JP3632126B2

JP3632126B2 - 基板冷却方法

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Publication number: JP3632126B2
Application number: JP2000570821A
Authority: JP
Inventors: イーフォラーエイマケール
Original assignee: エーエスエムアメリカインコーポレイテッド
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: DE69934022T2; WO2000016380A1; WO2000016380A9; KR20010086378A; US6209220B1; EP1116261B1; KR100613171B1; JP2002525848A; EP1116261A1; DE69934022D1; TW449772B; AU6131599A; US6108937A; US20050229855A1

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、半導体基板のような本体を加熱した後冷却するための基板冷却方法に関するものである。特に、本発明は、基板操作前に、基板とヒートシンクとして機能する壁との間で伝熱させることにより基板を冷却する方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
半導体ウェハまたは他の同様の基板は、非常に高いプロセス温度または処理温度にさらされる。例えば、ある化学気相成長（ＣＶＤ）処理において、温度は１２００℃近くになる場合がある。典型的なサイクルにおいて、ウェハは、室温のカセットから自動ウェハハンドラにより処理チャンバまたは反応チャンバへ搬送され、この処理チャンバまたは反応チャンバにおいて高温の処理を受け、次にウェハハンドラにより、高温の処理チャンバからもとのカセットまたは処理済みウェハ用の別個のカセットへ搬送されて戻される。
【０００３】
半導体加工においてウェハが受ける多くの高温の処理において、ウェハは、ウェハハンドラにより配置または取り上げられる前に、処理温度からずっと低い温度へ冷却されなければならない。例えば、エピタキシャルシリコン成長リアクタにおいて、反応チャンバの処理温度は、１０００℃から１２００℃の範囲であるのが典型的であるが、自動ウェハハンドラの操作可能な最高温度は、約９００℃に過ぎない。さらに、高温では、ウェハは、搬送中にウェハハンドラにより引き起こされ得る物理的損傷を受けやすい。従って、ウェハは、標準的ハンドリング器具により操作及び搬送される前に、処理温度から（例えば約９００℃まで）冷却されなければならない。同様に、ウェハは、他のタイプのウェハハンドラ（例えばパドル）により安全に操作するために、また低コストのカセットで保管するために、むらなく低い温度まで冷却されなければならない。
【０００４】
ウェハを操作温度まで冷却するのに要する時間は、集積回路製造業者にとって非常にコスト高となり得る。冷却速度は、冷却されるシステムの主要部により部分的に異なるが、典型的なサセプタの２００ｍｍのウェハについては、１２００℃から９００℃までで約４５秒間と測定された。この冷却は各ウェハについての総サイクル時間に加算されるので、システムの処理量が減少してしまう。これにより、ウェハ加工のコストが増加するだろう。
【０００５】
半導体ウェハ加工設備は高コストであるので、高価な設備を連続使用できる状態に維持でき、これにより処理量の向上が可能になるということは、競争という観点から非常に重要である。同時に、使用されるウェハ冷却技術は、化学気相成長処理装置及び厳しい清浄要件の環境と適合していなければならない。さらに、この技術のコストは、それ自体が、一枚当たりのウェハ加工コストを最終的に低減する程度低くなければならない。
【０００６】
（発明の概要）
従って、本発明の目的は、高い処理温度から、ウェハハンドラを使用してウェハを取り上げてウェハ保管カセットに配置することができる温度まで、ウェハを迅速かつ均一に冷却する基板冷却方法を提供することである。
【０００７】
本発明の一態様によると、処理チャンバで基板を処理するための方法が提供される。この方法は基板をチャンバ内の支持構造体へロードすることを含む。基板は処理温度まで加熱されてその温度で処理される。基板処理後、基板及びヒートシンク冷却面を冷却位置に持ってくるためのエレメントがチャンバ内において移動される。基板及び冷却面は冷却位置に維持され、この冷却位置で基板は冷却面に対して熱を失う。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、基板を、処理温度まで加熱した後冷却するための方法が提供される。本方法は基板を第１の位置から冷却エレメントに直近の第２の位置へ移動させることを含む。基板は第２の位置に維持されて、熱が基板から冷却エレメントへ伝わっていき、最終的に、基板が処理温度より低い操作温度まで冷却される。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、半導体基板を、第１の温度から第２の温度まで冷却するための方法が提供される。本方法は、引っ込み位置から、基板から離れた隣接位置へ、冷却部材を移動することを含む。引っ込み位置において、冷却部材は第２の温度より低い第３の温度となる。冷却部材は、基板が第２の温度まで冷却されるまで前記隣接位置に維持される。次に基板は基板ハンドリング器具により上昇される。
【００１０】
本発明のさらに他の態様によれば、高温で基板を処理するための処理リアクタが提供される。リアクタは、熱源と、処理チャンバを画定する複数の壁とを備えている。基板支持構造体がチャンバ内に収容される。リアクタは、さらに、ヒートシンク及び可動エレメントを備えている。駆動機構が可動エレメントを第１の位置から第２の位置へ移動する。第１の位置において（チャンバ内で支持構造体により支持された）基板を処理することができる。第２の位置において、ヒートシンクにより、冷却エレメントと基板との間を熱移動可能な程度の狭い間隔を基板から離して配置されている。
【００１１】
本発明のさらに他の態様によれば、高温処理チャンバと、チャンバ内に配置された基板ホルダと、冷却部材と、冷却シェルタとを備える基板加工システムが、提供される。このシェルタは、高温処理中に、冷却部材を熱から保護するように構成されている。冷却部材を支持する可動アームが、可動アーム及び冷却部材を第１の位置から第２の位置へ延ばすことができる駆動機構に接続されている。冷却部材は、第１の位置において冷却シェルタの直近に位置しており、第２の位置において基板ホルダの直近に位置している。
【００１２】
本発明の他の態様によれば冷却機構が基板加工システムに提供される。この機構は、基板を支持するように構成された支持構造体と、第１の冷却エレメントと、第２の冷却エレメントとを備えている。これらの構成要素は、冷却位置と基板ロード位置との間で相互に可動である。冷却位置において、基板は、各第１冷却エレメントと第２冷却エレメントとの間に間隔を置いて直近に配置されている。基板ロード位置において、ウェハハンドラは、基板を支持構造体に配置することができる。
【００１３】
図示した実施形態により、容易に、基板を伝導性のある熱伝達により冷却することができ、これにより放射だけによる場合よりもかなり速く基板を冷却することができるのが有利である。本冷却方法及び本冷却機構においてはピックアップ器具により基板を操作する必要がないので、（特に基板が安全に操作され得る温度に達するまで待つことにより生じる）中断時間が著しく低減される。さらに、上記のある態様によれば、処理チャンバ内の支持構造体から基板を移動させる前に、基板を冷却することができる。本発明を従来のリアクタの設計に適合させるために、殆どエレメントを移動させる必要はない。冷却がより速く行われることにより、より短時間で、ウェハをサセプタから取り上げることまたは他の基板をサセプタに配置することができるだろう。またこれにより、ウェハの処理量が向上し、結果としてウェハ加工コストがかなり低減される。
【００１４】
（好ましい実施形態）
本発明は、枚葉式ウェハ水平方向ガス流リアクタについて図示しているが、本発明の冷却機構が、特定のタイプのリアクタまたは処理チャンバに限定されないことは当業者に理解されよう。むしろ、当業者は、クラスタツール、バッチ式加工システム、垂直ガス流またはシャワーヘッドシステムなどの異なる多種類の処理チャンバまたはリアクタに関してここに開示された原理の応用法を見い出すだろう。さらに、これらの応用法は、特に、ウェハを操作して処理チャンバから取り出す前に、ウェハを冷却するために用いる方法であるが、ここに開示した原理は、ワークピースを操作また保管前に冷却するのが望ましい場合にはいつでも利用される。
【００１５】
図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは、本発明の第１の好ましい実施形態により構成された冷却システムを組み込んだ処理チャンバを図示している。冷却機構を含む処理チャンバ１０の一部を図示している。ウェハ支持構造体には、半導体ウェハ１４を直接支持するサセプタ１２、或いは他の処理基板またはワークピース（例えばガラス基板）が含まれている。次に、サセプタ１２は、スパイダ１６により少なくとも３点で支持されており、また、図示したサセプタ１２は、ディスク状でありその直径はウェハ１４より大きい。ウェハ１４は、サセプタ１２に同心に配置されている。外部駆動機構またはモータ２０が、シャフト２２を回転し、シャフト２２はチャンバ１０の底壁１９を延びている。シャフト２２は、スパイダ１６、サセプタ１２、及びウェハ１４を支持し回転させる。
【００１６】
図示したチャンバ１０は、上方壁１８及び下方壁１９により画定されており、典型的には石英を含んでおり、石英は、チャンバ１０の外側の放射熱源またはランプ（図示せず）からのエネルギーを実質的に透過させる。サセプタとウェハの組み合わせはランプからの放射熱を実際に吸収するが、壁１８、１９はこの熱をあまり吸収しないので、このチャンバは、従来「コールドウォール型チャンバ」と呼ばれている。圧縮流体（例えば、圧縮空気及び／または循環した冷却液体）が対流により能動的に壁１８、１９を冷却し、チャンバ１０内に収容されたサセプタ１２またはウェハ１４より低い温度に壁１８、１９を維持する役割を果たす。
【００１７】
シャフト２２はさらに垂直に移動することができる。回転駆動させるのと同じモータ２０により、または別個のモータにより駆動されて、垂直移動できることが理解されよう。シャフト全体が上昇可能であるか、または前記シャフトが部分的に入れ子式に伸縮することによりスパイダ１６、サセプタ１２、及びウェハ１４が上昇されることが当業者にはさらに理解されよう。或いは、シャフトは、スパイダを突き抜けて延びてサセプタを直接上昇させることができる。上昇させている間、ウェハ１４は、処理中にウェハを支持する同じサセプタ１２（または他のウェハ支持構造体）により直接支持されたままである。
【００１８】
図１Ｂに関して、操作において、ウェハ１４は、高温で処理された後、操作前に冷却する必要があるので、リアクタまたは処理チャンバ１０の上方壁１８の直近の冷却位置にくるまで上昇される。上方壁１８は、ウェハ表面と実質的に平行で平らな内側表面を有しており、ウェハ１４が冷却位置にくると、図１Ｂに図示したようにギャップ２４を形成するのが好ましい。上方壁１８は処理されたばかりのウェハ１４よりさらに低温であるので、壁１８はヒートシンクとして機能する。図示した実施形態において、サセプタ１２がウェハ１４の冷却中にウェハ１４の支持を続けているので、コールドウォール１８の冷却面に対向するウェハ表面は、プロセス中に処理された表面と同一表面である。
【００１９】
ウェハ１４と上方壁１８との間の伝導性のある伝熱が、全体の伝熱にかなり影響する程度に、また好ましくは全体の伝熱を左右する程度に、ウェハ１４の上側表面が上方壁１８の内側表面に接近される。高圧力では、気体の熱伝導性は圧力に左右されないので粘性流が一般的に使用される。放射熱伝達速度は２つの物体間の温度差に依存し、また熱伝導速度は物体間の温度差と距離の両方により決定されることは、公知である。図示した実施形態では、放射熱伝達に加えて、熱が、ギャップ２４に渡る周囲のガス（例えば、パージガス）により効果的に伝導される。
【００２０】
図示した反応チャンバ１０の通常の操作状態では、ギャップ２４が約５ｍｍ未満である場合には、伝導性のある熱伝達が、熱の伝達にはかなり影響するということが分かった。ギャップ２４は、約０．２ｍｍと３．０ｍｍとの間であるのが好ましく、また約０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間であるのがさらに好ましい。従って、例えば、１ｍｍのギャップの場合、支配的な熱輸送機構は気相による熱伝導である。ウェハ及びサセプタの組み合わせは、コールドウォールに直近である場合には、（例えば、ギャップ２４が２０ｍｍより大きい場合に）放射だけで冷却されるよりも、ずっと速く冷却されるだろう。ギャップが１ｍｍの時の冷却速度及びギャップが２０ｍｍの時の冷却速度を図３Ａ及び図３Ｂにそれぞれ示した。
【００２１】
コールドウォールの全域に渡って、ギャップ２４を一定にして温度を一定にすることにより、容易に、表面の熱伝達を一定にすることができる。従って、温度が一定でないことによりウェハ１４に生じてしまうゆがみまたは他の損傷が回避される。図１Ｂに図示したように、一定の熱伝達は、ウェハ１４を冷却しながらウェハ１４を回転させ続けることによりさらに高めることができる。
【００２２】
ウェハ１４が十分冷却され、ピックアップ手段が、ウェハまたはピックアップ手段のいずれも損傷せずにウェハを安全につかんだ後、ウェハ１４は取り上げ可能な位置へ下降される。好ましいピックアップ手段は、米国特許第４，８４６，１０２号明細書に図示されており、この明細書では、ベルヌーイの定理で機能し角度をつけて高速ガス流を噴射するピックアップワンドを説明している。ガス流が、ウェハ表面の上面に接近すると、ウェハ上方で低圧力域が生成され、これによりウェハが持ち上がる。米国特許第４，８４６，１０２号明細書の開示は、参照によりここに組み込まれたものとする。このワンドは、ここでは「ベルヌーイワンド」と呼ぶが、約９００℃以下の温度でウェハを安全に取り上げることができる。
【００２３】
説明したように、処理中にウェハ１４を直接支持する同じ構造体（すなわち、サセプタ１２）は、ウェハ１４が冷却位置に移動した時にウェハ１４を支持する。従って、特別な高温操作手段を用いなくてもウェハ１４の冷却を促進することができる。さらに移送ステップは必要ないので、ウェハがまだ高温である間に、ウェハを、落下したり、ひっかいたり、または損傷したりする危険性が最小になる。
【００２４】
上述した実施形態では、さらに、チャンバ及びウェハの粒子状汚染物質が付着する危険性を高めることなく、急速に冷却することができる。第一に、処理チャンバ内で冷却が行われるので動きは最小となる。第二に、上方壁１８が圧縮気体及び／または循環冷却液により対流冷却され、ウェハの冷却は大部分が対流により行われ、従って、ウェハの冷却速度が高まり、圧縮空気を増加してその対流にウェハを晒す必要がない。従来の対流冷却方法では急速冷却は達成できるが、ウェハの粒子状汚染物質が増加してしまう。
【００２５】
図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、本発明の第２の実施形態により構成された処理チャンバ２８を図示している。便宜上、図１と同様の構成要素は、同様の参照番号で記載していく。図示したように、チャンバ２８は、冷却部材又はプレート３０を備えており、プロセスエリアの外側のポケット３２内に保管されるのが好ましく、この結果、プレート３０はウェハ処理の妨げになることはない。図示した実施形態において、ポケット３２は、プロセスガス入口及びウェハロードポートに対向するチャンバ２８の下流端に配置されている。図２Ａに図示したように、プレート３０は、可動アーム３６により、ポケット３２内に装着されており、ポケット３２の表面から距離または間隔３４を置いて配置されている。アーム３６は、ポケット３２を延びており、駆動機構またはアクチュエータ３８により駆動される。
【００２６】
図示したプレート３０は、ウェハ１４の表面領域より大きいかまたは等しい平らな下側表面を有しており、ウェハ１４またはサセプタ１２の材料より高い所定の熱容量の材料を含んでいるのが好ましい。有利に総熱容量を高くしつつ材料のコストと利用可能な空間との釣り合いを取って、当業者は可動プレート３０の厚さを選択することができる。プレート３０は処理されるウェハ１４より熱量が大きいのが望ましい。固体の熱的質量すなわち熱容量は以下の式で求められる。
【００２７】
【数式１】

【００２８】
ここで、
ρ＝固体の密度
Ｖ＝固体の体積
_Ｃ＝固体の比熱（熱容量）
このように、所定の材料及び表面領域について、プレート３０の熱的質量は直接その厚さに関連している。
【００２９】
ポケット３２は、プロセスエリアの外側に配置されているので、ウェハ及びサセプタの組み合わせに向けられた放射熱から保護されており、放射熱を吸収せず、従ってウェハ１４より相対的に低温のままである。ポケット３２を画定する面は、循環冷却流体（空気または水）によるように、対流により能動的に冷却される。
【００３０】
操作において、プレート３０は、ウェハ１４が高温処理（例えば、約１０００℃から１２００℃でエピタキシャル成長）されている間、ポケット３２に保管されている。冷却されたポケット３２は、プレート３０を、好ましくは操作温度（例えば、好ましいベルヌーイワンドについては約９００℃）未満に冷却した状態に保つ。プレート３０とポケット３２の間の間隔３４は約５ｍｍ未満であり、この結果、伝導性のある熱伝達が、冷却されたポケット３２内でプレート３０を低温に保つ熱交換に寄与するのが望ましい。チャンバ１０内の周囲のガス圧及び伝導性により異なるが、間隔は、約０．２ｍｍと３ｍｍとの間であるのが好ましく、約０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間であるのがさらに好ましい。ウェハ１４は冷却工程中に回転し続ける。
【００３１】
高温処理ステップが完了すると、アクチュエータ３８は、プレート３０をウェハ１４上方に移動するようにアーム３６を駆動し、この結果プレート３０はウェハ１４の直近に位置する。図示した実施形態において、プレート３０は、ウェハ１４に平行に、かつウェハに対して適宜の垂直位置に（すなわち、好ましくは約３ｍｍ未満の間隔を垂直にあけて、さらに好ましくは約０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間の間隔を垂直にあけて）装着される。従って、好ましいアクチュエータ３８は、アーム３６、そしてプレート３０を外側水平方向に移動する。他の配置では、プレート３０を、ウェハと対向する関係になるまで水平及び垂直の両方向に移動して、伝導性のある伝熱が容易となる距離をウェハから離して配置できることが、理解されよう。
【００３２】
ウェハ１４とプレート３０の対向面の間の垂直方向のギャップ２４は、図１の実施形態について説明した通りであるのが好ましい。従って、ウェハ及びサセプタの組み合わせは、伝導性のある伝熱と、放射性のある伝熱の両方により急速に冷却される。
【００３３】
ウェハ１４が所望の操作温度（例えば、好ましいピックアップワンドについては約９００℃）まで冷却されると、可動プレート３０がポケット３２に移動して戻される。冷却中にウェハ及びサセプタにより吸収された熱は、次に、能動的に冷却されたポケット３２により吸収されて、その本来の非作動温度に戻る。その間に、ウェハハンドラがウェハ１４を取り上げることができる。
【００３４】
第１の実施形態を利用した場合のように、第２の実施形態により、ウェハ１４を別途操作せずに容易に冷却できる。従って特別な高温操作手段は必要ない。さらに、第２の実施形態の機構は、可動プレートが操作温度より低温に維持されている場合には、いわゆる「ホットウォールチャンバ」内でウェハを冷却するのに用いることができる。他の配置では、プレート自体を直接冷却することができるが、図示した配置では、配管が不要、すなわち可動アームに他の冷却液を連通させる必要がないことが利点である。
【００３５】
上記の実施形態のいずれかにおいて、公知のように、冷却速度は冷却ステップでパージガスを処理チャンバへ導入することにより高められるのが好ましい。従来このタイプのリアクタ及び処理に用いられている種々のパージガスを本発明で使用することができる。適宜のパージガスの例には、アルゴン、水素、窒素、ヘリウムがある。パージガスは、ヘリウム及び水素のように、熱伝導性が高いガスであるのが最も好ましい。このようなパージガスは、基板と冷却エレメントとの間で熱伝導媒質として機能可能である。
【００３６】
図示した機構を組み合わせて、他の冷却方法を処理チャンバ内で使用でき、これにより冷却時間を最小限にすることができることが、当業者には理解されよう。
【００３７】
冷却速度は、以下の式により概算できる。
【００３８】
【数式２】

【００３９】
数式の記号の意味は以下の表に示している。表には、さらに、初期冷却状態を確定するパラメータを示している。パラメータを使用してこの数式により計算されたサセプタ１２及びウェハ１４の冷却速度は、図３Ａ及び図３Ｂにそれぞれ曲線で表示している。これらの２つのケースの唯一の違いは、（数式で距離ｄにより示した）ギャップ２４が、図３Ａで図示したケースでは２０ｍｍで、図３Ｂに図示したケースでは１ｍｍであることである。
【００４０】
【表１】

【００４１】
ウェハ及びサセプタの組み合わせを１０００℃〜１２００℃から約９００℃以下に冷却するには、冷却ステップの所要時間は約６０秒未満であるのが好ましく、１０秒未満であるのがさらに好ましい。ギャップ２４が２０ｍｍの場合（図３Ａを参照）、ウェハ１４の冷却所要時間は約１７秒であり、また、ギャップ２４が１ｍｍの場合（図３Ｂを参照）、ウェハ１４の冷却所要時間は約４秒であることが、図３Ａ及び図３Ｂにより分かる。この計算は、コールドウォールとウェハ表面の間の距離が狭くなることにより冷却速度にかなりの差が生じる事を示している。放射による熱伝達は低温では支配的でなくなってくるので、低温まで冷却されるとその差はさらに大きくなる。
【００４２】
上記の計算は、ウェハ及びサセプタの組み合わせについて、特に、厚さが約０．７ｍｍのシリコンカーバイド製サセプタと、同じ厚さの２００ｍｍのウェハについて、示している。ただし、ウェハだけを冷却する際に、またはサセプタだけを冷却する際に同様の計算ができることが理解されよう。例えば、ウェハが含まれていない処理（例えば、ウェハ処理ステップの合間に洗浄のために行うチャンバ及びサセプタエッチング操作）の後、サセプタを冷却するのが望ましい場合、サセプタだけをチャンバのコールドウォール直近に配置することができる。すなわち、ヒートシンクをサセプタの直近に配置することができる。
【００４３】
処理チャンバ１０における冷却時間が短くなればなる程、ウェハを早く取り出すことができ、他のウェハが処理チャンバに給送されて引き続き製造を行うことができる。このように、一実施形態において、ウェハ１４は、１０００℃から１２００℃の処理温度から約９００℃まで冷却されると、処理チャンバ１０から取り出される。他の実施形態において、ウェハ１４は、６００℃より高い温度で処理された後６００℃未満に操作温度が下げられて、より高感度のウェハハンドラにより処理チャンバから取り出される。
【００４４】
次に、ウェハは、カセットに保管できる温度までさらに冷却することができる。例えば、ウェハは、ウェハハンドリング手段でまたは同じオフライン位置で、約１００℃に冷却されるまで維持することができる。図４Ａ及び図４Ｂについての以下の説明を参照されたい。
【００４５】
当業者には容易に理解されるだろうが、ここに開示した冷却機構及び方法は、種々の適宜の従来の処理チャンバに適用することができる。例えば、米国特許第４，８２１，６７４号明細書に開示された回転可能な基板支持機構は、ウェハ及びサセプタを支持しその動きを制御するために、本発明において使用することができ、このことは、参照によりここに組み込まれたものとする。同様に、本発明の冷却機構は、米国特許第５，０２０，４７５号明細書に開示されたタイプの反応チャンバに容易に適用することができ、これらの開示内容は、さらに、参照によりここに組み込まれたものとする。当業者は、ウェハ基板を処理チャンバの外側で冷却するための種々の方法を利用して、予冷却工程及び装置を組み合わせて上述の処理チャンバ内で使用できることを理解するだろう。
【００４６】
さらに、図４Ａ及び図４Ｂの実施形態により実施されたように、上に開示した方法及び構造は、非処理チャンバに適用することができる。図４Ａは、処理チャンバの外側の別個のチャンバの冷却ステーション５０を図示している。例えば、図示した構造は、ウェハ搬送及び保管カセットと処理チャンバとの間のウェハハンドリングチャンバで、またはクラスタツールの別個の冷却チャンバで、使用可能である。１７０℃程度のウェハを操作できるカセットを使用できるが、このカセットは比較的高価である。一般的に使用可能な比較的低価なＤｅｌｒｉｎ（登録商標）社製カセットでは、１００℃未満の温度でのみ操作できる。他の一般的に使用可能な装置では、約６０℃でのみ操作できる。
【００４７】
図示した冷却ステーションは、ベルヌーイワンド及びパドルとして機能するハンドラと連結して使用するように構成されている。このような配置についての説明が、１９９７年１月１６日付出願の米国特許出願第０８／７８４，７１１号明細書に全て開示されており、これは、参照により本明細書に組み込まれたものとする。
【００４８】
図４Ａは、上方チャンバ壁５２と下方チャンバ壁５４との間で支持されたウェハ１４を図示しており、その間で、ステーション５０はウェハロード／アンロードモードとなる。ウェハ支持構造体は基板が支持される位置を確定する。図示した実施形態において、ウェハ支持構造体は、ウェハ１４を水平に支持し安定させるように配置された複数の（少なくとも３本の）支持ピン５６を備えている。
【００４９】
ウェハ１４は、まずピン５６へロードされると、所望の操作温度または保管温度より高い種々の温度とすることができる。典型的な実施形態において、ウェハ１４は、高温ハンドラにより熱処理チャンバから搬送される。ウェハの初期温度は、ウェハがその前に受けた処理と高温ウェハハンドラの温度公差とにより種々異なるが、約２００℃から１５００℃の範囲である。図示した実施形態において、ウェハの初期温度は、約６００℃と１２００℃との間であり、特に約９００℃であるが、ベルヌーイの定理に基づいて作動するワンドにより搬送される。
【００５０】
支持されたウェハ１４と上方壁５２との間に、第１のまたは上方冷却部材５８がウェハ１４の上方で支持されている。上方冷却部材５８は、上方チャンバ壁５２を上方に延びているピストン６０により可動に支持されており、上方チャンバ壁５２で、ピストン６０は第１または上方アクチュエータ６２に接続されている。冷却部材５８は、冷却ステップの間に能動的に冷却されるのが好ましく、ウェハがシステムで処理されている間に、連続して冷却されるのがさらに好ましい。例えば、ピストン６０には、図４Ａの位置及び図４Ｂの位置の冷却部材５８を対流により冷却する冷却液を循環させるために内部に管を備えることができ、このことを以下に説明する。
【００５１】
図示したウェハロード／アンロード位置で、上方冷却部材５８は、冷却ステーション５０でウェハ１４をロードまたは取り出すための好ましい高温ウェハハンドラ用の間隙を備えるのに十分な程度の間隔を離して、ウェハの上方に配置されている。高温ワンドは、ウェハ１４を搬送する際に、ウェハ上面に接触せず、またウェハ１４を対流により冷却することから、高温ワンドを使用することができるのが利点である。
【００５２】
他の配置において、上方冷却部材は、ウェハロードモードの場合のみこのような間隙を備えるように動かすことができ、また、基板の冷却モード（図４Ｂ）及びウェハアンロードモードの両方でウェハに直近した状態を維持できる。さらに他の配置では、ウェハの下からのみウェハを支持するウェハハンドラ（例えば、パドルまたはフォーク）により、ロード及びアンロードされる場合は、このような間隙は不要であり、上方冷却部材は上方ウェハ表面の直近の位置に固定することができる。
【００５３】
冷却ステーション５０は、さらに、ウェハ１４と下方チャンバ壁５４との間で支持された第２または下方冷却部材６４を備えている。図示した実施形態において、下方冷却部材６４はポスト６６により可動に支持されており、ポスト６６は、下方壁５４から第２または下方アクチュエータ６８へ延びている。下方冷却部材６４はさらに能動的に冷却されるのが望ましい。
【００５４】
上方部材５８による場合のように、下方冷却部材６４は、ウェハハンドラにより、特にウェハ１４を、ウェハ用の共通のカセット内へ移動したりカセットから移動し取り出すように十分に適合されたパドルにより操作できるように、ウェハの下に間隔を置いて配置されている。さらに、パドルは、標準的カセットのウェハ間の間隙に適合しているので、カセットと冷却ステーション間のウェハの搬送にパドルを用いることが望ましい。例えば、ウェハをステーション５０からアンロードするための低温ウェハハンドラは、ピン５６間においてウェハ１４下方に延びるフォークまたはパドルとすることができる。一度ハンドラがウェハ１４の下に位置すると、ハンドラは、ピン５６にわずかに接触するだけで通過してウェハ１４を上昇させて、ウェハ１４をロードロックチャンバのウェハ保管カセットへ搬送する。
【００５５】
他の配置において、下方冷却部材は、基板冷却モード（図４Ｂ）とウェハロードモードにおいて、ウェハに直近した状態を保つことができるが、ウェハアンロードモードにおいてのみ、このような間隙を備えるように下降させることができる。さらに他の配置において、ウェハの上方からのみウェハを支持するウェハハンドラ（例えば、ベルヌーイの定理により作動するハンドラ）により、ウェハのロード及びアンロードが行われる場合、このような間隙は不要であるので、下方冷却部材はウェハ下面に直近の位置に固定することができる。
【００５６】
ここで図４Ｂを参照すると、基板冷却位置にある冷却ステーション５０が図示されている。図示したように、上方冷却部材５８は、ウェハ１４の上面に直近に下降され、これによりウェハから冷却部材５８への熱伝達が可能となる。これに伴い、上方冷却部材５８とウェハ１４の各平行面の間のギャップは、約５ｍｍ未満であり、約０．２ｍｍと３ｍｍとの間であるのが好ましく、約０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間であるのがさらに好ましい。
【００５７】
下方冷却部材６４は、ウェハ１４の下面に直近の位置までさらに上昇され、この結果ウェハから下方冷却部材６４への熱伝達が可能であるのが好ましい。従って、下方冷却部材６４とウェハ１４との間のギャップは、上方冷却部材５８について説明したのと同様である。
【００５８】
冷却ステーション５０により、ウェハ１４の２つの対向する側から伝導性のある熱伝達を行うことが可能であり、このようにしてウェハを急速に冷却することができるのが望ましい。冷却ステーション５０はウェハ１４を前述の実施形態より低い温度まで冷却するように作動するが、放射による熱伝達は低温では支配的でないので、この２重の伝導性のある熱伝達は特に有利である。冷却ステーション５０は、ウェハ１４がハンドラ及び／またはカセットの耐熱温度まで冷却されるまで、冷却位置に維持されるのが望ましい。従って、ステーション５０は、ウェハ１４を高温カセットで保管するためにアンロードする前に、ウェハ１４が約１７０℃未満まで冷却されるまで、冷却位置に維持されるのが好ましい。他の配置において、ウェハ１４は、使用されているカセットの耐熱温度により異なるが、約１００℃ないし６０℃未満まで冷却されるのが好ましい。
【００５９】
このように、前述の基板冷却システムは、大きな順応性があり、また多くの異なる従来のシステムに適合できることが理解されよう。本明細書に開示した実施形態により、ウェハを操作する前に、容易に、急速冷却することができる。この結果、チャンバで第２の基板がさらに早く自由に処理されるように、ウェハを処理チャンバからさらに迅速に取り出すことができる。同様に、基板はさらに急速にカセット保管温度まで冷却することができるが、ただし、保管のための冷却により、基板が加工システムを通過する速度は限定されない。ウェハの冷却は、ウェハを操作する前に、ウェハ表面をヒートシンクの直近に配置することによりその逆に著しく促進される。ヒートシンクは、本目的のために処理チャンバに装着されたリアクタの冷却エレメントまたは別個の冷却エレメントとすることができる。種々の実施形態において、個々のヒートシンクは種々の適宜の形状とすることができる。但し、リアクタの壁またはプレートの冷却表面は、平面であり、処理されたウェハ表面と実質的に平行であり、従って対向する位置に来ると、システムが冷却モードになるのが、有利である。このように、予冷却ステップのためにウェハをウェハ支持構造体から取り出す必要はない。
【００６０】
冷却表面とウェハの表面との間の間隔は、できるだけ小さくすることができる。ただし、ウェハ及び冷却表面は相互に接触しないのが好ましい。通常の操作については、ギャップは、約３ｍｍ未満であるのが好ましく、約０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間であるのがさらに好ましく、約１．０ｍｍであるのが最も好ましい。圧力が粘性領域の範囲である場合、種々の圧力で例えば大気圧または減圧した状態で、冷却を行うことができる。
【００６１】
種々の改良及び変更が本発明の範囲を逸脱しない範囲で可能であることが当業者には理解されよう。このような改良及び変更は、添付の請求項により定義されたように、本発明の範囲内とする。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態により構成され、ウェハが処理位置にある処理チャンバの概略断面図である。
【図１Ｂ】ウェハが冷却位置にある図１Ａの処理チャンバを図示した図である。
【図１Ｃ】図１Ａの線１Ｃ−１Ｃに沿う概略断面図である。
【図２Ａ】本発明の他の実施形態により構成された、処理モードにある処理チャンバの概略断面図である。
【図２Ｂ】冷却モードにある図２Ａの処理チャンバを図示した図である。
【図２Ｃ】図２Ａの線２Ｃ−２Ｃに沿う概略断面図である。
【図３Ａ】ウェハ表面と冷却表面との間の間隔が約２０ｍｍの場合の冷却時間に対する温度をグラフに表示した図である。
【図３Ｂ】ウェハ表面と冷却表面との間の間隔が約１ｍｍの場合の冷却時間に対する温度をグラフに表示した図である。
【図４Ａ】本発明の第３の実施形態により構成された、基板がロード／アンロード位置にある冷却ステーションの概略断面図である。
【図４Ｂ】基板が冷却位置にある図４Ａの冷却ステーションを図示した図である。

Claims

基板を、処理チャンバにおいて第１の位置で支持しながら少なくとも１つの処理温度で処理した後、冷却するための方法であって、該方法は、前記処理チャンバ内において第１の位置から冷却エレメントに直近の第２の位置へ前記基板を移動し、前記基板を前記第２の位置に維持し、前記基板が前記処理温度よりも低い操作温度に達するまで、前記基板から前記冷却エレメントへ熱を伝達させることを含み、
前記冷却エレメントは、前記処理チャンバのコールドウォールである壁を備え、該壁は、放射熱に対して実質的に透過性のある材料を含む基板冷却方法。
前記壁は、強制対流により能動的に冷却される請求項１記載の方法。
前記基板は上面を有し、前記コールドウォールは平らな内面を有し、第２の位置において、これらの面は対向して配置され相互に実質的に平行である請求項１記載の方法。
各前記第１の位置及び前記第２の位置において、前記基板の前記上面及び前記コールドウォールの内面は、実質的に水平である請求項３記載の方法。
前記第２の位置において、前記基板の隣接面及び前記冷却エレメントの隣接面は、約０．２ｍｍと３ｍｍとの間の間隔を置いて配置されている請求項１記載の方法。
前記第２の位置において、前記基板の隣接面及び前記冷却エレメントの隣接面は、約０．５ｍｍと１．５ｍｍとの間の間隔を置いて配置されている請求項１記載の方法。
前記処理温度は約１０００℃と１２００℃との間であり、前記操作温度は約９００℃未満であって、前記基板は約６０秒より短い間前記第２の位置に維持される請求項１記載の方法。
前記基板は、約１０秒より短い間前記第２の位置に維持される請求項７記載の方法。
前記処理温度は約６００℃と約１２００℃との間であり、前記操作温度は約６００℃未満であって、前記基板は約６０秒より短い間前記第２の位置に維持される請求項１記載の方法。
前記基板は、約１０秒より短い間前記第２の位置に維持される請求項９記載の方法。
前記基板は、基板支持構造体により各前記第１の位置及び前記第２の位置に支持され、前記基板を動かすことは、前記基板支持構造体を動かすことである請求項１記載の方法。
前記基板支持構造体はシャフトにより支持されたサセプタであり、前記基板支持構造体を動かすことは、前記シャフトを前記冷却エレメントに向かって上方へ垂直に延ばすことである請求項１記載の方法。