JP2007012885A

JP2007012885A - 加熱ユニット

Info

Publication number: JP2007012885A
Application number: JP2005192045A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Mizukawa; 洋一水川; Koji Miyauchi; 浩二宮宇地
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP4935002B2

Abstract

【課題】この発明は、加熱ユニットが配置される装置の向きに関係なく、補強部材への伝熱量を極力小さくした状態で保持体に板状部材を保持し、且つ、該板状部材が自重により変形等する事が少ない該光−熱変換部を配置した加熱ユニットを提供することにある。
【解決手段】光源により光−熱変換部を照射し、この照射された光−熱変換部からの輻射により被加熱物を加熱する加熱ユニットにおいて、前記光−熱変換部は、光透過性を有する保持体と、該保持体上に配置され、前記光源から該保持体を透過した光を吸収して発熱する板状部材と、該保持体に設けられた凹部を該板状部材で覆うことにより、該保持体と該板状部材との間に形成された空隙層とから成り、該板状部材は、該空隙層を減圧することにより該板状部材を保持していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は加熱ユニットに関する。更に詳しくは、ウエハやディスプレイパネル等の基板を加熱処理する光照射式の加熱ユニットの構造に関する。

従来、半導体ウエハを処理するプロセスにおいては、アニール処理や成膜処理、スパッタ処理等の各種の加熱処理が行われている。また、ウエハの処理だけでなく、ディスプレイパネルを製造するためのガラス基板処理プロセスにおいても加熱処理が行われている。このような加熱処理を行う装置の加熱ユニットとしては、シースヒータやセラミックスヒータを加熱手段として使用するものが知られている。その他にも加熱手段として効率良く赤外線を放射するハロゲンランプを使用した光照射式の加熱ユニットがある。

例えば、半導体素子製造工程において、半導体ウエハ上に形成される薄膜の加熱処理にランプ等を熱源に使用することが、特開２００４−３２７６７７号公報に開示されている。該公報によれば、半導体ウエハ上にＣＶＤ等により成膜した後、ランプを熱源にする加熱処理として、４００℃程度に余熱した状態から５０℃／分以上３００℃／分以下の昇温速度で昇温し、６７０℃程度の温度で３分間、該半導体ウエハを加熱処理することが記載されている。

また、ガラス基板を加熱する加熱装置において加熱手段にランプを用いたものとしては、例えば特開平６−２６０４２２号公報に開示されたものが知られている。該公報によれば、ガラス基板上にＣＶＤ成膜をする場合に、該ガラス基板を３００℃〜４００℃迄加熱するために遠赤外線を放射する加熱ランプを用いることで、従来の熱伝導による加熱が２〜３分必要であったのに対して、１分程度で該ガラス基板を昇温できることが記載されている。

このように、加熱手段としてランプを用いた場合には、短時間でウエハやガラス基板の温度を制御できるという利点がある。ここで、ウエハやガラス基板（以下、両者を合わせて被加熱物と呼ぶ。）を加熱するときは、被加熱物表面の温度分布が均一になるように加熱しなければならない。その理由は、成膜処理等を行う場合、温度分布が不均一であると、形成される膜質もそれに応じて不均一となり、不良の原因となるためである。その対策としては、被加熱物と加熱手段（光照射式加熱ユニットの場合はランプ）との間に、均熱板といわれる部材を設けることが一般的に行われている。均熱板は、加熱手段から伝達された熱を均熱板全体に均一な分布となるように伝え、被加熱物を加熱する際に、被加熱物の温度分布を均一にするものである。均熱板としては、熱伝導性の良い金属製やカーボングラファイト製のものが良く知られている。特開平７−１７２９９６号公報には、均熱板としてステンレス板を用いるものが開示されている。

通常、均熱板は、加熱中、外乱の影響を受けにくくするために、熱伝導率が高く、サイズ的にも大きくて厚く、熱容量の大きいものが良い。しかし、光照射式加熱ユニットの場合、均熱板の熱容量を大きくすると、加熱手段であるランプの出力変化に対する均熱板の温度変化の対応時間が長くなり、短時間で被加熱物の温度制御をすることが難しい。そのため、室温の被加熱物が加熱処理のために処理装置に搬入されて加熱される際、なるべく迅速に所望の設定温度にまで上昇させるために、均熱板は熱容量が小さく、ランプの出力変化に応じて短時間に追従して温度が変化するものが望まれる。従って、加熱ユニットに用いられる均熱板としては、被加熱物の温度分布に影響が出ない限り、熱容量の小さいものが望ましいく、一定の材料で均熱板を構成する場合では、該均熱板の体積を小さくすることが必要である。しかし、被加熱物全面を一度に加熱する場合、該均熱板の熱容量を小さくするためには、被加熱物の面積よりも該均熱板の面積を小さくすることはできないので、厚みを薄くする以外に方法はない。

従来から知られている、金属やカーボングラファイト製の均熱板を用いて、例えば、厚さ３ｍｍといった薄い均熱板を製作して使用することが考えられるが、次のような問題が生じる。すなわち、均熱板として金属板を用いた場合は、使用しているうちに反り（変形）が生じる。これは、加熱中、加熱手段（ランプ）側の表面温度が被加熱物側の表面温度よりも高くなりやすいため、熱歪みが生じ、この熱歪みの力に対して厚さが薄いため耐えきれずに起きるものと考えられる。

また、均熱板としてカーボングラファイト製の板を用いる場合は、加工成型後しばらく放置しておくと、長さ３００ｍｍに対して１ｍｍ程度の反り（変形）が生じることがある。これは加工時の残留歪みが解放されて生じるものと考えられる。このように均熱板に反りや変形があると、均熱板と被加熱物との間隔が均一でなくなる。例えば、カーボングラファイト製の板において長さ３００ｍｍに対して１ｍｍ程度の反りが発生する場合、φ３００ｍｍのウエハに対して直径方向の両端で１ｍｍの間隔差を生じることになる。このように、均熱板と被加熱物との間隔が一定でないと、均熱板から被加熱物に伝熱される熱量が場所により異なることとなり、被加熱物を均一な温度分布で加熱することができない。

そこで、特開２００５−１２９３８５号公報には、均熱板に変えて板状伝熱体を供えランプを熱源とした加熱ユニットが開示されており、半導体ウエハの加熱処理において、約１５０℃程度の加熱を１０秒程度で実現すると共に高い均熱度を実現できることが記載されている。

図５に均熱板に変えて板状伝熱体を用いた加熱ユニットの概略構成図を示す。加熱ユニット５５には、光源５１としてハロゲンランプを配置し、該光源５１と被加熱物５６との間に板状伝熱体５４を配置している。該板状伝熱体５４は、石英ガラス等から成る保持体５２と、該保持体５２の被加熱物５６側表面に伝熱層５３をコーティングしている。該伝熱層５３としては、ダイヤモンドライクカーボン、酸化クロム等の金属酸化物、窒化アルミニウムや窒化ボロン等の窒化物、炭化珪素、珪化モリブデン等の耐熱性や熱伝導性に優れ、ランプからの直接光を遮断し均熱化する材料が用いられている。

特開２００４−３２７６７７号公報特開平６−２６０４２２号公報特開平７−１７２９９６号公報特開２００５−１２９３８５号公報

しかしながら、該板状伝熱体の熱容量を極力小さくすると、該板状伝熱体単体では自重等による撓みが発生するといった問題があった。また、該板状伝熱体を補強部材等で機械的強度を補強すれば、熱容量が大きくなり、被加熱物に対して温度制御が困難になり、所望の均熱度を提供できない場合が発生することになる。

また、該板状伝熱体は伝熱層を該保持体上にコーティングしているため、該保持体と該伝熱層の熱膨張差によって、該伝熱層にクラックが生じる等の不具合が発生する場合があった。

そこで、該伝熱層を該保持体上にコーティングするといった該板状伝熱体を用いるのではなく、該伝熱層を構成する材料を薄い別部材（以下、板状部材と称する）とし、該保持体上に配置した光−熱変換部を用いることが考えられる。また、該保持体自身は、厚みを厚くして、補強部材の機能を備え、該保持体から該板状部材へ伝導する熱量を少なくするために、該保持体と該板状部材の接触を極力小さくすることが考えられる。

ところが、装置構成によっては、該加熱ユニットを配置する方向は種々考えられ、該加熱ユニットの上方に被加熱物を配置して使われるとは限らない。つまり、該保持体に対して鉛直方向上面に該板状部材を置くといった配置を取るとは限らない。

該被加熱物が配置される方向によっては、該板状部材が該保持体から落下するといった問題がある。また、該板状部材の端部のみを機械的に保持すれば、該板状部材が自重で変形したり、該板状部材自身の熱膨張によって変形や割れが発生するといった問題がある。

これらの問題点を鑑み、本発明が解決しようとする課題は、加熱ユニットが配置される装置の向きに関係なく、保持体への伝熱量を極力小さくした状態で該保持体に板状部材を保持し、且つ、該板状部材が自重により変形等する事が少ない光−熱変換部を配置した加熱ユニットを提供することにある。また、該光−熱変換部を構成する保持体や板状部材の昇降温に伴う熱膨張差が発生しても、該保持体に対して該板状部材が該板状部材の径方向へ摺動可能とすることで、該光−熱変換部と被加熱物との間の距離を確実に維持できる加熱ユニットを提供することにある。

本発明に記載の加熱ユニットによれば、光源により光−熱変換部を照射し、この照射された光−熱変換部からの輻射により被加熱物を加熱する加熱ユニットにおいて、前記光−熱変換部は、光透過性を有する保持体と、該保持体上に配置され、前記光源から該保持体を透過した光を吸収して発熱する板状部材と、該保持体に設けられた凹部を該板状部材で覆うことにより、該保持体と該板状部材との間に形成された空隙層とから成り、該板状部材は、該空隙層を減圧することにより該板状部材を保持していることを特徴とする。

また、前記空隙層には、該保持体と該板状部材とを接続し、該板状部材の強度を補強する間隙子が設けられていることを特徴とする。

更に、該保持体には、該間隙子の一部を収納する溝部が形成されていることを特徴とする。

また、該間隙子の形状が、球状体であることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の加熱ユニットは、該保持体上に該板状部材を該空隙層を減圧することにより保持しているので、該板状部材の径方向に摺動可能となるよう緩やかに保持することが可能となり、該光−熱変換部を構成する保持体や板状部材の昇降温に伴う熱膨張差が発生しても、該板状部材に応力をかける事無く該熱膨張差を吸収できる。更に、該加熱ユニットの取り付けられる方向に関係なく、該板状部材を確実に保持できるといった利点がある。尚、ここにおいて減圧するとは、該板状部材の表裏面において、被加熱物側の圧力より該空隙層側の圧力を減圧することを意味している。

更に、本発明の請求項２に記載の発明によれば、該空隙層には、該板状部材を補強する間隙子が設けられているので、該空隙層を減圧して保持しても、該板状部材の変形や割れが発生することを抑制できる。

また、本発明の請求項３に記載の発明によれば、前記の構成において、該間隙子が該板状部材や該保持体と独立して設けられている場合に、該間隙子を収納する溝部が該保持体に形成されていることで、該間隙子を設ける位置を適切に分散でき、該板状部材に加わる外力や自重による変形等を確実に防止できるといった利点がある。

また、本発明の請求項４に記載の発明によれば、該間隙子の形状が、球状体であるので、該板状部材が熱膨張等する場合に該球状体自身が回転して該板状部材をその径方向に滑らかに摺動させることができる、といった利点もある。

本発明の加熱ユニットは、光源の光放射方向に設けられた光透過性の保持体と、該保持体の被照射物方向に配置された板状部材と、該保持体と該板状部材との間に設けられた空隙層と、から成り、該板状部材は、該空隙層を減圧することにより該板状部材を保持することにより、該板状部材が該保持体上に緩やかに保持され、該板状部材の径方向への摺動を可能にしたものである。

図１は、第１の実施例であって、本発明における加熱ユニット１の構成を示す概略断面図である。該加熱ユニット１は、光源２と、該光源２から放射される光を透過する保持体３と、該保持体３の被加熱物６側に配置された板状部材４と、該保持体３と該板状部材４との間に形成された空隙層５と、から構成されている。該光源２として、例えばハロゲンランプ等の白熱ランプや、キセノンランプ、セラミックメタルハライドランプ等の放電ランプ等が用いられている。本実施例においては、棒状のハロゲンランプを複数本並列配置しており、図１は該棒状ハロゲンランプのランプ軸に対して直交する面で切断した断面図を示している。また、該保持体３は、石英ガラスを用い、被照射物を配置する位置には空隙層５となる凹部を設けており、図１では略長方形であり、被照射物側からの形状は半導体ウエハに略相似形となる略円形をしている。また、該板状部材４は、光源２から放射され該保持体３を透過した光を吸収して昇温し、ウエハやガラス基板等の該被加熱物６を加熱する。該被加熱物６を加熱する時、光源２の急速な出力変化に追随して該被加熱物６の昇降温が可能となるように、該板状部材４は、熱容量を極力小さくした薄板状の材料が用いられている。該板状部材４は、光源から放射される光のほぼ全波長域に対して高い吸収特性を持つことが望ましく、具体的には、石英ガラスに例えばモリブデン・クロム・カーボン等を含有させた円板状部材から成り、本実施例では外径Φ１００ｍｍとした。また、該板状部材４の熱容量を極力小さくするために、本実施例では該板状部材４の板厚を０．３ｍｍと薄くし、全体として体積を小さくした。また、該板状部材４は、該保持体３と該板状部材４の間に形成された空隙層５の圧力を該板状部材４の該被加熱物６側の面の圧力よりも１００Ｐａ程度減圧することにより、該保持体３上に緩やかに保持され、略円板状の該板状部材４が熱膨張しても、該板状部材４の径方向に摺動できる。該保持体３には、該空隙層５を減圧するために排気管部８が設けられており、概略円板状の該板状部材４の外周部周辺は、該保持体３の保持部分７と接触し、緩やかに保持されている。尚、該板状部材４として本実施例で示した、モリブデン・クロム・カーボン以外の材料としては、窒化アルミニウムや窒化ボロン等の窒化物、炭化珪素、珪化モリブデン等の耐熱性や熱伝導性に優れ、ある程度の機械的強度があり、ランプからの直接光を遮断し均熱化する材料を用いることができる。

このような構成により、該加熱ユニット１の取り付け方向に係わらず、該板状部材４が落下等することが無く、該板状部材４を確実に保持できる。更には、該板状部材４が該光源２から放射される光を吸収して昇温する場合の熱膨張に対して、該板状部材４自身が保持体３に対して該板状部材４の径方向に摺動可能であるため、該板状部材４と該保持体３とが接触している保持部分７に不必要な外力が発生すること無く、該板状部材４の変形や破壊を引き起こすことが無い、といった利点がある。また、該空隙層５内の圧力を適宜調整することにより、該加熱ユニット１の取り付け方向に係わらず、該板状部材４の変形等が抑制でき、該板状部材４と該被加熱物６との間の距離を一定に保つことができる。結果として、該被加熱物６を均一に加熱できるといった効果を持つ。

尚、本実施例では、該保持体３を石英ガラスで構成したが、耐熱性に優れ、該光源２から放射される光を効率よく透過できる材料であれば良く、石英ガラスの他に、硼珪酸ガラス、焼結石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ガラスセラミック、透光性アルミナ、サファイア等の材料が使用できる。

本発明の第２の実施例を図２に示す。図２は、該加熱ユニット１における該保持体２３と、概略円板状の該板状部材２４と、該空隙層２５と、の部分（光−熱変換部とも称する）のみ取り出した概略断面図である。図２−ａ）は、該板状部材２４自身が大面積に対応できるように、間隙子２６が設けられており、該間隙子２６が該板状部材２４と一体的に構成されている。また、該間隙子２６が該保持体２３と接触する先端部である間隙子先端部２７の形状が、滑らかな曲面形状を成している。本実施例のように、該間隙子２６が該空隙層２５中に設けられているので、該板状部材２４が大面積に成っても自重でたわむ等の変形を抑制できる。また、該空隙層２５を減圧することによって該保持体２３に対して緩やかに保持した時、該板状部材２４が該空隙層２５側にたわむ等の変形を抑制でき所望の平面度を確保できる。更に、該板状部材２４が熱膨張等により径方向に摺動する場合でも、該間隙子先端部２７が滑らかな曲面形状になっているので、該板状部材２４が円滑に摺動することができる、といった利点がある。

図２−ｂ）は、間隙子２８が該保持体２２と一体的に構成されている場合を示した概略断面図である。その他の構成は図２−ａ）の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。本構成によれば、図２−ａ）の場合と同様に該板状部材２９の変形を防止することが可能である。更には、該間隙子２８の間隙子先端部３０が曲面形状に形成されているので、該保持体２２に該空隙層を減圧することにより緩やかに保持された該板状部材２９が円滑に摺動することができる、といった図２−ａ）の場合と同様の効果がある。

本発明の第３の実施例を図３に示す。図３−ａ）は、該加熱ユニット１における光−熱変換部の概略断面図であって、板状部材３１と保持体３２と、該板状部材３１と該保持体３２との間に設けられた空隙層３３と、該空隙層３３内に配置された間隙子３４と、から成っている。該間隙子３４は略球形、をしており、該板状部材３１、該保持体３２の各々からは独立している。該保持体３２には、該間隙子３４の一部を格納する溝部３５が設けられている。該溝部３５の大きさとしては、例えば、深さ方向Ｄの長さが該間隙子３４の直径の１／４、幅方向Ｗの長さが該間隙子３４の直径以上である。尚、本実施例においては、該間隙子３４の形状を略球形としたが、該保持体と該板状部材の昇降温に伴う熱膨張差を吸収するために該板状部材の径方向に摺動する場合に摩擦を軽減できる形状であれば良く、略円筒形や楕円体といった種々の形状を取ることができる。

図３−ｂ）は、前記図３−ａ）における該板状部材３１の端部３６近傍の拡大断面図である。該板状部材３１の端部３６は、該保持体３２の収納用段部３７内に配置されている。該収納用段部３７は、該板状部材３１が熱膨張により伸びる長さを考慮して該板状部材３１の直径より大きな径で形成されている。該収納用段部３７の深さ方向の長さｄは、本実施例においては、該板状部材３１の厚みＴと同じ長さに設定されている。また、該板状部材３１の端部３６は、該保持体３２と接触する側の面のエッジ部分３８を角のない曲面形状としている。これにより、該板状部材３１が熱膨張等により摺動する場合でも、該エッジ部３８が曲面形状であるので、抵抗を軽減し円滑に滑らせることができるといった利点がある。更には、該板状部材３１と該保持体３２が接触している面は、鏡面加工されており、該空隙層３３を減圧する場合に該空隙層３３を外部と効果的に遮断し、該空隙層３３にリーク等が発生することを抑制している。更には、該板状部材３１が大きく移動しても該収納用段部３７により該板状部材３１の移動距離が制限され、該空隙層３３が周辺の圧力に曝されることがない。

また、該保持体３２と該板状部材３１と該空隙層３３との境であって、該保持体３２の空隙層側端部３９の形状も曲面形状にしている。これにより、該板状部材３１が熱膨張等により摺動する場合でも該保持体３２の該空隙層側端部３９が曲面形状であるので該板状部材３１と該保持体３２間の抵抗を軽減し円滑に滑らせることができるといった利点がある。更には、該保持体３２には略球状の該間隙子３４を格納できる溝部３５が設けられている。該間隙子３４は、その形状が略球形であり、該保持体３２、及び該板状部材３１からは独立した部材として形成されているため、該板状部材３１が径方向に摺動する際、その摺動方向に併せて回転し、固定された間隙子に比べ抵抗を軽減し、該板状部材３１がより円滑に移動できるといった利点がある。尚、図中の太線で記載された矢印は、該板状部材３１が熱的に膨張収縮した場合の該板状部材３１、及び該間隙子３４の摺動又は回動する方向を示している。

本実施例において、該保持体３２は、石英ガラスで形成した。また、該板状部材３１は、光源から放射される光のほぼ全波長域に対して高い吸収特性を持つことが望ましく、石英ガラスに例えばモリブデン・クロム・カーボン等を含有させた円板状部材で形成し、外径Φ３５０ｍｍとした。また、該板状部材３１の熱容量を極力小さくするために、該板状部材３１の板厚を０．３ｍｍと薄くし、全体として体積を小さくした。更に、該間隙子３４は、該板状部材３１の中心から同心円状に４０ｍｍ間隔で配置した。ここにおいて、該空隙層３３の圧力を該板状部材３１の被加熱物側の圧力よりも約１００Ｐａ程度減圧にすることにより、該板状部材３１を保持している。本実施例においては、該空隙層３１内の圧力を１０００ｈＰａとし、該板状部材３１の被加熱物側の面は、大気圧とした。この状態で、該板状部材３１を２００℃まで昇温した場合、該板状部材３１の撓みは、２０μｍ以下であり、所望の平面度を維持していた。また、該板状部材３１は、熱膨張に対して摺動可能であり、該加熱ユニット１の配置を該板状部材３１が下方となるように配置しても、該板状部材３１が落下することは無かった。本実施例では、該板状部材３１の被加熱物側の面が大気圧としたが、該空隙層３３を減圧する場合、該板状部材３１の表裏面での圧力差が所望の圧力であれば良い。また、該板状部材３１の母材を石英ガラスとしたが、この材料に限定されるものでは無く、各種のガラス材やセラミック材を母材とすることもできる。

図４に、本発明の第４の実施例を示す。図４−ａ）は、該加熱ユニット１において、略球状の該間隙子４４を格納する溝部４３が該板状部材４１に設けられているものである。また、該板状部材４１を保持する保持体４２には、該間隙子４４を格納する溝部は形成されていない。その他の構成は、第３の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。また、図４−ｂ）は、該板状部材４１に該溝部４３が設けられていることに加えて、該保持体４５にも該溝部４６が設けられた場合である。該板状部材４１と該保持体４５との両方に該溝部４３、４６を設けることにより、略球状の該間隙子４４を適切に配置できると伴に、該加熱ユニット１の取り付け方向に係らず該間隙子を一定範囲の位置に保持することができる。

第１の実施例に係る加熱ユニットの構成を示す概略断面図。第２の実施例に係る光−熱変換部部分の拡大断面図。第３の実施例に係る光−熱変換部部分の拡大断面図。第４の実施例に係る光−熱変換部部分の拡大断面図。従来の加熱ユニットに構造を示す概略断面図。

符号の説明

１加熱ユニット
２光源
３保持体
４板状部材
５空隙層
６被加熱物
７保持部分
８排気管部
２２保持体
２３保持体
２４板状部材
２５空隙層
２６間隙子
２７間隙子先端部
２８間隙子
２９板状部材
３０間隙子先端部
３１板状部材
３２保持体
３３空隙層
３４間隙子
３５溝部
３６端部
３７収納用段部
３８エッジ部分
３９空隙層側端部
４１板状部材
４２保持体
４３溝部
４４間隙子
５１光源
５２保持体
５３伝熱層
５４板状伝熱体
５５加熱ユニット
５６被加熱物

Claims

光源により光−熱変換部を照射し、この照射された光−熱変換部からの輻射により被加熱物を加熱する加熱ユニットにおいて、
前記光−熱変換部は、光透過性を有する保持体と、該保持体上に配置され、前記光源から該保持体を透過した光を吸収して発熱する板状部材と、該保持体に設けられた凹部を該板状部材で覆うことにより、該保持体と該板状部材との間に形成された空隙層とから成り、該板状部材は、該空隙層を減圧することにより該板状部材を保持していることを特徴とする加熱ユニット。
前記空隙層には、該保持体と該板状部材とを接続し、該板状部材の変形を抑制する間隙子が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加熱ユニット。
該保持体には、該間隙子の一部を収納する溝部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の加熱ユニット。
該間隙子の形状が、球状体であることを特徴とする請求項２に記載の加熱ユニット。