JP2015192067A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の基板に対して、電磁誘導加熱を利用して一括して熱処理を施す熱処理装置において、前記熱処理装置の小型化を図ること。
【解決手段】処理容器１内に配置された複数の基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、前記処理容器１内に前記基板を載置して加熱するための、例えば熱伝導率が７０Ｗ／ｍ．Ｋ以上の等方性黒鉛よりなる複数のサセプタＳｎが棚状に配列保持された基板保持部３を設ける。また、前記処理容器１の外部における前記基板保持部３の側方に、前記処理容器１内に振動磁界を形成し、前記サセプタＳｎを発熱させるための面状誘導コイル４２を設ける。前記面状誘導コイル４２は、前記基板保持部３の側方に対向する面に沿って、コイル素線４３を巻回して構成されているので、前記面状誘導コイル４２が占有するスペースは小さくなり、前記熱処理装置は従来の装置に比べて小型化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、縦方向に多段に配置された複数の半導体基板に対して、電磁誘導加熱を利用して一括して熱処理を施す熱処理装置に関する。

半導体製造装置の一つとして、多数の半導体基板（以下「基板」または「ウエハ」という）に対して一括（バッチ）で熱処理を行う縦型熱処理装置があり、電磁誘導加熱を利用してウエハを加熱する方式が知られている。この方式では、処理容器の内部に誘導発熱体の機能をもつサセプタを棚状に設けると共に、処理容器の外側に電磁誘導源を備える。電磁誘導源は処理容器内に振動(交番)磁界を形成し、この振動磁界内に配置されたサセプタは電磁誘導により発熱し、サセプタに載置されたウエハを伝熱により加熱する。特許文献１に、このような方式を採用し、電磁誘導源としてらせん状の誘導コイルが処理容器に設けられた装置が提案されている。この装置の構成では、石英管からなる処理容器の外側を誘導コイルが巻回するため、装置が大型化すると共に、この誘導コイルと誘導発熱体のサセプタとの距離が大きくなり、誘導コイルに供給する電力に対するサセプタの発熱量(加熱効率)が著しく悪化する。

特許文献２には電磁誘導源を処理容器の外側に備え、処理容器内に水平方向の振動磁界を形成する装置が提案されている。この装置においては、電磁誘導源はＵ字型磁芯の周囲をコイルが巻回する電磁石からなり、この電磁石の磁極面が棚状に配置されたサセプタの外周端面に対向することにより、水平方向の振動磁界が形成される。また、処理容器に複数の電磁石を設けてサセプタ全体に及ぶ振動磁界を形成し、サセプタ全体を均一に発熱させる技術が提案されている。
しかしながら、このような磁芯を有する電磁石はサイズが大きく、処理容器に複数の電磁石を搭載すると装置が大型化してしまう。

電磁調理器などの家電器具では、電磁誘導源として面状誘導コイルが広く使われており、高効率加熱、小型化、省エネ化が実現されている。また、面状誘導コイルは枚葉式の熱処理装置でも使用されており、特許文献３には、板状の誘導発熱体を面状誘導コイルと互いの面が対向して配置する構成が提案されている。また、特許文献４には、面状誘導コイルを複数のゾーンに分け、それぞれのゾーンに投入する電流を制御することにより、誘導発熱体となるサセプタ全体を均一に発熱させる技術が提案されている。

特開２０１０−１５３４６７号公報：図１等 特開２０１０−５９４９０号公報：段落００４１〜００５３、図２等 特開２００７−１５８１２３号公報：段落００１７、図１等 特開２００４−２４１３０２

面状誘導コイルは、構造上その対面側の空間に振動磁界を形成するため、特許文献３、４ともに誘導発熱体となるサセプタは、その全体が前記振動磁界の内に収まるよう、面状誘導コイルと互いの面が対向して配置される構成となっている。
誘導発熱体となる複数のサセプタが棚状に設けられた縦型の熱処理装置に、この技術を適用する場合は、各々のサセプタと互いの面が対向する複数の面状誘導コイルを配置するスペースが必要となり、かえって装置は縦（高さ）方向に大型化してしまう。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、縦(高さ)方向に多段に配置された複数の基板に対して、電磁誘導加熱を利用して一括して熱処理を施す熱処理装置において、小型化を図ることができる技術を提供することにある。

本発明は、処理容器内に配置された複数の基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
少なくともその周縁領域が導電性材料を含んでなり、前記基板を載置して加熱するための複数のサセプタが棚状に配列された基板保持部と、
前記処理容器の外部に、前記基板保持部の側方と対向する面に沿って導体を巻回してなり、電磁誘導により前記サセプタを発熱させるための面状誘導コイルと、
前記面状誘導コイルに高周波電力を供給する電力供給部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の熱処理装置では、基板を載置して加熱するためのサセプタが棚状に保持された基板保持部と、電磁誘導により前記サセプタを発熱させる面状誘導コイルと、を備えている。前記面状誘導コイルを、前記基板保持部の側方に対向する面に設けることにより、前記面状誘導コイルが占有するスペースは小さくなるため、従来の熱処理装置に比べて大幅に小型化することができる。

本発明に係る熱処理装置の第１の実施の形態を概略的に示す分解斜視図である。 熱処理装置の第１の実施の形態を示す縦断側面図である。 サセプタの形状と搬送機構とを示す平面図である。 サセプタの形状を示す側面図である。 長方形状の面状誘導コイルを示す斜視図である。 面状誘導コイルとサセプタとの位置関係を示す概略側面図である。 面状誘導コイルからの磁束とサセプタの発熱領域とを示す概略平面図である。 正方形状の面状誘導コイルを示す斜視図である。 サセプタの配列構成例を示す側面図である。 圧力をパラメータとしたウエハの面内温度分布を示す特性図である。 圧力をパラメータとしたウエハの面内温度分布を示す特性図である。 圧力をパラメータとしたウエハの面内温度分布を示す特性図である。 熱処理装置の他の例を示す横断面図である。 曲面状誘導コイルからの磁束とサセプタの発熱領域とを示す概略平面図である。 熱処理装置の第２の実施の形態を示す斜視図である。 面状誘導コイルとサセプタとの位置関係を示す側面図と、サセプタの縦方向位置における発熱量の分布を示す特性図である。 熱処理装置の第３の実施の形態を示す斜視図である。 熱処理装置の第３の実施の形態の他の例を示す斜視図である。 本発明に用いられるサセプタの他の例を示す縦断面図及び平面図である。 本発明に用いられるサセプタの他の例を示す分解斜視図である。 本発明に用いられるサセプタの他の例を示す縦断面図である。 面状誘導コイルの他の例を示す平面図である。 面状誘導コイルの他の例を示す平面図である。 面状誘導コイルの他の例を示す平面図である。

（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る熱処理装置の構成について、図１〜図３を参照して説明する。図１は熱処理装置を概略的に示す分解斜視図であり、図２は熱処理装置の縦断側面図である。図中１は例えば平面視四角形状の筒状の処理容器であり、例えばアルミニウム等の金属材料により形成されている。処理容器１の側壁の一つには、ウエハＷを搬入出するための搬入出口１１として開口部が形成されており、搬入出口１１はゲートバルブ１２により開閉自在に構成されている。

処理容器１の内部には、図２に示すように、ウエハを載置すると共に誘導発熱体の機能を有する複数の板状のサセプタＳｎ(ｎ＝１〜Ｎ（Ｎは２以上の整数）)が棚状に保持されている。サセプタＳｎはウエハよりも直径が大きい円形状に構成され、図４に示すように、サセプタＳｎの周縁領域をなす環状部２１は、その内側の内側領域２２に比べて、厚さが大きくなるように形成されている。サセプタＳｎは、例えば熱伝導率が７０Ｗ／ｍ．Ｋ〜１４０Ｗ／ｍ．Ｋの等方性黒鉛や、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ．Ｋの炭化珪素（ＳｉＣ）等の熱伝導率が高い導電性材料により形成される。また、本発明における高い熱伝導率とは、７０Ｗ／ｍ．Ｋ以上を示す。

複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、例えば３本の支柱３３１〜３３３により、縦方向に一定間隔を開けて棚状に保持されている。この例ではサセプタＳｎと３本の支柱３３１〜３３３とは基板保持部３の一部を構成する。基板保持部３は例えば石英、アルミナ繊維、多孔質セラミックスなどの断熱性が高い材料により構成された、夫々円形状の天板３１と底板３２とを備え、これらは互いに内側の面が対向するように設けられている。

また、図３に示すように、３本の支柱３３１〜３３３は天板３１及び底板３２の夫々の周縁部に沿って設けられ、サセプタＳｎの周縁部の互いに離れた３箇所を保持している。基板保持部３の複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）に対しては、後述するように、搬入出口１１を介して搬送機構５によりウエハＷが受け渡される。このため支柱３３１〜３３３のうち、両端の支柱３３１、３３３は、搬送機構５とサセプタＳｎとの間のウエハＷの受け渡しのときに、当該受け渡し動作を阻害しない位置に夫々設けられている。

複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）が、これら支柱３３１〜３３３にて互いに連結されており、例えば支柱３３１〜３３３は、図３に示すようにサセプタＳｎの周縁よりも内側に配置され、サセプタＳｎは支柱３３１〜３３３に保持されている。こうして複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、一定間隔をおいて棚状に配列され、その配列間隔は、搬送機構５がウエハＷをサセプタＳｎに受け渡す動作を阻害しないように設定するが、後述するように当該受け渡しを阻害しない限り、できるだけ小さくするのが良い。この例では、サセプタＳｎの周縁領域（環状部２１）における配列間隔Ａは、例えば１５ｍｍ以下に設定される。

基板保持部３は、円筒形の回転軸３４を介して回転機構３５に接続されており、回転機構３５を回転させることにより基板保持部３が鉛直軸まわりに回転し、これに伴い、基板保持部３に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）が鉛直軸周りに回転する。回転機構３５は処理容器１の外部に設けるようにしてもよく、この場合には、処理容器１内の気密性を維持するために、回転軸３４と処理容器１の底壁との間には磁性流体シール等のシール機構が設けられる。

処理容器１の側壁のうち、搬入出口１１が形成された側壁と異なる側壁の少なくとも一つ、この例では搬入出口１１が形成された側壁と対向する側壁の外部には、例えば石英、アルミナ等の絶縁材料よりなる仕切り窓１３を介してコイルユニット４が設けられている。コイルユニット４は、面状誘導コイル４２と、これを内側に固定するフレーム４１と、面状誘導コイル４２を覆う遮蔽板４４と、から構成される。面状誘導コイル４２はその一つの面が仕切り窓１３に対向し、他の面(背面)に遮蔽板４４が備えられる。遮蔽板４４はその全体または一部がフェライト、圧粉磁性体等の軟磁性材料からなり、面状誘導コイル４２からその背面側に発散しようとする磁束を収束させることにより、コイルユニット４の外側に漏れる磁束を遮蔽する機能をもつ。

面状誘導コイル４２は、図１に示すように、コイル素線４３である導体を平面に沿って、例えば角型の渦巻き状に巻回して平面状に構成されている。コイル素線４３としては、極細線材を束ねたリッツ線または矩形断面を有する平角線が用いられる。また、コイル素線４３は例えば銅管のような導電性の管材を用い、その中空部に冷却媒体を流すことにより、面状誘導コイル４２自身を冷却するようにしてもよい。

この例の面状誘導コイル４２は、図１及び図５に示すように、所定の平面に沿って細長い縦長の長方形状に形成されており、縦の長さ（長辺）がＬ１であり、横の長さ（短辺）がＬ２である。また、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）がそれらの外周端面を面状誘導コイル４２に対向させて棚状に配列されるが、平面に沿って短辺Ｌ２を大きくすると、面状誘導コイル４２を構成するコイル素線４３はサセプタＳｎの外周端面から離れ、この分はサセプタＳｎの発熱量が減少してしまう。このため、短辺Ｌ２はサセプタＳｎの直径の半分以下の大きさに設定される。

面状誘導コイル４２の長辺Ｌ１が短辺Ｌ２より十分大きく、例えば長辺Ｌ１の短辺Ｌ２に対する比率Ｌ１／Ｌ２が５以上であれば、長辺を構成する素線４３ａ、４３ｃによる磁界が支配的になり、面状誘導コイル４２の対面側に磁界の方向が水平で、かつ強さが縦方向に均一になるような空間を形成することができる。図５には、面状誘導コイル４２の対面側に形成された磁界(磁束密度)を水平方向の磁束４６、縦方向の磁束４７により模式的に示している。水平方向の磁束４６は面状誘導コイル４２の長辺を構成する素線４３ａ、４３ｃによる磁界に伴い形成され、縦方向の磁束４７は短辺を構成する素線４３ｂ、４３ｄによる磁界に伴い形成される。短辺Ｌ２は長辺Ｌ１に対して十分小さいので、素線４３ｂ、４３ｄによる磁界に伴う縦方向の磁束４７が及ぶ範囲は面状コイル４２の上下短辺の近傍に限定される。この例では、図６に示すように、面状誘導コイル４２が形成する磁界（磁束密度）の空間のうち、縦方向の磁束４７が及ぶ上下の範囲を避けて、水平方向の磁束４６が及ぶ空間に複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の周縁領域（環状部２１）を配置する構成としている。このような構成であれば、後述のように、水平方向の磁束４６がサセプタＳｎの周縁領域（環状部２１）を貫通することにより、夫々のサセプタＳｎには均一の誘導電流が流れることから、棚状に配置された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の間において、夫々のサセプタＳｎの発熱量を均一にすることができる。

処理容器１の側壁には、面状誘導コイル４２よりも大きい開口部１４が形成されると共に、この開口部１４を塞ぐように仕切り窓１３が設けられている。そして、面状誘導コイル４２が仕切り窓１３と対向し、かつ僅かな隙間を形成するよう、仕切り窓１３の外側にコイルユニット４が設けられる。
コイルユニット４には図示しない送風ファン等が備えられ、この隙間に送風することにより、面状誘導コイル４２とこれに対向する仕切り窓１３を冷却することができる。
面状誘導コイル４２の一端側及び他端側は、例えば２０ｋＨｚ〜９０ｋＨｚの高周波電力を出力する高周波電源部４５（図２参照）に接続され、面状誘導コイル４２に高周波電力が供給される。

処理容器１の例えば下部側には、処理容器１内の雰囲気を排気するための排気路１５が接続されると共に、処理容器１に所定の処理ガスを供給するためのガス供給路１６が接続されている。図２では、ガス供給路は１つにまとめて描いているが、実際には複数のガス供給路が設けられる。
また処理容器１の下方側には、基板保持部３のサセプタＳｎと搬送機構５との間でウエハＷの受け渡しを行うときに用いられる受け渡し機構２３が設けられている。この受け渡し機構２３は、複数例えば３本の受け渡しピン２３１とこの受け渡しピン２３１を昇降させる昇降機構２３２とにより構成されている。処理容器１の底壁、基板保持部３の底板３２及びサセプタＳｎには、この受け渡しピン２３１に対応する領域に、夫々貫通孔１０、３０、２０が形成されている。また貫通孔１０と受け渡しピン２３１との間には、処理容器１内の気密性を確保するために、ベローズシール等の図示しないシール機構が設けられている。

搬送機構５は、例えば図２及び図３に示すように、ウエハＷの裏面側中央部を保持する保持部材５１を備えており、この保持部材５１が基台５２に沿って進退自在、昇降自在に構成されている。
基板保持部３の複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）対しては、保持部材５１により例えば上段側から順にウエハＷが受け渡される。サセプタＳｎにウエハＷを受け渡すときには、ウエハＷを受け渡そうとするサセプタＳｎの上方側に受け渡しピン２３１を突出させて、ウエハＷを保持する保持部材５１をこの受け渡しピン２３１の上方側に進行させる。次いで保持部材５１を下降させて受け渡しピン２３１にウエハＷを受け渡す。このように保持部材５１が受け渡しピン２３１に衝突せずに下降できるように、受け渡しピン２３１と保持部材５１の形状や大きさが設定されている。そして保持部材５１を退行させてから、受け渡しピン２３１を下降させてウエハＷをサセプタＳｎに受け渡す。同様にして一つずつ下段側のサセプタＳｎに対して、順次搬送機構５からウエハＷが受け渡される。

一方、複数のサセプタＳｎ（n＝１〜Ｎ）から搬送機構５にウエハＷを受け渡すときには、下段側のサセプタＳｎから順にウエハＷの受け渡しが行われる。受け渡しピン２３１を上昇させてサセプタＳｎの上方側までウエハＷを持ち上げてから、サセプタＳｎの表面とウエハＷの裏面との間に保持部材５１を進行させる。次いで受け渡しピン２３１を下降させて保持部材５１にウエハＷを受け渡した後、保持部材５１を退行させる。

以上に説明した構成を備えた熱処理装置は、図２に示すように制御部６と接続されている。制御部６は例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には処理容器１内にてウエハＷに熱処理を行うときの制御プログラムが記録されている。この制御プログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。

この制御プログラムのシーケンスに沿って、熱処理装置は先ず搬入出口１１を開いて、既述のように、受け渡しピン２３１と搬送機構５との協働作業により、搬送機構５から基板保持部３の複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）に対してウエハＷを受け渡す。次いで搬入出口１１を閉じ、処理容器１内を真空排気して所定の圧力に設定し、面状誘導コイル４２に高周波電力を供給し、処理容器1内に振動磁界を形成する。基板保持部３を回転機構３５により回転させながら、この磁界に伴い形成された磁束は、基板保持部３のサセプタＳｎの周縁領域（環状部２１）を貫通することによりサセプタＳｎを発熱させる。複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）がその上に載置された夫々のウエハＷを加熱することにより、多段に配置された複数のウエハＷに対して一括して熱処理を行う。この熱処理としては、成膜を伴う例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、あるいは成膜を伴わない拡散処理、アニール処理などが挙げられる。

前述のように、面状誘導コイル４２が細長い縦長の長方形状に形成されており、その長辺Ｌ１が短辺Ｌ２より十分長ければ、面状誘導コイル４２に対面する処理容器１の内部に、磁界の方向が水平で、かつ強さが縦方向に均一になるような空間を形成することができる。
処理容器１の内部に複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を棚状に配列させると共に、サセプタＳｎの周縁領域をなす環状部２１をこの空間に配置させると、図７のように、面状誘導コイル４２の中心部から発散して、処理容器１に設けられた仕切り窓を通過し、サセプタＳｎの周縁領域をなす環状部２１を水平方向に貫通する磁束４６が形成される。

前述のように、サセプタＳｎの周縁領域をなす環状部２１は、その内側の内側領域２２に比べて、厚さが大きくなるように形成されている。
サセプタＳｎの発熱量は環状部２１の形状に依存し、その厚さｔ１と幅Ｂ（図４参照）が大きいほど環状部２１を貫通する磁束が増え、これによって誘導電流が大きくなり、環状部２１での発熱量が増加する。このため環状部２１の厚さｔ１と幅Ｂは、面状誘導コイル４２からの磁束が環状部２１を貫通し、所定の発熱量を得るために適切な寸法に設定される。

サセプタＳｎは熱伝導率が高い導電性材料からなり、サセプタＳｎの環状部２１で発生した熱量は、サセプタＳｎの中心部に向けて内側領域２２を速やかに移動する。環状部２１からサセプタＳｎの中心部に供給される熱量は、内側領域２２の熱伝導率κと厚さｔ２により決定され、熱伝導率κが高い程、厚さｔ２を小さくできる。また、サセプタＳｎの面内の温度分布は、環状部２１の発熱量と、内側領域２２を移動する熱量のバランスにより決定されるので、これらを考慮して、環状部２１の厚さｔ１及び幅Ｂ、内側領域２２の厚さｔ２が夫々決定される。

ここで、ウエハＷが直径３００ｍｍのサイズであって、サセプタＳｎを熱伝導率κが１００Ｗ／ｍ．Ｋの等方性黒鉛により構成した場合に、サセプタＳｎの形状や配列間隔の一例を挙げる。サセプタＳｎの直径は３１０ｍｍ、環状部２１における配列間隔Ａは１５ｍｍ、環状部２１の厚さｔ１は１５ｍｍ、環状部２１の幅Ｂは１５ｍｍ、内側領域２２の厚さｔ２は５ｍｍに夫々設定される。
前述のように、環状部２１からサセプタＳｎの中心部に供給される熱量は内側領域２２の熱伝導率κと厚さｔ２に依存し、κ×ｔ２をその指標とすることができる。したがって、サセプタＳｎの材料を変更した場合でも、この指標κ×ｔ２により最適な寸法を設定できる。

基板保持部３には複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）が棚状に配列され、搬送機構５によりウエハＷがセプタＳｎに載置される。面状誘導コイル４２からの磁束がサセプタＳｎの周縁領域(環状部２１)を貫通することにより、サセプタＳｎが発熱し、これに載置されたウエハＷはサセプタＳｎからの伝熱(熱の授受)により加熱される。このサセプタＳｎの上側に隣接したサセプタＳ（ｎ＋１）からは、熱放射によるウエハＷへの伝熱があり、これらの周縁領域(環状部２１)における間隙が十分小さければ、サセプタＳｎとサセプタＳ（ｎ＋１）で挟まれた空間は、ほぼ熱的に閉鎖された状態となる。ほぼ熱的に閉鎖された空間にウエハＷを配置すると、熱放射の散乱現象により、ウエハＷの面内の温度分布は自然に均一化され、その温度均一性は格段に良くなる。

一方、基板保持部３に棚状に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の構成において、夫々のサセプタＳｎの周縁領域(環状部２１)の間隙が大きくなると、サセプタＳｎとＳ（ｎ＋１）で挟まれた空間の熱的な閉鎖状態が崩れる。そして、この空間に配置されたウエハＷの表面から外部に臨む視野が広くなるので、ウエハＷとこの空間の外部、例えば処理容器１の内壁との熱放射による伝熱が相対的に増加し、ウエハＷの面内の温度均一を維持し難くなる。

したがって、サセプタＳｎの直径がウエハＷの直径より大きく、かつ（サセプタＳｎの周縁領域の配列間隔）／（サセプタＳｎの直径）の比率が小さいほど、つまり、サセプタＳｎの直径が大きく、隣接するサセプタＳｎとサセプタＳ（ｎ＋１）の環状部２１が互いに接近しているほど、ウエハＷの面内の温度均一を維持しやすくなる。前述のように、サセプタＳｎが熱伝導率の高い等方性黒鉛で構成され、サセプタＳｎの直径を３１０ｍｍとすると、配列間隔Ａを１５ｍｍ以下に設定することにより、ウエハＷの面内の温度均一性を十分に良くすることができる。

このように、サセプタＳｎに載置されたウエハＷは、その面内の温度均一性が十分良い状態で加熱され、所定の熱処理が行われる。熱処理が終了した後は処理ガスの供給を停止すると共に、処理容器１内を常圧雰囲気に戻してから搬入出口１１を開く。次いで前述のように、受け渡しピン２３１と搬送機構５との協働作業により、基板保持部３のサセプタＳｎから搬送機構５にウエハＷを受け渡す。

前述の実施の形態によれば、面状誘導コイル４２に高周波電力を印加することによって処理容器１内に振動磁界を形成し、この磁界に伴い形成された磁束は仕切り窓１３を通過して処理容器１内に入り、基板保持部３のサセプタＳｎの環状部２１を貫通し、この環状部２１が発熱する。コイル素線４３を基板保持部３の側方に対向する面に沿って渦巻き状に巻回して構成された面状誘導コイル４２を設けているので、これが占有するスペースは小さくなり、熱処理装置を大幅に小型化することができる。

また、サセプタＳｎを熱伝導率の高い材料により構成しているので、サセプタＳｎの環状部２１で発熱した熱量は、サセプタＳｎの中心部に向けて内側領域２２を速やかに移動し、サセプタＳｎの面内の温度分布は均一化される。さらに隣接するサセプタＳｎとサセプタＳ（ｎ＋１）の配列間隔を小さくすることにより、これらに挟まれた空間に熱的に閉鎖された状態を形成し、この空間に配置したウエハＷの面内の温度分布が自然に均一化されるようにできる。また、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝1〜Ｎ）の配列間隔を小さくすることによって、サセプタが占有する容積が小さくなり、処理容器を縦方向に小型化することができる。

さらに、面状誘導コイル４２を縦に細長い長方形状に構成することにより、磁界の強さを縦方向に均一にすることができて、縦方向に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝1〜Ｎ）の間で発熱量を揃えることができる。

前述の実施の形態としては、面状誘導コイル４２の形状を縦方向に細長い長方形に限定するものではなく、例えばその形状を正方形にして構成することができる。
図８は正方形状の面状誘導コイル４２に高周波電力を供給して形成される磁界（磁束密度）に伴う水平方向の磁束４６、縦方向の磁束４７を模式的に示したものである。面状誘導コイル４２が正方形状の場合は、この対面側に形成する磁界は縦方向に均一にならず、磁界に伴い形成される磁束は面状誘導コイル４２の中心部から発散して放射状に延び、サセプタＳｎの周縁領域をなす環状部２１を斜めに貫通する。所定の面に入射する磁束は(入射面の面積)×（磁束密度の法線成分）であり、環状部２１を貫通する磁束は、環状部２１の外周端面に入射する水平方向の磁束４６と環状部２１の水平面に入射する縦方向の磁束４７との和になる。

正方形状の面状誘導コイル４２による磁界（磁束密度）は、その対面側における縦方向の位置により変化するため、縦方向に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝1〜Ｎ）と面状誘導コイル４２との相対的な位置関係により、サセプタＳｎの周縁領域（環状部２１）を貫通する磁束が変化し、このため複数のサセプタＳｎ（ｎ＝1〜Ｎ）の間では夫々のサセプタＳｎの発熱量が均一にはならない。
このように、面状誘導コイル４２が正方形状の場合には、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝1〜Ｎ）の縦方向位置における発熱量の分布は不均一になるので、後述のように、面状誘導コイル４２の昇降機能を備えたり、複数の面状誘導コイル４２を配置する構成にすることによって、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝1〜Ｎ）の縦方向位置における発熱量分布を均一化することが好ましい。

図９に示すように、処理容器内に縦方向に配列された４個のサセプタＳｎ(ｎ＝１〜４)夫々にウエハＷを載置し、正方形状の面状誘導コイル９７に周波数４０ｋＨｚの高周波電力を供給して、処理容器内に振動磁界を形成した。この磁界に伴う磁束がサセプタＳｎの周縁領域(環状部２１)を貫通することにより、サセプタＳｎが発熱する。そして、サセプタＳｎの外周端面からその内側に向けて熱電対を挿入し、サセプタＳｎ自身の温度を計測すると共に、その温度を一定に維持するよう高周波電源の出力を制御した。
処理容器は平面視五角形状であり、処理容器の壁には２５℃の冷却水を流し処理容器の温度調節をした。また、縦方向に配列された４個のサセプタＳｎ(ｎ＝１〜４)を挟む処理容器の２つの側壁に夫々面状誘導コイル９７を設置した。
サセプタＳｎは、その直径が３１０ｍｍ、環状部２１の幅Ｂが１５ｍｍ、環状部２１の厚さｔ１が１５ｍｍ、配列間隔Ａが１５ｍｍ、内側領域２２の厚さｔ２が５ｍｍのものを用いた。
複数の熱電対をウエハの表面の所定位置に固着して、温度測定用のウエハを作成し、これをサセプタＳｎに載置することにより、ウエハＷの面内の温度分布を測定した。
サセプタＳｎの設定温度を３００℃、４００℃、５００℃とし、処理容器内の圧力を変えてウエハＷの面内の温度分布を求めた。
処理容器内の圧力は５０ｍＴｏｒｒ以下（６．７Ｐａ以下、引き切り）、２Ｔｏｒｒ（０．２７ｋＰａ）、１０Ｔｏｒｒ（１．３３ｋＰａ）に夫々設定した。

この結果を図１０〜図１２に示す。縦軸はウエハの所定位置における温度、横軸はウエハの中心からの距離であり、処理容器内の圧力として、引き切りは○、２Ｔｏｒｒは△、１０Ｔｏｒｒは◇により夫々プロットしている。面状誘導コイル９７からの磁束により発熱するのは、サセプタＳｎの周縁領域（環状部２１）であるが、サセプタＳｎに載置されたウエハＷは、その中心の温度が周縁付近の温度とほぼ同じになる。このことから、サセプタＳｎの環状部２１で発生した熱量が、内側領域２２を介してサセプタＳｎの中心部に移動する機能と、サセプタＳｎとその上側に隣接するサセプタＳ（ｎ＋１）とが構成する熱的な閉鎖空間の効果が裏付けられる。また、処理容器の圧力を引き切りにすると、ウエハＷの周縁部にて顕著な温度低下が認められるが、前述のように、これはウエハＷの周縁部から処理容器の壁への熱放射による伝熱が影響しているものと考えられる。
このように、４個のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜４）に載置したウエハＷを対象に、その面内の温度分布を測定したところ、高周波電源の出力を制御して夫々のサセプタＳｎを同じ温度に維持すれば、これに載置したウエハＷはその面内の温度分布がほぼ同じであることが解った。また、ウエハＷの面内の温度のばらつきは概ね平均温度の±１％以下であり、その温度均一性が良好であることが認められた。

続いて、前述の実施の形態の他の変形例ついて図１３を参照して説明する。この例が前述の熱処理装置と異なる点は、処理容器を円筒体に形成すると共に、面状誘導コイルを曲面状に構成したことである。処理容器８の側壁８０は、例えば円筒形状に形成され、コイルユニット８１の曲面状誘導コイル８１１は、この円筒形状の周面に沿って素線を細長い長方形状に巻回してなる。この円筒形状の周面は、処理容器８の内部に縦方向に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を貫く中心軸と同心の回転面であり、曲面状誘導コイル８１１を構成する素線が、これと対向するサセプタＳｎの外周端面から等距離に設けられることになる。つまり、曲面状誘導コイル８１１は、細長い長方形状に巻かれた平面状誘導コイルを処理容器８３の周面に沿って曲面状に成形したものであるといえる。図１１中８２はウエハＷの搬入出口、８３はゲートバルブ、８４は仕切り窓である。

図１４に、曲面状誘導コイル８１１による振動磁界に伴って形成され、サセプタＳｎの周縁領域をなす環状部２１を貫通する磁束を示す。
前述のように、円筒形状の周面に沿って構成された曲面状誘導コイル８１１が細長い縦長の長方形状であれば、その対面側にある処理容器８の内部に、磁界の方向が水平で、かつ強さが縦方向に均一になるような空間を形成することができる。この磁界に伴い、サセプタＳｎの環状部２１を水平に貫通する磁束が形成される。曲面状誘導コイル８１１を構成する素線が、サセプタＳｎの円弧状の外周に沿って等距離に対向するため、この外周端面に磁束が入射する範囲が広がり、サセプタＳｎの環状部２１において磁束が貫通し、発熱する領域が拡大する。
図１４の斜線を付した部分は、曲面状誘導コイル８１１からの磁束がサセプタＳｎを貫通し、発熱する領域を模式的に示したものであるが、平面状誘導コイルの場合（図７参照）と比べてこの領域が拡大していることが解る。このため、曲面状誘導コイル８１１では、サセプタＳｎの発熱量が増加し、これに載置されるウエハの加熱効率は高くなる。またコイル幅を大きくすると、サセプタＳｎの発熱領域は外周に沿って拡大し、さらにウエハの加熱効率を高めることができる。

また、円筒面に沿って正方形状に構成された曲面状誘導コイル８１１では、前述のように、曲面状誘導コイル８１１が形成する振動磁界は縦方向に均一にならず、サセプタＳｎの周縁領域（環状部２１）を貫通する磁束は、サセプタＳｎが配置された位置における水平方向の磁束と縦方向の磁束の和となる。サセプタＳｎが配置される縦方向位置により、その周縁領域を貫通する磁束が違うためサセプタＳｎ夫々の発熱量は均一にならないが、曲面状誘導コイル８１１を構成する素線は夫々のサセプタＳｎの外周端面と等距離に配置されるため、水平方向の磁束と共に縦方向の磁束が貫通する領域もサセプタＳｎの外周に沿って広がり、サセプタＳｎの発熱量が増加する。

（第２の実施の形態）
この実施の形態の熱処理装置は、図１５に示すように、コイルユニット８５を処理容器８の側壁８０に沿って昇降自在に設けたものである。コイルユニット８５は曲面状誘導コイル８５１を備えており、前述のように、この曲面状誘導コイル８５１は、正方形状に巻かれた平面状誘導コイルを処理容器の周面に沿って曲面状に成形したものである。図１５では、コイルユニット８５として、フレーム８５２に設けられた曲面状誘導コイル８５１を描いている。また、図１６に示すように、コイルユニット８５の背面側にこの曲面状誘導コイル８５１を覆う遮蔽板８０を設けるようにしてもよい。後述する図１７、図１８についても同様である。

コイルユニット８５は例えばフレーム８５２の両側を支持部材８６にて支持されており、例えばこの支持部材８６が縦方向に伸びるボールネジ８７に沿って昇降自在に構成されている。図中にボールネジ８７の回転機構であるモータ８７１、ボールネジの軸受８７２を示している。例えば２つのモータ８７１は同期して駆動するように構成され、ボールネジ８７を回転させることにより、コイルユニット８５が昇降するようになっている。この例では昇降機構は、支持部材８６とボールネジ８７とモータ８７１とにより構成される。

前述のように、基板保持部３に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の配列間隔は、搬送機構５がウエハＷをサセプタＳｎに受け渡す動作を阻害しない限り、できるだけ小さくするのが良い。この実施の形態では、サセプタＳｎの周縁領域をその内側より厚くせず、サセプタＳｎの全体がフラットになる形状（板状）にして、基板保持部３により多くの複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を配列できるような構成としている。

前述のように、正方形状の曲面状誘導コイル８５１においては、サセプタＳｎの外周端面に入射する水平方向の磁束とその周縁領域の水平面に入射する縦方向の磁束との和によって、サセプタＳｎの発熱量が変化する。例えば、図１６のようにサセプタＳｎがフラットな形状であれば、サセプタＳｎの外周端面に入射する水平方向の磁束は小さくなり、サセプタＳｎの周縁領域の水平面に入射する縦方向の磁束により発熱量が決まることになる。この場合、サセプタＳｎのフラットな形状から環状部２１は区画できず、サセプタＳｎの周縁領域において縦方向の磁束が入射する領域が実質的な環状部となる。
縦方向の磁束は、面状誘導コイル８５１の中心部と上下端部との中間に対向する位置で最大となり、その中心部と端部付近とに対向する位置において減少することから、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の縦方向の位置と発熱量との関係は図１４に示すように双こぶ型分布となる。

そこでこの実施の形態では、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の間の発熱量分布において、図１６に点線に示すように、コイルユニット８５を昇降させることにより、双こぶ型分布が縦方向に移動するので、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の発熱量が縦方向に均される。これにより、縦方向に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の間で温度の均一性が高まり、結果として夫々のサセプタＳｎに載置されたウエハＷの面間の温度均一性を向上させることができる。
また、コイルユニット８５の昇降速度を制御したり、コイルユニット８５の位置ごとに面状誘導コイル８５１に供給する高周波電力を制御することにより、複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の間の発熱量分布を、さらに精密に調整することができる。

曲面状誘導コイル８５１としては、正方形状に限らず、長方形状や円形状を円筒形状の周面に沿って成形したものであってもよい。また、平面視角型の処理容器を用い、処理容器の平坦な側壁に沿って平面状誘導コイルを設けてもよい。

（第３の実施の形態）
本発明は、複数のコイルユニットを縦方向に複数並べるように構成してもよい。図１７は、正方形状の面状誘導コイル８８１、８９１を夫々備えた２つのコイルユニット８８、８９を処理容器１の一つの側壁の面に沿って縦に並べた例であり、面状誘導コイル８８１、８９１は夫々高周波電源部８８２、８９２に接続されている。そしてこの例では、面状誘導コイル８８１、８９１に対向する処理容器１の他の側壁に他のコイルユニットが設けられ、このコイルユニットの正方形状の面状誘導コイル１００にも高周波電源部が接続されている。

面状誘導コイル１００は、その縦方向位置が、例えば面状誘導コイル８８１、８９１の中間になるように配置される。３つの面状誘導コイル８８１、８９１、１００は、互に独立して電力の供給制御が行われ、夫々が対象とするサセプタＳｎの発熱量を調整することにより、縦方向に配列された複数のサセプタＳｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の間で発熱量分布の均一化が図られる。

図１７の例では、平面視四角形の処理容器１の側壁の面に沿って縦方向に２つの面状誘導コイル８８１、８９１を配置しているが、縦方向に３つ以上の面状誘導コイルを配置してもよい。また、これに加えて処理容器１の他の側壁の面に沿って複数の面状誘導コイルを配置するようにしてもよい。
また処理容器１の互いに対向する側壁に面状誘導コイルを配置することに限らず、図１８に示すように互いに隣接する側壁に、コイルユニット９１、９２を、面状誘導コイル９１１、９２１の縦方向置が互いに異なるように設けてもよい。

さらに本発明に用いられるサセプタは、その周縁領域の少なくとも一部が導電性材料により構成されたものであればよく、例えば図１９に示すように、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ．Ｋの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により円板状に形成されたサセプタ本体９３の周縁領域に、導電性材料からなる環状部材９４を埋め込んで環状部９０を構成してもよい。
環状部材９４は例えば０．１ｍｍ以下の厚さの導電性材料からなる薄板を環状に形成し、この環状部材９４を分割して、サセプタ本体９３の外周端面に沿って形成された溝に埋め込むことにより、環状部９０を構成することができる。
この導電性材料としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン(Ｍｏ)などを用いることができる。
また、環状部９０は環状部材９４を埋め込む構成に限らず、環状部材９４をサセプタ本体９３の周縁領域の上面または下面にはめ込んだ構成としてもよい。図２０は、環状部材９４をサセプタ本体９３の周縁領域の上面に形成した環状の溝９３ａにはめ込んだ構成を示している。
また、環状部材９４は薄板に限らず、導電性材料からなる素線を渦巻き状にして形成してもよい。
さらに、環状部材９４として、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、またはこれらの合金類からなる強磁性体を用いることにより、環状部９０での発熱量を飛躍的に高められる。

また、本発明の熱処理装置では、基板保持部３を必ずしも回転させる必要はなく、処理容器１の複数の側壁に面状誘導コイルを設けることにより、サセプタＳｎの周縁領域をその外周に沿って均等に発熱させることができる。そして、サセプタＳｎの周縁領域からその中心部に向かって熱量が速やか移動し、サセプタＳｎの面内の温度分布が均一化される。
また、面状誘導コイルとして、図２２のような複数の渦巻き状のコイル９５を互いに連結した構成や、図２３のようなコイル素線９６をリング状に巻回した構成や、図２４のようなコイル素線９６を２重のリング状に巻回した構成を用いることができる。さらに、処理容器１の内部を減圧環境にする場合には、基板保持部３の天板３１と最上段のサセプタＳＮとの間や、その底板３２と最下段のセプタＳ１との間に、サセプタＳｎからの熱放射を遮断する赤外線反射板を配置するようにしてもよい。
さらに、サセプタＳｎにウエハＷを載置する構成には、これをサセプタＳｎの表面に設けた突起に載置し、ウエハＷがサセプタ表面に近接する状態も含まれる。

Ｗ ウエハ
１ 処理容器
Ｓｎ サセプタ
２１ 環状部
２２ 内側領域
３ 基板保持部
４ コイルユニット
４２ 面状誘導コイル
４５ 電力供給部
５ 搬送機構
６ 制御部

Claims (15)

1. 処理容器内に配置された複数の基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
   少なくともその周縁領域が導電性材料を含んでなり、前記基板を載置して加熱するための複数のサセプタが棚状に配列された基板保持部と、
   前記処理容器の外部に、前記基板保持部の側方と対向する面に沿って導体を巻回してなり、電磁誘導により前記サセプタを発熱させるための面状誘導コイルと、
   前記面状誘導コイルに高周波電力を供給する電力供給部と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。
2. 前記基板保持部を鉛直軸まわりに回転させる回転機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記サセプタは、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ．Ｋ以上の材質により構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理装置。
4. 前記面状誘導コイルは、前記サセプタの周縁領域を発熱させるよう配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
5. 前記基板保持部の側方と対向する面に沿って前記面状誘導コイルを昇降させる昇降機構を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
6. 前記面状誘導コイルは、前記基板保持部の側方と対向する面に沿って、高さ方向に複数設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
7. 前記面状誘導コイルは、前記基板保持部の周方向に互いに間隔をおいてかつ互いの高さを変えて複数設けられることを特徴とする請求項１、２、３及び６のいずれか一項に記載の熱処理装置。
8. 複数の前記面状誘導コイルの各々に高周波電力を供給する複数の電力供給部と、
   前記電力供給部からの電力を前記面状誘導コイル毎に制御する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項６または７記載の熱処理装置。
9. 前記面状誘導コイルは、平面に沿って導体を巻回してなる平面状誘導コイルであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の熱処理装置。
10. 前記面状誘導コイルは、曲面に沿って導体を巻回してなる曲面状誘導コイルであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の熱処理装置。
11. 前記サセプタの外周形状は円形であり、
    前記曲面状誘導コイルは、複数の前記サセプタの各々の外周端面から等距離にある円筒面に沿って設けられることを特徴とする請求項１０記載の熱処理装置。
12. 前記サセプタにおいて、前記周縁領域の厚さが、前記周縁領域の内側の領域よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の熱処理装置。
13. 前記サセプタにおいて、前記周縁領域の少なくとも一部が強磁性体からなることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の熱処理装置。
14. 前記面状誘導コイルは、前記面状誘導コイルの背面側に漏れる磁束を遮蔽する、軟磁性材料からなる遮蔽板を備えることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
15. 前記面状誘導コイルは、前記処理容器の側壁の面と隙間を設けて配置され、前記隙間に送風することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の熱処理装置。

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