JP4855205B2 - 熱処理炉の水冷ジャケット及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理炉の水冷ジャケット及びその製造方法に関する。

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酸化、拡散、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの処理を施すために、各種の熱処理装置が用いられている。そして、その一般的な熱処理装置は、半導体ウエハを収容して熱処理するための処理容器（反応管）と、この処理容器の周囲に設けられた発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の周囲に設けられた断熱材とで熱処理炉を構成している。また、熱処理炉の周辺への熱的影響を抑制するために、熱処理炉の周囲には水冷ジャケットが設けられている。

この水冷ジャケットは、特許文献１の図４にも示すように、内管（内側板）と、外管（外側板）と、これら内管及び外管の間に配置されて冷却水流路を形成する仕切板とにより主に構成されている。この場合、内管の外壁部には仕切板が溶接により接合されており、仕切板には外管の内壁部が溶接等で接合されていない。

特開２００４−２８１９１５号公報（図４）

しかしながら、前述した従来の熱処理炉の水冷ジャケットにおいては、仕切板には外管の内側壁が溶接等で接合されていたため、強度を確保するために内管及び外管を厚肉にする必要があり、コスト（材料費）及び重量の増大を招く傾向がある。また、仕切板と外管の内側壁とが単に接触しているだけであるため、仕切板と外管との接触部に隙間腐食が発生するおそれがあり、耐食性ないし耐久性の面で不安がある。ここで、隙間腐食とは、隙間内のステンレス鋼表面が最初は不働態化しているため溶解量が少ないが、溶解した金属の腐食生成物が孔食と同じように加水分解して水素イオンを発生し、電気的中性を保つために塩素イオンが隙間に集められて濃度が高まることにより、隙間内のステンレス鋼表面の不働態皮膜が破壊され、その結果、隙間の外の表面の不働態を保っている部分（陰極）と隙間内の表面の不働態ではない部分（陽極）とにより電池ができて電流が流れ続け、孔食の場合と同じように隙間内が腐食される現象をいう。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、構造上の強度が高く、側板の薄肉化が可能でコスト及び重量の軽減が図れると共に、耐食性ないし耐久性の向上が図れる熱処理炉の水冷ジャケット及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のうち、請求項１に係る発明は、被処理体を収容して所定の熱処理を行う熱処理炉の周囲に設けられた水冷ジャケットであって、該水冷ジャケットは、内側板と、外側板と、これら内側板及び外側板の間に配置されて冷却水通路を形成する仕切板とを有し、円筒状の前記内側板の外周を溝状に削ることにより仕切板が一体形成されており、前記仕切板の外周に平板状の前記外側板を巻き付けてその両端部を引っ張ることにより仕切板の外周に外側板を押圧し、この押圧状態で外側板を仕切板に拡散接合により接合したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記仕切板は、軸方向の単一の第１仕切板と、周方向の複数の第２仕切板とからなり、最上端と最下端の第２仕切板の周方向両端部が共に第１仕切板に接続され、中間の第２仕切板の周方向の一端と他端とが交互に第１仕切板に接続され、接続されていない一端又は他端が第１仕切板から離間されることにより隣り合う冷却水通路を連通する連通口を形成していることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１において、冷却水の給水管と排水管を接続するために、最下段の冷却水通路の始端と連通する冷却水入口と、最上段の冷却水通路の終端と連通する冷却水出口とが前記外側板の外側面に設けられていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、被処理体を収容して所定の熱処理を行う熱処理炉の周囲に設けられ、内側板と、外側板と、これら内側板及び外側板の間に配置されて冷却水通路を形成する仕切板とを有する水冷ジャケットの製造方法であって、円筒状の前記内側板の外周に切削加工により仕切板を一体成形する工程と、前記仕切板の外周に平板状の外側板を巻き付けてその両端部を引っ張ることにより仕切板の外周に外側板を押圧する工程と、この押圧状態で外側板を仕切板に拡散接合により接合する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、構造上の強度が高く、内外の側板及び仕切板の薄肉化が可能でコスト及び重量の軽減が図れると共に、隙間腐食を発生するおそれが無く、耐食性ないし耐久性の向上が図れる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を基に詳述する。図１は本発明の実施の形態を示す熱処理炉の概略的縦断面図、図２は同熱処理炉の水冷ジャケットの概略的説明図、図３は同水冷ジャケットの外側板が無い状態の斜視図、図４は同水冷ジャケットにおける外側板の接合構造を示す断面図である。

図１において、１は半導体製造装置の一つである縦型の熱処理装置であり、この熱処理装置１は、被処理体である例えば半導体ウエハｗを一度に多数枚収容して酸化、拡散、減圧ＣＶＤ等の熱処理を施すことができる縦型の熱処理炉２を備えている。この熱処理炉２は、ウエハｗを多段に収容して所定の熱処理を行うための処理容器（反応管ともいう）３と、該処理容器３を囲繞する筒状の断熱材４と、該断熱材４の内周面に沿って配置される螺旋状の発熱抵抗体（ヒータ線ともいう）５とを主に備えている。断熱材４と発熱抵抗体５によりヒータ（加熱装置）６が構成されている。熱処理炉２の周囲には水冷ジャケット１７が設けられており、この水冷ジャケット１７の製造方法については後述する。

前記熱処理装置１は、ヒータ６を設置するためのベースプレート７を備えている。このベースプレート７には処理容器３を下方から上方に挿入するための開口部８が形成されており、この開口部８にはベースプレート７と処理容器３との間の隙間を覆うように図示しない断熱材が設けられている。

前記処理容器３は、プロセスチューブとも称し、石英製で、上端が閉塞され、下端が開口された縦長の円筒状に形成されている。処理容器３の開口端には外向きのフランジ３ａが形成され、該フランジ３ａが図示しないフランジ押えを介して前記ベースプレート７に支持されている。図示例の処理容器３は、下側部に処理ガスや不活性ガス等を処理容器３内に導入する導入ポート（導入口）９及び処理容器２内のガスを排気するための図示しない排気ポート（排気口）が設けられている。導入ポート９にはガス供給源が接続され、排気ポートには例えば１０〜１０^-8Ｔｏｒｒ程度に減圧制御が可能な真空ポンプを備えた排気系が接続されている。

処理容器３の下方には、処理容器３の下端開口部（炉口）を閉塞する上下方向に開閉可能な蓋体１０が図示しない昇降機構により昇降移動可能に設けられている。この蓋体１０の上部には、炉口の保温手段である例えば保温筒１１が載置され、該保温筒１１の上部には例えば直径が３００ｍｍのウエハｗを多数枚例えば１００〜１５０枚程度上下方向に所定の間隔で搭載する保持具である石英製のボート１２が載置されている。蓋体１０には、ボート１２をその軸心回りに回転する回転機構１３が設けられている。ボート１２は、蓋体１０の下降移動により処理容器３内から下方のローディングエリア内に搬出（アンロード）され、ウエハｗの移替え後、蓋体１０の上昇移動により処理容器３内に搬入（ロード）される。

前記ヒータ６は、前記断熱材４と、該断熱材４の内周に沿って配置される螺旋状の発熱抵抗体５と、前記断熱材４の内周面に軸方向に設けられ前記発熱抵抗体５を所定ピッチで支持する支持体１４と、発熱抵抗体５の外側に軸方向に適宜間隔で配置され断熱材４を径方向に貫通して外部に延出された複数の端子板１５とを備えている。

断熱材４の形状を保持すると共に断熱材４を補強するために、図１に示すように、断熱材４の外周は金属製例えばステンレス製の外皮（アウターシェル）１６で覆われている。また、ヒータ外部への熱影響を抑制するために、外皮１６の外周は水冷ジャケット１７で覆われている。断熱材４の頂部にはこれを覆う上部断熱材１８が設けられ、この上部断熱材１８の上部には外皮１６の頂部（上端部）を覆うステンレス製の天板１９が設けられている。

熱処理後にウエハを急速降温させて処理の迅速化ないしスループットの向上を図るために、ヒータ６にはヒータ６と処理容器３との間の空間２０内の雰囲気を外部に排出する排熱系２１と、上記空間２０内に冷却気体（例えば空気）を導入して強制的に冷却する強制空冷手段２２とが設けられている。上記排熱系２１は、例えばヒータ６の上部に設けられた排気口２３と、該排気口２３と図示しない工場排気系とを結ぶ図示しない排熱管とから主に構成されている。排熱管には図示しない排気ブロワ及び熱交換器が設けられている。

上記強制空冷手段２２は、上記断熱材４と外皮１６の間に高さ方向に複数形成された環状流路２４と、各環状流路２４から断熱材４の中心斜め方向へ冷却気体を吹き出して上記空間２０の周方向に旋回流を生じさせるべく断熱材４に設けられた吹出し孔２５とを有している。上記環状流路２４は、断熱材４の外周に帯状又は環状の断熱材２６を貼り付けるか、或いは断熱材４の外周を環状に削ることにより形成されている。

上記外皮１６の外面には、各環状流路２４に冷却気体を分配供給するための共通の１本の図示しない供給ダクトが高さ方向に沿って設けられ、外皮１６には供給ダクト内と各環状流路２４とを連通する連通口が形成されている。供給ダクトにはクリーンルーム内の空気を冷却気体として吸引し、圧送供給する図示しない冷却気体供給源（例えば送風機）が開閉バルブを介して接続されている。

前記水冷ジャケット１７は、図２〜図４に示すように、内側板２７と、外側板２８と、これら内側板２７及び外側板２８の間に配置されて冷却水通路２９を形成する仕切板３０とを有しており、これらは耐食性の高い例えばステンレス鋼により形成されている。本実施の形態の場合、前記仕切板３０は内側板２７に一体成形されており、前記外側板２８は仕切板３０にロウ付けにより接合されている。前記内側板２７は円筒状であり、この内側板２７の外周を溝状に削ることにより仕切板３０が一体成形されている。

前記内側板２７の周方向に沿って冷却水の環状の流れを下方から上方に一段ずつ順に多段に形成するために、円筒状の内側板２７には軸方向（垂直方向）の単一（一本）の第１仕切板３１と、周方向（水平方向）の複数（複数列）の第２仕切板３２とが設けられている。図示例では、仕切板３０は、第１仕切板３１と第２仕切板３２とからなっている。最上端と最下端の第２仕切板（端板）３２ａ，３２ｂの周方向両端部は共に第１仕切板３１に接続されており、中間の第２仕切板３２は周方向の一端と他端とが交互に第１仕切板３１に接続されている。

すなわち、下方から最下段の通路２９ａと二段目の通路２９ｂとを仕切る第２仕切板３２の一端（左端）が第１仕切板３１に接続され、他端（右端）が第１仕切板３１から離間されて隣合う最下段の通路２９ａと二段目の通路２９ｂとを連通する連通口３３が形成されている。また、二段目の通路２９ｂと三段目の通路２９ｃとを仕切る第２仕切板３２の他端（右端）が第１仕切板３１に接続され、一端（左端）が第１仕切板３１から離間されて隣合う二段目の通路２９ｂと三段目の通路２９ｃとを連通する連通口３３が形成されている。このように連通口３３を交互に形成することにより冷却水が図２に矢印で示すように各段の冷却水通路に沿って下方から上方に蛇行状に流れ、熱処理炉周囲の温度と冷却水の温度との熱交換が効率よく行われるようになっている。

そして、内側板２７と仕切板３０を一体成形してなる水冷ジャケット本体１７ａの外周に平板状の外側板２８を巻き付けて両端を引っ張ることにより押圧し、この押圧状態で外側板２８が仕切板３０にロウ付け３６により接合されている。この場合、接合すべき箇所に近接してペースト状等のロウ材を配置しておき、水冷ジャケット本体１７ａ及び外側板２８を真空ロウ付け用の炉内に収容し、真空雰囲気内において所定の温度例えば１１００℃程度に加熱して真空ロウ付け３６を行う。ロウ材としては、ニッケルロウ例えばＢＮi-５を用いることが好ましい。この場合、接合箇所が外部に露出する箇所、例えば図４に示すように、最上端の第２仕切板（端板）３２ａと外側板２８の上端縁部との接合箇所は、溶接４０によって接合されている。なお、前記水冷ジャケット１７には、冷却水の給水管と排水管を接続するために、最下段の通路２９ａの始端と連通する冷却水入口３４と、最上段の通路２９ｎの終端と連通する冷却水出口３５とが外側板２８の外側面に設けられている。

以上の構成からなる熱処理炉２の水冷ジャケット１７によれば、仕切板３０が内側板２７に一体成形されており、外側板２８が仕切板３０にロウ付け３６により接合されているため、内外の側板２７，２８と仕切板３０とが完全に接合されていて構造上の強度が高く、側板２７，２８の薄肉化が可能でコスト及び重量の軽減が図れると共に、隙間腐食を発生するおそれが無く、耐食性ないし耐久性の向上が図れる。

なお、前記実施の形態では、円筒状の内側板２７の外周に仕切板３０を切削加工により一体成形しているが、仕切板３０は内側板２７にロウ付け又は拡散接合により接合されていてもよい。また、前記実施の形態では、仕切板３０に外側板２８がロウ付けにより接合されているが、外側板２８は仕切板３０に拡散接合により接合されていてもよい。ここで、拡散接合とは、母材同士を密着させ、母材の融点以下の温度条件で母材同士を塑性変形を生じない程度に加圧し、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法をいう。この拡散接合では、接合し易くするために、接合面間に金属（インサート金属）を挟んで接合する場合がある。この場合、インサート金属が固相状態で接合する場合（固相拡散接合）と、溶融して接合する場合（液相拡散接合）とがある。液相拡散接合とロウ付け接合の違いは、ロウ付け接合では接合後ロウ材が母材間に残るのに対し、液相拡散接合ではインサート材を母材と拡散により等温凝固させて結合するので、インサート材が母材間に残らない点である。

次に、前記水冷ジャケット１７の製造方法について説明する。この水冷ジャケット１７の製造方法においては、先ず、円筒状の内側板２７（具体的には切削加工により仕切板を一体成形するに充分な厚さを有する円筒体）と、平板状の外側板２８とを用意する。そして、前記円筒状の内側板（円筒体）２７の外周に切削加工により仕切板３０を一体成形し、その内側板２７の外周に一体成形された仕切板３０の外周に平板状の外側板２８を巻き付けて両端を引っ張ることにより仕切板３０の外周面に外側板２８を押圧し、この押圧状態で外側板２８を仕切板３０に例えば真空ロウ付け法によるロウ付け３６により接合する。なお、外側板を仕切板３０に接合する方法としては、ロウ付け以外に拡散接合であってもよい。

前記水冷ジャケット１７の製造方法によれば、円筒状の内側板２７の外周に切削加工により仕切板３０を一体成形する工程と、該仕切板３０の外周に平板状の外側板２８を巻き付けて両端を引っ張ることにより押圧する工程と、この押圧状態で外側板２８を仕切板３０にロウ付け又は拡散接合により接合する工程とを備えているため、内外の側板２７，２８と仕切板３０とが完全に接合された状態となって構造上の強度が高く、側板２７，２８の薄肉化（仕切板３０の薄肉化を含む）が可能でコスト及び重量の軽減が図れると共に、隙間腐食を発生するおそれが無く、耐食性ないし耐久性の高い水冷ジャケット１７が得られる。

なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、処理容器としては、導入管部及び排気管部を有する耐熱金属例えばステンレス鋼製の円筒状のマニホールドを下端部に接続してなるものであってもよく、また、二重管構造であってもよい。前記実施の形態では、断熱材４の外周に設けられた外皮１６の外周に水冷ジャケット１７が設けられているが、水冷ジャケットの内側板が外皮を兼ねていてもよい。

本発明の実施の形態を示す熱処理炉の概略的縦断面図である。 同熱処理炉の水冷ジャケットの概略的説明図である。 同水冷ジャケットの外側板が無い状態の斜視図である。 同水冷ジャケットにおける外側板の接合構造を示す断面図である。

符号の説明

ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
２ 熱処理炉
１７ 水冷ジャケット
２７ 内側板
２８ 外側板
２９ 冷却水通路
３０ 仕切板
３７ 接合体

Claims (4)

1. 被処理体を収容して所定の熱処理を行う熱処理炉の周囲に設けられた水冷ジャケットであって、該水冷ジャケットは、内側板と、外側板と、これら内側板及び外側板の間に配置されて冷却水通路を形成する仕切板とを有し、円筒状の前記内側板の外周を溝状に削ることにより仕切板が一体形成されており、前記仕切板の外周に平板状の前記外側板を巻き付けてその両端部を引っ張ることにより仕切板の外周に外側板を押圧し、この押圧状態で外側板を仕切板に拡散接合により接合したことを特徴とする熱処理炉の水冷ジャケット。
2. 前記仕切板は、軸方向の単一の第１仕切板と、周方向の複数の第２仕切板とからなり、最上端と最下端の第２仕切板の周方向両端部が共に第１仕切板に接続され、中間の第２仕切板の周方向の一端と他端とが交互に第１仕切板に接続され、接続されていない一端又は他端が第１仕切板から離間されることにより隣り合う冷却水通路を連通する連通口を形成していることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉の水冷ジャケット。
3. 冷却水の給水管と排水管を接続するために、最下段の冷却水通路の始端と連通する冷却水入口と、最上段の冷却水通路の終端と連通する冷却水出口とが前記外側板の外側面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉の水冷ジャケット。
4. 被処理体を収容して所定の熱処理を行う熱処理炉の周囲に設けられ、内側板と、外側板と、これら内側板及び外側板の間に配置されて冷却水通路を形成する仕切板とを有する水冷ジャケットの製造方法であって、円筒状の前記内側板の外周に切削加工により仕切板を一体成形する工程と、前記仕切板の外周に平板状の外側板を巻き付けてその両端部を引っ張ることにより仕切板の外周に外側板を押圧する工程と、この押圧状態で外側板を仕切板に拡散接合により接合する工程とを備えたことを特徴とする熱処理炉の水冷ジャケットの製造方法。

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