JP2005025983A

JP2005025983A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2005025983A
Application number: JP2003187858A
Authority: JP
Inventors: Chikahide Fujiyama; 周秀藤山; Kazuhiro Ozaki; 一博尾崎; Naoki Uchida; 直喜内田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】複雑な装置構造を採用することなく、誘導加熱される加熱体の表面温度のばらつきを抑制することで加熱対象物の加熱ムラを緩和することができる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】本発明の誘導加熱装置１１に用いられる誘導加熱コイル１５は、高周波電流が供給される複数の一対の端子部１７ａ、１７ｂを有している。そして、これら複数の端子部１７ａ、１７ｂを非直線状に配するか、面内全体に分散させて配するようにした。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体や液晶分野において、半導体ウエハや液晶パネル用ガラス基板等の熱処理に際し、加熱手段として誘導加熱方式を採用した誘導加熱装置を用いている（例えば、特許文献１参照）。この誘導加熱装置は、ハロゲンランプを熱源に用いるランプ加熱装置などに比べ、高効率で高速昇温が可能であるという利点を有している。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２６２８３９４号公報（第１頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような誘導加熱装置には、導体を一平面上（または一曲面上）において同心円状または渦巻状に配置された誘導加熱コイルを用いるタイプや、筒状の加熱体の外周側に導体を巻回した誘導加熱コイルを用いるタイプがあるが、前者の誘導加熱コイルは、例えば、図８に示すように、複数の導体１が一平面上（または一曲面上）において同心円状に配置された構成をしており、それぞれの導体１には高周波電流が供給される一対の端子部２ａ、２ｂが形成されている。そして、各端子部２ａ、２ｂには、高周波電流と水とを供給するための一対の電力供給管３ａ、３ｂが接続されている。
【０００５】
しかしながら、各電力供給管３ａ、３ｂは誘導加熱コイルの垂直方向から接続されているため、各接続部において電流が垂直に曲がることになり、各接続部近傍で局所的に磁場の乱れが発生するという問題がある。このように磁場が乱れると、誘導加熱コイルにより誘導加熱される加熱体の表面温度にばらつきが発生し、加熱体の輻射熱で加熱される加熱対象物に加熱ムラが発生する。特に、このような現象は、電力供給管３ａ、３ｂが垂直方向から接続された端子部２ａ、２ｂを一直線状に並べて配置すると（図８参照）、顕著に見られる。
一方、加熱体の表面温度のばらつきに伴う加熱対象物の加熱ムラを抑制するためには、加熱対象物を回転させる機構を設置すればよいが、このような回転機構を設置するのは装置が複雑となり、またコストが高くつくという新たな問題が生じる。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、複雑な装置構造を採用することなく、加熱体の表面温度のばらつきを抑制することで加熱対象物の加熱ムラを緩和することができる誘導加熱装置の提供をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の誘導加熱装置は、電力供給路と、前記電力供給路と接続される端子部を複数有する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの片面側に離隔して配置され、その誘導加熱コイルにより誘導加熱される加熱体と、を備えた誘導加熱装置であって、前記誘導加熱コイルの複数の端子部が、非直線状に配されていることを特徴としている。
【０００８】
上記の構成によれば、複数の端子部を一直線上に並ばないようにしたので、各端子部と電力供給路との各接続部における磁場の乱れを分散させることができる。このため、誘導加熱コイルからの磁束が不均一な状態で加熱体を貫通するのが抑えられ、加熱体の表面温度のばらつきが抑制される。よって、加熱体の輻射熱で加熱処理される加熱対象物の加熱ムラを緩和することができる。また、加熱対象物の回転機構が不要であるので、安価で簡単な構造の誘導加熱装置を提供することができる。
ここで、本発明において「非直線状」とは、誘導加熱コイルの複数の端子部を繋いだ線が直線にならないことをいう。よって、各端子部をランダムに位置させる場合や、位相を規則的に変化させて位置させる場合などを含む。
【０００９】
本発明の第２の誘導加熱装置は、電力供給路と、前記電力供給路と接続される端子部を複数有する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの片面側に離隔して配置され、その誘導加熱コイルにより誘導加熱される加熱体と、を備えた誘導加熱装置であって、前記誘導加熱コイルの複数の端子部が、その誘導加熱コイルの面内全体に分散して配されていることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、複数の端子部を誘導加熱コイルの面内全体に分散させるようにしたので、各端子部と電力供給路との各接続部における磁場の乱れを分散させることができる。このため、誘導加熱コイルからの磁束が不均一な状態で加熱体を貫通するのが抑えられ、加熱体の表面温度のばらつきが抑制される。よって、加熱体の輻射熱で加熱処理される加熱対象物の加熱ムラを緩和することができる。また、加熱対象物の回転機構が不要であるので、安価で簡単な構造の誘導加熱装置を提供することができる。
【００１１】
上記第１及び第２の誘導加熱装置において、前記電力供給路が、前記誘導加熱コイルの端子部に、前記誘導加熱コイルの他面側の略垂直方向から接続されている場合には、加熱体の表面温度のばらつきに伴う加熱対象物の加熱ムラの改善効果がより顕著に見られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る枚葉式の誘導加熱装置の構成を示す断面図である。本形態に係る枚葉式の誘導加熱装置１１は、例えば半導体ウエハＷの加熱処理に用いられ、アルミ製のハウジング１２と、このハウジング１２内に配置され半導体ウエハＷが１枚ずつ収容される横型のプロセスチャンバ（処理室）１３と、このプロセスチャンバ１３内に配置された加熱体としての円板状の加熱板１４と、前記プロセスチャンバ１３の外壁面側に配置され一平面上（または一曲面上）において同心円状に配置された誘導加熱コイル１５と、この誘導加熱コイル１５とプロセスチャンバ１３との間に配置された断熱材１６とを備えている。
【００１３】
プロセスチャンバ１３は、耐熱性を有する石英材で形成されたものであり、全体が筒状で、その一端側（図１では左側）に半導体ウエハＷを搬出入するための開口１３ａを有し、他端側（図１では右側）にプロセスガスの導入や脱気等のための小径の通気口１３ｂを有している。なお、図示しないが、開口１３ａや通気口１３ｂには、プロセスチャンバ１３を密閉空間にすべく、蓋体や弁体などが適宜配設される。また、プロセスチャンバ１３内には、加熱板１４や加熱対象物としての半導体ウエハＷを載置できるように、支持部１３ｃ、１３ｄが設けられている。
【００１４】
加熱板１４は、カーボン基体などの熱伝導率及び輻射率が大きい導電性材料により形成されたものであり、加熱対象物である半導体ウエハＷよりも大きい直径を有する円板形状をしている。この加熱板１４は、その中心が誘導加熱コイル１５の中心と略一致した状態で誘導加熱コイル１５の上方に平行に対向配置されており、誘導加熱コイル１５からの磁束（磁力線）が貫通すると渦電流が発生し、この渦電流と加熱体１４自体の電気抵抗とによりジュール熱が生じて発熱するものである。そして、このように発熱した加熱板１４の輻射熱により加熱対象物としての半導体ウエハＷを加熱する。なお、加熱板１４としては、半導体ウエハＷの汚染を防止すべく、炭化珪素（ＳｉＣ）をＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により被覆したものを用いてもよい。
【００１５】
誘導加熱コイル１５は、図２にも示すように、複数（例えば１２本）の導体１７が一平面上（または一曲面上）において同心円状に配置されて構成されている。各導体１７は、それぞれ銅等で形成されたものであり、断面形状が長方形（例えば７ｍｍ×１１ｍｍ）の中空管で、管内に冷却水が流れるよう構成されている。各導体１７には、一対の端子部１７ａ、１７ｂがそれぞれに形成されている。各端子部１７ａ、１７ｂは、誘導加熱コイル１５により形成される平面内（または曲面内）に非直線状、例えば渦巻を描くように面内全体に分散して位置している。
【００１６】
各端子部１７ａ、１７ｂには、図３に示すように、電力供給路としての一対の電力供給管１８ａ、１８ｂが誘導加熱コイル１５の片面側（同図では上面側）の垂直方向から接続されている。これら一対の電力供給管１８ａ、１８ｂは、それぞれの端子部１７ａ、１７ｂ近傍において、略平行に近接配置されている。これにより、電力供給管１８ａ側から発生する磁束と電力供給管１８ｂ側から発生する磁束とが打ち消しあうので、接続部における磁場の乱れを小さくすることができる。ここで、各電力供給管１８ａ、１８ｂは、それぞれ銅等で形成された中空管であり、管内に冷却水が流れるよう構成されている。なお、図示しないが、各電力供給管１８ａ、１８ｂの他端側（端子部との接続部の反対側）は、高周波（３０〜５０ｋＨｚ程度）の交流電源や誘導加熱コイル１５の出力制御部と接続されている。
【００１７】
ここで、本発明者らが行った検証試験について説明する。この検証試験では、各端子部を一直線状に並ぶようにした誘導加熱コイルと、各端子部を非直線状に位置させた誘導加熱コイルとを用いて、円板状の加熱体の表面温度を測定した。
【００１８】
具体的には、まず、１２本の銅製の導体（縦７ｍｍ×横１１ｍｍ）のそれぞれに形成された一対の端子部を一直線に並ぶよう位置させた誘導加熱コイルを準備した（従来例品）。また、１２本の銅製の導体（縦７ｍｍ×横１１ｍｍ）のそれぞれに形成された一対の端子部を渦巻を描くように位置させた誘導加熱コイルを準備した（実施例品、図２参照）。そして、従来例品及び実施例品の誘導加熱コイルを誘導加熱装置に設置し、さらに各誘導加熱コイルの各端子部に一対の銅製の電力供給管をそれぞれ接続するとともに、直径が３５０ｍｍの円板状の加熱板を、その中心が誘導加熱コイルの中心と一致するように配設した。その後、これら誘導加熱装置を用い、図４に示すように、円板状の加熱板１４の４点、具体的にはＡ点（加熱板の中心から９０ｍｍ離れた位置）、Ｂ点（Ａ点から時計回りに９０度ずれた位置）、Ｃ点（Ａ点から時計回りに１８０度ずれた位置）、Ｄ点（Ａ点から時計回りに２７０度ずれた位置）、について電流供給開始から２００秒後の表面温度をそれぞれ測定した。
【００１９】
図５は従来例品の誘導加熱コイルを用いた場合の結果であり、図６は実施例品の誘導加熱コイルを用いた場合の結果である。図５から明らかなように、従来例品の誘導加熱コイルでは、最も表面温度が高いＡ点と、Ａ点から９０度ずれた位置のＢ点やＡ点から２７０度ずれた位置のＤ点（両方の測定位置は一直線に並んだ端子部に対応した位置である）とを比較すると、１０℃以上の温度差があり、加熱板の表面温度に大きなばらつきが生じていることが確認された。一方、図６から明らかなように、実施例品の誘導加熱コイルでは、最も表面温度が高いＤ点と最も表面温度が低いＢ点とを比較すると、５℃以下の温度差であり、加熱板の表面温度のばらつきが抑制されていることが確認された。
【００２０】
上記のように構成された本形態に係る誘導加熱装置１１は、誘導加熱コイル１５を構成する導体１７に形成された複数の一対の端子部１７ａ、１７ｂが渦巻を描くように位置しているので、垂直方向から電力供給管１８ａ、１８ｂが接続された端子部１７ａ、１７ｂ近傍に発生する磁場の乱れを分散させることができる。このため、誘導加熱コイル１５からの磁束が不均一な状態で加熱体１４を貫通するのが抑えられ、加熱体１４の表面温度のばらつきが抑制される。よって、加熱体１４の輻射熱で加熱処理される半導体ウエハＷの加熱ムラを緩和することができる。また、半導体ウエハＷの回転機構が不要であるので、安価で簡単な構造の誘導加熱装置となる。
【００２１】
図７は本発明の第２の実施形態に係る枚葉式の誘導加熱装置に配設される誘導加熱コイルを示す説明図である。本形態に係る誘導加熱装置は、第１の実施形態に比べ、誘導加熱コイル２５の中心側の３つの導体１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃの各一対の端子部１７ａ、１７ｂの位置を代えた点で異なる。具体的には、最も中心側にある導体１７Ａの一対の端子部１７ａ、１７ｂから約１８０度位相をずらして、その導体１７Ａに隣接する導体１７Ｂの端子部１７ａ、１７ｂを位置させ、さらにその導体１７Ｂの端子部１７ａ、１７ｂから約９０度位相をずらして、その導体１７Ｂに隣接する導体１７Ｃの端子部１７ａ、１７ｂを位置させた点で異なる。これは、第１の実施形態において中心側の各端子部１７ａ、１７ｂが近接しており、その部分と対向する加熱板１４の表面温度が若干低くなりやすいので、加熱板１４の表面温度のばらつきをより一層抑制すべく、中心側の３つの端子部１７ａ、１７ｂが近接しないようにしたものである。
【００２２】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、加熱体をプロセスチャンバの外側に配置した構成の誘導加熱装置であってもよい。また、全体が円筒状で軸方向に所定の間隔で配置された誘導加熱コイルの内周面側（片面側）に円筒状の加熱体を配置した構成の誘導加熱装置の場合、高周波電流が供給される各端子部を非直線状に配してもよいし、また各端子部を当該誘導加熱コイルの外周面全体（すなわち３６０度の範囲内）に分散させて配してもよい。また、加熱対象物としては半導体ウエハＷに限らず、例えば、ガラス基板等の絶縁性基板と、その表面に形成された各種の薄膜を含むものでもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の誘導加熱装置によれば、複数の端子部を分散させた誘導加熱コイルを用いるので、複雑な装置構造を採用することなく、加熱体の表面温度のばらつきを抑制することができ、その結果として半導体ウエハなどの加熱対象物の加熱ムラを緩和することができる。したがって、スリップなどの発生が抑制された高品質な半導体ウエハ等を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る誘導加熱装置を示す断面図である。
【図２】誘導加熱コイルの各端子部の位置を説明するための説明図である。
【図３】前記各端子部に電力供給路が接続された状態を示す説明図である。
【図４】加熱体の表面温度を測定した位置を示す平面図である。
【図５】従来の誘導加熱装置を用いた場合の測定結果を示すグラフ図である。
【図６】実施例の誘導加熱装置を用いた場合の測定結果を示すグラフ図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る誘導加熱装置に配設される誘導加熱コイルを示す説明図である。
【図８】従来の誘導加熱コイルに電力供給管を接続した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１１誘導加熱装置
１４加熱板
１５誘導加熱コイル
１７導体
１７ａ、１７ｂ端子部
１８ａ、１８ｂ電力供給管（電力供給路）
Ｗ半導体ウエハ（加熱対象物）

Claims

電力供給路と、前記電力供給路と接続される端子部を複数有する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの片面側に離隔して配置され、その誘導加熱コイルにより誘導加熱される加熱体と、を備えた誘導加熱装置であって、
前記誘導加熱コイルの複数の端子部が、非直線状に配されていることを特徴とする誘導加熱装置。
電力供給路と、前記電力供給路と接続される端子部を複数有する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの片面側に離隔して配置され、その誘導加熱コイルにより誘導加熱される加熱体と、を備えた誘導加熱装置であって、
前記誘導加熱コイルの複数の端子部が、その誘導加熱コイルの面内全体に分散して配されていることを特徴とする誘導加熱装置。
前記電力供給路が、前記誘導加熱コイルの端子部に、その誘導加熱コイルの他面側の略垂直方向から接続されている請求項１または２記載の誘導加熱装置。