JP2008098468A

JP2008098468A - 熱処理装置

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Publication number: JP2008098468A
Application number: JP2006279544A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Shiba; 康裕芝; Kazuya Ono; 和也小野; Joichi Nishimura; 讓一西村
Original assignee: Screen Semiconductor Solutions Co Ltd
Current assignee: Screen Semiconductor Solutions Co Ltd
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: JP4745191B2

Abstract

【課題】簡単な構造にて確実に球体を熱処理プレートに固定することができ、しかもプレートの上面と基板との間の間隔調整も容易な熱処理装置を提供する。
【解決手段】熱処理プレート１１には円筒状の孔部３１が穿設されている。孔部３１にはスペーサ３２とプロキシミティボール３０とが順に入れられる。スペーサ３２は、ステンレス鋼にて形成された円筒形状部材である。プロキシミティボール３０は、アルミナにて形成された球体である。それらの上からガイドキャップ３５を所定のトルクにて孔部３１に螺合する。ガイドキャップ３５がプロキシミティボール３０を下方へと押圧する力と、それに対抗するスペーサ３２からの反力によってプロキシミティボール３０が熱処理プレート１１に固定される。このときに、プロキシミティボール３０の上端部が熱処理プレート１１の上面１１ａから所定の高さだけ突出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、温調機構を有する熱処理プレートによって半導体基板、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等（以下、単に「基板」と称する）の熱処理を行う熱処理装置に関する。

半導体デバイスや液晶ディスプレイなどの製造工程において、熱処理工程は欠かすことの出来ない重要な工程であり、従来より種々のタイプの熱処理装置が使用されている。それらのうちの典型的な熱処理装置としては、ホットプレートやクールプレートのような熱処理プレートによって基板の加熱処理または冷却処理を行う装置が挙げられる。すなわち、アルミニウム等の金属によって形成された熱処理プレートに加熱機構や冷却機構を内蔵し、その熱処理プレート上に基板を載置することによって熱処理を実行する熱処理装置である。このような熱処理装置において、金属製の熱処理プレートに直接基板を接触させて載置すると、基板とプレート上面との密着状態によって熱処理時の基板面内温度均一性が不安定になるだけでなく、熱処理プレートから基板への金属汚染が生じるという問題もあった。

かかる問題を解決するために、基板を熱処理プレートに直接接触させるのではなく、プレート上面から微小間隔を隔てて基板を載置することにより熱処理を行う方式が行われている。例えば、特許文献１には、非伝熱性の球体を熱処理プレートの上面に形成された凹部に入れ、その球体によって基板を支持することにより、プレート上面と基板との間に微小間隔を隔てて基板を載置する技術が開示されている。このようにすれば、非伝熱性の球体によって点接触にて基板を支持することとなるため、基板の温度均一性を向上させることができる。

実開平６−７７２３９号公報

ところで、従来においては、熱処理プレートの凹部と球体とをセラミックス系の接着剤を使用して接着していた。このため、熱処理プレートの上面から球体が離脱してしまうという問題が発生していた。このような球体の離脱が生じる原因としては、接着工程作業を行う作業者によって接着品質にばらつきがあることや熱処理プレートの材質によっては接着剤と馴染みにくいといった要因が考えられる。特に、熱処理プレートの設定温度を急速に変更する熱処理装置においては、熱膨張と熱収縮との繰り返しによって球体が離脱する確率が高いものとなっていた。

また、従来のように接着剤を使用して球体を固定すると、接着剤が完全に乾燥するまでに相応の時間を要するため、球体取り付け作業に長時間（約２日程度）を要するという問題もあった。さらには、球体の上端部の高さ調整が難しく、プレート上面と基板との間に微小間隔を均一に保つことが困難であるという問題もあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構造にて確実に球体を熱処理プレートに固定することができ、しかもプレートの上面と基板との間の間隔調整も容易な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、請求項１の発明は、温調機構を有する熱処理プレートによって基板の熱処理を行う熱処理装置において、前記熱処理プレートの上面に穿設された有底円筒形状の孔部の底面上に設置され、所定の厚さを有するスペーサと、前記孔部に入れられて前記スペーサの上面に載置される低伝熱性の球体と、前記球体を受け入れ可能な中空部および前記中空部に連通する上部開口を有し、前記孔部に螺合されることによって前記球体の上端部を前記上部開口から突出させつつ前記球体を前記スペーサ上に固定するキャップ部材と、を備え、前記孔部に前記キャップ部材が螺合されたときに、前記スペーサ上に固定された前記球体の上端部が前記熱処理プレートの上面から所定高さ突出することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記スペーサの硬度は前記熱処理プレートの硬度よりも高いことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記スペーサはステンレス鋼にて形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、熱処理プレートの上面に穿設された孔部に所定の厚さのスペーサと低伝熱性の球体とを入れ、キャップ部材を孔部に螺合させるだけという簡単な構造にて確実に球体を熱処理プレートに固定することができ、しかもスペーサの厚さを変えるだけでプレートの上面と基板との間の間隔調整も容易に行うことができる。

また、請求項２の発明によれば、スペーサの硬度は熱処理プレートの硬度よりも高いため、キャップ部材を孔部に螺合させたときにスペーサ、および球体により熱処理プレートが変形、損傷するのを防ぐことができる。

また、請求項３の発明によれば、スペーサはステンレス鋼にて形成されているため、キャップ部材を孔部に螺合させたときに球体により熱処理プレートが変形、損傷するのを防ぐことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る熱処理装置１の概略構成を示す側断面図である。この熱処理装置１は、いわゆるヒートパイプ構造を採用することにより、熱容量を小さくして温度応答性を高めつつ温度分布の面内均一性を高めたものであり、中空構造の熱処理プレート１１を備える。図２は、熱処理プレート１１を上面から見た平面図である。

熱処理プレート１１は、その上面に基板Ｗを載置して加熱処理するためのものであり、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の伝熱性が良好な金属を基材とする材料によって中空円筒状に形成されている。熱処理プレート１１は内部に空洞を有する中空構造のため、昇温時に内部圧力が上昇することに対応して、縦方向の強度を補強するため複数本のリム１２が形成されている。そして、熱処理プレート１１の内部空間下方には作動液室１３が形成されている。この作動液室１３内には、作動液１６（例えば、水）が貯留されるとともに、作動液１６を加熱するためのヒータ１７が浸漬配設されている。

熱処理装置１においては、ヒートパイプ構造を利用した加熱機構が実現されている。すなわち、ヒータ１７を作動させて作動液１６を加熱することにより、作動液１６が蒸発してその蒸気が熱処理プレート１１の内部空間を移動し、熱処理プレート１１の表面との間で凝縮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。熱処理プレート１１との間で凝縮潜熱の授受を実行した作動液１６の蒸気は、液体の作動液１６に戻って作動液室１３に回収される。これを繰り返すことによって、熱処理プレート１１は、その表面の温度分布が均一となるように加熱される。

熱処理装置１における冷却構造としての冷却管１９は、熱処理プレート１１の内部空間のほぼ全域にわたって配設されている。冷却管１９は、熱伝導性の材料（たとえば金属や合金）で形成されており、略水平にかつ熱処理プレート１１表面のほぼ全域に対向するように配設されている。

冷却管１９の一端は、供給配管２２を介して冷却媒体供給源２５と接続されている。供給配管２２の経路途中には開閉弁２６が介挿されている。また、冷却管１９の他端は図示しないドレインと接続されている。したがって、冷却媒体供給源２５から供給される冷却媒体は、開閉弁２６を開放することにより供給配管２２を介して冷却管１９に供給され、冷却管１９を介して熱処理プレート１１の内部空間と熱交換を行った後、図示しないドレインへと排出される。これにより、作動液室１３から蒸発した作動液１６の蒸気は冷却管１９によって冷却されることともなる。このように、本実施形態の熱処理装置１においては、ヒートパイプ構造を利用した加熱機構および冷却管１９を使用した冷却機構からなる温調機構を熱処理プレート１１に備えており、ヒータ１７の発熱量および冷却管１９への冷媒供給量を調整することによって熱処理プレート１１の加熱・冷却を制御している。

また、熱処理プレート１１の上面には、複数個（本実施形態では３個）のプロキシミティボール３０が配設されている。各プロキシミティボール３０は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の低伝熱性の部材にて構成された球体である。本実施形態では、直径２．３８ｍｍの３個のプロキシミティボール３０が熱処理プレート１１の上面の同一円周上に沿って１２０°間隔で配設されている。

図３は、プロキシミティボール３０の取り付け態様を説明するための模式図である。また、図４は、プロキシミティボール３０が熱処理プレート１１に固定された状態を示す断面図である。熱処理プレート１１の上面に、有底円筒形状の孔部３１が３箇所穿設されている。孔部３１の円筒の直径はプロキシミティボール３０の直径よりも大きく、底面３１ａは平面とされている。また、孔部３１の円筒内周面３１ｂには雌ネジが螺刻されている。

孔部３１の底面３１ａ上にはスペーサ３２が設置されている。本実施形態のスペーサ３２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）にて形成された円柱形状部材であり、所定厚さ（高さ）を有している。スペーサ３２の厚さによって、基板Ｗと熱処理プレート１１の上面との間に形成されるいわゆるプロキシミティギャップと称される微小間隔の大きさが規定される。なお、スペーサ３２の円柱直径が孔部３１の直径よりも小さいことは勿論である。プロキシミティボール３０は、孔部３１に入れられ、孔部３１の底面３１ａ上に設置されたスペーサ３２の上面に載置される。スペーサ３２の上面は平面であるため、プロキシミティボール３０とスペーサ３２とは点接触にて接触する。

孔部３１にスペーサ３２とプロキシミティボール３０とが順に入れられた状態にて、ガイドキャップ３５が孔部３１に螺合される。ガイドキャップ３５は、アルムニウムにて形成されており、表面がアルマイト処理されている。図３に示すように、ガイドキャップ３５の外観形状は概ね円筒形状であり、その外周面には孔部３１の円筒内周面３１ｂと螺合する雄ネジが螺刻されている。また、ガイドキャップ３５の内側には円筒形状の中空部３６が形成されている。中空部３６の下端は完全に開放されるとともに、中空部３６の直径はプロキシミティボール３０の直径よりも大きい。つまり、ガイドキャップ３５の下端からプロキシミティボール３０の直径よりも大きい所定径および所定高さの円筒形状孔を穿孔したときの孔が中空部３６を構成する。このため、ガイドキャップ３５の下側から中空部３６の内側にプロキシミティボール３０を受け入れることが可能である。

さらに、ガイドキャップ３５の上面には、開口部３７が形成されている。開口部３７は円形の開口であって、その直径はプロキシミティボール３０の直径よりも小さい。開口部３７は中空部３６に連通している。なお、図３に示すように、ガイドキャップ３５の上面には、螺合時にガイドキャップ３５を回転させるための工具を嵌める溝が径方向に沿って刻設されている。

孔部３１にスペーサ３２とプロキシミティボール３０とを順に入れた後に、ガイドキャップ３５を孔部３１にねじ込んでいくと、ガイドキャップ３５が徐々に孔部３１内に没入するとともに、プロキシミティボール３０が中空部３６の内側に入り込んでいく。やがて、ガイドキャップ３５が完全に孔部３１に没入してガイドキャップ３５の上面が熱処理プレート１１の上面１１ａよりも若干低くなったときに、開口部３７の周縁部下端がプロキシミティボール３０の球面に当接する。このとき、開口部３７の直径はプロキシミティボール３０の直径よりも小さいため、プロキシミティボール３０がガイドキャップ３５を通り抜けることはないが、プロキシミティボール３０の球体上端部が開口部３７から上方に突出する。そして、ガイドキャップ３５をねじ込むのに要するトルクが所定値に達したところで、ねじ込み作業を完了する。具体的には、作業者が所定のトルク値に設定した工具（例えば、トルクドライバー）を使用してガイドキャップ３５のねじ込み作業を行えば良い。

所定のトルク値にてガイドキャップ３５が孔部３１に締結されることにより、ガイドキャップ３５からプロキシミティボール３０に図４の矢印ＡＲ４１にて示すような締結力が作用する。プロキシミティボール３０は球形であり、ガイドキャップ３５の上面に形成された開口部３７は円形であるため、開口部３７の周縁部下端はプロキシミティボール３０と円環ラインにて線接触する。そして、その接触ラインの全体からプロキシミティボール３０を下方へと押圧する締結力が作用するのである。

プロキシミティボール３０の下方には孔部３１の底面３１ａ上に設置されたスペーサ３２が存在しており、プロキシミティボール３０の高さ位置はスペーサ３２によって規制されている。すなわち、プロキシミティボール３０が下方へと押圧される締結力を受けると、それに対抗する矢印ＡＲ４２にて示すような反力、つまりプロキシミティボール３０を上方へと押圧する力がスペーサ３２からプロキシミティボール３０に作用する。この反力は直接的にはスペーサ３２からプロキシミティボール３０に作用するものであるが、熱処理プレート１１がスペーサ３２を介して間接的にプロキシミティボール３０に作用させる力でもある。

孔部３１にガイドキャップ３５を所定のトルク値にて螺合させたときに生じる矢印ＡＲ４１に示す締結力と矢印ＡＲ４２にて示す反力とが均衡していることは勿論であり、これらの力によってプロキシミティボール３０がスペーサ３２上に固定される。プロキシミティボール３０がスペーサ３２上に固定されたときに、プロキシミティボール３０の上端部は開口部３７から上方に突出している。そして、プロキシミティボール３０の上端部は熱処理プレート１１の上面１１ａからも所定の高さだけ突出することとなる。

上記構成を有する熱処理装置１において基板Ｗの加熱処理を行うときには、熱処理プレート１１の上面１１ａに基板Ｗを載置する。基板Ｗは３個のプロキシミティボール３０によって下方から支持されることとなる。プロキシミティボール３０の上端部は熱処理プレート１１の上面１１ａから所定高さ突出しているため、基板Ｗと熱処理プレート１１の上面１１ａとの間にもその所定高さに相当する微小間隔が形成される。このような微小間隔がいわゆるプロキシミティギャップと称されるものである。プロキシミティギャップを隔てて熱処理プレート１１上に基板Ｗを載置しつつ加熱処理を行えば、直接載置に起因した基板Ｗの金属汚染および基板Ｗの面内温度分布が不均一になるのを防止することができる。特に、低伝熱性のアルミナにて形成されたプロキシミティボール３０によって基板Ｗを点接触にて支持すれば、プロキシミティボール３０による支持点のみが温度上昇することも抑制される。

本実施形態の熱処理装置１のように、ヒートパイプ構造を採用する装置の場合には熱処理プレート１１の温度を急速に変化させることが可能であり、そのような使われ方をすることも多い。本実施形態ではガイドキャップ３５の螺合によってプロキシミティボール３０を固定しているため、熱処理プレート１１の急速昇温および急速降温を繰り返したとしても、プロキシミティボール３０は孔部３１に確実に固定されていて離脱するおそれはない。特に、熱処理プレート１１が銅にて形成され、ガイドキャップ３５がアルミニウムにて形成されているときは、銅よりもアルミニウムの方が熱膨張率が高いため、昇温時にガイドキャップ３５がさらに強固に熱処理プレート１１に嵌合することとなり、プロキシミティボール３０がより確実に固定される。

また、本実施形態のプロキシミティボール３０自体は従来のものをそのまま使用することができ、スペーサ３２およびガイドキャップ３５も金属製であるため容易に加工することができる。そして、熱処理プレート１１の孔部３１に加工容易なスペーサ３２とプロキシミティボール３０とを入れてガイドキャップ３５を螺合させるだけという極めて簡単な構造にて確実にプロキシミティボール３０を熱処理プレート１１に固定することができる。よって、プロキシミティボール３０の取り付け作業も極めて容易なものとなり、ガイドキャップ３５を孔部３１にねじ込むときのトルク管理（例えば、トルクドライバーの設定値を一定にしておく）さえ行っておけば、誰でも簡単にかつ確実にプロキシミティボール３０を取り付けることができ、しかも作業者の経験の有無にかかわらずガイドキャップ３５の締結力を一定にすることができる。さらには、プロキシミティボール３０の取り付けに接着剤を使用しないため、接着剤の乾燥工程が不要となり、従来約２日程度必要としていた取り付け作業時間を１つの熱処理プレート１１につき１時間程度に短縮することができる。

ところで、上述したように、プロキシミティボール３０の高さ位置はスペーサ３２によって規制されており、プロキシミティギャップ（プロキシミティボール３０の上端部が熱処理プレート１１の上面１１ａから突出する高さ）はスペーサ３２の厚さによって規定されることとなる。スペーサ３２を設けずに、プロキシミティボール３０を直接孔部３１の底面３１ａ上に載置することも可能ではあるが、熱処理プレート１１は比較的硬度の低い銅またはアルミニウムによって形成されているため、ガイドキャップ３５をねじ込んだときに底面３１ａがプロキシミティボール３０に押圧されて変形したり、傷がついたりすることがある。このようになると、所定量のプロキシミティギャップを確保することが出来なくなる。

本実施形態のスペーサ３２は比較的硬度の高いステンレス鋼にて形成されており、ガイドキャップ３５を所定のトルク値にてねじ込んだときにも熱処理プレート１１は変形したり、損傷したりするおそれがない。その結果、所定量のプロキシミティギャップを確実に確保することができる。また、プロキシミティギャップを調整したいときにはスペーサ３２の厚さを変更するだけで簡単に行うことができる。具体的には、何種類かの厚さのスペーサ３２を予め用意しておき、所望のプロキシミティギャップに応じてスペーサ３２を変更するようにすればよい。このような作業も、ガイドキャップ３５を外してスペーサ３２を取り替えて再度ガイドキャップ３５をねじ込むだけであるため容易である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、スペーサ３２をステンレス鋼にて形成していたが、これに限定されるものではなく、チタン合金等やセラミックスによって形成するようにしても良い。すなわち、ガイドキャップ３５をねじ込んだときにプロキシミティボール３０から受ける力によって変形しない程度の硬度を有する材料であって、少なくとも熱処理プレート１１の材質の硬度よりも高いものにて形成すれば良い。もっとも、セラミックスは硬度は高いものの靱性が低く、ガイドキャップ３５をねじ込んだときに破損するおそれもあるため、ステンレス鋼やチタン合金のような高い硬度と靱性とを兼ね備えた金属材料の方が好ましい。

また、スペーサ３２の形状は円柱形状に限定されるものではなく、所定の厚さを有するものであれば良く、例えば四角柱形状であっても良い。

また、プロキシミティボール３０の材質はアルミナに限定されるものではなく、汚染の少ない低伝熱性の部材、例えば石英の如きセラミックスにて形成しても良い。また、プロキシミティボール３０の設置個数は３個に限定されるものではなく、少なくとも基板Ｗを支持できる３個以上であれば良い。

また、上記実施形態においては、熱処理プレート１１をヒートパイプ構造を有するものとしていたが、これに限定されるものではなく、例えば熱処理プレート１１が抵抗発熱体によって基板Ｗを加熱するタイプ（例えば、マイカヒータ等）であっても本発明に係る技術を適用することができる。

また、熱処理装置１が載置した基板Ｗの冷却処理を行うクールプレートを備えるものであっても本発明に係る技術を適用することができる。すなわち、加熱機構および／または冷却機構からなる温調機構を有する熱処理プレートによって基板の熱処理を行う熱処理装置であれば本発明に係る技術を適用することができる。

また、本発明に係る熱処理装置によって加熱対象となる基板は半導体ウエハに限定されるものではなく、液晶ガラス基板であっても良い。

本発明に係る熱処理装置の概略構成を示す側断面図である。熱処理プレートを上面から見た平面図である。プロキシミティボールの取り付け態様を説明するための模式図である。プロキシミティボールが熱処理プレートに固定された状態を示す断面図である。

符号の説明

１熱処理装置
１１熱処理プレート
３０プロキシミティボール
３１孔部
３２スペーサ
３５ガイドキャップ
３６中空部
３７開口部
Ｗ基板

Claims

温調機構を有する熱処理プレートによって基板の熱処理を行う熱処理装置であって、
前記熱処理プレートの上面に穿設された有底円筒形状の孔部の底面上に設置され、所定の厚さを有するスペーサと、
前記孔部に入れられて前記スペーサの上面に載置される低伝熱性の球体と、
前記球体を受け入れ可能な中空部および前記中空部に連通する上部開口を有し、前記孔部に螺合されることによって前記球体の上端部を前記上部開口から突出させつつ前記球体を前記スペーサ上に固定するキャップ部材と、
を備え、
前記孔部に前記キャップ部材が螺合されたときに、前記スペーサ上に固定された前記球体の上端部が前記熱処理プレートの上面から所定高さ突出することを特徴とする熱処理装置。
請求項１記載の熱処理装置において、
前記スペーサの硬度は前記熱処理プレートの硬度よりも高いことを特徴とする熱処理装置。
請求項２記載の熱処理装置において、
前記スペーサはステンレス鋼にて形成されていることを特徴とする熱処理装置。