KR20040016987A - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

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KR20040016987A KR10-2004-7000581A KR20047000581A KR20040016987A KR 20040016987 A KR20040016987 A KR 20040016987A KR 20047000581 A KR20047000581 A KR 20047000581A KR 20040016987 A KR20040016987 A KR 20040016987A
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Abstract

열처리 온도의 수속이 빠르고 또한 넓은 처리 온도 범위에서 온도 안정성이 높은 열처리 장치를 제공한다.
열처리 장치는 수납된 피처리체를 열 처리하는 처리실과, 처리실의 외면을 따라 형성된 유체 통로와, 유체 통로에 설치된 상기 열처리용 가열 수단과, 유체를 가열 수단의 가열면에 접촉시키며 유체 통로를 통과시키는 유체 통과 수단과, 열 처리 중의 적어도 한 시기에 유체 통로를 통과하는 유체의 온도 및 유량을 제어하는 제어 수단을 구비한다.

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{THERMAL TREATMENT APPARATUS AND THERMAL TREATMENT METHOD}
일반적으로 반도체 장치의 제조에 있어서는 열처리 막 형성 장치나 CVD 장치 등(이하, 열처리 장치라고 총칭함)을 사용하여 반도체 기판 위에 폴리규소막, 산화막, 질화막 등과 같은 박막을 형성하는 공정이 많이 이용되고 있다.
이들 열처리 공정은 디바이스의 미세화에 따라 저온화가 요구되는 동시에, 생상성 향상을 위해서 처리 시간의 단축이 요구되고 있다.
일본 공개특허공보 평6-53141호에는, 도 10에 나타낸 바와 같이 공랭 장치를 구비하고, 스루 풋 향상이 도모된 열처리 장치가 개시되어 있다.
도 10에서 열처리 장치(100)는, 보트(2) 위에 수납된 반도체 웨이퍼(1)에 열 처리를 실시하기 위한 처리실(3)과, 처리실(3)과의 사이에 유체 통로(8, 9)를 형성하고 처리실의 외측을 덮는 보온부재(7)와, 유체 통로(8, 9)에 설치되며 처리실(3) 내를 가열하는 히터(6)와, 히터(6)의 가열면에 접촉되도록 유체 통로(8, 9)에유체(14: 공기)를 통과시키는 송풍기(21: 공랭 장치)와, 유체 통로(8, 9)의 입구에 설치된 개폐 밸브(19)로 이루어진다. 송풍기(21)는 일정 풍량에 의해 구동되어 유체 통로(8, 9)를 공랭시킨다.
반도체 웨이퍼(1)에 열 처리를 실시할 때의 처리실(3)의 최고 온도는 처리 내용에 따라 다르고, 예컨대 저온(100∼500℃), 중온(500∼900℃) 및 고온(900∼1300℃)으로 나눌 수 있다.
웨이퍼(1)를 처리실(3)에서 꺼내기 위해서는 처리실(3)을 냉각시킬 필요가 있으나, 열처리 장치(100)에서는 중온(예컨대 약 800℃)에서 처리한 후의 냉각시에 처리실(3)을 -30℃/분 정도의 속도로 강온시킬 수 있게 되어, 공랭 장치를 구비하지 않은 장치(자연 냉각에 의한 강온 속도가 -5℃/분 정도)에 비해 스루 풋이 크게 향상된다.
개폐 밸브(19)는 냉각시에만 개방되어 고온 배기를 배출하고, 냉각시 이외에는 열이 쓸데없이 방출되는 것을 방지하기 위해서 폐쇄된다.
일본 공개특허공보 평7-135182호에는, 도 11에 나타낸 바와 같이 상기와 동일한 공랭 장치를 구비하는 동시에, 열 교환기(20)가 개재된 배기 순환로를 구비한 열처리 장치(200)가 개시되어 있다.
열처리 장치(200)에서는 배기 순환로에 배출된 고온 배기를 열 교환기(20)로 냉각시켜 처리실(3)로 되돌려 재이용된다.
상기 열처리 장치(100) 및 열처리 장치(200)에서는 처리실(3) 내를 단시간 에 냉각시킬 수 있다.
그러나, 이들 열처리 장치에서는 처리실(3)에서의 열 처리 완료 후에 실온 정도의 공기를 대량으로 유체 통로(8, 9)에 흐르게 하기 때문에, 처리실(3)이 고온 상태(예컨대 1200℃ 정도)에 있는 경우에는, 급격한 온도 변화에 따라 히터(6) 및 처리실(3)을 파손시킬 우려가 있다는 문제가 있었다.
다른 문제로는 승온시의 오버슈트가 있다. 통상 열 처리 개시시에 처리실(3)을 고속으로 설정 온도까지 상승시키면, 온도의 오버슈트가 발생한다. 도 12는 이 오버슈트의 일례를 나타낸다.
도 12에서 그래프 1은 +30℃/분으로 100℃에서 400℃까지 승온시킨 경우의 처리실(3) 내의 온도 변화를 나타낸다.
이 경우, 설정 온도 400℃에 대하여 +80℃ 오버슈트가 일어나고, 처리실(3) 내의 웨이퍼는 불필요한 가열을 받는다. 또한, 설정 온도에서 반응을 진행시키기 위해서는 온도가 수속될 때까지 기다려야 하므로 스루 풋이 저하된다.
온도의 오버슈트를 방지하기 위해서, 승온 레이트를 단계적으로 저하시키는 방법이 있다. 도 12의 그래프 2는 설정 온도를 단계적으로 설정하여 설정 온도 400℃까지 승온시킨 경우의 처리실(3) 내의 온도 변화를 나타낸다.
이 경우, 승온 완료까지의 시간이 길어져 결과적으로는 불필요한 열 처리가 실시되는 것에 변함은 없고, 스루 풋도 마찬가지로 저하된다.
또, 디바이스 시뮬레이션을 행하는 경우에는, 오버슈트를 고려하지 않고 시뮬레이션을 행하는 경우가 많으므로, 실제 디바이스와 시뮬레이션의 결과 사이에 큰 차이가 난다.
즉, 오버슈트는 각 열처리 장치 사이에서 편차가 있기 때문에, 실험을 행하여 데이터를 취득해야 하므로, 시뮬레이션에 피드 백하기 위해서는 장시간을 필요로 한다.
이와 같이 종래의 열처리 장치는 승온 속도는 우수하지만, 그 이후의 온도 수속에 필요한 시간이 길어 안정된 열처리 공정을 구축하는 데에 장해가 되었다.
또 다른 문제로서 열 처리시의 처리실(3) 내의 온도 안정성이 있다.
도 13은 종래의 열처리 장치(특히, 확산노(爐))에서 처리실(3) 내의 온도를 450℃에서 +3℃/분의 승온 속도로 700℃까지 승온시키고, 승온 개시 2시간 경과 후(0분)부터의 처리실(3) 내의 온도를 기록한 것이다.
또, 도 14는 종래의 열처리 장치에서 처리실(3) 내의 온도를 450℃에서 -3℃/분의 강온 속도로 200℃까지 강온시키고, 강온 개시 2시간 경과 후(0분)부터의 처리실(3) 내의 온도를 기록한 것이다.
도 13에 나타낸 바와 같이 처리실(3) 내를 중ㆍ고온으로 유지하는 경우의 온도 안정성은 양호하지만, 도 14에 나타낸 바와 같이 처리실(3) 내를 저온(예컨대 200℃ 정도)으로 유지하는 경우의 온도 안정성은 양호하지 않다. 이 때문에 배선 형성 공정에서 필요한 저온 열 처리를 실시하기 위해서는, 저온 전용 히터 등을 탑재한 열처리 장치를 별도로 준비할 필요가 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 열처리 온도의 수속이 빠르고 또한 넓은 처리 온도 범위에서 온도 안정성이 높은 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
본 발명에 따르면, 수납된 피처리체를 열 처리하는 처리실과, 처리실의 외면을 따라 형성된 유체 통로와, 유체 통로에 설치된 상기 열처리용 가열 수단과, 유체를 가열 수단의 가열면에 접촉시키며 유체 통로를 통과시키는 유체 통과 수단과, 열 처리 중의 적어도 한 시기에 유체 통로를 통과하는 유체의 온도 및 유량을 제어하는 제어 수단을 구비한 열처리 장치가 제공된다.
즉, 열 처리 중의 적어도 한 시기에 유체 통로를 통과시키는 유체의 온도 및 유량을 제어하는 유체 제어 수단을 구비한 상기 구성에 의해, 가열 수단에 의한 열 처리를 실시할 때에 승온 및 강온(즉, 냉각)의 속도를 높일 수 있는 동시에, 가열 수단으로부터의 전열을 미세 조정할 수 있으므로, 열처리 온도의 수속이 빠르고 또한 넓은 처리 온도 범위에서 높은 온도 안정성을 얻을 수 있어 스루 풋이 향상된다.
또, 처리실을 고온 상태에서 중온 상태까지 냉각시킬 때에도, 처리실에 급격한 온도 변화를 발생시키지 않도록 유체를 제어할 수 있으므로, 처리실을 파손시키는 일이 없다.
본 발명의 피처리체로는 반도체 기판(웨이퍼) 등을 들 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 열처리 장치로는, 반도체 기판 표면에 박막이나 산화막을 적층시키거나 또는 불순물의 확산 등을 행하기 위한 CVD 장치, 산화막 형성 장치 및 확산 장치 등을 들 수 있다.
본 발명의 유체 통로란 처리실의 외면에 가열용 유체 또는 냉각용 유체를 접촉시켜 처리실 내와 처리실 밖 사이에서 열을 수수하는 통로로서, 구체적으로는 처리실의 외면과 그 외측의 보온재로 이루어진 외벽 사이에 형성된 통로를 들 수 있다.
본 발명의 가열 수단으로는 그 표면에 유체와 접촉되는 충분한 접촉 면적을 갖는 가열면을 구비하고, 유체에 양호하게 전열할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 유체로서 공기 등의 기체 또는 액체가 사용된다. 특히, 냉각 효과를 높이고자 하는 경우에는, 물 등의 액체를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제어 수단은 유체 통로를 통과하는 유체를 유체 통로의 상류에서 냉각 또는 가열하는 온도 조정 수단과, 유체 통로를 통과하는 유체의 유량을 제어하는 유량 제어 수단과, 처리실 또는 피처리체의 온도를 검지하여 온도 조정 수단과 유량 제어 수단의 구동을 제어하는 유체 제어부로 이루어진 것을 들 수 있다.
유량 제어 수단으로는 유체 통로에 설치된 유량 제어 밸브를 들 수 있다.
유체 통과 수단으로는 송풍량 가변의 팬 또는 송액량 가변의 펌프를 들 수 있다. 유체 통과 수단이 유체 통로에 병렬로 설치되고 유량이 서로 다른 복수개의 송풍량 가변의 팬이면 미세한 유량 조정이 가능해진다.
제어 수단은 처리실 또는 피처리체의 온도를 열전대 등의 온도 측정 수단으로 검지하여 가열 수단 및 온도 조정 수단을 온/오프 제어하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 처리실에 수납된 피처리체의 조건, 즉 피처리체의 종류, 수량, 설정 온도나 외부 요인에 의한 여러가지 변동에 대응하여 높은 온도 안정성을 얻을 수 있다.
또, 본 발명에서 미리 설정된 프로그램에 의거하여 온도 제어를 행하는 프로그램 제어 등을 실시하면, 온도 측정 수단을 설치하지 않아도 된다.
제어 수단이 유체 통로 중에서 처리실 근방에 설치된 제 1 가열 수단과, 유체 통로를 통과하는 유체를 유체 통로의 상류에서 가열하는 제 2 가열 수단을 구비하고, 제 1 가열 수단이 제 2 가열 수단으로 전환되므로, 급격한 온도 변화를 발생시키지 않고 처리실의 온도를 강하시킬 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 수납된 피처리체를 열 처리하는 처리실과, 처리실의 외면을 따라 형성된 유체 통로와, 유체 통로에 설치된 상기 열처리용 가열 수단과, 유체를 가열 수단의 가열면에 접촉시키며 유체 통로를 통과시키는 유체 통과 수단과, 가열 수단 및 유체 통과 수단을 제어하는 제어 수단을 구비한 열처리 장치를 사용하여 열 처리할 때에, 제어 수단이 열 처리 중의 적어도 한 시기에 유체의 온도 및 유량을 바꾸면서 유체 통로에 유체를 통과시키도록 유체 통과 수단에 지령하는 열처리 방법이 제공된다.
본 발명에서는 열 처리가 미리 설정된 처리 온도에 도달할 때까지의 승온 기간, 상기 설정 온도를 일정 범위에서 유지하는 유지 기간 및 열 처리가 종료될 때까지의 강온 기간으로 이루어지고, 제어 수단이 상기 기간의 적어도 한 시기에 처리실 또는 피처리체의 온도를 검지하여 유체의 온도 및 유량을 제어한다.
또, 제어 수단이 미리 설정된 처리 온도에 도달하기 직전에 상기 유체를 유체 통로에 통과시키도록 유체 통과 수단에 지령을 행함으로써, 승온을 위해서 과잉으로 부여된 열을 제거할 수 있으므로 온도의 오버슈트를 억제할 수 있다.
또한, 제어 수단이 피처리체의 열 처리시에 열 처리 설정 온도에 대하여 예컨대 -100℃로 제어한 유체를 계속 흐르게 하도록 유체 통과 수단에 지령을 행함으로써, 소정 온도에서 열 처리할 때에 열처리 온도를 안정시킬 수 있다.
특히, 저온에서 열 처리할 때에 유체 통로에 극저온(예컨대 -100∼100℃ 정도)으로 제어한 유체를 계속 흐르게 함으로써, 열처리 온도를 안정시킬 수 있다.
또한, 제어 수단이 미리 설정된 열처리 온도에 도달하기 직전까지 평균+10℃/분 이상의 온도 상승률로 그리고 설정 온도에 대하여 오버슈트가 +1℃ 이하로 승온시키도록 가열 수단에 지령을 행하므로, 온도 안정에 필요한 시간, 즉 오버슈트로부터 설정 온도로 강하시키기 위해서 필요한 시간 또는 설정 온도로부터 오버하지 않도록 온도 상승률을 내린 경우에 설정 온도에 도달하는 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 열처리 장치는 반도체 기판 위에 박막을 형성할 때의 열 처리에 사용할 수 있다.
본 발명은 열처리 장치 및 이를 사용한 열처리 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 제조에 있어서 반도체 기판에 막 형성 등을 행하기 위한 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 2에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 3에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 7의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 종래의 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 11은 종래의 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 12는 종래의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 종래의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 종래의 열처리 장치를 사용하여 행한 열처리 방법의 일례에 의한 처리실 내의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
다음에, 도면에 의거하여 본 발명의 실시 형태를 설명하는데, 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이 확산노인 열처리 장치(10)는 반도체 웨이퍼(1)를 탑재하기 위한 보트(2)와, 원하는 온도 하에서 상기 반도체 웨이퍼(1)에 열 처리를 실시하기 위한 처리실(3)과, 반도체 웨이퍼(1)가 탑재된 보트(2)를 상기 처리실(3) 내에 출입시키기 위한 엘리베이터 기구(4)와, 처리실(3) 내를 원하는 온도로 하기 위해서 처리실(3) 외벽(5)의 측부를 둘러싸도록 설치된 히터(6)와, 히터(6)의 주위 및 처리실(3) 외벽(5)의 상부를 둘러싸도록 형성된 보온재(7)를 구비한다.
또, 처리실(3)과 보온재(7) 사이에는, 유체(14: 공기)를 히터(6)의 표리에 형성된 가열면(6a)에 접촉시키며 통과시키는 유체 통로(8, 9)가 각각 형성되어 있다.
유체 통로(8, 9)의 하류측(도면에서 상측)에는 송풍기(21)가 설치되어 있다. 송풍기(21)는 송풍량이 가변이고, 실내 공기를 유체 입구(22)를 통해 유체 통로(8, 9)에 흡인하고, 흡인된 공기를 가열면(6a)에 접촉시키며 통과시킨 후 열처리 장치(10) 밖으로 배출시킬 수 있다.
유체 입구(22) 근방에는 처리실(3)에 가스를 도입하는 가스 도입구(11) 및처리실(3) 내의 가스를 배기하는 가스 배기구(12)가 각각 형성되어 있다.
처리실(3)에는 처리실(3) 내의 온도를 측정하기 위한 열전대(13)가 형성되어 있다. 열전대(13)는 설정 온도에 따라 처리실(3) 내의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 수단(도시 생략)에 접속되어 있다.
열처리 장치(10)를 사용하여 히터(6)의 가열에 의해 처리실(3) 내를 100℃에서 설정 온도 400℃까지 +30℃/분의 승온 속도로 승온시킬 때에, 처리실(3)의 온도가 350℃로 된 시점에서 송풍기(21)의 송풍량이 최대 송풍량의 10%, 30%, 50%가 되도록 송풍기(21)의 출력을 변경하여 유체 입구(22)를 통해 실온 공기를 유체 통로(8, 9)에 흐르게 했을 때의 처리실(3) 내의 온도 측정 결과를 도 2에 나타낸다(그래프 1∼3).
또한, 종래 장치에 의한 처리실(3) 내의 온도 측정 결과와의 비교예를 들었다(그래프 4). 이 종래예(그래프 4)는 열처리 장치(10)를 사용하여 상기와 동일하게 처리실(3)의 온도를 350℃까지 승온시키는데, 송풍기(21)에 의한 송풍은 행하지 않는, 즉 본 발명에 의한 냉각 동작을 행하지 않는 구성으로 하였다.
도 2에 나타낸 바와 같이 그래프 2에 나타낸 본 발명에 의한 냉각 동작을 행한 측정 결과에서는, 상기 냉각 동작을 행하지 않는 종래예에 의한 측정 결과(그래프 4)에 비해 설정 온도로의 수속이 빨랐다.
그러나, 송풍량을 10%로 한 경우(그래프 1)에는, 냉각 능력이 너무 낮아서 약 10℃ 오버슈트가 발생하였다. 또한, 송풍량을 50%로 한 경우(그래프 3)에는, 냉각 능력이 너무 강하기 때문에 일단 온도가 떨어지고 그 다음 승온되었다.
송풍량을 30%로 한 경우(그래프 2)에는, 오버슈트 발생이 없어 승온 종료와 동시에 설정 온도에 수속됨을 알 수 있다.
이와 같이 승온 중에(승온 공정의 종료 전에) 냉각 동작을 부가함으로써, 반도체 웨이퍼(1)는 불필요한 열 처리를 받지 않고 또한 단계적으로 승온시키는 종래의 방법과 비교한 경우, 승온에 필요한 시간은 비약적으로 짧아졌다.
실시 형태 2
도 3은 본 발명의 실시 형태 2에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
실시 형태 1에 의한 열처리 장치(10)에서는, 유체 통로(8, 9)의 하류측에 1 기의 송풍기(21)를 설치하는 구성으로 했는데, 본 실시 형태 2에 의한 열처리 장치(30)는 도 3에 나타낸 바와 같이 유체 통로(8, 9)의 하류측에 제 1 유량 컨트롤러(15)와 제 2 유량 컨트롤러(16)를 배치하는 구성으로 하였다. 이런 점 이외의 구성은 열처리 장치(10)와 기본적으로 동일한 구성이기 때문에, 각 부의 구성 설명은 생략한다.
제 1 및 제 2 유량 컨트롤러(15, 16)는 송풍기와 그 송풍량을 제어하는 컨트롤러로 이루어진다.
제 1 유량 컨트롤러(15)에서는, 예컨대 유량 제어 범위가 5∼100L/MIN(ℓ 매분) 정도의 많은 송풍량이 제어되고, 제 2 유량 컨트롤러(16)에서는, 예컨대 유량 제어 범위가 500SCM(㎤ 매분)∼10L/MIN 정도의 적은 송풍량이 제어된다.
제 1 및 제 2 유량 컨트롤러(15, 16)의 위치는 유체 통로(8, 9)의 상류측,즉 유체 입구(22) 근방이어도 된다.
본 실시 형태 2에 의한 열처리 장치(30)에서는 유량 제어 범위가 다른 대소 2 기의 컨트롤러(15, 16)를 구비하고 있으므로, 더 미세한 유량 제어가 가능해진다.
열처리 장치(30)를 사용하여 히터(6)에 가해지는 파워와, 제 1 및 제 2 유량 컨트롤러(15, 16)의 송풍량을 변화시켜 유체 입구(22)를 통해 실온 공기를 유체 통로(8, 9)에 흐르게 했을 때의 처리실(3) 내의 온도 측정 결과를 도 4에 나타낸다. 또, 도면에서 송풍량은 100L/MIN을 100%로 했을 때의 백분율로 나타낸다.
본 예에서는 히터(6)의 가열에 의해 처리실(3) 내의 온도를 100℃에서 설정 온도 400℃까지 +30℃/분의 승온 속도로 승온시킬 때, 처리실(3)의 온도가 350℃로 된 시점에서 제 1 유량 컨트롤러(15)를 30L/MIN로 구동시키고, 처리실(3)의 온도가 350℃를 초과하여 수속한 후, 제 1 유량 컨트롤러(15)의 송풍량을 서서히 저하시켜 송풍량이 10L/MIN 이하로 된 시점에서, 제 2 유량 컨트롤러(16)로 전환하고 다시 유량을 서서히 저하시키고, 히터(6)에 가해지는 파워도 상기 송풍량의 저하에 따라 서서히 저하시켰다.
처리실(3) 내의 온도는 도 2의 그래프 2로 나타낸 송풍량 30%의 경우와 거의 동일하게 변화되는데, 냉각 능력을 저하시키면서 즉 송풍량을 저하시키면서 히터(6)의 파워도 저하시키므로, 쓸데없는 에너지 소비를 저감시킬 수 있다.
실시 형태 3
도 5는 본 발명의 실시 형태 3에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
실시 형태 3에 의한 열처리 장치(50)에서는 실시 형태 1에 의한 열처리 장치(10)의 유체 입구(22)에 제 2 히터(17)를 설치하는 구성으로 하였다. 이런 점 이외의 구성은 열처리 장치(10)와 기본적으로 동일한 구성이기 때문에, 각 부의 구성 설명은 생략한다.
열처리 장치(50)를 사용하여 히터(6)의 구동에 의해 1100℃가 된 처리실(3) 내의 온도를, 히터(6)의 구동을 정지시켜 냉각시킬 때에, 유체 입구(22)를 통해 제 2 히터(17)에 의해 750℃로 가열된 공기를 유체 통로(8, 9)에 흐르게 한 경우의 처리실(3) 내의 온도 측정 결과를 도 6에 그래프 1로 나타낸다.
본 발명에 의한 상기 냉각 동작, 즉 송풍에 의한 강제 냉각을 행하지 않고 방치하여 자연히 냉각되는 것을 기다린 경우의 처리실(3) 내의 온도 측정 결과를 도 6에 그래프 2로 나타낸다.
본 예에서는 종래와 같이 자연 냉각시킨 경우(그래프 2)에는 -5℃/분 정도의 강온 속도였는데, 본 발명에 의한 냉각 동작을 행한 경우(그래프 1)에는 -15℃/분 정도의 강온 속도를 얻을 수 있었다.
또, 상기 냉각 동작시에 유체 통로(8, 9)에 흐르게 하는 유체의 온도를 750℃로 한 것은, 유체의 온도를 보다 저온(예컨대 처리실(3) 내와의 온도 차이가 500℃ 이상이 되는 유체의 온도)으로 한 경우에는, 급격한 온도 변화에 따라 열처리 장치(50)의 각 부에 손상이 생기는 것을 방지하기 위함이다.
실시 형태 4
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 의한 열처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 단면도이다.
실시 형태 4에 의한 열처리 장치(70)에서는 실시 형태 1에 의한 열처리 장치(10)의 유체 입구(22)에 냉각기(18)를 설치하는 구성으로 하였다. 이런 점 이외의 구성은 열처리 장치(10)와 기본적으로 동일한 구성이기 때문에, 각 부의 구성 설명은 생략한다.
열처리 장치(70)를 사용하여 처리실(3) 내의 온도를 100℃, 200℃ 및 700℃로 설정하고, 상기 각 설정 온도에서 처리실(3) 내의 온도 제어를 행한 경우의 처리실(3) 내의 온도 측정 결과를 도 8에 나타낸다(그래프 1∼5).
또, 본 예에서는 히터(6)는 고온용 히터를 사용하였다.
설정 온도 700℃에서는, 본 발명에 의한 냉각 동작, 즉 유체 통로(8, 9)에 유체를 통과시키는 냉각을 행하지 않고 히터(6)의 온/오프 제어에만 의한 종래의 온도 제어를 행하였다(그래프 1).
설정 온도 200℃에서는, 히터(6)의 온/오프 제어에만 의한 종래의 온도 제어를 행한 경우(그래프 2)와, 이 온도 제어에 추가하여 본 발명의 냉각 동작으로서 유체 입구(22)를 통해 실내 공기(26℃)[이하, 외기라고 함]를, 송풍기(21)의 송풍량을 70%로 설정하고 유체 통로(8, 9)에 흐르게 한 경우(그래프 3)의 결과를 나타낸다.
또한, 설정 온도 100℃에서는, 히터(6)의 온/오프 제어에 추가하여 본 발명의 냉각 동작으로서 송풍기(21)의 송풍량을 100%로 설정하고 유체 입구(22)를 통해외기(26℃)를 유체 통로(8, 9)에 흐르게 한 경우(그래프 4)와, 히터(6)의 온/오프 제어에 추가하여 본 발명의 온도 조정용 냉각으로서 송풍기(21)의 송풍량을 100%로 설정하고 유체 입구(22)를 통해 도입된 외기(26℃)를 냉각기(18)로 0℃로 냉각시켜 유체 통로(8, 9)에 흐르게 한 경우(그래프 5)의 결과를 나타낸다.
도 8에 나타낸 바와 같이 설정 온도 700℃에서는 히터(6)의 온/오프 제어만으로 처리실(3) 내의 온도가 안정되었으나(그래프 1), 설정 온도 200℃에서는 ±5℃ 이상 온도 변동이 발생하였다(그래프 2).
이와 같은 온도 변동이 발생하는 원인의 하나는 설정 온도에 대하여 처리실(3) 내의 온도가 높아진 경우, 고온 처리실(3) 내에서는 외기 온도와의 차이가 크기 때문에 온도가 떨어지는 것이 빠르지만, 저온에서는 외기 온도와의 차이가 작기 때문에 자연 냉각에 시간이 걸리기 때문이다.
상기 원인의 다른 하나는 히터(6)가 고온 사양이므로, 히터에 가해지는 출력이 약간 변동된 것만으로 처리실(3) 내의 온도가 크게 변동하기 때문이다. 따라서, 처리실(3) 내의 온도와 외기 온도의 차이를 크게 하면, 설정 온도 100℃ 정도의 저온에서도 처리실(3) 내의 온도는 안정되는 것으로 볼 수 있다.
이 사고에 기초하여 행해진 실험예가 도 8의 그래프 3으로서 결과가 수득된 본 발명의 냉각 동작을 행한 경우이다.
도 8의 그래프 3이 나타낸 바와 같이 온도 변동은 ±1℃ 이내에 속하므로 본 발명의 냉각 동작을 행하지 않은 경우에 비해 처리실(3) 내의 온도 안정성이 매우 좋아진다.
도 8의 그래프 4로서 결과가 얻어진 외기를 도입하여 행하는 냉각 동작을 행한 경우에는, 상기 냉각 동작에 의한 온도 강하가 작기 때문에, 온도 변동은 ±10℃ 이상이 되어 처리실(3) 내의 온도 안정성이 좋지 않았다.
도 8의 그래프 5로서 결과가 얻어진 냉각된 외기(0℃)에 의한 상기 온도 제어에서는 온도 변동은 ±1℃ 이내에 속하므로 그래프 4 경우에 비해 처리실(3) 내의 온도 안정성은 현저히 향상되었다.
실시 형태 5
실시 형태 5에서는 열처리 장치(10)를 사용하고 처리실(3) 내에 배치된 열전대(13)에서 처리실(3) 내의 온도를 감시하면서 처리실(3) 내의 온도에 따라 송풍기(21)의 파워를 변화시켜 본 발명의 냉각을 실시하였다.
본 예에서는 처리실(3) 내의 온도를 400℃로 설정하고, 100℃가 된 처리실(3) 내의 온도를 설정 온도 400℃까지 +30℃/분의 온도 상승률로 승온시켜 설정 온도 400℃로 유지시켰다.
송풍기(21)의 파워는 실시 형태 1에서 도 2를 사용하여 설명한 바와 같이 송풍기(21)의 송풍량이 최대 송풍량의 30%가 되도록 설정하였다.
실시 형태 5에 기초하여 처리실(3) 내의 온도 제어를 실시한 경우의 처리실(3) 내의 온도 측정 결과를 도 9에 나타낸다(그래프 1 및 2). 또, 도 9의 그래프 2는 히터(6)를 온/오프 제어로 제어하면서 송풍기(21)의 파워를 일정하게 유지시켜 행한 종래의 온도 제어에 의한 처리실(3) 내의 온도 측정 결과이다.
본 발명의 온도 제어에서는 처리실(3) 내의 온도를 열전대(13)로 감시하면서자동적으로 송풍기(21)의 파워를 변화시키기 때문에(그래프 1), 송풍기(21)의 파워를 변화시키지 않은 경우(그래프 2)와 비교하여 승온의 최종 단계에서도 승온 속도를 거의 강하시키지 않고, 또한 온도의 오버슈트도 +1℃ 이내에 속하므로 온도 수속까지의 시간이 단축되었다.
상기 각 실시 형태에서는 유체에 공기를 사용하였으나, 열 처리 조건 등에 따라 비열 등이 상이한 각종 기체 또는 액체를 유체로서 사용할 수 있다. 특히, 냉각 효과를 높이고자 하는 경우에는, 물 등의 액체를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 열처리 장치에서는 열 처리 중의 적어도 한 시기에 유체 통로를 통과시키는 유체의 온도 및 유량을 제어하는 유체 제어 수단을 구비한 상기 구성에 의해 가열 수단에 의한 열 처리를 실시할 때에, 승온 및 강온(즉, 냉각)의 속도를 높일 수 있는 동시에, 가열 수단으로부터의 전열을 미세 조정할 수 있으므로, 열처리 온도의 수속이 빠르고 또한 넓은 처리 온도 범위에서 높은 온도 안정성을 얻을 수 있어 스루풋이 향상된다.
또한, 처리실을 고온 상태에서 중온 상태까지 냉각시킬 때에도, 처리실에 급격한 온도 변화를 발생시키지 않도록 유체를 제어함으로써, 처리실을 파손시키는 일이 없다.
본 발명에서는, 특히 중온으로부터의 냉각 속도를 높일 수 있는 동시에, 고온에서 중온까지의 냉각을 원활하게 행할 수 있으므로, 처리실 파손이 확실히 방지된다.
열처리 온도의 오버슈트를 억제할 수 있기 때문에, 디바이스 시뮬레이션과의 정합성도 양호하여 생산성 및 품질이 향상된다. 또한, 저온에서도 온도를 안정시킬 수 있으므로, 반도체 장치 등의 피처리체 품질이 향상된다.
또한, 1 대의 장치로 고온에서 저온까지 열 처리할 수 있으므로, 설비 투자도 적어도 된다.

Claims (10)

  1. 수납된 피처리체를 열 처리하는 처리실과, 처리실의 외면을 따라 형성된 유체 통로와, 유체 통로에 설치된 상기 열처리용 가열 수단과, 유체를 가열 수단의 가열면에 접촉시키며 유체 통로를 통과시키는 유체 통과 수단과, 열 처리 중의 적어도 한 시기에 유체 통로를 통과하는 유체의 온도 및 유량을 제어하는 제어 수단을 구비한 열처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제어 수단이 유체 통로를 통과하는 유체를 유체 통로의 상류에서 냉각 또는 가열하는 온도 조정 수단과, 유체 통로를 통과하는 유체의 유량을 제어하는 유량 제어 수단과, 처리실 또는 피처리체의 온도를 검지하여 온도 조정 수단과 유량 제어 수단의 구동을 제어하는 유체 제어부로 이루어진 열처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 유량 제어 수단이 유체 통로에 설치된 유량 제어 밸브인 열처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 유체 통과 수단이 유체 통로에 병렬로 설치되고 유량이 서로 다른 복수개의 송풍량 가변의 팬인 열처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체 기판 위에 박막을 형성할 때의 열 처리에 사용되는 열처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 제어 수단이 유체 통로 중에서 처리실 근방에 설치된 제 1 가열 수단과, 유체 통로를 통과하는 유체를 유체 통로의 상류에서 가열하는 제 2 가열 수단을 구비하고, 제 1 가열 수단이 제 2 가열 수단으로 전환되는 열처리 장치.
  7. 수납된 피처리체를 열 처리하는 처리실과, 처리실의 외면을 따라 형성된 유체 통로와, 유체 통로에 설치된 상기 열처리용 가열 수단과, 유체를 가열 수단의 가열면에 접촉시키며 유체 통로를 통과시키는 유체 통과 수단과, 가열 수단 및 유체 통과 수단을 제어하는 제어 수단을 구비한 열처리 장치를 사용하여 열 처리할 때에, 제어 수단이 열 처리 중의 적어도 한 시기에 유체의 온도 및 유량을 바꾸면서 유체 통로에 유체를 통과시키도록 유체 통과 수단에 지령하는 열처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 열 처리가 미리 설정된 처리 온도에 도달할 때까지의 승온 기간, 상기 설정 온도를 일정 범위에서 유지하는 유지 기간 및 열 처리가 종료될 때까지의 강온 기간으로 이루어지고, 제어 수단이 상기 기간의 적어도 한 시기에 처리실 또는 피처리체의 온도를 검지하여 유체의 온도 및 유량을 제어하는 열처리 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 제어 수단이 미리 설정된 처리 온도에 도달하기 직전에 상기 유체를 유체 통로에 통과시키도록 유체 통과 수단에 지령하는 열처리 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 또한 제어 수단이 미리 설정된 열처리 온도에 도달하기 직전까지 평균+10℃/분 이상의 온도 상승률로 그리고 설정 온도에 대하여 오버슈트가 +1℃ 이하로 승온시키도록 가열 수단 및 유체 통과 수단에 지령하는 열처리 방법.
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