(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却ジャケットの内側面に熱電変換モジュールの低温側表面を密着させ、この熱電変換モジュールの高温側表面に放射熱反射膜を形成することにより、昇温・均熱時にはハウジング内の十分な保温を図り、降温時には効率良くエネルギーを回収することができる熱処理装置を提供する。【解決手段】水冷式の冷却ジャケット１ｂを備えたハウジング１の内部に、主に放射熱の照射により加熱するハロゲンランプ２と、半導体ウエハＷを収納するプロセスチューブ３とが配置された熱処理装置において、冷却ジャケット１ｂの内側面に、熱電変換モジュール４の低温側表面を密着させると共に、この熱電変換モジュール４の高温側表面に放射熱反射膜５を形成した構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却手段を備えたハウジングの内部に、主に放射熱の照射により加熱する加熱手段と、被処理物を収納するプロセスチューブとが配置された熱処理装置において、
ハウジングの内側面の一部又は全部に、熱電変換素子の低温側表面を密着させると共に、この熱電変換素子の高温側表面に放射熱反射膜を形成したことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記熱電変換素子が、高温側から低温側にかけて複数の熱電変換モジュールを積層したものであることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジングの内側に熱電変換素子を配置した熱処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスにおいて半導体ウエハを熱処理する際に用いる高速熱処理装置（RTP:Rapid Thermal Prosesser）には、ハウジングの内部の上下にハロゲンランプを配置すると共に、これら上下のハロゲンランプの間にプロセスチューブを配置したものがある（例えば、特許文献１参照。）。この高速熱処理装置は、透明な石英ガラス製のプロセスチューブ内に被処理物である半導体ウエハを収納し、ハロゲンランプからの放射熱を照射することにより加熱して熱処理を行う。また、ハウジングの上壁と下壁は、高熱伝導材料からなり、内側面に鏡面状の放射熱反射面が形成された反射板で構成されている。そして、これらの反射板は、内部に冷水通路が形成されて、水冷式の冷却が行われるようになっている。従って、この高速熱処理装置は、ハロゲンランプが点灯する昇温・均熱時には、このハロゲンランプからの放射熱を反射板の放射熱反射面が反射して外部に熱が漏れ出すのを防止するので、効率良く加熱を行って半導体ウエハを迅速に昇温することができる。また、ハロゲンランプが消灯する降温時には、高熱伝導材料からなる反射板が水冷式によって冷却されるので、効率良く放熱を行って半導体ウエハを迅速に降温することができる。
【０００３】
ところが、上記高速熱処理装置は、高速で昇温と降温のプロセスを繰り返すために、エネルギーのロスが大きくなりすぎるという問題があった。
【０００４】
なお、一般の加熱炉では、上記と同様のエネルギーのロスを抑制するために、炉壁に熱電変換モジュールを配置して、この炉壁を通して放出される熱を電力に変換することによりエネルギーの回収を行う場合があった。
【０００５】
しかしながら、このような加熱炉は、熱電変換モジュールを断熱材からなる炉壁の外側に配置していたため（例えば、特許文献２参照。）、この炉壁の断熱効果が高い場合には、降温時に熱電変換モジュールによる十分なエネルギーの回収ができないという問題があった。また、熱電変換モジュールは、十分な断熱効果が期待できず、今後の改良によって熱電変換効率がさらに高くなるとむしろ冷却効果が高くなるため、炉壁の断熱効果が低い場合や断熱効果のない炉壁を介して熱電変換モジュールを配置した場合には、昇温・均熱時にも熱電変換モジュールによるエネルギーの回収が行われて、加熱と冷却が同時に行われることになり、この熱電変換モジュールの熱電変換効率による損失分だけエネルギーを無駄にするという問題が生じる。即ち、熱電変換モジュールは、昇温・均熱時と降温時の区別なく、エネルギーの回収を行おうとするため、十分なエネルギーの回収ができなかったり、エネルギーの無駄が発生するという問題が生じる。そして、このような問題は、熱電変換モジュールを炉壁の外層の一部に埋め込んだ加熱炉（例えば、特許文献３参照。）の場合も同様である。
【特許文献１】特公平６−４００２７号公報
【特許文献２】特開２００２−１７１７７６号公報
【特許文献３】特開平１０−１９００７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、冷却手段を備えたハウジングの内側面に熱電変換素子の低温側表面を密着させ、この熱電変換素子の高温側表面に放射熱反射膜を形成することにより、昇温から降温に至るまでハウジング内の十分な保温を図り、かつ、効率良くエネルギーを回収することができる熱処理装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、冷却手段を備えたハウジングの内部に、主に放射熱の照射により加熱する加熱手段と、被処理物を収納するプロセスチューブとが配置された熱処理装置において、ハウジングの内側面の一部又は全部に、熱電変換素子の低温側表面を密着させると共に、この熱電変換素子の高温側表面に放射熱反射膜を形成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、前記熱電変換素子が、高温側から低温側にかけて複数の熱電変換モジュールを積層したものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、昇温・均熱時には、加熱手段からの放射熱によって炉内が加熱されるが、ハウジングの内側面に配置された熱電変換素子の内側面となる高温側表面の放射熱反射膜によってこの放射熱が反射されるので、炉内が十分に保温され、加熱効率が低くなりすぎるようなことがなくなると共に、ハウジングの冷却表面に密着した低温側表面との温度差により高温側表面から流入する熱エネルギーを効率良く回収できる。また、熱電変換素子の低温側は、冷却手段によって冷却されることにより低温に維持されるので、降温時にハウジング内の熱が熱伝導によってこの熱電変換素子の高温側に伝わると、効率良く熱電変換を行うことができ、熱エネルギーを電力に変換して回収できるだけでなく、ハウジング内の温度も迅速に降温することができるようになる。なお、このようなエネルギーの回収は昇温・均熱時にも行われるが、加熱が放射熱による割合が大きい加熱手段ほど、熱伝導によって失われる熱の割合が少なくなるので、加熱効率を低下させることも少なくなる。また、降温時には、この加熱手段が加熱を停止して、放射熱は余熱によるものだけになるので、熱電変換素子の内側面に放射熱反射膜が形成されていても、放熱効率が特に大きく低下するようなことはない。
【００１０】
請求項２の発明によれば、複数の熱電変換モジュールを積層した熱電変換素子を用いるので、同じ熱電変換材料の熱電変換モジュールを用いた場合には、熱エネルギーの回収効率を高めることができ、異なる熱電変換材料の熱電変換モジュールを用いた場合には、熱エネルギーの回収効率を高めたり、熱電変換素子の高温側と低温側の温度差を大きくすることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の最良の実施形態について図１〜図６を参照して説明する。
【００１２】
本実施形態では、半導体製造プロセスにおいて半導体ウエハを熱処理する際に用いる高速熱処理装置について説明する。この高速熱処理装置は、図１に示すように、ハウジング１の内部の上下にハロゲンランプ２を配置すると共に、これら上下のハロゲンランプ２の間にプロセスチューブ３を配置したものがある。プロセスチューブ３は、透明な石英ガラス製の管体であり、図示左側の端部が開口されると共に、図示右側の端部は閉じられて、吸気口３ａと排気口３ｂのみが内部に通じるようになっている。このプロセスチューブ３は、内部に半導体ウエハＷを収納し、ハウジング１の開閉蓋１ａにより図示左側の開口端を塞ぐことにより、内部を密閉することができる。また、吸気口３ａと排気口３ｂを通じてガスを入れ替えることにより、任意の処理ガスをプロセスチューブ３の内部に充填することができ、この内部の圧力も調整することができる。
【００１３】
ハロゲンランプ２は、内部にハロゲンガスを封入した直管状の白熱ランプであり、ハウジング１内のプロセスチューブ３の上方と下方に、それぞれ縦横に複数本ずつ配置されている。従って、これらのハロゲンランプ２が点灯すると、放射熱がプロセスチューブ３を透過して半導体ウエハＷに上下から照射されて加熱されることになる。
【００１４】
ハウジング１は、プロセスチューブ３やハロゲンランプ２の周囲を囲んで内部で密閉すると共に、これらのプロセスチューブ３やハロゲンランプ２を支持する支持体であり、上壁と下壁には冷却ジャケット１ｂ，１ｂが配置されている。冷却ジャケット１ｂは、高熱伝導性を有する金属厚板からなり、図２に示すように、内部に冷水通路１ｃが形成されている（図１では冷水通路１ｃは図示を省略している。）。冷水通路１ｃは、図示しない外部の水冷装置から常に冷却水が送られ循環するようになっているので、冷却ジャケット１ｂは、水冷により冷却されて、内側面（上壁の冷却ジャケット１ｂは下面、下壁の冷却ジャケット１ｂは上面）が冷却面となる。
【００１５】
上記ハウジング１の上下の冷却ジャケット１ｂの内側面には多数の熱電変換モジュール４の低温側表面が密着されている。熱電変換モジュール４は、タイル板状の熱電変換素子であり、面積の広い一方の面が低温側表面となり他方の面が高温側表面となるので、ハウジング１の内部には、この高温側表面が露出することになる。そして、これらの熱電変換モジュール４の高温側表面には、放射熱反射膜５が形成されている。放射熱反射膜５は、内表面が鏡面となった、放射熱の反射率が極めて高い膜である。このような放射熱反射膜５は、熱電変換モジュール４の高温側表面に例えば金属層（Ａｕ等）を蒸着させることにより形成することができる。放射熱とは、赤外線（遠赤外線を含む）領域及び可視光を含むその周辺波長領域の電磁波であり、この放射熱が物質に吸収されると熱を発する。しかしながら、放射熱反射膜５は、この放射熱のほとんどを反射するので、この放射熱による熱が熱電変換モジュール４の高温側表面に伝わることはほとんどない。ただし、ハウジング１の内部の熱は、対流する高温のガスに接触することにより、熱伝導によって放射熱反射膜５を介し熱電変換モジュール４の高温側表面に伝わる。なお、上記冷却ジャケット１ｂの内側面と熱電変換モジュール４との間や、この熱電変換モジュール４との高温側表面と放射熱反射膜５との間には、熱伝導性の高い下地層が形成されていてもよく、この下地層により熱膨張の差等によって生じる応力を緩衝することができるようになる。
【００１６】
上記熱電変換モジュール４は、低温側よりも高温側の温度を高くすることにより、これらの間の温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに熱電変換して電力を発生する熱電変換素子である。そして、各冷却ジャケット１ｂの内側面に密着される複数個の熱電変換モジュール４は、適宜直列接続や並列接続されて、熱電変換した電力を外部に出力する。本実施形態の熱電変換モジュール４は、図３に示すように、多数のｐ型半導体とｎ型半導体からなる熱電変換材料４１を交互に並べ、高温側と低温側の双方からセラミックス板４２，４２で挟持したものである。熱電変換材料４１は、両端の温度差に基づきゼーベック効果により熱電変換を行う素材であり、ここでは正の熱起電力を持つｐ型半導体のものと負の熱起電力を持つｎ型半導体のものを組み合わせることにより、効率良く高い起電力が得られるようにしている。セラミックス板４２は、絶縁性の基板であり、熱伝導性が比較的良好なものを用いる。これらのセラミックス板４２，４２は、それぞれ内側面の熱電変換材料４１と接触する部分に導電パターン４３，４３が形成され、これらの導電パターン４３，４３によってｐ型半導体とｎ型半導体からなる熱電変換材料４１が直列接続されるようになっている。従って、個々の熱電変換材料４１の出力電圧（起電力）は微少でも、熱電変換モジュール４全体の出力電圧は、これら各熱電変換材料４１の出力電圧を加算した実用的な大きさのものとすることができる。
【００１７】
なお、上記熱電変換モジュール４では、全ての熱電変換材料４１が直列接続されている場合を示したが、それぞれ複数個ずつの熱電変換材料４１を直列接続し、これら直列接続の組をさらに並列接続することもできる。また、この熱電変換モジュール４で比較的熱伝導性の良くないセラミックス板４２，４２を用いるのは、多数の熱電変換材料４１を接続する導電パターン４３，４３を絶縁するためであるが、このセラミックス板４２，４２に代えて、他のより熱伝導性の良い絶縁性材料を用いることもでき、例えば酸化膜等のように極めて薄いものであれば、ある程度熱伝導性が悪い材質のものを用いることもできる。さらに、この熱電変換モジュール４は、例えば熱伝導性の良好な金属パッケージに収納されて、内部が密閉されるようになっていてもよい。
【００１８】
上記熱電変換モジュール４は、単一のモジュールだけで構成してもよいが、図４に示すように、複数のモジュール４ａを高温側から低温側に積層したものを用いることもできる。即ち、この図４では、熱電変換モジュール４が第１層Ｌ１〜第ｎ層Ｌｎからなるｎ層のモジュール４ａによって構成される。また、各層のモジュール４ａの間には、層間絶縁・応力緩和層４ｂが介在される。なお、これら積層した複数個のモジュール４ａの間の接続は、直並列のいずれであっても任意である。
【００１９】
上記各層のモジュール４ａは、同じ熱電変換材料を用いたものを積層することができる。例えばあるモジュール４ａが図５に示すような熱電変換特性を備えているものとする。ここで、温度ＴＨを熱電変換モジュール４全体の高温側の最高温度とし、温度ＴＣを低温側の最低温度とし、温度ＴＭをこれらの中間の温度とする。そして、性能指数Ｚ（Ｔ）は、温度Ｔにおける熱電変換性能の高さを示すものである。従って、このモジュール４ａは、温度ＴＭ付近で最大の性能指数を示し、それより高温の温度ＴＨでも、低温の温度ＴＣでも、性能指数は低下する。このようなモジュール４ａ単体で熱電変換モジュール４を構成した場合には、数１に示すように、
【数１】
2006140332.tif 000003
図５の右上がりのハッチングで示した台形の面積に比例した電力を出力することができる。これに対して、同じモジュール４ａを２個、第１層と第２層に配置して熱電変換モジュール４を構成した場合には、数２に示すように、
【数２】
2006140332.tif 000004
図５の左上がりのハッチングで示した２つの台形を合わせた面積に比例した電力を出力することができる。従って、同じモジュール４ａを用いても、その性能指数の特性に応じて複数個を積層して熱電変換モジュール４を構成することにより、熱電変換効率を高めることができる。
【００２０】
また、上記各層のモジュール４ａは、異なる熱電変換材料を用いたものを組み合わせて構成することもできる。例えば２種類のモジュール４ａが図６に示すような熱電変換特性を備えているものとする。即ち、一方のモジュール４ａは、温度ＴＣと温度ＴＭの間で高い性能指数を示す低温特性用のものであり、他方のモジュール４ａは、温度ＴＭと温度ＴＨの間で高い性能指数を示す高温特性用のものである。しかも、これらのいずれか一方のモジュール４ａだけでは、温度ＴＣと温度ＴＨの間での熱電変換効率が極めて悪くなる。このような高温特性用のモジュール４ａを第１層に配置し、低温特性用のモジュール４ａを第２層に配置して熱電変換モジュール４を構成すれば、低温側の温度ＴＣと高温側の温度ＴＨの温度幅を広げることができるだけでなく、各層の温度範囲において最も優れた熱電変換材料をそれぞれ利用することにより、さらに熱電変換効率を高めることもできるようになる。
【００２１】
表１に、上記モジュール４ａに用いることが可能な熱電変換材料を例示する。
【表１】
2006140332.tif 000005
これらの熱電変換材料のうち、酸化物系のものは、高温の大気中であっても安定であり、モジュール４ａの内部を気密にする必要がないという利点を有する。
【００２２】
上記構成の高速熱処理装置によれば、昇温・均熱時には、点灯したハロゲンランプ２からの放射熱によって半導体ウエハＷが加熱されるが、熱電変換モジュール４の高温側表面の放射熱反射膜５によってこの放射熱が反射されるので、ハウジング１内も十分に保温され、加熱効率が低くなりすぎるようなことがなくなる。しかも、この高速熱処理装置は、ハウジング１を断熱材からなる炉壁にした場合に比べると、このハウジング１に冷却ジャケット１ｂを用いているために、熱伝導によって外部に漏れる熱が多くなるが、この外部に漏れた熱は熱電変換モジュール４によって電力に変換されて回収されるので、特に熱エネルギーの無駄が大きくなりすぎるということもない。
【００２３】
また、この高速熱処理装置は、降温時には、ハウジング１内の熱が効率良く熱電変換モジュール４の高温側表面に熱伝導されるので、この熱電変換モジュール４が効果的に熱エネルギーを電力に変換して回収することができる。しかも、この降温時には、ハロゲンランプ２が消灯しているので、熱電変換モジュール４の高温側表面の放射熱反射膜５がハウジング１内の温度低下を阻害するようなこともなくなる。即ち、ハロゲンランプ２は、緩やかな降温プロセス等の場合を除いて完全に消灯されるので、ほとんど放射熱を発することがなく、プロセスチューブ３や半導体ウエハＷ、処理ガス等も、高温の間は放射熱を発するが、ハロゲンランプ２が点灯時に放出する放射熱に比べれば僅かなものとなる。従って、これらの放射熱が放射熱反射膜５によって遮断されても、放熱効率が特に低下するようなことはなく、むしろハウジング１を断熱材からなる炉壁にした場合に比べて、遥かに迅速に放熱を行うことができるようになる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、熱電変換素子として、単一のモジュールからなる熱電変換モジュール４や複数のモジュール４ａを積層した熱電変換モジュール４を用いる例を示したが、ゼーベック効果による熱電変換を行う素子であれば、どのような構成のものを用いてもよい。
【００２５】
また、上記実施形態では、ハウジング１の上壁と下壁にのみ冷却ジャケット１ｂ，１ｂを配置する場合を示したが、この冷却ジャケット１ｂの配置は任意であり、ハウジング１全体を冷却ジャケット１ｂで構成することも可能である。さらに、熱電変換素子は、冷却ジャケット１ｂの内側面の全部に配置してもよいし、一部の領域にだけ配置してもよい。さらに、ハウジング１の一部に冷却ジャケット１ｂが配置されていれば、隣接壁部等も冷却されるので、ここの内側面に熱電変換素子を密着させて配置してもよい。さらに、上記実施形態では、冷却ジャケット１ｂの冷却手段を水冷式としたが、冷媒の種類は任意であり、外側に冷却フィンを設けて空冷式とすることもでき、ヒートシンクを取り付けて冷却を行うようにすることもできる。
【００２６】
また、上記実施形態では、プロセスチューブ３内をハロゲンランプ２で加熱する場合を示したが、他の赤外線ランプ等を用いることもできる。さらに、主に放射熱によって加熱を行う加熱手段であればよいので、金属板の内部にヒータを埋め込んだ熱板や、板材自体が発熱するセラミックスヒータ、電磁誘導加熱により加熱される導電板等であってもよく、この加熱手段の種類は任意である。さらに、この加熱手段は、プロセスチューブ３の外側から内部の半導体ウエハＷを加熱する場合に限らず、プロセスチューブ３の内部で加熱を行うようなものであってもよい。さらに、例えばプロセスチューブをガラス状炭素で構成し、外部から電磁誘導加熱によって加熱する等して、このプロセスチューブ自体を加熱手段とすることも可能である。
【００２７】
また、上記実施形態では、半導体ウエハＷの熱処理を行う高速熱処理装置について説明したが、被処理物は半導体ウエハＷには限定されない。さらに、上記実施形態では、高速熱処理装置について説明したが、冷却手段を備えたハウジングの内部に加熱手段とプロセスチューブとが配置されたものであれば、どのような熱処理装置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、高速熱処理装置の構造を示す縦断面側面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、高速熱処理装置の炉壁の構造を示すものであり、図１におけるＡ部の部分拡大縦断面側面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すものであって、熱電変換モジュールの構造を示す縦断面側面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示すものであって、熱電変換モジュールを多層構造とした場合の構成を示す縦断面側面図である。
【図５】本発明の一実施形態を示すものであって、熱電変換モジュールの熱電変換特性を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態を示すものであって、低温特性用と高温特性用の熱電変換モジュールの熱電変換特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１    ハウジング
１ｂ  冷却ジャケット
２    ハロゲンランプ
３    プロセスチューブ
４    熱電変換モジュール
４ａ  モジュール
５    放射熱反射膜
【図１】
2006140332.tif 000006
【図２】
2006140332.tif 000007
【図３】
2006140332.tif 000008
【図４】
2006140332.tif 000009
【図５】
2006140332.tif 000010
【図６】
2006140332.tif 000011