JP3843645B2

JP3843645B2 - 減圧加熱処理装置

Info

Publication number: JP3843645B2
Application number: JP11888299A
Authority: JP
Inventors: 毅松下; 禎浩柳沼; 源一片桐; 信虎口
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: JP2000311858A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス窓を備えた容器の内部を減圧し、内部に収納した被処理物をガラス窓を通して加熱処理する減圧加熱処理装置に係わり、特にそのガラス窓の構造、およびその取付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、プラズマ処理装置やウエハ熱処理装置等の半導体製造装置においては、減圧雰囲気中で加熱処理を行う減圧加熱処理装置が種々用いられている。これらの減圧加熱処理装置では、通常、例えばプラズマ発光の監視やウエハ基板温度の計測等に用いるための透明性の高いガラス窓が金属製チャンバーの壁面に備えられている。
【０００３】
図３は、従来のこの種の減圧加熱処理装置の基本構成例を示すもので、（ａ）は処理容器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＢ部の拡大図である。
図３（ａ）において、１は、上部が開口した金属製の円筒形状のチャンバーである。このチャンバー１の開口した面には、円板状の透明なガラスよりなる円板型ガラス窓２が気密に配され、密閉された容器が形成可能となる。一方、チャンバー１の側壁には、排気口６とガス導入口５が備えられており、排気口６を介して外部に設けられた排気ポンプによって内部を排気し、ガス導入口５を介して所望のガスを導入することによりチャンバー１の内部を所望のガスの減圧雰囲気にすることができる。
【０００４】
また、チャンバー１の内部には、上下方向の移動および水平面での回転が可能な円板状のワークテーブル４が備えられており、このワークテーブル４の上に図示しない被処理用のワークが積載される。ガラス窓２の上方には加熱手段７が設置され、この加熱手段７により前記ガラス窓２を透過してワークテーブル４の上に積載するワークが加熱される。加熱手段７としては、例えば赤外線ランプヒータやプラズマ発生用の誘導コイル等が用いられる。
【０００５】
また、図３（ｂ）に示したように、上述のチャンバー１と円板型ガラス窓２との間の気密性を高めるため、チャンバー１のフランジ部１ｂには真空用Ｏリング２１、および、耐熱性樹脂製の偏平した形状のセットリング２２が備えられ、また、円板型ガラス窓２の上部の外周部には、上記のセットリング２２と同一材料により形成した偏平状の加圧リング２４が備えられている。円板型ガラス窓２の上部の外周部に加圧リング２４を介して配された金属製の締付けリング２３を、外周部に配した複数本の押えボルト２５によってチャンバー１のフランジ部１ｂに締め付けると、真空用Ｏリング２１が圧縮され、円板型ガラス窓２と金属製のチャンバー１との間が気密に接触することとなり、チャンバー１の内部が気密に保持され、減圧雰囲気の創出が可能となる。
【０００６】
上記の円板型ガラス窓２は、減圧雰囲気の形成に伴って受ける圧力の他に、加熱手段７からの熱放射、熱伝達、および熱伝導により加熱され、例えば５００℃以上の高温となる。このため、金属製チャンバー１のフランジ部１ｂには全周に渡り冷却水溝８が設けられており、この冷却水溝８に冷却水を流すことによってフランジ部１ｂを冷却し、真空用Ｏリング２１の温度上昇を抑えて劣化を抑制している。
【０００７】
なお、減圧加熱処理装置に使用されるガラス窓としては、上述の構成例の円板型ガラス窓２の他に、既に特願平９−３７４７８号に出願されているような、外周を平坦とし中央部を外部に凸とするドーム型の形状のガラス窓が用いられている場合もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来の構成において、円板型ガラス窓２の外周部は、冷却水溝８に流れる冷却水により冷却され、例えば１５０℃以下の低温に保持されるので、加熱手段７により、例えば５００℃以上の高温となる中央部分との間、すなわち半径方向に温度差が生じるため、熱膨張差によって円板型ガラス窓２の内部に熱応力が生じることとなる。
【０００９】
従来の減圧加熱処理装置は、通常、大面積処理を必要としないワークの処理に用いられており、チャンバー１の外形サイズも比較的小さく、円板型ガラス窓２の口径サイズも小さくてすむため、熱膨張差によって円板型ガラス窓２の内部に熱応力が生じても、前述の締付けリング２３によって円板型ガラス窓２に押圧を与えるだけで十分な強度が得られ、円板型ガラス窓２の破損を防止することができた。しかしながら、近年、量産性を考慮し、対象物を大面積化させて処理能力を増大し、かつ、高速加熱処理、均一性の高い加熱処理をする要求が強く、それに伴い減圧加熱処理装置に用いられる円板状のガラス窓も大口径化する必要性が生じている。
【００１０】
上記の減圧加熱処理装置のごとく、ガラス窓の外周端部に上下方向の押圧を与えてガラス窓とチャンバーとの気密性を確保する構成の場合には、ガラス窓の熱膨張による伸びに対して抵抗する力が、ガラス窓と接触しているＯリング、および、耐熱性の加圧リングとの間で生じる摩擦力のみであるため、大口径のガラス窓を用いる場合には次のような問題点が生じる。
【００１１】
（１）ガラス窓の構成材料は熱伝導率が小さいため、大口径化すると半径方向の温度差が大きくなり、この温度差によってガラス窓の外周近傍では周方向に引っ張り応力が加わる。一方、ガラス窓の構成材料においては、圧縮強さと比較して引張強さが約 1/20 と小さいため、ガラス窓が周方向の引張応力により破損する危険性がある。
【００１２】
（２）また、円板状ガラス窓を大口径化すると、円板状ガラス窓に加わる真空圧力による荷重が直径（Ｄ_W）の二乗に比例して大きくなるため、円板状ガラス窓の板厚（Ｈ）をこの荷重による引張応力に十分耐えられる板厚とする必要があり、直径（Ｄ_W）と板厚（Ｈ）の比を 10 〜 15 程度にしなければならない。従って、例えば、直径 1000 ｍｍのガラス窓では、板厚を少なくとも70ｍｍにする必要があり、重量も約 120kgにもなるため可搬性が悪くなる。
【００１３】
さらに、チャンバーの容器内にプラズマを形成して処理する場合には、ガラス窓は内面より加熱され、外気と接触する外面において自然冷却されるため、板厚の厚い大口径の円板状ガラス窓では、厚み方向にも大きな温度差が生じる。さらに、前述の冷却水により半径方向の温度差とが複合され、ガラス窓の引張応力に対する条件がさらに厳しくなる。
【００１４】
なお、端部のフランジ面に比べて中央部を突出させた、いわゆるドーム型のガラス窓の場合には加熱手段とワークテーブル間の距離が隔たるので、大面積化されたワークテーブル上の対象ワークを均一に加熱処理することが困難である。
【００１５】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、上記の問題点を解消して、大口径のガラス窓に加わる応力が低減され、破損の危険性が回避されるよう構成された安全性の高い減圧加熱処理装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明においては、
ワークテーブルを内蔵するチャンバーの一面に設けられた開口部を、フランジ面に真空用Ｏリングを介在させて、例えば透明性石英ガラスよりなるガラス窓で気密に覆い、内部を減圧状態に保持して、ワークテーブルに積載された被処理物を、ガラス窓の外側に配された赤外線ランプヒーターあるいは高周波誘導コイル等の加熱手段によって加熱処理する減圧加熱処理装置に、
（１）例えば円形状の上記のガラス窓の側面を外側より加圧する加圧手段、例えば、チャンバーのフランジ面、ガラス窓、ガラス窓の側端部の外面と側面を覆い固定ボルトによって開口部のフランジ面に結合される略Ｚ字状の断面を有する固定用フランジ、および、チャンバーのフランジ面とガラス窓との間に配された第１の加圧用Ｏリング、チャンバーのフランジ面と固定フランジとの間に配された第２の加圧用Ｏリング、ガラス窓と固定フランジとの間にに配された第３の加圧用Ｏリングによって気密に形成された空間に、固定フランジに貫通して設けられた導入ポートより圧縮エアを供給することによってガラス窓の側面を外側より加圧する加圧手段を備えて構成することとする。
【００１７】
（２）さらに、上記の第３の加圧用Ｏリングを、第１の加圧用Ｏリングに比べて開口部の半径方向の内側に設けることとする。
（３）さらに、フランジ面に配した真空用Ｏリングと第１の加圧用Ｏリングとの間に、外部より揮発性の有機溶剤を注入する、あるいは圧縮エアを供給するための注入溝をチャンバーに備えることとする。
【００１８】
（４）また、上記のガラス窓を、チャンバーの外側方向へ突出した部分球面状の薄肉の中央部とその外側に環状に配された厚肉のフランジ部との一体化形状に形成することとする。
【００１９】
既に述べたように、この種の減圧加熱処理装置のガラス窓を大口径化すると、半径方向の温度差によってガラス窓の外周近傍では周方向に引っ張り応力が加わり、図３に示したごとき従来の構成では破損する危険性があったが、上記の（１）のごとく、ガラス窓の側面を外側より加圧する加圧手段を備えて、ガラス窓に側面からの圧縮圧力を加えれば、ガラス窓の外周近傍に加わる周方向の引っ張り応力が緩和され、引張応力による破損が回避できることとなる。
【００２０】
また、上記（２）のごとく、第１の加圧用Ｏリングの位置（直径Ｄ1 ）と第３の加圧用Ｏリングの位置（直径Ｄ3 ）の関係をＤ3 ＜Ｄ1 とすれば、ガラス窓（直径Ｄ_W）の端部と二つの加圧用Ｏリングとの間の距離は、（Ｄ_w−Ｄ3 ）＞（Ｄ_w−Ｄ1 ）となるので、上記の（１）のごとく気密に形成した空間に圧縮エアを導入すれば、側面より圧縮されるばかりでなく、ガラス窓をチャンバーの方向へと押す圧力が加わるので、より確実に気密に保持されることとなる。
【００２１】
また、上記（３）のごとくとすれば、Ｏリングが熱伝導によって加熱され、ガラス窓に密着して取り外しが困難となる場合があっても、この注入溝を介して外部より揮発性の有機溶剤を注入すれば、Ｏリングが容易に離脱するので、メンテナンスが簡単となり、運転効率が向上する。
【００２２】
また、上記（４）のごとくガラス窓の中央部の形状を大きな径の部分球面状とすれば、所要の肉厚を薄くできるので、強度を極度に低下させることなくガラス窓の軽量化を図ることができる。また、ガラス窓が内部より加熱される装置の場合には、中央部の板厚を薄くすることによって厚み方向の温度差を小さくすることができるので、ガラス窓の内部応力が低減されることなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図１および図２に基づいて説明する。なお、図１および図２に示した構成部品のうち、図３に示した従来例の構成部品と同一機能を有する構成部品には同一符号を付してその説明は省略する。
＜実施例１＞
図１は、本発明の減圧加熱処理装置の実施例１の基本構成を示す説明図で、（ａ）は処理容器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ部の拡大図である。
【００２４】
図１（ａ）に見られるように、本構成の減圧加熱処理装置の基本構造は、図３に示した従来例の基本構造と同様であるが、点線の円で示したＡ部の構造、すなわち、円板型ガラス窓２のチャンバー１への取り付け構造が異なる。
【００２５】
本実施例の構成においては、図１（ｂ）に見られるように、円筒状のチャンバー１の上部に設けられた開口部のフランジ部１ａには、内周側に円板型ガラス窓２をセットするためのセット用座面が、また、外周側に円板型ガラス窓２を固定する固定フランジが連結される固定用座面が備えられている。このうち、内周側のセット用座面には、内側から外側に向かって順に、真空用Ｏリング９、偏平形状に形成された耐熱性の第１のサポートリング１０、第１の加圧用Ｏリング１１、ならびに、第１のサポートリング１０と同一材質により形成された円板型ガラス窓２の位置決め用のセットリング１２が順に配されている。また、外周側の固定用座面は、円板型ガラス窓２の外周端部を上面から加圧し支持するために設けられた断面形状が略Ｚ字状の固定フランジ３をフランジ部１ａに固定させる面であり、この固定用座面の外周側に全周にわたって均等に配置された複数本の固定ボルト１６により固定される。この固定用座面の内周側には第２の加圧用Ｏリング１３が配設されている。円板型ガラス窓２の外周部の上部端縁部とこれを加圧支持する固定フランジ３の面との間には、第１の加圧用Ｏリング１１が配されている位置より相対的に内側に第３の加圧用Ｏリング１４が、また、その外側に、上記の第１のサポートリング１０と同一材料により形成された偏平形状のスペーサリング１５が溝中に配されている。このスペーサリング１５は、第１のサポートリング１０やセットリング１２とともに、円板型ガラス窓２と金属製のフランジ部１ａや固定フランジ３との直接接触を防止する役割を果たす。以上の構成によって、フランジ部１ａと固定フランジ３と円板型ガラス窓２、ならびに、第１の加圧用Ｏリング１１、第２の加圧用Ｏリング１３、第３の加圧用Ｏリング１４により円板型ガラス窓２の側面に接して密閉空間が形成されている。一方、固定フランジ３の側面には、この密閉空間に連通する加圧ポート１７が設けられており、この加圧ポート１７を通して圧縮エアが供給される。
【００２６】
したがって、加熱処理運転に際して、円板型ガラス窓２が加熱されて高温となり、半径方向の温度差により外周部で引っ張り応力を受ける状態となっても、円板型ガラス窓２の側面には、加圧ポート１７を介して導入される圧縮エアによって、全周にわたり均等な圧縮力が加わるので、温度差に伴う応力が緩和され、円板型ガラス窓２は破損することなく、安全に機能する。
【００２７】
なお、図１には図示されていないが、チャンバー１のフランジ部１ａのセット用座面において、真空用Ｏリング９と第１の加圧用Ｏリング１１との間に連通する供給ポートを設け、加熱処理終了後の円板型ガラス窓２の取り外しの際、この供給ポートより、例えば揮発性の有機溶剤（メチルアルコール等）を注入した後、圧縮エアを供給することとすれば、加熱に伴って真空用Ｏリング９が円板型ガラス窓２に密着した状態にあっても、容易に離脱させることができるので、メンテナンスが短時間で行える。したがって、特に、大口径の円板型ガラス窓２を備えた装置のメンテナンスに効果的である。
【００２８】
また、本実施例では、加熱手段７としては赤外線ランプヒータを用いているが、高周波誘導コイルを加熱手段７として用い、プラズマを発生させ、これを用いて被処理物を処理することもできる。
＜実施例２＞
図２は、本発明の減圧加熱処理装置の実施例２の基本構成を示す説明図で、（ａ）は処理容器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に組み込まれているガラス窓の拡大図である。
【００２９】
本実施例の構成と図１に示した実施例１の構成との相違点はガラス窓の構成にあり、実施例１では、大口径の円板型ガラス窓２が用いられていたのに対して、本実施例では、中央部が外側に突出した部分球面殻状に形状をもつ球面型ガラス窓１８が用いられている。
【００３０】
図２（ｂ）に示されているごとく、この球面型ガラス窓１８は、中央部の部分球面殻状をなす部分と、チャンバー１のフランジ部１ａに固定フランジで押圧し固定される外フランジ１８ａとの連結体として構成されている。チャンバー１の開口部の口径が図１に示した装置のものと同一であれば、端部の外フランジ１８ａの厚さ（Ｈ）は、図１の円板型ガラス窓２の厚さと同一でよく、幅は、この球面型ガラス窓１８の直径（Ｄ_w）とチャンバー１の内径（Ｄ）との差の 1/2 〜1/5 程度でよい。また、球面型ガラス窓１８の中央部の内面は、チャンバー１のフランジ部１ａに固定される面より高さＳだけ高い位置に配され、この位置と外フランジ１８ａとを、チャンバーの内径（Ｄ）の２倍以上の曲率半径（R1）をもつ球面で連結している。一方、中央部の外面は、外フランジ１８ａの高さを超えない高さに配置され、この位置と外フランジ１８ａとを、上記の内面の曲率半径（R1）より大きい曲率半径（R2）をもつ球面で連結しており、かつ中央部の厚さ（t1）が外フランジ１８ａの厚さ（Ｈ）の少なくとも 1/2以上となるように構成されている。なお、この曲面型ガラス窓１７では、応力集中による破損を防止するために、中央部の板厚（t1）を、外フランジ１８ａと球面の交わる位置での板厚（t2）以下となるよう形成するのが好ましい。
【００３１】
本構成の球面型ガラス窓１８は中央部が端部より突出しないので、その外側に配される加熱手段の据え付け位置に影響を及ぼすことがなく、実施例１の円板型ガラス窓２と同様に、ワークテーブル上の被処理物を加熱処理できる。また、本構成では外部からの圧力に対して強度の強い球面形状とすることによって、厚さを薄くすることができるので、軽量化が可能となりメンテナンスを行う際に特に有効である。また、厚さが薄くなるので、板厚方向の温度差が小さくなり、生じる熱応力を抑制することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、次記の効果を奏する。
（１）チャンバーのフランジ部に配されるガラス窓の側面に圧縮力が作用することとなったので、加熱処理に伴って生じる温度差によってガラス窓の外周部に生じる引っ張り応力が緩和されるので、大口径のガラス窓を備えた大面積加熱処理の可能な装置においても、破損の危険性が回避されて、安全性の高い減圧加熱処理装置が得られることとなった。
【００３３】
（２）また、上記のガラス窓を部分球面形状に構成すれば、円板形状のガラス窓と比較して、加熱されるガラス窓の中央部の板厚が円板形状より薄くすることができるため、板厚方向の温度差を小さくすることができ、熱応力が緩和される。また、軽量化されるので、ガラス窓の取り扱いが簡単となり、メンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の減圧加熱処理装置の実施例１の基本構成を示す説明図で、（ａ）は処理容器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ部の拡大図
【図２】本発明の減圧加熱処理装置の実施例２の基本構成を示す説明図で、（ａ）は処理容器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に組み込まれているガラス窓の拡大図
【図３】従来のこの種の減圧加熱処理装置の基本構成例を示す説明図で、（ａ）は処理容器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＢ部の拡大図
【符号の説明】
１チャンバー
１ａフランジ部
２円板型ガラス窓
３固定フランジ
４ワークテーブル
５ガス導入口
６排気口
７加熱手段
８冷却水溝
９真空用Ｏリング
１０サポートリング
１１第１の加圧用Ｏリング
１２セットリング
１３第２の加圧用Ｏリング
１４第３のＯリング
１５スペーサリング
１６固定ボルト
１７加圧ポート
１８球面型ガラス窓
１８ａ外フランジ

Claims

ワークテーブルを内蔵するチャンバーの一面に設けられた開口部を、フランジ面に真空用Ｏリングを介在させてガラス窓で気密に覆い、内部を減圧状態に保持して、ワークテーブルに積載された被処理物を、ガラス窓の外側に配された加熱手段によって加熱処理する減圧加熱処理装置において、
前記のガラス窓の側面を外側より加圧する加圧手段が設けられ、
前記の加圧手段が、チャンバー内のフランジ面、ガラス窓、ガラス窓の側端部の外面と側面を覆い、固定ボルトによって開口部のフランジ面に結合される、略Ｚ字状の断面を有する固定用フランジ、および、チャンバーのフランジ面とガラス窓との間に配された第１の加圧用Ｏリング、チャンバーのフランジ面と固定フランジとの間に配された第２の加圧用Ｏリング、ガラス窓と固定フランジとの間に配された第３の加圧用Ｏリングによって気密に形成された空間に、固定フランジに貫通して設けられた導入ポートより供給される圧縮エアであり、
前記の第３の加圧用Ｏリングが、第１の加圧用Ｏリングに比べて開口部の半径方向の内側に設けられている、
ことを特徴とする減圧加熱処理装置。
チャンバーが、フランジ面に配した真空用Ｏリングと第１の加圧用Ｏリングとの間に、外部より揮発性の有機溶剤を注入する、あるいは圧縮エアを供給する溝を備えたことを特徴とする請求項１に記載の減圧加熱処理装置。
前記のガラス窓が、円板状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の減圧加熱処理装置。
前記のガラス窓が、チャンバーの外側方向へ突出した部分球面状の薄肉の中央部とその外側に環状に配された厚肉のフランジ部との一体化形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の減圧加熱処理装置。
前記のガラス窓が、透明性石英ガラスよりなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の減圧加熱処理装置。
前記の加熱手段が、赤外線ランプヒーター、あるいは高周波誘導コイルであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の減圧加熱処理装置。