JP5348203B2

JP5348203B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP5348203B2
Application number: JP2011183561A
Authority: JP
Inventors: 清幸蕪木; 洋一水川
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: JP2012009885A

Description

この発明は、半導体ウエハやディスプレイパネル等の基板の加熱処理、もしくは、ガラスやプラスチック等の加熱用の光照射式の加熱ユニットに関するものであり、特に、光源からの光を伝熱板に照射し、該伝熱板からの輻射により被加熱物を加熱する加熱ユニットに係わるものである。

従来、半導体ウエハを処理するなどのプロセスにおいては、アニール処理、成膜処理、スパッタ処理等の各種の加熱処理が用いられている。また、ウエハ処理だけでなく、ディスプレイを製造するためのガラス基板処理プロセスにおいても加熱処理が行われている。

このような加熱処理を行う加熱ユニットとしては、加熱処理を行うときに、ワーク表面の温度分布を均一になるように加熱するために、加熱源（光照射式加熱ユニットにおいてはランプ）とワークの間に、均熱板といわれる部材を設けたものが知られている。均熱板としては、熱伝導性のよい金属製やカーボン製のものが使用される。特開平７−１７２９９６号公報には、均熱板としてステンレス板を用いたものが開示されている。

ところで、この均熱板（伝熱板）を用いた加熱ユニットでは、外乱の影響を考慮して熱伝導率が高く、熱容量の大きな均熱板が用いられているが、反面で加熱源であるランプの出力変化への対応が鈍くなり、短時間での温度制御が困難になる。
このような観点から、加熱ユニットに用いられる均熱板は、熱容量が小さなものが望ましく、できるだけ薄い均熱板が求められる。

しかしながら、薄い均熱板、例えば、厚さ３ｍｍといった金属製の均熱板を使用すると、熱容量が小さいが故に、均熱板の両面での温度差により熱歪が発生して反り（変形）が生じてくるという不具合がある。

また、均熱板としてカーボン板を用いると、高温での成形加工後の冷却時に、加工時の残留歪による反り（変形）が生じることがある。例えば、厚さ３ｍｍのカーボン製の均熱板で、長さ３００ｍｍに対して１ｍｍ程度の反りが生じる。

このような反り（変形）があると、均熱板と被加熱物であるワークとの間隔が一定でなくなり、均熱板からの熱がワークに不均一に伝熱されることになり、ワークの過熱が一様でなくなるという問題がある。

均熱板を用いた加熱ユニットのこれらの不具合を解消するものとして、発明者らは、特願２００３−３６４３９８号や特願２００４−４０７４４号を出願して、伝熱板を、光透過性保持体と、該保持体の表面に設けられ、光源からの光を吸収して発熱する伝熱体とから構成した加熱ユニットを提案している。

これらにより、伝熱体を薄くして加熱応答性を良くし、該伝熱体を光透過性保持体上に設けることにより、該伝熱体の反りなどの変形を抑止した伝熱ユニットを提供せんとするものである。

特開平７−１７２９９６号公報

上記の出願により、加熱応答性が良く、伝熱体の変形がない伝熱板を供えた加熱ユニットを提案したが、本発明はこれらの提案加熱ユニットの改良に関するものである。
すなわち、これらの加熱ユニットにおいては、伝熱体からの輻射はその表面、即ち、被加熱物側表面から被加熱物に向けたものしか利用されておらず、裏面側、即ち、光源（ランプ）側表面側からの輻射が利用されていないので、光源のエネルギーが有効に利用されていない。

そこで、本発明の目的は、伝熱体から被加熱物側への輻射を増加させることにより、光源からの照射光のエネルギーを有効に利用することができる加熱ユニットを提供しようとするものである。

この発明の課題を解決するための手段は、ハロゲンランプにより伝熱板を照射し、該照射された伝熱板からの伝熱により被加熱物を加熱する加熱ユニットにおいて、前記伝熱板が、光透過性を有する保持体と、該保持体の被加熱物側に設けられ、該保持体を透過した光を吸収して発熱する伝熱体とからなり、前記保持体の光源側表面が鏡面加工され、該鏡面加工した表面の面粗さＲａ（μｍ）は、該伝熱体より輻射される輻射光の波長２．５（μｍ）より小さな値であることを特徴とするものである。

この発明によれば、保持体下面を鏡面加工することにより、伝熱板から光源側への輻射の少なくとも一部が、反射され伝熱体側に戻されてこれを再加熱することにより、被加熱物への輻射量を増加することができる。

この発明の実施例１の全体図。この発明の実施例１の詳細部分図。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）この発明の実施例１の実施形態の部分図。この発明の実施例２の詳細部分図。この発明の実施例３の詳細部分図。光源（ハロゲンランプ）のスペクトル。伝熱体の発光スペクトル。（Ａ）（Ｂ）実施例３の他の実施形態の詳細部分図。

本発明の実施例を図１乃至第８図を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る加熱ユニットの構成を示す断面図である。
図において、光源１がユニット本体５に複数本設けられている。該光源１は、例えば、ハロゲンランプ等の白熱ランプ、キセノンランプやメタルハライドランプ等の放電ランプなどである。本体５の光源１の上方には、前記光源１からの光を透過する保持体２と、その上面に設けられて、該保持体２を透過した光源１からの光を吸収して発熱する伝熱体３とからなる伝熱板４が設けられている。そして、半導体ウエハやガラス基板などの被加熱物６は該伝熱板４の上方に配置されている。

前記保持体２は、石英ガラス、硼珪酸ガラス、焼結石英ガラス、アルミノ珪酸ガラス等のガラス、ガラスセラミック、透光性アルミナ、サファイア等から成る。これら素材は、金属やカーボングラファイトに比べて熱膨張係数が小さいので、変形が起こりにくく、化学的に堅牢で耐熱性に優れており、紫外域または可視域の光を透過し発熱が少ない。

また、伝熱体３はダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、酸化クロム等の金属酸化物、窒化アルミニウムや窒化ボロン等の窒化物、炭化珪素、珪化モリブデン等のシリサイド、などから成る。または、モリブデン、クロム、カーボン等を含有した諸ガラスや諸セラミックスから成る。これら素材は、化学的に堅牢で耐熱性に優れており、紫外域から可視域の光を遮断して発熱し、熱伝導率が高い。

前記保持体２への伝熱体３の形成（コーティング等）は、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の場合はＣＶＤにより、また、金属酸化物、窒化物、炭化珪素の場合は、塗布・焼成やプラズマ溶射、印刷等により、そして、シリサイドの場合は、ＣＶＤ、スパッタ、あるいは蒸着後に加熱して形成する。ＣＶＤ、塗布、溶射、印刷、スパッタ、蒸着を利用すると、保持体２に多少の凹凸があった場合でも、伝熱体３の厚さを所望の厚さに制御して形成することができる。

図２は詳細部分図で、前記伝熱体３の上面、即ち、被加熱物６側の表面３Ａを拡散面加工してある。一般に物体からの輻射量は、その表面積に比例するところ、上記拡散面加工により、該表面３Ａの表面積は、裏面、即ち、光源１側の表面３Ｂより増大する。その結果、光源１から保持体２を透過してきた光により加熱される伝熱体３からの輻射は、下方、即ち、光源１側への輻射量より、上方、即ち、被加熱物６側への輻射量が増大する。そのため、光源１からの照射エネルギーがより有効に利用できる。

上記の伝熱体３の上面３Ａの拡散面加工としては、機械的な粗研磨加工やフロスト加工、切削加工、または、化学的なエッチング加工などにより表面に凹凸を形成するものであればよい。そして、その凹凸形状としては、図３に示すように種々の形状であってよい。図３（Ａ）は、山形の凸部７Ａを多数形成したものであり、図３（Ｂ）は連続凸状部７Ｂを形成したものであり、図３（ｃ）は多数の凹部７Ｃを形成したものである。

図４は異なる実施例２の詳細部分図で、保持体２の下面、即ち、光源１側の表面２Ｂを鏡面加工してある。該鏡面加工した表面２Ｂの面粗さ（Ｒａ）は、輻射光の波長λより小さな値とする。こうすることにより、加熱された伝熱体３から輻射される輻射光のうち、一定の入射角以上の輻射光は該鏡面で全反射して伝熱体３方向に戻され、該伝熱体３を再加熱する。そして、その上表面３Ａから被加熱物６に輻射される。
これにより、伝熱体３の下面３Ｂから下方への輻射光の少なくとも一部を被加熱物６側に戻すことにより、有効利用することができる。

図５は他の実施例３の詳細部分図で、伝熱板４の保持体２の下方、即ち、光源１側の下方に輻射反射層１０を設けてある。該輻射反射層１０は、光源１からの光は透過し、伝熱体３からの輻射光は反射するような多層膜反射層からなっている。光源１からの入射光は、光源１がハロゲンランプの場合、図６に示すようにタングステンフィラメントの色温度が、２２００Ｋを越えると、２.５μｍ以上の波長域の放射は少なくなる。一方、伝熱体３からの輻射光は、図７に示すように２.５μｍ以上の波長域のスペクトルである。
従って、輻射反射層１０は、これらの両スペクトルを考慮して、２．０〜２．５μｍの領域以下の波長の光を透過し、該領域以上の波長の光を反射するような特性をもつものであればよく、このような条件を満たす多層膜の構成素材としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＡｌＦ_３などの低屈折材と、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３などの高屈折材から選択された材料の組み合わせで得られる。

上記実施例３においては、前記図４の実施例２と同様に、加熱された伝熱体３から下方に向う輻射光を輻射反射層１０によって伝熱体３方向に戻し、これを再加熱する。こうして、光源１により加熱された伝熱体３からの輻射光を有効に利用することができる。

なお、上記輻射反射層１０の透過波長の特性を光源１としてハロゲンランプを用いた場合のスペクトルで説明したが、他のランプ、例えばキセノンランプやメタルハライドランプの場合であっても、２．０〜２．５μｍの領域以下の波長の光を透過する特性であれば、これらのランプからの放射光に対してもその殆どを透過することになり、実用上まったく問題はない。

ところで、上記実施例３においては、輻射反射層１０を伝熱板４の下方に配置したものを示したが、これに限られない。
図８に他の実施形態を示し、図８（Ａ）に示すものでは、輻射反射層１０は、保持体２の上面、即ち、保持体２と伝熱体３の間に設けられている。
また、図８（Ｂ）に示すものでは、輻射反射層１０は、伝熱板４の保持体２の下面に設けられている。
これら図８に示すいずれの輻射反射層１０も、前記図５に示すものと同様の多層膜からなるものである。

これらの輻射反射層１０が、前記図５の輻射反射層１０と同様の機能を奏することは容易に理解できるであろう。
即ち、輻射反射層１０は、伝熱体３から光源１方向への輻射を再度伝熱体３に戻すものであればよく、伝熱体３と光源１の間に設けられていればよい。

なお、本発明の伝熱板の実施例において、伝熱体は、保持体の上表面に形成された構成について説明してきたが、特願２００４−４０７４４号で示すように、伝熱体と保持体との間に間隙子を設けた構成でも良い。本構成においては、輻射光の反射の機能は、保持体の上表面に持たせることが好ましい。

また、上記各実施例においては、加熱ユニットは上向きに照射し、被加熱物６は該加熱ユニットの上方に配置するものとして説明したが、これに限られないことは勿論であり、加熱ユニットが下向き、或いは、横向きなど任意の向きであってよく、被加熱物６はその加熱ユニットの伝熱板４に対向配置されていればよい。

以上のように、本発明においては、光源と伝熱板を供えた加熱ユニットにおいて、伝熱板を、光源光を透過する保持体と、その上面に設けた伝熱体とにより構成し、該伝熱体の上面を拡散面加工し、あるいは、保持体の下面を鏡面加工し、あるいは、伝熱体と光源の間に輻射反射層を設けたことにより、光源により加熱された伝熱体から被加熱物側へ輻射される輻射光を増大させることができるので、光源からの照射エネルギーを有効に利用して加熱処理ができるという優れた効果を奏するものである。

１光源
２保持体
３伝熱体
４伝熱板
５ユニット本体
６被加熱物
１０輻射反射層

Claims

ハロゲンランプにより伝熱板を照射し、該照射された伝熱板からの伝熱により被加熱物を加熱する加熱ユニットにおいて、
前記伝熱板が、光透過性を有する保持体と、該保持体の被加熱物側に設けられ、該保持体を透過した光を吸収して発熱する伝熱体とからなり、
前記保持体の光源側表面が鏡面加工され、
該鏡面加工した表面の面粗さＲａ（μｍ）は、該伝熱体より輻射される輻射光の波長２．５（μｍ）より小さな値であることを特徴とする加熱ユニット。