特許 7610183 加熱用光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-24

(45)【発行日】2025-01-08

(54)【発明の名称】加熱用光源装置

(51)【国際特許分類】

   H10H 20/858 20250101AFI20241225BHJP

【ＦＩ】

H01L33/64

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021078946

(22)【出願日】2021-05-07

(65)【公開番号】P2022172764

(43)【公開日】2022-11-17

【審査請求日】2024-03-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井上 隆博

【審査官】佐藤 美紗子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０６５１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２９５９５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００

Ｈ０１Ｌ ３３／４８－３３／６４

Ｈ０１Ｌ ２１／２６－２１／４７９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の発光素子を含む発光素子領域を複数有すると共に、前記発光素子領域同士が相互に離間して配置された光源部と、
前記光源部に接触して配置された冷却ユニットと、
前記冷却ユニットの内部に形成され、前記冷却ユニットの内部で相互に独立して配置された複数の冷却流路と、
複数の前記冷却流路のそれぞれの一端部に連結された第一主流路と、
複数の前記冷却流路のそれぞれの他端部に連結された第二主流路とを備え、
複数の前記冷却流路のそれぞれが、複数の前記発光素子領域に対応する前記冷却ユニットの内部位置に形成されており、前記冷却ユニットの主面と直交する方向から見たときに、前記発光素子領域の中央部側から徐々に周端部側に向かうように渦巻形状を呈していることを特徴とする加熱用光源装置。

【請求項2】

前記光源部が、前記発光素子領域ごとに分割された複数の発光素子基板を有し、前記発光素子基板を前記発光素子基板の主面と直交する方向から見たときに、前記発光素子基板と前記冷却流路の少なくとも一部とが重複していることを特徴とする請求項１に記載の加熱用光源装置。

【請求項3】

前記光源部が載置される前記冷却ユニットの主面と直交する方向から見たときの前記冷却流路の流路幅は、前記流路幅をｗ、前記複数の発光素子の長辺の長さの平均値をｃ、前記冷却ユニットの主面と直交する方向に関する、前記冷却ユニットの主面と前記冷却流路との離間距離をｄとしたときに、下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の加熱用光源装置。

１ｍｍ≦ｗ≦ｃ＋２ｄ （１）

【請求項4】

前記冷却ユニットは、前記光源部が載置される主面と直交する方向から見たときに、複数の冷却部材に分割されており、それぞれの前記冷却部材の内部に、前記冷却流路が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱用光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源装置に関し、特に、光照射によって照射対象物を加熱するための加熱用光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセスでは、半導体ウェハ等の被処理基板に対して、成膜処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理といった様々な熱処理が行われ、これらの処理は、非接触での処理が可能な光照射による加熱処理方法が多く採用されている。

【0003】

ＬＥＤ素子は、供給される電流が同じであっても、温度によって特性が変動し、高温になるほど、輝度が低下するという特徴を有する。このため、ＬＥＤ素子が加熱用の光源として用いられる装置の多くは、ＬＥＤ素子がより高い輝度を維持するために、ＬＥＤ素子が搭載される基板（発光素子基板）に接触するように、空冷用のヒートシンクや水冷用の流路が設けられている。

【0004】

特に、半導体ウェハの加熱処理のような、高出力が要求され、多数のＬＥＤ素子が用いられる光照射装置に関しては、一般的に空冷式よりも排熱性能が高い水冷式の冷却機構が採用される。例えば、下記特許文献１には、ＬＥＤ素子を加熱用光源とし、流路内に冷却媒体を通流させることで、当該ＬＥＤ素子を冷却する冷却機構が構成されたアニール装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２００９－２９５９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

例えば、半導体製造プロセスに用いられる半導体ウェハに光を照射する装置は、半導体ウェハ全体が均一に処理されるように、被処理基板の表面（特に主面）全体にわたって同じ強度の光を照射できることが期待されている。また、半導体ウェハ以外の被処理基板（例えば、ガラス基板）を加熱処理する場合であっても、加熱ムラが生じることは好ましくないため、同様に被処理基板の表面全体にわたって均一な光を照射できることが期待されている。

【0007】

そこで、本発明者は、半導体ウェハ等の被処理基板全体にわたってより均一な光を照射できる光照射装置について鋭意検討したところ、以下のような課題が存在することを見出した。

【0008】

上記特許文献１に記載のアニール装置は、被処理基板よりも広い範囲にわたって配置されたＬＥＤ素子によって加熱源が構成されており、ＬＥＤ素子を冷却するための冷却媒体が供給配管から流路に供給され、流路を通流して排出配管から排出される構成とされている。

【0009】

当該アニール装置は、被処理基板の表裏双方の主面に対しても加熱光を照射できるように、二つの加熱源が形成されており、それぞれの加熱源に冷却機構が搭載されている。そして、それぞれの冷却機構は、一つの供給配管から一つの流路に対して冷却媒体が供給され、一つの排出配管から排出されるように構成されている。

【0010】

ＬＥＤ素子で発生した熱を吸収しながら流路内を通流する冷却媒体は、下流に向かうほど、吸収した熱によって温度が高くなる。したがって、冷却媒体が通流する流路の下流側の領域に配置されるＬＥＤ素子は、流路の上流側の領域に配置されるＬＥＤ素子よりも冷却媒体によって熱が吸収されにくい。

【0011】

つまり、単に冷却媒体を通流させる流路を構成した冷却機構では、冷却媒体が通流する流路の上流側の領域に配置されたＬＥＤ素子と、下流側の領域に配置されたＬＥＤ素子とで、大きな温度差が生じてしまう。その結果、配置された領域に応じて、ＬＥＤ素子ごとに輝度ムラが生じてしまい、被処理基板の被照射面において照射ムラが発生してしまう。

【0012】

また、ＬＥＤ素子等の半導体発光素子は、冷却が不十分で高温状態が長時間維持されると、十分に冷却されている素子と比較して劣化の進行が早くなり、寿命が短くなってしまう。つまり、上記構成のアニール装置では、使用しているうちにＬＥＤ素子ごとに劣化の進行に差が生じるため、徐々に照射ムラや加熱ムラが進展してしまう。

【0013】

なお、許容できない照射ムラや加熱ムラが生じた時点で、ＬＥＤ素子全部を交換することも考えられるが、このような対応では、まだ劣化があまり進んでいないＬＥＤ素子も含めての交換となり、装置を維持するためのコストが増大してしまう。

【0014】

本発明は、上記課題に鑑み、発光素子から被処理基板に照射される光の照射ムラが抑制された加熱用光源装置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】

【0015】

本発明の加熱用光源装置は、
複数の発光素子を含む発光素子領域を複数有すると共に、前記発光素子領域同士が相互に離間して配置された光源部と、
前記光源部に接触して配置された冷却ユニットと、
前記冷却ユニットの内部に形成され、前記冷却ユニットの内部で相互に独立して配置された複数の冷却流路と、
複数の前記冷却流路のそれぞれの一端部に連結された第一主流路と、
複数の前記冷却流路のそれぞれの他端部に連結された第二主流路とを備え、
複数の前記冷却流路のそれぞれが、複数の前記発光素子領域に対応する前記冷却ユニットの内部位置に形成されていることを特徴とする。

【0016】

本明細書における「発光素子領域」とは、複数の発光素子が密集して配置されている領域であって、具体的には、発光素子のピッチが２ｍｍ以下となるように配置された発光素子群の外縁を結ぶ線で囲まれた領域をいう。なお、本明細書における「発光素子のピッチ」とは、発光素子同士の中心間距離である。

【0017】

また、本明細書において「冷却流路が、発光素子領域に対応する冷却ユニットの内部位置に形成されている」とは、冷却流路が、どの発光素子領域を冷却対象とするのかが区別できるように冷却ユニットの内部に形成されていることをいう。なお、一つの発光素子領域を冷却対象とする冷却流路の数は、必ずしも一つである必要はなく、複数であっても構わない。

【0018】

また、本明細書において「光源部に接触して配置された冷却ユニット」とは、冷却ユニットと光源部とが、直接接触するように配置されている場合の他に、熱伝導性を高めるためのグリス等を介して、熱的に接触するように配置されている場合も含まれる。なお、光源部は、発光素子基板上に複数の発光素子が載置された構成が典型的な構成であるが、例えば、発光素子基板の発光素子が載置された面とは反対側の面に、高熱伝導性シート等がさらに設けられていても構わない。

【0019】

冷却流路は、冷却媒体を通流させるために冷却ユニット内に設けられた流路である。冷却媒体は、第一主流路から冷却ユニットに掲載された複数の冷却流路に流し込まれる。そして、それぞれの冷却流路を通流した冷却媒体は、第二主流路へと流れ込み、光源装置の外部へと排出される。つまり、冷却ユニットに形成された複数の冷却流路が、第一主流路と第二主流路との間で、並列に形成される。

【0020】

上記構成とすることで、冷却媒体は、発光素子領域に対応したそれぞれの冷却流路に対して、第一主流路から直接供給されるため、各発光素子領域に対応した冷却流路に、まだほとんど熱を吸収していない状態で供給される。したがって、冷却媒体が発光素子領域から熱を吸収した状態で、別の発光素子領域の熱を吸収するための冷却流路に供給されることがないため、各発光素子領域の温度バラつきが抑制される。

【0021】

そして、各発光素子領域の温度バラつきが抑制されるため、発光素子の輝度のバラつきが抑制され、被処理基板に対する加熱光の照射ムラが抑制される。

【0022】

光源部は、単一の発光素子基板を有していても構わないし、複数の発光素子基板を有していても構わない。後者の場合、各発光素子基板が、基板の面に平行な方向に離間して配置されると共に、それぞれの発光素子基板上に搭載されている複数の発光素子を含む領域が、異なる発光素子領域を形成するものとして構わない。

【0023】

上記加熱用光源装置は、
前記光源部が、前記発光素子領域ごとに分割された複数の発光素子基板を有し、前記発光素子基板を前記発光素子基板の主面と直交する方向から見たときに、前記発光素子基板と前記冷却流路の少なくとも一部とが重複するように構成されていても構わない。

【0024】

上記構成とすることで、各発光素子領域で発生した熱が、発光素子基板の載置面と平行な方向に拡散しにくくなり、それぞれの冷却流路は、対応していない発光素子領域で発生する熱の吸収が抑制される。したがって、それぞれの冷却流路が、対応する発光素子領域で発生する熱を重点的に吸収して冷却することができ、一部の発光素子領域において冷却が不十分となってしまうことが抑制される。

【0025】

上記加熱用光源装置は、
前記冷却流路は、前記冷却ユニットの主面と直交する方向から見たときに、前記発光素子領域の中央部側から徐々に周端部側に向かうように渦巻形状を呈していても構わない。

【0026】

冷却流路内を通流する冷却媒体は、冷却流路の内壁面との間で熱交換を行うことで、発光素子で発生して冷却ユニット内を伝搬する熱を吸収する。このため、より効率的に発光素子基板を冷却するためには、冷却媒体が冷却流路の内壁面との間でより多くの熱交換が行われるように、冷却流路の内壁面全体の表面積を大きくする必要がある。

【0027】

また、発光素子基板は、周縁部側に比べて、発光素子で発生した熱が放熱されにくい中央部側の方が高温になりやすい。このため、冷却流路は、冷却媒体が発光素子領域の中央部側でより多くの熱を吸収できるように、発光素子領域の中央部側から徐々に周端部側に向けて通流するように形成されていることが好ましい。

【0028】

そこで、上記構成とすることで、一方向に通流するだけの冷却流路が形成されているような場合と比較すると、冷却流路の内壁面全体の表面積が大きくなり、発光素子領域の中央部側を重点的に冷却することができる。したがって、発光素子領域全体の温度分布が平均化される。

【0029】

さらに、上記加熱用光源装置において、
前記光源部が載置される前記冷却ユニットの主面と直交する方向から見たときの前記冷却流路の流路幅は、前記流路幅をｗ、前記複数の発光素子の長辺の長さの平均値をｃ、前記冷却ユニットの主面と直交する方向に関する、前記冷却ユニットの主面と前記冷却流路との離間距離をｄとしたときに、下記（１）式を満たすように構成されていても構わない。

１ｍｍ≦ｗ≦ｃ＋２ｄ （１）

【0030】

なお、冷却流路は、冷却ユニットの主面と直交する方向から見たときに、発光素子領域の中央部側から徐々に周端部側に向かって通流するように渦巻形状を呈している場合、発光素子領域に配置されている発光素子のそれぞれを冷却するために、発光素子の配置パターンに沿うように形成されていることが好ましい。

【0031】

冷却ユニットにおいて、流路表面積が広くなるように冷却流路が構成されていても、冷却流路が発光素子から離れすぎると、冷却ユニットが持つ熱抵抗の影響が大きくなり、冷却性能が低下してしまう。このため、冷却流路の表面積、特に冷却流路の流路幅ｗは、冷却流路と発光素子との離間距離ｄを考慮して調整されることが好ましい。

【0032】

発光素子で発生した熱が冷却流路に到達するまでの間に冷却ユニットの内部で拡がる幅は、「発明を実施するための形態」において、図５Ｂを参照しながら説明されるが、冷却ユニットの内部を等方的に拡散すると仮定するとｃ＋２ｄとなる。つまり、発光素子領域の温度分布を平均化するには、冷却流路の流路幅が、ｃ＋２ｄ以下であることが好ましく、冷却性能を向上させるには、冷却流路は、発光素子の直下に形成されていることが特に好ましい。

【0033】

ただし、冷却ユニットは、流路幅が１ｍｍ未満の非常に狭い冷却流路を形成しようとすると、高精度な加工が可能な加工装置や加工技術が必要となり、製造コストが増大する。したがって、製造コストを抑え、かつ、効率良く冷却するためには、冷却流路の幅ｗは、上記（１）式に示す範囲とすることが好ましい。

【0034】

また、あくまで実施例を模した所定の条件における理論計算ではあるが、流路幅が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で、流路幅に対する冷却流路の内壁面と冷却媒体との温度差（以下、「壁面温度差」と称する）の変動が小さいという結果が得られる。この結果からも、冷却流路の流路幅は、流路幅の変動に対して急激に排熱効率が悪化するというおそれが少ない１ｍｍ以上とすることが好ましい。詳細については「発明を実施するための形態」の項目において、図６を参照しながら詳述される。

【0035】

なお、上記の冷却流路の流路幅の条件は、主に冷却媒体が冷却ユニットの内壁面と熱交換を行う領域において満たされていればよく、必ずしも冷却流路全体で満たされていなくても構わない。

【0036】

上記加熱用光源装置において、
前記冷却ユニットは、前記光源部が載置される主面と直交する方向から見たときに、複数の冷却部材に分割されており、それぞれの前記冷却部材の内部に、前記冷却流路が形成されていても構わない。

【発明の効果】

【0037】

本発明によれば、発光素子から被処理基板に照射される光の照射ムラが抑制された加熱用光源装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1A】一実施形態の加熱用光源装置を備える光加熱システムをＹ方向に見たときの模式的な断面図である。

【図1B】図１Ａの一つの冷却部材周辺の拡大図である。

【図2】図１Ａの加熱用光源装置を－Ｚ側から見たときの図面である。

【図3】図１Ａの加熱用光源装置を＋Ｚ側から見たときの図面である。

【図4】冷却部材を＋Ｚ側から見たときの断面図である。

【図5A】冷却部材をＹ方向に見たときの断面図である。

【図5B】図５Ａの領域Ａ１の拡大図である。

【図6】壁面温度差と冷却流路の流路幅との相関関係を示すグラフである。

【図7】別実施形態の加熱用光源装置を備える光加熱システムをＹ方向に見たときの模式的な断面図である。

【図8】図７の加熱用光源装置を－Ｚ側から見たときの図面である。

【図9】図７の加熱用光源装置を＋Ｚ側から見たときの図面である。

【図10】別実施形態の加熱用光源装置を備える光加熱システムをＹ方向に見たときの模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0039】

以下、本発明の加熱用光源装置について、図面を参照して説明する。なお、加熱用光源装置に関する以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。

【0040】

図１Ａは、一実施形態の加熱用光源装置１０を備える光加熱システム１をＹ方向に見たときの模式的な断面図であって、図１Ｂは、図１Ａの一つの冷却部材１３ａ周辺の拡大図である。図１Ａに示すように、光加熱システム１は、加熱用光源装置１０と、被処理基板Ｗ１が収容されるチャンバ２とを備える。本実施形態の加熱用光源装置１０は、図１Ａに示すように、複数の発光素子１１と、複数の発光素子基板１２と、複数の冷却部材１３ａに分割された冷却ユニット１３と、基台１４と、第一主流路１５ａと、第二主流路１５ｂとを備える。

【0041】

発光素子基板１２は、複数の発光素子１１が搭載されている基板である。本実施形態では、加熱用光源装置１０が複数の発光素子基板１２を有し、それぞれの発光素子基板１２上に複数の発光素子１１が搭載されて、全体として光源部１０ａを構成している。冷却ユニット１３は、本実施形態においては発光素子基板１２を冷却するための部材であり、内部を冷却媒体Ｃ１が通流できるように構成されている。第一主流路１５ａは、冷却媒体Ｃ１を冷却ユニット１３に導くための流路であり、第二主流路１５ｂは、冷却ユニット１３内を通流した後の冷却媒体Ｃ２を冷却ユニット１３から排出するための流路である。基台１４は、冷却ユニット１３を固定するための台であるが、加熱用光源装置１０が基台１４を備えるか否かは任意である。

【0042】

図２は、図１Ａの加熱用光源装置１０を－Ｚ側から見たときの図面であり、図３は、図１Ａの加熱用光源装置１０を＋Ｚ側から見たときの図面である。図３は、説明のために、第一主流路１５ａ及び第二主流路１５ｂが取り除かれた状態で図示されており、実際には見えない、基台１４の＋Ｚ側に載置されている冷却部材１３ａが破線によって図示されている。

【0043】

以下の説明においては、図２に示すように、発光素子基板１２の載置面１２ａと平行な平面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。なお、発光素子１１が配列されている方向の一方をＸ方向、他方をＹ方向として説明するが、本実施形態においては、特にＸ方向とＹ方向との区別はない。

【0044】

また、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｚ方向」、「－Ｚ方向」のように、正負の符号を付して記載され、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｚ方向」と記載される。

【0045】

図１Ａに示すように、チャンバ２は、加熱用光源装置１０から出射される加熱光Ｈ１を、内側に取り込むための透光窓２ａを備える。そして、チャンバ２は、透光窓２ａから取り込まれた加熱光Ｈ１が、照射対象である被処理基板Ｗ１の被照射面Ｗ１ａに照射されるように、被処理基板Ｗ１を支持するための支持部材２ｂとを備える。

【0046】

本実施形態における発光素子１１は、Ｚ方向に見たときの形状が正方形の表面実装型ＬＥＤ素子であり、サイズが１ｍｍ□（ｍｍ□は正方形の一辺の長さを示す。以下同じ。）の素子である。また、発光素子１１は、典型的には波長が３６５ｎｍ～４０５ｎｍである。

【0047】

なお、発光素子１１は、例えば、サイズが１．４ｍｍ□や２ｍｍ□のＬＥＤ素子を採用してもよく、Ｚ方向に見たときの形状が長方形のＬＥＤ素子であっても構わない。さらに、発光素子１１は、表面実装型以外のＬＥＤ素子や、被処理基板Ｗ１の加熱処理に用いることができる発光素子であれば、例えば、ＬＤ素子や蛍光素子等のＬＥＤ素子以外の素子を採用しても構わない。

【0048】

発光素子基板１２は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、冷却ユニット１３の主面１３ｂ上に載置されている。本実施形態においては、一つの冷却部材１３ａに対して発光素子基板１２が一つ載置されている。

【0049】

また、発光素子基板１２は、図２に示すように、載置面１２ａ上に複数の発光素子１１がＸ方向及びＹ方向に配置されて、一つの発光素子領域１１ａが形成されている。本実施形態において、発光素子基板１２の載置面１２ａ上の発光素子領域１１ａは、Ｘ方向及びＹ方向のいずれも発光素子１１のピッチが２ｍｍとなっている。

【0050】

なお、被処理基板Ｗ１を加熱処理するために高出力な光源装置を実現するためには、狭ピッチで高密度に配置されている必要があり、具体的には、Ｘ方向及びＹ方向において、発光素子１１が３ｍｍ以下のピッチで配置されることが好ましい。

【0051】

本実施形態の発光素子基板１２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を材料とする基板が採用されている。発光素子基板１２を構成する窒化アルミニウム以外の材料としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等が挙げられる。

【0052】

図１Ｂ及び図２に示すように、冷却ユニット１３の一部である冷却部材１３ａは、冷却媒体Ｃ１が供給される流入口１３ｐと、発光素子１１で発生する熱を吸収した冷却媒体Ｃ２を第二主流路１５ｂへと排出する排出口１３ｑとを備える。本実施形態における冷却部材１３ａは、熱伝導率が高く、耐熱温度も高い銅（Ｃｕ）で形成されており、冷却流路１３ｒは、冷却部材１３ａを切削して形成されている。冷却媒体（Ｃ１，Ｃ２）としては、典型的には水が用いられるが、他には、フッ素系不活性液体（フロリナート（登録商標）、ガルデン（登録商標））等を利用することができる。

【0053】

なお、冷却部材１３ａの材料は、銅以外であってもよく、例えば、耐熱温度と熱伝導率とが高いアルミニウム等が採用され得る。切削以外で冷却流路１３ｒを備える冷却部材１３ａを作成する方法としては、例えば、冷却流路１３ｒが形成された冷却部材１３ａの３Ｄ画像データを作成し、３Ｄ印刷によって作成する方法が挙げられる。

【0054】

図１Ａに示すように、各冷却部材１３ａに形成された複数の流入口１３ｐは、第一主流路１５ａによって冷却機構１５と連絡され、複数の排出口１３ｑは、第一主流路１５ａとは別の第二主流路１５ｂによって冷却機構１５と連絡されている。つまり、各冷却部材１３ａが備える冷却流路１３ｒは、第一主流路１５ａと第二主流路１５ｂとの間で並列に接続されている。

【0055】

図４は、冷却部材１３ａを＋Ｚ側から見たときの断面図である。図５Ａは、冷却部材１３ａをＹ方向に見たときの断面図であり、図５Ｂは、図５Ａの領域Ａ１の拡大図である。図４に示すように、冷却部材１３ａは、流入口１３ｐと排出口１３ｑとを連絡し、内側を冷却媒体Ｃ１が通流する冷却流路１３ｒとを備える。

【0056】

本実施形態の冷却ユニット１３は、図２に示すように、発光素子基板１２を載置する主面１３ｂが四角形状を呈する複数の冷却部材１３ａに分割されているが、冷却ユニット１３は、四角形以外の形状を呈する複数の冷却部材１３ａに分割されていても構わない。例えば、冷却部材１３ａは、主面１３ｂの形状が六角形状や八角形状を呈するものであってもよく、さらには、扇形状を呈するものであっても構わない。

【0057】

冷却流路１３ｒは、図４に示すように、Ｚ方向に見たときに、全体が発光素子基板１２と重複するように形成されており、発光素子領域１１ａ（図２参照）の中央部側から徐々に周端部側に向かうように渦巻形状を呈している。

【0058】

上記構成とすることで、冷却媒体Ｃ１は、それぞれの冷却流路１３ｒに対して、まだ熱を吸収していない状態で、第一主流路１５ａから分流させて冷却ユニット１３の複数箇所に供給される。それぞれの冷却ユニット１３の近傍には、冷却対象である発光素子領域１１ａ（本実施形態では発光素子基板１２）が位置している。このため、それぞれの発光素子領域１１ａは、十分に低温である冷却媒体Ｃ１によって冷却される。つまり、第一主流路１５ａと第二主流路１５ｂとの間で一本の長い流路が形成されて、一箇所から冷却媒体Ｃ１が供給される場合と比較して、冷却ユニット１３の全体の温度バラつきが抑制され、発光素子基板１２上の温度分布における温度バラつきが抑制される。

【0059】

そして、発光素子基板１２に載置された複数の発光素子１１の温度バラつきが抑制されるため、発光素子１１の輝度のバラつきが抑制され、被処理基板Ｗ１に対する加熱光Ｈ１の照射ムラが抑制される。

【0060】

また、かかる観点から、加熱用光源装置１０は、複数の発光素子領域１１ａを備えており、それぞれの発光素子領域１１ａから生じる熱が、並列に配置された冷却流路１３ｒを通流する冷却媒体Ｃ１によって冷却される構成であれば、発光素子基板１２の数には限定されない。すなわち、加熱用光源装置１０が単一の発光素子基板１２を有し、一つの発光素子基板１２上に複数の発光素子領域１１ａが形成されていても構わない。

【0061】

また、同様の理由により、本実施形態では、冷却ユニット１３が複数の冷却部材１３ａに分割され、発光素子基板１２も冷却部材１３ａごとに載置されているが、発光素子基板１２と冷却部材１３ａの数が異なっていても構わない。例えば、複数の冷却部材１３ａ全体に跨るように、一つの発光素子基板１２が載置されている構成であっても構わない。

【0062】

また、本実施形態では、一つの冷却部材１３ａに一つの流入口１３ｐ、排出口１３ｑ、冷却流路１３ｒが形成されているが、一つの冷却部材１３ａに複数の流入口１３ｐ、排出口１３ｑ、冷却流路１３ｒが形成されていても構わない。

【0063】

さらに、冷却ユニット１３は、複数の冷却部材１３ａに分割されていなくても構わない。この点は、図７を参照して後述される。

【0064】

次に、冷却性能をより高める観点から、冷却流路１３ｒのより好ましい形状等について詳細に検討する。図５Ａは、は、冷却部材１３ａをＹ方向に見たときの断面図であり、図５Ｂは、図５Ａの領域Ａ１の拡大図である。発光素子基板１２を載置する主面１３ｂと冷却流路１３ｒとの離間距離ｄは、２ｍｍとした。なお、主面１３ｂと冷却流路１３ｒとの離間距離ｄは、大きくなるほど熱抵抗が大きくなり、小さくなるほど作製に高い加工技術を要することとなり、コストが増大する。したがって、主面１３ｂと冷却流路１３ｒとの離間距離ｄは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましく、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることがより好ましい。

【0065】

図５Ｂに示す、本実施形態における冷却流路１３ｒの流路幅ｗは、上記（１）式を満たすように２ｍｍに設定されている。ここで、上記（１）式を再掲する。

１ｍｍ≦ｗ≦ｃ＋２ｄ （１）

【0066】

本実施形態の加熱用光源装置１０に搭載されている発光素子１１をＺ方向に見たときの形状は、正方形であるが、搭載される発光素子１１は、Ｚ方向に見たときの形状が長方形であってもよい。この場合、ｃの値は、発光素子１１の長辺の長さが対応する。なお、サイズが異なる発光素子１１が搭載されている場合、ｃの値は、各発光素子１１の長辺の長さの平均値となる。

【0067】

ここで、所定の条件において、冷却流路１３ｒの内壁面と冷却媒体Ｃ１との壁面温度差が、冷却流路１３ｒの流路幅ｗに対して、どのように変化するのか計算による確認を行ったので、以下、計算の詳細について説明する。なお、下記の結果は、冷却流路１３ｒを設計する際の検討用として、所定の条件のもとで行った理論的な計算結果であり、本発明における冷却流路１３ｒの流路幅ｗが取り得る範囲を限定するものではない。

【0068】

計算に使用する各パラメータと値は、下記表１に記載の通りとした。

【0069】

【表1】

【0070】

壁面温度差をΔＴ［Ｋ］、冷却流路１３ｒの流路表面積をＳ［ｍ²］、熱伝達係数をｈ［Ｗ／ｍ²Ｋ］、発熱量Ｐ［Ｗ］とすると、壁面温度差ΔＴは、下記（２）式によって求められる。

ΔＴ＝Ｐ／（ｈ×Ｓ） （２）

【0071】

上記（２）式における冷却流路１３ｒの流路表面積Ｓは、冷却流路１３ｒの流路幅ｗ、深さｂ、流路長Ｌより、下記（３）式によって求められる。なお、深さｂは、上記表１の流路断面積Ｘの値を満たすように、流路幅ｗに応じて変動するパラメータである。流路長Ｌは、冷却流路１３ｒ同士の離間距離が流路幅ｗと等しいとして、発光素子領域１１ａの直下（＋Ｚ側）の範囲内に、流路幅ｗで形成可能な冷却流路１３ｒの長さに相当するパラメータである。

Ｓ＝２×（ｗ＋ｂ）×Ｌ （３）

【0072】

上記（２）式における発熱量Ｐは、発光素子１１一個当たりの駆動電流Ｉｆ及び印加電圧Ｖｆ、発光素子１１の総数Ｎ、発光素子１１の発光効率ηより、下記（４）式によって求められる。

Ｐ＝Ｉｆ×Ｖｆ×Ｎ×（１－η） （４）

【0073】

上記（２）式における熱伝達係数ｈは、冷却媒体Ｃ１の熱伝導率ｋ、ヌセルト数Ｎｕ、冷却流路１３ｒ断面の相当直径ｄｅより、下記（５）式によって求められる。

ｈ＝（ｋ×Ｎｕ）／ｄｅ （５）

【0074】

上記（５）式における冷却流路１３ｒ断面の相当直径ｄｅは、冷却流路１３ｒの流路断面積Ｘ、濡れ縁全長Ｙ（＝２×（ｗ＋ｂ））より、下記（６）式によって求められる。

ｄｅ＝４Ｘ／Ｙ （６）

【0075】

上記（５）式におけるヌセルト数Ｎｕは、摩擦損失係数ｆ、レイノルズ数Ｒｅ、プラントル数Ｐｒより、下記（７）式（グニーリンスキの式）によって求められる。

【0076】

【数1】

【0077】

上記（７）式におけるレイノルズ数Ｒｅは、冷却媒体Ｃ１の密度ρ、流速ｆｖ及び上記（６）式で求められる冷却流路１３ｒの相当直径ｄｅより、下記（８）式によって求められる。

Ｒｅ＝（ρ×ｆｖ×ｄｅ）／μ （８）

【0078】

上記（７）式におけるプラントル数Ｐｒは、冷却媒体Ｃ１の動粘度ν、熱拡散率αより、下記（９）式によって求められる。

Ｐｒ＝ν／α （９）

【0079】

上記（７）式における摩擦損失係数ｆは、上記（８）式で求められるレイノルズ数Ｒｅより、下記（１０）式（ブラジウスの式）によって求められる。

ｆ＝０．０７９Ｒｅ^－0.25 （１０）

【0080】

図６は、上記（２）式～（１０）式により求められた、壁面温度差ΔＴと冷却流路１３ｒの流路幅ｗとの相関関係を示すグラフである。図６に示すように、冷却流路１３ｒの流路幅ｗが５ｍｍまでは傾きが小さいが、５ｍｍより大きくなると傾きが大きくなる傾向がある。

【0081】

また、図６に示すように、流路幅ｗが１．５ｍｍ以下になるとヌセルト数Ｎｕが急激に低下し、流路幅ｗが小さくなるほど壁面温度差が上昇するという傾向となる。

【0082】

以上より、上述した条件で算出された理論値ではあるが、図６に示すような変化点（ｗ＝１．５）が存在することと、排熱効率の観点から壁面温度差を小さくなるように構成することが好ましいことから、冷却流路１３ｒの流路幅ｗは１ｍｍ以上であることが好ましい。

【0083】

さらに、上述したように、冷却ユニット１３に冷却流路１３ｒを形成する工程は、冷却流路１３ｒの流路幅ｗが狭いほど、高精度な加工技術が要求される。このような事情と、上述した条件における計算結果も考慮すれば、冷却流路１３ｒの流路幅ｗは、一つの目安として１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

【0084】

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

【0085】

〈１〉 図７は、別実施形態の加熱用光源装置１０を備える光加熱システム１をＹ方向に見たときの模式的な断面図である。図８は、図７の加熱用光源装置１０を－Ｚ側から見たときの図面であり、図９は、図７の加熱用光源装置１０を＋Ｚ側から見たときの図面である。図７及び図８に示すように、本実施形態の加熱用光源装置１０は、図２に示すように、冷却ユニット１３が複数の冷却部材１３ａには分割されておらず、一つの部材で構成されている。冷却ユニット１３の主面１３ｂ上には、複数の発光素子基板１２が複数載置されている。

【0086】

本実施形態の冷却ユニット１３は、図９に示すように、複数の流入口１３ｐと複数の排出口１３ｑが形成されており、それぞれ一対の流入口１３ｐと排出口１３ｑとを連絡するように、複数の冷却流路１３ｒが形成されている。各冷却流路１３ｒは、図７に示すように、各流入口１３ｐが第一主流路１５ａに、各排出口１３ｑが第二主流路１５ｂに接続されている。つまり、各冷却流路１３ｒは、第一主流路１５ａと第二主流路１５ｂとの間で、並列に接続されている。

【0087】

上記構成とすることで、図７に示すように、基台１４が不要となるため、加熱用光源装置１０全体の部材の数を削減することができ、単純な構成とすることができる。

【0088】

なお、図９に示すように、冷却ユニット１３に形成された冷却流路１３ｒは、Ｚ方向に見たときに、発光素子基板１２全体ではなく、一部と重複するように形成されていても構わない。また、図９に示すように、発光素子領域１１ａ（ここでは発光素子基板１２）の数と冷却流路１３ｒの数を同じ数で図示されているが、本発明は、発光素子領域１１ａ（発光素子基板１２）の数と冷却流路１３ｒの数が完全に一致していることを厳密に要求するものではなく、異なっていても構わない。

【0089】

さらに、上述した各実施形態においては、冷却流路１３ｒが、Ｚ方向に見たときに、発光素子領域１１ａの中央部側から徐々に周端部側に向かうように渦巻形状を呈しているが、Ｚ方向に見たときの冷却流路１３ｒの形状は任意であり、発光素子領域１１ａの形状や発光素子１１の配置パターンに応じて適宜調整されても構わない。

【0090】

〈２〉 図１０は、図７とは異なる、別実施形態の加熱用光源装置１０を備える光加熱システム１をＹ方向に見たときの模式的な断面図である。本実施形態の加熱用光源装置１０は、図１０に示すように、第一主流路１５ａ及び第二主流路１５ｂが内部に形成された配水プレート９０で構成されている。

【0091】

上記構成とすることで、配管スペースを要することなく、最小限のスペースで第一主流路１５ａと第二主流路１５ｂを、冷却ユニット１３の近傍に構成することができるため、装置全体を小型化することができる。

【0092】

なお、配水プレート９０の材料としては、例えば、銅やアルミニウム等を採用し得る。また、本実施形態の形成される第一主流路１５ａ及び第二主流路１５ｂは、配水プレート９０を切削して形成されている。切削以外で第一主流路１５ａ及び第二主流路１５ｂを備える配水プレート９０を作成する方法としては、例えば、第一主流路１５ａ及び第二主流路１５ｂが形成された配水プレート９０の３Ｄ画像データを作成し、３Ｄ印刷によって作成する方法が挙げられる。

【0093】

さらに、冷却ユニット１３と配水プレート９０は、一体的に構成されていてもよい。つまり、本発明の加熱用光源装置１０は、配水プレート９０を別途設ける代わりに、第一主流路１５ａ、第二主流路１５ｂ及び第一主流路１５ａと第二主流路１５ｂとの間において複数の冷却流路１３ｒが並列に形成された冷却ユニット１３が搭載されていても構わない。

【0094】

〈３〉 上述した加熱用光源装置１０が備える構成は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。

【符号の説明】

【0095】

１ ： 光加熱システム
２ ： チャンバ
２ａ ： 透光窓
２ｂ ： 支持部材
１０ ： 加熱用光源装置
１０ａ ： 光源部
１１ ： 発光素子
１１ａ ： 発光素子領域
１２ ： 発光素子基板
１２ａ ： 載置面
１３ ： 冷却ユニット
１３ａ ： 冷却部材
１３ｂ ： 主面
１３ｐ ： 流入口
１３ｑ ： 排出口
１３ｒ ： 冷却流路
１４ ： 基台
１５ ： 冷却機構
１５ａ ： 第一主流路
１５ｂ ： 第二主流路
９０ ： 配水プレート
Ｃ１，Ｃ２ ： 冷却媒体
Ｈ１ ： 加熱光
Ｗ１ ： 被処理基板
Ｗ１ａ ： 被照射面

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】