JP2014082014A - ヒータ装置及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータエレメント同士の接触を防止することができるヒータ装置を提供すること。
【解決手段】円筒状の断熱層５０と、前記断熱層の内周側に螺旋状に複数回巻回して配置されたヒータエレメント５２と、前記断熱層５０の内周側に、前記断熱層５０の軸方向に沿って延び、前記ヒータエレメント５２を所定のピッチで保持する複数の保持部材と、前記断熱層上に設けられた突起であって、前記断熱層の周方向で隣り合う前記保持部材の間の、巻回されている前記ヒータエレメント５２に対応する位置に設けられた突起と、を有するヒータ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータ装置及び熱処理装置に関する。

例えば半導体装置の製造においては、被処理体である半導体ウエハに対して、成膜処理、酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理などの処理が施される。このような処理を施す際には、一般的には、被処理体を収容する処理容器と、この処理容器の外周側に、処理容器を囲むように配置されたヒータ装置と、を備える、各種の熱処理装置が用いられる（例えば、特許文献１など）。

ヒータ装置は、例えば円筒体状の断熱層の内周側に、抵抗発熱体（ヒータエレメント）を例えば螺旋状に巻回して形成される。一般的に、この螺旋状のヒータエレメントのピッチ（軸方向で隣り合うヒータエレメントの間隔）は、例えば１０〜３０ｍｍ程度に設計されている。

特開２０００−１８２９７９号公報

しかしながら、ヒータ装置で使用されるヒータエレメントは、高温下で繰り返し使用されることによりクリープ歪を生じ、その線長が経時的に伸びる。このヒータエレメントの線長の伸び（以後、永久伸びと呼ぶ）によりヒータエレメントに発生した余長が屈曲変形すると、軸方向で隣り合うヒータエレメント同士が接触し、ショートが発生する。また、永久伸びや、ヒータエレメントの加熱冷却に伴って発生する熱伸縮などの変形によって発生する応力が要因となり、ヒータエレメントが破断することがある。

上述の課題に対して、ヒータエレメント同士の接触を防止することができるヒータ装置を提供する。

円筒状の断熱層と、
前記断熱層の内周側に螺旋状に複数回巻回して配置されたヒータエレメントと、
前記断熱層の内周側に、前記断熱層の軸方向に沿って延び、前記ヒータエレメントを所定のピッチで保持する複数の保持部材と、
前記断熱層上に設けられた突起であって、前記断熱層の周方向で隣り合う前記保持部材の間の、巻回されている前記ヒータエレメントに対応する位置に設けられた突起と、
を有するヒータ装置。

ヒータエレメント同士の接触を防止することができるヒータ装置を提供できる。

図１は、本実施形態のヒータ装置及び該ヒータ装置を備えた熱処理装置の一例の概略構成図である。 図２は、本実施形態のヒータ装置のヒータエレメント周辺の拡大概略図である。 図３は、従来のヒータ装置の問題点を説明するための、ヒータ装置の上面概略図である。 図４は、本実施形態のヒータ装置の一例の概略図である。 図５は、本実施形態のヒータ装置の他の例の概略図である。 図６は、本実施形態のヒータ装置の他の例の概略図である。 図７は、本実施形態のヒータ装置の他の例の概略図である。 図８は、本実施形態のヒータ争議の他の例の概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（ヒータ装置及び熱処理装置）
まず、本実施形態のヒータ装置及び該ヒータ装置を備える熱処理装置に基本構成の一例を説明する。図１に、本実施形態のヒータ装置及び該ヒータ装置を備えた熱処理装置の一例の概略構成図を示す。なお、本明細書においては、一例として半導体装置を形成するための、ヒータ装置及び該ヒータ装置を有する縦型熱処理装置の例について説明する。しかしながら、本発明はこの点において限定されず、他の種々のタイプのヒータ装置及び該ヒータ装置を有する熱処理装置であっても良い。

図１に示すように、縦型の熱処理装置２は、長手方向が垂直である処理容器４を有する。処理容器４は、有天井の外筒６と、外筒６の内側に同心的に配置された円筒体の内筒８とを有する、２重管構造で構成される。

外筒６及び内筒８は、石英などの耐熱性材料から形成される。外筒６及び内筒８は、ステンレスなどから形成されるマニホールド１０によって、その下端部が保持される。マニホールド１０は、ベースプレート１２に固定される。なお、マニホールド１０を設けず、処理容器４全体を、例えば石英により形成する構成であっても良い。

マニホールド１０の下端部の開口部には、例えばステンレススチール等からなる円盤状のキャップ部１４が、Oリング等のシール部材１６を介して気密封止可能に取り付けられている。また、キャップ部１４の略中心部には、例えば磁性流体シール１８により気密状態で回転可能な回転軸２０が挿通されている。この回転軸２０の下端は回転機構２２に接続されており、回転軸２０の上端は、例えばステンレススチールよりなるテーブル２４が固定されている。

テーブル２４上には、例えば石英製の保温筒２６が設置されている。また、保温筒２６上には、支持具として例えば石英製のウエハボート２８が載置される。

ウエハボート２８には、例えば５０〜１５０枚の被処理体としての半導体ウエハWが、所定の間隔、例えば１０ｍｍ程度のピッチで収容される。ウエハボート２８、保温筒２６、テーブル２４及びキャップ部１４は、例えばボートエレベータである昇降機構３０により、処理容器４内に一体となってロード、アンロードされる。

マニホールド１０の下部には、処理容器４内に処理ガスを導入するための、ガス導入手段３２が設けられる。ガス導入手段３２は、マニホールド１０を気密に貫通するように設けられたガスノズル３４を有する。

なお、図１では、ガス導入手段３２が１つ設置される構成を示したが、本発明はこの点において限定されない。使用するガス種の数などに依存して、複数のガス導入手段３２を有する熱処理装置であっても良い。また、ガスノズル３４から処理容器４へと導入されるガスは、図示しない流量制御機構により、流量制御される。

マニホールド１０の上部には、ガス出口３６が設けられており、ガス出口３６には排気系３８が連結される。排気系３８は、ガス出口３６に接続された排気通路４０と、排気通路４０の途中に順次接続された圧力調整弁４２及び真空ポンプ４４とを含む。排気系３８により、処理容器４内の雰囲気を圧力調整しながら排気することができる。

処理容器４の外周側には、処理容器４を囲むようにしてウエハWなどの被処理体を加熱するヒータ装置４８が設けられる。

処理容器４の外周側には、処理容器４を囲むようにしてウエハWなどの被処理体を加熱するヒータ装置４８が設けられる。

ヒータ装置４８は、天井面を有する円筒体の断熱層５０を有する。断熱層５０は、例えば、熱伝導性が低く、柔らかい無定形のシリカ及びアルミナの混合物によって形成される。以後、本明細書において、「軸方向」、「周方向」及び「径方向」とは、各々、円筒体の断熱層５０の軸方向、周方向及び径方向を指す。

断熱層５０は、その内周が処理容器４の外面に対して所定の距離だけ離間するよう、配置される。また、断熱層５０の外周には、ステンレススチールなどから形成される保護カバー５１が、断熱層５０の外周全体を覆うように取り付けられている。

断熱層５０の内周側には、ヒータエレメント５２が、螺旋状に巻回して配置されている。なお、ヒータエレメント５２の配置の詳細は後述するため、図１では概略的に示している。

ヒータエレメント５２は、断熱層５０の内周側に、側面の軸方向全体に亘って巻回して設けられている。

ヒータエレメント５２は、軸方向において、複数のゾーン（例えば４つのゾーン）に分割されている。各々のゾーン毎に断熱層５０に設けられる図示しない熱電対により検出した温度に基づいて、図示しない制御部により、各ゾーン毎に独立して個別に温度制御できる構成となっている。

螺旋状に巻回されるヒータエレメント５２のエレメント長は、熱処理装置の大きさに依存するが、一般的に１５〜５０ｍ程度である。そのため、ヒータエレメントの経年劣化により例えば１．５％の永久伸びが生じた場合、２２５ｍｍ〜７５０ｍｍもの永久伸びが発生する。そのため、ヒータエレメントの伸びを逃がす構造を有する熱処理装置は、熱処理装置の長寿命化などの観点から、非常に重要となる。

図２に、本実施形態のヒータ装置のヒータエレメント周辺の拡大概略図を示す。ヒータ装置４８は、絶縁性材料であるセラミック材で形成された保持部材５４を有する。保持部材５４は、断熱層５０の内周面側であって、図１の外筒６の外側に設けられる。

図２に示すように、保持部材５４は、例えば、ヒータエレメント５２の内側に位置する基部５４ａと、該基部からヒータエレメント５２のピッチ間を通って断熱層５０の径方向外方へと伸びる複数の支持部５４ｂとを有する、櫛歯状に形成される。支持部５４ｂの一部は断熱層５０に接続され、ヒータエレメント５２は、軸方向で隣り合う支持部５４ｂ、基部５４ａ及び断熱層５０で囲まれる領域である保持部５６内に収容される。また、保持部材５４は、断熱層５０の周方向に沿って、例えば所定の間隔で複数配置される。ヒータ装置４８が保持部５６を有する構成とすることで、ヒータエレメント５２の位置ずれを防止することができる。周方向で隣り合う保持部材５４間の間隔は、ヒータ装置４８の大きさに依存するが、例えば５０〜１５０ｍｍ程度とされる。また、ヒータエレメント５２の軸方向のピッチは、例えば１０〜３０ｍｍ程度であり、またヒータエレメントの断面の直径は、例えば１〜１０ｍｍ程度である。

（従来の問題点）
図３に、従来のヒータ装置の問題点を説明するための、ヒータ装置の概略図を示す。図３（ａ）は、従来のヒータ装置の上面概略図であり、図３（ｂ）は、従来のヒータ装置の径方向の断面概略図である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）の実線は、ヒータ装置４８の使用前のヒータエレメント５２の配置箇所を示す。ヒータ装置４８の長期使用により、ヒータエレメント５２の線長が伸びるため、予めヒータエレメント５２と断熱層５０との間にはギャップが設けられる。製造時における、断熱層５０とヒータエレメント５２との距離（図３におけるＬ１の長さ；クリアランスとも称する）は、ヒータ装置４８のサイズや使用温度などを考慮して、使用温度での熱膨張量程度、具体例としては３ｍｍ〜１０ｍｍ程度とされる。ヒータエレメント５２が断熱層５０と接触するまでは、このクリアランスにより、ヒータエレメント５２の加熱冷却に伴う熱伸縮による変位が許容される。なお、クリアランスＬ１は、別の言い方をすると、基部５４ａから断熱層５０までの距離から、製造時におけるヒータエレメント５２の直径を引いた長さと見ることができる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）の破線は、ヒータ装置４８の長期使用後のヒータエレメント５２の配置例である。ヒータ装置４８の長期使用により、ヒータエレメント５２の線長が伸び、ヒータエレメント５２は、保持部材５４上を、径方向外側に向かって移動し、断熱層５０に接触する。その状態で更にヒータエレメント５２の線長が伸びると、径方向には伸びの逃げ場が存在しないため、ヒータエレメント５２が変形する。ヒータ装置４８の更なる使用によりヒータエレメントの変形が進行すると、軸方向で隣り合うヒータエレメント５２同士が接触し、ショートするという問題があった。

次に、従来の問題点を解決できる、本実施形態のヒータ装置の構成について説明する。

（第１の実施形態）
ヒータエレメント同士の接触を防止することができるヒータ装置の一実施形態について、図を参照して説明する。

図４に、本実施形態のヒータ装置の一例の概略図を示す。図４に示すように、第１の実施形態のヒータ装置４８は、断熱層５０上に設けられた突起６０を有する。突起６０は、周方向で隣り合う保持部材５４の間の、巻回されているヒータエレメント５２に対応する位置に設けられる。

図４における実線は、ヒータエレメント５２が突起６０に接触する直前の、ヒータエレメント５２を示し、図４における破線は、ヒータエレメント５２が突起６０に接触した後の、ヒータエレメント５２である。ヒータ装置４８が突起６０を有することによって、ヒータエレメント５２は、その変形の方向が、径方向内側に方向付けられる。そのため、ヒータ装置４８の更なる使用によりヒータエレメント５２の変形が進行しても、軸方向への伸びが抑制されるため、軸方向で隣り合うヒータエレメント５２同士が接触する可能性を低減することができる。

本実施形態では、ヒータ装置４８に対して、断熱層５０上の位置であって、周方向で隣り合う保持部材５４の間の、巻回されているヒータエレメント５２に対応する位置に突起６０を有していれば、突起６０の分布形態は限定されない。図５に、突起６０の一形態を説明するための、本実施形態のヒータ装置の他の例の概略図を示す。

図５（ａ）の実施形態では、突起６０は、断熱層５０の軸方向に沿ってリブ形状で形成されている。一方、図５（ｂ）の実施形態で示すように、突起６０は、ヒータエレメント５２のピッチ毎に、形成されても良い。しかしながら、図５（ａ）の実施形態は、ヒータエレメント５２が、自重や外的要因により軸方向に移動した場合においても、ヒータエレメント５２が必ず突起６０と接触して、ヒータエレメント５２の変形の方向が径方向内側に方向付けられるため、好ましい。また、図５（ａ）の実施形態は、突起６０を断熱層５０と一体的に形成する場合に、容易に突起６０を形成することができるという利点を有する。

突起６０は、図４に示すように、断熱層５０の周方向で隣り合う保持部材５４の間の、中央に設けられても良いし、断熱層５０の周方向で隣り合う保持部材５４の間を三又はそれ以上で数等分した位置に設けられても良い。

突起６０は、ヒータエレメント５２が突起６０に接触した場合に、ヒータエレメント５２の変形を径方向に方向付けることができれば、その形状は特に限定されず、例えば、断熱層５０の軸方向から見た断面形状で、円形、半円形、三角形、矩形などの形状であっても良い。

また、突起６０は、図４及び図５に示すように、断熱層５０と同じ材料で断熱層５０と一体的に形成されても良いし、他の部材で予め突起６０を形成し、断熱層５０に取り付けても良い。

さらに、第１の実施形態の変形例として、予めヒータエレメント５２を、径方向内側に屈曲するように変形させておいても良い。これにより、ヒータエレメント５２の線長が伸びて断熱層５０（又は突起６０）と接触した場合においても、予めヒータエレメント５２の変形の方向が径方向内側に方向付けられているため、ヒータエレメント５２が更に変形した場合においても、軸方向で隣り合うヒータエレメント５２同士で接触することが抑制される。

以上、第１の実施形態のヒータ装置４８は、周方向で隣り合う保持部５６の間の、巻回されているヒータエレメント５２に対応する位置に、突起６０を有する。突起６０を有することにより、ヒータエレメント５２が突起６０に接触した後において、その変形の方向が、径方向内側に方向付けられる。そのため、ヒータ装置４８の更なる使用により、ヒータエレメント５２の変形が進行しても、軸方向への伸びが抑制されるため、軸方向で隣り合うヒータエレメント５２同士が接触する可能性を低減することができる。

（第２の実施形態）
ヒータエレメント同士の接触を防止することができるヒータ装置の他の実施形態について、図を参照して説明する。

図６に、本実施形態のヒータ装置の他の例の概略図を示す。より具体的には、図６（ａ）は、第２の実施形態のヒータ装置の上面概略図であり、図６（ｂ）は、第２の実施形態のヒータ装置の径方向の断面概略図である。

図６に示すように、第２の実施形態のヒータ装置４８は、断熱層５０の軸方向で隣り合うヒータエレメント５２同士が接触するのを防止するための、接触防止部材６２を有する。この接触防止部材６２は、軸方向で隣り合うヒータエレメントの間に設けられる。

接触防止部材６２は、軸方向で隣り合うヒータエレメントの間に形成されていれば良いので、例えば、図５（ｂ）で示したように軸方向に所定のピッチで突起６０が形成されている場合、図６（ｂ）に示すように、突起６０を軸方向上側と軸方向下側とで挟持するように、接触防止部材６２を形成することが好ましい。なお、この突起６０の形態では、突起６０は複数存在することとなるが、軸方向に隣り合う全ての突起の間に、接触防止部材６２が形成されることが更に好ましい。

また、図５（ａ）で示したようにリブ状に突起６０が形成されている場合、突起６０が形成されていない領域に接触防止部材６２を設置しても良いし、接触防止部材６２が突起６０に係合するように、接触防止部材の一部を加工しても良い。

接触防止部材６２は、図６に示すように、断熱層５０に差し込まれた、断熱層５０の周方向及び径方向に延びる板材であることが好ましいが、本発明はこの点において限定されない。例えば、断熱層５０に差し込まれた、断熱層の径方向に延びる棒材であっても良い。即ち、接触防止部材６２の形状は、特に限定されず、接触防止部材６２の断熱層５０の軸方向から見た断面は、矩形であっても良いし、例えば円形又は楕円形であっても良い。また、接触防止部材６２は、中空体であっても良い。しかしながら、断熱層５０の軸方向から見た接触防止部材６２の断面の面積が大きいほど、接触防止部材６２により、軸方向で隣り合うヒータエレメント同士の接触を防止できる効果が大きいため、接触防止部材６２は板材であることが好ましい。

接触防止部材６２は、断熱層５０と同じ材料で断熱層５０と一体的に形成されても良いし、他の部材を断熱層５０に挿入することによって接触防止部材６２を形成しても良い。

なお、第１の実施形態のヒータ装置及び第２の実施形態のヒータ装置は、組み合わせて使用しても良い。即ち、ヒータ装置４８が突起６０及び接触防止部材６２の両方を有する構成であっても良い。

以上、第２の実施形態のヒータ装置４８は、軸方向で隣り合うヒータエレメント５２間に、接触防止部材６２が設けられる。接触防止部材６２を有することにより、ヒータエレメント５２が断熱層５０に接触した後に、ヒータエレメント５２がどの方向に変形した場合であっても、軸方向で隣り合うヒータエレメント５２同士の接触を防止することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態のヒータ装置について、図を参照して説明する。

図７に、第３の実施形態のヒータ装置の他の例の概略図を示す。より具体的には、図７（ａ）は、第３の実施形態のヒータ装置の上面概略図であり、図７（ｂ）は、第３の実施形態のヒータ装置の径方向の断面概略図である。

第３の実施形態のヒータ装置４８では、保持部材５４を径方向に伸ばすことにより、クリアランスＬ１が従来のヒータ装置より長い。前述した通り、一般的にクリアランスＬ１は、ヒータ装置４８のサイズや使用温度などを考慮して、使用温度での熱膨張量程度、具体例としては３ｍｍ〜１０ｍｍ程度とされる。

本実施形態のヒータ装置４８では、ヒータエレメント５２の永久伸びを考慮して、クリアランスＬ１を、使用温度での熱膨張量以上、例えば１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度となるようにする。クリアランスＬ１を長くすることにより、ヒータエレメント５２が断熱層５０に接触するまでの時間的余裕を長くすることができる。なお、クリアランスＬ１は５０ｍｍを超えても良いが、長くなる程、ヒータエレメント５２の保持が困難になる。また、熱処理装置の大型化や（熱）処理空間の縮小を招く場合があるため、ヒータ装置４８の所望の使用状況に応じて、当業者はクリアランスＬ１を適宜設定することが好ましい。

（第４の実施形態）
第４の実施形態として、前述の第１の実施形態及び第２の実施形態のヒータ装置に組み合わせることが好ましい実施形態について、説明する。

図８に、本実施形態のヒータ装置の他の例の概略図を示す。

図８に示すように、基部５４ａのヒータエレメント５２側の形状が、ヒータエレメント５２側に凹状、例えばヒータエレメント５２側に凹の弧状となっている。また、図８では、ヒータエレメント５２と対向する断熱層５０の内周面の形状が凹状、好ましくは凹の弧状となっている。

このように、ヒータエレメントの形状に合わせて、基部５４ａ及び／又は断熱層５０の形状を設計することにより、効率良くクリアランスＬ１を長くすることができる。

以上、第３及び第４の実施形態においては、クリアランスＬ１を長くすることにより、ヒータエレメント５２が断熱層５０に接触するまでの時間的余裕を長くすることができる。第３及び第４の実施形態を第１の実施形態及び第２の実施形態と組み合わせることにより、ヒータエレメント同士の接触を防止することができるヒータ装置を提供できる。

２ 熱処理装置
４ 処理容器
６ 外筒
８ 内筒
２８ ウエハボート
４８ ヒータ装置
５０ 断熱層
５１ 保護カバー
５２ ヒータエレメント
５４ 保持部材
５６ 保持部
６０ 突起
６２ 接触防止部材
Ｗ 被処理体

Claims (10)

1. 円筒状の断熱層と、
   前記断熱層の内周側に螺旋状に複数回巻回して配置されたヒータエレメントと、
   前記断熱層の内周側に、前記断熱層の軸方向に沿って延び、前記ヒータエレメントを所定のピッチで保持する複数の保持部材と、
   前記断熱層上に設けられた突起であって、前記断熱層の周方向で隣り合う前記保持部材の間の、巻回されている前記ヒータエレメントに対応する位置に設けられた突起と、
   を有するヒータ装置。
2. 前記突起は、前記断熱層の軸方向に沿ってリブ状に形成される、
   請求項１に記載のヒータ装置。
3. 前記突起は、前記断熱層の軸方向に所定のピッチで形成される、
   請求項１に記載のヒータ装置。
4. 前記突起は、前記周方向で隣り合う前記保持部材の間の中央に形成される、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒータ装置。
5. 軸方向で隣り合う前記ヒータエレメントの間に設置された接触防止部材を更に有する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のヒータ装置。
6. 前記接触防止部材は、前記断熱層に差し込まれた、前記断熱層の周方向及び径方向に延びる板材である、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載のヒータ装置。
7. 前記ヒータエレメントと対向する前記断熱層の内周面の形状が凹の弧状である、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載のヒータ装置。
8. 前記保持部は、前記ヒータエレメントの内側に位置する基部と、該基部から前記ヒータエレメントのピッチ間を通って、前記断熱層の径方向外方へと伸びて前記断熱層に差し込まれて形成される支持部とを有し、
   前記基部の前記ヒータエレメント側の形状は、前記ヒータエレメント側が凹の弧状である、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載のヒータ装置。
9. 前記基部から前記断熱層までの距離から前記ヒータエレメントの半径を引いた距離が、当該ヒータ装置の使用温度での熱膨張量以上の距離を有する、請求項８に記載のヒータ装置。
10. 被処理体を収納するための処理容器と、
    前記処理容器の外周に、前記処理容器を囲むように配置された、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のヒータ装置と、
    を有する、熱処理装置。

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