JP2005276527A - Induction heating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導加熱装置に係り、特に誘導加熱を利用して半導体の熱処理を行うのに好適な誘導加熱装置に関する。 The present invention relates to an induction heating apparatus, and more particularly to an induction heating apparatus suitable for performing heat treatment of a semiconductor using induction heating.
半導体製造分野では、半導体ウェハの大口径化とともに製品の品質向上、コストダウン、スループットの向上等が厳しく要求されてきている。このような現状において、半導体ウェハ(ウェハ)を急速加熱する方法として、ランプ加熱方式や誘導加熱方式を挙げることができる。 In the field of semiconductor manufacturing, there has been a strict demand for increasing the diameter of semiconductor wafers, improving product quality, reducing costs, and improving throughput. Under such circumstances, a lamp heating method and an induction heating method can be cited as a method for rapidly heating a semiconductor wafer (wafer).
ランプ加熱方式は、ウェハを急速加熱することには優れているが、被加熱物を均一に加熱することは困難とされているため、高品質な製品を得ることは難しい。これに対し、誘導加熱方式は、ウェハの急速加熱を可能とし、均一加熱を可能とする技術が開発されたことにより、高品質な製品が得られるようになってきていることは知られている。 The lamp heating method is excellent for rapidly heating a wafer, but it is difficult to uniformly heat an object to be heated, and it is difficult to obtain a high-quality product. On the other hand, it is known that the induction heating method is capable of rapidly heating a wafer, and a technology capable of uniform heating has been developed so that a high-quality product can be obtained. .
例えば特許文献1に示すものもそれである。特許文献1に記載の半導体熱処理装置では、石英によって構成されたチャンバ(反応炉)内にSiC(SiCコートグラファイト)に載置されたシリコン基板を備え、前記SiCを誘導加熱するための誘導加熱コイルを前記チャンバの外部に備えるということを基本構成としている。前述の半導体熱処理装置では、前記SiCは回転機構を有する基板ホルダに保持されており、加熱時に回転を施されるように構成されている。また、前記石英で構成されたチャンバと前記SiCとの間には、アルミナによって構成された反射板が備えられている。
このような誘導加熱を利用した半導体熱処理装置では、技術の進歩と共に、エピタキシャル成長時間の短縮(スループットの向上)を目的としてグラファイト(SiCコートグラファイト)の加熱温度の向上が図られ、従来1000℃程度であった加熱温度は、1200℃若しくはそれ以上の温度への加熱が要求されるようになっている。しかし、上述のように加熱源となるグラファイトの加熱温度が向上すると、輻射熱を受ける石英やその他の部材への影響も出てくる。特に、石英は歪み点が1075℃程度とされており、それ以上の温度への加熱や、それ以上の温度からの急激な冷却は、石英で構成される部材の破損や劣化の原因となってしまう。純粋に溶融された石英は、SiO2を主成分とし、耐熱性、透光性、電気絶縁性に優れ、化学的にも極めて安定しており、反応炉等への適用に適している。このため、反応炉等への使用が不可欠となっている石英がスループットの向上を図ることにより使用できなくなってしまうということが問題となっている。 In such a semiconductor heat treatment apparatus using induction heating, with the advance of technology, the heating temperature of graphite (SiC coated graphite) has been improved for the purpose of shortening the epitaxial growth time (improving throughput). The existing heating temperature is required to be heated to 1200 ° C. or higher. However, when the heating temperature of graphite as a heating source is improved as described above, the influence on quartz and other members that receive radiant heat also appears. In particular, quartz has a strain point of about 1075 ° C., and heating to a higher temperature and rapid cooling from the higher temperature cause damage and deterioration of the quartz member. End up. Purely fused quartz has SiO 2 as a main component, is excellent in heat resistance, translucency, and electrical insulation, is extremely chemically stable, and is suitable for application to a reaction furnace or the like. For this reason, there is a problem that quartz, which is indispensable for use in a reaction furnace or the like, can no longer be used by improving throughput.
本発明では、グラファイト(被加熱物)を高温に加熱した場合であっても、その近傍に配設された石英で構成される部材に影響を与えることなくウェハ(被加熱物)の熱処理を行うことを可能とする誘導加熱装置を提供することを目的とする。 In the present invention, even when the graphite (object to be heated) is heated to a high temperature, the wafer (object to be heated) is heat-treated without affecting the member made of quartz disposed in the vicinity thereof. It is an object of the present invention to provide an induction heating apparatus that enables this.
上記目的を達成するために、本発明に係る誘導加熱装置は、被加熱物を加熱するためのグラファイトと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルとを備えるチャンバ内に、前記グラファイトと前記誘導加熱コイルとを隔てる石英板を有する誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に、厚さ方向に比べ面方向に強い結合を持った異方性を有する物質から成る板を設けることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an induction heating apparatus according to the present invention includes a graphite for heating an object to be heated and an induction heating coil for induction heating of the graphite. An induction heating apparatus having a quartz plate separating an induction heating coil, wherein the graphite plate and the quartz plate are made of a material having anisotropy having a stronger bond in a plane direction than in a thickness direction. It is characterized by providing.
また、上記誘導加熱装置において、前記誘導加熱コイルは、冷却用流体を導通可能な管状構造であると良い。例えば、前記管状構造である前記誘導加熱コイルは、冷却用流体を水とし、コイル自体を銅管とした水冷銅管とすると良い。 In the induction heating apparatus, the induction heating coil may have a tubular structure capable of conducting a cooling fluid. For example, the induction heating coil having the tubular structure may be a water-cooled copper pipe in which the cooling fluid is water and the coil itself is a copper pipe.
さらに、上記のような構成の誘導加熱装置において、前記異方性を有する物質から成る板は、厚さ方向の結合をファンデルワース結合とし、面方向の結合を共有結合とする物質であると良い。 Furthermore, in the induction heating apparatus configured as described above, the plate made of the anisotropy material is a material in which the bond in the thickness direction is a van der Waals bond and the bond in the plane direction is a covalent bond. good.
また、前記異方性を有する物質から成る板は、熱分解窒化硼素(Pyrolytic Boron Nitride:以下PBN)の板であると良い。
また、前記石英板を介して前記グラファイトの温度を計測する放射温度計を備え、前記熱分解窒化硼素の板に透光材料で封止した孔を設けることで、前記放射温度計が前記グラファイトの温度を計測可能に構成すると良い。
Further, the plate made of the anisotropic material may be a pyrolytic boron nitride (hereinafter referred to as PBN) plate.
In addition, a radiation thermometer for measuring the temperature of the graphite through the quartz plate is provided, and a hole sealed with a translucent material is provided in the pyrolytic boron nitride plate, so that the radiation thermometer is made of the graphite. It is good to be able to measure temperature.
上記目的を達成するための誘導加熱装置として、より具体的には、ウェハを加熱するためのグラファイトを有するチャンバと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルを有する加熱手段と、前記チャンバと前記加熱手段とを隔てる石英板とを備えた誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に熱分解窒化硼素の板を設け、当該熱分解窒化硼素の板には、サファイアによって封止された孔が設けられていることを特徴とすると良い。 More specifically, as an induction heating apparatus for achieving the above object, a chamber having graphite for heating a wafer, heating means having an induction heating coil for induction heating the graphite, and the chamber An induction heating apparatus including a quartz plate separating the heating means, wherein a pyrolytic boron nitride plate is provided between the graphite and the quartz plate, and the pyrolytic boron nitride plate is made of sapphire. It is preferable that a sealed hole is provided.
上記構成を有する誘導加熱装置において、チャンバ内に備えられるグラファイトと誘導加熱コイルとを隔てる石英板を有する誘導加熱装置の、前記グラファイトと前記石英板との間に、厚さ方向に比べ面方向に強い結合を持った異方性を有する物質から成る板を設けることを特徴とすることにより、誘導加熱によってグラファイトが加熱され、前記異方性を有する物質から成る板が前記グラファイトからの輻射熱を受けたとしても、熱の伝搬は、厚さ方向には少なく、面方向へ広く伝搬されることとなる。このため、グラファイト及び被加熱物を高温に加熱した場合であっても、石英板が歪点以上に加熱されてしまうことを抑えることができる。 In the induction heating apparatus having the above-described configuration, the induction heating apparatus having a quartz plate separating the graphite and the induction heating coil provided in the chamber has a surface direction between the graphite and the quartz plate that is larger than the thickness direction. By providing a plate made of an anisotropic material having a strong bond, the graphite is heated by induction heating, and the plate made of the anisotropic material receives radiant heat from the graphite. Even so, the propagation of heat is small in the thickness direction and widely propagated in the surface direction. For this reason, even if it is a case where a graphite and a to-be-heated material are heated to high temperature, it can suppress that a quartz plate will be heated more than a strain point.
上記のように、誘導加熱コイルを冷却用流体が導通可能な管状構造とすることにより、誘導加熱コイルの近傍に配備される前記石英板を冷却することができ、石英板が歪点以上に加熱されてしまうことを抑えることができる。また、輻射熱によるコイル自体の過熱も防止することができる。 As described above, when the induction heating coil has a tubular structure through which a cooling fluid can be conducted, the quartz plate disposed in the vicinity of the induction heating coil can be cooled, and the quartz plate is heated above the strain point. Can be suppressed. Further, overheating of the coil itself due to radiant heat can be prevented.
上記異方性物質から成る板の、厚さ方向の結合をファンデルワース結合とし、面方向の結合を共有結合とすることにより、上記効果を得ることができる。
また、前記異方性を有する物質から成る板を、熱分解窒化硼素(Pyrolytic Boron Nitride:以下PBN)の板であるとすることでも上記特徴を効率良く得ることができ、比較的薄板であっても高い効果を得ることができる。
The above effect can be obtained by using Van der Worth bonding as the bond in the thickness direction and covalent bonding as the bonding in the plane direction of the plate made of the anisotropic material.
Further, the above characteristics can be obtained efficiently by using a plate made of the anisotropic material as a pyrolytic boron nitride (hereinafter referred to as PBN) plate, which is a relatively thin plate. High effect can be obtained.
また、前記石英板を介して前記グラファイトの温度を計測する放射温度計を備え、前記熱分解窒化硼素の板に透光材料で封止した孔を設けることで、前記放射温度計が前記グラファイトの温度を計測可能に構成することにより、石英板の過熱防止効果の他、前記グラファイトの温度検出も可能となる。 In addition, a radiation thermometer for measuring the temperature of the graphite through the quartz plate is provided, and a hole sealed with a translucent material is provided in the pyrolytic boron nitride plate, so that the radiation thermometer is made of the graphite. By configuring the temperature to be measurable, the temperature of the graphite can be detected in addition to the effect of preventing the quartz plate from overheating.
また、ウェハを加熱するためのグラファイトを有するチャンバと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルを有する加熱手段と、前記チャンバと前記加熱手段とを隔てる石英板とを備えた誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に熱分解窒化硼素の板を設け、当該熱分解窒化硼素の板には、サファイアによって封止された孔が設けられているようにすることによっても、上記効果を得ることが可能な誘導加熱装置とすることができる。 An induction heating apparatus comprising: a chamber having graphite for heating the wafer; a heating unit having an induction heating coil for induction heating the graphite; and a quartz plate separating the chamber and the heating unit. A pyrolytic boron nitride plate is provided between the graphite and the quartz plate, and the pyrolytic boron nitride plate is provided with a hole sealed with sapphire. The induction heating device can obtain the above effect.
以下、本発明の誘導加熱装置に係る実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1は、本発明の誘導加熱装置に係る実施形態の断面図を示したものである。
本実施形態の誘導加熱装置10は、非導電性材料若しくは非磁性材料から成るケーシング12によって構成されるチャンバ14と、加熱手段16と、前記チャンバ14と加熱手段16とを隔てる石英板18と、前記チャンバ14内に備えられ、前記加熱手段16によって加熱されるグラファイト20と、当該グラファイト20からの輻射熱を遮蔽する熱分解窒化硼素板(PBN板)22とを基本構成とする。前記誘導加熱装置10では、前記チャンバ14内に種基板としてのサファイア等のウェハ(被加熱物)24を載置し、当該ウェハ24上にチャンバ14内に充填される窒化ガリウム(ガリウムナイトライド:GaN)や窒化アルミニウム(AlN)等の反応ガスの成分を堆積させることで、エピタキシャル成長を促す。
Hereinafter, embodiments of the induction heating apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are some embodiments according to the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an embodiment according to the induction heating apparatus of the present invention.
The
前記チャンバ14は円筒形状の容器であり、この容器の上部開口部が石英板18によって封止され、後述する加熱手段16と隔てられた空間を形成する。当該チャンバ14の開口部近傍には、支持部21が形成されており、加熱手段16によって加熱され、チャンバ14内で発熱源となるグラファイト20が保持されている。前記支持部21は、例えば2段形状に構成されており、下段に前記グラファイト20を備え、上段にPBN板22を備えるようにすると良い。PBN板22は、面方向の結合を共有結合とし、厚さ方向の結合をファンデルワース結合とする異方性物質であり、結合力の強い面方向への熱伝導率は高く、結合力の弱い厚さ方向への熱伝導率は低い。このため、PBN板22の下部に備えられたグラファイト20が高温に加熱された場合であっても、PBN板22の上部側に備えられる部材に対する熱の影響を抑えることができる。
The
また、前記グラファイト20の下面側には、エピタキシャル成長用の種基板であって、前記グラファイト20の輻射熱によって加熱されるウェハ24を保持するための、ウェハ保持手段26が備えられている。また、当該ウェハ保持手段26は、前記ウェハ24を均一加熱するために、例えば軸部26aを基点として回転を可能に構成されると良い。なお、前記ウェハ24を急速に加熱させることを望む場合には、加熱補助材として補助グラファイト28を設けて加熱効率を高めるようにすると良い。
また、上記チャンバ14内には、反応ガスを充填したり、チャンバ14の内部空気を抜いたりするためのノズル30が備えられているようにすると良い。
On the lower surface side of the
Further, the
前記加熱手段16は、前記チャンバ14と同径の円筒容器であり、前記チャンバ14と同様に開口部を石英板18によって閉塞されるように構成されている。つまり、石英板18は、チャンバ14と、加熱手段16とによって共有されている。このように構成される加熱手段16では、開口部近傍に、加熱源としての誘導加熱コイル32が備えられており、当該誘導加熱コイル32に電流を流すことにより、前記チャンバ14内のグラファイト20及び補助グラファイト28が加熱される。前記誘導加熱コイル32は、冷却構造を持つもの、例えば内部に冷却用流体を導通可能な管状構造とすると良い。誘導加熱コイル32を前述のような構造とすることにより、近傍に配置される石英板18(図1参照)がグラファイト20等からの輻射熱で加熱された場合に、これを冷却することができ、石英板18が過熱されてしまうことを抑制することができる。誘導加熱コイル32の具体的構造としては、冷却用流体を水とし、コイル自体を管状の銅管とする水冷銅管を挙げることができる。
The heating means 16 is a cylindrical container having the same diameter as the
なお、一般的に誘導加熱コイルを近接配置して使用する場合には、相互誘導の影響により投入する電力の制御が困難となることが考えられるが、これは既知の技術(例えば特開2003−17426号公報)によってグラファイト20および補助グラファイト28の加熱制御を可能にすれば良い。
In general, when the induction heating coils are used in close proximity, it may be difficult to control the power to be input due to the influence of mutual induction. No. 17426), the heating control of the
また、前記加熱手段16には前記グラファイト20の温度を計測するための放射温度計34を設けるようにすると良い。放射温度計は、被測定物の表面から放出される赤外線放射エネルギを赤外線センサによって計測して被測定物の表面温度を測定する。よって、このような場合には少なくとも放射温度計34のセンサ部からグラファイト20の表面が確認できるようにしておく必要がある。PBN板22は不透明材料のため、PBN板22には、図2に示すように、放射温度計34によるグラファイト20の温度検出用の孔36が設けられ、当該孔は、サファイア等の耐熱温度の高い透光材料によって封止するようにしている。また、上記構成の加熱手段16におけるケーシング内の余剰空間は、チャンバ14内の真空引きによる影響を軽減させるために、セラミック等の絶縁素材を充填することによって内部気圧の変化が無いようにすると良い。
The heating means 16 may be provided with a
上記構成の誘導加熱装置10では、チャンバ14内にウェハ24、グラファイト20、PBN板22、及び補助グラファイト28等を備え、開口部を石英板18によって封止する。その後、前記チャンバ14内に備えたノズル30によってチャンバ14内の空気を抜いて真空状態にする。
In the
加熱手段16の誘導加熱コイル32に電流を流し、チャンバ14内のグラファイト20及び補助グラファイト28を誘導加熱によって加熱する。誘導加熱によって加熱されたグラファイト20及び補助グラファイト28は、チャンバ14内の発熱源となり、輻射熱によってウェハ24を加熱する。このとき、前記ウェハ24が均一に加熱されるように、発熱源であるグラファイト20表面の温度分布を放射温度計34によって逐次計測する。グラファイト20の表面温度に設定温度と異なる部分が存在する場合には、誘導加熱コイル32を制御することによって、グラファイト20の温度分布を制御する。また、ウェハ保持手段26を回転させるようにしても良い。
An electric current is passed through the
前記グラファイト20と、前記石英板18との間に備えられたPBN板22は、厚さ方向にファンデルワース結合を有し、面方向に共有結合を有する異方性を有する物質であるため、厚さ方向への熱伝導率が悪く、高温加熱されたグラファイト20からの輻射熱による影響を石英板18へ与えることを抑え、かつ面方向への熱伝導率が良好なため、グラファイト20の均一加熱の補助も成す。
Since the
上記実施形態では、上部を加熱手段16、下部をチャンバ14とする構成とし、両者の境界面に石英板18を備え、前記チャンバ14内に備えた発熱源と前記石英板18との間にPBN板22を備える構成としたが、内部に発熱源を備え、石英によって反応炉を構成し、当該反応炉の外側に誘導加熱コイルを備え、前記発熱源と前記石英によって構成された反応炉との間にPBN板を備えるといったものでも良い。つまり、本発明の誘導加熱装置の構成は、反応炉、若しくは反応炉内に石英を用いており、反応炉内に誘導加熱によって発熱する発熱源を備える誘導加熱装置であれば、様々なものに適用することができるのである。
また、実施形態では、半導体熱処理に言及して記載しているが、本発明に係る誘導加熱装置は、高温加熱を必要とする他の用途への使用も可能である。
In the above-described embodiment, the upper part is the heating means 16 and the lower part is the
Further, although the embodiment is described with reference to the semiconductor heat treatment, the induction heating apparatus according to the present invention can be used for other applications requiring high-temperature heating.
また、実施形態では、誘導加熱コイル32の構造を冷却用流体を水とし、コイル自体を銅管とする水冷銅管として例を挙げたが、本発明の誘導加熱コイル32はこれに限定されるものではない。例えば、冷却用流体は、他の物質から成るジェル状物質であっても良いし、冷却ガスであっても良い。また、冷却用流体を導通するコイル自体は、通電により磁界を発生させる導電性物質から成る管状構造体であれば銅管以外であっても良い。なお、本発明の誘導加熱コイル32は、冷却効果を有しない通常のコイル構造体を含むことは言うまでも無い。
In the embodiment, the structure of the
10………半導体熱処理装置、12………ケーシング、14………チャンバ、16………加熱手段、18………石英板、20………グラファイト、21………支持部、22………熱分解窒化硼素板(PBN板)、24………ウェハ、26………ウェハ保持手段、28………補助グラファイト、30………ノズル、32………誘導加熱コイル、34………放射温度計、36………孔。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
An induction heating apparatus comprising: a chamber having graphite for heating a wafer; heating means having an induction heating coil for inductively heating the graphite; and a quartz plate separating the chamber and the heating means. An induction heating apparatus characterized in that a pyrolytic boron nitride plate is provided between the graphite and the quartz plate, and the pyrolytic boron nitride plate is provided with holes sealed with sapphire. .
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