JP2005299990A

JP2005299990A - 高温加熱装置

Info

Publication number: JP2005299990A
Application number: JP2004115233A
Authority: JP
Inventors: Harumasa Ito; 春正伊藤
Original assignee: Dai Ichi Kiden Co Ltd
Current assignee: Dai Ichi Kiden Co Ltd
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】反応室に配置されるウェーハ基板のような被加熱処理物を高温にて加熱処理するための高温加熱装置に関する。
【解決手段】基板台３３に載置した被加熱処理物を高温で加熱処理する気密状態の反応室１３が形成される加熱部１１を有する高温加熱装置において、加熱部１１の被加熱処理物挿入側に気密状態にすることのできる冷却部３１が設けられると共に、冷却部３１と加熱部１１との間に冷却部３１と加熱部１１とを気密状態に仕切る気密用シャッター５２と断熱用シャッター５３とを設け、反応室１３で被加熱処理物を加熱処理するときは両シャッター５２，５３を開いて基板台３３を反応室に移動せしめ、加熱処理後に反応室１３から被加熱処理物を冷却部３１に移動させて両シャッター５２，５３を閉じ、冷却部３１内の被加熱処理物を冷却するようにして、加熱部の反応室の温度を略一定の高温に維持させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波誘導加熱方法又は抵抗加熱方法により反応室に配置されるウェーハ基板のような被加熱処理物を高温にて加熱処理するための高温加熱装置に関するものである。

従来の高周波誘導加熱方法による高温加熱装置は、石英管の内部に黒鉛フェルト製の保温材により反応室を形成すると共に、石英管の外側に螺旋状のコイルを配置し、反応室に黒鉛による基板台（サセプタ）にウェーハ基板のような被加熱処理物を載置して駆動装置により反応室に下方から挿入配置して、前記コイルに高周波電流を通電することにより基板台を高温に加熱して被加熱処理物を処理するものである。

この場合の加熱処理工程は、反応室に被加熱処理物を配置し、反応室を含む加熱部を密閉した後、当該加熱部を真空状態にし、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスをその反応室を含む加熱部に供給し、前述のコイルへの通電による高周波誘導加熱方法によって、ウェーハ基板などの被加熱処理物を加熱処理し、その後被加熱処理物を駆動装置により下降せしめて取り出すものである。
従って、従来の加熱処理工程は、（１）反応室内に被加熱処理物を配置する工程と、
（２）加熱部を真空にした後、不活性ガスを供給する工程と、（３）加熱用コイルに高周波電流を通電して反応室内を高温にする工程、（４）被加熱処理物を加熱する工程、（５）被加熱処理物の加熱処理後に冷却する工程などを要するため、１回の加熱処理工程に可成りの時間が掛かることになり、加熱処理の時間短縮による作業効率の改善が求められていた。

このようなことから、前述の加熱処理工程における被加熱処理物を複数にして、１回の加熱処理数量を多くすることにより、効率化を図る高温加熱装置も提案されている。（例えば特許文献１）
なお、高温加熱手段として抵抗加熱方法を用いて行う電気炉も提案されている。（例えば特許文献２）
特開２００３−１００６４３号公報特許第３４８４３８７号公報

しかしながら、被加熱処理物を１個（枚）単位で加熱処理を行った場合は、加熱処理品質は一定のレベルに維持できるが、加熱部を高温になるまでの加熱時間、被加熱処理物を加熱処理する時間、加熱部を冷却部に変えて被加熱処理物を冷却する時間など、加熱処理に長時間を要するという問題がある。また、前述したように被加熱処理物を一度に複数個をまとめて加熱処理を行う場合は、被加熱処理物１個当りの処理時間の短縮は可能であるが，加熱処理の配置位置に広がりがあるため、加熱処理品質を均一にすることが困難であると言う問題がある。

本発明による高温加熱装置は、基板台に載置した被加熱処理物を高温で加熱処理する気密状態の反応室が形成される加熱部を有する高温加熱装置において、前記加熱部の前記被加熱処理物挿入側に気密状態にすることのできる冷却部が設けられると共に、該冷却部と前記加熱部との間に前記冷却部と加熱部とを気密状態に仕切る気密用シャッターと前記反応室の輻射熱から該気密用シャッターを保護するための断熱用シャッターとを設け、前記反応室で前記被加熱処理物を加熱処理するときは前記両シャッターを開いて前記基板台を反応室に移動せしめ、当該加熱処理後に前記反応室から前記被加熱処理物を前記冷却部に移動させた後前記両シャッターを閉じ、前記冷却部内で前記被加熱処理物を冷却するようにして、前記加熱部の前記反応室の温度を略一定の高温に維持するように構成したことを特徴とするものである。

本発明は、前述した構成を採ることによって、次のような作用効果を奏するものである。(1) 被加熱処理物を１個単位での加熱処理を行うことにより加熱処理品質を一定レベル以上に維持することを可能にしながら、被加熱処理物の実質的な加熱時間と冷却時間とを大幅に短縮することによって、加熱処理を効率的に行い得るようにしたものである。(2) 加熱処理を行う反応室の温度を継続的に維持するようにしているため、加熱用コイルへの高周波電流の供給電力量（消費量）を格段に減少せしめることができる。

図１は本発明による高温加熱装置の要部の構成を示す正面図であり、被加熱処理物を載置する基板台は、冷却部に位置している状態を示している。図１において、１１は加熱部であり、円筒状の石英管１２の内部にカーボン等により囲まれた反応室１３が形成され、この反応室１３に対応する石英管１２の外周部には、加熱用コイル１４が螺旋状に巻回されている。なお、加熱用コイル１４に高周波電流を供給する電源と、加熱用コイル１４の上下方向への移動を制御する制御機構は、図示を省略してある。
３１は冷却部であり、例えば円筒状の二重に形成されたステンレス管３２内に、ウェーハ基板のような被加熱処理物を載置する基板台３３が支持部組立３４によって支持されている。この冷却部３１の正面には、被加熱処理物の出し入れ作業を行うための扉を有する開口部３５が設けられている。なお、図１は扉を除去した状態を示している。

５１は加熱部１１と冷却部３１との間に設けられたシャッター部であり、加熱部１１と冷却部３１の両者間を気密状態で仕切るための気密用シャッター５２と、加熱部１１に設けられた反応室１３の輻射熱を遮断して、気密用シャッター５２に悪影響を及ぼさないようにするための断熱用シャッター５３が設けられている。なお、５４は気密用シャッター５２の駆動部であり、５５は断熱用シャッター５３の駆動部である。この気密用シャッター５２及び断熱用シャッター５３は、円筒状連結部材５６に固定されているものである。

７１は基板台３３を支持する支持部組立３４を昇降せしめる駆動部であり、支持部組立３４を支持する支持パイプ７２と、この支持パイプ７２を昇降動作せしめる外周面に螺旋状溝（雄ねじ）が形成された駆動軸７３と、一端は支持パイプ７２に固定され他端には駆動軸７３の螺旋状溝（雄ねじ）に螺合する雌ねじが形成された連結部材７４と、この連結部材７４が駆動軸７３の回転に伴ってスムーズに昇降動作を行い得るように、連結部材７４に設けられたガイド孔７５，７６に係合する２本のガイド軸７７，７８とが設けられている。従って、駆動軸７３を図示していないモータにより正回転又は逆回転させることにより、連結部材７４を介して支持パイプ７２を昇降動作させることができる。

なお、駆動軸７３、ガイド軸７７，７８は、下部フレーム９１に設けられた下部軸受台７９、及び冷却部３１などを支持固定する上部フレーム９２に設けられた上部軸受部８０により保持されている。また、加熱部１１の上方に反応室１３の上部の加熱温度を検出する放射温度計が設置されるものであり、更に支持パイプ７２の中空部を通して基板台３３の下部の加熱温度を検出する放射温度計が配置されるものであるが、その上下に配置される放射温度計の図示をそれぞれ省略してある。

次に、本発明の高温加熱装置の要部を示した図１における、加熱部１１，冷却部３１の構造の詳細を図２及び図３にもとづき説明する。図２は、被加熱処理物を載置する基板台３３と、この基板台３３を支持する支持部組立３４が冷却部に位置しており、加熱部１１と冷却部との間を気密用シャッター５２と断熱用シャッター５３とにより閉じて、遮断してある状態を示している。図３は基板台３３が支持部組立３４と共に反応室１３内に位置するように支持パイプ７２を上昇させた状態を示しており、気密用シャッター５２と断熱用シャッター５３を開いて両者間を開放している状態を示している。

加熱部１１は、石英管１２の内部にカーボンフェルトなどによる円筒状の断熱材１５が設けられ、その上部に中央に観測孔１６を有する円盤状の断熱材１７が設けられている。この断熱材１５，１７の内側には、カーボンにより形成された天板を有する円筒状の加熱部材１８が装着され、その内側が反応室１３として形成される。前述の断熱材１５は、石英管１２の下部に連結されるフランジ１９を有する連結管２０の上面に固定されている。なお、この連結管２０は、ステンレスによる二重管として形成され、その二重管内部に冷却用の水を流すための注入部２１と注出部２２とが設けられている。

冷却部３１は、二重管に形成された円筒状のステンレス管３２により形成され、二重管内部に冷却用の水を流すための注入部４４と注出部４５とが設けられている。また、冷却部３１の被加熱処理物の出し入れ作業を行うための開口部３５の扉は、図４に示す冷却部３１の扉部分の側面断面図から明らかなように、ステンレス管３２の前面を若干突出させて、その部分に気密性を保持できるように扉４６が設けられる。なお、この扉４６は、内部が見えるように部分的に又は全面が透明板にしてあると都合がよい。なお、図４は基板台３３及び支持部組立３４が、支持パイプ７２によって加熱部１１に上昇させている状態を示している。

ステンレス管３２の内部には、被加熱処理物を載置する基板台３３と、これを支持する支持部組立３４が、支持パイプ７２の上端に結合されている。支持部組立３４は、４本の支持体３５と、鍔部３６を有するカーボンからなる円筒状の上部台柱３７と、この上部台柱３７の鍔部３６に固着され各支持体３５の上部の適宜箇所を保持する円盤状のカーボンフェルトからなる下部断熱材３８と、上端部が上部台柱３７の下部内孔部に嵌入され、下端にフランジ部３９を有するアルミナからなる円筒状の下部台柱４０とから構成されている。この下部台柱４０のフランジ部３９は、４本の支持体３５の下部を保持すると共に、支持パイプ７２の上端部に固定された台座４１に結合されている。また、台座４１には、４本の支持体３５の下端部を保持・固定している。

前述した４本の支持体３５は、それぞれアルミナ管４２にカーボンのチューブ４３を被せて形成してある。この４本の支持体３５の上に載置してある基板台３３は図５（ａ）（ｂ）（ｃ）の上面斜視図，底面斜視図，側面断面図に示すように、上面及び下面共に周縁部が凸状の縁取りが成されており、上面にウェーハ基板などの被加熱処理物が載置し易いようにしてあり、基板台３３が４本の支持体３５から外れないで載置できるようにしてある。また、基板台３３の下面は、周縁部の縁取部から中心部に対して傾斜を設け、中心部を薄くなるように形成してある。これは、基板台３３に載置される被加熱処理物に対する加熱が均一にするための形状として極めて有効である。

冷却部３１の底面を構成する駆動部７１の上部フレーム９２には、支持パイプ７２を通す挿通孔９３が設けられているが、冷却部３１の気密性を確保するために、挿通孔９３の支持パイプ７２との接触部には、テフロン（登録商標）などのパッキン部材９４やＯリング９５などが設けられている。
前述した加熱部１１と冷却部３１は、それぞれ密閉構造に形成されているものであり、内部を真空状態にするための真空装置の接続部と、不活性ガスの供給部と、それらの排気部とが加熱部１１及び冷却部３１にそれぞれ設けられている。

加熱部１１と冷却部３１との間に設けられた気密用シャッター５２は、加熱部１１と冷却部３１との気密状態を必要に応じて個別に行い得るようにするためのものである。即ち、反応室１３を高温に加熱する場合は、通常、気密用シャッター５２を閉じて、加熱部１３を真空状態にして不活性ガスを供給した後、加熱用コイル１４に電流を流して加熱する。この気密用シャッター５２が閉じられている状態では、冷却部３１の扉４６を開けて、下降している基板台３３に被加熱処理物を載置又は取り出す作業を行うことができる。また、基板台３３を反応室１３に上昇移動させる場合は、冷却部３１を密閉状態にした後、真空状態にして不活性ガスを供給した状態、即ち、加熱部１１内とほぼ同じ状態にした後気密用シャッター５２を開いて基板台３３を支持部組立３４と共に上昇させる。

加熱部１１の反応室１３は、例えば２７００℃の高温に加熱した後は、この温度を維持するように加熱用コイル１４に高周波電流を通電する。被加熱処理物の加熱処理を終了して、基板台３３を支持部組立３４と共に冷却部３１に下降させた後に、気密用シャッター５２を閉じて、冷却部３１に例えば冷却用ガスを供給し被加熱処理物を冷却する。冷却後に冷却用ガスを排気した後被加熱処理物を取り出す。ここで使用されている気密用シャッター５２は、従来から使用されているステンレスなどによる円盤状のものであって、その開閉の移動動作は、シリンダーなどの駆動部（機構）５４により行う。気密用シャッター５２閉じた状態では、その周縁部が図示していないパッキンを有する溝部に気密状態を保持するように挿入されるものである。

気密用シャッター５２の上方に設けられている断熱用シャッター５３は、気密用シャッター５２が閉じている状態において、その構成部品の、例えばＯリングなどを反応室１３から放射される輻射熱から防護するためのものである。この防護は、反応室１３の温度を常に高温状態に維持しておくために、必要とするものである。
断熱用シャッター５３の一例を図６（ａ）（ｂ）（ｃ）の上面図，側面図，一部部品図に示す。図６において５７は中央部に開口部５８を有するシャッターケース、５９はカーボンフェルトなどの断熱材であり、ステンレスなどの保持板６０の上に固着されてシャッター板を形成している。６１はＵ字状に形成された水冷用の通水管であり、そのＵ字状形成部に保持板６０がろう付けなどにより固定されており、水冷シャッターとして機能するものである。

６２はシャッターケース５７を連結部材５６に固定する固定部材、６３は断熱材５９などを通水管６１と共に移動動作せしめるシリンダー組立，６４は通水管６１が固定された駆動ブロック、６５は固定ブロック６４とシリンダー組立６３とを連結する連結バーであり、シリンダーの駆動動作に連動して水冷シャッターを駆動するものである。６６はシャッターケース５７のシャッター駆動側の開口部を塞ぐケース蓋、６７は通水管６１への注入部、６８は通水管６１の注出部である。なお、断熱用シャッター５３に設けてある断熱材５９にカーボンフェルトを例示してあるが、反応室１３の温度が低い場合は、ステンレス板などを用いるようにしてもよい。また、通水管６１は前述した通り、管状体をＵ字状に形成して設けてあるが、保持板６０の下面に半円状或いは円形状の冷却ブロック（例えば冷却水を流すもの）として形成するようにしてもよい。

次に、本発明の高温加熱装置における加熱と冷却の動作について図１及び図２により説明する。先ず、図１に示すように気密用シャッター５２と断熱用シャッター５３とにより加熱部１１と冷却部３１との間を密閉状態で仕切り、加熱部１１を真空状態とした後不活性ガスを供給し、加熱用コイル１４に高周波電流を供給して加熱部１１の反応室１３を高温に加熱する。この動作と平行して、又は別個に冷却部３１に位置している基板台３３上に被加熱処理物を載置し、扉４６を閉めて密閉状態とする。その後冷却部３１内を真空状態とし、その内部に不活性ガスをを供給する。

加熱部１１の反応室１３の温度が所定の温度、例えば２７００℃に上昇したことを確認されたら、気密用シャッター５２と断熱用シャッター５３とを同時に又は気密用シャッター５２を断熱用シャッター５３より若干早く開き、被過熱処理物の加熱の準備をする。
この状態で、基板台３３の駆動部７１を動作させ、被過熱処理物が載置されている基板台３３を支持部組立３４と共に上昇せしめ、基板台３３を反応室１３内に位置させ被過熱処理物の過熱処理を行う。所定の加熱処理時間の経過後、基板台３３を支持部組立３４と共に下降せしめ、所定の位置に下降した状態で、気密用シャッター５２と断熱用シャッター５３とを同時に又は気密用シャッター５２を断熱用シャッター５３より若干遅く閉じる。

前述の両シャッター５２，５３を閉じた後、必要に応じ冷却部３１に冷却用ガスを供給して被過熱処理物を冷却し、冷却後に冷却用ガスを排気する。その後、冷却部３１の扉４６を開けて被過熱処理物を取り出す。基板台３３には次に加熱処理を行う被過熱処理物を載置して、扉４６を閉めて密閉状態にした後真空状態にして不活性ガスを供給する。この状態で気密用シャッター５２と断熱用シャッター５３とを開き、前述したと同様に基板台３３を支持部組立３４と共に上昇させ、被過熱処理物の過熱処理する一連の操作を繰り返す。この間、加熱部１３の加熱用コイル１４には高周波電流を流して、反応室１３内の温度を所定の温度に維持する。そのため、高周波電流の電力供給量を大幅に減少させることができる。

前述の実施例は、高周波誘導加熱による高温加熱装置について説明したが、被過熱処理物を抵抗加熱電源により行う高温加熱装置にも適用することができる。また、この実施例は、加熱部と冷却部との位置関係を縦方向に設けてあるが、加熱部と冷却部とを横方向（水平方向）に設けるように構成することもできる。

本発明は、ウェーハ基板のような被加熱処理物のほか、高温で加熱処理を行う様々な被加熱処理物の高温加熱装置に適用することができる。

本発明に係る高温加熱装置の主要な部分の構成を模式図として示す正面図である。本発明に係る高温加熱装置の主要部分であって、被加熱処理物への加熱準備状態を示す正面断面図である。本発明に係る高温加熱装置の主要部分であって、被加熱処理物への加熱状態を示す正面断面図である。本発明に係る高温加熱装置の冷却部の蓋の設置状態を示す部分側面図である。本発明に係る高温加熱装置に用いる基板台の一例を説明する上面斜視図、下面斜視図及び側面断面図である。本発明に係る高温加熱装置に用いる断熱用シャッターを説明するための上面図及び側面図である。

符号の説明

１１加熱部
１２石英管
１３反応室
１４加熱用コイル
１５，１７，５９断熱材
１６観測孔
１８加熱部材
１９連結管のフランジ
２０連結管
２１，４４，６７冷却水の注入部
２２，４５，６８冷却水の注出部
３１冷却部
３２ステンレス管
３３基板台
３４支持部組立
３５支持体
３６鍔部
３７上部台柱
３８下部断熱材
３９フランジ部
４０下部台柱
４１台座
４２アルミナ管
４３カーボンのチューブ
４６扉
５１シャッター部
５２気密用シャッター
５３断熱用シャッター
５４，５５シリンダーの駆動部
５６連結
５７シャッターケース
５８開口部
６０保持板
６１通水管
６２固定部材
６３シリンダー組立
６４駆動ブロック
６５連結バー
６６ケース蓋
７１基板盤台の駆動部
７２支持パイプ
７３駆動軸
７４連結部材
７５，７６ガイド孔
７７，７８ガイド軸
７９下部軸受台
８０上部軸受台
９１下部フレーム
９２上部フレーム

Claims

基板台に載置した被加熱処理物を高温で加熱処理する気密状態の反応室が形成される加熱部を有する高温加熱装置において、
前記加熱部の前記被加熱処理物挿入側に気密状態にすることのできる冷却部が設けられると共に、該冷却部と前記加熱部との間に前記冷却部と加熱部とを気密状態に仕切る気密用シャッターと前記反応室の輻射熱から該気密用シャッターを保護するための断熱用シャッターとを設け、前記反応室で前記被加熱処理物を加熱処理するときは前記両シャッターを開いて前記基板台を反応室に移動せしめ、当該加熱処理後に前記反応室から前記被加熱処理物を前記冷却部に移動させた後前記両シャッターを閉じ、前記冷却部内で前記被加熱処理物を冷却するようにして、前記加熱部の前記反応室の温度を略一定の高温に維持するように構成したことを特徴とする高温加熱装置。
前記反応室に前記基板台が配置された状態において、基板台の上部及び下部に前記被加熱部材と同等の部材が配置されて、前記反応室の温度を一定に保つように構成した請求項１に記載の高温加熱装置。
前記基板台の厚さを裏面の周辺から中心に向かって薄くなるように傾斜をつけて形成した請求項１又は２に記載の高温加熱装置。