JP3665826B2 - 基板熱処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示装置用ガラス基板、光ディスク用基板等の基板の処理工程では、基板熱処理装置、例えばレジスト膜が形成された基板を所定の温度に加熱する基板加熱装置および加熱後の基板を所定温度にまで冷却する基板冷却装置が用いられる。
【０００３】
図７は、従来の基板加熱装置の主要部の構成を示す模式図である。図７において、基板加熱装置は基板Ｗを所定の温度に加熱するための加熱プレート１を備える。加熱プレート１の内部にはマイカヒータ等の熱源が埋め込まれている。また、加熱プレート１の上面には基板Ｗの下面を支持する複数の球状スペーサ５が配置されている。
【０００４】
加熱プレート１の下方には、３本の昇降ピン３およびこれらに連結された昇降フレーム６が配置されている。昇降フレーム６の一端にはシリンダ７が連結されており、シリンダ７のロッドの伸縮動作に応じて基板Ｗが３本の昇降ピン３により昇降移動される。
【０００５】
上記の基板加熱装置は、例えば基板上のレジスト膜に対する露光処理前の加熱処理（プリベーク処理）、露光処理後の加熱処理（ＰＥＢ：Post Exposure Bake）および現像後の加熱処理（ポストベーク処理）等に用いられる。基板加熱装置には、外部に設けられた基板搬送装置によって基板Ｗが一定の時間間隔で順次供給される。
【０００６】
図８は、図７の基板加熱装置における基板の熱履歴を示す図である。図８において、レジスト膜が形成された基板Ｗが基板加熱装置内の加熱プレート１上に載置されると、基板Ｗの温度が室温近傍から所定の設定温度Ｔ１、例えば１１０℃にまで昇温される。そして、基板Ｗは所定の加熱処理期間中、設定温度Ｔ１に保持され、一定の待機期間を経て外部に取り出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、基板Ｗ上に形成されるパターンの特性に応じて種々のレジストが使用されている。基板加熱装置における基板Ｗの加熱処理の設定温度Ｔ１はレジストの種類により異なる。したがって、異なる種類のレジストが塗布された基板Ｗが連続して供給される場合、基板Ｗの設定温度Ｔ１を供給される基板Ｗのレジストの種類に応じて即座に変更して基板Ｗの加熱処理を行うことが望まれる。
【０００８】
従来の基板加熱装置では、加熱プレート１内のマイカヒータ等の熱源の出力を制御して設定温度Ｔ１を調整している。したがって、次の処理対象の基板Ｗの設定温度Ｔ１が直前の処理済の基板Ｗの設定温度Ｔ１よりも低い場合には、加熱プレート１の熱源の出力を抑制して加熱プレート１の表面温度を低下させる必要がある。
【０００９】
しかしながら、加熱プレート１には冷却手段が設けられていない。このため、加熱プレート１の温度を低下させるためには自然放熱に因らざるを得ない。ところが、基板加熱装置の内部は高温雰囲気に保たれており、自然放熱による冷却効果は極めて小さい。したがって、加熱プレート１の表面温度は容易に低下せず、それゆえ、設定温度Ｔ１の異なる基板Ｗを連続して処理することは困難であった。
【００１０】
したがって、従来では、基板Ｗの設定温度Ｔ１の種類ごとに複数の基板加熱装置を設けて加熱処理を行っていた。このために、多数の基板加熱装置が必要となり、設備費が増大する。
【００１１】
本発明の目的は、基板に対する熱処理の設定温度の変更が容易な基板熱処理装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る基板熱処理装置は、基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置であって、基板を支持する基板支持台と、基板支持台の下方に配置され、基板支持台上の基板を加熱する加熱部と、加熱部の下方に配置された冷却部と、基板支持台と加熱部との間に配置され、基板支持台と加熱部との間の熱交換を行う第１の熱交換手段と、加熱部と冷却部との間に配置され、加熱部と冷却部との間の熱交換を行う第２の熱交換手段とを備えたものである。
【００１３】
第１の発明に係る基板熱処理装置においては、加熱処理時に加熱部が発熱し、その熱が第１の熱交換手段により基板支持台に伝達されて基板支持台が所定の温度に設定される。これにより、基板支持台上に支持された基板は、基板支持台からの輻射熱を受けて所定の温度に保持される。第１の熱交換手段は基板支持台と加熱部との間で熱の移動を行って基板支持台の温度が所定の温度となるように制御する。これによって基板支持台上の基板の温度が所定の設定温度に正確に保持される。
【００１４】
さらに、基板の設定温度を低い温度に変更する場合、第１の熱交換手段により基板支持台から加熱部側へ熱を移動させ、さらに第２の熱交換手段により加熱部から冷却部側へ熱を移動させる。冷却部に伝えられた熱は外部に排出される。これにより、基板支持台の温度を速やかに低下させることができる。したがって、加熱時の設定温度が高い基板と低い基板とを同一の基板熱処理装置で連続して処理することが可能となり、加熱処理における設備の低コスト化および処理の効率化を図ることができる。
【００１５】
第２の発明に係る基板熱処理装置は、第１の発明に係る基板熱処理装置の構成において、第１および第２の熱交換手段がペルチェ素子である。
【００１６】
ペルチェ素子は熱電効果により熱を移動させる動作を行い、供給される電流の方向を切り換えることにより熱の移動方向を切り換えることができる。これにより、基板支持台の温度を上昇させる場合には加熱部の熱を基板支持台側へ移動させ、また基板支持台の温度を低下させる場合には基板支持台加熱部へ熱を移動させ、さらに加熱部から冷却部へ熱を移動させる。これにより、基板支持台の温度を正確に設定することができる。
【００１７】
第３の発明に係る基板熱処理装置は、第１または第２の発明に係る基板熱処理装置の構成において、冷却部が、第２の熱交換手段の下面に接して配置されかつ内部に冷却水を通過させる通路が形成された冷却部材からなるものである。
【００１８】
この場合、冷却部材の通路内に冷却水を循環させることにより、基板支持台から導かれた熱を冷却水を介して外部に排出する。これによって、基板支持台の温度を速やかに低下させることができる。
【００１９】
第４の発明に係る基板熱処理装置は、基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置であって、基板を支持する基板支持台と、基板支持台の下方に配置され、基板支持台上の基板を加熱する加熱部と、加熱部の下方に配置され、加熱部を冷却する冷却部と、基板支持台と加熱部との間に配置され、基板支持台と加熱部との間の熱交換を行うペルチェ素子と、ペルチェ素子を制御する制御手段とを備え、冷却部は、加熱部の下面に接しかつ内部に空気を通過させる通路が形成された冷却部材からなるものである。
【００２０】
第４の発明に係る基板熱処理装置においては、加熱処理時に加熱部が発熱し、その熱がペルチェ素子により基板支持台に伝達され、基板支持台が所定の温度に設定される。これにより、基板支持台上に支持された基板が所定の設定温度に保持される。また、基板の設定温度を低い温度に変更する場合には、ペルチェ素子が基板支持台の熱を冷却部側に移動させる。冷却部は移動された熱を外部に排出する。これにより、基板支持台の温度を速やかに低下させることができる。したがって、加熱時の設定温度が高い基板と低い基板とを同一の基板熱処理装置を用いて連続して処理することが可能となり、加熱処理における設備の低コスト化を図り、処理効率を向上することができる。
【００２１】
この場合、ペルチェ素子は、供給される電流の方向を切り換えることにより加熱部の熱を基板支持台へ移動させ、または基板支持台の熱を加熱部へ移動させることができる。これにより、基板支持台の温度を所定の温度に正確に調整することが可能となる。
【００２３】
また、冷却部材内の通路を通過する空気は、基板支持台から加熱部を通して伝えられる熱を受け取り、外部に排出する。これによって、基板支持台の温度を速やかに低下することができる。
【００２４】
第５の発明に係る基板熱処理装置は、第１〜第４のいずれかの発明に係る基板熱処理装置の構成において、加熱部が、ヒータとヒータの上面側および下面側に積層された上部伝熱部材および下部伝熱部材とからなるものである。
【００２５】
上部および下部伝熱部材は熱を均一化して伝達する。特に、ヒータの上面側の上部伝熱部材は、ヒータからの熱を受け取り、均一化して上方の基板支持台に伝達する。これにより、基板支持台の上面が均一に昇温される。
【００２６】
第６の発明に係る基板熱処理装置は、第１〜第５のいずれかの発明に係る基板熱処理装置の構成において、加熱部が、内部にヒータが埋設された発熱部材からなるものである。
【００２７】
この場合には、内部のヒータが発熱することにより発熱部材が昇温し、さらに上方側の基板支持台が所定の温度に昇温される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例による基板加熱装置の断面図である。基板加熱装置は、筐体１０の内部に基板Ｗを加熱する加熱プレート１を備える。加熱プレート１の上面には基板Ｗの下面を支持する３つの球状スペーサ５が正三角形状に配置されている。さらに、加熱プレート１には基板Ｗを昇降移動させる３本の昇降ピン３を通過させるための３つの貫通孔４が形成されている。
【００２９】
加熱プレート１の上方には加熱プレート１の上面を覆う上部カバー２が筐体１０の上面内側に取り付けられている。さらに、加熱プレート１の下部には、基板Ｗの下面を支持して昇降移動する３本の昇降ピン３およびこれに連結される昇降プレート６が配置されている。昇降プレート６の一端にはシリンダ７が筐体１０の外部において連結されている。そして、シリンダ７のロッドの伸縮により昇降プレート６および昇降ピン３が昇降移動する。昇降プレート６および昇降ピン３が上昇した際に、基板Ｗが加熱プレート１の上方で待機され、下降した際に、基板Ｗが加熱プレート１上の球状スペーサ５上に載置される。
【００３０】
筐体１０の前面には基板給排口１１が形成されている。基板給排口１１の内側には、シャッタ９が配置されている。シャッタ９の下端は連動部材８により昇降プレート６に連結されている。これにより、シリンダ７のロッドが伸長すると、昇降プレート６が上昇して基板Ｗを待機位置に持ち上げるとともに、シャッタ９が下降して基板給排口１１を開放する。また、シリンダ７のロッドが収納されると、昇降プレート６が下降して基板Ｗを球状スペーサ５上に載置するとともに、シャッタ９が上昇し、基板給排口１１を閉鎖する。
【００３１】
ここで、加熱プレート１の構造について説明する。図２は、第１の実施例による加熱プレートの断面図である。加熱プレート１は基板Ｗを水平に支持する基板支持プレート３１と、基板支持プレート３１の下面に設けられた補助加熱部３２と、補助加熱部３２の下面に設けられた主加熱部３３と、主加熱部３３の下面に接し、基板支持プレート３１および主加熱部３３を冷却する冷却手段３４とを備える。
【００３２】
基板支持プレート３１はアルミニウム等の良伝熱性材料からなり、その上面に基板Ｗを支持するための３つの球状スペーサ５が正三角形状に配置されている。この基板支持プレート３１の表面温度が所定の温度に制御されることにより、基板支持プレート３１の上方に僅かな隙間をもって支持された基板Ｗの温度が所定の設定温度に調整される。
【００３３】
補助加熱部３２は、ペルチェ素子から構成される。ペルチェ素子は電流が供給されることにより一面側で吸熱し、他面側で放熱する。これにより、熱を移動させることができる。熱の移動方向は、供給する電流の方向を切り換えることにより切り換えることができる。そこで、基板支持プレート３１の温度を上昇させる場合には主加熱部３３から基板支持プレート３１側へ熱を移動させ、また基板支持プレート３１の温度を低下させる場合には、基板支持プレート３１から主加熱部３３側へ熱を移動させる。このペルチェ素子を用いた補助加熱部３２は基板支持プレート３１の温度を短時間で調整することができる。
【００３４】
主加熱部３３は補助加熱部３２に接するように配置された中間プレート３３ａと、中間プレート３３ａの下面に接するように設けられたヒータ部３３ｂと、ヒータ部３３ｂの下面に接するように配置された放熱プレート３３ｃとを有している。ヒータ部３３ｂはマイカヒータにより構成されている。中間プレート３３ａはヒータ部３３ｂから発生した熱を均一化して基板支持プレート３１に伝える働きをなす。また、放熱プレート３３ｃはヒータ部３３ｂの熱を基板支持プレート３１と反対側、すなわち下方側に排出するように設けられている。
【００３５】
冷却手段３４は、主加熱部３３を冷却する冷却用のペルチェ素子３５と、冷却用のペルチェ素子３５からの熱を排出するための水冷ジャケット３６とを備える。冷却用のペルチェ素子３５は、主加熱部３３の放熱プレート３３ｃの下面に接して設けられている。そして、後述する降温処理時に、放熱プレート３３ｃから吸熱することによりヒータ部３３ｂの温度を低下させる。
【００３６】
水冷ジャケット３６は、良伝熱性の板状部材の内部に冷却水を循環させるための冷却水通路３７が形成されている。冷却水通路３７は循環配管３８を介して外部、例えば基板加熱装置が配置される工場の冷却水供給源５１に接続されている。
【００３７】
また、基板支持プレート３１には、基板Ｗが基板支持プレート３１上に投入されたことを検出する基板検出センサ３９が設けられている。基板検出センサ３９の出力はメインコントローラ４８に入力される。さらに、基板支持プレート３１には温度検出センサ４０が設けられており、このセンサ出力は第１温度コントローラ（Ｔ．Ｃ．）４５に入力される。
【００３８】
中間プレート３３ａには温度検出センサ４１が設けられており、このセンサ出力が第２温度コントローラ４６に入力される。第１および第２温度コントローラ４５，４６は電源５０からそれぞれ補助加熱部３２およびヒータ部３３ｂに供給される電流を制御する。さらに、第３温度コントローラ４７は電源５０から冷却用のペルチェ素子３５に供給される電流を制御する。第１〜第３温度コントローラ４５〜４７の動作はメインコントローラ４８によって制御される。
【００３９】
メインコントローラ４８はＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、時間計測のためのカウンタ等を有するマイクロコンピュータを備えている。さらに、メインコントローラ４８には温度制御条件等を入力するためのキーボード等からなる入力部４９が接続されている。
【００４０】
ここで、基板支持プレート３１が本発明の基板支持台に相当し、主加熱部３３が加熱部に相当し、水冷ジャケット３６が冷却部および冷却部材に相当し、補助加熱部３２が第１の熱交換手段に相当し、冷却用のペルチェ素子３５が第２の熱交換手段に相当する。
【００４１】
次に、図２の加熱プレート１を備える基板加熱装置の動作について説明する。以下では、（１）基板支持プレートの温度設定動作、（２）基板投入時の高速昇温動作および（３）設定温度の変更（降温）動作について説明する。
【００４２】
（１）基板支持プレートの温度設定動作
図３は基板加熱装置の温度設定動作のフローチャートである。ここでは、支持プレート３１の上面温度を１１０℃に設定するものとする。
【００４３】
図３に示すように、基板Ｗの搬入前に、主加熱部３３のヒータ部３３ｂを駆動し、ステップＳ１およびステップＳ２の処理を行う。同時に補助加熱部３２を駆動し、ステップＳ３およびＳ４の処理を行う。
【００４４】
すなわち、ステップＳ１において、第２温度コントローラ４６は電源５０からヒータ部３３ｂに供給される電流量を制御し、ヒータ部３３ｂのヒータを発熱させる。そして、メインコントローラ４８は温度検出センサ４１からの出力に基づいて中間プレート３３ａの温度を監視し、中間プレート３３ａが所定の温度（例えば９０℃）になったか否かを判定する（ステップＳ２）。中間プレート３３ａが所定の温度以下の場合には第２温度コントローラ４６によりヒータ部３３ｂに電流を供給して発熱させ、所定の温度に達した場合には、ヒータ部３３ｂへの電流の供給を遮断する。この処理を繰り返し、中間プレート３３ａの温度を９０℃に保持する。
【００４５】
また、上記動作と並行して、ステップＳ３においては、電源５０から補助加熱部３２に電流が供給され、ペルチェ素子の熱移動作用により基板支持プレート３１が昇温される。メインコントローラ４８は基板支持プレート３１の温度検出センサ４０からの出力に基づき、基板支持プレート３１の温度が所定の温度、すなわち１１０℃になったか否かを判断する（ステップＳ４）。ペルチェ素子は供給される電流の方向を切り換えることにより熱の移動方向を切り換えることができる。そこで、ペルチェ素子の電流の供給方向を適宜切り換えて、基板支持プレート３１の温度が所望の１１０℃となるように調整する。
【００４６】
上記の温度設定処理では、主加熱部３３のヒータ部３３ｂと補助加熱部３２とにより基板支持プレート３１の温度設定が行われる。補助加熱部３２による熱移動の制御は短時間でかつ正確に行うことができる。したがって、基板支持プレート３１の温度調整をヒータのみで行う場合に比べ短時間でかつ正確に行うことができる。
【００４７】
（２）基板投入時の高速昇降動作
上記の温度設定処理において所定の温度、例えば１１０℃に設定された基板支持プレート３１上に基板Ｗが投入されると、投入時の基板Ｗの温度が室温程度と低いために基板支持プレート３１の表面温度が急激に低下する。そこで、以下の高速昇温動作を行い、基板支持プレート３１の表面温度を補正して基板を所望の温度に設定する。
【００４８】
図４は、基板の温度を１１０±０．３℃に制御する場合の高速昇温動作のフローチャートである。また、図５は基板の温度変化を示す図である。
【００４９】
基板支持プレート３１が１１０℃に制御されている状態において、例えば室温（約２３℃）の基板Ｗが基板支持プレート３１上に投入されると、図５に示すように、基板支持プレート３１の温度が急激に低下する。そこで、まず基板支持プレート３１の温度が０．５℃以上低下したか否かを温度検出センサ４０からの出力によって判断する（ステップＳ１０）。
【００５０】
０．５℃以上の温度低下を検出すると、第１温度コントローラ４５が制御され、最大許容電流が補助加熱部３２に供給される。これにより、いわゆるフルパワーで基板支持プレート３１が昇温される。メインコントローラ４８は基板支持プレート３１の昇温状態を監視する。基板支持プレート３１の温度が１１０℃に到達するまで最大許容電流を補助加熱部３２に供給する（ステップＳ１１）。
【００５１】
基板支持プレート３１の温度が１１０℃に達すると（ステップＳ１２）、第１温度コントローラ４５をＰＩＤ制御に切り換え、昇温動作を抑制する。そして、補助加熱部３２へ供給する電流の方向を制御しながら昇温および降温を行い、基板支持プレート３１の温度を１１０℃±０．３℃の範囲に制御する（ステップＳ１３）。
【００５２】
上記のような高速昇温動作において、補助加熱部３２がペルチェ素子により構成されているので、フルパワーにより昇温動作を行って基板Ｗの温度がオーバーシュートした場合でも、素早く降温処理に切り換えることにより短時間でかつ制御良く基板Ｗの温度を所望の設定温度に調整することができる。
【００５３】
（３）設定温度の変更（降温）動作
次に、処理対象の設定温度が、直前の基板の設定温度よりも低い場合の動作について説明する。加熱処理が終了した基板支持プレート３１の温度は、直前の基板の設定温度、例えば１１０℃にほぼ等しい状態にある。同様に、中間プレート３３ａの温度は９０℃近傍に保持されている。そこで、冷却用のペルチェ素子３５を駆動して、主加熱部３３および基板支持プレート３１の温度を低下させる。
【００５４】
メインコントローラ４８は第１温度コントローラ４５および第３温度コントローラ４７により補助加熱部３２のペルチェ素子および冷却用のペルチェ素子３５を駆動する。補助加熱部３２のペルチェ素子には基板支持プレート３１の熱を主加熱部３３側へ移動させるように電流が供給され、冷却用のペルチェ素子３５には主加熱部３３の熱を水冷ジャケット３６側へ移動させるように電流が供給される。これにより、基板支持プレート３１の熱は補助加熱部３２、主加熱部３３および冷却用のペルチェ素子３５を通り水冷ジャケット３６に伝えられる。伝えられた熱は水冷ジャケット３６の冷却水通路３７を循環する冷却水により外部に排出される。これにより、基板支持プレート３１の温度が急速に低下される。なお、水冷ジャケット３５の冷却水は常時循環させておいてもよい。
【００５５】
このように、主加熱部３３の下面に冷却用のペルチェ素子３５および水冷ジャケット３６を設けることにより、所定温度に昇温された基板支持プレート３１の温度を迅速に低下させることができる。これにより、加熱処理の設定温度が高い基板と低い基板とが連続して供給される場合でも、基板支持プレート３１の上面温度を素早く変化させて加熱処理を行うことができる。
【００５６】
図６は本発明の第２の実施例による加熱プレートの断面図である。図６の実施例による加熱プレート１は、図２の加熱プレート１の構成に対し、主加熱部３３の冷却手段の構成が異なる。すなわち、主加熱部３３の放熱プレート３３ｃの下面には、空冷ジャケット５３が設けられている。空冷ジャケット５３は良伝熱性の板状部材の内部に圧縮空気を通過させる空気通路５４が形成されている。空気通路５４は、循環管路５６を介して基板加熱装置が配置される工場の給気設備５２に接続されている。循環管路５６の途中には開閉制御弁５７が設けられている。この開閉制御弁５７の開閉動作により空冷ジャケット５３の空気通路５４への圧縮空気の供給が制御される。また、空冷ジャケット５３の板状部材の下面には放熱フィン５５が設けられている。
【００５７】
空冷ジャケット５３は、基板支持プレート３１の降温動作時に動作する。基板支持プレート３１の温度を降温する場合には、メインコントローラ４８が開閉制御弁５７を開放し、空冷ジャケット５３の空気通路５４に圧縮空気を供給して循環させる。基板支持プレート３１の熱は主加熱部３３を通り、空冷ジャケット５３に導かれ、圧縮空気５４によって外部に排出される。これにより、基板支持プレート３１の温度が所定の温度にまで速やかに低下される。
【００５８】
なお、上記の基板加熱装置の構成において、基板支持プレート３１が本発明の基板支持台に相当し、主加熱部３３が加熱部に相当し、空冷ジャケット５３が冷却部および冷却部材に相当し、補助加熱部３２が熱交換手段に相当する。
【００５９】
また、上記第１および第２の実施例による加熱プレート１の主加熱部３３は、板状の伝熱部材の内部にヒータを埋設した発熱部材を用いたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による基板加熱装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例による加熱プレートの断面図である。
【図３】図２の加熱プレートの有する基板加熱装置の温度設定動作のフローチャートである。
【図４】高速昇温動作のフローチャートである。
【図５】図４の高速昇温動作における基板の温度変化を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例による加熱プレートの断面図である。
【図７】従来の基板加熱装置の主要部の構成を示す模式図である。
【図８】図７の基板加熱装置における基板の熱履歴を示す図である。
【符号の説明】
１ 加熱プレート
３１ 基板支持プレート
３２ 補助加熱部
３３ 主加熱部
３３ａ 中間プレート
３３ｂ ヒータ
３３ｃ 放熱プレート
３５ 冷却用のペルチェ素子
３６ 水冷ジャケット
３７ 冷却水通路
５３ 空冷ジャケット
５４ 空気通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示装置用ガラス基板、光ディスク用基板等の基板の処理工程では、基板熱処理装置、例えばレジスト膜が形成された基板を所定の温度に加熱する基板加熱装置および加熱後の基板を所定温度にまで冷却する基板冷却装置が用いられる。
【０００３】
図７は、従来の基板加熱装置の主要部の構成を示す模式図である。図７において、基板加熱装置は基板Ｗを所定の温度に加熱するための加熱プレート１を備える。加熱プレート１の内部にはマイカヒータ等の熱源が埋め込まれている。また、加熱プレート１の上面には基板Ｗの下面を支持する複数の球状スペーサ５が配置されている。
【０００４】
加熱プレート１の下方には、３本の昇降ピン３およびこれらに連結された昇降フレーム６が配置されている。昇降フレーム６の一端にはシリンダ７が連結されており、シリンダ７のロッドの伸縮動作に応じて基板Ｗが３本の昇降ピン３により昇降移動される。
【０００５】
上記の基板加熱装置は、例えば基板上のレジスト膜に対する露光処理前の加熱処理（プリベーク処理）、露光処理後の加熱処理（ＰＥＢ：Post Exposure Bake）および現像後の加熱処理（ポストベーク処理）等に用いられる。基板加熱装置には、外部に設けられた基板搬送装置によって基板Ｗが一定の時間間隔で順次供給される。
【０００６】
図８は、図７の基板加熱装置における基板の熱履歴を示す図である。図８において、レジスト膜が形成された基板Ｗが基板加熱装置内の加熱プレート１上に載置されると、基板Ｗの温度が室温近傍から所定の設定温度Ｔ１、例えば１１０℃にまで昇温される。そして、基板Ｗは所定の加熱処理期間中、設定温度Ｔ１に保持され、一定の待機期間を経て外部に取り出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、基板Ｗ上に形成されるパターンの特性に応じて種々のレジストが使用されている。基板加熱装置における基板Ｗの加熱処理の設定温度Ｔ１はレジストの種類により異なる。したがって、異なる種類のレジストが塗布された基板Ｗが連続して供給される場合、基板Ｗの設定温度Ｔ１を供給される基板Ｗのレジストの種類に応じて即座に変更して基板Ｗの加熱処理を行うことが望まれる。
【０００８】
従来の基板加熱装置では、加熱プレート１内のマイカヒータ等の熱源の出力を制御して設定温度Ｔ１を調整している。したがって、次の処理対象の基板Ｗの設定温度Ｔ１が直前の処理済の基板Ｗの設定温度Ｔ１よりも低い場合には、加熱プレート１の熱源の出力を抑制して加熱プレート１の表面温度を低下させる必要がある。
【０００９】
しかしながら、加熱プレート１には冷却手段が設けられていない。このため、加熱プレート１の温度を低下させるためには自然放熱に因らざるを得ない。ところが、基板加熱装置の内部は高温雰囲気に保たれており、自然放熱による冷却効果は極めて小さい。したがって、加熱プレート１の表面温度は容易に低下せず、それゆえ、設定温度Ｔ１の異なる基板Ｗを連続して処理することは困難であった。
【００１０】
したがって、従来では、基板Ｗの設定温度Ｔ１の種類ごとに複数の基板加熱装置を設けて加熱処理を行っていた。このために、多数の基板加熱装置が必要となり、設備費が増大する。
【００１１】
本発明の目的は、基板に対する熱処理の設定温度の変更が容易な基板熱処理装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る基板熱処理装置は、基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置であって、基板を支持する基板支持台と、基板支持台の下方に配置され、基板支持台上の基板を加熱する加熱部と、加熱部の下方に配置された冷却部と、基板支持台と加熱部との間に配置され、基板支持台と加熱部との間の熱交換を行う第１の熱交換手段と、加熱部と冷却部との間に配置され、加熱部と冷却部との間の熱交換を行う第２の熱交換手段とを備えたものである。
【００１３】
第１の発明に係る基板熱処理装置においては、加熱処理時に加熱部が発熱し、その熱が第１の熱交換手段により基板支持台に伝達されて基板支持台が所定の温度に設定される。これにより、基板支持台上に支持された基板は、基板支持台からの輻射熱を受けて所定の温度に保持される。第１の熱交換手段は基板支持台と加熱部との間で熱の移動を行って基板支持台の温度が所定の温度となるように制御する。これによって基板支持台上の基板の温度が所定の設定温度に正確に保持される。
【００１４】
さらに、基板の設定温度を低い温度に変更する場合、第１の熱交換手段により基板支持台から加熱部側へ熱を移動させ、さらに第２の熱交換手段により加熱部から冷却部側へ熱を移動させる。冷却部に伝えられた熱は外部に排出される。これにより、基板支持台の温度を速やかに低下させることができる。したがって、加熱時の設定温度が高い基板と低い基板とを同一の基板熱処理装置で連続して処理することが可能となり、加熱処理における設備の低コスト化および処理の効率化を図ることができる。
【００１５】
第２の発明に係る基板熱処理装置は、第１の発明に係る基板熱処理装置の構成において、第１および第２の熱交換手段がペルチェ素子である。
【００１６】
ペルチェ素子は熱電効果により熱を移動させる動作を行い、供給される電流の方向を切り換えることにより熱の移動方向を切り換えることができる。これにより、基板支持台の温度を上昇させる場合には加熱部の熱を基板支持台側へ移動させ、また基板支持台の温度を低下させる場合には基板支持台加熱部へ熱を移動させ、さらに加熱部から冷却部へ熱を移動させる。これにより、基板支持台の温度を正確に設定することができる。
【００１７】
第３の発明に係る基板熱処理装置は、第１または第２の発明に係る基板熱処理装置の構成において、冷却部が、第２の熱交換手段の下面に接して配置されかつ内部に冷却水を通過させる通路が形成された冷却部材からなるものである。
【００１８】
この場合、冷却部材の通路内に冷却水を循環させることにより、基板支持台から導かれた熱を冷却水を介して外部に排出する。これによって、基板支持台の温度を速やかに低下させることができる。
【００１９】
第４の発明に係る基板熱処理装置は、基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置であって、基板を支持する基板支持台と、基板支持台の下方に配置され、基板支持台上の基板を加熱する加熱部と、加熱部の下方に配置され、加熱部を冷却する冷却部と、基板支持台と加熱部との間に配置され、基板支持台と加熱部との間の熱交換を行うペルチェ素子と、ペルチェ素子を制御する制御手段とを備え、冷却部は、加熱部の下面に接しかつ内部に空気を通過させる通路が形成された冷却部材からなるものである。
【００２０】
第４の発明に係る基板熱処理装置においては、加熱処理時に加熱部が発熱し、その熱がペルチェ素子により基板支持台に伝達され、基板支持台が所定の温度に設定される。これにより、基板支持台上に支持された基板が所定の設定温度に保持される。また、基板の設定温度を低い温度に変更する場合には、ペルチェ素子が基板支持台の熱を冷却部側に移動させる。冷却部は移動された熱を外部に排出する。これにより、基板支持台の温度を速やかに低下させることができる。したがって、加熱時の設定温度が高い基板と低い基板とを同一の基板熱処理装置を用いて連続して処理することが可能となり、加熱処理における設備の低コスト化を図り、処理効率を向上することができる。
【００２１】
この場合、ペルチェ素子は、供給される電流の方向を切り換えることにより加熱部の熱を基板支持台へ移動させ、または基板支持台の熱を加熱部へ移動させることができる。これにより、基板支持台の温度を所定の温度に正確に調整することが可能となる。
【００２３】
また、冷却部材内の通路を通過する空気は、基板支持台から加熱部を通して伝えられる熱を受け取り、外部に排出する。これによって、基板支持台の温度を速やかに低下することができる。
【００２４】
第５の発明に係る基板熱処理装置は、第１〜第４のいずれかの発明に係る基板熱処理装置の構成において、加熱部が、ヒータとヒータの上面側および下面側に積層された上部伝熱部材および下部伝熱部材とからなるものである。
【００２５】
上部および下部伝熱部材は熱を均一化して伝達する。特に、ヒータの上面側の上部伝熱部材は、ヒータからの熱を受け取り、均一化して上方の基板支持台に伝達する。これにより、基板支持台の上面が均一に昇温される。
【００２６】
第６の発明に係る基板熱処理装置は、第１〜第５のいずれかの発明に係る基板熱処理装置の構成において、加熱部が、内部にヒータが埋設された発熱部材からなるものである。
【００２７】
この場合には、内部のヒータが発熱することにより発熱部材が昇温し、さらに上方側の基板支持台が所定の温度に昇温される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例による基板加熱装置の断面図である。基板加熱装置は、筐体１０の内部に基板Ｗを加熱する加熱プレート１を備える。加熱プレート１の上面には基板Ｗの下面を支持する３つの球状スペーサ５が正三角形状に配置されている。さらに、加熱プレート１には基板Ｗを昇降移動させる３本の昇降ピン３を通過させるための３つの貫通孔４が形成されている。
【００２９】
加熱プレート１の上方には加熱プレート１の上面を覆う上部カバー２が筐体１０の上面内側に取り付けられている。さらに、加熱プレート１の下部には、基板Ｗの下面を支持して昇降移動する３本の昇降ピン３およびこれに連結される昇降プレート６が配置されている。昇降プレート６の一端にはシリンダ７が筐体１０の外部において連結されている。そして、シリンダ７のロッドの伸縮により昇降プレート６および昇降ピン３が昇降移動する。昇降プレート６および昇降ピン３が上昇した際に、基板Ｗが加熱プレート１の上方で待機され、下降した際に、基板Ｗが加熱プレート１上の球状スペーサ５上に載置される。
【００３０】
筐体１０の前面には基板給排口１１が形成されている。基板給排口１１の内側には、シャッタ９が配置されている。シャッタ９の下端は連動部材８により昇降プレート６に連結されている。これにより、シリンダ７のロッドが伸長すると、昇降プレート６が上昇して基板Ｗを待機位置に持ち上げるとともに、シャッタ９が下降して基板給排口１１を開放する。また、シリンダ７のロッドが収納されると、昇降プレート６が下降して基板Ｗを球状スペーサ５上に載置するとともに、シャッタ９が上昇し、基板給排口１１を閉鎖する。
【００３１】
ここで、加熱プレート１の構造について説明する。図２は、第１の実施例による加熱プレートの断面図である。加熱プレート１は基板Ｗを水平に支持する基板支持プレート３１と、基板支持プレート３１の下面に設けられた補助加熱部３２と、補助加熱部３２の下面に設けられた主加熱部３３と、主加熱部３３の下面に接し、基板支持プレート３１および主加熱部３３を冷却する冷却手段３４とを備える。
【００３２】
基板支持プレート３１はアルミニウム等の良伝熱性材料からなり、その上面に基板Ｗを支持するための３つの球状スペーサ５が正三角形状に配置されている。この基板支持プレート３１の表面温度が所定の温度に制御されることにより、基板支持プレート３１の上方に僅かな隙間をもって支持された基板Ｗの温度が所定の設定温度に調整される。
【００３３】
補助加熱部３２は、ペルチェ素子から構成される。ペルチェ素子は電流が供給されることにより一面側で吸熱し、他面側で放熱する。これにより、熱を移動させることができる。熱の移動方向は、供給する電流の方向を切り換えることにより切り換えることができる。そこで、基板支持プレート３１の温度を上昇させる場合には主加熱部３３から基板支持プレート３１側へ熱を移動させ、また基板支持プレート３１の温度を低下させる場合には、基板支持プレート３１から主加熱部３３側へ熱を移動させる。このペルチェ素子を用いた補助加熱部３２は基板支持プレート３１の温度を短時間で調整することができる。
【００３４】
主加熱部３３は補助加熱部３２に接するように配置された中間プレート３３ａと、中間プレート３３ａの下面に接するように設けられたヒータ部３３ｂと、ヒータ部３３ｂの下面に接するように配置された放熱プレート３３ｃとを有している。ヒータ部３３ｂはマイカヒータにより構成されている。中間プレート３３ａはヒータ部３３ｂから発生した熱を均一化して基板支持プレート３１に伝える働きをなす。また、放熱プレート３３ｃはヒータ部３３ｂの熱を基板支持プレート３１と反対側、すなわち下方側に排出するように設けられている。
【００３５】
冷却手段３４は、主加熱部３３を冷却する冷却用のペルチェ素子３５と、冷却用のペルチェ素子３５からの熱を排出するための水冷ジャケット３６とを備える。冷却用のペルチェ素子３５は、主加熱部３３の放熱プレート３３ｃの下面に接して設けられている。そして、後述する降温処理時に、放熱プレート３３ｃから吸熱することによりヒータ部３３ｂの温度を低下させる。
【００３６】
水冷ジャケット３６は、良伝熱性の板状部材の内部に冷却水を循環させるための冷却水通路３７が形成されている。冷却水通路３７は循環配管３８を介して外部、例えば基板加熱装置が配置される工場の冷却水供給源５１に接続されている。
【００３７】
また、基板支持プレート３１には、基板Ｗが基板支持プレート３１上に投入されたことを検出する基板検出センサ３９が設けられている。基板検出センサ３９の出力はメインコントローラ４８に入力される。さらに、基板支持プレート３１には温度検出センサ４０が設けられており、このセンサ出力は第１温度コントローラ（Ｔ．Ｃ．）４５に入力される。
【００３８】
中間プレート３３ａには温度検出センサ４１が設けられており、このセンサ出力が第２温度コントローラ４６に入力される。第１および第２温度コントローラ４５，４６は電源５０からそれぞれ補助加熱部３２およびヒータ部３３ｂに供給される電流を制御する。さらに、第３温度コントローラ４７は電源５０から冷却用のペルチェ素子３５に供給される電流を制御する。第１〜第３温度コントローラ４５〜４７の動作はメインコントローラ４８によって制御される。
【００３９】
メインコントローラ４８はＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、時間計測のためのカウンタ等を有するマイクロコンピュータを備えている。さらに、メインコントローラ４８には温度制御条件等を入力するためのキーボード等からなる入力部４９が接続されている。
【００４０】
ここで、基板支持プレート３１が本発明の基板支持台に相当し、主加熱部３３が加熱部に相当し、水冷ジャケット３６が冷却部および冷却部材に相当し、補助加熱部３２が第１の熱交換手段に相当し、冷却用のペルチェ素子３５が第２の熱交換手段に相当する。
【００４１】
次に、図２の加熱プレート１を備える基板加熱装置の動作について説明する。以下では、（１）基板支持プレートの温度設定動作、（２）基板投入時の高速昇温動作および（３）設定温度の変更（降温）動作について説明する。
【００４２】
（１）基板支持プレートの温度設定動作
図３は基板加熱装置の温度設定動作のフローチャートである。ここでは、支持プレート３１の上面温度を１１０℃に設定するものとする。
【００４３】
図３に示すように、基板Ｗの搬入前に、主加熱部３３のヒータ部３３ｂを駆動し、ステップＳ１およびステップＳ２の処理を行う。同時に補助加熱部３２を駆動し、ステップＳ３およびＳ４の処理を行う。
【００４４】
すなわち、ステップＳ１において、第２温度コントローラ４６は電源５０からヒータ部３３ｂに供給される電流量を制御し、ヒータ部３３ｂのヒータを発熱させる。そして、メインコントローラ４８は温度検出センサ４１からの出力に基づいて中間プレート３３ａの温度を監視し、中間プレート３３ａが所定の温度（例えば９０℃）になったか否かを判定する（ステップＳ２）。中間プレート３３ａが所定の温度以下の場合には第２温度コントローラ４６によりヒータ部３３ｂに電流を供給して発熱させ、所定の温度に達した場合には、ヒータ部３３ｂへの電流の供給を遮断する。この処理を繰り返し、中間プレート３３ａの温度を９０℃に保持する。
【００４５】
また、上記動作と並行して、ステップＳ３においては、電源５０から補助加熱部３２に電流が供給され、ペルチェ素子の熱移動作用により基板支持プレート３１が昇温される。メインコントローラ４８は基板支持プレート３１の温度検出センサ４０からの出力に基づき、基板支持プレート３１の温度が所定の温度、すなわち１１０℃になったか否かを判断する（ステップＳ４）。ペルチェ素子は供給される電流の方向を切り換えることにより熱の移動方向を切り換えることができる。そこで、ペルチェ素子の電流の供給方向を適宜切り換えて、基板支持プレート３１の温度が所望の１１０℃となるように調整する。
【００４６】
上記の温度設定処理では、主加熱部３３のヒータ部３３ｂと補助加熱部３２とにより基板支持プレート３１の温度設定が行われる。補助加熱部３２による熱移動の制御は短時間でかつ正確に行うことができる。したがって、基板支持プレート３１の温度調整をヒータのみで行う場合に比べ短時間でかつ正確に行うことができる。
【００４７】
（２）基板投入時の高速昇降動作
上記の温度設定処理において所定の温度、例えば１１０℃に設定された基板支持プレート３１上に基板Ｗが投入されると、投入時の基板Ｗの温度が室温程度と低いために基板支持プレート３１の表面温度が急激に低下する。そこで、以下の高速昇温動作を行い、基板支持プレート３１の表面温度を補正して基板を所望の温度に設定する。
【００４８】
図４は、基板の温度を１１０±０．３℃に制御する場合の高速昇温動作のフローチャートである。また、図５は基板の温度変化を示す図である。
【００４９】
基板支持プレート３１が１１０℃に制御されている状態において、例えば室温（約２３℃）の基板Ｗが基板支持プレート３１上に投入されると、図５に示すように、基板支持プレート３１の温度が急激に低下する。そこで、まず基板支持プレート３１の温度が０．５℃以上低下したか否かを温度検出センサ４０からの出力によって判断する（ステップＳ１０）。
【００５０】
０．５℃以上の温度低下を検出すると、第１温度コントローラ４５が制御され、最大許容電流が補助加熱部３２に供給される。これにより、いわゆるフルパワーで基板支持プレート３１が昇温される。メインコントローラ４８は基板支持プレート３１の昇温状態を監視する。基板支持プレート３１の温度が１１０℃に到達するまで最大許容電流を補助加熱部３２に供給する（ステップＳ１１）。
【００５１】
基板支持プレート３１の温度が１１０℃に達すると（ステップＳ１２）、第１温度コントローラ４５をＰＩＤ制御に切り換え、昇温動作を抑制する。そして、補助加熱部３２へ供給する電流の方向を制御しながら昇温および降温を行い、基板支持プレート３１の温度を１１０℃±０．３℃の範囲に制御する（ステップＳ１３）。
【００５２】
上記のような高速昇温動作において、補助加熱部３２がペルチェ素子により構成されているので、フルパワーにより昇温動作を行って基板Ｗの温度がオーバーシュートした場合でも、素早く降温処理に切り換えることにより短時間でかつ制御良く基板Ｗの温度を所望の設定温度に調整することができる。
【００５３】
（３）設定温度の変更（降温）動作
次に、処理対象の設定温度が、直前の基板の設定温度よりも低い場合の動作について説明する。加熱処理が終了した基板支持プレート３１の温度は、直前の基板の設定温度、例えば１１０℃にほぼ等しい状態にある。同様に、中間プレート３３ａの温度は９０℃近傍に保持されている。そこで、冷却用のペルチェ素子３５を駆動して、主加熱部３３および基板支持プレート３１の温度を低下させる。
【００５４】
メインコントローラ４８は第１温度コントローラ４５および第３温度コントローラ４７により補助加熱部３２のペルチェ素子および冷却用のペルチェ素子３５を駆動する。補助加熱部３２のペルチェ素子には基板支持プレート３１の熱を主加熱部３３側へ移動させるように電流が供給され、冷却用のペルチェ素子３５には主加熱部３３の熱を水冷ジャケット３６側へ移動させるように電流が供給される。これにより、基板支持プレート３１の熱は補助加熱部３２、主加熱部３３および冷却用のペルチェ素子３５を通り水冷ジャケット３６に伝えられる。伝えられた熱は水冷ジャケット３６の冷却水通路３７を循環する冷却水により外部に排出される。これにより、基板支持プレート３１の温度が急速に低下される。なお、水冷ジャケット３５の冷却水は常時循環させておいてもよい。
【００５５】
このように、主加熱部３３の下面に冷却用のペルチェ素子３５および水冷ジャケット３６を設けることにより、所定温度に昇温された基板支持プレート３１の温度を迅速に低下させることができる。これにより、加熱処理の設定温度が高い基板と低い基板とが連続して供給される場合でも、基板支持プレート３１の上面温度を素早く変化させて加熱処理を行うことができる。
【００５６】
図６は本発明の第２の実施例による加熱プレートの断面図である。図６の実施例による加熱プレート１は、図２の加熱プレート１の構成に対し、主加熱部３３の冷却手段の構成が異なる。すなわち、主加熱部３３の放熱プレート３３ｃの下面には、空冷ジャケット５３が設けられている。空冷ジャケット５３は良伝熱性の板状部材の内部に圧縮空気を通過させる空気通路５４が形成されている。空気通路５４は、循環管路５６を介して基板加熱装置が配置される工場の給気設備５２に接続されている。循環管路５６の途中には開閉制御弁５７が設けられている。この開閉制御弁５７の開閉動作により空冷ジャケット５３の空気通路５４への圧縮空気の供給が制御される。また、空冷ジャケット５３の板状部材の下面には放熱フィン５５が設けられている。
【００５７】
空冷ジャケット５３は、基板支持プレート３１の降温動作時に動作する。基板支持プレート３１の温度を降温する場合には、メインコントローラ４８が開閉制御弁５７を開放し、空冷ジャケット５３の空気通路５４に圧縮空気を供給して循環させる。基板支持プレート３１の熱は主加熱部３３を通り、空冷ジャケット５３に導かれ、圧縮空気５４によって外部に排出される。これにより、基板支持プレート３１の温度が所定の温度にまで速やかに低下される。
【００５８】
なお、上記の基板加熱装置の構成において、基板支持プレート３１が本発明の基板支持台に相当し、主加熱部３３が加熱部に相当し、空冷ジャケット５３が冷却部および冷却部材に相当し、補助加熱部３２が熱交換手段に相当する。
【００５９】
また、上記第１および第２の実施例による加熱プレート１の主加熱部３３は、板状の伝熱部材の内部にヒータを埋設した発熱部材を用いたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による基板加熱装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例による加熱プレートの断面図である。
【図３】図２の加熱プレートの有する基板加熱装置の温度設定動作のフローチャートである。
【図４】高速昇温動作のフローチャートである。
【図５】図４の高速昇温動作における基板の温度変化を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例による加熱プレートの断面図である。
【図７】従来の基板加熱装置の主要部の構成を示す模式図である。
【図８】図７の基板加熱装置における基板の熱履歴を示す図である。
【符号の説明】
１ 加熱プレート
３１ 基板支持プレート
３２ 補助加熱部
３３ 主加熱部
３３ａ 中間プレート
３３ｂ ヒータ
３３ｃ 放熱プレート
３５ 冷却用のペルチェ素子
３６ 水冷ジャケット
３７ 冷却水通路
５３ 空冷ジャケット
５４ 空気通路
Claims (6)
- 基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置であって、
基板を支持する基板支持台と、
前記基板支持台の下方に配置され、前記基板支持台上の前記基板を加熱する加熱部と、
前記加熱部の下方に配置された冷却部と、
前記基板支持台と前記加熱部との間に配置され、前記基板支持台と前記加熱部との間の熱交換を行う第１の熱交換手段と、
前記加熱部と前記冷却部との間に配置され、前記加熱部と前記冷却部との間の熱交換を行う第２の熱交換手段とを備えたことを特徴とする基板熱処理装置。 - 前記第１および第２の熱交換手段がペルチェ素子であることを特徴とする請求項１記載の基板熱処理装置。
- 前記冷却部は、前記第２の熱交換手段の下面に接して配置されかつ内部に冷却水を通過させる通路が形成された冷却部材からなることを特徴とする請求項１または２記載の基板熱処理装置。
- 基板を所定の温度で処理する基板熱処理装置であって、
基板を支持する基板支持台と、
前記基板支持台の下方に配置され、前記基板支持台上の前記基板を加熱する加熱部と、
前記加熱部の下方に配置され、前記加熱部を冷却する冷却部と、
前記基板支持台と前記加熱部との間に配置され、前記基板支持台と前記加熱部との間の熱交換を行うペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子を制御する制御手段とを備え、
前記冷却部は、前記加熱部の下面に接しかつ内部に空気を通過させる通路が形成された冷却部材からなることを特徴とする基板熱処理装置。 - 前記加熱部は、ヒータと、前記ヒータの上面側および下面側に積層された上部および下部伝熱部材とからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の基板熱処理装置。
- 前記加熱部は、内部にヒータが埋設された発熱部材からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の基板熱処理装置。
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