WO2016151651A1 - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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temperature
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heat treatment
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徹 門間
靖博 福本
幸治 西
茂宏 後藤
憲一郎 城
田中　淳
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株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス
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    • F25B2321/021—Control thereof
    • F25B2321/0212—Control thereof of electric power, current or voltage

Definitions

  • the present invention relates to a heat treatment apparatus and a heat treatment method for heat treating a substrate.
  • a heat treatment apparatus In order to perform heat treatment on various substrates such as a semiconductor substrate, a liquid crystal display substrate, a plasma display substrate, an optical disk substrate, a magnetic disk substrate, a magneto-optical disk substrate, or a photomask substrate, a heat treatment apparatus is used. Yes.
  • the substrate cooling device described in Patent Document 1 includes a temperature setting device and a cooling plate.
  • the cooling plate includes a heat transfer plate and a Peltier element. A high temperature substrate before the cooling process is carried into the heat transfer plate.
  • the substrate cooling target temperature and the initial temperature of the heat transfer plate are set. The initial temperature of the heat transfer plate is equal to or lower than the substrate cooling target temperature.
  • the heat transfer plate is controlled to the set initial temperature until the substrate is carried into the heat transfer plate.
  • the heat transfer plate and the substrate are cooled with the maximum capacity of the Peltier element. Cooling at the maximum capacity by the Peltier element means that the Peltier element is driven at its maximum capacity for cooling without adjusting the degree of cooling according to the output of the temperature sensor for the substrate and the temperature sensor for the heat transfer plate. That means.
  • a high-temperature substrate can be cooled at a high speed to the substrate cooling target temperature.
  • An object of the present invention is to provide a heat treatment apparatus and a heat treatment method capable of performing heat treatment of a substrate accurately and with high efficiency by simple control.
  • a heat treatment apparatus is a heat treatment apparatus for performing heat treatment on a substrate, a plate on which the substrate is placed, a heat treatment unit arranged to cool or heat the plate, and a heat treatment unit A temperature adjusting unit for adjusting the temperature of the plate, a temperature detecting unit for detecting the temperature of the plate, and a temperature adjusting unit for maintaining the plate temperature at a set value based on the temperature detected by the temperature detecting unit.
  • a control value calculation unit that calculates a control value to be given as a control calculation value, a first control that gives a control calculation value calculated by the control value calculation unit to the temperature adjustment unit, and a control calculated by the control value calculation unit
  • a control switching unit that performs a second control that provides the temperature adjustment unit with a control set value that is higher than the calculated value.
  • the control switching unit has a control calculated value calculated by the control value calculating unit as a first threshold value. Rise above value In this case, the first control is switched to the second control, and when the control calculation value calculated by the control value calculation unit falls below the second threshold value, the second control is changed to the first control. Switch to control.
  • the plate on which the substrate is placed is cooled or heated by the heat treatment unit.
  • the temperature of the heat treatment part is adjusted by the temperature adjustment part.
  • the temperature of the plate is detected. Based on the detected temperature, a control value to be given to the temperature adjustment unit in order to maintain the temperature of the plate at a set value is calculated as a control calculation value.
  • the control calculation value calculated to maintain the plate temperature at the set value is given to the temperature adjustment unit (first control). Thereby, the temperature of the plate is maintained at the set value.
  • the control calculation value rises above the first threshold value a control set value higher than the control calculation value is given to the temperature adjustment unit (second control). As a result, the temperature of the plate is returned to the set value in a short time.
  • the control calculation value falls below the second threshold value the first control is performed. In the first control, since the temperature change of the plate is gentle, large overshoot and undershoot do not occur.
  • the responsiveness and stability of the control can be improved by switching between the first control and the second control.
  • the heat treatment of the substrate can be performed accurately and efficiently with simple control.
  • the control set value may be higher than predetermined first and second threshold values and not more than the maximum control value for the temperature adjustment unit.
  • the first threshold value and the second threshold value may be equal to each other.
  • the control value may be a ratio between the power to be supplied to the heat treatment unit and the maximum power that can be output by the temperature adjustment unit in order to maintain the temperature of the plate at a set value.
  • the first and second threshold values can be set as relative values. Therefore, the first and second threshold values can be set easily.
  • the heat treatment part may include a Peltier element.
  • the temperature adjustment unit can easily adjust the temperature of the heat treatment unit with high responsiveness by adjusting the power to the heat treatment unit.
  • a heat treatment method is a heat treatment method for performing heat treatment on a substrate, wherein the plate on which the substrate is placed is cooled or heated by the heat treatment unit, and the temperature of the heat treatment unit is adjusted.
  • a step of adjusting by the unit, a step of detecting the temperature of the plate, and a control calculation value to be given to the temperature adjusting unit to maintain the temperature of the plate at a set value based on the detected temperature Performing a first control for giving the calculated control calculation value to the temperature adjustment unit, and a second control for giving a control set value higher than the calculated control calculation value to the temperature adjustment unit
  • the first control is changed to the second control when the calculated control calculation value rises above the first threshold value. switching, If the issued control operation value drops below the second threshold comprises switching the second control to the first control.
  • the plate on which the substrate is placed is cooled or heated by the heat treatment section.
  • the temperature of the heat treatment part is adjusted by the temperature adjustment part.
  • the temperature of the plate is detected. Based on the detected temperature, a control value to be given to the temperature adjustment unit in order to maintain the temperature of the plate at a set value is calculated as a control calculation value.
  • the control calculation value calculated to maintain the plate temperature at the set value is given to the temperature adjustment unit (first control). Thereby, the temperature of the plate is maintained at the set value.
  • the control calculation value rises above the first threshold value a control set value higher than the control calculation value is given to the temperature adjustment unit (second control). As a result, the temperature of the plate is returned to the set value in a short time.
  • the control calculation value falls below the second threshold value the first control is performed. In the first control, since the temperature change of the plate is gentle, large overshoot and undershoot do not occur.
  • the responsiveness and stability of the control can be improved by switching between the first control and the second control.
  • the heat treatment of the substrate can be performed accurately and efficiently with simple control.
  • the heat treatment of the substrate can be performed accurately and with high efficiency by simple control.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing a configuration of a heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the heat treatment apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing temperature control of the upper plate in Comparative Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing temperature control of the upper plate in Comparative Example 2.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the temperature control process of the upper plate in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing temperature control of the upper plate in the example.
  • the substrate means a semiconductor substrate, a liquid crystal display substrate, a plasma display substrate, an optical disk substrate, a magnetic disk substrate, a magneto-optical disk substrate, a photomask substrate, or the like.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing a configuration of a heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the heat treatment apparatus 100 of FIG.
  • the heat treatment apparatus 100 includes a control device 10, a plate unit 20, a temperature adjustment unit 30, an elevating device 40, and a temperature detection unit 50.
  • the control device 10 includes a storage unit 11, a lift control unit 12, a temperature calculation unit 13, an arithmetic processing unit 14, and an output control unit 15.
  • the elevation control unit 12, the temperature calculation unit 13, the calculation processing unit 14, and the output control unit 15 are realized by a CPU (Central Processing Unit).
  • the plate unit 20 includes an upper plate 21, a lower plate 22 and a heat treatment unit 23.
  • the upper plate 21 is a heat transfer plate having a disk shape, for example.
  • a substrate W to be heat-treated is placed on the upper plate 21.
  • the upper plate 21 is formed with a plurality (three in this example) of openings 21h penetrating in the thickness direction.
  • the lower plate 22 is a heat radiating plate having a disk shape, for example.
  • the lower plate 22 is formed with a plurality of openings 22h penetrating in the thickness direction and corresponding to the plurality of openings 21h of the upper plate 21, respectively.
  • the lower plate 22 is disposed below the upper plate 21 with the center thereof substantially coinciding with the center of the upper plate 21. In this case, the plurality of openings 21h of the upper plate 21 and the plurality of openings 22h of the lower plate 22 overlap each other in the vertical direction.
  • the heat treatment section 23 includes a plurality of (9 in the example of FIG. 2) temperature control elements 23a.
  • the heat treatment unit 23 is disposed between the upper plate 21 and the lower plate 22. In this state, the upper plate 21 and the lower plate 22 are fixed by a fixing member such as a screw (not shown). Thereby, the heat treatment part 23 is held between the upper plate 21 and the lower plate 22.
  • each temperature control element 23a is a Peltier element having a cooling surface and a heating surface.
  • Each temperature control element 23 a is disposed such that the cooling surface is in contact with the upper plate 21 and the heating surface is in contact with the lower plate 22.
  • the plate unit 20 functions as a cooling plate that cools the substrate W by the upper plate 21. The heat generated from the heating surface of each temperature control element 23a is released by the lower plate 22 so as not to affect the cooling process of the substrate W.
  • Each temperature control element 23 a is connected to the temperature adjustment unit 30.
  • the temperature adjustment unit 30 is, for example, an electric power supply unit, and supplies electric power as an output to the temperature adjustment element 23 a based on control by the output control unit 15 of the control device 10. Thereby, the temperature of the upper plate 21 is lowered, and the substrate W placed on the upper plate 21 is cooled to a predetermined temperature.
  • the lifting device 40 includes a plurality of lifting pins 41 and a pin driving unit 42 corresponding to the plurality of openings 21 h and 22 h, respectively.
  • the plurality of lifting pins 41 are inserted into the plurality of openings 22 h and the plurality of openings 21 h of the upper plate 21 from below the lower plate 22, respectively.
  • the pin drive unit 42 is an actuator, for example, and is an air cylinder in this example.
  • the pin driving unit 42 moves the plurality of lifting pins 41 between the raised position and the lowered position based on the control by the lifting control unit 12 of the control device 10.
  • the raised position is a position where the tips of the plurality of lifting pins 41 protrude above the upper surface of the upper plate 21 through the plurality of openings 21h and 22h.
  • the lowered position is a position where the tips of the plurality of lifting pins 41 are below the upper surface of the upper plate 21.
  • the temperature detection unit 50 is a temperature detection element having a characteristic value that changes according to the temperature of the measurement target.
  • the temperature detection element may be a thermocouple, a resistance temperature detector, or another element.
  • the temperature detection unit 50 is embedded in a substantially central portion of the upper plate 21.
  • the characteristic value is a potential difference (thermoelectromotive force)
  • the characteristic value is an electrical resistance.
  • the temperature detection unit 50 gives a detection value to the temperature calculation unit 13 of the control device 10 based on a characteristic value corresponding to the temperature of the upper plate 21.
  • the storage unit 11 of the control device 10 stores various information related to the set temperature of the upper plate 21 and temperature control described later. In addition, the storage unit 11 stores information indicating the timing of raising and lowering the lifting pins 41.
  • the elevating control unit 12 is configured so that the plurality of elevating pins 41 are raised when the substrate W is loaded into the plate unit 20 or unloaded from the plate unit 20.
  • the pin driver 42 is controlled so as to move to. In this case, the substrate W is moved above the upper plate 21 by the plurality of lifting pins 41. In this state, the substrate W is transferred between the plurality of lifting pins 41 and a substrate transport device (not shown).
  • the lifting control unit 12 controls the pin driving unit 42 based on the information indicating the timing stored in the storage unit 11 so that the plurality of lifting pins 41 are moved to the lowered position during the heat treatment of the substrate W. Thereby, the substrate W is placed on the upper plate 21.
  • the temperature calculation unit 13 calculates the temperature of the upper plate 21 based on the detection value given from the temperature detection unit 50. Based on the temperature calculated by the temperature calculation unit 13, the arithmetic processing unit 14 calculates an output (electric power) that the temperature adjustment unit 30 should supply to the heat treatment unit 23 in order to maintain the upper plate 21 at the set temperature. In this example, the set temperature is 23 ° C.
  • the output control unit 15 controls the output supplied from the temperature adjustment unit 30 to the heat treatment unit 23 based on the information related to the output control stored in the storage unit 11 and the result calculated by the arithmetic processing unit 14.
  • the temperature of the upper plate 21 is controlled to a set temperature (23 ° C. in this example).
  • the substrate W heated to a high temperature by a heat treatment apparatus (not shown) is placed on the upper plate 21. Therefore, the temperature of the upper plate 21 increases rapidly from the set temperature.
  • the temperature adjustment unit 30 is controlled so that the temperature of the upper plate 21 returns to the set temperature.
  • the output rate from the temperature adjustment unit 30 to the heat treatment unit 23 is adjusted.
  • the output rate is a ratio between the output that should be supplied to the heat treatment unit 23 and the maximum output that can be supplied by the temperature adjustment unit 30 in order to maintain the upper plate 21 at the set temperature.
  • 3 and 4 are graphs showing the temperature control of the upper plate 21 in Comparative Examples 1 and 2, respectively. 3 and 4, the horizontal axis indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the temperature of the upper plate 21 and the output rate of the temperature adjusting unit 30. 3 and 4, the temperature change of the upper plate 21 is indicated by a solid line, and the output rate of the temperature adjustment unit 30 is indicated by a dotted line.
  • PID Proportional Differential Integration
  • Comparative Example 1 As shown in FIG. 3, the substrate W is placed on the upper plate 21 at the initial time. Thereby, as shown by a solid line, the temperature of the upper plate 21 rises from the set temperature. In this case, as indicated by the dotted line, the output rate increases in order to suppress the temperature change of the upper plate 21. Thereby, as shown by a solid line, the temperature of the upper plate 21 decreases and converges in the vicinity of the set temperature. Further, as indicated by the dotted line, the output rate decreases according to the temperature change of the upper plate 21 and converges to a constant value.
  • Comparative Example 2 As shown in FIG. 4, the substrate W is placed on the upper plate 21 at the initial time. Thereby, as shown by a solid line, the temperature of the upper plate 21 rises from the set temperature. In this case, as indicated by the dotted line, the output rate increases in order to suppress the temperature change of the upper plate 21. In this example, the output rate temporarily reaches 100%. Thereby, as shown by a solid line, the temperature of the upper plate 21 decreases in a relatively short time, and converges in the vicinity of the set temperature while repeating vibrations due to overshoot and undershoot. Further, as indicated by the dotted line, the output rate decreases according to the temperature change of the upper plate 21 and converges to a constant value while repeating the vibration.
  • the temperature overshoot of the upper plate 21 hardly occurs, but a relatively long time (13 in the present example) from when the substrate W is changed to the upper plate 21 until the temperature of the upper plate 21 returns to the set temperature. .4 seconds).
  • the temperature of the upper plate 21 returns to the set temperature in a relatively short time (11.5 seconds in this example) after the substrate W is changed to the upper plate 21, but the temperature of the upper plate 21 is large. Overshoot and undershoot occur.
  • the control device 10 performs the following control in order to achieve both quick response and improved stability.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the temperature control process of the upper plate 21 in the embodiment of the present invention.
  • the preset threshold value of the output rate of the temperature adjustment unit 30 is stored in the storage unit 11.
  • the threshold value is determined based on the set temperature of the upper plate 21, the size of the substrate W, the maximum output of the temperature adjusting unit 30, and the like. In this example, the threshold is 70%.
  • temperature control processing by the control device 10 will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 5.
  • the temperature calculation unit 13 calculates the temperature of the upper plate 21 (step S1).
  • the arithmetic processing unit 14 calculates an output rate for maintaining the temperature of the upper plate 21 at a set value by using feedback control (step S2).
  • the output control unit 15 determines whether or not the calculated output rate is less than a threshold value (step S3).
  • step S3 when the calculated output rate is less than the threshold value, the output control unit 15 supplies output to the heat treatment unit 23 at the calculated output rate (step S4). In this case, feedback control is performed to maintain the temperature of the upper plate 21 at a set value. Then, the control apparatus 10 returns to the process of step S1.
  • step S5 the output control unit 15 supplies the output to the heat treatment unit 23 at a 100% output rate (step S5). In this case, feedforward control for supplying the maximum output of the temperature adjustment unit 30 to the heat treatment unit 23 is performed. Then, the control apparatus 10 returns to the process of step S1.
  • steps S4 and S5 are repeated. According to this control, feedback control is performed when the calculated output rate is less than the threshold value, and feedforward control is performed when the output rate is greater than or equal to the threshold value.
  • FIG. 6 is a graph showing temperature control of the upper plate 21 in the example.
  • the horizontal axis in FIG. 6 indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the temperature of the upper plate 21 and the output rate of the temperature adjustment unit 30.
  • the temperature change of the upper plate 21 is indicated by a solid line
  • the calculated output rate is indicated by a dotted line
  • the output rate used in actual control is indicated by a one-dot chain line. It shows with.
  • the substrate W is placed on the upper plate 21 at the initial time. Thereby, as shown by a solid line, the temperature of the upper plate 21 rises from the set temperature. Therefore, feedback control is performed to suppress the temperature change of the upper plate 21.
  • the calculated output rate of the temperature adjusting unit 30 increases.
  • the actual output rate also increases.
  • the feedback control in the embodiment is PID control, and the gain of PID control in the embodiment is equal to the gain of PID control in Comparative Example 1.
  • the temperature control is switched from feedback control to feedforward control, and the actual output rate becomes 100%.
  • the cooling process of the upper plate 21 is performed with an output higher than that of normal feedback control. Thereby, as shown with a continuous line, the temperature of the upper plate 21 falls rapidly.
  • the actual output rate decreases according to the temperature change of the upper plate 21.
  • the temperature control is switched from feedforward control to feedback control, and the actual output rate matches the calculated output rate.
  • the temperature of the upper plate 21 converges in the vicinity of the set temperature as indicated by a solid line by normal feedback control.
  • the actual output rate and the calculated output rate converge to a constant value according to the temperature change of the upper plate 21.
  • the temperature overshoot and undershoot of the temperature of the upper plate 21 hardly occur, and the temperature of the upper plate 21 is relatively short (11.5 seconds in this example) after the substrate W is changed to the upper plate 21. Returns to the set temperature.
  • quick response and stability are improved as compared with the normal feedback control.
  • feed-forward control is performed to provide the temperature adjustment unit 30 with a 100% output rate.
  • the temperature of the upper plate 21 is returned to the set temperature in a short time.
  • feedback control is performed. In the feedback control, since the temperature change of the upper plate 21 is gradual, large overshoot and undershoot do not occur.
  • This configuration can improve control responsiveness and stability by switching between feedback control and feedforward control. As a result, the heat treatment of the substrate W can be performed accurately and with high efficiency by simple control.
  • the plate portion 20 is a cooling plate that cools the substrate W, but the present invention is not limited to this.
  • the plate unit 20 may be a hot plate that heats the substrate W.
  • each temperature control element 23 a of the heat treatment section 23 is arranged such that the heating surface is in contact with the upper plate 21 and the cooling surface is in contact with the lower plate 22.
  • the temperature control element 23a may be a heater instead of a Peltier element.
  • the temperature control element 23a may be a pipe for circulating a heat medium such as pure water.
  • the temperature adjustment unit 30 is a heat medium supply unit that supplies a heat medium to the pipe.
  • the threshold value when the feedback control is switched to the feedforward control is equal to the threshold value when the feedforward control is switched to the feedback control. It is not limited to.
  • the threshold value when the feedback control is switched to the feedforward control may be different from the threshold value when the feedforward control is switched to the feedback control. In this case, two threshold values are stored in advance in the storage unit 11 as information regarding temperature control of the upper plate 21.
  • the output rate which is a relative value, is calculated as the control value to be given to the temperature adjustment unit 30, but the present invention is not limited to this.
  • an output amount that is an absolute value may be calculated.
  • the substrate W is an example of a substrate
  • the heat treatment apparatus 100 is an example of a heat treatment apparatus
  • the upper plate 21 is an example of a plate
  • the heat treatment part 23 is an example of a heat treatment part
  • a temperature adjusting part Reference numeral 30 is an example of the temperature adjustment unit.
  • the temperature detection unit 50 is an example of a temperature detection unit
  • the arithmetic processing unit 14 is an example of a control value calculation unit
  • the output control unit 15 is an example of a control switching unit
  • the temperature adjustment element 23a is an example of a Peltier element. is there.
  • the present invention can be effectively used for heat treatment of various substrates.

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Abstract

　基板が載置される上部プレートが熱処理部により冷却または加熱される。熱処理部の温度が温度調整部により調整される。上部プレートの温度が検出される。検出された温度に基づいて、上部プレートの温度を設定された値に維持するために温度調整部に与えられるべき制御値が制御演算値として算出される。制御演算値が第２のしきい値未満に低下した場合には、制御演算値を温度調整部に与える第１の制御が行われる。制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、制御演算値よりも高い制御設定値を温度調整部に与える第２の制御が行われる。

Description

熱処理装置および熱処理方法
　本発明は、基板を熱処理する熱処理装置および熱処理方法に関する。
　半導体基板、液晶表示装置用基板、プラズマディスプレイ用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板またはフォトマスク用基板等の各種基板に熱処理を行うために、熱処理装置が用いられている。
　特許文献１に記載された基板冷却装置は、温度設定器および冷却プレートを有する。冷却プレートは、伝熱プレートおよびペルチェ素子を含む。伝熱プレートには、冷却処理前の高温の基板が搬入される。温度設定器には、基板冷却目標温度および伝熱プレートの初期温度が設定される。伝熱プレートの初期温度は、基板冷却目標温度以下である。
　基板が伝熱プレートに搬入されるまでは、伝熱プレートは設定された初期温度に制御される。高温の基板が伝熱プレートに搬入された場合、ペルチェ素子による最大能力で伝熱プレートおよび基板の冷却が行われる。ペルチェ素子による最大能力での冷却とは、基板用の温度センサおよび伝熱プレート用の温度センサの出力に応じて冷却する程度を増減調節せずにペルチェ素子をその最大能力で駆動して冷却することをいう。
　基板の温度が設定された基板冷却目標温度に達すると、基板が伝熱プレートによる熱の影響を受けない位置まで冷却プレートから離間される。これにより、当該基板に対する冷却処理が終了する。その後、次の基板の冷却処理に備えて、伝熱プレートの温度が設定された初期温度に戻される。
特開平７－１１５０５８号公報
　特許文献１の基板冷却装置によれば、高温の基板を基板冷却目標温度まで高速で冷却することができる。しかしながら、冷却処理の後、ペルチェ素子により最大能力で冷却された伝熱プレートの温度を初期温度に戻す制御を逐一行う必要がある。そのため、制御が複雑化するとともに、基板冷却装置の処理効率が低下する。
　本発明の目的は、簡単な制御により基板の熱処理を正確にかつ高効率で行うことが可能な熱処理装置および熱処理方法を提供することである。
　（１）本発明の一局面に従う熱処理装置は、基板に熱処理を行う熱処理装置であって、基板が載置されるプレートと、プレートを冷却または加熱するように配置される熱処理部と、熱処理部の温度を調整する温度調整部と、プレートの温度を検出する温度検出部と、温度検出部により検出された温度に基づいて、プレートの温度を設定された値に維持するために温度調整部に与えられるべき制御値を制御演算値として算出する制御値算出部と、制御値算出部により算出された制御演算値を温度調整部に与える第１の制御と、制御値算出部により算出された制御演算値よりも高い制御設定値を温度調整部に与える第２の制御とを行う制御切替部とを備え、制御切替部は、制御値算出部により算出された制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、第１の制御を第２の制御に切り替え、制御値算出部により算出された制御演算値が第２のしきい値未満に低下した場合には、第２の制御を第１の制御に切り替える。
　この熱処理装置においては、基板が載置されるプレートが熱処理部により冷却または加熱される。熱処理部の温度が温度調整部により調整される。プレートの温度が検出される。検出された温度に基づいて、プレートの温度を設定された値に維持するために温度調整部に与えられるべき制御値が制御演算値として算出される。
　制御演算値が第２のしきい値未満である場合には、プレートの温度を設定された値に維持するために算出された制御演算値が温度調整部に与えられる（第１の制御）。これにより、プレートの温度が設定された値に維持される。一方、制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、制御演算値よりも高い制御設定値が温度調整部に与えられる（第２の制御）。これにより、プレートの温度が短時間で設定された値に戻される。制御演算値が第２のしきい値未満まで低下すると、第１の制御が行われる。第１の制御においては、プレートの温度変化は緩やかであるため、大きなオーバーシュートおよびアンダーシュートは発生しない。
　この構成によれば、第１の制御および第２の制御の切り替えにより、制御の即応性および安定性を向上させることができる。その結果、簡単な制御により基板の熱処理を正確にかつ高効率で行うことができる。
　（２）制御設定値は、予め定められた第１および第２のしきい値よりも高くかつ温度調整部に対する最大の制御値以下であってもよい。
　この構成によれば、制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、高い制御設定値が温度調整部に与えられる。これにより、プレートの温度をより短時間で設定された値に戻すことができる。その結果、制御の安定性を維持しつつ即応性をより向上させることができる。
　（３）第１のしきい値と第２のしきい値とは互いに等しくてもよい。
　この場合、第１の制御を第２の制御に切り替えるときの制御演算値と第２の制御を第１の制御に切り替えるときの制御演算値とが等しいので、温度調整部の制御をより単純にすることができる。
　（４）制御値は、プレートの温度を設定された値に維持するために熱処理部に供給されるべき電力と温度調整部が出力可能な最大電力との比率であってもよい。
　この場合、第１および第２のしきい値を相対値として設定することができる。そのため、第１および第２のしきい値を容易に設定することができる。
　（５）熱処理部はペルチェ素子を含んでもよい。この場合、温度調整部は熱処理部への電力を調整することにより、熱処理部の温度を高い応答性でかつ容易に調整することができる。
　（６）本発明の他の局面に従う熱処理方法は、基板に熱処理を行う熱処理方法であって、基板が載置されるプレートを熱処理部により冷却または加熱するステップと、熱処理部の温度を温度調整部により調整するステップと、プレートの温度を検出するステップと、検出された温度に基づいて、プレートの温度を設定された値に維持するために温度調整部に与えられるべき制御値を制御演算値として算出するステップと、算出された制御演算値を温度調整部に与える第１の制御と、算出された制御演算値よりも高い制御設定値を温度調整部に与える第２の制御とを行うステップとを含み、第１の制御と第２の制御とを行うステップは、算出された制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、第１の制御を第２の制御に切り替え、算出された制御演算値が第２のしきい値未満に低下した場合には、第２の制御を第１の制御に切り替えることを含む。
　この熱処理方法によれば、基板が載置されるプレートが熱処理部により冷却または加熱される。熱処理部の温度が温度調整部により調整される。プレートの温度が検出される。検出された温度に基づいて、プレートの温度を設定された値に維持するために温度調整部に与えられるべき制御値が制御演算値として算出される。
　制御演算値が第２のしきい値未満である場合には、プレートの温度を設定された値に維持するために算出された制御演算値が温度調整部に与えられる（第１の制御）。これにより、プレートの温度が設定された値に維持される。一方、制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、制御演算値よりも高い制御設定値が温度調整部に与えられる（第２の制御）。これにより、プレートの温度が短時間で設定された値に戻される。制御演算値が第２のしきい値未満まで低下すると、第１の制御が行われる。第１の制御においては、プレートの温度変化は緩やかであるため、大きなオーバーシュートおよびアンダーシュートは発生しない。
　この方法によれば、第１の制御および第２の制御の切り替えにより、制御の即応性および安定性を向上させることができる。その結果、簡単な制御により基板の熱処理を正確にかつ高効率で行うことができる。
　本発明によれば、簡単な制御により基板の熱処理を正確にかつ高効率で行うことができる。
図１は本発明の一実施の形態に係る熱処理装置の構成を示す模式的側面図である。 図２は図１の熱処理装置の模式的平面図である。 図３は比較例１における上部プレートの温度制御を示すグラフである。 図４は比較例２における上部プレートの温度制御を示すグラフである。 図５は本発明の実施の形態における上部プレートの温度制御処理を示すフローチャートである。 図６は実施例における上部プレートの温度制御を示すグラフである。
　（１）熱処理装置の構成
　以下、本発明の実施の形態に係る熱処理装置および熱処理方法について図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、基板とは、半導体基板、液晶表示装置用基板、プラズマディスプレイ用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板またはフォトマスク用基板等をいう。
　図１は、本発明の一実施の形態に係る熱処理装置の構成を示す模式的側面図である。図２は、図１の熱処理装置１００の模式的平面図である。図１に示すように、熱処理装置１００は、制御装置１０、プレート部２０、温度調整部３０、昇降装置４０および温度検出部５０を含む。
　制御装置１０は、記憶部１１、昇降制御部１２、温度算出部１３、演算処理部１４および出力制御部１５を含む。昇降制御部１２、温度算出部１３、演算処理部１４および出力制御部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）により実現される。
　プレート部２０は、上部プレート２１、下部プレート２２および熱処理部２３を含む。上部プレート２１は、例えば円板形状を有する伝熱プレートである。上部プレート２１には、熱処理が行われる基板Ｗが載置される。上部プレート２１には、厚み方向に貫通する複数（本例では３個）の開口部２１ｈが形成される。
　下部プレート２２は、例えば円板形状を有する放熱プレートである。下部プレート２２には、厚み方向に貫通しかつ上部プレート２１の複数の開口部２１ｈにそれぞれ対応する複数の開口部２２ｈが形成される。下部プレート２２は、その中心が上部プレート２１の中心と略一致する状態で上部プレート２１の下方に配置される。この場合、上部プレート２１の複数の開口部２１ｈと下部プレート２２の複数の開口部２２ｈとはそれぞれ上下方向に重なる。
　本実施の形態においては、熱処理部２３は複数（図２の例では９個）の温調素子２３ａを含む。熱処理部２３は、上部プレート２１と下部プレート２２との間に配置される。この状態で、上部プレート２１と下部プレート２２とが図示しないネジ等の固定部材により固定される。これにより、熱処理部２３は上部プレート２１および下部プレート２２により狭持される。
　本例においては、各温調素子２３ａは、冷却面および加熱面を有するペルチェ素子である。各温調素子２３ａは、冷却面が上部プレート２１に接触しかつ加熱面が下部プレート２２に接触するように配置される。この場合、プレート部２０は、上部プレート２１により基板Ｗを冷却処理するクーリングプレートとして機能する。各温調素子２３ａの加熱面から発生する熱は、基板Ｗの冷却処理に影響しないように下部プレート２２により放出される。
　各温調素子２３ａは温度調整部３０に接続される。図１および図２においては、１つの温調素子２３ａと温度調整部３０との接続のみが図示され、他の複数の温調素子２３ａと温度調整部３０との接続の図示は省略されている。温度調整部３０は、例えば電力供給部であり、制御装置１０の出力制御部１５による制御に基づいて温調素子２３ａに電力を出力として供給する。それにより、上部プレート２１の温度が低下し、上部プレート２１に載置された基板Ｗが所定の温度に冷却される。
　図１に示すように、昇降装置４０は、複数の開口部２１ｈ，２２ｈにそれぞれ対応する複数の昇降ピン４１およびピン駆動部４２を含む。複数の昇降ピン４１は、下部プレート２２の下方から複数の開口部２２ｈおよび上部プレート２１の複数の開口部２１ｈにそれぞれ挿入される。
　ピン駆動部４２は、例えばアクチュエータであり、本例ではエアシリンダである。ピン駆動部４２は、制御装置１０の昇降制御部１２による制御に基づいて、複数の昇降ピン４１を上昇位置と下降位置との間で移動させる。ここで、上昇位置は、複数の昇降ピン４１の先端が複数の開口部２１ｈ，２２ｈを通して上部プレート２１の上面よりも上方に突出する位置である。下降位置は、複数の昇降ピン４１の先端が上部プレート２１の上面よりも下方にある位置である。
　温度検出部５０は、測定対象の温度に応じて変化する特性値を有する温度検出素子である。温度検出素子は、熱電対であってもよいし、測温抵抗体であってもよいし、他の素子であってもよい。温度検出部５０は、上部プレート２１の略中央部に埋設される。なお、温度検出部５０が熱電対である場合には、特性値は電位差（熱起電力）であり、温度検出部５０が測温抵抗体である場合には、特性値は電気抵抗である。温度検出部５０は、上部プレート２１の温度に応じた特性値に基づいて検出値を制御装置１０の温度算出部１３に与える。
　制御装置１０の記憶部１１には、上部プレート２１の設定温度および後述する温度制御に関する種々の情報が記憶される。また、記憶部１１には、昇降ピン４１の昇降のタイミングを示す情報が記憶される。
　昇降制御部１２は、記憶部１１に記憶されたタイミングを示す情報に基づいて、プレート部２０への基板Ｗの搬入時またはプレート部２０からの基板Ｗの搬出時に複数の昇降ピン４１が上昇位置に移動するようにピン駆動部４２を制御する。この場合、複数の昇降ピン４１により基板Ｗが上部プレート２１の上方に移動される。この状態で、複数の昇降ピン４１と図示しない基板搬送装置との間で基板Ｗの受け渡しが行われる。
　また、昇降制御部１２は、記憶部１１に記憶されたタイミングを示す情報に基づいて、基板Ｗの熱処理時に複数の昇降ピン４１が下降位置に移動するようにピン駆動部４２を制御する。これにより、基板Ｗが上部プレート２１に載置される。
　温度算出部１３は、温度検出部５０から与えられる検出値に基づいて、上部プレート２１の温度を算出する。演算処理部１４は、温度算出部１３により算出された温度に基づいて、上部プレート２１を設定温度に維持するために温度調整部３０が熱処理部２３に供給すべき出力（電力）を算出する。本例においては、設定温度は２３℃である。出力制御部１５は、記憶部１１に記憶された出力制御に関する情報および演算処理部１４により算出された結果に基づいて、温度調整部３０が熱処理部２３に供給する出力を制御する。
　（２）上部プレートの温度制御
　本例においては、まず、上部プレート２１の温度が設定温度（本例では２３℃）に制御される。次に、図示しない加熱処理装置により高温に加熱された基板Ｗが上部プレート２１に載置される。そのため、上部プレート２１の温度が設定温度から急激に上昇する。このような場合でも、上部プレート２１の温度が設定温度に戻るように温度調整部３０の制御が行われる。この制御においては、温度調整部３０から熱処理部２３への出力率が調整される。ここで、出力率は、上部プレート２１を設定温度に維持するために熱処理部２３に供給すべき出力と温度調整部３０の供給可能な最大出力との比である。
　上記の制御において、即応性および安定性が向上されること、すなわち可能な限り短時間でかつ行き過ぎ量（オーバーシュートおよびアンダーシュート）が小さくなるように上部プレート２１の温度が設定温度に戻されることが望まれる。通常、このような制御を行う場合には、フィードバック制御が用いられる。
　図３および図４は、比較例１，２における上部プレート２１の温度制御をそれぞれ示すグラフである。図３および図４の横軸は経過時間を示し、縦軸は上部プレート２１の温度および温度調整部３０の出力率を示す。また、図３および図４においては、上部プレート２１の温度変化を実線で示し、温度調整部３０の出力率を点線で示す。比較例１，２においては、フィードバック制御としてＰＩＤ（比例微分積分）制御が行われる。比較例２におけるＰＩＤ制御のゲインは、比較例１におけるＰＩＤ制御のゲインよりも大きい。
　比較例１においては、図３に示すように、初期時点で基板Ｗが上部プレート２１に載置される。それにより、実線で示すように、上部プレート２１の温度が設定温度から上昇する。この場合、点線で示すように、上部プレート２１の温度変化を抑制するために出力率が上昇する。これにより、実線で示すように、上部プレート２１の温度は低下し、設定温度近傍で収束する。また、点線で示すように、出力率は、上部プレート２１の温度変化に応じて低下し、一定値に収束する。
　比較例２においては、図４に示すように、初期時点で基板Ｗが上部プレート２１に載置される。それにより、実線で示すように、上部プレート２１の温度が設定温度から上昇する。この場合、点線で示すように、上部プレート２１の温度変化を抑制するために出力率が上昇する。本例では、出力率は一時的に１００％に達する。これにより、実線で示すように、上部プレート２１の温度は比較的短い時間で低下し、オーバーシュートおよびアンダーシュートによる振動を繰り返しながら設定温度近傍で収束する。また、点線で示すように、出力率は、上部プレート２１の温度変化に応じて低下し、振動を繰り返しながら一定値に収束する。
　比較例１では、上部プレート２１の温度のオーバーシュートはほとんど発生しない反面、基板Ｗが上部プレート２１にされてから上部プレート２１の温度が設定温度に戻るまでに比較的長い時間（本例では１３．４秒）を要する。一方、比較例２では、基板Ｗが上部プレート２１にされてから比較的短い時間（本例では１１．５秒）で上部プレート２１の温度が設定温度に戻る反面、上部プレート２１の温度の大きなオーバーシュートおよびアンダーシュートが発生する。
　このように、比較例１，２の比較から、通常のフィードバック制御では即応性と安定性とはトレードオフの関係にあり、ゲインの調整のみでは即応性および安定性の向上を両立させることは困難である。そこで、本実施の形態においては、制御装置１０は即応性および安定性の向上を両立させるために以下の制御を行う。
　図５は、本発明の実施の形態における上部プレート２１の温度制御処理を示すフローチャートである。実施例においては、予め設定された温度調整部３０の出力率のしきい値が記憶部１１に記憶されている。しきい値は、上部プレート２１の設定温度、基板Ｗのサイズおよび温度調整部３０の最大出力等に基づいて決定される。本例では、しきい値は７０％である。以下、図１、図２および図５を参照しながら制御装置１０による温度制御処理を説明する。
　まず、温度算出部１３は、上部プレート２１の温度を算出する（ステップＳ１）。次に、演算処理部１４は、フィードバック制御を用いて上部プレート２１の温度を設定値に維持するための出力率を算出する（ステップＳ２）。続いて、出力制御部１５は、算出された出力率がしきい値未満であるか否かを判定する（ステップＳ３）。
　ステップＳ３において、算出された出力率がしきい値未満である場合には、出力制御部１５は、算出された出力率で熱処理部２３に出力を供給する（ステップＳ４）。この場合、上部プレート２１の温度を設定値に維持するフィードバック制御が行われる。その後、制御装置１０はステップＳ１の処理に戻る。
　一方、ステップＳ３において、算出された出力率がしきい値以上である場合には、出力制御部１５は、１００％の出力率で熱処理部２３に出力を供給する（ステップＳ５）。この場合、熱処理部２３に温度調整部３０の最大出力を供給するフィードフォワード制御が行われる。その後、制御装置１０はステップＳ１の処理に戻る。
　ステップＳ４，Ｓ５の処理の後、ステップＳ１～Ｓ５の処理が繰り返される。この制御によれば、算出された出力率がしきい値未満である場合にはフィードバック制御が行われ、出力率がしきい値以上である場合にはフィードフォワード制御が行われる。
　図６は、実施例における上部プレート２１の温度制御を示すグラフである。図６の横軸は経過時間を示し、縦軸は上部プレート２１の温度および温度調整部３０の出力率を示す。また、図６においては、上部プレート２１の温度変化を実線で示し、算出された出力率を点線で示し、実際の制御で用いられる出力率（以下、実際の出力率と呼ぶ。）を一点鎖線で示す。
　図６に示すように、初期時点で基板Ｗが上部プレート２１に載置される。それにより、実線で示すように、上部プレート２１の温度が設定温度から上昇する。そこで、上部プレート２１の温度変化を抑制するためにフィードバック制御が行われる。この場合、点線で示すように、算出された温度調整部３０の出力率が上昇する。同様に、一点鎖線で示すように、実際の出力率も上昇する。なお、実施例におけるフィードバック制御はＰＩＤ制御であり、実施例におけるＰＩＤ制御のゲインは比較例１におけるＰＩＤ制御のゲインと等しい。
　ここで、算出された出力率がしきい値（本例では７０％）以上になると、温度制御がフィードバック制御からフィードフォワード制御に切り換えられ、実際の出力率は１００％となる。この場合、通常のフィードバック制御よりも高い出力で上部プレート２１の冷却処理が行われる。これにより、実線で示すように、上部プレート２１の温度は急激に低下する。
　その後、一点鎖線で示すように、実際の出力率は、上部プレート２１の温度変化に応じて低下する。算出された出力率がしきい値未満になると、温度制御がフィードフォワード制御からフィードバック制御に切り換えられ、実際の出力率と算出された出力率とが一致する。この場合、通常のフィードバック制御により、実線で示すように、上部プレート２１の温度は、設定温度近傍で収束する。また、一点鎖線で示すように、実際の出力率および算出された出力率は、上部プレート２１の温度変化に応じて一定値に収束する。
　実施例では、上部プレート２１の温度のオーバーシュートおよびアンダーシュートはほとんど発生せず、基板Ｗが上部プレート２１にされてから比較的短時間（本例では１１．５秒）で上部プレート２１の温度が設定温度に戻る。このように、上記の制御によれば、通常のフィードバック制御と比較して、即応性および安定性が向上する。
　（３）効果
　本実施の形態に係る熱処理装置１００においては、出力率がしきい値未満である場合には、上部プレート２１の温度を設定温度に維持するために算出された出力率を温度調整部３０に与えるフィードバック制御が行われる。これにより、上部プレート２１の温度が設定温度に維持される。
　一方、出力率がしきい値以上に上昇した場合には、１００％の出力率を温度調整部３０に与えるフィードフォワード制御が行われる。これにより、上部プレート２１の温度が短時間で設定温度に戻される。出力率がしきい値未満まで低下すると、フィードバック制御が行われる。フィードバック制御においては、上部プレート２１の温度変化は緩やかであるため、大きなオーバーシュートおよびアンダーシュートは発生しない。
　この構成によれば、フィードバック制御およびフィードフォワード制御の切り替えにより、制御の即応性および安定性を向上させることができる。その結果、簡単な制御により基板Ｗの熱処理を正確にかつ高効率で行うことができる。
　（４）他の実施の形態
　（ａ）上記実施の形態において、プレート部２０は基板Ｗを冷却処理するクーリングプレートであるが、本発明はこれに限定されない。プレート部２０は基板Ｗを加熱処理するホットプレートであってもよい。この場合、熱処理部２３の各温調素子２３ａは、加熱面が上部プレート２１に接触しかつ冷却面が下部プレート２２に接触するように配置される。あるいは、温調素子２３ａはペルチェ素子ではなくヒータであってもよい。
　あるいは、温調素子２３ａは、純水等の熱媒体を循環させる配管であってもよい。この場合、温度調整部３０は配管に熱媒体を供給する熱媒体供給部である。
　（ｂ）上記実施の形態において、算出された出力率がしきい値以上である場合には、温度調整部３０の最大出力が熱処理部２３に供給されることが好ましいが、本発明はこれに限定されない。算出された出力率がしきい値以上である場合には、当該しきい値よりも十分に大きな出力が熱処理部２３に供給されてもよい。この場合、上部プレート２１の温度制御に関する情報として、算出された出力率がしきい値以上であるときに熱処理部２３に供給する出力が記憶部１１に予め記憶されている。
　（ｃ）上記実施の形態において、フィードバック制御がフィードフォワード制御に切り換わる際のしきい値とフィードフォワード制御がフィードバック制御に切り換わる際のしきい値とが等しいことが好ましいが、本発明はこれに限定されない。フィードバック制御がフィードフォワード制御に切り換わる際のしきい値とフィードフォワード制御がフィードバック制御に切り換わる際のしきい値とが異なってもよい。この場合、上部プレート２１の温度制御に関する情報として、２つのしきい値が記憶部１１に予め記憶されている。
　（ｄ）上記実施の形態において、温度調整部３０に与えられるべき制御値として、相対値である出力率が算出されることが好ましいが、本発明はこれに限定されない。温度調整部３０に与えられるべき制御値として、絶対値である出力量が算出されてもよい。
　（５）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応関係
　以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
　上記実施の形態では、基板Ｗが基板の例であり、熱処理装置１００が熱処理装置の例であり、上部プレート２１がプレートの例であり、熱処理部２３が熱処理部の例であり、温度調整部３０が温度調整部の例である。温度検出部５０が温度検出部の例であり、演算処理部１４が制御値算出部の例であり、出力制御部１５が制御切替部の例であり、温調素子２３ａがペルチェ素子の例である。
　請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
　本発明は、種々の基板の熱処理に有効に利用することができる。

Claims (6)

  1. 基板に熱処理を行う熱処理装置であって、
    　基板が載置されるプレートと、
    　前記プレートを冷却または加熱するように配置される熱処理部と、
    　前記熱処理部の温度を調整する温度調整部と、
    　前記プレートの温度を検出する温度検出部と、
    　前記温度検出部により検出された温度に基づいて、前記プレートの温度を設定された値に維持するために前記温度調整部に与えられるべき制御値を制御演算値として算出する制御値算出部と、
    　前記制御値算出部により算出された制御演算値を前記温度調整部に与える第１の制御と、前記制御値算出部により算出された制御演算値よりも高い制御設定値を前記温度調整部に与える第２の制御とを行う制御切替部とを備え、
    　前記制御切替部は、前記制御値算出部により算出された制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、前記第１の制御を第２の制御に切り替え、前記制御値算出部により算出された制御演算値が前記第２のしきい値未満に低下した場合には、前記第２の制御を前記第１の制御に切り替える、熱処理装置。
  2. 前記制御設定値は、予め定められた第１および第２のしきい値よりも高くかつ前記温度調整部に対する最大の制御値以下である、請求項１記載の熱処理装置。
  3. 前記第１のしきい値と前記第２のしきい値とは互いに等しい、請求項１または２記載の熱処理装置。
  4. 前記制御値は、前記プレートの温度を設定された値に維持するために前記熱処理部に供給されるべき電力と前記温度調整部が出力可能な最大電力との比率である、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
  5. 前記熱処理部はペルチェ素子を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
  6. 基板に熱処理を行う熱処理方法であって、
    　基板が載置されるプレートを熱処理部により冷却または加熱するステップと、
    　前記熱処理部の温度を温度調整部により調整するステップと、
    　前記プレートの温度を検出するステップと、
    　検出された温度に基づいて、前記プレートの温度を設定された値に維持するために前記温度調整部に与えられるべき制御値を制御演算値として算出するステップと、
    　算出された制御演算値を前記温度調整部に与える第１の制御と、算出された制御演算値よりも高い制御設定値を前記温度調整部に与える第２の制御とを行うステップとを含み、
    　前記第１の制御と前記第２の制御とを行うステップは、算出された制御演算値が第１のしきい値以上に上昇した場合には、第１の制御を第２の制御に切り替え、算出された制御演算値が前記第２のしきい値未満に低下した場合には、前記第２の制御を前記第１の制御に切り替えることを含む、熱処理方法。
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