JP5049461B2 - Heat treatment equipment - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a heat treatment apparatus in which a thermoelectric conversion element is arranged inside a housing.
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。 In the rapid thermal processing equipment (RTP: Rapid Thermal Processer) used when heat-treating semiconductor wafers in the semiconductor manufacturing process, halogen lamps are placed above and below the housing, and process tubes are placed between these halogen lamps. (For example, refer to Patent Document 1). In this high-speed heat treatment apparatus, a semiconductor wafer as an object to be processed is housed in a transparent quartz glass process tube, and heat treatment is performed by heating by radiating heat from a halogen lamp. Further, the upper wall and the lower wall of the housing are made of a highly heat conductive material, and are configured by a reflector plate having a mirror-like radiant heat reflecting surface formed on the inner surface. And these reflectors are formed with a cold water passage inside to perform water cooling. Therefore, this rapid thermal processing apparatus prevents the heat radiated from the halogen lamp from being reflected by the radiant heat reflecting surface of the reflector plate and leaking outside when the halogen lamp is heated and soaked. The semiconductor wafer can be heated quickly by efficiently heating. Further, when the temperature is lowered when the halogen lamp is turned off, the reflecting plate made of the high thermal conductivity material is cooled by the water cooling method, so that the semiconductor wafer can be quickly cooled by efficiently dissipating heat.
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。 However, the high-speed heat treatment apparatus has a problem that energy loss becomes excessive because the process of temperature increase and decrease is repeated at high speed.
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。 In a general heating furnace, in order to suppress the same energy loss as described above, a thermoelectric conversion module is arranged on the furnace wall, and the heat released through the furnace wall is converted into electric power to recover the energy. There was a case to do.
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。
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。 In the present invention, the low temperature side surface of the thermoelectric conversion element is brought into close contact with the inner side surface of the housing provided with the cooling means, and the radiation heat reflecting film is formed on the high temperature side surface of the thermoelectric conversion element, so that the temperature rises from the temperature rise. Thus, it is an object of the present invention to provide a heat treatment apparatus capable of sufficiently maintaining the heat inside the housing and recovering energy efficiently.
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、前記ハウジングの内側面側の一部又は全部には、一面が高温側表面、前記一面の反対面が低温側表面とされ、前記高温側表面と前記低温側表面との間の温度差に基づいて出力した電力が回収される熱電変換素子が、前記低温側表面を前記ハウジングの内側面側に向けた状態で、前記ハウジングの内側面を覆うように配置されており、前記熱電変換素子の前記ハウジング内部に臨む面に放射熱反射膜(5)を形成したことを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a heat treatment apparatus in which a heating means for heating mainly by radiant heat irradiation and a process tube for storing an object to be processed are disposed inside a housing having a cooling means . Power is output based on the temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface, with part or all of the inner surface side having one surface as the high temperature side surface and the opposite surface to the low temperature side surface. Is disposed so as to cover the inner surface of the housing with the low-temperature surface facing the inner surface of the housing, and faces the inside of the thermoelectric conversion element. A radiant heat reflective film (5) is formed on the surface.
請求項2の発明は、前記熱電変換素子は、前記ハウジングの内側面からハウジング内部方向に向けて積層されることで複数の層を構成していることを特徴とするものである。
また、請求項3の発明は、前記熱電変換素子は、熱電変換機能を有するモジュールを複数組み合わせることで前記複数の層を構成しており、前記複数のモジュールが、それぞれ同一の熱電変換特性を有していることを特徴とするものである。
また、請求項4の発明は、前記熱電変換素子は、熱電変換機能を有するモジュールを複数組み合わせることで前記複数の層を構成しており、前記複数のモジュールが、少なくとも、低温で良好な熱電変換特性を有する低温特性用素子と、高温で良好な熱電変換特性を有する高温特性用素子とを含み、前記低温特性用素子は、前記複数の層の内、前記高温特性用素子よりも、前記ハウジングの内側面により近い層に配置されることを特徴とするものである。
The invention of claim 2 is characterized in that the thermoelectric conversion elements are stacked from the inner side surface of the housing toward the inside of the housing to form a plurality of layers .
According to a third aspect of the present invention, the thermoelectric conversion element comprises the plurality of layers by combining a plurality of modules having a thermoelectric conversion function, and the plurality of modules have the same thermoelectric conversion characteristics. It is characterized by that.
According to a fourth aspect of the present invention, the thermoelectric conversion element forms the plurality of layers by combining a plurality of modules having a thermoelectric conversion function, and the plurality of modules are good thermoelectric conversion at least at a low temperature. A low-temperature characteristic element having characteristics and a high-temperature characteristic element having favorable thermoelectric conversion characteristics at a high temperature, wherein the low-temperature characteristic element is more in the housing than the high-temperature characteristic element in the plurality of layers. It is arrange | positioned in the layer nearer to the inner surface of.
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。 According to the first aspect of the present invention, the inside of the furnace is heated by the radiant heat from the heating means at the time of temperature rise and soaking, but the surface on the high temperature side that becomes the inner surface of the thermoelectric conversion element disposed on the inner surface of the housing The radiant heat is reflected by the radiant heat reflection film, so that the inside of the furnace is kept warm enough to prevent the heating efficiency from becoming too low, and the temperature difference from the low temperature side surface in close contact with the cooling surface of the housing Thus, the heat energy flowing from the high temperature side surface can be efficiently recovered. In addition, since the low temperature side of the thermoelectric conversion element is maintained at a low temperature by being cooled by the cooling means, if the heat in the housing is transferred to the high temperature side of the thermoelectric conversion element by heat conduction when the temperature is lowered, the thermoelectric conversion is efficiently performed. Thus, not only can heat energy be converted into electric power and recovered, but also the temperature in the housing can be quickly lowered. Such energy recovery is also performed at the time of temperature rise and soaking, but the heating means that the ratio of heat lost by heat conduction decreases as the heating means with a higher ratio by radiant heat reduces the heating efficiency. Things will also be less. In addition, when the temperature drops, this heating means stops heating, and the radiant heat is only due to residual heat, so even if a radiant heat reflecting film is formed on the inner surface of the thermoelectric conversion element, the heat dissipation efficiency is particularly greatly reduced. There is nothing to do.
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。 Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
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。 In the present embodiment, a rapid heat treatment apparatus used when heat treating a semiconductor wafer in a semiconductor manufacturing process will be described. As shown in FIG. 1, this rapid thermal processing apparatus includes a halogen lamp 2 disposed above and below a housing 1 and a process tube 3 disposed between the upper and lower halogen lamps 2. The process tube 3 is a transparent quartz glass tube, and the end on the left side in the figure is opened and the end on the right side in the figure is closed so that only the intake port 3a and the exhaust port 3b communicate with each other. It has become. The process tube 3 accommodates the semiconductor wafer W inside, and the inside of the process tube 3 can be hermetically sealed by closing the opening end on the left side of the housing 1 with the opening / closing lid 1a. Further, by replacing the gas through the intake port 3a and the exhaust port 3b, an arbitrary processing gas can be filled into the process tube 3, and the pressure inside the process tube 3 can also be adjusted.
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。 The halogen lamp 2 is a straight tube incandescent lamp in which halogen gas is sealed. A plurality of halogen lamps 2 are arranged vertically and horizontally above and below the process tube 3 in the housing 1. Therefore, when these halogen lamps 2 are turned on, radiant heat passes through the process tube 3 and is irradiated to the semiconductor wafer W from above and below to be heated.
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。 The housing 1 surrounds the process tube 3 and the halogen lamp 2 so as to be sealed inside, and supports the process tube 3 and the halogen lamp 2. The upper wall and the lower wall have cooling jackets 1b, 1b is arranged. The cooling jacket 1b is made of a thick metal plate having high thermal conductivity, and a chilled water passage 1c is formed therein as shown in FIG. 2 (the chilled water passage 1c is not shown in FIG. 1). In the cold water passage 1c, cooling water is always sent and circulated from an external water cooling device (not shown), so that the cooling jacket 1b is cooled by water cooling, and the inner surface (the cooling jacket 1b on the upper wall is the lower surface, The cooling jacket 1b on the lower wall is the cooling surface.
本発明の熱処理装置は、ハウジング1と上下の冷却ジャケット(1b、1b)と開閉蓋1aとで形成された空間にプロセスチューブ3を配置し、前記ジャケット(1b、1b)の内側に熱電変換モジュール4、4、・・を配置し、かつこれら電熱変換モジュールの内壁に放射熱反射膜5が形成される(図1、図2)。In the heat treatment apparatus of the present invention, a process tube 3 is disposed in a space formed by a housing 1, upper and lower cooling jackets (1b, 1b), and an opening / closing lid 1a, and a thermoelectric conversion module is disposed inside the jacket (1b, 1b). 4, 4... Are arranged, and a radiant heat reflecting film 5 is formed on the inner wall of these electrothermal conversion modules (FIGS. 1 and 2).
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(以下、熱電変換素子を熱電変換モジュール(素子)4とする)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。 The inner surface of the upper and lower cooling jackets 1b of the housing 1 is in close contact with the low temperature side surfaces of a large number of thermoelectric conversion modules 4 (hereinafter, thermoelectric conversion elements are referred to as thermoelectric conversion modules (elements) 4) . The thermoelectric conversion module 4 is a tile plate-shaped thermoelectric conversion element, and since one surface having a large area is a low temperature side surface and the other surface is a high temperature side surface, the inside of the housing 1 has this high temperature side surface. Will be exposed. A radiant heat reflecting film 5 is formed on the high temperature side surface of these thermoelectric conversion modules 4. The radiant heat reflective film 5 is a film having an extremely high radiant heat reflectivity with an inner surface as a mirror surface. Such a radiant heat reflective film 5 can be formed by evaporating, for example, a metal layer (Au or the like) on the high temperature side surface of the thermoelectric conversion module 4. Radiant heat is electromagnetic waves in the infrared (including far-infrared) region and in the peripheral wavelength region including visible light. When this radiant heat is absorbed by a substance, it generates heat. However, since the radiant heat reflecting film 5 reflects most of the radiant heat, the heat due to the radiant heat is hardly transmitted to the high temperature side surface of the thermoelectric conversion module 4. However, the heat inside the housing 1 is transmitted to the high-temperature side surface of the thermoelectric conversion module 4 through the radiant heat reflection film 5 by heat conduction by contacting the high-temperature gas that is convected. A base layer having high thermal conductivity is formed between the inner surface of the cooling jacket 1b and the thermoelectric conversion module 4 or between the high temperature side surface of the thermoelectric conversion module 4 and the radiant heat reflection film 5. The base layer can buffer the stress caused by the difference in thermal expansion.
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。 The thermoelectric conversion module 4 is a thermoelectric conversion element that generates electric power by thermoelectrically converting thermal energy due to a temperature difference between them into electrical energy by raising the temperature on the high temperature side rather than the low temperature side. And the some thermoelectric conversion module 4 closely_contact | adhered to the inner surface of each cooling jacket 1b is appropriately connected in series or in parallel, and outputs the thermoelectrically converted electric power to the outside. As shown in FIG. 3, the thermoelectric conversion module 4 of the present embodiment has a large number of p-type semiconductors and n-type semiconductors arranged alternately, and ceramic plates 42 and 42 from both the high temperature side and the low temperature side. Is sandwiched between. The thermoelectric conversion material 41 is a material that performs thermoelectric conversion by the Seebeck effect based on the temperature difference between both ends. Here, the thermoelectric conversion material 41 is a p-type semiconductor having a positive thermoelectromotive force and an n-type semiconductor having a negative thermoelectromotive force. By combining these, high electromotive force can be obtained efficiently. The ceramic plate 42 is an insulating substrate and has a relatively good thermal conductivity. In these ceramic plates 42 and 42, conductive patterns 43 and 43 are formed on the inner surface of the ceramic plates 42 and 42 in contact with the thermoelectric conversion material 41, respectively, and these conductive patterns 43 and 43 form a thermoelectric conversion composed of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. The material 41 is connected in series. Therefore, even if the output voltage (electromotive force) of each thermoelectric conversion material 41 is very small, the output voltage of the thermoelectric conversion module 4 as a whole has a practical magnitude obtained by adding the output voltages of these thermoelectric conversion materials 41. be able to.
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。 In addition, although the case where all the thermoelectric conversion materials 41 are connected in series is shown in the thermoelectric conversion module 4, a plurality of thermoelectric conversion materials 41 are connected in series, and these series connection sets are further connected in parallel. You can also The reason why the ceramic plates 42 and 42 having relatively poor thermal conductivity are used in the thermoelectric conversion module 4 is to insulate the conductive patterns 43 and 43 that connect a large number of thermoelectric conversion materials 41. In place of the plates 42, 42, other insulating materials having better thermal conductivity can be used. For example, if the material is extremely thin such as an oxide film, a material having a somewhat poor thermal conductivity is used. You can also. Further, the thermoelectric conversion module 4 may be housed in, for example, a metal package having good thermal conductivity so that the inside is sealed.
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。 The thermoelectric conversion module 4 may be composed of only a single module, but as shown in FIG. 4, a plurality of modules 4 a stacked from the high temperature side to the low temperature side can also be used. That is, in FIG. 4, configured by the module 4a of the n layer thermoelectric conversion module 4 is composed of the first layer L 1 ~ n-th layer L n. Further, an interlayer insulation / stress relaxation layer 4b is interposed between the modules 4a of each layer. The connection between the plurality of stacked modules 4a is arbitrary regardless of whether they are connected in series or parallel.
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、
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。 Moreover, the module 4a of each said layer can also be comprised combining what used a different thermoelectric conversion material. For example, it is assumed that two types of modules 4a have thermoelectric conversion characteristics as shown in FIG. That is, one module 4a is for low-temperature characteristics showing a high performance index between the temperature T C and the temperature T M , and the other module 4a is a high performance index between the temperature T M and the temperature T H. For high temperature characteristics. Moreover, the thermoelectric conversion efficiency between the temperature T C and the temperature T H becomes extremely poor with only one of these modules 4a. If the thermoelectric conversion module 4 is configured by arranging the module 4a for high temperature characteristics in the first layer and the module 4a for low temperature characteristics in the second layer, the temperature T C on the low temperature side and the high temperature side not only it is possible to widen the temperature range for the temperature T H, by utilizing the best thermoelectric conversion material in the temperature range of each layer respectively, it will also be able to further increase the thermoelectric conversion efficiency.
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。
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。 According to the rapid thermal processing apparatus having the above configuration, the semiconductor wafer W is heated by the radiant heat from the lit halogen lamp 2 at the time of temperature rise and soaking, but the radiant heat reflection film 5 on the high temperature side surface of the thermoelectric conversion module 4. Since this radiant heat is reflected, the inside of the housing 1 is also kept warm enough to prevent the heating efficiency from becoming too low. Moreover, this rapid thermal processing apparatus uses a cooling jacket 1b for the housing 1 compared to the case where the housing 1 is a furnace wall made of a heat insulating material. Since the heat leaked to the outside is converted into electric power by the thermoelectric conversion module 4 and recovered, there is no particular waste of heat energy.
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。 In addition, since the heat in the housing 1 is efficiently conducted to the high temperature side surface of the thermoelectric conversion module 4 when the temperature is lowered, the thermoelectric conversion module 4 effectively converts thermal energy into electric power. Can be recovered. Moreover, since the halogen lamp 2 is turned off when the temperature is lowered, the radiant heat reflection film 5 on the high temperature side surface of the thermoelectric conversion module 4 does not hinder the temperature drop in the housing 1. That is, the halogen lamp 2 is completely turned off except in the case of a gradual temperature lowering process or the like, so that it hardly emits radiant heat, and the process tube 3, the semiconductor wafer W, the processing gas, etc. Although radiant heat is emitted, it is little compared with the radiant heat emitted when the halogen lamp 2 is turned on. Therefore, even if these radiant heats are interrupted by the radiant heat reflecting film 5, the heat radiation efficiency is not particularly lowered. Rather, the housing 1 is much quicker than when the housing 1 is made of a furnace wall made of a heat insulating material. It becomes possible to perform heat dissipation.
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。 In the above embodiment, the thermoelectric conversion module 4 including a single module or the thermoelectric conversion module 4 in which a plurality of modules 4a are stacked is used as the thermoelectric conversion element. However, an element that performs thermoelectric conversion by the Seebeck effect is shown. Any configuration may be used as long as it is.
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。 In the above embodiment, the cooling jackets 1b and 1b are arranged only on the upper wall and the lower wall of the housing 1. However, the arrangement of the cooling jacket 1b is arbitrary, and the entire housing 1 is formed by the cooling jacket 1b. It is also possible to configure. Furthermore, the thermoelectric conversion element may be disposed on the entire inner surface of the cooling jacket 1b or may be disposed only in a partial region. Furthermore, if the cooling jacket 1b is disposed in a part of the housing 1, the adjacent wall portion and the like are also cooled. Therefore, the thermoelectric conversion element may be disposed in close contact with the inner side surface. Furthermore, in the above embodiment, the cooling means of the cooling jacket 1b is water-cooled, but the type of the refrigerant is arbitrary, and can be air-cooled by providing cooling fins on the outside. It can also be done.
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。 Moreover, although the case where the inside of the process tube 3 was heated with the halogen lamp 2 was shown in the said embodiment, another infrared lamp etc. can also be used. Furthermore, since any heating means that mainly heats by radiant heat may be used, a heat plate in which a heater is embedded in a metal plate, a ceramic heater that generates heat from the plate material itself, a conductive plate that is heated by electromagnetic induction heating, etc. There may be, and the kind of this heating means is arbitrary. Further, the heating means is not limited to heating the internal semiconductor wafer W from the outside of the process tube 3, and may be one that performs heating inside the process tube 3. Furthermore, for example, the process tube itself can be made of glassy carbon, and the process tube itself can be used as a heating means by heating by electromagnetic induction heating from the outside.
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。 In the above-described embodiment, the rapid thermal processing apparatus that performs thermal processing on the semiconductor wafer W has been described. However, the workpiece is not limited to the semiconductor wafer W. Furthermore, in the above-described embodiment, the rapid thermal processing apparatus has been described. However, any thermal processing apparatus may be used as long as the heating unit and the process tube are arranged inside the housing having the cooling unit.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 1b Cooling jacket 2 Halogen lamp 3 Process tube 4 Thermoelectric conversion module 4a Module 5 Radiation heat reflective film
Claims (4)
前記ハウジングの内側面側の一部又は全部には、一面が高温側表面、前記一面の反対面が低温側表面とされ、前記高温側表面と前記低温側表面との間の温度差に基づいて出力した電力が回収される熱電変換素子が、前記低温側表面を前記ハウジングの内側面側に向けた状態で、前記ハウジングの内側面を覆うように配置されており、
前記熱電変換素子の前記ハウジング内部に臨む面に放射熱反射膜(5)を形成したことを特徴とする熱処理装置。 In a heat treatment apparatus in which a heating means for heating mainly by irradiation of radiant heat and a process tube for storing an object to be processed are arranged inside a housing provided with a cooling means.
A part or all of the inner surface side of the housing has one surface as a high temperature side surface and the opposite surface of the one surface as a low temperature side surface, based on a temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface. The thermoelectric conversion element for collecting the output electric power is arranged so as to cover the inner side surface of the housing with the low temperature side surface facing the inner side surface of the housing,
A heat treatment apparatus , wherein a radiant heat reflection film (5) is formed on a surface of the thermoelectric conversion element facing the inside of the housing .
前記複数のモジュールが、それぞれ同一の熱電変換特性を有している請求項2に記載の熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 2, wherein each of the plurality of modules has the same thermoelectric conversion characteristics.
前記複数のモジュールが、少なくとも、低温で良好な熱電変換特性を有する低温特性用素子と、高温で良好な熱電変換特性を有する高温特性用素子とを含み、前記低温特性用素子は、前記複数の層の内、前記高温特性用素子よりも、前記ハウジングの内側面により近い層に配置される請求項2に記載の熱処理装置。 The plurality of modules include at least a low-temperature characteristic element having a good thermoelectric conversion characteristic at a low temperature and a high-temperature characteristic element having a good thermoelectric conversion characteristic at a high temperature. The heat treatment apparatus according to claim 2, wherein the heat treatment apparatus is disposed in a layer closer to an inner surface of the housing than the element for high temperature characteristics.
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