TW201418654A - 加熱裝置及熱處理裝置 - Google Patents
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Abstract
本揭示係提供一種可防止加熱元件彼此接觸之加熱裝置。一種加熱裝置，具有：圓筒狀隔熱層；加熱元件，係於該隔熱層之內周側以螺旋狀捲繞複數次而配置者；複數保持構件，係於該隔熱層之內周側沿著該隔熱層之軸向延伸，將該加熱元件以既定間距來加以保持；以及突起，係設置於該隔熱層上、且係設置於該隔熱層之圓周方向上相鄰之該保持構件之間對應於呈捲繞狀態之該加熱元件的位置處。
Description
本揭示係關於一種加熱裝置及熱處理裝置。
例如於半導體裝置之製造中，係對於作為被處理體之半導體晶圓施以成膜處理、氧化處理、擴散處理、退火處理、蝕刻處理等處理。施以如此處理之際，一般係使用具備有處理容器(用以收容被處理體)與加熱裝置(於該處理容器之外周側，以包圍處理容器的方式來配置)之各種熱處理裝置(例如，參見日本特開2000-182979號等)。
加熱裝置係例如於圓筒體狀隔熱層之內周側將電阻發熱體(加熱元件)以例如螺旋狀捲繞形成。一般而言，此螺旋狀之加熱元件的間距(軸向上相鄰加熱元件之間隔)係設計為例如10~30mm程度。
本揭示之加熱裝置，具有：圓筒狀隔熱層；加熱元件，係於該隔熱層之內周側以螺旋狀捲繞複數次而配置者；複數保持構件，係於該隔熱層之內周側沿著該隔熱層之軸向延伸，將該加熱元件以既定間距來加以保持；以及突起，係設置於該隔熱層上、且係設置於該隔熱層之圓周方向上相鄰之該保持構件之間對應於呈捲繞狀態之該加熱元件的位置處。
上述發明簡單說明僅為說明起見，並非打算限制為任何方式。上述說明樣態，除了實施例以及特徵，其追加性樣態、實施例以及特徵應可參見圖式以及以下之詳細說明而明確。
2‧‧‧縱型熱處理裝置
4‧‧‧處理容器
6‧‧‧外筒
8‧‧‧內筒
10‧‧‧歧管
12‧‧‧基座板
14‧‧‧頂蓋部
16‧‧‧密封構件
18‧‧‧磁性流體密封件
20‧‧‧旋轉軸
22‧‧‧旋轉機構
24‧‧‧台部
26‧‧‧保溫筒
28‧‧‧晶圓舟
30‧‧‧升降機構
32‧‧‧氣體導入機構
34‧‧‧氣體噴嘴
36‧‧‧氣體出口
38‧‧‧排氣系統
40‧‧‧排氣通路
42‧‧‧壓力調整閥
44‧‧‧真空泵
48‧‧‧加熱裝置
50‧‧‧隔熱層
51‧‧‧保護蓋
52‧‧‧加熱元件
54‧‧‧保持構件
54a‧‧‧基部
54b‧‧‧支撐部
56‧‧‧保持部
60‧‧‧突起
62‧‧‧接觸防止構件
W‧‧‧晶圓
圖1係本實施形態之加熱裝置以及具備該加熱裝置之熱處理裝置之一例示意構成圖。
圖2係本實施形態之加熱裝置之加熱元件周邊放大示意圖。
圖3係用以說明以往加熱裝置之問題點的加熱裝置之俯視示意圖。
圖4係本實施形態之加熱裝置之一例之示意圖。
圖5係本實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。
圖6係本實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。
圖7係本實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。
圖8係本實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。
以下之詳細說明中，係參見構成說明書一部分之所附圖式。詳細說明、圖式以及申請專利範圍所記載之說明性實施例並非用以限制本發明。在不超脫此處所示本揭示之思想或是範圍前提下，可使用其他實施例或是進行其他變形。
加熱裝置所使用之加熱元件會因為在高溫下反覆使用而產生潛應變，其線長度會隨時間經過而伸長。一旦受此加熱元件之線長度伸長(以下稱為永久伸長)的影響於加熱元件所發生之多餘長度出現彎曲變形，則於軸向相鄰之加熱元件彼此會接觸而發生短路。此外，因永久伸長、伴隨於加熱元件之加熱冷卻而發生之熱伸縮等變形而產生之應力成為加熱元件破裂之主要原因。
針對上述課題，本發明係提供一種可防止加熱元件彼此接觸之加熱裝置。
本揭示之加熱裝置，具有：圓筒狀隔熱層；加熱元件，係於該隔熱層之內周側以螺旋狀捲繞複數次而配置者；複數保持構件，係於該隔熱層之內周側沿著該隔熱層之軸向延伸，將該加熱元件以既定間距來加以保持；以及突起，係設置於該隔熱層上、且係設置於該隔熱層之圓周方向上相鄰之該保持構件之間對應於呈捲繞狀態之該加熱元件的位置處。
上述加熱裝置中，該突起係沿著該隔熱層之軸向形成為肋狀(對應於請求項2)。
上述加熱裝置中，該突起係於該隔熱層之軸向以既定間距形成著(對應於請求項3)。
上述加熱裝置中，該突起係形成於該圓周方向上相鄰之該保持構件之間的中央處(對應於請求項4)。
上述加熱裝置係進而具有設置於軸向上相鄰之該加熱元件之間的接觸防止構件(對應於請求項5)。
上述加熱裝置中，該接觸防止構件係插入該隔熱層之延伸於該隔熱層之圓周方向以及徑向上的板材(對應於請求項6)。
上述加熱裝置中，和該加熱元件相對向之該隔熱層之內周面形狀為凹弧狀(對應於請求項7)。
上述加熱裝置中，該保持構件具有：基部，係位於該加熱元件之內側；以及，支撐部，係從該基部通過該加熱元件之間距間而朝該隔熱層之徑向外側伸長並插入該隔熱層而形成者；該基部於該加熱元件側之形狀係該加熱元件側為凹弧狀(對應於請求項8)。
上述加熱裝置中，從該基部到該隔熱層為止之距離扣除該加熱元件之半徑所得距離係具有於該加熱裝置之使用溫度下的熱膨脹量以上之距離(對應於請求項9)。
本揭示之熱處理裝置，具有：處理容器，係用以收納被處理體；以及如申請專利範圍第1項之加熱裝置，係於該處理容器之外周以包圍該處理容器的方式所配置者(對應於請求項10)。
本揭示可提供一種防止加熱元件彼此接觸之加熱裝置。
以下，參見所附圖式針對本揭示之實施形態來說明。
(加熱裝置以及熱處理裝置)
首先，說明本實施形態之加熱裝置以及具備該加熱裝置之熱處理裝置的基本構成一例來說明。圖1係顯示本實施形態之加熱裝置以及具備該加熱裝置之熱處理裝置之一例的概略構成圖。此外，本說明書中，係針對用以形成半導體裝置之加熱裝置以及具有該加熱裝置之縱型熱處理裝置之例
來說明。但是，本揭示不限定於此點，亦可為其他各種類型之加熱裝置以及具有該加熱裝置之熱處理裝置。
如圖1所示般，縱型熱處理裝置2具有長邊方向為垂直之處理容器4。處理容器4係由具有有天花板之外筒6、以及在外筒6內側以同心圓狀配置之圓筒體之內筒8的雙重管構造所構成。
外筒6以及內筒8係由石英等耐熱性材料所形成。外筒6以及內筒8係藉由不鏽鋼等所形成之歧管10來保持其下端部。歧管10被固定於基座板12。此外，亦可不設置歧管10，而以例如石英來形成處理容器4全體。
例如不鏽鋼等所構成之圓盤狀頂蓋部14係可經由O型環等密封構件16而氣密密封地安裝於歧管10之下端部開口部處。此外，於頂蓋部14之大致中心部插通著例如可藉由磁性流體密封件18以氣密狀態來進行旋轉之旋轉軸20。此旋轉軸20之下端係連接於旋轉機構22，旋轉軸20之上端係固定著例如不鏽鋼所構成之台部24。
於台部24上設置有例如石英製保溫筒26。此外，於保溫筒26上載置有作為支撐具之例如石英製晶圓舟28。
例如50~150片作為被處理體之半導體晶圓W係以既定間隔(例如10mm程度之間距)收容於晶圓舟28。晶圓舟28、保溫筒26、台部24以及頂蓋部14係藉由例如作為舟升降器之升降機構30而於處理容器4內成為一體來受到加載、卸載。
於歧管10之下部設置有用以對處理容器4內導入處理氣體之氣體導入機構32。氣體導入機構32具有以氣密貫通歧管10之方式所設之氣體噴嘴34。
此外，圖1中雖顯示了氣體導入機構32以1個設置的方式而構成之情況，但本揭示於此點並未受限定。亦可取決於所使用之氣體種類數量等而採用具有複數氣體導入機構32之熱處理裝置。此外，從氣體噴嘴34導入處理容器4之氣體係藉由未圖示之流量控制機構而受到流量控制。
於歧管10上部設有氣體出口36，於氣體出口36連結著排氣系統38。排氣系統38包含有：連接於氣體出口36之排氣通路40、以及在排氣通路40之中途被依序連接之壓力調整閥42與真空泵44。可藉由排氣系統38一邊對於處理容器4內之雰圍進行壓力調整一邊進行排氣。
於處理容器4之外周側係以包圍處理容器4的方式設置有對於晶圓W等被處理體進行加熱之加熱裝置48。
加熱裝置48具有圓筒體隔熱層50(具有天花板面)。隔熱層50係藉由例如熱傳導性低、柔軟無定形之二氧化矽以及氧化鋁之混合物所形成。以下，於本說明書中，所謂「軸向」、「圓周方向」以及「徑向」分別指圓筒體隔熱層50之軸向、圓周方向以及徑向。
隔熱層50係以其內周相對於處理容器4外面分離既定距離的方式受到配置。此外，於隔熱層50外周，由不鏽鋼等所形成之保護蓋51係以包覆隔熱層50之外周全體的方式受到安裝。
於隔熱層50之內周側，加熱元件52係以螺旋狀來捲繞配置。此外，由於加熱元件52之配置詳細將於後述，故圖1中係概略顯示。
加熱元件52係於隔熱層50之內周側沿著側面之軸向全體來捲繞而被設置。
加熱元件52係於軸向上被分割為複數區(例如4區)。基於個別區設置於隔熱層50之未圖示熱電偶所檢測之溫度，可由未圖示之控制部來對於各區獨立地個別進行溫度控制。
捲繞成為螺旋狀之加熱元件52的元件長度雖取決於熱處理裝置之大小，但一般為15~50m程度。是以，當因為加熱元件之經年惡化而發生例如1.5%之永久拉伸之情況，會發生達225mm~750mm之永久拉伸。是以，具有可釋放加熱元件伸長之構造的熱處理裝置從熱處理裝置之長壽化等觀點來看係非常地重要。
圖2係顯示本實施形態之加熱裝置之加熱元件周邊之放大示意圖。加熱裝置48具有由作為絕緣性材料之陶瓷材所形成之保持構件54。保持構件54位於隔熱層50之內周面側且設置於圖1之外筒6外側處。
如圖2所示般，保持構件54具有例如位於加熱元件52內側之基部54a以及從該基部通過加熱元件52之間距間而朝隔熱層50之徑向外側延伸之複數支撐部54b而形成為梳狀。支撐部54b之一部分係連接於隔熱層50，加熱元件52被收容在由軸向上相鄰之支撐部54b、基部54a以及隔熱層50所包圍之區域亦即保持部56內。此外，保持構件54係沿著隔熱層50之圓周方向上以例如既定間隔來配置複數個。若加熱裝置48具有保持部56，可
防止加熱元件52之位偏。於圓周方向上相鄰之保持構件54間的間隔係取決於加熱裝置48之大小，可為例如50~150mm程度。此外，加熱元件52之軸向間距為例如10~30mm程度，此外加熱元件之截面直徑為例如1~10mm程度。
(以往之問題)
圖3係用以說明以往之加熱裝置之問題的加熱裝置之示意圖。圖3(a)為以往之加熱裝置之上面示意圖，圖3(b)為以往之加熱裝置之徑向截面示意圖。
圖3(a)以及圖3(b)之實線係顯示加熱裝置48使用前之加熱元件52的配置部位。由於加熱裝置48之長期使用會造成加熱元件52之線長伸長，所以事先於加熱元件52與隔熱層50之間設置間距。製造時，隔熱層50與加熱元件52之距離(圖3中L1之長度；也稱為間隙)係考慮加熱裝置48之尺寸、使用溫度等，而設定為使用溫度下之熱膨脹量程度、具體例為3mm~10mm程度。藉由此間隙，則直到加熱元件52接觸於隔熱層50為止，可容許伴隨加熱元件52之加熱冷卻所致熱伸縮的位移。此外，間隙L1若以其他方式來說，可視為從基部54a到隔熱層50之距離扣除製造時加熱元件52之直徑所得長度。
圖3(a)以及圖3(b)之虛線乃加熱裝置48長期使用後之加熱元件52的配置例。隨著加熱裝置48之長期使用，加熱元件52之線長會伸長，加熱元件52會使得保持構件54上朝徑向外側移動而接觸於隔熱層50。於該狀態下進而出現加熱元件52之線長伸長時，由於徑向上並無伸長之釋放處，故加熱元件52會變形。若加熱元件因加熱裝置48之進而使用而持續變形，則軸向上相鄰之加熱元件52彼此會接觸而出現短路之問題。
其次，針對可解決以往問題之本實施形態之加熱裝置構成來說明。
(第1實施形態)
針對可防止加熱元件彼此接觸之加熱裝置之一實施形態，參見圖來說明。
圖4係顯示本實施形態之加熱裝置一例之示意圖。如圖4所示般，第1實施形態之加熱裝置48具有設置於隔熱層50上之突起60。突起60係於圓
周方向上相鄰之保持構件54之間之對應於捲繞狀態之加熱元件52的位置處設置著。
圖4中實線表示加熱元件52將要接觸突起60前之加熱元件52，圖4中虛線表示加熱元件52接觸於突起60後之加熱元件52。加熱裝置48由於具有突起60，故加熱元件52之變形方向係朝徑向內側而被定向。是以，即使加熱裝置48之進而使用造成加熱元件52之變形進行，由於往軸向之伸長受到抑制，而可降低軸向上相鄰加熱元件52彼此接觸之可能性。
於本實施形態，只要相對於加熱裝置48在隔熱層50上之位置且為圓周方向上相鄰之保持構件54之間對應於捲繞狀態下之加熱元件52之位置處具有突起60即可，突起60之分布形態並未限定。圖5係顯示用以說明突起60之一形態的本實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。
圖5(a)之實施形態中，突起60係沿著隔熱層50之軸向而形成為肋形狀。另一方面，如圖5(b)之實施形態所示，突起60亦可因應於加熱元件52之間距來分別形成。但是，圖5(a)之實施形態，由於即便加熱元件52因本身重量或是外在因素而朝軸向移動之情況，由於加熱元件52必定會和突起60接觸，加熱元件52之變形方向朝徑向內側受到定向，故為所喜好者。此外，圖5(a)之實施形態，當突起60與隔熱層50一體形成之情況，可輕易形成突起60，此為優點所在。
突起60如圖4所示般，可設置於隔熱層50在圓周方向上之相鄰之保持構件54之間的中央處，或是亦可設置於將隔熱層50在圓周方向上相鄰之保持構件54之間以三或是三以上之數量等分之位置處。
當加熱元件52接觸於突起60之情況，只要加熱元件52之變形可朝徑向上定向即可，突起60之形狀並無特別限定，可為例如從隔熱層50之軸向觀看之截面形狀為圓形、半圓形、三角形、矩形等形狀。
此外，突起60如圖4以及圖5所示般，能以和隔熱層50為相同材料來和隔熱層50一體形成，亦能以其他構件來事先形成突起60而安裝於隔熱層50。
再者，作為第1實施形態之變形例，可事先讓加熱元件52朝徑向內側彎曲的方式來產生變形。藉此，即便是加熱元件52之線長伸長而和隔熱層50(或是突起60)接觸之情況，由於加熱元件52之變形方向事先朝徑向內側
受到定向，故即便加熱元件52進而變形之情況，也可抑制相鄰加熱元件52彼此於軸向上接觸。
以上，第1實施形態之加熱裝置48，於圓周方向上相鄰保持部56之間對應於捲繞狀態下之加熱元件52之位置處具有突起60。由於具有突起60，故加熱元件52接觸了突起60之後，其變形方向係朝徑向內側受到定向。是以，即便由於加熱裝置48之進而使用造成加熱元件52之變形進行，由於可抑制軸向上之伸長，而可降低軸向上相鄰加熱元件52彼此出現接觸之可能性。
(第2實施形態)
針對可防止加熱元件彼此接觸之加熱裝置之其他實施形態，參見圖來說明。
圖6係顯示本實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。更具體而言，圖6(a)係第2實施形態之加熱裝置之上面示意圖，圖6(b)係第2實施形態之加熱裝置之徑向截面示意圖。
如圖6所示般，第2實施形態之加熱裝置48具有防止在隔熱層50之軸向上相鄰加熱元件52彼此出現接觸的接觸防止構件62。此接觸防止構件62係於軸向上設置於相鄰加熱元件之間。
接觸防止構件62只要在軸向上相鄰加熱元件之間形成即可，故例如當如圖5(b)所示般於軸向上以既定間距形成突起60之情況，則如圖6(b)所示般，以軸向上側與軸向下側來夾持突起60的方式形成接觸防止構件62為佳。此外，此突起60形態中，突起60雖存在複數個，但以軸向上相鄰所有的突起之間形成接觸防止構件62為更佳。
此外，如圖5(a)所示般當形成肋狀突起60之情況，可於未形成突起60之區域設置接觸防止構件62，亦能以接觸防止構件62卡合於突起60的方式來加工接觸防止構件之一部分。
接觸防止構件62如圖6所示般以插入隔熱層50之在隔熱層50之圓周方向以及徑向延伸之板材為佳，但本揭示不限定於此。例如，亦可為插入隔熱層50之在隔熱層之徑向延伸之棒材。亦即，接觸防止構件62之形狀並無特別限定，接觸防止構件62從隔熱層50之軸向所見之截面可為矩形亦可為例如圓形或是橢圓形。此外，接觸防止構件62亦可為中空體。但是，
從隔熱層50之軸向所見接觸防止構件62之截面面積愈大，則利用接觸防止構件62來防止軸向上相鄰加熱元件彼此接觸之效果愈大，故接觸防止構件62以板材為佳。
接觸防止構件62能以和隔熱層50為相同材料來和隔熱層50一體形成，亦可將其他構件插入隔熱層50來形成接觸防止構件62。
此外，第1實施形態之加熱裝置以及第2實施形態之加熱裝置亦可組合使用。亦即，加熱裝置48亦可為具有突起60以及接觸防止構件62兩者之構成。
以上，第2實施形態之加熱裝置48係於軸向上相鄰加熱元件52間設置接觸防止構件62。具有接觸防止構件62，則不論加熱元件52接觸到隔熱層50後，加熱元件52係往何方向變形之情況，都可防止軸向上相鄰加熱元件52彼此之接觸。
(第3實施形態)
其次，針對本揭示之第3實施形態之加熱裝置，參見圖來說明。
圖7顯示第3實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。更具體而言，圖7(a)係第3實施形態之加熱裝置之上面示意圖，圖7(b)係第3實施形態之加熱裝置之徑向截面示意圖。
第3實施形態之加熱裝置48中，使得保持構件54朝徑向延伸，讓間隙L1較以往之加熱裝置來得長。如前述般，一般間隙L1係考慮加熱裝置48之尺寸、使用溫度等而設定在使用溫度下之熱膨脹量程度，具體例為3mm~10mm程度。
本實施形態之加熱裝置48中則考慮加熱元件52之永久伸長，將間隙L1設定在使用溫度下之熱膨脹量以上(例如10mm~50mm程度)。藉由加長間隙L1，可拉長加熱元件52接觸到隔熱層50為止之時間寬裕性。此外，間隙L1亦可超過50mm，但愈長則加熱元件52之保持將變得愈困難。此外，由於會有導致熱處理裝置之大型化、(熱)處理空間之縮小之情況，故以依據加熱裝置48所希望之使用狀況而由業界人士來適宜設定間隙L1為佳。
(第4實施形態)
在第4實施形態方面，針對組合於前述第1實施形態以及第2實施形態之加熱裝置的較佳實施形態來說明。
圖8係顯示本實施形態之加熱裝置之其他例之示意圖。
如圖8所示般，基部54a之加熱元件52側的形狀在加熱元件52側為凹狀，例如在加熱元件52側成為凹弧狀。此外，圖8中，和加熱元件52對向之隔熱層50的內周面形狀為凹狀，較佳為凹弧狀。
如此般，配合加熱元件形狀來設計基部54a以及/或是隔熱層50之形狀，可高效率地拉長間隙L1。
以上，於第3以及第4實施形態中，藉由拉長間隙L1，可增加加熱元件52接觸到隔熱層50為止之時間寬裕性。若將第3以及第4實施形態來和第1實施形態以及第2實施形態作組合，可提供一種可防止加熱元件彼此接觸之加熱裝置。
上述內容係基於說明本揭示各種實施例之目的而記載者，此外，應可理解在不超脫本揭示範圍以及思想內進行各種變形。從而，此處所揭示之各種實施例並非用以限制下述各請求項所指定之本質性範圍以及思想。
本揭示係基於2012年10月12日提出申請之日本申請特願第2012-227187號為基礎而主張優先權，將其揭示全部援引於本說明書中。
2‧‧‧縱型熱處理裝置
4‧‧‧處理容器
6‧‧‧外筒
8‧‧‧內筒
10‧‧‧歧管
12‧‧‧基座板
14‧‧‧頂蓋部
16‧‧‧密封構件
18‧‧‧磁性流體密封件
20‧‧‧旋轉軸
22‧‧‧旋轉機構
24‧‧‧台部
26‧‧‧保溫筒
28‧‧‧晶圓舟
30‧‧‧升降機構
32‧‧‧氣體導入機構
34‧‧‧氣體噴嘴
36‧‧‧氣體出口
38‧‧‧排氣系統
40‧‧‧排氣通路
42‧‧‧壓力調整閥
44‧‧‧真空泵
48‧‧‧加熱裝置
50‧‧‧隔熱層
51‧‧‧保護蓋
52‧‧‧加熱元件
W‧‧‧晶圓
Claims (10)
- 一種加熱裝置，具有：圓筒狀隔熱層；加熱元件，係於該隔熱層之內周側以螺旋狀捲繞複數次而配置者；複數保持構件，係於該隔熱層之內周側沿著該隔熱層之軸向延伸，將該加熱元件以既定間距來加以保持；以及突起，係設置於該隔熱層上、且係設置於該隔熱層之圓周方向上相鄰之該保持構件之間對應於呈捲繞狀態之該加熱元件的位置處。
- 如申請專利範圍第1項之加熱裝置，其中該突起係沿著該隔熱層之軸向形成為肋狀。
- 如申請專利範圍第1項之加熱裝置，其中該突起係於該隔熱層之軸向以既定間距形成著。
- 如申請專利範圍第1項之加熱裝置，其中該突起係形成於該圓周方向上相鄰之該保持構件之間的中央處。
- 如申請專利範圍第1項之加熱裝置，係進而具有設置於軸向上相鄰之該加熱元件之間的接觸防止構件。
- 如申請專利範圍第5項之加熱裝置，其中該接觸防止構件係插入該隔熱層之延伸於該隔熱層之圓周方向以及徑向上的板材。
- 如申請專利範圍第1項之加熱裝置，其中和該加熱元件相對向之該隔熱層之內周面形狀為凹弧狀。
- 如申請專利範圍第1項之加熱裝置，其中該保持構件具有：基部，係位於該加熱元件之內側；以及，支撐部，係從該基部通過該加熱元件之間距間而朝該隔熱層之徑向外側伸長並插入該隔熱層而形成者；該基部於該加熱元件側之形狀係該加熱元件側為凹弧狀。
- 如申請專利範圍第8項之加熱裝置，其中從該基部到該隔熱層為止之距離扣除該加熱元件之半徑所得距離係具有於該加熱裝置之使用溫度下的熱膨脹量以上之距離。
- 一種熱處理裝置，具有：處理容器，係用以收納被處理體；以及如申請專利範圍第1項之加熱裝置，係於該處理容器之外周以包圍該處理容器的方式所配置者。
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