DE112011102681B4 - Induktionsheizvorrichtung und lnduktionsheizverfahren - Google Patents

Abstract

Induktionsheizvorrichtung (10), die umfasst:eine Vielzahl von Induktionsheizspulen (30, 32, 34), die auf einer Außenumfangsseite einer Vielzahl von horizontal angeordneten Suszeptoren (52) angeordnet sind, wobei die Suszeptoren (52) in der vertikalen Richtung gestapelt sind, und wobei die Induktionsheizspulen (30, 32, 34) entlang einer Anordnungsrichtung der Suszeptoren (52) aneinander angrenzend gestapelt sind, wobei Aufnahmeflächen der Suszeptoren (52) für zu erwärmende Gegenstände und eine Wicklungs-Mittelachse parallel zueinander verlaufen, wobei die Wicklungsrichtungen der Vielzahl von Induktionsheizspulen (30, 32, 34) gleich sind;eine Vielzahl von Invertern (14a, 14b, 14c), die so geschaltet sind, dass die Richtungen der Ströme, die den Induktionsheizspulen (30, 32, 34) zugeführt werden, gleich sind; undeine Zonensteuerungseinrichtung (22), die so ausgebildet ist, dass sie für die über die Vielzahl von Invertern (14a, 14b, 14c) zugeführten Ströme die Stromphasen synchronisiert und die Frequenzen des Stroms angleicht, und die ausgebildet ist, eine der Vielzahl von aneinander angrenzend angeordneten Induktionsheizspulen (30, 32, 34) zugeführte Energie separat zu steuern;wobei die Vielzahl von Induktionsheizspulen (30, 32, 34) umfasst:mindestens eine Haupt-Heizspule (30) und eine damit gepaarte Neben-Heizspule (32, 34), die elektromagnetisch mit der Haupt-Heizspule (30) gekoppelt ist; wobei die Induktionsheizvorrichtung (10) ferner eine Inverskopplungsspule (36, 38) umfasst, die mit der Haupt-Heizspule (30) in Serie verbunden ist;einen Haupt-Heizspulen-Kern (40), um den die Haupt-Heizspule (30) gewickelt ist; undeinen Neben-Heizspulen-Kern, der ein den Suszeptoren (52) zugewandtes vorderes Ende und ein in Bezug auf die Suszeptoren (52) dahinter liegendes hinteres Ende umfasst, wobei die Neben-Heizspule (32, 34) um das vordere Ende gewickelt ist und die Inverskopplungsspule (36, 38) mit umgekehrter Wicklungsrichtung um das hintere Ende des Neben-Heizspulen-Kerns gewickelt ist.

Description

• Technisches Sachgebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Induktionsheizung und betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Halbleitersubstrat-Wärmebehandlung, vorzugsweise zum Durchführen einer Temperatursteuerung an einem zu erwärmenden Gegenstand, wenn ein Substrat, wie z. B. ein Wafer, mit einem großen Durchmesser behandelt wird.
• Hintergrund der Erfindung
• Patentschrift 1 und Patentschrift 2 legen Vorrichtungen zum Durchführen einer Wärmebehandlung an einem Substrat, wie z. B. einem Halbleiterwafer, unter Verwendung einer Induktionsheizung offen. Wie in 5 gezeigt ist, sind bei der in Patentschrift 1 offengelegten Wärmebehandlungsvorrichtung, die eine Chargen-Wärmebehandlungsvorrichtung ist, in mehreren Stufen gestapelte Wafers 2 in ein Kristallprozessrohr 3 eingebracht, ein Heizturm 4, der aus einem elektrisch leitenden Element, wie z. B. Grafit, gebildet ist, am Außenumfang des Prozessrohrs 3 platziert, und eine solenoidartige Induktionsheizspule 5 ist an dessen Außenumfang angeordnet. Bei der Wärmebehandlungsvorrichtung 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau wird der Heizturm 4 aufgrund eines Einflusses eines von der Induktionsheizspule 5 erzeugten Magnetflusses erwärmt, und die in dem Prozessrohr 3 platzierten Wafers 2 werden durch Strahlungswärme von dem Heizturm 4 erwärmt.
• Ferner sind, wie in 6 gezeigt ist, bei der in Patentschrift 2 offengelegten Wärmebehandlungsvorrichtung, die eine Paket-Wärmebehandlungsvorrichtung ist, konzentrisch hyperfraktionierte Suszeptoren 7 aus Grafit oder dergleichen ausgebildet, Wafers 8 sind auf der Oberflächenseite der Suszeptoren 7 platziert, und eine Vielzahl von kreisförmigen Induktionsheizspulen 9 ist auf der Unterseitenfläche in einem konzentrischen Kreis platziert. Hierbei kann die Energiesteuerung für die Vielzahl von Induktionsheizspulen 9 separat durchgeführt werden. Bei der Wärmehandlungsvorrichtung 6 mit dem oben beschriebenen Aufbau ist, da die Wärmeübertragung zwischen einem Suszeptor 7, der sich in einem Heizbereich jeder Induktionsheizspule 9 befindet, und einem weiteren Suszeptor 7, der von einer weiteren Induktionsheizspule 9 erwärmt wird, unterdrückt wird, die Steuerbarkeit der Temperaturverteilung der Wafers 8 aufgrund der Energiesteuerung der Induktionsheizspulen 9 verbessert.
• Ferner legt Patentschrift 2 offen, dass eine Wärmeverteilung durch Fraktionieren der Suszeptoren 7, auf denen die Wafers 8 platziert sind, auf geeignete Weise gesteuert wird. Patentschrift 3 legt offen, dass eine Wärmeverteilung durch Ausgestalten einer Querschnittform eines Suszeptors verbessert ist. Bei einer in Patentschrift 3 offengelegten Wärmebehandlungsvorrichtung werden bei Berücksichtigung, dass eine erzeugte Wärmemenge an der einen kleinen Durchmesser aufweisenden Innenseite einer kreisförmig ausgebildeten Induktionsheizspule klein wird, eine Erhöhung der erzeugten Wärmemenge und Erhöhung einer Wärmekapazität dadurch erreicht, dass bewirkt wird, dass durch Vergrößerung der Dicke an dem Innenseitenteil des Suszeptors ein Abstand von der Induktionsheizspule zu einem Innenseitenteil kürzer ist als derjenige zu einem Außenseitenteil.
• Weitere Wärmebehandlungsvorrichtungen sind aus den Patentschriften 4 - 7 bekannt.
• Liste der Anführungen
• Patentschriften
• Patentschrift 1: JP 2004-71596 A
• Patentschrift 2: JP 2009-87703 A
• Patentschrift 3: JP 2006-100067 A
• Patentschrift 4: WO 2010/026815 A1
• Patentschrift 5: JP 2002-313547 A
• Patentschrift 6: JP 2008-257246 A
• Patentschrift 7: JP H08-187972 A
• Übersicht über die Erfindung
• Technisches Problem
• Bei jeder der Wärmebehandlungsvorrichtungen nach Patentschriften 1 - 3, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, wird ein Magnetfluss rechtwinklig auf Grafit aufgebracht. Entsprechend kann es dann, wenn ein Metallfilm oder dergleichen auf einer Fläche des Wafers als dem zu erwärmenden Gegenstand ausgebildet ist, einen Fall geben, in dem ein Wafer direkt erwärmt wird, und einen Fall geben, in dem eine Temperaturverteilungssteuerung gestört ist.
• Im Gegensatz dazu wird es dann, wenn eine Erwärmung durch Zuführen eines Magnetflusses in der horizontalen Richtung zu Grafit (Suszeptor) beschleunigt wird, schwierig, eine Anzahl von Suszeptoren in einer Laminieranordnung zu erwärmen. In einem Fall, in dem eine Vielzahl von Induktionsheizspulen in der Laminierrichtung (vertikalen Richtung) dicht beieinander angeordnet sind, um das vorstehende Problem zu lösen, tritt dahin gehend ein Problem auf, dass eine Erwärmungssteuerung unter einem Einfluss einer wechselseitigen Induktion zwischen Induktionsheizspulen instabil wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt das Ziel zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Induktionsheizung zur Verfügung zu stellen, mit denen die oben beschriebenen Probleme gelöst werden und die in der Lage sind, durch Unterdrücken eines Einflusses einer wechselseitigen Induktion zwischen Heizspulen selbst dann eine ausgezeichnete Wärmesteuerung zu ermöglichen, wenn eine Vielzahl der Induktionsheizspulen in der vertikalen Richtung angeordnet ist, wobei ein horizontaler Magnetfluss den Suszeptoren zugeführt wird.
• Lösung des Problems
• Eine Induktionsheizvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Erreichen des oben beschriebenen Ziels umfasst: eine Vielzahl von Induktionsheizspulen, die auf einer Außenumfangsseite einer Vielzahl von horizontal angeordneten Suszeptoren angeordnet sind, welche in der vertikalen Richtung laminiert sind, und die entlang einer Anordnungsrichtung der Suszeptoren aneinander angrenzend gestapelt sind, wobei Befestigungsflächen der Suszeptoren für zu erwärmende Gegenstände und eine Mittelachse der Wicklung parallel zueinander verlaufen, einen Inverter, der Strom liefert, so dass die aneinander angrenzend angeordneten Induktionsheizspulen wechselseitig subtraktive Polaritäten aufweisen, und eine Zonensteuerungseinrichtung, die separat ein der Vielzahl von aneinander angrenzend angeordneten Induktionsheizspulen zugeführtes Energieverhältnis steuert.
• Ferner ist bei der Induktionsheizvorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen vorgesehen, dass die Induktionsheizspulen aus mindestens einer Haupt-Heizspule und einer Neben-Heizspule, die elektromagnetisch mit der Haupt-Heizspule gekoppelt ist, aufgebaut ist und dass eine Inverskopplungsspule mit der Haupt-Heizspule verbunden ist, insbesondere um eine wechselseitige Induktivität mit einer umgekehrten Polarität zu der wechselseitigen Induktivität zu erzeugen, die in einem Abstand zur Neben-Heizspule erzeugt wird.
• Bei dem oben beschriebenen Aufbau ist es möglich, eine wechselseitig induzierte elektromotorische Kraft, die aufgrund der Wirkung der Inverskopplungsspule zwischen der Haupt-Heizspule und der Neben-Heizspule erzeugt wird, aufzuheben oder teilweise aufzuheben.
• Ferner ist bei der Induktionsheizvorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen vorgesehen, dass ein Kern, auf dem die Neben-Heizspule aufgewickelt ist, vorgesehen ist und dass die Inverskopplungsspule insbesondere so angeordnet ist, dass sie eine Beziehung einer additiven Polarität zu der auf dem Kern aufgewickelten Neben-Heizspule aufweist. Ferner ist bei der Induktionsheizvorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen vorgesehen, dass ein Kern, auf dem die Haupt-Heizspule aufgewickelt ist, vorgesehen ist.
• Bei dem oben beschriebenen Aufbau erzeugt aufgrund der Tatsache, dass Frequenzen von der Haupt-Heizspule und der Neben-Heizspule zugeführtem Strom aneinander angeglichen sind und Stromwellenformen synchronisiert sind, die Inverskopplungsspule eine wechselseitige Induktivität mit einer umgekehrten Polarität zu der wechselseitigen Induktivität, die zwischen der Neben-Heizspule und der Haupt-Heizspule erzeugt wird. Entsprechend ist es möglich, eine wechselseitig induzierte elektromotorische Kraft, die zwischen der Haupt-Heizspule und der Neben-Heizspule erzeugt wird, aufzuheben oder teilweise aufzuheben.
• Ferner wird ein zum Erreichen des oben beschriebenen Ziels vorgesehenes Induktionsheizverfahren gemäß Anspruch 3 bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Zuführen von Strom so, dass aneinander angrenzende Induktionsheizspulen wechselseitig subtraktive Polaritäten aufweisen, wenn eine Vielzahl von Induktionsheizspulen, die einen horizontalen Magnetfluss zu Befestigungsflächen der Suszeptoren für zu erwärmende Gegenstände erzeugen, in einer Laminierrichtung der Suszeptoren aneinander angrenzend gestapelt sind, und separates Steuern eines den Induktionsheizspulen zuzuführenden Energieverhältnisses.
• Ferner wird bevorzugt, dass das Induktionsheizverfahren mit den oben beschriebenen Merkmalen umfasst: Erzeugen einer wechselseitigen Induktivität mit einer umgekehrten Polarität zu der wechselseitigen Induktivität, die zwischen den aneinander angrenzend angeordneten Induktionsheizspulen erzeugt wird, und Aufheben oder teilweises Aufheben der wechselseitigen Induktivität, die zwischen den Induktionsheizspulen erzeugt wird.
• Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, eine wechselseitig induzierte elektromotorische Kraft, die zwischen der Haupt-Heizspule und der Neben-Heizspule erzeugt wird, aufzuheben oder teilweise aufzuheben.
• Bei dem oben beschriebenen Verfahren kann die Inverskopplungsspule kompakt angeordnet sein.
• Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
• Bei der Vorrichtung und dem Verfahren zur Induktionsheizung mit den oben beschriebenen Merkmalen können Einflüsse der wechselseitigen Induktion zwischen Induktionsheizspulen unterdrückt werden, und es kann eine ausgezeichnete Heizsteuerung selbst in einem Fall durchgeführt werden, in dem eine Vielzahl von Induktionsheizspulen in der vertikalen Richtung angeordnet ist, wobei ein horizontaler Magnetfluss Suszeptoren zugeführt wird.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1-1 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Draufsicht einer Wärmebehandlungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform.
• 1-2 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Seitenansicht der Wärmebehandlungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform.
• 2 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung eines Aufbaus eines Energiequellenabschnitts in der Wärmebehandlungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform.
• 3 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Art und Weise einer Aufhebung eines Magnetflusses zwischen gestapelten Induktionsheizspulen.
• 4-1 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Draufsicht einer Wärmebehandlungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform.
• 4-2 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Draufsicht eines Kerns, der für die Wärmebehandlungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
• 5 zeigt eine Ansicht mit Darstellung eines Aufbaus einer bekannten Chargen-Induktionsheizvorrichtung.
• 6 zeigt eine Ansicht mit Darstellung eines Aufbaus einer bekannten Paket-Induktionsheizvorrichtung.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Im Folgenden werden Ausführungsformen einer Induktionsheizvorrichtung und eines Induktionsheizverfahrens nach der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen genauer beschrieben. Zuerst wird ein allgemeiner Aufbau einer Induktionsheizvorrichtung (nachstehend einfach als Wärmebehandlungsvorrichtung bezeichnet) nach einer ersten Ausführungsform mit Bezug auf 1-1, 1-2 und 2 beschrieben. Hierbei zeigt 1-1 ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Draufsicht der Wärmebehandlungsvorrichtung, und 1-2 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Seitenansicht der Wärmebehandlungsvorrichtung. Ferner zeigt 2 eine erläuternde Ansicht eines Aufbaus eines Energiequellenabschnitts.
• Die Wärmebehandlungsvorrichtung 10 nach der vorliegenden Ausführungsform ist ein Chargentyp zum Durchführen einer Wärmebehandlung, wobei Wafers 54 als zu erwärmende Gegenstände und Suszeptoren 52 als Heizelemente in mehreren Stufen gestapelt sind. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 10 ist grundsätzlich mit einem bootförmigen Körper 50 mit den Wafers 54 und horizontal angeordneten Suszeptoren 52, die in der vertikalen Richtung in mehreren Stufen laminiert sind, Induktionsheizspulen (einer Haupt-Heizspule 30, Neben-Heizspulen 32, 34 und Inverskupplungsspulen 36, 38, die später genauer beschrieben werden), die die Suszeptoren 52 erwärmen, und einem Energiequellenabschnitt 12, der elektrische Energie den Induktionsheizspulen zuführt, aufgebaut.
• Bei den Suszeptoren 52 ist lediglich erforderlich, dass sie beispielsweise aus elektrisch leitenden Elementen, die aus Grafit, SiC, mit SiC beschichtetem Grafit, wärmebeständigem Metall oder dergleichen gefertigt sind, aufgebaut sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist jeder Suszeptor 52 eine kreisförmige ebene Form auf.
• Die Suszeptoren 52, die den bootförmigen Körper 50 bilden, sind so angeordnet, dass sie jeweils über ein Tragelement 56 laminiert sind. Hierbei sind die Tragelemente 56 aus Quarz gefertigt, das nicht von elektromagnetischer Induktionserwärmung beeinflusst wird.
• Ferner ist der bootförmige Körper 50 nach der vorliegenden Ausführungsform an einem Drehtisch 58 befestigt, der einen (nicht gezeigten) Motor aufweist und in der Lage ist, die Suszeptoren 52 und Wafers 54 bei einem Wärmebehandlungsprozess zu drehen. Bei einem solchen Aufbau ist es möglich, eine Ableitung der Wärmeverteilung zwecks Erwärmung der Suszeptoren 52 zu unterdrücken. Ferner können, wie später beschrieben wird, die Suszeptoren 52 selbst bei einer Anordnung, bei der die Induktionsheizspule, die die Wärmequelle ist, aus der Mitte der Suszeptoren 52 ausgelenkt ist, gleichmäßig erwärmt werden.
• Die Induktionsheizspulen nach der vorliegenden Ausführungsform sind mit einer einzelnen Haupt-Heizspule 30 und den zwei Neben-Heizspulen 32, 34 aufgebaut, die angrenzend an die Haupt-Heizspule 30 angeordnet sind, um elektromagnetisch gekoppelt zu sein. Jede der Vorgenannten ist am Umfang der Suszeptoren 52 auf der Außenumfangsseite angeordnet. Die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32, 34 sind jeweils aneinander angrenzend in der gleichen Richtung wie der Laminierrichtung der Suszeptoren 52 gestapelt. Ferner ist die Haupt-Heizspule 30 nach der vorliegenden Ausführungsform mit den Inverskopplungsspulen 36, 38 versehen, die mit den zwei Neben-Heizspulen 32, 34 elektromagnetisch invers gekoppelt sind. Hierbei bezeichnet die elektromagnetische Kopplung einen Zustand einer Beziehung einer wechselseitigen Induktion, die bewirkt, dass die Neben-Heizspulen 32, 34 eine induzierte elektromagnetische Kraft in einer Richtung erzeugen, in der beispielsweise ein von der Haupt-Heizspule 30 erzeugter Magnetfluss auf der Basis einer Veränderung des der Haupt-Heizspule 30 zugeführten Stroms aufgehoben wird, das heißt, einen Zustand der Erzeugung einer wechselseitigen Induktivität. Ferner bezeichnet die elektromagnetische inverse Kopplung einen Kopplungszustand beim Erzeugen einer wechselseitigen Induktivität mit einer umgekehrten Polarität zu der zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32, 34 erzeugten wechselseitigen Induktivität in einem Fall, in dem die Haupt-Heizspule 30 als eine Primärwicklung (Primärspule) und die Neben-Heizspule 32, 34 jeweils als Sekundärwicklung (Sekundärspule) betrachtet werden.
• Jede der Induktionsheizspulen (der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspulen 32, 34) wird durch Wickeln eines Kupferdrahts auf einen Kern 40, der auf der Außenumfangsseite des bootförmigen Körpers 50 angeordnet ist, gebildet. Der Kern 40 kann aus einer Keramik auf Ferritbasis durch Brennen nach dem Ausbilden eines tonartigen Materials in eine Form hergestellt werden. Der Grund dafür ist, dass es der aus dem oben genannten Material gefertigte Kern 40 ermöglicht, eine Formgebung flexibel durchzuführen. Ferner kann im Vergleich zu einem Fall mit einer separaten Induktionsheizspule aufgrund der Verwendung des Kerns 40 eine Diffusion eines Magnetflusses verhindert werden und kann eine hocheffiziente Erwärmung mit einem konzentrierten Magnetfluss realisiert werden.
• Bei der vorliegenden Ausführungsform sind Wicklungsrichtungen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspulen 32, 34 relativ zu dem Kern 40 jeweils die gleichen. Ferner ist die Inverskupplungsspule 36, 38 an einer hinteren Endseite des Kerns 40 angeordnet, an dem die Neben-Heizspule 32, 34 an einer oberen Endseite (Seite, auf der der Suszeptor 52 angeordnet ist) angeordnet ist, und zwar in einem Zustand, in dem ihre Wicklungsrichtung zu derjenigen der Neben-Heizspule 32, 34 umgekehrt ist. Bei einem solchen Aufbau weisen aufgrund des Angleichens der Richtungen des der Haupt-Heizspule 30 und den Neben-Heizspulen 32, 34 zugeführten Stroms die zwischen der Haupt-Heizspule 30 und den Neben-Heizspulen 32, 34 erzeugte wechselseitige Induktivität und die zwischen den Inverskopplungsspulen 36, 38 und den Neben-Heizspulen 32, 34 erzeugte wechselseitige Induktivität eine umgekehrte Polarität auf. Entsprechend werden die Einflüsse der zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32, 34, die aneinander angrenzend angeordnet sind, erzeugten wechselseitigen Induktion verringert, und eine individuelle Steuerbarkeit der Energie kann verbessert werden. Hierbei wird bevorzugt, dass ein Wicklungsverhältnis zwischen der Neben-Heizspule 32, 34 und der Inverskopplungsspule 36, 38 in der Größenordnung von 7 : 1 liegt. In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Anzahl von Wicklungen der Haupt-Heizspule 30 an die Anzahl von Wicklungen der Neben-Heizspule 32, 34 angeglichen ist.
• Beispielsweise sind bei der in 2 dargestellten Ausführungsform in einem Fall, in dem die zwischen der Inverskopplungsspule 36 und der Neben-Heizspule 32 erzeugte wechselseitige Induktivität +M₁₂ (+M₂₁) und die zwischen der Neben-Heizspule 32 und der Haupt-Heizspule 30 erzeugte wechselseitige Induktivität -M₁₂ (-M₂,) gleich sind, und die zwischen der Inverskopplungsspule 38 und der Neben-Heizspule 34 erzeugte wechselseitige Induktivität +M₂₃ (+M₃₂) und die zwischen der Neben-Heizspule 34 und der Haupt-Heizspule 30 erzeugte wechselseitige Induktivität -M₂₃ (-M₃₂) gleich sind, Gleichungen 1 bis 3 erfüllt, wobei I₁ und V₁, den der Neben-Heizspule 32 zugeführten Strom und die Spannung des Stroms bezeichnen, I₂ und V₂ den der Haupt-Heizspule 30 zugeführten Strom und die Spannung des Stroms bezeichnen und I₃ und V₃ den der Neben-Heizspule 34 zugeführten Strom und die Spannung des Stroms bezeichnen.
  Gleichung 1 $${\text{V}}_1={\text{I}}_1\left(\text{j}\mathrm{\omega }{\text{L}}_1\right)+{\text{I}}_2(\text{j}\mathrm{\omega }\left(-{\text{M}}_{21}\right))+{\text{I}}_2(\text{j}\mathrm{\omega }\left(+{\text{M}}_{21}\right))$$

  

  Gleichung 2 $${\text{V}}_2={\text{I}}_2\left(\text{j}\mathrm{\omega }{\text{L}}_2\right)+{\text{I}}_1(\text{j}\mathrm{\omega }\left(-{\text{M}}_{12}\right))+{\text{I}}_1(\text{j}\mathrm{\omega }\left(+{\text{M}}_{12}\right))+{\text{I}}_3(\text{j}\mathrm{\omega }\left(-{\text{M}}_{32}\right))+{\text{I}}_3(\text{j}\mathrm{\omega }\left(+{\text{M}}_{32}\right))$$

  

  Gleichung 3 $${\text{V}}_3={\text{I}}_3\left(\text{j}\mathrm{\omega }{\text{L}}_3\right)+{\text{I}}_2(\text{j}\mathrm{\omega }\left(-{\text{M}}_{23}\right))+{\text{I}}_2(\text{j}\mathrm{\omega }\left(+{\text{M}}_{23}\right))$$

  
• Hierbei bezeichnet L₁ die Selbstinduktivität der Neben-Heizspule 32, L₂ bezeichnet die Selbstinduktivität der Haupt-Heizspule 30, und L₃ bezeichnet die Selbstinduktivität der Neben-Heizspule 34.
• Die wechselseitige Induktivität M kann wie folgt ausgedrückt werden.
  Gleichung 4 $$M=k\sqrt{L_1\times L_2}$$

  
• Hierbei bezeichnen L1 und L2 die Selbstinduktivität der Primärwicklung und diejenige der Sekundärwicklung. Die Selbstinduktivität L kann durch Gleichung 5 ermittelt werden.
  Gleichung 5 $$L=N\frac{d\varphi }{dI}$$

  
• Hierbei bezeichnet N die Anzahl von Spulenwicklungen, ϕ bezeichnet den Magnetfluss (wb), und I bezeichnet einen Stromwert. Wie oben beschrieben ist, ist die Anzahl von Spulenwicklungen zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Inverskopplungsspule 36, 38 unterschiedlich. Daher müssen selbst in einem Fall, in dem der Magnetfluss (dϕ) pro Stromeinheit (dl) gleich ist, Werte der Selbstinduktivität L unterschiedlich sein. Entsprechend ist es zum Gleichsetzen der wechselseitigen Induktivität M, die zwischen den Inverskopplungsspulen 36, 38 und den Neben-Heizspulen 32, 34 erzeugt wird (die Polaritäten sind entgegengesetzt), erforderlich, einen Kopplungskoeffizienten k einzustellen. Der Kopplungskoeffizient k kann entsprechend einem Abstand zwischen Spulen und Anordnungsausbildung variieren. Entsprechend wird der Kopplungskoeffizient k zum Erhalten der wechselseitigen Induktivität +M mit einer umgekehrten Polarität auf der Basis der wechselseitigen Induktivität -M zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32, 34 berechnet. Zum Erhalten des Kopplungskoeffizienten k sind die Inverskopplungsspulen 36, 38 als die Anordnungsausbildung angeordnet, und die Abstände zwischen den Spulen sind eingestellt.
• Aufgrund der Tatsache, dass die oben genannte Beziehung erfüllt ist, heben sich Terme, einschließlich der wechselseitigen Induktivität aufgrund der wechselseitigen Induktion zwischen der Haupt-Heizspule 30 und den Neben-Heizspulen 32, 34 gegenseitig auf. Entsprechend ist es möglich, den Einfluss der wechselseitigen Induktion zwischen aneinander angrenzend angeordneten Induktionsheizspulen zu vermeiden.
• Jeder Kern 40, auf dem die Haupt-Heizspule 30 oder die Neben-Heizspule 32, 34 angeordnet ist, weist eine Mittelachse auf, die parallel zu einer Befestigungsfläche des Suszeptors 52 für das Wafer 54 verläuft (Richtung, in der die Mittelachse des Kerns 40 rechtwinklig zu einer Mittelachse des Wafers 54 in einem gestapelten Zustand verläuft). Eine obere Endfläche des Kerns 40, die eine magnetische Fläche ist, ist dem Suszeptor 52 zugewandt. Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird ein Wechselstrom-Magnetfeld in einer Richtung, die parallel zu der Befestigungsfläche des Suszeptors 52 für das Wafer 54 verläuft, von der magnetischen Fläche, auf die die Haupt-Heizspule 30 oder die Neben-Heizspule 32, 34 aufgewickelt ist, erzeugt.
• Wie oben beschrieben ist, sind in einem Fall, in dem die Haupt-Heizspule 30 als Primärwicklung und die Neben-Heizspule 32, 34 als Sekundärheizspule betrachtet werden, Inverter 14a bis 14c, die später genauer beschrieben werden, so geschaltet, dass Richtungen des beiden zugeführten Stroms die gleichen sind. Entsprechend weisen die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32, 34, die in der vertikalen Richtung gestapelt sind, wechselseitig subtraktive Polaritäten auf.
• Wie in 3 gezeigt, wird dann, wenn die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32, 34 wie oben beschrieben relativ zueinander angeordnet sind, ein Magnetfluss, der jeweils so emittiert wird, dass er die Befestigungsfläche des Suszeptors 52 vertikal schneidet, aufgehoben, da er in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet ist. Entsprechend besteht selbst in einem Fall, in dem ein Metallfilm oder dergleichen auf einer Fläche des an dem Suszeptor 52 zu befestigenden Wafers 54 ausgebildet ist, kein Risiko, dass das Wafer 54 aufgrund des Einflusses des Magnetflusses in der vertikalen Richtung direkt erwärmt wird und dass sich die Temperaturverteilung des Wafers 54 verändert.
• Hierbei wird bevorzugt, dass die Haupt-Heizspule 30, die Neben-Heizspulen 32, 34 und die Inverskopplungsspulen 36, 38 aus rohrförmigen Elementen (z. B. Kupferrohren), die innen hohl sind, aufgebaut sind. Der Grund dafür ist, dass die Eigenerwärmung der Haupt-Heizspule 30, der Neben-Heizspulen 32, 34 und der Inverskopplungsspulen 36, 38 dadurch unterdrückt werden kann, dass ein Kühlelement (z. B. Kühlwasser) bei der Wärmebehandlung durch das Innere der Kupferrohre geleitet wird.
• Wie oben beschrieben ist, sind die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32, 34 in der vertikalen Richtung entlang dem bootförmigen Körper 50 aneinander angrenzend angeordnet, an dem die Suszeptoren 52 mit den daran befestigten Wafers 54 in der vertikalen Richtung laminiert sind. Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird es möglich, mehr Suszeptoren 52 und Wafers 54 gleichzeitig zu erwärmen, so dass eine Wärmebehandlung der Wafers 54 auf effektive Weise durchgeführt werden kann. Ferner kann dann, wenn die Energiesteuerung bei den Induktionsheizspulen, die in laminierter Form angeordnet sind, separat durchgeführt wird, eine vertikale Temperaturverteilung an einer Vielzahl von Suszeptoren 52, die in laminierter Form in dem bootförmigen Körper 50 angeordnet sind, gesteuert werden, und eine Temperaturveränderung zwischen den Suszeptoren 52 kann unterdrückt werden.
• Die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32,34, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, sind mit einem einzelnen Energiequellenabschnitt 12 verbunden. Der Energiequellenabschnitt 12 ist mit den Invertern 14a bis 14c, Zerhackern 16a bis 16c, einem Konverter 18, einer Dreiphasen-Wechselstrom-Energiequelle 20 und einer Zonensteuerungseinrichtung 22 versehen und ist so aufgebaut, dass er in der Lage ist, Strom, Spannung, Frequenzen und dergleichen, die den jeweiligen Induktionsheizspulen (der Haupt-Heizspule 30 und den Neben-Heizspulen 32, 34) zuzuführen sind, einzustellen. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform wird ein Serienresonanztyp als die Inverter 14a bis 14c verwendet. Entsprechend wird bevorzugt, dass als ein Aufbau zum Vereinfachen der Frequenzumschaltung eine Erhöhung und Verringerung der Kapazität entsprechend einer Resonanzfrequenz mittels eines Schalters 28 als parallel geschaltete Resonanzkondensatoren 26 realisiert wird.
• Ferner ist bei der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 nach der Ausführungsform ein Transformator 24 zwischen jeder der Induktionsheizspulen (der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32, 34) und jedem der Inverter 14a bis 14c angeordnet.
• Die Zonensteuerungseinrichtung 22 weist eine Funktion zum Durchführen einer Energiesteuerung für die Haupt-Heizspule 30 und die jeweiligen Neben-Heizspulen 32, 34 auf, wobei Einflüsse einer wechselseitigen Induktion vermieden werden, die zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32, 34, die aneinander angrenzend angeordnet sind, erzeugt wird.
• Da die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32, 34, die in laminierter Form aneinander angrenzend angeordnet sind, separat betrieben werden, kann es einen Fall geben, dass ein schädlicher Einfluss bei separater Energiesteuerung eintritt, und zwar bei Auftreten einer wechselseitigen Induktion zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32 oder zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 34. Entsprechend wird es aufgrund des Angleichens von Frequenzen des der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32, 34, die aneinander angrenzend angeordnet sind, zuzuführenden Stroms und des Steuerns zum Synchronisieren von Phasen von Stromwellenformen (um die Phasendifferenz auf null zu setzen oder die Phasendifferenz null anzunähern) oder zum Aufrechterhalten einer vorgegebenen Phasendifferenz auf der Basis detektierter Stromfrequenzen und Wellenformen (Stromwellenformen) mit der Zonensteuerungseinrichtung 22 möglich, eine Energiesteuerung (Zonensteuerung) durchzuführen, wobei Einflüsse einer wechselseitigen Induktion zwischen der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 32,34, die aneinander angrenzend angeordnet sind, vermieden werden.
• Beispielsweise werden bei der oben beschriebenen Steuerung Stromwerte, Stromfrequenzen, Spannungswerte und dergleichen, die den jeweiligen Induktionsheizspulen (der Haupt-Heizspule 30 und den Neben-Heizspulen 32, 34) zugeführt werden, detektiert und in die Zonensteuerungseinrichtung 22 eingegeben. Die Zonensteuerungseinrichtung 22 detektiert Phasen der Stromwellenformen, die der Haupt-Heizspule 30 zugeführt werden, und der Stromwellenformen, die die den Neben-Heizspulen 32,34 zugeführt werden, und gibt ein Signal an den Inverter 14b oder den Inverter 14c aus zum unverzüglichen Verändern der der Neben-Heizspule 32 oder der Neben-Heizspule 34 zuzuführenden Stromfrequenz zwecks Steuerung zum Durchführen einer Synchronisierung der oben beschriebenen oder zum Aufrechterhalten einer vorgegebenen Phasendifferenz.
• Ferner ist es bezüglich der Energiesteuerung lediglich erforderlich, eine Energiesteuerung durchzuführen, um eine gewünschte vertikale Temperaturverteilung zu erhalten, und zwar durch Ausgeben von Signalen zum Verändern in verstrichene Zeit ab Beginn einer Wärmebehandlung an die Inverter 14a bis 14c oder die Zerhacker 16a bis 16c auf der Basis einer Steuerungsabbildung (Vertikal-Temperaturverteilungs-Steuerungsabbildung), die in einer an dem Energiequellenabschnitt 12 angeordneten Speichereinrichtung (Speicher; nicht dargestellt) gespeichert ist, oder auf der Basis der Temperatur von Suszeptoren 52, die von der (nicht dargestellten) Temperaturmesseinrichtung zurückgeführt wird. Hierbei ist es lediglich erforderlich, dass die Steuerungsabbildung bewirkt, dass Energiewerte, die an die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32, 34 angelegt werden, zusammen mit der verstrichenen Zeit ab Beginn der Wärmebehandlung aufzeichnet werden zum Korrigieren einer Temperaturabweichung zwischen den Suszeptoren 52, die in laminierter Form angeordnet sind, vom Beginn der Wärmebehandlung bis zum Ende der Wärmebehandlung und zum Erhalten einer willkürlichen Temperaturverteilung (z. B. gleichmäßigen Temperaturverteilung).
• Auf diese Weise ist es an dem Energiequellenabschnitt 12 aufgrund der Tatsache, dass den Neben-Heizspulen 32, 34 zugeführte Stromfrequenzen unverzüglich auf der Basis der Signale von der Zonensteuerungseinrichtung 22 eingestellt werden und eine Phasensteuerung der Stromwellenformen durchgeführt wird, wobei die Energiesteuerung zwischen den jeweiligen Induktionsheizspulen durchgeführt wird, möglich, die Temperaturverteilung in der vertikalen Richtung in dem bootförmigen Körper 50 zu steuern.
• Ferner ist es bei der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 nach der Ausführungsform aufgrund der Anordnung der Inverskopplungsspulen 36, 38, die mit den Neben-Heizspulen 32, 34 elektromagnetisch invers gekoppelt sind, möglich, Einflüsse der wechselseitigen Induktion zwischen der Haupt-Heizspule 30 und den Neben-Heizspulen 32,34 zuvor zu unterdrücken. Entsprechend wird der Einfluss der wechselseitigen Induktion, der von der Zonensteuerungseinrichtung 22 zu vermeiden ist, klein, und die Steuerbarkeit der Energiesteuerung für die Haupt-Heizspule 30 und die Neben-Heizspulen 32, 34 kann verbessert werden.
• Ferner besteht bei der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 mit dem oben beschriebenen Aufbau selbst in einem Fall, in dem ein elektrisch leitendes Element, wie z. B. ein Metallfilm, auf einer Fläche des Wafers 54 ausgebildet ist, kein Risiko, dass der Metallfilm Wärme erzeugt und somit eine Störung der Temperaturverteilung des Wafers 54 bewirkt.
• Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform einer Wärmebehandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 4 beschrieben. Der größte Teil eines Aufbaus der Wärmebehandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform ist der gleiche wie bei der oben beschriebenen Wärmebehandlungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform. Hierbei ist in der Zeichnung ein Abschnitt mit dem gleichen Aufbau wie bei der Wärmebehandlungseinrichtung nach der ersten Ausführungsform mit einem um Hundert erhöhten Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung desselben wird nicht wiederholt.
• 4-1 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Draufsicht einer Wärmebehandlungsvorrichtung 110 nach der zweiten Ausführungsform, und 4-2 zeigt ein Blockschaltbild mit Darstellung einer Draufsicht eines Kerns, der für die Wärmebehandlungsvorrichtung 110 nach der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Obwohl eine Darstellung eines Energiequellenabschnitts in der Zeichnung entfällt, wird davon ausgegangen, dass der Energiequellenabschnitt mit dem gleichen Aufbau wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform vorgesehen ist.
• Die Wärmebehandlungsvorrichtung 110 nach der vorliegenden Ausführungsform weist ein Merkmal auf, dass eine Vielzahl der Induktionsheizspulen jeweils der Neben-Heizspule 32, der Haupt-Heizspule 30 und der Neben-Heizspule 34 nach der ersten Ausführungsform entsprechen. In 4-1 sind nur Neben-Heizspulen 132a, 132b dargestellt und werden nachstehend zur Vereinfachung der Beschreibung einfach als Induktionsheizspulen 132a, 132b bezeichnet.
• Aufgrund der Tatsache, dass die Vielzahl von Induktionsheizspulen 132a, 132b in einer Richtung entlang der Umfangsrichtung der Suszeptoren 152 angeordnet ist, wird ein Bereich, der zum Erwärmen in der Lage ist, in der horizontalen Richtung vergrößert, und die Temperaturverteilung in einer Fläche eines Wafer 154 kann stabilisiert werden.
• Ferner weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 110 nach der Ausführungsform einen Aufbau auf, bei dem eine Vielzahl (zwei bei der in 4-1 dargestellten Ausführungsform) von Induktionsheizspulen 132a, 132b auf einen in einzigartiger Weise ausgebildeten Kern 140 aufgewickelt ist und bei dem die Induktionsheizspulen 132a, 132b jeweils auf Magnetpole 141a, 141 b, die von einem Joch 141 vorstehen, aufgewickelt sind. Ferner weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 110 nach der vorliegenden Ausführungsform einen Aufbau auf, bei dem die Induktionsheizspulen 132a, 132b, die in der Umfangsrichtung der Suszeptoren 152 (der horizontalen Richtung) angeordnet sind, zu dem Energiequellenabschnitt (eigentlich den Invertern an dem Energiequellenabschnitt) parallel geschaltet sind. Der Grund dafür ist, dass es der oben beschriebene Aufbau ermöglicht, das Erfordernis zur Berücksichtigung eines Einflusses einer wechselseitigen Induktivität zwischen der Induktionsheizspule 132a und der Induktionsheizspule 132b, die parallel geschaltet sind, zu eliminieren.
• Ferner sind Wicklungsrichtungen der jeweiligen Induktionsheizspulen 132a, 132b an den Magnetpolen 141a, 141b des Kerns 140 so gesetzt, dass der von beiden erzeugte Magnetfluss jeweils eine additive Polarität aufweist. In einem Fall des oben beschriebenen Aufbaus ist der Magnetfluss an dem von den gestrichelten Linien a bis c dargestellten Ort zu erzeugen. Entsprechend wird es im Vergleich zu dem von einer Induktionsheizspule erzeugten Magnetfluss möglich, die mittlere Seite der Suszeptoren 152 zu erwärmen.
• Hierbei kann bei den zwei Induktionsheizspulen 132a, 132b mit einem (nicht dargestellten) Umschalter zwischen einfachem Betrieb und wechselseitigem Betrieb gewählt werden. In einem Fall des oben beschriebenen Aufbaus ist es, da ein Erwärmungsbereich der Suszeptoren 152 entsprechend einer Kombination von zu betreibenden Induktionsheizspulen variiert wird, möglich, eine Temperaturverteilungssteuerung in einer Fläche des Wafers 154 durchzuführen.
• Liste der Bezugszeichen

10

Halbleitersubstrat-Wärmebehandlungsvorrichtung (Wärmebehandlungsvorrichtung)

12

Energiequellenabschnitt

14a-14c

Inverter

16a-16c

Zerhacker

18

Konverter

20

Dreiphasen-Wechselstrom-Energiequelle

22

Zonensteuerungseinrichtung

24

Transformator

26

Resonanzkondensator

28

Schalter

30

Haupt-Heizspule

32, 34

Neben-Heizspule

36, 38

Inverskopplungsspule

40

Kern

50

Bootförmiger Körper

52

Suszeptor

54

Wafer

56

Tragelement

58

Drehtisch

Claims (3)

1. Induktionsheizvorrichtung (10), die umfasst: eine Vielzahl von Induktionsheizspulen (30, 32, 34), die auf einer Außenumfangsseite einer Vielzahl von horizontal angeordneten Suszeptoren (52) angeordnet sind, wobei die Suszeptoren (52) in der vertikalen Richtung gestapelt sind, und wobei die Induktionsheizspulen (30, 32, 34) entlang einer Anordnungsrichtung der Suszeptoren (52) aneinander angrenzend gestapelt sind, wobei Aufnahmeflächen der Suszeptoren (52) für zu erwärmende Gegenstände und eine Wicklungs-Mittelachse parallel zueinander verlaufen, wobei die Wicklungsrichtungen der Vielzahl von Induktionsheizspulen (30, 32, 34) gleich sind; eine Vielzahl von Invertern (14a, 14b, 14c), die so geschaltet sind, dass die Richtungen der Ströme, die den Induktionsheizspulen (30, 32, 34) zugeführt werden, gleich sind; und eine Zonensteuerungseinrichtung (22), die so ausgebildet ist, dass sie für die über die Vielzahl von Invertern (14a, 14b, 14c) zugeführten Ströme die Stromphasen synchronisiert und die Frequenzen des Stroms angleicht, und die ausgebildet ist, eine der Vielzahl von aneinander angrenzend angeordneten Induktionsheizspulen (30, 32, 34) zugeführte Energie separat zu steuern; wobei die Vielzahl von Induktionsheizspulen (30, 32, 34) umfasst: mindestens eine Haupt-Heizspule (30) und eine damit gepaarte Neben-Heizspule (32, 34), die elektromagnetisch mit der Haupt-Heizspule (30) gekoppelt ist; wobei die Induktionsheizvorrichtung (10) ferner eine Inverskopplungsspule (36, 38) umfasst, die mit der Haupt-Heizspule (30) in Serie verbunden ist; einen Haupt-Heizspulen-Kern (40), um den die Haupt-Heizspule (30) gewickelt ist; und einen Neben-Heizspulen-Kern, der ein den Suszeptoren (52) zugewandtes vorderes Ende und ein in Bezug auf die Suszeptoren (52) dahinter liegendes hinteres Ende umfasst, wobei die Neben-Heizspule (32, 34) um das vordere Ende gewickelt ist und die Inverskopplungsspule (36, 38) mit umgekehrter Wicklungsrichtung um das hintere Ende des Neben-Heizspulen-Kerns gewickelt ist.
2. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Inverskopplungsspule (36, 38) so konfiguriert ist, dass sie eine Beziehung einer additiven Polarität zu der um das obere Ende des Neben-Heizspulen-Kerns gewickelten Neben-Heizspule (32, 34) aufweist.
3. Induktionsheizverfahren zum Durchführen einer Induktionserwärmung an einem zu erwärmenden Gegenstand mit Hilfe einer Induktionsheizvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Induktionsheizverfahren umfasst: Zuführen von Strom an aneinander angrenzende Induktionsheizspulen (30, 32, 34), so, dass der Strom synchronisierte Phasen und angeglichene Frequenzen und Richtungen aufweist; und separates Steuern einer jeden der Vielzahl von Induktionsheizspulen (30, 32, 34) zuzuführenden Energie.

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