TWI496188B - Heat treatment device - Google Patents
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Description
本發明是有關對基板例如半導體晶圓或玻璃基板等實施預定的熱處理之熱處理裝置。
在製造半導體積體電路時，是在基板表面實施矽膜或矽氧化膜等的各種的成膜處理，氧化處理等各種的熱處理。在進行該等的熱處理時，大多是使用可配置複數片的半導體晶圓(以下亦簡稱為「晶圓」)來一次熱處理的所謂成批式(batch)的熱處理裝置。
成批式的熱處理裝置是主要使用以電爐來加熱收納多數個晶圓的反應管之電爐方式(熱壁(hot wall)方式)。可是就電爐方式而言，因為爐全體的熱容量大，所以為了使晶圓的溫度昇降溫，需要更多的時間，會有生產性大幅度降低的問題。
其他亦有利用高頻感應加熱方式來加熱晶圓的型式者(例如參照專利文獻1，2)。一般此型的熱處理裝置是具備在反應管的外側捲繞的感應線圈，對此感應線圈供給高頻電流，感應加熱配置於反應管內的導電性的基座，藉由熱傳導來間接地加熱載置於基座的晶圓。若根據此，則因為不需要直接加熱反應管，所以在縮小基座的熱容量下，與電爐方式作比較，晶圓溫度可高速昇降溫。又，由於可與晶圓溫度獨立控制反應管的壁溫度，因此亦可構成所謂冷
壁方式(cold wall method)的熱處理裝置。
然而，若在上述冷壁方式的熱處理裝置等配置複數個熱容量小的基座來進行高頻感應加熱，則基座面內或各基座1間的溫度均一性會因為基座與其周圍(反應管的內壁等)的溫度差而崩潰，不僅載置於各基座的晶圓間的溫度的均一性，連晶圓的面內溫度的均一性也惡化之冷壁方式的本質上的問題表面化。
此點，若根據專利文獻3所示的技術，則會在縱方向配置複數的基座，使交流磁場產生於與基座的基板載置面平行的方向而予以控制，藉此可控制基座的面內溫度。具體而言，使2個的電磁石離開配置成其磁極面會夾著基座的周緣部而對向，按照供給至各電磁石的感應線圈的交流電流的相位，在基座的中心部使磁束變弱或變強的方式改變磁束的方向，藉此可控制基座之周緣部對中心部的發熱量的大小，可使被載置於基座的晶圓的面內溫度的均一性改善。
專利文獻1：日本特開昭56-6428號公報
專利文獻2：日本特開昭61-91920號公報
專利文獻3：日本特開2010-59490號公報
然而，在使交流磁場產生於與基座的基板載置面平行的方向時，磁束會從基座的周緣部側面進入，所以依基座的形狀或材質，磁束的透過會因其側面附近所產生的感應電流而受阻，恐有內部的加熱效率降低之虞。不過，此情況，以磁束能夠透過的方式，光只是阻礙周緣部的感應電流的產生，這回反而其周緣部的加熱效率會降低。
於是，本發明是有鑑於如此的問題而研發者，其目的是在於提供一種在使交流磁場產生於與基座的基板載置面平行的方向時，不僅基座的周緣部，甚至其內部可提高加熱效率，且可正確地控制基座的面內溫度之熱處理裝置。
為了解決上述課題，若根據本發明的某觀點，則可提供一種熱處理裝置，其特徵係具備：處理室，其係對配置於可減壓的處理室內的複數個基板實施熱處理；基座，其係具有載置前述基板的載置面之導電性構件，分成周緣部及被周緣部包圍的內側部，前述內側部係由厚板狀發熱體所構成，前述周緣部係使比內側部更薄的薄板狀發熱體在彼此電性絕緣的狀態下層疊而成；旋轉自如的基座支撐部，其係在與前述基座的載置面垂直的方向取間隔配置複數個，在前述處理室內支撐前述基座；磁場形成部，其係由配置成捲繞感應線圈，磁極面會
與前述基座的側面對向的電磁石所構成，在與前述基座的載置面平行的方向形成交流磁場來感應加熱前述基座；高頻電流電路，其係構成可對前述感應線圈施加相異的2個頻率的高頻電流；及控制部，其係藉由控制從前述高頻電流電路施加於前述感應線圈的前述2個頻率的高頻電流來控制在前述薄板狀發熱體產生的感應電流，而控制至前述內側部之磁束的透過，藉此使前述基座的前述周緣部的發熱量與前述內側部的發熱量的比率變化來進行溫度控制。
此情況，前述控制部亦可重疊或以時間序列來切換從前述高頻電流電路輸出之低的頻率及高的頻率的高頻電流而進行前述溫度控制。
又，構成前述基座的周緣部的前述薄板狀發熱體的厚度係比由前述低的頻率算出的感應電流的侵入深度還要小，比由前述高的頻率算出的感應電流的侵入深度的2倍還要大為理想。
又，構成前述基座的內側部的前述厚板狀發熱體的厚度係至少比由前述低的頻率算出的感應電流的侵入深度的2倍還要大為理想。
又，亦可沿著前述基座及前述基板的配列方向來配列複數段前述磁場形成部。此情況，前述控制部亦可獨立控制前述各磁場形成部的交流電源。另外，前述基座例如以石墨所構成，前述處理室的側壁例如以鋁合金所構成。
並且，具備：
氣體供給部，其係對處理室內供給處理氣體；及排氣機構，其係將前述處理室內真空排氣，前述處理室係進行對前述基板進行的熱處理或在前述基板上形成薄膜的成膜處理。
若根據如此的本發明，則由於藉由磁場形成部來使磁場產生於與基座的載置面平行的方向，亦即對基板表面平行的方向，所以相對於基座的厚度，極薄的金屬膜是幾乎不會透過磁束。因此，即使例如在進行對形成有金屬膜的基板進行的熱處理或在基板上形成金屬膜的成膜處理時，也不會有該金屬膜直接被加熱的情形，因此可只藉由來自基座的熱傳導來控制基板的面內溫度。
若根據本發明，則藉由使基座的周緣部形成層疊比內側部更薄的薄板狀發熱體的構成，可根據頻率來控制成為磁束透過的阻礙之感應電流的大小。藉此，可控制從基座的周緣部進入之磁束的透過，因此不僅基座的周緣部，甚至其內部可提高加熱效率。藉此，即使令交流磁場產生於與基座的基板載置面平行的方向時，也可正確地控制基座的面內溫度。
以下，一邊參照附圖，一邊詳細說明有關本發明的較佳實施形態。另外，在本說明書及圖面中，對於實質上具
有同一機能構成的構成要素是附上同一符號，藉此省略重複說明。
首先，說明有關本發明的實施形態的熱處理裝置。在此，舉可一次多數片熱處理被處理基板例如半導體晶圓(以下簡稱為「晶圓」)之成批式的縱型熱處理裝置(以下簡稱為「熱處理裝置」)為例，一邊參照圖面，一邊進行說明。圖1是表示熱處理裝置的構成例的剖面圖，圖2是表示熱處理裝置的外觀構成的概略的立體圖，以水平面切斷反應管的頂部及下部者。
熱處理裝置100是如圖1所示具備用以對晶圓W進行製程處理的處理室102。處理室102是藉由下端開口之筒狀(例如方筒狀)的反應管104及連設於該反應管104的下端之方筒狀的集合管(manifold)106所構成。反應管104及集合管106是例如由鋁合金等的金屬所構成。反應管104是形成有頂，下端是被氣密地接合於集合管106的上端。集合管106的下端的開口端是開閉自如地設有蓋體114。另外，處理室102的形狀並非限於圖1所示者，例如亦可為6角形等多角形的形狀，或圓筒狀。
在蓋體114上設有作為基座支撐部的石英承載盤(晶圓承載盤)110，該基座支撐部是用以支撐複數個具有晶圓W的載置面的基座200。蓋體114是被搭載於用以將石英承載盤110搬入搬出至反應管104內的承載盤升降機118
之上，具有在處於上限位置時將反應管104的開口部為以集合管106所構成的處理室102的下端開口部閉塞之任務者。
在石英承載盤110是複數的基座200會以水平的狀態在與其載置面垂直的方向(在此是上下方向)取預定的間隔配置成棚架狀。晶圓W是在各基座200的載置面(上面)各配置1片。基座200是藉由發熱體所構成，該發熱體是例如由石墨，玻璃狀碳，SiC等的導電性材料所構成。本實施形態的基座200會藉由使朝周緣部側面產生的水平的交流磁場來感應加熱，構成可調整周緣部的磁束的透過，亦即磁束從周緣部側面進入的容易度。藉此，構成不僅基座200的周緣部，可有效率地感應加熱至更內側。有關如此的基座200的詳細會在往後敘述。
石英承載盤110是經由筒狀的隔熱體116來繞著垂直軸旋轉自如地被保持於蓋體114。具體而言，例如在隔熱體116的下方連接未圖示的馬達。藉此，驅動馬達來使石英承載盤110旋轉，使各基座200繞著垂直軸來與晶圓W一起旋轉。
另外，在如此的基座200，被收容於未圖示的卡匣容器的晶圓W會藉由未圖示的移載裝置來移載。而且，以承載盤升降機118來將石英承載盤110搬入至反應管104內而進行晶圓W的處理。然後，一旦晶圓W的處理終了，則以承載盤升降機118來從反應管104搬出石英承載盤110，藉由上述移載裝置來使基座200上的晶圓W回到上
述卡匣容器。
在反應管104的側壁的外側設有複數個藉由電磁石120所構成的磁場形成部，其係形成用以感應加熱反應管104內的各基座200之水平的交流磁場。電磁石120是被配置成朝各基座200的周緣部側面，在與各基座200的載置面平行的方向形成有水平的交流磁場(以下簡稱「水平磁場」)。
在圖1，圖2是沿著反應管104的長度方向(縱方向)來配列複數段電磁石120。具體而言是長度方向來將反應管104的加熱區域分成複數的區域，在各區域配置1個的磁場形成部。圖1，圖2是分成3個的區域，將3個的磁場形成部分別配置於各區域時的具體例。在1個的區域配置數片(例如2片~6片)的基座200，以能夠與該等的周緣部側面對向的方式配置電磁石120。
在與各電磁石120對向的反應管104的側壁設有例如由石英玻璃或陶瓷等所構成的介電質窗105。藉此，從電磁石120產生的磁束可透過介電質窗105來使進入反應管104內。另外，磁場形成部的段數並非限於圖1，圖2所示者，可配合反應管104的縱方向的尺寸或配置於縱方向的晶圓的片數來決定。
構成各磁場形成部的電磁石120是分別在具有2個磁極的U字狀的磁心122捲繞感應線圈124而構成。各感應線圈124是分別被連接至高頻電流電路130的輸出端子132。在各感應線圈124可由各高頻電流電路130來分別
供給預定的交流電流。
本實施形態的高頻電流電路130是構成可在感應線圈124重疊2種類的頻率(高的頻率及低的頻率)的高頻電流或各別地施加。這如後述般在彼此絕緣的狀態下層疊薄板狀的發熱體來構成基座200的周緣部，利用磁束從周緣部側面進入的容易度會按照頻率而改變的情形，調整基座200的面內溫度分布者。有關如此的高頻電流電路130的構成例及根據頻率之基座200的面內溫度分布控制的詳細會在往後敘述。
各高頻電流電路130是被連接至控制部300。控制部300藉由控制各高頻電流電路130，可獨立控制供給至各感應線圈124的交流電流。藉此，可按各區域來控制在反應管104內所產生的水平磁場的大小或方向。
在上述集合管106是設有複數的氣體供給管140a，140b，該等是作為例如將四氯化鈦(TiCl4
)，氨(NH3
)，氬(Ar)氣體等供給至處理室102內的氣體供給部。在各氣體供給管140a，140b是具備用以調整氣體流量的質量流控制器(MFC)等的流量調整部142a，142b。另外，在圖1是舉分別從氣體供給管140a，140b獨立供給2種類的氣體時為例，但氣體供給部的構成並非限於圖1所示者。例如亦可設置3個以上的氣體供給配管，獨立供給3種類以上的氣體。
集合管106是經由將反應管104內排氣的排氣管150來連接真空泵154等的排氣機構。例如在排氣管150是設
有調整反應管104內的壓力的壓力調整部152。壓力調整部152是例如以復合閥，蝶形閥，及閥驅動部等所構成。
並且，在排氣管150設有用以檢測出處理室102內的壓力，反餽控制壓力調整部152的壓力感測器151。壓力感測器151是使用不易受到外氣壓的變化的影響之静電電容型真空計(電容式真空計(capacitance manometer))為理想。
熱處理裝置100的各部是形成藉由控制部300來控制。控制部300是例如按照所應成膜的薄膜種類，膜厚等，根據由設定壓力，基座設定溫度，氣體流量等的處理條件所構成的處方資料來控制各部。並且，控制部300是例如由壓力感測器151取入壓力檢測訊號，根據該等的檢測訊號來控制壓力調整部152，流量調整部142a，142b等。
一邊參照圖面，一邊說明有關如此的控制部300的構成例。圖3是表示控制部300的構成例的方塊圖。控制部300是例如圖3所示具備：CPU(中央處理裝置)310，為了CPU310進行的各種處理而使用的記憶體320，以顯示操作畫面或選擇畫面等的液晶顯示器等所構成的顯示部330，供操作員進行各種資料的輸入及對預定的記憶媒體的各種資料的輸出等各種操作之由操作面板或鍵盤等所構成的輸出入部340，及用以經由網路等進行資料的往來之通訊部350。
其他，控制部300是具備：用以控制熱處理裝置100的各部的各種控制器360，及以記憶CPU310所實行的各種程式或程式的實行所必要的資料之硬碟(HDD)等所構成的記憶部370等。CPU310是因應所需從記憶部370讀出該等程式或資料來使用。
各種控制器360是例如可舉按照來自熱處理裝置100的指令，控制高頻電流電路130等，而來控制各基座200的溫度之溫度控制器，及進行反應管104內的壓力控制之壓力控制器等。
在記憶部370中是例如按照所應成膜的薄膜種類，膜厚等，記憶有具有由設定壓力，基座200的設定溫度，氣體流量等的處理條件所構成的複數個處方之處方資料(處理條件資料)372等。在熱處理裝置100是例如按照所應成膜的薄膜種類，膜厚等，從處方資料372讀出所對應的處方，根據該處方來實行晶圓W的成膜處理。
例如在對反應管104內的各晶圓W實行成膜處理時，是將基座200調整成預定的設定溫度來加熱晶圓W。在如此加熱晶圓W時，是對電磁石120的感應線圈124分別供給預定的交流電流，藉此在反應管104內朝各基座200的周緣部側面來使產生水平的交流磁場而感應加熱各基座200。此時，在反應管104內藉由石英承載盤110來使各晶圓W與各基座200一起旋轉，藉此可使各晶圓W在其面內的周方向不會有偏倚的方式均一地加熱。
以下，一邊參照圖面，一邊更詳細說明有關如此的磁場形成部。圖4是取出設有構成圖2所示的1個磁場形成部的電磁石的部分而擴大的立體圖。另外，在圖4省略了基座200及晶圓W。如圖4所示，電磁石120是具有由強磁性體所構成的磁心(core)122，該強磁性體是一體構成2個磁極127，128及連接該等的中間部129，在中間部129捲繞感應線圈124。磁心122是分別例如圖4所示形成U字狀(或字狀)。
電磁石120是在反應管104的側壁的外側隔著介電質窗105而設，電磁石120的2個磁極面(磁極127，128的端面)127A，128A會被配置成與各基座200的周緣部對向。
根據如此配置的電磁石120，一旦從高頻電流電路130供給交流電流至感應線圈124，則在某瞬間例如圖4所示，會產生從一方的磁極面128A往另一方的磁極面127A的磁束，形成透過介電質窗105來進入各基座200的周緣部側面之類的水平磁場。
如此一來，藉由電磁石120所產生的磁束會從各基座200的周緣部側面進入，藉由電磁感應在該磁束的垂直的面上誘發渦狀的感應電流，構成各基座200的發熱體會發熱。藉此，可加熱各基座200。
不過，像本實施形態那樣形成朝基座200的周緣部側面之水平的磁束時，依基座200的形狀(特別是厚度)，僅
周緣部側面附近會被部分地加熱，恐有不被加熱至其內部之虞。例如假設以厚板狀的發熱體來構成基座200，則如圖5A所示般產生僅與電磁石120的磁極面127A，128A對向的基座200的周緣部側面附近被部分地加熱，更內部未被加熱的現象。
只要基座200的材質為例如陶瓷那樣的高電阻材料，則如圖5B所示，在電磁石120的磁極面127A，128A之間產生的磁束會從基座200的周緣部側面進入至其內側。
可是，像圖6A所示那樣的導電性的厚板狀發熱體，一旦如圖6B所示般磁束藉由感應線圈C來從厚板狀發熱體的側面進入，則在基座200的周緣部，感應電流會激起於該磁束的垂直面，因而阻礙磁束的透過。因此，磁束更難透過至內部，可推測基座200的內側的加熱會被阻礙。這恐有加熱效率差，無法達成所望的加熱控制之虞。
如此，依基座200的材質，被激起於其周緣部的感應電流的大小會變化，藉此進入基座200的內部的磁束也會變化，但即使基座200的材質相同，有時進入基座200的內部的磁束也會依被形成於基座200的周緣部的水平磁場的頻率而變化。
在此，說明有關改變供給至形成朝構成基座的板狀發熱體的側面之水平的磁場的感應線圈的高頻電流的頻率時，確認往板狀發熱體的內部之磁束的進入的模擬實驗的結果。圖7是表示其實驗結果的圖。此模擬是假想取10mm間隔的間隙在縱方向(與紙面垂直)配置3片的圓板狀的發
熱體(厚度10mm)，使該等發熱體的側面與電磁石120的磁極面127A，128A對向時。對電磁石120的感應線圈124供給高的頻率(40kHz)的高頻電流時及供給低的頻率(10kHz)的高頻電流時，使進入發熱體的內側的磁束的情況可視化者。在圖7中以箭號來表示格子狀的觀測點的磁束的方向，該箭號的長度是表示磁束密度大小。
若根據圖7所示的實驗結果，則可知在高的頻率(40kHz)時，通過板狀發熱體的周緣部附近的磁束會被觀察到，但磁束未進入更內側。相對的，在低的頻率(10kHz)時，可知不僅板狀發熱體的周緣部，連內側也有磁束進入。
依據如此供給至感應線圈的高頻電流的頻率，可使進入板狀發熱體的內側的磁束變化。這表示依據藉由感應線圈所形成的水平磁場的頻率，在板狀發熱體的周邊部附近所被誘發的感應電流會變化，藉此進入板狀發熱體的內側的磁束會變化。
上述實驗結果可藉由感應電流的表皮效應來說明，若利用此表皮效應，則藉由在絕緣的狀態下層疊薄板狀發熱體而構成基座200的周緣部，可使磁束進入至基座200的內部。
在此的感應電流的表皮效應是藉由水平磁場而被誘發於基座200的感應電流是在表面附近(在此是基座200的上面及下面)最大，越往厚度的中心方向越急劇地降低。而且其降低的程度(電流的浸入深度)是依水平磁場的頻率而不同。可知頻率越高，感應電流的浸入深度越淺，頻率
越低，感應電流的浸入深度越深。若根據此，則頻率越高，只在基座200的上面側及下面側產生感應電流，頻率越低，從基座200的上面側及下面側分別至厚度的中心方向產生感應電流。
因此，例如圖8A所示般，在層疊厚度為t2的薄板狀發熱體時，水平磁場的頻率越低，在上面附近產生的感應電流的浸入深度及在下面附近產生的感應電流的浸入深度會朝厚度的中心方向變深。而且因為該等的感應電流是逆向，所以彼此容易抵消。因此，如圖8B所示般，藉由降低頻率，可使感應電流幾乎不會產生，可使磁束容易透過至內部。此情況是不會有感應電流所造成之薄板狀發熱體的發熱。
相對的，若提高水平磁場的頻率，則在上面附近產生的感應電流的浸入深度及在下面附近產生的感應電流的浸入深度是朝厚度的中心方向變淺，所以難被抵消。因此，如圖8C所示般，在提高頻率下使產生感應電流，所以磁束難透過至內部。此情況，藉由感應電流，薄板狀發熱體會發熱。
藉由如此層疊薄板狀發熱體，可降低水平磁場的頻率來抑制感應電流的產生令磁束容易通過，可提高水平磁場的頻率來使感應電流產生而令磁束難透過。
可是，即使在薄板狀發熱體藉由降低頻率來抑制感應電流的產生而使磁束容易透過，也無法光靠此來加熱基座200的內側。並且，僅厚板狀發熱體改變頻率也無法容易
透過磁束。
於是，藉由組合薄板狀發熱體及厚板狀發熱體，以高的頻率來使薄板發熱體發熱，以低的頻率來使厚板發熱體發熱，可改變基座200的發熱分布。例如圖9A所示般，在外側層疊薄板狀發熱體，在其內側以和薄板狀發熱體隔熱的狀態下配置厚板狀發熱體。若根據此，則可按照供給至感應線圈124的高頻電流的頻率來改變周緣部的發熱量及其內側部的發熱量的比率，可控制基座200的發熱分布。
具體而言，藉由降低水平磁場的頻率，如圖9B所示般，可抑制各薄板狀發熱體之感應電流的產生，可容易透過磁束。如此一來，磁束可透過各薄板狀發熱體來到達至其內側的厚板狀發熱體，可使感應電流產生於厚板狀發熱體。相對的，藉由提高水平磁場的頻率，如圖9C所示般，可使感應電流產生於各薄板狀發熱體來難透過磁束。藉此，磁束不會透過各薄板狀發熱體，也不會到達厚板狀發熱體。
因此，藉由降低水平磁場的頻率，如圖9B所示般，可不加熱各薄板狀發熱體，只加熱其內部的厚板狀發熱體。相對的，藉由提高水平磁場的頻率，如圖9C所示，可不使內部的厚板狀發熱體加熱，只使各薄板狀發熱體加熱。藉由如此在外側層疊薄板狀發熱體，在其內側配置厚板狀發熱體，可依據供給至感應線圈124的高頻電流的頻率來控制基座200的發熱分布，此結果可控制面內溫度分布
。
於是，本實施形態是利用如此的性質，對基座200的形狀下工夫，藉此可確實地控制面內溫度分布。具體而言，將基座200分成周緣部及包圍此周緣部的內側部，內側部是以厚板狀發熱體所構成，周緣部是在電性絕緣的狀態下層疊比內側部更薄的薄板狀發熱體來構成。
在感應線圈124是重疊或以時間序列來切換相異的2個頻率(高的頻率及低的頻率)的高頻電流而施加。藉此，控制基座200的周緣部的感應電流，而控制磁束的透過，藉此調整更往內部之磁束的進入容易度，使周緣部的發熱量與內側部的發熱量能夠比率可變地控制而感應加熱。
在此，一邊參照圖面，一邊說明有關如此的本實施形態的基座200的構成例。圖10是表示基座200的構成的外觀立體圖，圖11是由上方來看基座200的圖。圖12是在縱方向切斷基座200的一部分的剖面圖。
如圖10，圖11所示，本實施形態的基座200是分割成其周緣部210及被周緣部包圍的內側部220而設。內側部220是以厚板狀發熱體222所構成，周緣部210是層疊比內側部220更薄的薄板狀發熱體212來構成。在圖10，圖11是舉層疊3片的薄板狀發熱體212時為例，但薄板狀發熱體212的片數並非限於此，亦可按照其厚度層疊2片或4片以上。
各薄板狀發熱體212之間是分別彼此被電性絕緣。這是為了使在各薄板狀發熱體212之間感應電流不會流動。例如圖10是藉由分開設置各薄板狀發熱體212來絕緣的具體例。另外，並非限於此，亦可在各薄板狀發熱體212之間插入絕緣構件。又，亦可在各薄板狀發熱體212的表面實施絕緣加工。藉此，可使各薄板狀發熱體212不用空出間隙來接觸層疊。
周緣部210與內側部220之間是被隔熱。這是為了在周緣部210與內側部220之間防止熱傳導。藉此，可個別地加熱周緣部210及內側部220。例如圖11，圖12是表示藉由使用隔熱材230來連接周緣部210的各薄板狀發熱體212與內側部220之間而隔熱的具體例。另外，並非限於此，亦可藉由使各薄板狀發熱體212與內側部220之間離開來隔熱。
上述各薄板狀發熱體212的厚度t1及厚板狀發熱體222的厚度t2是根據作為供給至感應線圈124的高頻電流使用的頻率(低的頻率及高的頻率)來決定。這是若根據感應電流的表皮效應，則感應電流的侵入深度會依據頻率而定，因此藉由按照頻率來調整各發熱體212，222的厚度t1，t2，可進行最適的加熱控制。
在此，說明有關將作為供給至感應線圈124的高頻電流使用的頻率，低的頻率設為f1(例如10kHz)，高的頻率
設為f2(例如100kHz)時的各發熱體的最適的厚度t1，t2。首先，一邊參照圖面一邊說明有關各發熱體的厚度t1，t2及感應電流的表皮效應。
圖13A，圖13B是將感應電流的表皮效應顯示於圖表的圖。圖13A是厚板狀發熱體的情況，圖13B是薄板狀發熱體的情況。圖13A，在圖13B中粗線圖表是低的頻率f1時，細線圖表是高的頻率f2時。
當磁束從發熱體的周緣部側面進入時，在該磁束的垂直面(例如上述圖6B所示的厚板狀發熱體是其上面、下面及左右側面)產生感應電流。該感應電流是具有越接近各表面越大，隨著往內部(在此是厚度的中心方向)指數函數性地變小的特性，此為感應電流的表皮效應。此情況，像基座200的形狀那樣板狀時，在上面附近及下面附近產生的感應電流會成為支配性，左右側面附近的感應電流是幾乎可無視。
浸入深度P是依頻率f1，f2而定，具體而言是定義為從發熱體的表面(上面或下面)到其深度方向(厚度的中心方向)衰減的感應電流密度減少成發熱體的表面(上面或下面)的感應電流密度的1/e(≒0.368)倍的點為止的距離，以下述的式(1)來表示。
P(cm)=5.03(ρ/μf)1/2
………(1)
在上述式(1)中，ρ是發熱體的電阻率(μΩcm)，μ是發
熱體的比透磁率(在非磁性體是μ=1)，f是頻率(Hz)。另外，在碳系材料是μ=1。碳系材料有石墨，玻璃狀碳等。
若根據上述(1)式，則可知頻率f越高，浸入深度P越小，頻率f越低，浸入深度P越大。並且，利用此浸入深度P從發熱體的外周面到內部的距離x之電流密度Ix
是若將I0
設為發熱體的上面及下面的各個電流密度，則以下述的式(2)來表示。
Ix
=I0
exp(-x/P)………(2)
若將從上面及下面到厚度的中心的距離x與電流密度比Ir
(=Ix
/I0
)的關係以圖表來顯示低的頻率f1(例如10kHz)時及高的頻率f2(例如100kHz)時，則形成如圖13A，圖13B所示。圖13A，圖13B是在縱軸取電流密度比Ir
(=Ix
/I0
)，在橫軸取從上面及下面到厚度的中心的距離x。
圖13A及圖13B的任一情況，電流密度比Ir
(=Ix
/I0
)皆是越接近發熱體的上面或下面越大，越往厚度的中心方向越急劇地降低的衰減曲線。又，若根據上述式(2)，則如圖13A，圖13B的圖表所示般，越是低的頻率f1，浸入深度Pf1
越大，越是高的頻率f2，浸入深度Pf2
越小。此浸入深度Pf1
，Pf2
是若根據式(1)，則一律依頻率而定。
於是，在此是舉一如圖13A所示般將厚板狀發熱體的厚度t1設為大的一方，亦即低的頻率f1時的浸入深度Pf1
的2倍，如圖13B所示般將薄板狀發熱體的厚度t2設為
小的一方，亦即高的頻率f2時的浸入深度Pf2
的2倍為例進行說明。
此情況，在離發熱體的上面距離x的部位產生的感應電流與在離發熱體的下面距離x的部位產生的感應電流是大小相同，方向相反。因此，若為該等的電流密度比Ir
的圖表重疊的部分，則感應電流會相抵。
若由如此的觀點來看圖13A，則厚板狀發熱體是在其厚度t1的範圍，無論是在低的頻率f1或高的頻率f2皆未有感應電流被相抵的情形。相對的，若由圖13B來看，則薄板狀發熱體是在其厚度t2的範圍，在高的頻率f2是未有感應電流被相抵的情形，相對的在低的頻率f1是存在感應電流被相抵的區域。
藉由以存在如此感應電流被相抵的區域的方式決定發熱體的厚度t1，t2，如上述般在薄板狀發熱體時，高的頻率f2是感應電流不會被相抵，磁束難進入，低的頻率f1是感應電流會被相抵，磁束可容易進入。
若根據圖13A，圖13B，則至少有關薄板狀發熱體的厚度t2是比高的頻率f2的浸入深度Pf2
的2倍還要厚，比低的頻率f1的浸入深度Pf1
還要薄為理想。藉此，有關薄板狀發熱體是可擴大根據低的頻率f1之感應電流的相抵區域。
相對的，有關厚板狀發熱體的厚度t2是至少比低的頻率f1的浸入深度Pf1
的2倍還要厚為理想。藉此，有關厚板狀發熱體是在哪個頻率皆可形成無感應電流的相抵區
域。
若根據此來求取圖12所示的基座200的各發熱體222，212的厚度t1，t2的條件，則形成其次般。此情況，若以石墨來構成各發熱體222，212，則電阻率ρ是大略1000μΩcm，透過率μ為1。例如若將低的頻率f1設為10kHz，高的頻率f2設為100kHz，則浸入深度Pf1
，Pf2
是分別形成大略1.6cm，大略0.5cm。因此，此情況的厚板狀發熱體222的厚度t1的條件是3.2cm(=2×Pf1
)<t1，薄板狀發熱體212的厚度t2的條件是1.0cm(=2×Pf2
)<2t<1.6cm(=Pf1
)為理想。
藉由如此決定構成基座200的各發熱體222，212的厚度t1，t2，可依頻率來控制磁束從基座200的周緣部210的側面進入的容易度，可改變周緣部210的發熱量與內側部220的發熱量的比率。藉此，可控制基座200的面內溫度。
另外，最好薄板狀發熱體212的徑向的寬度是形成在提高水平磁場的頻率時磁束的大部分會通過周緣部210那樣的大小。並非限於此，亦可根據周緣部210的發熱量與內側部220的發熱量的基準比率來決定薄板狀發熱體212的徑向的寬度。
若過度增大如此的薄板狀發熱體212的徑向的寬度，則在降低水平磁場的頻率時往內側部220之磁束的進入會減少，因此內側部220的加熱效率會降低。相反的，若縮小此寬度，則在提高水平磁場的頻率時磁束的一部分會進
入內側部220，因此周緣部210的加熱效率會降低。
所以，薄板狀發熱體212的徑向的寬度亦可依據增強基座200的周緣部210的加熱或增強內側部220的加熱來決定。例如相對於基座200的內側部220，增強周緣部210的加熱時是只要擴大薄板狀發熱體212的徑向的寬度，相對於基座200的周緣部210，增強內側部220的加熱時是只要縮小薄板狀發熱體212的徑向的寬度即可。
並且，對基座200的周緣部210激起感應電流的水平磁場是與基座200的徑向成分一起亦具有基座200的周方向成分，因此薄板狀發熱體212的徑向的寬度是形成對高的頻率f2之浸入深度Pf2
的2倍以上為理想。
基座200的形狀並非限於圖12所示者。例如圖14所示般，內側部220的厚板發熱體222亦可將其中心部形成比外周部還要薄。如圖1所示般，在縱方向複數配列基座200時，從各基座往上下方向放熱的熱量會減少，熱會容易停滯於中央部，所以各基座200的中央部是即使不加熱，幾乎溫度也不會改變。因此，即使如圖14所示般形成薄，使厚板發熱體222的中心部形成比外周部還要薄，還是可藉由來自被加熱的外周部的熱傳導來充分地加熱。若根據此，則可減少基座200全體的熱容量，可提高加熱速度。
在此，更詳細說明有關上述2個頻率的高頻電流的施
加控制。本實施形態的施加控制，亦可使2個頻率的高頻電流重疊而施加，或以時間序列來分別施加。將可實現如此的施加控制之高頻電流電路130的具體構成例顯示於圖15。圖15是表示本實施形態的高頻電流電路130的概略構成的方塊圖。
圖15所示的高頻電流電路130是具備：輸出低頻率的第1頻率f1
的高頻電流(例如10kHz)之第1高頻電源134，及輸出高頻率的第2頻率f2
的高頻電流(例如100kHz)之第2高頻電源136。第1高頻電源134的輸出是經由第1匹配電路135來連接至高頻電流電路130的輸出端子132。第1匹配電路135是例如由設在高頻電流電路130的輸出與第1匹配電路135的輸入之間的變壓器等所構成。
第2高頻電源136的輸出是經由第2匹配電路137來連接至第1匹配電路135與一方的輸出端子132之間。第2匹配電路137是由設在第2高頻電源136的輸出與第1匹配電路135的一方的輸出之間的變壓器等所構成，實現使來自第2高頻電源136的輸出重疊於來自第1高頻電源134的輸出之機能。
第1高頻電源134及第2高頻電源136是被連接至控制部300，可根據來自控制部300的控制訊號來開啟．關閉各高頻電源134，136的輸出。藉此，根據來自控制部300的控制訊號，重疊或以時間序列切換施加低的第1頻率f1
的電流及高的第2頻率f2
的電流至感應線圈124，藉此可
獨立加熱基座200的周緣部210及內側部220的其中任一方，或雙方加熱。
例如根據來自控制部300的控制訊號，藉由開啟來自第1高頻電源134的第1頻率f1
的電流輸出，關閉來自第2高頻電源136的第2頻率f2
的電流輸出，在高頻電流電路130的輸出端子132可只輸出第1頻率f1
的高頻電流。相反的，藉由關閉來自第1高頻電源134的第1頻率f1
的電流輸出，開啟來自第2高頻電源136的第2頻率f2
的電流輸出，在高頻電流電路130的輸出端子132可只輸出第2頻率f2
的高頻電流。
因此，例如以時間序列來切換第1頻率f1
(10kHz)的電流及第2頻率f2
(100kHz)的電流，而對感應線圈124施加該等的高頻電流，可實施如圖16所示那樣的電流波形。例如圖16所示的T1
區間的電流波形是根據第1頻率f1
(10kHz)的電流者，圖16的T2
區間的電流波形是根據第2頻率f2
(100kHz)的電流者。此情況是藉由控制第1頻率f1
(10kHz)的電流及第2頻率f2
(100kHz)的電流的各施加時間T1
，T2
，可控制基座200的周緣部210及內側部220的發熱量。
例如在只施加第1頻率f1
(10kHz)的電流的期間(T1
)，如圖17A所示般，周緣部210是在各薄板狀發熱體212中感應電流的產生會被抑制。因此，磁束會透過周緣部210而進入至內側部220。藉此，各薄板狀發熱體212不會發熱，僅厚板狀發熱體222發熱，因此相較於周緣部210，
可更加熱內側部220。
另外，在圖17A是以能夠容易了解的方式，以影線來表示周緣部210及內側部220的其中發熱方或發熱量大者(在以下所示的圖17B，圖19A，圖19B也同樣)。
相對的，在僅施加第2頻率f2
(100kHz)的電流的期間(T2
)，如圖17B所示般，周緣部210是在各薄板狀發熱體212中產生感應電流而阻礙磁束的透過。因此，即使磁束進入各薄板狀發熱體212也無法到達內側部220。厚板狀發熱體222不會發熱，僅各薄板狀發熱體212發熱，因此相較於內側部220，可更加熱周緣部210。
並且，根據來自控制部300的控制訊號，開啟來自第1高頻電源134之第1頻率f1
的電流輸出及來自第2高頻電源136之第2頻率f2
的電流輸出的雙方，藉此在高頻電流電路130的輸出端子132可輸出第2高頻f2
的電流會被重疊於第1頻率f1
的電流的高頻電流，例如圖18所示那樣的電流波形。此情況是藉由控制各頻率的高頻電流的比率，可控制周緣部210及內側部220的發熱量。
此情況，越增大相對於高的第2頻率f2
的電流低的第1頻率f1
的電流，越可抑制在周緣部210的各薄板狀發熱體212所產生的感應電流。因此，如圖19A所示，磁束容易透過各薄板狀發熱體212來到達至厚板狀發熱體222，所以可更加熱比周緣部210更內側部220。
相對的，越縮小相對於高的第2頻率f2
的電流低的第1頻率f1
的電流，越會擴大在周緣部210的各薄板狀發熱
體212所產生的感應電流。因此，如圖19B所示，磁束難通過各薄板狀發熱體212，難到達至厚板狀發熱體222，所以可更加熱比內側部220更靠近周緣部210。
並且，若將相對於高的第2頻率f2
的電流低的第1頻率f1
的電流保持於一定，增大高的頻率f2
及低的頻率f1
雙方的電流，則可保持基座200全體的發熱量的平衡，因此可一邊將基座200的溫度分布保持於一定，一邊提高基座200全體的溫度。
另外，高頻電流電路130並非限於圖15所示的構成。例如重疊2個頻率的高頻電流而施加時，亦可串聯第1高頻電源134及第2高頻電源136來構成，且以時間序列來交替施加2個頻率的高頻電流時，亦可形成可切換第1高頻電源134及第2高頻電源136的構成。
如此，若根據高頻電流電路130，則藉由重疊或以時間序列來切換施加低的第1頻率f1
的電流及高的第2頻率f2
的電流至感應線圈124，可控制基座200的周緣部210的發熱量與內側部220的發熱量的比率。若根據此，則可獨立加熱周緣部210及內側部220的其中任一方，或雙方加熱。
藉此，可控制基座200的面內溫度分布，因此被載置於基座200的晶圓W的面內溫度分布也可確實地控制。特別是像本實施形態的熱處理裝置100那樣，以比基座200的溫度還要格外低的溫度來控制反應管104的側壁(處理室102的側壁)時，由於基座200的周緣部210的熱量
容易散發，因此不加熱反應管104全體，一邊對其周緣部210集中地填補熱量，一邊可更加熱至內側部220的點其效果極大。
另外，本實施形態的磁場形成部是舉如圖4所示般以在U字狀(或字狀)的磁心122的中間部129捲繞感應線圈124的電磁石120所構成的情況為例，但並非限於此。亦可例如圖20所示般以在U字狀(或字狀)的磁心122的各磁極127，128捲繞感應線圈124的電磁石121所構成。藉由圖20所示的電磁石121也可形成與圖4所示的電磁石120同樣的水平的水平磁場。
以上，一邊參照附圖，一邊說明有關本發明的較佳實施形態，但當然本發明並非限於該例。只要是該當業者，便可在申請專利範圍所記載的範疇內想到各種的變更例或修正例，當然該等亦屬於本發明的技術範圍。
本發明是可適用於對基板例如半導體晶圓或玻璃基板等實施預定的熱處理之熱處理裝置。
100‧‧‧熱處理裝置
102‧‧‧處理室
104‧‧‧反應管
105‧‧‧介電質窗
106‧‧‧集合管
110‧‧‧石英承載盤(晶圓承載盤)
114‧‧‧蓋體
116‧‧‧隔熱體
118‧‧‧承載盤升降機
120，121‧‧‧電磁石
122‧‧‧磁心
124‧‧‧感應線圈
127，128‧‧‧磁極
127A，128A‧‧‧磁極面
129‧‧‧中間部
130‧‧‧高頻電流電路
132‧‧‧輸出端子
134‧‧‧第1高頻電源
135‧‧‧第1匹配電路
136‧‧‧第2高頻電源
137‧‧‧第2匹配電路
140a，140b‧‧‧氣體供給管
142a，142b‧‧‧流量調整部
150‧‧‧排氣管
151‧‧‧壓力感測器
152‧‧‧壓力調整部
154‧‧‧真空泵
200‧‧‧基座
210‧‧‧周緣部
212‧‧‧薄板狀發熱體
220‧‧‧內側部
222‧‧‧厚板狀發熱體
230‧‧‧隔熱材
300‧‧‧控制部
310‧‧‧CPU
320‧‧‧記憶體
330‧‧‧顯示部
340‧‧‧輸出入部
350‧‧‧通訊部
360‧‧‧各種控制器
370‧‧‧記憶部
372‧‧‧處方資料
W‧‧‧晶圓
C‧‧‧感應線圈
圖1是表示本發明的實施形態的熱處理裝置的概略構成的剖面圖。
圖2是表示圖1所示的熱處理裝置的外觀構成的概略立體圖。
圖3是表示圖1所示的控制部的構成例的方塊圖。
圖4是取出設有圖2所示的電磁石的部分而擴大的一部分剖面立體圖。
圖5A是概念性地表示在導電性基座時磁束不透過的情況的作用說明圖。
圖5B概念性地表示在高電阻材料的基座時磁束透過的情況的作用說明圖。
圖6A是表示厚板狀發熱體的構成圖。
圖6B是觀念性地表示在水平磁場中配置圖6A所示的厚板狀發熱體時誘發的感應電流的作用說明圖。
圖7是表示在水平磁場中配置板狀發熱體時改變頻率時的磁束的侵入的變化的模擬的實驗結果。
圖8A是表示層疊薄板狀發熱體的構成圖。
圖8B是觀念性地表示在低的頻率的水平磁場中配置圖8A所示的薄板狀發熱體時磁束透過的情況的作用說明圖。
圖8C是觀念性地表示在高的頻率的水平磁場中配置圖8A所示的薄板狀發熱體時誘發的感應電流的作用說明圖。
圖9A是表示組合厚板狀發熱體及薄板狀發熱體的構成圖。
圖9B是觀念性地表示在低的頻率的水平磁場中配置圖9A所示的構成時在磁束透過下，內側部被加熱的情況的作用說明圖。
圖9C是觀念性地表示在高的頻率的水平磁場中配置圖9A所示的構成時在磁束的透過被阻礙下，周緣部被加熱的情況的作用說明圖。
圖10是表示本實施形態的基座的具體的構成例的外觀立體圖。
圖11是由上方來看圖10所示的基座的圖。
圖12是在縱方向切斷圖10所示的基座的部分剖面圖。
圖13A是將在厚板狀發熱體產生的感應電流的表皮效應顯示於圖表的圖。
圖13B是將在薄板狀發熱體產生的感應電流的表皮效應顯示於圖表的圖。
圖14是用以說明本實施形態的基座的變形例的部分剖面圖。
圖15是表示本實施形態的高頻電流電路的構成例的方塊圖。
圖16是表示以時間序列來交替切換低的頻率及高的頻率的高頻電流時的電流波形的具體例圖。
圖17A是觀念性地表示使高的頻率的高頻電流施加的期間的作用圖。
圖17B是觀念性地表示使低的頻率的高頻電流施加的期間的作用圖。
圖18是重疊低的頻率與高的頻率的高頻電流時的電流波形的具體例圖。
圖19A是觀念性地表示使低的頻率與高的頻率重疊時的作用圖，縮小低的頻率對高的頻率之高頻電流的比率時。
圖19B是觀念性地表示使低的頻率與高的頻率重疊時的作用圖，增大低的頻率對高的頻率之高頻電流的比率時。
圖20是用以說明本實施形態的磁場形成部的變形例的部分剖面立體圖。
120‧‧‧電磁石
124‧‧‧感應線圈
130‧‧‧高頻電流電路
132‧‧‧輸出端子
200‧‧‧基座
210‧‧‧周緣部
212‧‧‧薄板狀發熱體
220‧‧‧內側部
222‧‧‧厚板狀發熱體
300‧‧‧控制部
Claims (10)
- 一種熱處理裝置，其特徵係具備：處理室，其係對配置於可減壓的處理室內的複數個基板實施熱處理；基座，其係具有載置前述基板的載置面之導電性構件，分成周緣部及被周緣部包圍的內側部，前述內側部係由厚板狀發熱體所構成，前述周緣部係使比內側部更薄的薄板狀發熱體在彼此電性絕緣的狀態下層疊而成；旋轉自如的基座支撐部，其係在與前述基座的載置面垂直的方向取間隔配置複數個，在前述處理室內支撐前述基座；磁場形成部，其係由配置成捲繞感應線圈，磁極面會與前述基座的側面對向的電磁石所構成，在與前述基座的載置面平行的方向形成交流磁場來感應加熱前述基座；高頻電流電路，其係構成可對前述感應線圈施加相異的2個頻率的高頻電流；及控制部，其係藉由控制從前述高頻電流電路施加於前述感應線圈的前述2個頻率的高頻電流來控制在前述各薄板狀發熱體產生的感應電流，而控制至前述內側部之磁束的透過，藉此使前述基座的前述周緣部的發熱量與前述內側部的發熱量的比率變化來進行溫度控制，前述基座的前述周緣部與前述內側部之間係被隔熱。
- 如申請專利範圍第1項之熱處理裝置，其中，前述控制部係重疊或以時間序列來切換從前述高頻電流電路輸 出之低的頻率及高的頻率的高頻電流而進行前述溫度控制。
- 如申請專利範圍第2項之熱處理裝置，其中，構成前述各基座的周緣部的前述薄板狀發熱體的厚度係比由前述低的頻率算出的感應電流的侵入深度還要小，比由前述高的頻率算出的感應電流的侵入深度的2倍還要大。
- 如申請專利範圍第3項之熱處理裝置，其中，構成前述各基座的內側部的前述厚板狀發熱體的厚度係至少比由前述低的頻率算出的感應電流的侵入深度的2倍還要大。
- 如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之熱處理裝置，其中，沿著前述基座及前述基板的配列方向來配列複數段前述磁場形成部。
- 如申請專利範圍第5項之熱處理裝置，其中，前述控制部係獨立控制前述各磁場形成部的交流電源。
- 如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之熱處理裝置，其中，前述基座係以石墨所構成，前述處理室的側壁係以鋁合金所構成。
- 如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之熱處理裝置，其中，具備：氣體供給部，其係對前述處理室內供給處理氣體；及排氣機構，其係將前述處理室內真空排氣，前述處理室係進行對前述基板進行的熱處理或在前述基板上形成薄膜的成膜處理。
- 如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之熱處理裝置，其中，前述基座的前述周緣部與前述內側部之間係以隔熱材所連接。
- 如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之熱處理裝置，其中，前述基座的前述周緣部與前述內側部之間係離開。
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