JP5565188B2 - ヒータ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ウエハ等の被加熱体を熱処理する加熱装置に設けられるヒータ装置に関する。
一般に、半導体集積回路を形成するには、シリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理等が繰り返し施されることになる。そして、このような処理を行うに際して、一度に複数枚の半導体ウエハを処理する場合には、いわゆるバッチ式の熱処理装置が用いられる。この熱処理装置は、例えば特許文献１、２等に示されている。具体的には、例えば石英製の縦長の処理容器内には、ウエハボートに複数段に亘って支持された多数枚の半導体ウエハが収容されて密閉されている。そして、この処理容器内にガス供給手段により必要な処理ガスを供給すると共に、この処理容器内の雰囲気を排気手段により排気できるようにしている。
また、この処理容器の外周側には、これを囲むようにして上記半導体ウエハを加熱するヒータ装置が設けられる。このヒータ装置は、例えば円筒体状の断熱層の内周面側に、ヒータ素線を例えば螺旋状に巻回して形成されている。この螺旋状のヒータ素線のピッチ（間隔）は例えば１０〜３０ｍｍ程度に設定されている。そして、上記処理容器内の半導体ウエハは、上記ヒータ装置により所定の温度に加熱されつつ成膜処理や酸化処理やアニール処理等の熱処理が施されることになる。
ところで、上述したような熱処理装置に適用されるヒータ装置にあっては、これに用いられるヒータ素線は、繰り返し使用による経年変化により永久伸びが発生することは避けられない。この永久伸びは、加熱冷却に伴って発生する熱伸縮とは異なり、ヒータ素線自体が劣化して伸長する現象をいう。
しかしながら、このような永久伸びが発生すると、上記螺旋状に巻回されたヒータ素線自体に変形が生じることになる。この場合、ヒータ素線が屈曲変形して隣に配置したヒータ素線と接触すると、接触部の接触抵抗によって過度に熱が発生して接触部が融着したり、或いは最悪の場合にはスパーク等が発生して断線してしまう、といった問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明は、ヒータ素線同士の接触を防止することができるヒータ装置である。
請求項１に係る発明は、加熱すべき被加熱体を収容した円筒状の処理容器の外周側に前記処理容器を囲むようにして設けられたヒータ装置において、前記処理容器の外側を囲むようにして設けられた断熱層と、前記断熱層の外周面に設けられた保護カバーと、前記断熱層の内周側に配置されたヒータ素線と、前記ヒータ素線の位置ずれを防止するために設けた素線保持枠と、前記ヒータ素線の経年変化による永久伸びにより前記ヒータ素線の配置時よりも前記ヒータ素線同士の間隔が狭まった箇所に設けられる絶縁性の素線接触防止部材と、を備えたことを特徴とするヒータ装置である。
本発明によれば、ヒータ素線同士の接触を防止することができ、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができる。
本発明の関連技術は、加熱すべき被加熱体の外周に、螺旋状に巻回して配置したヒータ素線を有するヒータ装置に設けられ、前記ヒータ素線の間隔が、前記ヒータ素線の変形により前記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所に対応させて前記ヒータ素線間に配置されることを特徴とする絶縁性の素線接触防止部材である。
本発明によれば、ヒータ素線同士の接触を防止することができ、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができる。
本発明の関連技術は、加熱すべき被加熱体の外周に、螺旋状に巻回して配置したヒータ素線を有するヒータ装置に設けられ、前記ヒータ素線の間隔が、前記ヒータ素線の変形により前記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所に対応させて前記ヒータ素線間に配置されることを特徴とする絶縁性の素線接触防止部材である。
本発明の他の関連技術は、加熱すべき被加熱体の外周に、波形状に或いはＵターンを繰り返すように屈曲させて配置したヒータ素線を有するヒータ装置に設けられ、前記ヒータ素線の間隔が、前記ヒータ素線の変形により前記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所に対応させて前記ヒータ素線間に配置されることを特徴とする絶縁性の素線接触防止部材である。
このように、ヒータ素線の間隔が、上記ヒータ素線の変形により上記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所に対応させて上記ヒータ素線間に、上記素線接触防止部材を配置するようにしたので、ヒータ素線同士の接触を防止することができ、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができる。
本発明の更に他の関連技術は、加熱すべき被加熱体の外周に、螺旋状に巻回して配置したヒータ素線を有するヒータ装置のメンテナンス方法において、前記ヒータ素線の間隔が、前記ヒータ素線の変形により前記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所を見つける工程と、前記狭まった箇所に対応させて前記ヒータ素線間に前記素線接触防止部材を設置する工程と、を有することを特徴とするヒータ装置のメンテナンス方法である。
本発明のまた更に他の関連技術は、加熱すべき被加熱体の外周に、波形状に或いはＵターンを繰り返すように屈曲させて配置したヒータ素線を有するヒータ装置のメンテナンス方法において、前記ヒータ素線の間隔が、前記ヒータ素線の変形により前記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所を見つける工程と、前記狭まった箇所に対応させて前記ヒータ素線間に前記素線接触防止部材を設置する工程と、を有することを特徴とするヒータ装置のメンテナンス方法である。
本発明に係るヒータ装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、ヒータ素線同士の接触を防止することができ、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができる。
本発明の関連技術によれば、ヒータ素線の間隔が、上記ヒータ素線の変形により上記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所に対応させて上記ヒータ素線間に、上記素線接触防止部材を配置するようにしたので、ヒータ素線同士の接触を防止することができ、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができる。
本発明によれば、ヒータ素線同士の接触を防止することができ、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができる。
本発明の関連技術によれば、ヒータ素線の間隔が、上記ヒータ素線の変形により上記ヒータ素線の配置時よりも狭まった箇所に対応させて上記ヒータ素線間に、上記素線接触防止部材を配置するようにしたので、ヒータ素線同士の接触を防止することができ、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができる。
以下に、本実施例に係るヒータ装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係る素線接触防止部材を適用するヒータ装置を有する熱処理装置の一例を示す概略構成図、図２はヒータ装置を示す断面図、図３はヒータ装置の一部を示す拡大断面図、図４は本発明に係る素線接触防止部材の一例を示す斜視図である。ここでは被加熱体として半導体ウエハを例にとった場合について説明する。
まず、熱処理装置について説明する。図示するようにこの縦型の熱処理装置２は、長手方向が垂直に配設された円筒状の処理容器４を有している。この処理容器４は、耐熱性材料、例えば石英よりなる外筒６と、この内側に同心的に配置された例えば石英よりなる内筒８とにより主に構成され、２重管構造になっている。上記外筒６及び内筒８は、ステンレス等からなるマニホールド１０によってその下端部が保持されており、このマニホールド１０はベースプレート１２に固定される。
また、上記マニホールド１０の下端部の開口部には、例えばステンレススチール等からなる円盤状のキャップ部１４が、Ｏリング等のシール部材１６を介して気密封止可能に取り付けられている。上記キャップ部１４の略中心部には、例えば磁性流体シール１８により気密な状態で回転可能な回転軸２０が挿通されている。この回転軸２０の下端は、回転機構２２に接続されており、その上端は例えばステンレススチールよりなるテーブル２４が固定されている。
また、上記テーブル２４の上には、石英からなる保温筒２６が設置されており、この保温筒２６上には、支持具として例えば石英製のウエハボート２８が載置される。このウエハボート２８には複数枚、例えば５０〜１５０枚の被加熱体としての半導体ウエハＷが所定の間隔、例えば１０ｍｍ程度間隔のピッチで収容される。このウエハボート２８、保温筒２６、テーブル２４及びキャップ部１４は、昇降機構である例えばボートエレベータ３０により処理容器４内に一体となってロード、アンロードされるように構成されている。上記マニホールド１０の下部には、処理容器４内へ必要なガスを導入するガス導入手段３２が設けられている。
このガス導入手段３２は、上記マニホールド１０を気密に貫通させて設けたガスノズル３４を有している。このガスノズル３４は、図示例では１本のみ記載しているが、実際には用いるガス種に応じて複数本設けられる。そして、このガスノズル３４から流量制御しつつ必要なガスが処理容器４内へ導入されることになる。またマニホールド１０の上部には、ガス出口３６が設けられており、このガス出口３６に排気系３８が連結される。具体的には、上記排気系３８は上記ガス出口３６に接続された排気通路４０を有している。そして、この排気通路４０の途中には圧力調整弁４２及び真空ポンプ４４が順次介設されており、上記処理容器４内の雰囲気を圧力調整しつつ排気できるようになっている。尚、上記マニホールド１０を設けないで、全体を石英により形成した処理容器も知られている。
そして、上記ウエハＷの外周、すなわち処理容器４の外周側に、これを囲むようにして上記ウエハＷを加熱するヒータ装置４８が設けられる。具体的には、このヒータ装置４８は、上記円筒体状の処理容器４の外側を囲むようにして円筒体状に形成された有天井の断熱層５０を有している。この断熱層５０は、例えば熱伝導性が低くて軟らかい無定形のシリカとアルミナの混合物により形成されており、その厚さは２〜４ｃｍ程度になされている。この断熱層５０の内面は、上記処理容器４の外面よりも所定の距離だけ離間されている。そして、この断熱層５０の外周面には、例えばステンレススチールよりなる保護カバー５１が全体を覆うように取り付けられている。
また、この断熱層５０の内周側に螺旋状に巻回してヒータ素線５２が配置されている。ここでは断熱層５０の側面の全体に亘って上記ヒータ素線５２が巻回して設けられており、処理容器４の高さ方向の全体をカバーできるようになっている。換言すれば、ヒータ素線５２の外周側に断熱層５０を設けた構造になっている。この螺旋状に巻回されるヒータ素線５２のピッチは例えば１０〜３０ｍｍ程度であり、またヒータ素線５２の直径は１〜１４ｍｍ程度である。従って、上下方向に隣り合うヒータ素線５２同士間の距離Ｌ１（図２参照）は例えば５〜１６ｍｍ程度に設定されている。
このヒータ素線５２の材料は、例えば鉄、クロム、アルミニウム等を主原料とする抵抗加熱ヒータにより形成される。このようなヒータ素線５２としては、例えばカンタルヒータ（登録商標）を用いることができる。またヒータ素線５２としては、他にカーボンワイヤヒータ等も用いることができる。
ここで上記ヒータ素線５２は、高さ方向において複数、例えば第１ゾーンから第４ゾーンまでの４つのゾーンに分割されており、各ゾーン毎に断熱層５０に設けられる熱電対（図示せず）により検出した温度に基づいて各ゾーン毎に独立して個別に温度制御ができるようになっている。尚、分割されるゾーン数は上記数値に限定されない。
この場合、直径が３００ｍｍのウエハ対応の熱処理装置の場合には、上記ヒータ装置の直径は６００ｍｍ程度になる。そして、上記第１〜第４の各ゾーン毎のヒータ素線５２の長さは、例えば十数ｍ〜数十ｍ程度の長さに設定されている。また、図２に示すように上記円筒体状の断熱層５０の内周面には、上下方向に伸びる複数本の素線保持枠５４がその周方向に沿って所定の間隔で均等に設けられている。
図３にも示すように、この素線保持枠５４は凹凸状の櫛歯のように形成されており、その凹部５６内に上記各ヒータ素線５２を収容してヒータ素線５２の位置ずれを防止するようになっている。隣り合う素線保持枠５４の間隔Ｌ２（図２参照）は例えば１０〜１５ｃｍ程度に設定されている。この素線保持枠５４は、絶縁性材料であるセラミック材により形成されている。
さて、上述のように構成された熱処理装置２を用いて半導体ウエハＷに対して繰り返し熱処理を行うと、ヒータ素線５２が経年変化してこれに永久伸びが発生し、この結果、ヒータ素線５２が変形して素線配置時よりも狭まった箇所が発生することになる。ヒータ装置のメンテナンス時にこのヒータ素線５２同士の間隔が狭まった箇所に図４に示すような本発明に係る素線接触防止部材６０が設置される。この素線接触防止部材６０は、絶縁性の材料により板状部材６２として形成されている。
この板状部材６２は長方形状に成形されており、その先端６４は鋭角状に成形されて、この先端６４を上記軟らかい断熱層５０に対して差し込み易くなるように設計されている。この板状部材６２の厚さは０．５〜５ｍｍの範囲内であり、ここでは例えば１．５ｍｍに設定され、幅Ｈ１は５〜３０ｍｍの範囲内であり、ここでは例えば１０ｍｍに設定され、長さＨ２は２０〜５０ｍｍの範囲内であり、ここでは例えば４０ｍｍに設定されている。
また、この板状部材６２の構成材料は、硬くて絶縁性及び耐熱性があればよく、例えばセラミック材を用いることができる。このセラミック材としては、例えばアルミナ（Ａｌ２ Ｏ３ ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。
次に、以上のように構成された熱処理装置に用いたヒータ装置のメンテナンス方法について説明する。まず、半導体ウエハＷの熱処理について説明すると、未処理の多数枚のウエハＷを載置したウエハボート２８を処理容器４の下方よりボートエレベータ３０により上昇させてこれを処理容器４内へ収容し、容器の下端開口部をキャップ部１４により密閉する。そして、処理容器４内を排気系３８により所定の圧力下まで真空引きすると同時に、ヒータ装置４８のヒータ素線５２への通電量を増加してウエハＷを熱処理が行なわれる所定の処理温度まで加熱し、これを維持する。そして、処理容器４内にこの下方に位置するガス導入手段３２のガスノズル３４から流量制御された処理ガスを導入し、このガスを内筒８内を上昇させながらウエハ間に流し、熱処理を行なう。
この内筒８内を流れたガスは、処理容器４の天井部にて折り返して内筒８と外筒６との間の間隙を流下して上述のように排気系３８により系外へ排出される。ここで行われる熱処理としては、前述したように成膜処理、酸化処理、拡散処理、アニール処理等が対応し、その処理態様に応じた処理ガスが用いられる。また処理温度も処理態様に応じて変化し、例えば３００〜８００℃程度の高温で熱処理が行われる。
さて、上述のような熱処理を半導体ウエハＷに対して繰り返し行うと、前述したようにヒータ素線５２が経年変化してこれに永久伸びが発生し、この結果、ヒータ素線５２が変形して素線配置時よりも狭まった箇所が発生することになる。この場合、ヒータ素線５２は、例えば１回の熱処理当たり（１ＲＵＮ）、約０．０００８５％の長さだけ伸びている。
このようなヒータ素線５２が配置時（製造時）よりも狭まった箇所は定期的に、或いは不定期的に行われるメンテナンス作業時等に作業員によって目視によって発見されることになる。図５はヒータ素線が変形して狭まった箇所が発生したヒータ装置の断面図を示し、図６はヒータ素線の狭まった箇所を示す拡大断面図である。図６中では一部のヒータ素線５２が矢印７１に示すように変形することにより、ここにヒータ素線５２間が狭まった箇所７０が発生している。上述のようにメンテナンス時にヒータ素線５２の配置時よりも狭まった箇所７０が発見されたならば、作業員は上記ヒータ素線５２同士が狭まった箇所７０に図４において説明した素線接触防止部材６０を設置する。
この設置に際しては、先端６４が鋭角状になされた板状部材６２よりなる素線接触防止部材６０の上記先端６４を、図６中の矢印７２に示すように軟らかい断熱層５０に突き刺すことにより上記狭まった箇所７０のヒータ素線５２間に介在させる。図５中では、ヒータ素線５２が狭まった全ての箇所７０において素線接触防止部材６０を配置してヒータ素線５２間に介在させている。
このように、ヒータ素線同士の間隙が狭まった箇所に素線接触防止部材６０を介在させるようにしたので、ヒータ素線５２同士の接触を防止することができる。従って、ヒータ素線同士の融着や断線も阻止することができ、ヒータ素線の寿命を長くすることができる。このようなメンテナンス作業は、例えば１年間に１回から数回行われることになる。
このように、本発明によれば、ヒータ素線５２の間隔が、上記ヒータ素線５２の変形により上記ヒータ素線５２の配置時よりも狭まった箇所７０に対応させて上記ヒータ素線５２間に、上記素線接触防止部材６０を配置するようにしたので、ヒータ素線５２同士の接触を防止することができ、ヒータ素線５２同士の融着や断線も阻止することができる。
＜素線接触防止部材の実際の装着状態＞
次に、上述したような素線接触防止部材６０を実際に配置して装着した時の状態を説明する。図７は素線接触防止部材６０をヒータ素線間に配置して装着した時の状態を示す図面代用写真である。また図７では比較のために素線接触防止部材を設けていないヒータ素線も示す。図７（Ａ）は比較のために素線接触防止部材を設けていない時の状態を示す写真、図７（Ｂ）は素線接触防止部材を設けたヒータ素線を示す写真である。
次に、上述したような素線接触防止部材６０を実際に配置して装着した時の状態を説明する。図７は素線接触防止部材６０をヒータ素線間に配置して装着した時の状態を示す図面代用写真である。また図７では比較のために素線接触防止部材を設けていないヒータ素線も示す。図７（Ａ）は比較のために素線接触防止部材を設けていない時の状態を示す写真、図７（Ｂ）は素線接触防止部材を設けたヒータ素線を示す写真である。
図７（Ａ）に示すように、ヒータ装置の繰り返し使用によりヒータ素線に永久伸びが発生し、ヒータ素線に変形乃至屈曲が生じてヒータ素線間の間隔が狭くなっても放置していた場合には、隣り合うヒータ素線同士が接触して、ここにスパーク等が発生し、ヒータ素線が溶断している。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、ヒータ素線に変形乃至屈曲が生じてヒータ素線間の間隔が狭く待った時に、この箇所に絶縁性の本発明に係る素線接触防止部材を設置した場合には、その後の使用に対してもヒータ素線間の接触及び溶断が発生することを防止することができた。
実際の熱処理装置のヒータ装置のメンテナンス時に、上記素線接触防止部材６０を設置して装着したところ、ヒータ素線の通常の平均寿命は約２２ケ月程度であったが、この素線接触防止部材６０を適用した場合には平均寿命を約４２ケ月まで延ばすことができた。
尚、以上に説明した実施例においては、素線接触防止部材６０は、その先端を断熱層５０に突き刺すことにより支持されていたが、これに限定されず、この素線接触防止部材６０を間隔が狭まったヒータ素線５２間に挟持させて支持させるようにしてもよい。この場合には、図８に示す素線接触防止部材６０の変形実施例のように板状部材６２の両端にそれぞれ抜け防止突起７６を設けて、この素線接触防止部材６０がヒータ素線５２から脱落しないように構成するのが好ましい。
また、以上説明した実施例においては、ヒータ装置４８のヒータ素線５２は、螺旋状に巻回されている場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ヒータ素線５２はどのような形状の配列形状でもよい。例えば図９はヒータ素線５２の配列形状の変形実施例を示す図である。ここではヒータ素線５２は、螺旋状ではなく、波形状に、或いはＵターンを繰り返すように屈曲して折り返すような形状になされている。このような形状のヒータ素線５２に対しても本発明の素線接触防止部材６０を適用することができる。
また以上、説明した実施例では、熱処理装置は内筒８と外筒６とよりなる２重管構造の処理容器４を例にとって説明したが、これに限定されず、単管構造の処理容器４にも本発明を適用することができる。更に、以上説明した実施例においては、熱処理装置２に設けたヒータ装置４８を例にとって説明したが、これに限定されず、加熱されるべき被加熱体を容器内に収容し、この外周にヒータ装置４８を配置するようにした、例えば乾燥機や電気炉等にも適用することができる。このような乾燥機では、例えば洗浄された半導体ウエハは勿論のこと、それ以外の石英パーツ等の部品も乾燥することができる。また電気炉では、例えばガラスや陶器等を製造することができる。
また上記実施例で説明したヒータ素線５２は、断面円形の場合を例にとって説明したが、ヒータ素線５２の断面形状は特に限定されず、例えば断面形状が矩形の板状のヒータ素線にも本発明を適用することができる。
また、以上説明した被加熱体としては主としてシリコン基板よりなる半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。
２ 熱処理装置
４ 処理容器
６ 外筒
８ 内筒
２８ 支持具（ウエハボート）
３２ ガス導入手段
３８ 排気系
４８ ヒータ装置
５０ 断熱層
５１ 保護カバー
５２ ヒータ素線
６０ 素線接触防止部材
６２ 板状部材
７０ ヒータ素線間隔が狭まった箇所
Ｗ 被加熱体
４ 処理容器
６ 外筒
８ 内筒
２８ 支持具（ウエハボート）
３２ ガス導入手段
３８ 排気系
４８ ヒータ装置
５０ 断熱層
５１ 保護カバー
５２ ヒータ素線
６０ 素線接触防止部材
６２ 板状部材
７０ ヒータ素線間隔が狭まった箇所
Ｗ 被加熱体
Claims (5)
- 加熱すべき被加熱体を収容した円筒状の処理容器の外周側に前記処理容器を囲むようにして設けられたヒータ装置において、
前記処理容器の外側を囲むようにして設けられた断熱層と、
前記断熱層の外周面に設けられた保護カバーと、
前記断熱層の内周側に配置されたヒータ素線と、
前記ヒータ素線の位置ずれを防止するために設けた素線保持枠と、
前記ヒータ素線の経年変化による永久伸びにより前記ヒータ素線の配置時よりも前記ヒータ素線同士の間隔が狭まった箇所に設けられる絶縁性の素線接触防止部材と、
を備えたことを特徴とするヒータ装置。 - 前記ヒータ素線は、螺旋状に巻回され、又は波形状に或いはＵターンを繰り返すように屈曲されていることを特徴とする請求項１記載のヒータ装置。
- 前記素線接触防止部材は、セラミック材よりなることを特徴とする請求項１又は２記載のヒータ装置。
- 前記素線接触防止部材は、前記ヒータ素線間に挟持させて支持されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒータ装置。
- 前記素線接触防止部材は、その先端を前記断熱層に突き刺すことにより支持されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のヒータ装置。
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