JP2011077276A - 半導体基板熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】細やかな微調整を必要とせず、勘や熟練度に依存する事無く加熱体（グラファイト）に所望する温度分布を得ることのできる半導体基板熱処理装置を提供する。
【解決手段】同心円上に配置された複数の誘導加熱コイル１２（１２ａ〜１２ｅ）と、複数の誘導加熱コイル１２のそれぞれに接続されて、各誘導加熱コイル１２に対する投入電力を制御するインバータ２０（２０ａ〜２０ｅ）と、複数の誘導加熱コイル１２により構成される面上に配置される円盤型のグラファイト１４とを有してグラファイト１４に載置されたウエハ１６を加熱する熱処理装置１０であって、グラファイト１４は、その外径を複数の誘導加熱コイル１２のうち最外に配置された誘導加熱コイル１２ｅの外径よりも大きくしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板熱処理装置に係り、特に枚葉型の半導体基板熱処理装置に関する。

半導体製造工程のひとつとして熱処理工程がある。半導体製造工程における熱処理工程では、ウエハの温度を均一にする必要があり、熱処理装置の方式としてランプ加熱方式、抵抗加熱方式、ゾーンコントロール誘導加熱方式などが知られており、各加熱方式において種々の改良が重ねられてきている。

ランプ加熱方式や抵抗加熱方式に比べて急速かつ温度分布制御に優位とされるゾーンコントロール誘導加熱方式において大径ウエハの加熱を行う場合には、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、枚葉型の加熱方式が採られている（特許文献１参照）。なお、図５において、図５（Ａ）は熱処理装置の側面構成、図５（Ｂ）は平面構成を示すブロック図である。

具体的には、同心円上に配置された複数の円形誘導加熱コイル２と、この円形コイル２の上部に配置された加熱体（グラファイト３）を有する装置により、グラファイト３の上に載置したウエハ４を加熱するという方式である。このような基本構成を有する熱処理装置１では従来、グラファイト３は、最外周に位置する誘導加熱コイル２の直径と略同じサイズ、若しくは最外周に位置する誘導加熱コイル２の直径よりも小さいサイズとされていた。このため、グラファイト３が誘導加熱コイル２に対して少しでも偏心していると、グラファイト３の端部付近で磁束のアンバランスが生じ、温度の偏りが生じてしまう。このため従来では、誘導加熱コイル２に対するグラファイト３の載置精度を上げ、さらに温度分布を確認しながら微調整を繰り返すという手段を採ることで、均一温度分布の高精度化が図られていた。

特開２００８−１５９７５９号公報

確かに、上記のような微調整を繰り返すことによれば要求精度に見合った温度分布を得ることができる。しかし、微調整は調整者の勘や熟練度に依存するものであるため、調整時間と精度出しとの間のムラが大きかった。また、加熱体と最外のコイル外形とを同じにした場合には、偏心せずに加熱体を設置することが容易になるとも考えられるが、実際には微小なズレが生じてしまい、やはり微調整が必要となる。さらに、自動で加熱体のセンタリングを行う機構を熱処理装置に備えることも可能であるが、この場合には装置の大型化や高コスト化などが懸念される。

そこで本発明では、細やかな微調整を必要とせず、勘や熟練度に依存する事無く加熱体（グラファイト）に所望する温度分布を得ることのできる半導体基板熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る半導体基板熱処理装置は、同心円上に配置された複数の誘導加熱コイルと、複数の前記誘導加熱コイルのそれぞれに接続されて、各誘導加熱コイルに対する投入電力を制御するインバータと、複数の前記誘導加熱コイルにより構成される面上に配置される円盤型の加熱体とを有して前記加熱体に載置された半導体基板を加熱する半導体基板熱処理装置であって、前記加熱体は、その外径を複数の前記誘導加熱コイルのうち最外に配置された誘導加熱コイルの外径よりも大きくしたことを特徴とする。

また、上記特徴を有する半導体基板熱処理装置では、前記最外に配置された誘導加熱コイルの磁束到達距離をｈ、複数の前記誘導加熱コイルと前記加熱体との垂直距離をｄとした場合に、前記加熱体の直径Ｄの最大値は、
の関係を満たすようにすることが望ましい。

加熱体の直径Ｄを上記のように定めることにより、加熱体のズレ量が最大、すなわちはみ出す側と反対側の端部が最外周の誘導加熱コイルの直上に位置する程度となった場合でも、はみ出した側の端部の放熱量の割合が極端に高くなり、均一な温度分布制御が出来なくなってしまうという事を避けることができる。

上記のような特徴を有する半導体基板熱処理装置によれば、加熱体に均一な温度分布を与えるに際して、細やかな微調整を必要とすることが無い。また、微調整が不要となることにより、勘や熟練度に依存する事が無くなる。

実施形態に係る誘導加熱装置のブロック図である。 グラファイトのサイズを定めるための原理の説明図である。 従来のグラファイトのずれと加熱範囲を示す図である。 実施形態に係るグラファイトのずれと加熱範囲を示す図である。 従来の枚葉型誘導加熱装置の構成を示す図である。

以下、本発明の半導体基板熱処理装置に係る実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、本発明の半導体基板熱処理装置（以下、単に熱処理装置と称す）に係る実施形態について、図１を参照して説明する。本実施形態に係る熱処理装置１０は少なくとも、誘導加熱コイル１２（１２ａ〜１２ｅ）と、加熱体としてのグラファイト１４、及び電力制御部１８を備え、グラファイト１４上に半導体基板であるウエハ１６を載置する構成としている。なお、以下の実施形態においては前述したように、加熱体としてグラファイト１４を例に挙げて説明するが、本願に適用可能な加熱体はグラファイトに限るものでは無い。グラファイトに代わる加熱体としては例えば、ＳｉＣ、ＳｉＣコートグラファイト、及び耐熱金属などを挙げることができる。

前記誘導加熱コイル１２は、円形（Ｃ型）のコイルであり、全体として見た場合、半径（直径）の異なる複数の円形コイルが同心円上に配置されていることから、いわゆるバウムクーヘン状の体を成す。複数配置された誘導加熱コイル１２には、電力制御部１８が接続されている。

電力制御部１８は、例えば、三相交流電源２６、コンバータ２４、チョッパ２２（２２ａ〜２２ｅ）、およびインバータ２０（２０ａ〜２０ｅ）を基本として構成される。
コンバータ２４は、三相交流電源２６から入力される三相交流電流を直流に変換して、後段に接続されるチョッパ２２へと出力する順変換部である。

前記チョッパ２２は、コンバータ２４から出力される電流の通流率を変化させ、インバータ２０に入力する電流の電圧を変化させる電圧調整部である。
前記インバータ２０は、チョッパ２２により電圧調整された直流電流を、交流電流へと変換して誘導加熱コイル１２へ供給する逆変換部である。なお、本実施形態で例に挙げる熱処理装置１０のインバータ２０は、誘導加熱コイル１２と共振コンデンサ１９とを直列に配置した直列共振型のインバータとする。また、複数（本実施形態の場合は５つ）の誘導加熱コイル１２にはそれぞれ、個別にインバータ２０、およびチョッパ２２が接続されている。なお、インバータ２０から誘導加熱コイル１２への出力電流の制御は、図示しない駆動制御部からの入力信号に基づいて行うものとする。

上記のような電力制御部１８によれば、コンバータ２４から出力された電流の電圧をチョッパ２２により制御し、チョッパ２２から出力された直流電流をインバータ２０により変換、周波数調整することができる。このため、チョッパ２２により出力電力が制御することができ、インバータ２０により、複数のコイルが隣接して配置された誘導加熱コイル１２へ投入される電流の周波数との位相調整を行うことができる。そして、出力電流における周波数の位相を同期（位相差を０にする事または０に近似させる事）、あるいは定められた間隔に保つことで、隣接配置された誘導加熱コイル１２の間の相互誘導の影響を回避することができる。また、複数の誘導加熱コイル１２のそれぞれに対する投入電力を制御することで、加熱体であるグラファイト１４、さらには加熱対象物であるウエハ１６の温度分布制御を行うことができる。

また、本実施形態に係る誘導加熱コイル１２は、図１に示すように中空構造とされており、内部に冷媒（例えば水）を挿通可能に形成されている。このような構成とすることにより、熱源となるグラファイト１４からの輻射や伝熱を受けて、誘導加熱コイル１２自体が過熱されてしまうことを防止することができる。

本実施形態に係るグラファイト１４は、平板円板状に形成されている。また、本実施形態に係るグラファイト１４の特徴的な形態としてその外径を、上述した誘導加熱コイル１２のうち、最外に配置された誘導加熱コイル１２ｅの外径よりも大きく形成されている点を挙げることができる。グラファイト１４の大きさについて、図２を参照して具体的に説明する。

図２は、グラファイト１４と誘導加熱コイル１２の配置関係を模式的に示す図である。図２では、誘導加熱コイル１２とグラファイト１４との垂直距離をｄ、誘導加熱コイル１２（最外の誘導加熱コイル１２ｅ）における磁束の到達距離をｈとしている。ここで、最外の誘導加熱コイル１２ｅの直上位置から、その外周側における磁束の到達距離の範囲までの距離（はみ出し距離）をＬとした場合Ｌは、数式２で表すことができる。

Ｌが数式２の範囲を超えた場合には、グラファイト１４の先端が加熱されず、放熱量の割合が増加してしまうため、均一な温度分布を崩す原因となってしまうからである。
また、図３に示す従来のグラファイトのように、最外に配置された誘導加熱コイルの外径とグラファイトの外径が略等しい大きさであり、誘導加熱コイルに対してグラファイトの配置位置が偏心した場合次のような現象が生じてしまう。すなわち、磁束の浸透深さの影響により、狭まった最外の誘導加熱コイルによる加熱領域（格子線の領域：特に図中右側）に対して磁束が集中し、局所的な過加熱が生ずるのである。このためグラファイト全体としての加熱のバランスが崩れ、均一な温度分布制御に悪影響を与えるのである。

このような実状を踏まえ、グラファイト１４は図４に示すように、例え誘導加熱コイル１２に対して偏心して配置された場合であっても、その端部が、最外に配置された誘導加熱コイル１２ｅの直上位置の内側に位置しない必要がある。そしてこれらの条件を勘案すると、グラファイト１４の直径Ｄの最大値は、
となり、グラファイトの直径Ｄの範囲としては、
となる。

グラファイト１４の直径Ｄをこのような範囲で定めることによれば、誘導加熱コイル１２の中心位置に対してグラファイト１４の中心位置が偏心した場合であっても、局所的な過加熱や、放熱割合の増加による加熱バランスの崩れ、およびこれらに伴う均一温度分布制御への影響が無くなり、高精度な半導体基板の熱処理を行うことが可能となる。グラファイト１４のうち、誘導加熱コイル１２からはみ出した部分は、到達する磁束が少なくなる事により冷え易くなるが、発熱自体は生じているために実質的な温度低下は殆ど無い。このため、実質的な加熱部分、すなわちグラファイト１４のうちの誘導加熱コイル１２の直上にある部分に対して温度変化の影響を与え難い。よって、上記のような構成とすることで、均一温度分布制御を行うことが可能となる。

なお、グラファイト１４に対するウエハ１６の載置形態については、グラファイト１４が均一加熱されれば当然、グラファイト１４により間接加熱されるウエハ１６も均一加熱される。このため、ウエハ１６は、グラファイト１４の表面に収まるように配置されていれば、グラファイト１４とウエハ１６や、誘導加熱コイル１２とウエハ１６の間で偏心があったとしても、加熱体系に影響は無いと考えられる。しかし、好適条件としては、ウエハ１６の中心位置は、誘導加熱コイル１２の中心位置に合わせることが望ましい。

上記のような構成の熱処理装置１０によれば、誘導加熱コイル１２に対してグラファイト１４の配置形態が偏心していた場合であっても、グラファイト１４の端部付近における磁束のアンバランスが生じ難く、均一な温度分布制御が可能となる。これにより、グラファイト１４の配置を微調整する手間を省く事ができる。すなわち、調整者の勘や経験、あるいはセンタリングのための特別な機構に頼る精度出しが不要となる。

１０………熱処理装置（半導体基板熱処理装置）、１２（１２ａ〜１２ｅ）………誘導加熱コイル、１４………グラファイト、１６………ウエハ、１８………電力制御部、２０（２０ａ〜２０ｅ）………インバータ、２２（２２ａ〜２２ｅ）………チョッパ、２４………コンバータ、２６………三相交流電源。

Claims (2)

1. 同心円上に配置された複数の誘導加熱コイルと、複数の前記誘導加熱コイルのそれぞれに接続されて、各誘導加熱コイルに対する投入電力を制御するインバータと、複数の前記誘導加熱コイルにより構成される面上に配置される円盤型の加熱体とを有して前記加熱体に載置された半導体基板を加熱する半導体基板熱処理装置であって、
   前記加熱体は、その外径を複数の前記誘導加熱コイルのうち最外に配置された誘導加熱コイルの外径よりも大きくしたことを特徴とする半導体基板熱処理装置。
2. 前記最外に配置された誘導加熱コイルの磁束到達距離をｈ、
   複数の前記誘導加熱コイルと前記加熱体との垂直距離をｄとした場合に、
   前記加熱体の直径Ｄの最大値は、
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板熱処理装置。