JPH05190642A - ロードロックチャンバにおける熱こう配を制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロードロックチャンバ内部において支持され
る高温のシリコンウェーハ等の熱勾配を制御する方法及
び装置を得ること。 【構成】 真空状態においてロードロックチャンバ１０
内部に処理済みウェーハ等の加熱された物体Ｗを載置し
た後に、特に限定された量のベント気体を導入し、特定
の長さの時間、チャンバ内部の圧力を中間レベルに維持
して、その熱勾配を制御する。その特定時間の後、チャ
ンバに完全に通気する。この段階的通気をコンピュータ
２４を含む制御装置２２によって制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば加熱された物
体を収容するロードロックチャンバにベントガスを導入
した場合に生じる熱こう配を制御する方法および装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばメモリデバイスの生産のためのウ
ェーハ加工システムのワークステーションについて考え
てみる。このようなワークステーションは、ロードロッ
クチャンバを備えていることが多く、化学蒸着チャンバ
から１つずつ取り出されるシリコンウェーハは、例えば
貯蔵エレベータによって送り出される前に、このロード
ロックチャンバを通される。化学蒸着チャンバから取り
出されたウェーハは約３６０℃になることがあり、真空
状態の中で保持されている場合、貯蔵エレベータ上では
明りょうには冷却されない。ウェーハはもろく容易に損
傷を受けることから、その外周面域によってのみ支持さ
れている。真空において貯蔵エレベータへの熱の伝導
は、ウェーハとエレベータとの間の密な接触によって定
まる。ウェーハ表面の輪郭が、貯蔵エレベータの平面輪
郭と完全には一致しない場合、各表面間の接触は不良と
なり、したがって伝導率は低くなる。輪郭が一致する場
合においても、ウェーハの表面の粗さおよび軽量である
ことがエレベータ表面とのその接触を最小のものにして
いる。

【０００３】ロードロックチャンバに通気すると、ウェ
ーハは、急に冷却され始める。この通気ガスが、ウェー
ハから貯蔵エレベータへ熱を伝導し、ウェーハの貯蔵エ
レベータと接触している部分を冷却する一方で、ウェー
ハの他の部分は、シリコンを通しての横伝導によっての
み熱を失う。これが、ウェーハ内の大きな熱こう配とな
る。このことが、貯蔵エレベータ内での多数のウェーハ
の破損の原因であると考えられている。貯蔵エレベータ
と接触するウェーハの各部分は、冷えるにしたがって収
縮するのに対し、他の非接触部分は収縮しない。この差
動冷却が、冷たい部分における引張り荷重および熱い部
分における圧縮荷重を引き起こす。これらの荷重は、こ
のこう配の配向によって、ウェーハをつぶすかあるいは
剪断し得るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ロー
ドロックチャンバ内部において支持される高温のシリコ
ンウェーハ等の熱こう配を制御する方法および装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記および他の目的を達
成することのできる本発明を実施した方法によれば、加
熱された物体を、真空状態で密閉されたロードロックチ
ャンバ内に配置し、次に、チャンバに１度にではなく２
段階に分けて気体を注入する。まず、チャンバ内の圧力
が例えば１０torrといったあらかじめ選択された中間レ
ベルに達するように、特に限定された量の気体を導入し
チャンバをあらかじめ選定された時間の間、この状態で
維持する。上述したように、このようにしてロードロッ
クチャンバに導入された気体は、加熱された物体に対し
て冷却効果を有するが、この効果は、その物体がホルダ
によって支持される部分において特に強く、これは、ホ
ルダの熱伝導率が高く、また、気体分子が加熱された物
体から熱を奪ってホルダに伝導するために移動する距離
が短いためである。限定した量の気体のみを導入した場
合その物体の接触している部分における冷却の速度は、
ロードロックチャンバが完全に通気された場合よりも低
い。この導入された気体が、物体の非接触部分の冷却に
殆ど寄与しないから、このことは、接触部分におけるホ
ルダへの熱伝導の率が減少することによって、物体中の
熱こう配が減少することを意味する。そして、この処理
時間の終了に際してチャンバは完全に通気される。

【０００６】このような段階的な通気プロセスをソフト
ウェアおよびハードウェアの両面において実現が可能で
ある。上述した方法のソフトウェアによる実施において
は、チャンバとベント気体の高圧供給源との間にバルブ
を設け、コンピュータを含み得る制御機構を、最初に例
えばパルス信号を出力することによって限定された時間
の間だけバルブを開放し、実験的に選択された所在時間
の後に最終的にバルブを完全に開放するようにプログラ
ムする。ハードウェアによる実施においては、ベントリ
ザーバおよび空気シーケンサ回路を含むものとすること
ができる。まず、ベントリザーバ内のベント気体をチャ
ンバ内にその内部圧力が所定の中間レベルに増大するよ
うに導入しこのシーケンサが、ベント気体供給源に接続
する別のバルブを遅延させて開放することによって、チ
ャンバを完全に通気する。このようなシーケンサを、ス
イッチバルブおよびボリュームチャンバを用いることに
よって、トランジスタおよびコンデンサによってつくら
れる電気的遅延回路によく似たものとして作成すること
ができる。

【０００７】

【実施例】本発明は、シリコンの熱伝導率が、１００℃
においては約0.２５ cal／sec ・cm・℃であるが、４０
０℃においてはこの値の半分以下であるという観測結果
に部分的に基づいている。この発明の基となる別の観察
としては、２００mmの裸のウェーハの放射透過率が、例
えば３〜１０ミクロンの波長において８５％を超えるこ
とがあげられる。このことが、ウェーハ面またはその各
表面の高度に磨かれた状態と合わさって、ウェーハが一
般的に赤外線の放出源としては弱いものであることを意
味している。したがって、加圧された高温のシリコンウ
ェーハをロードロックチャンバに入れ、ホルダ上に載置
した場合、この真空環境におけるウェーハからの熱の除
去は、それのホルダとの密な接触に基づいたものとな
る。しかし、従来の技術の項において説明したように、
ウェーハとホルダとの間には緊密な接触は生じにくい。

【０００８】ロードロックチャンバにベント気体が導入
されると、ウェーハに接触してそこから熱を吸収する気
体分子が、ホルダに衝突し、したがって熱を伝導しやす
くなる。ウェーハのホルダによって支持される周辺地域
においては、分子にとって、ウェーハからホルダまで移
動してしたがって熱を伝達し、また、ホルダからウェー
ハ面に戻るまでの距離が短くなる。これに対して、ウェ
ーハのホルダと接触していない部分は、シリコンを通し
ての横伝導率が低いことおよびベント気体分子が熱を伝
達するために他の表面に接触できる前に移動する距離が
ずっと長くなることの両方のために、効率的に熱を失う
ことができない。このためウェーハ内部において急な熱
こう配を生じ、ウェーハ内部の応力および最終的にはそ
の破損を引き起こす。そして、本発明は、この熱こう配
を、ロードロックチャンバ内部の圧力（または気体密
度）を調節することによって制御できるという観察に基
づいている。

【０００９】本発明によれば、ロードロックチャンバに
は、一度にではなく、段階的に気体が注入される。限定
された量のベント気体（窒素等）が最初にロードロック
チャンバに導入され、ロードロックチャンバを例えばそ
の内部圧力を１atm.にするために完全に通気する前に、
所定の長さの時間（所在時間）の間、ロードロックチャ
ンバの内部は（完全に通気した後にロードロックチャン
バの内部が達する最終的な圧力レベルよりずっと低い）
中間圧力レベルに維持される。したがって、内部圧力Ｐ
の時間に従っての推移は、概略的に図１示すようにな
る。これは、同一の条件下においてロードロックチャン
バを従来技術モードで動作させた際の圧力の変化を示す
図２のグラフとは対照的である。

【００１０】ロードロックチャンバの内部を一時的にこ
のような低圧レベルに維持する目的は、ウェーハ内部に
おいてそれが熱伝導性のホルダと接触する部分としない
部分との間に生じる熱こう配を減少させることにある。
気体分子の平均速度はその気体圧力が減少するにしたが
って低下することから、ウェーハとホルダとの間でのベ
ント気体分子の往復移動の回数はこの所在時間中に著し
く低いものとなり、ウェーハの接触部分の温度は、ロー
ドロックチャンバを一度に完全に通気したときほど急速
には低下しない。このため、ウェーハ内の熱こう配は、
比較的ゆるやかなものとなり、ウェーハの熱こう配によ
る破損がずっと起こりにくくなる。

【００１１】注入する気体の限定量（およびしたがって
前述の中間圧レベル）および継続時間は、実験的に定め
られるものである。例えば、0.８torrの中間圧力におけ
る１０秒の継続時間による段階的ベントは、３００℃か
ら冷却されるウェーハにおいて最大こう配を有する。過
度に長い継続時間は、生産量に悪い影響を与える。しか
し、１５秒の継続時間によって引き起こされる生産量の
低下は、約0.７８％に過ぎず、破損するウェーハの数が
１週につき１個減少するなら、この継続時間は充分に引
き合うものとみなされる。図１において、中間圧力レベ
ルおよび継続時間は、それぞれＰ_d およびｔ_d として表
わされている。（図１は量的に示すことを意図するもの
ではなく、単に概略的なものであり、図１に示されたレ
ベルは、好ましい中間圧力レベルを示すことを意図する
ものではない。）図３は、上述した本発明の方法を実施
し得る装置を示すものである。図３のブロック図におい
て、１０は、処理チャンバ（図示せず）に出し入れされ
るウェーハ等の物体を支持する支持手段１２を備えたロ
ードロックチャンバである。ロードロックチャンバ１０
に接続する貯蔵エレベータ等の貯蔵手段も、簡単のため
およびそれが本発明の１部をなすものではないことの両
方の理由で、図３においては同様に省略されている。支
持手段１２は、ウェーハＷの周辺部が載置されるように
なっている出っぱりを備えたホルダとして描かれてい
る。しかし、この図は、概略的なものであり、正確に表
現をするものではない。１４は、ロードロックチャンバ
１０を真空ポンプに接続する真空ダクトであり、窒素ガ
ス供給源１６が、このタイプの空気圧システムにおいて
一般的に用いられる従来型のバルブ１８およびフィルタ
２０を介してダクト１４に接続している。２２は、バル
ブ１８の開閉を電気信号１９によって制御する手段を全
体として示し、コンピュータ２４を含んでいる。コンピ
ュータ２４は、最初に、ロードロックチャンバ１０の真
空内部にダクト１４を介して供給源１６からの適切な所
定量の窒素ガスが流入してその内部圧力を所定の中間圧
力レベルＰ_d にまで増大するようにバルブ１８を開かせ
るためのパルス信号を出力し、次に、所定の継続時間ｔ
_d 後に、ロードロックチャンバを完全に通気するための
別の信号を出力するようにプログラムされている。バル
ブ１８を明白に上述した好ましい態様で制御するためプ
ログラムは、何れの当業者によっても作成し得るもので
あり、したがって詳細には説明しない。２つの変数（パ
ルスの長さおよび中間圧力での継続時間）による実験
は、パルス時間を制御することで、圧力とパルス持続時
間との関係において好ましい一貫した結果が得られるこ
とを示している。この制御法則はロードロックチャンバ
への重量流量を調節していることから直線となる。

【００１２】図４は、本発明の方法をハードウェアによ
る実施で実現できる別の装置を示す図である。図４のブ
ロック図において、図３に関連して既に上述したものと
ほぼ同一の各部分は、同じ数字で示される。このハード
ウェアでの実施において、それぞれが上流側バルブ３２
および下流側バルブ３４として示され且つその間にベン
トリザーバ３４を有する直列に接続された２つの空圧で
制御されるバルブが、ダクト１４を窒素ガス供給源１６
と接続している。バルブ３０および３２の開閉は、ソフ
トウェアによって電気的に制御されるのではなく、シー
ケンサ４０によって空気圧で制御され、その機能は、ロ
ードロックチャンバ１０内部の圧力が、図２に示すよう
に一度にではなく、図１に概略的に示すように２段階で
増大するように、バルブ３０および３２を開閉するもの
である。シーケンサ４０は、本質的には、トランジスタ
やコンデンサを備えた電気的遅延回路に似た空気圧遅延
回路である。図４に示した実施例において、シーケンサ
４０は、遅動バルブ４２（Clippard Instrument Labora
tory, Inc.製の Model R343 等）、スイッチバルブ４４
（Clippard's Model R401 等）およびボリュームチャン
バ４６（Clippard'sModel R821 等）を含んでいる。シ
ーケンサ４０の４つのターミナルのうち、２つは、高圧
（６０psi 等）の空気供給源３８をそれぞれ遅動バルブ
４２およびスイッチバルブ４４へ接続する役目をし、他
の２つは、遅動バルブを下流側バルブ３２へ、またスイ
ッチバルブ４４を上流側バルブ３０へそれぞれ接続して
いる。スイッチバルブ４４は、そのピストン（図示せ
ず）に圧力が印加されていないときに、供給源３８から
の高圧空気がそこを通って上流側バルブ３０に圧力を加
え、したがってそれを開き、ベントリザーバ３４を、供
給源１６からのベント気体（この実施例においては窒素
ガス）で充たさせるように設計されている。遅動バルブ
４２と下流側バルブ３２との間のパイプは、通常は閉じ
ているエアパイロットバルブ３６を介して高圧空気供給
源（図４においては都合上これも３８で示しているが、
別の供給源としてもよい）に接続する枝路を有してい
る。遅動バルブ４２は、エアパイロットバルブ３６が閉
じられしたがってそのピストン（図示せず）に圧力が加
えられていない間において、供給源３８からの高圧空気
がそこを通ってボリュームチャンバ４６を充たし、且つ
スイッチバルブ４４のピストンに圧力を印加するように
設計されている。これにより、スイッチバルブ４４を通
る空気流路が閉じられ、上流側バルブ３０も、スイッチ
バルブ４４を通して伝えられる圧力がなくなると閉じ
る。

【００１３】エアパイロットバルブ３６が閉じたままの
間下流側バルブ３２には圧力が加わっておらず、このこ
とは、下流側バルブ３２が閉じたままとなり、ロードロ
ックチャンバ１０を、その真空状態に保つことを意味す
る。例えば電気信号４１によってエアパイロットバルブ
３６が（time ｔ₀ において）開くと、そこを通過する
高圧空気は、下流側バルブ３２および遅動バルブ４２の
ピストンの両方に圧力を及ぼす。下流側バルブ３２にか
かった圧力は、それを開かせ、ベントリザーバ３４に貯
蔵されたベント気体の限定された量を、ロードロックチ
ャンバ１０に入らせしたがってその内部圧力を所定の中
間レベルにまで増大させる。この間、遅動バルブ４２の
ピストンに加えられた圧力は、ポリュームチャンバ４６
内部に貯蔵されたエアを遅動バルブ４２を通して流出さ
せつつ、空気供給源３８とボリュームチャンバ４６との
間の空気通路を閉じる効果を有している。スイッチバル
ブ４４のピストンにかかる圧力が一定の限界値にまで低
下すると、そのピストンは、それにかかるバイアス力に
よって押し戻され、高圧空気供給源３８と上流側バルブ
３０との間の圧力伝達関係を再確立し、したがって上流
側バルブ３０を開き、図１の圧力プロファイルによって
示す遅延の後に、完全な通気のために、ベント気体をそ
の供給源１６からロードロックチャンバ１０内に流入さ
せる。この遅延の時間は、ボリュームチャンバ４６から
空気が流出する速度によって定まる。この流出速度は、
可変オリフィスを備えた速度制御バルブ（Clippard Ins
trument Laboratory, Inc.製の Model JFC2 等）４８に
よって制御される。

【００１４】ロードロックチャンバ１０が完全に通気さ
れた後に、エアパイロットバルブ３６を（例えばｔ₁ に
おいて）再び閉じる。これによって、下流側バルブ３２
は閉じられ、ベントリザーバ３４は、ベント気体で再び
充たされる。同時に高圧供給源３８からのエアが、遅動
バルブ４２を通ってボリュームチャンバ４６を充たし、
スイッチバルブ４４のピストンに圧力を加え、これによ
って上流側がバルブ３０を閉じる。この間、ロードロッ
クチャンバ１０は、次のサイクルの動作のために、ダク
ト１４を通じて排気される。図５は、エアパイロットバ
ルブ３６、遅動バルブ４２およびスイッチバルブ４４に
おける時間による圧力の変化を示す圧力図である。

【００１５】本発明を、その実施例いくつかについての
み説明してきた。しかし、これらの例は、説明のための
ものであり、限定的なものではない。例えば、中間圧レ
ベルは、状況および他の要因によって１torr以下または
５０torr程度の高さにすることができる。ロードロック
チャンバ内部の加熱された物体のホルダは、図面に概略
的に描いたような構造のものである必要はない。実際、
ウェーハを水平に保持するタイプのものである必要はな
い。そして上述した各実施例に対する当業者にとって明
白な変更や変化は、この発明の範囲内にあるものと理解
すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した方法によって通気されるロー
ドロックチャンバ内部の圧力の時間に応じた変化を示す
グラフである。

【図２】従来技術の方法によって通気されるロードロッ
クチャンバ内部の圧力の時間に応じた変化を示すグラフ
である。

【図３】本発明にしたがった方法によってロードロック
チャンバを通気する装置を概略的に示すブロック図であ
る。

【図４】本発明にしたがった方法によってロードロック
チャンバを通気する別の装置を概略的に示すブロック図
である。

【図５】図４の装置の動作における圧力変化を示す圧力
図である。

【符号の説明】

１０ ロードロックチャンバ １２ 支持手段 １４ 真空ダクト １６ 窒素ガス供給源 １８ バルブ １９ 電気信号 ２０ フィルタ ２２ 制御手段 ２４ コンピュータ ３６ エアパイロットバルブ ３８ 高圧空気供給源 ４０ シーケンサ ４１ 電気信号 ４２ 遅延バルブ ４４ スイッチバルブ ４６ ボリュームチャンバ ４８ 速度制御バルブ

フロントページの続き (72)発明者 グレン ディー アレクサンダー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 サン ホセ エーデルワイス 590

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱を伝導することのできる支持手段を内
   に含む気密チャンバ内部に真空状態をつくり出し、 前記チャンバ内部の前記支持手段上に加熱された物体を
   載置し、 前記物体の前記支持手段と接触する領域と接触しない領
   域との間の前記物体内部の熱こう配が、著しく低下し且
   つ前記チャンバが一度に完全に通気された場合よりも小
   さくなるように、前記チャンバの内部を一定の時間期間
   において、中間圧力レベルに維持するように前記チャン
   バ内に限定された量のベント気体を導入し、 その後に、前記チャンバ内部の圧力を、前記中間圧力レ
   ベルより高い所定の最終レベルにするために、前記チャ
   ンバに多量のベント気体を導入する各段階を含むことを
   特徴とする熱こう配を制御する方法。
2. 【請求項２】 前記ベント気体は、制御バルブを介して
   前記チャンバに導入され、前記制御バルブはコンピュー
   タから出力される信号によって開かれ、前記コンピュー
   タは、前記限定された量の前記ベント気体が前記制御バ
   ルブを介して前記チャンバに導入され、且つ前記チャン
   バが前記一定の時間期間の後に前記制御バルブを介して
   完全に通気されるようプログラムされていることを特徴
   とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記限定された量のベント気体は、制御
   バルブを介して前記チャンバに接続するベント気体リザ
   ーバ内部にあらかじめ貯蔵されていることを特徴とする
   請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記ベント気体リザーバは上流側バルブ
   を介してベント気体供給源に接続し、前記上流側バルブ
   を開くことによって前記ベント気体リザーバを前記ベン
   ト気体で充たすことができるようになっており、且つ前
   記上流側バルブおよび前記制御バルブは、一定の時間的
   順序にしたがって前記制御バルブおよび前記上流側バル
   ブを開かせるようにされたシーケンサによって空気圧で
   制御されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】 加熱された物体の熱こう配を制御する装
   置において、 真空状態を設定することのできる気密チャンバであっ
   て、前記加熱された物体を支持する熱伝導性のホルダを
   内包する前記チャンバと、 ベント気体供給源と前記ベント気体供給源から前記チャ
   ンバへのベント気体の通過を可能にし且つそれを防ぐバ
   ルブ手段と、 前記バルブ手段を制御するためのバルブ制御手段であっ
   て、最初に、限定された量の前記ベント気体のみを前記
   チャンバ内に流入させて、前記チャンバ内部の圧力を一
   定の中間レベルにまで増大させるように前記バルブ手段
   を制御し、次に、一定の時間期間の後に、前記チャンバ
   内の圧力が前記中間レベルよりも著しく高い最終レベル
   に達するように前記チャンバを完全に通気するように前
   記バルブ手段を制御する前記バルブ制御手段とを備える
   ことを特徴とする前記装置。
6. 【請求項６】 圧力の前記中間レベルおよび前記一定の
   時間期間は、前記物体内部の熱こう配が、前記チャンバ
   が最初に一度に通気された場合よりも著しく小さくなる
   ように定められることを特徴とする請求項５記載の装
   置。
7. 【請求項７】 前記バルブ手段は、下流側バルブと、ベ
   ントリザーバと、上流側バルブとを含み、前記下流側バ
   ルブは前記チャンバと前記リザーバとの間に接続され、
   前記上流側バルブは前記ベントリザーバと前記ベント気
   体供給源との間に接続され、前記ベントリザーバは、前
   記下流側バルブを介して前記チャンバに導入した場合
   に、前記チャンバ内部の圧力を前記一定の中間レベルに
   まで増大させる一定量の前記ベント気体を収容すること
   を特徴とする請求項５記載の装置。
8. 【請求項８】 前記バルブ制御手段は、高圧気体供給源
   から前記下流側および上流側バルブへ高圧制御気体を制
   御可能に導いて前記下流側バルブが開かれた後に、調節
   可能な遅延をもって前記上流側バルブを開く役目をする
   空気圧シーケンサを含むことを特徴とする請求項７記載
   の装置。
9. 【請求項９】 前記シーケンサは、前記高圧気体供給源
   からの圧力を前記上流側バルブに印加するように開いた
   ままとなるようバイアスされたスイッチバルブと、気密
   気体容器と、前記気密気体容器を介して印加される前記
   高圧気体供給源からの圧力を前記スイッチバルブに印加
   し、したがって前記スイッチバルブを閉じるように通常
   は開いている遅動バルブとを含み、前記遅動バルブは、
   閉じた状態の場合に、前記制御気体を前記気体容器から
   流出させる役目をすることを特徴とする請求項８記載の
   装置。
10. 【請求項１０】 前記シーケンサは、前記遅動バルブが
    閉じられた場合に、前記制御気体が前記気体容器から流
    出する速度を制御する速度制御手段をさらに含むことを
    特徴とする請求項９記載の装置。
11. 【請求項１１】 前記バルブ制御手段は、同時に、前記
    遅動バルブを閉じ且つ前記下流側バルブを開く手段をさ
    らに含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記バルブ手段は制御バルブを含み、
    また前記バルブ制御手段は、前記制御バルブに制御信号
    を出力して、したがって最初に、前記限定された量の前
    記ベント気体のみを前記チャンバに入らせるために前記
    制御バルブを開き、次に、前記一定の時間期間の後に、
    前記チャンバを完全に通気するために前記制御バルブを
    開くようにプログラムされたコンピュータを含むことを
    特徴とする請求項５記載の装置。