WO2012132538A1 - 熱処理装置 - Google Patents

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WO2012132538A1
WO2012132538A1 PCT/JP2012/052222 JP2012052222W WO2012132538A1 WO 2012132538 A1 WO2012132538 A1 WO 2012132538A1 JP 2012052222 W JP2012052222 W JP 2012052222W WO 2012132538 A1 WO2012132538 A1 WO 2012132538A1
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susceptor
frequency
heating element
heat
heat treatment
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PCT/JP2012/052222
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富廣 米永
有美子 河野
直喜 内田
一博 尾崎
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東京エレクトロン株式会社
三井造船株式会社
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    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
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    • H01L21/673—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere using specially adapted carriers or holders; Fixing the workpieces on such carriers or holders
    • H01L21/67303—Vertical boat type carrier whereby the substrates are horizontally supported, e.g. comprising rod-shaped elements

Definitions

  • the present invention relates to a heat treatment apparatus for performing a predetermined heat treatment on a substrate such as a semiconductor wafer or a glass substrate.
  • various heat treatments such as various film formation processes such as a silicon film and a silicon oxide film, and an oxidation process are performed on the substrate surface.
  • a so-called batch-type heat treatment apparatus is often used in which a plurality of semiconductor wafers (hereinafter simply referred to as “wafers”) are arranged and heat treatment can be performed at once.
  • an electric furnace method in which a reaction tube containing a large number of wafers is heated in an electric furnace is mainly used.
  • the electric furnace method has a problem in that the heat capacity of the entire furnace is large, so that it takes a lot of time to raise and lower the temperature of the wafer, and the productivity is greatly reduced.
  • This type of heat treatment apparatus generally includes an induction coil wound around the outside of a reaction tube, and a high-frequency current is supplied to the induction coil to inductively heat a conductive susceptor disposed in the reaction tube and place it on the susceptor.
  • the wafer is indirectly heated by heat conduction. According to this, since it is not necessary to heat the reaction tube directly, it is possible to raise and lower the wafer temperature faster than in the electric furnace method by reducing the heat capacity of the susceptor. Further, since the temperature of the reaction tube wall can be controlled independently of the wafer temperature, a so-called cold wall type heat treatment apparatus can be configured.
  • the susceptor surface and each susceptor are caused by a temperature difference between the susceptor and its surroundings (such as the inner wall of the reaction tube).
  • the temperature uniformity between the wafers collapsed, and the essential problem of the cold wall method that not only the uniformity of the temperature between the wafers mounted on each susceptor but also the in-plane temperature uniformity of the wafer became obvious. End up.
  • a plurality of susceptors are arranged in the vertical direction, an alternating magnetic field is generated in a direction parallel to the substrate mounting surface of the susceptor, and this is controlled.
  • the internal temperature can be controlled.
  • two electromagnets are spaced apart so that their pole faces face each other across the periphery of the susceptor, and at the center of the susceptor according to the phase of the alternating current supplied to the induction coil of each electromagnet.
  • an object of the present invention is to generate an alternating magnetic field in a direction parallel to the substrate mounting surface of the susceptor, and only the peripheral portion of the susceptor. Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat treatment apparatus capable of improving the heating efficiency up to the inside and accurately controlling the in-plane temperature of the susceptor.
  • the inner member is divided into a peripheral part and an inner part surrounded by the peripheral part, the inner part is made of a thick plate-like heating element, and the peripheral part is electrically connected to a thin plate-like heating element thinner than the inner part.
  • a susceptor that is laminated in an insulated state, a plurality of the susceptors arranged at intervals in a direction perpendicular to the mounting surface, and a rotatable susceptor support that supports the susceptor in the processing chamber, and an induction coil
  • a magnetic field forming unit that is rotated and includes an electromagnet disposed so that a magnetic pole surface faces the side surface of the susceptor, and forms an alternating magnetic field in a direction parallel to the mounting surface of the susceptor to inductively heat the susceptor;
  • Two different induction coils A high-frequency current circuit configured to be able to apply a high-frequency current of a frequency, and an induction current generated in the thin plate-like heating element by the high-frequency current of the two frequencies applied from the high-frequency current circuit to the induction coil,
  • a control unit that controls the temperature by changing the ratio of the amount of heat generated at the peripheral portion of the susceptor to the amount of heat generated at the inner side by controlling the transmission of magnetic flux to the
  • the thickness of the thin plate-shaped heating element constituting the peripheral portion of the susceptor is smaller than the penetration depth of the induced current calculated from the low frequency, and is 2 of the penetration depth of the induced current calculated from the high frequency. It is preferable to make it larger than double.
  • the thickness of the thick plate-like heating element constituting the inner portion of the susceptor is larger than twice the penetration depth of the induced current calculated from the low frequency.
  • the magnetic field forming unit may be arranged in a plurality of stages along the arrangement direction of the susceptor and the substrate.
  • the control unit may control the AC power supply of each magnetic field forming unit independently.
  • the susceptor is made of, for example, graphite
  • the side wall of the processing chamber is made of, for example, an aluminum alloy.
  • a gas supply unit configured to supply a processing gas into the processing chamber; and an exhaust mechanism configured to evacuate the processing chamber.
  • the processing chamber performs heat treatment on the substrate or forms a thin film on the substrate.
  • a film forming process is performed.
  • the metal film is extremely thin with respect to the thickness of the susceptor. Almost no magnetic flux passes through. For this reason, even when a heat treatment performed on a substrate on which a metal film is formed or a film formation process on which a metal film is formed on a substrate is performed, the metal film is not directly heated.
  • the in-plane temperature of the substrate can be controlled only by heat conduction from the susceptor.
  • the present invention it is possible to control the magnitude of the induced current, which hinders magnetic flux transmission, by controlling the frequency by making the peripheral edge of the susceptor laminated with thin plate-like heating elements thinner than the inner side. According to this, since the transmission of the magnetic flux entering from the peripheral portion of the susceptor can be controlled, the heating efficiency can be increased not only to the peripheral portion of the susceptor but also to the inside thereof. Thereby, even when an alternating magnetic field is generated in a direction parallel to the substrate mounting surface of the susceptor, the in-plane temperature of the susceptor can be accurately controlled.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows schematic structure of the heat processing apparatus concerning embodiment of this invention. It is a perspective view which shows the outline of the external appearance structure of the heat processing apparatus shown in FIG. It is a block diagram which shows the structural example of the control part shown in FIG. It is the partial cross section perspective view which took out and expanded the part in which the electromagnet shown in FIG. 2 was provided. It is an operation explanatory view which shows notionally a mode that magnetic flux does not permeate in the case of a conductive susceptor. It is action explanatory drawing which shows notionally a mode that magnetic flux permeate
  • FIG. 6B is an operation explanatory diagram conceptually showing an induced current induced when the thick plate-like heating element shown in FIG. 6A is arranged in a horizontal magnetic field. It is an experimental result of the simulation which shows the change of the penetration
  • FIG. 8B is an operation explanatory diagram conceptually showing a state where magnetic flux is transmitted when the thin plate-like heating element shown in FIG. 8A is arranged in a low-frequency horizontal magnetic field.
  • FIG. 8B is an operation explanatory diagram conceptually showing a state where magnetic flux is transmitted when the thin plate-like heating element shown in FIG. 8A is arranged in a low-frequency horizontal magnetic field.
  • FIG. 8B is an operation explanatory diagram conceptually showing an induced current induced when the thin plate-like heating element shown in FIG. 8A is arranged in a high-frequency horizontal magnetic field. It is a figure which shows the structure which combined the thick plate-shaped heat generating body and the thin plate-shaped heat generating body.
  • FIG. 9B is an operation explanatory diagram conceptually showing that the inner part is heated by transmitting magnetic flux when the configuration shown in FIG. 9A is arranged in a horizontal magnetic field of low frequency.
  • FIG. 9B is an operation explanatory diagram conceptually showing that the peripheral portion is heated by preventing the transmission of magnetic flux when the configuration shown in FIG. 9A is arranged in a high frequency horizontal magnetic field.
  • FIG. 10 It is an external appearance perspective view which shows the specific structural example of the susceptor in this embodiment. It is the figure which looked at the susceptor shown in FIG. 10 from the upper part. It is the partial cross section which cut
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a heat treatment apparatus
  • FIG. 2 is a perspective view showing an outline of the external configuration of the heat treatment apparatus, in which the ceiling and lower portions of the reaction tube are cut along a horizontal plane.
  • the heat treatment apparatus 100 includes a processing chamber 102 for performing a process on the wafer W as shown in FIG.
  • the processing chamber 102 includes a tubular reaction tube 104 having an open lower end (for example, a rectangular tube shape) and a rectangular tube-shaped manifold 106 connected to the lower end of the reaction tube 104.
  • the reaction tube 104 and the manifold 106 are made of a metal such as an aluminum alloy.
  • the reaction tube 104 is formed in a ceiling, and the lower end is airtightly joined to the upper end of the manifold 106.
  • the opening 114 at the lower end of the manifold 106 is provided with a lid 114 that can be opened and closed.
  • the shape of the processing chamber 102 is not limited to that shown in FIG. 1, and may be a polygonal shape such as a hexagonal shape or a cylindrical shape.
  • a quartz boat (wafer boat) 110 is provided as a susceptor support portion that supports a plurality of susceptors 200 having a wafer W mounting surface.
  • the lid 114 is mounted on a boat elevator 118 for carrying the quartz boat 110 into and out of the reaction tube 104, and the opening of the reaction tube 104 is constituted by the manifold 106 when it is at the upper limit position. This serves to close the lower end opening of the processing chamber 102.
  • a plurality of susceptors 200 are arranged in a shelf shape at a predetermined interval in a direction (in this case, the vertical direction) perpendicular to the mounting surface in a horizontal state.
  • One wafer W is placed on the placement surface (upper surface) of each susceptor 200.
  • the susceptor 200 is composed of a heating element made of a conductive material such as graphite, glassy carbon, or SiC.
  • the susceptor 200 according to the present embodiment is induction-heated by a horizontal alternating magnetic field generated toward the side surface of the peripheral portion, and transmits the magnetic flux of the peripheral portion, that is, the entrance of the magnetic flux from the side surface of the peripheral portion. Is configured to be adjustable. Thereby, it is comprised so that it can carry out induction heating efficiently not only to the peripheral part of the susceptor 200 but to the inner side. Details of such a susceptor 200 will be described later.
  • the quartz boat 110 is held by a lid 114 via a cylindrical heat insulator 116 so as to be rotatable around a vertical axis.
  • a motor (not shown) is connected below the heat insulator 116.
  • the susceptor 200 can be rotated together with the wafer W around the vertical axis by driving the motor to rotate the quartz boat 110.
  • the wafer W accommodated in a cassette container is transferred to such a susceptor 200 by a transfer device (not shown). Then, the quartz boat 110 is carried into the reaction tube 104 by the boat elevator 118 and the wafer W is processed. Thereafter, when the processing of the wafer W is completed, the quartz boat 110 is unloaded from the reaction tube 104 by the boat elevator 118, and the wafer W on the susceptor 200 is returned to the cassette container by the transfer device.
  • a plurality of magnetic field forming units each including an electromagnet 120 that forms a horizontal alternating magnetic field for induction heating each susceptor 200 in the reaction tube 104 are provided outside the side wall of the reaction tube 104.
  • the electromagnet 120 is disposed so that a horizontal alternating magnetic field (hereinafter simply referred to as “horizontal magnetic field”) is formed in a direction parallel to the mounting surface of each susceptor 200 toward the peripheral side surface of each susceptor 200.
  • the electromagnet 120 is arranged in a plurality of stages along the longitudinal direction (vertical direction) of the reaction tube 104. Specifically, the heating region of the reaction tube 104 is divided into a plurality of zones along the longitudinal direction, and one magnetic field forming unit is disposed in each zone.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are specific examples in which three magnetic field forming units are arranged in each zone by dividing into three zones. In one zone, several (for example, 2 to 6) susceptors 200 are arranged, and the electromagnet 120 is arranged so as to face the peripheral side surface thereof.
  • a dielectric window 105 made of, for example, quartz glass or ceramic is provided on the side wall of the reaction tube 104 facing each electromagnet 120.
  • the magnetic flux generated from the electromagnet 120 can pass through the dielectric window 105 and enter the reaction tube 104.
  • the number of stages of the magnetic field forming unit is not limited to that shown in FIGS. 1 and 2, but is determined according to the vertical size of the reaction tube 104 and the number of wafers arranged in the vertical direction.
  • Each of the electromagnets 120 constituting each magnetic field forming unit is configured by winding an induction coil 124 around a U-shaped core 122 having two magnetic poles.
  • Each induction coil 124 is connected to the output terminal 132 of the high-frequency current circuit 130.
  • Each induction coil 124 is supplied with a predetermined alternating current from each high-frequency current circuit 130 separately.
  • the high-frequency current circuit 130 in the present embodiment is configured to be able to superimpose or separately apply high-frequency currents of two types of frequencies (high frequency and low frequency) to the induction coil 124. This is because, as will be described later, the peripheral portion of the susceptor 200 is formed by laminating a thin plate-like heating element in a state of being insulated from each other, so that the ease of entering the magnetic flux from the side surface of the peripheral portion changes according to the frequency. This is intended to adjust the in-plane temperature distribution of the susceptor 200. Details of the configuration example of the high-frequency current circuit 130 and the in-plane temperature distribution control of the susceptor 200 based on the frequency will be described later.
  • Each high-frequency current circuit 130 is connected to the control unit 300.
  • the controller 300 can independently control the alternating current supplied to each induction coil 124 by controlling each high-frequency current circuit 130. Thereby, the magnitude and direction of the horizontal magnetic field generated in the reaction tube 104 can be controlled for each zone.
  • the manifold 106 is provided with a plurality of gas supply pipes 140a and 140b as gas supply parts for supplying, for example, titanium tetrachloride (TiCl 4 ), ammonia (NH 3 ), argon (Ar) gas, etc. into the processing chamber 102. It has been.
  • the gas supply pipes 140a and 140b are provided with flow rate adjusting units 142a and 142b such as a mass flow controller (MFC) for adjusting the gas flow rate.
  • MFC mass flow controller
  • FIG. 1 the case where two types of gas are supplied independently from the gas supply pipes 140a and 140b is taken as an example, but the configuration of the gas supply unit is not limited to that shown in FIG.
  • three or more gas supply pipes may be provided so that three or more kinds of gases can be supplied independently.
  • An exhaust mechanism such as a vacuum pump 154 is connected to the manifold 106 via an exhaust pipe 150 that exhausts the inside of the reaction tube 104.
  • the exhaust pipe 150 is provided with a pressure adjusting unit 152 that adjusts the pressure in the reaction pipe 104.
  • the pressure adjusting unit 152 includes, for example, a combination valve, a butterfly valve, and a valve driving unit.
  • the exhaust pipe 150 is provided with a pressure sensor 151 for detecting the pressure in the processing chamber 102 and performing feedback control of the pressure adjusting unit 152.
  • a pressure sensor 151 it is preferable to use a capacitance type vacuum gauge (capacitance manometer) which is not easily affected by changes in the external air pressure.
  • the control unit 300 controls each unit based on processing recipe data including processing conditions such as a set pressure, a susceptor set temperature, and a gas flow rate according to, for example, the type and thickness of a thin film to be formed.
  • processing recipe data including processing conditions such as a set pressure, a susceptor set temperature, and a gas flow rate according to, for example, the type and thickness of a thin film to be formed.
  • the control unit 300 takes in pressure detection signals from the pressure sensor 151 and controls the pressure adjustment unit 152, the flow rate adjustment units 142a and 142b, and the like based on these detection signals.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the control unit 300.
  • the control unit 300 includes a CPU (central processing unit) 310, a memory 320 used for various processes performed by the CPU 310, a liquid crystal display that displays an operation screen, a selection screen, and the like.
  • the communication part 350 for performing is provided.
  • control unit 300 includes various controllers 360 for controlling each unit of the heat treatment apparatus 100, various programs executed by the CPU 310, and a hard disk (HDD) configured to store data necessary for executing the programs. Etc. The CPU 310 reads out these programs and data from the storage unit 370 as necessary.
  • various controllers 360 for controlling each unit of the heat treatment apparatus 100, various programs executed by the CPU 310, and a hard disk (HDD) configured to store data necessary for executing the programs. Etc. The CPU 310 reads out these programs and data from the storage unit 370 as necessary.
  • HDD hard disk
  • Examples of the various controllers 360 include a temperature controller that controls the temperature of each susceptor 200 by controlling the high-frequency current circuit 130 and the like according to a command from the heat treatment apparatus 100, and a pressure controller that controls the pressure in the reaction tube 104. It is done.
  • processing recipe data including a plurality of processing recipes including processing conditions such as a set pressure, a set temperature of the susceptor 200, and a gas flow rate in accordance with the type and thickness of the thin film to be formed.
  • Condition data 372 and the like are stored.
  • a corresponding processing recipe is read from the processing recipe data 372 in accordance with the type of thin film to be formed, the film thickness, and the like, and the film forming process for the wafer W is executed based on the processing recipe.
  • the wafer W is heated by adjusting the susceptor 200 to a predetermined set temperature.
  • a predetermined alternating current is supplied to the induction coil 124 of the electromagnet 120 so that a horizontal alternating magnetic field is generated in the reaction tube 104 toward the peripheral side surface of each susceptor 200.
  • the susceptor 200 is generated by induction heating.
  • each wafer W can be uniformly heated so that there is no deviation in the circumferential direction within the surface.
  • FIG. 4 is an enlarged perspective view of a portion where an electromagnet constituting one magnetic field forming unit shown in FIG. 2 is provided.
  • the susceptor 200 and the wafer W are omitted.
  • the electromagnet 120 has a core (magnetic core) 122 made of a ferromagnetic material integrally composed of two magnetic poles 127 and 128 and an intermediate portion 129 connecting them, and is guided to the intermediate portion 129.
  • the coil 124 is wound.
  • Each of the cores 122 is formed in a U shape (or a U shape), for example, as shown in FIG.
  • the electromagnet 120 is provided outside the side wall of the reaction tube 104 via the dielectric window 105, and the two magnetic pole faces (end faces of the magnetic poles 127 and 128) 127 ⁇ / b> A and 128 ⁇ / b> A of the electromagnet 120 are opposed to the peripheral portions of the susceptors 200.
  • the two magnetic pole faces end faces of the magnetic poles 127 and 128, 127 ⁇ / b> A and 128 ⁇ / b> A of the electromagnet 120 are opposed to the peripheral portions of the susceptors 200.
  • the electromagnet 120 arranged in this way, when an alternating current is supplied to the induction coil 124 from the high-frequency current circuit 130, for example, as shown in FIG. 4, the magnetic pole surface 128A is directed to the other magnetic pole surface 127A at a certain moment. A magnetic field is generated, and a horizontal magnetic field is formed so as to pass through the dielectric window 105 and enter the peripheral side surface of each susceptor 200.
  • each susceptor 200 can be heated.
  • the susceptor 200 when forming a horizontal magnetic flux toward the peripheral side surface of the susceptor 200 as in this embodiment, depending on the shape (particularly the thickness) of the susceptor 200, only the vicinity of the peripheral side surface is partially heated. There is a risk that the inside will not be heated.
  • the susceptor 200 is formed of a thick plate-like heating element, as shown in FIG. 5A, the susceptor 200 is partially heated only in the vicinity of the peripheral side surface of the susceptor 200 facing the magnetic pole surfaces 127A and 128A of the electromagnet 120. The phenomenon of not being heated occurs.
  • the magnetic flux generated between the magnetic pole surfaces 127A and 128A of the electromagnet 120 enters from the peripheral side surface of the susceptor 200 to the inside thereof.
  • the magnitude of the induced current excited in the peripheral portion of the susceptor 200 changes depending on the material of the susceptor 200, so that the magnetic flux entering the susceptor 200 also changes.
  • the magnetic flux entering the susceptor 200 may change depending on the frequency of the horizontal magnetic field formed at the peripheral edge of the susceptor 200.
  • FIG. 7 is a diagram showing the experimental results.
  • three disc-shaped heating elements are arranged in the vertical direction (perpendicular to the paper surface) with a gap of 10 mm, and the side surfaces of these heating elements are the magnetic pole surfaces 127A and 128A of the electromagnet 120. Assuming the case of facing.
  • the state of the magnetic flux entering the inside of the heating element is visualized when a high frequency (40 kHz) high frequency current is supplied to the induction coil 124 of the electromagnet 120 and when a low frequency (10 kHz) high frequency current is supplied.
  • a high frequency (40 kHz) high frequency current is supplied to the induction coil 124 of the electromagnet 120 and when a low frequency (10 kHz) high frequency current is supplied.
  • the direction of the magnetic flux at the grid-like observation point is indicated by an arrow, and the length of the arrow indicates the magnitude of the magnetic flux density.
  • the magnetic flux entering the inside of the plate-shaped heating element can be changed by the frequency of the high-frequency current supplied to the induction coil.
  • the skin effect of the induced current is that the induced current induced in the susceptor 200 by the horizontal magnetic field is the largest near the surface (here, the upper surface and the lower surface of the susceptor 200), and decreases rapidly toward the center of the thickness. Is.
  • the degree of reduction varies depending on the frequency of the horizontal magnetic field. It is known that the penetration depth of the induced current becomes shallower as the frequency becomes higher, and the penetration depth of the induced current becomes deeper as the frequency becomes lower.
  • an induced current is generated only on the upper surface side and the lower surface side of the susceptor 200 as the frequency is higher, and an induced current is generated from the upper surface side and the lower surface side of the susceptor 200 toward the center of the thickness as the frequency is lower.
  • the penetration depth of the induced current generated near the upper surface and the induced current generated near the lower surface are lowered as the horizontal magnetic field frequency is lower.
  • the penetration depth of becomes deeper toward the center of the thickness.
  • these induced currents are in opposite directions, they tend to cancel each other.
  • FIG. 8B it is possible to hardly generate the induced current by lowering the frequency, so that the magnetic flux can be easily transmitted to the inside. In this case, the thin plate heating element does not generate heat due to the induced current.
  • the horizontal magnetic field frequency can be lowered to suppress the generation of the induced current and the magnetic flux can be easily transmitted, and the horizontal magnetic field frequency is increased to reduce the induced current.
  • the magnetic flux can be made difficult to pass through.
  • the inside of the susceptor 200 cannot be heated by itself.
  • the thick plate-like heating element alone cannot easily transmit the magnetic flux even if the frequency is changed.
  • the thin plate heating element generates heat at a high frequency and the thick plate heating element generates heat at a low frequency.
  • a thin plate-like heating element is laminated on the outer side, and a thick plate-like heating element is disposed inside the thin plate-like heating element while being insulated from the thin plate-like heating element. According to this, the ratio between the amount of heat generated at the peripheral portion and the amount of heat generated at the inner portion thereof can be changed according to the frequency of the high-frequency current supplied to the induction coil 124, and the heat generation distribution of the susceptor 200 can be controlled. .
  • the in-plane temperature distribution can be accurately controlled by devising the shape of the susceptor 200 by utilizing such a property.
  • the susceptor 200 is divided into a peripheral part and an inner part surrounded by the peripheral part, the inner part is formed of a thick plate-like heating element, and the peripheral part electrically insulates a thin plate-like heating element thinner than the inner part. It is configured by stacking in a state.
  • the high frequency current of two different frequencies is superimposed on the induction coil 124 or applied by switching in time series.
  • the ease of entering the magnetic flux into the interior is adjusted more than that, and the calorific value at the peripheral portion and the calorific value at the inner portion are adjusted.
  • FIG. 10 is an external perspective view showing the configuration of the susceptor 200
  • FIG. 11 is a view of the susceptor 200 as viewed from above.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a part of the susceptor 200 cut in the vertical direction.
  • the susceptor 200 in this embodiment is divided into a peripheral edge portion 210 and an inner portion 220 surrounded by the peripheral edge portion 210.
  • the inner part 220 is constituted by a thick plate-like heating element 222
  • the peripheral part 210 is constituted by laminating a thin plate-like heating element 212 thinner than the inner part 220.
  • 10 and 11 exemplify the case where three thin plate-like heating elements 212 are laminated, the number of thin plate-like heating elements 212 is not limited to this, and two sheets are formed depending on the thickness thereof. However, it may be four or more.
  • the thin plate heating elements 212 are electrically insulated from each other. This is to prevent an induced current from flowing between the thin plate heating elements 212.
  • FIG. 10 shows a specific example in which the thin plate-like heating elements 212 are insulated by being provided apart from each other.
  • the present invention is not limited to this, and an insulating member may be inserted between the thin plate-like heating elements 212.
  • an insulating process may be applied to the surface of each thin plate-like heating element 212. According to this, each thin plate-shaped heating element 212 can be contacted and laminated without leaving a gap.
  • the periphery 210 and the inner part 220 are thermally insulated. This is to prevent heat conduction between the peripheral portion 210 and the inner portion 220. Thereby, the peripheral part 210 and the inner part 220 can be heated separately.
  • FIG. 11 and FIG. 12 show a specific example in which each thin plate-like heating element 212 and the inner side portion 220 of the peripheral edge portion 210 are thermally insulated by connecting with a heat insulating material 230.
  • You may heat-insulate by separating between each thin plate-shaped heat generating body 212 and the inner part 220.
  • the thickness t1 of each of the thin plate-like heating elements 212 and the thickness t2 of the thick plate-like heating elements 222 described above are determined based on the frequencies (low frequency and high frequency) used as the high-frequency current supplied to the induction coil 124. According to the skin effect of the induced current, the penetration depth of the induced current is determined by the frequency. Therefore, the optimum heating control can be performed by adjusting the thicknesses t1 and t2 of the heating elements 212 and 222 according to the frequency. Will be able to.
  • the optimum thicknesses t1 and t2 of the respective heating elements when the low frequency is f1 (for example, 10 kHz) and the high frequency is f2 (for example, 100 kHz) as the frequency used as the high-frequency current supplied to the induction coil 124 will be described.
  • the thickness t1, t2 of each heating element and the skin effect of the induced current will be described with reference to the drawings.
  • FIGS. 13A and 13B are graphs showing the skin effect of the induced current.
  • FIG. 13A shows a case of a thick plate-like heat generating body
  • FIG. 13B shows a case of a thin plate-like heating element.
  • the thick line graph is for the low frequency f1
  • the thin line graph is for the high frequency f2.
  • an induced current is generated on the vertical surface of the magnetic flux (for example, the upper surface, the lower surface, and the left and right side surfaces in the above-described thick plate heating element shown in FIG. 6B).
  • the induced current is larger as it is closer to each surface, and exponentially decreases toward the inside (here, the thickness direction), which is the skin effect of the induced current.
  • the induced current generated near the upper surface and the lower surface is dominant, and the induced current near the left and right side surfaces can be almost ignored.
  • the penetration depth P is determined by the frequencies f1 and f2.
  • the induced current density that attenuates from the surface (upper surface or lower surface) of the heating element to the depth direction (center direction of thickness) is the surface of the heating element (upper surface).
  • it is defined as the distance to a point reduced to 1 / e ( ⁇ 0.368) times the induced current density on the lower surface) and is expressed by the following equation (1).
  • ⁇ is the resistivity ( ⁇ cm) of the heating element
  • ⁇ is the relative permeability of the heating element
  • f is the frequency (Hz).
  • ⁇ 1 for carbon-based materials.
  • Carbon-based materials include graphite and glassy carbon.
  • the penetration depth P decreases as the frequency f increases and increases as the frequency f decreases.
  • the current density I x at the distance x from the outer peripheral surface to the inside of the heating element using this penetration depth P can be expressed by the following formula (2), where I 0 is the current density of the upper surface and the lower surface of the heating element. It is represented by
  • f1 for example, 10 kHz
  • f2 for example, 100 kHz
  • the horizontal axis represents the distance x from the upper surface to the lower surface to the center of the thickness.
  • the penetration depth P f1 increases as the frequency f1 decreases
  • the penetration depth P f2 decreases as the frequency f2 increases.
  • the penetration depths P f1 and P f2 are uniformly determined according to the frequency according to the equation (1).
  • the sheet-like heating element as shown in FIG. 13B smaller thickness t2, that is, an example in which twice the penetration depth P f2 when the higher frequency f2 will be described.
  • the induced current generated at the site of distance x from the upper surface of the heating element and the induced current generated at the site of distance x from the lower surface of the heating element have the same magnitude and opposite directions. Therefore, the induced current is canceled if there is a portion graphs of these current density ratio I r overlap.
  • the induced current is not canceled at a high frequency f2 in the case of the thin plate-shaped heating element as described above. It is difficult for the magnetic flux to enter, and at a low frequency f1, the induced current is canceled and the magnetic flux can easily enter.
  • the thickness t2 of at least sheet-like heating element is higher 2 times thicker than the penetration depth P f2 frequency f2, be thinner than the penetration depth P f1 lower frequency f1 Is preferred.
  • the thin plate-like heating element it is possible to enlarge the canceling region of the induced current due to the low frequency f1.
  • the thick plate-like heating element is preferably made thicker than twice the penetration depth P f1 of at least a low frequency f1.
  • the thick plate-like heating element can be free of the induction current canceling region at any frequency.
  • the conditions of the thicknesses t1 and t2 of the heating elements 222 and 212 of the susceptor 200 shown in FIG. 12 are obtained as follows.
  • the resistivity ⁇ is approximately 1000 ⁇ cm and the transmittance ⁇ is 1.
  • the penetration depths P f1 and P f2 are approximately 1.6 cm and approximately 0.5 cm, respectively.
  • the ease of entering the magnetic flux from the side surface of the peripheral portion 210 of the susceptor 200 can be controlled by the frequency.
  • the ratio between the amount of heat generated and the amount of heat generated by the inner portion 220 can be changed. Thereby, the in-plane temperature of the susceptor 200 can be controlled.
  • the width in the radial direction of the thin plate-like heating element 212 is preferably sized so that most of the magnetic flux passes through the peripheral portion 210 when the frequency of the horizontal magnetic field is increased.
  • the present invention is not limited to this, and the radial width of the thin plate-shaped heating element 212 may be determined based on a reference ratio between the heat generation amount of the peripheral portion 210 and the heat generation amount of the inner portion 220.
  • the magnetic flux enters the inner part 220 when the horizontal magnetic field frequency is lowered, and the heating efficiency of the inner part 220 decreases. On the contrary, if this width is reduced, a part of the magnetic flux enters the inner portion 220 when the frequency of the horizontal magnetic field is increased, so that the heating efficiency of the peripheral portion 210 is lowered.
  • the radial width of the thin plate-like heating element 212 can be determined depending on whether the heating of the peripheral portion 210 of the susceptor 200 is increased or the heating of the inner portion 220 is increased. For example, in order to increase the heating of the peripheral portion 210 with respect to the inner portion 220 of the susceptor 200, the radial width of the thin plate-shaped heating element 212 is increased, and the inner portion 220 of the susceptor 200 has a larger radial width. When heating is strengthened, the radial width of the thin plate-like heating element 212 may be reduced.
  • the radial width of the thin plate-like heating element 212 corresponds to the high frequency f2. It is preferable to set the penetration depth Pf2 to be twice or more.
  • the shape of the susceptor 200 is not limited to that shown in FIG.
  • the thick plate heating element 222 of the inner portion 220 may have a central portion thinner than the outer peripheral portion.
  • FIG. 1 when a plurality of susceptors 200 are arranged in the vertical direction, the amount of heat radiated in the vertical direction from each susceptor is reduced, and heat tends to be accumulated in the central portion, so that the central portion of each susceptor 200 is not heated. But the temperature hardly changes. For this reason, even if it is made thin as shown in FIG. 14, the thick plate heating element 222 can be sufficiently heated by heat conduction from the heated outer peripheral portion even if its central portion is made thinner than the outer peripheral portion. According to this, the heat capacity of the entire susceptor 200 can be reduced, and the heating rate can be increased.
  • FIG. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of the high-frequency current circuit 130 according to the present embodiment.
  • a high-frequency current circuit 130 shown in FIG. 15 includes a first high-frequency power source 134 that outputs a high-frequency current (for example, 10 kHz) having a first frequency f 1 that is a low frequency, and a high-frequency current (for example, a second frequency f 2 that is a high frequency). 100 kHz) is provided.
  • the output of the first high frequency power supply 134 is connected to the output terminal 132 of the high frequency current circuit 130 via the first matching circuit 135.
  • the first matching circuit 135 is composed of, for example, a transformer provided between the output of the high-frequency current circuit 130 and the input of the first matching circuit 135.
  • the output of the second high-frequency power source 136 is connected between the first matching circuit 135 and one output terminal 132 via the second matching circuit 137.
  • the second matching circuit 137 includes a transformer or the like provided between the output of the second high-frequency power source 136 and one output of the first matching circuit 135, and the second high-frequency power source is connected to the output from the first high-frequency power source 134. The function of superimposing the output from 136 is fulfilled.
  • the first high-frequency power source 134 and the second high-frequency power source 136 are connected to the control unit 300, and the outputs of the high-frequency power sources 134 and 136 can be turned on / off by a control signal from the control unit 300.
  • a control signal from the control unit 300 such that the current of the low first frequency f 1 and the current of the high second frequency f 2 are superimposed on the induction coil 124 or switched in time series, the susceptor 200 is applied. Only one of the peripheral portion 210 and the inner portion 220 can be heated independently, or both can be heated.
  • FIG. 16 For this reason, for example, by switching the current of the first frequency f 1 (10 kHz) and the current of the second frequency f 2 (100 kHz) in time series and applying these high-frequency currents to the induction coil 124, it is shown in FIG.
  • a current waveform can be applied.
  • the current waveform in the T 1 section shown in FIG. 16 is due to the current at the first frequency f 1 (10 kHz)
  • the current waveform in the T 2 section in FIG. 16 is due to the current at the second frequency f 2 (100 kHz). is there.
  • the peripheral portion 210 and the inner portion of the susceptor 200 are controlled by controlling the application times T 1 and T 2 of the current of the first frequency f 1 (10 kHz) and the current of the second frequency f 2 (100 kHz).
  • the amount of heat generated at 220 can be controlled.
  • each thin plate-like heating element 212 does not generate heat and only the thick plate-like heating element 222 generates heat, so that the inner portion 220 can be heated more than the peripheral portion 210.
  • FIG. 17A for easy understanding, the one of the peripheral portion 210 and the inner portion 220 that generates heat or the one that generates a larger amount of heat is indicated by hatching (the same applies to FIGS. 17B, 19A, and 19B described below). ).
  • a high frequency current obtained by superimposing a current of the second high frequency f 2 on the current of the first frequency f 1 , for example, a current waveform as shown in FIG. 18, can be output to the output terminal 132 of the high frequency current circuit 130.
  • the amount of heat generated by the peripheral portion 210 and the inner portion 220 can be controlled by controlling the ratio of the high-frequency current of each frequency.
  • the induced current generated in each thin plate-like heating element 212 of the peripheral portion 210 can be suppressed as the current of the low first frequency f 1 is increased with respect to the current of the high second frequency f 2 .
  • the magnetic flux easily passes through each thin plate-like heating element 212 and reaches the thick plate-like heating element 222, so that the inner portion 220 can be heated more than the peripheral portion 210. .
  • the induced current generated in each thin plate-like heating element 212 at the peripheral portion 210 can be increased. .
  • the magnetic flux does not easily pass through the thin plate-like heating elements 212 and does not reach the thick plate-like heating elements 222. Therefore, the peripheral portion 210 is heated more than the inner portion 220. Can do.
  • the amount of heat generated by the entire susceptor 200 can be reduced. Since the balance can be maintained, the temperature of the susceptor 200 as a whole can be raised while keeping the temperature distribution of the susceptor 200 constant.
  • the high-frequency current circuit 130 is not limited to the configuration shown in FIG.
  • the first high frequency power supply 134 and the second high frequency power supply 136 may be connected in series, and the high frequency current of the two frequencies may sometimes be applied.
  • the first high frequency power source 134 and the second high frequency power source 136 may be switched.
  • the high-frequency current circuit 130 by applying a low first frequency f 1 of the current and the high second frequency f 2 of the current to the induction coil 124 is switched by superimposing with or chronological, susceptor 200
  • the ratio of the amount of heat generated at the peripheral edge 210 to the amount of heat generated at the inner side 220 can be controlled. According to this, only one of the peripheral part 210 and the inner part 220 can be heated independently, or both can be heated.
  • the in-plane temperature distribution of the susceptor 200 can be controlled, the in-plane temperature distribution of the wafer W placed on the susceptor 200 can also be accurately controlled.
  • the side wall of the reaction tube 104 side wall of the processing chamber 102
  • the amount of heat of the peripheral portion 210 of the susceptor 200 is reduced. Since it is easily deprived, the effect is extremely great in that the inner portion 220 can be further heated while intensively supplementing the peripheral portion 210 without heating the entire reaction tube 104.
  • the magnetic field forming unit in the present embodiment is an example in which the magnetic field forming unit is configured by an electromagnet 120 in which an induction coil 124 is wound around an intermediate portion 129 of a U-shaped (or U-shaped) core 122 as shown in FIG.
  • an electromagnet 121 in which an induction coil 124 is wound around magnetic poles 127 and 128 of a U-shaped (or U-shaped) core 122 may be used.
  • a horizontal horizontal magnetic field similar to that of the electromagnet 120 shown in FIG. 4 can be formed by the electromagnet 121 shown in FIG.
  • the present invention can be applied to a heat treatment apparatus that performs a predetermined heat treatment on a substrate such as a semiconductor wafer or a glass substrate.

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Abstract

　サセプタの周縁部から入り込む磁束の透過を制御することによって，サセプタの面内温度を的確に制御する。　基板を載置する載置面を有する導電性部材であって，周縁部（２１０）とこれに囲まれる内側部（２２０）とに分けられ，内側部は厚板状発熱体からなり，周縁部は内側部よりも薄い薄板状発熱体を互いに電気的に絶縁した状態で積層してなるサセプタ（２００）と，サセプタの側面からその載置面に平行な方向に交流磁場を形成する電磁石（１２０）とを備え，この電磁石に巻回された誘導コイル（１２４）に印加する２つの周波数の高周波電流により各薄板状発熱体に発生する誘導電流を制御して内側部までの磁束の透過を制御することによって，各サセプタの周縁部の発熱量と内側部の発熱量との比率を変化させて温度制御を行う。

Description

熱処理装置
　本発明は，基板例えば半導体ウエハやガラス基板などに所定の熱処理を施す熱処理装置に関する。
　半導体集積回路を製造する場合には，基板表面にシリコン膜やシリコン酸化膜等の各種の成膜処理，酸化処理など各種の熱処理が施される。これらの熱処理を行う場合，複数枚の半導体ウエハ（以下，単に「ウエハ」とも称する）を配置して一度に熱処理できる所謂バッチ式の熱処理装置が用いられることが多い。
　バッチ式の熱処理装置としては，多数のウエハを収納した反応管を電気炉で加熱する電気炉方式（ホットウォール方式）が主に用いられている。ところが，電気炉方式では，炉全体の熱容量が大きいためウエハの温度を昇降温するのに多くの時間を必要とし，生産性が大きく低下する問題があった。
　その他，高周波誘導加熱方式を利用してウエハを加熱するタイプのものもある（例えば特許文献１，２参照）。このタイプの熱処理装置は一般に，反応管の外側に巻回した誘導コイルを備え，この誘導コイルに高周波電流を供給して，反応管内に配置した導電性のサセプタを誘導加熱し，サセプタに載せたウエハを熱伝導により間接的に加熱する。これによれば反応管を直接加熱する必要がないため，サセプタの熱容量を小さくすることで電気炉方式と比べてウエハ温度の高速な昇降温が可能になる。また，ウエハ温度とは独立して反応管の壁の温度を制御することができるので，いわゆるコールドウォール方式の熱処理装置を構成することも可能になる。
　しかしながら，上述したコールドウォール方式による熱処理装置などで熱容量が小さいサセプタを複数配置して高周波誘導加熱を行うと，サセプタとその周囲（反応管の内壁など）との温度差によりサセプタ面内や各サセプタ間の温度均一性が崩れ，各サセプタに載置されたウエハ間の温度の均一性のみならず，ウエハの面内温度の均一性も悪化するというコールドウォール方式の本質的な問題が顕在化してしまう。
　この点，特許文献３に示す技術によれば，複数のサセプタを縦方向に配置し,サセプタの基板載置面に平行な方向に交流磁場を発生させてこれを制御することで，サセプタの面内温度を制御することができる。具体的には，２つの電磁石をその磁極面がサセプタの周縁部を挟んで対向するように離間して配置し，各電磁石の誘導コイルに供給する交流電流の位相に応じてサセプタの中心部で磁束を弱め合ったり，強め合ったりするように磁束の方向を変えることで，サセプタの中心部に対する周縁部の発熱量の大きさを制御でき，サセプタに載置されたウエハの面内温度の均一性を改善させることができる。
特開昭５６－６４２８号公報 特開昭６１－９１９２０号公報 特開２０１０－５９４９０号公報
　しかしながら，サセプタの基板載置面に平行な方向に交流磁場を発生させる場合，サセプタの周縁部側面から磁束が入り込むので，サセプタの形状や材質によってはその側面付近に発生する誘導電流によって磁束の透過が妨げられ，内部の加熱効率が低下する虞がある。ところが，この場合，磁束が透過するように単に周縁部の誘導電流の発生を妨げるようにするだけでは，今度はその周縁部の加熱効率が低下してしまう。
　そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，サセプタの基板載置面に平行な方向に交流磁場を発生させる場合に，サセプタの周縁部のみならずその内部まで加熱効率を高めることができ，サセプタの面内温度を的確に制御できる熱処理装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，減圧可能な処理室内に配置した複数の基板に対して熱処理を施す処理室と，前記基板を載置する載置面を有する導電性部材であって，周縁部とこれに囲まれる内側部とに分けられ，前記内側部は厚板状発熱体からなり，前記周縁部は内側部よりも薄い薄板状発熱体を互いに電気的に絶縁した状態で積層してなるサセプタと，前記サセプタを，その載置面に垂直な方向に間隔を空けて複数配列して前記処理室内で支持する回転自在なサセプタ支持部と，誘導コイルが巻回され，前記サセプタの側面に磁極面が対向するように配置された電磁石からなり，前記サセプタの載置面に平行な方向に交流磁場を形成して前記サセプタを誘導加熱する磁場形成部と，前記誘導コイルに異なる２つの周波数の高周波電流を印加可能に構成された高周波電流回路と，前記高周波電流回路から前記誘導コイルに印加する前記２つの周波数の高周波電流により前記薄板状発熱体に発生する誘導電流を制御して前記内側部までの磁束の透過を制御することによって，前記サセプタの前記周縁部の発熱量と前記内側部の発熱量との比率を変化させて温度制御を行う制御部と，を備えることを特徴とする熱処理装置が提供される。この場合，上記制御部は，前記高周波電流回路から出力される低い周波数と高い周波数の高周波電流を重畳して又は時系列で切り換えて前記温度制御を行うようにしてもよい。
　また，上記サセプタの周縁部を構成する前記薄板状発熱体の厚みは，前記低い周波数から算出される誘導電流の侵入深さよりも小さく，前記高い周波数から算出される誘導電流の侵入深さの２倍よりも大きくすることが好ましい。
　また，上記サセプタの内側部を構成する前記厚板状発熱体の厚みは，前記低い周波数から算出される誘導電流の侵入深さの２倍よりも大きくすることが好ましい。
　また，上記磁場形成部を，前記サセプタ及び前記基板の配列方向に沿って複数段配列するようにしてもよい。この場合，上記制御部は，前記各磁場形成部の交流電源を独立して制御するようにしてもよい。なお，上記サセプタは例えばグラファイトで構成され，前記処理室の側壁は例えばアルミニウム合金で構成される。
　また，処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と，前記処理室内を真空排気する排気機構と，を備え，前記処理室は，前記基板に対して行う熱処理又は前記基板上に薄膜を成膜する成膜処理を行う。このような本発明によれば，磁場形成部によってサセプタの載置面に平行な方向に，すなわち基板表面に対して平行な方向に磁場を発生させるので，サセプタの厚みに対して極めて薄い金属膜にはほとんど磁束が透過しない。このため，例え金属膜が成膜された基板に対して行う熱処理又は基板上に金属膜を成膜する成膜処理を行う場合であっても，その金属膜が直接加熱されることがないのでサセプタからの熱伝導のみによって基板の面内温度を制御できる。
　本発明によれば，サセプタの周縁部を内側部よりも薄い薄板状発熱体を積層した構成にすることで，磁束透過の妨げとなる誘導電流の大きさを周波数によって制御することができる。これによれば，サセプタの周縁部から入り込む磁束の透過を制御可能となるので，サセプタの周縁部のみならずその内部まで加熱効率を高めることができる。これにより，サセプタの基板載置面に平行な方向に交流磁場を発生させる場合でも，サセプタの面内温度を的確に制御できる。
本発明の実施形態にかかる熱処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１に示す熱処理装置の外観構成の概略を示す斜視図である。 図１に示す制御部の構成例を示すブロック図である。 図２に示す電磁石が設けられた部分を取り出して拡大した一部断面斜視図である。 導電性サセプタの場合に磁束が透過しない様子を観念的に示す作用説明図である。 高抵抗材料のサセプタの場合に磁束が透過する様子を観念的に示す作用説明図である。 厚板状発熱体の構成を示す図である。 水平磁界中に図６Ａに示す厚板状発熱体を配置した場合に誘起する誘導電流を観念的に示す作用説明図である。 水平磁界中に板状発熱体を配置した場合に周波数を変えたときの磁束の侵入の変化を示すシミュレーションの実験結果である。 薄板状発熱体を積層した構成を示す図である。 低い周波数の水平磁界中に図８Ａに示す薄板状発熱体を配置した場合に磁束が透過する様子を観念的に示す作用説明図である。 高い周波数の水平磁界中に図８Ａに示す薄板状発熱体を配置した場合に誘起する誘導電流を観念的に示す作用説明図である。 厚板状発熱体と薄板状発熱体を組み合わせた構成を示す図である。 低い周波数の水平磁界中に図９Ａに示す構成を配置した場合に磁束が透過することで，内側部が加熱される様子を観念的に示す作用説明図である。 高い周波数の水平磁界中に図９Ａに示す構成を配置した場合に磁束の透過が妨げられることで，周縁部が加熱される様子を観念的に示す作用説明図である。 本実施形態におけるサセプタの具体的構成例を示す外観斜視図である。 図１０に示すサセプタを上方から見た図である。 図１０に示すサセプタを縦方向に切断した一部断面図である。 厚板状発熱体に発生する誘導電流の表皮効果をグラフに示した図である。 薄板状発熱体に発生する誘導電流の表皮効果をグラフに示した図である。 本実施形態におけるサセプタの変形例を説明するための一部断面図である。 本実施形態における高周波電流回路の構成例を示すブロック図である。 低い周波数と高い周波数の高周波電流を時系列で交互に切り換えた場合の電流波形の具体例を示す図である。 高い周波数の高周波電流を印加させている間の作用を観念的に示す図である。 低い周波数の高周波電流を印加させている間の作用を観念的に示す図である。 低い周波数と高い周波数の高周波電流を重畳した場合の電流波形の具体例を示す図である。 低い周波数と高い周波数を重畳させた場合の作用を観念的に示す図であって，高い周波数に対する低い周波数の高周波電流の比率を小さくした場合である。 低い周波数と高い周波数を重畳させた場合の作用を観念的に示す図であって，高い周波数に対する低い周波数の高周波電流の比率を大きくした場合である。 本実施形態における磁場形成部の変形例を説明するための一部断面斜視図である。
　以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（熱処理装置の構成例）
　先ず，本発明の実施形態にかかる熱処理装置について説明する。ここでは，被処理基板としての例えば半導体ウエハ（以下，単に「ウエハ」と称する）を多数枚一度に熱処理できるバッチ式の縦型熱処理装置（以下，単に「熱処理装置」と称する）を例に挙げて図面を参照しながら説明する。図１は，熱処理装置の構成例を示す断面図であり，図２は熱処理装置の外観構成の概略を示す斜視図であり，反応管の天井部及び下部を水平面で切断したものである。
　熱処理装置１００は，図１に示すようにウエハＷに対してプロセス処理を行うための処理室１０２を備える。処理室１０２は，下端が開口した筒状（例えば角筒状）の反応管１０４とその反応管１０４の下端に連設した角筒状のマニホールド１０６により構成される。反応管１０４及びマニホールド１０６は例えばアルミニウム合金などの金属からなる。反応管１０４は有天井に形成され，下端がマニホールド１０６の上端に気密に接合されている。マニホールド１０６の下端の開口端は，蓋体１１４が開閉自在に設けられている。なお，処理室１０２の形状は，図１に示すものに限られるものではなく，例えば６角形など多角形の形状であってもよく，円筒状であってもよい。
　蓋体１１４上には，ウエハＷの載置面を有するサセプタ２００を複数支持するサセプタ支持部としての石英ボート（ウエハボート）１１０が設けられている。蓋体１１４は，石英ボート１１０を反応管１０４内に搬入，搬出するためのボートエレベータ１１８の上に搭載されており，上限位置にあるときには反応管１０４の開口部がマニホールド１０６とで構成される処理室１０２の下端開口部を閉塞する役割を有するものである。
　石英ボート１１０には，複数のサセプタ２００が水平な状態でその載置面に垂直な方向（ここでは上下方向）に所定の間隔をおいて棚状に配置されている。ウエハＷは各サセプタ２００の載置面（上面）に１枚ずつ載置される。サセプタ２００は，例えばグラファイト，ガラス状カーボン，ＳｉＣなどの導電性材料からなる発熱体により構成される。本実施形態におけるサセプタ２００は，周縁部側面に向けて発生させた水平な交流磁場によって誘導加熱されるようになっており，周縁部の磁束の透過，すなわち周縁部側面からの磁束の入り込み易さを調整できるように構成されている。これにより，サセプタ２００の周縁部のみならず，それよりも内側まで効率的に誘導加熱できるように構成される。このようなサセプタ２００についての詳細は後述する。
　石英ボート１１０は，筒状の断熱体１１６を介して蓋体１１４に垂直軸周りに回転自在に保持されている。具体的には例えば断熱体１１６の下方に図示しないモータを接続する。これにより，モータを駆動して石英ボート１１０を回転させることで各サセプタ２００を垂直軸周りにウエハＷとともに一斉に回転させることができる。
　なお，このようなサセプタ２００には，図示しないカセット容器に収容されたウエハＷが図示しない移載装置によって移載されるようになっている。そして，石英ボート１１０をボートエレベータ１１８で反応管１０４内に搬入してウエハＷの処理を行う。その後，ウエハＷの処理が終了すると，石英ボート１１０をボートエレベータ１１８で反応管１０４から搬出して，サセプタ２００上のウエハＷを上記移載装置によって上記カセット容器に戻す。
　反応管１０４の側壁の外側には，反応管１０４内の各サセプタ２００を誘導加熱するための水平な交流磁場を形成する電磁石１２０により構成される磁場形成部が複数設けられている。電磁石１２０は，各サセプタ２００の周縁部側面に向けて各サセプタ２００の載置面に平行な方向に水平な交流磁場（以下，単に「水平磁場」と称する）が形成されるように配置されている。
　図１，図２では電磁石１２０を反応管１０４の長手方向（縦方向）に沿って複数段配列している。具体的には反応管１０４の加熱領域を長手方向に沿って複数のゾーンに分け，各ゾーンに１つの磁場形成部を配置する。図１，図２は３つのゾーンに分けて，３つの磁場形成部を各ゾーンにそれぞれ配置した場合の具体例である。１つのゾーンには数枚（例えば２枚～６枚）のサセプタ２００を配置し，それらの周縁部側面に対向するように電磁石１２０を配置する。
　各電磁石１２０と対向する反応管１０４の側壁には，例えば石英ガラスやセラミックなどからなる誘電体窓１０５が設けられている。これにより，電磁石１２０から発生した磁束は誘電体窓１０５を透過して反応管１０４内に入り込ませることができる。なお，磁場形成部の段数は，図１，図２に示すものに限られるものではなく，反応管１０４の縦方向のサイズや縦方向に配置するウエハの枚数に合わせて決定される。
　各磁場形成部を構成する電磁石１２０はそれぞれ，２つの磁極を有するＵ字状のコア１２２に誘導コイル１２４を巻き付けて構成される。各誘導コイル１２４はそれぞれ，高周波電流回路１３０の出力端子１３２に接続されている。各誘導コイル１２４には，各高周波電流回路１３０から所定の交流電流が別々に供給されるようになっている。
　本実施形態における高周波電流回路１３０は，誘導コイル１２４に２種類の周波数（高い周波数と低い周波数）の高周波電流を重畳して又は別々に印加可能に構成されている。これは，後述するようにサセプタ２００の周縁部を薄板状の発熱体を互いに絶縁した状態で積層して構成することで，周波数に応じて周縁部側面からの磁束の入り込み易さが変わることを利用して，サセプタ２００の面内温度分布を調整しようとするものである。このような高周波電流回路１３０の構成例及び周波数によるサセプタ２００の面内温度分布制御についての詳細は後述する。
　各高周波電流回路１３０は制御部３００に接続されている。制御部３００は各高周波電流回路１３０を制御することにより，各誘導コイル１２４に供給する交流電流を独立して制御することができる。これにより，反応管１０４内に発生する水平磁場の大きさや方向を各ゾーンごとにコントロールできる。
　上記マニホールド１０６には，例えば四塩化チタン（ＴｉＣｌ４），アンモニア（ＮＨ３），アルゴン（Ａｒ）ガスなどを処理室１０２内に供給するガス供給部としての複数のガス供給管１４０ａ，１４０ｂが設けられている。各ガス供給管１４０ａ，１４０ｂには，ガス流量を調整するためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）などの流量調整部１４２ａ，１４２ｂが備えられている。なお，図１では，２種類のガスをそれぞれガス供給管１４０ａ，１４０ｂから独立して供給する場合を例に挙げたが，ガス供給部の構成は図１に示すものに限られるものではない。例えば３つ以上のガス供給配管を設け，３種類以上のガスを独立して供給できるようにしてもよい。
　マニホールド１０６には，反応管１０４内を排気する排気管１５０を介して真空ポンプ１５４などの排気機構が接続されている。例えば排気管１５０には，反応管１０４内の圧力を調整する圧力調整部１５２が設けられている。圧力調整部１５２は，例えばコンビネーションバルブ，バタフライバルブ，及びバルブ駆動部などで構成される。
　また，排気管１５０には，処理室１０２内の圧力を検出して，圧力調整部１５２をフィードバック制御するための圧力センサ１５１が設けられている。圧力センサ１５１としては，外気圧の変化の影響を受けにくい静電容量型真空計（キャパシタンスマノメータ）を用いることが好ましい。
　熱処理装置１００の各部は，制御部３００によって制御されるようになっている。制御部３００は，例えば成膜すべき薄膜の種類，膜厚などに応じて，設定圧力，サセプタ設定温度，ガス流量などの処理条件からなる処理レシピデータに基づいて各部を制御する。また，制御部３００は，例えば圧力センサ１５１から圧力検出信号を取り込み，これらの検出信号に基づいて圧力調整部１５２，流量調整部１４２ａ，１４２ｂ等を制御する。
（制御部の構成例）
　このような制御部３００の構成例を図面を参照しながら説明する。図３は制御部３００の構成例を示すブロック図である。制御部３００は，例えば図３に示すようにＣＰＵ（中央処理装置）３１０，ＣＰＵ３１０が行う各種処理のために使用されるメモリ３２０，操作画面や選択画面などを表示する液晶ディスプレイなどで構成される表示部３３０，オペレータによる種々のデータの入力及び所定の記憶媒体への各種データの出力など各種操作を行うための操作パネルやキーボードなどからなる入出力部３４０，ネットワークなどを介してのデータのやり取りを行うための通信部３５０を備える。
　その他，制御部３００は，熱処理装置１００の各部を制御するための各種コントローラ３６０，ＣＰＵ３１０が実行する各種プログラムやプログラムの実行に必要なデータを記憶するハードディスク（ＨＤＤ）などで構成される記憶部３７０などを備える。ＣＰＵ３１０は，これらプログラムやデータを必要に応じて記憶部３７０から読み出して使用する。
　各種コントローラ３６０としては例えば熱処理装置１００からの指令に応じて，高周波電流回路１３０等を制御して各サセプタ２００の温度を制御する温度コントローラ，反応管１０４内の圧力制御を行う圧力コントローラなどが挙げられる。
　記憶部３７０には，例えば成膜すべき薄膜の種類，膜厚などに応じて，設定圧力，サセプタ２００の設定温度，ガス流量などの処理条件からなる複数の処理レシピを有する処理レシピデータ（処理条件データ）３７２などが記憶される。熱処理装置１００では，例えば成膜すべき薄膜の種類，膜厚などに応じて対応する処理レシピを処理レシピデータ３７２から読み出して，その処理レシピに基づいてウエハＷの成膜処理を実行する。
　例えば反応管１０４内の各ウエハＷに対して成膜処理を実行する際には，サセプタ２００を所定の設定温度に調整してウエハＷを加熱する。このようにウエハＷを加熱する際には，電磁石１２０の誘導コイル１２４にそれぞれ所定の交流電流を供給することにより，反応管１０４内に各サセプタ２００の周縁部側面に向けて水平な交流磁場を発生させて各サセプタ２００を誘導加熱する。このとき，反応管１０４内で石英ボート１１０によって各サセプタ２００とともに各ウエハＷを回転させることにより，各ウエハＷをその面内の周方向に偏りがないように均一に加熱できる。
（磁場形成部の具体的構成）
　以下，このような磁場形成部について図面を参照しながらより詳細に説明する。図４は，図２に示す１つの磁場形成部を構成する電磁石が設けられた部分を取り出して拡大した斜視図である。なお，図４ではサセプタ２００及びウエハＷを省略している。図４に示すように，電磁石１２０は，２つの磁極１２７，１２８と，これらを繋ぐ中間部１２９とを一体で構成した強磁性体からなるコア（磁心）１２２を有し，中間部１２９に誘導コイル１２４を巻回してなる。コア１２２はそれぞれ，例えば図４に示すようにＵ字状（又はコ字状）に形成される。
　電磁石１２０は，反応管１０４の側壁の外側に誘電体窓１０５を介して設けられ，電磁石１２０の２つの磁極面（磁極１２７，１２８の端面）１２７Ａ，１２８Ａが各サセプタ２００の周縁部に対向するように配置される。
　このように配置された電磁石１２０によれば，誘導コイル１２４に高周波電流回路１３０から交流電流を供給すると，ある瞬間では例えば図４に示すように一方の磁極面１２８Ａから他方の磁極面１２７Ａに向かう磁束が発生し，誘電体窓１０５を透過して各サセプタ２００の周縁部側面に入り込むような水平磁場が形成される。
　こうして電磁石１２０により発生した磁束が各サセプタ２００の周縁部側面から入り込み，電磁誘導によってその磁束の垂直な面上に渦状の誘導電流が誘起され，各サセプタ２００を構成する発熱体が発熱する。これにより，各サセプタ２００を加熱することができる。
　ところで，本実施形態のようにサセプタ２００の周縁部側面に向かう水平な磁束を形成する場合，サセプタ２００の形状（特に厚み）によっては，周縁部側面付近が部分的に加熱されるだけで，その内部まで加熱されない虞がある。例えば仮にサセプタ２００を厚板状の発熱体で構成すると，図５Ａに示すように電磁石１２０の磁極面１２７Ａ，１２８Ａに対向するサセプタ２００の周縁部側面付近だけ部分的に加熱され，それよりも内部は加熱されないという現象が生じる。
　サセプタ２００の材質が例えばセラミックスのような高抵抗材料であれば図５Ｂに示すように電磁石１２０の磁極面１２７Ａ，１２８Ａとの間に発生する磁束がサセプタ２００の周縁部側面からその内側まで入り込む。
　ところが，図６Ａに示すような導電性の厚板状発熱体では，図６Ｂに示すように誘導コイルＣによって厚板状発熱体の側面から磁束が入り込むようにすると，サセプタ２００の周縁部にはその磁束の垂直面に誘導電流が励起され，それにより磁束の透過を妨げる。このため，それよりも内部まで磁束が透過し難くなり，サセプタ２００の内側の加熱が妨げられるものと推察される。これでは加熱効率が悪く，所望の加熱制御を達成できない虞もある。
　このように，サセプタ２００の材質によってその周縁部に励起される誘導電流の大きさが変化し，これによってサセプタ２００の内部に入り込む磁束もまた変化するが，サセプタ２００の材質は同じでも，サセプタ２００の周縁部に形成される水平磁場の周波数によってサセプタ２００の内部に入り込む磁束が変化する場合がある。
　ここで，サセプタを構成する板状発熱体の側面に向かう水平な磁場を形成する誘導コイルに供給する高周波電流の周波数を変えたときの，板状発熱体の内部への磁束の入り込みを確認したシミュレーション実験の結果について説明する。図７はその実験結果を示す図である。このシミュレーションでは３枚の円板状の発熱体（厚さ１０ｍｍ）を１０ｍｍ間隔の隙間を空けて縦方向(紙面に垂直)に配置し，これら発熱体の側面を電磁石１２０の磁極面１２７Ａ，１２８Ａに対向した場合を想定した。電磁石１２０の誘導コイル１２４に高い周波数（４０ｋＨｚ）の高周波電流を供給した場合と低い周波数（１０ｋＨｚ）の高周波電流を供給した場合に，発熱体の内側に入り込む磁束の様子を可視化したものである。図７において格子状の観測点における磁束の向きを矢印で示し，その矢印の長さは磁束密度大きさを示す。
　図７に示す実験結果によれば，高い周波数（４０ｋＨｚ）の場合は，板状発熱体の周縁部付近を通る磁束が観察されるものの，それよりも内側には磁束が入り込んでいないことが分かる。これに対して，低い周波数（１０ｋＨｚ）の場合は，板状発熱体の周縁部のみならず内側にも磁束が入り込んでいることが分かる。
　このように誘導コイルに供給する高周波電流の周波数により,板状発熱体の内側に入り込む磁束を変化させることができる。これは誘導コイルにより形成する水平磁場の周波数により,板状発熱体の周辺部付近に誘起される誘導電流が変化し,これにより板状発熱体の内側に入り込む磁束が変化することを表している。
　上記実験結果は，誘導電流の表皮効果により説明でき,この表皮効果を利用すれば，サセプタ２００の周縁部を薄板状発熱体を絶縁した状態で積層して構成することによってサセプタ２００の内部にまで磁束が入り込むようにできる。
　ここでの誘導電流の表皮効果は，水平磁場によってサセプタ２００に誘起される誘導電流は表面付近（ここではサセプタ２００の上面及び下面）が最も大きく，厚みの中心方向に向かうほど急激に低下するというものである。しかもその低下の程度（電流の浸入深さ）は，水平磁場の周波数によって異なる。周波数が高いほど誘導電流の浸入深さは浅くなり，周波数が低いほど誘導電流の浸入深さは深くなることが知られている。これによれば，周波数が高いほどサセプタ２００の上面側と下面側のみに誘導電流が発生し，周波数が低いほどサセプタ２００の上面側と下面側からそれぞれ厚みの中心方向にかけて誘導電流が発生する。
　従って，例えば図８Ａに示すように厚みがｔ２の薄板状発熱体を積層した場合には，水平磁場の周波数が低いほど，上面付近に発生する誘導電流の浸入深さと下面付近に発生する誘導電流の浸入深さは厚みの中心方向に向けて深くなる。しかもこれらの誘導電流は逆向きなので互いに打ち消され易くなる。このため，図８Ｂに示すように周波数を低くすることで誘導電流をほとんど発生させないようにすることができるので，磁束を内部まで透過し易くさせることができる。この場合は，誘導電流による薄板状発熱体の発熱はない。
　これに対して，水平磁場の周波数を高くすると，上面付近に発生する誘導電流の浸入深さと下面付近に発生する誘導電流の浸入深さは厚みの中心方向に向けて浅くなるので打ち消され難くなる。このため，図８Ｃに示すように周波数を高くすることで誘導電流を発生させるので，磁束は内部まで透過し難くなる。この場合には，誘導電流により薄板状発熱体は発熱する。
　このように，薄板状発熱体を積層することで，水平磁場の周波数を低くして誘導電流の発生を抑えて磁束が透過し易くすることができ，水平磁場の周波数を高くして誘導電流を発生させて磁束が透過し難くすることができる。
　ところが，薄板状発熱体で周波数を低くして誘導電流の発生を抑えることで磁束が透過し易くなったとしても，それだけではサセプタ２００の内側を加熱することはできない。また，厚板状発熱体だけでは周波数を変えても磁束を透過し易くすることができない。
　そこで，薄板状発熱体と厚板状発熱体を組み合わせ,高い周波数で薄板発熱体を発熱させ,低い周波数で厚板発熱体を発熱させることによって,サセプタ２００の発熱分布を変えることが可能になる。例えば図９Ａに示すように外側に薄板状発熱体を積層し，その内側に薄板状発熱体とは断熱した状態で厚板状発熱体を配置する。これによれば，誘導コイル１２４に供給する高周波電流の周波数に応じて周縁部の発熱量とその内側部の発熱量との比率を変えることができ，サセプタ２００の発熱分布を制御することができる。
　具体的には，水平磁場の周波数を低くすることによって，図９Ｂに示すように各薄板状発熱体における誘導電流の発生を抑えることができ，磁束を透過し易くすることができる。こうすることによって，磁束は各薄板状発熱体を透過してその内側の厚板状発熱体にまで届き，厚板状発熱体の方に誘導電流を発生させることができる。これに対して，水平磁場の周波数を高くすることによって，図９Ｃに示すように各薄板状発熱体に誘導電流を発生させて磁束を透過し難くすることができる。こうすることによって，磁束は各薄板状発熱体を透過せず，厚板状発熱体にも届かない。
　従って，水平磁場の周波数を低くすることで，図９Ｂに示すように各薄板状発熱体を加熱することなく，その内部の厚板状発熱体だけを加熱することができる。これに対して，水平磁場の周波数を高くすることで，図９Ｃに示すように内部の厚板状発熱体を加熱させることなく，各薄板状発熱体だけを加熱させることができる。このように，外側に薄板状発熱体を積層し，その内側に厚板状発熱体を配置することで，誘導コイル１２４に供給する高周波電流の周波数によりサセプタ２００の発熱分布を制御し,この結果として面内温度分布を制御できるようになる。
　そこで，本実施形態では，このような性質を利用して，サセプタ２００の形状を工夫することによって，面内温度分布を的確に制御できるようにしている。具体的にはサセプタ２００を周縁部とこれに囲まれる内側部とに分け，内側部は厚板状発熱体で構成し，周縁部は内側部よりも薄い薄板状発熱体を電気的に絶縁した状態で積層して構成する。
　誘導コイル１２４には異なる２つの周波数（高い周波数と低い周波数）の高周波電流を重畳して又は時系列で切り換えて印加する。これにより，サセプタ２００の周縁部の誘導電流を制御して磁束の透過を制御することによって，それよりも内部への磁束の入り込み易さを調整し，周縁部の発熱量と内側部の発熱量とを比率可変に制御して誘導加熱することができる。
（サセプタの具体的構成例）
　ここで，このような本実施形態におけるサセプタ２００の構成例について図面を参照しながら説明する。図１０は，サセプタ２００の構成を示す外観斜視図であり，図１１はサセプタ２００を上方から見た図である。図１２はサセプタ２００の一部を縦方向に切断した断面図である。
　図１０，図１１に示すように，本実施形態におけるサセプタ２００はその周縁部２１０とこれに囲まれる内側部２２０とに分割して設けられている。内側部２２０は厚板状発熱体２２２で構成され，周縁部２１０は内側部２２０よりも薄い薄板状発熱体２１２を積層して構成される。図１０，図１１では，３枚の薄板状発熱体２１２を積層した場合を例に挙げているが，薄板状発熱体２１２の枚数はこれに限られるものではなく，その厚みに応じて２枚でも４枚以上であってもよい。
　各薄板状発熱体２１２の間はそれぞれ互いに電気的に絶縁されている。これは各薄板状発熱体２１２の間で誘導電流が流れないようにするためである。例えば図１０は各薄板状発熱体２１２を離間して設けることによって絶縁した具体例を示す。なお，これに限られることはなく，各薄板状発熱体２１２の間に絶縁部材を挿入してもよい。また，各薄板状発熱体２１２の表面に絶縁加工を施すようにしてもよい。これによれば，各薄板状発熱体２１２を隙間を空けることなく接触して積層できる。
　周縁部２１０と内側部２２０との間は断熱されている。これは周縁部２１０と内側部２２０との間で熱伝導を防ぐためである。これにより，周縁部２１０と内側部２２０とを別々に加熱することができる。例えば図１１，図１２は周縁部２１０の各薄板状発熱体２１２と内側部２２０との間を断熱材２３０で接続することによって断熱した具体例を示す。なお，これに限られることはなく，各薄板状発熱体２１２と内側部２２０との間を離間させることによって断熱してもよい。
（各発熱体の厚みの最適化）
　ところで，上述した各薄板状発熱体２１２の厚みｔ１と厚板状発熱体２２２の厚みｔ２は，誘導コイル１２４に供給する高周波電流として用いる周波数（低い周波数と高い周波数）に基づいて決定される。これは誘導電流の表皮効果によれば周波数によって誘導電流の侵入深さが決まるので，周波数に応じて各発熱体２１２，２２２の厚みｔ１，ｔ２を調整することで，最適な加熱制御を行うことができるようになる。
　ここで，誘導コイル１２４に供給する高周波電流として用いる周波数として，低い周波数をｆ１（例えば１０ｋＨｚ），高い周波数をｆ２（例えば１００ｋＨｚ）としたときの各発熱体の最適な厚みｔ１，ｔ２について説明する。先ず，各発熱体の厚みｔ１，ｔ２と誘導電流の表皮効果について図面を参照しながら説明する。
　図１３Ａ，図１３Ｂは誘導電流の表皮効果をグラフに示した図である。図１３Ａは厚板状誘熱体の場合であり，図１３Ｂは薄板状発熱体の場合である。図１３Ａ，図１３Ｂにおいて太線グラフは低い周波数ｆ１の場合，細線グラフは高い周波数ｆ２の場合である。
　発熱体の周縁部側面から磁束が入り込む場合，その磁束の垂直面（例えば上述した図６Ｂに示す厚板状発熱体ではその上面と下面と左右側面）に誘導電流が発生する。その誘導電流は各表面に近い程大きく，内部（ここでは厚みの中心方向）に向かうにつれて指数関数的に小さくなる特性があり，これが誘導電流の表皮効果である。この場合，サセプタ２００の形状のように板状の場合は上面近傍と下面近傍に発生する誘導電流が支配的となり，左右側面近傍の誘導電流はほとんど無視できる。
　浸入深さＰは周波数ｆ１，ｆ２によって決まり，具体的には発熱体の表面（上面又は下面）からその深さ方向（厚みの中心方向）にかけて減衰する誘導電流密度が，発熱体の表面（上面又は下面）における誘導電流密度の１／ｅ（≒０．３６８）倍に減少した点までの距離として定義され，下記（１）式で表される。
Ｐ（ｃｍ）＝５．０３（ρ／μｆ）１／２　　　・・・（１）
　上記（１）式において，ρは発熱体の抵抗率（μΩｃｍ），μは発熱体の比透磁率（非磁性体ではμ＝１），ｆは周波数（Ｈｚ）である。なお，カーボン系材料ではμ＝１である。カーボン系材料には，グラファイト，ガラス状カーボンなどがある。
　上記（１）式によれば，浸入深さＰは周波数ｆが高いほど小さくなり，周波数ｆが低いほど大きくなることがわかる。また，この浸入深さＰを用いて発熱体の外周面から内部にかけての距離ｘにおける電流密度ＩｘはＩ０を発熱体の上面と下面のそれぞれの電流密度とすれば，下記（２）式で表される。
Iｘ＝Ｉ０ｅｘｐ(－ｘ／Ｐ)　　　　　・・・（２）
　上面と下面からの厚みの中心までの距離ｘと電流密度比Iｒ（＝Iｘ／I０）の関係を，低い周波数ｆ１（例えば１０ｋＨｚ）の場合と高い周波数ｆ２（例えば１００ｋＨｚ）の場合をグラフで表すと，図１３Ａ，図１３Ｂに示すようになる。図１３Ａ，図１３Ｂでは，縦軸に電流密度比Iｒ（＝Iｘ／I０）をとり，横軸に上面と下面からの厚みの中心までの距離ｘをとっている。
　図１３Ａと図１３Ｂのいずれの場合も，電流密度比Iｒ（＝Iｘ／I０）は発熱体の上面又は下面に近いほど大きく，厚みの中心方向に向かうほど急激に低下する減衰曲線を描く。また，上記（２）式によれば，図１３Ａ，図１３Ｂのグラフに示すように低い周波数ｆ１ほど浸入深さＰｆ１が大きくなり，高い周波数ｆ２ほど浸入深さＰｆ２が小さくなる。この浸入深さＰｆ１，Ｐｆ２は，（１）式によれば周波数によって一律に定まる。
　そこで，ここでは図１３Ａに示すように厚板状発熱体の厚みｔ１を大きい方，すなわち低い周波数ｆ１のときの浸入深さＰｆ１の２倍とし，図１３Ｂに示すように薄板状発熱体の厚みｔ２を小さい方，すなわち高い周波数ｆ２のときの浸入深さＰｆ２の２倍とした例を挙げて説明する。
　この場合，発熱体の上面から距離ｘの部位に生じる誘導電流と，発熱体の下面から距離ｘの部位に生じる誘導電流とは大きさが同じで方向が逆である。従って，これらの電流密度比Iｒのグラフが重なる部分があれば誘導電流が相殺されていることになる。
　このような観点から図１３Ａを見ると，厚板状発熱体ではその厚みｔ１の範囲において，低い周波数ｆ１でも高い周波数ｆ２でも誘導電流が相殺されることはない。これに対して，図１３Ｂを見ると，薄板状発熱体ではその厚みｔ２の範囲において，高い周波数ｆ２では誘導電流が相殺されることはないのに対して，低い周波数ｆ１では誘導電流が相殺される領域が存在する。
　このような誘導電流が相殺される領域が存在するように，発熱体の厚みｔ１，ｔ２を決めることによって，上述したように薄板状発熱体の場合に高い周波数ｆ２では誘導電流が相殺されずに磁束が入り難く，低い周波数ｆ１では誘導電流が相殺されて磁束が入り込み易くすることができる。
　図１３Ａ，図１３Ｂによれば，少なくとも薄板状発熱体の厚みｔ２については，高い周波数ｆ２の浸入深さＰｆ２の２倍よりも厚く，低い周波数ｆ１の浸入深さＰｆ１よりも薄くすることが好ましい。これにより，薄板状発熱体については低い周波数ｆ１による誘導電流の相殺領域を大きくできる。
　これに対して，厚板状発熱体の厚みｔ２については，少なくとも低い周波数ｆ１の浸入深さＰｆ１の２倍よりも厚くすることが好ましい。これにより，厚板状発熱体についてはいずれの周波数でも誘導電流の相殺領域なしにすることができる。
　これに基づいて，図１２に示すサセプタ２００の各発熱体２２２，２１２の厚みｔ１，ｔ２の条件を求めると次のようになる。この場合，各発熱体２２２，２１２をグラファイトで構成したとすれば，抵抗率ρは略１０００μΩｃｍ，透過率μは１である。例えば低い周波数ｆ１を１０ｋＨｚ，高い周波数ｆ２を１００ｋＨｚとすると，浸入深さＰｆ１，Ｐｆ２はそれぞれ，略１．６ｃｍ，略０．５ｃｍとなる。従って，この場合の厚板状発熱体２２２の厚みｔ１の条件は，３．２ｃｍ（＝２×Ｐｆ１）＜ｔ１とし，薄板状発熱体２１２の厚みｔ２の条件は，１．０ｃｍ（＝２×Ｐｆ２）＜２ｔ＜１．６ｃｍ（＝Ｐｆ１）とするのが好ましい。
　このようにサセプタ２００を構成する各発熱体２２２，２１２の厚みｔ１，ｔ２を決めることによって，周波数によってサセプタ２００の周縁部２１０の側面から磁束の入り込み易さを制御することができ，周縁部２１０の発熱量と内側部２２０の発熱量との比率を変えることができる。これにより，サセプタ２００の面内温度を制御することができる。
　なお，薄板状発熱体２１２の径方向の幅は，水平磁場の周波数を高くした際に磁束の大半が周縁部２１０を通るような大きさにすることが好ましい。これに限られるものではなく，薄板状発熱体２１２の径方向の幅を周縁部２１０の発熱量と内側部２２０の発熱量との基準比率に基づいて決定してもよい。
　このような薄板状発熱体２１２の径方向の幅を大きくしすぎれば，水平磁場の周波数を低くした際に内側部２２０への磁束の入り込みが減るため，内側部２２０の加熱効率が低下する。逆にこの幅を小さくすれば，水平磁場の周波数を高くした際に磁束の一部が内側部２２０に入り込むため周縁部２１０の加熱効率が低下する。
　従って，薄板状発熱体２１２の径方向の幅は，サセプタ２００の周縁部２１０の加熱を強めるのか，それとも内側部２２０の加熱を強めるのかによって決めることもできる。例えばサセプタ２００の内側部２２０に対して周縁部２１０の方の加熱を強める場合は薄板状発熱体２１２の径方向の幅を大きくし，サセプタ２００の周縁部２１０に対して内側部２２０の方の加熱を強める場合は薄板状発熱体２１２の径方向の幅を小さくするようにしてもよい。
　また，サセプタ２００の周縁部２１０に誘導電流を励起する水平磁場はサセプタ２００の径方向成分とともにサセプタ２００の周方向成分も有するので，薄板状発熱体２１２の径方向の幅は，高い周波数ｆ２に対する浸入深さＰｆ２の２倍以上にすることが好ましい。
　サセプタ２００の形状は図１２に示すものに限られるものではない。例えば図１４に示すように内側部２２０の厚板発熱体２２２は，その中心部を外周部より薄くするようにしてもよい。図１に示すようにサセプタ２００を縦方向に複数配列する場合には，各サセプタから上下方向へ放熱する熱量が減り,中央部に熱がこもり易いので，各サセプタ２００の中央部は加熱しなくてもほとんど温度が変わらない。このため，図１４に示すように薄くしたとしても，厚板発熱体２２２は，その中心部を外周部より薄くしても，加熱された外周部からの熱伝導によっても十分に加熱できる。これによれば，サセプタ２００全体の熱容量を少なくすることができ，加熱速度を高めることができる。
（高周波電流の印加制御）
　ここで，上述した２つの周波数の高周波電流の印加制御についてより詳細に説明する。本実施形態における印加制御としては，２つの周波数の高周波電流を重畳させて印加してもよいし，それぞれを時系列で別々に印加してもよい。このような印加制御を実現可能な高周波電流回路１３０の具体的構成例を図１５に示す。図１５は本実施形態にかかる高周波電流回路１３０の概略構成を示すブロック図である。
　図１５に示す高周波電流回路１３０は，低い周波数である第１周波数ｆ１の高周波電流（例えば１０ｋＨｚ）を出力する第１高周波電源１３４と，高い周波数である第２周波数ｆ２の高周波電流（例えば１００ｋＨｚ）を出力する第２高周波電源１３６を備える。第１高周波電源１３４の出力は，第１整合回路１３５を介して高周波電流回路１３０の出力端子１３２に接続されている。第１整合回路１３５は例えば高周波電流回路１３０の出力と第１整合回路１３５の入力との間に設けられた変成器などからなる。
　第２高周波電源１３６の出力は，第２整合回路１３７を介して第１整合回路１３５と一方の出力端子１３２との間に接続される。第２整合回路１３７は，第２高周波電源１３６の出力と第１整合回路１３５の一方の出力との間に設けられた変成器などからなり，第１高周波電源１３４からの出力に第２高周波電源１３６からの出力を重畳させる機能を果たす。
　第１高周波電源１３４と第２高周波電源１３６は，制御部３００に接続されており，制御部３００からの制御信号によって，各高周波電源１３４，１３６の出力をオン・オフできるようになっている。これにより，制御部３００からの制御信号によって，誘導コイル１２４に低い第１周波数ｆ１の電流と高い第２周波数ｆ２の電流を重畳して又は時系列で切り換えて印加することによって，サセプタ２００の周縁部２１０と内側部２２０のいずれか一方のみを独立して加熱したり，両方加熱したりすることができる。
　例えば制御部３００からの制御信号によって，第１高周波電源１３４からの第１周波数ｆ１の電流出力をオンして第２高周波電源１３６の第２周波数ｆ２の電流出力をオフすることにより，高周波電流回路１３０の出力端子１３２には第１周波数ｆ１の高周波電流のみを出力できる。逆に第１高周波電源１３４からの第１周波数ｆ１の電流出力をオフして第２高周波電源１３６からの第２周波数ｆ２の電流出力をオンすることにより，高周波電流回路１３０の出力端子１３２には第２周波数ｆ２の高周波電流のみを出力できる。
　このため，例えば第１周波数ｆ１（１０ｋＨｚ）の電流と第２周波数ｆ２（１００ｋＨｚ）の電流とを時系列で切り換えてこれらの高周波電流を誘導コイル１２４に印加することにより，図１６に示すような電流波形を印加できる。例えば図１６に示すＴ１区間の電流波形は第１周波数ｆ１（１０ｋＨｚ）の電流によるものであり，図１６のＴ２区間の電流波形は第２周波数ｆ２（１００ｋＨｚ）の電流によるものである。この場合には，第１周波数ｆ１（１０ｋＨｚ）の電流と第２周波数ｆ２（１００ｋＨｚ）の電流の各印加時間Ｔ１，Ｔ２を制御することで，サセプタ２００の周縁部２１０と内側部２２０の発熱量を制御できる。
　例えば第１周波数ｆ１（１０ｋＨｚ）の電流のみを印加している間（Ｔ１）には，図１７Ａに示すように周縁部２１０では各薄板状発熱体２１２において誘導電流の発生が抑えられる。このため，磁束は周縁部２１０を透過して内側部２２０まで入り込む。これにより，各薄板状発熱体２１２は発熱せずに厚板状発熱体２２２のみ発熱するので，周縁部２１０に比して内側部２２０の方をより加熱することができる。
　なお，図１７Ａでは分かり易いように周縁部２１０と内側部２２０のうちの発熱する方又は発熱量が大きい方をハッチングで示している（以下に示す図１７Ｂ，図１９Ａ，図１９Ｂも同様である）。
　これに対して，第２周波数ｆ２（１００ｋＨｚ）の電流のみを印加している間（Ｔ２）には，図１７Ｂに示すように周縁部２１０では各薄板状発熱体２１２において誘導電流が発生して磁束の透過を妨げる。このため，磁束は各薄板状発熱体２１２に入り込んだとしても内側部２２０までは届かない。厚板状発熱体２２２は発熱せずに各薄板状発熱体２１２のみ発熱するので，内側部２２０に比して周縁部２１０の方をより加熱することができる。
　また，制御部３００からの制御信号によって，第１高周波電源１３４からの第１周波数ｆ１の電流出力と第２高周波電源１３６からの第２周波数ｆ２の電流出力の両方をオンすることにより，高周波電流回路１３０の出力端子１３２には，第１周波数ｆ１の電流に第２高周波ｆ２の電流が重畳された高周波電流，例えば図１８に示すような電流波形を出力できる。この場合には，各周波数の高周波電流の比率を制御することで，周縁部２１０と内側部２２０との発熱量を制御することができる。
　この場合，高い第２周波数ｆ２の電流に対して低い第１周波数ｆ１の電流を大きくするほど，周縁部２１０の各薄板状発熱体２１２に発生する誘導電流を抑えることができる。このため，図１９Ａに示すように磁束は各薄板状発熱体２１２を透過して厚板状発熱体２２２まで届き易くなるので，周縁部２１０よりも内側部２２０の方をより加熱することができる。
　これに対して，高い第２周波数ｆ２の電流に対して低い第１周波数ｆ１の電流を小さくするほど，周縁部２１０の各薄板状発熱体２１２に発生する誘導電流を大きくすることができる。このため，図１９Ｂに示すように磁束は各薄板状発熱体２１２を通過し難くなり，厚板状発熱体２２２まで届き難くなるので，内側部２２０よりも周縁部２１０の方をより加熱することができる。
　また，高い第２周波数ｆ２の電流に対する低い第１周波数ｆ１の電流を一定に保ったまま高い周波数ｆ２と低い周波数ｆ１の両方の電流を大きくすれば，サセプタ２００全体の発熱量のバランスを保つことができるため，サセプタ２００の温度分布を一定に保ちながらサセプタ２００全体の温度を上げることができる。
　なお，高周波電流回路１３０は，図１５に示す構成に限られるものではない。例えば２つの周波数の高周波電流を重畳して印加する場合には，第１高周波電源１３４と第２高周波電源１３６とを直列に接続して構成してもよく，また２つの周波数の高周波電流を時系列で交互に印加する場合には，第１高周波電源１３４と第２高周波電源１３６とを切換え可能な構成にしてもよい。
　このように，高周波電流回路１３０によれば，誘導コイル１２４に低い第１周波数ｆ１の電流と高い第２周波数ｆ２の電流を重畳して又は時系列で切り換えて印加することによって，サセプタ２００の周縁部２１０の発熱量と内側部２２０の発熱量との比率を制御することができる。これによれば，周縁部２１０と内側部２２０のいずれかのみを独立して加熱したり，両方加熱したりすることができる。
　これにより，サセプタ２００の面内温度分布を制御することができるので，サセプタ２００に載置されたウエハＷの面内温度分布もまた的確に制御できる。特に本実施形態にかかる熱処理装置１００のように反応管１０４の側壁（処理室１０２の側壁）をサセプタ２００の温度より格段に低い温度で制御する場合には，サセプタ２００の周縁部２１０の熱量が奪われ易いので，反応管１０４全体を加熱することなく，その周縁部２１０に集中的に熱量を補填しながら，さらに内側部２２０まで加熱できる点でその効果は極めて大きい。
　なお，本実施形態における磁場形成部は，図４に示すようにＵ字状（又はコ字状）のコア１２２の中間部１２９に誘導コイル１２４を巻回した電磁石１２０で構成した場合を例に挙げたが，これに限られるものではない。例えば図２０に示すようにＵ字状（又はコ字状）のコア１２２の各磁極１２７，１２８に誘導コイル１２４を巻回した電磁石１２１で構成してもよい。図２０に示す電磁石１２１によっても，図４に示す電磁石１２０と同様の水平な水平磁場を形成することができる。
　以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　本発明は，基板例えば半導体ウエハやガラス基板などに所定の熱処理を施す熱処理装置に適用可能である。
１００　　　熱処理装置
１０２　　　処理室
１０４　　　反応管
１０５　　　誘電体窓
１０６　　　マニホールド
１１０　　　石英ボート（ウエハボート）
１１４　　　蓋体
１１６　　　断熱体
１１８　　　ボートエレベータ
１２０,１２１　　　電磁石
１２２　　　コア
１２４　　　誘導コイル
１２７，１２８　　　磁極
１２７Ａ，１２８Ａ　　　磁極面
１２９　　　中間部
１３０　　　高周波電流回路
１３２　　　出力端子
１３４　　　第１高周波電源
１３５　　　第１整合回路
１３６　　　第２高周波電源
１３７　　　第２整合回路
１４０ａ，１４０ｂ　　　ガス供給管
１４２ａ，１４２ｂ　　　流量調整部
１５０　　　排気管
１５１　　　圧力センサ
１５２　　　圧力調整部
１５４　　　真空ポンプ
２００　　　サセプタ
２１０　　　周縁部
２１２　　　薄板状発熱体
２２０　　　内側部
２２２　　　厚板状発熱体
２３０　　　断熱材
３００　　　制御部
３１０　　　ＣＰＵ
３２０　　　メモリ
３３０　　　表示部
３４０　　　入出力部
３５０　　　通信部
３６０　　　各種コントローラ
３７０　　　記憶部
３７２　　　処理レシピデータ
　Ｗ　　　　ウエハ
　Ｃ　　　　誘導コイル
 

Claims (8)

  1. 減圧可能な処理室内に配置した複数の基板に対して熱処理を施す処理室と，
    　前記基板を載置する載置面を有する導電性部材であって，周縁部とこれに囲まれる内側部とに分けられ，前記内側部は厚板状発熱体からなり，前記周縁部は内側部よりも薄い薄板状発熱体を互いに電気的に絶縁した状態で積層してなるサセプタと，
    　前記サセプタを，その載置面に垂直な方向に間隔を空けて複数配列して前記処理室内で支持する回転自在なサセプタ支持部と，
    　誘導コイルが巻回され，前記サセプタの側面に磁極面が対向するように配置された電磁石からなり，前記サセプタの載置面に平行な方向に交流磁場を形成して前記サセプタを誘導加熱する磁場形成部と，
    　前記誘導コイルに異なる２つの周波数の高周波電流を印加可能に構成された高周波電流回路と，
    　前記高周波電流回路から前記誘導コイルに印加する前記２つの周波数の高周波電流により前記各薄板状発熱体に発生する誘導電流を制御して前記内側部までの磁束の透過を制御することによって，前記サセプタの前記周縁部の発熱量と前記内側部の発熱量との比率を変化させて温度制御を行う制御部と，
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  2. 前記制御部は，前記高周波電流回路から出力される低い周波数と高い周波数の高周波電流を重畳して又は時系列で切り換えて前記温度制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
  3. 前記各サセプタの周縁部を構成する前記薄板状発熱体の厚みは，前記低い周波数から算出される誘導電流の侵入深さよりも小さく，前記高い周波数から算出される誘導電流の侵入深さの２倍よりも大きくしたことを特徴とする請求項２に記載の熱処理装置。
  4. 前記各サセプタの内側部を構成する前記厚板状発熱体の厚みは，少なくとも前記低い周波数から算出される誘導電流の侵入深さの２倍よりも大きくしたことを特徴とする請求項３に記載の熱処理装置。
  5. 前記磁場形成部を，前記サセプタ及び前記基板の配列方向に沿って複数段配列したことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の熱処理装置。
  6. 前記制御部は，前記各磁場形成部の交流電源を独立して制御することを特徴とする請求項５に記載の熱処理装置。
  7. 前記サセプタはグラファイトで構成し，前記処理室の側壁はアルミニウム合金で構成したことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の熱処理装置。
  8. 前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と，
    　前記処理室内を真空排気する排気機構と，を備え，
    　前記処理室は，前記基板に対して行う熱処理又は前記基板上に薄膜を成膜する成膜処理を行うことを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の熱処理装置。
     
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