JP2015050418A - 基板冷却装置、基板冷却方法及び基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の変形抑制と基板冷却時間の短縮が可能な基板冷却装置を提供する。【解決手段】真空雰囲気と大気圧雰囲気との間で切り換え可能なロードロックモジュール１４に配置されるステージ１８は、内部に冷媒を流すための流路２５を有し、上面にはウエハＷをステージ１８の上面近傍で支持する支持ピン３１を有する複数の支持ユニット３０が配置されている。支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さは金属ばね３３と形状記憶合金ばね３４とからなる伸縮部材により調整可能であり、形状記憶合金ばね３４が所定の設定温度よりも高いときにはステージ１８の上面からの支持ピン３１の突出高さを所定の高さに保持し、形状記憶合金ばね３４が設定温度よりも低いときにはステージ１８の上面からの支持ピン３１の突出高さを低くして支持ピン３１に支持されたウエハＷをステージ１８の上面に近接させ、ウエハＷの降温レートの低下を抑制する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板を冷却するための基板冷却装置、この基板冷却装置による基板冷却方法、この基板冷却装置を備える基板処理装置に関する。

半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に高温プロセスを施す基板処理装置の一例として、複数枚のウエハが収容された容器を載置するロードポートとウエハに高温プロセスを施すプロセスモジュールとの間に、大気圧雰囲気に維持されて容器に対して半導体ウエハの搬入出を行うローダーモジュールと、真空圧雰囲気に維持されてプロセスモジュールに対してウエハの搬入出を行うトランスファモジュールと、ローダーモジュールとトランスファモジュールとの間に配置されて大気圧雰囲気と真空雰囲気とを選択的に切り替え可能なロードロックモジュールを設けたものが知られている。

トランスファモジュールにはプロセスモジュールとロードロックモジュールとの間でウエハを搬送する第１搬送装置が配置され、ローダーモジュールにはロードロックモジュールとロードポートとの間でウエハを搬送する第２搬送装置が配置され、これらの搬送装置によりウエハをロードポートとプロセスモジュールとの間で搬送している。

プロセスモジュールにおいて高温プロセスの終了したウエハは、例えば、３００℃以上の温度にある状態で第１搬送装置に保持されてロードロックモジュールへ搬送され、ロードロックモジュールに配置されたステージから突出したリフトピンに受け渡される。

ここで、近年は、ウエハのサイズが従来の直径３００ｍｍから直径４５０ｍｍへとシフトしており、直径４５０ｍｍウエハを支持したリフトピンを即座にステージの内部に退出させてウエハをステージ上に載置してしまうと、ウエハが急速に冷却されることでウエハに反り等の変形が生じてしまい、これにより、例えば、ウエハの裏面に傷が生じるおそれがある。

そこで、ウエハがステージから離れた状態で一定時間保持されるようにリフトピンを保持し、その状態でウエハの温度がある程度下がった後にリフトピンを下降させてステージ内に退出させてウエハをステージ上に載置することにより、ウエハの温度を更に下げる方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法によれば、ウエハに変形が生じることを抑制することができる。

特開２０１１−０９１３７３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、リフトピンを下降させてステージ内に退出させたときに、ウエハはステージ上に配置された高さ０．３〜０．５ｍｍ程度の支持部材に支持される。つまり、ステージの表面とウエハの裏面との間に０．３〜０．５ｍｍ程度のクリアランスがあるために、ウエハの温度が低くなってから（例えば、２００℃以下になってから）の冷却速度が小さく、これが、スループットの低下を招く要因となっている。

本発明の目的は、基板の変形を抑制しながら、基板冷却時間を短縮することができる基板冷却装置、基板冷却方法及び基板処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の基板冷却装置は、内部を真空雰囲気と大気圧雰囲気との間で切り換え可能な処理室に配置される基板冷却装置であって、内部に冷媒を流すための流路が形成され、上面に基板を載置して該基板を冷却するステージと、前記ステージの上面に配置され、基板を前記ステージの上面近傍で支持する複数の支持ユニットと、前記ステージに対して突没可能に設けられ、前記支持ユニットとの間で基板の受け渡しを行う昇降部材とを備え、前記支持ユニットは、前記ステージの上面から突出した状態で前記昇降部材から基板を受け取って基板を支持する支持ピンと、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さを調節する伸縮部材とを有し、前記伸縮部材は、所定の設定温度よりも高い温度にあるときには、前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを所定の高さに保持し、前記設定温度よりも低い温度になると前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを低くするように動作して、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に近接させることを特徴とする。

請求項２記載の基板冷却装置は、請求項１記載の基板冷却装置において、前記伸縮部材は、前記設定温度よりも低い温度になると、前記支持ピンの上端を前記ステージの上面よりも下側に埋没させることで、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に密着載置させることを特徴とする。

請求項３記載の基板冷却装置は、請求項１又は２記載の基板冷却装置において、前記伸縮部材は、前記支持ピンに支持された基板の降温レートが低下するタイミングで前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを低くするように動作することを特徴とする。

請求項４記載の基板冷却装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板冷却装置において、前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込み、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させることを特徴とする。

請求項５記載の基板冷却装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板冷却装置において、前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させ、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込むことを特徴とする。

請求項６記載の基板冷却装置は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板冷却装置において、前記複数の支持ユニットは、前記ステージの中心部と外周部のそれぞれにおいて所定の間隔で配置され、前記複数の支持ユニットのうち、前記ステージの中心部に配置される支持ユニットが備える前記伸縮部材の前記設定温度と、前記ステージの外周部に配置される支持ユニットが備える前記伸縮部材の前記設定温度とが異なることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項７記載の基板冷却方法は、内部に冷媒が流れるステージの上面に配置された支持ピンに加熱された基板を支持させて該基板を冷却する基板冷却方法であって、前記支持ピンが前記基板を支持したときに前記ステージの上面と前記基板との間に所定のクリアランスが形成されるように、前記支持ピンは前記ステージの上面から所定の突出高さで突出した状態で前記基板を支持するステップと、前記基板が冷却されて所定温度に到達するまでは、前記クリアランスが維持されるように、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さを前記所定の突出高さに維持するステップと、前記基板が冷却されて前記所定温度に到達すると、前記支持ピンが前記ステージの内部に引っ込むことで前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さが低くなり、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に近接させるステップとを有することを特徴とする。

請求項８記載の基板冷却方法は、請求項７記載の基板冷却方法において、前記支持ピンに支持された基板の降温レートが低下するタイミングで前記支持ピンが前記ステージの内部に引っ込み、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さが低くなることを特徴とする。

請求項９記載の基板冷却方法は、請求項７又は８記載の基板冷却方法において、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さの変化は、前記支持ピンに取り付けられた金属ばねと形状記憶合金ばねによって行われ、前記形状記憶合金ばねが前記所定温度に基づいて決定される設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させ、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込むことにより、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さが低くなることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項１０記載の基板処理装置は、基板に対して加熱処理を施す処理ユニットと、前記処理ユニットで処理された基板を冷却する冷却ユニットと、前記処理ユニットで処理された基板を前記処理ユニットから前記冷却ユニットへ搬送する搬送装置とを備える基板処理装置であって、前記冷却ユニットは、内部を真空雰囲気と大気圧雰囲気との間で切り換え可能な処理室と、前記処理室内に配置され、内部に冷媒を流すための流路が形成され、上面に基板を載置して該基板を冷却するステージと、前記ステージの上面に配置され、基板を前記ステージの上面近傍で支持する複数の支持ユニットと、前記ステージに対して突没可能に設けられ、前記搬送装置に対する基板の受け渡しと前記支持ユニットに対する基板の受け渡しを行う昇降部材とを備え、前記支持ユニットは、前記ステージの上面から突出した状態で前記昇降部材から基板を受け取って基板を支持する支持ピンと、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さを調節する伸縮部材とを有し、前記伸縮部材は、所定の設定温度よりも高い温度にあるときには、前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを所定の高さに保持し、前記設定温度よりも低い温度になると、前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを低くするように動作して、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に近接させることを特徴とする。

請求項１１記載の基板処理装置は、請求項１０記載の基板処理装置において、前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込み、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させることを特徴とする。

請求項１２記載の基板処理装置は、請求項１０記載の基板処理装置において、前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させ、前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込むことを特徴とする。

本発明によれば、基板をステージの上面近傍で支持する支持ユニットは、伸縮部材により、所定の設定温度で基板を支持する支持ピンが自動的に昇降されるように構成されている。支持ピンのステージの上面からの突出高さは、基板の冷却が進んで基板の温度が低くなることで伸縮部材が所定の設定温度に到達すると、支持ピンのステージの上面からの突出高さが低くなり、基板がステージの上面に近付くように動作する。

これにより、基板の冷却中における降温レートの低下を回避することができるようになるため、基板冷却時間を短縮することができ、これにより、スループットを向上させて、生産性を高めることが可能になる。また、支持ピンが基板を支持したときのステージの上面からの突出高さを、基板に変形が生じない高さに設定することで、基板の冷却開始時の急激な温度変化に起因する基板の変形を抑制することができ、基板の裏面に傷が付くことや、ステージ上で基板に位置ずれが発生することを防止することができる。

本発明の実施の形態に係る基板処理装置の概略構成を示す平面図である。 図１の基板処理装置のロードロックモジュールに配置されたステージの構造を示す上面図（平面図）、矢視Ａ−Ａ断面図及び拡大図である。 図２のステージに配設された支持ユニットの概略構造と動作状態を示す側面図である。 図２のステージによるウエハの冷却時の温度変化を示すグラフである。 図２のステージに配設される支持ユニットの変形例に係る構造と動作状態を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。ここでは、基板として直径が４５０ｍｍ（φ４５０ｍｍ）の半導体ウエハ（ウエハ）を取り上げ、ウエハに対して真空雰囲気下で行われる処理の一例であるプラズマ処理を施す基板処理装置を取り上げることとする。

図１は、本発明の実施の形態に係る基板処理装置１０の概略構成を示す平面図である。

基板処理装置１０は、ウエハＷを枚葉で（１枚ずつ）プラズマエッチング処理等のプラズマ処理を施すように構成されている。より詳しくは、基板処理装置１０は、平面視略五角形状のトランスファモジュール１１（基板搬送室）と、トランスファモジュール１１の周りに放射状に配置されてトランスファモジュール１１に接続された６つのプロセスモジュール１２（基板処理室）と、トランスファモジュール１１に対向して配置されたローダーモジュール１３と、トランスファモジュール１１及びローダーモジュール１３の間に介在する２つのロードロックモジュール１４（大気／真空切替室）とを備える。

プロセスモジュール１２は真空チャンバを有し、真空チャンバ内にはウエハＷを載置する載置台としての円柱状のステージ１５が設けられている。プロセスモジュール１２では、ステージ１５にウエハＷが載置された後に真空チャンバ内を所定の真空度とし、処理ガスを導入すると共に真空チャンバ内に高周波電力を印加してプラズマを生成させ、生成したプラズマによってウエハＷにエッチング処理等が施される。

ステージ１５には、ステージ１５の上面から突没自在に、複数（ここでは３本とする）の細棒状の昇降部材であるリフトピン１５ａが設けられている。これらのリフトピン１５ａは、平面視において同一円周上に配置されており、ステージ１５の上面から突出することによってステージ１５に載置されたウエハＷを支持して持ち上げ、また、ステージ１５内へ退出することによって支持したウエハＷをステージ１５へ載置する。プロセスモジュール１２とトランスファモジュール１１とは、開閉自在なゲートバルブ１６で仕切られる。

トランスファモジュール１１は、真空（減圧）雰囲気に維持されており、その内部には、２つのスカラアームタイプの２本の搬送アーム１７ａを有する第１搬送装置１７が配置されている。２本の搬送アーム１７ａはそれぞれ、旋回自在かつ伸縮自在に構成されており、その先端にはウエハＷが載置される載置部としてのフォーク（エンドエフェクタ）１７ｂが取り付けられている。第１搬送装置１７は、トランスファモジュール１１内に設けられた不図示のガイドレールに沿って移動自在であり、各プロセスモジュール１２及び各ロードロックモジュール１４の間でウエハＷを搬送する。

ロードロックモジュール１４は、真空雰囲気と大気圧雰囲気とに切り換え可能な内圧可変室として構成されている。ロードロックモジュール１４のトランスファモジュール１１側には、ロードロックモジュール１４におけるトランスファモジュール１１側のウエハ搬入出口を開閉するゲートバルブ１９Ａが設けられている。また、ロードロックモジュール１４のローダーモジュール１３側には、ロードロックモジュール１４におけるローダーモジュール１３側のウエハ搬入出口を開閉するゲートバルブ１９Ｂが設けられている。

ロードロックモジュール１４の内部には、ウエハＷを載置して冷却する基板冷却装置を構成する円柱状のステージ１８が配置されている。ステージ１８には、リフトピン１５ａと同等のリフトピン１８ａが、ステージ１８の上面から突没自在に設けられている。なお、ステージ１８の構成の詳細については後述する。

ロードロックモジュール１４は、ウエハＷをローダーモジュール１３からトランスファモジュール１１へ搬送する際には、内部を大気圧に維持してローダーモジュール１３からウエハＷを受け取り、次いで、内部を真空まで減圧してトランスファモジュール１１へウエハＷを受け渡す。逆に、ウエハＷをトランスファモジュール１１からローダーモジュール１３へ搬送する際には、内部を真空に維持してトランスファモジュール１１からウエハＷを受け取り、次いで、内部を大気圧へと昇圧してローダーモジュール１３へウエハＷを受け渡す。

なお、トランスファモジュール１１からロードロックモジュール１４へのウエハＷの搬入が終了してゲートバルブ１９Ａを閉じた後に、ロードロックモジュール１４内を大気圧雰囲気とするために、ロードロックモジュール１４内に窒素ガス等の不活性ガスが供給される。ウエハＷは、ステージ１８により冷却されると同時に、ロードロックモジュール１４内に供給される不活性ガスがウエハＷの熱を奪うことによっても冷却される。

ローダーモジュール１３は、直方体状の大気搬送室として構成されており、長手方向の一方の側面にロードロックモジュール１４が接続され、長手方向の他方の側面には、複数のウエハＷを収容する容器（ＭＡＣ或いはＦＯＵＰ）を載置するための複数（ここでは３つ）の載置台２１が接続されている。

ローダーモジュール１３の内部には、ウエハＷを搬送する第２搬送装置２０が配置されており、第２搬送装置２０は、スカラアームタイプの搬送アーム２０ａを有する。搬送アーム２０ａは、不図示のガイドレールに沿って移動自在であり、また、旋回自在かつ伸縮自在に構成されている。第１搬送装置１７と同様に、搬送アーム２０ａの先端にはウエハＷを載置するためのフォーク２０ｂが取り付けられている。ローダーモジュール１３では、第２搬送装置２０が、載置台２１に載置された容器と各ロードロックモジュール１４との間でウエハＷを搬送する。基板処理装置１０の全体的な運転制御は、制御装置２２によって行われる。

次に、ロードロックモジュール１４に配置されたステージ１８の構成と、ステージ１８によるウエハＷの冷却処理の詳細について説明する。図２（ａ）は、ステージ１８の上面図（平面図）である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す矢視Ａ−Ａ断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）中の領域Ｂの拡大図である。図２（ｄ）は、図２（ｂ）中の領域Ｃの拡大図である。

ステージ１８には、前述の通り、リフトピン１８ａがステージ１８の上面から突没自在に設けられている。なお、第１搬送装置１７のフォーク１７ｂと第２搬送装置２０のフォーク２０ｂは、ウエハＷの搬送中におけるウエハＷの位置ずれや落下を防止するために、ウエハＷを中心部よりも外側で保持している。そのため、リフトピン１８ａは、ウエハＷを搬送するフォーク１７ｂ及びフォーク２０ｂとの間でのウエハＷの受け渡しをスムーズに行うために、ステージ１８の中心部に配置されており、ウエハＷの中心部を支持する。

ステージ１８の上面（ウエハ載置面）には、ウエハＷをステージ１８の上面近傍で支持する支持ユニット３０が、複数箇所に配設されている。ステージ１８では、図２（ａ）に示すように、上面の内周部において同一円周上に６個の支持ユニット３０が、また、外周部において同一円周上に１２個の支持ユニット３０がそれぞれ配置されている。但し、支持ユニット３０の配設位置は、例えば、ウエハＷが、支持ユニット３０が有する後述の支持ピン３１に支持されたときに平坦な姿勢が維持されるように定めることができ、図２に示す形態に限定されるものではない。

支持ユニット３０は、ウエハＷを支持したリフトピン１８ａを降下させてステージ１８内へ退出させるときに、リフトピン１８ａからウエハＷを受け取って、ウエハＷを支持する。支持ユニット３０は、ウエハＷの温度を感知して伸縮するアクチュエータとして機能し、その構成と動作についての詳細については後述する。

ステージ１８の内部には冷媒（冷却水）を流すための流路２５が形成されており、不図示のチラー等の冷媒循環装置により流路２５に冷媒が供給されるようになっている。ステージ１８を水冷構造とすることで、ステージ１８の温度上昇を抑制して、ウエハＷを冷却する際のウエハＷからの輻射熱の吸収効率を高めている。

図３は、支持ユニット３０の概略構造と動作状態を示す側面図である。支持ユニット３０は、ウエハＷを支持する支持ピン３１と、支持ピン３１が挿通される穴部が形成された保持部材３２と、支持ピン３１が挿入されることで支持ピン３１の外周に配置される伸縮部材としての通常金属ばね３３及び形状記憶合金ばね３４を有する。

図３（ａ）は、支持ユニット３０が、略室温にあって、ウエハＷを支持していない状態（以下「初期状態」という）を示している。なお、図３（ａ）の状態は、図２（ｄ）の状態と同じである。

支持ピン３１の略中央部には鍔部３１ａが設けられている。初期状態では、通常金属ばね３３は、鍔部３１ａと保持部材３２の一方の端部（ステージ１８の内部側端部）３２ａとの間で、ほぼ伸びきった状態で保持されている。一方、形状記憶合金ばね３４は、鍔部３１ａと保持部材３２の他方の端部（ステージ１８の上面側端部）３２ｂとの間で、通常金属ばね３３からの付勢力によって縮んだ状態で保持されている。なお、保持部材３２の端部３２ｂには、保持部材３２をネジ３７（図３に不図示、図２（ｂ），（ｃ）参照）によりステージ１８に固定するための穴部が設けられている。

通常金属ばね３３は、一般的な金属線材からなるばねであり、特に材質が問われるものではなく、また、温度によって極端にばね定数が変化するものではない。これに対して、形状記憶合金ばね３４は、形状記憶合金からなり、形状回復温度（変態点）以上で伸びた状態となる。形状記憶合金ばね３４は、形状回復温度よりも低い温度になると、外力により縮んだ状態とすることができる。初期状態では、形状記憶合金ばね３４は、形状回復温度よりも低い略室温にあるために、通常金属ばね３３が鍔部３１ａをステージ１８の上面側へ押し上げると共に形状記憶合金ばね３４を縮ませており、これにより、支持ピン３１がステージ１８の上面から所定の高さ（例えば、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ）だけ突出した状態となっている。初期状態での支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さは、支持ピン３１がウエハＷを支持したときに急な変形が生じず、且つ、適切な降温レートが得られる高さに設定することができ、前述の高さに限定されるものではない。

図３（ｂ）は、プロセスモジュール１２での処理後で所定の温度に加熱された状態にあるウエハＷを初期状態の支持ピン３１に支持させた直後の支持ユニット３０の状態を示している。なお、支持ピン３１がウエハＷを支持したときのロードロックモジュール１４内の雰囲気は、第１搬送装置１７、ゲートバルブ１９Ａ及びリフトピン１８ａの動作シーケンスに依存する。例えば、フォーク１７ｂがロードロックモジュール１４から退出するタイミングでリフトピン１８ｂを降下させることができ、これと同時にゲートバルブ１９Ａを閉めるようにすると、ウエハＷがリフトピン１８ｂから支持ピン３１へ受け渡されたときには、ロードロックモジュール１４への不活性ガスが導入されていないか又は導入が開始された直後となり、この場合、ウエハＷは少なくとも減圧雰囲気で支持ピン３１に支持されることになる。

支持ピン３１がウエハＷを支持すると、形状記憶合金ばね３４の温度がウエハＷからの熱伝達によって上昇するが、形状記憶合金ばね３４は、形状回復温度に到達するまでは通常金属ばね３３の付勢力により縮んだ状態に維持される。一方、通常金属ばね３３は、ウエハＷの質量による荷重を受けても実質的に縮むことのないばね定数を有している。よって、図３（ｂ）の状態では、ステージ１８の上面からの支持ピン３１の突出高さは、実質的に初期状態と変わっていない。

図３（ｃ）は、支持ピン３１がウエハＷを支持してから所定時間（数秒）が経過したときの支持ユニット３０の状態を示している。ここで、ステージ１８によるウエハＷの冷却時の温度変化を示すグラフを図４に示す。

ステージ１８の上面とウエハＷとの間には、支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さに起因する空間（クリアランス）が存在するが、図４に示すように、時間ｔ_０でウエハＷが支持ピン３１に支持されたときには、ウエハＷの温度が高いために、ウエハＷの温度は比較的大きな降温レートで低下していく。しかし、ウエハＷの温度が下がるにしたがって降温レートは小さくなっていく。そのため、ステージ１８の上面とウエハＷとの間のクリアランスが変わらない場合には、図４に破線（参考例）で示すように、ウエハＷの温度がウエハＷをロードロックモジュール１４から搬出可能な温度（以下「搬出可能温度」という）に下がるまでに、長い時間を要することになってしまう。

そこで、ウエハＷの降温レートが小さくなるタイミング、つまり、ウエハＷの温度が所定温度に下がった時点で、支持ユニット３０は、支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さが低くなるように動作するように構成されている。こうして、降温レートの低下を回避して、ウエハＷの冷却時間を短縮することができる。

即ち、ウエハＷが支持ピン３１に支持されると、ウエハＷからの輻射熱と支持ピン３１を通じた熱伝達によって、形状記憶合金ばね３４の温度は、支持ピン３１がウエハＷを支持してから所定時間（数秒）が経過した時間ｔ_１において形状回復温度に到達する。換言すれば、ステージ１８の上面とウエハＷとの間のクリアランスが一定のときにウエハＷの降温レートが小さくなる時間ｔ_１において、形状記憶合金ばね３４が形状回復温度に到達して伸びることができるように、形状記憶合金ばね３４の形状回復温度が設定される。

なお、形状記憶合金ばね３４の形状回復温度は、ウエハＷの降温レートが小さくなるタイミングにおけるウエハＷの温度に基づいて決定されるが、形状記憶合金ばね３４とウエハＷとでは周囲の環境が異なるために、必ずしもウエハＷの降温レートが小さくなるタイミングにおけるウエハＷの温度と同じというわけではない。

時間ｔ_１において形状記憶合金ばね３４が伸び、形状記憶合金ばね３４が鍔部３１ａを保持部材３２の端部３２ａ側（ステージ１８の内部側）へ押して通常金属ばね３３を縮ませることにより、支持ピン３１はステージ１８の内部へ押し込まれる。こうして、支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さが、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍとなって、ステージ１８の上面とウエハＷとの間のクリアランスが狭くなる。これにより、図４に実線（本実施形態）で示すように、ウエハＷの降温レートの低下を回避することができ、ウエハＷが搬出可能温度に下がるまでの時間を、参考例と比較して、短縮することができる。

なお、形状記憶合金ばね３４が形状回復により伸びたときの付勢力を受けたときに通常金属ばね３３が所定の長さだけ縮むように、通常金属ばね３３のばね定数は設定される。形状記憶合金ばね３４が形状回復により伸びる長さと、形状記憶合金ばね３４が伸びることで通常金属ばね３３が縮む長さは、それぞれのばねのばね定数と長さとによって任意に設定することができる。

図３（ｄ）は、ウエハＷの冷却処理が終了し、ウエハＷがリフトピン１８ａによって支持ピン３１から持ち上げられた後の状態を示している。ステージ１８が冷媒循環により冷却されているため、ウエハＷの温度が低下するに伴って、一旦は温度が上昇した形状記憶合金ばね３４も冷却され、形状記憶合金ばね３４の温度が形状回復温度を下回ると、通常金属ばね３３が伸び、その付勢力が形状記憶合金ばね３４を縮ませる。こうして、支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さは、図３（ａ）の初期状態と同じ高さに戻る。このときに、ウエハＷの温度が搬出可能温度を下回っているようにステージ１８と支持ユニット３０を設計することで、ウエハＷの冷却時間を従来（参考例）よりも短縮させることができる。

以上の説明の通り、上記の実施の形態では、ウエハＷをステージ１８の上面近傍で支持する支持ユニット３０は、通常金属ばね３３と形状記憶合金ばね３４とを組み合わせて、ウエハＷの温度に基づいて設定される所定の設定温度（形状記憶合金ばね３４の形状回復温度）で支持ピン３１が昇降するように構成されている。そのため、支持ユニット３０によれば、ウエハＷを支持する際の支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さを適切に設定することでウエハＷに急速な冷却による変形を生じさせることなく、適切な降温レートで冷却を開始することができる。また、支持ユニット３０によれば、ウエハＷの冷却が進んで降温レートが小さくなると、ウエハＷとステージ１８の上面との間隔が狭まり、これにより降温レートの低下を回避することができる。したがって、ウエハＷが搬出可能温度に下がるまでの時間を短縮することができ、基板処理装置１０のスループットを向上させることができる。

次に、支持ユニット３０の変形例である支持ユニット４０の構造とその動作について、図５を参照して説明する。図５は、支持ユニット４０の概略構造とその動作を示す側面図である。図５（ａ）は、支持ユニット４０が、略室温にあって、ウエハＷを支持していない初期状態を示している。支持ユニット４０は、鍔部３１ａが形成された支持ピン３１及び保持部材３２を備えており、これらは先に説明した支持ユニット３０を構成する支持ピン３１及び保持部材３２と同じであるため、ここでの説明を省略する。

支持ユニット４０は、支持ピン３１が挿入されることで支持ピン３１の外周に配置される通常金属ばね４３及び形状記憶合金ばね４４を有する。初期状態では、通常金属ばね４３は、鍔部３１ａと保持部材３２の端部３２ｂとの間でほぼ伸びきった状態で保持されている。一方、形状記憶合金ばね４４は、鍔部３１ａと保持部材３２の端部３２ａとの間で、通常金属ばね４３からの付勢力により縮んだ状態で保持されている。

通常金属ばね４３は、支持ユニット３０を構成する通常金属ばね３３と同等な、金属からなる一般的なばねであり、温度によって極端にばね定数が変化するものではない。一方、形状記憶合金ばね４４は、支持ユニット３０を構成する形状記憶合金ばね３４と同様に、形状記憶合金からなり、形状回復温度以上では伸びた状態となり、形状回復温度よりも低い温度になると、外力により縮んだ状態とすることができる。

初期状態では、形状記憶合金ばね４４は、形状回復温度よりも低い略室温にあるために通常金属ばね４３からの付勢力により縮んだ状態となっており、通常金属ばね４３が鍔部３１ａをステージ１８の内部側へ押し下げることにより、支持ピン３１がステージ１８の上面から微少高さ（例えば、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ）だけ突出した状態となっている。

図５（ｂ）は、プロセスモジュール１２での処理後で所定の温度に加熱された状態にあるウエハＷを支持ピン３１に支持させるために、初期状態にある支持ピン３１にウエハＷを近接させたときの支持ユニット３０の状態を示している。

ここで、ウエハＷをステージ１８に近付けると、ウエハＷからの輻射熱によってステージ１８の表面温度が上昇する。そこで、ステージ１８の表面及び支持ピン３１から伝達される熱により形状記憶合金ばね４４の温度を上げて形状回復させる。これにより、形状記憶合金ばね４４が伸びて通常金属ばね４４を縮ませることで、ウエハＷが支持ピン３１に接触する前に、支持ピン３１をステージ１８の上面から所定の高さ（例えば、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ）だけ突出した状態へ移行させる。このとき、ウエハＷを支持ピン３１に支持させる直前に冷媒循環を停止し、形状記憶合金ばね４４の温度上昇を補助してもよい。この場合、ウエハＷが支持ピン３１に支持されると同時に、冷媒循環を再開させる。

なお、ここでの支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さは、支持ピン３１がウエハＷを支持したときにウエハＷに急な変形が生じず、且つ、適切な降温レートが得られる高さに設定される。これにより、例えば、ウエハＷの裏面がステージ１８の上面と擦れて傷が生じたり、ウエハＷがステージ１８上で位置ずれすることで後のウエハＷの搬出に支障が生じたりすることを防止することができる。

なお、先に説明した支持ユニット３０では、図３（ｂ）から図３（ｃ）への状態移行が即座には起こらないようにする必要がある。そのため、支持ピン３１を介したウエハＷからの熱伝達によっても、即座には形状記憶合金ばね３４が形状回復して伸びることのないように、形状記憶合金ばね３４の形状回復温度が設定される。これに対して、支持ユニット４０では、ウエハＷからの輻射熱によって、速やかに形状記憶合金ばね４４が形状回復して伸びる必要がある。そのため、形状記憶合金ばね４４の形状回復温度は、形状記憶合金ばね３４の形状回復温度よりも低めに設定される。

図５（ｃ）は、支持ピン３１がウエハＷを支持した直後の状態を示している。形状記憶合金ばね４４の温度は、ウエハＷから支持ピン３１を介して伝わる熱によって形状回復温度よりも高い状態になっているため、支持ピン３１がステージ１８の上面から突出する高さは、図５（ｂ）と同じ高さに保持されている。なお、図５（ｃ）の状態は、図４の時間ｔ_０での状態に相当する。

図５（ｄ）は、支持ピン３１がウエハＷを支持してから所定時間（数秒）が経過したときの支持ユニット４０の状態を示している。ウエハＷが支持ピン３１に支持された直後は、ウエハＷの温度は比較的大きな降温レートで低下する。しかし、ウエハＷの温度が下がるにしたがって降温レートは小さくなっていく。そこで、ウエハＷの降温レートが小さくなるタイミング（図４の時間ｔ_１）で、支持ユニット４０は、支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さが低くなるように動作する。即ち、ステージ１８は冷媒循環により冷却されているため、ウエハＷの降温レートが小さくなるタイミングで、形状記憶合金ばね４４の温度が形状回復温度を下回るようにする。

これにより、通常金属ばね４３が伸び、その付勢力によって形状記憶合金ばね４４は縮み、通常金属ばね４３が鍔部３１ａを保持部材３２の端部３２ａ側へ押すことにより、支持ピン３１はステージ１８の内部へ押し込まれる。こうして、支持ピン３１のステージ１８の上面からの突出高さが、例えば、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍへと低くなり、ステージ１８の上面とウエハＷとの間のクリアランスを狭くすることで、ウエハＷの降温レートの低下を回避することができる。よって、ウエハＷをロードロックモジュール１４から搬出可能な温度に下がるまでの時間を短縮することができる。

図５（ｅ）は、ウエハＷの冷却処理が終了し、ウエハＷがリフトピン１８ａによって支持ピン３１から持ち上げられた後の状態を示している。ステージ１８は冷媒循環により冷却されているため、形状記憶合金ばね４４の温度が上昇することはない。よって、形状記憶合金ばね４４は、通常金属ばね４３の付勢力によって縮んだ状態で維持される。つまり、ウエハＷが支持ピン３１からリフトピン１８ａに受け渡されると、支持ユニット４０は図５（ａ）の初期状態に戻っていることになる。

以上の説明の通り、支持ユニット４０によっても、支持ユニット３０と同様に、ウエハＷの冷却開始時にウエハＷに変形が生じることを抑制しつつ、適切な降温レートを得ることができ、また、ウエハＷの降温レートが小さくなると、ウエハＷとステージ１８の上面との間隔が狭まって、降温レートの低下を回避することができる。

次に、ステージ１８に対する支持ユニット３０の配置例について説明する。なお、以下の説明では支持ユニット３０を取り上げるが、支持ユニット４０を用いて同様の構成とすることができる。

図２に示すように、ステージ１８には、内周部に６個、外周部に１２個の支持ユニット３０がそれぞれ等間隔で配置されている。このとき、全ての支持ユニット３０に同じものを用いてもよいが、ウエハＷをステージ１８上に載置した際のウエハＷの熱収縮による変形を防止するために、ウエハＷの中心部をステージ１８の上面に近接させることで、ウエハＷの中心部を積極的に冷却させる構成とすることも好ましい。

これを実現するために、ステージ１８に配置される支持ユニット３０のうち、内周部に配置される支持ユニットは、外周部に配置される支持ユニットよりも早く図３（ｂ）に示した状態から図３（ｃ）に示した状態となるように、各支持ユニットが備える形状記憶合金ばね３４の形状回復温度を設定する。具体的には、ステージ１８の内周部に配置される支持ユニットの形状記憶合金ばね３４の形状回復温度を、外周部に配置される支持ユニットの形状記憶合金ばね３４の形状回復温度よりも低く設定する。

なお、支持ユニット４０を用いて、ウエハＷの中心部を外周部よりも早くステージ１８の上面に近接させるためには、ステージ１８の内周部に配置される支持ユニットの形状記憶合金ばね４４の形状回復温度を、外周部に配置される支持ユニットの形状記憶合金ばね４４の形状回復温度よりも高く設定する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施の形態では、ステージ１８では、ステージ１８の上面の内周部に６個、外周部に１２個の支持ユニット３０（或いは支持ユニット４０）を配置した。しかし、これに限定されず、ウエハＷの熱収縮による変形を抑制するために、ウエハＷの中心部を積極的に冷却すべく、最初からステージ１８の上面に近接してステージ１８上に載置されるように、ステージ１８の上面の内周部には、支持ユニット３０（或いは支持ユニット４０）に代えて、高さ（半径）が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の半球状のクーリングボールを配置し、ステージ１８の上面の外周部にのみ、所定数の支持ユニット３０或いは支持ユニット４０が配置された構成としてもよい。

また、上記実施の形態では、支持ユニット３０，４０は、ウエハＷの冷却処理中は常にウエハＷとステージ１８の上面との間に一定のクリアランスが形成されるようにしたが、ウエハＷの温度が形状記憶合金ばね３４，４４の形状回復温度を下回ったときには、支持ピン３１の上端がステージ１８の上面よりも下側に埋没することにより、ウエハＷをステージ１８の上面に密着載置させることで、ウエハＷの冷却を進める構成としてもよく、この場合、ウエハＷが搬出可能温度に到達するまでの時間を更に短縮することができる。

上記実施の形態では、基板処理装置として高温プロセスの１つであるプラズマエッチング処理を行う基板処理装置を取り上げたが、これに限られず、本発明に係る基板冷却装置（ステージ１８）は、基板が加熱される処理を行い、その後、加熱された基板を冷却する処理を必要とする基板処理装置（例えば、成膜のための加熱処理を行う装置）等にも適用することができる。また、上記実施の形態では、基板として半導体ウエハを取り上げたが、これに限定されず、ガラス基板（例えば、ＦＰＤ（Flat Panel Display）用ガラス基板）やセラミック基板等の他の基板の冷却にも適用することができる。

１０ 基板処理装置
１２ プロセスモジュール
１４ ロードロックモジュール
１８ ステージ
１８ａ リフトピン
１７ 第１搬送装置
３０，４０ 支持ユニット
３１ 支持ピン
３１ａ 鍔部
３２ 保持部材
３３，４３ 通常金属ばね
３４，４４ 形状記憶合金ばね

Claims (12)

1. 内部を真空雰囲気と大気圧雰囲気との間で切り換え可能な処理室に配置される基板冷却装置であって、
   内部に冷媒を流すための流路が形成され、上面に基板を載置して該基板を冷却するステージと、
   前記ステージの上面に配置され、基板を前記ステージの上面近傍で支持する複数の支持ユニットと、
   前記ステージに対して突没可能に設けられ、前記支持ユニットとの間で基板の受け渡しを行う昇降部材とを備え、
   前記支持ユニットは、
   前記ステージの上面から突出した状態で前記昇降部材から基板を受け取って基板を支持する支持ピンと、
   前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さを調節する伸縮部材とを有し、
   前記伸縮部材は、所定の設定温度よりも高い温度にあるときには前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを所定の高さに保持し、前記設定温度よりも低い温度になると前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを低くするように動作して、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に近接させることを特徴とする基板冷却装置。
2. 前記伸縮部材は、前記設定温度よりも低い温度になると、前記支持ピンの上端を前記ステージの上面よりも下側に埋没させることで、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に密着載置させることを特徴とする請求項１記載の基板冷却装置。
3. 前記伸縮部材は、前記支持ピンに支持された基板の降温レートが低下するタイミングで前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを低くするように動作することを特徴とする請求項１又は２記載の基板冷却装置。
4. 前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、
   前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込み、
   前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板冷却装置。
5. 前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、
   前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させ、
   前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板冷却装置。
6. 前記複数の支持ユニットは、前記ステージの中心部と外周部のそれぞれにおいて所定の間隔で配置され、
   前記複数の支持ユニットのうち、前記ステージの中心部に配置される支持ユニットが備える前記伸縮部材の前記設定温度と、前記ステージの外周部に配置される支持ユニットが備える前記伸縮部材の前記設定温度とが異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板冷却装置。
7. 内部に冷媒が流れるステージの上面に配置された支持ピンに加熱された基板を支持させて該基板を冷却する基板冷却方法であって、
   前記支持ピンが前記基板を支持したときに前記ステージの上面と前記基板との間に所定のクリアランスが形成されるように、前記支持ピンは前記ステージの上面から所定の突出高さで突出した状態で前記基板を支持するステップと、
   前記基板が冷却されて所定温度に到達するまでは、前記クリアランスが維持されるように、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さを前記所定の突出高さに維持するステップと、
   前記基板が冷却されて前記所定温度に到達すると、前記支持ピンが前記ステージの内部に引っ込むことで前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さが低くなり、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に近接させるステップとを有することを特徴とする基板冷却方法。
8. 前記支持ピンに支持された基板の降温レートが低下するタイミングで前記支持ピンが前記ステージの内部に引っ込み、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さが低くなることを特徴とする請求項７記載の基板冷却方法。
9. 前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さの変化は、前記支持ピンに取り付けられた金属ばねと形状記憶合金ばねによって行われ、
   前記形状記憶合金ばねが前記所定温度に基づいて決定される設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させ、
   前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込むことにより、前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さが低くなることを特徴とする請求項７又は８記載の基板冷却方法。
10. 基板に対して加熱処理を施す処理ユニットと、前記処理ユニットで処理された基板を冷却する冷却ユニットと、前記処理ユニットで処理された基板を前記処理ユニットから前記冷却ユニットへ搬送する搬送装置とを備える基板処理装置であって、
    前記冷却ユニットは、
    内部を真空雰囲気と大気圧雰囲気との間で切り換え可能な処理室と、
    前記処理室内に配置され、内部に冷媒を流すための流路が形成され、上面に基板を載置して該基板を冷却するステージと、
    前記ステージの上面に配置され、基板を前記ステージの上面近傍で支持する複数の支持ユニットと、
    前記ステージに対して突没可能に設けられ、前記搬送装置に対する基板の受け渡しと前記支持ユニットに対する基板の受け渡しを行う昇降部材とを備え、
    前記支持ユニットは、
    前記ステージの上面から突出した状態で前記昇降部材から基板を受け取って基板を支持する支持ピンと、
    前記支持ピンの前記ステージの上面からの突出高さを調節する伸縮部材とを有し、
    前記伸縮部材は、所定の設定温度よりも高い温度にあるときには、前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを所定の高さに保持し、前記設定温度よりも低い温度になると、前記ステージの上面からの前記支持ピンの突出高さを低くするように動作して、前記支持ピンに支持された基板を前記ステージの上面に近接させることを特徴とする基板処理装置。
11. 前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、
    前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込み、
    前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させることを特徴とする請求項１０記載の基板処理装置。
12. 前記伸縮部材は、金属ばねと形状記憶合金ばねであり、
    前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも低い温度にあるときには、前記金属ばねが伸びて前記形状記憶合金ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記所定の高さで前記ステージの上面から突出させ、
    前記形状記憶合金ばねが前記設定温度よりも高い温度にあるときには、前記形状記憶合金ばねが伸びて前記金属ばねを縮ませた状態にすることで、前記支持ピンを前記ステージの内部に向けて押し込むことを特徴とする請求項１０記載の基板処理装置。

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