JP5046429B2 - 基板処理装置のガス計測制御 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、１９９７年４月２１日の米国仮出願番号第６０／０４４，４９４号の恩典を主張する。
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、基板処理装置に関し、より詳しくは、ガス補助処理装置に関する。
２．従来技術
米国特許第４，９６３，７１３号は、エッチング装置のためのプラズマ電極システムの冷却を開示している。米国特許第５，０９０，９００号は、真空チャンバのための被加工物支持体を開示している。
発明の概要
本発明の方法によると、ガスを基板処理チャンバに導入する方法が提供される。その方法は、ガス計測領域にガスを第１所定圧力にして満たす行程と、該領域を閉じて該第１所定圧力に維持する行程と、該領域を該基板処理チャンバに開放して該ガスが該チャンバに膨張して入り該チャンバに第２所定圧力を提供する行程と、を含む。
本発明の第１の実施例によると、基板処理装置が提供される。基板処理装置は、基板処理チャンバと、ガスメータと、を含む。ガスメータは、基板処理チャンバの外部にある。ガスメータは、基板処理チャンバの中に導入される第１所定圧力の一定容積のガスを計り、その結果、ガスは基板処理チャンバにおいて受容される時、第２所定圧力を有する。ガスメータは、一定容積のガスが基板処理チャンバに導入される前に、一定容積のガスを計測する。
本発明の第２の実施例によると、基板処理装置が提供される。該基板処理装置は、基板処理チャンバと、該基板処理チャンバに所定の一定容積のガスを導入し該チャンバにおいて最終的な所定圧力を得るための手段と、を備える。基板処理チャンバにガスの所定の量を導入するための該手段は、最終所定圧と異なる初期所定圧でガスを受容する一定容積のガス調整チャンバを含む。
本発明の第３の実施例に従って、基板処理装置が提供される。該基板処理装置は、フレームと、冷却用チャックと、ポペットと、を含む。該冷却用チャックは、装着自在に該フレームに装着される。該ポペットは該冷却用チャックの一番上に装着自在に該フレームに装着される。該ポペットは該冷却用チャックと協働し、基板冷却用の冷却チャンバを形成して、該冷却チャンバ中に配設される基板を冷却する。該冷却用チャックは、該冷却チャンバの圧力を制御するために、圧力コントローラを有する。該圧力コントローラは、該冷却チャンバのためのガス供給器と該冷却用チャックとの間のガス計測領域を含む。該ガス計測領域は、該冷却チャンバから分離可能であって、該冷却チャンバの中に一定容積のガスを放出する前に該一定容積のガスを第１所定圧力で該ガス計測領域に確保する。
【図面の簡単な説明】
本発明の前述の態様及び他の特徴は、添付の図面に関連して、以下の記載の中で説明される。ここにおいて、
図１は、本発明の特徴を取り入れた基板処理装置の平面図である。
図２は、図１に示される装置の主要部分の斜視図である。
図３Ａは、上位置にあるの冷却器の模式的な断面図である。
図３Ｂは、下位置にある冷却器の模型的な断面図である。
図３Ｃは、図３Ｂに示される基板冷却チャンバの領域３Ｃの拡大図である。
図４Ａは、図３Ａの線４Ａ−４Ａに沿った該冷却器の断面模式図であり、基板が可動基板支持体の上に積まれているのを示している。
図４Ｂは、図３Ｂの線４Ｂ−４Ｂに沿った冷却器の模型的な断面図であって、ロボットアームが通過穴を通過しているのを示す。
図５は、図３Ａに示されるガス供給システムのブロック線図である。
図６は、２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）の埋め戻し（ｂａｃｋｆｉｌｌ）ガス圧力に対するガス調整チャンバ圧力に対する、容積比率の関係のグラフである。
図７は、制御タイミング線図である。
図８は、冷却器の底部ユニットのブロック線図である。そして、
図９は、冷却器の中で基板を冷却するためのシーケンスを表しているフローチャートである。
好適な実施例の詳細な説明
図１を参照すると、本発明の特徴を組み込んだ基板処理装置１０の略上面図が示される。本発明は図に示される一つの実施例に関して説明されるが、本発明は実施例の多くの別の態様において実現され得ると理解されるべきである。それに加えて、いかなる適切な寸法、形又は種類の要素もしくは材料も使用可能である。
装置１０は、主要部分１２と、基板処理モジュール１４と、基板保持モジュールあるいは装填ロックモジュール１６と、及びコンピュータコントローラ４００と、を含む。図２をも同様に参照すると、主要部分１２の斜視図が示される。主要部分１２は、ドア部分２０を有する多数の横の開口を有するフレーム１８を有する。モジュール１４、１６は、ドア部分２０に連結される。基板処理モジュール１４と基板保持モジュール１６は公知技術であり、それ故、これ以上、記載されない。主要部分１２のフレーム１８は、上のプレート３８、下のプレート１０４及びサイド１０６によって画定するプレナム１００を形成する。主要部分１２のプレナム１００は、公知技術によって真空に維持され、処理モジュール１４と基板保持モジュール１６との間で基板が搬送される時に基板の汚染が防がれる。基板Ｓは、半導体ウェーハ、フラットパネルディスプレイ基板あるいは、どんな他の種類の基板であってもよい。主要部分１２は、モジュール１４、１６の中で基板Ｓを移動するために基板搬送機構２２を有する。類似した基板搬送機構は、本願明細書に全体として資料として引用したＰＣＴ公開第ＷＯ ９４／２３９１１号に記載されている。しかし、どんな適切な種類の基板搬送機構も使用可能である。
上部プレート３８は、アクセス穴１０７、及び、穴１０７をカバーするための可動トップカバー２４を有する。カバー２４は、カバー動作クランク２６によって上下に移動させられる。主要部分１２のフロントエンド２８は、拡張部分３０を有する。好適な実施例において、基板保持モジュール１６は主要部分１２のフロントエンド２８に決められる。別の実施例において、基板保持モジュールは装置の主要部分上の他のどの適切な場所にも置かれてもよい。
好適な実施例において、拡張部分３０は、整列器３２、バッファ３４及び冷却器３６を保持する。整列器３２及び冷却器３６はモジュール式のユニットであり、上部プレート３８のアクセス穴６６を通して主要部分１６のプレナム１００の中に取り付けられる。他の実施例の中では、整列器、バッファ、そして冷却器あるいはそれらのどんな適切な組み合わせも全体として、プレナム１００の外側で主要部分１２上に設置されてよい。バッファ３４は、整列器３２と冷却器３６との間に直接的に位置する。バッファは、該機構２２が基板をモジュール１４、１６のうちの１台へと移動させるのを待つ間に、１つ以上の基板を保持し得る。しかし、バッファ３４は提供されなくともよい。整列器３２は、従来技術と同じように、基板を整列させるために使われる。本実施例において整列器３２は、フレーム１８の上部プレート３８の穴６６のうちの１つを通してフレーム１８に挿入されるモジュール式ドロップインユニットである。４本のネジ４０は、それから、整列器３２の装着フランジ４１をフレーム１８に固定するために使われる。クランク２６は、プレート４２によってフレーム１８に装着される。プレート４２は、バッファ３４の上に位置する。プレート４２は、ユーザがバッファに接近することができるようフレーム１８から取り外し得る。
図３Ａ及び３Ｂを同様に参照すると、冷却器３６は、上部ユニット４４と、底部ユニット、即ち、冷却チャック４６と、を含む。底部ユニット４６は、支持棒５０及び冷却剤通過路５２を有する伝熱プレート４８を含む。伝熱プレート４８は、フレーム１８の下方プレート１０４に装着される。伝熱プレート４８の上部表面４９は、実質的に下方プレート１０４の上側表面１０８と同一平面上である。底部ユニット４６は、除去自在にフレーム１８に装着される。伝熱プレート４８は、下方プレート１０４とともに実矧（さねはぎ）継ぎ１１０を形成する。伝熱プレート４８は、伝熱プレート４８及び下方プレート１０４の間の実矧継ぎ１１０に位置するシール１１２を有する。シール１１２は、プレナム１００の真空の完全性を維持する。伝熱プレート４８は、真空源（ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ）（図示せず）に連結される排気管５３を有する。排気管５３は、プレート４８を真空源から隔てるための排気バルブ５４を有する。排気バルブ５４は、導管６２によって伝熱プレート４８に連結される。導管６２は、伝熱プレート４８の上部表面４９に延びる。伝熱プレート４８は、又、ガス供給ライン５５によって不活性ガス６０の供給源に連結される。ガス供給ライン５５は、埋め戻しバルブ（ｂａｃｋｆｉｌｌ ｖａｌｖｅ）５６及び充填バルブ５８を有する。埋め戻しバルブ５６は、導管５７によって、充填バルブ５８に接続され、さらに下記のようにガス計測領域を形成する。埋め戻しバルブ５６は、プレート４８の上部表面４９へと延びる導管６４によって、伝熱プレート４８に連結される。
頂部ユニット、即ち、ポペット機構４４は、上方プレート３８の穴６６のうちの１つを通してフレーム１８に挿入されるモジュール式ドロップインユニットである。４本のネジ４０は、それからフレーム１８に、装着フランジ６８を固定するために用いられる（図２参照）。装着フランジ６８は、整列器の装着フランジ４１と寸法及び形が同じである。フレーム１８、整列器３２及び冷却器３６は、フレーム１８が整列器３２か冷却器３６を２つの場所Ａ及びＢに受容可能なように設計される（図１参照）。したがって、主要部分１２は２つの整列器又は２つの冷却器を有してもよく、あるいは整列器及び冷却器は反対側に位置してもよい。このようにモジュールを設計することによって製造業者は比較的容易に装置１０を所定の要求事項に合わせて設定することができる。冷却器及び／又は整列器が主要部分１２において必要でない場合、シーリングプレート（図示せず）は、冷却器及び／又は整列器の代わりにフレーム１８に連結されるだけでよい。他の重要な特徴は、ドロップインアセンブリであるために、整列器３２の頂部及び冷却器３６の頂部ユニット４４は、４つの装着ネジ４０を除去するだけで容易に主要部分１２の一番上側から除去し得る。これは、ウェーハが壊れた場合、壊れたウェーハを掃き出すために整列器及び冷却器への速くて簡単なアクセスを可能にする。頂部ユニット４４はカバー７０と、フレーム７２と、移動支持体７４と、を含む。頂部ユニット４４は更に、頂部ユニット４４を真空側１２２と圧力側１２４とに分離する圧力境界１２０を含む。冷却器３６の頂部ユニット４４の中の圧力境界１２０は、主要部分１２のフレーム１８によって形成される圧力境界の一部であり、それ故、プレナム１００の真空を維持する。圧力境界１２０の真空側１２２上の頂部ユニット４４の一部は、プレナム１００の真空にさらされる。圧力境界１２０の圧力側１２４上の頂部ユニット４４の一部は、周囲の大気の状態にさらされる。頂部ユニット４４の圧力境界１２０は、フレーム７２及びベローズシール１２６によって、フレーム７２及び移動支持体７４の間に形成される。フレーム７２は、固定状態でフレーム１８の上方プレート３８に連結される。フレーム１２の下方表面１２８は、頂部ユニット４４の圧力境界１２０の一部である。
移動支持体７４は駆動部分、即ち、機械的作動装置７６及び下方支持体７８を有する。駆動部分７６は、移動自在に圧力境界１２０の圧力側１２４上のフレーム７２に装着される。駆動部分７６は下方支持体７８に連結されて、下方支持体７８をフレーム７２に相対的に上下にポペット運動させる（図３Ａ及び３Ｂ参照）。好適な実施例においては、駆動部分７６は水圧又は圧搾気体による動力ピストン方式、或いは、ジャッキヘッド方式である。駆動部分７６はフレーム７２に対して相対的に上下運動を行い、下方支持体７８を上下に動かす。別の実施例においては、いかなる適切な駆動及び作動装置の組み合わせも、ポペットとして下方支持体７８を移動するために用いられても良い。例えば、駆動部分は、電気機械的動力によるジャッキネジであってもよい。
移動支持体７４は、駆動部分７６を下方支持体７８に連結しているコネクタ部分１３０を有する。下方支持体７８は、コネクタ部分１３０の下端部１３２からつるされる。駆動部分７６は、コネクタ部分１３０の上端部１３４に連結される。上端部１３４は、頂部ユニット４４の圧力側１４に位置している。コネクタロッド１３６は、上端部１３４及びコネクタ部分１３０の下端部１３２との間で延びる。下方支持体７８は、頂部ユニット４４の真空側１２２に位置する。コネクタロッド１３６は、フレーム７２の下方表面１２８を通って延びる。フレーム７２及び下方支持体７８間のベローズシール１２６は、コネクタロッド１３６を囲み、圧力境界１２０を保存する。駆動部分７６のストロークは、下方支持体７８を上げて上位置を取らせ基板の装填又は除去を行い、又、該支持体７８を下位置に移動させ基板を冷却させるようにする。図３Ａ及び４Ａは、上位置での移動支持体７４を示す。図３Ｂ及び４Ｂは、下位置での移動支持体７４を示す。下方支持体７８は、そこにおいて形成される基板受容凹部１４０を有する下方表面１３８を有する。シール８２は、該凹部１４０を囲む。基板支持アーム８０は、下方表面１３８の下で延びる。該下方支持体も、搬送機構２２を通す通過口８４を有する。図３Ａに示される上位置において、基板Ｓは、搬送機構２２によってアーム８０の上に装填するか、あるいはそこから除去され得る（図４Ａ参照）。基板Ｓが支持アーム８０に装填された後、下方支持体７８は下に移動させられ、その結果、シール８２は図３Ｂで示されるように伝熱プレート４８の上部表面４９に係合する。図４Ｂにも示されているように下位置においては、搬送機構２２は、穴８４を通過して保持モジュール１６の中に延びることができる。シール８２が上部表面４９に係合する時、閉塞チャンバ８６が基板受容凹部１４０の途中で、下方支持体７８の下方表面１３８と伝熱プレート４８の上側表面４９との間に形成される。閉塞チャンバ８６は、シール８２によって封止される。図３Ｃを同様に参照すると、基板Ｓは、伝熱プレート４８の支持棒５０の上に置かれる。支持棒５０は伝熱プレート４８の上側表面４９より上に突出して、その結果、シール８２が伝熱プレート４８と係合する時に基板Ｓは基板受容凹部１４０の内部で支持棒の上に配置される。伝熱プレートの上側表面はその上に溝を有し、下方支持体７８が下位置にある時、支持アーム８０を受容し、その結果、シール８２は上側表面と係合する。支持棒５０は図３Ｃに示すように、基板Ｓと伝熱プレート４８の上側表面４９との間のギャップ１４２を提供する。チャンバ８６が閉じる時に、基板Ｓをガス補助で冷却するために、不活性ガスがチャンバ８６に導入される。不活性ガス供給源６０は、ガスを供給ライン５５を介して伝熱プレート４８を通過してチャンバ８６の中に供給する（図３Ｂ参照）。
基板処理モジュール１４で処理される基板は、基板が受ける行程から生じる温度上昇を有し得る。例えば、基板が半導体ウェーハである場合には、ウェーハからガスを除去するため、ウェーハの温度は一般的にほぼ２５０℃まで上昇する。温度が上がった基板は、処理装置１０から除去する前に冷却されなければならない。これは、温度上昇で容易に起こる基板の汚染を防ぎ、高温の基板を取り扱うための特殊処理設備の必要性を除去する。基板は熱シンクへの伝熱によって冷却され、好適な実施例では伝熱プレート４８が提供される。真空の下では、基板Ｓと伝熱プレート４８との間の伝熱は、主に放射によってもたらされる。しかし、熱い表面と冷えた表面との間の温度差がほぼ３００℃である時には、放射によって提供される冷却率は非常に低い。伝導による伝熱も又、真空の下では非常に制限される。なぜなら、実質的に同一平面の表面の接触は各表面の微少な不規則のために非常に局所化されるからだ。熱い基板と熱シンク間の熱伝導率は、その間に不活性ガスを供給することによって実質的に増加させ得て、その伝熱のための主要な手段は、ガス対流／伝導である。ガスは、主要部分１８の真空を奪うのを防ぐためにチャンバに入れられなければならない。好適な実施例において、チャンバ８６は基板冷却チャンバである。チャンバ８６内部のガスの許容圧力は、チャンバ８６と真空プレナム１００との間のシール８２の設計によって制限される。シール８２の隔てる圧力差が、より高くなればなるほど、チャンバ８６からシール８２を通って漏れるガスを防ぐためのシール８２は複雑になる。それにもかかわらず、チャンバ内部のガスの圧力は、有効な熱伝導効率を提供するために十分でなければならない。約２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）（０．３８ｐｓｉｇ）のガス圧力が、基板Ｓと伝熱プレート４８との間で効果的な熱伝導を供給するのに十分であることが分かった。チャンバ８６内のこの低い圧力を取り扱うために、充填材８２は単純な一枚のガスケットシール８３であり、それは従来技術であるので、更に記載しない。
従来、冷却チャンバ内部でガス圧力を調整することは難問であった。従来の圧力ゲージは、約２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）の圧力で機能しなかった。それ故、冷却チャンバの与圧に際して当該技術においては、対流圧力ゲージが使われた。対流圧力ゲージは、非常に高価で非常に壊れやすく、繰り返し交換を必要とした。ここで開示される本発明は、対流圧力ゲージを除去することによってこの難問を克服する。本発明においては、基板冷却チャンバ８６内部のガス圧力は排気された容積の知られたチャンバ８６に、既知の一定容積一定圧力の不活性ガスを導入することによって制御され、その結果、チャンバ８６のガス圧力は結果的に約２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）となる。この既知の一定容積の不活性ガスは、チャンバ８６に導入される前に計測される。ガスは、既知の容積を有する計測チャンバへの中へある制御された圧力でガスを送り込み、そして、既知の圧力と容積を有するガス充填を形成するために該チャンバを閉じることによって、計測される。チャンバ８６の中へと充填ガスを導入するに前に該充填ガスを計測することによって、チャンバ８６の圧力を計る対流圧力ゲージが不要になる。
図５は、基板冷却チャンバ８６の圧力を制御するためのガスメータ２００を模式的に示している。ガスメータ２００は、不活性ガス６０の供給源を基板冷却チャンバ８６に連結しているガス供給ライン５５に配置されるガス計測チャンバ２０２を含む。ガス計測チャンバ２０２は、所定容積Ｖ₁を有する。ガス計測チャンバ２０２の容積Ｖ₁は、実質的に導管５７の容積である。バルブ５６、５８の本体内の小さな容積は、ガス計測チャンバ２０２の全体的な容積Ｖ₁に対してほとんど影響を与えない。ガス計測チャンバ２０２は、基板冷却チャンバ８６から下流側において、埋め戻しバルブ５６によって隔離され得る。その上流の側においては、ガス計測チャンバ２０２は、ガス供給源６０から充填バルブ５８によって分離される。ガス供給源６０は、ガス計測チャンバ２０２の中に不活性ガスを供給し、そこで、所定の圧力Ｐ₁にまでガス充填に与圧する。ガス計測チャンバ２０２はそれからガス供給源６０から隔てられ、そして、充填ガスは、所定容積Ｖ₂を有する排気された基板冷却チャンバ８６の内部に膨張することが可能になる。基板冷却チャンバ８６において結果として生じる埋め戻し圧力Ｐ_coolは、ガス計測チャンバ２０２の初期圧力Ｐ₁と同様に、基板冷却チャンバ８６の容積Ｖ₂とガス計測チャンバ２０２の容積Ｖ₁との比率に依存する。この関係は、ボイルの気体法則によって説明される。
ボイルの気体法則は以下の通りである。
（１） Ｐ_iＶ_i＝Ｐ_fＶ_f
ここで、
Ｐ_i＝一定容積ガスの初期容積での初期圧力。
Ｖ_i＝ガスの初期容積
Ｐ_f＝最終ガス容積での最終ガス圧力
Ｖ_f＝ガスの最終容積
図５参照すると、式（１）によって与えられるボイルの気体法則によって記載される関係は
（２） Ｐ₁Ｖ₁＋Ｐ₂Ｖ₂＝Ｐ_cool（Ｖ₁＋Ｖ₂）
となる。ここで、
Ｐ₁＝ガス計測チャンバ２０２内の充填ガスの初期圧力
Ｖ₁＝ガス計測チャンバ２０２の容積
Ｐ₂＝排気された時の基板冷却チャンバ８６内の初期圧力
Ｖ₂＝基板冷却チャンバ８６の容積
Ｐ_cool＝ガス計測チャンバ２０２からガスが膨張する時の最終的なガス充填埋め戻し圧力
（Ｖ₁＋Ｖ₂）＝ガス計測チャンバ２０２からのガス充填が膨張して入る最終容積
基板冷却チャンバ８６が排気される時にＰ₂≒０と仮定すると、式（２）は
（３） Ｐ₁Ｖ₁＝Ｐ_cool（Ｖ₁＋Ｖ₂）
となる。そして、Ｖ₁≪Ｖ₂を仮定すると、式（３）は、
４（ａ）

又は、
４（ｂ）

となる。
式（４）（ｂ）は、Ｐ_coolと、ガス計測チャンバ２０２内の初期ガス圧力Ｐ₁に比較した基板冷却チャンバ８６内の最終的な圧力と、ガス計測チャンバ２０２の基板冷却チャンバ８６に比較した容積比率Ｖ₂／Ｖ₁との関係を説明する。基板冷却チャンバ８６に対するガス計測チャンバ２０２の容積比率Ｖ₂／Ｖ₁はあらかじめ決められて、その結果、ガス供給源が計測チャンバ２０２の中のガスを与圧する約２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）の圧力Ｐ₁は、充填ガスが膨張する時、埋め戻し圧力Ｐ_coolに結果としてなる。例えば、容積比率Ｖ₂／Ｖ₁が１００（即ち、ガス計測チャンバの容積Ｖ₁は、基板冷却チャンバの容積Ｖ₂の１／１００である）と設定される場合、２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）の埋め戻し圧力Ｐ_coolを得るためには、ガス充填圧力は、２６６６４４Ｐａ（２０００Ｔｏｒｒ）でなければならない。ガス充填圧力Ｐ₁は、次のように計算される。

（２０Ｔｏｒｒ）（０．３８ｐｓｉａ）
Ｖ₂／Ｖ₁＝１００ との仮定において
Ｐ₁＝２６６６４４Ｐａ（２０００Ｔｏｒｒ）、（３８ｐｓｉａ）、即ち、２３ｐｓｉｇ
図６は、埋め戻し圧力Ｐ_coolが２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）の場合のガス充填圧力Ｐ₁に対する容積比率Ｖ₂／Ｖ₁の関係を示すグラフである。ガス充填圧力Ｐ₁は横座標に記され、そして、容積比率Ｖ₂／Ｖ₁は縦座標に記される。図６のグラフは、ガス充填圧力Ｐ₁が増加すると、ガス計測チャンバに対する基板冷却チャンバの容積比率Ｖ₂／Ｖ₁が比例して増加しなければならないことを示す。
ガス計測チャンバ２０２の容積Ｖ₁に対する基板冷却チャンバ８６の容積Ｖ₂の比率は、チャンバ８６、２０２と、チャンバ８６、２０２を互いに連結し、そして、該両者を導管６２に連結している導管６４と、の機械的な設計によって画定される。好適な実施例においては、ガス計測チャンバ２０２は、埋め戻しバルブ５６と、充填バルブ５８と、その間にある導管５７と、を含む（図５参照）。それ故に、ガス計測チャンバ２０２の容積Ｖ₁は、導管５７の容積によって画定される。この容積Ｖ₁は、導管５７の内部寸法によって画定される。別の実施例においては、ガス計測チャンバは、既知の一定容積を提供するどんな適切な構成要素を備えてもよい。図３Ｃに最もよく示されるように、容積Ｖ₂は、チャンバ８６の容積と、基板冷却チャンバ８６を埋め戻しバルブ５６に連結する導管６４の容積と、基板冷却チャンバを排出バルブ５４に連結する導管６２の容積と、を含む。基板冷却チャンバ８６の容積Ｖ₂は、基板冷却チャンバ８６及び導管６２と６４の設計要求事項によって制限を受ける。下方支持体７８の凹部１４０の容積は、凹部１４０の深さと面積の大きさによって画定される。凹部１４０の領域は、基板Ｓを収容できるように設定される。凹部１４０の深さは、基板冷却チャンバ８６が形成される時、基板Ｓが凹部１４０に収容されて、そして、充分なギャップ１４２が基板Ｓと伝熱プレート４８の間に提供されるように大きさを設定される。ギャップ１４２は、不活発ガス充填が基板Ｓの下を流れるようにする。導管６２と６４の容積は、導管６２と６４の直径と長さによって画定され、導管６２と６４を排出バルブ５４又は埋め戻しバルブ５６の位置にまで伝熱プレート４８を通過して伸ばすことが要求される。前記の設計要求事項は、実質的に一定である。それ故に、基板冷却チャンバ８６の容積Ｖ₂も、実質的に一定であり、そして、それ故、基板冷却チャンバ８６とガス計測チャンバ２０２との間の適切な容積比率Ｖ₂／Ｖ₁は、適切な容積Ｖ₁を有する導管５７を提供することによって、最も容易に得られる。適切な容積比率Ｖ₂／Ｖ₁は、図６のグラフに従って、ガス供給源６０から入手可能な計測Ｐ₁に合わせて選ばれる。一度、適切な容積比率Ｖ₂／Ｖ₁が確認され、基板冷却チャンバ８６の容積Ｖ₂が与えられれば、導管５７の長さとその内径が設定され、要求される容積Ｖ₁を提供する。約１５８５８５Ｐａ（２３ｐｓｉｇ）のガス供給圧力は、どこにでも売っているようなガス調整器で間に合わせ得るほど容易に達成できるガス圧力である。図６から、少なくとも２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）（３８ｐｓｉａ）の基板冷却チャンバ８６の圧力Ｐ_coolを達成するために、容積比率Ｖ₂／Ｖ₁の値１００は、ガス供給圧力１５８５８５Ｐａ（２３ｐｓｉｇ）に相当する。容積比率Ｖ₂／Ｖ₁の値１００は、冷却器３６の底部ユニット４６の機械的な設計の制約を仮定すると、処理できる範囲である。図８に示すように好適な実施例では、ガス圧力ほぼ２６６６．４４Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）を有する基板冷却チャンバ８６を埋め戻すために、底部ユニット４６は全ての必要な配管を含む。必要な配管は、ガス計測チャンバ２０２を有するガス供給ライン５５を含む。ガス供給ライン５５は、ガス供給ラインが底部ユニット４６と一体であるように、配置され、伝熱プレート４８から支えられる。ガス供給ライン５５は、不活性ガスの供給源６０に機械的に連結される。排気管５３は、真空源に機械的に連結される。ガス供給ライン５５と排気管５３とが、それぞれガス供給源６０と真空源から切り離される時、伝熱プレート４８はガス供給ライン５５及び排気管５３を有するモジュールとしてフレーム１８から除去されてもよい。別の実施例においては、ガス計測チャンバ及び全ての他の必要な配管は、主要部分１２のフレーム１８に添付されてもよい。
基板冷却チャンバ８６内の基板冷却を補助するのに使われるガスは、不活性ガスが好ましい。アルゴンは高真空システムに好適な埋め戻しガスであり、窒素は粗い真空システムにより適している。アルゴンは、窒素より熱伝導が低く、熱伝導効果はより低いが、高い真空での使用に際しより高いポンピング速度によって全体的により良い性能を示す。さらに、アルゴンは貴ガスであり化学反応に対して不可視であるが、一方、窒素は若干の化学現象のプロセスを妨害し得る。
装置１０は、基板搬送機構２２の動作を制御するコンピュータコントローラ４００と、移動支持体７４と、冷却器３６のバルブ５４、５６、５８と、を含む（図１参照）。コンピュータコントローラ４００は、移動支持体７４の動作を、ガス計測チャンバ２０２からのガス充填の解放に同期させる。移動支持体７４は、図３Ｂ及び４Ｂで示されるように、ガス解放に先だってその下位置に下げられる。移動支持体７４は、冷却サイクルの間、下位置に留まる。移動支持体７４は、基板冷却チャンバ８６が真空源によって外へ送り出される場合にだけ上げられる。コンピュータコントローラ４００は又、移動支持体７４の動作をロボット搬送アーム２２の位置に同期させる。移動支持体７４が上位置にある時、図３Ａ及び４Ａで示すように、コントローラ４００は、搬送アーム２２を下方支持体７８の下に部分的に延ばし得て、下方支持体７８の支持アーム８０の上にある基板を取り上げるか、配設する。コントローラ４００は、基板を装填或いは除去する間、移動支持体７４を上位置に留める。移動支持体７４が下位置にまで下げられる時に、搬送アーム２２は充分に延ばされて、そして、基板を冷却器３６（図４Ｂ参照）と接合している保持モジュール１６の方へ、又は、そこから下方支持体７８の中の空洞８４を通って移動させる。コントローラは、搬送アームが下方支持体７８の中で空洞８４を通って延びる時に、移動支持体７４を下位置に留める。
好適な実施例において、コントローラ４００はセンサ付きの典型的ＶＡＴスロットゲートバルブに、ある意味で類似した移動支持体７４の動きを制御する。「ポペットアップ」リミットスイッチ４０２は、移動支持体７４が図３Ａに示される上位置にある時、信号を発する。「ポペットダウン」リミットスイッチ４０４は、移動支持体７４が図３Ｂに示される下位置にある時、信号を発する。移動支持体７４を上げるために、コントローラは移動支持体７４を上げるよう作動させ、「ポペットアップ」リミットスイッチ４０２の信号が０から１（即ちポペットアップリミットスイッチが閉じる）へと移行するまで、作動状態のままにしておく。移動支持体７４を下げるために、「ポペットダウン」リミットスイッチ４０４が作動するまで、コントローラは移動支持体７４を下位置で作動する。上昇下降の両動作は、エラーチェック目的のためのタイムアウトに従属する。別の実施例において、コントローラ４００はどんな適切な手段によっても移動支持体の動きを制御してよい。移動支持体７４と基板搬送アーム２２の動きを同期させるために、コンピュータコントローラは、以下の連動装置（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ）を有する。「ポペット上昇／下降許可」連動装置４０６は、搬送アーム２２が格納される場合にだけ、移動支持体７４が動けるようにする。これは、搬送アーム２２と移動支持体７４の破損を防ぐ。「ポペット上昇／下降」連動装置４０６は、搬送アーム２２が格納される時に信号を出す適切なセンサによって稼働する。「ロボット装填／除去通過許可」連動装置４０８は、ロボット搬送アーム２２を部分的に伸ばさせて基板を下方支持体７８から装填／除去させ、あるいは、充分に延ばさせて、保持モジュール１６の中の基板を取り上げるか又は置くようにさせる。その時は、移動支持体７４は上位置あるいは下位置にある場合だけである。これは、移動支持体７４からの干渉なしに搬送アーム２２を伸ばすことを可能にする。「ロボット装填／除去通過許可」連動装置４０８は、「ポペットアップ」リミットスイッチ又は、「ポペットダウン」リミットスイッチのどちらかが閉じる時に作動する（図４Ａ及び４Ｂ参照）。コンピュータコントローラ４００は又「ポペット開放許可」連動装置４１０を有し、移動支持体７４を上げる許可を出し、それ故に、冷却サイクル（図８参照）の終了に際して、基板冷却チャンバ８６を開ける。この連動装置は、冷却サイクルの終期に基板冷却チャンバ８６から外へ排気される時、稼働する。したがって、移動支持体７４は、冷却チャンバ８６が主要部分１２のプレナム１００の汚染を防ぐ真空状態に回復されるまでは移動されることができない。好適な実施例において、充填バルブ５８及び埋め戻しバルブ５６は、位置表示を有しない。その代わりに、高設定ポイント及び低設定ポイント出力をプログラム可能な圧力スイッチ３００が、ガス計測チャンバ２０２の圧力を検知する（図８参照）。圧力スイッチ３００も埋め戻しバルブ５６が開いている時に、基板冷却チャンバ８６内の圧力を検知する。「ポペット開放許可」連動装置４１０は、冷却チャンバ８６が排気されていることを示す圧力スイッチ３００の「圧力下降」信号によって作動する。別の実施例において、基板冷却チャンバ８６の真空状態は、どんな適切な手段によっても検出されて、コンピュータコントローラに信号を送られてよい。
埋め戻しバルブ５６、充填バルブ５８及び排気バルブ５４は、遠隔操作され、コンピュータコントローラ４００によって制御される。好適な実施例において、排気バルブ５４は、ＫＰ−６単段階角度ポペットバルブである。バルブは、圧搾気体式アクチュエータ付きの単作動である。埋め戻しバルブ５６及び充填バルブ５８は、単作動圧搾気体式アクチュエータを有する外径６．３５ｍｍ（１／４ｉｎｃｈ）の高純度ダイアフラムバルブである。別の実施例では、埋め戻し、充填及び排気バルブは、どんな適切な遠隔作動バルブであってもよい。好適な実施例において、圧力スイッチ３００は、プログラム可能な上下設定点を有するデジタル圧力スイッチである。典型的には、高設定点は６８９４８Ｐａ（１０ｐｓｉｇ）で、低設定点は−９８５９５６Ｐａ（−１４．３ｐｓｉｇ）で設定される。別の実施例において、圧力スイッチは、上下の設定点を有するどんな適切なプログラム可能なタイプであってもよい。移動支持体７４の圧搾気体駆動部分７６及び圧搾気体式の埋め戻しバルブ５６、充填バルブ５８そして排気バルブ５４は、パイロットソレノイドバルブのようなコンピュータコントローラ４００によって制御されるシステム制御の電気的及び圧搾気体式インタフェースを有する。
基板冷却チャンバ８６の中の基板Ｓを冷却するための冷却サイクルは、非常に単純なシーケンスに従う。該サイクルは、閉じた基板冷却チャンバ８６の中に一定容積のガスを放出する行程と、このガスと伝熱プレート４８との間の熱伝導に依存する行程と、を含む。一定時間の後、ガスは外へ排気され、基板冷却チャンバ８６を開いた状態にさせる。図９は、基板処理装置１０内の基板を冷却するための行程を表すフローチャートである。該行程のシーケンスは、一般に以下のように進む。初期状態では、冷却器３６は以下の構成を有する。充填バルブ５８は、閉じる。埋め戻しバルブ５６及び排気バルブ５４は、開く。移動支持体７４は、図３Ｂに示される下位置又は閉位置である。冷却サイクルは、最初に基板冷却チャンバ８６内に基板Ｓを装填することによって始まる。この行程を終わらせるために、排気バルブ５４及び埋め戻しバルブ５６は閉じられる。移動支持体７４は、図３Ａに示されるその上位置あるいは開位置に移動される。搬送機構は、基板Ｓを下方支持体７８のアーム８０に配置するために部分的に伸ばされる（図４Ａ参照）。搬送機構は、格納される。移動支持体７４は、それから閉位置に移動される（図３Ｂ参照）。基板装填動作と並行して、ガス充填はガス計測チャンバ２０２で計測される。実際に、排気バルブ５６が閉じられているどんな行程とも並行して計測はおきても良い（即ち、以下の冷却サイクルの放出部分を除く如何なる行程）。
ガスは、充填バルブ５８を開け、不活性ガスをガス供給源６０から導管５７に通して計測される。充填バルブ５８は一定時間開いたままで、充填バルブ５８と埋め戻しバルブ５６間の導管５７の容積が、ガス供給源６０の圧力約２７５８００Ｐａ（４０ｐｓｉｇ）と同じレベルに与圧されることを保証する。この時間間隔は、導管５７の物理的な構成及びガス供給源６０の種類の性質であるため固定されている（換言すればユーザーが設定可能でない）。充填バルブ５８は、それから閉じられる。導管５７の圧力スイッチ３００は、プログラムされた高出力を作動させ、ガス充填が導管５７に存在することと、充填バルブ５８が循環したことと、を示す。基板Ｓが基板冷却チャンバ８６に装填され、そして、ガス充填が計測された後、基板Ｓはそれから冷却され得る。埋め戻しバルブ５６は開けられ、冷却チャンバ８６中に一定容積のガスを放出する。冷却チャンバ８６は、今度は、ユーザーがプログラム可能な一定時間（冷却時間）、閉じられたままになる。この時間は、ガス圧力と、冷却プレート温度と、基板Ｓが温度チャンバ８６に受容される時の温度との関数となる。圧力スイッチ３００は、中立の状態（高くもなく低くもない作動設定点）に戻る。基板冷却チャンバ８６の排気は、冷却時間が終了したあと実行される。排気管５３は一定時間、冷却チャンバ８６のガスを除去するために排気バルブ５４を開けることによって、開かれる。圧力スイッチ３００は、低い圧力が存在していること、そして、排気バルブ５４が循環したことを示すプログラムされた低い出力を作動させる。排気が終了した後、最後に、基板Ｓは基板冷却チャンバ８６から降ろされる。冷却チャンバ８６から基板を降ろすシーケンスは、装填するためのシーケンスに類似している。排気バルブ５４及び埋め戻しバルブ５６は閉じられる。移動支持体７４は開位置あるいは上位置へと動かされ、そして、基板はロボット２２によって除去される。通常、基板交換が起きて（即ち、新しい基板はアーム８０上に配置され、移動支持体７４はなお開いた状態にある）、そして、新しい冷却サイクルが起こる。しかし、移動支持体７４が基板なしで閉じる場合、排気管５３は再び開かれて冷却器３６を最初の状態に戻す。
基板処理装置１０は、基板の取り扱いを改善して、基板が装置１０の中にある時破損を防ぐために、以下の特徴を有するのが好ましい。コンピュータ制御は、伝熱プレート４８の温度が効果的な冷却に必要なレベルを超える場合に作動する「温度超過」センサを、モニターする。又、バルブ動作は、エラーチェック目的のためタイムアウトに従属する。従来技術では存在していた冷却用モジュール上の基板センサは、除去される。基板の適切な取り付けを決定する機能がほとんど不可能でさらに、非常に高価なので、基板センサは信頼性を向上させないか、あるいは、基板破損を防げない。基板搬送ロボット２２の高い信頼性及びシステム制御ソフトウェアの基板追跡能力は、適切な基板処理を保証する。ロボット２２が信頼性を伴って基板を取り扱うためには、移動支持体機構７４は繰り返し可能でなければならなく、そして、基板は冷却サイクルの間、動いてはならない。基板位置が動作の間、ずれないよう確かめるために、充分なテストが実施されるべきである。
冷却器３６の制御系は、以下に対する防御のために、失敗モードを有することが好ましい：
１．電力損失、及び
２．制御空気圧力の損失。
全てのパイロットソレノイドバルブは、電気信号損失に際してそのままに留まるべきである。装置空気圧力の損失の場合には、制御系空気供給システムは、空気圧力が３０分以上３４４７５０Ｐａ（５０ｐｓｉｇ）以下に落ちないように防ぐために、充分な蓄積を有すべきである。チェックバルブは、装置の隔壁接続と分配点との間に設置されるべきである。さらに、低圧設定点を有するゲージが、チェックバルブの上流空気供給圧力を示すために設置されるべきである。
図７は、コントローラ４００の冷却サイクル間の動作タイミング線図である。制御詳細は、好ましくは次の通りである：

基板の冷却サイクル間のコントローラ４００の動作は、図９のフローチャートに概略的に表される。好適な動作は、次の通りである：
・初期条件
Ｐ１
ａ．移動支持体７４は、駆動部分７６に加えられる空気圧力によって閉じられるか、又は、閉位置まで下げられる。
ｂ．「ポペットダウン」リミットスイッチは、移動支持体７４が閉位置にあることを示すために作動する。
ｃ．充填バルブ５８は、閉じられる。
ｄ．埋め戻しバルブ５６は、開く。
ｅ．排気バルブ５４は、開く。
ｆ．調整された（２７５８００Ｐａ（４０ｐｓｉｇ）まで）窒素／アルゴンガスは、充填バルブ５８に供給される。
ｇ．排気バルブ５４は、適切な真空源（＜１００ｍＴｏｒｒ）に連結される。
ｈ．基板は、基板冷却チャンバ８６に存在しても存在しなくてもよい。
・装填／除去
Ｐ２．「ポペット開放許可」連動装置が、稼働する。
Ｐ３．「ポペット上昇／下降許可」連動装置が、稼働する。
Ｐ４．埋め戻しバルブ５６を閉じる。
Ｐ５．排気バルブ５４を閉じる。
Ｐ６．移動支持体７４を上げる。
Ｐ７．移動支持体「ポペットアップ」リミットスイッチが、作動する。
Ｐ８．充填バルブ５８を開く。
Ｐ９．「ロボット装填／除去及び通過許可」連動装置が、作動する。
Ｐ１０．ロボット２２は、冷却水（もし存在すれば）を除去して、下方支持体７８のアーム８０上に高温ウェーハをおく。
Ｐ１１．「ポペット上昇／下降許可」連動装置が、作動する。
Ｐ１２．圧力スイッチ３００高圧信号。
Ｐ１３．充填バルブ５８を閉じる。
・冷却
Ｐ１４．移動支持体７４を下げる。
Ｐ１５．移動支持体７４「ポペットダウン」リミットスイッチ、作動。
Ｐ１６．「ロボット装填／除去通過許可」、作動（搬送アーム２２は、保持モジュール１６から基板の搬送を始める）。
Ｐ１７．埋め戻しバルブ５６を開く。
Ｐ１８．基板を冷却。冷却期間を待つ（オペレータによってプログラム可能）。
Ｐ１９．排気バルブ５４を開く。
Ｐ２０．排気期間を待つ（オペレータによりプログラム可能）。
Ｐ２１．圧力スイッチ３００、低圧力信号。信号ウェーハスケジューラ、「冷却工程終了、除去準備」。
本発明の基板処理装置１０は、従来技術よりも大いに単純化された。いくつかの機能は、性能を最大化し機構の複雑さを最小化するために、非常に単純化された。その差異は、システム搬送チャンバへのドロップインインタフェース、ガス補助冷却の単純化、そして、搭載式制御電子部品の除去と、を含む。
冷却器３６の移動支持体７４は、上部から点検を容易にするためにパッケージし直された。冷却器３６の動作機構は、カートリッジ４４のドロップイン上部ユニットとして組み立てられる。全てのサービス可能なパーツ（即ちシール８２、支持アーム８０、ベローズシール１２６）は、ドロップイン上部ユニット４４を除去した後、容易に交換され得る。伝熱プレート４８は、この上部ユニット４４が取り外される時に容易に清掃し得る。システム寿命の間及び通常の動作下では、伝熱プレート４８は搬送チャンバからの除去を必要としない。
ガス補助ウェーハ冷却の基本的方法は、いくつかの変更態様で維持された。重要な変更態様は、移動支持体７４の下のガス埋め戻しは与圧された一定容積のガスを用いて計測され、該ガスは次に、あらかじめ排気された冷却チャンバ８６の中へと膨張することが可能になる。この簡略化によって、ポペット圧力測定と、対流ゲージのずれに起因するエラーが除去される。別の実施例においては、水冷ループ管（冷却剤通過管）５２も又、冷却器３６に設置される比較的低い熱負荷とプレナム１００の下方表面１０４の比較的大きい伝導冷却容積の故に、取り除いてもよい。従来技術において使われる埋め込み式コントローラは除去され、そして、全ての機能コントロールは主要部分コントローラ４００の中にある。現在、５ビットのディジタル入出力が必要である。本発明の特徴は、冷却器よりむしろヒーターにおいて、あるいは、ヒーター／冷却一体型器において使用され得る。さらに、本発明の特徴は又、ガス補助行程のための基板処理チャンバのうちの１つにおいて利用され得る。
前述の説明は本発明の単なる例示にすぎないことが、理解されるべきである。多様な選択肢及び変更態様が、当業者によって本発明の範囲内において考えられ得る。それ故、本発明は添付の請求項の範囲を逸脱しないこの種の全ての実施例、変更態様及び自由度を含むものである。

Claims (5)

1. フレームと、
   前記フレームに着脱自在に装着される冷却用チャックと、
   前記冷却用チャックの一番上の前記フレームに取り外し自在に装着されるポペットと、を備えた基板処理装置であって、
   前記ポペットが下位置にあるときに、前記ポペットは、冷却用チャックと協働して冷却チャンバ内に位置する基板を冷却する一定容積（Ｖ ₂ ）の該冷却チャンバを形成し、前記冷却用チャックは前記冷却チャンバ内の圧力を制御するコントローラを有し、
   前記冷却用チャックは、前記冷却チャンバ内のガスを排気する排気バルブを有する排気管及びガス供給源からのガスを前記冷却チャンバ内に供給する排気口を備えた伝熱プレートと、前記冷却チャンバのためのガス供給源と前記冷却チャンバとの間のガス計測領域と、を備え、
   前記ガス計測領域は、下流側においては前記ガス計測領域を前記冷却チャンバから隔てるための埋め戻しバルブによって、かつ上流側においては前記ガス計測領域を前記ガス供給源から隔てるための充填バルブによって画定される一定容積（Ｖ ₁ ）を有し、
   前記コントローラは、少なくとも前記排気バルブ、埋め戻しバルブ及び充填バルブを制御することで、前記冷却チャンバから分離されて、前記一定容積（Ｖ ₁ ）のガスが前記冷却チャンバの中に開放される前に第１所定圧力（Ｐ ₁ ）での前記一定容積（Ｖ ₁ ）のガスを前記ガス計測領域において決定し、前記冷却チャンバの中に開放されるガスは前記冷却チャンバ内にわたって実質的に一定である第２所定圧力（Ｐ ₂ ）を達成し、
   前記ガス計測領域は、ガス供給源から前記ガスを受け取り、前記ガス供給源の圧力は前記第１所定圧力（Ｐ ₁ ）と実質的に等しいことを特徴とする基板処理装置。
2. 前記埋め戻しバルブ及び前記充填バルブが外径６．３５ｍｍ（１／４ｉｎｃｈ）の高純度ダイアフラムバルブであることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記ガス計測領域が、前記ガス計測領域を前記基板処理チャンバから隔てる埋め戻しバルブと、前記ガス計測領域をガス供給源から隔てる充填バルブと、前記埋め戻しバルブを前記充填バルブに連結する導管と、を有することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
4. 基板処理装置であって、前記導管が前記ガス計測領域における所定容積（Ｖ ₁ ）を画定するための所定の直径及び所定の長さを有し、その結果、前記所定容積（Ｖ ₁ ）のガスが前記ガス計測領域から開放されて、そして、前記冷却チャンバの中に導入される時に、前記第１所定圧力（Ｐ ₁ ）で前記導管の該所定容積（Ｖ ₁ ）に受容されるガスが、前記冷却チャンバ内の前記第２所定圧力（Ｐ ₂ ）を達成するために必要となる前記所定容積（Ｖ ₁ ）のガスを形成することを特徴とする請求項３に記載の基板処理装置。
5. 請求項１−４に記載された何れかの基板処理装置の冷却チャンバの中にガスを導入する方法において、
   所定容積（Ｖ ₂ ）の冷却チャンバの中にガスを導入する方法であり、
   前記冷却チャンがほぼ真空の時に、冷却チャンバと真空源との間の排気バルブ及び冷却チャンバとガス供給源との間の充填バルブを閉じる行程と、
   前記ガスの供給源から供給されるガスを第１所定圧力（Ｐ ₁ ）まで所定容積（Ｖ ₁ ）のガス計測領域に充填する行程と、
   前記領域を前記第１所定圧力（Ｐ ₁ ）に維持するために前記ガス計測領域を閉じる行程と、
   前記領域を前記冷却チャンバに向けて開放し、これによって前記ガスが前記冷却チャンバの中へと膨張し、前記冷却チャンバに第２所定圧力（Ｐ ₂ ）を提供する行程と、を有し、
   前記充填行程が、前記ガス計測領域と前記冷却チャンバとの間の埋め戻しバルブを閉じる行程と、その後、前記ガス計測領域と前記ガス源との間の充填バルブを開く行程と、を有し、
   前記ガス計測領域を閉じる前記行程が、前記ガス計測領域をガス供給源から隔てるために充填バルブを閉じる行程を有し、そして、前記充填バルブは、前記充填バルブを開いた後の所定の時間の後、閉じられて、その結果、前記ガス計測領域を前記第１所定圧力（Ｐ ₁ ）に保つものであり、
   前記第１所定圧力は（Ｐ ₁ ）は、前記ガスを供給するガス源の圧力に実質的に等しく、
   前記第２所定圧力（Ｐ ₂ ）は、前記冷却チャンバ内にわたって実質的に一定であることを特徴とする基板処理装置の冷却チャンバの中にガスを導入する方法。

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