JPH07114185B2 - 基板加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体基板等の基板を真空装置内で加熱する
基板加熱装置に関する。

［従来の技術］ 従来より、半導体基板等の基板を真空装置内で加熱する
基板加熱装置に要求される主な性能は、加熱温度の上限
が基板の融点にほぼ届くことと、基板の全面を可能な限
り均一に昇温させ得ることとの２点であるが、後者は、
通常の用途では基板加熱温度範囲の全域にわたって要求
されるわけではない。基板の融点近い高温が要求される
のは、真空装置内で表面加工を施す前に行われる基板表
面清浄化プロセスにおいてであるが、この際には基板温
度の厳密な面内均一性は要求されない。基板表面清浄化
プロセスの目的は、基板表面の自然酸化物や汚染物質等
を離脱させ、清浄な表面を得ることであるから、離脱の
閾値以上に昇温させることさえできれば、面内の最高温
度部分で基板に悪影響を与えない限り、面内での温度パ
ラツキは許容される。離脱の閾値温度は融点にかなり近
い温度ではあるが、それでも融点とある程度の温度差が
あるので、100〜200℃程度の温度バラツキがあっても差
し支えない場合さえある。

一方、基板表面加工プロセスに関しては、それほど高い
基板温度は必要とされないが、面内均一性は高い精度が
要求される。例えば、公知の基板表面加工プロセスとし
て、蒸着による金属薄膜形成や蒸着物質と基板との熱反
応による化合物薄膜形成があるが、わずかな温度バラツ
キでも、金属薄膜形成では結晶の粒径に差が生じ、化合
物薄膜形成では結晶の粒径差ばかりでなく、組成にまで
差が生じる場合が往々にしてある。

従来、この種の装置としては、第３図に示すようなもの
がある。即ち、基板１を落とし込む環状の基板保持枠２
と、この基板保持枠２を着脱自在に取り付けられる係止
部材３を側面に具備した蓋状の本体外枠４とで外殻を形
成され、これらの全体が真空装置内に格納されている。
本体外枠４の内側には任意枚数の反射板５が多重に配設
され、更にその内方に、支柱６により、絶縁物平板７が
基板１とほぼ平行に支持され、該平板７の基板１に対向
する表面を這うように針金状の電熱体８が配設されてい
る。電熱体８は基板１全面の加熱処理が可能な形状に配
置され、その電熱体８に電流を供給するための導線11は
碍子12により本体外枠４から絶縁されて外部に引き出さ
れる。尚、この導線11は真空装置自体の外部電流入力端
子（図示せず）まで配線されており、電熱体制御装置が
真空装置外部から電熱体の外部電流入力端子に接続され
ている。また、本体外枠４、反射板５および絶縁物平板
７の中央部分には通孔が穿設されていて、これらを貫通
する熱電対13が碍子12を介して通孔に挿入され、基板温
度をモニターするようになっていて、この熱電対13から
の信号も前記電熱体制御装置に情報として入力される。
基板加熱装置は、本体外枠４に取り付けられている治具
14によって真空装置内部に配設されている（図示せ
ず）。

第４図は、従来の基板加熱装置の別な１例を示す構造図
であって、第３図における基板加熱装置の電熱体８と基
板１との間に、熱線を透過し難く、かつ熱線吸収率の高
い材料から成る温度むら緩和用平板９を配設したもので
ある。もちろん、この温度むら緩和用平板９の中央部分
にも、熱電対用の通孔が穿設されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような従来の構造では、基板１における電熱体８
の直下に位置する部分と直下でない部分とを均等に温め
ることはできず、例えば電熱体の形状が第５図（ａ）の
如きパターンである場合には、温度むらもそのパターン
に対応して第５図（ｂ）の如く発生し、高温領域15と低
温領域16とが形成されてしまう。そして、この温度むら
は基板加熱装置の動作温度が高いほど顕著になる。

第４図の従来例は、このような問題点に対する対策とし
て提案されたもので、電熱体８と基板１との間に温度む
ら緩和用平板９を配設することにより、基板１が電熱体
８により直接加熱されるのでなく、まず温度むら緩和用
平板９が熱線を吸収して昇温し、これが面状の発熱体と
なって基板１を二次加熱するもので、基板１の加熱はほ
ぼ均一になるものの、挿入された温度むら緩和用平板９
のために装置自体の基板加熱能力が低下し、電熱体８の
限界すれすれで作動させても基板１はそれほど昇温せ
ず、真空中で基板を融点近くまで昇温させることが必要
な基板表面清浄化プロセスを行うことができないという
問題点がある。

後者の従来例を改良するものとして、温度むら緩和用平
板９の薄板化が試みられているが、前記基板表面清浄化
プロセスを行うためには、電熱体８から直接に基板１を
加熱する場合でさえ電熱体８の限界すれすれで装置を作
動させる必要があるほどなので、生半可な薄板化では加
熱目的を達することができず、徒らに機械的強度の低下
を招くのみで、むしろ加熱中の温度むらを再発する恐れ
が増大するばかりである。

本発明は、このような問題点に鑑み、基板表面清浄化プ
ロセスに必要な基板融点近くの高温と、基板表面加工時
に必要な熱均一性とを両立させ、清浄化された基板の表
面上に良好な再現性で加工を行い、製品の性能アップや
歩留まりの改善が可能な基板加熱装置を提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明において、上記の問題点を解決するために講じら
れた手段は、真空装置内で用いられ、電熱体から発する
熱線により基板を加熱する基板加熱装置において、基板
の同一面に対向し、基板からの距離が相互に異なる位置
に配設され、それぞれ独立に制御されて基板を加熱し、
かつそれぞれ単独で基板全面を昇温できる配置形状を有
する２つの電熱体と、それら２つの電熱体の間に配設さ
れた熱線吸収率の高い材料からなる温度むら緩和用平板
とを備え、基板と温度むら緩和用平板との間に位置する
電熱体が温度むら緩和用平板に着設された基板加熱装置
とするものである。

［作 用］ ２つの電熱体の間に温度むら緩和用平板を配設するとい
うことは、温度むら緩和用平板が基板に対向する側に１
方の電熱体を存在させ、その裏側に他方の電熱体を存在
させる構造となる。前者を第１の電熱体とし、基板を直
接加熱させ、後者を第２の電熱体とし、温度むら緩和用
平板を介して基板を間接的に加熱することで、基板表面
清浄化プロセスに対する要求と、基板表面加工プロセス
に対する要求とを両立させる。即ち、２つの電熱体は、
それぞれ独立に制御され、かつどちらも単独でウエハ
（基板）全体を加熱し得る形状および構造になっている
ので、まず第１の電熱体を作動させて高温を必要とする
基板清浄化プロセスを行い、次いで第２の電熱体および
温度むら緩和用平板により低温で均一な加熱を必要とす
る基板表面加工プロセスを行うことが可能である。

更に、本発明の基板加熱装置は、２つの電熱体を互いに
補助的に作動させることにより、相乗的な効果を奏す
る。基板表面清浄化プロセスでは、第１の電熱体と第２
の電熱体とを同時に作動させることによって、第１の電
熱体の負担を軽減することができると共に、第５図で示
した第１の電熱体の形状に対応して発生する基板上の温
度むらを緩和することができる。また、基板表面加工プ
ロセスにおいても、温度むら緩和用平板を薄目のものと
し、第１の電熱体の熱照射パターンと第２の電熱体の熱
照射パターンが基板上で重複しないように配設すれば、
第２の電熱体と第１の電熱体とを同時に作動させること
により、第２の電熱体単独で昇温させたのでは基板表面
に温度むらが発生してしまう高温領域へも温度むらを相
殺しつつ昇温させることができ、均一性の良好な基板加
熱温度領域を拡大することになる。

［実施例］ 以下、本発明を、実施例とその図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は、本発明を実施した基板加熱装置の構造の１例
を示す構造図である。第１図において、基板加熱装置
は、基板１を落とし込む環状の基板保持枠２と、この基
板保持枠２を着脱自在に取り付けられる係止部材３を側
面に具備した蓋状の本体外枠４とで外殻を形成されてい
る。第２図は、その係止部分の拡大図である。本体外枠
４の内側には任意の枚数の反射板５が多重に配設され、
更にその内方に、支柱兼スペース６により２枚の平板７
および９が基板１の同一面に対向し、基板１からの距離
が相互に異なる位置に、基板１とほぼ平行に取り付けら
れている。

基板１から近い方の平板が温度むら緩和用平板９で、そ
の基板側表面に第１の電熱体８が着設され、基板１から
遠い方の平板が絶縁物平板７で、その基板側表面に第２
の電熱体10が着設されている。２つの電熱体８および10
は共に基板１全面の加熱処理が可能な形状に配設され、
それらからの導線11は碍子12により反射板５や本体外枠
４等から絶縁されて独立に外部へ引き出されて、真空装
置に設けられた外部電流入力端子（図示せず）に配線さ
れ、さらに電熱体制御装置に接続する。また、本体外枠
４、反射板53絶縁物平板７および温度むら緩和用平板９
の中央部分には通孔が穿設されていて、これらを貫通す
る熱電対13が碍子12で絶縁されて通孔に挿入され、基板
温度がモニターされるようになっている。この熱電対13
からの信号も電熱体制御装置に情報として入力される。
基板加熱装置は本体外枠４に取り付けられている治具14
によって真空装置内部に配設されている。

本実施例の装置は、通常次の如く操作される。まず基板
表面清浄化プロセスの段階では、電熱体制御装置は熱電
対13からの情報信号に基づいて第１の電熱体８のみを作
動させる。このプロセスでは、基板１を融点近くの高温
まで加熱するが、基板１として最もよく用いられるシリ
コンの場合で、1100℃程度の温度で１〜２分の熱処理で
あり、融点の約1420℃に対してはかなり余裕がある。温
度設定は、予め経験的に得た加熱中の基板表面温度分布
のデータに基づいて、基板全体が閾値以上になるよう
に、マージンを含めた値に設定される。基板１上の温度
むらを緩和する動作を行うには、第２の電熱体10に入力
最大許容値の７〜８割程度の電力を供給しておいて、第
１の電熱体８を上記と同様に制御する。

基板表面清浄化プロセスの段階が終了すると、自然冷却
後、基板表面加工プロセスの段階に移る。この段階で
は、電熱体制御装置は熱電対13からの情報信号に基づい
て第２の電熱体10のみを作動させる。このとき温度むら
緩和用平板９に着設される第１の電熱体８の材質および
形状が温度むら緩和用平板９の温度分布にさほど影響を
与えないものであれば、温度むら緩和用平板９および第
１の電熱体８はほぼ均一に加熱され、面形状の発熱体と
して基板１を均一に昇温させる。第１の電熱体８が温度
むら緩和用平板９の温度分布に影響を与える場合や、温
度むら緩和用平板９自体が薄くて第２の電熱体10のみを
作動させただけでは温度むらが発生してしまう場合に
は、第１の電熱体８にも電力を供給することにより温度
むらを緩和する。この場合、設定温度に対して温度むら
が最小となるような第１の電熱体８の駆動データを予め
入手しておき、このデータに基づいて第１の電熱体８へ
の供給電力を設定する。

上記の如き構造および操作によって、本実施例の装置
は、真空容器内で行われる一連のプロセスに要求される
温度条件を満足させることができる。

次に、上記実施例において、第２の電熱体10のみを作動
させると基板１表面に温度むらが発生する場合に、これ
を改善する実施例について説明する。その場合は、２本
の熱電対が基板加熱装置内部に挿入され、基板表面に発
生する温度むらの高温部分と低温部分の両方の温度をモ
ニターし、２つの電熱体８および10それぞれに個別の制
御装置を接続する。その操作としては、基板表面加工プ
ロセスの段階で、第２の電熱体10のみを作動させたとき
に発生する温度むらの高温部分をモニターする熱電対か
らの出力を第２の電熱体10の制御装置へ情報信号として
入力し、温度むらの低温部分をモニターする熱電対から
の出力を第１の電熱体８の制御装置へ情報信号として入
力する。２つの制御装置の温度設定をどちらも所望の基
板温度にするだけで、２つの電熱体相互の温度むら緩和
動作を自動的に行わせることができる。

尚、上記実施例はいずれも２つの電熱体を別々の平板の
基板側表面にのみ這わせて配設していたが、２つの電熱
体を１枚の温度むら緩和用平板の両面に這わせて固定し
ても差し支えなく、絶縁物平板を省略して装置を小型化
することも可能である。

［発明の効果］ 以上、説明したとおり、本発明によれば、温度むら緩和
用平板の存在とその両側に位置する２つの電熱体の個別
的動作もしくは相互補助的動作により、基板表面清浄化
時に必要な基板融点近くの高温と基板表面加工時に必要
な熱均一性とを両立し、清浄化された基板の表面上に良
好な再現性で加工を行い、製品の性能アップや歩留まり
の改善が可能な基板加熱装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構造図、第２図は外枠係止
部の拡大図、第３図および第４図は従来例の構造図、第
５図は温度むらの説明図である。 １……基板、２……基板保持枠 ３……係止部材、４……本体外枠 ５……反射板、６……支柱兼スペーサ ７……絶縁物平板、8,10……電熱体 ９……温度むら緩和用平板、11……導線 12……碍子、13……熱電対 14……治具、15……高温領域 16……低温領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空装置内で用いられ、電熱体から発する
   熱線により基板を加熱する基板加熱装置において、基板
   の同一面に対向し、基板からの距離が相互に異なる位置
   に配設され、それぞれ独立に制御されて基板を加熱し、
   かつそれぞれ単独で基板全面を昇温できる配置形状を有
   する２つの電熱体と、それら２つの電熱体の間に配設さ
   れた熱線吸収率の高い材料からなる温度むら緩和用平板
   とを備え、基板と温度むら緩和用平板との間に位置する
   電熱体が温度むら緩和用平板に着設されていることを特
   徴とする基板加熱装置。