JP4955357B2 - 背面電子衝撃加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の加熱物を高温に加熱する加熱装置に関し、特に加速した電子を加熱プレートにその背後から衝突させて加熱プレートを発熱させる形式の背面電子衝撃加熱装置であって、加熱プレートにその背後に電子や輻射熱を反射する遮蔽板を設けたものに関する。

半導体ウェハ等の処理プロセスにおいて、その半導体ウェハ等の板状部材を加熱するための加熱手段として、加速した電子を加熱プレートの背後に衝突させて加熱プレートを発熱させる形式の背面電子衝撃加熱装置が使用されている。この背面電子衝撃加熱装置では、フィラメントに通電することにより発生した熱電子を高電圧で加速し、この熱電子を加熱プレートの背後に衝突させて、加熱プレートを発熱させる。そしてこの加熱プレートの上に載せた板体を加熱する。

図３は、背面電子衝撃加熱装置の従来例を示す図である。
加熱容器２１は、図示していない真空チャンバの中に設置され、この真空チャンバ内が真空とされることにより、前記加熱容器２１の全体が真空空間の中に置かれる。

この加熱容器２１は、下面が開いた容器状のものであって、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物２７を載せる天板が平坦な加熱プレート２２となったものである。言い方を換えると、加熱容器２１は、加熱プレート２２が天板となってその上面側が閉じられ、加熱プレート２２の周囲の下方には、下面側が開口した円筒形状の周壁３３が設けられている。

加熱容器２１の周壁３３の下端部はフランジ状になっており、このフランジ部分が真空シール材２８を挟んで下部フランジ２６の上面に当てられると共に、フランジ部分の上に当てられた環状の導電性座金３６を介して押え金具３５により固定されている。これにより、加熱容器２１と下部フランジ２６は電気的に導通した状態で前記真空シール材２８により気密にシールされる。下部フランジ２６は接地され、従って加熱容器２１も接地される。

このような加熱容器２１の材質としては、黒鉛等の導電体が使用される。これに対し、加熱容器２１がアルミナや窒化珪素のようなセラミックスで絶縁体からなる場合は、その加熱プレート２２の内面や周壁３３とその下部フランジの内外の全面をメタライズして導体膜を形成し、この導体膜を前記導電性座金３６、押え金具３５及び下部フランジ２６を介して接地する。

さらに、この加熱容器２１の内部には、下部フランジ２６から支柱３４が立設され、この支柱３４の上端側に平板状のホルダ３２が支持されている。さらにこのホルダ３２からフィラメント支持柱３７が立設され、このフィラメント支持柱３７にフィラメント２９が取り付けられている。このフィラメント２９は、加熱容器２１の中で前記加熱プレート２２の背後に設けられている。

このフィラメント２９のリード線２４は、セラミックス端子２５を通して下部フレーム２６から加熱容器２１の外部へ引き出され、図示していないフィラメント加熱電源に接続する。さらに、このフィラメント２９のリード線２４の一方には、図示していない電子加速電源により加速電圧が印加される。前述したように、加熱プレート２２を有する加熱容器２１は接地されているので、フィラメント２９に対して正電位に保持される。

前記支柱３４に保持された平板状のホルダ３２から遮蔽板支持柱３８が立設され、この支持柱３８により、フィラメント２９の下方に位置するように遮蔽板２３が支持されている。この遮蔽板２３は、遮蔽板支持柱３８を介してフィラメント２９に導通しており、同フィラメント２９と同電位のマイナス電位とされる。

このような背面電子衝撃加熱装置では、フィラメント２９と加熱プレート２２との間に電子加速電源３１により一定の高電圧の加速電圧を印加すると共に、フィラメント加熱電源３０によりフィラメント２９に通電すると、フィラメント２９から熱電子があらゆる方向に放出される。ここで、下に向かった熱電子もマイナス電位の遮蔽板２３によって反射されるので、結果的にフィラメント２９から上下方向に放出された殆どの熱電子は前記加速電圧により加速されて加熱プレート２２の下面に衝突する。この電子衝撃により加熱プレート２２が加熱される。加熱プレート２２に生じる熱は、フィラメント２９の下方に設けられた遮蔽板２３により反射され、出来る限り熱が不要な個所に拡散するのが防止される。加熱プレート２２に衝突した電子は、加熱容器２１の周壁３３から導電性座金３６、押え金具３５、下部フランジ２６を介してアースに流れる。

一般の加熱装置は、金属や黒鉛等の抵抗体に電気を通電し、この電気抵抗による発熱を利用して加熱物を加熱する電気抵抗加熱手段によるものである。しかし、前記の背面電子衝撃加熱装置は、フィラメント２９で発生する電子を高電圧で加速し、フィラメント２９に対して正電位に保持された加熱プレート２２に衝突させて加熱するので、熱効率に優れる。加速電圧が数ｋＶ以下であれば、Ｘ線も発生せず、電子同士の反発によって電子が広がりながら加熱プレート２２に衝突するので、加熱プレート２２のフィラメント２９の近傍のみに加熱が集中することも無い。さらに、加熱容器２１の加熱プレート２２のみを加熱するために、加熱プレート２２に対しフィレメント２２の背後側に負電位に維持した板状の遮蔽板２３を設置することで、フィレメント２２で発生した熱電子がこの遮蔽板２３により反射され、加熱プレート２２のみを加熱することが出来る。

背面電子衝撃加熱装置の加熱容器２１内の遮蔽板２３は、電子を反射すると共に加熱プレート２２からの輻射熱も反射する。
一般に熱が伝わる態様には、熱輻射、熱伝導、熱対流の３態様がある。しかし、真空中における伝熱は熱輻射のみであり、大気中であっても、発熱体と加熱物とが至近にあると、実質的に熱輻射と熱伝導のみによる加熱が行われる。また、発熱体の温度が５００℃以下の場合は、輻射熱による加熱は効果が無い等、加熱温度、加熱方式、温度分布等の条件により伝熱態様は様々である。

これに対し、背面電子衝撃加熱装置において、輻射熱の反射と共に電子の反射が求められる遮蔽板では、輻射熱を反射するだけの遮蔽板とは異なり、単に輻射率が低いだけでは電子の反射は出来ない。すなわち、加熱プレート２２に対して負電位に維持し、且つフィラメント２９とほぼ同じ電位にまで加熱プレート２２に対する負電圧を高めないと、電子の反射は悪い。

このように、遮蔽板２３を加熱プレート２２に対して負電位に維持するためには、遮蔽板２３が良導電体でなければならない。セラミックスのような絶縁体からなる板でも、熱電子のチャージアップにより熱電子の反射は出来るが、絶縁体のため電位分布差が大きく、不安定である。しかもフィラメントの電位に応じてチャージアップ電位が変わることから、制御が困難であるという問題もある。このため、背面電子衝撃加熱装置に使用する遮蔽板２３としては、容易にフィラメントと同電位に出来、しかも電気的接続が容易な金属が用いられており、その中でも輻射熱も反射する輻射率の低い材料が好ましいということになる。

遮蔽板２３は、前述したように支持柱３８により加熱容器２１の中に設置される。この遮蔽板２３に電子が当たると共に、加熱容器２１の内部の輻射熱により遮蔽板２３が加熱される。このとき、遮蔽板２３のフィラメント２９に近い部分が高温になり、フィラメント２９から遠い部分が比較的温度が低くなるため、遮蔽板２３に温度分布が生じる。この温度分布により遮蔽板２３に熱応力が生じ、遮蔽板２３が曲がる等の変形が起こる。この変形は、支持柱３８による遮蔽板２３の熱歪の吸収が十分でないと、変形はより大きくなる。

遮蔽板２３に曲がり等の変形が生じると、熱電子の反射方向が変わり、加熱プレート２２の温度分布が不均一になる。加熱プレート２２の加熱温度にもよるが、１０００℃以上の高温加熱においては、加熱プレート２２としてＭｏ、Ｔａ、Ｗ等の高融点金属を用いている。これらの金属のうち、ＭｏとＷは熱膨張係数が比較的小さく、熱伝導率も比較的高いので、温度分布が生じにくく、曲がりにくい。

しかし、加熱プレート２２を１０００℃以上の温度に加熱すると、遮蔽板２３も１０００℃近い高温になる。背面電子衝撃加熱装置は電子の集中照射による加熱であることから、抵抗加熱方式等の一般のヒータに比べて高温に加熱することが出来て、昇温速度も速い。この背面電子衝撃加熱装置の特長を利用して２０００℃程度の超高温に加熱することも可能である。しかしこのような２０００℃に及ぶ加熱プレート２２の加熱温度では、遮蔽板２３もそれに応じて高温になり、加熱プレート２２が２０００℃では遮蔽板２３の温度は１７００℃に及ぶ。

前述した通り、高温下での遮蔽板２３には高融点で耐熱性の高いＭｏやＷを使用している。ＭｏとＷは熱膨張係数が比較的小さく、熱伝導率も比較的高いので、温度分布が生じにくく、温度分布に伴う変形も小さい。しかも、金属であるため、セラミックス等に比べて加工も比較的容易であり、高温下で使用する遮蔽板２３に適当である。

しかし、この耐熱性の高いＭｏやＷであっても、１０００℃を超えると再結晶が始まり、温度分布に伴う熱変形が弾性変形ではなく、永久的な塑性変形となる。そしてその永久変形が遮蔽板２３のさらなる温度分布を発生させて大きな変形を起こす。そうすると電子の反射方向が時間と共に変化し、加熱プレート２２の温度にむらが生じてしまうという課題があった。
特開２００５−０５６５８２号公報 特開２００４−３５５８７７号公報 特開２００３−１７８８６４号公報

本発明では、前記従来の背面電子衝撃加熱装置における課題に鑑み、高温下での遮蔽板の温度分布を小さくし、その変形を押さえると共に、電子を確実に反射出来るようにする背面電子衝撃加熱装置を提供することを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、遮蔽板１１を熱膨張係数の小さいもので作り、温度分布が出来ても変形しにくいようにした。また、遮蔽板１１を熱伝導率の大きいものとすることで、温度分布自体が生じにくくした。さらに、遮蔽板１１を再結晶温度と軟化点が極めて高いセラミックスにより作り、なお且つ負電位を印加しやすいように、導電性セラミックスを使用するようにした。

すなわち、本発明による背面電子衝撃加熱装置は、加熱容器１の天板となっている加熱プレート２の背後からフィラメント９で発生した電子を加速して衝突させて同加熱プレート２を加熱するものである。そして前記加熱プレート２に対してフィラメント９の背後に設けられ、熱電子と輻射熱を加熱プレート２側に反射する遮蔽板１１を有し、この遮蔽板１１が熱良導体の導電性セラミックスからなっている。より具体的には、遮蔽板１１は、黒鉛の表面に熱分解生成黒鉛等の黒鉛をコーティングしたものからなる。このようなセラミックスにより作られた遮蔽板１１は、加熱プレート２に近い側にのみ配し、加熱プレート２から遠い側の遮蔽板３は金属製とすることも出来る。もちろん、加熱プレート２から遠い側の遮蔽板１１にもセラミックス製のものを用いること出来る。

このようなセラミックスにより作られた遮蔽板１１は、熱変形が小さく、高温での永久変形もしにくので、電子を反射する方向が変化せず、加熱プレート２を同じ状態で加熱することが出来る。またこの遮蔽板１１は、熱良導体であるため、電子が当たることにより高温になった時も温度のムラが生じにくく、熱変形を防止出来る。さらに、導電性セラミックスからなるため、電子を反射するために負の電位を印加することも出来る。

以上説明した通り、本発明による背面電子衝撃加熱装置では、遮蔽板１１の熱変形を抑えることが出来るので、加熱プレート２への電子の衝突のムラが解消し、均一な温度分布を形成することが出来る。さらに、高温下での永久変形もしにくいため、加熱プレート２を２０００℃以上という高温に加熱する背面電子衝撃加熱装置でも、遮蔽板１１の永久変形による弊害を防止出来る。

本発明では、本発明による背面電子衝撃加熱装置では、電子を反射する遮蔽板１１に熱良導体の導線性セラミックスからなるものを使用し、前記の目的を達成した。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は、本発明による背面電子衝撃加熱装置の一実施形態を示す図である。
ステンレス鋼等の金属からなる下部フランジ６の上に加熱容器１が設置されている。この加熱容器１は、下面が開いた容器状のものであって、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物７を載せる天板が平坦な加熱プレート２となったものである。換言すると、加熱容器１は、加熱プレート２が天板となってその上面側が閉じられ、加熱プレート２の周囲の下方には、下面側が開口した円筒形状の周壁１３が設けられている。加熱容器１の周壁1３の下端部はフランジ状になっている。この加熱容器１は、図示してない真空チャンバの中に設置され、真空チャンバ内が減圧されることにより、加熱容器１の全体が真空空間となる。

下部フランジ６の加熱容器１のフランジ部分を載せる部分には、下部フランジ６の中心軸の周りに同心円状に溝が設けられ、この溝に真空シール材８が嵌め込まれている。この溝に嵌め込まれた真空シール材８の上に、前記加熱容器１の周壁１３の下端部のフランジ部分が載せられ、さらにこのフランジ部分がその上に当てられた環状の導電性座金1６を介して押え金具1５により固定される。この状態で加熱容器１と下部フランジ６とは電気的に導通すると共に、前記真空シール材８により気密にシールされる。下部フランジ６は接地され、従って加熱容器１も接地される。

このような加熱容器１の材質としては、黒鉛等の導電体が使用される。これに対し、加熱容器１がアルミナや窒化珪素のようなセラミックスで絶縁体からなる場合は、その加熱プレート２の内面や周壁1３の内外面の全面をメタライズして導体膜を形成し、この導体膜を前記導電性座金1６、冷却液通路１７を有する押え金具1５及び下部フランジ６を介して接地する。

さらに、この加熱容器１の内部には、下部フランジ６から支柱1４が立設され、この支柱1４の上端側に平板状のホルダ１２が支持されている。さらにこのホルダ１２からフィラメント支持柱１７が立設され、このフィラメント支持柱１７にフィラメント９が取り付けられている。このフィラメント９は、加熱容器１の中でその加熱プレート２の背後に設けられている。

このフィラメント９のリード線４は、セラミックス端子５を通して下部フレーム６から加熱容器１の外部へ引き出され、図示していないフィラメント加熱電源に接続する。さらに、このフィラメント９のリード線４の一方には、図示していない電子加速電源により加速電圧が印加される。なお加熱プレート２を有する加熱容器１は接地され、フィラメント９に対して正電位に保持される。

前記支柱１４に保持された平板状のホルダ２から遮蔽板支持柱１８が立設され、この支持柱１８により、フィラメント９の下方に位置するように遮蔽板３、１１が支持されている。この遮蔽板３、１１は、遮蔽板支持柱１８を介してフィラメント９に導通しており、同フィラメント９と同電位のマイナス電位とされる。

ここで、加熱プレート２２に最も近い遮蔽板１１には、熱良導体の導電性セラミックスからなっている。より具体的には、遮蔽板１１は、黒鉛を基材とし、この基材の表面に黒鉛より３倍程度熱伝導率の高い熱分解生成黒鉛をコーティングしたものからなる。このようなセラミックスにより作られた遮蔽板１１は、加熱プレート２に近い側にのみ配し、加熱プレート２から遠い側の遮蔽板３はＭｏやＷ等の金属製とすることも出来る。もちろん、加熱プレート２から遠い側の遮蔽板１１にもセラミックス製のものを用いること出来る。図１の実施例では、加熱プレート２に近い側の１枚の遮蔽板１１のみを熱良導体の導電性セラミックス板とし、その下には通常のＭｏやＷ等の高融点金属からなる遮蔽板３を配置している。

このような背面電子衝撃加熱装置では、フィラメント９と加熱プレート２との間に高電圧の加速電圧を印加すると共に、フィラメント９に通電すると、フィラメント９から熱電子があらゆる方向に放出される。この熱電子のうち下に向かった熱電子はマイナス電位になった遮蔽板３、１１によって反射され、上に向かった熱電子と共に前記加速電圧により加速されて加熱プレート２の下面に衝突する。このため、電子衝撃により加熱プレート２が加熱される。加熱プレート２に生じる熱は、フィラメント９の下方に設けられた遮蔽板３、１１により反射され、出来る限り熱が不要な個所に拡散するのが防止される。加熱プレート２に衝突した電子は、加熱容器１の周壁1３から導電性座金1６、押え金具1５、下部フランジ６を介してアースに流れる。

加熱プレート２が予め定められた温度に達すると、フィラメント９に通電する電力が下げられ、加熱プレート２の温度が定められた温度に維持される。そして、予め定められた時間が経過すると、フィラメント９への通電が停止され、加熱プレート２の加熱を停止する。その後、加熱容器１の殆どの熱は、冷却液通路１７を有する押え金具１６と下部フランジ６の冷却液通路７に通している冷却液により下部フランジ６や加熱容器１が冷却され、加熱プレート２が降温される。

既に述べた通り、ＭｏとＷは熱膨張係数が比較的小さく、熱伝導率も比較的高いので、温度分布が生じにくく、曲がりにくい。加熱プレート２を１０００℃以上の温度に加熱すると、遮蔽板３は７００℃程度の高温になる。このような温度域では、遮蔽板３に多少の温度ムラがあり、加熱時に熱応力による遮蔽板３の変形が生じても、その変形は弾性変形の範囲であり、常温に戻れば熱歪も無くなる。

しかし、加熱プレート２を２０００℃程度の超高温に加熱する場合、遮蔽板２３の温度は１７００℃に及び、ＭｏやＷ等の高融点金属では対応出来ない。これに対し、前述した熱良導体の導電性セラミックスからなる遮蔽板１１は、熱変形が小さく、高温での永久変形しにくい。またこの遮蔽板１１が熱良導体であることから、電子が当たることにより高温になった時も温度のムラが生じることが無い。さらに、導電性セラミックスからなるため、電子を反射するために負の電位を印加することも出来る。

実験によれば、加熱プレート２２を５分程度の短時間に１３００℃の温度に昇温するという加熱方法であれば、ＭｏやＷ等の高融点金属からなる遮蔽板３のみであっても、それら遮蔽板３の永久変形は起こらなかった。しかし、１３００℃の温度で数時間〜数十時間長時間加熱すると、加熱プレート２２の変形が累積し、永久変形することが分かった。これは、表１に記載したように、金属の再結晶温度が加熱温度より低いために、再結晶による永久変形が生じることによる。

表１に示した金属の再結晶温度の下限は何れも６００〜９００℃の付近にあり、加熱プレート２を２０００℃程度の超高温に加熱する場合には対応出来ない。ＳｉＣは再結晶温度が高いが、１５５０℃から強度低下が見られ、熱衝撃に弱くなる。温度差が３００℃程になると、熱衝撃で破損する。このため、加熱プレート２の加熱温度の上限は１８００℃までゆっくり昇温する必要がある。

黒鉛は、金属より再結晶温度が高く、導電性があるため、遮蔽板１１の材料として最適である。さらに、面方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫと、黒鉛に比べて３倍程ある熱分解生成黒鉛を黒鉛の表面にコーティングすることより、遮蔽板１１は熱良導体となり、温度分布が形成されにくくなる。

図２は、遮蔽板３、１１の支持柱１８による取付構造の一例を示す図である。この図２に示すように、遮蔽板３、１１の径方向に長孔１９を設け、ここに支持柱１８をややルーズに取り付けることにより、温度変化による遮蔽板１８の径方向の変形を吸収することが出来る。なお、遮蔽板３、１１の中心に空いた孔は、フィラメント９のリード線４を通す貫通孔である。

本発明による背面電子衝撃加熱装置の一実施例を示す概略縦断面図である。 本発明による背面電子衝撃加熱装置の一実施例の遮蔽板を示す斜視図である。 背面電子衝撃加熱装置の従来例を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１ 加熱容器
２ 加熱プレート
３ 遮蔽板
９ フィラメント
１１ 遮蔽板

Claims (2)

1. 加熱容器（１）の天板となっている加熱プレート（２）の背後からフィラメント（９）で発生した電子を加速して衝突させて同加熱プレート（２）を加熱する背面電子衝撃加熱装置において、前記加熱プレート（２）に対してフィラメント（９）の背後に設けられ、熱電子と輻射熱を加熱プレート（２）側に反射する遮蔽板（１１）を有し、この遮蔽板（１１）が黒鉛の表面に熱分解生成黒鉛をコーティングした熱良導体の導電性セラミックスからなることを特徴とする背面電子衝撃加熱装置。
2. 加熱プレート（２）に近い側に配置された遮蔽板（１１）をセラミックスとし、加熱プレート（２）に遠い側に配置された遮蔽板（３）を金属製としたことを特長とする請求項２に記載の背面電子衝撃加熱装置。

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