JP2004312006A - べークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 ホットプレートの上面の全領域を均一に冷却し、冷却時間を大きく短縮できるべークシステムを提供する。
【解決手段】 上面にべーク用ウェーハが載置され、内部に所定量の作動流体が充填されており、側面および天井に前記作動流体供給のためのウィックが形成されたヒートパイプと、前記作動流体の加熱によって前記上面を加熱するために用いられるヒータと、循環を通じて前記ヒートパイプの作動流体と交換される液状冷媒が備えられた補助冷却部と、前記作動流体および前記液状冷媒を循環させるために前記ヒートパイプと前記補助冷却部とを連結する連結管と、前記連結管を流れる流体をコントロールするために前記連結管に設けられたコントロール手段と、を備えるべークシステム。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体装置の製造に用いられるべークシステムに関し、さらに詳細にはヒートパイプを冷却手段として備えるべークシステムに関する。

半導体装置の製造工程のうちのフォトリソグラフィ工程は、ウェーハ上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜を形成する工程と、形成されたフォトレジスト膜を露光前にべークするプレべーク工程と、前記フォトレジスト膜を所定のパターンに形成するために、露光工程後に実施される露光後べーク工程とを含む。

フォトリソグラフィ工程において、べーク温度は、使われたフォトレジスト膜の種類およびベーク工程の種類によって異なる。例えば、状況に応じてべークは１５０℃で実施されることもあり、９０℃で実施される場合もある。そのため、現在、広く使われているべーク装置は、状況に合せてべーク温度を調節できるように、加熱システムおよび冷却システムを備えている。

図１ないし図３は、従来のべーク装置の冷却システム（以下、「従来の冷却システム」という）を示す断面図である。

まず、図１に示す従来の冷却システムは、特許文献１に記載されているものである。この冷却システムでは、プレート５４内に、冷媒が流通する冷却媒体路５６，５７が設置され、この冷却媒体路５６，５７を通じて冷媒が循環され、加熱プレート５１を冷却する。図１において、５２および５３は各々ヒータおよびリフトピンであり、５５は冷却プレートである。そして、６０および６１は冷媒の供給路であり、６２および６３は切換弁であり、６４ないし６９は各々ドレイン、温度センサー、ユニットコントローラ、温度調節器、ソレノイド弁および電源である。また、８０は、全体システムの動作を調節するシステムコントローラである。

次いで、図２に示す従来の冷却システムは、特許文献２に記載されたものである。この冷却システムでは、べークプレートに対応する熱板７０の下部に、多数のノズル７４が設置されている。ノズル７４を通じて熱板７０に流体を噴射して、熱板７０が冷却される。図２において、７１、８３、８５、８７、９３および９６は、各々ヒータ、ガイド、内側ケース、サポートリング、冷却プレートおよび黒色プレートである。

次いで、図３に示す従来の冷却システム３０は、特許文献３に記載されたものであって、ペルチエ素子１０１が内蔵された冷却板９９を備える。ペルチエ素子１０１は、冷却板９９を所定の温度に調節する。また、この冷却システム３０は、さらに、ペルチエ素子１０１に電力を供給する電源制御部１０２と、ペルチエ素子１０１の温度を制御する温度制御手段１０３と、ＰＩＤ制御パラメータ変更手段１０５とを備える。また、冷却システム３０には、ペルチエ素子１０１から発生した熱を放熱させるための流路１１１が設置されている。図３において、９０、９１および９２は、それぞれ、ウェーハＷを昇降させるための昇降ピン、貫通孔およびウェーハＷを支持する近接ピンであり、１０４は冷却板９９の温度を感知する温度センサーである。

このような従来の冷却システムの場合、それなりの利点があるものの、冷却が局部的になされるため、べークプレートの領域別の温度偏差が非常に大きい。すなわち、べークプレート全体が均一に冷却されない。また、冷却を開始してから所望の均一な温度分布を得るまでに長時間を要する。これらの問題点は、半導体装置の生産性を大きく低下させる要因となる。

従来の冷却システムにおけるこのような問題点が注目され、各種の方策が提案された。その方策のうちの一つが、異なる温度に設定された複数のべークプレートを、冷却システムに設ける方案である。この方案は、冷却時間の問題は解消されもするが、単一のスピナーに多数のべークプレートが設けられることによって、スピナーが大型化されるため、望ましい方案ではない。
韓国特許２００１−００１５３７１号公報 特開２００１−１１８７８９号公報 韓国特許２００１−００５１７５５号公報

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記従来技術の問題点を改善するためのものであって、ホットプレートの上面の全領域を均一に冷却することはもとより、冷却時間を大きく短縮できるべークシステムを提供することである。

前記課題を達成するために、本発明は、上面にべーク用ウェーハが載置され、内部に所定量の作動流体が充填されており、側面および天井に前記作動流体供給のためのウィックが形成されたヒートパイプと、前記作動流体の加熱によって前記上面を加熱するために用いられるヒータと、循環を通じて前記ヒートパイプの作動流体と交換される液状冷媒が備えられた補助冷却部と、前記作動流体および前記液状冷媒を循環させるために前記ヒートパイプと前記補助冷却部とを連結する連結管と、前記連結管を流れる流体をコントロールするために前記連結管に設けられたコントロール手段と、を備えることを特徴とするべークシステムを提供する。

本発明の実施形態によれば、前記連結管は、前記ヒートパイプと前記補助冷却部とを連結する第１流路および第２流路である。

また、前記補助冷却部は、前記液状冷媒を保存する冷媒保存タンクと、流入する前記作動流体の冷却のために前記冷媒保存タンクに設けられた冷却装置と、前記上面の冷却時に前記液状冷媒を加圧するための加圧手段とを含む。この時、前記冷媒保存タンクの内面にウィックが形成されているため、前記補助冷却部はヒートパイプと同等の構成を有する。

本発明の他の実施形態によれば、前記連結管は、前記ヒートパイプの一側と前記補助冷却部の一側とを連結する第１連結管および前記ヒートパイプの他側と前記補助冷却部の他側とを連結する第２連結管で構成される。

また、前記補助冷却部は、前記液状冷媒を保存する第１冷媒保存タンクと、流入する前記作動流体の冷却のために前記第１冷媒保存タンクに設けられた冷却装置とを含む。
前記コントロール手段は、ポンプまたは弁である。

前記ヒートパイプの他側と前記補助冷却部との間の前記連結管に前記連結管を流れる流体を加熱するための補助ヒータが設けられている。また、前記第１冷媒保存タンクに前記ヒートパイプに供給される流体を加熱するための補助ヒータが設けられている。

前記課題を達成するために、本発明はまた、上面にべーク用ウェーハが載置され、内部に所定量の作動流体が充填されており、側面および天井に前記作動流体供給のためのウィックが形成されたヒートパイプと、前記作動流体の加熱によって前記上面を加熱するために使われるヒータと、一端が前記作動流体が流出する前記ヒートパイプの一側に連結され、他端が前記流出した作動流体が流入する前記ヒートパイプの他側に連結された連結管と、前記連結管を流れる前記作動流体の冷却のために前記連結管に設けられた冷却装置と、前記作動流体のコントロールのためのコントロール手段と、を備えることを特徴とするべークシステムを提供する。

ここで、前記冷却装置は、前記連結管の一部区間を覆い包むように設けられる。
また、前記コントロール手段は、前記ヒートパイプの一側と前記冷却装置の間および前記ヒートパイプの他側と前記冷却装置の間にそれぞれ設けられたポンプまたは弁である。

本発明によれば、ホットプレートの全領域を数十秒ほどの短い時間に均一に冷却させて温度安定化を達成できる。また、設置された補助ヒータを利用して前記ホットプレートのヒーティング時間も短縮でき、生産性を従来より非常に高くすることができる。

以下、本発明の実施形態によるべークシステムについて、添付された図面を参照して詳細に説明する。なお、図に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示した。

（実施形態１）
本発明の実施形態１によるべークシステムは、図４に示すように、本体Ｐ１と、これに連結された補助冷却部Ｐ２とを備える。本体Ｐ１は、ヒートパイプ１００と、そのヒートパイプ１００の下面に接触するヒータ１０２とを備える。補助冷却部Ｐ２は、液状冷媒１０４ｂが一部充填された第１冷媒保存タンク１０６と、第１冷媒保存タンク１０６の下側に設けられた、液状冷媒１０４ｂを冷却するための第１冷却装置１１０と、第１冷媒保存タンク１０６の上側に設けられた、液状冷媒１０４ｂをヒートパイプ１００に強制循環させるための加圧手段１０９とを含む。第１冷媒保存タンク１０６の内面および天井には、ヒートパイプの内面および天井に形成されたウィック（ｗｉｃｋ）Ｗ１、Ｗ２と同等な形態のウィックが形成されており、第１冷媒保存タンク１０６に流入された高温の作動流体は、ウィックから毛細管力を受けて第１冷媒保存タンク１０６の側面に沿って天井まで移動しながら蒸発する。この過程で、第１冷媒保存タンク１０６に流入された前記高温の作動流体は冷却される。補助冷却部Ｐ２は、このようにヒートパイプ機能を果たす第１冷媒保存タンク１０６を備える。加圧手段１０９は、第１冷媒保存タンク１０６の液状冷媒の上側に存在する蒸気を加熱して第１冷媒保存タンク１０６に保存された液状冷媒を加圧するためのものであって、第１冷媒保存タンク１０６の物理的変形を誘発しないことが望ましい。

べーク工程を進める時、図４に示すように、ヒートパイプ１００の上面Ｓ１にウェーハＷが載置（ローディング）され、ヒートパイプ１００の上面Ｓ１は、ホットプレート面であって、所定の温度、例えば、１００℃〜１５０℃に加熱される。前記べーク工程が完了して、上面Ｓ１からウェーハＷが除去された後、ヒートパイプ１００は、前記べーク工程で加熱された上面Ｓ１を所定の温度まで冷却させる役割を果たす。

ヒートパイプ１００のこのような役割のために、ヒートパイプ１００内には、作動流体１０４ａが所定量充填されている。ヒートパイプ１００の天井と内面のウィックＷ１、Ｗ２はウィックプレートＷＰ１、ＷＰ２に置き換えられる。

作動流体１０４ａは、前記べーク工程において、ヒータ１０２から伝えられる熱をヒートパイプ１００の上面Ｓ１に伝達して上面Ｓ１を加熱する役割を果たす。すなわち、前記べーク工程でヒータ１０２から伝えられる熱によって、作動流体１０４ａは、作動流体１０４ａの上側空間１１２内に蒸発してヒートパイプ１００の天井と接触する。このような接触を通じてヒートパイプ１００の上面Ｓ１が加熱される。

一方、作動流体１０４ａは、前記ウィックに沿ってヒートパイプ１００の天井まで供給されて蒸発し、このような過程によって、前記ホットプレート面、すなわちヒートパイプ１００の上面Ｓ１が冷却される。この時、前記ウィックは、ヒートパイプ１００の天井の全領域に均一に形成されているため、作動流体１０４ａは、ヒートパイプ１００の天井の全領域に均一に供給される。また、作動流体１０４ａは、前記ウィックによる毛細管力を受けるため、前記冷却過程において、作動流体１０４ａはヒートパイプ１００の天井の全領域に速かに供給される。これにより、ヒートパイプ１００の上面Ｓ１は、短時間に全領域が均一に冷却される。このような冷却過程で発生した蒸気は、空洞１１２を経て、それより低い温度の作動流体１０４ａと接触して凝縮される過程を通じて、再び作動流体１０４ａになる。

作動流体１０４ａは、水（蒸溜水）であることが望ましいが、他の流体、例えば、アセトンまたはメチルなどを使用することができる。

一方、作動流体１０４ａをさらに低い温度の流体に代えれば、ヒートパイプ１００の上面Ｓ１を冷却する過程におけるヒートパイプ１００の冷却効率が改善される。前記補助冷却部Ｐ２の第１冷媒保存タンク１０６に充填される液状冷媒１０４ｂは、このような目的で準備されたものである。液状冷媒１０４ｂは、通常、作動流体１０４ａより低い温度に維持されることが望ましい。

前記ヒートパイプ１００の上面Ｓ１を冷却する過程で、前記のようにヒートパイプ１００の冷却効率を高めるために、補助冷却部Ｐ２とヒートパイプ１００の間で、上面Ｓ１の温度が所望の温度に冷却されるまで流体が循環される。

具体的には、ヒートパイプ１００と補助冷却部Ｐ２の間に、流体循環のための第１流路Ｌ１および第２流路Ｌ２が設置されており、第１流路Ｌ１および第２流路Ｌ２には、前記冷却過程中にのみ流体が循環されるように流体の流れをコントロールする弁１０８が設置されている。弁１０８は、ポンプに代えることができる。

ヒートパイプ１００の上面Ｓ１の冷却が開始されると、弁１０８が開放され、同時に補助冷却部Ｐ２の加圧手段１０９、例えば、ペルチエ素子により液状冷媒１０４ｂが加圧される。この結果、第２流路Ｌ２を通じて液状冷媒１０４ｂの一部がヒートパイプ１００に供給され、第１流路Ｌ１を通じてヒートパイプ１００の作動流体１０４ａが第１冷媒保存タンク１０６に供給される。このような流体循環は、ヒートパイプ１００の上面Ｓ１の温度が、所定の温度、例えば、１００℃になるまで連続的にまたは周期的に行なわれる。前記流体循環過程において、補助冷却部Ｐ２の第１冷媒保存タンク１０６に、ヒートパイプ１００の加熱された作動流体１０４ａが流入し、第１冷媒保存タンク１０６に保存された液状冷媒１０４ｂの温度を上昇させるが、第１冷媒保存タンク１０６の下側に設けられた第１冷却装置１１０によって液状冷媒１０４ｂの温度は一定に維持される。

（実施形態２）
図５に示すとおり、本発明の実施形態２によるべークシステムは、ヒートパイプ１００に連結される第２冷媒保存タンク１２０を備える。ヒートパイプ１００の一側と第２冷媒保存タンク１２０の一側、例えば、第２冷媒保存タンク１２０の上部とは、第１連結管１２６で連結されており、ヒートパイプ１００の他側と第２冷媒保存タンク１２０の他側は第２連結管１２８で連結されている。第１連結管１２６を通じてヒートパイプ１００から第２冷媒保存タンク１２０に、作動流体１０４ａが流入する。第２冷媒保存タンク１２０に流入した作動流体１０４ａは、所定の温度、例えば、２３℃に冷却された後、第２連結管１２８を通じてヒートパイプ１００に供給される。

ヒートパイプ１００と第２冷媒保存タンク１２０の間の流体の循環は、前記べーク工程中に中止され、前記ヒートパイプ１００の上面Ｓ１を冷却するときに開始されることが望ましい。このため、第１連結管１２６に第１冷媒コントロール手段１２６ａが、第２連結管１２８に第２冷媒コントロール手段１２８ａが、それぞれ設置される。第１冷媒コントロール手段１２６ａは、自動化されたポンプであることが望ましいが、弁でもよい。第２冷媒コントロール手段１２８ａは、弁であることが望ましいが、自動あるいは手動操作が可能なポンプでもよい。

一方、ヒートパイプ１００と第２冷媒保存タンク１２０の間を流体が循環して、ヒートパイプ１００内の作動流体１０４ａの水位が経時的に高くなるが、可能な限り一定に維持されることが望ましい。そのため、ヒートパイプからの作動流体１０４ａの流出量と、第２連結管１２８を通じてヒートパイプ１００に流入す液状冷媒の量とは同じであることが望ましい。このような理由で、第１連結管１２６および第２連結管１２８の直径が同じである場合、第１冷媒コントロール手段１２６ａおよび第２冷媒コントロール手段１２８ａのコントロール能力は同じであることが望ましい。一方、第１連結管１２６および第２連結管１２８の直径が異なる場合には、ヒートパイプ１００から流出する作動流体１０４ａの量とヒートパイプ１００に流入する液状冷媒の量とが同一となるように第１および第２冷媒コントロール手段１２６ａ，１２８ａのコントロール能力を異なるものにすることが望ましい。

次いで、第１連結管１２６を通じてヒートパイプ１００から第２冷媒保存タンク１２０に流出する作動流体１０４ａは、高温の状態であるが、第２連結管１２８を通じて第２冷媒保存タンク１２０からヒートパイプ１００に供給される液状冷媒は、所定の温度、例えば２３℃程度であることが望ましい。したがって、第２冷媒保存タンク１２０に供給される作動流体１０４ａは、前記所定の温度、例えば、２３℃程度に冷却することが望ましく、このために第２冷媒保存タンク１２０に第２冷却装置１２４が設けられている。第２冷却装置１２４は、第２冷媒保存タンク１２０の上部に設けられることが望ましいが、符号１２５で表わすように、第２冷媒保存タンク１２０の下部に設けてもよく、場合によっては側面に設けてもよい。

一方、第２冷却装置１２４が蒸発部および凝縮部を備える場合、前記蒸発部は第２冷媒保存タンク１２０の上部、下部および／または側面に設けることができ、前記凝縮部はその蒸発部から離隔された所に設けることができる。

（実施形態３）
図６に示すとおり、ヒートパイプ１００の外側に、上面Ｓ１、すなわちホットプレート面の冷却時にヒートパイプ１００に充填された作動流体１０４ａを循環させるための第３連結管１３０が設けられている。第３連結管１３０の一端は、ヒートパイプ１００の一側に連結されており、第３連結管１３０の他端はヒートパイプ１００の他側に連結されている。このような第３連結管１３０の所定位置に第３冷却装置１３２が設けられている。第３冷却装置１３２は、第３連結管１３０の一部を覆い包む形態で設けられ、実施形態２のべークシステムに設けられた第２冷却装置１２４と同等の役割を有する。すなわち、第３冷却装置１３２は、第３連結管１３０を流れてヒートパイプ１００から流出する作動流体１０４ａの温度を所定の温度に下げる役割を有する。作動流体１０４ａが流出するヒートパイプ１００の一側と第３冷却装置１３２との間の第３連結管１３０に、実施形態２で説明した第１冷媒コントロール手段１２６ａが設置されており、第３冷却装置１３２から液状冷媒が流入するヒートパイプ１００の他側と第３冷却装置１３２との間の第３連結管１３０に、第２冷媒コントロール手段１２８ａが設置されている。

（実施形態４）
図７に示すとおり、ヒートパイプ１００の外部に、第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６が設けられている。第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６は、前記ホットプレートの冷却時にヒートパイプ１００から流出する高温の作動流体１０４ａを保存し、これを所定の温度に冷やす役割を有する。このために第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６の各々には、第４冷却装置１４４および第５冷却装置１４６が装着されている。

一方、前記ホットプレートの冷却が開始されると、ヒートパイプ１００から作動流体１０４ａが流出すると同時に、その作動流体１０４ａの流量と等しい程度の液状冷媒がヒートパイプ１００に供給されることが望ましい。そのため、第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６に、特に、ヒートパイプ１００の液状冷媒が流入する側面に近い第４冷媒保存タンク１３６には、所定温度、例えば、２３℃の液状冷媒が所定量保存されていることが望ましい。

第４冷却装置１４４および第５冷却装置１４６は、実施形態２のべークシステムに設けられている第２冷却装置（図５の１２４）と同等の役割を有する。第４冷却装置１４４および第５冷却装置１４６は、符号１４８で示すように、単一の冷却装置に構成することができる。第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６が設けられた位置を考慮すると、第４冷媒保存タンク１３６に流入する液状冷媒は、一旦、第３冷媒保存タンク１３４を経由する。そのため、第４冷媒保存タンク１３６に流入する液状冷媒は、第３冷媒保存タンク１３４に流入する作動流体１０４ａより低温になる。このような理由として、第４冷却装置１４４および第５冷却装置１４６は、同じ冷却効率を有することが望ましいが、第５冷却装置１４６より第４冷却装置１４４の冷却効率を高くすることができる。

ヒートパイプ１００の一側と第３冷媒保存タンク１３４とは第４連結管１３８で連結されており、第３冷媒保存タンク１３４と第４冷媒保存タンク１３６とは第５連結管１４０で連結されており、ヒートパイプ１００の他側と第４冷媒保存タンク１３６とは第６連結管１４２で連結されている。第４連結管１３８に第１冷媒コントロール手段１２６ａが設置されており、第５連結管１４０に第３冷媒コントロール手段１４０ａが設置されており、第６連結管１４２に第２冷媒コントロール手段１２８ａが設置されている。第３冷媒コントロール手段１２８ａは、第１冷媒コントロール手段１２６ａおよび／または第２冷媒コントロール手段１２８ａと同様に、自動または手動弁あるいはポンプであることが望ましい。第１ないし第３冷媒コントロール手段１２６ａ，１２８ａ，１４０ａは、前記ホットプレートの冷却が開始されるときに開き、前記ホットプレートの冷却が終了した後、あるいは新しいウェーハのべークのために前記ホットプレートが加熱されるときに閉じられる。

前記ホットプレートの冷却過程を説明すれば、前記ホットプレートの冷却が開始されるときには、第１ないし第３冷媒コントロール手段１２６ａ，１２８ａ，１４０ａのすべてが開き、ヒートパイプ１００の熱い作動流体１０４ａは、ヒートパイプ１００から第４連結管１３８を通じて第３冷媒保存タンク１３４に流入する。第３冷媒保存タンク１３４に流入した熱い作動流体１０４ａは、第４冷却装置１４４により１次冷却された後、第５連結管１４０を通じて第４冷媒保存タンク１３６に流入する。第４冷媒保存タンク１３６に流入した液状冷媒は、第５冷却装置１４６によってヒートパイプ１００に供給されるのに適した温度まで冷却された後、第６連結管１４２を通じてヒートパイプ１００に流入する。

このような流体の循環は、前記ホットプレートが完全に冷却されるまで連続的に行われ、所定時間、例えば、１５秒ずつ数回反復して行なってもよい。この時、前記循環で第４冷媒保存タンク１３６からヒートパイプ１００に流入する液状冷媒の温度は、ヒートパイプ１００の熱い作動流体１０４ａより低い温度に維持されるが、８０℃以下であることが望ましい。これについては後述する。

前述したように、熱い作動流体１０４ａは、第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６の順で経由して、前記ホットプレートが加熱される前、ヒートパイプ１００に充填された時の温度まで冷却される。ここで、作動流体１０４ａは、第３冷媒保存タンク１３４または第４冷媒保存タンク１３６によって冷却されてもよい。すなわち、熱い作動流体１０４ａは、第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６の両タンクを経由して次第に冷却されることが望ましいが、作動流体１０４ａは、第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６のうちの何れか一つだけを使用して所望の温度まで冷却されてもよい。

（実施形態５）
図８に示すように、実施形態５によるべークシステムは、実施形態４によるべークシステムの第３冷媒保存タンク１３４および第４冷媒保存タンク１３６と、第４冷却装置１４４および第５冷却装置１４６とで構成された補助冷却部から第３冷媒保存タンク１３４および第４冷却装置１４４を除去した場合である。

図８において、１５０は第４冷媒保存タンク１３６と同等な役割を有する第５冷媒保存タンクであり、１５６は第５冷媒保存タンク１５０に装着された第７冷却装置である。第５冷媒保存タンク１５０とヒートパイプ１００の一側とは第７連結管１５２で連結されており、第５冷媒保存タンク１５０とヒートパイプ１００の他側とは第８連結管１５４で連結されている。ヒートパイプ１００から第５冷媒保存タンク１５０に熱い作動流体１０４ａを供給する第７連結管１５２に、第４冷媒コントロール手段１５２ａおよび第５冷媒コントロール手段１５２ｂの順に設置されている。そして、第５冷媒保存タンク１５０からヒートパイプ１００に冷却された液状冷媒を供給する第８連結管１５４に、第６冷媒コントロール手段１５４ａが設置されている。第４冷媒コントロール手段１５２ａおよび第６冷媒コントロール手段１５４ａは、自動弁または手動弁であり、第５冷媒コントロール手段１５２ｂはポンプである。第６冷媒コントロール手段１５４ａはポンプに代えてもよい。

（実施形態６）
図９に示すとおり、ヒートパイプ１００の外部に第６冷媒保存タンク１６０が設けられている。第６冷媒保存タンク１６０とヒートパイプ１００の一側とは第９連結管１６２で連結されており、第６冷媒保存タンク１６０とヒートパイプ１００の他側とは第１０連結管１６４で連結されている。第９連結管１６２を通じてヒートパイプ１００から第６冷媒保存タンク１６０に、熱い作動流体１０４ａが流出する。前記熱い作動流体１０４ａは、第１０連結管１６４を通じて第６冷媒保存タンク１６０を経由して冷却され、このように冷却された作動流体は、再び、ヒートパイプ１００に供給される。第９連結管１６２には、第７冷媒コントロール手段１６２ａが設置されており、第１０連結管１６４には、第８冷媒コントロール手段１６４ａが設置されている。第７冷媒コントロール手段１６２ａおよび第８冷媒コントロール手段１６４ａは、自動弁または手動弁あるいはポンプである。第６冷媒保存タンク１６０の下部に第８冷却装置１６０ｂが装着されており、第６冷媒保存タンク１６０の上部に補助ヒータ１６０ａが装着されている。第８冷却装置１６０ｂは、前述した各種の冷却装置と同等の役割を有する。

一方、補助ヒータ１６０ａは、ヒートパイプ１００の下部に設けられたヒータ１０２と共に、ヒートパイプ１００の上面Ｓ１、すなわち、ホットプレート面を加熱するために用いられる。

具体的には、ヒートパイプ１００の上面Ｓ１に対するヒーティングが開始されると、前述した他の実施形態とは違って、第７冷媒コントロール手段１６２ａおよび第８冷媒コントロール手段１６４ａは、上面Ｓ１の冷却時と同様に開いた状態となる。そして、ヒートパイプ１００に充填された作動流体は、ヒータ１０２により加熱され、第６冷媒保存タンク１６０に存在または流入される作動流体は、補助ヒータ１６０ａにより加熱される。このような補助ヒータ１６０ａが存在することによって、ヒータ１０２によるヒートパイプ１００の上面Ｓ１の加熱時にヒータ１０２の負担を減らすことができ、同時に上面Ｓ１の加熱時間も減らすことができる。

次いで、前述した本発明のべークシステムの冷却効率と関連して、本発明者が実施したシミュレーションの結果を説明する。

本発明者は、前記シミュレーションで、本発明のべークシステムとして図４に示したシステムを使用し、本発明のべークシステムに対する対照例として図１５ないし図１７に示したような従来技術によるべークシステム（以下、対照例べークシステムという）を使用した。この時、本発明のべークシステムに設けられたヒートパイプの上面、すなわちホットプレートと、対照例べークシステムのホットプレートは、１５０℃に加熱された後、１００℃に冷却した。

図１５および図１６は、それぞれ液状冷媒、例えば、水が供給される第１冷却ライン２０６および第２冷却ライン２０８が、ホットプレート２００に埋込まれた、対照例べークシステムのホットプレート２００の正面図および平面図であって、図１５はホットプレート２００の第１冷却ライン２０６が埋設された部分、すなわち、ホットプレート２００の左側半分に対する正面を示し、図１６は第１冷却ライン２０６および第２冷却ライン２０８が埋設された状態のホットプレート全体の平面を示す。

図１５において、２０２はヒータを、２０４は下部板を表す。そして、Ｌｃは、図１６に示したホットプレート２００の中心を通過する中心線を表す。
図１７は、冷却水が供給される冷却ライン２１０が、ヒータの下側の下部板２０４に埋設された場合の対照例べークシステムの部分正面図である。

図１０ないし図１４は、前記対照例べークシステムに対するシミュレーションの結果を表すグラフであり、図１８ないし図２０は、前記本発明のべークシステムに対するシミュレーションの結果を表すグラフである。

具体的には、図１０、図１１、図１３および図１４は、いずれも前記対照例べークシステムのホットプレートの上面の平均温度および最大温度偏差の冷却時間による変化を示す。図１０は前記ホットプレートを自然冷却方式で冷却した場合（以下、第１例という）であり、図１１は第１冷却ライン２０６および第２冷却ライン２０８の各々に２３℃の冷却水を分当り１.５Ｌ（総３Ｌ／分）の割合で供給して前記ホットプレートを冷却した場合（以下、第２例という）である。図１３は第１冷却ライン２０６および第２冷却ライン２０８に、冷却水の代わりに２３℃の空気を供給して前記ホットプレートを冷却した場合（以下、第３例という）であり、図１４はヒータ２０２の下側に設けられた下部板２０４に埋設された冷却ライン２１０に１８℃の冷却水を分当り１.５Ｌ（総３Ｌ／分）の割合で供給して前記ホットプレートを冷却した場合（以下、第４例という）である。そして、図１２は前記第２場合で温度安定化に要した時間を示す。

図１０のＧ１、図１１のＧ３、図１２のＧ５、図１３のＧ７および図１４のＧ９は、いずれも前記ホットプレート２００の冷却過程におけるホットプレート２００の上面の平均温度の時間的変化を表す第１、第３、第５、第７および第９グラフである。そして、図１０のＧ２、図１１のＧ４、図１２のＧ６、図１３のＧ８および図１４のＧ１０は、いずれもホットプレート２００の冷却過程におけるホットプレート２００の最大温度偏差の時間的変化を表す第２、第４、第６、第８および第１０グラフである。

図１０の第１グラフＧ１および第２グラフＧ２に示されるとおり、前記の第１例の場合、ホットプレート２００を１５０℃から１００℃に冷却するのに５０分かかり、ホットプレート２００の最大温度偏差は０.２℃〜０.３℃程度であることが分かる。

そして、図１１の第３グラフＧ３に示されるとおり、前記第２例の場合、ホットプレート２００を１５０℃から１００℃に冷却するのにかかる時間が１０秒程度に短いことが分かるが、第４グラフＧ４によって、ホットプレート２００の最大温度偏差が７０℃〜８０℃程度と非常に大きいことが分かる。

前記第２例の場合、このような図１２の第５グラフＧ５および第６グラフＧ６によって分かるように、ホットプレート２００が１００℃に冷却された後に温度が安定化されるまでに５分程度の時間がかかる。

次いで、図１３の第７グラフＧ７および第８グラフＧ８を参照すれば、前記第３例の場合、ホットプレート２００を１５０℃から１００℃に冷却するのに２００秒以上かかり、ホットプレート２００の最大温度偏差は１.０℃〜２.０℃程度に推測される。

また、図１４の第９グラフＧ９および第１０グラフＧ１０を参照すれば、前記第４例の場合、ホットプレート２００を１５０℃から１００℃に冷却するのに９５秒ほどかかり、最大温度偏差は６℃ほどであることが分かる。そして、温度を安定化させるのに４分２０秒ほどかかることが分かる。

一方、図１８ないし図２０は、前記本発明のべークシステムに対するシミュレーション結果を表すグラフである。図１８の第１１グラフＧ１１および第１２グラフＧ１２は、それぞれ２３℃の液状冷媒を１５秒間隔で３回循環させた時（以下、第５例という）のホットプレートの上面の平均温度および最大温度偏差の時間的変化を表す。

そして、図１９の第１３グラフＧ１３および第１４グラフＧ１４は、それぞれ５０℃の液状冷媒を１５秒間隔で４回循環させた時（以下、第６例という）のホットプレートの上面の平均温度および最大温度偏差の時間的変化を表す。

また、図２０の第１５グラフＧ１５および第１６グラフＧ１６は、それぞれ８０℃の液状冷媒を１５秒間隔で６回循環させた時（以下、第７例という）のホットプレートの上面の平均温度および最大温度偏差の時間的変化を表す。

図１８の第１１グラフＧ１１および第１２グラフＧ１２を参照すれば、前記第５例の場合、ホットプレートは、４０秒以内に１００℃に冷却されることが分かり、前記ホットプレートの最大温度偏差△Ｔは△Ｔ＜０.４℃であることが分かる。

そして、図１９の第１３グラフＧ１３および第１４グラフＧ１４を参照すれば、前記第６例の場合、ホットプレートは、６０秒以内に１００℃に冷却されることが分かり、前記ホットプレートの最大温度偏差△Ｔは△Ｔ＜０.２℃であることが分かる。

また、図２０の第１５グラフＧ１５および第１６グラフＧ１６を参照すれば、前記第７例の場合、ホットプレートは、９０秒以内に１００℃に冷却されることが分かり、前記ホットプレートの最大温度偏差△Ｔは△Ｔ＜０.２℃であることが分かる。

下記表１は、前述した対照例べークシステムおよび本発明のべークシステムにおけるホットプレートの冷却に関するシミュレーションの結果をまとめたものである。表１で、システム１は本発明のべークシステムを、システム２は対照例べークシステムを表す。そして、“その他”は、前記第２例の場合で冷却水温度を１８℃にした場合を表す。

表１に示すとおり、対照例べークシステム（システム２）において冷却水を利用してホットプレートを冷却する場合（第２例および第４例の場合、ならびにその他の場合）、本発明のべークシステムに比べて冷却時間が短いか（第２例およびその他）、または同様であるが（第４場合）、温度偏差△Ｔが大きくてホットプレートの温度を安定化させるのにかかる時間が本発明のべークシステムよりずっと長いことが分かる。

すなわち、本発明のべークシステムの場合、対照例べークシステムに比べて冷却時間があまり長くなく、温度安定化時間が短く、かつ、自然冷却方式（第１例）と同じ温度偏差を有する。

一方、自然冷却方式の第１例では、冷却および安定化にかかる時間が本発明のべークシステムに比べて長過ぎるため、温度偏差が低いにも拘わらず、実際の産業現場では使用し難い。

以上の結果から、前記シミュレーション結果の分析を通じて、生産性と冷却効果および温度均一性を総合的に考慮した場合、本発明のべークシステムが対照例のいかなるべークシステムより優れていることが分かった。

本発明によるべークシステムは、上面にべーク用ウェーハが載置されるホットプレート面として使われ、天井および側面に作動流体を供給するためのウィックが形成されたヒートパイプを備える。これにより、前記上面の冷却時には、前記ヒートパイプの天井全領域に前記作動流体が均一に、かつ、速かに供給され、その結果、前記上面の全領域が均一冷却される。前記上面の冷却は、前記ヒートパイプの天井に供給される前記作動流体の蒸発を通じて行なわれるため、従来の冷却水の循環による冷却と比べて、前記上面、すなわちホットプレートの表面の温度安定化にかかる時間が大きく短縮される。

一方、前記ヒートパイプには、前記上面の冷却時に前記ヒートパイプ内に充填された作動流体を外部に循環させて冷却するための補助冷却部が連結されている。前記補助冷却部は、前記冷却時に前記作動流体と順次に交換される所定量の液状冷媒が充填された冷媒保存タンクと、これに前記作動流体が流入するにつれて前記液状冷媒の温度が上昇することを防止する冷却装置とを備える。前記冷媒保存タンクは、必要に応じて加圧手段または第２の冷却装置あるいは補助ヒータを備える。このような補助冷却部によって、前記ヒートパイプの上面の冷却時に前記ヒートパイプに充填された作動流体の温度を低く維持して、冷却過程におけるヒートパイプの冷却効率を高めることができる。また、前記冷媒保存タンクが補助ヒータを備える場合、前記ヒートパイプの上面、すなわち、ホットプレートの加熱時間も短縮できるため、従来の場合より生産性が高くなる。

前記説明では多くの事項が具体的に記載されているが、それらの説明は発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。例えば、冷却装置を備える冷媒保存装置の後に、必要に応じて液状冷媒を加熱するための補助ヒータが設けられた冷媒保存装置を設けてもよい。そのため、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決定されなければならない。

本発明は、ウェーハまたはその他の部材の冷却あるいは温度を一定に維持するために利用することができる。例えば、半導体装置の製造工程におけるウェーハのべーク工程でウェーハの温度を一定に維持するために使用することができる。

従来技術によるホットプレート冷却装置の断面図である。 従来技術によるホットプレート冷却装置の断面図である。 従来技術によるホットプレート冷却装置の断面図である。 本発明の実施形態１によるべークシステムの部分断面図である。 本発明の実施形態２によるべークシステムの部分断面図である。 本発明の実施形態３によるべークシステムの部分断面図である。 本発明の実施形態４によるべークシステムの部分断面図である。 本発明の実施形態５によるべークシステムの部分断面図である。 本発明の実施形態６によるべークシステムの部分断面図である。 自然冷却方式が適用された従来技術によるべークシステムの冷却効率に対するシミュレーション結果を表すグラフである。 ホットプレートに冷却ラインが埋設された従来技術によるべークシステムに関する冷却効率シミュレーションの結果を表すグラフであって、安定化の前を示すグラフである。 ホットプレートに冷却ラインが埋設された従来技術によるべークシステムに関する冷却効率シミュレーションの結果を表すグラフであって、安定化の後を表すグラフである。 ホットプレートに冷却ラインが埋設された従来技術によるべークシステムに関する冷却効率シミュレーションの結果を表すグラフであって、空気を冷媒とした時の結果を表すグラフである。 ヒータの下側に冷却ラインが埋設された従来技術によるべークシステムに対する冷却効率シミュレーションの結果を表すグラフである。 冷却ラインがホットプレートに埋設された従来技術によるべークシステムの部分正面図である。 冷却ラインがホットプレートに埋設された従来技術によるべークシステムの平面図である。 冷却ラインがヒータの下側に設けられた従来技術によるべークシステムの部分正面図である。 本発明の実施形態によるべークシステムの冷却効率を表すグラフである。 本発明の実施形態によるべークシステムの冷却効率を表すグラフである。 本発明の実施形態によるべークシステムの冷却効率を表すグラフである。

符号の説明

１００ ヒートパイプ
１０２ ヒータ
１０４ａ 作動流体
１０４ｂ 液状冷媒
１０６ 第１冷媒保存タンク
１０８ 弁
１０９ 加圧手段
１１０ 第１冷却装置
１１２ 上側空間
Ｐ１ 本体
Ｓ１ 上面
Ｌ１，Ｌ２ 第１および第２流路
Ｗ ウェーハ
Ｐ２ 冷却部

Claims (13)

1. 上面にべーク用ウェーハが載置され、内部に所定量の作動流体が充填されており、側面および天井に前記作動流体供給のためのウィックが形成されたヒートパイプと、
   前記作動流体の加熱によって前記上面を加熱するために用いられるヒータと、
   循環を通じて前記ヒートパイプの作動流体と交換される液状冷媒が備えられた補助冷却部と、
   前記作動流体および前記液状冷媒を循環させるために前記ヒートパイプと前記補助冷却部とを連結する連結管と、
   前記連結管を流れる流体をコントロールするために前記連結管に設けられたコントロール手段と、を備えることを特徴とするべークシステム。
2. 前記連結管は、前記ヒートパイプと前記補助冷却部とを連結する第１および第２流路であることを特徴とする請求項１に記載のべークシステム。
3. 前記連結管は、前記ヒートパイプの一側と前記補助冷却部の一側とを連結する第１連結管および前記ヒートパイプの他側と前記補助冷却部の他側とを連結する第２連結管で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のべークシステム。
4. 前記補助冷却部は、
   前記液状冷媒が保存され、ヒートパイプ機能を有するウィックが内面に形成された冷媒保存タンクと、
   流入する前記作動流体の冷却のために前記冷媒保存タンクに設けられた冷却装置と、
   前記上面の冷却時に前記液状冷媒を加圧するための加圧手段と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のべークシステム。
5. 前記補助冷却部は、
   前記液状冷媒を保存する第１冷媒保存タンクと、
   流入する前記作動流体の冷却のために前記第１冷媒保存タンクに設けられた第１冷却装置と、を含むことを特徴とする請求項３に記載のべークシステム。
6. 前記コントロール手段は、ポンプおよび弁のうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載のべークシステム。
7. 前記第１冷媒保存タンクに第２冷媒保存タンクが連結されており、前記第１冷却装置は、前記第２冷媒保存タンクまで拡張されていることを特徴とする請求項５に記載のべークシステム。
8. 前記第１冷媒保存タンクに第２冷媒保存タンクが連結されており、前記第２冷媒保存タンクに第２冷却装置が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のべークシステム。
9. 前記ヒートパイプの他側と前記補助冷却部の間の前記連結管に、前記連結管を流れる流体を加熱するための補助ヒータがさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のべークシステム。
10. 前記第１冷媒保存タンクに、前記ヒートパイプに供給される流体を加熱するための補助ヒータが設けられていることを特徴とする請求項５に記載のべークシステム。
11. 上面にべーク用ウェーハが載置され、内部に所定量の作動流体が充填されており、側面および天井に前記作動流体供給のためのウィックが形成されたヒートパイプと、
    前記作動流体の加熱によって前記上面を加熱するために使われるヒータと、
    一端が前記作動流体が流出する前記ヒートパイプの一側に連結され、他端が前記流出した作動流体が流入する前記ヒートパイプの他側に連結された連結管と、
    前記連結管を流れる前記作動流体の冷却のために前記連結管に設けられた冷却装置と、
    前記作動流体のコントロールのためのコントロール手段と、を備えることを特徴とするべークシステム。
12. 前記冷却装置は、前記連結管の一部区間を覆い包むように設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のべークシステム。
13. 前記コントロール手段は、前記ヒートパイプの一側と前記冷却装置の間および前記ヒートパイプの他側と前記冷却装置の間にそれぞれ設けられたポンプまたは弁であることを特徴とする請求項１１に記載のべークシステム。
    

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