JP2008016545A

JP2008016545A - アニール装置およびアニール方法

Info

Publication number: JP2008016545A
Application number: JP2006184457A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kasai; 河西　　繁; Tomohiro Suzuki; 智博鈴木
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2008-01-24
Also published as: WO2008004581A1; TW200820346A

Abstract

【課題】熱の影響による発光量の低下や、屈折率に起因する光エネルギー効率が低いという問題が生じずに安定した性能を維持することができるアニール装置を提供すること。
【解決手段】ウエハＷが収容されるチャンバー１と、ウエハＷに光を照射する複数のＬＥＤ素子を有する加熱源７ａ，７ｂと、加熱源７ａ，７ｂが収容されるハウジング６ａ，６ｂと、ハウジング６ａ，６ｂ内に、絶縁性を有しＬＥＤ素子から射出される光を透過するとともに屈折率が１より大きくＬＥＤを構成する材料よりも低い物質からなる冷却媒体２１を供給する冷却媒体供給機構２０と、チャンバー１とハウジング６ａ，６ｂの間に設けられた光透過部材５ａ，５ｂとを具備し、ハウジング６ａ，６ｂ内において冷却媒体２１はＬＥＤ素子に直接接触するように充填される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してＬＥＤからの光を照射することによりアニールを行うアニール装置およびアニール方法に関する。

半導体デバイスの製造においては、被処理基板である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に対して、成膜処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種熱処理が存在するが、半導体デバイスの高速化、高集積化の要求にともない、特にイオンインプランテーション後のアニールは、拡散を最小限に抑えるために、より高速での昇降温が指向されている。このような高速昇降温が可能なアニール装置としてＬＥＤ（発光ダイオード）を熱源として用いたものが提案されている（例えば特許文献１）。

ところで、上記アニール装置の熱源としてＬＥＤを用いる場合には、急速加熱に対応して多大な光エネルギーを発生させる必要があり、そのためにＬＥＤを高密度実装する必要がある。

しかしながら、ＬＥＤは熱により発光量が低下することが知られており、ＬＥＤを高密度実装することにより、ＬＥＤ自体の発熱（投入エネルギーのうち、光として取り出せなかったもの）等の影響が大きくなるとＬＥＤから十分な発光量を得られなくなるおそれがある。また、ＬＥＤを構成する材料として例えばＧａＮを用いる場合には、その屈折率が２．５と大きいため、光を屈折率が１の空気中（真空中）に取り出す際に全反射する光が多く存在し、効率良く光エネルギーを取り出すことが困難である。このように、ＬＥＤを適用したアニール装置においては、発熱の問題および屈折率の問題により安定した性能を発揮するものが未だ得られていない。

一方、ＬＥＤを用いてウェハを高速加熱冷却するにあたり、短時間で高温まで昇温する際にはＬＥＤユニットに莫大なパワー密度が要求され、そのために、給電系においては短時間ではあるが２００ｋＶＡ以上という極めて大きな電力が必要となる。このため、給電系のケーブル、ブレーカー、マグネットコンタクターには極めて高容量のものが求められ、高価であったり、入手が困難であったり、取り扱いが難しい等の問題がある。
特表２００５−５３６０４５号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、熱源としてＬＥＤを用いたアニール装置において、熱の影響による発光量の低下や、屈折率に起因する光エネルギー効率が低いという問題が生じずに安定した性能を維持することができるアニール装置およびアニール方法を提供することを目的とする。
また、熱源としてＬＥＤを用いたアニール装置において、大きな電力を供給することなく所望の高速加熱を行うことができるアニール装置およびアニール方法を提供することを目的とする。
さらに上記アニール方法を実行するためのコンピュータ読取可能な記憶媒体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理体が収容される処理容器と、被処理体に対して光を照射する複数のＬＥＤ素子を有する加熱源と、前記加熱源が収容されるハウジングと、前記ハウジング内に、絶縁性を有しＬＥＤ素子から射出される光を透過するとともに屈折率が１より大きくＬＥＤを構成する材料よりも低い物質からなる冷却媒体を供給する冷却媒体供給機構と、前記処理容器と前記ハウジングの間に設けられた光透過部材とを具備し、前記ハウジング内において冷却媒体はＬＥＤ素子に直接接触するように充填されることを特徴とするアニール装置を提供する。

本発明の第２の観点では、被処理体が収容される処理容器と、被処理体に対して光を照射する複数のＬＥＤ素子を有する加熱源と、前記複数のＬＥＤ素子に給電する給電機構とを有し、前記給電機構は、ＬＥＤ素子を点灯するための電気エネルギーを蓄積する電気二重層コンデンサモジュールと、前記電気二重層コンデンサモジュールに充電する充電電源と、充電された前記電気二重層コンデンサモジュールから所望の電流値で前記ＬＥＤ素子に給電する給電回路とを有することを特徴とするアニール装置を提供する。

上記第１の観点において、前記冷却媒体としては、フッ素系不活性液体を用いることができる。また、前記加熱源および前記ハウジングは、前記処理容器の両側に設けられている構成とすることができる。さらに、処理容器内の被処理体と前記加熱源との間に設けられた、前記ＬＥＤ素子から射出される光を透過し、波長が１μｍ以上の赤外線を吸収する赤外線吸収部材をさらに具備することができる。

上記第２の観点において、前記充電電源としては定電流源を用いることができる。この場合に、前記定電流源は電圧制御機能を有することが好ましい。また、前記給電回路は、充電された前記電気二重層コンデンサモジュールから前記ＬＥＤ素子への給電電圧を、前記ＬＥＤ素子への電流値が所定値になるように調整するＤＣ−ＤＣコンバータを有するものとすることができる。さらに、前記加熱源は、複数のゾーンに分かれており、前記給電機構は、各ゾーンごとに給電するように構成することができる。さらにまた、前記給電機構は、前記複数のゾーンに対応して複数の電気二重層コンデンサモジュールと給電回路とを有しており、前記充電回路は前記複数の電気二重層コンデンサモジュールに充電するように構成することができる。さらにまた、前記給電機構は、前記二重層コンデンサモジュールへの充電および前記二重層コンデンサモジュールから前記ＬＥＤ素子への給電を制御するコントローラをさらに有する構成とすることができる。

上記第１または第２の観点において、前記加熱源は、複数のＬＥＤ素子が搭載されたＬＥＤアレイを有する光源を複数備える構成とすることができる。また、前記処理容器は、その中に処理ガスを導入する処理ガス導入口と、処理容器内を排気する排気口とを有する構成とすることができる。

本発明の第３の観点では、処理容器に被処理体を収容させ、ＬＥＤ素子に給電して点灯させ、その光により被処理体をアニールするアニール方法であって、絶縁性を有しＬＥＤ素子から射出される光を透過するとともに屈折率が１より大きくＬＥＤを構成する材料よりも低い物質からなる冷却媒体をＬＥＤ素子に直接接触した状態とし、その状態でＬＥＤ素子を点灯させることを特徴とするアニール方法を提供する。この場合に、前記冷却媒体として、フッ素系不活性液体を用いることができる。

本発明の第４の観点では、処理容器に被処理体を収容させ、ＬＥＤ素子に給電して点灯させ、その光により被処理体をアニールするアニール方法であって、電気二重層コンデンサモジュールに充電し、充電された電気二重層コンデンサモジュールから前記ＬＥＤ素子に給電し、ＬＥＤ素子を点灯させることを特徴とするアニール方法を提供する。

本発明の第５の観点では、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、上記第３または第４の観点の方法が行われるようにアニール装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読取可能な記憶媒体を提供する。

本発明の第１および第３の観点によれば、ハウジング内に、絶縁性を有しＬＥＤ素子から射出される光を透過するとともに屈折率が１より大きくＬＥＤを構成する材料よりも低い物質からなる冷却媒体を供給し、この冷却媒体をＬＥＤ素子に直接接触するように充填するので、漏電等の電気的な問題や光の減衰による効率低下を招くことなく、ＬＥＤ素子の熱の影響による発光量の低下や、屈折率に起因する光エネルギー効率が低いという問題を生じさせずに安定した性能を維持することができる。また、処理容器内の被処理体と前記加熱源との間に波長が１μｍ以上の赤外線を吸収する赤外線吸収部材を設けることにより、被処理体からの放射熱がＬＥＤ素子に達することを防止することができ、ＬＥＤ素子の熱の影響による発光量の低下をより一層効果的に防止することができる。

本発明の第２および第４の観点によれば、電気二重層コンデンサモジュールに充電し、ＬＥＤ素子を点灯する際には電気二重層コンデンサモジュールからＬＥＤ素子に給電するが、電気二重層コンデンサは、十分大きなパワー密度を有し、かつ比較的大きなエネルギー密度を有しているため、中程度の電源で充電した後、蓄積された電力を極めて短時間で放電することができ、用力部に大電力を供給することなくＬＥＤ素子を用いてウエハＷを急速にアニールすることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここでは、表面に不純物が注入されたウエハをアニールするためのアニール装置を例にとって説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図である。このアニール装置１００は、気密に構成され、ウエハＷが搬入されるチャンバー（処理容器）１を有している。

チャンバー１の底部からは支持柱２が立設しており支持柱２の上端から内側に延びるようにウエハＷを水平に支持する支持部材３が設けられている。チャンバー１の天壁および底壁のウエハＷに対応する部分には、それぞれ開口部１ａ，１ｂが形成されており、開口部１ａ，１ｂを覆うように光透過部材５ａ，５ｂが気密に取り付けられている。また、チャンバー１の側壁には、図示しない処理ガス供給機構から所定の処理ガスが導入される処理ガス導入口２２と図示しない排気装置が接続された排気口２３が設けられている。さらに、チャンバー１の側壁には、チャンバー１に対するウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２４が設けられており、この搬入出口２４はゲートバルブ２５により開閉可能となっている。チャンバー１の内部には、支持部材３上に載置されたウエハＷの温度を測定するための温度センサー２６が設けられている。また、温度センサー２６はチャンバー１の外側の計測部２７に接続されており、この計測部２７から後述するプロセスコントローラ６０、コントローラ５６（図６参照）に温度検出信号が出力されるようになっている。

チャンバー１の天壁の上には、光透過部材５ａを囲繞するように第１ハウジング６ａが設けられており、またチャンバー１の底壁の下には光透過部材５ｂを囲繞するように第２ハウジング６ｂが設けられている。

第１ハウジング６ａの内部には、複数のＬＥＤ素子を有し、全体としてウエハＷに対向して水平に設けられた加熱源７ａを有しており、第２ハウジング６ｂの内部にも、同様に複数のＬＥＤ素子を有し、全体としてウエハＷに対向して設けられた加熱源７ｂを有している。これら加熱源７ａ，７ｂのＬＥＤ素子には、給電部１０から電力が給電されるようになっている。そして、ＬＥＤ素子に給電することによりＬＥＤ素子が発光して、その光によりウエハＷが表裏面から加熱される。

加熱源７ａ，７ｂは、図２に拡大して示すように、棒状部材１６に複数のＬＥＤ素子１５が取り付けられたＬＥＤアレイ１７を有する光源１８が複数配列されて構成されている。また、各光源１８は、ＬＥＤアレイ１７の背面側にリフレクタ１９を有している。加熱源７ａ（７ｂ）は、複数の光源１８が、図３の底面図に示すように、それぞれ例えば同心円状に複数、図では３つのゾーン３１ａ，３２ａ，３３ａ（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）に分かれて配置されており、各ゾーンごとに給電されるようになっている。

ＬＥＤ素子１５としては、射出される光の波長が紫外光〜近赤外光の範囲、好ましくは０．３６〜１．０μｍの範囲である。このような０．３６〜１．０μｍの範囲の光を射出する材料としてはＧａＮ、ＧａＡｓ等が例示される。

また、図１に示すように、第１ハウジング６ａには、加熱源７ａと光透過部材５ａとの間に、加熱源７ａと同程度の面積を有し、ＬＥＤ素子１５から射出される波長の光は透過するが波長が１．０μｍ以上の赤外線は吸収する赤外線吸収板８ａが水平に配置されている。この赤外線吸収板８ａは、ＬＥＤ素子から照射される波長の光に対する透過性が高いものが好ましい。具体的には赤外線吸収板８ａの波長が１．０μｍ以上の赤外線の吸収率は９０％以上、ＬＥＤ素子から照射される光の波長に対する透過率が９０％以上が好ましい。赤外線吸収板８ａとしては、赤外線吸収ガラスを好適に用いることができる。また、第２ハウジング６ｂにも、加熱源７ｂと光透過部材５ｂとの間に、加熱源７ｂと同程度の面積を有する、赤外線吸収板８ａと同様の赤外線吸収板８ｂが水平に配置されている。

第１ハウジング６ａの側壁には、冷却媒体導入口１１ａおよび冷却媒体排出口１２ａが設けられており、第２ハウジング６ｂの側壁には、冷却媒体導入口１１ｂおよび冷却媒体排出口１２ｂが設けられている。そして、冷却媒体導入口１１ａ，１１ｂにはそれぞれ冷却媒体供給配管１３ａ，１３ｂが接続されており、冷却媒体排出口１２ａ，１２ｂには冷却媒体排出配管１４ａ，１４ｂが接続されている。冷却媒体供給配管１３ａ，１３ｂは冷却媒体供給機構２０に接続されており、この冷却媒体供給機構２０により冷却媒体供給配管１３ａ，１３ｂを介して第１および第２ハウジング６ａ，６ｂ内に液体状の冷却媒体２１が供給され、第１および第２ハウジング６ａ，６ｂ内が冷却媒体２１で充填される。また、第１および第２ハウジング６ａ，６ｂの冷却媒体２１は冷却媒体排出配管１４ａ，１４ｂを介して回収される。すなわち、冷却媒体２１は冷却媒体供給機構２０により循環されるようになっている。

冷却媒体２１としては、ＬＥＤ素子１５を十分に冷却可能な冷却能力を有し、絶縁性であり、ＬＥＤ素子から照射される光の波長に対して透過性を有する液体であり、屈折率が１より大きくＬＥＤ素子を構成する材料（ＧａＮの場合には屈折率２．５、ＧａＡｓの場合には屈折率３．６）よりも小さい値の物質を用いる。効率の観点から、ＬＥＤ素子から照射される光の波長に対する透過率は９０％以上が好ましく、ＬＥＤ素子から照射される光に対して透明（透過率がほぼ１００％）であることがより好ましい。このような物質としては、フッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン等）を挙げることができる。フロリナートの可視光透過率は図４に示すようにほぼ１００％であり、屈折率は約１．２５である。この冷却媒体２１は、図５に示すように、第１および第２ハウジング６ａ，６ｂにおいて、加熱源７ａ，７ｂを構成する各光源１８のＬＥＤ素子１５に接触するようになっている。

給電部１０は、図６に示すように、電源として機能する用力部４１と、各々前記ゾーン３１ａ，３２ａ，３３ａおよび３１ｂ，３２ｂ，３３ｂに対応して設けられ、用力部４１からの電力を充電し、各ゾーンの光源１８を構成するＬＥＤ素子１５に給電する充電・給電回路５１ａ〜５１ｆと、これら用力部４１および充電・給電回路５１ａ〜５１ｆを制御するコントローラ５６とを有している。用力部４１は、交流電源４２からの交流電力を直流電力に変換する整流器４３と、定電流電気回路として動作し、高電圧の直流電力を充電・給電回路５１ａ〜５１ｆに供給する電圧制御機能付の電流源４４とを有している。また、充電・給電回路５１ａ〜５１ｆはいずれも同じ構造を有しており、電流源４４からの高電圧の直流電力が充電される電気二重層コンデンサモジュール５２と、電気二重層コンデンサモジュール５２に蓄積されている電気エネルギーを所定の出力電圧でＬＥＤ素子１５に供給する給電回路として機能するＤＣ−ＤＣコンバータ５３とを有し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５３の入力と出力とはアイソレーション５４により電気的に分離されている。これにより、ＧＮＤ線・ノイズ等に捉われることなく自由に出力を設定でき、各ゾーンの光源１８の数量を任意に決定することができる。

電気二重層コンデンサの特性について図７のパワー密度とエネルギー密度の関係を示す図を参照して説明すると、エネルギー密度は電池よりも低いがアルミニウム電解コンデンサよりも大きく、パワー密度はアルミニウム電解コンデンサよりも低いが電池よりも大きい特性を有している。このため、加熱源７ａ，７ｂの多数のＬＥＤ素子を短時間に高温まで急速に加熱するために必要なエネルギー密度とパワー密度とを兼備したものとなる。

電気二重層コンデンサは、等価回路が図８に示すようなものであり、コンデンサＣ_１〜Ｃ_ｎの集合体のような状態となっており、静電容量が極めて大きく、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_ｎ＋１が存在することからアルミニウム電解コンデンサに比べ比較的内部抵抗が大きいので、充放電効率が高くパワー密度が大きい。ただし、耐電圧が数ボルトと低い。このため、電気二重層コンデンサを複数直列に接続して、数十ボルトの定格電圧を持つ電気二重層コンデンサモジュールとして取り扱われる。この際充電電源として機能する電流源４４から充電器として機能する電気二重層コンデンサモジュール５２に一定の電流で給電することにより、効率的な充電を行うことができる。そして、所定の電圧になったら、コントローラ５６により電流源４４の制御を定電圧モードにする。さらに充電・給電回路５１の電気二重層コンデンサモジュール５２は、耐電圧が３００Ｖ程度になるように電流源４４に対して直列に接続される。また各ゾーンにおいて要求される電力量が不足する場合は、各充電・給電回路５１ａ〜５１ｆにおいて、電気二重層コンデンサモジュール５２をさらに並列接続することで、必要な電力量を蓄電することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５３は、給電回路として機能し、充電された電気二重層コンデンサモジュール５２から各ゾーンのＬＥＤ素子１５に給電する機能と、その際にその出力電圧を調整する機能とを有しており、コントローラ５６により各ゾーンに所望のＬＥＤ電流が流れるような出力電圧に制御される。これにより、電気二重層コンデンサモジュール５２から給電される際の電圧変動を防止するとともに、各ゾーンのＬＥＤ素子１５に供給される電流を制御してウエハＷの温度の面内分布を制御可能となっている。なお、コントローラ５６は以下に説明するプロセスコントローラ６０からの指令により動作するようになっている。

アニール装置１００の各構成部は、図１に示すように、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ６０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ６０には、工程管理者がアニール装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、アニール装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース６１が接続されている。さらに、プロセスコントローラ６０には、アニール装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ６０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてアニール装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピを格納することが可能な記憶部６２が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部６２の所定位置にセットするようになっていてもよい。さらに、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース６１からの指示等にて任意のレシピを記憶部６２から呼び出してプロセスコントローラ６０に実行させることで、プロセスコントローラ６０の制御下で、アニール装置１００での所望の処理が行われる。

次に、以上のようなアニール装置１００におけるアニール動作について説明する。
まず、ゲートバルブ２５を開にして搬入出口２４からウエハＷを搬入し、支持部材３上に載置する。その後、ゲートバルブ２５を閉じてチャンバー１内を密閉状態とし、排気口２２を介して図示しない排気装置によりチャンバー１内を排気するとともに、図示しない処理ガス供給機構から処理ガス導入口を介して所定の処理ガス、例えばアルゴンガスまたは窒素ガスをチャンバー１内に導入し、チャンバー１内の圧力を例えば１００〜１００００Ｐａの範囲内の所定の圧力に維持する。

この状態で、冷却媒体供給機構２０から、液体状の冷却媒体２１、例えばフッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン等）をハウジング６ａ，６ｂに充填するとともに循環させる。

このとき、電流源４４を作動させて充電・給電回路５１ａ〜５１ｆの電気二重層コンデンサモジュール５２を充電し、加熱源７ａ，７ｂの各光源１８を構成するＬＥＤ素子１５の点灯に備えておく。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ５３を制御して電気二重層コンデンサモジュール５２から放電させ、各ゾーンの光源１８を構成するＬＥＤ素子１５に所定の電流を供給してＬＥＤ素子１５を点灯させる。この際のＬＥＤ素子１５の光エネルギーにより、ウエハＷを１００〜１０００℃／ｓｅｃ程度の加熱速度で急速に加熱することができる。例えば、複数の光源１８に配置されている多数のＬＥＤ素子１５を１秒間点灯することにより、１０００℃程度の高温まで急速に加熱することができる。また、熱放射による加熱でないため、降温時にはＬＣＤ素子１５を消灯することにより、１００〜２００℃／ｓｅｃ程度の急速な冷却が可能である。

ここで、ＬＥＤ素子１５自身の発熱等によりＬＥＤ素子１５の発光量が低下するが、本実施形態では、冷却媒体２１をハウジング６ａ，６ｂに充填しかつ循環させることにより、ＬＥＤ素子１５を直接冷却する。冷却媒体２１として用いるフッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン等）は、ＬＥＤ素子１５を十分に冷却可能な冷却能を有し、絶縁性であり、ＬＥＤ素子１５の発光光に対して透明（ほぼ透過率が１００％）であるから、ＬＥＤ素子１５の光を妨げることなく、かつ絶縁性なので直接接触させても給電に対して悪影響を及ぼすことなく、ＬＥＤ素子１５を十分に冷却することができる。また、ＬＥＤ素子１５から射出された光は、一旦冷却媒体２１を経てから空気中に射出されるが、例えばフロリナートは屈折率が１．２５であって、空気とＬＥＤ素子を構成するＧａＮ、ＧａＡｓの中間の値であり、屈折率が徐々に空気の屈折率に近づくため全反射が生じ難く、効率良く光エネルギーを取り出すことができる。

このように、熱の影響によるＬＥＤ素子１５の発光量の低下や、屈折率に起因する光エネルギー効率が低いという問題が生じずに安定した性能を維持することができる。

また、ＬＥＤ素子１５の発光量に影響を与える熱としては、加熱されたウエハやチャンバー内パーツからの熱放射等の周囲からの熱があり、特にウエハＷは１０００℃程度の高温になるため影響が大きい。すなわち、加熱されたウエハＷからは熱放射があり、それがＬＥＤ素子１５に到達するとＬＥＤ素子１５の発光量に影響を与えるおそれがある。これに対して、本実施形態では、加熱源７ａと光透過部材５ａとの間および加熱源７ｂと光透過部材５ｂとの間に、それぞれ、加熱源７ａ，７ｂと同程度の面積を有する赤外線吸収板８ａ，８ｂを設け、ＬＥＤ素子１５から射出される波長の光は透過するが波長が１μｍ以上の赤外線は吸収するようにしたので、ＬＥＤ素子１５からの光は妨げられることなくウエハＷに到達させ、ウエハＷからの熱放射は遮断することができる。つまり、ウエハＷを１０００℃程度まで加熱した場合、図９に示すようなプランクの法則に従って赤外線がウエハＷから放出され、これがＬＥＤ素子１５に到達するとＬＥＤ素子が加熱されてしまうが、赤外線吸収板８ａ，８ｂを設けることにより、赤外線がＬＥＤ素子１５に到達することを防止することができ、ウエハＷによるＬＥＤ素子１５の加熱を有効に防止することができる。

一方、多数のＬＥＤ素子１５を用いて、短時間で高温まで昇温するためには、ＬＥＤ素子１５に対して莫大なパワー密度が要求され、そのために、給電系においては短時間ではあるが２００ｋＶＡ以上という極めて大きな電力が必要となる。これを通常の給電機構で実現しようとすると大電圧・大電流が要求され、ケーブル、ブレーカー、マグネットコンタクターには極めて高容量のものが求められるといった困難性をともなう。

これに対して、本実施形態では、電気二重層コンデンサモジュール５２に充電しておき、ＬＥＤ素子１５を点灯する際には電気二重層コンデンサモジュール５２からＬＥＤ素子に給電するので、用力部４１には大電圧・大電流は不要であり、ケーブル、ブレーカー、マグネットコンタクターは通常のもので十分である。すなわち、電気二重層コンデンサは、十分大きなパワー密度を有し、かつウエハＷを必要温度に加熱するために必要なエネルギーを蓄積可能な比較的大きなエネルギー密度を有しているため、中程度の電源で充電した後、蓄積された電力を極めて短時間で放電することができ、大電圧・大電流の電源を用いることなくＬＥＤ素子を用いてウエハＷを急速加熱することができる。また、充電電源として高圧直流の電流源４４を用い、定電流で時間をかけて電気二重層コンデンサモジュール５２を充電するので、ケーブルのロスが少なく高効率で充電することができる。

このことについて以下に説明する。
コンデンサに蓄えられる電荷Ｑは、静電容量をＣとし、電圧をＶとし、電流をＩとし、時間をｔとすると、
Ｑ＝Ｃ×Ｖ＝Ｉ×ｔ
と表すことができ、コンデンサに蓄えられる静電エネルギーＵは、
Ｕ＝（１／２）×ＣＶ^２＝（１／２）×（Ｑ^２／Ｃ）
と表すことができる。また、内部抵抗Ｒで消費される電力Ｌは、
Ｌ＝Ｉ^２×Ｒ×ｔ＝Ｒ×Ｑ^２／ｔ（∵Ｉ＝Ｑ／ｔ）
であり、充電時の効率Ｐｃは、
Ｐｃ＝Ｕ／（Ｕ＋Ｌ）
であるから、これに上記関係式を代入すると、
Ｐｃ＝ｔ／（ｔ＋２ＲＣ）
となり、時間をかけて充電すると効率がよいことがわかる。

次に、必要な電流を計算する。上記のようなアニール装置では、１枚のウエハがアニール装置に入っている時間は１〜２分（６０〜１２０秒）であり、この間にウェハの搬送、真空引き、圧力調整等が行われる。一方、その内の１秒がＬＥＤ素子を点灯してウエハを急速加熱している時間であるから、計算上、点灯時間である１秒以外の５９〜１１９秒が充電時間として使える計算となる。

ここでウェハを加熱するための必要なパワー密度を２００ｋＶＡとすると、１秒間に消費するエネルギーは２００ｋＪとなる。これを５９秒で充電する場合には、
２００ｋＪ÷５９＝３．４ｋＶＡとなる。
用力部４１では、電流源４４が直流３００Ｖで充電するので、電流は、
３４００÷３００＝１１．３Ａですむ。
また、１１９秒で充電する場合には、
２００ｋＪ÷１１９＝１．７ｋＶＡとなり、電流を計算すると、
１７００÷３００＝５．７Ａですむ。
直流変換効率を９０％とすると２００Ｖの交流電源４２の入力は、前者の場合は、
３４００／（２００×３^１／２×０．９）＝１０．９Ａ／相
となり、後者の場合は、
１７００／（２００×３^１／２×０．９）＝５．５Ａ／相
となる。

通常の交流電源で２００ｋＶＡを実現しようとすると、５７７Ａ／相の電流が必要となることから、５０〜１００分の１程度の電流値でよいこととなり、電源を著しく小型化することができる。

ＬＥＤ素子１５を点灯させてウエハＷを加熱する際には、電気二重層コンデンサモジュール５２に蓄積された電気エネルギーを各ゾーンのＬＥＤ素子１５に放電させることになるが、給電回路としてＤＣ−ＤＣコンバータ５３を設けたので、各ゾーンのＬＥＤ素子１５に所望の電流が供給されるような所定の出力電圧を得ることができる。さらに、電気二重層コンデンサモジュール５２から放電される際の電圧変動を防止して、ＬＥＤ素子１５を点灯させることができ、制御性良くウエハＷを加熱することができる。また、各ゾーンごとにＬＥＤ素子１５に供給される電流を制御することができ、ウエハＷの温度の面内分布を高精度で制御することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、被処理体であるウエハの両側にＬＥＤ素子を有する加熱源を設けた例について説明したが、いずれか一方に加熱源を設けたものであってもよい。さらに、赤外線吸収板を設けずに光透過部材に赤外線吸収機能を持たせてもよい。さらにまた、被処理体についても、半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ用ガラス基板などの他のものを対象にすることができる。

本発明は、不純物が注入された後のアニール処理等、急速加熱が必要な用途に好適である。

本発明の一実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図。図１のアニール装置の加熱源を拡大して示す断面図。図１のアニール装置の加熱源を示す底面図。図１のアニール装置において冷却媒体として用いられるフロリナートの透過率曲線を示すグラフ。図１のアニール装置において冷却媒体を充填した状態を示す断面図。図１のアニール装置の給電部の概略構成を示す図。給電部に用いる電気二重層コンデンサのパワー密度とエネルギー密度の関係を示す図。電気二重層コンデンサの等価回路を示す図。プランクの法則を示すグラフ。

符号の説明

１；チャンバー
１ａ，１ｂ；開口部
２；支持柱
３；支持部材
５ａ，５ｂ；光透過部材
６ａ，６ｂ；ハウジング
７ａ，７ｂ；加熱源
８ａ，８ｂ；赤外線吸収板
１０；給電部
１５；ＬＥＤ素子
１７；ＬＥＤアレイ
１８；光源
１９；リフレクタ
２０；冷媒供給機構
２１；冷却媒体
２２；処理ガス導入口
２３；排気口
２６；温度センサー
３１ａ，３２ａ，３３ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ；ゾーン
４１；用力部
４２；交流電源
４３；整流器
４４；電流源
５１ａ〜５１ｆ；充電・給電回路
５２；電気二重層コンデンサモジュール
５３；ＤＣ−ＤＣコンバータ
５４；アイソレーション
５６；コントローラ
６０；プロセスコントローラ
６１；ユーザーインターフェース
６２；記憶部
１００；アニール装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）

Claims

被処理体が収容される処理容器と、
被処理体に対して光を照射する複数のＬＥＤ素子を有する加熱源と、
前記加熱源が収容されるハウジングと、
前記ハウジング内に、絶縁性を有しＬＥＤ素子から射出される光を透過するとともに屈折率が１より大きくＬＥＤを構成する材料よりも低い物質からなる冷却媒体を供給する冷却媒体供給機構と、
前記処理容器と前記ハウジングの間に設けられた光透過部材と
を具備し、
前記ハウジング内において冷却媒体はＬＥＤ素子に直接接触するように充填されることを特徴とするアニール装置。
前記冷却媒体は、フッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項１に記載のアニール装置。
前記加熱源および前記ハウジングは、前記処理容器の両側に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアニール装置。
処理容器内の被処理体と前記加熱源との間に設けられた、前記ＬＥＤ素子から射出される光を透過し、波長が１μｍ以上の赤外線を吸収する赤外線吸収部材をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアニール装置。
被処理体が収容される処理容器と、
被処理体に対して光を照射する複数のＬＥＤ素子を有する加熱源と、
前記複数のＬＥＤ素子に給電する給電機構と
を有し、
前記給電機構は、ＬＥＤ素子を点灯するための電気エネルギーを蓄積する電気二重層コンデンサモジュールと、前記電気二重層コンデンサモジュールに充電する充電電源と、充電された前記電気二重層コンデンサモジュールから所望の電流値で前記ＬＥＤ素子に給電する給電回路とを有することを特徴とするアニール装置。
前記充電電源は定電流源であることを特徴とする請求項５に記載のアニール装置。
前記定電流源は電圧制御機能を有することを特徴とする請求項６に記載のアニール装置。
前記給電回路は、充電された前記電気二重層コンデンサモジュールから前記ＬＥＤ素子への給電電圧を、前記ＬＥＤ素子への電流値が所定値になるように調整するＤＣ−ＤＣコンバータを有することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記加熱源は、複数のゾーンに分かれており、前記給電機構は、各ゾーンごとに給電することを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記給電機構は、前記複数のゾーンに対応して複数の電気二重層コンデンサモジュールと給電回路とを有しており、前記充電回路は前記複数の電気二重層コンデンサモジュールに充電することを特徴とする請求項９に記載のアニール装置。
前記給電機構は、前記二重層コンデンサモジュールへの充電および前記二重層コンデンサモジュールから前記ＬＥＤ素子への給電を制御するコントローラをさらに有することを特徴とする請求項５から請求項１０のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記加熱源は、複数のＬＥＤ素子が搭載されたＬＥＤアレイを有する光源を複数備えることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記処理容器は、その中に処理ガスを導入する処理ガス導入口と、処理容器内を排気する排気口とを有することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のアニール装置。
処理容器に被処理体を収容させ、ＬＥＤ素子に給電して点灯させ、その光により被処理体をアニールするアニール方法であって、
絶縁性を有しＬＥＤ素子から射出される光を透過するとともに屈折率が１より大きくＬＥＤを構成する材料よりも低い物質からなる冷却媒体をＬＥＤ素子に直接接触した状態とし、その状態でＬＥＤ素子を点灯させることを特徴とするアニール方法。
前記冷却媒体は、フッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項１４に記載のアニール方法。
処理容器に被処理体を収容させ、ＬＥＤ素子に給電して点灯させ、その光により被処理体をアニールするアニール方法であって、
電気二重層コンデンサモジュールに充電し、
充電された電気二重層コンデンサモジュールから前記ＬＥＤ素子に給電し、ＬＥＤ素子を点灯させることを特徴とするアニール方法。
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、請求項１４から請求項１６のいずれかの方法が行われるようにアニール装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読取可能な記憶媒体。