KR20100041817A - 어닐링 장치 - Google Patents

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KR20100041817A
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시게루 가사이
도모히로 스즈키
스미 다나카
마사타케 요네다
히로유키 미야시타
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

웨이퍼(W)가 수용되는 처리실(1)과, 웨이퍼(W)의 면에 면하도록 설치되고, 웨이퍼(W)에 대하여 빛을 조사하는 복수의 LED(33)를 갖는 가열원(17a, 17b)과, 가열원(17a, 17b)에 대응하여 설치되고, 발광 소자(33)로부터의 빛이 투과하는 광투과 부재(18a, 18b)를 갖는 어닐링 장치에서, 가열원(17a, 17b)은, 지지체(32) 상에 웨이퍼(W)측을 향해 복수의 발광 소자(33)가 부착되어 구성되고, 발광 소자가 각각 개별적으로 투명 수지로 이루어진 렌즈층(20)으로 덮여 있다.

Description

어닐링 장치{ANNEALING APPARATUS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등에 대하여 LED 등의 발광 소자로부터의 빛을 조사함으로써 어닐링을 행하는 어닐링 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에서는, 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(이하 단순히 웨이퍼라 기재함)에 대하여, 성막 처리, 산화 확산 처리, 개질 처리, 어닐링 처리 등의 각종 열처리가 존재한다. 반도체 디바이스의 고속화, 고집적화의 요구에 따라, 특히 이온 주입(implantation) 이후의 어닐링은, 확산을 최소한으로 억제하기 위해, 보다 고속의 온도 승강이 지향되고 있다. 이러한 고속의 온도 승강이 가능한 어닐링 장치로서 발광 다이오드(LED)를 가열원으로 이용한 것이 제안되어 있다(예를 들어 일본 특허 공표 2005-536045호 공보).
그런데, 상기 어닐링 장치의 가열원으로 LED를 이용하는 경우에는, 급속 가열에 대응하여 많은 빛에너지를 발생시켜야 하고, 그 때문에 LED를 고밀도로 실장해야 한다.
LED 소자는 GaAs, GaN 등의 화합물 반도체이며, 이러한 물질은 빛에 대한 굴절률이 2.5∼3.6 정도로 매우 커, 입사각이 0도라도 15% 정도 반사하기 때문에, 그대로 공기에 노출된 경우에는 효율이 매우 낮아진다. 이 때문에, LED 소자로부터의 빛을 공기(진공) 중에 취출하는 경우에는, 굴절률이 이들 고굴절률 물질과 공기 사이인 물질, 예를 들어 투명 수지를 충전하는 것을 생각할 수 있다.
한편, LED 소자의 형상은 한변의 길이가 0.3∼0.5 mm 정도이고 두께가 0.2 mm 정도이기 때문에, 하면을 기판에 부착하여 이용하는 경우에는, 4개의 측면의 면적의 합계가 상면의 면적보다 커져, 측면으로부터의 빛을 효율적으로 취출하는 것이 중요해지지만, 상술한 바와 같이, LED 소자의 배치 공간에 단순히 수지를 충전한 경우에는, LED 소자의 측면으로부터의 빛을 충분히 취출할 수 없다.
본 발명의 목적은, 가열원으로서 LED 등의 발광 소자를 이용한 어닐링 장치에서, 빛을 효율적으로 취출할 수 있는 어닐링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 관점에 의하면, 피처리체가 수용되는 처리실과, 상기 처리실 내에서 피처리체를 지지하는 지지 부재와, 상기 지지 부재 상의 피처리체의 적어도 한쪽 면에 면하도록 설치되고, 피처리체에 대하여 빛을 조사하는 복수의 발광 소자를 갖는 가열원과, 상기 가열원에 대응하여 설치되고, 상기 발광 소자로부터의 빛이 투과하는 광투과 부재와, 상기 처리실 내를 배기시키는 배기 기구와, 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구를 포함하고, 상기 가열원은 지지체를 구비하고, 이 지지체 상에 상기 복수의 발광 소자가 피처리체측을 향해 부착되어 있으며, 상기 발광 소자가 각각 개별적으로 렌즈층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 어닐링 장치가 제공된다.
상기 제1 관점에서, 상기 렌즈층은 투명 수지로 이루어진 것이 바람직하다. 또, 상기 렌즈층은 반구형을 이루고 있는 것이 바람직하다. 상기 렌즈층은, 상기 지지체 상에 형성된 얇은 수지층 위에 반구형 수지층이 형성되어 이루어진 것으로 할 수도 있다. 상기 반구형의 렌즈층의 인접하는 것끼리는 접촉하고 있어도 되고, 이격되어 있어도 된다.
상기 발광 소자의 평면 형상은, 한변이 0.5 mm의 정방형이고, 렌즈층의 직경이 0.6∼1.2 mm인 것이 바람직하고, 상기 렌즈층의 직경이 0.8∼1.0 mm인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 제2 관점에 의하면, 피처리체가 수용되는 처리실과, 상기 처리실 내에서 피처리체를 지지하는 지지 부재와, 상기 지지 부재 상의 피처리체의 적어도 한쪽 면에 면하도록 설치되고, 피처리체에 대하여 빛을 조사하는 복수의 발광 소자를 갖는 가열원과, 상기 가열원에 대응하여 설치되고, 상기 발광 소자로부터의 빛이 투과하는 광투과 부재와, 상기 처리실 내를 배기시키는 배기 기구와, 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구를 포함하고, 상기 가열원은 지지체를 구비하고, 이 지지체 상에 상기 복수의 발광 소자가 피처리체측을 향해 부착되어 있으며, 상기 발광 소자의 미리 정해진 개수가 일괄적으로 렌즈층으로 덮여 있는 것인 어닐링 장치가 제공된다.
상기 제2 관점에서, 상기 렌즈층은 투명 수지로 이루어진 부분을 주체로 하는 것이 바람직하다. 또, 상기 지지체는 복수개이며, 상기 렌즈층은 각 지지체에 대응하여 복수 형성되고, 각 렌즈층은 대응하는 지지체에 부착된 복수의 발광 소자를 일괄적으로 덮도록 할 수 있다. 또한, 상기 렌즈층은, 광출사측의 면이 좁은 면이 되는 테이퍼를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 렌즈층은, 상기 지지체 상에 형성된 얇은 층 위에 주요층으로서의 수지층이 형성되어 이루어진 구성으로 할 수 있다. 이 경우에, 상기 주요층으로서의 수지층은, 광출사측의 면이 좁은 면이 되는 테이퍼를 갖는 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 의하면, 피처리체가 수용되는 처리실과, 상기 처리실 내에서 피처리체를 지지하는 지지 부재와, 상기 지지 부재 상의 피처리체의 적어도 한쪽 면에 면하도록 설치되고, 피처리체에 대하여 빛을 조사하는 복수의 발광 소자를 갖는 가열원과, 상기 가열원에 대응하여 설치되고, 상기 발광 소자로부터의 빛이 투과하는 광투과 부재와, 상기 처리실 내를 배기시키는 배기 기구와, 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구를 포함하고, 상기 가열원은 지지체를 구비하고, 이 지지체 상에 상기 복수의 발광 소자가 피처리체측을 향해 부착되어 있으며, 상기 발광 소자는, 그 광출사면의 가장자리부에 모따기가 실시되어 있는 것인 어닐링 장치가 제공된다.
상기 제1∼제3 관점에서, 상기 지지체의 반사율이 0.8 이상인 것이 바람직하다. 상기 지지 부재와 상기 광투과 부재 사이에 공간을 가지며, 상기 공간에 상기 가열원이 설치되어 있는 구조로 할 수 있다. 또한, 발광 소자로는, LED를 바람직하게 이용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 발광 소자를 전형적으로는 투명 수지로 이루어진 렌즈층으로 덮도록 했기 때문에, 굴절률이 높은 재료로 구성되어 있는 발광 소자로부터 굴절률이 작은 공기 중에 빛이 출사되는 경우에 전반사가 잘 일어나지 않아, 전반사에 의한 효율 저하를 억제할 수 있다. 또, 이와 같이 렌즈층을 형성함으로써, 발광 소자의 측방으로 출사되는 빛도 유효하게 취출할 수 있기 때문에 빛의 취출 효율을 한층 더 높은 것으로 할 수 있다.
또, 발광 소자의 미리 정해진 개수가 일괄적으로 렌즈층으로 덮인 구성의 경우에도, 상기 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 발광 소자의 광출사면의 가장자리부에 모따기가 실시되어 있는 구성으로 함으로써, 발광 소자의 발광부로부터 빛을 취출할 때, 가로로 나오는 빛을 중심 방향으로 굴절시킬 수 있어, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 어닐링 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 도 1의 어닐링 장치의 가열원을 확대하여 나타내는 단면도.
도 3은 도 1의 어닐링 장치의 LED에 급전하는 부분을 확대하여 나타내는 단면도.
도 4는 도 1의 어닐링 장치의 가열원을 나타내는 바닥면도.
도 5는 n1의 굴절률을 갖는 물질이 발광하여 굴절률이 n2인 렌즈재를 투과하여, n3=1인 대기에 빛을 투과할 때의 모델을 나타내는 도면.
도 6은 렌즈층의 형성 상태를 나타내는 확대도.
도 7은 렌즈층의 효율상 바람직한 형태를 나타내는 도면.
도 8A는 렌즈층의 제조상 바람직한 형태를 나타내는 도면.
도 8B는 렌즈층의 제조상 바람직한 다른 형태를 나타내는 도면.
도 9는 렌즈층의 제조상 바람직한 또 다른 형태를 나타내는 도면.
도 10은 반구형의 렌즈층의 크기와 광강도의 관계를 파악하기 위한 시뮬레이션의 조건을 설명하는 설명도.
도 11은 도 10의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프.
도 12는 도 10의 조건에서의 렌즈형 수지층의 직경과 LED 1개당 허용 전류의 관계를 나타내는 그래프.
도 13은 얇은 수지층 위에 반구형 수지층을 형성하여 얻어진 렌즈층의 크기와 광강도의 관계를 파악하기 위한 시뮬레이션을 설명하는 설명도.
도 14는 도 13의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프.
도 15는 도 13의 조건에서의 렌즈층의 직경과 LED 1개당 허용 전류의 관계를 나타내는 그래프.
도 16은 렌즈층의 직경을 고정하고, 인접하는 LED의 간격을 변화시킨 경우의 광강도의 변화를 파악하기 위한 시뮬레이션을 설명하는 설명도.
도 17은 도 16의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프.
도 18은 도 16의 조건에서의 LED 간격과 1존당 허용 전류의 관계를 나타내는 그래프.
도 19는 액적 분무 자외선 경화법에 의해 렌즈층을 형성하기 위한 장치의 개략 구성을 나타내는 도면.
도 20은 액적 분무 자외선 경화법에 의해 렌즈층을 형성할 때의 액적 크기의 제어 방법을 설명하기 위한 도면.
도 21A는 미립자 분무 박막 적층법에 의해 렌즈층을 형성할 때의 순서를 설명하기 위한 도면.
도 21B는 미립자 분무 박막 적층법에 의해 렌즈층을 형성할 때의 순서를 설명하기 위한 도면.
도 22는 액적 코팅 원심력법에 의해 렌즈층을 형성할 때의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 23은 액적 코팅 원심력법에 의해 렌즈층을 형성하는 장치를 설명하기 위한 도면.
도 24는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 어닐링 장치의 가열원을 확대하여 나타내는 단면도.
도 25는 본 발명의 제2 실시형태의 렌즈층의 다른 예를 나타내는 모식도.
도 26은 본 발명의 제2 실시형태의 렌즈층의 또 다른 예를 나타내는 모식도.
도 27은 본 발명의 제2 실시형태의 렌즈층의 또 다른 예를 나타내는 모식도.
도 28은 본 발명의 제2 실시형태의 광출력을 구한 구체적인 가열원의 구조를 나타내는 단면도.
도 29는 렌즈층을 형성한 경우와, LED만의 경우와, 매립 수지만 형성한 경우의 광출력을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면.
도 30A는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 어닐링 장치에 이용되는 LED의 구조를 나타내는 단면도.
도 30B는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 어닐링 장치에 이용되는 LED의 구조를 나타내는 바닥면도.
도 31은 본 발명의 제3 실시형태에 이용한 모따기부를 갖는 LED의 광출력을 통상의 모따기부를 갖지 않는 LED의 광출력과 비교한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 관해 설명한다. 여기서는, 표면에 불순물이 주입된 웨이퍼를 어닐링하기 위한 어닐링 장치를 예를 들어 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 어닐링 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 어닐링 장치의 가열원을 확대하여 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 1의 어닐링 장치의 LED에 급전하는 부분을 확대하여 나타내는 단면도이다. 이 어닐링 장치(100)는, 기밀하게 구성되며, 웨이퍼(W)가 반입되는 처리실(1)을 갖고 있다.
처리실(1)은, 웨이퍼(W)가 배치되는 원통형의 어닐링 처리부(1a)와 어닐링 처리부(1a)의 외측에 도우넛형으로 설치된 가스 확산부(1b)를 갖고 있다. 가스 확산부(1b)는 어닐링 처리부(1a)보다 높이가 높게 되어 있고, 처리실(1)의 단면은 H형을 이루고 있다. 처리실(1)의 가스 확산부(1b)는 챔버(2)에 의해 규정되어 있다. 챔버(2)의 상부벽(2a) 및 바닥벽(2b)에는 어닐링 처리부(1a)에 대응하는 원형의 구멍(3a, 3b)이 형성되어 있고, 이들 구멍(3a, 3b)에는 각각 구리 등의 고열전도성 재료로 이루어진 냉각 부재(4a, 4b)가 끼워 넣어져 있다. 냉각 부재(4a, 4b)는 플랜지부(5a, 5b)를 가지며, 플랜지부(5a, 5b)와 챔버(2)의 상부벽(2a) 및 바닥벽(2b)에 밀봉 부재(6a, 6b)를 개재시켜 밀착되어 있다. 그리고, 이 냉각 부재(4a, 4b)에 의해 어닐링 처리부(1a)가 규정되어 있다.
처리실(1)에는, 어닐링 처리부(1a) 내에서 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하는 지지 부재(7)가 설치되어 있고, 이 지지 부재(7)는 도시하지 않은 승강 기구에 의한 웨이퍼(W)의 전달시에 승강 가능하도록 되어 있다. 또, 챔버(2)의 천정벽에는, 도시하지 않은 처리 가스 공급 기구로부터 미리 정해진 처리 가스가 도입되는 처리 가스 도입구(8)가 설치되고, 이 처리 가스 도입구(8)에는 처리 가스를 공급하는 처리 가스 배관(9)이 접속되어 있다. 또, 챔버(2)의 바닥벽에는 배기구(10)가 설치되고, 이 배기구(10)에는 도시하지 않은 배기 장치에 연결되는 배기 배관(11)이 접속되어 있다. 또한, 챔버(2)의 측벽에는, 챔버(2)에 대한 웨이퍼(W)의 반입·반출을 행하기 위한 반입·반출구(12)가 설치되어 있고, 이 반입·반출구(12)는 게이트 밸브(13)에 의해 개폐 가능하도록 되어 있다. 처리실(1)에는, 지지 부재(7) 상에 지지된 웨이퍼(W)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(14)가 설치되어 있다. 또, 온도 센서(14)는 챔버(2) 외측의 계측부(15)에 접속되어 있고, 이 계측부(15)로부터 후술하는 프로세스 컨트롤러(60)에 온도 검출 신호가 출력되도록 되어 있다.
지지 부재(7)에 지지된 웨이퍼(W)와 마주보는 냉각 부재(4a, 4b)의 면에는, 지지 부재(7)에 지지되어 있는 웨이퍼(W)에 대응하도록 원형의 오목부(16a, 16b)가 형성되어 있다. 그리고, 이 오목부(16a, 16b) 내에는, 냉각 부재(4a, 4b)에 직접 접촉하도록 발광 다이오드(LED)를 탑재한 가열원(17a, 17b)이 배치되어 있다.
웨이퍼(W)와 마주보는 냉각 부재(4a, 4b)의 면에는, 오목부(16a, 16b)를 덮도록, 가열원(17a, 17b)에 탑재된 LED로부터의 빛을 웨이퍼(W)측에 투과하는 광투과 부재(18a, 18b)가 나사로 고정되어 있다. 광투과 부재(18a, 18b)에는 LED로부터 출사되는 빛을 효율적으로 투과하는 재료가 이용되며, 예를 들어 석영이 이용된다.
냉각 부재(4a, 4b)에는 냉각 매체 유로(21a, 21b)가 설치되어 있고, 그 안에, 냉각 부재(4a, 4b)를 0℃ 이하, 예를 들어 -50℃ 정도로 냉각시킬 수 있는 액상의 냉각 매체, 예를 들어 불소계 불활성 액체(상품명 플로리나트, 갈덴 등)가 흐른다. 냉각 부재(4a, 4b)의 냉각 매체 유로(21a, 21b)에는 냉각 매체 공급 배관(22a, 22b)과, 냉각 매체 배출 배관(23a, 23b)이 접속되어 있고, 냉각 매체를 냉각 매체 유로(21a, 21b)에 순환시켜 냉각 부재(4a, 4b)를 냉각시키는 것이 가능하도록 되어 있다.
챔버(2)에는 냉각수 유로(25)가 형성되어 있고, 이 안에 상온의 냉각수가 흐르도록 되어 있으며, 이에 의해 챔버(2)의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하고 있다.
가열원(17a, 17b)은, 도 2에 확대하여 나타내는 바와 같이, 절연성을 갖는 고열전도성 재료, 전형적으로는 AlN 세라믹스로 이루어진 지지체(32)와, 지지체(32)에 지지된 다수의 LED(33)와, 지지체(32)의 이면측에 납땜 또는 납접합된 고열전도성 재료인 Cu로 이루어진 열확산 부재(50)로 구성된 복수의 LED 어레이(34)를 갖고 있다. 이들 LED 어레이(34)의 이면이, 가열원(17a)에서는 냉각 부재(4a)의 하면에 대하여, 또 가열원(17b)에서는 냉각 부재(4b)의 상면에 대하여, 예를 들어 실리콘 그리스나 은페이스트 등의 열전도성이 양호한 페이스트를 개재시켜 나사로 고정되어 있다. 인접하는 LED 어레이(34)의 사이는 구획 부재(55)로 구획되어 있다. LED 어레이(34)의 지지체(32)와 LED(33) 사이에는 구리에 금도금한 것 등의 도전성이 높은 전극(35)이 전면(全面) 접촉한 상태로 설치되어 있다. 또, 하나의 LED(33)와 인접 LED(33)의 전극(35)의 사이는 와이어(36)로 접속되어 있다. 이와 같이, 냉각 매체로부터 열전도율이 높은 냉각 부재(4a, 4b)에 고효율로 전달된 냉열이, 이들과 전면으로 접촉하고 있는 열전도성이 높은 열확산 부재(50), 지지체(32), 전극(35)을 통해 LED(33)에 도달하기 때문에, 매우 고효율로 LED(33)가 냉각된다.
개개의 LED(33)는 예를 들어 투명 수지로 이루어진 렌즈층(20)으로 덮여 있다. 렌즈층(20)은 LED(33)로부터 출사하는 빛을 취출하는 기능을 갖는 것이며, LED(33)의 측면으로부터의 빛도 취출할 수 있다. 이 렌즈층(20)의 형상은 렌즈 기능을 갖는다면 특별히 한정되지 않지만, 제조의 용이성 및 효율을 고려하면, 대략 반구형이 바람직하다. 이 렌즈층(20)에 관해서는 이후에 상세히 설명한다.
지지체(32)와 광투과 부재(18a, 18b) 사이의 공간은 진공으로 되어 있다.
냉각 부재(4a)의 위쪽 및 냉각 부재(4b)의 아래쪽에는, 각각 LED(33)에 대한 급전을 제어하기 위한 제어 박스(37a, 37b)가 설치되어 있고, 이들에는 도시하지 않은 전원으로부터의 배선이 접속되어, LED(33)에 대한 급전을 제어하도록 되어 있다.
한편, 도 3에 확대하여 나타낸 바와 같이, 열확산 부재(50) 및 지지체(32)에 각각 형성된 홀(50a 및 32a)에는 급전 전극(51)이 삽입되어 있고, 이 급전 전극(51)이 전극(35)에 납땜에 의해 접속되어 있다. 이 급전 전극(51)에는 냉각 부재(4a, 4b)의 내부를 통과하여 연장되는 전극봉(38)이 부착 포트(52)에서 접속되어 있다. 전극봉(38)은, LED 어레이(34)마다 복수개, 예를 들어 8개(도 1, 3에서는 2개만 도시) 설치되어 있고, 전극봉(38)은 절연 재료로 이루어진 보호 커버(38a)로 덮여 있다. 전극봉(38)은, 냉각 부재(4a)의 상단부 및 냉각 부재(4b)의 하단부까지 연장되어, 거기에서 수용 부재(39)가 나사로 고정되어 있다. 수용 부재(39)와 냉각 부재(4a, 4b) 사이에는 절연 링(40)이 개재되어 있다. 여기서, 보호 커버(38a)와 냉각 부재(4a(4b)) 사이, 보호 커버(38a)와 전극봉(38) 사이의 간극은 납땜되어, 소위 피드 스루를 형성하고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 제어 박스(37a, 37b) 내에는, 복수의 제어 보드(42)가 설치되어 있다. 이 제어 보드(42)는, 전극봉(38)에 대응하는 급전 부재(41)가 접속되는 접속부(42a)와, 전원으로부터의 배선이 접속되는 급전 커넥터(43)를 갖고 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 급전 부재(41)는 아래쪽으로 연장되어, 각 전극봉(38)에 부착된 수용 부재(39)에 접속되어 있다. 급전 부재(41)는 절연 재료로 이루어진 보호 커버(44)로 덮여 있다. 급전 부재(41)의 선단에는 포고 핀(Pogopin)(스프링 핀; 41a)이 설치되어 있고, 이 각 포고 핀(41a)이 대응하는 수용 부재(39)에 접촉함으로써, 제어 박스(37a, 37b)로부터 급전 부재(41), 전극봉(38), 급전 전극(51) 및 가열원(17a, 17b)의 전극(35)을 통해 각 LED(33)에 급전되도록 되어 있다. 이와 같이 하여 급전됨으로써 LED(33)가 발광하고, 그 빛에 의해 웨이퍼(W)를 표리면으로부터 가열함으로써 어닐링 처리가 행해진다. 포고 핀(41a)은 스프링에 의해 수용 부재(39)측에 압박되어 있기 때문에, 제어 보드(42)의 부착 위치가 어긋나 있는 등의 경우에도 확실하게 급전 부재(41)와 전극봉(38)이 접촉하도록 되어 있다. 도 1에는 급전 부재(41)의 도중까지 도시되어 있고, 전극봉(38), 급전 전극(51)이나 이들의 접속부의 구조 등은 생략되어 있다. 또, 도 2에는 급전 전극(51)이 생략되어 있다.
LED 어레이(34)는 육각형을 이루며, 예를 들어 도 4에 나타낸 바와 같이 배치된다. 하나의 LED 어레이(34)에는, 1000∼2000개 정도의 LED(33)가 탑재된다. LED(33)로서는, 출사되는 빛의 파장이 자외광∼근적외광의 범위, 바람직하게는 0.36∼1.0 ㎛의 범위인 것이 이용된다. 이러한 0.36∼1.0 ㎛의 범위의 빛을 출사하는 재료로는 GaN, GaAs, GaP 등을 베이스로 한 화합물 반도체가 예시된다.
어닐링 장치(100)의 각 구성부는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 마이크로 프로세서(컴퓨터)를 구비한 프로세스 컨트롤러(60)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 예를 들어, 상기 제어 박스(37a, 37b)의 급전 제어나, 구동계의 제어, 가스 공급 제어 등이 이 프로세스 컨트롤러(60)에서 행해진다. 프로세스 컨트롤러(60)에는, 오퍼레이터가 어닐링 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 어닐링 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어진 사용자 인터페이스(61)가 접속되어 있다. 또한, 프로세스 컨트롤러(60)에는, 어닐링 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(60)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라 어닐링 장치(100)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램, 즉 처리 레시피를 저장하는 것이 가능한 기억부(62)가 접속되어 있다. 처리 레시피는 기억부(62) 중의 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는, 하드디스크와 같은 고정적인 것이어도 되고, CDROM, DVD, 플래시메모리 등의 휴대용인 것이어도 된다. 또, 다른 장치로부터, 예를 들어 전용 회선을 통해 레시피를 적절하게 전송시키도록 해도 된다. 그리고, 필요에 따라, 사용자 인터페이스(61)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(62)로부터 호출하여 프로세스 컨트롤러(60)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(60)의 제어하에, 어닐링 장치(100)에서의 원하는 처리가 행해진다.
다음으로, 렌즈층(20)에 관해 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이, 렌즈층(20)은 예를 들어 투명 수지로 이루어지고, 개개의 LED(33)를 덮으며, 전형적으로는 반구형을 이루고 있다. 이 렌즈층(20)은, 굴절률이 높은 LED(33)와 굴절률이 1인 공기 사이의 굴절률을 갖고 있고, LED(33)로부터 공기 중에 빛이 직접 출사되는 것에 의한 전반사를 완화하기 위해 형성된다. 렌즈층(20)으로는, 예를 들어 GaAs의 경우에는, 굴절률이 약 3.4이기 때문에, 굴절률이 1.84 정도인 투명 수지가 바람직하다.
그 이유를 이하에 설명한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, n1의 굴절률을 갖는 물질이 발광하여 굴절률이 n2인 렌즈재를 투과하여, n3=1인 대기에 빛을 투과할 때의 n2의 최적치를 구한다.
렌즈는 반원이며, 발광부는 렌즈에 비해 작기 때문에, 간단하게 하기 위해 θ1≒0, θ2≒0, θ3≒0로 해석하면, 반사율 R은 이하의 (1)식으로 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure pct00001
투과율은 1-R이 되기 때문에, 물질 1로부터 물질 3으로의 투과율 T는, 이하의 (2)식으로 나타낼 수 있다.
[식 2]
Figure pct00002
이 (2)식은 극대치를 갖는 함수가 되기 때문에 T를 n2에 관해서 편미분하면 (3)식에 나타낸 바와 같이 되고, 이것을 정리하면 (4)식에 나타낸 바와 같이 된다.
[수 3]
Figure pct00003
Figure pct00004

변곡점은 (4)식의 우변이 0이기 때문에, 이것을 계산하면 이하의 (5)식이 된다.
n2=(n1·n3)1/2 ……(5)
GaAs의 굴절률은 약 3.4이기 때문에 상기 (5)로부터 n2=3.41/2=1.84가 된다. 따라서, 렌즈층(20)의 굴절률이 1.84일 때 투과율이 최대가 된다.
렌즈층(20)이 없는 경우의 투과율 T는, GaAs의 굴절률이 약 3.4이기 때문에 n1=3.4로 하여, 상기 (2)식에서,
T=1-{(3.4-1)/(3.4+1)}2=0.702
가 된다.
한편, 렌즈층(20)이 존재하는 경우의 투과율은, n1=3.4, n2=1.84로 하면, 상기 (2)식에서,
T=[1-{(3.4-1.84)/(3.4+1.84)}2]×[1-{(1.84-1)/(1.84+1)}2]=0.789
가 된다.
따라서, 굴절률이 1.84인 렌즈층(20)을 이용함으로써, 외부로 취출하는 빛이 약 12%나 상승한다.
이러한 렌즈층(20)은, 실리콘 수지로 구성하는 것이 바람직하다. 실리콘 수지는 통상, 굴절률이 1.4 부근으로 약간 작지만, 투명도가 높아 광투과율이 높다. 최근에는 굴절률이 1.5 정도인 실리콘 수지도 개발되고 있으며, 가능한 한 1.8에 가까운 실리콘 수지를 이용함으로써, 보다 높은 효율을 얻을 수 있다. 또, 적외 LED라면, 에폭시 수지도 이용할 수 있다. 에폭시 수지는 굴절률이 거의 1.5이며, 효율적으로 빛을 취출할 수 있다.
LED 상에 평면형의 수지층을 형성한 경우에는, LED로부터 출사된 빛 중 수직 방향의 빛은 효율적으로 취출할 수 있지만, 측방으로 또는 비스듬하게 출사된 빛은 반사에 의해 지지체(32) 등에 흡수되어, 효율적으로 취출할 수는 없다. LED(33)는 통상, 두께가 0.2 mm 정도이고 한변의 길이가 0.3∼0.5 mm 정도이므로, 하면을 기판에 부착하여 이용하는 경우에는, 4개의 측면의 면적의 합계가 상면의 면적보다 커지기 때문에, 측방으로 출사되는 빛을 고효율로 취출하는 것이 중요해진다.
따라서, 본 실시형태에서는, 도 6의 확대도에 나타낸 바와 같이, LED(33)를 렌즈층(20)으로 덮도록 했다. 이것에 의해, 측방으로 출사된 빛도 유효하게 외부로 취출할 수 있어, LED(33)로부터 출사된 빛을 효율적으로 취출할 수 있다.
이 경우에, LED(33)부터의 빛을 보다 효율적으로 취출하기 위해서는, LED(33)에 비해 렌즈층(20)이 큰 편이 좋지만, 렌즈층(20)이 지나치게 크면 LED(33)를 나열할 수 있는 개수가 적어져, 단위면적당 파워가 감소한다. 이 때문에, 렌즈층의 크기를 LED(33)의 크기에 대응하여 적절한 크기로 하는 것이 바람직하다. LED(33)는, 상술한 바와 같이, 한변의 길이가 0.3∼0.5 mm 정도이지만, 한변 0.5 mm의 정사각형인 것이 가장 효율이 좋다는 것이 확인되어 있고, 그 경우에는 렌즈층(20)의 직경은 0.6∼1.2 mm 정도가 바람직하다. 이와 같이 렌즈층(20)을 제어함으로써, 빛의 취출 효율을 평탄한 수지층을 이용한 경우의 2배 이상으로 하는 것이 가능해진다.
렌즈층(20)은, 상술한 바와 같이 대략 반구형인 것이 효율상 바람직하고, 도 7에 나타낸 바와 같이, 렌즈층(20)끼리 접촉하여 배치되는 것이 효율상 바람직하다. 그러나, 이와 같이 지지체(32) 상에 렌즈층(20)을 간극없이 직접 배치하는 것은, 수지의 흐름 등에 의해 제조가 어려워지는 경우가 있기 때문에, 효율은 약간 저하하지만 제조를 보다 용이하게 하는 관점에서, 도 8A에 나타낸 바와 같이, 0.05 mm 정도의 얇은 수지층(20a)을 지지체(32) 상에 전면(全面)에 형성한 후에 반구형으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 효율은 약간 저하하지만, 도 8B에 나타낸 바와 같이 LED(33) 사이의 홈을 수지층(20b)으로 메우고, 그 위에 0.05 mm 정도의 얇은 수지층(20a)을 형성한 후에 반구형으로 형성할 수도 있다. 또, 마찬가지로, 제조를 보다 용이하게 하는 관점에서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 인접하는 렌즈층(20) 사이에 0.1∼0.4 mm 정도의 간극을 형성하도록 할 수도 있다. 이 경우에도, 인접하는 렌즈층(20)을 접촉시킨 상태로 배치하는 경우보다 효율은 약간 저하한다.
이와 같이 렌즈층(20)의 배치 등에 의해 LED(33)로부터의 빛의 취출 효율을 높일 수 있지만, 이 빛의 취출 효율은, 또한 지지체(32)의 반사율에도 크게 좌우된다. 즉, 지지체(32)를 향하여 출사된 빛은 지지체(32)의 반사율에 따라서 반사하여, 이것이 웨이퍼(W)의 가열에 기여하게 되므로, 지지체(32)는 반사율이 높을수록 바람직하다. 그러나, 본 실시형태에서 이용되고 있는 AlN제 지지체(32)의 경우에는 반사율이 0.2 정도로 낮아, LED(33)로부터 지지체(32)를 향해 출사된 빛의 80% 정도는 흡수되어 버린다. 이러한 지지체(32)를 향해 출사된 빛도 유효하게 취출하기 위해서는, 지지체(32)의 표면을 반사율이 높은 재료로 코팅하여, 반사율을 높게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, TiO2 등의 백색의 재료를 코팅하면, 반사율을 80% 정도로 할 수 있다. 렌즈층(20)을 이용하는 것에 더하여, 지지체(32)의 반사율을 80% 정도로 상승시킴으로써, 평탄한 수지층을 형성했을 때에 비하여 광취출 효율을 5배 정도로 하는 것이 가능해진다.
다음으로, 이러한 렌즈층(20)의 크기, 형상 및 배치와, 지지체의 반사율이 웨이퍼에 도달하는 광강도에 미치는 영향에 대한 시뮬레이션한 결과에 관해 설명한다.
여기서는 시뮬레이터로서 옵티컬 리서치 어소시에이트사 제조의 라이트툴즈를 사용하고, LED의 사이즈를 0.5(L)×0.5(W)×0.2(H) mm로 하고, 실리콘 수지제의 렌즈층의 직경, LED의 위치를 변화시켜, 10 mm 떨어진 위치에 도달하는 광선을 추적했다. 실리콘 수지/공기 계면에서의 프레넬 반사 손실, 굴절을 가정했다. 또, 지지체의 반사율을, AlN에 해당하는 0.2와, AlN에 TiO2를 코팅한 경우에 해당하는 0.8의 두 수준으로 설정했다. 또, 인접하는 LED의 반사율은 0.2로 했다. 광강도에 관해서는, LED를 평탄한 수지로 코팅한 경우의 강도를 1로서 규격화한 것을 사용했다.
우선, 도 10에 나타낸 바와 같이, 렌즈층을 반구형으로 하여 인접하는 것끼리 접하도록 배치하고, 렌즈층의 직경을 0.6∼1.4 mmφ까지 변화시켰다. 그 결과를 도 11에 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 렌즈층을 이용함으로써, 개략적으로, 지지체의 반사율 0.2에서는, 평탄한 수지층을 이용한 경우의 2배 정도, 지지체의 반사율 0.8에서는, 평탄한 수지층을 이용한 경우의 5배 정도의 큰 광강도가 얻어지는 것을 알 수 있다. 또, LED로부터의 광취출 효율은 렌즈층의 직경이 커질수록 커지기 때문에, LED 1개당 광강도는 렌즈층의 직경이 커질수록 커지지만, 렌즈층의 직경이 커지면, LED의 집적도가 저하하기 때문에, 단위면적당 발광 강도가 저하한다. 한편, 도 12에 나타낸 바와 같이, 렌즈층의 직경이 커지면 광취출 효율이 양호해지고 LED의 온도 상승이 억제되어 1개당의 허용 전류가 상승하기 때문에, 이것에 대응하여 전류치를 상승시킨 것을 실제의 장치에 적용하고, 이것을 도 11의 삼각 플롯으로 나타내고 있다. 이 삼각 플롯을 보면, 지지체의 반사율이 0.2일 때 렌즈층의 직경이 0.6∼1.2 mm인 범위에서 1.5부터 2.3 정도까지의 광강도 값이 얻어지고, 지지체의 반사율이 0.8일 때 렌즈층의 직경이 0.6∼1.2 mm인 범위에서 4.5∼5.5의 광강도 값이 얻어지는 것을 알 수 있다. 특히, 렌즈층의 직경이 0.8∼1 mm인 범위에서, 지지체의 반사율이 0.2일 때 광강도가 2.1∼2.3 정도, 반사율이 0.8일 때에는 광강도가 5.5 정도로 높은 값이 얻어지는 것을 알 수 있다. 따라서, LED의 사이즈가 1변 0.5 mm인 경우에는, 렌즈층의 직경은 0.6∼1.2 mm가 바람직하고, 0.8∼1.0 mm가 보다 바람직하다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 13에 나타낸 바와 같이, 처음에 두께 0.05 mm의 얇은 수지층을 형성한 후에, 도 10과 같은 반구형의 수지층을 형성하여 렌즈층으로 하고, 렌즈층의 직경을 0.6∼1.2 mmφ까지 변화시켰다. 그 결과를 도 14에 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 베이스로 얇은 수지층을 형성함으로써, 반구형만을 적용한 경우보다 광강도가 약간 저하하고, 개략적으로, 지지체의 반사율 0.2에서 평탄한 수지층을 이용한 경우의 1.5배 정도, 지지체의 반사율 0.8에서 평탄한 수지층을 이용한 경우의 3.5배 정도가 되는 것을 알 수 있다. 또, 도 11의 경우와 마찬가지로, LED 1개당의 광강도는 렌즈층의 직경이 커질수록 커지지만, 렌즈층의 직경이 커지면, 단위면적당 발광 강도가 저하한다. 한편, 도 15에 나타내는 관계로부터, 도 12의 경우와 마찬가지로, 1개당의 허용 전류의 상승에 대응하여 전류치를 상승시킨 것을 실제의 장치에 적용하고, 이것을 도 14의 삼각 플롯으로 나타내고 있다. 이 삼각 플롯을 보면, 지지체의 반사율이 0.2일 때 렌즈층의 직경이 0.6∼1.0 mm인 범위에서 1.5부터 1.7 정도까지의 광강도 값이 얻어지고, 지지체의 반사율이 0.8일 때 렌즈층의 직경이 0.6∼1.0 mm인 범위에서 2.8∼3.6의 광강도 값이 얻어지는 것을 알 수 있다. 특히, 렌즈층의 직경이 0.8∼1 mm인 범위에서, 지지체의 반사율이 0.2일 때 광강도가 1.7 정도, 반사율이 0.8일 때에는 광강도가 3.4∼3.6 정도로 높은 값이 얻어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 얇은 수지층을 베이스로 형성함으로써, 반구형만을 적용한 렌즈층보다 효율이 약간 떨어지지만, 동일한 경향을 얻을 수 있고, LED의 사이즈가 1변 0.5 mm인 경우에는, 렌즈층의 직경은 0.6∼1.0 mm가 바람직하고, 0.8∼1.0 mm가 보다 바람직하다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 16에 나타낸 바와 같이, 도 10과 같은 반구형의 렌즈층을 간격을 두고 형성하고, 렌즈층의 직경을 0.6 mmφ 및 0.8 mmφ로 하고, 인접하는 LED의 간격을 0.6∼1.4 mm까지 변화시켰다. 지지체의 반사율은 0.8로 했다. 그 결과를 도 17에 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 렌즈층의 직경을 고정하고, 인접하는 LED의 간격(즉, 인접하는 렌즈층 사이의 간격)을 변화시킨 경우에는, 그 간격이 넓어질수록 LED 1개당의 발광 강도(취출 효율)는 약간 상승하지만, 단위면적당 발광 강도가 저하하는 경향을 나타내고, 도 18에 나타내는 관계로부터 1개당의 허용 전류의 상승에 대응하여 전류치를 상승시킨 것(삼각 플롯)에 대해서도 동일한 경향을 나타낸다. 도 17로부터, 구체적으로는 인접하는 LED의 간격은 1.0 mm 이하가 바람직하다는 것을 알 수 있다. 이 경우의 인접하는 렌즈층 사이의 간격은, 렌즈층의 직경이 0.6 mmφ에서는 0.4 mm 이하, 0.8 mmφ에서는 0.2 mm 이하이다.
다음으로, 이러한 렌즈층(20)의 형성 방법에 관해 설명한다.
투명 수지로 이루어진 렌즈층(20)은, 상술한 바와 같이 직경이 1 mm 이하 정도로 매우 작아서, 한변이 0.5 mm인 정사각형의 LED(33)가 전면에 다수 깔려 있는 곳에 형성하는 것은 용이하지 않고, 예를 들어, 일반적인 열경화 수지에서는 흘러버려, 원하는 렌즈 형상을 형성하는 것이 어렵다.
이와 같이 매우 작은 렌즈층(20)을 다수 나열된 LED(33)를 따라서 형성하기 위한 바람직한 방법으로는,
(1) 액적 분무 자외선 경화법
(2) 미립자 분무 박막 적층법
(3) 액적 코팅 원심력법
의 3가지가 예시된다.
우선, (1)의 액적 분무 자외선 경화법에 관해서는, 도 19에 나타낸 바와 같이, 배치하는 배치 스테이지(81), 배치 스테이지(81)를 X 방향으로 이동시키는 X 스테이지(82), X 스테이지(82)를 Y 방향으로 이동시키는 Y 스테이지(83), X축 구동 모터(84), Y축 구동 모터(85)를 갖춘 X-Y 스테이지(80)에 있어서 배치 스테이지(81)에 다수의 LED를 탑재한 지지체(32)를 배치 고정하고, 디스펜서(87)로부터 시린지(86)에 실리콘 수지를 공급하여, 시린지(86)로부터 실리콘 수지의 액적을 지지체(32)의 LED에 적하시키고, 인접하여 설치된 자외선 램프(88)로부터 자외선을 조사하여 순간적으로 경화시킨다. 이것에 의해, 본딩와이어가 존재하고 있더라도 렌즈형으로 형성하는 것이 가능하다. 이상과 같은 조작을 X-Y 스테이지(80)에서 위치를 바꾸면서 다수의 LED에 대하여 반복함으로써, 각 LED에 대한 렌즈층을 형성할 수 있다.
이 때의 액적 낙하 메커니즘은 도 20에 나타낸 바와 같은 것이 된다. 액적이 낙하하기 전에는, (a)에 나타낸 바와 같이, 시린지(86)의 선단에는 실리콘 수지의 액적(89)이 유지되고 있고, 이 상태에서는 장력 F는 중력에 의한 힘 mg보다 크다. (b)에 나타낸 바와 같이, 서서히 액적의 직경 D가 커지고, 그에 따라 mg가 커져, F=mg가 되면, (c)에 나타낸 바와 같이 액적(89)은 낙하한다. 여기서 시린지의 직경을 d로 하고, 표면장력을 S로 한 경우에, 장력 F는,
F=S·dπ
로 나타낼 수 있다.
또, 액적(수적)의 질량 m은,
m=(4/3)π(D/2)3이 된다.
따라서, F=mg에 이들을 대입하면, 낙하할 때의 직경 D는,
D={(6/g) S·d}1/3
로 결정된다.
즉, 상기 파라미터의 선택에 의해 액적을 원하는 직경으로 할 수 있어, 렌즈층(20)의 크기를 임의로 결정할 수 있다. 실제로는, 상기 이론식에 보정항을 덧붙여 조건 설정한다.
다음으로, (2)의 미립자 분무 박막 적층법에 관해 설명한다.
이 방법은, 압축 공기로 액체를 유도 분무하고, 이것을 경화 처리하여 도 21A에 나타낸 바와 같이, LED 어레이(34)에 박층(91)을 형성하고, 도 21B와 같이, 이 조작을 미리 정해진 횟수 반복하여 적층 구조를 형성함으로써, 베이스의 LED(33)를 따라서 렌즈층(20)을 형성할 수 있다. 이 때의 압축 공기에 의한 유도 분무는, 10 ㎛ 정도의 미립자로 분사할 수 있어, 형상 제어성이 높다. 이 경우에, 렌즈층(20)의 형상 제어는, 층(91)의 두께나 반복 횟수 등에 의해 행할 수 있다.
다음으로, (3)의 액적 코팅 원심력법에 관해 설명한다.
도 22에 나타낸 바와 같이, 기판(92) 상에 액체(93)를 낙하시키면, 기체, 액체, 고체인 기판의 3면의 경계에 발생하는, 고체와 액체의 계면장력 : γSL, 고체와 기체의 표면장력 : γSG, 기체와 액체의 표면장력 : γGL 의 사이에는 이하의 관계가 성립한다.
γSG=γSL+γGLcosθ
이 관계로부터
θ=cos-1{(γSG-γSL)/γGL}
가 유도된다.
즉, γGL을 작게 하면 θ가 커져, 액적의 형상을 제어할 수 있다. 그리고, 이 γGL은 원심력에 의해 제어할 수 있다. 이 때문에, 도 23과 같은 단면 다각형의 회전체(96)의 각 면(95)에 LED를 탑재한 지지체(32)를 부착하고, 모터(97)에 의해 상기 회전체(96)를 회전시키면, 지지체(32)로부터 외측으로 향하는 원심력이 작용하기 때문에, 그 회전수를 조정함으로써 원심력을 조정하여, γGL을 제어할 수 있다. 그리고 자외선 램프(98)에 의해 경화시킴으로써, 원하는 형상의 렌즈형 수지층이 형성된다.
이상의 방법에 의해, 비교적 간이한 설비에 의해 렌즈층(20)을 형성할 수 있지만, 그 밖의 방법으로서 프레임을 이용하여 실리콘 수지를 유입시키는 방법을 이용할 수도 있다. 프레임을 사용하는 경우에는, 수지의 흐름을 고려할 필요가 없기 때문에, 상술한 바와 같은 얇은 수지층을 형성한 후에 반구형 수지층을 형성하는 방법을 채택할 필요가 없다.
다음으로, 이상과 같은 어닐링 장치(100)에서의 어닐링 처리 동작에 관해 설명한다.
우선, 게이트 밸브(13)를 열어 반입·반출구(12)를 통해 웨이퍼(W)를 반입하여, 지지 부재(7) 상에 배치한다. 그 후, 게이트 밸브(13)를 닫아 처리실(1) 내를 밀폐 상태로 하고, 배기구(11)를 통해 도시하지 않은 배기 장치에 의해 처리실(1) 내를 배기시키고, 도시하지 않은 처리 가스 공급 기구로부터 처리 가스 배관(9) 및 처리 가스 도입구(8)를 통해 미리 정해진 처리 가스, 예를 들어 아르곤 가스 또는 질소 가스를 처리실(1) 내에 도입하여, 처리실(1) 내의 압력을 예를 들어 100∼10000 Pa의 범위내의 미리 정해진 압력으로 유지한다.
한편, 냉각 부재(4a, 4b)는, 냉각 매체 유로(21a, 21b)에 액상의 냉각 매체, 예를 들어 불소계 불활성 액체(상품명 플로리나트, 갈덴 등)를 순환시켜, LED 소자(33)를 0℃ 이하의 미리 정해진 온도, 바람직하게는 -50℃ 이하의 온도로 냉각된다.
그리고, 도시하지 않은 전원으로부터 제어 박스(37a, 37b), 급전 부재(41), 전극봉(38), 급전 전극(51), 전극(35)을 통해, LED(33)에 미리 정해진 전류를 공급하여 LED(33)를 점등시키고, 어닐링 처리를 시작한다.
이 때, LED(33)는 렌즈층(20)으로 덮여 있기 때문에, GaAs나 GaN과 같은 굴절률이 큰 재료로 구성되어 있는 LED(33)로부터 굴절률이 작은 공기 중에 빛이 직접 출사되지 않아 전반사에 의한 효율 저하가 잘 생기지 않는다. 또, 렌즈층(20)은, 전형적으로는 반구형을 이루고 있기 때문에, LED(33)의 측방으로 출사된 빛도 외부로 유효하게 취출할 수 있어, LED(33) 상에 평면형으로 수지층을 형성하는 경우보다 현저하게 고효율로 빛을 취출할 수 있다. 또, 이 경우의 렌즈층(20)의 크기나 LED의 배치 간격을 최적화함으로써, 빛의 취출 효율을 보다 높게 할 수 있다. 또한, 지지체(32)의 반사율을 높게 함으로써, 지지체(32)로부터 반사된 빛의 기여가 커지기 때문에, 빛의 취출 효율을 한층 더 높일 수 있다.
또, LED(33)는, 상온으로 유지된 경우에는, LED(33) 자신의 발열 등에 의해 그 발광량이 저하되지만, 본 실시형태에서는, 냉각 부재(4a, 4b)에 냉각 매체를 통과시켜, 도 2에 나타낸 바와 같이, 냉각 부재(4a, 4b), 지지체(32), 전극(35)을 통해 LED(33)를 냉각시키기 때문에, LED(33)를 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 즉, 구리와 같은 고열전도성 재료로 이루어진 냉각 부재(4a, 4b)를 냉각 매체에 의해 냉각시켜 냉열을 축적하고, 이 축적한 냉열에 의해 LED(33)를 냉각시키지만, 냉각 부재(4a, 4b)는 LED에 비해 훨씬 열용량이 크고, 냉각 부재(4a, 4b)의 냉열을 열전도성이 높고 전면 접촉한 전극(35) 및 지지체(32)를 통해 LED(33)에 공급하여 냉각시키기 때문에, 냉각 매체를 다량으로 순환시키지 않고 축적된 냉열로 충분히 LED(33)를 냉각시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 관해 설명한다.
본 실시형태의 어닐링 장치는, 가열원(17a, 17b)의 렌즈층의 형성 양태가 상이한 것 외에는, 제1 실시형태와 동일하게 구성되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, LED(33)의 미리 정해진 개수가 일괄적으로 렌즈층으로 덮여 있는 구성을 채택하였다. 구체적으로는, 예를 들어 도 24에 나타낸 바와 같이, 하나의 LED 어레이(34)의 LED(33)가 일괄적으로 매립 수지층(110)에 매립되고 있고, 그 위에 이들 LED(33)를 일괄적으로 덮는 렌즈층(120)이 형성되어 있다. 렌즈층(120)은, 석영 또는 수지로 이루어진 평탄한 형상을 이루는 평탄 렌즈부(121)와, 그 위의 원추대형을 이루는 수지제의 주요 렌즈부(122)를 갖고 있다.
이와 같이, 발광 소자인 LED(33)를 복수개 일괄적으로 렌즈층(120)으로 덮는 것에 의해서도, 굴절률이 높은 재료로 구성되어 있는 LED(33)로부터 굴절률이 작은 공기 중에 빛이 출사되는 경우에 전반사가 잘 일어나지 않아, 전반사에 의한 효율 저하를 억제할 수 있고, 또, LED(33)의 측방으로 출사되는 빛도 유효하게 취출할 수 있기 때문에 빛의 취출 효율을 한층 더 높게 할 수 있다.
본 실시형태에서는, 제1 실시형태보다 빛의 취출 효율은 약간 낮아지지만, 렌즈층(120)을 예를 들어 LED 어레이(34)마다 형성하면 되어, 제1 실시형태보다 제조가 용이하다.
렌즈층(120)은, 제작의 용이성의 관점에서, 석영 또는 수지로 이루어진 평탄한 형상을 이루는 평탄 렌즈부(121)와, 그 위의 원추대형을 이루는 수지제의 주요 렌즈부(122)로 이루어진 것으로 했지만, 도 25에 나타낸 바와 같이, 전체를 원추대형으로 해도 된다. 또, 도 26에 나타낸 바와 같이, 주요 렌즈부(122)를 구면형으로 해도 되고, 도 27에 나타낸 바와 같이, 렌즈층(120) 전체를 구면형으로 해도 된다.
다음으로, 렌즈층(120)을 이용한 경우의 웨이퍼(W)에 대응하는 수광면에 대한 광출력을, 렌즈층을 이용하지 않는 경우와 비교한 결과에 관해 설명한다.
LED로서 사이즈가 0.5(L)×0.5(W)×0.2(H) mm인 GaAs를 이용하여, 이것을 270 ㎟의 면에 배치하고, 이것을 실리콘 수지제의 매립 수지로 매립하고, 그 위에 50 mmφ×3 mm의 석영제의 평탄 렌즈부와, 그 위의 바닥면이 50 mmφ, 상면이 35 mmφ이고 높이가 9 mm인 실리콘 수지제의 원추대형의 주요 렌즈부(테이퍼 : 약 50도)로 이루어진 렌즈층(합계 두께 12 mm)을 형성하고, 그 때의 광출력을 구하여, 렌즈층을 형성하지 않은 경우의 광출력을 비교했다.
우선, 시뮬레이션에 의해 비교했다. 여기서는, 시뮬레이터로서 옵티컬 리서치 어소시에이트사 제조의 라이트툴즈를 이용하고, 인접하는 LED의 반사율을 0.2, 지지체의 반사율을 0.8로 하여, LED만을 적용한 경우와 렌즈층을 형성한 경우에서 광출력을 시뮬레이션하였다. 또, 매립 수지로 LED를 매립하고, 렌즈층을 형성하지 않은 경우에 관해서도 동일하게 시뮬레이션을 행했다. 그 결과를 도 29에 나타낸다. 이 도면에서는, 광출력으로서 LED만을 적용한 경우의 광출력을 1로 규격화한 값을 이용하였다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 렌즈층을 형성함으로써, LED만을 적용한 경우보다 6배나 되는 광출력을 얻을 수 있다는 것이 확인되었다. 한편, 매립 수지로 매립만 하고 렌즈층을 이용하지 않은 경우에는, LED만을 적용한 경우보다 광출력이 약간 증가했을 뿐이었다.
이어서, 실제로 도 28의 구조에서, LED를 발광시켜 광출력을 측정했다. 그 결과, LED만을 적용한 경우에 비해 1.5배의 광출력을 얻을 수 있다는 것이 확인되었다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시형태에 관해 설명한다.
본 실시형태의 어닐링 장치는, LED의 형상에 특징이 있고, 가열원(17a, 17b)은 제1 실시형태 또는 제2 실시형태의 렌즈층을 형성해도 되고 형성하지 않아도 된다. 다른 구성은 제1 및 제2 실시형태와 동일하다.
본 실시형태의 LED(33)는, 도 30A의 단면도, 도 30B의 바닥면도에 나타낸 바와 같이, 발광측의 모서리부에 모따기부(33a)가 형성되어 있다. 이와 같이 모따기부(33a)를 형성함으로써, LED(33)의 내부에서 발광한 빛이 외부로 출사될 때, 모따기부(33a)에서 중심측으로 굴절된다. 즉, 모따기부(33a)는, 가로 방향으로 향하는 빛을 중심 방향으로 모으는 기능을 갖는다. 이것에 의해, 빛의 취출 효율을 높게 할 수 있어, 웨이퍼(W)에 대한 광출력을 모따기부(33a)가 없는 경우보다 크게 할 수 있다.
다음으로, 본 실시형태의 LED의 광출력을, 통상의 모따기부를 갖지 않는 LED의 광출력과 비교한 시뮬레이션 결과에 관해 설명한다. 여기서는 시뮬레이터로서 옵티컬 리서치 어소시에이트사 제조의 라이트툴즈를 이용하고, LED의 사이즈를 0.6(L)×0.6(W)×0.6(H) mm으로 하고, 모따기부를 0.2 mm으로 한 경우의 마주보는 수광면에 대한 광출력을 구했다. 그 결과를 도 31에 나타낸다. 이 도면에서는, 광출력으로서 모따기부를 갖지 않는 LED의 광출력을 1로 규격화한 값을 이용하였다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, LED에 모따기부를 형성함으로써, 모따기부를 형성하지 않은 경우의 3배 이상의 광출력을 얻을 수 있다는 것이 확인되었다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양하게 변형 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태에서는, 피처리체인 웨이퍼의 양측에 LED를 갖는 가열원을 설치한 예에 관해 설명했지만, 어느 한측에 가열원을 설치한 것이어도 된다. 또, 상기 실시형태에서는 발광 소자로서 LED를 이용한 경우에 관해 나타냈지만, 반도체 레이저 등 다른 발광 소자를 이용해도 된다. 또한, 피처리체에 관해서도, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, FPD용 유리 기판 등의 다른 것을 대상으로 할 수 있다.
본 발명은, 불순물이 주입된 후의 반도체 웨이퍼의 어닐링 처리 등과 같이, 급속 가열이 필요한 용도에 적합하다.

Claims (24)

  1. 피처리체가 수용되는 처리실과,
    상기 처리실 내에서 피처리체를 지지하는 지지 부재와,
    상기 지지 부재 상의 피처리체의 적어도 한쪽 면에 면하도록 설치되고, 피처리체에 대하여 빛을 조사하는 복수의 발광 소자를 갖는 가열원과,
    상기 가열원에 대응하여 설치되고, 상기 발광 소자로부터의 빛이 투과하는 광투과 부재와,
    상기 처리실 내를 배기시키는 배기 기구와,
    상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구
    를 포함하고,
    상기 가열원은 지지체를 구비하고, 이 지지체 상에 상기 복수의 발광 소자가 피처리체측을 향해 부착되어 있으며, 상기 발광 소자가 각각 개별적으로 렌즈층으로 덮여 있는 것인 어닐링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈층은 투명 수지로 이루어진 것인 어닐링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 렌즈층은 반구형을 이루고 있는 것인 어닐링 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 렌즈층은, 상기 지지체 상에 형성된 얇은 수지층 위에 반구형 수지층이 형성되어 이루어진 것인 어닐링 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 렌즈층의 인접하는 것끼리는 접촉하고 있는 것인 어닐링 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 렌즈층의 인접하는 것끼리는 이격되어 있는 것인 어닐링 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 발광 소자의 평면 형상은 한변이 0.5 mm인 정방형이며, 렌즈층의 직경이 0.6∼1.2 mm인 것인 어닐링 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 렌즈층의 직경이 0.8∼1.0 mm인 것인 어닐링 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 지지체의 반사율이 0.8 이상인 것인 어닐링 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 지지 부재와 상기 광투과 부재 사이에 공간을 가지며, 상기 공간에 상기 가열원이 설치되어 있는 것인 어닐링 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 발광 소자는 LED인 것인 어닐링 장치.
  12. 피처리체가 수용되는 처리실과,
    상기 처리실 내에서 피처리체를 지지하는 지지 부재와,
    상기 지지 부재 상의 피처리체의 적어도 한쪽 면에 면하도록 설치되고, 피처리체에 대하여 빛을 조사하는 복수의 발광 소자를 갖는 가열원과,
    상기 가열원에 대응하여 설치되고, 상기 발광 소자로부터의 빛이 투과하는 광투과 부재와,
    상기 처리실 내를 배기시키는 배기 기구와,
    상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구
    를 포함하고,
    상기 가열원은 지지체를 구비하고, 이 지지체 상에 상기 복수의 발광 소자가 피처리체측을 향해 부착되어 있으며, 상기 발광 소자의 미리 정해진 개수가 일괄적으로 렌즈층으로 덮여 있는 것인 어닐링 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 렌즈층은 투명 수지로 이루어진 부분을 주체로 하는 것인 어닐링 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 지지체는 복수개이며, 상기 렌즈층은 각 지지체에 대응하여 복수 형성되고, 각 렌즈층은 대응하는 지지체에 부착된 복수의 발광 소자를 일괄적으로 덮는 것인 어닐링 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 렌즈층은, 광출사측의 면이 좁은 면이 되는 테이퍼를 갖는 것인 어닐링 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 렌즈층은, 상기 지지체 상에 형성된 얇은 층 위에 주요층으로서의 수지층이 형성되어 이루어진 것인 어닐링 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 주요층으로서의 수지층은, 광출사측의 면이 좁은 면이 되는 테이퍼를 갖는 것인 어닐링 장치.
  18. 제12항에 있어서, 상기 지지체의 반사율이 0.8 이상인 것인 어닐링 장치.
  19. 제12항에 있어서, 상기 지지 부재와 상기 광투과 부재 사이에 공간을 가지며, 상기 공간에 상기 가열원이 설치되어 있는 것인 어닐링 장치.
  20. 제12항에 있어서, 상기 발광 소자는 LED인 것인 어닐링 장치.
  21. 피처리체가 수용되는 처리실과,
    상기 처리실 내에서 피처리체를 지지하는 지지 부재와,
    상기 지지 부재 상의 피처리체의 적어도 한쪽 면에 면하도록 설치되고, 피처리체에 대하여 빛을 조사하는 복수의 발광 소자를 갖는 가열원과,
    상기 가열원에 대응하여 설치되고, 상기 발광 소자로부터의 빛이 투과하는 광투과 부재와,
    상기 처리실 내를 배기시키는 배기 기구와,
    상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구
    를 포함하고,
    상기 가열원은 지지체를 구비하고, 이 지지체 상에 상기 복수의 발광 소자가 피처리체측을 향해 부착되어 있으며, 상기 발광 소자는, 그 광출사면의 가장자리부에 모따기가 실시되어 있는 것인 어닐링 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 지지체의 반사율이 0.8 이상인 것인 어닐링 장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 지지 부재와 상기 광투과 부재 사이에 공간을 가지며, 상기 공간에 상기 가열원이 설치되어 있는 것인 어닐링 장치.
  24. 제21항에 있어서, 상기 발광 소자는 LED인 것인 어닐링 장치.
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