JP4393332B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体ウェハや液晶表示パネル用ガラス基板あるいは半導体製造装置用マスク基板等の基板を熱処理プレートにより加熱して処理する熱処理装置に関する。

このような熱処理装置は、例えば半導体製造工程において、基板上に形成されたフォトレジスト膜の露光処理前の加熱処理（プリべーク処理）や露光後の加熱処理（ポストエクスポージャベーク処理）、あるいは、現像後の加熱処理（ポストベーク処理）等に用いられる。このような熱処理装置として、例えば特許文献１に記載される装置が知られている。

特許文献１に記載の装置は、ヒートパイプ構造の熱処理プレートと、熱処理プレートを加熱するヒータとを備える。そして、この装置は、このような構成を採用していることから、熱容量を極めて小さくしつつ、温度分布の面内均一性を高めることができる。
特開２００２−２８９５０４号

しかしながら、特許文献１に記載の装置によれば、基板自体に撓みや反りが生じている場合に、熱処理プレートの表面と基板との間の距離を均一にすることができず、基板自体の温度分布の面内均一性を高めることができないという問題が生じる。実際に、熱処理装置により熱処理される基板の多くは、わずかな撓みまたは反りが生じている。このため、基板と載置台との間の距離が基板面内においてわずかに相違していることが通常である。

この発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、熱処理される基板面内において温度分布の均一性を担保することができる熱処理装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、その表面に熱を伝達可能な中空部と、作動液を貯留する前記中空部と連通した作動液貯留部と、前記作動液を加熱して蒸発させる加熱手段とを有し、その表面に基板を近接または載置して熱処理する熱処理プレートと、前記熱処理プレートの表面に対応する領域を複数の領域に分割した場合に、当該各領域を独立して冷却することができる複数の冷却手段と、を備え、前記作動液貯留部は、同心円上に複数配設され、前記冷却手段は、前記熱処理プレートの表面に対応する領域を複数の領域に分割した場合の各領域に対応するとともに、前記作動液貯留部と干渉しない位置に配設されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱処理装置において、前記各冷却手段は、冷却流体の流路と、前記流路に気体を供給する気体供給手段と、を備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の熱処理装置において、前記各冷却手段は、前記流路に冷却水を供給する冷却水供給手段を備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、熱処理後の基板における前記各冷却手段に対応する領域を測定手段により測定し、これにより得られた測定値に基づいて前記各冷却手段を制御する制御手段と、を備える。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、前記各冷却手段は、前記熱処理プレートの裏面に配置され、前記熱処理プレートにおける中空部を介して前記熱処理プレートの表面を冷却する。

請求項１に記載の発明によれば、熱処理プレートの表面に対応する領域を複数の領域に分割した場合に、当該各領域を独立して冷却することができる複数の冷却手段を備えることから、作動液の作用により熱処理プレート全域の温度分布を一定とした上で、各領域を適切な温度に制御することができる。このため、熱処理される基板面内において温度分布の均一性を担保することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、各冷却手段は、冷却流体の流路と、流路に気体を供給する気体供給手段を備えることから、各領域を適切な温度に制御するために微小な温度調整を行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、流路に冷却水を供給する冷却水供給手段とを備えることから、熱処理プレートを迅速に降温させることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、熱処理プレートにおける各冷却手段に対応する領域を測定手段により測定し、これにより得られた測定値に基づいて各冷却手段を制御する制御手段とを備えることから、基板を適正に処理することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、各冷却手段は、熱処理プレートの裏面に配置され、熱処理プレートにおける中空部を介して熱処理プレートの表面を冷却することから、熱処理プレートの表面の温度分布の調整を容易に行うことが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る熱処理装置の側面概要図であり、図２はその平面図である。

この熱処理装置は、ヒートパイプ構造を採用することにより、熱容量を小さくしつつ温度分布の面内均一性を高めたものである。この熱処理装置は、その表面に基板Ｗを近接または載置して加熱処理する熱処理プレート１１と、熱処理プレート１１の裏面に配置される５個の冷却手段３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅと、熱処理プレート１１の温度を測定するための温度センサ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅとを備える。この熱処理プレート１１においては、冷却手段３０を備えることから、過剰に上昇した熱処理プレート１１の自然な放熱による降温を待つことなく、強制的な降温が可能となる。このため、熱処理プレート１１を迅速に降温させることが可能となる。

この熱処理プレート１１は、例えば、アルミニウム等の伝熱性が良好な金属材料によって形成され、その表面に熱を伝達可能な中空部１０と、作動液１６を貯留する中空部１０と連通した作動液貯留部１３と、作動液１６を過熱して蒸発させる加熱手段としてのヒータ１７とを有する。なお、この熱処理プレート１１の表面には、アルミナ、マテアタイト等の低伝熱部材から構成された３個の球体２０が配設されている。この球体２０の上端は、熱処理プレート１１の上面より微少量だけ突出する状態で配設されており、基板Ｗと熱処理プレート１１の表面との間にいわゆるプロキシミティギャップと称される微小間隔を保った状態で、基板Ｗを熱処理プレート１１の球体２０上に載置、支持して、この基板Ｗを加熱するように構成されている。

なお、基板Ｗを熱処理プレート１１の表面と直接接触する状態で熱処理プレート１１上に載置してもよい。

熱処理プレート１１の中空部１０は、ヒートパイプ構造のため減圧されている。したがって、熱処理プレート１１の内部には、その強度を補強するため複数のリム１２が形成されている。

熱処理プレート１１を構成する作動液貯留部１３は、熱処理プレート１１の中空部１０の下方に同心円上に４個配設されている。この作動液貯留部１３には、水等の作動液１６が貯留されている。熱処理プレート１１を構成するヒータ１７は、作動液貯留部１３内部に配置され、作動液１６を加熱する。

この熱処理装置においては、ヒータ１７の駆動により作動液１６を加熱することにより、作動液１６の蒸気が熱処理プレート１１の中空部１０を移動し、熱処理プレート１１との間で蒸発潜熱の授受を行うことにより、熱処理プレート１１を加熱する構成となっている。熱処理プレート１１との間で蒸発潜熱の授受を実行した作動液１６の蒸気は、再度、作動液１６となって、作動液貯留部１３に回収される。

このような熱処理装置において、複数の領域に分割して熱処理プレート１１の表面の温度分布の微小な温度調整を行うためには、熱処理プレート１１の表面に対応する分割された複数の領域を各領域を独立して冷却する必要がある。このため、この熱処理装置においては、冷却手段３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅを備え、熱処理プレート１１の裏面における、作動液貯留部１３と干渉しない分割された５個の領域を、それぞれ独立して冷却することを可能としている。具体的には、この熱処理装置は、当該５個に分割された領域それぞれに冷却手段３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅを構成する冷却プレート２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅが配設されている。そして、温度センサ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、熱処理プレート１１の表面における冷却プレート２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅに対応する各領域の中央部の温度を測定するように配置されている。

図３は、冷却プレート２１ａの平面図である。以下、この冷却プレート２１ａの構成について説明する。なお、冷却プレート２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅは冷却プレート２１ａと同様の構成を有するため、その制御動作等について説明を省略する。

この冷却プレート２１ａは、熱伝導率が高い二枚の金属板を張り合わせた構成を有し、その張り合わせ面には冷却流体の流路２４ａが形成されている。この冷却流体の流路２４ａの一端は流入口２２ａと接続されており、他端は流出口２３ａと接続されている。また、流入口２２ａから流出口２３ａに至る流路２４ａは、その流路長を長くするために蛇行状に形成されている。

図１に示すように、流入口２２ａに取り付けられた供給配管２５ａは、冷却水の供給部３２と開閉弁３４ａを介して接続されている。また、この供給配管２５ａは、冷却用の気体である圧縮空気の供給部３１とも、開閉弁３３ａを介して接続される。一方、流出口２３に取り付けられた排出配管２６ａは、大気開放されたドレイン３５と接続される。

なお、冷却水としては、単なる水を使用してもよく、また、その他の冷却媒体を使用してもよい。

このように構成された冷却プレート２１ａにおいては、基板のロットが変更される等基板の処理温度の変更があった場合には、熱処理プレート１１において冷却プレート２１ａと対応する領域の温度をより低い温度に設定するため、冷却流体の流路２４ａ中に冷却水の供給部３２から供給された冷却水を流通させることにより、熱処理プレート１１において冷却プレート２１ａに対応する領域を降温させる。熱処理プレート１１の降温に供された冷却水は、大気開放されたドレイン３５に排出される。

このとき、この降温動作後に冷却流体の流路２４ａに冷却水が残存していた場合には、冷却流体の流路２４ａ内に残存した冷却水が後続する基板Ｗの加熱処理時にその沸点以上の温度まで昇温されて沸騰し、熱処理プレート１１の温度が不均一になったり、熱処理プレート１１が振動したりすることにより、基板Ｗの処理結果に悪影響を及ぼす。このため、この熱処理装置において、冷却流体の流路２４ａに冷却水を供給して熱処理プレート１１において冷却プレート２１ａに対応する領域の温度を降温させた後、この流路２４ａに圧縮空気の供給部３１から供給された圧縮空気を供給する構成となっている。

次に、この発明に係る熱処理装置の主要な電気的構成について説明する。図４は、この発明に係る熱処理装置の主要な電気的構成を示すブロック図である。

この熱処理装置は、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭ４１と、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ４２と、論理演算を実行するＣＰＵ４３からなる制御部４０を備える。制御部４０は、インターフェース４４を介して、上述した温度センサ１４ａ乃至１４ｅ、開閉弁３３ａ乃至３３ｅ、開閉弁３４ａ乃至３４ｅ、と接続されている。また、制御部４０は、上述したヒータ１７を駆動するためのヒータ駆動部４５、および、加熱後の基板Ｗを測定する測定手段としての検査装置７０と接続されている。

以上のような構成を有する熱処理装置において、熱処理プレート１１の設定温度を全体的に上げる場合には、ヒータ１７の駆動により作動液１６と熱処理プレート１１自体との間の蒸発潜熱の授受により熱処理プレート１１の昇温動作が行われる。一方、処理温度が変更される等熱処理プレート１１の設定温度を全体的に下げる場合には、冷却流体の流路２４ａ乃至２４ｅに冷却水を供給することにより熱処理プレート１１の降温動作が行われる。このように、冷却水を供給して熱処理プレート１１の降温動作を実行することにより、熱処理プレート１１を自然放熱により降温する場合と比べて、熱処理プレート１１を短時間で降温させることが可能となる。

次に、以上のような構成を有する熱処理装置において、熱処理プレート１１の各領域毎に異なる設定温度Ｘａ乃至Ｘｅに降温させる場合の熱処理プレート１１の各領域毎の降温動作について説明する。

図５は、この発明に係る熱処理プレート１１の降温動作を示すフローチャートである。

ここで、熱処理プレート１１が、あるロットの基板Ｗを熱処理するために設定された設定温度となっており、そのロットの基板Ｗが全体的に同様の撓みや反りの傾向を有する場合に、熱処理プレート１１の表面における所定領域毎に、例えば、冷却プレート２１ａ乃至２１ｅに対応する領域毎に異なる温度に降温させたい場合がある。このときに、熱処理プレート１１において各領域毎に設定温度Ｘａ乃至Ｘｅに変更する場合においては、次のような制御動作により、冷却プレート２１ａ乃至２１ｅを使用して熱処理プレート１１の表面における各領域毎に温度を降温させる。

この各領域毎に温度を降温させる場合には、先ず、各領域毎に設定温度Ｘａ乃至Ｘｅに向けて微小の温度調整を行う。この各領域毎の微小の温度調整は、各温度センサ１４ａ乃至１４ｅによる検出値を制御部４０において監視し、制御部４０の制御で開閉弁３３ａ乃至開閉弁３３ｅを開放することにより、圧縮空気の供給部３１から冷却プレート２１ａ乃至２１ｅにおける冷却流体の各流路２４ａ乃至２４ｅ内に圧縮空気を供給する（ステップＳ１１）。

そして、各領域毎にその設定温度Ｘａ乃至ＸｅよりＹだけ高い温度まで降温すれば（ステップＳ１２）、制御部４０の制御でそれぞれに開閉弁３３ａ乃至３３ｅを閉止することにより、圧縮空気の供給を停止する（ステップＳ１３）。これにより、熱処理プレート１１は、その放熱のみにより冷却されることになる。

そして、熱処理プレート１１の表面における各領域毎の温度が設定温度Ｘａ乃至Ｘｅとなれば（ステップＳ１４）、降温処理動作を終了する。

以上のような構成を有する熱処理装置においては、冷却水によっていずれの領域の目標温度Ｘよりも高い目標温度Ｚまで大まかに降温させた後、圧縮空気によって各領域の設定温度Ｘａ乃至Ｘｅまで微小な温度調整を行うことから、大幅に降温し過ぎることを防止することが可能となる。

また、以上のような構成を有する熱処理装置においては、最初に冷却水を利用して急速に降温させた後、圧縮空気を利用して低速で降温させることから、熱処理プレート１１の表面における所定領域の降温動作時にオーバシュートを生ずることなく、速やかに設定温度Ｘａ乃至Ｘｅに整定する。

次に、熱処理プレート１１の表面における各領域の設定温度Ｘａ乃至Ｘｅを決定する工程について説明する。

図６は、熱処理プレート１１の表面における領域毎の設定温度Ｘａ乃至Ｘｅを決定する工程を示すフローチャートである。

熱処プレート１１の表面における各領域毎の設定温度Ｘａ乃至Ｘｅは、例えば、ロット毎に変更される。これは、１ロットに所属する基板Ｗは、同じロットに所属する他の基板Ｗと同様の撓みや反りの傾向を有するためである。

そこで、ロットの始めの基板Ｗｆを熱処理プレート１１に載置して、加熱する（ステップＳ２１）。そして、加熱された基板Ｗｆにおける加熱処理時の冷却プレート２１ａ乃至２１ｅと対応する領域Ｗｆａ乃至Ｗｆｅの状態を検査する（ステップＳ２２）。この検査は、例えば、走査型電子顕微鏡等の検査装置７０（図４参照）により、基板Ｗｆにおける各領域Ｗｆａ乃至Ｗｆｅ上に形成されたパターンのＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）値と目標値との間の相違値θａ乃至θｅを認識することにより行われる。そして、予め設定された、相違値θａ乃至θｅと設定温度Ｘａ乃至Ｘｅとの関係に基づいて熱処理プレート１１の表面における各領域の設定温度Ｘａ乃至Ｘｅが演算される（ステップＳ２３）。このようにして演算された設定温度Ｘａ乃至Ｘｅから、上述の冷却プレート２１による熱処理プレート１１の表面における各領域毎の降温動作が開始される。

以上のような構成を有する熱処理装置においては、熱処理プレート１１の表面において複数の分割された領域毎に設定温度Ｘａ乃至Ｘｅを変更することができる。このため、撓みや反りを有し、熱処理プレート１１との距離がその面内において不均一である基板Ｗに対しても、均一に加熱することが可能となる。

また、このような構成を有する熱処理装置においては、ヒートパイプ構造により熱処理プレート１１の表面全域の温度を均一としておいて、その一部の領域を降温させることができる。このように、熱処理プレート１１の表面において分割された領域の各々を個別に制御することにより、熱処理プレート１１の表面の温度分布の調整を容易に行うことが可能となる。このとき、個々の領域に対して個々の独立した加熱手段や冷却手段を備える場合と比較して、熱処理プレート１１の表面の温度分布の調整はより容易に行うことができる。

このとき、先に冷却流体の流路２４ａ内に供給されこの流路２４ａ内に残存する冷却水は、後で冷却流体の流路２４内に供給される圧縮空気によりこの流路２４内から排出される。このため、冷却流体の流路２４ａ内に残存した冷却水が基板Ｗの加熱処理時にその沸点以上の温度まで昇温されて沸騰するという現象の発生を有効に防止することができる。

なお、この実施形態に係る熱処理装置においては、冷却流体の流路２４ａ乃至２４ｅは、大気開放されたドレイン３５と接続されている。このため、装置の誤動作等により冷却流体の流路２４ａ乃至２４ｅ内において冷却水が沸騰した場合においても、沸騰時の圧力を大気開放されたドレイン３５から排出させることができる。このため、冷却流体の流路２４ａ乃至２４ｅの圧力が急上昇して爆発等が生ずるという危険を未然に回避することが可能となる。

なお、上述した実施形態に係る熱処理装置においては、冷却水を利用して熱処理プレート１１の表面における所定領域の温度を高速に降温させた後、圧縮空気を利用して当該所定領域を低速で降温させる構成を採用しているが、圧縮空気は冷却流体の流路２４内に残存した冷却水を排出する目的のみに使用してもよい。

また、上述した実施形態に係る熱処理装置においては、冷却水の供給部３２と冷却プレート２１ａ乃至２１ｅとの間に各々開閉弁３４ａ乃至３４ｅを設け、制御部４０の制御でこの開閉弁３４ａ乃至３４ｅを開閉することにより、冷却プレート２１ａ乃至２１ｅにおける冷却流体の流路２４ａ乃至２４ｅに冷却水を供給するか否かを決定し、これにより熱処理プレート１１の表面における所定領域の降温動作を制御しているが、冷却プレート２１ａ乃至２１ｅにおける冷却流体の流路２４ａ乃至２４ｅに供給する冷却水の流量を調整することにより、熱処理プレート１１の表面における所定領域の降温動作を制御するようにしてもよい。

また、上述した実施形態に係る熱処理装置において、圧縮空気の供給部３１と冷却プレート２１ａ乃至２１ｅとの間、または、圧縮空気の供給部３１に空気の冷却手段を設けてもよい。

また、上述した実施形態に係る熱処理装置においては、冷却プレート２１ａ乃至２１ｅと、圧縮空気の供給部３１と、冷却水の供給部３２とを備える冷却手段３０ａ乃至３０ｅを採用しているが、分割した領域毎に独立して冷却することができるものであれば、その他の冷却方法による冷却手段を採用してもよい。

また、上述した実施形態に係る熱処理装置においては、設定温度Ｘを決定する工程において、ロットの始めの基板Ｗｆを検査して、その結果を設定温度Ｘに反映させているが、他の基板Ｗを検査した結果を設定温度Ｘに反映させてもよい。

また、上述した実施形態に係る熱処理装置においては、加熱処理後の基板Ｗを検査して、その結果を設定温度Ｘに反映させているが、加熱処理中に基板Ｗの分割された領域毎の温度を測定して、その結果を設定温度Ｘに反映させてもよい。

また、上述した実施形態に係る熱処理装置においては、冷却水と圧縮空気とをそれぞれの領域毎に供給するための単一流路を備えているが、冷却水の流路と圧縮空気の流路とを別個に備えてもよい。また、冷却水の流路と圧縮空気の流路とを別個に備える場合には、冷却水の流路が熱処理プレート１１の表面全域に対応する一の流路により構成されてもよい。この場合には、冷却水のための開閉弁を単一にすることが可能となる。

さらに、上述した実施形態に係る熱処理装置においては、分割された５個の領域をそれぞれ独立して冷却可能な冷却手段３０ａ乃至３０ｅを備えるが、５個以外の複数の領域をそれぞれ独立して冷却可能な冷却手段を備えてもよい。

この発明に係る熱処理装置の側面概要図である。 この発明に係る熱処理装置の平面図である。 冷却プレート２１ａの平面図である。 この発明に係る熱処理装置の主要な電気的構成を示すブロック図である。 この発明に係る熱処理プレート１１の降温動作を示すフローチャートである。 熱処理プレート１１の表面における各領域毎の設定温度Ｘａ乃至Ｘｅを決定する工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 熱処理プレート
１２ リム
１３ 作動液貯留部
１４ 温度センサ
１６ 作動液
１７ ヒータ
２０ 球体
２１ 冷却プレート
２２ 流入口
２３ 流出口
２４ 流路
２５ 供給配管
２６ 排出配管
３１ 圧縮空気の供給部
３２ 冷却水の供給部
３３ 開閉弁
３４ 開閉弁
３５ ドレイン
４０ 制御部
４１ ＲＯＭ
４２ ＲＡＭ
４３ ＣＰＵ
４４ インターフェース
４５ ヒータ駆動部
７０ 検査装置

Claims (5)

1. その表面に熱を伝達可能な中空部と、作動液を貯留する前記中空部と連通した作動液貯留部と、前記作動液を加熱して蒸発させる加熱手段とを有し、その表面に基板を近接または載置して熱処理する熱処理プレートと、
   前記熱処理プレートの表面に対応する領域を複数の領域に分割した場合に、当該各領域を独立して冷却することができる複数の冷却手段と、
   を備え、
   前記作動液貯留部は、同心円上に複数配設され、
   前記冷却手段は、前記熱処理プレートの表面に対応する領域を複数の領域に分割した場合の各領域に対応するとともに、前記作動液貯留部と干渉しない位置に配設されることを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１に記載の熱処理装置において、
   前記各冷却手段は、
   冷却流体の流路と、
   前記流路に気体を供給する気体供給手段と、
   を備える熱処理装置。
3. 請求項２に記載の熱処理装置において、
   前記各冷却手段は、
   前記流路に冷却水を供給する冷却供給手段を備える熱処理装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
   熱処理後の基板における前記各冷却手段に対応する領域を測定手段により測定し、これにより得られた測定値に基づいて前記各冷却手段を制御する制御手段と、
   を備える熱処理装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記各冷却手段は、前記熱処理プレートの裏面に配置され、前記熱処理プレートにおける中空部を介して前記熱処理プレートの表面を冷却する熱処理装置。
   

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