JP3079512B2 - 基板の冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加熱処理された半導体
基板や液晶用又はフォトマスク用ガラス基板等の薄板状
基板（以下、単に「基板」という。）を冷却するための
基板の冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、液晶基板製造におけるフォトリ
ソグラフィー工程においては、ガラス基板表面に塗布さ
れたレジストを乾燥するため、当該基板をホットプレー
トなどの発熱体を備えた加熱装置上に載置して加熱して
高温で熱処理し、その後常温に冷却する工程が含まれ
る。このような冷却工程においては、被冷却基板をアル
ミなどの金属で形成された載置台（冷却プレート）上に
載置し、この載置台の内部に形成された水路に冷却水を
供給して当該基板を冷却する冷却装置が用いられてい
る。

【０００３】図９は、このような従来の冷却装置におけ
る角型の冷却プレートの水路構成及び冷却水の流れを示
す平面図である。冷却プレート１０１の内部には、蛇行
状の水路１０２が形成され、この水路１０２の一端に形
成された冷却水導入口１０３から図示しない冷却水供給
装置により冷却水を供給し（ＩＮ）、水路１０２内を通
過させた後、水路１０２の他端の冷却水排出口１０４か
ら排出して（ＯＵＴ）、排液もしくは循環使用するよう
にしている。これにより冷却プレート１０１上に載置さ
れた基板が高温から所定の温度、例えば１００℃から２
３℃までに冷却される。

【０００４】なお、図１０（ａ）に示すように、冷却プ
レート１０１は、２枚のプレート１０１ａ、１０１ｂを
密着させて形成され、これにより上部プレート１０１ａ
の下面に穿設された溝１０５が水路１０２を形成するよ
うになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の冷却装置における冷却水の供給方法において
は、冷却される基板の温度分布が所定温度で均一になる
までに時間がかかるという問題があった。このことを図
１０により説明する。

【０００６】図１０は、図９において冷却プレート１０
１上に基板Ｗを載置したときのＡ−Ａ線における矢視縦
断面（図１０（ａ））と温度分布の変化の概要（図１０
（ｂ）〜図１０（ｄ））を示すものである。

【０００７】図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す冷却
プレート１０１の縦断面の位置に対応して冷却水導入口
１０３から水路１０２に供給された冷却水の温度変化を
近似的に示すものである。同図に示すように、冷却水導
入口１０３から供給（ＩＮ）された冷却水は、基板Ｗの
熱量を冷却プレート１０１を介して吸収しながら徐々に
水温を上げて冷却水排出口１０４から排出（ＯＵＴ）さ
れる。一方、図１０（ｃ）は、冷却される前の基板Ｗの
温度分布を近似的に示すグラフである。基板Ｗは、図外
の加熱装置によって加熱された後、冷却プレート１０１
まで搬送される間にその周辺部がやや冷却されて温度が
下がっており、冷却プレート１０１に載置されたときの
温度分布は、同図に示すように中央部ほど温度が高い状
態になっている。

【０００８】したがって、冷却プレート１０１による冷
却を開始して所定時間経過後の基板Ｗの温度は、図１０
（ｄ）に近似的に示すように基板Ｗの位置によって温度
分布が異なり、冷却水導入口１０３に近い基板Ｗの周辺
部ほど温度が低下する一方、反対側の冷却水排出口１０
４付近では冷却効果が低く、その最高温度と最低温度の
差（レンジ）ｄが大きくなっている。このように基板Ｗ
の表面に大きな温度差が存すると、次の処理工程におけ
る加工精度を損なう結果になる。例えば、次の工程が露
光工程である場合には、集光レンズでレーザ光の焦点を
ミクロン単位で設定して微細加工する必要があり、基板
Ｗ表面の温度分布が異なると、温度の高い部分が膨脹し
てわずかながら周囲より突出して凹凸を生じ、焦点を合
わすのが困難となって加工精度が劣化する結果となる。

【０００９】そこで、基板Ｗの温度分布を均一にするた
め、さらに長時間冷却水を供給して、基板Ｗ全体が供給
される冷却水の温度になるまで冷却する必要があった。

【００１０】しかし、このような従来の方法ではメンテ
ナンスコストが重む上、冷却工程のみに時間をかけるこ
ととなり全体の生産効率が低下するという問題があっ
た。

【００１１】本発明は、上述のような問題を解消して、
簡易な構成により、短時間で基板の温度分布をほぼ均一
な状態で所定温度まで冷却することができる基板の冷却
装置を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る基板の冷却装置は、中央部が周辺部
よりも高い温度を有する基板を載置台に直接もしくは所
定の間隔をおいて載置して冷却する基板の冷却装置にお
いて、前記載置台のほぼ中央部に形成された冷却液導入
口と、前記載置台の周辺部に形成された冷却液排出口
と、前記載置台内部に形成され、前記冷却液導入口と前
記冷却液排出口とを接続する水路と、を備え、前記基板
の中央部が前記載置台の中央部に重なるように前記基板
が前記載置台に直接もしくは所定の間隔をおいて載置さ
れ、かつ、前記冷却液導入口に冷却液を供給することに
より前記基板をその中央部から冷却することを特徴とす
る。

【００１３】また、請求項２に係る基板の冷却装置で
は、請求項１における載置台は、角型の基板載置面を有
し、前記冷却液導入口は、そのほぼ中心の位置に配設さ
れるとともに、前記冷却液排出口は、前記角型の基板載
置面の対角線上の２つの角部にそれぞれ配置されること
を特徴とする。

【００１４】さらに、請求項３に係る基板の冷却装置
は、請求項１における冷却液排出口には、当該冷却液排
出口から排出される冷却液の流量を調節する流量調節手
段が接 続されることを特徴とする。

【００１５】請求項４に係る基板の冷却装置は、中央部
が周辺部よりも高い温度を有する基板を載置台に直接も
しくは所定の間隔をおいて載置して冷却する基板の冷却
装置において、前記載置台は角型の基板載置面を有する
とともに、前記角型の基板載置面における所定の一辺の
ほぼ中央部に相当する位置に形成された冷却液導入口
と、前記角型の基板載置面の前記所定の１辺の端部、も
しくは他の周辺部に形成された冷却液排出口と、前記載
置台内部に形成され、前記冷却液導入口と前記冷却液排
出口とを接続する水路と、を備え、前記基板の中央部が
前記載置台の中央部に重なるように前記基板が前記載置
台に直接もしくは所定の間隔をおいて載置され、かつ、
前記冷却液導入口に冷却液を流入させることにより前記
基板をほぼその中央部から冷却するようにしたことを特
徴とする。

【００１６】

【作用】請求項１の発明によれば、載置台のほぼ中央部
から冷却液を供給して、その周辺部に形成された冷却液
排出口から排出するので、載置台の中央部の温度がその
周辺部の温度より低くなり、載置される基板の温度分布
を補完しながら冷却する。

【００１７】請求項２の発明によれば、前記載置台の載
置面は角型に形成され、そのほぼ中央部の冷却液導入口
から供給された冷却液は、当該基板載置面の対角線上の
２つの角部にそれぞれ配置された冷却液排出口より排出
されるので、載置台の冷却液導入口を中心として点対称
に水路を形成できる。

【００１８】請求項３の発明によれば、請求項１におい
て、冷却液排出口には、当該冷却液排出口から排出され
る冷却液の流量を調節する流量調節手段が接続されてお
り、冷却効果の調節を流量調整により行なう。

【００１９】請求項４の発明によれば、角型の基板載置
面を有する載置台の所定の一辺のほ ぼ中央部に相当する
位置に冷却液導入口を形成し、当該冷却液導入口が設け
られた１辺の端部、もしくは他の周辺部に形成された冷
却液排出口から排出するので、載置される基板のほぼ中
央部付近から冷却する。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明するが、これにより本発明の技術的範囲が制限さ
れるものではない。

【００２１】図１は、本発明に係る冷却装置における冷
却プレートの水路構成の一例を示す平面図である。角型
の冷却プレート１の中央部には冷却水導入口２が設けら
れ、この冷却水導入口２について点対称に蛇行状の水路
３が形成される。水路３の両端部（冷却プレート１の対
角線上の角部に位置する部分）には、冷却水排出口４、
５が設けられる。

【００２２】冷却プレート１は、図２（ａ）の縦断面図
に示すように下面に水路形成用の溝６が形成された上部
プレート１ａとこの下面に合せられる下部プレート１ｂ
とからなり、両プレート１ａ、１ｂを図示しないシール
部材を挟んで密着させることにより水路３を形成するよ
うになっている。

【００２３】このようにして冷却プレート１内に形成さ
れた水路３に、その中央部の冷却水導入口２から送液ポ
ンプ８（図３参照）により冷却水を供給（ＩＮ）する
と、当該冷却水は二手に分かれて水路３内を流れ、両端
部の冷却水排出口４、５からそれぞれ排出される。

【００２４】図２は、このような構成の冷却プレート１
における温度分布の概要を示す図である。図２（ａ）
は、図１における冷却プレート１のＢ−Ｂ線矢視断面図
であって、図２（ｂ）は、この冷却プレート１の縦断面
の位置に対応して冷却水導入口２から水路３に供給され
た冷却水の温度変化を近似的に示すものである。同図に
示すように、冷却プレート１の中央部に形成された冷却
水導入口２から供給（ＩＮ）された冷却水は、基板Ｗの
熱量を吸収しながら徐々に水温を上がって冷却プレート
１の周辺部に形成された冷却水排出口４、５から排出
（ＯＵＴ）される。そのため、冷却プレート２の中央部
ほど温度が低く、周囲にいくほど温度が高くなってい
る。

【００２５】一方、図２（ｃ）は、冷却される前の、基
板Ｗの温度分布を近似的に示すものであて、図１０
（ｃ）で説明したように、基板Ｗの、冷却プレート１に
載置された初期の状態での温度分布は、中央部ほど温度
が高い状態になっている。

【００２６】しかし、基板Ｗは、冷却プレート１により
この温度の高い中央部分から冷却されることになるの
で、冷却を開始して所定時間経過後の基板Ｗの温度は、
図２（ｄ）に近似的に示すように温度分布がほぼ均一な
状態になって一律に温度が低下し、その最高温度と最低
温度の差（レンジ）がほとんどなくなっている。このよ
うにして、冷却水の導入位置を工夫するという簡易な構
成により、冷却プレート１の冷却能力が基板Ｗの温度分
布を補完するように形成され、短時間で基板Ｗを温度分
布が均一な状態で冷却することが可能になる。

【００２７】図３は、本発明に係る冷却装置の全体の構
成を示す概略図である。上述した冷却プレート１の冷却
水導入口２は、送液ポンプ８に接続されて冷却水の供給
を受け、水路３中を流れた冷却水は、冷却水排出口４、
５から排出される。当該排出された冷却水は昇温してい
るので、冷却器７により所定温度まで冷却してから再び
送液ポンプ８により冷却プレート１に送液され、循環使
用される。もちろん常温の水（例えば水道水）を冷却水
として利用する場合には、図３のように循環使用せずに
廃棄処分してもよい。

【００２８】冷却器７は、公知の熱変換器であればどの
ようなものでもよく、フロンガスとコンプレッサーを用
いた通常の冷却器や、液体窒素による冷却、またはペル
チェ効果を利用したサーモモジュールによる冷却器など
が用いられる。

【００２９】上述のように中央の冷却水導入口２から供
給された冷却水は２方向に分かれて、冷却水排出口４、
５から排出されるわけであるが、この二つの冷却水排出
口４、５から排出される冷却水の流量が異なる場合に
は、冷却効果が基板Ｗの左右で異なってアンバランスと
なる。図４は、このような場合に対処するための実施例
を示すものであって、各冷却水排出口４、５にそれぞれ
流量調整弁９、１０、流量計１１、１２を接続してお
り、流量計１１、１２を見ながら双方の排出流量が等し
くなるように流量調整弁４、５を調節できるようになっ
ている。これにより、冷却能力を冷却プレート１の冷却
水導入口２に関して対称に設定でき、基板Ｗの均一冷却
に一層貢献するものである。

【００３０】図５、図６は、冷却水導入口から冷却水排
出口に至る水路の変形例を模式的に示すものである。

【００３１】図５は、冷却プレート１の中央部の冷却水
導入口２から渦巻状に水路１３が形成され、外周部の冷
却水排出口１４に接続される。この実施例によると中央
部から周辺部に向けてほぼ同心円上に温度分布を変化さ
せることができ、冷却後の基板Ｗの温度レンジをより小
さくすることが可能となる。また、冷却水導入口２から
供給された冷却水は分水されず、一つの冷却水排出口１
４から排出されるので、図４のように二つの冷却水排出
口４、５から排出される流量が等しくなるように調節を
する必要がなくなる（もちろんこの場合でも冷却水排出
口１４に流量調整弁を接続して当該冷却能力を調節する
ようにしてもよい。）。その一方、シール部材も水路に
沿って渦巻き状に形成する必要があり加工が若干難しく
なるという難点もある。

【００３２】また、図６に示す実施例は、冷却プレート
２の中央部に設けられた冷却水導入口２から放射線状に
複数の水路１５が形成され、冷却プレート２周辺に形成
された複数の冷却水排出口１６から排出するようにして
いる。この実施例においても中央部から周辺部に向けて
ほぼ同心円上に温度分布を変化させることができ、効果
的に基板Ｗを冷却することができる。また、各水路やシ
ール部材の形成は図５の実施例に比べて容易であるとい
う利点がある。一方、各水路１５の流量を調整するた
め、それぞれの冷却水排出口１６に流量調整弁を接続す
る必要がある。

【００３３】図７は、冷却プレート１内に形成される水
路３の断面形状を示すものである。図１の実施例におい
ては、水路３は、その断面が矩形になるように形成され
ており、このような形状であるとエンドミルを用いて容
易に加工できるという利点がある。その一方、このよう
な水路３において実際に冷却水が流れるのは、図７
（ａ）の点線で示す中央領域３ａ内のみであって、隅部
３ｂでは滞留が生じる。このため圧損が生じて、冷却水
を効率よく供給することができず、冷却能力が低下する
おそれがある。この点を改良したのが、図７（ｂ）に示
すものであって、水路１７の断面の上半分がほぼ半円状
になるように形成され、基板Ｗが載置される上方のプレ
ート１ａにおける水路断面における隅部を無くし、圧損
を最小にするように形成される。このような加工は特殊
な切削装置（ボールエンドミル）によって可能である。

【００３４】また、冷却プレート１を１枚の金属プレー
トで形成して、この内部にガンドリルにより載置面に平
行な複数の穴を縦・横に所定の本数設けてこれらを連通
させ、不要な開口部をシール部材により密閉して水路３
を形成するようにしてもよい。この場合には、プレート
の合せ部分がないので、耐圧性が高くなって液漏れが生
じにくくなり、かなりの高圧で冷却水を供給することが
可能となる。これにより、冷却水の単時間当りの流量を
増大することができ、冷却時間をより短縮できる。

【００３５】図８は、冷却プレートの一辺の中央部に冷
却水導入口を設けた場合の実施例を示すものである。冷
却プレート１の辺１ｃの中央部に冷却水導入口１８を設
け、蛇行状の水路１９が上下対称になるように形成し、
対向する辺１ｄの両端部に冷却水排出口２０、２１を形
成する。このような構成によると冷却プレート１のサイ
ドに冷却水導入口を設けることができて、冷却水を供給
しやすくなるとともに、２個の冷却水排出口２０、２１
は、図１のものと異なり、どちらも一方の辺１ｄ側に形
成されるので配管が容易になるという利点がある。

【００３６】ただ、このような構成によると、図１の実
施例に比べて冷却水の温度分布における低温部の位置が
中央部から冷却水導入口１８を設けた辺１ｃの方向に若
干ずれることになり、基板Ｗに対する冷却効果を均一に
保つのが困難ではないかとの疑問が生じる。しかし、本
発明者の実験によれば、サイズが３６０ｍｍ（縦）×４
５０ｍｍ（横）×１．１ｍｍ（厚さ）のガラス基板を用
いて、従来の方法（図９）と図８に示す実施例の方法を
比較したところ、常温の冷却水を使用して冷却処理時間
３００秒間冷却処理した場合に、従来の方法では温度レ
ンジが１．５℃あったのに対し、本実施例による冷却方
法では温度レンジが０．２℃との結果が得られた。通
常、露光工程における基板Ｗの温度の許容レンジは、
０．５℃以下であることが各半導体メーカーの基準とな
っており、図８のような構成でも当該基準に十分対応で
きる冷却効果が得られることになる。

【００３７】なお、冷却水導入口１８を設ける辺は冷却
プレート１のどの辺でもいいが、基板Ｗの冷却効果がで
きるだけ均一になるようにするためには、冷却水導入口
１８を被冷却基板Ｗの長手方向に対応する辺の中央部に
設ける方が望ましい。

【００３８】以上の実施例では、角型の基板を冷却する
場合について説明してきたが、図８の実施例の場合を除
き、被冷却基板は円形その他の形状の基板であってもよ
い。この場合、冷却プレート１の載置面の形状も角型で
ある必要はなく、例えば被冷却基板より若干大きめで当
該基板と同形状の載置面を有するものでよい。

【００３９】また、通常、冷却水としては水を使用する
が、これに限定されるものではなく、液体であればなん
でもよい。もちろん、十分な冷却効果を得るためには比
熱が大きな液体である方が望ましいが、粘性が高いもの
は水路を通過しにくく、また水路中に残存して閉塞する
おそれもある。また、気体は熱効率が悪いため、望まし
くない。

【００４０】また、被冷却基板Ｗを、冷却プレート１の
載置面に直接載置せずに、プロキシミティピンにより当
該載置面から少し離した状態で水平に保持して冷却する
ようにしてもよい。この場合には冷却効果が若干低下す
るが、基板Ｗと載置面との間に空気層が介在するので、
均一な冷却が可能になるという利点がある。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１の発明によ
れば、載置台のほぼ中央部から冷却液を供給して、その
周辺部に形成された冷却液排出口から排出するので、載
置台の中央部の温度がその周辺部の温度より低くなり、
載置される基板の温度分布を補完しながら冷却すること
ができる。したがって、簡易な構成により、短時間で被
冷却基板の温度レンジが所定範囲以下の状態で冷却する
ことができ、基板処理の効率化を図ることができる。

【００４２】請求項２の発明によれば、前記載置台の載
置面は角型に形成され、そのほぼ中央部の冷却液導入口
から供給された冷却液は、当該基板載置面の対角線上の
２つの角部にそれぞれ配置された冷却液排出口より排出
されるので、載置台の冷却液導入口を中心として点対称
に水路形成を形成でき、簡易な構成ながら基板の均一冷
却を可能にする。

【００４３】請求項３の発明によれば、冷却液排出口に
は、当該冷却液排出口から排出される冷却液の流量を調
節する流量調節手段が接続されており、冷却効果を流量
調整により微妙に調節することができる。また、冷却液
排出口が複数ある場合には、各冷却液排出口からの排出
量を調整して基板の温度分布に応じた冷却効果が各部で
等価になるように調整できる。

【００４４】請求項４の発明によれば、角型の基板載置
面を有する載置台の所定の一辺のほぼ中央部に冷却液導
入口を形成し、当該冷却液導入口が設けられた１辺の端
部、もしくは他の周辺部に形成された冷却液排出口から
排出するようにしているので、前記載置台のほぼ中央部
付近の温度がその周辺部の温度より低くなり、載置さ れ
る基板の温度分布をほぼ補完しながら冷却することがで
きる。また、冷却液導入口を載置台のサイドに形成する
ことができ、構成を簡易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る冷却装置の冷却プレート
における第１の実施例に係る水路構成及び冷却水の流れ
を示す平面図である。

【図２】図１の冷却プレートによる基板の冷却効果を説
明するための図である。

【図３】本発明の冷却装置の全体の構成を示す概略図で
ある。

【図４】図１の冷却プレートの冷却水排出口に流量制御
弁を設けた実施例を示す図である。

【図５】水路構成の第２の実施例を示す平面図である。

【図６】水路構成の第３の実施例を示す平面図である。

【図７】水路の断面形状を示す図である。

【図８】冷却水導入口を冷却プレートの所定の辺の中央
に設けた場合の水路構成の第４の実施例を示す平面図で
ある。

【図９】従来の冷却装置の冷却プレートにおける水路構
成及び冷却水の流れを示す平面図である。

【図１０】図９の冷却プレートによる基板の冷却効果を
説明するための図である。

【符号の説明】

１ 冷却プレート ２，１８ 冷却水導入口 ３，１３，１５，１９ 水路 ４，５，１４，１６，２０，２１ 冷却水排出口 ７ 冷却器 ８ 送液ポンプ ９，１０ 流量制御弁 １１，１２ 流量計 Ｗ 基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−96557（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−206050（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−76531（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央部が周辺部よりも高い温度を有する
   基板を載置台に直接もしくは所定の間隔をおいて載置し
   て冷却する基板の冷却装置において、 前記載置台のほぼ中央部に形成された冷却液導入口と、 前記載置台の周辺部に形成された冷却液排出口と、 前記載置台内部に形成され、前記冷却液導入口と前記冷
   却液排出口とを接続する水路と、 を備え、 前記基板の中央部が前記載置台の中央部に重なるように
   前記基板が前記載置台に直接もしくは所定の間隔をおい
   て載置され、かつ、 前記冷却液導入口に冷却液を供給することにより前記基
   板をその中央部から冷却するようにしたことを特徴とす
   る基板の冷却装置。
2. 【請求項２】 前記載置台は、角型の基板載置面を有
   し、前記冷却液導入口は、そのほぼ中心の位置に配設さ
   れるとともに、前記冷却液排出口は、前記角型の基板載
   置面の対角線上の２つの角部にそれぞれ配置されること
   を特徴とする請求項１記載の基板の冷却装置。
3. 【請求項３】 前記冷却液排出口には、当該冷却液排出
   口から排出される冷却液の流量を調節する流量調節手段
   が接続されることを特徴とする請求項１記載の基板の冷
   却装置。
4. 【請求項４】 中央部が周辺部よりも高い温度を有する
   基板を載置台に直接もしくは所定の間隔をおいて載置し
   て冷却する基板の冷却装置において、 前記載置台は角型の基板載置面を有するとともに、 前記角型の基板載置面における所定の一辺のほぼ中央部
   に相当する位置に形成された冷却液導入口と、 前記角型の基板載置面の前記所定の１辺の端部、もしく
   は他の周辺部に形成された冷却液排出口と、 前記載置台内部に形成され、前記冷却液導入口と前記冷
   却液排出口とを接続する水路と、 を備え、 前記基板の中央部が前記載置台の中央部に重なるように
   前記基板が前記載置台に直接もしくは所定の間隔をおい
   て載置され、かつ、 前記冷却液導入口に冷却液を流入させることにより前記
   基板をほぼその中央部から冷却するようにしたことを特
   徴とする基板の冷却装置。