(57)【要約】【課題】プロセスチューブ１を介して内部のガラス状炭素からなる加熱筒２を電磁誘導加熱することにより、温度制御を高速で行い熱処理作業のスループットを向上させることができる熱処理装置を提供する。【解決手段】気密にしたプロセスチューブ１内を加熱して内部の被処理物Ｓを熱処理する熱処理装置において、プロセスチューブ１内にガラス状炭素からなる加熱筒２を配置すると共に、このプロセスチューブ１の外側に電磁誘導加熱コイル３を配置した構成とする。また、このプロセスチューブ１が石英ガラスからなり、電磁誘導加熱コイル３が水冷式による冷却装置を備えたものとする。【選択図】図１
2006120693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密にしたプロセスチューブ内を加熱して内部の被処理物を熱処理する熱処理装置において、
プロセスチューブ内にガラス状炭素からなる加熱筒を配置すると共に、このプロセスチューブの外側に電磁誘導加熱コイルを配置したことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記プロセスチューブが石英ガラスからなり、前記電磁誘導加熱コイルが水冷式による冷却装置を備え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、気密にしたプロセスチューブ内を加熱して内部の半導体ウエハ等を熱処理する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では、半導体ウエハを熱処理する際に高速熱処理装置（RTP:Rapid Thermal Prosesser)を用いる方法が知られている。また、このような高速熱処理装置では、電熱ヒータによる加熱ではなく、電磁誘導加熱によってプロセスチューブ内を加熱するようにした装置（IH-RTP:Induction Heating-RTP）も開発されている（例えば、特許文献１参照。）。この電磁誘導加熱による高速熱処理装置は、図４に示すように、被処理物Ｓを収容する石英ガラス製のプロセスチューブ１の外側にグラファイト製の加熱筒６を配置し、この加熱筒６の外側に絶縁断熱層７を介して電磁誘導加熱コイル３を配置している。また、この加熱筒６は、表面にＳｉＣ（炭化ケイ素）コートを施すことにより、電磁誘導加熱コイル３からの重金属イオンの透過を防止したり、グラファイトの酸化や摩耗による加熱筒６の消耗を防止している。
【０００３】
上記構成の高速熱処理装置は、電磁誘導加熱コイル３に高周波電流を流して加熱筒６を加熱し放射熱を放射させることにより、プロセスチューブ１内を加熱する。しかも、プロセスチューブ１を囲む加熱筒６の内面全体から放射熱が発せられるので、ホットウォール型の加熱により被処理物Ｓを効率良く均一に熱処理することができる。
【０００４】
ところが、最近の半導体製造プロセスでは、集積回路の線間隔のプロセスルールの微細化等に伴い、熱処理温度も低温化（例えば５００℃以下）の要請が強くなっている。しかしながら、上記従来の高速熱処理装置では、加熱筒６がプロセスチューブ１を介して内部を加熱するために、電磁誘導加熱コイル３による温度制御に時間遅れが生じ、特に低温域での温度制御を高速で行うことが困難になるという問題があった。つまり、電磁誘導加熱による高速熱処理装置は、電熱ヒータを用いた高速熱処理装置よりもプロセスチューブ内の温度を高速で変化させることができるという利点を有するが、それでもなおグラファイト製の加熱筒６自身の熱容量が大きいことと、このグラファイト以上に熱容量が大きい石英ガラス製のプロセスチューブ１を通して被処理物Ｓを加熱するという間接的な加熱構造のために、特に低温域では電磁誘導加熱コイル３の通電の開始や停止、電流の増減の実行から実際にプロセスチューブ１内の被処理物Ｓの温度が変化するまでに大きな時間遅れが生じる。このため、従来の高速熱処理装置は、昇温や降温のプロセスを迅速に実行することができず、熱処理作業のスループットを向上させることができなかった。
【０００５】
なお、石英ガラス製のプロセスチューブ１の内部にグラファイト製の加熱筒６を配置することができれば、このプロセスチューブ１の熱容量の分だけ加熱効率を高めることができるので、温度制御の高速化が可能となる。しかしながら、グラファイトは、層状の構造を持ち、層相互間の結合が弱いために、表面にＳｉＣコートを施したとしても、急激な温度変化の繰り返しや摩耗等による炭素層の剥離やカーボンダストとしての飛散、炭素の酸化によるガスの発生等が生じるので、プロセスチューブ１内にこれらの不純物が混入するを確実に防ぐことは出来ない。
【特許文献１】特開２００４−７１５９６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、プロセスチューブを介して内部のガラス状炭素からなる加熱筒を電磁誘導加熱することにより、温度制御を高速で行い熱処理作業のスループットを向上させ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、気密にしたプロセスチューブ内を加熱して内部の被処理物を熱処理する熱処理装置において、プロセスチューブ内にガラス状炭素からなる加熱筒を配置すると共に、このプロセスチューブの外側に電磁誘導加熱コイルを配置したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、前記プロセスチューブが石英ガラスからなり、前記電磁誘導加熱コイルが水冷式による冷却装置を備え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、電磁誘導加熱コイルに高周波電流を流してプロセスチューブ内の加熱筒を電磁誘導加熱することにより、このプロセスチューブ内の被処理物を直接周囲から効率良く均一に加熱することができるので、被処理物の温度制御を高速で行うことができるようになる。しかも、加熱筒に用いるガラス状炭素は、グラファイトに比べて熱容量が小さいので、さらに迅速な温度制御が可能となる。また、このガラス状炭素は、グラファイトとは異なり、急激な温度変化の繰り返し等に対して安定し機械的な接触や摩耗等に対しても強度が高いので、プロセスチューブ内に不純物が混入するようなおそれも生じない。
【００１０】
請求項２の発明によれば、電磁誘導加熱コイルを水冷により迅速に冷却することが出来るので、プロセスチューブの温度上昇を抑えて迅速に冷却することができ、自然放熱では昇温プロセスに比べて比較的温度変化が緩やかになり易い降温プロセスも高速化することができる。さらに、ガラス状炭素からなる加熱筒と電磁誘導加熱コイルとの間に石英ガラスからなるプロセスチューブが配置されるので、別途絶縁材や断熱材を配置する必要がなくなる。
【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３を参照して説明する。なお、これらの図においても、図４に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００１２】
本実施形態は、従来例と同様に、半導体ウエハを熱処理するための電磁誘導加熱によ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及び図２に示すように、石英ガラスからなるプロセスチューブ１の内部に被処理物Ｓを収容するようになっている。このプロセスチューブ１は、図２に示すように断面が長円形であり、図１に示すように左端のみが開口した容器状の筒体である。そして、このプロセスチューブ１は、内部に被処理物Ｓを収容して処理用のガス（例えば窒素ガス等のような不活性ガスや還元性ガス、大気等）で満たす必要があるので、図１に示す左側の開口端を封止材４を介して封口蓋板５に押し当てて封口すると共に、この開口端を開放可能となるようにして、被処理物Ｓの出し入れができるようにしている。
【００１３】
上記プロセスチューブ１の内側には、ガラス状炭素からなる加熱筒２が配置されている。加熱筒２は、ガラス状炭素を、図２に示すように、プロセスチューブ１の内周面よりも少し小さい長円形の断面とし、図１に示すように両端が開口した筒体に形成したものである。ガラス状炭素（GLC:Glass-Like Carbon,glassy carbon）は、グラファイトと同様に、高い導電性や耐熱性、化学安定性を備えた炭素材料であるが、グラファイトとは異なり、急激な温度変化の繰り返しや摩耗等による炭素層の剥離やカーボンダストの飛散等が生じることなく、高い強度と緻密性を備えた炭素材料である。
【００１４】
上記プロセスチューブ１の外側には、電磁誘導加熱コイル３が配置されている。電磁誘導加熱コイル３は、高周波電流を流すためのコイルを配置したものである。従って、石英ガラス製のプロセスチューブ１は、この電磁誘導加熱コイル３と加熱筒２との間の絶縁材としての役割を果たすと共に、放射熱以外の対流等による熱の伝導を遮断する断熱材としての役割も果たすようになっている。また、この電磁誘導加熱コイル３は、加熱筒２の外壁面からの放射熱を受けるだけでなく、高周波電流によって自らも大量の熱を発生させるので、コイルの間には冷却水を循環させた水冷パイプが敷設されている。従って、この電磁誘導加熱コイル３は、水冷により常時冷却されることにより、自身の温度上昇だけでなく、プロセスチューブ１の温度上昇も抑制することができるようになる。しかも、加熱の終了により電流が遮断されると、この電磁誘導加熱コイル３の水冷による冷却効果により、プロセスチューブ１を介して加熱筒２も冷却されることになるので、このプロセスチューブ１内の温度低下を促進することもできるようになる。
【００１５】
上記電磁誘導加熱コイル３に高周波電流を流すと、プロセスチューブ１を介してガラス状炭素からなる加熱筒２にうず電流が発生し、このうず電流によるジュール熱によって加熱筒２全体が発熱する。また、この加熱筒２は、内壁面全体から内側に向けて放射熱を発するので、ホットウォール型の加熱により被処理物Ｓを周囲から効率良く均一に熱処理することができる。この際、図３に示す電磁誘導加熱コイル３とプロセスチューブ１を介した加熱筒２との間のギャップＧは、間隔が狭いほど、電磁誘導加熱の際の電磁的結合が強くなるので、加熱効率を高めることができる。しかも、このギャップＧが狭いほど、電磁誘導加熱コイル３の水冷による冷却効果がプロセスチューブ１や加熱筒２に伝わり易くなる。
【００１６】
上記構成の高速熱処理装置によれば、電磁誘導加熱コイル３に高周波電流を流すことにより、プロセスチューブ１内の加熱筒２を電磁誘導加熱によって直接加熱することができるので、このプロセスチューブ１内の温度制御を高速で行うことができるようになる。しかも、この加熱筒２に用いるガラス状炭素は、グラファイトと同様に、高い導電性や耐熱性、化学安定性を備えた炭素材料であるが、炭素原子が平面状に結合した層構造のグラファイトとは異なり、炭素原子間に三次元結合があるために、グラファイトのように急激な温度変化の繰り返しや摩耗等によって炭素層が剥離したりカーボンダストとして飛散するようなことがなく、炭素が酸化してガスとなるようなことも生じない。従って、プロセスチューブ内にこれら炭素片やカーボンダスト、炭素酸化物（ＣＯｘ）ガス等の不純物が混入するようなおそれがなくなり、加熱筒２自体の消耗も生じない。
【００１７】
また、上記ガラス状炭素は、嵩密度が１．５ｇ／ｃｍ３であり、石英ガラス（ＳｉＯ２）の２．２ｇ／ｃｍ３やＳｉＣコート・グラファイトの１．８５ｇ／ｃｍ３（ＳｉＣコート自体は３．１ｇ／ｃｍ３）と比べても嵩密度が十分に小さく軽量であるため熱容量も小さい。従って、従来のように熱容量の大きいＳｉＣコート・グラファイト製の加熱筒６や石英ガラス製のプロセスチューブ１を昇温させる必要がなくなり、熱容量の小さいガラス状炭素からなる加熱筒２だけを昇温させればよいので、加熱処理の際の温度プロセスにおける昇温速度を速めることができるだけでなく、降温速度を速めることもでき、熱処理作業のスループットを向上させることができるようになる。つまり、昇温プロセスでは、単位時間ごとに同じ熱量を加えた場合に、熱容量の小さい方が温度上昇が速くなる。そして、降温プロセスでも、単位時間内の放熱熱量は外気や冷媒等との温度差によって定まるので、熱容量の小さい方が温度低下が速くなる。
【００１８】
また、上記加熱筒２は、プロセスチューブ１を介して水冷式の電磁誘導加熱コイル３に囲まれているので、この電磁誘導加熱コイル３が降温プロセスで電流を遮断されて水冷により温度が低下すると、プロセスチューブ１を介して加熱筒２も冷却されることになるので、降温速度をさらに速めることができるようになる。つまり、石英ガラス製のプロセスチューブ１は、通常の断熱材に比べて断熱効果は少ないが、その分だけ電磁誘導加熱コイル３の温度が水冷により低下すると、加熱筒２から熱を奪うことができるようになり、これによって加熱筒２も冷却することができる。特に降温プロセスでは、別途冷却を行わない限り、加熱筒２やプロセスチューブ１は自然放熱により温度を下げることになるので、昇温時に比べて温度変化が緩やかになり易い。しかしながら、電磁誘導加熱コイル３の水冷によってプロセスチューブ１や加熱筒２も冷却できるようになれば、この降温プロセスでの温度低下をさらに速めることができるようになる。
【００１９】
なお、上記実施形態では、加熱筒２の形状を両端が開口した筒体としたが、ガラス状炭素の加工が可能であれば、プロセスチューブ１と同様に一方だけが開口した容器状の筒体としてもよい。また、上記実施形態では、プロセスチューブ１の形状を一方だけが開口した容器状の筒体としたが、両端が開口した筒体とすることもできる。ただし、この場合には、プロセスチューブ１の両端開口部を確実に封口する構造が必要となる。さらに、上記実施形態では、これらプロセスチューブ１や加熱筒２の断面形状を長円形としたが、この断面形状は任意であり、例えば円形や楕円形、四隅にアールのある方形等であってもよい。
【００２０】
また、上記実施形態では、加熱筒２と電磁誘導加熱コイル３との間に、十分な絶縁性とある程度の断熱性を有するプロセスチューブ１のみを配置する場合を示したが、加熱筒２とプロセスチューブ１との間、及び／又は、プロセスチューブ１と電磁誘導加熱コイル３の間に、図４の従来例に示した絶縁断熱層７のような断熱材を配置するようにしてもよい。このような断熱材が配置されると、電磁誘導加熱コイル３の水冷による冷却効果はあまり期待できなくなるが、加熱筒２の外壁面からの熱が外部に放散されるのを防止できるので、昇温プロセスでの温度上昇をさらに促進するだけでなく、高速熱処理装置の熱効率を高めることもできるようになる。この断熱材は、鏡面のように放射熱だけを遮断するものであってもよい。さらに、上記実施形態では、プロセスチューブ１を石英ガラス製とする場合を示したが、この石英ガラスに代えて耐熱性と絶縁性を備えた例えばセラミックス製のプロセスチューブ１等を用いることもできる。
【００２１】
また、上記実施形態では、半導体ウエハの熱処理に用いる高速熱処理装置について説明したが、被処理物Ｓは半導体ウエハに限らず任意であり、通常の熱処理装置であっても同様に実施可能である。さらに、上記実施形態では、枚葉型の被処理物Ｓの熱処理装置について示したが、例えば縦型大容量の容器状のプロセスチューブ１を用いることにより、大量の被処理物Ｓをまとめて処理するバッチ処理型の熱処理装置に実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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断面正面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、高速熱処理装置の構造を示す断面側面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すものであって、図２におけるＡ−Ａ断面正面図である。
【図４】従来例を示すものであって、高速熱処理装置の構造を示す断面側面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  プロセスチューブ
２  ガラス状炭素からなる加熱筒
３  電磁誘導加熱コイル
Ｓ  被処理物
【図１】
2006120693.tif 000003
【図２】
2006120693.tif 000004
【図３】
2006120693.tif 000005
【図４】
2006120693.tif 000006