JP2023105769A - 加熱用のランプ、およびそれを備える加熱装置 - Google Patents

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のランプ、およびそれを備える加熱装置を提供する。【解決手段】加熱用のランプ１００を、金属製の放熱基板１０２と、放熱基板１０２上に配置された絶縁層１０４と、絶縁層１０４上に配置された複数の配線パターン１０６と、 複数の配線パターン１０６上にそれぞれ配置された複数の光源素子１０８と、配線パターン１０６と光源素子１０８とを電気的に接合する接合材１０９と、隣り合う光源素子１０８間を電気的に接続する金属配線１１０とで構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばウエハ等の被加熱材料を加熱するためのランプ、およびそれを備える加熱装置に関する。

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）。

また、ＬＥＤランプは応答速度が早く調光制御性に優れること等の利点を有していることから、従来ハロゲンランプが使用されていた他の加熱プロセスにもＬＥＤランプを使用することが検討されている。この「他の加熱プロセス」とは、例えば、レジストキュア、酸化処理、フラッシュアニールの予備加熱、真空下あるいは圧力下でのアニール処理等である。

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、上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のランプ、およびそれを備える加熱装置を提供することにある。

本発明の一局面によれば、
金属製の放熱基板と、
前記放熱基板上に配置された絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された複数の配線パターンと、
複数の前記配線パターン上にそれぞれ配置された複数の光源素子と、
前記配線パターンと前記光源素子とを電気的に接合する接合材と、
隣り合う前記光源素子間を電気的に接続する金属配線とを備える
加熱用のランプが提供される。

本発明の他の局面によれば、
セラミック製の絶縁材と、
前記絶縁材上に配置された複数の配線パターンと、
複数の前記配線パターン上にそれぞれ配置された複数の光源素子と、
前記配線パターンと前記光源素子とを電気的に接合する接合材と、
隣り合う前記光源素子間を電気的に接続する金属配線とを備える
加熱用のランプが提供される。

好適には、
前記光源素子には、ＶＣＳＥＬ素子が使用されている。

本発明の別の局面によれば、
複数の上述したランプと、
熱伝導性材を介して前記ランプが取り付けられる放熱部材と、
前記光源素子を駆動する電気ドライバとを備える
加熱装置が提供される。

好適には、
前記各ランプに配置された複数の前記光源素子は、複数のグループに分けられており、
前記電気ドライバは、前記光源素子を前記グループごとに別々に駆動する。

好適には、
前記電気ドライバは、前記光源素子を前記グループごとにタイミングをずらしてコントロールする。

好適には、
前記ランプの全周あるいは全周の一部において隣の前記ランプとの間に隙間ができるように前記放熱部材に取り付けられている。

好適には、
前記隙間には、加熱中のウエハの温度を測定する温度センサおよび赤外線カメラの少なくとも一方が配置されている。

好適には、
前記電気ドライバは、前記温度センサおよび前記赤外線カメラの少なくとも一方で検知された前記ウエハの温度に基づいて前記ランプに供給する電流値を調整する。

好適には、
前記電気ドライバは、前記光源素子の経年劣化に応じて、前記光源素子に供給する電流値を増加させる。

好適には、
前記電気ドライバは、前記各ランプにおける前記光源素子の経年劣化に応じて、前記各ランプに供給する電流値を個別に調整する。

好適には、
前記ランプとウエハとの間に配設された光学フィルターを更に備えており、
前記光学フィルターは、前記温度センサや前記赤外線カメラで検知する波長よりも長い波長の光を遮断する。

本発明に係る加熱用のランプでは、接合材を介して光源素子が配線パターンに電気的に接合されており、光源素子自身の温度が過度に高くなるのを防止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ができる。

本発明が適用された実施形態に係るランプ１００を示す断面図である。 本発明が適用された実施形態に係る加熱装置１５０を示す断面図である。 本発明が適用された実施形態に係る加熱装置１５０を示す平面図である。 他の例に係る加熱装置１５０を示す平面図である。 他の例に係る加熱装置１５０を示す平面図である。 変形例１に係るランプ１００を示す断面図である。 変形例１に係る加熱装置１５０を示す平面図である。 変形例５に係る加熱装置１５０を示す図である。

（加熱用のランプ１００の構造）
本発明が適用された加熱用のランプ１００について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るランプ１００を示す図である。

本実施形態に係るランプ１００は、大略、放熱基板１０２と、絶縁層１０４と、配線パターン１０６と、光源素子としてのＶＣＳＥＬ素子１０８と、接合材１０９と、金属配線１１０とで構成されている。

放熱基板１０２は、金属製の板材であり、後述するように、放熱部材１５２に取り付けられるようになっている。放熱基板１０２の材質は、銅やアルミニウム、あるいはそれらの合金等が一般的である。なお、この放熱基板１０２を形成する金属は特に限定されるものではなく、導電性の有無も関係ないが、熱伝導性の高い材料を選択するのが好適である。

絶縁層１０４は、放熱基板１０２上に配置されており、アルミナや窒化アルミニウム、シリコンカーバイト等のセラミック材や、ダイヤモンドライクカーボンや熱伝導性が良好かつ絶縁性が高い樹脂等を使用することができる。また、この絶縁層１０４の形成には、溶射成膜法やＣＶＤ成膜法、印刷成膜法等を用いることができる。いずれにしても、絶縁層１０４は、配線パターン１０６と放熱基板１０２との間で不所望な導電性が生じるのを防止できれば、特に限定されるものではない。

配線パターン１０６は、ＶＣＳＥＬ素子１０８に給電する役割を有しており、絶縁層１０４の表面に実装されるＶＣＳＥＬ素子１０８の数に合わせて形成されている。また、互いに隣り合う配線パターン１０６は、両配線パターン１０６間の電気絶縁性を確保するため、離間して配置されている。

配線パターン１０６の材質としては、例えば、銅、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、ニッケル、パラジウム、金、銀等が考えらえる。

光源素子としてのＶＣＳＥＬ素子１０８は、複数の配線パターン１０６上にそれぞれ配置された面発光型半導体レーザーアレイ素子であり、基板面に対して垂直方向に光を放射することができる。このＶＣＳＥＬ素子１０８から放射される光の波長は、６００ｎｍ以上１，２００ｎｍ以下が好適である。６００ｎｍ以上が好適である理由は、これよりも波長が短くなるとシリコンウエハの波長吸収特性が低下してしまうからである。また、１，２００ｎｍ以下が好適である理由は、シリコンウエハの波長吸収特性が１，２００ｎｍでピークとなり、これよりも波長が長くなると急激にその波長吸収特性が低下してしまうからである。

接合材１０９は、配線パターン１０６とＶＣＳＥＬ素子１０８とを電気的に接合するための材料であり、例えば、ダイアタッチ剤を挙げることができる。もちろん、接合材１０９としてダイアタッチ剤以外を使用してもよいし、接合材１０９の性状としても固形状のものやペースト状のものを使用できる。

金属配線１１０は、隣り合うＶＣＳＥＬ素子１０８間を電気的に接続する部材である。金属配線１１０には、例えば、ワイヤーボンディング等の方法が用いられる。

（加熱装置１５０の構造）
次に、上述した加熱用のランプ１００を備える加熱装置１５０の構造について説明する。この加熱装置１５０は、例えばウエハ等の被加熱材料をバーンインや他の加熱プロセスで加熱するためのものであり、図２および図３に示すように、大略、複数のランプ１００と、放熱部材１５２と、電気ドライバ１５４とを備えている。なお、加熱装置１５０を用いてワークを１００℃以上に加熱するのが好適である。例えば、乾燥工程では１００℃を少し越えるまでウエハを昇温し、アニール等の工程ではウエハを６００℃以上まで昇温する。

放熱部材１５２は上述した複数のランプ１００が取り付けられる部材である。具体的には、各ランプ１００における放熱基板１０２が、熱伝導性材（熱伝導率の高いグリスやシート材）１５５を介して、放熱部材１５２の表面に取り付けられる。

この放熱部材１５２は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い材料で形成されており、空冷あるいは水冷されることによって、熱伝導性材１５５を介してＶＣＳＥＬ素子１０８で生じた熱を受けるようになっている。

なお、放熱部材１５２に対して複数のランプ１００を取り付ける際、あるランプ１００の全周あるいは全周の一部において隣のランプ１００との間に隙間Ｓができるように各ランプ１００が配置されている。なお、「全周の一部」とは、例えば、図４に示すように、隣り合うランプ１００同士の外周辺の一部が離間して隙間Ｓが形成されるようなものであってもよいし、図５に示すように、ランプ１００の外周に沿って欠き部Ｋ（図示例では長孔）を作成し、ランプ１００の外周縁は隣のランプ１００における外周縁と接しているが、ランプ１００における一部のＶＣＳＥＬ素子１０８と、隣のランプ１００における一部のＶＣＳＥＬ素子１０８との間に欠き部Ｋが存在しているような場合も「全周の一部に隙間Ｓがある」ことになる。

電気ドライバ１５４は、各ランプ１００に配置された複数のＶＣＳＥＬ素子１０８に発光用の電力を供給する役割を有する部材である。本実施形態に係る加熱装置１５０の場合、一つのランプ１００に配置された複数のＶＣＳＥＬ素子１０８は、複数（本実施形態では３つ）のグループ１５６ａ，１５６ｂ，１５６ｃに分けられており、電気ドライバ１５４は、これら複数のグループ１５６ａ，１５６ｂ，１５６ｃに属するＶＣＳＥＬ素子１０８をグループ１５６ａ，１５６ｂ，１５６ｃごとに別々に駆動することができるようになっている。

例えば、電気ドライバ１５４は、各ＶＣＳＥＬ素子１０８をグループ１５６ａ，１５６ｂ，１５６ｃごとにタイミングをずらしてコントロールするのが好適である。各ＶＣＳＥＬ素子１０８のグループ１５６ａ，１５６ｂ，１５６ｃを同時にオンにすると、電源（電気ドライバ１５４）やＶＣＳＥＬ素子１０８のばらつきにより均一な昇温が得られないからである。「タイミングをずらす」ことの例としては、放熱が大きい箇所（ウエハ支持ピン付近等）に近いグループ１５６ａ，１５６ｂ，１５６ｃを先に点灯させることが挙げられる。

なお、電気ドライバ１５４の数は、一つの加熱装置１５０において一つだけであってもよいし、ランプ１００ごとに一つの電気ドライバ１５４を対応させてもよい。また、加熱装置１５０に配置されたうちの一部である複数のランプ１００を一つの電気ドライバ１５４に対応させてもよい。

（加熱用のランプ１００および加熱装置１５０の特徴）
本実施形態に係る加熱用のランプ１００および加熱装置１５０によれば、加熱用の熱源（光源）としてＶＣＳＥＬ素子１０８が使用されている。ＶＣＳＥＬ素子１０８から放射される光の波長は、ＬＥＤから放射される光よりも比較的長波長側にあることから、ウエハの温度を効率よく高めることができる。

（変形例１）
上述したランプ１００では、金属製の放熱基板１０２上に絶縁層１０４を形成して、その上面に配線パターン１０６を配置していたが、これに変えて、図６に示すように、セラミック製の絶縁材２１０と、この絶縁材２１０上に配置された複数の配線パターン１０６と、複数の配線パターン１０６上にそれぞれ配置された複数のＶＣＳＥＬ素子１０８と、隣り合うＶＣＳＥＬ素子１０８間を電気的に接続する金属配線１１０とでランプ１００を構成してもよい。

（変形例２）
また、上述した加熱装置１５０では、放熱部材１５２に対して複数のランプ１００を取り付ける際、ランプ１００の全周あるいは全周の一部において隣のランプ１００との間に隙間Ｓができるように各ランプ１００が配置されているが、図７に示すように、この隙間Ｓに、加熱中のウエハの温度を測定する温度センサ１６０および赤外線カメラ１６２の少なくとも一方を配置してもよい（図５には、温度センサ１６０および赤外線カメラ１６２の両方が配置されている）。

例えば、温度センサ１６０としてフォトダイオード等の光起電力素子を使用することができる。このとき、温度検知のために測定する（赤外線）波長は、ＶＣＳＥＬ素子１０８から放射される光の波長よりも長く設定される。具体的には、温度検知に使用する光起電力素子の感度波長は１．０μｍ以上３．０μｍ以下に設定される。また、低温を測定するために、感度波長が３．０μｍ以上８．０μｍ以下の光起電力素子を追加で使用してもよい。

これにより、加熱装置１５０で加熱しつつ、ウエハの温度を知ることができるので、ウエハの加熱温度を適切に管理することが容易になる。

なお、温度センサおよび赤外線カメラの少なくとも一方で検知されたウエハの温度に基づいて、電気ドライバ１５４がランプ１００に供給する電流値を調整するように設定してもよい。これにより、ウエハの加熱温度をさらに適切に管理できる。

「電気ドライバ１５４がランプ１００に供給する電流値を調整する」ことの一例としては、ランプ１００から放射される光の照度を測定する照度センサからの出力信号を、反転増幅回路を介して電気ドライバ１５４への調光信号として直接入力し、この出力信号（調光信号）に基づいて電流値を調整することが挙げられる。これにより、従来のようにマイコンやシーケンサで照度センサ信号を受けてから電流値を調整する処理に比べて高速に処理できる。

（変形例３）
さらに、上述した実施形態では、一つの放熱部材１５２に対して複数のランプ１００を配置していたが、これに変えて、放熱部材１５２をランプ１００の数だけ用意して、一つの放熱部材１５２に対して一つのランプ１００を取り付けてもよい。これにより、個々の放熱部材１５２に供給する水量（水冷の場合）や風量（空冷の場合）を調整することで、個々の放熱部材１５２からの放熱量を調整して対応するランプ１００におけるＶＣＳＥＬ素子１０８の温度を調整することができる。

（変形例４）
また、ＶＣＳＥＬ素子１０８の経年劣化に応じて、当該ＶＣＳＥＬ素子１０８に供給する電流値を増加させるように電気ドライバ１５４を制御してもよい。経年劣化によってＶＣＳＥＬ素子１０８の光出力が低下するので、これに対応するように当該ＶＣＳＥＬ素子１０８に供給する電流値を増加することで、ＶＣＳＥＬ素子１０８が放射する光出力を一定に保ち、定照度運転を行うことができる。

なお、電気ドライバ１５４による制御は、各ランプ１００におけるＶＣＳＥＬ素子１０８の経年劣化に応じて、ランプ１００ごとに供給する電流値を個別に調整してもよい。

（変形例５）
また、図８に示すように、ランプ１００とウエハＷとの間に光学フィルター２００を配設してもよい。この光学フィルター２００は、上述した温度センサや赤外線カメラで検知する波長よりも長い波長の光を遮断する役割を有している。

これにより、ランプ１００からの光Ｌによって加熱されたウエハＷから放射される輻射熱Ｈ（赤外線光）がランプ１００まで届かないように光学フィルター２００でカットできるので、ランプ１００、とりわけＶＣＳＥＬ素子１０８が不所望に高温になるのを回避できる。

（変形例６）
ここまで、光源素子としてＶＣＳＥＬ素子１０８を用いる例について説明してきたが、ＶＣＳＥＬ素子１０８に変えて、光源素子としてＬＥＤ素子を使用してもよい。

なお、同じ光量の光エネルギーをシリコンウエハ（ウエハ）に照射した場合、ＬＥＤ素子から放射される可視光領域の波長の光よりも、ＶＣＳＥＬ素子１０８から放射される、より赤外光に近い（波長の長い）光の方がウエハへの吸収率が高く、当該ウエハの温度を高めるのに有利であることから、光源素子としてＶＣＳＥＬ素子１０８を用いるのが好適である。

今回開示された実施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、上述した説明ではなく、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…加熱用のランプ、１０２…放熱基板、１０４…絶縁層、１０６…配線パターン、１０８…ＶＣＳＥＬ素子、１０９…接合材、１１０…金属配線
１５０…加熱装置、１５２…放熱部材、１５４…電気ドライバ、１５５…熱伝導性材、１５６…（ＶＣＳＥＬ素子１０８の）グループ
１６０…温度センサ、１６２…赤外線カメラ
２００…光学フィルター、２１０…絶縁材
Ｌ…光、Ｓ…（隣り合うランプ１００同士の間の）隙間、Ｗ…ウエハ、Ｋ…欠き部、Ｈ…輻射熱

Claims (12)

1. 金属製の放熱基板と、
   前記放熱基板上に配置された絶縁層と、
   前記絶縁層上に配置された複数の配線パターンと、
   複数の前記配線パターン上にそれぞれ配置された複数の光源素子と、
   前記配線パターンと前記光源素子とを電気的に接合する接合材と、
   隣り合う前記光源素子間を電気的に接続する金属配線とを備える
   加熱用のランプ。
2. セラミック製の絶縁材と、
   前記絶縁材上に配置された複数の配線パターンと、
   複数の前記配線パターン上にそれぞれ配置された複数の光源素子と、
   前記配線パターンと前記光源素子とを電気的に接合する接合材と、
   隣り合う前記光源素子間を電気的に接続する金属配線とを備える
   加熱用のランプ。
3. 前記光源素子には、ＶＣＳＥＬ素子が使用されている
   請求項１または２に記載のランプ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の複数のランプと、
   熱伝導性材を介して前記ランプが取り付けられる放熱部材と、
   前記光源素子を駆動する電気ドライバとを備える
   加熱装置。
5. 前記各ランプに配置された複数の前記光源素子は、複数のグループに分けられており、
   前記電気ドライバは、前記光源素子を前記グループごとに別々に駆動する
   請求項４に記載の加熱装置。
6. 前記電気ドライバは、前記光源素子を前記グループごとにタイミングをずらしてコントロールする
   請求項５に記載の加熱装置。
7. 前記ランプの全周あるいは全周の一部において隣の前記ランプとの間に隙間ができるように前記放熱部材に取り付けられている
   請求項４から６のいずれか１項に記載の加熱装置。
8. 前記隙間には、加熱中のウエハの温度を測定する温度センサおよび赤外線カメラの少なくとも一方が配置されている
   請求項７に記載の加熱装置。
9. 前記電気ドライバは、前記温度センサおよび前記赤外線カメラの少なくとも一方で検知された前記ウエハの温度に基づいて前記ランプに供給する電流値を調整する
   請求項８に記載の加熱装置。
10. 前記電気ドライバは、前記光源素子の経年劣化に応じて、前記光源素子に供給する電流値を増加させる
    請求項４から６のいずれか１項に記載の加熱装置。
11. 前記電気ドライバは、前記各ランプにおける前記光源素子の経年劣化に応じて、前記各ランプに供給する電流値を個別に調整する
    請求項４から６のいずれか１項に記載の加熱装置。
12. 前記ランプと前記ウエハとの間に配設された光学フィルターを更に備えており、
    前記光学フィルターは、前記温度センサや前記赤外線カメラで検知する波長よりも長い波長の光を遮断する
    請求項８または９に記載の加熱装置。
    

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