JP4739057B2 - 熱処理装置、ヒータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒータ内部温度を急速降温するための冷却流体の流路構造を改良した熱処理装置、ヒータ及びその製造方法に関するものである。

半導体装置の製造においては、被処理体例えば半導体ウエハに、酸化、拡散、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの処理を施すために、各種の処理装置（半導体製造装置）が用いられている。そして、その一つとして、一度に多数枚の被処理体の処理例えば熱処理が可能なバッチ式の熱処理装置例えば縦型熱処理装置が知られている。

この熱処理装置は、一般的に、多数枚のウエハを保持具であるボートに所定間隔で多段に搭載保持した状態で処理容器内に収容し、該処理容器を覆うように設けた筒状のヒータにより上記ウエハを加熱して所定の熱処理を施すようになっている。上記ヒータは、筒状の断熱材の内周に線状の発熱抵抗体を配設して構成されている。

このような熱処理装置においては、熱処理後、ウエハを急速降温させて処理の迅速化ないしスループットの向上を図るために、ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を外部に排出するように構成すると共に、上記空間内に冷却流体（例えば空気）を導入して強制的に冷却するように構成することが行われている。この場合、従来の熱処理装置の一例（前者という）としては、高さ方向に配置した一本の共通の空気供給ダクトからヒータの外周の各高さ位置に配置した複数本の分配用配管に冷却流体を分配し、更に各分配用配管から断熱材の各高さ位置における周方向適宜間隔位置に断熱材の中心方向に向かって配設した吹出し孔（吹出しノズル）にフレキシブル配管を介して冷却流体を分配するという流路構造がとられている。

また、従来の熱処理装置の他の例（後者という）としては、引用文献１に記載されているように、吸気導管から導入口バルブを介して冷却流体が供給される環状の吸気マニホールドをヒータの下部に設置し、この吸気マニホールドからヒータの外周所要等分した位置に高さ方向に配置した複数の吸気ダクトに冷却流体を分配し、各吸気ダクトからヒータの側壁をヒータの中心方向に向かって水平に貫通して設けられた上下２段の吹出し孔（吸気連絡流路）に冷却流体を分配するという流路構造がとられている。

特開２０００−１９５８０８号公報

しかしながら、前者の熱処理装置においては、ヒータ各部の降温速度を調整するために各分配用配管に調整バルブないし調整ダンパーを設ける必要があり、ヒータ内部を強制空冷するための流路構造が複雑で、構成部品が多く、コストの増大及びシールの困難化を招いており、また、吹出し孔（吹出しノズル）に分配用配管から分岐したフレキシブル配管を接続する構造であるため、吹出し孔の位置や数等が制限され、吹出し孔の設計の自由度が低い。後者の熱処理装置においても、吸気ダクトにより吹出し孔の位置や数等が制限され、吹出し孔の設計の自由度が低く、ヒータ各部の降温速度を調整するために各吹出し孔への冷却流体の供給量を調整することも困難である。

本発明は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、吹出し孔の設計の自由度が高く、調整バルブを必要とすることなく吹出し孔の設計によりヒータ各部の降温速度を調整することができ、流路構造が単純で、シールの容易化及びコストの低減が図れる熱処理装置、ヒータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のうち、請求項１に係る発明は、被処理体を多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器と、該処理容器の外周を覆って被処理体を加熱する筒状のヒータと、該ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を排出する排熱系と、上記空間内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段とを備えた熱処理装置であって、上記ヒータは筒状の断熱材の内周に発熱抵抗体を配設すると共に断熱材の外周を外皮で覆ってなり、上記冷却手段は上記断熱材と外皮の間に高さ方向に単数もしくは複数形成された環状流路と、各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出すべく断熱材に設けられた吹出し孔とを有し、上記環状流路は、断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を環状に削ることにより形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の熱処理装置において、上記外皮の外面には、各環状流路に冷却流体を分配供給するための共通の供給ダクトが高さ方向に沿って設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体と、断熱材の外周に設けられた外皮とを備えたヒータであって、上記断熱材と外皮の間に環状流路を高さ方向に単数もしくは複数形成し、断熱材に各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出す吹出し孔を設け、上記環状流路は、断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を環状に削ることにより形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３記載のヒータにおいて、上記外皮の外面には、各環状流路に冷却流体を分配供給するための共通の供給ダクトが高さ方向に沿って設けられていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体と、断熱材の外周に設けられた外皮とを備えたヒータの製造方法であって、上記断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を溝状に削ることにより断熱材と外皮の間に環状流路を高さ方向に単数もしくは複数形成する工程と、断熱材に各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出す吹出し孔を形成する工程とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、被処理体を多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器と、該処理容器の外周を覆って被処理体を加熱する筒状のヒータと、該ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を排出する排熱系と、上記空間内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段とを備えた熱処理装置であって、上記ヒータは筒状の断熱材の内周に発熱抵抗体を配設すると共に断熱材の外周を外皮で覆ってなり、上記冷却手段は上記断熱材と外皮の間に高さ方向に単数もしくは複数形成された環状流路と、各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出すべく断熱材に設けられた吹出し孔とを有し、上記環状流路は、断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を環状に削ることにより形成されているため、断熱材の外周に環状流路を容易に形成することができると共に、吹出し孔の設計の自由度が高く、調整バルブを必要とすることなく吹出し孔の設計によりヒータ各部の降温速度を調整することができ、流路構造が単純で、シールの容易化及びコストの低減が図れる。

請求項２に係る発明によれば、上記外皮の外面には、各環状流路に冷却流体を分配供給するための共通の供給ダクトが高さ方向に沿って設けられているため、各環状流路に冷却流体を容易に供給することができる。

請求項３に係る発明によれば、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体と、断熱材の外周に設けられた外皮とを備えたヒータであって、上記断熱材と外皮の間に環状流路を高さ方向に単数もしくは複数形成し、断熱材に各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出す吹出し孔を設け、上記環状流路は、断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を環状に削ることにより形成されているため、断熱材の外周に環状流路を容易に形成することができると共に、吹出し孔の設計の自由度が高く、調整バルブを必要とすることなく吹出し孔の設計によりヒータ各部の降温速度を調整することができ、流路構造が単純で、シールの容易化及びコストの低減が図れる。

請求項４に係る発明によれば、上記外皮の外面には、各環状流路に冷却流体を分配供給するための共通の供給ダクトが高さ方向に沿って設けられているため、各環状流路に冷却流体を容易に供給することができる。

請求項５に係る発明によれば、筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体と、断熱材の外周に設けられた外皮とを備えたヒータの製造方法であって、上記断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を溝状に削ることにより断熱材と外皮の間に環状流路を高さ方向に単数もしくは複数形成する工程と、断熱材に各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出す吹出し孔を形成する工程とを備えているため、吹出し孔の設計の自由度が高く、調整バルブを必要とすることなく吹出し孔の設計によりヒータ各部の降温速度を調整することができ、流路構造が単純で、シールの容易化及びコストの低減が図れるヒータを容易に製造することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて詳述する。

図１は本発明の実施の形態である熱処理装置を概略的に示す縦断面図である。図１に示すように、この熱処理装置１は、いわゆる縦型熱処理装置であり、被処理体例えば半導体ウエハｗを多段に収容して所定の熱処理例えばＣＶＤ処理等を行うための処理容器（反応管ともいう）２と、この処理容器２の外周を覆ってウエハｗを所定の温度例えば３００〜１２００℃に加熱する加熱制御可能な筒状のヒータ３とを備えている。これらヒータ３及び処理容器２がいわゆる熱処理炉を構成している。

処理容器２は、例えば、上端が閉塞され、下端が開放された石英製の円筒状の外管２ａと、この外管２ａ内に収容され上下両端が開放された石英製の円筒状の内管２ｂとから構成されている。なお、処理容器２は、図示例では外管２ａと内管２ｂの二重管構造とされているが、外管のみの単管構造であってもよい。

処理容器２の下部には、処理容器２内に処理ガスやパージ用の不活性ガスを導入するガス導入管部（ガス導入ポート）４と、処理容器２内を排気する排気管部（排気ポート）５とを有する例えばステンレス製の環状のマニホールド６が気密に接続されている。上記ガス導入管部４にはガス供給系の配管が接続され、上記排気管部５には処理容器２内を減圧制御可能な真空ポンプや圧力制御弁等を有する排気系の配管が接続されている（図示省略）。

上記マニホールド６は、処理容器２を下方から上方へ挿通する開口部７を有するベースプレート８に図示しない取付手段を介して取付けられている。マニホールド６は、熱処理炉の炉口９を形成しており、熱処理炉の下方には炉口９を開閉する蓋体１０が昇降機構１１により昇降可能に設けられている。上記蓋体１０は、マニホールド６の開口端に当接して炉口９を密閉するようになっている。

この蓋体１０上には、大直径例えば直径３００ｍｍで多数枚例えば７５〜１００枚程度のウエハｗを水平状態で上下方向に間隔をおいて多段に支持する例えば石英製の熱処理用ボート（単にボートともいう。）１２が炉口断熱手段である保温筒１３を介して載置されている。上記ボート１２は、昇降機構１１による蓋体１０の上昇により処理容器２内にロード（搬入）され、蓋体１０の下降により処理容器２内からアンロード（搬出）されるようになっている。

上記ボート１２は、複数例えば３本ないし４本の支柱１４と、これら支柱１４の上端及び下端にそれぞれ設けられた天板１５及び底板１６とからなり、支柱１４にはウエハｗを直接又はリング状の支持板を介して多段に搭載（保持）するための溝部（図示省略）が形成されている。

上記ヒータ３は上記ベースプレート８上に設置されている。ヒータ３は、図２〜図５に示すように筒状（例えば円筒状）の断熱材１７を有している。断熱材１７はシリカ及びアルミナを主成分として形成されている。断熱材１７の厚さは、例えば３０〜４０ｍｍとされている。断熱材１７の内周には線状の発熱抵抗体１８が螺旋状（図３，図５参照）又は蛇行状に配設されている。発熱抵抗体１８はヒータ３の高さ方向に複数のゾーンに分けて温度制御が可能なように構成されている。なお、断熱材１７は発熱抵抗体１８等の施工性を考慮して半割りにされていても良い。発熱抵抗体１８は断熱材１７の内周面に保持部材１９を介して保持されている（図４参照）。

断熱材１７の形状を保持すると共に断熱材１７を補強するために、断熱材１７の外周は金属製例えばステンレス製の外皮（アウターシェル）２０で覆われている。また、ヒータ外部への熱影響を抑制するために、外皮２０の外周は水冷ジャケット２１で覆われている（図４，図５参照）。断熱材１７の頂部にはこれを覆う上部断熱材２２が設けられ、この上部断熱材２２の上部には外皮２０の頂部（上端部）を覆うステンレス製の天板２３が設けられている。

熱処理後にウエハを急速降温させて処理の迅速化ないしスループットの向上を図るために、ヒータ３にはヒータ３と処理容器２との間の空間２４内の雰囲気を外部に排出する排熱系２５と、上記空間２４内に冷却流体（例えば空気）を導入して強制的に冷却する冷却手段２６とが設けられている。上記排熱系２５は、例えばヒータ３の上部に設けられた排気口２７と、該排気口２７と図示しない工場排気系とを結ぶ図示しない排熱管とから主に構成されている。排熱管には図示しない排気ブロワ及び熱交換器が設けられている。

上記冷却手段２６は、上記断熱材１７と外皮２０の間に高さ方向に複数形成された環状流路２８と、各環状流路２８から断熱材の中心斜め方向へ冷却流体を吹き出して上記空間２４の周方向に旋回流を生じさせるべく断熱材１７に設けられた吹出し孔２９とを有している。上記環状流路２８は、断熱材１７の外周に帯状又は環状の断熱材３０を貼り付けるか、或いは断熱材１７の外周を環状に削ることにより形成されている。

図示例では、所定の厚さ（１５〜２０ｍｍ程度）及び所定の幅（３０〜５０ｍｍ程度）を有する環状の断熱材３０を複数形成し、これらの環状断熱材３０を円筒状断熱材１７の外周に高さ方向（軸方向）に所定の間隔で嵌め、接着剤で固定してなる。この円筒状断熱材１７の外側に環状断熱材３０を介して円筒状の外皮２０を嵌めることにより、円筒状断熱材１７の外周に環状流路２８が高さ方向に複数段形成される。

吹出し孔２９は環状断熱材３０に各環状流路２８の範囲内で周方向に略等間隔で複数例えば４〜１５個、高さ方向に１〜２段、ヒータ各部の設計降温速度に対応して設けられている。吹出し孔２９は上記空間２４の周方向に沿って螺旋状に旋回する冷却流体の流れを形成するために平面視でヒータ３の中心方向に対して所定の角度θ、例えばθ＝３５°で傾斜して設けられている。吹出し孔２９は、例えば外皮２０を装着する前に断熱材１７に対して内側又は外側からドリル等で孔を開けることにより形成される。

ヒータ３内の空間２４には上部の排気口２７からの吸引排気により上昇気流が生じるため、吹出し孔２９は斜め上方を向いて形成されている必要がなく、図示例では水平方向を向いて形成されているが、斜め上方を向いて形成されていても良い。吹出し孔２９としては、断熱材１７に吹出しノズルを埋め込んだものであっても良く、またその場合、吹出しノズルは隣接する発熱抵抗体１８の間を突き抜けるように先端部が突出していても良い。

上記外皮２０の外面には、各環状流路２８に冷却流体を分配供給するための共通の１本の供給ダクト３１が高さ方向に沿って設けられている。外皮２０には供給ダクト３１内と各環状流路２８とを連通する連通口３２が形成されている。供給ダクト３１の導入口３４にはクリーンルーム内の空気を冷却流体として吸引し、圧送供給する図示しない冷却流体供給源（例えば送風機）が開閉バルブを介して接続されている。なお、上記ヒータ３の底部には中央に開口部３３ａを有する底板３３が設けられ、この底板３３がベースプレート８上にボルト等で固定されている。

以上のように熱処理装置１は構成されており、そのヒータ３の製造方法は、上述したように断熱材１７の外周に帯状又は環状の断熱材３０を貼り付けるか、或いは断熱材１７の外周を溝状に削ることにより断熱材１７と外皮２０の間に環状流路２８を高さ方向に複数形成する工程と、断熱材１７に各環状流路２８から断熱材１７の中心斜め方向へ冷却流体を吹き出して旋回流を生じさせる吹出し孔２９を形成する工程とを少なくとも備えている。

上記熱処理装置１によれば、ウエハｗを多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器２と、該処理容器２の外周を覆ってウエハｗを加熱する筒状のヒータ３と、該ヒータ３と処理容器２との間の空間２４内の雰囲気を排出する排熱系２５と、上記空間２４内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段２６とを備え、上記ヒータ３は筒状の断熱材１７の内周に発熱抵抗体１８を配設すると共に断熱材１７の外周を外皮２０で覆ってなり、上記冷却手段２６は上記断熱材１７と外皮２０の間に高さ方向に複数形成された環状流路２８と、各環状流路２８から断熱材１７の中心斜め方向へ冷却流体を吹き出して上記空間２４の周方向に旋回流を生じさせるべく断熱材１７に設けられた吹出し孔２９とを有しているため、吹出し孔２９の設計の自由度が高く、調整バルブを必要とすることなく吹出し孔２９の設計によりヒータ各部の降温速度を調整することができ、流路構造が単純で、シールの容易化及びコストの低減が図れる。

すなわち、断熱材１７の外周における外皮２０との間に周方向に沿った環状流路２８を高さ方向（軸方向）に複数（複数段ないし多段に）設けているため、断熱材に各段の環状流路２８に対応して周方向に適宜個数吹出し孔２９を設けることができると共に、各段の環状流路２８において吹出し孔２９の数を異ならして設けることができ、吹出し孔２９の配置や個数の設計の自由度が高く、吹出し孔２９の数や配置を変えることによりヒータ各部の降温速度を設定することができる。

また、上記外皮２０の外面には、各環状流路２８に冷却流体を分配供給するための共通の供給ダクト３１が高さ方向に沿って設けられているため、各環状流路２８に冷却流体を容易に供給することができると共に、流路構造の簡素化が図れる。上記環状流路２８は、断熱材１７の外周に帯状又は環状の断熱材３０を貼り付けるか、或いは断熱材１７の外周を溝状に削ることにより形成されているため、断熱材１７の外周と外皮２０との間に環状流路２８を容易に形成することができる。

上記ヒータ３によれば、筒状の断熱材１７と、該断熱材１７の内周に配設された発熱抵抗体１８と、断熱材１７の外周に設けられた外皮２０とを備え、上記断熱材１７と外皮２０の間に環状流路２８を高さ方向に複数形成し、断熱材１７に各環状流路２８から断熱材１７の中心斜め方向へ冷却流体を吹き出して旋回流を生じさせる吹出し孔２９を設けているため、吹出し孔２９の設計の自由度が高く、調整バルブを必要とすることなく吹出し孔の設計によりヒータ各部の降温速度を調整することができ、流路構造が単純で、シールの容易化及びコストの低減が図れる。また、ヒータの製造方法によれば、上記断熱材１７の外周に帯状又は環状の断熱材３０を貼り付けるか、或いは断熱材１７の外周を溝状に削ることにより断熱材１７と外皮２０の間に環状流路２８を高さ方向に複数形成する工程と、断熱材１７に各環状流路２８から断熱材１７の中心斜め方向へ冷却流体を吹き出して旋回流を生じさせる吹出し孔２９を形成する工程とを備えているため、吹出し孔２９の設計の自由度が高く、調整バルブを必要とすることなく吹出し孔２９の設計によりヒータ各部の降温速度を調整することができ、流路構造が単純で、シールの容易化及びコストの低減が図れるヒータを容易に製造することができる。

本実施の形態に係る熱処理装置のヒータと従来の熱処理装置のヒータの降温性能について同等条件（ヒータ内の内容物は同等、送風機性能は同等）で比較試験を行った結果、図６のグラフに示すような試験結果（データ）が得られた。この試験結果によれば、６００度から２００℃に降温させるのに従来の熱処理装置のヒータでは概ね６０分かかっているのに対し、本実施の形態の熱処理装置のヒータによれば概ね４０分に短縮することができた。

以上、本発明の実施の形態ないし実施例を図面により詳述してきたが、本発明は上記実施の形態ないし実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更等が可能である。上記実施の形態では、環状流路が高さ方向に複数形成されているが、環状流路は複数でなく単数（単一）であってもよい。上記実施の形態では、吹出し孔が冷却流体を断熱材の中心斜め方向へ吹き出すように設けられているが、吹出し孔は断熱材の中心方向へ冷却流体を吹き出すように設けられていてもよい。

本発明の実施の形態である熱処理装置を概略的に示す縦断面図である。 同熱処理装置におけるヒータの斜視図である。 同ヒータの断面斜視図である。 同ヒータの横断面図である。 同ヒータの縦断面図である。 ヒータの降温性能を示すグラフである。

符号の説明

１ 熱処理装置
ｗ 半導体ウエハ
２ 処理容器
３ ヒータ
１７ 断熱材
１８ 発熱抵抗体
２０ 外皮
２４ 空間
２５ 排熱系
２６ 冷却手段
２８ 環状流路
２９ 吹出し孔
３０ 断熱材
３１ 供給ダクト

Claims (5)

1. 被処理体を多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器と、該処理容器の外周を覆って被処理体を加熱する筒状のヒータと、該ヒータと処理容器との間の空間内の雰囲気を排出する排熱系と、上記空間内に冷却流体を吹出して冷却する冷却手段とを備えた熱処理装置であって、上記ヒータは筒状の断熱材の内周に発熱抵抗体を配設すると共に断熱材の外周を外皮で覆ってなり、上記冷却手段は上記断熱材と外皮の間に高さ方向に単数もしくは複数形成された環状流路と、各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出すべく断熱材に設けられた吹出し孔とを有し、上記環状流路は、断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を環状に削ることにより形成されていることを特徴とする熱処理装置。
2. 上記外皮の外面には、各環状流路に冷却流体を分配供給するための共通の供給ダクトが高さ方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体と、断熱材の外周に設けられた外皮とを備えたヒータであって、上記断熱材と外皮の間に環状流路を高さ方向に単数もしくは複数形成し、断熱材に各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出す吹出し孔を設け、上記環状流路は、断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を環状に削ることにより形成されていることを特徴とするヒータ。
4. 上記外皮の外面には、各環状流路に冷却流体を分配供給するための共通の供給ダクトが高さ方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項３記載のヒータ。
5. 筒状の断熱材と、該断熱材の内周に配設された発熱抵抗体と、断熱材の外周に設けられた外皮とを備えたヒータの製造方法であって、上記断熱材の外周に帯状又は環状の断熱材を貼り付けるか、或いは断熱材の外周を溝状に削ることにより断熱材と外皮の間に環状流路を高さ方向に単数もしくは複数形成する工程と、断熱材に各環状流路から断熱材の中心方向もしくは中心斜め方向へ冷却流体を吹き出すための吹出し孔を形成する工程とを備えたことを特徴とするヒータの製造方法。

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