JP5628731B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱装置に係り、特に大径の半導体基板を熱処理する場合に、被加熱物の温度制御を行う際に好適な誘導加熱装置に関する。

大径な半導体基板をバッチ処理する際、基板表面に金属膜等が形成されていた場合であっても、当該金属膜が直接加熱されることにより、基板面内の温度分布にバラツキが生ずることを抑制することのできる誘導加熱装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている技術は、プロセス室を構成するチャンバと、磁極を構成するコアに巻回された誘導加熱コイルを備えている。このような構成の誘導加熱装置によれば、磁極を介して生ずる磁束が、チャンバ内に配置された被加熱物である半導体基板の載置方向と平行に生ずることとなる。このため、半導体基板の表面に金属膜等が形成されていた場合であっても、この金属膜と交差する方向に磁束が投入されることが無く、誘導加熱によって基板が直接加熱される虞が無い。このため、基板面内の温度分布にバラツキを生じさせることが無い。

特開２０１０−５９４９０号公報

特許文献１に開示されているような構成の誘導加熱装置によれば、確かに、基板表面に金属膜が被覆された半導体基板等であっても、誘導加熱により金属膜が直接加熱されてしまう虞が無くなる。

しかし、上記のような構成の誘導加熱装置では、チャンバを構成する隔壁をアルミ等の耐熱性金属で構成するため、磁極から生ずる磁束を被誘導加熱部材であるサセプタに到達させるためには、チャンバの一部に開口部を形成する必要がある。しかし、チャンバに開口部を設けた場合にはチャンバ内部を真空引きすることが出来なくなってしまう。また、チャンバを密閉するために、開口部を磁極で封止した場合には、チャンバ内にコンタミが生ずる虞がある。

このため、チャンバに設けた開口部には通常、真空耐力、磁束透過性、耐熱性、熱膨張率が低い、熱伝導率が低い、及び熱衝撃に強いといった特性を持ち、汚染の虞が無い石英が配置されることとなった。

ここで、開口部に石英が配置されることによって、被誘導加熱部材であるサセプタと磁極との距離が離れた場合、サセプタへ到達する磁束の磁束密度が著しく減少するという問題がある。

そこで本発明では、被誘導加熱部材と磁極との間の距離が大きくなった場合であっても、被誘導加熱部材への到達磁束の磁束密度の減少を抑制し、加熱効率の高い誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置は、積層配置された複数の被誘導加熱部材をチャンバを構成するハウジング内に収容し、前記ハウジングの外部に配置した誘導加熱コイル又は誘導加熱コイル用磁極から、前記被誘導加熱部材の端面に向う交流磁束を発生させる誘導加熱装置において、前記誘導加熱コイル又は前記誘導加熱コイル用磁極における前記被誘導加熱部材に対向する端面の形状を矩形とし、前記被誘導加熱部材と前記端面との間に配置される前記ハウジングには、前記チャンバの内部領域と外部領域を隔離する磁気透過性遮蔽板と、前記磁気透過性遮蔽板を冷却すると共に前記端面の過加熱を防止する冷却板とを備えた開口部有し、前記誘導加熱コイル又は前記誘導加熱コイル用磁極における前記端面の幅を前記被誘導加熱部材と前記磁極との間の距離よりも大きくしたことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、矩形状を成す前記誘導加熱コイルまたは前記誘導加熱コイル用磁極の前記端面の高さを前記被誘導加熱部材と前記誘導加熱コイルまたは前記誘導加熱コイル用磁極との間の距離よりも大きくすることが望ましい。
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記磁極は、平面形状を鍬型状としたコアの両端部に構成するようにすると良い。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置において前記被誘導加熱部材は、平面形状を円形とし、前記磁極は、前記端面が前記被誘導加熱部材における半径方向延長線と直交する角度を成し、前記磁極の側面は前記半径方向延長線と平行に設けるようにすると良い。
さらに、上記のような特徴を有する誘導加熱装置において、前記磁極の先端又は先端近傍に、前記誘導加熱コイルの１ターン目が巻回されていることが望ましい。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、被誘導加熱部材と磁極との間の距離が大きくなった場合であっても、被誘導加熱部材への到達磁束の磁束密度の減少を抑制し、加熱効率の高い誘導加熱装置を実現することができる。

第１の実施形態に係る誘導加熱装置の構成を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面の構成を示す図である。 ２つの磁極の角度と開口部の関係を示す平面図である。 ハウジングに設けた開口部の正面形態を示す図である。 開口部に設けられた磁気透過性遮蔽部材と冷却板の組付け形態の詳細を示す図である。 磁極の高さを磁極とサセプタ間の距離の２倍にした場合における磁束の到達密度を説明するための図である。 磁極の高さと幅を磁極とサセプタ間の距離の２倍にした場合における磁束の到達密度を説明するための図である。 実施形態に係るコアにおける磁極の形態と加熱効率の関係を説明するための図である。 実施形態に類似するコアの形態を採用した場合に、磁束の漏洩が生ずることを説明するための図である。 磁極間の成す角の相違によって生ずる磁束の到達範囲の相違を説明するための図である。

以下、本発明の誘導加熱装置に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、図１、図２を参照して、第１の実施形態に係る誘導加熱装置の概要構成について説明する。なお、図１は誘導加熱装置の平面構成を示す部分断面ブロック図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面を示すブロック図である。

本実施形態に係る誘導加熱装置１０は、被加熱物としてのウエハ６０と被誘導加熱部材（発熱体）としてのサセプタ１６を多段に重ねて熱処理を行うバッチ式のものとする。
誘導加熱装置１０は、チャンバ１２と、チャンバ１２の外部に配置された励磁部２８、および電源部４０を基本として構成される。

チャンバ１２は、ボート１４と回転テーブル１８、およびハウジング２６を基本として構成されるプロセス室である。ボート１４は、被加熱物であるウエハ６０を載置するサセプタ１６を複数、垂直方向に積層配置することで構成される。各サセプタ１６間には、図示しない支持部材が配置され、ウエハ６０を配置するための所定の間隔を保つように構成される。図示しない支持部材は、磁束の影響を受けることが無く、耐熱性が高く、かつ熱膨張率の小さい部材により構成すると良く、具体的には石英などを用いて構成すると良い。

サセプタ１６は、導電性部材で構成されれば良く、例えばグラファイト、ＳｉＣ、ＳｉＣコートグラファイト、および耐熱金属等により構成すれば良い。
回転テーブル１８は、テーブル２０と回転軸２２、およびベース２４を基本として構成される。テーブル２０は、積層配置された複数のサセプタ１６から成るボート１４を支持するための台であり、図示しない支持部が設けられる。回転軸２２は、テーブル２０の回転中心に固定された軸であり、図示しない駆動源からの駆動力を受けて回転することで、テーブル２０を回転させ、テーブル２０に載置された複数のサセプタ１６を回転させる。ベース２４は、回転軸２２を回転させるためのモータ等の駆動源を有する土台であり、テーブル２０の安定状態を確保する。回転テーブル１８によりボート１４を回転させることにより、加熱源である励磁部２８を誘導加熱装置１０に対して偏らせて配置した場合であっても、サセプタ１６の均一加熱が可能となる。また、励磁部２８を偏らせて配置することによれば、誘導加熱装置１０をボート１４（チャンバ１２）の外周に均等配置する場合に比べ、装置の小型化を図ることが可能となる。

ハウジング２６は、チャンバ１２内部を真空に保つための隔壁である。実施形態におけるハウジング２６は、平面形態を多角形（図１に示す例では六角形）とすることで、形状形成の容易化を図ることができる。ハウジング２６の構成部材は、プロセス的な側面から、アルミニウムまたはステンレスが用いられる。ここで、アルミニウムは形状形成や、形状形成のための溶接面に不利があり、ステンレスに比べて耐熱性も低い。このため、ハウジング２６の構成部材としては、ステンレスが用いられることが多い。ハウジング２６の少なくとも一部には、図３から図５に示すように、開口部４２が設けられ、開口部４２には、磁気透過性遮蔽板４６と、磁気透過性の冷却板４８が密接または近接するように積層配置されている。磁気透過性遮蔽板４６は、チャンバ１２の内部領域と外部領域とを隔離するための部材であり、真空耐力、磁束透過性、耐熱性、低熱膨張性、低熱伝導性、および耐熱衝撃性を有する部材とすると良く、例えば石英などを挙げることができる。一方、冷却板４８は、詳細を後述する冷却管５０から伝達される冷媒の温度を伝導させることで磁気透過性遮蔽板４６を冷却し、磁気透過性遮蔽板４６の加熱に伴う磁極３２（３２ａ〜３２ｃ），３４（３４ａ〜３４ｃ）の過加熱を防止する役割を担う被冷却板である。冷却板４８の構成部材としては、例えば窒化アルミやＳｉＣ、アルミナなどのセラミック部材を挙げることができる。

実施形態に係るハウジング２６では、平面形状六角形の体を成す２辺に開口部４２が設けられている。
実施形態に係る磁気透過性遮蔽板４６は、アルミニウム等により構成されたハウジング２６の開口部４２の外縁に設けられた段差部２６ｂに押圧保持される。磁気透過性遮蔽板４６の外側（磁気透過性遮蔽板４６と磁極３２，３４との間）には、冷却板４８が密接配置され、冷却板４８の外縁部には、冷媒を挿通可能な冷却管５０が密接配置される。このような配置構成とすることで、冷却管５０に挿通された冷媒と冷却板４８との間で熱交換が行われて冷却板４８が冷却される。冷却板４８は磁気透過性遮蔽板４６に比べて熱伝導率が高いため、磁気透過性遮蔽板４６と冷却板４８との間での熱交換（熱伝達）が成される前あるいは熱鋼管が成されている最中に冷却板４８全体が冷却されることとなる。その後、冷却された冷却板４８と磁気透過性遮蔽板４６との間での熱交換が成され、磁気透過性遮蔽板４６が冷却される。これにより輻射熱の影響により磁極が過加熱されることを避けることができる。

このような開口部４２に対して磁気透過性遮蔽板４６は、図５に示すように、Ｏリング５２を介して段差部２６ｂに押し付けられる。そして、冷却板４８と冷却管５０が配置される。このような構成とすることで、チャンバ１２の内部領域と外部領域とを隔離することができ、チャンバ１２内を真空引きすることが可能となる。

励磁部２８は、コア３０（３０ａ〜３０ｃ）と、誘導加熱コイル３６（３６ａ〜３６ｃ），３８（３８ａ〜３８ｃ）とより成る。コア３０は、鍬型に形成された鉄芯である。コア３０は、その両端に、詳細を後述する誘導加熱コイル３６，３８を巻回させることで構成される磁極３２（３２ａ〜３２ｃ），３４（３４ａ〜３４ｃ）を有すると共に、両磁極間を接続するヨーク３５（３５ａ〜３５ｃ）を有する。磁極３２，３４の端面は、円形サセプタ１６の接線と平行、すなわちサセプタ１６の半径方向延長線に対して直交する面を備えるように構成する。このような構成とすることで、磁極３２，３４の端面近くに誘導加熱コイル３６，３８を巻回させることができ、磁極先端以外からの磁束の漏洩を抑制することができる。よって、サセプタ１６へ投入される磁束に無駄が無く、加熱効率を向上させることができる。コア３０は、フェライトなどにより構成すると良い。このような構成によれば、粘土状の原料を形状形成した上で焼成することで所望形状の磁極３２，３４、およびヨーク３５を得ることができる。このため、形状形成を自由に行うことが可能となる。

誘導加熱コイル３６，３８は、磁極３２，３４を構成するコア３０の両端部に巻回される導電線である。誘導加熱コイル３６，３８に電流を投入することで、コイルの巻回方向と交差する方向に位置する磁極先端から磁束が生ずることとなる。本実施形態では、磁極端面（磁極先端）がサセプタ１６におけるウエハ載置面と直交する方向を向いているため、磁極端面からは、サセプタ１６のウエハ載置面に平行な方向に交流磁束が発生することとなる。実施形態に係る誘導加熱コイル３６，３８は、冷媒を挿通可能な管状部材（例えば、冷媒として水を使用する場合には銅管など）により誘導加熱コイル３６，３８が過加熱されることを防止する構造としているが、管状部材とリッツ線とを組み合わせることにより構成するようにしても良い。管状部材とリッツ線とを組み合わせて誘導加熱コイル３６，３８を構成する場合の具体的な構成は、磁極先端部や、磁極先端に近い部分には管状部材を用い、それよりも後端側にはリッツ線を用いるという構成である。

サセプタ１６のウエハ載置面に対して水平な方向に磁束を生じさせる加熱方法では、誘導加熱コイル３６，３８へ投入される電流の周波数は数十ｋＨｚである。管状部材に銅を使用した場合、肉厚を１ｍｍ程度とする銅管は誘導加熱されることとなり、サセプタ１６の加熱効率が低下すると共に、電力損失が大きくなってしまう。一方、０．１８φ程度の素線（線条材）を使用しているリッツ線であれば、磁束は透過することが考えられるが、磁極３２，３４の先端部分には鎖交磁束が多いため、誘導加熱されてしまう。冷却作用を持たないリッツ線は、誘導加熱によって発熱した場合には温度上昇し、使用温度限界を超えてしまうことがある。このため、磁極先端側に冷却作用を有する管状部材、後端側にリッツ線を配置することで、電力損失を抑制し、かつコイルの過加熱も防止することが可能となる。

励磁部２８は、上記のような構成のコア３０と誘導加熱コイル３６，３８を、サセプタ１６の積層方向に沿って複数（図２に示す例では３つ）配置することで構成されている。
また、上記のような励磁部２８において、実施形態のコア３０は、図３に示すように、サセプタ１６の中心点Ｏから各磁極端面の中心に向けて伸ばした線の成す角θが所定の角度（ハウジング２６の成す角に依存）となるように構成されている。磁極３２，３４間に角度付けをした上で、一方の磁極３２と他方の磁極３４の極性を逆にすることで、発生磁束が磁極３２，３４間を行き来することとなる。これにより、単一の磁極３２（３４）によって生ずる磁束よりもサセプタ１６の中心側を通る磁束を生じさせることが可能となる。

また、実施形態に係る励磁部２８では、コア３０における磁極３２，３４の幅、および高さ寸法を大きくすることで、加熱効率の向上を図っている。例えば図６、図７に示すように、磁極からサセプタ１６までの距離をｘ（ｍｍ）とした場合、前記距離を０とした場合に比べてサセプタ１６に到達する磁束の密度は著しく減少する。磁極の幅、および高さをｘ（ｍｍ）とした場合、前記距離を０とした際の磁束の到達密度を１とすると、距離ｘ（ｍｍ）の場合の磁束の到達密度比は０．３程度となる。

これに対し、図６に示すように、磁極の幅を２ｘ（ｍｍ）、高さをｘ（ｍｍ）とした場合には、距離ｘ（ｍｍ）における磁束の到達密度比は０．５程度にまで向上する。これにより、誘導加熱コイルに対する投入電力を同じとした場合であっても、幅の狭い磁極を使用した場合に比べ、積層配置されたサセプタ１６を側面方向から、効率良く加熱することが可能となるということができる。

また、図７に示すように、磁極の幅を２ｘ（ｍｍ）、高さを２ｘ（ｍｍ）とした場合には、距離ｘ（ｍｍ）における磁束の到達密度比は０．７程度にまで向上する。このことより、磁極の高さのみを大きくするよりも幅と高さ、すなわち磁極の断面積を増やすことで、磁束の到達密度比を向上させることができることが判る。すなわち、磁極の幅をｘ（ｍｍ）とし、高さを２ｘ（ｍｍ）とした場合であっても、図６に示す例と同様な効果を得ることができる。

また、実施形態に係るコア３０は図８に示すように、磁極の端面がサセプタ１６の半径方向延長線と直交し、かつ磁極側面が前記半径方向延長線と平行な関係となるように形成している。このような構成とすることで、磁極の先端、又は磁極の先端近傍に誘導加熱コイル３６，３８の１ターン目を巻回することができる。磁極側面が半径方向延長線と平行で無い場合、図９に示すように、磁極先端から磁極側面へ漏洩する磁束が増える。つまり、実施形態に係るコア３０の形態、および誘導加熱コイル３６，３８の巻回形態によれば、磁極先端から磁極側面へ漏洩する磁束を減らすことができ、被誘導加熱部材であるサセプタ１６への磁束の投入割合を増やすことができる。このため、加熱効率を向上させることができる。

電源部４０には、コア３０単位で、各コア３０の磁極３２，３４に巻回された誘導加熱コイル３６，３８に対応したインバータ（不図示）と、図示しない交流電源、および図示しない電力制御部等が設けられており、各コア３０に設けられた誘導加熱コイル３６，３８単位で、供給する電流や電圧、および周波数等を調整することができるように構成されている。実施形態に係る誘導加熱装置１０では、単一のコア３０に巻回された誘導加熱コイル３６，３８（例えば磁極３２ａに巻回される誘導加熱コイル３６ａと磁極３４ａに巻回される誘導加熱コイル３８ａ）は回路上並列あるいは直列な関係として巻回方向を同一とした上で、電流の投入方向を逆にする。これにより、各コア３０における２つの磁極（例えば磁極３２ａと磁極３４ａ）の極性を逆向きとすることができる。ここでインバータとして共振型のものを採用する場合には、周波数の切り替えを簡易に行うことができるように、各制御周波数に合わせた共振コンデンサを並列接続し、これを電力制御部からの信号に応じて切り替えることができるように構成することが望ましい。

実施形態に係る電力制御部は、図示しないゾーンコントロール手段を有する。ゾーンコントロール手段は、隣接配置されたコア３０に巻回された誘導加熱コイル３６，３８間に生ずる相互誘導の影響を回避しつつ、各誘導加熱コイル３６，３８に対する投入電力の制御を行う役割を担う。

上記のように近接して積層配置されるコア３０に巻回された誘導加熱コイル３６，３８は、各々が個別の誘導加熱コイルとして稼動されるため、上下に隣接する誘導加熱コイル間（例えば誘導加熱コイル３８ａと誘導加熱コイル３８ｂ）において相互誘導が生じ、個別の電力制御に悪影響を与える事がある。このためゾーンコントロール手段は、検出された電流の周波数や波形（電流波形）に基づいて、隣接配置された誘導加熱コイルに投入する電流の周波数を一致させ、かつ電流波形の位相を同期（位相差を０または位相差を０に近似させる事）、あるいは所定の位相差を保つように制御することで、隣接配置した誘導加熱コイル間における相互誘導の影響を回避した電力制御（ゾーンコントロール制御）を可能としている。

このような制御は、各誘導加熱コイル３６，３８に投入されている電流値や電流の周波数、および電圧値等を検出し、これをゾーンコントロール手段に入力する。ゾーンコントロール手段では、例えばコア３０ａに巻回された誘導加熱コイル３６ａ，３８ａとコア３０ｂに巻回された誘導加熱コイル３６ｂ，３８ｂ間の電流波形の位相をそれぞれ検出し、これを同期、あるいは所定の位相差を保つように制御する。このような制御は、電力制御部に対して各誘導加熱コイルに投入する電流の周波数を瞬時的に変化させる信号を出力することで成される。

本実施形態に係る誘導加熱装置１０のような構成の場合、電力制御に関しては、電力制御部に設けられた図示しない記憶手段（メモリ）に記憶された制御マップ（垂直温度分布制御マップ）に基づいて、熱処理開始からの経過時間単位に変化させる投入電力を出力するための信号を出力すれば良い。なお、制御マップは、熱処理開始から熱処理終了に至るまでの積層配置されたサセプタ間の温度変化を補正し、任意の温度分布（例えば均一な温度分布）を得るために各誘導加熱コイルに与える電力値を、熱処理開始からの経過時間と共に記録したものであれば良い。また、サセプタ１６の温度を計測する計測手段（不図示）を備えている場合には、各ゾーンにおけるサセプタ温度をフィードバックして温度制御（電力制御）を行うようにすると良い。

このような構成の電源部４０では、電力制御部からの信号に基づいて、各誘導加熱コイル３６，３８に投入する電流の周波数を瞬時的に調整し、電流波形の位相制御を実施すると共に、各誘導加熱コイル３６，３８単位の電力制御を実施することで、ボート１４内における垂直方向の温度分布を制御することができる。

また、このような構成の誘導加熱装置１０によれば、磁束がウエハ６０に対して水平に働くため、ウエハ６０の表面に金属膜等の導電性部材が形成されていた場合であっても、ウエハ６０の温度分布が乱れる虞が無い。

このような構成の誘導加熱装置によれば、チャンバ１２の外部に配置した磁極３２，３４の加熱防止を実現しつつ、被誘導加熱部材であるサセプタ１６を効率良く加熱することが可能となる。

また、上記実施形態に係る誘導加熱装置１０は、磁極３２，３４の中心を通る直線の成す角θが大きくても、小さくても良い。例えば、図１０に示すように、中心線の成す角θが大きい場合であっても、上記実施形態と同様な効果を奏することができる。また、θを大きくした場合には、２つの磁極面を結ぶ直線ｌと、サセプタ１６の中心点Ｏを結ぶ垂直距離ｌ_０が、θが小さい場合よりも短くなる。このため、２つの磁極間（磁極３２と磁極３４）を行き交う磁束がθが小さい場合よりもサセプタ１６の中心付近に到達することとなる。

１０………誘導加熱装置、１２………チャンバ、１４………ボート、１６………サセプタ、１８………回転テーブル、２０………テーブル、２２………回転軸、２４………ベース、２６………ハウジング、２８………励磁部、３０（３０ａ〜３０ｃ）………コア、３２（３２ａ〜３２ｃ）………磁極、３４（３４ａ〜３４ｃ）………磁極、３５（３５ａ〜３５ｃ）………ヨーク、３６（３６ａ〜３６ｃ）………誘導加熱コイル、３８（３８ａ〜３８ｃ）………誘導加熱コイル、４０………電源部、４２………開口部、４６………磁気透過性遮蔽板、４８………冷却板、５０………冷却管、６０………ウエハ。

Claims (5)

1. 積層配置された複数の被誘導加熱部材をチャンバを構成するハウジング内に収容し、前記ハウジングの外部に配置した誘導加熱コイル又は誘導加熱コイル用磁極から、前記被誘導加熱部材の端面に向う交流磁束を発生させる誘導加熱装置において、
   前記誘導加熱コイル又は前記誘導加熱コイル用磁極における前記被誘導加熱部材に対向する端面の形状を矩形とし、
   前記被誘導加熱部材と前記端面との間に配置される前記ハウジングには、前記チャンバの内部領域と外部領域を隔離する磁気透過性遮蔽板と、前記磁気透過性遮蔽板を冷却すると共に前記端面の過加熱を防止する冷却板とを備えた開口部を有し、
   前記誘導加熱コイル又は前記誘導加熱コイル用磁極における前記端面の幅を前記被誘導加熱部材と前記磁極との間の距離よりも大きくしたことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 矩形状を成す前記誘導加熱コイルまたは前記誘導加熱コイル用磁極の前記端面の高さを前記被誘導加熱部材と前記誘導加熱コイルまたは前記誘導加熱コイル用磁極との間の距離よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記磁極は、平面形状を鍬型状としたコアの両端部に構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記被誘導加熱部材は、平面形状を円形とし、
   前記磁極は、前記端面が前記被誘導加熱部材における半径方向延長線と直交する角度を成し、前記磁極の側面は前記半径方向延長線と平行に設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 前記磁極の先端又は先端近傍に、前記誘導加熱コイルの１ターン目が巻回されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。

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