JP3160926U

JP3160926U - 熱処理装置

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Publication number: JP3160926U
Application number: JP2010002084U
Authority: JP
Inventors: 浅井　竜二; 竜二浅井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2020-03-30

Abstract

【課題】廃棄されていた熱を電気エネルギとして装置内部及び外部の電気機器等に再利用できるようにしたエネルギ効率の高い熱処理装置を提供すること。【解決手段】被処理基板であるウエハＷを加熱する加熱プレート５２を有する加熱処理部５０と、ウエハＷを冷却する冷却プレート７１を有する冷却処理部７０と、冷却処理部７０の冷却プレート７１を冷却する冷却水管３５を具備する熱処理装置において、加熱処理部５０の加熱プレート５２からの排気熱を排出する排気管３１に密着して、排気熱を蓄える蓄熱体３３と、蓄熱体３３と冷却水管３５の双方に密着して蓄熱体３３と冷却水管３５との温度差により発電する熱電変換素子３４と、を設ける。【選択図】図１

Description

本考案は、例えば塗布・現像処理される半導体ウエハや液晶表示基板等の被処理基板を熱処理する際に発生する排気熱を電気に変換する熱処理装置に関するものである。

一般に、半導体デバイスの製造においては、半導体ウエハや液晶表示ガラス基板等（以下にウエハ等という）の上に薄膜や電極パターンを形成するために、フォトリソグラフィ技術が利用されている。このフォトリソグラフィ技術においては、ウエハ等にフォトレジスト液を塗布し、形成されたレジスト膜を所定の回路パターンに露光し、この露光パターンを現像処理してレジスト膜に回路パターンが形成されている。

このようなフォトリソグラフィ工程において使用される塗布現像装置では、レジスト塗布前又は塗布後の加熱処理（プリベーク）露光後の加熱処理（ポストエクスポージャーベーク）、現像処理後の加熱処理（ポストベーク）等の種々の加熱処理が施されている。

前記の熱処理装置では各工程に応じて例えば１００〜５００℃の温度でウエハが加熱される。このようにウエハの熱処理は高温で行われるため、装置の側壁に設けられた給気口を介して連通する給気ダクトから装置内に気体を供給し、装置内の気体を排気ダクトから強制的な熱排気が行われ、回収された熱は装置外に捨てられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−６４２４２号公報（特許請求の範囲、図４〜図６）

従って、前記のようにウエハ等の熱処理により発生する熱エネルギは無駄に廃棄されている。また、熱排気には大きな電力が必要とされるため、二重の無駄が発生している。特にウエハサイズが３００ｍｍを超えるとヒータも大きくなり、また、１台の塗布現像装置に具備される熱処理装置の台数も１０〜２０台になる為に、その無駄は多大になっている。

本考案はこのような事情によりなされたものであり、従来廃熱として廃棄されていた熱を電気エネルギとして装置内部及び外部の電気機器等に再利用できるようにしたエネルギ効率の高い熱処理装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために本考案では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

本考案は、被処理基板を加熱する加熱プレートを有する加熱処理部と、被処理基板を冷却する冷却プレートを有する冷却処理部と、前記冷却処理部の冷却プレートを冷却する冷却水管を具備する熱処理装置において、前記加熱処理部の加熱プレートからの排気熱を排出する排気管に密着して、排気熱を蓄える蓄熱体と、前記蓄熱体と前記冷却水管の双方に密着して蓄熱体と冷却水管との温度差により発電する熱電変換素子と、を具備することを特徴とする。

このように構成することにより、廃棄されるはずの熱エネルギを蓄熱体に蓄えて、蓄熱体は排気熱の温度変化を一定にすると同時に、熱電変換素子の高温側に密着し、冷却プレートを冷却するための冷却水管は恒温冷却として、熱電変換素子の冷却側に密着することにより、熱電変換素子が安定した効率の良い電気エネルギを発生させることができる。

本考案において、前記加熱プレートに入熱側部が内接するヒートパイプを更に備え、前記ヒートパイプの放熱側部を前記蓄熱体に密着して、前記加熱プレートの熱を前記ヒートパイプにより前記蓄熱体に伝導するように形成する方が好ましい。

このように構成することにより、前記加熱プレートの熱をヒートパイプにより、前記蓄熱体に伝導し、蓄熱体は排気熱の温度変化を一定にすると同時に、熱電変換素子の高温側に密着し、冷却水管は恒温冷却として熱電変換素子の冷却側に密着して、安定した温度差を発生させて電気エネルギを発生させることができる。また、高温度側の熱源を前記排気熱との二重にすることにより、より高いエネルギ変換効率を得ることができる。

また、本考案において、前記熱電変換素子で発電した電気を蓄電するバッテリを具備し、前記バッテリの電気を熱処理装置の内部及び外部の電気機器に供給可能に形成する方が好ましい。

このように構成することにより、前記熱電変換素子で発電した電気エネルギをバッテリに蓄電し、バッテリからの電気を熱処理装置の内部及び外部の電気機器に供給することができる。また、バッテリを具備することにより、エネルギを蓄え、必要な時により安定した電気エネルギを処理装置の内部や外部の電気機器に供給することができる。

また、本考案において、前記被処理体と同形であって前記加熱プレートの温度を測定する温度測定用基板に対して、前記バッテリから電気を供給する充電ノズルを具備する方がよい。

このように構成することにより、被処理基板と同形の熱電プレートの温度を測定する温度測定用基板に、前記バッテリからの電気を充電することができ、熱処理装置の稼働効率の向上を図ることができる。

また、本考案において、前記冷却処理部の冷却プレートにペルチェ素子の吸熱側を密着し、前記ペルチェ素子の発熱側に、前記冷却水管に接続する冷却水路を有する冷却水プレートを密着し、前記ペルチェ素子へは前記バッテリから電気を供給可能に形成する方がよい。

このように構成することにより、冷却プレートの冷却を行うペルチェ素子に電気を供給することにより、省エネルギを実現することができる。

本考案によれば、上記のように構成されているので、以下のような効果が得られる。

廃棄されるはずの熱エネルギを蓄熱体に蓄えて、蓄熱体は排気熱の温度変化を一定にすると同時に、熱電変換素子の高温側に密着し、冷却プレートを冷却するための冷却水管は恒温冷却として、熱電変換素子の冷却側に密着することにより、従来廃熱として廃棄されていた熱を電気エネルギとして装置内部及び外部の電気機器等に再利用できるようにしたエネルギ効率の高い省エネルギの熱処理装置を提供することができる。

本考案に係る熱処理装置の概略断面図である。本考案に係る熱処理装置の概略平面図である。本考案における蓄熱体の蓄熱と発電状態を示す概略斜視図である。本考案におけるペルチェ素子による冷却プレートの冷却状態を示す概略分解斜視図である。本考案における温度測定用基板の充電状態を示す概略分解斜視図である。

以下に、本考案に係る熱処理装置の実施の形態について詳細に説明する。

熱処理装置１０は、ウエハＷ等を加熱する加熱処理部５０と、ウエハＷ等を冷却する冷却処理部７０と、加熱処理部５０と冷却処理部７０を制御する熱処理制御部３０とを具備している。

この熱処理装置１０のケーシング１０ａ内には、図１及び図２に示すように、基台６０が備えられている。この基台６０上に、加熱処理を行う加熱処理部５０及び冷却処理を行う冷却処理部７０が具備されている。

加熱処理部５０は、図１及び図２に示すように、ウエハＷを加熱する加熱プレート５２と、この加熱プレート５２の上方に配設され、図示しない昇降手段によって加熱プレート５２に対して接離移動可能な蓋体６１と、加熱プレート５２の下方に配設され、図示しない昇降手段によって加熱プレート５２に同心円上に設けられた複数（図面では３個の場合を示す）の貫通孔５２ａを貫通して昇降する複数（３本）の加熱プレート昇降ピン６２とを具備している。この場合、加熱プレート５２には熱源となるヒータ５３が設けられている。この加熱プレート５２の温度は図示しない中央制御部からの指示により熱処理制御部３０の熱処理回路３７からヒータ５３に電気が送られて所定の温度、例えば１５０℃の温度等でウエハＷを所定時間加熱するようになっている。

蓋体６１は、天板６４の下方に適宜間隔をおいて多数の小孔を有する分流板６３を具備し、天板６４の中央部に設けられた排気口６５に排気管３１が接続されている。なお、排気管３１には図示しない吸引装置が接続されている。また、蓋体６１は図示しない昇降手段によって下降して加熱プレート５２に密着された状態で、加熱プレート５２と協働して処理室Ｓを形成する。

冷却処理部７０には、図１及び図２に示すように、ウエハＷを冷却処理する冷却プレート７１が設けられている。この冷却プレート７１を支える冷却プレートアーム７５は、基台６０に設けられた基台６０の長手方向に沿うスリット７６を貫通しており、基台６０の下方に位置する下端部が、基台６０と平行に延在する移動レール７４に摺動可能に装着されている。冷却プレートアーム７５は、図示しない移動機構によって移動レール７４に沿って移動して、冷却プレート７１を加熱処理部５０の加熱プレート５２に対して移動するように形成されている。

また、冷却プレート７１の下方には、図示しない昇降手段によって昇降可能な複数（図面では３本の場合を示す）の冷却プレート昇降ピン７８が配設されている。この冷却プレート昇降ピン７８は、冷却プレート７１に設けられた後述するスリット７１ａを貫通して冷却プレート７１上に出没可能に形成されており、熱処理装置１０に対してウエハＷを搬入・搬出する搬送アーム２０との間でウエハＷの受け渡しするようになっている。なお、冷却プレート昇降ピン７８と冷却プレート７１のスリット７１ａは、図２に図示したように干渉しない位置と形状になっている。

冷却プレート７１は、２つの平行するスリット７１ａを有する略方形の平板形状で、内部は図４に示すように、ペルチェ素子７２ａを複数個並べたペルチェ素子部７２を有する。ペルチェ素子７２ａへの電気は後述する熱処理制御部３０内のバッテリ３６及び電源３８から供給される。この場合、ペルチェ素子部７２の吸熱側が冷却プレート７１側に密着している。ペルチェ素子部７２の発熱側に冷却水プレート７３が密着しており、発生した熱を冷却している。冷却は所定温度の液体、例えば恒温の冷却水を使用する。冷却水プレート部７３の内部は、冷却水管３５と接続する冷却水循環路７７が冷却プレート７１の形状に合わせて配管されている。これらの構造によりウエハＷを１８℃〜２２℃の温度で冷却を行う。

次に、前記のように構成される熱処理装置１０の動作態様について説明する。まず、搬送アーム２０によってケーシング１０ａ内の冷却プレート７１の上方にウエハＷが搬入されると、冷却プレート昇降ピン７８が上昇して、搬送アーム２０からウエハＷを受けと取る。搬送アーム２０がケーシング１０ａ外に後退した後に、冷却プレート昇降ピン７８は下降して、ウエハＷは冷却プレート７１上に置かれる。

所定の時間経過後にウエハＷの冷却が完了したら、冷却プレートアーム７５はスリット７６内を移動レール７４に沿って加熱処理部５０へ移動する。この時に加熱プレート昇降ピン６２は下降の位置にある。冷却プレート７１が加熱プレート５２上の中心部に到達したら、加熱プレート昇降ピン６２が上昇してウエハＷを受け取る。その後、冷却プレート７１は冷却処理部７０に戻る。

ウエハＷは加熱プレート昇降ピン６２が下降して加熱プレート５２に載置される。次に、蓋体６１が図示していない昇降手段により下降して基台６０に密着して処理室Ｓを形成する。この状態で、図示していない中央制御部からの指示により熱処理回路３７からヒータ５３に電気が送られて、加熱プレート５２が加熱され、例えば１５０℃の温度等でウエハＷを所定時間加熱する。

ウエハＷが加熱プレート５２により熱せられたことによる残りの熱は図示しない吸引装置により処理室Ｓの上部から分流板６３を通過して天板６４の中心部にある排気口６５に集約される。集約された排気熱は排気管３１を通して装置外部へ排気される。

所定時間経過後、加熱プレート昇降ピン６２によってウエハＷは上昇し、加熱プレート５２による加熱が終了する。その後、蓋体６１が上昇し、処理室Ｓが開放され、冷却プレート７１が加熱プレート５２上に移動する。次に、加熱プレート昇降ピン６２が下降して冷却プレート７１がウエハＷを受け取り、冷却プレート７１は冷却処理部７０に戻る。冷却プレート７１はペルチェ素子７２ａにより冷却されており、冷却プレート７１に受け取られた直後から冷却処理が行われる。

冷却プレート７１によりウエハＷを所定時間冷却し、昇降ピン７８が上昇して搬送アーム２０により取り出され、次の処理装置に送出される。なお、冷却処理部が無い型式の熱処理装置では、搬送アーム２０が加熱プレート部より直接受け渡しを行う手段になる。

熱処理制御部３０内には、加熱処理部５０の加熱プレート５２からの排気熱を蓄える蓄熱体３３と、蓄熱体３３と冷却水管３５の双方に密着して蓄熱体３３と冷却水管３５との温度差により発電する熱電変換素子３４と、熱電変換素子３４により発電された電気を蓄えるバッテリ３６と、熱処理回路３７及び電源３８が備えられている。

熱処理制御部３０による熱電変換の方法について、図１〜図３を参照して説明する。熱処理装置１０において、加熱プレート５２の上方に配設される蓋体６１の排気口６５から高温の排気熱が排気管３１を通じて装置外に放出されている。同時に排気管３１は蓄熱体３３に密着している。また、蓄熱体３３には、加熱プレート５２に入熱側部５２ａが内接するヒートパイプ５２の放熱側部３２ｂが密着している。このように加熱プレート５２で発生した熱は、排気管３１を流れる排気熱とヒートパイプ３２からの熱伝導によって蓄熱体３３へ伝達される。

工程によって異なるが、加熱プレート５２の温度は１００℃〜５００℃の範囲に設定されている。ウエハＷは加熱プレート５２に搬入された時に冷却プレート７１により２０℃前後になっているので、加熱プレート５２の温度は一時的に低下する。その結果、排気熱と加熱プレート５２の温度が下降して熱電変換素子３４の発電力が低下する。これを防ぐために蓄熱体３３の残留熱で補い安定した温度を維持している。なお、蓄熱体３３の熱媒体としては水、絶縁油、シリカゲル等が用いられている。

熱電変換素子３４の高温度側に１００℃〜５００℃の蓄熱体３３が密着し、冷温度側に１８℃〜２２℃の恒温の冷却水が流れる冷却水管３５が密着して配置されており、冷却水管３５に密着する冷却水管プレート３５ａが安定した冷却温度を保っている。蓄熱体側と冷却水管側の温度差は８０℃〜４８０℃になり、この温度差によって電位差が生じゼーベック効果により電気が発生する。図３に示すように、熱電変換素子３４はペルチェ素子であって、数ミリ角の直方体の半導体素子を複数配置されている。発生した電気はバッテリ３６に蓄電される。この発生した電気を熱処理装置１０内部及び外部の処理装置に供給する。

熱処理装置１０の内部の処理装置に電気を供給する一例として、加熱処理部の温度を測定する温度測定用基板８１への充電する方法がある。

温度測定用基板８１はウエハＷと同形をしており、温度測定用基板８１上には加熱プレート５２の温度を測定する温度センサ８２が全面に複数個配置されている。温度センサ８２は例えば熱電対ゲージ等が使用される。

温度センサ８２のデータは温度測定用基板回路８３によって収集される。ここで温度センサ８２のアナログデータがデジタルに変換されて回路内に記録保持される。記録保持されたデータはアンテナ８４を通じて図示していない制御装置に電波で送信される。なお、温度測定用基板回路８３上のメモリーに記録保持して、ウエハＷを回収した後に記録読取装置でデータを抽出する方法もある。

温度測定用基板８５は温度測定用基板バッテリ８５の電気によって動作するようになっており、定期的に加熱プレート５２の温度のプロファイルを測定して、電波で制御装置に送っている。

温度測定用基板８１への充電は、図４に示すようにして行う。すなわち、搬送アーム２０から温度測定用基板８１が冷却プレート７１上に載置された状態で行う。充電は充電受け口８６から行う。エアーシリンダ７９の先に充電ノズル７５が備えられ、充電ノズル７５は熱処理制御部３０のバッテリ３６及び電源３８から電気が供給されている。エアーシリンダ７９が制御装置から下降の指示がくると冷却プレート７１方向に下降して、充電ノズル７５が充電受け口８６に接続されて温度測定用基板８５のバッテリ８５の充電が開始される。この場合、エアーシリンダ７９は、ピストン７９ａと充電ノズル７５との間に縮設されるスプリング８０によってノズルと受け口８６の密着度を高めている。また、エアーシリンダの代わりにモーターとギアの機構で充電ノズルを上下させてもよい。

前記のように構成することにより、ウエハＷと同形の加熱プレート５２の温度を測定する温度測定用基板８５に、バッテリ３６からの電気を充電することができ、熱処理装置１０の稼働効率の向上を図ることができる。つまり、加熱プレート５２の温度を測定する温度測定用基板８１は、ウエハＷと同形をしており、定期的に加熱プレート５２の温度のプロファイルを測定して、電波で制御装置に送っている。しかし、温度測定用基板８１上は温度を計測する温度センサ８２や回路の設置面積上、温度測定用基板８１に備えられた専用の温度測定用基板バッテリ８５の大きさは限られてくるため、使用可能時間に限界がある。そのために測定は１０数分しかできず、測定の途中で温度測定用基板バッテリ８５が無くなる。そのために回収して再充電を行っている。その結果、熱処理装置１０の稼動時間が減少することになる。これを解決するために熱処理装置１０内部のバッテリ３６から温度測定用基板８１の温度測定用基板バッテリ８５に電気を供給することで、熱処理装置１０の稼動効率の向上を図ることができる。

熱電変換素子３４により発生した電気は、上述したように、冷却プレート７１を冷却するペルチェ素子７２ａに供給して、省エネルギを実現することができる他、その他の用途として、例えば熱処理装置１０の内部の熱処理回路３７、照明灯、冷却用ファン等の電気機器の電源としても使用できる。

本実施形態では加熱処理部と冷却処理部を具備した熱処理装置において説明を行ったが、加熱処理部のみを具備した熱処理装置においても、塗布現像装置内の他の装置に使用されている冷却水管を引き込んで熱電変換素子の冷温側に密着することにより発電が可能となり、熱処理装置の内部及び外部の電気機器に電気を供給することにより、エネルギ効率を高めることができる。

このように構成することにより従来廃熱として排気されてきた熱を電気に変換して利用し、エネルギ効率の高い熱処理装置を得ることができる。特に熱処理装置は１台の塗布現像装置の中で平均１０〜２０台、構成によっては２０台を越える構成も有り、エネルギ効率改善の重要なポイントになる。

３０熱処理制御部
３１排気管
３２ヒートパイプ
３３蓄熱体
３４熱電変換素子
３５冷却水管
３６バッテリ
３７熱処理回路
５０加熱処理部
５２加熱プレート
６５排気口
７０冷却処理部
７１冷却プレート
７２ペルチェ素子部
７２ａペルチェ素子
７５充電ノズル
８１温度測定用基板
８２温度センサ
８３温度測定用基板回路
８５温度測定用基板バッテリ
Ｗ半導体ウエハ（被処理基板）
Ｓ処理室

Claims

被処理基板を加熱する加熱プレートを有する加熱処理部と、被処理基板を冷却する冷却プレートを有する冷却処理部と、前記冷却処理部の冷却プレートを冷却する冷却水管を具備する熱処理装置において、
前記加熱処理部の加熱プレートからの排気熱を排出する排気管に密着して、排気熱を蓄える蓄熱体と、前記蓄熱体と前記冷却水管の双方に密着して蓄熱体と冷却水管との温度差により発電する熱電変換素子と、を具備することを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置において、
前記加熱プレートに入熱側部が内接するヒートパイプを更に備え、前記ヒートパイプの放熱側部を前記蓄熱体に密着して、前記加熱プレートの熱を前記ヒートパイプにより前記蓄熱体に伝導するように形成してなることを特徴とする熱処理装置。
請求項１又は２記載の熱処理装置において、
前記熱電変換素子で発電した電気を蓄電するバッテリを具備し、前記バッテリの電気を熱処理装置の内部及び外部の電気機器に供給可能に形成してなることを特徴とする熱処理装置。
請求項３記載の熱処理装置において、
前記被処理体と同形であって前記加熱プレートの温度を測定する温度測定用基板に対して、前記バッテリから電気を供給する充電ノズルを具備することを特徴とする熱処理装置。
請求項３記載の熱処理装置において、
前記冷却処理部の冷却プレートにペルチェ素子の吸熱側を密着し、前記ペルチェ素子の発熱側に、前記冷却水管に接続する冷却水路を有する冷却水プレートを密着し、前記ペルチェ素子へは前記バッテリから電気を供給可能に形成してなることを特徴とする熱処理装置。