JP2756566B2 - 縦型熱処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は縦型熱処理装置に関する。

（従来の技術） 従来の熱処理装置、例えば低圧CVD装置では、熱処理
のための炉体を横方向に設置したもの（即ち、横型炉タ
イプ）が一般的である。しかし、近年では、次のような
利点を有する縦型炉タイプの熱処理装置も使用されてい
る。

縦型炉タイプの第一の利点は、装置の設置面積を縮小
できることである。

横型炉タイプの熱処理装置は、当然ながら炉長に比例
した設置面積を必要とする。これに対し、縦型炉タイプ
の熱処理装置を設置するのに必要な面積は、炉の直径で
決る。炉の直径は一般に炉長よりも短いから、縦型炉の
方が設置面積は小さくてすむ。しかも、熱処理は半導体
ウエハーを連続的に炉内に整列させて行なうから、炉長
は処理能力に比例して長くなるが、炉の直径は処理能力
が大きくなっても変らない。従って、処理能力が大きく
なるほど、設置面積に関する縦型炉の利点は更に大きく
なる。

縦型炉の第二の利点は、炉内への処理ガスの供給にお
いて、垂直方向で生じるガスの対流を利用できることで
ある。

横型炉タイプ及び縦型炉タイプの何れにおいても、熱
処理装置で最も重要な要素の一つは、炉長方向に沿った
炉内の温度分布を均一化することである。温度分布が不
均一であると、同一ロットで処理された半導体ウエハー
の間に品質のバラツキを生じるからである。

（発明が解決しようとする課題） この点において、縦型炉タイプの熱処理装置は横型炉
タイプのものよりも不利である。何故なら、対流によっ
て熱が上方に移動し、炉頂部では累積的に温度が上昇す
るからである。この蓄積は、ヒータの熱的疲労を伴う問
題もある。

上記の理由で、熱処理装置では炉内の限られた所定領
域に均一な温度分布を達成し、該領域でのみ半導体ウエ
ハーの熱処理を行なうようにしている。これは、炉の両
端では周囲への放熱の影響によって不可避的に温度の低
い領域が発生するため、炉の全長に互って内部温度を均
一にすることは不可能だからである。従って、熱処理装
置の生産性を向上するためには、均一な温度分布領域の
比率を高めることが重要である。この点に関しても、上
記同様の理由で、縦型炉タイプの方が横型炉タイプより
も難しい。

定常状態において炉内のより広範な領域で均一な温度
分布を達成するための手段として、従来の熱処理装置で
は、第９図に示すように、プロセスチューブ１の周囲に
分割タイプのヒータ２を設けた炉が用いられている。ヒ
ータ２は抵抗線からなっており、例えば、図示のように
端子T1〜T4を設けることによって三つの部分3a,3b,3cに
分割されている。端子T1〜T2の間、端子T2〜T3の間、端
子T3〜T4の間の電源電圧を夫々独立に設定することによ
り、抵抗3a,3b,3cに流れる電流を独立に制御できるよう
になっている。この従来の装置では、両端部の抵抗3a,3
cに流れる電流を中央部の抵抗3bに流れる電流よりも大
きくすることにより、両端部のヒータ温度を高くしてい
る。これによってプロセスチューブ両端における放熱の
影響が補償されるため、抵抗3a,3b,3cが全て同じヒータ
温度の場合に比較して、中央部における温度分布の均一
な領域は拡大されることになる。

しかしながら、上記のような分割型ヒータを用いたと
しても、プロセスチューブ両端における温度制御の効率
はそれほど高くない。このため、抵抗3a,3cを短縮して
温度分布が均一な領域の比率を高めることが困難であ
る。例えば、抵抗3a,3cのヒータ温度を高くしてその長
さを短縮すると、抵抗3bとの間の境界部分で不均一且つ
異常な温度分布が発生してしまうという問題があった。

本発明の目的は、プロセスチューブ内のより広い領域
で均一な温度分布を得ることができる縦型熱処理装置を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、ほぼ垂直に設置され被処理物を収容するプ
ロセスチューブと、このプロセスチューブ内における被
処理物が配置されるエリアを囲むようにプロセスチュー
ブの外に設けられた中央部ヒータと、前記被処理物が配
置されるエリアよりも上方側エリアを含む領域を囲むよ
うに前記中央部ヒータの上方側に設けられた上部ヒータ
と、前記被処理物が配置されるエリアよりも下方側エリ
アを含む領域を囲むように前記中央部ヒータの下方側に
設けられた下部ヒータと、を備え、 各ヒータは独立して構成されると共に、上部ヒータ及
び下部ヒータは、中央部ヒータに比べて単位面積当たり
の発熱量が多くなるように構成され、中央部ヒータは、
上部側の単位面積当たりの発熱量が下部側に比べて小さ
くなるように構成されていることを特徴とする縦型熱処
理装置である。

（実施例） 以下、本発明装置を縦型炉タイプの熱処理装置に適用
した一実施例につき、図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の熱処理装置を構成する加熱炉の一
実施例を示している。同図において、１は垂直方向に配
置されたプロセスチューブである。プロセスチューブ１
は石英ガラスまたは炭化珪素等でできており、外管4aお
よび内管4bからなる二重管構造を有している。供給管23
から内管4b内に供給された処理ガスＧは、内管4bと外管
4aの間の間隙を通って排気される。プロセスチューブ１
の外周には、独立した三つのヒータ6,8,10が設けられて
いる。ヒータ６はプロセスチューブ１の中央部に、ヒー
タ８はプロセスチューブ１の上端部に、ヒータ10はプロ
セスチューブ１の下端部に夫々設けられている。ヒータ
6,8,10は発熱抵抗体のコイルからなり、夫々が独立した
電源18,20,22に接続されている。ヒータ６は一つのコイ
ルからなっているが、ヒータ8,10は二層コイル構造を有
している。即ち、ヒータ８は二つのコイル8A,8Bからな
り、ヒータ10も二つのコイル10A,10Bからなっている。
第２図に、これらヒータ6,8,10の等価回路を示す。ヒー
タ６には端子12a,12bが設けられ、これら端子には電源1
8が接続されている。また、ヒータ８のコイル8Aには端
子14a,14bが、コイル8Bには端子14c,14dが設けられてい
る。端子14aと端子14cとは短絡され、端子14b,14dは電
源20に接続されている。同様にヒータ10においても、二
つのコイル10A,10Bに設けられた端子16a,16b,16c,16dの
うち、端子16aと16cは短絡され、端子16b,16dに電源22
が接続されている。上記のように、ヒータ6,8,10は独立
した電源18,10,22から供給される電流によって発熱し、
プロセスチューブ１を加熱する。

円筒状のプロセスチューブに対応して、ヒータ6,8,10
は何れも円筒状に形成され、その中心とプロセスチュー
ブの管軸とが一致するように、プロセスチューブの外周
面上に設置されている。プロセスチューブ１のうち、中
央部ヒータ６により加熱されるエリアは熱処理を行なう
半導体ウエハーが配置されるエリアで、ここに均一な温
度分布が達成されるように設計される。一方、上部ヒー
タ８及び下部ヒータ10は、プロセスチューブの両端にお
ける放熱の影響を補償し、中央部エリアの全体に均一な
温度分布を達成するために設けられる。既述したよう
に、本発明の一般的な課題は、この上部ヒータ８及び下
部ヒータ10の管軸方向の長さをできるだけ短縮すること
である。

第１図の例においては、両端部における放熱の影響を
短い加熱エリアで補償するために、上端部および下端部
のヒータ8,10の単位面積当りの発熱量を、中央部ヒータ
６の２倍以上に設定する。中央部ヒータ６は単層コイル
構造であるのに対し、上端部ヒータ８及び下端部ヒータ
10を上記のような２層コイル構造としたのはそのためで
ある。このように両端部のヒータ8,10の発熱量を高くし
ても、プロセスチューブの中央部エリアに異常な温度分
布を生じることはない。これは、両端部のヒータ8,10と
中央部ヒータ６とが完全に分離されており、熱伝導を生
じないからである。更に、第１図の例では熱対流による
上端部エリアでの熱蓄積も考慮されている。即ち、上端
部ヒータ８による加熱エリアは、下端部ヒータによる加
熱エリアよりも短くなっている。また、中央部ヒータ６
を構成する発熱抵抗体のコイル密度は、上方に行くに従
って粗になっている。これによって、上端部エリアでの
熱蓄積が補償され、均一な温度分布が得られる。また、
所望とあらば、任意の傾斜をもった温度分布を達成する
ことも可能である。

第３図は、第１図の加熱炉を用いた加熱処理装置をよ
り具体的に示す断面図である。同図において、21は熱処
理装置の外壁である。外壁21で囲まれた内部には、第１
図の加熱炉が垂直に設置されている。加熱炉の外側に
は、ヒータ8,6,10の幅に対応した間隔で、保持枠24,26,
28,30が設けられている。これら保持枠の間には、ヒー
タ8,6,10が設けられている。保持枠24,26,28,30は断熱
材でできており、これによって各ヒータ6,8,10間の熱伝
導が防止されている。更に、保持枠30によって、熱処理
装置の解放端部における過熱が防止されている。また、
各ヒータと外壁21との間に断熱材32が充填され、外壁21
の加熱が防止されている。

第4A図は、ヒータ６を構成するコイルのピッチを示し
ている。また、第4B図はヒータ8,10を構成するコイルの
ピッチを示している。第4A図から明らかなように、ヒー
タ６のコイルピッチを上から順にP₁，P₂，P₃…P_nとする
と、P₁＞P₂＞P₃…＞P_nとなっている。即ち、既述したよ
うに、プロセスチューブ１内部での温度分布を均一化す
るために、上部ではピッチを大きくし、下部ではピッチ
を小さくしている。

第4B図から明らかなように、ヒータ8,10における内側
のコイル8A,10Aと、外側のコイル8B,10Bとは同一のピッ
チＰを有している。また、内側のコイル8A,10Aと外側の
コイル8B,10Bとは、P/2だけづらせて配置されている。

各コイル６、8,10の幅Ｌは、プロセスチューブ１の長
さに対応して適宜設定する。図示のように、上部ヒータ
８の幅は下部ヒータ10の幅よりも短くなっている。これ
は、既述したように対流による上部での蓄熱を補償する
ためである。また、コイルの線径は、ヒータ8,10の線径
（d₂）の方がヒータ６の線径（d₁）よりも大きい。これ
によって、両端部ヒータ8,10の単位当りの発熱量を高
め、且つ熱蓄積に曝される上部ヒータ８の熱的耐久性を
向上することが可能となる。

第３図に示したように、この実施例の装置を用いて半
導体ウエハーの熱処理を行なうに際しては、石英ガラス
ボート36に保持された多数の半導体ウエハー38をプロセ
スチューブ内管4bの内部に収納する。石英ガラスボート
36は保温筒40に支持される。保温筒40は、石英ガラスボ
ートを支持すると共に、出入口付近を保温する機能を有
している。保温筒40の下端部には回転機構42が設けら
れ、これによって半導体ウエハー38を回転させながら熱
処理を行なうようになっている。また、熱処理を行なっ
ているときにはプロセスチューブを密封するために、出
入口を閉じる蓋44が設けられている。

熱処理に用いる処理ガスＧは、既述したように供給管
23からプロセスチューブの内管4b内に導入される。導入
された処理ガスは、半導ウエハー38と接触して所定の熱
処理が行なわれる。その際、半導体ウエハー38が回転さ
れることにより、処理ガスとの均一な接触が可能とな
る。その後、処理ガスは内管の頂部に設けた開口46、内
管4bと外管4aとの間の間隙34を通って図示しない排気部
に導かれる。

上記実施例におけるヒータの構成は、本発明の範囲内
において種々の変更が可能である。第5A図，第5B図およ
び第6A図，第6B図にその例を示す。

第5A図はヒータの一変形例を示す図で、第5B図はその
等価回路図である。この例では、上部ヒータ８の二つの
コイル8A,8Bを短絡することなく、夫々のコイル8A,8Bを
独立の電源20A,20Bに接続している。同様に、下部ヒー
タ10についても、その二つのコイル10A,10Bを夫々独立
した電源22A,22Bに接続している。従って、中央部ヒー
タも含めると、全体として５個の独立した駆動回路が形
成されている。この変形例では、上部ヒータ８及び下部
ヒータ10による加熱量をより高範囲に制御することが可
能である。

第6A図はヒータの他の変形例を示す図で、第6B図はそ
の等価回路図である。この例では、上部ヒータ８及び下
部ヒータ10の構成は第２図および第３図の例と同じであ
るが、中央部ヒータ６の構成が異なってる。即ち、中央
部ヒータとして、夫々独立した電源18A,18B,18Cに接続
された三つのヒータ6A,6B,6Cが用いられている。即ち、
電源18Aはヒータ6Aの端子12c,12dに接続され、電源18B
はヒータ6Bの端子12e,12fに接続され、電源18Cはヒータ
6Cの端子12g,12hに接続されている。この変形例は、プ
ロセスチューブが長い熱処理装置の場合に有用である。

また、上記ヒータは３分割に限らず５分割等の複数分
割にしても良い。

なお、上記の実施例では二重管構造のプロセスチュー
ブを用いているが、本発明はプロセスチューブが単一管
構造の場合にも適用できる。

更に、各ヒータ6,8,10におけるコイルの線径を等しく
してもよく、また上部ヒータ８は下部ヒータ10の幅を等
しくしてもよい。

次に、第７図および第８図を参照し、本発明の他の実
施例を説明する。

第７図は本発明による熱処理装置の他の実施例を示
し、第８図はその下端部を詳細に示している。この実施
例では、単管構造のプロセスチューブ１が用いられてい
る。処理ガスＧはプロセスチューブ１の頂部から導入さ
れ、下端部に設けた排気口50から排出される。プロセス
チューブ１の側壁には、既述の実施例と同様の構成から
なる三つの独立したヒータ6,8′,10′が設けられてい
る。但し、両端部のヒータ８′,10′は単層コイルから
なっている。この実施例の特徴は、プロセスチューブ下
端部の出入口を閉じるための蓋に、独立のヒータ51を設
けた点である。蓋は、内部に断熱材53を充填した外筒52
と、内側に保護筒56を設けた内筒55からなっている。こ
の構造が、第８図に詳細に記載されている。

第８図において、外筒52にはフランジ54が設けられ、
断熱材53によってプロセスチューブ１の開口方向への熱
の伝播を遮断する。内筒55は、外筒52の内部に進退可能
に設置されている。即ち、内筒55は、半導体ウエハー38
を収納した石英ガラスボート36を支持するための支持部
材として機能する。ヒータ51は熱電対温度計58と共に、
内筒55の内部に設けた保護筒56の更に内側に設けられて
いる。保護筒56はプロセスチューブ１内の処理ガスＧを
遮断し、ガスＧとの接触によるヒータの劣化を防止す
る。また、ヒータ51には端子電極51a,51bが設けられて
おり、これら端子電極は図示しない電源に接続されてい
る。60は支持台で、該支持台と外筒フランジ54との間に
はベローズ61が設けられている。支持台60は、昇降装置
62のアーム部63に固定されている。また、外壁21の下端
部内側には冷却水通路64が設けられ、この中に冷却水を
流すことにより充分な冷却が行なわれる。

上記第７図および第８図の実施例においては、プロセ
スチューブ１の側面だけでなく、ヒータ51によってプロ
セスチューブ１底部の出入口をも加熱する。出入口部分
は放熱による影響が最も大きいから、ヒータ51を用いる
ことによってプロセスチューブ内の温度分布を更に均一
化することが可能となる。

なお、第７図および第８図の実施例で採用したプロセ
スチューブ下端開口部を加熱するためのヒータは、本発
明の範囲と組合せることなく、単独で用いることも可能
である。例えば、第７図および第８図の実施例におい
て、プロセスチューブ側壁には第９図の従来例と同じヒ
ータを用いた場合にも、ヒータ51を用いたことによる一
定の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、中央部ヒータ、上部ヒータ及び下部
ヒータを互いに独立させ、中央部ヒータを、上部側の単
位面積当たりの発熱量が下部側に比べて小さくなるよう
に構成しているので、上端部エリアでの蓄熱積が補償さ
れ、均一な温度分布が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を説明するための熱処理装
置の加熱炉の構成図、 第２図は、第１図の加熱炉におけるヒータの等価回路
図、 第３図は、第１図の加熱炉の説明図 第4A図及び第4B図は、第３図の熱処理装置におけるヒー
タの構成を、より詳細に示す説明図、 第5A図は第１図の加熱炉におけるヒータの一つの変形例
を示す説明図であり、第5B図はその等価回路図、 第6A図は第１図の加熱炉におけるヒータの他の変形例を
示す説明図であり、第6B図はその等価回路図、 第７図は、本発明の他の実施例を説明するための加熱炉
の説明図、 第８図は、第７図の加熱炉一部を拡大して示す説明図、 第９図は、従来の熱処理装置に採用されている分割タイ
プのヒータを、模式的に示す説明図である。 １…プロセスチューブ、4a…外管 4b…内管、6,8,10,51…ヒータ 10,18,22…電源、24,26,28,30…保持枠 32…断熱材、36…ボート 38…ウエハー、40…保温筒

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ほぼ垂直に設置され被処理物を収容するプ
   ロセスチューブと、このプロセスチューブ内における被
   処理物が配置されるエリアを囲むようにプロセスチュー
   ブの外に設けられた中央部ヒータと、前記被処理物が配
   置されるエリアよりも上方側エリアを含む領域を囲むよ
   うに前記中央部ヒータの上方側に設けられた上部ヒータ
   と、前記被処理物が配置されるエリアよりも下方側エリ
   アを含む領域を囲むように前記中央部ヒータの下方側に
   設けられた下部ヒータと、を備え、 各ヒータは独立して構成されると共に、上部ヒータ及び
   下部ヒータは、中央部ヒータに比べて単位面積当たりの
   発熱量が多くなるように構成され、中央部ヒータは、上
   部側の単位面積当たりの発熱量が下部側に比べて小さく
   なるように構成されていることを特徴とする縦型熱処理
   装置。