(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉本体の外壁の少なくとも一部を透光性外壁とし、この透光性外壁の外側かつ近傍にランプ加熱装置を設け、前記加熱炉本体内の被加熱物を前記ランプ加熱装置からの輻射熱により、前記透光性外壁を介して加熱するようにした加熱炉において、前記ランプ加熱装置は、ランプを複数、かつ隣合うランプのフィラメント部同士を対向させて設けることにより、これらのランプのフィラメント部間で直接的に輻射伝熱が生じるように構成するとともに、隣合うランプの根元部と根元部の間に、隣合うランプからの輻射伝熱を遮る平板状遮蔽部材を、ランプの軸線にほぼ平行に設けたことを特徴とする加熱炉。
【請求項２】
加熱炉本体の外壁の少なくとも一部を透光性外壁とし、この透光性外壁の外側かつ近傍にランプ加熱装置を設け、前記加熱炉本体内の被加熱物を前記ランプ加熱装置からの輻射熱により、前記透光性外壁を介して加熱するようにした加熱炉において、前記ランプ加熱装置は、ランプを複数、かつ隣合うランプのフィラメント部同士を対向させて設けることにより、これらのランプのフィラメント部間で直接的に輻射伝熱が生じるように構成するとともに、隣合うランプの根元部と根元部の間に、隣合うランプからの輻射伝熱を遮る遮蔽部材を設けたものであり、
該遮蔽部材は、前記ランプの根元部の外径よりわずかに大きい径を有する貫通孔を形成した第１の遮蔽部材と、第１の遮蔽部材の一方の面に連結した第２の遮蔽部材とにより構成し、第１の遮蔽部材の貫通孔にランプの根元部を挿通して貫通孔の内周面によりフィラメント部の基端部近傍部を包囲するとともに、第２の遮蔽部材を隣合うランプの根元部と根元部の間に、ランプの軸線にほぼ平行に配置したことを特徴とする加熱炉。
【請求項３】
前記遮蔽部材の表面のうち、前記ランプの根元部と対向する部分を鏡面状に仕上げたことを特徴とする請求項１または２に記載の加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランプ加熱装置を備えた加熱炉に関し、特に半導体単結晶基板などの被加熱物を均一に加熱することができる加熱炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の気相エピタキシャル成長装置として、図５に示すものが知られている。この装置は、透明な石英ガラスからなる反応容器３１の上下に抵抗加熱体３２，３２を配備し、反応容器３１内にシリコンなどからなる半導体の単結晶基板ｗを載置し、これを抵抗加熱体３２，３２で反応温度に加熱しつつ、原料ガス３３を反応容器３１内に導入することにより、単結晶基板ｗ上にシリコンなどの単結晶薄膜を気相成長させるものである。この場合、原料ガス３３が単結晶基板ｗの表面で反応してシリコンなどが生成し、これが単結晶基板ｗ上に堆積されることによって単結晶薄膜が成長される。
【０００３】
しかし、抵抗加熱体３２では伝導伝熱による加熱が主なものであるため、上記エピタキシャル成長装置では反応容器３１も加熱されるので、反応容器３１の外壁内面で原料ガスの反応が発生する。この結果、前記外壁内面にシリコンなどの堆積が生じ、これらが剥離して、単結晶基板ｗ上に成長されつつある単結晶薄膜上に落下するため、該単結晶薄膜に突起状表面欠陥などが多発する問題があった。
【０００４】
この問題を解決するため、上記抵抗加熱体に代えて赤外線ランプを多数本、並列に配備して構成されたランプ加熱装置が用いられている。このようなランプ加熱装置による加熱は、主として輻射伝熱によるものであり、赤外線は反応容器の石英ガラス製外壁を透過する。すなわち赤外線ランプは、石英ガラスに吸収されにくい光を放射するため、石英ガラス製外壁を高温に加熱することがないので、単結晶基板にのみエピタキシャル成長反応が生じる利点がある。
【０００５】
ところが、複数のランプを設けた場合、各ランプのフィラメント部などに個体差があり、同一電圧を加えても個々のランプで発熱量が異なるため、半導体単結晶基板などの被加熱物を均一に加熱するのが難しいという問題があった。
すなわちランプ加熱装置として、図６に示すように赤外線反射用の傘４４を設けた電球４１を複数並列に配備したものが知られているが、このランプ加熱装置ではランプ４１，４１が相互に加熱し合う構造となっていないため、個々のランプ間の発熱量の差が、そのまま単結晶基板ｗなどの被加熱物の加熱ムラとなって現れていた。図６において符号４２はフィラメント部、符号４３は根元部である。
【０００６】
例えば、大直径のシリコン基板を枚葉式に加熱するときには、シリコン基板表面の場所によって加熱温度が異なりやすくなり、小直径のシリコン基板をバッチ式で加熱するときには、シリコン基板間で加熱温度ムラが発生しやすかった。この加熱温度ムラを抑えるためには、シリコン基板を支持するサセプタを回転させる必要あり、それだけエピタキシャル成長装置の構造が複雑となり、維持管理が面倒になる問題があった。
このような問題点は、シリコン基板を加熱処理するためのその他の装置、例えば酸化膜形成装置などにも生じていた。
【０００７】
このような不具合を解消するためには、例えば図７に示すように、隣接するランプ５２，５２の側面全体を互いに直接対向させることにより、フィラメント部５３，５３が互いに対向相手を加熱する構造としたランプ加熱装置５１が考えられる。このランプ加熱装置は、隣合うランプのフィラメント部相互間の輻射伝熱量が下記［数１］で求められることに着目したものである。
【０００８】
【数１】
輻射伝熱量＝係数×（Ｔ14−Ｔ24 ）
ただし、Ｔ1 は一方のランプのフィラメント部の絶対温度
Ｔ2 は他方のランプのフィラメント部の絶対温度
【０００９】
すなわち、このランプ加熱装置は、各ランプが相互に輻射熱を伝播する構造とすることにより、温度が低いランプのフィラメント部は、温度が高いランプのフィラメント部から熱を受け取って同一温度になるまで昇温し、逆に温度が高いランプのフィラメント部は、温度が低いランプのフィラメント部に熱を与えて同一温度になるまで降温することを利用したものである。
【００１０】
別のランプ加熱装置として、要部構造が図８に示されるものが知られている。このランプ加熱装置は、特公平７−９９７３７号公報に開示された半導体ウエーハ加工処理用反応器に配備されているものである。
このランプ加熱装置ではランプ７１のフィラメント部７２が、反射板８１（上記公報の図４における外側の反射器１７８に相当する。）に形成した貫通孔８２に挿入され、フィラメント部７２は反射板８１の片側に、根元部７３は反射板８１の反対側に位置している。７４はフィラメント、７５はガラス球である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７のランプ加熱装置のようにランプ全体を直接対向させてフィラメント部同士が加熱し合う構造とすると、ランプの根元部（被発熱部分であって、通常は冷却を必要とする部分）も相手のフィラメント部により加熱されるため、根元部が破損あるいは焼損する結果、ランプの寿命が短くなるという新たな問題が発生した。
【００１２】
また、図８のランプ加熱装置では、ランプ７１を反射板８１でフィラメント部７２と根元部７３に仕切ったので、ランプの寿命が図７の装置に比べて長くなる利点はあるものの、フィラメント７４からの光が矢印線で示すように、ガラス球７５内を通って根元部７３に漏れるため、ランプの寿命向上効果は不十分であった。
【００１３】
したがって本発明の目的は、上記ランプ加熱装置の利点はそのまま生かしつつ、その欠点を解消したランプ加熱装置を備えた加熱炉を提供することにある。
本発明は、隣接するランプのフィラメント部同士の間には障害物のない構造とすることにより、フィラメント部相互間で直接輻射伝熱が生じるように構成するとともに、根元部相互間の輻射伝熱を遮る遮蔽部材を設けたものであり、これにより加熱の均一性を確保すると同時に、ランプの寿命を延ばすようにしたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の加熱炉は、例えば図１，２に示すように、加熱炉本体１の外壁の少なくとも一部を透光性外壁とし、この透光性外壁の外側かつ近傍にランプ加熱装置１１を設け、加熱炉本体内１に載置したシリコン基板Ｗなどの被加熱物をランプ加熱装置１１からの輻射熱で加熱するようにしたものにおいて、ランプ加熱装置１１は、ランプ１２を複数、かつ隣合うランプのフィラメント部１３と１３を互いに直接対向させて設けることにより、フィラメント部１３と１３の間で直接的に輻射伝熱が生じるように構成するとともに、各ランプの根元部１４と１４の間に、隣合うランプからの輻射伝熱を遮る平板状遮断部材（遮蔽板５ａ）を設けたことを特徴とする（請求項１）。
また、本発明の加熱炉は、例えば図４に示すとおり、隣合うランプ１２，１２の根元部１４と根元部１４の間に、隣合うランプからの輻射伝熱を遮る遮蔽部材１７を設けたものであって、この遮蔽部材１７を、ランプの根元部の外径よりわずかに大きい径を有する貫通孔１５ａを形成した第１の遮蔽部材（第１の平板１５）と、第１の遮蔽部材の一方の面に連結した第２の遮蔽部材（第２の平板１６）とにより構成し、第１の遮蔽部材の貫通孔にランプの根元部を挿通して貫通孔の内周面によりフィラメント部１３の基端部近傍部を包囲するとともに、第２の遮蔽部材を隣合うランプの根元部と根元部の間に、ランプの軸線にほぼ平行に配置したことを特徴とする（請求項２）。
【００１５】
本発明に係るランプ加熱装置を備えた加熱炉の具体例としては、気相エピタキシャル成長装置（ＣＶＤ装置）、酸化膜形成装置、ランプアニール装置など、半導体単結晶基板に何らかの熱処理を施す装置が挙げられる。
【００１６】
前記ランプ１２は、図２に示すように棒状のものとし、各ランプについてフィラメント部１３，１３の側面を互いに対向させるとともに、根元部１４と１４を対向させ、更に前記遮蔽板５ａを隣合うランプの根元部１４，１４の対向間隙に設けたものが好ましい。前記遮蔽板５ａは、高融点金属材料で構成するとともに、その外面のうちランプからの輻射熱を受ける部分を鏡面状の高反射率面に仕上げることが好ましい。
なお、本発明では所望により、フィラメント部が球状のランプを設けることもできる。
【００１７】
多数本のランプの配列の態様としては、例えば図１、図２に示すものが可能であり、これは加熱炉の上側および下側に棒状ランプ１２，１２，…を互いに平行に配列したものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
実施の形態１（請求項１に対応するもの）
図１は、本発明の加熱炉を使用した気相エピタキシャル成長装置の概略構造を示す縦断面図、図２はランプ加熱装置の一部を示す平面断面図である。この加熱炉ではランプ加熱装置１１を、加熱炉本体１の天板２の外側かつ直近、および底板３の外側かつ直近に設ける。ランプ加熱装置１１は棒状ランプ１２を複数本、加熱炉本体１の中心軸線と直交させて等間隔に、かつ互いに平行に配備することにより構成する。これにより、ランプのフィラメント部１３，１３の側面を互いに真正面に対向させる。ただし、天板２側のランプと底板３側のランプでは、その向きを逆にする。
【００１９】
天板２側に設けたランプ加熱装置の１１の上方を、反射率および耐熱性が高い金属材料による反射板５で被う。底板３側に設けたランプ加熱装置の１１の下方も同様に反射板５で被う。これらの反射板５に、これと同一の材料からなる遮蔽板５ａを鉛直方向に突出させて設けることにより、遮蔽板５ａをランプの根元部１４，１４の対向間隙に位置させる。
【００２０】
このランプ加熱装置１１では、天板２側の全てのランプが相互に輻射伝熱し合い、底板側においても全てのランプが相互に輻射伝熱し合う。このため、シリコン基板Ｗに向かう輻射熱線の強さが、天板２の全面にわたって均一化されると同時に、底板３の全面にわたっても均一化される。
また、隣合うランプ１２のフィラメント部１３からの輻射熱線が遮蔽板５ａで遮られるため、根元部１４の過熱防止効果が向上する。すなわち、図８のランプ加熱装置と違って、図３に示すように、フィラメント１３ａからガラス球１３ｂ内を通って根元部１４に漏れてくる光をも遮断することができる。
【００２１】
実施の形態２（請求項２に対応するもの）
図４はランプ加熱装置の要部構成および、その作用を説明する模式的平面図である。
このランプ加熱装置では、棒状ランプ１２の根元部１４の外径よりわずかに大きい径を有する貫通孔１５ａを形成した第１の平板１５と、第１の平板１５の一方の面に直交させて連結した第２の平板１６とにより遮蔽部材１７を構成する。そして、前記貫通孔１５ａに根元部１４を挿通して貫通孔１５ａの内周面によりフィラメント部１３の基端部近傍部を包囲するとともに、第２の平板１６を、隣合うランプの根元部１４と根元部１４の間に、ランプ１２の軸線に平行に配置する。
前記貫通孔１５ａの径を上記のように限定した理由は、根元部１４を貫通孔１５ａに挿通して、これを図示しない電源ソケットに差し込むためと、貫通孔１５ａの内周面と棒状ランプ１２との隙間をできるだけ小さくすることが、根元部１４の過熱防止に有効なためである。
【００２２】
このランプ加熱装置では、図４に示す矢印線で明らかなように、フィラメント１３ａから直接根元部１４に向かう光を遮断・反射することができるうえ、フィラメント１３ａからガラス球１３ｂ内を通って根元部１４に向かう光をも遮断することができるので、ランプの寿命向上効果が著しく向上する。
なお、この実施の形態２では、遮蔽部材１７を第１の平板と第２の平板とで構成したが、加熱炉本体の形状、ランプの配列形態等に応じて、第１、第２の遮蔽部材として凹状に湾曲した部材や、筒状の部材を用いて遮蔽部材を構成することもできる。
【００２３】
次に、加熱炉の参考例について、図面を参照して説明する。
図９は、この参考例に係る加熱炉を使用した気相エピタキシャル成長装置の平面図である。ただし図９は便宜上、後記する反射板５を除去した状態で示してある。図１０は、図９の縦断面図である。図１１は図９のＡ−Ａ線断面図であって、ランプの根元部と遮断部材の関係を示すものである。ただし、図１０および図１１は、反射板５を取り付けた状態で示してある。
【００２４】
図１１に示すようにこの加熱炉では、加熱炉本体１を縦型円筒状とし、加熱炉本体１の天板２、底板３、周壁４を透明な石英ガラス製とする。天板２の直上に、これを被う反射板５を設ける。天板２、周壁４の上端部および反射板５により形成される区画室６内にランプ加熱装置１１を設ける。
加熱炉本体１の上部には、反射板５および天板２を貫通して、原料ガス供給管７を設ける。底板３上に石英ガラス製の平板状サセプタ８を固定して設ける。底板３のうち周壁４近傍の位置に排気管９を接続する。
【００２５】
ランプ加熱装置１１は、同一規格の棒状ランプ１２を複数（図示例では８本）、その中心軸線を同一水平面上に位置させて等角度ピッチで、かつ根元部１４を加熱炉本体１の直径方向外側に向けて設ける。このように、隣合うランプのフィラメント部１３，１３の側面を互いに直接対向させる（フィラメント部１３，１３間に輻射熱を遮る障害物のない構造とする）ことにより、これらのフィラメント部間で直接的に輻射伝熱が生じるように構成するとともに、各ランプの根元部１４，１４間に、隣合うランプからの輻射伝熱を遮る遮断部材２１を設ける。
【００２６】
遮蔽部材２１の材質としては、耐熱性に優れたＳｉＣなどのセラミックが採用できるが、輻射熱の有効利用を考慮すると、セラミック材料または耐熱合金材料を円環状に成形し、下面側に断面輪郭線が放物線状（または円弧状）の凹状鏡面部２２を形成するのが好ましい。遮蔽部材２１の上面側は平面状とする。凹状鏡面部２２は、ランプ１２の根元部１４の配置位置に対応して等角度ピッチで形成する。凹状鏡面部２２は、前記円環状部材に凹部を形成した後、金や銀など反射率の高い金属の薄膜を、例えば真空蒸着で堆積することにより形成する。
【００２７】
この参考例では、図１１に示すようにランプ１２を、その根元部１４の上半部が凹状鏡面部２２で被われるように設ける。この場合、根元部１４と遮蔽部材２１の配置の上下関係は、遮蔽部材２１の下面２３が根元部１４の中心軸線よりも僅かに下になるようするのが好ましい。ランプ１２の中心軸線は遮蔽部材２１の凹面鏡部２２の焦点に一致させることが好ましい。これにより、凹状鏡面部２２に到達した輻射熱線の殆どを鉛直方向下向きに反射させることができる。
【００２８】
この気相エピタキシャル成長装置の作用について説明すると、１枚の大直径シリコン基板Ｗをサセプタ８に載置し、ランプ加熱装置１１を作動させて反応温度に加熱・維持した状態で原料ガス供給管７を介して、原料ガス３３を加熱炉本体１内に供給してエピタキシャル成長反応を進行させる。
【００２９】
この場合において、ランプ加熱装置１１からの輻射熱線の一部は、直接天板２を透過してシリコン基板Ｗに照射され、一部は反射板５で反射した後、天板２を透過してシリコン基板Ｗに照射される。そして、複数のランプ全てが相互に輻射伝熱し合うことによって全てのランプが等温度となるため、シリコン基板Ｗに向かう輻射熱線の強さが、天板２の全面にわたって均一化される。この結果、従来の加熱炉と違って、大直径のシリコン基板Ｗを回転させることなく、その全体を均一温度に加熱することができて、均一品質のエピタキシャル成長製品を安定して製造することできる。
【００３０】
また、隣接するランプからの輻射熱線は、遮蔽部材２１によって遮られるため各ランプの根元部１４には照射されなくなるので、この遮蔽部材２１を設けない従来のランプ加熱装置に比べて根元部１４の温度が大幅に低下し、その寿命が著しく向上する。
さらに、遮蔽部材２１に放物線状の凹状鏡面部２２を設けたため、遮蔽部材２１に到達した輻射熱線を反射させてシリコン基板Ｗを加熱することができるので、ランプからの輻射熱線の使用効率も向上する。
【００３１】
〔実験例１および比較例１〕
実験例１では図９のエピタキシャル成長装置を用いて、また比較例１では図９の装置から遮蔽部材２１（アルミニウム基材の表面に金メッキを施したもの）を除去して、それぞれシリコン基板の加熱を行った。その他の条件は実験例１と比較例１で共通にした。ただし、エピタキシャル成長用の原料ガスの供給は行わなかった。
【００３２】
根元部１４の直径・長さが約３０ｍｍ・約３０ｍｍ、フィラメント部１３の直径・長さが約３５ｍｍ・約１００ｍｍで出力が２０００ワットである同一規格のランプ１２を合計８本、図９のように配列した。各ランプに約２０００ワットの電力を供給し、約６ｃｍ下方に載置した直径２００ｍｍのシリコン基板Ｗを約８００℃に加熱した。
上記８本のランプは、いずれもフィラメント部自身の昇温温度の理論値が２７２７℃のものであるにも関わらず実際には、理論値と最も差があるランプで約３００℃の差が認められた。これは、フィラメント部の個体差と、加熱に使用したことによるフィラメント部の劣化とに起因するものと考えられる。
【００３３】
各ランプの根元部の温度を熱電対で測定したところ、実験例１では、いずれのランプにおいても約２９０℃〜約３１０℃の範囲内に収まっていた。これに対し比較例１では、約３３０〜約３８０℃とバラツキが大きかった。また、加熱されたシリコン基板について、その表面の数箇所について温度を熱電対で測定したところ実験例１、比較例１とも、最高値と最低値との差は６℃であった。以上の結果から、従来構造の加熱炉の利点を損なうことなく、ランプ根元部の温度低下が可能となることが確認できた。
【００３４】
さらに、実験例１、比較例１においてランプ加熱装置をＯＮ，ＯＦＦさせて昇降温操作を繰り返し行い、ランプの耐久性を調べた結果、比較例１では２週間後にランプの根元部に変色が生じて加熱不能となった。これに対し実験例１では、３〜４週間、通電加熱が可能であった。
このように、実験例１ではランプの寿命が大幅に延び、従ってエピタキシャル基板製品のコストを削減することが可能となった。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の加熱炉に配備したランプ加熱装置ではランプを複数、かつ隣合うランプのフィラメント部を互いに対向させて設けることにより、これらのフィラメント部間で直接的に輻射伝熱が生じるように構成するとともに、それぞれのランプの根元部間に、隣合うランプからの輻射伝熱を遮る遮断部材を設けたため、以下のように、加熱特性および耐久性に優れた、ランプ加熱式の加熱炉を提供することができる。すなわち、
（１）本発明に係るランプ加熱装置では、隣接するフィラメント部が加熱し合うので、それぞれのランプのフィラメント部を個々に凹状の反射面で被った従来構造のランプ加熱装置に比べて、加熱温度の均一性が向上する。また、この均一性は、隣接するランプの側面全体を互いに直接対向させて設けた場合（図７を参照）と同等に優れたものとなる。従って、例えば大直径のシリコン基板を枚葉式に加熱するときには、シリコン基板表面の場所による加熱温度のバラツキが小さくなり、小直径のシリコン基板をバッチ式で加熱するときには、シリコン基板間での加熱温度ムラを小さくすることができる。また、このようなランプ加熱装置を備えた加熱炉の具体例としての気相エピタキシャル成長装置、ランプアニール装置あるいは酸化膜形成装置では、品質が均一な製品を歩留り良く製造することができる。
（２）対向するランプ根元部間に（ランプ根元部同士の対向間隙に）所定の遮蔽部材を設けたので、ランプ根元部の温度が、図７に示す構造のものに比べて低下し、その寿命が大幅に延びる。
（３）本発明では特に上記遮蔽部材を、ランプ根元部の外径よりわずかに大きい径を有する貫通孔を形成した第１の遮蔽部材と、この第１の遮蔽部材の一方の面に連結した第２の遮蔽部材とにより構成し、第１の遮蔽部材の貫通孔にランプの根元部を挿通して貫通孔の内周面によりフィラメント部の基端部近傍部を包囲するとともに、第２の遮蔽部材を隣合うランプの根元部と根元部の間に、ランプの軸線にほぼ平行に配置した（図４を参照）ので、上記したように、ランプのフィラメント部から直接根元部に向かう光を遮断・反射することができるうえ、フィラメント部からガラス球内を通って根元部に向かう光をも遮断することができるので、ランプの寿命向上効果は著しいものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る加熱炉の概略構造を示す縦断面図である。
【図２】  図１の加熱炉におけるランプ加熱装置の一部を示す平面断面図である。
【図３】  図２のランプ加熱装置の作用説明図である。
【図４】  別の実施の形態に係る加熱炉における、ランプ加熱装置の要部構成および作用を説明する模式的平面図である。
【図５】  抵抗加熱体を設けた気相エピタキシャル成長装置の概略縦断面図である。
【図６】  赤外線反射用の傘を設けた電球を複数並列に配備した、従来のランプ加熱装置を示す説明図である。
【図７】  隣接するランプの側面全体を互いに直接対向させて設けた加熱炉の問題点を説明する平面図である。
【図８】  従来例の半導体ウエーハ加工処理用反応器に備えられたランプ加熱装置の要部構造、およびその問題点を説明する模式的平面図である。
【図９】 参考例に係る加熱炉の平面図である。
【図１０】 図９の縦断面図である。
【図１１】 図９のＡ−Ａ線断面図であって、ランプ根元部と遮断部材の関係を示すものである。
【符号の説明】
１  加熱炉本体
２  天板
３  底板
４  周壁
５  反射板
５ａ  遮蔽板
６  区画室
７  原料ガス供給管
８  サセプタ
９  排気管
１１  ランプ加熱装置
１２  棒状ランプ
１３  フィラメント部
１３ａ  フィラメント
１３ｂ  ガラス球
１４  根元部
１５，１６  平板
１５ａ  貫通孔
１７  遮蔽部材
２１  遮断部材
２２  凹状鏡面部
２３  下面
Ｗ  シリコン基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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