JP4300388B2 - 基材冷却装置及び基材冷却方法 - Google Patents
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Description
（発明の技術分野）
本発明は、基材処理装置の中でウェハ状基材を冷却するための装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、処理装置のダイレクトパスにない位置での搬送により基材を冷却することに関する。
【０００１】
（発明の背景）
半導体ウェハ又は他の基材は、非常に高い処理温度にさらされる。例えば、化学的気相成長法（ＣＶＤ）においては、その温度は１２００℃に達する。典型的なサイクルにおいて、ウェハは、ロボット化されたウェハハンドラにより室温下にあるカセットから反応チャンバに移送され、反応チャンバで高温処理され、その後ウェハハンドラにより高温の前記チャンバから処理後ウェハとして同じカセット又は別のカセットに返送される。高温のＣＶＤ処理に起因して、最も一般的に使用されるカセット材料の材料特性を超えるウェハ温度となるので、処理チャンバからカセットへの直接の移送は不可能である。その結果、ウェハのカセットへの移送は、ウェハ温度がカセット材料の温度特性以下に下がるまで引き延ばされなければならない。１７０℃のウェハを扱い得るカセットは入手可能であるが、それはかなり高価である。デルリン（商品名）で製造されたより安価に入手可能な一般的なカセットは、１００℃より低い温度での扱いのみが可能である。他の一般的に入手可能なユニットは、約６０℃での扱いが可能であるに過ぎない。したがって、ウェハの温度をそのレベルに急速に低下させることが望ましい。
【０００２】
ウェハのハンドリング及び処理は、包囲され注意深くコントロールされた環境下において行なわれるので、サイクル中に、ウェハの冷却を生じさせるのは本質的に３つの位置又は地点に過ぎない。ウェハは、ウェハハンドリング装置において、又は装置内のオフラインのいずれかの地点において、処理チャンバ内でサセプタに支持されその上で冷却される。サセプタ上でのウェハの冷却は、処理チャンバがその後に他のウェハ処理を行なうことができず、システムのウェハ生産量を減少させるので、コスト効率がよくない。このアプローチは、チャンバを再加熱するための遅延とコストを不可避的に生じるので、あまり魅力的ではない。ウェハを熱い内に取り出してウェハハンドリング装置上で冷却する方がよいが、次に処理されるべきウェハをロードすることによる遅延が生産量を帳消しにするので、やはりコスト効率がよくない。そのような障害はウェハ１個当たりのコストを上昇させ、その結果、これらのアプローチはエンドユーザにとって経済的に魅力的でない。半導体ウェハの処理設備はコスト高であるので、生産量が増加するように、高価な設備の連続使用を可能にすることは、競争原理の観点からも極めて重要である。同時に、採用されるウェハ冷却技術は、厳格な清浄性への要求に不利な影響を与えないように、ＣＶＤ処理装置の環境に適合するものでなければならない。また、その技術に要するコストは、ウェハ単位のコストの実質的な低減が行なわれるように、十分に抑制されたものでなければならない。
【０００３】
したがって、本発明の目的は、一般的に入手可能な低コストのカセットの使用が可能な温度に迅速にウェハ状の基材を冷却するための改良された装置を提供することにある。
【０００４】
（発明の概要）
本発明によれば、ウェハ入／出ストレージ領域とウェハ処理チャンバとの間に位置するウェハハンドリングチャンバ内において取替又は冷却ステーションが設けられる。冷却ステーションは、ウェハハンドリング装置が利用され得てウェハが冷却されている間において別のウェハをストレージ部から処理チャンバへと移送し、ウェハが処理されている間において冷却されたウェハをストレージ部へと移送するように位置している。
【０００５】
装置及び方法の好適な実施形態において、処理されたウェハは、処理チャンバから高温で引き出され、ウェハハンドラによって冷却ステーション内に配置される。ここでウェハには、ウェハハンドリングチャンバ内で利用されるガスと適合性又は同一性を有するガスが噴射される。好適には、ガスは上部シャワーヘッドと下部シャワーヘッドとによってウェハの両側平面上に噴射される。このウェハが冷却されている間に、ウェハハンドラは、第２のウェハを処理チャンバ内に移送するように動作する。
【０００６】
望ましくは、第２の冷却ステーションがウェハハンドリングチャンバにおける第１の冷却ステーションとは反対側に設けられ、第２のウェハはウェハストレージ領域から第２の冷却ステーションへと移動し得る。このように、第１のウェハが処理チャンバから第１の冷却ステーションへと移送されるとすぐに、ウェハハンドラは第２の冷却ステーションへと直接的に移動し、第２のウェハを処理チャンバ内へと移動させ得る。このような構成において、第２の冷却ステーションは、実際上ステージング領域としての役目を果たし、これにより、第２のウェハを処理チャンバ内に移動させるための時間は、ウェハハンドラが第２のウェハをウェハストレージ領域から処理チャンバへと移動させねばならないような場合よりも低減される。また、ウェハを各ステーションにおいて同時に冷却する必要がある場合には、ウェハは、ストレージ領域から処理チャンバへと直接的に移送され得る。
【０００７】
本発明の好適な実施形態において、ウェハハンドラは、ウェハを処理チャンバ内へ移動させ処理チャンバ外に移動させるのに特に適したベルヌーイ棒を備え、さらに、ウェハを共通のウェハ用カセット内へ及びウェハ用カセット外に移動させるのに特に適したパドルを備える。ウェハの上部表面に接さず、移動するにつれ冷えることから、高温用の棒を用いることができれば有利である。さらに、標準のカセット内におけるウェハ間において適合できることから、ウェハをカセットと冷却ステーションとの間に移送するためのパドルを用いることが望ましい。
【０００８】
冷却ステーションにおいてウェハの表面に対してガスを放出する装置の別の利点は、冷却ガスをウェハ上に到達させる速度によって、冷却速度を容易に制御し得ることである。従って、フローレートは全サイクル時間を最小化するように調整され得る。システム全体としては、ウェハ処理時間をかなり低減させ、従って、ウェハ毎のコストが低減される。さらに、この利点はＣＶＤ装置において必要とされるようなクリーンな環境に対して悪影響を与えることなく得ることができるものである。
【０００９】
（好適な実施形態の詳細な説明）
図１及び図２を参照すれば、そこには、化学気相成長装置の一部が示され、ハンドリングチャンバ２２内の中央部に配置された自動化又はロボット化ウェハハンドラ２０が含まれている。チャンバ上部壁２２ａは、図２に図示されているが、前記チャンバ内の内部部品を図示するため、図１には示されていない。前記ハンドリングチャンバは、ロード／アンロードポート４２によって、ロード／アンロードチャンバ１２０に接続される。図１は、分離したロードチャンバ及び分離したアンロードチャンバを図示している。多くのシステムは、単一のチャンバを使用し、そこからウェハが処理のために引き出され、処理後戻される。いずれも収納エリアとして言及され得る。ハンドリングチャンバ２２は、更に、図１に示されるように、処理ポート４４によって、前記ハンドリングチャンバの側壁２２ｂを介して処理チャンバ１２２に接続される。ゲート又はバルブが、前記ロード／アンロードポート及び前記処理ポートのために設けられるのが一般的だが、これらは簡単のために図示しない。
【００１０】
本発明によれば、処理チャンバ１２２近傍のウェハハンドリングチャンバ２２の一部にウェハ冷却ステーション４６が設けられる。更に、第２冷却ステーション４８は、前記処理チャンバにつながる壁近傍のウェハハンドリングチャンバの他側面に配置される。各々の冷却ステーションは、一つのウェハを水平位置で受け取ることができる大きさとされ、前記ハンドリングチャンバの前記エリアに開口しており、そこでは、ウェハが前記ハンドラーによって前記冷却ステーションの内外へ移動可能となるようにウェハハンドラーが配設されている。
【００１１】
各冷却ステーションは、図１及び図２に示すように、下部シャワーヘッド部材５２の上方に離隔配置された上部シャワーヘッド部材５０を有している。図３を参照すれば、前記上部シャワーヘッド部材は、ディスク状のベース５３を有し、該ベースは中央に配置されたガスインレット５４を備え、該ガスインレットがインレット導管５５に接続され、順次、適宜のガス源（図示せず）に接続されている。ディスク状のシャワーヘッド５６は、適宜の固定具（図示せず）で前記ベースに締め付け固定される。Ｏリング５７は、前記ベースと前記ヘッドとの間に適合し、平らな環状のマニホールド空間を形成する。第２のＯリング５９は、ベルトリング周囲のこれらの部品の間に適応する。前記シャワーヘッドには複数のガスアウトレット孔が形成され、一つ孔５８ａはその中央に形成され、他の３つの孔５８ｂは、前記中央の孔の周囲を囲むように放射状に等間隔で形成されている。
【００１２】
図４を参照すれば、下部シャワーヘッド部材５２は、前記上部シャワーヘッド部材と同様な構造を有していることが示されている。これは、下部シャワーヘッドベース６０を備えており、該ベース６０は中央にガスインレット６２が配置され、該ガスインレットが導管６４に接続され、該導管が前記上部シャワーヘッド部材と同じガス源（図示せず）に接続されている。ディスク状の下部シャワーヘッド６６は、適宜の固定具（図示せず）によって前記下部シャワーヘッドベースに締め付け固定されており、前記下部シャワーヘッドベースとシャワーヘッドとの間に形成された平らなディスク状のガスマニホールドをシールするために、その２つの部材の間にＯリングが挟持されている。前記ハンドリングチャンバに開口している３つのガスアウトレット孔７０は、前記下部シャワーヘッドベースのガスインレット６２から放射状且つ円環状に等間隔で配置された下部シャワーヘッドに形成されている。孔の輪は、孔７０が孔５８ｂから放射状のオフセット配置となるように上部シャワーヘッド部材５０のための直径より小さい直径上にある。また、これら２つの部材の孔７０及び５８ｂは、これらの孔が約６０度間隔となるように、円環状にオフセット配置される。
【００１３】
加えて、図４及び図１、図２に示されているように、前記冷却ステーション内に設置されるウェハ６８を支持するために、３本の石英ピン７４が設けられる。各ピンは、略筒状ベース７４ａを有し、該ベースは下段棚２２ｃ内のソケットに適合し、該下段棚と係合する大径の筒状部７４ｂ及び上部先端部７４ｃとともに冷却ステーションフロアを形成する。前記先端部は、好ましくは、ウェハと最小の接触を得るように丸み形状又は半円球状を有している。前記棚は、前記ハンドラー２０のウェハ持ち上げ部材が前記冷却ステーションと適切に一直線状に並ぶように、前記ハンドリングチャンバの底壁２２ｄから上方へ離隔配置されている。
【００１４】
また、前記冷却ステーションコントロールシステムの一部として図１に示されているように、センサー７６が前記ハンドリングチャンバのフロア２２ｄに載置される。該センサーは、前記冷却ステーション内のウェハの存在又は不在を感知できるように、前記冷却ステーション内のウェハ６８の端が該センサー上を延びる範囲の下方に配置される。
【００１５】
図５は、この冷却ステーションを示しており、上部シャワーヘッド部材５０は、前記ハンドリングチャンバの上部壁２２ａ近傍に配置され、下部シャワーヘッド部材５２が棚２２ｃに支持されていることが分かる。ウェハ６８は、ウェハを支持するピン７４上において、２つのシャワーヘッド部材の間に配設されている。図から分かるように、２つのシャワーヘッド部材は、センサー７６上に延びないように且つハンドラー２０の回転を妨げないように、ウェハよりも小さい直径とされる。矢印によって示されているように、冷却ガスは、ウェハの上面に向けて下方に吹き出されるとともに、ウェハの下面に向けて上方へ吹き出される。
【００１６】
図６ａ、６ｂ及び６ｃを参照すれば、ウェハハンドラ２０の一形態が概略的に図示されている。種々のシステムが、半導体処理システムの分野でハンドリングウェハのために知られている。ピックアップ装置の一形態は、ベルヌーイ棒（ベルヌーイワンド）として公知であり、それは、ベルヌーイ棒からウェハへ向けて下方へのガス噴射を用い、そのガスは、ウェハとベルヌーイ棒との間に低圧の領域を生み出すために径方向外側へ流れ、それによってウェハを持ち上げる。このベルヌーイ棒は、おそらく１または２以上の小さいエッジロケータを除き、ウェハとの接触を避けるという利点を有する。ベルヌーイ棒の１形態は、ここに参照したグッドウイン等の米国特許第５０８０５４９号明細書に示されている。
【００１７】
ウェハピックアップ棒の他の形態は、吸引力を利用したもので、ウェハとの密接な接触がなければならない。コレンティ等による米国特許第４５６６７２６号明細書は、ベルヌーイと吸引ピックアップ装置との結合を開示している。
【００１８】
ウェハピックアップ装置の第３の形態は、簡単なパドルであり、これは、ウェハを下方から持ち上げ、支持する。このようなパドルは、メイドン等による米国特許第４９５１６０１号明細書に図示されている。この特許もまた、ウェハを処理システム内で搬送するための典型的な移動装置を図示している。前記ウェハハンドラーは、線形伸縮及び一軸線回りの回転が可能である。
【００１９】
ローレンツ等による米国特許第５１３５３４９号明細書は、共通の回転ベース上に載置された２つのパドル型ピックアップを用いた自動ハンドリングシステムを開示している。双方のピックアップは、処理システム内におけるウェハのハンドリング速度を上げるために互いから離れるように直線状に延びるように調節されている。これらのパドルは、各パドルのエンドエフェクタ部に形成された複数の孔を介して発生された減圧で増強される。前記減圧は、前記パドル内の溝に沿って伝えられる。
【００２０】
これら種々のウェハハンドリング装置のいくつかは、本発明における冷却ステーションコンセプトによって修正することができ、即ち使用に適合したものとすることができるが、図６ａ、６ｂ及び６ｃは、ベルヌーイ棒及びパドルの双方を提供する望ましいハンドラを開示している。そのような配置の完全な説明は、１９９７年１月１６日に出願された米国特許第０８／７８４７１１号明細書に開示されており、参考とすることでここに組み入れられている。図は、ウェハハンドリングアッセンブリ２０におけるピックアップアーム２４，２６の典型的な一連の動きを示している。上述したように、ハンドリングチャンバは、一方端でロード／アンロードチャンバ１２０に、他方端で処理チャンバ１２２に取り付けられている。ハンドリングチャンバの両側におけるポート４２，４４は、負荷及び除荷処理チャンバ１２０，１２２における同サイズのポートにそれぞれ位置合わせされている。カートリッジ即ちカセット１２４は、ロード／アンロードチャンバ１２０内に配置され、特定のウェハをポート４２に位置合わせすることができるように垂直方向に調整可能とされている。制御コンピュータ（図示せず）は、ピックアップアーム２４，２６がガイドウェイ３６に沿って移動するように、モータ及びプーリ（図示せず）に指令を与える。
【００２１】
図６ａに示されるように、最初の動作において、ピックアップアーム２６は、矢示１２６で示されるように、左方向のチャンバ１２０に向けて移動する。パドル３９は、ポート４２を通過してカセット１２４におけるウェハの下に延びる。既に述べたように、カセットは垂直に移動可能となっており、或いは、パドル３９はウェハの下にそれと接触することなく延びるように独立して垂直に移動可能となっており、その結果、ウェハをカセットからリフトする相対的垂直動作を受ける。
【００２２】
図６ｂにおいて、矢示１２８は、ワンド３０の真下にウェハ６８を配置するような位置へのピックアップアーム１２６の動きを示している。その後、エクステンションホース７２を経てワンドへのガス流れが生じ、パドル３９からワンド３０へのウェハ６８の移動が可能になる。
【００２３】
ウェハ６８がベルヌーイ棒３０によりリフトされた後、図６ｃに矢示１３０で示されるように、ピックアップアーム２４はチャンバ１２２に向けて右側に移動し、ワンド３０及びウェハ６８が処理チャンバ１２２に挿入される。示された配置では、処理チャンバ１２２はＣＶＤに適しており、ウェハ６８が載置される回転可能なサセプタ１３２を有している。エクステンションホース７２及びベルヌーイ棒３０を通過するガス流れを止めることにより、ウェハ６８はサセプタ１３２上に落下する。
【００２４】
パドル及びベルヌーイ棒を利用する有利な点は、パドルが、標準のカセットにおけるウェハ間に適合してウェハをその中に移動又は挿入するために、十分薄い側面を有しているということである。ベルヌーイ棒は、パドルよりもいくらか厚く、通常は特別に設計されたカセットを必要とし、それが装置の費用に加算される。しかし、ベルヌーイ棒は、高温に容易に耐えることができ、ウェハの位置決め、配置に役立つ１以上のつめの近傍における一方の縁部に沿う以外はウェハに物理的に接触しないので、処理チャンバにウェハを出し入れするのに特に適切である。
【００２５】
ウェハハンドラの上記内容は、ウェハストレージエリアと処理チャンバとの間における単に直線的な動作を示すものである。しかし、適当なモータ及び駆動装置（図示せず）により、ウェハハンドラの全体を垂直軸に関していずれの方向にも回転させることができ、直線動作と共に回転を与える。直線駆動装置の詳細は、前で参照した係属中の特許出願に開示されている。また、回転装置に関する詳細は、直線のものに関する更なる詳細と共に、カリフォルニアのメンロパーク(Menlo Park)におけるサイベックシステムズインコーポレイテッド(Cybeq Systems Inc.)から利用可能である。他の適当な駆動配置は、この特有の技術における当業者にとって明らかであり、上述の特許に記載されている。
【００２６】
回転するウェハハンドラと共に、ピックアップアーム２４，２６は、ガイドウェイ３６において同じ伸縮方向に移動するように取り付けられている。そのような選択的な配置は、図９ａ、９ｂ及び９ｃに示されている。図９ａにおいては、パドルピックアップアーム２６が、図６ａのようにウェハを持ち上げるために左へ移動した様子が示されている。しかし、アーム２４は、図９ａ及び９ｂにおいて、ハンドラの右側に位置するキャリア３４と共に示されている。図９ｂにおいて、ウェハを移動可能にするため、パドル３９及びウェハ６８がワンド３０の下となるように、アーム２６が縮む。そして、ハンドラが処理チャンバに位置合わせされるように回転可能となる。図９ｃは、キャリア４１を越えて移動するキャリア３４と共に回転させられるハンドラ、及び、ウェハを処理チャンバに供給するアーム２４を示している。
【００２７】
ベルヌーイ棒がウェハを、それがまだ高温であっても処理チャンバから持ち上げて運ぶことができるので、上述したウェハハンドラ２０は、本発明の冷却ステーションに特に有益である。しかし、ウェハは、ロード／アンロードチャンバ１２０に直接移動させるには、あまりに高温である。その代わりに、ウェハハンドラは短い距離を回転させられて、ベルヌーイ棒が冷却ステーションの一つに位置合わせされる。そしてベルヌーイ棒は延びて、高温のウェハを冷却ステーション４６におけるピン７４の上に配置する。
【００２８】
第１のウェハが冷却されている間、第２のウェハを処理チャンバに配置することが可能である。この第２のウェハは、パドルによってカセット１２４から取り出し可能であり、ベルヌーイ棒に移送されるか、或いは、第２のウェハは、第１のウェハが処理される間、第２の冷却ステーション４８に位置させることが可能である。その場合、ワンドを第２の冷却ステーション４８に位置合わせして第２のウェハを取り出すために、ハンドラを、第１の冷却ステーション４６から短い距離（約１００゜）だけ回転させなければならないだけであり、その後、第２のウェハを処理チャンバに挿入可能となる位置に（約５０゜）逆回転させる。その状況における第２の冷却ステーション４８はステージングエリア(staging area)としての役目を果たす。第２のウェハが処理チャンバに配置された後、第１のウェハは第１の冷却ステーションから移動させてストレージエリア１２０に戻すことができ、その時までには十分に冷却されたとみなされる。処理済みのウェハをストレージエリアに配置したすぐ後に、第３のウェハをカセット１２４から取り出して冷却／ステージングステーションの１つに移動させることができ、処理チャンバに配置される順番を待つ。前述から、ウェハの取り扱いに大きな自由度が与えられていることを正しく認識することができ、本装置により用いられる処理の温度及び回数、並びに、ウェハを標準のカセットに戻す前に特定のウェハを所望の温度まで冷却するのに要する時間に適合するように、ウェハを種々のシーケンスで移動させることができる。
【００２９】
本発明の最初の実験的利用から得られる冷却のより正しい理解を得るため、図７及び図８を参照する。図７のグラフの上側のラインは、チャンバを通過するわずかなパージガス流れ以外にウェハ表面を覆う強制的なガス流れを生じさせることなく、単に対流によって冷却したウェハの従来技術に係る冷却曲線を示している。 示されるように、最初６００℃をわずかに越えるウェハは、約１２、１３秒後に４００℃の温度まで冷却される。しかし、最初のスタート時点から約８０秒まで温度は２００℃に降下しない。更に、略１２０秒後でさえ、温度はまだ約１６０℃であり、この温度では依然として高価なカセットを使用する必要がある。
【００３０】
図７の下側のカーブは、高温のウェハをリフトしてハンドリングチャンバに移動させるためにベルヌーイ棒が利用され、ベルヌーイ棒からのガス流れによりウェハが冷却された状況を示している。これは、ベルヌーイ棒によりウェハをハンドリングするための従来の先行技術である。示されるように、約１２秒後に温度は約３００℃まで急激に低下しており、感知できる程度のガス流れなしに単に対流によって冷却されるウェハよりもはるかに速い。更に、約２０秒後に温度は２００℃まで低下し、４０秒後に１００℃まで低下する。そして、所望の約６０℃以下となるのに更に約６０秒を要し、この温度で、普通に利用できる比較的低コストのカセットに受け入れられる。 ウェハがベルヌーイ棒で冷却される間は、それも処理チャンバも別のウェハに利用することができないのはもちろんである。更に、いくらかのハンドリング時間を削減するためにウェハをワンドからパドルに移動させることができるとしても、その結果、ベルヌーイ棒により放出される冷却ガスをもはや受けることができず、より多くの時間が必要になる。
【００３１】
前述のものとは対照的に、本発明に係る冷却ステーションから得られる大幅に改善された状態が図８に示されている。図には、ベルヌーイ棒を使用することにより９００℃付近の温度のチャンバから熱いウェハが移動している状態が示されている。ベルヌーイ棒がハンドリングチャンバに引き込まれ、棒を冷却ステーションに位置合わせするためにウェハハンドラが回転し、冷却ステーション内の熱いウェハの位置へ棒が延長する時間までに、温度は約４００℃まで下降する。これには、図示された例ではおおよそ９秒要し、この時までにウェハの温度は９００℃から４００℃に下降し、図７における棒のガス冷却とは相反している。図８のグラフに示された上記の点から連続する上側の線は、図７に関して前述されたように、ウェハがベルヌーイ棒に単に放置された場合の冷却を示す。図８の下側の曲線は冷却ステーション内に配置されたウェハの温度の低下を示す。図示されたように、冷却ステーション内では３秒程度で２００℃から１００℃までウェハの温度が減少する。更に、それから５秒或いは８秒で約１００℃以下に温度は低下し、これは処理チャンバ内のベルヌーイ棒によりウェハが配置された時から１７秒或いは１８秒程度である。更に、最初から約２４秒後に６０℃レベルまでウェハの温度は下降する。これは、最初から１００秒以上経過後もベルヌーイ棒に維持されそのレベルまで下降せず、パドル上に存在しさえすればもはや下降しない温度とは対照的である。故に、ウェハが低コストのカセット上に配置される前に充分にウェハを冷却するのに要する時間が、劇的に減少したことを理解することができる。
【００３２】
更に、上述のように、ウェハハンドラは、冷却ステーションの中に第一のウェハが配置されるのと同時に第二のウェハをチャンバの中に配置できるようになる。これは図８に示された例では、処理チャンバ内にウェハが移動された時より約９秒後である。仮に第一のウェハが処理されている間に、ステージング領域として第二の冷却ステーションの中に第二のウェハが配置されれば、処理チャンバ内で第二のウェハを移動し配置するようにベルヌーイ棒を放置しておくために、ウェハハンドラは第二の冷却ステーションと位置あわせされるために回転するだけでよい。第一のウェハが充分に冷却された後、パドルが冷却された水を排出するために冷却ステーションと位置合わせされるように、ウェハハンドラは回転されることができる。その後、パドル２６がカセットと位置あわせされ、パドルがカセット内に冷却されたウェハを配置するのに利用される為に、ウェハハンドラは回転され得る。
【００３３】
熱いウェハをピックアップし、それを冷却ステーションに移動し、第二のウェハをステージングステーションからピックアップしそれを処理チャンバ内に配置し、棒を引き込み、処理チャンバゲートを閉じる時間は約３３秒である。従来のシステムでそのシーケンスに必要とされていた時間は、冷却時間を含めないで前記の約２倍である。更に、従来のシステムにおいてはウェハを冷却し低コストのカセットに配置できるための時間は更に約４５秒要する。
【００３４】
冷却ステーションの構成及び作用に関するより詳細な部分は、本発明のより良い理解及び認識の助けとなる。システムの実施形態では、シャワーヘッド上部の中心穴５８ａの直径は約０．０１６インチであり、その周りの３つの穴の直径はそれぞれ約０．０２６インチである。シャワーヘッド下部の３つの穴７０の直径は約０．０２８インチである。これらの穴は、それぞれのシャワーヘッドから２０ｐｓｉの圧力で窒素を毎分約２０リットルを流量で供給するために設計されている。故に、ウェハの上面及び底面に毎分約２０リットルの流量でガスが供給される。
【００３５】
中心より外側に向かって配置されたシャワーヘッド内の排出穴は、約１２０度間隔を置いている。好ましくは、あるシャワーヘッドの排出口は他の排出口に関してずらして配置されているので、全体として、約６０度毎にガスの排出が行われる。上部の穴は、下部リングより大きな直径を備えるリング状に存在する。故に、前記穴も放射状に間隔を置かれている。該配置により、より均一なガス流を提供する。
【００３６】
使用される冷却ガスは、好都合にベルヌーイ棒に利用されるガスと同一であり、典型的には窒素或いは水素である。故に、前記ガスは同一の発生源から発生する。更に、ウェハを超えてガス流れを冷却した後に、単に前記ガスはハンドリングチャンバに流れ、ベルヌーイ棒を利用するハンドリングチャンバ結合物内で通常使用されるものと同一のシステムによりハンドリングチャンバから引き込められる。
【００３７】
有利であるのは、冷却時間は単にガス流量率により制御されることである。本目的は、前述されたように、ロボットパドルがウェハをピックアップし、ストレージ領域内の低コストカセットに移動する前に約６０℃以下のウェハの温度を得ることである。個々のシャワーヘッドより毎分２０リットルの流量で８インチのウェハを冷却するのに要する時間は、実験システムでは約２０秒であった。両方のシャワーヘッドより毎分約４０リットルと流量を二倍にすることにより約１２秒まで冷却時間を低下させた。上部シャワーヘッドのみを通して冷却ガスを流すことにより、約３５秒でウェハを所望のレベルに冷却した。
【００３８】
３つの支持ピンの上端により確定される平面と、上部のシャワーヘッドとの間の距離は、棒がパドルよりもわずかに厚いため、前記平面と下部ヘッドの間の距離よりわずかに大きいものとされることができる。もちろん、所定の状況に適応させるために、間隔及びガス流れは変化され得る。ある実施形態では、前記シャワーヘッドの間の間隔は約１．１２５インチであり、ウェハから下部シャワーヘッドまでの間隔は約０．２インチ程度である。
【００３９】
前記記載に基づき、本発明にかかる基材冷却システムは、第1の基材が冷却されている間にも第２の基材と併せて処理チャンバを利用できるように配置することができるという主目的を備えているので、種々の基材ハンドリングシステムを特定の過程サイクルに適応させるように変化させることができるという卓越した柔軟性を備える。ウェハハンドラの特定の型について記載してきたが、種々のウェハハンドラを利用することができる。同様に、特定の冷却ステーションについて記載してきたが、他の種々の冷却ステーションを利用することができる。ガスはウェハを冷却するために利用されるが、おそらく他の冷却機構も利用可能である。本発明は単一の冷却ステーションについて有用であるが、２つの冷却ステーションも付加的な柔軟性を提供し、そして所望の付加冷却ステーションを提供することも可能である。単一の処理チャンバについて記載及び図示をしてきたが、ウェハハンドラの周囲に集められ得る付加処理チャンバ内で、いわゆるクラスタシステムを利用することも可能である。本発明の構成には、少なくとも2つの付加チャンバを提供することができる。本発明のほかの実施形態も考慮されることが可能であるので、本発明の適用範囲は記載のものに限定されないことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ウェハハンドラステーション及びＣＶＤ装置の近傍部を示す斜視図である。
【図２】 図２は、ウェハハンドリングチャンバ及びウェハ入出チャンバの断面図である。
【図３】 図３は、本発明の冷却ステーションの上部シャワーヘッドを示す分解斜視図である。
【図４】 図４は、本発明の冷却ステーションの上部シャワーヘッドを示す分解斜視図である。
【図５】 図５は、本発明の冷却ステーションの作動状態を示す断面図である。
【図６】 図６ａ、６ｂ及び６ｃは、本発明の冷却ステーションに使用され得るウェハハンドラーの一形態を示す断面図である。
【図７】 図７は、従来の冷却により、冷却用ガスを用いるピックアップ棒（ピックアップワンド）によって支持されている間における冷却によって、ウェハが冷却された時の割合を示すグラフである。
【図８】 図８は、本発明の冷却ステーションにおける冷却に比較して従来のピックアップ棒上でのウェハの冷却時間を示すグラフである。
【図９】 図９ａ、９ｂ及び９ｃは、図６のウェハハンドラーの種々の形態を示す側断面図である。
本発明は、基材処理装置の中でウェハ状基材を冷却するための装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、処理装置のダイレクトパスにない位置での搬送により基材を冷却することに関する。
【０００１】
（発明の背景）
半導体ウェハ又は他の基材は、非常に高い処理温度にさらされる。例えば、化学的気相成長法（ＣＶＤ）においては、その温度は１２００℃に達する。典型的なサイクルにおいて、ウェハは、ロボット化されたウェハハンドラにより室温下にあるカセットから反応チャンバに移送され、反応チャンバで高温処理され、その後ウェハハンドラにより高温の前記チャンバから処理後ウェハとして同じカセット又は別のカセットに返送される。高温のＣＶＤ処理に起因して、最も一般的に使用されるカセット材料の材料特性を超えるウェハ温度となるので、処理チャンバからカセットへの直接の移送は不可能である。その結果、ウェハのカセットへの移送は、ウェハ温度がカセット材料の温度特性以下に下がるまで引き延ばされなければならない。１７０℃のウェハを扱い得るカセットは入手可能であるが、それはかなり高価である。デルリン（商品名）で製造されたより安価に入手可能な一般的なカセットは、１００℃より低い温度での扱いのみが可能である。他の一般的に入手可能なユニットは、約６０℃での扱いが可能であるに過ぎない。したがって、ウェハの温度をそのレベルに急速に低下させることが望ましい。
【０００２】
ウェハのハンドリング及び処理は、包囲され注意深くコントロールされた環境下において行なわれるので、サイクル中に、ウェハの冷却を生じさせるのは本質的に３つの位置又は地点に過ぎない。ウェハは、ウェハハンドリング装置において、又は装置内のオフラインのいずれかの地点において、処理チャンバ内でサセプタに支持されその上で冷却される。サセプタ上でのウェハの冷却は、処理チャンバがその後に他のウェハ処理を行なうことができず、システムのウェハ生産量を減少させるので、コスト効率がよくない。このアプローチは、チャンバを再加熱するための遅延とコストを不可避的に生じるので、あまり魅力的ではない。ウェハを熱い内に取り出してウェハハンドリング装置上で冷却する方がよいが、次に処理されるべきウェハをロードすることによる遅延が生産量を帳消しにするので、やはりコスト効率がよくない。そのような障害はウェハ１個当たりのコストを上昇させ、その結果、これらのアプローチはエンドユーザにとって経済的に魅力的でない。半導体ウェハの処理設備はコスト高であるので、生産量が増加するように、高価な設備の連続使用を可能にすることは、競争原理の観点からも極めて重要である。同時に、採用されるウェハ冷却技術は、厳格な清浄性への要求に不利な影響を与えないように、ＣＶＤ処理装置の環境に適合するものでなければならない。また、その技術に要するコストは、ウェハ単位のコストの実質的な低減が行なわれるように、十分に抑制されたものでなければならない。
【０００３】
したがって、本発明の目的は、一般的に入手可能な低コストのカセットの使用が可能な温度に迅速にウェハ状の基材を冷却するための改良された装置を提供することにある。
【０００４】
（発明の概要）
本発明によれば、ウェハ入／出ストレージ領域とウェハ処理チャンバとの間に位置するウェハハンドリングチャンバ内において取替又は冷却ステーションが設けられる。冷却ステーションは、ウェハハンドリング装置が利用され得てウェハが冷却されている間において別のウェハをストレージ部から処理チャンバへと移送し、ウェハが処理されている間において冷却されたウェハをストレージ部へと移送するように位置している。
【０００５】
装置及び方法の好適な実施形態において、処理されたウェハは、処理チャンバから高温で引き出され、ウェハハンドラによって冷却ステーション内に配置される。ここでウェハには、ウェハハンドリングチャンバ内で利用されるガスと適合性又は同一性を有するガスが噴射される。好適には、ガスは上部シャワーヘッドと下部シャワーヘッドとによってウェハの両側平面上に噴射される。このウェハが冷却されている間に、ウェハハンドラは、第２のウェハを処理チャンバ内に移送するように動作する。
【０００６】
望ましくは、第２の冷却ステーションがウェハハンドリングチャンバにおける第１の冷却ステーションとは反対側に設けられ、第２のウェハはウェハストレージ領域から第２の冷却ステーションへと移動し得る。このように、第１のウェハが処理チャンバから第１の冷却ステーションへと移送されるとすぐに、ウェハハンドラは第２の冷却ステーションへと直接的に移動し、第２のウェハを処理チャンバ内へと移動させ得る。このような構成において、第２の冷却ステーションは、実際上ステージング領域としての役目を果たし、これにより、第２のウェハを処理チャンバ内に移動させるための時間は、ウェハハンドラが第２のウェハをウェハストレージ領域から処理チャンバへと移動させねばならないような場合よりも低減される。また、ウェハを各ステーションにおいて同時に冷却する必要がある場合には、ウェハは、ストレージ領域から処理チャンバへと直接的に移送され得る。
【０００７】
本発明の好適な実施形態において、ウェハハンドラは、ウェハを処理チャンバ内へ移動させ処理チャンバ外に移動させるのに特に適したベルヌーイ棒を備え、さらに、ウェハを共通のウェハ用カセット内へ及びウェハ用カセット外に移動させるのに特に適したパドルを備える。ウェハの上部表面に接さず、移動するにつれ冷えることから、高温用の棒を用いることができれば有利である。さらに、標準のカセット内におけるウェハ間において適合できることから、ウェハをカセットと冷却ステーションとの間に移送するためのパドルを用いることが望ましい。
【０００８】
冷却ステーションにおいてウェハの表面に対してガスを放出する装置の別の利点は、冷却ガスをウェハ上に到達させる速度によって、冷却速度を容易に制御し得ることである。従って、フローレートは全サイクル時間を最小化するように調整され得る。システム全体としては、ウェハ処理時間をかなり低減させ、従って、ウェハ毎のコストが低減される。さらに、この利点はＣＶＤ装置において必要とされるようなクリーンな環境に対して悪影響を与えることなく得ることができるものである。
【０００９】
（好適な実施形態の詳細な説明）
図１及び図２を参照すれば、そこには、化学気相成長装置の一部が示され、ハンドリングチャンバ２２内の中央部に配置された自動化又はロボット化ウェハハンドラ２０が含まれている。チャンバ上部壁２２ａは、図２に図示されているが、前記チャンバ内の内部部品を図示するため、図１には示されていない。前記ハンドリングチャンバは、ロード／アンロードポート４２によって、ロード／アンロードチャンバ１２０に接続される。図１は、分離したロードチャンバ及び分離したアンロードチャンバを図示している。多くのシステムは、単一のチャンバを使用し、そこからウェハが処理のために引き出され、処理後戻される。いずれも収納エリアとして言及され得る。ハンドリングチャンバ２２は、更に、図１に示されるように、処理ポート４４によって、前記ハンドリングチャンバの側壁２２ｂを介して処理チャンバ１２２に接続される。ゲート又はバルブが、前記ロード／アンロードポート及び前記処理ポートのために設けられるのが一般的だが、これらは簡単のために図示しない。
【００１０】
本発明によれば、処理チャンバ１２２近傍のウェハハンドリングチャンバ２２の一部にウェハ冷却ステーション４６が設けられる。更に、第２冷却ステーション４８は、前記処理チャンバにつながる壁近傍のウェハハンドリングチャンバの他側面に配置される。各々の冷却ステーションは、一つのウェハを水平位置で受け取ることができる大きさとされ、前記ハンドリングチャンバの前記エリアに開口しており、そこでは、ウェハが前記ハンドラーによって前記冷却ステーションの内外へ移動可能となるようにウェハハンドラーが配設されている。
【００１１】
各冷却ステーションは、図１及び図２に示すように、下部シャワーヘッド部材５２の上方に離隔配置された上部シャワーヘッド部材５０を有している。図３を参照すれば、前記上部シャワーヘッド部材は、ディスク状のベース５３を有し、該ベースは中央に配置されたガスインレット５４を備え、該ガスインレットがインレット導管５５に接続され、順次、適宜のガス源（図示せず）に接続されている。ディスク状のシャワーヘッド５６は、適宜の固定具（図示せず）で前記ベースに締め付け固定される。Ｏリング５７は、前記ベースと前記ヘッドとの間に適合し、平らな環状のマニホールド空間を形成する。第２のＯリング５９は、ベルトリング周囲のこれらの部品の間に適応する。前記シャワーヘッドには複数のガスアウトレット孔が形成され、一つ孔５８ａはその中央に形成され、他の３つの孔５８ｂは、前記中央の孔の周囲を囲むように放射状に等間隔で形成されている。
【００１２】
図４を参照すれば、下部シャワーヘッド部材５２は、前記上部シャワーヘッド部材と同様な構造を有していることが示されている。これは、下部シャワーヘッドベース６０を備えており、該ベース６０は中央にガスインレット６２が配置され、該ガスインレットが導管６４に接続され、該導管が前記上部シャワーヘッド部材と同じガス源（図示せず）に接続されている。ディスク状の下部シャワーヘッド６６は、適宜の固定具（図示せず）によって前記下部シャワーヘッドベースに締め付け固定されており、前記下部シャワーヘッドベースとシャワーヘッドとの間に形成された平らなディスク状のガスマニホールドをシールするために、その２つの部材の間にＯリングが挟持されている。前記ハンドリングチャンバに開口している３つのガスアウトレット孔７０は、前記下部シャワーヘッドベースのガスインレット６２から放射状且つ円環状に等間隔で配置された下部シャワーヘッドに形成されている。孔の輪は、孔７０が孔５８ｂから放射状のオフセット配置となるように上部シャワーヘッド部材５０のための直径より小さい直径上にある。また、これら２つの部材の孔７０及び５８ｂは、これらの孔が約６０度間隔となるように、円環状にオフセット配置される。
【００１３】
加えて、図４及び図１、図２に示されているように、前記冷却ステーション内に設置されるウェハ６８を支持するために、３本の石英ピン７４が設けられる。各ピンは、略筒状ベース７４ａを有し、該ベースは下段棚２２ｃ内のソケットに適合し、該下段棚と係合する大径の筒状部７４ｂ及び上部先端部７４ｃとともに冷却ステーションフロアを形成する。前記先端部は、好ましくは、ウェハと最小の接触を得るように丸み形状又は半円球状を有している。前記棚は、前記ハンドラー２０のウェハ持ち上げ部材が前記冷却ステーションと適切に一直線状に並ぶように、前記ハンドリングチャンバの底壁２２ｄから上方へ離隔配置されている。
【００１４】
また、前記冷却ステーションコントロールシステムの一部として図１に示されているように、センサー７６が前記ハンドリングチャンバのフロア２２ｄに載置される。該センサーは、前記冷却ステーション内のウェハの存在又は不在を感知できるように、前記冷却ステーション内のウェハ６８の端が該センサー上を延びる範囲の下方に配置される。
【００１５】
図５は、この冷却ステーションを示しており、上部シャワーヘッド部材５０は、前記ハンドリングチャンバの上部壁２２ａ近傍に配置され、下部シャワーヘッド部材５２が棚２２ｃに支持されていることが分かる。ウェハ６８は、ウェハを支持するピン７４上において、２つのシャワーヘッド部材の間に配設されている。図から分かるように、２つのシャワーヘッド部材は、センサー７６上に延びないように且つハンドラー２０の回転を妨げないように、ウェハよりも小さい直径とされる。矢印によって示されているように、冷却ガスは、ウェハの上面に向けて下方に吹き出されるとともに、ウェハの下面に向けて上方へ吹き出される。
【００１６】
図６ａ、６ｂ及び６ｃを参照すれば、ウェハハンドラ２０の一形態が概略的に図示されている。種々のシステムが、半導体処理システムの分野でハンドリングウェハのために知られている。ピックアップ装置の一形態は、ベルヌーイ棒（ベルヌーイワンド）として公知であり、それは、ベルヌーイ棒からウェハへ向けて下方へのガス噴射を用い、そのガスは、ウェハとベルヌーイ棒との間に低圧の領域を生み出すために径方向外側へ流れ、それによってウェハを持ち上げる。このベルヌーイ棒は、おそらく１または２以上の小さいエッジロケータを除き、ウェハとの接触を避けるという利点を有する。ベルヌーイ棒の１形態は、ここに参照したグッドウイン等の米国特許第５０８０５４９号明細書に示されている。
【００１７】
ウェハピックアップ棒の他の形態は、吸引力を利用したもので、ウェハとの密接な接触がなければならない。コレンティ等による米国特許第４５６６７２６号明細書は、ベルヌーイと吸引ピックアップ装置との結合を開示している。
【００１８】
ウェハピックアップ装置の第３の形態は、簡単なパドルであり、これは、ウェハを下方から持ち上げ、支持する。このようなパドルは、メイドン等による米国特許第４９５１６０１号明細書に図示されている。この特許もまた、ウェハを処理システム内で搬送するための典型的な移動装置を図示している。前記ウェハハンドラーは、線形伸縮及び一軸線回りの回転が可能である。
【００１９】
ローレンツ等による米国特許第５１３５３４９号明細書は、共通の回転ベース上に載置された２つのパドル型ピックアップを用いた自動ハンドリングシステムを開示している。双方のピックアップは、処理システム内におけるウェハのハンドリング速度を上げるために互いから離れるように直線状に延びるように調節されている。これらのパドルは、各パドルのエンドエフェクタ部に形成された複数の孔を介して発生された減圧で増強される。前記減圧は、前記パドル内の溝に沿って伝えられる。
【００２０】
これら種々のウェハハンドリング装置のいくつかは、本発明における冷却ステーションコンセプトによって修正することができ、即ち使用に適合したものとすることができるが、図６ａ、６ｂ及び６ｃは、ベルヌーイ棒及びパドルの双方を提供する望ましいハンドラを開示している。そのような配置の完全な説明は、１９９７年１月１６日に出願された米国特許第０８／７８４７１１号明細書に開示されており、参考とすることでここに組み入れられている。図は、ウェハハンドリングアッセンブリ２０におけるピックアップアーム２４，２６の典型的な一連の動きを示している。上述したように、ハンドリングチャンバは、一方端でロード／アンロードチャンバ１２０に、他方端で処理チャンバ１２２に取り付けられている。ハンドリングチャンバの両側におけるポート４２，４４は、負荷及び除荷処理チャンバ１２０，１２２における同サイズのポートにそれぞれ位置合わせされている。カートリッジ即ちカセット１２４は、ロード／アンロードチャンバ１２０内に配置され、特定のウェハをポート４２に位置合わせすることができるように垂直方向に調整可能とされている。制御コンピュータ（図示せず）は、ピックアップアーム２４，２６がガイドウェイ３６に沿って移動するように、モータ及びプーリ（図示せず）に指令を与える。
【００２１】
図６ａに示されるように、最初の動作において、ピックアップアーム２６は、矢示１２６で示されるように、左方向のチャンバ１２０に向けて移動する。パドル３９は、ポート４２を通過してカセット１２４におけるウェハの下に延びる。既に述べたように、カセットは垂直に移動可能となっており、或いは、パドル３９はウェハの下にそれと接触することなく延びるように独立して垂直に移動可能となっており、その結果、ウェハをカセットからリフトする相対的垂直動作を受ける。
【００２２】
図６ｂにおいて、矢示１２８は、ワンド３０の真下にウェハ６８を配置するような位置へのピックアップアーム１２６の動きを示している。その後、エクステンションホース７２を経てワンドへのガス流れが生じ、パドル３９からワンド３０へのウェハ６８の移動が可能になる。
【００２３】
ウェハ６８がベルヌーイ棒３０によりリフトされた後、図６ｃに矢示１３０で示されるように、ピックアップアーム２４はチャンバ１２２に向けて右側に移動し、ワンド３０及びウェハ６８が処理チャンバ１２２に挿入される。示された配置では、処理チャンバ１２２はＣＶＤに適しており、ウェハ６８が載置される回転可能なサセプタ１３２を有している。エクステンションホース７２及びベルヌーイ棒３０を通過するガス流れを止めることにより、ウェハ６８はサセプタ１３２上に落下する。
【００２４】
パドル及びベルヌーイ棒を利用する有利な点は、パドルが、標準のカセットにおけるウェハ間に適合してウェハをその中に移動又は挿入するために、十分薄い側面を有しているということである。ベルヌーイ棒は、パドルよりもいくらか厚く、通常は特別に設計されたカセットを必要とし、それが装置の費用に加算される。しかし、ベルヌーイ棒は、高温に容易に耐えることができ、ウェハの位置決め、配置に役立つ１以上のつめの近傍における一方の縁部に沿う以外はウェハに物理的に接触しないので、処理チャンバにウェハを出し入れするのに特に適切である。
【００２５】
ウェハハンドラの上記内容は、ウェハストレージエリアと処理チャンバとの間における単に直線的な動作を示すものである。しかし、適当なモータ及び駆動装置（図示せず）により、ウェハハンドラの全体を垂直軸に関していずれの方向にも回転させることができ、直線動作と共に回転を与える。直線駆動装置の詳細は、前で参照した係属中の特許出願に開示されている。また、回転装置に関する詳細は、直線のものに関する更なる詳細と共に、カリフォルニアのメンロパーク(Menlo Park)におけるサイベックシステムズインコーポレイテッド(Cybeq Systems Inc.)から利用可能である。他の適当な駆動配置は、この特有の技術における当業者にとって明らかであり、上述の特許に記載されている。
【００２６】
回転するウェハハンドラと共に、ピックアップアーム２４，２６は、ガイドウェイ３６において同じ伸縮方向に移動するように取り付けられている。そのような選択的な配置は、図９ａ、９ｂ及び９ｃに示されている。図９ａにおいては、パドルピックアップアーム２６が、図６ａのようにウェハを持ち上げるために左へ移動した様子が示されている。しかし、アーム２４は、図９ａ及び９ｂにおいて、ハンドラの右側に位置するキャリア３４と共に示されている。図９ｂにおいて、ウェハを移動可能にするため、パドル３９及びウェハ６８がワンド３０の下となるように、アーム２６が縮む。そして、ハンドラが処理チャンバに位置合わせされるように回転可能となる。図９ｃは、キャリア４１を越えて移動するキャリア３４と共に回転させられるハンドラ、及び、ウェハを処理チャンバに供給するアーム２４を示している。
【００２７】
ベルヌーイ棒がウェハを、それがまだ高温であっても処理チャンバから持ち上げて運ぶことができるので、上述したウェハハンドラ２０は、本発明の冷却ステーションに特に有益である。しかし、ウェハは、ロード／アンロードチャンバ１２０に直接移動させるには、あまりに高温である。その代わりに、ウェハハンドラは短い距離を回転させられて、ベルヌーイ棒が冷却ステーションの一つに位置合わせされる。そしてベルヌーイ棒は延びて、高温のウェハを冷却ステーション４６におけるピン７４の上に配置する。
【００２８】
第１のウェハが冷却されている間、第２のウェハを処理チャンバに配置することが可能である。この第２のウェハは、パドルによってカセット１２４から取り出し可能であり、ベルヌーイ棒に移送されるか、或いは、第２のウェハは、第１のウェハが処理される間、第２の冷却ステーション４８に位置させることが可能である。その場合、ワンドを第２の冷却ステーション４８に位置合わせして第２のウェハを取り出すために、ハンドラを、第１の冷却ステーション４６から短い距離（約１００゜）だけ回転させなければならないだけであり、その後、第２のウェハを処理チャンバに挿入可能となる位置に（約５０゜）逆回転させる。その状況における第２の冷却ステーション４８はステージングエリア(staging area)としての役目を果たす。第２のウェハが処理チャンバに配置された後、第１のウェハは第１の冷却ステーションから移動させてストレージエリア１２０に戻すことができ、その時までには十分に冷却されたとみなされる。処理済みのウェハをストレージエリアに配置したすぐ後に、第３のウェハをカセット１２４から取り出して冷却／ステージングステーションの１つに移動させることができ、処理チャンバに配置される順番を待つ。前述から、ウェハの取り扱いに大きな自由度が与えられていることを正しく認識することができ、本装置により用いられる処理の温度及び回数、並びに、ウェハを標準のカセットに戻す前に特定のウェハを所望の温度まで冷却するのに要する時間に適合するように、ウェハを種々のシーケンスで移動させることができる。
【００２９】
本発明の最初の実験的利用から得られる冷却のより正しい理解を得るため、図７及び図８を参照する。図７のグラフの上側のラインは、チャンバを通過するわずかなパージガス流れ以外にウェハ表面を覆う強制的なガス流れを生じさせることなく、単に対流によって冷却したウェハの従来技術に係る冷却曲線を示している。 示されるように、最初６００℃をわずかに越えるウェハは、約１２、１３秒後に４００℃の温度まで冷却される。しかし、最初のスタート時点から約８０秒まで温度は２００℃に降下しない。更に、略１２０秒後でさえ、温度はまだ約１６０℃であり、この温度では依然として高価なカセットを使用する必要がある。
【００３０】
図７の下側のカーブは、高温のウェハをリフトしてハンドリングチャンバに移動させるためにベルヌーイ棒が利用され、ベルヌーイ棒からのガス流れによりウェハが冷却された状況を示している。これは、ベルヌーイ棒によりウェハをハンドリングするための従来の先行技術である。示されるように、約１２秒後に温度は約３００℃まで急激に低下しており、感知できる程度のガス流れなしに単に対流によって冷却されるウェハよりもはるかに速い。更に、約２０秒後に温度は２００℃まで低下し、４０秒後に１００℃まで低下する。そして、所望の約６０℃以下となるのに更に約６０秒を要し、この温度で、普通に利用できる比較的低コストのカセットに受け入れられる。 ウェハがベルヌーイ棒で冷却される間は、それも処理チャンバも別のウェハに利用することができないのはもちろんである。更に、いくらかのハンドリング時間を削減するためにウェハをワンドからパドルに移動させることができるとしても、その結果、ベルヌーイ棒により放出される冷却ガスをもはや受けることができず、より多くの時間が必要になる。
【００３１】
前述のものとは対照的に、本発明に係る冷却ステーションから得られる大幅に改善された状態が図８に示されている。図には、ベルヌーイ棒を使用することにより９００℃付近の温度のチャンバから熱いウェハが移動している状態が示されている。ベルヌーイ棒がハンドリングチャンバに引き込まれ、棒を冷却ステーションに位置合わせするためにウェハハンドラが回転し、冷却ステーション内の熱いウェハの位置へ棒が延長する時間までに、温度は約４００℃まで下降する。これには、図示された例ではおおよそ９秒要し、この時までにウェハの温度は９００℃から４００℃に下降し、図７における棒のガス冷却とは相反している。図８のグラフに示された上記の点から連続する上側の線は、図７に関して前述されたように、ウェハがベルヌーイ棒に単に放置された場合の冷却を示す。図８の下側の曲線は冷却ステーション内に配置されたウェハの温度の低下を示す。図示されたように、冷却ステーション内では３秒程度で２００℃から１００℃までウェハの温度が減少する。更に、それから５秒或いは８秒で約１００℃以下に温度は低下し、これは処理チャンバ内のベルヌーイ棒によりウェハが配置された時から１７秒或いは１８秒程度である。更に、最初から約２４秒後に６０℃レベルまでウェハの温度は下降する。これは、最初から１００秒以上経過後もベルヌーイ棒に維持されそのレベルまで下降せず、パドル上に存在しさえすればもはや下降しない温度とは対照的である。故に、ウェハが低コストのカセット上に配置される前に充分にウェハを冷却するのに要する時間が、劇的に減少したことを理解することができる。
【００３２】
更に、上述のように、ウェハハンドラは、冷却ステーションの中に第一のウェハが配置されるのと同時に第二のウェハをチャンバの中に配置できるようになる。これは図８に示された例では、処理チャンバ内にウェハが移動された時より約９秒後である。仮に第一のウェハが処理されている間に、ステージング領域として第二の冷却ステーションの中に第二のウェハが配置されれば、処理チャンバ内で第二のウェハを移動し配置するようにベルヌーイ棒を放置しておくために、ウェハハンドラは第二の冷却ステーションと位置あわせされるために回転するだけでよい。第一のウェハが充分に冷却された後、パドルが冷却された水を排出するために冷却ステーションと位置合わせされるように、ウェハハンドラは回転されることができる。その後、パドル２６がカセットと位置あわせされ、パドルがカセット内に冷却されたウェハを配置するのに利用される為に、ウェハハンドラは回転され得る。
【００３３】
熱いウェハをピックアップし、それを冷却ステーションに移動し、第二のウェハをステージングステーションからピックアップしそれを処理チャンバ内に配置し、棒を引き込み、処理チャンバゲートを閉じる時間は約３３秒である。従来のシステムでそのシーケンスに必要とされていた時間は、冷却時間を含めないで前記の約２倍である。更に、従来のシステムにおいてはウェハを冷却し低コストのカセットに配置できるための時間は更に約４５秒要する。
【００３４】
冷却ステーションの構成及び作用に関するより詳細な部分は、本発明のより良い理解及び認識の助けとなる。システムの実施形態では、シャワーヘッド上部の中心穴５８ａの直径は約０．０１６インチであり、その周りの３つの穴の直径はそれぞれ約０．０２６インチである。シャワーヘッド下部の３つの穴７０の直径は約０．０２８インチである。これらの穴は、それぞれのシャワーヘッドから２０ｐｓｉの圧力で窒素を毎分約２０リットルを流量で供給するために設計されている。故に、ウェハの上面及び底面に毎分約２０リットルの流量でガスが供給される。
【００３５】
中心より外側に向かって配置されたシャワーヘッド内の排出穴は、約１２０度間隔を置いている。好ましくは、あるシャワーヘッドの排出口は他の排出口に関してずらして配置されているので、全体として、約６０度毎にガスの排出が行われる。上部の穴は、下部リングより大きな直径を備えるリング状に存在する。故に、前記穴も放射状に間隔を置かれている。該配置により、より均一なガス流を提供する。
【００３６】
使用される冷却ガスは、好都合にベルヌーイ棒に利用されるガスと同一であり、典型的には窒素或いは水素である。故に、前記ガスは同一の発生源から発生する。更に、ウェハを超えてガス流れを冷却した後に、単に前記ガスはハンドリングチャンバに流れ、ベルヌーイ棒を利用するハンドリングチャンバ結合物内で通常使用されるものと同一のシステムによりハンドリングチャンバから引き込められる。
【００３７】
有利であるのは、冷却時間は単にガス流量率により制御されることである。本目的は、前述されたように、ロボットパドルがウェハをピックアップし、ストレージ領域内の低コストカセットに移動する前に約６０℃以下のウェハの温度を得ることである。個々のシャワーヘッドより毎分２０リットルの流量で８インチのウェハを冷却するのに要する時間は、実験システムでは約２０秒であった。両方のシャワーヘッドより毎分約４０リットルと流量を二倍にすることにより約１２秒まで冷却時間を低下させた。上部シャワーヘッドのみを通して冷却ガスを流すことにより、約３５秒でウェハを所望のレベルに冷却した。
【００３８】
３つの支持ピンの上端により確定される平面と、上部のシャワーヘッドとの間の距離は、棒がパドルよりもわずかに厚いため、前記平面と下部ヘッドの間の距離よりわずかに大きいものとされることができる。もちろん、所定の状況に適応させるために、間隔及びガス流れは変化され得る。ある実施形態では、前記シャワーヘッドの間の間隔は約１．１２５インチであり、ウェハから下部シャワーヘッドまでの間隔は約０．２インチ程度である。
【００３９】
前記記載に基づき、本発明にかかる基材冷却システムは、第1の基材が冷却されている間にも第２の基材と併せて処理チャンバを利用できるように配置することができるという主目的を備えているので、種々の基材ハンドリングシステムを特定の過程サイクルに適応させるように変化させることができるという卓越した柔軟性を備える。ウェハハンドラの特定の型について記載してきたが、種々のウェハハンドラを利用することができる。同様に、特定の冷却ステーションについて記載してきたが、他の種々の冷却ステーションを利用することができる。ガスはウェハを冷却するために利用されるが、おそらく他の冷却機構も利用可能である。本発明は単一の冷却ステーションについて有用であるが、２つの冷却ステーションも付加的な柔軟性を提供し、そして所望の付加冷却ステーションを提供することも可能である。単一の処理チャンバについて記載及び図示をしてきたが、ウェハハンドラの周囲に集められ得る付加処理チャンバ内で、いわゆるクラスタシステムを利用することも可能である。本発明の構成には、少なくとも2つの付加チャンバを提供することができる。本発明のほかの実施形態も考慮されることが可能であるので、本発明の適用範囲は記載のものに限定されないことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ウェハハンドラステーション及びＣＶＤ装置の近傍部を示す斜視図である。
【図２】 図２は、ウェハハンドリングチャンバ及びウェハ入出チャンバの断面図である。
【図３】 図３は、本発明の冷却ステーションの上部シャワーヘッドを示す分解斜視図である。
【図４】 図４は、本発明の冷却ステーションの上部シャワーヘッドを示す分解斜視図である。
【図５】 図５は、本発明の冷却ステーションの作動状態を示す断面図である。
【図６】 図６ａ、６ｂ及び６ｃは、本発明の冷却ステーションに使用され得るウェハハンドラーの一形態を示す断面図である。
【図７】 図７は、従来の冷却により、冷却用ガスを用いるピックアップ棒（ピックアップワンド）によって支持されている間における冷却によって、ウェハが冷却された時の割合を示すグラフである。
【図８】 図８は、本発明の冷却ステーションにおける冷却に比較して従来のピックアップ棒上でのウェハの冷却時間を示すグラフである。
【図９】 図９ａ、９ｂ及び９ｃは、図６のウェハハンドラーの種々の形態を示す側断面図である。
Claims (7)
- 高温処理後に基材を冷却する装置であって、
基材ハンドリングチャンバを有し、該チャンバは、基材がストレージ領域へ搬入され該ストレージ領域から該ハンドリングチャンバへ移動され得るポートと、前記基材が前記ハンドリングチャンバから高温処理チャンバ内へ移動され又は該高温処理チャンバ外へ移動され得るポートとを有し、
前記ハンドリングチャンバ内で基材を前記ストレージ領域へ搬入し該ストレージ領域から前記処理チャンバ内へ移送し該処理チャンバの外へ移送するための自動基材ハンドラと、
処理された基材が前記ハンドラにより移動され得、これにより前記ストレージ領域に戻される前に冷却される、前記ハンドリングチャンバ内に設けられた冷却ステーションであって、前記ハンドリングチャンバのセクションに前記ハンドラの移動経路から外れて位置し、第１の基材が前記冷却ステーション内で冷却される間に第２の基材を前記ハンドラによって前記ストレージ領域から引き出し、前記処理チャンバ内に配置させることを可能にする冷却ステーションとを有し、
前記冷却ステーションは互いに間隔を開けて設けられた上部及び下部ガスシャワーヘッドを有しており、該シャワーヘッド間に該シャワーヘッドと間隔をおいて基材を支持する支持体を備え、冷却ガスが前記シャワーヘッドにおける開口を通って基材の上面及び下面に到達し該基材を冷却し得るように前記シャワーヘッドのそれぞれが冷却ガス源に接続されるように構成されている
装置。 - 基材が第２の冷却ステーション内に存在する間に、ウェハハンドラが基材を移動させることを可能にするように、前記ハンドラによってアクセス可能であり、前記ハンドラの移動経路から外れて位置する第２の冷却ステーションを前記ハンドリングチャンバ内に備えている請求項１に記載の装置。
- 前記冷却ステーションは、前記処理チャンバに通じるポートの両側に１つずつ位置している請求項２に記載の装置。
- 前記冷却ステーションは、約１００°離れて位置し、ウェハハンドラは、該冷却ステーションの１つと位置合わせするために前記処理チャンバのポートから約５０°回転すればよいようにされている請求項３に記載の装置。
- ウェハハンドラは、ウェハを前記ストレージ領域から引き出すパドルを有し、基材を前記パドルから持ち上げるベルヌーイ棒を有し、該棒は、基材が前記パドルから前記ベルヌーイ棒へと或いは前記ベルヌーイ棒から前記パドルへと移送され得るように移動可能に構成されており、前記パドルは、共通して利用可能なカセットにストアされた基材間に適合し得る寸法とされており、
前記処理チャンバのポート及び前記冷却ステーションは、前記ベルヌーイ棒によって基材が前記処理チャンバ内へ及び該処理チャンバの外に移動され得るように且つ前記冷却ステーション内へ及び該冷却ステーションの外に移動され得るように構成されている請求項１に記載の装置。 - 前記第２の冷却ステーションが、
互いに間隔をおいて互いに向き合うように設けられ、ヘッドから噴射された流体が互いに対する方向に噴射される第１及び第２のシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッド間に前記基材を支持し、前記シャワーヘッドからの流体を前記基材の両側平面上に噴射させるように構成された支持体と
を備える請求項２に記載の装置。 - 高温処理に供される基材を冷却する方法であって、
基材を高温処理チャンバ内に及び高温処理チャンバの外に移送することが可能な基材ハンドラを提供する工程と、
熱せられた基材を前記処理チャンバから前記基材ハンドラを用いて引き出し、該熱せられた基材を該ハンドラに対して開かれた冷却ステーションへと移送する工程と、
対向する２つのシャワーヘッドの間において、前記熱せられた基材を支持体上に位置させる工程と、
前記シャワーヘッドから冷却材を前記基材の両側の面に噴射する工程と、
前記基材を冷却ステーションにおいて冷却する間に、前記ハンドラを用いて第２の基材を前記処理チャンバ内に挿入する工程と
を包含する方法。
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