JP5475900B1 - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の基板加熱装置は、基板から基板支持部に熱が逃げてしまい、熱損失が大きかった。また、基板を任意の温度に保持したり、所定の温度プログラムに沿って昇温、降温させたりする制御が難しかった。
【解決手段】本発明の加熱装置は、気密チャンバ８と、この気密チャンバ８に設けた、レーザ光を透過せしめるレーザ光透過窓１０と、上記気密チャンバ８内に設けた被加熱物支持部１８と、上記気密チャンバ８の外部から上記レーザ光透過窓１０を通して、上記被加熱物支持部１８により支持した被加熱物１７上にレーザ光を照射するレーザ照射手段とよりなり、上記被加熱物支持部１８は、上記気密チャンバ８内に設けた、少なくとも３つの突起部とよりなり、上記少なくとも３つの突起部により上記被加熱物１７を支持することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は加熱装置、特に、半導体基板や酸化物基板などの被加熱物上に酸化膜を形成したり、被加熱物をアニール処理したりするために、上記被加熱物をレーザ光により加熱する装置に関するものである。

図２３は、従来の基板加熱装置を示し、１は気密チャンバ、２は半導体基板等の基板、３はこの基板２を載置するため上記気密チャンバ１内に設けた基板載置部、４は上記気密チャンバ１の天井に設けたレーザ光入射用のレーザ光透過窓、５は上記気密チャンバ１内に安定ガスを導入するためのマスフロー、６は上記気密チャンバ１内の空気を排気するための排気ポンプ、７は上記気密チャンバ１内の真空度を制御するための圧力制御バルブである。

上記従来の基板加熱装置においては、酸素又は大気雰囲気中で、基板２上に例えば絶縁被膜を形成するため、レーザ光を光ファイバー（図示せず）により、上記レーザ光透過窓４付近まで誘導し、上記光ファイバの先端から上記レーザ光透過窓４を介して上記気密チャンバ１内の基板載置部３上に載置した上記基板２上にレーザ光を照射し、加熱せしめている。このような従来の基板加熱装置としては、特許文献１に記載のものがある。

特開２００２−２５２１８１号公報（第１図）

しかしながら、上記従来の加熱装置では、基板から基板載置部に熱が逃げてしまい、熱損失が大きくなる。

また、基板載置部に逃げた熱が気密チャンバを加熱してしまうので、気密チャンバの冷却装置が必要である。

また、基板は、加熱された基板載置部から熱の影響を受けるので、基板を任意の温度に保持したり、基板を所定の温度プログラムパターンに沿って昇温、降温させたりする制御が難しいという欠点があった。

本発明は、上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明の加熱装置は、気密チャンバと、この気密チャンバに設けた、レーザ光を透過せしめるレーザ光透過窓と、上記気密チャンバ内に設けた被加熱物支持部と、上記気密チャンバの外部から上記レーザ光透過窓を通して、上記被加熱物支持部により支持した被加熱物上にレーザ光を照射するレーザ照射手段とよりなり、上記被加熱物支持部は、上記気密チャンバ内に設けた、支持される被加熱物に向かって水平方向に延びる、少なくとも３つの水平アームと、この各水平アームの先端面から、それぞれ上記支持される被加熱物に向かって水平方向に突出して設けた柱体と、上記柱体の周側部上に設けた突起部とよりなり、上記各水平アームの先端面は、それぞれ上記支持される被加熱物側に向かって下方に傾斜した傾斜面を有し、上記レーザ照射手段は、レーザ発振器と、このレーザ発振器と被加熱物との間に介挿した光学レンズ系とよりなり、この光学レンズ系は、上記レーザ発振器からのレーザ光を上記被加熱物の形状に合致した形状で上記被加熱物に照射するように形成され、上記被加熱物は、上記柱体の上記突起部上に、上記被加熱物の縁部下面を載置することにより上記被加熱物支持部に支持されると共に、上記水平アームの傾斜した先端面により、上記被加熱物がセンタリングされることを特徴とする。

また、上記突起部は、半球または錐体であることを特徴とする。

また、上記傾斜面は凸状にＶ字状に形成されていることを特徴とする。

また、上記光学レンズ系は、非球面レンズよりなることを特徴とする。

また、上記柱体及び突起物は、透明な石英又はサファイアであることを特徴とする。

本発明の加熱装置によれば、被加熱物と被加熱物支持部とを小さい面接触、あるいは線接触、あるいは点接触となるように支持するので、被加熱物から被加熱物支持部に熱が逃げにくく、熱損失が少ない。

また、被加熱物支持部が加熱されにくいので、気密チャンバが加熱されず、気密チャンバ冷却用の装置が不要になる。

また、被加熱物は、被加熱物支持部から熱の影響を受けにくいので、被加熱物を任意の温度に保持したり、被加熱物を所定の温度プログラムパターンに沿って昇温降温させたりする制御が容易になる。

本発明の加熱装置の縦断正面図である。 本発明の加熱装置の縦断側面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の拡大正面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の拡大平面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の突起部の要部の拡大正面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の説明用拡大正面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の説明用拡大平面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の他の実施例の突起部の要部の拡大正面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の更に他の実施例の突起部の要部の拡大側面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の更に他の実施例の突起部の要部の拡大側面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の更に他の実施例の突起部の要部の拡大平面図である。 本発明の加熱装置の被加熱物支持部の更に他の実施例の突起部の要部の拡大側面図である。 本発明の加熱装置の他の実施例の被加熱物支持部の縦断正面図である。 本発明の加熱装置の他の実施例の被加熱物支持部の拡大斜視図である。 本発明の加熱装置の他の実施例の被加熱物支持部の突起部の拡大斜視図である。 本発明の加熱装置の他の実施例の被加熱物支持部の他の実施例の突起部の要部の拡大側面図である。 本発明の加熱装置の他の実施例の被加熱物支持部の更に他の実施例の突起部の要部の拡大側面図である。 本発明の加熱装置の他の実施例の被加熱物支持部の更に他の実施例の突起部の要部の拡大平面図である。 本発明の加熱装置の他の実施例の被加熱物支持部の更に他の実施例の突起部の要部の拡大側面図である。 被加熱物を加熱する温度プログラムパターンを示す図である。 図２０の温度プログラムパターンに従って、本発明の加熱装置を用いて被加熱物を加熱した時の温度と時間の関係を示す図である。 図２０の温度プログラムパターンに従って、従来の加熱装置を用いて被加熱物を加熱した時の温度と時間の関係を示す図である。 従来の加熱装置の縦断側面図である。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

本発明の加熱装置は、図１及び図２に示すように、気密チャンバ８と、上記気密チャンバ８の上面の壁に設けた開口部９と、上記開口部９を気密に塞ぐ、レーザ光透過窓１０を有する着脱自在の蓋１１と、上記蓋１１の上面に設けたホルダ１２と、このホルダ１２の光学レンズ系ホルダ部１２ａに、レーザ光出口側が下になるように設けた光学レンズ系１３と、半導体レーザ発振器１４と、上記半導体レーザ発振器１４のレーザ出口に設けた、レーザ光を集光せしめる集光レンズ等からなるレーザ光集光手段１５と、上記集光手段１５と上記光学レンズ系１３とを接続せしめる、上記ホルダ１２の光ファイバホルダ部１２ｂに固定される光ファイバ１６と、上記気密チャンバ８内の底部に設けた、被加熱物１７を支持する被加熱物支持部１８とよりなる。

また、上記ホルダ１２には、放射温度計１９を設け、上記レーザ光透過窓１０を介して、上記被加熱物支持部１８に載置された被加熱物１７から発する赤外線から温度を測定できるようにする。

なお、２０は被加熱物の搬送口、２１はガス導入口、２２はガス排気口である。

また、上記光学レンズ系１３は、光ファイバ１６から照射されたレーザ光を所望の強度分布で所望の大きさに拡大する光学系であり、上記被加熱物１７の形状に合致した形状で上記被加熱物１７にレーザ光が照射されるように形成せしめる。これにより、上記被加熱物１７のみにレーザ光が照射されるので、最少のエネルギーで被加熱物１７を加熱できると共に、気密チャンバ８を加熱しないため、気密チャンバ８の冷却装置を別途設ける必要はない。

なお、半導体レーザ発振器１４から光ファイバ１６に入射したレーザ光は光ファイバ内部で反射を繰り返し、光ファイバ１６の端面から出射した直後では強度分布が均一であるが、上記レーザ光を単純に拡大したのでは、被加熱物１７上では、強度分布が不均一になる。そこで、被加熱物１７のサイズ及び光ファイバ１６と被加熱物１７との距離を勘案して、上記被加熱物１７に照射されるレーザ光の強度分布が均一になるように、上記光学レンズ系１３を形成し、この光学レンズ系１３により上記レーザ光を整形し、被加熱物１７を広域に亘って均一な温度分布で加熱するようにする。

また、上記光学レンズ系１３は、非球面レンズ、六角形ロッドレンズ、シリンドリカルレンズアレイを単独又は組み合わせて形成するが、レーザ光のビーム強度分布の設計が容易で、かつ、被加熱物のレーザ光照射範囲の設計が容易な一つの非球面レンズからなるものが好ましい。

また、上記非球面レンズによれば、光学レンズ系１３をコンパクトにすることができる。

また、上記半導体レーザ発振器１４は、レーザダイオードバーを複数個積み上げて構成される、例えば連続発振で１ｋＷ以上の高出力を出すものが好ましい。

また、上記レーザ発振器１４のレーザ光の波長は、被加熱物が吸収しやすい波長のものが好まれ、例えば、被加熱物がＳｉ基板の場合８００ｎｍ近傍の波長を発振する半導体レーザが好ましい。これにより、エネルギー消費量を削減できる。

また、上記被加熱物１７は、例えば、シリコン（Ｓｉ）などの半導体基板や、サファイア、酸化亜鉛等などの酸化物基板であり、その基板の形状には円形や矩形などがある。また、上記被加熱物１７は、例えば１／２インチの小面積から１８インチの大面積に適用できるが、特に１／２〜２インチが好ましい。

また、上記被加熱物支持部１８は、図３〜図７に示すように、上記気密チャンバ８内の底部に互いに等間隔に離間して設けた、少なくとも３つの垂直支柱２３と、この各垂直支柱２３の上部からそれぞれ、支持される被加熱物に向かって水平方向に延びる水平アーム２４と、この各水平アーム２４の先端面２４ａからそれぞれ、支持される被加熱物に向かって水平方向に突出して設けた、例えば円柱状の柱体２５などの突起部とよりなり、上記各柱体２５の周側部上に、上記被加熱物１７の縁部下面を載置することにより、上記被加熱物１７が略線接触で上記被加熱物支持部１８に支持されるようになる。

これにより、上記加熱された被加熱物１７から被加熱物支持部１８への熱伝導が抑制されるようになり、気密チャンバ８への熱逃げを防止し、気密チャンバ８の冷却装置を別途設ける必要がなくなる。

また、センタリング部材としての上記水平アーム２４の先端面２４ａは支持される被加熱物１７に向かって下方に傾斜すると共に、この傾斜した先端面２４ａの下部から上記柱体２５が突出しており、これにより、上記各水平アーム２４の傾斜した先端面２４ａと上記各柱体２５の周側部上端との間にそれぞれ段部２６が形成され、図６及び図７に示すように、この段部２６に被加熱物１７の縁が合致して、上記被加熱物１７がセンタリングされると共に、被加熱物１７が前後左右方向に移動できないように形成されている。

また、上記傾斜した先端面２４ａにより、上記被加熱物１７がセンタリングしやすくなる。

なお、上記水平アーム２４と上記柱体２５は、被加熱物温度の高温に耐えられる材質で、かつ、レーザ光の吸収が小さく、かつ熱伝導率が良くない材料、例えば、透明な石英やサファイアが好ましい。

また、上記柱体２５は、図８に示すように、三角柱であってもよく、この三角柱の周側部上端の頂部２５ａに上記被加熱物１７を載置するようにしてもよい。

また、図９及び図１０に示すように、上記柱体２５の周側部上に、更に柱体、例えば、半球状の突起部２９又は、円錐体などの錐体状の突起部３０を設け、これら突起部２９、３０上に上記被加熱物１７の縁部下面を載置することにより、上記被加熱物１７を点接触で上記被加熱物支持部１８に支持するようにしてもよい。

これにより、上記加熱された被加熱物１７から被加熱物支持部１８への熱伝導が更に抑制されるようになる。

また、図１１及び図１２に示すように、上記傾斜した先端面２４ａを左右方向において凸状のＶ字状に形成し、上記傾斜した先端面２４ａの頂部２４ｂで、上記被加熱物１７の縁が接触するようにすれば、上記傾斜した先端面２４ａと上記被加熱物１７の縁とが点接触となり、より、接触面積を小さくすることができるようになる。

なお、図１３〜図１５は、他の被加熱物支持部１８´を示し、この他の被加熱物支持部１８´は、気密チャンバ８の底部に互いに等間隔に離間して設けた、少なくとも３つの上方に突出する棒状の柱体２７など突起部とよりなり、上記各柱体２７の上端面に、上記被加熱物１７の縁部下面を載置することにより、上記被加熱物１７が上記被加熱物支持部１８´に支持されるようになる。

これにより、上記加熱された被加熱物１７から被加熱物支持部１８´への熱伝導が抑制されるようになり、気密チャンバ８への熱逃げを防止し、気密チャンバ８の冷却装置を別途設ける必要がなくなる。

また、上記各棒状柱体２７の先端端面は、図１５に示すように、支持される被加熱物側の内側半円部に形成された平面部２７ａと、センタリング部材としての外側中間部に形成された外方に向かって上方に傾斜した傾斜部２７ｂと、上記傾斜部２７ｂに連なって、外側端部に形成された平面部２７ｃとにより構成され、上記平面部２７ａと上記傾斜部２７ｂとの間にそれぞれ段部２８が形成され、この段部２８に被加熱物１７の縁が合致して、上記被加熱物１７がセンタリングできると共に、被加熱物１７が前後左右方向に移動できないように形成されている。

また、上記傾斜した傾斜面２７ｂにより、上記被加熱物１７がセンタリングしやすくなる。

なお、上記各棒状柱体２７の先端端面形状は凸状の半球状であってもよく、この場合には、棒状柱体２７と被加熱物１７とのが略点接触となるため、被加熱物１７から棒状柱体２７への熱伝導をより防ぐことができるようになる。

また、図１６及び図１７に示すように、上記各棒状柱体２７の平面部２７ａ上に、更に柱体、例えば、半球状の突起部３１又は、円錐体などの錐体状の突起部３２を設け、これら突起部３１，３２上に上記被加熱物１７の縁部下面を載置することにより、上記被加熱物１７を点接触で上記被加熱物支持部１８´に支持するようにしてもよい。

これにより、上記加熱された被加熱物１７から被加熱物支持部１８´への熱伝導が更に抑制されるようになる。

また、図１８及び図１９に示すように、上記傾斜部２７ｂを左右方向において凸状のＶ字状に形成し、上記傾斜部２７ｂの頂部２７ｄで、上記被加熱物１７の縁が接触するようにすれば、上記傾斜部２７ｂと上記被加熱物１７の縁とが点接触となり、より、接触面積を小さくすることができるようになる。

なお、上記棒状柱体２７の数は３〜６つが好ましいが、特に４つの場合には、被加熱物１７を安定して支持できるため、好ましい。

また、上記柱体２９、３０、３１、３２などの突起部は、被加熱物温度の高温に耐えられる材質で、かつ、レーザ光の吸収が小さく、かつ熱伝導率が良くない材料、例えば、透明な石英やサファイアが好ましい。

本発明の加熱装置においては、例えば、気密チャンバ８内を酸素又は大気雰囲気とし、上記半導体レーザ発振器１４から出射されたレーザ光を、上記レーザ光集光手段１５により集光せしめて、上記光ファイバ１６の一端から入射せしめ、上記光ファイバ１６の他端から出射した上記レーザ光を上記光学レンズ系１３及び上記レーザ光透過窓１０を介して気密チャンバ８内の被加熱物１７のみに照射し、上記被加熱物１７のみを加熱せしめ、上記被加熱物１７上に酸化膜を形成せめる。

なお、上記放射温度計１９により被加熱物１７の温度を測定し、フィードバックしながら、上記被加熱物１７を加熱するようにする。

本発明の加熱装置によれば、上記光学レンズ系１３により、レーザ光は被加熱物１７のみに照射され、また、被加熱物基板１７から被加熱物支持部１８、１８´への熱逃げを防止できるので、熱損失を小さくすることができる。

また、レーザ光は被加熱物１７のみに照射されるので気密チャンバ８は加熱されず、また、被加熱物支持部１８、１８´は加熱されないので、被加熱物支持部１８、１８´から気密チャンバ８は加熱されないので、チャンバ冷却用の装置が不要になる。

また、上記被加熱物１７は、上記被加熱物支持部１８、１８´からの熱の影響を受けないので、上記被加熱物１７を任意の温度に保持したり、上記被加熱物１７を所定の温度プログラムパターンに沿って昇温降温させたりする制御が容易になる。

なお、図２１は、図２０の温度プログラムパターンに基づき、本発明の加熱装置を用いて被加熱物１７を加熱した時の被加熱物の温度を示した図であり、図２２は、従来の加熱装置を用いて被加熱物を加熱した時の被加熱物の温度を示した図である。

図２０〜２２から分かるように、本発明の加熱装置を利用した場合には、温度プログラムパターンにほぼ沿って、被加熱物を昇温降温することができるようになる。

なお、気密チャンバ８にガス導入ポートを設け、酸化膜以外の水素アニール装置としても使用できる。

１ 気密チャンバ
２ 基板
３ 基板載置部
４ レーザ光透過窓
５ マスフロー
６ 排気ポンプ
７ バルブ
８ 気密チャンバ
９ 開口部
１０ レーザ光透過窓
１１ 蓋
１２ ホルダ
１２ａ 光学レンズ系ホルダ部
１２ｂ 光ファイバホルダ部
１３ 光学レンズ系
１４ 半導体レーザ発振器
１５ レーザ光集光手段
１６ 光ファイバ
１７ 被加熱物
１８ 被加熱物支持部
１８´ 被加熱物支持部
１９ 放射温度計
２０ 搬送口
２１ ガス導入口
２２ ガス排気口
２３ 支柱
２４ 水平アーム
２４ａ 先端面
２４ｂ 頂部
２５ 柱体
２５ａ 頂部
２６ 段部
２７ 柱体
２７ａ 平面部
２７ｂ 傾斜部
２７ｃ 平面部
２７ｄ 頂部
２８ 段部
２９ 突起部
３０ 突起部
３１ 突起部
３２ 突起部

Claims (5)

1. 気密チャンバと、この気密チャンバに設けた、レーザ光を透過せしめるレーザ光透過窓と、上記気密チャンバ内に設けた被加熱物支持部と、上記気密チャンバの外部から上記レーザ光透過窓を通して、上記被加熱物支持部により支持した被加熱物上にレーザ光を照射するレーザ照射手段とよりなり、
   上記被加熱物支持部は、上記気密チャンバ内に設けた、支持される被加熱物に向かって水平方向に延びる、少なくとも３つの水平アームと、この各水平アームの先端面から、それぞれ上記支持される被加熱物に向かって水平方向に突出して設けた柱体と、上記柱体の周側部上に設けた突起部とよりなり、
   上記各水平アームの先端面は、それぞれ上記支持される被加熱物側に向かって下方に傾斜した傾斜面を有し、
   上記レーザ照射手段は、レーザ発振器と、このレーザ発振器と被加熱物との間に介挿した光学レンズ系とよりなり、この光学レンズ系は、上記レーザ発振器からのレーザ光を上記被加熱物の形状に合致した形状で上記被加熱物に照射するように形成され、
   上記被加熱物は、上記柱体の上記突起部上に、上記被加熱物の縁部下面を載置することにより上記被加熱物支持部に支持されると共に、上記水平アームの傾斜した先端面により、上記被加熱物がセンタリングされることを特徴とする加熱装置。
2. 上記突起部は、半球または錐体であることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
3. 上記傾斜面は凸状にＶ字状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の加熱装置。
4. 上記光学レンズ系は、非球面レンズよりなることを特徴とする請求項１、２又は３記載の加熱装置。
5. 上記柱体及び突起物は、透明な石英又はサファイアであることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の加熱装置。

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