JP5512187B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、所定の処理ガス雰囲気下で、反応管内に収容した複数のワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理装置に関する。

所定の処理ガス雰囲気下で、反応管内に収容した複数のワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理装置では、反応管の開放端部に接合されたマニホールドを介して処理ガスの導入および排出が行われる。このような熱処理装置では、反応管の開放端部にフランジ部が設けられており、このフランジ部にＯリング等のシール部材を介してマニホールドが接合されるように構成されるものが多い。

ここで、シール部材は、反応管に比較するとその耐熱温度が低いため、熱処理時にシール部材が耐熱温度（例えば、１５０〜２００℃）以上に昇温することを防止するための工夫が必要となる。このため、従来技術の中には、マニホールド内にウォータージャケットを設ける等して、マニホールドを水冷することによって、シール部材の昇温を防止しようとするものがあった。

ところが、シール部材の昇温を防止するための水冷機構等によってマニホールドの下部の温度が低下し、その結果、炉口付近に反応生成物が付着してしまうといった不具合が発生することがあった。そして、この反応生成物の付着によって、処理空間内におけるパーティクル発生や部材の腐食や金属汚染等の問題が引き起こされることがあった。

このため、従来技術の中には、冷却水をプレヒータによって昇温しつつ循環させるとともに、フランジ部の近傍にヒータを設けることによってフランジ部の近傍を加温する構成を採用するものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

特開平６−２０４２３１号公報

上述の特許文献１に係る技術では、冷却水によってフランジ部を冷却する一方で、同じフランジ部をヒータによって加熱するという構成をとっているため、余分な放熱が発生し易くなり、エネルギーの無駄が発生していると言える。

また、上述の特許文献１に係る技術では、冷却水をプレヒータによって加温しているため、冷却手段の冷却性能が低下し、その結果、フランジ部をシール部材の耐熱温度以下の温度に冷却することができなくなり、シール部材を熱による損傷から保護できなくなる虞もあると言える。

本発明の目的は、エネルギーの無駄を可能なかぎり削減しつつ、シール部材の保護および反応生成物の付着防止の両方を確実に実現することが可能な熱処理装置を提供することである。

本発明に係る熱処理装置は、所定の処理ガス雰囲気下で、反応管内に収容した複数のワークに対して熱処理を行うように構成される。この熱処理装置は、反応管、加熱手段、マニホールド、および冷却ガス供給手段を備える。

反応管は、１方向が開放した有底筒状を呈するとともに、開放端部にフランジ部を有する。加熱手段は、反応管の周面に空間を設けて対向するように配置される。反応管の代表例として、石英プロセスチューブが挙げられる。

マニホールドは、反応管のフランジ部を支持するフランジ支持部を有し、反応管のフランジ部にシール部材を介して接合されるように構成される。マニホールドにおけるフランジ支持部には、冷却ガス供給手段が噴出した冷却ガスを反応管のフランジ部に導くための貫通孔が設けられる。貫通孔は、フランジ支持部の外周から、フランジ部の上部における空間の下部に、水平方向に連通する。ここで、冷却ガスを反応管のフランジ部にあてるように構成する理由は、シール部材の耐熱性を決定づける主な要因は反応管のフランジ部の温度であることを考慮したことによるものである。

冷却ガス供給手段は、マニホールドにおけるフランジ支持部に対して冷却ガスを選択的に噴出可能に構成される。

この構成においては、冷却ガスを直接的に反応管のフランジ部に噴きつけることよって、マニホールドの下部（特に、シール部材よりも下の部分）を冷やすことなく反応管のフランジ部のみを局所的に冷却することが可能になる。このため、放熱量を減らすことが可能となるため、エネルギーの無駄の発生を抑えることが可能になる。

また、Ｏリングを保護するために反応管のフランジ部を冷却する場合に、反応管の炉口付近が過度に冷やされることがなくなる。このため、反応管のフランジ部を冷却することに起因して、反応管の炉口付近に反応生成物が付着するといった不具合の発生を防止することが可能になる。また、必要に応じて、冷却ガスの温度を下げたり、噴出量を増加させたり、より冷却効果の大きい冷却ガスを利用したりするなどして、反応管のフランジ部に対する冷却強度を高めることも可能になる。なお、冷却ガスは使用できる温度範囲が広く、かつ、冷却不要時の冷却停止も行い易い点においても、液体による冷却よりもメリットがあると言える。

本発明によれば、エネルギーの無駄を可能なかぎり削減しつつ、シール部材の保護および反応生成物の付着防止の両方を確実に実現することが可能になる。

本発明の実施形態に係る縦型炉の概略構成を示す図である。 反応管の下部の構成を示す図である。 冷却ガスをアウターチューブ（外管）のフランジ部に供給する構成の一例を示す図である。 冷却ガスをアウターチューブ（外管）のフランジ部に供給する構成の他の例を示す図である。 冷却ガスをアウターチューブ（外管）のフランジ部に供給する構成のさらに他の例を示す図である。 温度検出器の配置の他の例を示す図である。

図１を用いて、本発明の実施形態に係る縦型炉１０の概略を説明する。縦型炉１０は、所定の処理ガス雰囲気下で、反応管内に収容した複数のワーク２４に対して熱処理を行うように構成される。ワーク２４の例としては、半導体ウェハが挙げられるが、ワーク２４の例はこれに限定されるものではない。なお、以下の実施形態では、本発明を縦型炉に適用する例を説明するが、本発明に係る技術思想の適用範囲はこれに限定されない。

縦型炉１０は、熱処理されるべきワークを収納可能なインナーチューブ（内管）１４、およびインナーチューブ（内管）１４を囲むように配置されるアウターチューブ（外管）１２からなる反応管１１を備える。アウターチューブ（外管）１２は、一方向が開放した有底円筒状を呈している。インナーチューブ（内管）１４およびアウターチューブ（外管）１２は共に石英ガラスによって構成されており、熱処理時には開放端側からインナーチューブ（内管）１４内にワーク２４が搬入されるように構成されている。

アウターチューブ（外管）１２の周囲には、ヒータ２０が配置される。ヒータ２０は、ヒータベース２０２に下から支持されるように配置される。ヒータベース２０２は、例えばステンレス鋼材等の部材によって構成される。

また、アウターチューブ（外管）１２およびインナーチューブ（内管）１４の開放面側には、マニホールド１６が接合される。マニホールド１６は、両方向に開放した円筒状を呈している。マニホールド１６は、ガス導入部１６２およびガス排出部１６４を備える。ガス導入部１６２は、図外のガス供給装置に接続されている。一方で、ガス排出部１６４は、圧力制御機構等を介して工場排気系に接続されており、アウターチューブ（外管）１２およびインナーチューブ（内管）１４で形成される空間から反応管１１内のガスを排出するように構成される。この実施形態では、マニホールド１６の素材としてステンレス鋼材を採用しているが、マニホールド１６の素材はこれに限定されるものではない。

マニホールド１６における反応管１１との接合面の反対側は炉口を構成し、この炉口を介して複数のワーク２４を多段状に搭載した石英ボート２２が搬入または搬出される。石英ボート２２は、図外の昇降機構に接続された昇降可能な底蓋１８に搭載されている。底蓋１８には、場合により、石英ボート２２を回転させるための回転機構（図示省略）が設けられているものがある。底蓋１８が、昇降範囲の上限位置まで到達したときに、反応管１１およびマニホールド１６からなる炉体の炉口が閉鎖される。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、反応管１１の下部の構成を示す図である。まず、図２（Ａ）を用いて、反応管１１およびマニホールド１６の接合部の構成を説明する。図２（Ａ）に示すように、マニホールド１６の上部には、アウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２を支持するためのフランジ支持部１６６が設けられる。フランジ支持部１６６は、アウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２を挟持するように配置されたフランジ載置部１６７およびフランジ支持プレート１６８によって構成される。フランジ載置部１６７およびフランジ支持プレート１６８は、図示しないボルト等の締結具によって互いに固定される。さらに、フランジ部１２２とフランジ載置部１６７との間に介在するようにフランジ支持部材１７２が設けられるとともに、フランジ部１２２とフランジ支持プレート１６８との間に介在するようにフランジ支持部材１７０が設けられる。フランジ支持部材１７２およびフランジ支持部材１７０は、Ｏリング１７４およびフランジ部１２２の位置決めを行うように構成される。この実施形態では、フランジ支持部材１７２およびフランジ支持部材１７０としてフッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン等）を用いるとともに、Ｏリング１７４としてフッ素ゴムを用いているが、これらの素材に限定されるものではない。

さらに、図２（Ｂ）に示すように、フランジ支持プレート１６８およびフランジ支持部材１７０には、円周方向に沿って複数配置された貫通孔３３（この実施形態では６つ）が設けられる。この実施形態では、複数の貫通孔３３が等間隔に配置されているが、貫通孔３３の配置はこれに限定されるものではない。

さらに、縦型炉１０は、上述の複数の貫通孔３３を介してアウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２に対して冷却ガスを噴出するための冷却ガス供給手段３１０を備える。冷却ガス供給手段３１０は、冷却ガス供給部３００、冷却制御部３０４、冷却ガス供給管３０、およびノズル３２を少なくとも備える。冷却ガス供給部３００は、冷却制御部３０４の制御のもとに冷却ガス３０２を選択的に出力するように構成される。冷却ガス３０２には、廉価な空気を使用することが可能であり、また必要に応じて窒素やアルゴン等の不活性ガスを使用することも可能である。冷却制御部３０４は、縦型炉１０のメイン制御部からの信号に基づいて冷却ガス供給部３００の動作（例えば、出力する冷却ガスの流量）を制御するように構成される。冷却ガス供給管３０は、冷却ガス供給部３００が出力した冷却ガス３０２をアウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２の周囲に案内するように構成される。ノズル３２は、上述の貫通孔３３に対応する位置に配置されており、冷却ガス供給管３０内の冷却ガスを、貫通孔３３を介して、アウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２に噴き付けるように構成される。

図３に示すように、ノズル３２から噴出した冷却ガスは、貫通孔３３を通過し、アウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２の上面に沿って流れ、その後アウターチューブ（外管）１２の垂直面に沿って上方に流れていく。このため、冷却ガス供給部３００が冷却ガスを出力することにより、アウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２を効果的に冷却することが可能になる。

本実施形態では、冷却制御部３０４は、Ｏリング１７４の近傍に配置された第１の温度検出器１７６、およびフランジ載置部１６７の内周面に配置された第２の温度検出器１７８の検出結果に基づいて、冷却ガス供給部３００が出力すべき冷却ガスの流量を決定している。このため、処理時間以外の炉温が低いとき等のように冷却が不要なときは冷却ガスの供給を停止することが可能である一方で、アウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２を強力に冷却する必要がある場合には、冷却ガス供給部３００が出力する冷却ガスの流量を増加させることが可能である。なお、第１の温度検出器１７６および第２の温度検出器１７８の例としては、熱電対、測温抵抗体、サーモスタッド等が挙げられる。

以上の構成によれば、冷却ガスによって局所的にアウターチューブ（外管）１２のフランジ部１２２を直接的に冷却することが可能になる。また、マニホールド１６の下部（特にＯリング１７４よりも下方の部分）から冷却ジャケットおよび冷却水配管等を排除することが可能になるため、マニホールド１６の下部の内壁温度が炉内温度によって上昇し易くなる。

上述の構成によってマニホールド１６の下部の温度低下の発生が防止されるが、図４に示すように、マニホールド１６の下部に保温材１８２を設置することで、さらに放熱量の削減を図ることが可能となる。また、必要に応じて、マニホールド１６の下部を直接加熱するための電気ヒータ等のヒータ１８０を設けるようにしても良い。このように、ヒータ１８０を設置すれば、処理温度が低く炉内からの熱量が十分でない場合においても、マニホールド１６の下部を必要な温度に保温できる。

さらに、図５に示すように、冷却ガスを循環させるリターン構造を採用することも可能である。この場合には、フランジ支持部１６６に断面視略コ字状の貫通孔３３０を設けるとともに、冷却ガス供給管３５からノズル３４を介して噴出したガスを冷却ガス回収部３７を介して冷却ガス回収管３６に回収するようにすると良い。

このような構成を採用することによって、Ｎ₂ ロードロック構造の炉に冷却ガスとして廉価な空気を用いても、ロードロック部における酸素濃度が上昇することを防止できる。また、ヒータ２０内へのガス拡散を防止することも可能となる。さらに、排出した冷却ガスを再冷却・循環させることで、ガスの消費量を削減することができ、また、ヘリウム等の熱伝導率が高いが高価なガスを使用し易くなる。なお、ここでは説明しなかったが、図４にて説明した保温材１８２またはヒータ１８０の少なくともいずれかを、図５の構成に組み合わせて適用することも可能である。

上述の実施形態では、Ｏリング１７４の近傍の温度を検出する第１の温度検出器１７６、およびフランジ載置部１６７の内周面の温度を検出する第２の温度検出器１７８をそれぞれ配置しているが、図６に示すように、単一の温度検出器１７９によって、Ｏリング１７４の近傍の温度およびフランジ載置部１６７の内周面近傍の温度の両方を検出するようにすることも可能である。

上述の実施形態では、アウターチューブ（外管）１２およびインナーチューブ（内管）１４を有する反応管１１の例を説明したが、本発明の反応管の構成はこれには限定されない。例えば、インナーチューブ（内管）を有しないアウターチューブ（外管）のみの反応管も本発明の反応管の範囲に含まれる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０−縦型炉
１１−反応管
１２−アウターチューブ（外管）
１４−インナーチューブ（内管）
１６−マニホールド
３０−冷却ガス供給管
３２−ノズル部
３００−冷却ガス供給部
３０２−冷却ガス
３０４−冷却制御部

Claims (5)

1. 所定の処理ガス雰囲気下で、反応管内に収容した複数のワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理装置であって、
   １方向が開放した有底筒状を呈するとともに、開放端部にフランジ部を有する反応管と、
   前記反応管の周面に空間を設けて対向するように配置された加熱手段と、
   前記フランジ部を支持するフランジ支持部を有し、前記フランジ部にシール部材を介して下方から接合されるように構成されたマニホールドと、
   前記フランジ支持部に対して冷却ガスを選択的に噴出可能な冷却ガス供給手段と、
   を備え、
   前記フランジ支持部に、前記冷却ガス供給手段が噴出した冷却ガスを前記反応管の前記フランジ部に導くための貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔は、前記フランジ支持部の外周から、前記フランジ部の上部における前記空間の下部に、水平方向に連通する
   熱処理装置。
2. 所定の処理ガス雰囲気下で、反応管内に収容した複数のワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理装置であって、
   １方向が開放した有底筒状を呈するとともに、開放端部にフランジ部を有する反応管と、
   前記反応管の周面に対向するように配置された加熱手段と、
   前記フランジ部を支持するフランジ支持部を有し、前記フランジ部にシール部材を介して下方から接合されるように構成されたマニホールドと、
   前記フランジ支持部に対して冷却ガスを選択的に噴出可能な冷却ガス供給手段と、
   を備え、
   前記フランジ支持部に、前記冷却ガス供給手段が噴出した冷却ガスを前記反応管の前記フランジ部に導くための貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔は、前記フランジ支持部の外周から前記フランジ部の外周面を上下方向に沿って経由して再度前記フランジ支持部の外周に至る略コ字状断面を呈する
   熱処理装置。
3. 前記冷却ガス供給手段は、
   冷却ガスを選択的に出力するように構成された冷却ガス供給部と、
   前記冷却ガス供給部の動作を制御するように構成された冷却制御部と、
   前記冷却ガス供給部が出力した冷却ガスを前記マニホールドにおける前記フランジ支持部の周囲に案内するように構成された冷却ガス供給管と、
   前記冷却ガス供給管内の冷却ガスを前記貫通孔内に噴出するように構成されたノズルと、
   を備えた請求項１又は２に記載の熱処理装置。
4. 前記シール部材の近傍に配置された第１の温度検出器と、前記シール部材より下方の前記マニホールドの内周面に沿って配置された第２の温度検出器と、をさらに備え、
   前記冷却制御部は、前記第１の温度検出器及び前記第２の温度検出器の検出温度に基づいて前記冷却ガスの供給量を制御するように構成された
   請求項３に記載の熱処理装置。
5. 前記マニホールドにおける前記シール部材の下方の外周面に、保温材を設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱処理装置。

Images