(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の清浄度の環境において水平に配置された基板の表面に沿って清浄ガスを、当該基板の表面に対して所定の相対速度にて流すことにより、当該基板の表面上の全域にわたり、層流境界層、遷移層及び乱流境界層を形成したことを特徴とするパーティクル汚染防止方法。
【請求項２】
内部が所定の清浄度に保たれるハウジングと、前記ハウジング内にて基板を水平に支持するための支持手段と、前記支持手段により支持された基板の表面に沿って清浄ガスを、当該基板の表面に対して所定の相対速度にて流すための送風手段とを備え、当該基板の表面上の全域にわたり、層流境界層、遷移層及び乱流境界層を形成することを特徴とするパーティクル汚染防止構造。
【請求項３】
前記支持手段が前記ハウジング内を移動可能となっていることを特徴とする請求項２に記載のパーティクル汚染防止構造。
【請求項４】
前記送風手段は、空気を前記ハウジングで循環させるファンと、前記ファンによる空気の循環経路中に配置され、空気を所定の清浄度の清浄ガスとするフィルタとを備えることを特徴とする請求項２又は３に記載のパーティクル汚染防止構造。
【請求項５】
前記清浄ガス中のパーティクルに生じる静電気を中和するためのイオンを前記ハウジング内に供給するイオン供給手段を更に備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のパーティクル汚染防止構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハやガラス基板等の基板に対するパーティクル（微細粒子）による汚染を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体デバイスや液晶パネル等のマイクロデバイスの微細化、高集積化に伴い、基板表面のパーティクル汚染が重大な問題となっている。かかる問題に対しては、従来においては、極めて清浄な空間を作り、その空間内にて基板を搬送や保管等を行うこととしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状では、空間の清浄度を上げるには限界があり、完全にパーティクルが除去された空間を形成することは実質的に不可能である。
【０００４】
このため、例えば清浄な基板保管空間内で基板を水平に支持し保管していると、その空間内に浮遊しているパーティクルは、極めて微量であっても、やがて基板の表面に沈着してしまうことがある。
【０００５】
また、基板の枚葉式搬送はクリーントンネルを通して行うことが従来から提案されているが、搬送装置の機械的部分の摩擦により発生するパーティクルがクリーントンネル内に侵入することもあり、基板のパーティクル汚染の可能性が高くなっている。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、基板の保管時や搬送時等におけるパーティクル汚染を防止するための方法及び構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、所定の清浄度の環境に水平に配置された基板の表面に沿って清浄ガスを、当該基板の表面に対して所定の相対速度にて流すことにより、当該基板の表面上の全域にわたり、層流境界層、遷移層及び乱流境界層を形成することとしたパーティクル汚染防止方法を特徴としている。
【０００８】
この方法によれば、基板の表面に形成された層流境界層、遷移層及び乱流境界層における流体は、微細なパーティクルに対して粘性流体とみなせる。従って、基板が配置されている環境にパーティクルが浮遊しており、基板に向かって降下したとしても、粘性流体の層によってその粒子の降下は阻止され、当該層が保護膜となって基板のパーティクル汚染は防止される。なお、清浄ガスは、典型的には、所定の清浄度に調整された空気が用いられることとなろう。
【０００９】
また、本発明は、前記方法を実施するためのパーティクル汚染防止構造にも係るものである。本発明によるパーティクル汚染防止構造は、内部が所定の清浄度に保たれるハウジングと、このハウジング内にて基板を水平に支持するための支持手段と、支持手段により支持された基板の表面に沿って清浄ガスを、当該基板の表面に対して所定の相対速度にて流すための送風手段とを備え、当該基板の表面上の全域にわたり、層流境界層、遷移層及び乱流境界層を形成することを特徴としている。
【００１０】
この構成は基板搬送設備に適用することができる。すなわち、ハウジング内を基板搬送経路とし、そこに支持手段が移動可能に配設されることで、支持手段により支持された基板を搬送することが可能となる。この際、支持手段が移動するが、清浄ガスの流速は、支持手段と共に移動する基板に対する相対速度が層流境界層ないしは乱流境界層を形成する値となるよう、調整される。
【００１１】
勿論、支持手段がハウジング内で移動不可能とされている場合は、当該構造は基板保管用とされることになる。
【００１２】
また、送風手段としては、空気をハウジング内で循環させるファンと、このファンによる空気の循環経路中に配置されたフィルタとを備えたものが考えられる。空気を循環させることで清浄な環境を作ることが、効率的にも、コスト的にも有効である。
【００１３】
なお、清浄ガスとしての空気は乾燥状態で使用されるため、空気流の摩擦によりパーティクルや基板が静電気を帯びる可能性がある。そこで、このような静電気を中和するためのイオンをハウジング内に供給するイオン供給手段を設けることが好ましい。これにより、静電力によるパーティクルの基板への吸着が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１及び図２は本発明によるパーティクル汚染防止構造を基板搬送設備に適用した実施形態を示すものである。図示の基板搬送設備１０は、基板である半導体ウェハＷを一方向（図１及び図２の左側から右側への方向）に搬送するためのものであり、基板搬送ロボット１２を主構成要素として備えている。
【００１６】
基板搬送ロボット１２は、基本的には周知のアーム型ロボットであり、回転可能な円板状のベース１４と、このベース１４に偏心して回転可能に取り付けられたアームアセンブリ１６とから構成されている。アームアセンブリ１６は、ベース１４側のアーム１８と、アーム１８の先端部に屈曲可能に接続されたアーム、いわゆるエンドエフェクタ２０とを有している。エンドエフェクタ２０の先端部には半導体ウェハＷを支持する支持手段が設けられている。支持手段としては種々の型式のものが考えられるが、本実施形態における支持手段は、図３から理解される通り、半導体ウェハＷが嵌合されるようエンドエフェクタ２０の表面に形成された凹部２２となっている。この凹部は、半導体ウェハＷの厚さと同一の深さを有し、その内壁面は半導体ウェハＷの水平方向の位置ずれが防止されるよう半導体ウェハの外形と同一形状となっている。また、エンドエフェクタ２０の先端部２３は二叉状となっており、更にその上面は流線形となっている。かかる形状は、半導体ウェハＷの表面（上面）に沿って空気を可能な限り円滑に流すためである。
【００１７】
ベース１４、アーム１８及びエンドエフェクタ２０の内部にはリンク機構ないしは駆動機構（図示しない）が設けられており、図２の矢印Ａに示すようにベース１４を回転させることにより、エンドエフェクタ２０の凹部２２にて支持された半導体ウェハＷを矢印Ｂに沿って直進させることが可能となっている。このような基板搬送ロボット１２を複数台、直線的に並設することで、半導体ウェハＷを間欠的に移送することが可能となる。
【００１８】
また、上記の基板搬送ロボット１２では、半導体ウェハＷを直接受け渡すことができないので、本実施形態の基板搬送設備１０は、隣り合う１対の基板搬送ロボット１２間に基板受渡し装置２４が配置されている。基板受渡し装置２４は、駆動機構（図示しない）により上下動可能となっている複数本、好ましく４本のリフトピン（支持手段）２６から構成されている。半導体ウェハＷはその裏面がリフトピン２６によって支持され、リフトピン２６を上下させることによって、リフトピン２６間に挿入、配置される基板搬送ロボット１２のエンドエフェクタ２０との間で半導体ウェハＷを受け渡すことが可能となる。リフトピン２６は、本実施形態ではエンドエフェクタ２０と同様な理由から、半導体ウェハＷの裏面のみに接する構成となっている。
【００１９】
１台の基板搬送ロボット１２と、これに隣接する１台の基板受渡し装置２４とは対をなし、各対の基板搬送ロボット１２及び基板受渡し装置２４は管状ないしはトンネル状のハウジング２８内に収容されている。ハウジング２８は、半導体ウェハＷの搬送方向と同一方向に延び、その両端は開口されている。基板搬送ロボット１２は一方の開口端部（搬送方向下流側の端部）の近傍に配置され、基板受渡し装置２４は他方の開口端部の近傍に配置される。基板搬送ロボット１２のベース１４はハウジング２８の下部部分に設けられた穴３０に配置され、その上面がハウジング２８の底面と同一面とされている。これも、ハウジング２８内での障害物を減らして、半導体ウェハＷの表面を流れる空気流に渦や乱れを生じさせない工夫となっている。また、基板受渡し装置２４のリフトピン２６は、ハウジング２８の下部部分に形成された小孔３２に通されている。
【００２０】
なお、基板搬送ロボット１２のベース１４とハウジング２８の穴３０との間、及び、リフトピン２６と小孔３２との間には間隙が形成されており、機械的接触による摩耗を防止している。また、図１の点線の矢印で示すように、これらの間隙を通してハウジング２８内の空気が緩やかに吸引されるようになっており、基板搬送ロボット１２や基板受渡し装置２４自体の機械的摩耗によるパーティクルがハウジング２８内に侵入するのを防止ないしは抑制している。
【００２１】
ハウジング２８の内部空間は、ハウジング２８内に水平に配置された仕切り板３４により上部空間３６と下部空間３８に分割されている。搬送方向下流側となる仕切り板３４の端部には開口が設けられ、そこにハウジング２８の下部空間３８から空気を吸引し上部空間３６に流すファン４０が取り付けられている。また、仕切り板３４の他方の端部にも開口が設けられており、そこにはＨＥＰＡ（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ａｉｒ）フィルタやＵＬＰＡ（Ｕｌｔｒａ  Ｌｏｗ  Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ  Ａｉｒ）フィルタ等のフィルタ４２が配置されている。従って、ファン４０を駆動すると、図１の実線の矢印で示すように空気が循環し、フィルタ４２を通過した空気は清浄空気（清浄ガス）としてハウジング２８の下部空間３８内を一方の開口端部から他方の開口端部へと流れる。また、これによって、ハウジング２８の下部空間３８は所定の清浄度の環境に維持される。なお、符号４４は整流板であり、下部空間３８内での清浄空気の流れを水平に整流するためのものである。
【００２２】
更に、ハウジング２８内の仕切り板３４には、フィルタ４２の下流側近傍に、イオン供給ノズル（イオン供給手段）４６が配置されている。このイオン供給ノズル４６は、空気が流れることにより下部空間３８内の浮遊パーティクルが帯電して半導体ウェハＷに静電力により付着する事態を防止すべく、パーティクルの静電気を中和するために設けられている。
【００２３】
かかるハウジング２８を複数、直線状に並べ、隣り合う開口端部を接続することにより、基板搬送経路として１本のクリーントンネルが形成される。そして、各ハウジング２８に設けられた基板搬送ロボット１２及び基板受渡し装置２４をそれぞれ制御することで、クリーントンネル内に沿って半導体ウェハＷを搬送することができる
【００２４】
次に、このような構成の基板搬送設備１０において本発明のパーティクル汚染防止方法を実施した場合を説明する。
【００２５】
まず、ファン４０を駆動して各ハウジング２８内で空気を循環させると、各ハウジング２８の下部空間３８内で基板搬送方向と同方向に、清浄空気が略水平に流れる。また、複数のハウジング２８が接続され、その内部が互いに連通しているため、全ハウジング２８を通して清浄空気が水平に流れることになる。この清浄空気の流速は１００〜３００ｍｍ／ｓｅｃ程度とすることが好適である。
【００２６】
かかる微流速の空気流が発生している状態において、３００ｍｍ径の半導体ウェハＷがリフトピン２６上にて支持されているとすると（図１の右側のハウジング２８内での状態）、２０℃の環境で空気の動粘性係数が０．１５ｃｍ２／ｓｅｃとなることから、半導体ウェハＷの前縁部（空気流に向かう側の縁部）での空気流のレイノルズ数は数十というレベルとなる。また、半導体ウェハＷの後縁部（前縁部から３００ｍｍ下流側の地点）での空気流のレイノルズ数は３００ｍｍ／ｓｅｃの流速でも６０００程度である。この数値範囲の下では、図４に示すように、半導体ウェハＷの表面には前縁部から後縁部にかけて順に、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍ程度の層流境界層（図４の一点鎖線）、遷移層及び乱流境界層（図３の二点鎖線）が形成され、これらの層は微細なパーティクルＰに対して粘性流体である。また、現状の半導体ウェハＷは、その外周縁の断面形状が略円形となっており且つ空気流も微流速であるため、空気流が半導体ウェハＷの前縁に接した場合にも渦流が生ずることもない。また、エンドエフェクタ２０の先端部２３が存在する箇所（図３参照）も、そこが流線形となっているので、渦流等の乱れの発生は抑制される。
【００２７】
従って、半導体ウェハＷの上方に微細なパーティクルＰが浮遊しており、そのパーティクルＰが空気流に流されつつ降下しても、パーティクルＰに対しては粘性流体である層流境界層、遷移層及び乱流境界層が形成されてそれ以上の降下速度が与えられることなく、空気流の主流（層流境界層、遷移層及び乱流境界層よりも上方の空気流）に随伴して半導体ウェハＷよりも下流へと流される。この浮遊パーティクルＰは、空気と共にファン４０により吸引され、ハウジング２８の上部空間３６を流れるが、空気が再度フィルタ４２を通する際に、フィルタ４２により除去される。
【００２８】
ここで、日本における清浄度のＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｂ９９２０）の基準パーティクル（径０．１μｍ）よりも大きな１．０μｍの石英パーティクルがハウジングが浮遊していると仮定し、考察してみると、このパーティクルの重量は１．３ｐｇ程度と極めて軽いため、粘性流体である層流境界層ないしは乱流境界層によって確実に遮られ、半導体ウェハＷの表面に到達して汚染することはない。勿論、本実施形態においては、ハウジング２８の下部空間３８内を流れる空気はＨＥＰＡフィルタないしはＵＬＰＡフィルタ４２によってパーティクルが除去された極めて清浄なものであり、且つ、ハウジング２８の下部部分の穴３０及び小孔３２からは空気が吸引され基板搬送ロボット１２や基板受渡し装置２４自体からのパーティクルがハウジング２８内に侵入することはないので、１μｍもの大径のパーティクルが存在することは極めて希である。
【００２９】
基板搬送ロボット１２により半導体ウェハＷを搬送する場合、リフトピン２６上の半導体ウェハＷを基板搬送ロボット１２のエンドエフェクタ２０上に移載する必要がある。すなわち、基板受渡し装置２４と基板搬送ロボット１２を制御して、リフトピン２６を上昇させ、リフトピン２６上の半導体ウェハＷの下側に基板搬送ロボット１２のエンドエフェクタ２０の凹部２２を配置した後、リフトピン２６を下降させることで、半導体ウェハＷを基板搬送ロボット１２のエンドエフェクタ２０の凹部２２内に移載するのである。
【００３０】
次いで、基板搬送ロボット１２を制御して、ベース１４を回転させると共にアームアセンブリ１６を屈曲させ、エンドエフェクタ２０、従って半導体ウェハＷを水平に直進させる（図２参照）。この際、半導体ウェハＷの移動速度の最高値が１００ｍｍ／ｓｅｃ〜２００ｍｍ／ｓｅｃとなるようにすることが好適である。なお、この最高移動速度は、半導体ウェハＷに対する空気流の相対速度が、１００ｍｍ／ｓｅｃ〜２００ｍｍ／ｓｅｃの範囲内となるように設定される。
【００３１】
半導体ウェハＷが移動し、半導体ウェハＷに対する空気流の相対速度が１００ｍｍ／ｓｅｃ〜２００ｍｍ／ｓｅｃの範囲内にある場合、半導体ウェハＷの表面での清浄空気の挙動は、半導体ウェハＷが静止状態にあるときと同様であり、半導体ウェハＷの表面上には空気の層流境界層、遷移層そして乱流境界層が形成され、パーティクルの付着が防止される。
【００３２】
なお、空気が流れることにより生ずる静電気もイオン供給ノズル４６からのイオンによって中和されるため、静電力による半導体ウェハＷへのパーティクルの吸着も防止される。
【００３３】
半導体製造プロセスにおいては、インライン型枚葉式搬送は従来から提案されてきたが、実際には、半導体ウェハＷの受渡しや移送のための機構からの発塵による汚染が原因で未だ実現されていなかった。しかしながら、上記実施形態の如く基板搬送設備１０を構成することで、半導体ウェハＷ上へのパーティクルの付着が防止ないしは大幅に抑制されることから、インライン型枚葉式搬送が可能となる。特に、枚葉式搬送が可能となることにより、半導体ウェハＷの大径化に伴うバッチ式搬送の困難性を解決することができ、生産性の向上に大いに寄与することになる。
【００３４】
なお、半導体ウェハＷを基板搬送ロボット１２により搬送することとしているが、半導体ウェハＷの搬送手段はロボットに限定されないことは勿論である。
【００３５】
また、半導体ウェハＷの表面に層流境界層ないしは乱流境界層が形成されるならば、半導体ウェハＷの支持手段の形状や支持位置は上記のものに限られない。
【００３６】
更に、上記実施形態では、半導体ウェハＷ上では層流境界層、遷移層及び乱流境界層が形成されているが、空気流の速度や半導体ウェハの直径等によっては層流境界層のみ又は層流境界層及び遷移層のみが半導体ウェハＷ上に形成される場合もある。或いはまた、半導体ウェハＷ上では遷移層と乱流境界層、又は、乱流境界層のみが形成されることもあり得る。本明細書中における「層流境界層ないしは乱流境界層」なる表現はかかる状態を含むものである。
【００３７】
更にまた、空気流の流速については、層流境界層ないしは乱流境界層が形成されれば如何なる速度であってもよく、ハウジングの内部構造や支持手段の移動速度、或いは清浄ガスのガス種や環境温度等に応じて適宜変更され得るものである。
【００３８】
図５は、本発明を適用したＦＯＵＰ（Ｆｒｏｎｔ  Ｏｐｅｎｉｎｇ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｐｏｄ）システムの実施形態を示している。次世代半導体製造プロセスにおける半導体ウェハの搬送システムでは、ＦＯＵＰ（Ｆｒｏｎｔ  Ｏｐｅｎｉｎｇ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｐｏｄ）が採用される傾向にある。ＦＯＵＰは前面開放型のウェハカセットであり、内部が小さな密閉空間となるハウジングに収容され、必要に応じてハウジングの前面を開放して半導体ウェハの出し入れが行われる。ＦＯＵＰは、高清浄度を達成できる小空間に配置されることから、パーティクル汚染に耐え得るものと考えられている。しかしながら、小空間であっても、パーティクルを完全に除去することは困難である。
【００３９】
図５に示す実施形態に係るＦＯＵＰシステム１００は、半導体ウェハＷの支持手段たるＦＯＵＰ１０２を収容するハウジング１０４を備えている。このハウジング１０４内にはサブハウジング１０６が配置され、内部が２重の空間に仕切られている。ＦＯＵＰ１０２はサブハウジング１０６内に収容される。また、サブハウジング１０６の一方の側壁１０８には、サブハウジング１０６の内部空間から空気を吸引するファン１１０が取り付けられ、他方の側壁１１２にＨＥＰＡフィルタ又はＵＬＰＡフィルタ等のフィルタ１１４が取り付けられている。従って、ファン１１０を駆動すると、図５の矢印で示すように空気が循環し、サブハウジング１０６の内部にはフィルタ１１４を通過した清浄空気が水平方向に流通し、所定の清浄度の空間が形成される。更に、本実施形態のＦＯＵＰ１０２は、その両側壁１１６に貫通孔１１８が形成され、清浄空気がＦＯＵＰ１０２内を通過できるよう構成されている。ＦＯＵＰ１０２の側壁１１６に形成される貫通孔１１８は、ＦＯＵＰ１０２内を通過する清浄空気がＦＯＵＰ１０２の支持棚１２０で支持されている半導体ウェハＷの表面に沿って水平に流れ、且つ、層流境界層ないしは乱流境界層を形成するよう、位置や数、形状が定められている。これによって、清浄空気を１００ｍｍ／ｓｅｃ〜３００ｍｍ／ｓｅｃで流通させることにより、各半導体ウェハＷの上方の空気流は図４と同様な挙動を示し、パーティクルの付着が防止されることになる。
【００４０】
なお、図５において符号１２２は、静電気を中和するためのイオン供給ノズルである。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限られないことはいうまでもない。
【００４２】
例えば、対象となる基板は半導体ウェハＷに限られず、液晶パネルを製造するためのガラス基板等であってもよい。
【００４３】
また、搬送系のみならず、基板の長期保管箇所や処理チャンバに対する基板待機箇所等にも本発明のパーティクル汚染防止方法ないしは設備を適用することが可能である。
【００４４】
更に、清浄空気ないしは清浄ガスを作る送風手段も、上述したようなファン４０，１１０及びフィルタ４２，１１４からなる循環型に限られない。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、基板の表面にそって層流境界層ないしは乱流境界層を形成することで、基板の上方から落下してくるパーティクルが基板の表面に沈着することを防止することができる。従って、本発明は、基板に対するパーティクル汚染が防止され、或いは大幅に低減されるので、基板の最終製品である半導体デバイスや液晶パネルの性能、歩留まり等の向上に寄与することになる。
【００４６】
また、本発明の技術思想は、上述したように、基板の搬送設備や保管設備に適用可能であり、更に処理装置等にも適宜応用することも可能である。すなわち、本発明は、極めて応用範囲が広いという特徴があり、今後のマイクロデバイスの微細化や高集積化にも大いに寄与することとなろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパーティクル汚染防止構造が適用された基板搬送設備を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿っての断面図である。
【図３】図１及び図２における基板搬送ロボットのエンドエフェクタの先端部を示す断面部分図である。
【図４】本発明によるパーティクル汚染防止方法を説明するために、半導体ウェハに対する空気流の挙動を示す概略説明図である。
【図５】本発明によるパーティクル汚染防止構造が適用されたＦＯＵＰシステムを概略的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０…基板搬送設備、１２…基板搬送ロボット、２０…エンドエフェクタ、２２…凹部、２４…基板受渡し装置、２６…リフトピン、２８…ハウジング、３４…仕切り板、３６…上部空間、３８…下部空間、４０…ファン、４２…フィルタ、４６…イオン供給ノズル、４８…ブレード、１００…ＦＯＵＰシステム、１０２…ＦＯＵＰ、１０４…ハウジング、１０６…サブハウジング、１１０…ファン、１１４…フィルタ、１２２…イオン供給ノズル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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