JP2007220458A - 電子衝撃加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱プレートの加熱時の加熱物支持体の下端部と加熱プレートとの間の温度差により生じる熱応力を緩和し、加熱プレートの加熱と冷却を繰り返しても、加熱物支持体が破断することが無いようにする。
【解決手段】電子衝撃加熱装置は、フィラメント９で発生した熱電子を加速して加熱プレート２に衝突させて加熱プレート２を発熱させる電子衝撃加熱装置であって、加熱プレート２を天壁とする加熱物支持体１が曲面状の周壁１３を有するものである。例えば、加熱物支持体１の周壁１３の曲面が部分球面形を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の加熱物を高温に加熱する加熱装置に関し、特に加速した電子を加熱プレートに衝突させて加熱プレートを発熱させる形式の電子衝撃加熱装置であって、耐熱応力性に優れたものに関する。

半導体ウェハ等の処理プロセスにおいて、その半導体ウェハ等の板状部材を加熱するための加熱手段として、加速した電子を加熱プレートの背後に衝突させて加熱プレートを発熱させる形式の電子衝撃加熱装置が使用されている。この電子衝撃加熱装置では、フィラメントに通電することにより発生した熱電子を高電圧で加速し、この熱電子を加熱プレートの背後に衝突させて、加熱プレートを発熱させる。そしてこの加熱プレートの上に載せた板体を加熱する。

図４は、電子衝撃加熱装置の従来例を示す図である。図４では図示して無いが、ステージ部６の上の部分は真空容器の中にあり、加熱プレート２の部分は真空雰囲気におかれる。
ステージ部６の壁には、冷却液通路７が形成され、この冷却液通路７に水等の冷却液を通すことにより、ステージ部６が冷却される。

このステージ部６の上には、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物を載せる平坦な加熱プレート２を有する耐熱性の加熱物支持体１が設置され、その内部は同加熱物支持体１により、その外側の空間と気密に仕切られる空間を有する。より具体的には、加熱物支持体１は、上面側が加熱プレート２により閉じられ、下面側が開口した円筒形状を有している。加熱物支持体１の下端部は、ステージ部６の上面に当てられて固定されると共に、真空シール材８により気密にシールされている。

このような加熱物支持体１の材質としては、耐熱性を有するシリコン含浸シリコンカーバイトやアルミナ、窒化珪素等のセラミックが使用される。加熱物支持体１がこのようなアルミナや窒化珪素のようなセラミックで絶縁体からなる場合は、その加熱プレート２の内面をメタライズして導体膜を形成し、この導体膜をステージ部６を介して接地する。
ステージ部６には、排気通路４が形成され、この排気通路４に接続された真空ポンプ５により、加熱物支持体１の内部の空間が排気され、真空にされる。

さらに、この加熱物支持体１の内部には、フィラメント９が設置されている。フィラメント９は、加熱物支持体１の加熱プレート２の背後に設けられ、このフィラメント９には、フィラメント加熱電源１０が接続されている。さらに、このフィラメント９と加熱プレート２との間には、加熱物支持体１を介して電子加速電源１１により加速電圧が印加される。なお加熱プレート２は接地され、フィラメント９に対して正電位に保持される。

このような電子衝撃加熱装置では、フィラメント９と加熱プレート２との間に電子加速電源１１により一定の高電圧の加速電圧を印加すると共に、フィラメント加熱電源１０によりフィラメント９に通電すると、フィラメント９から熱電子が放出され、この熱電子が前記加速電圧により加速されて加熱プレート２の下面に衝突する。このため、電子衝撃により加熱プレート２が加熱される。加熱プレート２の温度は熱電対１２により温度測定器１４で測定され、その温度がフィラメント加熱電源１０を制御する制御器１７により制御される。加熱プレート２に生じる熱は、フィラメント９の下方に設けられたリフレクタ３と熱電対１２の周囲に設けられたシールド１６により反射され、出来る限り熱が不要な個所に拡散するのが防止される。

加熱物支持体１は、その下端側がステージ部６の冷却液通路７に通す水等の冷却液により、ステージ部６を介して冷却される。他方、加熱物支持体１の上壁を形成する加熱プレート２は、フィラメント９から放出され、高電圧の電子加速電源１１により加速された電子により衝撃され、加熱される。このため、加熱物支持体１の上壁を形成する加熱プレート２とステージ部６と接する加熱物支持体１の下端部との間には急勾配の温度勾配が形成される。

ところが、加熱物支持体１は、耐熱性を有するシリコン含浸シリコンカーバイトやアルミナ、窒化珪素等のセラミックからなり、熱応力に弱い。そのため、加熱プレート２の加熱を開始すると、加熱物支持体１の上壁を形成する加熱プレート２のみが熱膨張する。これにより、加熱物支持体１が変形し、特に周壁部と加熱プレート２との間の肩部に熱応力が集中する。そしてこのような加熱プレート２の加熱と冷却を繰り返すと、物支持部材１が繰り返し熱応力を受け、次第に疲労して劣化し、破断するという課題があった。

そこでこのような加熱物支持体の温度差により生じる熱応力を緩和し、加熱物支持体が疲労破壊しにくい無い電子衝撃加熱装置として、特開２００４−３５５８７７号公報にへ、加熱物支持体を、単一径の円筒形のものとせず、その中間に少なくとも１段以上の段差を設けたものが提案されている。より具体的には、加熱物支持体の上下部分を異なる径の円筒形の多段の周壁部分により形成し、これらの周壁部分をそれらの径方向に延びるリング状の横壁で連結したものである。これにより、多段の周壁部分とそれらを連結する横壁により、加熱物支持体の加熱プレートとその下端部との間の温度差により生じる熱応力を緩和し、その早期の破損を防止することを図っている。

しかしながら、前記従来の電子衝撃加熱装置では、加熱物支持体の加熱プレートとその下端部との間の温度差により生じる熱応力を緩和する効果はあるものの、多段の周壁部分とそれらを連結する横壁との間に断面上で角部となる個所が出来るため、この部分に応力が集中しやすくなるという課題がある。
特開２００５−０５６５８２号公報 特開２００４−３５５８７７号公報 特開２００３−１７８８６４号公報

本発明では、前記従来の電子衝撃加熱装置における課題に鑑み、加熱物支持体の電子衝撃により加熱される加熱プレートとステージ部を介して冷却される加熱物支持体の下端部との間の温度差により生じる熱応力をより効果的に緩和し、加熱プレートの加熱と冷却を繰り返しても、加熱物支持体が疲労しにくく、長期にわたって破断することが無い電子衝撃加熱装置を提供することを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、天壁として加熱プレート２を有する加熱物支持体１の周壁に段差を設けず、なお且つ熱応力を効果的に分散出来るよう曲面形状を採用した。例えば、加熱物支持体１の周壁１３を球面形状とすることにより、加熱物支持体１の加熱プレート２とその下端部との間の温度差により生じる熱応力を緩和し、その早期の破損を防止するようにしたものである。

すなわち、本発明による電子衝撃加熱装置は、フィラメント９で発生した熱電子を加速して加熱プレート２に衝突させて加熱プレート２を発熱させる電子衝撃加熱装置であって、加熱プレート２を天壁とする加熱物支持体１が曲面形状の周壁１３を有するものである。例えば、加熱物支持体１の周壁１３の曲面が部分球面形を有するものである。

このような本発明による電子衝撃加熱装置は、加熱プレート２を天壁とする加熱物支持体１が曲面形状の周壁１３を有するため、加熱時に加熱物支持体１の加熱プレート２とその下端部との間に温度差が生じても、曲面形状を有する周壁１３において、その曲面に沿って熱応力が緩和される。しかも、周壁１３が曲面形状であるため、特に熱応力が集中する個所が無く、熱応力による破断が生じることが最小限に回避される。従って、加熱と常温への冷却を繰り返しても、加熱物支持体１の全体の熱応力が小さくなり、早期の破損が防止出来る。

以上説明した通り、本発明による電子衝撃加熱装置では、加熱物支持体１の曲面形状を有する周壁１３によりその曲面に沿って熱応力が緩和される。これにより、繰り返して加熱と冷却を繰り返すことにより生じる熱応力による疲労破壊が生じにくくなる。このため、加熱物支持体１の早期の破壊が防止され、より寿命の永い加熱物支持体１を得ることが出来る。

本発明では、加熱プレート２を有する加熱物支持体１の周壁に段差を設けず、なお且つ熱応力を効果的に分散出来るよう曲面形状を採用した。。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は、本発明による電子衝撃加熱装置の一実施形態を示すものであり、図４の従来例と同じ部分は同じ符号で示している。ステージ部６の上の部分は真空容器の中にあり、加熱プレート２の部分は真空雰囲気におかれることは、図４による説明した従来例と同様である。

ステージ部６の壁には、冷却液通路７が形成され、この冷却液通路７に水等の冷却液を通すことにより、ステージ部６が冷却される。
このステージ部６の上には、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物を載せる平坦な加熱プレート２を有する耐熱性の加熱物支持体１が設置され、その内部は同加熱物支持体１により、その外側の空間と気密に仕切られる空間を有する。より具体的には、加熱物支持体１は、上面側が加熱プレート２により閉じられ、下面側が開口した円筒形状を有しており、加熱プレート２の平坦な上面は、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物より広くなっている。加熱物支持体１の下端部にはフランジが設けられ、このフランジ部分がステージ部６の上面に当てられて固定されると共に、真空シール材８により気密にシールされている。

加熱物支持体１はその全体または少なくとも加熱プレート２がシリコン含浸シリコンカーバイトやアルミナ、窒化珪素等のセラミックからなる。加熱物支持体１がセラミックのような絶縁体からなる場合は、その加熱プレート２の内面をメタライズして導体膜を形成し、この導体膜をステージ部６を介して接地する。また、加熱プレート２を形成する材料の中に導体材料を含ませて導電性を持たせることによっても同様の目的を達し得る。

図１に示すように、加熱物支持体１の周壁１３は曲面形状を有する。例えば、図１に示した加熱物支持体１の周壁１３の内外周面は部分球面形である。さらに具体的には、図１に示した加熱物支持体１の周壁１３は、球面の約１／３程度の部分をもって形成されている。この周壁１３の下縁は外側に広がったフランジ状となり、そのフランジ部分がステージ部６の上面に当てられて固定され、真空シール材８により気密にシールされている。他方、この周壁１３の上面側は平面状の加熱プレート２により閉じられている。

ステージ部６には、排気通路４が形成され、この排気通路４に接続された真空ポンプ５により、加熱物支持体１の内部の空間が排気され、真空にされる。
さらに、この加熱物支持体１の内部には、フィラメント９とリフレクタ３が設置されている。

フィラメント９は、加熱物支持体１の加熱プレート２の背後に設けられ、このフィラメント９には、絶縁シール端子を介してフィラメント加熱電源１０が接続されている。このフィラメント加熱電源１０は、フィラメント９側が高圧、電力調整器１７側が低圧になるように絶縁されている。さらに、このフィラメント９と加熱プレート２との間には、加熱物支持体１を介して電子加速電源１１により加速電圧が印加されている。なお加熱プレート２は接地され、フィラメント９に対して正電位に保持される。

リフレクタ３は、加熱物支持体１の加熱プレート２に対しフィラメント９の背後側に設けられている。このリフレクタ３は、金、銀等の反射率の高い金属、またはモリブデン等の融点の高い金属で形成される。リフレクタ３の加熱物支持体１の加熱プレート２に対向した面は、鏡面となっており、輻射熱を反射する。このリフレクタ３は、加熱物支持体１とは電気的に絶縁されるがフィラメント９とは同電位の状態におかれる。このことにより、リフレクタ３には電子が飛来しても反射され、電子衝撃による加熱は起こらない。このようなフィラメント９は、多重に配置することができる。

リフレクタ３の中央部には、円筒状の導体からなるシールド１６が起立しており、このシールド１６とリフレクタ３とは電気的に導通し、同電位となっている。このシールド１６の上端側は加熱物支持体１の加熱プレート２の下面近くに達し、そのシールド１６の上端部から外側にフランジが延設され、このフランジが加熱プレート２の下面と対向している。

前記ステージ部６の中央部から測温素子としてのシース形の熱電対１２が垂直に挿入され、この上端側は前記シールド１６の中に非接触状態で配置される。この熱電対１２の上端は一対の熱電対線を接合した測温点となっており、この接合点が加熱プレート２の下面に接触している。熱電対１２は、ステージ部６から真空チャンバの外側に引き出され、その補償導線が零点補償回路を含む温度測定器１４に接続される。

このような電子衝撃加熱装置では、フィラメント９と加熱プレート２との間に電子加速電源１１により一定の高電圧の加速電圧を印加すると共に、フィラメント加熱電源１０によりフィラメント９に通電すると、フィラメント９から熱電子が放出され、この熱電子が前記加速電圧により加速されて加熱プレート２の下面に衝突する。このため、電子衝撃により加熱プレート２が加熱される。このとき、ステージ部６の冷却液通路７に冷却液が通され、加熱物支持体１が冷却される。

加熱プレート２の温度が、熱電対１２により加熱プレート２の温度を測定しながら昇温し、予め定められた温度に加熱プレート２の温度が達すると、フィラメント９に通電するフィラメント加熱電源１０の電力が下げられ、加熱プレート２の温度が定められた温度に維持される。そして、予め定められた時間が経過すると、フィラメント９への通電が停止され、加熱プレート２の加熱を停止し、ステージ部６の冷却液通路７に通している冷却液により冷却され、加熱プレート２が降温される。

このようにして、加熱プレート２の加熱時に加熱物支持体１の下端部は、ステージ部６の壁に設けられた冷却液通路７に通す冷却水により冷却される。このため、加熱物支持体１の下端部と加熱プレート２との間には大きな温度勾配を生じる。他方、加熱プレート２の加熱前と冷却時は、加熱物支持体１の下端部と加熱プレート２とは共に常温付近にあり、その間に温度勾配は殆ど無い。このように、加熱と降温を繰り返すことにより、加熱物支持体１の下端部と加熱プレート２との間の温度勾配は繰り返し大きな変化を受ける。

このとき、図２に示すように、加熱物支持体１の加熱プレート２、上下の周壁１３が熱膨張し、変形するが、曲面形を有する周壁１３が熱膨張による熱応力を分散する。これにより、繰り返し加熱と冷却を繰り返しても、それにより繰り返し受ける熱応力により早期の破損が起こり難くなる。

図３は、本発明による電子衝撃加熱装置の他の実施形態を示すものであり、図１に示した電子衝撃加熱装置の実施形態と同じ部分は同じ符号で示している。図３に示した電子衝撃加熱装置の実施形態は、図１に示した電子衝撃加熱装置の実施形態と殆どの部分が共通している。そのため、相違している部分のみを説明すると、この図３に示した実施形態では、周壁１３の上半分だけが部分球面形を有する壁からなり、下半分はそれに連なる円筒面を有する壁からなる。

なお、前述した２つの実施形態では、加熱物支持体１の周壁１３が部分球形を有する壁からなっているが、変曲面の無い曲面であれば、楕円球、放物面等、その他の曲面を有する壁であっても差し支えない。

本発明による電子衝撃加熱装置の一実施形態を示す概略縦断面図である。 電子衝撃加熱装置の同実施形態の加熱物支持体の一部を示す要部断面図である。 本発明による電子衝撃加熱装置の他の実施形態を示す概略縦断面図である。 電子衝撃加熱装置の従来例を示す概略縦断面図である。

符号の説明

９ フィラメント
２ 加熱プレート
１ 加熱物支持体
１３ 周壁

Claims (2)

1. フィラメント（９）で発生した熱電子を加速して加熱プレート（２）に衝突させて加熱プレート（２）を発熱させる電子衝撃加熱装置であって、加熱プレート（２）を天壁とする加熱物支持体（１）が曲面状の周壁（１３）を有することを特徴とする電子衝撃加熱装置。
2. 加熱物支持体（１）の周壁（１３）の曲面が部分球面形を有することを特徴とする請求項１に記載の電子衝撃加熱装置。

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