JP2010097854A - 加熱真空処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流やノイズを発生させずに加熱ランプを昇温させる。
【解決手段】加熱ランプ１５を室温から昇温させる場合、室温から変更温度までは位相制御で昇温させ、変更温度から処理温度まではサイクル制御で昇温させる。処理温度から変更温度よりも低い最低温度まで降温した場合、サイクル制御によって処理温度まで上昇させる。加熱ランプのフィラメントが低抵抗の室温のときは、位相制御を用いているので突入電流が発生せず、変更温度以上のときは、サイクル制御を用いているのでノイズが発生しない。
【選択図】図４

Description

本発明は、スパッタリング処理、蒸着処理、エッチング処理等の、処理対象物を真空雰囲気内で加熱しながら処理する加熱真空処理方法に関し、特に、加熱ランプで処理対象物を加熱する技術に関する。

半導体ウェハや液晶ガラス基板を処理対象物とし、スパッタリングや蒸着によって処理対象物に薄膜を形成したり、又はエッチング等によって処理対象物上の薄膜をパターニングするようなことが行われている。

このような処理をする際、処理対象物は加熱され、加熱真空処理が行われるが、通電によって発熱する抵抗発熱体を加熱装置として用いる他、処理対象物として離れた位置に配置できる加熱ランプが加熱装置として用いられている。

加熱ランプの場合、１８０度全期間導通している半波と１８０度全期間遮断されている半波とを組み合わせたサイクル制御によって通電量を制御し、処理対象物を所定の処理温度に加熱して加熱真空処理を行っている。

しかしながら、加熱真空処理が行われる真空槽内で処理対象物を保持する保持具を含み、それらの他に加熱ランプが室温にある状態でサイクル制御を行うと大きな突入電流が流れてしまい、制御装置や加熱電源が破壊したりすることがある。
尚、抵抗加熱コイルの通電量を制御する加熱方法としては下記特許文献１が公知であり、加熱ランプで加熱する加熱方法としては下記特許文献２が公知である。
特開平１０−２９４２８５号公報 特開２００２−１９０４５２号公報

加熱ランプが加熱されていて熱線が放射されている場合は加熱ランプの抵抗値は高いが、加熱ランプの温度が室温にある状態では加熱ランプの抵抗値が低いため、室温にある加熱ランプの温度を上昇させる場合に突入電流が発生する原因は、このような抵抗値が低いためであり、特に、交流電圧の半波を加熱ランプに印加するサイクル制御を行っている場合、半波の電圧のピーク位置の大きな電圧が印加されるときに突入電流が生じることが分かった。

他方、半波の一部を導通させる位相制御を行う場合、半波のピーク位置以降を部分的に導通させると突入電流は発生しないが、電圧が印加されている状態で遮断から導通に転じるため、ノイズが生じてしまう不都合があった。
このノイズは高調波として、供給電源側に影響を与え、当装置のみならず、他の機器への影響を与える懸念がある。

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽内に処理対象物を搬入し、前記真空槽内で保持具によって処理対象物を保持し、加熱電源が出力する交流電圧を制御装置によって制御して加熱ランプに印加し、前記加熱ランプから熱線を放射させ、真空雰囲気にされた前記真空槽内に配置された前記処理対象物と前記保持具に照射して加熱し、前記処理対象物を真空処理する加熱真空処理方法であって、予め、室温より高い最低温度と、前記最低温度よりも高い処理温度と、前記最低温度と前記処理温度の間の変更温度とを設定しておき、前記処理対象物の温度をセンサによって測定し、前記処理対象物の温度が室温にある場合は、前記処理対象物が前記変更温度に達するまで、１８０度の途中から導通させる半波長の一部を組み合わせた位相制御によって前記加熱ランプの熱線の放射を制御して前記処理対象物を昇温させ、変更温度に達した後は、１８０度全期間導通している半波と１８０度全期間遮断されている半波とを組み合わせたサイクル制御によって前記加熱ランプの熱線の放射を制御して前記処理対象物を昇温させて変更温度以上に昇温させ、前記処理温度にして真空処理を行う加熱真空処理方法である。
また、本発明は、前記処理対象物が前記最低温度よりも高い温度から前記最低温度よりも低い温度に降温したことが前記センサによって測定されると、前記サイクル制御によって前記加熱ランプの熱線の放射を制御して前記処理対象物を昇温させる加熱真空処理方法である。
また、本発明は、前記センサを前記保持具又は前記真空槽に取り付けておき、前記保持具又は前記真空槽の温度を測定して前記処理対象物の温度とする加熱真空処理方法である。

加熱ランプの温度が低く、低抵抗の場合に位相制御によって加熱されるため、突入電流が発生せず、加熱ランプが昇温した後はサイクル制御によって加熱ランプを昇温させるため、ノイズが生じなくなる。

先ず、加熱ランプを使用する本発明方法を説明する。
図１の符号１は成膜装置であり、搬入室１１と、加熱室１２と、処理室１３と、搬出室１４を有している。
各室１１〜１４は、真空槽５１〜５４を有しており、各真空槽５１〜５４には真空排気系２１〜２４が接続され、それぞれ個別に真空排気できるようにされている。

この成膜装置１では、真空雰囲気中で、半導体基板や液晶ガラス基板等の処理対象物を加熱室１２の真空槽内で加熱した後、処理室１３の真空槽５３内で表面に薄膜を形成するようになっている。

そのような加熱真空処理方法を説明すると、先ず、予め加熱室１２の真空槽５２内と処理室１３の真空槽５３内を真空排気しておき、搬入室１１の真空槽５１内に処理対象物を搬入した後、搬入室１１の真空槽５１を真空排気し、搬入室１１と加熱室１２の真空槽５１、５２を接続し、処理対象物を加熱室１２の真空槽５２内に搬入する。

加熱室１２の真空槽５２内では、加熱ランプ１５が天井側と底面側に複数ずつ配置されており、天井側と底面側の加熱ランプ１５の間の位置に処理対象物を保持する保持具１８が配置されている。搬入された処理対象物は保持具１８に保持させる。

図１の符号７は、処理対象物であり、加熱ランプ１５は処理対象物７の表面側と裏面側に平行に配置されている。
加熱ランプ１５の構成は図３に示す。加熱ランプ１５は細長いガラス管３１と、ガラス管３１内に配置されたフィラメント３２を有しており、細長いガラス管３１の両端には個別電極３３が配置され、フィラメント３２の両端はそれぞれ個別電極３３に結線されている。

図４に示すように、複数の規定本数(ここでは４本)の加熱ランプ１５の個別電極３３は、それぞれ共通電極３４に結線され、並列にまとめられてモジュール１６が構成されている。
このモジュール１６は加熱室１２内に複数配置されており、複数本配置された加熱ランプ１５と処理対象物７の位置関係は図２に示す。加熱ランプ１５によって処理対象物７の両面が覆われるように複数のモジュール１６が配置されている。

モジュール１６を二個一組とし、この一組に二台の制御装置１７と、一台の電圧変換装置２７が設けられている。
電圧変換装置２７は一次巻線４１と二次巻線４２を有しており、加熱電源２９は一次巻線４１の両端に結線され、加熱電源２９が出力する交流電圧は一次巻線４１の両端に印加されている。

一次巻線４１と二次巻線４２は磁気結合されており、一次巻線４１に印加された交流電圧によって二次巻線４２に交流電圧が誘起される。
二次巻線４２の両端は、別の制御装置１７を介して、一台のモジュール１６の一方の共通電極３４にそれぞれ接続されている。

各モジュール１６の他方の共通電極３４は、各モジュール１６が制御装置１７を介して接続された端子とは反対側の二次巻線４２の端子に結線されており、モジュール１６と制御装置１７との直列回路が二次巻線４２の両端に接続され、二次巻線４２に誘起された電圧が、モジュール１６と制御装置１７との直列回路に印加されるように構成されている。

二次巻線４２はセンタータップ(二次巻線４２の中央部分)２８が取り出され、該センタータップ２８は接地電位に接続されている。
センタータップ２８の電圧は、二次巻線４２の両端の間の電圧の１／２の電圧になるようにされており、従って、二次巻線４２の両端に電圧Ｖが誘起されたときには、二次巻線４２の一端は＋Ｖ／２の電位になり、他端は−Ｖ／２の電位なるように構成されている。

制御装置１７内には両方向スイッチ４３が設けられており、後述するようにこの両方向スイッチ４３が導通したときに、加熱電源２９が出力した交流電圧の全部又は一部が電圧変換装置２７で変換され、加熱ランプ１５の両端には、＋Ｖ／２と−Ｖ／２の電圧が印加される。

加熱室１２の真空槽５２は接地電位に接続されており、加熱ランプ１５や制御装置１７と真空槽５２の間には、大きさがＶの電位差は発生せず、最大±Ｖ／２の電位差であるので、真空槽５２と加熱ランプ１５等の間に放電が発生しないようになっている。

両方向スイッチ４３の動作を説明すると、両方向スイッチ４３は、二個のサイリスタ４５ａ、４５ｂが逆方向に向けて並列に結線されて構成されており、制御装置１７内には、両方向スイッチ４３を構成する二個のサイリスタ４５ａ、４５ｂのゲート端子に結線されたスイッチコントローラー４４がそれぞれ設けられている。

スイッチコントローラー４４は、ゲート端子に電流を流し(ゲート端子に電流を流入させるか、又はゲート端子から電流を流出させる)、ゲート端子に電流が流れたサイリスタ４５ａ、４５ｂのアノード端子とカソード端子の間を導通させ、アノード端子からカソード端子に向けて電流を流させる。

二次巻線４２の制御装置１７に結線された端部は、両方向スイッチ４３素子のアノード端子とカソード端子が結線された部分に結線されている。他方、両方向スイッチ４３素子の反対側のアノード端子とカソード端子が結線された部分は、加熱ランプ１５の共通電極３４に結線されている。

加熱ランプ１５は導通したサイリスタ４５ａ、４５ｂを介して二次巻線４２に接続されると、各加熱ランプ１５には、二次巻線４２の両端に誘起された電圧が印加され、各モジュール１６内の加熱ランプ１５のフィラメント３２に電流が流れる。
この電流によりフィラメント３２が加熱され、高温になると熱線(赤外線)が放射され、処理対象物７に照射される。この熱線により、処理対象物７の温度が上昇する。

保持具１８の近くにはセンサ１９が取り付けられており、各モジュール１６の加熱ランプ１５から熱線が放出されると、保持具１８の温度が上昇するようになっている。センサ１９によってその温度変化が感知される。

保持具１８の温度と、保持具１８が保持する処理対象物７の温度はほぼおなじであり、センサ１９によって保持具１８の温度が検出され、温度測定器２０によって温度が求められると、センサ１９が検出した保持具１８の温度が処理対象物７の温度とされ、スイッチコントローラー４４が両方向スイッチ４３を下記のように制御する。

図５の符号Ｌの折線は、加熱室１２内部で加熱した処理対象物７の温度(縦軸)と時間(横軸)の関係を示しており、先ず、加熱室１２内に配置された処理対象物７を、処理室１３で維持される温度と同程度の温度であって、室温よりも高い処理温度ｄまで上昇させ、加熱室１２の後段の処理室１３内で、処理温度ｄを維持したまま成膜等の真空処理が行われる。

成膜装置１の使用が停止されていて、加熱室１２の真空槽５２や保持具１８が室温ａ(図５)にある状態では、先ず、処理対象物７を加熱室１２内に搬入する前、又は搬入した後に、加熱室１２の真空槽や保持具１８を処理温度ｄまで上昇させる。

制御装置１７による加熱ランプ１５への通電方法は、二次巻線４２に生じた交流電圧のゼロＶとゼロＶの間の半波長の期間を１８０度とすると、両方向スイッチ４３内の電流が流れる方のサイリスタ４５ａ、４５ｂ(又は両方のサイリスタ)を１８０度全期間導通させ、その間加熱ランプ１５に印加する半波長と、電流が流れるサイリスタ４５ａ、４５ｂ(又は両方のサイリスタ)を１８０度全期間遮断させ、その間には加熱ランプ１５に印加しない交流電圧の半波長とを組み合わせるサイクル制御により加熱ランプ１５に電流を流すか、又は、半波長の途中から両方向スイッチ４３内の電流が流れる方のサイリスタ４５ａ、４５ｂ(又は両方のサイリスタ)を二次巻線４２に生じた交流電圧の半波長を１８０度の途中から導通させ、半波長の一部を組み合わせる位相制御を行うことのいずれかの制御を行うことができる。

サイクル制御によって二次巻線４２の交流電圧の半波長が加熱ランプ１５に印加されると、半波長の中央位置の電圧も加熱ランプ１５に印加される。
半波長の中央位置の電圧は、交流電圧のうちの最も大きいピーク電圧であるため、加熱ランプ１５が室温であり、フィラメント３２の抵抗値が低い場合、ピーク電圧が印加されると突入電流が発生してしまう。

そこで、加熱ランプ１５を室温から昇温させる場合、ピーク電圧よりも後の位置で両方向スイッチ４３を導通させ(両方向スイッチ４３内の電流が流れる方のサイリスタ４５ａ、４５ｂ、又は両方のサイリスタ４５ａ、４５ｂを導通させ)、その後の交流電圧がゼロＶの時に（自動的に)遮断する位相制御方法によって加熱ランプ１５に電流を流すと突入電流が生じない。

このような位相制御方法の場合に、加熱ランプ１５に電圧を印加する期間を長くしてゆくと、加熱ランプ１５の温度は上昇する。図６(ａ)、(ｂ)の符号Ｖは、二次巻線４２に生じた電圧であり、ｓ₁、ｓ₂は、位相制御を行っている際に、それぞれ加熱ランプ１５に印加された電圧期間である。ｓ₁＜ｓ₂であるから、電圧Ｖが期間ｓ₁中に加熱ランプ１５に印加されている場合よりも、期間ｓ₂中に印加されている場合の方が、加熱ランプ１５は高温になる。

しかし、二次巻線４２に電圧が生じているとき導通するため、ノイズが発生してしまう。
そのため、加熱ランプ１５への電圧印加を、位相制御からサイクル制御に変更する必要がある。

処理温度ｄより低く、室温ａよりも高い変更温度ｃが、加熱ランプ１５が昇温する場合に位相制御からサイクル制御に移行する温度として予め設定されており、加熱ランプ１５の温度が位相制御によって上昇し、室温ａから昇温し、変更温度ｃに達したことがセンサ１９によって検出されたら、位相制御を終了させ、サイクル制御によって導通と遮断の半波長を組み合わせ、導通する半波長の割合を増やしてゆくことで加熱ランプ１５の温度を上昇させる。例えば、図６(ｃ)は導通期間が４０％であり、同図(ｄ)は６０％であり、同図(ｄ)の方が熱線の放射量が多い。

図５に示されるように、時刻ｔ₀で位相制御により室温ａにある加熱ランプ１５の昇温が開始され、時刻ｔ₁で変更温度ｃになってサイクル制御に変わり、時刻ｔ₂で処理温度ｃに達している。
加熱室１２内に処理対象物７が配置されていなかった場合、処理温度ｃに達したことがセンサ１９によって検出されたときに、加熱室１２内に処理対象物７が搬入される。

この場合、加熱室１２内に搬入される処理対象物７の温度は室温ａであるから、周囲の保持具１８や真空槽５２の温度は低下する。
従って、加熱室１２の真空槽５２の温度や保持具１８の温度をセンサ１９によって検出すると、その温度は処理温度ｄよりも低くなっているので、サイクル制御の導通半波長を増やし、処理温度ｄに復帰させる。処理温度ｄよりも高くなると、導通半波長を減少させる。

次に、加熱室１２内への処理対象物７の搬入が長期間停止されると、加熱ランプ１５への通電が停止される。この通電が停止された時刻ｔ₃から、保持具１８や真空槽５２の温度が低下し、センサ１９の検出する温度が低下してゆく。

室温ａよりも高いが変更温度ｃよりも低い最低温度ｂが予め設定されており、処理対象物７や他の部材である保持具１８や真空槽５２の温度降下により、センサ１９が検出する温度が最低温度ｂに達すると、その時刻ｔ₄でサイクル制御を再開し、処理温度ｄに戻し(時刻ｔ₅)、加熱ランプ１５から熱線を放射させる。例えば、図６(ｄ)のように、１００％の導通にすることもできる。

加熱ランプ１５が最低温度ｂにあっても、加熱ランプ１５のフィルタ３２の抵抗値は室温ａの状態よりも高いため、突入電流は発生しない。
なお、加熱室１２内で処理温度ｄに昇温された処理対象物７は処理室１３に移動され、処理室１３内に配置されたヒータ２５の表面に配置され、ヒータ２５の発熱によって処理温度ｄが維持されながら、処理室１３内のターゲット２６がスパッタリングされ、処理対象物７の表面に薄膜が形成される。

薄膜が形成された処理対象物７は、真空雰囲気にされた搬出室１４に移行され、処理室１３との間が閉じられ、搬出室１４の真空槽５４内に大気が導入され、処理対象物７が大気中に取り出される。

なお、制御装置１７がサイクル制御の動作をする場合、一次、二次巻線４１、４２に、正電圧の半波長期間だけ連続して電流が流れるか、又は、負電圧の半波長期間だけ連続して電流が流れる場合には、一次、二次巻線４１、４２に正又は負の同一方向の電流しか流れず、同一方向の磁束しか生じないため、コイル焼損する恐れがある。

従って、本発明の制御装置１７は、正電圧の半波長期間と負電圧の半波長期間を交互に導通し、±Ｖ／２の交流電圧が一次、二次巻線４１、４２に印加されるように動作すると、一次、二次巻線４１、４２には交流電流が流れ、コイル焼損しないようになっている。

上記実施例では、真空処理として、スパッタリングによる成膜処理を説明したが、スパッタリングではなく、ＣＶＤや蒸着の他の成膜処理も真空処理に含まれる。また、エッチング等の成膜処理でない処理や、加熱室１２で行うアニール処理についての真空処理も含まれる。

更にまた、上記実施例ではセンサ１９が保持具１８の近くに取り付けられ、保持具１８の温度を処理対象物７の温度としていたが、処理対象物７の温度を直接測定することや、真空槽の温度を測定して処理対象物７の温度とすることもできる。

本願発明が適用される成膜装置を説明するための図 モジュールと処理対象物の位置関係を説明するための図 加熱ランプ 加熱ランプに電圧を印加するブロック図 加熱ランプの温度を示すグラフ (ａ)、(ｂ)：位相制御 (ｃ)〜(ｅ)：サイクル制御

符号の説明

７……処理対象物
１５……加熱ランプ
１８……保持具
１９……センサ
２９……加熱電源
５２……真空槽

Claims (3)

1. 真空槽内に処理対象物を搬入し、
   前記真空槽内で保持具によって処理対象物を保持し、
   加熱電源が出力する交流電圧を制御装置によって制御して加熱ランプに印加し、前記加熱ランプから熱線を放射させ、真空雰囲気にされた前記真空槽内に配置された前記処理対象物と前記保持具に照射して加熱し、前記処理対象物を真空処理する加熱真空処理方法であって、
   予め、室温より高い最低温度と、前記最低温度よりも高い処理温度と、前記最低温度と前記処理温度の間の変更温度とを設定しておき、
   前記処理対象物の温度をセンサによって測定し、前記処理対象物の温度が室温にある場合は、前記処理対象物が前記変更温度に達するまで、１８０度の途中から導通させる半波長の一部を組み合わせた位相制御によって前記加熱ランプの熱線の放射を制御して前記処理対象物を昇温させ、
   変更温度に達した後は、１８０度全期間導通している半波と１８０度全期間遮断されている半波とを組み合わせたサイクル制御によって前記加熱ランプの熱線の放射を制御して前記処理対象物を昇温させて変更温度以上に昇温させ、前記処理温度にして真空処理を行う加熱真空処理方法。
2. 前記処理対象物が前記最低温度よりも高い温度から前記最低温度よりも低い温度に降温したことが前記センサによって測定されると、前記サイクル制御によって前記加熱ランプの熱線の放射を制御して前記処理対象物を昇温させる請求項１記載の加熱真空処理方法。
3. 前記センサを前記保持具又は前記真空槽に取り付けておき、前記保持具又は前記真空槽の温度を測定して前記処理対象物の温度とする請求項１又は２のいずれか１項記載の加熱真空処理方法。

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