TWI401728B

TWI401728B - Heat treatment furnace and vertical heat treatment device

Info

Publication number: TWI401728B
Application number: TW097106946A
Authority: TW
Inventors: Makoto Kobayashi; Takashi Ichikawa; Kenichi Yamaga
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2013-07-11
Also published as: CN101256946A; KR101148728B1; US20080205864A1; CN101256946B; US7974525B2; KR20080080031A; JP2008218478A; TW200901267A; JP4331768B2

Description

熱處理爐及直立型熱處理裝置

本發明係關於熱處理爐、及具有該熱處理爐之直立型熱處理裝置。

在半導體裝置之製造中，為對作為被處理體之半導體晶圓實施氧化、擴散、CVD(化學氣相沉積，Chemical Vapor Deposition)等之處理，可使用各種熱處理裝置。一般之熱處理裝置，具有主要由用於收容半導體晶圓進行熱處理之處理容器(反應管)、與對設置為覆蓋該處理容器之周圍之處理容器內之晶圓加熱的加熱器(加熱裝置)構成之熱處理爐。前述加熱器，主要由圓筒狀之絶熱材、與該絶熱材之內周經由支撐體而設置之發熱電阻體構成。

作為前述發熱電阻體，譬如在可批式處理之熱處理裝置之場合，可使用沿圓筒狀之絶熱材之內壁面而配置之螺旋狀加熱線(發熱電阻線)。其可將爐內加熱到譬如800~1000℃左右之高溫。又，作為前述絶熱材，可使用將譬如由陶瓷纖維等形成之絶熱材料煆燒成圓筒狀而形成者。其可減少輻射熱及傳導熱所剝奪之熱量，有助效率良好之加熱。作為前述支撐體，可使用譬如陶瓷製者。其可在可熱膨脹及熱收縮之狀態下，以特定之間距支撐前述加熱線。

但，在前述熱處理爐中，雖然加熱線形成為螺旋狀，但在加熱線與絶熱材之間設置有間隙之狀態下支撐加熱線，使其可熱膨脹及熱收縮。且，加熱線，藉由在高溫下使用，產生潛變變形，其線長隨同時間漸漸伸長。又，加熱時，加熱線發生熱膨脹。一方面，亦有藉由在降溫時向加熱線吹空氣而進行加熱之急速冷卻的類型之裝置，但若反復升降溫使加熱線變形後，則有縮短鄰接之加熱線而發生斷線之情況。

特別在直立型熱處理爐時，藉由基於升降溫之熱膨脹及熱收縮之反復進行，加熱線在支撐體內移動，因重力使加熱線一點點地向下移動，在最下迴圈處累積該移動部分。即，因加熱線移動之累積，最下迴圈之卷徑變大。其到達絶熱材之內面，進而在外側上無法膨脹，而往上下方向變形。藉此，具有與鄰接之加熱線縮短而發生斷線之場合。

為消除此問題，提案有一種構成：為防止因加熱線之潛變及熱膨脹等伸長朝一端側累積，在加熱線之外側部藉由熔接安裝於爐之半徑方向外側突出之軸狀等之固定構件，將該固定構件之前端埋嵌固定到絶熱材中(參考日本特開平10－233277號公報)。

但，認為在如前述單純藉由熔接將固定構件接合於加熱線之外側部之構成中，不僅接合部暴露於高溫，且由於伴隨發熱電阻體之熱膨脹及熱收縮，應力易集中於接合部，故會導致耐久性降低(短壽命化)。又，若固定構件為棒軸狀，則容易從絶熱材脫離而難以確保充分之保持力。

又，在欲進行晶圓之急速升降溫處理時，有必要在急速升溫時對加熱線施加大的電力。但，在至今為此之一般加熱線中，由於負荷過大而易斷線。因此，無法施加過大電力，在急速升降溫處理上有界限。為消除此問題，在使用不易斷線之高價加熱線之情況，有增大成本之問題。

另一方面，為使加熱線之負荷減低以實現長壽命化(耐久性之提高)，有效的是增加相對於投入電力之加熱線表面積(元件表面積)比例。原因係若使加熱線表面積增加，則加熱器表面溫度下降，加熱線之負荷減低。所謂之螺形線類型(螺旋型)之加熱線，由於適合作為負荷減低之設計，可有效地配置於所需空間，故被廣泛地使用。

但，在沒有使用螺形線類型之加熱線的熱處理爐中，譬如圖9所示，為固定加熱線18而採用將加熱線18埋嵌於絶熱材16中之構成。因此，對於爐心之加熱對象物，由於成為經由絶熱材16之加熱，故使其急速升溫之處理困難。又，對於降溫，由於亦經由絶熱材16冷卻加熱線18，且由於亦有絕熱材16之熱容量增加效果，亦難以急速降溫。再者，由於無法確保加熱線18之膨脹部分之間隙，故加熱線本身在膨脹時受到壓力，導致加熱線之耐久性降低。

本發明係為解決前述課題而成者，目的係提供一種可急速升降溫且可實現耐久性之提高及成本之減低之熱處理爐及直立型熱處理裝置。

本發明係一種熱處理爐，備有用於收容被處理體以進行熱處理之處理容器、與設置為覆蓋該處理容器之周圍之供加熱前述被處理體的圓筒狀加熱器；其特徵在於：前述加熱器包括圓筒狀之絶熱材、在該絶熱材之內周上在軸向形成為多段之溝狀棚架部、及沿各棚架部而配置之螺旋圖案之發熱電阻線；前述絶熱材上，以適宜間隔配設有將前述發熱電阻線保持成可在加熱器之徑向移動且不從前述棚架部脫落之銷構件。

或者，本發明係一種直立型熱處理裝置，其特徵在於包括：具有以下部作為爐口而開放之收容被處理體以進行熱處理的縱長之處理容器、與設置為覆蓋該處理容器之周圍之供加熱前述被處理體之圓筒狀加熱器的熱處理爐，閉塞前述爐口之蓋體，及在將被處理體多段保持之保持具載置於前述蓋體上之狀態下，使該蓋體升降、進行該蓋體之開閉與保持具之向前述處理容器內之搬入搬出之升降機構；前述加熱器包括：圓筒狀之絶熱材、以上下方向多段形成於該絶熱材內周的溝狀棚架部、及沿各棚架部配置之螺旋圖案之發熱電阻線；前述絶熱材上，以適宜間隔配設有將前述發熱電阻線保持成可在加熱器之徑向移動且不從前述棚架部脫落之銷構件。

根據以上之各發明，藉由在絶熱材之內周之各棚架上配置螺旋圖案之發熱電阻線，可容易採用使發熱電阻線露出之配置，因此，可急速升降溫。另一方面，由於不妨礙螺旋圖案之發熱電阻線之熱膨脹及熱收縮，故在耐久性方面亦出色。再者，沒有導致特別之成本增加問題。

譬如，前述銷構件，將發熱電阻線之外側迴圈部分形成為以U字部分保持之平面U字狀，其兩腳部，將絶熱材從內側向外側貫通，在絶熱材之外面彎折。

又，較好是，在上述絶熱材之棚架部上，形成有將該棚架部內外貫通之強制空冷用空氣吹出孔。

又，較好是，前述發熱電阻線，以加熱器之軸向視之，前述棚架部開口緣的絶熱材之內周與螺旋圖案之中心配置為一致(對準)。

以下，基於附加之圖面對實施本發明之最良形態，進行詳述。圖1係概略地表示本發明之一實施形態之直立型熱處理裝置之縱截面圖。圖2係圖1之A部之擴大截面圖。圖3係概略地表示加熱器元件之結線例之圖。圖4係概略地表示加熱器元件之其他結線例之圖。圖5係概略地表示加熱器元件之進而其他結線例之圖。圖6係直立型熱處理爐之一部分之橫截面圖。

在圖1中，表示半導體製造裝置之一的直立型熱處理裝置1。該熱處理裝置1，包括可一次收容多數片被處理體譬如半導體晶圓w而實施酸化、擴散、減壓CVD等之熱處理的直立型熱處理爐2。該熱處理爐2包括用於收容晶圓w並進行熱處理之處理容器(亦稱反應管)3、與將設置為覆蓋該處理容器3之周圍的晶圓w加熱之圓筒狀加熱器(加熱裝置)5。

又，熱處理裝置1，具有用於設置加熱器5之底板6。在該底板6上，形成有用於將處理容器3從下方插入上方之開口部7。該開口部7上，以覆蓋底板6與處理容器3之間之間隙之方式，設置有未圖示之絶熱材。

處理容器3係石英製，形成為縱長之圓筒狀，其上端閉塞，其下端作為爐口3a而開口。在處理容器3之開口端上，形成向外之凸緣3b。凸緣3b，經由未圖示之凸緣押件而支撐於底板6上。圖示例之處理容器3，在下側部上，設置有將處理氣體及惰性氣體等導入處理容器3內之導入端口(導入口)8、與用於使處理容器3內之氣體排氣之未圖示之排氣端口(排氣口)。在導入端口8上，連接有氣體供給源。在排氣端口上，連接有具有可進行譬如10~10^－8 Torr左右之減壓控制之真空泵的排氣系。

在處理容器3之下方，使處理容器3之下端開口部(爐口)3a閉塞之蓋體10，設置為可藉由未圖示之升降機構而升降移動。該蓋體10之上部，載置有作為爐口之保溫機構之譬如保溫筒11。在保溫筒11之上部，載置有沿上下方向以特定間隔搭載之多數片譬如100~150片左右之譬如直徑為300 mm之晶圓w之保持具之石英製之端口12。在蓋體10上，設置有將端口沿其軸心周圍轉動之轉動機構13。端口12，藉由蓋體10之下降移動，從處理容器3內搬出(卸)到下方之加載區域15內，在晶圓w之移換後，藉由蓋體10之上升移動，搬入(裝)到處理容器3內。

加熱器5，亦如圖2至圖6所示，具備圓筒狀之絶熱材16、在該絶熱材16之內周上形成為多段於軸向(在圖示例中為上下方向)之溝狀之複數個棚架部17、及沿各棚架部17配置之螺形線類型(螺旋圖案)之加熱線(發熱電阻線)18。絶熱材，由包含譬如二氧化矽、氧化鋁或矽酸氧化鋁之無機質纖維構成。

在絶熱材16上，以適宜間隔配設有將加熱線18保持為可沿加熱器5之徑向移動、且不從棚架部17脫落或脫出之銷構件20。且，在圓筒狀之絶熱材16之內周上，與絶熱材16同心，棚架部17之(旁邊之)溝部21以環狀、軸向上以特定間距或適宜間隔形成為多段。溝部21，以截面方形為佳，其溝寬與溝深，以設定為有餘裕收容加熱線18之尺寸為佳。即，溝部21上，以設置有可充分容許(吸收)加熱線18之上下方向及徑向之熱膨脹及熱收縮之間隙為佳。

加熱線18，譬如，由鐵(Fe)、鉻(Cr)及鋁(Al)之合金線(所謂之坎瑟爾線)構成。該加熱線18，譬如粗(直徑)為3 mm，螺旋部18a之內徑da為10 mm、其外徑db為16 mm。且，加熱線18，於加熱器5之軸向觀之，可知，在實現提高升降溫速度方面，較佳者為，將作為棚架部17之溝部21之開口緣的絶熱材之內周與螺旋部18a之中心c(螺旋圖案之中心)配置或保持為一致(對準)。

加熱線18，不是如以往之加熱線般以螺旋狀連續延伸於上下方向，而係如圖2至圖3所示，以各段終結，分別配置於各段之棚架部17上。因此，加熱線18不會因自身重量移動而累積到下方。又，加熱線18，每隔複數段(在圖示例中為4段)，在相鄰之上段與下段之間直列地連接(參照圖3)。又，該每隔複數段之各組之最下段之始端1a與最上段之終端4b上，分別連接有電極連接用之端子板22a、22b。藉此，加熱器5，在熱處理爐2內，沿上下方向區別為複數個區域。且，可對各區域控制溫度。

作為加熱線18之結線圖案，有譬如圖3、圖4及圖5所示者。

在圖3所示之加熱線之結線圖案上，第一段(最下段)之終端1b與第二段之始端2a，以結線部23結線(連接)。同樣，更下段之終端2b、3b與更上段(次段)之始端3a、4a相互結線。又，可藉由在將加熱線18配置到各棚架部17時拉伸加熱線18之螺旋部18a來形成連結各段之部分(結線部23)。在此，在如圖3所示之加熱線18之結線圖案中，結線部23配置於絶熱材之內側。

與之相對，在圖4所示之加熱線18之結線圖案中，結線部24配置於絶熱材之外側。具體而言，第一段之終端1b與第二段之始端2a上，分別連接有端子板22c、22c，該等端子板22c、22c彼此在絶熱材之外側以結線部譬如電線25電性地連接。同樣，更下段之終端2b、3b與更上段(次段)之始端3a、4a相互在絶熱材之外側結線。

圖5所示之加熱線18之結線圖案，係在圓筒狀之絶熱材如圖7所示分割成兩半即縱向對分之情況中適合之圖案。該情況，對應分割成兩半之絶熱材16，加熱線18亦縱向分割兩半。縱向分割兩半之領域內之加熱線18，在最下段與最上段之一端上分別連接有端子板22a、22b，更下段之終端1b、2b、3b與更上段之始端2a、3a、4a，依次以結線部26結線(結線部26之配置，可為絶熱材之內側亦可為外側)。

又，作為加熱線18之結線圖案，不限定於前述。

端子板22a、22b、22c，從防止熔斷與抑制放熱量之觀點觀之，以與加熱線18相同之材質形成為所要截面積之板狀。作為加熱線18之始端或終端之端子連接部分，預先拉伸於徑向外方，在該狀態中端子板藉由熔接來接合。通常，端子板22a、22b、22c，其一端埋設於絶熱材中，其他端從絶熱材之外面突出到徑向外方。

銷部件20較好是，如圖6所示，形成為用於將加熱線18之外側迴圈部分27以U字部分20a保持之平面U字狀，其兩腳部20b、20b，將絶熱材16從內側貫通到外側，在絶熱材16之外面彎折。該情況下，可容易地安裝銷部件20。又，在加熱線18支撐為可以特定範圍於徑向移動之同時，可不向徑向內方飛出而防止脫出。

又，為保持絶熱材16之形狀、加強絶熱材16，較好是，如圖1所示，以金屬製譬如不銹鋼製之外皮(外殼)28覆蓋絶熱材16之外周。再者，為了抑制加熱器5對外部之熱影響，外皮28外周較好以水冷式殼套30覆蓋。此外，在圖1之例中，絶熱材16之頂部由上部絶熱材31覆蓋，進而上部絶熱材31之上部上，設置有覆蓋外皮28之頂部(上端部)之不銹鋼製之頂板32。

為了在熱處理後使晶圓急速降溫以實現處理之迅速化或產量之提高，在加熱器5上，設置有用於將加熱器5與處理容器3之間之空間33內之環境氣體排出到外部之排熱系統35、與用於向前述空間33內導入常溫(20~30℃)空氣之強制地冷卻處理容器3之強制空冷機構36。排熱系統35，主要由譬如設置於加熱器5之上部之排氣口37、連結該排氣口37與未圖示之工廠排氣系統的未圖示之排熱管所構成。排熱管上設置有未圖示之排氣吹風機及熱交換器。

強制空冷機構36，具有在絶熱材16與外皮28之間於高度方向所形成之複數之環狀流路38，與為從各環狀流路38向絶熱材16之內部以水平傾斜方向吹出空氣以使前述空間33之周方向上產生回旋氣流而設置於絶熱材16之水平傾斜方向之強制空冷用空氣吹出孔40。但，吹出孔40，為將空氣(風)直接吹到處理容器3，可設置於與絶熱材16水平垂直方向。環狀流路38，係藉由在絶熱材16之外周貼附帶狀或環狀之絶熱材41，或者，藉由將絶熱材16之外周削成環狀而形成。空氣吹出孔40，如圖7A及圖7B所示，以在絶熱材16之棚架部17中形成為貫通絶熱材16為佳。該情況下，可不妨礙加熱線18，而使空氣噴出到前述空間33內。

在外皮28之外面上，沿高度方向設置有用於向各環狀流路38分配供給冷卻流體之共通的(1根)未圖示之供給導管。且，在外皮28上，形成有連通供給導管內與各環狀流路38之連通口。在供給導管上，經由開閉閥連接有將清理室內之空氣作為冷卻流體吸引壓送供給之未圖示的冷卻流體供給源(譬如送風機)。

如上所構成之熱處理爐2或直立型熱處理裝置1，包括收容晶圓w進行熱處理之處理容器3，與設置為覆蓋該處理容器3之周圍、加熱晶圓w之圓筒狀加熱器5，前述加熱器5，具備圓筒狀之絶熱材16、在該絶熱材16之內周上沿軸向多段地形成之溝狀之棚架部17、及沿各棚架部17配置之螺形線類型加熱線18，前述絶熱材16上，以適宜間隔配設有可將前述加熱線18在加熱器5之徑向移動且保持為不從前述棚架部17脫落之銷構件20。

藉此，在絶熱材16之內周之各棚架部17上可在使螺形線類型之加熱線5露出之狀態中容易地設置，可急速升降溫。一方面，由於不妨礙螺形線類型之加熱線5之熱膨脹及熱收縮，故在耐久性方面亦出色。再者，沒有導致特別之成本增加問題。

又，藉由使用螺形線類型之加熱線18，可有效地增加元件表面之比例，可實現加熱線負荷之減低，可抑制破斷。因此，可向加熱線18投入大的電力使其急速升溫。又，由於斷線被抑制，故可提高耐久性實現長壽命化。進而，由於作為加熱線18可使用廉價之矽鉬金屬(KANTHAL)線，故亦可實現成本減低。

又，加熱線18，從加熱器5之軸向觀之，配置或保持為作為棚架部17之溝部21之開口緣的絶熱材16之內周與螺旋部18a之中心c(螺旋圖案之中心)一致(對準)之情況，由於對加熱對象(晶圓)之輻射範圍變大(由於從晶圓可見之加熱器元件之露出部分變多)，在實現升降溫速度之提高方面較佳。又，由於棚架部之長度愈短，加熱器元件之露出部分愈擴大到上部或下部之晶圓，故可提高升溫速度。又，棚架部之長度愈短，絶熱材16之熱容量愈小，故可提高降溫速度。再者，棚架部之長度愈短，加熱器元件之開放部分愈多、不會積熱，且，由於加熱器元件容易碰到於強制空冷之空氣，故可提高降溫速度。

圖8係表示絶熱材之其他例之立體圖。加熱器5之絶熱材16，由於熱膨脹及熱收縮引起之內部應力，內面可能產生龜裂。為防止之，如圖8所示，以預先形成沿內面部軸向之切入縫(微縫)42為佳。亦可將該切入縫42設為可通過加熱線之結線部。又，考慮到加熱器之組裝性，絶熱材16，以在各棚架部17之下面位置上下地分割為佳。即，絶熱材16，以由多段地分割於上下方向之分割塊16a組成為佳。該情況，在第一目之分割塊16a之棚架部17上設置加熱線後，累積第二段之分割塊16a，在該第二段之分割塊16a之棚架部17上設置加熱線18，在此狀態下，可在各棚架部17上容易地設置加熱線18。藉由，可實現組裝性之提高。該情形，較好是，在上下鄰接之分割塊16a之對向面上，沿周方向形成決定相互抵接之位置用之凹部43a與凸部43b。又，作為絶熱材16，如圖7A所示，成形為將圓筒切半之形狀，在實現零件份數之消減上有效。

以上，藉由圖面詳述了本發明之實施形態，但本發明不限定於前述各實施之形態，可在不逸脫本發明之要旨範圍內作各種設計變更等。譬如，處理容器可於下端部連接有具有導入管部及排氣管部之耐熱金屬譬如不銹鋼製之圓筒狀之歧管，又，亦可為雙重管構造。

1‧‧‧熱處理裝置

2‧‧‧熱處理爐

3‧‧‧處理容器

3a‧‧‧爐口

3b‧‧‧凸緣

5‧‧‧加熱器(加熱裝置)

6‧‧‧底板

7‧‧‧開口部

8‧‧‧導入端口(導入口)

10‧‧‧蓋體

11‧‧‧保溫筒

12‧‧‧端口

13‧‧‧轉動機構

15‧‧‧加載區域

16‧‧‧絶熱材

17‧‧‧棚架部

18‧‧‧加熱線

21‧‧‧溝部

22a‧‧‧端子板

22b‧‧‧端子板

23‧‧‧結線部

24‧‧‧結線部

27‧‧‧迴圈部分

28‧‧‧外皮

30‧‧‧水冷式殼套

31‧‧‧上部絶熱材

32‧‧‧頂板

33‧‧‧空間

35‧‧‧排熱系統

36‧‧‧強制空冷機構

37‧‧‧排氣口

38‧‧‧環狀流路

40‧‧‧吹出孔

41‧‧‧絶熱材

43a‧‧‧凹部

w‧‧‧晶圓

圖1係概略地表示本發明之一實施形態之直立型熱處理裝置之縱截面圖。

圖2係圖1之A部之擴大截面圖。

圖3係概略地表示加熱器元件之結線例之圖。

圖4係概略地表示加熱器元件之其他結線例之圖。

圖5係概略地表示加熱器元件之進而其他結線例之圖。

圖6係直立型熱處理爐之一部分之橫截面圖。

圖7A係表示絶熱材之一例之平面圖。

圖7B係圖7A之B－B線截面圖。

圖8係表示絶熱材之其他例之立體圖。

圖9A係表示以往之加熱器之一例之截面圖。

圖9B係表示以往之加熱器之內周面之概略圖。