JP4866681B2

JP4866681B2 - 背面電子衝撃加熱方法と装置

Info

Publication number: JP4866681B2
Application number: JP2006227540A
Authority: JP
Inventors: 重崇芳賀; 邦明三浦
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: JP2008053028A

Description

本発明は、半導体ウエハ等の加熱物を加熱プレートの上に載せて高温に加熱するの装置に関し、特に加熱プレートの背後に設けたフィラメントで加熱プレートを加熱するのと、同フィラメントから加速された電子を加熱プレートに衝突させて加熱する２つの加熱手段を備えた背面電子衝撃加熱方法と装置に関する。

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（以下「基板」と称する。）を加熱するための加熱手段として、加熱プレートに基板を載せて加熱する形式のヒータが使用されている。例えば、図４は加速された電子を加熱プレート３２の背後から衝突させて同加熱プレート３２を加熱し、その加熱プレート３２に載せた基板等の加熱物４０を加熱する方式の背面電子衝撃加熱装置である。

図４には示していないが、ステンレス鋼等の金属からなるテーブル３６の上に真空チャンバが載せて固定されており、この真空チャンバの中に加熱容器３１が設置されている。この加熱容器３１は、黒鉛等からなる下面が開いた容器状のものであって、天板がシリコンウエハ等の薄形板状の加熱物４０を載せるため平坦な加熱プレート３２となっているものである。

テーブル３６の加熱容器３１の下端フランジ部分を載せる部分には、円環状の溝が設けられ、この溝に真空シール材３８が嵌め込まれている。この溝に嵌め込まれた真空シール材３８の上に、前記加熱容器３１の周壁３４の下端フランジ部分が載せられ、固定されている。

さらに、この加熱容器３１の内部に立設された支柱により、加熱プレート３２の背後側にフィラメント３９が取り付けられている。このフィラメント３９には、フィラメント加熱電源４３が接続されている。さらに、このフィラメント３９と加熱プレート３２との間には、加速電源３７により加速電圧が印加される。なお加熱プレート３２を有する加熱容器３１は接地され、フィラメント３９に対して正電位に保持される。
前記フィラメント３９の下方に位置するようにリフレクタ３３が取り付けられている。このリフレクタ３３は、フィラメント３９に導通しており、同フィラメント３９と同電位のマイナス電位とされる。

このような背面電子衝撃加熱装置では、加熱容器３１の中のフィラメント３９に通電して加熱することにより、熱電子を発生さると共に、加速電源３７によりフィラメント３９と加熱プレート３２との間に高電圧を印加することで、熱電子を加速し、正電位に維持された加熱プレート３２に衝突させる。この熱電子の衝突による衝撃によって加熱プレート３２が加熱され、加熱物４０を加熱することが出来る。

この背面電子衝撃加熱装置では、加熱プレート３２の温度を測定しながら、加熱物４０の加熱温度を適正に制御する必要がある。このような加熱プレート３２の温度測定手段として、一般的には図４に示すように、絶縁碍子４５によって電気絶縁された熱電対３５が使用されている。テーブル３６に設けたフィードスルーから加熱容器３１の中にシース形熱電対２４を引き込み、その先端の測温接点を加熱プレート２２の背面に埋め込む。補償接点端子４１側は加熱容器３１の外で測定器４２と補償導線により接続し、前記加熱プレート３２の温度を測定する。

このような背面電子衝撃加熱装置を使用して加速電源３７によりフィラメント３９と加熱プレート３２との間に高電圧を印加しながら加熱物４０を加熱する場合、温度を次第に上げていく過程で放電現象が起こる。この放電現象は加熱容器３１の内部を十分減圧し、その真空度を高くした状態でも起こる。この放電現象は、強い音と光を伴う火花放電であり、フィラメント３９と加熱容器３１の間隔が狭い部分で起こる。この火花放電は、フィラメント３９を損傷する原因となる厄介なものである。

火花放電を起こすのに必要な最小電圧Ｖｓを火花電圧と言い、電場が一様で温度が一定ならば電極間距離ｄと気体の圧力ｐとの積ｐｄの関数として定められる。これをパッシェンの法則という。図２のようにｐｄに対するＶｓの曲線はＶ字状であり、その最小値Ｖｓｍを最小火花電圧といい、空気中では３００Ｖくらいで、ｐをＰａ、ｄをｍｍで表わすと、そのときのｐｄは６５０〜９５０位である。

加熱容器３１は、真空チャンバの中にあり、１．３３Ｐａ以下（０．０１ｔｏｒｒ以下）の真空に維持されるため、通常は温度を高くしても火花放電は起こらない筈である。しかしながら、加熱容器３１の温度を上げていく過程で、加熱容器３１に吸蔵されていたＮ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２等のガス、主にＮ_２ガスが放出され、フィラメント３９と加熱容器３１の間の圧力が局所的に高くなった状態となる。このため、１．５ＫＶ〜１．７ＫＶの電圧を印加すると、火花放電が起こる。
特開２００５−５６９６４号公報特開２００５−５６９６３号公報特開２００５−５６６２８号公報特開２００５−５６５８２号公報特開２００４−３５５８７７号公報

本発明では、前記従来の背面電子衝撃加熱装置の課題に鑑み、火花放電の発生を避けることが出来、これにより機器の破損を防止することが出来る背面電子衝撃加熱方法と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、加熱容器１の加熱プレート２を加熱して温度を上昇させる過程で、火花放電がおこり易い温度、換言すればガス放出が起きやすい温度範囲で、フィラメント９に加速電圧を印加せずに加熱し、それより高温域で加速電圧を印加して高温加熱を可能とした。

すなわち、本発明による背面電子衝撃加熱方法は、加熱容器１の天板となっている加熱プレート２の背後に設けられたフィラメント９から放出される熱電子を加速電圧で加速して加熱プレート２に衝突させて加熱プレート２を加熱する。そして、前記フィラメント９に通電して加熱プレート２を加熱するに当たり、前記温度測定手段により測定される加熱プレート２の温度が或る設定された温度に達するまでフィラメント９に加速電圧を印加せず、フィラメント９の輻射熱のみにより加熱プレート２を加熱し、前記温度測定手段により測定される加熱プレート２の温度が前記設定温度を超えたときフィラメント９に加速電圧を印加する。

さらに、本発明による背面電子衝撃加熱装置は、加熱容器１の天板となっている加熱プレート２の背後に設けられたフィラメント９と、このフィラメント９を加熱する加熱電源１２と、このフィラメント９に加速電圧を印加する加速電源７と、前記加熱プレート２の温度を測定する温度測定手段とを有する。さらに、前記加熱電源１２からフィラメント９に通電して加熱プレート２を加熱するに当たり、温度測定手段により測定される前記加熱プレート２の温度が或る設定された温度に達するまでフィラメント９から加速電源７を切り離してフィラメント９の加熱電源１２からの通電のみにより加熱プレート２を加熱し、前記温度測定手段により測定される前記加熱プレート２の温度が前記設定温度を超えたとき加速電源７によりフィラメント９に加速電圧を印加するよう切り替えるスイッチング回路を備える。

このような本発明による背面電子衝撃加熱方法と装置では、温度測定手段により測定される加熱プレート２の温度が或る設定された温度に達するまでフィラメント９に加速電圧を印加せず、フィラメント９の輻射熱のみにより加熱プレート２を加熱することにより、火花放電が起こりやすい温度域を通過して温度上昇させることが出来る。そしてその後は、フィラメント９に加速電圧を印加するすることにより、熱電子を加速して加熱プレート２を電子衝撃することにより、容易に１，０００℃以上の加熱プレート２の高温を得ることが出来る。

以上説明した通り、本発明による背面電子衝撃加熱方法と装置では、火花放電が起こりやすい温度域でフィラメント９に加速電圧を印加しないことにより、火花放電による機器の損傷を避けることができる。そして、フィラメント９の輻射熱だけでは達成出来ない高温域では、フィラメント９に加速電圧を印加して容易に高温を得ることが可能である。

本発明では、加熱容器１の加熱プレート２を加熱して温度を上昇させる過程で、火花放電がおこり易い温度の範囲で、フィラメント９に加速電圧を印加せずに加熱することにより、火花放電の発生を避けるようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は、背面電子衝撃加熱装置の一例を示す図である。図示していないが、ステンレス鋼等の金属からなるテーブル６の上に真空チャンバが載せて固定されており、この真空チャンバの中に加熱容器１が設置されている。この加熱容器１は、下面が開いた容器状のものであって、その平坦な天板がシリコンウエハ等の薄形板状の加熱物７、例えば基板を載せる加熱プレート２となっている。より具体的には、加熱容器１は、加熱プレート２が天板となってその上面側が閉じられ、加熱プレート２の周囲の下方には、下面側が開口した円筒形状の周壁が設けられている。加熱容器１の周壁の下端部はフランジ状になっている。

テーブル６の加熱容器１の下端フランジ部分を載せる位置には、円環状の溝が設けられ、この溝に真空シール材１４が嵌め込まれている。この溝に嵌め込まれた真空シール材１４の上に、前記加熱容器１の周壁１３の下端フランジ部分が載せられ、気密に固定されている。
さらに、この加熱容器１の内部には、テーブル６から支柱１０が立設され、この支柱１０の上端側に平板状のホルダ１５が支持されている。さらにこのホルダ１５の上にリフレクタ３が支持されている。

真空チャンバのテーブル６に設けたフィードスルーを通してフィラメントサポートを兼ねる柱状の電極１６、１６が挿入、立設されており、この電極１６、１６にフィラメント９が取り付けられている。このフィラメント９は、加熱容器１の中でその加熱プレート２の背後に設けられている。またこのフィラメント９には、電極１６、１６を介してフィラメント加熱電源１２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、高電圧の加速電源７により加速電圧が印加される。ここで、加速電源７はスイッチ４を介して随時フィラメント９に接続されるようになっている。より具体的には、このスイッチ４は、フィラメント９に加速電源７を接続するのとフィラメント９を接地するのと２極の切替が出来る。

加熱プレート２を有する加熱容器１は接地され、前記スイッチ４が接地側にあるとき、フィラメント９は加熱容器１と同電位にあるが、スイッチ４が加速電源７側に切り替わったとき、加熱容器１はフィラメント９に対して正電位に保持される。また、前記のリフレクタ３は、フィラメント９に導通しており、同フィラメント９と同電位のマイナス電位とされる。

真空チャンバのテーブル６に設けたフィードスルーを通してシース型熱電対５が加熱容器１の中に挿入されており、その測温接点がある上端部が絶縁碍子２０で電気絶縁された状態で加熱プレート２の下面からその中に埋め込まれている。真空チャンバの外側のシース型熱電対５の補償接点８は、補償導線を介して測定器１１に接続され、加熱プレート２の温度測定がなされる。前記のスイッチ４は、この測定器１１による温度測定値により切替がなされる。

次にこの背面電子衝撃加熱装置を使用して加熱容器１の加熱プレート２に載せた加熱物４０を加熱する方法について説明する。なお、図３は、この背面電子衝撃加熱装置の電源制御系を示す概念図であり、図１と併せて参照する。
まず、真空チャンバを減圧して加熱容器１の雰囲気を十分な真空度にした状態で、フィラメント加熱電源１２によりフィラメント９に通電し、フィラメント９を加熱する。このとき、スイッチ４は予め接地側にしておき、フィラメント９を加熱容器１と同電位にしておく。すなわちこの状態では、フィラメント９には加速電源７により加速電圧は印加されていない。この状態では、フィラメント９の加熱により、輻射熱が発生し、これにより加熱プレート２が加熱される。

加熱容器１からのガス放出により火花放電が起こりやすい温度は、加熱容器１の真空度や加熱プレート２とフィラメント９との距離、さらには加速電源７による印加電圧等により一律ではないが、通常使用される背面電子衝撃加熱装置では、概ね８００℃前後までである。これを超える温度までフィラメント９の輻射熱により加熱プレート２を加熱する。加熱プレート２の温度は熱電対５により測定器８で測定する。この温度を測定しながら、適宜フィラメント加熱電源１２の電流を調整する。

熱電対５により測定器８で測定される温度が火花放電が起こりやすい温度を超えたとき、スイッチ４を加速電源７に切り替え、フィラメント９に１．５ＫＶ〜１．７ＫＶ程度の加速電圧を印加し、加熱プレート２に電子を衝突させて電子衝撃加熱を開始する。この第一段階の加速電圧の印加は、加熱容器１からのガス分子放出によりなお火花放電が起こる可能性を避けるものである。これにより、加熱プレート２の温度はさらに上昇し、１２００℃以上の温度に容易に到達することが出来る。さらにその温度を超えた後は、フィラメント９に２．２ＫＶ〜２．８ＫＶ程度の加速電圧を印加することで、１５００℃以上の温度に到達可能である。

本発明による背面電子衝撃加熱装置の一実施例を示す概略縦断側面図である。パッシェンの法則の概念を示すためのグラフである。本発明の実施例である背面電子衝撃加熱装置の制御系統を示す概念図である。背面電子衝撃加熱装置の従来例を示す概略縦断側面図である。

符号の説明

１加熱容器
２加熱プレート
４スイッチ
５熱電対
７加速電源
９フィラメント
１２加熱電源

Claims

加熱容器（１）の天板となっている加熱プレート（２）の背後に設けられたフィラメント（９）から放出される熱電子を加速電圧で加速して加熱プレート（２）に衝突させて加熱プレート（２）を加熱する背面電子衝撃加熱方法において、前記フィラメント（９）に通電して加熱プレート（２）を加熱するに当たり、温度測定手段により測定される前記加熱プレート（２）の温度が或る設定された温度に達するまでフィラメント（９）に加速電圧を印加せず、フィラメント（９）の輻射熱のみにより加熱プレート（２）を加熱し、前記温度測定手段により測定される前記加熱プレート（２）の温度が前記設定温度を超えたときフィラメント（９）に加速電圧を印加することを特徴とする背面電子衝撃加熱方法。
加熱容器（１）の天板となっている加熱プレート（２）の背後に設けられたフィラメント（９）と、このフィラメント（９）を加熱する加熱電源（１２）と、このフィラメント（９）に加速電圧を印加する加速電源（７）と、前記加熱プレート（２）の温度を測定する温度測定手段とを有する背面電子衝撃加熱装置において、前記加熱電源（１２）からフィラメント（９）に通電して加熱プレート（２）を加熱するに当たり、温度測定手段により測定される前記加熱プレート（２）の温度が或る設定された温度に達するまでフィラメント（９）から加速電源（７）を切り離してフィラメント（９）の加熱電源（１２）からの通電のみにより加熱プレート（２）を加熱し、前記温度測定手段により測定される前記加熱プレート（２）の温度が前記設定温度を超えたとき加速電源（７）によりフィラメント（９）に加速電圧を印加するよう切り替えるスイッチング回路を備えることを特徴とする背面電子衝撃加熱装置。