JP2020009927A - 加熱用ｌｅｄランプ、およびそれを備えるウエハ加熱ユニット - Google Patents

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哲也 郷田
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Abstract

【課題】ウエハを必要な温度まで短時間かつ均一に上昇させることのできる加熱用ＬＥＤランプを提供する。【解決手段】加熱用ＬＥＤランプ１００を、基板１１０と、基板１１０の表面に載置された複数のＬＥＤ１２０とで構成する。基板の一方の端部の表面には一対の電極１１２が形成されており、各ＬＥＤはこれらの電極間で直列接続されている。この加熱用ＬＥＤランプを用いてウエハをバーンインするため、箱状の加熱炉体中に複数の加熱用ＬＥＤランプを配置し、ウエハテーブル上に載置したウエハに制御装置により最適な熱量を供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、ウエハを加熱するためのＬＥＤランプ、およびそれを備えるウエハ加熱ユニットに関する。
従前より、半導体製造用のウエハをＬＥＤランプで加熱する装置が提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２）。
加えて、半導体の製造工程において、初期不良品をスクリーニングする目的で、完成した半導体に最大定格以上の電圧や動作周波数で負荷をかけたうえでさらに加熱する「バーンイン」が実施されることがあり、このバーンインの加熱用にＬＥＤランプを使用することも提案されている（例えば、特許文献３）。
特開２０１２−１７８５７６号公報（ドーム型） 特表２００５−５３６０４５号公報（砲弾型） 特開２００２−２０８６２０号公報
ところが、完成品状態の半導体にバーンインを実施すると非常にコストがかかることから、近年では、このバーンイン工程を廃止するメーカーが現れている。また、バーンイン工程の廃止はしないものの、完成状態になってからではなく、未だウエハの状態で先にバーンインを行う「ウエハレベルバーンイン」も提案されている。完成した半導体であれば通常は数時間から数十時間のバーンインが実施されるところ、ウエハのバーンインであれば数十秒で済ますことができる場合もあり、半導体製造コストを大幅に低減することができる。
しかし、ウエハのバーンインを実施しようとすると、ウエハを必要な温度まで短時間かつ均一に上昇させる必要があるものの、従来の加熱用ＬＥＤランプでは短時間でウエハを均一に加熱することができず、温度のばらつきが多くなってしまうという問題があった。
本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウエハを必要な温度まで短時間かつ均一に上昇させることのできる加熱用ＬＥＤランプ、およびそれを備えるウエハ加熱ユニットを提供することにある。
本発明の一局面によれば、
基板と、
前記基板の表面に載置された複数のＬＥＤとを備える加熱用ＬＥＤランプが提供される。
また、本発明の他の局面によれば、
上記加熱用ＬＥＤランプと、
加熱炉体とを備える、ウエハ加熱ユニットが提供される。
本発明によれば、基板の表面に載置するタイプのＬＥＤであるＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）型のＬＥＤを採用することにより、従来よりも稠密にＬＥＤを配置することができるので、ウエハを必要な温度まで短時間かつ均一に上昇させることのできる加熱用ＬＥＤランプ、およびそれを備えるウエハ加熱ユニットを提供することができた。
実施形態に係る加熱用ＬＥＤランプ１００を示す図である。 実施形態に係る加熱装置２００を示す図である。 ＬＥＤ１２０同士の配置間隔の一例を示す図である。 ＬＥＤ１２０同士の配置間隔の他の例を示す図である。 一枚の基板１１０上にＬＥＤ１２０を並べた状態の一例を示す図である。 複数枚の基板１１０を組み合わせることによって加熱用ＬＥＤランプ１００を成立させた状態の一例を示す図である。 一枚の基板１１０上にＬＥＤ１２０を並べた状態の他の例を示す図である。 複数枚の基板１１０を組み合わせることによって加熱用ＬＥＤランプ１００を成立させた状態の他の例を示す図である。 他の実施形態に係る加熱装置２００を示す図である。
（加熱用ＬＥＤランプ１００の構造）
本発明が適用された加熱用ＬＥＤランプ１００について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る加熱用ＬＥＤランプ１００を示す図である。
本実施形態に係る加熱用ＬＥＤランプ１００は、大略、基板１１０と、この基板１１０の表面に載置された複数のＬＥＤ１２０とで構成されている。なお、ここでいう「載置される」とは、各ＬＥＤ１２０がＣｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ（ＣＯＢ）型で基板１１０の表面に実装されていることを意味する。
また、基板１１０における一方端部の表面には一対の電極１１２が形成されており、この基板１１０の表面に載置された各ＬＥＤ１２０は、これら電極１１２間で図示しない回路パターンによって直列接続されている。これにより、各ＬＥＤ１２０に流れる電流はそれぞれ同じになり、各ＬＥＤ１２０に流れる電流値のばらつきがなくなることから、各ＬＥＤ１２０から発せられる光量のばらつきも極小化できる。
さらに、加熱処理を行うウエハＷの大きさに応じて複数の加熱用ＬＥＤランプ１００を組み合わせて使用するのが好適である。ひとつの大きな（多数のＬＥＤ１２０が載置されている）加熱用ＬＥＤランプ１００ではなく、ある程度小さい（少ない数のＬＥＤ１２０が載置されている）加熱用ＬＥＤランプ１００を複数使用することにより、ウエハＷに与える熱量が調整し易くなるとともに、必要に応じて与える熱量が多い領域と少ない領域とを意図的に分けることができるからである。
次に、上述した複数の加熱用ＬＥＤランプ１００を用いてウエハＷをバーンインするための加熱装置２００について説明する。図２に示すように、加熱装置２００は、大略、複数の加熱用ＬＥＤランプ１００と、加熱炉体２１０と、ウエハテーブル２２０と、加熱用ＬＥＤランプ制御装置２３０と、加圧制御装置２４０と、ウエハテスター２５０とを備えている。
加熱炉体２１０は、図中下端に開口２１２を有する箱状体であり、その内部空間２１４の上方に複数の加熱用ＬＥＤランプ１００が配設されている。また、加熱炉体２１０の下端部には、バーンインを施すウエハＷを保持するとともに、当該ウエハＷを保持した状態で内部空間２１４を気密するウエハ保持部２１６が形成されている。さらに、気密された状態の内部空間２１４内の圧力を調整するための圧力調整孔２１８が加熱炉体２１０に形成されており、当該圧力調整孔２１８は、加圧制御装置２４０に接続されている。なお、この加熱炉体２１０と加熱用ＬＥＤランプ１００との組み合わせを「ウエハ加熱ユニット」と呼ぶ。
ウエハテーブル２２０は、バーンインを施すウエハＷを載置するとともに、載置したウエハＷに形成されている回路に対して所定の電圧や電流を供給してウエハＷをテストするための装置である。なお、ウエハテーブル２２０は、ウエハテスター２５０に対して電気的に接続されており、ウエハＷのテストは、このウエハテスター２５０によって制御および実施される。
加熱用ＬＥＤランプ制御装置２３０は、加熱炉体２１０内に配設された複数の加熱用ＬＥＤランプ１００のそれぞれに給電するとともに、各加熱用ＬＥＤランプ１００に対する電流値等を調整および制御して、ウエハＷに対して均一かつ最適な熱量を供給する装置である。
加圧制御装置２４０は、加熱炉体２１０の内部空間２１４の圧力を制御する装置であり、ウエハＷをバーンインする際、内部空間２１４は大気圧よりも高い圧力となるように制御されている。
以下では、加熱装置２００を構成する各要素について、好適な事項を説明する。
（波長）
加熱用ＬＥＤランプ１００における基板１１０に対してＬＥＤ１２０を載置・実装する際、封止用シリコーン樹脂を使用するのが一般的であるが、この封止用シリコーン樹脂は４００ｎｍ以下のＵＶ光により早期に劣化する事が確認できている。ところが一般的に使用されているシリコンウエハの吸収波長は３００ｎｍ付近において高く、４００ｎｍ付近から長波長になるほど低下していく傾向にあるため、封止用シリコーン樹脂を使用すると極端に寿命が短くなる点が指摘されている。
一方、光の波長の違いがウエハＷの加熱性能に及ぼす影響を調べたところ、３８５ｎｍの場合と８１０〜９８０ｎｍの場合とで、ウエハＷの温度上昇速度および到達限界温度はほぼ同等であることがわかった。
したがい、加熱用ＬＥＤランプ１００におけるＬＥＤ１２０から発せられる光の波長は、８１０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下を採用するのが好適である。これにより、加熱用ＬＥＤランプ１００に使用されている封止用シリコーン樹脂を劣化させる可能性を低減できる。換言すれば、加熱用ＬＥＤランプ１００に封止用シリコーン樹脂を問題なく使うことができる。
（ＬＥＤ１２０の構造）
ＬＥＤ１２０には、発光層を２層有するダブルジャンクションチップを使用するのが好適である。これにより、加熱用ＬＥＤランプ１００の単位面積当たりの発光量（加熱量）を多くすることができる。
（複数のＬＥＤ１２０同士の間隔）
複数のＬＥＤ１２０を基板１１０に載置（実装）する間隔は、各ＬＥＤ１２０のサイズが１ｍｍ角であるとき、ＬＥＤ１２０の中心同士の間隔を２ｍｍ未満とするのが好適であり、１．５ｍｍ未満とするのがさらに好適である。このように、各ＬＥＤ１２０をＣｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ（ＣＯＢ）型で基板１１０の表面に載置（実装）することによってＬＥＤ１２０を高い密度で配置することができ、加熱用ＬＥＤランプ１００の大光量化ができる。また、ＣＯＢ型はＬＥＤ１２０を直接基板１１０に実装するので、ＬＥＤ１２０から基板１１０へ熱が伝達する際の熱抵抗が小さくなり、ＬＥＤ１２０で発生した熱を効率よく基板１１０に逃がすことができる。
これに対し、従来の砲弾型やドーム型のＬＥＤランプの場合、ＬＥＤの中心同士の間隔を３ｍｍ未満で配置するのが難しい。また、各ＬＥＤ自身の大きさを大きくすると単位面積当たりの光量も多くなるが、各ＬＥＤから発生する熱を逃がすのが難しくなる。
（複数のＬＥＤ１２０の配置）
基板１１０における各ＬＥＤ１２０の実装配置形状は、各ＬＥＤ１２０同士の間隔が一定となるような、格子状あるいは千鳥格子状とすることが考えられる。
また、ウエハＷの温度を上昇させた後の温度安定時における当該ウエハＷの温度の均一性を高めるために、各ＬＥＤ１２０の実装配置間隔を不等間隔にすることも考えられる。
例えば、加熱用ＬＥＤランプ１００の中心位置から外側位置に遠ざかるにつれて、ＬＥＤ１２０同士の間隔が一定の長さ（距離）で短くなっていくようにしてもよいし（図３を参照）、ＬＥＤ１２０同士の間隔が一定の割合で短くなっていくようにしてもよい。なお、図中の間隔寸法値は一例である。
また、図４に示すように、加熱用ＬＥＤランプ１００の中心位置から外側位置に向かって所定の数までは等間隔でＬＥＤ１２０を配置し、所定の数よりも外側位置についてはより短い等間隔でさらにＬＥＤ１２０を配置してもよい。なお、図中の間隔寸法値は一例である。
さらに、図５に示すように、一枚の基板１１０上に上述した不等間隔でＬＥＤ１２０を並べてもよいし、図６に示すように、複数枚の基板１１０を組み合わせることによって、不等間隔でＬＥＤ１２０が並べられた加熱用ＬＥＤランプ１００を成立させてもよい。
もちろん、途中で等間隔の長さを変えるようにＬＥＤ１２０を配置した場合も同様であり、図７に示すように、一枚の基板１１０上に上述した間隔でＬＥＤ１２０を並べてもよいし、図８に示すように、複数枚の基板１１０を組み合わせることによって、所定の間隔でＬＥＤ１２０が並べられた加熱用ＬＥＤランプ１００を成立させてもよい。
（加熱用ＬＥＤランプ１００における発光面の面積と、ウエハＷの面積との関係）
加熱用ＬＥＤランプ１００における発光面の面積がウエハＷの面積よりも大きくなるように設計し、発光面の周縁部に位置するＬＥＤ１２０はウエハＷの加熱には使用しないように当該ＬＥＤ１２０からの光はウエハＷに当たらないようにするのが好適である。
発光面の中心寄りに位置するＬＥＤ１２０は自身からの熱だけでなく周囲のＬＥＤ１２０からの熱を受けて高温になる。その一方で、発光面の周縁部に位置するＬＥＤ１２０は高温になりにくいので、ＬＥＤ１２０自身の温度が中心寄りに位置するＬＥＤ１２０の温度よりも低くなる。このため、周縁部に位置するＬＥＤ１２０からの光の量および波長は中心寄りに位置するＬＥＤ１２０からの光の量および波長と相違しており、周縁部に位置するＬＥＤ１２０からの光をウエハＷの加熱に使用すると均一性が低下するおそれがあるからである。
また、加熱用ＬＥＤランプ１００における発光面の直径は、ウエハＷの直径に対して以下の２つの式が成立する範囲とするのが好適である。
Ａ＝Ｃ×Ｒ×Ｂ （１）
０．０６３＜Ｒ≦０．０８４５ （２）
Ａ：発光面の直径[mm]
Ｂ：加熱用ＬＥＤランプ１００とウエハＷとの間の距離[mm]
Ｃ：ウエハＷの直径[mm]
Ｒ：変数
上記の範囲が好適な理由として、配置されるＬＥＤ１２０の密度の関係で、加熱用ＬＥＤランプ１００における発光面の周辺部から放射される光は、当該発光面の中央部から放射される光に比べて弱いことから、ウエハＷの直径と、発光面の直径との関係は、加熱されるウエハＷの温度上昇時と温度安定時における当該ウエハＷの温度の均一性に大きく影響する。上記の範囲としたことにより、例えば、加熱用ＬＥＤランプ１００とウエハＷとの間の距離が１０ｍｍの場合、ウエハＷの温度の均一性は、ウエハＷにおける最も温度が高い点と、最も温度が低い点との温度差が１０％未満となった。なお、上記の割合（％）は、「（［ウエハＷにおける最も温度が高い点の温度］−［ウエハＷにおける最も温度が低い点の温度］）÷［ウエハＷにおける最も温度が高い点の温度］×１００」で算出される値をいう。
さらに、加熱用ＬＥＤランプ１００における発光面の直径は、ウエハＷの直径に対して以下の２つの式が成立する範囲とするのがより好適である。
Ａ＝Ｃ×Ｒ×Ｂ （１）
０．０６３＜Ｒ≦０．０７６９ （３）
Ａ：発光面の直径[mm]
Ｂ：加熱用ＬＥＤランプ１００とウエハＷとの間の距離[mm]
Ｃ：ウエハＷの直径[mm]
Ｒ：変数
上記の範囲としたことにより、例えば、加熱用ＬＥＤランプ１００とウエハＷとの間の距離が１０ｍｍの場合、ウエハＷの温度の均一性は、ウエハＷにおける最も温度が高い点と、最も温度が低い点との温度差が５％未満となるからである。
（基板１１０の形状）
基板１１０の形状については、長方形または正方形状の基板１１０を隣り合うように並べて、上述のように、加熱用ＬＥＤランプ１００全体の面積がウエハＷの面積よりも大きくなるように設定するのが好適である。
（加熱用ＬＥＤランプ１００とウエハＷとの間の距離）
加熱用ＬＥＤランプ１００とウエハＷとの間の距離は、１ｍｍ以上あればよいが、短すぎるとウエハＷの加熱の均一性の点で不利になることから、少なくとも３ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上とするべきである。
また、ウエハＷの加熱の均一性は、ウエハＷにおける最も温度が高い点と、最も温度が低い点との温度差が１０％以下、好ましく５％以下、さらに好ましくは３％以下とするべきである。なお、上記の割合（％）は、「（［ウエハＷにおける最も温度が高い点の温度］−［ウエハＷにおける最も温度が低い点の温度］）÷［ウエハＷにおける最も温度が高い点の温度］×１００」で算出される値をいう。
（ＬＥＤ１２０に流す電流値の制御）
加熱用ＬＥＤランプ制御装置２３０が各ＬＥＤ１２０に流す電流値を大きくすれば、それだけＬＥＤ１２０からの発光量が多くなり、ウエハＷを所定の温度まで加熱ために要する時間を短くすることができる。
例えば、ウエハＷを所定の温度まで素早く昇温させた後で当該温度を一定に保持するために、昇温中は大きな電流を各ＬＥＤ１２０に流し、その後、所定の温度に達したときに電流値を低減させると、ウエハＷの温度は所望の温度を超えてオーバーシュートするおそれがある。そこで、ウエハＷが所定の温度になる前の少し低い目の温度になった時点で各ＬＥＤ１２０に流す電流値を低減することで、温度のオーバーシュートを防止することができる。
具体的には、予め実験等により、各ＬＥＤ１２０に流す電流値と、当該電流値の場合に例えばＬＥＤ１２０への通電開始後から何秒後に電流値を低減すればオーバーシュートを回避できるかを測定しておく。そして、実際には、各ＬＥＤ１２０への通電開始後から、電流値に応じて予め決めておいた時間に到達したときに当該電流値を低減させることにより、ウエハＷの温度のオーバーシュートを回避できる。
もちろん、ウエハＷの温度のオーバーシュート回避は、上記の手法に限定されるものではなく、例えば、サーモグラフィー等を用いてウエハＷの温度を測定し、当該温度が所望の値に達する前に各ＬＥＤ１２０への電流値を低減するようにしてもよい。
さらに、各ＬＥＤ１２０間の発光量にばらつきがある場合、例えば、複数枚の基板１１０で加熱用ＬＥＤランプ１００が構成されている場合、基板１１０ごとにＬＥＤ１２０に流す電流値を調節することにより、ウエハＷの加熱の均一性を高めるのが好適である。また、一枚の基板１１０上にあるＬＥＤ１２０を複数のグループに分けてグループごとに別回路を設定して、当該グループごとに電流値を調節してもよい。
（加熱用ＬＥＤランプ１００固有の発光量のばらつきへの対応）
加熱装置２００に複数の加熱用ＬＥＤランプ１００を使用する場合、各加熱用ＬＥＤランプ１００に同じ値の電流を流しても、加熱用ＬＥＤランプ１００ごとに発光量のばらつきが見られる場合があり、このばらつきに起因して、加熱装置２００によるウエハＷの加熱の均一性が低下するおそれがある。
このようなばらつきへの対応として、予め個々の加熱用ＬＥＤランプ１００における電流値とその電流値に対応する発光量とのデータを取得しておき、加熱装置２００全体としてウエハＷに対する発光量（加熱量）が均一となるように各ＬＥＤ１２０に流す電流値を補正することが考えられる。
（ＬＥＤ１２０の冷却）
ウエハＷだけでなく、電流が供給されて発光中のＬＥＤ１２０自身も昇温していき、ＬＥＤ１２０自身の温度が上がりすぎると、放射する光の波長が変化したり発光量が低下したりするなど、加熱用ＬＥＤランプ１００として問題が生じる場合がある。このため、基板１１０の裏面（ＬＥＤ１２０が載置（実装）された面とは反対の面）に放熱性の高いシート材等を配設し、このシート材等に水冷ヒートシンク（図示せず）を当接させてＬＥＤ１２０を冷却するのが好適である。もちろん、水冷するほどの温度上昇が各ＬＥＤ１２０に見られない場合は、空冷でもよい。
（基板１１０の材質）
上述のように、ＬＥＤ１２０自身の温度が上がりすぎるのを回避するため、基板１１０としては、熱抵抗の小さいアルミニウムをベースとした基板や、銅をベースとした基板、あるいは、アルミナ基板や窒化アルミ基板を使用するのが望ましい。また、基板１１０の寸法が大きくなってくると、アルミニウムや銅をベースとした金属系の基板では、アルミニウムや銅といった金属の熱膨張係数と、ＬＥＤ１２０を基板に固定する樹脂レジストの熱膨張係数との違いによって基板１１０が反ってしまうという問題がある。このため、基板１１０の寸法が大きい場合は、このような問題が生じないアルミナ基板や窒化アルミ基板といったセラミック系の基板を用いるのが好適である。
（レンズ２６０の追加）
図９に示すように、加熱用ＬＥＤランプ１００におけるウエハＷに向かう面に光の指向角を狭くさせるレンズ２６０を設けてもよい。ＬＥＤ１２０からの光の指向角をレンズ２６０によって狭めることにより、ウエハＷから外れて当該ウエハＷの加熱に寄与しなかった光もウエハＷの加熱に使用できるようになり、効率のよい加熱用ＬＥＤランプ１００とすることができる。なお、レンズ２６０の数は、１つの加熱用ＬＥＤランプ１００に対して１つのレンズ２６０であってもよいし（図９の例）、１つのＬＥＤ１２０に対して１つのレンズを設けてもよい。
（加熱炉体２１０の内部空間２１４内に充填する気体について）
加熱炉体２１０の内部空間２１４に充填する気体は、空気や窒素、あるいは、不活性ガスを用いるのが好適である。
（加熱装置２００の加熱能力）
加熱装置２００の加熱能力としては、ウエハＷを２００℃以上５００℃以下まで加熱でき、また、各ＬＥＤ１２０に対して電流を供給開始してから２秒以上１０秒以下、好適には２秒以上５秒以下の時間でウエハＷ自身の温度を上記の温度まで加熱できるものであることが好適である。
（ＬＥＤ１２０を基板１１０に接合させる材料）
各ＬＥＤ１２０を基板１１０に接合させる材料としては、一般に樹脂入り銀ペーストが使用されているが、これに変えて、樹脂を用いない銀ナノペーストを用いるのが好適である。銀ナノペーストを用いてＬＥＤ１２０を基板１１０に金属結合させることにより、従来の樹脂入りに比べてＬＥＤ１２０から基板１１０への熱移動の効率（熱伝導率）が約１０倍になることから、ＬＥＤ１２０の冷却の点で有利だからである。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１００…加熱用ＬＥＤランプ、１１０…基板、１１２…電極、１２０…ＬＥＤ
２００…加熱装置
２１０…加熱炉体、２１２…開口、２１４…内部空間、２１６…ウエハ保持部、２１８…圧力調整孔
２２０…ウエハテーブル
２３０…加熱用ＬＥＤランプ制御装置
２４０…加圧制御装置
２５０…ウエハテスター
２６０…レンズ

Claims (2)

  1. 基板と、
    前記基板の表面に載置された複数のＬＥＤとを備える加熱用ＬＥＤランプ。
  2. 請求項１に記載の加熱用ＬＥＤランプと、
    加熱炉体とを備える、ウエハ加熱ユニット。
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