JP5868619B2 - 熱処理炉及び熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理炉及び該熱処理炉を備えた熱処理装置に関する。

半導体装置の製造においては、被処理体である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、各種の熱処理装置が用いられている。そして、その一般的な熱処理装置は、半導体ウエハを収容して熱処理するための処理容器と、この処理容器の周囲を覆う円筒状の断熱材と、断熱材の内周面に設けられウエハを加熱するヒータとを含む熱処理炉を備えている。

上記ヒータとしては、例えばバッチ処理が可能な熱処理装置の場合でいうと、円筒状の断熱材の内壁面に沿って配置され支持体により支持されるヒータエレメントが用いられ、炉内を例えば８００〜１０００℃程度に高温に加熱することができる。また、上記断熱材としては、例えばセラミックファイバ等からなる断熱材料を円筒状に焼成してなるものが用いられ、輻射熱および伝導熱として奪われる熱量を減少させて効率のよい加熱を助長することができる。上記支持体としては、例えばセラミック製のものが用いられ、上記ヒータエレメントを熱膨張および熱収縮可能に所定のピッチで支持するようになっている。

ところで、円筒状の断熱材の内周面に設けられるヒータエレメントは、断熱材の内周面を縦方向に２つに分離した場合の各半周面毎に設けられ、断熱材の内周面の一方の領域と、他方の領域に設けられたヒータエレメントは各々独立している。

そして各ヒータエレメントは、円周方向に延び多段に設けられた複数の円周部と、各円周部を接続するとともに上下方向に延びる接続部とを有している。

従来より、このような構成からなるヒータエレメントを断熱材の内周面の全域に設けることはむずかしく、この場合はウエハを均一に加熱することもむずかしい。

特開２００８−２６３１７０号公報

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、断熱材の内周面全域にヒータエレメントを配置することによりウエハを均一に加熱することができ、かつヒータエレメントに対する応力集中を避けることができる熱処理炉及び熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、被処理体を収容して熱処理する処理容器と、該処理容器の周囲を覆う円筒状の断熱材と、該断熱材の溝を含まない平坦状の内周面に沿って配置されたヒータとを備え、このヒータは断熱材の平坦状の内周面に沿ってスパイラル状に配置され、外側に突出する谷部と、内側に突出する山部とを有するコルゲート型の帯状ヒータエレメントを有し、
ヒータエレメントの谷部は、平坦状の内周面より内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する抜け止め用の谷部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの山部は、前記谷部より更に内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する倒れ防止用の山部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの谷部頂部および山部頂部はいずれも折曲線により形成され、谷部頂部の折曲線および山部頂部の折曲線は、ヒータエレメントの幅方向に対して傾斜することを特徴とする熱処理炉である。

本発明は、上記円筒状の断熱材の内周面に、縦方向に延びるスリットが形成されていることを特徴とする熱処理炉である。

本発明は、下部が炉口として開放され被処理体を収容して熱処理するための熱処理炉と、上記炉口を閉塞する蓋体と、該蓋体上に載置され被処理体を多段に保持する保持具と、保持具および蓋体を昇降させて蓋体の開閉と上記熱処理炉内への保持具の搬入搬出を行う昇降機構と備え、前記熱処理炉は、被処理体を収容して熱処理する処理容器と、該処理容器の周囲を覆う円筒状の断熱材と、該断熱材の溝を含まない平坦状の内周面に沿って配置されたヒータとを備え、このヒータは断熱材の平坦状の内周面に沿ってスパイラル状に配置され、外側に突出する谷部と、内側に突出する山部とを有するコルゲート型の帯状ヒータエレメントを有し、ヒータエレメントの谷部は、平坦状の内周面より内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する抜け止め用の谷部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの山部は、前記谷部より更に内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する倒れ防止用の山部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの谷部頂部および山部頂部はいずれも折曲線により形成され、谷部頂部の折曲線および山部頂部の折曲線は、ヒータエレメントの幅方向に対して傾斜することを特徴とする熱処理装置である。

本発明は、上記円筒状の断熱材の内周面に、縦方向に延びるスリットが形成されていることを特徴とする熱処理装置である。

本発明によれば、ヒータは円筒状の断熱材の内周面に沿ってスパイラル状に配置されたコルゲート型の帯状ヒータエレメントを有するので、断熱材の内周面の全域に渡ってヒータエレメントを配置することができ、ウエハを均一に加熱することができる。またヒータエレメントに加熱、冷却の際に応力集中する部分をなくすことができ、ヒータエレメントの寿命を全体として伸ばすことができる。

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。 図２は断熱材とヒータエレメントを示す拡大横断面図。 図３（ａ）は断熱材とヒータエレメントを示す拡大縦断面図、図３（ｂ）はその変形例を示す拡大縦断面図。 図４はヒータエレメントの設置状態を示す図。 図５は断熱材の内周面に設けられたヒータエレメントを示す斜視図。 図６（ａ）−（ｋ）は谷部支持ピンおよび山部支持ピンを示す図。 図７はスリットが形成された断熱材を示す図。 図８は縦方向に２分割された断熱材を示す図。 図９（ａ）（ｂ）はヒータエレメントの山部を保持する倒れ防止板を示す図。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を基に詳述する。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、図２は断熱材とヒータエレメントを示す拡大横断面図、図３は断熱材とヒータエレメントを示す拡大縦断面図、図４はヒータエレメントの設置状態を示す図、図５は断熱材の内周面に設けられたヒータエレメントを示す斜視図である。

図１において、符号１は半導体製造装置の一つである縦型の熱処理装置であり、この熱処理装置１は、被処理体、例えば半導体ウエハＷを一度に多数枚収容して酸化、拡散、減圧ＣＶＤ等の熱処理を施すことができる縦型の熱処理炉２を備えている。この熱処理炉２は、ウエハＷを収容して熱処理するための円筒状の処理容器３と、該処理容器３の周囲を覆う円筒状の断熱材１６と、断熱材１６の内周面１６ａに沿って設けられたヒータ５とを備えている。

上記熱処理装置１は、断熱材１６を設置するためのベースプレート６を備えている。このベースプレート６には処理容器３を下方から上方に挿入するための開口部７が形成されており、この開口部７にはベースプレート６と処理容器３との間の隙間を覆うように図示しない断熱材が設けられている。

上記処理容器３は、石英製となっており、上端が閉塞され、下端が炉口３ａとして開口された縦長の円筒状に形成されている。処理容器３の開口端には外向きのフランジ３ｂが形成され、該フランジ３ｂが図示しないフランジ押えを介して上記ベースプレート６に支持されている。図示例の処理容器３は、下側部に処理ガスや不活性ガス等を処理容器３内に導入する導入ポート（導入口）８及び処理容器３内のガスを排気するための図示しない排気ポート（排気口）が設けられている。導入ポート８にはガス供給源が接続され、排気ポートには例えば１０〜１０−８Ｔｏｒｒ程度に減圧制御が可能な真空ポンプを備えた排気系が接続されている。

処理容器３の下方には、処理容器３の下端開口部（炉口）３ａを閉塞する上下方向に開閉可能な蓋体１０が図示しない昇降機構により昇降移動可能に設けられている。この蓋体１０の上部には、炉口の保温手段である例えば保温筒１１が載置され、該保温筒１１の上部には例えば直径が３００ｍｍのウエハＷを多数枚例えば１００〜１５０枚程度上下方向に所定の間隔で搭載する保持具である石英製のボート１２が載置されている。蓋体１０には、ボート１２をその軸心回りに回転する回転機構１３が設けられている。ボート１２は、蓋体１０の下降移動により処理容器３内から下方のローディングエリア１５内に搬出（アンロード）され、ウエハＷの移替え後、蓋体１０の上昇移動により処理容器３内に搬入（ロード）される。

上記ヒータ５は、図２〜図５に示すように、円筒状の断熱材１６の内周面１６ａに沿ってスパイラル状に配置された帯状ヒータエレメント１８を有し、この帯状ヒータエレメント１８は外側（断熱材１６側）に突出する谷部１８ａと、内側（処理容器３の中心側）に突出する山部１８ｂとを有するコルゲート型の材料からなっている。そしてヒータエレメント１８の谷部１８ａの頂部および山部１８ｂの頂部は、いずれも折曲線５８により形成され、谷部１８ａの頂部および山部１８ｂの頂部を形成する折曲線５８はヒータエレメント１８の幅方向（長手方向Ｌ_１に直交する方向）Ｌ_３に対して傾斜し、かつ断熱材１６の軸線方向Ｌ_２に対して一致している。断熱材１６は、例えばシリカ、アルミナあるいは珪酸アルミナを含む無機質繊維からなっている。

またヒータエレメント１８は、上述のようにヒータエレメント１８の材料を折曲線５８を介して折り曲げ波形に成形（折り曲げ加工）して成る。このコルゲートタイプ（波形）のヒータエレメント１８は、例えば鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）およびアルミニウム（Ａｌ）の合金からなっている。このヒータエレメント１８は、例えば肉厚が１〜２ｍｍ程度、幅が１４〜１８ｍｍ程度、波形部分の振幅が１１〜１５ｍｍ程度、波形部分のピッチｐが２８〜３２ｍｍ程度とされている。また、ヒータエレメント１８の谷部１８ａおよび山部１８ｂの頂角θは９０度程度とされ、谷部１８ａの頂部および山部１８ｂの頂部はＲ曲げ加工が施されている。

断熱材１６の内周面は平滑に形成され、この断熱材１６内周面１６ａには、上記ヒータエレメント１８の谷部１８ａを適宜間隔で径方向に移動可能に且つ断熱材１６内側へ脱落ないし脱出しないように保持する抜け止め用の谷部支持ピン部材２０ａと、ヒータエレメント１８の山部１８ｂを倒れないよう保持する倒れ防止用の山部支持ピン部材２０ｂとが設けられている。

なお、断熱材１６の内周面１６ａと、ヒータエレメント１８との間にはヒータエレメント１８の熱膨張収縮及び半径方向の移動を許容し得る十分な隙間が設けられており、またこれらの隙間により強制冷却時の冷却流体がヒータエレメント１８の背面に回り込み、ヒータエレメント１８を効果的に冷却できるようになっている。

谷部支持ピン部材２０ａと山部支持ピン部材２０ｂは、いずれもＵ字状体２０Ａと、Ｕ字状体２０Ａの両端に形成され断熱材１６に係合して抜けを防止する抜け止め部２０Ｂとを有している。この場合、谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂは、断熱材１６内に止まって断熱材１６と係合している（図３（ａ）参照）。しかしながら谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め２０Ｂが断熱材１６から外方へ突出して断熱材１６外面と係合してもよい（図３（ｂ）参照）。

ところで谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂは、いずれもヒータエレメント１８と同一の材料からなる。

次に谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの形状について図６（ａ）〜（ｋ）により詳述する。

図６（ａ）に示すように、谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂは、いずれも同一形状をなし、Ｕ字状体２０Ａと、Ｕ字状体２０Ａの両端部に設けられ断熱材１６と係合する抜け止め部２０Ｂとからなり、Ｕ字状体２０Ａにより谷部１８ａあるいは山部１８ｂを支持するようになっている。そして抜け止め部２０ＢはＵ字状体２０Ａの両端部から内側に折曲がって形成されている。

なお谷部支持ピン部材２０ａは、ヒータエレメント１８のすべての谷部１８ａに対して設けられ、この谷部１８ａを支持して谷部１８ａの脱落を防止し、山部支持ピン部材２０ｂはヒータエレメント１８の山部１８ｂに対して２−３箇置きに設けられ、山部１８ｂの下方への倒れを防止している。

次に図６（ｂ）〜図６（ｋ）により、谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの変形例について説明する。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部から内側に折れ曲げられて形成され、一対の抜け止め部２０Ｂは互いに重なり合っている（図６（ｂ）参照）。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部に別部品を接合し、あるいは別部品をかしめることにより形成されている（図６（ｃ）（ｄ）参照）。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部をつぶすことにより形成されている（図６（ｅ）（ｆ）参照）。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部を互いに対向する方向外方へ折曲げることにより形成されている（図６（ｇ）参照）。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部を各々対向する方向外方へ折曲げ、更に９０°折曲げることにより形成されている（図６（ｈ）参照）。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部を各々２回連続して折曲げることにより形成されている（図６（ｉ）参照）。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部をコイル状に巻くことにより形成されている（図６（ｊ）参照）。

谷部支持ピン部材２０ａおよび山部支持ピン部材２０ｂの抜け止め部２０Ｂが、Ｕ字状体２０Ａの両端部を対向する方向外側へ折曲げたり、同一方向へ折曲げることにより形成されている（図６（ｋ）参照）。

ところで断熱材１６の形状を保持すると共に断熱材１６を補強するために、図１に示すように、断熱材１６の外周面は金属製例えばステンレス製の外皮（アウターシェル）２８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２８の外周面は水冷ジャケット３０で覆われている。断熱材１６の頂部にはこれを覆う上部断熱材３１が設けられ、この上部断熱材３１の上部には外皮２８の頂部（上端部）を覆うステンレス製の天板３２が設けられている。

熱処理後にウエハＷ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、断熱材１６には断熱材１６と処理容器３との間の空間３３内の雰囲気を外部に排出する排熱系３５と、上記空間３３内に常温（２０〜３０℃）の冷却流体を導入して強制的に冷却する強制冷却手段３６とが設けられている。上記排熱系３５は、例えば断熱材１６の上部に設けられた排気口３７と、該排気口３７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。

上記強制冷却手段３６は、上記断熱材１６と外皮２８の間に高さ方向に複数形成された環状流路３８と、各環状流路３８から断熱材１６の中心斜め方向へ冷却流体を吹き出して上記空間３３の周方向に旋回流を生じさせるよう断熱材１６に設けられた冷却流体吹出し孔４０とを有している。上記環状流路３８は、断熱材１６の外周面に帯状又は環状の断熱材４１を貼り付けるか、或いは断熱材１６の外周面を環状に削ることにより形成されている。上記冷却流体吹出し孔４０は、断熱材１６における上下に隣接するヒータエレメント１８間にこれを半径方向の内外に貫通するように形成されていることが好ましい。このように冷却流体吹出し孔４０をヒータエレメント１８間に設けることにより、ヒータエレメント１８に邪魔されることなく冷却流体を上記空間３３に噴出することができる。

上記外皮２８の外周面には、各環状流路３８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４９が高さ方向に沿って設けられ、外皮２８には供給ダクト４９内と各環状流路３８とを連通する連通口が形成されている。供給ダクト４９には冷却流体（空気、窒素）を吸引し、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。

ところで、断熱材１６の内周面１６ａにスパイラル状に配置されたヒータエレメント１８の両端には、端子部２２ａ、２２ｂが設けられ、これら端子部２２ａ、２２ｂは断熱材１６、外皮２８および水冷ジャケット３０を貫通して外方へ延びている。

また断熱材１６と処理容器３との間の空間３３には、温度センサ５０が設けられ、温度センサ５０からの信号は制御部５１に送られる。そして制御部５１が温度センサ５０からの信号に基づいて電源（図示せず）を作動させ、この電源からヒータエレメント１８に対して必要な電力を供給して、空間３３内の温度制御を行なうようになっている。

また図７に示すように、断熱材１６の内周面１６ａに縦方向に延びる複数のスリット６０が設けられている。このため加熱、冷却の際、断熱材１６が熱膨張あるいは熱収縮しても、断熱材１６に加わる熱膨張あるいは熱収縮をこのスリット６０により吸収することができ、断熱材１６に過度の力が加わることはない。

ここで断熱材１６の縦方向は、円筒状の断熱材１６の軸線方向に一致し、断熱材１６の横方向は断熱材１６の軸線方向に直交する方向に一致する。

また、図８に示すように、断熱材１６を縦方向に二分割され境界面６１を介して互いに接する一方の断熱材１６Ａと他方の断熱材１６Ｂとから構成してもよい。図８において、断熱材１６がこのような構成をもつため、加熱、冷却の際、断熱材１６が熱膨張あるいは熱収縮しても断熱材１６の熱膨張あるいは熱収縮をこの二分割された一方の断熱材１６Ａと他方の断熱材１６Ｂとの間の境界面６１により吸収することができ、断熱材１６に過度の力が加わることはない。

なお、上記実施の形態において、断熱材１６が二分割されている例を示したが、これに限らず断熱材１６を三分割、四分割、あるいは更なる数に分割してもよい。

以上のようにヒータ５は円筒状の断熱材１６の内周面に沿ってスパイラル状に配置されたコルゲート状の帯状ヒータエレメント１８を有するので、断熱材１６の内周面１６ａ全域に渡ってヒータエレメント１８を配置することができ、ウエハＷを均一に加熱することができる。またヒータエレメント１８に上下方向に延びる接続部を設ける必要はなく、加熱、冷却の際の応力集中を防ぐことができる。

次に図９（ａ）（ｂ）により倒れ防止板６２について説明する。上記実施の形態において、ヒータエレメント１８の山部１８ｂを山部支持ピン部材２０ｂにより支持した例を示したが、これに限らず、山部支持ピン部材２０ｂの代わりに倒れ防止板６２により山部１８ｂを支持してもよい。

図１２（ａ）は倒れ防止板の部分的斜視図、（ｂ）は倒れ防止板の概略的斜視図である。断熱材１６に断熱材１６の内周面に設けられたヒータエレメント１８の山部１８ｂを下方に倒れないように支持するための倒れ防止板６２が設けられている。この倒れ防止板６２は、例えばセラミック製の長方形の板からなり、その長手方向の一端にはこれを断熱材に突き刺して固定するための先鋭部６２ａが形成されていることが好ましい。この倒れ防止板６２がヒータエレメント１８の山部１８ｂの下部を水平に支持することにより、ヒータエレメント１８の倒れや垂れ下がりを防止することができる。

なお上記実施の形態において、ヒータエレメント１８を断熱材１６の平滑な内周面１６ａに設けた例を示したが、断熱材１６の内周面１６ａにスパイラル状の溝を設け、このスパイラル状の溝内にヒータエレメント１８を設けてもよい。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、処理容器としては、導入管部及び排気管部を有する耐熱金属、例えばステンレス鋼製の円筒状のマニホールドを下端部に接続してなるものであってもよく、また、二重管構造であってもよい。

Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
１ 縦型熱処理装置
２ 熱処理炉
３ 処理容器
３ａ 炉口
５ ヒータ
１６ 断熱材
１６ａ 内周面
１６Ａ 一方の断熱材
１６Ｂ 他方の断熱材
１８ ヒータエレメント
２０ａ 谷部支持ピン部材
２０ｂ 山部支持ピン部材
２０Ａ Ｕ字状体
２０Ｂ 抜け止め部
６１ 境界面
６２ 倒れ防止板

Claims (4)

1. 被処理体を収容して熱処理する処理容器と、
   該処理容器の周囲を覆う円筒状の断熱材と、
   該断熱材の溝を含まない平坦状の内周面に沿って配置されたヒータとを備え、
   このヒータは断熱材の平坦状の内周面に沿ってスパイラル状に配置され、外側に突出する谷部と、内側に突出する山部とを有するコルゲート型の帯状ヒータエレメントを有し、
   ヒータエレメントの谷部は、平坦状の内周面より内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する抜け止め用の谷部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの山部は、前記谷部より更に内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する倒れ防止用の山部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの谷部頂部および山部頂部はいずれも折曲線により形成され、谷部頂部の折曲線および山部頂部の折曲線は、ヒータエレメントの幅方向に対して傾斜することを特徴とする熱処理炉。
2. 上記円筒状の断熱材の内周面に、縦方向に延びるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉。
3. 下部が炉口として開放され被処理体を収容して熱処理するための熱処理炉と、
   上記炉口を閉塞する蓋体と、
   該蓋体上に載置され被処理体を多段に保持する保持具と、
   保持具および蓋体を昇降させて蓋体の開閉と上記熱処理炉内への保持具の搬入搬出を行う昇降機構と備え、
   前記熱処理炉は、
   被処理体を収容して熱処理する処理容器と、
   該処理容器の周囲を覆う円筒状の断熱材と、
   該断熱材の溝を含まない平坦状の内周面に沿って配置されたヒータとを備え、
   このヒータは断熱材の平坦状の内周面に沿ってスパイラル状に配置され、外側に突出する谷部と、内側に突出する山部とを有するコルゲート型の帯状ヒータエレメントを有し、
   ヒータエレメントの谷部は、平坦状の内周面より内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する抜け止め用の谷部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの山部は、前記谷部より更に内側に位置するとともに、断熱材内に埋設されて断熱材から抜けないようにする抜け止め部を有する倒れ防止用の山部支持ピン部材により支持され、ヒータエレメントの谷部頂部および山部頂部はいずれも折曲線により形成され、谷部頂部の折曲線および山部頂部の折曲線は、ヒータエレメントの幅方向に対して傾斜することを特徴とする熱処理装置。
4. 上記円筒状の断熱材の内周面に、縦方向に延びるスリットが形成されていることを特徴とする請求項３記載の熱処理装置。

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