TWI517745B - 加熱裝置 - Google Patents

Description

加熱裝置 【相關專利申請案之交叉參照】

本申請案主張於2010年8月10日提出申請於日本專利局之日本專利申請案第2010-179592號的權利，其公開內容在此全部引用以作為參考。

本發明係關於安裝在用來熱處理待加熱物(例如：半導體晶圓等等)之加熱設備中的加熱裝置。

一般來說，由矽基板等等所組成之半導體晶圓重複地歷經成膜、氧化、擴散、退火、蝕刻等等之處理，以形成半導體積體電路。此外，在執行這類處理期間，使用稱為批次式熱處理設備來同時處理多片半導體晶圓。舉例來說，這樣的熱處理設備包含细長石英處理容器。具體來說，在细長石英處理容器中，多片半導體晶圓安置在藉由多層所支撐並氣密密封之晶舟盒中。在此範例中，設置為藉由排氣裝置將處理容器內之大氣排出，而藉由氣體供給裝置將必需處理氣體供給到此處理容器中。

此外，將用來加熱半導體晶圓之加熱裝置安置以圍繞處理容器之外周圍。舉例來說，藉由將加熱素線螺旋形纏繞圓柱形絕熱層之內周圍來形成加熱裝置。舉例來說，將螺旋形加熱素線之間距(間隔)設定為約10到30mm。半導體晶圓接著歷經如成膜處理、氧化處理、或退火處理之熱處理，同時藉由加熱裝置而加熱到預定溫度。

然而，應用在如上述加熱設備之加熱裝置中所使用之加熱素線，不能避免因其重複使用所引起之永久伸長。「永久伸長」一詞係指因加熱素線本身之惡化所引起之伸長，並非指藉由加熱和/或冷卻所造成之熱伸縮。

這類永久伸長會導致螺旋形纏繞之加熱素線本身之變形。這 會造成一個問題，當加熱素線變形為彎曲的而接觸鄰近加熱素線時，會因接觸部分之接觸阻抗而產生過多熱量，如此接觸部分會熔化，或更壞的情況下，素線會因火花等等而斷接。

本發明提供一種可防止加熱素線間之接觸的加熱裝置。

根據本發明一實施例，提供一種加熱裝置，在容納待加熱物的圓筒狀處理容器之外周側，以圍繞該處理容器的方式設置；該加熱裝置包含：絕熱層，以圍繞該處理容器之外側的方式設置；保護遮蓋，設置在該絕熱層之外周圍；加熱素線，配置在該絕熱層之內周側；素線保持框，用以防止該加熱素線的錯位；以及一絕緣防止素線接觸構件，安裝到加熱素線間因加熱素線之變形所引起之加熱素線間之間隔變得比加熱素線設置時之間隔更狹窄之部分中。

依本發明，可防止加熱素線之間的接觸，也能夠防止加熱素線之間的熔化或斷接。

依本發明之相關技術，提供一防止素線接觸構件，安裝在具有加熱素線之加熱裝置中，該加熱素線具有重複U形圖樣之波浪形狀或彎曲形狀且設置於待加熱物周圍上，其中將該防止素線接觸構件插在加熱素線間因加熱素線之變形所引起之加熱素線間之間隔變得比加熱素線設置時之間隔更狹窄之部分中。

依本發明之另一相關技術，提供包含螺旋形纏繞待加熱物周圍之加熱素線之加熱裝置之維護方法，該方法包含：偵測因加熱素線之變形所引起之加熱素線間之間隔變得比加熱素線設置時之間隔更狹窄之部分；及將根據上述實施例之防止素線接觸構件安裝在加熱素線間之狹窄部分中。

依本發明之又另一相關技術，提供包含加熱素線之加熱裝置之維護方法，該加熱素線具有重複U形圖樣之波浪形狀或彎曲形狀且設置在待加熱物周圍上，該方法包含：偵測因加熱素線之變形所引起之加熱素線間之間隔變得比加熱素線設置時之間隔更狹 窄之部分；及將根據上述實施例之防止素線接觸構件安裝在加熱素線間之狹窄部分中。

以下，參考圖示來詳細說明加熱裝置之一實施例。圖1係根據本發明一實施例之具有應用防止素線接觸構件之加熱裝置之熱處理設備之一範例之概略結構圖。圖2係加熱裝置之剖面圖，而圖3係加熱裝置之一部分之放大剖面圖。圖4係根據本發明一實施例之防止素線接觸構件之一範例之透視圖。在下面說明中，將以半導體晶圓來說明待加熱物。

首先，下文將說明熱處理設備。如圖1所顯示，此直立熱處理設備2包含其縱向呈垂直方向狀態之圓柱形處理容器4。此處理容器4具有雙管結構，該雙管結構一般包含由耐熱材料(例如：石英)所組成之外桶6、及同心地設置在外桶6之內部並由例如石英所組成之內桶8。外桶6與內桶8具有藉由歧管10來支撐之個別底部，該歧管10由不鏽鋼等等所組成並固定到底板12。

此外，舉例來說，由不鏽鋼等等所組成之盤形蓋14，藉著密封構件16(例如：O型環)氣密地安裝在歧管10底部之開口中。在藉由如磁性流體軸封18所產生之氣密狀態下，將轉動軸20大致上插入蓋14之中心。軸20之底部連接到旋轉機構22，而軸20之頂部固定到由例如不鏽鋼所組成之工作台24上。

再者，由石英所組成之貯熱器26放置在工作台24上，貯熱器26上裝載有由例如石英所組成、作為支持器之晶舟盒28。作為待加熱物之多片(例如：50到150)半導體晶圓W，舉例來說，以兩片間為10mm之間距容納在晶舟盒28中。藉由升降機構(例如：晶舟盒升降機30)，將晶舟盒28、貯熱器26、工作台24、與蓋14集體裝載到/卸除自處理容器4。在歧管10之下部部分中，放置用來導引必需氣體到處理容器4之氣體導引裝置32。

氣體導引裝置32具有氣密安裝通過歧管10之氣體噴嘴34。雖然本範例中僅顯示一個氣體噴嘴，實際上可以依據使用氣體之 種類來設置一或多個氣體噴嘴34。在藉由分配噴嘴34之流量控制下，將必需氣體導引到處理容器4中。並且，氣體排氣口36設置在歧管10之上部部分中，並連接到排氣裝置38。具體來說，排氣裝置38具有連接到氣體排氣口36之排氣通道40。此外，在排氣通道40之路線中依序設置壓力調整閥42與真空幫浦44，藉此允許處理容器4之內部大氣以其調整壓力排出。此外，全部由石英所組成、不具備任何歧管10之處理容器亦眾所皆知。

此外，用來加熱晶圓W之加熱裝置48設置以圍繞晶圓W或處理容器4之外周圍。具體來說，加熱裝置48包含圍繞處理容器4之外周圍並具有頂篷之圓柱形絕熱層50。舉例來說，此絕熱層50由氧化矽與氧化鋁(其係為低導熱性、可撓性、與非晶性)之混合物所組成，並具有約2到4cm之厚度。絕熱層50之內表面以預定距離分隔於處理容器4之外表面。此外，在絕熱層50之外周圍安裝由例如不鏽鋼所組成之保護遮蓋51，以遮蓋絕熱層50之整個表面。

並且，將加熱素線52設置以螺旋形纏繞絕熱層50之內周圍。在此範例中，將加熱素線52設置以纏繞遍及絕熱層50之全部側邊，並設置以涵蓋處理容器4之全部高度。換言之，將絕熱層50設置在加熱素線52之外周圍上。舉例來說，螺旋形纏繞加熱素線52具有10到30mm範圍內之間距與1到14mm範圍內之直徑。因此，舉例來說，兩相鄰加熱素線52間之垂直方向之距離L1設定為5到16mm之範圍內。

加熱素線52之材料由電阻加熱導體所組成，舉例來說，該電阻加熱導體包含作為主要材料之鐵、鉻、鋁等等。舉例來說，可以使用Kanthal加熱器(註冊商標)作為加熱素線52。或者，可以使用其他碳線加熱器作為加熱素線52。

在此範例中，將加熱素線52在高度方向上分割成多個區域，舉例來說，從第一到第四區域之四個區域，依據設置在絕熱層50中之各區域之熱電偶(未顯示)所偵測之溫度，可對各區域進行獨立溫度控制。區域之分割數目並不限制於上述數值。

在此範例中，如果使用直徑300mm之晶圓用之熱處理設備，加熱裝置之直徑為約600mm。舉例來說，將各第一到第四區域之加熱素線52之長度設定在十到數十公尺之範圍內。此外，如圖2所顯示，延伸於垂直方向上之多個素線保持框54以預定等間隔沿著圓柱形絕熱層50之內周圍而設置。

如圖3所顯示，這些素線保持框54具有像凹凸梳之形狀，在其中加熱素線52容納在凹部分56中，以防止加熱素線52之錯位。舉例來說，相鄰素線保持框54間之距離L2(參考圖2)設定為10到15cm之範圍內。這些素線保持框54由絕緣陶瓷材料所組成。

當使用上述結構之熱處理設備2來執行半導體晶圓W之重複熱處理時，加熱素線52會隨著時間而經歷變形，其會導致加熱素線52之永久伸長，藉此在素線間會產生具有比最初設置之間隔更狹窄之間隔之部分。當執行加熱裝置之維護時，將根據本發明一實施例之防止素線接觸構件60(顯示於圖4中)安裝在加熱素線52間之狹窄部分中。此防止素線接觸構件60由板形構件62所形成，並由絕緣材料所組成。

將此板形構件62製造為長方形並具有銳角前端64，如此設計以輕易將板形構件62插入彈性絕熱層50中。將板形構件62之厚度設定在0.5到5mm之範圍內，舉例來說，在此範例中為1.5mm。將板形構件62之寬度H1設定在5到30mm之範圍內，舉例來說，在此範例中為10mm。將板形構件62之長度H2設定在20到50mm之範圍內，舉例來說，在此範例中為40mm。

此外，板形構件62最好為剛性的、絕緣性的、與耐熱性的，並且，舉例來說，由陶瓷材料所組成。舉例來說，此陶瓷材料之範例可能包含三氧化二鋁(Al₂O₃)、氮化鋁(AlN)等等。

接著，將說明上述結構之熱處理設備中所使用之加熱裝置之維護方法。首先，參考半導體晶圓W之熱處理。其上裝載多片裸晶圓W之晶舟盒28藉由晶舟盒升降機30從處理容器4之下方上升而容納於處理容器4中，並且藉由蓋14來氣密密封容器底部之開口。接著，使用排氣系統38將處理容器4抽真空到預定壓力之 下，並且同時藉由增加供應到加熱裝置48之加熱素線52之電流，來將晶圓W加熱到執行熱處理之預定處理溫度，並保持在預定溫度下。接著，將調整之處理氣體從位在處理容器4下部部分之氣體導引裝置32之氣體噴嘴34導引到處理容器4中，並接著，藉由使氣體在內桶8中向上流動並在晶圓間流動，來執行熱處理。

如上所述，在內桶8中流動之氣體從處理容器4之頂部回彈，並藉由排氣系統38經內桶8與外桶6間之間隔而排出。在此範例中執行之熱處理可能包含例如：成膜、氧化、擴散、與退火之處理，在各處理中依處理之類型而使用不同之處理氣體。處理溫度亦隨處理之類型而變化。舉例來說，在300到800℃之高溫範圍內執行熱處理。

如上所述，當半導體晶圓W重複上述熱處理時，加熱素線52會隨著時間經歷變形，會導致加熱素線52之永久伸長，因此在素線間會產生比素線最初設置之間隔更狹窄之間隔之部分。在這個情況下，舉例來說，每經一次熱處理(1 RUN)，加熱素線52伸長約0.00085%。

在定期或非定期之維護作業等等中，操作者可以觀察到在加熱素線52間比素線最初設置(製造時)之間隔更狹窄之間隔部分。圖5係加熱裝置之剖面圖，說明因素線之變形所引起之加熱素線間之狹窄間隔，而圖6係防止素線接觸構件安裝在加熱素線間之狹窄間隔部分中之加熱裝置之放大剖面圖。在圖6中，如箭頭71所指示，加熱素線52之一部分變形而在加熱素線52間產生狹窄部分70。當如上所述觀察到狹窄部分70時，操作者在加熱素線52間之狹窄部分70中安裝防止素線接觸構件60(如圖4所顯示)。

在安裝時，將包含有銳角前端64之板形構件62之防止素線接觸構件60之前端64插入彈性絕熱層50中，如此其可以插入在加熱素線52間之狹窄部分70中，如圖6中之箭頭72所指出。在圖5中，防止素線接觸構件60設置在位於加熱素線52間之每個狹窄部分70中。

在此方法中，當防止素線接觸構件60設置在加熱素線間之狹 窄間隔部分時，可能防止加熱素線52間之接觸。這樣可以防止加熱素線間之熔化與斷接，並因此延展加熱素線之使用壽命。舉例來說，每年執行這類維護作業一或數次。

如上所述，根據上述實施例，當在加熱素線52間因加熱素線52之變形所引起之加熱素線52間之間隔變得比加熱素線52最初設置時之間隔更狹窄之部分70中插入防止素線接觸構件60時，可能防止加熱素線52間之接觸、熔化、與斷接。

<防止素線接觸構件之實際安裝狀態>

接著，參考圖7A與7B，將說明實際設置與安裝上述防止素線接觸構件60之狀態與未設置防止素線接觸構件60之狀態。圖7A係照片，顯示加熱素線間未安裝防止素線接觸構件之狀態。圖7B係照片，顯示在加熱素線間插入並安裝防止素線接觸構件之狀態。

如圖7A所顯示，因加熱裝置之重複使用會產生永久伸長，並且放任加熱素線間因加熱素線之變形或彎曲所引起之狹窄間隔，相鄰加熱素線間之接觸會產生火花等等而熔化加熱素線。相反的，如圖7B所顯示，當在加熱素線間因加熱素線之變形或彎曲所引起之狹窄間隔部分中設置根據本發明一實施例之絕緣防止素線接觸構件時，還可能防止日後使用中之加熱素線間之接觸與熔化。

加熱素線之一般平均壽命為約22個月。然而，在熱處理設備之加熱裝置之實際維護期間插入與安裝防止素線接觸構件60之情況下，加熱素線之平均壽命可以延展到約42個月。

雖然在上述實施例中已說明藉由將防止素線接觸構件60之前端插入絕熱層50中來支撐防止素線接觸構件60，本發明並不限制於此，並且可以藉由將防止素線接觸構件60插入具有狹窄間隔之加熱素線52間來支撐防止素線接觸構件60。在這個情況下，作為修改之防止素線接觸構件60，如圖8A所顯示，最好在板形構件62之兩端設置防止分離凸出物76，以避免防止素線接觸構件60從加熱素線52分離。圖8B係修改防止素線接觸構件(顯示在圖8A中)安裝並插入加熱素線間之狹窄部分中之加熱裝置之放大剖面 圖。

此外，雖然在上述實施例中已說明加熱裝置48之加熱素線52為螺旋形纏繞，本發明並不限制於此，並且加熱素線52可以為任何其他形狀之設置。圖9係視圖，顯示修改之加熱素線52之設置。在此修改中，加熱素線52為具有重複U形圖樣(代替螺旋形)之波浪形狀或彎曲形狀。根據本發明實施例之防止素線接觸構件60亦可以應用在具有這類形狀之加熱素線52上。

此外，雖然在上述實施例中已說明將熱處理設備舉例為形成雙管結構並具有內桶8與外桶6之處理容器4，本發明並不限制於此，並且可以應用在具有單管結構之處理容器4。並且，雖然在上述實施例中已說明安裝在熱處理設備2中之加熱裝置48，本發明並不限制於此，舉例來說，並且可以應用到乾燥機、電熱爐等等，其設置以使待加熱物容納於容器中與使加熱裝置48安置在容器之外周圍。舉例來說，這類乾燥器可以乾燥石英零件與乾淨之半導體晶圓。作為另一範例，這類電熱爐可以用來製造玻璃、陶瓷等等。

此外，雖然在上述實施例中已說明加熱素線52具有圓形橫剖面，加熱素線52之橫剖面形狀並不限制於特定一個。舉例來說，本發明可以應用在具有長方形橫剖面之板形加熱素線。

此外，雖然在上述實施例中已說明使用半導體晶圓(主要由矽基板所組成)作為待加熱物，本發明並不限制於此。舉例來說，根據本發明之半導體晶圓可以包含矽基板、化合物半導體基板(例如：GaAs、SiC、與GaN)、或液晶顯示裝置所使用之玻璃或陶瓷基板，但並不限制於此。

上述實施例之加熱裝置可以提供下述有利功能性結果。

依本發明，可防止加熱素線之間的接觸，也能夠防止加熱素線之間的熔化或斷接。

依本發明之相關技術，因為在加熱素線間因加熱素線之變形所引起之加熱素線間之間隔變得比加熱素線設置時之間隔更狹窄之部分中插入防止素線接觸構件，可能防止加熱素線間之接觸、 熔化、與斷接。

雖然已說明特定實施例，這些實施例僅呈現作為範例，並不意圖限制本發明之範圍。的確，在此說明之新穎方法與設備能以多種其他形式體現；此外，在不離開本發明之精神內，當可對實施例之形態作各種省略、替換、與改變。隨附之申請專利範圍與其等效物意圖涵蓋落在本發明之精神與範圍內之這類型態或修改。

W‧‧‧半導體晶圓

L1、L2‧‧‧距離

H1‧‧‧寬度

H2‧‧‧長度

2‧‧‧熱處理設備

4‧‧‧處理容器

6‧‧‧外桶

8‧‧‧內桶

10‧‧‧歧管

12‧‧‧底板

14‧‧‧蓋

16‧‧‧密封構件

18‧‧‧磁性流體軸封

20‧‧‧轉動軸

22‧‧‧旋轉機構

24‧‧‧工作台

26‧‧‧貯熱器

28‧‧‧晶舟盒

30‧‧‧晶舟盒升降機

32‧‧‧氣體導引裝置

34‧‧‧氣體噴嘴

36‧‧‧氣體排氣口

38‧‧‧排氣裝置

40‧‧‧排氣通道

42‧‧‧壓力調整閥

44‧‧‧真空幫浦

48‧‧‧加熱裝置

50‧‧‧絕熱層

51‧‧‧保護遮蓋

52‧‧‧加熱素線

54‧‧‧素線保持框

56‧‧‧凹部分

60‧‧‧防止素線接觸構件

62‧‧‧板形構件

64‧‧‧銳角前端

70‧‧‧狹窄部分

71、72‧‧‧箭頭

76‧‧‧防止分離凸出物

包含於說明書內且構成說明書一部分之隨附圖示，闡明本發明之實施例，且連同上文之一般說明與上面實施例之詳細說明，得以解釋本發明之原理。

圖1係概略結構圖，顯示根據本發明一實施例之具有應用防止素線接觸構件之加熱裝置之熱處理設備之一範例。

圖2係加熱裝置之剖面圖。

圖3係加熱裝置之一部分之放大剖面圖。

圖4係根據本發明一實施例之防止素線接觸構件之一範例之透視圖。

圖5係加熱裝置之剖面圖，說明因素線之變形所引起之加熱素線之狹窄間隔。

圖6係加熱裝置之放大剖面圖，在該加熱裝置中，防止素線接觸構件安裝在加熱素線間之狹窄間隔部分中。

圖7A係照片，顯示加熱素線間未安裝防止素線接觸構件之狀態。

圖7B係照片，顯示在加熱素線間插入並安裝防止素線接觸構件之狀態。

圖8A係實施例之一範例之視圖，示範修改之防止素線接觸構件。

圖8B係加熱裝置之放大剖面圖，在該加熱裝置中，修改之防止素線接觸構件(顯示在圖8A中)安裝並插入加熱素線間之狹窄部 分中。

圖9係視圖，顯示修改之加熱素線之設置。

48‧‧‧加熱裝置

50‧‧‧絕熱層

51‧‧‧保護遮蓋

52‧‧‧加熱素線

54‧‧‧素線保持框

60‧‧‧防止素線接觸構件

62‧‧‧板形構件

70‧‧‧狹窄部分

Claims (5)

1. 一種加熱裝置，在容納待加熱物的圓筒狀處理容器之外周側，以圍繞該處理容器的方式設置；該加熱裝置包含：絕熱層，以圍繞該處理容器之外側的方式設置；保護遮蓋，設置在該絕熱層之外周圍；加熱素線，配置在該絕熱層之內周側；素線保持框，用以防止該加熱素線的錯位；以及絕緣防止素線接觸構件，安裝到該加熱素線間因該加熱素線之變形所引起之該加熱素線間之間隔變得比該加熱素線設置時之間隔更狹窄之部分中。
2. 如申請專利範圍第1項之加熱裝置，其中該加熱素線係呈螺旋形纏繞，或者具有重複U形圖樣的波浪形狀或彎曲形狀。
3. 如申請專利範圍第1或2項之加熱裝置，其中該防止素線接觸構件由陶瓷所組成。
4. 如申請專利範圍第1或2項之加熱裝置，其中藉由將該防止素線接觸構件插入該加熱素線間來支撐該防止素線接觸構件。
5. 如申請專利範圍第1或2項之加熱裝置，其中藉由將該防止素線接觸構件之前端插入該絕熱層中來支撐該防止素線接觸構件。