JPH0379985A - 電気炉の温度制御方法 - Google Patents

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】

【産業上の利用分野１ 本発明は、半導体ウェーハを熱処理する電気炉の炉内温
度を、短時間で所定温度に安定させる制御方法に関する
ものである。 【従来技術】 この種の電気炉に限って従来例を検討すると、適切な温
度４１１ｍ方法は見当たらないが、「気相成長方法」に
おいて、同様の温度制御を行っているものが、特開昭６
１−１３６１７号公報に開示されている。この従来例に
よる温度！１Ｊ［Ｉは、反応室内のサセプタに半導体基
板（ウェーハ）を載置し、そのサセプタを加熱すること
によりウェーハを間接的に加熱し、その表面に気相を成
長させるものであり、前記サセプタの加熱温度を調整し
ようとするものである。 この場合に、一般的な加熱手段による昇温からｆｆ１ｌ
への移行において、オーバシュートが生ずることを明ら
かにし、このオーバシュートを改善するための手段とし
て、最も高温となるサセプタの外周側の温度を検出し、
それによって昇温をｔｉ制御することが開示されている
。 そして一般的には、第３〜４図に示したように、電気炉
においてもランプアップから恒温、即ち平衡温度への移
行において、オーバシュート現象が生ずる。即ち、第３
図に示した縦型の電気炉の構成は外側から第１カバー１
、第２カバー２、断熱材３、セラミックのスペーサ４、
金属発熱体（ヒータ）５、ライナーチューブ（灼熱管）
６、プロセスチューブ（反応管〉７で構成され、その反
応管内に石英ボート８に搭載した半導体ウェーハ等の被
処理物９が収納され、前記金属発熱体５に通電して断熱
材３から内側の炉内温度を、例えば室温から１２００℃
（１２５０℃〉まで加熱（ランプアップ）するには、夫
々の材質に対応して、体積×比重量×比熱吊×潟度差に
相当する熱容量を与えることで、目的の温度に到達する
。又、上記の相当する熱容量を与えても直ちに目的の温
度に到達せず、各物質特有の熱伝導度、熱伝達率等によ
って制限される。 そこで、電気炉における炉内温度を例えば平衡温度の１
２００℃にするために、ヒータ５に通電してランプアッ
プさせると、熱電対Ａで検出した加熱領域の温度は、第
４図に線ａで示したように昇温し、熱電対Ｂで検出した
炉内温度（反応管内温度）がＣで示したように昇温し１
２００℃になったことを検出した段階で、じ−夕５への
通電をストップし、自然放冷により炉内温度をランプダ
ウンさせることになるが、ヒータ５への通電をストップ
しても、第４図から理解できるように直らに検出温度、
即ち１２００℃で安定するわけではなく、前記電気炉の
構成部材の特有の熱伝導度及び熱伝達率等によって、オ
ーバシュート分すが発生する。そして、自然放冷によっ
て炉内温度をランプダウンさせる場合も、その温度が１
２００℃になったことを検出した段階で、その温度を維
持するための容量の電流を再度ヒータに通電するが、ラ
ンプダウンがやはり前記同様に構成部材の特性によって
１２００℃を一時的に下回ることになり、再度の加熱に
よって徐々に昇温し、設定した恒温に至るまでにそれな
りの時間が掛かる。通常、この時間ｔは１０〜３０分程
度である。 従って、従来の電気炉においては、短時間での平衡温度
維持及びそれに伴う作業性に課題を有しているのである
。 ［［ｆｌを解決するための手段］ 前記従来例の課題を解決する具体的手段として本発明は
、反応管の外周面に配設されたヒータを含む加熱Ｔ４域
に冷部媒体を適宜供給し、ランプアップによるオーバシ
ュートを抑制して短時間で炉内温度を安定させることを
特徴とする電気炉の温度制御方法を提供するものであり
、前記炉内温度が所望温度に到達した時又はその直前に
加熱領域に冷却媒体を供給し、オーバシュートを防止す
るようにしたものであり、そして前記冷却媒体の供給手
段としてラジェター及びブロアーが加熱領域を含む循環
路に設けられ、該ブロアーの駆動を周波数インバーター
によって回転速度を制御して駆動するようにすると共に
、冷却媒体は電気炉の加熱領域とラジェター及びブロア
ーを含む閉ループ循環路中を循環させるようにしたもの
であり、電気炉の熱処理における立上りの加熱工程で、
高速ランプアップを図っても、冷却媒体の適宜の供給に
よってオーバシュート分を抑制し、速やかに炉内温度を
平衡温度に安定させることができるので、熱処理の作業
時間が短縮でき、熱処理の作業性を著しく向上させるこ
とができるのである。

【実施例】

次に本発明を図示の実施例により更に詳しく説明する。 尚、理解を容易にするため従来例と同一部分には同一符
号を付してその詳細は省略する。 第１図において、縦型の電気炉は第１カバー１、第２カ
バー２、断熱材３、セラミックのスペーサ４、ヒータ５
、均熱管６（これには限定されないが、温度制御を容易
にするために、その厚さが２゜０〜５．０ｍ＋であるこ
とが好ましい〉、プロセスチコープ（反応管）７で構成
され、その反応管内に石英ボート８に搭載した半導体ウ
ェー八等の被処理物９が収納されて熱処理されるもので
ある。 そして、前記ヒータ５が配設されている断熱材３と均熱
管６との間が加熱領域１０となるのである。 このような電気炉において、温度調整するために、前記
反応管７を外部から冷部させなければならない、従って
その外周面、即ち前記加熱領域１０に冷却媒体を導入し
て流通させる流路１１．１２を上下に間口させ、これ等
流路に冷却媒体を導入する手段、ＫＪ＃３冷却システム
１３が接続される。 この場合に、前記冷却システム１３はラジェター１４、
フィルター１５及びブロアー１６が循環路１γを介して
一連に接続された構成にし、前記ブロアー１６はモータ
１８により駆動され、該モータ１８はその駆動が周波数
インバーター１９により制御されるように構成されてい
る。そして、前記周波数インバーター１９はその出力周
波数を適宜設定できる制御部を有し、該制御部を適宜セ
ットするか又は、前記反応管７内に配設した例えば１度
管理用の熱雷対等のセンサーを利用して制御されるよう
に構成されている。このような構成の冷却システム１３
はバルブ２０を介し、循環路１７が補助バイブ２１．２
２を介して前記流路１１．１２に一連に接続され、前記
ラジェター１４、フィルター１５及びブロアー１６から
なる冷却システム１３の循環路１γからの冷却媒体が前
記加熱領域１０を通る閉ループ循環路中を循環するよう
に構成されている。尚、冷却媒体としてＮ２等の不活性
ガスが使用される場合には、不活性ガス供給手段３０が
循環路１７に接続される。そして、循環路１７は常に不
活性ガス等で満たされるように調整される。尚、この不
活性ガス供給手段３０は０Ｎ１０「「バルブ３１、流量
計３２、不活性ガス供給源３３から構成されることが好
ましい。 このように冷却システム１３を付加することにより、実
際に稼動させると、第２図のグラフに示したように温度
調整ができる。即ち、反応管７内の温度を例えば８００
℃程度にしておいて被処理物９を収納し、前記ヒータ５
に作業性を考慮して、平行温度維持客員以上の通電をし
てランプアップさせることで、加熱領域１０の温度が急
勾配をもって上昇し、均熱管６を介して反応管７内の温
度もそれに伴って順次上昇する。この上昇において、例
えばｌＪａのような急勾配をもって内部温度が上昇し、
炉内温度が１２００℃を検知した時又はその直前に、ヒ
ータ５への通電を中止するか、又は弱める。そして、そ
れと同時に冷却システム１３を駆動し、前記加熱領域１
０に冷ｍ媒体を流通させることにより、ヒータ５、均熱
管６及び反応管７の外周面を冷却して強制的にランプダ
ウンさせる。 しかしながら多少のオーバシュートｂは生ずる。 このランプダウンにより炉内温度が再び１２００℃に達
した時に、直ちに冷がシステム１３の駆動を中止し、前
記ヒータ５に対して平衡温度を維持する容量の通電を行
う。 この場合に、ランプダウンにより加熱領［１０の温度も
一時的に１２００℃以下に下がるが、ヒータ５、均熱管
６及び反応管７自体は、それ等の構成部材の特有の熱伝
導度及び熱伝達率等によって表面の温度のみが一時的に
１２００℃以下に下がることになり、ピータ５に対して
平衡温度を維持する容量の通電を行っても、前記冷却の
影響を受けて急激にランプダウンし、所定の時差をもっ
て反応管７の内部温度、即ち炉内温度もオーバシュート
ｂから降下して一時的に１２００℃以下になる。しかし
ながら、炉内温度を検出してその領域の温度が１２００
℃以下になった時に、直ちにヒータ５に対して平衡温度
を維持する容量の通電を行うので、炉内温度がそれほど
太きく１２００℃を下回らないうちに、加熱領域１０内
が平衡温度維持に必要な温度に加熱されることにより、
炉内温度も比較的早く平衡温度を維持するようになる。 この場合の時Ｉｔは略３〜５分程度である。 反応管７の内部温度、即ち炉内温度が平衡温度に保たれ
た状態において、反応管７の内部に適宜の反応ガスを供
給して、所定時間に亘る熱処理をする。尚、熱処理が終
了した時点で、被処理物９を取り出す場合に、単にヒー
タ５への通電を中止して放冷させるだけでは時間が掛か
るため、前記冷却システム１３を駆動して例えば炉内温
度を８００℃まで冷却する。 この場合にも、前記加熱領域１０に冷却媒体を流通させ
て、強制的に冷却速度５〜１０℃／Ｉｌｎで８００℃ま
で冷却を行う。例えば５℃／■ｉｎで冷却する場合に１
、モータ１８の駆動を周波数インバーター１９によりυ
１１１１することにより、ブロアー１６の駆動が制御さ
れ、循環路１１を循環する冷却媒体の流量を調整するの
である。つまり、使用される周波数インバーター１９は
３〜１２０口２の間でその周波数が可変であり、適宜制
御部から設定された出力信号（例えば、ＤＣＯ〜５ｖ１
０〜１０ｖ１５〜２０ｍＡ　）によってその周波数が調
整され、それによってモータ１８の回転数が設定される
。そして、流通する冷却媒体の流通量はモータの回転数
に比例し、且つ前記領域５を通過する冷組媒体による冷
却は、温度差（入る時と出る時）×冷却媒体の密度×体
積に基ずくものであり、この関係を利用して前記周波数
インバーター１９による出力を制御するのである。 このように制御することにより、冷却媒体が途切れるこ
となく連続して流通し、その流通量だけが制御されるた
め、緩やかな下降線、即ち理想的な冷却スロープ線ｄを
描いて順次冷却されるのである。尚、使用される冷却媒
体としては、例えばＮ２等の不活性ガスが使用される場
合は、前述の不活性ガス供給手段が必要であるが、冷却
媒体が大気である場合は必要ではない。 尚、前記説明においては、ウェルタイプ（井戸型）の炉
について説明したが、これに限定されることなく例えば
、ベルタイプ又は横方炉に適用しでも同一の機能を発揮
することは云うまでもない。 又、冷却媒体の循環方向においても、下から上に、若し
くは上から下に循環させても同様の機能を発揮すること
は勿論である。 【発明の効果１ 以上説明したように本発明に係る電気炉の温度制御方法
は、反応管の外周面に配設されたヒータを含む加熱領域
に冷却媒体を適宜供給し、ランプアップによるオーバシ
ュートを抑！１１シて短時間で炉内温度を安定させるよ
うにしたことにより、電気炉の熱処理における立上りの
加熱工程で、高速ランプアップを図っても、冷却媒体の
適宜の供給によってオーバシュート分を抑制し、速やか
に炉内温度を平衡温度に安定させることができるので、
熱処理の作業時間が短縮でき、１つの電気炉における熱
処理の作業性を著しく向上させることができると云う優
れた効果を奏する。 又、前記冷却媒体の供給手段としてラジェター及びブロ
アーが加熱領域を含む循環路に設けられ、該ブロアーの
駆動を周波数インバーターによって回転速度を制御して
駆動するようにしたことにより、前記オーバシュート分
を抑制し、速やかに炉内温度を平衡温度に安定させると
共に、熱処理後に予定された温度まで速やかに且つ安定
した温度降下をもってランプダウンさせることもでき、
それによって１つの電気炉における熱処理の作業性を著
しく向上させることができると云う優れた効果も奏する
。 更に、冷却媒体は電気炉の加熱領域とラジェター及びブ
ロアーを含む閉ループ循環路中を循環させるようにした
ことにより、クリーンルームを汚染することなく常にク
リーンに保つことができると云う優れた効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の温度制御方法を実施づる電気炉の要部
のみを略示的に示した説明図、第２図は同制御方法を実
施したときの温度状態を示すグラフ、第３図は従来例の
電気炉の要部のみを略示的に示した説明図、第４図は同
従来例における電気炉の温度状態を示すグラフである。 １・・・・・・第１カバー　　２・・・・・・第２カバ
ー３・・・・・・断熱材　　　　４・・・・・・スペー
サ５・・・・・・ヒータ　　　　６・・・・・・均熱管
７・・・・・・反応管　　　　８・・・・・・石英ボー
ト９・・・・・・被処理物　　　１０・・・・・・加熱
領域１１．１２・・・流路　　　　１３・・・・・・冷
却システム１４・・・・・・ラジェター　　１５・・・
・・・フィルター１６・・・・・・ブロアー　　　１７
・・・・・・循環路１８・・・・・・モータ　　　　１
９・・・・・・インバーター２０・・・・・・パルプ　
　　　２１．２２・・・補助パイプ３０・・・・・・不
活性ガス供給手段 ３１・・・・・・バルブ　　　　３２・・・・・・流量
計３３・・・・・・不活性ガス供給源 Ａ、Ｂ・・・・・・熱電対

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応管の外周面に配設されたヒータを含む加熱領
   域に冷却媒体を適宜供給し、ランプアップによるオーバ
   シュートを抑制して短時間で炉内温度を安定させること
   を特徴とする電気炉の温度制御方法。
2. （２）炉内温度が所望温度に到達した時又はその直前に
   加熱領域に冷却媒体を供給し、オーバシュートを防止し
   たことを特徴とする請求項（１）記載の電気炉の温度制
   御方法。
3. （３）冷却媒体の供給手段としてラジエター及びブロア
   ーが加熱領域を含む循環路に設けられ、該ブロアーの駆
   動を周波数インバーターによって回転速度を制御して駆
   動するようにしたことを特徴とする請求項（１）又は（
   ２）記載の電気炉の温度制御方法。
4. （４）冷却媒体は電気炉の加熱領域とラジエター及びブ
   ロアーを含む閉ループ循環路中を循環させるようにした
   請求項（１）、（２）又は（３）記載の電気炉の温度制
   御方法。