JP2010034491A - アニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱光であるレーザ光を被処理体の表面状態の均一な裏面より照射することにより、被処理体を短時間で、且つ面内温度が均一な状態で加熱することができると共に、エネルギー変換効率も高くして省エネルギーに寄与することが可能なアニール装置を提供する。
【解決手段】被処理体Ｗに対してアニール処理を施すアニール装置において、被処理体が収容される処理容器４と、処理容器内で被処理体を支持する支持手段１０と、処理容器内へ処理ガスを供給するガス供給手段１６と、処理容器内の雰囲気を排気する排気手段２４と、被処理体の裏面全体に向けて加熱光を照射する複数のレーザ素子６８を有する裏面側加熱手段３４とを備える。これにより、加熱光であるレーザ光を被処理体の表面状態の均一な裏面より照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対してアニール処理を施すアニール装置に係り、特にレーザ素子やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子からの加熱光を照射してアニール処理を行うアニール装置に関する。

一般に、半導体集積回路を製造するためには、シリコン基板等の半導体ウエハに対して、成膜処理、酸化拡散処理、改質処理、エッチング処理、アニール処理等の各種の処理が繰り返し行われる。その中のイオンプランテーション後にウエハ中にドープされた不純物原子を活性化させるためのアニール処理においては、不純物の拡散を最小限に抑制するために、半導体ウエハをより高速で昇降温させる必要がある。

この場合、従来のアニール装置では、ハロゲンランプ等を用いてウエハの加熱を行っていたが、ハロゲンランプは点灯してから熱源として安定するまでに少なくとも１秒程度を要してしまうので、最近にあっては、スイッチングの応答性により優れ、ハロゲンランプよりも更に高速昇降温が可能なＬＥＤ素子を加熱源として用いたアニール処理（例えば特許文献１）が提案されている。

また、他の加熱源としてレーザ素子を用いて、このレーザ素子より発生する加熱光をウエハ表面にスキャンしつつウエハを加熱する技術も提案されている（例えば特許文献２）。

特表２００５−５３６０４５号公報 特開２００５−２４４１９１号公報

このように、加熱源としてＬＥＤ素子やレーザ素子を用いた場合には、ウエハに対する高速昇降温操作が比較的可能である、という利点を有する。そして、ＬＥＤ素子の場合には、加熱光の発生波長がある程度の幅をもっているので、ウエハの表面状態に依存せずに面内均一に加熱できる、という利点を有している。

しかしながら、このＬＥＤ素子を用いた場合には、この発光効率は１０〜３０％程度であることから、レーザ素子の発光効率である４０〜５０％程度よりもかなり低く、レーザ素子の場合と比較してエネルギー効率が低下してしまう、といった問題があった。

これに対して、レーザ素子の場合は、上述のようにＬＥＤ素子よりも発光効率の点では優れるが、加熱光である発光波長が単色光であるために、加熱対象であるウエハ表面の構造や表面状態によって温度分布が生じてしまう、といった問題があった。例えばウエハ表面には、アモルファス部分やメタル部分や絶縁膜部分等が混在しており、これらは材料によって光の吸収波長が異なるので、これに単色光であるレーザ光（加熱光）を照射すると、波長に依存した吸収率の相違に起因して上記したような温度分布が生じてしまう場合があった。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、加熱光であるレーザ光を被処理体の表面状態の均一な裏面より照射することにより、被処理体を短時間で、且つ面内温度が均一な状態で加熱することができると共に、エネルギー変換効率も高くして省エネルギーに寄与することが可能なアニール装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、被処理体に対してアニール処理を施すアニール装置において、前記被処理体が収容される処理容器と、前記処理容器内で前記被処理体を支持する支持手段と、前記処理容器内へ処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内の雰囲気を排気する排気手段と、前記被処理体の裏面全体に向けて加熱光を照射する複数のレーザ素子を有する裏面側加熱手段と、を備えたことを特徴とするアニール装置である。

このように、被処理体に対してアニール処理を施すアニール装置において、被処理体の裏面全体に向けて加熱光を照射する複数のレーザ素子を有する裏面側加熱手段を設けて、加熱光であるレーザ光を被処理体の表面状態の均一な裏面より照射することにより、被処理体を短時間で、且つ面内温度が均一な状態で加熱することができると共に、エネルギー変換効率も高くして省エネルギーに寄与することができる。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数のレーザ素子は、前記被処理体の少なくとも裏面全体をカバーできる大きさの領域に亘って配置されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記レーザ素子は、半導体レーザ素子、固体レーザ素子又は気体レーザ素子よりなることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記レーザ素子が発生する前記加熱光は、シリコン基板を選択的に加熱することができる波長帯域になされていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記支持手段と前記裏面側加熱手段の内のいずれか一方は、回転可能に支持されると共に、これを回転させる回転機構を有していることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、前記裏面側加熱手段に対向して配置されて前記被処理体の表面に向けて加熱光を照射する表面側加熱手段を有していることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発明において、前記表面側加熱手段は、前記被処理体の少なくとも表面全体をカバーできる大きさの領域に亘って配置されている複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子又はＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）素子を有することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発明おいて、前記裏面側加熱手段と前記表面側加熱手段の内の少なくともいずれか一方には、冷媒により冷却を行う冷却機構が設けられていることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記冷却機構は、前記冷媒を流すための冷媒通路を有しており、前記冷媒通路は、冷媒入口から冷媒出口に向けてその流路断面積が順次小さくなるように設定されていることを特徴とする。
このように、冷媒入口から冷媒出口に向けて冷媒通路の流路面積が順次小さくなるように設定することにより、冷媒が冷却対象物から奪う冷媒通路の単位長さ当たりの熱量が一定となり、この結果、冷媒通路の長さ方向に沿って冷却対象物の温度を均一化させることが可能となる。

請求項１０の発明は、請求項９の発明において、前記冷媒通路の幅は一定であり、前記冷媒通路の高さは、前記冷媒の流量、前記冷媒の比熱、前記冷媒の密度及び前記冷媒入口からの距離に基づいて定められることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、前記冷媒通路の高さｆ（ｘ）は、次の式で与えられることを特徴とする。
ｆ（ｘ）＝Ａ^２ ・（Ｔｏ−Ｔ（ｘ））^２ ／（Ｑ・ｃｐ^２ ・ρ^２ ・（Ｔ’（ｘ））^２ ）
Ａ：熱伝達率を求める際の定数
Ｑ：冷媒の流量
ｃｐ：冷媒の比熱
ρ：冷媒の密度
ｘ：冷媒入口からの距離
Ｔ（ｘ）：距離ｘの時の冷媒の温度（関数）
Ｔ’（ｘ）：関数Ｔ（ｘ）の微分
Ｔｏ：目標とする温度

請求項１２の発明は、請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の発明において、前記冷却機構には、冷却を促進させる複数のヒートパイプが設けられていることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発明において、前記裏面側加熱手段には、反射面が形成されていることを特徴とする。

本発明に係るアニール処理によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体に対してアニール処理を施すアニール装置において、被処理体の裏面全体に向けて加熱光を照射する複数のレーザ素子を有する裏面側加熱手段を設けて、加熱光であるレーザ光を被処理体の表面状態の均一な裏面より照射することにより、被処理体を短時間で、且つ面内温度が均一な状態で加熱することができると共に、エネルギー変換効率も高くして省エネルギーに寄与することができる。

特に請求項７に係る発明によれば、表面側加熱手段としてＬＥＤ素子やＳＬＤ素子を用いれば、被処理体の表面側から発光波長に幅のある加熱光を照射することができるので、被処理体の表面状態に依存することなく、更に短時間で且つ面内温度が均一な状態で加熱することができる。
特に請求項９に係る発明によれば、冷媒入口から冷媒出口に向けて冷媒通路の流路面積が順次小さくなるように設定することにより、冷媒が冷却対象物から奪う冷媒通路の単位長さ当たりの熱量が一定となり、この結果、冷媒通路の長さ方向に沿って冷却対象物の温度を均一化させることができる。

以下に、本発明に係るアニール装置の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るアニール装置の概略構成を示す断面図、図２は表面側加熱手段の表面（下面）を示す平面図、図３は表面側加熱手段の一部である図１中のＡ部を示す拡大断面図、図４は裏面側加熱手段の表面（上面）を示す平面図、図５は半導体レーザ素子の発光状態を説明する拡大説明図、図６はレーザ素子からのレーザ光（加熱光）の照射状態を示す模式図である。ここでは、被処理体として例えばシリコン基板よりなる半導体ウエハを用い、表面に不純物が注入されたこのウエハをアニールする場合を例にとって説明する。

図１に示すように、このアニール装置２は、アルミニウム或いはアルミニウム合金により、内部が中空状になされた処理容器４を有している。この処理容器４は、筒体状の側壁４Ａと、この側壁上端部に接合された天井板４Ｂと、側壁の底部に接合された底板４Ｃとにより構成されている。この側壁４Ａには、被処理体である半導体ウエハＷを搬出入できる大きさの搬出入口６が形成されており、この搬出入口６には開閉可能になされたゲートバルブ８が取り付けられている。

また上記処理容器４内には、上記ウエハＷを支持する支持手段１０が設けられている。この支持手段１０は、複数本、例えば３本の支持ピン１２（図１中では２本のみ記す）と、これらの支持ピン１２の下端部に連結される昇降アーム１４を有しており、この各昇降アーム１４は図示しないアクチュエータにより昇降できるようになっている。これにより、上記支持ピン１２の上端部にウエハＷを支持させた状態で、全体を昇降できるようになっている。

また、上記天井板４Ｂの周辺部の一部には、ガス供給手段１６が形成されている。このガス供給手段１６は、上記天井板４Ｂに形成されたガス導入口１８と、このガス導入口１８に連結されたガス管２０とよりなり、この処理容器４内へ必要な処理ガスを図示しない流量制御器により流量制御しつつ導入できるようになっている。ここでは処理ガスとしてＮ_２ ガスやＡｒ、Ｈｅ等の希ガスを用いることができる。そして、この天井板４Ｂには、これを冷却する冷媒を流す上側冷媒通路１９が形成されている。

また上記底板４Ｃの周辺部の一部には、ガス排気口２２が形成されており、このガス排気口２２には、上記処理容器４内の雰囲気を排気する排気手段２４が設けられる。この排気手段２４は、上記ガス排気口２２に接続されたガス排気管２６を有しており、このガス排気管２６には、圧力調整弁２８及び排気ポンプ３０が順次介設されている。また、この底板４Ｃには、これを冷却する冷媒を流す下側冷媒通路３１が形成されている。

そして、上記天井板４Ｂの中央には、大口径の開口が形成されると共に、この開口に表面側加熱手段３２が設けられ、ウエハＷの表面（上面）を加熱するようになっている。また、上記底板４Ｃの中央部には、大口径の開口が形成されると共に、この開口に上記表面側加熱手段３２に対向させるようにして本発明の特徴とする裏面側加熱手段３４が設けられ、ウエハＷの裏面（下面）を加熱するようになっている。ここでウエハＷの表面とは、成膜やエッチング等の各種の処理が施される側の面を指す。また、上記裏面側加熱手段３４の加熱量が十分に大きい場合には、上記表面側加熱手段３２を設けないで省略することもできる。

＜表面側加熱手段の説明＞
次に、上記表面側加熱手段３２について説明する。この表面側加熱手段３２は、上記天井板４Ｂの開口に、僅かな隙間を隔てて嵌め込まれる素子取付ヘッド３６を有している。この素子取付ヘッド３６は、アルミニウムやアルミニウム合金等の熱伝導性の高い材料により形成されている。この素子取付ヘッド３６は、その上側に形成した円形リング状の取付フランジ３６Ａの部分で、上記天井板４Ｂとの間にポリエーテルイミド等よりなる熱絶縁体３８を介在させて支持されている。

また、この熱絶縁体３８の上下側にはＯリング等よりなるシール材４０が介設されており、この部分の気密性を保持するようになっている。そして、この素子取付ヘッド３６の下面には、ウエハＷの直径よりも少し大きくなされた直径の素子取付凹部４２が形成されていると共に、この素子取付凹部４２の平面部分に、上記ウエハＷの少なくとも表面全体をカバーできる大きさの領域に亘って複数のＬＥＤモジュール４４が設けられている。また上記素子取付凹部４２の開口部分には、例えば石英板よりなる光透過板４５が取り付けられている。

図２（Ａ）に示すように、上記ＬＥＤモジュール４４は、ここでは例えば一辺が２５ｍｍ程度の正六角形状になされており、隣り合う辺が略接するような状態まで互いに接近させて密集させて配置されている。このＬＥＤモジュール４４の数は、ウエハＷの直径が３００ｍｍの場合には、例えば８０個程度設けられる。そして、図２（Ｂ）は１つのＬＥＤモジュールの拡大平面図を示しており、図２（Ｂ）及び図３に示すように上記各ＬＥＤモジュール４４は、その表面に多数のＬＥＤ素子４６を縦横に配列して構成されている。この場合、各ＬＥＤ素子４６の寸法は、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度であり、１台のＬＥＤモジュール４４に１０００〜２０００個程度のＬＥＤ素子４６が搭載されている。このＬＥＤ素子４６は、１つのＬＥＤモジュール４４内で複数にグループ分けされ、その同一グループ内のＬＥＤ素子４６同士は直列接続されている。

そして、ＬＥＤモジュール４４の上方には、上側冷却機構４８が設けられている。この上側冷却機構４８は、上記素子取付ヘッド３６内に設けた断面矩形状の冷媒通路５０を有しており、この冷媒通路５０の一端の冷媒入口５１には、冷媒導入管５０Ａが接続されると共に、他端の冷媒出口５３には冷媒排出管５０Ｂが接続されており、ここに冷媒を流して上記ＬＥＤモジュール４４より発生した熱を奪うことによって冷却し得るようになっている。この冷媒としては、フロリナートやガルデン（商品名）等を用いることができる。また、この冷媒通路５０は、素子取付ヘッド３６の略全面に亘って、例えば蛇行状に折り返すようにして形成されており、上記ＬＥＤモジュール４４の上面側から熱を奪ってこれを冷却するようになっている。

そして、図３にも示すように、上記各冷媒通路５０の両側壁部分には、上下方向に延びるコ字状になされたヒートパイプ５２が埋め込むようにして設けられており、上記ＬＥＤモジュール４４を効率的に冷却し得るようになっている。

更に、上記天井板４Ｂの上方には、給電用の制御ボックス５４が設けられ、ここには各ＬＥＤモジュール４４に対応した制御ボード５６が設けられている。そして、この制御ボード５６からは各ＬＥＤモジュール４４に対して給電線５８が延びており、上記各ＬＥＤモジュール４４に電力を供給できるようになっている。

＜裏面側加熱手段の説明＞
次に、上記裏面側加熱手段３４について説明する。まず、上記底板４Ｃの開口には、例えば透明な石英ガラス板よりなる厚い光透過板６２がＯリング等のシール部材６４を介して固定具６６により気密に取り付けられており、上記裏面側加熱手段３４は、上記光透過板６２の下方に配置された複数のレーザモジュール６０を有している。具体的には、上記底板４Ｃの開口に設けた光透過板６２の下方を覆うようにしてレーザ取付ケーシング６１が取り付けられており、このレーザ取付ケーシング６１に上記複数のレーザモジュール６０を取り付け固定している。

このレーザモジュール６０は、図４にも示すようにウエハＷの少なくとも裏面全体をカバーできる大きさの領域の全面に亘って略均等に分散させて配置されている。この場合、１つのレーザモジュール６０の寸法は、例えば５０ｍｍ×６０ｍｍ×２５ｍｍ程度の大きさに設定されており、上記ＬＥＤモジュール４４と比較するとかなり大きく、且つ１つのレーザモジュール６０の出力も大きいので、ＬＥＤモジュール４４のように密集させて設ける必要はない。

従って、ここではウエハＷの直径が３００ｍｍの場合にはレーザモジュール６０は５０〜１００個程度設けている。各レーザモジュール６０は１つのレーザ素子６８と冷却機構としての冷却部７０を有している。従って、上記レーザ素子６８はウエハＷの裏面全体をカバーできる大きさの領域に亘って配置されていることになる。上記レーザ素子６８は、図５に示すように２つの電極に挟まれてサンドイッチ状態になされた発光層７２を有しており、この発光層７２から射出されるレーザ光、すなわち加熱光Ｌ１の照射エリア７４は発光層７２の延在方向に対して垂直な方向に長軸を持つ楕円形となる。

この場合、加熱光Ｌ１の長軸方向への広がり角度は３０〜５０度程度であり、短軸方向への広がり角度は１０度以下である。従って、ウエハＷの裏面に対して面内均一に加熱するためには図６に示すように上記楕円形の照射エリア７４の長軸方向がウエハＷの半径方向になるように設定するのがよい。このレーザ素子６８の発光波長は、紫外光〜近赤外光の範囲、例えば３６０〜１０００ｎｍの範囲内の特定の波長、特に、シリコン基板のウエハＷに体する吸収率が高い８００〜９７０ｎｍの範囲内の特定の波長（単色光）を用いるのがよい。上記レーザ素子６８としては、例えばＧａＡｓを用いた半導体レーザ素子を用いることができる。ここで図４に示すレーザモジュール６０の配列は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されない。

図１に戻って、上記レーザモジュール６０の各レーザ素子６８へは、給電ライン７６が接続されており、給電を行うようになっている。また、上記レーザモジュール６０の各冷却部７０は、互いに冷媒通路７８で直列に接続されている。そして、最上流側の冷却部７０には冷媒導入管８０が接続されると共に、最下流側の冷却部７０には冷媒排出管８２が接続されており、これに冷媒を流すことによってレーザモジュール６０を冷却するようになっている。この冷媒としては、水やフロリナートやガルデン（商品名）を用いることができる。

また、上記レーザ取付ケーシング６１の内側面には、表面処理等が施された反射面８４が形成されており、ウエハＷの裏面側より反射してくる加熱光を、再度、上方に向けて反射するようになっている。尚、ここではレーザ素子６８と冷却部７０とが一体化されたレーザモジュール６０を設けた場合を例にとって説明しているが、両者を分離して別々に設けるようにした構造としてもよい。

このように形成されたアニール装置２の動作全体の制御、例えばプロセス温度、プロセス圧力、ガス流量、表面側加熱手段３２や裏面側加熱手段３４のオン・オフ等の各種制御は、例えばコンピュータよりなる制御部８６により行われ、この制御に必要なコンピュータに読み取り可能なプログラムは記憶媒体８８に記憶されている。この記憶媒体８８としては、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等が用いられる。

次に、以上のように構成されたアニール装置２を用いて行われるアニール処理について説明する。まず、図示しない搬送機構により、予め減圧雰囲気になされた図示しないロードロック室やトランスファチャンバ室等から、開放されたゲートバルブ８を介して例えばシリコン基板よりなる半導体ウエハＷを、予め減圧雰囲気になされた処理容器４内へ搬入する。

このウエハＷの表面には、前述したようなアモルファスシリコンやメタルや酸化膜等が形成されており、加熱光の波長によって異なる吸収率を有する各種の微細領域が形成された表面状態となっている。この搬入されたウエハＷは、昇降アーム１４を昇降駆動させることによって上記昇降アーム１４に設けた支持ピン１２上に移載されることになり、上記搬送機構を退避させた後に、上記ゲートバルブ８を閉じることによって、処理容器４内を密閉する。

次に、ガス供給手段１６のガス管２０より流量制御しつつ処理ガス、ここでは例えばＮ_２ ガスやＡｒガス等を流し、この処理容器４内を所定の圧力に維持する。これと同時に、天井板４Ｂに設けた上記表面側加熱手段３２及び底板４Ｃに設けた上記裏面側加熱手段３４を共にオン状態として、表面側加熱手段３２のＬＥＤ素子４６及び裏面側加熱手段３４のレーザ素子６８を共に点灯してそれぞれから加熱光を照射し、ウエハＷを上下の両面より加熱してアニール処理する。この場合のプロセス圧力は例えば１００〜１００００Ｐａ程度、プロセス温度（ウエハ温度）は例えば８００〜１１００℃程度であり、ＬＥＤ素子４６及びレーザ素子６８の点灯時間はそれぞれ１〜１０ｓｅｃ程度である。

これにより、ウエハＷの表面（上面）は、各ＬＥＤ素子４６より放射される発光波長にある程度の幅を有する加熱光により照射されるので、ウエハＷの表面状態に依存することなく、ウエハＷの表面側を面内温度が略均一になるように加熱することができる。

また、ウエハＷの裏面（下面）には、各レーザ素子６８より単色光の加熱光が放射され、この放射光によりウエハＷの裏面には、図６に示すように楕円形状の照射エリア７４がウエハの裏面全体に略均等になるように分散された状態で形成されることになる。この場合、上述のようにこのレーザ素子６８から照射される加熱光Ｌ１（図５参照）は単色光であるが、上記ウエハＷの裏面は、この場合ではシリコン面で均一な状態となっており、しかも、加熱光Ｌ１の波長はシリコンに対して吸収率の高い波長、例えば３６０〜１０００ｎｍの範囲内の特定波長、より好ましくは８００〜９７０ｎｍの範囲内の特定波長に設定されているので、このウエハの裏面側を面内温度が略均一になるように加熱することができる。従って、ウエハＷを表面側から及び裏面側から面内温度の均一性が高い状態でそれぞれ均等に、且つ短時間で迅速に加熱することができる。

また、裏面側加熱手段３４に用いたレーザ素子６８（光変換効率：例えば４０〜５０％）は、表面側加熱手段３２に用いたＬＥＤ素子４６（光変換効率：例えば１０〜３０％）よりもエネルギー変換効率が高いので、裏面側加熱手段としてＬＥＤ素子を用いた場合よりも省エネルギーに寄与することができる。

更には、表面側加熱手段３２と裏面側加熱手段３４とによりウエハＷの表裏（上下）の両面側から加熱するようにしたので、ウエハＷの厚み方向に温度分布がほとんど生ずることがなく、ウエハＷに表裏面の温度差に起因する反り返り等が発生することを防止することができる。

また、表面側加熱手段３２において発生する多量の熱により、素子取付ヘッド３６は加熱されるが、この素子取付ヘッド３６に設けた上側冷却機構４８の冷媒通路５０に冷媒を流すことにより、これを効率的に冷却することができる。また、この場合、この冷媒通路５０の高さ方向に沿って、図１及び図３に示すようにヒートパイプ５２を設けているので、この部分における熱変換効率が上昇し、その分、上記素子取付ヘッド３６の冷却効率を更に上げることができる。例えば素子取付ヘッド３６の素材として銅を用いた場合は、熱伝導率は３００〜３５０Ｗ／ｍ・ｄｅｇなのに対して、ヒートパイプ５２を設けることによって熱伝導率を４００〜６００Ｗ／ｍ・ｄｅｇまで向上させることができる。

また同様に、裏面側加熱手段３４においても多量に熱が発生してレーザ素子６８は加熱されるが、各レーザモジュール６０に設けた冷却機構としての冷却部７０に冷媒を流すことにより、上記発生した熱は排出されるので、上記各レーザ素子６８を効率的に冷却することができる。

尚、ここでは表面側加熱手段３２と裏面側加熱手段３４の両方を設けているが、前述したように、上記表面側加熱手段３２を設けないで、裏面側加熱手段３４のみを設けてもよい。この場合には、両加熱手段３２、３４を設けた場合よりも昇温速度は少し低下するが、この場合にも、ウエハＷの全体をその面内温度の均一性が高い状態で迅速に加熱することができる。

このように、被処理体、例えば半導体ウエハＷに対してアニール処理を施すアニール装置において、被処理体の裏面全体に向けて加熱光を照射する複数のレーザ素子６８を有する裏面側加熱手段３４を設けて、加熱光Ｌ１であるレーザ光を被処理体の表面状態の均一な裏面より照射することにより、被処理体を短時間で、且つ面内温度が均一な状態で加熱することができると共に、エネルギー変換効率も高くして省エネルギーに寄与することができる。

＜ヒートパイプの変形例＞
上記実施形態では、素子取付ヘッド３６に設けたヒートパイプ５２は、図３にも示すように、冷媒通路５０の外側に完全に埋め込むようにして設けたが、これに限定されず、図７に示すように構成してもよい。図７は素子取付ヘッドの上側冷却機構の内の１つの冷媒通路を示す拡大斜視である。

ここでは、コ字状に成形されているヒートパイプ５２の上端部を上記冷媒通路５０内の上部に露出させて設けるようにしている。そして、このようなヒートパイプ５２を、上記冷媒通路５０の流れ方向に沿って略等ピッチで複数（多数）個配列させている。これによれば、上記ヒートパイプ５２の上端部が、冷媒と直接的に接することになるので、冷却のための熱交換率を更に良好にでき、その分、冷却効率を高めることができる。

＜変形実施形態＞
次に、本発明のアニール装置の変形実施形態について説明する。先の実施形態では、半導体ウエハＷの裏面に照射される照射エリア７４の位置は固定的になっており、従って、ウエハＷの面内方向に僅かに温度分布が生ずる恐れがある。そこで、この変形実施形態では、上記照射エリア７４が相対的に移動できるように構成して、面内方向におけるウエハ温度の均一性を更に向上させるようにしている。図８はこのような本発明のアニール装置の変形実施形態の支持手段を含む処理容器の下部を示す部分構成図である。図８では図１に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。

上記照射エリア７４を相対的に移動させるために、ここでは半導体ウエハＷを支持する支持手段１０を回転機構８９に取り付けて、これを回転させるようにしている。すなわち、ここではウエハＷを支持する支持手段１０は、回転機構８９の一部を構成する回転浮上体９０と一体的に構成している。上記支持手段１０の各昇降アーム１４の基端部は、リング状の固定部材９２に取り付け固定されている。そして、上記回転浮上体９０は、上下方向に延びる複数の短冊状の支柱９３を、その周方向に沿って等ピッチでリング状に配置し、これらの上端側を筒体状の浮上側上部強磁性体９４に連結し、更に、上記各支柱９３の下端側を円形リング状の浮上側下部強磁性体９６に連結して構成されている。

そして、上記円形リング状の浮上側下部強磁性体９６は、水平方向へフランジ状に延びている。また、上記浮上側上部強磁性体９４に上記固定部材９２を接続しており、これにより、後述するようにこの回転浮上体９０を上下方向へ浮上させた状態で上下動させることにより、ウエハＷを支持する支持ピン１２を昇降できるようになっている。

そして、上記処理容器４の下部の底板４Ｃには、上記回転浮上体９０を収容して上下方向へ所定のストローク量だけ昇降できる大きさの空間が内部に形成された２重円筒体構造の浮上用収容部９８が連結されている。この浮上用収容部９８の下部は、内部に上記浮上側下部強磁性体９６を収容して、この上下動を許容できる大きさの水平収容部１００となっている。

そして、上記水平収容部１００を区画する上側区画壁１００Ａの上面側に、その周方向によって浮上用電磁石アッセンブリ１０２が所定のピッチで複数個配列されている。また、この上側区画壁１００Ａの下面側に強磁性体１０４が取り付けられている。また、上記水平収容部１００を区画する下側区画壁１００Ｂの内面側（上面側）には、上記強磁性体１０４との間で上記浮上側下部強磁性体９６を間に挟んで垂直位置センサ１０６が取り付けられている。

これにより、上記垂直位置センサ１０６により上記浮上側下部強磁性体９６の高さ位置を検出しつつ上記浮上用電磁石アッセンブリ１０２の電磁力を調整することにより、この支持手段１０を任意の高さに設定することができるようになっている。この場合、上記垂直位置センサ１０６は周方向に沿って複数個設けられており、回転浮上体９０の傾きを防止するようになっている。

ここでは、上記回転浮上体９０が、底板側に接触した状態から例えば２ｍｍ浮上した位置を定位置として回転制御が行われ、更にこの定位置より例えば１０ｍｍ上昇した位置がウエハＷの受け渡しを行う移載位置となっている。

また上記浮上用収容部９８の外周壁９８Ａの外側には、回転用電磁石アッセンブリ１０８が、その周方向に沿って所定のピッチで複数個配列されている。また、この外周壁９８Ａの内側には、強磁性体１１０が取り付けられている。また上記浮上用収容部９８の内周壁９８Ｂの外側には、上記強磁性体１１０との間で、上記浮上側上部強磁性体９４を間に挟んで水平位置センサ１１２が取り付けられている。これにより、水平位置センサ１１２により浮上側上部強磁性体９４の位置を検出しつつ上記回転用電磁石アッセンブリ１０８に回転磁界を加えることにより、上記回転浮上体９０を定位置に位置させつつ回転させることができるようになっている。

このように、上記回転浮上体９０上に上記ウエハＷを支持させた状態で、これを回転させることができるので、図６に示すようなウエハＷの裏面に照射される楕円形状の照射エリア７４は、ウエハＷの周方向へ相対的に回転することになるので、ウエハＷの面内温度の均一性を一層向上させることができる。

また、このようにウエハＷを回転させることにより、処理容器４の内壁面の周方向における熱的コンディションの不均一性をキャンセルすることができるので、この点からもウエハＷの面内温度の均一性を更に向上させることができる。上記回転機構８９の構成は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されるものではなく、例えば特開平２００２−２８０３１８号公報等に開示された回転機構を用いてもよい。更には、ここでは半導体ウエハＷ側を回転させるようにしたが、これに替えて、裏面側加熱手段３４側を回転させるようにしてもよい。

＜冷却機構の変形例＞
前述した上側冷却機構４８にあっては、その冷媒通路５０に冷媒を流すことによってＬＥＤモジュール４４の上面側から熱を奪って、これを冷却するようにしているが、この場合、冷媒通路５０の断面矩形状の流路断面積は、冷媒通路５０の流れ方向に沿って一定となるように設定されており、このため冷媒入口に近い部分では、冷媒が冷却対象物であるＬＥＤモジュール４４側から熱を十分に奪って冷却が効率的に行われるが、冷媒が下流側に流下して行くに従って、冷却効率が少しずつ低下して行くことが考えられる。

このため、上記冷媒通路５０の流れ方向に沿って冷却効率が変化することになるので、冷却対象物であるＬＥＤモジュール４４の配列位置に応じて温度分布が生じて温度が不均一になる危惧があった。すなわち、冷媒通路５０の上流側に配列されたＬＥＤモジュール４４は効率的に冷却されるのに対して、下流側に配置されたＬＥＤモジュール４４は効率的に冷却されずに、ＬＥＤモジュール４４の全体で温度分布が生じる、といった危惧があった。

そこで、この冷却機構の変形例では、上記危惧を取り除くために、上記冷媒通路５０の冷媒入口５１から冷媒出口５３に向けてその流路断面積が順次小さくなるように設定しており、これにより冷媒通路５０の流れ方向に沿って冷却効率が一定になるようにして冷却対象物の全体の温度を一定に維持し、温度の不均一が生じないようにしている。

ここで、冷媒通路５０の流れ方向に沿って冷却効率を一定にして冷却対象物の温度を一定にするための原理について説明する。図９は冷媒通路の長さ方向における微小区間の冷媒の温度変化を求めるための模式図である。ここでは、本発明の理解を容易にするために冷媒通路の幅を一定（単位長＝１ｍ）とし、冷媒通路の高さを”ｆ（ｘ）”なる関数として表してシミュレーションを行っている。図９中において、横軸”ｘ”は、冷媒入口５１から冷媒出口５３に向かう距離を示し、縦軸”ｙ”は冷媒通路５０の高さ”ｆ（ｘ）”を示している。

そして、冷媒が流量”Ｑ”で冷媒入口５１より冷媒出口５３に向けて流れているものとする。そして、距離”ｘ”の位置における冷媒の温度を”Ｔ（ｘ）”として表している。ここでｘ軸に沿った冷媒通路５０の底面の温度がＴｏで一定となるような条件を満たせば、冷媒通路５０の流れ方向に沿って冷却対象物の温度を一定に維持できることになる。

まず、冷媒の熱伝達率ｈは以下の式１のように表され、温度変化がさほど無いと考えれば、冷媒の速度以外は定数Ａと置くことができ、速度のみの関数とみなせることになる。

ｈ＝０．６６４（ρ^１／２ ）（μ^−１／６）（ｃｐ^１／３ ）（ｋ^２／３ ）（Ｌ^−１／２）（ｕ^１／２ ）…（１）
ここで上記記号は以下の通りである。
ρ：冷媒の密度（ｋｇ／ｍ^３ ）
μ：冷媒の粘度（ｋｇ／ｍ・ｓｅｃ）
ｃｐ：冷媒の比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
ｋ：冷媒熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
Ｌ：冷却部長さ（ｍ）
ｕ：冷媒の速度（ｍ／ｓｅｃ）

また、下記のように定数Ａを定義する。
０．６６４（ρ^１／２ ）（μ^−１／６）（ｃｐ^１／３ ）（ｋ^２／３ ）（Ｌ^−１／２）＝Ａ（定数）
そして、図９中において、冷媒がΔｘだけ進んだ時に冷媒に流入する熱量を”Ｗ”とすると、以下の式２のように表される。

Ｗ＝｛Ｔ（ｘ＋Δｘ）−Ｔ（ｘ）｝・ｃｐ・ρ・Δｘ・ｆ（ｘ）
＝Ａ・Δｘ・（Ｔｏ−Ｔ（ｘ））・Δｔ√ｕ（ｘ）……（２）
ｃｐ：冷媒の比熱
ρ：冷媒の密度
ｕ（ｘ）：位置ｘの時の冷媒流速
Δｔ：冷媒がΔｘ進むのに要した時間
Ａ：熱伝達率を求める際の定数

ここで、Δｔ／Δｘ＝１／ｕ（ｘ）、ｕ（ｘ）＝Ｑ／ｆ（ｘ）として上記式をまとめると、以下の式３のようになる。
ｃｐ・ρ・（Ｔ（ｘ＋Δｘ）−Ｔ（ｘ））／Δｘ＝Ａ・（Ｔｏ−Ｔ（ｘ））／√（Ｑ・ｆ（ｘ））……（３）
上記式３を整理すると、以下の式４のようになる。
ｆ（ｘ）＝Ａ^２ ・（Ｔｏ−Ｔ（ｘ））^２ ／（Ｑ・ｃｐ^２ ・ρ^２ ・（Ｔ’（ｘ））^２ ）……（４）
尚、”Ｔ’（ｘ）＝（Ｔ（ｘ＋Δｘ）−Ｔ（ｘ））／Δｘ”である。

このように、冷媒通路５０の高さ関数ｆ（ｘ）は、冷媒の温度変化Ｔ（ｘ）に依存する形になる。換言すれば、温度変化を決定すれば、冷媒通路５０の高さも自ずと決定されることになる。

ここで、具体的な数値例を用いて、上記式４に代入すると、式５のようになる。具体的な数値例は以下の通りである。
冷媒流量Ｑ：２リットル／ｍｉｎ（＝２×１０^−３／６０ｍ^３ ／ｓｅｃ）
目標温度Ｔｏ：１００℃
冷媒通路の幅：１０ｍｍ
冷媒通路の長さ：５ｍ
媒体入口温度：−５０℃、媒体出口温度：−４０℃、温度変化は一次的に変化すると仮定すると、”Ｔ（ｘ）＝２・ｘ−５０”となる。
冷媒の比熱ｃｐ：１０００Ｊ／ｋｇ・Ｋ
冷媒の密度ρ：１８００ｋｇ／ｍ^３
定数Ａ：２３０
数値例の計算に当っては、単位及び冷媒通路の幅を考慮して、冷媒流量Ｑは単位［ｍ^３ ／ｓｅｃ］に換算して用い、前述のようにシミュレーションでは冷媒通路の幅は、単位長として１ｍ（＝１０００ｍｍ）に設定しているので、これを１０ｍｍの冷媒通路の幅に換算するためにｆ（ｘ）を１／１００倍する。

ｆ（ｘ）＝２３０^２ ・［１００−（２・ｘ−５０）］^２ ／［（２×１０^−３／６０）×１０００^２ ×１８００^２ ×２^２ ×１００］……（５）

ここで上記式５をグラフに表すと、図１０のようになる。すなわち、冷媒通路５０の冷媒入口５１では、冷媒通路５０の高さを２７．６ｍｍ程度に設定し、冷媒入口５１からの距離に従って、冷媒通路５０の高さを順次低くして流路断面積を小さくし、冷媒出口５３では冷媒通路５０の高さを２４ｍｍ程度に設定する。

この時の冷媒通路５０の断面形状の高さ変化の一例は、図１１に示すように示され、冷媒通路５０の高さが、下流側に行くに従って順次低くなっている。この場合、冷媒の流速は下流に行く程、次第に速くなっているのは勿論である。
このように、冷媒通路５０の高さを下流側に行くに従って順次低くなるように設定することにより（冷媒通路５０の幅が一定の場合）、冷媒通路５０の下面の温度を１０℃（＝Ｔｏ）に一定に維持できることが判る。

上記具体例では、冷媒通路５０の幅を一定にした場合について説明したが、冷媒通路５０の高さを一定にした場合には、冷媒通路５０の幅を順次小さくして流路断面積を次第に狭くすることになる。尚、上記数値例は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。

このように、冷媒入口５１から冷媒出口５３に向けて冷媒通路５０の流路面積が順次小さくなるように設定することにより、冷媒が冷却対象物、例えばＬＥＤモジュール４４から奪う冷媒通路５０の単位長さ当たりの熱量が一定となり、この結果、冷媒通路５０の長さ方向に沿って冷却対象物の温度を均一化させることが可能となる。

尚、上記レーザ素子６８として例えばＧａＡｓを用いた半導体レーザそしを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＹＡＧレーザ素子、ガーネットレーザ素子等の他の固体レーザ素子を用いることができるのは勿論のこと、他に気体レーザ素子も用いることができる。また、ここでは、表面側加熱手段３２としてＬＥＤ素子４６を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）素子を用いることができる。

また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明に係るアニール装置の概略構成を示す断面図である。 表面側加熱手段の表面（下面）を示す平面図である。 表面側加熱手段の一部である図１中のＡ部を示す拡大断面図である。 裏面側加熱手段の表面（上面）を示す平面図である。 半導体レーザ素子の発光状態を説明する拡大説明図である。 レーザ素子からのレーザ光（加熱光）の照射状態を示す模式図である。 素子取付ヘッドの上側冷却機構の内の１つの冷媒通路を示す拡大斜視である。 本発明のアニール装置の変形実施形態の支持手段を含む処理容器の下部を示す部分構成図である。 冷媒通路の長さ方向における微小区間の冷媒の温度変化を求めるための模式図である。 冷媒通路の高さ関数ｆ（ｘ）を示すグラフである。 冷媒通路の断面形状の高さ変化の一例を示す図である。

符号の説明

２ アニール装置
４ 処理容器
１０ 支持手段
１６ ガス供給手段
２４ 排気手段
３０ 排気ポンプ
３２ 表面側加熱手段
３４ 裏面側加熱手段
３６ 素子取付ヘッド
４４ ＬＥＤモジュール
４５ 光透過窓
４６ ＬＥＤ素子
４８ 上側冷却機構
５０ 冷媒通路
５１ 冷媒入口
５２ ヒートパイプ
５３ 冷媒出口
６０ レーザモジュール
６２ 光透過窓
６８ レーザ素子
７０ 冷却部（冷却機構）
７２ 発光層
７４ 照射エリア
８４ 反射面
８９ 回転機構
９０ 回転浮上体
１０２ 浮上用電磁石アッセンブリ
１０８ 回転用電磁石アッセンブリ
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (13)

1. 被処理体に対してアニール処理を施すアニール装置において、
   前記被処理体が収容される処理容器と、
   前記処理容器内で前記被処理体を支持する支持手段と、
   前記処理容器内へ処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記処理容器内の雰囲気を排気する排気手段と、
   前記被処理体の裏面全体に向けて加熱光を照射する複数のレーザ素子を有する裏面側加熱手段と、
   を備えたことを特徴とするアニール装置。
2. 前記複数のレーザ素子は、前記被処理体の少なくとも裏面全体をカバーできる大きさの領域に亘って配置されていることを特徴とする請求項１記載のアニール装置。
3. 前記レーザ素子は、半導体レーザ素子、固体レーザ素子又は気体レーザ素子よりなることを特徴とする請求項１又は２記載のアニール装置。
4. 前記レーザ素子が発生する前記加熱光は、シリコン基板を選択的に加熱することができる波長帯域になされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアニール装置。
5. 前記支持手段と前記裏面側加熱手段の内のいずれか一方は、回転可能に支持されると共に、これを回転させる回転機構を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアニール装置。
6. 前記裏面側加熱手段に対向して配置されて前記被処理体の表面に向けて加熱光を照射する表面側加熱手段を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアニール装置。
7. 前記表面側加熱手段は、前記被処理体の少なくとも表面全体をカバーできる大きさの領域に亘って配置されている複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子又はＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）素子を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアニール装置。
8. 前記裏面側加熱手段と前記表面側加熱手段の内の少なくともいずれか一方には、冷媒により冷却を行う冷却機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアニール装置。
9. 前記冷却機構は、前記冷媒を流すための冷媒通路を有しており、前記冷媒通路は、冷媒入口から冷媒出口に向けてその流路断面積が順次小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項８記載のアニール装置。
10. 前記冷媒通路の幅は一定であり、前記冷媒通路の高さは、前記冷媒の流量、前記冷媒の比熱、前記冷媒の密度及び前記冷媒入口からの距離に基づいて定められることを特徴とする請求項９記載のアニール装置。
11. 前記冷媒通路の高さｆ（ｘ）は、次の式で与えられることを特徴とする請求項１０記載のアニール装置。
    ｆ（ｘ）＝Ａ^２ ・（Ｔｏ−Ｔ（ｘ））^２ ／（Ｑ・ｃｐ^２ ・ρ^２ ・（Ｔ’（ｘ））^２ ）
    Ａ：熱伝達率を求める際の定数
    Ｑ：冷媒の流量
    ｃｐ：冷媒の比熱
    ρ：冷媒の密度
    ｘ：冷媒入口からの距離
    Ｔ（ｘ）：距離ｘの時の冷媒の温度（関数）
    Ｔ’（ｘ）：関数Ｔ（ｘ）の微分
    Ｔｏ：目標とする温度
12. 前記冷却機構には、冷却を促進させる複数のヒートパイプが設けられていることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載のアニール装置。
13. 前記裏面側加熱手段には、反射面が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のアニール装置。

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