JP2010186778A - 冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の板状の被処理物を同時に冷却することが可能であり、各被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる冷却装置を提供する。
【解決手段】加熱処理された被処理物Ｓを冷却用エアの吹き付けによって冷却する装置Ｃ。少なくとも１枚の板状の被処理物Ｓを立った状態で保持することができる保持具１と、この保持具１に保持された被処理物Ｓの面内方向とほぼ平行な方向に冷却用エアを供給するエア供給手段２と、前記被処理物Ｓの面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度が所定の範囲内で変化するように前記保持具１を揺動させる揺動機構３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は冷却装置及び冷却方に関する。さらに詳しくは、加熱された板状の被処理物を冷却するのに好適に用いることができる冷却装置及び冷却方法に関する。

半導体デバイスの原料となるシリコンウェーハは、シリコン単結晶棒を薄くスライスすることにより得られる。このシリコン単結晶棒は、石英るつぼ内の溶解したシリコン中から単結晶を成長させるＣＺ（チョクラルスキー）法により製造することができるが、シリコン単結晶を引き上げる際に、わずかに溶けた石英るつぼからの酸素が溶解したシリコン中に混入する。この酸素は単結晶シリコンの成長とともにその結晶内に混入し、サーマルドナーとして残留する。

サーマルドナーがドープしたシリコンウェーハを半導体デバイスの製造に使用した場合、シリコンウェーハの抵抗率が均一でなくなるなど、半導体デバイスの品質が一定でなくなる。

そこで、サーマルドナーを減少させるために、エッチング処理などが施されたシリコンウェーハに熱処理が施される（ドナーキラー熱処理）。この熱処理は、例えば５５０〜８００℃程度に加熱されたシリコンウェーハを４００〜３００℃付近に急速に冷却するものであるが、現状にあっては、加熱炉から人手で取り出したシリコンウェーハの両面に扇風機の風を交互に当てて冷却している。したがって、シリコンウェーハを均一に冷却するのが難しく、また、複数のシリコンウェーハを同時に処理することできないので作業効率が悪い。

一方、板ガラスの分野においては、ローラコンベヤ上の板ガラスを、当該ローラコンベヤの上方及び下方に多数配設された噴出口から冷却エアを吹き付けることで冷却することが行なわれている（例えば、特許文献１〜２参照）。特許文献１〜２に記載されている装置では、冷却エアの吹き付けを均一にするために前記板ガラスをその面内方向に揺動させている。

特公平６−２３０６９号公報 特許第２５８９９７５号公報

特許文献１〜２記載の装置では、板状の被処理物である板ガラスを自動的に冷却することができるが、ローラコンベヤ上の板ガラスの面に対しほぼ垂直方向から冷却エアを吹き付ける構成であるので、複数の被処理物を同時に冷却しようとすると、ローラコンベヤを長くするとともに冷却エアの噴出口を当該ローラコンベヤ全長に沿って配設する必要があり、設置スペースが大きくなるだけでなく、設備費が嵩むという問題がある。また、シリコンウェーハと板ガラスは、加熱状態の強度や冷却時間などが異なるので、当該板ガラスの冷却方法を参照することはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数の板状の被処理物を同時に冷却することが可能であり、各被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる冷却装置及び冷却方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の観点に係る冷却装置は、加熱処理された被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する装置であって、
少なくとも１枚の板状の被処理物を立った状態で保持することができる保持具と、
この保持具に保持された被処理物の面内方向とほぼ平行な方向に冷却用エアを供給するエア供給手段と、
前記被処理物の面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度が所定の範囲内で変化するように前記保持具を揺動させる揺動機構と
を備えたことを特徴としている。

本発明の第１の観点に係る冷却装置では、板状の被処理物を立った状態で保持することができる保持具を揺動させることで、当該板状の被処理物の面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度を所定の範囲内で変化させることができる。したがって、板状の被処理物に対して均一に冷却用エアを供給することができ、その結果、被処理物を均一に冷却することができる。また、保持具によって立った状態で被処理物を保持するので、複数の被処理物を同時に冷却処理することが可能であり、この場合においても、保持具を揺動させることで当該保持具に保持されている複数の被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

前記所定の範囲を−４５°〜＋４５°の範囲とすることができる。被処理物の面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度を−４５°〜＋４５°の範囲内で変化させること
で、当該被処理物全体に対して均一に冷却用エアを供給することができ、これにより被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

前記揺動機構を、前記保持具が載置されるターンテーブルと、このターンテーブルを正転及び反転させるモータとで構成することができる。ターンテーブルをモータで正転及び反転させることで当該ターンテーブル上に載置されている保持具に保持された被処理物を簡単に且つ確実に揺動させることができる。

また、本発明の第２の観点に係る冷却装置は、加熱処理された被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する装置であって、
少なくとも１つの被処理物を保持することができる保持具と、
この保持具に保持された被処理物に冷却用エアを供給するエア供給手段と、
前記被処理物に対する冷却用エアの供給方向が変化するように前記保持具を回転させる回転機構と
を備えたことを特徴としている。

本発明の第２の観点に係る冷却装置では、回転機構によって、被処理物に対する冷却用エアの供給方向が変化するように保持具を回転させることで、当該被処理物に対して均一に冷却用エアを供給することができ、これにより被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

前記第１の観点及び第２の観点に係る冷却装置において、被処理物が加熱処理される加熱室内の保持具を、当該被処理物が冷却される冷却室内に搬送する搬送機構を更に備えているのが好ましい。この構成によれば、被処理物を人手によることなく搬送機構により自動的に加熱室から冷却室へ移動させることができる。

前記搬送機構がロッドを備えており、
前記ターンテーブルは昇降可能に構成されており、
前記ロッドの先端には、下方に開放されており且つ前記保持具に係止可能な係止部が形成されており、且つ、
ターンテーブルの下降によって当該ターンテーブル上の保持具とロッド先端の係止部との係合が解除されるように構成されているのが好ましい。この場合、ターンテーブルを下降させることによって自動的にロッドと保持具との係合を解除することができる。

本発明の第３の観点に係る冷却方法は、加熱処理された板状の被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する方法であって、
前記被処理物の面内方向と、冷却用エアの吹き付け方向とのなす角度を所定の範囲内で変化させることを特徴としている。

本発明の第３の観点に係る冷却方法では、板状の被処理物の面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度を所定の範囲内で変化させることによって、当該板状の被処理物に対して均一に冷却用エアを供給することができ、その結果、被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

前記被処理物を、その面内方向が前記冷却エアの吹きつけ方向とほぼ平行になるように配置し、当該被処理物を揺動させることで前記角度を所定の範囲内で変化させることができる。この場合、被処理物を揺動させることで当該被処理物の面内方向と冷却用エアの吹き付け方向とのなす角度を変化させることができ、これにより、被処理物に対して冷却用エアを均一に供給して当該被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

前記所定の範囲を−４５°〜＋４５°の範囲とすることができる。被処理物の面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度を−４５°〜＋４５°の範囲内で変化させること
で、当該被処理物全体に対して均一に冷却用エアを供給することができ、これにより被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

また、本発明の第４の観点に係る冷却方法は、加熱処理された板状の被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する方法であって、
前記被処理物に対する冷却用エアの吹き付け方向を変化させることを特徴としている。

本発明の第４の観点に係る冷却方法では、被処理物に対する冷却用エアの供給方向を変化させることで、当該被処理物に対して均一に冷却用エアを供給することができ、これにより被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

本発明の冷却装置及び冷却方法によれば、複数の板状の被処理物を同時に冷却することが可能であり、各被処理物を迅速かつ均一に冷却することができる。

本発明の冷却装置の一実施の形態の平面説明図である。 図１に示される冷却装置の側面説明図である。 冷却用エアの流れと板状の被処理物との関係を説明する図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の冷却装置及び冷却方法の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る冷却装置Ｃの平面説明図であり、図２は図１に示される冷却装置Ｃの側面説明図である。この冷却装置Ｃは、シリコンウェーハからサーマルドナーを減少させるドナーキラー熱処理に用いられ、板状の被処理物であるシリコンウェーハＳを保持する保持具１と、シリコンウェーハＳに冷却用エアを吹き付けるエア供給手段である冷却ファン２と、前記保持具１を揺動させる揺動機構３とで主に構成されている。

保持具１は、底板１１の４隅に立設された柱部材１２に矩形の下部枠１３及び上部枠１４が固定された構成であり、前記上部枠１４の対向する長辺枠材１４間には立った状態のシリコンウェーハＳを支持するとともに、複数のシリコンウェーハＳ間の仕切り材の機能を果たす仕切り棒（図示せず）が所定間隔で複数本配設されている。保持具１は、耐熱性、清浄性、耐熱衝撃性などを考慮して石英で作製されているが、高純度の耐熱衝撃性セラミックスなど他の材料で作製することもできる。また、保持具１は、前記のものに限らず、例えば仕切り棒に代えて、枠材に溝又は突起を設けたものであってもよい。

冷却ファン２は、ファン本体２１と、このファン本体２１を回転させるモータ２２とを備えており、モータ２２は、シリコンウェーハＳの冷却が行なわれる冷却室４の側壁４ａに固設された取付バー２３に取り付けられている。冷却ファン２は、前記側壁４ａに形成された開口（図示せず）から冷却用エアを前記冷却室４内にほぼ水平方向に吹き出す。その風速は、本発明において特に限定されるものではないが、通常、３〜１５ｍ／秒である。また、風量は冷却室４の容積や冷却速度などを考慮して適宜選定することができるが、概ね７０〜１８０ｍ³／分程度である。

揺動機構３は、前記冷却室４内に配設されたターンテーブル３１と、このターンテーブル３１の下方に配設され、当該ターンテーブル３１を正転及び反転させるモータ３２とを備えている。ターンテーブル３１上に前記保持具１が配置され、この状態でターンテーブル３１を交互に正転及び反転させることで保持具１に保持されたシリコンウェーハＳを揺動させることができる。

本実施の形態におけるターンテーブル３１及びこのターンテーブル３１を回転駆動させるモータ３２を搭載した昇降ベース３３は、モータを備えた駆動機構３４によって昇降可能に構成されている。ターンテーブル３１を昇降させることで、後述するように、ターンテーブル３１上に配置された保持具１と後述するロッドとを係合させたり、又は、当該係合を解除させたりすることができる。

前記冷却室４には、仕切り壁により隔てることなく予備室５が隣接して設けられている。この予備室５には、前記保持具１を配置することができる定位置６が設けられており、冷却後のシリコンウェーハＳを保持する保持具１は、図示しない移送機構によってターンテーブル３１上から定位置６上に押し出される。

また、前記冷却室４には、昇降可能な開閉扉７を介して、シリコンウェーハＳを所定温度に加熱するための加熱室８が隣接して設けられている。この加熱室８と予備室５は、ターンテーブル３１を中心として９０°の角度をなす位置に配置されている。加熱室８は、電気ヒータによって１００〜１０００℃程度に加熱可能に構成されている。

加熱室８を挟んで、前記冷却室４と反対側の位置には、前記保持具１を搬送させるための搬送機構４０が設けられている。この搬送機構４０は、進退自在に構成されたロッド４１と、このロッド４１をその軸方向に前進又は後退させる駆動機構４２とで主に構成されている。駆動機構４２は、ロッド４２と所定距離だけ離間して当該ロッド４２の下方に並設されているボールネジシャフト４３と、このボールネジシャフト４３外周に配設されたボールネジナット４４と、このボールネジナット４４と前記ロッド４２とを連結する連結部材４５と、減速機構５０を介して前記ボールネジシャフト４３に連結されたモータ５１とからなっている。ボールネジシャフト４３の先端側端部（モータ５１と反対側の端部）及び後端側端部は、それぞれ軸受装置５２によって回転可能に支持されている。ボールネジナット４４及びこれに連結された連結部材４５は、ボールネジシャフト４３の回転により当該ボールネジシャフト４３の軸方向に沿って移動可能に構成されている。したがって、モータ５１の回転を制御することで連結部材４５に連結されたロッド４２をその軸方向に沿って所定距離だけ進出又は後退させることができる。

前記ロッド４１の先端には、下方が開放された断面略コの字状の部材からなる係止部４６が形成されている。この係止部４６は、前記保持具１の底板１１の端縁から立設された係止壁４７の上縁部と係合可能に構成されている。係止部４６と係止壁４７とを係合させた状態でロッド４１を進出又は後退させることにより、保持具１を当該ロッド４１の軸方向に沿って移動させることができる。

次に前述した冷却装置Ｃを用いてシリコンウェーハＳを冷却する方法について説明する。
まず、冷却室４内のターンテーブル３１上の所定位置に複数のシリコンウェーハＳを搭載した保持具１を配置する。このとき、ターンテーブル３１は下方位置にあり、また、冷却室４と加熱室８との間の開閉扉７は上方にスライドして、当該冷却室４と加熱室８とは開放された状態になる。

ついで、モータ５１を回転させて前記ロッド４１を所定位置まで進出させる。その後、ターンテーブル３１を上昇させて、ロッド４１の先端の係止部４６と、保持具１の係止壁４７とを係合させる。ターンテーブル３１を上昇させた状態において、当該ターンテーブル３１の上面と、加熱室８の床面とはほぼ面一の状態である。係合後、モータ５１を反転させてロッド４１を所定位置まで後退させ、これによりターンテーブル３１上の保持具１を加熱室８内の加熱位置まで引き込む。

ついで、前記開閉扉７を下方にスライドさせて冷却室４と加熱室８との間の開口を閉じた後に、図示しない加熱手段によって加熱室８内を加熱し、シリコンウェーハＳが所定の温度、例えば６００℃程度になるまで昇温し、所定の時間、例えば１５分〜２時間、その温度で加熱保持する。その後、モータ５１を回転させて前記ロッド４１を進出させ、保持具１をできるだけ前記開閉扉７に近接する位置まで移動させ、ついで当該開閉扉７を上方にスライドさせて冷却室４と加熱室８との間の開口を開放する。その後、ロッド４１を更に所定位置まで進出させ、加熱されたシリコンウェーハＳを保持した保持具１をターンテーブル３１上の所定位置に押し出す。

以上の加熱工程では、ロッド３１先端の係止部４６と、保持具１の係止壁４７とを係合させた状態で加熱を行なうので、加熱完了後の保持具１を冷却操作のためにターンテーブル３１上へ移動させるのを短時間で行なうことができる。また、保持具１をできるだけ開閉扉７に近接させた状態で当該開閉扉７をあけて保持具１をターンテーブル３１上に移動させるので、被処理物であるシリコンウェーハＳの温度降下を最小限に抑えることができる。

保持具１をターンテーブル３１上の所定位置に移動させた後、当該ターンテーブル３１を下降させて、ロッド４１の先端の係止部４６と、保持具１の係止壁４７との係合を解除する。ついで、モータ５１を反転させてロッド４１を所定位置まで後退させるとともに、前記開閉扉７を下方にスライドさせて冷却室４と加熱室８との間の開口を閉じる。

その後、冷却ファン２のモータ２２を駆動してファン本体２１を回転させ、冷却用エアを冷却室４内に送り込む。この冷却用エアの供給方向と、被処理物であるシリコンウェーハＳの面内方向とがほぼ一致するように、当該シリコンウェーハＳを保持する保持具１がターンテーブル３１上に配置されている。

冷却に際し、モータ３２を所定の周期で正転及び反転させて、シリコンウェーハＳを保持する保持具１を載せたターンテーブル３１を揺動させる。これにより、シリコンウェーハＳの面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度を所定の範囲内で変化させることができる。したがって、シリコンウェーハＳに対して均一に冷却用エアを供給することができ、その結果、シリコンウェーハＳを迅速かつ均一に冷却することができる。

シリコンウェーハＳの面内方向に対して平行な方向に冷却用エアを供給する場合、当該シリコンウェーハＳを動かさずにいると、図３の（ａ）に示されるように、シリコンウェーハＳの上流側端部において冷却用エアとの接触が多くなり、他の部分の冷却効率が悪くなる。また、面内での温度差が著しくなり、シリコンウェーハＳが割れる惧れもある。これに対し、図３の（ｂ）に示されるように、シリコンウェーハＳを揺動させると、当該シリコンウェーハＳ全体に均一に冷却用エアを供給することができるので、シリコンウェーハＳを迅速かつ均一に冷却することができる。

放射温度計などによってシリコンウェーハＳの温度を測定し、当該温度を所定の時間、例えば３分以内に所定温度まで低下させた後に、冷却ファン２のモータ２２の回転を停止させる。ついで、冷却後のシリコンウェーハＳを保持する保持具１を、図示しない移送機構によってターンテーブル３１上から予備室５の６で示される定位置に押し出すことで冷却操作が完了する。

〔他の変形例〕
なお、前述した実施の形態は、本発明の例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、前記実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲の構成と均等なすべての変更が含まれる。

例えば、前述した実施の形態では、被処理物であるシリコンウェーハＳに均一に冷却用エアを供給するために当該シリコンウェーハＳを保持する保持具を揺動させているが、被処理物の形状によっては、保持具を回転させることで被処理物に均一に冷却用エアを供給することもできる。具体的に、シリコンウェーハＳほど薄くない箱体のような被処理物は、保持具を回転させることで被処理物に均一に冷却用エアを供給することができる。
また、ロッド４１を軸方向に移動させるための機構やターンテーブル３１を昇降させるための機構としては、例えば油圧装置などを用いることができ、本発明において特に限定されるものではない。

１ 保持具
２ 冷却ファン（エア供給手段）
３ 揺動機構
４ 冷却室
５ 予備室
７ 開閉扉
８ 加熱室
２１ ファン本体
２２ モータ
３１ ターンテーブル
４０ 搬送機構
４１ ロッド
４２ 駆動機構
４３ ボールネジシャフト
４４ ボールネジナット
４５ 連結部材
４６ 係止部
４７ 係止壁
５１ モータ

Claims (10)

1. 加熱処理された被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する装置であって、
   少なくとも１枚の板状の被処理物を立った状態で保持することができる保持具と、
   この保持具に保持された被処理物の面内方向とほぼ平行な方向に冷却用エアを供給するエア供給手段と、
   前記被処理物の面内方向と冷却用エアの供給方向とのなす角度が所定の範囲内で変化するように前記保持具を揺動させる揺動機構と
   を備えたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記所定の範囲が−４５°〜＋４５°の範囲である請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記揺動機構が、前記保持具が載置されるターンテーブルと、このターンテーブルを正転及び反転させるモータとからなる請求項１〜２のいずれかに記載の冷却装置。
4. 加熱処理された被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する装置であって、
   少なくとも１つの被処理物を保持することができる保持具と、
   この保持具に保持された被処理物に冷却用エアを供給するエア供給手段と、
   前記被処理物に対する冷却用エアの供給方向が変化するように前記保持具を回転させる回転機構と
   を備えたことを特徴とする冷却装置。
5. 被処理物が加熱処理される加熱室内の保持具を、当該被処理物が冷却される冷却室内に搬送する搬送機構を更に備えている請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記搬送機構がロッドを備えており、
   前記ターンテーブルは昇降可能に構成されており、
   前記ロッドの先端には、下方に開放されており且つ前記保持具に係止可能な係止部が形成されており、且つ、
   ターンテーブルの下降によって当該ターンテーブル上の保持具とロッド先端の係止部との係合が解除されるように構成されている請求項５に記載の冷却装置。
7. 加熱処理された板状の被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する方法であって、
   前記被処理物の面内方向と、冷却用エアの吹き付け方向とのなす角度を所定の範囲内で変化させることを特徴とする冷却方法。
8. 前記被処理物を、その面内方向が前記冷却エアの吹きつけ方向とほぼ平行になるように配置し、当該被処理物を揺動させることで前記角度を所定の範囲内で変化させる請求項７に記載の冷却方法。
9. 前記所定の範囲が−４５°〜＋４５°の範囲である請求項８に記載の冷却方法。
10. 加熱処理された板状の被処理物を冷却用エアの吹き付けによって冷却する方法であって、
    前記被処理物に対する冷却用エアの吹き付け方向を変化させることを特徴とする冷却方法。

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