアルミナ等の耐熱絶縁材料により構成される。

図１３に示す第二改変例としての急冷パイプ４３は、鍔４３ｂとほぼ同径の太径部４３ｃがインナーシェル５０まで設けられ、貫通部４３ｄは発熱体２０の隙間２４を貫通する。この太径部４３ｃの肉厚ｔａは上記実施形態よりも厚く、貫通孔４３ａを通過する冷却ガスが太径部４３ｃ外部の雰囲気により加熱されることを防ぐ。よって、より温度の低い冷却ガスを貫通孔４３ａから噴出させることができる。

図１４に示す第三改変例としての急冷パイプ４４では、貫通部４４ｄと同径の小径部４４ｘに鍔４４ｂと同径の外管４４ｃが外挿される。小径部４４ｘ及び外管４４ｃ合計の肉厚ｔａは上記実施形態より厚く形成され、第二改変例と同様の効果を奏する。

図１５に示す第四改変例としての急冷パイプ４５では、鍔４５ｂと肉厚ｔａの太径部４５ｃとは同径であり、左右の切り込みにより貫通部４５ｄが形成される。この貫通部４５ｄは上折返部２１側の隙間２４から挿入される。貫通部４５ｄの肉厚ｔｂの薄肉部分は少なく、上記冷却ガスの加温をより確実に防止することができる。

図１６に示す第五改変例としての急冷パイプ４６では、鍔４６ｂと太径部４６ｃとは貫通孔４６ａの軸心方向視で同一の楕円形状を呈する。楕円の短軸は隙間２４よりも狭くて鍔４６ｂは長軸を隙間２４長手方向に配向する状態で隙間を通過できる。貫通部４６ｄは短軸とほぼ同一径を有している。また、長軸は隙間２４通過後に約９０度回転させることで鍔４６ｂ及び太径部４６ｃにより発熱体２０を上記直交方向に対して位置規制することができる。すなわち、インナシェル５０への急冷パイプ４６の取付と、発熱体２０の吊り碍子３０への取付と、発熱体２０の急冷パイプ４６への取付をそれぞれ別工程で行うことができる。

図１７に示す第六改変例としての支持棒４７は、先のインナシェル５０の直交方向に固定される太径部４７ａから突出する小径部４７ｂを発熱体２０の孔２３ａに貫通させる。そして、小径部４７ｂに形成された小孔４７ｃに楔４７ｄを差し込むことで、発熱体２０の移動を規制する。

図１８，１９に貫通部材としての急冷パイプ４０，４２のさらに他の改変例（第七改変例）を例示する。第七改変例としての急冷パイプ４８は、貫通部４８ｄよりも突出する突出部としての略円形の鍔４８ｃを発熱体２０より側壁材としてのインナシェル５０側（発熱体２０裏面側）にのみ設けてある。発熱体２０のインナシェル５０側に鍔４８ｃを設けることにより、発熱体２０のインナシェル５０側への熱変形を防止でき、インナシェル５０との接触による短絡を防止することができる。

従来、発熱体の熱変形による側壁材との接触を考慮し、側壁材は絶縁材料や断熱材料で構成していた。しかし、これらの材料は熱容量が大きいため、加熱装置の応答性が低下していた。突出部を発熱体より側壁材側に設けたことで、発熱体の側壁材側への熱変形を防止でき、側壁材を熱容量の小さい金属製材料で構成することが可能となった。これにより、側壁の熱容量を小さくすることができるようになり、加熱装置の応答性をさらに向上させることが可能となった。

また、発熱体２０表面側（加熱空間１８側）で突出する突出部としての鍔を設けていないので、急冷パイプの製作が容易となる。さらに、発熱体２０表面側に鍔が位置しないので、加熱効率も向上する。しかも、一対の鍔で発熱体２０を表裏から挟み込まなくてよいので、組み付け作業が容易となる。

ところで、発熱体２０は、上端のみが保持部３０によって保持され、発熱体２０の下端２２が上端２１よりインナシェル５０に対し離隔し垂直姿勢よりも傾斜するように吊り下げてある。この構成により、発熱体２０に熱変形が生じても、重力の作用により側壁面側へ押し付けられることとなり、加熱空間側へ発熱体２０は反り返りにくい。

なお、上述の他の改変例においてもインナシェル５０側にのみ突出部を設けても構わない。また、発熱体の表裏において突出部を設けた貫通部材と、発熱体より側壁材側において突出部を設けた貫通部材とを適宜組み合わせて用いることも可能である。

反応容器は、均熱管及び反応管の双方を備えるように説明したが、均熱管を備えずに反応管のみであってもよい。その他、２重管のみならず、１管や３重管以上の管数に構成されていてもよい。

上記熱処理は酸化処理や拡散処理及び拡散だけでなくイオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローおよびアニール処理等に限らず、成膜処理等の熱処理であってもよい。基板はウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、光ディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。バッチ式熱処理装置および枚葉式熱処理装置に限らず、ヒータユニットを備えた半導体製造装置全般に適用することができる。上記インナシェル５０及び反射体９１の鏡面仕上げ部は、ステンレス鋼の研磨により鏡面とする他、金、白金等の貴金属によるメッキを施しても構わない。

本発明の実施形態は上記の如く構成されるが、さらに包括的には次に列挙するような構成を備えてもよい。
本発明に係る加熱装置の第一の態様は、板状で切欠又は貫通孔を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を一端のみで保持する保持部と、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の一端と他端との間において前記発熱体の切欠又は貫通孔を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の表裏において突出し、前記貫通する方向に対する前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材とを有する。
また、本発明に係る加熱装置の第二の態様は、板状で切欠又は貫通孔を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を一端のみで保持する保持部と、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の一端と他端との間において前記発熱体の切欠又は貫通孔を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の前記側壁材側において突出し、前記側壁材側に前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材とを有する。
上記第一、第二の態様において、前記突出部は鍔形状で形成するとよい。また、前記貫通部材は、少なくとも発熱体の１つの切欠又は１つの貫通孔に対し複数設けられ、少なくとも前記貫通部材の１つを前記発熱体の１つの切欠又は１つの貫通孔の最下段部に設けるとよい。
上記第一の態様において、前記突出部は前記発熱体の裏面側から前記側壁材に至るまで設けても構わない。また、上記第二の態様において、前記突出部は前記発熱体の側壁材側から前記側壁材に至るまで設けても構わない。これらの態様において、前記突出部は前記貫通部と別体として設けてもよい。そして、前記貫通部に溝が形成され、該溝に前記突出部が設けることが望ましい。また、前記突出部は、楕円形状で形成され、該楕円形状の短軸側が前記発熱体の切欠又は貫通孔の幅より狭く、前記楕円形状の長軸側が前記発熱体の切欠又は貫通孔の幅より広く形成してもよい。さらに、前記貫通部に孔が形成され、該孔に、前記突出部が楔形状で形成されて差し込まれていても構わない。上記第二の態様において、前記発熱体は前記他端が前記一端より前記加熱空間側に位置するように垂直方向に対し傾斜して保持するとよい。これにより、発熱体に熱変形が生じても発熱体を重力により突出部へ移動させるように誘導し、加熱空間側への移動を抑制することができる。
また、本発明に係る加熱装置の第三の態様は、蛇行状に折り返され、上端の折曲部を方形状とし、下端の折曲部を円弧状として形成される発熱体と、該発熱体の上端を保持する碍子を有し、前記碍子は前記発熱体の隣接する上端の折曲部の両端がそれぞれ当接する突起を有する。本発明に係る加熱装置の第四の態様は、発熱体と、この発熱体の外側に位置し、下端に第一の鍔を設けた筒状の第一のインナシェルと、前記発熱体の外側に位置し、上端に第二の鍔を設けた筒状の第二のインナシェルと、前記第一の鍔と前記第二の鍔との間に設けられる伸縮性を有する部材とを有する。
本発明に係る基板処理装置は、上記第一〜第四の加熱装置の各態様において、前記加熱装置の内部の前記加熱空間に基板を処理する反応容器を設けてある。
本発明に係る半導体装置の製造方法の第一の態様は、反応容器内に基板を搬入する工程と、加熱する板状で切欠又は貫通孔を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を一端のみで保持する保持部と、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の一端と他端との間において前記発熱体の切欠又は貫通孔を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の表裏において突出し、前記貫通する方向に対する前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材とを有する加熱装置内の前記反応容器内を加熱し前記基板を処理する工程とを有する。
本発明に係る半導体装置の製造方法の第二の態様は、反応容器内に基板を搬入する工程と、加熱する板状で切欠又は貫通孔を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を一端のみで保持する保持部と、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の一端と他端との間において前記発熱体の切欠又は貫通孔を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の前記側壁材側において突出し、前記側壁材側に前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材とを有する加熱装置内の前記反応容器内を加熱し前記基板を処理する工程とを有する。
本発明に係る貫通部材の第一の態様は、板状で切欠又は貫通孔を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を一端のみで保持する保持部とを少なくとも備える加熱装置に用いられる態様であって、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の一端と他端との間において前記発熱体の切欠又は貫通孔を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の表裏において突出し、前記貫通する方向に対する前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する。
本発明に係る貫通部材の第二の態様は、板状で切欠又は貫通孔を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を一端のみで保持する保持部とを少なくとも備える加熱装置に用いられる態様であって、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の一端と他端との間において前記発熱体の切欠又は貫通孔を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の前記側壁材側において突出し、前記側壁材側に前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する。

本発明は、例えば、半導体集積回路装置(半導体デバイス)が作り込まれる半導体ウエハに酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応による成膜処理などに使用される基板処理装置に利用することができる。本発明は、このような基板処理装置のうち、特に低温領域でプロセスに対して有効なものである。

従来の加熱装置を用いた処理炉の概略断面図である。 本発明における基板処理装置の概略を示す縦断面図である。 図２の天井部近傍における横断面図である。 図２におけるＡ部拡大図である。 図３におけるＢ部拡大図である。 図２におけるＣ部拡大図である。 図２におけるＤ部拡大図である。 打ち抜き加工後曲げ加工前の発熱体の状態を示す正面図である。 曲げ加工後の発熱体の状態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 吊り碍子の上碍子を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図である。 吊り碍子の下碍子を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図である。 上金具を外した状態における図５相当図である。 第二改変例にかかる急冷パイプの一部を破砕した側面図である。 第三改変例にかかる急冷パイプの一部を破砕した側面図である。 第四改変例にかかる急冷パイプを示し、（ａ）は一部を破砕した側面図、（ｂ）は鍔部分を切断した正面図である。 第五改変例にかかる急冷パイプを示し、（ａ）は一部を破砕した側面図、（ｂ）は正面図である。 第六改変例にかかる支持棒を示し、（ａ）は一部を破砕した側面図、（ｂ）は正面図である。 第七改変例にかかる急冷パイプの図４相当図である。 第七改変例にかかる急冷パイプの図７相当図である。

符号の説明

1：基板処理装置，3：加熱装置，4：主制御装置，4a：温度モニタ部，4b：加熱制御部，4c：反射制御部，4d：第一流量制御部，4e：圧力制御部，4f：第二流量制御部，4g：排気制御部，4h：駆動制御部，5a：流量制御器，5b：流量制御器，5x：反応ガス導入管，5y：冷却ガス供給ライン，6a：圧力制御器，6x：反応ガス排気管，7：冷却ガス供給ライン，7a：開閉バルブ，7ｂ：急冷パイプ，７x：吸気アタッチメント，７y：冷却ガス導入ダクト，8：強制排気ライン，8a：排気ブロア，10：天井部，11：中間部，12：下部，13：端子ケース，14：気道（冷却媒体流通通路），18：加熱空間，20：発熱体，20a：折曲部，21：上折返部，22：下折返部，23：素線部，24：隙間，30：吊り碍子，31：上碍子，32：下碍子，33：上金具，34：下金具，34a：隙間，35：ピン，36：ボルト，40：急冷パイプ，40a：貫通孔，40b：鍔，40c：鍔，40d：貫通部，42：急冷パイプ，50：インナシェル（側壁内層），50s：隙間，50t：第一フランジ，50u：断熱ブランケット，50x：第二フランジ，50y：断熱ブランケット，51：接続碍子，52：第一のボルト，53：カラー，54：第二のボルト，55a：開口（第一の開口），55b：箱（隔壁体），55c：鍔，55x：ねじ，59：水冷管，60：アウタシェル（側壁中層），60x：第三フランジ，60y：断熱ブランケット，61：パイプ，61a：開口，62：柱，62a：リベット，65：開口（第二の開口），65a：隙間，70：化粧パネル（側壁外層），71：ネジ，72a：底蓋，72b：コイルウケ，81：排気導路，81a：排気口，82：第一の開口，83：第二の開口，90：反射装置，91：反射体，91a：隙間，92：移動機構，93：シャフト，94：中央板，95：ボルト，99：アクチュエーター，100：取付構造，101：温度センサ（温度検出器），102：熱電対接点（温度検出体），103：保護管，103x：隙間，103y：隙間，104：碍子管，105：内鍔，106：外鍔，107：碍子，108：端子，109a：金属管，109b：止めねじ，111：第一パッキン，111a：孔，112：第二パッキン，112a：孔，120a〜c：ねじ，121：温度センサ（温度検出器），125：内鍔，126：外鍔，127：内箱，128：外箱，129：パッキン，131：温度センサ（温度検出器），132：温度センサ（温度検出器），133：保護管，135a〜ｃ：鍔，300：ボート，305：ウエハ，308：処理室，309：反応容器，310：反応管，315：均熱管，317：均熱管内空間，320：L型温度センサ（温度検出器），321：接点（温度検出体），322：接点（温度検出体），330：温度センサ（温度検出器），Z1〜Z5：ゾーン，Ｈ１〜Ｈ３：貫通孔，Ｒ：円弧方向，Ｖ：貫通方向

Claims (5)

1. 上下に蛇行状の上折返部及び下折返部を備えると共にこれら上折返部及び下折返部の間の素線部間に隙間を有する発熱体と、
   加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、
   この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を前記上折返部で保持する保持部と、
   前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の前記隙間を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の表裏において突出し、前記貫通する方向に対する前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材と
   を有する加熱装置。
2. 上下に蛇行状の上折返部及び下折返部を備えると共にこれら上折返部及び下折返部の間の素線部間に隙間を有する発熱体と、
   加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、
   この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を前記上折返部で保持する保持部と、
   前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の前記隙間を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の前記側壁材側において突出し、前記側壁材側に前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材と
   を有する加熱装置。
3. 請求項１又は２記載の前記加熱装置の内部の前記加熱空間に基板を処理する反応容器を設けた基板処理装置。
4. 反応容器内に基板を搬入する工程と、
   上下に蛇行状の上折返部及び下折返部を備えると共にこれら上折返部及び下折返部の間の素線部間に隙間を有する発熱体と、加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を前記上折返部で保持する保持部と、前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の前記隙間を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の前記側壁材側において突出し、前記側壁材側に前記発熱体の移動を規制する突出部とを有する貫通部材とを有する加熱装置内の前記反応容器内を加熱し前記基板を処理する工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
5. 上下に蛇行状の上折返部及び下折返部を備えると共にこれら上折返部及び下折返部の間の素線部間に隙間を有する発熱体と、
   加熱空間を包囲する導電性材料で構成される側壁材と、この側壁材の加熱空間側に配置され、前記発熱体を前記上折返部で保持する保持部とを少なくとも備える加熱装置に用いられる貫通部材であって、
   前記側壁材の加熱空間側に突出して配置され、前記発熱体の前記隙間を貫通する貫通部と、前記貫通部から貫通する方向に交差する交差方向に対し、前記貫通部よりも前記発熱体の前記側壁材側において突出し、前記側壁材側に前記発熱体の移動を規制する突出部と
   を有する貫通部材。

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