(57)【要約】【課題】  被加熱物を高温に加熱する場合であっても、その近傍に配設された石英構成部材に影響を与えることなく被加熱物の熱処理を行うことを可能とする誘導加熱装置を提供する。【解決手段】  上記課題を解決するための誘導加熱装置は、ウェハ（被加熱物）２４を加熱するためのグラファイト２０を有するチャンバ１４と、前記グラファイト２０を誘導加熱するための誘導加熱コイル３２を有する加熱手段１６と、前記チャンバ１４と前記加熱手段１６とを隔てる石英板１８とを備えており、前記グラファイト２０と前記石英板１８との間に熱分解窒化硼素板（ＰＢＮ板）２２を設けている。また、前記ＰＢＮ板２２には、サファイアによって封止された孔を設け、放射温度計３４によって前記グラファイト２０の温度計測を行うことを可能とした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を加熱するためのグラファイトと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルとを備えるチャンバ内に、前記グラファイトと前記誘導加熱コイルとを隔てる石英板を有する誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に、厚さ方向に比べ面方向に強い結合を持った異方性を有する物質から成る板を設けることを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記誘導加熱コイルは、冷却用流体を導通可能な管状構造である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】
前記異方性を有する物質から成る板は、厚さ方向の結合をファンデルワース結合とし、面方向の結合を共有結合とする物質であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
前記異方性を有する物質から成る板は、熱分解窒化硼素の板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
前記石英板を介して前記グラファイトの温度を計測する放射温度計を備え、前記熱分解窒化硼素の板に透光材料で封止した孔を設けることで、前記放射温度計が前記グラファイトの温度を計測可能に構成したことを特徴とする請求項４に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】
ウェハを加熱するためのグラファイトを有するチャンバと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルを有する加熱手段と、前記チャンバと前記加熱手段とを隔てる石英板とを備えた誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に熱分解窒化硼素の板を設け、当該熱分解窒化硼素の板には、サファイアによって封止された孔が設けられていることを特徴とする誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱装置に係り、特に誘導加熱を利用して半導体の熱処理を行うのに好適な誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造分野では、半導体ウェハの大口径化とともに製品の品質向上、コストダウン、スループットの向上等が厳しく要求されてきている。このような現状において、半導体ウェハ（ウェハ）を急速加熱する方法として、ランプ加熱方式や誘導加熱方式を挙げることができる。
【０００３】
ランプ加熱方式は、ウェハを急速加熱することには優れているが、被加熱物を均一に加熱することは困難とされているため、高品質な製品を得ることは難しい。これに対し、誘導加熱方式は、ウェハの急速加熱を可能とし、均一加熱を可能とする技術が開発されたことにより、高品質な製品が得られるようになってきていることは知られている。
【０００４】
例えば特許文献１に示すものもそれである。特許文献１に記載の半導体熱処理装置では、石英によって構成されたチャンバ（反応炉）内にＳｉＣ（ＳｉＣコートグラファイト）に載置されたシリコン基板を備え、前記ＳｉＣを誘導加熱するための誘導加熱コイルを前記チャンバの外部に備えるということを基本構成としている。前述の半導体熱処理装置では、前記ＳｉＣは回転機構を有する基板ホルダに保持されており、加熱時に回転を施されるように構成されている。また、前記石英で構成されたチャンバと前記ＳｉＣとの間には、アルミナによって構成された反射板が備えられている。
【特許文献１】特開２００３−３００７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような誘導加熱を利用した半導体熱処理装置では、技術の進歩と共に、エピタキシャル成長時間の短縮（スループットの向上）を目的としてグラファイト（ＳｉＣコートグラファイト）の加熱温度の向上が図られ、従来１０００℃程度であった加熱温度は、１２００℃若しくはそれ以上の温度への加熱が要求されるようになっている。しかし、上述のように加熱源となるグラファイトの加熱温度が向上すると、輻射熱を受ける石英やその他の部材への影響も出てくる。特に、石英は歪み点が１０７５℃程度とされており、それ以上の温度への加熱や、それ以上の温度からの急激な冷却は、石英で構成される部材の破損や劣化の原因となってしまう。純粋に溶融された石英は、ＳｉＯ2を主成分とし、耐熱性、透光性、電気絶縁性に優れ、化学的にも極めて安定しており、反応炉等への適用に適している。このため、反応炉等への使用が不可欠となっている石英がスループットの向上を図ることにより使用できなくなってしまうということが問題となっている。
【０００６】
本発明では、グラファイト（被加熱物）を高温に加熱した場合であっても、その近傍に配設された石英で構成される部材に影響を与えることなくウェハ（被加熱物）の熱処理を行うことを可能とする誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る誘導加熱装置は、被加熱物を加熱するためのグラファイトと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルとを備えるチャンバ内に、前記グラファイトと前記誘導加熱コイルとを隔てる石英板を有する誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に、厚さ方向に比べ面方向に強い結合を持った異方性を有する物質から成る板を設けることを特徴とする。
【０００８】
また、上記誘導加熱装置において、前記誘導加熱コイルは、冷却用流体を導通可能な管状構造であると良い。例えば、前記管状構造である前記誘導加熱コイルは、冷却用流体を水とし、コイル自体を銅管とした水冷銅管とすると良い。
【０００９】
さらに、上記のような構成の誘導加熱装置において、前記異方性を有する物質から成る板は、厚さ方向の結合をファンデルワース結合とし、面方向の結合を共有結合とする物質であると良い。
【００１０】
また、前記異方性を有する物質から成る板は、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ：以下ＰＢＮ）の板であると良い。
また、前記石英板を介して前記グラファイトの温度を計測する放射温度計を備え、前記熱分解窒化硼素の板に透光材料で封止した孔を設けることで、前記放射温度計が前記グラファイトの温度を計測可能に構成すると良い。
【００１１】
上記目的を達成するための誘導加熱装置として、より具体的には、ウェハを加熱するためのグラファイトを有するチャンバと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルを有する加熱手段と、前記チャンバと前記加熱手段とを隔てる石英板とを備えた誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に熱分解窒化硼素の板を設け、当該熱分解窒化硼素の板には、サファイアによって封止された孔が設けられていることを特徴とすると良い。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成を有する誘導加熱装置において、チャンバ内に備えられるグラファイトと誘導加熱コイルとを隔てる石英板を有する誘導加熱装置の、前記グラファイトと前記石英板との間に、厚さ方向に比べ面方向に強い結合を持った異方性を有する物質から成る板を設けることを特徴とすることにより、誘導加熱によってグラファイトが加熱され、前記異方性を有する物質から成る板が前記グラファイトからの輻射熱を受けたとしても、熱の伝搬は、厚さ方向には少なく、面方向へ広く伝搬されることとなる。このため、グラファイト及び被加熱物を高温に加熱した場合であっても、石英板が歪点以上に加熱されてしまうことを抑えることができる。
【００１３】
上記のように、誘導加熱コイルを冷却用流体が導通可能な管状構造とすることにより、誘導加熱コイルの近傍に配備される前記石英板を冷却することができ、石英板が歪点以上に加熱されてしまうことを抑えることができる。また、輻射熱によるコイル自体の過熱も防止することができる。
【００１４】
上記異方性物質から成る板の、厚さ方向の結合をファンデルワース結合とし、面方向の結合を共有結合とすることにより、上記効果を得ることができる。
また、前記異方性を有する物質から成る板を、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ：以下ＰＢＮ）の板であるとすることでも上記特徴を効率良く得ることができ、比較的薄板であっても高い効果を得ることができる。
【００１５】
また、前記石英板を介して前記グラファイトの温度を計測する放射温度計を備え、前記熱分解窒化硼素の板に透光材料で封止した孔を設けることで、前記放射温度計が前記グラファイトの温度を計測可能に構成することにより、石英板の過熱防止効果の他、前記グラファイトの温度検出も可能となる。
【００１６】
また、ウェハを加熱するためのグラファイトを有するチャンバと、前記グラファイトを誘導加熱するための誘導加熱コイルを有する加熱手段と、前記チャンバと前記加熱手段とを隔てる石英板とを備えた誘導加熱装置であって、前記グラファイトと前記石英板との間に熱分解窒化硼素の板を設け、当該熱分解窒化硼素の板には、サファイアによって封止された孔が設けられているようにすることによっても、上記効果を得ることが可能な誘導加熱装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の誘導加熱装置に係る実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明の誘導加熱装置に係る実施形態の断面図を示したものである。
本実施形態の誘導加熱装置１０は、非導電性材料若しくは非磁性材料から成るケーシング１２によって構成されるチャンバ１４と、加熱手段１６と、前記チャンバ１４と加熱手段１６とを隔てる石英板１８と、前記チャンバ１４内に備えられ、前記加熱手段１６によって加熱されるグラファイト２０と、当該グラファイト２０からの輻射熱を遮蔽する熱分解窒化硼素板（ＰＢＮ板）２２とを基本構成とする。前記誘導加熱装置１０では、前記チャンバ１４内に種基板としてのサファイア等のウェハ（被加熱物）２４を載置し、当該ウェハ２４上にチャンバ１４内に充填される窒化ガリウム（ガリウムナイトライド：ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の反応ガスの成分を堆積させることで、エピタキシャル成長を促す。
【００１８】
前記チャンバ１４は円筒形状の容器であり、この容器の上部開口部が石英板１８によって封止され、後述する加熱手段１６と隔てられた空間を形成する。当該チャンバ１４の開口部近傍には、支持部２１が形成されており、加熱手段１６によって加熱され、チャンバ１４内で発熱源となるグラファイト２０が保持されている。前記支持部２１は、例えば２段形状に構成されており、下段に前記グラファイト２０を備え、上段にＰＢＮ板２２を備えるようにすると良い。ＰＢＮ板２２は、面方向の結合を共有結合とし、厚さ方向の結合をファンデルワース結合とする異方性物質であり、結合力の強い面方向への熱伝導率は高く、結合力の弱い厚さ方向への熱伝導率は低い。このため、ＰＢＮ板２２の下部に備えられたグラファイト２０が高温に加熱された場合であっても、ＰＢＮ板２２の上部側に備えられる部材に対する熱の影響を抑えることができる。
【００１９】
また、前記グラファイト２０の下面側には、エピタキシャル成長用の種基板であって、前記グラファイト２０の輻射熱によって加熱されるウェハ２４を保持するための、ウェハ保持手段２６が備えられている。また、当該ウェハ保持手段２６は、前記ウェハ２４を均一加熱するために、例えば軸部２６ａを基点として回転を可能に構成されると良い。なお、前記ウェハ２４を急速に加熱させることを望む場合には、加熱補助材として補助グラファイト２８を設けて加熱効率を高めるようにすると良い。
また、上記チャンバ１４内には、反応ガスを充填したり、チャンバ１４の内部空気を抜いたりするためのノズル３０が備えられているようにすると良い。
【００２０】
前記加熱手段１６は、前記チャンバ１４と同径の円筒容器であり、前記チャンバ１４と同様に開口部を石英板１８によって閉塞されるように構成されている。つまり、石英板１８は、チャンバ１４と、加熱手段１６とによって共有されている。このように構成される加熱手段１６では、開口部近傍に、加熱源としての誘導加熱コイル３２が備えられており、当該誘導加熱コイル３２に電流を流すことにより、前記チャンバ１４内のグラファイト２０及び補助グラファイト２８が加熱される。前記誘導加熱コイル３２は、冷却構造を持つもの、例えば内部に冷却用流体を導通可能な管状構造とすると良い。誘導加熱コイル３２を前述のような構造とすることにより、近傍に配置される石英板１８（図１参照）がグラファイト２０等からの輻射熱で加熱された場合に、これを冷却することができ、石英板１８が過熱されてしまうことを抑制することができる。誘導加熱コイル３２の具体的構造としては、冷却用流体を水とし、コイル自体を管状の銅管とする水冷銅管を挙げることができる。
【００２１】
なお、一般的に誘導加熱コイルを近接配置して使用する場合には、相互誘導の影響により投入する電力の制御が困難となることが考えられるが、これは既知の技術（例えば特開２００３−１７４２６号公報）によってグラファイト２０および補助グラファイト２８の加熱制御を可能にすれば良い。
【００２２】
また、前記加熱手段１６には前記グラファイト２０の温度を計測するための放射温度計３４を設けるようにすると良い。放射温度計は、被測定物の表面から放出される赤外線放射エネルギを赤外線センサによって計測して被測定物の表面温度を測定する。よって、このような場合には少なくとも放射温度計３４のセンサ部からグラファイト２０の表面が確認できるようにしておく必要がある。ＰＢＮ板２２は不透明材料のため、ＰＢＮ板２２には、図２に示すように、放射温度計３４によるグラファイト２０の温度検出用の孔３６が設けられ、当該孔は、サファイア等の耐熱温度の高い透光材料によって封止するようにしている。また、上記構成の加熱手段１６におけるケーシング内の余剰空間は、チャンバ１４内の真空引きによる影響を軽減させるために、セラミック等の絶縁素材を充填することによって内部気圧の変化が無いようにすると良い。
【００２３】
上記構成の誘導加熱装置１０では、チャンバ１４内にウェハ２４、グラファイト２０、ＰＢＮ板２２、及び補助グラファイト２８等を備え、開口部を石英板１８によって封止する。その後、前記チャンバ１４内に備えたノズル３０によってチャンバ１４内の空気を抜いて真空状態にする。
【００２４】
加熱手段１６の誘導加熱コイル３２に電流を流し、チャンバ１４内のグラファイト２０及び補助グラファイト２８を誘導加熱によって加熱する。誘導加熱によって加熱されたグラファイト２０及び補助グラファイト２８は、チャンバ１４内の発熱源となり、輻射熱によってウェハ２４を加熱する。このとき、前記ウェハ２４が均一に加熱されるように、発熱源であるグラファイト２０表面の温度分布を放射温度計３４によって逐次計測する。グラファイト２０の表面温度に設定温度と異なる部分が存在する場合には、誘導加熱コイル３２を制御することによって、グラファイト２０の温度分布を制御する。また、ウェハ保持手段２６を回転させるようにしても良い。
【００２５】
前記グラファイト２０と、前記石英板１８との間に備えられたＰＢＮ板２２は、厚さ方向にファンデルワース結合を有し、面方向に共有結合を有する異方性を有する物質であるため、厚さ方向への熱伝導率が悪く、高温加熱されたグラファイト２０からの輻射熱による影響を石英板１８へ与えることを抑え、かつ面方向への熱伝導率が良好なため、グラファイト２０の均一加熱の補助も成す。
【００２６】
上記実施形態では、上部を加熱手段１６、下部をチャンバ１４とする構成とし、両者の境界面に石英板１８を備え、前記チャンバ１４内に備えた発熱源と前記石英板１８との間にＰＢＮ板２２を備える構成としたが、内部に発熱源を備え、石英によって反応炉を構成し、当該反応炉の外側に誘導加熱コイルを備え、前記発熱源と前記石英によって構成された反応炉との間にＰＢＮ板を備えるといったものでも良い。つまり、本発明の誘導加熱装置の構成は、反応炉、若しくは反応炉内に石英を用いており、反応炉内に誘導加熱によって発熱する発熱源を備える誘導加熱装置であれば、様々なものに適用することができるのである。
また、実施形態では、半導体熱処理に言及して記載しているが、本発明に係る誘導加熱装置は、高温加熱を必要とする他の用途への使用も可能である。
【００２７】
また、実施形態では、誘導加熱コイル３２の構造を冷却用流体を水とし、コイル自体を銅管とする水冷銅管として例を挙げたが、本発明の誘導加熱コイル３２はこれに限定されるものではない。例えば、冷却用流体は、他の物質から成るジェル状物質であっても良いし、冷却ガスであっても良い。また、冷却用流体を導通するコイル自体は、通電により磁界を発生させる導電性物質から成る管状構造体であれば銅管以外であっても良い。なお、本発明の誘導加熱コイル３２は、冷却効果を有しない通常のコイル構造体を含むことは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の誘導加熱装置に係る実施形態を示す側断面図である。
【図２】本発明の実施形態に使用する熱分解窒化硼素板（ＰＢＮ板）の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０………半導体熱処理装置、１２………ケーシング、１４………チャンバ、１６………加熱手段、１８………石英板、２０………グラファイト、２１………支持部、２２………熱分解窒化硼素板（ＰＢＮ板）、２４………ウェハ、２６………ウェハ保持手段、２８………補助グラファイト、３０………ノズル、３２………誘導加熱コイル、３４………放射温度計、３６………孔。
【図１】
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【図２】
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