退火装置的制作方法

专利名称：退火装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过向半导体晶片等照射来自LED等发光元件的光而进行退火的退 火装置。
背景技术：
在半导体设备的制造中，对于作为被处理基板的半导体晶片(以下简单记为晶 片)，存在成膜处理、氧化扩散处理、改性处理、退火处理等各种热处理，伴随着半导体设备 的高速化、高集成化的要求，特别是离子注入以后的退火，为了将扩散抑制在最小限度，希 望以更高的速度升降温。作为能够进行这种高速升降温的退火装置，提出了使用LED (发光 二极管)作为加热源的装置(例如日本特表2005-536045号公报)。但是，在使用LED作为上述退火装置的加热源的情况下，对应于急速加热，需要产 生大量的光能，因此要求高密度地安装LED。然而，已知LED在由于热引起升温时，发光量下降，由于高密度安装LED，如果LED 自身的发热(投入能量中，没有作为光取出的部分)等的影响增大，则不能从LED得到足够 的发光量。因此，考虑对LED进行冷却，抑制由于热引起的发光量的下降，但是为了有效地 冷却高密度安装的LED，需要相当大的冷却机构，维护性成为问题。另外，来自LED的光不仅从与希望加热的晶片相对的面射出，还从侧面射出，而 且，LED的形状的一边长度为0. 3 Imm左右、厚度为0. 2mm左右，4个侧面的面积比与晶片 相对的面的面积大，因此光的取出效率不能不降低。专利文献1 日本特表2005-536045号公报

发明内容
本发明的目的在于提供一种使用LED等发光元件作为加热源的退火装置，能够不 使维护性降低地有效地冷却发光元件。另外，本发明的其它目的在于提供一种能够效率良好地取出从LED等发光元件射 出的光的退火装置。根据本发明的第1观点，提供一种退火装置，其具备收容被处理体的处理室；面 向被处理体的至少一个面设置、具有向被处理体照射光的多个发光元件的加热源；与上述 加热源相对应设置，使来自上述发光元件的光透过的光透射部件；支撑上述光透射部件的 与上述处理室相反的一侧、以与上述加热源直接接触的方式设置的Al或Al合金制的冷却 部件；利用冷却介质对上述冷却部件进行冷却的冷却机构；对上述处理室内进行排气的排 气机构；和向上述处理室内供给处理气体的处理气体供给机构。上述加热源具备多个发光 元件阵列，该发光元件阵列包括利用高热传导性的粘合材料将上述多个发光元件安装在 表面上的高热传导性绝缘材料构成的支撑体、和利用高热传导性的粘合材料粘合在上述支 撑体的背面侧的Cu制的热扩散部件，这些部件单元化，上述发光元件阵列通过高热传导性 粘合材料固定在上述冷却部件上。
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根据这样的本发明的第1观点，由Al或Al合金构成冷却部件，实现冷却部件的轻 量化，并且使用Cu作为热扩散部件，利用高热传导性的粘合材料将发光元件安装在支撑体 上，利用高热传导性的粘合材料将上述支撑体的背面粘合在热扩散部件上，利用高热传导 性膏将发光元件阵列的热扩散部件侧固定在上述冷却部件上，从而尽量降低粘合部分的热 阻，使热传导性良好，因此能够在热扩散部件中迅速地蓄积冷热，能够利用该蓄积的冷热充 分地冷却LED。因此，能够维持良好的维护性，并且有效地冷却发光元件。在上述第1观点中，作为将上述支撑体与上述热扩散部件粘合的粘合材料，可以 使用焊料。另外，作为同样将上述支撑体与上述热扩散部件粘合的粘合材料，可以使用碳 片，该碳片通过多个气相成长碳纤维在热塑性树脂构成的基本树脂中沿着厚度方向取向而 成。这种情况下，上述气相成长碳纤维优选具有碳纳米管构造。根据本发明的第2观点，提供一种退火装置，其具备收容被处理体的处理室；面 向被处理体的至少一个面设置、具有向被处理体照射光的多个发光元件的加热源；与上述 加热源相对应设置，使来自上述发光元件的光透过的光透射部件；支撑上述光透射部件的 与上述处理室相反的一侧、以与上述加热源直接接触的方式设置的Al或Al合金制的冷却 部件；利用冷却介质对上述冷却部件进行冷却的冷却机构；对上述处理室内进行排气的排 气机构；和向上述处理室内供给处理气体的处理气体供给机构。上述加热源具备多个发光 元件阵列，该发光元件阵列包括利用高热传导性的粘合材料将上述多个发光元件安装在 表面上的高热传导性绝缘材料制的支撑体、和粘合在上述支撑体的背面侧的热解石墨制的 热扩散部件，这些部件单元化，上述发光元件阵列通过高热传导性粘合材料固定在上述冷 却部件上，并且，构成上述热扩散部件的热解石墨以厚度方向为高热传导性方向的方式粘 合到上述支撑体的背面侧。根据本发明的第2观点，通过由重量轻的Al或Al合金构成冷却部件，作为热扩散 部件，使用重量轻而且具有热传导性极高的高热传导性方向的热解石墨，以其厚度方向为 高热传导性方向的方式粘合到上述支撑体的背面侧，利用高热传导性的粘合材料将发光元 件安装在支撑体上，并且利用高热传导性膏将发光元件阵列的热扩散部件侧旋紧固定在上 述冷却部件上，因此从冷却部件至发光元件的冷热移动的路径的热传导性极高，能够在热 扩散部件中迅速地蓄积冷热，能够利用该蓄积的冷热充分地冷却发光元件。因此，能够维持 良好的维护性，并且有效地冷却发光元件。在上述第2观点中，上述热扩散部件与上述支撑体可以利用环氧树脂粘合。在上述第1和第2观点中，上述支撑体可以为AlN制。另外，在上述冷却部件与上 述光透射部件之间具有空间，可以采用在上述空间中设置上述加热源的结构。还可以为进 一步具有供电部件的结构，该供电部件经由上述冷却部件与上述供电电极连接、从电源向 供电电极供电。作为安装上述发光元件的高热传导性的粘合材料，适合使用银膏，也可以使用焊 料。上述发光元件可以为通过上述粘合材料粘合在形成于上述高热传导性绝缘材料上的电 极上的结构。这种情况下，能够形成在上述发光元件与上述电极之间形成包含上述粘合材 料的多个层、具有热应力缓和构造的结构。作为这种结构，可以列举在上述发光元件与上述 粘合材料之间具有1层或2层以上的热应力缓和层的结构，优选列举上述粘合材料是焊料、 上述热应力缓和层由具有上述发光元件与上述焊料之间的线膨胀系数的材料形成的结构。
另外，存在于上述冷却部件与上述热扩散部件之间的高热传导性粘合材料优选硅 润滑油。根据本发明的第3观点，提供一种退火装置，其具备收容被处理体的处理室；在 上述处理室内支撑被处理体的支撑部件；面向上述支撑部件上的被处理体的至少一个面设 置、具有向被处理体照射光的多个发光元件的加热源；与上述加热源相对应设置，使来自上 述发光元件的光透过的光透射部件；对上述处理室内进行排气的排气机构；和向上述处理 室内供给处理气体的处理气体供给机构。上述加热源为在支撑体上朝向被处理体一侧安装 有多个发光元件的构成，在上述支撑体的上述发光元件的安装面上形成反射层。根据本发明的第3观点，由于在支撑发光元件的支撑体的发光元件的安装面上设 置有反射层，能够有效地取出被支撑体反射的光，能够效率良好地取出从发光元件射出的 光。在上述第3观点中，优选上述反射层的反射率为0.8以上。另外，作为这样的反射 层，优选使用含有TiO2的白色层。并且，上述反射层的厚度优选为0.8μπι以上。并且，优 选形成上述发光元件各自分别由透镜层覆盖的结构。此外，可以形成上述透镜层由透明树 脂构成的结构，可以使上述透镜层呈半球形。优选上述支撑体被反射板包围。另外，优选充填配置多个上述支撑体，上述反射板 对于相邻的支撑体共用设置。并且，优选上述支撑体呈六边形，在其中的3条边上设置反射 板，在其它的3条边上未设置反射板，设置支撑体使其按照与1个支撑体的设置有反射板的 边邻接的其它支撑体的边上未设置反射板的方式配置。


图1是表示本发明一个实施方式的退火装置的示意结构的截面图。图2是放大表示图1的退火装置的加热源的截面图。图3是表示在LED与粘合材料之间设置有热应力缓和层的构造的截面图。图4是表示在LED与电极之间设置有粘合材料和热应力缓和层时的更理想的构造 的截面图。图5用于说明测定作为支撑体与热扩散部件的粘合材料使用的碳片的热阻的方法。图6表示测定作为碳片的热阻测定前提的、AlN板与铜板上部的温差以及铜板的 上部与下部的温差的图。图7用于说明测定作为支撑体与热扩散部件的粘合材料使用的焊料的热阻的方法。图8表示测定作为焊料的热阻测定前提的、AlN板与铜板上部的温差以及铜板的 上部与下部的温差的图。图9是放大表示图1的退火装置的向LED供电的部分的截面图。图10表示图1的退火装置的LED阵列。图11是表示图1的退火装置的加热源的底面图。图12表示在图1的退火装置中LED阵列及冷却部件的组装、以及LED阵列的安装顺序。
图13用于说明在LED中设置有透镜层以及反射层时的光的取出状态。图14表示有无反射层以及有无透镜层的光输出。图15表示反射层的厚度为15μπι、45μπι、85μπι时的光的波长与反射率的关系。图16是表示本发明其它实施方式的退火装置的加热源的截面图。图17Α用于说明用于形成热解石墨的热传导系数高的方向为厚度方向的热扩散 部件150的方法。图17Β用于说明用于形成热解石墨的热传导系数高的方向为厚度方向的热扩散 部件150的方法。图17C用于说明用了形成热解石墨的热传导系数高的方向为厚度方向的热扩散 部件150的方法。图18是表示热解石墨的热传导系数的测定所使用的样品的斜视图。图19用于说明热传导系数的测定方法。图20表示测定作为热解石墨的热传导系数的测定前提的、Al板的上部与下部的 温差以及热解石墨样品的上部与下部的温差的图。
具体实施例方式以下，参照

本发明的实施方式。这里，以用于对表面注入有杂质的晶片进 行退火的退火装置为例进行说明。图1是表示本发明一个实施方式的退火装置的示意结构的截面图，图2是放大表 示图1的退火装置的加热源的截面图，图3和图4表示LED的粘合部分的多个例子，图5是 放大表示图1的退火装置的向LED供电的部分的截面图。该退火装置100气密地构成，具备搬入晶片W的处理室1。处理室1具备配置晶片 W的圆柱形的退火处理部Ia和环形设置在退火处理部Ia外侧的气体扩散部lb。气体扩散 部Ib的高度比退火处理部Ia高，处理室1的截面呈H形。处理室1的气体扩散部Ib由腔 室2规定。在腔室2的上壁2a以及底壁2b上形成与退火处理部Ia相对应的圆形的孔3a、 3b，在这些孔3a、3b中分别嵌入高热传导性材料Al或者Al合金制的冷却部件4a、4b。冷却 部件4a、4b具有凸缘部5a、5b，凸缘部5a、5b隔着ULTEM等热绝缘体80由腔室2的上壁2a 以及底壁2b支撑。由于如后所述凸缘部5a、5b被冷却到例如-50°C或者其以下，因此为了 使来自腔室2的热的进入最小，设置热绝缘体80。在凸缘部5a、5b与热绝缘体80之间，以 及热绝缘体80与上壁2a以及底壁2b之间存在密封部件6，使它们之间密封。并且，冷却部 件4a、4b的暴露在大气中的部分用隔热材料包覆。在处理室1中，在退火处理部Ia内设置有将晶片W水平支撑的支撑部件7，该支撑 部件7在由未图示的升降机构交接晶片W时能够升降。另外，在腔室2的顶壁上，设置从未 图示的处理气体供给机构导入规定的处理气体的处理气体导入口 8，在该处理气体导入口 8上连接供给处理气体的处理气体配管9。另外，在腔室2的底壁上设置排气口 10，在排气 口 10上连接与未图示的排气装置相连的排气配管11。并且，在腔室2的侧壁设置有用于 进行晶片W对于腔室2的搬入搬出的搬入搬出口 12，该搬入搬出口 12能够由闸阀13而开 闭。在处理室1内设置用于测定被支撑在支撑部件7上的晶片W的温度的温度传感器14。 另外，温度传感器14连接到腔室2外侧的计测部15，从该计测部15向后述的过程控制器60输出温度检测信号。在冷却部件4a、4b的与由支撑部件7支撑的晶片W相对的面上，以与由支撑部件 7支撑的晶片W相对应的方式形成圆形的凹部16a、16b。而且，在凹部16a、16b内以直接接 触冷却部件4a、4b的方式配置搭载有发光二极管(LED)的加热源17a、17b。在冷却部件4a、4b的与晶片W相对向的面上，以覆盖凹部16a、16b的方式，旋紧光 透射部件18a、18b，该光透射部件18a、18b将来自在加热源17a、17b上搭载的LED的光透射 到晶片W —侧。光透射件18a、18b使用效率良好地透过从LED射出的光的材料，例如使用 石英。在冷却部件4a、4b设置有冷却介质流路21a、21b，在其中流通能够将冷却部件 4a、4b冷却到0°C以下例如-50°C左右的液态的冷却介质，例如氟类非活性液体(商品名 Fluorinert, Galden等)。在冷却部件4a、4b的冷却介质流路21a、21b上连接冷却介质供 给配管22a、22b和冷却介质排出配管23a、23b。由此，能够使冷却介质在冷却介质流路21a、 21b中循环，对冷却部件4a、4b进行冷却。其中，在腔室2中形成冷却水流路25，在其中流通常温的冷却水，由此，能够防止 腔室2的温度过度上升。如图2的放大图所示，加热源17a、17b具有多个LED阵列34，该LED阵列34包括 具有绝缘性的高热传导性材料典型的是AlN陶瓷制的支撑体32、在该支撑体32上经由电 极35支撑的多个LED33、粘合到支撑体32背面一侧的高热传导性材料Cu制的热扩散部件 50。在支撑体32上构图形成例如在铜上镀有金的导电性高的电极35，在电极35上利用导 电性的高热传导性的粘合材料56粘合LED33。作为粘合材料56，优选具有高热传导性而且容易处理的银膏。这里，银膏优选以环 氧树脂为主要成分的银膏，或者，在该部分的温度超过150°C的情况下，也可以使用以更具 有耐热性的硅树脂为主要成分的银膏。然而，银膏的线膨胀系数是70X 10_6/°C左右，比适宜作为LED33的材料使用的后 述的GaAs的线膨胀系数5. 7X 10_6/°C、构成电极35的铜的线膨胀系数17. 5X 10_6/°C都大， 因此如果使用银膏作为粘合材料，则在为了使LED33的输出为高输出而流通大电流时，可 能出现由于温度上升而产生热应力、由于粘合部剥离而导致破损的不理想状况。在可能出 现上述状况时，作为粘合材料56，更优选使用线膨胀系数小的材料。作为这样的材料，优选 焊料(PbSn)。虽然焊料与银膏相比处理性能稍差，但是线膨胀系数为24X10_6/°C左右，比 银膏小，接近构成电极35的铜的线膨胀系数。另外，在使用银膏的情况下，在使其固化时有 时需要加热到150°C左右，残余应力也成为问题，而在使用焊料的情况下，这样的问题也能 够消除。另外，作为消除上述热应力的问题的其它方法，优选将LED33与电极35之间制成 含有粘合材料56的多层构造，缓和热膨胀差。具体而言，如图3所示，由于LED33的热膨胀 系数小，因此优选在LED33与粘合材料56之间设置具有它们的线膨胀系数之间的线膨胀系 数的1层或者2层以上的热应力缓和层80。作为这种用于尽量减小热应力的具体构造，能够举出如图4所示，作为粘合材料 56使用线膨胀系数接近铜的线膨胀系数的焊料，并且作为热应力缓和层80，使用具有接近 构成LED33的典型材料GaAs的8. 9 X 10_6/°C的线膨胀系数的钼层81、以及具有接近焊料的14. 2X 10_6/°C的线膨胀系数的金层82的构造。钼层81、金层82例如能够通过溅射等薄膜 形成技术形成。比较将图4的构造作为模型时(情况A)LED33的界面上受到的应力与将没有使用 热应力缓和层80而使用银膏作为粘合材料56的构造作为模型时(情况B)的应力，通过应 力拟合求出。拟合的条件如下所述。其中，情况B是将情况A的钼层、金层以及焊料替换为 银膏的情况。<拟合条件>1.层厚LED(GaAs) :200ym钼层50μπι金层50μπι焊料层20μ mCu 电极层100 μ m银膏120 μ m2.钼层、金层的成膜方法溅射3.粘合条件焊料层粘合温度180°C (残余应力部分)银膏固化温度150°C (残余应力部分)4.模型1/4 模型5.温度LED上表面温度50°C铜电极下表面温度20°C其中，使用的物性值如表1所示。[表 1] 根据以上条件，使用Plasso Tech公司生产的“3GA”进行拟合的结果，关于LED界 面上产生的接触压，在仅使用银膏的情况下为480MPa，而图4构造的情况下为70MPa，可以 得到将在LED界面上产生的应力(接触压)抑制为1/6以下的结果。支撑体32和热扩散部件50通过高热传导性的粘合材料57粘合。作为高热传导 性的粘合材料57，能够使用可靠性高的焊料。另外，从降低热阻的观点出发，也能够使用热 传导系数高的银膏。从进一步降低热阻、得到高热传导性的观点出发，作为粘合材料57，优选使用在由 热塑性树脂构成的基本树脂中、多个气相成长碳纤维沿着厚度方向取向的碳片。作为热塑 性树脂，适宜使用聚酰胺。另外，气相成长碳纤维的直径优选为3. 5 10 μ m，充填率为7 75%，例如为40%。该气相成长碳纤维具有石墨构造，典型地具有碳纳米管构造，其长度方 向的热传导系数达到1900W/mK。因此，充填有这种气相成长碳纤维的碳片的整体的热传 导系数为1000 1900W/mK，极高，在充填有40%的气相成长碳纤维的情况下，例如显示出 750ff/mK的、纯铜的2倍左右的热传导性。作为这种碳片，可以列举Browne Technology公 司生产的ATTA HM-I0在使用这种碳片作为粘合材料57的情况下，通过加热到180°C左右 的温度，作为基本树脂的热塑性树脂例如聚酰胺软化，将支撑体32和热扩散部件50粘合。实际求取使用这种碳片作为粘合材料57时的热阻。为了比较，也求取使用了焊料 作为粘合材料57时的热阻。如图5所示，在加热器91与散热器92之间，安装用厚度100 μ m的碳片(Browne Technology公司生产的ATTAHM_1)95粘合相当于支撑体的厚度0. 6mm的AlN板93与相当 于热扩散部件的厚度IOmm的铜板94而得到的构造体，在AlN板93的1处和铜板94的上 部、下部2处的总计3处设置热电偶96，根据通过加热器91加热到42°C时的AlN板93与铜 板94上部的温差(温差A)以及铜板94的上部与下部的温差(温差B)求出碳片的热阻。 图6表示测定这些温差的图表。如图5中记载的那样，温差A是1.3°C，温差B是1.6°C。由 该温差A、B计算出的碳片的热阻为0. 16 [cm2 · K/W]，是极低的值。如图7所示，在加热器91与散热器92之间，安装用厚度100 μ m的焊料97粘合相 当于支撑体的厚度0. 6mm的AlN板93与相当于热扩散部件的厚度9mm的铜板94而得到的 构造体，与图5同样，根据温差A和温差B求出焊料的热阻。图8表示测定这些温差的图 表。如图7中记载的那样，温差A是1.9°C，温差B是0.4°C。由该温差A、B计算出的热阻 是 0. 95 [cm2 · K/W]。根据以上的结果可以确认，通过使用碳片作为粘合材料57，热阻为使用焊料时的 大约1/6，能够使LED33的冷却效率显著提高。其中，在该实验中使用的焊料是将粘合工艺中的温度、按压时的压力等最优化的 改良品，通常焊料的热阻是2. 3[cm2 · K/W]。因此，在这里使用的碳片的热阻是通常焊料热 阻的大约1/14。LED阵列34的背面一侧的热扩散部件50和冷却板4a(4b)，在它们之间存在高热 传导性的粘合材料58的状态下旋紧。作为粘合材料58，适宜使用硅润滑油。通过这样的结构，从冷却介质高效率地传递到热传导性高的冷却部件4a、4b的冷 热，经由整个表面接触的热传导性高的热扩散部件50、支撑体32和电极35到达LED33。即， 能够使在LED33中产生的热通过高热传导性的粘合材料56、电极35、支撑体32、高热传导性的粘合材料57、热扩散部件50、高热传导性的粘合材料58这样的热传导性良好的路径，极 其有效地释放到用冷却介质冷却的冷却部件4a、4b。1个LED33与相邻的LED33的电极35之间用金属线(wire) 36连接。另外，在支撑 体32的表面没有设置电极35的部分上设置例如含有TiO2的反射层59，能够反射从LED33 射出到支撑体32 —侧的光，有效地将其取出。反射层59的反射率优选为0. 8以上。在相邻的LED阵列34之间设置有反射板55，从而形成LED阵列34的整个周围被 反射板55包围的状态。作为反射板55，可以使用例如在Cu板上镀金的材料，能够反射朝向 横向的光，有效地将其取出。各个LED33由例如透明树脂构成的透镜层20覆盖。透镜层20具有将从LED33射 出的光取出的功能，也能够取出来自LED33侧面的光。该透镜层20的形状只要具有透镜功 能即可，没有特别限定，但是如果考虑制造的容易性以及效率，优选大致半球形。该透镜层 20的折射率在折射率高的LED33与折射率为1的空气之间，为了缓和由于从LED33向空气 中直接射出光而引起的全反射而设置。支撑体32与光透射部件18a、18b之间的空间被抽取真空，光透射部件18a、18b的 两侧(上表面和下表面)为真空状态。因此，与光透射部件18a、18b起到大气状态与真空 状态的隔离作用的情况相比，能够很薄地构成光透射部件18a、18b。在冷却部件4a的上方以及冷却部件4b的下方分别设置有用于进行向LED33的 供电控制的控制盒37a、37b，在它们上连接有来自未图示的电源的配线，控制向LED33的供 H1^ ο另一方面，如图9的放大图所示，在热扩散部件50以及支撑体32上分别形成的孔 50a以及32a中，插入供电电极51，该供电电极51通过软钎焊连接到电极35。在该供电电 极51上，在安装口 52中连接有通过冷却部件4a、4b的内部延伸的电极棒38。电极棒38在 每个LED阵列34中设置多个，例如8个(图1、9中仅图示2个)，电极棒38由绝缘材料构 成的保护罩38a覆盖。电极棒38延伸到冷却部件4a的上端部以及冷却部件4b的下端部， 在那里旋紧有支承部件39。在支承部件39与冷却部件4a、4b之间安装有绝缘环40。这里， 保护罩38a与冷却部件4a(4b)之间、保护罩38a与电极棒38之间的间隙进行钎焊，形成所 谓的馈通(feed through)。如图1所示，在控制盒37a、37b内设置多个控制板42。该控制板42具有连接与电 极棒38相对应的供电部件41的连接部42a、和连接来自电源的配线的供电连接器43。如图9所示，供电部件41向下方延伸，连接到安装在各电极棒38上的支承部件 39。供电部件41由绝缘材料构成的保护罩44覆盖。在供电部件41的顶端设置有探针(pogo pin)(弹簧销)41a，通过该各探针41a接 触相对应的支承部件39，从控制盒37a、37b经由供电部件41、电极棒38、供电电极51以及 加热源17a和17b的电极35，向各LED33供电。通过这样供电，LED33发光，利用该光将晶 片W从正反面加热，进行退火处理。探针41a由于弹簧而被靠压在支承部件39 —侧，因此即使在控制板42的安装位 置偏离等情况下，也能够可靠地获得供电部件41与电极棒38的连接。其中，图1中描绘到供电部件41的中途为止，省略了电极棒38、供电电极51和它 们的连接部的构造等。另外，图2中省略了供电电极51。
如图10所示，LED阵列34呈六边形，在其3条边上设置有反射板55。而且例如图 11所示，无间隙地配置多个LED阵列34。这时，在1个LED阵列34的未设置反射板55的 边上接续相邻的LED阵列34的设置有反射层55的边，形成所有的LED阵列34被反射板55 包围的状态。由此，反射板55不会重叠，能够使LED阵列34的配置个数达到最大。在1个LED阵列34中搭载1000 2000个左右的LED33。作为LED33，使用射出 的光的波长在紫外光 近红外光的范围、优选0.36 Ι.Ομπι范围的材料。作为射出这种 0. 36 LOym范围的光的材料，可以例示以GaN、GaAS、GaP等为基本材料的化合物半导体。 其中，特别优选具有对用作加热对象的硅制的晶片W的吸收率高的950 970nm附近的放 射波长的GaAs类的材料构成的化合物半导体。如图1所示，退火装置100的各结构部构成为，与具备微处理器(计算机)的过程 控制器60连接，由其控制。例如，由该过程控制器60进行上述控制盒37a和37b的供电控 制或者驱动系统的控制、气体供给控制等。在过程控制器60上连接由操作人员为了管理退 火装置100而进行指令的输入操作等的键盘、或者可视地显示退火装置100的工作状况的 显示器等构成的用户接口 61。并且，在过程控制器60上连接有存储部62，该存储部62能 够存储用于利用过程控制器60的控制实现退火装置100中执行的各种处理的程序、或者用 于根据处理条件使退火装置100的各结构部执行处理的程序即处理方案。处理方案可以存 储在存储部62中的存储介质(未图示)中。存储介质可以是硬盘等固定介质，也可以是 ⑶ROM、DVD、闪存等可移动的介质。另外，也可以从其它的装置例如通过专用线路适当传送 方案。而且，根据需要，接受来自用户接口 61的指示，从存储部62调出规定的处理方案， 使过程控制器60执行，由此，在过程控制器60的控制下，进行退火装置100中的所希望的处理。下面，参照图12，说明LED阵列34和冷却部件4a(4b)的组装、以及LED阵列34的
安装顺序。首先，从AlN制的板材切割出六边形的支撑体32，形成作为供电电极或螺栓的插 入孔的通孔32a，并且印刷电极图案(未图示)(图12 (a))。接着，在支撑体32的背面实施镀铜71，在表面的电极图案以外的部分形成含有 TiO2的反射层59 (电极图案省略图示)(图12(b))。反射层59使用混合有TiO2和抗蚀剂 的材料，能够使用金属掩模通过涂敷(印刷)形成。接着，使用高热传导性的粘合材料57，将具有与支撑体32相同的形状、在与通孔 32a相对应的位置形成有通孔50a的铜制热扩散部件50的表面粘贴到支撑体32的背面 (图12(c))。作为粘合材料57，适合使用膏状的焊料。并且，在通孔32a、50a中以贯通支 撑体32和热扩散部件50的方式插入供电电极51，在间隙中充填环氧树脂72进行真空密 封，将焊料和树脂一起用连续炉进行热处理(图12(d))。通常，真空密封一般使用焊料，但 是由于是处于真空氛围的处理室1内的密封，因此使用环氧树脂就能够充分地进行真空密 封，与使用焊料的情况相比能够降低成本。然后，在图案形成于支撑体32表面的电极35上施加高热传导性的粘合材料 56 (参照图1)，利用芯片焊接机在其上安装LED33，并且在支撑体32的3条边上安装反射板 55 (图12(e))。这种情况下，在使用银膏作为粘合材料56时，在电极35上涂敷银膏后进行
13加热，使其固化。如上所述，作为粘合材料56也可以使用焊料等其它材料，还可以将热应力 缓和层80夹在中间。然后，再使用接线机，利用金属线36进行焊接(图12(f))。接着，以覆盖LED33的方式形成由透明树脂构成的透镜层20，完成LED阵列34 (图 12(g))。另一方面，与其并行地组装Al制的冷却部件4a (4b)(图12(h))。然后，在热扩散部件50上涂敷例如由硅润滑油构成的高热传导性的粘合材料58， 在冷却部件4a(4b)上安装LED阵列34 (图12 (i))。并且，在供电电极51上连接供电部件 38，并用螺栓73旋紧LED阵列34 (图12 (j))。通过以上的顺序，LED阵列34的安装之前的步骤完成，然后，安装光透射部件18a、 18b。下面，说明以上那样的退火装置100中的退火处理动作。首先，将闸阀13打开，从搬入搬出口 12搬入晶片W，载置于支撑部件7上。然后， 关闭闸阀13，使处理室1形成密闭状态，经由排气口 11通过未图示的排气装置对处理室1 内进行排气，并且从未图示的处理气体供给机构经由处理气体配管9和处理气体导入口 8 向处理室1内导入规定的处理气体，例如导入氩气或氮气，将处理室1内的压力维持在例如 100 IOOOOPa范围内的规定压力。另一方面，冷却部件4a、4b使液态的冷却介质例如氟类不活泼液体(商品名 Fluorinert, Galden等)在冷却介质流路21a、21b中循环，将LED元件33冷却到0°C以下 的规定温度，优选冷却到_50°C以下的温度。而且，从未图示的电源经由控制盒37a和37b、供电部件41、电极棒38、电极35，向 LED33供给规定的电流，将LED33点亮。来自LED33的光直接或者暂且由反射层59反射后透过透镜层20，进一步透过光透 射部件18a、18b，利用电子与空穴的再结合形成的电磁辐射，以极高的速度将晶片W加热。这里，在LED33保持常温的情况下，由于LED33自身的发热等导致其发光量降低， 而在本实施方式中，由于冷却部件4a、4b中流动冷却介质，如图2所示，经由冷却部件4a和 4b、热扩散部件50、支撑体32、电极35冷却LED33，因此能够有效地冷却LED33。本申请的申请人以前曾提出了冷却部件4a、4b以及热扩散部件50均使用热 传导性良好的Cu，极其有效地冷却LED33的技术(日本特愿2007-081609(日本特开 2008-227435号公报))。但是，如果由Cu构成冷却部件4a和4b，则冷却机构变得非常重， 不能说维护性充分。因此，在本实施方式中，用Al或者Al合金构成冷却部件4a、4b，实现冷却部件的 轻量化，并且不会使冷却效率降低。由于Al的热传导性比Cu差，因此即使仅介在Al冷却 LED，也不能进行充分的冷却。但是，依据本申请发明人等的研究结果可知，由于利用LED进 行的晶片的加热为几秒左右即可，因此利用蓄积在Cu制的热扩散部件50中的冷热就能够 充分地将LED冷却，即使用Al构成冷却部件，也能够将LED冷却到与冷却部件以及热扩散 部件均用Cu构成的情况相比几乎没有变化的温度。实际上，对于(I)Al制的冷却部件与厚 度5mm的Cu制的热扩散板的组合(本实施方式)、⑵Cu制的冷却部件与厚度5mm的Cu制 的热扩散板的组合、(3)Al制的冷却部件与厚度5mm的Al制的热扩散板的组合、(4)Cu制 的冷却部件直接隔着支撑板将LED冷却的4种情况，进行10个循环的退火处理，求出支撑 体32的最高达到温度，结果，本实施方式的情况(1)与仅使用Cu的(2)、(4)几乎为同等程度，为30°C (第1循环) 50°C (第10循环)左右，而在仅使用Al的(3)中，上升到 70 0C (第1循环) 95°C (第10循环)左右。即，可以确认，通过Al冷却部件与Cu热扩 散部件的组合，实现了不逊色于全部为Cu时的冷却效率。另外，使LED阵列34单元化，通过硅润滑油58用螺栓73安装到冷却部件4a(4b) 上，因此安装以及拆卸容易，在交换LED33时，每个LED阵列34都能够容易地交换。这样，能够容易交换每个LED阵列34，并且冷却部件4a、4b用比Cu重量轻的Al或 Al合金构成，这两点相结合，能够实现极高的维护性。另外，通过焊料57使AlN制的支撑体32与Cu制的热扩散部件50面接触，通过热 传导性高的硅润滑油58使热扩散部件50与冷却部件4a(4b)之间接触，因此热阻低，冷却 LED33的能力高。在本实施方式中，如上所述，来自LED33的光直接或者暂且由反射层59反射后透 过透镜层20，再透过光透射部件18a、18b。图13表示该状态。即，从LED33向下方射出的 光被例如含有TiO2的白色的反射层59反射。如果反射层59的反射率为0. 8以上，则来自 LED33的光的取出效率高，非常理想。另外，通过设置透镜层20，也能够将从LED33向侧方 射出的光有效地取出。另外，由于透镜层20由透明树脂构成，具有LED33与空间之间的折 射率，因此形成折射率按照LED33、透镜层20、空间依次降低的构造，难以发生全反射，不易 发生效率降低。由于AlN的反射率为0. 2左右，因此在未设置反射层59的情况下，从LED33到达 AlN制的支撑体32的光的大部分被吸收，不能有效地取出。因此，即使不设置反射层59而 仅设置透镜层20，由于在透镜层20中发生多重反射，被AlN制的支撑体32吸收，因此实际 的光取出效率不太会上升。相对于此，通过设置反射层59，能够使光的取出效率提高，进一步通过设置反射层 59和透镜层20两者，通过它们的协同效果，能够使光的取出效率进一步提高。实际上，在尺寸0.5mm X 0.5mm的由GaAs构成的LED中流通50mA的电流，对于(1) 没有反射层没有透镜层、(2)没有反射层但有透镜层、(3)有反射层但没有透镜层、(4)有反 射层有透镜层的4种情况，使用积分球测定从LED输出的光。图14表示其结果。如该图所 示，与(1)没有反射层没有透镜层的情况相比，如(2)那样仅设置透镜层，光输出只是稍有 上升，相对于此，如(3)那样仅设置反射层，光输出上升15%左右，在(4)有反射层有透镜层 的情况下，由于它们的协同效果，观察到45%的光输出的上升。另外，作为反射层59，优选使用TiO2那样的白色的材料，由此可以得到高反射率， 而为了得到更高的反射率，优选尽量减少透射光，从这样的观点出发，反射层59的厚度优 选为80 μ m以上。实际上，作为反射层59，使含有TiO2的高反射率白色显影型焊接抗蚀剂 (PSR-4000LEM1, TAIYO INK MFG. CO.，LTD.生产)按照厚度 15 μ m、45 μ m、85 μ m 的 3 个基 准变化，研究光的波长与反射率的关系。图15表示其结果。如图15所示可知，在反射层59 的厚度是85 μ m的情况下，硅的加热中所必需的波长900nm附近的光的反射率的值高达0. 9 左右。反射层59的厚度越薄，反射率越下降，可以确认在45 μ m的情况下为0. 8左右，在 15 μ m的情况下为0. 65左右。从该结果也可以确认，通过使反射层59的厚度增厚至45 μ m 以上、更优选80 μ m以上，能够可靠地使反射率达到0. 8以上。另外，优选反射层59的厚度比电极35薄，如果考虑到这一点，反射层59的厚度为100 μ m左右实际上是上限。另外，从LED33射出到达反射板55的光，也能够由反射板55以高反射率反射，由 此，也能够使LED33的光取出效率提高。另外，这样的反射板55可以仅设置在各LED阵列 34的3条边上，由此，能够在1个LED阵列34的没有反射板55的边上邻接其它LED阵列 34的有反射板55的边，能够不使反射板55重叠地用反射板55包围LED阵列34，能够在尽 量增大LED33的配置面积的状态下有效地设置反射板。另外，在现有的使用LED的退火装置中，由于石英等构成的光透射部件承受保持 在真空的处理室内与大气氛围的LED空间之间的压差，因此必须加厚光透射部件，而在本 实施方式中，由于处理室1与大气的压差由金属制的冷却部件4a、4b承受，因此能够减薄光 透射部件18a、18b。通过这样减薄光透射部件18a、18b，能够抑制向该部件的蓄热，充分地 实现通过冷却部件4a、4b冷却的冷却部分与处理室1内的加热部分之间的热绝缘。从使热 绝缘进一步良好的观点出发，可以用热传导系数小的树脂或者陶瓷等进行光透射部件18a、 18b的旋紧。并且，通过这样减薄光透射部件18a、18b，从晶片W向冷却部件4a、4b效率良 好地进行热辐射，因此降温特性良好。另外，通过使用AlN作为LED阵列34的支撑体32，能够反射发光时的LED的波长， 并且吸收来自加热到1000°c左右的晶片W的辐射热，由此也能够使升温降温特性良好。下面，说明本发明的其它实施方式。图16是表示本发明其它实施方式的退火装置的加热源的截面图。本实施方式的 退火装置除了使用将热解石墨(PG)用作高热传导性材料的热扩散部件150以外，与前面的 实施方式大致同样构成。PG是通过使用烃气体的CVD在石墨构造上堆积碳而形成的。PG的特征在于热传 导系数具有各向异性。具体而言，堆积的膜的面内方向显示出2000W/mK以上的接近Cu的 3倍的极高的热传导系数，而在膜厚方向则显示出20W/mK以下的低热传导系数。因此，通 过使PG的热传导系数高的方向为热扩散部件150的厚度方向，能够使热传递路径的热传导 系数极高。另外，关于由密度和比热计算出的容积比热，Cu为3500kJ/m3*K，而在PG中则 为1650kJ/m3 · K，由于热容量与容积比热成比例，因此PG的热容量为Cu的左右，综合 考虑热传导系数和热容量两者，通过使用由PG构成的热扩散部件150，能够使LED33的冷却 效率进一步提高。参照图17Α 图17C，说明用于形成这样以PG的热传导系数高的方向为厚度方向 的热扩散部件150的方法。首先，如图17Α所示，通过CVD形成厚的PG膜101。其中，在面 内方向正交的2个方向是方向a、b，厚度方向是方向C。接着，如图17B所示，将该PG膜101 在保持了其厚度的情况下沿着a方向切为规定的厚度，如图17C所示，将该切片IOla以方 向b为厚度方向的方式粘贴到支撑体32上。在粘贴这些切片IOla使得覆盖支撑体32的 整个表面以后，加工成支撑体32的形状。热扩散部件150的粘贴能够利用环氧树脂那样的树脂进行。由于PG是多孔性的， 因此能够在保持热扩散部件150与支撑体32接触的状态下用树脂粘合，不需要前面实施方 式那样的高热传导性的粘合材料。这样，使用由PG构成的热扩散部件150，使热传导系数高的方向与冷热移动的方 向(热扩散部件150的厚度方向)一致，因此能够在热扩散部件150中迅速地蓄积冷热，能够利用该冷热充分地冷却LED33。另外，由于PG的比重是Cu的1/4左右，因此与前面的实 施方式相比，能够进一步减轻重量，使维护性进一步提高。下面，说明测定PG的热传导系数的结果。这里，以38mm见方的形状形成IOmm厚 的PG膜，切成6. 3mm宽度，如图18所示，制作38 X 10 X 6. 3 (mm)的长方体的样品。最长的 38mm的边的方向是上述方向a，IOmm的边的方向是上述方向c，6. 3mm的边的方向是上述方 向b。如图19所示，例如在测定a方向的热传导系数时，在加热器102与散热器103之 间，使a方向垂直地放入厚度4mm的Al板104和上述PG样品105，在Al板104的上部下部 2处以及PG样品105的上部下部2处总计4处设置热电偶106，求出利用加热器102加热 时的Al板104的上部与下部的温差(温差C)以及PG样品105的上部与下部的温差(温 差D)。其中，样品105的热电偶粘贴位置的间隔为36mm。这时的由加热器产生的加热温度 与上述温差的关系如图20所示，如图20中记载的那样，温差C为7. 7°C，温差D为5. 3°C。 通过Al板104的上部下部的温差求取从加热器102向散热器103的热流束Q，其为24. 3W, 由该热流束Q和PG样品105的上部下部的温差求取PG的热传导系数，其为2620W/m · K。 即，PG样品的方向a的热传导系数是2620W/m · K。同样操作，求取方向b、方向c的热传导 系数，分别为2100W/m · K，16ff/m · K。由此可知，通过将热传导系数高的方向作为热扩散部 件105的厚度方向，能够有效地向LED33供给冷热而进行冷却。另外，本发明不限于上述实施方式，可以进行各种变形。例如，在上述实施方式中， 对于在作为被处理体的晶片的两侧设置具有LED的加热源的例子进行了说明，但也可以在 任一侧设置加热源。另外，在上述实施方式中，例示了通过旋紧将LED阵列固定到冷却部件 上的例子，但固定方法并不限于该方法。并且，在上述实施方式中，例示了作为发光元件使 用LED的情况，但也可以使用半导体激光器等其它的发光元件。此外，关于被处理体，不限 于半导体晶片，也能够将FPD用玻璃基板等其它部件作为对象。产业上的可利用性本发明适合于注入杂质后的半导体晶片的退火处理等需要急速加热的用途。
权利要求
一种退火装置，其特征在于，具备收容被处理体的处理室；面向被处理体的至少一个面设置、具有向被处理体照射光的多个发光元件的加热源；与所述加热源相对应设置，使来自所述发光元件的光透过的光透射部件；支撑所述光透射部件的与所述处理室相反的一侧、以与所述加热源直接接触的方式设置的Al或Al合金制的冷却部件；利用冷却介质对所述冷却部件进行冷却的冷却机构；对所述处理室内进行排气的排气机构；和向所述处理室内供给处理气体的处理气体供给机构，其中，所述加热源具备多个发光元件阵列，该发光元件阵列是，包括利用高热传导性的粘合材料将所述多个发光元件安装在表面上的高热传导性绝缘材料制的支撑体、和利用高热传导性的粘合材料粘合在所述支撑体的背面侧的Cu制的热扩散部件，并且这些部件单元化而构成的发光元件阵列，所述发光元件阵列通过高热传导性粘合材料固定在所述冷却部件上。
2.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于将所述支撑体与所述热扩散部件粘合的粘合材料是焊料。
3.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于将所述支撑体与所述热扩散部件粘合的粘合材料是碳片，该碳片通过多个气相成长碳 纤维在由热塑性树脂构成的基本树脂中沿着厚度方向取向而成。
4.如权利要求3所述的退火装置，其特征在于 所述气相成长碳纤维具有碳纳米管构造。
5.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于 所述支撑体为AlN制。
6.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于在所述冷却部件与所述光透射部件之间具有空间，在所述空间中设置所述加热源。
7.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于还具备经由所述冷却部件与所述供电电极连接、从电源向供电电极供电的供电部件。
8.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于 安装所述发光元件的高热传导性的粘合材料是银膏。
9.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于 安装所述发光元件的高热传导性的粘合材料是焊料。
10.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于所述发光元件通过所述粘合材料粘合在形成于所述高热传导性绝缘材料上的电极上。
11.如权利要求9所述的退火装置，其特征在于在所述发光元件与所述电极之间，形成含有所述粘合材料的多个层，具有热应力缓和 构造。
12.如权利要求11所述的退火装置，其特征在于在所述发光元件与所述粘合材料之间，具有1层或2层以上的热应力缓和层。
13.如权利要求12所述的退火装置，其特征在于所述粘合材料是焊料，所述热应力缓和层由具有所述发光元件与所述焊料之间的线膨 胀系数的材料形成。
14.如权利要求1所述的退火装置，其特征在于存在于所述冷却部件与所述热扩散部件之间的高热传导性粘合材料是硅润滑油。
15.一种退火装置，其特征在于，具备 收容被处理体的处理室；面向被处理体的至少一个面设置、具有向被处理体照射光的多个发光元件的加热源； 与所述加热源相对应设置，使来自所述发光元件的光透过的光透射部件； 支撑所述光透射部件的与所述处理室相反的一侧、以与所述加热源直接接触的方式设 置的Al或Al合金制的冷却部件；利用冷却介质对所述冷却部件进行冷却的冷却机构；对所述处理室内进行排气的排气机构；和向所述处理室内供给处理气体的处理气体供给机构，其中，所述加热源具备多个发光元件阵列，该发光元件阵列是，包括利用高热传导性的粘合 材料将所述多个发光元件安装在表面上的高热传导性绝缘材料制的支撑体、和粘合在所述 支撑体的背面侧的热解石墨制的热扩散部件，并且这些部件单元化而构成的发光元件阵 列，所述发光元件阵列通过高热传导性粘合材料固定在所述冷却部件上，并且，构成所述热 扩散部件的热解石墨以厚度方向为高热传导性方向的方式粘合到所述支撑体的背面侧。
16.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于 所述热扩散部件与所述支撑体利用环氧树脂粘合。
17.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于 所述支撑体为AlN制。
18.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于 在所述冷却部件与所述光透射部件之间具有空间，在所述空间中设置所述加热源。
19.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于还具备经由所述冷却部件与所述供电电极连接、从电源向供电电极供电的供电部件。
20.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于 安装所述发光元件的高热传导性的粘合材料是银膏。
21.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于 安装所述发光元件的高热传导性的粘合材料是焊料。
22.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于所述发光元件通过所述粘合材料粘合在形成于所述高热传导性绝缘材料上的电极上。
23.如权利要求21所述的退火装置，其特征在于在所述发光元件与所述电极之间，形成含有所述粘合材料的多个层，具有热应力缓和 构造。
24.如权利要求23所述的退火装置，其特征在于在所述发光元件与所述粘合材料之间，具有1层或2层以上的热应力缓和层。
25.如权利要求24所述的退火装置，其特征在于所述粘合材料是焊料，所述热应力缓和层由具有所述发光元件与所述焊料之间的线膨胀系数的材料形成。
26.如权利要求15所述的退火装置，其特征在于存在于所述冷却部件与所述热扩散部件之间的高热传导性粘合材料是硅润滑油。
27.一种退火装置，其特征在于，具备 收容被处理体的处理室；在所述处理室内支撑被处理体的支撑部件；面向所述支撑部件上的被处理体的至少一个面设置、具有向被处理体照射光的多个发 光元件的加热源；与所述加热源相对应设置，使来自所述发光元件的光透过的光透射部件；对所述处理室内进行排气的排气机构；和向所述处理室内供给处理气体的处理气体供给机构，其中，所述加热源构成为在支撑体上朝向被处理体一侧安装有多个发光元件，在所述支撑体 的所述发光元件的安装面上形成反射层。
28.如权利要求27所述的退火装置，其特征在于 所述反射层的反射率为0. 8以上。
29.如权利要求27所述的退火装置，其特征在于 所述反射层是含有TiO2的白色层。
30.如权利要求29所述的退火装置，其特征在于 所述反射层的厚度为0. 8 μ m以上。
31.如权利要求27所述的退火装置，其特征在于 所述发光元件各自分别由透镜层覆盖。
32.如权利要求31所述的退火装置，其特征在于 所述透镜层由透明树脂构成。
33.如权利要求31所述的退火装置，其特征在于 所述透镜层呈半球形。
34.如权利要求27所述的退火装置，其特征在于 所述支撑体被反射板包围构成。
35.如权利要求34所述的退火装置，其特征在于所述支撑体充填配置多个，所述反射板对于相邻的支撑体共用设置。
36.如权利要求35所述的退火装置，其特征在于所述支撑体呈六边形，在其中的3条边上设置反射板，在其它的3条边上未设置反射 板，设置所述多个支撑体，使其按照与1个支撑体的设置有反射板的边邻接的其它支撑体 的边上未设置反射板的方式配置。
全文摘要
本发明的退火装置具备面向晶片W的面设置、具有向晶片W照射光的多个LED(33)的加热源(17a，17b)；透过来自发光元件(33)的光的光透射部件(18a，18b)；和与加热源(17a，17b)直接接触设置的由Al构成的冷却部件(4a，4b)。加热源(17a，17b)具备多个发光元件阵列(34)，该发光元件阵列包括利用银膏(56)安装了LED(33)的由AlN构成的支撑体(32)和利用焊料(57)粘合到支撑体(32)的背面侧的由Cu构成的热扩散部件(50)，发光元件阵列(34)通过硅润滑油(58)旋紧在冷却部件(4a，4b)上。
文档编号H01L21/26GK101925981SQ20098010312
公开日2010年12月22日 申请日期2009年1月19日 优先权日2008年1月28日
发明者大矢和广, 宫下大幸, 河西繁, 米田昌刚, 铃木智博 申请人:东京毅力科创株式会社