JP2005268624A

JP2005268624A - 加熱装置

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Publication number: JP2005268624A
Application number: JP2004080843A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nakao; 誠中尾; Masayuki Shiojiri; 昌幸塩尻; Yoshihiko Murakami; 嘉彦村上
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】マイクロ波を用いて、試料を効率よく、均一に加熱することができる加熱装置を提供する。
【解決手段】本発明の加熱装置１０は、試料Ｗを加熱処理する容器１１と、該容器１１内に配設されて試料Ｗを載置する一主面を備えた試料台１７と、該試料台１７の他の一主面側かつ前記容器１１の外側に設けられたマイクロ波放射部２５と、前記容器１１外に設けられたマイクロ波発生器２１と、一方の端部が前記マイクロ波発生器２１に接続され、かつ、他方の端部が前記マイクロ波放射部２５に接続されている導波管２４とを備え、前記マイクロ波放射部２５は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔２６が形成された板状体２７を備えることにより、試料台１７が均一に加熱され、その結果、試料台１７に載置された試料Ｗが効率よく、均一に加熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置に関し、特に、単一葉あるいは複数葉の半導体ウエハ等の板状試料をマイクロ波を用いて均一に加熱処理することができる加熱装置に関するものである。

従来より、マイクロ波を用いて被処理体を加熱する技術は広く応用されており、工業的には勿論のこと、一般家庭でも食品加熱用として電子レンジが普及している。
一方、半導体装置の製造工程においても多くの加熱工程があり、これらの加熱工程においては、マイクロ波を用いた加熱装置が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

本出願人は、従来のマイクロ波を用いた加熱装置を改良したものを提案した。
図８は、特願２００３−１６９９７８のマイクロ波を用いた板状試料加熱装置を示す断面図である。図８において、符号１１１はアルミニウムまたはステンレススチールからなる容器（反応容器）であり、この容器１１１の底部１１１ａ（または側部）には板状の高純度石英からなるマイクロ波照射窓１１２が設けられ、この容器１１１の側壁（側部）には、反応ガスを容器１１１内に導入する反応ガス導入口１１３及び反応ガスを容器１１１外へ排出する反応ガス排出口１１４が設けられている。

この容器１１１の内部には中心部に開口部１１５が形成された石英製の試料台支持板１１６が配設され、この試料台支持板１１６の上面（一主面）１１６ａには、開口部１１５に跨るように、電気的に絶縁され、誘電体からなる試料台１１７が載置されている。そして、試料Ｗはこの試料台１１７の上面（一主面）１１７ａに載置されて加熱される。

また、容器１１１の外側には、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発生器１２１が設けられており、このマイクロ波発生器１２１で発生したマイクロ波が導波管１２４、マイクロ波照射窓１１２を通って試料台１１７の下面（他の一主面）１１７ｂを照射するように構成されている。
一方、試料台１１７には光センサ１２２が設けられていて、この光センサ１２２は光温度計１２３を介してマイクロ波発生器１２１に電気的に接続されている。
特開２００２−７５８７０号公報

このようなマイクロ波を用いた加熱装置１１０にあっては、試料Ｗのみを選択的に加熱することができ、温度調整に際しての即応性に優れるという利点を有するものの、試料Ｗを均一に加熱することができないという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、半導体ウエハ等の板状試料Ｗを均一に効率よく加熱することができるマイクロ波を用いた加熱装置１１０を提供することを課題とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、マイクロ波を導波管内に伝播させてマイクロ波放射部に導き、該マイクロ波放射部に備えられた貫通孔を有する板状体によりマイクロ波を均一に容器内に放射させて、試料台へのマイクロ波照射の強度分布を均一にできることを見出した。
さらに、前記試料台を特定の特性を備えたセラミックスで構成すれば、上記課題を解決できることを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の加熱装置は、マイクロ波を用いて試料を加熱する加熱装置であって、試料を加熱処理する容器と、該容器内に配設されて試料を載置する一主面を備えた試料台と、該試料台の他の一主面側かつ前記容器の外側に設けられたマイクロ波放射部と、前記容器外に設けられたマイクロ波発生器と、一方の端部が前記マイクロ波発生器に接続され、かつ、他方の端部が前記マイクロ波放射部に接続されている導波管とを備え、前記マイクロ波放射部は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている板状体を備えていることを特徴としている。

前記複数の貫通孔は、前記貫通孔板の一主面の中心軸に対して、点対称となるように形成されていることを特徴としている。
また、前記貫通孔は、長軸を有する２つの貫通孔の一方の端面が他方の貫通孔の中央部に近接してＴ字状の貫通孔対を形成していることを特徴としている。
さらに、前記貫通孔は、同心円状、放射状または螺旋状に配置されていることとしてもよい。
前記マイクロ波放射部は、さらに誘電体板を備えていることを特徴としている。
また、前記試料台は、体積固有抵抗値が１０^−１Ωｃｍ以上かつ１０^６Ωｃｍ以下であり、かつ、マイクロ波周波数帯域における複素誘電率が０．２以上であるセラミックスからなることを特徴としている。

本発明によれば、導波管に設けられたマイクロ波放射開口を通ってマイクロ波がマイクロ波放射部に供給され、該マイクロ波放射部に形成された複数の貫通孔によりマイクロ波が試料台に均一に放射されるため、該試料台を、面内温度勾配を発生させずに均一に加熱することができ、前記試料台上に載置された試料も均一に加熱することができる。

また、マイクロ波発生器から供給されるマイクロ波は、マイクロ波放射部の誘電体板によって波長が短縮されてエネルギー密度が上昇するため試料台の加熱効率が向上する。
さらに、前記試料台が、体積固有抵抗値が１０^−１Ωｃｍ以上かつ１０^６Ωｃｍ以下であり、かつ、マイクロ波周波数帯域における複素誘電率が０．２以上であるセラミックスで構成されているので、試料台の表面（裏面）でのマイクロ波の反射が低減し、更に、試料台を透過する量も低減するため、マイクロ波が試料台に効率よく吸収され、試料台に面内温度勾配が発生せず、試料に温度ムラが生じない。すなわち、マイクロ波は効率よく試料加熱用の熱に変換される。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して具体的、かつ詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態の加熱装置を示す概略断面図である。
図１において、符号１１はアルミニウムまたはステンレススチールからなる容器であり、この容器１１の底部１１ａ（または側部）には板状の高純度石英からなるマイクロ波照射窓１２が設けられ、この容器１１の側壁（側部）には、反応ガスを容器１１内に導入する反応ガス導入口１３および反応ガスを容器１１外へ排出する反応ガス排出口１４が設けられている。

このマイクロ波照射窓１２の上面には、直接もしくは石英製スペーサーを介して、セラミックスにより構成された試料台１７が電気的に絶縁される状態で載置され、この試料台１７の上面（一主面）１７ａは半導体ウエハＷを載置する載置面とされている。この板状試料Ｗとしては、例えば、シリコン（Ｓｉ）ウエハ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハ等が好適に用いられる。

また、容器１１の底部１１ａのマイクロ波照射窓１２の外側には、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発生器２１と、マイクロ波照射窓１２の下面には、前記試料台１７に対向してマイクロ波放射部２５が設けられており、マイクロ波発生器２１で発生したマイクロ波は矩形状の断面を有する導波管２４内を通ってマイクロ波放射部２５に伝播するよう構成されている。

このマイクロ波放射部２５の上部（マイクロ波透過窓１２側）には、マイクロ波を均一に照射して試料台１７を均一に加熱するために、厚み方向に貫通した複数の貫通孔２６を有し、マイクロ波を射出するアンテナとして機能する板状体２７が設けられており、マイクロ波放射部２５の下部（マイクロ波発振器２１側）には、前記マイクロ波放射部２５の中央部にマイクロ波導波管２４が接続されている。

また、本容器１１の頂部１１ｂには、従来公知のマイクロ波を利用したプラズマ発生装置が設けられている。すなわち、容器１１の頂部１１ｂの高純度石英製マイクロ波照射窓３１の外側には、マイクロ波を利用したプラズマ発生装置３２が設けられており、マイクロ波照射窓３１の上面には、マイクロ波を均一に照射するためのマイクロ波放射部３３が配設されている。このマイクロ波放射部３３は、貫通孔付の板状体３４と誘電体板３５から構成されている。

次に、マイクロ波放射部２５の詳細について説明する。
図２（ａ）はマイクロ波放射部２５の平面図であり、図２（ｂ）は同マイクロ波放射部２５の断面図である。
マイクロ波放射部２５は、図２（ａ）に示すように、複数の矩形状の貫通孔２６が均一に分布した円形状の板状体２７を有し、その貫通孔２６は、図２（ｂ）に示すように板状体２７の厚み方向に貫通している。
貫通孔２６の形状、密度、分布は特に制限はないが、形状はマイクロ波の透過性の点で矩形状が好ましく、密度は要求される均熱性を考慮して適宜調整するのが好ましく、分布は同心円状でも螺旋状でもよいが、同心円状の方が均熱性が向上するので好ましい。

マイクロ波放射部２５の下部（マイクロ波発振器２１側）の径はマイクロ波放射部２５の上部（マイクロ波透過窓１２側）の径よりも小さい円筒テーパ状の形状をしている。このマイクロ波放射部２５のテーパ面２８が板状体２７の垂直方向となすテーパ角度θは１０°以上かつ３０°以下、より好ましくは１０°以上かつ２０°以下が好ましい。
テーパ角度が１０°を下回るとマイクロ波放射部２５が大型化してしまうという問題が発生し、テーパ角度θが３０°を上回ると、マイクロ波の透過効率が低下してエネルギー変換効率が低下するので好ましくない。

符号２９は、前記マイクロ波導波管２４が前記マイクロ波放射部２５に接続されるマイクロ波導入用のマイクロ波導入口であり、マイクロ波発生器２１で発生したマイクロ波は、マイクロ波導入口２９を通って前記マイクロ波放射部２５へ導入される。

以上説明したように、本実施形態の加熱装置１０によれば、マイクロ波放射部２５によりマイクロ波が試料台１７に対して均一に照射されるため、試料台１７が面内温度勾配が発生せず均一に温度上昇し、よって試料Ｗを均一に加熱することができる。

[第２の実施形態]
図３は、本発明の第２の実施形態のマイクロ波放射部４０を示す概略断面図であり、このマイクロ波放射部４０が第１実施形態のマイクロ波放射部２５と異なる点は、その断面形状と構成材である。
本実施例のマイクロ波放射部４０は、下部（マイクロ波発振器２１側）の径と上部（マイクロ波透過窓１２側）の径とが等しい円筒状の形状をしている。

図３において、符号４１は、マイクロ波放射部４０の内部空間全域をほぼ完全に充填するよう配設された誘電体板である。この誘電体板４１は、所定の比誘電率を有しており、マイクロ波発生器２１から矩形導波管２４を通って供給されるマイクロ波の波長を所定の率で短縮する。板状体２７に供給されるマイクロ波の波長が誘電体板４１により短縮されることにより、板状体２７の貫通孔２６の厚み方向の大きさを小さくでき、その結果、より多くの貫通孔２６を板状体２７に形成してマイクロ波の放射密度の均一性を向上させることができ、もって、試料Ｗを均一に加熱することができる。なお、誘電体板４１は必ず設ける必要はなく、空洞としてもよい。

誘電体板４１は、０．１以下の誘電損失（tanδ）を有するものが好ましく、誘電損失（tanδ）が０．１を超えると発熱してマイクロ波のエネルギーが損失され、試料台１７へのマイクロ波照射エネルギーが減少するので不適である。
また、この誘電体板４１は、２．０以上、好ましくは４．０以上の比誘電率を有するものが好ましい。比誘電率が２．０を下回ると波長短縮効果が充分でなくなる。
このような比誘電率を有する材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）焼結体、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体、シリカ（ＳｉＯ_２）焼結体等を例示することができる。

また、誘電体板４１の厚さは、誘電体板４１内のマイクロ波の波長をλとしたとき、０．５λ以上であることが好ましい。マイクロ波の波長λは、次の式で表される。
λ＝λ_０／（ε_t）^１／２
λ_０：真空中のマイクロ波の波長
ε_t ：誘電体板の比誘電率
前記誘電体板４１の厚さが０．５λを下回るとマイクロ波が誘電体板４１を透過しにくくなるので好ましくない。

以上、第２の実施形態のマイクロ波放射部４０によれば、マイクロ波放射部４０を構成する誘電体板４１により、マイクロ波の波長が短縮され、板状体２７の厚さが薄くなることによって、より多くの貫通孔２６を形成でき、それによってマイクロ波の放射密度が均一になり、試料Ｗを均一に加熱することができる。

図４は、上述した板状体２７の変形例を示す平面図である。
図４に示す板状体２７には、貫通孔５０Ａと５０Ｂからなる複数の貫通孔対５０が形成され、貫通孔５０Ｂの長手方向は貫通孔５０Ａの長手方向と９０度の角度をなし、貫通孔５０Ｂの一端が貫通孔５０Ａの中央部に近接してＴ字状となるように配置されている。
これらの貫通孔対５０は複数の同心円に沿って配列されているが、螺旋状に配置されてもよい。

以上のような構成の貫通孔対５０を有する板状体２７に対して、その中央に位置するマイクロ波導入口からマイクロ波が放射状に伝播すると、貫通孔対５０により均一な電界が生じ、マイクロ波が効率よく容器１１の処理空間に向かって均一に放射される。

板状体２７に穿設する貫通孔は、必ずしも対を形成する必要はない。また、貫通孔の各々は細長い楕円形状に限ることもなく、例えば、長方形であってもよい。ただし、角部に滑らかな丸みを持たせることにより、電界の集中を抑制して異常放電を防止することが好ましい。

図５は、板状体２７の他の変形例の平面図である。図５において、符号６１ａ、６１ｂは板状体２７の厚み方向に貫通した貫通孔であり、この貫通孔６１ａと貫通孔６１ｂは互いに向きが異なり、貫通孔対６１を形成して、その複数組が円周上に配置されている。
このような貫通孔対６１を形成することによっても、均一な電界が生じ、マイクロ波が効率よく容器１１の処理空間に向かって均一に放射される。

図６は、板状体２７の他の変形例を示す平面図である。図６において、符号７１は板状体２７の厚み方向に貫通した貫通孔であり、この貫通孔７１は中心部から外周方向に放射状に穿設されている。
このような貫通孔７１を形成することによっても、均一な電界が生じ、マイクロ波が効
率よく、容器１１の処理空間に向かって均一に放射される。

図７は、板状体２７の他の変形例の平面図である。図７において、符号８１ａ、８１ｂ、８１ｃは板状体２７の厚み方向に貫通した貫通孔８１であり、中心部から外周部に向かって長さが長くなる複数の貫通孔の組（図７では４組）が点対称になるよう穿設されている。
（このような貫通孔８１を形成することによっても、均一な電界が生じ、マイクロ波が効率よく、容器１１の処理空間に向かって均一に放射される。

上述した板状体２７の厚みは１ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以上かつ４ｍｍ以下であることが好ましい。厚みが１ｍｍ未満であると熱的に変形しやすく、機械的強度も低い。また、５ｍｍを超えるとマイクロ波の放射特性に影響を及ぼすとともに質量が大きくなるので好ましくない。

また、貫通孔２６、５１ａ、５１ｂ、６１ａ、６１ｂ、７１、８１ａ、８１ｂ、８１ｃの水平方向の長さは、λ／４（λ：誘電体板４１内のマイクロ波の波長）以上あることが好ましい。上記各貫通孔の水平方向の長さがλ／４未満であると、開口が小さいためにマイクロ波の放射強度が低下しやすく好ましくない。
前記板状体２７は、例えば、ステンレススチール、銅等の金属で作製される。

次に、試料台１７は、体積固有抵抗値が１０^−１Ωｃｍ以上かつ１０^６Ωｃｍ以下、好ましくは１０^−１Ωｃｍ以上かつ１０^４Ωｃｍ以下であり、かつ、マイクロ波周波数帯域（１０^８Ｈｚ〜１０^１３Ｈｚ）における複素誘電率が０．２以上、好ましくは０．５以上のセラミックスで構成されていることが好ましい。
このセラミックスの体積固有抵抗値が１０^−１Ωｃｍを下回ると、マイクロ波の反射率が大きくなり、試料台１７の載置面に載置される板状試料Ｗを効率よく加熱することができず、一方、１０^６Ωｃｍを上回ると、マイクロ波の透過率が大きくなり、マイクロ波が試料台１７を透過して漏洩し、容器１１内壁で反射されたマイクロ波が試料台１７に再吸収されて試料Ｗを再加熱するため、試料Ｗに温度ムラが生じる。
また、試料台１７を構成しているセラミックスの複素誘電率が０．２未満であると、試料台１７へのマイクロ波のエネルギー吸収効率が低下する。

このセラミックスとしては、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とする焼結体や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする焼結体を例示することができる。
炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とする焼結体は、具体的には炭化珪素（ＳｉＣ）粉末に必要に応じて窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の添加剤を適当量添加して成形・焼成した炭化珪素（ＳｉＣ）基焼結体である。前記添加剤の添加量は内割で通常、０．１〜１０質量％程度である。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする焼結体は、具体的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、必要に応じて窒化イットリウム（ＹＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化バナジウム（ＶＮ）等の金属窒化物を添加剤として適当量添加して成形・焼成した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基焼結体である。前記添加剤の添加量は内割で通常、０．１〜１０質量％程度であり、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）等の焼結助剤を添加してもよい。

本発明の加熱装置は、半導体製造工程におけるシリコン（Ｓｉ）ウエハや、ＧａＡｓ等の半導体ウエハの加熱は勿論のこと、例えば、セラミックス材料やガラス等、他の工業材料の均一加熱にも適用することができ、その工業上の利用効果は極めて大である。

本発明の第１の実施形態の加熱装置を示す概略断面図である。本発明の第２の実施形態の加熱装置のマイクロ波放射部の一例を示す概略断面図である。本発明のマイクロ波放射部の他の一例を示す概略断面図である。本発明の板状体の貫通孔の変形例を示す概略平面図である。本発明の板状体の貫通孔の他の変形例を示す概略平面図である。本発明の板状体の貫通孔の他の変形例を示す概略平面図である本発明の板状体の貫通孔の他の変形例を示す概略平面図である本発明者が既に提案した加熱装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１１容器
１１ａ容器底部
１１ｂ容器頂部
１２、３１マイクロ波照射窓
１３反応ガス導入口
１４反応ガス排出口
１７試料台
１７ａ試料台の上面
２１、３２マイクロ波発生器
２２光センサ
２３光温度計
２４導波管
２５、３３マイクロ波放射部
２６貫通孔
２７板状体
２８マイクロ波放射部のテーパー面
２９マイクロ波導入口
３４板状体
３５誘電体板
５０、６１貫通孔対
５０ａ、５０ｂ、６１ａ、６１ｂ、７１、８１ａ、８１ｂ、８１ｃ貫通孔
８１貫通孔の組

Claims

マイクロ波を用いて試料を加熱する加熱装置であって、
試料を加熱処理する容器と、該容器内に配設されて試料を載置する一主面を備えた試料台と、該試料台の他の一主面側かつ前記容器の外側に設けられたマイクロ波放射部と、前記容器外に設けられたマイクロ波発生器と、一方の端部が前記マイクロ波発生器に接続され、かつ、他方の端部が前記マイクロ波放射部に接続されている導波管とを備え、
前記マイクロ波放射部は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔が形成された板状体を備えていることを特徴とする加熱装置。
前記複数の貫通孔は、前記貫通孔板の一主面の中心軸に対して、点対称となるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記貫通孔は、長軸を有する２つの貫通孔の一方の端面が他方の貫通孔の中央部に近接してＴ字状の貫通孔対を形成していることを特徴とする請求項２記載の加熱装置。
前記貫通孔は、同心円状、放射状または螺旋状に配置されていることを特徴とする請求項２記載の加熱装置。
前記マイクロ波放射部は、さらに誘電体板を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の加熱装置。
前記試料台は、体積固有抵抗値が１０^−１Ωｃｍ以上かつ１０^６Ωｃｍ以下であり、かつ、マイクロ波周波数帯域における複素誘電率が０．２以上であるセラミックスからなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の加熱装置。