KR0147046B1 - 열처리 장치 - Google Patents

열처리 장치

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KR0147046B1
KR0147046B1 KR1019910007381A KR910007381A KR0147046B1 KR 0147046 B1 KR0147046 B1 KR 0147046B1 KR 1019910007381 A KR1019910007381 A KR 1019910007381A KR 910007381 A KR910007381 A KR 910007381A KR 0147046 B1 KR0147046 B1 KR 0147046B1
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스즈무 다나까
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카자마 젠쥬
도오교오 에레구토론 사가미 가부시끼 가이샤
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Abstract

열처리장치는, 코일히터가 매설된 내열블록부재와, 이 내열블록부재의 바깥쪽에 형성된 금속의 안쪽커버와, 이 안쪽커버의 바깥쪽에 형성된 냉각관과, 이 냉각관의 바깥쪽에 형성된 금속의 바깥쪽커버와, 코일히터의 끝단부에 전기적으로 접속되는 동시에 안쪽커버 및 바깥쪽커버를 관통하는 단자와, 이 단자에 전기적으로 접속되어 코일히터에 전류를 공급하는 전원을 구비하여 구성된다.
단자를 바깥쪽커버에 절연부재를 개재하여 고정되며, 안쪽커버에 대하여 비접촉한다.

Description

열처리 장치
제1도는 본 발명의 실시예에 관한 열처리장치(종형 CVD장치)의 전체 개요를 나타내는 종단면도.
제2도는 가열장치의 로의 부분을 절결하여 나타낸 구성 블록도.
제3도는 가열장치의 로의 개요를 나타내는 사시도.
제4도는 가열장치의 로의 일부를 절결하여 나타낸 종단면도.
제5도는 코일히터의 일부를 나타낸 부분 사시도.
제6도는 내화벽중에 형성된 코일히터를 축과 직교로 절단하여 나타낸 단면도.
제7도는 코일히터에 대한 급전(給電)단자의 붙임고정 부분을 나타낸 횡단면도.
제8도는 코일히터의 전체구성을 모식적으로 나타낸 개요도.
제9도는 가열로 로벽의 종단면에 있어서의 모의적인 열계산 결과를 나타낸 등온선도.
제10도는 가열로 로벽의 종단면에 있어서의 모의적인 열계산 결과를 나타낸 등온선도.
제11도는 본 발명의 실시예에 관한 열처리장치의 각부의 온도 특성도.
제12도, 제13도는 각각 종래의 열처리장치의 각부의 온도 특성도.
제14도는 가열로 각부에 있어서의 방열량 및 가열량을 나타낸 특성도.
제15도는 로체 개구끝단의 하부 플랜지를 변경한 다른 실시예의 가열장치의 일부를 나타낸 종단면도.
제16도는 본 발명의 다른 실시예에 관한 가열장치를 나타낸 분해 사시도.
제17도는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 가열장치를 나타낸 분해 사시도.
제18도는 다른 실시예의 가열장치(횡형 CVD장치)를 나타낸 종단면도.
제19도는 다른 실시예의 가열장치(횡형 CVD장치)의 가열부를 모식적으로 나타낸 횡단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 웨이퍼카세트 3 : 보우트
4 : 반도체웨이퍼 10 : 클린룸
11 : 종형 CVD장치 12 : 웨이퍼 옮겨바꾸는부
13 : 처리부 14 : 간막이벽
15 : 개구 16 : 팬
17 : 필터 18 : 카세트 스테이션
19 : 보온통 20 : 보우트 로우딩기구
21 : 보올스크류 22 : 지지부재
23 : 뚜껑부재 30 : 가열로
30a : 개구 31 : 내열블록부재
32 : 플랜지 33 : 단열재
34 : 안쪽커버 35 : 냉각관(냉각수단)
36a,36b : 환형상 지지체 37 : 스페이서링
38 : 바깥쪽 커버 39a : 공기층
39b : 간격 40 : 코일히터(발열선)
41 : 접속부 50 : 급전 단자부
51a 내지 511 : 단자 52a,52b : 애자
52c : 너트 53 : 보조판
54 : 나사 56 : 상부뚜껑
58 : 유지홈 59 : 틈
60 : 전원 61 : 콘트롤러(제어수단)
62,63,64 : 열전대 70 : 프로세스튜브
71 : 가스공급관 72 : 가스배기관
73 : 기초대 74 : 보올트
80 : 로체 81,82,83 : 가열블록
84,85,86 : 코일히터 90 : 로체
91,92 : 가열블록 93,94 : 코일히터
100 : 로 101 : 개구부
121 : 로실 120 : 횡형 CVD장치
121 : 로실 122 : 스카벤저실
123 : 로우딩포오크 124 : 웨이퍼보우트
125 : 프로세스튜브 125a : 인렛
126 : 열처리장치 127 : 내부층
128 : 중간층 129 : 외부층
130 : 코일히터 132 : 단자
133 : 애자 134 : 전원
본 발명은, 가열장치의 가열부의 구조에 관한 것으로, 특히, CVD장치등의 반응관(프로세스튜브)을 가열하기 위한 히팅코일의 단자접속 부분의 개량에 관한 것이다.
발열선, 예를 들면, 저항발열선을 코일형상으로 가공한 히터(이하, 코일히터라함)는, 각종 열처리장치의 가열부에 사용되고 있다.
통상, 고온용 열처리장치에는 열용량이 큰 지름의 코일히터가 사용되며, 저온용 열처리장치에는 열용량이 작은 가는지름의 코일히터가 사용된다.
특히, CVD장치등에서는 최고 사양 온도가 1000℃전후이므로 예를들면, 직경 2mm의 가는지름의 FeCrAl선으로된 코일히터를 사용한다.
SVD장치등에서는, 다수의 반도체웨이퍼를 배치방식으로 차례차례 처리하기 위하여, 통전 비통전의 동작이 빈번하게 반복된다. 이 때문에, 가는지름의 코일 히터는, 팽창 수축의 열사이클을 받아서 단선 일어나기 쉽고, 일반적으로 수명이 짧다.
특히, 코일히터에 전력을 공급하기 위한 단자의 붙임고정부분은, 온도구배가 크고, 국부응력 집중이 생기기 쉬운 형상이기 때문에, 단선이 많이 발생한다.
일본국 실공소 53-40761 호 공보에는, 코일히터의 급전단자 부분에 완충아암을 붙임고정하여, 완충아암에 의하여 코일히터의 열팽창에 의한 비틀어짐을 흡수시키는 열처리장치가 기재되어 있다.
그러나, 이 장치에서는, 단자붙임 고정부분에 생기는 열변형을 완충아암에 흡수 시킬 수 있으나, 그의 다른 부분에 생기는 열변형은 흡수 할 수가 없다. 이 때문에, 코일히터가 약해지기 쉽고, 단선을 충분히 막을 수 없다.
일본국 특개소 58-31282 호 공보에는, 코일히터의 급전단자를 끄집어내기 위한 개구부와, 석영관 사이에 형성된 방열방지용 블록을 가진 전기로가 기재되어 있다.
이 전기로에서는, 로 본체의 개구부로부터의 방열을 방지하기 위하여 개구부와 석영관과의 사이에 방열방지용 블록을 형성하고, 열처리장치내의 균열존(zone)을 길게하고 있다.
그러나, 개구부의 주위는 가열된 석영관으로부터의 복사열 및 방열방지용 블록으로 부터의 전도열을 받아서 온도 상승한다. 예를들면, 로내를 1000℃전후로 가열한 경우에, 로 본체의 외벽 및 개구부의 주위는, 300℃이상 정도까지 이른다. 일반적으로, 로 전체의 과열상태를 해소하기 위하여, 냉각팬이나 열교환기를 형성하지 않으면 안되며, 로 전체는 대형화된다.
일본국 실공소 53-48589 호 공보에는, 발열체가 내장된 중간 케이싱체와, 이 중간 케이싱체의 바깥쪽에 형성된 외부 케이싱체와, 중간 케이싱체 및 외부 케이싱체 상호간에 냉각용 공기를 유통시키는 수단을 가진 가열장치가 기재되어 있다.
이 장치에서는, 가열부에 특별한 냉각수단을 갖지 않기 때문에, 예를들면 장치내를 1000℃전후로 가열하면, 히터베이스나 횡형관 형상 히터외벽은 300℃전후의 높은 온도로 된다.
이들의 열을 배제하기 위하여, 3개의 횡형관 형상 히터를 안쪽케이싱체로 둘러싸고, 이 바깥쪽에 팬으로 냉각용 공기를 유통 시킨다. 이 결과, 열처리장치가 전체로서 복잡하고 대형화한다.
또 일본국 실공소 60-31259 호 공보에는, 카트리지히터와 가대와의 사이에 전기적 절연부싱을 삽입하여, 전원으로부터 히터 케이스를 통하여 어스에 흐르는 누전을 방지하는 가열장치가 기재되어 있다.
이 장치에서는, 카트리지히터와 가대와의 사이를 절연하기 위하여 많은 부분에 절연판이나 절연부싱등의 절연부재를 사용할 필요가 있다. 이 때문에, 카드리지히터의 붙임고정 구조가 복잡하게 된다.
또, 히터를 소형화하려고 하면, 절연부재의 붙임고정을 히터케이스의 고온부분에 형성할 필요가 있다.
이 때문에, 소망의 절연저항을 얻을 수 없으며, 누전을 충분히 방지할 수가 없다.
일본국 특개평 1-114032 호 공보에는, 횡형관형상으로의 양끝단쪽을 제외한 중앙존의 권선 밀도를 높이는 가열장치가 기재되어 있다.
이 장치에서는, 장치의 가열부의 안지름이 변하는 경우, 또는 장치에 삽입되는 프로세스튜브의 길이가 변하는 경우, 또는 장치로 개구부에 있어서의 단열수단이 변하는 경우등에 있어서, 장치중앙부에 위치하는 코일히터의 권선밀도를 5 내지 15%의 범위로 최적으로 설정할 필요가 있다.
일본국 실개소 61-89800 호 공보에는, 세라믹등의 홈형상 요홈부 2개로 형성된 원통형상 요홈부에 코일히터를 유지 하도록 한 가열장치가 기재되어 있다.
이 장치에서는, 홈형상 요홈부 2개로 원통형상 요홈부로된 1조의 코일히터 유지부재를 수 100 조 형성하며, 통전, 비통전에 의하여 코일히터가 팽창.수축을 반복하여도, 소정의 권선피치가 변하지 않도록 구성되어 있다. 이 때문에, 감은 밀도를 변할때마다 치수가 다른 유지부재를 수 100 조 사용하지 않으면 안된다. 이들의 유지부재의 복잡한 형상을 하고 있으며, 1조의 유지부재를 제작하는 데에 막대한 코스트와 시일을 요한다.
일본국 특개소 60-246582 호 공보에는, 가는 지름의 코일히터를 내화세라믹속에 메워넣은 복합구조 타입의 가열장치가 기재되어 있다.
이 장치에 의하면, 코일히터 및 내화세라믹으로된 발열유니트를 다수 적층배치함으로써, 소망 넓이의 균열영역을 가진 열처리장치를 구성할 수 있다.
그러나, 열처리장치내의 균열영역을 넓게차지하기 위해서는, 다수 예를들면 10으로 된 가열존을 형성할 필요가 있다. 이 때문에, 각 가열존을 독립적으로 온도제어할 경우에, 서로 인접하는 가열존이 영향을 서로 미치고, 각 존의 온도가 변동되어, 안정한 온도제어가 곤란하게 된다.
또, 이 장치에서는, 내화세라믹을 둘러싸도록 금속커버를 형성하고, 이 금속커버에 급전단자를 붙임고정한다. 금속커버는, 예를들면, 알루미늄으로 만들어져 있다.
그런데, 급전단자의 붙임고정부분이 온도상승하면, 알루미늄커버(열팽창률은 약 16x10-6/K)와 내화세라믹(열팽창률은 약 0.5x10-6/K)과의 열팽창 차에 의하여 급전단자와 코일단자와의 접속부에 국부응력이 발생하고, 접속부에서 단선한다.
본 발명의 목적은, 단자접속 부분에서 코일히터와 급전단자가 이간하는 고장발생을 방지할 수 있는 가열장치를 제공하는 데에 있다.
또, 본 발명의 목적은, 가열부외벽 및 개구끝단의 열을 배제함과 동시에, 누설 전류를 효과적으로 억제할 수 있는 소형이고 간단한 구조의 가열장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 높은 코스트의 히터 유지부재를 사용하는 일이 없이, 간단하고 용이하게 코일히터의 감는 밀도를 변경할 수 있고, 소망의 온도분포 특성을 얻을 수 있는 가열장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 형태에 의하면, 가열장치는, 발열선이 형성된 내열블록부재와, 상기 내열블록부재의 바깥쪽에 형성되고, 열전도성 재료로 만들어진 안쪽커버와, 상기 안쪽커버의 바깥쪽에 형성된 냉각수단과, 상기 냉각수단의 바깥쪽에 형성되고, 열전도성 재료로 만들어진 바깥쪽커버와, 상기 저항 발열선의 끝단부에 전기적으로 접속되고, 상기 안쪽커버에 비접촉으로 관통하는 단자와, 상기 단자에 전기적으로 접속되고, 상기 저항 발열선에 전류를 공급하는 전원과를 구비하여 구성한다.
내열블록부재는 SiC, Al2O3등의 세라믹화이버를 알루미나 시멘트등의 부정형 내화물에 혼합한 것으로 만든다. 코일히터의 감은 피치를 각 존마다 조정하여, 코일히터의 끝단부를 단자에 접속한다. 단자의 비접속 끝단부가 바깥쪽에 돌출하도록, 코일히터를 소성전의 내화물중에 묻고, 이것을 소성한다.
단자는, 안쪽커버의 작은 개구를 통과시켜, 바깥쪽 커버에 고정한다. 즉, 단자를 안쪽커버에 대하여 비접촉 상태로 한다. 안쪽커버와 바깥쪽커버와의 간격은 충분히 형성하는 것이 바람직하며, 바깥쪽커버의 온도가 적어도 200℃를 상회하지 않는 것이 바람직하다. 바깥쪽커버는, 가능한 한 선팽창률이 작고, 경량의 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
이 경우에, 바깥쪽커버 및 안쪽커버에는, 두께가 1 내지 3mm정도의 알루미늄 합금판 또는 스테인레스강판을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 하부개구끝단에 형성한 플랜지에는, 두께가 3 내지 20mm 정도의 알루미늄 합금판 또는 스텐레스강판을 사용하는 것이 바람직하다.
[실시예]
이하, 본 발명의 여러 가지 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 제1도에 나타낸 바와 같이, 가열장치 예를들면 종형 CVD장치(11)는, 클린룸(10)내에 형성되고, 컴퓨터시스템에 의하여 백업된 전자동기이며, 그의 동작은 모두 자동제어 되도록 되어 있다.
종형 CVD장치(11)의 앞면에는 핸들링로보트의 선로(도시하지 않음)가 부설되고, 로봇(도시하지 않음)에 의하여 웨이퍼카세트(2)가 CVD장치(11)의 웨이퍼 옮겨 바꾸는부(웨이퍼 트랜스퍼 섹션)(12)내에 반입되도록 되어 있다.
종형 CVD장치(11)의 처리부(프로세스 섹션)(13)는, 웨이퍼 옮겨바꾸는부(12)의 상부에 형성되어 있다.
처리부(13) 및 웨이퍼 옮겨바꾸는부(12)는, 개구(15)를 통하여 서로 연이어 통하고 있다. 또, 처리부(13) 및 웨이퍼 옮겨바꾸는부(12)의 간막이벽(14)에는, 필터(17)를 가지는 팬(16)이 붙임고정되어 있다. 웨이퍼 옮겨바꾸는부(12)에는 카세트 스테이션(18) 및 보우트 로우딩기구(20)가 형성되어 있다.
카세트 스테이션(18)은 다단의 선반 구조를 이루며, 각단의 선반에는 복수의 웨이퍼카세트(2)가 얹어놓여져 있다. 가열로(30)가, 간막이벽(14)의 개구(15)의 바로 위에 위치하도록 처리부(13)에 형성되어 있다. 가열로(30)의 하부개구(30a)와 개구(15)와는 서로 연이어 통하고 있다.
제2도에 나타낸 바와 같이, 가열로(30)의 로벽 내열블록부재(31)속에 발열선 예를들면 저항가열 코일히터(40)가 매설되어 있다. 물론, 고주파 가열히터라도 좋으며, 프로세스튜브(70)가, 코일히터(40)에 둘러싸여지도록, 가열로(30)속에 형성되어 있다.
프로세스튜브(70)의 하부개구는, 처리중에는 뚜껑부재(23)에 의하여 닫혀지도록 되어 있다. 뚜껑부재(23)의 위에는 보온통(19)이 얹어지며, 또한, 보온통(19)의 위에 종형보우트(3)가 얹어져 있다. 보우트(3)에는 다수의 반도체웨이퍼(4)가 쌓아 올려져 있다.
뚜껑부재(23)는 보우트 로우딩기구(20)의 부재(22)에 의하여 지지되며, 지지부재(22)의 너트는 보올스크류(21)에 나사맞춤되어 있다. 이 플랜지(32)가 로벽 내열 블록부재(31)의 하부개구끝단에 붙임고정되어 있다. 이 플랜지(32)와 프로세스튜브(70)의 하부는 보올트(74)를 통하여 기초대(73)에 고정된다.
가스공급관(71) 및 가스배기관(72)이 프로세스튜브(70)의 하부에 각각 형성되어, 소정 성분의 프로세스가스가 프로세스튜브(70)내에 공급하고, 이어서 배기되도록 되어 있다.
제3도에 나타낸 바와 같이, 열처리로(30)의 둘레면은 열전도성재료 예를들면 금속제의 이중 커버(34),(38)로 둘러싸여져 있다.
한쪽 안쪽커버(34)의 바깥면에는 열전도성 재료의 냉각수단, 예를들면 동(銅)파이프제의 냉각관(35)이 구불구불한 형상으로 붙임고정되어 있다.
냉각관(35)은 냉각수 공급원(도시하지 않음)에 연이어 통하고, 소정유량의 냉각수가 공급하도록 되어 있다.
다른쪽 바깥쪽 커버(38)에서는 3쌍 6개의 단자(51a 내지 51f)가 돌출되고, 각쌍의 단자(51a),(51b)(제1존), 단자 (51c),(51d)(제2존), 단자(51e),(51f)(제3존)이 각각 전원(60)에 접속되어 있다. 이와 같이, 코일히터(40)는 적어도 3개의 존으로 구성되어 있다.
제3도에 나타낸 바와 같이, 단자(51a)와 단자(51b)와의 사이에 높이 약 100mm의 제1존이, 단자(51c)와 단자(51d)와의 사이에 높이 750mm의 제2존이, 단자(51e)와 단자 (51f)와의 사이에 높이 150mm의 제3존이, 각각 형성된다. 각단자(51a 내지 51f)는 교류전원(60)에 각각 접속되어 있다.
제2도에 나타낸 바와 같이, 제1내지 제3존에는 온도측정 소자로서 열전대(62),(63),(64)가 각각 형성되어 있다. 각 열전대(62),(63),(64)는 콘트롤러(61)의 입력부에 접속되어 있다.
또, 전원(60)은 제어수단인 콘트롤러(61)를 구비하고, 콘트롤러(61)에 의하여 각존으로의 급전량이 각각 제어하도록 되어 있다. 이와 같이, 제1내지 제3존의 각각으로의 인가전류를 제어 가능하게 하고, 열처리장치내의 균열범위가 넓게 차지하게 하는 구성으로 되어 있다.
제4도에 나타낸 바와 같이 열처리로(30)의 둘레벽은, 안쪽으로부터 차례로 내열블록부재(31)층, 단열재(33)층, 공기층(39a)으로된 3층으로 구성되어 있다.
또, 로(30)의 천정에는 두꺼운 내화물(55)이 덮어지며, 이 바깥쪽을 스테인레스 강판으로된 상부뚜껑(56)으로 덮어씌운다.
로(30)의 아래끝단부는 개구되고, 이 개구끝단부에는 스테인레스 강판제의 플랜지(32)가 붙임고정되어 있다.
내열블록부재(31)의 내면에는 유지홈(58)이 형성되며, 유지홈(58)에 코일히터(40)가 끼워맞춤 또는 메워 넣어져 유지되어 있다.
내열블록부재(31)는, 예를들면, 원통형상으로, 높이가 약 1000mm, 안지름이 약 350mm이며, 세라믹화이버와 알루미나 시멘트를 혼합하여 소성한 것이다.
단열재(33)는, 알루미나 블랑켓트로 이루어지며, 내열블록부재(31) 및 안쪽커버(34)사이에 삽입되어 있다. 안쪽커버(34)의 하부는, 환형상지지체(36a)에 의하여 하부플랜지(32)에 고정된다. 안쪽커버(34)의 상부는 로천정과의 사이에 틈(39b)을 형성하여 비접촉된 상태이다.
바깥쪽커버(38)의 상부는, 스테인레스강제의 스페이서링(37)을 개재하여 로천정에 고정된다. 또, 바깥쪽커버(38)의 하부는, 환형상지지체(36b)에 의하여 하부플랜지(32)에 붙임고정된다. 이것에 의하여, 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)의 사이에 공기층(39a)이 형성되어 있다.
또 바깥쪽커버(38)의 적당한 장소에는 단자(51a 내지 51f)를 끄집어 내기 위한 개구가 형성되어 있다.
제5도에 나타낸 바와 같이, 열처리로(30)의 코일히터(40)는, Fe-Cr-Al 합금으로 된 저항 발열선을 코일형상으로 감아서 만들어진다. 코일히터(40)의 각부 사이즈는, 선지름(A)이 2mm, 감은지름(B)이 12mm, 감은피치(C)가 9.5 내지 10mm이다. 또 코일히터(40)의 감은 형상은, 원형코일만에 한정되지 않으며, 타원형코일등 환형상이면 어떠한 형상이라도 좋다.
제6도에 나타낸 바와 같이, 코일히터(40)는 비사용시에 있어서 내열블록부재(31)의 내벽과의 사이에 소정의 틈(59)이 생기도록, 유지홈(58)에 유지되어 있다. 이 틈(59)은, 코일히터(40)의 상반부에 위치하고, 사용할 때에 있어서의 코일히터(40)의 열팽창을 흡수하기 위하여 형성되어 있다.
제7도에 나타낸 바와 같이, 코일히터(40)의 각 끝단부는, 급전단자부(50)의 단자(51a 내지 51f)의 꼬리끝단부에 각각 끼워넣어 용접되어 있다. 이 경우에, 단자 접속부(41)를 미리 형성하여 놓고, 단자가 부착된 코일히터(40)를 내열블록 부재(31)속에 메워넣는다.
또, 각 단자(51a 내지 51f)는, 코일히터(40)와 동일재료 또는 유사한 재료로 만들어지며, 지름은 코일히터(40)의 선지름보다 크며, 예를들면 6mm지름이다. 각 단자(51a 내지 51f)는, 안쪽커버(34)의 개구를 통하여 바깥쪽커버(38)의 바깥쪽으로 돌출되어 있다.
보조판(53)이 바깥쪽커버(38)의 단자 끄집어내기용 개구를 막도록, 4개의 나사(54)로 바깥쪽커버(38)에 붙임고정되어 있다. 각 단자(51a 내지 51f)는 나사가 끊어져 있다.
보조판(53)을 양면에서 끼우도록 1쌍의 애자(52a),(52b)가 형성되어 있고, 애자(52a),(52b)에 의하여 각 단자(51a 내지 51f)와 바깥쪽커버(38)가 절연되어 있다.
또한, 1쌍의 애자 (52a),(52b)를 양쪽에서 끼우도록 너트(52c)가 각각 형성되어 있다. 이들의 너트(52c)는 단자(51a 내지 51f)에 각각 나사맞춤되어, 애자(52a),(52f)를 조여붙인다.
결국, 급전단자부(50)에 있어서, 각 단자(51a 내지 51f)는, 안쪽커버(34)에 대해 비접촉된 상태이고, 바깥쪽커버(38)에 고정되어 있다.
제8도는, 제2존을 구성하는 단자(51c)와 단자(51d)사이의 코일히터(40)를 내열블록부재(31)에 붙임고정하기 전의 상태를 나타낸다.
도면중 F존(단자(51c)쪽의 영역) 및 H존(단자(51d)쪽의 영역)에서는 코일히터(40)의 감은피치(C)를 10mm로 하고 있다. 이에 대하여 G존에서는, 발열밀도가 F존 및 H존 보다 약 5% 많게 되도록, 코일히터(40)의 감은피치(D)를 9.5mm로 하고 있다.
또, F,G,H존 상호간의 코일히터(40)의 감은 피치가 변하는 부분에는 직선부(E)가 형성되어 있다. 이 직선부(E)를 표준으로하여, 각 F,G,H존을 소망의 길이로 용이하게 설정할 수 있다.즉, 히터선을 소정 감은수로 코일한 후에, 코일히터의 각부를 소정길이분씩 잡아당기면, 감은 피치(C),(D)가 각각 용이하게 설정된다.
다음에, 상기 열처리장치(30)의 냉각파이프(35)에 20C의 냉각수를 흐르게 하면서, 균열존을 약 900℃로 가열하는 경우에 대하여 설명한다.
프로세스튜브(70)내에 웨이퍼보우트(3)를 반입하고, 소정의 프로세스가스를 튜브(70)내에 공급하는 한편 이것을 배기한다.
이것에 의하여 공급 및 배기를 배런스시켜, 프로세스튜브(70)의 속을 소망의 내압으로 한다.
제1내지 제3존의 코일히터(40)에 각각 통전하면서, 열전대(62),(63),(64)에 의하여 각존의 온도를 검출한다. 각각의 검출온도에 의거하여 각 존의 코일히터(40)로의 인가전류를 제어한다.
이것에 의하여 열처리장치(30)의 균열존을 900℃±1℃의 온도범위로 설정한다. 도시되지 않은 온도 검출기에 의하여 내열블록부재(31), 안쪽커버(34), 바깥쪽커버(38), 하부플랜지(32)의 각 온도를 각각 검출한다.
이들 검출온도를 열분해 프로그램으로 입력하고, 장치하부의 온도분포를 계산하였다.
제9도는, 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)를 함께 알루미늄 합금으로 한 경우의 컴퓨터에 의한 온도분포의 계산결과를 나타낸다.
이 결과, 내열블록부재(31)가 약 90℃, 안쪽커버(34)가 약 225℃, 바깥쪽커버(38)가 약 75℃, 하부플랜지가 약 150℃이었다. 이와 관련하여, 장치(30)의 천정의 상부뚜껑(56)의 온도는 약 100℃이었다.
상부뚜껑(56)과 비교하여 하부프랜지(32)의 온도가 높아지는 이유는, 프로세스튜브(70)으로부터 열복사에 의하여 하부플랜지(32)가 가열되기 때문이다. 이 하부플랜지(32)는, 기초대(73)에 붙임고정하기 위하여 200℃ 이하의 온도로 유지하여, 기초부(73)를 통하여 열전도하고, 열처리장치(30)내의 내열성이 낮은 부분이 불사용으로 가열되지 않도록 할 필요가 있다.
제10도는, 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)를 함께 스테인레스강으로 한 경우의 컴퓨터에 의한 온도분포의 계산결과를 나타낸다.
내열블록부재(31)가 약 900℃, 안쪽커버(34)가 약 200℃, 바깥쪽커버(38)가 약 50℃이었다. 이 결과는 전자와 비교하여 약간 낮은 온도에도 불구하고, 하부플랜지(32)의 온도(약 200℃)는 전자보다 약 50℃ 높아졌다.
제9도에 나타낸 온도분포 결과와 제10도의 그것과의 차이는, 열전도율이 스테인레스 스틸의 경우 16W/mk에 대하여 알루미늄의 경우에는 200W/mk로 크고, 열전도에 의한 하부플랜지(32)로부터 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)로의 방열량이 변동하기 때문이다.
다음에, 내열블록재(31), 안쪽커버(34), 바깥쪽커버(38)의 각 길이를 1000 mm로 설정하여, 내열블록부재(31)를 실온에서 900℃까지 가열한 경우에 각부의 길이방향으로 생기는 신장에 대해 계산한 결과를 설명한다.
이 계산에 있어서는, 내열블록부재의 선팽창 계수를 0.5x10-6/OK, 알루미늄합금의 선팽창 계수를 16x10-6/OK로 가정한다.
내열블록부재(31)(온도 900℃)의 신장은 0.45mm, 안쪽커버(34)(온도 225℃)의 신장은 3.6mm 바깥쪽커버(38)(온도 75℃)의 신장은 1.2mm로 된다.
이것에서 밝혀진 바와 같이, 안쪽커버(34)의 신장은 내열블록부재(31) 및 바깥쪽커버(38)의 신장에 비하여 현저히 크게 되지만, 이것에 대하여 바깥쪽커버(38)의 신장과 내열블록부재(31)의 신장과의 차(0.75mm)는 작다.
따라서, 각 단자(51a 내지 51f)와 코일히터(40)와의 접속부(41)에 걸리는 열응력은 작다. 이 결과, 통전, 비통전이 다수회 반복된다고 하더라도, 접속부(41)에서 코일히터(40)로부터 단자(51a 내지 51f)가 떨어지는 사고는 생기지 않게 되고, 장기간에 걸쳐서 안정한 열처리를 할 수 있다.
또, 안쪽커버(34)의 상부와 스페이서링(37)과의 사이에 틈(39b)을 형성하고 있으므로, 신장된 안쪽커버(34)의 스페이서링(37)과 충돌하지 않으면, 장치 전체가 이상 변형하는 일도 없다.
제11도는, 상기 실시예의 장치의 프로세스튜브(70)의 온도분포를 나타낸 합성 모식도이다. 곡선(J)은 900℃±1℃를 기준으로 하여 프로세스튜브 길이방향의 온도변화를 정리한 온도커브이다.
이것에서 밝혀진 바와 같이, 프로세스튜브(70)의 균열 범위내에 있어서의 온도의 흩어짐을 900℃±1℃ 이내로 하면, 균열범위의 길이는 770mm로 되며, 제2존 전부가 균열범위에 들어간다.
제12도는, 종래 열처리장치의 프로세스튜브의 온도분포를 나타낸 합성모식도이다. 곡선(K)은 900℃±2℃를 기준으로 하여 프로세스튜브 길이방향의 온도변화를 정리한 온도커브이다.
이 경우에, 코일히터의 감은 피치는, 제1존(튜브상부), 제2존(튜브 중앙부), 제3존(튜브하부) 전부를 10mm로 하였다.
이것에서 밝혀진 바와 같이, 프로세스튜브의 균열범위내에 있어서의 온도의 흩어짐을 900℃±2℃ 이내로 하면, 프로세스튜브의 균열길이는 760mm로 되었다.
제13도는, 상술한 제12도의 경우와 동일한 조건하에서, 종래의 프로세스튜브의 온도분포를 다른 관점에서 나타낸 합성모식도이다. 곡선(L)은, 900℃±1℃를 기준으로 프로세스튜브 길이방향의 온도변화를 정리한 온도커브이다.
이것에서 밝혀진 바와 같이, 프로세스튜브의 균열범위내에 있어서의 온도의 흩어짐을 900℃±1℃ 이내로 하면, 프로세스튜브의 균열길이는 680mm로 짧아졌다.
다음에, 제14도를 참조하면서, 장치의 전장에 걸쳐서 코일히터의 감은 피치를 같게한 경우에, 프로세스튜브 각부(특히, 제2존)의 온도가 크게 흩어지는 이유에 대하여 설명한다.
제14도의 곡선(S)으로 나타낸 바와 같이, 하부개구를 가지는 열처리장치에서는, 윗쪽으로의 방열량 보다도 아랫쪽으로의 방열량의 쪽이 대폭 많아진다. 이 때문에, 제3존의 가열량(곡선(P))을 다른 존(곡선(Q),(R)) 보다도 크게하여, 장치하부로 부터의 방열량을 보상하고 있다.
그러나, 큰 방열량을 큰 가열량으로 보충하는 방법으로는 온도콘트롤이 매우 곤란하며, 프로세스튜브 각부의 온도의 흩어짐을 완전히 해소할 수 없다.
이에 대하여, 본 발명의 실시예에 관한 장치에서는, 제8도에 나타낸 바와 같이, 제2존의 중앙부분(G)에 있어서의 코일히터의 감은피치를 다른부분(F),(H)의 그것보다 짧게하고 (G)부의 발열량을 F부 및 H부의 발열량 보다 약 5% 많게 되도록 하고 있으므로, 제11도에 나타낸 바와 같이, 제2존의 전장에 걸쳐서 양호한 균열특성을 얻을 수 있다.
또한, 균열범위가, 길게 차지된 발열밀도가 큰 G부의 위치 및 코일히터의 감은 피치(C),(D)의 비율은, 열처리로의 길이 및 직경, 프로세스튜브의 붙임고정방법, 처리가스 유량등에 따라서, 여러 가지 변경할 수가 있다.
상기 실시예에 의하면, 코일히터(40)를 매설한 내열블록부재(31)가 간단한 형상의 세라믹블록이기 때문에, 장치의 제조코스트가 작으며, 장치의 제조에 요하는 시간이 짧아진다.
상기 실시예에 의하면, 바깥쪽 커버(38) 및 하부플랜지(32)가 자연공냉되기 때문에, 열처리로(30)의 전체를 강제 냉각 할 필요가 없고, CVD 장치를 소형으로 간단한 구조로 할 수 있다.
이와 같은 자연공냉에 의하여, 코일히터(40)와 바깥쪽 커버(38)와의 사이의 절연저항 및 코일히터(40)와 하부플랜지(32)사이의 절연저항을 동시에 높일 수 있다.
이하 그의 설명을 한다.
이들의 절연저항은, 온도 의존성이 크다. 예를들면, 실온에서는 수 100 메가오옴과 높은 절연저항을 나타내지만, 내열블록부재(31)가 800 내지 900℃의 온도로 가열되면, 절연저항이 수 100킬로 오옴으로 저하해 버린다.
상기 실시예에서, 내열블록부재(31)가 안쪽커버(34)에 접촉하는 부분(바깥둘레면)의 온도는 약 200℃이다. 또, 내열블록부재(31)가 하부플랜지(32)에 접촉하는 부분은, 약 400℃의 온도로 되고, 절연저항은 2메가 오옴 이상으로 된다.
잠시 냉각관(35)으로의 냉각수의 공급을 정지하면, 내열블록부재(31)의 온도가 상승하고, 절연저항은 수 100 킬로 오옴으로 저하한다. 따라서, 장치하부에 있어서의 절연저항을 더욱 높이기 위해서는 개구부(30a)의 온도를 내릴 필요가 있다.
제15도에 나타낸 바와 같이, 로(100)의 하부플랜지(102)를 수냉재킷형으로 하여, 로하부를 강제 냉각함으로써 절연저항을 높일 수도 있다. 즉, 하부플랜지(102)의 내부에 통로(103)를 형성하여, 이것에 냉각수를 유통시켜도 좋다.
또, 개구부(101)으로의 코일히터(40)로부터 복사열이 감쇠하도록, 내열성, 차광성을 가지는 재료, 예를들면 SiC, Al2O3등으로 된 환형상부재(104)를 개구부(101)의 근방에 형성하여도 좋다.
이와 같이 함으로써, 개구부(101), 근방의 온도를 200℃ 전후로 내릴수 있다. 이 때문에, 로하부의 절연저항을 10메가 오옴이상으로 할 수 있고, 누전사고를 효과적으로 방지할 수 있다.
또, 제16도에 나타낸 바와 같이, 복수의 가열블록(81),(82),(82)으로 된 로체(80)를 채용하여도 좋다.
즉, 상술한 실시예의 로체와 같이 코일히터(40)를 넣으 내열블록부재(31)를 일체 형성하지 않고, 3개의 가열블록(81),(82),(82)을 동축적으로 조립함으로써 로체(80)를 형성한다. 이 경우에, 가열블록(81)에 메워넣은 코일히터(84)에 의하여 가열부의 제1존을 형성한다.
또, 가열블록(82)에 메워넣은 코일히터(85)에 의하여 가열부의 제2존, 가열블록(83)에 메워넣은 코일히터(86)에 의하여 가열부의 제3존을 각각 형성한다. 각 코일히터(84),(85),(86)는, 각각 1쌍의 단자(51g),(51h), 1쌍의 단자(51i),(51j), 1쌍의 단자(51k),(51l)에 접속되어 있다. 이들 급전단자부의 구성은, 상술한 실시예와 실질적으로 동일하다.
또, 제17도에 나타낸 바와 같이, 1쌍의 반원통형상의 가열블록(91),(92)으로된 로체(90)를 채용하여도 좋다. 또, 각 블록(91),(92)에는 코일히터(93),(94)가 꾸불꾸불 하도록 메워 넣어지며, 각 코일히터(93),(94)에는 단자(51m),(51n)가 접속되어 있다.
또, 제18도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 관한 열처리장치(126)를 횡형 CVD장치(120)로 사용하여도 좋다.
횡형 CVD장치(120)는 로실(121) 및 스카벤저실(scavenger chamber) (122)을 가지며, 로우딩 포오크(123)에 의하여 웨이퍼보우트(124)가 스카벤저실(122)쪽에서 프로세스튜브(125)내에 끼워지도록 되어 있다.
프로세스튜브(125)의 가장깊은 속의 인렛(125a)으로부터 프로세스가스가 공급되도록 되어 있다.
로실(121)내의 프로세스튜브(125)를 둘러싸도록 열처리장치(126)가 형성되어 있다. 열처리장치(126)의 로체는 3층 구조를 이루고 있다.
로체의 내부층(127)은, 세라믹 화이버를 알루미나 세멘트에 혼입된 내열블록부재로 만들어지며, 코일히터(130)가 나선형상으로 소정피치 간격으로 메워 넣어져 있다.
또한, 코일히터(130), 단자(132), 애자(133), 전원(134)은, 상술한 제1실시예의 것과 실질적으로 동일한 구성이다. 로체의 중간층(128)은, 알루미나 블랑켓트등의 단열재로 만들어져 있다.
또, 로체의 외부층(129)은, 이중 금속커버에 의하여 끼워져 형성된 공기 단열층이다. 이중 금속커버의 안쪽커버 및 바깥쪽 커버는, 상술한 제1실시예의 것과 실질적으로 동일한 구성이다.
제19도에 나타낸 바와 같이, 프로세스튜브(125)의 아래쪽에 위치하는 코일히터(130)의 감은피치는, 다른 개소의 그것보다도 빽빽하게 되어 있다.
이와 같이 하면, 포크(123) 및 보우트(124)에 의하여 차단된 방사열량의 부족분을 보충할 수 있고, 프로세스튜브(125)내에서 반도체웨이퍼(4)를 전체에 걸쳐 균일하게 가열할 수 있다.
이하, 본 발명의 효과에 대하여 총괄적으로 기술한다.
본 발명의 열처리장치는, 반도체 제조장치, 액정제조장치등에 사용되는 CVD장치에 이용할 수 있는 이외에, 산화확산장치나 플라즈마장치에도 이용할 수 있다.
본 발명의 열처리장치에 의하면, 승온강온을 빈번하게 반복한다고 하더라도, 발열선의 끝단부에서 벽쪽으로 이끌어내는 단자를 안쪽커버에 대하여 프리하게 구성하였기 때문에, 통전불량이나 단선을 생기는 일이 없이, 장기간에 걸쳐서 안정하게 열처리할 수 있다.
또, 열처리장치내를 높은 온도로 설정한다 하여도, 외벽과 개구부의 불랑켓트를 비교적 낮은 온도로 유지할 수 있으므로, 절연저항의 대폭적인 저하를 방지할 수 있다.
이 때문에, 절연재료를 두껍고 크게할 필요가 없으므로, 장치를 전체로서 소형화할 수 있다. 장치가 간단한 구조로 되어 있기 때문에, 장치의 제조코스트를 절감할 수 있고, 제조기간을 단축할 수 있다.
또한, 누설 전류를 억제할 수 있고, 어스 잡음전류에 의한 이외의 기기나 측정기에 대한 악영향을 방지할 수 있다.
또한, 코일히터의 감은 피치를 가열존 마다 변하게 함으로써, 균열존내의 온도의 흩어짐을 작게할 수 있는 동시에, 균열존의 길이를 길게할 수 있다.

Claims (12)

  1. 용기를 둘러싸도록 형성된 발열선(40)과, 이 발열선(40)이 지지된 내열블록부재(31)와, 상기 내열블록부재(31)의 바깥쪽에 형성되고, 열전도성 재료로 만들어진 안쪽커버(34)와, 상기 안쪽커버(34)의 바깥쪽에 형성된 냉각수단(35)과, 상기 냉각수단(35)의 바깥쪽에 형성되고, 열전도성 재료로 만들어진 바깥쪽커버(38)와, 상기 발열선(40)에 전력을 공급하는 끝단부에 전기적으로 접속되고, 상기 안쪽커버(34)에 대하여는 비접촉으로 관통된 단자와, 상기 단자에 전기적으로 접속되고, 상기 발열선(40)에 전류를 공급하는 전원(60)과, 상기 전원(60)에 접속되어 상기 발열선(40)으로의 통전량을 콘트롤하는 제어수단(61)과를 구비하여 이루어지는 가열장치.
  2. 제1항에 있어서, 금속제 플랜지(32)가, 상기 내열블록부재(31)의 개구 끝단부에서 상기 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)의 양자에 열전도가 가능하도록 접합되어 있는 열처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 금속제 플랜지(32)가 알루미늄합금으로 만들어지는 열처리장치.
  4. 제2항에 있어서, 금속제 플랜지(32)가 스테인레스강으로 만들어지는 열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)가 알루미늄으로 만들어지는 열처리장치.
  6. 제1항에 있어서, 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)가 스테인레스강으로 만들어지는 열처리장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 저항 발열선(40)이 코일형상으로 형성되고, 코일의 감은 피치가 열처리영역의 위치에 따라 변화되는 열처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열처리영역이 3개의 영역으로 이루어지며, 3개의 영역 중 중앙영역에 위치하는 저항발열선의 감은 피치가 다른 영역에 위치하는 저항 발열선의 감은 피치보다 큰 열처리장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 안쪽커버(34)와 상기 내열블록부재(31)와의 사이에 단열재(33)가 형성되어 있는 열처리장치.
  10. 제1항에 있어서, 열처리영역마다 온도검출센서를 형성하고, 이들의 온도검출센서가 상기 제어수단(61)에 접속되어 있는 열처리장치.
  11. 제1항에 있어서, 단자와 발열선과의 접속부(41)가 내열블록(31)내에 메워넣어지는 열처리장치.
  12. 피처리체를 둘러싸도록 코일형상의 저항발열선이 형성되며, 아래끝단부에 개구를 가지는 내열블록부재(31)와, 상기 저항발열선에 의하여 둘러싸여지도록 긴쪽축이 수직으로 형성되는 프로세스튜브(70)와, 상기 내열블록부재의 바깥쪽에 형성되며, 열전도성재료로 만들어지는 안쪽커버(34)와, 상기 안쪽커버(34)의 바깥쪽에 형성된 냉각수단(35)과, 상기 냉각수단(35)의 바깥쪽에 형성되며, 열전도성재료를 만들어진 바깥쪽커버(38)와, 상기 내열블록부재의 개구끝단부에서 상기 안쪽커버(34) 및 바깥쪽커버(38)의 양자에 열전도 가능하도록 접합된 금속제 플랜지(32)와, 상기 저항발열선의 끝단부에 전기적으로 접속되며, 상기 안쪽커버(34)에 비접촉으로 관통하는 단자와, 상기 단자에 전기적으로 접속되며, 상기 저항발열선에 전류를 공급하는 전원(60)을 구비하여 이루어지는 열처리장치.
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