JP5028899B2

JP5028899B2 - 基板冷却装置

Info

Publication number: JP5028899B2
Application number: JP2006204684A
Authority: JP
Inventors: 浩一原田; 三博田中
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: JP2008034520A

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板のリソグラフィー工程等で用いられる基板冷却装置に関するものである。

従来、半導体ウエハ等の基板のリソグラフィー工程において、フォトレジスト液塗布や現像工程の前後において高温に加熱処理された基板を常温付近の目標温度に冷却制御するための基板冷却装置があり、例えば、基板を直接もしくは僅かの間隙を有した載置状態で支持する基板載置プレートと、基板載置プレートの下面側に接触状態で配置されると共に適宜間隔を有して分散配置された複数の熱電モジュールと、各熱電モジュールの下面側に接触状態で配置された冷却部とを備えた構造とされていた（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、半導体ウエハ等の基板は円形状に構成されているのに対し、一般的に用いられる標準的な熱電モジュールは矩形状に構成されており、分散配置された各熱電モジュール間には大小様々な隙間が生じていた。従って、基板載置プレートの各熱電モジュールの真上に位置する部分は冷え易く、各熱電モジュール間の熱電モジュールの接触位置から離れた部分は冷え難いため、半導体ウエハ等の基板の冷却に際して、基板載置プレート上面における各部分相互間に温度ムラが発生し、この温度ムラによって冷却制御時における半導体ウエハ等の基板においても温度ムラが発生していた。

また、基板載置プレートの温度の制御性を向上するために、プレート厚さを薄くすれば、上記のような温度ムラがより大きくなる欠点もあった。

そこで、このような温度ムラを低減すべく、基板載置プレートの下面に対する接触領域が、載置状態とされる半導体ウエハ等の基板の略全域にわたるように、各熱電モジュールにおける各電極を構成し、各熱電モジュール間に隙間があまり生じないように配置する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平６−２８３４９３号公報特開２００１−１１１１２１号公報

しかしながら、前記特許文献２に開示のような熱電モジュールを用いる構造によれば、半導体ウエハ等の冷却対象となる基板の形状に応じてそれぞれ専用の大型熱電モジュールを製作する必要があり、コスト高を招くという問題があった。

そこで、本発明の解決しようとする課題は、標準的な熱電モジュールを用いた場合であっても、基板載置プレートの上面における温度ムラを有効に低減できる基板冷却装置を提供することにある。

前記課題を解決するための技術的手段は、基板を載置状態で支持する基板載置プレートと、該基板載置プレートの下面側に接触状態で配置された複数の熱電モジュールと、各熱電モジュールの下面側に接触状態で配置された冷却部とを備えた基板冷却装置において、前記基板載置プレートが、炭素と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金との複合材からなる複合材プレート層を有してなる点にある。

また、前記基板載置プレート全体が前記複合材プレート層からなる構造としてもよい。

さらに、前記基板載置プレートが、前記複合材プレート層と、該複合材プレート層の外表面を被覆するアルミニウムのアルミ被覆層とからなる構造としてもよい。

また、前記基板載置プレートが、上部のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレート層と、下部の前記複合材プレート層との二層構造とされている構造としてもよい。

さらに、前記複合材プレート層の前記炭素が繊維状炭素構造体からなり、この繊維状炭素構造体の長手方向が複合材プレート層の厚み方向に配置される配合量よりも平面方向に配置される配合量の方がより多く配合されて、複合材プレート層の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くした構造としてもよい。

本発明の基板冷却装置によれば、基板載置プレートが、炭素と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金との複合材からなる複合材プレート層を有してなる構造とされており、この複合材プレート層は、従来の一般的に用いられている材料であるアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレートと比較して熱伝導率が非常に高いため、複合材プレート層においては厚み方向だけでなく平面方向への熱伝導性も良好に得られ、ここに、標準的な熱電モジュールを用いた場合であっても、基板載置プレートの上面における温度ムラを有効に低減できる利点がある。従って、冷却対象である基板の温度ムラ発生を有効に低減できる。

また、基板載置プレート全体が複合材プレート層からなる構造とすれば、基板載置プレート全体にわたって熱伝導性が良好に得られるため、基板載置プレートの上面における温度ムラをより有効に低減できる利点がある。そして、温度ムラを少なくできるため、基板載置プレートの厚みを薄くして温度調整における制御性の向上を図ることも可能となる。

さらに、基板載置プレートが、複合材プレート層と、該複合材プレート層の外表面を被覆するアルミニウムもしくはアルミニウム合金のアルミ被覆層とからなる構造とすれば、複合材プレート層が外部に露出せず、従来のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレートと同じように表面処理を行うことができ、使い勝手に優れる利点がある。

また、基板載置プレートが、上部のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレート層と、下部の複合材プレート層との二層構造とされている構造とすれば、基板載置プレート全体としての強度が有効に確保できると共に、全体を複合材プレート層で構成する場合と比較して、複合材プレート層の厚みを半減でき、コスト低減が図れるという利点もある。

さらに、複合材プレート層の炭素が繊維状炭素構造体からなり、この繊維状炭素構造体の長手方向が複合材プレート層の厚み方向に配置される配合量よりも平面方向に配置される配合量の方がより多く配合されて、複合材プレート層の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くした構造とすれば、配合される繊維状炭素構造体を温度ムラ低減に効率よく利用できる利点がある。

以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明すると、図１および図２に示されるように、従来同様、基板冷却装置１は、基板としての半導体ウエハ２を載置状態で支持する基板載置プレート３と、該基板載置プレート３の下面側に接触状態で分散配置された複数の熱電モジュール４と、各熱電モジュール４の下面側に接触状態で配置された冷却部としての水冷式熱交換器である水冷ジャケット５とを備えた構造とされている。

前記水冷ジャケット５は、アルミニウムやアルミニウム合金等から形成された平面視円形のブロック状とされたジャケット本体５ａと、該ジャケット本体５ａ内を蛇行状に配置された冷媒送給パイプ５ｂとを備え、冷媒送給パイプ５ｂの一端部の送給口５ｃから冷媒としての冷却水を送給し、他端部の排出口５ｄから排出する構造とされている。なお、水冷ジャケット５は半導体ウエハ２よりも一回り大きな円形とされている。

そして、水冷ジャケット５のジャケット本体５ａ上面に、各熱電モジュール４が分散配置されており、例えば本実施形態では、半導体ウエハ２の載置位置に対応する中心部と周囲とに適宜間隔を有して９個の熱電モジュール４が配置されている。

また、各熱電モジュール４の上面にまたがって基板載置プレート３が配置されており、基板載置プレート３は水冷ジャケット５のジャケット本体５ａと同様、平面視円形でジャケット本体５ａと同径のブロック状に形成されている。

そして、各熱電モジュール４は図示省略の電源に接続されており、熱電モジュール４の水冷ジャケット５側の当接面は放熱面とされ、基板載置プレート３側の当接面は吸熱面として機能する構成とされている。

また、基板載置プレート３の上面には、少なくとも３箇所以上の複数の微小な支持突起６が周方向等に適宜間隔を有して備えられており、各支持突起６上に半導体ウエハ２が載置されて支持され、ここに、基板載置プレート３の上面と僅かのギャップＳ（例えば８０μｍ程度）を有して支持される構造とされている。

そして、本実施形態では、基板載置プレート３が、炭素の一例としての繊維状炭素構造体であるカーボンナノチューブとアルミニウムとの複合材からなる複合材プレート層７で全体が形成された構造とされている。

また、基板載置プレート３の所望位置には、従来同様、基板載置プレート３の温度を測定するための温度センサ（図示省略）が備えられており、この温度センサによって検出された温度に基づき、図示されない制御装置により各熱電モジュール４に与えられる電圧が制御され、基板載置プレート３の、特に上面の温度を所定の温度に制御可能に構成されている。

本実施形態は以上のように構成されており、基板載置プレート３の各支持突起６上に載置状態で支持された高温の半導体ウエハ２は、基板載置プレート３を介して下面側から各熱電モジュール４によって吸熱され、各熱電モジュール４の放熱面が水冷ジャケット５によって冷却され、ここに、制御装置による各熱電モジュール４の制御により、半導体ウエハ２の温度を所望の温度に制御することができる。

そして、本実施形態においては、基板載置プレート３の全体がカーボンナノチューブとアルミニウムとの複合材からなる複合材プレート層７で形成された構造とされており、この複合材プレート層７は、従来の一般的に用いられている材料であるアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレートと比較して熱伝導率が非常に高いため、複合材プレート層７においては厚み方向だけでなく平面方向への熱伝導性も良好に得られる。

従って、一般的に用いられる矩形状の標準的な熱電モジュール４を用いて分散配置された各熱電モジュール４間に多少の隙間があっても、基板載置プレート３における各熱電モジュール４の接触位置から離れた部分における吸熱効果も良好に発揮でき、ここに、基板載置プレート３の上面における温度ムラを有効に低減できる利点がある。従って、半導体ウエハ２冷却制御時における半導体ウエハ２の温度ムラを有効に防止できる。

特に、基板載置プレート３全体を複合材プレート層７で構成しているため、基板載置プレート３における厚み方向の一部に複合材プレート層７を有する構造と比較して、基板載置プレート３全体にわたって良好な高熱伝導性が得られ、基板載置プレート３の上面における温度ムラをより一層有効に低減できる。

従って、基板載置プレート３の上面における温度ムラを少なくできるため、基板載置プレート３の厚みをより薄く構成することが可能となり、温度制御時における応答性が向上して温度調節における制御性の向上が図れる。

なお、複合材プレート層７の複合材としては、一般に知られているこの種のアルミニウムとカーボンナノチューブとの複合材等を利用することができる。

図３は、本実施形態における複合材プレート層７からなる基板載置プレート３を使用した場合の半導体ウエハ２のシミュレーションによる温度ムラ計算結果を示し、図４は、従来のアルミニウムとマグネシウムとのアルミニウム合金からなるアルミ製基板載置プレートを使用した場合の半導体ウエハ２のシミュレーションによる温度ムラ計算結果を示している。

この場合の条件として、本実施形態の複合材製基板載置プレート３の熱伝導率は５５０Ｗ／ｍＫとされ、従来のアルミ製基板載置プレートの熱伝導率は１３０Ｗ／ｍＫとされ、それぞれ半導体ウエハ２としてのシリコンウエハサイズは直径３００ｍｍ、基板載置プレート３は直径３３０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、ウエハ加熱温度は２００℃、水冷ジャケット５による冷却温度は２３℃、ギャップＳは８０μｍとされ、３０秒後における計算結果の温度分布が表示されている。また、この計算結果は、半導体ウエハ２を１／４等分した扇状部分を、円周方向に沿って１８等分した各位置と、半径方向に１０等分した各位置とにおける交点位置の温度に基づいた温度分布をそれぞれ示している。

そして、本実施形態の複合材製基板載置プレート３においては、最大温度が２３．００℃、最小温度が２２．９２℃であり、温度差が０．０８℃であるのに対し、従来のアルミ製基板載置プレートにおいては、最大温度が２３．１９℃、最小温度が２２．９２℃であり、温度差が０．２７℃であった。ここに、温度ムラを大幅に低減できることが理解できる。

また、図５は、上記際における半導体ウエハ２冷却時における本実施形態の複合材製基板載置プレート３と従来のアルミ製基板載置プレートとの上面付近での温度比較を示している。

この図５から、複合材製基板載置プレート３の方がアルミ製基板載置プレートよりも熱伝導率が大きいため、熱電モジュール４で吸熱を開始してから、表面温度が下がるまでの時間が短くなり、より速く冷却を行うことができることが理解できる。

従って、複合材製基板載置プレート３の方が熱電モジュール４に対する応答性に優れるため、アルミ製基板載置プレートの場合に比べて複合材製基板載置プレート３の方が、温度の上昇が小さく、またアンダーシュートも小さくなり、安定した温度制御が行い易いという利点がある。

図６および図７は、前記同様、本実施形態における複合材製基板載置プレート３を使用した場合の半導体ウエハ２のシミュレーションによる温度ムラ計算結果と、従来のアルミ製基板載置プレートを使用した場合の半導体ウエハ２のシミュレーションによる温度ムラ計算結果をそれぞれ示しており、特にプレート厚をより薄く設定した場合である。

即ち、この場合の条件として、本実施形態の複合材製基板載置プレート３の熱伝導率は５５０Ｗ／ｍＫとされ、従来のアルミ製基板載置プレートの熱伝導率は１３０Ｗ／ｍＫとされ、それぞれ半導体ウエハ２としてのシリコンウエハサイズは直径３００ｍｍ、基板載置プレート３は直径３３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、ウエハ加熱温度は２００℃、水冷ジャケット５による冷却温度は２３℃、ギャップＳは８０μｍとされ、３０秒後における計算結果の温度分布が表示されている。

そして、プレート厚を１／２にした場合、本実施形態の複合材製基板載置プレート３においては、最大温度が２３．０６℃、最小温度が２２．９６℃であり、温度差が０．１０℃にとどまるが、従来のアルミ製基板載置プレートにおいては、最大温度が２３．１６℃、最小温度が２２．７１℃であり、温度差が０．４５℃まで増大している。

従って、温度調整の制御性を向上させるために、基板載置プレート３の厚みを薄くすれば、冷却時の温度ムラは大きくなるが、本実施形態の複合材製基板載置プレート３によれば、アルミ製基板載置プレートの場合と比べて温度ムラの増大を抑えることができる利点があり、温度調整の制御性向上に有効に寄与できる。

また、本実施形態の複合材プレート層７からなる基板載置プレート３にあっては、材料に含まれるカーボンナノチューブの長手方向を所望の方向に沿った配置に配合することにより、熱伝導率に方向性を持たせることができる。

一方、基板冷却装置１において、基板載置プレート３の熱伝導率向上による半導体ウエハ２の冷却時の温度ムラ低減効果は、厚み方向の熱伝導率よりも平面方向の熱伝導率を高める方が大きい。

そして、カーボンナノチューブの長手方向が、複合材プレート層７の厚み方向（図１における上下方向）に配置される配合量よりも平面方向（図１における左右方向）に配置される配合量の方をより多く配合することによって、複合材プレート層７の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くすることができる。

このようなカーボンナノチューブを含んだ複合材において、各方向均等に熱伝導率を向上させるためには、材料に含まれるカーボンナノチューブの長手方向が各方向に均等となるように製造上工夫する必要があり、平面方向にのみ熱伝導率を高める場合に比べてはるかに困難である。また、熱伝導率向上の大きさも各方向に分散される。

図８は、複合材プレート層７における平面方向の熱伝導率が５５０Ｗ／ｍＫ、厚み方向の熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫである基板載置プレート３を使用した場合の半導体ウエハ２のシミュレーションによる温度ムラ計算結果を示している。

そして、その他の条件は、半導体ウエハ２としてのシリコンウエハサイズは直径３００ｍｍ、基板載置プレート３は直径３３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、ウエハ加熱温度は２００℃、水冷ジャケット５による冷却温度は２３℃、ギャップＳは８０μｍとされ、３０秒後における計算結果の温度分布が表示されている。

そして、この場合の基板載置プレート３においては、最大温度が２３．０３℃、最小温度が２２．９２℃であり、温度差が０．１１℃である。従って、図７に示されるような熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫの従来のアルミ製基板載置プレートの場合、温度ムラが０．４５であるのに対して、この場合では、温度ムラが０．１１℃に改善している。また、図６に示されるような各方向均等な５５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率に高めた複合材製基板載置プレート３の場合の温度ムラが０．１０であるから、平面方向の熱伝導率を上げるだけで十分な温度ムラの低減効果が発揮できることが理解できる。

従って、基板冷却装置１においては、複合材の特性を活かし、厚み方向より平面方向の熱伝導率を優先的に高めるほうが、製造し易く、しかも温度ムラ低減効果を十分に上げることができ、配合されるカーボンナノチューブを温度ムラ低減に効率よく利用できる利点がある。

図９は第２の実施形態としての基板載置プレート３を示しており、前記第１の実施形態と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。

即ち、本実施形態においては、基板載置プレート３における複合材プレート層７の外表面を、適宜厚さを有するアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミ被覆層１０で被覆した構造とされている。そして、その他の構造は第１の実施形態と同様に構成されている。

従って、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様、複合材プレート層７によって温度ムラを有効に低減できると共に、複合材プレート層７の外表面が、従来のこの種の基板冷却装置１における基板載置プレートとして一般に用いられている材料のアルミ被覆層１０からなるため、従来の基板載置プレートと同じように必要とされる表面処理を行うことができ、使い勝手に優れるという利点がある。

また、複合材プレート層７がアルミ被覆層１０により被覆されているため、複合材プレート層７に含まれるカーボンナノチューブの飛散のおそれもなく、基板冷却装置１の基板載置プレート３としてより好ましい。

なお、熱伝導率に優れる金属として銅があり、複合材プレート層７に代えて銅からなるプレート層をアルミ被覆層１０で被覆する構造も考えられるが、銅とアルミ被覆層１０とは相性の問題があり、良好に被覆し難く、また銅は半導体ウエハ２の処理時に反応するため、通常、この種の基板冷却装置１にはアルミニウムやアルミニウム合金の基板載置プレートが用いられている。

図１０は第３の実施形態としての基板載置プレート３を示しており、前記第１の実施形態と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。

即ち、本実施形態においては、基板載置プレート３が、上部のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレート層１１と、下部の前記複合材プレート層７との二層構造とされている。そして、その他の構造は第１の実施形態と同様に構成されている。

従って、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様、複合材プレート層７によって温度ムラを有効に低減できると共に、複合材プレート層７の上面が、従来の基板載置プレートとして一般に用いられている材料のアルミプレート層１１からなるため、従来の基板載置プレートと同じように必要とされる表面処理を行うことができ、使い勝手に優れるという利点がある。

また、基板載置プレート３を複合材プレート層７とアルミプレート層１１との二層構造とすることにより、全体を複合材プレート層７で構成する場合と比較して、複合材プレート層７の厚みをいわゆる半減でき、カーボンナノチューブの使用量を減少できて、コスト低減が図れる。

さらに、カーボンナノチューブの繊維の方向性により、複合材プレート層７の強度が弱い場合であっても、接合されたアルミプレート層１１により基板載置プレート３全体としての強度が有効に確保できる利点もある。

なお、上記各実施形態において、複合材プレート層７の複合材における繊維状炭素構造体の一例としてカーボンナノチューブを示しているが、その他の構造の炭素繊維やカーボンナノファイバ等であってもよく、各実施形態に何ら限定されない。

また、複合材プレート層７としてアルミニウムとカーボンファイバとの複合材を用いた構造を示しているが、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素構造体とアルミニウム合金との複合材であってもよい。

さらに、各実施形態では、基板載置プレート３の上面に備えられた各支持突起６によりギャップＳを有して半導体ウエハ２を載置状態で支持する構造とされているが、基板載置プレート３の上面に半導体ウエハ２を直接載置する構成としてもよい。

本発明の第１の実施形態にかかる概略正面図である。図１の概略平面図である。第１の実施形態における半導体ウエハ冷却時の温度分布図である。アルミ製基板載置プレートを用いた半導体ウエハ冷却時の温度分布図である。第１の実施形態における基板載置プレートとアルミ製基板載置プレートとの半導体ウエハ冷却時における温度比較図である。別の条件での第１の実施形態における半導体ウエハ冷却時の温度分布図である。別の条件でのアルミ製基板載置プレートを用いた半導体ウエハ冷却時の温度分布図である。平面方向の熱伝導率の方を高くした基板載置プレートを用いた半導体ウエハ冷却時の温度分布図である。第２の実施形態における基板載置プレートの断面図である。第３の実施形態における基板載置プレートの断面図である。

符号の説明

１基板冷却装置
２半導体ウエハ
３基板載置プレート
４熱電モジュール
５水冷ジャケット
７複合材プレート層
１０アルミ被覆層
１１アルミプレート層

Claims

基板（２）を載置状態で支持する基板載置プレート（３）と、該基板載置プレート（３）の下面側に接触状態で配置された複数の熱電モジュール（４）と、各熱電モジュール（４）の下面側に接触状態で配置された冷却部（５）とを備えた基板冷却装置（１）において、
前記基板載置プレート（３）が、炭素と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金との複合材からなる複合材プレート層（７）を有してなり、
前記複合材プレート層（７）の前記炭素が繊維状炭素構造体からなり、この繊維状炭素構造体の長手方向が複合材プレート層（７）の厚み方向に配置される配合量よりも平面方向に配置される配合量の方がより多く配合されて、複合材プレート層（７）の平面方向の熱伝導率を厚み方向の熱伝導率よりも高くしたことを特徴とすることを特徴とする基板冷却装置。
請求項１に記載の基板冷却装置において、
前記基板載置プレート（３）全体が前記複合材プレート層（７）からなることを特徴とする基板冷却装置。
請求項１に記載の基板冷却装置において、
前記基板載置プレート（３）が、前記複合材プレート層（７）と、該複合材プレート層（７）の外表面を被覆するアルミニウムもしくはアルミニウム合金のアルミ被覆層（１０）とからなることを特徴とする基板冷却装置。
請求項１に記載の基板冷却装置において、
前記基板載置プレート（３）が、上部のアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるアルミプレート層（１１）と、下部の前記複合材プレート層（７）との二層構造とされていることを特徴とする基板冷却装置。