(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の管状部材により構成することで、被処理部材の加熱用電力の投入と前記被処理部材を冷却するための冷媒の流し込みとを可能とした複数の誘導加熱コイルを近接配置したコイルユニットと、
前記各誘導加熱コイルに接続され、各誘導加熱コイルに供給された電流波形の位相を調整して各誘導加熱コイル間における相互誘導の影響を回避しつつ各誘導加熱コイルに対して任意の電力を供給する電力制御ユニットと、
前記誘導加熱コイルに投入された電力に基づいて誘導加熱され、前記被処理部材の加熱時における発熱源並びに冷却時における吸熱部材として作用する被誘導加熱部材と、
前記被処理部材と前記被誘導加熱部材との間に配置され、透光性および熱処理温度以上の耐熱性を有する隔離板と、
前記被処理部材と前記隔離板との間に介在されて前記隔離板と前記被処理部材との間の熱伝達を担う気体層と、
前記被処理部材の表面全体の温度データを画素単位で検出する単一のサーモグラフィユニットと、
前記サーモグラフィユニットによって検出された前記温度データに基づいて、前記各誘導加熱コイルによる前記被誘導加熱部材の加熱ゾーンに対応した温度分布を検出し、前記温度分布に基づいて前記各誘導加熱コイルに対する供給電力を定める演算手段とを有し、
前記演算手段は前記定めた供給電力に関するデータを制御信号として前記電力制御ユニットへ出力する構成としたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記被誘導加熱部材を前記誘導加熱コイルによる加熱ゾーン毎に、半径方向へ複数に分割した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】
前記演算手段は、前記サーモグラフィユニットによって検出された前記各加熱ゾーン毎の温度の平均温度を算出し、
前記電力制御ユニットは、前記演算手段によって算出されたゾーン毎の平均温度に基づいて定められた供給電力に関する制御信号に従って、前記誘導加熱コイルに対する供給電力を制御することを特徴とした請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。
【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、特に被処理部材の加熱温度が５００℃以下程度といった比較的低温の熱処理を行う際の急速昇降温制御を行う場合に好適な誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ等の被処理部材を急速昇温させる技術として、誘導加熱を用いることは知られている。誘導加熱を用いて半導体ウェハ等を加熱する場合の技術としては、グラファイト等の高抵抗部材で構成したサセプタの上に半導体ウェハを載置し、前記サセプタを誘導加熱するというものである。このような技術によれば、半導体ウェハは、誘導加熱により急速昇温したサセプタからの輻射熱や伝達熱を受けて短時間で昇温されることとなる。このような技術を基幹として、本願出願人は特許文献１に開示するような誘導加熱を用いた熱処理技術を提案している。
【０００３】
特許文献１に開示されている技術は、複数の誘導加熱コイルを近接させて配置して加熱制御を行おうとする際に生ずる問題点である相互誘導による加熱制御の不具合を解決するための技術である。この技術を用いることによれば、近接配置した複数の誘導加熱コイルに対する投入電力の制御を確実に行うことが可能となる。そして、近接配置された各誘導加熱コイルに対する投入電力の制御を確実に行うことが可能となることにより、被誘導加熱部材であるグラファイトの温度分布を均一に、あるいは任意の温度勾配を持たせた状態で、急速昇温させることが可能となるのである。
【特許文献１】特表２００５−５２９４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示した技術を用いることによれば、誘導加熱コイルを用いて直接的に加熱制御を行うグラファイトの温度分布は高精度に制御することができるようになる。しかし、近年要求されてきている高精度な温度分布を維持した状態での急速昇降温制御を実現するためには、熱源となるグラファイトの温度分布を制御するだけでは不十分であるということが解った。
【０００５】
なぜならば、被処理部材が接するグラファイトの表面をミクロ的に見た場合には、必ずしも平坦であるとはいえず、被処理部材とグラファイトとの間には、接触部と非接触部とが不規則に存在することとなるからである。つまり、接触部と非接触部との間には熱伝導率に違いが生ずるため、グラファイトと被処理部材との間で熱交換される熱量に違いが生じ、被処理部材である半導体ウェハの温度分布が崩れることとなるのである。
【０００６】
また、熱処理温度が比較的低い（例えば５００℃以下）半導体ウェハは、透光性を有するため、熱線の透過率が高く、吸収率、放射率が低いといった特性を有する。このような特性を有する被処理部材では、輻射熱による加熱効率が悪く、上記のような温度分布の崩れが顕著に現れることとなる。
【０００７】
さらに、製品化される被処理物は、熱電対等の接触型の温度検出手段を用いて温度分布を検出することができない。また、被処理物から放射される赤外線の強度を検出する放射温度計では、検出スポットの範囲にあるもの全ての影響を受けてしまうため、検出スポットが複数のゾーンを跨ぐ場合には、全てのゾーンの影響を受けた温度を示してしまい、高精度な温度検出ができない。
【０００８】
そこで本発明では、誘導加熱を用いた熱処理において、実際の被処理部材の温度分布を詳細に検出することができ、高い精度で均等加熱・冷却を行いつつ急速昇温、あるいは急速降温させることができ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】
【０００９】
上記目的を達成するためには、輻射熱による加熱・冷却に加え、熱伝達による加熱・冷却作用を効果的に利用する必要があると考えられる。しかし、固体間で熱伝達を行う場合には必然的にそのバラツキが生じてしまうこととなる。また、非処理部材の温度を非接触で検出する手段としては赤外線を利用することが望ましく、広い範囲での温度分布を検出することができれば良い。そこで本発明では、上記目的を達成するために、導電性の管状部材により構成することで、被処理部材の加熱用電力の投入と前記被処理部材を冷却するための冷媒の流し込みとを可能とした複数の誘導加熱コイルを近接配置したコイルユニットと、前記各誘導加熱コイルに接続され、各誘導加熱コイルに供給された電流波形の位相を調整して各誘導加熱コイル間における相互誘導の影響を回避しつつ各誘導加熱コイルに対して任意の電力を供給する電力制御ユニットと、前記誘導加熱コイルに投入された電力に基づいて誘導加熱され、前記被処理部材の加熱時における発熱源並びに冷却時における吸熱部材として作用する被誘導加熱部材と、前記被処理部材と前記被誘導加熱部材との間に配置され、透光性および熱処理温度以上の耐熱性を有する隔離板と、前記被処理部材と前記隔離板との間に介在されて前記隔離板と前記被処理部材との間の熱伝達を担う気体層と、前記被処理部材の表面全体の温度データを画素単位で検出する単一のサーモグラフィユニットと、前記サーモグラフィユニットによって検出された前記温度データに基づいて、前記各誘導加熱コイルによる前記被誘導加熱部材の加熱ゾーンに対応した温度分布を検出し、前記温度分布に基づいて前記各誘導加熱コイルに対する供給電力を定める演算手段とを有し、前記演算手段は前記定めた供給電力に関するデータを制御信号として前記電力制御ユニットへ出力する構成としたことを特徴とする誘導加熱装置を提供する。
【００１０】
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置には、前記被誘導加熱部材を前記誘導加熱コイルによる加熱ゾーン毎に、半径方向へ複数に分割したものとすると良い。このような特徴を持たせることにより、隣接する加熱ゾーンを構成する被誘導加熱部材からの熱伝導の影響を受ける事が無くなり、加熱温度の制御性が向上する。また、誘導加熱コイルの中心位置とのズレによる温度ムラを抑制することができる。
【００１１】
さらに、上記のような特徴を有する誘導加熱装置において、前記演算手段は、前記サーモグラフィユニットによって検出された前記各加熱ゾーン毎の温度の平均温度を算出し、前記電力制御ユニットは、前記演算手段によって算出されたゾーン毎の平均温度に基づいて定められた供給電力に関する制御信号に従って、前記誘導加熱コイルに対する供給電力を制御するようにすることが望ましい。
【００１２】
サーモグラフィユニットでは、小さな画素ごとに温度を計測するため、ある点がゾーンをまたがった状態で温度計測が成されるということが極めて少なくなる。そのため、そのゾーンの温度を精度よく計測することが可能となる。また、あるゾーン内で１点のみで温度を計測するのではなく、面全体の温度を計測し、その平均温度をそのゾーンの代表温度として温度制御に用いることで、トータルでの温度ムラが少なくなる。
【発明の効果】
【００１３】
上記のような誘導加熱装置によれば、実際の被処理部材の温度分布を詳細に検出することができ、高い精度で均等加熱・冷却を行いつつ急速昇温、あるいは急速降温させることが可能となる。また、被処理部材が透光性を有するものである場合であっても、急速昇降温制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の誘導加熱装置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。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、本発明の技術的範囲は以下の実施形態のみに拘束されるものでは無い。
【００１５】
まず、図１を参照して、本発明の誘導加熱装置に係る実施形態について説明する。図１に示す誘導加熱装置１０は、コールドウォール式の加熱炉としての構成を示している。当該誘導加熱装置１０は、熱処理炉１３と当該熱処理炉１３の内部に備えられたコイルユニット１７に電力を供給する電力制御ユニット３２、及び熱処理炉１３の内部に配置される被処理部材（以下ウェハ３０と称す）の温度分布を検出するサーモグラフィユニット６０とを基本として構成される。
前記熱処理炉１３は、ケーシング１２と加熱・冷却ユニット１４とから構成されている。
【００１６】
前記ケーシング１２は、熱処理炉１３の外郭であり、プロセス室５０を構成する。本実施形態に係るケーシング１２には、上部に覗き窓１２ａが設けられている。覗き窓１２ａは、詳細を後述するサーモグラフィユニット６０によりウェハ３０の温度分布を検出するための窓であり、透光性（赤外線透過性）を有するフッ化バリウム等により構成すると良い。前記加熱・冷却ユニット１４は、熱処理の対象とするウェハ３０を加熱または冷却するためユニットである。加熱・冷却ユニット１４は、外殻を構成するステージ１６と、その内側に配設されるコイルユニット１７、第１の断熱部材２０、均熱部材２１、第２の断熱部材２２、被誘導加熱部材であるグラファイト２４、及び隔離板２６とから構成される。
前記ステージ１６は、セラミックや石英等の非導電性耐熱部材により形成されていると良い。
【００１７】
また、コイルユニット１７は、管状部材（断面矩形を含む中空部材）により構成され、内部に冷却水や冷却ガス等の冷媒を挿通させることを可能な誘導加熱コイル１８を複数（本実施形態の場合、誘導加熱コイル１８ａ〜１８ｆの６つ）、近接させて配置する構成としている。ここで、誘導加熱コイル１８を上記のような構成とすることにより、誘導加熱により発熱したグラファイト２４の熱によりコイル自体が過熱されることを防止することができると共に、コイルに投入（提供）する電力をカットまたは調整することで、冷却管としての役割を担うことが可能となる。そして、このような構成の誘導加熱コイル１８には、当該誘導加熱コイル１８に電力を提供し、グラファイト２４（隔離板２６）並びにウェハ３０の加熱状態を制御するための、電力制御ユニット３２が接続されている。
【００１８】
本実施形態におけるコイルユニット１７の全体構成は、例えば半径の異なる複数の円形（Ｃ型）コイルを同心円上に近接配置する形態を採ったものであれば良い（例えば、特開２００６−２７８１５０号公報：図１参照）。このようにして配置された誘導加熱コイル１８に対して電力の供給を行う電力制御ユニット３２は、近接配置した誘導加熱コイル１８間における相互誘導の影響を回避するため、例えば次のような構成のものとすると良い。
【００１９】
すなわち、図示しない位相検出器と、共振型インバータ３４（３４ａ〜３４ｆ）、並びに順変換部３６、および電源部３８とを基本とするユニットである。ここで、前記位相検出器とは、各誘導加熱コイル１８に供給されている各電流波形のゼロクロスを検出することで、各誘導加熱コイル１８に供給されている各電流波形の位相差を求める手段である。また、前記共振型インバータ３４とは、各誘導加熱コイル１８に対応させてそれぞれ設けられる直列共振型のインバータであり、例えば単相のフルブリッジインバータやハーフブリッジインバータなどであれば良い。本実施形態に係る共振型インバータ３４は、入力電圧のパルス幅を制御してデューティ比を変化させる事で、誘導加熱コイル１８に供給する電力の調整と、電流周波数の位相制御の双方を可能とする。前記順変換部３６は、電源部３８より供給される交流電流（例えば三相交流電流）を直流電流に変換する役割を担う。そして、前記電源部３８は、各共振型インバータ３４に接続された順変換部３６へ交流電流を供給する役割を担う。なお、共振型インバータ３４と順変換部３６との間には、図示しない平滑回路が備えられている。また、各共振型インバータ３４には、電流波形の位相の調整、及び電力の調整をするための信号を各共振型インバータ３４に出力する位相・電力調整器４０が接続されている。
【００２０】
このような構成の電力制御ユニット３２を備えることによれば、各誘導加熱コイル１８に投入した電流間の位相差を検出、制御し、当該位相差が零または予め設定された位相差となるように調整することができる。よって、円形を成すように近接配置された各誘導加熱コイル１８には、所望する電力を投入することが可能となり、誘導加熱コイル１８に対する投入電力の多寡を調整することができる。したがって、被誘導加熱部材であるグラファイト２４の加熱割合、すなわち温度分布の制御を自在に行うことが可能となり、隔離板２６、及び気体層２９を介したウェハ３０の熱処理を高精度に行うことができる。
【００２１】
また、本実施形態に係る電力制御ユニット３２は、図２に示す回路図のように（図２に示す回路図は２ゾーン）、プロセス室５０を構成する熱処理炉１３の外部に端子４２（４２ａ，４２ｂ）を設け、これを接地するようにしている。接地箇所は、共振コンデンサ４４（４４ａ，４４ｂ）や回路抵抗Ｒ（Ｒａ，Ｒｂ）といった電気要素の影響を受け難い熱処理炉１３の外部近傍であって、誘導加熱コイル１８との間に電気素子を介在させない位置とすることが望ましい。このような構成とすることで、誘導加熱コイル１８の対地間電圧を下げることができる。このため、各構成要素間における接触抵抗を低減させることのできるヘリウム（Ｈｅ）ガスや水素（Ｈ）ガスをコイル室５２の雰囲気に適用することでパッシェン放電の生じる最小の放電開始電圧が低下した場合であっても、誘導加熱コイル１８間におけるパッシェン放電を防止することができる。
【００２２】
ここで、パッシェン放電は、電気素子が置かれた環境の圧力Ｐ、および電気素子間の距離Ｄによって、パッシェン放電が生ずる電圧Ｖｓが求まる。例えば、コイル室５２雰囲気をＨｅとした場合、圧力Ｐと距離Ｄの積Ｐ・Ｄが５．３（Ｐａ・ｍ）のときに１５６（Ｖ）という最小の放電開始電圧が求まる。上記のようにして接地箇所を定めることにより、対地間電圧は誘導加熱コイル１８間の電圧のみを考慮したものとなり、上記のような最小の放電開始電圧よりも低くすることが可能となり、パッシェン放電を防ぐことができる。具体的な例を示すと、共振コンデンサ４４、回路抵抗Ｒ間の端子間電圧を６００Ｖ、誘導加熱コイル１８の端子間電圧を１００Ｖとした場合、接地端子との間に共振コンデンサ４４と回路抵抗Ｒとを介在させると、誘導加熱コイル１８に関する対地間電圧は７００Ｖとなってしまう。これに対し、本実施形態のように接地端子４２を配置することによれば、対地間電圧は誘導加熱コイル１８の端子間電圧のみを対象とすることができ、１００Ｖとなるのである。
【００２３】
また、前記第１の断熱部材２０は、熱容量の小さな物質であると良く、例えばポリイミドフィルム、具体的にはカプトン（東レ・デュポン）を挙げることができる。また、均熱部材２１は、熱伝導率が高く、熱容量の低い部材であれば良い。例えばシリコンなどを挙げることができる。
【００２４】
また、第２の断熱部材２２は、熱容量が大きくても良いが、耐熱温度の高いものであると良く、熱膨張の少ないもの、例えば石英を挙げることができる。断熱部材として、石英とカプトンを備え併設し、これらの間に均熱部材２１を配置したのは、次のような理由からである。
【００２５】
すなわち、カプトンは熱容量を小さくすることができるが、耐熱温度は４００℃程度と低い。これに対し、石英は熱容量がカプトンよりも大きくなるが、耐熱温度は高く、発熱源としてのグラファイト２４に密接させた場合であっても、劣化するといった虞が無い。石英は比較的熱膨張の少ない物質であるが、一方の主面に冷却管としての誘導加熱コイル１８を密着させ、他方の主面に発熱源としてのグラファイト２４を密着させた場合、両主面間に極端な温度差を与えることとなり、第２の断熱部材２２としての石英に大きな反りが生じてしまうのである。このため、第２の断熱部材２２としての石英と誘導加熱コイル１８との間に温度緩和部材として、熱容量の小さな第１の断熱部材２０、すなわちカプトンを配置したのである。
【００２６】
そして、第１の断熱部材２０と第２の断熱部材２２との間に均熱部材２１を配置することで、誘導加熱コイル１８の配置形態に基づく冷却時の温度ムラを解消することが可能となり、ウェハ３０の冷却時の均熱化が容易になる。また、第２の断熱部材２２を介して第１の断熱部材２０へ伝達されるグラファイト２４からの熱が均熱部材２１により拡散されることとなる。これにより、第１の断熱部材２０に伝達される熱が局所的に高くなる虞が無くなり、第２の断熱部材２２から第１の断熱部材２０へ伝達される熱を全範囲に亙って第１の断熱部材２０の耐熱温度範囲内に収めることができる。よって、第１の断熱部材２０の部分的劣化等を防止することができる。
【００２７】
また、上記のような配置構成とすることで、石英と誘導加熱コイル１８との間の熱伝達が遅延されることとなり、石英に生ずる反りを緩和することが可能となる。また、本実施形態に係る石英は、図３に示すように、半径方向、および円周方向のそれぞれに複数分割されている。このような構成とすることで、石英に生ずる反りは個片単位に生ずることとなり、石英全体としての大きな反りを抑制することができる。また、予め分割しておくことで、熱膨張の影響により石英が破損することを防ぐことができる。
【００２８】
前記グラファイト２４は、ウェハ３０を加熱する際、および冷却する際の熱媒体としての役割を担う。例えば、ウェハ３０を加熱する際には、誘導加熱コイル１８に供給される電力によって生ずる磁束（渦電流）の作用により被誘導加熱部材として誘導加熱されて発熱する。一方、ウェハ３０を冷却する際には、誘導加熱コイル１８の内部に流し込まれた冷媒の作用により冷却され、加熱状態にあるウェハ３０からの輻射熱を吸収する吸熱部材として働くと共に、熱伝達を行う媒体としても働くこととなる。なお、グラファイト２４と誘導加熱コイル１８の内部に流し込まれる冷媒との間の熱交換は、誘導加熱コイル１８の構成部材（例えば銅）、第１の断熱部材２０の構成部材（例えばカプトン）、均熱部材２１、第２の断熱部材２２の構成部材（例えば石英）といった部材の熱伝達を介して成される。
【００２９】
グラファイト２４の種類としては、他の構成要素の熱膨張等に対応して圧縮されることを可能とする黒鉛シートを採用することが望ましい。このような構成とすることで、グラファイト２４の膨張率を考慮する必要が無くなると共に、グラファイト２４を他の構成要素の熱膨張に対する緩衝部材とすることができる。
【００３０】
グラファイト２４の厚みは、誘導加熱を生じさせる渦電流の浸透深さに基づいて定めると良い。なお、表皮効果に基づく電流の浸透深さδは、数式１で表すことができる。
【数１】
0005004842.tif 000002
ここで、ρは被誘導加熱部材、すなわちグラファイト２４の抵抗率（μΩ・ｃｍ）、μは被誘導加熱材の比透磁率、ｆは周波数（Ｈｚ）をそれぞれ示す。ここでμは、被誘導加熱部材が磁性材の場合にはμ＞１、非磁性材の場合にはμ＝１となる。よって、本実施形態の場合、μ＝１と定めることができる。
【００３１】
誘導加熱コイル１８から生じる磁束は、ウェハ３０の材質によっては直接加熱による温度分布の偏りといった悪影響を生じさせることがある。よって、グラファイト２４の厚みは、誘導加熱コイル１８からの磁束を遮断できる厚みであると良い。一方で、厚みを厚くしすぎた場合には、熱容量が大きくなってしまい、急速昇降温による熱処理が困難になってしまう。したがって、本実施形態に係るグラファイト２４の厚みは、誘導加熱コイル１８からの磁束を遮断できる最低限の厚さとすることが望ましい。具体的には、グラファイト２４の厚みをｔとした場合に、δ≦ｔ≦３δ程度の範囲、望ましくは、ｔ＝２δ程度とすると良い。
【００３２】
また、本実施形態に係るグラファイト２４は、図４に示すように、半径方向に複数分割されている。グラファイト２４をこのような構成とすることによれば、隣接する加熱ゾーンとの間に生ずる熱伝達を抑えることができると共に、グラファイト２４と誘導加熱コイル１８との配置位置のズレによって生ずる加熱ムラを低減することができる。このため、グラファイト２４と誘導加熱コイル１８との間に回転構造を持たなくとも、グラファイト１８の加熱ムラを低減することが可能となる。よって、簡易な構造により、グラファイト２４全体の均等加熱、および加熱ゾーン単位での温度制御することを、より高精度に行うことが可能となる。
【００３３】
前記隔離板２６は、次のような要素を持っていれば良い。すなわち、発熱源であるグラファイト２４からの輻射熱を伝えるために透光性（赤外線透過性）を有すると共に、熱処理温度以上の耐熱性を有し、線膨張率が低く熱膨張が少ないものであると良い。具体的には、石英によって構成される板部材が望ましい。なお、熱容量を考慮した場合、隔離板２６はできるだけ肉厚を薄くすることが望ましい。しかし、隔離板２６を肉薄化した場合には、熱膨張の影響や、自重の影響による反りが生じ、その結果破損するといった虞が増すこととなる。このため本実施形態では、プロセス室５０内部の気圧をコイル室５２内部の気圧よりも高め、隔離板２６をグラファイト２４に密着させることで、隔離板２６の反りを抑制するようにしている。また、プロセス室５０内部の気圧を高くすることで、コイル室５２内部のコンタミネーションがプロセス室５０に侵入することを防ぐこともできる。また、本実施形態では、コイル室５２内部をヘリウム（Ｈｅ）ガス雰囲気としている。ヘリウムガスは、コイル室５２内部に配置された各構成要素間の接触抵抗を低減させ、各構成要素間における熱伝達の効率を向上させることができる。
【００３４】
そして、本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、ウェハ３０を載置する際に、隔離板２６とウェハ３０とを近接させると共に両者の間に気体層２９を介在させるような構成が採られている。
【００３５】
具体的な構成としては、隔離板２６の上面、すなわちウェハ３０と対向する面に、ウェハ３０の外周部を支持するリング状部材を配置したり、ブロック部材を点在させ、これらをサセプタ２８とすれば良い。このような構成とすることで、ウェハ３０が支持されている面積（接触面積）がウェハ３０における処理面中に占める割合に対して非常に小さくなる。このため、ウェハ３０とサセプタ２８との接触点における熱伝導率の違いを殆ど無視することができるようになる。
【００３６】
ここで、気体層２９は一般的に、液体や固体により構成される層に比べて伝熱効率が低い。このため、ウェハ３０の加熱に熱伝達を利用する場合には、発熱源とウェハ３０とを密着させることが一般的である。本発明では、発熱源であるグラファイト２４とウェハ３０との間に隔離板２６である石英と、気体層２９を介在させ、ウェハ３０に接触する気体層２９の占有面積を、ウェハ３０に接触するサセプタ２８が占有する面積よりも大きくなるようにすることで、熱伝導率のバラツキを抑え、ウェハ３０の温度分布の均一化を図るようにしたのである。なお、本実施形態でいう気体層２９とは、真空引きにより希薄になった大気の他、窒素（Ｎ）やヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）等のプロセスガスを含むこととする。
【００３７】
隔離板２６とウェハ３０との間に介在させる気体層２９の厚みｄの適正値は、当該気体層２９を構成する気体の濃度、物性等にも影響されるが、前記ウェハ３０の加熱時または冷却時に、当該気体層２９を熱媒体として隔離板２６とウェハ３０との間で熱交換を行うことが可能な距離とすれば良い。もっとも、急速昇降温制御を行う上では、この気体層２９の厚みｄの値は可能な限り小さなものとすることが望ましい。気体層２９の厚みｄを小さくすることにより、ウェハ３０と隔離板２６との間の熱交換の即応性を高めることが可能となるからである。
【００３８】
上記のような構成の誘導加熱装置１０におけるウェハ３０の加熱処理、冷却処理は、気体層２９を熱媒体とした熱伝達と、輻射線の吸収または放射との双方によって成される。このため、加熱効率が悪いとされる透光性を有するウェハ（例えば加熱温度５００℃以下の半導体ウェハ）３０に対しても、数十℃／Ｓ以上の昇降温速度を与えることができる。また、気体層２９による温度分布の均熱化を図ったことより、ウェハ３０の温度分布が良好となり、温度制御におけるオーバーシュートを１０℃以下に制御することができる。
【００３９】
前記サーモグラフィユニット６０は、計測対象物から放射されている赤外線を検出し、検出したエネルギーデータを見かけの温度に変換し、温度分布を示す画像データとして表示するユニットである。このため、計測対象物の表面の温度分布を可視化情報として表示でき、広い範囲の温度分布を相対的に比較することが可能となる。また、計測対象物から放射されている赤外線を検出するため、非接触での温度計測が可能であるとともに、温度変化の激しい物であっても温度計測が可能である。
【００４０】
サーモグラフィの原理は、概ね図５に示すようなものである。まず、計測対称物から放射された赤外線エネルギーは、大気（実施形態の場合はプロセスガスを含む）を通過して集光レンズから取り込まれ、検知器に集光される。そして、集光された赤外線は、検知器を介して電気信号に変換され（電子操作）、増幅器を介して増幅される。増幅された電気信号は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換され、ＣＰＵやパーソナルコンピュータといった演算手段を介して演算・補正といった画像処理が成され、図示しないモニタ等の表示手段に温度分布を示す画像として表示される（図６参照）。
【００４１】
ここで、集光レンズには、赤外線を透過し、可視光を透過しないゲルマニウムレンズが用いられる。検知器には、光電効果による変化を検出する量子型のものと、赤外線放射による温度上昇を検出する熱型のものとのいずれかを採用することができる。例えば熱型の検知器としては、マイクロボロメータを挙げることができる。
【００４２】
サーモグラフィユニット６０による温度分布の検出は、検知器における検出素子の画素数に依存し、各画素毎に検出温度を知ることができる。画素数は、図７に示すように、垂直画素と水平画素とによって表されるマトリックス上に存在する画素の数を示すものである。検出された温度、すなわち赤外線エネルギー量の違いは、各画素に定められたデータ深さによって定められる階調毎の色彩で表される。例えばデータ深さが１２ビットの場合、１つの画素に４０９６階調分のデータ量を持つこととなり、１階調毎の温度変化を０．１℃とした場合、４０９．６℃分の変化を示すことができる。
【００４３】
本実施形態に係るサーモグラフィユニット６０は、演算手段６２を外部に備え、温度分布画像を生成すると共に、位相・電力調整器４０に対する信号の生成も行う事を可能としている。
【００４４】
具体的な処理としては、まず、サーモグラフィユニット６０から出力されたデータに基づき、演算手段６２にてウェハ３０の温度分布を検出する。次に、検出された温度分布データに基づいて、誘導加熱コイル１８毎に割り当てられた加熱ゾーン毎の温度差（例えば各ゾーン毎にランダムに選出した数点の画素の温度データに基づく温度差）や、設定温度に対する誤差を検出する。次に、検出した温度差や誤差を補うために各誘導加熱コイル１８に供給する電力を上げるべきか、下げるべきか、あるいは必要とされる電力値がどれほどかを算出し、デューティ比を定める信号として位相・電力調整器４０に対して出力する。このような構成とすることで、ウェハ３０の検出温度に基づくフィードバック制御が可能となる。
【００４５】
なお、演算手段６２では、各加熱ゾーン毎の平均温度を算出し、この値を各加熱ゾーンの代表温度として定め、温度差や誤差を定めるようにしても良い。この場合、各加熱ゾーンに対応した温度データを有する画素のデータをそれぞれ切り出し、他の画素の有する温度データと著しく異なる温度データを持つ画素に関してのデータを省き、残りの画素の有する温度データから平均温度を求めるようにすると良い。
【００４６】
このようにして温度計測を行うようにすることによれば、あるゾーンにおいて複数の点（画素）にて温度計測を行い、不要なデータを除き、残ったデータをもとに代表温度（例えば平均温度）を求め、その温度を温度制御に用いることで、所定の加熱ゾーンにおけるトータルでの温度ムラが少なくなる。このような温度計測に対し、例えばある加熱ゾーンにおいて１点のみで温度計測を行った場合、その点の温度のみが著しく低かった（あるいは高かった）とすると、それを代表温度として温度制御することとなるため、当該加熱ゾーンは過度に加熱（あるいは冷却）されることとなるため、加熱ゾーン全体の温度は高め（あるいは低め）になってしまう。
【００４７】
上記のような構成の誘導加熱装置１０では、ウェハ３０は、加熱時においても、誘導加熱コイル１８の内部に流し込まれた冷媒による冷却作用の影響を受ける。このため、ウェハ３０に所望の温度勾配を与えて目標温度に到達させるためには、環境温度を考慮したゲインを与えた制御を実施する必要がある。本実施形態では、制御系に比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉを含めたＰＩ制御を行うことで、常温のウェハ３０に対して所望する温度勾配を与え、目標温度に到達させることとした。具体的には、まず、ウェハ３０を加熱する目標値までの温度勾配を指令値として与える。そして、ある時点における指令値とウェハ３０の温度との偏差を埋めるための入力値である隔離板２６（実質的にウェハ２０との間で熱交換を行う物質）の設定温度を比例ゲインＫｐに基づいて算出する。
【００４８】
この時、環境温度に対して冷媒等による冷却作用が生じた場合、すなわち環境温度が変化した場合には、比例ゲインＫｐによって算出された設定温度では指令値に到達することができないことがある。つまり、設定温度で加熱されたウェハ３０の温度勾配が指令値として与えられた温度勾配から乖離してしまうのである。こうした乖離によって生ずる偏差（残留偏差）が、積分ゲインＫｉを用いて算出される設定温度の補正値により補われることで、指令値とウェハ３０の温度勾配が一致することとなる。このようなウェハ３０の温度検出、隔離板２６の設定温度の算出、および隔離板２６を設定温度に昇温させるための電力制御を繰返しフィードバックして行うことで、上記誘導加熱装置１０における加熱制御が成される。
【００４９】
ところで、ウェハ３０が目標温度に到達した際には、温度勾配を０℃／ｓとした上で目標温度を維持させる必要がある。このような制御を実現するためには、ウェハ３０の温度がオーバーシュートすることを防ぐために、加熱源である隔離板２６の温度を目標温度以下にまで冷却する必要が生ずる。しかし、隔離板２６の温度制御は誘導加熱コイル１８に対する電力投入量の調整による昇温制御のみである。このため、誘導加熱コイル１８に対する投入電力をカットしたとしても、その温度低下は環境温度に依存することとなり、急激な温度低下を望むことはできないことが一般的である。これに対して本実施形態では、隔離板２６を冷媒の冷却作用により冷却することができるため、急激にその温度を低下させて、ウェハ３０の温度がオーバーシュートすることを防止するという温度制御を実現することが可能となった。また、このような制御は気体層２９を介して成されることとなるため、加熱・冷却制御に際してウェハ３０の温度分布の均一化を図ることもできる。
【００５０】
ここで、上記のような構成の誘導加熱装置１０によりウェハ３０を昇温させる際の工程（昇温工程）についてのシミュレート結果を図８に示す。図８に示すシミュレートにおけるウェハ３０の目標到達温度は５００℃、目標とする昇温速度（指令値）は７５℃／ｓ、降温速度（指令値）は−５０℃／ｓ、気体層２９の厚みｄは０．１５ｍｍ、プロセス室５０内部の雰囲気Ｈｅガス雰囲気、プロセス室５０内部の圧力は約３９９Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）、比例ゲインＫｐ＝５、積分ゲインＫｉ＝１として設定している。また、図８において実線はウェハ３０の温度（℃）、一点鎖線は隔離板（石英）２６の温度（℃）、破線は誘導加熱コイル１８に投入される電力（ｋＷ）をそれぞれ示している。
【００５１】
加熱開始直後は、指令値とウェハ３０の温度との偏差を無くすために、入力値、すなわち隔離板２６の温度を急激に（指令値の温度勾配よりも急勾配となるように）上昇させる必要がある。図８から読み取れるように、隔離板２６の温度を急激に上昇させるために、誘導加熱コイル１８に対する電力投入量も急激な上昇を示している。このような急峻なＰＩ制御を行う場合には、積分ゲインＫｉを小さく設定することが有利である。一方、積分ゲインＫｉの値が小さい場合には、ウェハ３０の温度が指令値に対してオーバーシュートやハンチングといった現象が生ずる可能性が高まるため、これを防止する制御が必要となる。図８に示すシミュレーションでは、加熱開始後約１秒を境に冷媒による冷却作用で隔離板２６を冷却し、ウェハ３０の温度がオーバーシュートすることを防止している。この時、誘導加熱コイル１８に対する電力の投入を零としていないにも関わらず隔離板２６の温度勾配が大きく傾いていることからも、冷媒による冷却作用の大きさを読み取ることができる。
【００５２】
上記のようにしてウェハの温度勾配を指令値に合わせ込むフィードバック制御および隔離板２６の温度が設定値を満足するための電力制御を、ウェハ３０が目標値に到達するまで行う。
【００５３】
ウェハ３０の目標値を５００℃、昇温時の指令値を７５℃／ｓとした場合、ウェハ３０の温度が常温から目標値に到達するまでには約７秒かかることとなる。そして、目標値到達以降の指令値は−５０℃／ｓでの降温処理ということになる。このため、図８に示すシミュレーションでは、目標温度到達後のオーバーシュートを防止するための制御が成されている。具体的には、ウェハ３０が目標温度に到達する約１秒前に、熱媒体としての隔離板２６の設定温度を急激に降温させているのである。
【００５４】
また、上記誘導加熱装置１０を用いてウェハ３０の冷却を行う場合には、冷媒による冷却作用を利用して急速冷却を行うこととなるが、過冷却が生じた場合には、誘導加熱により冷却率を調整するようにすることができる。このような降温工程においても、上記のようなフィードバック制御を実行することで、ウェハ３０に対して、所望する温度勾配を与えることが可能となる。
【００５５】
なお実際の昇降温工程では、誘導加熱コイル１８の形状や大きさ、および放射熱の影響等を受けて、グラファイト２４に局所的な高温部や低温部が生じ、これによって隔離板２６にも同様な温度勾配が生ずることがある。このため、上記構成の誘導加熱装置１０では、各誘導加熱コイル１８に対する電力の投入量を微調整し、グラファイト２４の主面における温度分布の均熱化を図り、隔離板２６全体の昇降温制御を行うこととなる。
【００５６】
上記実施形態では、ウェハ３０は、点または線による軟接触により支持する旨記載した。しかしながらウェハ３０は、ガスの噴出等により隔離板から浮上させるような構成（非接触）としても良い。つまり、本実施形態の誘導加熱装置は、ウェハ３０を、隔離板２６に対して点接触または線接触、あるいは浮上させることにより、隔離板２６とウェハ３０との間に介在される気体層２９の占有面積を増加させる構成を採るものであれば良いということになる。また、上記実施形態において冷媒は、誘導加熱コイル１８の内部に流し込む旨記載した。しかしながら冷媒の流し込み経路は、誘導加熱コイル１８の配置形態に沿ったものであれば良く。誘導加熱コイル１８とは別に設けた配管としても良い。この際、熱媒体を通す配管は、セラミックス等の耐熱性非導電性物質により構成することで、誘導加熱コイル１８との間での短絡等を防止することができる。
【００５７】
なお、上記実施例では、気体層２９の厚みｄを０．１５ｍｍとしているが、ｄは０．１５ｍｍから０．５ｍｍ程度としても、本発明の効果を奏することができる。
【００５８】
ここで、加熱・冷却ユニット１４の構成部材であるＯリング１５（図１中：１５ａ〜１５ｃ）は、耐熱温度が３００℃程度までと比較的低い。また、隔離板２６押さえ１４ａによって、周縁部を押さえられた隔離板２６は、グラファイト２４を加熱した際、内面部と周縁部との間で温度差が生じ、内面部の膨張による力が周縁部に引っ張りの力として作用し、破損する虞がある。このため本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、最外に配置した誘導加熱コイル１８ｆが処理対象とするウェハ３０の外側に位置するように構成し、当該最外に配置した誘導加熱コイル１８ｆをウェハ３０の加熱処理とは別に加熱制御するようにしている。最外に配置した誘導加熱コイル１８ｆによって加熱されるのは、図５に示すグラファイト２４における最外の円状片である。図５に示すように、加熱対称とするグラファイト２４の円形片は、その内部に配置された円形片と物理的に分割されているため、熱伝導による温度勾配の変化についての危惧は無い。
【００５９】
最外に配置された誘導加熱コイル１８ｆによるグラファイト２４の温度制御は、加熱の影響を最も受けるＯリング１５ａの温度が３００℃以下となるように、かつ隔離板２６の周縁部と内面部との温度差が大きくならないように、加熱時においては３００℃程度までの昇温を内部の誘導加熱コイル１８と同様な電力制御で行い、熱処理温度が３００℃を超える範囲では、隔離板周縁部の温度が３００℃を超えないように電力制御を行う。また、冷却時においても、処理温度が３００℃以上の範囲では、隔離板２６の周縁部が３００℃程度の温度を維持するように電力制御を行い、処理温度が３００℃未満となった場合には、内部の誘導加熱コイル１８と同様に、給電を停止するなどの制御を行う。
【００６０】
このような構成、制御により、誘導加熱装置１０の構成部材の劣化、破損等を防止することが可能となる。
【００６１】
なお、実施形態に係る誘導加熱装置１０においては、第１の断熱部材２０と第２の断熱部材２２との間に均熱部材２１を配設していた。しかしながら、当該均熱部材２１が無い場合であっても、本発明の効果を奏する誘導加熱装置とすることはできる。また、グラファイト２４についても、必ずしも分割する必要性は無い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施形態に係る誘導加熱装置の構成を示す図である。
【図２】電力制御ユニットに設けた接地端子の位置を示す等価回路図である。
【図３】第２の断熱部材の構成を示す平面図である。
【図４】グラファイトの構成を示す平面図である。
【図５】サーモグラフィの原理を説明するためのブロック図である。
【図６】サーモグラフィユニットにより検出された温度分布画像の例を示す図である。
【図７】サーモグラフィユニットにおける検知器の検出素子の画素構成を説明する図である。
【図８】実施形態に係る誘導加熱装置を用いたウェハの急速昇降温の様子を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１０………誘導加熱装置、１２………ケーシング、１３………熱処理炉、１４………加熱・冷却ユニット、１６………ステージ、１８（１８ａ〜１８ｆ）………誘導加熱コイル、２０………第１の断熱部材、２１………均熱部材、２２………第２の断熱部材、２４………グラファイト、２６………隔離板、２８………サセプタ、２９………気体層、３０………ウェハ、３２………電力制御ユニット、３４（３４ａ〜３４ｆ）………共振型インバータ、３６………順変換部、３８………電源部、４０………位相制御器、４２（４２ａ，４２ｂ）………接地端子、４４（４４ａ〜４４ｆ）………共振コンデンサ、５０………プロセス室、５２………コイル室、６０………サーモグラフィユニット、６２………演算手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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