JP3623653B2

JP3623653B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP3623653B2
Application number: JP10212398A
Authority: JP
Inventors: 高正坂井
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JPH11283919A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板を熱処理する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板、フォトマスク用のガラス基板、液晶表示装置用のガラス基板、光ディスク用の基板等の基板の処理を行なうための基板処理装置においては、各種の処理を行う複数の処理ユニットが組み合わされている。例えば、半導体基板にフォトレジストを塗布する工程で用いられる半導体基板処理装置は、レジスト塗布ユニットや、加熱ユニット、冷却ユニットなどの複数の処理ユニットから構成されている。加熱ユニットや冷却ユニットは、基板の熱処理を行う熱処理装置である。
【０００３】
加熱ユニットは、主として基板上面に塗布されたフォトレジストを加熱して硬化させるために用いられる。このような加熱ユニットでは、基板上に塗布されたフォトレジストに含まれる気体（空気）を除去するために、基板は、通常、下面側（フォトレジスト塗布面と反対の面）から加熱される。
【０００４】
図７は、従来の加熱ユニットの断面を示す説明図である。図７の加熱ユニットでは、基板Ｗを載置する金属製のプレート２２の下部にヒータ２４が配置されている。ヒータ２４は、通常、電熱線（抵抗）をらせん状に形成したものであり、プレート２２にほぼ等密度に埋め込まれている。プレート２２は、ヒータ２４により加熱され、プレート２２上に載置された基板Ｗを加熱する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７に示す従来のプレート２２では、プレート２２の上面（基板載置面）においても、ヒータ２４の配置による温度差が生じ、基板Ｗの温度分布に「むら」が生じてしまうという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、熱処理装置のプレートの面内温度分布をほぼ均一にすることができる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の熱処理装置は、基板を熱処理するための熱処理装置であって、
前記基板を載置するためのプレートと、
前記プレートの下面側において前記プレートとの間で空間を形成し、前記空間内に熱媒体を蓄えるための熱媒体槽と、
前記熱媒体槽に蓄えられる前記熱媒体を加熱するためのヒータと、
前記熱媒体槽に接続された循環管路を含み、前記熱媒体を循環させるための循環系と、
を備え、
前記循環系は、
前記熱媒体槽内の前記熱媒体の量を調整するための熱媒体量調整部と、
前記循環管路を通る前記熱媒体を冷却するための熱交換器と、
を備え、
前記基板が加熱される際には、
前記ヒータは、前記空間内で前記熱媒体が気液界面を有する状態で前記熱媒体を加熱し、この結果、前記プレートは、前記熱媒体の気体が前記プレートの下面で液化する際に発生する潜熱により加熱され、
前記基板が冷却される際には、
前記熱媒体量調整部は、前記熱媒体槽に前記熱媒体を補給して前記空間を熱媒体で満たし、
前記循環系は、前記空間が前記熱媒体で満たされた状態で前記熱媒体を循環させることによって、前記熱媒体槽に前記熱交換器で冷却された前記熱媒体を供給することを特徴とする。
【０００８】
上記熱処理装置におけるプレートは、気化した熱媒体がプレート下面で液化する際に発生する潜熱により加熱される。したがって、ヒータの温度分布の影響を受けることなくプレートの面内温度分布をほぼ均一にすることができ、基板の温度分布の「むら」を低減することが可能となる。
【０００９】
さらに、上記熱処理装置において、
前記空間の圧力を調整するための圧力調整部を備えることが好ましい。
【００１０】
こうすれば、圧力調整部によりプレートと熱媒体槽とから形成される空間内の圧力を任意に調整することができるため、熱媒体の沸点で決定されるプレートの温度の調整が容易となる。また、圧力調整部により空間内を次第に減圧してゆけば、プレート下面で液化した熱媒体が気化する際にプレートから潜熱（気化熱）を奪うので、プレートを冷却することが可能となる。
【００１１】
上記熱処理装置において、
前記圧力調整部は、
前記空間内の圧力を検出するための圧力センサと、
前記空間から気体を外部に排出するための調整弁と、
前記圧力センサの検出値に基づいて前記調整弁を制御することによって前記空間内の圧力を調整する圧力制御部と、
を備えるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記熱処理装置において、
前記圧力調整部は、
前記空間から前記熱媒体の気体を吸引するとともに前記気体を液化し、
前記循環系は、液化した前記熱媒体を前記熱媒体槽に帰還させるようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
Ａ．装置の構成：
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例としての熱処理装置の構成を示す説明図である。この熱処理装置は、基板Ｗを載置するための円形のプレート３１０と、プレート３１０の下方に設けられた熱媒体槽３２０と、熱媒体槽３２０の下面に設けられたリング状のヒータ３３０とを備えている。熱媒体槽３２０内には温度センサ３３４が挿入されており、この温度センサ３３４とヒータ３３０は、ヒータ制御部３３２に接続されている。なお、ヒータ３３０としては種々の加熱器を用いることができる。例えば、金属製やセラミック製の部材に電熱線をらせん状に配置して埋め込んだものを、用いることが可能であり、また、赤外線や熱風を利用した加熱器を用いることも可能である。
【００１６】
プレート３１０の下面側と熱媒体槽３２０との間には空間が形成されており、プレート３１０と熱媒体槽３２０とは組み合わされて密閉容器３００を構成している。密閉容器３００の中には熱媒体ＴＭが気液界面を有する状態で蓄えられている。密閉容器３００の接合部には図示しない断熱材が配置されており、プレート３１０と熱媒体槽３２０とは互いに断熱されている。
【００１７】
後述するように、この熱処理装置では、熱媒体ＴＭの気体がプレート３１０の下面で凝結（液化）する際の潜熱を利用してプレート３１０および基板Ｗを加熱する。なお、プレート３１０としては、基板Ｗを均一に加熱するため、基板Ｗの直径よりも大きく、また、熱容量が大きいものが好ましい。
【００１８】
密閉容器３００の周縁部には、第１の気体排出ノズル３０１（図１では密閉容器３００の左側に設置）と第２の気体排出ノズル３０２（図１では密閉容器３００の右側に設置）とが設けられている。また、密閉容器３００の中央下部には、液体流入ノズル３０３が設けられている。気体排出ノズル３０１，３０２は、密閉容器３００内の上部空間の気相部分に設置されており、液体流入ノズル３０３は、下部空間の液相部分に設置されている。
【００１９】
第１の気体排出ノズル３０１と液体流入ノズル３０３とは、循環管路４００で互いに接続されている。循環管路４００の途中には、調整弁４０２と、コンプレッサ４０４と、熱交換器４０６と、流量制御部４０８とが設けられている。流量制御部４０８には、熱媒体ＴＭを外部に排出したり、外部から熱媒体ＴＭを供給したりするためのノズル４１０が接続されている。このノズル４１０には、流量制御部４０８によって制御される開閉弁４１２が設けられている。
【００２０】
コンプレッサ４０４は、密閉容器３００の内部から熱媒体ＴＭの気体を吸引するとともに断熱圧縮して液化し、熱交換器４０６は、液化した熱媒体ＴＭの熱を除去する。熱交換器４０６で冷却された熱媒体ＴＭは、流量制御部４０８により、再び熱媒体槽３２０に供給される。このようにして熱媒体ＴＭを循環させることができる。
【００２１】
流量制御部４０８は、熱媒体ＴＭを循環管路４００内で循環させる際に、循環管路４００を循環する熱媒体ＴＭの流量を調整する機能を有している。流量制御部４０８は、例えば、流量制御弁とそのコントローラとで構成される。流量制御部４０８は、さらに、ノズル４１０に設けられた開閉弁４１２を制御することによって、密閉容器３００内に熱媒体ＴＭを補給したり、密閉容器３００から外部に熱媒体ＴＭを排出したりする機能も有している。
【００２２】
なお、循環管路４００は、プレート３１０上の基板Ｗを加熱する際に、コンプレッサ４０４を用いて密閉容器３００から熱媒体ＴＭの気体を吸引して密閉容器３００内の圧力を調整するために使用される。また、基板Ｗを冷却する際に、熱媒体ＴＭを循環させながら熱交換器４０６で熱媒体ＴＭを冷却することによってプレート３１０を冷却するために使用される。
【００２３】
密閉容器３００の第２の気体排出ノズル３０２には調整弁５０２が設けられており、この調整弁５０２の手前に設けられた圧力測定ポート５０４には、圧力センサ５１０が設置されている。なお、第１と第２の気体排出ノズル３０１，３０２にそれぞれ設けられた調整弁４０２，５０２は、圧力制御部５２０によって制御される。圧力制御部５２０は、圧力センサ５１０で測定される圧力が所望の値になるように、調整弁４０２，５０２の開度を調整するとともに、前述のコンプレッサ４０４の動作を制御する。なお、調整弁５０２は、密閉容器３００内部が高圧状態となった際の安全弁としての機能も有している。
【００２４】
基板Ｗの加熱処理は、密閉容器３００内において、熱媒体ＴＭの気体がプレート３１０の下面で凝結（液化）する際の潜熱を利用して行われる。すなわち、熱媒体ＴＭをヒータ３３０で加熱すると熱媒体ＴＭが蒸発（気化）し、この気体がプレート３１０の下面に達する。この気体は、プレート３１０の下面で潜熱を奪われて凝結するが、この際、熱媒体ＴＭの液体と気体とは同じ温度に保たれる。凝結した熱媒体ＴＭは、密閉容器３００内の液相部に滴下してくるので、この熱媒体ＴＭを再びヒータ３３０で加熱することによって、気化させることができる。
【００２５】
なお、一般に、物質の沸点は圧力に依存する。従って、密閉容器３００内における熱媒体ＴＭの気体の温度は、圧力制御部５２０によって密閉容器３００内の圧力を調整することによって変更することが可能である。
【００２６】
熱処理装置に用いられる熱媒体ＴＭとしては、密閉容器３００の耐圧性が低くても済むように、ほぼ１気圧で所望の温度以上の沸点が得られるものが好ましい。例えば、プレート３１０の温度を常温から１８０℃程度までの範囲に設定することを想定する場合には、１気圧での沸点が使用温度範囲の上限の１８０℃付近である熱媒体ＴＭを使用することが好ましい。
【００２７】
図２は、本実施例における熱処理装置に適した熱媒体の一例を示す説明図である。図２の右欄は、左蘭の各物質の１気圧でのおおよその沸点を示している。本熱処理装置に用いることができる熱媒体は、図２に示す物質に限られず、種々の物質を用いることができる。なお、熱媒体としては、沸点温度が適当であることに加え、単位体積あたりの熱容量が大きく、装置に対する腐食作用がないものが好ましい。
【００２８】
なお、圧力制御部５２０を用いて、密閉容器３００内の圧力を１気圧以下に調整すれば、プレート３１０の下面で熱媒体ＴＭが液化する温度（すなわちプレート３１０の温度）を、１気圧における沸点以下の所望の温度に設定することが可能である。熱媒体ＴＭの圧力と沸点との関係は、圧力制御部５２０の図示しないメモリに予め格納されており、密閉容器３００内部の圧力は、この関係に基づいて調整される。
【００２９】
以上の説明から分かるように、本実施例の圧力センサ５１０、調整弁４０２，５０２、コンプレッサ４０４、熱交換器４０６、流量制御部４０８、圧力制御部５２０が本発明における圧力調整部に相当する。また、本実施例の循環管路が本発明における液化循環部に相当する。
【００３０】
Ｃ．熱処理装置の動作：
図３は、熱処理装置のプレート３１０に載置された基板Ｗの加熱処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、ヒータ３３０をＯＮして熱媒体槽３２０に蓄えられた熱媒体ＴＭの加熱を開始する。熱媒体ＴＭを加熱する際には、熱媒体槽３２０内における熱媒体ＴＭの温度差をできるだけ小さくすることが好ましい。このため、例えば、熱媒体槽３２０に撹拌機構を設けて熱媒体槽３２０内の熱媒体ＴＭを撹拌するようにしてもよい。
【００３１】
ステップＳ２では、熱媒体ＴＭの加熱を継続した状態で、圧力制御部５２０が密閉容器３００内部の圧力値を所定の値に保つように調整弁４０２，５０２やコンプレッサ４０４を制御する。熱媒体ＴＭの沸点は圧力に依存しており、密閉容器３００内部の圧力は、熱媒体ＴＭが所望の沸点となる値に調整される。
【００３２】
ステップＳ３においては、熱媒体ＴＭが沸点に到達すると、プレート３１０が熱媒体ＴＭの沸点付近まで加熱される。図４は、プレート３１０が加熱される過程を示す説明図である。熱媒体ＴＭが所望の圧力Ｐで沸点Ｔに達すると、熱媒体ＴＭは蒸発（気化）する。プレート３１０の温度が熱媒体ＴＭの沸点Ｔに達していないときには、気化した熱媒体ＴＭはプレート３１０の下面で液化する。このとき、プレート３１０には、熱媒体ＴＭが液化する際に発生する潜熱Ｑが与えられる。例えば、熱媒体ＴＭが水であるときには、１気圧（沸点１００℃）での潜熱Ｑはおよそ５３９ｃａｌ／ｇ（２２５６．９Ｊ／ｇ）である。プレート３１０が潜熱Ｑにより加熱され熱媒体ＴＭの沸点Ｔに達すると、プレート下面での熱媒体ＴＭの液化は止まり、温度Ｔで一定に保たれる。このようにしてプレート３１０が加熱されることにより、プレート３１０に載置された基板Ｗが加熱される。
【００３３】
図５は、プレート３１０に載置された基板Ｗの冷却処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ４では、ヒータ３３０をＯＦＦして熱媒体槽３２０に蓄えられた熱媒体ＴＭの加熱を停止する。
【００３４】
ステップＳ５では、循環管路４００の各機器を利用して密閉容器３００内部を減圧し、これによってプレート３１０を冷却する。図６は、プレート３１０が冷却される過程を示す説明図である。密閉容器３００内部を減圧して圧力Ｐ’とすると熱媒体ＴＭの沸点Ｔ’が低下し、この結果、プレート３１０の下面で液化している熱媒体ＴＭが蒸発（気化）する。このように熱媒体ＴＭが気化するときには、潜熱（気化熱）Ｑ’が必要となり、この熱量Ｑ’は加熱されたプレート３１０から与えられる。したがって、プレート３１０の下面における熱媒体ＴＭの気化（蒸発）に伴って、プレート３１０から潜熱（気化熱）Ｑ’が奪われ、プレート３１０は冷却される。このようにして基板Ｗは、プレート３１０によって冷却される。なお、基板Ｗを冷却する際には、密閉容器３００内を液体で満たし、ポンプなどにより液体を循環させるようにしてもよい。
【００３５】
以上、説明したように、本発明による熱処理装置では、プレート３１０は、熱媒体ＴＭがプレート３１０の下面で液化するときの潜熱により加熱され、また、プレート３１０の下面で液化した熱媒体ＴＭが気化するときの潜熱（気化熱）により冷却される。この熱処理装置を用いる場合には、ヒータ３３０の温度分布による影響を受けずに、プレート３１０をほぼ均一に加熱することがきるので、プレート３１０に載置した基板Ｗの温度分布の「むら」を防止し、ほぼ均一な処理を行うことが可能となる。
【００３６】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３７】
上記実施例においては、熱交換器４０６は、コンプレッサ４０４により圧縮、液化された熱媒体ＴＭを冷却するのみであるが、熱交換器４０６を加熱できるようにしてもよい。すなわち、熱交換器４０６にヒータなどの加熱装置を取り付けてもよい。こうすれば、熱交換器４０６において、熱媒体ＴＭを所望の温度に設定することができ、予め加熱した熱媒体ＴＭを熱媒体槽３２０に供給することにより熱媒体ＴＭの加熱時間を短縮することができる。なお、熱媒体ＴＭを循環させる管路に、加熱装置を取り付けることも可能である。この場合には、熱媒体槽３２０の下面にヒータ３３０を省略することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての熱処理装置の構成を示す説明図。
【図２】本実施例における熱処理装置に適した熱媒体の一例を示す説明図。
【図３】熱処理装置のプレート３１０に載置された基板Ｗの加熱処理の手順を示すフローチャート。
【図４】プレート３１０が加熱される過程を示す説明図。
【図５】プレート３１０に載置された基板Ｗの冷却処理の手順を示すフローチャート。
【図６】プレート３１０が冷却される過程を示す説明図。
【図７】従来の加熱ユニットの断面を示す説明図。
【符号の説明】
２２…プレート
２４…ヒータ
３００…密閉容器
３０１，３０２…気体排出ノズル
３０３…液体流入ノズル
３１０…プレート
３２０…熱媒体槽
３３０…ヒータ
３３２…ヒータ制御部
３３４…温度センサ
４００…循環管路
４０２，５０２…調整弁
４０４…コンプレッサ
４０６…熱交換器
４０８…流量制御部
４１０…ノズル
４１２…開閉弁
５０４…圧力測定ポート
５１０…圧力センサ
５２０…圧力制御部
ＴＭ…熱媒体
Ｗ…基板

Claims

基板を熱処理するための熱処理装置であって、
前記基板を載置するためのプレートと、
前記プレートの下面側において前記プレートとの間で空間を形成し、前記空間内に熱媒体を蓄えるための熱媒体槽と、
前記熱媒体槽に蓄えられる前記熱媒体を加熱するためのヒータと、
前記熱媒体槽に接続された循環管路を含み、前記熱媒体を循環させるための循環系と、
を備え、
前記循環系は、
前記熱媒体槽内の前記熱媒体の量を調整するための熱媒体量調整部と、
前記循環管路を通る前記熱媒体を冷却するための熱交換器と、
を備え、
前記基板が加熱される際には、
前記ヒータは、前記空間内で前記熱媒体が気液界面を有する状態で前記熱媒体を加熱し、この結果、前記プレートは、前記熱媒体の気体が前記プレートの下面で液化する際に発生する潜熱により加熱され、
前記基板が冷却される際には、
前記熱媒体量調整部は、前記熱媒体槽に前記熱媒体を補給して前記空間を熱媒体で満たし、
前記循環系は、前記空間が前記熱媒体で満たされた状態で前記熱媒体を循環させることによって、前記熱媒体槽に前記熱交換器で冷却された前記熱媒体を供給することを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置であって、さらに、
前記空間の圧力を調整するための圧力調整部を備える、熱処理装置。
請求項２記載の熱処理装置であって、
前記圧力調整部は、
前記空間内の圧力を検出するための圧力センサと、
前記空間から気体を外部に排出するための調整弁と、
前記圧力センサの検出値に基づいて前記調整弁を制御することによって前記空間内の圧力を調整する圧力制御部と、
を備える、熱処理装置。
請求項２または３記載の熱処理装置であって、
前記圧力調整部は、
前記空間から前記熱媒体の気体を吸引するとともに前記気体を液化し、
前記循環系は、液化した前記熱媒体を前記熱媒体槽に帰還させる、熱処理装置。