(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状の周壁を有する断熱材と、
その周壁の内周側に設けられる発熱体と、
その周壁の外周側を覆う筒形状の第１シェルと、
その第１シェルの外周側を覆う筒形状の第２シェルとを備え、
各シェルは互いに径方向の間隔をおいて配置され、
両シェル間の空間においてガスを層流状態で軸方向に強制流動させる手段を備え、そのガス流速は調節可能とされ、
両シェル間の空間に導入されたガスは、前記断熱材により覆われる加熱空間内に至ることなくその空間から排出されるヒータ。
【請求項２】
各シェルの内外周は同心の円筒面上に配置され、その円筒面と同心の円環形状の分散部材が両シェル間に配置され、その分散部材に複数のガス流通孔が均一に分布するように形成され、それらガス流通孔を介して両シェル間の空間に前記ガスが送り込まれる請求項１に記載のヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒータに関し、半導体デバイスや液晶ディスプレイ基板等の製造工程において、不純物の拡散や酸化膜の形成等を行う熱処理炉の加熱手段として利用できる。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
図７に示す従来のヒータ１０１は、例えば拡散炉や酸化炉等の熱処理炉に用いられるものであり、筒状の周壁１０２を有する断熱材と、その周壁１０２の内周側に設けられる発熱体１０３と、その周壁１０２の外周側を覆う単一の筒状シェル１０４とを備え、その断熱材により囲まれる加熱空間内で不純物の拡散や酸化膜の形成等が行われる。
【０００３】
上記従来のヒータ１０１を用いる熱処理においては、ヒータ外部の熱的変化が内部温度に影響を与えることがある。今後は、半導体デバイスがより微細化し、より一層の均一性を要求されることが予想されるため、上記影響を極力抑える必要がある。
【０００４】
そのような熱的外乱の影響は、断熱材を厚くする等して断熱効果を高め、ヒータ全体の熱容量を大きくすれば低減できる。しかし、それでは内部温度の変化速度が低下し、内部温度を所望温度まで変化させるのに長時間を要するため、内部温度を変更する際の応答性が悪くなってしまう。
【０００５】
そのため、従来の熱処理炉においては、熱処理対象を保持するボートの回転駆動機構を設けることで、熱的外乱の影響を是正していた。しかし、そのような回転駆動機構は高価なものであり、構造も複雑化してしまう。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決することのできるヒータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のヒータは、筒形状の周壁を有する断熱材と、その周壁の内周側に設けられる発熱体と、その周壁の外周側を覆う筒形状の第１シェルと、その第１シェルの外周側を覆う筒形状の第２シェルとを備え、各シェルは互いに径方向の間隔をおいて配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の構成によれば、第１シェルと第２シェルは互いに径方向の間隔をおいて配置されるので、両シェル間にヒータの外部よりも熱的に安定した空間を形成できる。これにより、従来のような単一のシェルにより覆われるヒータに比べ、断熱材を厚くして熱容量を大きくすることなく、断熱材に囲まれる内部空間における温度に対する熱的外乱の影響を小さくできる。
【０００９】
本発明のヒータにおいては、両シェル間の空間においてガスを層流状態で軸方向に強制流動させる手段を備え、そのガス流速は調節可能とされ、両シェル間の空間に導入されたガスは、前記断熱材により覆われる加熱空間内に至ることなくその空間から排出される。
両シェル間の空間においては内外温度差に基づき自然対流が生じるが、その空間においてガスを層流状態でシェルの軸方向に強制流動させ、そのガス流速を自然対流の影響を受けることのない充分な大きさにすることで、その空間を自然対流の影響を受けることのないよう熱的に安定した空間にすることができる。
【００１０】
本発明のヒータにおける各シェルの内外周は同心の円筒面上に配置され、その円筒と同心の円環形状の分散部材が両シェル間に配置され、その分散部材に複数のガス流通孔が均一に分布するように形成され、それらガス流通孔を介して両シェル間の空間に前記ガスが送り込まれるのが好ましい。
これにより、両シェル間の空間におけるガス流を均一化でき、その空間を熱的により均一化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
図１に示す熱処理炉１は、ヒータ２と、このヒータ２により覆われる加熱空間内に配置される炉芯管３と、その炉芯管３内において半導体基板等の処理対象物４を保持するボート５と、そのボート５の炉内への出し入れを行う昇降装置６とを備える。
【００１２】
そのヒータ２は、断熱材１１、発熱体１２、第１シェル１３、および第２シェル１４を備える。その断熱材１１は、縦軸心の円筒形状を有する周壁２１と、この周壁２１の上部を覆う上壁２２とにより構成され、その周壁２１の内方が上記加熱空間とされる。その周壁２１の下端と炉芯管３との間は環状ヒータ支持ベース２３により閉鎖され、その炉心管３の下方は昇降装置６により閉鎖される。
【００１３】
その発熱体１２は、その周壁２１の内周側に設けられる複数の抵抗発熱線１２ａにより構成される。すなわち、図２に示すように、その周壁２１の内周に上下方向に沿う溝２１ａが周方向に一定間隔をおいて複数形成される。各抵抗発熱線１２ａは、線材を蛇行状に曲げることで、上下に並列する直線部と湾曲部とを有する形状とされる。各溝２１ａ内の上部、下部、および上下中間部それぞれにおいて、その抵抗発熱線１２ａは直線部が露出すると共に湾曲部が断熱材１１に埋め込まれる。なお、各抵抗発熱線１２ａは独立して発熱制御可能とされる。
【００１４】
その第１シェル１３と第２シェル１４とは金属製で縦軸心の円筒形状を有し、その第１シェル１３により上記周壁２１の外周側が覆われ、その第２シェル１４により第１シェル１３の外周側が覆われる。すなわち、その第１シェル１３の外径は第２シェル１４の内径よりも小さくされ、各シェル１３、１４の内外周は同心の円筒面上に配置されることで、各シェル１３、１４は互いに径方向の間隔をおいて配置される。その第１シェル１３は、内径が周壁２１の外径と略等しくされ、その周壁２１に固定される。各シェル１３、１４の下端部は円環形状の金属製下部カバー２４に固定され、上端部は円環形状の金属製上部カバー２５に固定される。これにより、ヒータ２は２重シェル構造とされている。
【００１５】
その第１シェル１３と第２シェル１４との間の空間３１において、ガスを層流状態でシェル１３、１４の軸方向に強制流動させる手段を備える。すなわち、その下部カバー２４に形成されるガス導入口２４ａに接続される給気用配管３２を介して、その空間３１内にガス供給源（図示省略）からの高圧ガスが導入され、その上部カバー２５に形成されるガス排出口２５ａに接続される排気用配管３３を介して導入されたガスが排出される。そのガスとしては、例えば窒素ガス等の不活性ガスや空気等を用いることができる。その給気用配管３２の途中に流量計３５が設けられ、その排気用配管３３の途中に排気圧コントロールバルブ３６が設けられ、その排気圧を制御することで空間３１におけるガス流速は調節可能とされている。その流量計３５の下流側と排気圧コントロールバルブ３６の上流側とに開閉バルブ３８、３９が設けられ、そのガスの流動を停止させることができる。なお、そのガス導入口２４ａおよびガス排出口２５ａの数は特に限定されない。
【００１６】
そのガス流速の調節により、そのガスを空間３１において層流状態で軸方向に沿って下方から上方に強制流動させ、また、そのガス流速を自然対流の影響を受けることのない充分な大きさにすることができる。
なお、そのガス流速の具体的な値は、理論計算を参考にして設定することができる。例えば、その第１シェル１３の外周面と第２シェル１４の内周面とを平板と仮定し、その空間３１の下端における第１シェル１３の外周面から上方へｙ座標、径方向外方へｘ座標をとり、第１シェル１３の外周面温度をＴｗ、第２シェル１４の内周面温度をＴ∞、その流体のプラントル数をＰｒ、そのｘ座標でのグラスホフ数をＧｒｘ、重力加速度をｇとした場合、その空間３１におけるｘｙ座標での自然対流によるガス流速Ｖｘは、ポールハウゼンによってＰｒに応じて求められた（ｙ／ｘ）×（Ｇｒｘ／４）1/4 と〔Ｖｘ／｛２×（ｇ×ｘ）1/2 ｝〕×｛Ｔ∞／（Ｔｗ−Ｔ∞）｝1/2 との関係から求められる。その求めた自然対流によるガス流速Ｖｘに対して、強制流動によるガス流速を層流を維持できる速度の範囲内で充分に大きな値（例えば２０倍程度以上）に設定する。ここで、その第１シェル１３の外径を０．５ｍ、第２シェル１４の内径を０．６ｍ、空間３１の軸方向長さを０．７ｍ、Ｔｗを６７０°Ｋ、Ｔ∞を４１８°Ｋ、ｘ＝０．０２５ｍ、ｙ＝０．３５ｍ、流体を窒素とした場合、その理論計算によれば自然対流によるガス流速Ｖｘは約０．００９８ｍ／ｓｅｃとなる。また、層流を維持できる上限のガス流速は０．７６ｍ／ｓｅｃであり、この場合のガス流量は４１００リットル／ｍｉｎである。よって、ガス流量を１００リットル／ｍｉｎとすれば、ガス流速を約０．０１９ｍ／ｓｅｃとして自然対流の影響を受けることのない充分な大きさにすることができる。
【００１７】
その第１シェル１３と第２シェル１４との間の下部に、各シェル１３、１４の内外周と同心の円環形状を有する分散部材４１が配置される。図３に示すように、その分散部材４１には、ガス導入口２４ａよりも多数かつ小径のガス流通孔４１ａが均一に分布するように形成され、それらガス流通孔４１ａを介して空間３１に上記ガスが送り込まれる。
【００１８】
上記ヒータ２によれば、第１シェル１３と第２シェル１４は互いに径方向の間隔をおいて配置されるので、両シェル１３、１４の間にヒータ２の外部よりも熱的に安定した空間３１を形成できる。これにより、従来のような単一のシェルにより覆われるヒータに比べ、断熱材を厚くして熱容量を大きくすることなく、断熱材１１に囲まれる内部空間における温度に対する熱的外乱の影響を小さくできる。
また、両シェル１３、１４間の空間３１においては内外温度差に基づき自然対流が生じるが、その空間３１においてガスを層流状態で軸方向に強制流動させ、そのガス流速を自然対流の影響を受けることのない充分な大きさにすることで、その空間３１を自然対流の影響を受けることのないより熱的に安定した空間にすることができる。
さらに、そのガスは分散部材４１における均一に分布するガス流通孔４１ａを介して空間３１内に送り込まれるので、その空間３１におけるガス流を均一化でき、その空間３１を熱的により均一化することができる。
これにより、例えば熱処理炉１において処理対象面に形成される酸化膜の膜厚分布の均一化を図ることができる、しかも、ヒータ２の内部温度を変更する際の応答性を低下させることはない。
【００１９】
図４は本発明の第２実施形態を示す。第１実施形態との相違は、分散部材４１を第１シェル１３と第２シェル１４との間の空間３１の上部に配置し、上部カバー２５にガス導入口２５ｂを形成し、下部カバー２４にガス排出口２４ｂを形成し、両シェル１３、１４間の空間３１にガスを上方側から導入して下方側から排気する点にある。他は第１実施形態と同様で、同一部分は同一符号で示す。
図５は本発明の第３実施形態を示す。第１実施形態との相違は、分散部材４１を第１シェル１３と第２シェル１４との間の空間３１の上部に配置し、上部カバー２５にガス導入口２５ｂを形成し、上部カバー２５と分散部材４１とに排気用配管３３の挿通口２５ｃ、４１ｂを形成し、その排気用配管３３の端部開口を空間３１の下部に配置してガス排出口３３ａとし、ガスを空間３１に上方側から導入して上方側から排気する点にある。他は第１実施形態と同様で、同一部分は同一符号で示す。
図６は本発明の第４実施形態を示す。第１実施形態との相違は、下部カバー２４と分散部材４１とに排気用配管３３の挿通口２４ｃ、４１ｂを形成し、その排気用配管３３の端部開口を空間３１の上部に配置してガス排出口３３ａとし、ガスを空間３１に下方側から導入して下方側から排気する点にある。他は第１実施形態と同様で、同一部分は同一符号で示す。
【００２０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、第２シェルの外周側を覆う別のシェルを設けて３重以上のシェル構造としてもよい。また、上記実施形態では第１シェルにより断熱材の外周側を直接に覆ったが、第１シェルと断熱材との間に介在する別のシェルを設けることで３重以上のシェル構造としてもよい。要は、断熱材の外周側を覆う第１シェルと、この第１シェルの外周側を径方向の間隔をおいて覆う第２シェルとを備えていればよい。また、発熱体の構造は特に限定されず、例えば断熱材の内周に螺旋状に設けられるものでもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、断熱材に囲まれる空間における温度を安定させ、且つ、その温度を変更する際の応答性を低下させることのないヒータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のヒータを備える熱処理炉の縦断面図
【図２】本発明の第１実施形態のヒータの部分斜視図
【図３】本発明の第１実施形態のヒータの平断面図
【図４】本発明の第２実施形態のヒータを備える熱処理炉の構成説明図
【図５】本発明の第３実施形態のヒータを備える熱処理炉の構成説明図
【図６】本発明の第４実施形態のヒータを備える熱処理炉の構成説明図
【図７】従来のヒータを備える熱処理炉の断面図
【符号の説明】
１１  断熱材
１２  発熱体
１３、１４  シェル
２１  周壁
３１  空間
３２  給気用配管
３３  排気用配管
４１  分散部材
４１ａ  ガス流通孔
【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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