(57)【要約】  プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための装置が提供される。本装置のプロセスチャンバは、チャンバ本体と、プロセスチャンバにエネルギーをパルス状または連続的に提供するための、第１の基板上に配置された複数の固体光源を有する固体光源アレイと、固体光源アレイを加熱する反射光の量を低減させるバンドパスフィルタを含む冷却機構とを備えてよい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための装置であって、
チャンバ本体を備えるプロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための、第１の基板上に配置された複数の固体光源を有する固体光源アレイと、
前記固体光源アレイを加熱する反射光の量を低減させるバンドパスフィルタを含む冷却機構と、
を備える装置。
【請求項２】
前記複数の固体光源のそれぞれが、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオードの少なくとも１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記バンドパスフィルタが、透明窓に埋め込まれたもの、および前記透明窓上にコーティングされたものの少なくとも１つであり、前記透明窓が前記複数の固体光源の上に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記バンドパスフィルタおよび前記窓が前記複数の固体光源を封入する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記窓が透明な石英から成る、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
１つまたは複数のバンドパスフィルタが前記透明窓の少なくとも１つの面にコーティングされている、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記バンドパスフィルタが、前記固体光源アレイによって生成された光の波長から選択された帯域を透過可能な多層の誘電体膜から成る、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記バンドパスフィルタが、前記固体光源アレイに向けられた光の少なくとも一部の波長を反射フィルタリングするように構成されている、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記冷却機構が、前記複数の固体光源と前記バンドパスフィルタとの間に配置された冷却チャネルをさらに含み、前記冷却チャネルが、前記複数の固体光源上に冷媒を流すように構成されている、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数の固体光源のそれぞれが、ヒートシンク基体に結合され、前記冷却チャネルが前記複数の固体光源上および前記ヒートシンク基体の少なくとも一部上に前記冷媒を流すように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための装置であって、
チャンバ本体を備えるプロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバにエネルギーをパルス状または連続的に供給するための、第１の基板上に配置された複数の固体光源を有する固体光源アレイと、
前記固体光源アレイの上に配置された透明窓を含む冷却機構であって、前記透明窓が、冷却チャネルを少なくとも部分的に画成し、前記冷却チャネルが、前記複数の固体光源と前記透明窓との間に配置されて、前記複数の固体光源上に冷媒を流す、冷却機構と、
を備える装置。
【請求項１２】
前記複数の固体光源のそれぞれが、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオードの少なくとも１つである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記複数の固体光源のそれぞれがヒートシンク基体に結合され、前記冷却チャネルが、前記複数の固体光源上および前記ヒートシンク基体の少なくとも一部上に前記冷媒を流すように構成されている、請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記冷媒が前記複数の固体光源と反応しない高抵抗率冷媒である、請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１５】
プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための装置であって、
チャンバ本体を備えるプロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバにエネルギーをパルス状または連続的に供給するための、基板の第１の表面上に配置された複数の固体光源を有する固体光源アレイと、
前記基板の第２の表面に結合されて、前記固体光源アレイから熱を除去するための冷却機構であって、基部プレート、頂部プレート、および前記基部プレートと前記頂部プレートとの間に配置された複数のフィンを含む冷却機構と
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に半導体処理システム、詳細には半導体処理システムで使用される固体光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハなどの基板および他の材料の熱処理に関わるいくつかの用途は、基板を急速に加熱するおよび冷却するプロセスステップに関わる。そのような処理の例には、急速熱処理（ＲＴＰ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）処理などが含まれ、これらは、多くの半導体製造プロセスに使用されている。
【０００３】
半導体製造処理中に、ランプからの熱エネルギーが、プロセスチャンバ内へ、およびプロセスチャンバ内の半導体基板上に輻射される。こうして、基板は、必要な処理温度に加熱される。典型的には、従来のランプ（タングステンハロゲン、水銀蒸気、アーク放電）または電気加熱素子の使用は、ドーパントアニール、膜堆積、または膜改質のために基板に対してエネルギーを供出する有力な手法であった。これらのプロセスは、しばしば熱に基づき、典型的には２００℃〜１６００℃の範囲の高いプロセス温度を必要とし、その結果として、デバイス性能に悪影響を及ぼす深刻な熱バジェットの問題が生じる可能性がある。加えて、従来のランプの使用は、動作寿命、材料およびエネルギー利用に関して高い維持費が付きものであった。従来のランプは、望ましくない波長のために一部の計測器に害を与える、および／またはターゲット基板／膜の意図しない反応が生じることがある幅広い波長スペクトルにわたる輻射を放出する。
【０００４】
前述の問題の一部に対処するため、固体光源、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイが、様々な半導体製造プロセス用の従来のランプの代わりに、または従来のランプに加えて使用されることがある。ＲＴＰに必要な強度に匹敵する１ｅ６Ｗ／ｍ２のオーダのターゲット放射照度レベルを達成するためには、高い実装密度のＬＥＤを使用する必要がある。
【０００５】
しかしながら、超高強度のＬＥＤアレイの動作に対しては、熱放散および熱管理が重要である。これらのＬＥＤアレイは、最高輝度および長い動作寿命を抽出するために、室温、または室温に近い状態のままであるべきである。コールドプレート、ヒートパイプ、またはペルティエクーラーなどの、熱放散問題の解決に対する多くの手法がある。しかしながら、これらの解決策のいずれもが、ＬＥＤアレイに関連付けられた熱放散要求事項に十分に応えていない。
【０００６】
特に、コールドプレートは、典型的には、２０Ｋの温度上昇で１ｋＷを放散するのに十分であるに過ぎない。コールドプレートは、広い面積に対して設計されることがあるが、高い電力密度に対しては、これは十分ではない。ヒートパイプは、５，０００Ｗ／ｍ／Ｋ〜２００，０００Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有する。ヒートパイプは、ヒートシンクが必要な場所で、システムから熱を取り除くのではなく、ある点から別の点に熱を輸送するのに効果的である。最後に、熱電クーラー（ペルティエクーラーとしても知られている）は、約１ｅ５Ｗ／ｍ２の冷却が可能であるが、小規模で利用可能であるに過ぎない。熱電クーラーは、高価であり、動作させるのに冷却される電子機器と同じくらいの電力投入が必要である。
【０００７】
ここに、発明者は、半導体処理システム用の固体光源アレイと共に使用される、改善された熱放散および熱管理デバイスを提供するものである。
【発明の概要】
【０００８】
プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための装置が本書で提供される。本装置は、チャンバ本体と、プロセスチャンバにパルス状または連続的なエネルギーを供給するための、第１の基板上に配置された複数の固体光源を有する固体光源アレイと、固体光源アレイを加熱する反射光の量を低減させるバンドパスフィルタを含む冷却機構と、を備えるプロセスチャンバを含んでよい。
【０００９】
一部の実施形態では、プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための装置は、チャンバ本体を備えるプロセスチャンバと、プロセスチャンバにパルス状または連続的なエネルギーを供給するための、第１の基板上に配置された複数の固体光源を有する固体光源アレイと、固体光源アレイの上に配置された透明窓を含む冷却機構とを備える。透明窓付の冷却機構には冷却チャネルが形成される。この冷却チャネルは複数の固体光源と透明窓との間に配置されて、複数の固体光源上に冷媒を流すように構成される。
【００１０】
一部の実施形態では、プロセスチャンバ内でエネルギーをパルス状または連続的に供給するための装置は、チャンバ本体と、プロセスチャンバにパルス状または連続的なエネルギーを供給するための、基板の第１の表面上に配置された複数の固体光源を有する固体光源アレイと、基板の第２の表面に結合されて、固体光源アレイから熱を除去するための冷却機構であって、基部プレート、頂部プレート、および基部プレートと頂部プレートとの間に配置された複数のフィンを含む冷却機構と、を含む。
【００１１】
本発明の他の実施形態および変形形態が以下、詳細に開示される。
【００１２】
上で簡潔に要約し、以下でより詳細に説明する本発明の実施形態は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態を参照することによって理解され得る。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態にすぎないのであって、他の同等な実施形態を本発明は取り得ることからも、本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一部の実施形態による半導体基板プロセスチャンバの概略断面図である。
【図２】本発明の一部の実施形態による複数のＬＥＤアレイを含む固体光源の上面図である。
【図３】本発明の一部の実施形態による円形断面ＬＥＤアレイの概略上面図である。
【図４】本発明の一部の実施形態によるバンドパスフィルタを含む冷却機構の概略側部断面図である。
【図５Ａ】本発明の一部の実施形態による液浸冷却を含む冷却機構の概略側部断面図である。
【図５Ｂ】本発明の一部の実施形態による液浸冷却を含む冷却機構の概略側部断面図である。
【図６】本発明の一部の実施形態による非液浸冷却を含む冷却機構の斜視図である。
【図７Ａ】本発明の一部の実施形態による冷却機構で使用することができるフィンの実施形態に対する概略側部断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一部の実施形態による冷却機構で使用することができるフィンの実施形態に対する概略側部断面図である。
【図７Ｃ】本発明の一部の実施形態による冷却機構で使用することができるフィンの実施形態に対する概略側部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
理解を容易にするために、各図に共通の同一の要素を指定するために、可能な場合は、同一の参照数字が使用された。図は縮尺通りには描かれておらず、明瞭にするために簡略化される場合がある。ある実施形態の要素および特徴が、さらなる詳細な説明なしに、他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが意図されている。
【００１５】
プロセスチャンバ内でパルス状のまたは連続的なエネルギーを供給するための装置の実施形態が本明細書で提供される。一部の実施形態において、発明性のある装置は、プロセスチャンバ内に配置された基板および他の構成要素を加熱するためのプロセスチャンバ内で使用される固体光源の改善された冷却および熱管理を有利に提供することができる。
【００１６】
以下の説明では、基板という用語は、熱プロセスチャンバ内で処理されている任意の物体を広く包含することが意図されている。基板という用語は、たとえば、半導体ウエハ、フラットパネルディスプレイ、ガラスプレートもしくはディスク、プラスチック加工品などを含むことができる。以下の説明では、固体点光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザを含む。加えて、以下ではＬＥＤまたはＬＥＤのアレイ、レーザおよびレーザのアレイという用語で記載されるが、他の固体点光源が本明細書に記載された実施形態において交換可能に使用されてもよい。
【００１７】
図１は、急速熱処理（ＲＴＰ）などの熱プロセスを行うように構成された、本発明の一部の実施形態による基板を加熱するための発明性のあるＬＥＤ光源と共に使用するのに適した例示的なプロセスチャンバ１００の概略図を示す。プロセスチャンバ１００は、基板を支持するように構成された基板支持体を有する（たとえば、基板サポートリング、複数の場所で基板を保持するサセプタ、基板を適所に保持するエアジェットを含むプロセスチャンバ）、および基板の裏側に沿って位置するリフレクタプレートを有するいかなるタイプのプロセスチャンバであってもよい。適切なプロセスチャンバの例には、ＲＡＤＩＡＮＣＥ（登録商標）、ＲＡＤＩＡＮＣＥ（登録商標）ＰＬＵＳ、もしくはＶＡＮＴＡＧＥ（登録商標）プロセスチャンバのいずれか、または熱プロセス、たとえばＲＴＰを行うことができるその他のプロセスチャンバが含まれ、すべて、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．，ｏｆ  Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａから入手可能である。また、他のメーカーから入手可能なものを含む他の適切なプロセスチャンバが、本明細書で提供される教示により、使用され、および／または修正されてもよい。たとえば、本明細書に記載された基板を加熱するための発明性のあるＬＥＤ光源を利用することができる他の適切なプロセスチャンバには、物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバ、エピタキシャル堆積チャンバ、エッチングチャンバ、原子層堆積（ＡＬＤ）チャンバなどが含まれる。
【００１８】
プロセスチャンバ１００は、たとえば、熱プロセスを行うようになされてもよく、例示的に、チャンバ本体１１０、支持体システム１３０、ならびにＣＰＵ１４２、メモリ１４４および支持体回路１４６を含むコントローラ１４０を備える。図１に示されるプロセスチャンバ１００は、単に例示であって、ＲＴＰ以外のプロセスのために構成されたものを含む他のプロセスチャンバが本明細書で提供される教示により修正されてもよい。
【００１９】
プロセスチャンバ１００は、複数のＬＥＤ、またはゾーンで配列されたＬＥＤのアレイ（複数可）を含むことができるエネルギー源１３８を含み、ＬＥＤの各ゾーンが別々に制御可能である。一部の実施形態では、エネルギー源１３８は、以前は発光面ではなかったランプヘッドの領域のまわりにＬＥＤを敷きつめることによって、熱源表面積の利用度を向上させた、増強された従来のランプであってもよい。
【００２０】
図１では、エネルギー源１３８は、基板１０１の上部表面を加熱するために基板１０１上方に、および基板１０１の両側に（たとえば、基板１０１と接触するエッジリング１２６を加熱するために使用することができるエネルギー源１３８）示されている。あるいは、エネルギー源１３８は、プロセスチャンバ１００内でパルス状のおよび／または連続的なエネルギーを供給するように構成されてもよい。一部の実施形態では、エネルギー源１３８は、たとえば、基板１０１の下に配置されることによって、または基板１０１の裏側に輻射を向けることなどによって基板１０１の裏側を加熱するために使用されてもよい。各エネルギー源１３８は、各エネルギー源１３８を別々に制御するためのコントローラ１４０に結合されることがある１つまたは複数の電源１７０に結合されている。基板１０１の局所領域の温度は、基部１１６の裏側からリフレクタプレート１０２の頂部まで延在する貫通孔を通り抜ける１２０などの複数の温度プローブアセンブリによって測定される。しかしながら、ＬＥＤの単色特性がパイロメータの干渉を引き起こさないため、一部の実施形態では、温度測定は、チャンバの任意の場所に配置されたパイロメータによって有利に得られてもよい。温度プローブアセンブリ１２０は、サンプリングされた光を反射キャビティ１１８からパイロメータ１２８に送出する。パイロメータ１２８は、測定された温度に応じてエネルギー源１３８（たとえば、ランプヘッド）に供給される電力を制御するコントローラ１４０に接続されている。エネルギー源１３８は、複数のゾーンに分割されてもよい。基板１０１の異なる領域を制御して輻射加熱することができるように、コントローラによって各ゾーンを個々に調節することができる。他の実施形態では、エネルギー源１３８のそれぞれの光（ＬＥＤまたは従来の光源）は、輻射加熱のさらに細かな制御が容易となるように、別々に制御されてもよい。
【００２１】
一部の実施形態では、冷却機構１５０は、エネルギー源１３８を冷却するために使用されてもよい。一部の例示的な冷却機構１５０には、（以下で論じるように）エネルギー源１３８に結合された、たとえば、ヒートシンク、熱交換流体冷却チャネルまたはフィン、バンドパスフィルタなどの利用が含まれてもよい。一部の実施形態では、光源が取り付けられる、または成長させられる基板自体が、冷却に使用されるヒートシンクであってもよい。他の実施形態では、エネルギー源１３８は、エネルギー源１３８のまわりを、またはエネルギー源１３８の近傍を循環するガスもしくは液体によって冷却されてもよい。
【００２２】
チャンバ１００内に含まれる基板支持体１２４は、様々な実施形態の基板支持体および／またはプロセスチャンバと共に働くようになされてもよいプロセスキット１２５のパーツを含むことができる。たとえば、プロセスキット１２５は、エッジリング１２６およびエッジリング支持体１２７などの、基板支持体１２４の要素を含むことができる。
【００２３】
処理中に、基板１０１は、基板支持体１２４上に配置されている。エネルギー源１３８は、輻射（たとえば、熱）源であり、動作において、基板１０１の端から端にわたって所定の温度分布を生成する。熱源が（図２に示されるような）ＬＥＤを含む実施形態では、エネルギー源１３８は、紫外線波長から赤外線波長（たとえば、約１００ナノメートル（ｎｍ）〜約２０００ナノメートル（ｎｍ））に及ぶ波長のエネルギーを供給することができる。一部の実施形態では、エネルギー源１３８（たとえば、ＬＥＤアレイ）は、マイクロ波波長領域のエネルギーを供給することができる。エネルギー源１３８は、基板１０１によって吸収される熱輻射を供給する。ＬＥＤ光源によって生成された熱輻射の一部は反射されることがあるが、反射されない実質的にすべての熱輻射が、加熱されるターゲット構成要素に吸収される。本明細書に記載される実施形態において、基板１０１は、加熱中に、たとえば、最大約５ｍｍ曲がることがある。したがって、一部の実施形態では、ＬＥＤエネルギー源１３８は、基板１０１が曲がる場合に、接触を回避するのに十分遠くに離れて、しかし、ターゲット基板に必要な均一の熱エネルギーを供給するのに十分近くに配置されるべきである。一部の実施形態では、ＬＥＤエネルギー源１３８は、ターゲット基板の変形を補償するように曲げられ、または成形されてもよい。
【００２４】
上記の例示的なプロセスチャンバ１００において、エネルギー源１３８は、基板の表面近くの領域を処理するように基板の表面を照明し、加熱するために使用されてもよい。ＬＥＤ光源には、より高い効率およびより速い応答時間を含む様々な利点がある。パルス幅が選択可能であり、１ミリ秒未満から１秒を超える範囲にあることがある。
【００２５】
一部の実施形態では、ＬＥＤエネルギー源１３８は、膜を形成し、ドーパントを処理し、プロセスガスを変化させ（たとえば、ボンドを壊し）、基板自体を再正常化するために、プロセスチャンバと併用して使用されてもよい。さらなる高温基板処理は、さらに高い出力強度が利用可能になるため、ＬＥＤ加熱の恩恵を受けることができる。基板の表面に近い領域を処理するために使用される場合、ＬＥＤには利点がある。ＬＥＤは、長時間持ちこたえ、出力強度を出力照明の波長（複数可）と無関係に選ぶことができる。発光ダイオード（ＬＥＤ）は、活性領域のＩＩＩ−Ｖ材料のバンドギャップによって決定される１つまたは複数の波長に近い光を放出するように構築された、基板上に成長させた窒化ガリウム、窒化アルミニウム、それらの組合せ、または他のＩＩＩ−Ｖ材料で構成されてもよい。また、放出された波長をより長い波長に変換し、放出された波長のエネルギーを低減するために蛍光体が使用されてもよい。本明細書に記載され、残りの図に示される固体光源が、吸収を向上する、または化学反応を向上させるために蛍光体を用いることができることを理解されるであろう。
【００２６】
関与する化学作用に応じて、ガス前駆体の存在下で表面を照明することによって、熱的な、または他の手段によって化学反応の速度を向上させることができる。たとえば、光は、気相分子、吸着分子を励起し、または表面の化学反応を促進するために基板さえも励起することができる。ＬＥＤの波長は、望ましい膜プロセスを促進するように、たとえば、反応速度を向上させるように、分子の電子遷移と共鳴する波長を選ぶことによって選択されてもよい。また、波長は、基板による輻射の吸収を向上させ、それによって、基板をより効率的に加熱するように選ばれてもよい。
【００２７】
一部の実施形態では、図１の各エネルギー源１３８は、ＬＥＤの１つの大きなアレイを含むことができる。しかしながら、熱エネルギーおよび加熱される面積に応じて、ＬＥＤの１つの大きなアレイは、ＬＥＤおよび関連付けられた回路への損傷なしに安全に提供することができる電力を超える電力を必要とすることがある。発明者は、ＬＥＤを複数のより小さなＬＥＤアレイにモジュール化することによって、より小さなＬＥＤアレイをより容易に扱い、製造し、電力供給することができることに気付いた。加えて、ＬＥＤの複数のより小さなアレイは、ＬＥＤが故障した場合に役に立つこともある。たとえば、一部の実施形態では、１つのＬＥＤが故障し、開回路になるとき、小さなＬＥＤアレイから放出された熱のみが失われる。ＬＥＤの１つの大きなアレイが使用される場合は、１つのＬＥＤの故障によって処理がすべて停止することがある。一部の実施形態では、複数のより小さなＬＥＤアレイのそれぞれは、異なる波長を有する異なるモジュールを有することができる。一部の実施形態では、各ＬＥＤアレイは、取り外され、異なる波長を有する別のＬＥＤアレイと置き換えられてもよい。
【００２８】
図２は、プロセスチャンバ内に配置された他の基板を熱的に処理する、および／または様々なプロセスチャンバ構成要素を加熱するために、ＬＥＤ基板２０２上に配置された複数のＬＥＤアレイ２０４を含むエネルギー源１３８の少なくとも１つの例示的な実施形態を示す。
【００２９】
一部の実施形態では、エネルギー源１３８は、例示的には長さが１００ｍｍ〜４８０ｍｍ、幅が１００ｍｍ〜４８０ｍｍであってもよい。加えて、任意の特定の用途において、必要または要望に応じて、様々なサイズのエネルギー源１３８が使用されてもよい。一部の実施形態では、各ＬＥＤアレイ２０４は、約２０ｍｍ×約２０ｍｍ角であってもよいが、他のサイズのＬＥＤアレイ２０４が使用されてもよい。各ＬＥＤアレイ２０４は、約５０〜約５００個のＬＥＤ２０６（たとえば、図２Ｂに示されるような３８４個のＬＥＤ）を収容することができる。ＬＥＤ２０６は、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍの間隔で配置されてもよい。ＬＥＤアレイ２０４は、約０．５ｍｍ〜約４ｍｍの間隔で配置されてもよい。ＬＥＤアレイ２０４内の各ＬＥＤ２０６は、１つまたは複数の露出表面から光および熱エネルギーを放出することができる。一部の実施形態では、各ＬＥＤ２０６の露出表面はすべて、光および熱エネルギーを放出することができる。一部の実施形態では、各ＬＥＤは、約０．７ｍｍ×約０．７ｍｍ角、高さが約０．３ｍｍであってもよいが、他のサイズのＬＥＤ２０６が使用されてもよい。ＬＥＤ２０６は、紫外（ＵＶ）（２００〜４００ｎｍ）、可視光（４００〜７００ｎｍ）、および近赤外（７００−１０００ｎｍ）波長領域の波長を放出することができる。ＬＥＤ２０４の光学的出力は、約１Ｗ／ｍｍ２以上であり、これは、十分に高い実装密度によって１ｅ６Ｗ／ｍ２の強度に相当する。所与の領域にわたるＬＥＤ２０６の十分に高い実装密度によって、ＬＥＤアレイ２０４は、有利には急速熱処理を実現する能力を提供する。加えて、高電力を必要としない他のプロセスに対しては必要に応じてより低い強度でＬＥＤを動作させることもできる。ＬＥＤの利用可能な波長が広範囲であることによって、有利には産業用途のための波長特異的な高強度の光源が可能となる。複数波長能力は、単一のＬＥＤアレイ２０４において、またはシステム内の複数のＬＥＤアレイ２０４の全域にわたって実現されてもよい。ＬＥＤが高効率（６０〜８０％の効率）であるため、熱を無駄に捨てるように変換されるエネルギーが少なくなり、これによって熱管理の問題を低減させることができる。
【００３０】
加えて、ＬＥＤ２０６およびＬＥＤアレイ２０４は、白熱ランプよりも高速のオンオフのスイッチング時間を有する。一部の実施形態では、ＬＥＤは、白熱ランプの数百ミリ秒に対して数ナノ秒のオーダのオンオフのスイッチング時間を有する。特に、一部の実施形態では、ＬＥＤは、約０．５ナノ秒〜約１０ナノ秒のスイッチオン時間、および約０．５ナノ秒〜約１０ナノ秒のスイッチオフ時間を有する。より高速のオンオフスイッチング時間によって、熱露出をより短くすることが可能となる。上記のようなスモールフォームファクタのＬＥＤの使用によって、より低い所有コストで、より長い動作寿命（約１００ｋ時間）の、およびＵＶ  ＬＥＤの場合は、有毒の水銀蒸気を主成分とするランプに代わる環境に配慮した、共形の高強度照明システムを設計することが可能となる。
【００３１】
一部の実施形態では、ＬＥＤアレイ２０４は、異なる波長を有する個々のＬＥＤチップ２０６であってもよく、またはＬＥＤアレイ２０４は、異なる波長を有するＬＥＤランプの集合であってもよい。ある波長を有するあるＬＥＤが一度に活性化されるように、ＬＥＤは、多重化／ラスタ化されてもよい。たとえば、時間１ｔでは、λ１のＬＥＤのみが活性であり、時間２ｔでは、λ２のＬＥＤのみが活性であるなどである。したがって、ＬＥＤアレイ２０４内のＬＥＤをグループ化し、コントローラ（たとえば、コントローラ１４０）によって別々に制御することができる。
【００３２】
一部の実施形態では、リフレクタ２０８、２１０は、ＬＥＤから放出された光および熱エネルギーを所望のターゲット（たとえば、ウエハ基板、または他のプロセスチャンバ構成要素など）に向かって反射するように構成される。レーザの場合、リフレクタ２０８、２１０は、ウエハ基板または所望のプロセスチャンバ構成要素を加熱するためにレーザビームの軸芯からの光を向けることができる。リフレクタ２０８、２１０は、輻射されたＬＥＤ光を所望の方向に反射するように角度付けされていてもよい。一部の実施形態では、ＬＥＤ基板２０２表面からのリフレクタ表面の傾斜の角度は、光エネルギーが所望される場所の方向に延在するＬＥＤの軸芯から約４５〜５５度である（たとえば、ＬＥＤの平面アレイに対して、軸芯は、平面アレイに垂直であってもよい）が、２つの隣接するＬＥＤ２０６間またはＬＥＤアレイ２０４間の利用可能な空間に基づいてリフレクタの角度および所望の長さを最大化する任意の角度が使用されてもよい。他の実施形態では、リフレクタ２０８、２１０の表面は、ＬＥＤ基板２０２の表面に垂直であってもよい。さらに、他の実施形態では、ＬＥＤ２０６の表面は、リフレクタの表面の代わりに、またはリフレクタの表面に加えて、角度付けされていてもよい。一部の実施形態では、リフレクタ２０８、２１０の高さは、ＬＥＤ２０６の高さと少なくとも同じ高さであるが、必要に応じてＬＥＤ２０６よりも高くても、または低くてもよい。
【００３３】
一部の実施形態では、各ＬＥＤ２０６は、ＬＥＤ基板２０２に個々に取り付けられてもよい。各ＬＥＤ２０６は、ワイヤボンドなしにＬＥＤを直接付着させることを含め、共晶ボンディングによって基板に取り付けられてもよい。基板にＬＥＤを直接付着させるために、ＬＥＤを付着させる基板表面に初めにフラックスが配置される。次いで、ＬＥＤがこの表面の上に配置される。次いで、ＬＥＤおよび表面は、ある加熱プロファイルで加熱される。ＬＥＤの底部に配置されたある量のはんだは、フラックスの助けを借りて溶融し、ＬＥＤをフラックスが施された表面に付着させる。一部の実施形態では、各ＬＥＤ２０６を、ＬＥＤ基板２０２上に成長させることができる。ＬＥＤ２０６を、個々に、グループ／区間で、またはすべて一緒に同時に成長させることができる。一部の実施形態では、ＬＥＤ２０６を成長させるＬＥＤ基板２０２は、ｎ型基板であってもよく、このｎ型基板の表面に堆積させたｐ型層２４０に電極（たとえば、２１４）を付着させる。シリコン基板またはサファイヤ基板が同様に使用されてもよい。基板は、ＬＥＤから速やかに熱を放散させることができるように、十分に薄く、または高い熱伝導率を有するが、さらにＬＥＤをシステムの残りの部分から電気的に絶縁する任意の材料であってもよい。これは、電気的絶縁材料を使用することによって行われ得る。限定されないが、直接堆積、バッファ層の適用、および／または任意のタイプの応力緩和によって、基板の格子構造をＬＥＤ材料の格子構造と一致させるように作ることができる任意の材料上にＬＥＤを成長させることができる。一部の例示的な実施形態では、基板は、セラミックであってもよい。一部の実施形態では、ＬＥＤの成長を促進するのを支援するために基板内に非基板材料／化学物質のアイランドを成長させても、または含んでもよい。
【００３４】
一部の実施形態では、ＬＥＤアレイ２０４内のＬＥＤ２０６は、直列に接続される。一部の実施形態では、ＬＥＤ２０６は、基板２０２の第１の表面上の再帰的なパターンでＬＥＤ基板２０２に配置される。再帰的なパターンによって、基板２０２の第１の表面の利用可能な表面積の使用が最大化される。一部の実施形態では、再帰的なパターンは、図３に示されるように、ＬＥＤ２０６の各列がＬＥＤ２０６の少なくとも１つの他の列と電気的に結合されるように、ＬＥＤ２０６の複数の列を含む蛇行構造である。図３は、円形断面を有するディスク形状ＬＥＤアレイ２０４の概略上面図であり、ＬＥＤが、円形断面基板２０２上の再帰的なパターンで直列に接続された直接付着ＬＥＤであるＬＥＤアレイ２０４の実施形態を示す。ＬＥＤ２０６の各カラムは、電気配線３１８によってＬＥＤ２０６の別のカラムに接続されている。図３では、電源コンタクトパッド３１０は、電源３１４に結合され、接地コンタクトパッド３１２は、接地３１６に結合されている。
【００３５】
本発明の実施形態に記載されるＬＥＤアレイ２０４の高い実装密度により、一部の実施形態は、図４〜図７に関して以下に記載されるように、熱放散および熱管理のための冷却機構１５０の使用が必要となることがある。
【００３６】
図４は、プロセスチャンバのＬＥＤアレイ２０４を冷却するために使用される冷却機構１５０の少なくとも１つの実施形態の概略側部断面図である。図４と一致する実施形態の冷却機構１５０は、バンドパスフィルタ４０２を有する窓である。バンドパスフィルタ４０２の使用は、ＬＥＤアレイ２０４と加熱されるデバイス（たとえば、基板１０１）との間にバンドパスフィルタを有する透明窓シートの配置に関わる。窓は、通常石英であるが、フィルタと併用してバンドパス特性を調節する他のタイプの透明材料であってもよい。一部の実施形態では、窓は、互いに結合された窓のスタックであってもよい。バンドパスフィルタそれ自体は、波長のある帯域を通過させるように設計された単一のまたは複数層の誘電体膜で構成されてもよい。バンドパスフィルタを創出する他の方法が使用されてもよい。
【００３７】
一部の実施形態では、バンドパスフィルタ４０２は、反射され、再放出されてＬＥＤアレイ２０４に戻る輻射の量を低減させる／フィルタすることによって、ＬＥＤアレイ２０４に蓄積される熱を低減させることができる。特に、バンドパスフィルタ４０２は、要求に応じて特定のプロセスに対して狭い範囲の波長を有利に通過させることができる。たとえば、一部の実施形態では、特定の範囲のＬＥＤ波長は、膜改質、膜硬化特有波長などの目的のために必要な場合がある。バンドパスフィルタ４０２は、ＬＥＤ２０６から放出された他のすべての波長をフィルタ除去し、プロセスに望まれる波長のみを通過させる。たとえば、図４に関して、ＬＥＤ２０６から放出された波長はすべて、透過光線４１０の波長を除いてバンドパスフィルタ４０２によってフィルタされる。透過光線４１０は、プロセスチャンバ内の基板１０１を加熱するために使用され得る。反射輻射４１２は、基板１０１から反射して、ＬＥＤアレイ２０４に向かって戻る。加えて、基板１０１は、透過光線４１０により発熱するため、基板は、熱輻射４１４を再放出し、熱輻射４１４の少なくとも一部がＬＥＤアレイ２０４に向かって戻されることがある。次いで、この再反射された輻射４１６が、基板１０１に向かって戻される。ＬＥＤアレイの点から論じられたが、一部の実施形態では、バンドパスフィルタ４０２は、従来のランプ（タングステンハロゲン、水銀蒸気、アーク放電）または電気加熱素子に関して同様に使用されてもよい。
【００３８】
光の様々な波長をフィルタする／反射するときに、バンドパスフィルタ４０２が熱くなることがある。加えて、ＬＥＤのさらなる冷却が必要となる場合がある。したがって、一部の実施形態では、図示するように、低温液浸冷却の利用が用いられる場合があり、図５Ａおよび図５Ｂに関して論じられる。図５Ａと一致する実施形態では、ＬＥＤ２０６は、ＬＥＤ２０６およびバンドパスフィルタ４０２の熱除去を支援する冷却チャネル５０６内でＬＥＤ２０６の上を流れる低温流体５０２に浸される。一部の実施形態では、バンドパスフィルタは、存在しなくてもよく、低温流体５０２を収容するための窓だけが使用されてもよい。一部の実施形態では、ＬＥＤ２０６は、図５Ｂに示されるように、熱抽出を最大化するように、フィン付きのヒートシンク５０４に付着させられており、低温循環流体５０２に浸されている。一部の実施形態では、ＬＥＤ２０６およびフィン付きのヒートシンク５０４の一部だけが冷媒に浸され、ＬＥＤ基板２０２上の電気配線は浸されていない。
【００３９】
一部の実施形態では、低温流体は、エチレングリコール、アルコール、水、脱イオン水、油、またはそれらの任意の組合せであってもよい。一部の実施形態では、低温循環流体５０２は、ＬＥＤと反応しない高抵抗率冷媒である。一部の実施形態では、液体温度は、使用される冷媒に応じて、０℃未満、たとえば、−４０℃である。
【００４０】
低温循環流体５０２の使用によって、ＬＥＤ２０６の全体的な熱負荷を有利に軽減し、ＬＥＤアレイ２０４の性能およびシステム寿命を改善する。温度に敏感なＬＥＤ光源の場合、液体冷却によって、より多くの強度を抽出するためのオーバドライブに対してＬＥＤを十分に冷たくしておくことに関連する問題を緩和する、または解決することができる。
【００４１】
一部の実施形態では、図６に示されるように、冷却機構１５０は、冷媒６１０が流されるフィン付きのヒートシンク構造６０２であってもよい。フィン付きのヒートシンク構造６０２は、２枚のプレートまたはブロック６０６（たとえば、基部プレートと頂部プレート）間に結合された複数のフィン６０４を含む。一部の実施形態では、ブロックは、金属性であり、熱伝導率性能要求に基づいて選択されることがある銅またはアルミニウムから作られてもよい。ＬＥＤアレイ２０４から熱を除去するために、フィン付きのヒートシンク構造６０２が裏面の（ＬＥＤ表面の反対の）ＬＥＤ基板２０２に結合されてもよい。一部の実施形態では、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃにそれぞれ示されるように、複数のフィン６０４は、しわ、正弦形状、または凹みを加えることによって表面積の量を増加させるようにさらに修正されてもよい。一部の実施形態では、フィン６０４は、約０．１ｍｍ〜約５．０ｍｍの幅であってもよい。各フィン６０４間の間隙は、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍの幅であってもよい。フィンは、図６に示されるようにカラムでグループ化されてもよく、または冷媒入口から冷媒出口まで延在する一連の連続したフィンとして配列されてもよい。
【００４２】
図６を再び参照すると、一部の実施形態では、フィン付きのヒートシンク構造６０２は、エッジおよびエッジ支持体構造での光分散（すなわち、エッジ損失）に対応するため基板よりも大きくてもよい。たとえば、一部の実施形態では、フィン付きのヒートシンク構造６０２は、基板のサイズを超えて放射方向に約５０ｍｍ〜約１００ｍｍ大きくてもよい。したがって、一部の実施形態では、フィン付きのヒートシンク構造６０２は、２００、３００および４５０ｍｍの基板にエネルギーを供出するために使用され得る大面積の高密度ＬＥＤアレイを収容するために、約２５０ｍｍ〜約５５０ｍｍ角であってもよい。一部の実施形態では、フィン付きのヒートシンク構造の全厚さは、２ｃｍ未満の厚さであってもよい。
【００４３】
冷媒６１０は、（たとえば、ポンプによって冷媒リザーバから）フィン付きのヒートシンク構造６０２を通って毎分最大６０ガロンで供出されてもよい。必要とされるフィン構造および熱除去に応じて、流量は、ヒートシンク／液体界面での乱流状態を確保するために適度に高くてもよく、それによって流体の境界層および全体的な熱抵抗を低減させる。より低い熱除去要求に対しては、流量は、より多くの層流を提供し、圧力降下および必要な流体入口圧力を低減させるようにより低くてもよい。冷媒６１０は、いかなる液体であってもよい。一部の実施形態では、水は、その高熱容量、ほとんどの材料との適合性および低コストのために使用される。一部の実施形態では、他の液体、たとえば、不凍剤（たとえば、水、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコールなどの任意の組合せ）、誘電性流体（たとえば、油、シリコーン油、鉱油、フルオロカーボン油）、または液化ガス（０２、Ｎ２、Ｈ２、ＣＯ２など）が使用されてもよい。本明細書に記載されたフィン付きのヒートシンク構造６０２の実施形態は、有利に冷却効率を改善し、熱的に膨張するシステム要素に関連付けられた周期的な疲労およびき裂を管理するのに役立つことができる。
【００４４】
前述の事項は、本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他の、およびさらなる実施形態が、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに考案され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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