JP5253774B2 - 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その背後から衝突させて加熱プレートを発熱させる形式の背面電子衝撃加熱装置であって、加熱プレートの中央部に飛来する電子を制限するための電子遮蔽板を設けた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背面電子衝撃加熱装置が使用されている。この背面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、背面電子衝撃加熱装置の従来例を示す図である。
加熱容器１は、図示していない真空チャンバの中に設置され、この真空チャンバ内が真空とされることにより、前記加熱容器１の全体が真空空間の中に置かれる。

この加熱容器１は、下面が開いた容器状のものであって、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物７を載せる天板が平坦な加熱プレート２となったものである。言い方を換えると、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１３が設けられている。

加熱容器１の周壁１３の下端部はフランジ状になっており、この下部フランジ部分が真空シール材８を挟んで下部フレーム６の上面に当てられると共に、導電性座金１６を介して押さえ金具１８により固定されている。これにより、下部フレーム６は接地されており、加熱容器１と下部フレーム６は電気的に導通しているので、加熱容器１も接地される。

このような加熱容器１の材質としては、黒鉛等の導電体が使用される。これに対し、加熱容器１がアルミナや窒化珪素のようなセラミックスで絶縁体からなる場合は、その加熱プレート２の内面や周壁１３とその下部フランジの内外の全面をメタライズして導体膜を形成し、この導体膜から導電性座金１６を介して押さえ金具１８と前記下部フレーム６を介して接地する。

この加熱容器１の内部には、下部フレーム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。このホルダ１２からフィラメント支持柱１７が立設され、このフィラメント支持柱１７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の中で前記加熱プレート２の背後に設けられている。

このフィラメント９のリード線１５は、セラミックス端子等を通して下部フレーム６から加熱容器１の外部へ引き出され、フィラメント加熱電源１０に接続する。このフィラメント９には、電子加速電源１１により加速電圧が印加される。前述したように、加熱プレート２を有する加熱容器１は接地されているので、フィラメント９に対して正電位に保持される。

前記フィラメント支持柱１７の途中にフィラメント９の下方に位置するように耐熱性と導電性を有する遮蔽板３が支持されている。この遮蔽板３は、前記フィラメント支持柱１７を介してフィラメント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。

このような背面電子衝撃加熱装置では、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る。さらにフィラメント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、放出された前記の熱電子は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。放出された一部の熱電子もマイナス電位の遮蔽板３によって反射されるので、結果的にフィラメント９から放出された殆どの熱電子は加熱プレート２に飛来して衝突し、電子衝撃により加熱プレート２が加熱される。加熱プレート２に生じる熱は、フィラメント９の下方に設けられた遮蔽板３により反射され、出来る限り熱が不要な個所に拡散するのが防止される。加熱プレート２に衝突した電子は、加熱容器１の周壁１３から下部フレーム６を介してアースに流れる。

一般の加熱装置は、金属や黒鉛等の抵抗体に電気を通電し、この電気抵抗による発熱を利用して加熱物を加熱する電気抵抗加熱手段によるものである。しかし、前記の背面電子衝撃加熱装置は、フィラメント９で発生する電子を高電圧で加速し、フィラメント９に対して正電位に保持された加熱プレート２に衝突させて加熱するので、熱効率に優れる。加速電圧が５ｋＶ以下であれば、Ｘ線も発生せず、電子同士の反発によって電子が広がりながら加熱プレート２に衝突するので、加熱プレート２のフィラメント９の近傍のみに加熱が集中することも無い。さらに、加熱容器１の加熱プレート２のみを加熱するために、加熱プレート２に対しフィレメント９の背後側に負電位に維持した板状の遮蔽板３を設置することで、フィレメント９で発生した熱電子がこの遮蔽板３により反射され、加熱プレート２のみを加熱することが出来る。

背面電子衝撃加熱装置の加熱容器１内の遮蔽板３は、電子を反射すると共に加熱プレート２からの輻射熱も反射する。
一般に熱が伝わる態様には、熱輻射、熱伝導、熱対流の３形態がある。しかし、真空中における電熱は熱輻射のみであり、大気中であっても、発熱体と加熱物とが至近にあると、実質的に熱輻射と熱伝導のみによる加熱が行われる。また、発熱体の温度が５００℃以下の場合は、輻射熱による加熱は効果が無い等、加熱温度、加熱方式、温度分布等の条件により伝熱形態は様々である。

これに対し、背面電子衝撃加熱装置において、輻射熱の反射と共に電子の反射が求められる遮蔽板では、輻射熱を反射するだけの遮蔽板とは異なり、単に輻射率が低いだけでは電子の反射は出来ない。すなわち、加熱プレート２に対して負電位に維持し、且つフィラメント９とほぼ同じ電位にまで加熱プレート２に対する負電圧を高めないと、電子の反射は悪い。

このように、遮蔽板３を加熱プレート２に対して負電位に維持するためには、遮蔽板３が良導電体でなければならない。セラミックスのような絶縁体からなる板でも、熱電子のチャージアップにより熱電子の反射は出来るが、絶縁体のため電位分布差が大きく、不安定である。しかもフィラメントの電位に応じてチャージアップ電位が変わることから、制御が困難であるという問題もある。このため、背面電子衝撃加熱装置に使用する遮蔽板３としては、容易にフィラメントと同電位に出来、しかも電気的接続が容易な金属が用いられており、その中でも輻射熱も反射する輻射率の低い材料が好ましいということになる。

背面電子衝撃加熱装置において、加熱プレート２への電子の衝突により発生した熱は、加熱プレート２を加熱し、その上に載せた加熱物７を加熱する。このとき、加熱プレート２の熱は、加熱容器１の周壁１３を介して下部フレーム６に伝達され、放熱される。そのため、加熱プレート２はその中心部よりも周囲の部分の放熱量が大きい。このような理由から、加熱プレート２はその中央部の温度がその周辺部の温度より高くなるという温度勾配を生じる。すなわち、均一な温度分布が得られない。

一般に電子と電子は、同一電荷（マイナス）なので反発して加熱プレート２の中央より外へ広がろうとするが、この効果だけで加熱プレート２の温度が均一になることは無い。従って、このような温度勾配が生じることの対策として、フィラメント９をリング状として加熱プレート２の背後の特にその周囲の部分に電子が多く衝突するように配置している。しかし、フィラメント９をリング状に配置しただけでは、加熱プレート２の中央部に比べてその周囲の部分に電子を十分集めることが出来ず、どうしても加熱プレート２の周囲の部分に比べてその中央部の温度が高くなるという温度勾配が生じるのを避けることが出来ない。
特開２００５−０５６５８２号公報 特開２００４−３５５８７７号公報 特開２００３−１７８８６４号公報

本発明では、前記従来の背面電子衝撃加熱装置における課題に鑑み、高温下での加熱プレートの温度勾配を小さくし、その上に載せた加熱物７の加熱温度分布を平準化することが出来る背面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、フィラメント９から加熱プレート２に向けて飛翔する電子の飛来先を加熱プレート２の周辺部に制限し得る電子制御電極４を設け、温度が高くなりやすい加熱プレート２の中央部への電子の飛来を制限し、加熱プレート２の周辺部により熱電子が集まり易くし、温度の偏りを抑えるものである。

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の背後からフィラメント９で発生した電子を加速して衝突させて同加熱プレート２を加熱するものである。そして前記加熱プレート２の背後であって、フィラメント９に囲まれた位置に、前記加熱プレート２に向けて飛翔しようとする電子を制限すると共に、同加熱プレート２の周辺部に電子を集めて飛来させることにより、同加熱プレート２に飛来する電子分布を制御する電子制御電極４を設けている。

このような背面電子衝撃加熱装置では、加熱プレート２の背後であって、フィラメント９に囲まれた位置に、前記加熱プレート２の中央部に向けて飛翔しようとする電子を制限すると共に、同加熱プレート２の周辺部に電子を集めて飛来させる電子制御電極４を設けているため、加熱プレート２の中央部に電子が飛来するのが制限され、その分だけ加熱プレート２の周辺部分に電子を集めて飛来させることが出来る。これにより、温度が高くなりやすい加熱プレート２の中央部の加熱が抑制されると共に、放熱しやすい加熱プレート２の周辺部の加熱が促進される。よって加熱プレート２の温度勾配を小さくすることが出来る。

電子制御電極４はフィラメント９から加熱プレート２に向けて飛翔する電子を透過する細かい電子通過孔を分散して設けている。加えて、加熱プレート２に対する電子制御電極４の電位を負電位から０電位若しくは正電位の間で可変することが出来るようにする。これにより、加熱プレート２に向けて飛翔する電子を電子制御電極４の電子透過孔を通して透過し、或いは反射することにより、加熱プレート２に向けて飛翔する電子量を制御することが出来る。すなわち、加熱プレート２の中央部の温度を制御し、その温度分布を制御することが出来る。

さらに、前記の電子制御電極４が加熱プレート２に対する距離を可変調整出来るように設けられていると、この電子制御電極４の加熱プレート２に対する距離の調整により、加熱プレート２の中央部に飛来する電子の量を加減することが出来る。これにより、発生する温度勾配に応じて電子制御電極４の加熱プレート２に対して適正な距離とすることが出来る。また、電子制御電極４の大きさや形状を変えることにより、加熱プレート２の中央部分への電子に飛来を制限出来るエリアを変えることが出来るので、状況に応じて加熱プレート２の温度分布の均一化がより確実に行える。

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、温度が高くなりやすい加熱プレート２の中央部の加熱が抑制されると共に、放熱しやすい加熱プレート２の周辺部の加熱が促進されることにより、加熱プレート２の温度勾配を小さくすることが出来るので、加熱物７の加熱温度分布を平準化することが出来る。これにより、適正な加熱物の加熱が可能となる。

本発明では、本発明による背面電子衝撃加熱装置では、加熱プレート２の中央部に電子が飛来するのを制限する電子制御電極４を設けることで、前記の目的を達成した。
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、本発明による背面電子衝撃加熱装置の一実施形態を示す図である。
ステンレス鋼等の金属からなる下部フレーム６の上に加熱容器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、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物７を載せる天板が平坦な加熱プレート２となったものである。換言すると、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１３が設けられている。加熱容器１の周壁1３の下端部はフランジ状になっている。この加熱容器１は、図示してない真空チャンバの中に設置され、真空チャンバ内が減圧されることにより、加熱容器１の全体が真空空間となる。

下部フレーム６の加熱容器１のフランジ部分を載せる部分には、下部フレーム６の中心軸の周りに同心円状に溝が設けられ、この溝に真空シール材８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８の上に、前記加熱容器１の周壁１３の下端部のフランジ部分が載せられ、さらにこのフランジ部分が導電性座金１６を介して押さえ金具１８によって下部フレーム６に固定されている。この状態で加熱容器１と下部フレーム６とは電気的に導通すると共に、前記真空シール材８により気密にシールされる。下部フレーム６は接地され、従って加熱容器１も接地される。

このような加熱容器１の材質としては、黒鉛等の導電体が使用される。これに対し、加熱容器１がアルミナや窒化珪素のようなセラミックスで絶縁体からなる場合は、その加熱プレート２の内面や周壁1３の内外面の全面をメタライズして導体膜を形成し、この導体膜から導電性座金１６を介して押さえ金具１８と下部フレーム６を介して接地する。

この加熱容器１の内部には、下部フレーム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。このホルダ１２からフィラメント支持柱１７が立設され、このフィラメント支持柱１７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、リング状のものであり、このリングを水平とし、図示の場合は、上下に３重のリング状のフィラメント９が配置されている。このフィラメント９は前記加熱容器１の中でその加熱プレート２の背後に設けられているが、リング状のため、主に加熱プレート２の周辺部分の背後に配置されている。

このフィラメント９のリード線１５は、セラミックス端子等を通して下部フレーム６から加熱容器１の外部へ引き出され、フィラメント加熱電源１０に接続する。さらに、このフィラメント９のリード線１５の一方には、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。

前記フィラメント支持柱１７には、フィラメント９の下方に位置するように遮蔽板３が支持されている。この遮蔽板３は、前記フィラメント支持柱１７を介してフィラメント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。この遮蔽板３は、黒鉛を基材とし、この基材の表面に黒鉛より３倍程度熱伝導率の高い熱分解生成黒鉛をコーティングしたものやＭｏやＷ等の高融点金属からなっている。

前記ホルダ１２からは、前記フィラメント支持柱１７とは別の支柱５が立設され、この支柱５の上端に電子制御電極４が取り付けられている。この電子制御電極４は、前記遮蔽板３と同様の材料からなるものであるが、メッシュやパンチングメタルのように、フィラメント９から加熱プレート２に向けて飛翔する電子を透過する細かい電子通過孔を分散して設けている。図示の例では、カップを伏せたような形状をしている。その位置は、加熱プレート２の中心部分の背後であって、加熱プレート２と遮蔽板３との間であり、リング状のフィラメント９に囲まれた位置である。この電子制御電極４は、その加熱プレート２に対する電位を負電位から０電位若しくは正電位の間で可変することが出来るようになっている。また、この電子制御電極４の加熱プレート２に対する距離、すなわち図１における上下位置が前記支柱５への取付位置を調整することで変えることが出来る。

このような背面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との間に高電圧の加速電圧を印加すると共に、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ると共に、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。一部の熱電子はマイナス電位になった遮蔽板３と電子制御電極４によって反射される。また加熱プレート２に生じる熱は、フィラメント９の下方に設けられた遮蔽板３により反射され、出来る限り熱が不要な個所に拡散するのが防止される。加熱プレート２に衝突した電子は、加熱容器１の周壁1３から導電性座金1６、押え金具1８、下部フランジ６を介してアースに流れる。

このような加熱プレート２の加熱時において、電子制御電極４は、加熱プレート２の中心部分の背後であって、リング状のフィラメント９に囲まれた位置にある。この電子制御電極４の電位を加熱プレート２に対して負電位とすると、図２と図３（Ａ）に模式的に示すように、フィラメント９から加熱プレート２の中心部分に向かって飛翔する電子を反射し、加熱プレート２の周辺部分に向かって飛翔させる。こうして電子制御電極４によって加熱プレート２の中心部分に飛来する電子が制限され、その分だけ電子が加熱プレート２の周辺部分に向けられる。この結果、温度が高くなりやすい加熱プレート２の中央部の加熱が抑制されると共に、放熱しやすい加熱プレート２の周辺部の加熱が促進され、加熱プレート２の温度勾配を小さくすることが出来る。

他方、図３（Ｂ）に模式的に示すように、電子制御電極４の電位を加熱プレート２に対して０電位とすると、フィラメント９から加熱プレート２の中心部分に向かって飛翔する電子を透過し、電子が加熱プレート２に衝突する。これにより、加熱プレート２の中心部分の温度が高められる。
このようにして、電子制御電極４の電位を可変することで、加熱プレート２の温度分布を任意に制御することが出来る。

この電子制御電極４の加熱プレート２に対する距離を調整することにより、加熱プレート２の中央部に飛来する電子の量の制限する程度を変えて、その中央部に飛来する電子の量を加減することが出来る。これにより、発生する温度勾配に応じて電子制御電極４の加熱プレート２に対して適正な距離とすることが出来る。

加熱プレート２が予め定められた温度に達すると、フィラメント９に通電する電力が下げられ、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の加熱を停止する。その後、加熱容器１の殆どの熱は、導電性座金１６を有する押え金具１８と下部フレーム６の図示はしていないが冷却液通路に通している冷却液により下部フレーム６や加熱容器１が冷却され、加熱プレート２が降温される。

図４は、電子制御電極４の各例を示す縦断側面図である。図４（Ａ）は、図１と図２により前述したカップを伏せた形の電子制御電極４である。図４（Ｂ）は、上下が開口した円筒形の電子制御電極４である。図４（Ｃ）は、傘形の電子制御電極４である。図４（Ｄ）は、傘形と円筒形を組み合わせた電子制御電極４である。図４（Ｅ）は平板状の電子制御電極４である。これらの電子制御電極４を加熱プレート２に生じる温度勾配に応じて適宜使用する。また、これらの形状の選択に加え、電子制御電極４の大きさを変えることにより、加熱プレート２の中央部分への電子の飛来を制限出来るエリアを変えることが出来るので、状況に応じて温度分布の均一化がより確実に行える。

本発明による背面電子衝撃加熱装置は、加熱プレート２を高温に加熱することが出来ると共に、加熱プレート２の温度勾配を小さくすることが出来るので、半導体ウエハ等の加熱物を均等な温度で高温に加熱するのに適し、半導体製造プロセスの半導体ウエハの加熱工程等に利用出来る。

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面図である。 本発明による背面電子衝撃加熱装置の電子制御電極による電子の遮蔽動作を示す要部概念図である。 本発明による背面電子衝撃加熱装置の電子制御電極の電位を変えたときの電子の動作を示す概念図である。 本発明による背面電子衝撃加熱装置の一実施例の電子制御電極の各例を示す縦断側面図である。 背面電子衝撃加熱装置の従来例を示す概略縦断面図である。

１ 加熱容器
２ 加熱プレート
３ 遮蔽板
４ 電子制御電極
９ フィラメント

Claims (4)

1. 加熱容器（１）の天板となっている加熱プレート（２）の背後からフィラメント（９）で発生した電子を加速して衝突させて同加熱プレート（２）を加熱する背面電子衝撃加熱装置において、前記加熱プレート（２）の背後であって、フィラメント（９）に囲まれた位置に、前記加熱プレート（２）の中央部に向けて飛翔しようとする電子を制限すると共に、同加熱プレート（２）の周辺部に電子を集めて飛来させることにより、同加熱プレート（２）に飛来する電子分布を制御する電子制御電極（４）を設けたことを特徴とする背面電子衝撃加熱装置。
2. 電子制御電極（４）はフィラメント（９）から加熱プレート（２）に向けて飛翔する電子を透過する細かい電子通過孔を分散して設けている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。
3. 加熱プレート（２）に対する電子制御電極（４）の電位を負電位から０電位若しくは正電位の間で可変し、加熱プレート（２）に向けて飛翔する電子量を制御して同加熱プレート（２）の温度分布を制御する請求項２に記載の背面電子衝撃加熱装置。
4. 電子制御電極（４）は加熱プレート（２）に対する距離を可変調整出来るように設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の背面電子衝撃加熱装置。

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