JP2012525002A - 基板冷却制御 - Google Patents

Abstract

精密な基板冷却制御のための方法と装置が提供されている。基板の温度測定のための装置は、基盤を支持する冷却板と、冷却板上に配置された時、基板の温度に相当するデータを提供するセンサと、センサのデータから基板の温度を決定するために、基板に結合されたコンピュータとを含むことができる。基板の温度測定の方法は、その中に、冷却板と、基板の温度に相当するデータを提供するセンサと、センサに結合されたコンピュータとを有するチャンバに、冷却される基板を配置する工程と、所定の第１の期間の経過後に基板の第１温度を測定する工程と、第１温度を所定の温度と比較して第１温度が所定の温度より高いか、所定の温度と等しいか、あるいは所定の温度より低いかを決定する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に基板処理に関し、特に基板冷却制御の装置と方法に関する。

基板上で半導体を製造するには、金属、誘電体、及び半導体材料といった複数の材料層の堆積及びエッチングが必要である。製作工程を通して、基板は、化学蒸着、物理蒸着、誘電体堆積、種々のエッチング工程等といった複数の工程にさらされる。それぞれの工程は、種々の作業温度で実施される。典型的には、基板が種々の処理段階を通過して進行するにつれて、基板は、追加エッチング、あるいは堆積チャンバ、冷却チャンバ、ロードロックチャンバ等といった多数の異なった処理チャンバに移動する。処理チャンバは、しばしば、中央真空チャンバに連結されたクラスターツール又は統合システムの一部である。中央真空チャンバは、通常、基板をチャンバからチャンバへ動かすための移動ロボットを有する。

多数の基板処理工程は、高温（例えば１００℃以上）で実行される。したがって、処理された基板は、例えば、冷却チャンバといった制御された環境で、取り扱い又は次の処理に適した温度まで基板温度を下げるために冷却される。

基板の冷却に通常用いられる工程は、処理された基板を所定の時間にわたって冷却チャンバ内に置くことを含む。冷却に可能な典型的な時間の長さは通常２分間より長い。しかし、本発明者らは、冷却に可能な時間の長さが、冷却チャンバから基板を取り出すために適した温度まで基板を冷却するために必要な控えめに見積もられた時間である傾向にあると観測した。しかし、実際に必要な基板の冷却時間は、見積もられた時間より短いことが多い。加えて、本発明者らは、実際に必要な基板冷却時間は、多くのファクター、例えば、基板の構成、実施される処理等によって変化することも見いだした。したがって、基板を不必要に長時間冷却させることによって、特に、自動化された大量の処理といった状況において、全体の処理効率が低下する。

したがって、本発明者らは、より精密な冷却制御のための改良された方法及び装置を提供する。

精密な基板冷却制御の方法及び装置が提供される。幾つかの実施形態において、基板の温度を測定する装置は、基板を支持するための冷却板と、冷却板上に配置されたとき基板温度に相当するデータを供給するセンサと、センサのデータから基板の温度を決定するための、センサに連結されたコンピュータとを含む。

幾つかの実施形態において、処理チャンバ内に配置されて冷却される基板の温度を測定する方法が提供される。この場合、処理チャンバは、処理チャンバ内の基板を冷却するため冷却板上に配置された基板と、基板の温度に相当するデータを提供するよう構成されたセンサとを有する。幾つかの実施形態では、方法は、（ａ）所定の第１の期間が経過した後に、基板の第１温度をセンサで感知する工程、（ｂ）第１の温度を所定の温度と比較する工程、及び（ｃ）第１の温度が、所定の温度より高いか、所定の温度と等しいか、又は所定の温度より低いかを決定する工程を含んでいる。

幾つかの実施形態では、基板の温度を測定する方法は、初期温度を有する基板をチャンバ内に配置する工程であって、チャンバが、冷却するための基板をその上に載せた冷却板を有し、冷却板が、基板の温度に相当するデータを提供するように構成された少なくとも１つのセンサを含む工程と、所定の間隔で第１温度を感知して記録する工程と、第１温度を所定の温度と比較する工程と、第１温度が、所定温度より高いか、所定温度と等しいか、又は所定温度より低いかを決定する工程とを含む。第１温度が所定温度以下であると決定された場合、基板をチャンバから取り出す。第１温度が所定温度より高いと決定された場合、感知された温度が所定の温度以下になるまで、温度を連続的に感知及び記録する。

幾つかの実施形態では、制御装置によって実行されると、処理チャンバに方法を実行させる命令を保存するコンピュータで読み取り可能な媒体が提供される。この場合、処理チャンバは、処理チャンバ内において基板を冷却する冷却板上に配置された冷却される基板と、基板の温度に相当するデータを提供するように構成されたセンサとを有する。幾つかの実施形態において、方法は、所定の第１の期間が経過した時、基板の第１温度をセンサによって感知する工程、第１温度を所定の温度と比較する工程、及び第１温度が所定の温度より高いか、所定の温度と等しいか、又は所定の温度より低いかを決定する工程を有する。第１温度が所定の温度以下であると決定された場合、基板をチャンバから取り出す。第１温度が所定温度より高いと決定された場合、感知された温度が所定の温度以下になるまで、温度を連続的に感知及び記録する。

その他の実施形態、及び更なる実施形態を以下に開示する。

上記に概要を示し、以下に詳細に説明する本発明の実施形態は、添付図面に示された発明の例示的な実施形態を参照することにより理解されよう。しかし、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しているにすぎず、したがって、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明はその他の等しく有効な実施形態も容認しうる。

図１は、本発明の幾つかの実施形態による基板冷却を実施するために適した装置を示している。 図２は、本発明の幾つかの実施形態による基板冷却を実施するために適した冷却板の断面図である。 図３は本発明の幾つかの実施形態による基板冷却を実施するために適した冷却板の底面図である。 図４は、本発明の幾つかの実施形態による基板の温度の測定方法を示している。

理解を容易にするために、複数の図面に共通する要素には、可能な限り同じ参照番号を用いた。一実施形態の要素及び特徴は、特に記載がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことが可能であることを考慮されたい。

本発明の実施形態は、一般に基板処理に関する。本発明の装置及び方法は、例えば、集積回路の多段階式基板処理に用いられる精密な基板冷却制御のための装置及び方法を提供する。本発明の方法は、有利には、基板が冷却する際の温度を監視する正確な方法を提供して、処理チャンバから取り出すために必要な基板温度に達するのに必要な時間を短縮し、それにより処理効率を上げてシステムのスループットを向上させる。

図１は、本発明の幾つかの実施形態による基板冷却を実行するために適した装置を示している。図２は、本発明の幾つかの実施形態による基板冷却を実行するために適した冷却板の断面図を図示している。図３は、本発明の幾つかの実施形態による基板冷却を実行するために適した冷却板の底面図を示している。図４は、本発明の幾つかの実施形態による基板温度の測定方法を示している。

ここに記載する本発明の方法は、後述のように冷却チャンバ内で実行される。図１は、本発明が実施される冷却チャンバ１００の１つの実施形態を示す。典型的な冷却チャンバ１００の一実施例は、本発明の譲受人に譲渡された、１９９６年９月１７日に出願の米国特許出願第６６０２３４８号（発明の表題「Substrate Cooldown Chamber」）に記載されており、この特許出願の全体を、参照により本願に組み込む。

幾つかの実施形態において、冷却チャンバ１００は、クラスターツール（図示しない）の緩衝チャンバ１０４の側面に取り付けられて、開口１０６を通して緩衝チャンバ１０４と流体を連通させている。開口１０６は、緩衝チャンバ１０４から冷却チャンバ１０４を分離するスリット弁（図示しない）を有する。適切なクラスターツールの一例は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から市販されているCENTURA（登録商標）統合型半導体基板処理システムである。

冷却チャンバ１００は、チャンバ壁部１０２によって画定された冷却用内部容積１０８を有する。内部容積１０８内には冷却部材１１２が配置されている。冷却部材１１２は、基板１１０を支持及び冷却するのに適したあらゆる寸法及び形状を有することができ、例えば図２及び３に関して後述する冷却板２００である。

基板１１０は、例えば、シリコン基板、ＩＩＩ−Ｖ化合物基板、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板、エピ基板、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基板、液晶表示素子（ＬＣＤ）、プラズマ表示素子、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ランプ表示素子などの表示基板、発光ダイオード（ＬＥＤ）基板、太陽電池アレイ、太陽電池パネル等、あらゆる処理方法で処理可能な任意の適切な基板とすることができる。幾つかの実施形態において、基板１１０は、半導体ウエーハ（例えば、２００ｍｍ、３００ｍｍ等のシリコンウエーハ）である。

冷却部材１１２には、冷却部材１１２上に配置された基板１１０の温度を感知するセンサ１３２が結合しているの。センサは、基板の温度に相当するデータを提供することができる任意の適切なセンサでよい。例えば、幾つかの実施形態においては、センサは、基板１１０から放射される赤外光を測定する赤外（ＩＲ）センサ、例えば、図３に関連して記述される赤外線センサである。幾つかの実施形態において、センサは、例えば、図２に関連して後述される熱電対といった熱電対である。 幾つかの実施形態において、センサは、チャンバ壁部１０２の天井に結合されたレーザダイオードから基板１１０を透過する光を検出する検出器である。

冷却部材１１２は、チャンバ壁部１０２の底部に接続されたベロー（図示しない）を通して垂直方向に移動可能な台１１４によって支持されている。位置又は複数の冷却ガスが、ガス源１６から、冷却チャンバ１００の内容積１０８内に質量流量制御装置１１８を通して供給される。排ガスポート１２０が設けられて、チャンバ１０２の内部を排気するため、及び冷却チャンバ１００内部を所望の圧力に維持することを助けるために、弁１２２を介してポンプ（図示しない）に連結されている。

制御装置１２４又はコンピュータは、冷却チャンバ１０２の種々の構成要素と連結されている。特に、制御装置は、センサ１３２によって提供されたデータから基板の温度を決定するために、センサ１３２に連結されている。制御装置は、さらに、基板温度が決定された後、後述のように基板温度を記録及び／又は解析する。制御装置は、中央処理装置（ＣＰＵ）１２６、メモリ１２８及びＣＰＵ１２６の支援回路１３０を有する。制御装置１２４は、種々のチャンバ及び副処理装置を制御するための工業環境において使用できる、任意の形態の汎用コンピュータの１つでよい。ＣＰＵ１２６のメモリ又はコンピュータで読み取り可能な媒体１２８は、例えば、ランダムアクセスメモリ（RAM）、読み出し専用メモリ（ROM）、フロッピーディスク、ハードディスク、フラッシュ、又はその他何らかの形態の局地的又は遠隔地のデジタル記憶装置といった容易に入手可能な１又は複数のメモリでよい。支援回路１３０は、従来の方法により、処理装置を支援するためにＣＰＵ１２６に連結されている。これらの回路は、キャッシュメモリ、電源類、計時回路、入力／出力回路、及びサブシステム等を含む。ここに記載する本発明の方法は、ここに述べる方法により、冷却チャンバ１００の操作を制御するために実行又は起動されるソフトウエアルーチンとしてメモリ１２８に保存されている。ソフトウエアルーチンは、ＣＰＵ１２６によって制御されているハードウエアから遠隔地に位置する第２のＣＰＵ（図示しない）によって保存及び／又は実行される。

図２は、本発明の幾つかの実施形態によって基板冷却を実施するために適切な冷却板２００の断面図を示す。冷却板２００は、基板１１０を支持できるいずれかの適切な剛体材料を有する。基板１１０の裏側と金属が接触することが許される幾つかの実施形態において、冷却板２００は、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属からなる。金属との接触が許されない幾つかの実施形態において、冷却板２００は、コーティングされるか、又はセラミックといった非金属材料から構成される。非金属材料は、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、石英等である。冷却板２００は、例えば、冷却板２００の基板支持表面に近接して配置された銅管といった熱伝導性の管を流れる冷却剤の循環によって冷却される。幾つかの実施形態において、表面は、基板１１０と密着させるために平坦にできる。或いは、幾つかの実施形態では、基板を冷却表面から固定の距離に支持するために、冷却板２００の表面上に多数のピン及びノブ（突起）を形成してもよい。

基板１１０の温度を検出するためにセンサ２０８を結合させることができるように、冷却板２００に貫通穴２０４が形成される。幾つかの実施形態では、基板１１０の複数の点において温度が感知できるように、冷却板２００に複数のセンサ２０８を連結させるため、１又は複数の貫通穴２０４が形成される。幾つかの実施形態では、図２に示すように、貫通穴の底部にネジ山２０６をつけることにより、センサを所定の位置に安全に保持するようにネジによるネジ止め結合を行うことができる。

センサは、基板の温度に相当するデータを供給できる任意の適切なセンサとすることができる。例えば、センサ２０８は、図２に示すように熱電対である。熱電対（センサ２０８）は、貫通穴２０４のねじ山２０６と接合するネジを有するネジ結合２１０を用いて定位置に固定される。センサ２０８によって供給されたデータから基板１１０の温度を決定するために、接続線２１２が、図１に関連して上述した制御装置１２４といった制御装置（図示しない）とセンサ２０８とを接続する。決定が行われた後、基板の温度は後述のように解析される。

センサ２０８は、所望の温度範囲に亘るデータを供給することができる、例えば熱電対といった適切なセンサでよい。幾つかの実施形態において、温度範囲は、約２００℃から約４００℃の範囲である。幾つかの実施形態では、センサは、一端が接合され、金属鞘といった鞘に包まれた２種の異種金属を有する熱電対を含む。幾つかの実施形態では、例えば、基板１１０の裏面への金属接触が望ましくないような場合、熱電対は、金属鞘上に配置された非金属材料を更に含む。例えば、非金属材料は、炭化ケイ素といったセラミック、酸化アルミニウム、或いはシリコン炭化シリコン複合体といったセラミック複合材料等である。幾つかの実施形態では、非導電材料は、約０．０５インチから約０．１２５インチの厚さを有する。

幾つかの実施形態では、例えば基板１１０の裏面への接触が望ましくない場合、センサ２０８は赤外線センサである。赤外線センサは、基板１１０から固定の距離だけ離れた位置に赤外センサを保持するために適した何らかの手段を介して冷却板２００に連結される。例えば、赤外センサは、上述のようなネジ結合によって本体２００に連結される。図３の冷却板２１２の底面図に示したような幾つかの実施形態において、センサは、フランジ３０６を有する板に連結され、フランジは、ネジ、ピン、リベット等といった締結具を用いて冷却板に結合される。適切な赤外センサの一例は熱電対列赤外センサである。適切な赤外センサは、Micro-Epsilon America社、及びMikron Infrared社を含む多くの販売元から市販されている。

図３は、本発明の幾つかの実施形態による基板冷却を実行するために適した冷却板２００の底面図を示している。図３のような幾つかの実施形態において、冷却板２００は、冷却液源と連通している冷却液入り口３０２と、内部冷却液通路３０８と、冷却液出口３０４とを有する。冷却液は気体でも液体でもよい。幾つかの実施形態において、冷却液は冷水である。別の構成では、その他の冷却媒体を同じ温度又は異なった温度で用いてもよい。例えば、不凍液（例えば、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール等）、又はその他の熱伝導流体を冷却板に循環させてもよく、あるいは冷却装置（図示しない）と連結させてもよい。

図４は、本発明の幾つかの実施形態による基板１１０を精密に冷却するための方法を示す。この方法は、基板１１０を冷却のためにチャンバ内に入れる４０２から始まる。基板１１０は冷却板２００上に配置され、この冷却板には、基板１１０の温度に相当するデータを供給するように構成された少なくとも１つのセンサ２０８が結合されている。基板１１０は、図１に関連して上述された基板のような、冷却が必要な任意の基板である。チャンバは、図１に関連して上述された冷却チャンバ１００のように、冷却チャンバと呼ばれる。

次いで、４０４において、センサ２０４により所定の間隔で基板の温度を感知する。所定の間隔は、基板の種類又は構成、基板上で行われる処理工程、基板の初期温度、基板の所望の最終温度といった工程条件によって変わりうる。幾つかの実施形態では、間隔は約３０秒から約１２０秒である。幾つかの実施形態では、感知された温度は制御装置１２４に保存される。

次いで、４０６において、感知された温度が所定の温度より低いか、又は所定の温度と等しいかに関する質問が発せられる。所定の温度は、基板の種類又は構成、基板上で以前に行われた工程、基板の初期温度、基板の所望の最終温度、次の工程のための基板の所望温度等といった多数の工程条件に応じて指令される。

質問に対する回答が肯定であれば、方法は４０８に進み、４０８において基板をチャンバから取り出す。基板１１０は、手動で、又はクラスターツールの移動ロボットといった自動化工程を介して取り出される。

４０６における質問に対する回答が否定であれば、方法は４０４に戻り、そこでもう一度基板１１０の温度を感知及び記録し、その後方法は再び４０６に進む。

上記は本発明の実施形態を説明するものであるが、本発明のその他の実施形態、又は更なる実施形態が、本発明の基本的範囲を逸脱すること無く考案可能である。

Claims (15)

1. 基板の温度を測定する装置であって、
   基盤を支持する冷却板と、
   冷却板上に配置されると基板の温度に相当するデータを供給するセンサと、
   センサのデータから基板の温度を決定するための、センサに連結されたコンピュータとを備える装置。
2. 冷却板が冷却チャンバ内に配置されている請求項１に記載の装置。
3. 冷却板が、冷却チャンバ内に配置されており、且つ軸方向の貫通穴を有しており、
   センサが、軸方向貫通穴を通して、基板の温度に相当する計量値を感知する位置に配置されている、
   請求項１に記載の装置。
4. 約２５℃から約４００℃の温度を有する基板を取り扱うように構成されている請求項１に記載の装置。
5. センサが、基板から放射される赤外線放射を検出する赤外線センサからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. センサが、
   基板を通して光を透過するレーザダイオードと、
   透過光を検出する検出器と
   を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
7. センサが熱電対である請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
8. 熱電対が、基板が冷却板上に配置された時に基板の裏面と接触する位置に配置される非導電性部を有する鞘の中に配置されている、請求項７に記載の装置。
9. 非導電性材料が少なくともシリコン（Ｓｉ）又は炭化ケイ素（Ｓｉｃ）を含む請求項８に記載の装置。
10. 処理チャンバ内に配置されて冷却される基板の温度を測定する方法であって、処理チャンバが、処理チャンバ内において基板を冷却するための冷却板上に配置された基板と、基板の温度に相当するデータを供給するよう構成されたセンサとを備えているもので、方法が、
    （ａ）所定の第１の期間が経過した後に、センサにより基板の第１温度を感知する工程、
    （ｂ）第１の温度を所定の温度と比較する工程、及び
    （ｃ）第１の温度が、所定の温度より高いか、所定の温度と等しいか、又は所定の温度より低いかを決定する工程
    を含む方法。
11. さらに、
    （ｄ）第１の温度が所定の温度より高いと決定する工程、
    （ｅ）所定の第２の期間の後で、第２の温度を感知する工程、
    （ｆ）第２の温度を所定の温度と比較する工程、及び
    （ｇ）第２の温度が所定の温度より高いか、所定の温度と等しいか、又は所定の温度より低いかを決定する工程、或いは、
    （ｄ）第１の温度が所定の温度以下であると決定された場合に基板をチャンバから取り出す工程
    を有することを特徴とする方法。
12. チャンバが冷却チャンバである、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. センサが、赤外センサ、レーザダイオードと検出器、及び熱電対の少なくとも１つである、請求項１０又は１１に記載の方法。
14. センサが、基板が冷却板上に配置されている時に基板と接触する位置に配置される非導電性部を有する鞘の中に配置された熱電対を備える、請求項１３に記載の方法。
15. 制御装置によって実行されると処理チャンバに１の方法を実行させる命令が保存されている、コンピュータで読み取り可能な媒体であって、処理チャンバが、処理チャンバ内において基板を冷却するための冷却板上に配置された冷却される基板と、基板の温度に相当するデータを供給するように構成されたセンサとを有しており、前記方法が請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法からなる、コンピュータで読み取り可能な媒体。

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