JP2008227435A - アニール装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱の影響による発光量の低下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が収容される処理室１と、ウエハＷの面に面するように設けられ、ウエハＷに対して光を照射する複数のＬＥＤ３３を有する加熱源１７ａ，１７ｂと、加熱源１７ａ，１７ｂに対応して設けられ、発光素子３３からの光を透過する光透過部材１８ａ，１８ｂと、光透過部材１８ａ，１８ｂの処理室１と反対側を支持し、加熱源１７ａ，１７ｂに直接接触するように設けられた高熱伝導性材料からなる冷却部材４ａ，４ｂと、冷却部材４ａ，４ｂを冷却媒体で冷却する冷却機構とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してＬＥＤ等の発光素子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）を加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加熱源として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。しかし、ＬＥＤを有効に冷却して安定した性能を発揮するものが未だ得られていない。
また、この種のアニール装置は、多数のＬＥＤを使用するため、給電機構が複雑になる傾向にあり、より簡易な給電機構が望まれている。
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、加熱源としてＬＥＤ等の発光素子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を目的とする。また、発光素子に対して簡易に給電することができるアニール装置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室と、被処理体の少なくとも一方の面に面するように設けられ、被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する加熱源と、前記加熱源に対応して設けられ、前記発光素子からの光を透過する光透過部材と、前記光透過部材の前記処理室と反対側を支持し、前記加熱源に直接接触するように設けられた高熱伝導性材料からなる冷却部材と、前記冷却部材を冷却媒体で冷却する冷却機構と、前記処理室内を排気する排気機構と、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構とを具備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、前記加熱源は、裏面側の全面が前記冷却部材と接触するように設けられた高熱伝導性絶縁材料からなる支持体と、前記支持体に全面が接触するように設けられた複数の電極と、前記各電極に全面が接触するように設けられた複数の発光素子とを有する発光素子アレイを複数備えている構成とすることができる。この場合に、前記冷却部材は銅製であり、前記支持体はＡｌＮ製とすることができる。
また、前記冷却部材と前記光透過部材との間に空間を有し、前記空間に前記加熱源が設けられた構成をとることができる。前記空間には透明樹脂を充填することができる。前記透明樹脂は、前記冷却部材側の発光素子を含む部分に相対的に硬い樹脂を設け、前記光透過部材側に相対的に柔らかい樹脂を設けてなるものとすることができる。
また、前記空間には不活性ガスを充填することができる。さらに、前記空間を真空引きする真空引き機構と、前記空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構とをさらに有する構成とすることができる。
また、前記発光素子アレイを有する構成において、前記冷却部材と前記光透過部材との間に空間を有し、前記空間に前記加熱源が設けられ、前記空間には、前記発光素子と前記光透過部材との間の屈折率を有する液体が充填されており、前記支持体は前記冷却部材に熱伝導層を介してねじ止めされている構成とすることができる。この場合に、前記支持体は、その外枠が前記冷却部材に接するように設けられ、その内側が反射面となっているとともに、液体通流孔が設けられていることが好ましい。
さらに、上記第１の観点において、前記加熱源は、表面に前記複数の発光素子を支持する高熱伝導性絶縁材料からなる支持体と、前記支持体の裏面側に半田付けまたはろう接合された高熱伝導性材料からなる熱拡散部材と、前記支持体に支持された複数の発光素子を覆うように設けられた透明樹脂からなる樹脂層と、前記熱拡散部材および前記支持体を貫通して設けられた、前記発光素子に給電するための給電電極と、がユニット化されて構成された発光素子アレイを複数備え、前記発光素子アレイは、高熱伝導性ペーストを介して前記冷却部材にねじ止めされている構成とすることができる。この場合に、前記冷却部材および前記熱拡散部材を銅製とし、前記支持体をＡｌＮ製とすることができる。
さらにまた、前記発光素子アレイの前記樹脂層と、前記光透過部材との間に空間を有し、その空間を真空引きする真空引き機構を備えるようにすることができる。前記真空引き機構は、前記空間に繋がる排気路と、前記排気路に設けられたバッファ空間と、前記排気路および前記バッファ空間を介して前記空間を真空引きするポンプとを有する構成とすることができる。
また、前記冷却部材は、前記各発光素子アレイを取り付ける複数の取り付け部を有し、前記取り付け部は、前記発光素子アレイを囲繞するとともに前記光透過部材に接するように設けられたスペーサ機能を有する枠部材を有する構成とすることができる。
さらに、前記冷却部材を介して前記給電電極に接続され、電源から給電電極に給電する給電部材をさらに有する構成とすることができる。
本発明の第２の観点では、被処理体が収容される処理室と、被処理体の少なくとも一方の面に面するように設けられ、被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する加熱源と、前記加熱源に対応して設けられ、前記発光素子からの光を透過する光透過部材と、前記加熱源を支持する加熱源支持部材と、前記加熱源支持部材の裏面側から前記加熱源支持部材を通って前記発光素子に給電する給電機構と、前記処理室内を排気する排気機構と、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構とを具備することを特徴とするアニール装置を提供する。
上記第２の観点において、前記加熱源は、前記加熱源支持部材に設けられた支持体と、前記支持体上に形成された複数の電極と、前記各電極上に形成された複数の発光素子と、前記発光素子に給電する給電電極とを有する発光素子アレイを複数備え、前記給電機構は、前記発光素子アレイの給電電極に接続され前記加熱源支持部材の中を延びる複数の電極棒と、各電極棒に給電する複数の給電部材とを有する構成とすることができる。また、前記電極棒と前記給電部材との間はスプリングピンでコンタクトされる構成とすることができる。
前記発光素子アレイに設けられた複数の発光素子は、複数の給電領域に分割されて配置され、前記給電電極は各給電領域に対応して複数設けられ、複数の給電電極は、直線状に配列されている構成とすることができる。この場合に、前記給電電極は、複数の負極と共通の正極とを有する構成とすることができる。また、前記給電領域における複数の発光素子は、シリアルに接続されたシリアル接続組が複数パラレルに設けられた構成とすることができる。
上記第１および第２の観点において、前記発光素子としては、発光ダイオードを用いることができる。
本発明の第１の観点によれば、加熱源に直接接触するように高熱伝導性材料からなる冷却部材を設け、この冷却部材を冷却機構により冷却媒体で冷却するようにしたので、発光素子よりも熱容量の大きい冷却部材により発光素子を有効に冷却することができ、熱の影響による発光量の低下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。
本出願人は先に、発光素子であるＬＥＤ素子を冷却媒体で直接冷却することにより光エネルギー効率の問題を解決できる技術について先に特許出願している（特願２００６−１８４４５７）。しかし、この技術では、液体の冷却媒体をＬＥＤに直接接触させて冷却するので冷却効率を高くすることはできるものの、効率よく冷却するためにはＬＥＤの発光面に冷却媒体を接触させる必要があり、発光面に気泡がついて照射効率を低下させるおそれがあるといった問題や、発光面に常に低温の冷却媒体を供給しないと冷却効率が落ちるので多量の冷却媒体を循環させる必要があるといった問題がある。これに対して本発明の第１の観点では、銅のような高熱伝導性材料からなる冷却部材を冷却媒体により冷却して冷熱を蓄積し、この蓄積した冷熱により発光素子を冷却するので、アニールの際に冷却媒体を多量に循環させなくても蓄積された冷熱で十分にＬＥＤ冷却することができる。また、冷却媒体を発光素子の発光面に接触させる必要がないので気泡の問題も生じない。
本発明の第２の観点によれば、加熱源支持部材裏面側から前記加熱源支持部材を通って前記発光素子に給電するので、多数の発光素子に対して簡易に給電することができる。
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、図２は図１のアニール装置の加熱源を拡大して示す断面図、図３は図１のアニール装置のＬＥＤへ給電する部分を拡大して示す断面図である。このアニール装置１００は、気密に構成され、ウエハＷが搬入される処理室１を有している。
処理室１は、ウエハＷが配置される円柱状のアニール処理部１ａとアニール処理部１ａの外側にドーナツ状に設けられたガス拡散部１ｂを有している。ガス拡散部１ｂはアニール処理部１ａよりも高さが高くなっており、処理室１の断面はＨ状をなしている。処理室１のガス拡散部１ｂはチャンバー２により規定されている。チャンバー２の上壁２ａおよび底壁２ｂにはアニール処理部１ａに対応する円形の孔３ａ，３ｂが形成されており、これら孔３ａ，３ｂにはそれぞれ銅等の高熱伝導性材料からなる冷却部材４ａ，４ｂが嵌め込まれている。冷却部材４ａ，４ｂはフランジ部５ａ，５ｂを有し、フランジ部５ａ，５ｂとチャンバー２の上壁２ａおよび底壁２ｂにシール部材６ａ，６ｂを介して密着されている。そして、この冷却部材４ａ，４ｂによりアニール処理部１ａが規定されている。
処理室１には、アニール処理部１ａ内でウエハＷを水平に支持する支持部材７が設けられており、この支持部材７は図示しない昇降機構によりウエハＷの受け渡しの際に昇降可能となっている。また、チャンバー２の天壁には、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８が設けられ、この処理ガス導入口８には処理ガスを供給する処理ガス配管９が接続されている。また、チャンバー２の底壁には排気口１０が設けられ、この排気口１０には図示しない排気装置に繋がる排気配管１１が接続されている。さらに、チャンバー２の側壁には、チャンバー２に対するウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２が設けられており、この搬入出口１２はゲートバルブ１３により開閉可能となっている。処理室１には、支持部材７上に支持されたウエハＷの温度を測定するための温度センサー１４が設けられている。また、温度センサー１４はチャンバー２の外側の計測部１５に接続されており、この計測部１５から後述するプロセスコントローラ６０に温度検出信号が出力されるようになっている。
冷却部材４ａ，４ｂの支持部材７に支持されたウエハＷに対向する面には、支持部材７に支持されているウエハＷに対応するように円形の凹部１６ａ，１６ｂが形成されている。そして、この凹部１６ａ，１６ｂ内には、冷却部材４ａ，４ｂに直接接触するように発光ダイオード（ＬＥＤ）を搭載した加熱源１７ａ，１７ｂが配置されている。
冷却部材４ａ，４ｂのウエハＷと対向する面には、凹部１６ａ，１６ｂを覆うように、加熱源１７ａ，１７ｂに搭載されたＬＥＤからの光をウエハＷ側に透過する光透過部材１８ａ，１８ｂがねじ止めされている。光透過部材１８ａ，１８ｂはＬＥＤから射出される光を効率良く透過する材料が用いられ、例えば石英が用いられる。また、凹部１６ａと光透過部材１８ａとで形成される空間および凹部１６ｂと光透過部材１８ｂとで形成される空間には透明な樹脂２０（図１、３参照）が充填されている。適用可能な透明な樹脂２０としては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂を挙げることができる。樹脂の充填時には樹脂の中に気泡が残らないように、空間を真空引きしながら充填することが好ましい。
樹脂２０は、メンテナンスを考慮すると、ＬＥＤ側に硬い樹脂を用い、光透過部材１８ａ，１８ｂ側に柔らかい樹脂を用いることが好ましい。これは、例えばＬＥＤの一部を交換するような場合、全てが硬い樹脂であると光透過部材１８ａ，１８ｂを外すことが困難となり、逆に全てが柔らかい樹脂であると光透過部材１８ａ，１８ｂを外した際にＬＥＤが樹脂に引きずられるように取り去られてしまって再利用が困難となるという不都合があるのに対し、このように二層構造にすることにより、光透過部材１８ａ，１８ｂを外すことが容易であり、しかもその際にＬＥＤを硬い樹脂で保護することができるからである。
冷却部材４ａ，４ｂには冷却媒体流路２１ａ，２１ｂが設けられており、その中に、冷却部材４ａ，４ｂを０℃以下、例えば−５０℃程度に冷却することができる液体状の冷却媒体、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）が通流される。冷却部材４ａ，４ｂの冷却媒体流路２１ａ，２１ｂには冷却媒体供給配管２２ａ，２２ｂと、冷却媒体排出配管２３ａ，２３ｂが接続されている。これにより、冷却媒体を冷却媒体流路２１ａ，２１ｂに循環させて冷却部材４ａ，４ｂを冷却することが可能となっている。
なお、チャンバー２には冷却水流路２５が形成されており、この中に常温の冷却水が通流するようになっており、これによりチャンバー２の温度が過度に上昇することを防止している。
加熱源１７ａ，１７ｂは、図２に拡大して示すように、絶縁性を有する高熱伝導性材料、典型的にはＡｌＮセラミックスからなる支持体３２に多数のＬＥＤ３３が搭載された複数のＬＥＤアレイ３４からなり、これらＬＥＤアレイ３４の裏面が、加熱源１７ａでは冷却部材４ａの下面に対し、また加熱源１７ｂでは冷却部材４ｂの上面に対し、例えば半田により全面に接触されている。ＬＥＤアレイ３４の支持体３２とＬＥＤ３３との間には銅に金メッキしたもの等の導電性の高い電極３５が全面接触した状態で設けられている。また、一つのＬＥＤ３３と隣接するＬＥＤ３３の電極３５との間はワイヤ３６にて接続されている。このように、冷却媒体から熱伝導率の高い冷却部材４ａ，４ｂに高効率で伝達した冷熱が、全面で接触している熱伝導性が高い支持体３２、電極３５を介してＬＥＤ３３に到達するので、極めて高効率でＬＥＤ３３が冷却される。
冷却部材４ａの上方および冷却部材４ｂの下方には、それぞれＬＥＤ３３への給電制御を行うための制御ボックス３７ａ，３７ｂが設けられており、これらには図示しない電源からの配線が接続され、ＬＥＤ３３への給電を制御するようになっている。
一方、図３に拡大して示すように、電極３５には冷却部材４ａ，４ｂの内部を通って延びる電極棒３８が接続されている（図２には電極棒３８は図示せず）。電極棒３８は、ＬＥＤアレイ３４毎に複数個、例えば８個（図１、３では２個のみ図示）設けられており、電極棒３８は絶縁材料からなる保護カバー３８ａで覆われている。電極棒３８は、電極３５に近接する部分から冷却部材４ａの上端部および冷却部材４ｂの下端部まで延び、そこで受け部材３９がねじ止めされている。受け部材３９と冷却部材４ａ，４ｂとの間には絶縁リング４０が介装されている。また、電極棒３８の先端部は電極３５の一つと半田付けで接続されている。ここで、保護カバー３８ａと冷却部材４ａ（４ｂ）との間、保護カバー３８ａと電極棒３８との間の隙間はろう付けされており、いわゆるフィードスルーを形成している。
制御ボックス３７ａ，３７ｂ内には、複数の制御ボード４２が設けられている。この制御ボード４２は、図４の（ａ），（ｂ）にも示すように、電極棒３８に対応する給電部材４１が接続される接続部４２ａと、電源からの配線が接続される給電コネクタ４３を有している。給電部材４１は下方に延び、各電極棒３８に取り付けられた受け部材３９に接続されている。給電部材４１は絶縁材料からなる保護カバー４４で覆われている。給電部材４１の先端にはポゴピン（スプリングピン）４１ａが設けられており、この各ポゴピン４１ａが対応する受け部材３９に接触することにより、制御ボックス３７ａ，３７ｂから給電部材４１および電極棒３８および加熱源１７ａ，１７ｂの電極３５を介して各ＬＥＤ３３に給電されるようになっている。このようにして給電されることによりＬＥＤ３３が発光し、その光によりウエハＷを表裏面から加熱することによりアニール処理が行われる。ポゴピン４１ａはスプリングにより受け部材３９側に付勢されているので、制御ボード４２の取り付け位置がずれている等の場合にも確実に給電部材４１と電極棒３８のコンタクトがとれるようになっている。なお、図４では、給電部材４１が３本描かれているが、これは例示に過ぎない。
ＬＥＤアレイ３４は、図５に示すように六角形状をなしている。このＬＥＤアレイ３４の具体的なＬＥＤ３３の配列および給電手法を図５に示す。ＬＥＤアレイ３４においては、各ＬＥＤ３３に十分な電圧を供給し、しかも給電部分の面積ロスをいかに少なくして搭載するＬＥＤ３３の数を増加させるかが極めて重要である。まず、十分な電圧を給電するために、ＬＥＤアレイ３４を６つの給電領域に分けている。具体的には、六角形状のＬＥＤアレイ３４を対向する２辺の中点同士を繋ぐ線で２等分して２つの領域３４１、３４２を形成し、これら領域３４１、３４２をそれぞれ３つの給電領域３４１ａ、３４１ｂ、３４１ｃおよび３４２ａ、３４２ｂ、３４２ｃに分ける。この際の給電領域の分け方は、領域３４１を例にとると、六角形の二等分されていない隣接する２辺とこれら２辺の端部を結ぶ直線とで形成されるほぼ三角形の領域が給電領域３４１ａであり、残余の領域を六角形の二等分された辺に対して平行な直線でほぼ二等分した領域が給電領域３４１ｂ、３４１ｃである。領域３４２も同様に、ほぼ三角形の領域が給電領域３４２ａであり、残余の領域をほぼ二等分した領域が給電領域３４２ｂ、３４２ｃである。
これら給電領域に給電するための電極として、領域３４１側には、３つの負極５１ａ、５１ｂ、５１ｃと共通の一つの正極５２とが一直線に配列されており、領域３４２側には、３つの負極５３ａ、５３ｂ、５３ｃと共通の一つの正極５４とが一直線に配列されている。このように一直線に配列されるのは、電極棒３８が冷却部材４ａ，４ｂの冷却媒体流路２１ａ，２１ｂの間の領域に設ける必要があるからである。
そして、共通の正極５２からは、給電領域３４１ａ，３４１ｂ，３４２ｃに給電され、共通の正極５４からは給電領域３４２ａ，３４２ｂ，３４１ｃに給電されるようになっている。
各給電領域にはＬＥＤ３３が約４００個ずつ配列されている。そして、各給電領域のＬＥＤ３３は、図６に示すように、シリアルに接続された組が２組パラレルに配置されている。このようにすることにより、ＬＥＤの個々のバラツキおよび電圧のばらつきを抑制することができる。
このような構造のＬＥＤアレイ３４は、例えば図７に示すように配置される。一つのＬＥＤアレイ３４には、２０００〜５０００個程度、上述の例では約２４００個のＬＥＤ３３が搭載される。ＬＥＤ３３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の範囲のものが用いられる。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等をベースとした化合物半導体が例示される。
なお、冷却部材４ａ，４ｂは冷却されているため、給電部材４１の配置領域はその冷熱によって低温になっており、湿度の高い空気が存在する場合には給電部材４１に結露して電気的障害を起こすおそれがある。そのため、制御ボックス３７ａ，３７ｂと冷却部材４ａ，４ｂとの間の空間にガス配管４５ａ，４５ｂ（図１参照）を介して乾燥ガスを導入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。例えば、上記制御ボックス３７ａ，３７ｂの給電制御や、駆動系の制御、ガス供給制御等がこのプロセスコントローラ６０で行われる。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におけるアニール処理動作について説明する。
まず、ゲートバルブ１３を開にして搬入出口１２からウエハＷを搬入し、支持部材７上に載置する。その後、ゲートバルブ１３を閉じて処理室１内を密閉状態とし、排気口１１を介して図示しない排気装置により処理室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配管９および処理ガス導入口８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処理室１内に導入し、処理室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。
一方、冷却部材４ａ，４ｂは、冷却媒体流路２１ａ，２１ｂに液体状の冷却媒体、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）を循環させ、ＬＥＤ素子３３を０℃以下の所定の温度、好ましくは−５０℃以下の温度に冷却される。
そして、図示しない電源から制御ボックス３７ａ，３７ｂ、給電部材４１、電極棒３８、電極３５を介して、ＬＥＤ３３に所定の電流を供給してＬＥＤ３３を点灯させる。
ここで、ＬＥＤ３３は、常温に保持した場合には、ＬＥＤ３３自身の発熱等によりその発光量が低下するが、本実施形態では、冷却部材４ａ，４ｂに冷却媒体を通流させ、図２に示すように、冷却部材４ａ，４ｂ、支持体３２、電極３５を介してＬＥＤ３３を冷却するので、ＬＥＤ３３を効率的に冷却することができる。
上述した特願２００６−１８４４５７に記載された技術では液体の冷却媒体をＬＥＤに直接接触させて冷却するので冷却効率を高くすることはできるものの、効率よく冷却するためにはＬＥＤの発光面に冷却媒体を接触させる必要があり、発光面に気泡がついて照射効率を低下させるおそれがある。また、発光面に常に低温の冷却媒体を回さないと冷却効率が落ちるので多量の冷却媒体を循環させる必要がある。
これに対して、本発明では、銅のような高熱伝導性材料からなる冷却部材４ａ，４ｂを冷却媒体により冷却して冷熱を蓄積し、この蓄積した冷熱によりＬＥＤ３３を冷却するが、冷却部材４ａ，４ｂはＬＥＤに比べて遙かに熱容量が大きく、かつ冷却部材４ａ，４ｂの冷熱を熱伝導性が高くかつ全面接触した電極３５および支持体３２を介してＬＥＤ３３に供給して冷却するので、アニールの際に冷却媒体を多量に循環させなくても蓄積された冷熱で十分にＬＥＤ３３を冷却することができる。また、冷却媒体をＬＥＤ３３の発光面に接触させる必要がないので気泡の問題も生じない。アニール時間は１枚のウエハにつき１秒程度であり、ウエハの入れ替え時間が３０秒程度であるから、ウエハの入れ替え時間の３０秒で冷却部材４ａ，４ｂを冷却して、アニールの際にＬＥＤ３３が１００℃以下になるように十分設計することができる。
また、従来のＬＥＤを用いたアニール装置では、真空に保持される処理室内と大気雰囲気のＬＥＤ空間との差圧を石英等からなる光透過部材によって受けていたため、光透過部材を厚くする必要があったが、この実施形態では、処理室１と大気の差圧は、金属製の冷却部材４ａ，４ｂで受けるので、光透過部材１８ａ，１８ｂを薄くすることができる。このように光透過部材１８ａ，１８ｂを薄くすることにより当該部材への蓄熱が抑制され、冷却部材４ａ，４ｂを介して冷却される冷却部分と、処理室１内の加熱部分との間の熱絶縁を十分に図ることができる。熱絶縁を一層良好にする観点からは、光透過部材１８ａ，１８ｂの止めネジを熱伝導率の小さい樹脂やセラミックス等で行えばよい。さらに、このように光透過部材１８ａ，１８ｂを薄くすることにより、ウエハＷから冷却部材４ａ，４ｂへ効率良く熱輻射されるので、降温特性が良好となる。
また、ＬＥＤアレイ３４の支持体３２としてＡｌＮを用いることにより、発光の際のＬＥＤの波長を反射し、さらに１０００℃程度に加熱されたウエハＷからの輻射熱を吸収させることができるので、これによっても昇温降温特性を良好にすることができる。
さらに、給電部材４１および電極棒３８を介して冷却部材４ａ，４ｂの裏面側からＬＥＤアレイ３４のＬＥＤ３３に給電するので、多数のＬＥＤ３３に比較的簡便に給電することができる。また、ポゴピン４１ａを用いて給電部材４１と受け部材３９を接触させるので、制御ボード４２の取り付け位置がずれている等の場合にもスプリングの付勢力により簡易にかつ確実に給電部材４１と電極棒３８のコンタクトをとることができる。
次に、上記実施形態に係るアニール装置のいくつかの変形例について説明する。
図８の例では、冷却部材４ａ，４ｂと光透過部材１８ａ，１８ｂとの間の空間は樹脂を封入する代わりにＡｒガス４６を封入するようにしている。この場合には、フィードスルーを通して、わずかな大気が流入することも考えられるので、ＬＥＤアレイ３４に防湿コーティングを施すことが好ましい。
図９の例では、冷却部材４ａ，４ｂと光透過部材１８ａ，１８ｂとの間の空間を真空引きする真空ポンプ４８と、この空間にＡｒガス等を導入するガス導入機構４９を設けて、空間内を所定の真空雰囲気としている。
図１０の例では、電極３５とＬＥＤ３３をワイヤ３６で繋ぐ代わりに、ＬＥＤ３３の発光面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の透明電極５０を設けてこの透明電極５０と光透過部材１８ａ，１８ｂとを接着させている。
また、冷却媒体の沸点に応じて冷却時の冷却媒体の温度を調整することにより、沸騰伝熱を生じさせることができる。沸騰伝熱は、冷却媒体を沸点よりも高い温度になるようにし、冷却媒体の温度による冷却の他、蒸発潜熱による冷却も生じさせることができ、極めて高効率の冷却を実現することができる。
図１１の例は、光を効率良く取り出すこととメンテナンス性とを考慮したものである。
光を効率良く取り出すためには、固体発光している材料の屈折率から放射される空間の屈折率へ徐々に変化させることが好ましい。そのため、上記図１の例では、ＬＥＤ３３の周囲にはシリコーン等の樹脂を充填し、さらに石英からなる光透過部材を設ける構造をとっている。しかし、この場合にはメンテナンスのために光透過部材１８ａ，１８ｂを取り外すとき、ジェル状の樹脂が光透過部材１８ａ，１８ｂとともに剥がされて正常なＬＥＤも破壊されるおそれがありメンテナンス性が悪いという欠点がある。図１に示すようなアニール装置を実現するためには、数十万個のＬＥＤを用いる必要があり、その全てが長期間動作することは不可能であることから、適当なユニット単位で交換することを前提に装置設計をすることが好ましい。
メンテナンス性のみを考慮すると、上述の図８で示したような気体充填が好ましいが、屈折率が徐々に変化せずに光効率の点から好ましくない。
そこで、図１１の例では、ＬＥＤが存在している空間に、気体が溶けていないまたは溶けにくい液体であって、屈折率がＬＥＤと光透過部材を構成する石英との中間の値を有し、蒸気圧の低いもの、例えばフロリナート、ガルデン、ノベック等の液体７１を予め脱気処理して充填する。この場合に、これら液体は脱気して用いることに加え、単なる充填材として用い、冷却機能は必要がないため、気泡は発生し難く、気泡により照射効率が低下するおそれは小さい。
そして、この例では、ＬＥＤアレイ３４の裏面に銀ペーストやシリコングリース等の熱伝導性の高い熱伝導層７２を形成し、ＬＥＤアレイ３４を冷却部材４ａ，４ｂにねじ７３により取り付ける。これにより、メンテナンスや交換の際には、光透過部材１８ａ，１８ｂを取り外して液体７１を排出し、ねじ７３をはずすことにより、ＬＥＤアレイ３４を簡単に取り外すことができる。この場合に、ねじ７３を単独で用いてもよいが、ねじ７３にワッシャーまたはヤング率の高いＳｉ３Ｎ４等からなる板バネを介在させることが好ましい。
また、この例では、ＬＥＤアレイ３４には、光透過部材１８ａ，１８ｂに達する外枠７４が設けられ、これが反射板および光透過部材１８ａ，１８ｂの支持部材としての機能を有するようになっており、これにより、光効率をより高め、光透過部材１８ａ，１８ｂをより薄いものとすることができる。なお、外枠７４には、液体７１がＬＥＤ３３が存在する空間全体に行き渡るように液体通流孔７５が形成されている。液体７１の充填は、光透過部材１８ａ，１８ｂを取り付けた後に適宜の方法で行う。
図１２の例は、冷却効率を落とすことなく、メンテナンス性、特にＬＥＤの交換の容易性をさらに高めた例について説明する。
上述したようにＬＥＤを高パワーで発光させる際には、その冷却は非常に需要であり、そのためＬＥＤを冷却面に半田付け等で強力に接着する必要がある。一方、ＬＥＤを用いてウエハの急速加熱を行う装置の場合には、ＬＥＤの修理交換が非常に重要であり、図１１の構成よりもさらなる交換容易性が望まれる。
そこで、図１２の例では、多数のＬＥＤ３３を支持する高熱伝導性絶縁材料であるＡｌＮからなる支持体３２と、支持体３２の裏面側に半田付けまたはろう接合された高熱伝導性材料であるＣｕで構成された熱拡散部材８１と、支持体３２に支持された多数のＬＥＤ３３を覆うように設けられた例えばシリコン系の透明樹脂（樹脂レンズまたは樹脂モールド）からなる樹脂層８２と、熱拡散部材８１および支持体３２にそれぞれ形成されたスルーホール８１ａおよび３２ａに挿入され、これらを貫通して設けられた、ＬＥＤ３３に給電するための給電電極８３とをユニット化した構成を有するＬＥＤアレイ３４′が複数配列されて加熱源１７ａ（または１７ｂ）が構成されている。そして、ＬＥＤアレイ３４′は、シリコングリースや銀ペースト等の熱伝導性の良好なペーストを介して冷却部材４ａまたは４ｂに、ねじ８４によりねじ止めされている。冷却部材４ａ（または４ｂ）と熱拡散部材８１との間はシールリング８９でシールされている。
給電電極８３には、熱拡散部材８１の裏面側に対応する位置に取り付けポート８５が設けられており、冷却部材４ａおよび４ｂ（４ａのみ図示）を貫通した給電部材４１′が取り付けポート８５において給電電極８３に接続されるようになっている。
冷却部材４ａおよび４ｂには、各ＬＥＤアレイ３４′を取り付ける取り付け部８６が複数設けられている。この取り付け部８６は、光透過部材１８ａまたは１８ｂに接するスペーサ機能を有する枠部材８７を有している。この枠部材８７は、ＬＥＤアレイ３４′取り付け領域を囲繞するように設けられている。そして、取り付け部８６に取り付けられたＬＥＤアレイ３４′の樹脂層８２と光透過部材１８ａ（または１８ｂ）との間には空間８８が存在し、その空間は真空に保持されるようになっている。
図１３に示すように、冷却部材４ａには、光透過部材１８ａを冷却部材４ａに取り付けた際に凹部１６ａに対応して形成される空間９２に臨むように設けられた通路９３が形成され、また、冷却部材４ａには、通路９３に連続するように排気管９４が接続されており、これら通路９３と排気管９４は排気路を構成している。そして、排気管９４の途中には、排気管９４よりも大径のバッファ空間を有するバッファ部材９５が設けられており、これら通路９３、排気管９４、バッファ部材９５を介して排気装置９６により空間８８が真空排気され、真空状態にされるようになっている。冷却部材４ｂ側も同様である。空間８８は極狭いため、通常の排気を行っても圧力を低下させることが困難であるが、このようなバッファ空間を設けることにより、狭い空間でも真空排気を容易に行うことができる。なお、枠部材８７には真空引き用の孔９１が形成されており、この孔９１を介して全ての空間８８の真空引きが可能となる。
図１の実施形態では、冷却部材４ａ（４ｂ）と光透過部材１８ａ（１８ｂ）との間に樹脂を充填していたが、充填量が多くなり充填に困難性をともなうとともに、気泡などによるＬＥＤの効率低下等が生じる。このため、本例では樹脂層８２はＬＥＤ３３覆う程度の厚さで設け、残余の空間は真空引きするようにすることにより、このような不都合を回避する。
次に、ＬＥＤアレイ３４′および冷却部材４ａ（４ｂ）の組み立て、ならびにＬＥＤアレイ３４′の装着の手順について図１４を参照して説明する。
まず、ＡｌＮ製の板材から六角状の支持体３２を切り出し、給電電極やねじの挿入孔であるスルーホール３２ａを形成する（図１４（ａ））。次に、支持体３２と同じ形状を有し、スルーホール３２ａに対応する位置にスルーホール８１ａを形成した銅製の熱拡散部材８１の表面を半田ペーストを用いた半田付けにより支持体３２の裏面に貼り付ける（図１４（ｂ））。そして、スルーホール３２ａ，８１ａに支持体３２および熱拡散部材８１を貫通するように給電電極８３を挿入し、これを支持体３２に半田付けする（図１４（ｃ））。
その後、支持体３２の表面に半田ペーストを塗り、その上にＬＥＤ３３を載せた状態でバッチ炉で熱処理することにより半田付けし（図１４（ｄ））、さらにワイヤ３６によりボンディングを行う（図１４（ｅ））。次に、ＬＥＤ３３の保護および屈折率の調整のために、ＬＥＤ３３を覆うように透明樹脂（樹脂レンズまたは樹脂モールド）による樹脂層８２を形成するとともに、給電電極８３とスルーホール８１ａの間の空間にエポキシ系樹脂を充填して真空シールとし、ＬＥＤアレイ３４′を完成させる（図１４（ｆ））。一方、これと並行して冷却部材４ａ（４ｂ）を組み立てる（図１４（ｇ））。
その後、冷却部材４ａ（４ｂ）にＬＥＤアレイ３４′を装着する（図１４（ｈ））。そして、給電電極８３に給電部材４１′を接続するとともに、ねじ８４によりＬＥＤアレイ３４′をねじ止めする（図１４（ｉ））。
以上の手順により、ＬＥＤアレイ３４′の装着までが終了し、その後、光透過部材１８ａ、１８ｂを取り付けて、図１２の状態とする。
このように、図１２に示したアニール装置は、ＬＥＤアレイ３４′をユニット化して、ねじ８４で冷却部材４ａ（４ｂ）に取り付けるようにしているので、装着および取り外しが容易であり、ＬＥＤ３３の交換の際にＬＥＤアレイ３４′毎容易に交換することができるので、メンテナンス性を極めて高くすることができる。また、ＡｌＮ製の支持体３２とＣｕ製の熱拡散部材８１を半田付け（クリーム半田）により面接触させ、熱拡散部材８１と冷却部材４ａ（４ｂ）との間をシリコングリースや銀ペースト等の高熱伝導性ペーストで面接触させるので、熱抵抗が低く、ＬＥＤ３３を冷却する能力が高い。
また、冷却部材４ａ（４ｂ）と光透過部材１８ａ（１８ｂ）との間の空間について、ＬＥＤ３３の装着部分のみを樹脂層８２で覆い、残余の空間８８を真空引きするので、上述したように全て樹脂で埋める場合の困難性が回避されるとともに、樹脂層８２がなく空間全部を真空引きした場合のＬＥＤ３３と真空との屈折率の差による効率低下を緩和することができる。すなわち、樹脂層８２を介することにより、ＬＥＤ３３、樹脂層８２、空間８８と順次屈折率が低くなる構造となり、屈折率が急激に変化することにともなう全反射が発生しにくくなり、効率低下が生じない。
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。また、上記実施形態では発光素子としてＬＥＤを用いた場合について示したが、半導体レーザー等他の発光素子を用いてもよい。さらに、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半導体ウエハのアニール処理等、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ＬＥＤへ給電する部分を拡大して示す断面図。 図１のアニール装置の制御ボードを示す図。 図１のアニール装置のＬＥＤアレイの具体的なＬＥＤの配列および給電手法を示す図。 ＬＥＤの接続形態を説明するための図。 図１のアニール装置の加熱源を示す底面図。 図１のアニール装置の変形例の要部を示す断面図。 図１のアニール装置の他の変形例の要部を示す断面図。 図１のアニール装置のさらに他の変形例の要部を示す断面図。 図１のアニール装置の別の変形例の要部を示す断面図。 図１のアニール装置のさらに別の変形例の要部を示す断面図。 図１２のアニール装置において、ＬＥＤアレイを装着した後の冷却部材と光透過部材との間の空間を真空排気する機構を示す図。 図１２のアニール装置において、ＬＥＤアレイおよび冷却部材の組み立て、ならびにＬＥＤアレイの装着の手順を示す図。
符号の説明
１；処理室
１ａ；アニール処理部
１ｂ；ガス拡散部
２；チャンバー
４ａ，４ｂ；冷却部材
８；処理ガス導入口
９；処理ガス配管
１０；排気口
１１；排気配管
１２；搬入出口
１６ａ，１６ｂ；凹部
１７ａ，１７ｂ；加熱源
１８ａ，１８ｂ；光透過部材
２０；透明な樹脂
２１ａ，２１ｂ；冷却媒体流路
２２ａ，２２ｂ；冷却媒体供給配管
２３ａ，２３ｂ；冷却媒体排出配管
３２；支持体
３３；ＬＥＤ（発光素子）
３４，３４′；ＬＥＤアレイ
３５；電極
３６；ワイヤ
３７ａ，３７ｂ；制御ボックス
３８；電極棒
３９；受け部材
４１，４１′；給電部材
４１ａ；ポゴピン（スプリングピン）
４２；制御ボード
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
７１；液体
７２；熱伝導層
７３；ねじ
７４；外枠
８１；熱拡散部材
８２；樹脂層
８３；給電電極
８４；ねじ
８５；接合部
８６；取り付け部
８７；枠部材
８８；空間
９３；通路
９４；排気管
９５；バッファ部材
９６；排気装置
１００；アニール装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）

Claims (23)

  1. 被処理体が収容される処理室と、
    被処理体の少なくとも一方の面に面するように設けられ、被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する加熱源と、
    前記加熱源に対応して設けられ、前記発光素子からの光を透過する光透過部材と、
    前記光透過部材の前記処理室と反対側を支持し、前記加熱源に直接接触するように設けられた高熱伝導性材料からなる冷却部材と、
    前記冷却部材を冷却媒体で冷却する冷却機構と、
    前記処理室内を排気する排気機構と、
    前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と
    を具備することを特徴とするアニール装置。
  2. 前記加熱源は、裏面側の全面が前記冷却部材と接触するように設けられた高熱伝導性絶縁材料からなる支持体と、前記支持体に全面が接触するように設けられた複数の電極と、前記各電極に全面が接触するように設けられた複数の発光素子とを有する発光素子アレイを複数備えていることを特徴とする請求項１に記載のアニール装置。
  3. 前記冷却部材は銅製であり、前記支持体はＡｌＮ製であることを特徴とする請求項２に記載のアニール装置。
  4. 前記冷却部材と前記光透過部材との間に空間を有し、前記空間に前記加熱源が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３に記載のアニール装置。
  5. 前記空間には透明樹脂が充填されることを特徴とする請求項４に記載のアニール装置。
  6. 前記透明樹脂は、前記冷却部材側の発光素子を含む部分に相対的に硬い樹脂を設け、前記光透過部材側に相対的に柔らかい樹脂を設けてなることを特徴とする請求項５に記載のアニール装置。
  7. 前記空間には不活性ガスが充填されることを特徴とする請求項４に記載のアニール装置。
  8. 前記空間を真空引きする真空引き機構と、前記空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構とをさらに有することを特徴とする請求項７に記載のアニール装置。
  9. 前記冷却部材と前記光透過部材との間に空間を有し、前記空間に前記加熱源が設けられ、前記空間には、前記発光素子と前記光透過部材との間の屈折率を有する液体が充填されており、前記支持体は前記冷却部材に熱伝導層を介してねじ止めされていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアニール装置。
  10. 前記支持体は、その外枠が前記冷却部材に接するように設けられ、その内側が反射面となっているとともに、液体通流孔が設けられていることを特徴とする請求項９に記載のアニール装置。
  11. 前記加熱源は、表面に前記複数の発光素子を支持する高熱伝導性絶縁材料からなる支持体と、前記支持体の裏面側に半田付けまたはろう接合された高熱伝導性材料からなる熱拡散部材と、前記支持体に支持された複数の発光素子を覆うように設けられた透明樹脂からなる樹脂層と、前記熱拡散部材および前記支持体を貫通して設けられた、前記発光素子に給電するための給電電極と、がユニット化されて構成された発光素子アレイを複数備え、前記発光素子アレイは、高熱伝導性ペーストを介して前記冷却部材にねじ止めされていることを特徴とする請求項１に記載のアニール装置。
  12. 前記冷却部材および前記熱拡散部材は銅製であり、前記支持体はＡｌＮ製であることを特徴とする請求項１１に記載のアニール装置。
  13. 前記発光素子アレイの前記樹脂層と、前記光透過部材との間に空間を有し、その空間を真空引きする真空引き機構を備えることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のアニール装置。
  14. 前記真空引き機構は、前記空間に繋がる排気路と、前記排気路に設けられたバッファ空間と、前記排気路および前記バッファ空間を介して前記空間を真空引きするポンプとを有することを特徴とする請求項１３に記載のアニール装置。
  15. 前記冷却部材は、前記各発光素子アレイを取り付ける複数の取り付け部を有し、前記取り付け部は、前記発光素子アレイを囲繞するとともに前記冷却部材に接するように設けられたスペーサ機能を有する枠部材を有することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のアニール装置。
  16. 前記冷却部材を介して前記給電電極に接続され、電源から給電電極に給電する給電部材をさらに有することを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれか１項に記載のアニール装置。
  17. 被処理体が収容される処理室と、
    被処理体の少なくとも一方の面に面するように設けられ、被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する加熱源と、
    前記加熱源に対応して設けられ、前記発光素子からの光を透過する光透過部材と、
    前記加熱源を支持する加熱源支持部材と、
    前記加熱源支持部材の裏面側から前記加熱源支持部材を通って前記発光素子に給電する給電機構と、
    前記処理室内を排気する排気機構と、
    前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と
    を具備することを特徴とするアニール装置。
  18. 前記加熱源は、前記加熱源支持部材に設けられた支持体と、前記支持体上に形成された複数の電極と、前記各電極上に形成された複数の発光素子と、前記発光素子に給電する給電電極とを有する発光素子アレイを複数備え、
    前記給電機構は、前記発光素子アレイの給電電極に接続され前記加熱源支持部材の中を延びる複数の電極棒と、各電極棒に給電する複数の給電部材とを有することを特徴とする請求項１７に記載のアニール装置。
  19. 前記電極棒と前記給電部材との間はスプリングピンでコンタクトされることを特徴とする請求項１８に記載のアニール装置。
  20. 前記発光素子アレイに設けられた複数の発光素子は、複数の給電領域に分割されて配置され、前記給電電極は各給電領域に対応して複数設けられ、複数の給電電極は、直線状に配列されていることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載のアニール装置。
  21. 前記給電電極は、複数の負極と共通の正極とを有することを特徴とする請求項２０に記載のアニール装置。
  22. 前記給電領域における複数の発光素子は、シリアルに接続されたシリアル接続組が複数パラレルに設けられていることを特徴とする請求項２０または請求項２１に記載のアニール装置。
  23. 前記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載のアニール装置。
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