DE19907497A1 - Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten

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Abstract

Eine verbesserte thermische Homogenität wird bei einer Vorrichtung und einem Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, bei dem das Substrat mit einer Heizplatte beheizt wird, dadurch erreicht, daß die Heizplatte über eine Vielzahl von separat ansteuerbaren Heizelementen aufgeheizt, die Temperatur der Heizelemente gemessen, der Aufheizvorgang mit einem PID-Regler geregelt, die Temperatur der von der Heizplatte abgewandten Oberfläche des Substrats ortsaufgelöst gemessen, die Temperaturverteilung auf der Substratoberfläche in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen ermittelt und Temperatur-Sollwerte für die einzelnen Heizelemente ermittelt und an den PID-Regler weitergeleitet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten mit einer Heizplatte.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise im Bereich der Halbleiterindu­ strie im Anschluß an Belackungsvorgänge von Substraten, insbesondere Photomasken, verwendet, um die Substrate zur Aushärtung und chemischen Vorbehandlung der Schichten thermisch zu behandeln. Bei der thermischen Behandlung ist es für die nachfolgende Verwendbarkeit der Substrate wichtig, daß die aufgebrachten Schichten möglichst gleichmäßig und homogen be­ handelt werden. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß aufgrund einer er­ höhten thermischen Abstrahlung eine gleichmäßige thermische Behandlung in den Eckbereichen von rechteckigen Substraten bzw. den Randbereichen von runden Substraten eine gleichmäßige Behandlung nicht gewährleistet werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbes­ serte Homogenität während einer thermischen Behandlung von Substraten vorzusehen.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einer Vorrichtung zum ther­ mischen Behandeln von Substraten mit einer Heizplatte durch die folgenden Merkmale gelöst: eine Vielzahl von separat ansteuerbaren Heizelementen auf der vom Substrat abgewandten Seite der Heizplatte, wenigstens einen Tem­ peratursensor zum Abfühlen der Temperatur der Heizelemente, wenigstens einen mit den Heizelementen und dem wenigstens einen Temperatursensor in Verbindung stehenden PID-Regler, eine auf die von der Heizplatte abge­ wandte Oberfläche des Substrats gerichtete, ortsauflösende Temperaturmeß­ vorrichtung, eine mit der Temperatur-Meßvorrichtung (17) in Verbindung ste­ hende Rechnereinheit (22), die die Temperaturverteilung auf der Substrat­ oberfläche ermittelt, eine mit der Rechnereinheit (22) in Verbindung stehende Prozeßsteuereinheit (24), die in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung Temperatur-Sollwerte für die einzelnen Heizelemente (10) ermittelt und an den PID-Regler weiterleitet. Durch eine Vorrichtung mit den obigen Merkma­ len wird eine aktive Regelung der Prozeßparameter ermöglicht, so daß die Substrate einer homogenen thermischen Behandlung unterzogen werden. Aus den gemessenen Temperaturwerten ergibt sich eine Temperaturverteilung auf der Substratoberfläche, aus der gegebenenfalls veränderte Temperatur- Sollwerte für die Heizelemente ermittelbar sind. Diese werden in den durch PID-Regler, Heizelemente und Temperatursensor gebildeten Regelkreis ein­ gespeist. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Heizelemente derart einzu­ stellen, daß innerhalb des Substrats eine gleichförmige Temperaturverteilung erreicht wird. Insbesondere kann für die Heizelemente in den problematischen Rand- und Kantenbereichen eine höhere Temperatur vorgegeben werden.
Um ein thermisches Übersprechen zwischen den einzelnen Heizelementen zu unterbinden, sind die Heizelemente auf der vom Substrat abgewandten Seite der Heizplatte voneinander beabstandet. Dabei sind die Heizelemente vor­ zugsweise auf Vorsprüngen der Heizplatte angeordnet. Die Form und Anzahl der Heizelemente ist an die Form der zu behandelnden Substrate angepaßt, so daß sie sich vorteilhafterweise entlang der Außenkonturen der zu behan­ delnden Substrate erstrecken. Für eine Vereinfachung der Steuerung besitzen vorzugsweise alle Heizelemente die gleiche Form und Größe.
Für eine optimale Einstellung der an der Erwärmung der problematischen Randbereiche beteiligten Heizelemente ist die Lage des Substrats bezüglich der Heizplatte vorzugsweise veränderbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein PID-Regler pro Heizelement vorgesehen. Vorzugsweise sind die Rechnereinheit, die Prozeß­ steuereinheit und/oder die PID-Regler in einer Einheit zusammengefaßt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Temperatur-Meßvorrichtung eine Abtastvorrichtung zum sequentiellen Abtas­ ten der von der Heizplatte abgewandten Seite des Substrats auf, um auf ein­ fache Weise eine ortsaufgelöste Messung der Temperatur der Substratober­ fläche zu erhalten. Dabei weist die Abtastvorrichtung vorzugsweise einen be­ wegbaren Spiegel auf, um ohne die Notwendigkeit, die gesamte Vorrichtung hin und her zu bewegen, das Sichtfeld der Temperatur-Meßvorrichtung über die Substratoberfläche hinwegzubewegen. Vorzugsweise ist die Temperatur- Meßvorrichtung eine Infrarot(IR)-Kamera.
In einer bevorzugten Anwendungsform der Vorrichtung ist das Substrat eine Photomaske.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, bei dem das Substrat mit einer Heiz­ platte beheizt wird, durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst: Aufheizen der Heizplatte über eine Vielzahl von separat ansteuerbaren Heizelementen, Messen der Temperatur der Heizelemente, Regeln des Aufheizvorgangs mit einem PID-Regler, ortsaufgelöstes Messen der Temperatur der von der Heiz­ platte abgewandten Oberfläche des Substrats, Ermitteln der Temperaturver­ teilung auf der Substratoberfläche in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen, Ermitteln von Temperatur-Sollwerten für die einzelnen Heize­ lemente, und Weiterleiten der Temperatur-Sollwerte an den PID-Regler. Bei diesem Verfahren ergeben sich die schon oben genannten Vorteile einer homogenen thermischen Behandlung des Substrats durch aktive Rückkopp­ lung. Dabei werden die einzelnen Heizelemente vorzugsweise über einzeln zugeordnete PID-Regler geregelt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die von der Heiz­ platte abgewandte Seite des Substrats bei der Temperaturmessung sequenti­ ell abgetastet, um auf einfache Weise eine ortsaufgelöste Temperatur- Messung zu ermöglichen. Dabei wird die Abtastung vorzugsweise durch Be­ wegen eines Spiegels erreicht.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur der von der Heizplatte abgewandten Seite des Substrats mit einer IR-Kamera gemessen. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Photomasken eingesetzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1a eine Ansicht von unten auf eine Heizplatte gemäß der Erfindung und
Fig. 1b eine Seitenansicht der Heizplatte;
Fig. 2 eine Ansicht von oben auf die Heizplatte gemäß Fig. 1 mit dar­ über angeordnetem Substrat;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zum thermischen Behandeln von Substraten;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Heizplatte mit eingetragenen Ist- und Soll-Temperaturen unterschiedlicher Zonen der Heizplatte.
In den Fig. 1a und 1b sind eine Ansicht von unten sowie eine Seitenansicht einer zonengesteuerten Heizplatte 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die Heizplatte 1 besteht aus einer quadratischen Grundplatte 3 mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Die Grundplatte 3 besitzt eine erste ebene Oberseite 5 und eine zweite, segmentierte Oberseite 6. Die Oberseite 6 wird durch jeweils vier sich senkrecht zu den Seitenkanten der Heizplatte erstreckende Nuten 7 in insgesamt 25 quadratische Segmente 8 aufgeteilt. Die Tiefe der Nuten 7 entspricht ungefähr der halben Dicke der Grundplatte 3. Auf den quadratischen Segmenten 8 der Heizplatte 3 sind jeweils quadrati­ sche Heizelemente 10 angeordnet, die in geeigneter Weise, wie z. B. durch Verkleben mit den Segmenten 8 der Grundplatte 3 verbunden sind und den Segmenten 8 entsprechende Heizzonen bilden. Durch die Anordnung der Heizelemente 10 auf den jeweiligen durch die Nuten 7 getrennten Segmenten 8 sind sie thermisch voneinander getrennt, so daß sie sich nicht gegenseitig beeinflussen, d. h. daß kein thermisches Übersprechen zwischen den Heize­ lementen auftritt. Über die Grundplatte 3 sind die Heizelemente 10 jedoch ausreichend thermisch miteinander gekoppelt, daß auf der Oberseite 5 der Grundplatte 3 eine homogene Temperaturverteilung ohne eine thermische Ausprägung der einzelnen Heizelemente im thermischen Bild der Oberseite 5 erreicht wird. Jedem Heizelement 10 ist ein nicht gezeigter Temperatursensor in der Form eines Thermoelements zugeordnet, der die IST-Temperatur der Heizelemente 10 mißt. Anstelle der Thermoelemente ist auch die Verwendung anderer, z. B. optischer Temperatursensoren möglich.
Obwohl die Heizplatte 1 als eine einteilige Grundplatte 3 mit darin ausgebil­ deten Nuten 7 zur Segmentierung der Oberseite 6 der Grundplatte 3 be­ schrieben wurde, sei bemerkt, daß die Grundplatte 3 vollständig eben ausge­ bildet sein kann und die Heizelemente 10 direkt oder über Abstandselemente mit der Grundplatte 3 verbunden sind. In gleicher Weise ist die Erfindung nicht auf die Form und Anzahl der Segmente 8 und der Heizelemente 10 be­ schränkt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Heizplatte 1, wobei die in der Draufsicht nicht erkennbaren Nuten 7 und Heizelemente 10 schematisch angedeutet sind. Oberhalb der Heizplatte 1 ist ein Substrat 12 in zwei unter­ schiedlichen Positionen bezüglich der Heizplatte dargestellt. Bei der ersten, zentrierten Position des Substrats 12 überdeckt es die mittleren neun der ins­ gesamt 25 Heizzonen der Heizplatte 1. Daher sind bei einer thermischen Be­ handlung des Substrats im wesentlichen nur diese neun Zonen beteiligt und von Interesse. Bei der zweiten Position des Substrats 12 überdeckt dieses, zumindest in Teilbereichen, insgesamt 16 Heizzonen der Heizplatte 1, so daß bei einer thermischen Behandlung des Substrats 12 diese 16 Heizzonen be­ teiligt und von Interesse wären. Durch die Darstellung dieser zwei Positionen wird deutlich, daß durch die Positionswahl des Substrats die Anzahl der bei der thermischen Behandlung beteiligten Heizelemente variiert und auf ein Op­ timum angepaßt werden kann.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 15 zum thermi­ schen Behandeln des Substrats 12. Die thermische Behandlungsvorrichtung 15 umfaßt die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Heizplatte 1 zum thermischen Behandeln des Substrats 12. Die ebene Oberseite 5 der Grundplatte 3 der Heizplatte 1 ist benachbart zu einem zu behandelnden Substrat 12, z. B. mit einem Abstand zwischen 0,1 und 0,5 mm, angeordnet. Das Substrat wird bei­ spielsweise auf vier nicht dargestellten Halterungen über der Heizplatte 1 ge­ halten. Oberhalb der Heizplatte 1 und des Substrats 12 ist eine Temperatur- Meßvorrichtung 17 in der Form einer Infrarot-Kamera angeordnet. Die Infra­ rot-Kamera 17 ist auf eine von der Heizplatte 1 abgewandte Oberseite 18 des Substrats 12 gerichtet. Die Infrarot-Kamera 17 beinhaltet eine nicht näher dargestellte Scan-Vorrichtung mit einem bewegbaren Spiegel, über den se­ quentiell die gesamte Oberfläche 18 des Substrats 12 abgetastet wird. Über die Scan-Vorrichtung wird ein ortsaufgelöstes Bild der Temperaturverteilung der Oberseite 18 des Substrats 12 erzeugt, wobei die gesamte Oberfläche beispielsweise einmal pro Sekunde abgetastet wird.
Die Infrarot-Kamera 17 ist über eine Datenleitung 20 mit einer Rechnereinheit in der Form eines PC's 22 verbunden. Innerhalb des PC's werden die von der IR-Kamera erhaltenen Meßwerte verarbeitet und eine räumliche Temperatur­ verteilung auf der Oberfläche 18 des Substrats 12 ermittelt. Anhand dieser Temperaturverteilungsdaten, die an eine Prozeßsteuerung 24 weitergeleitet werden, ermittelt diese Temperatur-Sollwerte für die Heizelemente 10.
Diese Temperatur-Sollwerte werden an einen PID-Regler 26 weitergeleitet, der mit den einzelnen Heizelementen 10 und den Temperatursensoren ver­ bunden ist und mit diesen einen Regelkreis bildet. Der PID-Regler regelt die Heizleistung der einzelnen Heizelemente 10 anhand der durch die Prozeß­ steuerung vorgegebenen Temperatur-Sollwerte und der durch die Tempera­ tursensoren gemessenen Temperatur-Istwerte. Somit wird auf den Regelkreis bestehend aus PID-Regler 26, Heizelementen 10 und Temperatursensoren in bestimmter geregelter Weise durch Vorgabe der Temperatur-Sollwerte die Abhängigkeit der Temperaturverteilung auf der Substratoberfläche ermittelt werden. Insofern besteht zu dem Regelkreis aus PID-Regler 26, Heizelemen­ ten 10 und Temperatursensor ein übergeordneter Regelkreis.
Diese aktive Regelung wird während der gesamten thermischen Behandlung des Substrats 12, insbesondere auch in der Aufheizphase durchgeführt, wobei die einzelnen Heizelemente jeweils derart geregelt werden, daß auf der Ober­ seite 18 des Substrats 12 eine homogene gleichförmige Temperaturverteilung erreicht wird. Die einzelnen Heizelemente werden beispielsweise in einem Temperaturbereich von 20°C bis 400°C stufenlos geregelt.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 15, wobei der einzige Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 darin besteht, daß jedem Heizelement 10 ein eigener PID-Regler 26 zugeordnet ist.
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Heizplatte 1, wobei die jeweils gemessenen Ist-Temperaturen der Heizelemente innerhalb eines ersten hel­ len Kästchens 28 angegeben sind. Die jeweils in Abhängigkeit von der Tem­ peraturverteilung auf der Oberseite 18 des Substrats 12 von der Prozeßsteue­ rung vorgegebenen Soll-Werte sind für die einzelnen Heizelemente in Käst­ chen 29 angegeben.
Die Erfindung wurde zuvor anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben, ohne jedoch auf die spezielle Ausführungsform beschränkt zu sein. Beispielsweise könnte die Heizplatte eine andere, wie z. B. eine runde Form, mit runden oder Kreissegmenten bildenden Heizele­ menten aufweisen. Statt einer Infrarot-Kamera könnte auch eine andere, orts­ auflösende Temperatur-Meßvorrichtung verwendet werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Rechnereinheit, die Prozeßsteuerung und die PID- Regler innerhalb einer einzelnen Einheit auszubilden.

Claims (18)

1. Vorrichtung (15) zum thermischen Behandeln von Substraten (12) mit einer Heizplatte (1), gekennzeichnet durch
  • - eine Vielzahl von separat ansteuerbaren Heizelementen (10) auf der vom Substrat (12) abgewandten Seite (6) der Heizplatte (1),
  • - wenigstens einen Temperatursensor zum Abfühlen der Temperatur der Heizelemente (10),
  • - wenigstens einen mit den Heizelementen (10) und dem wenigstens einen Temperatursensor in Verbindung stehenden PID-Regler,
  • - eine auf die von der Heizplatte (1) abgewandte Oberfläche (18) des Substrats (12) gerichtete, ortsauflösende Temperatur-Meßvorrich­ tung (17),
  • - eine mit der Temperatur-Meßvorrichtung (17) in Verbindung ste­ hende Rechnereinheit (22), die die Temperaturverteilung auf der Substratoberfläche ermittelt, und
  • - eine mit der Rechnereinheit (22) in Verbindung stehende Prozeß­ steuereinheit (24), die in Abhängigkeit von der Temperaturvertei­ lung auf der Substratoberfläche (18) Temperatur-Sollwerte für die einzelnen Heizelemente (10) ermittelt und an den PID-Regler wei­ terleitet.
2. Vorrichtung (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (10) auf der vom Substrat (12) abgewandten Seite (6) der Heizplatte (1) voneinander beabstandet sind.
3. Vorrichtung (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (10) auf Vorsprüngen (8) der Heizplatte (1) angeord­ net sind.
4. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und Anzahl der Heizelemente (10) an die Form der zu behandelnden Substrate (12) angepaßt ist.
5. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (10) jeweils die gleiche Form und Größe besitzen.
6. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Substrats (12) bezüglich der Heiz­ platte (1) veränderbar ist.
7. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen PID-Regler (26) pro Heizelement (10).
8. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnereinheit (22), die Prozeßsteuereinheit (24) und/oder die PID-Regler (26) in einer Einheit zusammengefaßt sind.
9. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Meßvorrichtung (17) eine Ab­ tastvorrichtung zum sequentiellen Abtasten der von der Heizplatte (1) abgewandten Seite des Substrats (12) aufweist.
10. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung einen bewegbaren Spiegel aufweist.
11. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Meßvorrichtung (17) eine IR- Kamera ist.
12. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) eine Photomaske ist.
13. Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten (12), bei dem das Substrat mit einer Heizplatte (1) beheizt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
  • - Aufheizen der Heizplatte (1) über eine Vielzahl von separat ansteu­ erbaren Heizelementen (10),
  • - Messen der Ist-Temperatur der Heizelemente (10),
  • - Regeln des Aufheizvorgangs mit einem PID-Regler,
  • - ortsaufgelöstes Messen der Temperatur der von der Heizplatte (1) abgewandten Oberfläche (18) des Substrats (12),
  • - Ermitteln der Temperaturverteilung auf der Substratoberfläche in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen;
  • - Ermitteln von Temperatur-Sollwerten für die einzelnen Heizele­ mente (10) in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung auf der Substratoberfläche, und
  • - Übermitteln der Temperatur-Sollwerte an den PID-Regler.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzel­ nen Heizelemente (10) über einzeln zugeordnete PID-Regler (26) gere­ gelt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die von der Heizplatte (1) abgewandten Oberfläche (18) des Substrats (12) bei der Temperaturmessung sequentiell abgetastet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Bewegen eines Spiegels.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperatur der von der Heizplatte (1) abgewandten Ober­ fläche (18) des Substrats (12) mit einer IR-Kamera (17) gemessen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeich­ net, daß das Substrat (12) eine Photomaske ist.
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