熱処理装置及び冷却方法
【課題】特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができるようにした熱処理装置を提供する。
【解決手段】複数枚の被処理体Ｗに対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、筒体状に形成された処理容器４と、処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段１８と、被処理体を加熱するために処理容器の外周側に、冷却空間２８を介して囲むようにして設けられた加熱炉３０と、押込用送風機が接続された気体導入通路４２を有し、冷却空間に熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段３６と、熱交換器５４と吸出用送風機５６とが順次設けられた気体排出通路５２を有し、冷却空間から昇温した冷却気体を排出する冷却気体排出手段３８と、熱交換器の上流側にて気体排出通路に設けられて、昇温した冷却気体に降温用気体を導入して降温させる降温用気体導入手段４０とを備える。
【解決手段】複数枚の被処理体Ｗに対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、筒体状に形成された処理容器４と、処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段１８と、被処理体を加熱するために処理容器の外周側に、冷却空間２８を介して囲むようにして設けられた加熱炉３０と、押込用送風機が接続された気体導入通路４２を有し、冷却空間に熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段３６と、熱交換器５４と吸出用送風機５６とが順次設けられた気体排出通路５２を有し、冷却空間から昇温した冷却気体を排出する冷却気体排出手段３８と、熱交換器の上流側にて気体排出通路に設けられて、昇温した冷却気体に降温用気体を導入して降温させる降温用気体導入手段４０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に熱処理を施すバッチ式の熱処理装置及び冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスを製造するには、シリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化拡散処理、アニール処理等の各種の処理が繰り返し行われる。そして、成膜処理等の熱処理を一度に複数枚の半導体ウエハに対して処理することができるバッチ式の熱処理装置で行った場合には、製品のスループットを向上させるために高温状態になっている半導体ウエハを、半導体ウエハにスリップ等のダメージを与えない範囲で可能な限り高速で冷却する必要がある。
【０００３】
このために、従来のバッチ式の熱処理装置として、半導体ウエハを多数枚収容した縦長の処理容器の外周側に、半導体ウエハの熱処理が終了したことに応答して冷却空気を流すことによって高温状態、例えば８００〜１０００℃程度になっている処理容器から急激に熱を奪うことによって処理済みの高温の半導体ウエハを高速で冷却するようにした熱処理装置が提案されている（例えば特許文献１〜５）。
【０００４】
そして、上記冷却空気は押込用送風機によって処理容器の側壁の周囲の冷却空間に送り込まれ、吸出用送風機によってその冷却空間から吸い出されている。この場合、処理態様にもよるが、処理容器を冷却した冷却空気は昇温して４００〜５００℃程度まで達して高温状態の空気となっていることから、この高温状態の空気が上記吸出用送風機に直接流入すると吸出用送風機自体に熱的な損傷を与えてしまうことになる。そのため、上記吸出用送風機の上流側には熱交換器が設けられており、高温状態になっている空気を上記熱交換器によって所定の温度、例えば５０℃程度まで冷却して吸出用送風機が熱的損傷を受けないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−０３１７０７号公報
【特許文献２】特開平０９−１９０９８２号公報
【特許文献３】特開平１１−２６０７２５号公報
【特許文献４】特開２００２−１１０５７６号公報
【特許文献５】特開２００８−０７８１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記したような熱処理装置の場合、４００〜５００℃程度の高温状態になった空気は、吸出用送風機には流入しない替わりに、その上流側に設けた熱交換器に流入することになる。そのため、この熱交換器自体の構成を高温仕様にして耐熱性を高めなければならない。そのため、熱交換器を形成する材質、構造自体も特殊なものとなり、またサイズも大型化し、装置自体が高コスト化する、といった問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の第１の目的は、処理容器と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げることによって、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができるようにした熱処理装置及び冷却方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、処理容器に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げることによって、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができるようにした熱処理装置及び冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、処理容器と、前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、前記冷却空間と前記熱交換器との間に設けられた降温用気体導入手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、筒体状に形成された処理容器と、前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、前記熱交換器の上流側にて前記気体排出通路に設けられて、前記昇温した冷却気体に降温用気体を導入して降温させる降温用気体導入手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１１】
このように、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることが可能となる。
【００１２】
請求項８に係る発明は、複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、処理容器と、前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１３】
請求項９に係る発明は、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、筒体状に形成された処理容器と、前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１４】
このように、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることが可能となる。
【００１５】
請求項１５に係る発明は、複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、前記冷却空間より排出される前記昇温した冷却気体中に降温用気体を導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法である。
【００１６】
請求項１６に係る発明は、複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、前記冷却空間に向けて流れる前記冷却気体の一部をバイパスさせて該バイパスされた冷却気体を前記冷却空間より排出されて昇温している冷却気体中に導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱処理装置及び冷却方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１、２、請求項１５及びこれらを引用する請求項の発明によれば、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができる。
【００１８】
請求項８、９、請求項１６及びこれらを引用する請求項の発明によれば、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る熱処理装置の第１実施例を示す構成図である。
【図２】処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度と降温用気体の流量との関係を示すグラフである。
【図３】第１実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の熱処理装置の第２実施例の一部を示す構成図である。
【図５】本発明の熱処理装置の第３実施例を示す構成図である。
【図６】処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度とバイパス通路の弁の開閉動作との関係を示すグラフである。
【図７】第３実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る熱処理装置及び冷却方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
＜第１実施例＞
図１は本発明に係る熱処理装置の第１実施例を示す構成図である。図１に示すように、この熱処理装置２は、縦長の筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器４は、円筒体状に成形された石英よりなる内筒６と、その外側を所定の間隔を隔てて覆う石英よりなる外筒８とにより主に構成されて、二重管構造になされている。
【００２１】
上記外筒８の上部は閉じられて有天井になっており、下端部は開口されて、この開口部に例えばステンレススチール等よりなる円筒状のマニホールド１０が気密に接続されている。そして、このマニホールド１０に必要なガスを流量制御しつつ処理容器４内へ導入するガスノズル等を有するガス導入手段１２が設けられる。また、上記外筒８の底部の側壁にガス排気口１４が設けられ、このガス排気口１４に、圧力調整弁や真空ポンプ（図示せず）等を有する排気系１６が接続されている。
【００２２】
これにより、処理容器４内の下部から導入されたガスは内筒６内を上昇して天井部で折り返し、内筒６と外筒８との間の空間を流れて上記ガス排気口１４から排気されるようになっている。この場合、処理の態様によって、処理容器４内は常圧雰囲気になされる場合もあるし、図示例のように真空雰囲気になされる場合もある。尚、上記マニホールド１０を設けない熱処理装置もある。
【００２３】
そして、処理容器４内には、被処理体である半導体ウエハＷを複数段に亘って支持しつつその下方より挿脱可能になされた支持手段１８が設けられている。この支持手段１８としては、例えば石英製の半導体ウエハボートよりなり、この半導体ウエハボート中に複数枚、例えば５０〜１５０枚程度の半導体ウエハＷを所定のピッチで多段に支持するようになっている。また、この半導体ウエハボートは石英製の保温筒２０上に設置されている。
【００２４】
そして、上記マニホールド１０の下端の開口部は、例えばステンレススチール等よりなる蓋部２２で気密に密閉できるようになっていると共に、この蓋部２２は、ボートエレベータよりなる昇降機構２４に連結されて昇降可能になされている。そして、上記保温筒２０は、上記蓋部２２を気密に回転自在に貫通された回転軸２６上に支持されて、回転可能としている。従って、上記昇降機構２４を昇降させることにより、上記ウエハボートよりなる支持手段１８は、処理容器４の下方より処理容器４内へ挿脱可能になされている。
【００２５】
そして、この処理容器４の外周側には、所定の空間を介して囲むようにして加熱炉３０が設けられており、この内側に位置する処理容器４や半導体ウエハＷを加熱するようになっている。具体的には、この加熱炉３０は、上記処理容器４の側部及び天井部を囲むようにして設けられた断熱部材３２を有している。そして、この断熱部材３２の内壁の略全面に沿って抵抗加熱ヒータ３４が設けられており、この抵抗加熱ヒータ３４からの熱によって上述のように半導体ウエハＷ等を加熱するようになっている。そして、上記処理容器４と加熱炉３０との間の上記所定の空間が冷却空間２８として構成されている。
【００２６】
この冷却空間２８の下端部はシール材３５によりシールされており、冷却空間２８内を密封している。そして、上記加熱炉３０には、上記冷却空間２８内へ熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段３６と、上記冷却空間２８から昇温した上記冷却気体を排出する冷却気体排出手段３８と、上記昇温した冷却気体中に降温用気体を導入して降温させる本発明の特徴とする降温用気体導入手段４０とが設けられている。
【００２７】
具体的には、上記冷却気体導入手段３６は、冷却気体を流すための気体導入通路４２を有しており、この気体導入通路４２の上流側には冷却気体を送風するための押込用送風機４４が接続されている。ここで冷却気体としては、例えば室温の空気を用いることができる。また、上記処理容器４の下部の周辺部であって上記冷却空間２８の下方には、これを取り囲むようにしてリング状の送風ヘッダ４３が設けられており、この送風ヘッダ４３に上記気体導入通路４２が接続されている。そして、この送風ヘッダ４３からは、上記冷却空間２８に対して複数本の気体ノズル４６が延びている。この気体ノズル４６は、送風ヘッダ４３の周方向に沿って所定の間隔で配置されている。これにより、上記気体ノズル４６から冷却気体を処理容器４の外周面に対して吹き付けて、これを冷却するようになっている。
【００２８】
一方、上記加熱炉３０の天井部には、上記冷却により昇温した冷却気体を排出する排気口４８が形成されており、この排気口４８には、熱処理時には閉じられて冷却時に開放される排気シャッタ５０が設けられている。そして、上記冷却気体排出手段３８は、上記排気口４８に接続された気体排出通路５２を有しており、この中を昇温した冷却気体を流すようになっている。この気体排出通路５２には、その上流側より下流側に向けて熱交換器５４及び吸出用送風機５６が順次設けられている。そして、上記熱交換器５４には、冷媒が流されており、ここを通過する温度の高い冷却気体を安全温度まで冷却し、安全な温度まで冷却した冷却気体を外部へ放出するようになっている。
【００２９】
そして、本発明の特徴とする上記降温用気体導入手段４０は、上記熱交換器５４の上流側において上記気体排出通路５２に接続された降温用気体導入通路５８を有している。この降温用気体導入通路５８の接続部には、両気体の混合を効率的に行うミキサ６０が設けられている。そして、上記降温用気体導入通路５８の途中には、降温用気体の流れを制御する弁６２が設けられており、その先端には降温用送風機６４が接続されて、降温用気体を送り込むようになっている。この降温用気体としては、室温の空気を用いることができる。
【００３０】
そして、上記ミキサ６０と熱交換器５４との間の気体排出通路５２には、気体温度測定手段として例えば熱電対６６が設けられており、ここを流れる昇温している冷却気体と降温用気体との混合気体の温度を測定するようになっている。すなわち、この熱電対６６によって熱交換器５４に流入する気体の温度を測定するようになっている。
【００３１】
そして、上記弁６２の動作及び降温用送風機６４の動作を制御するために、例えばコンピュータ等よりなる弁制御部６８を有しており、ここではこの弁制御部６８は上記熱電対６６で測定された測定温度値に基づいて上記気体の温度が所定の温度以下になるように上記弁６２の開閉動作等を制御するようになっている。上記所定の温度としては、上記熱交換器５４の耐熱温度、例えば３００℃用いられる。
【００３２】
実際の制御では、後述する図２に示すように、上記所定の温度よりも少し低い温度ｔ１を測定した時に降温用気体の導入を開始し、温度がピークを過ぎて降温時に温度ｔ２を測定した時に降温用気体の導入を停止するようになっている。
【００３３】
そして、この熱処理装置２の全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部７０により制御され、熱処理のための各ガスの制御、圧力制御、温度制御等に加えて各送風機４４、５６の動作制御等が行われる。上記装置制御部７０は、上記動作に必要なコンピュータに読み取り可能なコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体７２を有している。この記憶媒体７２は、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等よりなる。また上記弁制御部６８は、上記装置制御部７０の支配下で動作している。
【００３４】
＜冷却方法の説明＞
次に、以上のように形成された熱処理装置における冷却方法について図２及び図３も参照して説明する。図２は処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度と降温用気体の流量との関係を示すグラフ、図３は第１実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。尚、図２において、曲線Ａは降温用気体を用いない従来の装置の場合を示し、曲線Ｂは降温用気体を用いた本発明の第１実施例の熱処理装置の場合を示す。
【００３５】
ここでは、熱交換器５４の耐熱温度を上述したように例えば３００℃に設定してあり、熱電対６６が３００℃よりも少し低い温度ｔ１℃になった時に降温用気体の導入を開始し、温度のピークを過ぎて３００℃よりも低い温度ｔ２℃になった時に降温用気体の導入を停止するようにしている。上記温度ｔ１℃及びｔ２℃は、経験的に求められており、降温用気体の単位時間当たりの送風量にもよるが、例えば耐熱温度である３００℃よりも５〜４０℃程度低い温度に設定してある。
【００３６】
さて、処理容器４内へ挿入されている半導体ウエハＷの熱処理が行われ、熱処理が完了すると、この直後の処理容器４及びこの中の半導体ウエハＷは、加熱炉３０の抵抗加熱ヒータ３４によって加熱されていたので、処理態様にもよるが例えば５００℃程度に加熱されている。この熱処理の種類としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜処理、酸化拡散処理、アニール処理等が対応する。
【００３７】
そして、上述のように熱処理が完了すると、製品のスループットを向上させるために半導体ウエハＷを処理容器４内から排出させるアンロードができる温度まで、半導体ウエハＷにスリップが生じないような適正な降温速度を維持したまま高速で冷却しなければならない。
【００３８】
まず、一般的な概略的な流れについて説明する。冷却方法が開始されると、加熱炉３０の排気口４８に設けた排気シャッタ５０を開き、冷却気体導入手段３６の押込用送風機４４を始動させる（Ｓ１）。すると、冷却気体である室温の空気が気体導入通路４２を流れて送風ヘッダ４３に至り、この送風ヘッダ４３に設けた各気体ノズル４６から冷却空間２８内に向けて噴射される。この噴射された室温の冷却気体は高温状態になっている処理容器４、すなわち外筒８の外周面と接触しつつこれを冷却し、これに伴って内筒６及びその内側の半導体ウエハＷも順次冷却されることになる。
【００３９】
この冷却によって、冷却気体は逆に昇温して高温状態となって天井部に設けた排気口４８より冷却気体排出手段３８の気体排出通路５２内へ流れて行く。この気体排出通路５２を流れる冷却気体の温度が所定の値よりも高い場合には、降温用気体導入通路５８の降温用送風機６４が始動し、且つ降温用気体導入通路５８に設けた弁６２が開いて上記高温の冷却気体中に降温用気体、すなわち室温の空気が導入されてこの混合気体の温度を低下させる。そして、この温度が低下した混合気体は熱交換器５４内に流入してここで冷媒により更に冷却されて吸出用送風機５６から外へ排出されることになる。
【００４０】
次に、上述した操作をより詳しく説明する。まず、上述したように押込用送風機４４を始動すると（Ｓ１）、冷却空間２８内に冷却気体である室温の空気が流れ込み、処理容器４等の冷却が開始される。図２に示すように、冷却開始の当初は、気体排出通路５２内に残留する低温の空気が流れ出すので熱交換器５４に流入する空気の温度は当初は低いが、次第に冷却空間２８内の空気が流入してくるので、開始後、僅かな時間で急激に上昇して行くことになる。そして、この気体排出通路５２内を流れる空気（冷却気体）の温度は、この途中に設けた熱電対６６により測定されて弁制御部６８へ入力されている。
【００４１】
この測定温度値がｔ１℃よりも低い場合には（Ｓ２のＮＯ）、そのまま上記動作が継続されるが、測定温度値がｔ１℃以上になると（Ｓ２のＹＥＳ）、降温用気体導入手段４０の弁６２を開き、且つ降温用送風機６４を始動し、降温用気体、すなわち室温の空気の送風を開始する（Ｓ３）。そして、これと同時に、吸出用送風機５６も始動し、冷却体の吸い出しを開始する（Ｓ３）。上記降温用気体は、降温用気体導入通路５８内を流れて開放された弁６２を通過してミキサ６０に至り、このミキサ６０内で気体排出通路５２内を流れてくる昇温されて高温になった空気（冷却気体）と混合されてこの混合気体の温度が低下することになる。そして、この混合気体は、吸出用送風機５６によって下流へ流れて行く。この時の導入する降温用気体の流量は一定であり、その流量Ｑｂ［ｍ３ ／ｍｉｎ］は、下記の式で予め定められている。
【００４２】
Ｑｂ＝Ｑａ・（Ｔａ−Ｔｐ）／（Ｔｐ−Ｔｒ）
Ｑａ：気体排出通路内を流れてくる風量［ｍ３ ／ｍｉｎ］
Ｔａ：従来の装置の冷却気体の最大値［℃］（図２参照）
Ｔｐ：熱交換器の耐熱温度［℃］（図２参照）
Ｔｒ：室温［℃］
【００４３】
この場合、熱電対６６で測定される測定温度値は、降温用気体が導入されると暫くの間は混合気体の温度は上昇するが短時間で測定温度値はピークとなり（Ｓ４のＹＥＳ）、その後、混合気体の温度は次第に少しずつ低下して行くことになる。上記ピーク点は、図２において曲線Ａがピークになった点に一致している。この場合、曲線Ｂのピーク値は、熱交換器５４の耐熱温度であるＴｐ（３００℃）よりも低く、これにより熱交換器５４が熱損傷を受けることを防止することができる。従って、この熱交換器５４として特殊な耐熱性の高いものを使う必要がなく、小型で、しかも安価な汎用性のある熱交換器を用いることができる。
【００４４】
そして、上記混合気体の温度がｔ２℃以下になると（Ｓ５のＹＥＳ）、弁制御部６８は降温用送風機６４を停止し、且つ弁６２を閉じて降温用気体の導入を停止する（Ｓ６）。このｔ２℃の値は、経験的に求められ、処理容器４の温度が熱交換器５４の耐熱温度Ｔｐになった時の混合気体の温度に設定すればよい。
【００４５】
その後、降温用気体の導入を停止してから、所定の時間が経過した否かを判断する（Ｓ７）。この所定の時間の長さは、経験的に求められ、この気体排出通路５２内を流れる冷却気体が安全温度以下まで降温する長さに設定する。そして、この所定の時間が経過したならば（Ｓ７のＹＥＳ）、押込用送風機４４の駆動を停止し、また吸出用送風機５６の駆動を停止し、更に排気シャッタ５０を閉じることによって（Ｓ８）、冷却操作を終了することになる。これ以降は、処理容器４内から冷却された半導体ウエハＷを降下させてアンロードし、これを搬出することになる。
【００４６】
このように、本発明によれば、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器４と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器５４の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができる。
【００４７】
尚、上記実施例では、降温用気体導入通路５８に設けた弁６２の動作は開閉動作だけであったが、これに加えて弁開度を調整できる弁を用いてもよい。この弁開度を調整できる弁を用いれば、例えば図２において一点鎖線で示す特性Ｃのように、弁６２を全開した後、暫くしてから（例えば温度ピークＴａを過ぎた時点から）、弁開度を少しずつ小さくして降温用気体の流量を徐々に少なくするように制御することができる。
【００４８】
また、上記第１実施例では、降温用気体導入手段４０の一部として降温用送風機６４を設けて降温用気体の導入を促進させるようにしたが、これに限定されず、この降温用送風機６４を設けないで、降温用気体導入通路５８の先端をクリーンルーム内等の大気側へ開放させるようにしてもよい。この場合には、吸出用送風機５６を動作させることにより、降温用気体導入通路５８内が負圧になり、弁６２を制御することで上述したと同様に降温用気体を導入させることができる。
【００４９】
＜第２実施例＞
次に本発明の熱処理装置の第２実施例について説明する。先の第１実施例は降温用気体導入手段４０に熱交換器に流入する気体の温度を測定するために熱電対６６よりなる気体温度測定手段を設けたが、これに限定されず、この気体温度測定手段を設けないで省略するようにしてもよい。
【００５０】
図４はこのような本発明の熱処理装置の第２実施例の一部を示す構成図である。尚、図４において図１に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。図４に示すように、ここでは気体排出通路５２には図１に示した熱電対６６よりなる気体温度測定手段を設けていない。この場合、弁制御部６８は装置制御部７０側からの冷却開始指令を受けて、時間管理により弁６２の開閉動作や降温用送風機６４の始動、或いは停止を行う。
【００５１】
具体的には、図２中における温度ｔ１、ｔ２の各タイミング（時間）は、実験的、或いは経験的に知ることができ、各タイミングの時期を冷却開始を起点とするデータとして予め求めておく。そして、このデータを上記弁制御部６８に予め記憶させておき、これにより、上記第１実施例と同様な動作を行うことができる。この場合にも、先の第１実施例と同様な作用効果を発揮することができる。またこの第２実施例においても、先の第１実施例で説明したと同様に、上記降温用送風機６４を設けないで、降温用気体導入通路５８の先端をクリーンルーム内等の大気側へ開放させるようにしてもよい。この場合には、吸出用送風機５６を動作させることにより、降温用気体導入通路５８内が負圧になり、弁６２を制御することで上述したと同様に降温用気体を導入させることができる。
【００５２】
＜第３実施例＞
次に本発明の第３実施例について説明する。先の第１及び第２実施例では、降温用気体として別途設けた降温用気体導入手段４０から降温用気体として室温の空気を導入するようにしたが、この第３実施例では押込用送風機で押し込んだ冷却気体（室温の空気）を一部分岐してバイパスさせて、このバイパスさせた冷却気体を、冷却空間を通過して昇温した冷却気体中へ導入して混合するようにしている。図５はこのような本発明の熱処理装置の第３実施例を示す構成図、図６は処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度とバイパス通路の弁の開閉動作との関係を示すグラフ、図７は第３実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。
【００５３】
尚、図６において曲線Ａはバイパスした冷却気体を用いない従来の装置の場合を示し、曲線Ｄはバイパスした気体を用いた本発明の第３実施例の熱処理装置の場合を示す。また、図５乃至図７において、先の図１乃至図３に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
図５に示すように、ここでは第１及び第２実施例で設けた降温用気体導入通路５８に替えて冷却気体の一部を必要に応じてバイパスさせるバイパス手段７６が設けられている。具体的には、このバイパス手段７６は、冷却気体導入手段３６の気体導入通路４２と冷却気体排出手段３８の気体排出通路５２との間を連通するバイパス通路７８を有している。この場合、このバイパス通路７８の一端は、上記押込用送風機４４の下流側で上記気体導入通路４２へ接続され、他端は上記熱交換器５４の上流側で気体排出通路５２へ接続され、この接続点にはミキサ６０が設けられている。
【００５５】
そして、上記バイパス通路７８の途中に弁６２が介設されており、バイパスされる気体の流れを制御するようになっている。そして、上記熱交換器５４とミキサ６０との間の気体排出通路５２には、上記冷却空間を流れて昇温した冷却気体と上記バイパス通路７８を流れた気体との混合気体の温度を測定する気体温度測定手段として、例えば熱電対６６が設けられている。すなわち、この熱電対６６によって熱交換器５４に流入する気体の温度を測定するようになっている。そして、第１及び第２実施例と同様に、弁制御部６８は気体温度測定手段である熱電対６６の測定温度値に基づいて上記気体が所定の温度以下になるように上記弁６２を制御するようになっている。
【００５６】
＜冷却方法の説明＞
この第３実施例の動作は、降温用送風機６４に関する点を除いて基本的には第１実施例の場合と略同じであり、図７中のＳ２１〜Ｓ２８は、図３中のＳ１〜Ｓ８に対応している。
【００５７】
まず、一般的な概略的な流れについて説明する。最初はバイパス弁６２は閉じられており、冷却操作が開始されると、加熱炉３０の排気口４８に設けた排気シャッタ５０を開き、冷却気体導入手段３６の押込用送風機４４を始動させる（Ｓ２１）。すると、冷却気体である室温の空気が気体導入通路４２を流れて送風ヘッダ４３に至り、この送風ヘッダ４３に設けた各気体ノズル４６から冷却空間２８内に向けて噴射される。この噴射された室温の冷却気体は高温状態になっている処理容器４、すなわち外筒８の外周面と接触しつつこれを冷却し、これに伴って内筒６及びその内側の半導体ウエハＷも順次冷却されることになる。
【００５８】
この冷却によって、冷却気体は逆に昇温して高温状態となって天井部に設けた排気口４８より冷却気体排出手段３８の気体排出通路５２内へ流れて行く。この気体排出通路５２を流れる冷却気体の温度が所定の値よりも高い場合には、バイパス通路７８に設けた弁６２が開いて上記気体導入通路４２に流れる冷却気体の一部が分岐されてバイパス通路７８内に流れ込み、この気体は冷却空間２８を通って昇温した冷却気体と混合されて、この混合気体の温度を低下させる。そして、この温度が低下した混合気体は熱交換器５４内に流入してここで冷媒により更に冷却されて吸出用送風機５６から外へ排出されることになる。
【００５９】
次に、上述した操作をより詳しく説明する。まず、上述したように押込用送風機４４を始動すると（Ｓ２１）、冷却空間２８内に冷却気体である室温の空気が流れ込み、処理容器４等の冷却が開始される。図６に示すように、冷却開始の当初は、気体排出通路５２内に残留する低温の空気が流れ出すので熱交換器５４に流入する空気の温度は当初は低いが、次第に冷却空間２８内の空気が流入してくるので、開始後、僅かな時間で急激に上昇して行くことになる。そして、この気体排出通路５２内を流れる空気（冷却気体）の温度は、この途中に設けた熱電対６６により測定されて弁制御部６８へ入力されている。
【００６０】
この測定温度値がｔ１℃よりも低い場合には（Ｓ２２のＮＯ）、そのまま上記動作が継続されるが、測定温度値がｔ１℃以上になると（Ｓ２２のＹＥＳ）、バイパス通路７８に設けた弁６２を開き、気体導入通路４２内を流れる冷却気体の一部を分岐してバイパスさせる。そして、これと同時に、吸出用送風機５６も始動し、冷却体の吸い出しを開始する（Ｓ２３）。上記分岐された冷却気体は、バイパス通路７８内を流れて開放された弁６２を通過してミキサ６０に至り、このミキサ６０内で気体排出通路５２内を流れてくる昇温されて高温になった空気（冷却気体）と混合されてこの混合気体の温度が低下することになる。そして、この混合気体は、吸出用送風機５６によって下流へ流れて行く。この時、バイパス通路７８側へ分岐して流入する冷却気体の量は、装置設計にもよるが、例えば押込用送風機４４で押し込まれる冷却気体の全流量の半分程度である。
【００６１】
ここで、熱電対６６で測定される測定温度値は、バイパスされる冷却気体が導入されると暫くの間は混合気体の温度は上昇するが短時間で測定温度値はピークとなり（Ｓ２４のＹＥＳ）、その後、混合気体の温度は次第に少しずつ低下して行くことになる。上記ピーク点は、図６において曲線Ａがピークになった点に一致している。この場合、曲線Ｄのピーク値は、熱交換器５４の耐熱温度であるＴｐ（３００℃）よりも低く、これにより熱交換器５４が熱損傷を受けることを防止することができる。従って、この熱交換器５４として特殊な耐熱性の高いものを使う必要がなく、小型で、しかも安価な汎用性のある熱交換器を用いることができる。
【００６２】
そして、上記混合気体の温度がｔ２℃以下になると（Ｓ２５のＹＥＳ）、弁制御部６８は弁６２を閉じてバイパスされた気体の導入を停止する（Ｓ２６）。このｔ２℃の値は、経験的に求められ、処理容器４の温度が熱交換器５４の耐熱温度Ｔｐになった時の混合気体の温度に設定すればよい。
【００６３】
その後、降温用気体の導入を停止してから、所定の時間が経過した否かを判断する（Ｓ２７）。この所定の時間の長さは、第１及び第２実施例の場合と同様に、経験的に求められ、この気体排出通路５２内を流れる冷却気体が安全温度まで以下するまでの長さに設定する。そして、この所定の時間が経過したならば（Ｓ２７のＹＥＳ）、押込用送風機４４の駆動を停止し、また吸出用送風機５６の駆動を停止し、更に排気シャッタ５０を閉じることによって（Ｓ２８）、冷却操作を終了することになる。これ以降は、処理容器４内から冷却された半導体ウエハＷを降下させてアンロードし、これを搬出することになる。
【００６４】
このように、本発明によれば、複数枚の被処理体、例えば半導体ウエハＷに対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器４に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器５４との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることが可能となる。
【００６５】
尚、上記実施例では、バイパス通路７８に設けた弁６２の動作は開閉動作だけであったが、これに加えて弁開度を調整できる弁を用いてもよい。この弁開度を調整できる弁を用いれば、例えば図６において一点鎖線で示す特性Ｅのように、弁６２を全開した後、暫くしてから（例えば温度ピークＴａを過ぎた時点から）、弁開度を少しずつ小さくしてバイパス気体の流量を徐々に少なくするように制御することができる。
【００６６】
＜第４実施例＞
次に本発明の熱処理装置の第４実施例について説明する。先の第３実施例はバイパス手段７６に混合気体の温度を測定するために熱電対６６よりなる気体温度測定手段を設けたが、これに限定されず、この気体温度測定手段を設けないで省略するようにしてもよい。この場合、先に第２実施例と同様に弁制御部６８は装置制御部７０側からの冷却開始指令を受けて、時間管理により弁６２の開閉動作を行う。
【００６７】
具体的には、図６中における温度ｔ１、ｔ２の各タイミングは、実験的、或いは経験的に知ることができ、各タイミングの時期を冷却開始を起点とするデータとして予め求めておく。そして、このデータを上記弁制御部６８に予め記憶させておき、これにより、上記第３実施例と同様な動作を行うことができる。この場合にも、先の第３実施例と同様な作用効果を発揮することができる。
【００６８】
また、この第３及び第４実施例の場合には、冷却操作の途中で冷却空間２８内に導入される冷却気体の流量が、第１及び第２実施例の場合よりも少なくなるので、その分、冷却速度が低下するが、ここでは押込用送風機４４と吸出用送風機５６を流れる流量が常に同じなので、同じ送風容量の送風機を用いることができる利点を有する。
【００６９】
尚、上記各実施例において、冷却気体、或いは降温用気体として室温の空気を用いたが、これに限定されず、空気を室温より低い温度に予め冷却して用いるようにしてもよいし、或いは空気に替えてＮ２ ガスやＨｅ等の希ガスよりなる不活性ガスを用いてもよい。
また、上記各実施例では、二重管構造の処理容器４を例にとって説明したが、この処理容器は単に一例を示したに過ぎず、単管構造の処理容器を用いてもよいし、ガス導入手段１２も上記実施例で説明した構成に限定されない。
【００７０】
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
２ 熱処理装置
４ 処理容器
６ 内筒
８ 外筒
１２ ガス導入手段
１６ 排気系
１８ 支持手段（半導体ウエハボート）
２８ 冷却空間
３０ 加熱炉
３２ 断熱部材
３４ 抵抗加熱ヒータ
３６ 冷却気体導入手段
３８ 冷却気体排出手段
４０ 降温用気体導入手段
４２ 気体導入通路
５２ 気体排出通路
５４ 熱交換器
５６ 吸出用送風機
５８ 降温用気体導入通路
６２ 弁
６４ 降温用送風機
６６ 熱電対（気体温度測定手段）
６８ 弁制御部
７６ バイパス手段
７８ バイパス通路
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に熱処理を施すバッチ式の熱処理装置及び冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスを製造するには、シリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化拡散処理、アニール処理等の各種の処理が繰り返し行われる。そして、成膜処理等の熱処理を一度に複数枚の半導体ウエハに対して処理することができるバッチ式の熱処理装置で行った場合には、製品のスループットを向上させるために高温状態になっている半導体ウエハを、半導体ウエハにスリップ等のダメージを与えない範囲で可能な限り高速で冷却する必要がある。
【０００３】
このために、従来のバッチ式の熱処理装置として、半導体ウエハを多数枚収容した縦長の処理容器の外周側に、半導体ウエハの熱処理が終了したことに応答して冷却空気を流すことによって高温状態、例えば８００〜１０００℃程度になっている処理容器から急激に熱を奪うことによって処理済みの高温の半導体ウエハを高速で冷却するようにした熱処理装置が提案されている（例えば特許文献１〜５）。
【０００４】
そして、上記冷却空気は押込用送風機によって処理容器の側壁の周囲の冷却空間に送り込まれ、吸出用送風機によってその冷却空間から吸い出されている。この場合、処理態様にもよるが、処理容器を冷却した冷却空気は昇温して４００〜５００℃程度まで達して高温状態の空気となっていることから、この高温状態の空気が上記吸出用送風機に直接流入すると吸出用送風機自体に熱的な損傷を与えてしまうことになる。そのため、上記吸出用送風機の上流側には熱交換器が設けられており、高温状態になっている空気を上記熱交換器によって所定の温度、例えば５０℃程度まで冷却して吸出用送風機が熱的損傷を受けないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−０３１７０７号公報
【特許文献２】特開平０９−１９０９８２号公報
【特許文献３】特開平１１−２６０７２５号公報
【特許文献４】特開２００２−１１０５７６号公報
【特許文献５】特開２００８−０７８１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記したような熱処理装置の場合、４００〜５００℃程度の高温状態になった空気は、吸出用送風機には流入しない替わりに、その上流側に設けた熱交換器に流入することになる。そのため、この熱交換器自体の構成を高温仕様にして耐熱性を高めなければならない。そのため、熱交換器を形成する材質、構造自体も特殊なものとなり、またサイズも大型化し、装置自体が高コスト化する、といった問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の第１の目的は、処理容器と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げることによって、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができるようにした熱処理装置及び冷却方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、処理容器に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げることによって、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができるようにした熱処理装置及び冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、処理容器と、前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、前記冷却空間と前記熱交換器との間に設けられた降温用気体導入手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、筒体状に形成された処理容器と、前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、前記熱交換器の上流側にて前記気体排出通路に設けられて、前記昇温した冷却気体に降温用気体を導入して降温させる降温用気体導入手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１１】
このように、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることが可能となる。
【００１２】
請求項８に係る発明は、複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、処理容器と、前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１３】
請求項９に係る発明は、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、筒体状に形成された処理容器と、前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１４】
このように、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることが可能となる。
【００１５】
請求項１５に係る発明は、複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、前記冷却空間より排出される前記昇温した冷却気体中に降温用気体を導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法である。
【００１６】
請求項１６に係る発明は、複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、前記冷却空間に向けて流れる前記冷却気体の一部をバイパスさせて該バイパスされた冷却気体を前記冷却空間より排出されて昇温している冷却気体中に導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱処理装置及び冷却方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１、２、請求項１５及びこれらを引用する請求項の発明によれば、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができる。
【００１８】
請求項８、９、請求項１６及びこれらを引用する請求項の発明によれば、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る熱処理装置の第１実施例を示す構成図である。
【図２】処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度と降温用気体の流量との関係を示すグラフである。
【図３】第１実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の熱処理装置の第２実施例の一部を示す構成図である。
【図５】本発明の熱処理装置の第３実施例を示す構成図である。
【図６】処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度とバイパス通路の弁の開閉動作との関係を示すグラフである。
【図７】第３実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る熱処理装置及び冷却方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
＜第１実施例＞
図１は本発明に係る熱処理装置の第１実施例を示す構成図である。図１に示すように、この熱処理装置２は、縦長の筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器４は、円筒体状に成形された石英よりなる内筒６と、その外側を所定の間隔を隔てて覆う石英よりなる外筒８とにより主に構成されて、二重管構造になされている。
【００２１】
上記外筒８の上部は閉じられて有天井になっており、下端部は開口されて、この開口部に例えばステンレススチール等よりなる円筒状のマニホールド１０が気密に接続されている。そして、このマニホールド１０に必要なガスを流量制御しつつ処理容器４内へ導入するガスノズル等を有するガス導入手段１２が設けられる。また、上記外筒８の底部の側壁にガス排気口１４が設けられ、このガス排気口１４に、圧力調整弁や真空ポンプ（図示せず）等を有する排気系１６が接続されている。
【００２２】
これにより、処理容器４内の下部から導入されたガスは内筒６内を上昇して天井部で折り返し、内筒６と外筒８との間の空間を流れて上記ガス排気口１４から排気されるようになっている。この場合、処理の態様によって、処理容器４内は常圧雰囲気になされる場合もあるし、図示例のように真空雰囲気になされる場合もある。尚、上記マニホールド１０を設けない熱処理装置もある。
【００２３】
そして、処理容器４内には、被処理体である半導体ウエハＷを複数段に亘って支持しつつその下方より挿脱可能になされた支持手段１８が設けられている。この支持手段１８としては、例えば石英製の半導体ウエハボートよりなり、この半導体ウエハボート中に複数枚、例えば５０〜１５０枚程度の半導体ウエハＷを所定のピッチで多段に支持するようになっている。また、この半導体ウエハボートは石英製の保温筒２０上に設置されている。
【００２４】
そして、上記マニホールド１０の下端の開口部は、例えばステンレススチール等よりなる蓋部２２で気密に密閉できるようになっていると共に、この蓋部２２は、ボートエレベータよりなる昇降機構２４に連結されて昇降可能になされている。そして、上記保温筒２０は、上記蓋部２２を気密に回転自在に貫通された回転軸２６上に支持されて、回転可能としている。従って、上記昇降機構２４を昇降させることにより、上記ウエハボートよりなる支持手段１８は、処理容器４の下方より処理容器４内へ挿脱可能になされている。
【００２５】
そして、この処理容器４の外周側には、所定の空間を介して囲むようにして加熱炉３０が設けられており、この内側に位置する処理容器４や半導体ウエハＷを加熱するようになっている。具体的には、この加熱炉３０は、上記処理容器４の側部及び天井部を囲むようにして設けられた断熱部材３２を有している。そして、この断熱部材３２の内壁の略全面に沿って抵抗加熱ヒータ３４が設けられており、この抵抗加熱ヒータ３４からの熱によって上述のように半導体ウエハＷ等を加熱するようになっている。そして、上記処理容器４と加熱炉３０との間の上記所定の空間が冷却空間２８として構成されている。
【００２６】
この冷却空間２８の下端部はシール材３５によりシールされており、冷却空間２８内を密封している。そして、上記加熱炉３０には、上記冷却空間２８内へ熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段３６と、上記冷却空間２８から昇温した上記冷却気体を排出する冷却気体排出手段３８と、上記昇温した冷却気体中に降温用気体を導入して降温させる本発明の特徴とする降温用気体導入手段４０とが設けられている。
【００２７】
具体的には、上記冷却気体導入手段３６は、冷却気体を流すための気体導入通路４２を有しており、この気体導入通路４２の上流側には冷却気体を送風するための押込用送風機４４が接続されている。ここで冷却気体としては、例えば室温の空気を用いることができる。また、上記処理容器４の下部の周辺部であって上記冷却空間２８の下方には、これを取り囲むようにしてリング状の送風ヘッダ４３が設けられており、この送風ヘッダ４３に上記気体導入通路４２が接続されている。そして、この送風ヘッダ４３からは、上記冷却空間２８に対して複数本の気体ノズル４６が延びている。この気体ノズル４６は、送風ヘッダ４３の周方向に沿って所定の間隔で配置されている。これにより、上記気体ノズル４６から冷却気体を処理容器４の外周面に対して吹き付けて、これを冷却するようになっている。
【００２８】
一方、上記加熱炉３０の天井部には、上記冷却により昇温した冷却気体を排出する排気口４８が形成されており、この排気口４８には、熱処理時には閉じられて冷却時に開放される排気シャッタ５０が設けられている。そして、上記冷却気体排出手段３８は、上記排気口４８に接続された気体排出通路５２を有しており、この中を昇温した冷却気体を流すようになっている。この気体排出通路５２には、その上流側より下流側に向けて熱交換器５４及び吸出用送風機５６が順次設けられている。そして、上記熱交換器５４には、冷媒が流されており、ここを通過する温度の高い冷却気体を安全温度まで冷却し、安全な温度まで冷却した冷却気体を外部へ放出するようになっている。
【００２９】
そして、本発明の特徴とする上記降温用気体導入手段４０は、上記熱交換器５４の上流側において上記気体排出通路５２に接続された降温用気体導入通路５８を有している。この降温用気体導入通路５８の接続部には、両気体の混合を効率的に行うミキサ６０が設けられている。そして、上記降温用気体導入通路５８の途中には、降温用気体の流れを制御する弁６２が設けられており、その先端には降温用送風機６４が接続されて、降温用気体を送り込むようになっている。この降温用気体としては、室温の空気を用いることができる。
【００３０】
そして、上記ミキサ６０と熱交換器５４との間の気体排出通路５２には、気体温度測定手段として例えば熱電対６６が設けられており、ここを流れる昇温している冷却気体と降温用気体との混合気体の温度を測定するようになっている。すなわち、この熱電対６６によって熱交換器５４に流入する気体の温度を測定するようになっている。
【００３１】
そして、上記弁６２の動作及び降温用送風機６４の動作を制御するために、例えばコンピュータ等よりなる弁制御部６８を有しており、ここではこの弁制御部６８は上記熱電対６６で測定された測定温度値に基づいて上記気体の温度が所定の温度以下になるように上記弁６２の開閉動作等を制御するようになっている。上記所定の温度としては、上記熱交換器５４の耐熱温度、例えば３００℃用いられる。
【００３２】
実際の制御では、後述する図２に示すように、上記所定の温度よりも少し低い温度ｔ１を測定した時に降温用気体の導入を開始し、温度がピークを過ぎて降温時に温度ｔ２を測定した時に降温用気体の導入を停止するようになっている。
【００３３】
そして、この熱処理装置２の全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部７０により制御され、熱処理のための各ガスの制御、圧力制御、温度制御等に加えて各送風機４４、５６の動作制御等が行われる。上記装置制御部７０は、上記動作に必要なコンピュータに読み取り可能なコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体７２を有している。この記憶媒体７２は、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等よりなる。また上記弁制御部６８は、上記装置制御部７０の支配下で動作している。
【００３４】
＜冷却方法の説明＞
次に、以上のように形成された熱処理装置における冷却方法について図２及び図３も参照して説明する。図２は処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度と降温用気体の流量との関係を示すグラフ、図３は第１実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。尚、図２において、曲線Ａは降温用気体を用いない従来の装置の場合を示し、曲線Ｂは降温用気体を用いた本発明の第１実施例の熱処理装置の場合を示す。
【００３５】
ここでは、熱交換器５４の耐熱温度を上述したように例えば３００℃に設定してあり、熱電対６６が３００℃よりも少し低い温度ｔ１℃になった時に降温用気体の導入を開始し、温度のピークを過ぎて３００℃よりも低い温度ｔ２℃になった時に降温用気体の導入を停止するようにしている。上記温度ｔ１℃及びｔ２℃は、経験的に求められており、降温用気体の単位時間当たりの送風量にもよるが、例えば耐熱温度である３００℃よりも５〜４０℃程度低い温度に設定してある。
【００３６】
さて、処理容器４内へ挿入されている半導体ウエハＷの熱処理が行われ、熱処理が完了すると、この直後の処理容器４及びこの中の半導体ウエハＷは、加熱炉３０の抵抗加熱ヒータ３４によって加熱されていたので、処理態様にもよるが例えば５００℃程度に加熱されている。この熱処理の種類としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜処理、酸化拡散処理、アニール処理等が対応する。
【００３７】
そして、上述のように熱処理が完了すると、製品のスループットを向上させるために半導体ウエハＷを処理容器４内から排出させるアンロードができる温度まで、半導体ウエハＷにスリップが生じないような適正な降温速度を維持したまま高速で冷却しなければならない。
【００３８】
まず、一般的な概略的な流れについて説明する。冷却方法が開始されると、加熱炉３０の排気口４８に設けた排気シャッタ５０を開き、冷却気体導入手段３６の押込用送風機４４を始動させる（Ｓ１）。すると、冷却気体である室温の空気が気体導入通路４２を流れて送風ヘッダ４３に至り、この送風ヘッダ４３に設けた各気体ノズル４６から冷却空間２８内に向けて噴射される。この噴射された室温の冷却気体は高温状態になっている処理容器４、すなわち外筒８の外周面と接触しつつこれを冷却し、これに伴って内筒６及びその内側の半導体ウエハＷも順次冷却されることになる。
【００３９】
この冷却によって、冷却気体は逆に昇温して高温状態となって天井部に設けた排気口４８より冷却気体排出手段３８の気体排出通路５２内へ流れて行く。この気体排出通路５２を流れる冷却気体の温度が所定の値よりも高い場合には、降温用気体導入通路５８の降温用送風機６４が始動し、且つ降温用気体導入通路５８に設けた弁６２が開いて上記高温の冷却気体中に降温用気体、すなわち室温の空気が導入されてこの混合気体の温度を低下させる。そして、この温度が低下した混合気体は熱交換器５４内に流入してここで冷媒により更に冷却されて吸出用送風機５６から外へ排出されることになる。
【００４０】
次に、上述した操作をより詳しく説明する。まず、上述したように押込用送風機４４を始動すると（Ｓ１）、冷却空間２８内に冷却気体である室温の空気が流れ込み、処理容器４等の冷却が開始される。図２に示すように、冷却開始の当初は、気体排出通路５２内に残留する低温の空気が流れ出すので熱交換器５４に流入する空気の温度は当初は低いが、次第に冷却空間２８内の空気が流入してくるので、開始後、僅かな時間で急激に上昇して行くことになる。そして、この気体排出通路５２内を流れる空気（冷却気体）の温度は、この途中に設けた熱電対６６により測定されて弁制御部６８へ入力されている。
【００４１】
この測定温度値がｔ１℃よりも低い場合には（Ｓ２のＮＯ）、そのまま上記動作が継続されるが、測定温度値がｔ１℃以上になると（Ｓ２のＹＥＳ）、降温用気体導入手段４０の弁６２を開き、且つ降温用送風機６４を始動し、降温用気体、すなわち室温の空気の送風を開始する（Ｓ３）。そして、これと同時に、吸出用送風機５６も始動し、冷却体の吸い出しを開始する（Ｓ３）。上記降温用気体は、降温用気体導入通路５８内を流れて開放された弁６２を通過してミキサ６０に至り、このミキサ６０内で気体排出通路５２内を流れてくる昇温されて高温になった空気（冷却気体）と混合されてこの混合気体の温度が低下することになる。そして、この混合気体は、吸出用送風機５６によって下流へ流れて行く。この時の導入する降温用気体の流量は一定であり、その流量Ｑｂ［ｍ３ ／ｍｉｎ］は、下記の式で予め定められている。
【００４２】
Ｑｂ＝Ｑａ・（Ｔａ−Ｔｐ）／（Ｔｐ−Ｔｒ）
Ｑａ：気体排出通路内を流れてくる風量［ｍ３ ／ｍｉｎ］
Ｔａ：従来の装置の冷却気体の最大値［℃］（図２参照）
Ｔｐ：熱交換器の耐熱温度［℃］（図２参照）
Ｔｒ：室温［℃］
【００４３】
この場合、熱電対６６で測定される測定温度値は、降温用気体が導入されると暫くの間は混合気体の温度は上昇するが短時間で測定温度値はピークとなり（Ｓ４のＹＥＳ）、その後、混合気体の温度は次第に少しずつ低下して行くことになる。上記ピーク点は、図２において曲線Ａがピークになった点に一致している。この場合、曲線Ｂのピーク値は、熱交換器５４の耐熱温度であるＴｐ（３００℃）よりも低く、これにより熱交換器５４が熱損傷を受けることを防止することができる。従って、この熱交換器５４として特殊な耐熱性の高いものを使う必要がなく、小型で、しかも安価な汎用性のある熱交換器を用いることができる。
【００４４】
そして、上記混合気体の温度がｔ２℃以下になると（Ｓ５のＹＥＳ）、弁制御部６８は降温用送風機６４を停止し、且つ弁６２を閉じて降温用気体の導入を停止する（Ｓ６）。このｔ２℃の値は、経験的に求められ、処理容器４の温度が熱交換器５４の耐熱温度Ｔｐになった時の混合気体の温度に設定すればよい。
【００４５】
その後、降温用気体の導入を停止してから、所定の時間が経過した否かを判断する（Ｓ７）。この所定の時間の長さは、経験的に求められ、この気体排出通路５２内を流れる冷却気体が安全温度以下まで降温する長さに設定する。そして、この所定の時間が経過したならば（Ｓ７のＹＥＳ）、押込用送風機４４の駆動を停止し、また吸出用送風機５６の駆動を停止し、更に排気シャッタ５０を閉じることによって（Ｓ８）、冷却操作を終了することになる。これ以降は、処理容器４内から冷却された半導体ウエハＷを降下させてアンロードし、これを搬出することになる。
【００４６】
このように、本発明によれば、複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器４と熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器５４の上流側で降温用気体を混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることができる。
【００４７】
尚、上記実施例では、降温用気体導入通路５８に設けた弁６２の動作は開閉動作だけであったが、これに加えて弁開度を調整できる弁を用いてもよい。この弁開度を調整できる弁を用いれば、例えば図２において一点鎖線で示す特性Ｃのように、弁６２を全開した後、暫くしてから（例えば温度ピークＴａを過ぎた時点から）、弁開度を少しずつ小さくして降温用気体の流量を徐々に少なくするように制御することができる。
【００４８】
また、上記第１実施例では、降温用気体導入手段４０の一部として降温用送風機６４を設けて降温用気体の導入を促進させるようにしたが、これに限定されず、この降温用送風機６４を設けないで、降温用気体導入通路５８の先端をクリーンルーム内等の大気側へ開放させるようにしてもよい。この場合には、吸出用送風機５６を動作させることにより、降温用気体導入通路５８内が負圧になり、弁６２を制御することで上述したと同様に降温用気体を導入させることができる。
【００４９】
＜第２実施例＞
次に本発明の熱処理装置の第２実施例について説明する。先の第１実施例は降温用気体導入手段４０に熱交換器に流入する気体の温度を測定するために熱電対６６よりなる気体温度測定手段を設けたが、これに限定されず、この気体温度測定手段を設けないで省略するようにしてもよい。
【００５０】
図４はこのような本発明の熱処理装置の第２実施例の一部を示す構成図である。尚、図４において図１に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。図４に示すように、ここでは気体排出通路５２には図１に示した熱電対６６よりなる気体温度測定手段を設けていない。この場合、弁制御部６８は装置制御部７０側からの冷却開始指令を受けて、時間管理により弁６２の開閉動作や降温用送風機６４の始動、或いは停止を行う。
【００５１】
具体的には、図２中における温度ｔ１、ｔ２の各タイミング（時間）は、実験的、或いは経験的に知ることができ、各タイミングの時期を冷却開始を起点とするデータとして予め求めておく。そして、このデータを上記弁制御部６８に予め記憶させておき、これにより、上記第１実施例と同様な動作を行うことができる。この場合にも、先の第１実施例と同様な作用効果を発揮することができる。またこの第２実施例においても、先の第１実施例で説明したと同様に、上記降温用送風機６４を設けないで、降温用気体導入通路５８の先端をクリーンルーム内等の大気側へ開放させるようにしてもよい。この場合には、吸出用送風機５６を動作させることにより、降温用気体導入通路５８内が負圧になり、弁６２を制御することで上述したと同様に降温用気体を導入させることができる。
【００５２】
＜第３実施例＞
次に本発明の第３実施例について説明する。先の第１及び第２実施例では、降温用気体として別途設けた降温用気体導入手段４０から降温用気体として室温の空気を導入するようにしたが、この第３実施例では押込用送風機で押し込んだ冷却気体（室温の空気）を一部分岐してバイパスさせて、このバイパスさせた冷却気体を、冷却空間を通過して昇温した冷却気体中へ導入して混合するようにしている。図５はこのような本発明の熱処理装置の第３実施例を示す構成図、図６は処理容器の冷却時に熱交換器に流入する気体の温度とバイパス通路の弁の開閉動作との関係を示すグラフ、図７は第３実施例の熱処理装置における冷却方法の各工程を示すフローチャートである。
【００５３】
尚、図６において曲線Ａはバイパスした冷却気体を用いない従来の装置の場合を示し、曲線Ｄはバイパスした気体を用いた本発明の第３実施例の熱処理装置の場合を示す。また、図５乃至図７において、先の図１乃至図３に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
図５に示すように、ここでは第１及び第２実施例で設けた降温用気体導入通路５８に替えて冷却気体の一部を必要に応じてバイパスさせるバイパス手段７６が設けられている。具体的には、このバイパス手段７６は、冷却気体導入手段３６の気体導入通路４２と冷却気体排出手段３８の気体排出通路５２との間を連通するバイパス通路７８を有している。この場合、このバイパス通路７８の一端は、上記押込用送風機４４の下流側で上記気体導入通路４２へ接続され、他端は上記熱交換器５４の上流側で気体排出通路５２へ接続され、この接続点にはミキサ６０が設けられている。
【００５５】
そして、上記バイパス通路７８の途中に弁６２が介設されており、バイパスされる気体の流れを制御するようになっている。そして、上記熱交換器５４とミキサ６０との間の気体排出通路５２には、上記冷却空間を流れて昇温した冷却気体と上記バイパス通路７８を流れた気体との混合気体の温度を測定する気体温度測定手段として、例えば熱電対６６が設けられている。すなわち、この熱電対６６によって熱交換器５４に流入する気体の温度を測定するようになっている。そして、第１及び第２実施例と同様に、弁制御部６８は気体温度測定手段である熱電対６６の測定温度値に基づいて上記気体が所定の温度以下になるように上記弁６２を制御するようになっている。
【００５６】
＜冷却方法の説明＞
この第３実施例の動作は、降温用送風機６４に関する点を除いて基本的には第１実施例の場合と略同じであり、図７中のＳ２１〜Ｓ２８は、図３中のＳ１〜Ｓ８に対応している。
【００５７】
まず、一般的な概略的な流れについて説明する。最初はバイパス弁６２は閉じられており、冷却操作が開始されると、加熱炉３０の排気口４８に設けた排気シャッタ５０を開き、冷却気体導入手段３６の押込用送風機４４を始動させる（Ｓ２１）。すると、冷却気体である室温の空気が気体導入通路４２を流れて送風ヘッダ４３に至り、この送風ヘッダ４３に設けた各気体ノズル４６から冷却空間２８内に向けて噴射される。この噴射された室温の冷却気体は高温状態になっている処理容器４、すなわち外筒８の外周面と接触しつつこれを冷却し、これに伴って内筒６及びその内側の半導体ウエハＷも順次冷却されることになる。
【００５８】
この冷却によって、冷却気体は逆に昇温して高温状態となって天井部に設けた排気口４８より冷却気体排出手段３８の気体排出通路５２内へ流れて行く。この気体排出通路５２を流れる冷却気体の温度が所定の値よりも高い場合には、バイパス通路７８に設けた弁６２が開いて上記気体導入通路４２に流れる冷却気体の一部が分岐されてバイパス通路７８内に流れ込み、この気体は冷却空間２８を通って昇温した冷却気体と混合されて、この混合気体の温度を低下させる。そして、この温度が低下した混合気体は熱交換器５４内に流入してここで冷媒により更に冷却されて吸出用送風機５６から外へ排出されることになる。
【００５９】
次に、上述した操作をより詳しく説明する。まず、上述したように押込用送風機４４を始動すると（Ｓ２１）、冷却空間２８内に冷却気体である室温の空気が流れ込み、処理容器４等の冷却が開始される。図６に示すように、冷却開始の当初は、気体排出通路５２内に残留する低温の空気が流れ出すので熱交換器５４に流入する空気の温度は当初は低いが、次第に冷却空間２８内の空気が流入してくるので、開始後、僅かな時間で急激に上昇して行くことになる。そして、この気体排出通路５２内を流れる空気（冷却気体）の温度は、この途中に設けた熱電対６６により測定されて弁制御部６８へ入力されている。
【００６０】
この測定温度値がｔ１℃よりも低い場合には（Ｓ２２のＮＯ）、そのまま上記動作が継続されるが、測定温度値がｔ１℃以上になると（Ｓ２２のＹＥＳ）、バイパス通路７８に設けた弁６２を開き、気体導入通路４２内を流れる冷却気体の一部を分岐してバイパスさせる。そして、これと同時に、吸出用送風機５６も始動し、冷却体の吸い出しを開始する（Ｓ２３）。上記分岐された冷却気体は、バイパス通路７８内を流れて開放された弁６２を通過してミキサ６０に至り、このミキサ６０内で気体排出通路５２内を流れてくる昇温されて高温になった空気（冷却気体）と混合されてこの混合気体の温度が低下することになる。そして、この混合気体は、吸出用送風機５６によって下流へ流れて行く。この時、バイパス通路７８側へ分岐して流入する冷却気体の量は、装置設計にもよるが、例えば押込用送風機４４で押し込まれる冷却気体の全流量の半分程度である。
【００６１】
ここで、熱電対６６で測定される測定温度値は、バイパスされる冷却気体が導入されると暫くの間は混合気体の温度は上昇するが短時間で測定温度値はピークとなり（Ｓ２４のＹＥＳ）、その後、混合気体の温度は次第に少しずつ低下して行くことになる。上記ピーク点は、図６において曲線Ａがピークになった点に一致している。この場合、曲線Ｄのピーク値は、熱交換器５４の耐熱温度であるＴｐ（３００℃）よりも低く、これにより熱交換器５４が熱損傷を受けることを防止することができる。従って、この熱交換器５４として特殊な耐熱性の高いものを使う必要がなく、小型で、しかも安価な汎用性のある熱交換器を用いることができる。
【００６２】
そして、上記混合気体の温度がｔ２℃以下になると（Ｓ２５のＹＥＳ）、弁制御部６８は弁６２を閉じてバイパスされた気体の導入を停止する（Ｓ２６）。このｔ２℃の値は、経験的に求められ、処理容器４の温度が熱交換器５４の耐熱温度Ｔｐになった時の混合気体の温度に設定すればよい。
【００６３】
その後、降温用気体の導入を停止してから、所定の時間が経過した否かを判断する（Ｓ２７）。この所定の時間の長さは、第１及び第２実施例の場合と同様に、経験的に求められ、この気体排出通路５２内を流れる冷却気体が安全温度まで以下するまでの長さに設定する。そして、この所定の時間が経過したならば（Ｓ２７のＹＥＳ）、押込用送風機４４の駆動を停止し、また吸出用送風機５６の駆動を停止し、更に排気シャッタ５０を閉じることによって（Ｓ２８）、冷却操作を終了することになる。これ以降は、処理容器４内から冷却された半導体ウエハＷを降下させてアンロードし、これを搬出することになる。
【００６４】
このように、本発明によれば、複数枚の被処理体、例えば半導体ウエハＷに対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、処理容器４に向かう冷却気体の一部をバイパスさせ、このバイパスした冷却気体を処理容器５４との熱交換によって昇温した冷却気体に熱交換器の上流側で混合させて混合気体の温度を下げるようにしたので、特殊な高価な高温用の熱交換器を不要にして、耐熱性の低い汎用の安価な熱交換器を用いることが可能となる。
【００６５】
尚、上記実施例では、バイパス通路７８に設けた弁６２の動作は開閉動作だけであったが、これに加えて弁開度を調整できる弁を用いてもよい。この弁開度を調整できる弁を用いれば、例えば図６において一点鎖線で示す特性Ｅのように、弁６２を全開した後、暫くしてから（例えば温度ピークＴａを過ぎた時点から）、弁開度を少しずつ小さくしてバイパス気体の流量を徐々に少なくするように制御することができる。
【００６６】
＜第４実施例＞
次に本発明の熱処理装置の第４実施例について説明する。先の第３実施例はバイパス手段７６に混合気体の温度を測定するために熱電対６６よりなる気体温度測定手段を設けたが、これに限定されず、この気体温度測定手段を設けないで省略するようにしてもよい。この場合、先に第２実施例と同様に弁制御部６８は装置制御部７０側からの冷却開始指令を受けて、時間管理により弁６２の開閉動作を行う。
【００６７】
具体的には、図６中における温度ｔ１、ｔ２の各タイミングは、実験的、或いは経験的に知ることができ、各タイミングの時期を冷却開始を起点とするデータとして予め求めておく。そして、このデータを上記弁制御部６８に予め記憶させておき、これにより、上記第３実施例と同様な動作を行うことができる。この場合にも、先の第３実施例と同様な作用効果を発揮することができる。
【００６８】
また、この第３及び第４実施例の場合には、冷却操作の途中で冷却空間２８内に導入される冷却気体の流量が、第１及び第２実施例の場合よりも少なくなるので、その分、冷却速度が低下するが、ここでは押込用送風機４４と吸出用送風機５６を流れる流量が常に同じなので、同じ送風容量の送風機を用いることができる利点を有する。
【００６９】
尚、上記各実施例において、冷却気体、或いは降温用気体として室温の空気を用いたが、これに限定されず、空気を室温より低い温度に予め冷却して用いるようにしてもよいし、或いは空気に替えてＮ２ ガスやＨｅ等の希ガスよりなる不活性ガスを用いてもよい。
また、上記各実施例では、二重管構造の処理容器４を例にとって説明したが、この処理容器は単に一例を示したに過ぎず、単管構造の処理容器を用いてもよいし、ガス導入手段１２も上記実施例で説明した構成に限定されない。
【００７０】
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
２ 熱処理装置
４ 処理容器
６ 内筒
８ 外筒
１２ ガス導入手段
１６ 排気系
１８ 支持手段（半導体ウエハボート）
２８ 冷却空間
３０ 加熱炉
３２ 断熱部材
３４ 抵抗加熱ヒータ
３６ 冷却気体導入手段
３８ 冷却気体排出手段
４０ 降温用気体導入手段
４２ 気体導入通路
５２ 気体排出通路
５４ 熱交換器
５６ 吸出用送風機
５８ 降温用気体導入通路
６２ 弁
６４ 降温用送風機
６６ 熱電対（気体温度測定手段）
６８ 弁制御部
７６ バイパス手段
７８ バイパス通路
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、
処理容器と、
前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、
前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、
前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、
前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、
前記冷却空間と前記熱交換器との間に設けられた降温用気体導入手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、
筒体状に形成された処理容器と、
前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、
前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、
押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、
熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、
前記熱交換器の上流側にて前記気体排出通路に設けられて、前記昇温した冷却気体に降温用気体を導入して降温させる降温用気体導入手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
前記降温用気体導入手段は、
前記気体排出通路に接続された降温用気体導入通路と、
前記降温用気体導入通路の途中に介設されて前記降温用気体の流れを制御する弁と、
前記熱交換器の上流側に設けられて前記熱交換器に流入する気体の温度を測定する気体温度測定手段と、
前記気体温度測定手段の測定温度値に基づいて前記気体が所定の温度以下になるように前記弁を制御する弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記降温用気体導入手段は、
前記気体排出通路に接続された降温用気体導入通路と、
前記降温用気体導入通路に接続された降温用送風機と、
前記降温用気体導入通路の途中に介設されて前記降温用気体の流れを制御する弁と、
冷却開始を起点として予め定められた時間で前記弁を制御して前記熱交換器に流入する気体の温度が所定の温度以下になるようにする弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記弁は、開閉弁であることを特徴とする請求項３又は４記載の熱処理装置。
【請求項６】
前記弁は、弁開度を調整することが可能な開閉弁であることを特徴とする請求項３又は４記載の熱処理装置。
【請求項７】
前記気体排出通路と前記降温用気体導入通路との接続部にはミキサが設けられていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の熱処理装置。
【請求項８】
複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、
処理容器と、
前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、
前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、
前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、
前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、
前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項９】
複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、
筒体状に形成された処理容器と、
前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、
前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、
押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、
熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、
前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項１０】
前記バイパス手段は、
前記気体導入通路の前記押込用送風機の下流側と前記気体排出通路に介設した前記熱交換器の上流側とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路の途中に介設されてバイパスされる気体の流れを制御する弁と、
前記熱交換器に流入する気体の温度を測定する気体温度測定手段と、
前記気体温度測定手段の測定温度値に基づいて前記気体が所定の温度以下になるように前記弁を制御する弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項８又は９記載の熱処理装置。
【請求項１１】
前記バイパス手段は、
前記気体導入通路の前記押込用送風機の下流側と前記気体排出通路に介設した前記熱交換器の上流側とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路の途中に介設されてバイパスされる気体の流れを制御する弁と、
冷却開始を起点として予め定められた時間で前記弁を制御して前記冷却空間を流れた冷却気体と前記バイパス通路を流れた気体との混合気体の温度が所定の温度以下になるようにする弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項８又は９記載の熱処理装置。
【請求項１２】
前記弁は、開閉弁であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の熱処理装置。
【請求項１３】
前記弁は、弁開度を調整することが可能な開閉弁であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の熱処理装置。
【請求項１４】
前記気体排出通路と前記バイパス通路との接続部にはミキサが設けられていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
【請求項１５】
複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、
前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、
前記冷却空間より排出される前記昇温した冷却気体中に降温用気体を導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、
を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法。
【請求項１６】
複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、
前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、
前記冷却空間に向けて流れる前記冷却気体の一部をバイパスさせて該バイパスされた冷却気体を前記冷却空間より排出されて昇温している冷却気体中に導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、
を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法。
【請求項１７】
前記所定の温度は、前記混合気体が流れる下流側に設けられた熱交換器の耐熱温度であることを特徴とする請求項１５又は１６記載の熱処理装置の冷却方法。
【請求項１】
複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、
処理容器と、
前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、
前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、
前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、
前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、
前記冷却空間と前記熱交換器との間に設けられた降温用気体導入手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、
筒体状に形成された処理容器と、
前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、
前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、
押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、
熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、
前記熱交換器の上流側にて前記気体排出通路に設けられて、前記昇温した冷却気体に降温用気体を導入して降温させる降温用気体導入手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
前記降温用気体導入手段は、
前記気体排出通路に接続された降温用気体導入通路と、
前記降温用気体導入通路の途中に介設されて前記降温用気体の流れを制御する弁と、
前記熱交換器の上流側に設けられて前記熱交換器に流入する気体の温度を測定する気体温度測定手段と、
前記気体温度測定手段の測定温度値に基づいて前記気体が所定の温度以下になるように前記弁を制御する弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記降温用気体導入手段は、
前記気体排出通路に接続された降温用気体導入通路と、
前記降温用気体導入通路に接続された降温用送風機と、
前記降温用気体導入通路の途中に介設されて前記降温用気体の流れを制御する弁と、
冷却開始を起点として予め定められた時間で前記弁を制御して前記熱交換器に流入する気体の温度が所定の温度以下になるようにする弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記弁は、開閉弁であることを特徴とする請求項３又は４記載の熱処理装置。
【請求項６】
前記弁は、弁開度を調整することが可能な開閉弁であることを特徴とする請求項３又は４記載の熱処理装置。
【請求項７】
前記気体排出通路と前記降温用気体導入通路との接続部にはミキサが設けられていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の熱処理装置。
【請求項８】
複数の被処理体を熱処理する熱処理装置において、
処理容器と、
前記被処理体を複数枚支持しつつ前記処理容器内に挿脱可能に移動する支持手段と、
前記処理容器の外側に気体の通る冷却空間を介して囲むように設けた加熱炉と、
前記冷却空間に前記処理容器を冷却する冷却気体を導入するために押込用送風機と気体導入通路とを有する冷却気体導入手段と、
前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出するために気体排出通路と熱交換器と吸出用送風機とを有する冷却気体排出手段と、
前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項９】
複数枚の被処理体に対して同時に熱処理を施す熱処理装置において、
筒体状に形成された処理容器と、
前記被処理体を複数段に亘って支持しつつ前記処理容器内へ挿脱可能に収容される支持手段と、
前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側に、所定の幅の冷却空間を介して囲むようにして設けられた加熱炉と、
押込用送風機が接続された気体導入通路を有し、前記冷却空間に前記熱処理後の降温時に冷却気体を導入する冷却気体導入手段と、
熱交換器と吸出用送風機とが上流側から下流側に向けて順次設けられた気体排出通路を有し、前記冷却空間から昇温した前記冷却気体を排出する冷却気体排出手段と、
前記気体導入通路と前記気体排出通路とを必要に応じて連通して前記冷却気体の一部をバイパスさせるバイパス手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項１０】
前記バイパス手段は、
前記気体導入通路の前記押込用送風機の下流側と前記気体排出通路に介設した前記熱交換器の上流側とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路の途中に介設されてバイパスされる気体の流れを制御する弁と、
前記熱交換器に流入する気体の温度を測定する気体温度測定手段と、
前記気体温度測定手段の測定温度値に基づいて前記気体が所定の温度以下になるように前記弁を制御する弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項８又は９記載の熱処理装置。
【請求項１１】
前記バイパス手段は、
前記気体導入通路の前記押込用送風機の下流側と前記気体排出通路に介設した前記熱交換器の上流側とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路の途中に介設されてバイパスされる気体の流れを制御する弁と、
冷却開始を起点として予め定められた時間で前記弁を制御して前記冷却空間を流れた冷却気体と前記バイパス通路を流れた気体との混合気体の温度が所定の温度以下になるようにする弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項８又は９記載の熱処理装置。
【請求項１２】
前記弁は、開閉弁であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の熱処理装置。
【請求項１３】
前記弁は、弁開度を調整することが可能な開閉弁であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の熱処理装置。
【請求項１４】
前記気体排出通路と前記バイパス通路との接続部にはミキサが設けられていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
【請求項１５】
複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、
前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、
前記冷却空間より排出される前記昇温した冷却気体中に降温用気体を導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、
を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法。
【請求項１６】
複数の被処理体に同時に熱処理を施すようにした熱処理装置の冷却方法において、
前記被処理体を収容する筒体状の処理容器と前記被処理体を加熱するために前記処理容器の外周側を囲むようにして設けた加熱炉との間に形成された所定の幅の冷却空間に、冷却気体を導入して前記処理容器を冷却すると共に昇温した前記冷却気体を排出するようにした冷却工程と、
前記冷却空間に向けて流れる前記冷却気体の一部をバイパスさせて該バイパスされた冷却気体を前記冷却空間より排出されて昇温している冷却気体中に導入して両気体の混合気体が所定の温度以下になるようにする混合工程と、
を有することを特徴とする熱処理装置の冷却方法。
【請求項１７】
前記所定の温度は、前記混合気体が流れる下流側に設けられた熱交換器の耐熱温度であることを特徴とする請求項１５又は１６記載の熱処理装置の冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−７１３５７（Ｐ２０１１−７１３５７Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２１６９７（Ｐ２００９−２２１６９７）
【出願日】平成２１年９月２６日（２００９．９．２６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２６日（２００９．９．２６）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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