JP5346538B2 - 流体加熱装置およびこれを利用した半導体処理装置 - Google Patents
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Description
拡散系の熱処理装置では、各種のガスが反応炉の下部から均熱管の外側を通り、上部に至って、上部からスタックされたウエハ処理領域に導入されてここを上から下に通過して下部へと至り、その後、排出される。
これに対してLP−CVDなどでは、下部から直接スタックされたウエハ処理領域に導入されてここを下から上に通過して上部へと至り、ウエハ処理領域の外側を通り、その後、下部から排出される。そのため、ウエハ処理領域内でスタックされたウエハの均熱を確保するためにダミーウエハが多く積層されている。
LP−CVD等の反応炉では反応ガス等は、通常600°C〜800°Cの温度とされ、成膜の均一性と品質の向上を図るためにキャリアガスあるいは反応ガスは200°C以上に加熱されてLP−CVDに供給される。なお、LP−CVDは、腐食性のガスが導入され、反応炉の圧力が低い分、汚染物質に曝され易い。
最近ではLP−CVDにおいては種々の固体材料や液体材料を原料とするガスが使用され、しかも、微細化、大口径化に対応するために、反応ガスに対して高精度な予熱を行う要請があって、それにより反応炉におけるウエハ内、ウエハ間の温度精度を高めて、膜品質、膜厚等のばらつきの低減が図られている。そのため、原料ガスのクリーン化の要求がある。
ところで、耐腐食性の高い石英等のガラス管で腐食性のガスを加熱して高温のガスをCVD装置等に導入する技術についてはすでに公知である(特許文献1)。
特許文献1に記載されるように、石英等のガラス管を使用する場合には、ガラス管と金属管との接続、ガラス管のガス導入口、ガス排出口のシールをするOリング等のシール材が必要になる。しかし、シリコンゴムやテフロン(登録商標)のようなOリングは200°C〜300°Cまでしか使用できない。
そこで、特許文献1では、Oリングを用いることなく管端部にフランジを形成して鏡面仕上げをしてステンレス管と石英ガラス管とを接合している。このようにシールすることなく、管接続をすればガス漏れが発生する。そのため、管結合に際してはガスケットやOリングを介して行うことが必須となる。
200°程度の予熱のシールとして使用されるガスケットは金属ガスケットが用いられる。金属ガスケットでは、200°Cを越える温度に輸送ガスを前加熱するとなるとウエハに対するメタルコンタミを抑えることが難しくなる。シリコンゴムやテフロン(登録商標)のような材料のOリングも汚染源となる。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置を提供することにある。
また、この発明の他の目的は、反応炉に汚染されていない原料ガス等を高温で供給することが可能な半導体処理装置を提供することにある。
さらに、第3の発明の半導体処理装置の構成は、反応炉を有し、前記第1および第2の発明の流体加熱装置の第2の石英ガラス管から送出される流体を反応炉に導入するものである。
第2のガラス管は真空断熱の二重管となっているので、第1のガラス管により輸送ガスを800°C〜1000°Cに加熱しても第2のガラス管の外管の温度は、200°Cか、それ以下のOリング等のシール部材が使用できる低い温度に抑えることができる。そこで、この第2のガラス管の外側にOリング等のシール部材を設けて、金属管等の他の管に接合することが可能となる。これにより第1のガラス管を第2のガラス管を介してシールして金属管等の他の管に結合することが可能になる。
しかも、第2のガラス管の内管を反応炉に結合すれば、輸送ガスの温度が高くなっても反応炉でのメタルコンタミなどが発生しないクリーンなガスを加熱送出することができる。
特に、第2の発明では、前記発熱体をランプヒータとして複数本設けて蓄熱部材を介して第1の石英ガラス管を加熱する。これにより銅あるいはアルミニウム製等の伝熱ブロック等が不要となり、加熱部を小型化できる。しかも、胴部外周に黒鉛パイプ等の蓄熱部材を設けることで、これが輻射熱を受けて第1の石英ガラス管をランプヒータで効率よく加熱することができる。これによりガス加熱の温度レスポンスを向上させることができる。
さらに、第1の石英ガラス管のガス導入側の結合をサイクロン結合とすれば、第1の石英ガラス管の管長を比較的短くしても効率よいガス加熱ができる。
その結果、水、水蒸気、キャリアガス、反応ガス等の原料ガスを効率よくクリーンな状態で前加熱することができかつ小型化が可能な流体加熱装置に実現できる。
特に、CVD装置にあっては、ランプヒータを利用することで加熱温度に対するレスポンスを速くすることができかつメタルコンタミを低減できさらに流体を高温にできるので、CVD原料等の半導体製造装置の原料などの予熱、過熱水蒸気の生成に対して高い効果を奏する。
図1(a),図1(b)において、10は、ガス加熱装置であり、1は、加熱部石英ガラス管(以下加熱部石英管)、2は、断熱バッファ部石英ガラス管(以下断熱バッファ石英管)、3は、ガス導入部石英ガラス管(以下ガス導入石英管)であって、断熱バッファ石英管2とガス導入石英管3とは、加熱部石英管1の前後にそれぞれの管軸が一致するように結合されている。
断熱バッファ石英管2は、内管2aと外管2bとからなる真空断熱二重管であって、断熱バッファ石英管2とガス導入石英管3とは、それぞれ加熱部石英管1の外径よりも管外径が小さく、断熱バッファ石英管2の外管2bとガス導入石英管3とは、それぞれ加熱部石英管1の端部から内部に端部が挿入されて溶接接合部Mにおいて石英溶接接合されている。
なお、ここでのステンレス管のガス輸送管6のガス輸送距離は比較的短いものとする。
袋継手部材4と雄継手部材5とは螺合結合する構造のものであってもよい。溶接結合する構造に限定されない。螺合結合する場合にはOリング5aに換えて金属ガスケット等のシール部材を使用するとよい。
これにより、Oリング5aを介してガス輸送管6と断熱バッファ石英管2とが結合され、断熱バッファ石英管2を介して加熱部石英管1にガス輸送管6が接合される。加熱部石英管1に結合されていないガス導入石英管3のガス導入側の端部もステンレス製のガス輸送管とOリングを介して同様な結合をすることになるが、図ではその部分は省略してある。これについては図3の実施例で説明する。
7は、アルミニウム製の円筒ケーシングであり、円筒頭部7aと円筒底部7bとが閉塞された円筒であり、内部が気密状態になっている。円筒ケーシング7は、加熱部石英管1を中心部に内蔵し、加熱部石英管1と加熱部石英管1に結合する断熱バッファ石英管2の端部から加熱部石英管1に結合するガス導入石英管3の端部までの空間を被覆して内部を気密状態にしている。7cは、その内部空間であり、内部空間7cに接する円筒ケーシング7の内側壁面は、金メッキされている。
内部空間7cには、内側壁面と加熱部石英管1との間に棒状の赤外線ランプヒータ(ハロゲンヒータ)8が設けられ、これが円筒頭部7aと円筒底部7bとを貫通して、これの給電端子が円筒ケーシング7から外部に導出されている。
この赤外線ランプヒータ8は、図1(a)のA−A断面図に示すように、加熱部石英管1の軸を中心としてこれの外周に120°の角度間隔で3本設けられている。
また、8aは、赤外線ランプヒータ8の発光部であり、この発光部8aに対応して加熱部石英管1の外周には蓄熱部材として黒鉛パイプ(カーボンパイプ)9が嵌合装着されている。ここで、黒鉛パイプ9は、赤外線ランプヒータ8から輻射熱を受けて蓄熱してその蓄熱により加熱部石英管1を加熱する。
この貫通孔11は、図1(a)のA−A断面図に示すように、赤外線ランプヒータ8に対して60°時計方向に回転して120°の角度配置で赤外線ランプヒータ8の間に配置されるように3本設けられている。
なお、図1(a)の断面図は、これらの関係が分かるように、垂直な切断ではなく、赤外線ランプヒータ8の管軸を通るように、加熱部石英管1の中心を基準にして120°の角度をもって切断した断面図になっている。
12は、熱電対のセンサであって、円筒底部7b側から赤外線ランプヒータ8の発光部8aの中心部付近まで挿入され、先頭部に熱電対が設けられている。
円筒ケーシング7の側壁の中央部には、真空引き用の真空吸引ポート13が穿孔されている。真空吸引ポート13の貫通孔13aは、内部空間7cに貫通し、その頭部には袋継手部材13bが設けられている。
さらに、断熱バッファ石英管2の中央部にも真空吸引ポート14が設けられ、これが内管2aと外管2bとの間の空間に孔14aを介して連通している。14bは、頭部に設けられた袋継手部材である。
これにより、真空吸引ポート13,14がそれぞれに真空ポンプにより吸引されたときには、内部空間7cと、断熱バッファ石英管2の内管7aと外管7bとの間にある層が真空になる。これにより加熱部石英管1と断熱バッファ石英管2は真空断熱管となる。
なお、真空吸引ポート13,14は、1×10−4Torr以下の圧力で真空吸引され、真空吸引された後は雄プラッグ等でこれらが螺合閉塞される。
その理由を次に説明する。
この黒鉛パイプ9は、加熱部石英管1の黒鉛パイプ9が目標加熱温度、例えば、800°Cに加熱されたときに、内径が加熱部石英管1の外径に一致するようにあらかじめその厚さと径とが選択されている。
例えば、加熱部石英管1の外径が常温で20mmφであるとし、黒鉛(カーボン)の膨張係数が4×106/Kであるとし、石英ガラスの膨張係数は、0.47×106/Kであるとする。
一方、800°Cにおいて加熱部石英管1の外径に密着嵌合する黒鉛パイプ9の内周は、20π+0.0236=62.855mmとして算出できる。
これから800°低下したときの黒鉛パイプ9の内周の縮み量は、4×106×(−800)×62.855=0.201mmである。
よって、常温時の黒鉛パイプ9の内周は、62.855−0.201=62.654mmとなる。
その結果、黒鉛パイプ9の内径は、62.654÷π=19.94mmとなる。
なお、計算の都合上で、ここでは常温を25°とはせずに、零度として黒鉛パイプ9の内径を算出している。25°を零度としても誤差の範囲であり、算出値は実質的にはほとんど影響はない。
そこで、考えらえられたのが、加熱部石英管1の外径より小さい内径の黒鉛パイプ9に縦割りのスリット9aを入れて、黒鉛パイプ9の内径を拡げて加熱部石英管1に強制装着することである。0.06mm程度の拡がりは、黒鉛パイプ9の弾性力で十分に対応できる。
これにより、黒鉛パイプ9は、図2に示すように加熱部石英管1に装着され、目的の温度、上記の例では、800°Cで加熱部石英管1の周囲に密着してかつスリット9aの開口も実質的に閉鎖される。その結果、赤外線ランプヒータ8の輻射熱で加熱された黒鉛パイプ9を介して加熱部石英管1を効率よく加熱することができる。
これにより、最高で800°C程度まで加熱部石英管1の内部を流れるサイクロン化されたガスを効率よく加熱することができる。しかも、赤外線ランプヒータ8の加熱は、温度の昇降に対する温度レスポンスが速い。この温度レスポンスを考慮すると、黒鉛パイプ9の厚さは、0.2mm〜2mm程度の範囲から選択することが好ましいが、流体を加熱する単位時間当たりの熱量に応じて厚さを増減するとよい。
なお、前記は、加熱部石英管1の外径を常温で20mmφとした場合である。これは一例であって、同様な考え方により、加熱部石英管1の外径に応じて黒鉛パイプ9の内径を算出できることはもちろんである。
ガス導入石英管3から導入されたガスは、赤外線ランプヒータ8の発光部8aの導入側端部から急激な温度上昇をして、発光部8aの送出側の端部でほぼ800°Cに達し、断熱バッファ石英管2へと送出される。ガス導入石英管3から導入されるガスの温度RTは、200°C前後の温度である。
このような高温加熱が加熱部石英管1で行われたとしても、袋継手部材(雌型)4の位置の断熱バッファ石英管2の外管2bの温度は200°C以下であり、Oリングを使用することが可能である。
なお、800°C程度の加熱をするときに袋継手部材(雌型)4の位置において断熱バッファ石英管2の外管2bの温度を200°C以下にするときには、その目安として、加熱部石英管1の外径を15mmφ〜30mmφ程度とし、断熱バッファ石英管2の外管7aの外径を6mmφ〜20mmφ程度としたときに、断熱バッファ石英管2の加熱部石英管1との結合部から袋継手部材4までの距離は50mm以上とし、200mm程度以下の長さを採ることが好ましい。
これによりOリング等のシール部材で管結合部をシールすることができ、ガス漏れも発生しない。
袋継手部材4を設ける断熱バッファ石英管2の加熱部石英管1との結合部から距離(位置)は、加熱部石英管1の目標加熱温度との関係で、前記の例を目安として適宜設計すればよく、加熱部石英管1の外径と断熱バッファ石英管2の多少の外径の変更は、袋継手部材4の距離(位置)に大きな影響を与えない。
図3(a)は、貫通孔11の中心を通るガス加熱装置の縦断面図であって、図示する都合上、円筒ケーシング7の途中を省略して2分割した図として上下配置で示してある。
図3(a)において、20は、反応炉であって、反応炉20の底部側壁面21には、貫通孔21aが穿孔され、断熱バッファ石英管2の端部に設けられた袋継手部材4に結合した雄継手部材5の後端側が貫通孔21aの途中まで外壁側から挿入されて埋設されて端部が気密にされている。
断熱バッファ石英管2の外管2bの端部より突出した内管2aの先端側は、反応炉20の内側空間まで突出して、加熱したガスを反応炉20に送出する。
なお、円筒ケーシング7の円筒頭部7aと円筒底部7bとは、円筒ケーシング7の本体70に対してOリング70a,70bを介してねじにて本体70に螺合固定されて気密される構成を採る。この位置でのOリング70a,70bは、貫通孔11を流れる水により冷却されるので、200°C以下を確保できる。
また、図3(b)のB−B断面図に示すように、円筒ケーシング7の本体70と円筒頭部7aと円筒底部7bとで形成される内側空間7cは、赤外線ランプヒータ8の背面側の反射光を効率よく利用するために赤外線ランプヒータ8の背面の内壁面が赤外線ランプヒータ8の管軸を中心とする断面半円形に削り取られ、半切筒71,72,73として内壁面がそれぞれに形成されている。
水冷のための貫通孔11は、半切筒71,72,73の間にある肉厚の側壁に貫通して設けられている。なお、貫通孔11の端部に設けられる、水を導入するための接続ポートは図では省略してある。
さらに、円筒ケーシング7の外側には、図3(b)のB−B断面図において二点鎖線でで示すように八角形の金属カバー15が設けられている。
この袋継手部材40には、金属製の雄継手部材41がOリング41aを介して嵌合している。雄継手部材41の根本は、円筒頭部7aに埋設されて端部が気密にされている。 また、反対側で加熱部石英管1と接合されたガス導入石英管3にも加熱部石英管1の結合部から30mm程度のところに、金属製の袋継手部材(雌型)42がガス導入石英管3にガラス溶着で固定されている。
袋継手部材42は、双方向に受口を持つ双方向継手であって、加熱部石英管1の結合部側では、金属製の雄継手部材43とOリング43aを介して嵌合している。雄継手部材43の根本は、円筒底部7bに埋設されて端部が気密にされている。
また、袋継手部材42は、雄継手部材43に対して反対側において金属製の雄継手部材44とOリング44aを介して嵌合している。雄継手部材44の先にはステンレス管のガス輸送管が溶接接合されている。
これにより、断熱バッファ石英管2とガス導入石英管3とは、加熱部石英管1と同様にそれぞれ雄継手部材41,42を介して円筒ケーシング7に一体的に支持される。
そこで、図1,図3で説明した実施例の黒鉛パイプ9を加熱部石英管1から取り外して、ガス加熱装置10を過熱水蒸気生成する加熱装置にすることができる。
すなわち、ガス加熱装置10を流体加熱装置としてこれに水あるいは水蒸気を導入して過熱水蒸気を生成することが可能である。
この場合には、加熱部石英管1へ導入された水あるいは水蒸気は、ガスよりも比熱が高いので黒鉛パイプ9を介すことなく、透明な石英ガラスの壁面を介して直接赤外線の輻射熱で流体を加熱することが可能になる。これにより過熱水蒸気を断熱バッファ石英管2を経て反応炉20にクリーンな状態で送出することができる。
したがって、この発明は、液体等の流体を過熱するときには黒鉛パイプ9を必ずしも設ける必要はない。また、この発明は、水を含めて、流体加熱装置に適用できるものである。
また、この発明のガス加熱装置は、実施例では横型で使用しているが、縦型であってもよいことはもちろんである。
さらに、実施例では、円筒ケーシングの内部空間を真空にしているが、この内部空間は必ずしも真空にする必要はない。さらに、円筒ケーシングは、円筒に限定されるものではない。
さらに、この発明は、実施例の石英ガラス管が通常のガラス管であってもよい。
2…断熱バッファ部石英ガラス管(断熱バッファ石英管)、2a…内管、2b…外管、
3…ガス導入部石英ガラス管(ガス導入石英管)、4…袋継手部材(雌型)、
5…雄継手部材、5a,70a,70b…Oリング、6…ガス輸送管、
7…ケーシング、7a…円筒円筒頭部、7b…円筒底部、
8…赤外線ランプヒータ、9…黒鉛パイプ、10…ガス加熱装置、
11…貫通孔、12…熱電対のセンサ、13,14…真空吸引ポート、
15…金属カバー、20…反応炉、21a…貫通孔。
Claims (9)
- 供給された流体を加熱して送出する流体加熱装置において、
前記流体が流される第1のガラス管と、
前記第1のガラス管の管軸に沿ってこれの外側に配置された棒状の発熱体と、前記第1のガラス管の内径より小さい外径を有し、前記第1のガラス管の流体送出側端部に端部が結合されて前記第1のガラス管に連通しかつ前記発熱体による前記第1のガラス管の加熱領域の外側まで延びた真空断熱の第2のガラス管とを備える流体加熱装置。 - 前記第1のガラス管および前記第2のガラス管は、それぞれ石英ガラス管であり、前記第2の石英ガラス管の前記流体を送出する端部における真空断熱のための外管の温度は、シール部材が使用可能な温度か、それ以下であって、前記発熱体は、ランプヒータであり、複数本設けられ、前記第1の石英ガラス管と複数本の前記ランプヒータとは、ケースで被覆されケース内部が気密状態にされている請求項1記載の流体加熱装置。
- さらに前記第1の石英ガラス管の胴部外周を被覆する蓄熱部材を有し、前記流体はガスであって、前記ランプヒータは赤外線ヒータであり、前記蓄熱部材を介して前記第1の石英ガラス管が加熱され、前記第2の石英ガラス管から送出される前記ガスは、半導体を製造しあるいは処理する反応炉に導入される請求項2記載の流体加熱装置。
- 前記ケースは、金属製で内側空間が真空に保持され、前記第1の石英ガラス管の流体送出側端部からの前記第2の石英ガラス管の管長は、50mm〜200mmであって、前記流体送出側端部に結合されていない側の前記第2の石英ガラス管の端部は、真空断熱の外管に第1のシール部材が装着され、この第1のシール部材を介して前記第2の石英ガラス管が第1の金属管に結合されかつ真空断熱のための内管が前記外管の端部から突出して前記反応炉の内部まで伸びている請求項3記載の流体加熱装置。
- 前記蓄熱部材は黒鉛パイプであって、この黒鉛パイプは、軸方向に沿って側面にスリットが設けられ断面において一部が開口したリングとなっていて、目的とする加熱温度になったときに前記第1の石英ガラス管の胴部外径に対応する内径を有する請求項4記載の流体加熱装置。
- 前記第1の石英ガラス管の内径より小さい外径を有し、前記流体送出側端部と反対側の前記第1の石英ガラス管の端部に端部が結合されて前記第1の石英ガラス管に連通して前記ガスを前記第1の石英ガラス管に供給する第3の石英ガラス管を有し、前記第1の石英ガラス管に結合されていない側の前記第3の石英ガラス管の端部は、第2のシール部材が装着され、この第2のシール部材を介して前記第3の石英ガラス管が第2の金属管に結合される請求項5記載の流体加熱装置。
- 前記第1および第2のシール部材はそれぞれOリングであり、前記第3の石英ガラス管は、前記ガスが前記第1の石英ガラス管の断面円形の接線方向あるいはこれに平行な方向に噴射されるように前記第1の石英ガラス管と結合し、前記第2の石英ガラス管の真空断熱の外管には前記金属ケースの内側空間と連通する孔が設けられ、前記金属ケースの内壁面は金メッキされている請求項6記載の流体加熱装置。
- 前記請求項1項記載の流体ガス加熱装置と、この流体加熱装置の前記第2のガラス管から送出される流体を導入する反応炉とを有する半導体処理装置。
- 前記請求項2〜7項のいずれか1項記載の流体ガス加熱装置と、この流体加熱装置の前記第2の石英ガラス管から送出される流体を導入する反応炉とを有する半導体処理装置。
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