JPH11233407A - 温度制御装置および温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 熱応答性の向上を図り、かつ被温度制御対象
物を正確に温度制御することのできる温度制御装置およ
び方法を提供する。 【解決手段】 本発明では、離隔ピン３０手段の作動に
より、加熱手段４０を作動させる際に、ヒートプレート
４１と冷却プレート１０とを互いに離隔配置させるよう
にしている。また、ヒートプレートの上下両面にそれぞ
れヒータを配設することによって加熱手段を構成する。
また、離隔手段は、基台を貫通する態様で上下動可能に
配設し、加熱手段を作動させる際に、基台に対してヒー
トプレートを上方に移動させるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートプレートに
構成した加熱手段を作動させることにより、該ヒートプ
レートの上面に載置させた半導体ウェハ等の被温度制御
対象物を予め設定した高温度状態に調整維持する一方、
前記ヒートプレートを搭載させる基台を冷却することに
より、該ヒートプレートを介して前記被温度制御対象物
を予め設定した低温度状態に調整維持する温度制御装置
および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造工程においては、塗布した
レジスト膜に残存する溶剤を取り除くために半導体ウェ
ハを１１０〜１３０℃に加熱するプリベークや、エッチ
ング前にレジストと基板との密着を容易にするために半
導体ウェハを１２０〜１５０℃に加熱するポストベーク
等の加熱工程が含まれているとともに、加熱した半導体
ウェハを都度２０℃程度の室温レベルまで冷却するクー
リング等の冷却工程が含まれており、これら各工程の際
に半導体ウェハを応答性よく、かつ高精度に温度制御す
ることがスループットを向上させる上で重要となる。

【０００３】この種の温度制御装置としては、例えば、
基台となる中空の冷却プレートと、アルミニウム等の熱
伝導性に優れた金属によって成形し、かつ上記冷却プレ
ートの上面に搭載したヒートプレートとを備え、上記冷
却プレートの中空部に２０℃程度に調整した温度流体を
循環供給する流体循環供給系を接続するとともに、上記
ヒートプレートに薄膜ヒータを接着して成るものがあ
る。

【０００４】この温度制御装置では、ヒートプレートの
上面にウェハを載置させ、流体循環供給系を停止した状
態で薄膜ヒータを作動させれば、該薄膜ヒータによって
ウェハが所望の温度に加熱されることになる一方、ヒー
トプレートの上面にウェハを載置させ、薄膜ヒータを停
止させた状態から流体循環供給系を作動させれば、ヒー
トプレートが温度流体の温度近くまで冷却され、さらに
ウェハの熱がヒートプレートを介して放出されることに
なり、当該ウェハが所望の温度に冷却されることにな
る。

【０００５】この温度制御装置によれば、同一のヒート
プレートの上面においてウェハの加熱工程と冷却工程と
を実行することができるため、省スペース化を図ること
ができるばかりか、作業効率の点でも有利となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な温度制御装置にあっては、薄膜ヒータを作動させた場
合、該薄膜ヒータの熱がヒートプレートを介して冷却プ
レートから放出されることになるため、ウェハを加熱す
る際の熱応答性を損なう虞れがある。

【０００７】しかも、上述した熱の放出は、ヒートプレ
ートの上面側部分と下面側部分との間に温度差を生じさ
せる要因となり、当該ヒートプレートが面外方向に向け
て変形する事態を招来する。このような場合、ヒートプ
レートの薄膜ヒータとウェハとの間隙が一様でなくなる
ため、該ウェハに温度分布のばらつきが発生することに
なる。

【０００８】さらに、上記温度制御装置では、薄膜ヒー
タを作動させている間に流体循環供給系を停止させなけ
ればならないため、つまり流体循環供給系を間欠的に作
動させざるを得ないため、冷却プレートを所望の温度に
冷却するまでの時間が必要となり、ウェハを冷却する際
の熱応答性を損なう虞れもある。

【０００９】本発明は、上記実情に鑑みて、熱応答性の
向上を図り、かつ被温度制御対象物を正確に温度制御す
ることのできる温度制御装置および方法を提供すること
を解決課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用効果】請求項１
に記載の発明では、基台に搭載され、上面に載置させた
被温度制御対象物を予め設定した高温度状態に調整維持
するための加熱手段を構成するヒートプレートと、前記
基台を冷却することにより、該ヒートプレートを介して
前記被温度制御対象物を予め設定した低温度状態に調整
維持する冷却手段とを備えた温度制御装置であって、前
記加熱手段を作動させる際に前記ヒートプレートと前記
基台とを互いに離隔配置させる離隔手段を設けるように
している。

【００１１】この請求項１に記載の発明では、加熱手段
を作動させている際に離隔手段によってヒートプレート
と基台とが互いに離隔配置されるため、該加熱手段の熱
が基台から放出される事態が発生しない。

【００１２】したがって、請求項１に記載の発明によれ
ば、被温度制御対象物を加熱する際の熱応答性を向上さ
せることができ、さらにヒートプレートの熱変形を可及
的に防止して被温度制御対象物の正確な温度制御が可能
となる。

【００１３】しかも、請求項１に記載の発明によれば、
加熱手段を作動させている間においても、継続的に冷却
手段を作動させておくことが可能であるため、被温度制
御対象物を冷却する際の熱応答性も向上させることがで
きるようになる。

【００１４】請求項２に記載の発明では、上述した請求
項１に記載の発明において、ヒートプレートの上下両面
にそれぞれヒータを配設することによって加熱手段を構
成するようにしている。

【００１５】この請求項２に記載の発明によれば、外部
の要因に関わらず、ヒートプレートの上面側部分と下面
側部分との間の温度差を可及的に小さくすることがで
き、被温度制御対象物の温度をより正確に制御すること
が可能となる。

【００１６】請求項３に記載の発明では、前記離隔手段
として、基台を貫通する態様で上下動可能に配設し、前
記加熱手段を作動させる際に、前記基台に対して前記ヒ
ートプレートを上方に移動させるものを適用している。

【００１７】この請求項３に記載の発明によれば、高温
となるヒートプレートを低温となる基台の上方に離隔移
動させるようにしているため、その移動量が小さい場合
にも両者の熱的コンタクトを確実に絶つことが可能とな
る。

【００１８】しかも、上記請求項３に記載の発明によれ
ば、ヒートプレートの移動が基台の上方であり、さらに
離隔手段を基台の設置域内に配設しているため、基台を
設置することのできるスペースさえ確保すればよく、装
置の大型化を招来する虞れもない。

【００１９】請求項４に記載の発明では、ヒートプレー
トに構成した加熱手段を作動させることにより、該ヒー
トプレートの上面に載置させた被温度制御対象物を予め
設定した高温度状態に調整維持する一方、前記ヒートプ
レートを搭載させる基台を冷却することにより、該ヒー
トプレートを介して前記被温度制御対象物を予め設定し
た低温度状態に調整維持する温度制御方法において、前
記加熱手段を作動させる際に前記ヒートプレートと前記
基台とを互いに離隔させている。

【００２０】この請求項４に記載の発明では、加熱手段
を作動させている際にヒートプレートと基台とを互いに
離隔させているため、該加熱手段の熱が基台から放出さ
れる事態が発生しない。

【００２１】したがって、請求項４に記載の発明によれ
ば、被温度制御対象物を加熱する際の熱応答性を向上さ
せることができ、さらにヒートプレートの熱変形を可及
的に防止して被温度制御対象物の正確な温度制御が可能
となる。

【００２２】しかも、請求項４に記載の発明によれば、
加熱手段を作動させている間においても、継続的に冷却
しておくことが可能であるため、被温度制御対象物を冷
却する際の熱応答性も向上させることができるようにな
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、一実施の形態を示す図面に
基づいて本発明を詳細に説明する。図１および図２は、
本発明に係る温度制御装置の一実施形態を概念的に示し
たものである。ここで例示する温度制御装置は、 （１）ウェハ洗浄 （２）レジストコーティング （３）プリベーキング（１１０〜１３０℃）＋クーリン
グ（２０℃） （４）露光 （５）現像 （６）リンス （７）ポストベーキング（１２０〜１５０℃）＋クーリ
ング（２０℃） （８）エッチング というプロセスを経てレジスト膜を成形する半導体製造
工程において、上述したプリベーキング＋クーリング、
またはポストベーキング＋クーリングの際に用いられる
もので、最初に被温度制御対象物であるウェハＷを高温
に加熱し（ベーキング）、その後このウェハＷを室温ま
で冷却する（クーリング）というサイクルをウェハ単位
に数十秒間隔で繰り返す制御を行う。すなわち、上記温
度制御装置は、加熱の際の目標温度と、冷却の際の目標
温度という２つの目標温度をもっており、加熱・冷却を
交互に繰り返す制御を行うものである。

【００２４】同図に示すように、この温度制御装置は、
チャンバＣの内部に冷却プレート（基台）１０を備えて
いる。冷却プレート１０は、アルミニウム等の熱伝導率
の高い材質によって中空円柱状に成形したケース１１の
内部に、同材質のユニフォーム部材１２を充填して成る
もので、ケース１１の上面が水平となる状態で上記チャ
ンバＣに固定設置させている。

【００２５】この冷却プレート１０は、底壁の中央部に
唯一の排出管１３を有しているとともに、該底壁におけ
る排出管１３の周囲に位置する部位に複数の流入管１４
を有している。これら排出管１３および流入管１４は、
それぞれケース１１の内部において上述したユニフォー
ム部材１２を介して互いに連通しており、排出管１３が
排出通路（冷却手段）２０を通じて蓄熱タンク（冷却手
段）２１の返入口２１ａに接続されている一方、複数の
流入管１４が相互に合流した後、供給ポンプ（冷却手
段）２２を備える共通の供給通路（冷却手段）２３を通
じて上記蓄熱タンク２１の吐出口２１ｂに接続されてい
る。蓄熱タンク２１は、その内部に温度流体Ｌ、具体的
には、フッ化炭素液（＝フロリナート：登録商標）、エ
チレングリコール、オイル、水等の液体や窒素、空気、
ヘリウム等の気体の中から制御すべき目標温度に応じて
適宜選択したものを貯留し、かつチラータンク２４との
間においてこの温度流体Ｌを循環させることにより、当
該温度流体Ｌを２０℃近傍の温度に調整維持するもので
ある。なお、図中の符号２５は、供給通路２３に介在さ
せた開閉バルブである。

【００２６】また、この冷却プレート１０には、その外
周縁部に位置する同一周上に、互いに等間隔となる複数
（少なくとも３個）の離隔ピン挿通孔１５を形成してい
るとともに、これら離隔ピン挿通孔１５よりも内周側に
位置し、かつ処理するウェハＷよりもさらに径の小さい
同一周上に互いに等間隔となる複数（少なくとも３個）
のサセプタピン挿通孔１６を形成している。離隔ピン挿
通孔１５およびサセプタピン挿通孔１６は、それぞれ上
記冷却プレート１０を貫通する態様で鉛直方向に延在し
ており、離隔ピン挿通孔１５の内部にそれぞれ離隔ピン
（離隔手段）３０を挿通させている一方、サセプタピン
挿通孔１６の内部にそれぞれサセプタピン３１を挿通さ
せている。

【００２７】離隔ピン３０は、個々の先端部が尖状を成
す細径のものであり、それぞれ上記冷却プレート１０の
高さよりも十分大きな長さを有しており、個々の基端部
を連結する水平の外方連結プレート３２を介して図示し
ていないシリンダアクチュエータ等のアクチュエータに
接続され、該アクチュエータの作動により、互いに同期
して上下方向に移動することが可能である。

【００２８】サセプタピン３１は、離隔ピン３０と同様
に先端部が尖状を成す細径のものであり、それぞれ上記
冷却プレート１０の高さよりも十分大きな長さを有して
おり、個々の基端部を連結する水平の内方連結プレート
３３を介して図示していないシリンダアクチュエータ等
のアクチュエータに接続され、該アクチュエータの作動
により、互いに同期して上下方向に移動することが可能
である。

【００２９】一方、上記温度制御装置は、冷却プレート
１０の上面に加熱手段４０を備えている。加熱手段４０
は、上述した冷却プレート１０と同様、アルミニウム等
の熱伝導率の高い材質によって円形の薄板状、具体的に
は上述した冷却プレート１０の高さが３０〜４０ｍｍの
場合に２ｍｍ程度の板厚に形成したヒートプレート４１
と、このヒートプレート４１の表裏両面にそれぞれ接着
保持させた薄膜ヒータ４２，４３とを備えたもので、冷
却プレート１０のサセプタピン挿通孔１６に対応する部
位にそれぞれ貫通孔４４を有しており、該貫通孔４４を
それぞれサセプタピン挿通孔１６に合致させ、かつ離隔
ピン挿通孔１５を覆う態様で該冷却プレート１０の上面
に搭載されている。

【００３０】薄膜ヒータ４２，４３は、図には明示して
いないが、例えばポリイミド樹脂等のように耐熱応力性
を有した樹脂の内部に抵抗線を適宜形状、具体的にはそ
の全領域が等発熱密度となる形状に敷設したもので、処
理するウェハＷよりも大きな直径を有した薄膜円板状を
成しており、それぞれ溶着シート等の接着手段によって
上記ヒートプレート４１に接着されている。なお、ヒー
トプレート４１の上面側に接着した薄膜ヒータ４２の適
宜箇所には、ウェハＷとの間に０．１ｍｍ程度の間隙を
確保するためのシム４５を配設している。

【００３１】以下、上記のように構成した温度制御装置
において、ウェハＷの温度を１５０℃と２０℃とに数十
秒間隔で交互に温度制御する場合の動作、すなわち、ウ
ェハＷの温度を１５０℃にして行うベーキングと、その
後ウェハＷの温度を２０℃に冷却するクーリングとを交
互に実行する場合の動作について説明する。

【００３２】まず、この温度制御装置では、起動待機状
態にある場合、上述した離隔ピン３０の各先端部がそれ
ぞれ離隔ピン挿通孔１５の内部に配置され、加熱手段４
０が冷却プレート１０の上面に搭載されているととも
に、上述したサセプタピン３１の各先端部がそれぞれサ
セプタピン挿通孔１６の内部に配置されている。

【００３３】上述した起動待機状態から、レジストを塗
布したウェハＷがロボットハンドＲに載置された状態で
チャンバＣの内部に搬入されると、図１に示すように、
サセプタピン３１が同期して上動し、ロボットハンドＲ
に載置されたウェハＷがこれらサセプタピン３１の先端
部間に受け取られる。

【００３４】この間、上記温度制御装置では、離隔ピン
３０が同期して上動し、加熱手段４０が冷却プレート１
０の上面から離隔、具体的には２０ｍｍ程度離隔して配
置されることになり、さらにこの状態から薄膜ヒータ４
２，４３がそれぞれ作動することによってこの加熱手段
４０が１５０℃近傍の温度に保持されるとともに、供給
ポンプ２２が作動し、蓄熱タンク２１に貯留された温度
流体Ｌが循環供給されることによって冷却プレート１０
が２０℃近傍の温度に保持される。

【００３５】ここで、上述した状態においては、高温状
態にある加熱手段４０と、低温状態にある冷却プレート
１０とが互いに対向配置されることになるものの、加熱
手段４０からの放熱のほとんどが上方に向けて進行する
一方、冷却プレート１０からの冷放熱のほとんどが下方
に向けて進行するため、熱的コンタクトも絶たれた状態
にあり、両者が互いに熱的に影響を及ぼす虞れがない。

【００３６】しかも、加熱手段４０においては、ヒート
プレート４１の表裏両面に接着した薄膜ヒータ４２，４
３が作動するのであるから、その表面側部分と裏面側部
分との間に温度差を生じる虞れもなく、当該ヒートプレ
ート４１が面外方向に向けて変形する事態も発生しな
い。

【００３７】したがって、ロボットハンドＲが待避した
後、図３（ａ）に示すように、離隔ピン３０を上動させ
た状態のままサセプタピン３１を同期して下動させ、シ
ム４５を介してウェハＷを加熱手段４０の上面に載置さ
せれば、加熱手段４０の上面との間に均一な間隙を確保
した状態で当該ウェハＷを高速、かつ正確に１５０℃に
加熱することが可能となる。

【００３８】以上のような動作によってウェハＷを１５
０℃に加熱して行うベーキングが終了すると、今度は、
ウェハＷの温度を２０℃まで冷却するクーリングが実行
される。

【００３９】すなわち、ベーキングが終了すると、薄膜
ヒータ４２，４３の作動が直ちに停止されることにな
り、その後、離隔ピン３０が同期して下動し、加熱手段
４０が冷却プレート１０の上面に搭載される。

【００４０】その際、加熱手段４０が冷却プレート１０
の上面に到達した初期の段階では、図３（ｂ）に示すよ
うに、ヒートプレート４１の裏面側部分がその表面側部
分よりも低温状態となるため、該ヒートプレート４１が
上方に向けて面外方向に変形することになる。

【００４１】しかしながら、上述した図３（ｂ）に示す
状態においては、冷却プレート１０に接してより低温状
態となるヒートプレート４１の外周部分がウェハＷから
離隔される一方、冷却プレート１０から離隔して外周部
分よりも温度が高い状態となるヒートプレート４１の中
心部分がウェハＷに近接しており、これら距離の関係に
よってウェハＷに対する温度分布のばらつきが相殺され
ることになり、当該ウェハＷに温度分布のばらつきによ
る影響を与える虞れがない。

【００４２】冷却プレート１０による冷却が進行する
と、やがてヒートプレート４１の表面側部分と裏面側部
分との温度差が解消され、図３（ｃ）に示すように、ヒ
ートプレート４１が平板状となり、当該ヒートプレート
４１および冷却プレート１０を介してウェハＷの熱が均
一に放熱され、該ウェハＷが高速、かつ正確に２０℃に
冷却されることになる。

【００４３】以上のようにしてウェハＷのクーリングが
終了すると、サセプタピン３１が同期して上動すること
により、ウェハＷが加熱手段４０から離隔配置され、そ
の後、ロボットハンドＲの作動によって処理の終了した
ウェハＷと新たなウェハＷとが交換されることになり、
この新たなウェハＷに対して同様の加熱、冷却が繰り返
し行われる。

【００４４】このように、上記温度制御装置によれば、
薄膜ヒータ４２，４３を作動させている際に離隔ピン３
０によってヒートプレート４１と冷却プレート１０とが
互いに離隔配置され、両者間の熱的コンタクトを絶つこ
とができるため、加熱手段４０の熱が冷却プレート１０
を介して放出される事態やヒートプレート４１が面外方
向に向けて変形する事態を防止することができ、ウェハ
Ｗを高速、かつ正確に加熱することができる。

【００４５】しかも、薄膜ヒータ４２，４３を作動させ
ている間においても、エネルギロスを招来することな
く、供給ポンプ２２を継続的に作動させて冷却プレート
１０を冷却しておくことが可能であるため、ウェハＷを
高速、かつ正確に冷却することができる。

【００４６】また、上記温度制御装置によれば、同一の
ヒートプレート４１の上面においてウェハＷの加熱工程
と冷却工程とを実行することができるため、省スペース
化を図ることができるばかりか、作業効率の点でも極め
て有利となる。

【００４７】なお、上述した実施の形態では、半導体製
造工程においてウェハの温度制御を行うものを例示して
いるが、その他の被温度制御対象物の温度制御を行う場
合に適用することももちろん可能である。

【００４８】また、上述した実施の形態では、加熱手段
としてヒートプレートの表裏両面にそれぞれ薄膜ヒータ
を接着したものを適用しているため、該ヒートプレート
の面外方向への変形を一層確実に防止することが可能で
あるが、本発明ではこれに限定されない。例えば、ヒー
トプレートにヒータを内蔵させることによって加熱手段
を構成してもよいし、加熱手段としてプレート状のヒー
タを適用し、該プレート状ヒータをヒートプレートとし
て用いるようにしても構わない。また、冷却の場合と同
様に、ヒートプレートを中空に形成し、該中空部に高温
の温度流体を供給するようにして加熱手段を構成するよ
うにしてもよい。

【００４９】さらに、上述した実施の形態では、ヒート
プレートと冷却プレートとを離隔配置させる場合、固定
された冷却プレートに対してヒートプレートを移動させ
るようにしているが、ヒートプレートに対して冷却プレ
ートを移動させたり、両者を同時に移動させるようにし
ても構わない。また、離隔手段として、冷却プレートを
貫通する態様で上下方向に移動する離隔ピンを適用し、
しかもヒートプレートを冷却プレートの上方域に移動さ
せるようにしているため、当該冷却プレートを設置する
だけのスペースを確保すればよく、装置の小型化を図る
ことが可能であるが、本発明ではこれにも限定されな
い。例えば、ヒートプレートに固定アームを配設し、該
固定アームを操作することによってヒートプレートと冷
却プレートとを互いに離隔配置させるようにしてもよ
い。この場合、ヒートプレートの移動方向は必ずしも冷
却プレートの上方域である必要はなく、冷却プレートの
側方域や下方域に移動させることも可能である。なお、
ヒートプレートに固定アームを設ける場合には、ヒート
プレートとの間に断熱材を介在させることが好ましいの
はいうまでもない。

【００５０】さらに、上述した実施の形態では、冷却手
段として、冷却プレートの密閉中空部内に温度流体を供
給するものを例示しているが、冷却プレートに大気開放
の室を形成し、該室に温度流体を噴射させたり、冷却プ
レートの熱伝素子を直接配置して冷却手段を構成しても
同様の作用効果を期待することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る温度制御装置の一実施形態を概念
的に示した図である。

【図２】図１に示した温度制御装置の要部分解斜視図で
ある。

【図３】図１に示した温度制御装置の動作を順に示す図
である。

【符号の説明】

１０…冷却プレート、２０…排出通路、２１蓄熱タン
ク、２２…供給ポンプ、２３…供給通路、３０…離隔ピ
ン、４０…加熱手段、４１…ヒートプレート、４２，４
３…薄膜ヒータ、Ｌ…温度流体、Ｗ…ウェハ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台に搭載され、上面に載置させた被温
   度制御対象物を予め設定した高温度状態に調整維持する
   ための加熱手段を構成するヒートプレートと、前記基台
   を冷却することにより、該ヒートプレートを介して前記
   被温度制御対象物を予め設定した低温度状態に調整維持
   する冷却手段とを備えた温度制御装置であって、 前記加熱手段を作動させる際に前記ヒートプレートと前
   記基台とを互いに離隔配置させる離隔手段を設けたこと
   を特徴とする温度制御装置。
2. 【請求項２】 前記ヒートプレートの上下両面にそれぞ
   れヒータを配設することによって前記加熱手段を構成す
   ることを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
3. 【請求項３】 前記離隔手段は、前記基台を貫通する態
   様で上下動可能に配設し、前記加熱手段を作動させる際
   に、前記基台に対して前記ヒートプレートを上方に移動
   させるものであることを特徴とする請求項１記載の温度
   制御装置。
4. 【請求項４】 ヒートプレートに構成した加熱手段を作
   動させることにより、該ヒートプレートの上面に載置さ
   せた被温度制御対象物を予め設定した高温度状態に調整
   維持する一方、前記ヒートプレートを搭載させる基台を
   冷却することにより、該ヒートプレートを介して前記被
   温度制御対象物を予め設定した低温度状態に調整維持す
   る温度制御方法において、 前記加熱手段を作動させる際に前記ヒートプレートと前
   記基台とを互いに離隔させることを特徴とする温度制御
   方法。