JP2009194066A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空加熱容器内部のフィラメントを固定するベース板に、炭素繊維からなる板体を採用し、高温においてもベース板の熱膨張を抑制し、フィラメントを支持している支柱の歪みを防ぐ。
【解決手段】真空加熱容器１の内部のフィラメント３で発生した熱電子を加速して真空加熱容器１の一面を構成する導電性ヒータ２に衝突させて発熱させる加熱装置において、フィラメント３をフィラメント支柱４により固定するベース板６に、炭素繊維からなる板体を用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、板体を真空中で急速に加熱する加熱装置、特に、半導体素子の製造装置である半導体基板用加熱装置として用いられる加熱装置に関する。

半導体製造技術では、半導体基板を急速に加熱する工程がしばしば必要になる。特に、炭化珪素（ＳｉＣ）に代表されるワイドバンドギャップ半導体の活性化アニールには、２０００℃程度の高温が必要とされている。そこで、フィラメントから熱電子が、フィラメントと真空容器間に印加された加速電圧により引き出され、ヒータに衝突させることで発熱させる電子衝撃加熱による加熱装置が知られている（下記特許文献１、２及び３参照）。

以下、図面を参照して説明する。

図２は、従来の基板処理装置の全体を示す図であり、図３は、従来の同基板処理装置における電子衝撃加熱による基板加熱容器の構造を示す図である。なお、図３は、図２と比較して基板加熱容器１０３を上下逆にして拡大して示したものである。

図２において、基板処理装置１０１は、真空室１０２内に真空加熱容器１０３があり、真空加熱容器１０３には、中間ベース板１３６の下方に、熱反射板１３５、タングステン・レニウム製のフィラメント１３２、導電性ヒータ１３１を備える。真空室１０２は、水冷用流路１０９を備える。

導電性ヒータ１３１は、真空加熱容器１０３の下部に位置固定的に配置されている。フィラメント１３２は、交流のフィラメント電源１０４により熱電子が放出され、その熱電子は直流の高圧電源１０５により、負の高電位をかけられたフィラメント１３２から接地電位の導電性ヒータ１３１間の電位差によって加速され、導電性ヒータ１３１に衝突させる。

導電性ヒータ１３１と相対向した位置に基板保持台１０８が、リフトピン１１２により上下駆動可能なように上下移動機構１１１とともに配置されている。基板保持台１０８は、基板１０６を載せる基板ステージ１０７を支持している。

基板保持台１０８の下側には、例えば、透過窓１１３、集光部１１４を介して２色式放射温度計１１５が組み込まれている。

２色式放射温度計１１５は、波長検出素子ａ１１６、波長検出素子ｂ１１７、演算回路１１８からなり、演算回路１１８により温度信号１１９を出力する。２色式放射温度計１１５は、基板ステージ１０７の裏面の温度を測定し、基板ステージ１０７の温度が所望の温度になるように、演算回路１１８を通して、フィラメント１３２へ印加するフィラメント電流値を制御している。

処理される基板１０６を基板ステージ１０７に搬送してロードする際には、基板保持台１０８が下方に移動する。導電性ヒータ１３１と基板保持台１０８との間に熱隔壁板である水冷シャッタ１１０が挿入され、導電性ヒータ１３１と基板保持台１０８が熱的に遮断される。真空室１０２とスリットバルブで仕切られている真空に排気されている不図示の搬送室から、スリットバルブが開き基板１０６を載せた不図示のアームが伸び、基板保持台１０８上に基板１０６を載せ、アームが縮みスリットバルブが閉じられる。その後、基板保持台１０８が上方へ移動し、基板１０６をリフトピンから掬い取り、熱分解カーボン製の基板ステージ１０７へ基板を載せ、導電性ヒータ１３１との距離が、例えば、５ｍｍになるように、更に上方へ移動し停止する。

図３において、真空加熱容器１０３には、その上方に一面を構成する直径１２０ｍｍのグラファイト（カーボン）製の導電性ヒータ１３１が有る。真空加熱容器１０３の内部には、タングステン・レニウム製のフィラメント１３２が、モリブデン製のベース板１３４にタンタル製の第１の支柱（フィラメント支柱）１３３により固定されている。ベース板１３４を、モリブデン製の中間ベース板１３７に第２の支柱１３６で固定する。フィラメント１３２と反対の方向に３枚のモリブデン製の熱反射板１３５を挿入している。水冷フランジ１４０に、中間ベース板１３７が第３の支柱１３９で固定される。絶縁碍子１３８が中間ベース板１３７の上下に配置されている。
特許第２９１２６１３号公報 特許第２９１２６１６号公報 特許第２９１２９１３号公報

従来の加熱装置では、熱反射板の輻射率を低くすることができ断熱が容易となり、加熱効率が向上できる。一方、導電性ヒータ温度が２０００℃という高温領域では、フィラメント最近傍部に位置するベース板の表面と裏面の温度差が大きくなる。それにより、フィラメントを支持する柱を固定しているベース板が導電性ヒータ側に凸の状態に反ることで、支柱が径外側方向に開き、フィラメントに無理な力が加わり湾曲するという問題が生じていた。

このように、フィラメントに無理な力が加わり湾曲すると、ショートして異常放電が発生する場合や、電子の放出分布が偏り面内基板温度の均一性が劣化するという問題があった。

また、モリブデン製のベース板の温度が１８００℃以上から、昇華したモリブデンが絶縁碍子に付着することで、短期間で絶縁不良を引き起こすという問題があった。

そこで、本発明の目的は、高温においてもベース板の熱膨張を抑制し、フィラメントを支持している支柱の歪みを防ぐことにある。

上記課題を解決するため、本発明の加熱装置は、減圧下で基板を載置又は対向して加熱する真空加熱容器の内部にベース板を配置して、当該ベース板に支持された支柱に固定されたフィラメントで発生した熱電子を加速して前記真空加熱容器の一面を構成する導電性ヒータに衝突させて発熱させる板体加熱装置において、前記ベース板が、炭素繊維からなる板体であることを特徴とする。

ここで、炭素繊維からなる板体とは、いわゆる炭素繊維を編みこんで高温プレスで焼き固めて、加熱装置のベース板としての機械的強度を有する程度の厚みをもった板状に加工されたものをいう。また、さらに焼き固める際に炭素を含浸させてもよい。

本発明の加熱装置により、ベース板の熱による変形を低減することによりフィラメントを支持している支柱の歪みを防ぎ、フィラメントの長期安定性を図ることができる。半導体素子の製造装置に利用したとき、半導体素子の生産性を大幅に改善することが可能となる。

本発明の板体加熱装置を電子衝撃加熱による真空中で半導体の基板を加熱する基板加熱装置として実施している。基板加熱装置に搭載されうるフィラメント、ベース板及び熱反射板の概要は次のとおりである。

基板加熱装置において、真空加熱容器の内部のフィラメントを固定するベース板の材料として、線熱膨張係数がほぼ０に近く、例えばＣＣコンポジットのような炭素繊維からなる板体をベース板として採用している。これにより、２０００℃の高温においてもベース板の熱膨張を抑制し、フィラメントを支持している支柱の歪みを防ぐことができる。

更に、熱分解カーボン、熱分解カーボンをコーティングしたカーボン又はＣＣコンポジット、熱分解カーボン処理をしたＣＣコンポジット、もしくはガラス状のカーボンに代表される輻射率の高い材料を持つ熱反射板で、ベース板の上下各１枚以上で挟んでいる。これにより、ベース板の表と裏の温度差を小さくすることで、ベース板の熱膨張による歪みを一層低減することができる。

さらに、輻射率を低くする（反射率を高くする）ために表面を鏡面処理したモリブデンなどの高融点金属製の熱反射板を、ベース板と中間ベース板との間に１枚以上挿入している。これにより、断熱効率を高めることで、従来の加熱効率を損なうことなく、電子衝撃加熱による加熱装置のフィラメントの長期安定性を図ることと、寿命を向上させることができる。

以下、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明のベース板を用いた基板加熱容器の構造を示す図である。

図１において、電子衝撃加熱を採用した熱分解カーボンでコーティングされたグラファイト（カーボン）製の導電性ヒータ２が真空加熱容器１の一面を構成する。互いに対向している導電性ヒータ２と基板保持台とが接近する方向及び離れる方向に移動可能に真空室（図２）内に配置されている。基板加熱容器以外の基板処理装置全体は、図２と共通である。

真空加熱容器１の内部には、タングステン、又はタングステン・レニウム製のフィラメント３が、炭素繊維からなる板体のベース板６に立てられたタンタル製の第１の支柱（フィラメント支柱）４に固定されている。中間ベース板１１にはモリブデン製の第２の支柱８により、ベース板６の位置が固定されている。ベース板６は、カーボン製の第１、第２の熱反射板５，７で挟まれ、ベース板６の表と裏の温度差を抑制している。更に、ベース板６の下方の第２の熱反射板７とフィラメント３からなるユニット全体を支えているモリブデン製の中間ベース板１１との間に、第３の熱反射板９が、複数枚挿入されている。輻射率を低く表面処理された第３の熱反射板９により、加熱効率を向上させている。中間ベース板１１は、モリブデン製の第３の支柱１２で真空室の蓋である水冷フランジ１３に固定されている。絶縁碍子１０がモリブデン製の中間ベース板１１の上下に配置されている。

フィラメント３には、加熱用の交流電源とフィラメントとグラファイト製の導電性ヒータ２間に電位差を設けるための直流電源（図２符号１０５）が備えられている。

炭素繊維からなる板体のベース板６、カーボン製の第１、第２の熱反射板５，７、モリブデン製の第３の熱反射板９は、フィラメントと同電位になるように構成されている。これは、熱電子を効率よく反射させ、グラファイト製の導電性ヒータ２に熱電子を効率よく流入させるためである。

以下、この発明の実施例の基板加熱装置の構造を説明する。

図１において、直径２００ｍｍの熱分解カーボンコーティングをしたグラファイト製の導電性ヒータ２を有する真空加熱容器１の内部には、モリブデン製の中間ベース板１１が有る。この中間ベース板１１は、４本のモリブデン製の第３の支柱１２で真空室の水冷フランジ１３に固定されている。中間ベース板１１には第２の支柱８により、ベース板６の位置が固定されている。この第１の支柱４により、タングステン・レニウム製のフィラメント３の位置が固定されている。

従来ベース板に用いられていたモリブデンの線熱膨張係数は、７．２×１０^−６／Ｋであったため、導電性ヒータ２を２０００℃に加熱した際、表面と裏面との熱膨張による伸びの差は、０．１５ｍｍになりベース板６の歪みを生じさせていた。

一方、本実施例の炭素繊維からなる板体のベース板６では、線熱膨張係数がほぼ０であるため、表面と裏面との温度差があったとしても、熱膨張による伸びの差はほぼ０ｍｍとなり、ベース板６の歪みを抑制し、フィラメント３の湾曲を防止することができた。

更に、本実施例では、ベース板６の表と裏の温度差を小さくするために、２枚のカーボン製の第１の熱反射板５と、２枚のカーボン製の第２の熱反射板７とでベース板６を挟んだ。これにより、ベース板６の表と裏の温度差を２２℃に抑えることができ、一層ベース板６の歪みを抑制することができた。

本実施例で示したカーボン製の第１、第２の熱反射板５，７は、カーボン、熱分解カーボン、熱分解カーボンをコーティングしたカーボン、ＣＣコンポジット、ガラス状カーボン等の輻射率の高い、高温に耐えられ、金属汚染の原因とならないものを採ることができる。

また、第１、第２の熱反射板５，７をＣＣコンポジットのように線熱膨張係数がほぼ０のような材料の場合は、位置固定的にベース板６、又は中間ベース板１１に固定することも可能である。しかし、その他カーボン材料の場合や、モリブデン製の熱反射板の場合、導電性ヒータ温度が２０００℃という高温による熱膨張を加味して、伸縮自在に固定することもできる。

一方、輻射率が低くなるように鏡面加工されたモリブデン製の第３の熱反射板９は、導電性ヒータ２との間に５枚のカーボン製の熱反射板（うち１枚は、ＣＣコンポジットのような炭素繊維からなる板体であるベース板）が挟まれている。すなわち、ベース板６を２枚ずつのカーボン製の第１、第２の熱反射板５，７で挟んでいる。この場合、第３の熱反射板９は、最高温部でも１４２９℃となり、従来の１８３２℃と比較して、飽和蒸気圧を２桁低減することができる。その結果、第３の熱反射板８からのモリブデンの昇華による絶縁碍子９への金属付着を抑制することができ、絶縁不良のリスクを大幅に低減しつつ、加熱効率を従来と同程度にすることが可能となった。

本発明のベース板を用いた基板加熱容器の構造を示す図 従来例の基板処理装置を示す図 従来例の基板処理装置における真空加熱容器の構造を示す図

符号の説明

１…真空加熱容器
２…導電性ヒータ
３…フィラメント
４…第１の支柱（フィラメント支柱）
５…第１の熱反射板
６…ベース板
７…第２の熱反射板
８…第２の支柱
９…第３の熱反射板
１０…絶縁碍子
１１…中間ベース板
１２…第３の支柱
１３…水冷フランジ

Claims (2)

1. 減圧下で基板を載置又は対向して加熱する真空加熱容器の内部にベース板を配置して、当該ベース板に支持された支柱に固定されたフィラメントで発生した熱電子を加速して、前記真空加熱容器の一面を構成する導電性ヒータに衝突させて当該導電性ヒータを発熱させる加熱装置において、
   前記ベース板が、炭素繊維からなる板体であることを特徴とする加熱装置。
2. 前記ベース板を、カーボン材料を含む熱反射板により、上下各１枚以上で挟んでいることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。

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