JP4597272B2

JP4597272B2 - 基板のバッチ熱処理のための装置及びその方法

Info

Publication number: JP4597272B2
Application number: JP52589996A
Authority: JP
Inventors: リチャードエス．ムカ
Original assignee: ブルックスオートメーションインコーポレイテッド
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: AU5563096A; WO1996037744A1; US6193506B1; JPH11506531A

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は平面基板の熱処理装置に関し、特に、バッチ処理の装置及びその方法に関する。
２．先行技術
米国特許第4,597,736号、同第5,252,807号及び同第5,060,354号は、ウェハの熱処理について開示している。米国特許第4,715,921号及び同第4,951,601号においては、マルチ・チャンバウェハシステムについて開示している。また、米国特許第4,381,965号は、エレベータ型多重電極機構について開示しており、更に、米国特許第4,715,812号、同第4,770,630号、同第3,935,646号、同第4,490,111号及び同第4,721,462号においては、様々な加熱アセンブリを開示している。
発明の概要
本発明の１つの実施例によれば、複数の平面基板を加熱する装置が提供されている。その装置は、チャンバ、ヒータ及びエレベータから構成され、そのヒータはチャンバ内に配置される。エレベータは少なくとも部分的にチャンバ内に配置され、基板保持スタック（stack）及び基板保持スタックを移動させる手段を有する。
本願発明の１つの方法によれば、平面基板を加熱する方法が提供されている。その方法は、複数の基板を同時に加熱するように構築された基板加熱装置を供給するステップから構成されており、その装置は、所定の間隔を置いてスタックされた構成で基板保持を可能とする基板ホルダを有する。そして、前記装置及び前記基板ホルダ中に隣接する基板が非常に近接する位置に基板を挿入し、隣接した基板からの熱伝導が、挿入された基板に生じる温度の上昇率を増加させるという点を鑑み、前記装置のヒータと前記隣接した基板の両方から、前記挿入された基板に熱を伝える。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述した点及び他の特徴は、以下の記述において添付の図面と共に説明される。
図１は、本発明の特徴を含む装置の断面側面図である。
図２は、図１において示された装置の線２−２における断面上面図である。
図３は、図１において示された基板及び基板ホルダの線３−３における拡大した部分的断面図である。
図４は、４つの異なる基礎温度に対して、１枚のウェハが、図１に示された装置内に挿入される時の温度と時間の応答を示すグラフである。
図５は、図１に示された装置において使用される制御システムのダイヤグラムである。
図６は、先行技術における公知の設計断面図である。
図６Ａは、図５に示された領域Ａの拡大図である。
好適な実施例の詳細な説明
図１において、本発明の特徴を含む装置１０の部分的な断面側面図が示されている。本発明は図面に示された実施例について説明されるが、本発明が様々に異なるタイプ及び種々の置き換え可能な実施例において実現可能である。更に、適当な大きさ、形状、または構成要素のタイプ、または材料を使用することもできる。
装置１０は、半導体ウェハまたはフラットパネルディスプレイのような複数の平面基板に対して有用な熱処理装置である。装置１０は通例、米国特許第4,715,921号及び同第4,951,601号（これらの内容の全ては本明細書に包含される）において開示されているような基板のためのマルチ・チャンバ処理システムとしての使用を意図している。しかしながら、装置１０は、基板処理システムの適当なタイプとして使用可能である。
装置１０は、全体として、チャンバ１２、エレベータ１４及び加熱システム１６から構成される。装置１０は、１つのスロットバルブアセンブリ（slot valve assembly）２０によって基板移送台１８に接続されて示されている。チャンバ１２は、水冷却され、スロットバルブアセンブリ２０における入口２２を有するのが好ましい。水冷却されたバッフル（baffle）２４及びクライオポンプ（cryopump）２６は、チャンバ１２に接続される。
また、図２を参照すると、加熱システム１６は加熱要素２８を含む。加熱要素２８は、チャンバ１２内に配置され、エレベータ１４の一部を取り囲む。更に放射シールド３０が加熱要素２８の後部に配置される。ここで、数種の適当なタイプの加熱要素が使用できる。他の実施例において、加熱システムの別のタイプもまた使用可能である。
エレベータ１４は、全体として、複数の基板Ｓを保持する基板保持スタック３２及びエレベータ駆動部３４からなっている。駆動部３４は主として、チャンバ１２の外側に配置される。更に具体的には、駆動部３４は、チャンバ１２の底に連結される。ここで、適当なタイプのエレベータ駆動装置が使用できる。２つのドライブアーム３６（１つのみが図示されている）は、駆動部３４からチャンバ１２中へと伸展する。さらに図３を参照すると、基板保持スタック３２は、実際には、間隔を置いて配置された２つのラック（rack）３８、３９から構成される。各ラック３８、３９はドライブアーム３６のうちの１つの先端に取り付けられる。更にラック３８、３９は、互いに左右対称に且つ互いに使用可能に向き合っている。また、各ラック３８、３９はスペーサ４２によって隔てられた複数の基板支持棚（ledge）４０を有する。本実施例において、基板Ｓはディスク状の半導体ウェハである。基板支持棚４０は、スタックされた構成中の基板Ｓを個々に支持するために適切な大きさ、形状であり、間隔を置いて配置される。さらに具体的には、内側に突出した基板支持棚４０は、基板のエッジまたは周囲の一部の上に基板Ｓを支持するように適合される。スペーサ４２は、適当に選択でき、スタック３２中の基板間の間隔を空ける種々のタイプを提供できる。好適な実施例において、スタック３２は、約６ｍｍの中心線間隔で隣接してスタックされた基板を保持するように構成される。しかしながら、他の間隔として、約６ｍｍから２０ｍｍの間も使用できる。ここで使用される、“スタック”及び“スタックされた”の用語は、隣接する基板間、または基板と隣接のヒートシンク（heat sink）との間のギャップのみが存在して並置配列されていることを意味する。そのような“スタック”及び“スタックされた”構成は、図３において示されており、かかる構成には隣接した基板Ｓ間には小さな支持棚４０のみが配置されている。また、保持スタック３２を提供する形状または構成は前述した構成及び形状に限られず、他の構成及び形状を用いても良い。エレベータ１４は、矢印Ｂによって示されるように、チャンバ１２内の基板Ｓを垂直に移動させるドライブアーム３６を駆動させることによって、スタック３２を垂直に移動できる。このことは、スタック３２中の垂直方向位置において、スタック３２から基板Ｓのいずれか１つを取り除くために、または基板をスタック中に挿入するために、台１８における基板移送機構（図示しない）が入口２２を介して通過することを可能としている。
装置１０は、同時に複数の基板をバッチ加熱することを念頭に置いている。よって、加熱された基板は、システムの処理チャンバ内へ供給され得る。このようにして、基板が素早く加熱される。ゆえに、装置１０が設置された基板処理システムは先行技術である単一の基板ヒータを伴ったシステムよりも迅速な処理が可能であり、多重の単一基板ヒータを必要とせず、１つの装置１０を必要とするのみである。本願発明の特徴の１つは、バッチ装置１０の使用を介して実行されるということである。先行技術の単一ヒータにおいては、実際に基板に伝わる熱の全てがヒータから直接もたらされる。しかしながら、本願発明によれば、チャンバ１２に供給された基板はヒートシンクとしてもふるまう。冷えた基板がチャンバ１２中に挿入される時、スタック３２中にすでにある基板は新たに挿入された基板にそれらの熱のいくらかを伝える。こうして、新たに挿入された基板は、加熱システムと、スタック中のすでに加熱された基板との両方によって加熱される。このことは、新たに挿入された基板の加熱率を増加させる。スタック３２は、基板間（基板支持棚４０の比較的小さな領域を除く）の何もない空間を挟んで上下互いに基板Ｓを保持する。よって、熱は、比較的容易に大きな障害なく、隣接した基板から伝わることができる。スタック３２中のすでに加熱された基板は、隣接した基板間の多大な熱伝導障害なく、基板が十分近接してスタックされた位置のために、新たに挿入された基板に対するヒートシンクとして機能できる。スタック３２中の基板同士の隣接した配置は、基板から基板への熱伝導を援助する。また、熱を蓄積するヒートシンクを追加してもよく、これによってチャンバ１２内において新たに挿入された冷えた基板へ熱を伝達することが出来る。また、ラック３８、３９はヒートシンクとしても作用する。
さらに図４を参照すると、４つの異なる装置基本温度（６００℃、５００℃、４００℃、３００℃）において、装置１０中の基板のスタック中への冷えた基板（２５℃）の導入に対する４つの異なる応答グラフが示されている。６００℃の装置基本温度において、冷えた基板Ｗ₅のスタックへの導入により、スタック中の他の基板Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁は一時的な温度降下を生じる。他の基板よりも挿入された冷えた基板Ｗ₅に近い位置の基板は、より温度降下が大きい。しかしながら、挿入された冷えた基板以外の基板の温度降下は、５０℃以下である。一方、挿入された基板Ｗ₅は、他の基板Ｗ₄−Ｗ₁からの熱伝導のために迅速に加熱され、約８分で装置の基本温度に達する。５００℃、４００℃及び３００℃の他の装置基本温度に対する応答は、その装置基本温度が高いほど、挿入された冷えた基板がその温度により速く近づくことを示している。いずれにしても、バッチ加熱装置の使用は、加熱装置１６とスタック３２内のすでに加熱された基板Ｗ₄−Ｗ₁との両方からの熱伝導の故に、新たに挿入された冷えた基板の加熱を促進させる。
更に図５を参照すると、装置１０を伴って使用される制御システム５０のある型のブロック図が示されている。その装置は、コントローラ５２、メモリ５４、温度センサ５８、エレベータ位置センサ６０、ヒータ２８、及びヒータコントロール６１を含む。コントローラ５２は、マイクロプロセッサであるのが好ましい。コントローラ５２は、基板処理システムコントロールに接続されているように示されているが、それを含めて１つのコントローラとしてもよい。温度センサ５８は、チャンバ１２内に配置される。温度センサの適切な数は、スタック３２中において、各基板支持位置に対して一つとすることができる。メモリ５４は、図４において示されるような、挿入された冷えたウェハから基板保持位置の温度、時間及び位置の所定のデータに対応するアルゴリズムを元にプログラムされる。コントローラ５２は、タイマ５６、温度センサ５８、及び、スタック３２への挿入及びスタック３２からのウェハの取り除きを制御するためのエレベータ位置センサ６０からの情報と共にこの所定のデータを使用できる。メモリ５４は、個々のウェハがスタック３２中にあり、ウェハが挿入されるスタック内の位置に挿入される時に記録するのに使用できる。好ましくは、コントローラ５２は、熱いウェハのみを取り除く適当な位置への移動を、及び、スタック中の隣接した熱いまたはかなり熱いウェハの位置においてのみの新たな冷えたウェハの挿入を、エレベータドライブ３４にもたらす。この制御の型は、新たに挿入された冷えたウェハが、そのウェハへの最も迅速な熱伝導率を促進するようにスタック中に適切に配置されることを保証し、適切に加熱されたウェハのみがスタック３２から取り除かれることを保証するのに使用できる。また、他の実施例において、制御システムの適切な型が提供可能である。
図６及び６Ａを参照すると、公知の先行技術に類似のシステムが示されている。この先行技術の構図において、装置７０はチャンバ７２、及び、基板ホルダ、ヒータ及び移動機構を結合させた機構７４を含む。チャンバ７２は、基板をチャンバ７２中に挿入し、また、基板をチャンバ７２から取り除く、基板移送機構（図示しない）のための入口７６を有している。結合された機構７４は、エレベータドライブ７８、ドライブアーム８０、及び加熱要素８４を含む。エレベータドライブ７８は、チャンバ１２内においてドライブアーム８０を上下垂直方向に移動させるように適合される。加熱要素８４は、ドライブアーム８０に動かないように接続される。上面上における各加熱要素８４は、基板ホルダまたは基板支持８６である。基板Ｓは、加熱要素８４から固定された距離で支持８６の先端上に支持される。結合機構７４は、入口７６を通して基板Ｓを挿入及び取り除くためのチャンバ７２内での加熱要素８４及び支持８６の上下垂直方向への移動が行えるように適合される。
図１乃至５に示された発明に対して、スタック中の隣接した基板、または十分近い位置にある基板は、図６中の各基板に対する個々の隔てられたヒータ８４が供給可能な同じ熱性能を十分に供給する。しかしながら、本願発明のスタックされた構成は、各基板に対して個々の隔てられたヒータより費用がかからない。さらに、スタックされた構成は、別の方法において必要とされる場合と比較して、より小さく、より短いエレベータの使用を可能にする。スタックされた構成は、約５０ポンド（約２２．７ｋｇ）の最大引き上げ量を必要とする。各基板に対する個々の隔てられたヒータは、約５００ポンド（約２２６．８ｋｇ）の重荷を引き上げられるような大きさのエレベータを必要とする。明らかに、５０ポンドを引き上げるために設計されたエレベータは、５００ポンドを引き上げるために設計されたエレベータより費用がかからない。先行技術の装置７０における大きさの抑制は、その機構７４の基板の受容力を約７つに制限する。装置１０は、約２０または３０の基板のような、さらに多い数を保持できる。よって、装置１０は、良い熱性能（基板が迅速に加熱される）及び、大きな基板受容力を提供し、尚かつ、先行技術の設計に関連した全体の大きさを増加させる必要はない。
上述した説明が本発明の例示であることを理解すべきである。様々な置き換えや修正が、本発明の特質からはずれることなく、当業者によって考案可能である。従って、本発明は、かかる請求の範囲内に収まるそのような全ての置き換え、修正及び変更を包含するように意図されている。

Claims

複数の平面基板を加熱する装置であって、
平面基板を低温から高温へ加熱するチャンバと、
前記チャンバ内に配置されたヒータと、
前記チャンバ内に一部が配置されて、基板保持スタックと前記基板保持スタックを移動せしめる移動手段とを含むエレベータと、
前記エレベータの動きを制御するコントローラを含む制御システムと、を含み、
前記基板保持スタックは、複数の平面基板をスタック構成に保持して、前記平面基板の隣接した平面基板間においては間隙のみを有して当該隣接する平面基板同士は互いに直接向かい合って熱を直接伝え、
前記制御システムは、新たに挿入される冷えた平面基板がその平面基板への最も迅速な熱伝導率を促進するように前記基板保持スタック中に適切に配置されることを保証し、適切に加熱された平面基板のみが前記基板保持スタックから取り除かれることを保証し、
前記コントローラは、前記チャンバの外に前記基板保持スタックを移動させることなく、前記新たに挿入される冷えた平面基板を前記基板保持スタック内にすでに存在している少なくとも１つの熱い平面基板に隣接した所定の位置に配置するように前記エレベータの動きを制御することにより、熱が前記ヒータと前記基板保持スタック内の隣接した平面基板との両方から当該新たに挿入された冷えた平面基板に伝えられることを特徴とする装置。
前記ヒータは前記チャンバ内において前記エレベータの少なくとも３つの側部に配置される加熱要素を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
前記エレベータはチャンバ外に配置されたエレベータドライブを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
前記基板保持スタックは２つの対向する基板ラックを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
各基板ラックは、平面基板の周辺部分が配置されるように内側に突出した基板支持棚のスタックを有することを特徴とする請求項４記載の装置。
前記基板保持スタックは６ｍｍの中心線間隔で隣接してスタックされた平面基板を保持することを特徴とする請求項１記載の装置。
前記エレベータの動きを制御する前記コントローラは、所定の温度に加熱された平面基板のみを前記基板保持スタックから取り出すことを特徴とする請求項１記載の装置。
熱処理装置を備えて平面基板の挿入及び取出を制御するシステムであって、
平面基板を低温から高温へ加熱するチャンバと、
前記チャンバ内に配置されたヒータと、
前記チャンバ内に一部が配置されて、基板保持スタックと前記基板保持スタックを移動せしめる移動手段とを含むエレベータと、
前記エレベータの動きを制御するコントローラを含む制御システムと、を含み、
前記基板保持スタックは、複数の平面基板をスタック構成に保持して、前記平面基板の隣接した平面基板間においては間隙のみを有して当該隣接する平面基板同士は互いに直接向かい合って熱を直接伝え、
前記制御システムは、新たに挿入される冷えた平面基板がその平面基板への最も迅速な熱伝導率を促進するように前記基板保持スタック中に適切に配置されることを保証し、適切に加熱された平面基板のみが前記基板保持スタックから取り除かれることを保証し、
前記コントローラは、前記チャンバの外に前記基板保持スタックを移動させることなく、前記新たに挿入される冷えた平面基板を前記基板保持スタック内にすでに存在している少なくとも１つの熱い平面基板に隣接した所定の位置に配置するように前記エレベータの動きを制御することにより、熱が前記ヒータと前記基板保持スタック内の隣接した平面基板との両方から当該新たに挿入された冷えた平面基板に伝えられることを特徴とするシステム。
前記コントローラに接続されるエレベータ位置センサを更に含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
前記コントローラに接続される温度センサを更に含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
前記熱処理装置内の温度、前記熱処理装置内の平面基板の保持時間、及び前記基板保持スタック中に続いて挿入された冷えた平面基板に隣接した前記熱い平面基板の位置に基づいて、当該熱処理装置内の平面基板を前記熱処理装置から取り除くかどうかを決定する手段を更に含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
平面基板を加熱する方法であって、
複数の平面基板を同時に加熱することができる熱処理装置を準備するステップを含み、
前記熱処理装置は、平面基板を低温から高温へ加熱するチャンバと、前記チャンバ内に配置されたヒータと、前記チャンバ内に一部が配置されて、基板保持スタックと前記基板保持スタックを移動せしめる移動手段とを含むエレベータと、前記エレベータの動きを制御するコントローラを含む制御システムと、を含み、
前記基板保持スタックは、複数の平面基板をスタック構成に保持して、前記平面基板の隣接した平面基板間においては間隙のみを有して当該隣接する平面基板同士は互いに直接向かい合って熱を直接伝えることができ、
前記方法はさらに、
前記チャンバの外に前記基板保持スタックを移動させることなく、前記新たに挿入される冷えた平面基板が前記基板保持スタック内にすでに存在している少なくとも１つの熱い平面基板に隣接した所定の位置に配置されるように前記冷えた平面基板を前記基板保持スタックに挿入するステップと、
前記挿入された平面基板に、前記ヒータ及び当該隣接した平面基板の両方から熱を伝えるステップと、を含み、
前記制御システムは、新たに挿入される冷えた平面基板がその平面基板への最も迅速な熱伝導率を促進するように前記基板保持スタック中に適切に配置されることを保証し、適切に加熱された平面基板のみが前記基板保持スタックから取り除かれることを保証することを特徴とする平面基板を加熱する方法。
前記冷えた平面基板を挿入するステップの前に、前記基板保持スタックを垂直方向に移動させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
前記基板保持スタックが垂直方向に移動された後に、前記基板保持スタック及び前記熱処理装置から平面基板を取り除くステップを更に含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
前記冷えた平面基板を挿入するステップは、相対的に６ｍｍから２０ｍｍの隣接した平面基板の中心線距離で前記冷えた平面基板を配置することを含む請求項１２記載の方法。
基板移送機構を有する移送台と、
前記移送台に接続された処理チャンバと、
前記移送台に接続された熱処理装置と、を有する基板処理システムであって、
前記熱処理装置が、
平面基板を低温から高温へ加熱する加熱チャンバと、
前記加熱チャンバ内に配置されたヒータと、
前記加熱チャンバ内に一部が配置されて、基板保持スタックと前記基板保持スタックを移動せしめる移動手段とを含むエレベータと、
前記エレベータの動きを制御するコントローラを含む制御システムと、を含み、
前記基板保持スタックは、複数の平面基板をスタック構成に保持して、前記平面基板の隣接した平面基板間においては間隙のみを有して当該隣接する平面基板同士は互いに直接向かい合って熱を直接伝え、
前記制御システムは、新たに挿入される冷えた平面基板がその平面基板への最も迅速な熱伝導率を促進するように前記基板保持スタック中に適切に配置されることを保証し、適切に加熱された平面基板のみが前記基板保持スタックから取り除かれることを保証し、
前記コントローラは、前記加熱チャンバの外に前記基板保持スタックを移動させることなく、前記新たに挿入される冷えた平面基板を前記基板保持スタック内にすでに存在している少なくとも１つの熱い平面基板に隣接した所定の位置に配置するように前記エレベータの動きを制御することにより、熱が前記ヒータと前記基板保持スタック内の隣接した平面基板との両方から当該新たに挿入された冷えた平面基板に伝えられることを特徴とする基板処理システム。
基板処理システム内の平面基板を処理する方法であって、
熱処理装置に接続された移送台の移送機構によって前記熱処理装置のチャンバ中に個々に平面基板を移送するステップを含み、
前記熱処理装置は
平面基板を低温から高温へ加熱するチャンバと、
前記チャンバ内に配置されたヒータと、
前記チャンバ内に一部が配置されて、基板保持スタックと前記基板保持スタックを移動せしめる移動手段とを含むエレベータと、
前記エレベータの動きを制御するコントローラを含む制御システムと、を含み、
前記基板保持スタックは、複数の平面基板をスタック構成に保持して、前記平面基板の隣接した平面基板間においては間隙のみを有して当該隣接する平面基板同士は互いに直接向かい合って熱を直接伝え、
前記制御システムは、新たに挿入される冷えた平面基板がその平面基板への最も迅速な熱伝導率を促進するように前記基板保持スタック中に適切に配置されることを保証し、適切に加熱された平面基板のみが前記基板保持スタックから取り除かれることを保証し、
前記方法はさらに、
前記チャンバの外に前記基板保持スタックを移動させることなく、前記新たに挿入される冷えた平面基板が前記基板保持スタック内にすでに存在している少なくとも１つの熱い平面基板に隣接した所定の位置に配置されるように前記エレベータの動きを前記コントローラによって制御するステップと、
前記ヒータと前記基板保持スタック内の隣接した平面基板との両方から当該新たに挿入された冷えた平面基板に熱を伝えるステップと、
を含むことを特徴とする基板処理システム内の平面基板を処理する方法。
前記移送機構によって、前記基板保持スタックから前記チャンバの外に個々の平面基板を搬出して当該平面基板を単一の処理チャンバへ移送するステップを更に含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。