JPH11102904A - 基板冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱された基板を真空室内で冷却するにあた
り、大量のガスを消費することなく、高い効率で冷却
し、しかもパーティクル汚染を抑えること。 【解決手段】 真空室２内に３０℃程度に冷却されてい
る冷却ステ−ジ３１を設け、基板保持部４により、この
冷却ステ−ジ３１と対向し、かつ冷却ステ−ジ３１表面
から０．２ｍｍ浮上させた状態でウエハＷを保持する。
真空室２内に、当該室内の圧力が３Ｔｏｒｒ程度となる
までＮ₂ ガスを導入し、このＮ₂ ガスの供給と排気とを
停止した状態でウエハＷを冷却する。ウエハＷの熱は、
ウエハＷと冷却ステ−ジ３１との間に存在するＮ₂ ガス
により冷却ステ−ジ３１へ放熱され、これによりウエハ
Ｗが冷却される。Ｎ₂ ガスの供給は停止されているので
大量のガスの消費が抑えられ、またＮ₂ ガスの供給に伴
うパーティクルの巻き上げやウエハの位置ずれが抑えら
れるのでパーティクル汚染のおそれもない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば熱処理後の
半導体ウエハなどの基板を、真空雰囲気中で冷却する装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハに対して真空雰囲気中で熱
処理を行う装置として、スループットの向上を図るため
に、移載アームを備えた真空チャンバよりなる移載室に
複数の予備真空室をなすカセット室と複数の真空処理室
とを気密に接続して構成したクラスタツールなどと呼ば
れている処理装置が知られている。この処理装置では、
カセット室内にウエハカセットを外部から搬入し、ウエ
ハカセットに収納されているウエハを移載室を介して真
空処理室内に搬入して処理を行うのであるが、処理後の
ウエハは例えば２００℃以上もの温度になっており、こ
のままカセットに戻すと、カセットの材質である樹脂を
変形させてしまうため、ウエハを冷却するための専用の
冷却室が移載室に接続されている。

【０００３】ところで真空雰囲気中では放熱が悪いた
め、冷却の手法としては工夫する必要がある。冷却室内
の圧力を例えば大気圧まで復帰させれば放熱速度が早い
が、この場合には圧力調整に時間がかかる。そこで従来
では、例えば特開平４−１４３２７３号公報に記載され
ているように冷却板の上方にウエハを載置し、冷却板と
ウエハとの間の空間にガスを流し、このガスを熱媒体と
してウエハの熱を冷却板に放熱する技術が知られてい
る。またウエハを冷却板の上に直接置いて冷却すること
も知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記公報
の技術においては、ガスを熱媒体としてウエハの熱を冷
却板に放熱するというよりは、ガスにウエハの熱を吸熱
させてこのガスを排出していると考えられる。何故なら
ガスの導入を止めれば、ウエハの冷却時間は極端に遅く
なる。この理由は、ウエハと冷却板との間の隙間に熱が
溜まると考えられる。従って大量のガスを必要とする
し、ガスの導入によってパーティクルを巻き上げ、ウエ
ハを汚染する懸念がある。

【０００５】また冷却板の上に直接ウエハを載せる手法
は、ウエハの接触面積が大きいのでパーティクル汚染の
おそれが大きく、パターンの線幅の微細化が進みパーテ
ィクル汚染の許容限度が厳しい現状では、採用しにくい
方法である。さらにウエハの冷却時間を短縮するために
ガス導入やガス排気を急激に行うと、パ−ティクルの巻
き上げやウエハの位置ずれが発生するおそれがある。

【０００６】本発明は、大量のガスを消費することな
く、高い効率で冷却することができ、しかもパーティク
ル汚染のおそれがない基板冷却装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、加熱
された基板を真空室内で冷却する装置において、真空室
内に設けられた冷却板と、この冷却板の冷却面に対して
０．５ｍｍ以内の距離だけ離れて対向するように基板を
保持する基板保持部と、前記真空室内に熱媒体用のガス
を導入するためのガス導入路と、前記真空室内のガスを
排気するための排気路と、を備え、前記基板の熱を前記
ガスを介して冷却板に放熱させることを特徴とする。こ
の際真空室へのガスの導入及び真空室からのガスの排気
を止めた状態で基板を冷却することが望ましい。

【０００８】また前記基板冷却装置では、ガス導入路に
ガス導入用の弁を設けると共に、一端が前記ガス導入路
におけるガス導入用の弁と真空室との間に接続され、他
端が排気路における排気用の弁の下流側に接続されたバ
イパスと、このバイパスに設けられたバイパス用の弁
と、を設け、前記基板を真空室内に搬入した後、排気用
の弁を閉じた状態でガス導入用の弁及びバイパス用の弁
を開いて真空室内にガスを導入することが望ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の基板冷却装置につ
いて説明する。先ずこの基板冷却装置を備えた例えばク
ラスタツ−ル等と呼ばれる処理装置の全体構成につい
て、図１の平面図に基づいて簡単に説明すると、この装
置は、例えば移載ア−ム１を備えた移載室１１に、例え
ば基板に対して１枚ずつ処理を行う枚葉式処理装置から
なる真空処理室１２と、真空処理室１２にて処理された
基板例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを
冷却するための本発明の基板冷却装置からなる冷却処理
室１３と、例えばウエハＷを２５枚収納する樹脂製のカ
セット１５が搬入される予備真空室１４とが例えば２個
ずつ気密に接続されて構成されている。また移載室１１
内にはウエハＷのオリフラ又はノッチを合わせてウエハ
Ｗの結晶の方向性を合わせるウエハ位置合わせ機構１０
が設けられている。

【００１０】続いて基板冷却装置（冷却室）の一実施の
形態について図２〜図４により説明する。図中２は内部
を気密に保持するための真空室であり、真空室２内の底
部には冷却板をなす冷却ステ−ジ３１が設けられてい
て、真空室２内の冷却ステ−ジ３１上面と真空室２の上
壁の下面とで囲まれた空間が冷却室Ｓを構成している。
この冷却室Ｓの高さは、ウエハＷを冷却ステ−ジ３１上
に載置するために必要な高さであればよく、例えば１３
ｍｍ程度に設定されている。

【００１１】冷却ステ−ジ３１は例えばアルミニウムに
より構成されており、その上面は例えばウエハＷよりも
わずかに大きくなるように形成されている。また冷却ス
テ−ジ３１内部には図示しない水冷経路が形成されてお
り、この水冷経路には水冷配管３２を介して冷却水が循
環供給されるようになっていて、これにより冷却ステ−
ジ３１は常時例えば３０℃程度の温度に制御されてい
る。

【００１２】冷却ステ−ジ３１には例えば３か所の位置
に、例えば図３に示すように、ウエハＷを冷却ステ−ジ
３１の表面（冷却面）と対向させ、かつ当該表面から例
えば０．２ｍｍ浮上させた状態で保持するための基板保
持部４が設けられている。この基板保持部４は例えばネ
ジにより構成されており、ウエハ下面と冷却ステ−ジ３
１表面との距離の調整ができるようになっている。

【００１３】この際図２ではウエハＷと冷却ステ−ジ３
１表面との間の隙間は表現上省略してあり、図３ではウ
エハＷと冷却ステ−ジ３１とを模式的に示している。ま
た冷却ステ−ジ３１には例えば３本の突出ピン３３が設
けられており、これら突出ピン３３は真空室２の下方側
に設けられた駆動モ−タ３４により昇降板３５を介して
冷却ステ−ジ３１の表面から例えば基板保持部４上面の
上方まで突出するように構成されている。

【００１４】前記真空室２の頂部には、熱媒体用ガス例
えば窒素ガス（Ｎ₂ ガス）を真空室２内に導入するため
のガス供給管５１が接続されている。また真空室２の上
壁には、一端側が前記ガス供給管５に接続され、他端側
が冷却ステ−ジ３１と対向する領域において、ガス供給
孔５３として真空室２内に開口するガス供給経路５２が
形成されており、これらガス供給管５１、ガス供給経路
５２、ガス供給孔５３によりガス導入路が構成されてい
る。

【００１５】前記真空室２の側壁には、真空室２内のガ
スを排気するための排気口６１が形成されており、この
排気口６１には排気管６２が接続されていて、これらに
より排気路が構成されている。排気管６２の他端側は図
示しない真空排気手段に接続されており、真空室２内の
ガスは冷却ステ−ジ３１と真空室２の側壁との隙間を通
り、排気口６１を介して排気されていく。さらに真空室
２の側壁には、冷却ステ−ジ３１の側方にウエハＷを真
空室２内に搬入出するためのゲ−トバルブ７が設けられ
ている。

【００１６】前記ガス供給管５１には、例えば図４に示
すように、レギュレ−タＲ、第１のオリフィスＯ１、ガ
ス導入用のバルブＶ１、第２のオリフィスＯ２及びフィ
ルタＦとが上流側から順に介装されており、前記排気管
６２には、圧力計ＰＳと、排気用のバルブＶ３とが上流
側から順に介装されている。またガス供給管５１と排気
管６２との間には、一端側がフィルタＦと真空室２との
間に接続され、他端側がバルブＶ３の下流側に接続され
たバイパスＢが設けられており、このバイパスＢにはバ
イパス用のバルブＶ２が介装されている。

【００１７】ここで上述の処理装置の作用を簡単に説明
する。先ずウエハＷは外部から予備真空室１４内にカセ
ット１５に収納された状態で搬入され、その後予備真空
室１４内が真空引きされる。そしてカセット１５からウ
エハＷが移載ア−ム１により１枚ずつ取り出されてウエ
ハ位置合わせ機構１０に載置される。ここでウエハＷを
１回転させ、ウエハＷのエッジを光学センサにより観察
することによりウエハＷの位置ずれ量及びノッチ又はオ
リフラの方向を検知し、ウエハＷの中心位置とオリフラ
又はノッチの方向が修正された後に、真空処理室１２内
に移載され、ここでウエハＷに対して例えばＳｉＯ₂ 膜
の形成等の所定の処理が行われる。

【００１８】次いで移載ア−ム１によりウエハを真空処
理室１２から冷却処理室１３に移載し、ここで熱処理終
了後の例えば１８０℃程度の温度のウエハを、カセット
１５が熱変形する温度以下例えば５０℃程度になるまで
冷却する。この後再び移載ア−ム１によりウエハを冷却
処理室１３から予備真空室１４に移載してカセット１５
内に収納し、１カセット分のウエハＷに対して同様の処
理を終了した後、当該カセット１５を予備真空室１４か
ら搬出する。

【００１９】続いて上述の基板冷却装置（冷却処理室）
の作用について説明する。先ずゲ−トバルブ７を開い
て、例えば１×１０^-2Ｔｏｒｒ程度に設定された真空室
２内に、真空処理室１２にて熱処理され、例えば１８０
℃程度の温度となっているウエハＷを搬入し、ゲ−トバ
ルブ７を閉じる。真空室２内では、突出ピン３３を基板
保持部４上面の上方まで突出させて、この突出ピン３３
にウエハＷを受け渡し、次いで突出ピン３３を下降させ
ることにより基板保持部４上にウエハＷを保持させる。

【００２０】そして図５のフロ−チャ−トに示すよう
に、例えばウエハＷの搬入の前に閉じておいたバルブＶ
１〜Ｖ３の内、先ずガス導入用のバルブＶ１とバイパス
用のバルブＶ２とを開いて（ステップＳ１）、Ｎ₂ ガス
をガス供給管５１、ガス供給経路５２、ガス供給孔５３
を介して真空室２内に供給する。ここでバルブＶ１及び
バルブＶ２を開くと、Ｎ₂ ガスはガス供給管５１を介し
て真空室２内に供給されると共に、バイパスＢにより排
気管６２を介して排気されていく。このため真空室２
（冷却室）内に供給されるガスは、バイパスＢに通気し
ていく分少なくなるので、当該真空室２内にはＮ₂ ガス
がゆっくりと少しずつ供給されることとなり、これによ
り冷却室内の圧力は、例えば図６に示す冷却室内の圧力
と時間との関係を示す特性図のように、徐々に上昇して
くる。

【００２１】こうしてＮ₂ ガスを、真空室２内が後述の
実験により設定される所定の圧力例えば３Ｔｏｒｒにな
るまでＴ１の期間例えば５秒間供給した後、バルブＶ１
及びバルブＶ２を閉じ（ステップＳ２）、真空室２内の
圧力をほぼ一定に保った状態でウエハＷの冷却を行う。

【００２２】このウエハＷの冷却の際、真空室２内はＮ
₂ ガスで満たされた状態となっており、ウエハＷと冷却
ステ−ジ３１との間の僅かな隙間もＮ₂ ガスで満たされ
ている。そしてこのウエハＷと冷却ステ−ジ３１との間
のＮ₂ ガスが熱媒体となってウエハＷの熱を３０℃程度
に冷却されている冷却ステ−ジ３１へ伝達してここに放
熱し、この放熱された熱は冷却ステ−ジ３１の水冷によ
り真空室２の外部へ逃がされる。

【００２３】ここでこのＮ₂ ガスを熱媒体とする冷却ス
テ−ジ３１への放熱は、ウエハＷと冷却ステ−ジ３１と
の間の距離に左右されることが後述する本発明者らの実
験例により確認されている。つまりウエハＷと冷却ステ
−ジ３１との距離が例えば０．５ｍｍ以上になるとウエ
ハＷの冷却の速度が遅くなり、ウエハＷの冷却にかなり
時間がかかってしまう。この理由は距離が０．５ｍｍ以
上になると、Ｎ₂ ガスによる冷却ステ−ジ３１への放熱
がスム−ズに起こらなくなり、ウエハＷと冷却ステ−ジ
３１との間の隙間に熱が溜まってしまうからであると考
えられ、この場合にはウエハＷの熱を吸収したＮ₂ ガス
を通流させなければウエハＷの熱を除去することは困難
であると推察される。

【００２４】こうしてウエハＷをＴ２の期間例えば３５
〜４０秒間冷却して、例えば５０℃程度まで冷却した
後、先ずバルブＶ２を開き（ステップＳ３）、真空室２
内のＮ₂ ガスを排気する。バルブＶ２の開放により、Ｎ
₂ ガスはガス供給管５１、バイパスＢを介して排気管６
２より排気されるので排気速度が小さい状態となり、ゆ
っくりと排気される。そしてバルブＶ２の開放からＴ３
の期間例えば４〜５秒経過後バルブ３を開き（ステップ
Ｓ４）、上述のバイパスＢを介しての排気に排気管６２
による排気を加え、排気速度を大きくした状態で本排気
を行う。

【００２５】上述の本排気により真空室２内を再び１×
１０^-2Ｔｏｒｒ程度の真空状態にした後、ゲ−トバルブ
７を開いて、真空室２から冷却されたウエハＷを搬出
し、予備真空室１４内のカセット１５内に移載する。

【００２６】このように本実施の形態では、冷却ステ−
ジ３１表面とウエハＷの下面との距離を例えば０．５ｍ
ｍ以下に設定し、ウエハＷの熱をＮ₂ ガスにより冷却ス
テ−ジ３１へスム−ズに放熱しているので、ウエハＷが
速やかに冷却され、例えば１８０℃程度のウエハＷが約
５０秒で５０℃程度まで冷却される。この際Ｎ₂ ガスの
真空室２への供給やＮ₂ ガスの真空室２からの排気を止
め、Ｎ₂ ガスを真空室２内に封じ込めた状態で冷却して
いるので、ウエハＷの冷却に必要なＮ₂ ガスの量が少な
くて済み、大量のガスを消費することなく、高い効率で
ウエハＷを冷却することができる。

【００２７】また真空室２内の圧力は例えば３Ｔｏｒｒ
程度に調整すればよいので、圧力調整の時間も例えば５
秒程度と短くて済む。さらにウエハＷが冷却ステ−ジ３
１と接触していないので、接触面積が小さくなり、パー
ティクル汚染のおそれが小さい上、冷却の際にＮ₂ ガス
が通流しないので、ガスの供給によりパーティクルが入
り込んだり、パーティクルが巻き上がるおそれがなく、
この点からもウエハＷのパーティクル汚染が抑えられ
る。

【００２８】さらにまたバイパスＢを設け、Ｎ₂ ガスの
供給時や排気時には、このバイパスＢにガスを通気させ
るようにしたので、真空室２へのＮ₂ ガスの供給速度や
真空室２からのＮ₂ ガスの排気速度が小さくなる。この
ためガスを速い速度で通流させることによって生じるパ
ーティクルの巻き上げや、急激な圧力変化によるウエハ
Ｗの位置ずれが防止され、さらにパーティクル汚染のお
それを小さくすることができる。

【００２９】続いて本発明者らが行った実験例について
説明する。先ず本発明者らは、ウエハＷと冷却ステ−ジ
３１との間の距離と冷却速度との関係を明らかにするた
めに、真空室２内の圧力を３Ｔｏｒｒとし、前記距離を
変えてウエハＷ温度の時間変化を、２秒間隔でサンプリ
ングすることにより測定した。

【００３０】この結果を図７に示すが、ここで図中曲線
●，▲，■，×，◆，□，○は、前記距離を０ｍｍ，
０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，
１．０ｍｍ，１．５ｍｍとした場合を夫々示しており、
サンプリング結果は図示の表現上１０秒毎に示した。こ
の結果によりウエハＷと冷却ステ−ジ３１との距離が大
きくなるにつれて、ウエハＷの冷却速度が小さくなり、
ウエハＷの冷却に時間がかかることが確認された。

【００３１】ウエハＷの冷却の目的温度はカセット１５
の樹脂の材質により異なり、例えばカセット１５がポリ
プロピレンにより構成されている場合には、ウエハＷを
６０〜７０℃程度に冷却すればよいが、この場合には前
記距離を０．５ｍｍ程度とすれば冷却時間が６０秒以内
であるので、前記距離は０．５ｍｍ以内とすることが望
ましく、ウエハＷを５０℃程度まで冷却する場合には前
記距離を０．２ｍｍ程度とすれば冷却時間が５０秒以内
であるので、前記距離は０．２ｍｍ以内とすることが望
ましいことが確認された。

【００３２】続いて本発明者らは、真空室２内の圧力と
冷却速度との関係を明らかにするために、真空室２内の
圧力を変えてウエハＷ温度の時間変化を、１秒間隔でサ
ンプリングすることにより測定した。この際ウエハＷと
冷却ステ−ジ３１との距離は０．７５ｍｍとした。

【００３３】この結果を図８に示すが、ここで図中曲線
□，◇，■，◆，▲は、前記距離を０．１Ｔｏｒｒ，
０．５Ｔｏｒｒ，１．０Ｔｏｒｒ，５．０Ｔｏｒｒ，大
気圧とした場合を夫々示しており、サンプリング結果は
図示の表現上１０秒毎に示した。この結果により真空室
２内の圧力が低いほど、ウエハＷの冷却速度が小さくな
ることが確認され、特に前記圧力が０．５Ｔｏｒｒより
低くなると、ウエハＷを１００℃まで冷却するために約
６０秒以上の時間がかかってしまうので、真空室２内の
圧力は０．５Ｔｏｒｒ以上とすることが望ましいことが
確認された。

【００３４】このようにウエハＷの冷却速度は、ウエハ
Ｗと冷却ステ−ジ３１との距離及び真空室２内の圧力に
より変化するが、例えば１８０℃のウエハＷを５０℃ま
で冷却するまでの所要時間は、前記距離を０．２ｍｍ、
前記圧力を３．４Ｔｏｒｒとした場合には２０秒、前記
距離を０．５ｍｍ、前記圧力を３．４Ｔｏｒｒとした場
合には３５秒、前記距離を０．２ｍｍ、前記圧力を１．
０Ｔｏｒｒとした場合には３０秒程度である。

【００３５】以上のことをまとめると、冷却作用はウエ
ハと冷却ステ−ジとの距離に大きく起因しており、その
距離が０．５ｍｍを越えると、ウエハ→Ｎ₂ ガス→冷却
ステ−ジへの熱の流れは悪くなり、この場合にはＮ₂ ガ
スを流しながらウエハの熱をガスにより持ち去るように
しなければ、冷却能力が落ちてしまう。従って上述の経
路でウエハの熱を放熱させ、Ｎ₂ ガスを流さなくとも短
時間で冷却を行うためには、ウエハと冷却ステ−ジの表
面との距離が０．５ｍｍ以内であることが必要である。

【００３６】また本実施の形態による基板冷却装置は、
例えばクラスタ−ツ−ル等と一般に呼ばれている枚様式
の処理装置に特に有効であるが、上記処理装置の処理の
内容は、例えばＥＣＲ−ＣＶＤ、熱ＣＶＤ、プラズマＣ
ＶＤ等の成膜処理、及びＥＣＲエッチャ−、平行平板エ
ッチャ−、プラズマエッチャ−等のエッチング処理等で
あり、ウエハが加熱される処理であればどのような処理
に対しても上記冷却装置は有効である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、加熱された基板を真空
室内で冷却するにあたり、大量のガスを消費することな
く、高い効率で冷却することができ、しかもパーティク
ル汚染を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基板冷却装置が設けられたクラスタツ
−ルの一実施の形態を示す平面図である。

【図２】本発明の基板冷却装置の一実施の形態を示す断
面図である。

【図３】前記基板冷却装置に設けられた冷却ステ−ジと
ウエハとの関係を模式的に示す断面図である。

【図４】前記基板冷却装置に接続されるガス供給管と排
気管と、これらの間に設けられたバイパスを示す図であ
る。

【図５】前記基板冷却装置の作用を説明するためのフロ
−チャ−トである。

【図６】真空室内の圧力の時間変化を示す特性図であ
る。

【図７】ウエハと冷却ステ−ジとの隙間とウエハの冷却
速度との関係を示す特性図である。

【図８】真空室内の圧力とウエハの冷却速度との関係を
示す特性図である。

【符号の説明】

２ 真空室 ３１ 冷却ステ−ジ ４ 基板保持部 ５１ ガス供給管 ６２ 排気管 Ｂ バイパス Ｖ１ ガス導入用のバルブ Ｖ２ バイパス用のバルブ Ｖ３ 排気用のバルブ Ｗ 半導体ウエハ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱された基板を真空室内で冷却する装
   置において、 真空室内に設けられた冷却板と、 この冷却板の冷却面に対して０．５ｍｍ以内の距離だけ
   離れて対向するように基板を保持する基板保持部と、 前記真空室内に熱媒体用のガスを導入するためのガス導
   入路と、 前記真空室内のガスを排気するための排気路と、を備
   え、 前記基板の熱を前記ガスを介して冷却板に放熱させるこ
   とを特徴とする基板冷却装置。
2. 【請求項２】 真空室へのガスの導入及び真空室からの
   ガスの排気を止めた状態で基板を冷却することを特徴と
   する請求項１記載の基板冷却装置。
3. 【請求項３】 ガス導入路に設けられたガス導入用の弁
   と、 ガス排気路に設けられた排気用の弁と、 一端が前記ガス導入路におけるガス導入用の弁と真空室
   との間に接続され、他端が排気路における排気用の弁の
   下流側に接続されたバイパスと、 このバイパスに設けられたバイパス用の弁と、を備え前
   記基板を真空室内に搬入した後、排気用の弁を閉じた状
   態でガス導入用の弁及びバイパス用の弁を開いて真空室
   内にガスを導入することを特徴とする請求項１または２
   記載の基板冷却装置。