(57)【要約】【課題】温度制御のしやすさと正確な温度制御の両立を図る。【解決手段】フィラメント９に供給するフィラメント電力を制御する電力調整器１６を備え、加熱プレート２の昇温時は、エミッション電流調節計１７によりフィラメント９と加熱プレート２との間に流れるエミッション電流を測定しながら、前記電力調整器１６によりエミッション電流が予め設定された所定の値になるように制御する。また、加熱プレート２の温度を測定しながら、その測定温度が予め設定された所定の温度に達した後は、温度調節計１８により加熱プレート２の温度を測定しながら、電力調整器１６により加熱プレート２の温度が前記の設定温度になるよう制御するものである。この場合に、切替器１９は、前記温度調節計１８により測定される温度測定値が設定温度に達したことにより切り替えられる。【選択図】      図１
2005056582.tif 000002
【特許請求の範囲】
電子衝撃加熱器の温度制御装置と温度制御方法
【請求項１】
フィラメント（９）で発生した熱電子を加速して加熱プレート（２）に衝突させて加熱プレート（２）を発熱させる電子衝撃加熱器の加熱プレート（２）の発熱温度を制御する装置であって、フィラメント（９）に供給するフィラメント電力を制御する電力調整器（１６）と、フィラメント（９）と加熱プレート（２）との間に流れるエミッション電流を測定し、そのエミッション電流の測定値を制御信号として前記電力調整器（１６）に出力するエミッション電流調節計（１７）と、加熱プレート（２）の温度を測定し、その温度測定値を制御信号として前記電力調整器（１６）に出力する温度調節計（１８）とを有し、エミッション電流調節計（１７）と温度調節計（１８）とは、切替器（１９）により、電力調整器（１６）との接続が択一的に切り替えられることを特徴とする電子衝撃加熱器の温度制御装置。
【請求項２】
切替器（１９）は、前記温度調節計（１８）により測定される加熱プレート（２）の温度測定値が予め設定された設定温度に達したことにより切り替えられることを特徴とする請求項１に記載の電子衝撃加熱器の温度制御装置。
【請求項３】
フィラメント（９）で発生した熱電子を加速して加熱プレート（２）に衝突させて加熱プレート（２）を発熱させる電子衝撃型加熱器の加熱プレート（２）の発熱温度を制御する方法において、フィラメント（９）に供給するフィラメント電力を制御する電力調整器（１６）を備え、加熱プレート（２）の昇温時は、エミッション電流調節計（１７）によりフィラメント（９）と加熱プレート（２）との間に流れるエミッション電流を測定しながら、前記電力調整器（１６）によりエミッション電流が予め設定された値になるよう制御し、加熱プレート（２）が設定温度に達した後は、温度調節計（１８）により加熱プレート（２）の温度を測定しながら、前記電力調整器（１６）により加熱プレート（２）の温度を予め設定された温度に制御することを特徴とする電子衝撃加熱器の温度制御方法。
【請求項４】
エミッション電流調節計（１７）と温度調節計（１８）との切替は、温度調節計（１８）により測定される加熱プレート（２）の温度測定値が予め設定された設定温度に達したときに切替器（１９）により切り替えられることを特徴とする請求項３に記載の電子衝撃加熱器の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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衝突させて加熱プレートを発熱させる形式の電子衝撃加熱器において、加熱プレートの昇温時と所定の設定温度に達した後の定常温度維持の時の温度制御方式を別方式とし、安定した昇温と定常温度の維持の双方を可能とした電子衝撃加熱器の温度制御装置に関する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
半導体ウェハ等の処理プロセスのため、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電子衝撃加熱器が使用されている。この電子衝撃加熱器では、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。
【０００３】
半導体ウエハ等の板体の加熱物を所定の温度で正確に加熱するためには、加熱プレートに衝突させる電子のエネルギーを正確に制御しなければならない。半導体ウエハ等の板体のプロセス処理のための加熱では、急峻な温度勾配で昇温し、所定の温度に達した後はその所定の温度を所定の時間正確に維持する必要がある。このような加熱においては、加熱開始後の昇温時に大きなパワーでエネルギを供給することによって、加熱物を所望の温度勾配で昇温させ、所定の温度設定値に達した時点では、速やかに供給エネルギーを絞って、その温度で失われるエネルギーに見合ったエネルギーのみを供給するように制御し、所定の設定温度を定常状態に維持しなければならない。
【０００４】
従来の電子衝撃加熱器では、特許第２９１２６１６号公報に示されたように、加熱プレートの温度制御は、その加熱プレートの温度測定値のみにより行っていた。より具体的には、熱電対等の測温素子を使用して加熱プレートの背後の温度を測定しながら、昇温時には、加熱プレートの温度上昇が毎時一定になるようフィラメントに通電される電流や電圧が制御される。その後、所定の設定温度に達した後は、加熱プレートの温度が定常温度に維持されるようフィラメント電流や電圧が制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
電子衝撃加熱器は、加熱プレートから離れたフィラメントより放出された熱電子を加熱プレートに衝突させて加熱する方式であるため、シーズヒータを使用した抵抗加熱方式の加熱器のように、加熱プレートそのものがヒータに接していない。すなわち、シーズヒータ等を付属しない熱容量の小さな加熱プレートを直接加熱出来るため、昇温時の温度勾配の立ち上がりが大きく取れる等の点で有利である。
【０００６】
この電子衝撃方式の加熱器の温度制御手段は前述のように、温度測定値によって昇温時の温度勾配と定温時の温度維持を図るものである。しかし、昇温時の温度勾配を任意に設定出来る等、温度制御のしやすさと温度制御の正確さの両立を図るためには、別の視点から温度制御の方式を見直す必要がある。
【０００７】
本発明は、このような従来の電子衝撃方式の加熱器の温度制御手段における課題に鑑み、温度制御のしやすさと正確な温度制御の両立を図ることが出来る電子衝撃加熱器の温度制御装置と温度制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の目的を達成するため、昇温時の温度制御と定常温度に維持する時の温度制御とを別の制御方式により行うようにした。具体的には、昇温時にはエミッション電流を測定しながらフィラメント９へ通電する電力を制御して加熱プレート２に衝突する電子のエネルギの総量を一定に制御することで予め設定された温度勾配を維持する。併せて加熱プレート２の温度を測定し、その加熱プレート２が所定の温度に達した後は、その温度測定値によりフィラメント９へ通電する電力を制御し、加熱プレート２を予め設定された所定の温度に維持する。
【０００９】
このような温度制御方式を実現するための本発明による温度制御装置は、フィラメント９に供給するフィラメント電力を制御する電力調整器１６と、フィラメント９と加熱プレート２との間に流れるエミッション電流を測定し、そのエミッション電流の測定値を制御信号として前記電力調整器１６に出力するエミッション電流調節計１７と、加熱プレート２の温度を測定し、その温度測定値を制御信号として前記電力調整器１６に出力する温度調節計１８とを有し、エミッション電流調節計１７と温度調節計１８とは、切替器１９により、電力調整器１６との接続が択一的に切り替えられるものである。
【００１０】
この温度制御装置により加熱プレート２の温度を制御する方法は、フィラメント９に供給するフィラメント電力を制御する電力調整器１６を備え、加熱プレート２の昇温時は、エミッション電流調節計１７によりフィラメント９と加熱プレート２との間に流れるエミッション電流を測定しながら、前記電力調整器１６によりエミッション電流が予め設定された所定の値になるように制御する。また、加熱プレート２の温度を測定しながら、その測定温度が予め設定された所定の温度に達した後は、温度調節計１８により加熱プレート２の温度を測定しながら、電力調整器１６により加熱プレート２の温度が前記の設定温度になるよう制御するものである。この場合に、切替器１９は、前記温度調節計１８により測定される温度測定値が設定温度に達したことにより切り替えられる。
【００１１】
このような電子衝撃加熱器の温度制御装置と方法では、フィラメント９と加熱プレート２との間に流れるエミッション電流を予め設定し、加熱プレート２の昇温時には、このエミッション電流を測定しながら、エミッション電流調節計１７により前記電力調整器１６を制御し、前記エミッション電流が一定になるよう制御する。これにより、加熱プレート２に毎時一定の電子衝撃エネルギを与え、安定して一定の温度勾配を得る。
【００１２】
同時に温度調節計１８で加熱プレート２の温度を測定しておき、加熱プレート２の温度が所定の温度に達したときは、電力調整器１６を温度調節計１８側に切り替え、加熱プレート２の温度を電力調整器１６にフィードバックして温度調整を行う。これにより、所定の温度を正確且つ安定して定常状態に維持することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による電子衝撃加熱器とその温度制御装置の一実施形態を示すものである。この図１により、まず電子衝撃加熱器の構成について説明する。
図１では図示して無いが、ステージ部６の上の部分は真空容器の中にあり、加熱プレート２の部分は真空雰囲気におかれる。
【００１４】
ステージ部６の壁には、冷却液通路７が形成され、この冷却液通路７に水等の冷却液を通すことにより、ステージ部６を冷却できる。
このステージ部６の上には、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物を載せる平坦な加熱プレート２を有する耐熱性の加熱物支持部材１が設置され、その内部は同加熱物支持部材１により、その外側の空間と気密に仕切られる空間を有する。より具体的には、加熱物支持部材１は、上面側が加熱プレート２により閉じられ、下面側が開口した円筒形状を有しており、加熱プレート２の平坦な上面は、シリコンウエハ等の薄形板状の加熱物より広くなっている。加熱物支持部材１の下縁部は、ステージ部６の上面に当てられて固定されると共に、真空シール材８により気密にシールされている。
【００１５】
加熱物支持部材１はその全体または少なくとも加熱プレート２がシリコン含浸シリコンカーバイトやアルミナ、窒化珪素等のセラミックからなる。加熱物支持部材１がセラミックのような絶縁体からなる場合は、その加熱プレート２の内面をメタライズして導体膜を形成し、この導体膜をステージ部６を介して接地する。また、加熱プレート２を形成する材料の中に導体材料を含ませて導電性を持たせることによっても同様の目的を達し得る。
【００１６】
ステージ部６には、排気通路４が形成され、この排気通路４に接続された真空ポンプ５により、加熱物支持部材１の内部の空間が排気され、真空にされる。
さらに、この加熱物支持部材１の内部には、フィラメント９とリフレクタ３が設置されている。
【００１７】
フィラメント９は、加熱物支持部材１の加熱プレート２の背後に設けられ、このフィラメント９には、絶縁シール端子２０を介してフィラメント加熱電源１０が接続されている。このフィラメント加熱電源１０は、フィラメント９側が高圧、電力調整器１６側が低圧になるように絶縁されている。さらに、このフィラメント９と加熱プレート２との間には、加熱物支持部材１を介して電子加速電源１１により加速電圧が印加されている。なお加熱プレート２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。
【００１８】
リフレクタ３は、加熱物支持部材１の加熱プレート２に対しフィラメント９の背後側に設けられている。このリフレクタ３は、金、銀等の反射率の高い金属、またはモリブデン等の融点の高い金属で形成され、少なくともその加熱物支持部材１の加熱プレート２に対向した面は、鏡面となっており、輻射熱を反射する。このリフレクタ３は、加熱物支持部材１とは電気的に絶縁されるがフィラメント９とは略同電位の状態におかれる。このことにより、リフレクタ３には電子が飛来せず、電子衝撃による加熱は起こらない。このようなフィラメント９は、多重に配置することができる。
【００１９】
リフレクタ３の中央部には、円筒状の導体からなるシールド１５が起立しており、このシールド１５とリフレクタ３とは電気的に導通し、同電位となっている。このシールド１５の上端側は加熱物支持部材１の加熱プレート２の下面近くに達し、そのシールド１５の上端部から外側に鍔が延設され、この鍔が加熱プレート２の下面と対向している。
【００２０】
前記ステージ部６の中央部から測温素子としてのシース形の熱電対１２が垂直に挿入され、この上端側は前記シールド１５の中に非接触状態で配置される。この熱電対１２の上端は一対の熱電対線を接合した測温点となっており、この接合点が熱伝導良好な円板状の受熱板１３に埋め込まれている。この受熱板１３は、熱電対１２のシースに固着され、加熱物支持部材１の加熱プレート２の下面の近くに非接触状態で対向しているか或いは接触している。熱電対１２は、ステージ部６から真空チャンバの外側に引き出され、図１に示すその補償導線が０点補償回路を含む温度測定器１４に接続される。
【００２１】
次に、このような電子衝撃加熱器の温度制御装置の構成をやはり図１に挿入したブロック図により説明する。
フィラメント９に熱電子放出用の電流を供給するフィラメント加熱電源１０の電力、つまりフィラメント９に供給する加熱用の電流と電圧を調整する電力調整器１６が備えられいる。
【００２２】
さらにこの電力調整器１６に制御用の信号を出力するためのエミッション電流調節計１７と温度調節計１８とが備えられている。
エミッション電流調節計１７は、加熱プレート２側とフィラメント９との間に流れるエミッション電流を所定の値に設定する機能を有する。さらに、このエミッション電流調節計１７は、エミッション電流を測定しながら、そのエミッション電流が予め設定された値に維持されるように、電力調整器１６に制御用の信号を出力し、この電力調整器１６でフィラメント９に通電するフィラメント加熱電源１０の電流と電圧を調整する。
【００２３】
他方、温度調節計１８は、加熱プレート２の定常温度を所定の温度に設定する機能とその定常温度を維持すべき時間を設定する機能を有する。さらに、この温度調節計１８は、加熱プレート２の下面の温度を熱電対１２とそれに接続された温度測定器１４により測定しながら、その加熱プレート２の温度が予め設定された前記の設定温度に維持されるように、電力調整器１６に制御用の信号を出力し、この電力調整器１６でフィラメント９に通電するフィラメント加熱電源１０の電流と電圧を調整する。
【００２４】
また、この温度調節計１８は、リレー等の切替器１９を動作させる。熱電対１２により温度測定器１４で測定される温度が温度調節計１８で予め設定された定常温度に達する前の昇温時は、エミッション電流調節計１７が電力調整器１６に接続されている。その後、温度測定器１４で測定される温度が温度調節計１８で予め設定された定常温度に達すると、切替器１９が切り替わり、温度電流調節計１８が電力調整器１６に接続される。
【００２５】
次に、この温度制御装置による電子衝撃型加熱器の温度制御の方法について説明する。
まず予め加熱プレート２の昇温時の温度勾配に応じてエミッション電流調節計１７により、昇温時に一定に維持するエミッション電流を設定しておく。また、温度調節計１６により、加熱物の熱処理の目的に応じて、一定に維持すべき加熱プレート２の温度を予め設定しておく。
【００２６】
フィラメント９と加熱プレート２との間に電子加速電源１１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１０によりフィラメント９に通電を開始すると、フィラメント９から熱電子が放出され、この熱電子が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。同時に、フィラメント９と加熱プレート２との間にエミッション電流が流れる。このとき、電子加速電源１１により印加される加速電圧は一定とする。
【００２７】
加熱プレート２の温度が、前記温度調節計１８で予め設定された定常温度に達する前の加熱プレート２の昇温時は、エミッション電流調節計１７が電力調整器１６に接続されている。このエミッション電流調節計１７は、加熱プレート２側とフィラメント９との間に流れるエミッション電流を測定しながら、そのエミッション電流が予め設定された値に維持されるように、電力調整器１６に制御用の信号を出力し、この電力調整器１６でフィラメント９に通電するフィラメント加熱電源１０の電流と電圧を調整する。これにより、加熱プレート２の昇温時は加熱プレート２側とフィラメント９との間に流れるエミッション電流が一定の値に維持される。前述したように、電子加速電源１１により印加される加速電圧は一定であり、エミッション電流も一定の値に維持される。このため、電子衝撃により加熱プレート２に与えられるエネルギーは一定であり、加熱プレート２は一定の温度勾配で昇温される。
【００２８】
その後、加熱プレート２の温度が、前記温度調節計１８で予め設定された定常温度に達すると、切替器１９が動作し、その接点が切り替わり、温度調節計１８が電力調整器１６に接続される。この温度調節計１８は、加熱プレート２の下面の温度を熱電対１２により測定する温度測定器１４から信号を得て、その加熱プレート２の温度が前述のようにして設定された定常温度に維持されるように、電力調整器１６に制御用の信号を出力し、この電力調整器１６でフィラメント９に通電するフィラメント加熱電源１０の電流と電圧を調整する。これにより、加熱プレート２の温度が予め設定された定常温度に維持される。そして、温度測定器１４で予め設定された時間が経過すると、フィラメント９と加熱プレート２との間への電子加速電源１１からの通電が停止され、加熱プレート２が降温される。
【００２９】
図２は加熱プレート２の加熱時の時間と温度の関係の例と、このときの温度制御のチャートを示している。
同図に示すように、加熱プレート２の加熱開始から予め設定された定常温度に至る昇温時は、エミッション電流を測定しながらこれを電力調整器１６にフィードバックし、予め設定されたエミッション電流が一定になるようにフィラメント加熱電源１０の電力を制御する。電子衝撃により加熱プレート２に加えられるエネルギは、エミッション電流と加速電圧の積により決定されるため、この制御により、加熱プレート２の昇温時には、加熱プレート２に毎時一定の電子衝撃エネルギが与えられることになる。
【００３０】
他方、加熱プレート２が予め設定された定常温度に達した後は、加熱プレート２の温度を測定しながらこれを調整器１６にフィードバックし、予め設定された定常温度が一定になるようにフィラメント加熱電源１０の電力を制御する。これにより、加熱プレート２は予め設定された時間だけ予め設定された一定の温度を定常的に維持する。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による電子衝撃加熱器の温度制御装置と温度制御方法によれば、加熱プレート２の昇温時は、加熱プレート２に毎時一定の電子衝撃エネルギを与え、安定して一定の温度勾配を得ることが出来る。また、加熱プレート２の温度が所定の温度に達した後は、加熱プレート２の温度が一定になるよう正確且つ安定して定常的に維持制御することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子衝撃加熱器とその温度制御装置の一実施形態を示すもので、電子衝撃加熱器の概略断面図と温度制御装置のブロック図とを組み合わせたものである。
【図２】加熱プレートの加熱時の時間と温度の関係の例と、このときの温度制御のチャートを示すチャート付グラフである。
【符号の説明】
２    加熱プレート
９    フィラメント
１６  電力調整器
１７  エミッション電流調節計
１８  温度調節計
１９  切替器
【図１】
2005056582.tif 000003
【図２】
2005056582.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月9日(2003.5.9)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメント（９）で発生した熱電子を加速して加熱プレート（２）に衝突させて加熱プレート（２）を発熱させる電子衝撃加熱器の加熱プレート（２）の発熱温度を制御する装置であって、フィラメント（９）に供給するフィラメント電力を制御する電力調整器（１６）と、フィラメント（９）と加熱プレート（２）との間に流れるエミッション電流を測定し、そのエミッション電流の測定値を制御信号として前記電力調整器（１６）に出力するエミッション電流調節計（１７）と、加熱プレート（２）の温度を測定し、その温度測定値を制御信号として前記電力調整器（１６）に出力する温度調節計（１８）とを有し、エミッション電流調節計（１７）と温度調節計（１８）とは、切替器（１９）により、電力調整器（１６）との接続が択一的に切り替えられることを特徴とする電子衝撃加熱器の温度制御装置。
【請求項２】
切替器（１９）は、前記温度調節計（１８）により測定される加熱プレート（２）の温度測定値が予め設定された設定温度に達したことにより切り替えられることを特徴とする請求項１に記載の電子衝撃加熱器の温度制御装置。
【請求項３】
フィラメント（９）で発生した熱電子を加速して加熱プレート（２）に衝突させて加熱プレート（２）を発熱させる電子衝撃型加熱器の加熱プレート（２）の発熱温度を制御する方法において、フィラメント（９）に供給するフィラメント電力を制御する電力調整器（１６）を備え、加熱プレート（２）の昇温時は、エミッション電流調節計（１７）によりフィラメント（９）と加熱プレート（２）との間に流れるエミッション電流を測定しながら、前記電力調整器（１６）によりエミッション電流が予め設定された値になるよう制御し、加熱プレート（２）が設定温度に達した後は、温度調節計（１８）により加熱プレート（２）の温度を測定しながら、前記電力調整器（１６）により加熱プレート（２）の温度を予め設定された温度に制御することを特徴とする電子衝撃加熱器の温度制御方法。
【請求項４】
エミッション電流調節計（１７）と温度調節計（１８）との切替は、温度調節計（１８）により測定される加熱プレート（２）の温度測定値が予め設定された設定温度に達したときに切替器（１９）により切り替えられることを特徴とする請求項３に記載の電子衝撃加熱器の温度制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月14日(2003.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
前記ステージ部６の中央部から測温素子としてのシース形の熱電対１２が垂直に挿入され、この上端側は前記シールド１５の中に非接触状態で配置される。この熱電対１２の上端は一対の熱電対線を接合した測温点１３となっており、この測温点１３が加熱プレート２の下面の近くに接触している。熱電対１２は、ステージ部６から真空チャンバの外側に引き出され、図１に示すその補償導線が０点補償回路を含む温度測定器１４に接続される。