TWI392027B - Heat treatment apparatus, heater and heater manufacturing method - Google Patents

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TWI392027B
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Description

熱處理裝置、加熱器及加熱器之製造方法
本發明係關於熱處理裝置者。
半導體元件製造中，為對被處理體，例如對半導體晶圓實施氧化、擴散、及CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)等處理，使用有各種處理裝置(半導體製造裝置)。繼而，作為其中之一，眾所周知有可一次對多數被處理體進行處理，例如進行熱處理之分批式熱處理裝置，例如立式熱處理裝置。
立式熱處理裝置中，一般而言，將多張晶圓以特定間隔多層搭載並保持於保持件即晶舟上後，收容於處理容器內。繼而，藉由以覆蓋該處理容器之方式所設置之筒狀加熱器加熱上述晶圓，實施特定之熱處理。上述加熱器通常，藉由將線狀發熱電阻體配設於筒狀絕熱材之內周而構成。
於此種立式熱處理裝置中，為於熱處理結束後使晶圓迅速降溫，以實現處理之迅速化或提高產量，現提出有以如下方式構成上述立式熱處理裝置者，即可將加熱器與處理容器間之空間內之氣體排至外部，並且可將冷卻流體導入該空間內，強制冷卻處理容器(例如，參照日本專利特開平7－99164號公報、日本專利特開平11－260744號公報)。
近年來，於熱處理裝置，隨著晶圓之處理張數之增加，有加熱器及內藏物(例如處理容器及晶舟)之長度增長之傾向。故而，於如上述之強制冷卻步驟時，於內藏物上易產生冷卻溫度不均一之情形。該情形將導致產生晶圓之產品品質不均一之問題。
另一方面，若為增大冷卻流體之流量而增大冷卻流體噴嘴之口徑，則因來自冷卻流體噴嘴之輻射光之洩漏而使熱散逸增大，故而存在如下問題，即加熱器內部之均熱性惡化，並導致加熱器外部之溫度上升。
再者，於日本專利特開平11－260744號公報中所揭示之技術之情形時，將向斜上方開口之驟冷口設於成型絕熱材上，並使藉由該驟冷口所導入之冷卻介質形成旋轉流，故而可某種程度上抑制強制冷卻步驟時之內藏物之溫度不均一的產生。然而，為將冷卻介質供給至驟冷口，於成型絕熱材中必須設置所要數量之上下延伸之冷卻介質導入通路，故而導致構造複雜化。
本發明係鑒於上述情況開發而成者，其目的在於提供可防止來自冷卻流體噴嘴之輻射光之洩漏，且可抑制加熱器內部均熱性之惡化及加熱器外部溫度之上升的熱處理裝置。又，本發明之目的在於提供可抑制冷卻溫度不均一併可實現構造簡單化之熱處理裝置。
本發明之特徵在於，其係熱處理裝置，該熱處理裝置包含：處理容器，其可多層收容多個被處理體，並對該被處理體實施特定之熱處理；筒狀加熱器，其以覆蓋上述處理容器之方式設置，且可加熱被處理體；排熱系統，其用於排出上述加熱器與上述處理容器間之空間內之氣體；及冷卻機構，其用於向上述空間內吹入冷卻流體以冷卻上述處理容器，且上述加熱器含有筒狀之絕熱材與配設於該絕熱材內周之發熱電阻體，上述冷卻機構含有埋設於上述絕熱材中之多個噴嘴，對於各個噴嘴，其入口與出口形成為並非直線連接之形狀。
依據本發明，由於埋設於絕熱材中之多個噴嘴之各個入口與出口形成為並非直線連接之形進，故而可防止來自噴嘴之輻射光之洩漏，並可抑制加熱器內部均熱性之惡化及加熱器外部之溫度上升。
較好的是，各個噴嘴自側面觀察時，大致形成為Z字形，其下側端形成入口，上側端形成出口。此時，可防止來自各噴嘴之輻射光及輻射熱之洩漏以及散逸。
又，較好的是，為形成沿上述空間之圓周方向旋轉之冷卻流體的流動，各個噴嘴於平面觀察時，相對於加熱器之中心方向大致傾斜45°。此時，藉由形成冷卻流體之旋轉流，可有效抑制冷卻溫度不均一之產生。
又，較好的是，上述絕熱材之外周由外皮所覆蓋，且於該外皮上，設有與各噴嘴入口連通之冷卻流體導入部。此時，可以極簡單之構造向噴嘴供給冷卻流體。
又，本發明之特徵在於：其係加熱器，該加熱器含有筒狀絕熱材與配設於該絕熱材內周之發熱電阻體，並且為形成沿上述絕熱材之內周旋轉之冷卻流體的流動，於上述絕熱材中，以平面觀察時相對於加熱器之中心方向大致傾斜45°之狀態，埋設有側面觀察時大致形成為Z字狀之多個冷卻流體噴嘴。
依據本發明，可防止來自冷卻流體噴嘴之輻射光之洩漏，並可抑制加熱器內部均熱性之惡化及加熱器外部之溫度上升，其結果，可有效抑制冷卻溫度不均一之產生。
又，本發明之特徵在於，其係含有筒狀之絕熱材與配設於該絕熱材內周之發熱電阻體的加熱器之製造方法，其包含如下步驟：於上述絕熱材之內周配設發熱電阻體；為沿上述絕熱材之內周形成旋轉之冷卻流體的流動，於上述絕熱材中，以平面觀察時相對於加熱器之中心方向大致傾斜45°之狀態，埋設有側面觀察時大致形成為Z字狀之多個冷卻噴嘴。
依據本發明，可防止來自冷卻流體噴嘴之輻射光之洩漏，並可抑制加熱器內部均熱性之惡化及加熱器外部之溫度上升，其結果，可有效抑制冷卻溫度不均一之產生，另一方面，可實現構造簡單化。
以下，基於隨付圖式，就本發明之實施形態進行詳細說明。
圖1係表示本發明一實施形態之熱處理裝置之概略構成之縱剖面圖。圖2A係圖1之熱處理裝置之要部放大剖面圖。圖2B係圖2A之冷卻介質導入部之前視圖。圖3係表示噴嘴之配置例之加熱器之概略橫剖面圖。圖4係圖3之要部放大剖面圖。
如該等圖式所示，本實施形態之熱處理裝置1係所謂之立式熱處理裝置。該熱處理裝置1含有：處理容器2，其用於多層收容多個被處理體、例如半導體晶圓w，並進行特定之熱處理；筒狀加熱器3，其以覆蓋該處理容器2之方式設置，並加熱晶圓w。該等加熱器3及處理容器2構成所謂之熱處理爐。
處理容器2亦稱為加工處理管。本實施形態之處理容器2係石英製，其上端閉塞，而下端打開，且其形成為縱長筒狀例如圓筒狀。本實施形態之處理容器2為單重管構造，但亦可為雙重管構造。
於處理容器2之開口端形成有向外之凸緣4。該凸緣4藉由未圖示之凸緣按壓件而支撐於底板5。於底板5上形成有開口部6，該開口部6用以自下方向上方插入處理容器2。於處理容器2之下側部，設有用於將處理氣體或惰性氣體等導入至處理容器2內之導入管部7，以及用於排出處理容器2內之氣體之未圖示之排氣管部。再者，於底板5之開口部6上，以覆蓋底板5與處理容器2之間隙之方式設置有絕熱材8。
於處理容器2之下方，以可藉由未圖示之升降機構而升降移動之方式，設置有可於閉塞處理容器2之下端開口部(爐口)之上下方向上開閉的蓋體9。於蓋體9之上部載置有爐口保溫機構、例如保溫筒10。於保溫筒10上部載置有石英製之晶舟11，該晶舟11係可於上下方向以特定之間隔搭載多數張(例如150張左右)例如直徑為300 mm之晶圓w張的保持件。於蓋體9上設有使晶舟11圍繞其軸心旋轉之旋轉機構12。晶舟11可藉由蓋體9之下降移動而自處理容器2內搬出(卸載)至下方之裝卸區域內。繼而，晶舟11於晶圓w移換後，可藉由蓋體9之上升移動而搬入(裝載)至處理容器2內。
加熱器3設置於底板5上。加熱器3係藉由於筒狀(例如圓筒狀)絕熱材13之內周配設發熱電阻體14而形成。本實施形態中，於絕熱材13之內周，彎曲狀配設有發熱電阻體14。又，發熱電阻體14對應於分佈於加熱器3之高度方向上之多個區域而配置，且可對各區域進行溫度控制。又，考慮發熱電阻體14之施工性，較好的是，使絕熱材13為一半。
絕熱材13之外周由金屬製例如不銹鋼製之外皮(外殼)16所覆蓋。於外皮16上，設有與噴嘴23之入口23a連通之冷卻流體導入部26(參照圖2A)。本實施形態之絕熱材13介隔外側絕熱材15而由外皮16所覆蓋。此外，本實施形態之外皮16包含內側外皮16a與外側外皮16b。將使冷卻流體(例如冷卻水)流通之冷卻管(未圖示)配設於內側外皮16a與外側外皮16b之間，藉此可構成冷卻外套。藉此，可有效抑制對加熱器外部之熱影響。
另一方面，於絕熱材13之頂部，設有覆蓋該頂部之上部絕熱材17(參照圖1)。於上部絕熱材17之上部，設有覆蓋外皮16之頂部之天板18(參照圖1)。又，於加熱器3上設有排熱系統20，該排熱系統20用於將加熱器3與處理容器2間之空間19內之氣體排至外部。排熱系統20主要包含例如設於加熱器3之上部之排氣口21，以及連接該排氣口21與未圖示之工場排氣系統之排熱管(未圖示)。於該排熱管上，可設有未圖示之排氣扇及熱交換器。
於加熱器3上設有冷卻機構22，該冷卻機構22用以向上述空間19內吹入冷卻流體例如冷卻空氣，強制冷卻加熱器3內部。冷卻機構22含有埋設於加熱器3之絕熱材13中之多個噴嘴23(參照圖1)。對於各噴嘴23，其入口23a與出口23b形成為並非直線連接之形狀。具體而言，於本實施形態中，各噴嘴23自側面觀察時，形成為Z字形。即對於各噴嘴23，其入口23a與出口23b形成為偏移之有位移狀。此時，各噴嘴23為防止熱量因上升氣流而自出口側流入入口側，較好的是，使下側端形成為入口23a，使上側端為出口23b。
又，如圖3及圖4所示，為沿上述空間19之圓周方向形成螺旋狀旋轉之冷卻流體的流動，本實施形態之各噴嘴23設為於平面觀察時，相對於加熱器3之中心方向(朝向中心之方向)大致傾斜45°。於加熱器3內之空間19中，藉由自上部排氣口21進行吸引排氣而產生上升氣流。因此，各噴嘴23之出口23b無須形成為朝向斜上方。故而，於圖式例中，朝向水平方向。當然，亦可形成為朝向斜上方者。較好的是，各噴嘴23係由具有耐熱性及不透光性之材質、例如陶瓷而形成。其原因在於，若各噴嘴23之材質具有光透過性，則加熱器內部之輻射光或輻射熱(熱線)將通過各噴嘴而洩漏至外部。
於製造本實施形態之加熱器3之情形時，如圖5A所示，首先，自外側挖掘並形成用於將噴嘴23埋入絕熱材13中之槽24。該槽24係以平面觀察時，相對於加熱器3之中心方向大致傾斜45°之方式而形成(參照圖4)。其次，如圖5B所示，將噴嘴23插入上述槽24中，並以不使噴嘴23自槽24脫落之方式向槽24之空隙部25填充絕熱材(例如下述之輔助絕熱材)。如此，噴嘴23以連通絕熱材13之內側與外側之狀態而埋設於絕熱材13中。
如此，若於絕熱材13之上下方向及圓周方向上，以適當之間隔埋設多個噴嘴23，則絕熱材13之外周介隔外側絕熱材15而由外皮16所覆蓋。如圖2A所示，於外皮16之噴嘴23之入口23a之近旁，設有冷卻流體導入部26。又，於外側絕熱材15上，設有連通噴嘴23之入口23a與冷卻流體導入部26之通路(開口部)27。
冷卻流體導入部26主要包含：形成於內側外皮16a之開口部28；以及以覆蓋開口部28之方式，由固定件、例如螺絲29安裝於內側外皮16a之外表面之冷卻流體導入部件(冷卻流體導入金屬部件)30。冷卻流體導入部件30含有與開口部28連通之凹部室30a。為防止加熱冷卻流體導入部件30，較好的是，於凹部室30a之內側設置輔助絕熱材31。又，於冷卻流體導入部件30上，連接有冷卻流體供給機構之冷卻流體供給管(未圖示)。於該冷卻流體供給管上，亦可設置流量調整機構。
安裝冷卻流體導入部件30之前，於外側絕熱材15上形成用以連通內外之通路(開口部)27。又，於該通路27之內周上，設有輔助絕熱材32。又，於外側外皮16b上，設有冷卻流體導入部件30之安裝作業用之開口部33。
冷卻流體供給機構(未圖示)例如可包含送風機(未圖示)，該送風機用於吸入設置有熱處理裝置1之無塵室內之空氣作為冷卻流體，並將該冷卻流體經由冷卻流體供給管而壓送供給至各噴嘴23。
依據包含以上構成之熱處理裝置1，因其包含：處理容器2，該處理容器2多層收容多個晶圓w，並且對該等晶圓w進行特定之熱處理；筒狀加熱器3，該筒狀加熱器3以覆蓋處理容器2之方式而設置，且可對晶圓w進行加熱；排熱系統20，該排熱系統20用於排出加熱器3與處理容器2間之空間19內之氣體；以及冷卻機構22，該冷卻機構22用於將冷卻流體吹入空間19內以冷卻處理容器2，且上述加熱器3含有筒狀之絕熱材13與配設於該絕熱材13內周之發熱電阻體14，上述冷卻機構22含有埋設於上述絕熱材13中之多個噴嘴23，各噴嘴23之入口23a與出口23b形成為並非直線連接之形狀，故可防止自噴嘴23之輻射光之洩漏，且可抑制加熱器內部之均熱性之惡化及加熱器外部(環境)之溫度上升。
又，於本實施形態中，各噴嘴23於側面觀察時，大致形成為Z字形，其下側端形成入口23a，其上側端形成出口23b，雖為簡單之構造，但可防止來自各噴嘴23之輻射光或輻射熱之洩漏或散逸。
又，於本實施形態中，為沿上述空間19之圓周方向形成旋轉之冷卻流體的流動，各個噴嘴23於平面觀察時，相對於加熱器3之中心方向大致傾斜45°，故可有效抑制產生冷卻溫度不均一，且可提高晶圓w之產品品質之均一性。
又，於本實施形態中，因絕熱材13之外周介隔外側絕熱材15而由外皮16所覆蓋，於外皮16中之噴嘴23之入口23a近旁設有冷卻流體導入部26，於外側絕熱材15上設有連通噴嘴23之入口23a與冷卻流體導入部26之通路27，雖為簡單之構造，但可將冷卻流體供給至噴嘴23。
又，依據本實施形態之加熱器3之製造方法，因其包含：於絕熱材13之內周配設發熱電阻體14之步驟；以及為沿絕熱材13之內周形成旋轉之冷卻流體的流動，而將於側面觀察時，大致形成為Z字形之多個噴嘴23，以相對於加熱器3(即絕熱材13)之中心方向大致傾斜45°之狀態，埋設於絕熱材13中之步驟，故而可防止來自噴嘴23之輻射光之洩漏，並可抑制加熱器內部之均熱性惡化及加熱器外部之溫度上升，其結果，可有效抑制產生冷卻溫度不均一，另一方面可實現構造之簡單化。
此外，圖6係表示圖4之噴嘴之一部分變形例之剖面圖。於圖6中，對與圖4相同之部分賦予相同符號。於圖6之例中，以與絕熱材13之內周面成同一平面之方式切割噴嘴23之出口部分。
又，圖7係表示噴嘴之其他變形例之立體圖。於圖7之例中，噴嘴23包含縱長之中空箱部23c，以及相互不對稱地設於該中空箱部23c之前面部及後面部之出口部23b及入口部23a。
以上，已根據圖式，對本發明之實施形態加以詳細說明，但本發明並不限於上述實施形態，於不偏離本發明宗旨之範圍內，可進行各種設計之變更。例如，如圖8所示，亦可將噴嘴23作為剖面Z字狀之通路而與絕熱材渾然一體地設於絕熱材中。
1．．．熱處理裝置
2．．．處理容器
3．．．加熱器
4．．．凸緣按壓件
5．．．底板
6、28、33．．．開口部
7．．．導入管部
8．．．絕熱材
9．．．蓋體
10．．．保溫筒
11．．．晶舟
12．．．旋轉機構
13．．．絕熱材
14．．．發熱電阻體
15．．．外側絕熱材
16．．．外皮
16a．．．內側外皮
16b．．．外側外皮
17．．．上部絕熱材
18．．．天板
19．．．空間
20．．．排熱系統
21．．．排氣口
22．．．冷卻機構
23．．．噴嘴
23a．．．入口部
23b．．．出口部
23c．．．中空箱部
26．．．冷卻流體導入部
27．．．通路
29．．．螺絲
30．．．冷卻流體導入部件
30a．．．凹部室
31、32．．．輔助絕熱材
圖1係表示本發明一實施形態之熱處理裝置之概略構成之縱剖面圖。
圖2A係圖1之熱處理裝置之要部放大剖面圖。
圖2B係圖2A之冷卻介質導入部之前視圖。
圖3係表示噴嘴之配置例之加熱器之概略橫剖面圖。
圖4係圖3之要部放大剖面圖。
圖5A及圖5B係用於說明加熱器製造方法之圖。
圖6係表示圖4之噴嘴之一部分變形例之剖面圖。
圖7係表示噴嘴之其他變形例之立體圖。
圖8係表示於絕熱材所設置之噴嘴之變形例之剖面圖。
1．．．熱處理裝置
2．．．處理容器
3．．．加熱器
4．．．凸緣按壓件
5．．．底板
6．．．開口部
7．．．導入管部
8．．．絕熱材
9．．．蓋體
10．．．保溫筒
11．．．晶舟
12．．．旋轉機構
13．．．絕熱材
14．．．發熱電阻體
15．．．外側絕熱材
16．．．外皮
16a．．．內側外皮
16b．．．外側外皮
17．．．上部絕熱材
18．．．天板
19．．．空間
20．．．排熱系統
21．．．排氣口
22．．．冷卻機構
23．．．噴嘴

Claims (4)

  1. 一種熱處理裝置，其特徵在於其包含：處理容器，其可多層收容多個被處理體，並且對該被處理體實施特定之熱處理；筒狀加熱器，其以覆蓋上述處理容器之方式而設置，且可對上述被處理體進行加熱；排熱系統，其用以排出上述筒狀加熱器與處理容器間之空間內之氣體；冷卻機構，其用以向上述空間內吹入冷卻流體以冷卻上述處理容器；且上述筒狀加熱器含有筒狀絕熱材與配設於該筒狀絕熱材之內周之發熱電阻體；上述冷卻機構含有埋設於上述筒狀絕熱材中之多個噴嘴；各噴嘴於側面觀察時，形成為大致Z字形，且其下側端形成入口、其上側端形成出口；為了沿上述空間之圓周方向形成旋轉之冷卻流體的流動，各噴嘴於俯視觀察時，相對於加熱器之中心方向傾斜大致45°。
  2. 如請求項1之熱處理裝置，其中上述筒狀絕熱材之外周由外皮所覆蓋，且於該外皮上，設有連通各噴嘴之入口之冷卻流體導入部。
  3. 一種加熱器，其特徵在於：其係含有筒狀絕熱材與配設於該筒狀絕熱材之內周之 發熱電阻體者；且為了形成沿上述筒狀絕熱材之內周旋轉之冷卻流體的流動，將側面觀察時形成為大致Z字形之多個冷卻流體噴嘴，以俯視觀察時相對於加熱器之中心方向傾斜大致45°之狀態，埋設於上述筒狀絕熱材中。
  4. 一種加熱器之製造方法，其特徵在於：其係製造含有筒狀絕熱材與配設於該筒狀絕熱材之內周之發熱電阻體之方法；且包含以下步驟：將發熱電阻體配設於上述筒狀絕熱材之內周之步驟；及為了形成沿上述筒狀絕熱材之內周旋轉之冷卻流體的流動，將側面觀察時形成為大致Z字形之多個冷卻流體噴嘴，以俯視觀察時相對於加熱器之中心方向傾斜大致45°之狀態，埋設於上述筒狀絕熱材中之步驟。
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