CN102017078B - 热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热处理装置，能够在同时加热多个基座上分别载置的基板时，控制各基板的面内温度的均匀性，该热处理装置设置有：多个基座(120)，其为载置所述基板的导电性部件，具有电性分隔为中心部(126)和周边部(124)的感应发热体(122)；石英舟(112)，将各基座排列成一列地加以支撑；感应线圈(130)，按照包围各基座的周围的方式配置在处理室(102)内，构成为温度调节自由；和控制部(300)，通过对从高频电流电路(200)施加到感应线圈的所述两个频率的高频电流加以控制，使感应发热体的中心部的发热量和周边部的发热量的比率发生变化从而进行温度控制。

Description

热处理装置
技术领域
本发明涉及一种在基板例如半导体晶片或玻璃基板等上实施规定的热处理的热处理装置。
背景技术
在制造半导体集成电路时，对基板表面实施硅膜或氧化硅膜等的各种成膜处理、氧化处理等各种的热处理。在进行这些热处理的情况下，大多使用配置有多枚半导体晶片(以下也简单地称为“晶片”)且同时能够进行热处理的所谓批量式的热处理装置。
所谓批量式的热处理装置主要使用用电炉加热收纳有多枚晶片的反应管的电炉方式(hot wall方式：热壁方式)。可是，使用电炉方式有如下所述的问题，即，因为炉整体的热容量大，所以为了升降晶片的温度而需要长的时间，故而生产性大大降低。
另外，还有利用高频感应加热方式来加热晶片这种类型的装置(例如参照专利文献1、2)。该类型的热处理装置通常具备卷绕在反应管外侧的感应线圈，将高频电流供给到该感应线圈，对配置在反应管内的导电性的基座进行感应加热，利用热传导间接地加热载置在基座上的晶片。这样就没有必要直接加热反应管，因此通过减小基座的热容量就能够相比于电炉方式实现晶片温度的高速升降温，而且由于能够独立于晶片温度来控制反应管的壁部温度，所以能够构成所谓的冷壁方式的热处理装置。
专利文献
专利文献1：日本特开昭56-6428号公报
专利文献2：日本特开昭61-91920号公报
专利文献3：日本特开2003-17426号公报
专利文献4：日本特开2003-68658号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
但是，上述的冷壁方式的热处理装置等中，配置有热容量小的多个基座而进行高频加热，由于基座与其周围(反应管的内壁等)的温度差而破坏了基座面内以及多个基座间的温度均匀性，不仅多个晶片间的温度均匀性恶化，各晶片的面内温度的均匀性也恶化，冷壁方式的本质问题明显化。
其中，作为改善多个晶片间的温度均匀性的方法，例如专利文献3公开了如下的技术：将多个感应线圈配置在反应管的长度方向，通过单独地控制感应线圈而控制晶片间的温度均匀性。专利文献4中公开了利用被感应加热过的模型加热板夹持晶片两端的方法。
但是，控制晶片的面内温度的方法未被任一现有技术所公开，在同时处理多枚晶片的批量式的热处理装置中尚未了解有控制晶片的面内温度均匀性的方法。
在此，本发明鉴于这样的问题，其目的在于，提供一种热处理装置，在同时加热多个基座上分别载置的基板时，能够控制各基板的面内温度。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，根据本发明的观点，提供一种热处理装置，将气体供给到能够减压的处理室，对多枚基板实施热处理，该热处理装置包括：
多个基座，其为载置所述基板的导电性部件，具有分隔为中心部和周边部的感应发热体；
基座支撑部，按照隔开规定的间隔且重叠成一列地进行排列的方式支撑所述各基座；
感应线圈，按照包围所述各基座的周围的方式配置在所述处理室内，构成为温度调节自由；
高频电流电路，构成为能够向所述感应线圈施加不同的两个频率下的高频电流；和
控制部，通过对从所述高频电流电路施加到所述感应线圈的所述两个频率的高频电流加以控制，使所述感应发热体的中心部的发热量和周边部的发热量的比率发生变化从而进行温度控制。
根据本发明，不但能够将感应线圈的温度调整到适当的温度，而且，通过从高频电流电路施加规定的高频电流，能够加热各基座的感应发热体，边控制各基板的温度边进行对基板的热处理。由此，通过将感应线圈设置在处理室的内侧，就不会象将感应线圈设置在侧壁的外侧的现有技术那样将侧壁的材料限制在对电磁感应没有影响的绝缘性材料，例如可以选择金属那样的导电性材料。
而且，感应线圈的直径不会限制为处理室的侧壁的大小，能够配合基座的直径而减小，因此能够增加贯穿基座的磁力线，能够提高基座的加热效率。进一步地，使在处理室的侧壁的内侧所配置的感应线圈的温度比基座的温度低并调整到适当的温度，由此感应线圈通过来自基座的热被加热，能够抑制温度过高。由此，能够防止感应线圈的破损。而且，即使在向处理室内导入成膜用的原料气体进行成膜处理的情况下，也能够抑制该成膜用原料气体在感应线圈的表面热分解，由此能够抑制在感应线圈的表面堆积无用的附着物。
此外，上述控制部，通过对从所述高频电流电路施加到所述感应线圈的所述两个频率的高频电流加以控制，使所述感应发热体的中心部的发热量和周边部的发热量的比率变化而进行温度控制。具体而言，例如将来自所述高频电流电路的两个高频的高频电流加以重叠或者按照时间序列进行切换从而进行所述温度控制。由此，由于能够比率可调地对感应发热体的中心部的发热量和周边部的发热量进行感应加热，所以即使相比于基座其周围(例如感应线圈或者处理室的侧壁等)一方的温度变低，通过控制施加到线圈的各个频率的电流的强度比或者频率的切换时间，能够集中地对热量易损失的基座的周边部进行热量补充，还能加热中心部。由此，在能够提高基座的加热效率的同时，能控制其面内温度分布。
此外，也可以是：所述处理室的侧壁利用由铝或者铝合金构成的金属构成，设置有独立于所述基座的温度而对该侧壁进行温度调节的壁部调温机构。处理室的侧壁是导电性材料的情况是，侧壁因在处理室内形成的高频磁场而发热，但是与构成基座的感应发热体的比电阻相比，侧壁的材料的比电阻如果格外地低，则基于在侧壁激发的感应电流的发热量就会小到能够忽略的程度。因此，通过使处理室的侧壁的材料为铝或者铝合金，能够独立于基座的温度利用壁部调温机构对处理室的侧壁进行温度控制。例如，处理室的侧壁能够设定成至少比所述基座低的温度。这样，由于能够独立于基座的温度对处理室的侧壁自身的温度进行控制，所以即使基座加热到更高温，处理室的侧壁也能控制成保持比其低的希望的温度。由此，将成膜用原料气体导入处理室内进行成膜处理的情况下，能够抑制成膜用原料气体在处理室的侧壁的表面进行热分解，抑制无用的附着物堆积在处理室的侧壁上。
而且，通过利用上述那样的金属构成处理室的侧壁，该侧壁自身能够起到防止高频磁力线泄漏到外部的磁屏蔽体的作用。由此，由于没有必要象将感应线圈设置在处理室的侧壁的外侧的现有技术那样在其外侧再设置磁屏蔽体，所以可以使热处理装置小型化。
而且，上述感应线圈也可以是，由金属制管形成，设置有使温度调节介质在该金属制管内循环从而对所述感应线圈的温度进行调整的线圈调温机构。此时的感应线圈的温度优选设定成与所述处理室的侧壁的温度相同。由此，感应线圈的温度也能按照保持比基座的温度低的希望的温度的方式加以控制。
而且，上述高频电流电路能够如下地设定：所述两个频率中的低频从0.5kHz～2kHz的范围来设定，高频从50～200kHz的范围来设定。此时，优选按照利用所述两个频率中所述高频方的电流来加热的所述感应发热体仅为其周边部的方式来设定所述高频和所述感应发热体的周边部的宽度。通过这样处理，根据感应电流的表面效应，在施加高频电流时仅感应发热体的周边部被加热，因此，相对于施加低频电流时的感应发热体的整体发热量分布，就能够仅独立加热感应发热体的周边部。为此，通过分别控制两个频率的电流强度比，就能够控制感应发热体的周边部的发热量和中心部的发热量的比率。
而且，在上述感应发热体的中心部，也可以至少形成有从其端面向着中央的槽部。由此，因施加低频的电流而在感应发热体的中心部被激励的感应电流沿着槽部也流动到中央附近，感应发热体的中央附近也能够加热。
而且，上述感应发热体由例如选自石墨、玻璃状碳、SiC中的一种以上的材料构成。如果所述处理室的侧壁的材料的比电阻与所述感应发热体的材料的比电阻相比格外地低，基于在处理室内形成的高频磁场的感应电流几乎没有加热处理室的侧壁，能够选择性地只加热基座。
发明效果
根据本发明，能够抑制处理室的侧壁被加热，有选择性地只加热基座。而且，能够对因该基座和侧壁之间的温度差而容易损失热量的基座的周边部有效地补充热量，也能够控制基座的面内温度分布。
附图说明
图1是表示本实施方式的热处理装置的结构示例的截面图。
图2是对图1所示的基座和气体喷嘴的位置关系进行说明用的局部放大图。
图3是表示图1所示的控制部的结构例的框图。
图4是表示本实施方式的基座的结构例的图，是从上方俯视基座的俯视图。
图5是图4所示的基座的A-A截面图。
图6是利用图表表示一般性的电流密度比、电力密度比与离外周面的距离(x/P)的关系的图。
图7是利用图表表示基于高频(100kHz)和低频(1kHz)的电力密度比和离感应发热体的外周面的距离x的关系的图。
图8是表示本实施方式的基座的其他结构示例的俯视图。
图9是表示本实施方式的高频电流电路的结构示例的框图。
图10是将低频(1kHz)和高频(100kHz)的高频电流叠加后的电流波形的具体示例的图。
图11A是示意性表示使低频和高频重叠情况的作用的图，是使相对于高频的低频的高频电流的强度比变大的情况。
图11B是示意性表示使低频和高频重叠情况的作用的图，是使相对于高频的低频的高频电流的强度比变小的情况。
图12是按照时间序列交替切换低频(1kHz)和高频(100kHz)的高频电流的情况下的电流波形的具体示例。
图13A是示意性表示施加低频的高频电流期间的作用的图。
图13B是示意性表示施加高频的高频电流期间的作用的图。
符号说明：
100热处理装置，102处理室；104反应管；
105上部凸缘(上部法兰)；106下部凸缘(下部法兰)；
107总管(歧管)；108温度调节介质流路；109循环流路；
110壁部调温器；112石英舟；113支柱；114盖体；
116绝热体；118舟升降机；120基座；122感应发热体；
123绝缘板；124周边部；125间隙；126中心部；128槽部；
130感应线圈；132管；134循环流路；136线圈调温器；
138供电线；140气体供给部；141气体导入部；142气体供给源；
143气体供给配管；144流量控制器(MFC)；145开闭阀门；
146气体喷嘴；147气体供给孔；150排气管；151压力传感器；
152压力调整部；154真空泵；200高频电流电路；202输出端子；
210第一高频电源；212第一匹配电路；220第二高频电源；
222第二匹配电路；300控制部；310CPU；320存储器；
330显示部；340输入输出部；350通信部；360各种控制器；
370存储部；W晶片
实施方式
以下参照附图，对本发明的最佳实施方式进行详细说明。另外，在本说明书和附图中，针对实质上具有相同功能结构的构造元件来说，通过给予相同的符号省略重复说明。
(热处理装置的构成例)
首先，针对本发明的实施方式的热处理装置的结构例，参照附图进行说明。这里，将能够同时对多枚半导体晶片(以下简单称为“晶片”)进行热处理的批量式立式热处理装置列举为示例。图1是表示本实施方式的热处理装置的结构示例的截面图。
如图1所示，热处理装置100具备下端被开口的形成为在上下方向较长的圆筒状的立式的密封处理室102。从处理室102的下方开口部插入能升降自由的石英舟112，该石英舟112作为支撑载置有多枚晶片W的多个基座120的基座支撑部。
处理室102包括用圆筒状的金属构成的反应管104、在反应管104的上部设置的圆板状的上部凸缘105、和通过环状的下部凸缘106被连接于反应管104上的圆筒状的总管107。
总管107的下端开口部即处理室102的下端开口部用盖体114堵塞从而形成密闭状态。该盖体114的上侧设置有上述石英舟112，盖体114的下侧通过舟升降机118进行支撑。因此，由于利用舟升降机118上下驱动盖体114和石英舟112，故而在处理室102内即反应管104内能使石英舟112从下端开口部搬出搬入。例如，盖体114位于上限位置时，将石英舟112放置在处理室102内，同时，用盖体114堵塞总管107的开口端。
在石英舟112上，载置有晶片W的多个基座120以水平的状态且在垂直于其载置面(上面)的方向(这里指上下方向)以规定的间隔被配置成棚架状。各基座120由多个(这里为3根)支柱113支撑。晶片W被一块一块地载置在各基座120的载置面上。另外，本实施方式的基座120是将由导电性部件构成的感应发热体122接合在绝缘板123上而形成的。感应发热体122例如由石墨、玻璃状碳、SiC等的导电性材料构成。晶片W被载置在感应发热体122的上表面。关于此类基座的详细构成，在后面进行叙述。
在这里的石英舟112与载置有晶片W的基座120一起旋转。具体地，具体而言，石英舟112在盖体114上借助筒状的绝热体116以绕着垂直轴旋转自由的方式被保持。在这种情况下，例如，通过连接于绝热体116下方的未图示的发动机使石英舟112旋转，由此能使各基座120载置着晶片W一起绕着垂直轴旋转。
另外，未处理的晶片W被收纳于未图示的盒式容器中。于是，在进行晶片W的处理时，在将石英舟112从反应管104下方搬出的状态下，通过未图示的移载装置，将各晶片W从盒式容器移载到各基座120上。如果移载完晶片W，则利用舟升降机118将石英舟112搬入到反应管104内，进行晶片W的热处理。然后，在晶片W的处理结束时，利用舟升降机118将石英舟112从反应管104内搬出，通过上述移载装置，将基座120上的晶片W送回到上述盒式容器内。
在石英舟112的周围，以围绕各基座120的周围的方式，设置有可调温的感应线圈130。在本实施方式中，由于在反应管104的侧壁内侧(处理室102的侧壁内侧)设置有感应线圈130，故而能在接近于基座120的位置配置感应线圈130。因此，由于能够提高基座120的加热效率，并对感应线圈130进行温度调节，故而能够防止由来自基座的热来加热而造成的破损。
另外，本实施方式的感应线圈130设置有用于调整其温度的线圈调温装置。线圈调温装置例如为如下所述的构成。即，首先，通过由例如铝等的金属制成的管132构成感应线圈130本体，使该管内通过水或氟系惰性液体(例如ガルデン(注册商标)、フロリナ一ト(注册商标))等的调温介质，由此能使感应线圈130本体保持一定的温度。具体而言，构成感应线圈130的管132在反应管104内从上方到下方以螺旋状配设。感应线圈130被连接到线圈调温器136上，形成循环流路134，该线圈调温器136将通过该管132内的调温介质调节到规定温度。
由此，由线圈调温器136调节到规定温度的调温介质在管132内循环，由此能够将感应线圈130的温度控制为规定的温度。感应线圈130的温度是比基座120低的温度，例如成膜处理的情况，优选设定为至少不使成膜原料气体热分解、不必要的附着物不堆积在感应线圈130的表面的温度。
如果利用这类感应线圈130，就能防止因被加热到高温的基座120而被加热到感应线圈130本体的温度。因此，能够抑制附着物堆积在感应线圈130的表面上，同时，能够防止感应线圈130本体因高热而破损。
另外，感应线圈130的上下两端分别经由供电线138被连接在高频电流电路200的输出端子202上。通过将高频电流从该高频电流电路200施加在感应线圈130上，在反应管104内产生高频磁场。伴随着该高频磁场的磁力线(高频磁力线)穿过支撑在石英舟112上的多个基座120，在构成基座120的感应发热体122中引起感应电流，使感应发热体122发热，由此能够加热基座120。例如在成膜处理时，基座120的温度被控制在300℃～700℃。
本实施方式的高频电流电路200构成为能将两种频率(高频和低频)的高频电流重叠或分别施加在感应线圈130上。通过电磁感应引起的感应电流在构成基座120的感应发热体122的外周围附近最大，而越向内部方向越急剧降低，然而，其降低的程度(电流的浸透深度)利用因频率而有所不同，这就是所谓的感应电流的表面效应，利用这种感应电流的表面效应，调节基座120的面内温度分布。另外，关于这种高频电流电路200的构成例，在后面进行叙述。
在本实施方式中，由于如上所述地在反应管104内设置感应线圈130，所以该反应管104的侧壁的材料并不限定于对基于感应线圈130的电磁感应没有影响的绝缘性材料。因此，作为反应管104的侧壁的材料，能够选择例如由铝这类比电阻低的金属制成的导电性材料。
另外，在本实施方式中，通过感应线圈130在反应管104内形成的高频磁力线贯通基座120，同时该磁力线的一部分也到达反应管104的侧壁。因此，用比电阻比较大的金属材料(例如铁、不锈钢)构成反应管104的侧壁时，通过高频磁力线连反应管104的侧壁也会发热。当反应管104的侧壁发热时，使用其它的加热手段难以对反应管的壁的温度与基座的温度独立地进行控制。
基于导电性材料的感应加热的发热量与导电性材料的比电阻的平方根成比例。因此，即使贯通的磁力线一定，导电性材料的比电阻越大，基于感应加热的发热量也越大；导电性材料的比电阻越小，基于感应加热的发热量也越小。因此，通过适当地选择导电性材料，能够调节基于感应加热的发热量。
另外，在本实施方式中，以构成基座120的感应发热体112的比电阻比反应管104的侧壁的的比电阻大地多的方式，选择感应发热体112和反应管104的侧壁的材料，由此就能几乎不加热反应管104的侧壁而只有选择地加热基座120。例如优选用比电阻大的导电性材料(石墨、玻璃状碳、SiC等)构成基座120的感应发热体122，同时优选用比电阻非常小的金属材料(铝或铝合金等)构成反应管104的侧壁。由此，利用在反应管内形成的高频磁力线，能够防止反应管104的侧壁被加热。
因此，热处理装置100能构成所谓的冷壁方式的成膜装置。在用现有的冷壁方式构成的成膜装置中，在将成膜用的原料气体供给到反应管内并在晶片W上进行成膜处理时，因为反应管的侧壁也变成高温，所以原料气体可能会在其侧壁附近进行热分解，而使大量的附着物堆积在其侧壁上。因此，存在如下所述的问题，即，到达晶片W的原料气体的量发生变化进而在晶片上的成膜不稳定，或因堆积在反应管的壁上的附着物剥离而成为颗粒的原因。对此，本实施方式的热处理装置100构成为上述的冷壁方式的成膜装置，因为能与晶片温度独立地控制反应管104的侧壁温度，所以能防止在反应管104的侧壁附近的原料气体的热分解，能大幅度抑制堆积在反应管104的侧壁上的附着物。
另外，本实施方式中，通过用上述的金属构成反应管104的侧壁，侧壁本体能发挥防止高频磁力线漏向外部的磁屏蔽的作用。由此，没有必要如在处理室的侧壁的外侧已设置感应线圈的现有的那样在其外侧再设置磁屏蔽，故而能够使热处理装置100小型化。
在反应管104的侧壁设置有用于直接控制侧壁本体温度的壁部调温机构。壁部调温机构例如如上述那样构成。即，在反应管104的侧壁上形成通过水或盐水等的调温介质的调温介质流路108，调温介质流路108被连接在将调温介质调节到规定温度的壁部调温器110上从而形成循环流路109。
由此，利用壁部调温器110调节到规定温度后的调温介质在调温介质流路108内循环，从而能够将反应管104的侧壁的温度控制为规定的温度。作为反应管104的侧壁的温度，比基座120低的温度例如成膜处理的情况，优选设定为至少使成膜原料气体没有热分解、侧壁上没有堆积不必要的附着物的温度。由此，能够有效地防止到达晶片W的原料气体的量发生变化进而使在晶片上的成膜不稳定、或因堆积在反应管的壁上的附着物剥离而成为颗粒的原因。
这样，由于能够与基座120的温度独立地控制反应管104的侧壁本体的温度，因此即使基座120被加热到更高的温度，侧壁也能被控制为保持比基座120低的所期望的温度。另外，反应管104的侧壁的温度优选设定为与感应线圈130相同的温度。
例如如图1所示，调温介质流路108在反应管104的侧壁的较厚部，从其上部到下部螺旋状地形成，故而不全部冷却侧壁整体。另外，作为壁部调温机构，并不限定于图1所示的机构。例如只要用铝这类热传导率高的金属材料构成反应管104的侧壁，就没有必要全部地冷却侧壁整体从而能简化壁部调温机构。
热处理装置100上设置有将例如四氯化钛、二氯硅烷、氨、氮气、氧气等成膜用的原料气体供给到反应管104的气体供给部140。具体而言，气体供给部140例如如图1所示构成。即，上部凸缘105上设置有气体导入部141，气体供给源142通过气体供给配管143与该气体导入部141连接。
气体供给配管143上设置有用于调节气体流量的质量流量控制器(mass flow controller MFC)144和开闭阀145。另外，气体供给部140的构成并不限定于图1所示的构成。例如也可以设置两个以上的气体供给配管从而能够独立地供给两种以上的气体。
气体导入部141被接连于在基座120的外侧附近以垂直延伸的方式设置的棒状的气体喷嘴146上。气体喷嘴146在从最上部的基座120到最下部的基座120之间形成有小孔的气体供给孔147。
该气体供给孔147优选在向着基座120的中心方向设置的同时还以将气体供给各基座120之间的方式设置。由此，如图2所示，将处理气体供给到载置于各基座120上的各晶片W上。另外，气体喷嘴146构成为通过马达可在规定的角度范围内旋转，所以可以周期性地改变气体供给孔147的方向。
上述总管107经由对反应管104内进行排气的排气管150与真空泵154等的排气机构连接。例如排气管150上设置有调节反应管104内的压力的压力调节部152。压力调节部152例如由联合阀、蝶形阀以及阀驱动部等构成。
另外，排气管150上设置有用于检测处理室102内的压力从而反馈控制压力调节部152的压力传感器151。作为压力传感器151，优选使用难以受到外界气压的变化的影响的电容压力计等的绝对压型。
热处理装置100的各部通过控制部300控制。控制部300对应例如要成膜的薄膜的种类、膜厚等，根据由设定压力、加热器设定温度、气体流量等的处理条件构成的处理菜单数据来控制各部。另外，控制部300例如从压力传感器151读取压力检测信号、基于这些检测信号来控制各部。
(控制部的构成例)
参照附图说明这种控制部300的构成例。图3是表示控制部300的构成例的框图。例如如图3所示，控制部300包括：CPU(中央处理装置)310、为了CPU310进行的各种处理所使用的存储器320、由显示操作画面或选择画面等的液晶显示器等构成的显示部330、用于进行由操作人员输入各种数据以及向规定的存储介质输出各种数据等的各种操作的由操作面板或键盘等构成的输入输出部340、用于通过网络等读取数据的通信部350。
另外，控制部300还包括：用于控制热处理装置100的各部的各种控制器360、存储CPU310所执行的各种程序或程序运行时必要的数据的由硬盘(HDD)等构成的存储部370等。CPU310根据需要从存储部370读取这些程序或数据并加以使用。
作为各种控制器360具有对壁部调温器110、线圈调温器136、高频电流电路200、气体供给部140的各部、真空泵154等进行控制的控制器等。在存储部370中例如存储有处理室内的压力、基座120的温度、反应管104的侧壁温度、气体流量等的处理菜单(处理条件recipe)的数据等。控制部300通过从存储部370读取必要的菜单，运行规定的程序，从而对晶片W进行处理。
在这样结构的热处理装置100中，在对反应管104内的各晶片W执行成膜处理时，控制部300一边利用线圈调温器136控制感应线圈130的温度，一边利用高频电流电路200将高频电流施加于感应线圈130，从而对各基座120一起进行感应加热，由此将载置在各基座120上的各晶片W同时加热。此时，各基座120的温度例如被加热到300℃～700℃。另外，在反应管104内利用石英舟112边使各晶片W与各基座120一起旋转边进行加热，这样能够按照在晶片面内的周向上没有偏差的方式均匀加热各晶片。
而且，通过真空泵154对反应管104内进行排气，将反应管104内减压到规定的真空压力，从气体供给部140向反应管104内导入成膜用的原料气体。由此，在各晶片W上形成希望的薄膜。此时，通过利用壁部调温器110使温度调节介质在反应管104的侧壁的温度调节介质流路108中循环而控制成规定的温度。
这样，基于本实施方式的热处理装置100，通过将感应线圈130设置在反应管104的侧壁的内侧(处理室102的侧壁的内侧)，就能够将感应线圈130配置在接近基座120的位置，缩小感应线圈130的直径。由此，即使不加大施加于感应线圈130的电流，也能够使贯通缩小了感应线圈130的直径部分的基座120的磁力线变大，能够提高基座120的加热效率。
此外，用于能够按照使在反应管104的侧壁的内侧处配置的感应线圈130的温度以及反应管104的侧壁的温度比基座120低的方式调整到适当的温度，所以能够抑制在感应线圈130的表面堆积无用的附着物。
另外，通过利用如上所述的金属构成侧壁，该侧壁自身能够起到防止高频磁力线向外部泄漏的磁屏蔽体的作用。这样因为没有必要如在侧壁的外侧设置感应线圈的现有技术那样再在其外侧设置磁屏蔽体，所以能够使热处理装置100小型化。
但是，对于基座的温度例如高达500℃以上的情况，由于反应管104的侧壁和感应线圈130的温度例如为150℃以下的低温，所以基座120和其周围(例如侧壁或者感应线圈130等)的温度差异就变得非常大。为此，基座120的周边部相比于其内侧的中心部，散热量就会格外地大，热量就会损失。为此，基座120的面内的温度均匀性就会被破坏，载置在基座120上的晶片的面内温度均匀性也会恶化，这种所谓的冷壁方式的本质问题就会明显化。
因此，在基于本实施方式的热处理装置100中，通过控制基座120的面内温度分布，能够可靠地控制晶片的面内温度分布。具体而言，例如如图4、图5所示的那样，将构成基座120的感应发热体122分割为中心部126和周边部124，在它们之间空出间隙125而相互分离地配置在绝缘板123上。进一步，在感应线圈130上重叠地施加不同的两个频率(高频和低频)的高频电流，或者以时间序列切换施加不同的两个频率(高频和低频)的高频电流，使感应发热体的中心部126的发热量和周边部124的发热量比例可变地进行控制来进行感应加热。
由此，即使与基座120相比其周围的温度变低，通过对施加于感应线圈130的两个频率的电流的大小或者频率的切换时间加以控制，能够对容易发生热量损失的基座120的周边部124集中地补充热量，也能够对中心部126进行加热。由此，不但能够提高基座120的加热效率，也能控制其面内温度分布。这就是如下那样的利用了感应电流的表面效应的情况。
(利用了感应电流的表面效应的基座的温度控制)
下面，针对利用了基于感应电流的表面效应的基座温度控制进行详细说明。如果将高频电流施加于感应线圈130，则在感应发热体122形成垂直贯通其水平面的高频磁力线。利用该高频磁力线在感应发热体122的外周面激励感应电流，由此加热感应发热体122。
这样的感应电流具有越接近导电性物质的外周面越大，随着向着内部成指数函数地减小的特性。这就是感应电流的表面效应。因此，基于该表面效应，在本实施方式的感应发热体122这样的圆板状的导电性物质的情况下，相对于其周边部被迅速地加热，其内侧的中心部难于被加热。由此，在如上述那样热量容易损失的基座120的周边部能够补充热量这一点上是有利的。
因此，针对利用感应电流的表面效应，从导电性物质的表面即感应发热体122的外周面向着内部能够发热到何种程度，进行探讨。此时，重要的指标是电流浸透深度P。这是因为通过该电流浸透深度P决定到感应发热体122的外周面的距离和发热程度的关系。电流浸透深度P被定义为：距离从外周面向着内部衰减的感应电流强度(大小)以外周面的感应电流强度的1/e
Figure BPA00001248893500141
倍减少的点的距离，由下述公式(1)表示：
P(cm)＝5.03(ρ/μf)1/2.    …(1)
在上述式(1)中，ρ是感应发热体的电阻率(μΩcm)，μ是感应发热体的比透磁率(非磁性体为μ＝1)，f是频率(Hz)。另外，碳类材料μ＝1。在碳类材料中，有石墨、玻璃状碳等。
根据上述公式(1)可以看出，频率f越高电流浸透深度P就越小，频率f越低电流浸透深度P就越大。而且，使用该电流浸透深度P用下述公式(2)表示从感应发热体的外周面到内部的距离x处的电流密度Ix。而且，离感应发热体的外周面的距离x处的电力密度Ix 2。用下述公式(3)表示：
Ix＝I0exp(-x/P)       …(2)
Ix2＝I0 2exp(-2x/P)    …(3)
在上述公式(2)中，Io是感应发热体的外周面的电流密度。另外，这些电流密度Ix、电力密度Ix2与距离外周面的距离x的关系如图6所示。图6中纵轴为电流密度比rI(Ix/I0)和电力密度rp(Ix 2/I0 2)，横轴为用P对距离外周面的距离x标准化后的x/P
根据图6，可以看出如下特性的衰减曲线：随着离感应发热体的外周面的距离x越小，电流密度比IP(＝Ix/I0)就越大；随着距离x变大，电流密度比IP(＝Ix/I0)就急剧降低越大。而且，根据上述公式(2)、(3)可以看出，由于频率越低电流浸透深度P越大，电流密度比rI的变化程度变缓，由于频率越高电流浸透深度P越小，所以电流密度比rI的变化程度变得急剧。
这样，到由于频率越低电流浸透深度P越大，所以尽可能降低高频电流的频率，因此可考虑从基座120的周边部到中心部可以不全部加热。但是，由于基于感应电流的基座120的发热量与高频电流的频率的平方根成比例，所以其频率越低基座120的加热效率就会越差，就不再能够充分地对周边部补充热量，而且也不能够控制基座120的面内温度分布。
相对于此，如果提高高频电流的频率，则电流浸透深度P就变小，因此只能加热基座120的周边部，也就不能使基座120的面内温度均匀。
因此，发明者们发现：通过不仅使用低频也使用高频这两方的高频电流来分别控制感应发热体122的中心部126和周边部124，不仅提高基座120的加热效率，还能控制基座120的面内温度。即，不但利用高频电流集中加热感应发热体122的周边部124，还利用低频的电流对感应发热体122的周边部124和中心部126的双方进行加热。据此，能够特别地提高基座120的周边部的加热效率，因此利用基座120和其周围的温度差来集中地对热量易损失的周边部来补充热量，并且也能对中心部进行加热。
对于这样的两个频率的高频电流优选：作为低频例如从0.5kHz～2kHz的范围来设定，作为高频例如从50kHz～200kHz的范围来设定。在此，例如低频为1kHz，高频为100kHz。
这种情况下，优选：基于在施加了高频方的电流的情况下的电流浸透深度P，来决定图5所示的感应发热体122的周边部124的宽度d。据此，在施加高频电流时，就能够只对周边部124赋予热量。即，能够仅加热感应发热体122的周边部124，而不加热中心部126。被感应发热体122激励的感应电流的强度根据感应发热体122内的位置而变化，在该位置的发热量与在该位置所消耗的电力密度成比例。因此，例如如图7所示的那样，将直到施加高频(这里为100kHz)而进行感应加热时的电力密度rp几乎为0的距离外周面的距离x作为周边部124的宽度d即可。
这样的周边部124的宽度d根据上述公式(1)能够算出来。具体而言，在上述(1)式中，由于ρ取决于感应发热体122的材质，所以频率f和电流浸透深度P的关系唯一确定。感应发热体122的材质例如是石墨的情况下，ρ＝900～1700μΩcm，是玻璃状碳的情况下ρ＝4000～16000μΩcm。从而，在此，若以高阻抗石墨的ρ＝1700μΩcm来计算，则频率为100kHz时，电流浸透深度P大致为0.6cm，频率为1kHz时电流浸透深度P大致为6cm。
另外，根据图6可以看出，电力密度rp在电流浸透深度P的大致2.5倍处大致为0。据此，例如在频率为100kHz时电流浸透深度P大致为0.6cm，在其2.5倍的1.5cm处发热量大致为0。而且，在频率为1kHz时电流浸透深度P大致为6cm，在其2.5倍的15cm处发热量大致为0。因此，若将这种情况下的周边部124的宽度d设为1.5cm，就能够在施加高频100kHz情况下仅向周边部124供给热量，能够不加热中心部126，而只加热周边部124。而且，在施加低频1kHz的情况下，不仅周边部124连中心部126也能加热。此时，由于周边部124与中心部126被隔离，所以被分别加热。
此外，基座120的结构也不是限于图4、图5所示。例如如图8所示，也可以在感应发热体122的中心部126形成用来控制在此被激励的感应电流的流动的槽部128。槽部128形成为从中心部126的外周面至少朝向中央。例如如图8所示，槽部128形成为其一端贯穿到周边的十字形。由此，在中心部126被激励的感应电流沿着槽部128也流入中心部126的中央，在槽部128内转一周流向周边形成循环。由此，中心部126的中央也流有感应电流，使该部分也发热，因此，能够使中心部126的面内温度更加均匀。另外，槽部128的形状也不限于图8所示。
此外，作为上述的两种频率的高频电流的施加控制，也可以使它们重叠地进行施加，也可以按照时间序列分别施加。能够实现这样的施加控制的高频电流电路200的具体结构如图9所示。图9是表示本实施方式的高频电流电路200的大致结构的框图。
图9所示的高频电流电路200包括：输出作为低频的第一频率f1的高频电流(在此为1kHz)的第一高频电源210，和输出作为高频的第二频率f2的高频电流(在此为100kHz)的第二高频电源220。第一高频电源210的输出经由第一匹配电路212与高频电流电路200的输出端子202连接，第一匹配电路212例如由在高频电流电路200的输出与第一匹配电路212的输入之间设置的变压器等构成。
第二高频电源220的输出经由第二匹配电路222连接到第一匹配电路212和其中一方的输出端子202之间。第二匹配电路222由在第二高频电源220的输出和第一匹配电路212的一个输出之间设置的变压器等构成，起到了使来自第二高频电源220的输出叠加到来自第一高频电源210的输出的功能。
第一高频电源210和第二高频电源220连接到控制部300，利用来自控制部300的控制信号，就能够导通或断开各高频电源的输出。由此，通过利用来自控制部300的控制信号将低的第一频率f1的电流和高的第二频率f2的电流叠加施加于感应线圈130或是按照时间序列切换施加于感应线圈130，就能够仅对周边部124独立加热，或是对周边部124和中心部126双方进行加热。
例如，利用来自控制部300的控制信号，将来自第一高频电源210的第一频率f1的电流输出和来自第二高频电源220的第二频率f2的电流输出双方都导通，由此在高频电流电路200的输出端子202能够输出第一频率f1的电流上叠加有第二高频f2的电流的高频电流，例如图10所示的电流波形。这种情况下，通过控制各频率的高频电流的强度(大小)的比率，就能够控制周边部124和中心部126的发热量。而且若断开第一频率f1的电力输出，也能够只加热周边部124。
如上所述感应发热体122的发热量与施加于感应线圈130的高频电流的频率的平方根成比例，频率低时发热量变少，因此通过加大低频的电流就能够使感应发热体122整体的发热量得以增加。相反地，由于施加于感应电流130的高频电流的频率高时发热量变大，因此通过相对地减小高频的电流，就能够调整感应发热体122整体的发热量的平衡。而且，通过控制高频和低频的电流的强度比(强度比率)，就能够控制感应发热体122的周边部124和中心部126的发热量的比率。
例如使第二频率f2(100kHz)的电流与第一频率f1(1kHz)的电流叠加而施加于感应线圈130，通过控制各电流的强度比(第一频率f1(1kHz)的电流强度/第二频率f2(100kHz)的电流强度)，能够控制感应发热体122的周边部124和中心部126的发热量的比率。
这种情况下，能够使各电流的强度比越大，周边部124的发热量就越少，中心部126的发热量越多。由此，如图11A所示，与周边部124相比，能够对中心部126一方进一步加热。另外，在图11A中，为了容易分辨，用阴影表示周边部124和中心部126中发热的一方或者发热量大的一方(以下所示的图11B、图13A、图13B也同样)。
相对于此，能够使各电流的强度比越小，周边部124的发热量越多，而中心部126的发热量越少。由此，就能够如图11B所示那样只对周边部124进行加热。而且，如果在将各电流的强度比保持为恒定的情况下加大高频和低频双方的电流，就能够确保感应发热体122整体的发热量的均衡，因此就能够将基座120的温度分布保持为一定且能够提高基座120的整体的温度。
而且，通过利用来自控制部300的控制信号，导通来自第一高频电源210的第一频率f1的电流输出，并断开来自第二高频电源220的第二频率f2的电流输出，就能够在高频电流电路200的输出端子202仅输出第一频率f1的高频电流。相反地通过断开来自第一高频电源210的第一频率f1的电流输出，导通来自第二高频电源220的第二频率f2的电流输出，就能够在高频电流电路200的输出端子202仅输出第二频率f2的高频电流。
为此，例如通过按照时间序列切换第一频率f1(1kHz)的电流和第二频率f2(100kHz)的电流将这些高频电流施加于感应线圈130，就能够施加图12所示那样的电流波形。例如图12所示的T1区间的电流波形是基于第一频率f1(1kHz)的电流的电流波形，图12所示的T2区间的电流波形是基于第二频率f2(100kHz)的电流的电流波形。这种情况下，通过控制第一频率f1(1kHz)的电流和第二频率f2(100kHz)的电流的各自施加时间T1、T2，能够控制感应发热体122的周边部124和中心部126的发热量。
例如在仅施加第一频率f1(1kHz)的电流的期间T1，如图13A所示的那样，与周边部124相比能够进一步加热中心部126一方。相对于此，在仅施加第二频率f2(100kHz)的电流的期间T2，如图13B所示的那样，能够仅加热周边部124。
此外，高频电流电路200并不是限于图9所示的结构。例如在重叠施加两种频率的高频电流的情况下，可以构成为将第一高频电源210和第二高频电源220串联连接，而且，在按照时间序列交互施加两种频率的高频电流的情况下，也可以构成为能够切换第一高频电源210和第二高频电源220。
这样，根据高频电流电路200，通过将低的第一频率f1的电流和高的第二频率f2的电流叠加施加于感应线圈130或是按照时间序列切换施加于感应线圈130，就能够控制感应发热体的周边部的发热量和中心部的发热量的比率。由此就能够仅对周边部124独立进行加热，或是对周边部124和中心部126双方进行加热，由此能够控制基座120内的面内温度分布，进而能够准确地控制晶片W的面内温度分布。特别是，在如本实施方式的热处理装置100那样利用金属构成反应管104的侧壁(处理室102的侧壁)并在低温加以控制的情况下，由于基座的周边部的热量易损失，所以不仅在其周边部集中地补充热量，而且能加热到中心部的这一点上其效果极好。
以上，虽然参照添附的附图对本发明的最佳实施方式进行了说明，但并不是说本发明就限定于这些例子。对本领域的技术人员来说，在权利要求书的范围所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，这些当然也在本发明的技术范畴内。
产业上的可利用性
本发明能够适用于对基板例如半导体晶片或者玻璃基板等施加规定的处理的热处理装置。

Claims (10)

1.一种热处理装置，将气体供给到能够减压的处理室，对多枚基板实施热处理，该热处理装置的特征在于，包括：
多个基座，其为载置所述基板的导电性部件，具有分隔为中心部和周边部的感应发热体；
基座支撑部，以隔开规定的间隔并重叠成一列地进行排列的方式支撑所述各基座；
感应线圈，以包围所述各基座的周围的方式配置在所述处理室内，其温度能自由调节；
高频电流电路，构成为能够向所述感应线圈施加高频的电流和低频的电流，所述高频的电流和低频的电流为不同的两个频率的电流；和
控制部，通过对从所述高频电流电路施加到所述感应线圈的所述两个频率的电流进行控制，使所述感应发热体的中心部的发热量和周边部的发热量的比率发生变化从而进行温度控制。
2.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述控制部，通过对来自所述高频电流电路的两个频率的电流进行重叠或者按照时间序列进行切换来进行所述温度控制。
3.如权利要求2所述的热处理装置，其特征在于：
所述处理室的侧壁由铝或者铝合金构成，并设置有与所述基座的温度独立地对该侧壁进行温度调节的壁部调温机构。
4.如权利要求3所述的热处理装置，其特征在于：
所述处理室的侧壁的温度被设定成至少比所述基座低。
5.如权利要求4所述的热处理装置，其特征在于：
所述感应线圈由金属制管形成，设置有线圈调温机构，该线圈调温机构使温度调节介质在该金属制管内循环，从而对所述感应线圈的温度进行调整。
6.如权利要求5所述的热处理装置，其特征在于：
所述感应线圈的温度被设定为与所述处理室的侧壁的温度相同。
7.如权利要求1～6任一项所述的热处理装置，其特征在于：
所述高频电流电路在所述两个频率中，低频根据0.5kHz～2kHz的范围设定，高频根据50kHz～200kHz的范围设定。
8.如权利要求7所述的热处理装置，其特征在于：
通过设定所述高频和所述感应发热体的周边部的宽度，以使所述两个频率中通过所述高频的电流进行感应加热的所述感应发热体仅限于其周边部。
9.如权利要求1～6中任一项所述的热处理装置，其特征在于：
在所述感应发热体的中心部，形成有从所述中心部的外周面至少朝向中央的槽部。
10.如权利要求1～6中任一项所述的热处理装置，其特征在于：
所述感应发热体由选自石墨、玻璃状碳和SiC中的一种以上的材料构成。
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