特開 2024-70405 加熱装置、および、その加熱装置を用いた温度測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024070405

(43)【公開日】2024-05-23

(54)【発明の名称】加熱装置、および、その加熱装置を用いた温度測定方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/02 20060101AFI20240516BHJP

   G01J 5/00 20220101ALI20240516BHJP

【ＦＩ】

H01L21/02 Z

G01J5/00 101C

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022180872

(22)【出願日】2022-11-11

(71)【出願人】

【識別番号】510138741

【氏名又は名称】フェニックス電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147706

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 裕司

(72)【発明者】

【氏名】郷田 哲也

【テーマコード（参考）】

2G066

【Ｆターム（参考）】

2G066AC20

2G066BA11

2G066BA23

2G066BA43

2G066BA44

2G066BA51

2G066BA55

2G066BB11

2G066BC11

2G066CA14

(57)【要約】

【課題】加熱源である発光半導体チップの近傍に温度センサが配置できる加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱装置１０を、加熱対象物Ｘに加熱用の光Ｌを放射する加熱用半導体チップ１４と、光Ｌによって加熱される加熱対象物Ｘの温度を測定する温度センサ１６と、加熱用半導体チップ１４および温度センサ１６を冷却する冷却装置１８とで構成する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却する冷却装置とを備える
加熱装置。

【請求項2】

前記加熱装置は、複数の前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサが表面に実装された基板をさらに備えている
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項3】

前記温度センサの受光感度波長には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光の波長が含まれない
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項4】

前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光のうち、前記温度センサの受光感度波長と一致する範囲の波長を含む前記光をカットするフィルターが配置されている
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項5】

前記加熱用半導体チップは、レーザー、ＬＥＤ、あるいはＶＣＳＥＬである
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項6】

前記温度センサは、フォトダイオードまたはフォトトランジスタである
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項7】

前記冷却装置は、水冷またはペルチェ素子である
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項8】

加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却する冷却装置とを備える
加熱装置を用いた前記加熱対象物の温度測定方法。

【請求項9】

前記温度センサの受光感度波長に含まれない波長の光を前記加熱用半導体チップから放射する
請求項８に記載の温度測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ウエハ等の加熱対象物の加熱に用いられる加熱装置、および、その加熱装置を用いた温度測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従前より、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の光を発する発光半導体チップで加熱対象物を加熱する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

【0003】

また、特許文献１には、光を半導体チップで受光して温度測定を行う温度センサを用いて、この加熱対象物の温度を測定することも開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－１１２６９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、温度センサは、温度センサ自身の温度が変化すると温度測定結果にブレが出て精度よく測定できないことから、当該温度センサを加熱源である発光半導体チップから遠ざけて別の場所に配置するのが一般的であった。

【0006】

しかし、温度センサを加熱源から遠ざけて配置すると、加熱装置全体の構成が複雑になり、製造や調整が難しくなるといった問題があった。

【0007】

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱源である発光半導体チップの近傍に温度センサが配置できる加熱装置、および、その加熱装置を用いた温度測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一局面によれば、
加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却する冷却装置とを備える
加熱装置が提供される。

【0009】

好適には、
前記加熱装置は、複数の前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサが表面に実装された基板をさらに備えている。

【0010】

好適には、
前記温度センサの受光感度波長には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光の波長が含まれない。

【0011】

好適には、
前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光のうち、前記温度センサの受光感度波長と一致する範囲の波長を含む前記光をカットするフィルターが配置されている。

【0012】

好適には、
前記加熱用半導体チップは、レーザー、ＬＥＤ、あるいはＶＣＳＥＬである。

【0013】

好適には、
前記温度センサは、フォトダイオードまたはフォトトランジスタである。

【0014】

好適には、
前記冷却装置は、水冷またはペルチェ素子である。

【0015】

本発明の別の局面によれば、
加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却する冷却装置とを備える
加熱装置を用いた前記加熱対象物の温度測定方法。

【0016】

好適には、
前記温度センサの受光感度波長に含まれない波長の光を前記加熱用半導体チップから放射する。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る加熱装置によれば、加熱用半導体チップおよび温度センサを冷却する冷却装を備えているので、温度センサ自身の温度を一定にすることができる。これにより、加熱源である発光半導体チップの近傍に温度センサを配置しても温度センサ自身の温度が変化して温度測定結果にブレが出るのを抑制でき、加熱対象物の温度を精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態に係る加熱装置１０を示す平面図である。

【図2】実施形態に係る加熱装置１０を示す正面図である。

【図3】電流電圧変換回路２４の一例を示す図である。

【図4】変形例３に係る加熱装置１０を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

（加熱装置１０の構成）
本実施形態に係る加熱装置１０は、図１および図２に示すように、大略、基板１２と、加熱用半導体チップ１４と、温度センサ１６と、冷却装置１８とを備えている。

【0020】

基板１２は、その表面に複数の加熱用半導体チップ１４や温度センサ１６が実装されるものであり、図示しないが、これら加熱用半導体チップ１４や温度センサ１６に給電等するための回路や電流電圧変換回路２４も形成されている。

【0021】

また、基板１２は、セラミックス、または、金属をベースにした材質で形成されている。

【0022】

さらに、基板１２の表面には、一対（陽極と陰極）の加熱用半導体チップ電極パッド２０と、３つ（ＤＣ電圧印加と、アウトプットと、ＧＮＤ）の温度センサ用電極パッド２２が設けられている。

【0023】

図３に電流電圧変換回路２４の一例を示す。この電流電圧変換回路２４は、加熱用半導体チップ１４を発光させるための回路とは別に設けられており、温度センサ１６の電流信号を電圧信号に変換して読み取るようになっている。なお、電流電圧変換回路２４は基板１２の表面上に設けてもよいし、基板１２の外に設けてもよい。

【0024】

具体的に、電流電圧変換回路２４は、コンデンサ２６と抵抗２８とを有しており、ＤＣ電圧印加の温度センサ用電極パッド２２が温度センサ１６（フォトトランジスタの場合）のアノードに接続されており、温度センサ１６のカソードがアウトプットの温度センサ用電極パッド２２に接続されている。また、ＧＮＤの温度センサ用電極パッド２２も温度センサ１６のカソードにコンデンサ２６を介して接続されており、アウトプットの温度センサ用電極パッド２２のラインと、ＧＮＤの温度センサ用電極パッド２２のラインとの間に抵抗２８が架橋されている。

【0025】

加熱対象物Ｘの温度センシング方法について具体的に説明すると、加熱対象物Ｘの温度が上がるほど電流電圧変換回路２４の出力電圧が高くなるため、事前に熱電対などの温度計で測定した加熱対象物Ｘの温度と電流電圧変換回路２４の出力電圧値について相関データを取得しておき、実際に加熱装置１０として使用する際に、事前に取得した相関データから加熱対象物Ｘの温度を計算する方法が取られる。

【0026】

加熱用半導体チップ１４は、ウエハ等の加熱対象物Ｘを加熱するのに適した波長の光Ｌを放射するものであり、例えば、レーザー、ＬＥＤ、あるいは、ＶＣＳＥＬが考えられる。本実施形態では、４５０ｎｍの発光ピーク波長を有するＬＥＤが使用されている。なお、加熱用半導体チップ１４からの発光波長を１０００ｎｍ未満とするのが好適である。また、加熱用半導体チップ１４からの発光波長を３００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満としてもよい。

【0027】

加熱用半導体チップ１４の発光波長を１０００ｎｍ未満とする理由について、温度センサ１６は、加熱対象物Ｘを加熱した際に当該加熱対象物Ｘから放射される近赤外線を感知して温度を計測するため、加熱用半導体チップ１４から放射される光に波長１０００ｎｍ以上の光が含まれると、温度センサ１６が加熱用半導体チップ１４からの光Ｌに反応してしまい正確に温度を計測する事ができなくなるからである。

【0028】

また、紫外線による加熱対象物Ｘおよび温度センサ１６の極端な劣化を防止するため、加熱用半導体チップ１４の発光波長は３００ｎｍ以上が好適である。さらに、常温（２５℃付近）の温度をセンシングするためには、一般的に中赤外から遠赤外の受光素子が使用されるが、本実施形態では、近赤外のＩｎＧａＡｓ素子を使用して少なくとも２５℃から３００℃までの温度をセンシングすることが可能である。

【0029】

加熱用半導体チップ１４としてＬＥＤを用いる場合、当該ＬＥＤの上面に、ＬＥＤの裏面とは極性が異なる電極パッド（図示せず）を設け、この電極パッドを金等でできたワイヤを介して基板１２の回路上に接続する。

【0030】

本実施形態では、１枚の基板１２の表面上に３５個の加熱用半導体チップ１４がダイアタッチ材等を介して実装されているが、１枚の基板１２に実装される加熱用半導体チップ１４の数は特に限定されるものではない。なお、加熱用半導体チップ１４は、ベアチップを基板１２に実装するだけでなく、基板１２に実装された状態のパッケージ製品であってもよい。

【0031】

温度センサ１６は、加熱用半導体チップ１４からの光Ｌによって加熱された加熱対象物Ｘの温度を測定するためのセンサであり、例えば、フォトダイオードや、フォトトランジスタといった温度測定用半導体チップが考えられる。本実施形態では、９００から２５００ｎｍの波長に受光感度を有するフォトダイオードが使用されている。なお、フォトダイオードの受光感度波長は、９００から１６００ｎｍであってもよい。

【0032】

また、フォトダイオードについてもＬＥＤと同様、ダイアタッチ材等を介して基板１２の表面上に実装され、フォトダイオードの上面に、フォトダイオードの裏面とは極性が異なる電極パッド（図示せず）を設け、この電極パッドを金等でできたワイヤを介して基板１２の回路上に接続されている。

【0033】

また、フォトダイオードやフォトトランジスタの電気信号を増大させるための部品やノイズを除去するための電子部品を温度センサ１６と一緒に基板１２の表面に配置してもよい。なお、温度センサ１６は、ベアチップを基板１２に実装するだけでなく、基板１２に実装された状態のパッケージ製品であってもよい。

【0034】

本実施形態では、１枚の基板１２の表面上にひとつの温度センサ１６が実装されており、かつ、当該温度センサ１６は、加熱用半導体チップ１４が光Ｌを放射する方向（加熱対象物Ｘに向かう方向）と同じ方向に向けて配置されている。

【0035】

また、温度センサ１６を基板１２に実装する際には、熱伝導性が高いグリスやシート等を介して基板１２を冷却装置１８に固定するのが好適である。これにより、自身の温度が変化すると光電変換の特性が変化する温度測定用半導体チップの温度を安定させて、正確な温度測定を行うことができる。

【0036】

さらに言えば、温度センサ１６を基板１２の中央部ではなく外縁の方に配置することで、当該温度センサ１６自身の温度を安定させることができる。

【0037】

冷却装置１８は、発光中の加熱用半導体チップ１４や温度測定中の温度センサ１６を冷却してこれらの温度が一定となるように制御するための装置である。冷却装置１８による冷却方式としては、例えば、水冷やペルチェ素子が考えられる。

【0038】

（加熱装置１０の特性）
温度センサ１６による加熱対象物Ｘの温度測定結果に基づいて加熱用半導体チップ１４からの発光量を調整（例えば、加熱用半導体チップ１４に供給する電流値を調整）して、加熱対象物Ｘの加熱温度が制御される。

【0039】

（変形例１）
上述した実施形態では、１枚の基板１２の表面に複数の加熱用半導体チップ１４と温度センサ１６とが実装されていたが、これに変えて、複数の加熱用半導体チップ１４が実装された基板１２と、温度センサ１６が実装された基板１２とを別にして、これら両方の基板１２を冷却装置１８で一定温度に制御してもよい。

【0040】

（変形例２）
また、加熱用半導体チップ１４からの発光量を多くするために、当該加熱用半導体チップ１４に供給する電流値を大きくすると、加熱用半導体チップ１４自身が昇温して基板１２および温度センサ１６まで昇温してしまい、冷却装置１８では温度センサ１６を一定温度に制御するのが難しい場合がある。このような場合は、加熱用半導体チップ１４の電流値に応じた温度センサ１６の温度測定結果の換算値、あるいは、基板１２の温度に応じた温度センサ１６の温度測定結果の換算値を予め用意しておくと、より正確な加熱対象物Ｘの温度測定が可能となる。

【0041】

（変形例３）
さらに、加熱用半導体チップ１４の発光波長と、温度センサ１６の受光感度波長とが互いに重ならないようにこれら発光波長と受光感度波長とを選択するのが好適である。これにより、ウエハ等の加熱対象物Ｘの温度をより精度良く測定することができる。また、加熱用半導体チップ１４の発光中であっても加熱対象物Ｘの温度測定が可能となる。

【0042】

なお、加熱用半導体チップ１４の発光波長と、温度センサ１６の受光感度波長とが少しでも重なる場合、図４に示すように、その重なる波長の光Ｌをカットできるカットフィルター３０を温度センサ１６の表面に配置するのが好適である。

【0043】

また、加熱対象物Ｘから放射される近赤外線の量が温度センサ１６の許容量に対して大きすぎると、温度センサ１６が光飽和をおこして、加熱対象物Ｘの温度が上昇しても当該温度センサ１６の出力電流または出力電圧が上昇しない現象が発生し正しく温度が測定できなくなる場合がある。そのような場合、温度センサ１６と加熱対象物Ｘとの間に減光フィルターを配置する事で正しく温度が測定できる。

【0044】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0045】

１０…加熱装置、１２…基板、１４…加熱用半導体チップ、１６…温度センサ、１８…冷却装置
２０…加熱用半導体チップ電極パッド、２２…温度センサ用電極パッド、２４…電流電圧変換回路、２６…コンデンサ、２８…抵抗
３０…カットフィルター
Ｘ…加熱対象物、Ｌ…光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2023-02-15

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備える
加熱装置。

【請求項2】

前記加熱装置は、複数の前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサが表面に実装された基板をさらに備えている
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項3】

前記温度センサの受光感度波長には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光の波長が含まれない
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項4】

前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光のうち、前記温度センサの受光感度波長と一致する範囲の波長を含む前記光をカットするフィルターが配置されている
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項5】

前記加熱用半導体チップは、レーザー、ＬＥＤ、あるいはＶＣＳＥＬである
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項6】

前記温度センサは、フォトダイオードまたはフォトトランジスタである
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項7】

前記冷却装置は、水冷またはペルチェ素子である
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項8】

加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備える
加熱装置を用いた前記加熱対象物の温度測定方法。

【請求項9】

前記温度センサの受光感度波長に含まれない波長の光を前記加熱用半導体チップから放射する
請求項８に記載の温度測定方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

本発明の一局面によれば、
加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備える
加熱装置が提供される。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0015】

本発明の別の局面によれば、
加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備える
加熱装置を用いた前記加熱対象物の温度測定方法。

【手続補正書】

【提出日】2023-10-05

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備えており、
前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記温度センサが光飽和をおこして前記加熱対象物の温度が上昇しても前記温度センサの出力が上昇しない現象を回避するための減光フィルタが配置されている
加熱装置。

【請求項2】

前記加熱装置は、複数の前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサが表面に実装された基板をさらに備えている
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項3】

前記温度センサの受光感度波長には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光の波長が含まれない
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項4】

前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記加熱用半導体チップから放射される前記光のうち、前記温度センサの受光感度波長と一致する範囲の波長を含む前記光をカットするフィルターが配置されている
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項5】

前記加熱用半導体チップは、レーザー、ＬＥＤ、あるいはＶＣＳＥＬである
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項6】

前記温度センサは、フォトダイオードまたはフォトトランジスタである
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項7】

前記冷却装置は、水冷またはペルチェ素子である
請求項１に記載の加熱装置。

【請求項8】

加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備えており、
前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記温度センサが光飽和をおこして前記加熱対象物の温度が上昇しても前記温度センサの出力が上昇しない現象を回避するための減光フィルタが配置されている
加熱装置を用いた前記加熱対象物の温度測定方法。

【請求項9】

前記温度センサの受光感度波長に含まれない波長の光を前記加熱用半導体チップから放射する
請求項８に記載の温度測定方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

本発明の一局面によれば、
加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備えており、
前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記温度センサが光飽和をおこして前記加熱対象物の温度が上昇しても前記温度センサの出力が上昇しない現象を回避するための減光フィルタが配置されている
加熱装置が提供される。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0015】

本発明の別の局面によれば、
加熱対象物に加熱用の光を放射する加熱用半導体チップと、
前記光によって加熱される前記加熱対象物の温度を測定する温度センサと、
前記加熱用半導体チップおよび前記温度センサを冷却し、前記温度センサの温度を安定させる冷却装置とを備えており、
前記加熱対象物と前記温度センサとの間には、前記温度センサが光飽和をおこして前記加熱対象物の温度が上昇しても前記温度センサの出力が上昇しない現象を回避するための減光フィルタが配置されている
加熱装置を用いた前記加熱対象物の温度測定方法が提供される。