WO2004049414A1 - 半導体処理装置用電気ヒータ - Google Patents

Description

明細書 半導体処理装置用電気ヒータ

背景技術

こ の発明は、 半導体ウェハの酸化、 拡散、 C V Dなどの熱 処理を施す装置に好適に用い られる電気ヒータに関する。

従来、 半導体ウェハのバッチ式熱処理装置用の電気ヒータ と しては、 金属抵抗発熱体を用いたもの （特開 2 0 0 1 — 2 6 7 2 6 1 号公報参照） および非金属抵抗発熱体を用いたも の （特許第 3 3 0 7 9 2 4号公報参照） が知られている。

特開 2 0 0 1 一 2 6 7 2 6 1 号公報記載のものでは、 金属 素線と して、 鉄 ， ク ロム · アルミ系で線径が 1 〜 3 m m程度 のライ ト · ゲージと称されるカ ンタル （商品名） 線や同種の 材料が使用されている。 また、 線径が ？ 〜 1 0 m m程度のへ ビ— · ゲージと称されるカ ンタル線や同種の材料を用いたヒ 一夕 も使用されている。 これらいずれのカ ンタル線や同等物 を発熱体と して使用 したヒー夕の場合には、 ヒー夕温度が 1 2 0 0 °Cの時に発熱体温度は最高で 1 2 5 0 〜 1 3 0 0 に 達する こ とがあ り 、 発熱体が 1 2 0 0 °Cよ り も高い温度にな る とク リ ープして損傷しやすく なる こ とか ら、 この発熱体を 使用する熱処理装置の設定温度は 1 2 0 0 °C以下程度に限定 されている。 そして、 ヒータのエン ドゾーンの一つ、 例えば、 縦型炉のボ トムゾーンでは、 処理物の投入および払出や駆動 部があ る こ と によ る断熱状態の悪さか ら負荷がかか り やす く 、 金属抵抗発熱体の変形や断線がよ り起こ りやすいという 問題があった。

そこで、 特許第 3 3 0 7 9 2 4号公報に記載の非金属抵抗 発熱体を使用する こ とによ り 、 金属抵抗発熱体を使用する ヒ 一夕 に比べてよ り高い温度での使用を可能とする こ とが考え られるが、 非金属抵抗発熱体は、 高価でかつもろ く て破損し やすいため、 初期コス トだけでなく 、 破損時の修理費用も高

< つく という 問題があった。

この発明の目的は、 上記実情に鑑み、 安価でかつ高紙曰でも 支障なく 使用できる半導体処理装置用電 ヒ一夕 を提供する とにある。

発明の開示

この発明による半導体処理装置用電気ヒ一夕は 、 複数のゾ 一ンか らなる筒状の半導体処理装置用電 ヒ一夕であ て、 複数のゾー ンのうち高負荷がかかる少な < とも 1 つのゾ ―ン の発熱体が非金属抵抗発熱体であ り 、 残 のゾ一ンの発熱体 が金属抵抗発熱体である こ とを特徴とする ものである

金属抵抗発熱体の材料としては、 金属のう ちでは高 {s .に耐 える材質であるカ ンタル線 （カ ンタリレ A 1 線、 力 ン夕ル A P

M線など） およびその代替物が好ま し く 、 特に 、 力 ン夕ル A

P M線およびその代替物が好ま しい。 金属抵抗発熱体の形状 と しては、 細線を波形状に曲げ加工したもの （ライ 卜 • ゲ— ジ · オーバ一ベン ト） や、 太線を螺旋コイル状に加工したも の （へビ一 · ゲージ · ヘ リ カル ' コイル） が好ま し く 、 金属 抵抗発熱体が軽量でかつ高速で昇降温できる という点から、 ライ ト · ゲージのものがよ り好ま しい。 なお、 ライ ト · ゲー ジのものとヘビー ' ゲージのものとの違いは、上述のよう に、 素線重量 （省資源性） のほか、 省エネルギー性と熱応答性だ けであ り 、 ヒー夕が使用される処理装置の仕様やヒー夕電源 の仕様等に応じて両者を使い分ける こ とが好ま しい。

非金属抵抗発熱体と しては、 ニ珪化モ リ ブデン （ M o S i

2 ) 、 グラ フ アイ ト、 炭化珪素な どのセ ラ ミ ッ ク スの も のが 好ま し く 、 大気中での劣化が少ないという点か ら、 特に 、 一 珪化モリ ブデンが好ま しい。 グラフ アイ トおよひ灰化珪素を 非金属抵抗発熱体と して使用する場合には、 真空にした発熱 体収納部に発熱体を収納する こ とが好ま しい。 ニ珪化モリ ブ テンの最大表面負荷は、 鉄 ' ク ロム ' アルミ 系の金属素線で あるカ ンタル線が 2 〜 3 . 5 W Z c m ²であるのに対し 、 2

0 Wノ c m ²であ り 、 二珪化モ リ ブデンを使用する し と によ り 、 発熱量が最大で金属素線の 1 0倍という強力な加熱力を 得る こ とができる。 ニ珪化モリ ブデンは、 1 8 0 0 °Cまでの 高温域で使用可能であ り 、 しかも、 老化現象がないため寿命 を気にする必要がないという利点を有している

こ こで、 複数のゾーンは、 例えば、 縦型ヒー夕において、 ボ トムゾ一ン、 中間ゾーンおよびト ッ プゾーンか ら構成され、 負荷の大きさが、 例えば、 ボ トムゾーン、 ト ッ プゾ一ン、 中 間ゾーンの順で小さ く なつていく 場合には、 ボ トムゾーンが 非金属抵抗発熱体によって構成され、 中間ゾーンおよび ト ツ プゾーンが金属抵抗発熱体によって構成される。 この場合に、 典型的には、 中間ゾーンおよび ト ッ プゾーンは、 それぞれ独 立して制御される。 中間ゾーンは、 1 または複数のゾーンか ら構成され、 ゾーンの総数は、 3 以上の任意の値とされる。

この発明の半導体処理装置用電気ヒータ による と、 複数の ゾ―ンのうち高負荷がかかる少なく と も 1 つのゾーンの発熱 体が非金属抵抗発熱体か らなるので、 高負荷がかかるゾーン における過熱による発熱体の破損の恐れがなく な り 、 高温で も支障な く使用する こ とができ、 残り のゾー ンの発熱体が金 属抵抗発熱体か らなるので、 コス ト を安価にする こ とができ、 衝擊による破損の可能性も低減する こ とができる。 こ う して、 すベてのゾーンの発熱体が非金属抵抗発熱体である電気ヒ一 夕 に比ベて、 耐熱温度の点では遜色なく しかも安価で取り扱 い性に優れた電気ヒ一夕 を得る こ とができる。 この電気ヒー 夕は、 C M O S プロセスや S O I プロセスなどの高温プロセ スに好適に使用される。

通常 高負荷がかかるゾーンは、 外部か ら大量の加熱容量 が導入され、 あるいは、 外部へ大量の熱が逃げていく 開口が 設けられている片側または両側のエン ドゾーンになる こ とが 多く 、 当該ゾーンを非金属抵抗発熱体と しておく こ と

半導体処理時の温度制御が行いやすいものとなる。

各ゾ —ンは、 発熱体お びこれを保持する断熱体からなる

1 または複数のブ口 ッ クか ら構成され 、 ブ □ ク単位での交 換が可能とされている とが好ま しい 。 複数のゾ ― ンが 、 ホ トムゾーン、 中間ゾ ンおよび ト ッ プゾーンか らなる縦型炉 の場 α においては、 ボ ムゾーンは、 当該片側のェン ゾ ンに該当する。 例えば ボ 卜ムゾ ンは、 1 対の半円筒体ブ

D ッ クが突き合わされる とによ り形成されている とがあ ϋ 中間ゾ ンおよび ッ プゾ ンは 1 対の半円筒体ブ口 ッ クが突き合わされる とによ り これら両ゾ ンが形成され ている こ とがある。 ホ ムゾーンについては 1 つの円筒体 ブ口 ッ クだけによ り形成されてもよ く 、 また、 中間ゾ一ンお よび ッ プゾーンについて、 これらが 1 つの円筒体ブロ ッ ク か らなるよ う に してもよい。 このよう にする と、 いずれかの 箇所で発熱体が故障した場合に、 故障部分を含むブロ ックだ けを交換する こ とが物理的には可能とな り 、 さ ら に、 それが 許容される場合には、 断熱体を再使用 して発熱体のみを交換 でき 、 最小の付加的コス トで電気ヒータの修理を行う こ とが できる 図面の簡単な説明

図 1 は、 この発明による電気ヒータが使用されている半導 体処理装置の一例を示す垂直断面図である。

図 2 は、 この発明による半導体処理装置用 J 飞 し ^ タのブ

□ ッ ク構成の一例を示す斜視図である。

図 3 は、 図 2 の ΠΙ-ΙΙΙ線に沿う 組み上げ後の ヒ一夕の断面 図でめる

図 4 は、 図 2 の IV-IV線に沿う組み上げ後の ヒータの断面 図である

図 5 は、 この発明による半導体処理装置用 レ ■ _

电 ^ し 夕の内 側か ら見た展開図である。

図 6 は、 こ の発明による半導体処理装置用 ス じ 夕の変 形例 (分割形態の違い） を示す斜視図である 発明を実施するための最良の形態 この発明の実施の形'態を、 以下図面を参照して説明する。 図 1 は、 この発明による電気ヒータが使用されている半導 体処理装置の一例である縦型拡散炉を示してお り、 縦型拡散 炉は、 半導体ウェハに熱処理を施すためのプロセスチュ一ブ

(1)と、 プロセスチューブ（1)の外周に設けられた電気ヒ一夕

(2)と、 保温筒 （4)に載置されかつ半導体ゥヱノ \を多数枚搭載 するボー ト （3)と、 保温筒（4)をま持して上下移動し処理時に はプ口セスチューブ（1)下端のボー ト揷入孔を閉鎖する フ ラ ンジ十ャ ッ プ（5)などか ら構成されている。

ヒー夕 （2)は、 エ ン ド ゾー ン と してのボ 卜 ム ゾ一ン

(2a)、 2 つのゾーンか らなる中間ゾ一ン （2b) (2c)お び 卜 V プゾ一ン （2d)の 4つの制御ゾーンに区画されてお り 、 非金属 抵抗発熱体（ 12)を備えかつボ トムゾ一ン （2a)を構成している 非金属抵抗発熱体使用部 （6)と、 金属抵抗発熱体（22)を備え かつ残 り のゾーン （ 2 つの中間ゾーン （2b) (2c)および ト ッ プ ゾ一ン （2d) ) を構成している金属抵抗発熱体使用部 （7)とか らな 。

第 1 の実施形態の電気ヒー夕 （2)では、 図 2 に示すよ う に、 非金属抵抗発熱体使用部（6)は、 1 対の半円筒体ブロ ッ ク (6a)

(6b)が突き合わされる こ とによ り 形成され、 金属抵抗発熱体 使用部 （7)は、 1 対の半円筒体ブロ ッ ク （7a) (7b)が突き合わ される こ とによ り形成されている。

図 3 および図 5 に詳し く 示すよ う に、 電気ヒータ （2)の非 金属抵抗発熱体使用部 （6)は、 セラ ミ ッ ク フ ァイバ製の円筒 状主断熱体（11)と、 主断熱体（11)の内周面に装着されている 非金属抵抗発熱体素子（12)と、 主断熱体（11)の外周面に 、 可 撓性を有する緩衝用セラミ ッ ク フ ァイノ 製マツ ト （15)を介し て被覆されてい る層状の内断熱材 （13)および外断熱材 (14) と、 外断熱材（14)の外周面に被覆されている金属シェル（16) とを備えている。

非金属抵抗発熱体素子（12)は、 ニ珪化モリ ブデンよ り な り 、 波形に形成されて、 主断熱体（11)の内周面に支持されている。 ニ珪化モ リ ブデンの非金属抵抗発熱体素子（12)は、 高温でも 大きな表面電力負荷密度で使用できる とい う利点を有してお り 、 これによ り 、 ボ トムゾーン（2a)が他のゾーン（2b) (2c) (2d) に比べて昇温し に く いに もかかわ らず、 各ゾーン （2a) (2b) (2c) (2d)が短い時間で所定温度に昇温される。

非金属抵抗発熱体使用部 （6) の各半円筒体ブロ ッ ク (6a)

(6b)は 、 ヒータ端子（12a) (12b)を 1 対ずつ有してお り 、 いず れか一方の半円筒体ブロ ッ ク （6a) (6b)だけを交換する し とが でさるよう になされている。

図 4 および図 5 に詳し く 示すよ う に、 電気ヒータ （2)の金 属抵抗発熱体使用部 （7)は、 セラ ミ ッ ク フ ァイノ 製の円筒状 主断熱体 (21)と 、 主断熱体（21)の内周面に装着されている金 属抵抗発熱体素子（22)と、 主断熱体（21)の外周面に、 可撓性 を有す 緩衡用セラ ミ ッ ク フ ァイノ 製マツ ト （25)を介して被 覆されている層状の内断熱材（23)および外断熱材（24)と 、 外 断熱材 (24)の外周面に被覆されている金属シェル（26)とを備 えている。 金属抵抗発熱体使用部 （7)の主断熱体（21)の内周 面には 、 複数の並列状溝（27)が主断熱体（21)の長さ方向にの びかつ周方向に間隔をおいて形成されている。

金属抵抗発熱体素子 (22)は、 鉄 ' ク ロム ' アルミ 系 ( F e を主成分と して 、 他に、 典型的には、 C r 2 2 %、 A 1 5

8 %で構成される金属素線 （カ ンタル線） よ り な り 、 線径 1 W

〜 3 mm程度のライ ト · ゲージと称される ものである。 金属 抵抗発熱体素子 (22)は、 波形に形成されてお り 、 その振幅は、 溝（27)の幅よ り も大き く なされている。 そして、 金属抵抗発 熱体素子（22)の幅方向両側部分が溝（27)の両側面よ り 主断熱 体（21)内に入る こ とによ り 、 主断熱体（21)に金属抵抗発熱体 素子（22)が一体的に支持されている。

金 抵抗発熱体使用部（7)の各半円筒体ブロ ッ ク （7a) (7b) は 、 中間ゾ一ン （2b) (2c)および ト ッ プゾ一ン （2d)のそれぞれ に ヒ一夕端子 （22a) (22b)を 1 対ずつ有してお り 、 いずれか一 方の半円筒体ブロ ッ ク （7a) (7b)だけを交換する こ とがでさる う になされている。

上記の電気ヒータ （2)による と、 非金属抵抗発熱体使用部

(6)と金属抵抗発熱体使用部（7)とは、 異なる構成とされてい る し とか ら、 非金属抵抗発熱体使用部（6)の衝撃による破損 や金属抵抗発熱体使用部 （7)の寿命による断線等の故障が生 じた場合には、 それぞれ、 非金属抵抗発熱体使用部（6)だけ または金属抵抗発熱体使用部（7)だけを交換する こ とができ る そ して、 非金属抵抗発熱体使用部 （6)および金属抵抗発 熱体使用部 （7)がそれぞれ 1 対の半円筒体ブロ ッ ク （6a) (6b)0 (7a) (7b)が突き合わされる こ とによ り 形成されている こ とか ら、 故障のあっ た半円筒体ブロ ッ ク （6a) (6b) (7a) (7b)だけの 交換も可能であ り 、 容易かつ安価に修理に対応する こ とがで きる。

上記¹の例では、 非金属抵抗発熱体使用部 （6)および金属抵5 抗発熱体使用部 （7)がそれぞれ 1 対の半円筒体ブロ ッ ク （6a) (6b) (7a) (7b)が突き合わされる こ とによ り形成されているが、 これ以外の種々 の分割形態が可能であ り 、 その例を図 6 に示 す。

図 6 ( a ) に示す電気ヒー夕 （2)では、 非金属抵抗発熱体 使用部（6)および金属抵抗発熱体使用部（7)は、 それぞれ 1 つ の円筒体ブロ ッ ク （6c) (7c)によ り形成されている。 図 6 ( b ) に示す電気ヒータ （2)では、 非金属抵抗発熱体使用部（6 )およ び金属抵抗発熱体使用部（7)を合わせたものが、 1 対の半円 筒体ブロ ッ ク （8) ( 8)が突き合わされる こ と によ り形成されて いる。 図 6 ( c ) に示す電気ヒータ （2)では、 非金属抵抗発 熱体使用部（6 )が 1 つの円筒体ブロ ッ ク （6c)によ り形成され、 金属抵抗発熱体使用部 （7)が 1 対の半円筒体ブロ ッ ク （7a) ( 7b)が突き合わされる こ とによ り形成されている。 図 6 ( d ) に示す電気ヒータ （2)では、 非金属抵抗発熱体使用部（6 )が 1 対の半円筒体ブロ ッ ク （6a) ( 6b)が突き合わされる こ とによ り 形成され、 金属抵抗発熱体使用部 （7)が 1 つの円筒体ブロ ッ ク （7c)によ り 形成されている。 なお、 図 6 において、 （ a ) か ら （ C ) まででは、 金属抵抗体発熱素子（22)がライ ト · ゲ ージ · オーバ一ベン トである と して図示されてお り 、 ( d ) では、 金属抵抗体発熱素子（22)がへビ一 · ゲージ · へリ カル · コイルである と して図示されている。

上記実施形態では、 縦型炉に使用 される電気ヒータ （2) と して説明 したが、 上記電気ヒ一夕 （2)は、 横型炉に使用でき る こ とはもちろんである。 また、 この発明による電気ヒータ ( 2)は、 両端が開 口 している場合と、 一端が閉鎖されている 場合とがあ り 、 その形態は限定されるものではない。 さ らに、 金属抵抗発熱体（22)は、 ライ ト · ゲージの波形のもの と して 説明 したが、 ヘビー · ゲージのヘリ カル · コイル形のものに 対しても本発明が適用 しう る こ とは勿論である。

Claims

請求の範囲

1 . 複数のゾーンか らなる筒状の半導体処理装置用電気ヒー 夕であっ て、 複数のゾーンのう ち高負荷がかかる少なく と も

1 つのゾーンの発熱体が非金属抵抗発熱体であ り 、 残 り のゾ — ンの発熱体が金属抵抗発熱体である こ とを特徴とする半導 体処理装置用電気ヒータ。

2 . 発熱体が非金属発熱体であるゾーンが少なく とも 1 つの ェン ドゾーンである請求項 1 に記載の半導体処理装置用電気 ヒー夕。

3 . 金属抵抗発熱体は、 ライ ト · ゲージの素線をオーバーべ ン ト形状に加工されたものである請求項 1 または 2 に記載の 半導体処理装置用電気ヒー夕。

4 . 非金属抵抗発熱体は、 ニ珪化モリ ブデンである請求項 1 か ら 3 までのいずれかに記載の半導体処理装置用電気ヒ一 夕。

5 . 各ゾーンは、 発熱体およびこれを保持する断熱体か らな る 1 または複数のブロ ッ クから構成され、 ブロ ッ ク単位での 交換が可能とされている請求項 1 か ら 4 までのいずれかに記 載の半導体処理装置用電気ヒー夕。