JP4302646B2 - 加熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体ウエハ等の基板にレジスト塗布・現像処理を施す際等に基板を加熱処理する加熱処理装置に関する。

半導体デバイスのフォトリソグラフィー工程においては、半導体ウエハ（以下、単にウエハという）にレジストを塗布し、これにより形成されたレジスト膜を所定の回路パターンに応じて露光し、この露光パターンを現像処理することにより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ー工程においては、レジスト塗布後の加熱処理（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）、現像後の加熱処理（ポストベーク）等、種々の加熱処理が行われている。

これらの加熱処理は、通常、筐体内に加熱プレートを配置して構成された加熱処理装置によって行われており、この加熱プレートの表面にウエハを近接または載置して、加熱プレートをヒーターにより加熱することによってウエハを加熱処理する。

この種の加熱処理装置としては、加熱プレートの外周を囲繞するカバーを配置し、その上にウエハ配置面と対向するように天板を設けて加熱プレートと天板との間に処理空間を形成し、処理空間に気流を形成しながらウエハの加熱処理を行うものが一般的に用いられている。そして、このような加熱処理装置では加熱処理の際にウエハが均一に加熱されることが求められ、そのために加熱プレートの温度分布を極力均一にしようとしている。

しかしながら、加熱プレートの一方側に気体供給ノズルを設け、他端側に排気ノズルを設けて、気体供給ノズルにより気体を加熱プレートの一方から他方に向けて供給するとともに、排気ノズルにより気体を排気して一方向の気流を形成するようにした加熱処理装置の場合、加熱プレートが均一に加熱されていたとしても、実際には気流の影響でウエハの排気ノズル近傍部分の温度が他の部分の温度よりも高くなってしまう。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、基板の面内温度均一性を高くして基板を加熱処理することができる加熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、基板を所定温度に加熱処理する加熱処理装置であって、その表面に基板を近接または載置して加熱処理する加熱プレートと、前記加熱プレートの基板配置面に対向して設けられ、前記加熱プレートと面する部分が少なくとも第１の領域と第２の領域を備えた天板と、前記第１の領域および第２の領域の少なくとも一方の温度を制御する温度制御機構と、前記加熱プレートと前記天板との間の空間を囲繞する囲繞部材と、前記加熱プレートの一方側に設けられ、前記空間に気体を導入するための気体供給ノズルと、前記加熱プレートの他端側に設けられ、前記空間から気体を排出するための排気ノズルと、を備え、前記第１の領域は黒体であり、前記第２の領域はミラーであり、前記気体供給ノズルにより、気体を前記加熱プレートの一方側から他方側に向けて供給するとともに、前記排気ノズルにより前記気体を排気して、一方向の気流を形成するようにし、前記第１の領域は、前記排気ノズル側に設けられ、前記温度制御機構は、前記加熱プレートの加熱温度の設定値または前記加熱プレートの加熱によって生じる温度分布に応じて、前記天板の第１の領域の温度が前記第２の領域よりも低くなるように、かつ前記第１の領域の熱吸収率が第２の領域の熱吸収率よりも大きくなるように制御することを特徴とする加熱処理装置が提供される。

また、前記第１の領域は第１のヒートパイプで構成され、前記第２の領域は、第２のヒートパイプで構成されていてもよい。また、前記温度制御機構は、前記第１のヒートパイプから熱を放出させるための放熱機構と、前記第１のヒートパイプに熱を注入するための加熱機構と、前記加熱機構および／または放熱機構を制御するコントローラとを有することができる。また、前記第１のヒートパイプと第２のヒートパイプとは隣接して設けられ、これらの間は断熱されていてもよい。

また、前記加熱プレートは、矩形状であってもよい。また、前記気体供給ノズルは、前記加熱プレートの幅方向に複数のガス吐出孔を有していてもよい。また、前記排気ノズルは、前記加熱プレートの幅方向に複数の気体排出孔を有していてもよい。

本発明によれば、温度制御機構を有する天板を備えたので、気体供給ノズルにより、気体を前記加熱プレートの一方から他方に向けて供給するとともに、排気ノズルにより、気体を排気して一方向の気流を形成するようにした加熱処理装置において、基板の面内温度の均一性を高くしつつ基板を加熱処理することができる。

また、基板を加熱するための加熱プレートの基板配置面に対向して、その加熱プレートに面する部分が少なくとも第１の領域と第２の領域を有する天板を設け、温度制御機構により、加熱プレートの加熱によって基板に生じる温度分布に応じて、前記天板の第１の領域および第２の領域の少なくとも一方の温度を制御するので、基板面内に温度分布が生じるような場合に、天板の第１および第２の領域のうち、基板の温度が高くなる部分に対応するほうの温度を低くしてその領域の熱吸収を大きくすることができ、結果として基板における加熱が過剰で温度が高くなる傾向がある部分の放熱を促進してその部分の温度を低下させることができるので、基板の面内温度均一性を高めることができる。しかもその温度の低下の度合いを温度制御機構により制御することができるので、基板の面内温度均一性の程度が極めて高い。

また、天板が、その加熱プレートに面する部分が少なくとも第１の領域と第２の領域を有し、かつこれら第１の領域および第２の領域をそれぞれ含む第１のヒートパイプおよび第２のヒートパイプを有する構成とすることにより、ヒートパイプの温度均一化作用により各領域内で温度を均一にすることができるとともに、大量の熱を容易に輸送する作用によりこれら領域の少なくとも一方を温度制御する際に速やかに所定の温度にすることができる。したがって、基板の面内温度均一性を一層高くすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る加熱処理ユニットが搭載された半導体ウエハのレジスト塗布・現像処理システムを示す概略平面図、図２はその正面図、図３はその背面図である。

このレジスト塗布・現像処理システム１は、搬送ステーションであるカセットステーション１０と、複数の処理ユニットを有する処理ステーション１１と、処理ステーション１１と隣接して設けられる露光装置（図示せず）との間で半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）Ｗを受け渡すためのインターフェイス部１２とを具備している。

上記カセットステーション１０は、被処理体としてのウエハＷを複数枚例えば２５枚単位でウエハカセットＣＲに搭載された状態で他のシステムからこのシステムへ搬入またはこのシステムから他のシステムへ搬出したり、ウエハカセットＣＲと処理ステーション１１との間でウエハＷの搬送を行うためのものである。

このカセットステーション１０においては、図１に示すように、カセットＣを載置する載置台２０上に図中Ｘ方向に沿って複数（図では４個）の位置決め突起２０ａが形成されており、この突起２０ａの位置にウエハカセットＣＲがそれぞれのウエハ出入口を処理ステーション１１側に向けて一列に載置可能となっている。ウエハカセットＣＲにおいてはウエハＷが垂直方向（Ｚ方向）に配列されている。また、カセットステーション１０は、ウエハカセット載置台２０と処理ステーション１１との間に位置するウエハ搬送機構２１を有している。このウエハ搬送機構２１は、カセット配列方向（Ｘ方向）およびその中のウエハＷのウエハ配列方向（Ｚ方向）に移動可能なウエハ搬送用アーム２１ａを有しており、このウエハ搬送用アーム２１ａによりいずれかのウエハカセットＣＲに対して選択的にアクセス可能となっている。また、ウエハ搬送用アーム２１ａは、θ方向に回転可能に構成されており、後述する処理ステーション１１側の第３の処理ユニット群Ｇ_３に属するアライメントユニット（ＡＬＩＭ）およびエクステンションユニット（ＥＸＴ）にもアクセスできるようになっている。

上記処理ステーション１１は、ウエハＷへ対して塗布・現像を行う際の一連の工程を実施するための複数の処理ユニットを備え、これらが所定位置に多段に配置されており、これらによりウエハＷが一枚ずつ処理される。この処理ステーション１１は、図１に示すように、中心部に搬送路２２ａを有し、この中に主ウエハ搬送機構２２が設けられ、搬送路２２ａの周りに全ての処理ユニットが配置されている。これら複数の処理ユニットは、複数の処理ユニット群に分かれており、各処理ユニット群は複数の処理ユニットが鉛直方向に沿って多段に配置されている。

主ウエハ搬送機構２２は、図３に示すように、筒状支持体４９の内側に、ウエハ搬送装置４６を上下方向（Ｚ方向）に昇降自在に装備している。筒状支持体４９はモータ（図示せず）の回転駆動力によって回転可能となっており、それにともなってウエハ搬送装置４６も一体的に回転可能となっている。

ウエハ搬送装置４６は、搬送基台４７の前後方向に移動自在な複数本の保持部材４８を備え、これらの保持部材４８によって各処理ユニット間でのウエハＷの受け渡しを実現している。

また、図１に示すように、この実施の形態においては、４個の処理ユニット群Ｇ_１，Ｇ_２，Ｇ_３，Ｇ_４が搬送路２２ａの周囲に実際に配置されており、処理ユニット群Ｇ_５は必要に応じて配置可能となっている。

これらのうち、第１および第２の処理ユニット群Ｇ_１，Ｇ_２はシステム正面（図１において手前）側に並列に配置され、第３の処理ユニット群Ｇ_３はカセットステーション１０に隣接して配置され、第４の処理ユニット群Ｇ_４はインターフェイス部１２に隣接して配置されている。また、第５の処理ユニット群Ｇ_５は背面部に配置可能となっている。

第１の処理ユニット群Ｇ_１では、カップＣＰ内でウエハＷをスピンチャック（図示せず）に載置してウエハＷにレジストを塗布するレジスト塗布処理ユニット（ＣＯＴ）および同様にカップＣＰ内でレジストのパターンを現像する現像処理ユニット（ＤＥＶ）が下から順に２段に重ねられている。第２の処理ユニット群Ｇ_２も同様に、２台のスピナ型処理ユニットとしてレジスト塗布処理ユニット（ＣＯＴ）および現像処理ユニット（ＤＥＶ）が下から順に２段に重ねられている。

第３の処理ユニット群Ｇ_３においては、図３に示すように、ウエハＷを載置台ＳＰに載せて所定の処理を行うオーブン型の処理ユニットが多段に重ねられている。すなわち、レジストの定着性を高めるためのいわゆる疎水化処理を行うアドヒージョンユニット（ＡＤ）、位置合わせを行うアライメントユニット（ＡＬＩＭ）、ウエハＷの搬入出を行うエクステンションユニット（ＥＸＴ）、冷却処理を行うクーリングユニット（ＣＯＬ）、露光処理前や露光処理後、さらには現像処理後にウエハＷに対して加熱処理を行う４つの加熱処理ユニット（ＨＰ）が下から順に８段に重ねられている。なお、アライメントユニット（ＡＬＩＭ）の代わりにクーリングユニット（ＣＯＬ）を設け、クーリングユニット（ＣＯＬ）にアライメント機能を持たせてもよい。

第４の処理ユニット群Ｇ_４も、オーブン型の処理ユニットが多段に重ねられている。すなわち、クーリングユニット（ＣＯＬ）、クーリングプレートを備えたウエハ搬入出部であるエクステンション・クーリングユニット（ＥＸＴＣＯＬ）、エクステンションユニット（ＥＸＴ）、クーリングユニット（ＣＯＬ）、および４つの加熱処理ユニット（ＨＰ）が下から順に８段に重ねられている。

主ウエハ搬送機構２２の背部側に第５の処理ユニット群Ｇ_５を設ける場合には、案内レール２５に沿って主ウエハ搬送機構２２から見て側方へ移動できるようになっている。したがって、第５の処理ユニット群Ｇ_５を設けた場合でも、これを案内レール２５に沿ってスライドすることにより空間部が確保されるので、主ウエハ搬送機構２２に対して背後からメンテナンス作業を容易に行うことができる。

上記インターフェイス部１２は、奥行方向（Ｘ方向）については、処理ステーション１１と同じ長さを有している。図１、図２に示すように、このインターフェイス部１２の正面部には、可搬性のピックアップカセットＣＲと定置型のバッファカセットＢＲが２段に配置され、背面部には周辺露光装置２３が配設され、中央部には、ウエハ搬送機構２４が配設されている。このウエハ搬送機構２４は、ウエハ搬送用アーム２４ａを有しており、このウエハ搬送用アーム２４ａは、Ｘ方向、Ｚ方向に移動して両カセットＣＲ，ＢＲおよび周辺露光装置２３にアクセス可能となっている。また、このウエハ搬送用アーム２４ａは、θ方向に回転可能であり、処理ステーション１１の第４の処理ユニット群Ｇ_４に属するエクステンションユニット（ＥＸＴ）や、さらには隣接する露光装置側のウエハ受け渡し台（図示せず）にもアクセス可能となっている。

このようなレジスト塗布現像処理システムにおいては、まず、カセットステーション１０において、ウエハ搬送機構２１のウエハ搬送用アーム２１ａがカセット載置台２０上の未処理のウエハＷを収容しているウエハカセットＣＲにアクセスして、そのカセットＣＲから一枚のウエハＷを取り出し、第３の処理ユニット群Ｇ_３のエクステンションユニット（ＥＸＴ）に搬送する。

ウエハＷは、このエクステンションユニット（ＥＸＴ）から、主ウエハ搬送機構２２のウエハ搬送装置４６により、処理ステーション１１に搬入される。そして、第３の処理ユニット群Ｇ_３のアライメントユニット（ＡＬＩＭ）によりアライメントされた後、アドヒージョン処理ユニット（ＡＤ）に搬送され、そこでレジストの定着性を高めるための疎水化処理（ＨＭＤＳ処理）が施される。この処理は加熱を伴うため、その後ウエハＷは、ウエハ搬送装置４６により、クーリングユニット（ＣＯＬ）に搬送されて冷却される。

アドヒージョン処理が終了し、クーリングユニット（ＣＯＬ）で所定の温度に冷却されたウエハＷは、引き続き、ウエハ搬送装置４６によりレジスト塗布ユニット（ＣＯＴ）に搬送され、そこで塗布膜が形成される。塗布処理終了後、ウエハＷは処理ユニット群Ｇ_３，Ｇ_４のいずれかの加熱処理ユニット（ＨＰ）内でプリベーク処理され、その後いずれかのクーリングユニット（ＣＯＬ）にて所定の温度に冷却される。

冷却されたウエハＷは、第３の処理ユニット群Ｇ_３のアライメントユニット（ＡＬＩＭ）に搬送され、そこでアライメントされた後、第４の処理ユニット群Ｇ_４のエクステンションユニット（ＥＸＴ）を介してインターフェイス部１２に搬送される。

インターフェイス部１２では、余分なレジストを除去するために周辺露光装置２３によりウエハの周縁例えば１ｍｍを露光し、次いで、インターフェイス部１２に隣接して設けられた露光装置（図示せず）により所定のパターンに従ってウエハＷのレジスト膜に露光処理が施される。

露光後のウエハＷは、再びインターフェイス部１２に戻され、ウエハ搬送機構２４により、第４の処理ユニット群Ｇ_４に属するエクステンションユニット（ＥＸＴ）に搬送される。そして、ウエハＷは、ウエハ搬送装置４６により、いずれかの加熱処理ユニット（ＨＰ）に搬送されてポストエクスポージャーベーク処理が施され、次いで、クーリングユニット（ＣＯＬ）により所定の温度に冷却される。

その後、ウエハＷは現像処理ユニット（ＤＥＶ）に搬送され、そこで露光パターンの現像が行われる。現像処理終了後、ウエハＷはいずれかの加熱処理ユニット（ＨＰ）に搬送されてポストベーク処理が施され、次いで、クーリングユニット（ＣＯＬ）により所定温度に冷却される。このような一連の処理が終了した後、第３処理ユニット群Ｇ_３のエクステンションユニット（ＥＸＴ）を介してカセットステーション１０に戻され、いずれかのウエハカセットＣＲに収容される。

次に、図４から図７を参照して、本発明の第１の実施形態に係る加熱処理ユニット（ＨＰ）について説明する。図４は本発明の第１の実施形態に係る加熱処理ユニットを模式的に示す断面図、図５は図４の加熱処理ユニットの天板および囲繞部材を一部切り欠いて示す斜視図、図６は図４の加熱処理ユニットの天板に形成された第１および第２のヒートパイプを示す断面図、図７は図４の加熱処理ユニットの制御系を示すブロック図である。

本実施形態の加熱処理ユニット（ＨＰ）は、図４に示すように、ケーシング５０を有し、その内部には円盤状をなす加熱プレート５１が配置されている。加熱プレート５１は例えばアルミニウムで構成されており、その表面にはプロキシミティピン５２が設けられている。そして、このプロキシミティピン５２上に加熱プレート５１に近接した状態でウエハＷが載置されるようになっている。加熱プレート５１の裏面には複数のリング状発熱体５３が同心円状に配設されている。そして、これら発熱体５３は通電されることにより発熱し、加熱プレート５１を加熱してウエハＷに対して加熱処理を施すようになっている。この場合に、各リング状発熱体５３への通電量はそれぞれ独立に制御可能であることが好ましい。

加熱プレート５１は支持部材５４に支持されており、支持部材５４内は空洞となっている。加熱プレート５１には、その中央部に３つ（２つのみ図示）の貫通孔５５が形成されており、これら貫通孔５５にはウエハＷを昇降させるための３本（２本のみ図示）の昇降ピン５６が昇降自在に設けられている。そして、加熱プレート５１と支持部材５４の底板５４ａとの間には貫通孔５５に連続する筒状のガイド部材５７が設けられている。これらガイド部材５７によって加熱プレート５１の下のヒーター配線等に妨げられることなく昇降ピン５６を移動させることが可能となる。これら昇降ピン５６は支持板５８に支持されており、この支持板５８を介して支持部材５４の側方に設けられたシリンダー５９により昇降されるようになっている。

加熱プレート５１および支持部材５４の周囲にはそれらを包囲支持するサポートリング６１が設けられており、このサポートリング６１の上には昇降自在の囲繞部材６２が設けられている。この囲繞部材６２の上には天板６３が設けられている。そして、この囲繞部材６２がサポートリング６１の上面まで降下した状態で、加熱プレート５１と天板６３との間にウエハＷの処理空間Ｓが形成され、この処理空間Ｓが囲繞部材６２により囲繞された状態となる。その際に、サポートリング６１と囲繞部材６２との間には微小な隙間６４が形成され、この隙間６４から処理空間Ｓへの空気の侵入が許容される。また、ウエハＷを加熱プレート５１に対して搬入出する場合には、図示しないシリンダーにより囲繞部材６２および天板６３が上方に退避される。

天板６３の中央部には排気管６６が接続された排気口６５を有しており、加熱プレート５１の外周側のサポートリング６１および囲繞部材６２の間の隙間６４から空気が導入され、排気口６５および排気管６６を介して図示しない排気機構により処理空間Ｓが排気される。したがって、処理空間Ｓ内には加熱プレート５１の外周側から天板６３の中央に向かう気流が形成される。この気流の制御は、排気管６６に設けられた電磁弁６７により行われる。

図４および図５に示すように、天板６３の加熱プレート５１に対向する面は、排気口６５を囲むように設けられた円環状の第１の領域７１とその外側に設けられた円環状の第２の領域７２とを有している。また、天板６３は、第１の領域７１を下面とする第１のヒートパイプ７３と、第２の領域７２を下面とする第２のヒートパイプ７４と、第１および第２のヒートパイプ７３および７４の間に設けられた断熱部材７５とを有している。断熱部材７５は、第１のヒートパイプ７１と第２のヒートパイプ７２との間で熱的な干渉を生じることを防止する作用を有している。断熱部材７５を設ける代わりに、第１および第２のヒートパイプ７１および７２を離隔して設け、これらの間に空間が生じるようにしてもよい。

第１のヒートパイプ７３および第２のヒートパイプ７４は、図６に示すように、それぞれ銅または銅合金等の金属材料からなる外殻部材としてのコンテナ７７および７８を有し、これらコンテナ７７および７８内の空間には作動液Ｌが封入されている。このような第１および第２のヒートパイプ７３および７４は、内部に充填された作動液の蒸発現象と凝縮現象を利用して、大量の熱を容易に輸送する作用、およびその中に温度の高低がある場合に速やかに熱を輸送して温度を均一化する作用を有する。具体的には、図６に示すように、第１および第２のヒートパイプ７３および７４は、加熱プレート５１によりその下部が加熱されると作動液Ｌが蒸発し、蒸気流となって低温部である上部へ高速移動し、上下方向に温度が均一化される。この際に、上部で低温のコンテナ７７および７８の上壁に接触して冷却され凝縮し、凝縮液は重力により元の位置へ戻る。また、周方向および径方向に温度の高低がある場合にも蒸気流の移動により温度が均一化される。第１および第２のヒートパイプ７３および７４の内部空間は、囲繞部材６２の周方向に略一定の断面厚さを有している。なお、作動液Ｌは、コンテナ７７，７８の材質に悪影響を及ぼさないものが選択され、例えば、水、アンモニア、メタノール、アセトン、フロン等を用いることができる。

上記第１のヒートパイプ７３には、その温度を制御して結果的に第１の領域７１の温度を制御する温度制御機構８０が設けられている。この温度制御機構８０は、第１の領域に熱を伝達するための棒状をなす金属製の熱伝達部材８１と、この熱伝達部材８１の先端に設けられ、放熱面積可変のフィン８２ａを有する放熱部材８２およびフィン８２ａの放熱面積を変化させるためのアクチュエータ８３からなる放熱機構８４と、上記熱伝達部材８１の一部分に巻回された誘導コイル８５および誘導コイル８５に高周波電力を供給する高周波電源８６からなる加熱機構８７と、放熱機構８４のアクチュエータ８３および加熱機構８７の高周波電源８６を制御するコントローラ８８とを有している。この温度制御機構８０は、後述するように、第１の領域７１を第２の領域７２よりも所定温度低くなるように制御する。

これら加熱処理ユニット（ＨＰ）は、図７に示すように、ユニットコントローラ９０により制御される。具体的には、加熱プレート５１内の適宜箇所には、加熱プレート５１の温度を計測する熱電対等の複数の温度センサー７０が設けられ、この温度センサー７０からの検出信号はユニットコントローラ９０に送信され、その検出情報に基づいてユニットコントローラ９０から温調器９１に制御信号が送信され、その制御信号に基づいて温調器９１から発熱体電源９２に出力調整信号が送信される。さらに、このユニットコントローラ９０は、加熱処理に際して、シリンダー５９に制御信号を送って昇降ピン５６の昇降を制御するとともに、排気管６６に設けられた電磁弁６７の開度を制御して排気量を制御する。また、上述のコントローラ８８に対して、適宜の基準値、例えば温度センサー７０の検出信号または設定値に基づいて第１のヒートパイプ７３の制御を行うように指令を発する。なお、ユニットコントローラ９０は、塗布・現像システムのシステムコントローラ（図示略）からの指令に基づいて制御信号を出力するようになっている。

以上のように構成された加熱処理ユニット（ＨＰ）では、以下のようにして、ウエハＷの加熱処理が行われる。

まず、ウエハ搬送装置４６により、ウエハＷを加熱処理ユニット（ＨＰ）のケーシング５０内に搬入し、昇降ピン５６に受け渡し、この昇降ピン５６を降下させることにより、ウエハＷが所定温度に加熱された状態にある加熱プレート５１の表面に設けられたプロミキシティピン５２に載置される。

次いで、囲繞部材６２および天板６３を降下させて処理空間Ｓを形成し、図示しない排気機構により排気口６５および排気管６６を介して排気することにより、隙間６４から空気が流入し、加熱プレート５１の外周側から天板６３の中央に向かう気流が形成された状態でウエハＷに加熱処理が施される。

この場合に、このような気流はウエハＷの周縁部からウエハの中央部に向かって流れることとなり、高温のウエハ上を通過することによって加熱された気体がウエハＷ中央部に集まってから処理空間Ｓの外へ排出されるため、従来の加熱処理装置の場合には、加熱プレート５１が発熱体５３により均一に加熱されていたとしても、実際にはこのような気流の影響でウエハＷの中央部の温度が周縁部の温度よりも高くなってしまう。

このため、本実施形態では、天板６３において、ウエハＷの中央部に対応する第１の領域７１の温度を、その周囲の第２の領域７２よりも所定温度低くなるように温度制御機構８０により制御する。ウエハＷの温度は、加熱プレート５１のみならず加熱プレートに対向した天板６３によっても影響を受け、天板６３の熱吸収が大きいほどかつ天板６３の熱放射度が小さいほどウエハＷの温度が低下する度合いが大きいから、このようにウエハＷの中央部の温度が高くなるといった、ウエハＷ面内に温度分布が生じるような場合に、天板６３のウエハＷ中央部に対応する第１の領域７１の温度を第２の領域７２の温度よりも低くすれば、第１の領域７１の熱吸収を大きくすることができ、結果的にウエハＷの中央部の熱放出を大きくしてその部分の温度を低下させることができ、ウエハＷの面内温度均一性を高くすることができる。しかも、温度制御機構８０によりその温度の低下の度合いを制御することができるので、ウエハＷの面内温度均一性は極めて高いものとなる。

以下、このようにしてウエハＷの温度を均一化する原理について簡単に説明する。
上記のように加熱プレート５１と天板６３とが対向して設けられている場合、加熱プレート５１によって加熱されたウエハＷから放出された熱放射エネルギーは、天板６３に達してその一部が吸収され残部が反射されてウエハＷに戻り、ウエハＷ上で同様に一部が吸収され残部が反射されるといった作用が繰り返される。したがって、ウエハＷから放出される単位面積当たりの総エネルギーをＱ_１とすると、Ｑ_１はウエハＷの放射度Ｅ_１と反射エネルギとの和に等しい。この際の反射エネルギーは、天板６３から放出される単位面積当たりの総エネルギーＱ_２にウエハＷの反射率ｒ_１を乗じたものとなる。すなわち、以下の（１）式で表す関係が成り立つ。
Ｑ_１＝Ｅ_１＋ｒ_１Ｑ_２ ……（１）

同様に天板６３についても、天板６３から放出される単位面積当たりの総エネルギーＱ_２は、天板６３の放射度Ｅ_２と反射エネルギとの和に等しく、この反射エネルギーは、上記Ｑ_１に天板の反射率ｒ_２を乗じたものとなり、以下の（２）式で表す関係が成り立つ。
Ｑ_２＝Ｅ_２＋ｒ_２Ｑ_１ ……（２）

ここで、ウエハＷの放射率をε_１、天板６３の放射率をε_２とすると、以下の（３）および（４）式の関係があるため、これをそれぞれ（１）および（２）に代入すると、（５）および（６）式の関係が導かれる。
ｒ_１＝１−ε_１ ……（３）
ｒ_２＝１−ε_２ ……（４）
Ｑ_１＝Ｅ_１＋（１−ε_１）Ｑ_２ ……（５）
Ｑ_２＝Ｅ_２＋（１−ε_２）Ｑ_１ ……（６）

ウエハＷは加熱されているため、ウエハＷの温度Ｔ_１は天板６３の温度Ｔ_２よりも高くなっており、その分の熱がウエハＷから天板６３へ放射により供給されることとなり、その際の単位面積当たりの熱量Ｑは以下の（７）式で表すことができる。
Ｑ＝Ｑ_１−Ｑ_２ ……（７）

ここで、この熱量Ｑすなわちウエハから放出する熱量が大きいほどウエハＷの温度を低下させることができる。したがって、従来、温度が高くなる傾向にあるウエハＷの中央部において放出する熱量Ｑを大きくすることができればよい。そのためには、天板６３のその部分に対応する領域、すなわち第１の領域７１の熱吸収を大きくすればよく、本実施形態では第１の領域７１の熱吸収を大きくするために第１の領域７１の温度を第２の領域７２の温度よりも低くなるようにした。

また、天板６３が、第１の領域７１および第２の領域７２をそれぞれ含む第１のヒートパイプ７３および第２のヒートパイプ７４を有するので、ヒートパイプの温度均一化作用により各領域内で温度を均一にすることができるとともに、大量の熱を容易に輸送する作用により温度制御機構８０により第１のヒートパイプ７３を温度制御する際に速やかに所定の温度にすることができる。したがって、この点からもウエハＷの面内温度均一性を極めて高くすることができる。

上述のように、第１の領域７１の熱吸収を高くすればよいことから、第１の領域７１の温度を低くすることに加えて第１の領域７１の熱吸収自体を第２の領域７２よりも高くすることも有効である。このためには、第１の領域７１と第２の領域７２とで色彩を変化させることが挙げられるが、最も効果的であるのは、第１の領域７１を放射率が１の黒体とし、第２の領域７２を反射率が１のミラーとすることである。第１の領域７１を黒体とするためには、図８に示すように、コンテナ７７の下面に黒色セラミックス９５を設けることが好適である。第２の領域７２をミラーとするには、コンテナ７８の下面に金泊９６を貼る等すればよい。

以上のようにしてウエハＷの加熱処理を行った後、囲繞部材６２および天板６３を上方に移動し、ウエハＷを昇降ピン５６により持ち上げる。その状態でウエハ搬送装置４６をウエハＷの下方に挿入してウエハ搬送装置４６がウエハＷを受け取り、加熱処理ユニット（ＨＰ）からウエハＷを搬出して次工程のユニットに搬送する。

なお、上記例ではウエハＷの外方から空気を侵入させて処理空間Ｓに気流を形成したが、図９に示すように、不活性ガス等のガスを処理空間Ｓに導入するようにしてもよい。すなわち、上記サポートリング６１の代わりにガス通流孔９７が形成されたサポートリング６１′を設け、ガス通流孔９７にガス供給管９８を接続して処理空間Ｓにガスを導入するようにし、囲繞部材６２とサポートリング６１′をシールリング９９で密閉するようにすることもできる。なお、ガス通流孔９７は円周状に形成されていてもよいし、円筒状をなすサポートリング６１′の円周に沿って複数設けられていてもよい。

次に、図１０および図１１を参照して、本発明の第２の実施形態に係る加熱処理ユニットについて説明する。図１０は本発明の第２の実施形態に係る加熱処理ユニットを模式的に示す断面図、図１１はその内部および気流を模式的に示す水平断面図である。図１０および図１１において、第１の実施形態と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、ケーシング５０の内部の下側には、矩形状をなす加熱プレート５１′が配置されている。加熱プレート５１′の表面にはプロキシミティピン５２′が設けられており、このプロキシミティピン５２′上に加熱プレート５１′の表面に近接した状態でウエハＷが載置されるようになっている。加熱プレート５１′の裏面には複数の直線状の発熱体５３′が略平行に配列されている。そして、これら発熱体５３′は通電されることにより発熱し、加熱プレート５１′を加熱してウエハＷを昇温するようになっている。

加熱プレート５１′は支持部材５４′に支持されており、支持部材５４′内は空洞となっている。支持部材５４′の周囲にはそれを包囲支持するサポートリング６１′が設けられており、このサポートリング６１′の上には昇降自在の囲繞部材６２′が設けられている。この囲繞部材６２′の上には天板６３′が設けられている。そして、この囲繞部材６２′がサポートリング６１′の上面まで降下した状態で、加熱プレート５１′と天板６３′との間にシールリング１０１により外部から密閉された処理空間Ｓ′が形成され、この処理空間Ｓ′が囲繞部材６２′により囲繞された状態となる。

加熱プレート５１′の一方側には、加熱プレート５１′の略一辺の幅を有し、かつ複数のガス吐出孔１０３を有し、処理空間Ｓ′内に不活性ガス、空気等の気体を供給するための気体供給ノズル１０２が設けられ、この気体供給ノズル１０２には、サポートリング６１′内に複数設けられた気体通流孔１０４に接続されており、さらにこれら気体通流孔１０４には、不活性ガス、空気等の気体を供給するための気体供給管１０５が接続されている。

一方、加熱プレート５１′の他方側には、加熱プレート５１′の略一辺の幅を有し、かつ複数の気体排出孔１０７を有し、処理空間Ｓ′内の気体を排出するための排気ノズル１０６が設けられ、この排気ノズル１０６には、サポートリング６１′内に複数設けられた気体通流孔１０８に接続されており、さらにこれら気体通流孔１０８には排気管１０９が接続されている。

そして、気体供給ノズル１０２から処理空間Ｓ′へ供給された気体は排気ノズル１０６から排気され、処理空間Ｓ′内には図１０に示すような加熱プレート５１′の一端側から他端側に向かう一方向の気流が形成される。

天板６３′の加熱プレート５１′に対向する面は、排気ノズル１０６側の矩形状をなす第１の領域７１′とその残余の矩形状をなす第２の領域７２′とを有している。また、天板６３′は、第１の領域７１′を下面とする第１のヒートパイプ７３′と、第２の領域７２′を下面とする第２のヒートパイプ７４′と、第１および第２のヒートパイプ７３′および７４′の間に設けられた断熱部材７５′とを有している。断熱部材７５′を設ける代わりに、第１および第２のヒートパイプ７１′および７２′を離隔して設け、これらの間に空間が生じるようにしてもよい。

第１のヒートパイプ７３′および第２のヒートパイプ７４′は、形状が異なるだけで基本的に第１の実施態様の第１のヒートパイプ７３および第２のヒートパイプ７４と同様、金属材料からなる外殻部材としてのコンテナと、コンテナ内の空間に封入された作動液Ｌとを有しており、作動液の蒸発現象と凝縮現象を利用して、大量の熱を容易に輸送する作用、およびその中に温度の高低がある場合に速やかに熱を輸送して温度を均一化する作用を有する。具体的には、加熱プレート５１′によりその下部が加熱されると作動液Ｌが蒸発し、蒸気流となって低温部である上部へ高速移動し、上下方向に温度が均一化される。この際に、上部で低温のコンテナの上壁に接触して冷却され凝縮し、凝縮液は重力により元の位置へ戻る。また、水平方向に温度の高低がある場合にも蒸気流の移動により温度が均一化される。第１および第２のヒートパイプ７３′および７４′の内部空間は、水平方向に略一定の断面厚さを有している。

上記第１のヒートパイプ７３′には、第１の実施形態の第１のヒートパイプ７３と同様、その温度を制御して結果的に第１の領域７１′の温度を制御する温度制御機構８０が設けられている。この温度制御機構８０は、第１の領域７１′を第２の領域７２′よりも所定温度低くなるように制御する。

以上のように構成された加熱処理ユニット（ＨＰ）により加熱処理を行う際には、まず、第１の実施形態の場合と同様、ウエハＷをウエハ搬送装置４６によりケーシング５０内に搬入して、プロキシミティピン５２′上に載置する。

次いで、囲繞部材６２′および天板６３′を降下して処理空間Ｓ′を形成し、気体供給管１０５および気体通流孔１０４を介して気体供給ノズル１０２の複数のガス吐出孔１０３から処理空間Ｓ′内に気体を供給し、排気ノズル１０６の気体排出孔１０７から気体通流孔１０８および排気管１０９を介して排気することにより、処理空間Ｓ′に加熱プレート５１′の一端側から他端側に向かう一方向の気流を形成する。

このような一方向の気流が形成された状態で、発熱体５３′に給電することにより、加熱プレート５１′上のウエハＷを加熱処理する。このように加熱プレート５１′の上面に一方向の気流を形成するので、第１の実施形態の天板６３と異なり、天板６３′の中央部には排気口が設けられておらず、滞留した気体から塵や埃がウエハ上面に落下するといったことがない。また、天板６３′に排気構造が設けられる必要がないため装置自体の上下方向の寸法を小さくすることができる。

このように一方向気流が形成された場合には、高温のウエハ上を通過することによって加熱された気体が排気ノズル１０６から排出されるため、加熱プレート５１′が発熱体５３′により均一に加熱されていたとしても、天板が従来のような単なる金属板の場合には、このような気流の影響でウエハＷの排気ノズル１０６近傍部分の温度が他の部分の温度よりも高くなる傾向にある。

このため、本実施形態では、天板６３′を上述のように排気ノズル１０６近傍の第１の領域７１′とその他の第２の領域７２′とし、第１の領域７１′の温度を、第２の領域７２′よりも所定温度低くなるように温度制御機構８０により制御する。したがって、第１の実施形態と同様、天板６３′の第１の領域７１′の温度を第２の領域７２′の温度よりも低くすることによって、第１の領域７１′の熱吸収を大きくすることができ、結果的にウエハＷの排気ノズル１０６近傍の熱放出を大きくしてその部分の温度を低下させることができ、ウエハＷの面内温度均一性を高くすることができる。しかも、温度制御機構８０によりその温度の低下の度合いを制御することができるので、ウエハＷの面内温度均一性は極めて高いものとなる。

また、天板６３′が、第１の領域７１′および第２の領域７２′をそれぞれ含む第１のヒートパイプ７３′および第２のヒートパイプ７４′を有するので、ヒートパイプの温度均一化作用により各領域内で温度を均一にすることができるとともに、大量の熱を容易に輸送する作用により温度制御機構８０により第１のヒートパイプ７３′を温度制御する際に速やかに所定の温度にすることができる。したがって、この点からもウエハＷの面内温度均一性を極めて高くすることができる。

本実施形態においても第１の実施形態と同様、第１の領域７１′の温度を低くすることに加えて第１の領域７１′の熱吸収自体を第２の領域７２′よりも高くすることも有効であり、そのために、第１の領域７１′と第２の領域７２′とで色彩を変化させることができ、最も効果的には、第１の領域７１′を黒体とし、第２の領域７２′をミラーとすることである。

このようにしてウエハＷの加熱処理終了した後、囲繞部材６２′および天板６３′を上方に移動させ、ウエハＷを昇降ピン５６により持ち上げ、その状態でウエハ搬送装置４６をウエハＷの下方に挿入してウエハ搬送装置４６がウエハＷを受け取り、加熱処理ユニット（ＨＰ）からウエハを搬出して次工程のユニットに搬送する。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の思想の範囲内で種々変形が可能である。例えば上記実施の形態では、天板の加熱プレートの対向する面を第１の領域および第２の領域としたが、３つ以上の領域としてもよいことはもちろんである。また、天板の第１の領域の温度を制御するようにしたが、第２の領域の温度を制御してもよいし、両方の温度を制御するようにしてもよい。さらに、天板をヒートパイプで構成したが、これに限るものではない。また、加熱処理装置の構造としても上記実施形態において例示した加熱処理ユニットに限るものではなく種々の形態が可能である。さらに、レジスト塗布・現像処理システムの加熱処理について示したが、それ以外に用いられる加熱処理に適用することも可能である。さらにまた、上記実施形態ではウエハをプロキシミティピン上に載置して間接的に加熱を行った場合について示したが、ウエハを加熱プレート上に直接載置して加熱してもよい。さらにまた、上記実施形態では基板として半導体ウエハを用いた場合について説明したが、半導体ウエハ以外の他の被処理基板、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）用ガラス基板の加熱処理を行う場合についても適用可能である。

本発明の加熱処理装置の一実施形態である加熱処理ユニットを備えた半導体ウエハのレジスト塗布・現像処理システムの全体構成を示す平面図。 本発明の加熱処理装置の一実施形態である加熱処理ユニットを備えた半導体ウエハのレジスト塗布・現像処理システムの全体構成を示す正面図。 本発明の加熱処理装置の一実施形態である加熱処理ユニットを備えた半導体ウエハのレジスト塗布・現像処理システムの全体構成を示す背面図。 本発明の第１の実施形態に係る加熱処理ユニットを模式的に示す断面図。 図４の加熱処理ユニットの天板および囲繞部材を一部切り欠いて示す斜視図。 図４の加熱処理ユニットの天板に形成された第１および第２のヒートパイプを示す断面図。 図４の加熱処理ユニットの制御系を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態に係る加熱処理ユニットの変形例の要部を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る加熱処理ユニットの他の変形例を模式的に示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る加熱処理ユニットを模式的に示す断面図。 図１０の加熱処理ユニットの内部および気流を模式的に示す水平断面図。

符号の説明

５１，５１′；加熱プレート
５２，５２′；プロキシミティピン
５６；昇降ピン
５３，５３′；発熱体
６２，６２′；囲繞部材
６３，６３′；天板
７１，７１′；第１の領域
７２，７２′；第２の領域
７３，７３′；第１のヒートパイプ
７４，７４′；第２のヒートパイプ
７５，７５′；断熱部材
８０；温度制御機構
Ｓ，Ｓ′；処理空間
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (7)

1. 基板を所定温度に加熱処理する加熱処理装置であって、
   その表面に基板を近接または載置して加熱処理する加熱プレートと、
   前記加熱プレートの基板配置面に対向して設けられ、前記加熱プレートと面する部分が少なくとも第１の領域と第２の領域を備えた天板と、
   前記第１の領域および第２の領域の少なくとも一方の温度を制御する温度制御機構と、
   前記加熱プレートと前記天板との間の空間を囲繞する囲繞部材と、
   前記加熱プレートの一方側に設けられ、前記空間に気体を導入するための気体供給ノズルと、
   前記加熱プレートの他端側に設けられ、前記空間から気体を排出するための排気ノズルと、
   を備え、
   前記第１の領域は黒体であり、前記第２の領域はミラーであり、
   前記気体供給ノズルにより、気体を前記加熱プレートの一方側から他方側に向けて供給するとともに、前記排気ノズルにより前記気体を排気して、一方向の気流を形成するようにし、
   前記第１の領域は、前記排気ノズル側に設けられ、前記温度制御機構は、前記加熱プレートの加熱温度の設定値または前記加熱プレートの加熱によって生じる温度分布に応じて、前記天板の第１の領域の温度が前記第２の領域よりも低くなるように、かつ前記第１の領域の熱吸収率が第２の領域の熱吸収率よりも大きくなるように制御することを特徴とする加熱処理装置。
2. 前記第１の領域は第１のヒートパイプで構成され、前記第２の領域は、第２のヒートパイプで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱処理装置。
3. 前記温度制御機構は、前記第１のヒートパイプから熱を放出させるための放熱機構と、前記第１のヒートパイプに熱を注入するための加熱機構と、前記加熱機構および／または放熱機構を制御するコントローラとを有することを特徴とする請求項２に記載の加熱処理装置。
4. 前記第１のヒートパイプと第２のヒートパイプとは隣接して設けられ、これらの間は断熱されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の加熱処理装置。
5. 前記加熱プレートは、矩形状であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
6. 前記気体供給ノズルは、前記加熱プレートの幅方向に複数のガス吐出孔を有していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
7. 前記排気ノズルは、前記加熱プレートの幅方向に複数の気体排出孔を有していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の加熱処理装置。
   

Images