CN103069921B - 感应加热装置及感应加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体基板热处理装置，即使是对感受器给予水平磁束并且沿垂直方向配置多个感应加热线圈的情况，也可以抑制感应加热线圈间的相互感应的影响，可以进行良好的加热控制。提供一种该热处理装置（10），其特征在于，其对载置于水平配置的感受器（52）上的晶片（54）进行间接加热，具有配置于感受器（52）的外周侧，沿与感受器（52）的晶片（54）的载置面平行的方向形成交流磁束的感应加热线圈，所述感应加热线圈由至少一个主加热线圈（30）和与主加热线圈（30）电磁耦合的从属加热线圈（32，34）构成，主加热线圈（30）具备与从属加热线圈（32、34）电磁逆耦合的逆耦合线圈（36、38），设有使通入邻接配置的主加热线圈（30）和从属加热线圈（32，34）的电流的频率、电流波形同步并且分别地控制的电力比率的区域控制装置（22）。

Description

感应加热装置及感应加热方法

技术领域

本发明涉及感应加热装置及方法，尤其是涉及在处理大直径的晶片等基板的情况下，在进行被加热物的温度控制时适合的半导体基板热处理用的装置及方法。

背景技术

作为利用感应加热对半导体晶片等基板进行热处理的装置，专利文献1及专利文献2公开的装置是公知的。专利文献1公开的热处理装置是接触型（パッチ型）的热处理装置，如图5所示，是指将多层堆叠的晶片2装入石英的工艺管3，在该工艺管3的外周配置由石墨等导电性部件形成的加热塔4，在其外周配置螺旋状的感应加热线圈5。根据这种结构的热处理装置1，因由感应加热线圈5产生的磁束的影响，加热塔4被加热，利用来自加热塔4的幅射热，加热配置于工艺管3内的晶片2。

另外，如图6所示，专利文献2所公开的热处理装置为片型的热处理装置，由石墨等形成以同心圆状分割为多个的感受器7，在该感受器7的上面侧载置晶片8，在下面侧将多个圆环状的感应加热线圈9配置于同心圆上，可以进行与这些多个感应加热线圈9对应的分别电力控制。根据这种结构的热处理装置6，抑制了位于各感应加热线圈9的加热范围的感受器7和被其它感应加热线圈9加热的感受器7之间的热传递，因此，提高了对感应加热线圈9的电力控制的晶片8的温度分布控制性。

另外，在专利文献2中，记载有通过分配载置晶片8的感受器7而良好地控制发热分布的技术，但在专利文献3中公开有通过研究感受器的截面形状而改善发热分布的技术。专利文献3所公开的热处理装置关注在形成圆环状的感应加热线圈的直径小的内侧发热量小的情况，通过加厚感受器的内侧部分的厚度，比外侧部分更靠内侧部分距感应加热线圈的距离变短，实现了发热量的增大和热容量的增大。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：（日本）特开2004－71596号公报

专利文献2：（日本）特开2009－87703号公报

专利文献3：（日本）特开2006－100067号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，在如上所述的结构的热处理装置中，对于石墨磁束是垂直地起作用。因此，在作为被加热物的晶片表面形成有金属膜等的情况下，有时晶片会被直接加热，会产生温度分布控制混乱的问题。

对此，通过对石墨（感受器）给予水平方向的磁束而促进加热的情况，难以层叠配置多个感受器并进行加热。为了消除这些问题，在沿层叠方向（垂直方向）接近配置多个感应加热线圈的情况下，因感应加热线圈间的相互感应的影响，产生加热控制不稳定这种问题。

在此，本发明的目的在于，消除上述问题点，提供一种感应加热装置及方法，即使是对感受器给予水平磁束并沿垂直方向配置多个感应加热线圈的情况，也可抑制感应加热线圈间的相互感应的影响，可以进行良好的加热控制。

解决问题的技术方案

用于实现上述目的的本发明的感应加热装置的特征为，具有：多个感应加热线圈，其水平配置并且配置于沿垂直方向层叠配置的多个感受器的外周侧，将所述感受器的被加热物载置面和卷绕的中心轴设定为平行，沿所述感受器的配置方向邻接堆叠；逆变器，其以邻接配置的所述感应加热线圈相互为减极性的方式通入电流；区域控制装置，其分别控制通入邻接配置的所述多个应加热线圈的电力比率。

另外，在具有如上所述的特征的感应加热装置中，所述感应加热线圈由至少一个主加热线圈和与所述主加热线圈电磁耦合的从属加热线圈构成，在所述主加热线圈上可以连接逆耦合线圈，该逆耦合线圈产生与所述从属加热线圈之间产生的互感的极性为逆极性的互感。

根据这种结构，通过逆耦合线圈的作用，能够抵消或部分抵消主加热线圈和从属加热线圈之间产生的相互感应电动势。

另外，在具有如上所述的特征的感应加热装置中，具有卷绕了所述主加热线圈和所述从属加热线圈的芯部，所述逆耦合线圈可以配置为相对于卷绕在所述芯部上的所述从属加热线圈，保持加极性的关系。

根据这种结构，通过使主加热线圈和从属加热线圈的电流的频率一致，使电流波形同步，逆耦合线圈相对于从属加热线圈和主加热线圈之间产生的互感，产生逆极性的互感。因此，能够抵消或部分抵消在主加热线圈和从属加热线圈之间产生的相互感应电动势。

另外，用于实现上述目的感应加热方法，是对水平配置并且配置于沿垂直方向层叠配置的多个感受器上的被加热物进行感应加热的方法，其特征在于，在将相对于所述感受器上的被加热物载置面产生水平的磁束的多个感应加热线圈沿所述感受器的层叠方向邻接堆叠后，以邻接的所述感应加热线圈相互为减极性的方式通入电流，分别控制通入所述感应加热线圈的电力比率。

另外，在具有如上所述的特征的感应加热方法中，优选产生与邻接的所述感应加热线圈间产生的互感的极性为逆极性的互感，抵消或部分抵消在所述感应加热线圈间产生的互感。

通过采用这种方法，可以抵消或部分抵消主加热线圈和从属加热线圈之间产生的相互感应电动势。

另外，在具有如上所述的特征的感应加热方法中，优选所述逆极性的互感由逆耦合线圈产生，该逆耦合线圈是对与卷绕所述感应加热线圈的芯部相同的所述芯部进行卷绕而形成的。

通过采用这种方法，可以紧凑地配置逆耦合线圈。

发明效果

根据具有如上所述的特征的感应加热装置及方法，即使是对感受器给予水平磁束并且沿垂直方向配置多个感应加热线圈的情况，也能够抑制感应加热线圈间的相互感应的影响，可以进行良好的加热控制。

附图说明

图1-1是表示第一实施方式的热处理装置的平面结构的方框图；

图1-2是表示第一实施方式的热处理装置的侧面结构的方框图；

图2是用于说明第一实施方式的热处理装置的电源部的结构的方框图；

图3是用于说明堆叠的感应加热线圈间的磁束的消除方式的方框图；

图4-1是表示第二实施方式的热处理装置的平面结构的方框图；

图4-2是表示第二实施方式的用于热处理装置的芯部的平面结构的方框图；

图5是表示现有的间歇式感应加热装置的结构的图；

图6是表示现有的片式感应加热装置的结构的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的感应加热装置及感应加热方法的实施方式详细地进行说明。首先，参照图1－1、图1－2及图2，对第一实施方式的感应加热装置（下面，简称为热处理装置）的概要结构进行说明。另外，图1－1是表示热处理装置的平面结构的方框图，图1－2是表示热处理装置的侧面结构的方框图。另外，图2是用于说明电源部的结构的图。

本实施方式的热处理装置10是多层重叠作为被加热物的晶片54和作为发热体的感受器52并进行热处理的间歇式装置。

热处理装置10以在垂直方向多层层叠配置晶片54和水平配置的感受器52的舟皿50、加热感受器52的感应加热线圈（后述详细情况的主加热线圈30、从属加热线圈32、34、逆耦合线圈36、38）及供给感应加热线圈电力的电源部12为基础而构成。

感受器52由导电性部件构成即可，例如，由石墨、SiC、SiC涂层石墨及耐热金属等构成即可。本实施方式的感受器52平面形状为圆形。

构成舟皿50的感受器52分别经由支承部件56层叠配置。予以说明，支承部件56由不受电磁感应的加热的影响的石英等构成。

另外，本实施方式的舟皿50载置于具备未图示的电动机的旋转工作台58上，可以使热处理工序中的感受器52及晶片54旋转。通过这种结构，可以抑制加热感受器52时的发热分布偏移。另外，如后面详述的那样，即使是使加热源即感应加热线圈的配置方式偏离感受器52的中心的情况，也可均匀地加热感受器52。

实施方式的感应加热线圈由一个主加热线圈30和以与主加热线圈30电磁耦合的方式邻接配置的两个从属加热线圈32、34构成，分别配置于感受器52的外周侧的圆周上。主加热线圈30和从属加热线圈32、34分别在与感受器52的层叠方向相同方向邻接堆叠。另外，实施方式的主加热线圈30具备与两个从属加热线圈32、34电磁逆耦合的逆耦合线圈36、38。在此，所谓电磁耦合是指例如，基于供给主加热线圈30的电流的变化，在从属加热线圈32、34中产生抵消由主加热线圈30产生的磁束的方向的感应电动势的处于相互感应关系的状态，即产生互感的状态。另外，电磁性逆耦合即为将主加热线圈30作为一次绕组（一次线圈）、从属加热线圈32，34作为二次绕组（二次线圈）的情况下，产生与在主加热线圈30和从属加热线圈32、34间之间产生的互感的极性为逆极性的互感的耦合状态。

各感应加热线圈（主加热线圈30及从属加热线圈32、34）是在配置于舟皿50的外周侧的芯部40上卷绕铜线而构成。芯部40由铁素体类陶瓷等构成即可，将粘土状的原料进行形状形成后烧制而成即可。这是因为只要由这种部件构成芯部40，就可以自由地进行形状形成。另外，通过使用芯部40，与感应加热线圈单体的情况相比，可以防止磁束的扩散，可以实现使磁束集中的高效的感应加热。

在本实施方式中，将对主加热线圈30和从属加热线圈32、34的芯部40的卷绕方向设定为相同。另外，逆耦合线圈36、38以使卷绕方向与从属加热线圈32、34相反的状态配置在前端侧（感受器52配置侧）配置有从属加热线圈32、34的芯部40的后端侧。通过设定为这种结构，使供给主加热线圈30和从属加热线圈32、34的电流的方向一致，由此主加热线圈30和从属加热线圈32、34之间产生的互感与逆耦合线圈36、38和从属加热线圈32、34之间产生的互感为逆极性，相互抵消相互感应电动势的影响。因此，相互邻接配置的主加热线圈30和从属加热线圈32、34之间产生的相互感应的影响减小，可以提高分别的电力控制性。另外，从属加热线圈32、34、逆耦合线圈36、38的卷绕比率优选为7:1左右。另外，该情况下，主加热线圈30的匝数与从属加热线圈32、34的匝数一致较好。

例如，在图2所示的方式的情况下，通入从属加热线圈32的电流设为I₁，电流的电压设为V₁，通入主加热线圈30的电流设为I₂，电流的电压设为V₂，通过从属加热线圈34的电流设为I₃，电流的电压设为V₃时，逆耦合线圈36和从属加热线圈32之间产生的互感＋M₁₂（＋M₂₁）与从属加热线圈32和主加热线圈30之间产生的互感－M₁₂（－M₂₁）相等，逆耦合线圈38和从属加热线圈34之间产生的互感＋M₂₃（＋M₃₂）和从属加热线圈34和主加热线圈30之间产生的互感－M₂₃（＋M₃₂）相等的情况下，通式1～3成立。

（式1）

V₁=I₁(jωL₁)+I₂（jω（－M₂₁））+I₂（jω（+M₂₁））…（式1）

（式2）

V₂=I₂(jωL₂)+I₁（jω（－M₁₂））+I₁（jω（+M₁₂））+I₃（jω（－M₃₂））+I₃（jω（+M₃₂））…（式2）

（式3）

V₃=I₃(jωL₃)+I₂（jω（－M₂₃））+I₂（jω（+M₂₃））…（式3）

在此，L₁是从属加热线圈32的自感，L₂是主加热线圈30的自感，L₃是从属加热线圈34的自感。

互感M可以表示为：

（式4）

$M=k\sqrt{L_1\×L_2}$ ：（式4）

（L₁、L₂为一次绕组、二次绕组的自感）。另外，自感L可以由通式5求出。

（式5）

$L=N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dI}}$ ：（式5）

在此，N为线圈的匝数，φ表示磁束（wb），I表示电流值。如上所述，主加热线圈30和逆耦合线圈36、38中线圈的匝数不同。因此，在平均单位电流（dI）的磁束（dφ）相等的情况下，自感L的值不同。因此，逆耦合线圈36、38和从属加热线圈32、34之间产生的互感M相同（极性相反），因此需要调节耦合系数k。耦合系数k可以根据线圈间的距离及配置方式变化。因此，基于主加热线圈30和从属加热线圈32、34间的互感－M，计算用于得到逆极性的互感＋M的耦合系数k。为了获得所计算的耦合系数k，逆耦合线圈36、38在调节配置方式及线圈间距离之后来配置。

通过满足这种关系，包含主加热线圈30和从属加热线圈32、34之间的相互感应的互感的项次相抵，可以避免所邻接配置的感应加热线圈间的相互感应的影响。

卷绕主加热线圈30及从属加热线圈32、34的芯部40，其中心轴配置为与感受器52的晶片54的载置面平行（载置状态的晶片54的中心轴和芯部40的中心轴直行的方向）。磁极面的芯部40的前端面与感受器52相对。根据这种结构，从卷绕有主加热线圈30及从属加热线圈32、34的磁极面沿与感受器52的晶片54载置面平行的方向产生交流磁束。

在此，如上所述，主加热线圈30为一次绕组，从属加热线圈32、34为二次绕组的情况下，以通入两者的电流方向相同的方式连接有后述详细情况的逆变器14a～14c。因此，在垂直方向堆叠的主加热线圈30和从属加热线圈32、34相互为减极性。

如图3所示，形成这种配置关系的主加热线圈30和从属加热线圈32、34与相对于感受器52的载置面垂直方向相交的方式放射的磁束的方向相互为反向抵消。因此，即使在载置于感受器52的晶片54的表面形成有金属膜等的情况下，不会因垂直方向的磁束的影响直接加热晶片54，晶片54的温度分布不会不匀。

另外，主加热线圈30、从属加热线圈32、34及逆耦合线圈36、38，优选内部为中空的管状部件（例如，铜管）。热处理中铜管内部插通冷却部件（例如，冷却水），从而可抑制主加热线圈30、从属加热线圈32、34及逆耦合线圈36、38自身的加热。

如上所述，主加热线圈30和从属加热线圈32、34沿着在垂直方向层叠载置晶片54的感受器52的舟皿50，分别在垂直方向邻接配置。通过这种结构，可一次加热更多的感受器52及晶片54，可以有效地进行晶片54的热处理。另外，只要各自分别进行对层叠配置的感应加热线圈的电力控制，可以控制层叠配置于舟皿50内的多个感受器52的垂直方向的温度分布，可抑制感受器52间的温度不匀。

如上所述构成的主加热线圈30、及从属加热线圈32、34与单一电源部12连接。在电源部12的结构为，设置有逆变器14a～14c、断路器16a～16c、转换器18、三相交流电源20及区域控制装置22，可以调节供给各感应加热线圈（主加热线圈30及从属加热线圈32，34）的电流及电压、及频率等。在图2所示的实施方式的情况下，作为逆变器14a～14c采用串联共振型。因此，作为用于简易地进行频率切换的结构，可以是并列连接共振电容器26，使其与共振频率一致，通过开关28实现容量的增减。

另外，实施方式的热处理装置10在各感应加热线圈（主加热线圈30及从属加热线圈32）和各逆变器14a～14c之间配置有变压器24。

区域控制装置22承担避免邻接配置的主加热线圈30和从属加热线圈32、34间产生的相互感应的影响，且进行对主加热线圈30和各从属加热线圈32、34的电力控制的作用。

层叠并邻接配置的主加热线圈30和从属加热线圈32、34，因各自分别地工作，在主加热线圈30和从属加热线圈32或主加热线圈30和从属加热线圈34中产生相互感应，有时对分别的电力控制带来不利影响。因此，区域控制装置22基于检测出的电流的频率及波形（电流波形），以通过使通入邻接配置的主加热线圈30及从属加热线圈32，34的电流的频率一致，且使电流波形的相位同步（相位差为0或相位差近似为0）或保持规定的相位差的方式进行控制，可进行避免邻接配置的主加热线圈30和从属加热线圈32、34间的相互感应的影响的电力控制（区域控制）。

这种控制如下完成，即，例如，检测通入各感应加热线圈（主加热线圈30及从属加热线圈32、34）的电流值及电流的频率及电压值等，并将它们输入区域控制装置22。在区域控制装置22中检测通入主加热线圈30的电流波形和通入从属加热线圈32，34的电流波形的相位，以保持它们同步或保持规定的相位差的方式进行控制，因此通过对逆变器14b或逆变器14c输出使通入从属加热线圈32或从属加热线圈34的电流的频率瞬时变化的信号。

另外，关于电力控制，基于存储在设置于电源部12的未图示的存储装置（内存）的控制图（垂直温度分布控制图），将以从热处理开始的经过时间单位变化的信号输出到逆变器14a～14c及断路器16a～16c，或基于从未图示的温度测量装置反馈的感受器52的温度，进行用于获得希望的垂直温度分布的电力控制即可。另外，控制图与从热处理开始的经过时间一起记录为了修正从热处理开始至热处理结束的层叠配置的感受器52间的温度变化，获得任意的温度分布（例如，均匀的温度分布）而给予主加热线圈30及从属加热线圈32、34的电力值即可。

这样操作，电源部12基于来自区域控制装置22的信号，瞬时调节通入从属加热线圈32、34的电流的频率，实施电流波形的相位控制，并且实施各感应加热线圈间的电力控制，由此可以控制舟皿50内的垂直方向的温度分布。

另外，在实施方式的热处理装置10中，通过设置与从属加热线圈32、34磁性逆耦合的逆耦合线圈36、38，可以预先抑制主加热线圈30和从属加热线圈32、34间的相互感应的影响。因此，通过区域控制装置22避免的相互感应的影响减小，可以提高对主加热线圈30、及从属加热线圈32、34的电力控制的控制性。

另外，根据如上所述的结构的热处理装置10，即使是在晶片54的表面形成有金属膜等导电性部件的情况，也不必担心该金属膜发热晶片54的温度分布杂乱。

接着，参照图4对本发明的热处理装置的第二实施方式进行说明。本实施方式的热处理装置的大部分结构和上述的第一实施方式的热处理装置是一样的。因此，在该结构与第一实施方式的热处理装置相同的部位，附图中附加增加100的符号，其详细的说明省略。

图4－1是表示第二实施方式的热处理装置110的平面结构的方框图，图4－2是表示用于本实施方式的热处理装置110的芯部的平面结构的方框图。另外，在该图中，省略了电源部的记载，连接有保持与上述实施方式一样的结构的电源部。

本实施方式的热处理装置110的特征为，分别设置多个相当于第一实施方式的从属加热线圈32、主加热线圈30及从属加热线圈34的感应加热线圈（图4－1中，仅表示从属加热线圈132a、132b，下面，为了简化说明，简单地称为感应加热线圈132a、132b）。

通过在沿着感受器152的圆周方向的方向配置多个感应加热线圈132a、132b，增加了水平方向的可加热范围，可以稳定晶片154的面内的温度分布。

另外，实施方式的热处理装置110如下构成，即，将卷绕多个（在图4－1所示的状态下为两个）感应加热线圈132a、132b的芯部140设定为一个，在从轭141突出的磁极141a、141b上，分别卷绕感应加热线圈132a、132b。另外，在本实施方式的热处理装置110中，配置于感受器152的圆周方向（水平方向）的感应加热线圈132a、132b与电源部（实际上是电源部的逆变器）并列连接。通过设定为这种结构，在并列配置的感应加热线圈132a和感应加热线圈132b之间，不需要考虑相互感应的影响。

另外，各感应加热线圈132a、132b使根据相对于芯部140的磁极141a、141b的卷绕方向两者而产生的磁束为加极性。在形成这种结构的情况下，产生磁束按照用虚线a～c表示的轨迹产生，相比通过一个感应加热线圈产生的磁束，可将感受器152的中心侧进行加热。

另外，两个感应加热线圈132a、132b也可以设定为，通过未图示的切换开关可选择单一操作或相互操作。在形成这种结构的情况下，由于是根据所操作的感应加热线圈的组合而改变感受器152的加热范围，因此可以进行晶片154面内的温度分布控制。

符号说明

10：半导体基板热处理装置（热处理装置）、12：电源部、14a～14c：逆变器、16a～16c：断路器、18：转换器、20：三相交流电源、22：区域控制装置、24：变压器、26：共振电容器、28：开关、30：主加热线圈、32，34：从属加热线圈、36，38：逆耦合线圈、40：芯部、50：舟皿、52：感受器、54：晶片、56：支承部件、58：旋转工作台。

Claims (3)

1.一种感应加热装置，其特征在于，具有：

多个感应加热线圈，其水平配置，且配置于沿垂直方向层叠配置的多个感受器的外周侧，将所述感受器的被加热物载置面和卷绕的中心轴设定为平行，沿着所述感受器的配置方向邻接堆叠，其卷绕方向相同，至少在水平方向和垂直方向放射磁束，进行电磁耦合；

逆变器，其为多个，并且以向邻接配置的多个所述感应加热线圈的每一个通入的、频率和相位被调整后的电流的方向相同的方式彼此连接；

区域控制装置，其分别控制通过所述逆变器通入邻接配置的所述多个感应加热线圈的电流，使电流的频率一致，并且使电流的相位同步，并控制电力比率；

所述感应加热线圈由至少一个主加热线圈和与所述主加热线圈电磁耦合并且以在层叠方向上将所述主加热线圈夹在当中的方式成对设置的从属加热线圈构成，所述主加热线圈上串联连接有逆耦合线圈，该逆耦合线圈产生的互感与所述主加热线圈和所述从属加热线圈之间产生的互感的极性为逆极性，

还具有以所述感受器的配置一侧为前端，使所述主加热线圈卷绕的主加热线圈芯部，和以所述感受器的配置一侧为前端，在该前端侧使所述从属加热线圈卷绕，并在后端侧使所述逆耦合线圈卷绕的从属加热线圈芯部。

2.如权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于，

所述逆耦合线圈构成为相对于卷绕在所述从属加热线圈芯部的前端侧的所述从属加热线圈，保持加极性的关系。

3.一种感应加热方法，对水平配置且配置于沿垂直方向层叠配置的多个感受器的被加热物进行感应加热，其特征在于，

将所述感受器的被加热物载置面和卷绕的中心轴设定为平行，卷绕方向相同，至少在水平方向和垂直方向发射磁束，进行电磁耦合的多个感应加热线圈沿所述感受器的层叠方向邻接堆叠后，向邻接的所述感应加热线圈通入频率和方向一致并且相位同步的电流，

将所述感应加热线圈设定为由至少一个主加热线圈和与所述主加热线圈电磁耦合并且以在层叠方向上将所述主加热线圈夹在当中的方式成对设置的从属加热线圈构成，在所述主加热线圈上串联连接逆耦合线圈，使该逆耦合线圈产生的互感与所述主加热线圈和所述从属加热线圈之间产生的互感的极性为逆极性，

分别控制通入各个所述感应加热线圈的电力比率，

将所述主加热线圈卷绕在以所述感受器的配置一侧为前端的主加热线圈芯部上，

将所述从属加热线圈卷绕在以所述感受器的配置一侧为前端的从属加热线圈芯部的所述前端侧，

将所述逆耦合线圈卷绕在所述从属加热线圈芯部的后端侧。