JP4907222B2

JP4907222B2 - 半導体ウエハの加熱装置

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Publication number: JP4907222B2
Application number: JP2006127307A
Authority: JP
Inventors: 友勝渡辺; 健一大塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2006-05-01
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-05-01
Also published as: JP2007299971A

Description

この発明は、半導体ウエハの加熱装置に係る発明であり、たとえば、半導体パワーデバイスの作製に用いられる炭化珪素半導体ウエハの加熱装置に適用することができる。

炭化珪素のバンドギャップエネルギーは、珪素のバンドキャップエネルギーと比べて約３倍であり、また絶縁破壊電界は約１０倍である。したがって、炭化珪素を用いた半導体パワーデバイスは、珪素を用いた半導体パワーデバイスに比べて、より高耐圧・低損失の優れたスイッチング性能を有する。

炭化珪素を用いた半導体デバイスを作製するためには、炭化珪素ウエハに不純物ドーピング用のイオン注入を行った後、当該炭化珪素ウエハに対して１５００℃〜１８００℃の高温下での活性化アニール処理を行う必要がある。

また、製品の量産化を見据えた場合には、半導体ウエハの加熱装置の性能としては、処理の高スループット化、清浄な空間での熱処理、および半導体ウエハの昇温・降温の高速化などが要求される。

特許文献１に示される加熱装置では、石英チューブおよびステンレスチャンバーにより密封された炉内に断熱用のカーボンフェルトで覆われた誘導加熱用の黒鉛円筒が保持されている。そして、石英の外側に設置されたコイルに高周波電流を流すことで黒鉛円筒に誘導電流を発生させ、そのジュール熱により黒鉛円筒を２０００℃程度に加熱・保持している。

当該特許文献１に開示されている技術では、半導体ウエハを加熱する際には、半導体ウエハをカーボンウエハ載置台に載置させた状態で、これを黒鉛円筒内部に搬送し、高温保持された円筒からの熱放射およびチューブ内雰囲気からの熱伝達により、ウエハ載置台および半導体ウエハを加熱している。

特開２００５−２９９９９０号公報

上記のように、半導体ウエハの加熱装置の性能としては、高スループット化、清浄な空間での熱処理、および半導体ウエハの昇温・降温の高速化などが要求される。

しかし、上記特許文献１で示した加熱装置では、温度均一性を保ちつつ一度に加熱処理できるウエハの枚数は一枚に限られるため、プロセス装置としての高スループット化は難しい。

また、断熱用に用いられているカーボンフェルトは大量の発塵源となるため、半導体プロセス用装置として好ましくない。

そこで、本発明は、高スループット化が可能であり、半導体ウエハの高速昇温または降温が可能であり、また清浄な空間での熱処理を可能せしめる半導体ウエハの加熱装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の半導体ウエハの加熱装置は、中空部を有し、側面に複数の穴が穿設されている筒部と、前記穴を通して前記筒部の前記中空部への出し入れが可能であり、黒体のトレイと黒体の蓋とから成り、前記黒体のトレイと前記黒体の蓋とが組み合わされることにより形成される空間に半導体ウエハを配置することができる、複数の黒体ボックスと、前記穴を通して前記筒部の前記中空部への出し入れが可能である、複数の熱源とを、備えており、前記半導体ウエハの加熱処理時には、前記筒部の前記中空部内において、前記黒体ボックスと前記熱源とが上下方向に交互に、配置される。

本発明の請求項１に記載の半導体ウエハの加熱装置は、中空部を有し、側面に複数の穴が穿設されている筒部と、前記穴を通して前記筒部の前記中空部への出し入れが可能であり、黒体のトレイと黒体の蓋とから成り、前記黒体のトレイと前記黒体の蓋とが組み合わされることにより形成される空間に半導体ウエハを配置することができる、複数の黒体ボックスと、前記穴を通して前記筒部の前記中空部への出し入れが可能である、複数の熱源とを、備えており、前記半導体ウエハの加熱処理時には、前記筒部の前記中空部内において、前記黒体ボックスと前記熱源とが上下方向に交互に、配置される。

つまり、熱源は、一の黒体ボックスの上面と他の黒体ボックスの下面とにより区画された空間（黒体により区画された空間と把握できる）内に配置されている。したがって、当該区画された空間内の温度を効率良く、しかもより早急に上昇させることができる。

また、半導体ウエハは、黒体ボックス内の空間に載置されている。したがって、黒体ボックスからの接触熱伝導と熱放射により、半導体ウエハは熱エネルギーを効率良く受け取ることができ、当該半導体ウエハの急速な加熱が可能となる。

また、筒部において、その上下方向に複数の黒体ボックスが所定の間隔だけ隔てて配置されている。したがって、黒体ボックスにより仕切られていない場合よりも、筒部内において熱を篭もらせることができる。つまり、筒部内から筒部外への放熱を緩和させることができる。

また、筒部の側面には、複数の穴が穿設されており、当該穴を通して、黒体ボックスおよび熱源の出し入れが実施される。したがって、たとえば、冷却時に黒体ボックスおよび熱源を筒部の中空部から、たとえばより体積の広いチャンバー内へと移動させることが可能となる。よって、半導体ウエハ等の冷却処理をより、早急に行うことができる。

また、複数の半導体ウエハの熱処理が一度に可能となるので、高スループット化の要請も満たすことができる。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜発明の全体構成＞
図１は、本発明に係わる半導体ウエハの加熱装置の要部構成を示す正面断面図である。より具体的に、図１は、被加熱処理物である炭化珪素ウエハ（以下、単に半導体ウエハと称する）が内部に載置された複数の黒体ボックスと、カーボンフィラメントから構成される複数の熱源とが、加熱処理室となる筒部内に配置されている状態を示す図である。

図１に示すように、半導体ウエハの加熱装置１００は、ステンレス製のチャンバー３を備えている。当該チャンバー３内には、当該チャンバー３の底面から上部方向に向かって、複数の支柱８が延設されている。当該支柱８は、カーボンやタングステン等の耐熱性に優れた材料により形成されている。

また、チャンバー内３には、加熱部１が配設されており、当該加熱部１は、支柱８によりチャンバー３内において支持されている。

ここで、半導体ウエハの加熱処理時には、半導体ウエハが所定の位置に配置された状態で当該チャンバー３内は密閉され、当該チャンバー３内は、真空状態もしくはＡｒ等の不活性ガスが導入される。また、当該チャンバー３は、外部から水を使って水冷可能であり、また、必要に応じてチャンバー３内部に冷却用ガスを供給して、チャンバー３内を冷却することもできる。

また、チャンバー３の外側には、カーボンフィラメント（熱源）加熱用の電源（熱源から熱を発生させるためのエネルギーを、当該熱源に供給する電源部であると把握できる）４と、接地用金属電極５とが配置されている。そして、図１に示すように、加熱部１と電源４との間および加熱部１と接地用金属電極５との間は共に、支持棒６および金属棒７とにより接続されている。

ここで、金属棒７は、後述するように、熱源１３を構成する各カーボンフィラメント群毎に複数本（電源側４に少なくとも１以上、接地用金属電極５に少なくとも１以上）配設されている。

また、支持棒６は、金属棒７を支えることができる部材である。電源４側の支持棒６内部には、複数本（接続されるカーボンフィラメント群の個数に対応した数）の銅線が配設されている。ここで、各銅線は、各々電気的に独立な状態となっている。つまり、電源４からの各カーボンフィラメント群へと独立した、エネルギー（電流）供給を実現することができるように、支持棒６内に各銅線が配設されている。

なお、接地用金属電極５側の支持棒６は、金属棒７と接地用金属電極５とを電気的に接続し、かつ当該金属棒７を支えることができれば、どのような構成であっても良い。

また、チャンバー３内の真空排気は、真空ポンプ９を用いて行われる。また、所定のガス導入は、ガス導入ライン１０を通して行われる。

また、半導体ウエハを内部に載置された黒体ボックスをチャンバー３内外で搬送するための搬送用アーム１１（図示しないが、２本存在する）が、本発明に係わる半導体加熱装置は備えている。

＜加熱部１の構成＞
次に、加熱部１の詳細な構成について説明する。

図２は、半導体ウエハの加熱処理が行われていないとき（半導体ウエハの冷却時等）の加熱部１の構成を示す断面図である。また、図３は、半導体ウエハの加熱処理が行われるときの加熱部１の構成を示す断面図である。なお、図３では、図面の簡略化のため、図２で示している筒部１４の側面部１４ａの一部および爪部１４ｂの全部の図示を省略している。また、図４に、筒部１４の外観を示す斜視図を示す。

図２に示すように、半導体ウエハの加熱処理が行われない場合には、加熱部１は、支柱８に支持されている状態の筒部１４のみで構成されている。

図２、４から分かるように、筒部１４は、中空部１４ｃを有している。また、筒部１４の側面部１４ａには、複数の穴１４ｄが穿設されている。より具体的に、筒部１４の側面は、４面から成る側面部１４ａにより構成されており、各側面部１４ａには、上下方向に、複数の穴１４ｄが並んで穿設されている。なお、上下方向に隣接する穴１４ｄ同士は、所定の間隔だけ隔てて穿設されている。

加熱処理の際には、当該穴１４ｄを通して、筒部１４の中空部１４ｃ内へ、後述する黒体ボックス１２および熱源１３が導入される。また、加熱処理後には、当該穴１４ｄを通して、筒部１４の中空部１４ｃから筒部１４外へ、後述する黒体ボックス１２および熱源１３が取り出される。

また、当該側面部１４ａから略垂直（中空部１４ｃ）方向に爪部１４ｂが形成されている。ここで、当該爪部１４ｂには、後述する黒体ボックス１２が載置される。

また、図２，４に示すように、筒部１４の上下面は、たとえばモリブデン、タンタル、またはタングステン等の、熱に対する反射率が高い高融点金属（反射断熱板）２から構成されている。なお、本明細書内では、筒部１４の側面部１４ａおよび爪部１４ｂは、カーボンから成る。ただし、もちろん筒部１４の全て（つまり、側面部１４ａおよび上下面）を、上記高融点金属により構成することもできる。

図３に示すように、半導体ウエハの加熱処理が行われる場合には、支柱８に支持されている状態の筒部１４には、複数の黒体ボックス１２および複数の熱源１３が所定の位置に配置されている。したがって、半導体ウエハの加熱処理が行われる場合には、加熱部１は、筒部１４、当該筒部１４内部に存する複数の黒体ボックス１２、および当該筒部１４内部に存する複数の熱源１３により、構成されている。

また、図３から分かるように、半導体ウエハの加熱処理を実施する際には、筒部１４の中空部１４ｃ内において、黒体ボックス１２と熱源１３とが上下方向に交互に、配置されている。つまり、黒体ボックス１２はそれぞれ、一塊の熱源１３（当該熱源１３は、２セットのカーボンフィラメント群から構成されている）によって上下が囲まれるように、上記中空部１４ｃにおいて、当該黒体ボックス１２および熱源１３は各々配置される。

＜黒体ボックス１２の構成＞
各黒体ボックス１２は、後述する方法により、筒部１４の側面部１４ａに設けられた穴１４ｄを通して、筒部１４の中空部１４ｃの所定の位置に設置される（具体的に、黒体ボックス１２は、所定の爪部１４ｂ上に載置されるが、図３では、上述の通り爪部１４ｂは図示していない）。ここで、図３では、黒体ボックス１２は、上記中空部１４ｃ内において、６個配置されている。

図５は、黒体ボックス１２の構成を示す断面図である。

図５に示すように、黒体ボックス１２は、たとえばカーボン製の黒体のトレイ１２ａと、たとえばカーボン製の黒体の蓋１２ｂとから構成されている。図５の点線で囲まれた領域に示されているように、黒体のトレイ１２ａの外周部および黒体の蓋１２ｂの外周部には、各々凹凸部が形成されている。そして、当該凹凸同士を勘合させることにより、図５に示すように、黒体のトレイ１２ａと黒体のトレイ１２ｂとを、組み合わせることができる（黒体ボックス１２）。

また、黒体のトレイ１２ａと黒体のトレイ１２ｂとを組み合わせることにより、黒体ボックス１２内部に空間１２ｄが形成される。そして、図５に示すように、半導体ウエハ２０が、当該空間１２ｄ内に載置される。半導体ウエハ２０の加熱処理を行う際には、図５のように、半導体ウエハ２０が内部に載置されている黒体ボックス１２が、筒部１４の中空部１４ｃ内部に設置される。

ここで、黒体のトレイ１２ａの底部には、段差部１２ｅが設けられており、当該段差部１２ｅを筒部１４の爪部１４ｂ上に載置させる。また、半導体ウエハ２０は、たとえば炭化珪素ウエハであり、当該黒体ボックス１２内部に載置される前に、不純物ドーピング用のイオン注入処理が施されている。

＜熱源１３の構成＞
次に、熱源１３の構成について説明する。

各熱源１３は、後述する方法により、筒部１４の側面部１４ａに設けられた穴１４ｄを通して、筒部１４の中空部１４ｃの所定の位置に設置される。ここで、図３では、一塊の熱源１３（一塊の熱源（１の熱源）１３は、２セットのカーボンフィラメント群から構成されている）は、上記中空部１４ｃ内において、７個配置されている。

図６は、熱源１３の構成を示す斜視図である。図３の点線部で囲まれた部分が図６であると把握できる。

図６に示すように、熱源１３は、平面視においてマトリクス状に配設された、複数のカーボンフィラメント１６から構成されている。当該構成から、熱源１３を、カーボンフィラメントヒータと称することもできる。

上記１本のカーボンフィラメント１６は、空芯のカーボン筒から構成されている。当該構成を採用することにより、カーボンフィラメント１６自体をより高速に昇温することができ、カーボンフィラメント１６の熱容量をでき得るかぎり小さくでき、かつカーボンフィラメント１６の有効放射面積を十分に確保することができる。また、筒状のカーボンフィラメント１６の肉厚は、カーボンの力学的な耐久性を考慮すると０．５ｍｍが適当である。

図６に示すように、複数のカーボンフィラメント１６を、一平面内において、一方向に所定の間隔を隔てて配設することにより、１セットのカーボンフィラメント群１３ｇが構成される。また、複数のカーボンフィラメント１６を、一平面内において、前記一方向と直交する他の方向に所定の間隔を隔てて配設することにより、１セットのカーボンフィラメント群１３ｈが構成される。当該カーボンフィラメント群１３ｇ，１３ｈを上下方向に所定の間隔だけ隔てて配置させて構成されたものが、図３，６に示す熱源１３である。

上記のように、熱源１３を構成するカーボンフィラメント１６を平面視においてマトリクス状に配設し、当該構成の熱源１３を各々一の黒体ボックス１２の上下に、所定の間隔だけ隔てて配置することにより、黒体ボックス１２に対してより均一に加熱処理を施すことができる。

なお、図３から把握できるように、上記した各カーボンフィラメント群の一方端および他方端には、電極部１５を介して少なくとも１以上の金属棒７が各々接続されている。つまり、電極部１５により、各カーボンフィラメント群は支持されている。上述したように、一方の金属棒７は電源４に接続され、他の金属棒７は接地用金属電極５に接続されている。なお、図３では、熱源１３は７個配置されているので、カーボンフィラメント群は、１４個配置されている。

半導体ウエハ２０の加熱処理を行う際には、図３に示すように、電極部１５を介して金属棒７が接続されているカーボンフィラメント群が、筒部１４の中空部１４ｃに設置される。ここで、各カーボンフィラメント群は、筒部１４の穴１４ｄに挿通されている状態で、筒部１４の側面部１４ａ（図３において、一部図示せず）により当該電極部１５が固定されることにより、各カーボンフィラメント群は上記中空部１４ｃ内の所定の位置に固定配置される。

また、上述したように、電源４は、熱源１３から熱を発生させるためのエネルギーを、当該熱源１３に供給する電源部と把握でき、当該電源４は、各カーボンフィラメント群に対して、独立に、上記エネルギー（電流）を供給することができる。つまり、電源４は、別個独立に、各カーボンフィラメント群の発熱制御を行うことができる。なお、電源４から供給されるエネルギーに従い、カーボンフィラメント１６に電流を流すことで、熱源１３から熱が発せられる。

ここで、一の電源４において、各カーボンフィラメント群の発熱を制御する構成について言及したが、各カーボンフィラメント群に対応して、電源４を複数設ける構成を採用しても良い。当該構成の場合においても、各カーボンフィラメント群に対して別個独立に発熱のための電流を供給することができる。

＜黒体ボックス１２の筒部１４への導入・設置方法＞
次に、半導体ウエハ２０の加熱処理を行う前に実施される、黒体ボックス１２の筒部１４内（つまり、中空部１４ｃ）への導入・設置方法について、図７ないし図１２を用いて説明する。ここで、図７ないし図１２は、拡大視した場合の筒部１４の構成を示す拡大断面図である。

まず、図５に示したように、半導体ウエハ２０が内部に載置されている黒体ボックス１２を用意する。ここで、上述したように、半導体ウエハ２０には、不純物ドーピング用のイオン注入処理が施されている。

また、加熱処理前であり黒体ボックス１２が導入・設置される前の筒部１４内部の様子は、図７の通りである（つまり、図７に示すように筒部１４の中空部１４ｃには如何なる部材も設置されていない）。

次に、図８に示すように、筒部１４の側面部１４ａに穿設されている穴（当該穴は、穴１４ｄに相当するものであり、図８の紙面（表裏）方向に穿設されており、断面図である図８では図示されていない）から、黒体ボックス１２を筒部１４の中空部１４ｃ内へ導入する。

ここで、当該黒体ボックス１２の導入は、図８に示すように、黒体ボックス１２を保持した搬送用アーム１１ａを用いた搬送処理により実施される。なお、図８（以降図９ないし図１２も含む）において、簡略化のために、黒体ボックス１２内部に載置されている半導体ウエハ２０の図示は省略している。

上記黒体ボックス１２の中空部１４ｃ内への導入後、搬送用アーム１１ａを移動させることにより、黒体ボックス１２の段差部１２ｅ（図５参照）を筒部１４の爪部１４ｂ上方に位置させる。そして、黒体ボックス１２の段差部１２ｅが爪部１４ｂ上方に位置した時点で、搬送用アーム１１ａの移動を停止させる。

次に、図９に示すように、筒部１４の側面部１４ａに穿設されている穴１４ｄ（当該穴１４ｄは、図９において断面的に図示されているように、図の左右方向に穿設されている）から、搬送用アーム１１ｂを上記中空部１４ｃ内へと差し込む。そして、搬送用アーム１１ｂの先端部１１ｔが黒体ボックス１２の下方に位置させた時点で、当該搬送用アーム１１ｂの移動を一時停止させる。

次に、図１０に示すように、搬送用アーム１１ｂを上方向に移動させる。これにより、図１０に示すように、搬送用アーム１１ｂの先端部１１ｔが黒体ボックス１２の底面と当接し、当該当接後、搬送用アーム１１ｂは、黒体ボックス１２を搬送用アーム１１ａの保持状態から数ｍｍ程度上方向に持ち上げる（つまり、搬送用アーム１１ｂは、搬送用アーム１１ａの黒体ボックス１２による保持状態を解消させる）。

次に、図１１に示すように、搬送用アーム１１ｂの先端部１１ｔが黒体ボックス１２を持ち上げている状態で、搬送用アーム１１ａを筒部１４の中空部１４ｃから外部へと移動させる。

次に、搬送用アーム１１ｂの先端部１１ｔを下方向に移動させる。これにより、当該先端部１１ｔに保持されている黒体ボックス１２も、同時に下方向に移動する。そして、図１２に示すように、筒部１４の爪部１４ｂ上に黒体ボックス１２が載置・固定させられる。

その後、搬送用アーム１１ｂを筒部１４の中空部１４ｃから外部へと移動させる。以上により、黒体ボックス１２の上記中空部１４ｃ内への設置処理が完了する。

＜熱源１３の筒部１４への導入・設置方法＞
次に、熱源１３の筒部１４内への導入・設置方法について、図３を参照しつつ、簡単に説明する。なお、上述したように、１の熱源１３は、２つ（２セット）のカーボンフィラメント群により構成されており、当該１の熱源１３を平面視した場合、複数のカーボンフィラメント１６がマトリクス状に配設されている（図６参照）。

１の熱源１３を構成する１のカーボンフィラメント群の一端に電極部１５および少なくとも１以上の金属棒７が接続されている状態で、筒部１４の側面部１４ａに穿設されている穴１４ｄ（図２，３の左右方向に穿設されている穴）から、当該カーボンフィラメント群を筒部１４の中空部１４ｃ内に導入する。

そして、当該１のカーボンフィラメント群が導入された穴１４ｄに対面する穴１４ｄに向けて、少なくとも１以上の他の金属棒７に接続された他の電極部１５を移動させる。そして、当該１のカーボンフィラメント群の他端に、当該他の電極部１５を接続させる。

同様の方法により、１の熱源１３を構成するもう一つのカーボンフィラメント群（他のカーボンフィラメント群と称する）を、上記中空部１４ｃの所定の位置に導入・配置し、電極部１５の接続処理を行う。ここで、当該他のカーボンフィラメント群の導入は、図２，３の表裏方向に穿設されている穴（図２，３では図示されていない）を通して行われる。

以上により、１の熱源１３のセッティングが終了する。したがって、図３に示すように、７つの熱源１３を配設する場合には、上記カーボンフィラメント群の導入・設置処理を、１４回行う必要がある。

以上により、図３に示すように、熱源１３の上記中空部１４ｃ内への設置処理が完了する。ここで、電極１５を上記穴１４ｄに固定させる（嵌め込む）ことにより、カーボンフィラメント群の筒部１４に対する固定がなされる。

なお、図４に示すように、４面から成る筒部１４の側面部１４ａには、各面毎に複数の穴１４ｄが穿設されている。そして、上記全熱源１３の固定処理の結果、全ての穴１４ｄには電極１５が嵌め込まれる。

なお、上記熱源１３の設置・固定後、金属棒７と電源４とを接続するために、一の支持棒６の接続処理を実施する。また、金属棒７と接地用金属電極５とを接続するために、他の支持棒６の接続処理も実施する。

＜黒体ボックス１２の加熱・冷却方法＞
上記のように、複数の黒体ボックス１２および複数の熱源１３が筒部１４の所定の位置に設置されたなら（図３参照）、次に、半導体ウエハ２０の加熱処理を行う。加熱処理の詳細は、以下の要領で実施される。なお、半導体ウエハ２０には、上述の通り既に不純物ドーピング用のイオン注入処理が施されているので、これから説明する熱処理は、活性化アニール処理であると把握できる。

まず、上述のように、筒部１４の中空部１４ｃ内に複数の黒体ボックス１２および複数の熱源１３を所定の位置に設置・固定し、熱源１３を発熱させるための電流をカーボンフィラメント１６に流すことができる状態にした後、加熱部１を内部に設置されているチャンバー３を密閉する（図１参照）。そして、当該チャンバー３内に対して、真空ポンプ９を用いた排気処理を実施する。以上の工程により、当該チャンバー３内を高真空状態にする。

ここで、チャンバー３内を高真空状態にした後に、ガス導入ライン１０を通して当該チャンバー３内にＡｒ等の不活性ガスを供給し、チャンバー３内を大気圧の不活性ガスで密閉した状態にしても良い。

次に、電源４からカーボンフィラメント１６に対して直流あるいは交流の電流を供給する。ここで、当該電流の供給は、各カーボンフィラメント群に対して別個独立に制御されて、行われる。カーボンフィラメント１６に電流が流されると、当該カーボンフィラメント１６は、高温に加熱する（熱源１３の発熱）。

ここで、カーボンフィラメント１６（熱源１３）の温度は、電流を供給する際のカーボンフィラメント１６の温度上昇に伴う、カーボンフィラメント１６自体の電気抵抗の変化値から測定される。

カーボンフィラメント１６（熱源１３）をたとえば１９００℃の高温に保持することで、半導体ウエハ２０が内部に載置された黒体ボックス１２は、当該カーボンフィラメント１６からの放射熱により急速に高温に加熱される。

ここで、図１，３等に示すように、熱源１３は、その上下において黒体ボックス１２が存在している。つまり、熱源１３は、一の黒体ボックス１２の上面と他の黒体ボックス１２の下面とにより区画された空間（つまり、黒体により区画された空間）内に配置されている。したがって、当該区画された空間内の温度を効率良く、しかもより早急に上昇させることができる。

また、半導体ウエハ２０は、上記の如く高温に加熱（昇温）された黒体ボックス１２に閉じ込められている。したがって、黒体ボックス１２からの接触熱伝導と熱放射により、半導体ウエハ２０は熱エネルギーを効率良く受け取ることができ、当該半導体ウエハ２０の急速な加熱が可能となる。

また、加熱部１を一つの高温部として捉えると、加熱部１は筒部１４の上下をモリブデン、タンタル、タングステン等の反射率が高く、なおかつ融点の高い金属から構成された高融点金属（反射断熱板）２により囲まれている。したがって、加熱部１全体を高速かつ効率良く昇温する上で非常に有利となる。

ここで、筒部１４の側面部１４ａの総面積は、多数の穴１４ｄの穿設の影響により、極めて小さい。したがって、筒部１４の側面部１４ａをカーボンで構成しても良い。しかし、より高速に効率良く加熱部１を昇温するためには、筒部１４自体を高融点金属（反射断熱材）により構成することが望ましい（つまり、筒部１４の上下面および側面は、高融点金属により構成されている）。

また、筒部１４の大部分が上記高融点金属２により構成され、その他の面積の小さい領域はカーボンで構成されている（もしくは、筒部１４全体が上記高融点金属により構成されている）。したがって、当該筒部１４をカーボンフェルトで構成した場合に発生していた塵の発生を、防止することができる。

また、加熱部１の上部と下部とでは、通常温度勾配が生じ得る。しかし、熱源１３への電流制御は、各カーボンフィラメント群毎に独立して行うことができる。したがって、上記黒体ボックス１２で区画された空間の温度を、均一に保持することが可能となる。つまり、多数の半導体ウエハ２０に対して、同じ加熱条件で同時に加熱処理を実施することができる。

また、加熱部１において、その上下方向に複数の黒体ボックス１２が所定の間隔だけ隔てて配置されている。したがって、黒体ボックス１２により仕切られていない場合よりも、加熱部１内において熱を篭もらせることができる。つまり、筒部１４内から筒部１４外への放熱を緩和させることができる。

上記半導体ウエハ２０に対する加熱処理が所定の時間行われ、当該加熱処理が終了したなら、上記した熱源１３の導入とは逆の手順により、筒部１４の中空部１４ｃから熱源１３を水平方向に引き抜く。さらに、上記した黒体ボックス１２の導入（図７ないし図１２）とは逆の手順により、黒体ボックス１２を筒部１４外部へ引き出す。最終的には、加熱部１（筒部１４内部）を図７に示す状態にする。

その後、ガス導入ライン１０を通してチャンバー３内部に冷却用ガスを供給することにより、および／または、チャンバー３外部に水が循環する管を設け当該管に水を流すことにより、チャンバー３内部（黒体ボックス１２および半導体ウエハ２０等も含む）を冷却することができる。

当該半導体ウエハ２０の冷却処理は、加熱部１（つまり筒部１４）の体積よりも十分に大きい体積を有するチャンバー３内で行われるので、筒部１４内部に設置された状態で冷却処理を施す場合よりも、半導体ウエハ２０等はより早急に冷却される。

以上のように、本発明に係わる半導体ウエハの加熱装置では、加熱処理時には筒部１４の中空部１４ｃにおいて、黒体ボックス１２と熱源１３とが上下方向に交互に、配置されている。

つまり、熱源１３は、一の黒体ボックス１２の上面と他の黒体ボックス１２の下面とにより区画された空間（つまり、黒体により区画された空間）内に配置されている。したがって、当該区画された空間内の温度を効率良く、しかもより早急に上昇させることができる。

また、半導体ウエハ２０は、黒体ボックス１２内の空間に載置されている。したがって、黒体ボックス１２からの接触熱伝導と熱放射により、半導体ウエハ２０は熱エネルギーを効率良く受け取ることができ、当該半導体ウエハ２０の急速な加熱が可能となる。

また、加熱部１（筒部１４）において、その上下方向に複数の黒体ボックス１２が所定の間隔だけ隔てて配置されている。したがって、黒体ボックス１２により仕切られていない場合よりも、加熱部１（筒部１４）内において熱を篭もらせることができる。つまり、筒部１４内から筒部１４外への放熱を緩和させることができる。

また、筒部１４の側面部１４ａには、複数の穴１４ｄが穿設されており、当該穴を通して、黒体ボックス１２および熱源１３の出し入れが実施される。

したがって、たとえば、冷却時に黒体ボックス１２および熱源１３を筒部１４の中空部１４ｃから、より体積の広いチャンバー３内へと移動させることが可能となる。よって、半導体ウエハ２０等の冷却処理をより、早急に行うことができる。

また、一度に複数（図３の場合では、６個）の半導体ウエハ２０の加熱処理が可能と成るので、高スループット化の要請を満たすこともできる。

また、本発明に係わる半導体ウエハの加熱装置が備える電源４は、各カーボンフィラメント群に対して、独立に、エネルギー（電流）を供給することができる。

したがって、黒体ボックス１２で区画された空間の温度を、均一に保持することが可能となる。つまり、多数の半導体ウエハ２０に対して、同じ加熱条件で同時に加熱処理を実施することができる。

また、本発明に係わる半導体ウエハの加熱装置では、筒部１４の少なくとも上下面は、高融点金属（反射断熱板）２から構成されている。

したがって、加熱部１（筒部１４）全体を高速かつ効率良く昇温する上で非常に有利となる。

また、本発明に係わる半導体ウエハの加熱装置では、筒部１４自体（つまり、筒部１４の上下面および側面）を、高融点金属から構成しても良い。当該場合には、上下面だけが高融点金属により構成されている場合よりも、より高速に効率良く加熱部１（筒部１４）を昇温することができる。

なお、筒部１４の大部分が上記高融点金属２により構成され、その他の面積の小さい領域はカーボンで構成されている（もしくは、筒部１４全体が上記高融点金属により構成されている）。したがって、当該筒部１４をカーボンフェルトで構成した場合に発生していた塵の発生を、防止することができる（つまり、清浄な空間での半導体ウエハ２０の熱処理が可能となる）。

＜実施例＞
次に、本発明に係わる半導体ウエハの加熱装置の各部材の寸法等の最適値を計算する。なお、ここでの最適値とは、上記加熱手順で実行される半導体ウエハ２０の加熱処理に際して、加熱部１内部を１０〜２０秒の短時間で１８００℃程度にまで昇温できるような値である。

＜カーボンフィラメント１６の本数ｎ₁、径ｒ₁の適正値の算出＞
はじめに、１個（１セット）のカーボンフィラメント群を構成するカーボンフィラメント１６の本数ｎ₁と、各カーボンフィラメント１６の径ｒ₁の適正値を算出する。なお、上述のように、１の熱源１３は、２個（２セット）のカーボンフィラメント群により構成されている（図６参照）。

カーボンフィラメント１６を高速に昇温するためには、カーボンフィラメント１６自体の熱容量を小さくする必要がある。したがって、１のカーボンフィラメント群を構成するカーボンフィラメント１６の本数ｎ₁および、当該カーボンフィラメント１６の径ｒ₁をできる限り小さくする必要がある。

一方、当該本数ｎ₁および径ｒ₁を小さくすると、カーボンフィラメント１６の有効放射面積が小さくなる。これに伴い、カーボンフィラメント１６から黒体ボックス１２に供給できる放射エネルギーが小さくなる。したがって、加熱時のカーボンフィラメント１６の温度をより高く設定する必要性が生じる。

真空中におけるカーボンの耐熱温度は２２００℃以上であるが、１９００℃以上でも１０^-2Ｐａ程度の蒸気圧を持ち、昇華により少しずつ消耗する。

よって、カーボンフィラメント１６の熱容量をできる限り小さくし、なおかつ１９００℃以下（さらに望ましくは１８５０℃以下）のフィラメント温度でも十分な放射エネルギーを黒体ボックス１２に供給し得るような、１のカーボンフィラメント群を構成するカーボンフィラメント１６の本数ｎ₁および、各カーボンフィラメント１６の径ｒ₁を以下において算出する。

１本のカーボンフィラメント１６の長さをＬ₁、加熱時のカーボンフィラメント１６の温度をＴ₁、被加熱体（黒体ボックス１２および筒部１４などのように、加熱部１において加熱される各部材。つまり、熱源１３を除く加熱部１を構成する各部材）の温度をＴ₂、ステファン・ボルツマン定数をσとする。

すると、１の黒体ボックス１２の上方に存する１のカーボンフィラメント群および当該１の黒体ボックスの下方に存する１のカーボンフィラメント群から、当該１の黒体ボックス１２に供給される放射エネルギーＷ₁₂は、次式（１）のように表される。

Ｗ₁₂＝σ（Ｔ₁ ⁴−Ｔ₂ ⁴）・２πｒ₁×１０^-3・Ｌ₁・２ｎ₁ （１）

ここで、Ｌ₁を、たとえば１２０ｍｍとする。また、ステファン・ボルツマン定数σは、５．６７×１０^-8である。

さて、カーボンフィラメント群の加熱により被加熱体の温度Ｔ₂をたとえば１８００℃に昇温・保持することを想定した場合、少なくとも当該被加熱体の温度Ｔ₂を１８００℃に昇温した後、それを１８００℃に保持しておくためのエネルギーが必要である。

本発明に係わる加熱装置では、加熱部１の上下には高融点金属（反射断熱板）２が設けられており、またその側面積（つまり筒部１４の側面部１４ａの総面積）は十分に小さく設計される。したがって、加熱部１（筒部１４とも把握できる）内から外部へ放出される熱エネルギーは最大でも２０ｋＷ程度と想定される。したがって、１の黒体ボックス１２の上下に存する各カーボンフィラメント群から供給される放射エネルギーＷ₁₂は、平均３ｋＷ以上であれば十分である。

よって、Ｗ₁₂＞３×１０³（Ｗ）とすると、式（１）は次式（２）のように書き直すことができる。

Ｗ₁₂＝８．５５×１０^-11・ｒ₁・ｎ₁（Ｔ₁ ⁴−Ｔ₂ ⁴）＞３×１０³ （２）

当該式（２）をさらに変形して、次式（３）を得る。

Ｔ₁ ⁴＞Ｔ₂ ⁴＋３×１０¹⁴/(８．５５ｒ₁ｎ₁) （３）

また、カーボンフィラメント１６の温度は１８５０℃以下であることが望ましいことから、次式（４）を得る。

Ｔ₁＜１８５０＋２７３（Ｋ）（４）

Ｔ₂を１８００＋２７３（Ｋ）とし、ｒ₁ｎ₁を横軸、Ｔ₁を縦軸にとって式（３）および式（４）を図示すると。図１３のようになる。図１３において、カーボンフィラメント１６を図中の斜線部の領域において動作させることが望ましいことから、ｒ₁ｎ₁は次の条件式（５）を満たす必要がある。

ｒ₁ｎ₁＞１８．８（５）

すなわち、カーボンフィラメント１６の温度を１８５０℃以下で使用しつつ、黒体ボックス１２の上下に各々存するカーボンフィラメント群から、当該黒体ボックス１２へ供給される平均の放射エネルギーＷ₁₂が少なくとも３ｋＷ以上となることを満たすにためは、各カーボンフィラメント径ｒ₁とカーボンフィラメント本数ｎ₁の積は、１８．８より大きいことが必要である。

また、カーボンフィラメント１６からの放射エネルギーを用いて黒体ボックス１２を加熱する上で、当該黒体ボックス１２を面内で均一に昇温する必要がある。このことから、１の（１セットの）カーボンフィラメント群に含まれるカーボンフィラメント１６の本数ｎ₁を少なくとも５本以上として、適切な位置に配置することが望ましい。

さらに、カーボンフィラメント１６の力学的な耐久性から、少なくともフィラメント径ｒ₁は２ｍｍ以上であることが望ましい。ｎ₁を横軸とし、ｒ₁を縦軸として以上の条件を図示すると図１４のようになる。

図１４において、ｎ₁およびｒ₁は、斜線部で図示される領域においてできる限り小さな値に設定することが望ましい。本実施例では、一のカーボンフィラメント群を構成するカーボンフィラメント１６の本数の最適値は、ｎ₁＝７であり、各カーボンフィラメント１６の径は、ｒ₁＝２．７ｍｍとする。

＜カーボンフィラメント１６の昇温速度の概算＞
次に、カーボンフィラメント１６に電流を供給し、そのジュール熱でカーボンフィラメント１６を昇温する際の、カーボンフィラメント１６の昇温速度を概算する。

電源４から１のカーボンフィラメント群に供給される、あるいは当該１のカーボンフィラメント群で消費される電力エネルギーをＷ₁とし、当該エネルギーＷ₁によりカーボンフィラメント１６の温度が時間Δｔの間にΔＴ₁変化したとする。この場合には、１のカーボンフィラメント群内のエネルギー収支は、次式（６）で表すことができる。

Ｗ₁Δｔ＝Ｃ₁ΔＴ₁＋（Ｗ₁₂/２＋２×Ｗ₁₃＋２×Ｑ₁₃）Δｔ（６）

ここで、Ｃ₁は１のカーボンフィラメント群の熱容量、Ｗ₁₃は１のカーボンフィラメント群に接続されている電極部１５から外部へ放射される放射エネルギー、Ｑ₁₃は当該電極１５および金属棒７を伝って外部へ放出される熱エネルギーである。

式（６）をさらに変形することにより、次式（７）を得る。

ΔＴ₁/Δｔ＝（Ｗ₁―Ｗ₁₂/２―２×Ｗ₁₃―２×Ｑ₁₃）/Ｃ₁ （７）

式（７）から分かるように、熱容量Ｃ₁が小さいとき、カーボンフィラメント１６の温度上昇は短時間で飽和する。その後、カーボンフィラメント１６に供給されるエネルギーは全て、カーボンフィラメント１６と電極部１５とからの放射エネルギー、および金属棒７を伝って外部へ放出される熱伝導エネルギーにより消費される。

さて、１本のカーボンフィラメント１６の断面積をＳ₁、長さをＬ₁、比重をρ₁、比熱をｃ₁とすると、１のカーボンフィラメント群の熱容量Ｃ₁は次式（８）のように表される。

Ｃ₁＝Ｓ₁・Ｌ₁・ｎ₁・ρ₁・ｃ₁ （８）

また、上述したようにカーボンフィラメント１６は空芯の円筒構造をしており、肉厚は０．５ｍｍである。このことから、１本のカーボンフィラメント１６の断面積Ｓ₁は次式（９）のように表すことができる。

Ｓ₁＝π（ｒ₁ ²―（ｒ₁―０．５）²）×１０^-6
＝π（ｒ₁−０．２５）×１０^-6 （ｍ²）（９）

Ｌ₁を装置寸法からたとえば１２０ｍｍとする。また、ρ₁およびｃ₁はカーボンの物性値からそれぞれ２．２５ｇ/ｃｍ³、０．７Ｊ/ｇ・Ｋとする。また、ｎ₁およびｒ₁は上述した最適値の７と２．７を適用する。当該各値および式（９）を用いると、式（８）、つまり１のカーボンフィラメント群の熱容量Ｃ₁は、９．１（Ｊ/Ｋ）となる。

また、Ｗ₁₃は次式（１０）のように表される。

Ｗ₁₃＝γ・σＴ₁ ⁴・Ｓ₁₃ （１０）

ここで、γは電極部１５の放射係数であり、たとえば電極部１５の材料を高融点金属であるタングステンとした場合、γの値は０．２〜０．４程度となる。なお、以下の計算ではγを０．３とする。また、Ｓ₁₃は１のカーボンフィラメント群に接続されている電極部１５の面積であり、装置寸法から１０００ｍｍ²と計算する。

また、電極部１５および金属棒７を伝って外部へ放出される熱エネルギーＱ₁₃は、次式（１１）のように表される。

Ｑ₁₃＝（Ｔ₁−３００）/Ｒ₁₃ （１１）

ただし、外部の温度は室温（２７℃＝３００Ｋ）とした。また、Ｒ₃は金属棒７の熱抵抗であり、次式（１２）のように表される。

Ｒ₁₃＝（１/Ｋ₃）×Ｌ₃/ｎ₃/Ｓ₃ （１２）

ここで、Ｋ₃は金属棒５の熱伝導率、Ｌ₃は金属棒７の長さ、ｎ₃は１のカーボンフィラメント群に一方の電極１５を介し接続される金属棒７の本数、Ｓ₃は金属棒７の断面積である。

たとえば金属棒７が高融点金属であるタングステン製の場合、熱伝導率Ｋ₃＝１５０であり、Ｌ₃は装置寸法からたとえば１２０ｍｍとする。さらに、金属棒７の断面積は金属棒７の半径ｒ₃を用いて次式（１３）のように表される。

Ｓ₃＝π（ｒ₃×１０^-3）² （１３）

またｎ₃およびｒ₃を、後述するように、最適値としてｎ₃＝２、ｒ₃＝２．２ｍｍとして設定すると、熱抵抗Ｒ₁₃は２６．３と算出される。

上記において得られた各値と式（７）を用いて、一のカーボンフィラメント群に電気エネルギーＷ₁を供給した際の、カーボンフィラメント１６の昇温速度を概算する。式（７）をさらに式変形すると、次式（１４）を得ることができる。

Δｔ/ΔＴ₁＝Ｃ₁/（Ｗ₁―Ｗ₁₂/２―２×Ｗ₁₃―２×Ｑ₁₃）（１４）

次に、上述した１のカーボンフィラメント群の熱容量Ｃ₁の値９．１（Ｊ/Ｋ）、式（２）、式（１０）および式（１１）を、式（１４）に代入し、さらに、上記した各変数の値を用いて整理する。すると、次式（１５）を得ることができる。

Δｔ/ΔＴ₁＝９．１ /（Ｗ₁−８．１×１０^-10（Ｔ₁ ⁴−Ｔ₂ ⁴）
―２×γ・σＴ₁ ⁴・Ｓ₁₃―２×（Ｔ₁−３００）/２６．３）（１５）

さらに、Δｔ/ΔＴ₁→ｄｔ/ｄＴ₁として両辺をＴ₁で積分すると、次式（１６）を得ることができる。

ｔ＝∫ ９．１ /（Ｗ₁−８．１×１０^-10（Ｔ₁ ⁴−Ｔ₂ ⁴）
―２×γ・σＴ₁ ⁴・Ｓ₁₃―２×（Ｔ₁−３００）/２６．３）ｄＴ₁ （１６）

１のカーボンフィラメント群に供給される電気エネルギーＷ₁をたとえば２．５ｋＷとしたときの、カーボンフィラメント１６の昇温プロファイルを式（１６）を用いて算出すると、図１５のようになる。

図１５から分かるように、１のカーボンフィラメント群に２．５ｋＷの電力を投入すると、カーボンフィラメント１６の温度は急激に上昇し、６秒程度で１０００℃付近に到達する（カーボンフィラメント１６の昇温速度の概算となる）。

なお、カーボンフィラメント１６の温度Ｔ₁が当該１０００℃付近に到達した後、１のカーボンフィラメント群に供給されるエネルギーは、そのほとんどが放射エネルギーとして上記被加熱体に供給される。これにより、温度Ｔ₁の上昇と並行して式（１６）における被加熱体の温度Ｔ₂も昇温され始める。

このように、被加熱体の温度Ｔ₂が上昇することにより、カーボンフィラメント１６の温度も１０００℃からさらに上昇し始める。そして、最終的には、加熱部１（筒部１４とも把握できる）内から外部への放熱エネルギーと電源４からの供給エネルギーとが釣り合うまで、カーボンフィラメント１５の温度Ｔ₁および被加熱体の温度Ｔ₂は、共に上昇し続ける。

＜金属棒７の本数ｎ₃、径ｒ₃の適正値の算出＞
次に、カーボンフィラメント群にエネルギーを供給することで上記被加熱体を昇温する際、電源４からの供給エネルギーに対して最も効率的に昇温を行うための、１のカーボンフィラメント群に電流を供給するための金属棒７の本数ｎ₃と、各金属棒７の径ｒ₃の適正値を算出する。

ここで、金属棒７の本数ｎ₃は、電源側４側に配設されている一の電極部１５を介して、１のカーボンフィラメント群に接続される金属棒７の本数である。

カーボンフィラメント群に電力エネルギーを供給するためには、金属棒７を媒介して電源４から直流あるいは交流の電流を供給する必要がある。したがって、電流供給時の金属棒７においてジュール熱損が生じる。当該ジュール熱損をＷ₃とし、１のカーボンフィラメント群を加熱するために電源４から供給される全電力エネルギーをＷ_Tとする。すると、Ｗ_Tは、次式（１７）のように表される。

Ｗ_T＝Ｗ₁＋Ｗ₃ （１７）

また、上述したように、カーボンフィラメント群を昇温した際、１のカーボンフィラメント群に供給される電気エネルギーＷ₁のうち、金属棒７を通して熱伝導により外部へ放出される熱エネルギーＱ₁₃と、カーボンフィラメント群に接続されている電極部１５から放射される放射エネルギーＷ₁₃とは、カーボンフィラメント群および被加熱体の加熱には寄与しない損失エネルギーである。

したがって、１のカーボンフィラメント群を加熱するために電源４から供給される全電力エネルギーＷ_Tのうち、Ｗ₃＋２×Ｑ₁₃＋２×Ｗ₁₃は、カーボンフィラメント群および被加熱体の加熱には寄与しない損失エネルギーの和となる。

当該損失エネルギーの和をＷ_T’とすると、Ｗ_T’/Ｗ_Tが最小となるように（すなわち、１のカーボンフィラメント群を加熱するために電源４から供給される全電力エネルギーＷ_Tに対する、カーボンフィラメント群および被加熱体の加熱に寄与しない損失エネルギーの比率が最小となるように）、金属棒７の本数ｎ₃、および各金属棒７の径ｒ₃を設定する必要がある。

Ｗ₃は１のカーボンフィラメント群に供給されるエネルギーＷ₁を用いて、次式（１８）のように表すことができる。

Ｗ₃＝Ｗ₁×２×Ｒ₃/Ｒ₁ （１８）

ここで、Ｒ₁は、１のカーボンフィラメント群の電気抵抗、Ｒ₃は、１のカーボンフィラメント群に一方の電極部１５を介して接続される金属棒７の電気抵抗である。よって、Ｒ₁およびＲ₃は、それぞれ次式（１９）、（２０）のように表すことができる。

Ｒ₁＝ｋ₁・Ｌ₁/Ｓ₁/ｎ₁ （１９）

Ｒ₃＝ｋ₃・Ｌ₃/Ｓ₃/ｎ₃ （２０）

ここで、ｋ₁は、カーボンフィラメント１６の電気抵抗率、ｋ₃は、金属棒７の電気抵抗率である。たとえば、金属棒７が高融点金属であるタングステン製の場合、ｋ₃は７．３×１０^-8であり、カーボンフィラメント１６の電気抵抗率はカーボンの物性値から１×１０^-5となる。

よって、式（９）、（１３）、（１９）、（２０）等を用いることにより、式（１８）は、次式（２１）のように書き換えることができる。

Ｗ₃＝Ｗ₁×１．４６×１０^-2×ｒ₁ ²ｎ₁/ｒ₃ ²ｎ₃ （２１）

また、Ｑ₁₃は、式（１１）、（１２）、（１３）から、次式（２２）となる。

Ｑ₁₃＝ｎ₃ｒ₃ ²（Ｔ₁−３００）/ ２５０（２２）

また、１のカーボンフィラメント群に接続される一方の電極部１５から外部へ放射される放射エネルギーＷ₁₃は、式（１０）で示されている。また、ｎ₁およびｒ₁をそれぞれ上述した最適値７および２．７ｍｍとし、１のカーボンフィラメント群に供給されるエネルギーＷ₁をたとえば２．５ｋＷとする。すると、カーボンフィラメント群および被加熱体の加熱に寄与しない損失エネルギーの和Ｗ_T’は、次式（２３）のように表される。

Ｗ_T’＝Ｗ₃＋２×Ｑ₁₃＋２×Ｗ₁₃
＝１．８６×１０³/ｎ₃ｒ₃ ²
＋２×ｎ₃ｒ₃ ²（Ｔ₁−３００）/２５０
＋２×γ・σＴ₁ ⁴・Ｓ₁₃ （２３）

また、１のカーボンフィラメント群を加熱するために電源４から供給される全電力エネルギーＷ_Tのうち、カーボンフィラメント群および被加熱体を昇温するために用いられるエネルギーの比率ηは、次式（２４）のように表される。

η＝１―Ｗ_T’/Ｗ_T （２４）

式（１７）〜（２１）を用いてＷ_Tを計算し、Ｔ₁をパラメータとして、ｎ₃ｒ₃ ²を横軸に、ηの値を縦軸にプロットすると、図１６のように図示される。

図１６からηが最大値をとるようなｎ₃ｒ₃ ²の値は、カーボンフィラメント１６の温度が１００℃のときで５６．０、また１０００℃のときで１５．０、また１８５０℃のときで９．０である。

被加熱体をたとえば１８００℃に昇温する上で、カーボンフィラメント１６を１８５０℃付近で動作させる時間が最も長いと予想される。このことから、ｎ₃ｒ₃ ²の最適値を９．０とし、１のカーボンフィラメント群に配設されている一方の電極部１５に接続される金属棒７の本数ｎ₃を２本（したがって、図３に示した１のカーボンフィラメント群の電源４側に配設されている電極部１５に着目すると、図３の表裏方向に２本の金属棒７が並走して配設される）、各金属棒７の径ｒ₃を２．２ｍｍと設定する（以上が、金属棒７の本数ｎ₃、径ｒ₃の適正値の算出である）。

このとき、１のカーボンフィラメント群を加熱するために電源４から供給される全電力エネルギーＷ_Tのうち、カーボンフィラメント群および被加熱体を昇温するために用いられるフィラメント放射エネルギーの比率ηは、カーボンフィラメント１６の温度が１００℃の時に０．９７、１０００℃で０．８７、１８５０℃で０．６２となる。

また、カーボンフィラメント１６の温度が１８５０℃の時、金属棒７を通して熱伝導により外部へ放出される熱エネルギーＱ₁₃は０．１４ｋＷ、またカーボンフィラメント群に接続される電極部１５から放射される放射エネルギーＷ₁₃は０．３５ｋＷとなる。

このことから、１のカーボンフィラメント群に供給される電気エネルギーＷ₁を２．５ｋＷとしたときの、カーボンフィラメント群および被加熱体を昇温するために用いられるエネルギーは〜２．０ｋＷ（したがって、１の黒体ボックス１２の上方に配置される１のカーボンフィラメント群および当該１の黒体ボックス１２の下方に配置される１のカーボンフィラメント群に供給される昇温に有効なエネルギーは〜４．０ｋＷ）となる。

上述したように、黒体ボックス１２の上下に各々配置されている計２つのカーボンフィラメント群から供給される放射エネルギーＷ₁₂は、平均３ｋＷ以上であれば十分である。このことから、１のカーボンフィラメント群に供給される電気エネルギーＷ₁は、２．５ｋＷ以上であれば十分である。また、電流供給時の金属棒７におけるジュール熱損Ｗ₃は０．２ｋＷとなることから、１のカーボンフィラメント群を加熱するために電源４から供給される全電力エネルギーＷ_Tは、２．７ｋＷであることが適当である。

＜被加熱体の昇温プロファイルを算出＞
次に、上記で得られたｎ₁、ｒ₁、ｎ₃、ｒ₃の最適値を用いて装置を構成し、次に記すような場合を想定して、上記被加熱体の昇温プロファイルを算出する。

つまり、以下で行う被加熱体の昇温プロファイルを算出では、４インチの炭化珪素ウエハ６枚を同時にアニール処理し、側面部１４ａがカーボン製である筒部１４の中空部１４ｃに、カーボン製の黒体ボックス１２を６個および（図３の点線に囲まれた部分の）熱源１３を７個挿入し、カーボンフィラメント１６に電流を供給して熱源１３を高温に昇温・保持した場合を、想定する。

被加熱体の熱容量をＣ₂、１の黒体ボックス１２に供給される２のカーボンフィラメント群（つまり、１の黒体ボックス１２の上方に配置されている１のカーボンフィラメント群、および当該１の黒体ボックス１２を下方に配置されている１のカーボンフィラメント群）からの放射エネルギーをＷ₁₂とする。

また、黒体ボックス１２および筒部１４の側面から外部へ放射されるエネルギーをＷ₂₃とする。また、最上部に配置されている黒体ボックス１２の上面および最下部に配置されている黒体ボックス１２の下面から、筒部１４の上下面に設置された高融点金属（反射断熱板）２に向かって放射されるエネルギーをＷ₂₄とする。また、黒体ボックス１２と筒部１４との接触熱伝導により高融点金属２に伝導する熱エネルギーをＱ₂₄とする。

すると、被加熱体の熱エネルギー収支は、次式（２５）のような計算式で表される。

７×Ｗ₁₂Δｔ＝Ｃ₂ΔＴ₂＋（Ｗ₂₃＋Ｗ₂₄＋Ｑ₂₄）Δｔ（２５）

この式（２５）を式（６）と同様の方法で式変形すると、当該式（２５）は次式（２６）のように表すことができる。

ｔ＝∫Ｃ₂ /（７×Ｗ₁₂―Ｗ₂₃―Ｗ₂₄―Ｑ₂₄）ｄＴ₂ （２６）

次に、上述した熱容量Ｃ₂の値を算出する。

筒部１４の肉厚をたとえば１ｍｍとし、幅および奥行きの長さを１２０ｍｍ、高さを８６ｍｍとする。また、上述したように、筒部１４の側面部１４ａには穴１４ｄが複数穿設されている。当該穴１４ｄの幅（横方向の寸法）および高さ（縦方向の寸法）は、それぞれ１００ｍｍ、１０ｍｍとする。また、筒部１４の側面部１４ａには、全部で２８個の穴１４ｄが穿設される。

以上のことから、筒部１４の体積は１．３２×１０^-5（ｍ²）となる。

また、黒体ボックス１２の幅および奥行きの長さを１２０ｍｍ、厚さを２ｍｍとする。また、半導体ウエハ２０が載置される黒体ボックス１２内部の空間１２ｄの、幅および奥行きの長さを１００ｍｍ、高さを０．５ｍｍとする。

すると、黒体ボックス１２の６個分の体積は１．４３×１０^-4（ｍ³）となる。よって、カーボンの比熱および比重の値からＣ₂は、２４６（Ｊ/Ｋ）と算出される。

また、筒部１４の表面積をＳ₂とすると、上記Ｗ₂₃は、次式（２７）のように表される。

Ｗ₂₃＝σＴ₂ ⁴・Ｓ₂ （２７）

ここで、上記で示した装置寸法からＳ₂は、１．３２×１０^-2（ｍ²）と計算される。

また、黒体ボックス１２の表面積をＳ_2'、高融点金属（反射断熱板）２の温度をＴ₄、放射率が０．２〜０．４と比較的低い高融点金属２と黒体ボックス１２との間の放射伝達係数を、λとする。すると、上記Ｗ₂₄は、次式（２８）のように表される。

Ｗ₂₄＝λσ（Ｔ₂ ⁴―Ｔ₄ ⁴）・Ｓ_2' （２８）

また、最上部に配置される黒体ボックス１２の上面（あるいは最下部に配置される黒体ボックス１２の下面）と高融点金属２との間の熱抵抗を、Ｒ₂₄とする。すると、Ｑ₂₄は、次式（２９）のように表される。

Ｑ₂₄＝（Ｔ₂―Ｔ₄）/Ｒ₂₄ （２９）

ここで、カーボンの熱伝導率を１００とすると、装置寸法からＲ₂₄は、４．２×１０^-2と計算される。

よって、式（２６）に式（２７）、式（２８）、式（２９）を代入すると、次式（３０）を得ることができる。

ｔ＝∫Ｃ₂ /（７×Ｗ₁₂―σＴ₂ ⁴・Ｓ₂―λσ（Ｔ₂ ⁴―Ｔ₄ ⁴）・Ｓ_2'
―（Ｔ₂―Ｔ₄）/Ｒ₂₄）ｄＴ₂ （３０）

式(３０)において、λをたとえば０．３、Ｗ₁₂を３ｋＷとし、Ｔ₄をパラメータとしてＴ₂の昇温速度をプロットすると、図１７のようになる。図１７は、被加熱体の昇温プロファイルである。

１のカーボンフィラメント群からの放射エネルギーＷ₁₂によって上記被加熱体が加熱され、その熱エネルギーは、放射および熱伝導を媒介して高融点金属（反射断熱板）２にも供給される。これに伴い、高融点金属２の温度Ｔ₄も上昇し始め、１のカーボンフィラメント群からの放射エネルギーＷ₁₂によって加熱される被加熱体の飽和温度も上昇する。すなわち、被加熱体の温度Ｔ₂および高融点金属２の温度Ｔ₄が、ともに上昇することになる。

被加熱体と高融点金属２との間の熱抵抗Ｒ₂₄は、４．２×１０^-2と小さい。また、高融点金属２の材料をタングステンとした場合、当該高融点金属２の厚さを１ｍｍ程度にすることで、その熱容量は４０（Ｊ/Ｋ）程度となる。したがって、両者間のＣＲ時定数は１．６（ｓ）程度となることから、上記した温度Ｔ₂および温度Ｔ₄の熱応答は非常に速いと言える。

上記各計算結果と図１７で示した被加熱体の昇温プロファイルから、実施例に係わる加熱装置において、１の黒体ボックス１２の上下に存する２つのカーボンフィラメント群から当該１の黒体ボックス１２に対して、平均〜３ｋＷ（１のカーボンフィラメント群あたり〜１．５ｋＷ）の放射エネルギーが投入されることで、被加熱体を約１５秒程度で１８００℃付近に昇温できる。また、このときのカーボンフィラメント１６の温度は式（１）から１８５０℃である。

＜実施例の結論＞
これまでの計算結果から、本発明に係わる加熱装置の最適な実施例について結論する（つまり、最適と考えられる装置構造、装置各部の寸法について結論する）。

断面が１２０×１２０ｍｍ²の正方形、肉厚が１ｍｍ、高さが８６ｍｍで、その上下端が高融点金属（反射断熱板）２により覆われた筒部１４を、内部が冷やされたステンレス製のチャンバー２内部に設置する。ここで、筒部１４の側面部１４ａはカーボンで形成されている。

また、筒部１４の側面部１４ａには、熱源１３（より具体的には各カーボンフィラメント群）を挿入するための穴１４ｄが複数穿設されている。当該穴１４ｄは、１０×１００ｍｍ²の長方形であり、７×４個穿設されている。なお、熱源１３の数は７個であり、１の熱源１３を構成するカーボンフィラメント群の数は２個（２セット）である。したがって、筒部１４に設置されるカーボンフィラメント群の総数は、１４個（１４セット）となる。

また、各穴１４ｄに固定される各電極部１５には、各々２本の金属棒７が接続されている。上述の通り、１のカーボンフィラメント群の一端および他端に、各々電極部１５が接続されている。なお、以上から分かるように、７×４個の穴１４ｄの全てに、電極１５が固定されている。

炭化珪素ウエハなどの半導体ウエハが載置された、カーボン製の６個の黒体ボックス１２と、７個の上記熱源１３とは、筒部１４の中空部１４ｃ内部において縦方向に交互にセットされる。

１のカーボンフィラメント群を形成する７本のカーボンフィラメント１６は、空芯のカーボン筒から構成されており、内側の肉厚は０．５ｍｍ、断面の半径は２．７ｍｍである。

また、各カーボンフィラメント群には、一方端および他方端に、電極部１５が各々配設されており、各電極部１５には、２本の金属棒７が接続されている。当該金属棒７の断面の半径は２．２ｍｍである。

このようにして構成された加熱装置において、１セットのカーボンフィラメント群に平均２．７ｋＷ（合計〜３７．８ｋＷ）の電力エネルギーを投入する。すると、各カーボンフィラメント１６は、〜６秒で１０００℃付近に上昇する。そして、当該各カーボンフィラメント１６からの放射エネルギーにより、黒体ボックス１２および筒部１４を含めた被加熱体も加熱される。

結果、〜１５秒でカーボンフィラメント１６は１８５０℃に、被加熱体は１８００℃に昇温される。

本発明に係わる半導体ウエハの加熱装置の構成を示す断面図である。加熱処理が実施されていないときの加熱部１の構成を示す断面図である。加熱処理が実施されているときの加熱部１の構成を示す断面図である。筒部の外観を示す斜視図である。黒体ボックス１２の構成を示す断面図である。熱源１３の構成を示す斜視図である。筒部の中空部の構成を示す拡大断面図である。黒体ボックスを筒部の中空部内に設置する方法を説明するための断面図である。黒体ボックスを筒部の中空部内に設置する方法を説明するための断面図である。黒体ボックスを筒部の中空部内に設置する方法を説明するための断面図である。黒体ボックスを筒部の中空部内に設置する方法を説明するための断面図である。黒体ボックスを筒部の中空部内に設置する方法を説明するための断面図である。カーボンフィラメントの本数と径との積の値の許容範囲を示した図である。カーボンフィラメントの本数およびカーボンフィラメントの径の許容範囲を示した図である。カーボンフィラメントの昇温プロファイルを示した図である。エネルギー効率と、フィラメント本数の二乗とフィラメント径の二乗との積との関係を示した図である。被加熱体の昇温プロファイルを示した図である。

符号の説明

１加熱部、２高融点金属（反射断熱板）、３チャンバー、４電源、５接地用金属電極、６支持棒、７金属棒、８支柱、９真空ポンプ、１０ガス導入ライン、１１，１１ａ，１１ｂ搬送用アーム、１２黒体ボックス、１２ａ黒体のトレイ、１２ｂ黒体の蓋、１３熱源、１３ｇ，１３ｈカーボンフィラメント群、１４筒、１４ａ側面部、１４ｂ爪部、１４ｃ中空部、１４ｄ穴、１５電極部、１６カーボンフィラメント、１００半導体ウエハの加熱装置。

Claims

中空部を有し、側面に複数の穴が穿設されている筒部と、
前記穴を通して前記筒部の前記中空部への出し入れが可能であり、黒体のトレイと黒体の蓋とから成り、前記黒体のトレイと前記黒体の蓋とが組み合わされることにより形成される空間に半導体ウエハを配置することができる、複数の黒体ボックスと、
前記穴を通して前記筒部の前記中空部への出し入れが可能である、複数の熱源とを、備えており、
前記半導体ウエハの加熱処理時には、
前記筒部の前記中空部内において、前記黒体ボックスと前記熱源とが上下方向に交互に、配置される、
ことを特徴とする半導体ウエハの加熱装置。
前記熱源から熱を発生させるためのエネルギーを、前記熱源に供給する電源部を、さらに備えており、
各前記熱源は、複数のカーボンフィラメントから構成されるカーボンフィラメント群により構成されており、
前記電源部は、
各前記カーボンフィラメント群に対して、独立に、前記エネルギーを供給することができる、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハの加熱装置。
前記黒体ボックスは、カーボン製である、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハの加熱装置。
前記筒部は、
上面および下面を有しており、
前記筒部の少なくとも前記上面および前記下面は、
高融点金属から成る、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハの加熱装置。
前記筒部は、
高融点金属から構成されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体ウエハの加熱装置。