JP6183692B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば炭化珪素基板の熱酸化等の熱処理技術に関する。

従来、この種の熱処理装置としては、ランプを用いた光照射によって被加熱体を加熱するものが知られている。
一般に光照射による熱処理装置においては、ランプと被加熱体の距離が加熱効率に大きな影響を及ぼし、距離が離れるほど効率は悪化する。

従来の光照射型の熱処理装置の場合、断面形状が真円の石英管を反応炉として用いていることから、被加熱体の大口径化に伴いランプと被加熱体の距離は長くなり加熱効率が著しく低下するという問題がある。このため、１２００℃以上の高温で大口径の半導体基板を反応管内で熱処理することは困難であった。

また、この種の熱処理装置として、ホットウォール炉（拡散炉）によって加熱を行うものも知られているが、このような従来技術では反応管自体が加熱されて不純物ガスが発生するため、光透過性の反応管を用いて１２００℃以上での常用使用は困難であるという問題があった。

近年、次世代パワー半導体材料として注目される炭化珪素（ＳｉＣ）は、熱酸化膜形成が可能であることからＭＯＳ型のパワーデバイスの実用化が期待されているが、Ｓｉ半導体に比べて酸化温度が高く、通常１２００℃以上の温度を必要とすることから、炭化珪素基板に対して高温で熱処理を行う技術が要望されている。

特開２００９−２３１３４１号公報 特開２０１０−２７７５７号公報

本発明は、このような従来の技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、クリーンな雰囲気において大口径の被加熱体に対して高温で熱処理可能な熱処理技術を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明は、平板状の被加熱体を１２００℃以上で熱処理するためのコールドウォール方式の熱処理装置であって、装置本体と、前記装置本体内において、反応ガスを導入可能で細長形状に形成され、前記平板状の被加熱体を収容する光透過性の石英からなる反応管と、前記装置本体内で前記反応管の外部に配置され、前記被加熱体に対して光を照射して加熱するランプを有する光照射加熱手段と、前記装置本体内において、前記反応管及び前記光照射加熱手段を冷却媒体によって冷却する冷却手段と、を有し、前記反応管は、その長手方向についての断面形状が、長円形状に形成され、前記長円形状は、前記平板状の被加熱体の主面に対して平行で且つ対向する上側水平面部分及び下側水平面部分、並びに、前記上側水平面部分及び下側水平面部分の両端とそれぞれ連続する右側円弧面部分及び左側円弧面部分を有し、前記光照射加熱手段は、当該反応管の長手方向と平行に配置された棒状のランプを複数有し、当該複数のランプは、前記上側水平面部分の近傍に設けられた上側ランプ群、前記下側水平面部分の近傍に設けられた下側ランプ群、前記右側円弧面部分の近傍に設けられた右側ランプ群、及び前記左側円弧面部分の近傍に設けられた左側ランプ群からなる熱処理装置である。
本発明では、前記光照射加熱手段は、前記上側ランプ群及び前記下側ランプ群が、鉛直方向に関し、各ランプが重ならない位置に配置されている場合にも効果的である。
本発明では、前記被加熱体を支持するためのサセプタを有し、当該サセプタが炭化珪素の高純度の多結晶の光吸収体からなる場合にも効果的である。
本発明では、前記複数のランプは、照射する光の波長が２００ｎｍから遠赤外領域までの光を含む場合にも効果的である。
本発明では、前記反応管内の残留ガスを検出するガス検出器を有し、当該ガス検出器において得られた結果に基づいて前記反応管の排気量を制御する場合にも効果的である。
本発明では、前記冷却手段は、前記反応管の温度を５００℃程度に維持する場合にも効果的である。

本発明によれば、石英からなる細長形状の反応管の長手方向の断面形状を長円形状にすることにより、被加熱体が大きい場合であっても、反応管の長軸方向に向けて配置した被加熱体に対して加熱手段のランプと被加熱体の距離を従来技術と比べて短く保つことができ、これにより大口径の被加熱体を加熱する際に加熱効率を低下させることがないので、被加熱体に対する高温熱処理が可能になる。
そして、本発明によれば、反応管を直接加熱しないので、不純物ガスの発生をきわめて少なくすることができ、これによりクリーンな雰囲気において熱処理を行うことができる
。

一方、いわゆるコールドウォール方式のランプ加熱では、通常のホットウォール炉と比較し、高温での温度の面内均一性を維持することが困難であるが、本発明において、加熱手段の複数のランプのうち、被加熱体を挟むように被加熱体の上側及び下側に配置された、複数のランプからなる上側ランプ群及び下側ランプ群が、鉛直方向に関し、各ランプが重ならない位置に配置されている場合には、被加熱体に対して光を均一に照射することができるので、被加熱体における温度の面内均一性を維持することが可能になる。

さらに、本発明において、被加熱体を支持するためのサセプタの少なくとも表層部分が炭化珪素の光吸収体からなる場合には、光照射による直接加熱が困難な形状の被加熱体に関してもサセプタを介して加熱して熱処理を行うことが可能になる。

さらにまた、本発明において、反応管内の残留ガスを検出するガス検出器を有する場合には、このガス検出器にて得られた結果に基づいて排気を行うことにより、常時クリーンな雰囲気で熱処理を行うことが可能になる。

加えて、本発明においては、反応管及び加熱ランプを冷却媒体によって冷却する冷却手段を有することから、反応管の温度を５００℃程度と低く抑えることができるので、反応管の材料として従来使用できなかった石英を使用することができる。

本発明の実施の形態の熱処理装置の全体構成を示す概略図 同熱処理装置の内部構成を示す断面図 同熱処理装置の反応管を示す説明図 同熱処理装置における上側ランプ群と下側ランプ群の配置を示す説明図

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の熱処理装置の全体構成を示す概略図である。
図１に示すように、本実施の形態の熱処理装置１は、いわゆるコールドウォール方式のもので、例えば金属材料からなる装置本体２内に、光透過性の反応管３が設けられて構成されている。

本実施の形態の装置本体２及び反応管３は、それぞれ細長形状に形成され、長手方向（図中Ｘ軸方向）がそれぞれ水平方向に向けられている。また、反応管３が装置本体２を貫通するように配置構成されている。
装置本体２内の反応管３の周囲には、後述するように複数のランプを有する加熱手段４（光照射加熱手段）が設けられている。

一方、装置本体２の例えば上部には、例えばガスからなる冷却媒体（例えば空気）を導入するためのガス導入手段５が設けられ、装置本体２の例えば下部には、この冷却媒体を排出するためのガス排出手段６が設けられている。
そして、これらガス導入手段５及びガス排出手段６により、装置本体２内を冷却媒体で循環させて反応管３及び加熱手段４を冷却する冷却手段７が構成されている。

反応管３の一方の端部には、反応ガスを導入するためのガス供給源８が設けられている。
そして、反応管３内には、支持部材２３によって支持されたサセプタ２０が設けられ、このサセプタ２０上に例えば炭化珪素基板等の被加熱体２１が支持されるようになっている。支持部材２３は、例えばピン形状の部材２４を介してサセプタ２０を支持している。
さらに、反応管３の他方の端部のガス排出弁９の後段には、不純物ガス等の残留ガスの濃度を検出するためのガス検出器２２が設けられている。

図２は、本実施の形態の熱処理装置の内部構成を示す断面図、図３は、同熱処理装置の反応管を示す説明図である。
本発明においては、反応管３の長手方向についての断面形状が長円形状に形成されているものである。

本発明において、「長円形状」とは、図２に示す実施の形態のように、対向する水平面部分３０、３１の両端に円弧面部分３２、３３を有する形状のほか、焦点を二つ有する楕円形状も含まれる。
一方、本発明の場合、反応管３の材料は特に限定されることはないが、赤外線領域の光に対する光透過率の高さ並びに高純度の石英管の入手の容易さの観点からは、石英からなるものを用いることが好ましい。

図２に示すように、反応管３の内部には、例えば平板状のサセプタ２０が反応管３の長軸方向である水平方向に向けて設けられている。
サセプタ２０上には被加熱体２１が反応管３の長軸方向である水平方向に向けて支持されるようになっている。この場合、被加熱体２１が、反応管３の中央部分に配置されるように構成されている。

本発明の場合、サセプタ２０の材料については特に限定されることはないが、光照射による加熱が困難な被加熱体２１に対して加熱を可能にする観点からは、少なくとも表層部分が炭化珪素の光吸収体からなるものを用いることが好ましい。また、サセプタ２０と被加熱体２１は面接触していることが好ましい。

このようなサセプタ２０としては、それ自体が炭化珪素の高純度の単結晶、多結晶又は結晶体の光吸収体からなるもののほか、炭素からなる平板部材の表面にこのような光吸収体からなる被膜が形成されたものを用いることもできる。

一方、本実施の形態の加熱手段４は、反応管３の周囲の近傍に設けられた複数のランプを有している。
加熱手段４のランプは、それぞれ細長棒状に形成され、反応管３の長手方向と平行となるように配置されている。

ここで、反応管３の上側の水平面部分３０の近傍には、水平方向（図中Ｙ軸方向）に配列された例えば６個のランプからなる上側ランプ群４０が設けられ、反応管３の下側の水平面部分３１の近傍には、水平方向（図中Ｙ軸方向）に配列された例えば７個のランプからなる下側ランプ群４１が設けられている。

また、反応管３の左側の円弧面部分３２の近傍には、この円弧面部分３２に沿って配列された例えば６個のランプからなる左側ランプ群４２が設けられ、反応管３の右側の円弧面部分３３の近傍には、この円弧面部分３３に沿って配列された例えば６個のランプからなる右側ランプ群４３が設けられている。

本発明の場合、加熱手段４に用いるランプとしては特に限定されることはないが、効率良く加熱するという観点からは、照射する光の波長が２００ｎｍから遠赤外領域までの光を含むものを用いることが好ましい。
そして、これら上側ランプ群４０、下側ランプ群４１、左側ランプ群４２、右側ランプ群４３の周囲には、それぞれの光を反射するためのリフレクタ１０が設けられている。

図４は、本実施の形態における上側ランプ群と下側ランプ群の配置を示す説明図である。
図４に示すように、本実施の形態では、上側ランプ群４０の６個のランプは、同一のピッチＰで配列されている。
また、下側ランプ群４１の７個のランプについても、同一のピッチＰで配列されている。

そして、上側ランプ群４０と、下側ランプ群４１は、鉛直方向（図中Ｚ軸方向）に関し、各ランプが重ならない位置に配置されている。
本実施の形態では、例えば図４において基準線Ｍ、Ｎで示すように、上側ランプ群４０と、下側ランプ群４１を、反応管３の長手方向と直交する方向である水平方向（図中Ｙ軸方向）に、ピッチＰの半分、すなわち、Ｐ／２だけ変位させて配置するようにしている。

このような構成を有する本実施の形態において被加熱体２１に対して熱処理を行う場合には、反応管３内に被加熱体２１を搬入し、サセプタ２０上に配置する。
そして、ガス供給源８から反応管３内に反応ガスを導入するとともに、加熱手段４を動作させて被加熱体２１に対して光照射を行う。この場合、被加熱体２１の温度が１２００℃以上になるように光照射を行う。

その一方、冷却手段７を動作させ、冷却媒体を導入及び排気して反応管３及び加熱手段４の冷却を行う。これにより、反応管３の温度は５００℃程度に維持される。
熱処理の際には、ガス検出器２２を動作させ、反応管３内の不純物ガス等の残留ガスの濃度を検出する。そして、ガス検出器２２において得られた結果に基づいて排気量を制御するようにする。

以上述べた本実施の形態によれば、石英からなる細長形状の反応管３の長手方向の断面形状を長円形状にすることにより、被加熱体２１が大きい場合であっても、反応管３の長軸方向に向けて配置した被加熱体２１に対して加熱手段４のランプと被加熱体２１の距離を従来技術と比べて短く保つことができ、これにより大口径の被加熱体２１を加熱する際に加熱効率を低下させることがないので、被加熱体２１に対する高温熱処理が可能になる。
そして、本実施の形態によれば、反応管３を直接加熱しないので、不純物ガスの発生をきわめて少なくすることができ、これによりクリーンな雰囲気において熱処理を行うことができる。

一方、コールドウォール方式のランプ加熱では、通常のホットウォール炉と比較し、高温での温度の面内均一性を維持することが困難であるが、本実施の形態では、加熱手段４の複数のランプのうち、被加熱体２１を挟むように被加熱体２１の上側及び下側に配置された、複数のランプからなる上側ランプ群４０及び下側ランプ群４１が、鉛直方向に関し、各ランプが重ならない位置に配置されていることから、被加熱体２１に対して光を均一に照射することができるので、被加熱体２１における温度の面内均一性を維持することが可能になる。

さらに、本実施の形態では、被加熱体２１を支持するためのサセプタ２０の少なくとも表層部分が炭化珪素の光吸収体からなることから、光照射による直接加熱が困難な形状の被加熱体２１に関してもサセプタ２０を介して加熱して熱処理を行うことが可能になる。

さらにまた、本実施の形態では、反応管３内の残留ガスを検出するガス検出器２２を有することから、このガス検出器２２にて得られた結果に基づいて排気を行うことにより、常時クリーンな雰囲気で熱処理を行うことが可能になる。

加えて、本実施の形態では、反応管３及び加熱手段４を冷却媒体によって冷却する冷却手段７を有する場合には、反応管３の温度を低く抑えることができるので、反応管３の材料として従来使用できなかった石英を使用することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、上記実施の形態では、被加熱体として炭化珪素基板を加熱する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、Ｓｉ基板等の熱処理を行う場合にも適用することができる。
ただし、本発明は炭化珪素基板に対して１２００℃以上の高温で熱処理を行い酸化膜を形成する場合に最も有効となるものである。

また、上記実施の形態では、被加熱体を水平面方向に配置したが、本発明はこれに限られず、例えば被加熱体を鉛直方向に向けて配置した場合にも適用することができる。
この場合、例えば加熱手段のランプの相対的な位置関係については、上記実施の形態の場合と同一となるように構成することにより本発明の目的を達成することができる。

１…熱処理装置
２…装置本体
３…反応管
４…加熱手段
７…冷却手段
２０…サセプタ
２１…被加熱体
２２…ガス検出器
３０，３１…水平面部分
３２，３３…円弧面部分
４０…上側ランプ群
４１…下側ランプ群

Claims (6)

1. 平板状の被加熱体を１２００℃以上で熱処理するためのコールドウォール方式の熱処理装置であって、
   装置本体と、
   前記装置本体内において、反応ガスを導入可能で細長形状に形成され、前記平板状の被加熱体を収容する光透過性の石英からなる反応管と、
   前記装置本体内で前記反応管の外部に配置され、前記被加熱体に対して光を照射して加熱するランプを有する光照射加熱手段と、
   前記装置本体内において、前記反応管及び前記光照射加熱手段を冷却媒体によって冷却する冷却手段と、を有し、
   前記反応管は、その長手方向についての断面形状が、長円形状に形成され、
   前記長円形状は、前記平板状の被加熱体の主面に対して平行で且つ対向する上側水平面部分及び下側水平面部分、並びに、前記上側水平面部分及び下側水平面部分の両端とそれぞれ連続する右側円弧面部分及び左側円弧面部分を有し、
   前記光照射加熱手段は、当該反応管の長手方向と平行に配置された棒状のランプを複数有し、当該複数のランプは、前記上側水平面部分の近傍に設けられた上側ランプ群、前記下側水平面部分の近傍に設けられた下側ランプ群、前記右側円弧面部分の近傍に設けられた右側ランプ群、及び前記左側円弧面部分の近傍に設けられた左側ランプ群からなる熱処理装置。
2. 前記上側ランプ群及び前記下側ランプ群が、鉛直方向に関し、各ランプが重ならない位置に配置されている請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記被加熱体を支持するためのサセプタを有し、当該サセプタが炭化珪素の高純度の多結晶の光吸収体からなる請求項１又は２のいずれか１項記載の熱処理装置。
4. 前記複数のランプは、照射する光の波長が２００ｎｍから遠赤外領域までの光を含む請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱処理装置。
5. 前記反応管内の残留ガスを検出するガス検出器を有し、当該ガス検出器において得られた結果に基づいて前記反応管の排気量を制御する請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱処理装置。
6. 前記冷却手段は、前記反応管の温度を５００℃程度に維持する請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱処理装置。
   

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