KR102509241B1 - 열처리 장치 - Google Patents

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다츠야 야마구치
야스아키 기쿠치
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 처리 용기 내의 온도 안정성을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에 따른 열처리 장치는, 세로로 긴 처리 용기와, 상기 처리 용기를 둘러싸도록 설치된 히터 장치를 구비하고, 상기 히터 장치는, 천장면을 가지며, 하단부가 개구된 원통체 모양의 제1 단열 부재와, 상기 제1 단열 부재의 내주측에 둘레 방향을 따라 설치된 발열체와, 상기 발열체와 인접하는 위치에, 상기 제1 단열 부재의 둘레 방향을 따라 배치된 제2 단열 부재를 갖는다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 개시는, 열처리 장치에 관한 것이다.
다수 장의 기판에 대하여 일괄적으로 열처리를 행하는 배치식의 세로형 열처리 장치가 알려져 있다. 세로형 열처리 장치에서는, 기판을 수용하는 세로로 긴 처리 용기의 외주측에, 처리 용기를 둘러싸도록 기판을 가열하는 히터 장치가 설치된다. 히터 장치는, 예컨대 원통체 모양의 단열층의 내주측에, 히터 소선(素線)을 나선형으로 권취하여 형성된다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2012-39006호 공보
본 개시는, 처리 용기 내의 온도 안정성을 향상시킬 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 따른 열처리 장치는, 세로로 긴 처리 용기와, 상기 처리 용기를 둘러싸도록 설치된 히터 장치를 구비하고, 상기 히터 장치는, 천장면을 가지며, 하단부가 개구된 원통체 모양의 제1 단열 부재와, 상기 제1 단열 부재의 내주측에 둘레 방향을 따라 설치된 발열체와, 상기 발열체와 인접하는 위치에, 상기 제1 단열 부재의 둘레 방향을 따라 배치된 제2 단열 부재를 갖는다.
본 개시에 따르면, 처리 용기 내의 온도 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 열처리 장치의 구성예를 나타낸 단면도.
도 2는 히터 장치의 구성예를 나타낸 단면도.
도 3은 히터 장치의 구성예를 나타낸 사시도.
도 4는 히터 장치의 다른 구성예를 나타낸 단면도.
도 5는 히터 장치의 또 다른 구성예를 나타낸 단면도.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시형태에 대해서 설명한다. 첨부한 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
(열처리 장치)
본 개시의 일 실시형태에 따른 열처리 장치에 대해서 설명한다. 본 개시의 일 실시형태에 따른 열처리 장치는, 다수 장의 기판에 대하여 일괄적으로 열처리를 행하는 배치식의 세로형 열처리 장치이다. 도 1은 열처리 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다. 도 2는 히터 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다. 도 3은 히터 장치의 구성예를 나타낸 사시도로서, 도 1의 히터 장치를 아래쪽에서 보았을 때의 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열처리 장치(1)는, 길이 방향이 수직인 세로로 긴 처리 용기(4)를 갖는다. 처리 용기(4)는, 천장이 있는 외통(6)과, 외통(6)의 내측에 동심적으로 배치된 원통체 모양의 내통(8)을 갖는 이중관 구조로 구성되어 있다.
외통(6) 및 내통(8)은, 석영 등의 내열성 재료에 의해 형성되어 있다. 외통(6) 및 내통(8)은, 예컨대 스테인리스제의 매니폴드(10)에 의해, 하단부가 유지되어 있다. 매니폴드(10)는, 베이스 플레이트(12)에 고정되어 있다. 또한, 매니폴드(10)를 설치하지 않고, 처리 용기(4) 전체를, 예컨대 석영에 의해 형성하는 구성이어도 좋다.
매니폴드(10)의 하단부의 개구에는, 예컨대 스테인리스강으로 형성되는 원반형의 캡부(14)가, 0링 등의 시일 부재(16)를 통해 기밀 밀봉 가능하게 부착되어 있다. 캡부(14)의 대략 중심부에는, 예컨대 자성 유체 시일(18)에 의해 기밀 상태로 회전 가능한 회전축(20)이 삽입 관통되어 있다. 회전축(20)의 하단부는 회전 기구(22)에 접속되어 있고, 상단은 예컨대 스테인리스강에 의해 형성되는 테이블(24)이 고정되어 있다.
테이블(24) 상에는, 예컨대 석영제의 보온통(26)이 설치되어 있다. 보온통(26) 상에는, 예컨대 석영제의 웨이퍼 보우트(28)가 배치되어 있다.
웨이퍼 보우트(28)에는, 다수 장(예컨대 50∼150장)의 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼(W)」라고 함)가, 소정의 간격(예컨대 10 ㎜ 정도의 피치)으로 수용되어 있다. 웨이퍼 보우트(28), 보온통(26), 테이블(24), 및 캡부(14)는, 예컨대 보우트 엘리베이터인 승강 기구(30)에 의해, 처리 용기(4) 내에 일체가 되어 로드, 언로드된다.
매니폴드(10)의 하부에는, 처리 용기(4) 내에 처리 가스를 도입하기 위한 가스 도입 수단(32)이 설치되어 있다. 가스 도입 수단(32)은, 매니폴드(10)를 기밀하게 관통하도록 설치된 가스 노즐(34)을 갖는다. 또한, 도 1에서는, 가스 도입 수단(32)이 하나 설치되어 있는 경우를 나타내었지만, 사용하는 가스종의 수 등에 따라 복수의 가스 도입 수단(32)이 설치되어 있어도 좋다. 가스 노즐(34)로부터 처리 용기(4)로 도입되는 가스는, 유량 제어 기구(도시하지 않음)에 의해, 유량이 제어된다.
매니폴드(10)의 상부에는, 가스 출구(36)가 설치되어 있다. 가스 출구(36)에는, 배기계(38)가 연결된다. 배기계(38)는, 가스 출구(36)에 접속된 배기 통로(40)와, 배기 통로(40)의 중간에 개설된 압력 조정 밸브(42) 및 진공 펌프(44)를 포함한다. 배기계(38)에 의해, 처리 용기(4) 내의 압력을 조정하면서 배기할 수 있다.
처리 용기(4)의 외주측에는, 처리 용기(4)를 둘러싸도록 하여 웨이퍼(W)를 가열하는 히터 장치(48)가 설치되어 있다. 히터 장치(48)는, 제1 단열 부재(50)와, 보호 커버(51)와, 발열체(52)와, 제2 단열 부재(54)를 갖는다.
제1 단열 부재(50)는, 천장면을 가지며, 하단부가 개구된 원통체 모양으로 형성되어 있다. 제1 단열 부재(50)의 하단부는, 베이스 플레이트(12)에 지지되어 있다. 제1 단열 부재(50)는, 예컨대 열전도성이 낮고, 비교적 부드러운 무정형의 실리카 및 알루미나의 혼합물에 의해 형성되어 있다. 제1 단열 부재(50)는, 그 내주가 처리 용기(4)의 외면에 대하여 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 있다.
보호 커버(51)는, 제1 단열 부재(50)의 외주의 전면을 덮도록 부착되어 있다. 보호 커버(51)는, 예컨대 스테인리스강에 의해 형성되어 있다.
발열체(52)는, 제1 단열 부재(50)의 내주측에, 나선형으로 권취되어 배치되어 있다. 발열체(52)는, 전원에 접속되어 있고, 전력이 공급됨으로써 발열되며, 웨이퍼 보우트(28)에 유지된 웨이퍼(W)를 가열한다. 발열체(52)는, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 단열 부재(50)의 내주측에 소정의 권취 직경 및 소정의 배열 피치에 의해 나선형으로 권취되어 배치된 단면 형상이 직사각형인 박판 부재에 의해 형성되는 히터 소선이다. 박판 부재는, 예컨대 물결 형상으로 가공되어 있고, 핀에 의해 제1 단열 부재(50)에 고정되어 있다. 단, 발열체(52)는, 예컨대 단면 형상이 원형인 선재에 의해 형성되는 히터 소선이어도 좋다. 또한, 발열체(52)는, 핀에 의한 고정 대신에, 제1 단열 부재(50)의 내주측에 나선형으로 홈부를 형성하고, 홈부에 끼워져 고정되어 있어도 좋다. 또한, 발열체(52)는, 상하 방향에 있어서 복수의 존으로 분할되어 있어도 좋다. 발열체(52)가 상하 방향에 있어서 복수의 존으로 분할되어 있는 경우, 존마다 발열체(52)의 발열량을 제어함으로써, 처리 용기(4)의 상하 방향의 온도를 조절할 수 있다.
제2 단열 부재(54)는, 상하 방향에 있어서 인접하는 발열체(52) 사이에 둘레 방향을 따라 설치되어 있다. 제2 단열 부재(54)는, 예컨대 제1 단열 부재(50)의 하부(개구측)에 설치되어 있다. 제2 단열 부재(54)는, 제1 단열 부재(50)의 내벽으로부터 처리 용기(4) 측으로 연장되어 처마 모양으로 형성되어 있고, 예컨대 발열체(52)보다 처리 용기(4) 측으로 돌출되어 형성되어 있다. 제2 단열 부재(54)에 의해, 처리 용기(4)의 외벽과의 사이에 약간의 간극이 형성된다. 또한, 제2 단열 부재(54)는, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이, 복수로 분할되어 형성되어 있고, 복수로 분할된 제2 단열 부재(54)의 각각은, 처리 용기(4)의 길이 방향에서 보았을 때의 형상이 원호 형상이다. 단, 제2 단열 부재(54)는, 복수로 분할되지 않고 일체로 형성되어 있어도 좋다. 또한, 제2 단열 부재(54)는, 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이, 처리 용기(4)의 길이 방향의 단면 형상이 직사각형이다. 제2 단열 부재(54)의 구성 재료는, 절연성 및 내열성이 있으면 좋고, 예컨대 세라믹재여도 좋다. 세라믹재로는, 예컨대 알루미나(Al2O3)나 질화알루미늄(AlN)을 이용할 수 있다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 열처리 장치에 의하면, 상하 방향에 있어서 인접하는 발열체(52)의 사이에 둘레 방향을 따라 제2 단열 부재(54)가 설치되어 있기 때문에, 발열체(52)가 발열함으로써 생기는 상하 방향에 있어서의 온도차에 기인하는 자연 대류를 억제할 수 있다. 이 때문에, 처리 용기 내의 온도 안정성이 향상된다. 또한, 제1 단열 부재(50)의 개구로의 방열을 억제할 수 있기 때문에, 제1 단열 부재(50)의 하부의 온도 저하가 작아지고, 처리 용기(4) 내를 소정의 온도로 유지하기 위해 발열체(52)에 공급하는 전력을 저감할 수 있다.
특히, 발열체(52)가 상하 방향에 있어서 복수로 분할되어, 각각의 발열체(52)에 공급하는 전력을 독립 제어하는 경우, 제1 단열 부재(50)의 개구로의 방열이 크면, 개구에 가까운 발열체(52)에 공급하는 전력을 크게 함으로써, 상하 방향의 온도 균일성이 양호해진다. 그러나, 개구에 가까운 발열체(52)에 공급하는 전력을 크게 하면, 상기 발열체(52) 근방의 온도가, 상기 발열체(52)보다 위쪽의 발열체(52) 근방의 온도보다 높아지고, 처리 용기(4)와 제1 단열 부재(50) 사이의 공간에 상승 기류(자연 대류)가 생긴다고 하는 과제가 있다. 본 개시의 일 실시형태에 따른 열처리 장치에서는, 상하 방향 있어서 인접하는 발열체(52)의 사이에 둘레 방향을 따라 제2 단열 부재(54)가 설치되어 있기 때문에, 처리 용기(4)와 제1 단열 부재(50) 사이의 공간에 생기는 자연 대류를 억제할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시형태에 따른 열처리 장치에 의하면, 제2 단열 부재(54)는, 발열체(52)보다 처리 용기(4) 측으로 돌출되어 있다. 이것에 의해, 자연 대류의 억제 효과 및 방열의 억제 효과를 특히 높일 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시형태에 따른 열처리 장치에 의하면, 제2 단열 부재(54)는, 복수로 분할되어 형성되어 있다. 이것에 의해, 발열체(52)를 제1 단열 부재(50)의 내주측에 배치한 후에 제2 단열 부재(54)를 용이하게 부착할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한, 신설된 히터 장치에 덧붙여 이미 설치된 히터 장치에도 제2 단열 부재(54)를 용이하게 부착할 수 있다.
또한, 상기한 실시형태에서는, 히터 장치(48)가 처리 용기(4)의 길이 방향의 단면 형상이 직사각형인 제2 단열 부재(54)를 갖는 경우를 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 히터 장치(48)는 처리 용기(4)의 길이 방향의 단면 형상이 처리 용기(4)의 측을 예각으로 하는 삼각형인 제2 단열 부재(54A)를 갖고 있어도 좋다. 단면 형상이 삼각형임에 따라, 부재의 사용량을 저감할 수 있기 때문에, 제조 비용이 싸진다. 또한, 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이, 히터 장치(48)는 처리 용기(4)의 길이 방향의 단면 형상이 직사각형이고, 처리 용기(4)의 측의 각이 R 가공되어 있는 제2 단열 부재(54B)를 갖고 있어도 좋다. 처리 용기(4)의 측의 각이 R 가공되어 있음으로써, 처리 용기(4)의 외면에 접촉하여도 처리 용기(4)가 파손되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 도 4는 히터 장치의 다른 구성예를 나타낸 단면도이고, 도 5는 히터 장치의 또 다른 구성예를 나타낸 단면도이다.
(실시예)
본 개시의 일 실시형태에 따른 열처리 장치(1)에 의한 효과를 확인하기 위해서 행한 실시예에 대해서 설명한다.
실시예에서는, 독립 제어할 수 있는 7개의 존으로 분할된 발열체(52)와, 최하부의 존의 발열체(52)와 대응하여 설치된 제2 단열 부재(54)를 갖는 열처리 장치(1)에 의해, 각 존의 웨이퍼 온도가 500℃가 되도록 발열체(52)로의 공급 전력을 제어하였다. 또한, 비교를 위해, 독립 제어할 수 있는 7개의 존으로 분할된 발열체(52)를 가지며, 제2 단열 부재(54)를 갖고 있지 않은 열처리 장치에 의해, 각 존의 웨이퍼 온도가 500℃가 되도록 발열체(52)로의 공급 전력을 제어하였다. 그리고, 각각의 열처리 장치에 있어서, 각 존의 웨이퍼 온도가 500℃로 안정되었을 때의 발열체(52)로의 공급 전력을 측정하였다.
실시예에서는, 각 존의 발열체(52)로의 공급 전력은, 상부로부터 하부를 향해 차례로 정격 전력의 1.24%, 0.71%, 0.70%, 0.82%, 1.11%, 1.70%, 6.63%였다. 이것에 대하여, 비교예에서는, 각 존의 발열체(52)로의 공급 전력은, 상부로부터 하부를 향해 차례로 정격 전력의 1.26%, 0.68%, 0.70%, 0.78%, 1.02%, 1.65%, 7.68%였다.
상기한 결과에 따르면, 최하부의 존의 발열체(52)와 대응하는 위치에 제2 단열 부재(54)를 설치함으로써, 최하부의 존의 발열체(52)로의 공급 전력이 약 13 포인트(정격 전력의 7.68%∼6.63%) 감소하고 있는 것을 알 수 있다.
이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기한 실시형태는, 첨부된 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.
상기한 실시형태에서는, 발열체(52)가, 제1 단열 부재(50)의 내주측에, 나선형으로 권취되어 배치되어 있는 경우를 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 발열체(52)는, 제1 단열 부재(50)의 내주측에 둘레 방향을 따라 설치되어 있으면 좋고, 예컨대 상하로 벨로우즈형으로 굴곡되면서, 제1 단열 부재(50)의 내주측에, 전체 둘레에 걸쳐 배치되어 있어도 좋다. 이 경우, 제2 단열 부재(54)는, 발열체(52)의 상측의 굴곡부보다 위쪽, 및 발열체(52)의 하측의 굴곡부보다 아래쪽 중 적어도 어느 한쪽에 배치된다.
상기한 실시형태에서는, 처리 용기가 내관과 외관을 갖는 이중관 구조인 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 처리 용기는 단일관 구조여도 좋다.
상기한 실시형태에서는, 처리 용기의 하단부 위치로부터 처리 가스를 처리 용기 내로 공급하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 웨이퍼 보우트의 길이 방향을 따라 가스 노즐을 배치하여 사이드 플로우 방식으로 처리 가스를 공급하는 구성이어도 좋다.
상기한 실시형태에서는, 열처리 장치에 의해 처리되는 기판이 반도체 웨이퍼인 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 기판은 플랫 패널 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)용 대형 기판, EL 소자 또는 태양전지용 기판이어도 좋다.

Claims (10)

  1. 열처리 장치에 있어서,
    세로로 긴 처리 용기와,
    상기 처리 용기를 둘러싸도록 설치된 히터 장치
    를 구비하고,
    상기 히터 장치는,
    천장면을 가지며, 하단부가 개구된 원통체 모양의 제1 단열 부재와,
    상기 제1 단열 부재의 내주측에 둘레 방향을 따라 설치된 발열체와,
    상기 발열체와 인접하는 위치에, 상기 제1 단열 부재의 둘레 방향을 따라 배치된 복수의 제2 단열 부재를 갖고,
    상기 발열체는 상기 처리 용기의 길이 방향에 있어서 복수의 존으로 분할되어 있고,
    상기 복수의 제2 단열 부재는 상기 복수의 존 중 최하부의 존의 상기 발열체만에 대응하여 마련되어 있고,
    상기 제2 단열 부재는, 상기 제1 단열 부재의 내벽으로부터 상기 처리 용기 측에 처마 모양으로 형성되고, 상기 제2 단열 부재에 의해 상기 처리 용기의 외벽과의 사이에 간극이 형성되는 것인, 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는, 나선형으로 권취되어 설치되고,
    상기 제2 단열 부재는, 인접하는 상기 발열체의 사이에 배치되어 있는 것인, 열처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 단열 부재는, 상기 발열체보다 상기 처리 용기의 측으로 돌출되어 있는 것인, 열처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 단열 부재는, 복수로 분할되어 형성되어 있는 것인, 열처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    복수로 분할되어 형성된 상기 제2 단열 부재의 각각은, 상기 처리 용기의 길이 방향에서 보았을 때의 형상이 원호 형상인 것인, 열처리 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 단열 부재는, 상기 처리 용기의 길이 방향의 단면 형상이 직사각형인 것인, 열처리 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 단열 부재는, 상기 처리 용기의 길이 방향의 단면 형상이 직사각형이고, 상기 처리 용기의 측의 각이 R 가공되어 있는 것인, 열처리 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 단열 부재는, 상기 처리 용기의 길이 방향의 단면 형상이 삼각형인 것인, 열처리 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
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