JP5317462B2 - Soaking fast elevator - Google Patents
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Description
本発明は、縦に長い単体加熱物または縦に積層された複数の複合加熱物を、その周囲から加熱する均熱高速昇降炉に関し、一例を挙げると、半導体ウエハを縦に間隔を置いて配置した状態で熱処理を行うため、それら半導体ウエハを周囲から均一に加熱することや核燃料の温度特性試験等を目的とした均熱高速昇降炉に関する。 The present invention relates to a soaking fast elevating furnace that heats a vertically long single heated object or a plurality of vertically stacked complex heated objects from the periphery thereof. For example, semiconductor wafers are arranged at intervals in the vertical direction. The present invention relates to a soaking high-speed elevator for the purpose of uniformly heating these semiconductor wafers from the surroundings and testing the temperature characteristics of nuclear fuel.
半導体製造プロセスにおけるキーテクノロジーは、高精度な熱コントロールである。大型集積回路(超LSI)の益々の微細化と高速化、さらには低コスト化が要求されるに伴って、超LSIの製造プロセスで形成される薄膜は、さらに薄く、高品位が要求されようになっている。近年は、Siウエハの熱処理温度も1100℃を超えSiCウエハに至っては、1800℃程度まで均一且つ高速に加熱しなければならない。 The key technology in the semiconductor manufacturing process is high-precision thermal control. As miniaturization and speeding-up of large-scale integrated circuits (VLSIs) are increasingly required, and cost reductions are required, the thin films formed by the VLSI manufacturing process will be thinner and higher quality will be required. It has become. In recent years, the heat treatment temperature of the Si wafer has also exceeded 1100 ° C., and the SiC wafer has to be heated uniformly and rapidly to about 1800 ° C.
多数枚の半導体ウエハを一度に処理する均熱高速昇降炉は、プロセス技術の発達の初期段階においては、多数の半導体ウエハをボート上に縦向きに並べる横型から発達した。しかし、半導体ウエハの大口径化と、クリンルーム内に占める床面積を最小にするために途中から縦型拡散装置が多用されるようになった。この縦型拡散装置は、ラック状のボートに半導体ウエハを5〜6mm間隔に積層し、その周囲からウエハを加熱し、そこに反応ガスを導入し、熱CVDの手段で処理するものや加熱だけで熱拡散処理を行うものである。
他の用途としては、1700℃程度に急速に加熱出来る細長い均熱高速昇降炉が酸化ウランペレットを焼き固めた原子核燃料の温度特性試験のための模擬燃料棒として利用されている。
In the early stage of the development of process technology, soaking fast elevators that process a large number of semiconductor wafers at a time were developed from a horizontal type in which a large number of semiconductor wafers are arranged vertically on a boat. However, in order to increase the diameter of the semiconductor wafer and to minimize the floor area occupied in the clean room, a vertical diffusion device has been frequently used from the middle. This vertical diffusing device stacks semiconductor wafers on a rack-like boat at intervals of 5 to 6 mm, heats the wafers from the periphery, introduces a reaction gas into them, and processes them by means of thermal CVD or only heating The thermal diffusion treatment is performed in
As another application, an elongated soaking fast elevating furnace that can be rapidly heated to about 1700 ° C. is used as a simulated fuel rod for temperature characteristic test of nuclear fuel obtained by baking and solidifying uranium oxide pellets.
この均熱高速昇降炉は、例えば下記特許文献1に記載されたものが知られている。図7に示すように、アルミナ−シリカ系繊維をバインダやセラミック接着剤で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたものや黒鉛繊維をピッチ等で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたハウジング23の中に、石英、アルミナ、サイアロン(窒化ケイ素アルミナやSiO2などを固溶させて作るSi3N4系のセラミックス)または炭化ケイ素焼結体等からなるインナーチューブ30を配置している。反応性ガスは、インナーチューブ30の中に導入され、ボート29に間隔を置いて縦に配列した半導体ウエハ等の被加熱物28の表面上に薄膜が形成される。ボート29は駆動機構25により上下動される。所定の温度を得るため、インナーチューブ30を囲むようにヒータ22、22’が設けられている。またハウジング23の外側またはその内部に、冷却ガスを通すための冷却ガス通路24が設けられている。図7は、冷却ガス通路24をハウジング23の壁内に設けた例である。
As this soaking fast elevator, for example, one described in Patent Document 1 below is known. As shown in FIG. 7, a housing in which alumina-silica fiber is baked and hardened with a binder or a ceramic adhesive to form a cylindrical heat insulating molded body, or graphite fiber is baked and hardened with pitch or the like to form a cylindrical heat insulating molded body. 23, an
このような均熱高速昇降炉においては、600〜1700℃に被加熱物を加熱するものであり、それらにおいてヒータとしては耐熱性の高いものが使用される。例えば、図8に示すように、U字形に折り返した棒状の導電性炭化珪素(SiC)や珪化モリブデン(MoSi2)等からなるヒータ22をハウジング23の内側に環状に配置している。図9は、板状としたヒータ22’の例を示すもので、例えば下記の特許文献1には、黒鉛ヒータを使用することが記載されている。
他方、均熱高速昇降炉を冷却するときは、前記の冷却ガス通路24に冷却ガスを通し、ハウジング23を冷却する。
In such a soaking high-speed elevator, the object to be heated is heated to 600 to 1700 ° C., and a heater having high heat resistance is used. For example, as shown in FIG. 8, a
On the other hand, when cooling the soaking fast elevator, the cooling gas is passed through the
前記のハウジング23とヒータの他の例を図10と図11により具体的に説明する。
温度や雰囲気で違って来るが、密閉金属容器内を不活性ガス雰囲気にするものについては、例えば図10のように、密閉金属容器内に黒鉛繊維をピッチで焼き固めて円筒形にした断熱成形体を内張し、その断熱成形体の内側に溝25を掘り、その溝25にタングステン等の高融点金属からなるコイル状のヒータ22’を埋め込んだハウジング23が使用される。
Another example of the
For those that change the temperature and atmosphere, but the atmosphere in the sealed metal container is an inert gas atmosphere, for example, as shown in FIG. A
また、非密閉の大気圧中で使用する場合には、図11に示すように、アルミナ−シリカ系繊維をバインダやセラミック接着剤で焼き固めた円筒形の断熱成形体体を非密閉の金属カバーで覆うことで型くずれを防止し、その断熱成形体に溝25’を掘って、その溝25’にコイル状のニクロム線やカンタル線或いは棒状の導電性SiC発熱体22”を埋め込んだハウジング23が使用される。
導電性SiCとは、SiCに添加物を入れて導電性を付与したものである。絶縁性SiCとは、それ以外のもので酸化物(Y2O3等)の焼結助剤を入れて焼結したもの等をさす。
When used in an unsealed atmospheric pressure, as shown in FIG. 11, a cylindrical heat-insulated molded body in which alumina-silica fibers are baked and hardened with a binder or a ceramic adhesive is used as an unsealed metal cover. A
Conductive SiC is obtained by adding conductivity to SiC. Insulating SiC refers to other materials that are sintered with an oxide (Y 2 O 3 or the like) sintering aid.
しかし、このような均熱高速昇降炉の構造では、ヒータ22、22’や冷却ガス通路24から炉の中心方向への熱伝達性が悪く、被加熱物28の内周と外周との間で温度の差、いわゆる温度ムラが生じやすい。さらに、冷却ガス通路24は断熱性のあるハウジング23の外側またはその内部に設けられているため、冷却ガスから加熱室への熱伝達性が悪く、加熱終了から常温までに冷却する時間が長くかかる。また、ハウジング23の内面から高温下で生じた塵が加熱炉の中に拡散しやすい。
However, in the structure of the soaking high-speed elevator, the heat transfer from the
本発明は、このような従来の均熱高速昇降炉における課題に鑑み、被加熱物の加熱、冷却効率に優れ、加熱と冷却が早く、被加熱物の温度ムラが小さく、高温下でハウジングの内面から生じた塵が被加熱物に及びにくい均熱高速昇降炉を提供することを目的とする。 In view of such problems in the conventional soaking high-speed elevator, the present invention is excellent in heating and cooling efficiency of a heated object, fast heating and cooling, small temperature unevenness of the heated object, An object of the present invention is to provide a soaking fast elevating furnace in which dust generated from the inner surface does not easily reach the object to be heated.
本発明では、前記の目的を達成するため、ハウジング3とインナーチューブ5との間にヒータ2を配置すると共に、そのヒータ2の背後側、すなわちハウジング3の内面側に熱反射板4を設け、この熱反射板4とインナーチューブ5との間の隙間を、冷却ガスを通す冷却ガス通路6としたものにおいて、熱反射板4をハウジング3の内側に張ったセグメント13により形成し、このセグメント13にヒータ2を沿わせて保持した。
In the present invention, in order to achieve the above object, the
すなわち、本発明による均熱高速昇降炉は、ハウジング3の内側に筒形のインナーチューブ5を設け、このインナーチューブ5とハウジング3との間にヒータ2を配置すると共に、このヒータ2を配置した前記インナーチューブ5と前記ハウジング3との間の間隙を冷却ガスが通る冷却ガス通路6とし、ハウジング3の内側に筒状の熱反射板4を設け、前記ヒータ2の発熱によりハウジング3の中に収納した被加熱物8を加熱するものにおいて、ハウジング3の内側にセグメント13を張って熱反射板4を形成し、前記ヒータ2を同セグメント13の内側に沿わせて保持したものである。熱反射板4は、炭化珪素等の輻射率εが大きいもので、ε=0.6以上で耐熱性のある物、又は、石英ガラスの外側に金メッキや酸化錫コーティングして熱反射すからなるものがよい。
That is, soaking-rapid reactor according to the present invention, the provided inner tube 5 of the tubular inside of the housing 3, thereby placing the
但し、金メッキや酸化錫等による熱反射方式は、ヒータ同士の影響や光同士の干渉によってインナーチューブ5があっても被加熱物8に温度分布が付きヒータ2とインナーチューブ5との隙間を大きくとらなければならないので、温度解析時に十分注意する必要がある。
However, in the heat reflection method using gold plating, tin oxide, or the like, even if the inner tube 5 is present due to the influence of heaters or interference of light, the temperature distribution is applied to the article 8 to be heated and the gap between the
このような本発明による均熱高速昇降炉では、ヒータ2から放出された熱がインナーチューブ5により拡散されるので、このインナーチューブ5の内側に均等に分散する。このようにインナーチューブ5の内側に熱が均等に分散することにより、被加熱物8の温度ムラが生じにくくなる。さらに、ヒータ2からハウジング3側に放射された熱は、熱反射板4によってハウジング3の内側に向けて反射されるため、被加熱物8へ及ぶ熱量を増加することが出来る。
In such a soaking high-speed elevator according to the present invention, the heat released from the
一般にインナーチューブ5は、被加熱物8の雰囲気を限定し、外部からの汚染を守り、更に均熱化のためにある。しかし、高温領域になるとハウジング3内にある断熱成形体中の不純物(例えばアルカリ金属の酸化物)が、塵としてインナーチューブ5に付着するとインナーチューブ5内を拡散して行き、被加熱物8を汚染する。 In general, the inner tube 5 limits the atmosphere of the article 8 to be heated, protects contamination from the outside, and is for heat equalization. However, in the high temperature region, if impurities (for example, alkali metal oxide) in the heat insulating molded body in the housing 3 adhere to the inner tube 5 as dust, it diffuses in the inner tube 5 and causes the object 8 to be heated. To contaminate.
これに対し、前記の本発明に係る均熱高速昇降炉では、図1と図2の様に、インナーチューブ5が設けられているのに加え、ハウジング3の内側に熱反射板4が設けられているので、ハウジング3の内周面からの塵のが無い。このため、インナーチューブ5の内側に配置される被加熱物8が塵により汚濁されない。
On the other hand, in the soaking high-speed elevator according to the present invention, the
以上説明した通り、本発明による均熱高速昇降炉では、加熱時と冷却時の熱応答性に優れ、早急に被加熱物の加熱と冷却が出来るのに加え、被加熱物の温度ムラも生じにくい。さらに、ハウジング3から生じた塵及び塵内不純物がインナーチューブ5の内側に及ばないため、被加熱物の塵による汚濁を避けることが出来る。 As described above, the soaking high-speed elevator according to the present invention has excellent thermal responsiveness at the time of heating and cooling, and in addition to being able to heat and cool the heated object as soon as possible, uneven temperature of the heated object also occurs. Hateful. Furthermore, since dust generated from the housing 3 and impurities in the dust do not reach the inside of the inner tube 5, it is possible to avoid contamination of the heated object with dust.
本発明では、前記の目的を達成するため、ハウジング3とインナーチューブ5との間にヒータ2を配置するのに加え、そのハウジング3とインナーチューブ5との間の隙間を冷却ガス通路6とし、さらにハウジング3の内面側に熱反射板4を設け、熱反射板4をハウジング3の内側に張ったセグメント13により形成し、このセグメント13にヒータ2を沿わせて保持した。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。
In the present invention, in order to achieve the above object, in addition to disposing the
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to examples.
均熱高速昇降炉は、基本的には図7の様な構造を有する。さらに図1と図2は、本発明による均熱高速昇降炉の基本的な構成について図7以下に示した従来の均熱高速昇降炉との相違点を示している。
図1と図2は、何れもハウジング3の部分を断面してその一部を示している。ハウジング3は、アルミナ−シリカ系繊維をバインダやセラミック接着剤で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたものや黒鉛繊維をピッチ等で焼き固めて円筒形の断熱成形体としたもの等の耐熱性のある材料で作られた円筒形のものである。この内面には、絶縁性炭化珪素(SiC)等の輻射率εが大きく熱反射板4自体が一旦熱を吸収して、熱を発する物の方が均熱化しやすいので、ε=0.6以上で耐熱性が高く、熱伝導率の高いもの、或いはインナーチューブ5とヒータ2との隙間を大きくとらなければならないと云う欠点は有るものの石英ガラスの外側に金メッキや酸化錫コーティングして熱反射するものからなる熱反射板4が張られている。さらにその内側には、U字形に折り返した棒状のSiCや珪化モリブデン(MoSi2)等からなるヒータ2を環状に配置している。
The soaking fast elevator is basically structured as shown in FIG. Further, FIG. 1 and FIG. 2 show the difference between the basic structure of the soaking fast elevator according to the present invention and the conventional soaking fast elevator shown in FIG .
1 and 2 both show a portion of the housing 3 in cross section. The housing 3 is made of a heat-resistant material such as alumina-silica fiber baked and hardened with a binder or ceramic adhesive to form a cylindrical heat-insulated molded body, or graphite fiber baked and hardened with pitch or the like to form a cylindrical heat-insulated molded body. It is a cylindrical one made of material. On this inner surface, the radiation coefficient ε of insulating silicon carbide (SiC) or the like is large, and the
このヒータ2の内側には、石英、アルミナ、サイアロン、SiC等からなるインナーチューブ5が設けられている。このインナーチューブ5の内側が加熱室7であり、ここに半導体ウエハやその他の被加熱物8が導入される。この構造では、ヒータ2がハウジング3の内面の熱反射板4とインナーチューブ5との間の隙間に配置されることになる。
An inner tube 5 made of quartz, alumina, sialon, SiC or the like is provided inside the
このヒータ2が配置されたハウジング3の内面の熱反射板4とインナーチューブ5との間の隙間は、冷却ガスを通す冷却ガス通路6となっている。冷却ガスは、冷却ガス通路6を通してその上下に流しても、また円周方向に流してもよい。ハウジング3が密閉容器の場合は、冷却ガスとしては、アルゴン(Ar)や窒素(N2)等に不活性ガスが使用される。ハウジング3が非密閉容器の場合、冷却ガスは大気でよい。
A gap between the
このような本発明による均熱高速昇降炉では、ヒータ2から放出された熱がインナーチューブ5により拡散され、インナーチューブ5の内側に均等に分散する。また、ヒータ2の背後に熱反射板4が設けられているため、ヒータ2からハウジング3側に放射された熱が熱反射板4によってハウジング3の内側に向けて反射され、熱の有効利用が図れる。
In such a soaking high-speed elevator according to the present invention, the heat released from the
さらに、ハウジング3の内周面が熱反射板4で覆われるため、ハウジング3の内側から塵が生じず、高温時に塵による不純物が熱拡散によってインナーチューブ5を透過することが無いので、加熱室7に配置される被加熱物8がハウジング3の内側から生じた塵により汚染されることが無い。
Furthermore, since the inner peripheral surface of the housing 3 is covered with the
図3は、図1と図2により前述した均熱高速昇降炉と図8により前述した均熱高速昇降炉とにおいて、冷却時の時間に伴う温度の下降を示すグラフである。何れも同じ条件で測定を行っている。温度の測定は、加熱室7、加熱室7の外側及びヒータ2において行っている。このグラフから明らかな通り、図1と図2により前述した均熱高速昇降炉では、図8により前述した均熱高速昇降炉に比べて冷却時の温度の下降が早く、熱応答性が良いことが分かる。
FIG. 3 is a graph showing a temperature drop with time during cooling in the soaking fast elevator described in FIGS. 1 and 2 and the soaking fast elevator described in FIG. Both are measured under the same conditions. The temperature is measured in the heating chamber 7, the outside of the heating chamber 7 and the
なお、前述した例では、U字形に折り返した棒状のヒータ2を用いた均熱高速昇降炉の例を説明したが、この棒状のヒータ2に代えて、例えば図9に示すような、切込みを入れた板状のヒータを用いた均熱高速昇降炉においても同様に本発明を適用出来ることは言うまでも無い。
In the above-described example, an example of a soaking fast elevator using the rod-shaped
図4と図5は、本発明による均熱高速昇降炉におけるハウジング3とその内側の熱反射板4とヒータ2のより詳しい構造の例を示した図である。
図4では、ハウジング3の内側に、部分円筒形のセグメント13、すなわち端面が円弧状のセグメント13をハウジング3の内側に張り、これをボルトとナット等の固定具10でハウジング3の内側に固定し、同ハウジング3の内面を覆うように熱反射板4を形成している。ヒータ2は、ハウジング3の外側からその内側に導入し、熱反射板4を形成しているセグメント13の内側に沿わせている。セグメント13の内側でヒータ2をU字形に折り返し、その折り返し部分をセグメント13の下端から突設したL字形のピン9により保持している。
FIG. 4 and FIG. 5 are diagrams showing an example of a more detailed structure of the housing 3, the
In FIG. 4, a partially
図5の例は、基本的には図4と同じであるが、ここでは、セグメント13として平板状、すなわち端面が直線状のセグメント13を使用し、このセグメント13をハウジング3の内側に張り、これをボルトとナット等の固定具10でハウジング3の内側に固定し、同ハウジング3の内面を覆うように熱反射板4を形成している。ヒータ2は、やはりハウジング3の外側からその内側に導入し、熱反射板4を形成しているセグメント13の内側に沿わせている。セグメント13の内側でヒータ2をU字形に折り返し、その折り返し部分をセグメント13の下端から突設したL字形のピン9により保持している。
The example of FIG. 5 is basically the same as FIG. 4, but here, a
図6は、例えば図4や図5の例において、隣接するセグメント13、13とそれらに沿わせたヒータ2、2を固定する固定部材11の例を示す図である。固定部材11は、セラミックス或いはタングステン等の高融点金属からなるもので、隣接するセグメント13、13の間にボルト等の固定具12により固定され、隣接するセグメント13、13とそれに沿わせたヒータ2、2を共に固定するものである。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a fixing
本発明による均熱高速昇降炉は、半導体ウエハの製造プロセスにおけるCVD法による膜形成のための熱処理の他、金属材料、金属スパッタリング膜の焼鈍のための熱処理炉や原子力燃料のウランペレットの加熱試験のための熱処理炉として利用が出来る。これらの分野において、加熱、冷却に要する時間を短縮出来るので、生産効率の向上を図ることが出来る。 The soaking high-speed elevator according to the present invention is a heat treatment for film formation by a CVD method in a semiconductor wafer manufacturing process, a heat treatment furnace for annealing a metal material and a metal sputtering film, and a heating test of a uranium pellet of nuclear fuel. Can be used as a heat treatment furnace. In these fields, the time required for heating and cooling can be shortened, so that the production efficiency can be improved.
2 ヒータ2
3 ハウジング
4 熱反射板
5 インナーチューブ
6 冷却ガス通路
8 被加熱物
2
3
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