JP4808425B2

JP4808425B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP4808425B2
Application number: JP2005080913A
Authority: JP
Inventors: 荘平辻
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP2006266509A

Description

この発明は、被処理物を加熱処理する熱処理室、及び、加熱処理後の被処理物を冷却する冷却室を備えた熱処理装置に関する。

熱処理装置において被処理物に施される熱処理には、加熱処理後の被処理物を所定温度まで冷却する処理を含む場合がある。例えば、半導体の製造時には、熱処理室で加熱処理された半導体ウエハを素早く室温まで冷却する必要がある。

このため、従来の熱処理装置では、内部に収納した被処理物に加熱処理を施す熱処理室において、加熱処理後の被処理物を冷却するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

ところが、加熱処理に使用される熱処理室において被処理物を冷却することとすると、次の被処理物に対する加熱処理時に熱処理室の温度を再度昇温しなければらず、エネルギロスが大きい。

そこで、熱処理室の炉口に連通する冷却部を設け、加熱処理後の被処理物を熱処理室の炉口から冷却部に移動させ、熱処理室の外部で被処理物を冷却するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照。）。この構成によれば、加熱処理終了後に熱処理室を冷却する必要がなく、エネルギロスが過大になることがない。
特開平０４−２１５４２３号公報特開２００１−０６８４２５号公報

しかしながら、従来の熱処理装置では、加熱処理後の被処理物を熱処理室の外部で冷却するものであっても、熱処理室におけるスループットを向上して被処理物に対する効率的な熱処理を行うことができない問題がある。

即ち、熱処理室に対して被処理物が搬入及び搬出される炉口に連続して冷却部が配置されているため、冷却部において加熱処理後の被処理物が冷却されている間には、この被処理物によって炉口が塞がれ、次に加熱処理すべき被処理物を熱処理室内に搬入することができない。このため、被処理物に対する加熱処理を完了した後に、直ちに次の被処理物を熱処理室内に搬入して被処理物に対する加熱処理を連続して行うことができない。

また、冷却部における冷却が完了するまでの間における処理室の温度低下も無視できず、エネルギロスの問題が完全に解消されるわけではない。

さらに、加熱処理を終了した被処理物を炉口に連続しない位置に配置した冷却部に搬送することによって被処理物の冷却中に炉口を開放することも考えられるが、熱処理室内に被処理物を搬入及び搬出するための搬送手段が複雑化する問題がある。また、熱処理を終了した直後の高温状態の被処理物に次の被処理物が接近することになり、次の被処理物に対する熱処理に悪影響を及ぼす可能性が高い。

そこで、炉口に開口部が対向する連接位置と炉口を開放する退避位置との間に移動自在にして冷却室を設け、冷却室を連接位置に位置させた状態で加熱処理を終了した被処理物を炉口及び開口部を経由して冷却室の内部に搬入し、この後に冷却室を退避位置に移動させ、開放された炉口から次の被処理物を熱処理室内に搬入するようにした熱処理装置を提案した。

この発明の目的は、熱処理室の炉口に対して連接位置と退避位置との間に冷却室を移動自在にした熱処理装置の改良に間し、冷却室において被処理物から放出される熱を有効に活用することができる熱処理装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、この発明の熱処理装置は、
底面の炉口から内部に搬入された被処理物に加熱処理を施す熱処理室と、開口部から内部に搬入された加熱処理後の被処理物を冷却する冷却室と、前記被処理物を前記熱処理室の下方と前記熱処理室の内部との間に炉口を経由して垂直方向に移動させて前記熱処理室に対する被処理物の搬入出を行う搬送機構と、前記冷却室を前記熱処理室の下方において水平方向を含む方向に沿って前記開口部が前記炉口に対向する連接位置と前記炉口を開放する退避位置との間に移動させる移動機構と、を備え、前記冷却室の周囲を構成する壁面の少なくとも一部に前記冷却室の内部に収納された被処理物から放出される熱を電力に変換する熱電変換部材を設けたことを特徴とする。

この構成においては、熱処理室における熱処理が完了した時に冷却室を連接位置に位置させると、熱処理室の炉口に冷却室の開口部が対向し、熱処理室内の被処理物を炉口及び開口部を経由して冷却室内に搬入できる。熱処理後の被処理物を収納した冷却室を退避位置に移動させると炉口が開放され、次の被処理物を炉口から熱処理室内に搬入できる状態になる。この時、加熱処理直後の高温の被処理物は、冷却室内に収納されているため、次に加熱処理を受けるべき被処理物に温度変化を与えることがない。冷却室に収納された被処理物は、冷却されて熱を放出する。被処理物から放出される熱は、熱電変換部材によって電力に変換される。
また、被処理物は熱処理室の底面に設けられた炉口を介して熱処理室の内部に対して垂直方向に搬入及び搬出され、上面に開口部を形成した冷却室が熱処理室の下方で水平方向を含む方向、好ましくは垂直方向及び水平方向、より好ましくは水平方向のみに移動する。したがって、熱処理室に対する被処理物の搬入及び搬出、並びに、連接位置と退避位置との間の冷却室の移動をそれぞれ直線方向に行うことができ、被処理物搬入及び搬出、並びに、冷却室の移動のための機構を単純な構成とすることができる。

また、前記冷却室は前記開口部を開閉する蓋体を備え、前記熱電変換部材を前記蓋体を含む前記壁面の少なくとも一部に設けている。

この構成においては、連接位置において炉口に対向する開口部を開閉自在にする蓋体にも熱電変換部材が配置される。したがって、加熱処理後の被処理物は開口部が閉塞された冷却室内で確実に冷却され、被処理物から熱が冷却室に吸収される間に熱電変換部材によって電力に変換される。熱電変換部材は、蓋体を含む冷却室の壁面の少なくとも一部に配置され、開口部の位置に拘らず被処理物からの熱流方向に適した状態に熱電変換部材を配置できる。

この発明の熱処理装置によれば、熱処理室における熱処理が完了した際に、熱処理室内の被処理物を炉口及び開口部を経由して連接位置に位置する冷却室に搬入し、熱処理後の被処理物を収納した冷却室を退避位置に移動させることにより、加熱処理直後の高温の被処理物が次に加熱処理を受けるべき被処理物に温度変化を与えることのない状態で、次の被処理物を炉口から熱処理室内に搬入することができる。また、冷却室に収納された被処理物から放出される熱を熱電変換部材によって電力に変換することにより、エネルギを有効に活用することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る熱処理装置の概略の構成を示す図である。熱処理装置１０は、被処理物である半導体ウエハに加熱処理を含む熱処理を施す。熱処理装置１０は、熱処理室１、冷却室２、搬送機構３、移動機構４を備えている。熱処理室１は、底面に炉口１１を備えた中空円筒形状を呈している。熱処理室１の外周部にはヒータ１２が配置されており、熱処理時に内部の温度が所定の熱処理温度に制御される。熱処理室１は、ヒータ１２とともに断熱容器１３に被覆されている。炉口１１は、底板１４によって開閉自在にされている。

冷却室２は、上面に開口部２１を備えた中空円筒形状を呈している。冷却室２の外周部は、冷却ジャケット２３によって被覆されている。冷却ジャケット２３は、その内部を流通する冷却水によって冷却室２の内部を冷却する。冷却室２の上面には、開口部２１を開閉する蓋体２２が備えられている。

冷却室２は、熱処理室１の下方において、開口部２１が炉口１１に対向する連接位置と炉口１１を下方に開放する退避位置との間を水平方向を含む方向、好ましくは垂直方向及び水平方向、より好ましくは水平方向のみに移動自在にされている。移動機構４は、冷却室２を連接位置と退避位置との間に移動させる。

搬送機構３は、複数枚の半導体ウエハＷを収納したボート５を、熱処理室１の下方と熱処理室１の内部との間に炉口１１を経由して垂直方向に移動させる。即ち、搬送機構３は、熱処理室１に対するボート５の搬入及び搬出を行う。

図２は、上記熱処理装置１０における搬送機構３及び移動機構４の動作を説明する図である。搬送機構３が熱処理室１の内部にボート５を搬入する際には、移動機構４は冷却室２を図２（Ａ）に示す退避位置に位置させて、熱処理室１の下方を開放する。これによって、図２（Ｂ）に示すように、底板１４により炉口１１を開放させ、搬送機構３を介して未処理の半導体ウエハＷを収納したボート５を、炉口１１を経由して熱処理室１の内部に搬入することができる。熱処理室１の内部にボート５を収納すると、炉口１１はボート５の底面によって閉鎖される。

熱処理室１の内部に収納された半導体ウエハＷに対する加熱処理が終了するまでに、移動機構４によって冷却室２を図２（Ｃ）に示す連接位置に位置させ、蓋体２２によって開口部２１を開放させておく。この状態で、炉口１１に開口部２１が対向し、搬送機構３が熱処理室１から炉口１１を経由してボート５を垂直下方に搬出すると、図２（Ｄ）に示すように、加熱処理を終了した半導体ウエハＷを収納したボート５は、開口部２１を経由して冷却室２内に搬入される。

加熱処理済の半導体ウエハＷを収納したボート５が冷却室２内に収納されると、蓋体２２によって開口部２１を閉鎖する。これによって、加熱処理済の半導体ウエハＷは、冷却室２内において冷却される。また、熱処理室１の温度低下を防止するため、底板１４によって熱処理室１の炉口１１を閉鎖する。

この後、移動機構４は、図２（Ｅ）に示すように、ボート５が搬入された冷却室２を退避位置に移動させる。これによって、熱処理室１の下方が開放され、未処理の半導体ウエハＷを収納した別のボート５を搬送機構３によって炉口１１から熱処理室１の内部に搬入することができる状態になる。

図３は、上記熱処理装置１０に備えられる冷却室２の構成を示す断面図である。蓋体２２を含む冷却室２の内面は、全面が光吸収体２４によって構成されている。冷却室２の外表面を覆う冷却ジャケット２３と光吸収体２４との間には、この発明の熱電変換部材である熱電変換モジュール６が配置されている。一例として、熱電変換モジュール６は、蓋体２２を含む冷却室２の全面に配置されている。

光吸収体２４は、例えば黒鉛によって構成された平板状を呈し、冷却室２の内部にボート５とともに収納された半導体ウエハＷが放出する熱を吸収する。冷却ジャケット２３は、その内部を流通する冷却水によって光吸収体２４の外側面を冷却する。

熱電変換モジュール６は、光吸収体２４の外側面の少なくとも一部において、冷却ジャケット２３との間に配置される。熱電変換モジュール６は、内側面を光吸収体２４の外側面に密着させ外側面を冷却ジャケット２３の内側面に密着させている。

図４は、熱電変換モジュール６の断面図である。熱電変換モジュール６は、互いに平行にして所定の間隙を設けて配置された少なくとも２つの平板状の絶縁層３１，３２を備えている。絶縁層３１，３２は、窒化珪素膜や酸化膜等の薄膜を含む熱良導体によって構成されている。

絶縁層３１と絶縁層３２との間は、例えば、Ｐ型半導体素子３３及びＮ型半導体素子３４が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層３７にされている。Ｐ型半導体素子３３及びＮ型半導体素子３４は、ＰＮ接合されて１つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体３５，３６によって互いに直列に接続されている。

熱電変換モジュール６において、一方の絶縁層３１は光吸収体２２の外側面に密着しており、他方の絶縁層３２は冷却ジャケット２３の内側面に密着している。冷却装置１０において、熱電変換モジュール６が配置されている部分では、半導体ウエハＷから放出された熱は、光吸収体２２の内側面で吸収された後、熱電変換モジュール６の一方の絶縁層３１、熱電変換層３７及び他方の絶縁層３２を経由して冷却ジャケット２３内の冷却水に奪われる。

したがって、熱電変換モジュール６において、一方の絶縁層３１と他方の絶縁層３２との間に温度差が生じ、熱電変換層３７で両端部の温度差に応じた電力を発生する。所定数の熱電変換素子は互いに直列に接続されているため、熱電変換モジュール６から所定数の熱電変換素子のそれぞれの起電力の和として実用レベルの電力が出力される。

絶縁層３１，３２は熱良導体で構成されており、半導体ウエハＷから放出された熱は熱電変換モジュール６を円滑に通過して冷却ジャケット２３に達する。また、熱電変換モジュール６に伝播した熱は、一部が熱電変換層３７において電力に変換されて冷却ジャケット２３に伝達される。このため、光吸収体２２と冷却ジャケット２３との間に熱電変換モジュール６が配置されることによっては、冷却室２において光吸収体２２と冷却ジャケット２３との間の熱電導性に悪影響を与えることがなく、冷却室２の冷却効率を低下させることがない。

この結果、冷却室２において加熱処理済の半導体ウエハＷを確実に冷却しつつ、この間に半導体ウエハＷから放出される熱を電力に変換することができる。

図５は、この発明の別の実施形態に係る熱電変換モジュール４０の断面図である。この実施形態に係る熱電変換装置４０は、３つの平板状の絶縁層４１，４２，４３を互いに平行にして所定の間隙を設けて配置している。絶縁層４１，４２，４３は、窒化珪素膜や酸化膜等の薄膜を含む熱良導体によって構成されている。

絶縁層４１と絶縁層４２との間は、例えば、Ｐ型半導体素子４４及びＮ型半導体素子４５が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層６１にされている。Ｐ型半導体素子４４及びＮ型半導体素子４５は、ＰＮ接合されて１つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体４６，４７によって互いに直列に接続されている。

また、絶縁層４２と絶縁層４３との間は、例えば、Ｐ型半導体素子４８及びＮ型半導体素子４９が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層６２にされている。Ｐ型半導体素子４８及びＮ型半導体素子４９は、ＰＮ接合されて１つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体５０，５１によって互いに直列に接続されている。

熱電変換素子は材料に応じて、適用すべき温度範囲、及び、熱電変換能力を表す性能指数が異なる。また、同一材料であっても温度に応じて性能指数が変化する場合が多い。このような場合に、熱電変換モジュール４０にそれぞれが互いに異種又は同種の材料からなる複数の熱電変換層を構成することにより、熱流方向の距離（熱の伝播距離）の増加や熱流方向における多層化等による影響を無視すれば、熱電変換効率が向上する。

なお、理論的には、熱電変換層の層数が増加するにしたがって得られる電力は大きくなるが、熱の伝播距離の増加や熱流方向における多層化等による影響によって熱電変換効率及び冷却効率が低下する可能性がある。このため、熱電変換モジュール４０の使用状況に応じて最適な熱電変換層の層数を決定することができる。

また、複数の熱電変換層の間は、動作温度条件、熱電変換材料の種類及び構成、並びに、所望電力値等の条件に応じて、直列接続とするか並列接続とするかを選択することができる。

この発明の実施形態に係る熱処理装置の概略の構成を示す図である。上記熱処理装置１０における搬送機構３及び移動機構４の動作を説明する図である。上記熱処理装置１０に備えられる冷却室２の構成を示す断面図である。熱電変換モジュール６の断面図である。別の熱電変換モジュール４０の断面図である。

符号の説明

１熱処理室
２冷却室
６熱電変換モジュール
１０熱処理装置
１１炉口
１４底板
２１開口部
２２蓋体

Claims

底面の炉口から内部に搬入された被処理物に加熱処理を施す熱処理室と、開口部から内部に搬入された加熱処理後の被処理物を冷却する冷却室と、前記被処理物を前記熱処理室の下方と前記熱処理室の内部との間に炉口を経由して垂直方向に移動させて前記熱処理室に対する被処理物の搬入出を行う搬送機構と、前記冷却室を前記熱処理室の下方において水平方向を含む方向に沿って前記開口部が前記炉口に対向する連接位置と前記炉口を開放する退避位置との間に移動させる移動機構と、を備え、前記冷却室の周囲を構成する壁面の少なくとも一部に前記冷却室の内部に収納された被処理物から放出される熱を電力に変換する熱電変換部材を設けたことを特徴とする熱処理装置。
前記冷却室は前記開口部を開閉する蓋体を備え、前記熱電変換部材を前記蓋体を含む前記壁面の少なくとも一部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。