JP2003297544A

JP2003297544A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2003297544A
Application number: JP2002095675A
Authority: JP
Inventors: Naoki Uchida; 直喜内田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】チャンバ等の被誘導加熱体を加熱するための
磁束を、半導体ウェハ等の被加熱体に到達させないよう
にすると共に、装置周辺への漏洩磁束の発生を防止で
き．しかも、効率よく加熱できる誘導加熱装置を提供す
る。【解決手段】被加熱体２０を内部に収容する被誘導加
熱体１１と、該被誘導加熱体１１の周囲に配設された誘
導加熱用コイル１２と、該誘導加熱用コイル１２に通電
するための電源１５を備えた誘導加熱装置１において、
前記誘導加熱用コイル１２を複数で形成すると共に、隣
接する前記誘導加熱用コイル１２に流れる電流の位相を
異ならせて、前記誘導加熱用コイル１２へ電流を供給す
るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＶＬＳＩ等の半導
体ウェハを間接加熱する誘導加熱装置に関するものであ
る。より詳細には、高周波電流により誘導加熱される炉
内の半導体ウェハへの磁束の侵入及び炉の周辺への漏洩
磁束による誘導加熱障害を回避できる誘導加熱用コイル
の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスにおいては、シリコ
ン（Ｓｉ）の単結晶から切り出したシリコン基板（シリ
コンウェハ）を加工するウェハ製造工程（ウェハプロセ
ス）において、シリコン基板に熱酸化や熱拡散や各種の
アニール等の加工を行うために、酸化炉や拡散炉と呼ば
れるファーネス（管状炉）や、ＲＰＴ（急速昇降温加熱
装置）と呼ばれる赤外線照射装置やランプ加熱装置等に
より、半導体ウェハを熱処理している。

【０００３】これらのファーネス等の加熱装置は、半導
体ウェハ（シリコンウェハ）の処理枚数によって、多数
（２５〜１００枚程度）の半導体ウェハを同時に一括し
て行うバッチタイプ（バッチ方式：ホットウオール）
と、１枚毎に行う枚葉タイプがある。枚葉タイプにはホ
ットウオールタイプ（筒状被誘導加熱体）とコールドウ
オールタイプ（円板状被誘導加熱体）がある。

【０００４】最近のように、半導体ウェハが大きくなっ
て、２００ｍｍφタイプから３００ｍｍφタイプへ移行
してくると、バッチタイプでは、均一加熱が困難となる
ため、一枚ずつ処理する枚葉タイプが注目されてきてい
る。

【０００５】また、熱処理温度も各工程によって異な
り、高温処理領域では８００℃〜１，２００℃、低温処
理領域では３００℃〜８００℃と広く、処理時間も数十
秒から数時間となっている。

【０００６】そして、このファーネスとしては、抵抗炉
が多く使用されており、この抵抗炉では、チャンバの周
囲に配置した発熱抵抗体に通電して発熱させて、この熱
を放射伝熱によりチャンバに伝達してチャンバを加熱し
ている。

【０００７】しかしながら、この抵抗炉では温度上昇率
が低く、半導体ウェハが大きくなるにつれて、時間が掛
かり過ぎるという問題がある。

【０００８】また、ランプ炉では、半導体ウェハの表面
に光沢があるため、加熱効率も悪く、また、均等に加熱
できず、半導体ウェハが大きくなるにつれて、均一温度
分布を得ることが難しくなるという問題がある。

【０００９】これらの欠点を補い、温度上昇率を高める
ため、図６及び図７に示すような誘導加熱炉が提案され
ている。この誘導加熱炉においては、酸化炉やＬＰＶＣ
拡散炉等のチャンバを導電性ＳｉＣ又はグラファイト等
で形成し、チャンバを誘導加熱してチャンバ内に入れた
半導体ウェハを間接加熱している。つまり、誘導加熱に
より、チャンバを加熱し、チャンバの熱を、処理ガス
（酸素（酸化炉）、ボロン（拡散炉）等）による対流伝
熱と、チャンバからの熱放射伝熱とによって、半導体ウ
ェハに伝熱し、加熱している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】誘導加熱を採用し、高
速に昇温するためにグラファイト等導電性被誘導加熱体
の厚みの薄肉化を図ると誘導磁束がシリコンウェハに到
達し渦電流を発生させる可能性がある。本発明はこの問
題を解決しようとするものである。

【００１１】従来技術のソレノイド型の誘導加熱装置に
おいては、図６（ａ）に示すような１ターンコイルの構
成では加熱範囲が狭いという問題があり、また、図６
（ｂ）に示すような電流が同じ方向に流れる複数ターン
コイルの構成においては、誘導加熱用コイル１２Ｖに同
じ方向の電流が流れるため、誘導加熱用コイル１２Ｖに
電流が流れた時に発生する磁束Ｂは，チャンバ１１Ｖの
肉厚が薄い場合にはチャンバ内に漏洩する。そのため、
チャンバ１１Ｖ内の半導体ウェハ２０に影響が及ぶ可能
性がある。

【００１２】また、チャンバ１１Ｖの外部においては、
漏洩磁束が周囲の金属製の配管、フレーム等を電磁誘導
してしまうため、誘導加熱障害が発生し、また、周辺に
配置された機器類に悪影響を及ぼす可能性がある。

【００１３】このチャンバ内への影響についてより詳し
く説明すると、チャンバを形成する導電性ＳｉＣ（Ｓｉ
Ｃの気泡に金属シリコンを含浸）又はグラファイト等は
金属に比較して固有抵抗が大きいため、チャンバ肉厚が
薄い場合には、磁束がチャンバ内に入り、半導体ウェハ
に到達し、半導体ウェハに渦電流が発生する可能性があ
る。

【００１４】また、図６（ｃ）に示すような、交互に電
流方向が逆方向となる複数ターンコイルの構成では、隣
接する磁束同士が相殺されて加熱ができない。

【００１５】そして、図７に示すような円板型の誘導加
熱装置においても、ソレノイド型の誘導加熱装置と同様
に、図７（ａ）に示すような１ターンコイルの構成で
は、磁束Ｂがチャンバ１１Ｘを加熱する範囲が少なく実
用的でない。また、図７（ｂ）に示すような電流が同じ
方向に流れる複数ターンコイルの構成においては、チャ
ンバの肉厚が薄い場合には、磁束Ｂがチャンバ１１Ｙの
内に漏洩する問題がある。又、図７（ｃ）に示すよう
な、交互に電流方向が逆方向となる複数ターンコイルの
構成では、磁束Ｂが相殺されて加熱ができないという問
題がある。

【００１６】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであって、その目的は、チャンバ等の被誘導
加熱体を加熱するための磁束を、半導体ウェハ等の被加
熱体に到達させないようにすると共に、装置周辺への漏
洩磁束の発生を防止でき、しかも、効率よく加熱できる
誘導加熱装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そして、本発明の誘導加
熱装置は、次のように構成される。

【００１８】１）被加熱体を内部に収容する被誘導加熱
体と、該被誘導加熱体の周囲に配設された誘導加熱用コ
イルと、該誘導加熱用コイルに通電するための電源を備
えた誘導加熱装置において、前記誘導加熱用コイルを複
数で形成すると共に、隣接する前記誘導加熱用コイルに
流れる電流の位相を異ならせて、前記誘導加熱用コイル
へ電流を供給するように構成される。

【００１９】この誘導加熱により発熱し高温になる被誘
導加熱体は、誘導加熱できるように導電性ＳｉＣ又はグ
ラファイト等の導電性材料で形成される。

【００２０】この構成により、誘導加熱用コイルに通電
した時に発生する磁束がウェハには到達しなくなるが、
その一方で被誘導加熱体のチャンバには到達し、チャン
バの加熱が可能になる。又、被誘導加熱体の外部の漏洩
磁束も小さくなる。

【００２１】２）そして、前記被加熱体が半導体ウェハ
である誘導加熱装置において、前記被誘導加熱体を円筒
形状のチャンバに形成すると共に、該チャンバの外周部
に前記誘導加熱用コイルを配設して構成される。

【００２２】３）また、一面側に被加熱体を配置し、他
面側に誘導加熱用コイルを配置する被誘導加熱体と、前
記誘導加熱用コイルに通電するための電源を備えた誘導
加熱装置において、前記誘導加熱用コイルを複数で形成
すると共に、隣接する前記誘導加熱用コイルに流れる電
流の位相を異ならせて、前記誘導加熱用コイルへ電流を
供給するように構成される。

【００２３】この誘導加熱装置においても、総合的な干
渉の結果において磁束が小さいループに収まり、誘導加
熱用コイルが配置されている部分の略全面が、被誘導加
熱体に対して略１ターンの誘導加熱用コイルが発生する
磁束の大きさに相当する磁束分布となる。

【００２４】４）更に、前記被加熱体が半導体ウェハで
ある誘導加熱装置において、前記被誘導加熱体を平板状
又は皿状に形成して半導体ウェハを載置可能にすると共
に、該被誘導加熱体の下側に、前記誘導加熱用コイルを
配設して構成される。

【００２５】５）そして、上記の誘導加熱装置におい
て、前記誘導加熱用コイルに流れる電流の位相差が、前
記誘導加熱用コイルの列順に、所定の角度の位相差で順
次増加又は減少するように構成される。

【００２６】所定の角度を位相差とすることにより、誘
導加熱用コイルの配置数と相互誘導の干渉効果とが好ま
しいものとなる。

【００２７】６）上記の誘導加熱装置において、前記誘
導加熱用コイルの被誘導加熱体と反対側を磁性体で覆
う。

【００２８】この構成により、誘導加熱用コイルの外
側、即ち、被誘導加熱体と反対側に、誘導加熱用コイル
を収容する凹部を有する鉄心等の磁性体を配置し、この
磁性体で誘導加熱用コイルの外側の磁束を吸収すること
により、誘導加熱用コイルの外側における漏洩磁束の発
生を回避する。

【００２９】そして、上記の誘導加熱装置において、い
ずれの場合も、半導体ウェハ等の被加熱体に磁束が侵入
しないように、誘導加熱用コイルの相互の間の寸法と、
誘導加熱用コイルと被誘導加熱体との距離と、電流の位
相差となる所定の角度が決められる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明に係
る実施の形態の誘導加熱装置について説明する。

【００３１】最初に、図１に示す枚葉タイプの加熱装置
である第１の実施の形態の誘導加熱装置１について説明
する。

【００３２】この誘導加熱装置１は、被加熱体である半
導体ウェハ２０を収容する被誘導加熱体であるチャンバ
１１（プロセスチューブ）と、このチャンバ１１の周囲
に配設された誘導加熱用コイル１２と、この誘導加熱用
コイル１２を収容し外側から覆う磁性体である鉄心１４
と、誘導加熱用コイル１２に通電するための電源１５
と、この通電を制御するための図示しない制御装置を備
えて構成される。

【００３３】このチャンバ１１は、導電性ＳｉＣ等の導
電性材料で、アーチ状の天井を持つ円筒形状に形成さ
れ、この内部に半導体ウェハ２０を搭載する石英（Ｓｉ
Ｃ）ポート（図示しない）を収容する。また、図示しな
いが、反応ガス用のガス入口、ガス出口、及び、チャン
バ１１を密閉するための石英キャップが設けられる。そ
して、このチャンバ１１の外周や天井等の周囲に誘導加
熱用コイル１２が配設される。

【００３４】この導電性材料としては、ＳｉＣの気泡部
分に金属シリコンを含浸して導電性を高めた導電性Ｓｉ
Ｃを使用でき、また、チャンバ１１を黒鉛の表面にＳｉ
Ｃをコーティングしたもので形成してもよい。

【００３５】そして、本発明においては、各誘導加熱用
コイル１２に流す電流の位相を変更できるように、各誘
導加熱用コイル１２のそれぞれが１ターン（１ループ）
を形成する多重コイル構造で設けて、それぞれの誘導加
熱用コイル１２を電力線１２ａで電源１５に接続する。
この電流の位相は隣接する誘導加熱用コイル１２同士
で、所定の角度、例えば、３０°や６０°ずつ順次増加
又は減少するように構成する。

【００３６】例えば、位相差用の所定の角度が３０°の
場合では、上から列順に、誘導加熱用コイル１２に流れ
る電流の位相差が、３０°ずつ増加し、０°，３０°，
６０°，９０°，１２０°，１５０°，１８０°，２１
０°，２４０°，２７０°，３００°，３３０°とな
り、チャンバ内に入る磁束は発生しなくなるが、チャン
バを加熱する磁束は存在することになる。

【００３７】更に、誘導加熱用コイル１２の外側、即
ち、チャンバ１１と反対側に、凹部１４ｈに誘導加熱用
コイル１２を収容する磁性体である鉄心１４を配置す
る。つまり、誘導加熱用コイル１２をＵ字形状の凹部１
４ｈを有する鉄心１４で覆い、この凹部１４ｈに誘導加
熱用コイル１２を収容する。

【００３８】この構成により、鉄心１４で誘導加熱用コ
イル１２が発生する磁束を吸収することができるので、
磁束を外部に出さずに、誘導加熱用コイル１２の外側に
おける漏洩磁束の発生を回避することができる。

【００３９】また、この誘導加熱用コイル１２には、制
御装置で制御されて電源１５に備えられているインバー
タから、数十ｋＨｚの高周波電流が供給され、この誘導
加熱用コイル１２に発生する交番磁界により、チャンバ
１１を誘導加熱する。

【００４０】この誘導加熱されて高温となったチャンバ
１１により、内部の半導体ウェハ２０が加熱される。こ
の加熱は、チャンバ１１からの熱放射による加熱もある
が、主に、チャンバ１１に設けられたガス入口（図示し
ない）から流入する反応ガス（酸化炉では酸素、拡散炉
ではボロン等）による対流伝熱で行われる。

【００４１】次に、図２に示すバッチタイプの加熱装置
である第２の実施の形態の誘導加熱装置１Ａについて説
明する。

【００４２】この誘導加熱装置１Ａは、径の小さい半導
体ウェハ向きで、チャンバ１１Ａが、通常２５枚〜１０
０枚程度の多数の半導体ウェハ２０を一度に収容できる
ように大きく形成される以外は、第１の実施の形態の誘
導加熱装置１と同じである。

【００４３】つまり、各誘導加熱用コイル１２Ａに流す
電流の位相を変更できるように、各誘導加熱用コイル１
２Ａのそれぞれが１ターン（１ループ）を形成する多重
コイル構造で設けて、それぞれの誘導加熱用コイル１２
Ａを電力線１２Ａａで電源１５に接続し、この電流の位
相を隣接する誘導加熱用コイル１２Ａ同士の間で、所定
の角度、例えば、３０°や６０°ずつ順次増加又は減少
するように構成する。

【００４４】次に、図３に示す枚葉タイプ（円板状グラ
ファイト）の加熱装置である第３の実施の形態の誘導加
熱装置１Ｂについて説明する。

【００４５】この誘導加熱装置１Ｂは、被加熱体の半導
体ウェハ２０を載置する平板状や皿状等の被誘導加熱体
１１Ｂと、この被誘導加熱体１１Ｂの下側に配設され、
矩形状や円状のループを形成する誘導加熱用コイル１２
Ｂと、この誘導加熱用コイル１２Ｂを凹部１４Ｂｈに収
容し下側（外側）から覆う鉄心（磁性体）１４Ｂと、誘
導加熱用コイル１２Ｂに通電するための電源１５と、こ
の通電を制御するための図示しない制御装置を備えて構
成される。

【００４６】この被誘導加熱体１１Ｂは、半導体ウェハ
２０を加熱する。

【００４７】そして、各誘導加熱用コイル１２Ｂに流す
電流の位相を変更できるように、それぞれが１ターン
（１ループ）を形成する多層巻コイル構造で設けて、各
誘導加熱用コイル１２Ｂを電力線１２Ｂａで電源１５に
接続し、この電流の位相を隣接する誘導加熱用コイル１
２Ｂ同士の間で、所定の角度、例えば、３０°や６０°
ずつ順次増加又は減少するように構成する。

【００４８】例えば、位相差用の所定の角度が３０°の
場合では、内側から列順に、誘導加熱用コイル１２Ｂに
流れる電流の位相差が、３０°ずつ増加し、０°，３０
°，６０°，９０°，１２０°，１５０°，１８０°，
２１０°，２４０°，２７０，３００°，３３０°とな
る。

【００４９】この構成により、各誘導加熱用コイル１２
Ｂに通電した時に発生する磁束が、電流の位相を変える
ことにより少しずつ打ち消し合って、総合的な干渉の結
果において磁束が小さいループに収まるようになる。そ
のため、被誘導加熱体１１Ｂに対して略１ターンの誘導
加熱用コイル１２Ｂが発生する磁束の大きさに相当する
磁束分布を誘導加熱用コイル１２Ｂが配置されている略
全面において得ることができる。これにより、磁束が被
誘導加熱体１１Ｂの上方に漏洩しないようになる。

【００５０】そして、この誘導加熱用コイル１２Ｂに
は、制御装置（図示しない）で制御される電源１５に備
えられたインバータから、数十ｋＨｚの高周波電流が供
給され、被誘導加熱体１１Ｂが誘導加熱される。

【００５１】この誘導加熱されて高温となった被誘導加
熱体１１Ｂにより、上に載置された半導体ウェハ２０が
加熱される。この加熱は、被誘導加熱体１１Ｂからの放
射伝熱と、図示されていないガス入口から供給される反
応ガスが被誘導加熱体１１Ｂと半導体ウェハ２０に触れ
ることによる対流伝熱とによって行われる。

【００５２】以上の実施の形態では、半導体ウェハの加
熱を行う半導体熱処理用の装置として、本発明の誘導加
熱装置を説明したが、本発明は、上述の半導体熱処理に
使用する誘導加熱装置に限定されるものではなく、半導
体熱処理は勿論のこと、その他のガラス溶融等に使用す
る誘導加熱炉等、一般の誘導加熱炉にも適用できるもの
である。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る誘導加熱装置によれば、次のような効果を奏する
ことができる。

【００５４】隣接して配置される複数の誘導加熱用コイ
ルの電流の位相を順次変化させて構成することにより、
各誘導加熱用コイルに通電した時に発生する磁束が、電
流位相を変えることにより少しずつ打ち消し合って、総
合的な干渉の結果において磁束が小さいループに収まる
ようにすることができ、チャンバ等の被誘導加熱体に対
して略１ターンの誘導加熱用コイルが発生する磁束の大
きさに相当する磁束分布を誘導加熱用コイルが配置され
ている略全面において得ることができる。

【００５５】これにより、半導体ウェハ等の被加熱体へ
の磁束の侵入を防止でき、また、被誘導加熱体の外部へ
の磁束の漏洩量を小さくすることができる。

【００５６】更に、誘導加熱用コイルを凹部を有する鉄
心等の磁性体で覆い、誘導加熱用コイルの外側を磁性体
に収容することにより、この磁性体で誘導加熱用コイル
の外側の磁束を吸収することができるので、誘導加熱用
コイルの外側に磁束が漏洩することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る枚葉タイプ（筒状被誘導加熱体）
の加熱装置である第１実施の形態の誘導加熱装置の模式
的な構成図である。

【図２】本発明に係るバッチタイプの加熱装置である第
２実施の形態の誘導加熱装置の模式的な構成図である。

【図３】本発明に係る枚葉タイプ（円板状被誘導加熱
体）の加熱装置である第３実施の形態の誘導加熱装置の
模式的な構成図である。

【図４】従来技術のソレノイド型の誘導加熱装置におけ
る誘導加熱用コイルの配置を示す図であり、（ａ）は１
ターンコイルの場合の図で、（ｂ）は同方向電流の多重
巻の場合の図で、（ｃ）交互逆方向電流の多重巻の場合
の図である。

【図５】従来技術の円板型の誘導加熱装置における誘導
加熱用コイルの配置を示す図であり、（ａ）は１ターン
コイルの場合の図で、（ｂ）は同方向電流の多層巻の場
合の図で、（ｃ）交互逆方向電流の多層巻の場合の図で
ある。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ誘導加熱装置２０半導体ウェハ（被加熱体）１１、１１Ａ，１１Ｂチャンバ（被誘導加熱体）１２，１２Ａ，１２Ｂ誘導加熱用コイル１４，１４Ａ，１４Ｂ鉄心（磁性体）１５電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 6/06 ３０１Ｈ０５Ｂ 6/06 ３０１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱体を内部に収容する被誘導加熱体
と、該被誘導加熱体の周囲に配設された誘導加熱用コイ
ルと、該誘導加熱用コイルに通電するための電源を備え
た誘導加熱装置において、前記誘導加熱用コイルを複数
で形成すると共に、隣接する前記誘導加熱用コイルに流
れる電流の位相を異ならせて、前記誘導加熱用コイルへ
電流を供給することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】前記被加熱体が半導体ウェハである誘導
加熱装置において、前記被誘導加熱体を円筒形状のチャ
ンバに形成すると共に、該チャンバの外周部に前記誘導
加熱用コイルを配設したことを特徴とする請求項１に記
載の誘導加熱装置。
【請求項３】一面側に被加熱体を配置し、他面側に誘
導加熱用コイルを配置する被誘導加熱体と、前記誘導加
熱用コイルに通電するための電源を備えた誘導加熱装置
において、前記誘導加熱用コイルを複数で形成すると共
に、隣接する前記誘導加熱用コイルに流れる電流の位相
を異ならせて、前記誘導加熱用コイルへ電流を供給する
ことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項４】前記被加熱体が半導体ウェハである誘導
加熱装置において、前記被誘導加熱体を平板状又は皿状
に形成して半導体ウェハを載置可能にすると共に、該被
誘導加熱体の下側に、前記誘導加熱用コイルを配設した
ことを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】前記誘導加熱用コイルに流れる電流の位
相差が、前記誘導加熱用コイルの列順に、所定の角度の
位相差で順次増加又は減少することを特徴とする請求項
１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】前記誘導加熱用コイルの被誘導加熱体と
反対側を磁性体で覆ったことを特徴とする請求項１〜５
のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。