(57)【要約】      【課題】発光素子の温度を迅速にかつ高精度で把握して、適切に過熱防止を行うことができるアニール装置を提供すること。      【解決手段】ウエハＷが収容されるチャンバー２と、チャンバー２内のウエハＷに対して光を照射する複数のＬＥＤ３３を有する加熱源１７ａ，１７ｂと、加熱源１７ａ，１７ｂのＬＥＤ３３に給電する電源部６０と、ＬＥＤ３３からの光を透過する光透過部材１８ａ，１８ｂと、チャンバー２内を排気する排気機構と、ＬＥＤ３３のｐｎ接合における電流−電圧特性またはＬＥＤの抵抗における電流−電圧特性に基づいてＬＥＤ３３の温度を算出する温度算出部６２と、温度算出部６２において算出された温度が所定の温度を超えた場合に電源部６０の給電を停止するインターロック部６３とを具備するアニール装置。      【選択図】      図１
2009231353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体が収容される処理室と、
被処理体の少なくとも一方の面に面するように設けられ、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、
前記加熱源の発光素子に給電する電源部と、
前記加熱源に対応して設けられ、前記発光素子からの光を透過する光透過部材と、
前記処理室内を排気する排気機構と、
前記発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性または前記発光素子の抵抗における電流−電圧特性に基づいて前記発光素子の温度を算出する温度算出部と、
前記温度算出部において算出された温度が所定の温度を超えた場合に前記電源部の給電を停止するインターロック部と
を具備することを特徴とするアニール装置。
【請求項２】
前記温度算出部は、前記発光素子に流れる電流が所定値以下の小電流の場合に、前記発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性を用いて前記発光素子の温度を算出することを特徴とする請求項１に記載のアニール装置。
【請求項３】
前記温度算出部は、前記発光素子に流れる電流が所定値以上の大電流の場合に、前記発光素子の抵抗における電流−電圧特性に基づいて前記発光素子の温度を算出することを特徴とする請求項１に記載のアニール装置。
【請求項４】
前記発光素子はＬＥＤであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアニール装置。
【請求項５】
複数の発光素子を有する加熱源により処理室内の基板に対してアニール処理を行うアニール装置に用いられる過熱防止システムであって、
前記発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性または前記発光素子の抵抗における電流−電圧特性に基づいて前記発光素子の温度を算出する温度算出部と、
前記温度算出部において算出された温度が所定の温度を超えた場合に前記発光素子への給電を停止するインターロック部と
を具備することを特徴とする過熱防止システム。
【請求項６】
前記温度算出部は、前記発光素子に流す電流が所定値以下の小電流の場合に、前記発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性を用いて前記発光素子の温度を算出することを特徴とする請求項５に記載の過熱防止システム。
【請求項７】
前記温度算出部は、前記発光素子に流す電流が所定値以上の大電流の場合に、前記発光素子の抵抗における電流−電圧特性に基づいて前記発光素子の温度を算出することを特徴とする請求項５に記載の過熱防止システム。
【請求項８】
前記発光素子はＬＥＤであることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の過熱防止システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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それに用いられる過熱防止システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
しかしながら、ＬＥＤは熱による昇温で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。
【０００５】
このため、ＬＥＤを冷却して熱による発光量の低下を抑制する技術が提案されているが（特許文献２）、冷却してもなお、ＬＥＤに過度の電流が流れること等により異常過熱する場合があり、このような場合にはＬＥＤの効率が低下するのみならず、このまま放置すると破壊することもある。
【０００６】
このようなことから、ＬＥＤ近傍の温度を例えば熱電対等の温度センサーで検知して所定の温度を超えた時点でインターロックがかかるようにしている。
【０００７】
しかしながら、ＬＥＤは非常に小さく、支持体に多数配列した状態で搭載されるため、ＬＥＤに近接した位置には温度センサーを設置することができず、高精度で温度測定することができない。また、温度センサーを用いた場合にはＬＥＤが過熱してからその温度を検知するまでのタイミングは故障破壊を起こすタイミングよりも遅くなってしまう。そのため、インターロック値を過熱温度近傍に設置すると、異常が発生してもすぐに検知できず、ＬＥＤが破壊してしまう。したがって、インターロック値を低く設定せざるを得ないが、そうするとインターロック機能を十分に発揮することができない。
【特許文献１】特表２００５−５３６０４５号公報
【特許文献２】特開２００８−１６５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、発光素子の温度を迅速にかつ高精度で把握して、適切に過熱防止を行うことができるアニール装置、およびそのようなアニール装置に用いられる過熱防止システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、被処理体の少なくとも一方の面に面するように設けられ、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、前記加熱源の発光素子に給電する電源部と、前記加熱源に対応して設けられ、前記発光素子からの光を透過する光透過部材と、前記処理室内を排気する排気機構と、前記発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性または前記発光素子の抵抗における電流−電圧特性に基づいて前記発光素子の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部において算出された温度が所定の温度を超えた場合に前記電源部の給電を停止するインターロック部とを具備することを特徴とするアニール装置を提供する。
【００１０】
本発明の第２の観点では、複数の発光素子を有する加熱源により処理室内の基板に対してアニール処理を行うアニール装置に用いられる過熱防止システムであって、前記発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性または前記発光素子の抵抗における電流−電圧特性に基づいて前記発光素子の温度を算出する温度算出部と、前記温度算出部において算出された温度が所定の温度を超えた場合に前記発光素子への給電を停止するインターロック部とを具備することを特徴とする過熱防止システムを提供する。
【００１１】
上記第１および第２の観点において、前記温度算出部は、前記発光素子に流す電流が所定値以下の小電流の場合に、前記発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性を用いて前記発光素子の温度を算出することができ、前記発光素子に流す電流が所定値以上の大電流の場合に、前記発光素子の抵抗における電流−電圧特性に基づいて前記発光素子の温度を算出することができる。
【００１２】
また、前記発光素子としては、ＬＥＤを典型例として例示することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、このようにＬＥＤのような発光素子を用いたアニール装置において、発光素子のｐｎ接合における電流−電圧特性または発光素子のバルク抵抗およびコンタクト抵抗等の抵抗における電流−電圧特性に基づいて温度算出部により発光素子の温度を算出し、その算出した温度が所定値を超えたときにインターロック部が給電を停止する信号を出すので、発光素子の温度を迅速にかつ高精度で把握して、適切に発光素子の過熱を防止することができる。
【００１４】
また、多数の発光素子に給電した際の電流−電圧特性から計算により温度を推定するので、多数の発光素子の平均値として温度を把握することができる。このため、センサーを設ける場合よりも高精度の温度検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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ウエハ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。
【００１６】
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おり、処理室１の断面はＨ状をなしている。処理室１のガス拡散部１ｂはチャンバー２により規定されている。チャンバー２の上壁２ａおよび底壁２ｂにはアニール処理部１ａに対応する円形の孔３ａ，３ｂが形成されており、これら孔３ａ，３ｂにはそれぞれ高熱伝導性材料であるＡｌまたはＡｌ合金からなる冷却部材４ａ，４ｂが嵌め込まれている。冷却部材４ａ，４ｂはフランジ部５ａ，５ｂを有し、フランジ部５ａ，５ｂ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および底壁２ｂに支持されている。熱絶縁体８０は、後述するようにフランジ部５ａ、５ｂが例えば−５０℃、あるいはこれ以下に冷却されることから、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５ａ，５ｂと熱絶縁体８０との間、および熱絶縁体８０と上壁２ａおよび底壁２ｂ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。さらに冷却部材４ａ、４ｂの大気に晒される部分は断熱材で覆われている。
【００１７】
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。また、チャンバー２の天壁には、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ー１４が設けられている。また、温度センサー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７０に温度検出信号が出力されるようになっている。
【００１８】
冷却部材４ａ，４ｂ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１６ａ，１６ｂが形成されている。そして、この凹部１６ａ，１６ｂ内には、冷却部材４ａ，４ｂ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１７ａ，１７ｂが配置されている。
【００１９】
冷却部材４ａ，４ｂのウエハＷと対向する面には、凹部１６ａ，１６ｂを覆うように、加熱源１７ａ，１７ｂ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１８ａ，１８ｂがねじ止めされている。光透過部材１８ａ，１８ｂ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。
【００２０】
冷却部材４ａ，４ｂには冷却媒体流路２１ａ，２１ｂが設けられており、その中に、冷却部材４ａ，４ｂを０℃以下、例えば−５０℃程度に冷却することができる液体状の冷却媒体、例えばフッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン等）が通流される。冷却部材４ａ，４ｂの冷却媒体流路２１ａ，２１ｂには冷却媒体供給配管２２ａ，２２ｂと、冷却媒体排出配管２３ａ，２３ｂが接続されている。これにより、冷却媒体を冷却媒体流路２１ａ，２１ｂに循環させて冷却部材４ａ，４ｂを冷却することが可能となっている。
【００２１】
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。
【００２２】
加熱源１７ａ，１７ｂ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Ｃｕで構成された熱拡散部材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が熱伝導性の高い接合材である銀ペースト５６により取り付けられている。また、支持体３２と熱拡散部材５０とは信頼性の観点から高熱伝導性接合材であるハンダ５７により接合されている。また、ＬＥＤアレイ３４の裏面側の熱拡散部材５０と冷却部材４ａ（４ｂ）とは、これらの間に高熱伝導性接合材であるシリコングリース５８が介在された状態でねじ止めされている。このような構成により、冷却媒体から熱伝導率の高い冷却部材４ａ，４ｂに高効率で伝達した冷熱が、全面で接触している熱伝導性が高い熱拡散部材５０、支持体３２、電極３５を介してＬＥＤ３３に到達する。すなわち、ＬＥＤ３３で発生した熱を、銀ペースト５６、電極３５、支持体３２、ハンダ５７、熱拡散部材５０、シリコングリース５８という熱伝導性の良好な経路を通って冷却媒体で冷却されている冷却部材４ａ，４ｂに極めて効果的に逃がすことができる。
【００２３】
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ＴｉＯ２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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
支持体３２と光透過部材１８ａ，１８ｂとの間の空間は真空引きされており、光透過部材１８ａ，１８ｂ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１８ａ，１８ｂ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。
【００２７】
加熱源１７ａのＬＥＤ３３へは電源部６０から給電線６１ａ、給電部材４１および給電棒３８（図３参照）を介して給電され、加熱源１７ｂのＬＥＤ３３へは電源部６０から給電線６１ｂ、給電部材４１および給電棒３８を介して給電される。給電線６１ａおよび給電線６１ｂには、給電制御部４２ａおよび４２ｂが接続されている。
【００２８】
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４ａ，４ｂ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１、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４ａの上端部および冷却部材４ｂの下端部まで延び、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４ａ，４ｂ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４ａ（４ｂ）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。
【００２９】
給電部材４１は各電極棒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、電源部６０から給電線６１ａ、給電部材４１、電極棒３８、給電電極５１および電極３５を介して加熱源１７ａの各ＬＥＤ３３に給電され、給電線６１ｂ、給電部材４１、電極棒３８、給電電極５１および電極３５を介して加熱源１７ｂの各ＬＥＤ３３に給電されるようになっている。この場合に、給電制御部４２ａ，４２ｂにより、電源部６０により印加された電圧を直流波形の電圧としてＬＥＤ３３に給電する。ＬＥＤへの給電は、従来、所定のデューティ比のパルス状の電圧を与えるＰＷＭ駆動が一般的であったが、このように直流駆動にすることにより、発熱マージンが向上する。なお直流波形の電圧とは、従来におけるＬＥＤをパルス的にＯＮ−ＯＦＦ駆動する電圧ではなく、常にＯＮ状態で駆動する電圧を意味する。
【００３０】
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を表裏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、確実に給電部材４１と電極棒３８のコンタクトをとることができる。
【００３１】
なお、図１には給電部材４１の途中までが描かれており、電極棒３８、給電電極５１やこれらの接続部の構造等は省略している。また、図２には給電電極５１が省略されている。
【００３２】
ＬＥＤアレイ３４は、図４に示すように六角形状をなしている。ＬＥＤアレイ３４においては、各ＬＥＤ３３に十分な電圧を供給し、しかも給電部分の面積ロスを少なくして、搭載するＬＥＤ３３の数をいかに増加させるかが極めて重要である。ここでは、ＬＥＤアレイ３４を２等分して２つの領域３４１、３４２を形成し、これら領域３４１、３４２をそれぞれ３つの給電領域３４１ａ、３４１ｂ、３４１ｃおよび３４２ａ、３４２ｂ、３４２ｃに分ける。
【００３３】
これら給電領域に給電するための電極として、領域３４１側には、３つの負極５１ａ、５１ｂ、５１ｃと共通の一つの正極５２とが一直線に配列されており、領域３４２側には、３つの負極５３ａ、５３ｂ、５３ｃと共通の一つの正極５４とが一直線に配列されている。そして、共通の正極５２からは、給電領域３４１ａ，３４１ｂ，３４２ｃに給電され、共通の正極５４からは給電領域３４２ａ，３４２ｂ，３４１ｃに給電されるようになっている。
【００３４】
各給電領域の複数のＬＥＤ３３は、図５に示すように、シリアルに接続された組が２組パラレルに配置されている。このようにすることにより、ＬＥＤの個々のバラツキおよび電圧のばらつきを抑制することができる。
【００３５】
このような構造のＬＥＤアレイ３４は図６に示すように冷却部材４ａ（４ｂ）上に複数隙間無く配置される。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８５０〜９７０ｎｍ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。
【００３６】
給電制御部４２ａ，４２ｂには、共通の温度算出部６２が接続されている。温度算出部６２では、ＬＥＤ３３のｐｎ接合における電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性またはＬＥＤ３３のバルク抵抗およびコンタクト抵抗等の抵抗における電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性に基づいてＬＥＤ３３の温度を算出する。
【００３７】
すなわち、ＬＥＤ３３のｐｎ接合におけるＩ−Ｖ特性と、バルク抵抗およびコンタクト抵抗等の抵抗におけるＩ−Ｖ特性は、後述するように温度の関数として表されるので、これらのいずれかを用いることにより、温度を算出することができ、この算出温度によりＬＥＤ３３の温度を推定することができる。
【００３８】
温度算出部６２にはインターロック部６３が接続されている。インターロック部６３は、温度算出部６２で算出された温度信号を受け取り、その温度が所定の温度を超えたか否かを判断し、所定の温度を超えた場合に、電源部６０に給電停止信号を送り、給電を停止してＬＥＤ３３の過熱および破壊を防止するようになっている。すなわち、温度算出部６２およびインターロック部６３は過熱防止システムとして機能する。
【００３９】
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７０に接続されて制御される構成となっている。例えば、給電制御部４２ａ，４２ｂに対する制御指令の送信、駆動系の制御、ガス供給制御等がこのプロセスコントローラ７０で行われる。プロセスコントローラ７０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７１が接続されている。さらに、プロセスコントローラ７０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７０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７２が接続されている。処理レシピはハードディスクのような固定的な記憶媒体に記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部７２の所定位置にセットするようになっていてもよい。さらに、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７１からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部７２から呼び出してプロセスコントローラ７０に実行させることで、プロセスコントローラ７０の制御下で、アニール装置１００での所望の処理が行われる。
【００４０】
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。
【００４１】
一方、冷却部材４ａ，４ｂは、冷却媒体流路２１ａ，２１ｂに液体状の冷却媒体、例えばフッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン等）を循環させ、ＬＥＤ素子３３を０℃以下の所定の温度、好ましくは−５０℃以下の温度に冷却される。
【００４２】
そして、電源部６０から給電線６１ａ、給電部材４１、電極棒３８、給電電極５１および電極３５を介して加熱源１７ａの各ＬＥＤ３３に給電され、給電線６１ｂ、給電部材４１、電極棒３８、給電電極５１および電極３５を介して加熱源１７ｂの各ＬＥＤ３３に給電され、ＬＥＤ３３を発光させる。
【００４３】
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１８ａ，１８ｂ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。
【００４４】
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が、本実施形態では、冷却部材４ａ，４ｂに冷却媒体を通流させ、図２に示すように、冷却部材４ａ，４ｂ、熱拡散部材５０、支持体３２、電極３５を介してＬＥＤ３３を冷却するので、ＬＥＤ３３を効率的に冷却することができる。
【００４５】
しかしながら、このようにＬＥＤ３３を冷却する場合であっても、ＬＥＤ３３に過度の電流が流れること等により、ＬＥＤ３３が過熱し、ＬＥＤ３３の効率が極端に低下したり、ＬＥＤ３３が破壊することがある。例えば、本実施形態では、図７に示すように、ＬＥＤ３３に対して直流状の電圧を印加してウエハＷを加熱するが、ウエハＷが最高温度に到達する直前にＬＥＤ３３へ供給されるパワー（すなわちＬＥＤ電流）が最も上昇し、その時に最もＬＥＤ３３の温度が上昇する。したがって、この時にＬＥＤ３３の温度を測定する必要がある。
【００４６】
従来は、このようなＬＥＤ３３の温度を測定するために、ＬＥＤ近傍の温度を例えば熱電対等の温度センサーで検知していたが、この場合には、高精度で温度測定することができず、しかもＬＥＤが過熱してからその温度を検知するまでのタイミングは故障破壊を起こすタイミングよりも遅くなってしまう。
【００４７】
これに対して、本実施形態では、温度算出部６２が、ＬＥＤ３３のＩ−Ｖ特性に関するデータを給電制御部４２ａ，４２ｂから受け取り、これに基づいて温度を推定し、この推定温度に基づいてインターロック部６３が設定温度を超えた場合に電源部６０からの給電を遮断する信号を発するので、温度センサーを用いてＬＥＤの温度を測定する場合よりも、高精度でかつ迅速にＬＥＤの温度を把握することができ、これに基づいてインターロックをかけることができるので、適切にＬＥＤ３３の過熱防止を行うことができる。
【００４８】
この際の温度算出について具体的に説明する。
ＬＥＤのＩ−Ｖ特性は、ｐｎ接合におけるＩ−Ｖ特性と、ＬＥＤのバルク抵抗およびコンタクト抵抗が持つＩ−Ｖ特性による。そして、１個のＬＥＤの電圧は、図８に示すように、ｐｎ接合の電圧をＶＤとし、バルク抵抗およびコンタクト抵抗等の抵抗に対応する電圧をＶＲとした場合、Ｖ＝ＶＤ＋ＶＲで表すことができる。
【００４９】
ｐｎ接合におけるＩ−Ｖ特性は、以下の（１）式で表すことができる。
【数１】
2009231353.tif 000003
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｅｇはバンドギャップ、Ｉｓは逆方向漏れ電流、ｑは１個の電子の電荷量である。
Ｉｓは以下の（２）式で表すことができ、これを上記（１）式に代入すると、ＶＤは以下の（３）式に示すように表される。
【数２】
2009231353.tif 000004
【００５０】
一方、バルク抵抗およびコンタクト抵抗のＩ−Ｖ特性は、ＶＲを表す式として以下の（４）式で表される。
【数３】
2009231353.tif 000005
ただし、Ｅａは不純物準位の活性化エネルギーである。
【００５１】
したがって、全体の電圧Ｖは、以下の（５）式で表すことができる。
【数４】
2009231353.tif 000006
【００５２】
しかし、この（５）式から直接温度Ｔを導くことは困難である。そこで、まず、上記（５）式を電流Ｉで微分してＩ−Ｖ特性の傾きを求めると以下の（６）式のようになる。
【数５】
2009231353.tif 000007
この（６）式からわかるように、Ｉが小さいとき、ｐｎ接合部分の寄与が大きく、Ｉが大きいとき、抵抗成分の寄与が大きい。このことは、図９からも把握することができる。図９は、ＬＥＤ３３に温度が上昇しないように各種値のパルス電流を流し、その時の電圧を実測して得たＩ−Ｖ特性であり、温度が３００Ｋと４２０Ｋの２通りが示されている。この図９に示される値に上記（５）式をフィッティングさせ、上記（３）式と上記（４）式におけるＩ−Ｖ特性とを分けてグラフ化したものが図１０であり、また図１１は、図１０の微小電流部分を拡大して示すグラフである。このように実測値に（５）式をフィッティングさせて、（３）式、（４）式中のある定数Ｉ０、Ｒ０を求めることもできる。これらの図から、４ｍＡ以下の微小電流ではｐｎ接合におけるＩ−Ｖ特性の傾きは抵抗成分におけるＩ−Ｖ特性の傾きに比べてはるかに大きく、２００ｍＡ以上になると抵抗成分におけるＩ−Ｖ特性の傾きはｐｎ接合におけるＩ−Ｖ特性の傾きに比べてはるかに大きいことがわかる。
【００５３】
このことを利用して、（ａ）低電流を用いてｐｎ接合と温度との関係によりＬＥＤ３３の温度を求める方法と、（ｂ）大電流を用いてバルク抵抗等の抵抗成分と温度との関係を利用してＬＥＤ３３の温度を求める方法の２種類の方法を採用することができる。
【００５４】
上記（ａ）の方法は、４ｍＡ以下の微小電流のとき、抵抗による電圧変化よりもｐｎ接合による電圧変化が大きいので、抵抗による成分は温度推定には無視できるものとする。このとき、電圧Ｖは以下の（７）式で表すことができる。
【数６】
2009231353.tif 000008
【００５５】
ここで、同じ温度で異なる２種類の電圧電流（ＶＨ、ＩＨとＶＬ、ＩＬ）を流したときの電圧差ΔＶ（＝ＶＨ−ＶＬ）は、以下の（８）式で与えられる。
【数７】
2009231353.tif 000009
（８）式中、ηは理想因子であり、理想的には１であるが、プロセス、構造により変化する値である。
上記（８）式において、ｋおよびｑは既知であり、ηはデバイス構造で決定されるので、（η×ｋ）／ｑをＫとすると、温度Ｔは、以下の（９）式で求めることができる。
【数８】
2009231353.tif 000010
【００５６】
また、上記（ｂ）の方法は、２００ｍＡ以上の大電流のとき、Ｉ−Ｖ特性の傾きは、ｐｎ接合によるものよりも抵抗成分によるもののほうが十分に大きいから、ｐｎ接合による成分は温度推定には無視できるものとする。このとき、上記（６）式に基づいて、以下の（１０）式が成り立つ。
【数９】
2009231353.tif 000011
ここで、同じ温度で異なる２種類の電圧電流（ＶＨ、ＩＨとＶＬ、ＩＬ）を流し、ＶＨ−ＶＬ＝ΔＶ、ＩＨ−ＩＬ＝ΔＩとすると、上記（１０）式から、温度Ｔは以下の（１１）式で表すことができる。
【数１０】
2009231353.tif 000012
【００５７】
つまり、上記（ａ）の場合も（ｂ）の場合も、ＬＥＤを加熱中に２種類の電流を流すことにより温度Ｔを求める。この温度算出は、温度算出部６２にて行われ、この温度算出結果を受け取ったインターロック部６３が、その値が所定の値を超えたことを検出した場合に、異常過熱と判断して、電源部６０からの給電を停止する。
【００５８】
ここで実際のアニール装置１００におけるＬＥＤ温度の測定としては、給電制御部４２ａ（４２ｂ）は、例えば図７で示されるようなパワー（電流）をＬＥＤ３３に放出する。このとき温度算出部６２は、図７において設定温度が最も高くなる領域付近（図中の円Ｓで囲まれた領域）における微小時間Δｔ＝ｔ２−ｔ１の時刻ｔ１とｔ２とで上記２種類の電流、電圧を測定する。微小時間は少ないほどよいが、５ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃである。温度算出部６２は、ここで得られたデータに基づき、この場合の電流値は２００ｍＡ以上であるので、（１１）式よりＬＥＤ３３の温度を算出し、その値が所定の値を超えていた場合にはインターロック部６３がインターロックをかけることになる。
【００５９】
以上の説明において、温度算出は１つのＬＥＤ３３についてのみ行われているが、多数のＬＥＤ３３の集合体例えばＬＥＤアレイ３４ごとに温度を算出することもできる。この場合にはｍ個の直列のＬＥＤ３３がｎ個並列に接続されていると考える。ここでＬＥＤアレイ３４にかかる電圧をＶｍｎ、流れる電流をＩｍｎとして、全てのＬＥＤ３３が平均化され均一な素子として扱うと、１個当たりのＬＥＤ３３にかかる電圧はＶｍｎ／ｍ、電流はＩｍｎ／ｎとなる。さらに上記した２種類の電圧電流をそれぞれＶｍｎＨ、ＩｍｎＨとＶｍｎＬ、ＩｍｎＬとし、ＶｍｎＨ−ＶｍｎＬ＝ΔＶｍｎ、ＩｍｎＨ−ＩｍｎＬ＝ΔＩｍｎとする。すると微小電流および大電流が流れる場合の温度算出式（９）、（１１）におけるΔＶ、ΔＩ、ＩＨ、ＩＬはそれぞれΔＶｍｎ／ｍ、ΔＩｍｎ／ｎ、ＩｍｎＨ／ｎ、ＩｍｎＬ／ｎとなり、これらの式に代入すると、以下の（９′）式および（１１′）式に示すようになる。
【数１１】
2009231353.tif 000013
したがって、これら（９′）式および（１１′）式から、ＬＥＤアレイ３４ごとの温度を算出することができる。また冷却部材４２ａ（４２ｂ）上に配置された多数のＬＥＤアレイ３４のうち、距離の離れた複数個所において上記に基づき温度を算出し、さらに詳細な加熱源１７ａ（１７ｂ）全体の温度分布を求めることもできる。
【００６０】
本実施形態では、このようにＬＥＤ３３の温度によって変化する、ＬＥＤ３３のｐｎ接合における電流−電圧特性またはＬＥＤ３３のバルク抵抗およびコンタクト抵抗等の抵抗における電流−電圧特性に基づいて温度算出部６２によりＬＥＤ３３の温度を算出し、その算出した温度が所定値を超えたときにインターロック部６３が給電を停止する信号を出すので、ＬＥＤ３３の温度を迅速にかつ高精度で把握して、適切にＬＥＤ３３の過熱を防止することができる。
【００６１】
また、多数のＬＥＤ３３に給電した際の電流−電圧特性から計算により温度を推定するので、多数のＬＥＤの平均値として温度を把握することができる。このため、センサーを設ける場合よりも高精度の温度検出を行うことができる。
【００６２】
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、被処理体であるウエハの両側にＬＥＤを有する加熱源を設けた例について説明したが、いずれか一方に加熱源を設けたものであってもよい。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。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】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】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】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。
【図４】図１のアニール装置のＬＥＤアレイの具体的なＬＥＤの配列および給電手法を示す図。
【図５】図１のアニール装置のＬＥＤの接続形態を説明するための図。
【図６】図１のアニール装置の加熱源を示す底面図。
【図７】ウエハ加熱の際の設定温度とＬＥＤへ供給されるパワーとの関係を示す図。
【図８】ＬＥＤの電流と電圧を示す図。
【図９】ＬＥＤに温度が上昇しないように各種値のパルス電流を流し、その時の電圧を実測して得たＩ−Ｖ特性を示す図。
【図１０】ＬＥＤにおける電流−電圧特性をｐｎ接合寄与分と抵抗成分寄与分とで分けて示す図。
【図１１】図１０の低電流部分を拡大して示す図。
【符号の説明】
【００６５】
１；処理室
１ａ；アニール処理部
１ｂ；ガス拡散部
２；チャンバー
４ａ，４ｂ；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
１６ａ，１６ｂ；凹部
１７ａ，１７ｂ；加熱源
１８ａ，１８ｂ；光透過部材
２０；レンズ層
３２；支持体
３３；ＬＥＤ（発光素子）
３４；ＬＥＤアレイ
３５；電極
３６；ワイヤ
３８；給電棒
４１；給電部材
４２ａ，４２ｂ；給電制御部
５０；熱拡散部材
６０；電源部
６１ａ，６１ｂ；給電線
６２；温度算出部
６３；インターロック部
７０；プロセスコントローラ
７１；ユーザーインターフェース
７２；記憶部
１００；アニール装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
2009231353.tif 000014
【図２】
2009231353.tif 000015
【図３】
2009231353.tif 000016
【図４】
2009231353.tif 000017
【図５】
2009231353.tif 000018
【図６】
2009231353.tif 000019
【図７】
2009231353.tif 000020
【図８】
2009231353.tif 000021
【図９】
2009231353.tif 000022
【図１０】
2009231353.tif 000023
【図１１】
2009231353.tif 000024