JPH0740508B2 - 半導体熱処理炉用ヒ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、半導体熱処理炉用ヒータに関する。

従来の技術 半導体製造工程中のたとえばSiウェーハは、不純物拡散
処理や酸化処理等の熱処理が施される。

たとえば、ウェーハはウェーハボートに載せて、熱処理
に際しては熱処理炉（拡散炉）にある均熱管と炉芯管を
兼ねたプロセスチューブ内にソフトランディング方式で
搬入する。すなわち、プロセスチューブの内部へウェー
ハボートをプロセスチューブ内壁に接触させずにプロセ
スチューブ内の空間を移動して搬入するのである。

このSi−再結晶質炭化珪素体製のプロセスチューブある
いは石英ガラス炉芯管を覆っている均熱管等の熱処理炉
用管には、その周囲に加熱用のヒータが覆うように設け
てある。従来、このヒータはたとえばコイル状に配置さ
れたニクロム線などの金属製の発熱体であり、プロセス
チューブ内の温度制御を行ない、ウェーハを均一に加熱
する目的で使用される。

発明が解決しようとする問題点 ところが、近年半導体ウェーハの大口径化が進み、プロ
セスチューブも大口径のものが使用されている。

したがって、従来の金属製ヒータで大口径のプロセスチ
ューブを高温に加熱するためには、ヒータの電流密度を
大きくしなければならず、ヒータが加速度的に劣化し、
温度ムラやヒータの断線が生じたり、ヒータがダレてヒ
ータとプロセスチューブとが接触してプロセスチューブ
が割れる等の問題があった。

このヒータがダレるのを防止するため、絶縁硝子などに
より上部保持をする必要があり構造が複雑化している。

また、ヒータが断線すると、その交換が大変面倒であ
る。

また、金属製ヒータが高温になると金属の不純物が揮散
して熱処理中のウェーハに悪影響を与える。

またプロセスチューブが大口径になると金属ヒータの温
度を高くしなければならず、ヒータのダレによる影響を
少なくするためにヒータとチューブの径差を大きくしな
ければならない。このため、プロセスチューブ内の温度
応答性が悪くなり、温度制御がむつかしく、精度が低下
する。

発明の目的 この発明は、上記問題点を解決するためになされたもの
であり、構造が簡単で、容易にヒータへの電流の付加密
度を大きくできるので大口径の熱処理炉であってもウェ
ーハを均一に加熱できるとともに、金属製ヒータのよう
に高温で変形したり温度ムラやヒータの断線が生じるこ
とがなく、耐久性を向上でき、しかも高温において熱処
理中のウェーハに悪影響を与えない半導体熱処理炉用ヒ
ータを提供することを目的とする。

発明の要旨 この目的を達成するためにこの発明は、気孔率が10〜21
％である再結晶質炭化珪素体でリング状、スパイラル状
又は多穴円筒状に形成されていることを特徴とする半導
体熱処理炉用ヒータを要旨としている。

実施例 第１図を参照すると、ヒータ２は、再結晶質炭化珪素体
粉末に熱硬化性バインダー（樹脂）を混合して押出成形
により成形してなる。そして2100℃で再結晶化する。ま
た、ヒータ２はSiをさらに含浸してケイ化してもよい。

また、ヒータ２の形状は、リング状（後述の実施例
１）、スパイラル状（後述の実施例２）、又は多穴円筒
状（後述の実施例３）にする。

ヒータ22の気孔率は、10〜21％であり、従来得られた再
結晶質炭化珪素体の気孔率が23〜25％であることから、
これに比較して緻密であり、熱処理炉（拡散炉）のヒー
タとして最適である。すなわち、処理中、ヒータ22の変
形は少なく、緻密であるこから酸化しにくいため劣化が
少ない。

再結晶質炭化珪素からなるヒータ22の気孔率は、10％未
満であると、半導体熱処理炉は、急激な昇温・降温の繰
り返しが頻繁に行われるため、耐熱衝撃性が低く、クラ
ック発生などで強度劣化が生ずる。また、21％を超える
と、緻密性が低く、再結晶質炭化珪素の酸化がより顕著
となる。この酸化は、ヒータ全域において均等に進行す
るものではなく、局部的にも進行し得る。このことは、
熱処理炉内の半導体への不均一な熱伝導をもたらし、一
定の特性値を必要とする半導体の製造においては大きな
弊害となる。要するに、半導体熱処理炉（拡散炉）用ヒ
ータにとっては、気孔率10〜21％の再結晶質炭化珪素が
最適なのである。

さらに好ましくはヒータの内径と熱処理炉用管（この場
合はプロセスチューブ）の外径の差を20mm以下また、さ
らに好ましくは15mm以下で5mm以上にする。

このように限定するのは次の理由による。

20mm以上を超す場合、プロセスチューブの温度応答性が
悪く、温度制御がむつかしい。熱効率が悪い。

5mm未満の場合、ヒータのコイルの巻数にもよるがプロ
セスチューブにコイルに沿った温度ムラが生じる。

作用 ヒータ２を特別な再結晶質炭化珪素体あるいはSi−再結
晶質炭化珪素体で形成するので、ヒータ２が劣化しな
い。また、このヒータ２は単位面積当りの発熱量を増大
できる。さらに、高温下にてもヒータ２からは金属の不
純物は揮散しない。

実施例１ 以下、この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図は、この発明の半導体熱処理炉用ヒータの実施例
１が配置された半導体熱処理炉であるプロセスチューブ
を示している。

プロセスチューブ１は、石英ガラス材質あるはSi−再結
晶質炭化珪素体材質などからなる。プロセスチューブ１
の外周囲には、複数個のヒータ２が所定間隔で設けられ
ており、このヒータ２に通電することにより、プロセス
チューブ１内の温度制御を行ない、Siのウェーハ３を均
一に加熱できるようになっている。

ヒータ２は、第２図に示すように割り溝４を有するリン
グ形のものであり、電源側に接続される接続部5,6が形
成されている。ヒータ２とプロセスチューブ１の径差は
10mmである。

ヒータ２は、再結晶質炭化珪素体により作られている。
すなわち、ヒータ２は、次のようにして作られている。

平均粒径６μｍの再結晶質炭化珪素体粉末100部に、た
とえばフェノールレジンなどの熱硬化性バインダー（樹
脂）15〜25部を混合する。その混合物は、棒状または管
状などに押し出しながら再結晶質炭化珪素体を成形し、
かつこれをカーボン製管に対してリング状に巻きつけ、
そのあと加熱乾燥して硬化させる。

さらに、これを2100℃で再結晶化させる。

ところで、第１図は８は、ウェーハボート９の搬送用具
である。この搬送用具８は、フォーク状のアーム10と、
ウェーハボート９の支持部11を有していて、石英ガラス
材質あるいは再結晶質炭化珪素体材質などにより作られ
ている。

アーム10の端部12は、搬送用具の搬送装置に固定されて
いる。従来公知の搬送装置としては、たとえばオートロ
ーディング装置が採用できる。このオートローディング
装置は、ウェーハボート９を支持部11に載せて、ウェー
ハボート９をプロセスチューブ１の内壁に接触しないよ
うにプロセスチューブ１内に出し入れできるいわゆるソ
フトランディング機能を有しているものである。このオ
ートローディング装置は、この発明には直接関係しない
ので、ここでは図示およびその詳細な説明を省略する。

実際に作業する際には、第１図に示すようにオートロー
ディング装置によりプロセスチューブ１に搬送用具８に
よりウェーハボート９を挿入する。

所定位置まで挿入されたウェーハボート９は、支持部11
から降ろされプロセスチューブ１内に置かれる。そし
て、ウェーハボート９の各ウェーハ３は、種々の処理を
受ける。

この処理の時に、再結晶質炭化珪素体製のヒータ２は、
従来のニクロム線のヒータに比較すると、ヒータ２の電
流の付加密度が大きくでき、単位面積当りの発熱量を約
７倍にできる。このため、ウェーハ３を均一に加熱でき
る。

さらに、ヒータ２は従来の金属製のヒータとは異なり、
耐熱製が高く加速度的に劣化したり、温度ムラが生じた
り、変形したり、断線することはない。したがって、ヒ
ータ２とプロセスチューブ１とが接触してプロセスチュ
ーブ１が割れたりすることがない。そして、ヒータ２は
ダレることがないので、ダレ防止用の保持構造を必要と
しない。

また、ヒータ２は高温においても金属の不純物が揮散し
ないので、熱処理中のウェーハ３に悪影響を与えない。

このリング状のヒータ２は、温度制御の点から最も好ま
しい形状である。

実施例２ 第３図はヒータの実施例２を示している。ヒータ22は、
コイル状（スパイラル型）をしている。

このヒータ22は次のようにして再結晶質炭化珪素体によ
り作られる。

平均粒径６μｍの再結晶質炭化珪素体粉末100部に、た
とえばフェノールレジンなどの熱硬化性バインダー（樹
脂）15〜25部を混合する。その混合物は、棒状または管
状などに押し出しながら再結晶質炭化珪素体を成形し、
これをカーボン製管に対してコイル状に巻きつけ、その
あと加熱乾燥して硬化させる。

これを2100℃で再結晶化させる。

このようにして作られたヒータ22の寸法例を示せば、ヒ
ータ長2000mm、ヒータ均熱長900mm、ヒータ内径285mm、
ヒータ素線径9.5mmである。

このヒータ22を用い、再結晶質炭化珪素体の均熱管を使
用することで、たとえばヒータ22と均熱管の径差を15mm
とし、炉長2450mmのプロセスチューブ内を、400〜1200
℃の連続使用温度範囲に保つことができ、たとえば1200
℃においては±0.5℃の長期安定度でウェーハを均一に
加熱できる。

ところで、ヒータ22の気孔率は、10〜21％であり、従来
得られた再結晶質炭化珪素体の気孔率が23〜25％である
ことから、これに比較して緻密であり、熱処理炉（拡散
炉）のヒータとして量適である。すなわち、処理中、ヒ
ータ22の変形は少なく、緻密であることから酸化しにく
いため劣化が少ない。

実施例３ 次に、第４図に示すヒータ32は、円筒状のものでハニカ
ム状の穴33および長円形状の穴34が多数形成されてい
る。このヒータ32も実施例1,2とほぼ同様に作られる。
すなわち、平均粒径６μｍの再結晶質炭化珪素体粉末10
0部に熱硬化性バインダー15〜25部を混合して上記の形
状に成形し、この再結晶質炭化珪素体を加熱乾燥して硬
化させて2100℃で再結晶化させる。

なお、この発明のヒータは上記の実施例に限定されるも
のではない。

たとえば、上述した実施例１〜３のヒータ2,22,32は、
さらにそれぞれSiを含浸してケイ化することで強度をさ
らに高くできるとともに、耐酸化性を向上できる。

発明の効果 （１）ヒータを再結晶質炭化珪素体あるいはSi−再結晶
質炭化珪素体で形成することにより、高温での変形や劣
化が小さくヒータの耐久性を向上できる。したがって、
温度ムラやヒータが断線したり、ヒータと熱処理炉が接
触して熱処理炉が割れるなどの問題が生じない。また、
ダレがなく保持構造を必要とせず構造が簡単である。

さらに、ダレがないので熱処理炉用管とヒータの径差を
最適な値とすることができ、温度制御が容易で精度が向
上する。

（２）再結晶質炭化珪素体ヒータあるいはSi−再結晶質
炭化珪素体ヒータはニクロム線ヒータに比較すると、単
位面積あたりの発熱量を約７倍にすることができるので
ヒータへの電流の付加密度を大きくでき、大口径ウェー
ハを収容する大形の熱処理炉であっても、小形の熱処理
炉の場合と同様に熱処理炉内のウェーハを均一に加熱で
きる。

（３）さらに、再結晶質炭化珪素体やSi−再結晶質炭化
珪素体のヒータは、高温においても金属の不純物が揮散
しないので熱処理中のウェーハに悪影響を与えることが
ない。

（４）再結晶質炭化珪素からなるヒータ22の気孔率は、
10％以上であるので、半導体熱処理炉は、急激な昇温・
降温の繰り返しが頻繁に行われるが、耐熱衝撃性が高
く、クラック発生などによる強度劣化が防止できる。ま
た、21％以下であるので、緻密性が高く、再結晶質炭化
珪素の酸化が生じにくくなる。酸化による欠点、たとえ
ば熱処理炉内の半導体への不均一な熱伝導をもたらす欠
点が解消され、それが、一定の特性値を必要とする半導
体の製造においては顕著な効果となる。要するに、半導
体熱処理炉（拡散炉）用ヒータにとっては、気孔率10〜
21％の再結晶質炭化珪素が最適なのである。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明による半導体熱処理炉用ヒータの実施
例１が配置されたプロセスチューブを示す断面図、第２
図は実施例１のヒータの斜視図、第３図と第４図はこの
発明によるヒータの実施例2,3を示す正面図である。 １……プロセスチューブ（熱処理炉） 2,22,32,……ヒータ ３……ウェーハ

フロントページの続き (72)発明者 石塚 豊 東京都新宿区西新宿１−26―２ 東芝セラ ミツクス株式会社内 (72)発明者 渡部 敏彦 東京都新宿区西新宿１−26―２ 東芝セラ ミツクス株式会社内 (56)参考文献 特公 昭38−24027（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭38−7642（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気孔率が10〜21％である再結晶質炭化珪素
   体でリング状、スパイラル状又は多穴円筒状に形成され
   ていることを特徴とする半導体熱処理炉用ヒータ。
2. 【請求項２】再結晶質炭化珪素体にSiが含浸されている
   特許請求の範囲第１項記載の半導体熱処理炉用ヒータ。
3. 【請求項３】熱処理炉用管の外径と、ヒータの内径の差
   が20mm以下で5mm以上であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の半導体熱処理炉用ヒータ。