JP2008034519A

JP2008034519A - 基板冷却装置

Info

Publication number: JP2008034519A
Application number: JP2006204683A
Authority: JP
Inventors: Koichi Harada; 浩一原田; Mitsuhiro Tanaka; 三博田中
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】冷却部の上面における温度ムラを有効に低減できる基板冷却装置を提供する。
【解決手段】基板冷却装置１は半導体ウエハ２を冷却するための冷却部５が、冷却ブロック本体６と、該冷却ブロック本体６内に蛇行状に配置されたＳＵＳパイプ７とを備える。冷却ブロック本体６が、炭素と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金との複合材からなる複合材プレート層９から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板のリソグラフィー工程等で用いられる基板冷却装置に関するものである。

従来、半導体ウエハ等の基板のリソグラフィー工程において、フォトレジスト液塗布や現像工程の前後において高温に加熱処理された基板を常温付近の目標温度に冷却制御するための基板冷却装置があり、例えば、基板を直接もしくは僅かの間隙を有した載置状態で支持する基板載置プレートと、基板載置プレートの下面側に接触状態で配置されると共に適宜間隔を有して分散配置された複数の熱電モジュールと、各熱電モジュールの下面側に接触状態で配置された冷却部とを備えた構造とされていた（例えば、特許文献１参照。）。

そして、このような冷却部として、一般に蛇行状に曲げ形成されたステンレス製のパイプを、鋳込み等によりアルミニウム等の熱伝導率の大きな金属で包んだ構造の水冷ジャケットが使用されており、そのパイプ内に冷媒としての冷却水を送給することによって、各熱電モジュールおよび基板載置プレートを通じて半導体ウエハ等の基板を所望の温度に冷却する制御が行われていた。

特開平６−２８３４９３号公報

しかしながら、上記従来構造の水冷ジャケットを用いた冷却方法によれば、パイプが通っている部分に近い水冷ジャケットの上面部分は冷え易く、隣接するパイプ間に位置するパイプの通っている部分から遠く離れた水冷ジャケットの上面部分は冷え難いため、水冷ジャケットの上面における表面温度に温度ムラが発生していた。

この水冷ジャケットの上面の温度ムラは、その上部に配置された各熱電モジュール、さらにはその上部に配置された基板載置プレートに対するの冷却にも影響し、結果的に半導体ウエハ等の基板の冷却制御時において、基板に温度ムラが生じる原因となっていた。

このような温度ムラを低減するため、隣接するパイプ間の距離を小さくする方法が考えられるが、パイプの曲げ半径には限度があり、無理に曲げ半径を小さくしようとすれば、パイプの割れやつぶれ等の損傷が生じるおそれがある。

そこで、本発明の解決しようとする課題は、冷却部の上面における温度ムラを有効に低減できる基板冷却装置を提供することにある。

前記課題を解決するための技術的手段は、載置状態で支持された基板を冷却するための冷却部が、冷却ブロック本体と、該冷却ブロック本体内もしくは冷却ブロック本体下面に配置されると共に冷媒を送給案内する冷媒送給路とを備えた基板冷却装置において、前記冷却ブロック本体が、少なくとも前記冷却送給路よりも上側に位置して、炭素と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金との複合材からなる複合材プレート層を有してなる点にある。

また、前記冷却ブロック本体全体が前記複合材プレート層からなる構造としてもよい。

さらに、前記冷却ブロック本体が、上部に配置された前記複合材プレート層と、上面に前記冷媒送給路が形成されると共に複合材プレート層の下面に液密状に接合された下部の溝形成プレート層とからなる構造としてもよい。

また、前記複合材プレート層の前記炭素が繊維状炭素構造体からなり、この繊維状炭素構造体の長手方向が複合材プレート層の厚み方向に配置される配合量よりも平面方向に配置される配合量の方がより多く配合されて、複合材プレート層の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くした構造としてもよい。

本発明の基板冷却装置によれば、冷却部の冷却ブロック本体が、少なくとも冷却送給路よりも上側に位置して、炭素と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金との複合材からなる複合材プレート層を有してなる構造とされており、この複合材プレート層は、従来の一般的に用いられている材料であるアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレート層と比較して熱伝導率が非常に高いため、複合材プレート層においては厚み方向だけでなく平面方向への熱伝導性も良好に得られ、冷媒送給路に近い部分と遠い部分との温度差を小さくでき、ここに、冷却部における冷却ブロック本体の上面における冷却時の温度ムラを有効に低減でき、冷却対象である基板の温度ムラ発生を有効に低減できる利点がある。

また、冷却ブロック本体全体が複合材プレート層からなる構造とすれば、冷却ブロック本体全体にわたって熱伝導性が良好に得られるため、冷却ブロック本体の上面における温度ムラをより有効に低減できる利点がある。

さらに、冷却ブロック本体が、上部に配置された複合材プレート層と、上面に冷媒送給路が形成されると共に複合材プレート層の下面に液密状に接合された下部の溝形成プレート層とからなる構造とすれば、従来構造のように冷媒送給路をパイプ材で蛇行状に形成する場合には、パイプの曲げ限度を考慮する必要があるが、表面に冷媒送給路となる溝を形成した溝形成プレート層を接合するため、隣接する冷媒送給路間の間隔をより密に容易に形成でき、この点からも温度ムラを有効に低減できる利点がある。

また、複合材プレート層の炭素が繊維状炭素構造体からなり、この繊維状炭素構造体の長手方向が複合材プレート層の厚み方向に配置される配合量よりも平面方向に配置される配合量の方がより多く配合されて、複合材プレート層の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くした構造とすれば、配合される繊維状炭素構造体を温度ムラ低減に効率よく利用できる利点がある。

以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明すると、図１ないし図３に示されるように、従来同様、基板冷却装置１は、基板としての半導体ウエハ２を載置状態で支持する基板載置プレート３と、該基板載置プレート３の下面側に接触状態で分散配置された複数の熱電モジュール４と、各熱電モジュール４の下面側に接触状態で配置された冷却部としての水冷式熱交換器である水冷ジャケット５とを備えた構造とされている。

前記水冷ジャケット５は、平面視円形のブロック状とされた冷却ブロック本体としてのジャケット本体６と、該ジャケット本体６内を蛇行状に配置された冷媒送給路としてのステンレス製のいわゆるＳＵＳパイプ７とを備え、ＳＵＳパイプ７の一端部の送給口７ａから冷媒としての冷却水を送給し、他端部の排出口７ｂから排出する構造とされている。なお、水冷ジャケット５は半導体ウエハ２よりも一回り大きな円形とされている。

そして、水冷ジャケット５のジャケット本体６上面に、各熱電モジュール４が分散配置されており、例えば本実施形態では、半導体ウエハ２の載置位置に対応する中心部と周囲とに適宜間隔を有して９個の熱電モジュール４が配置されている。

また、各熱電モジュール４の上面にまたがって、アルミニウムやアルミニウム合金等から形成された基板載置プレート３が配置されており、基板載置プレート３は水冷ジャケット５のジャケット本体６と同様、平面視円形でジャケット本体６と同径のブロック状に形成されている。

そして、各熱電モジュール４は図示省略の電源に接続されており、熱電モジュール４の水冷ジャケット５側の当接面は放熱面とされ、基板載置プレート３側の当接面は吸熱面として機能する構成とされている。

また、基板載置プレート３の上面には、少なくとも３箇所以上の複数の微小な支持突起８が周方向等に適宜間隔を有して備えられており、各支持突起８上に半導体ウエハ２が載置されて支持され、ここに、基板載置プレート３の上面と僅かのギャップＳ（例えば８０μｍ程度）を有して支持される構造とされている。

そして、本実施形態では、水冷ジャケット５のジャケット本体６が、炭素の一例としての繊維状炭素構造体であるカーボンナノチューブとアルミニウムとの複合材からなる複合材プレート層９で全体が形成された構造とされている。

また、基板載置プレート３の所望位置には、従来同様、基板載置プレート３の温度を測定するための温度センサ（図示省略）が備えられており、この温度センサによって検出された温度に基づき、図示されない制御装置により各熱電モジュール４に与えられる電圧が制御され、基板載置プレート３の、特に上面の温度を所定の温度に制御可能に構成されている。

本実施形態は以上のように構成されており、基板載置プレート３の各支持突起８上に載置状態で支持された高温の半導体ウエハ２は、基板載置プレート３を介して下面側から各熱電モジュール４によって吸熱され、各熱電モジュール４の放熱面が水冷ジャケット５によって冷却され、ここに、制御装置による各熱電モジュール４の制御により、半導体ウエハ２の温度を所望の温度に制御することができる。

そして、本実施形態においては、水冷ジャケット５のジャケット本体６の全体がカーボンナノチューブとアルミニウムとの複合材からなる複合材プレート層９で形成された構造とされており、この複合材プレート層９は、従来の一般的に用いられている材料であるアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるジャケット本体と比較して熱伝導率が非常に高いため、複合材プレート層９においては厚み方向だけでなく平面方向への熱伝導性も良好に得られる。

従って、冷媒送給路が一般的に用いられるＳＵＳパイプ７を蛇行状に曲げ形成した構造とされていても、ＳＵＳパイプ７の配置位置に近い部分のジャケット本体６上面と遠い部分のジャケット本体６上面との温度差を小さくでき、ここに、水冷ジャケット５におけるジャケット本体６の上面における冷却時の温度ムラを有効に低減できる利点がある。従って、冷却対象である半導体ウエハ２の冷却制御時における半導体ウエハ２の温度ムラを有効に低減できる利点がある。

特に、ジャケット本体６全体を複合材プレート層９で構成しているため、ジャケット本体６における厚み方向の一部に複合材プレート層９を有する構造と比較して、ジャケット本体６全体にわたって良好な高熱伝導性が得られ、ジャケット本体６の上面における温度ムラをより一層有効に低減できる。

なお、このような複合材プレート層９は、少なくとも冷媒送給路よりも上側に位置して備えられる構造であれば、その高熱伝導性により、ジャケット本体６の上面における温度ムラ低減効果が発揮できる。

図４は、本実施形態における複合材プレート層９からなるジャケット本体６を使用した場合のジャケット本体６上面の表面温度のシミュレーションによる温度ムラ計算結果と、従来のアルミニウムとマグネシウムとのアルミニウム合金からなるアルミ製ジャケット本体を使用した場合のジャケット本体上面の表面温度のシミュレーションによる温度ムラ計算結果を示している。

この際の条件として、本実施形態の複合材製ジャケット本体６の熱伝導率は５５０Ｗ／ｍＫとされ、従来のアルミ製ジャケット本体の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫとされ、それぞれのパイプの材質はステンレスで、パイプサイズは外径が９．５ｍｍ、内径が７．５ｍｍ、図３に示されるように隣接配置されたパイプとパイプとの相互間距離Ｌが５０ｍｍ、ジャケット本体（複合材プレート層９）の厚さｔが２０ｍｍ、送給される冷却水温度が２５℃、冷却水流量が５Ｌ／分、熱電モジュール４の放熱量が１５００Ｗとした定常状態の条件で計算を行い、その計算結果の温度分布が表示されている。また、この計算結果は、一方のＳＵＳパイプ７の中心から両ＳＵＳパイプ７間の中央位置までの距離Ｌ／２をその中央方向に１０等分した各位置における水冷ジャケット５上面の温度に基づいた温度分布を示している。

そして、本実施形態の複合材製ジャケット本体６においては、最大温度が２９．０５℃、最小温度が２８．７３℃であり、温度差が０．３２℃であるのに対し、従来のアルミ製ジャケット本体においては、最大温度が３０．８０℃、最小温度が２９．４８℃であり、温度差が１．３２℃であった。ここに、ジャケット本体６上面における温度ムラが大幅に低減できることが理解できる。

また、図５は、第２の実施形態としての水冷ジャケット５を示しており、第１の実施形態と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。

即ち、本実施形態においては、水冷ジャケット５のジャケット本体６が、上部に配置された適宜厚さｔを有する複合材プレート層９と、上面に前記ＳＵＳパイプ７と同様な蛇行状の溝が形成されて冷媒送給路としての冷却水路１１を構成する下部の樹脂成形体からなる溝形成プレート層１２とからなり、複合材プレート層９の下面に溝形成プレート層１２の上面が接着剤等を介して液密状に接合された構造とされている。そして、基板冷却装置１におけるその他の構成は第１の実施形態と同様に構成されている。

従って、本実施形態においても、第１の実施形態と同様、ジャケット本体６の上面における温度ムラを有効に低減できる。また、冷媒送給路をパイプ材で蛇行状に形成する場合のように、パイプの曲げ限度を考慮する必要がなく、溝形成プレート層１２の上面に所望の間隔で冷媒送給路となる蛇行状の溝を形成して冷却水路１１を構成し、その溝形成プレート層１２を複合材プレート層９に接合すればよく、隣接する冷却水路１１間の間隔をより密に容易に形成でき、この点からも温度ムラを有効に低減できる利点がある。

また、溝形成プレート層１２を樹脂で形成する構造によれば、溝形成プレート層１２を一体成型によって形成することにより、冷却水路１１の形成が特に容易に行える利点がある。

図６は、第２の実施形態におけるジャケット本体６を使用した場合のジャケット本体６上面の表面温度のシミュレーションによる温度ムラ計算結果と、その第２の実施形態と同様構成で、ジャケット本体６の複合材プレート層９部分を従来のアルミニウムとマグネシウムとのアルミニウム合金で構成されたアルミ製ジャケット本体を使用した場合のジャケット本体上面の表面温度のシミュレーションによる温度ムラ計算結果を示している。

この際の条件として、本実施形態の複合材製ジャケット本体６における複合材プレート層９の熱伝導率は５５０Ｗ／ｍＫとされ、アルミ製ジャケット本体の複合材プレート層９対応部分の熱伝導率は１３０Ｗ／ｍＫとされ、それぞれの冷却水路１１サイズは溝幅が１０ｍｍ、溝深さが５ｍｍ、隣接する冷却水路１１の相互間距離Ｌが５０ｍｍ、複合材プレート層９部分の厚さｔが１０ｍｍ、送給される冷却水温度が２５℃、冷却水流量が５Ｌ／分、熱電モジュール４の放熱量が１５００Ｗとした定常状態の条件で計算を行い、その計算結果の温度分布が表示されている。また、この計算結果は、一方の冷却水路１１の溝幅方向中央位置から両冷却水路１１間の中央位置までの距離Ｌ／２をその中央方向に１０等分した各位置における水冷ジャケット５上面の温度に基づいた温度分布を示している。

そして、本実施形態の複合材製ジャケット本体６においては、最大温度が３９．４１℃、最小温度が３８．６９℃であり、温度差が０．７２℃であるのに対し、アルミ製ジャケット本体においては、最大温度が４３．７２℃、最小温度が４０．６８℃であり、温度差が３．０４℃であった。ここに、ジャケット本体６上面における温度ムラが大幅に低減できることが理解できる。

また、上記各実施形態の複合材プレート層９にあっては、カーボンナノチューブの長手方向を所望の方向に沿った配置に配合することにより、熱伝導率に方向性を持たせることができる。

即ち、カーボンナノチューブの長手方向が、複合材プレート層９の厚み方向（図１における上下方向）に配置される配合量よりも平面方向（図１における左右方向）に配置される配合量の方をより多く配合することによって、複合材プレート層９の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くすることができる。

従って、この特徴を活かし、複合材プレート層９の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率に比べて優先的に高くすることにより、ジャケット本体６上面の温度ムラをより有効に低減することができる。この際、厚み方向の熱伝導率は、熱伝導率が各方向均等になるように製作した場合に比べて悪くなるが、その影響は基板冷却装置１においては少ない。それよりも平面方向の熱伝導率を高めることによって、温度ムラを有効に低減することができるため、基板冷却装置１の性能向上にとって非常に有効である。

図７は、第１の実施形態における複合材プレート層９における熱伝導率が、その平面方向の熱伝導率を７００Ｗ／ｍＫとし、厚み方向の熱伝導率を２００Ｗ／ｍＫとしたジャケット本体６を使用した場合のジャケット本体６上面の表面温度のシミュレーションによる温度ムラ計算結果と、図４に示される各シミュレーションの温度ムラ計算結果とを示している。そして、この際のその他の条件は図４の場合と同様である。

この場合の平面方向の熱伝導率を優先的に高くした複合材製ジャケット本体６においては、最大温度が２９．４１℃、最小温度が２９．２１℃であり、温度差が０．２０℃であた。従って、図４で示されるような熱伝導率が各方向に均等な場合の複合材製ジャケット本体６の温度差の０．３２℃やアルミ製ジャケット本体の温度差の１．３２℃よりも、ジャケット本体６上面における温度ムラが低減できることが理解できる。

即ち、平面方向の熱伝導率を優先的に高くし、厚み方向の熱伝導率を低くすると、熱伝導率が各方向に均等な場合に比べると、厚み方向の熱の伝達が悪くなるため、ジャケット本体６上面の表面温度は全体として上昇する。しかしながら、その上昇分は１℃以下であり、この程度の上昇では、熱電モジュール４の効率に与える影響は極めて小さく、冷却の速度にもほとんど影響しない。これに対して、半導体ウエハ２の冷却制御においては、非常に重要な要素となっている温度ムラをより有効に低減することができる。

このように単にジャケット本体６の熱伝導率を上げるだけでなく、アルミニウムとカーボンナノチューブとの複合材の特性を有効に利用し、基板冷却装置１の性能を向上していると言える。

なお、上記各実施形態において、複合材プレート層９の複合材における繊維状炭素構造体の一例としてカーボンナノチューブを示しているが、その他の構造の炭素繊維やカーボンナノファイバ等であってもよく、各実施形態に何ら限定されない。

また、複合材プレート層９としてアルミニウムとカーボンナノチューブとの複合材を用いた構造を示しているが、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素構造体とアルミニウム合金との複合材であってもよい。

さらに、各実施形態では、基板載置プレート３の上面に備えられた各支持突起８によりギャップＳを有して半導体ウエハ２を載置状態で支持する構造とされているが、基板載置プレート３の上面に半導体ウエハ２を直接載置する構成としてもよい。

また、上記各実施形態において、水冷ジャケット５内に冷媒送給路としてのＳＵＳパイプ７や冷却水路１１を備えた構造を示しているが、水冷ジャケット５下面に冷媒送給路が備えられた構造であってもよい。

本発明の第１の実施形態にかかる概略正面図である。図１の概略平面図である。水冷ジャケットの一部断面図である。複合材製ジャケット本体とアルミ製ジャケット本体との上面温度比較図である。第２の実施形態における水冷ジャケットの一部断面図である。複合材製ジャケット本体とアルミ製ジャケット本体との上面温度比較図である。図４に平面方向の熱伝導率を優先的に高くした複合材製ジャケット本体を追加した上面温度比較図である。

符号の説明

１基板冷却装置
２半導体ウエハ
３基板載置プレート
４熱電モジュール
５水冷ジャケット
７ＳＵＳパイプ
９複合材プレート層
１１冷却水路
１２溝形成プレート層

Claims

載置状態で支持された基板（２）を冷却するための冷却部（５）が、冷却ブロック本体（６）と、該冷却ブロック本体（６）内もしくは冷却ブロック本体（６）下面に配置されると共に冷媒を送給案内する冷媒送給路（７）とを備えた基板冷却装置（１）において、
前記冷却ブロック本体（６）が、少なくとも前記冷媒送給路（７）よりも上側に位置して、炭素と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金との複合材からなる複合材プレート層（９）を有してなることを特徴とする基板冷却装置。
請求項１に記載の基板冷却装置において、
前記冷却ブロック本体（６）全体が前記複合材プレート層（９）からなることを特徴とする基板冷却装置。
請求項１に記載の基板冷却装置において、
前記冷却ブロック本体（６）が、上部に配置された前記複合材プレート層（９）と、上面に前記冷媒送給路（１１）が形成されると共に複合材プレート層（９）の下面に液密状に接合された下部の溝形成プレート層（１２）とからなることを特徴とする基板冷却装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の基板冷却装置において、
前記複合材プレート層（９）の前記炭素が繊維状炭素構造体からなり、この繊維状炭素構造体の長手方向が複合材プレート層（９）の厚み方向に配置される配合量よりも平面方向に配置される配合量の方がより多く配合されて、複合材プレート層（９）の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くしたことを特徴とする基板冷却装置。