JP3950089B2 - 電子衝撃加熱装置 - Google Patents

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５は、電子衝撃加熱装置の従来例を示すものである。図５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部材１が設置され、その内部は同加熱物支持部材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、加熱物支持部材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。加熱物支持部材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部材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。加熱物支持部材１がこのようなシリコン含浸シリコンカーバイトや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。
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、加熱物支持部材１の内部の空間が排気され、真空にされる。

さらに、この加熱物支持部材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、サポート部材１３により支持されて加熱物支持部材１の加熱プレート２の背後に設けられている。このフィラメント９には、フィラメント電極１５を介して加熱電源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、加熱物支持部材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。他方、リフレクタ３の少なくともフィラメント９と対向した最も上のものは、フィラメント９と同電位にするため、導電線（図５において図示せず）を介して電子加速電源１１を接続した側の電極１５に接続されている。

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。
リフレクタ３の少なくともフィラメント９と対向した最も上のものは、フィラメント９と同電位にされているため、電子は飛来せず、従って電子衝撃を受けない。
特開平１１−３４５７７６号公報 特開平１１−３５４５２６号公報 特開平１１−３５４５２７号公報 特開２０００−１２５４８号公報 特開２０００−１２５４９号公報 特開２０００−３６３７０号公報

加熱物支持部材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、加熱物支持部材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、高温に加熱される。このため、加熱物支持部材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部材１の下端部との間には急勾配の温度勾配が形成される。

このように、繰り返し常温と高温との間で温度を操作し、その度に前述のような温度勾配が形成されると、前記のリフレクタ３を電極１５に接続した導電線が繰り返し屈曲され、その屈曲部が疲労して劣化し、早期に破断してしまう。そうすると、リフレクタ３がフィラメント９と同電位に保持されず、リフレクタ３に電子が飛来してその衝撃を受け、リフレクタ３が劣化することになる。リフレクタ３は、本来が加熱プレート２側で発生する熱に対して熱遮断をするのと、電子の飛来を防止するという二つの機能が要求される。しかし、リフレクタ３とフィラメント９側との断線が起こると、リフレクタ３の前記のような機能が失われてしまう。

本発明は、従来の電子衝撃加熱装置におけるこのような課題に鑑み、電子衝撃加熱による加熱を幾度か繰り返しても、リフレクタとフィラメント側とが長期にわたって断線することが無く、同電位に維持され、リフレクタとしての所期の機能を長期にわたって維持することが出来る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、接続部材１８を用いてリフレクタ３をフィラメント９と導通する部材に固定した状態で接続することにより、加熱、冷却時に発生する接続部分の熱応力による接続部材１８の繰り返し変形を防止し、その早期の破断を防止するようにしたものである。特に、接続部材１８をフィラメント９と導通する部材の長手方向にスライド自在に設けたものである。

すなわち、本発明による電子衝撃加熱装置は、熱電子を発生するフィラメント９と、このフィラメント９で発生した熱電子を加速して加熱プレート２に衝突させる電子加速電源１１と、加熱プレート２に対してフィラメント９の背後側に設けられ、加熱プレート２の電子衝撃で発生する熱を反射するリフレクタ３とを有する。そして、フィラメント９とリフレクタ３とを同電位にするため、リフレクタ３をフィラメント９に接続する接続部材１８がリフレクタ３に固定されていると共に、前記フィラメント９と導通する部材の長手方向にスライド自在に設けたものである。

例えば接続部材１８は、フィラメント９に電源を接続する電極１５やフィラメント９を保持するサポート部材１３にリフレクタ３を接続し、リフレクタ３をフィラメント９と同電位とする。この場合に、接続部材１８は電極１５やサポート部材１３の長手方向にスライド自在に設けるとよい。

このような本発明による電子衝撃加熱装置では、リフレクタ３をフィラメント９と同電位にするため、リフレクタ３をフィラメント９に接続する接続部材１８がリフレクタ３に固定されているため、加熱、冷却時に発生するリフレクタ３やそれをフィラメント９に接続する接続部材１８や電極１５等の熱応力により、接続部材１８がリフレクタ３から外れるこが無い。従って、リフレクタ３とフィラメント９とが長期にわたって断線することが無く、同電位に維持されることにより、リフレクタ３の電子衝撃による劣化が防止され、リフレクタ３として要求される機能を長期にわたって維持することが出来る。

本発明では、接続部材１８を用いてリフレクタ３をフィラメント９と導通する接続部材１８がリフレクタ３に固定されており、これにより、加熱、冷却時に発生するリフレクタ３とフィラメント９との導通状態の破断を防止するものである。
以下、このような本発明の実施例について、図面を参照しながら具体例を挙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例を示すものであり、図５の従来例と同じ部分は同じ符号で示している。図２はその要部拡大図である。
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５により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部材１が設置され、その内部は同加熱物支持部材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、加熱物支持部材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。加熱物支持部材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。

加熱物支持部材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。加熱物支持部材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。

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、加熱物支持部材１の内部の空間が排気され、真空にされる。
さらに、この加熱物支持部材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、加熱物支持部材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、ステージ部６から起立した柱状の電極１５、１５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。

また、一方の電極１５を介してフィラメント９に電子加速電源１１の負側の電極が接続されている。他方、加熱プレート２は接地されているが、加熱プレート２には加熱物支持部材１を介して電子加速電源１１の正側の電極が接続されている。これにより、フィラメント９と加熱プレート２との間に、フィラメント９側が負になるような直流の加速電圧が印加されると共に、加熱プレート２がフィラメント９に対して正電位に保持される。

リフレクタ３は、加熱物支持部材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の加熱物支持部材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はフィラメント９と同電位とされる。このために、フィラメント９に前記電子加速電源１１の負側の電極を接続した電極１５にリフレクタ３が接続されている。この電極１５にリフレクタ３を接続している接続部材１８は、図２に示すように導電性のスライドブッシュ２０に電極１５をスライド自在に通し、このスライドブッシュ２０をボルト１８でリフレクタ３に固定している。このため、電極１５はリフレクタ３に対して図２に矢印で示す方向にスライド自在であり、それらの相対的な変動に対し、それらの歪みを吸収し、応力の発生を抑える。また、スライドブッシュ２０を介してリフレクタ３と電極１５との導通が完全に確保される。

リフレクタ３はフィラメント９と同電位とされることにより、リフレクタ３には電子が飛来せず、電子衝撃による加熱は起こらない。このようなリフレクタ３は、多重に配置することができる。リフレクタ３を多重に配置した場合、フィラメント９と対向した最も上のリフレクタ３のみをフィラメント９と同電位とすれば良いが、電子の飛来をより確実にするため、それ以下のリフレクタ３もフィラメント９と同電位とするのがよい。

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部材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。これにより、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、加熱物支持部材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部材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、加熱物支持部材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、加熱物支持部材１の下端部と加熱プレート２とは共に常温付近の温度となり、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、加熱物支持部材１の下端部と加熱プレート２との間の温度勾配が繰り返し増減する。

このような温度勾配の変化により、リフレクタ３と電極１５とが返し歪みを生じ、応力が生じる。しかし、接続部材１８がリフレクタ３と電極１５とをスライド自在に接続しているため、リフレクタ３と電極１５に発生する歪みが緩和される。これにより、繰り返し加熱と冷却を繰り返しても、早期の破損が起こり難くなる。また、スライドブッシュ２０を介してリフレクタ３と電極１５との導通が完全に確保される。

図３は、本発明による電子衝撃加熱装置の他の実施例を示すものであり、図１に示した電子衝撃加熱装置の実施例と同じ部分は同じ符号で示している。また、図４は、その要部拡大図である。
図３と図４に示した実施例が前記の実施例と相違しているのは、接続部材１８が電極１５にではなく、フィラメント９を保持するサポート部材１３に取り付けられ、リフレクタ３が接続部材１８とサポート部材１３とを介してフィラメント９に接続されている点である。それ以外は、図１に示した電子衝撃加熱装置の実施例と全ての部分が共通している。

なお、前述の実施例では、何れもフィラメント９の直下で対向する最上段のリフレクタ３のみをフィラメント９に接続し、同電位とした。しかし前述したように、上から２段目以下のリフレクタ３についても、フィラメント９と同電位にすると、リフレクタ３の電子衝撃による劣化を防止出来る点でより好ましい。

本発明による電子衝撃加熱装置の一実施例を示す概略縦断面図である。 電子衝撃加熱装置の同実施例の一部を示す要部側面図である。 本発明による電子衝撃加熱装置の他の実施例を示す概略縦断面図である。 電子衝撃加熱装置の同実施例の一部を示す要部側面図である。 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

２ 加熱プレート
３ リフレクタ
９ フィラメント
１１ 電子加速電源
１３ サポート部材
１４ 温度測定器
１５ 電極
１８ 接続部材
２１ ナット

Claims (3)

1. 熱電子を発生するフィラメント（９）と、このフィラメント（９）で発生した熱電子を加速して加熱プレート（２）に衝突させる電子加速電源（１１）と、加熱プレート（２）に対してフィラメント（９）の背後側に設けられ、加熱プレート（２）の電子衝撃で発生する熱を反射するリフレクタ（３）とを有する電子衝撃加熱装置であって、フィラメント（９）とリフレクタ（３）とを同電位にするため、リフレクタ（３）をフィラメント（９）に接続する接続部材（１８）がリフレクタ（３）に固定されていると共に、前記フィラメント（９）と導通する部材の長手方向にスライド自在に設けたことを特徴とする電子衝撃加熱装置。
2. 前記フィラメント（９）と導通する部材がフィラメント（９）に電源を接続する電極（１５）であり、リフレクタ（３）が同電極（１５）の長手方向にスライド自在な接続部材（１８）を介してフィラメント（９）に接続されてい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。
3. 前記フィラメント（９）と導通する部材がフィラメント（９）を保持するサポート部材（１３）であり、リフレクタ（３）が同サポート部材（１３）の長手方向にスライド自在な接続部材（１８）とを介してフィラメント（９）に接続されてい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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