JP4438246B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理装置に関し、詳しくは、複数のヒータエレメントから構成されたヒータにより、被処理体、例えば、半導体ウエハを熱処理する熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程においては、被処理体、例えば、半導体ウエハの成膜処理、酸化処理等の各種の処理を行うために、熱処理装置が用いられている。熱処理装置は、半導体ウエハを収容する反応室を囲むように、ヒータと断熱体とを有する加熱部材が設けられ、ヒータにより反応室を所定の温度に加熱して、半導体ウエハに各種の処理を行うものである。
【０００３】
熱処理装置のヒータとしては、例えば、線状の抵抗発熱体を封止部材に封入した長尺状のヒータエレメントが用いられている。また、断熱体は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）から形成され、複数の孔が形成されている。そして、断熱体の孔にヒータエレメントを挿嵌することにより、ヒータエレメントが反応室と所定の間隔を有するように配設される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような熱処理装置では、ヒータエレメントが断熱体の孔に挿嵌されているので、ヒータエレメントと断熱体の孔の内壁とが擦れ合い、例えば、金属粉（メタルコンタミ）のような汚染物質を発生してしまうおそれがある。このような汚染物質が発生したまま熱処理を行うと、汚染物質が半導体ウエハに付着してしまい、形成された半導体装置の特性が悪化し、歩留まりが悪くなってしまう。特に、汚染物質がメタルコンタミの場合、形成された半導体装置の特性が悪化してしまう。さらに、ヒータエレメントと断熱体の孔の内壁とが擦れ合うことにより、ヒータエレメントが破損してしまうおそれがある。
【０００５】
また、ヒータエレメントの端部には電源に接続されたケーブルが設けられているが、例えば、ケーブルが他の部材に絡まった場合のように、ケーブルに負荷がかかると、ヒータエレメントがケーブルに引っ張られて破損してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、汚染物質の発生を防止することができる熱処理装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、メタルコンタミの発生を防止することができる熱処理装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、ヒータの破損を防止することができる熱処理装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点にかかる熱処理装置は、被処理体を反応室内に収容し、当該反応室内を加熱して被処理体を熱処理する熱処理装置であって、複数の孔が形成され、前記反応室を囲むように設けられた金属部材からなる断熱体と、複数のヒータエレメントから構成され、前記反応室と所定の間隔を有するように、前記断熱体の各孔にヒータエレメントを挿嵌することにより、該断熱体と前記反応室との間に配置されたヒータとを備え、前記断熱体の孔の内壁は、セラミックでコーティングされている、ことを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、断熱体の孔の内壁は、セラミックでコーティングされている。このため、ヒータエレメントはセラミックでコーティングされた孔の内壁と接触し、断熱体の金属部材、例えば、ステンレス鋼と接触しなくなる。また、ヒータエレメントが断熱体の金属面と接触しないので、ヒータエレメントが破損しにくくなる。
【００１４】
前記断熱体の内壁はセラミックでコーティングされていることが好ましい。断熱体の内壁がセラミックでコーティングされていると、ヒータエレメントが断熱体の金属部材、例えば、ステンレス鋼と確実に接触しなくなり、メタルコンタミが発生しなくなる。また、ヒータエレメントが断熱体の金属面と接触しないので、ヒータエレメントがさらに破損しにくくなる。
【００１５】
前記セラミックとしては、例えば、アルミナ、シリカ、またはイットリアがある。また、前記セラミックは多孔質であることが好ましい。セラミックが多孔質（ポーラス）であると熱衝撃性が向上する。
【００１６】
前記ヒータエレメントに接続されたケーブルは、当該ヒータエレメントの端部近傍で固定部材に固定されていることが好ましい。ケーブルがヒータエレメントの端部近傍で固定部材により固定されていると、ケーブルに負荷がかかっても、ヒータエレメントが破損するおそれがなくなる。また、ケーブルが整線されて絡まりにくくなる。前記固定部材としては、例えば、タイラップがある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態にかかる熱処理装置用ヒータの固定方法及び熱処理装置について、図１に示すバッチ式縦型熱処理装置を用いた場合を例に説明する。
【００１８】
図１に示すように、熱処理装置１は、長手方向が垂直方向に向けられた略円筒状の反応管２を備えている。反応管２は、内管３と、内管３を覆うとともに内管３と所定の間隔を有するように形成された有天井の外管４とから構成された二重管構造を有する。内管３及び外管４は、耐熱材料、例えば、石英により形成されている。
【００１９】
外管４の下方には、筒状に形成されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるマニホールド５が配置されている。マニホールド５は、外管４の下端と気密に接続されている。また、内管３は、マニホールド５の内壁から突出するとともに、マニホールド５と一体に形成された支持リング６に支持されている。
【００２０】
マニホールド５の下方には蓋体７が配置され、ボートエレベータ８により蓋体７は上下動可能に構成されている。そして、ボートエレベータ８により蓋体７が上昇すると、マニホールド５の下方側が閉鎖される。
【００２１】
蓋体７には、蓋体７を貫通するとともに、モータＭにより回転する回転軸９が形成されている。回転軸９上には、回転可能なターンテーブル１０が形成されている。ターンテーブル１０上には、保温ユニット１１を介して、例えば、石英からなるウエハボート１２が載置されている。ウエハボート１２には、被処理体、例えば、半導体ウエハＷが垂直方向に所定の間隔をおいて複数枚収容されている。そして、モータＭにより回転軸９が回転することによりターンテーブル１０、保温ユニット１１を介してウエハボート１２が回転され、ウエハボート１２の回転により半導体ウエハＷが回転される。
【００２２】
マニホールド５の側面には、複数の処理ガス導入管１３が挿通されている。なお、図１では処理ガス導入管１３を一つだけ描いている。処理ガス導入管１３は内管３内を臨むように配設されている。例えば、図１に示すように、支持リング６より下方（内管３の下方）のマニホールド５の側面から処理ガス導入管１３が挿通され、処理ガス導入管１３の先端が内管３（上方）に向けて曲折りされている。そして、図示しないガス供給源から供給された処理ガスが処理ガス導入管１３を通って内管３内に導入される。
【００２３】
また、マニホールド５の側面には排気管１４が接続されている。排気管１４は支持リング６より上方に接続され、反応管２内の内管３と外管４との間に形成された空間に連通する。そして、反応管２内の排ガスが、内管３と外管４との間の空間、排気管１４を通って熱処理装置１外に排出される。また、排気管１４は、図示しない真空ポンプ等からなる排気ユニットに接続され、排気ユニットにより反応管２内の圧力が所定の圧力に設定される。
【００２４】
反応管２の周囲には、反応管２を囲むように、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる断熱体１５が設けられている。図２に断熱体１５の斜視図を示す。図２に示すように、断熱体１５は、本体１５ａと天板１５ｂと底板１５ｃとからなる有天井の略筒状に形成されている。本体１５ａは、反応管２より大径の筒状に形成されている。天板１５ｂは、本体１５ａの上部を覆うように、円板状に形成されている。底板１５ｃはリング状に形成され、その内壁が反応管２の外壁に対応する大きさに形成されている。なお、断熱体１５の本体１５ａの内部には、図示しない冷媒流路としての冷却水路が設けられ、冷却水路に冷却水を供給することにより反応管２の温度を冷却することができる。
【００２５】
断熱体１５の天板１５ｂには複数の孔１６ａが形成されている。孔１６ａは、その周方向に沿って、例えば、数ミリ間隔に形成されている。また、断熱体１５の底板１５ｃには、孔１６ａに対応する位置に、孔１７ａが形成されている。そして、図３に示すように、各孔１６ａと、これに対応する位置の孔１７ａにヒータエレメント１８が挿嵌され、ヒータエレメント１８は、断熱体１５の天板１５ｂと底板１５ｃとを貫通させた状態で配置される。なお、図３では、ヒータエレメント１８が挿嵌された状態を分かりやすく示すように、ヒータエレメント１８の一部のみを図示している。この複数のヒータエレメント１８により、熱処理装置用ヒータが構成されている。また、天板１５ｂには、後述する第１サブヒータが挿嵌される孔１６ｂが形成され、底板１５ｃには、後述する第２サブヒータが挿嵌される孔１７ｂが形成されている。
【００２６】
各孔１６ａ、１７ａには、Ｏリング１９が配置されている。図４にヒータエレメント１８が挿嵌された状態の孔１６ａ付近の概略図を示す。図４に示すように、孔１６ａの内壁にはＯリング１９が配置され、Ｏリング１９内にヒータエレメント１８が挿嵌されている。このため、ヒータエレメント１８は強固に固定され、孔１６ａ（及び孔１７ａ）内でがたつくことがなくなる。したがって、ヒータエレメント１８と孔１６ａ（及び孔１７ａ）の内壁とが擦れ合うことがなくなり、粉体（汚染物質）を発生するおそれがなくなる。また、ヒータエレメント１８と孔１６ａ（及び孔１７ａ）の内壁との擦れ合いによって、ヒータエレメント１８が破損するおそれがなくなる。
【００２７】
また、断熱体１５の内壁は、セラミックでコーティングされている。断熱体１５の内壁がセラミックでコーティングされているので、ヒータエレメント１８が断熱体１５の金属面（ステンレス鋼）と確実に接触しなくなり、メタルコンタミが発生しなくなる。また、ヒータエレメント１８が断熱体１５の金属面と接触しないので、ヒータエレメント１８がさらに破損しにくくなる。セラミックとしては、例えば、アルミナ、シリカ、またはイットリアが用いられる。このセラミックは多孔質（ポーラス）に形成されている。セラミックがポーラスであると、熱衝撃性が向上するためである。
【００２８】
図５にヒータエレメント１８の概略図を示す。図５に示すように、ヒータエレメント１８は、抵抗発熱体１８ａと、封止部材１８ｂとを備えている。抵抗発熱体１８ａは、例えば、線状で可撓性のある高純度のカーボンワイヤから構成されている。このカーボンワイヤは、例えば、線径１０μｍ前後のカーボン部材であるカーボンファイバーの複数の束を編み込むことにより形成される。封止部材１８ｂはセラミックからなり、抵抗発熱体１８ａを封止する。本実施の形態では、カーボンワイヤを、外径が十数ｍｍの透明な石英管の中に封入している。抵抗発熱体１８ａの両端は、電極部材２０に接続されている。電極部材２０は、その端部が封止部材１８ｂに封止され、この電極部材２０を介して抵抗発熱体１８ａが封止部材１８ｂに封入されている。
【００２９】
電極部材２０は外部のケーブル２１に接続され、ケーブル２１は図示しない電源に接続されている。図６に、ヒータエレメント１８とケーブル２１との接続状態を示す。図６に示すように、ヒータエレメント１８に接続された電極部材２０は、ケーブル２１の芯線２１ａに接続されている。電極部材２０と芯線２１ａとは、例えば、ロウ付けまたは圧着により接続されている。そして、電源からケーブル２１、電極部材２０を介して抵抗発熱体１８ａに電力が供給され、ヒータエレメント１８が加熱される。
【００３０】
また、ヒータエレメント１８に接続されたケーブル２１は、ヒータエレメント１８の端部近傍で固定部材２２により固定されている。固定部材２２として、例えば、タイラップが用いられ、ケーブル２１がタイラップにより、例えば、挟持されることにより固定されている。このようにケーブル２１がヒータエレメント１８の端部近傍で固定部材２２により固定されているので、仮にケーブル２１が他の部材に引っかかったりして、ケーブル２１に負荷がかかっても、ヒータエレメント１８が破損するおそれがなくなる。また、ヒータエレメント１８の端部近傍で固定されているので、ケーブル２１が整線されて絡まりにくくすることができる。
【００３１】
なお、電源からヒータエレメント１８への電力供給方法としては、全てのヒータエレメント１８を並列または直列に接続して共通の電源から電力を供給する場合の他、ヒータエレメント１８を複数のグループに分け、各グループ内のヒータエレメント１８を直列に接続し、直列に接続されたヒータエレメント１８群を並列に接続してもよい。
【００３２】
断熱体１５の天井部（天板１５ｂ）の下方側には、反応管２と対向するように、面状の第１サブヒータ２３が設けられている。図７（ａ）に第１サブヒータ２３の斜視図、図７（ｂ）に第１サブヒータ２３の側面図を示す。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第１サブヒータ２３は、例えば、厚さ８ｍｍ程度の石英製の円板状体２３ａ中に、抵抗発熱体２３ｂが形成されている。抵抗発熱体２３ｂは、前述の抵抗発熱体１８ａと同様に、例えば、カーボンワイヤから構成されている。円板状体２３ａの周縁部の２カ所には、石英管２４が溶接されている。石英管２４はケーブル２５を介して図示しない電源に接続されている。第１サブヒータ２３は石英管２４が断熱体１５に設けられた孔１６ｂに挿嵌されることにより断熱体１５に取り付けられ、サポート２６を介して支持されている。
【００３３】
断熱体１５の下端部（底板１５ｃ）には第２サブヒータ２７が設けられている。第２サブヒータ２７はヒータエレメント１８より短いヒータエレメントであり、孔１７ａより内方に形成された孔１７ｂに挿嵌されている。孔１７ｂにはＯリング１９が形成され、Ｏリング１９により第２サブヒータ２７が固定されている。また、ケーブル２８は第２サブヒータ２７の端部近傍で固定部材２２により固定されている。この第２サブヒータ２７はケーブル２８を介して図示しない電源に接続されている。
【００３４】
ボートエレベータ８、モータＭ、処理ガス導入管１３、ヒータエレメント１８（ケーブル２１）、第１サブヒータ２３（ケーブル２５）、第２サブヒータ２７（ケーブル２８）には、図示しない制御部が接続されている。制御部は、マイクロプロセッサ、プロセスコントローラ等から構成され、熱処理装置１の各部の温度、圧力等を測定し、測定データに基づいて、上記各部に制御信号等を出力して、熱処理装置１の各部を制御する。
【００３５】
次に、以上のように構成された熱処理装置１を用いた熱処理について簡単に説明する。まず、ボートエレベータ８により蓋体７が下げられた状態で、半導体ウエハＷをウエハボート１２に所定枚数収容する。次に、ボートエレベータ８を上昇させることにより、半導体ウエハＷを反応管２（内管３）内にロードする。続いて、ヒータエレメント１８、第１サブヒータ２３、及び第２サブヒータ２７により、反応管２内を所定の温度に昇温するとともに、排気管１４に接続された図示しない排気ユニットにより反応管２内の圧力を所定の圧力に設定する。
【００３６】
反応管２が所定の圧力及び温度で安定すると、処理ガス供給１３から処理ガスを供給して所定の熱処理を行う。また、処理中はモータＭによりウエハボート１２を回転させる。そして、反応管２内を所定の温度に降温するとともに、反応管２内を常圧に戻し、ウエハボート１２（半導体ウエハＷ）を反応管２からアンロードする。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、孔１６ａ、孔１７ａ（及び孔１６ｂ、孔１７ｂ）の内壁にはＯリング１９が配置され、Ｏリング１９内にヒータエレメント１８（第２サブヒータ２７）が挿嵌されているので、ヒータエレメント１８（第２サブヒータ２７）は強固に固定され、孔１６ａ、孔１７ａ（及び孔１６ｂ、孔１７ｂ）内でがたつくことがなくなる。したがって、ヒータエレメント１８（第２サブヒータ２７）と、孔１６ａ、孔１７ａ（及び孔１６ｂ、孔１７ｂ）の内壁とが擦れ合うことがなくなり、粉体（汚染物質）を発生するおそれがなくなる。また、ヒータエレメント１８（第２サブヒータ２７）が破損するおそれがなくなる。
【００３８】
本実施の形態によれば、ケーブル２１（ケーブル２８）がヒータエレメント１８（第２サブヒータ２７）の端部近傍で固定部材２２により固定されているので、ヒータエレメント１８（第２サブヒータ２７）が破損するおそれがなくなる。また、ケーブル２１（ケーブル２８）が整線されて絡まりにくくすることができる。
【００３９】
本実施の形態によれば、断熱体１５の内壁がセラミックでコーティングされているので、ヒータエレメント１８が断熱体１５の金属面と確実に接触しなくなり、メタルコンタミが発生しなくなる。また、ヒータエレメント１８が断熱体１５の金属面と接触しないので、ヒータエレメント１８がさらに破損しにくくなる。さらに、セラミックに多孔質を用いているので、断熱体１５の熱衝撃性が向上する。
【００４０】
本実施の形態によれば、反応管２内で均一な温度になりにくい、反応管２の上部及び下部に第１サブヒータ２３及び第２サブヒータ２７が配置されているので、反応管２内の温度を均一にすることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。
【００４２】
上記実施の形態では、孔１６ａ及び孔１７ａの内壁にＯリング１９を配置した場合を例に本発明を説明したが、孔１６ａ及び孔１７ａの内壁の少なくとも一方にＯリング１９が配置されていればよい。少なくとも一方にＯリング１９が配置されていれば、ヒータエレメント１８は強固に固定され、ヒータエレメント１８が孔内でがたつくことがなくなる。
【００４３】
上記実施の形態では、孔１６ａ及び孔１７ａの内壁にＯリング１９を配置した場合を例に本発明を説明したが、孔１６ａ及び孔１７ａの内壁にＯリング１９を配置せず、各孔１６ａ、孔１７ａの内壁をセラミックでコーティングし、セラミックがコーティングされた孔１６ａ、孔１７ａにヒータエレメント１８を挿嵌してもよい。この場合、仮に、ヒータエレメント１８と孔１６ａ、孔１７ａの内壁とが擦れ合っても、ヒータエレメント１８が断熱体１５の金属面と接触しないので、メタルコンタミの発生を防止することができる。
【００４４】
上記実施の形態では、孔１６ａと孔１７ａとを貫通する直管構造のヒータエレメント１８の場合を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、Ｕ字管であってもよい。この場合、例えば、隣り合った２つの孔１６ａに挿嵌することにより、熱処理装置１に取り付けられる。また、加熱する領域を上下２分割し、孔１６ａに挿嵌されたヒータエレメント１８により上の領域を加熱し、孔１７ａに挿嵌されたヒータエレメント１８により下の領域を加熱するように構成してもよい。
【００４５】
上記実施の形態では、ヒータエレメント１８の抵抗発熱体１８ａがカーボンワイヤから構成されている場合を例に本発明を説明したが、抵抗発熱体１８ａはカーボンワイヤ以外の線状で可撓性のある高純度の抵抗発熱体であってもよい。
【００４６】
本実施の形態では、熱処理装置として、反応管２が内管３と外管４とから構成された二重管構造のバッチ式縦型熱処理装置の場合を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単管構造の熱処理装置に適用することも可能である。また、被処理体は半導体ウエハＷに限定されるものではなく、例えばＬＣＤ用のガラス基板等にも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、汚染物質の発生を防止することができる。また、ヒータの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の熱処理装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態の断熱体の斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態の断熱体の孔にヒータエレメントが挿嵌された状態を示した斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の断熱体の孔にヒータエレメントが挿嵌された状態の孔付近の拡大図である。
【図５】本発明の実施の形態のヒータエレメントの側面図である。
【図６】本発明の実施の形態のヒータエレメントとケーブルとの接続状態を示す側面図である。
【図７】（ａ）は、本発明の実施の形態の第１サブヒータの斜視図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態の第１サブヒータの側面図である。
【符号の説明】
１ 熱処理装置
２ 反応管
３ 内管
４ 外管
１５ 断熱体
１６ａ、１７ａ、１７ｂ 孔
１８ ヒータエレメント
１９ Ｏリング
２１ ケーブル
２２ 固定部材
２７ 第２サブヒータ
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (6)

1. 被処理体を反応室内に収容し、当該反応室内を加熱して被処理体を熱処理する熱処理装置であって、
   複数の孔が形成され、前記反応室を囲むように設けられた金属部材からなる断熱体と、
   複数のヒータエレメントから構成され、前記反応室と所定の間隔を有するように、前記断熱体の各孔にヒータエレメントを挿嵌することにより、該断熱体と前記反応室との間に配置されたヒータとを備え、
   前記断熱体の孔の内壁は、セラミックでコーティングされている、ことを特徴とする熱処理装置。
2. 前記断熱体の内壁はセラミックでコーティングされている、ことを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記セラミックはアルミナ、シリカ、またはイットリアである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱処理装置。
4. 前記セラミックは多孔質である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱処理装置。
5. 前記ヒータエレメントに接続されたケーブルは、当該ヒータエレメントの端部近傍で固定部材に固定されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱処理装置。
6. 前記固定部材はタイラップである、ことを特徴とする請求項５に記載の熱処理装置。

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