JP4570345B2

JP4570345B2 - 熱処理炉

Info

Publication number: JP4570345B2
Application number: JP2003325523A
Authority: JP
Inventors: 俊浩神永; 敦奥野; 康憲高桑
Original assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Current assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: JP2005093746A

Description

本発明は、主として拡散装置、ＣＶＤ装置等の半導体製造装置に用いられる熱処理炉に関する。

半導体製造装置に用いられる熱処理炉として、線状のヒータエレメントをコイル状に巻回して配設する熱処理炉や、線状や板状のヒータエレメントを平面的な波形状に加工し、そのヒータエレメントを炉壁に沿って配設する熱処理炉が知られており、特許文献１〜４にはこれらの熱処理炉が開示されている。また、他の熱処理炉として、特許文献５には、線状のヒータエレメントを平面的な波形状に折り曲げ、そのヒータエレメントを炉壁から内方に突出するように多数並列して配設する熱処理炉が開示されている。

特開２００１−２１０６３１号公報特開平１１−２９７６２７号公報特開平７−６９７３号公報実開平２−２２５９６号公報特開平４−１４４１３３号公報

ところで、熱処理炉の炉壁に別体のヒータエレメントを配設する構成としては、例えば特許文献２に開示されているように、ヒータエレメントに形成するピン部を炉壁に差し込んで取り付ける構成や、別体の固定具のピン部をヒータエレメントの隙間を通して炉壁に差し込み取り付ける構成や、炉壁側に形成した取付溝にヒータエレメントを係止して取り付ける構成がある。

しかしながら、ピン部を差し込んで取り付ける場合の多数の箇所での差込作業や、取付溝へ係止する場合の係止作業には、多大な労力を要する。更に、ピン部を差し込んで取り付ける場合には、熱膨張によるヒータエレメントの伸びでピン部が外れ、軟化による剛性低下で重力方向に垂れが発生してしまい、ヒータエレメント同士が接触してショートする危険性もある。また、炉壁側に係止可能な取付溝を形成する場合には、取付溝の形成が高コスト化を招いてしまう。

また、特許文献５のヒータエレメントを内方に突出する構成は、ヒータエレメントの設置状態の安定のために突起板を設ける必要があるなど非常に高コストなものになるか、或いは突出するヒータエレメントに重力方向への垂れが発生する等、ヒータエレメントの設置状態が非常に不安定なものになってしまう。

本発明は上記課題に鑑み提案するものであって、低コスト且つ少ない労力で熱処理炉の炉壁にヒータエレメントを配設することができると共に、ヒータエレメントの設置状態の安定性が高く、ヒータエレメントのショートの危険性が無い熱処理炉を提供することを目的とする。

本発明の熱処理炉は、略孤形帯状のヒータエレメントに、上下端まで延びる複数の突条を周方向の所定間隔毎に曲成し、円筒状の炉壁の内周に沿って周設される載置部を上下方向の所定間隔毎に設け、各載置部に該ヒータエレメントを該炉壁の内周に沿って載置し、該ヒータエレメントで該炉内の被処理体を加熱することを特徴とする。前記複数の突条は、例えば帯状或いは帯板状のヒータエレメントを厚さ方向に波打つ波形の凹凸に形成した場合の突条とすると好適であるが、平板で帯状のヒータエレメントの所定箇所を内方若しくは外方に打ち出した形状の突条等とすることも可能であり、また、突条の平面視形状は、例えば丸みを帯びた波形とすると好適であるが、鋸歯形、矩形の凹凸等とすることが可能である。

更に、本発明の熱処理炉は、前記ヒータエレメントに設ける端子部の固定だけで該ヒータエレメントを固定することを特徴とする。即ち、載置部に設けられるヒータエレメントの端子部だけを電流線等に固定し、ヒータエレメントの載置部若しくは載置面に載置された部分を特に固定せず単に載置部に載置するだけの構成とする。

更に、本発明の熱処理炉は、前記載置台で周方向に略隙間が無い略円周形を構成するヒータエレメントに対し、該略円周形の一方側の端子箇所から他方側の端子箇所へ並列的に電流を流すことを特徴とする。前記熱処理戸は、例えば前記略孤形帯状のヒータエレメントを略半円周形とし且つその両端に端子部を設け、該ヒータエレメントの２つの両端の端子部を互いに接触させ前記略円周形を構成するものとすると、製造工程の容易化を図ることができて好適であるが、例えば前記略孤形帯状のヒータエレメント自体を略円周形として、そのヒータエレメントに略直径方向に設けられる一方の端子部から他方の端子部へ並列的に電流を流す構成や、端子部を有する２つのヒータエレメントと端子部を有しないヒータエレメントを用いて略円周形とする構成等とすることも可能である。

本発明の熱処理炉は、円筒状の炉壁の内周に沿って周設される略環状の載置台を上下方向に積み重ね、上段の前記載置台の側壁に下方に突出して形成されている突部を、下段の前記載置台の側壁の上部に形成されている切欠部に係合するようにして設けることにより、前記載置台の前記載置部を上下方向の所定間隔毎に設け、略弧形帯状で略半円周形のヒーターエレメントの両端に端子部を設け、前記ヒーターエレメントの前記両端の端子部を互いに接触させ前記略円周形を構成し、前記ヒーターエレメントに、上下端まで延びる複数の突条を周方向の所定間隔毎に曲成し、前記載置部の各々に前記ヒーターエレメントを前記炉壁の内周に沿って載置し、前記両端の端子部を前記載置台のスリットを介して前記炉壁の長手方向に沿って凹設されている凹溝内に導出し、前記凹溝内に導出される前記両端の端子部を接続板を介して上下段で交互に電気的に接続すると共に、所定高さのヒーターエレメントの前記両端の端子部を前記接続板に代えてヒーターバーに接続し、前記ヒーターエレメントで前記炉内の被処理体を加熱することを特徴とする。尚、本発明に於ける略弧形帯状のヒーターエレメントは、前記略半円周形以外にも、略円周形や、円周の１／３や１／４など適宜の長さの弧形とすることが可能であり、更に、円周形以外の孤形のヒータエレメントは、適宜の長さの他のヒータエレメントと組み合わせて円周形を構成することが可能であり、更に、適宜の長さのヒータエレメントは他の端子部を有する若しくは他の端子部を有しないヒータエレメントと連結して用いることが可能である。

本発明の熱処理炉は、ヒートエレメントが加熱で熱膨張する際に、所定間隔毎に曲成された各突条の平均的な伸びによって、熱膨張による伸びを平均化して吸収することが可能であり、又、ヒータエレメントは所定間隔毎に曲成した突条を有する略孤形帯状であることから、縦方向や横方向等の形状的な強度を高めることができる。

更に、高強度で熱膨張による伸びの吸収力が高いヒータエレメントを載置部に載置して設けることにより、例えば高温時の軟化による剛性低下で重力方向の垂れが発生することを防止する等、ヒータエレメントの移動や変形を防ぎ、加熱時を含めヒータエレメントの設置状態を非常に高い安定性を実現することができる。従って、ヒータエレメントの移動や変形によるヒータエレメント同士の接触で生ずるショートを防止することができる。

更に、ヒータエレメントを載置部若しくは載置面に載置して設けることにより、多数箇所でピン部を差し込んで取り付ける作業や取付溝へ係止する作業を不要にすると共に、炉壁への取付溝の形成等も不要にすることが可能であることから、作業労力の低減、ピンなど部品点数の削減、取付溝の形成工程の削減等を図り、低コスト且つ少ない労力で熱処理炉の炉壁にヒータエレメントを配設することができる。加えて、熱膨張時にピン部等の固定部に高い応力が負荷されて固定部分が破損する等の弊害も無い。

更に、載置台に載置するヒータエレメントは、高強度で熱膨張による伸びの吸収力が高い形状であると共に、突条により単位長さ当たり多大な表面積を有する形状で、例えば従来ヒータに比べて３倍以上等の発熱面積を確保することができることから、加熱に必要なヒータエレメントの重量を軽量化しつつ、良好な昇降温特性を確保することができる。即ち、ヒータエレメントの剛性や強度を上げるために、太いヒータエレメントなど重量が重いヒータエレメントを用いる場合には、熱処理炉自体の熱容量が増大し、昇降温特性が緩慢になるが、かような不具合が生ずることがない。加えて、大きな発熱面積を有することから、電力の調整で電流量を変化させ加熱温度を調整することが可能であり、低温から高温までの全温度領域の加熱を本発明の熱処理炉で行うことが可能である。

更に、端子部の固定だけでヒータエレメントを固定し、ヒータエレメントの載置部若しくは載置面に載置された部分を特に固定せず、単に載置部若しくは載置面に載置するだけとすることにより、ヒータエレメントの設置作業を非常に容易化することができる。

更に、例えば円周形のヒータエレメントの両端子部を絶縁しつつ近傍位置に設け、直列的に電流を流す場合に、前記近傍位置では絶縁物の存在によるヒータエレメントの不存在で加熱できない部分が生じ、加熱に不均一を生ずるが、ヒータエレメントの略隙間無く形成される略円周形に、一方の端子箇所から他方の端子箇所へ並列的に電流を流すことにより、かような不均一な加熱を無くし、均熱性を向上することができる。

そして、熱処理炉の寿命を延ばすことができると共に、熱処理炉の生産効率を向上することができる。

以下、本発明の熱処理炉の実施形態について説明する。本実施形態の熱処理炉１は、半導体ウェハが内部に配置され処理ガスが導入される縦型の反応管を加熱し、半導体ウェハに成膜処理等を施す場合に用いるものであって、図１〜図３に示すように、熱反射機能を有するステンレス等の高融点金属で形成される円筒形の鏡体２に、鏡体２の内径と外径がほぼ同一の円筒形で断熱材からなる炉壁３が内設され、その炉壁３の内部に複数の載置台４が積み重ねて設けられ、各載置台４上にヒータエレメント５が載置されている。

各載置台４は略環状に一体的に形成され、ヒータエレメント５の載置領域である上面の載置部４１と、略周設されている側壁４２と、側壁４２の上部外側に略周設されている切欠部４３と、側壁４２の下部外側で切欠部４３と対応する位置に略周設されている突部４４を有し、切欠部４３と突部４４は断面視矩形に形成され、両者は略同一サイズの略同一形状に形成される。また、側壁４２、切欠部４３及び突部４４の所定位置には、後述するヒータエレメント５の端子部が挿通されるスリット４５が形成されている。

略環状の載置台４は、炉壁３の内周に沿って周設されると共に、上段の載置台４が、その下方に突出する突部４４を下段の載置台４の切欠部４３に係合して積重され、複数の載置台４や載置部４１が上下方向の所定間隔毎に設けられている。尚、本実施形態では、複数の略環状の載置台４を積重して載置部４１を上下方向の所定間隔毎に設ける構成としたが、例えば上下方向の所定間隔毎に載置部４１が一体的に形成されている略円筒形の載置体等を用いることも可能である。

ヒータエレメント５は、帯状で略半円周形に形成され、抵抗発熱体のヒータ部５１と、ヒータ部５１の両端から外方に突設されている平板状の端子部５２を有する。ヒータ部５１は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金等の金属、カーボン、ＭｏＳｉ_２等のセラミックス、ニクロム等の抵抗発熱体を素材とし、全体として帯状で略半円周形に形成されていると共に、厚さ方向に凹凸する平面視波形に曲成されて、周方向の所定間隔毎に内方若しくは外方に突出し且つ上下端まで延びる略山形の突条を有する。尚、ヒータエレメント５を製造する際には、例えば板厚０．１〜５ｍｍ程度の平板状の帯状素材を波形に曲げて加工し、或いは予め波形に曲がった概略平板状の帯状部材を形成し、その部材に対して曲げ加工を施して略半円周形にするなど適宜である。

そして、略半円周形のヒータエレメント５の両端の端子部５２を、他の略半円周形のヒータエレメント５の両端の端子部５２にそれぞれ面接触して、図１に示すように、略円周形を構成し、２つのヒータエレメント５が前記略円周形の状態で載置部４１に立設して載置されている。前記面接触した状態の両ヒータエレメント５の端子部５２・５２はスリット４５に挿通され、炉壁３の長手方向に沿って凹設されている凹溝３１内に前記端子部５２・５２の先端が導出されている。

前記凹溝３１内の端子部５２・５２には、その両側に縦長の接続板６・６の上部或いは下部が配置され、図に省略した端子部５２及び接続板６の挿通孔にボルト７１を挿通し、接続板６・６の両外側からボルト７１及びナット７２で締着されている。そして、上段のヒータエレメント５・５の一方側の端子部５２・５２と下段のヒータエレメント５・５の一方側の端子部５２・５２が前記接続板６・６の締着により接続され、更に、前記下段のヒータエレメント５・５の他方側の端子部５２・５２と前記下段より一段下のヒータエレメント５・５の他方側の端子部５２・５２が前記接続板６の締着により接続され、積重されたヒータエレメント５は、一方側の端子部５２と他方側の端子部５２で交互に電気的に接続されると共に、端子部５２のボルト締めで固定されている。

また、所定高さのヒータエレメント５・５の一方側の端子部５２・５２或いは他方側の端子部５２・５２は、接続板６に代えてヒータバー８に接続され、一方側或いは他方側の端子部５２・５２の両側にヒータバー８・８の先端が配置され、図に省略した端子部５２及びヒータバー８の挿通孔にボルト７１を挿通し、接続板６・６の両外側からボルト７１及びナット７２で締着されている。そして、ヒータバー８には接続されているブスバー９から電流が供給され、ヒータバー８から所定高さのヒータエレメント５に電流が供給され、更に積重されたヒータエレメント５に接続板６を介して交互に電流が流れ、他の高さに配置されているヒータエレメント５に接続されたヒータバー８から電流が導出される。

上記実施形態の熱処理炉１で加熱して熱処理を行う場合には、例えば図２の２つのブスバー９のうち上方のブスバー９から電流を供給し、ヒータバー８を介して図２の最上段のヒータエレメント５・５の面接触する一方側の端子部５２・５２から前記最上段の略円周形を構成するヒータエレメント５・５に電流を流す。ヒータエレメント５・５には面接触する他方側の端子部５２・５２へ向かって右から左方向へ電流が流れると共に、図１に示すように並列的に電流が流れ、電流が流れるヒータ部５１が発熱する。

更に、他方側の端子部５２・５２へ導出される電流は、接続板６を介してその下段のヒータエレメント５・５の他方側の端子部５２・５２に至り、前記下段のヒータエレメント５・５を他方側の端子部５２・５２から一方側の端子部５２・５２へ向かって、図２の左から右方向へ電流が流れる。更には、各段のヒータエレメント５・５を並列的に流れ、且つ上下各段のヒータエレメント５を順次左右方向交互に流れた電流は、図２の下方のヒータバー８及びブスバー９から外部に導出される。そして、載置部４に載置され炉壁３内面の略全面に配設されている各ヒータエレメント５に電流が流れることにより、炉壁３内面の略全面のヒータ部５１が発熱し、炉壁３内に配置される半導体ウェハが加熱される。

上記波形帯状のヒータエレメント５或いはヒータ部５１は、形状的な強度が高く、発熱して熱膨張する際に波形形状に沿った平均的な伸びで熱膨張による伸びを平均的に吸収することが可能であり、加熱時の移動や変形が防止され、設置状態の安定性が高く、又、多大な表面積を確保できる形状であるから、軽量で大きな発熱量が得られ、良好な昇降温特性を得ることができる。更に、ヒータエレメント５を載置部４１に載置して端子部５２を固定するだけで設けることが可能であるため、僅かな労力と低コストでヒータエレメント５を配設することができる。更に、ヒータエレメント５・５の一方側や他方側の端子部５２・５２を面接触してヒータエレメント５を隙間無く周設し、一方側の端子部５２・５２から他方側の端子部５２・５２へ並列的に電流を流すので、炉１内の半導体ウェハに全周から加熱を施すことが可能であり、炉壁３内の加熱の不均一を無くし或いは減少し、均熱性を向上することができる。

尚、熱処理炉１には、例えば熱電対が所定箇所に配設された棒など、温度制御のための棒状の温度センサーを、円筒状の炉壁３内を縦方向に貫通するように設けると、温度センサーを炉壁３内に配設するために開けられる炉壁３の孔で熱漏れする等の不具合を無くすことができて好適である。また、熱処理炉１の鏡体２の外周に円筒状の水冷ジャケットを設けて水冷すると、急冷することが可能となって好適である。

本発明の熱処理炉は、例えば半導体ウエハを拡散装置、ＣＶＤ装置等の半導体製造装置で熱処理する際に用いると好適であるが、セラミックスなど他の適宜の被処理体を加熱する場合に用いることが可能である。

実施形態の熱処理炉を示す平面図。図１のＡ−Ａ線縦断面図。ヒータエレメントの端子部の接触部分を示す部分平面図。

符号の説明

１熱処理炉
２鏡体
３炉壁
３１凹溝
４載置台
４１載置部
４２側壁
４３切欠部
４４突部
４５スリット
５ヒータエレメント
５１ヒータ部
５２端子部
６接続板
７１ボルト
７２ナット
８ヒータバー
９ブスバー

Claims

円筒状の炉壁の内周に沿って周設される略環状の載置台を上下方向に積み重ね、
上段の前記載置台の側壁に下方に突出して形成されている突部を、下段の前記載置台の側壁の上部に形成されている切欠部に係合するようにして設けることにより、
前記載置台の前記載置部を上下方向の所定間隔毎に設け、
略弧形帯状で略半円周形のヒーターエレメントの両端に端子部を設け、
前記ヒーターエレメントの前記両端の端子部を互いに接触させ前記略円周形を構成し、
前記ヒーターエレメントに、上下端まで延びる複数の突条を周方向の所定間隔毎に曲成し、
前記載置部の各々に前記ヒーターエレメントを前記炉壁の内周に沿って載置し、
前記両端の端子部を前記載置台のスリットを介して前記炉壁の長手方向に沿って凹設されている凹溝内に導出し、
前記凹溝内に導出される前記両端の端子部を接続板を介して上下段で交互に電気的に接続すると共に、
所定高さのヒーターエレメントの前記両端の端子部を前記接続板に代えてヒーターバーに接続し、
前記ヒーターエレメントで前記炉内の被処理体を加熱することを特徴とする熱処理炉。