专利名称：纵型热处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对于多个被处理基板一起实施热处理的纵型热处理装置。更具体地说，本发明涉及具有用于使叠层搭载多个被处理基板的保持容器旋转的、改良的旋转机构的纵型热处理装置。
并且，该纵型热处理装置具有典型性地被组装入半导体处理系统来使用。这里，所谓半导体处理，意指通过在半导体晶片和玻璃基板上以规定图案形成半导体层、绝缘层、导电层等，对于该被处理基板，为了制造包括半导体设备、连接于半导体设备的配线、电极等的构造物而实施的各种处理。
背景技术：
在生产半导体设备时，为了给被处理基板例如半导体晶片上实施膜堆积、氧化、扩散、重整、退火、蚀刻等处理，各种处理装置被使用。作为这种处理装置，一次热处理多片晶片的纵型热处理装置为大家所知。
图7为纵型热处理装置中使用的、使晶片舱旋转的以往的旋转机构的截面图。如图7所示，开闭纵型热处理炉炉口(加载端口)的可升降的盖体105上设置有旋转机构115。旋转机构115使用于用于旋转搭载了多个晶片(被处理基板)的晶片舱(保持容器)。
旋转机构115包括旋转轴116、通过轴承117及密封部件118可旋转地支撑旋转轴116的支撑部119。旋转轴116的下端部，通过带子130连接有马达128。在贯通盖体105的旋转轴116上端部，设置有旋转台120。旋转台120由可以自由安装/卸下地固定的下侧部件120a、上侧部件120b构成。在旋转台120的周缘部位与盖体105之间，为防止炉内的处理气体绕回进入旋转台120与盖体105的间隙而发生泄露，形成有迷宫式曲折构造160。
为了防止由于从热处理炉产生的热而降低轴承117及密封部件118的耐久性，采用冷却旋转轴116的构造。在该冷却构造中，通过在旋转轴116的外围部流通非活性气体(例如氮气N2)和循环于形成在盖体105的中央附近的冷却通路132内的冷却水，冷却旋转轴116。非活性气体被供应于支撑部119和旋转轴116之间的间隙中的密封部件118的更上方，穿过旋转台120和盖体105之间的间隙流向炉内。冷却通路132为大致环状，在盖体105的中央附近围绕旋转轴116而设置，从其一端供应冷却水，从另一端排出。
纵型热处理装置设计成能够忍耐某种程度的高温，例如1000℃左右的热处理。可是，使用于更高温度例如1200℃左右的热处理时，以目前的冷却构造冷却不充分。因此，由于热膨胀，产生旋转轴116和轴承117互相钓合扭结、烧粘在一起等，容易导致轴承117和密封部件118的损伤及耐久性的降低。
通常，旋转轴116由难以传导热量的材质氧化锆制成，因此，从炉内侧传导的热量容易蓄积，难以冷却。另外，设置在盖体105上的轴孔和旋转轴116之间的间隙S，例如有1mm那么大，所以从冷却通路132难以充分冷却旋转轴116。
发明内容
本发明之目的，在于提供一种纵型热处理装置，可以充分冷却旋转轴，可以实现提高轴承及密封部件的的耐久性，可以对应高温的热处理。
根据本发明的第1方面，提供一种在开闭纵型热处理炉的炉口的可升降的盖体上，设置有旋转搭载了多个被处理基板的保持容器的旋转机构的纵型热处理装置，前述旋转机构包括旋转轴、通过轴承及密封部件可旋转地支撑旋转轴的支撑部；前述旋转轴为壁薄的中空构造，且其内侧和外侧有冷却用气体流通，同时，前述支撑部包括围绕旋转轴上侧形成的、流通冷媒例如水的冷却通路。
根据本发明的第2方面，提供一种对于多个被处理基板一起实施热处理的纵型热处理装置，其包括收纳前述被处理基板的密封处理室，前述处理室的底部设置加载端口；选择性地开放及关闭前述处理室的前述加载端口的盖体；在前述处理室内以相互间一定间隔隔开地堆积状态保持前述被处理基板的保持容器；向前述处理室内供给处理气体的供给系统；排出前述处理室内气体的排气系统；加热前述处理室内部环境的加热机构；在将保持有前述被处理基板的前述保持容器支撑于前述盖体上的状态下升降前述盖体的升降机；以及为使前述保持容器旋转而设置于前述盖体上的旋转机构，前述旋转机构包括壁薄而中空构造的旋转轴和通过轴承及密封部件可旋转地支撑前述旋转轴的支撑部，前述旋转轴的内部形成有冷却用的内部气体通路，另一方面，在前述旋转轴和前述支撑部之间形成有冷却用的外部气体通路；和向前述内部气体通路与前述外部气体通路供给冷却用的非活性气体的非活性气体供给系统。
在涉及前述第一及第二方面的纵型热处理装置中，前述旋转轴的内部，通过隔断壁被上下分开；在前述旋转轴的外侧且在前述隔断壁的近旁，配置前述密封部件；在前述隔断壁的更上侧，冷却用气体向前述旋转轴的内部及外部流通；在前述隔断壁的更下侧，前述旋转轴的内部向外部开放。
图1为概略性表示涉及本发明实施方式的纵型热处理装置的纵截面图。
图2为图1所示的装置中使用的、使晶片舱旋转的旋转机构的截面图。
图3为放大图2所示的旋转机构的截面图。
图4A、B、C为图2所示旋转机构的旋转轴的纵截面图、顶部平面图、沿图4A的IVC-IVC线的截面图。
图5为表示图2所示旋转机构中的旋转台和旋转轴之间关系的立体展开图。
图6为图2所示旋转机构的冷却通路的立体展开图。
图7为纵型热处理装置中使用的、使晶片舱旋转的以往的旋转机构的截面图。
具体实施例方式
关于本发明的实施方式，参照图纸说明如下。另外，以下说明中，关于具有大致同一功能及结构的构造元件，则赋予同一符号，重复说明仅在需要时进行。
图1为概略性表示涉及本发明实施方式的纵型热处理装置的纵截面图。如图1所示，纵型热处理装置1具有对于多个被处理基板例如半导体晶片W实施规定处理例如扩散处理的纵型热处理炉2。热处理炉2包括下部作为炉口(加载端口)3被开口的纵长的处理室，例如由单层管制作的石英制反应管4。
反应管(处理室)4的炉口3通过可升降的例如SUS制盖体5被选择性地开放及关闭。盖体5为接到炉口3的开口端上，并密闭炉口3的构造。反应管4的四周设置有具备发热电阻的加热器6，置于加热器底座8上。加热器6被控制为可将反应管(炉)4内加热到规定温度例如300～1200℃。
在反应管4的下端部形成有朝向外部的凸缘部4a。凸缘部4a通过凸缘保持部件7为加热器底座8所保持。加热器底座8通过支撑框10设置在底座9上。底座9上设置有从下方可插通反应管4的开口部。
在反应管4的下侧部，为了给反应管4内导入处理气体和清洗用的非活性气体，连接有包括多个气体导入管11的气体供给系统GS。在反应管4的下侧部，还连接有通过排气管12排出反应管4内气体的排气系统ES。
晶片W在反应管4内被处理时，以水平状态且以相互间一定间隔地堆积状态保持在晶片舱(保持容器)13内。晶片舱13包括保持大口径例如直径为300mm的多个、例如25～150片左右的晶片W的石英制舱主体。
在热处理炉2的下方，有用于进行晶片W对于晶片舱13的移栽而设置的作业区域(装载区域)LA。在作业区域LA内，为升降盖体6而设置有升降机构(升降机)14(图1中仅表示出支撑盖体5的升降机14的臂杆)。晶片舱13在被支撑于盖体5上的状态下，由升降机14搬送于作业区域LA和反应管4之间。即，晶片舱13相对于反应管4，通过升降机14被装载及卸载。
盖体5上，用于旋转晶片舱13而设置有旋转机构15。图2为旋转机构15的截面图。图3为放大旋转机构15的截面图。图4A、B、C为旋转机构15的旋转轴的纵截面图、顶部平面图、沿图4A的IVC-IVC线的截面图。图5为表示旋转机构15中旋转台和旋转轴之间关系的立体展开图。
旋转机构15具有旋转轴16、和通过轴承17及密封部件18可旋转地支撑旋转轴16的支撑部(也称为“轴承座”)19。旋转轴16的上端部从下方贯通盖体5，并从盖体5突出。在旋转轴16的上端部固定有在盖体5上旋转的旋转台20。旋转台20由可自由安装/卸下地固定于下侧部件20a及上侧部件20b构成。旋转台20上通过作为炉口3的隔热保温机构的保温筒21放置有晶片舱13。旋转台20例如为镍铬铁耐热合金制。旋转轴16及支撑部19优选由热传导性好的材料例如SUS制成。
支撑部19做成圆筒状，其上端部被密封地嵌合在盖体5的约中央部上下方向上形成贯通的嵌合孔22上，用螺丝23固定。在旋转轴16于支撑部19之间，从上下方向大致中间部位向下方配置有轴承17例如球轴承。在支撑部19的下端部，固定轴承17的端板24由螺丝25固定。在旋转轴16的下侧，固定轴承17的螺母26例如具有防止松动功能的U螺母(商品名)被拧上。
在轴承17的更上方，配置用于密封旋转轴16与支撑部19之间间隙的密封部件18，例如具有耐热性及耐旋转摩擦性的万用密封垫(オムニシ一ル，商品名)。该万用密封垫截面为U字形状，用特氟隆(注册商标)制的盖子覆盖环状弹簧构成。另外，密封部件18也可以是O形圈。
为了旋转驱动旋转轴16，在旋转轴16的比支撑部19更突出的下端部安装有从动滑轮27。同步皮带30卷在从动滑轮27和安装在配置于旁侧的马达28的旋转轴上的驱动滑轮29之上。从动滑轮27的近旁配置有用于检测出旋转轴16的旋转位置的传感器31。
为了抑制从炉内一侧通过旋转轴16和支撑部19给予轴承17及密封部件18热影响，冷却旋转轴16的构造被运用。该冷却构造中，旋转轴16构成薄壁的中空构造，在旋转轴16的内部形成冷却用的内部气体通路，另一方面，在旋转轴16和支撑部19之间，形成冷却用的外部气体通路。这些气体通路中流通的冷却用气体，由例如氮气N2等非活性气体组成。进而，在支撑部19内，形成围绕旋转轴16的上端部、流通冷媒例如水或冷却气体的冷却通路32。并且，在盖体5上，为冷却盖体5自身而设置有冷却通路58。
正如图4A所示，旋转轴16的内部通过隔断壁33被上下分开，在旋转轴16的外侧且在隔断壁33的近旁配置有密封部件18。隔断壁33的更上侧，形成上述内部气体通路及外部气体通路。在隔断壁33的更下侧，旋转轴16的内部向外部开放，这样，旋转轴16的热量被放热到外部。
在旋转轴16的上端部，为水平地固定旋转台20，设置有平坦部35。在旋转台20下面的大致中央部，正如图5所示，形成有插入旋转轴16上端部的深度浅的插入孔36。在插入孔36的正上面，为缩小旋转轴16与旋转台20的接触面积，设置有约为三叶状的凹部37。旋转台20由螺丝38固定在旋转轴16上端的平坦部35上。另外，凹部37也可以设置在旋转轴16上端的平坦部35上。
旋转轴16上端的平坦部35，由焊接在旋转轴16上的上侧零件39的上端部构成。通过中空的旋转轴16的隔断壁33及上侧零件39，在旋转轴16的上侧形成中空部40。中空部40的正上面，如图4c所示，设置有与旋转台20的凹部37同形状的凹部41。凹部41为了降低通过旋转台20向旋转轴16传导的热量而形成。另外，上侧零件39也可以采用焊接以外的接合方法例如嵌合和拧合设置在旋转轴的上端部。
在旋转轴16的外周部与中空部40的下侧部对应的部分，设置有多个例如6个气体入口孔42。另外，在与中空部40的上侧部(优选凹部41)对应的部分，分别设置有多个例如3个气体出口孔43。从气体导入口45导入的冷却用气体，从入口孔42向出口孔43流通过旋转轴16的中空部40。
在支撑部19的内周部，设置有与气体入口孔42对应的环状沟44。支撑部19上，为了向其环状沟44导入作为冷却用气体的非活性气体例如氮气，设置有一个气体导入口45。气体导入口45上，通过气体供给管连接有供给氮气的气体供给系统CGS。
导入到环状沟44的氮气的一部分，通过旋转轴16与支撑部19之间的间隙Sa后上升。导入到环状沟44的氮气的另一部分，通过以从气体入口孔42至气体出口孔43的旋转轴16的中空部40为中心的内部气体通路后上升。这样，从内外冷却了旋转轴16的氮气，在出口孔43的外侧汇合，通过旋转台20的下面与盖体5的上面之间的间隙Sb，被排出到炉内即反应管4内。
为了从冷却通路32侧更加充分冷却旋转轴16，即为了提高冷却效果，旋转轴16与支撑部19之间的间隙Sa形成为0.1mm～2mm，优选为0.2mm～0.8mm例如0.42mm那样小。另外，在旋转轴16及支撑部19上的冷却通路32的各自对向面上，形成作为放热用的凸部及/或凹部发挥功能的螺丝46、47。具体地说，旋转轴16外周部位上的螺丝46由例如M30×1.5的阳螺纹螺丝制成。另一方面，支撑部19内周部位上的螺丝47由例如M33×2的阴螺纹螺丝制成。这样，将所谓的散热片做成螺纹，由此，旋转轴16的冷却效果进一步得到改善。
另一方面，为了无沉淀地使冷媒例如冷却水循环，冷却通路32设置成围绕旋转轴16的大致螺旋状。图6为表示冷却通路32的立体展开图。为了容易进行加工，冷却通路32如图6展开所示，优选为多层构造例如3层构造。即，支撑部19上，构成冷却通路32的环状通路32a、32b、32c，被上下分成多段或多层，例如作为下层、中层、上层通过隔断部62、63配置。
下层及中层的通路32a、32b分别被前后两个隔断壁49、50分割成左通路32ax、32bx和右通路32ay、32by。上层的通路32c被前侧的1个隔断壁61隔开，构成C状通路。该上层和中层的隔断部63上设置有在上层的隔断壁61近旁使上层的通路32c和中层的左右通路32bx、32by连通以流通冷媒的流通孔51、52。中层和下层的隔断部62上设置有在中层的后侧隔断壁50近旁使中层的左右通路32bx、32by和下层的左右通路32ax、32ay连通以流通冷媒的流通孔53、54。
在下层的前侧隔断壁49近旁，设置有冷媒(冷却水)的导入口55和排出口56。这些口上分别连接有冷媒供给系统CLS的供给管和排水管(回水管)。通过导入口55和排出口56，在冷却通路32中，如箭头所示，冷却水(常温水)被供应且被循环。
如上所述，盖体5上面与旋转台20下面之间，为了使非活性气体从中心向周缘侧流通，设置有小间隙Sb。另外，盖体5上面与旋转台20下面之间，形成有在圆周方向连续的环状的气体滞留部57。气体滞留部57通过形成与盖体5上面与旋转台20下面对应的环状沟而形成中空室状。通过旋转轴16内外的内部气体通路和外部气体通路之后的氮气，穿过间隙Sb，流入气体滞留部57。通过氮气滞留在气体滞留部57，防止从炉内出来的处理气体绕回进入旋转轴16一侧。
概而言之，涉及本实施方式的纵型热处理装置1中，在开闭纵型热处理炉2的炉口3的可升降的盖体5上，具有旋转搭载了多个晶片W的晶片舱13的旋转机构15。旋转机构15包括旋转轴16、通过轴承17及密封部件18可旋转地支撑旋转轴16的支撑部19。旋转轴16为壁薄中空构造，且其内侧和外侧有冷却用气体流通。另一方面，支撑部19具有围绕旋转轴16上侧、流通冷媒例如水的冷却通路32。这样，可以充分冷却旋转轴16，提高轴承17及密封部件18的耐久性，就可以对应高温例如1200℃左右的热处理。
旋转轴16的内部，通过隔断壁33被上下分开，在旋转轴16的外部且在隔断壁33的近旁，配置有密封部件18。隔断壁33的更上侧，向旋转轴16的内部及外部流通冷却用气体例如氮气。在隔断壁33的更下侧，旋转轴16的内部向外部开放。这样，可以充分冷却旋转轴16。
并且，旋转轴16与支撑部19之间的间隙Sa设置较小，同时，在旋转轴16及支撑部19各自的对面，设置有作为放热用的凸部及/或凹部的螺丝46、47。这样，从冷却通路32一侧可以充分冷却旋转轴16。
冷却通路32围绕旋转轴16设置成约为螺旋状。这样，可以使冷却水不沉淀地循环，同时，可以沿着旋转轴16的长度方向，在大范围内冷却旋转轴16及支撑部19。冷却通路32被分割成上下数段，各段的隔断部62、63上设置有使冷媒流通的流通孔51、52、53、54。这样，可以容易地形成约为螺旋状的冷却通路32。
在旋转轴16的上端，为固定旋转台20设置有平坦部35。平坦部35及旋转台20中至少其一上，为缩小接触面积设置有凹部37。这样，可以抑制从旋转台20向旋转轴16热传导。
在旋转轴16的上端，连接有在盖体5上旋转的旋转台20。在盖体5的上面和旋转台20的下面之间，为了使非活性气体从中心向周缘流通，设置有间隙Sb、和用于滞留非活性气体的环状的气体滞留部57。这样，通过简单的构造可以防止从炉内排出的处理气体绕回，而不需要复杂的迷宫式曲折构造，可以实现降低成本目标。
另外，本发明也不局限于上述实施方式，可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行种种设计变更。例如，晶片舱13可以由石英以外的材料例如碳化硅和多晶硅(Si)制成。反应管4也可以具有内管及外管的二重管构造。作为冷却用气体，虽然优选是非活性气体，但也可以是非活性气体以外的气体。作为冷媒，虽然优选是水，但也可以是水以外的液体和流体。
涉及上述实施方式的纵型热处理装置，是适用本发明的一个例，本发明也可以同样地适用于其他类型的纵型热处理装置。例如，纵型热处理装置可以构造成实施扩散处理以外的处理的装置，如CVD处理(包括减压型)、氧化处理、退火处理。另外，在上述实施形式中，作为被处理基板，以半导体晶片为例进行了说明，但是，本发明也可以适用于处理LCD基板等其他基板的装置。
权利要求
1.一种纵型热处理装置，在开闭纵型热处理炉的炉口的可升降的盖体上，设置有旋转搭载有多个被处理基板的保持容器的旋转机构，其特征在于所述旋转机构包括旋转轴、通过轴承及密封部件可旋转地支撑所述旋转轴的支撑部，所述旋转轴构成为壁薄中空构造，且其内侧和外侧有冷却用气体流通，同时，所述支撑部具有形成为围绕所述旋转轴的上侧的、流通冷媒的冷却通路。
2.根据权利要求1所述的纵型热处理装置，其特征在于所述旋转轴的内部通过隔断壁被上下分开，在所述旋转轴的外侧且在所述隔断壁的近旁，配置所述密封部件，在所述隔断壁的更上侧，向所述旋转轴的内部及外部流通所述冷却用气体，在所述隔断壁的更下侧，所述旋转轴的内部向外部开放。
3.根据权利要求1所述的纵型热处理装置，其特征在于将所述旋转轴与所述支撑部之间的间隙设置较小，同时，在所述旋转轴及所述支撑部中至少一方的对置面上，设置有放热用的凹部或凸部。
4.根据权利要求1所述的纵型热处理装置，其特征在于所述冷却通路设置为大致螺旋状。
5.根据权利要求1所述的纵型热处理装置，其特征在于所述冷却通路通过隔断部被分割成上下数段，各段的隔断部上形成有使冷媒流通的流通孔。
6.根据权利要求1所述的纵型热处理装置，其特征在于在所述旋转轴的上端，形成固定旋转台的平坦部，在所述平坦部及所述旋转台中至少一方形成缩小接触面积的凹部。
7.根据权利要求1所述的纵型热处理装置，其特征在于在所述旋转轴的上端设置在所述盖体上旋转的旋转台，在所述盖体的上面和所述旋转台的下面之间，形成使非活性气体从中心侧向周缘侧流通的间隙，同时，形成滞留所述非活性气体的环状的气体滞留部。
8.一种纵型热处理装置，用于对于多个被处理基板一起实施热处理，其特征在于，包括收纳所述被处理基板的密封处理室，所述处理室的底部具有加载端口；选择性地开放及关闭所述处理室的所述加载端口的盖体；在所述处理室内以相互间一定间隔隔开堆积状态保持所述被处理基板的保持容器；向所述处理室内供给处理气体的供给系统；排出所述处理室内气体的排气系统；加热所述处理室内部环境的加热机构；在保持有所述被处理基板的所述保持容器支撑于所述盖体上的状态下升降所述盖体的升降机；为使所述保持容器旋转而设置于所述盖体上的旋转机构，所述旋转机构包括壁薄而中空构造的旋转轴、和通过轴承及密封部件可旋转地支撑所述旋转轴的支撑部，所述旋转轴的内部形成冷却用的内部气体通路，另一方面，在所述旋转轴和所述支撑部之间形成冷却用的外部气体通路；和向所述内部气体通路与所述外部气体通路供给冷却用的非活性气体的非活性气体供给系统。
9.根据权利要求8所述的纵型热处理装置，其特征在于所述旋转轴的内部通过隔断壁被上下分开，在所述旋转轴的外侧且在所述隔断壁的近旁配置所述密封部件，在所述隔断壁的更上侧，形成所述内部气体通路与所述外部气体通路，在所述隔断壁的更下侧，所述旋转轴的内部向外部开放。
10.根据权利要求8所述的纵型热处理装置，其特征在于在形成所述外部气体通路的区域中，在所述旋转轴的外周面上形成散热用的凸部或凹部。
11.根据权利要求8所述的纵型热处理装置，其特征在于所述旋转机构进而具备有连接在所述旋转轴上端的旋转台，所述旋转台与所述盖体通过小间隙相对置，同时，在两者之间形成与所述小间隙连通的环状的气体滞留部，所述旋转轴构成为所述非活性气体通过所述内部气体通路及所述外部气体通路后，穿过所述小间隙流入所述气体滞留部。
12.根据权利要求8所述的纵型热处理装置，其特征在于在所述外部气体通路的周围，进而具备有形成于所述支撑部内的、使冷媒流通的冷却通路和向所述冷却通路供给冷媒的冷媒供给系统。
13.根据权利要求12所述的纵型热处理装置，其特征在于所述冷却通路设置成大致螺旋状。
14.根据权利要求12所述的纵型热处理装置，其特征在于所述冷却通路通过隔断部被分割成上下数段，在各段的隔断部形成使冷媒流通的流通孔。
15.根据权利要求12所述的纵型热处理装置，其特征在于在形成所述冷却通路的区域中，在所述旋转轴及所述支撑部中的至少一方的对置面上形成散热用的凸部或凹部。
全文摘要
在纵型热处理装置(1)中，在可升降地开闭纵型热处理炉(2)的炉口(3)的盖体(5)上，设置有旋转搭载有多个被处理基板(W)的保持容器(13)的旋转机构(15)。旋转机构(15)包括旋转轴(16)、和通过轴承(17)及密封部件(18)可旋转地支撑旋转轴(16)的支撑部(19)。旋转轴(16)为壁薄中空构造且在其内侧和外侧有冷却用气体流通。支撑部(19)包括围绕旋转轴(16)的上侧而形成的、流通冷媒的冷却通路(32)。
文档编号H01L21/00GK1647250SQ03807749
公开日2005年7月27日 申请日期2003年3月27日 优先权日2002年4月9日
发明者户羽胜也, 高桥喜一, 小原美鹤 申请人:东京毅力科创株式会社