JP4901998B1

JP4901998B1 - 誘導加熱装置

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Publication number: JP4901998B1
Application number: JP2011016800A
Authority: JP
Inventors: 淳也宮田; 直喜内田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: KR20120098597A; WO2012101867A1; JP2012156111A; CN102763487A; KR101196555B1; CN102763487B

Abstract

【課題】ウエハ表裏面における温度差を生じさせず、かつウエハ表面に金属膜などが形成されている場合であっても、ウエハ自体が発熱することによる温度分布のバラツキや金属膜の焼損を無くすことのできる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】ウエハ１６の一方の主面に対向して配置されるサセプタ１８と、他方の主面に対向して配置されるサセプタ２０と、サセプタ１８のウエハ１６との対向面の裏面側に配置される一方の誘導加熱コイル群２２と、サセプタ２０のウエハ１６との対向面の裏面側に、ウエハ１６を基点として一方の誘導加熱コイル群２２と対称に配置される他方の誘導加熱コイル群２４と、一方の誘導加熱コイル群２２および他方の誘導加熱コイル群２４を並列に、且つウエハ１６を基点として面対称な配置関係となる誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆに対して、投入する電流の位相が逆向きとなるように接続した電源部１４とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱装置に係り、特に半導体基板を枚葉処理する場合に好適な誘導加熱装置に関する。

枚葉型の半導体を熱処理する誘導加熱装置として、半導体基板面内における温度分布を高精度に制御することを目的として、本願出願人は特許文献１に開示されているようなものを提案している。

特許文献１に開示されている誘導加熱装置の概要は、次の通りである。円環上に形成した複数の誘導加熱コイルを隣接配置し、個々の加熱ゾーンとして定めた加熱コイル毎に投入する電力の制御を可能とする。誘導加熱コイルの上面には、発熱体としてのサセプタを配置し、サセプタの上面に被加熱物としてのウエハを配置する。

このような構成の誘導加熱装置によれば、相互誘導の影響を回避しつつ、隣接配置された複数の誘導加熱コイルに投入する電力を個別に制御することが可能となる。このため、ウエハの面内温度分布を高精度に、均一に、あるいは任意の温度勾配を持つように加熱制御することが可能となる。

特開２００９−２３９０９８号公報

特許文献１に開示されている誘導加熱装置によれば、急速加熱が可能となり、かつウエハの面内温度分布制御が可能となる。
一方、急速加熱の要望がさらに加速した場合、ウエハの表裏面間において温度差が生じ、ウエハに反りなどが生ずる可能性がある。これを解消する方法として、ウエハを一対のサセプタで挟み込み、ウエハを表裏両面から加熱するという方法が考えられる。しかしこの場合でも、表裏面の加熱制御を各々独立して行った場合には、ウエハ表裏面の温度分布がばらついてしまう場合がある。また、表面に金属膜などが貼付されているウエハを加熱する場合には、漏洩磁束の影響によりウエハ自体が誘導加熱され、ウエハ全体としての加熱バランスが崩れてしまったり、金属膜が焼損したりする虞がある。

そこで本発明では、被加熱物であるウエハ表裏面における温度差を生じさせず、かつウエハ表面に金属膜などが形成されている場合であっても、ウエハ自体が発熱することによる温度分布のバラツキや金属膜の焼損を無くすことのできる誘導加熱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誘導加熱装置は、被加熱物の一方の主面に対向して配置される一方の発熱体と、他方の主面に対向して配置される他方の発熱体と、前記一方の発熱体における前記被加熱物との対向面の裏面側に配置される一方の誘導加熱コイル群と、前記他方の発熱体における前記被加熱物との対向面の裏面側に、前記被加熱物を基点として前記一方の誘導加熱コイル群と対称に配置される他方の誘導加熱コイル群と、前記一方の誘導加熱コイル群および前記他方の誘導加熱コイル群を並列に、且つ前記被加熱物を基点として面対称な配置関係となる誘導加熱コイルに対して、投入する電流の位相が逆向きとなるように接続した電力供給手段とを有することを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置において前記一方の誘導加熱コイル群と前記他方の誘導加熱コイル群は、それぞれ円環状に形成されて同心円上に配置された複数の誘導加熱コイルから成るようにすると良い。

このような構成とすることで、同一半径における加熱領域が単一の誘導加熱コイルでまかなわれることとなる。このため、大径ウエハの枚葉加熱を行なう上で放熱と加熱のバランスを制御することが容易となる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記一方の誘導加熱コイル群と前記他方の誘導加熱コイル群とを構成する各誘導加熱コイルの内、対称配置された誘導加熱コイルはそれぞれ組を成し、前記電力供給手段は、各組を成す誘導加熱コイルに対して同じ電流値を供給するための複数のインバータを有するようにすると良い。

このような構成とすることで、組を成す各誘導加熱コイルには、電流値の等しい電流が供給されることとなる。よって、被加熱物の表裏面における加熱バランスが取れる。よって、被加熱物（ウエハ）の反りを抑制することが容易となる。

さらに、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記一方の発熱体と前記他方の発熱体の厚みをそれぞれｔ、前記一方の発熱体と前記他方の発熱体における磁束の浸透深さをδとした場合に、ｔ＜１．５δの関係を満たすように、前記一方の発熱体と前記他方の発熱体の厚みを定めるようにすると良い。

このような構成とした場合、発熱体を透過した磁束（漏洩磁束）が被加熱物に直接到達する可能性が生ずる。しかし、漏洩磁束は上記構成により相殺されることとなる。発熱体の厚みを薄くすることで、熱容量の減少に伴う加熱効率の増加を招き、急速昇温に有利となる。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、被加熱物であるウエハ表裏面における温度差の発生を抑制することができる。また、ウエハ表面に金属膜などが形成されている場合であっても、ウエハ自体が発熱することによる温度分布のバラツキや金属膜の焼損を無くすことができる。

実施形態に係る誘導加熱装置の全体構成を示すブロック図である。加熱部の構成を示す分解斜視図である。電流位相と漏洩磁束の打ち消しの関係を説明するための図である。線形補間による温度予測の例を示す図である。線形補間による温度予測に対して電力指令値に基づく補正を加えた温度予測値の例を示す図である。温度予測値に基づいて各加熱ゾーンへの電力指令値を定める場合の例を示す図である。

以下、本発明の誘導加熱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。
図１は、実施形態に係る誘導加熱装置の全体構成を示すブロック図である。また、図２は、実施形態に係る誘導加熱装置の加熱部の構成を示す分解斜視図である。実施形態に係る誘導加熱装置１０は、加熱部１２と電源部（電力供給手段）１４とを基本として構成される。加熱部１２は、一方の発熱体としてのサセプタ１８、他方の発熱体としてのサセプタ２０、一方の誘導加熱コイル群２２、および他方の誘導加熱コイル群２４を基本として構成される。

サセプタ１８およびサセプタ２０は、被加熱物としての半導体ウエハ（以下、単にウエハ１６と称す）を挟持するように、ウエハ１６の上面側および下面側に、それぞれ対向するように配置される。なお、サセプタ１８とウエハ１６、およびウエハ１６とサセプタ２０との間には、図示しない支持部材を配置することで、所定の空間を保つようにすることが望ましい。支持部材の構成材料としては、磁束の影響を受けることが無く、耐熱性の高い素材、例えば石英などとすると良い。

このような構成とすることで、ウエハ１６を表面、裏面の両方から加熱することが可能となり、ウエハ１６の表裏面における温度差の発生を抑制することができる。また、ウエハ１６の表裏面における温度差の発生を抑制することにより、表裏面の温度差に起因するウエハ１６の反りも抑制することができる。

一方の誘導加熱コイル群２２は、サセプタ１８におけるウエハ配置面と反対側の主面（裏面）に対向して配置される。サセプタ１８と一方の誘導加熱コイル群２２との間には、図示しない支持部材を配置するようにしても良いが、石英板（不図示）などによりコイル配置領域とプロセス領域とを遮蔽することで、コンタミネーションを防ぐことも可能となる。一方の誘導加熱コイル群２２は、円環状（略Ｃ型）に形成した複数の誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆを、同芯円上に隣接配置して構成される。

他方の誘導加熱コイル群２４は、サセプタ２０におけるウエハ配置面と反対側の主面に対向して配置される。サセプタ２０と他方の誘導加熱コイル群２４との間には、図示しない支持部材を配置するようにしても良いが、石英板（不図示）などによりコイル配置領域とプロセス領域とを遮蔽することで、コンタミネーションを防ぐことも可能となる。他方の誘導加熱コイル群２４は、上述した一方の誘導加熱コイル群２２と同様に、円環状（略Ｃ型）に形成した複数の誘導加熱コイル２４ａ〜２４ｆを、同芯円上に隣接配置して構成される。ここで、一方の誘導加熱コイル群２２を構成する誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆと、他方の誘導加熱コイル群２４を構成する誘導加熱コイル２４ａ〜２４ｆとは、ウエハ１６を基点として厚み方向に面対称配置する。本実施形態では、厚み方向に面対称な配置関係とされる各誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆについてそれぞれ組を構成し、各組単位で個別の加熱ゾーン（本実施形態においては、ゾーン１〜ゾーン６）を構成するように詳細を後述する電源部１４に接続される。

電源部１４は、例えば図１に示すように、三相交流電源２８、コンバータ３０、チョッパ３２（３２ａ〜３２ｆ）、インバータ３４（３４ａ〜３４ｆ）、および温度制御部３６を基本として構成される。

コンバータ３０は、三相交流電源２８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３２へと出力する純変換部である。チョッパ３２は、コンバータ３０から出力される電流の通流率を変化させ、インバータ３４に入力する電流の電圧を変化させる電圧調整部である。

インバータ３４は、チョッパ３２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群２２，２４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誘導加熱装置１０のインバータ３４は、誘導加熱コイル群２２，２４と共振コンデンサ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、各加熱ゾーンを構成する組を成す誘導加熱コイル（例えば誘導加熱コイル２２ａと誘導加熱コイル２４ａ、誘導加熱コイル２２ｂと誘導加熱コイル２４ｂ、・・・等）にはそれぞれ、組単位で個別にインバータ３４、およびチョッパ３２が接続されている。なお、インバータ３４から誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆへの出力電流の制御は、温度制御部３６からの入力信号に基づいて行うものとする。各インバータ３４ａ〜３４ｆには、一方の誘導加熱コイル群２２と他方の誘導加熱コイル群２４における対称位置に位置する各誘導加熱コイル（組を成す誘導加熱コイル）が並列に接続されている。また、各インバータ３４は図３に示すように、各組を成す誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆに対し、投入される電流の位相が逆向きとなるように接続されている。

このような構成とした場合、図３に示すように、サセプタ１８を透過した誘導加熱コイル２２ａからの漏洩磁束と、サセプタ２０を透過した誘導加熱コイル２４ａからの漏洩磁束との旋回方向が互いに逆向きとなる。このため、２つの漏洩磁束は互いに打ち消し合うこととなる。

ここで、仮にウエハ１６の表面に金属膜が形成されている場合従来では、漏洩磁束はウエハ１６表面の金属膜に対しても投入されることとなり、ウエハ１６表面では、渦電流による発熱が生ずることとなってしまう。これに対し本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、金属膜を介した発熱の要因となる漏洩磁束を打ち消すことで、漏洩磁束による直接加熱を避け、ウエハ１６全体としての加熱バランスが崩れることを避けることができる。

従来、漏洩磁束の発生を抑制する構成の１つとしては、単純にサセプタ１８，２０の厚みを厚くする手段が考えられていた。しかし、本実施形態に係るような構成とした場合、サセプタ１８，２０の厚みは、磁束の漏洩が生ずる範囲にまで薄くすることができるようになる。サセプタ１８，２０を透過した漏洩磁束は、金属膜を有するウエハに影響を与える事無く相殺されるからである。

ここで、サセプタ１８，２０に対する電流の浸透深さをδとした場合、サセプタ１８，２０の厚みｔを１．５δ未満、すなわちｔとδの関係でｔ＜１．５δを満たすように厚みを定めることで磁束の漏洩が生ずるため、漏洩磁束打消しによる効果を活かすことができる。なお、サセプタ１８，２０の厚みを薄くすることによれば、サセプタの熱容量が減少し、投入磁束に対する発熱割合が増加することとなる。このため、ウエハ１６を急速昇温する場合に有利となる。

温度制御部３６は、温度センサ２６（２６ａ〜２６ｃ）により検出されたサセプタ２０の温度を比較し、温度検出点間の温度勾配を求め、この温度勾配に基づいて予想（予測）した加熱ゾーン間の温度バランスに応じて、各誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆに投入する電力を定め、インバータ３４、およびチョッパ３２に対して制御信号（入力信号）を出力する役割を担う。

上記のような構成の電源部１４によれば、コンバータ３０から出力された電流の電圧をチョッパ３２により制御し、チョッパ３２から出力された直流電流をインバータ３４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３２により出力電力を制御することができ、インバータ３４により、複数のコイルが隣接して配置された一方の誘導加熱コイル群２２および他方の誘導加熱コイル群２４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２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆ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２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆのそれぞれに対する投入電力を制御することで、サセプタ１８，２０、さらにはウエハ１６の温度分布制御を行うことができる。

上記のような構成の誘導加熱装置１０ではウエハ１６の熱処理を行う際、次のような制御が成される。まず、複数の誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆのそれぞれに対して所定の電力を投入し、サセプタ１８，２０を加熱した後、組を成す誘導加熱コイル（例えば誘導加熱コイル２２ａと誘導加熱コイル２４ａ、誘導加熱コイル２２ｂと誘導加熱コイル２４ｂ・・・等）の間に配置された温度センサ２６のそれぞれにより発熱体の温度を検出し、温度制御部３６に送信する。温度制御部３６ではまず、検出点（本実施形態の場合３点）の温度から各加熱ゾーンにおけるサセプタ２０の温度を推測する線形補間を実施する。ここで線形補間とは、図４に示すように、検出点の温度を直線で結び、その直線上に各加熱ゾーンの位置関係を結びつける（直線上に加熱ゾーンの位置をプロットする）ことにより、直線上のプロット点における温度を、各加熱ゾーンの温度と推測するものである。

次に温度制御部３６では、線形補間により得られた推測温度と、現在各誘導加熱コイル２４ａ〜２４ｆ（２２ａ〜２２ｆ）に対して投入している電力値（指令値）を関連付けることで、線形補間により得られた推測温度を補正する（図５参照）。具体的には、現在の指令値が、ゾーン１＜ゾーン２であれば、ゾーン２の温度が高めと推測することができる。このため、ゾーン１を低め、ゾーン２を高めに補正するといったものであれば良い。このような補正を行うことにより、各加熱ゾーン間の温度バランスを考慮した温度予測値を得ることができる。また補正に関しては、ゾーン１を加熱する誘導加熱コイル２２ａ，２４ａに与えている指令値と、ゾーン２を加熱する誘導加熱コイル２２ｂ，２４ｂに与えている指令値の比率（ゾーン１／ゾーン２又はゾーン２／ゾーン１）から導き出せる傾きを、線形補間によって得られた検出点に重ね合わせる。そして、重ね合わせによって得られた断続的な直線をそれぞれ直線で繋ぐことにより、各加熱ゾーン間の温度バランスを考慮した温度予測値を得るというものであっても良い。ここで温度予測値を得る補正は、装置ごとの特性に応じて試験もしくはシミュレーションを行うことにより、その結果に合わせた補正を行うことが好適である。

このようにして得られた温度予測値に対して温度制御部３６は、温度勾配（加熱ゾーン間を結ぶ直線の傾き）が無くなるような加熱（温度補正）を行う電力指令値を算出する（図６参照）。ここで電力指令値の算出は、装置ごとの特性に応じて試験もしくはシミュレーションを行うことにより、シミュレーション等の結果に合わせた算出方法が採られる。

なお、大まかな温度補正としては、温度予測値によって得られる傾きと反対の傾きを持つ（図６に示す折れ線グラフの上下を反転させた傾き）グラフに応じた比率の電力指令値を各加熱ゾーンへの温度補正値とすれば良い。

このようにして得られた電力指令値を各誘導加熱コイル群２２，２４に接続されたインバータ３４、およびチョッパ３２に出力することで、各誘導加熱コイル２２ａ〜２２ｆ，２４ａ〜２４ｆに対する投入電力が制御される。

上記のような構成の誘導加熱装置１０によりウエハ１６の加熱を行なうことによれば、ウエハ１６の表裏面における温度差を抑制することができる。また、ウエハ１６の表面に金属膜などが形成されている場合であっても、ウエハ１６自体が発熱することによる温度分布のバラツキを無くすことができる。

図１に示す実施形態では、組を成す誘導加熱コイル（例えば誘導加熱コイル２２ａと誘導加熱コイル２４ａ）は、共通のインバータ、およびチョッパに接続される構成としていた。しかしながら、組を成す誘導加熱コイルに対してそれぞれ個別のインバータ、およびチョッパを接続することで、より詳細な温度分布制御を行うことが可能となる。

１０………誘導加熱装置、１２………加熱部、１４………電源部、１６………ウエハ、１８………サセプタ、２０………サセプタ、２２………一方の誘導加熱コイル群、２２ａ〜２２ｆ………誘導加熱コイル、２４………他方の誘導加熱コイル群、２４ａ〜２４ｆ………誘導加熱コイル、２６（２６ａ〜２６ｃ）………温度センサ、２８………三相交流電源、３０………コンバータ、３２（３２ａ〜３２ｆ）………チョッパ、３４（３４ａ〜３４ｂ）………インバータ、３６………温度制御部。

Claims

被加熱物の一方の主面に対向して配置される一方の発熱体と、他方の主面に対向して配置される他方の発熱体と、
前記一方の発熱体における前記被加熱物との対向面の裏面側に配置される一方の誘導加熱コイル群と、前記他方の発熱体における前記被加熱物との対向面の裏面側に、前記被加熱物を基点として前記一方の誘導加熱コイル群と対称に配置される他方の誘導加熱コイル群と、
前記一方の誘導加熱コイル群および前記他方の誘導加熱コイル群を並列に、且つ前記被加熱物を基点として面対称な配置関係となる誘導加熱コイルに対して、投入する電流の位相が逆向きとなるように接続した電力供給手段とを有することを特徴とする誘導加熱装置。
前記一方の誘導加熱コイル群と前記他方の誘導加熱コイル群は、それぞれ円環状に形成されて同心円上に配置された複数の誘導加熱コイルから成ることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記一方の誘導加熱コイル群と前記他方の誘導加熱コイル群とを構成する各誘導加熱コイルの内、対称配置された誘導加熱コイルはそれぞれ組を成し、
前記電力供給手段は、各組を成す誘導加熱コイルに対して同じ電流値を供給するための複数のインバータを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。
前記一方の発熱体と前記他方の発熱体の厚みをそれぞれｔ、前記一方の発熱体と前記他方の発熱体における磁束の浸透深さをδとした場合に、
ｔ＜１．５δ
の関係を満たすように、前記一方の発熱体と前記他方の発熱体の厚みを定めたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。