KR100700766B1 - 열처리장치 - Google Patents

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KR100700766B1
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사이토다카노리
다키자와쓰요시
야마가겐이치
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동경 엘렉트론 주식회사
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Abstract

열처리장치는, 피처리체가 반송되는 반응용기와, 그 반응용기를 둘러싸도록 배치된 열처리로 본체와; 열처리로 본체내에서 가열용기를 둘러싸는 영역내에 마련되는 히터를 포함하여 구성된다. 히터는 세라믹 재료로 만들어진 밀봉부재 및 그 밀봉부재에 의하여 밀봉된 직선형상의 탄성적인 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함된다.

Description

열처리 장치{THERMAL PROCESSING APPARATUS}
도 1 은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 종형 열처리장치의 모식적 단면도;
도 2 는 도 1 에 나타낸 종형 열처리의 요부의 확대사시도;
도 3A 는 도 1 에 나타낸 종형 열처리장치내에 포함된 히터 및 제 1 서브히터의 모식적 사시도;
도 3B 는 도 3A에서 나타낸 제 1 서브히터의 모식적 단면도;
도 4A 및 4B는 가열소자의 실시예의 도면;
도 5A, 5B 및 5C 는 가열소자의 다른 실시예들의 도면;
도 6 은 가열소자의 배치예의 전개도;
도 7A 내지 7E 는 가열소자의 다른 배열예의 전개도;
도 8 은 다른 가능한 히터의 모식적 사시도;
도 9 는 가열소자의 다른 실시예의 도면;
도 10 내지 17 은 히터의 다양한 예의 모식적 사시도;
도 18 은 히터의 일 실시예의 확대사시도;
도 19 는 도 18 에 나타낸 히터의 평면도;
도 20 은 히터의 다른 실시예의 확대사시도;
도 21 은 도 20 에 나타낸 히터의 평면도;
도 22 는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 종형 열처리장치의 요부의 모식적 단면도;
도 23 은 본 발명에 따른 제 3 실시예의 종형 열처리장치의 요부의 모식적 단면도;
도 24 는 본 발명에 따른 제 4 실시예의 종형 열처리장치의 요부의 모식적 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 반응관 1a : 내부관
1b : 외부관 2 : 매니폴드
3, 81, 82 : 열반사기 4, 4a, 4b, 67 : 가열소자
5, 64 : 케이블 6 : 제 1 서브히터
7 : 제 3 서브히터 9 : 단열구조
11 : 웨이퍼 보우트(홀더) 12 : 상부벽
13 : 바닥벽 14 : 지지로드
21 : 뚜껑 21a : 회전축
21b : 턴테이블 22 : 단열유니트
23 : 보우트 엘리베이터 24 : 가스 공급관
25 : 배출관 31 : 냉각수 경로
40 : 히터 41, 62 : 탄소와이어
42, 63 : 석영관 43 : 전극
44 : 단자 50 : 도전체
51, 65 : 전원회로 61 : 석영디스크(석영판)
66 : 지지부재 91 : 외부판
92 : 냉각수 파이프
본 발명은 반도체웨이퍼와 같은 피처리체를 열처리하기 위한 열처리장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조장치중의 하나인 공지의 종형 열처리장치는, 수직 반응관을 둘러싸는 히터가 마련된 열처리로(爐)를 가진다. 층형상으로 다수개의 웨이퍼를 유지하는 웨이퍼 홀더는 열처리로의 아래쪽으로부터 열처리로내로 반입된다. 반응관의 내부는 웨이퍼를 성막공정 또는 산화공정에 처하도록 하기 위하여 소정의 온도로 가열된다.
히터는 철-크롬 합금 또는 MoSi2 와 같은 세라믹재료로 만들어진 가열소자로 이루어진다. 가열소자는 나선형으로 형성됨으로써, 반응관을 둘러싸거나 또는 파 형으로 형성되어 반응관의 둘레를 따라 연장되도록 형성된다. 열처리로의 상이한 부분들은 각각 상이한 비율로 발열할 수 있다. 즉, 히터는 상부, 중부, 하부 히터부와 같이 다수개의 히터부로 분할된다. 그리고, 처리분위기의 가능한한 넓은 범위가 고도로 균일한 온도분포로 가열될 수 있도록 처리분위기의 온도를 제어하기 위하여 온도제어기가 히터부들과 각각 결합된다. 그러한 제어모드를 영역제어모드라 한다.
최근에, 웨이퍼의 직경이 점차적으로 증가하는 추세이다. 부가적으로, 박막의 두께는 반도체장치의 소형화를 위하여 점차적으로 감소하는 추세이다. 따라서, 열처리로의 크기도 마찬가지로 점차적으로 증가하고 있는 반면, 처리분위기내에서는 고도로 균일한 온도분포가 요구되고 있다. 그와 같은 요구는 가열영역의 수가 증가함에 따라 히터부의 수를 증가하도록 히터부를 분할하고, 히터부의 각 작용을 개별적으로 제어함으로써 충족될 수 있다. 그러나, 그러한 영역제어모드를 채택하면, 제어기의 수가 증가되고, 따라서 비용이 증가하게된다. 또한, 온도의 미세한 조정과 같은 보수유지 작업이 복잡해지고, 따라서 그러한 영역제어모드에서는 실제적인 어려움이 있어왔다. 따라서, 넓은 영역에 대하여, 히터의 발열 패턴(형상 및 발열률)을 미세하게 조절함을 한 개의 온도제어기에게 맡기는 것이 바람직하다.
종래의 가열소자의 기계적 강도는, 가열소자의 폭 (또는 직경)이 감소되면 불충분하게 되며, 따라서 넓은 폭을 가지는 가열소자의 사용이 불가피하다. 넓은 폭의 가열소자는 그 큰 폭 및 가열소자를 형성하는 재료의 특성 때문에 작은 곡률 반지름의 곡선으로 구부릴 수가 없다; 즉, 가열소자의 형상에 있어서 구부림의 자 유도가 적다. 각각 상이한 발열율로 발열하도록 상이한 저항치를 가지는 다수개의 구분을 가지는 가열소자를 사용하도록 의도하여도, 부분적으로 상이한 지름을 가지는 가열소자를 형성하도록 작업물을 처리하는 것은 어려우며, 가열소자의 기계적 강도는 직경에 의존하므로, 직경은 자유롭게 결정될 수 없다. 따라서, 히터의 발열패턴의 미세한 조정이 어렵고, 균일한 온도분포로 처리분위기를 가열하는 것도 어렵다.
석영으로 만들어진 반응관은 고온으로 가열될 때 분자가 침투될 수 있다. 따라서, 금속 또는 세라믹재료와 같은 가열소자내에 포함된 불순물로 웨이퍼가 오염될 가능성이 있다. 어떤 경우에는, SiC 로 만들어진 반응관이 반응관을 통한 오염물의 침투를 억제하기 위하여 사용된다. 그러나, SiC 로 만들어진 반응관은 큰 열충전율을 가진다. 따라서, 만약 SiC 로 만들어진 반응관이 채택되면, 처리분위기의 온도제어특성이 열화될 가능성이 있으며, 온도를 안정시키는데 필요한 시간이 늘어나고, 열처리의 스루풋이 감소된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 높은 자유도로 발열패턴을 제어할 수 있으며 매우 균일한 온도분포를 가지는 처리영역을 형성할 수 있는 열처리장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따르면, 가열소자는 임의의 형상으로 만들어질 수 있으며, 저항-가열소자는 임의의 직경으로 될 수 있다. 따라서, 발열율의 부분적인 조정이 용이 하게 달성될 수 있으며; 즉, 발열패턴의 설계 자유도가 높게 된다. 따라서, 처리영역은 고도로 균일한 온도분포로 발열될 수 있다.
바람직하게는, 열처리로의 본체는 단열체이다. 이 경우에, 열처리로 본체를 냉각하기 위하여 냉매를 도입하는 냉매경로를 마련하는 것이 바람직하다. 부가적으로, 히터는 열처리로 본체의 내면으로부터 떨어져서 배열하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 반응용기는 길이방향의 실린더형상을 가지며, 히터는 반응용기의 측면과 대향하는 영역내에 배설된다. 이 경우에, 보다 바람직하게는, 히터는 길이가 긴 형상으로 되며, 다수개의 밀봉부재가 히터용기와 평행하게 배설된다.
부가적으로, 바람직하게는, 제 2 의 히터가 반응용기의 상부벽과 대향하는 영역내에 배열되며, 제 2 히터는 가열소자들을 포함하고, 이들 가열소자들의 각각은 세라믹재료로 만들어진 밀봉부재 및 그 밀봉부재에 의하여 밀봉된 직선적이며 탄성적인 저항 발열부재를 가진다.
부가적으로, 제 3 의 히터가 반응용기의 하부끝단에 가까운 영역내에 배열되며, 제 3 의 히터는 가열소자를 포함하며, 이들 가열소자의 각각은 세라믹재료로 만들어진 밀봉부재 및 그 밀봉부재에 의하여 밀봉된 직선적이며 탄성적인 저항 발열부재를 가진다.
바람직하게는, 열처리로의 본체는 거울면 마무리된 내부표면을 가진다. 이 경우에, 히터는 열처리로 본체의 내부면으로부터 떨어져서 배치되는 것이 마찬가지로 바람직하다.
선택적으로는, 열처리로의 본체는: 열반사면으로 기능하는 내부표면을 가지 는 제 1 열반사기와, 제 1 열반사기를 통하여 전달된 복사열을 반사할 수 있는 열반사면으로서 기능하는 내부표면을 가지며, 제 1 열반사기를 둘러싸는 제 2 열반사기를 포함할 수 있다. 이 경우에, 제 2 열반사기는 거울면 마무리된 내부표면을 가진다.
바람직하게는, 가열소자의 각각은 열처리로 본체를 관통하는 단자를 가진다.
부가적으로, 바람직하게는, 저항 발열부재는 각각 상이한 단면적을 가지는 부분을 가진다. 보다 바람직하게는, 저항 발열부재는 각각 상이한 발열율로 발열하는 부분들을 가진다.
반응용기를 둘러싸는 공간은 다수개의 수직영역으로 분할되고, 또한 가열소자는 각각 다수개의 수직영역내에 배치되는 것이 바람직하다. 선택적으로는, 반응용기를 둘러싸는 공간은 다수개의 둘레영역으로 분할되고, 가열소자들은 다수개의 둘레영역으로 분포되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 반응용기를 둘러싸는 공간이 다수개의 방사상 영역으로 분할되고, 가열소자들이 그 다수개의 방사상 영역내에 분포되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 밀봉부재는 길이가 긴, U 자 형상 또는 굴곡형상으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 저항 발열부재는 가는 탄소부재의 섬유를 꼬아서 형성된다. 세라믹재료는 예를 들면 석영일 수 있다.
부가적으로, 열처리장치는 층형상으로 다수개의 피처리체를 유지하고, 반응용기의 아래쪽으로부터 반응용기내로 반송할 수 있는 홀더를 포함할 수 있다.
이 경우에, 바람직하게는, 홀더는 반응용기의 개방된 끝단을 기밀하게 폐쇄할 수 있는 뚜껑과, 뚜껑에 부착된 단열유니트를 가질 수 있다. 부가적으로, 제 4 의 히터가 단열 유니트내에 배치되고, 제 4 의 히터는 각각 세라믹재료로 만들어진 밀봉부재와 그 밀봉부재에 의하여 밀봉된 직선상의 탄성적인 저항 발열부재를 포함하는 것이 바람직하다.
(실시예)
도 1 은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 종형 열처리장치를 나타내는 도면이며, 도 2 는 도 1 에 나타낸 종형 열처리장치의 모식도이다. 도 1 에 있어서, 본 실시예의 종형 열처리장치는 내부관(1a) 및 외부관(1b)으로 만들어진 2중 벽구조의 반응관(1)을 가진다. 내부관(1a) 및 외부관(1b)은 예를 들면, 석영으로 만들어진다. 금속으로 만들어진 원통형 매니폴드(2)가 반응관(1)의 하부끝단에 연결된다.
내부관(1a)은 개방된 상부끝단과, 매니폴드(2)에 삽입 및 지지된 하부끝단을 가진다. 외부관(1b)은 폐쇄된 상부끝단 및, 매니폴드(2)의 상부끝단에 기밀하게 연결된 하부끝단을 가진다. 내부관(1a)과, 외부관(1b) 및 매니폴드(2)는 반응용기를 구성한다.
층형상(수직으로 간격을 둔 수평면상의 층)으로 다수개의 웨이퍼 W (피처리체), 예를 들어 126 개의 웨이퍼 W를 유지하고 있는 웨이퍼 보우트(11: 홀더)가 반응관(1)내에 놓인다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 보우트(11)는 상부벽 (12)과, 바닥벽(13) 및 그 상부벽(12)과 바닥벽(13)의 사이로 연장된 다수개의 지지로드(14)를 가진다. 지지로드(14)에는 그의 내부에 웨이퍼 W 의 둘레부를 수납 하기 위한 수평홈이 마련된다. 웨이퍼 보우트(11)는 예를 들면 석영으로 만들어진 원통형의 단열 유니트(22)를 통하여 뚜껑(21)에 유지된다. 보다 상세하게는, 턴테이블(21b)이 뚜껑(21)을 관통하여 모우터 M 에 의하여 구동되는 회전축(21a)상에 장착된다. 단열 유니트(22)는 턴테이블(21b)상에 장착된다. 뚜껑(21)은 웨이퍼 보우트(11)를 반응관(1)의 안팎으로 운반(반송)하는 보우트 엘리베이터(23)상에 장착된다. 뚜껑(21)이 가장 위쪽에 위치할 때는, 뚜껑(21)은 매니폴드(2)의 개방된 하부끝단, 즉 반응관(1) 및 매니폴드(2)에 의하여 형성된 반응용기의 개방된 하부끝단을 폐쇄하도록 채택된다.
다수개의 가스공급관들이 매니폴드(2)의 둘레에 배치된다. 따라서, 다수의 처리가스들이 가스공급관을 통하여 내부관(1a)으로 공급될 수 있다. 도 1 에 있어서는, 다수개의 가스공급관중 단 한 개의 가스공급관만이 도시되었다. 가스공급관 (24)은 도시되지 않은 가스공급원에 접속된다. 배출관(25)은 내부관(1a) 및 외부관(1b)의 사이의 공간으로부터 가스를 배출하도록 매니폴드(2)에 접속된다. 배출관(25)은 도시하지 않은 진공펌프에 접속되어, 반응관(1)의 내부를 소정의 진공분위기로 유지한다.
폐쇄된 상부 끝단과, 반응관(1)의 하부부분에 기밀하게 접속된 하부끝단을 가지는 원통형의 열 반사기(3)가 반응관(1)을 덮도록 배치된다. 열 반사기(3)는, 예를 들면 알루미늄으로 만들어진다. 열 반사기(3)는 후술하는 바와 같이, 히터에 의하여 방출된 복사열의 확산을 억제하는 거울면 마무리된 내부표면을 가진다. 원추형의 냉각수 경로(31)가, 냉매경로로서 열 반사기(3)내에 형성된다. 냉매경로는 좁은 통로에 한하지 않으며, 넓은 방과 같이 넓게 형성될 수 있다.
도 1 및 도 3 에 나탄낸 바와 같이, 예시로 나타낸 다수개의 수직한, 긴 원통형의 가열소자(4)가 예를 들면 수 센티미터의 원주간격으로 열 반사기(3)의 측벽의 내부 둘레를 따라 그로부터 수 센티미터 떨어져서 배치된다. 가열소자(4)는 히터(40)를 구성한다. 도 4A에 나타낸 바와 같이, 각 가열소자(4)는 직경이 약 10㎛ 인 탄소섬유의 다수 가닥을 꼬아서 형성된 탄소와이어(41)와 같은 높은 순도의 직선형상의 탄성적인 저항 발열부재를 가진다. 탄소와이어(41)는 십수 센티미터의 외부직경을 가지는 투명한 석영관(42)과 같은 세라믹 재료로 만들어진 밀봉부재내에 밀봉된다.
전극(43)들은 탄소와이어(41)의 대향하는 끝단들에 접속된다. 석영관(42)의 대향하는 끝단부들이 각각 전극(43)의 둘레를 밀폐한다. 석영관(42)으로부터 외부로 돌출하는 전극(43)들은 단자(44)로서 기능한다. 전극(43)들은 본 실시예에서 석영관(42)내의 탄소와이어(41)에 접속된다. 그러나, 탄소와이어(41)는 그 탄소와이어(41)의 나머지 부분보다 큰 직경의 대향하는 두꺼운 끝단부를 가질 수 있으며, 이들 끝단부들은 탄소와이어(42)의 잔여부들이 발생하는 것보다 낮은 발열률로 열을 발생한다. 이 경우에, 석영관(42)의 대향하는 끝단부들은 탄소와이어(41)의 대향하는 두꺼운 끝단부의 둘레를 밀폐할 수 있으며, 전극들은 석영관(42) 외부의 대향하는 두꺼운 끝단에 접속될 수 있다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 각 가열소자(4)의 상부 및 하부끝단으로부터 돌출하는 단자(44)는 내열 구조의 열 반사기(3)의 상부 및 하부벽을 관통하며, 열 반 사기(3)의 외부로 연장되는 케이블(5)에 접속된다. 보다 상세하게는, 도 4B 에 나타낸 바와 같이, 전극(43)은 예를 들면 납땜 또는 용융등에 의하여 케이블(5)의 도전체(50)에 접속된다.
케이블(5)은 전원회로(51)에 접속된다. 예를 들면 모든 가열소자(4)를 공통의 전원회로(51)로 접속함으로써, 또는 가열소자(4)를 다수개의 군으로 나누고, 각 군을 직렬로 가열소자(4)에 접속하고, 직렬연결된 가열소자군을 병렬로 전원회로 (51)에 접속함으로써 가열소자(4)로 전원이 공급될 수 있다. 선택적으로는, 각 군의 가열소자(4)가 직렬 및/또는 병렬로 접속되고, 가열소자(4)의 군들이 각각 전원회로(51)로 접속될 수 있으며, 전력을 각 군에 공급하기 위한 전원공급작용은 개별적으로 제어될 수 있다. 가열소자(4)는 n 개의 동등한 주변군으로 분할되거나, 또는 n 개의 주변의 연속적인 가열소자(4)를 각각 포함하는 n 개의 군으로 분할될 수 있다.
가열소자(4)에 대하여 도 5A 내지 5C를 참조하여 상세히 기술한다. 가열소자의 단위길이당 발열율은 탄소와이어(41)의 직경에 종속된다. 본 실시예에서, 탄소와이어(41)의 직경은 도 5A에 나타낸 바와 같이 단자를 제외한 전체 가열소자(4)가 열을 발생하도록 고려될 수 있다. 선택적으로, 탄소와이어(41)는 도 5B 및 5C에서 나타낸 바와 같이, 두꺼운 부분 및 얇은 부분, 즉 각각 상이한 직경을 가지며 상이한 발열율로 각각 발열할 수 있는 부분들을 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소와이어(41)는 1.5kW/m, 즉 높은 발열율로 발열할 수 있는 고성능부인 직경 2mm 의 얇은 부분과, 0.375kW/m 이하의 낮은 발열율로 발열하는 저성능부인 직경 4mm 이상인 두꺼운 부분을 가질 수 있다. 본 명세서에 있어서, 고성능부 및 저성능부라 함은 발열부재에 의한 발열량에 관한 것을 의미한다. 발열량은 처리분위기의 가열에 기여한 열량을 의미한다. 처리분위기의 관점으로부터, 고성능부는 높은 발열량으로 발열하는 것이므로, 처리분위기의 가열에 크게 기여하는 것이다. 도 6 은 탄소와이어(41)의 고성능부 H 및 저성능부 L 가 배치된 패턴을 나타내는 전형적인 도면이다. 도 6에서, 웨이퍼 W 들이 처리되는 처리공간은 3개의 구역, 즉 상부구역, 중간구역 및 하부구역으로 분할된다. 상기 패턴은, 탄소와이어(41)가 각각 상부구역, 중간구역 및 하부구역에서 고 발열율, 중 발열율 및 저 발열율로 발열하도록 설계된다. 고성능부 H 와 저성능부 L 의 배열패턴은 임의로(자유롭게) 결정될 수 있다. 도 7A 내지 7E 는 탄소와이어(41)의 고성능부 H 및 저성능부 L 의 다양한 배열패턴을 나타낸다. 처리공간은 도 7A 내지 7C에서는 3개의 구역으로 분할되며, 7D 내지 7E 에서는 4개의 구역으로 분할된다.
다시 도 1을 참조하면, 평판형상의 제 1 의 서브히터(6)가 반응관(1)의 상부표면에 대향하여 열 반사기(3)의 상부벽의 아래쪽에 배치된다. 도 3A 및 3B 에 나타낸 바와 같이, 제 1 서브히터(6)는 두께가 예를 들어 약 8mm 인 속이 빈 석영 디스크 (석영판)(61) 및 탄소와이어(41)와 유사하고 석영판(61)내에 삽입된 구부러진 탄소와이어(62)를 가진다. 석영관(63)들은 석영판(61)의 2개의 둘레부에 용접된다. 탄소와이어(62)는 낮은 발열율로 발열하는 두꺼운 대향하는 끝단부를 가지며, 이들 부분들은 석영관(63)내로 연장된다. 석영관(63)은 단자로서 기능한다. 즉, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 석영관(63)은 열 반사기(3)(또는 단열구조)를 관통하 고, 열 반사기(3)로부터 외부로 연장되고, 도시하지 않은 전극을 통하여 가열소자 (4)와 유사하게 케이블(64)로 접속된다. 도 1에서, 참조부호(65)는 전원회로를 나타낸다. 제 1 서브히터(6)는 예를 들면 열 반사기(3)의 상부벽상에 지지부재(66)에 의하여 지지된다.
제 2 서브히터는 예를 들면 열 반사기(3)의 바닥벽으로부터 상부로 연장하는 다수개의 짧은 가열소자(67)를 가진다. 가열소자(67)들은 가열소자(4)의 하부가 배열되는 원의 내부원에 방사상으로 배치된다. 가열소자(4)와 유사하게, 각 가열소자(67)들은 석영관내에 탄소와이어를 밀봉함으로써 형성된다. 가열소자(67)는 도 1에서 나타낸 바와 같이 형성 및 배열될 필요는 없다; 가열소자(67)는, 반응관(1)을 둘러싸도록 물결형상으로 형성되고 배치될 수 있거나, 또는 기타 임의의 형상 및 임의의 패턴으로 형성될 수 있다. 제 1 의 서브히터(6)와 유사한 구성을 가지는 판형상의 제 3 의 서브히터(7)가 단열 유니트(22)의 상부에 배치된다.
상술한 열처리장치를 이용한 열처리공정을 간략하게 설명한다. 소정의 수의 웨이퍼 W(피처리체)가 웨이퍼보우트(11)내에 층형상으로 유지된다. 웨이퍼 W 들을 유지한 웨이퍼 보우트(11)가 웨이퍼 엘리베이터(23)에 의하여 반응용기내로 상승 및 반송된다. 웨이퍼 W [웨이퍼 보우트(11)]가 반응용기내로 반입되고 반응용기의 개방된 하부끝단[매니폴드(2)의 개방된 하부끝단]이 뚜껑(21)으로 폐쇄된 후에, 처리분위기를, 예를 들면 소정의 온도로 가열하도록 발열율을 증가시키기 위하여 히터(40),(6),(67) 및 (7)로 공급되는 전력이 증가한다. 동시에, 반응용기는 도시하지 않은 진공펌프에 의하여 배출관(25)을 통하여 소정의 진공도로 배기된다.
반응용기내의 처리분위기의 온도가 안정된 후에, 가스공급관(24)을 통하여 반응용기[반응관(1) 및 매니폴드(2)]내로 처리가스가 공급되고, 반응용기내의 압력이 소정의 진공도로 유지된다. 그리고, 웨이퍼 보우트(11)가 모우터 M에 의하여 회전한다. 처리분위기내로 확산된 처리가스가 분해되고, 그에 의하여 활성종들이 웨이퍼 W 상에 박막으로서 증착된다. 그리고, 히터(40),(6),(67) 및 (7)로 공급된 전력이 감소되어 발열율을 감소하게 된다. 반응용기내의 분위기의 온도가 하강한 후에, 웨이퍼 보우트(11)가 처리용기의 밖으로 반송된다.
상술한 실시예는 다음과 같은 효과를 달성한다.
히터(40)는 탄소와이어(41)를 밀봉함으로써 형성되는 가열소자(4)를 얇은 석영관(42)내에 배열함으로써 형성된다. 가열소자(4)는 용이하게 구부러질 수 있으며, 따라서 히터(40)는 임의의 형상으로 만들어질 수 있다. 비록 상기 실시예에서의 히터(40)는 기술의 편의상 직선형상으로 하였지만, 가열소자(4)의 형상의 선택은 임의적이며, 이에 대하여는 후술한다. 탄소와이어(41)는 각 탄소섬유가닥을 형성하는 가는 탄소부재의 수 및 탄소섬유 가닥의 수를 결정함으로써 선택적으로 임의의 직경으로 할 수 있다. 따라서, 저항의 국부적인 조절, 즉 발열율의 국부적인 조정이 용이하게 달성될 수 있다. 따라서, 히터(40)의 발열패턴 (형상 및 발열율)이 임의로 결정될 수 있다.
종래의 히터는 다수개의 발열영역으로 분할되며, 각 발열영역의 온도는 각 온도제어기에 의하여 개별적으로 제어되었다. 그러나, 가열소자(4)를 포함하는 본 실시예의 히터(40)는 가열소자(4)의 발열패턴을 조정함으로써 다수개의 발열영역으 로 분할될 수 있다. 예를 들면, 연속적이고, 수직적으로 층을 이루는 처리공간에 대해서 단위면적당 발열율[본 명세서에서 "발열율"이라 함은 히터(40)가 배치되는 영역에서 발생되는 열의 발열율을 나타낸다]이 임의적으로 단계적으로 설정될 수 있다. 따라서, 넓은 처리공간의 영역이 균일한 온도분포로 가열될 수 있으며, 이는 열처리의 스루풋을 제고한다.
판형상의 서브히터(제 1 서브히터:6)가 반응용기의 위에 배치되므로, 처리분위기로부터 열 반사기(3)의 상부벽을 통하여 발산된 열량이 감소될 수 있다. 특히, 서브히터(6)의 탄소와이어(62)의 형상 및 발열율이 용이하게 조정될 수 있기 때문에, 가열소자(4)의 발열패턴의 조정에 부가하여 서브히터(6)의 발열패턴도 조정함으로써, 웨이퍼 보우트(11)의 상부 근방에서의 온도분포의 균일성이 더욱 향상될 수 있다.
부가적으로, 가열소자(67)를 포함하는 제 2 의 서브히터가 열처리로 본체[열 반사기(3)의 바닥벽]의 바닥벽상에 배치되고, 제 3 의 서브히터가 단열 유니트(22)의 상부에 배치되므로, 열처리로 본체의 하부를 통한 열의 발산량이 감소될 수 있다. 특히, 가열소자(67)를 포함하는 제 2 의 서브히터 및 제 3 의 서브히터(7)의 형상 및 발열율이 용이하게 조정될 수 있기 때문에, 웨이퍼 보우트(11)의 하부둘레 영역에서의 온도분포의 균일성이 더욱 향상될 수 있다.
상술한 효과에 부가하여, 각각의 탄소와이어(41) 및 (62)의 축열성능이 적기 때문에 온도가 높은 상승률로 증가될 수 있고, 높은 하강율로 감소될 수 있다. 처리공간이 소정의 처리온도로 가열된 후의 회복시간(온도안정에 필요한 시간)이 짧으며, 이는 열처리의 스루풋을 증가시킨다. 일반적으로, 히터(40), (6), (67) 및 (7)의 탄소와이어의 불순물 함유량과, 석영관 및 그의 내부의 탄소섬유를 밀봉하는 석영판의 불순물 함유량은 매우 적다. 따라서, 반도체웨이퍼 W 와 같은 피처리체가 거의 오염되지 않는다.
그리고, 도 8 에 나타낸 히터(40)는 U 자 형상의 가열소자(4)를 가진다. 각 열에 다수개, 예를 들어 한 열에 3개의 가열소자(4)를 포함하는 다수개의 수직열이 열 반사기(3)의 측벽의 내부표면을 따라서 배열된다. 각 가열소자(4)의 대향하는 끝단부내에 형성된 단자(44)들은 열 반사기(3)의 측벽을 통하여 연장되어 열 반사기(3)로부터 외부로 돌출한다. 따라서, 도 8 에 나타낸 히터(4)내에서, 가열소자 (4)들은 수직 및 둘레방향에 관하여 다수개의 군으로 분할된다.
도 9 에 나타낸 가열소자(4)가 사용될 수 있다. 도 9 에 나타낸 가열소자 (4)는, 석영관(42)과, 석영관(42)의 제 1 끝단부내에 유지된 한쌍의 전극(43)과, 석영관(42)의 제 1 의 끝단부로 삽입되고 제 2 의 끝단부에서 되돌아오는 탄소와이어(41)를 가진다. 도 10에서 나타낸 바와 같이, 어떤 가열소자(4)들은 열 반사기 (3)의 상부 및 바닥벽의 사이로 연장되고 그의 단자(44)들은 열 반사기(3)의 상부벽, 바닥벽 또는 측벽을 통하여 연장된다. 도 10 에 나타낸 것은 또한 열 반사기(3)의 측벽을 통하여 연장되는 한 개의 단자를 각각 가지며 하나의 수직열에 배열된 다수개의 가열소자[도 10에서 2개의 가열소자(4)]들이다. 도 10에서, 각 가열소자(4)는 선으로 표시하였으며, 각 단자(44)는 원통으로 나타내었다.
도 11에서 나타낸 가열소자(4)가 사용될 수도 있다. 도 11에서 나타낸 가열 소자(4)들은 U 자 형상으로 형성되었다. 히터(40)는 수직열에 2개의 가열소자(4)를 각각 배치하고, 열반사기(3)의 상부 또는 바닥벽을 통하여 각 가열소자(4)의 대향하는 끝단부에 형성된 단자(44)를 연장시키고, 열 반사기3)의 측벽을 따라 가열소자(4)의 수직열을 배열함으로써 형성된다. 도 12에서 나타낸 가열소자(4)도 사용될 수 있다. 도 12에서 나타낸 바와 같이, 가열소자(4)들은 물결형상(굴곡형상)으로 형성되며, 각 가열소자(4)의 대향하는 끝단부내에 형성된 단자(44)들이 열 반사기(3)의 측벽을 관통하여 연장된다. 비록 상술한 실시예들에 있어서의 열반사기 (3)는 원통형의 형상을 가지고 있지만, 단면이 삼각형, 사각형 또는 다각형인 다각형 기둥의 형상을 가질 수도 있다. 도 13 및 도 14 에 나타낸 히터(40)도 사용될 수 있다. 도 13 에 나타낸 히터(40)는 수직방향으로 간격을 두고 배열된 다수개의 원형 가열소자(4)를 가진다. 도 14 에 나타낸 히터(40)는 나선형의 가열소자 (4)를 가진다. 도 15에 나타낸 히터(40)도 사용될 수 있다. 도 15 에 나타낸 히터 (40)는 사각형으로 결합된 4개의 직선 가열소자(4)를 각각 포함하는 다수개의 사각형 가열구조를 가진다. 다수개의 사각형 가열구조는 수직방향으로 간격을 두고 배열된다. 도 16 및 도 17 에는 가능한 히터(40)를 나타내었다. 도 16 에 나타낸 히터(40)는 사각형으로 결합된 2개의 L 자 형상의 가열소자(4)를 각각 포함하는 다수개의 사각형 가열구조를 가진다. 사각형 가열구조는 수직방향으로 간격을 두고 배열된다. 도 17 에 나타낸 히터(40)는 사각형으로 결합된 2개의 U 자 형상 가열소자(4)를 각각 포함하는 다수개의 사각형 가열구조를 가진다. 사각형 가열구조는 수직방향으로 간격을 두고 배열된다. 가열소자(4)는 사각형 가열구조의 대신에 삼 각형 또는 다각형 가열구조로 결합될 수 있다.
가열소자(4)들은 반응용기를 동심적으로 둘러싸는 상이한 직경의 2개의 가상원통형을 따라서 배열될 수도 있다. 그러한 구성의 히터를 도 18 내지 도 22를 참조하여 기술한다.
도 18 및 도 19에 나타낸 히터(40)는 둘레방향으로 큰 직경의 가상 원통형 L1 상에 배열된 다수개의 직선형 가열소자 [4(4b)] 및 큰 직경의 가상 원통형 L1 의 내부에 배치되고 그와 동심인 작은 직경의 가상 원통형 L2 상에 배열된 다수개의 U 자형 가열소자[4(4a)]를 가진다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 각 직선 가열소자[4(4b)]를 통과하는 반지름은 U자형 가열소자[4(4a)]의 각각을 2등분한다.
도 20 및 도 21 에 나타낸 히터(40)는 큰 직경의 가상 원통형 L1 및 작은 직경의 가상 원통형 L2 상에 교호로 배열된 다수개의 직선형 가열소자[4(4b)] 및 다수개의 다수개의 U자 형상 가열소자[4(4a)]를 가진다. 작은 직경의 가상 원통형 L2 상에 배열된 가열소자(4)는 열 반사기(3)로부터 안쪽으로 연장된 어떠한 적절한 형상의 지지부재에 의해서도 지지될 수 있다.
상술한 실시예에 있어서, 가열소자(4)들은 2개의 가상 원통형 L1 및 L2 상에 배열된다. 가열소자(4)는 상이한 직경의 3개 또는 그 이상의 가상의 원통형상에 배치될 수 있다.
3차원 패턴으로 이와 같이 가열소자(4)들이 배치되었을 때, 처리분위기로부터 본 발열패턴이 더욱 미세하게 조정될 수 있다. 따라서, 처리분위기내의 온도분포의 균일성이 더욱 향상될 수 있다.
도 22 는 본 발명의 제 2 실시예의 종형 열처리장치의 요부의 모식적 단면도이다. 도 22 에 나타낸 종형 열처리장치는 그의 종형 열처리장치가 제 1 원통형 열 반사기(81) 및 상기 제 1 원통형 열 반사기(81)와의 사이에 형성된 공간을 두고 제 1 열 반사기(81)를 둘러싸는 제 2 원통형 열 반사기(82)로 구성된 열처리로 본체를 가진다는 점에서 제 1 실시예의 종형 열처리장치와 상이하다. 히터(40)를 형성하는 가열소자(4)는, 제 1 실시예에서와 유사하게, 제 1 열 반사기(81)의 측벽의 내부둘레를 따라서 배치된다. 제 1 열 반사기(81)는, 예를 들면, 석영 원통의 내부면을 알루미나 코팅함으로써 형성된다. 알루미나 코팅은 히터(40)에 의하여 방출된 복사열을 다중 반사모드로 반사한다. 보다 상세하게는, 제 1 열 반사기(81)는 그가 받아들인 복사열을, 예를 들면 약 80% 반사한다. 제 2 열 반사기(82)의 내부면은 예를 들면 거울면 처리된 표면과 같은 열 반사면으로 마무리된다. 제 2 열 반사기(82)는 제 1 열 반사기(81)를 통과한 복사열을 반사한다. 따라서, 대기중으로의 열발산이 억제되고, 이는 열처리장치의 열효율을 제고한다. 제 2 열 반사기(82)의 내부면은 거울면 처리를 할 필요가 없다.
이상의 열처리 장치들에는 각각 열 반사기(3, 81, 82)들이 마련되어 있다. 도 23 에 나타낸 본 발명에 따른 제 3 실시예의 종형 열처리장치는 열 반사기가 마련되어 있지 않으나, 예를 들면 알루미나, 실리카 또는 알루미나-실리카로 만들어진 원통형 단열구조(9) 및, 그 단열구조(9)의 외부표면을 덮는 금속으로 만들어진 외부판(91)을 포함하는 열처리로 본체가 구비된다. 가열소자(4)가 단열구조(9)의 측벽의 내면을 따라서 배열될 수 있다. 냉매경로를 형성하는 냉각수 파이프(92)가 외부판(91)의 둘레에 나선형으로 감겨진다. 가열소자(4)는 단열구조(9)의 측벽의 내부표면을 따라 배치될 수 있다.
만약 가열소자(4)가 단열구조(9)와 접촉하는 경우에는 가열소자(4)의 국부온도가 과도하게 상승하여 가열소자(4)가 손상될 수 있으며, 또한 석영관(42)이 고온으로 가열될 때 석영관(42)으로 단열구조(9)내에 포함된 매우 소량의 알칼리 불순물이 침투하여 석영관(42)을 불투명하게 할 수 있기 때문에, 바람직하게는, 예를 들면 3mm 이상의 간극이 단열구조(9)와 가열소자(4)의 사이에 형성된다. 만약 석영관(42)이 불투명하게 되면, 가열소자(4)내에 열이 축적되어 가열소자(4)가 파괴될 수 있다. 만약 석영관(42)이 국부적으로 불투명하게 되면, 석영관(42)의 불투명부를 통하여 전달된 발열량이 석영관(42)의 다른 부분을 통하여 전달된 발열량과 다르기 때문에 처리분위기내의 온도분포의 균일성이 열화될 수 있다.
도 1 에 나타낸 제 1 실시예에서, 제 3 서브히터(7)는 뚜껑(21)상에 장착된 단열 유니트(22)의 상부에 놓인다. 그러나, 제 3 서브히터(7)는 뚜껑(21)상에 지지부(71)에 의하여 지지될수 있으며, 단열 유니트(70)는 도 24에서 나타낸 바와 같이 석영 블록 또는 석영 핀과 같은 단열부재(72)를 서브히트(7)의 아래쪽에 공간을 두고 배치함으로써 서브히터(7)로부터 간격을 두도록 형성될 수 있다. 이 경우에, 회전축(21a)이 단열유니트(70)을 관통하여 연장된다.
서브히터(7)가 웨이퍼 보우트(11)의 아래쪽에 놓일 때, 처리분위기의 하부를 통하여 발산되는 열량이 더욱 감소된다. 발산되는 열의 감소 및 히터(40)의 발열패턴의 임의적인 조정의 복합적인 효과는 웨이퍼 보우트(11)의 하부둘레의 영역에 서의 온도분포의 균일성을 더욱 향상시킨다. 서브히터(7)가 도 24에서 나타낸 바와 같이 회전가능하게 지지되지 않을 때는, 전극이 뚜껑(21)의 아래쪽에 용이하게 연장될 수 있다.
각 가열소자는 어떠한 직선적이고, 탄성적인 석영관내의 탄소이외의 다른 고순도의 재료의 저항발열부재일 수 있다. 본 발명은 CVD 처리를 행하는 열처리장치에만 적용되는 것은 아니며 산화처리 또는 확산처리와 같은 다양한 처리를 수행하는 다양한 종형 열처리장치에도 적용가능하다. 본 발명은 배치처리식 열처리장치에만 적용되는 것은 아니며, 매엽처리식 열처리장치에도 적용가능하다. 피처리체는 웨이퍼에만 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 액정 디스플레이용의 글래스 기판에도 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가열패턴은 높은 자유도로 조정될 수 있으며, 고도의 균일한 온도분포의 처리분위기를 형성할 수 있다.

Claims (29)

  1. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터를 포함하여 구성되며;
    상기 히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉튜브 및 그 밀봉튜브에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하고
    상기 반응용기는 길이방향의 원통형 형상을 가지며, 히터는 그 반응용기의 측면을 마주보는 영역내에 배치되고,
    제 2 히터가 반응용기의 상부벽을 마주 대하는 영역내에 마련되며,
    상기 제 2 히터는 세라믹 재료로 만들어진 밀봉부재 및 그 밀봉부재에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하는 열처리장치.
  2. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터를 포함하여 구성되며;
    히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉튜브 및 그 밀봉튜브에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하고,
    상기 열처리로 본체는 거울면 마무리된 내부표면을 가지는 열처리장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 히터가 열처리로 본체의 내부표면으로부터 떨어져서 배치되는 열처리장치.
  4. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터를 포함하여 구성되며;
    히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉튜브 및 그 밀봉튜브에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하고,
    상기 열처리로 본체는:
    열반사면으로서 기능하는 내부표면을 가지는 제 1 열 반사기, 및
    제 1 열 반사기를 통과한 복사열을 반사할 수 있는 열 반사면으로서 기능하는 내부표면을 가지며, 제 1 열반사기를 둘러싸는 제 2 열 반사기를 포함하는 열처리장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 2 열 반사기는 거울면 마무리된 내부표면을 가지는 열처리장치.
  6. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터를 포함하여 구성되며;
    히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉튜브 및 그 밀봉튜브에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하고,
    상기 저항 발열부재는 각각 상이한 단면적을 가지는 영역들을 가지는 열처리장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 저항 발열부재는 각각 상이한 발열율로 발열하는 영역들을 가지는 열처리장치.
  8. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터를 포함하여 구성되며;
    히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉튜브 및 그 밀봉튜브에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하고,
    상기 저항 발열부재는 미세한 탄소섬유의 묶음에 의하여 형성된 탄소와이어인 열처리장치.
  9. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터를 포함하여 구성되며;
    히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉튜브 및 그 밀봉튜브에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하고,
    상기 세라믹 재료는 석영인 열처리장치.
  10. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터를 포함하여 구성되며;
    히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉튜브 및 그 밀봉튜브에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하고,
    층형상으로 다수개의 피처리체를 유지하고, 반응용기의 아래쪽으로부터 반응용기내로 반송되는 홀더를 더욱 포함하며,
    상기 홀더는, 반응용기의 개방된 끝단을 기밀하게 밀폐할 수 있는 뚜껑, 및
    뚜껑상에 배치되는 단열 유니트를 가지고,
    제 4 히터가 단열유니트내에 배치되며,
    제 4 히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉부재 및 그 밀봉부재에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하는 열처리장치.
  11. 피처리체가 반입되는 반응용기와;
    그 반응용기를 둘러싸도록 배치되는 열처리로 본체; 및
    그 열처리로 본체내의 반응용기를 둘러싸는 영역내에 배치된 히터와;
    층형상으로 다수개의 피처리체를 유지하고, 반응용기의 아래쪽으로부터 반응용기내로 반송되는 홀더를 포함하여 구성되며;
    상기 홀더는, 반응용기의 개방된 끝단을 기밀하게 밀폐할 수 있는 뚜껑, 및
    뚜껑상에 배치되는 단열 유니트를 가지고,
    다른 히터가 상기 단열 유니트내에 배치되며, 다른 히터는, 세라믹 재료로 만들어진 밀봉부재 및 그 밀봉부재에 의하여 밀봉된 직선형상의 구부릴 수 있는 저항 발열부재를 각각 가지는 가열소자들을 포함하는 열처리장치.
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