熱処理炉の強制空冷装置
【構成】 ヒータ部１４の開口端部に複数の吸気口３２を設けるとともに、上面に排気口３４を設け、この排気口３４に接続された排気手段３６でプロセスチューブ１２とヒータ部１４との間の空隙１６の空気を排気することによってこの空隙１６に空気を流通させ、これにより熱処理炉１０の冷却を行う。
【効果】 空隙１６を流れる空気の流れ抵抗を低減することができるので、空気の流量を増大させることができ、したがって、冷却速度を速くすることができる。また、空隙１６を流れる空気の偏りを低減させることができるので、熱処理炉１０全体を均一に冷却することができる。
【効果】 空隙１６を流れる空気の流れ抵抗を低減することができるので、空気の流量を増大させることができ、したがって、冷却速度を速くすることができる。また、空隙１６を流れる空気の偏りを低減させることができるので、熱処理炉１０全体を均一に冷却することができる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子の製造工程等において使用される熱処理炉を空冷するための、熱処理炉の強制空冷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の熱処理炉の強制冷却装置について、半導体素子の製造工程において使用される熱処理装置の強制冷却装置を例に採って説明する。
【０００３】かかる熱処理装置では、所定の処理ガス下で半導体ウエハを加熱することにより、例えば、半導体ウエハへの酸化膜の形成や、熱ＣＶＤ法による薄膜形成、或いは、熱拡散法による高不純物濃度領域の形成などが行われる。
【０００４】また、かかる装置では、通常、このような処理を行った後、一旦プロセスチューブ内の温度を所定の温度まで冷却した後に、半導体ウエハの搬出を行っている。これは、高温の半導体ウエハをそのまま装置外に搬出すると、半導体ウエハの表面に自然酸化膜が形成されてしまい、この半導体ウエハから半導体素子を製造する際の歩留まり低下や、製造された半導体素子の特性悪化の原因となるからである。
【０００５】また、近年、集積回路は高速化、高集積化の度合いが高まり、拡散深さを浅くする傾向にあるため、拡散の精度を向上させ、再現性よく拡散深さを制御することが求められている。このように、浅い拡散深さを制御するためには、被処理体である半導体ウエハを、短時間で所定温度まで上昇させるとともに、所定の温度保持時間および温度降下時間を同じプログラムで再現することが必要である。
【０００６】プロセスチューブ内の冷却を急速且つ均一に行うための技術としては、例えば実開昭６３−１２１４２９号公報に開示されたものや、実公昭６３−８１２８号公報に開示されたものがある。
【０００７】実開昭６３−１２１４２９号公報に開示された装置は、プロセスチューブに沿って形成した螺旋状の気流によって、このプロセスチューブの冷却を行うものである。
【０００８】また、実公昭６３−８１２８号公報に開示された装置は、加熱コイルとプロセスチューブとの間に冷却用圧縮空気を供給するための空気噴出用パイプを１または複数設けるとともに、反対の炉口から空気を排出するための排気管を複数設けるものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これらの技術によっても、冷却速度、均一性共に十分ではなかった。
【００１０】実開昭６３−１２１４２９号公報に開示された装置では、現実には、プロセスチューブに沿って螺旋状の気流を形成することは困難である。また、仮に、導入した空気を螺旋状に流すためのガイド手段を設けること等により螺旋状の気流を形成することができたとしても、気流の流れ抵抗が大きくなるので十分な冷却速度は期待できず、また、装置が複雑となってしまう。
【００１１】一方、実公昭６３−８１２８号公報に開示された装置は、冷却用空気の供給、排出ともにパイプを用いていることより、気流のむらが生じ易く、冷却の均一性の向上に限界がある。また、この装置では、冷却用空気の供給を強制的に行い、排気は強制的には行っていないが、この点でも、均一な気流を発生させることは困難である。さらに、同様の問題点を持つものとして特開平２−９４６２６号公報及び特開昭３−２２４２１７号公報に開示されたものがある。
【００１２】本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて試されたものであり、熱処理炉冷却を急速且つ均一に行うことができる熱処理炉の強制空冷装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱処理炉の強制空冷装置は、一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための、排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を具備することを特徴とする。
【００１４】かかる熱処理炉の強制空冷装置は、前記吸気口を塞ぐシャッタ手段と、前記排気口を塞ぐシャッタ手段と、をさらに具備することが望ましい。
【００１５】また請求項３においては、一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記吸気口に挿入したノズルと、前記吸気口に空気を供給する給気手段と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための、排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を具備することを特徴とする。
【００１６】かかる熱処理炉の強制空冷装置は、前記排気口を塞ぐシャッタ手段と、をさらに具備することが望ましい。
【００１７】
【作用】ヒータ部の開口端部に複数の吸気口を設けるとともに上面に排気口を設け、この排気口に接続された排気手段でプロセスチューブとヒータ部との間の空隙の空気を排気することによってこの空隙に空気を流通させ、これにより熱処理炉の冷却を行う。
【００１８】かかる構成によれば、プロセスチューブとヒータ部との間の空隙を流れる空気の流れ抵抗を低減することができるので、空気の流量を増大させることができ、したがって、冷却速度を速くすることができる。
【００１９】また、プロセスチューブとヒータ部との間の空隙を流れる空気の偏りを低減させることができるので、熱処理炉全体を均一に冷却することができる。
【００２０】さらに、吸気口を塞ぐシャッタ手段および排気口を塞ぐシャッタ手段を設けることにより、加熱処理時の空隙と外部との間の空気の流入および流出を防止することができるので、加熱効率および加熱の均一性を向上させることができる。
【００２１】また、請求項３においては、吸気口にノズルを挿入し、また、吸気口に空気を供給する給気手段が設けられている。従って、これにより熱処理炉でバッチ処理されるウエハ間の空冷処理の均一性の向上を図ることができる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明に係わる熱処理装置の強制空冷装置の第１実施例について、縦型熱処理装置の場合を例に採って説明する。
【００２３】図１において、本発明の第１実施例の熱処理炉１０は、基台１に取付けたプロセスチューブ１２とヒータ部１４とを有している。また、このプロセスチューブ１２とヒータ部１４との間には、空隙１６が設けられている。
【００２４】プロセスチューブ１２は、例えば石英等によって構成されている。このプロセスチューブ１２には、下方の開口１２ａから、下部に保温筒２１を持つウエハボート１８が挿入される。なお、このウエハボート１８は、半導体ウエハＷ（図示せず）を板厚方向に多数枚（例えば２５〜１５０枚）収納できるように構成されている。
【００２５】また、このプロセスチューブ１２の下方の開口１２ａは、ウエハボート１８を挿入した際に、保温筒２１の下方に設けた蓋体２０によって封止密閉される。これにより、このプロセスチューブ１２をその下部に設けた排気管２４を用いて真空引きし、さらに排気管２４からの排気を行いつつガス導入管２２から所定の処理ガスをプロセスチューブ１２内に導入を行なうことが可能となる。
【００２６】プロセスチューブ１２を覆うヒータ部１４は、加熱機構（例えば加熱コイル）２６と、この加熱機構２６をこれを密着して覆う断熱体２８とを有している。加熱機構２６としては、例えば、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）を用いて形成した抵抗発熱体（コイル）を使用することができる。かかる発熱抵抗体は５０〜１００℃／分の急激な温度上昇が可能であり、プロセスチューブ１２内の加熱速度を飛躍的に向上させることが可能である。
【００２７】かかる熱処理炉１０の上部には、強制空冷装置３０が設けられている。この強制空冷装置３０は、ヒータ部１４の開口端部の炉口部に円周上に設けられた吸気ダクト３３に形成された複数の吸気口３２および熱処理炉１０の上部に設けられた排気口３４と、この排気口３４に接続された熱交換器４４と、排気手段としての排気用ファン３６とを具備している。
【００２８】吸気口３２は、プロセスチューブ１２とヒータ部１４との間に設けられた空隙１６の下端部（開口端部）から装置外の空気を流入させるために設けられたものである。かかる吸気口３２は、外気と連通し、円周方向に等間隔で複数設けられた吸気開口３２ａと、ヒータ部１４の下端部に前記空隙１６に臨んで設けられた連通口３２ｂと空気導入口３２ｃとから構成されている。このように、吸気口３２は、ヒータ部１４の開口端部に、等間隔に配置することが望ましい。
【００２９】本第１実施例では、かかる吸気口３２を吸気ダクト３３内に複数個設けることとしたので、後述する排気口３４とともに作用して、空隙１６の全域に均一に空気を流通させることができ、したがって、熱処理炉１０の冷却の均一性を向上させることができる。さらに、吸気口３２を複数個設けることとした場合、空気の流れ抵抗を小さくすることができるので、冷却速度を向上させることもできる。
【００３０】本第１実施例では、この吸気開口３２ａの数を、１６個とした。これにより、熱処理炉１０の冷却の、充分な均一性および速度を得ることができた。
【００３１】なお、この吸気口３２は、例えば吸気開口３２ａのみを複数設け、連通口３２ｂや空気導入口３２ｃを吸気ダクト３３の内部で互いに連通させる構成としてもよい。
【００３２】また、排気口３４は、空隙１６内の空気を自然吸入して装置外に流出させるために設けられたものである。この排気口３４は、ヒータ部１４の上面１４ａの中央部（炉頂部１０ｂ）に設けることが望ましい。これにより、プロセスチューブ１２の頂面１２ｂ付近およびヒータ部１４の内側上面１４ａ付近との温度差を少なくして冷却の均一性を十分に保証することが可能となる。すなわち、複数の吸気口３２からそれぞれ導入され、空隙１６内をプロセスチューブ１２の外周面に沿って下方から上方に流れた空気は、排気口３４によって１ケ所に集められて排気されるので、プロセスチューブ１２の外周面を流れるときに気流のむらが生じにくく、プロセスチューブ１２ひいては熱処理炉１０の均一な冷却が可能となる。
【００３３】なお、排気口から流出された空気は、工場内の温度の上昇を防止するために、熱交換器４４で冷却された後、排気ダクト４８から排気ファン５０により工場外へ排気される。
【００３４】この排気口３４の下流に接続された排気用ファン３６は、熱処理炉１０の空隙１６内の空気を装置外へ排気するために使用される。また、このようにして空隙１６内の空気を排気することとすれば、この排気用ファン３６による負圧の作用により、装置外の空気を吸気口３２より空隙１６に流入させることもできる。すなわち、本第１実施例の強制空冷装置では、排気用ファン３６を用いて、装置外の空気を吸気口３２より空隙１６内に流入させ、さらに、この空隙１６内の空気を排気口３４から装置外へ流出させることにより、空隙１６内で空気を流通させ、これによって熱処理炉１０の冷却を行う。
【００３５】なお、排気口３４からの排気のみを排気用ファン３６を用いて強制的に行なうこととし、吸気口３２には強制的に吸気を行うための手段（以下、「吸気手段」と称す）を設けないこととしたのは、以下の理由によるものである。
【００３６】排気口３４に排気用ファン３６を接続し、さらに、吸気口３２にも強制的に吸気手段を設けることとすると、排気用ファン３６が故障する等して吸気する空気量よりも排気する空気量の方が少なくなったときに、吸気手段を用いて空隙１６内に強制的に導入された空気により空隙内の気圧が上昇する。そして、最後には、空隙１６内の空気は、装置の隙間から装置外へ排出されることとなる。ここで、この空気漏れは、ダスト発生の原因になるので、半導体素子の歩留まりを低下させてしまうのである。
【００３７】これに対して、排気口３４からの排気のみを強制的に行なうこととした場合には、仮にこの排気用ファン３６が故障しても、空隙１６内で空気を流通させることができないだけなので、熱処理炉１０の冷却が行われないだけであり、上述のようなダストの発生はない。
【００３８】さらに、本第１実施例では、圧縮空気を供給してこの空気の正圧の作用によって排気を行うのではなく、上述のように、排気用ファン３６によって強制的に排気を行ってこの排気による負圧の作用で吸気口３２からの吸気を行うこととした。これにより、空隙１６内の気流のむらをさらに減少させることが可能となる。
【００３９】また、本第１実施例の強制空冷装置は、吸気口３２を塞ぐシャッタ手段３８および排気口３４を塞ぐシャッタ手段４０を具備している。なお、ここで、吸気口３２のシャッタ手段３８は例えばステンレススチールおよびテフロンによって構成され、また、排気口３４のシャッタ手段４０は、例えば石英等によって構成される。
【００４０】本第１実施例では、熱処理炉１０の空冷を行っていないとき、特に、加熱機構２６を用いてプロセスチューブ１２内を加熱しているときに、これらのシャッタ手段３８，４０を用いて吸気口３２および排気口３４を塞ぐこととする。
【００４１】この吸気口シャッタ手段３８は、図２（ａ）に示すように、リング状の回転円盤に、上述の吸気開口３２ａと同数の開口３８ａを等間隔で設けることによって構成されている。かかる構成によれば、このシャッタ手段３８を一方の方向（ここでは、図２にＡで示した方向とする）に一定の角度だけエアシリンダ３９とリンク機構３９ａにより回転させることにより、シャッタ手段３８は吸気ダクト３３に形成した円環状溝に沿って回動し各吸気開口３２ａを同時に開くことができる。また、シャッタ手段３８を逆方向（ここではＢで示した方向）にエアシリンダ３９により回転させることにより、各吸気開口３２ａを一時に閉じることができる。
【００４２】また、排気口３４のシャッタ手段４０は、図２（ｂ）に示すように、ケーシング４１に軸止した支点軸４２によって支持されている。この支点軸４２を回転中心としてエアシリンダ４３とシリンダロット４３ａとにより矢印方向に回転させることにより排気口３４の開閉を行えるように構成されている。
【００４３】なお、このシャッタ手段４０は、図２（ｃ）に示すように、エアシリンダ４３とシリンダロット４３ａにより前後に扇動することにより開閉を行う構造にしてもよい。
【００４４】シャッタ手段３８を用いて吸気口３２を塞ぐことにより、プロセスチューブ１２内を加熱しているときにこの吸気口３２から空隙１６内の高温の空気が流出したり外部の低温の空気が空隙１６内に流入したりすることを防止でき、これによって、加熱効率の低下や温度の均一性の乱れが生じることを防止することができる。
【００４５】また図１に示すように、排気口３４から流出した空気は、通常、上述の熱交換器４４で冷却された後、工場内の排気システム４６の排気ダクト４８に送られ、排気ファン５０によって、他の装置の排気とともに工場外へ排出される。本発明者の検討によれば、このような排気システム４６に排気口３４が接続されている場合には、たとえ排気用ファン３６を停止させていても、排気口３４から少量の空気が流出してしまうことが解った。このような空気の流出は、吸気口３２の場合と同様、加熱効率の低下や温度の均一性の乱れの原因となる。したがって、排気口３４にもシャッタ手段４０を設け、かかる空気の流出を防止することにより、加熱中の放熱を防止することとしたのである。
【００４６】次に、図１に示した縦型熱処理装置の動作について説明する。
【００４７】■シャッタ手段３８，４０を閉じ、吸気口３２および排気口３４を塞ぐ。
【００４８】■次に、半導体ウエハＷを収納したウエハボート１８を、図示していない搬入手段によって上昇させ、プロセスチューブ１２内に挿入する。
【００４９】■その後、ガス導入管２２により処理ガスを導入しながら、ガス排気管２４を用いてプロセスチューブ１２内のガスを排出する。
【００５０】■加熱機構２６を用いてプロセスチューブ１２内を例えば６００℃から１０００℃に加熱することにより、半導体ウエハＷに所望の処理を行なう。このとき、吸気口３２および排気口３４はシャッタ手段３８，４０によって塞がれているので、上述したように、熱処理炉１０の加熱効率は優れており、温度の均一性の乱れが生じるもない。また、例えば二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）を用いて形成した抵抗発熱体を使用することにより、急速な加熱を行うことが可能である。
【００５１】■処理が終了すると、加熱機構２６のスイッチをＯＦＦにしてＮ2 ガス等のパージガスをプロセスチューブ１２内に導入してパージを行う。この間Ｎ2 ガスは流し放し（例えば２０〜３０リットル〜分）にしておく。ついで、シャッタ手段３８，４０を開き、吸気口３２と、排気口３４とを開放し、次に、排気用ファン３６を駆動させる。これにより、装置外の空気を吸気口３２より空隙１６内に流入させ、さらに、この空隙１６内の空気を排気口３４から装置外へ流出させることにより、空隙１６内で空気を流通させることができ、熱処理炉１０の冷却を急速かつ均一に行なうことができる。
【００５２】■プロセスチューブ１２内の温度が所定の温度まで低下すると、ウエハボート１８を下降させ、処理後の半導体ウエハＷをプロセスチューブ１２内から取り出す。
【００５３】以上説明したような本第１実施例の熱処理炉の強制空冷装置によれば、プロセスチューブ１２とヒータ部１４との間の空隙１６を流れる空気の流れ抵抗を低減することができるので、空気の流量を増大させることができ、したがって、熱処理炉１０の冷却速度を速くすることができる。本発明者の検討によれば、例えば半導体ウエハ上で測定して１０００℃〜６００℃の温度降下範囲で、さらに、全処理ウエハ間の温度差２０℃以内で５０℃／分の高速冷却が可能となった。
【００５４】また、プロセスチューブ１２とヒータ部１４との間の空隙を流れる空気の偏りを低減させることができるので、プロセスチューブ１２全体を均一に冷却することができる。
【００５５】さらに、シャッタ手段３８，４０を吸気口３２と排気口３４に設けたことにより、加熱機構２６によってプロセスチューブ１２内を加熱する際の、加熱効率の低下や温度の均一性の乱れを防止することができる。
【００５６】なお、以上説明した第１実施例では、本発明の熱処理装置について、縦型熱処理装置を例に採って説明したが、横型の熱処理装置においても同様の効果を得ることができるのはもちろんである。
【００５７】次に本発明の熱処理炉の強制空冷装置の第２実施例について、図３を参照しつつ縦型熱処理装置にこれを搭載した場合を例にとって説明する。
【００５８】図１に示した本発明の第１実施例の熱処理炉の強制空冷装置では、排気ファンによる自然吸入方式のたためプロセスチューブの縦方向でその冷却速度が不均一となり、特に炉口付近のプロセスチューブが冷え過ぎる傾向がある。
【００５９】そこで、本発明の熱処理炉の強制冷却装置の第２実施例では、基本的な構成は第１実施例の強制空冷装置と同一であるが、図３に示すように、第１実施例の空気導入口３２ｃにノズル５１を挿入するとともに、シャッタ手段３８をダクト３３に固定するとともに吸気口３２にブロワー５２を接続して強制的に空気を炉内に押し込んで熱処理炉１０の強制空冷を促進するようにした。
【００６０】すなわち、この第２実施例のものでは、図３R>３に示すように、ダクト３３に形成した空気導入口３２ｃにノズル５１を８本等間隔で挿入して空隙１６内にまんべんなく空気を噴出させプロセスチューブ１２に沿って上昇するようにする。このノズル５１は石英等からなり、例えば２５ｍｍ×１２ｍｍの楕円形断面を有し、その長さは縦方向に均一性を得るために、変えられる構造で、例えば２００ｍｍ程度とする。
【００６１】また、ノズル５１は円形断面であっても良いのは当然である。
【００６２】さらに、ダクト３３の上面に固定した円環状をしたシャッタ手段３８には１ヵ所開口が設けられこれに送入管５３を介してブロワー５２が接続されている。この構成によりブロワー５２の回転により強制的に空気が吸気口３２に押し込まれ、ノズル５１からプロセスチューブ１２と加熱機構２６戸の間に形成された空隙１６内に噴出され、プロセスチューブ１２に沿って均一な強制空冷が促進される。 そこで、本発明の強制空冷装置の第２実施例の動作について説明する。強制空冷に際しては、まず、加熱機構２６のスイッチをＯＦＦとし、ついで排気口３４のシャッタ手段４０を開く。そして、排気ファン３６を駆動させてから、数秒後にブロワー５２を駆動させて、吸気口３２に空気を押し込みノズル５１から空気を所定時間噴出させてプロセスチューブ１２の強制空冷を行う。その後、ウエハボート１８を下降させて、処理済みの半導体ウエハＷをプロセスチューブ１２から取出す。
【００６３】この本発明の第２実施例の空冷装置によると、縦方向の全処理ウエハ間の冷却の均一性が第１実施例に比べて約３０％改善することができた。
【００６４】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の熱処理炉の強制空冷装置によれば、熱処理炉冷却を急速且つ均一に行うことができる熱処理炉の強制空冷装置を提供することができる。
【００６５】また、シャッタ手段を設けたことにより、加熱機構によってプロセスチューブ内を加熱する際の加熱効率の低下や温度の均一性の乱れを防止することができる。 また、ノズル及び、給気手段を設けることにより、熱処理炉でバッチ処理されるウエハ間の空冷処理の均一性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係わる熱処理炉の強制空冷装置を搭載した縦型熱処理装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は吸気口に設けたシャッタ手段の構成を示す上面図、図２（ｂ）および（ｃ）は排気口に設けたシャッタ手段の構成を示す上面図である。
【図３】図３は本発明の第２実施例の熱処理炉の強制空冷装置を搭載した縦型熱処理装置の構成を概略的に示す縦断断面図である。
【符号の説明】
１０ 熱処理炉
１２ プロセスチューブ
１４ ヒータ部
１６ 空隙
１８ ウエハボート
２６ 加熱機構
２８ 断熱体
３０ 強制空冷装置
３２ 吸気口
３４ 排気口
３６ 排気用ファン
３８，４０ シャッタ手段
４４ 熱交換器
４６ 排気システム
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子の製造工程等において使用される熱処理炉を空冷するための、熱処理炉の強制空冷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の熱処理炉の強制冷却装置について、半導体素子の製造工程において使用される熱処理装置の強制冷却装置を例に採って説明する。
【０００３】かかる熱処理装置では、所定の処理ガス下で半導体ウエハを加熱することにより、例えば、半導体ウエハへの酸化膜の形成や、熱ＣＶＤ法による薄膜形成、或いは、熱拡散法による高不純物濃度領域の形成などが行われる。
【０００４】また、かかる装置では、通常、このような処理を行った後、一旦プロセスチューブ内の温度を所定の温度まで冷却した後に、半導体ウエハの搬出を行っている。これは、高温の半導体ウエハをそのまま装置外に搬出すると、半導体ウエハの表面に自然酸化膜が形成されてしまい、この半導体ウエハから半導体素子を製造する際の歩留まり低下や、製造された半導体素子の特性悪化の原因となるからである。
【０００５】また、近年、集積回路は高速化、高集積化の度合いが高まり、拡散深さを浅くする傾向にあるため、拡散の精度を向上させ、再現性よく拡散深さを制御することが求められている。このように、浅い拡散深さを制御するためには、被処理体である半導体ウエハを、短時間で所定温度まで上昇させるとともに、所定の温度保持時間および温度降下時間を同じプログラムで再現することが必要である。
【０００６】プロセスチューブ内の冷却を急速且つ均一に行うための技術としては、例えば実開昭６３−１２１４２９号公報に開示されたものや、実公昭６３−８１２８号公報に開示されたものがある。
【０００７】実開昭６３−１２１４２９号公報に開示された装置は、プロセスチューブに沿って形成した螺旋状の気流によって、このプロセスチューブの冷却を行うものである。
【０００８】また、実公昭６３−８１２８号公報に開示された装置は、加熱コイルとプロセスチューブとの間に冷却用圧縮空気を供給するための空気噴出用パイプを１または複数設けるとともに、反対の炉口から空気を排出するための排気管を複数設けるものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これらの技術によっても、冷却速度、均一性共に十分ではなかった。
【００１０】実開昭６３−１２１４２９号公報に開示された装置では、現実には、プロセスチューブに沿って螺旋状の気流を形成することは困難である。また、仮に、導入した空気を螺旋状に流すためのガイド手段を設けること等により螺旋状の気流を形成することができたとしても、気流の流れ抵抗が大きくなるので十分な冷却速度は期待できず、また、装置が複雑となってしまう。
【００１１】一方、実公昭６３−８１２８号公報に開示された装置は、冷却用空気の供給、排出ともにパイプを用いていることより、気流のむらが生じ易く、冷却の均一性の向上に限界がある。また、この装置では、冷却用空気の供給を強制的に行い、排気は強制的には行っていないが、この点でも、均一な気流を発生させることは困難である。さらに、同様の問題点を持つものとして特開平２−９４６２６号公報及び特開昭３−２２４２１７号公報に開示されたものがある。
【００１２】本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて試されたものであり、熱処理炉冷却を急速且つ均一に行うことができる熱処理炉の強制空冷装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱処理炉の強制空冷装置は、一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための、排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を具備することを特徴とする。
【００１４】かかる熱処理炉の強制空冷装置は、前記吸気口を塞ぐシャッタ手段と、前記排気口を塞ぐシャッタ手段と、をさらに具備することが望ましい。
【００１５】また請求項３においては、一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記吸気口に挿入したノズルと、前記吸気口に空気を供給する給気手段と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための、排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を具備することを特徴とする。
【００１６】かかる熱処理炉の強制空冷装置は、前記排気口を塞ぐシャッタ手段と、をさらに具備することが望ましい。
【００１７】
【作用】ヒータ部の開口端部に複数の吸気口を設けるとともに上面に排気口を設け、この排気口に接続された排気手段でプロセスチューブとヒータ部との間の空隙の空気を排気することによってこの空隙に空気を流通させ、これにより熱処理炉の冷却を行う。
【００１８】かかる構成によれば、プロセスチューブとヒータ部との間の空隙を流れる空気の流れ抵抗を低減することができるので、空気の流量を増大させることができ、したがって、冷却速度を速くすることができる。
【００１９】また、プロセスチューブとヒータ部との間の空隙を流れる空気の偏りを低減させることができるので、熱処理炉全体を均一に冷却することができる。
【００２０】さらに、吸気口を塞ぐシャッタ手段および排気口を塞ぐシャッタ手段を設けることにより、加熱処理時の空隙と外部との間の空気の流入および流出を防止することができるので、加熱効率および加熱の均一性を向上させることができる。
【００２１】また、請求項３においては、吸気口にノズルを挿入し、また、吸気口に空気を供給する給気手段が設けられている。従って、これにより熱処理炉でバッチ処理されるウエハ間の空冷処理の均一性の向上を図ることができる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明に係わる熱処理装置の強制空冷装置の第１実施例について、縦型熱処理装置の場合を例に採って説明する。
【００２３】図１において、本発明の第１実施例の熱処理炉１０は、基台１に取付けたプロセスチューブ１２とヒータ部１４とを有している。また、このプロセスチューブ１２とヒータ部１４との間には、空隙１６が設けられている。
【００２４】プロセスチューブ１２は、例えば石英等によって構成されている。このプロセスチューブ１２には、下方の開口１２ａから、下部に保温筒２１を持つウエハボート１８が挿入される。なお、このウエハボート１８は、半導体ウエハＷ（図示せず）を板厚方向に多数枚（例えば２５〜１５０枚）収納できるように構成されている。
【００２５】また、このプロセスチューブ１２の下方の開口１２ａは、ウエハボート１８を挿入した際に、保温筒２１の下方に設けた蓋体２０によって封止密閉される。これにより、このプロセスチューブ１２をその下部に設けた排気管２４を用いて真空引きし、さらに排気管２４からの排気を行いつつガス導入管２２から所定の処理ガスをプロセスチューブ１２内に導入を行なうことが可能となる。
【００２６】プロセスチューブ１２を覆うヒータ部１４は、加熱機構（例えば加熱コイル）２６と、この加熱機構２６をこれを密着して覆う断熱体２８とを有している。加熱機構２６としては、例えば、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）を用いて形成した抵抗発熱体（コイル）を使用することができる。かかる発熱抵抗体は５０〜１００℃／分の急激な温度上昇が可能であり、プロセスチューブ１２内の加熱速度を飛躍的に向上させることが可能である。
【００２７】かかる熱処理炉１０の上部には、強制空冷装置３０が設けられている。この強制空冷装置３０は、ヒータ部１４の開口端部の炉口部に円周上に設けられた吸気ダクト３３に形成された複数の吸気口３２および熱処理炉１０の上部に設けられた排気口３４と、この排気口３４に接続された熱交換器４４と、排気手段としての排気用ファン３６とを具備している。
【００２８】吸気口３２は、プロセスチューブ１２とヒータ部１４との間に設けられた空隙１６の下端部（開口端部）から装置外の空気を流入させるために設けられたものである。かかる吸気口３２は、外気と連通し、円周方向に等間隔で複数設けられた吸気開口３２ａと、ヒータ部１４の下端部に前記空隙１６に臨んで設けられた連通口３２ｂと空気導入口３２ｃとから構成されている。このように、吸気口３２は、ヒータ部１４の開口端部に、等間隔に配置することが望ましい。
【００２９】本第１実施例では、かかる吸気口３２を吸気ダクト３３内に複数個設けることとしたので、後述する排気口３４とともに作用して、空隙１６の全域に均一に空気を流通させることができ、したがって、熱処理炉１０の冷却の均一性を向上させることができる。さらに、吸気口３２を複数個設けることとした場合、空気の流れ抵抗を小さくすることができるので、冷却速度を向上させることもできる。
【００３０】本第１実施例では、この吸気開口３２ａの数を、１６個とした。これにより、熱処理炉１０の冷却の、充分な均一性および速度を得ることができた。
【００３１】なお、この吸気口３２は、例えば吸気開口３２ａのみを複数設け、連通口３２ｂや空気導入口３２ｃを吸気ダクト３３の内部で互いに連通させる構成としてもよい。
【００３２】また、排気口３４は、空隙１６内の空気を自然吸入して装置外に流出させるために設けられたものである。この排気口３４は、ヒータ部１４の上面１４ａの中央部（炉頂部１０ｂ）に設けることが望ましい。これにより、プロセスチューブ１２の頂面１２ｂ付近およびヒータ部１４の内側上面１４ａ付近との温度差を少なくして冷却の均一性を十分に保証することが可能となる。すなわち、複数の吸気口３２からそれぞれ導入され、空隙１６内をプロセスチューブ１２の外周面に沿って下方から上方に流れた空気は、排気口３４によって１ケ所に集められて排気されるので、プロセスチューブ１２の外周面を流れるときに気流のむらが生じにくく、プロセスチューブ１２ひいては熱処理炉１０の均一な冷却が可能となる。
【００３３】なお、排気口から流出された空気は、工場内の温度の上昇を防止するために、熱交換器４４で冷却された後、排気ダクト４８から排気ファン５０により工場外へ排気される。
【００３４】この排気口３４の下流に接続された排気用ファン３６は、熱処理炉１０の空隙１６内の空気を装置外へ排気するために使用される。また、このようにして空隙１６内の空気を排気することとすれば、この排気用ファン３６による負圧の作用により、装置外の空気を吸気口３２より空隙１６に流入させることもできる。すなわち、本第１実施例の強制空冷装置では、排気用ファン３６を用いて、装置外の空気を吸気口３２より空隙１６内に流入させ、さらに、この空隙１６内の空気を排気口３４から装置外へ流出させることにより、空隙１６内で空気を流通させ、これによって熱処理炉１０の冷却を行う。
【００３５】なお、排気口３４からの排気のみを排気用ファン３６を用いて強制的に行なうこととし、吸気口３２には強制的に吸気を行うための手段（以下、「吸気手段」と称す）を設けないこととしたのは、以下の理由によるものである。
【００３６】排気口３４に排気用ファン３６を接続し、さらに、吸気口３２にも強制的に吸気手段を設けることとすると、排気用ファン３６が故障する等して吸気する空気量よりも排気する空気量の方が少なくなったときに、吸気手段を用いて空隙１６内に強制的に導入された空気により空隙内の気圧が上昇する。そして、最後には、空隙１６内の空気は、装置の隙間から装置外へ排出されることとなる。ここで、この空気漏れは、ダスト発生の原因になるので、半導体素子の歩留まりを低下させてしまうのである。
【００３７】これに対して、排気口３４からの排気のみを強制的に行なうこととした場合には、仮にこの排気用ファン３６が故障しても、空隙１６内で空気を流通させることができないだけなので、熱処理炉１０の冷却が行われないだけであり、上述のようなダストの発生はない。
【００３８】さらに、本第１実施例では、圧縮空気を供給してこの空気の正圧の作用によって排気を行うのではなく、上述のように、排気用ファン３６によって強制的に排気を行ってこの排気による負圧の作用で吸気口３２からの吸気を行うこととした。これにより、空隙１６内の気流のむらをさらに減少させることが可能となる。
【００３９】また、本第１実施例の強制空冷装置は、吸気口３２を塞ぐシャッタ手段３８および排気口３４を塞ぐシャッタ手段４０を具備している。なお、ここで、吸気口３２のシャッタ手段３８は例えばステンレススチールおよびテフロンによって構成され、また、排気口３４のシャッタ手段４０は、例えば石英等によって構成される。
【００４０】本第１実施例では、熱処理炉１０の空冷を行っていないとき、特に、加熱機構２６を用いてプロセスチューブ１２内を加熱しているときに、これらのシャッタ手段３８，４０を用いて吸気口３２および排気口３４を塞ぐこととする。
【００４１】この吸気口シャッタ手段３８は、図２（ａ）に示すように、リング状の回転円盤に、上述の吸気開口３２ａと同数の開口３８ａを等間隔で設けることによって構成されている。かかる構成によれば、このシャッタ手段３８を一方の方向（ここでは、図２にＡで示した方向とする）に一定の角度だけエアシリンダ３９とリンク機構３９ａにより回転させることにより、シャッタ手段３８は吸気ダクト３３に形成した円環状溝に沿って回動し各吸気開口３２ａを同時に開くことができる。また、シャッタ手段３８を逆方向（ここではＢで示した方向）にエアシリンダ３９により回転させることにより、各吸気開口３２ａを一時に閉じることができる。
【００４２】また、排気口３４のシャッタ手段４０は、図２（ｂ）に示すように、ケーシング４１に軸止した支点軸４２によって支持されている。この支点軸４２を回転中心としてエアシリンダ４３とシリンダロット４３ａとにより矢印方向に回転させることにより排気口３４の開閉を行えるように構成されている。
【００４３】なお、このシャッタ手段４０は、図２（ｃ）に示すように、エアシリンダ４３とシリンダロット４３ａにより前後に扇動することにより開閉を行う構造にしてもよい。
【００４４】シャッタ手段３８を用いて吸気口３２を塞ぐことにより、プロセスチューブ１２内を加熱しているときにこの吸気口３２から空隙１６内の高温の空気が流出したり外部の低温の空気が空隙１６内に流入したりすることを防止でき、これによって、加熱効率の低下や温度の均一性の乱れが生じることを防止することができる。
【００４５】また図１に示すように、排気口３４から流出した空気は、通常、上述の熱交換器４４で冷却された後、工場内の排気システム４６の排気ダクト４８に送られ、排気ファン５０によって、他の装置の排気とともに工場外へ排出される。本発明者の検討によれば、このような排気システム４６に排気口３４が接続されている場合には、たとえ排気用ファン３６を停止させていても、排気口３４から少量の空気が流出してしまうことが解った。このような空気の流出は、吸気口３２の場合と同様、加熱効率の低下や温度の均一性の乱れの原因となる。したがって、排気口３４にもシャッタ手段４０を設け、かかる空気の流出を防止することにより、加熱中の放熱を防止することとしたのである。
【００４６】次に、図１に示した縦型熱処理装置の動作について説明する。
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】以上説明したような本第１実施例の熱処理炉の強制空冷装置によれば、プロセスチューブ１２とヒータ部１４との間の空隙１６を流れる空気の流れ抵抗を低減することができるので、空気の流量を増大させることができ、したがって、熱処理炉１０の冷却速度を速くすることができる。本発明者の検討によれば、例えば半導体ウエハ上で測定して１０００℃〜６００℃の温度降下範囲で、さらに、全処理ウエハ間の温度差２０℃以内で５０℃／分の高速冷却が可能となった。
【００５４】また、プロセスチューブ１２とヒータ部１４との間の空隙を流れる空気の偏りを低減させることができるので、プロセスチューブ１２全体を均一に冷却することができる。
【００５５】さらに、シャッタ手段３８，４０を吸気口３２と排気口３４に設けたことにより、加熱機構２６によってプロセスチューブ１２内を加熱する際の、加熱効率の低下や温度の均一性の乱れを防止することができる。
【００５６】なお、以上説明した第１実施例では、本発明の熱処理装置について、縦型熱処理装置を例に採って説明したが、横型の熱処理装置においても同様の効果を得ることができるのはもちろんである。
【００５７】次に本発明の熱処理炉の強制空冷装置の第２実施例について、図３を参照しつつ縦型熱処理装置にこれを搭載した場合を例にとって説明する。
【００５８】図１に示した本発明の第１実施例の熱処理炉の強制空冷装置では、排気ファンによる自然吸入方式のたためプロセスチューブの縦方向でその冷却速度が不均一となり、特に炉口付近のプロセスチューブが冷え過ぎる傾向がある。
【００５９】そこで、本発明の熱処理炉の強制冷却装置の第２実施例では、基本的な構成は第１実施例の強制空冷装置と同一であるが、図３に示すように、第１実施例の空気導入口３２ｃにノズル５１を挿入するとともに、シャッタ手段３８をダクト３３に固定するとともに吸気口３２にブロワー５２を接続して強制的に空気を炉内に押し込んで熱処理炉１０の強制空冷を促進するようにした。
【００６０】すなわち、この第２実施例のものでは、図３R>３に示すように、ダクト３３に形成した空気導入口３２ｃにノズル５１を８本等間隔で挿入して空隙１６内にまんべんなく空気を噴出させプロセスチューブ１２に沿って上昇するようにする。このノズル５１は石英等からなり、例えば２５ｍｍ×１２ｍｍの楕円形断面を有し、その長さは縦方向に均一性を得るために、変えられる構造で、例えば２００ｍｍ程度とする。
【００６１】また、ノズル５１は円形断面であっても良いのは当然である。
【００６２】さらに、ダクト３３の上面に固定した円環状をしたシャッタ手段３８には１ヵ所開口が設けられこれに送入管５３を介してブロワー５２が接続されている。この構成によりブロワー５２の回転により強制的に空気が吸気口３２に押し込まれ、ノズル５１からプロセスチューブ１２と加熱機構２６戸の間に形成された空隙１６内に噴出され、プロセスチューブ１２に沿って均一な強制空冷が促進される。 そこで、本発明の強制空冷装置の第２実施例の動作について説明する。強制空冷に際しては、まず、加熱機構２６のスイッチをＯＦＦとし、ついで排気口３４のシャッタ手段４０を開く。そして、排気ファン３６を駆動させてから、数秒後にブロワー５２を駆動させて、吸気口３２に空気を押し込みノズル５１から空気を所定時間噴出させてプロセスチューブ１２の強制空冷を行う。その後、ウエハボート１８を下降させて、処理済みの半導体ウエハＷをプロセスチューブ１２から取出す。
【００６３】この本発明の第２実施例の空冷装置によると、縦方向の全処理ウエハ間の冷却の均一性が第１実施例に比べて約３０％改善することができた。
【００６４】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の熱処理炉の強制空冷装置によれば、熱処理炉冷却を急速且つ均一に行うことができる熱処理炉の強制空冷装置を提供することができる。
【００６５】また、シャッタ手段を設けたことにより、加熱機構によってプロセスチューブ内を加熱する際の加熱効率の低下や温度の均一性の乱れを防止することができる。 また、ノズル及び、給気手段を設けることにより、熱処理炉でバッチ処理されるウエハ間の空冷処理の均一性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係わる熱処理炉の強制空冷装置を搭載した縦型熱処理装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は吸気口に設けたシャッタ手段の構成を示す上面図、図２（ｂ）および（ｃ）は排気口に設けたシャッタ手段の構成を示す上面図である。
【図３】図３は本発明の第２実施例の熱処理炉の強制空冷装置を搭載した縦型熱処理装置の構成を概略的に示す縦断断面図である。
【符号の説明】
１０ 熱処理炉
１２ プロセスチューブ
１４ ヒータ部
１６ 空隙
１８ ウエハボート
２６ 加熱機構
２８ 断熱体
３０ 強制空冷装置
３２ 吸気口
３４ 排気口
３６ 排気用ファン
３８，４０ シャッタ手段
４４ 熱交換器
４６ 排気システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を具備することを特徴とする熱処理炉の強制空冷装置。
【請求項２】 前記吸気口を塞ぐシャッタ手段と、前記排気口を塞ぐシャッタ手段と、をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の熱処理炉の強制空冷装置。
【請求項３】 一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記吸気口に挿入したノズルと、前記吸気口に空気を供給する給気手段と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための、排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を備えた熱処理炉の強制空冷装置。
【請求項４】 前期排気口を塞ぐシャッタ手段をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の熱処理炉の強制空冷装置。
【請求項１】 一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を具備することを特徴とする熱処理炉の強制空冷装置。
【請求項２】 前記吸気口を塞ぐシャッタ手段と、前記排気口を塞ぐシャッタ手段と、をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の熱処理炉の強制空冷装置。
【請求項３】 一端が開口したプロセスチューブとこのプロセスチューブを覆うヒータ部とを有する熱処理炉の冷却を、前記プロセスチューブと前記ヒータ部との間の空隙に空気を流通させることにより行う強制空冷装置において、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内に前記プロセスチューブの開口端側から空気を流入させるための、複数の吸気口と、前記吸気口に挿入したノズルと、前記吸気口に空気を供給する給気手段と、前記ヒータ部に設けられた、前記空隙内の空気を前記プロセスチューブの閉端中央部付近から前記ヒータ部外に流出させるための、排気口と、この排気口に接続された排気手段と、を備えた熱処理炉の強制空冷装置。
【請求項４】 前期排気口を塞ぐシャッタ手段をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の熱処理炉の強制空冷装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開平５−１９６３７１
【公開日】平成５年（１９９３）８月６日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−１８０３３７
【出願日】平成４年（１９９２）６月１５日
【出願人】（０００１０９５７６）東京エレクトロン相模株式会社 (3)
【公開日】平成５年（１９９３）８月６日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）６月１５日
【出願人】（０００１０９５７６）東京エレクトロン相模株式会社 (3)
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