JP2018022761A - 光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】光源配置領域を大きく設定することなく、広範囲にわたって均一に光を照射することのできる光源ユニットを提供すること。【解決手段】この光源ユニットは、多数のＬＥＤ素子が配置されてなる光源部と、前記多数のＬＥＤ素子が配置された光源配置領域を覆うよう設けられた、ＬＥＤ素子からの光を外方に屈折させる光学要素部を周縁部分に有する透光性保護カバーとを備えてなる。透光性保護カバーは、板状の基体部の一面における周縁部分に、光学要素部として機能する、光源配置領域を臨む内周面が、径方向外方に向かうに従ってＬＥＤ素子配置面に接近する方向に傾斜する傾斜面によって構成された枠部が形成されて構成されており、当該透光性保護カバーが、光源部を構成する少なくとも一部のＬＥＤ素子の光軸が前記傾斜面に向かって伸びる状態で、配置された構成とされていることが好ましい。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば被処理物に対して光照射することにより当該被処理物を加熱処理するための光源ユニットに関し、特に、光源として多数のＬＥＤ素子を備えた光源ユニットに関する。

半導体製造工程の様々なプロセスにおいて行われる被処理物に対する加熱処理の方法としては、例えば、被処理物を光照射により加熱する方法（光加熱による非接触方式）が知られている。光加熱処理における光源としては、例えばフラッシュランプなどの放電ランプが用いられていたが、近年においては、光源としてＬＥＤを用いた光加熱処理技術の実用化されてきている。
例えば特許文献１には、半導体ウエハのみが吸収する波長領域の光を放射して半導体ウエハを加熱するためのＬＥＤを備えてなる、半導体ウエハの表面をウェット洗浄する液処理装置が記載されている。

特許第５２５４３０８号公報

枚葉式の処理装置において、例えば半導体ウエハなどの被処理物に対する光加熱処理を行うためには、光源を被処理物に対向させて配備する必要がある。光源は、装置設計上の都合から、被処理物の下面側に配備されることが望ましいが、被処理物の下面側には、被処理物の支持機構があることから、光源の収容スペースが制限されている。このため、ＬＥＤを用いた光加熱処理にあっては、ＬＥＤ配置領域の大きさを被処理物の径よりも小さく設定せざるを得ないのが実情である。従って、被処理物の周縁部に対して光を均一に照射することが困難であり、被処理物を全面にわたって温度均一性の高い状態で加熱することができない、という問題があった。
仮に、被処理物の全面に均一に光照射可能な光源を被処理物の上面側に配備することを想定した場合には、被処理物以外にも光が照射されるため、周辺構造部材の損傷や温度上昇によって、加熱処理の均一性が損なわれることになる。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、多数のＬＥＤ素子が配置される光源配置領域の大きさを大きく設定することなく、広範囲にわたって均一に光を照射することのできる光源ユニットを提供することを目的とする。

本発明の光源ユニットは、多数のＬＥＤ素子が配置されてなる光源部と、この光源部における前記多数のＬＥＤ素子が配置された光源配置領域を覆うよう設けられた透光性保護カバーとを備えてなり、
前記透光性保護カバーは、その周縁部分に、ＬＥＤ素子からの光を外方に屈折させる光学要素部を有することを特徴とする。

本発明の光源ユニットにおいては、前記透光性保護カバーは、前記多数のＬＥＤ素子が配置されたＬＥＤ素子配置面と平行に伸びる板状の基体部と、この基体部の一面における周縁部分に形成された、前記光学要素部として機能する前記光源配置領域の周囲を囲む枠部とにより構成されており、
当該枠部の前記光源配置領域を臨む内周面が、前記光源配置領域の径方向外方に向かうに従って前記ＬＥＤ素子配置面に接近する方向に傾斜する傾斜面により形成されており、
当該透光性保護カバーは、前記光源部を構成する少なくとも一部のＬＥＤ素子の光軸が前記傾斜面に向かって伸びる状態で、配置された構成とされていることが好ましい。

このような構成の光源ユニットにおいては、前記透光性保護カバーにおける枠部の内周面を構成する前記傾斜面が、湾曲面を介して前記基体部の一面に連続する構成とされていることが好ましい。

さらにまた、本発明の光源ユニットは、前記透光性保護カバーにおける基体部の他面と離間して配置される被処理物の加熱処理に用いられるものとして構成されていることが好ましい。

本発明の光源ユニットによれば、透光性保護カバーにおける光学要素部の作用によって、当該光学要素部に入射される光線を、指向性を持たせて出射することができるので、光源部からの光を広範囲にわたって均一に照射することができる。

本発明の光源ユニットの一例における構成を概略的に示す断面図である。 光源部の一例における構成を概略的に示す平面図である。 光軸が傾斜面に向かって伸びる状態で配置されたＬＥＤ素子から放射される光の光線追跡線を概略的に示す説明図である。 参考例に係る光源ユニットにおける構成の一部を光線追跡線と共に概略的に示す断面図である。 実験例１および参考実験例１に係る光源ユニットの各々によって試験用ウエハを光加熱し、試験用ウエハの中心部の温度が１００℃になった時の試験用ウエハの光照射面における温度分布を示す図である。 実験例１に係る光源ユニットにおける径方向最外縁側に位置されるＬＥＤ列に係る一のＬＥＤ素子と、当該ＬＥＤ素子と隣り合う一つ径方向内側のＬＥＤ列におけるＬＥＤ素子の２個のみを点灯させたときの、試験用ウエハの光照射面での照度分布を示す図である。 参考実験例１に係る光源ユニットにおける径方向最外縁側に位置されるＬＥＤ列に係る一のＬＥＤ素子と、当該ＬＥＤ素子と隣り合う一つ径方向内側のＬＥＤ列におけるＬＥＤ素子の２個のみを点灯させたときの、試験用ウエハの光照射面での照度分布を示す図である。 参考実験例２に係る光源ユニットにおける径方向最外縁側に位置されるＬＥＤ列に係る一のＬＥＤ素子と、当該ＬＥＤ素子と隣り合う一つ径方向内側のＬＥＤ列におけるＬＥＤ素子の２個のみを点灯させたときの、試験用ウエハの光照射面での照度分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光源ユニットの一例における構成を概略的に示す断面図である。図２は、光源部の一例における構成を概略的に示す平面図である。
この光源ユニット１０は、多数のＬＥＤ素子１１が配置されてなる光源部１５と、この光源部１５における多数のＬＥＤ素子１１が配置された光源配置領域Ｒを覆うよう設けられた透光性保護カバー２０とを備えてなる。

図示の例における光源部１５は、例えば、円板状の基板１３の一面上における円形の光源配置領域Ｒ内において、多数のＬＥＤ素子１１が光源配置領域Ｒの周縁と同心円状に配置されて構成されている。具体的には、光源配置領域Ｒの中心位置に配置されたＬＥＤ素子１１の光軸を中心とする円Ｃの円周に沿って複数のＬＥＤ素子１１が並ぶ複数の円環状のＬＥＤ列１２が同心円状に配置されている。

ＬＥＤ素子１１としては、目的および用途に応じて、可視光線を放射するもの、紫外線を放射するもの、赤外線を放射するものを選択して用いることができる。
ＬＥＤ素子１１の形態は特に限定されず、表面実装型若しくはパッケージ型のＬＥＤ素子、ＬＥＤチップ、レンズ一体型のＬＥＤ素子、砲弾型のＬＥＤ素子などであってもよい。この例におけるＬＥＤ素子１１は、例えば表面実装型の矩形のものが用いられている。
隣接する２つのＬＥＤ素子１１の配置ピッチ（光軸Ｌ間の距離）は、ほぼ同一の大きさとされている。ＬＥＤ素子１１の光軸Ｌとは、ＬＥＤ素子１１から放射される光の中心軸を意味し、図示の例では、発光面の中心を通る軸が光軸Ｌとなる。

透光性保護カバー２０は、その周縁部分に、ＬＥＤ素子１１からの光を外方に屈折させる光学要素部を有する。具体的には、光学要素部は、当該光学要素部に入射される光を指向性を持たせて出射する機能を有する。

図示の例における透光性保護カバー２０は、多数のＬＥＤ素子１１が配置されたＬＥＤ素子配置面Ｓと平行に伸びる円板状の基体部２１と、この基体部２１の一面（内面）２１ａにおける周縁部分に形成された、光源配置領域Ｒの周囲を囲む枠部２２とにより構成されており、枠部２２が光学要素部として機能する。

枠部２２の光源配置領域Ｒを臨む内周面は、光源配置領域Ｒの径方向外方に向かうに従ってＬＥＤ素子配置面Ｓに接近する方向に傾斜する傾斜面２２ａにより形成されている。そして、透光性保護カバー２０は、光源部１５を構成する少なくとも一部のＬＥＤ素子１１の光軸Ｌが枠部２２の内周面を構成する傾斜面２２ａに向かって伸びる状態で、配置されている。このような構成とされていることにより、光源部１５からの光を広範囲にわたって均一に照射することができる。

また、枠部２２の内周面を構成する傾斜面２２ａは、湾曲面２３を介して基体部２１の内面２１ａに連続する構成とされていることが好ましい。枠部２２の内周面を構成する傾斜面２２ａが湾曲面２３を介さずに基体部２１の内面２１ａに接続された構成であると、枠部２２と基体部２１とで光の屈折方向が変わる為に、照度の落込み部を生じる（図８参照。）。従って、枠部２２の内周面を構成する傾斜面２２ａが、湾曲面２３を介して基体部２１の内面２１ａに連続する構成とされていることにより、照度の落込みを生じることなく広範囲に渡って光を均一に照射することができる。

透光性保護カバー２０を構成する材料としては、目的および用途に応じて選択することができるが、透光性を有するガラス材料や透光性を有する樹脂材料を用いることができる。このようなガラス材料としては、例えば石英やホウケイ酸ガラスなどを例示することができる。また、樹脂材料としては、例えばＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（パーフルオロエチレンプロペンコポリマー）などのフッ素樹脂を例示することができる。
光源ユニット１０が、例えば、半導体製造工程のウェット洗浄処理において被処理物に対して実行される加熱処理（乾燥処理）に用いられる場合には、高い耐薬品性を有することから、透光性保護カバー２０を構成する材料として、ＰＦＡやＦＥＰ、又はこれらフッ素樹脂をガラスにコーティングしたものを用いることが好ましい。

枠部２２の内周面を構成する傾斜面２２ａの、ＬＥＤ素子配置面Ｓに対する傾斜角は、例えば４０〜５０°の範囲内であることが好ましい。

而して、上記の光源ユニット１０が、例えば、半導体ウエハなどの板状の被処理物Ｗの加熱処理に用いられるものとして構成されている場合には、光源ユニット１０は、例えば被処理物Ｗの下方側に、透光性保護カバー２０における基体部２１の他面（外面）２１ｂが被処理物Ｗと離間して配置される。このような場合には、通常、径方向において被処理物Ｗの外周縁位置より１０ｍｍ程度内方側の位置に、光源部１５における径方向最外縁側に位置されるＬＥＤ列１２を配置せざるを得ないのが実情である。
然るに、上記の光源ユニット１０においては、光源配置領域Ｒを覆うよう設けられた透光性保護カバー２０が、ＬＥＤ素子１１からの光を外方に屈折させる光学要素部として機能する、内周面が傾斜面２２ａにより形成された枠部２２を備えている。そして、透光性保護カバー２０が、光源部１５を構成する少なくとも一部のＬＥＤ素子１１、具体的には、径方向最外縁側に位置されるＬＥＤ列１２に係るＬＥＤ素子１１ａの光軸Ｌが傾斜面２２ａに向かって伸びる状態で、配置されている。このため、上記の光源ユニット１０によれば、透光性保護カバー２０における枠部２２に入射される光線を被処理物Ｗの周縁部に向かって指向させることができる。

すなわち、図３に示すように、例えば光源配置領域Ｒの径方向最外縁側に位置されたＬＥＤ列１２に係るＬＥＤ素子１１ａから放射された光の多くは、透光性保護カバー２０における傾斜面２２ａあるいは湾曲面２３に入射されることとなる。
ＬＥＤ素子１１ａの光軸Ｌに対して径方向外方側に向かって放射される光線（光成分）のうち、透光性保護カバー２０における傾斜面２２ａの法線方向に沿って放射される光線より大きな放射角で放射される光線は、透光性保護カバー２０における傾斜面２２ａによって、当該光線の入射方向に対して径方向内方側に屈折される。一方、ＬＥＤ素子１１から透光性保護カバー２０における傾斜面２２ａの法線方向に沿って放射される光線より小さな放射角で放射される光線（光軸方向に放射される光線を含む。）は、傾斜面２２ａに対する入射方向が変わる。このため、当該光線は、透光性保護カバー２０における傾斜面２２ａによって、当該光線の入射方向に対して径方向外方側に屈折される。
また、ＬＥＤ素子１１ａの光軸Ｌに対して径方向内方側に向かって放射される光線は、入射方向に対して径方向外方側に屈折される。しかしながら、透光性保護カバー２０における傾斜面２２ａに入射される光線は、透光性保護カバー２０の外面２１ｂの法線方向に対して径方向外方側に屈折されるのに対して、透光性保護カバー２０における湾曲面２３に入射される光線は、透光性保護カバー２０の外面２１ｂの法線方向に対して径方向内方側に屈折される。然るに、傾斜面２２ａと湾曲面２３との境界部分付近に入射される光線は、傾斜面２２ａに入射される場合と湾曲面２３に入射される場合とで、屈折角の差が小さい。そのため、傾斜面２２ａによって屈折される場合と湾曲面２３によって屈折される場合とで屈折される方向が互いに異なるが、透光性保護カバー２０中を進行する光線の広がりが小さく抑制されることになる。

そして、透光性保護カバー２０の外周面に向かって進行する光は、透光性保護カバー２０の外周面において、入射方向に対して径方向内方側に屈折されて出射される。また、透光性保護カバー２０の傾斜面２２ａによって屈折されて透光性保護カバー２０の外面２１ｂに向かって進行する光は、透光性保護カバー２０の外面２１ｂにおいて、入射方向に対して径方向外方側に屈折されて出射される。さらにまた、透光性保護カバー２０における湾曲面２３によって屈折されて透光性保護カバー２０の外面２１ｂに向かって進行する光は、透光性保護カバー２０の外面２１ｂにおいて、入射方向に対して径方向内方側に屈折されて出射される。

一方、図４に示すように、内周面２５ａがＬＥＤ素子配置面Ｓに対して垂直に伸びる円筒状の枠部２５を備えた透光性保護カバー２０ａを用いた場合を想定する。このような構成の光源ユニット１０ａにおいては、透光性保護カバー２０ａにおける枠部２５に向かって放射される光線は、当該光線の入射方向に対して径方向外方側に屈折される。そして、透光性保護カバー２０ａの外周面において、入射方向に対して径方向内方側に屈折されて出射される。これに対して、透光性保護カバー２０ａにおける基体部２１に向かって放射される光線のうち、ＬＥＤ素子１１ａの光軸に対して径方向外方側に向かう光線は、基体部２１の内面２１ａによって、入射方向に対して径方向内方側に屈折される。そして、当該光線は、透光性保護カバー２０の外面２１ｂにおいて、入射方向に対して径方向外方側に屈折されて出射される。
なお、透光性保護カバー２０ａにおける基体部２１に向かって放射される光線のうち、ＬＥＤ素子１１ａの光軸に対して径方向内方側に向かう光線は、基体部２１の内面２１ａによって、入射方向に対して径方向外方側に屈折される。そして、当該光線は、透光性保護カバー２０ａの外面２１ｂにおいて、入射方向に対して径方向内方側に屈折されて出射される。

このように、図４に示す構成の光源ユニット１０ａにおいては、ＬＥＤ素子１１ａから放射される光線が枠部２５の内周面２５ａによって屈折される場合と、基体部２１の内面２１ａによって屈折される場合とで屈折される方向が互いに異なる。このため、枠部の内周面２５ａと基体部２１の内面２１ａとの境界部分付近に入射される光線は、枠部２５に入射される場合と基体部２１に入射される場合とで、透光性保護カバー２０ａ中での進行方向が大きく異なることとなり、結果として、被処理物Ｗの光照射面上において照度の均一性が低くなる。

然るに、図３に示す構成の光源ユニット１０によれば、ＬＥＤ素子１１ａの配光を制御することにより当該ＬＥＤ素子１１ａからの光を被処理物Ｗの周縁部に選択的に照射することができるので、後述する実験例の結果に示されるように、光源配置領域Ｒを大きく設定することなく、光源部１５からの光を広範囲にわたって均一に照射することができる。従って、上記の光源ユニット１０によれば、被処理物Ｗを全面にわたって温度均一性の高い状態で加熱することができる。

以上、本発明の光源ユニットの一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、透光性保護カバーにおける光学要素部として機能する枠部の内周面は、基体部に垂直な断面において、弧状に湾曲した曲面によって構成されていてもよい。また、枠部の内周面は、フレネル面を含む面により構成されていてもよい。
また、光源部は、すべてのＬＥＤ素子が同一平面上に配置された構成とされている必要はない。さらにまた、光源部は、上記実施例に係る構成のものに限定されず、多数のＬＥＤ素子が円環状または部分円環状の光源配置領域Ｒ内に配置された構成（例えば被処理物の周縁部のみを光加熱する構成）とされていてもよい。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。

〔実験例１〕
図１および図２に示す構成に従って、本発明に係る光源ユニットを作製した。この光源ユニットの仕様は、以下に示すとおりである。
＜光源部（１５）＞
光源配置領域（Ｒ）：φ２９２ｍｍの円形状
ＬＥＤ素子（１１（１１ａ））の中心発光波長：８５０ｎｍ、サイズ：１．０ｍｍ角、出力：１．０Ｗ、配置ピッチ：１．５ｍｍ
＜透光性保護カバー（２０）＞
材質：ＰＦＡ（屈折率＝１．３）、外径寸法：φ３００ｍｍ、高さ方向寸法：５ｍｍ、枠部内周面（傾斜面２２ａ）の光源配配置面（Ｓ）に対する傾斜角：４５°、湾曲面（２３）の曲率半径：３ｍｍ、枠部の開口端面における内周縁位置と径方向最外縁側に位置されるＬＥＤ列（１２）に係るＬＥＤ素子（１１ａ）の光軸位置との径方向離間距離：２．５ｍｍ、基体部（２１）の厚み：２ｍｍ

上記において作製した光源ユニットの透光性保護カバー（２０）における基体部（２１）の外面（２１ｂ）より５ｍｍ離間した位置に、φ３００ｍｍの試験用ウエハ（Ｗ）をその形状中心位置が光源ユニット（１０）の中心位置と一致する状態で、基体部（２１）の外面（２１ｂ）と平行に伸びるよう配置した。また、試験用ウエハ（Ｗ）表面には、半径方向におよそ３０ｍｍピッチで熱電対を敷設した。
そして、光源ユニット（１０）における各々のＬＥＤ素子（１１）を一斉に点灯させ、試験用ウエハ（Ｗ）の中心部の温度が１００℃になった時の試験用ウエハ（Ｗ）の光照射面における温度分布を調べた。結果を図５において曲線（α，丸印のプロット）で示す。図５の横軸における「０」ｍｍの位置が試験用ウエハ（Ｗ）の中心位置である。
また、径方向最外縁側に位置されるＬＥＤ列（１２）に係る一のＬＥＤ素子（１１ａ）と当該ＬＥＤ素子（１１ａ）と隣り合う一つ径方向内側のＬＥＤ列におけるＬＥＤ素子の２個のみを点灯させて、試験用ウエハ（Ｗ）の光照射面上における照度分布を測定した。結果を図６に示す。図６の横軸における「０」ｍｍの位置が、試験用ウエハ（Ｗ）の周縁位置であり、「８」ｍｍの位置がＬＥＤ素子（１１ａ）の光軸の位置である。

〔参考実験例１〕
透光性保護カバー（２０ａ）が、枠部（２５）の内周面（２５ａ）がＬＥＤ素子配置面（Ｓ）に対して垂直に伸びる全体が円筒状のものであることの他は、実験例１における光源ユニットと同一の構成を有する光源ユニット（１０ａ，図４参照。）を作製した。
そして、実験例１と同様の方法により、試験用ウエハ（Ｗ）の光照射面における温度分布を調べた。結果を図５において曲線（β，菱形印のプロット）で示す。
また、実験例１と同様の方法により、試験用ウエハ（Ｗ）の光照射面における照度分布を測定した。結果を図７に示す。

〔実験例２〕
基体部（２１）の内面（２１ａ）と、枠部（２２）の内周面（２２ａ）とが湾曲面を介さずに接続された構成とされていることの他は、実験例１における光源ユニットと同一の構成を有する光源ユニット作製した。
そして、実験例１と同様の方法により、試験用ウエハ（Ｗ）の光照射面上における照度分布を測定した。結果を図８に示す。

以上の結果より明らかなように、実験例１に係る光源ユニットによれば、試験用ウエハの最外縁側の測定点の位置（中心から１４５ｍｍの位置）まで、試験用ウエハの光照射面における温度の面内均一性の高い光加熱処理を行うことができることが確認された。
また、実験例２に係る光源ユニットにおいては、試験用ウエハの最外縁側の測定点の位置の温度が実験例１に係る光源ユニットに比して若干低くなることが確認された。この理由は、図８に示されるように、照度分布において照度の落込み部が生じるためであると推察される。
なお、参考実験例１に係る光源ユニットおいては、試験用ウエハの光照射面において、最外縁側の測定点の位置の温度がより内側の温度に比較して１５℃程度も低くなっていることが確認された。

１０ 光源ユニット
１０ａ 光源ユニット
１１ ＬＥＤ素子
１１ａ ＬＥＤ素子
１２ ＬＥＤ列
１３ 基板
１５ 光源部
２０ 透光性保護カバー
２０ａ 透光性保護カバー
２１ 基体部
２１ａ 一面（内面）
２１ｂ 他面（外面）
２２ 枠部
２２ａ 傾斜面
２３ 湾曲面
２５ 枠部
２５ａ 内周面
Ｃ 円
Ｌ 光軸
Ｒ 光源配置領域
Ｓ ＬＥＤ素子配置面
Ｗ 被処理物

Claims (4)

1. 多数のＬＥＤ素子が配置されてなる光源部と、この光源部における前記多数のＬＥＤ素子が配置された光源配置領域を覆うよう設けられた透光性保護カバーとを備えてなり、
   前記透光性保護カバーは、その周縁部分に、ＬＥＤ素子からの光を外方に屈折させる光学要素部を有することを特徴とする光源ユニット。
2. 前記透光性保護カバーは、前記多数のＬＥＤ素子が配置されたＬＥＤ素子配置面と平行に伸びる板状の基体部と、この基体部の一面における周縁部分に形成された、前記光学要素部として機能する前記光源配置領域の周囲を囲む枠部とにより構成されており、
   当該枠部の前記光源配置領域を臨む内周面が、前記光源配置領域の径方向外方に向かうに従って前記ＬＥＤ素子配置面に接近する方向に傾斜する傾斜面により形成されており、
   当該透光性保護カバーは、前記光源部を構成する少なくとも一部のＬＥＤ素子の光軸が前記傾斜面に向かって伸びる状態で、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
3. 前記透光性保護カバーにおける枠部の内周面を構成する前記傾斜面が、湾曲面を介して前記基体部の一面に連続していることを特徴とする請求項２に記載の光源ユニット。
4. 前記透光性保護カバーにおける基体部の他面と離間して配置される被処理物の加熱処理に用いられることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光源ユニット。
   

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