JPH01236615A

JPH01236615A - 縦型熱処理装置

Info

Publication number: JPH01236615A
Application number: JP29046788A
Authority: JP
Inventors: Wataru Okase; 亘大加瀬; Hiroyuki Mihashi; 三橋　弘幸; Seishirou Satou; 佐藤　征史郎
Original assignee: Tokyo Electron Sagami Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Sagami Ltd
Priority date: 1987-11-21
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1989-09-21
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: JP2756566B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は熱処理装置に関する。

（従来の技術）従来の熱処理装置、例えば低圧ＣＶＤ装置では、熱処理
のための炉体を横方向に設置したもの（即ち、横型炉タ
イプ）が−船釣である。しかし、近年では１次のような
利点を有する縦型炉タイプの熱処理装置も使用されてい
る。

縦型炉タイプの第一の利点は、装置の設置面積を縮小で
きることである。

横型炉タイプの熱処理装置は、当然ながら炉長に比例し
た設置面積を必要とする。これに対し。

縦型炉タイプの熱処理装置を設置するのに必要な面積は
、炉の直径で決る。炉の直径は一般に炉長よりも短いか
ら、縦型炉の方が設置面積は小さくてすむ。しかも、熱
処理は半導体ウェハーを連続的に炉内に整列させて行な
うから、炉長は処理能力に比例して長くなるが、炉の直
径は処理能力が大きくなっても変らない。従って、処理
能力が大きくなるほど、設置面積に関する縦型炉の利点
は更に大きくなる。

縦型炉の第二の利点は、炉内への処理ガスの供給におい
て、垂直方向で生じるガスの対流を利用できることであ
る。

横型炉タイプ及び縦型炉タイプの何れにおいても、熱処
理装置で最も重要な要素の一つは、炉長方向に沿った炉
内の温度分布を均一化することである。温度分布が不均
一であると、同一ロットで処理された半導体ウェハーの
間に品質のバラツキを生じるからである。

（発明が解決しようとする課題）この点において、縦型炉タイプの熱処理装置は横型炉タ
イプのものよりも不利である。何故なら、対流によって
熱が上方に移動し、炉頂部では累積的に温度が上昇する
からである。この蓄熱は、ヒータの熱的疲労を伴う問題
もある。

、　　上記の理由で、熱処理装置では炉内の限られた所
定領域に均一な温度分布を達成し、該領域でのみ半導体
ウェハーの熱処理を行なうようにしている。これは、炉
の両端では周囲への放熱の影響によって不可避的に温度
の低い領域が発生するため、炉の全長に互って内部温度
を均一にすることは不可能だからである。従って、熱処
理装置の生産性を向上するためには、均一な温度分布領
域の比率を高めることが重要である。この点に関しても
、上記同様の理由で、縦型炉タイプの方が横型炉タイプ
よりも難しい。

定常状態において炉内のより広範な領域で均一な温度分
布を達成するための手段として、従来の熱処理装置では
、第９図に示すように、プロセスチューブｌの周囲に分
割タイプのヒータ２を設けた炉が用いられている。ヒー
タ２は抵抗線からなっており、例えば、図示のように端
子１１〜Ｔ４を設けることによって三つの部分３ａ、　
３ｂ、　３ｃに分割されている。端子Ｔ１〜Ｔ２の間、
端子Ｔ２〜Ｔ３の間、端子Ｔ３〜Ｔ４の間の電源電圧を
夫々独立に設定することにより、抵抗３ａ、　３ｂ、　
３ｃに流れる電流を独立に制御できるようになっている
。この従来の装置では、両端部の抵抗３ａ、３ｃに流れ
る電流を中央部の抵抗３ｂに流れる電流よりも大きくす
ることにより、両端部のヒータ温度を高くしている。こ
れによってプロセスチューブ両端における放熱の影響が
補償されるため、抵抗３ａ、　３ｂ、　３ｃが全て同じ
ヒータ温度の場合に比較して、中央部における温度分布
の均一な領域は拡大されることになる。

しかしながら、上記のような分割型ヒータを用いたとし
ても、プロセスチューブ両端における温度制御の効率は
それほど高くない、このため、抵抗３ａ、３ｃを短縮し
て温度分布が均一な領域の比率を高めることが困難であ
る。例えば、抵抗３ａ、　３ｃのヒータ温度を高くして
その長さを短縮すると。

抵抗３ｂとの間の境界部分で不拘−且つ異常な温度分布
が発生してしまうという問題があった。

本発明の目的は、プロセスチューブ内のより広い領域で
、均一な温度分布を得ることができる熱処理装置を提供
するこである。　　　　。

また、他の目的は、ヒータの熱的疲労および電力損失を
軽減できる縦型熱処理装置を提供することである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）この発明は被熱処理物を収容するプロセスチューブと、
このプロセスチューブ側壁の両端部および中央部に配列
された少なくとも三つのヒータを含む複数の独立したヒ
ータであって、各ヒータは処理チューブの周囲を取囲み
、また各ヒータ温度は夫々任意に設定可能であることを
特徴とする熱処理装置を得るものである。

（作　用）被熱処理物を収容するプロセスチューブと、このプロセ
スチューブ側壁の両端部および中央部に配列された少な
くとも三つのヒータを含む複数の独立したヒータであっ
て、各ヒータは処理チューブの周囲を取囲み、また各ヒ
ータ温度は夫々任意に設定可能で且つ各ヒータ間には直
接的な熱伝導がないことにより、プロセスチューブ内の
より広い領域で、均一な温度分布を得ることができ、ま
た、前記プロセスチューブを垂直に設置することにより
ヒータの熱的疲労および電力損失を軽減できる。

（実施例）以下、本発明装置を縦型炉タイプの熱処理装置に適用し
た一実施例につき、図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の熱処理装置を構成する加熱炉の一実
施例を示している。同図において、１は垂直方向に配置
されたプロセスチューブである。

プロセスチューブ１は石英ガラスまたは炭化珪素等でで
きており、外管４ａおよび内管４ｂからなる二重管構造
を有している。供給管２３から内管４ｂ内に供給された
処理ガスＧは、内管４ｂと外管４ａの間の間隙を通って
排気される。プロセスチューブ１の外周には、独立した
三つのヒータ６．８．１０が設けられている。ヒータ６
はプロセスチューブ１の中央部に、ヒータ８はプロセス
チューブ１の上端部に、ヒータ１０はプロセスチューブ
１の下端部に夫々設けられている。ヒータ６．８．１０
は発熱抵抗体のコイルからなり、夫々が独立した電ｇ１
８゜２０、２２に接続されている。ヒータ６は一つのコ
イルからなっているが、ヒータ８，１０は二層コイル構
造を有している。即ち、ヒータ８は二つのコイル８Ａ、
８Ｂからなり、ヒータ１０も二つのコイルＩＯＡ。

１０Ｂからなっている。第２図に、これらヒータ６゜８
．１０の等何回路を示す。ヒータ６には端子１２ａ。

１２ｂが設けられ、これら端子には電源１８が接続され
ている。また、ヒータ８のコイル８Ａには端子１４ａ、
　１４ｂが、コイル８Ｂには端子１４ｃ、　１４ｄが設
けられている。端子１４ａと端子１４ｃとは短絡され、
端子１４ｂ、　１４ｄは電源２０に接続されている。同
様にヒータ１０においても、二つのコイルＩＯＡ、　Ｉ
ＯＢに設けられた端子１６ａ、　１６ｂ、　１６ｃ、　
１６ｄのうち、端子１６ａと１６ｃは短絡され、端子１
６ｂ、　１６ｄに電源２２が接続されている。上記のよ
うに、ヒータ６．８．１０は独立した電ｖａ１８．１０
．２２から供給される電流によって発熱し、プロセスチ
ューブ１を加熱する。

円筒状のプロセスチューブに対応して、ヒータ６．８．
１０は何れも円筒状に形成され、その中心とプロセスチ
ューブの管軸とが一致するように、プロセスチューブの
外周面上に設置されている。

プロセスチューブ１のうち、中央部ヒータ６により加熱
されるエリアは熱処理を行なう半導体ウェハーが配置さ
れるエリアで、ここに均一な温度分布が達成されるよう
に設計される。一方、上部ヒータ８及び下部ヒータ１０
は、プロセスチューブの両端における放熱の影響を補償
し、中央部エリアの全体に均一な温度分布を達成するた
めに設けられる。既述したように、本発明の一般的な課
題は、この上部ヒータ８及び下部ヒータ１０の管軸方向
の長さをできるだけ短縮することである。

第１図の例においては、両端部における放熱の影響を短
い加熱エリアで補償するために、上端部および下端部の
ヒータ８，１０の単位面積当りの発熱量を、中央部ヒー
タ６の２倍以上に設定する。

中央部ヒータ６は単層コイル構造であるのに対し、上端
部ヒータ８及び下端部ヒータ１０を上記のような２層コ
イル構造としたのはそのためである。このように両端部
のヒータ８．ｌＯの発熱量を高くしても、プロセスチュ
ーブの中央部エリアに異常な温度分布を生じることはな
い。これは、両端部のヒータ８，１０と中央部ヒータ６
とが完全に分離されており、熱伝導を生じないからであ
る。更に、第１図の例では熱対流による上端部エリアで
の熱蓄積も考慮されている。即ち、上端部ヒータ８によ
る加熱エリアは、下端部ヒータによる加熱エリアよりも
短くなっている。また、中央部ヒータ６を構成する発熱
抵抗体のコイル密度は、上方に行くに従って粗になって
いる。これによって、上端部エリアでの熱蓄積が補償さ
れ、均一な温度分布が得られる。また、所望とあらば、
任意の傾斜をもった温度分布を達することも可能である
。

第３図は、第１図の加熱炉を用いた加熱処理装置をより
具体的に示す断面図である。同図において、２１は熱処
理装置の外壁である。外壁２１で囲まれた内部には、第
１図の加熱炉が垂直に設置されている。加熱炉の外側に
は、ヒータ８，６．１０の幅に対応した間隔で、保持枠
２４．２６．２８．３０が設けられている　ｊれら保持
枠の間には、ヒータ８゜６．１０が設けられている。保
持枠２４．２６．２８．３０は断熱材でできており、こ
れによって各ヒータ６゜８．１０間の熱伝導が防止され
ている。更に、保持枠３０によって、熱処理装置の解放
端部における過熱が防止されている。また、各ヒータと
外壁２１との間に断熱材３２が充填され、外壁２１の加
熱が防止されている。

第４Ａ図は、ヒータ６を構成するコイルのピッチを示し
ている。また、第４Ｂ図はヒータ８，１０を構成するコ
イルのピッチを示している。第４Ａ図から明らかなよう
に、ヒータ６のコイルピッチを上から順にＰｘ　ｒ　Ｐ
２　＋　Ｐ３　”’Ｐｎとすると、　Ｐ□＞　ｐ２＞　
ｐ３”・＞Ｐｎとなっている。即ち、既述したように、
プロセスチューブ１内部での温度分布を均一化するため
に、上部ではピッチを大きくし、下部ではピッチを小さ
くしている。

第４Ｂ図から明らかなように、ヒータ８．ｌＯにおける
内側のコイル８Ａ、　ＩＯＡ　と、外側のコイル８Ｂ。

１０Ｂとは同一のピッチＰを有している。また、内側の
コイル８Ａ、　ＩＯＡと外側のコイル８１３．　ＩＯＢ
とは、Ｐ／２だけづらせて配置されている。

各コイル６．８．１０の幅りは、プロセスチューブ１の
長さに対応して適宜設定する。図示のように、上部ヒー
タ８の幅は下部ヒータ１０の幅よりも短くなっている。

これは、既述したように対流による上部での蓄熱を補償
するためである。また、コイルの線径は、ヒータ８，１
０の線径（ｄ２）の方がヒータ６の線径（ｄｌ）よりも
大きい。これによって、両端部ヒータ８，１０の単位当
りの発熱量を高め。

且つ熱蓄積に曝される上部ヒータ８の熱的耐久性を向上
することが可能となる。

第３図に示したように、この実施例の装置を用いて半導
体ウェハーの熱処理を行なうに際しては。

石英ガラスポート３６に保持された多数の半導体ウェハ
ー３８をプロセスチューブ内管４ｂの内部に収納する。

石英ガラスポート３６は保温筒４０に支持される。保温
筒４０は、石英ガラスポートを支持すると共に、出入口
付近を保温する機能を有している。

保温筒４０の下端部には回転機構４２が設けられ、これ
によって半導体ウェハー３８を回転させながら熱処理を
行なうようになっている。また、熱処理を行なっている
ときにはプロセスチューブを密封するために、出入口を
閉じる蓋４４が設けられている。

熱処理に用いる処理ガスＧは、既述したように供給管２
３からプロセスチューブの内管４ｂ内に導入される。導
入された処理ガスは、半導ウェハー３８と接触して所定
の熱処理が行なわれる。その際。

半導体ウェハー３８が回転されることにより、処理ガス
との均一な接触が可能となる。その後、処理ガスは内管
の頂部に設けた開口４６、内管４ｂと外管４ａとの間の
間隙３４を通って、図示しない排気部に導かれる。

上記実施例におけるヒータの構成は、本発明の範囲内に
おいて種々の変更が可能である。第５Ａ図。

第５Ｂ図および第６Ａ図、第６Ｂ図にその例を示す。

第５Ａ図はヒータの一変形例を示す図で、第５Ｂ図はそ
の等価回路図である。この例では、上部ヒータ８の二つ
のコイル８Ａ、　８Ｂを短絡することなく、夫々のコイ
ル８Ａ、　８Ｂを独立の電源２０Ａ、　２０Ｂに接続し
ている。同様に、下部ヒータ１０についても、その二つ
のコイルＩＯＡ、　ＩＯＢを夫々独立した電源２２Ａ。

２２Ｂに接続している。従って、中央部ヒータも含める
と、全体として５個の独立した駆動回路が形成されてい
る。この変形例では、上部ヒータ８及び下部ヒータ１０
による加熱量をより高範囲に制御することが可能である
。

第６Ａ図はヒータの他の変形例を示す図で、第６Ｂ図は
その等価回路図である。この例では、上部ヒータ８及び
下部ヒータ１０の構成は第２図および第３図の例と同じ
であるが、中央部ヒータ６の構成が異なってる。即ち、
中央部ヒータとして、夫々独立した電ｇ１８Ａ、　１８
Ｂ、　１８Ｃに接続された三つのヒータ６Ａ、　６Ｂ、
　６Ｃが用いられている。即ち、電源１８Ａはヒータ６
Ａの端子１２ｃ、　１２ｄに接続され、電源１８Ｂはヒ
ータ６Ｂの端子１２ｅ、　１２ｆに接続され、電＠１８
Ｃはヒータ６Ｃの端子１２ｇ、　１２ｈに接続されてい
る。この変形例は、プロセスチューブが長い熱処理装置
の場合に有用である。

また、上記ヒータは３分割に限らず５分割等の複数分割
にしても良い。

なお、上記の実施例では二重管構造のプロセスチューブ
を用いているが、本発明はプロセスチューブが単一管構
造の場合にも適用できる。

また、プロセスチューブの両端部に設けた上部ヒータ８
、下部ヒータ１０は、コイルを三層共」二の多層構造に
積層して発熱量を高めてもよい。逆に、これら両端部の
ヒータを単層のコイルで構成してもよい。

更に、各ヒータ６．８．１０におけるコイルの線径を等
しくしてもよく、また上部ヒータ８は下部ヒータｌＯの
幅を等しくしてもよい。

次に、第７図および第８図を参照し、本発明の他の実施
例を説明する。

第７図は本発明による熱処理装置の他の実施例を示し、
第８図はその下端部を詳細に示している。

この実施例では、単管構造のプロセスチューブ１が用い
られている。処理ガスＧはプロセスチューブ１の頂部か
ら導入され、下端部に設けた排気口５０から排出される
。プロセスチューブ１の側壁に叶、既述の実施例と同様
の構成からなる三つの独立したヒータ６．８’、１０’
　が設けられている。但し、両端部のヒータ８’、１０
’　は単層コイルからなっている。この実施例の特徴は
、プロセスチューブ下端部の出入口を閉じるための蓋に
、独立のヒータ５１を設けた点である。蓋は、内部に断
熱材５３を充填した外筒５２と、内側に保護筒５６を設
けた内筒５５からなっている。この構造が、第８図に詳
細に記載されている。

第８図において、外＠５２にはフランジ５４が設けられ
、断熱材５３によってプロセスチューブ１の開口方向へ
の熱の伝播を遮断する。内筒５５は、外筒５２の内部に
進退可能に設置されている。即ち、内筒５５は、半導体
ウェハー３８を収納した石英ガラスポート３６を支持す
るための支持部材として機能する。ヒータ５１は熱電対
温度計５８と共に、内筒５５の。

内部に設けた保護筒５６の更に内側に設けられている。

保護筒５６はプロセスチューブ１内の処理ガスＧを遮断
し、ガスＧとの接触によるヒータの劣化を防止する。ま
た、ヒータ５１には端子電極５１ａ。

５１ｂが設けられており、これら端子電極は図示しない
電源に接続されている。６０は支持台で、該支持台と外
筒フランジ５４との間にはベローズ６１が設けられてい
る。支持台６０は、昇降装置６２のアーム部６３に固定
されている。また、外壁２１の下端部内側には冷却水通
路６４が設けられ、この中に冷却水を流すことにより充
分な冷却が行なわれる。

上記第７図および第８図の実施例においては。

プロセスチューブ１の側面だけでなく、ヒータ５１によ
ってプロセスチューブ１底部の出入口をも加熱する。出
入口部分は放熱による影響が最も大きいから、ヒータ５
１を用いることによってプロセスチューブ内の温度分布
を更に均一化することが可能となる。

なお、第７図および第８図の実施例で採用したプロセス
チューブ下端開口部を加熱するためのヒータは、本発明
の範囲と組合せることなく、単独で用いることも可能で
ある。例えば、第７図および第８図の実施例において、
プロセスチューブ側壁には第９図の従来例と同じヒータ
を用いた場合にも、ヒータ５１を用いたことによる一定
の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、被熱処理物を収容する
プロセスチューブと、このプロセスチューブ側壁の両端
部および中央部に配列された少なくとも三つのヒータを
含む複数の独立したヒータであって、各ヒータは処理チ
ューブの周囲を取州み、また各ヒータ温度は夫々任意に
設定可能で且つヒータ間には直接的な熱伝導がない複数
のヒータとを具備し、ヒータ相互間の熱伝導が生じない
ため、従来の装置のように異常な温度分布を生じること
なく両端部のヒータ温度を高く設定できる。

その結果、両端部のヒータを短縮しても、従来の装置と
同じ範囲の領域に均一な温度分布を達成することができ
る。また縦型熱処理装置に於いて、ヒータの熱的疲労お
よび電力損失を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を説明するための熱処理装
置の加熱炉の構成図。第２図は、第・１図の加熱炉におけるヒータの等価回路
図、第３図は、第１図の加熱炉の説明図第４Ａ図及び第４Ｂ図は、第３図の熱処理装置における
ヒータの構成を、より詳細に示す説明図、第５Ａ図は第
１図の加熱炉におけるヒータの一つの変形例を示す説明
図であり、第５Ｂ図はその等価回路図。第６Ａ図は第１図の加熱炉におけるヒータの他の変形例
を示す説明図であり、第６Ｂ図はその等価回路図、第７図は１本発明の他の実施例を説明するための加熱炉
の説明図、第８図は、第７図の加熱炉一部を拡大して示す説明図、第９図は、従来の熱処理装置に採用されている分割タイ
プのヒータを、模式的に示す説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被熱処理物を収容するプロセスチューブと、この
プロセスチューブ側壁の両端部および中央部に配列され
た少なくとも三つのヒータを含む複数の独立したヒータ
であって、各ヒータは処理チューブの周囲を取囲み、ま
た各ヒータ温度は夫々任意に設定可能であることを特徴
とする熱処理装置。
（２）前記プロセスチューブ側壁の両端部に設けられた
ヒータの加熱温度が、前記中央部に設けられたヒータの
加熱温度よりも高いことを特徴とする請求項１記載の熱
処理装置。
（３）前記プロセスチューブが垂直に設置されているこ
とを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
（４）前記複数の独立したヒータのうち、少なくとも両
端部に設けられたヒータは多層構造を有することを特徴
とする請求項３記載の熱処理装置。
（５）前記上端部に設けたヒータ幅が、前記下端部に設
けたヒータ幅よりも小さいことを特徴とする請求項３記
載の熱処理装置。
（６）前記複数の独立したヒータが、プロセスチューブ
を巻回する抵抗線のコイルからなり、少なくとも前記上
端部に設けられたヒータは、抵抗線の線径が中央部のヒ
ータよりも大きいことを特徴とする請求項３記載の熱処
理装置。
（７）前記中央部のヒータはプロセスチューブを巻回す
る抵抗線のコイルからなり、該コイルのピッチが上方ほ
ど大きいことを特徴とする請求項３記載の熱処理装置。
（８）前記プロセスチューブ下端部の出入口を閉じる蓋
の外側に、別の独立したヒータを設けたことを特徴とす
る請求項３記載の熱処理装置。