CN107710395A - 真空兼容的发光二极管基板加热器 - Google Patents

真空兼容的发光二极管基板加热器 Download PDF

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罗伯特·布然特·宝佩特
盖瑞·E·维卡
大卫·伯拉尼克
杰森·M·夏勒
威廉·T·维弗
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Abstract

本发明公开了一种在可保持于真空条件下的室内加热基板的系统。发光二极管基板加热器包括基座，所述基座具有被侧壁环绕的凹陷部。多个发光二极管安置于所述凹陷部内。所述发光二极管可为GaN发光二极管或GaP发光二极管，其发射易于被硅或所述硅上的涂层吸收的波长的光，从而高效且迅速地加热所述基板。透明窗口安置于所述凹陷部上方，从而形成用以在其中安置所述发光二极管的被密封的壳体。密封衬垫可安置于所述侧壁与所述窗口之间。

Description

真空兼容的发光二极管基板加热器
技术领域
本发明的实施例涉及一种用于加热基板、且更具体而言，用于例如在真空室中使用发光二极管加热基板的系统。
背景技术
半导体元件的制造涉及多个分立且复杂的工艺。半导体基板通常在制造过程期间经历许多工艺。这些工艺可在加工室中进行，所述加工室可保持于与环境不同的加工条件下。例如，加工室可保持于真空条件下。
在加工之前和/或在加工之后对基板进行加热在许多半导体制造工艺中是常见的。在许多情况下，基板被加热至接近于工艺温度的温度并且随后被运送至台板(platen)。此种预热可有助于防止当冷的基板接触热的台板时发生基板翘曲、爆裂及移动。这些现象可导致颗粒的产生及处理不当，并且可降低总的加工良率。
另外，在某些实施例中，可在基板经受冷加工之后对基板进行加温，以消除当基板自室中离开时发生冷凝的可能性。
在某些实施例中，可使用专用预热站来执行此功能。预热站可包括聚焦于基板上的一个或多个红外灯。虽然预热站对于升高基板的温度有效，但预热站对生产量具有负面影响。具体而言，为了使基板达到期望的温度，基板可安置于预热站处达很长的时间。另外，红外灯对于加热基板而言效率相当低。此外，红外灯可能是相当大的并且耗用室内的大量空间。例如，红外灯可为4英寸至8英寸厚。
如果存在不使用红外灯来加热基板的装置，则将是有益的。此外，如果装置占用室内的较少空间，则也将是有利的。
发明内容
本发明公开了一种在可保持于真空条件下的室内加热基板的系统。发光二极管基板加热器包括基座，所述基座具有由侧壁限定的凹陷部。多个发光二极管(light emittingdiode，LED)安置于所述凹陷部内。所述发光二极管可为GaN发光二极管或GaP发光二极管，其发射易于被硅或所述硅上的涂层吸收的波长的光，从而高效且迅速地加热所述基板。窗口安置于所述凹陷部上方，从而形成用以在其中安置所述多个发光二极管的被密封的壳体。密封衬垫可安置于所述侧壁与所述窗口之间。
根据一个实施例，公开了一种装置。所述装置包括被密封的壳体，所述被密封的壳体包含电性电路，所述电性电路包括多个发光二极管，其中所述被密封的壳体的顶表面包括对于由所述多个发光二极管发射的波长透明的窗口。在某些实施例中，所述被密封的壳体被填充囊封剂以移除空气。
根据另一实施例，公开了一种发光二极管基板加热器。所述发光二极管基板加热器包括：基座，具有被侧壁环绕的凹陷部；电性电路，包括多个发光二极管，安置于所述凹陷部中；以及窗口，安置于所述侧壁的顶上并覆盖所述凹陷部，从而形成用以在其中安置所述电性电路的被密封的壳体，其中所述窗口对于由所述多个发光二极管发射的波长透明。在某些实施例中，所述电性电路包括印刷电路板，且所述印刷电路板与所述凹陷部的上表面热连通。在某些实施例中，所述电性电路包括绝缘迹线及导电迹线，其中所述绝缘迹线被直接应用至所述凹陷部的上表面，所述导电迹线被应用于所述绝缘迹线的顶上，且所述导电迹线与所述多个发光二极管电性连通。
根据另一实施例，公开了一种发光二极管基板加热器。所述发光二极管基板加热器包括：基座，具有被侧壁环绕的凹陷部；电性电路，包括被排列成由同心圆形成的图案的多个发光二极管，安置于所述凹陷部中；囊封剂，安置于所述凹陷部中；以及窗口，安置于所述侧壁的顶上，覆盖所述凹陷部并接触所述囊封剂，从而形成用以在其中安置所述电性电路的被密封的壳体，其中所述窗口及所述囊封剂对于由所述多个发光二极管发射的波长透明。在某些实施例中，所述图案包括多个带，其中安置于特定带中的所有同心圆具有相同数目的发光二极管。在某些实施例中，存在五个带。
附图说明
为更好地理解本发明，将参考附图，所述附图以引用方式并入本文且附图中：
图1是根据一个实施例的基板加热系统的立体图。
图2是根据一个实施例的图1所示基板加热系统的侧视图。
图3是根据另一实施例的基板加热系统的立体图。
图4是图3所示基板加热系统的凹陷部的放大图。
图5示出可用于发光二极管的代表性图案。
图6示出在室中使用的发光二极管基板加热器。
具体实施方式
如上所述，在许多应用中，在加工基板之前对基板进行预先加热可能是有利的。此外，基板常常在保持于真空条件下的室内进行加工。
使用真空条件给发光二极管基板加热器的设计带来许多挑战。例如，对可用于构造发光二极管基板加热器的材料的选择可能受到限制，因为许多材料可释放气体，从而污染所述室。另外，安置于所述室内的被密封的壳体可在壳体的内部与所述室之间存在压力差，此可使此被密封的壳体的壁承受显著或不可接受的应力。另外，应移除发光二极管基板加热器所产生的过多的热量，此可因所述室中缺乏空气而变得更加困难。
图1示出与真空条件兼容的发光二极管基板加热器100的第一实施例的立体图。图2示出图1所示发光二极管基板加热器100的剖面图。
发光二极管基板加热器100包括基座110，基座110可由导热材料(例如铝、铜或其他合适的材料)构造而成。基座110可具有在某些实施例中可为相同尺寸的长度及宽度。例如，基座110的长度及宽度可形成尺寸比发光二极管基板加热器100用以加热的基板的直径大的正方形。例如，如果基板为具有300mm的直径的硅晶圆，则基座110的长度及宽度可大到足以容置至少与晶圆一样大的发光二极管阵列。在其他实施例中，基座110可为直径等于或大于安置于其上的基板的直径的圆形。例如，在一个实施例中，基板可具有300mm的直径，且发光二极管阵列可具有大于300mm的直径以确保均匀加热。例如，发光二极管130阵列可具有330mm的直径。
基座110还可具有与长度及宽度正交的高度。基座110的高度可在某些实施例中小于0.5英寸。安置于基座110内的可为一个或多个导管115。这些导管115可延伸贯穿基座110的长度，从而在基座110的一侧进入并在基座110的相对侧离开。在某些实施例中，导管115可至少部分地带有螺纹，从而允许带有类似螺纹的软管或管插入导管115中并附接至基座110。在操作中，流体(例如水、另一种液体、或气体)经过软管并穿过导管115。此动作允许容纳于基座110内的热量通过流动的流体而被移除。因此，导管115用作冷却剂通道。在其他实施例中，基座110可安置于用作散热器(heat sink)的热质量体(thermal mass)上。在这些实施例中，可不采用导管115。
基座110的顶表面可具有凹陷部117，凹陷部117被侧壁118环绕。凹陷部117的尺寸可被设计成容置印刷电路板120。如上所述，印刷电路板可等于或略大于所要加热的基板。凹陷部117的顶表面可经抛光以使其反射来自基板或发光二极管的入射发光的能力最佳化。虽然图1示出具有正方形凹陷部117的正方形基座110，但也可具有其他实施例。例如，基座110及凹陷部117可均为圆形。在另一实施例中，基座110及凹陷部117中的一者为正方形而另一者为圆形。
虽然图1将基座110示出为其中具有凹陷的整体组件，但也可具有其他实施例。例如，基座可具有平坦的顶表面，且与基座分开的侧壁可在基座的顶表面上安置于基座的周边周围。在此实施例中，由侧壁限定且位于基座上方的体积被视为凹陷部。因此，短语“具有凹陷部的基座”并非旨在仅限于具有凹陷的整体组件。而是，其还包括可用于形成可容置发光二极管且可被密封的体积的其他构型。
印刷电路板120可包括多个高功率发光二极管130，其发射易于被基板吸收的一个或多个波长的光。例如，硅在处于约0.4μm与1.0μm之间的波长范围内呈现高吸收率及低透射率。硅在自0.4μm至1.0μm的波长范围内吸收所发射的能量的大于50％。可使用在此波长范围内发射光的发光二极管。在某些实施例中，可采用由GaN制成的发光二极管。这些GaN发光二极管发射波长为约450nm的光。在某些实施例中，采用GaP发光二极管，GaP发光二极管发射波长处于610nm与760nm之间的光。
发光二极管130可在大小上有所变化。在某些实施例中，每一发光二极管可为1.3mm x 1.7mm。在另一实施例中，每一发光二极管130可为1mm x 1mm。当然，其他尺寸的发光二极管也在本发明的范围内。印刷电路板120上的发光二极管130的密度可有所变化。例如，在一个实施例中，可使用8.65个发光二极管/cm2的密度。在另一实施例中，可使用18.1个发光二极管/cm2的密度。在其他实施例中，可使用最多78个发光二极管/cm2的密度。因此，发光二极管130的密度不受本发明限制。
发光二极管130可安置成具有固定数目的行及列的规则阵列。在其他实施例中，发光二极管130可以不均匀的方式间隔开以使对基板的加热最佳化。在某些实施例中，每一同心圆中的发光二极管的数目可与此特定圆的半径相关，使得外侧同心圆可比内侧同心圆具有更多的发光二极管。图5示出被排列成同心圆的发光二极管130的代表性图案。在此实施例中，同心圆500被组织成带510a、510b、510c、510d、510e，其中特定带中的所有圆具有相同数目的发光二极管130。当然，也可具有其他构型。具体而言，在距图案的中心最远的最外侧的带510e中，每一同心圆500可具有约308个发光二极管。在最外侧的带510e中可存在约9个同心圆500。相比之下，在最靠近中心的最内侧的带510a中，同心圆500可各自具有仅44个发光二极管。在最内侧的带510a中可存在约3个同心圆500。位于最内侧的带510a与最外侧的带510e之间的带510b、510c及510d中的同心圆500可分别具有77个、154个及231个发光二极管。在带510b中可存在10个同心圆，在带510c中可存在十二个同心圆500且在带510d中可存在八个同心圆500。在最内侧的带510a内部，可存在被组织成行及列(例如5行及5列)的发光二极管的小矩形阵列520。当然，发光二极管的图案可包括不同数目的带，所述带可具有任何数目的发光二极管。此外，每一带中的同心圆500的数目可不同于上述数目。因此，发光二极管130的构型不受本发明限制。
参见图1及图2，发光二极管130通过印刷电路板120电性连接至电源(图中未示出)。在某些实施例中，印刷电路板120可为金属芯印刷电路板。金属芯印刷电路板利用金属基底层，所述金属基底层可有助于将热量传导离开安置于印刷电路板120上的发光二极管130。在某些实施例中，印刷电路板120通过使用热粘结剂(图中未示出)而热粘结至凹陷部117上的顶表面。在其他实施例中，印刷电路板120可例如通过螺钉或更多紧固构件(图中未示出)而物理附连至基座110。紧固构件可确保印刷电路板120的下侧与凹陷部117的顶表面之间进行物理接触以确保热传导。
如图1所示，窗口140可安置于侧壁118的顶上。窗口140可包含石英、硼硅玻璃或对于由发光二极管130发射的波长透明的任何其他材料。窗口140的大小可被设计成延伸超过凹陷部117并倚靠在侧壁118上。窗口140可具有几毫米以上的厚度。
在某些实施例中，窗口140可使用机械紧固件(例如托架)而附接至侧壁118的顶部。
在其中欲在真空条件下使用发光二极管基板加热器100的实施例中，可使用囊封剂160来填充凹陷部117的体积。因此，在印刷电路板120安装完之后，可呈液体形式的囊封剂160然后可将凹陷部117的其余体积填充至达到侧壁118的水平。这样，便没有空气存留在凹陷部117中。在囊封剂160灌注或以其他方式引入至凹陷部117中之后，囊封剂160可被固化以形成固体材料。囊封剂160可被选择成对于由发光二极管130发射的波长透明。术语“透明”旨在阐述其中由发光二极管130发射的光能的至少80％穿过囊封剂160的性质。此外，囊封剂160可被选择成使得材料不在真空环境下释放气体。在某些实施例中，囊封剂160可为硅酮或硅酮油。在其他实施例中，可使用其他透光的环氧树脂材料，例如聚胺基甲酸酯。如上所述，被密封的壳体可在内部与真空室之间存在差压。通过使用囊封剂160自凹陷部117移除空气，可消除此压力差。囊封剂160还可用作窗口140的机械支撑件。在某些实施例中，囊封剂160可用于使窗口140保持就位，此使得不需要紧固件。
在其中不在真空条件下安置发光二极管基板加热器的实施例中，既可采用也可不采用囊封剂160。例如，在处于或接近大气压力下操作的环境中，凹陷部117的内部与外部之间不存在压力差。因此，在这些实施例中可不使用囊封剂160。
密封衬垫150可安置于窗口140与侧壁118之间。在其中侧壁118与基座110分开的实施例中，密封衬垫也可安置于侧壁118与基座110之间。密封衬垫150还防止囊封剂160自凹陷部117向真空室释放气体。另外，密封衬垫150可防止其他材料自发光二极管130向真空室迁移。密封衬垫150可由或任何合适的材料制成。这些材料可因其与真空条件兼容而被选择。
在某些实施例中，窗口140可在一个或两个表面上涂有光学涂层141。此光学涂层141可用于将来自基板的波长(例如红外辐射)朝基板向回反射。另外，如上所述，凹陷部117的顶表面可经抛光以也将光及其他辐射朝基板向回反射。窗口140上的光学涂层141及经抛光表面可用来使发光二极管130保持较冷、同时还有助于减少晶圆热损失。
虽然图1示出安置于凹陷部117中的印刷电路板120，但其他实施例也在本发明的范围内。例如，图3示出发光二极管基板加热器200的第二实施例的立体图。在这两个实施例之间共享的组件已被赋予相同的参考标示符。
在此实施例中，印刷电路板被直接安置于凹陷部117的顶表面上的多个厚膜绝缘迹线及导电迹线取代。如前一实施例一样，发光二极管基板加热器200包括基座110，基座110可具有导管115。基座110具有被侧壁118环绕的凹陷部117。如上所述，侧壁118可与基座110成一整体，或者可为分开的组件。窗口140安置于侧壁118上。密封衬垫150可安置于窗口140与侧壁118之间。囊封剂160可安置于由侧壁118形成的凹陷部117中。
图4示出图3所示实施例的凹陷部117的放大图。直接安置于凹陷部117的上表面上的是多个绝缘迹线210。绝缘迹线210可覆盖凹陷部117的整个上表面。在其他实施例(例如图4所示实施例)中，绝缘迹线210安置成图案，使得凹陷部117的上表面的部分保持暴露。安置在绝缘迹线210上是多个导电迹线220。导电迹线220用于将电流载送至发光二极管130。绝缘迹线210用于将导电迹线220与凹陷部117电性隔离。导电迹线220电性连接至电源(图中未示出)并且电性连接至发光二极管130。
与前一实施例不同，绝缘迹线210被直接应用至凹陷部117。因此，不采用紧固件。此外，由于绝缘迹线210直接安置于基座110的凹陷部117的上表面上，故可大大改善导热率。换言之，图4所示实施例可更有效地将热量自发光二极管130拉离并将此热量散失至基座110。在某些实施例中，可使用厚膜材料系统，例如可自Heraeus购得的厚膜材料系统。
在这两个实施例中，发光二极管130为安置于基座110的凹陷部117中的电性电路的一部分。在发光二极管130与电源之间建立电性连接。如上所述，在某些实施例中，电性电路制作于印刷电路板或金属芯印刷电路板上。在其他实施例中，电性电路是使用厚膜制作而成。这些膜用于形成绝缘迹线及导电迹线。当然，电性电路也可以其他方式制作。
此外，在某些实施例中，可使用反射材料或反射面来使自发光二极管130至基板的光能传递最大化。此可使对基板的加热最大化，同时还使发光二极管130保持于较低温度。如上所述，在某些实施例中，光学涂层141可安置于窗口140上。此光学涂层141用来朝基板向回反射红外辐射。在某些实施例中，凹陷部117的顶表面可经抛光以提高其反射率。在某些实施例中，反射材料可安置于电性电路的顶上，例如发光二极管130之间。在为印刷电路板120的情形中，反射材料可安置于印刷电路板的顶表面上。在为厚膜的情形中，反射材料可安置于这些厚膜的顶上。此反射材料(其可为焊接掩模)也将光朝基板向回反射。
图6示出在室中采用的发光二极管基板加热器300。发光二极管基板加热器300可为本文所述实施例中的任一者。发光二极管基板加热器300与流体源310流体连通。流体源310可为液体容器，所述液体容器具有泵以迫使液体穿过管道系统315并进入发光二极管基板加热器300的基座110中的导管115。在其他实施例中，流体源310可为冷却气体源。另外，发光二极管基板加热器300中的发光二极管电性连接至电源320。在某些实施例中，通往发光二极管的电力连接通过基座110中的小孔离开。
在操作中，本文所述发光二极管基板加热器可安置于水平面上，使得基板10可安置于发光二极管基板加热器300的窗口140上。在此实施例中，发光二极管基板加热器300自下方加热基板10。
在其他实施例(图中未示出)中，发光二极管基板加热器300可安置于升高的位置处且被定向成使得窗口140面朝下。在此实施例中，发光二极管基板加热器300自上方加热基板。在又一实施例中，两个发光二极管基板加热器300可被排列成使得基板10安置于第一发光二极管基板加热器的窗口140上，而第二发光二极管基板加热器被定向成向下朝基板10发射光。以此方式，可同时自上方及下方加热基板10。
本申请中的上述实施例可具有许多优点。首先，如上所述，发光二极管基板加热器可小于0.5英寸厚。由于发光二极管基板加热器的紧凑大小，这些加热器可安置于所述室内先前无法获得的空间中。其次，发光二极管基板加热器利用与常规加热灯相比对于加热基板而言更加高效的发光二极管。因此，相较于先前的加热系统，对基板进行加温所使用的电力更少。此外，发光二极管以特定波长提供所有能量，其中传统的加热系统在光谱方面更宽。此使得能够选择高效地耦合至被加热基板的波长。此外，所有输入能量均处于此目标波长。此也使得能够在印刷电路板上方添加反射此目标波长的反射面(例如焊接掩模)，以将光向回朝基板反射。再其次，发光二极管基板加热器的设计允许加热器用于自下方(当基板安置于窗口上时)或上方加热基板。最后，发光二极管可靠得多，因为相较于传统加热灯不到一年的寿命，发光二极管具有大约五年的寿命。
本发明在范围上不受本文所述具体实施例限制。实际上，根据上文说明及附图，除本文所述之外的本发明的其他各种实施例及修改对于所属领域的普通技术人员将显而易见。因此，此类其他实施例及修改旨在落于本发明的范围内。此外，尽管本文已出于特定目的而在特定环境中在特定实施方案的上下文中阐述了本发明，但所属领域的普通技术人员将认识到其适用性并不仅限于此且本发明可有利地出于任意数目的目的而在任意数目的环境中实施。因此，下文所提出的权利要求应根据本文所述本发明的全部广度及精神来解释。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
被密封的壳体，包含电性电路，所述电性电路包括多个发光二极管，其中所述被密封的壳体的顶表面包括对于由所述多个发光二极管发射的波长透明的窗口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述被密封的壳体被填充囊封剂以移除空气。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个发光二极管发射波长处于约0.4μm与1.0μm之间的光。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个发光二极管被排列成同心圆的图案，其中距所述图案的中心较远地安置的同心圆比距所述图案的所述中心较近地安置的同心圆具有更多的所述发光二极管。
5.根据权利要求1所述的装置，其中还包括位于所述窗口上的光学涂层，以朝基板反射红外辐射。
6.一种发光二极管基板加热器，包括：
基座，具有被侧壁环绕的凹陷部；
电性电路，包括多个发光二极管，安置于所述凹陷部中；以及
窗口，安置于所述侧壁的顶上并覆盖所述凹陷部，从而形成用以在其中安置所述电性电路的被密封的壳体，其中所述窗口对于由所述多个发光二极管发射的波长透明。
7.根据权利要求6所述的发光二极管基板加热器，其中所述电性电路包括印刷电路板，且所述印刷电路板与所述凹陷部的上表面热连通。
8.根据权利要求7所述的发光二极管基板加热器，其中所述印刷电路板包括金属芯印刷电路板。
9.根据权利要求6所述的发光二极管基板加热器，其中所述电性电路包括绝缘迹线及导电迹线，其中所述绝缘迹线被直接应用至所述凹陷部的上表面，所述导电迹线被应用于所述绝缘迹线的顶上，且所述导电迹线与所述多个发光二极管电性连通。
10.根据权利要求6所述的发光二极管基板加热器，其中还包括填充所述凹陷部的其余体积的囊封剂，其中所述囊封剂对于由所述多个发光二极管发射的波长透明。
11.根据权利要求6所述的发光二极管基板加热器，其中所述多个发光二极管被排列成同心圆的图案，其中距所述图案的中心较远地安置的同心圆比距所述图案的所述中心较近地安置的同心圆具有更多的所述发光二极管。
12.根据权利要求11所述的发光二极管基板加热器，其中所述图案包括多个带，其中安置于特定带中的每一同心圆具有相同数目的所述发光二极管。
13.根据权利要求6所述的发光二极管基板加热器，其中还包括位于所述窗口上的光学涂层，以朝基板反射红外辐射。
14.一种发光二极管基板加热器，包括：
基座，具有被侧壁环绕的凹陷部；
电性电路，包括被排列成同心圆的图案的多个发光二极管，并安置于所述凹陷部中；
囊封剂，安置于所述凹陷部中；以及
窗口，安置于所述侧壁的顶上，覆盖所述凹陷部并接触所述囊封剂，从而形成用以在其中安置所述电性电路的被密封的壳体，其中所述窗口及所述囊封剂对于由所述多个发光二极管发射的波长透明。
15.根据权利要求14所述的发光二极管基板加热器，其中所述图案包括多个带，其中安置于特定带中的所有同心圆具有相同数目的所述发光二极管。
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