JP2009087703A - 誘導加熱装置用発熱体および分割発熱体用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】分割された発熱体の配置形態を固定しつつ、分割された発熱体としての機能を発揮させる事を可能とする誘導加熱装置用発熱体を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するための発熱体は、被加熱物４０の主面と平行に配置された誘導加熱コイル２４と、前記被加熱物４０との間に配置される発熱体３４であって、誘導加熱コイル２４の配置形態に倣いつつ枠型に形成した複数の導電体２６と、前記複数の導電体２６同士の間隙を埋めつつ前記複数の導電体２６の配置形態を固定する耐熱性部材とより形成されることを特徴とする。ここで、前記発熱体３４は、前記絶縁体により前記導電体２６の表裏面を覆うようにすることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱装置の発熱体、および分割発熱体用パッケージに係り、特にウェハを平置き状態にして加熱する枚葉型の誘導加熱装置に好適な発熱体、および導電性の発熱体が分割されている場合に好適なパッケージに関する。

従来、半導体の製造工程に用いられる誘導加熱装置は、図５に示すようなものであった。すなわち、誘導加熱コイル２と被加熱物３との間に、グラファイト（黒鉛板）などの発熱体４を配置し、誘導加熱により発熱体４を加熱することで、その輻射熱や熱伝導を利用して被加熱物３を加熱するというものである（例えば特許文献１）。

このような構成の誘導加熱装置１によれば理論上、高精度な均熱加熱が可能となり、急速昇降温も可能となると考えられる。しかし、図５に示すような構成の誘導加熱装置１では、誘導加熱コイル２の中心と発熱体４の中心とを一致させる際、芯出し等ができないため、高精度な位置合わせを行う事が困難であり、発熱体４の温度分布が、発熱体４の中心を基準とした真円にならないことがある。この場合、発熱体４により加熱される被加熱物３にも温度分布のバラツキが生ずることとなってしまう。

これに対し、特許文献２には、発熱体を分割することで、発熱体と誘導加熱コイルとの配置ズレの影響による温度分布のバラツキを抑える事が記載されている。
特開２００６−２７８１５０号公報 特開２００５−１１８６８号公報

発熱体として、特許文献２に開示されているようなものを利用することによれば、円板状の発熱体のように、温度分布の中心が、加熱対象とするウェハの中心から大きくズレるという事は無くなると考えられる。

しかし、特許文献２に開示されているような構成の発熱体は、配置形態の維持が困難であるため、その現実的使用は困難であった。
そこで、本発明では、分割された発熱体の配置形態を固定しつつ、分割された発熱体としての機能を発揮させる事を可能とする誘導加熱装置用発熱体、および分割発熱体用パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置用発熱体は、被加熱物の主面と平行に配置された誘導加熱コイルと、前記被加熱物との間に配置される発熱体であって、前記誘導加熱コイルの配置形態に倣いつつ枠型に形成した複数の導電体と、前記複数の導電体同士の間隙を埋めつつ前記複数の導電体の配置形態を固定する耐熱性部材とより形成されることを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置用発熱体では、前記耐熱性部材により前記導電体の表裏面を覆うようにすることが望ましい。このような構成とすることによれば、発熱体を加熱した際に導電体から発生するパーティクルやコンタミネーションが、真空チャンバ等、反応炉内に飛散する事が無くなる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置用発熱体において、前記誘導加熱コイルは、中心から外側に向けて段階的に半径を大きく設定した円形のコイル部を有する複数のコイルにより構成され、前記導電体は、前記誘導加熱コイルにより定められる加熱ゾーン毎の範囲に合わせて形成されたリング型とすると良い。このような構成とすることによれば、各リング型の導電体は、投入電流が調整可能な誘導加熱コイルのゾーン単位、すなわち加熱ゾーン単位で分割されていることとなる。このため、誘導加熱コイルに対する投入電力の制御により、加熱ゾーン毎に導電体を高精度に制御することができる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置用発熱体において、前記耐熱性部材は、平板状の基板に対して前記導電体の形状に倣った形状、深さの溝を設けたベースと、前記導電体を前記溝に収容した後に前記溝を封止するリッドとより構成することが望ましい。このような構成とすることにより、導電体の形態を問う事無くベースの溝形状と同様な形状の導電体を得ることができるようになる。

さらに、上記のような特徴を有する誘導加熱装置用発熱体では、前記耐熱性部材は石英としたことを特徴とし、前記導電体は黒鉛シートとすると共に、前記ベースと前記リッドとの接合は直接接合により成すことが望ましい。このような構成とする事で、黒鉛シートを加熱した際にベースとリッドとの接合部が剥離する虞が無い。また、黒鉛シートは圧縮復元性があるため、加熱時の膨張をパッケージの剛性で抑えることができ、黒鉛シートの膨張に伴ってベースやリッドが破損する虞が無い。さらに、黒鉛シートは、ベースやリッドと密着させる事が可能なため、接触熱抵抗を低減することができる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る分割発熱体用パッケージは、導電性発熱体を埋め込み可能に形成された複数のリング状溝を有し、全体を石英により構成されたベースと、前記ベースに対してリッドとして接合される石英板とから成ることを特徴とする。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置用発熱体によれば、分割された発熱体の配置形態を固定しつつ、分割された発熱体としての機能を発揮させる事が可能となる。
また、上記のような構成のパッケージを用いれば、上記のような効果を奏することのできる発熱体を構成することが可能となる。

以下、本発明の誘導加熱装置用発熱体、および分割発熱体用パッケージに係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る発熱体の構成と共に、これを適用する誘導加熱装置の構成について説明する。

誘導加熱装置１０は、誘導加熱コイル２４、電源部１２、発熱体３４とを有し、発熱体３４の上面に載置した被加熱物４０を加熱することを基本とする。
前記誘導加熱コイル２４は、本実施形態の場合、例えば図２に示すように、同心円状に複数配置した外形Ｃ字型のコイルや、各ゾーン毎に電力調整を可能とした渦巻き型コイル（不図示）などであれば良い。複数配置された誘導加熱コイル２４は、図１に示すように、詳細を後述する発熱体３４や被加熱物４０の主面と平行になるよう、隣接して配置されるコイル同士が平面上に位置するように配置される。

前記電源部１２としては、例えば、コンバータ１４、チョッパ１６、およびインバータ１８を基本として構成される。
前記コンバータ１４には、例えば、三相交流電源２０が接続されている。コンバータ１４は、三相交流電源２０を介して電源部１２に入力される三相交流電流を直流に変換して、後段に接続されるチョッパ１６へと出力する純変換部である。

前記チョッパ１６は、コンバータ１４から出力される電流の通流率を変化させ、インバータ１８に入力電流の電圧を変化させる電圧調整部である。
前記インバータ１８は、チョッパ１６により電圧調整された直流電流を、交流電流へと変換して誘導加熱コイル２４へ供給する逆変換部である。なお、本実施形態で例に挙げる誘導加熱装置１０のインバータ１８は、誘導加熱コイル２４と共振コンデンサ２２とを直列に配置した直列共振型のインバータとする。また、複数の誘導加熱コイル２４にはそれぞれ、個別にインバータ１８、およびチョッパ１６が接続されている。なお、インバータ１８から誘導加熱コイル２４への出力電流の制御は、図示しない駆動制御部からの入力信号に基づいて行うものとする。

前記発熱体３４は、本実施形態の場合、誘導加熱コイル２４により加熱されて発熱源となる芯材の導電体２６と、前記導電体２６を被覆する耐熱性部材により構成されるパッケージ３２とより成る。導電体２６としては、例えば黒鉛（graphite）製品のようなもの、すなわち高抵抗で熱伝導率、耐熱性の高い部材を選択することが望ましい。本実施形態では、導電体２６として、黒鉛シートを採用することとした。

黒鉛シートは、耐熱性、熱伝導率が優れていながら、柔軟性、圧縮復元性等、他の黒鉛製品には無い特徴を有しており、隣接部材との密着性を良好に保つことができ、パッケージ部材との接触熱抵抗を改善することができるからである。また、圧縮復元性を有することより、詳細を後述するパッケージ３２中に収容した場合であっても、加熱時の膨張によりパッケージ３２を破壊する虞が無い。
なお、本実施形態に係る導電体２６は、図２に示すように、同心円上に配置される直径（半径）の異なる複数のリング状黒鉛シート群によってその体を成す。

パッケージ３２は、耐熱性部材、好適には、透光性を有する耐熱性絶縁体により構成されたベース２８と、同一部材により構成されたリッド（蓋体）３０とより成る。ベース２８とリッド３０とを同一部材とすることにより、両者の線膨張率が等しくなる。よって、加熱、あるいは冷却時における膨縮差により、両者間に剥離やクラックが生ずる虞が無くなる。

ここで、前記ベース２８は、例えば円板状に形成された石英から成り、その一主面には上述したリング状黒鉛シートを収容（嵌め込む）するための溝２９（２９ａ〜２９ｄ）を形成する。溝２９の形成は、切削、研削、エッチング等の他、溶融させた石英を型に流し込むモールディング等の手法によるものでも良い。年輪状に複数形成する円形の溝２９は、その全てがベース２８の中心を基点とする同心円となるようにする。

前記リッド３０は、前記ベース２８と同径の円板であれば良く、前記ベース２８に形成された溝２９の開口部を封止する役割を担う。
本実施形態に係る発熱体３４は、ベース２８に形成した溝２９に導電体２６であるリング状黒鉛シートを収容し、リング状黒鉛シートを収容した溝２９を覆うようにリッド３０を被せ、両者を接合することで構成される。ここで、ベース２８とリッド３０との接合方法としては、種々選択の余地はあるが例えば、直接接合による方法を挙げることができる。直接接合は接合強度が高いため、導電体２６が誘導加熱された際や、冷却時に生ずる歪みにより、ベース２８とリッド３０との間に剥離が生ずるといった不具合が生じ難い。

なお直接接合は、ベース２８とリッド３０の両者の接合面を平坦化し、真空チャンバ内で加熱、および加圧する事により達成される。また上述したように、黒鉛シートは、圧縮復元性を有するポーラスな構造体であるため、誘導加熱により加熱された場合であっても、パッケージ３２部材としてのベース２８とリッド３０を破壊する程に膨張する事が無い。
前記被加熱物４０としては、例えば半導体ウェハを挙げることができる。

上記のような発熱体３４を備えた誘導加熱装置１０を用いて被加熱物４０を加熱することによれば、各誘導加熱コイル２４による加熱ゾーン毎に導電体２６が分割されていることとなる。このため、発熱体３４における渦電流の発生領域は、分割された導電体２６の配置形状に沿って強制的に定められることとなる。また、導電体２６として設けるリング状黒鉛シートは、熱伝導性に優れており、リングの幅は円板状のグラファイトに比べて狭いため、加熱ゾーンとして対応する誘導加熱コイル２４の中心が、リング状黒鉛シートの中心に対して多少ズレていた場合であっても、加熱効率や温度分布に影響が出る事は無い。

このため、発熱体３４中の温度分布に偏りが生ずることが無く、被加熱物４０と発熱体３４との中心を合わせることにより、被加熱物４０を均等加熱することが可能となる。

また、本実施形態に係る発熱体３４は、導電体２６としてのリング状黒鉛シートを石英でパッケージングしているため、黒鉛シート（グラファイト）を加熱した際に飛散するパーティクルやコンタミネーション等が真空チャンバ内に生ずることが無い。このため、発熱体３４を真空チャンバ内に配置した上で被加熱物４０の加熱を行うことができ、発熱体３４と被加熱物４０とを近接させることが可能となる。つまり、被加熱物４０の加熱効率を向上させることができるのである。

さらに、導電体２６としての黒鉛シートと被加熱物４０との間には、薄肉（例えば０．５〜１．５ｍｍ程度）の石英層が介在されることとなるため、被加熱物４０は、リング状黒鉛シートからの放射熱の他、石英層を介して伝達される熱（熱伝達）によっても加熱されることとなり、被加熱物４０の加熱効率が向上する。

上記実施形態では、導電体２６としてリング状黒鉛シートを採用する旨記載した。しかしながら、本発明の発熱体を構成する上では、導電体２６を粉体黒鉛とし、これを溝に充填することでリング状の体を成すようにしても良い。石英により構成されたパッケージ３２のベース２８に、リング状の溝２９が形成されているため、ここに収容する導電体２６の形態については粉体、固体、液体等、それ自体の形態に影響される事なく形状維持を図ることができ、同様な効果を発揮することができるからである。

次に、本発明の誘導加熱装置用発熱体に係る第２の実施形態について図３を参照して説明する。なお、図３において図３（Ａ）は発熱体の断面図であり、図３（Ｂ）は発熱体の平面図である。

本実施形態に係る発熱体３４ａは、上記第１の実施形態に係る発熱体３４と異なり、導電体２６の上下を覆う石英層が無い。つまり、リング状に形成した導電体２６同士の隙間に、リング状、あるいは円板状の石英をスペーサ３１として配置することにより構成されるものである。

発熱体３４ａをこのような構成とした場合であっても、導電体２６の配置形態を保つ事が可能となる。ただし、上記のような構成の発熱体３４ａでは、導電体２６の上下面を覆う石英層が無いことにより、加熱時におけるパーティクルやコンタミネーションの飛散が危惧される。よって、本実施形態に係る発熱体３４ａを使用する際は、図４に示すように被加熱物４０を加熱する真空チャンバ５０と、誘導加熱コイル２４および発熱体３４ａを備えた加熱ユニット６０石英板等により分別する構成を採る誘導加熱装置１０ａを採用することが望ましい。

誘導加熱装置に対する発熱体の配置構成を示す図である。 発熱体の構成を示す分解斜視図である。 本発明に係る誘導加熱装置用発熱体に係る第２の実施形態を示す図である。 第２の実施形態に係る発熱体を採用する誘導加熱装置の例を示す図である。 従来の誘導加熱装置と発熱体の構成を示す図である。

符号の説明

１０………誘導加熱装置、１２………電源部、１４………コンバータ、１６………チョッパ、１８………インバータ、２０………三相交流電源、２２………共振コンデンサ、２４………誘導加熱コイル、２６………導電体、２８………ベース、２９………溝、３０………リッド、３２………パッケージ、３４………発熱体、４０………被加熱物。

Claims (6)

1. 被加熱物の主面と平行に配置された誘導加熱コイルと、前記被加熱物との間に配置される発熱体であって、
   前記誘導加熱コイルの配置形態に倣いつつ枠型に形成した複数の導電体と、
   前記複数の導電体同士の間隙を埋めつつ前記複数の導電体の配置形態を固定する耐熱性部材とより形成されることを特徴とする誘導加熱装置用発熱体。
2. 前記耐熱性部材により前記導電体の表裏面を覆ったことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置用発熱体。
3. 前記誘導加熱コイルは、中心から外側に向けて段階的に半径を大きく設定した円形のコイル部を有する複数のコイルにより構成され、
   前記導電体は、前記誘導加熱コイルにより定められる加熱ゾーン毎の範囲に合わせて形成されたリング型としたことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置用発熱体。
4. 前記耐熱性部材は、平板状の基板に対して前記導電体の形状に倣った形状、深さの溝を設けたベースと、
   前記導電体を前記溝に収容した後に前記溝を封止するリッドとより構成されることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置用発熱体。
5. 前記耐熱性部材は石英としたことを特徴とし、
   前記導電体は黒鉛シートとすると共に、
   前記ベースと前記リッドとの接合は直接接合により成すことを特徴とする請求項４に記載の誘導加熱装置用発熱体。
6. 導電性発熱体を埋め込み可能に形成された複数のリング状溝を有し、全体を石英により構成されたベースと、
   前記ベースに対してリッドとして接合される石英板とから成ることを特徴とする分割発熱体用パッケージ。

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