JPH03224217A - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

熱処理装置及び熱処理方法

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JPH03224217A
JPH03224217A JP1153720A JP15372089A JPH03224217A JP H03224217 A JPH03224217 A JP H03224217A JP 1153720 A JP1153720 A JP 1153720A JP 15372089 A JP15372089 A JP 15372089A JP H03224217 A JPH03224217 A JP H03224217A
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reaction tube
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    • H05B3/64—Heating elements specially adapted for furnaces using ribbon, rod, or wire heater

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） 本発明は、熱処理装置に関する。
（従来の技術および発明が解決しようとする課題）半導
体デバイス、液晶駆動用回路板等の製造プロセスにおい
て、ウェハ、回路板等の非処理物を加熱してシリコン膜
、金属膜などの薄膜形成、拡散、酸化、エツチング等の
処理を施す為、反応管の周囲に加熱コイルが配設された
縦型或いは横型の熱処理装置が広く利用されている。
上記熱処理装置にあっては、被処理物を収納する反応管
は円筒状に形成された石英管等からなり、典型的には反
応管の外側に炭化ケイ素等からなる円筒状の均熱管が配
設される。また均熱管の周囲にコイル状に形成された加
熱ヒータが巻回され、更にこのヒータの外側に断熱材層
が配設される。
使用時において、反応管内は予め所定の処理温度、例え
ば数百度乃至千数百度に加熱され、縦型装置では下部開
口から、横型装置では一端開口から、ウェハボード上に
複数枚載置された半導体ウェハ等の処理物がロードされ
る。次にＳｉＨ＊ｐ　０ｓｅＢ２Ｈ，、ＰＨ，等の所定
の反応ガスが反応管内に流され、成膜或いは拡散等の処
理が行われる。
上記熱処理装置にはまた、熱処理後に反応領域全体を均
一温度に維持しながら急冷することが可能な冷却システ
ムを設けることが要求されて来ている。このような反応
管の冷却処理は、−被処理物内の熱履歴の均−性及び同
時処理の複数の被処理物間における熱履歴の同一性を得
ると共に、確実な反応の制御及びプロセス時間の短縮を
図る上で重要な要素となるからである。
横型熱処理装置における冷却システムの一例が特公昭５
８−２４７１１に開示されている。このシステムにあっ
ては、冷却用のパイプが加熱コイル周囲の断熱材内に配
置されている。従って冷却効果が低い。
横型熱処理装置における冷却システムの他の例が特公昭
６０−８６２２に開示されている。このシステムにあっ
ては、均熱管が省略され、ヒータが反応管の周囲に直接
配設され、その周囲をヒータケースが包囲する。冷却流
体は反応管外面とヒータケース内面とが形成する空間内
に、一端部からブロワにより吹込まれ、多端部から徘畠
される。このシステムでは、反応管に沿う冷却流体の流
れに偏りが生じ易く、反応領域全体を均一温度に維持し
ながら冷却することができない。
バレル型熱処理装置における冷却システムの一例が実開
昭６１−１５７３２５に開示されている。このシステム
にあっては、加熱コイルが反応内筒の内側に配設され、
ウェハは反応内筒上のサセプタに支持される。冷却流体
は、反応外筒の外側に沿って流れるように、装置上部か
ら反応外筒接線方向に吹込まれ、下部から排出される。
このシステムでは、反応内筒内側に位置する加熱コイル
の残熱の影響が断切れない為、冷却効果が低く、また被
処理物であるウェハ等の表裏に多きな温度差を生じさせ
る為、急冷は同ウェハ等を歪ませる原因となるという問
題がある。
従って本発明の目的は、−被処理物内の熱履歴の均一性
、同時処理の複数の被処理物間における熱履歴の同一性
を得る為、反応領域全体を均一温度に維持しながら冷却
することが可能な熱処理装置における反応管冷却システ
ムを提供することである。
また本発明の他の目的は、確実な反応の制御、プロセス
時間の短縮を図る為、反応領域全体を均一温度に維持し
ながら急冷することが可能な熱処理装置における反応管
冷却システムを提供することである。
〔発明の構成〕
（課屈を解決するための手段） この発明はヒータ部に冷却用流体を螺旋状に流すことを
特徴とする。
（作用） この発明は反応管内をヒータにより熱処理し、降温する
際、ヒータ部に冷却流体を螺旋状に流すことにより急速
降温、急速温度制御を可能にしたことを特徴とする。
（実施例） 次に本発明装置をバッチ処理の縦型熱処理装置に適用し
た実施例を説明する。
第１図図示の本発明に係る反応管冷却システムの第１実
施例が配設された縦型熱処理装置１０の中心には、石英
等により円筒状に形成された反応管（プロセスチューブ
）１２がほぼ垂直に配置される。
反応管１２の頂部には所定の反応ガスを導入する為の配
管１４が接続され、これは図示されないガス供給源に連
通ずる。また反応管１２の底部には排気配管１６が接続
され、これは図示されない回収部に連通する。
反応管１２内に均熱領域１８を形成する為、反応管１２
の外周囲に、炭化ケイ素等からなる均熱管２２が同軸的
に配設され、更に、均熱管２２の外周囲に、その外側面
と間隔をおいて加熱装置例えばコイル状ヒータ２４が巻
回される。反応管の外径、均熱管の内径、ヒータの内径
は夫々２０８ａ＋＋、　２５０ｍｍ、　２８５ｍとなっ
ている。ヒータ２４の外周囲には断熱材２６が配設され
、この断熱材の内周囲壁面はち密且つ平滑に形成され、
冷却流体流による塵埃の発生が防止される。
断熱材２６の外側下部には、第２図図示の如く、図示さ
れないブロワ等に接続された冷却流体導入配管３２が設
置され、この配管３２から周囲９０″′間隔で４つの導
入ノズル３４が内側に向けて突設される。
導入ノズル３４は断熱材２６を貫通し、その先端はヒー
タ２４が位置する均熱管２２と断熱材２６との間の間隙
部に至る。各導入ノズル３４先端の吹出し口３６は、第
２図に矢印で示されるように、上側から見た水平面内で
反時計方向に向けて冷却流体を噴出するように配向され
る。
断熱材２６の外側上部には、図示されない吸引手段に接
続された冷却流体排出配管４２が、冷却流体導入配管３
２と同様な態様で配置され、この配管４２から周囲９０
°間隔で４つの排出ノズル４４が内側に向けて突設され
る。排出ノズル４４は導入ノズル３４と類似の形状を有
するが、排出ノズル４４の開口４６は、導入ノズル３４
の吹呂し口３６とは反対向きに配向される。
使用時において、上記縦型熱処理装置ｌＯでは、反応管
１２内部は予めヒータ２４により所定の処理温度例えば
数百度乃至十数百度に加熱され、下部開口から図示しな
いボートエレベータ等により、ウェハボート２８上に複
数載置された半導体ウェハＷ等の被処理物がロードされ
る。そして５ＩＨ４１０□。
Ｂ、ＨＧ、　ＰＨ，等の所定の反応ガスが反応管１２内
に流され、成膜或いは拡散等の処理が行われる。
反応停止等の理由で反応管１２内が急速に冷却されるよ
うな場合は、冷却流体導入配管３２がらチルドエア等の
冷却流体が送出され、３０分間程度の強制空冷が行われ
る。エアは、導入ノズル３４からヒータ２４が位置する
均熱管２２と断熱材２６との間の間隙部に水平（上側か
ら見て反時計方向）に噴出され、ヒータ２４の熱により
、均熱管２２の周囲を回転しながら螺旋状に上昇し、排
出ノズル４４がら排出される。従ってこのエア流により
ヒータ２４が直接冷却され、これと共に反応管１２内が
冷却される。
またこのエア流は、均熱管２２の周囲を回転しながら螺
旋状に上昇する為、水平面内における温度の均一性が得
られることとなる。
第３図図示の本発明に係る反応管冷却システムの第２実
施例が配設された縦型熱処理装置５０は、上記縦型熱処
理装置１０と基本的に同一の構造をなす。従って、第３
図中、装置１０．５０の共通する部材には第１図中と同
一符号が付されている。
はぼ垂直に配置された反応管１２の頂部には所定の反応
ガスを導入する為の配管１４が接続され、これは図示さ
れないガス供給源に連通ずる。また反応管１２の底部に
は排気配管１６が接続され、これは図示されない回収部
に連通ずる。
反応管１２内に均熱領域１８を形成する為、反応管１２
の外周囲に、炭化ケイ素等からなる均熱管２２が同軸的
に配設され、更に、均熱管２２の外周囲に、その外側面
と間隔をおいて加熱装置例えばコイル状ヒータ２４が巻
回される。反応管の外径、均熱管の内径、ヒータの内径
は夫々２０８■、２５０■、２８５１となっている。ヒ
ータ２４の外周囲には断熱材２６が配設され、この断熱
材の内周囲壁面はち密且つ平滑に形成される。
本装置５０にあっては、ヒータ２４が装置５０の下部Ａ
、中央部Ｂ、上部Ｃの３つの区域に分けて独立的に操作
できるように構成され、反応管１２の均熱領域１８の制
御を確実に行えるようになっている。
反応管１２の均熱領域１８の温度は均熱領域１８に沿っ
て複数箇所に配置された熱電対等の図示されないセンサ
により随時検知され、この検知温度は図示されない制御
機構に伝達される。制御機構はこの温度情報に基づきヒ
ータ２４に対する電力の調整。
或いは後述される各冷却流体導入ノズル５４における流
体流量の調整を行う。
冷却流体導入ノズル５４は、水平方向においては第４図
図示の如く、反応管１２に対して周囲９０°間隔で４箇
所配置されるが、垂直方向においては第３図図示の如く
、上記３つの区域に対応して、下部Ａに１組、中央部Ｂ
に２組、上部Ｃに３組の、合計６組の導入ノズル５４が
配設される。導入ノズル５４はセラミック製で、６−８
ｍの内径を有する。
導入ノズル５４は断熱材２６及び均熱管２２に穿設され
た孔を貫通し、その先端が反応管１２と均熱管２２との
間の間隙部に至る。各導入ノズル５４先端の吹出し口５
６は、第４図図示の如く、上側から見た水平面内で反時
計方向に向けて冷却流体を噴出するように配向される。
各導入ノズル５４は、配管５２を介してマニホルド６２
に接続され、他方マニホルド６２は図示されないブロワ
等の手段を介して冷却流体供給源５８に連通ずる。マニ
ホルド６２近傍には、各ノズル５４の配管５２毎に調整
弁６４が配設され、各ノズル５４毎に独立的に冷却流体
の流量を調整し得るようになっている。
また各導入ノズル５４は、断熱材２６の外側で、垂直方
向に並ぶ６本が同一の支持板６６に固定され、他方支持
板６６は両側をエアシリンダ６８のピストンロッド７２
に取付けられる。従ってエアシリンダ６８の駆動により
支持板６６は断熱材２６外面に対して接近及び離反し、
これに伴って各導入ノズル５４は、先端が均熱管２２の
内面から突出して反応管１２に接近する突出位置と、先
端が均熱管２２の内面に引込む退避位置との間を移動し
得るようになっている。
断熱材２６の外側上部には、吸引手段に接続された冷却
流体排出管４２が上記第１及び第２図図示実施例と同様
な態様で設置され、この配管４２がら周囲９０＃間隔で
４つの排出ノズル７４が内側に向けて突設される。排出
ノズル７４は均熱管２２を貫通し、その先端の吹込み口
は反応管１２と均熱管２２との間の間隙部に開口する。
第３図において、導入ノズル５４から冷却流体供給源５
８に至る配管構造、及びノズル５４を駆動する為の支持
板６６、エアシリンダ６８等の構造は、第３図中右側の
垂直方向に並ぶ６本の導入ノズル５４に関してのみ示さ
れるが、反応９１２に対して周囲９０°間隔で配置され
た他の３箇所の垂直列の導入ノズル５４についても同様
な構造となっている。
使用時において、上記縦型熱処理装置５０では、反応管
１２内部は予めヒータ２４により所定の処理温度に加熱
され、下部開口から被処理物例えばウェハボート２８上
に複数載置された半導体ウェハＷがロードされる。そし
て反応管１２内に所定の反応ガスが流され、成膜或いは
拡散等の処理が行われる。
この反応管１２の加熱時は５図示されない制御機構によ
り、全導入ノズル５４が退避位置に存在するように、エ
アシリンダ６８が操作される。従って導入ノズル５４は
均熱管２２の内面から引込んだ状態に係留され、ノズル
５４を介しての熱の伝導等による熱効率の低下が防止さ
れる。
反応管１２内が急速に冷却されるような場合は、先ず図
示されない制御機構によりエアシリンダ６８が操作され
、全導入ノズル５４は、先端が均熱管２２の内面から突
出して反応管１２に接近する突出位置に移動される。そ
して各ノズル５４に連携する流量調整弁６４が開放され
、０．１〜ｌＯｍ’／ｗｉｎ、例えば３■）７’＋ｉｎ
のチルドエア等の冷却流体が、各導入ノズル５４の吹出
し口５６を通して反応管１２と均熱管２２との間の間隙
部に供給され、３０分間程度の強制空冷が行われる。各
導入ノズル５４からの各エアは、反応管１２の周囲に水
平（上側から見て反時計方向）に噴出され、反応管１２
の熱を吸収することにより、反応管１２の周囲を回転し
ながら螺旋状に上昇し、最終的に最上部の排出ノズル７
４を通して排出される。前述の如く反応管１２の均熱領
域１８の温度はセンサにより随時検知され、この検知温
度に応じて各導入ノズル５４から冷却流体流量が個別に
調整される。流量の調整は、制御機構が上記検知温度情
報に基づき各制御弁６４を作動させ、その開度を変更さ
せることにより行われる。
この実施例においては、上記各エア即ち冷却流体流が、
反応管１２の周囲を回転しながら螺旋状に上昇する為、
水平面内における温度の均一性が得られるだけでなく、
反応管１２の長手方向に沿った複数箇所から冷却流体が
吹出され、且つ各流体流量が検知温度情報に応じて変更
される為、均熱領域１８の長手に沿った垂直方向におけ
る温度の均一性も保証されることとなる。また上記冷却
流体の複合流により反応管１２が直接冷却される為、高
い冷却効率が得られると共に、高温状態のヒータ２４に
エア等の冷却流体が直接接触することによる酸化等の冷
却流体の予想される悪影響が回避される。
第５図は本発明に係る反応管冷却システムの第３実施例
が配設された縦型熱処理装置１００を示す。
はぼ水平に配置された反応管１０２の一端には所定の反
応ガスを導入する為の配管１０４が接続され。
これはガス供給源１１２に連通する。また反応管１０２
の他端部は蓋１１６の付いたエンドキャップ１１４によ
り閉鎖され、該キャップ１１４には回収部１１８に連通
ずる排気配管１０６が接続される。
反応管１０２内に均熱領域１０８を形成する為、反応管
１０２の外周囲に、炭化ケイ素等からなる均熱管１２２
が同軸的に配設され、更に、均熱管１２２の外周囲に、
その外側面と間隔をおいて加熱装置例えばコイル状ヒー
タ１２４が巻回される。ヒータ１２４の外周囲には断熱
材１２６が配設され、この断熱材の内周囲壁面はち密且
つ平滑に形成される。
反応管１０２の均熱領域１０８の温度は均熱領域１０８
に沿って３箇所に配置された熱電対等のセンサ１１０に
より随時検知され、この検知温度は図示されない制御機
構に伝達される。制御機構はこの温度情報に基づきヒー
タ１２４に対する電力の調整、或いは後述される各冷却
流体導入ノズル１３４における流体流量の調整を行う。
第６図図示の如く、反応管１０２の最下部に対向して、
複数の冷却流体導入ノズル１３４が概ね均熱領域の全長
に亘って一例に配置される。第５図においては、作図の
都合上９本のノズルが示される゛が、実際は反応管のサ
イズ等に応じて１５本或いはそれ以上の本数のノズルが
設けられる。導入ノズル５４はセラミック製で、６６−
８ｒの内径を有する。
導入ノズル１３４は断熱材１２６及び均熱管１２２に穿
設されたスリットを貫通し、その先端が反応管１０２と
均熱管１２２との間の間隙部に至る。各導入ノズル１３
４先端の吹出し口１３６は、第６図図示の如く、横方向
から見た垂直面内で反応管１０２の周囲方向両側に向け
て冷却流体を噴出するように配向される。
各導入ノズル１３４は、配管１３２を介してマニホルド
１４２に接続され、他方マニホルド１４２は図示されな
いブロワを介して冷却流体供給源１３８に連通ずる。マ
ニホルド１４２近傍には、各ノズル１３４の配管１３２
毎に調整弁１４４が配設され、各ノズル１３４毎に独立
的に冷却流体の流量を調整し得るようになっている。
また各導入ノズル１３４は、断熱材１２６の外側で同一
の支持板１４６に固定され、他方支持板１４６は両側を
エアシリンダ１４８のピストンロッド１５２に取付けら
れる。従ってエアシリンダ１４８の駆動により支持板１
４６は断熱材１２６外面に対して接近及び離反し、これ
に伴って各導入ノズル１３４は、先端が均熱管１２２の
内面から突出して反応管１０２に接近する突出位置と、
先端が均熱管１２２の内面に引込む退避位置との間を移
動し得るようになっている。
反応管１０２の最上部の長手方向両端に対向して冷却流
体排出ノズル１５４が設置される。排出ノズル１５４は
断熱材１２６の外側で図示されない吸引手段に接続され
る一方、断熱材１２６の内側では均熱管１２２を貫通し
、その先端の吹込み口は反応管１０２と均熱管１２２と
の間の間隙部に開口する。
使用時において、上記縦型熱処理装置５０では、反応管
１０２内部は予めヒータ１２４により所定の処理温度に
加熱され、次にエンドキャップ１１４の蓋１１６が開放
されて被処理物例えばウェハボート１２８上に複数載置
された半導体ウェハＷがソフトランディング等によりロ
ードされる。そして反応管１０２内に所定の反応ガスが
流され、成膜或いは拡散等の処理が行われる。この反応
管１０２の加熱時は、図示されない制御機構により、全
導入ノズル１３４が退避位置に存在するように、エアシ
リンダ１４８が操作される。従って導入ノズル１３４は
均熱管１２２の内面から引込んだ状態に係留され、ノズ
ル１３４を介しての熱の伝導等による熱効率の以下が防
止される。
反応管１０２内が急速に冷却されるような場合は、先ず
図示されない制御機構によりエアシリンダ１４８が操作
され、全導入ノズル１３４は、先端が均熱管１２２の内
面から突出して反応管１０２に接近する突出位置に移動
される。そして各ノズル１３４に連携する流量調整弁１
４４が開放され、０．１−Ｉｏｎ’／ｍ１ｎｅ例えば３
　ｍ３／　ｍｉｎのチルドエア等の冷却流体が、各導入
ノズル１３４の吹出し口１３６を通して反応管１０２と
均熱管１２２との間の間隙部に供給され、３０分間程度
の強制空冷が行われる。各導入ノズル１３４からの各エ
アは、反応管１０２の周囲方向に両側に噴出され、反応
管１０２の周囲方向においては第６図図示の軌道を辿る
と共に、反応管１０２の長手方向においては、反応管１
０２長手方向両端の排出ノズル１５４を介して影響する
吸引手段に引かれ、概ね第７図の軌道を辿って移動する
。移動に伴ってエアは反応管１０２の熱を吸収し、最終
的に両排出ノズル１５４を通して排出される。前述の如
く反応管１０２の均熱領域１０８の温度はセンサにより
随時検知され、この検知温度に応じて各導入ノズル１３
４からの冷却流体流量が個別に調整される。流量の調整
は、制御機構が上記検知温度情報に基づき各制御弁１４
４　を作動させ、その開度を変更させることにより行わ
れる。
この実施例においては、検知温度情報に応じて変更され
た流量で、均熱領域１０８の概ね全長に亘る複数箇所か
らエア即ち冷却流体が吹出され、且つ両端の排出ノズル
１５４に向けて吸引される為。
均熱領域Ｉ８の長手に沿った水平方向と、これと直交す
る垂直方向の両方向における温度の均一性が得られる。
また上記冷却流体の複合流により反応管１２が直接冷却
される為、高い冷却効率が得られると共に、高温状態の
ヒータ２４にエア等の冷却流体が直接接触することによ
る酸化等の冷却流体の予想される悪影響が回避される。
以上本発明の詳細は、添付の図面に示される望ましい実
施例に従って説明されてきたが、これら実施例に対して
は、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更、改良
が可能となることは明白である。
さらに、上記実施例では熱処理炉に適用した例について
説明したが、拡散炉、酸化炉、ＣＶＤ炉、プラズマＣＶ
Ｄ炉など何れにも適用できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、ヒータ部に冷却用
流体を螺旋状に流す構成にしたので、降温、冷却温度制
御などを効率よく高速に実施できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明装置の一実施例を説明するための説明図
、第２図は第１図の冷却流体の流れ状態説明図、第３図
は第１図の他の実施例説明図、第４図は第２図の他の実
施例説明図、第５図は第１図の他の実施例説明図、第６
図は第５図の冷却流体の流れ状態説明図、第７図は第５
図装置の長・平方向での冷却流体の流れ状態説明図であ
る。 １２・・・反応管　　　　　　　２４・・・ヒータ２．
２・・・均熱管　　　　　　　３４・・・導入ノズル３
６・・・吹出し口

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）内部に被処理物を収容する反応管を囲繞する如く
    ヒータを設けた熱処理装置において、前記反応管内温度
    を降温するに際し、前記ヒータ部に、冷却用流体を螺旋
    状に流す手段を設けたことを特徴とする熱処理装置。
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