JP4919709B2 - 背面電子衝撃加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の加熱物を加熱プレートの上に載せて高温に加熱する装置に関し、特に加熱プレートの背後から加速された電子を衝突させて加熱すると共に、同加熱プレートの温度制御等のために、その背後に配置した熱電対で加熱プレートの温度を測定する形式の背面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（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６は加速された電子を加熱プレート２２の背後から衝突させて同加熱プレート２２を加熱し、その加熱プレート２２に載せた基板等の加熱物３０を加熱する方式の背面電子衝撃加熱装置である。

図６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２６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２１が設置されている。この加熱容器２１は、下面が開いた容器状のものであって、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物３０を載せる天板が平坦な加熱プレート２２となったものである。

テーブル２６の加熱容器２１の下端フランジ部分を載せる部分には、テーブル２６の中心軸の周りに溝が設けられ、この溝に真空シール材２８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２８の上に、前記加熱容器２１の周壁１３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２１の内部に立設された支柱により、加熱プレート２２の背後側にフィラメント２９が取り付けられている。このフィラメント２９には、フィラメント加熱電源２５が接続されている。さらに、このフィラメント２９と加熱プレート２２との間には、電子加速電源２７により加速電圧が印加される。なお加熱プレート２２を有する加熱容器２１は接地され、フィラメント２９に対して正電位に保持される。
前記フィラメント２９の下方に位置するようにリフレクタ２３が取り付けられている。このリフレクタ２３は、フィラメント２９に導通しており、フィラメント２９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２１の中のフィラメント２９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、電子加速電源２７によりフィラメント２９と加熱プレート２２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２２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２２が加熱され、加熱物３０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２２の温度を測定しながら、加熱物３０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２２の温度測定手段として、従来では図６に示すように、熱電対が使用されている。加熱プレート２２の側方からその中心に向けて穴を設け、ここにシース型熱電対２４を引き込み、その先端の測温接点で加熱プレート２２の温度を測定する。

また他の温度測定手段としては、図７に示すように、輻射温度計４６を使用して非接触で温度の測定を行うものがある。真空チャンバ４１にビューポート４５を設け、このビューポート４５を通して加熱容器４３の上に載った加熱物４４の温度を非接触で測定する。

この背面電子衝撃加熱装置において、加熱容器２１側を接地しないと、加熱容器２１と真空チャンバ及びテーブル２６との間に高電圧が印加されることになる。この状態では、加熱容器２１と真空チャンバ及びテーブル２６との間を絶縁しないと漏電することになる。高電圧の絶縁自体は技術的に困難では無いが、人が絶対に加熱容器２１に触れないように柵やケースで覆っても、電源を切らずに修理したりすることも考えられるので、安全性を考慮して加熱容器２１を接地することが必要である。

背面電子衝撃加熱装置を化学的気相堆積装置（ＣＶＤ装置）に適用すると、図６に示した熱電対を使用した温度測定手段では、薄膜形成のための反応ガスによってシース型熱電対２４のシースが腐食しやすい。シース型熱電対２４のシースが腐食すると、熱電対２４が起電力不良を起こす。また、熱電対２４の絶縁のため切れ目のある碍子を使用した碍子型では、すぐに起電力異常を起こし、長時間運転は不可能であった。また、図７に示した輻射温度計を使用した温度測定手段では、気相で生じる化学反応生成物がビューポート４５に付着して曇り、正確な温度測定が出来ない。

図８は、シース型熱電対を使用した背面電子衝撃加熱装置の他の例であり、図６と同じ部分は同じ符合で示している。この例は、シース型熱電対２４を加熱容器２１の内側に設置し、その測温接点がある端部を加熱プレート２２の背面に埋め込んだものである。

この方式の背面電子衝撃加熱装置では、フィラメント２９から加熱容器２１の内側に加速された電子が放出されるため、金属製のシースに熱電子が流れ、このときの電流によってシースが加熱される。このため、本来の加熱プレート２２の温度を測定することが出来ず、正確な加熱温度制御が不可能である。

仮に、シース型熱電対の代わりに絶縁体である碍子を用いて熱電対の絶縁を図った碍子型熱電対を用いても、碍子の切れ目を通して熱電対に熱電子が流れる。このため、計測系に高電圧が印加されて計測回路が破損してしまう。
これらの理由から、熱電対を加熱容器２１の内側に設置することは現実上不可能であり、図６のように、熱電子の影響を受けない加熱容器２１の外側に熱電対２４を設ける所以である。

さらに、シース型熱電対２４を加熱容器２１の内側に設置した背面電子衝撃加熱装置における別の問題として加熱プレート２２の温度分布の偏りがある。シース型熱電対２４を加熱容器２１の内側に設置すると、熱電対２４のシースに熱電子による電流が流れることにより、加熱容器２１内の熱電子の放出分布が偏る。すなわち、シース型熱電対２４の端部を埋め込んだ加熱プレート２２の中央部分に熱電子が集中する。この結果、加熱プレート２２の中央部の温度が高く、その周辺部の温度が低い、いわゆる山形の温度分布となってしまう。

加熱容器２１は、円筒形になっており、その天板が加熱プレート２２であり、この加熱プレート２２が電子衝撃により加熱される。そのため、加熱プレート２２の熱が加熱容器２１の周壁を通ってその下端フランジ部分からテーブル２６側に流れる。従って、加熱プレート２２はどうしてもその中央部に比べて周辺部の温度が低くなる傾向にある。

通常はこの温度分布の偏りを補正するため、加熱プレート２２の周辺部の熱負荷を大きく、加熱プレート２２の中央部の熱負荷を小さくすることによって温度分布の均一化を図っている。このような温度分布の均一化は、この種の背面電子衝撃加熱装置では一般に採用されている手段であるが、加熱容器２１の内側にシース型熱電対を設置すると、このような対策によっても温度部分の偏りが生じることになる。

図８のように、加熱容器２１の内側にシース型熱電対２４を設置する場合に、加熱プレート２２の温度分布の均一化を図る対策として考えられる手段として、シース型熱電対２４のシースからの放熱を図ることがある。例えば、シース型熱電対２４のシースを太くしてシース型熱電対２４が取り付けられているテーブル２６への放熱量を大きくし、その分加熱プレート２２の中央に集中する熱量を減少させ、温度分布を均一化する。

しかしこの対策手段は、熱ロスを大きくするという問題の他、テーブル２６の真空シール２８を保護するため、テーブル２６や加熱容器２１の下端フランジ部を水冷する必要がある等、付加装置の取り付けとテーブル２６や加熱容器２１の下端フランジ部の形状の複雑化がコストアップをもたらす。ましてや、シース型熱電対２４のシースを通しての放熱量は、温度条件によって異なるため、温度制御と併せてシースの太さを決定しなければならない。このような設計は熱計算上極めて困難であり、温度制御及びシースの径の決定が共に不可能なケースもある。
特開２００４−１１１５８６号公報 特開２０００−３６３７０号公報

本発明では、前記従来の背面電子衝撃加熱装置の熱電対を使用した温度測定手段の課題に鑑み、熱電対を加熱容器の内側に配置し、その測温接点がある端部側を加熱プレートの背面に埋め込んだ構造においても、正確に且つ障害なく温度を測定出来るように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、熱電対５の測温接点側である端部を加熱プレート２に絶縁状態で埋め込むことにより、熱電対５をアースされている加熱容器１に対して電気的に絶縁し、且つフィラメント９から放出される熱電子に対して熱電対５を遮蔽部材１３で覆い、熱電子が熱電対５に流れないようにした。

すなわち、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の背後から加速された電子を衝突させて電子衝撃加熱するフィラメント９と、前記加熱プレート２の温度を測定する熱電対５とを有するものであり、前記フィラメント９から放出される熱電子に対し、熱電対５を熱電子反射用のリフレクタ３と同電位とした遮蔽部材１３で遮蔽すると共に、同熱電対５の測温接点側の端部を、前記遮蔽部材１３とは別体のセラミック製の受け座１８を介して加熱プレート２に絶縁状態で埋め込み、同熱電対５を前記リフレクタ３及びアース接続されている加熱容器１と電気的に絶縁することにより、前記フィラメント９から放出された熱電子による熱電対５の衝撃を防止したものである。

このような背面電子衝撃加熱装置では、熱電対５の測温接点側の端部を、前記リフレクタ３と同電位とした遮蔽部材１３とは別体のセラミック製の受け座１８を介して加熱プレート２に絶縁状態で埋め込むことにより、熱電対５を前記リフレクタ３及びアース接続されている加熱容器１と電気的に絶縁しているため、フィラメント９から放出される熱電子が熱電対５に流れない。しかも、熱電対５をアース接続されている加熱容器１と電気的に絶縁しているため、加熱容器１側から熱電対５に電流が流れない。このため、熱電対５が熱電子に衝撃されることがなく、その温度測定値の影響がない。

具体的には、熱電対５をセラミックからなるパイプ状の遮蔽部材１３に挿入する。

以上説明した通り、本発明による背面電子衝撃加熱装置では、熱電対５に対する熱電子の電子衝撃が無く、また熱電対５に熱電子が流れることも無いので、熱電対５の熱電子による温度上昇や熱衝撃による破損等が生じない。これにより、安定した測定が可能となる。

本発明では、熱電対５に熱電子が衝突したり流れたりすることが無いようにし、これにより安定した正確な温度測定を可能にした。
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、テーブル６の中心軸の周りに溝が設けられ、この溝に真空シール材１９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１９の上に、前記加熱容器１の周壁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1４が立設され、この支柱1４の上端側に平板状のホルダ１２が支持されている。さらにこのホルダ１２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に設けたセラミック封止部９、９を通してフィラメントサポートを兼ねる柱状の電極１５、１５が挿入、立設されており、この電極１５、１５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１５、１５を介して図１では図示していないフィラメント加熱電源が接続されている。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、高電圧電源により加速電圧が印加される。なお加熱プレート２を有する加熱容器１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。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に設けたセラミック封止部４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加熱プレート２の下面からその中に埋め込まれている。具体的には、加熱プレート２の下面に設けたネジ穴にセラミック製の受け座１８がねじ込み式で取り付けられ、この受け座１８に設けた穴にシース型熱電対５の測温接点がある上端部が嵌合されている。熱電対５のシースは加熱プレート２に対して絶縁されている。

さらに、この熱電対５の上端に近いフィラメント９に囲まれた部分は、円筒形の導体からなる遮蔽部材１３により覆われている。この遮蔽部材１３は、フィラメント９と同電位のリフレクタ３に接触しており、フィラメント９から放出される熱電子を反射する機能を有する。

既に述べた通り、熱電対５は、テーブル６側に設けたセラミック封止部４を通して加熱容器１の内部に挿入されているが、このセラミック封止部４は、熱電対５をテーブル６側と電気的に絶縁するセラミックスリーブ１６を有している。これにより熱電対５は、このセラミックスリーブ１６と前記セラミック製の受け座１８とにより、加熱容器１と電気的に絶縁されている。熱電対５のセラミック封止部４からの引出部はロウ付け等により気密にシールされ、この引出端部はアダプタ８を介して補償導線１７と接続されている。この補償導線１７との接続部分は、前記セラミック封止部４からの引出部と共にフッ素系樹脂やシリコーン系樹脂等からなる熱収縮チューブ１１により金属シースを絶縁している。

この背面電子衝撃加熱装置では、熱電対５がリフレクタ３と同電位の遮蔽部材１３で遮蔽されているため、遮蔽部材１３が熱電子を反射し、フィラメント９から放出される熱電子が熱電対５に流れない。また、熱電対５をアース接続されている加熱容器１と電気的に絶縁しているため、加熱容器１側から熱電対５に電流が流れない。

図２は、本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対５の上端の近くの部分を示している。この実施例では、熱電対５の周囲を囲む遮蔽部材１３がリフレクタ３を保持するホルダ１２に固定されて支持されている。これにより、遮蔽部材１３はホルダ１２とその支柱を介してリフレクタ３に電気的に接続され、同リフレクタ３と同電位とされる。
図２（ａ）は、遮蔽部材１３の上端をセラミック製の受け座１８から離して設けた例であり、図２（ｂ）は、遮蔽部材１３の上端をセラミック製の受け座１８の下端に掛けて取り付けた例である。

図３は、本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対５の上端の近くの部分を示している。この実施例では、熱電対５の周囲を囲む遮蔽部材１３がリフレクタ３に固定されて支持されている。これにより、遮蔽部材１３はリフレクタ３に電気的に接続され、同リフレクタ３と同電位とされる。
図３（ａ）は、遮蔽部材１３の上端をセラミック製の受け座１８から離して設けた例であり、図３（ｂ）は、遮蔽部材１３の上端をセラミック製の受け座１８の下端に掛けて取り付けた例である。

図４は、本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対５の上端の近くの部分を示している。この実施例では、熱電対５の周囲を囲む遮蔽部材１３の上端が加熱プレート２の下面に固定されて支持されている。但しこの例では、遮蔽部材１３はセラミック等の耐熱性のある絶縁材により作られたものを使用する必要がある。
図４（ａ）は、遮蔽部材１３の上端を加熱プレート２の下面にネジ止めした例であり、図４（ｂ）は、遮蔽部材１３の上端をセラミック製の受け座１８の下端外周にネジ込んで取り付けた例である。

図５は、本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対５の上端の近くの部分を示している。この実施例では、熱電対５の周囲を囲む遮蔽部材１３、１３’が二重に設けられている。内側の遮蔽部材１３の上端は加熱プレート２に埋め込んだセラミック製の受け座１８の下端外周にネジ込んで取り付けられている。外側の遮蔽部材１３’がリフレクタ３と接触し、同リフレクタ３と同電位となっている。

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。 本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対の上端の近くの部分を示す概略縦断側面図である。 本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対の上端の近くの部分を示す概略縦断側面図である。 本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対の上端の近くの部分を示す概略縦断側面図である。 本発明の他の実施例である背面電子衝撃加熱装置の特に熱電対の上端の近くの部分を示す概略縦断側面図である。 温度測定手段として熱電対を備えた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。 温度測定手段として輻射温度計を備えた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。 温度測定手段として熱電対を加熱容器の中に備えた背面電子衝撃加熱装置の例を示す概略縦断側面図である。

１ 加熱容器
２ 加熱プレート
５ 熱電対
９ フィラメント
１３ 遮蔽部材
１８ セラミック製の受け座

Claims (2)

1. 加熱容器（１）の天板となっている加熱プレート（２）の背後から加速された電子を衝突させて電子衝撃加熱するフィラメント（９）と、前記加熱プレート（２）の温度を測定する熱電対（５）とを有する背面電子衝撃加熱装置において、前記フィラメント（９）から放出される熱電子に対し、熱電対（５）を熱電子反射用のリフレクタ（３）と同電位とした遮蔽部材（１３）で遮蔽すると共に、同熱電対（５）の測温接点側の端部を、前記遮蔽部材（１３）とは別体のセラミック製の受け座（１８）を介して加熱プレート（２）に絶縁状態で埋め込み、同熱電対（５）を前記リフレクタ（３）及びアース接続されている加熱容器（１）と電気的に絶縁することにより、前記フィラメント（９）から放出された熱電子による熱電対（５）の衝撃を防止したことを特徴とする背面電子衝撃加熱装置。
2. 熱電対（５）をセラミックからなるパイプ状の遮蔽部材（１３）に挿入したことを特徴とする請求項１に記載の背面電子衝撃加熱装置。

Images