JP4171017B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱装置、特に大面積半導体基板等の被加熱物上に均一の各種薄膜を生成できるように被加熱物を加熱する加熱装置に関するものである。

図２は従来のこの種加熱装置を示し、１は真空チャンバ、２は半導体基板等の基板、３はこの基板２を載置するため上記真空チャンバ１内に設けた基板載置部、４は上記真空チャンバ１の天井に設けたレーザ光入射用のプロセスウインドウ、５は上記真空チャンバ１内に安定ガスを導入するためのマスフロー、６は上記真空チャンバ１内の空気を排気するための排気ポンプ、７は上記真空チャンバ１内の真空度を制御するための圧力制御バルブである。

上記従来の加熱装置においては、高い光出力が得られるＮｄ；ＹＡＧレーザやＡｒＦエキシマレーザ等の固体レーザからのレーザ光を上記プロセスウインドウ４を介して上記真空チャンバ１内の基板載置部３上に載置した上記基板２上に照射せしめて、基板２上に例えば絶縁被膜を形成せしめている。このような従来の基板加熱装置としては特許文献１、特許文献２に記載のものがある。
特開２００２−２５２１８１号公報（第１図） 特開２０００−８７２２３号公報（第１図）

然しながら、上記従来の固体レーザは高い光出力が得られる半面、投入するエネルギーに対して得られる光出力が小さく、エネルギ変換効率は２０％以下と低い。このため直径２インチのような大面積基板を固体レーザで加熱する場合には、装置の大型化並びに強力な冷却機構が必要となり、莫大な費用を要するという難点があった。

一方、半導体レーザは素子内に生じる電荷の再結合による発光をそのままレーザとして利用するため、エネルギ変換効率が通常５０％を超え、レーザ素子の積み上げで高出力が得られる。しかしながら、高出力半導体レーザを使用する場合、出射光の強度分布が縦横方向で大きく異なり、そのため基板にレーザ光を照射した場合に、均一な温度分布が得にくいといった問題があった。

図３はレーザダイオードバー３３を積み上げて形成した半導体レーザ発振器１３を示し、３４はレーザダイオードバー３３によって挟持されたヒートシンク板である。

本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明の加熱装置は、真空チャンバと、上記真空チャンバの壁に設けたレーザ光透過窓と、上記真空チャンバの外部に設けた、レーザダイオードバーを複数個積層して形成した半導体レーザ発振器及び光学レンズ装置と、上記半導体レーザ発振器のレーザ出口に設けたレーザ光集光手段と、上記レーザ光集光手段に一端を接続せしめ、上記光学レンズ装置に他端を接続せしめた光ファイバと、上記真空チャンバ内に設けた被加熱物保持具と、上記被加熱物保持部と上記レーザ光透過窓との間に介挿せしめた均熱板とよりなり、上記光ファイバの他端から出射したレーザ光を上記光学レンズ装置により拡大して上記均熱板に照射せしめ上記均熱板の輻射熱により上記被加熱物保持部に保持した被加熱物を加熱せしめることを特徴とする。

以下発明の効果を述べる。

本発明の加熱装置によれば、直径２インチのような大面積基板を、所望の温度、例えば１０００℃の高温に、しかも、基板の２インチ面積全体を均一な（例えば変動率±１％以内の）温度分布になるように加熱することができるという大きな利益がある。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

本発明の加熱装置は、図１に示すように、真空チャンバ１と、上記真空チャンバ１の上面の壁に設けた開口部８と、上記開口部８を気密に塞ぐ、レーザ光透過窓９を有する着脱自在の蓋１０と、上記蓋１０の上面に設けた光学レンズ装置ホルダ１１と、上記ホルダ１１に、レーザ光出口側が下になるように設けた、例えば凸レンズからなる投影レンズなどの光学レンズ装置１２と、レーザダイオードバーを複数個積み上げて構成される、例えば連続発振で１ｋＷ以上の高出力を出す半導体レーザ発振器１３と、上記半導体レーザ発振器１３のレーザ出口に設けた、レーザ光を集光せしめる集光レンズ等からなるレーザ光集光手段１４と、上記集光手段１４と上記光学レンズ装置１２とを接続せしめる、例えば直径１．５ｍｍ、長さ５ｍの光ファイバ１５と、直径２インチ以上の大きさのシリコン、酸化亜鉛やサファイア等の基板２を保持するため上記蓋１０の裏面に支持棒１６を介して固定した基板ホルダー１７と、主排気系１８と、上記真空チャンバ１の底部に装着した、蒸発源を収容するためのクヌーセンセル（Ｋセル）１９と、上記Ｋセル１９のシャッタ２０と、上記蒸発源の周囲にコールドトラップを構成するため上記真空チャンバ１の底部に設けた液化窒素シュラウド２１と、上記真空チャンバ１の側部に設けた副室２２と、上記真空チャンバ１と上記副室２２とを気密に遮断可能な開閉自在なゲートバルブ２３と、上記副室２２に設けた試料交換用ポート２４と、上記副室２２内に設けた、基板２を上記副室２２内から上記真空チャンバ１内に搬送せしめる搬送手段２５と、上記副室２２に設けた補助排気系２６と、上記基板２の成膜中の薄膜を観察するための反射高速分子線回折装置（ＲＨＥＥＤ）２７と、上記蓋１０の裏面に設けた、上記基板２の上部にまで達する円筒状の光路管２８と、上記光路管２８の下端に設けた、レーザ波長の吸収効率のよい材料であるカーボン、ＳｉＣやインコネル等からなる均熱板２９と、成膜処理の断続を制御せしめるための回転自在なシャッタ３０と、上記真空チャンバ１の下端に設けた赤外線透過窓３１と、上記透過窓３１の下方に設けた、上記基板２から発する赤外線から温度を測定する放射温度計３２とより成る。

なお、上記均熱板２９の厚さは、上記基板２の昇温速度に応じて０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲で選択し、上記均熱板２９の外径は、上記基板２の外径と同等以上であることが好ましい。

また、上記赤外線透過窓３１は上記基板２のサイズと同等以上の大きさであることが好ましい。

本発明の加熱装置においては、上記複数積層されたレーザダイオードバー３３から出射されたレーザ光を、上記集光手段１４により集光せしめて、上記光ファイバ１５の一端から入射せしめ、上記光ファイバ１５の他端から出射した上記レーザ光を上記光学レンズ装置１２及び上記レーザ光透過窓９を介して真空チャンバ１内の均熱板２９に照射し、この際上記レーザ光が上記光学レンズ装置１２により上記均熱板２９のサイズと略同等の大きさに拡大されるようにし、上記加熱された均熱板２９の輻射熱で上記均熱板２９の下方に設けた上記基板２を加熱せしめる。

本発明の加熱装置によれば、基板の加熱源として半導体レーザを使用するため、装置の小型化、エネルギー高効率化、高出力化とすることができ、経済的なメリットを高めることができるという大きな利益がある。

また、半導体レーザ発振器１３から出射されたレーザ光を集光し、光ファイバ１５に入れるので、上記光ファイバ１５内でレーザ光が混じりあい、光ファイバー１５の出口では、均一な強度分布の円形レーザ光となり、そのレーザ光を上記光学レンズ装置１２により所望の大きさに拡大せしめるので、複数のレーザダイオードバー３３の配列（横，縦）の影響を全く受けることなく、均熱板２９、従って基板２を均一な温度分布で加熱せしめることができる。

図面の簡単な説明。

本発明の加熱装置の縦断側面図である。 従来の加熱装置の縦断側面図である。 半導体レーザ発振器の斜視図である。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ 基板
３ 基板載置部
４ プロセスウインドウ
５ マスフロー
６ 排気ポンプ
７ 圧力制御バルブ
８ 開口部
９ レーザ光透過窓
１０ 着脱自在の蓋
１１ 光学レンズ装置ホルダ
１２ 光学レンズ装置
１３ 半導体レーザ発振器
１４ レーザ光集光手段
１５ 光ファイバ
１６ 支持棒
１７ 基板ホルダー
１８ 主排気系
１９ クヌーセンセル（Ｋセル）
２０ シャッタ
２１ 液化窒素シュラウド
２２ 副室
２３ 開閉自在なゲートバルブ
２４ 試料交換用ポート
２５ 搬送手段
２６ 補助排気系
２７ 反射高速分子線回折装置（ＲＨＥＥＤ）
２８ 光路管
２９ 均熱板
３０ 回転自在なシャッタ
３１ 赤外線透過窓
３２ 放射温度計
３３ レーザダイオードバー
３４ ヒートシンク板

Claims (1)

1. 真空チャンバと、上記真空チャンバの壁に設けたレーザ光透過窓と、上記真空チャンバの外部に設けた、レーザダイオードバーを複数個積層して形成した半導体レーザ発振器及び光学レンズ装置と、上記半導体レーザ発振器のレーザ出口に設けたレーザ光集光手段と、上記レーザ光集光手段に一端を接続せしめ、上記光学レンズ装置に他端を接続せしめた光ファイバと、上記真空チャンバ内に設けた被加熱物保持具と、上記被加熱物保持部と上記レーザ光透過窓との間に介挿せしめた均熱板とよりなり、上記光ファイバの他端から出射したレーザ光を上記光学レンズ装置により拡大して上記均熱板に照射せしめ上記均熱板の輻射熱により上記被加熱物保持部に保持した被加熱物を加熱せしめることを特徴とする加熱装置。

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