JP5173225B2

JP5173225B2 - 加熱システム

Info

Publication number: JP5173225B2
Application number: JP2007094193A
Authority: JP
Inventors: 淳也宮田; 仁坪川; 昭一稲見
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008251995A

Description

本発明は、加熱部材によって加熱される被加熱体の温度を推定しつつ加熱を行う加熱システムに関する。

ＦＰＤ（ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｉｓｐｌａｙ）の製造プロセスにおける、ガラス基板上にシリコン多結晶トランジスタを形成する技術は、近年、高機能化と微細化、処理対象基板の大型化がますます求められており、基板を加熱処理するための加熱プロセスについても、ますます高性能化が求められている。特に、高温かつ低コンタミを必要とする加熱プロセスでは、トランジスタ特性、特にしきい値電圧特性を直接左右する重要なプロセスとなっている。

この製造プロセスでは、歪み点が６５０℃前後という熱に弱いガラス基板を、６００〜７００℃の高温に加熱する必要がある。熱によるダメージを最小としながら、ガラス基板を高温まで加熱するには、ガラス基板の現在温度を非常に高い精度で制御しながら、このガラス基板を高温に加熱することができる加熱装置が必要である。例えば、下記特許文献１などには、半導体ウエハに行う酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニールおよび熱ＣＶＤ反応による成膜処理等について、被処理物すなわち半導体ウエハの現在の実際の温度を応答性よく計測することによって熱処理を適正に実施することができる半導体製造装置が記載されている。しかし、ガラス基板の現在温度を十分に高い精度で制御しながら、このガラス基板を高温に加熱することができる加熱装置については、従来提案されていなかった。

従来提案されているガラス基板用の加熱装置は、対象基板一枚ごとに加熱処理を行う枚葉式装置と、複数枚同時に加熱処理するバッチ式装置に分けることができ、加熱方式としては、枚葉式装置についてはランプ加熱方式と抵抗加熱方式、バッチ式装置については抵抗加熱方式が用いられてきた。

ランプ加熱方式では、発光波長の吸収係数の違いから、ガラス基板上の温度均一性に課題があり、抵抗加熱方式では、熱源の熱容量を小さくすることが困難なため、急速昇降温の性能に限界があった。このような事情に鑑み、本願特許出願人は、下記非特許文献１および２に示すように、高速昇降温特性、温度均一性、基板ダメージ抑制特性に優れた加熱処理システムとして、ゾーンコントロール誘導加熱システム（ＺｏｎｅＣｏｎｔｒｏｌＩｎｄｕｃｔｉｏｎＨｅａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）を提案している。このゾーンコントロール誘導加熱システムは、誘導加熱方式の優れた高速昇降温特性を活かし、さらに複数の誘導加熱コイルを独立で制御することにより、加熱対象物の温度均一性を確保するシステムである。下記非特許文献１および２では、このようなゾーンコントロールシステムをＦＰＤ用ガラス基板の加熱プロセスに応用することで、高速昇降温特性、温度均一性、基板ダメージ抑制特性に優れた高品質な基板加熱が可能になると記載されている。

特開２００４−６７３７号公報尾崎康、外３名、「誘導加熱方式による高速高精度ＦＰＤアニール装置の開発」、三井造船技報、Ｎｏ１８６、２００５年１０月、Ｐ２４−３１坪川仁、外３名、「ゾーンコントロール誘導加熱を用いた第４世代対応ＦＰＤ用高速加熱処理装置の開発」、三井造船技報、Ｎｏ１８９、２００６年１０月、Ｐ１７−２４

上記非特許文献１記載の、ゾーンコントロール誘導加熱システムを用いた加熱処理装置では、加熱炉に、被加熱対象であるガラス基板の近傍温度を計測する熱電対と、加熱部材であるグラファイト近傍温度を計測する熱電対とが備えられている。非特許文献１では、熱電対にて計測した炉内温度に応じて、誘導加熱のための高周波電流を調整すると記載されている。この際、熱電対で計測した基板近傍温度を対象基板の温度とみなし、熱電対で計測したグラファイト近傍温度をグラファイト温度とみなして、高周波電流を制御すると記載されている。しかし、熱電対で計測した基板近傍温度は対象基板とは相違しており、現在の基板温度を高精度に計測することはできない。実際、非特許文献１では、温度制御結果を詳細に確認するために、実際の処理対象基板に熱電対の接点を直接接触させて、基板温度を計測している。実際のＦＰＤ用製品基板では、製品の品質確保のため、熱電対の接点を直接接触させて加熱処理を行うことはできない。非特許文献１では、実際のＦＰＤ用ガラス基板を、特に短い時間で高温まで昇温させる加熱処理を行う場合、このガラス基板の温度を、リアルタイムで十分に高い精度で計測することはできていない。

また、上記非特許文献２記載の、ゾーンコントロール誘導加熱システムを用いた加熱処理装置でも、加熱炉に、炉内温度をリアルタイムに計測する熱電対が備えられている。そして、計測した炉内温度と、基板の実際の温度との相関から誘導加熱のための高周波電流を調整すると記載されている。例えば、モデル化したプロセスチャンバー内の温度変化に対する必要な出力を高速演算し、誘導加熱のための高周波電流を調整すると記載されている。具体的には、プロセスチャンバー内を３次元でモデル化し、輻射解析法による熱解析を行うと記載されている。そして、高速演算のために、通常のプロセスコントロールを行なうＰＬＣ＝ＰＭＣ（ＰｒｏｃｅｓｓＭｏｄｕｌｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に加え、独立して温度コントロールのみを行なうコントローラを設けると記載されている。上記非特許文献２では、基板温度をリアルタイムで高精度に制御するためには、高精度なモデルを予め作成しておくとともに、高機能な演算機能が必要であり、システム全体のコストは高くなるといえる。また、非特許文献２でも、温度制御結果を詳細に確認するためには、実際の処理対象基板に熱電対の接点を直接接触させて、基板温度を計測している。非特許文献２でも、実際のＦＰＤ用ガラス基板を、特に短い時間で高温まで昇温させる加熱処理を行う場合、このガラス基板の温度を、リアルタイムで十分に高い精度で計測することはできていない。

そこで、本発明は、上述の従来技術に基づく問題点を解消し、短い時間で高温まで昇温させる加熱処理を行う場合であっても、予め設定した温度条件に応じて、高精度に被加熱体の温度を制御することができる加熱システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、板状の被加熱体を加熱する加熱システムであって、前記被加熱体の表面が地面に対して略垂直になるように前記被加熱体の端部にのみ接触した状態で前記被加熱体を保持する保持部材と、前記被加熱体と離間して配置されると共に前記被加熱体の表面と略平行で且つ前記表面と対向した平面状の表面部分を有し、自身が発熱することで前記被加熱体を加熱する加熱部材と、前記被加熱体とは別に前記加熱部材と離間して、前記被加熱体の前記表面と前記加熱部材の前記平面状の表面部分との間に位置することなく前記被加熱体の端部近傍に配置され、前記加熱部材によって前記被加熱体とともに加熱される温度計測用ダミー部材と、前記温度計測用ダミー部材の板状の測温部分に直接接触して、前記温度計測用ダミー部材における接触位置の温度を計測する温度計測手段と、前記温度計測手段によって計測された、前記温度計測用ダミー部材における接触位置の温度情報を、前記被加熱体の推定温度情報として取得する温度情報取得手段と、前記温度情報取得手段が取得した前記温度計測用ダミー部材における前記接触位置の温度情報が表す前記被加熱体の推定温度に基いて、前記加熱部材の発熱の程度を制御することで、前記被加熱体の現在温度を調整する調整手段とを有し、前記温度計測用ダミー部材は、前記被加熱体の前記端部近傍において地面に対して略垂直に配置された管状の支持部材に取り付けられており、前記温度計測用ダミー部材の前記測温部分は、前記被加熱体に比べて前記加熱部材の前記平面状の表面部分により近い位置に配置され、前記加熱部材の前記平面状の表面部分に対して平行ではない所定の角度を有していることを特徴とする加熱システムを提供する。

なお、前記加熱部材は、前記被加熱体の一対の表面と略平行で且つ前記一対の表面と対向した平面状の一対の表面部分を有し、前記被加熱体の一対の表面を同時に加熱することが好ましい。
また、前記温度計測用ダミー部材の材質、前記温度計測用ダミー部材の形状、前記接触位置と前記加熱部材との距離、の少なくとも１つが、前記加熱部材による前記被加熱体の加熱特性に応じて設定されていることが好ましい。

また、前記加熱部材は、別途設けられた誘導コイルに電流が流れることで発生する誘導磁界によって発熱することが好ましい。

また、前記温度計測手段は、２種類の異なる導体線の各端点が接合されてなる熱電対を備えて構成されており、前記各端点の接合点が前記温度計測用ダミー部材に直接接触して、前記接触位置の温度を計測することが好ましい。

また、前記支持部材は、内部に管路を備え、前記温度計測用ダミー部材の取り付け位置の近傍に、前記管路から前記支持部材の外部に向けて貫通する貫通孔が設けられており、前記熱電対の前記導体線は、前記接合点を含む一部分を除く他の部分が前記管路に配置され、前記接合点を含む前記一部分が、前記管路から前記貫通孔を通り前記温度計測用ダミー部材に直接接触していることが好ましい。

また、前記被加熱体の材質はガラスであり、前記温度計測用ダミー部材の材質は石英であってもよい。この場合、前記温度計測用ダミー部材は、少なくとも表面が不透明であることが好ましい。

本発明の温度情報取得装置は、比較的低コストでありながら、加熱部材によって加熱される被加熱体の温度を、リアルタイムで高精度に推定することができる。また、本発明の温度情報取得装置を備えて構成される、本発明の加熱システムでは、予め設定した温度条件に応じて、昇温時、温度保持時、降温時など加熱プロセス全般において、被加熱体の温度を高精度に制御することができる。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の温度推定装置および加熱システムを詳細に説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の温度推定装置の一例を備えて構成される、本発明の加熱システムの一例である加熱システム１０について説明する図である。図１（ａ）は、加熱システム１０の加熱ユニット１２の概略上面断面図を示し、図１（ｂ）は、加熱システム１０全体の概略正面断面図を示し、図１（ｃ）は、加熱システム１０の加熱ユニット１２の概略側面断面図を示している。図１に示す加熱システム１０は、上述のゾーンコントロール誘導加熱システム（ＺｏｎｅＣｏｎｔｒｏｌＩｎｄｕｃｔｉｏｎＨｅａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）を採用した加熱システムであり、例えば、いわゆる第４世代の基板サイズ（７３０ｍｍ×９２０ｍｍ）の、複数のガラス基板に対して、枚葉式に連続して加熱処理を行うための装置である。

加熱システム１０は、例えば、ＦＰＤ（ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｉｓｐｌａｙ）製造プロセスにおいて、ガラス基板上にシリコン多結晶トランジスタを形成する際に用いられる。より詳しくは、主に不純物（ＰおよびＢ）活性化工程（シート抵抗値の低減工程）などに使用される。この不純物活性化工程は、基板を加熱した後、所定の温度で一定時間保持し、その後冷却することで行なわれる。不純物の活性化の程度（シート抵抗の変動）は、昇温、温度保持、冷却、の一連の温度プロファイル（時系列の温度変動）によって左右される。この不純物活性化工程の特徴として、温度保持時間（昇温による到達した所定の温度で保持している時間）によるシート変動は極めて微小であること、到達した温度がシート抵抗に及ぼす影響は多大であること、４５０℃以下の比較的低温ではシート抵抗値の低減に寄与しないこと、などが挙げられる。このような特徴から、不純物活性化工程（シート抵抗値の低減工程）では、昇温、温度保持、冷却、の一連の処理時間が短くても、比較的高温に到達させることができれば，シート抵抗は低下するといえる。すなわち、歪み点が６５０℃前後という熱に弱いガラス基板の熱耐性を考慮しながら、複数のガラス基板のシート抵抗を効率的に下げるためには、高速に（すなわち短時間で）昇温させて、所定の温度で短時間保持したのち、高速に（すなわち短時間で）降温させることが好ましいといえる。このように、ガラス基板の熱耐性を考慮し、高速昇温、短時間保持、高速降温を行なう場合、特に、昇温中の基板の温度プロファイルは、不純物の活性化の程度（シート抵抗の変動）に多大な影響を与える。本発明の加熱システムの一例である加熱システム１０は、比較的大型なガラス基板であっても、高速昇温、短時間保持、高速降温を実現するとともに、特に、昇温中の基板の温度プロファイルを高精度に制御する。

加熱システム１０は、加熱ユニット１２と制御ユニット１４とを有して構成されている。加熱ユニット１２は、略矩形の筐体２２内に、コイルユニット２４で囲まれた石英チャンバ２６が配置されている。石英チャンバ２６の内部には、石英チャンバ２６の内壁面に沿って、上断面が長円形状のグラファイト加熱源２８が配置されている。コイルユニット２４は複数の部分コイル２４ａ〜２４ｅからなり、各部分コイル２４ａ〜２４ｅは、それぞれ、石英チャンバ２６を介してグラファイト加熱源２８を囲むよう、配置されている。なお、複数の部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれの、図１（ｂ）および（ｃ）中の上下には、各コイルによって発生する磁力線が外に漏れることがないように、図示しない磁気シールド板が配置される。各部分コイル２４ａ〜２４ｅは例えばシームレス鋼管からなり、図示しない水冷機構によって、磁気シールドと共に水冷される。各部分コイル２４ａ〜２４ｅは、制御ユニット１４を構成する整合ユニット４０の各整合器４０ａ〜４０ｅを介し、制御ユニット１４を構成するインバータユニット４２の各インバータ４２ａ〜４２ｅと、それぞれ接続されている。各部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれには、各整合器を介して接続された各インバータから、高周波電流が供給される。各部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれは、電流が流れることで磁界を発生する。この磁界によってグラファイト加熱源２８に誘導電流が生じることで、加熱部材であるグラファイト加熱源２８は発熱する。この際、各部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれに流れる電流によって発生する磁界それぞれに応じて、グラファイト加熱源２８の、各部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれに対応する部分領域がそれぞれ発熱する。

また、石英チャンバ２６の図１（ｂ）および（ｃ）中の下側は開口しており、この開口を通過して、外部から延びたインジェクター管３０、３２、基板用熱電対保護管３４（以下、第１保護管３４とする）、過昇温検知用熱電対保護管３６（以下、第２保護管３６とする）が、石英チャンバ２６の内部に配置されている。インジェクター管３０、３２は、図示しないガス供給機構と接続されており、ガス供給機構から供給されるガスを、石英チャンバ２６内に導入する。供給するガスの種類は、加熱処理プロセスに応じて選択すればよく、例えば、不純物活性化工程（シート抵抗値の低減工程）では、窒素などの不活性ガスを導入すればよく、ｐ−Ｓｉの結晶欠陥の改善を行なう場合など、水素ガスを導入すればよい。また、第１保護管３４の内部には基板用熱電対５０ａ〜５０ｅ（以下、第１の熱電対５０ａ〜５０ｅとする）が配置されており、第２保護管３６の内部には過昇温検知用熱電対６０ａ〜６０ｅ（以下、第２の熱電対６０ａ〜６０ｅとする）が配置されている。第１保護管３４、第２保護管３６、および、第１の熱電対５２、第２の熱電対５４については、後に詳述する。

筐体２２は、図１（ｂ）および（ｃ）中の下側に、石英チャンバ２６の開口に対応した開口を有している。加熱システム１０は、また、図示しないハンドリングロボットなどの昇降手段によって図１（ｂ）および（ｃ）中の上下方向に移動可能な例えばＳＵＳ製のボード３８と、このボード３８に固定された石英サセプタ３９とを備えている。被加熱体であるガラス基板１１は、この石英サセプタ３９に配置されて、ボード３８の移動によって、筐体２２および石英チャンバ２６の開口から、石英チャンバ２６の内部に導入される。ガラス基板１１が石英チャンバ２６の内部に導入された状態では、筐体２２および石英チャンバ２６の開口は、ボード３８によって閉じられる。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、加熱システム１０では、例えば７３０ｍｍ×９２０ｍｍサイズの大型のガラス基板１１を、基板面が地面に対して略垂直になるように設置する。加熱システム１０では、基板面が地面に対して略垂直になるように設置されたガラス基板１１を、各部分コイル２４ａ〜２４ｅを流れる高周波電流に応じて発熱したグラファイト加熱源２８からの輻射熱、および、石英チャンバ２６内に導入されたガスなどの気体を介して伝わる熱伝導によって加熱する（なお、輻射熱が支配的である）。この際、グラファイト加熱源２８の、各部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれに対応する部分領域の発熱それぞれに応じて、ガラス基板１１の、各部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれに対応する領域が加熱される。すなわち、各部分コイル２４ａ〜２４ｅに供給される高周波電流それぞれの大きさに応じて、ガラス基板１１の、各部分コイル２４ａ〜２４ｅそれぞれに対応する領域の加熱の程度が定まる。

加熱システム１０では、基板面が地面に対して略垂直になるようにガラス基板を設置するので、ガラス基板１１を、ガラス基板の表裏２つの基板面それぞれから同時に加熱することができる。また、図１（ｂ）に示すように、石英サセプタ３９が、基板端部にのみ接触した状態でガラス基板１１を保持できるので、ガラス基板１１を基板面が地面と略平行になるように支持した場合（この場合、基板の裏面の複数箇所を支持する必要がある）に比べて、基板裏面の傷が発生しにくい。また、石英サセプタ３９が接触することによって不可避的に生じる加熱むらが、基板の端部部分のみに限定されるといった効果もある。また、ガラス基板１１の表面にパーティクルが発生しにくいといった効果もある。

図２は、図１（ａ）中の一部を拡大して示す図である。また、図３（ａ）および（ｂ）は、第１保護管３４および第１の熱電対５０ａ〜５０ｅについて説明する図である。図３（ａ）は第１保護管３４の概略斜視図であり、図３（ｂ）は第１保護管３４の概略上面断面図である。図３（ａ）に示すように、第１保護管３４は、内部に管路６２を有する石英製の管状部材である。第１保護管３４には、複数のダミー板部材６６ａ〜６６ｅが、それぞれ取り付けられている。

ここで、ダミー部材６６ａ〜６６ｅそれぞれの図中上下方向の位置は、部分コイル２４ａ〜２４ｅにそれぞれ対応する位置となっている。ダミー部材６６ａ〜６６ｅは、部分コイル２４ａ〜２４ｅに高周波電流が流れることで発熱したグラファイト加熱源２８からの輻射熱、および熱伝導によって加熱される。すなわち、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの現在温度（より詳しくは、後述する測温部分７６ａ〜７６ｅの各温度）は、部分コイル２４ａ〜２４ｅに対応する部分のグラファイト加熱源２８の温度、ひいては、部分コイル２４ａ〜２４ｅに流れる高周波電流に応じて定まる。部分コイル２４ａ〜２４ｅに流れる高周波電流が変化すれば、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの現在温度も変化する。

加熱システム１０では、このダミー部材６６ａ〜６６ｅの材質や形状、また、後述する第１の熱電対５０ａ〜５０ｅの各接点５１ａ〜５１ｅとガラス基板１１との距離などが、グラファイト加熱源２８によるガラス基板１１の加熱特性に応じて調整されている。より具体的には、グラファイト加熱源２８によって加熱されるダミー部材６６ａ〜６６ｅの現在温度（より詳しくは、後述する測温部分７６の温度）が、同じくグラファイト加熱源２８によって加熱されるガラス基板１１の、各ダミー部材６６ａ〜６６ｅに対応する部分の現在温度と、それぞれ略一致するように、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの材質や形状、配置、加熱部材であるガラス基板１１との距離などが調整されている。すなわち、加熱システム１０では、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの現在温度（より詳しくは、後述する測温部分７６の温度）の計測値は、ガラス基板１１の所定部分の温度とみなすことができる。加えて、上述のように、部分コイル２４ａ〜２４ｅに流れる高周波電流を調整して、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの現在温度（より詳しくは、後述する測温部分７６の温度）を調整することで、ガラス基板１１の所定部分の温度を調整することができる。

以下、図３（ａ）および（ｂ）を用いて、ダミー部材６６ａ〜６６ｅを代表して、ダミー部材６６ａの詳細について説明する。ダミー部材６６ｂ〜６６ｅのいずれも、ダミー部材６６ａと同様の構成となっている。ダミー部材６６ａは、円筒状の土台部７２ａから、板状部７４ａが突出した形状となっている。板状部７４ａのうち、突出端側に近い測温部分７６ａは、板状部７４ａのその他の部分に比べて板厚が薄くなっている（この理由については、後述する）。ダミー部材６６ａは、円筒状の土台部７２の内側に第１保護管３４を通し入れた状態で、固定ピン６９によって、第１保護管３４上の所定の位置に固定されている。

第１保護管３４には、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの取り付け位置の近傍それぞれに、管路６２から第１保護管３４の外部に向けて貫通する貫通孔７８ａ〜７８ｅが設けられている。第１保護管３４の管路６２には、第１の熱電対５０ａ〜５０ｅが、それぞれ通し入れられている。第１の熱電対５０ａ〜５０ｅは、それぞれ２種類の異なる導体線の各端点が接合されてなる公知の熱電対である。第１の熱電対５０ａ〜５０ｅは、接合点５１ａ〜５１ｅを含む一部分を除く他の部分が、管路６２内に配置されている。以下、第１の熱電対５０ａ〜５０ｅを代表して、第１の熱電対５０ａについて説明する。第１の熱電対５０ａの、接合点５１ａを含む一部分は、それぞれ、管路６２内から貫通孔７８ａを通過して、ダミー部材６６ａの測温部分７６ａに直接接触して固定されている。第１の熱電対５０ａの導体線はセラミックコーティングされて、耐熱性や耐食性が確保されるとともに、炉内へのメタルコンタミも防止される。第１の熱電対５０ａには、ダミー部材６６ａの測温部分７６ａの温度に応じた熱起電力が発生する。第１の熱電対５０ａは、制御ユニット１４の制御装置４４と接続されており、第１の熱電対５０ａに生じた熱起電力が制御装置４４によって検出される。このようにして、制御装置４４は、測温部分７６ａの現在温度情報を得る。上述したように、制御装置４４が取得した測温部分７６ａの現在温度の情報は、ガラス基板１１の所定部分（部分コイル２４ａに対応する部分）の温度、すなわちガラス基板１１の所定部分の温度の推定値とみなすことができる。

ダミー部材６６ａ〜６６ｅの材質として、具体的には、表面が不透明な石英板を用いている。材質として石英を用いるのは、石英は熱衝撃に強く、熱による膨張や変形が殆どなく、高温でもアウトガスなどの不純物を殆ど発生しないなどの特性があるからである。一方、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度それぞれが、ガラス基板１１の所定部分の温度と略一致するには、ダミー部材６６ａ〜６６ｅは、グラファイト加熱源２８からの輻射によって、ある程度十分に加熱される必要がある。すなわち、各測温部分７６ａ〜７６ｅは、グラファイト加熱源２８から輻射される赤外線を、ある程度十分に吸収する必要がある。例えば、グラファイト加熱源２８から輻射される一般的な赤外線のピーク波長の範囲である、２．５〜４．１（μｍ）の波長領域では、ガラスの吸収率に比べて、透明な石英の吸収率の方がより低い。すなわち、グラファイト加熱源２８から輻射される一般的な赤外線によって、ガラス基板１１と透明な石英基板とを同時に加熱しても、透明な石英基板の方が加熱され難い。結果、グラファイト加熱源２８から輻射される一般的な赤外線によって、ガラス基板１１と透明な石英基板とを同時に加熱しても、透明な石英基板の方が、現在温度は著しく低くなってしまう。これに対し、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの材質として、表面が不透明な石英板を用いると、グラファイト加熱源２８によって、ガラス基板１１と各測温部分７６ａ〜７６ｅとを同時に加熱した際、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度を、ガラス基板１１の各所定部分の現在温度に、より近づけることができる。上述の説明からも容易に理解されるように、本明細書において不透明とは、加熱部材から輻射される赤外線を、ある程度吸収する状態をいう。なお、表面が不透明な石英として、例えばサンドブラスト処理等によって透明石英の表面を粗面化したものを用いてもよい。また、微細な気泡が多数混入されて内部まで不透明化された石英を用いてもよい。

また、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの大きさや材質なども、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度が、ガラス基板１１の所定位置の現在温度により近づくよう調整されている。例えば、ガラス基板１１の熱容量に応じて、ダミー部材６６ａ〜６６ｅが適当な熱容量となるよう、各測温部分７６ａ〜７６ｅの基板面の大きさや厚さなどが調整されている。本実施形態では、各測温部分７６ａ〜７６ｅの熱容量がなるべく小さくなるよう、板状部７４ａ〜７４ｅのその他の部分に比べて、各測温部分７６ａ〜７６ｅの厚さを小さくしている。例えば、被加熱体であるガラス基板の厚さをｔとしたとき、各測温部分の厚さは０．７ｔ〜１．２ｔであることが好ましい。

また、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの配置位置も、それぞれ調整されている。加熱システム１０において、被加熱体であるガラス基板１１は、端部以外の領域が、グラファイト加熱源２８によって均一に加熱されることが望まれる。このため、グラファイト加熱源２８の平面状の表面部分２９とガラス基板１１との間隙には、余分な部材が配置されていないことが望まれる。図１（ａ）および図２に示すように、加熱部材であるグラファイト加熱源２８は、被加熱体であるガラス基板１１の基板面と略平行な、ガラス基板１１の基板面と対向した平面状の表面部分２９を有している。加熱システム１０では、ガラス基板１１の基板面を地面と略垂直に配置するので、石英サセプタ３９によってガラス基板１１の端部のみを接触支持しており、グラファイト加熱源２８の表面部分２９とガラス基板１１との間隙に余分な部材を配置することなく、ガラス基板１１の両面を同時に加熱することを可能としている。一方、加熱システム１０では、グラファイト加熱源２８の表面部分２９とガラス基板１１との間隙に、余分な部材を配置しないために、インジェクター管３０、３２、第１保護管３４、第２保護管３６などは、ガラス基板１１の端部の近傍にあたる、石英チャンバ２６内の一部分（図２中に破線で示す集中配置領域Ｓ）に集中して配置せざるを得ない。

加熱システム１０では、このように、それぞれがある程度の熱容量を有する部材が一部分に集中して配置されるので、石英チャンバ２６内部の、この集中配置領域Ｓの近傍は、石英チャンバ２６内の他の部分と比べて温度が上昇しにくい。さらに、インジェクター管３０、３２は、外部からガスが供給されることで冷却されるとともに、インジェクター管３０、３２から石英チャンバ３２に導入されたガスによって、インジェクター管３０、３２の周囲も冷却されやすい。また、特に、石英サセプタ３９は、大型のガラス基板を確実に保持するために、柱の直径などがある程度大きい必要があり、熱容量も高い。したがって、石英サセプタ３９は、その構造上、温度が比較的上昇し難い。このような種々の理由によって、集中配置領域Ｓの近傍は、石英チャンバ２６内の他の部分、特に被加熱体であるガラス基板１１と比べて温度が上昇しにくい。ダミー部材６６ａ〜６６ｅの各測温部分７６ａ〜７６ｅが、この集中配置領域Ｓに位置していると、各測温部分７６ａ〜７６ｅは、少なくともガラス基板１１と比較して、温度が上昇し難くなる。加熱システム１０では、特殊な材質のダミー部材を用いたり、特別な形状のダミー部材を用いることなく、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度が、ガラス基板１１の所定位置の現在温度により近づくよう、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの各測温部分７６ａ〜７６ｅを、集中配置領域Ｓから離れた、グラファイト加熱源２８により近い位置に配置している。特に、各測温部分７６ａ〜７６ｅに固定された、第１の熱電対５０ａ〜５０ｅの接合点５１ａ〜５１ｅの位置を、集中配置領域Ｓから離れた、グラファイト加熱源２８により近い位置に配置している。これにより、加熱システム１０では、例えば石英以外の高価な材質のダミー部材を用いたり、単なる板状ではない作製が困難な特殊な形状のダミー部材を用いる必要がなく、装置コストを比較的低く抑えている。例えば、各測温部分７６ａ〜７６ｅにおける、第１の熱電対５０ａ〜５０ｅの接合点５１ａ〜５１ｅそれぞれは、加熱源２８から５ｍｍ以内の位置（ただし接触しない位置）にあることが好ましい。

なお、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの各測温部分７６ａ〜７６ｅそれぞれと、グラファイト加熱源２８の平面状の表面部分２９（ガラス基板１１の基板面と対向した表面部分）とは単に平行ではなく、各測温部分７６ａ〜７６ｅそれぞれと、グラファイト加熱源２８の表面部分２９とは、一定の角度を有して配置されている。ダミー部材６６ａ〜６６ｅの各測温部分７６ａ〜７６ｅそれぞれと、グラファイト加熱源２８の平面状の表面部分２９とが平行の場合、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの各測温部分７６ａ〜７６ｅはグラファイト加熱源２８からの放射および輻射熱を垂直に受ける。この場合、ダミー部材６６ａ〜６６ｅは、ガラス基板１１に比べてグラファイト加熱源２８により近い位置に配置しているので、加熱条件によっては、各測温部分７６ａ〜７６ｅの温度はガラス基板１１よりも高くなってしまうことがある。本実施形態においては、各測温部分７６ａ〜７６ｅそれぞれと、グラファイト加熱源２８の表面部分２９とを、一定の角度範囲で調整されているので、加熱部材からの空気伝熱や輻射熱の程度を調整（単に基板に平行に配置した場合と比べて、受ける熱量を低減）することができる。各測温部分それぞれの表面と、加熱部材の表面（被加熱体の基板面と対向した表面）とのなす角θは、例えば５．０（°）〜６０（°）であることが好ましい。

以上述べたように、加熱システム１０では、グラファイト加熱源２８によってガラス基板１１と各測温部分７６ａ〜７６ｅとを同時に加熱した際、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度が、ガラス基板１１の現在温度に高い精度で一致するよう、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの材質や形状や配置、加熱部材であるガラス基板１１との距離などの種々の要素が、高い精度で調整されている。

一方、石英チャンバ２６内の第２の保護管３６には、第２の熱電対６０ａ〜６０ｅが配置されている。この第２の熱電対６０〜６０ｅは、制御装置４４に接続されている。制御装置４４は、加熱処理を行っている最中、第２の熱電対６０ａ〜６０ｅそれぞれの計測温度を常時（例えば一定の時間間隔で連続して）取得する。加えて、制御装置４４は、加熱処理を行っている最中、取得した第２の熱電対６０ａ〜６０ｅそれぞれの計測温度に基き、石英チャンバ２６内の温度が、所定の温度以上に昇温しているか否かを判定する。所定の温度の一例として、例えば、ガラス基板１１に歪みが生ずる温度にガラス基板１１自身が到達した場合に、第２の熱電対６０ａ〜６０ｅの接点が到達する温度が挙げられる。または、所定の温度の他の例として、石英チャンバ２６内のその他の部材に異常が発生する温度にこの部材が到達する場合に、第２の熱電対６０ａ〜６０ｅの接点が到達する温度などが挙げられる。

この所定の温度は、制御装置４４内のメモリに予め設定記憶されている。制御装置４４は、第２の熱電対６０ａ〜６０ｅによる計測温度が、この所定の温度以上になった場合、例えば、各部分コイル２６ａ〜２６ｅに対する高周波電流の供給を停止することで、ガラス基板１１や石英チャンバ２６内の部材に不具合が発生することを防止する。このように、第２の保護管３６および第２の熱電対６０ａ〜６０ｅは、プロセスに用いる材料基板や装置の保守のために設けられている。第２の熱電対６０ａ〜６０ｅによる計測値は、石英チャンバ２６内の特定部分（ガラス基板１１や、その他の部材）の温度に対し、第１の熱電対５０ａ〜５０ｅによる計測値ほど高精度に一致している必要はない。例えば、図４に示すように、加熱システム１０の第２の保護管３６に設けた貫通孔８２ａ〜８２ｅ付近に、第２の保護管３６に通し入れた第２の熱電対６０ａ〜６０ｅの接点をそれぞれ接触させた構成としてもよい。また、図３に示す第１の保護管３４および第１の熱電対５０ａ〜５０ｅと同様の構成としてもよい。

加熱システム１０では、このように、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの現在温度（より詳しくは測温部分７６の温度）を計測することで、ガラス基板１１の所定部分の温度情報の推定値を取得することができる。加熱システム１０では、さらに、制御ユニット１４によって、部分コイル２４ａ〜２４ｅに流れる高周波電流を調整して、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの現在温度（より詳しくは、後述する測温部分７６ａ〜７６ｅの温度）を調整することで、ガラス基板１１の所定部分の温度を調整する。

制御ユニット１４は、整合ユニット４０、インバータユニット４２、制御装置４４、入力器４６とを備えて構成されている。制御装置４４は、例えば図示しないＣＰＵやメモリを備える公知のコンピュータである。制御装置４４には、外部からオペレータが入力器４６を操作することで、加熱処理における温度制御条件（昇温や温度保持や降温などのプロセス条件）や、ガス流量の条件などを入力することができ、この温度制御条件をメモリに記憶しておくことができる。制御装置４４は、この温度制御条件に応じて、ガラス基板１１の加熱処理における、ガラス基板温度の加熱状態を制御する。制御装置４４は、また、上述のハンドリングロボットなどの図示しない昇降手段や、図示しないガス供給機構などとも接続されており、ガラス基板１１の石英チャンバ２６内への搬送、石英チャンバ２６内へのガス供給、加熱処理、石英チャンバ２６内からのガラス基板１１の搬出など、ガラス基板１１のプロセス全体において各部の動作を制御する。

以下、加熱システム１０において実施するガラス基板１１の加熱処理とともに、制御ユニット１４の機能について説明する。ガラス基板１１を加熱している最中、制御装置４４は、上記第１の熱電対５０ａ〜５０ｅによって計測される、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度の情報を、リアルタイムに順次取得する。各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度の情報は、ガラス基板１１の所定部分（各コイル２４ａ〜２４ｅにそれぞれ対応する部分）の温度情報とみなせる。制御装置４４は、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在の温度情報が、それぞれ予め設定された温度条件に応じた温度となるよう、インバータユニット４２の各インバータ４２ａ〜４２ｅの動作をそれぞれ制御する。すなわち、加熱システム１０では、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度の情報をリアルタイムで計測し、取得した現在の温度情報が、昇温や温度保持や降温などの、予め定められた処理温度条件における設定温度に応じた温度となるよう、各インバータ４２ａ〜４２ｅからの高周波電流の出力を調整する、フィードバック制御を行なう。

各インバータ４２ａ〜４２ｅは、整合ユニット４０の各整合器４０ａ〜４０ｅと、それぞれ接続されている。高性能な温度制御を行なうためには、各インバータ４２ａ〜４２ｅの出力範囲は広く自由度がある方がよいが、実際にはインバータの能力、コイルの相互誘導などのために出力範囲には限界がある。そこで、所望の温度条件から要求される仕様が満足できるよう、共振回路のマッチングをとるための整合ユニット４０を設けている。各整合器４０ａ〜４０ｅは、図示しないコンデンサ、リアクトル、トランスなどから構成されており、これらを組み合わせて、電流ロスを最小とするマッチング回路を構成している。加熱システム１０では、このような制御ユニット１４によって、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度の情報をリアルタイムで計測し、取得した現在の温度情報が、昇温や温度保持や降温などの処理温度条件に応じた温度となるよう、各インバータ４２ａ〜４２ｅからの高周波電流の出力を調整するフィードバック制御を行なうことで、ガラス基板１１の温度を予め設定した処理温度条件に応じた温度に設定する。

上述したように、加熱システム１０では、ダミー部材６６ａ〜６６ｅの材質や形状、配置、加熱部材であるガラス基板１１との距離などの種々の要素が、高い精度で調整されており、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度が、ガラス基板１１の現在温度に高い精度で一致する。例えば、このような加熱部材を用いず、石英チャンバ２６内の所定位置の温度に基いて、ガラス基板１１の温度を演算して求めるためには、チャンバ内を再現する複雑な３次元モデルを予め作成したり、この演算を高速に行なうための高価な専用装置などを用意する必要がある。加熱システム１０では、各測温部分７６ａ〜７６ｅの現在温度の情報を、ガラス基板１１の各所定部分の温度情報とみなせるよう、このように複雑なモデルを予め作製する必要ななく、また、複雑な演算処理を高速で実施するための高価な専用装置などを用意する必要がない。加熱システム１０では、比較的低コストでありながら、予め設定した温度条件に応じて、昇温時、温度保持時、降温時など加熱処理全般において、被加熱体の温度を高精度に制御することができる。

以上、被加熱体としてガラス基板を加熱する場合について説明したが、本発明において被加熱体は特に限定されない。例えば、半導体ウエハの加熱処理においても、本願発明を好適に用いることができる。また、加熱方式も、ゾーンコントロール誘導加熱システムに代わって、ランプ加熱方式や抵抗加熱方式を用いてもよく、特に限定されない。その他の種々の要件についても、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

図５は、本願発明の温度情報取得手段で取得される温度情報の一実施例を、比較例とともに示すグラフである。図５に示すグラフは、より詳しくは、加熱システム１０を用いて７３０ｍｍ×９２０ｍｍのサイズのガラス基板を加熱した際、加熱システム１０の第１の熱電対を用いて計測された温度情報のグラフであり、複数の第１の熱電対のうちガラス基板の中央部に最も近い位置の熱電対（すなわち、第１の熱電対５０ｃ）によって計測された温度情報である。ただし、図５に示すグラフは、制御装置４４が上記フィードバック制御を行なわず、予め設定された温度条件（時系列の温度プロファイル）に基いて一義的に定められた条件（プリセット条件）に応じて、各インバータから各部分コイルに高周波電流を時系列に出力して、ガラス基板を加熱した結果である。なお、図５には、第１の熱電対５０ｃと同様の熱電対の接点を、ガラス基板の中央部に直接接触させて計測した、実際のガラス基板の温度情報のグラフも同時に示している。また、比較例として、温度計測用ダミー部材を用いずに、石英チャンバ２６内の所定位置の温度を計測して得られた温度情報も、併せて示している。具体的には、図４に示す、加熱システム１０の第２の保護管３６に設けた貫通孔８２ｃ付近に、第２の熱電対６０ｃの接点６１ｃを接触させて計測した温度情報を、併せて示している。なお、本明細書においては、グラフの区別を明確とするために「比較例」として記載しているが、この「比較例」なる記載は、図４に示す温度情報取得手段が、本願発明の範囲外であることを示唆するものではない。

図５に示すように、実際の基板温度が急速に上昇している最中であっても、本願発明の温度情報取得手段によって取得した温度情報は、実際の基板温度と高精度に一致している。特に、実施例として示している、板状のダミー部材を用いて取得した温度情報は、非常に高い精度で一致している。このように、本発明の温度情報取得装置を用いれば、比較的大型なガラス基板を高速に昇温させる場合であっても、加熱処理中の基板温度、特に、昇温中の基板の温度プロファイルを高精度に制御することができる。なお、図５に示すグラフでは、温度保持中については、本願発明によって取得された温度情報は、実際の基板温度と若干の差が認められる。これは、ダミー部材の材質、大きさ、位置などが、特に高速昇温時の加熱特性に一致するように調整されているからであると考えられる。より具体的には、温度保持中は、高速昇温時と比較してグラファイト温度が低くなるので、ダミー基板とガラス基板との熱容量の違いなどに応じて、放熱と吸熱のバランスが、高速昇温時と異なってくるためであると考えられる。ただし、温度保持中も、実際の基板温度との誤差は一定のレベルに保たれているため、実際の基板温度を比較的高い精度で推定し、必要に応じて実際の基板温度を所望の温度に補正することは容易であると考えられる。本願発明の温度情報取得装置を用いることで、不純物の活性化工程（シート抵抗の低減工程）における基板温度を、十分な精度でリアルタイムにモニタリング（確認）することができる。

図６は、本願発明の加熱システムにおいて取得される温度情報の他の実施例を、比較例とともに示すグラフである。図６に示すグラフでも、図５に示すグラフと同様、加熱システム１０を用いて７３０ｍｍ×９２０ｍｍのサイズのガラス基板を加熱した際、加熱システム１０の第１の熱電対を用いて計測された温度情報のグラフであり、複数の熱電対のうちガラス基板の中央部に最も近い位置の熱電対（すなわち、第１の熱電対５０ｃ）によって計測された温度情報である。図６に示すグラフは、制御装置４４が、第１の熱電対５０ｃによって計測された温度情報（すなわち、図６に示す値そのもの）を受け取り、この受け取った温度情報に基づいて高周波電流の制御を行なった（フィードバック制御を行なった）結果である。図６に示すように、本願発明により、比較的大型なガラス基板を加熱して、基板温度を急速に昇温させる場合でも、加熱処理中の基板温度、特に、昇温中の基板の温度プロファイルを高精度に制御することが確認できた。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の温度情報取得装置の一例を備えて構成される、本発明の加熱システムの一例について説明する図であり、（ａ）は加熱ユニットの概略上面断面図、（ｂ）は加熱システム全体の概略正面断面図、（ｃ）は加熱ユニットの概略側面断面図を示す。図１（ａ）中の一部を拡大して示す図である。（ａ）および（ｂ）は、図１に示す加熱システムを構成する、第１保護管および第１の熱電対について説明する図であり、（ａ）は第１保護管の概略斜視図、（ｂ）は第１保護管の概略上面断面図である。図１に示す加熱システムを構成する、第２保護管および第２の熱電対について説明する概略斜視図である。本発明の温度情報取得装置で取得される温度情報の一実施例を、比較例とともに示すグラフである。本発明の温度情報取得装置で取得される温度情報の他の実施例を、比較例とともに示すグラフである。

符号の説明

１０加熱システム
１１ガラス基板
１２加熱ユニット
１４制御ユニット
２２筐体
２４コイルユニット
２４ａ〜２４ｅ部分コイル
２６石英チャンバ
２８グラファイト加熱源
２９表面部分
３０、３２インジェクター管
３４基板用熱電対保護管（第１保護管）
３６過昇温検知用熱電対保護管（第２保護管）
３８ボード
３９石英サセプタ
４０整合ユニット
４０ａ〜４０ｅ整合器
４２インバータユニット
４２ａ〜４２ｅインバータ
５０ａ〜５０ｅ基板用熱電対（第１の熱電対）
５１ａ〜５１ｅ接点
６０ａ〜６０ｅ過昇温検知用熱電対（第２の熱電対）
６２管路
６６ａ〜６６ｅダミー部材
６９固定ピン
７２ａ〜７２ｅ土台部
７４ａ〜７４ｅ板状部
７６ａ〜７６ｅ測温部分
７８ａ〜７８ｅ、８２ａ〜８２ｅ貫通孔

Claims

板状の被加熱体を加熱する加熱システムであって、
前記被加熱体の表面が地面に対して略垂直になるように前記被加熱体の端部にのみ接触した状態で前記被加熱体を保持する保持部材と、
前記被加熱体と離間して配置されると共に前記被加熱体の表面と略平行で且つ前記表面と対向した平面状の表面部分を有し、自身が発熱することで前記被加熱体を加熱する加熱部材と、
前記被加熱体とは別に前記加熱部材と離間して、前記被加熱体の前記表面と前記加熱部材の前記平面状の表面部分との間に位置することなく前記被加熱体の端部近傍に配置され、前記加熱部材によって前記被加熱体とともに加熱される温度計測用ダミー部材と、
前記温度計測用ダミー部材の板状の測温部分に直接接触して、前記温度計測用ダミー部材における接触位置の温度を計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段によって計測された、前記温度計測用ダミー部材における接触位置の温度情報を、前記被加熱体の推定温度情報として取得する温度情報取得手段と、
前記温度情報取得手段が取得した前記温度計測用ダミー部材における前記接触位置の温度情報が表す前記被加熱体の推定温度に基いて、前記加熱部材の発熱の程度を制御することで、前記被加熱体の現在温度を調整する調整手段と
を有し、
前記温度計測用ダミー部材は、前記被加熱体の前記端部近傍において地面に対して略垂直に配置された管状の支持部材に取り付けられており、
前記温度計測用ダミー部材の前記測温部分は、前記被加熱体に比べて前記加熱部材の前記平面状の表面部分により近い位置に配置され、前記加熱部材の前記平面状の表面部分に対して平行ではない所定の角度を有していることを特徴とする加熱システム。
前記加熱部材は、前記被加熱体の一対の表面と略平行で且つ前記一対の表面と対向した平面状の一対の表面部分を有し、前記被加熱体の一対の表面を同時に加熱する請求項１記載の加熱システム。
前記温度計測用ダミー部材の材質、前記温度計測用ダミー部材の形状、前記接触位置と前記加熱部材との距離、の少なくとも１つが、前記加熱部材による前記被加熱体の加熱特性に応じて設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の加熱システム。
前記加熱部材は、別途設けられた誘導コイルに電流が流れることで発生する誘導磁界によって発熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加熱システム。
前記温度計測手段は、２種類の異なる導体線の各端点が接合されてなる熱電対を備えて構成されており、前記各端点の接合点が前記温度計測用ダミー部材に直接接触して、前記接触位置の温度を計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加熱システム。
前記支持部材は、内部に管路を備え、前記温度計測用ダミー部材の取り付け位置の近傍に、前記管路から前記支持部材の外部に向けて貫通する貫通孔が設けられており、
前記熱電対の前記導体線は、前記接合点を含む一部分を除く他の部分が前記管路に配置され、前記接合点を含む前記一部分が、前記管路から前記貫通孔を通り前記温度計測用ダミー部材に直接接触していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の加熱システム。
前記被加熱体の材質はガラスであり、前記温度計測用ダミー部材の材質は石英であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の加熱システム。
前記温度計測用ダミー部材は、少なくとも表面が不透明であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の加熱システム。