JP5394730B2

JP5394730B2 - アニール装置およびアニール方法

Info

Publication number: JP5394730B2
Application number: JP2008332799A
Authority: JP
Inventors: 昌剛米田; 河西　　繁; 澄田中; 智博鈴木; 和広大矢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010153734A

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してＬＥＤ等の発光素子からの光を照射することによりアニールを行うアニール装置およびアニール方法に関する。

半導体デバイスの製造においては、被処理基板である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に対して、成膜処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種熱処理が存在するが、半導体デバイスの高速化、高集積化の要求にともない、特にイオンインプランテーション後のアニールは、拡散を最小限に抑えるために、より高速での昇降温が指向されている。このような高速昇降温が可能なアニール装置としてＬＥＤ（発光ダイオード）を加熱源として用いたものが提案されている（例えば特許文献１）。

ところで、上記アニール装置の加熱源としてＬＥＤを用いる場合には、急速加熱に対応して多大な光エネルギーを発生させる必要があり、そのためにＬＥＤを高密度実装する必要がある。

しかしながら、ＬＥＤは熱により発光量が低下することが知られており、ＬＥＤを高密度実装することにより、ＬＥＤ自体の発熱（投入エネルギーのうち、光として取り出せなかったもの）等の影響が大きくなるとＬＥＤから十分な発光量を得られなくなる。

このようなことから、循環させた冷却媒体により、直接または銅等の高熱伝導を介してＬＥＤを冷却する技術が提案されている（特許文献２、３）。

しかしながら、このような冷媒循環方式の冷却では、冷却が冷媒の熱伝達率に依存するため、大きな冷却効果が得難く、さらに高い冷却効果が得られる冷却方式が求められている。
特表２００５−５３６０４５号公報特開２００８−１６５４５号公報特開２００８−６０５６０号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、加熱源としてＬＥＤ等の発光素子を用いたアニール装置において、熱の影響による発光量の低下に起因する光エネルギー効率が低いという問題が生じずに安定してアニール処理を行うことができるアニール装置およびアニール方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理体が収容される処理室と、前記処理室内の被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する加熱源と、前記加熱源に直接接触するように設けられ、冷却媒体が供給される内部空間を有する冷却部材と、前記冷却部材の前記内部空間を減圧して冷却媒体を気化させ、その際の気化熱により前記加熱源を冷却する冷却機構とを具備し、前記被処理体は水平に支持され、前記加熱源は、前記被処理体の下方に配置され、前記冷却部材は、加熱源の裏面を支持するように配置され、前記冷却機構は、前記内部空間の上部に空隙なく液体状の冷却媒体を貯留させるように設けられた、液体状の冷却媒体は透過せず、冷却媒体蒸気は透過する半透膜を有することを特徴とするアニール装置を提供する。

上記第１の観点において、前記冷却機構は、前記冷却部材の前記内部空間に冷却媒体を供給して貯留させる冷却媒体供給配管と、前記内部空間に接続された排気配管と、前記排気配管を介して前記内部空間を排気する真空ポンプと、前記内部空間の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出値に基づいて前記内部空間内の圧力が所定の値になるように前記真空ポンプを制御する制御器とをさらに有し、前記制御器は設定温度において前記内部空間の圧力が冷却媒体が沸騰する圧力になるように制御する構成とすることができる。この場合に、前記真空ポンプは、水封式真空ポンプを用いることが好ましい。また、前記冷却機構は、前記排気配管の前記真空ポンプ上流側に設けられた冷却フィンと、前記冷却フィンで冷却されて生じた液体を前記内部空間に返戻する返戻配管とをさらに有することができ、その場合には、通常の真空ポンプを用いることができる。また、前記制御器としてはインバータを用いることができる。

上記第１の観点において、前記被処理体の上方に配置され、前記処理室内の被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する他の加熱源と、前記他の加熱源に直接接触し、かつ前記他の加熱源の裏面を支持するように配置され、冷却媒体が供給される内部空間を有する他の冷却部材と、前記他の冷却部材の前記内部空間を減圧して冷却媒体を気化させ、その際の気化熱により前記加熱源を冷却する他の冷却機構とをさらに具備する構成とすることができる。

この場合に、前記他の冷却機構は、前記他の冷却部材の前記内部空間に冷却媒体を供給して貯留させる冷却媒体供給配管と、前記他の冷却部材の前記内部空間に接続された排気配管と、前記排気配管を介して前記内部空間を排気する真空ポンプと、前記内部空間の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出値に基づいて前記内部空間内の圧力が所定の値になるように前記真空ポンプを制御する制御器とを有し、前記制御器は設定温度において前記内部空間の圧力が冷却媒体が沸騰する圧力になるように制御する構成とすることができる。

前記他の冷却機構は、前記他の冷却部材の前記内部空間内の液面を制御する液面制御手段をさらに有するものとすることができる。

上記第１の観点において、前記冷却媒体として水を用い、前記内部空間で水を核沸騰状態とするようにすることが好ましい。

上記第１の観点において、前記加熱源は、表面に前記複数の発光素子を取り付けた高熱伝導性絶縁材料からなる支持体と、前記支持体の裏面側に高熱伝導性の接合材で接合された熱拡散部材とがユニット化されて構成された発光素子アレイを複数備え、前記発光素子アレイは、前記冷却部材にねじ止めされている構成とすることができる。

この場合に、前記冷却部材は銅またはアルミニウムまたは銅合金またはアルミニウム合金からなり、前記支持体はＡｌＮからなり、前記熱拡散部材は銅または銅合金からなり、前記支持体と前記発光素子との間、前記支持体と前記熱拡散部材との間、および前記発光素子アレイと前記冷却部材との間には高熱伝導性の接合材が介在されている構成とすることが好ましい。

本発明の第２の観点では、処理室内に収容され、水平に支持された被処理体に対し、前記被処理体の下方に配置され、複数の発光素子を有する加熱源を用いて光照射することにより被処理体をアニール処理するアニール方法であって、前記加熱源に直接接触し、前記加熱源の裏面を支持するように、内部空間を有する冷却部材を設け、前記内部空間の上部に空隙なく液体状の冷却媒体を貯留させるように、液体状の冷却媒体は透過せず、冷却媒体蒸気は透過する半透膜を設け、前記内部空間を減圧した状態でその中に冷却媒体を供給し、その中で前記冷却媒体を気化させ、その際の気化熱により前記加熱源を冷却しつつアニール処理を行うことを特徴とするアニール方法を提供する。

本発明によれば、冷却部材の内部空間を減圧してその中で冷却媒体を気化させ、その際の気化熱により加熱源を冷却するので、比較的低温で冷却媒体の沸騰にともなう大きな熱流速により加熱源を冷却することができ、極めて効率よく加熱源を冷却することができる。このため、熱の影響による発光量の低下に起因する光エネルギー効率が低いという問題が生じずに安定してアニール処理を行うことができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここでは、表面に不純物が注入された半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）をアニールするためのアニール装置を例にとって説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図、図２は図１のアニール装置の加熱源を拡大して示す断面図、図３は図１のアニール装置のＬＥＤへ給電する部分を拡大して示す断面図である。

このアニール装置１００は、気密に構成され、ウエハＷが搬入される処理室１を有している。処理室１は、ウエハＷが配置される円柱状のアニール処理部１ａとアニール処理部１ａの外側にドーナツ状に設けられたガス拡散部１ｂを有している。ガス拡散部１ｂはアニール処理部１ａよりも高さが高くなっている。処理室１はチャンバー２により規定されている。チャンバー２の天壁２ａにはアニール処理部１ａに対応する円形の孔３が形成されており、この孔３には銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウ合金等の高熱伝導性材料からなる冷却部材４が嵌め込まれている。冷却部材４はフランジ部５を有し、フランジ部５はウルテム等の熱絶縁体８０を介してチャンバー２の上壁２ａに支持されている。熱絶縁体８０は、チャンバー２からの熱の入りを最小にするために設けられている。フランジ部５と熱絶縁体８０との間、および熱絶縁体８０と上壁２ａとの間にはシール部材６が介在され、これらの間が密着されている。

処理室１には、アニール処理部１ａ内でウエハＷを水平に支持する支持部材７が設けられており、この支持部材７はウエハＷの受け渡しのための昇降ピン（図示せず）が突没可能に設けられている。また、チャンバー２の天壁２ａには、図示しない処理ガス供給機構から所定の処理ガスが導入される処理ガス導入口８が設けられ、この処理ガス導入口８には処理ガスを供給する処理ガス配管９が接続されている。また、チャンバー２の底壁２ｂには排気口１０が設けられ、この排気口１０には図示しない排気装置に繋がる排気配管１１が接続されている。さらに、チャンバー２の側壁には、チャンバー２に対するウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２が設けられており、この搬入出口１２はゲートバルブ１３により開閉可能となっている。

処理室１には、支持部材７上に支持されたウエハＷの温度を測定するための温度センサ１４が設けられている。また、温度センサ１４はチャンバー２の外側の計測部１５に接続されており、この計測部１５から後述するプロセスコントローラ９０に温度検出信号が出力されるようになっている。

冷却部材４の支持部材７に支持されたウエハＷに対向する面には、支持部材７に支持されているウエハＷに対応するように円形の凹部１６が形成されている。そして、この凹部１６内には、冷却部材４に直接接触するように発光ダイオード（ＬＥＤ）を搭載した加熱源１７が配置されている。

冷却部材４のウエハＷと対向する面には、凹部１６を覆うように、加熱源１７に搭載されたＬＥＤからの光をウエハＷ側に透過する光透過部材１８がねじ止めされている。光透過部材１８はＬＥＤから射出される光を効率良く透過する材料が用いられ、例えば石英が用いられる。

冷却部材４には内部空間２１が形成されており、その中に冷却媒体１９、例えば水が貯留されるようになっている。冷却部材４の内部空間２１には、冷却媒体供給配管２２と、排気配管２３が接続されている。内部空間２１には補強のためのリブ２４が設けられている。

冷却媒体供給配管２２には、バルブ６１が設けられている。一方、冷却部材４の上面には、液面センサ６２が設けられており、この液面センサ６２により内部空間２１内の冷却媒体（水）１９の液面を検出するようになっている。この検出信号は液面制御器６３に送られ、この液面制御器６３により内部空間２１内の冷却媒体（水）１９の液面が所定の高さになるように、バルブ６１を制御するようになっている。制御周期は、例えばウエハ毎とする。

排気配管２３には、水封式真空ポンプ６４が設けられており、この水封式真空ポンプ６４により冷却部材４の内部空間２１を所定の圧力に減圧可能となっている。水封式真空ポンプ６４は、真空シール、回転部の潤滑、摺動部の冷却をすべて水により行うように構成された真空ポンプであり、水を含んだ気体を排気することができる。冷却部材４の上面には、圧力センサ６５が設けられており、この圧力センサ６５からの検出信号がインバータ６６に送られ、インバータ６６から内部空間２１内の圧力が所望の圧力になるように水封式真空ポンプ６４へ回転数制御信号を送るようになっている。

なお、チャンバー２には冷却水流路２５が形成されており、この中に常温の冷却水が通流するようになっており、これによりチャンバー２の温度が過度に上昇することを防止している。

加熱源１７は、図２に拡大して示すように、絶縁性を有する高熱伝導性材料、典型的にはＡｌＮセラミックスからなる支持体３２と、支持体３２に電極３５を介して支持された多数のＬＥＤ３３と、支持体３２の裏面側に接合された高熱伝導性材料である銅または銅合金製の熱拡散部材５０とで構成された複数のＬＥＤアレイ３４を有している。支持体３２には例えば銅に金メッキした導電性の高い電極３５がパターン形成されており、電極３５にＬＥＤ３３が導電性で高熱伝導性の接合材５６により接合されている。接合材５６としては、高熱伝導性で取り扱いが容易な銀ペーストが好ましい。また、接合材５６としてハンダ（ＰｂＳｎ）も用いることができる。

接合材５６として用いられる銀ペーストはエポキシ樹脂を主成分とする銀ペーストが好適であり、あるいはこの部分の温度が１５０℃を超える場合には、より耐熱性のあるシリコン樹脂を主成分とする銀ペーストを使用するとよい。

支持体３２と熱拡散部材５０とは高熱伝導性の接合材５７により接合される。高熱伝導性の接合材５７としては、信頼性の高いハンダや、より熱伝導率の高い銀ペーストを用いることが好ましい。また、熱可塑性樹脂からなるベース樹脂中に複数の気相成長カーボン繊維が厚さ方向に配向してなるカーボンシートを用いることにより、熱伝導率の極めて高い接合を実現することができる。

ＬＥＤアレイ３４の裏面側の熱拡散部材５０と冷却プレート４とは、これらの間に高熱伝導性の接合材５８が介在された状態でねじ止めされている。接合材５８としては、シリコングリースを好適に用いることができる。

このような構成により、ＬＥＤ３３で発生した熱を、高熱伝導性の接合材５６、電極３５、支持体３２、高熱伝導性の接合材５７、熱拡散部材５０、高熱伝導性の接合材５８という熱伝導性の良好な経路を通って冷却部材４に極めて効果的に逃がすことができる。

一つのＬＥＤ３３と隣接するＬＥＤ３３の電極３５との間はワイヤ３６にて接続されている。また、支持体３２の表面の電極３５が設けられていない部分には例えばＴｉＯ_２を含有する反射層５９が設けられており、ＬＥＤ３３から支持体３２側に射出された光を反射させて有効に取り出すことができるようになっている。反射層５９の反射率は０．８以上であることが好ましい。

隣接するＬＥＤアレイ３４の間には反射板５５が設けられており、これによりＬＥＤアレイ３４の全周が反射板５５に囲まれた状態となっている。反射板５５としては例えばＣｕ板に金メッキしたものが用いられ、横方向に向かう光を反射して有効に取り出すことができるようになっている。

個々のＬＥＤ３３は例えば透明樹脂からなるレンズ層２０で覆われている。レンズ層２０はＬＥＤ３３から射出する光を取り出す機能を有するものであり、ＬＥＤ３３の側面からの光も取り出すことができる。このレンズ層２０の形状はレンズ機能を有すれば特に限定されるものではないが、製造の容易性および効率を考慮すると、略半球状が好ましい。このレンズ層２０は、屈折率の高いＬＥＤ３３と屈折率が１の空気との間の屈折率を有しており、ＬＥＤ３３から空気中に光が直接射出されることによる全反射を緩和するために設けられる。

支持体３２と光透過部材１８との間の空間は真空引きされており、光透過部材１８の両側（上面と下面）が真空状態となる。したがって、光透過部材１８が大気状態と真空状態との仕切りとして機能する場合よりも薄く構成することができる。

冷却部材４の上方には、ＬＥＤ３３への給電制御を行うための制御ボックス（図示せず）が設けられており、これらには図示しない電源からの配線が接続され、ＬＥＤ３３への給電を制御するようになっている。

図３に拡大して示すように、熱拡散部材５０および支持体３２にそれぞれ形成されたホール５０ａおよび３２ａには給電電極５１が挿入されており、この給電電極５１が電極３５にハンダ付けにより接続されている。この給電電極５１には冷却部材４の内部を通って延びる電極棒３８が取り付けポート５２において接続されている。電極棒３８は、ＬＥＤアレイ３４毎に複数個、例えば８個（図３では２個のみ図示）設けられており、電極棒３８は絶縁材料からなる保護カバー３８ａで覆われている。電極棒３８は、冷却部材４の上端部まで延び、そこで受け部材３９がねじ止めされている。受け部材３９と冷却部材４との間には絶縁リング４０が介装されている。ここで、保護カバー３８ａと冷却部材４との間、保護カバー３８ａと電極棒３８との間の隙間はろう付けされており、いわゆるフィードスルーを形成している。

制御ボックス内には、複数の制御ボード（図示せず）が設けられており、この制御ボードには、電極棒３８に対応する給電部材４１が接続されている。給電部材４１は下方に延び、各電極棒３８に取り付けられた受け部材３９に接続されている。給電部材４１は絶縁材料からなる保護カバー４４で覆われている。給電部材４１の先端にはポゴピン（スプリングピン）４１ａが設けられており、この各ポゴピン４１ａが対応する受け部材３９に接触することにより、制御ボックスから給電部材４１、電極棒３８、給電電極５１および加熱源１７の電極３５を介して各ＬＥＤ３３に給電されるようになっている。このようにして給電されることによりＬＥＤ３３が発光し、その光によりウエハＷを表面から加熱することによりアニール処理が行われる。ポゴピン４１ａはスプリングにより受け部材３９側に付勢されているので、制御ボード４２の取り付け位置がずれている等の場合にも確実に給電部材４１と電極棒３８のコンタクトがとれるようになっている。

ＬＥＤアレイ３４は図４に示すように六角状をなし、その３辺に反射板５５が設けられている。そして、複数のＬＥＤアレイ３４が例えば図５に示すように隙間無く配置される。このとき、一つのＬＥＤアレイ３４の反射板５５が設けられていない辺に、隣接するＬＥＤアレイ３４の反射板５５が設けられている辺が来るようにして全てのＬＥＤアレイ３４が反射板５５に囲まれた状態となるようにされる。これにより、反射板５５が重なることがなく、ＬＥＤアレイ３４の配置個数を最大にすることができる。

一つのＬＥＤアレイ３４には、１０００〜２０００個程度のＬＥＤ３３が搭載される。ＬＥＤ３３としては、射出される光の波長が紫外光〜近赤外光の範囲、好ましくは０．３６〜１．０μｍの範囲のものが用いられる。このような０．３６〜１．０μｍの範囲の光を射出する材料としてはＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等をベースとした化合物半導体が例示される。この中では、特に加熱対象として用いられるシリコン製のウエハＷに対する吸収率の高い９５０〜９７０ｎｍ付近の放射波長を有するＧａＡｓ系の材料からなるものが好ましい。

アニール装置１００の各構成部は、図１に示すように、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ９０に接続されて制御される構成となっている。例えば、上記制御ボックスの給電制御や、駆動系の制御、ガス供給制御、液面制御器６３およびインバータ６６の制御等がこのプロセスコントローラ９０で行われる。プロセスコントローラ９０には、オペレータがアニール装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、アニール装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース９１が接続されている。さらに、プロセスコントローラ９０には、アニール装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ９０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてアニール装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピを格納することが可能な記憶部９２が接続されている。処理レシピは記憶部９２の中の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクのような固定的なものであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース９１からの指示等にて任意のレシピを記憶部９２から呼び出してプロセスコントローラ９０に実行させることで、プロセスコントローラ９０の制御下で、アニール装置１００での所望の処理が行われる。

次に、ＬＥＤアレイ３４および冷却部材４の組み立て、ならびにＬＥＤアレイ３４の装着の手順について図６を参照して説明する。
まず、ＡｌＮ製の板材から六角状の支持体３２を切り出し、給電電極やねじの挿入孔であるスルーホール３２ａを形成し、さらに電極パターン（図示せず）を印刷する（図６（ａ））。

次いで、支持体３２の裏面に銅メッキ７１を施し、表面の電極パターン以外の部分にＴｉＯ_２を含む反射層５９を形成する（電極パターンは図示略）（図６（ｂ））。反射層５９はＴｉＯ_２とレジストとを混合したものを用い、メタルマスクを用いて塗布（印刷）することにより形成することができる。

次いで、支持体３２と同じ形状を有し、スルーホール３２ａに対応する位置にスルーホール５０ａを形成した銅製の熱拡散部材５０の表面を高熱伝導性の接合材５７を用いて支持体３２の裏面に貼り付ける（図６（ｃ））。接合材５７としては、ハンダペーストを用いることができる。そして、スルーホール３２ａ，５０ａに支持体３２および熱拡散部材５０を貫通するように給電電極５１を挿入し、隙間にエポキシ樹脂７２を充填して真空シールを行い、ハンダと樹脂を一括して連続炉により熱処理する（図６（ｄ））。通常、真空シールはハンダを用いるのが一般的であるが、真空雰囲気にされる処理室１内におけるシールであるから、エポキシ樹脂で十分に真空シールすることができ、ハンダを用いる場合よりも低コスト化することができる。

その後、支持体３２の表面にパターン形成された電極３５に高熱伝導性の接合材５６を施し（図２参照）、その上にダイボンダーによりＬＥＤ３３をマウントするとともに、支持体３２の３辺に反射板５５を取り付ける（図６（ｅ））。その後、さらにワイヤーボンダーを用いてワイヤ３６によりボンディングを行う（図６（ｆ））。

次いで、ＬＥＤ３３を覆うように透明樹脂からなるレンズ層２０を形成し、ＬＥＤアレイ３４を完成させる（図６（ｇ））。一方、これと並行してろう付けにより冷却部材４を組み立てる（図６（ｈ））。

その後、熱拡散部材５０に例えばシリコングリースからなる高熱伝導性の接合材５８を塗布し、冷却部材４にＬＥＤアレイ３４を装着する（図６（ｉ））。そして、給電電極５１に給電部材３８を接続するとともに、ねじ７３によりＬＥＤアレイ３４をねじ止めする（図６（ｊ））。

以上の手順により、ＬＥＤアレイ３４の装着までが終了し、その後、光透過部材１８を取り付ける。

次に、以上のようなアニール装置１００におけるアニール処理動作について説明する。
まず、ゲートバルブ１３を開にして搬入出口１２からウエハＷを搬入し、支持部材７上に載置する。その後、ゲートバルブ１３を閉じて処理室１内を密閉状態とし、排気口１１を介して図示しない排気装置により処理室１内を排気するとともに、図示しない処理ガス供給機構から処理ガス配管９および処理ガス導入口８を介して所定の処理ガス、例えばアルゴンガスまたは窒素ガスを処理室１内に導入し、処理室１内の圧力を例えば１００〜１００００Ｐａの範囲内の所定の圧力に維持する。

一方、冷却部材４の内部空間２１には、冷却媒体１９として例えば水を貯留し、水封式真空ポンプ６４により排気配管２３を介して内部空間２１を排気して所定の減圧状態とし、常温のときよりも低温で冷却媒体１９を沸騰させて気化させ、その際の気化熱によりＬＥＤ素子３３を冷却する。例えば冷却媒体１９として水を用いた場合には、内部空間２１を減圧することにより、１００℃より低い温度で水を沸騰させて、その際の気化熱によりＬＥＤ素子３３を冷却する。この際に、所定の圧力になるように、圧力センサ６５の検出信号に基づいてインバータ６６により水封式真空ポンプ６４の回転数を制御して内部空間２１の圧力を制御する。また、内部空間２１内の水は蒸発により減少するため、液面センサ６２の検出信号に基づいて液面制御器６３により所定の液面になるまでバルブ６１を開にして冷却媒体供給配管２２を介して水を供給し、液面を制御する。

そして、電源（図示せず）から制御ボックス（図示せず）、給電部材４１、電極棒３８、電極３５を介して、ＬＥＤ３３に所定の電流を供給してＬＥＤ３３を点灯させる。

ＬＥＤ３３からの光は、直接または一旦反射層５９で反射してからレンズ層２０を透過し、さらに光透過部材１８を透過し、電子とホールの再結合による電磁輻射を利用して極めて高速でウエハＷを加熱する。

ここで、ＬＥＤ３３は、常温に保持した場合には、ＬＥＤ３３自身の発熱等によりその発光量が低下する。そのため、従来は循環させた冷却媒体の冷熱によりＬＥＤを冷却する方法が提案されていたが、このような方法では冷却が冷媒の熱伝達率に依存するため、十分な冷却効果が得難く、さらに高い冷却効果が得られる冷却方式が求められていた。これに対し、本実施形態では、冷却部材４の内部空間２１を排気して減圧状態とすることにより、冷却媒体１９を常圧のときよりも低温で沸騰させ、その際の気化熱により大きな熱流速によりＬＥＤ３３を冷却することができるので、従来よりも高い冷却効果を得ることができる。

冷却媒体１９として水を用いた場合には、その沸騰曲線は図７に示すようになる。すなわち、冷却水として水を用いた場合には、沸騰前の自然対流領域では、熱流束は１０Ｗ／ｃｍ^２程度であるが、沸騰後の核沸騰領域では、熱流束は１００Ｗ／ｃｍ^２程度まで上昇する。この大きな熱流束により、効率的な冷却が達成される。そして、核沸騰が生じる温度を１００℃以下の所望の温度とするために、冷却部材４の内部空間を減圧する。この場合に、内部空間２１から蒸気が排出されることとなり、通常の真空ポンプは用いることができないが、水封式真空ポンプ６４を用いることにより、このような排気が可能となる。

なお、核沸騰とは、特定の点（発泡核）から蒸気泡が発生する沸騰状態である。しかし、核沸騰が生じる温度よりも高温となると、発泡核の数が増えて蒸気の発泡周期も短くなり、部分的に蒸気の膜となってつながった形態をなす遷移沸騰状態となり、熱流速が低下していく。さらに温度が上昇すると蒸気が膜状となる膜沸騰状態となり、再び熱流速が上昇する。

例えば、冷却媒体として水を用い、２５℃に温度制御したい場合には、冷却部材４の内部空間２１の圧力を２５℃の水の蒸気圧である２３〜２４ｍｍＨｇになるように、圧力センサ６５、インバータ６６、水封式真空ポンプ６４を用いて制御する。これにより、内部空間２１内の水が核沸騰状態となり、その際の気化熱により高い熱流速でＬＥＤ３３の熱を取り除くことができる。

また、このアニール装置１００を用いて５０Ｗ／ｃｍ^２×２秒の熱負荷を水の気化熱により冷却することを想定すると、水の潜熱が３３６Ｊ／ｇであり水の比重が１ｇ／ｃｍ^３であるから体積比熱は３３６Ｊ／ｃｍ^３となる。したがって、必要な内部空間２１の水の高さＨは、Ｈ＝５０×２／３３６＝０．３ｃｍとなる。したがって、内部空間２１には１ｃｍ程度の高さで水をためるように制御すればよい。

また、本実施形態では、このように冷却媒体（水）１９が沸騰して気化する際の気化熱で冷却する点に加え、冷却部材４、支持体３２を熱伝導性の高い材料で構成し、これらを接合する接合材についても熱伝導性の高いものを使用しているので、一層迅速にＬＥＤ３３の熱を奪うことができ、冷却効率を一層高めることができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図８は、本発明の他の実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図である。この実施形態に係るアニール装置１００ａでは、排気配管２３に冷却フィン８２を設け、冷却フィン８２と内部空間２１との間に配管８３を設ける。これにより、冷却部材４の内部空間２１から排気配管２３を介して排出された蒸気が冷却フィン８２で冷却されて液化し、配管８３を介して内部空間に戻る。したがって、排気配管２３の冷却フィン８２の下流側には蒸気を含まない気体が流れるため、水封式真空ポンプは必要がなく、通常の真空ポンプ６４′を用いることができる。なお、他の部分については、図１と同様の構成であるため、説明を省略する。

次に、本発明のさらに他の実施形態について説明する。
図９は、本発明のさらに他の実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図である。この実施形態に係るアニール装置１００ｂでは、処理室１内でウエハＷの上下両面から加熱可能となっている。その他の構成は、図１のアニール装置１００とほぼ同様であるから、アニール装置１００と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

アニール装置１００ｂにおいて、処理室１には、アニール処理部１ａ内でウエハＷを水平に支持する支持部材７′が設けられている。この支持部材７′は、ウエハＷの上下両面を加熱可能なように、ウエハＷの外縁を支持するようになっており、図示しない昇降機構によりウエハＷの受け渡しの際に昇降可能となっている。

チャンバー２の底壁２ｂにはアニール処理部１ａに対応する円形の孔３′が形成されており、この孔３′には銅やアルミニウム等の高熱伝導性材料からなる冷却部材４′が嵌め込まれている。冷却部材４′はフランジ部５′を有し、フランジ部５′は熱絶縁体８０を介してチャンバー２の底壁２ｂに支持されている。冷却部材４′のウエハＷに対向する面には、ウエハＷに対応するように円形の凹部１６′が形成されている。そして、この凹部１６′内には、冷却部材４′に直接接触するように発光ダイオード（ＬＥＤ）を搭載した加熱源１７′が配置されている。冷却部材４′のウエハＷと対向する面には、凹部１６′を覆うように、光透過部材１８と同様に構成された光透過部材１８′がねじ止めされている。

冷却部材４′には内部空間２１′が形成されており、その中に冷却媒体１９、例えば水が貯留されるようになっている。冷却部材４′の基本構成は冷却部材４とほぼ同じであるが、冷却部材４′は、加熱源１７′の下方に位置しているため、このままでは冷却媒体１９が冷却部材４′の上壁に接触せず、加熱源１７′を冷却できない。このため、気体状の冷却媒体（水蒸気）は透過するが液体状の冷却媒体（水）は透過しないテフロン（登録商標）等の半透膜８４を内部空間２１′内に水平に設け、冷却媒体（水）１９が冷却部材４′の上壁に接触するようにし、蒸気のみ排出できるようにする。

冷却部材４′の内部空間２１′には、冷却媒体供給配管２２′と、排気配管２３′が接続されている。

冷却媒体供給配管２２′は冷却媒体供給配管２２から分岐して設けられており、冷却媒体供給配管２２′にはバルブ８５とレギュレータ８６が設けられている。そしてレギュレータ８６により所定の圧力で冷却媒体（水）を冷却部材４′に供給するよう制御する。制御周期は、例えばウエハ毎とする。

排気配管２３′は、排気配管２３に接続されており、水封式真空ポンプ６４を作動させることにより、内部空間２１′が排気される。すなわち、水封式真空ポンプ６４が下側の冷却部材４′の内部空間２１′も排気するようになっており、内部空間２１′の圧力も内部空間２１と同様、圧力センサ６５およびインバータ６６により制御される。なお当然のことではあるが、内部空間２１′の圧力を制御するために、別途独立した圧力センサ、インバータ、真空ポンプを設け、内部空間２１と内部空間２１′を各々個別に圧力制御してもよい。

加熱源１７′は、ＬＥＤ３３を上方に向けた状態で加熱源１７と同様に構成されている。

このように構成されたアニール装置１００ｂにおいては、加熱源１７および１７′によりウエハＷの両面からウエハＷを加熱することができ、加熱源１７および１７′のＬＥＤ３３を効率よく冷却して発光量の低下を抑制することができるので、より効率よくウエハＷを加熱することができる。

次に、図９のアニール装置１００ｂの変形例について説明する。図１０はそのようなアニール装置の概略構成を示す断面図である。この実施形態に係るアニール装置１００ｃでは、ウエハＷの上下両面から加熱可能となっている点は図９のアニール装置１００ｂと同様であり、アニール装置１００ｂの下側の冷却部材４′の代わりに冷却部材４″を設けた点のみがアニール装置１００ｂと異なっている。

この冷却部材４″は、気化熱により加熱源１７′のＬＥＤ３３を有効に冷却することができるように、底壁内に水平に流路８７を設け、流路８７から上方に向かって内部空間２１″に臨むように複数のノズル８８が設けられている。これにより、ノズル８８から噴射された冷却媒体（水）は霧状となって冷却部材４″の上壁に当たり、一瞬で気体となって排気される。ＬＥＤ３３はその際の気化熱により冷却される。この際にレギュレータ８６の圧力によりノズル８８の吐出圧力を制御する。制御周期は、例えばウエハ毎とする。またこの場合においても、内部空間２１″の圧力を制御するために、別途独立した圧力センサ、インバータ、真空ポンプを設け、内部空間２１と内部空間２１″を各々個別に圧力制御してもよい。

このように構成されたアニール装置１００ｃにおいても、加熱源１７および１７′によりウエハＷの両面からウエハＷを加熱することができ、加熱源１７および１７′のＬＥＤ３３を効率よく冷却して発光量の低下を抑制することができるので、より効率よくウエハＷを加熱することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、冷却媒体を沸騰させた際の気化熱を利用してＬＥＤを冷却したが、必ずしも沸騰させる必要はない。ただし、沸騰させることにより大きな熱流速が得られるので好ましい。また、上記実施形態では、発光素子としてＬＥＤを用いた場合について示したが、半導体レーザー等他の発光素子を用いてもよい。さらに、被処理体についても、半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ用ガラス基板などの他のものを対象にすることができる。

本発明は、不純物が注入された後の半導体ウエハのアニール処理等、急速加熱が必要な用途に好適である。

本発明の一実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図。図１のアニール装置の加熱源を示す断面図。図１のアニール装置のＬＥＤへ給電する部分を示す断面図。図１のアニール装置のＬＥＤアレイを示す図。図１のアニール装置の加熱源を示す底面図。図１のアニール装置において、ＬＥＤアレイおよび冷却部材の組み立て、ならびにＬＥＤアレイの装着の手順を示す図。水の沸騰曲線を示す図。本発明の他の実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図。本発明のさらに他の実施形態に係るアニール装置の概略構成を示す断面図。図９の変形例を示す断面図。

符号の説明

１；処理室
１ａ；アニール処理部
１ｂ；ガス拡散部
２；チャンバー
４，４′，４″；冷却部材
８；処理ガス導入口
９；処理ガス配管
１０；排気口
１１；排気配管
１２；搬入出口
１６，１６′；凹部
１７，１７′；加熱源
１８，１８′；光透過部材
１９；冷却媒体
２０；透明な樹脂
２１，２１′，２１″；内部空間
２２，２２′；冷却媒体供給配管
２３，２３′；排気配管
３２；支持体
３３；ＬＥＤ（発光素子）
３４；ＬＥＤアレイ
３５；電極
３６；ワイヤ
６１，８５；バルブ
６２；液面センサ
６３；液面制御器
６４；水封式真空ポンプ
６４′；真空ポンプ
６５；圧力センサ
６６；インバータ
８２；冷却フィン
８３；配管
８４；半透膜
８６；レギュレータ
９０；プロセスコントローラ
９１；ユーザーインターフェース
９２；記憶部
１００；アニール装置
Ｗ；半導体ウエハ（被処理体）

Claims

被処理体が収容される処理室と、
前記処理室内の被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する加熱源と、
前記加熱源に直接接触するように設けられ、冷却媒体が供給される内部空間を有する冷却部材と、
前記冷却部材の前記内部空間を減圧して冷却媒体を気化させ、その際の気化熱により前記加熱源を冷却する冷却機構と
を具備し、
前記被処理体は水平に支持され、
前記加熱源は、前記被処理体の下方に配置され、
前記冷却部材は、加熱源の裏面を支持するように配置され、
前記冷却機構は、前記内部空間の上部に空隙なく液体状の冷却媒体を貯留させるように設けられた、液体状の冷却媒体は透過せず、冷却媒体蒸気は透過する半透膜を有することを特徴とするアニール装置。
前記冷却機構は、前記冷却部材の前記内部空間に冷却媒体を供給して貯留させる冷却媒体供給配管と、前記内部空間に接続された排気配管と、前記排気配管を介して前記内部空間を排気する真空ポンプと、前記内部空間の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出値に基づいて前記内部空間内の圧力が所定の値になるように前記真空ポンプを制御する制御器とをさらに有し、前記制御器は設定温度において前記内部空間の圧力が冷却媒体が沸騰する圧力になるように制御することを特徴とする請求項１に記載のアニール装置。
前記真空ポンプは、水封式真空ポンプであることを特徴とする請求項２に記載のアニール装置。
前記冷却機構は、前記排気配管の前記真空ポンプ上流側に設けられた冷却フィンと、前記冷却フィンで冷却されて生じた液体を前記内部空間に返戻する返戻配管とをさらに有することを特徴とする請求項２に記載のアニール装置。
前記制御器は、前記圧力センサの検出値に基づいて前記真空ポンプの回転数を制御するインバータを有することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記被処理体の上方に配置され、前記処理室内の被処理体に対して光を照射する複数の発光素子を有する他の加熱源と、
前記他の加熱源に直接接触し、かつ前記他の加熱源の裏面を支持するように配置され、冷却媒体が供給される内部空間を有する他の冷却部材と、
前記他の冷却部材の前記内部空間を減圧して冷却媒体を気化させ、その際の気化熱により前記加熱源を冷却する他の冷却機構と
をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記他の冷却機構は、前記他の冷却部材の前記内部空間に冷却媒体を供給して貯留させる冷却媒体供給配管と、前記他の冷却部材の前記内部空間に接続された排気配管と、前記排気配管を介して前記内部空間を排気する真空ポンプと、前記内部空間の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出値に基づいて前記内部空間内の圧力が所定の値になるように前記真空ポンプを制御する制御器とを有し、前記制御器は設定温度において前記内部空間の圧力が冷却媒体が沸騰する圧力になるように制御することを特徴とする請求項６に記載のアニール装置。
前記他の冷却機構は、前記他の冷却部材の前記内部空間内の液面を制御する液面制御手段をさらに有することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のアニール装置。
前記冷却媒体は水であり、前記内部空間で水を核沸騰状態とすることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記加熱源は、表面に前記複数の発光素子を取り付けた高熱伝導性絶縁材料からなる支持体と、前記支持体の裏面側に高熱伝導性の接合材で接合された熱拡散部材とがユニット化されて構成された発光素子アレイを複数備え、前記発光素子アレイは、前記冷却部材にねじ止めされていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のアニール装置。
前記冷却部材は銅またはアルミニウムまたは銅合金またはアルミニウム合金からなり、前記支持体はＡｌＮからなり、前記熱拡散部材は銅または銅合金からなり、前記支持体と前記発光素子との間、前記支持体と前記熱拡散部材との間、および前記発光素子アレイと前記冷却部材との間には高熱伝導性の接合材が介在されていることを特徴とする請求項１０に記載のアニール装置。
処理室内に収容され、水平に支持された被処理体に対し、前記被処理体の下方に配置され、複数の発光素子を有する加熱源を用いて光照射することにより被処理体をアニール処理するアニール方法であって、
前記加熱源に直接接触し、前記加熱源の裏面を支持するように、内部空間を有する冷却部材を設け、前記内部空間の上部に空隙なく液体状の冷却媒体を貯留させるように、液体状の冷却媒体は透過せず、冷却媒体蒸気は透過する半透膜を設け、前記内部空間を減圧した状態でその中に冷却媒体を供給し、その中で前記冷却媒体を気化させ、その際の気化熱により前記加熱源を冷却しつつアニール処理を行うことを特徴とするアニール方法。