JP2012119626A - ロードロック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板を効率良く冷却して基板処理のスループットを高くすることができるロードロック装置を提供すること。
【解決手段】真空室に対応する圧力と大気圧との間で圧力を変動可能に設けられた容器３１と、容器３１内にパージガスを供給するパージガス供給機構４８と、容器３１内を排気する排気機構４４と、容器３１内が真空室５と連通した際に容器３１内の圧力を真空室５に対応する圧力に調整し、容器３１内が大気雰囲気の空間と連通した際に容器３１内の圧力を大気圧に調整する圧力調整機構４９と、容器３１内に設けられ、基板が近接配置されまたは載置されて基板を冷却する冷却部材３２と、冷却部材３２に近接配置されまたは載置された基板に対向する位置に設けられ、基板の輻射熱を吸収する吸熱層６１とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば半導体ウエハ等の被処理基板に真空処理を施す真空処理装置に用いられるロードロック装置に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、被処理基板である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）に対し、成膜処理やエッチング処理等の真空雰囲気で行われる真空処理が多用されている。最近では、このような真空処理の効率化の観点、および酸化やコンタミネーション等の汚染を抑制する観点から、複数の真空処理ユニットを真空に保持される搬送室に連結し、この搬送室に設けられた搬送装置により各真空処理ユニットにウエハを搬送可能としたクラスターツール型のマルチチャンバタイプの真空処理システムが用いられている（例えば特許文献１）。

このようなマルチチャンバ処理システムにおいては、大気中に置かれているウエハカセットから真空に保持された搬送室へウエハを搬送するために、搬送室とウエハカセットとの間にロードロック装置（ロードロック室）を設け、このロードロック装置を介してウエハが搬送される。

ところで、このようなマルチチャンバ処理システムを成膜処理のような高温処理に適用する場合には、ウエハは例えば５００℃程度の高温のまま真空処理ユニットから取り出され、ロードロック装置の容器内に搬送されるが、このような高温状態でウエハを大気に曝露するとウエハが酸化してしまう。また、このような高温のままウエハを収納容器に収納させると、通常樹脂製である収納容器が溶ける等の不都合が生じる。

このような不都合を回避するため、ロードロック装置の容器内にウエハを冷却する冷却機構を備えたクーリングプレートを配置し、ウエハをクーリングプレートに近接した状態でロードロック装置の容器内を真空から大気圧に戻す間にウエハを冷却することが行われている。

特開２０００−２０８５８９号公報

上記のようなウエハ冷却の際に、ウエハが急激に冷却されるとウエハの表裏の熱膨張差に起因してウエハが反ってしまうため、高温のウエハがロードロック室に搬入された直後は、クーリングプレートの上方の離れた位置で待機するようにして、ウエハが反らない程度の冷却速度で冷却せざるを得ない。そのため、ウエハの冷却に長時間を要し、ロードロック室でのウエハの冷却時間が処理システム全体の処理を律速するため、スループットが低下してしまう。

一方、真空状態のロードロック装置の容器内に高温のウエハが搬入された後、ウエハを冷却しつつ、その中にＮ_２ガス等のパージガスを導入してその中を大気雰囲気にするが、このパージガスは容器内のウエハから離れた位置から供給されるため、ウエハの冷却への寄与は必ずしも大きくない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、基板を効率良く冷却して基板処理のスループットを高くすることができるロードロック装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、大気雰囲気から真空に保持された真空室へ基板を搬送し、前記真空室から高温の基板を前記大気雰囲気に搬送する際に用いられるロードロック装置であって、真空室に対応する圧力と大気圧との間で圧力を変動可能に設けられた容器と、前記容器内にパージガスを供給するパージガス供給機構と、前記容器内を排気する排気機構と、前記パージガス供給機構と前記排気機構を制御することにより、前記容器内が前記真空室と連通した際に前記容器内の圧力を前記真空室に対応する圧力に調整し、前記容器内が前記大気雰囲気の空間と連通した際に前記容器内の圧力を大気圧に調整する圧力調整機構と、冷却機構を有し、前記容器内に設けられ、基板が近接配置されまたは載置されて基板を冷却する冷却部材と、前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板に対向する位置に設けられ、基板の輻射熱を吸収する吸熱層とを具備することを特徴とするロードロック装置を提供する。

本発明の第２の観点では、大気雰囲気から真空に保持された真空室へ基板を搬送し、前記真空室から高温の基板を前記大気雰囲気に搬送する際に用いられるロードロック装置であって、真空室に対応する圧力と大気圧との間で圧力を変動可能に設けられた容器と、前記容器内にパージガスを供給するパージガス供給機構と、前記容器内を排気する排気機構と、前記パージガス供給機構と前記排気機構を制御することにより、前記容器内が前記真空室と連通した際に前記容器内の圧力を前記真空室に対応する圧力に調整し、前記容器内が前記大気雰囲気の空間と連通した際に前記容器内の圧力を大気圧に調整する圧力調整機構と、冷却機構を有し、前記容器内に設けられ、基板が近接配置されまたは載置されて基板を冷却する冷却部材と、前記パージガス供給機構により前記容器内に供給されたパージガスにより、前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板の表面に層流を形成する層流形成機構とを具備することを特徴とするロードロック装置を提供する。

本発明の第３の観点では、大気雰囲気から真空に保持された真空室へ基板を搬送し、前記真空室から高温の基板を前記大気雰囲気に搬送する際に用いられるロードロック装置であって、真空室に対応する圧力と大気圧との間で圧力を変動可能に設けられた容器と、前記容器内にパージガスを供給するパージガス供給機構と、前記容器内を排気する排気機構と、前記パージガス供給機構と前記排気機構を制御することにより、前記容器内が前記真空室と連通した際に前記容器内の圧力を前記真空室に対応する圧力に調整し、前記容器内が前記大気雰囲気の空間と連通した際に前記容器内の圧力を大気圧に調整する圧力調整機構と、冷却機構を有し、前記容器内に設けられ、基板が近接配置されまたは載置されて基板を冷却する冷却部材と、前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板に対向する位置に設けられ、基板の輻射熱を吸収する吸熱層と
前記パージガス供給機構により前記容器内に供給されたパージガスにより、前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板の表面に層流を形成する層流形成機構とを具備することを特徴とするロードロック装置を提供する。

本発明によれば、冷却部材に近接配置されまたは載置された基板に対向する位置に、基板の輻射熱を吸収する吸熱層を設けたので、高温の基板を容器内に搬入した際に、基板からの輻射熱を有効に吸収することができる。このため基板を効果的に冷却することができ、基板の冷却時間を短縮することができる。

また、本発明によれば、パージガス供給機構により前記容器内に供給されたパージガスにより、前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板の表面に層流を形成する層流形成機構を設けたので、層流のパージガスによる強制対流伝熱により基板の冷却が促進され、基板の冷却時間を短縮することができる。

さらに、上記吸熱層および上記層流形成機構の両方を設けることにより、上記吸熱層では高温領域において輻射伝熱による冷却が促進され、４００℃以下において、層流のパージガスの強制対流伝熱による冷却が促進され、基板の冷却時間を一層短縮することができる。

本発明の実施形態に係るロードロック装置が搭載されたマルチチャンバタイプの真空処理システムの概略構造を示す水平断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るロードロック装置を示す水平断面図である。 蓋体にも冷却媒体流路を設けたロードロック装置を示す垂直断面図である。 吸熱層を設けない従来の場合と、吸熱層を設けた第１の実施形態の場合とで、ウエハの冷却性を調査した結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るロードロック装置を示す水平断面図である。 ウエハ表面へのパージガス供給を行わない従来の場合と、ウエハ表面へのパージガス供給を行った第２の実施形態の場合とで、ウエハの冷却性を調査した結果を示す図である。 従来の容器底部のパージガス導入口からパージガスを導入した場合の対流伝熱の効果を把握した結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るロードロック装置の変形例を示す垂直断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るロードロック装置の変形例を示す水平断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図である。 本発明の第４の実施形態と比較例とで、ウエハの冷却性を算出した結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。

＜本発明に係るロードロック室が適用される真空処理システム＞
図１は、本発明の実施形態に係るロードロック装置が搭載されたマルチチャンバタイプの真空処理システムの概略構造を示す水平断面図である。

真空処理システムは、例えば成膜処理のような高温処理を行う４つの真空処理ユニット１、２、３、４を備えており、これらの各真空処理ユニット１〜４は六角形をなす搬送室５の４つの辺にそれぞれ対応して設けられている。また、搬送室５の他の２つの辺にはそれぞれ本実施形態に係るロードロック装置６、７が設けられている。これらロードロック装置６、７の搬送室５と反対側には搬入出室８が設けられており、搬入出室８のロードロック装置６、７と反対側には被処理基板としてのウエハＷを収容可能な３つのキャリアＣを取り付けるポート９、１０、１１が設けられている。真空処理ユニット１、２、３、４は、その中で処理プレート上に被処理体を載置した状態で所定の真空処理、例えばエッチングや成膜処理を行うようになっている。

真空処理ユニット１〜４は、同図に示すように、搬送室５の各辺にゲートバルブＧを介して接続され、これらは対応するゲートバルブＧを開放することにより搬送室５と連通され、対応するゲートバルブＧを閉じることにより搬送室５から遮断される。また、ロードロック装置６，７は、搬送室５の残りの辺のそれぞれに、第１のゲートバルブＧ１を介して接続され、また、搬入出室８に第２のゲートバルブＧ２を介して接続されている。そして、ロードロック装置６，７は、第１のゲートバルブＧ１を開放することにより搬送室５に連通され、第１のゲートバルブＧ１を閉じることにより搬送室５から遮断される。また、第２のゲートバルブＧ２を開放することにより搬入出室８に連通され、第２のゲートバルブＧ２を閉じることにより搬入出室８から遮断される。

搬送室５内には、真空処理ユニット１〜４、ロードロック装置６，７に対して、ウエハＷの搬入出を行う搬送装置１２が設けられている。この搬送装置１２は、搬送室５の略中央に配設されており、回転および伸縮可能な回転・伸縮部１３と、その先端に設けられたウエハＷを支持する２つの支持アーム１４ａ，１４ｂとを有しており、これら２つの支持アーム１４ａ，１４ｂは互いに反対方向を向くように回転・伸縮部１３に取り付けられている。この搬送室５内は所定の真空度に保持されるようになっている。

搬入出室８のウエハ収納容器であるポート９，１０、１１にはそれぞれ図示しないシャッターが設けられており、これらポート９，１０，１１にウエハＷを収容した、または空のフープＦがステージＳに直接取り付けられ、取り付けられた際にシャッターが外れて外気の侵入を防止しつつ搬入出室８と連通するようになっている。また、搬入出室８の側面にはアライメントチャンバ１５が設けられており、そこでウエハＷのアライメントが行われる。

搬入出室８内には、フープＦに対するウエハＷの搬入出およびロードロック装置６，７に対するウエハＷの搬入出を行う搬送装置１６が設けられている。この搬送装置１６は、多関節アーム構造を有しており、フープＦの配列方向に沿ってレール１８上を走行可能となっていて、その先端の支持アーム１７上にウエハＷを載せてその搬送を行う。

この真空処理システムにおける各構成部、例えば、真空処理ユニット１〜４、搬送室５、ロードロック装置６，７におけるガス供給系や排気系、搬送装置１２、１６、ゲートバルブ等は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えた制御部２０により制御されるようになっている。制御部２０は真空処理システムのプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従って真空処理システムを制御するようになっている。

以上のように構成される真空処理システムにおいては、搬送装置１６により搬入出室８に接続されたフープＦからウエハＷを取り出し、ロードロック装置６（または７）の容器３１（図２参照）に搬入する。このとき、ロードロック装置６の容器３１内は大気雰囲気にされ、その後第２のゲートバルブＧ２が開放された状態でウエハＷが搬入される。

そして、容器３１内を搬送室５に対応する圧力になるまで真空排気し、第１のゲートバルブＧ１を開放して搬送装置１２により容器３１内からウエハＷを受け取って、いずれかの真空処理ユニットのゲートバルブＧを開いてその中にウエハＷを搬入し、ウエハＷに対して成膜等の高温での真空処理を行う。

真空処理が終了した時点で、ゲートバルブＧを開放し、搬送装置１２が対応する真空処理ユニットからウエハＷを搬出し、第１のゲートバルブＧ１を開放してウエハＷをロードロック装置６および７のいずれかの容器３１内に搬入し、クーリングプレート３２（図２参照）の冷却媒体流路５５（図２参照）を通流する冷却媒体によりウエハＷを冷却しつつ、容器３１内にパージガスを導入し、その中を大気圧とする（ウエハ冷却期間）。そして、第２のゲートバルブＧ２を開け、搬送装置１６により、フープＦに処理後のウエハＷを収納する。

なお、２つのロードロック装置６、７について、ロードロック装置６を搬入専用にし、ロードロック装置７を搬出専用にしてもよい。

＜第１の実施形態に係るロードロック装置＞
次に、本発明の第１の実施形態に係るロードロック装置について説明する。
図２は本発明の第１の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図、図３はその水平断面図である。本実施形態において、ロードロック装置６（７）は、容器３１を有している。この容器３１は、上部が開口した容器本体３１ａと、容器本体３１ａの上部開口を塞ぐ蓋体３１ｂとを有している。容器３１内の底部には、ウエハＷが近接された状態で配置されてウエハＷを冷却するクーリングプレート（冷却部材）３２が設けられている。容器３１およびクーリングプレート３２は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。

容器３１の一方の側壁には真空に保持された搬送室５と連通可能な開口３４が設けられており、これと対向する側壁には大気圧に保持された搬入出室８と連通可能な開口３５が設けられている。そして、開口３４は第１のゲートバルブＧ１により開閉可能となっており、開口３５は第２のゲートバルブＧ２により開閉可能となっている。

容器３１の底部には、容器３１内を真空排気するための排気口３６およびパージガス（例えばＮ_２ガス）を導入するためのパージガス導入口３７が設けられている。排気口３６には排気管４１が接続されており、この排気管４１には、開閉バルブ４２、排気速度調整バルブ４３および真空ポンプ４４が設けられている。また、パージガス導入口３７には、パージガス供給配管４５が接続されている。このパージガス供給配管４５はパージガス源４８から延びており、その途中には開閉バルブ４６および流量調節バルブ４７が設けられている。

そして、真空側の搬送室５との間でウエハＷの搬送を行う場合には、開閉バルブ４６を閉じ、開閉バルブ４２を開けた状態として、排気速度調整バルブ４３を調節して所定速度で真空ポンプ４４により排気管４１を介して容器３１内を排気し、容器３１内の圧力を搬送室５内の圧力に対応する圧力とし、その状態で第１のゲートバルブＧ１を開けて容器３１と搬送室５との間を連通する。また、大気側の搬入出室８との間でウエハＷの搬送を行う場合には、開閉バルブ４２を閉じ、開閉バルブ４６を開けた状態として、流量調節バルブ４７を調節して容器３１内にパージガス源４８からパージガス供給配管４５を介して窒素ガス等のパージガスを所定流量で容器３１内に導入してその中の圧力を大気圧近傍にし、その状態で第２のゲートバルブＧ２を開けて容器３１と搬入出室８との間を連通する。

容器３１内の圧力は、圧力調整機構４９により大気圧と所定の真空雰囲気との間で調整される。この圧力調整機構４９は、圧力計５９により測定された容器３１内の圧力に基づいて、開閉バルブ４２、排気速度調整バルブ４３、流量調節バルブ４７および開閉バルブ４６を制御することにより容器３１内の圧力を調整する。圧力調整機構４９は上述の制御部２０により制御される。

クーリングプレート３２には、ウエハ搬送用の３本（図２では２本のみ図示）のウエハ昇降ピン５０がクーリングプレート３２の表面（上面）に対して突没可能に設けられ、これらウエハ昇降ピン５０は支持板５１に固定されている。そして、ウエハ昇降ピン５０は、エアシリンダ等の駆動機構５３によりロッド５２を昇降させることにより、支持板５１を介して昇降され、クーリングプレート３２の表面（上面）から突出し、搬送室５における搬送装置１２の支持アーム１４ａもしくは１４ｂ、または搬入出室８における搬送装置１６の支持アーム１７が容器３１に挿入された際にこれらとの間でウエハＷを受け渡しする受け渡し位置と、クーリングプレート３２内に没し、ウエハＷをクーリングプレート３２の表面（上面）に近接させる冷却位置とをとることができるようになっている。クーリングプレート３２の上面には、３個（図２では２個のみ図示）のウエハ支持ピン５４が取り付けられており、これらウエハ支持ピン５４により、冷却位置にあるウエハＷがクーリングプレート３２と僅かに離隔した位置（例えば０．３ｍｍ）に位置されるようになっている。これにより、ウエハＷ裏面へのパーティクルの付着を低減することができる。

クーリングプレート３２内には、冷却媒体流路５５が形成されており、この冷却媒体流路５５には冷却媒体導入路５６および冷却媒体排出路５７が接続されていて、図示しない冷却媒体供給部から冷却水等の冷却媒体が通流されてクーリングプレート３２に近接されたウエハＷを冷却可能となっている。

クーリングプレート３２の上面および蓋体３１ｂの下面には、クーリングプレート３２に載置されたウエハＷに面するように、熱を吸収するための吸熱層６１が形成されている。この吸熱層６１は、高輻射率材料からなり、ウエハＷからの輻射熱を効率良く吸収して、ウエハＷの冷却効率を上昇させる。すなわち、物体の輻射率（放射率）は、吸収率と等しいので、高輻射率材料は効率良く熱を吸収することができる。この吸熱層６１は、波長２〜４μｍの赤外域で輻射率（放射率）が０．９以上であることが好ましい。このような材料としては、ＴｉＯ_２、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックスや、炭素繊維を利用した繊維強化プラスチックス（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；ＣＦＲＰ）等を挙げることができる。セラミックスは溶射により好適に形成することができ、ＴｉＯ_２の溶射が好ましい。また、容器３１およびクーリングプレート３２がアルミニウム製の場合には、アルマイト処理（陽極酸化処理）により黒色アルマイト（Ａｌ_２Ｏ_３）を形成することにより輻射率（放射率）０．９以上とすることができ、吸熱層６１として適用可能である。なお、このような吸熱層６１はクーリングプレート３２の上面および蓋体３１ｂの下面のいずれかに設けられていてもよい。

次に、本実施形態におけるロードロック装置６、７の動作について説明する。
まず、容器３１内を大気雰囲気とし、次いで第２のゲートバルブＧ２を開放する。その後、ゲートバルブＧ２が開放された状態で、搬送装置１６によりフープＦから取り出されたウエハＷを、容器３１内に搬入する。

そして、ゲートバルブＧ２を閉じ、容器３１内を搬送室５に対応する圧力になるまで真空排気し、次いで、第１のゲートバルブＧ１を開放して搬送装置１２の支持アーム１４ａまたは１４ｂにより容器３１内からウエハＷを搬出する。搬出されたウエハＷは、いずれかの真空処理ユニットにより成膜等の高温での真空処理が行われる。

次いで、容器３１内を搬送室５に対応する圧力に真空排気した後、第１のゲートバルブＧ１を開けて処理後の高温のウエハＷを容器３１内に搬入し、ウエハＷを冷却するとともに容器３１内にパージガスを導入して容器３１内の圧力を大気圧に上昇させる。そして、容器３１内が大気圧になりかつウエハＷが１００℃程度まで冷却された時点で、第２のゲートバルブＧ２を開けて容器３１内のウエハＷを搬送装置１６の支持アーム１７により取り出して所定のフープＦに収容する。

しかし、ウエハＷの冷却開始時には、容器３１内が真空状態であり、しかもウエハＷはクーリングプレート３２および蓋体３１ｂとは離隔しているため、ウエハＷを対流や伝熱で冷却することはできず、専ら輻射（放射）によって冷却されることとなる。しかしながら、従来は、クーリングプレート３２および蓋体３１ｂとして輻射率（放射率）の低いアルミニウムを用いていたため、ウエハＷからの放射熱を有効に吸収することができず、冷却速度が遅いという問題があった。

これに対し、本実施形態では、クーリングプレート３２の上面、蓋体３１ｂの下面に高輻射率材料からなる吸熱層６１が形成されているので、ウエハＷからの輻射熱を吸熱層６１で有効に吸収することができ、かつ吸収された熱は、クーリングプレート３２では冷却媒体流路５５を通流する冷却媒体により放熱され、蓋体３１ｂでは、空冷により放熱される。このため、冷却初期の高真空状態であってもウエハＷを効果的に冷却することができ、ウエハＷの冷却時間を短縮することができる。図４のように、蓋体３１ｂにも冷却媒体流路６５を設けて冷却媒体を通流させることにより、より効率良く放熱することができ、ウエハＷを冷却する能力をより向上させることができる。

図５は、吸熱層６１を設けない従来の場合と、吸熱層６１を設けた本実施形態の場合とで、ウエハＷの冷却性を調査したものであり、６５０℃程度の高温のウエハを冷却した場合を示す。この図に示すように、本実施形態の場合には、初期の段階において従来よりも温度低下が大きく、ウエハＷの温度が取り出し可能な１００℃になるまでの時間が３６ｓｅｃから２９ｓｅｃと７ｓｅｃも短縮されることが確認された。

＜第２の実施形態に係るロードロック装置＞
次に、本発明の第２の実施形態に係るロードロック装置について説明する。
図６は本発明の第２の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図、図７はその水平断面図である。本実施形態では、パージガスの導入形態、および吸熱層６１が設けられていない点が第１の実施形態とは異なっている。その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様であるから、第１の実施形態と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、クーリングプレート３２の周囲に複数（図７では８個）のパージガス吐出部７０が設けられている。パージガス吐出部７０は、ウエハＷの表面にパージガスの層流を形成する層流形成機構として機能し、パージガス供給配管４５に接続され、容器３１の底部から上方に延びるパージガス導入管７１と、パージガス導入管７１から水平に延び、ウエハＷの表面に向かってパージガスを吐出する上下２つのパージガス吐出ノズル７２，７３とを有している。パージガス吐出ノズル７２，７３からは、パージガスが層流状態でウエハＷの表面に供給され、ウエハＷを冷却することができるようになっている。上側のパージガス吐出ノズル７２はパージガスをウエハＷの中心部に向けて吐出するようになっており、下側のパージガス吐出ノズル７３はパージガスをウエハＷの端部に向けて吐出するようになっており、両者でコンダクタンスを変えた構造としている。そして、上側のパージガス吐出ノズル７２は、パージガスをウエハＷの中心部に供給可能なように、ノズルの吐出角を狭角として直進性の高い構造とし、下側のパージガス吐出ノズル７３は、ノズルの吐出角を広角として幅広く対流させ得るようになっている。図示はしていないが、これら複数のパージガス吐出部７０に加えて、第１の実施形態と同様、容器３１の底部にパージガス導入口が形成されており、そこからもパージガスを導入することができるようになっている。

なお、クーリングプレート３２の直上領域はウエハの搬入出に使用するため、パージガス吐出部７０はクーリングプレート３２の外側に、ウエハＷの搬入出の妨げにならないように配置されている。また、ウエハＷの搬入出の際に、パージガス吐出部７０が妨げにならないように、ウエハ昇降ピン５０のストロークを大きくして、ウエハＷを上側のパージガス吐出ノズル７２の配置位置の上方位置に上昇させることができるようになっている。そして、開口３４、３５の高さ位置は、パージガス吐出ノズル７２の配置位置の上方位置に対応した位置となっている。

このような構成によれば、処理後の高温のウエハＷを搬入してウエハを冷却しつつ大気雰囲気に戻す際に、容器３１の底部からのパージガス導入に加えて、複数のパージガス吐出部７０のパージガス吐出ノズル７２、７３からウエハＷの表面にパージガスを供給し、ウエハＷの表面に強制的にパージガスの層流を形成されるため、強制対流伝熱によりウエハＷの冷却を促進することができる。このため、ウエハＷの冷却時間を短縮することができる。この対流伝熱による冷却は、ウエハ温度が４００℃以下において有効である。

従来の装置においても、容器内を大気圧にするためにパージガスを導入していたため、パージガスによりウエハが冷却されるが、パージガスは容器内のウエハから離れた位置から供給されるため、ウエハの冷却への寄与は必ずしも大きくない。これに対し、本実施形態では、ウエハＷ表面にパージガスを直接供給し、ウエハＷ表面に層流を形成するようにしてパージガスを導入するので、強制対流伝熱により極めて効果的にウエハＷを冷却できるようになる。

計算結果に基づけば、本実施形態において、ウエハＷを１００℃程度に冷却するまでの時間を短縮する効果（２ｓｅｃ以上短縮）を有効に発揮するためには、パージガス流量を１０ｓｌｍ以上にすることが好ましい。また、パージガス流量を５０ｓｌｍとした場合に効率的にウエハＷを冷却するためには、ウエハ面より０．８ｍｍ以下にパージガス（Ｎ_２ガス）を対流させることが好ましい。

図８は、パージガスを容器底部の同様容器３１の底部に形成されたパージガス導入口からのみ供給した従来の場合と、ウエハ表面へのパージガス供給（流量：５０ｓｌｍ）を追加した本実施形態の場合とで、ウエハＷの冷却性を調査したものであり、７００℃程度の高温のウエハを冷却した場合のウエハの温度変化を示す。この図に示すように、本実施形態の場合には、ウエハ温度が２５０℃付近になった段階から従来よりも温度低下が大きくなり、ウエハＷの温度が取り出し可能な１００℃になるまでの時間が３６ｓｅｃから３１ｓｅｃと５ｓｅｃも短縮されることが確認された。

次に、従来の容器底部のパージガス導入口からパージガスを導入した場合の対流伝熱の効果を把握した。図９の（ａ）は計算により求めた結果、図９の（ｂ）は実測データである。（ｂ）の実測データは容器内圧力を大気圧とし、パージガスとしてＮ_２を用い、Ｎ_２パージがない場合と、Ｎ_２ガス流量を１２ｓｌｍでパージした場合とでウエハの冷却特性を比較したものである。図９の（ａ）の算出条件は、容器内圧力を大気圧とし、Ｎ_２パージがある場合とない場合について、Ｎ_２流量と熱伝達率を、実測データを元に、算出結果のクーリング率が実測データと近くなるように、特に７０℃までのクーリング時間が近くなるように設定したものである。図９の（ａ）の算出結果より、実測データと同一結果になるように熱伝達率を設定すると、Ｎ_２パージ量が６６ｓｌｍとなった。つまり、従来のように、単に容器底部のパージガス導入口からパージガスを導入する場合には、パージガス流量が１２ｓｌｍであっても、実際に冷却に寄与しているのは５％程度であり、パージガスによる冷却効率は極めて低いことがわかる。この結果から、本実施形態のようにウエハ表面に直接パージガスを供給する効果を理解することができる。

このようにウエハ表面に直接に層流を形成する手法としては、図６の構成に限るものではなく、例えば図１０、１１に示すように、ウエハＷの一方側に幅方向が長いパージガス供給ノズル８１を配置し、ウエハＷの他方側に、ウエハＷを挟んで対向するように、パージガス供給ノズル８１と対応する幅の長さを有するパージガス吸引部材８２を設け、パージガス供給ノズル８１からパージガス吸引部材８２に向かう一方向の層流をウエハＷの表面に形成してもよい。本例では、パージガス供給ノズル８１とパージガス吸引部材８２がウエハＷの表面にパージガスの層流を形成する層流形成機構として機能する。

具体的には、パージガス供給配管４５に、容器３１の底部から上方に延びるパージガス供給部材８３を接続し、このパージガス供給部材８３にパージガス供給ノズル８１を接続する。また、排気管４１に容器３１の底部から上方に延びる排気部材８４を接続し、この排気部材８４にパージガス吸引部材８２を接続する。そして、パージガス源４８からパージガス供給配管４５、パージガス供給部材８３、パージガス供給ノズル８１を介してパージガスがウエハＷの表面に沿って吐出され、吐出されたパージガスは真空ポンプ４４により、パージガス吸引部材８２から吸引され、吸引されたパージガスは排気部材８４および排気管４１を経て排出される。パージガス供給ノズル８１からパージガス吸引部材８２に向かうパージガス流路の直上に整流板８５が配置されている。これにより、パージガス供給ノズル８１からパージガス吸引部材８２に向かう一方向の層流をウエハＷの表面に形成することができる。このようにウエハＷの全面に一方向の層流が形成されるので、理想的な対流伝熱を実現することができ、ウエハＷの冷却効率をより高めることができる。なお、整流板８５が存在しなくても一方向層流が得られるが、整流板８５があったほうが層流を形成しやすい。

このロードロック装置においても、パージガス供給ノズル８１の他、容器３１の底部にパージガス導入口（図示せず）が形成されており、そこからもパージガスを導入することができるようになっている。

＜第３の実施形態に係るロードロック装置＞
次に、本発明の第３の実施形態に係るロードロック装置について説明する。
図１２は本発明の第３の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図である。本実施形態のロードロック装置は、上記第１の実施形態および第２の実施形態の特徴を両方兼ね備えたものである。すなわち、図６に示した層流形成機構を有する第２の実施形態に係るロードロック装置のクーリングプレート３２の上面および蓋体３１ｂの下面に第１の実施形態において用いた吸熱層６１を形成している。なお、吸熱層６１はクーリングプレート３２の上面および蓋体３１ｂの下面のいずれかに設けられていてもよい。

このような構成によれば、容器３１内に高温のウエハＷが搬入された後、ウエハＷを冷却しつつ容器３１内を大気圧に戻す過程において、初期のウエハ温度が高い領域では、吸熱層６１によりウエハＷからの輻射熱を有効に吸収し、かつ冷却媒体流路５５を通流する冷却媒体および空冷により放熱されるのでウエハＷを効果的に冷却することができ、温度が４００℃以下では、層流形成機構としての複数のパージガス吐出部７０により、ウエハＷの表面にパージガスの層流が形成されて、これによりウエハＷを有効に冷却することができる。このため、これら２つの効果によりウエハＷの冷却効果をより高めることができ、ウエハＷの冷却時間を一層短縮することができる。

＜第４の実施形態に係るロードロック装置＞
次に、本発明の第４の実施形態に係るロードロック装置について説明する。
図１３は本発明の第４の実施形態に係るロードロック装置を示す垂直断面図である。第１〜第３の実施形態では枚葉式のロードロック装置を示したが、本実施形態では複数のウエハに対応するバッチ式のロードロック装置を示す。

本実施形態においては、複数枚の処理を行う関係上、ウエハを収容する容器およびその内部構造が第１の実施形態とは異なっているが、パージガスを供給するパージガス供給系、排気系、制御系等は第１の実施形態とは同様であるから、第１の実施形態と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態のロードロック装置６（７）は、複数（本例では４枚）のウエハＷを収容する容器１３１を有している。容器１３１には搬送室５および搬入出室８と連通可能な２つの開口を有しており（いずれも図示せず）、その中にはウエハＷを冷却するための、５つのクーリングプレート１３２が水平に、かつ鉛直方向に積層して等間隔で配置されている。

そして、上から２番目から最下段までの４つのクーリングプレート１３２の上面には、３個（図２では２個のみ図示）のウエハ支持ピン１５４が取り付けられており、これらウエハ支持ピン１５４により、ウエハＷがクーリングプレート１３２と僅かに離隔した位置（例えば０．３ｍｍ）に位置されるようになっている。また、これら４つのクーリングプレート１３２には、それぞれウエハ搬送用の３本（図２では２本のみ図示）のウエハ昇降ピン１５０がクーリングプレート１３２の上面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ昇降ピン１５０は水平に配置された支持板１５１に固定されている。そして、これら支持板１５１は鉛直方向に延びる昇降ロッド１５２に固定されている。昇降ロッド１５２は、容器１３１の下方まで延び、容器１３１の下方に設けられた、エアシリンダ等の駆動機構１５３により昇降可能となっており、この駆動機構１５３により昇降ロッド１５２を昇降させることにより、支持板１５１を介して昇降ピン１５０が昇降され、昇降ピン１５０が上昇した状態でウエハＷの搬送が行われるようになっている。また、最上段のクーリングプレート１３２にはウエハ支持ピン１５４および昇降ピン１５０が設けられていない。

各クーリングプレート１３２は、円環状の冷却部材１５５に嵌め込まれており、これら冷却部材１５５は鉛直に延びる冷却ロッド１５６に支持されている。冷却ロッド１５６は、容器１３１の下方まで延び、容器１３１の下方に設けられたチラー１５７により冷却されるようになっている。冷却部材１５５および冷却ロッド１５６は熱伝導性の高い金属からなっている。そして、チラー１５７により冷却ロッド１５６および冷却部材１５５を介してクーリングプレート１３２が冷却されるようになっている。

最上段のクーリングプレート１３２の下面、２段目から４段目までのクーリングプレート１３２の両面、最下段のクーリングプレート１３２の上面には、２段目から４段目のクーリングプレート１３２に面するように配置された４枚のウエハＷの上下面に面するように、熱を吸収するための吸熱層１６１が形成されている。この吸熱層１６１は、第１の実施形態の吸熱層６１と同様の材料で形成されており、同様の機能を有する。

容器１３１の一方の側壁に、パージガス供給配管４５に連続するように鉛直方向に延びるパージガス流路１７０が設けられており、このパージガス流路１７０の各ウエハＷの表面に対応する位置から水平方向に延びる幅広のパージガス吐出口１７１が形成されている。一方、パージガス吐出口１７１が形成された側壁と対向する側壁には、パージガス吐出口１７１に対応する位置に幅広のパージガス吸引口１７２が形成されており、これらパージガス吸引口１７２は、当該側壁内を鉛直方向に延びる排気流路１７３に接続されている。この排気流路１７３は排気管４１に接続されている。そして、パージガス源４８からパージガス供給配管４５、パージガス流路１７０、パージガス吐出口１７１を介してパージガスがウエハＷの表面に沿って吐出され、吐出されたパージガスは真空ポンプ４４により、パージガス吸引口１７２から吸引され、吸引されたパージガスは排気流路１７３および排気管４１を経て排出される。これにより、パージガス吐出口１７１からパージガス吸引口１７２に向かう一方向の層流をウエハＷの表面に形成することができる。

また、図示はしていないが、パージガス吐出口１７１の他、容器１３１の底部にパージガス導入口（図示せず）が形成されており、そこからもパージガスを導入することができるようになっている。

このような構成によれば、処理後の高温のウエハＷを複数枚搬入してウエハを冷却しつつ大気雰囲気に戻す際に、容器１３１内に収容された複数のウエハＷの上面側および下面側に、高輻射率材料からなる吸熱層１６１が形成されているので、ウエハＷからの輻射熱を吸熱層１６１で有効に吸収することができ、かつ吸収された熱は、クーリングプレート１３２の冷却部材１５５、冷却ロッド１５６を介してチラー１５７に放熱される。このため、冷却初期の高真空状態においてウエハＷを効果的に冷却することができる。

また、容器１３１の底部からのパージガス導入に加えて、パージガス吐出口１７１からパージガスを導入してパージガス吸引口１７２に向かうパージガスの流れを形成することによってウエハＷの表面には一方向層流が形成されるので、強制対流伝熱によりウエハＷの冷却を促進することができる。

このため、容器１３１内に配置された複数のウエハＷを効果的に冷却することができ、ウエハＷの冷却時間を短縮することができる。このようなバッチ式のロードロック装置の場合には、容器の容積が大きくなるため、従来の枚葉式ロードロック装置と同様の構成をとった場合には、ウエハの冷却時間が著しく長くなり、このような高温ウエハの処理には適用が困難であったが、本実施例のような構成によりトータル処理時間を枚葉式ロードロック装置と同等に短縮することが可能となる。

なお、上記例では、吸熱層１６１による冷却促進と、ウエハＷ表面にパージガスの層流を形成することによる冷却促進の両方を行う構成としたが、いずれか一方であってもよい。また、吸熱層１６１はウエハの両側に限らず、いずれか一方側に設けてもよい。さらに、収容するウエハの枚数は４枚に限るものではない。さらにまた、層流形成機構としては上記のような一方向層流を形成するものに限らず、ウエハＷの周囲にパージガス吐出部を設けた構成であってもよい。

図１４は、バッチ式のロードロック装置において、吸熱層形成も層流を形成するパージガス供給（層流パージ）も行わない比較例の場合、吸熱層形成のみを行う場合、層流パージのみを行う場合、および吸熱層形成および層流パージの両方を行う場合について、ならびに従来の枚葉式ロードロック装置について、冷却時間を算出した結果を示す図である。

算出の前提となる条件は以下のようにした。
・初期ウエハ温度：７００℃
・バッチ式容器体積：枚葉式の容器体積の１０倍
・吸熱層：輻射率ε＝０．９５（吸熱層がない場合ε＝０．０５）

図１４に示すように、吸熱層形成も層流パージも行わない従来の場合には、７０℃まで冷却するのに１１７９ｓｅｃもかかるが、吸熱層を付加することにより１９１ｓｅｃとなり、著しく冷却時間を短縮することができる。また、層流パージを付加することにより２５０ｓｅｃとなり、層流パージによっても著しい冷却時間の短縮が実現される。また吸熱層形成と層流パージの両方を行うことにより１４４ｓｅｃとなり、一層冷却時間を短縮することができる。

ウエハ１枚あたりのフープ側の入れ替え時間を７ｓｅｃ、搬送室側の入れ替え時間を１３ｓｅｃとすると、従来のバッチ式の場合には、枚葉式と同等以上のスループットを得るためには、ウエハ枚数を２８枚以上とする必要があり、実用装置として適用が困難であるのに対し、吸熱層を付加することにより５枚以上、層流パージを付加することにより６枚以上、吸熱層形成と層流パージの両方を行うことにより４枚以上となり、十分に実用装置として適用可能なレベルとなる。

＜他の適用＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態ではクーリングプレートに近接するように基板を配置したが、クーリングプレートに載置するようにしてもよい。また、上記実施形態では、真空処理ユニットを４つ、ロードロック装置を２つ設けたマルチチャンバタイプの真空処理システムを例にとって説明したが、これらの数に限定されるものではない。さらに、本発明のロードロック装置は、このようなマルチチャンバタイプの真空処理装置に限らず、真空処理ユニットが１個のシステムであっても適用可能である。さらにまた、被処理基板についても、半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ用ガラス基板などの他の基板を対象にすることができることはいうまでもない。

１〜４；真空処理ユニット
５；搬送室
６，７；ロードロック装置
８；搬入出室
１２，１６；搬送装置
２０：制御部
３１，１３１：容器
３２，１３２：クーリングプレート（冷却部材）
３６；排気口
３７；パージガス導入口
４４；真空ポンプ
４８；パージガス源
４９；圧力調整機構
５４；ウエハ支持ピン
５５；冷却媒体流路
６１，１６１：吸熱層
７０；パージガス吐出部
７２，７３：パージガス吐出ノズル
８１；パージガス供給ノズル
８２；パージガス吸引部材
１５５；冷却部材
１５６；冷却ロッド
１５７；チラー
１７０；パージガス流路
１７１；パージガス吐出口
１７２；パージガス吸引口
１７３；排気流路
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (11)

1. 大気雰囲気から真空に保持された真空室へ基板を搬送し、前記真空室から高温の基板を前記大気雰囲気に搬送する際に用いられるロードロック装置であって、
   真空室に対応する圧力と大気圧との間で圧力を変動可能に設けられた容器と、
   前記容器内にパージガスを供給するパージガス供給機構と、
   前記容器内を排気する排気機構と、
   前記パージガス供給機構と前記排気機構を制御することにより、前記容器内が前記真空室と連通した際に前記容器内の圧力を前記真空室に対応する圧力に調整し、前記容器内が前記大気雰囲気の空間と連通した際に前記容器内の圧力を大気圧に調整する圧力調整機構と、
   冷却機構を有し、前記容器内に設けられ、基板が近接配置されまたは載置されて基板を冷却する冷却部材と、
   前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板に対向する位置に設けられ、基板の輻射熱を吸収する吸熱層と
   を具備することを特徴とするロードロック装置。
2. 大気雰囲気から真空に保持された真空室へ基板を搬送し、前記真空室から高温の基板を前記大気雰囲気に搬送する際に用いられるロードロック装置であって、
   真空室に対応する圧力と大気圧との間で圧力を変動可能に設けられた容器と、
   前記容器内にパージガスを供給するパージガス供給機構と、
   前記容器内を排気する排気機構と、
   前記パージガス供給機構と前記排気機構を制御することにより、前記容器内が前記真空室と連通した際に前記容器内の圧力を前記真空室に対応する圧力に調整し、前記容器内が前記大気雰囲気の空間と連通した際に前記容器内の圧力を大気圧に調整する圧力調整機構と、
   冷却機構を有し、前記容器内に設けられ、基板が近接配置されまたは載置されて基板を冷却する冷却部材と、
   前記パージガス供給機構により前記容器内に供給されたパージガスにより、前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板の表面に層流を形成する層流形成機構と
   を具備することを特徴とするロードロック装置。
3. 大気雰囲気から真空に保持された真空室へ基板を搬送し、前記真空室から高温の基板を前記大気雰囲気に搬送する際に用いられるロードロック装置であって、
   真空室に対応する圧力と大気圧との間で圧力を変動可能に設けられた容器と、
   前記容器内にパージガスを供給するパージガス供給機構と、
   前記容器内を排気する排気機構と、
   前記パージガス供給機構と前記排気機構を制御することにより、前記容器内が前記真空室と連通した際に前記容器内の圧力を前記真空室に対応する圧力に調整し、前記容器内が前記大気雰囲気の空間と連通した際に前記容器内の圧力を大気圧に調整する圧力調整機構と、
   冷却機構を有し、前記容器内に設けられ、基板が近接配置されまたは載置されて基板を冷却する冷却部材と、
   前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板に対向する位置に設けられ、基板の輻射熱を吸収する吸熱層と
   前記パージガス供給機構により前記容器内に供給されたパージガスにより、前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板の表面に層流を形成する層流形成機構と
   を具備することを特徴とするロードロック装置。
4. 前記吸熱層は、輻射率が０．９以上であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のロードロック装置。
5. 前記吸熱層は、ＴｉＯ_２の溶射により形成されていることを特徴とする請求項４に記載のロードロック装置。
6. 前記吸熱層は、アルミニウム製部材の表面をアルマイト処理して形成された皮膜であることを特徴とする請求項４に記載のロードロック装置。
7. 前記吸熱層は、前記冷却部材の上面および／または前記冷却部材に近接配置されまたは載置された基板の上方にある部材の下面に設けられていることを特徴とする請求項１および請求項３から請求項６のいずれか１項に記載のロードロック装置。
8. 前記層流形成機構は、前記冷却部材に近接配置されまたは載置される基板の周囲に複数配置され、基板の表面に向けてパージガスを吐出するパージガス吐出部を有していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のロードロック装置。
9. 前記層流形成機構は、前記冷却部材に近接配置されまたは載置される基板の一方側から基板表面に沿ってパージガスを供給するパージガス供給部と、基板の反対側に設けられ、前記パージガス供給部からのパージガスを吸引するパージガス吸引部とを有し、基板の表面に一方向に流れる層流を形成することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のロードロック装置。
10. 前記容器内に一枚の基板を収容する枚葉式であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のロードロック装置。
11. 前記容器内に複数枚の基板を収容するバッチ式であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のロードロック装置。

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