JP2008108863A

JP2008108863A - 基板冷却装置

Info

Publication number: JP2008108863A
Application number: JP2006289493A
Authority: JP
Inventors: Koichi Harada; 浩一原田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】基板載置プレートの上面近くの温度を応答性よく検出でき、効率よく冷却制御が行える基板冷却装置を提供する。
【解決手段】基板載置プレート２の温度を検出するプレート温度センサ１５を備え、該プレート温度センサ１５による検出温度に応じて基板載置プレート２を冷却制御する。プレート温度センサ１５が、可撓性を有する帯状フィルム体１６と、該フィルム体１６の内部に封止状態に配設された温度測定素子１５ａおよび該温度測定素子１５ａから導出されるリード１５ｂとを備える。基板載置プレート２にその上面近くに至るセンサ収容凹部２ａが形成され、該センサ収容凹部２ａ内にプレート温度センサ１５の温度測定素子１５ａ部分が配置されると共に、基板載置プレート２の上面近くの裏面側に温度測定素子１５ａ部分が面接触状態で配置されている。
【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、図５および図６に示されるように、半導体ウエハ等の基板１を僅かのギャップＳ（間隙）を有した載置状態で支持する基板載置プレート２と、基板載置プレート２の下面側に接触状態で配置されると共に、互い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３と、各熱電モジュール３の下面側に接触状態で配置された冷却体としての水冷式熱交換器である水冷ジャケット４とを備えた構造とされていた。

また、基板載置プレート２には、温度を検出するためのプレート温度センサ５が装着され、水冷ジャケット４には、冷媒としての冷却水を送給・排出するための送給口４ａや排出口４ｂが備えられていた（例えば、特許文献１参照。）。

そして、このような構造の基板冷却装置６の基板載置プレート２上に高温の半導体ウエハ等の基板１が載置されて支持されると、基板載置プレート２に基板１の熱が伝導し、基板載置プレート２に配置されたプレート温度センサ５による検出温度に応じて、各熱電モジュール３に与えられる電圧が制御され、基板載置プレート２は下面側から各熱電モジュール３によって吸熱され、各熱電モジュール３の放熱面が水冷ジャケット４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３の制御により、半導体ウエハ等の基板１の温度を所望の温度に冷却制御する構造とされていた。

特開平７−１２１２４７号公報

このような基板冷却装置６に用いられるプレート温度センサ５は、図６にも示されるように、セラミック中に白金測温抵抗体を封入した細長状の温度測定素子５ａの各リード５ｂにリード線７をそれぞれ接続し、温度測定素子５ａの周囲やリード線７との接続部分に樹脂フィルム８を巻くと共に、リード５ｂとリード線７との接続部分に充填材９を充填して保護した構造とされていた。

そして、このような構造のプレート温度センサ５を、基板載置プレート２の下面側から上面近くに至って形成された細長形状のセンサ収容凹部２ａ内に挿入して配置する構造とされていた。

ところで、半導体ウエハ等の基板１を速やかに目的の温度に冷却するためには、基板載置プレート２の上面（表面）近くの温度をより少ない遅れ時間で測定することが好ましく、特に、基板１と基板載置プレート２上面とのギャップＳをより狭く（例えば６０μｍ以下）して高速に冷却制御する場合には、その効果がより顕著に現れる。

しかしながら、上記従来のプレート温度センサ５による温度の検出構造によれば、上下方向に細長状とされたセンサ収容凹部２ａ内に、細長状の温度測定素子５ａが縦向き姿勢で挿入配置された構造であり、温度測定素子５ａは縦方向に長さを有しているため、基板載置プレート２の上面部分だけでなく、上面から遠い部分の基板載置プレート２の温度にも影響され、全体として基板載置プレート２の厚さ方向に平均化された温度の測定値となっていた。

また、温度測定素子５ａはセラミックのもろい素材で構成されているため、基板載置プレート２の裏面側へ強く押し付けて取り付けると破損するおそれがある。このため、単に挿入状態で配置して使用するため、基板載置プレート２とプレート温度センサ５とが密着していないおそれもあり、この点からも良好な温度の検出が行えないおそれがあった。

そこで、図７の提案例に示されるように、金属等の熱伝導性のよいケース体１０内に温度測定素子１１ａを横向き姿勢で配置すると共に、リード１１ｂとリード線７との接続部分等を保護すべく、絶縁物１２を充填した構造のプレート温度センサ１１を、基板載置プレート２の上面近くに至って形成されたセンサ収容凹部２ａ内に取り付ける構造とすることも考えられる。

このような構造のプレート温度センサ１１においては、ケース体１０が丈夫であるため、基板載置プレート２の裏面側にしっかりと押し付けて取り付けることが可能であるが、ケース体１０等の熱容量が大きくなって、温度測定素子１１ａによる温度の検出時における応答性が悪くなるという欠点が生じる。

そこで、本発明の解決しようとする課題は、基板載置プレートの上面近くの温度を応答性よく検出でき、効率よく冷却制御が行え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、基板を載置状態で支持する基板載置プレートの温度を検出するプレート温度センサを備え、該プレート温度センサによる検出温度に応じて基板載置プレートを冷却制御する基板冷却装置において、前記プレート温度センサが、可撓性を有する帯状フィルム体と、該フィルム体の内部に封止状態に配設された温度測定素子および該温度測定素子から導出されるリードとを備え、前記基板載置プレートにその上面近くに至るセンサ収容凹部が形成され、該センサ収容凹部内に前記プレート温度センサの前記温度測定素子部分が配置されると共に、基板載置プレートの上面近くの裏面側に温度測定素子部分が面接触状態で配置されている点にある。

また、前記プレート温度センサの前記温度測定素子部分が、前記基板載置プレートの上面近くの前記裏面側に接着もしくは熱融着により取り付けられている構造としてもよい。

さらに、前記センサ収容凹部は、前記基板載置プレートの下面から上面方向に向けて形成され、前記プレート温度センサの前記温度測定素子部分を前記裏面側に圧接する弾性体が温度測定素子部分の下面側に配置されると共に、その弾性体を保持する押さえ板が基板載置プレートの下面側に着脱自在に取り付けられている構造としてもよい。

本発明の基板冷却装置によれば、プレート温度センサが、可撓性を有する帯状フィルム体と、該フィルム体の内部に封止状態に配設された温度測定素子および該温度測定素子から導出されるリードとを備え、基板載置プレートにその上面近くに至るセンサ収容凹部が形成され、該センサ収容凹部内にプレート温度センサの温度測定素子部分が配置されると共に、基板載置プレートの上面近くの裏面側に温度測定素子部分が面接触状態で配置されている構造とされており、いわゆるプレート温度センサが可撓性を有した構造となるため、温度測定素子部分を基板載置プレートの上面近くの裏面側に面接触状態で配置することが可能となると共に、押し付け状態で配置することも可能となる。

従って、基板載置プレートの上面近くの温度を、その上面から遠い部分の影響を受けずに広い接触面積を通じて検出でき、また、フィルム体の熱容量は、上記のようなケース体等で保護された構造のプレート温度センサよりもはるかに小さいため、応答性よく検出でき、ここに、基板載置プレートの上面近くの温度を応答性よく検出でき、冷却制御時における基板載置プレートの温度の乱れを少なくして、速やかに目的の温度に効率よく制御することができ、その結果、基板を効率よく冷却制御することができる利点がある。

また、プレート温度センサの温度測定素子部分が、基板載置プレートの上面近くの裏面側に接着もしくは熱融着により取り付けられている構造とすれば、簡単な構造でプレート温度センサを取り付けることができる利点がある。

さらに、センサ収容凹部は、基板載置プレートの下面から上面方向に向けて形成され、プレート温度センサの温度測定素子部分を裏面側に圧接する弾性体が温度測定素子部分の下面側に配置されると共に、その弾性体を保持する押さえ板が基板載置プレートの下面側に着脱自在に取り付けられている構造とすれば、メンテナンス時等において、押さえ板を取り外すことにより、プレート温度センサの交換を容易に行うことができる利点がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明すると、図５に示される前述基板冷却装置６と同様、半導体ウエハ等の基板１を僅かのギャップＳを有した載置状態で支持する基板載置プレート２と、該基板載置プレート２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３と、各熱電モジュール３の下面側に接触状態で配置された冷却体としての水冷式熱交換器である水冷ジャケット４とを備えた構造とされている。

前記水冷ジャケット４は、アルミニウムやアルミニウム合金等から形成された平面視円形のブロック状とされたジャケット本体を備え、また該ジャケット本体内には蛇行状に配置された冷媒送給パイプとを備え、冷媒送給パイプの一端部である送給口４ａから冷媒としての冷却水を送給し、他端部である排出口４ｂから排出する構造とされている。なお、水冷ジャケット４は冷却対象である基板１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４のジャケット本体上面に、各熱電モジュール３が互いに適宜間隔を有した所定の位置に分散配置されている。

また、各熱電モジュール３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２が配置されており、基板載置プレート２は、水冷ジャケット４のジャケット本体と同様、平面視円形でジャケット本体と同径のブロック状に形成されている。

そして、平面視で基板載置プレート２と水冷ジャケット４のジャケット本体とが重なり合った状態で、基板載置プレート２と水冷ジャケット４とを各熱電モジュール３を避けた適宜位置で互いにネジ締結する構造とされ、このネジ締結により、基板載置プレート２と水冷ジャケット４との互いの対向面間に各熱電モジュール３を挟み込んだ状態で連結して固定する構造とされている。

また、各熱電モジュール３は図示省略の制御装置に配線接続され、各熱電モジュール３の水冷ジャケット４側の当接面は放熱面とされ、基板載置プレート２側の当接面は吸熱面として機能する構成とされている。

図１ないし図３に示されるように、前記基板載置プレート２には、従来同様、温度を検出するためのプレート温度センサ１５が装着されており、本実施形態では、プレート温度センサ５が、白金測温抵抗体等からなる薄肉矩形状の温度測定素子１５ａと、該温度測定素子１５ａから導出される導電線等からなるリード１５ｂと、これら温度測定素子１５ａとリード１５ｂを上下から挟んで互いに接着もしくは融着された細長帯状の可撓性を有する対のフィルム１６ａ，１６ｂ（例えば、ポリイミドやシリコンラバー等からなる）とを備えた構造とされている。

従って、プレート温度センサ１５は、上下のフィルム１６ａ，１６ｂからなる可撓性を有する帯状フィルム体１６の内部に温度測定素子１５ａやリード１５ｂが封止状態で配設された構造とされており、フィルム体１６の長さ方向他端部で露出状とされた各リード１５ｂにそれぞれリード線１７が接続されて、その接続部分１８が絶縁テープ等で巻装された構造とされ、リード線１７の他端部が従来同様、図示省略の制御装置に配線接続される構造とされている。ここに、プレート温度センサ１５はフィルム体１６の厚み方向に撓み変形可能な可撓性を有した構造とされる。

そして、基板載置プレート２には、プレート温度センサ１５のフィルム体１６よりも僅かに幅広の矩形のセンサ収容凹部２ａが、基板載置プレート２の下面から上面方向に向けて上面近くに至って形成されており、プレート温度センサ１５一端部の温度測定素子１５ａ部分がセンサ収容凹部２ａ内に配置されると共に、センサ収容凹部２ａの底部である基板載置プレート２の上面近く（例えば上面から４ｍｍ以内）の裏面側に配置された構造とされている。

また、この温度測定素子１５ａ部分の下面側には、クロロプレンゴム等のクッション材からなる直方体形状の弾性体１９が圧縮状態で装着されると共に、センサ収容凹部２ａ内に弾性体１９を保持すべく、センサ収容凹部２ａを略覆う矩形の押さえ板２０が、基板載置プレート２の下面側に固定ネジ２１によるネジ締結により着脱自在に取り付けられた構造とされている。

ここに、プレート温度センサ１５における温度測定素子１５ａ部分は、弾性体１９による付勢力により基板載置プレート２の上面近くの裏面側に押し付けられて面接触状態で密着する構造とされている。

そして、このプレート温度センサ１５によって検出された温度に基づき、制御装置により各熱電モジュール３に与えられる電圧が制御され、基板載置プレート２の、特に上面の温度を所定の温度に制御するように構成されている。

また、基板載置プレート２の上面には、図５にも示されるように、少なくとも３箇所以上の複数の微小な支持突起が周方向等に適宜間隔を有して備えられており、各支持突起上に基板１が載置されて支持され、ここに、基板載置プレート２の上面と僅かのギャップＳを有して支持される構造とされている。

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２の各支持突起上に高温の半導体ウエハ等の基板１が載置状態で支持されて、基板１の冷却制御が開始されると、プレート温度センサ１５により基板載置プレート２の上面部分の温度が検出され、その検出温度に応じて各熱電モジュール３が制御され、基板載置プレート２を介して下面側から各熱電モジュール３によって吸熱され、各熱電モジュール３の放熱面が水冷ジャケット４によって冷却され、ここに、制御装置によるプレート温度センサ１５の検出温度に応じた各熱電モジュール３の制御により、基板１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、プレート温度センサ１５が可撓性を有しており、温度測定素子１５ａ部分を基板載置プレート２の上面近くの裏面側に、弾性体１９による付勢力により常時押し付けた面接触状態で配置した構造とされているため、基板載置プレート２の上面近くの温度を、その上面から遠い部分の影響を受けずに検出できる。

また、センサ収容凹部２ａの底部である裏面側の平面に対して、プレート温度センサ１５の温度測定素子１５ａ部分を面接触状態で押し付けているため、フィルム体１６の可撓性によって温度の測定面である基板載置プレート２の前記裏面側に良好にフィットし、良好な密着状態が得られ、ここに、広い接触面積を通じて基板載置プレート２の上面近くの温度を検出でき、精度よく温度が検出できる。この温度測定素子１５ａ部分の押し付けに際して、フィルム体１６が可撓性を有するため、プレート温度センサ１５の破損も有効に防止できる。

さらに、フィルム体１６の熱容量は、前述のようなケース体１０や絶縁物１１で保護された構造のプレート温度センサ５よりもはるかに小さいため、応答性よく検出でき、ここに、基板載置プレート２の上面近くの温度を応答性よく検出できるため、冷却制御時における基板載置プレート２の温度の乱れを少なくして、速やかに目的の温度に効率よく制御することができる。その結果、基板１を目的の温度に効率よく冷却制御することができる利点がある。

そして、基板載置プレート２の上面近くの温度を応答性よく検出できることから、基板１と基板載置プレート２上面とのギャップＳをより狭く（例えば６０μｍ以下）して高速に冷却制御する場合でも良好に対応できる利点がある。

また、プレート温度センサ１５は弾性体１９による付勢力でセンサ収容凹部２ａ内に保持された構造であり、押さえ板２０を取り外すことにより、弾性体１９やプレート温度センサ１５を容易に取り外すことができ、メンテナンス時等において、プレート温度センサ１５の交換を容易に行うことができる利点がある。

図４は所定の高温に加熱処理された半導体ウエハからなる基板１を、基板冷却装置６の基板載置プレート２上に載置して目標温度に冷却制御した場合の、本実施形態におけるプレート温度センサ１５によって検出された温度測定値および前述従来構造のプレート温度センサ５によって検出された温度測定値と、基板冷却装置６における冷却出力との相互間の関係図を示している。

図４から解るように、高温の基板１が載置されると、基板載置プレート２の温度は基板１からの熱が伝導するために上昇し、各熱電モジュール３の吸熱作用によって下降する。

そして、従来構造のプレート温度センサ５の方が、温度の上がり方が小さく、本実施形態の構造のプレート温度センサ１５の方が、温度の上がり方が大きいことが解る。このような原因として、従来構造のプレート温度センサ５の方においては、基板載置プレート２の上面から遠い部分、即ち基板載置プレート２の高さ方向中間部分の温度の低い部分の影響を受けていることや、プレート温度センサ５がセンサ収容凹部２ａ内において基板載置プレート２の裏面側に良好に密着されていないこと等が考えられる。

これに対して、本実施形態の構造のプレート温度センサ１５の方においては、基板載置プレート２の温度の上昇を応答性よく反映しており、冷却時の基板載置プレート２の温度の乱れを少なくして、速やかに目的の温度に冷却制御することができることが解る。

そして、従来構造のプレート温度センサ５の方においては、応答性に劣るため、冷却時にアンダーシュートが生じて、基板載置プレート２の温度に乱れが生じ、効率のよい冷却制御が行い難いことが解る。

なお、上記実施形態においては、プレート温度センサ１５における温度測定素子１５ａ部分を弾性体１９の付勢力により押圧して、基板載置プレート２の上面近くの裏面側に面接触状態で密着させた構造を示しているが、プレート温度センサ１５における温度測定素子１５ａ部分を接着剤による接着や、熱融着により面接触状態で密着させる構造等であってもよい。

このようにプレート温度センサ１５の温度測定素子１５ａ部分を、接着や熱融着により、基板載置プレート２の上面近くの裏面側に面接触状態で密着させる構造とすれば、簡単な構造でプレート温度センサ１５を容易に取り付けることができるという利点がある。

また、上記実施形態においては、弾性体１９によりプレート温度センサ１５の温度測定素子１５ａ部分を前記裏面側に押し付ける構造を示しているが、弾性体１９に限らず、剛体構造のブロック体等をあてがって押さえ板２０で押し付け固定する構造等であってもよく、何ら実施形態の構造に限定されない。

さらに、センサ収容凹部２ａが上下方向鉛直状に形成された構造を示しているが、傾斜状に形成する構造等であってもよく、何ら実施形態の構造に限定されない。

本発明の実施形態にかかる要部断面正面図である。図１のII−II線断面矢視図である。プレート温度センサの温度測定素子部分の斜視図である。基板冷却時における基板載置プレートの温度測定値の比較図である。基板冷却装置における従来構造を示す概略正面図である。同一部拡大断面図である。提案例を示す要部断面図である。

符号の説明

１基板
２基板載置プレート
２ａセンサ収容凹部
１５プレート温度センサ
１５ａ温度測定素子
１５ｂリード
１６フィルム体
１９弾性体
２０押さえ板
２１固定ネジ

Claims

基板（１）を載置状態で支持する基板載置プレート（２）の温度を検出するプレート温度センサ（１５）を備え、該プレート温度センサ（１５）による検出温度に応じて基板載置プレート（２）を冷却制御する基板冷却装置において、
前記プレート温度センサ（１５）が、可撓性を有する帯状フィルム体（１６）と、該フィルム体（１６）の内部に封止状態に配設された温度測定素子（１５ａ）および該温度測定素子（１５ａ）から導出されるリード（１５ｂ）とを備え、
前記基板載置プレート（２）にその上面近くに至るセンサ収容凹部（２ａ）が形成され、該センサ収容凹部（２ａ）内に前記プレート温度センサ（１５）の前記温度測定素子（１５ａ）部分が配置されると共に、基板載置プレート（２）の上面近くの裏面側に温度測定素子（１５ａ）部分が面接触状態で配置されてい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、
前記プレート温度センサ（１５）の前記温度測定素子（１５ａ）部分が、前記基板載置プレート（２）の上面近くの前記裏面側に接着もしくは熱融着により取り付けられてい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、
前記センサ収容凹部（２ａ）は、前記基板載置プレート（２）の下面から上面方向に向けて形成され、前記プレート温度センサ（１５）の前記温度測定素子（１５ａ）部分を前記裏面側に圧接する弾性体（１９）が温度測定素子（１５ａ）部分の下面側に配置されると共に、その弾性体（１９）を保持する押さえ板（２０）が基板載置プレート（２）の下面側に着脱自在に取り付けられていることを特徴とする基板冷却装置。