JPH1131663A - ウェハ冷却装置及びその冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱処理後のウェハの冷却時間を短縮し、熱処理
工程の生産性を高めることができるウェハ冷却装置及び
その冷却方法を提供する。 【解決手段】ウェハ２を冷却するためのウェハ冷却室１
２を備えたウェハ冷却装置であって、上記ウェハ２が収
納された上記ウェハ冷却部に、高圧ボンベ１４から高圧
窒素３０を導入し、さらに上記ウェハ冷却室１２に導入
された高圧窒素３０を予備真空室１６に急速に流し、急
激にその体積を膨張させることにより、ウェハ２を均一
に急速に冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程に
おいて用いられるウェハ熱処理装置に関するものであ
り、特にウェハの熱処理後に用いられるウェハ冷却装置
及びその冷却方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下に、図３及び図４を用いて、従来の
技術について説明する。図３は、従来の枚葉型ランプ熱
処理装置（以下ランプ装置と記す）の構成を示す図であ
る。図４は、上記ランプ装置のウェハ冷却部を横からみ
た図である。なお、上記ランプ装置のランプ、ガス系
統、温度計測器などの部材は上記図３及び図４から省略
している。

【０００３】図３において、熱処理の待機中のウェハ１
００は、複数枚のウェハ１００が収納された収納カセッ
ト１０２から搬送ロボット１０４によって一枚づつ取り
出される。上記ウェハ１００を取り出した搬送ロボット
１０４は、破線で示した位置まで移動した後、上記ウェ
ハ１００を加熱炉１０６の中へ搬入する。

【０００４】この加熱炉１０６内に収納されたウェハ１
００は、不図示のランプによって５００℃〜１２００℃
程度の範囲内で半導体プロセスの目的によって熱処理さ
れる。ここでは、８００℃に加熱するものとするが、ラ
ンプ装置の短時間に高速で加熱できる特長を利用して、
熱処理温度が１０００℃を越えることはよくあることで
ある。

【０００５】熱処理されたウェハ１００は、８００℃程
度の高温であるため、加熱炉１０６からすぐに取り出す
ことはできない。これは、加熱炉１０６内の温度と加熱
炉１０６外の温度差が８００℃程度あり、ウェハ１００
が取り出される過程でウェハ１００の冷却が均一に起こ
らず、ウェハ１００が熱変形してしまうためである。

【０００６】これを防ぐために、従来においてはウェハ
１００の熱処理が終了した後、ランプへの電力供給を停
止してウェハ１００を加熱炉１０６の中で自然放置し、
主にウェハ１００からの熱輻射現象を利用してウェハ１
００の温度を下げる、自然冷却が一般に行われる。

【０００７】その後、ウェハ１００の温度が５００℃〜
６００℃程度になった後、搬送ロボット１０４がウェハ
１００を取り出す。このとき、ウェハ１００の温度はま
だ高いため、次の工程にウェハ１００を搬送するための
樹脂性の収納カセット１０８にそのまま入れることはで
きない。

【０００８】そこで、このウェハ１００を冷却するため
のウェハ冷却部１１０を加熱炉１０６の外に設け、例え
ば図４（ａ）に示すように石英ピン１１２でこのウェハ
１００を支えて自然冷却する。そして、ウェハ１００が
約１００℃程度になった後、搬送ロボット１０４によっ
て樹脂性の上記収納カセット１０８にウェハ１００を収
納する。以上により、一枚の処理が終了する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術では、ウェハ１００を加熱炉１０６内及
びウェハ冷却部１１０で冷却する場合、上述したように
自然冷却のみで冷却しているため、冷却に要する時間が
長くなる。この冷却時間は、ウェハ１００の加熱温度が
高い場合にはウェハ１００の熱処理に要する時間の５０
％以上を占めることもあり、ランプ熱処理装置による熱
処理工程の生産性を低下させる一因になっている。

【００１０】また、ウェハ冷却部１１０でのウェハ１０
０の冷却速度を上げるため、図４（ａ）に示すような上
記石英ピン１１２を用いずに、図４（ｂ）に示すような
接触面積の大きい石英プレート１１４を用いるものも時
々見受けられる。しかし、ウェハ１００と石英プレート
１１４の間にすき間があるなどのために接触が悪く、熱
伝導がよく行われず、結局はウェハ１００からの熱輻射
だけの場合と大差がないのが現状である。

【００１１】また、上記加熱炉１０６内でウェハ１００
の温度を急速に下げるために、熱処理終了後、多量の不
活性ガスを加熱炉１０６内に流し冷却する方法も考えら
れる。しかし、ウェハ１００の中で多量のガス流の直撃
を受けたところだけ温度が下がるため、ウェハ１００の
冷却が均一に起こらず、熱変形してしまう。

【００１２】そこで本発明は、上記課題を解決するため
になされたものであり、熱処理後のウェハの冷却時間を
短縮し、熱処理工程の生産性を高めることができるウェ
ハ冷却装置及びその冷却方法を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載のウェハ冷却装置は、ウェハを冷却
するためのウェハ冷却部を備えたウェハ冷却装置であっ
て、上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部に高圧気
体を導入する導入手段を具備することを特徴とする。

【００１４】また、請求項２に記載のウェハ冷却装置
は、ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を備えたウェ
ハ冷却装置であって、上記ウェハが収納された上記ウェ
ハ冷却部内の気体を急激に膨張させる断熱膨張手段を具
備することを特徴とする。

【００１５】また、請求項３に記載のウェハ冷却装置
は、ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を備えたウェ
ハ冷却装置であって、上記ウェハが収納された上記ウェ
ハ冷却部に高圧気体を導入する導入手段と、上記ウェハ
冷却部に導入された上記高圧気体を急激に膨張させる断
熱膨張手段とを具備することを特徴とする。

【００１６】また、請求項４に記載の熱処理装置は、加
熱されたウェハを冷却するためのウェハ冷却部を備えた
熱処理装置であって、上記ウェハが収納された上記ウェ
ハ冷却部に高圧気体を導入する導入手段と、上記ウェハ
冷却部に導入された上記高圧気体を急激に膨張させる断
熱膨張手段とを具備することを特徴とする。

【００１７】さらに、請求項５に記載のウェハ冷却装置
は、請求項１、２又は３に記載の構成において、上記高
圧気体が窒素、不活性ガス（Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘ
ｅ）、フロンガス、またはＮ₂ Ｏガスであることを特徴
とする。

【００１８】さらに、請求項６に記載の熱処理装置は、
請求項４に記載の構成において、上記高圧気体が窒素、
不活性ガス（Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ）、フロンガス、
またはＮ₂ Ｏガスであることを特徴とする。

【００１９】さらに、請求項７に記載のウェハ冷却装置
は、請求項１、２、３又は５に記載の構成において、上
記断熱膨張手段が、上記ウェハ冷却部の容積に対して２
０倍の容積を有する容器内に上記ウェハ冷却部内の高圧
気体を放出させて行う手段であることを特徴とする。

【００２０】また、請求項８に記載のウェハ冷却方法
は、ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を備えたウェ
ハ冷却装置のウェハ冷却方法であって、上記ウェハが収
納された上記ウェハ冷却部に高圧気体を導入する導入工
程を具備することを特徴とする。

【００２１】また、請求項９に記載のウェハ冷却方法
は、ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を備えたウェ
ハ冷却装置のウェハ冷却方法であって、上記ウェハが収
納された上記ウェハ冷却部内の気体を急激に膨張させる
断熱膨張工程を具備することを特徴とする。

【００２２】また、請求項１０に記載のウェハ冷却方法
は、ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を備えたウェ
ハ冷却装置のウェハ冷却方法であって、上記ウェハが収
納された上記ウェハ冷却部に高圧気体を導入する導入工
程と、上記ウェハ冷却部に導入された上記高圧気体を急
激に膨張させる断熱膨張工程とを具備することを特徴と
する。

【００２３】さらに、請求項１１に記載のウェハ冷却方
法は、請求項８、９又は１０に記載の構成において、上
記高圧気体が窒素、不活性ガス（Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘ
ｅ）、フロンガス、またはＮ₂ Ｏガスであることを特徴
とする。

【００２４】さらに、請求項１２に記載のウェハ冷却方
法は、請求項８、９、１０又は１１に記載の構成におい
て、上記断熱膨張工程が、上記ウェハ冷却部の容積に対
して２０倍の容積を有する容器内に上記ウェハ冷却部内
の高圧気体を放出させて行う工程であることを特徴とす
る。

【００２５】すなわち、本発明のウェハ冷却装置におい
ては、ウェハが収納された上記ウェハ冷却部に高圧気体
を導入する導入手段により、高圧気体の分子に上記ウェ
ハの熱エネルギを効率的に受けとらせる。

【００２６】さらに、上記ウェハ冷却部に導入された上
記高圧気体を急激に膨張させる断熱膨張手段により、こ
の断熱膨張によって気体の温度が低下することを利用
し、均一に効率的にウェハの温度を低下させる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明に係る実施
の形態のウェハ冷却装置が備えられたランプ熱処理装置
の構成を示す平面図である。

【００２８】このランプ熱処理装置は、熱処理を待つウ
ェハ２が収納された収納カセット４、または後述する加
熱炉、ウェハ冷却室から、ウェハ２を搬送するときに、
上記ウェハ２が酸化しないように減圧された真空容器６
と、上記ウェハ２を搬送するために上記真空容器６内に
設けられた搬送ロボット８と、上記ウェハ２を加熱処理
するための加熱炉１０と、この加熱炉１０内で加熱され
たウェハ２を冷却するためのウェハ冷却室１２と、この
ウェハ冷却室１２に高圧窒素を導入するための高圧ボン
ベ１４と、上記ウェハ冷却室１２内に導入された高圧窒
素を急激に膨張させるための大きな容積を有する予備真
空室１６と、この予備真空室１６内の気体を排気するた
めの真空ポンプ１８とから構成される。

【００２９】さらに、このランプ熱処理装置は、上記収
納カセット４と真空容器６の間に設置され、これらの間
の開閉を行うバルブ２０、上記真空容器６と加熱炉１０
の間に設置され、これらの間の開閉を行うバルブ２２、
上記真空容器６とウェハ冷却室１２の間に設置され、こ
れらの間の開閉を行うバルブ２４、上記ウェハ冷却室１
２と予備真空室１６の間に設置され、同様にこれらの間
の開閉を行うバルブ２６、さらに上記高圧ボンベ１４と
ウェハ冷却室１２を接続する導入管に設けられ、上記高
圧窒素の導入量を制御するバルブ２８を有している。

【００３０】次に、上記ウェハ冷却室１２及び予備真空
室１６について詳細に説明する。図２は、これらウェハ
冷却室１２及び予備真空室１６の詳細な構成を示す図で
あり、横から見た図である。

【００３１】図２に示すように、上記ウェハ冷却室１２
には、ウェハ２の搬入出のときに開けられるバルブ２
４、上記バルブ２６を介して設けられた予備真空室１
６、さらに上述したように、このウェハ冷却室１２に高
圧窒素を導入するための高圧ボンベ１４、及びその導入
管に設けられ上記高圧窒素の導入量を制御するバルブ２
８が設けられる。上記高圧ボンベ１４には、高圧窒素が
充填されている。また、上記予備真空室１６には真空ポ
ンプ１８が設けられる。なお、上記ウェハ冷却室１２
は、比較的熱を通さない物質で作られていることが好ま
しい。

【００３２】そして、上記ウェハ冷却室１２は、ウェハ
２の搬入口に設けられたバルブ２４と、上記高圧窒素の
排気口に設けられたバルブ２６により気密に保たれ、こ
のウェハ冷却室１２に高圧ボンベ１４から高圧窒素が導
入される。

【００３３】また、上記予備真空室１６は、ウェハ冷却
室１２の容積より少なくとも数倍程度以上、好ましくは
２０倍以上の容積を持つように設計されている。真空ポ
ンプ１８は、この予備真空室１６内、及び上記真空容器
６、ウェハ冷却室１２内の気体を排気し、減圧状態にす
る。

【００３４】次に、上述のように構成されたウェハ冷却
装置が備えられたランプ熱処理装置について、図１及び
図２を用いてその動作とともにウェハの冷却方法につい
て説明する。

【００３５】図１において、収納カセット４には熱処理
前のウェハ２が多数枚、収納されている。このウェハ２
は、真空容器６内に設けられた搬送ロボット８によっ
て、収納カセット４からバルブ２０を通って取り出さ
れ、加熱炉１０に搬入される。

【００３６】上記加熱炉１０に収納されたウェハ２は、
不図示のランプによって５００℃〜１２００℃程度の範
囲内で半導体プロセスの目的によって熱処理される。こ
こでは、例えば８００℃に加熱するものとする。また、
上記バルブ２４、２６を開き、真空ポンプ１８を作動さ
せる。これにより、上記真空容器６、ウェハ冷却室１
２、及び予備真空室１６内の気体が排気され、これら内
部が減圧される。

【００３７】次に、上記加熱炉１０による加熱処理が終
了すると、ウェハ２は搬送ロボット８によって、高い温
度のままウェハ冷却室１２に搬送される。図２におい
て、ウェハ２がウェハ冷却室１２に収納されると、上記
真空容器６とウェハ冷却室１２の間に設置されたバルブ
２４と、ウェハ冷却室１２と予備真空室１６の間に設置
されたバルブ２６が閉じられ、ウェハ冷却室１２内は気
密状態となる。

【００３８】続いて、上記高圧ボンベ１４からウェハ冷
却室１２へ高圧気体を流す導入管に配置されたバルブ２
８が開けられ、高圧の窒素３０がウェハ冷却室１２に導
入される。そして、このウェハ冷却室があらかじめ定め
られた所定の圧力に達したら、バルブ２８を閉じて窒素
３０の導入を停止する。

【００３９】このとき、ウェハ冷却室１２内に収納され
た高温のウェハ２の回りには、導入された窒素３０が均
一に存在しており、これらの窒素３０の分子がウェハ２
に衝突する。これにより、ウェハ２の有する熱エネルギ
が速やかに窒素３０に移動し、その結果、ウェハ２ｃの
温度が急速に低下する。

【００４０】次に、減圧状態にある予備真空室１６とウ
ェハ冷却室１２の間に配置されたバルブ２６を開ける。
すると、上記ウェハ冷却室１２の容積より２０倍程度大
きい容積を持つ予備真空室１６が減圧状態にあるため、
ウェハ冷却室１２内の窒素３０は急速に予備真空室１６
内に吸引されて、急激に膨張し、窒素３０の温度及びウ
ェハ２の温度をさらに急激に低下させる。以上の工程に
より、本実施の形態のウェハ冷却装置によるウェハの冷
却が終了する。

【００４１】なお、本実施の形態では、高圧ガスの充填
及び断熱膨張という手順を１回だけ行ったが、これに限
定する必要はなく、充填する高圧ガスの圧力を変化させ
ながら高圧ガスの充填及び断熱膨張という手順を複数回
繰り返してもよい。

【００４２】また、充填する高圧気体、すなわちウェハ
の熱エネルギを受け取る高圧気体として窒素ガスを用い
たが、各種不活性ガス、例えばＨｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ
などや、半導体プロセスに影響しない範囲で冷媒となる
Ｎ₂ ガス、フロンガスなどを用いてもよい。特に、ガス
に冷媒を用いた場合は、上述の気体膨張（断熱膨張）の
際にさらに効率的にウェハの温度を下げることができ
る。

【００４３】さらに、本実施の形態では、搬送ロボット
８を真空容器６の中に設けたが、必ずしもこの必要はな
く、図３に示した従来のランプ熱処理装置において、ウ
ェハ冷却部１１０の代わりに上記バルブ２４、ウェハ冷
却室１２、バルブ２６、予備真空室１６、及びポンプ１
８を設け、同様にウェハ冷却室１２に高圧ガスを充填し
断熱膨張させてもよい。この場合は、加熱炉内での冷却
は従来どうり行われるが、加熱炉を出てからは、従来の
ランプ熱処理装置よりも早く、短い時間でウェハを冷却
することができる。

【００４４】また、本実施の形態では、ウェハ冷却室１
２に高圧ガスを充填し、その後断熱膨張させたが、これ
ら高圧ガスの充填、または断熱膨張のいずれか一方のみ
を実施してもよい。

【００４５】以上説明したように本実施の形態によれ
ば、ウェハ冷却室には加圧された気体分子が充満されて
いるため、熱エネルギがウェハから気体分子に速やかに
移り、急速にウェハの温度を下げることができる。

【００４６】また、従来の技術で記載したように、多量
に不活性ガスを流してウェハを冷却すると、ガス流の直
撃を受けたところだけ局所的に冷却されて熱変形が起こ
るが、本実施の形態では気体分子がウェハの回りを均一
に取り囲み、ウェハが均一に冷却されるため、熱変形が
起こらない。

【００４７】また、ウェハから熱エネルギを受け取った
上記気体分子は、その後、急激に断熱膨張するので、さ
らに気体分子及びウェハの温度を急速に下げることがで
きる。

【００４８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、熱処
理後のウェハの冷却時間を短縮し、熱処理工程の生産性
を高めることができるウェハ冷却装置及びその冷却方法
を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態のウェハ冷却装置が備えられたラン
プ熱処理装置の構成を示す平面図である。

【図２】実施の形態のウェハ冷却装置におけるウェハ冷
却室１２及び予備真空室１６の詳細な構成を示す図であ
る。

【図３】従来の枚葉型ランプ熱処理装置の構成を示す図
である。

【図４】上記ランプ熱処理装置のウェハ冷却部を横から
みた図である。

【符号の説明】

２…ウェハ ４…収納カセット ６…真空容器 ８…搬送ロボット １０…加熱炉 １２…ウェハ冷却室 １４…高圧ボンベ １６…予備真空室 １８…真空ポンプ ２０、２２、２４、２６、２８…バルブ ３０…窒素

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を
   備えたウェハ冷却装置において、 上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部に高圧気体を
   導入する導入手段を具備することを特徴とするウェハ冷
   却装置。
2. 【請求項２】 ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を
   備えたウェハ冷却装置において、 上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部内の気体を急
   激に膨張させる断熱膨張手段を具備することを特徴とす
   るウェハ冷却装置。
3. 【請求項３】 ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を
   備えたウェハ冷却装置において、 上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部に高圧気体を
   導入する導入手段と、 上記ウェハ冷却部に導入された上記高圧気体を急激に膨
   張させる断熱膨張手段と、 を具備することを特徴とするウェハ冷却装置。
4. 【請求項４】 加熱されたウェハを冷却するためのウェ
   ハ冷却部を備えた熱処理装置において、 上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部に高圧気体を
   導入する導入手段と、上記ウェハ冷却部に導入された上
   記高圧気体を急激に膨張させる断熱膨張手段と、 を具備することを特徴とする熱処理装置。
5. 【請求項５】 上記高圧気体は、窒素、不活性ガス（Ｈ
   ｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ）、フロンガス、またはＮ₂ Ｏガ
   スであることを特徴とする請求項１、２又は３のいずれ
   かに記載のウェハ冷却装置。
6. 【請求項６】 上記高圧気体は、窒素、不活性ガス（Ｈ
   ｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ）、フロンガス、またはＮ₂ Ｏガ
   スであることを特徴とする請求項４に記載の熱処理装
   置。
7. 【請求項７】 上記断熱膨張手段は、上記ウェハ冷却部
   の容積に対して２０倍の容積を有する容器内に上記ウェ
   ハ冷却部内の高圧気体を放出させて行う手段であること
   を特徴とする請求項１、２、３又は５のいずれかに記載
   のウェハ冷却装置。
8. 【請求項８】 ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を
   備えたウェハ冷却装置のウェハ冷却方法において、 上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部に高圧気体を
   導入する導入工程を具備することを特徴とするウェハ冷
   却方法。
9. 【請求項９】 ウェハを冷却するためのウェハ冷却部を
   備えたウェハ冷却装置のウェハ冷却方法において、 上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部内の気体を急
   激に膨張させる断熱膨張工程を具備することを特徴とす
   るウェハ冷却方法。
10. 【請求項１０】 ウェハを冷却するためのウェハ冷却部
    を備えたウェハ冷却装置のウェハ冷却方法において、 上記ウェハが収納された上記ウェハ冷却部に高圧気体を
    導入する導入工程と、上記ウェハ冷却部に導入された上
    記高圧気体を急激に膨張させる断熱膨張工程と、 を具備することを特徴とするウェハ冷却方法。
11. 【請求項１１】 上記高圧気体は、窒素、不活性ガス
    （Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ）、フロンガス、またはＮ₂
    Ｏガスであることを特徴とする請求項８、９又は１０の
    いずれかに記載のウェハ冷却方法。
12. 【請求項１２】 上記断熱膨張工程は、上記ウェハ冷却
    部の容積に対して２０倍の容積を有する容器内に上記ウ
    ェハ冷却部内の高圧気体を放出させて行う工程であるこ
    とを特徴とする請求項８、９、１０又は１１のいずれか
    に記載のウェハ冷却装置。