(57)【要約】【課題】加熱された基板を、より均一かつ迅速に冷却する冷却方法、および真空処理装置を提供する。【解決手段】実施形態の基板冷却方法は、減圧状態が維持可能な処理室において加熱された基板を、前記処理室から減圧状態が維持可能なロードロック室内に搬送するステップと、前記ロードロック室内に搬送された前記基板の外周を前記ロードロック室内に設けられたガイド機構に支持させるステップと、前記ガイド機構に支持された前記基板の主面に冷却体を接触させずに接近させて、前記基板の温度が前記ロードロック室内に搬送された直後の温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２になるまで前記基板を冷却するステップと、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧状態が維持可能な処理室において加熱された基板を、前記処理室から減圧状態が維持可能なロードロック室内に搬送するステップと、
前記ロードロック室内に搬送された前記基板の外周を前記ロードロック室内に設けられたガイド機構に支持させるステップと、
前記ガイド機構に支持された前記基板の主面に冷却体を接触させずに接近させて、前記基板の温度が前記ロードロック室内に搬送された直後の温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２になるまで前記基板を冷却するステップと、
を備えたことを特徴とする基板冷却方法。
【請求項２】
前記ガイド機構に支持された前記基板の前記主面と、前記冷却体と、の距離を縮小させつつ、前記基板を冷却することを特徴とする請求項１記載の基板冷却方法。
【請求項３】
前記基板の温度が前記温度Ｔ２未満になった後に、前記基板を前記冷却体に接触させることを特徴とする請求項１または２に記載の基板冷却方法。
【請求項４】
前記基板は、炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の基板冷却方法。
【請求項５】
減圧状態が維持可能であり、基板の搬入出が可能なロードロック室と、
減圧状態が維持可能であり、前記基板を加熱することが可能な処理室と、
前記真空処理室から前記ロードロック室に、前記基板を搬送することが可能なロボットが設置された基板搬送室と、
を備え、
前記ロードロック室は、前記ロードロック室内に搬送された前記基板の外周を支持するガイド機構と、
冷却体と、
前記ガイド機構に支持された前記基板の主面と前記冷却体とを接近させて、前記基板の温度が前記ロードロック室内に搬送された直後の温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２になるまで、前記基板を冷却することが可能な駆動部と、
を有することを特徴とする真空処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、基板冷却方法および真空処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置などを製造する際には、基板が冷却される工程が設けられることが多い。例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ素子の半導体基板として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板が用いられることがある。このような炭化ケイ素基板は、パワーＭＯＳＦＥＴの形成工程において、高温処理が施される場合がある。例えば、炭化ケイ素基板に、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン領域を形成する際には、基板を高温状態（例えば、５００℃程度）にして、イオン注入が実施される。
【０００３】
しかし、炭化ケイ素基板は、シリコン（Ｓｉ）基板に比べて熱伝導率が高い。このような熱伝導率の高い半導体基板は、高温処理後、なるべく基板面内で均一に冷却することが望ましい。例えば、支持台に支持された炭化ケイ素基板を高温処理した後、別の支持台の上に炭化ケイ素基板を搬送すると、別の支持台の形状によっては、炭化ケイ素基板が許容値を超えた面内温度分布を有したまま急激に冷却される場合がある。その結果、基板内に熱ストレスが発生して、基板に欠けや割れが発生してしまう。
【０００４】
高温状態にある半導体基板を別の支持台に搬送することなく、真空状態で放置しながら放射冷却させる方策も考えられるが、この方策では、冷却に時間がかかり、タクトタイムが上昇してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２６７９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、加熱された基板を、より均一かつ迅速に冷却する基板冷却方法、および真空処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の基板冷却方法は、減圧状態が維持可能な処理室において加熱された基板を、前記処理室から減圧状態が維持可能なロードロック室内に搬送するステップと、前記ロードロック室内に搬送された前記基板の外周を前記ロードロック室内に設けられたガイド機構に支持させるステップと、前記ガイド機構に支持された前記基板の主面に冷却体を接触させずに接近させて、前記基板の温度が前記ロードロック室内に搬送された直後の温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２になるまで前記基板を冷却するステップと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る真空処理装置の平面模式図である。
【図２】実施形態に係るロードロック室の平面模式図である。
【図３】実施形態に係るロードロック室の断面模式図である。
【図４】実施形態に係る基板の冷却方法のフローチャート図である。
【図５】実施形態に係る基板の冷却方法を説明するためのロードロック室の断面模式図である。
【図６】実施形態の効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。実施形態の基板冷却方法を説明する前に、この方法を実施する真空処理装置について説明する。
【００１０】
図１は、実施形態に係る真空処理装置の平面模式図である。  
真空処理装置１は、例えば、枚葉式の真空処理装置であり、ロードロック室１０、１１と、真空処理室（処理室）２０と、基板搬送室３０と、を備える。
【００１１】
ロードロック室１０、１１は、いずれも減圧状態が維持可能であり、基板（例えば、半導体基板）９０の搬入出が可能である。ロードロック室１０は、真空処理室２０で真空処理された基板９０を収納することが可能であり、ロードロック室１１は、真空処理室２０で真空処理する前の基板９０を収納することが可能である。真空処理装置１においては、ロードロック室１１に設置された基板９０が基板搬送室３０を介して、真空処理室２０に搬送される。そして、真空処理室２０で基板９０が真空処理された後、基板９０は、基板搬送室３０を介して、ロードロック室１０に返される。
【００１２】
真空処理室２０は、減圧状態が維持可能であり、例えば、イオン注入、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ドライエッチング等のいずれかの真空処理をすることができる。真空処理室２０は、基板９０を支持することが可能な支持台２１を有する。支持台２１は、基板９０を高温（例えば、５００℃）に加熱することができる。
【００１３】
基板搬送室３０は、ロードロック室１０、１１と、真空処理室２０と、の間に介設されている。基板搬送室３０には、真空ロボット（ロボット）３１が設けられている。真空ロボット３１は、基板９０の外周を支持することが可能な搬送アーム３２を有する。真空ロボット３１は、ロードロック室１１から真空処理室２０に基板９０を搬送したり、真空処理室２０からロードロック室１０に基板９０を搬送したりする。
【００１４】
さらに、真空処理装置１は、ストッカ室４０、４１と、基板機構５０と、を備える。基板機構５０は、ストッカ室４０、４１と、ロードロック室１０、１１と、の間に介設されている。ストッカ室４０、４１内のそれぞれには、基板９０を複数収納することが可能なカセットケース４２、４３が設置されている。基板機構５０には、ストッカ室４０からロードロック室１１に基板９０を搬送したり、ロードロック室１０からストッカ室４１に基板９０を搬送したりする真空ロボット５１が設置されている。真空ロボット５１は、基板９０の裏面を支持することが可能な搬送アーム５２を有する。
【００１５】
次に、真空処理装置１のロードロック室１０について詳細に説明する。  
図２は、実施形態に係るロードロック室の平面模式図である。  
図３は、実施形態に係るロードロック室の断面模式図である。図３には、図２のα−βの位置における断面模式図である。
【００１６】
ロードロック室１０は、上側ロードロック室である蓋部１００と、下側ロードロック室である真空容器１０１と、冷却体である金属ブロック１１０と、駆動部であるリフタ１１と、を有する。  
ロードロック室１０においては、蓋部１００と、真空容器１０１、とは嵌合し、この嵌合した状態において、真空ポンプ（図示しない）による排気手段によって、ロードロック室１０内を減圧状態にすることができる。ロードロック室１０内が大気状態にあるときは、蓋部１００が真空容器１０１から離れ、ロードロック室１０内が大気開放される。ロードロック室１０が大気状態では、ロードロック室１０から上述したストッカ室４１に基板９０を搬送することができる。また、基板搬送室３０と、上述した真空容器１０１とは、真空バルブ（図示しない）を介して互いに連結されている。
【００１７】
ロードロック室１０は、リング状のガイド機構１０２を有する。ガイド機構１０２は、ロードロック室１０内に搬送された基板９０の外周を支持する。例えば、ガイド機構１０２は、基板９０の外端から内側に向かう２ｍｍ〜４ｍｍの領域９０ａを支持する。
【００１８】
ロードロック室１０は、ガイド機構１０２に支持された基板９０の主面（例えば、裏面）に接近することが可能な冷却体を有する。冷却体の例として、金属ブロック１１０が例示されている。
【００１９】
金属ブロック１１０は、平面形状が半円状の金属ブロック部１１０ａと、平面形状が半円状の金属ブロック部１１０ｂと、を有する。金属ブロック１１０部ａと、金属ブロック部１１０ｂと、は、溝１１０ｔを挟み互いに対向している。
【００２０】
金属ブロック１１０の主成分は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、これらの金属を少なくとも２つ含有する合金である。金属ブロック部１１０ａと、金属ブロック部１１０ｂと、の溝１１０ｔには、搬送アーム５２を挿入することが可能である。
【００２１】
例えば、基板９０が金属ブロック１１０上に載置された後、金属ブロック部１１０ａと、金属ブロック部１１０ｂと、の間に搬送アーム５２を挿入する。そして、搬送アーム５２によって基板９０を持ち上げ、搬送アーム５２によって基板９０を支持することにより、基板９０を搬送アーム５２によってロードロック室１０から取り出すことができる。
【００２２】
金属ブロック１１０は、駆動部であるリフタ１１１に接続され、上下移動が可能になっている。このリフタ１１１により、ガイド機構１０２に支持された基板９０の主面と金属ブロック１１０とを接近させることができ、基板９０の温度がロードロック室１０内に搬送された直後の温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２になるまで、基板９０を冷却することが可能になる。例えば、基板９０がガイド機構１０２に支持された状態で、基板９０の主面と、金属ブロック１１０の主面と、の間の距離を「Ｄ」とする。金属ブロック１１０の主面１１０ｓと、基板９０の主面とは互いに対向し、この距離Ｄは、長くなったり、短くなったりする。金属ブロック１１０の上下移動は、制御機構１１２によって制御されている。
【００２３】
制御機構１１２には、複数の温度センサ１２０によって検知された基板９０の温度が入力される。金属ブロック１１０は、ガイド機構１０２に支持された基板９０の主面（例えば、裏面）に接近することが可能である。基板９０の温度に応じて、距離Ｄを変えたり、金属ブロック１１０を基板９０に接近させる速度を変えたりすることができる。
【００２４】
ロードロック室１０では、金属ブロック１１０を基板９０に接触させず、接近させることにより、ロードロック室１０内に搬送された直後の基板９０の温度Ｔ１を、温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２になるまで、基板９０を冷却することが可能である。金属ブロック１１０内には、必要に応じて温度制御用の媒体を流してもよい。これにより、金属ブロック１１０は、外からの熱を受けても、一定の温度に保たれる。
【００２５】
ロードロック室１０には、基板９０の温度のモニタリングするための温度センサ１２０が設けられている。温度センサ１２０は、例えば、熱輻射式の温度計である。
【００２６】
なお、温度Ｔ１および温度Ｔ２、のそれぞれを、基板９０の主面の中心における１点の温度としてもよく、温度Ｔ１および温度Ｔ２のそれぞれを基板９０の主面内の複数の箇所における温度の平均値としてもよい。複数の箇所とは、基板９０の主面の中心と、この中心を通る直線上の基板９０の外周の２点と、を含む３点でもよい。あるいは、複数の箇所とは、基板９０の主面の中心と、この中心を通る直線上の基板９０の外周の２点と、前記中心を通り、前記直線に直交する別の直線上の基板９０の外周の２点と、を含む５点でもよい。なお、複数の箇所については、これらの数に限定されない。複数の箇所で計測された基板温度の平均値を面内平均温度と呼称する。
【００２７】
次に、実施形態に係る基板９０の冷却方法について説明する。実施形態においては、真空処理室２０において、高温処理された基板９０を、ロードロック室１０において、より均一かつ迅速に冷却する。基板９０は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む半導体基板である。
【００２８】
図４は、実施形態に係る基板の冷却方法のフローチャート図である。  
図５は、実施形態に係る基板の冷却方法を説明するためのロードロック室の断面模式図である。
【００２９】
真空処理室２０において、５００℃程度に加熱された基板９０を、真空処理室２０から基板搬送室３０を介して、ロードロック室１０内に搬送する（ステップＳ１０）。
【００３０】
基板９０は、ロードロック室１０内に搬送される前に、真空処理室２０において、予め５００℃程度に加熱される。例えば、真空処理室２０がイオン注入装置である場合、炭化ケイ素基板にイオン注入をする場合には、炭化ケイ素基板の非晶質化を避けるために、例えば、５００℃程度の高温状態でイオン注入をする。ロードロック室１０において、基板９０の温度を上昇させる際には、基板９０に急激な熱ストレスをかけないように、例えば、パルス状にゆっくり昇温させる。この後、基板９０は、真空処理室２０から基板搬送室３０を介して、ロードロック室１０内に搬送される。
【００３１】
続いて、ロードロック室１０内に搬送された基板９０の外周をロードロック室１０内に設けられたガイド機構１０２に支持させる（ステップＳ２０）。
【００３２】
図５（ａ）には、ガイド機構１０２によって基板９０が支持された状態が示されている。
【００３３】
このときの基板９０と金属ブロック１１０との距離をＤ１とする。次に、基板９０の温度のモニタリングを開始する（ステップＳ３０）。温度のモニタリングは、例えば、複数の温度センサ１２０で行う。
【００３４】
次に、ガイド機構１０２に支持された基板９０の主面（例えば、裏面）に金属ブロック１１０を接近させる（ステップＳ４０）。このときの基板９０と金属ブロック１１０との距離をＤ２とする。
【００３５】
図５（ｂ）には、図５（ａ）に比べて、金属ブロック１１０が基板９０の主面に接近した状態が示されている（Ｄ２＜Ｄ１）。金属ブロック１１０と基板９０との間の距離Ｄを所定の距離に保ったり、あるいは、金属ブロック１１０を徐々に基板９０に接近させて、距離Ｄを縮小させる。金属ブロック１１０が基板９０に近づくと、基板９０から放出される輻射熱は、金属ブロック１１０によって効率よく吸収される。これにより、基板９０を迅速に冷やすことができる。そして、基板９０の温度がロードロック室１０内に搬送された直後の温度Ｔ１（一例として、３５０℃）から温度Ｔ２（一例として、２００℃）になるまで、基板９０を冷却する（ステップＳ５０）。
【００３６】
ステップＳ５０では、温度センサ１２０で基板９０の温度を検出しつつ、金属ブロック１１０を駆動させる。温度Ｔ１から温度Ｔ２になるまでの段階では、金属ブロック１１０は、基板９０に接触させない。
【００３７】
例えば、ステップＳ５０では、温度センサ１２０で、基板９０の温度をモニタリングしながら、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで基板の温度を下げる際の冷却速度を、１０（℃／秒）以下に制御している。冷却速度を、１０（℃／秒）より大きくすると、基板９０に急激な熱ストレスがかかり、基板９０が割れたり、基板９０に欠けが生じたりする可能性がある。例えば、基板９０がＳｉＣ基板のような熱伝導率の高い基板である場合には、割れ、欠けが起こりやすい。特に、冷却開始温度（Ｔ１）がより高く、冷却速度がより速いほど、冷却過程において大量の熱放出が基板９０内で発生する。このため、基板９０に急激な熱ストレスがかかり易い。従って、実施形態のごとく冷却速度は、１０（℃／秒）以下であることが望ましい。
【００３８】
また、ステップＳ５０では、基板９０の冷却が進行中の基板９０の温度分布が許容値を超えないように基板９０を冷却する。このための方策の１つとして、基板９０が他の部材（ガイド機構１０２）と接触する部分は、基板９０とガイド機構１０２とが接触する外縁（領域９０ａ）のみとしている。
【００３９】
また、温度Ｔ１と、温度Ｔ２と、が基板９０の面内平均温度である場合は、基板９０の主面における複数の箇所の温度のうち、最高温度と最低温度との差ΔＴが２０℃以下になるように、距離Ｄを所定の距離に保ったり、あるいは、金属ブロック１１０を徐々に基板９０に接近させたりする。なお、ΔＴが２０℃であるとき、ΔＴは、許容値の最高値となっている。
【００４０】
温度と最低温度との差が２０℃より大きくすると、基板９０に急激な熱ストレスがかかり、基板９０が割れたり、基板９０に欠けが生じたりする可能性がある。このため、基板９０の温度を温度Ｔ１から温度Ｔ２まで下げる際の、複数の箇所の温度のうちの最高温度と最低温度との差は、２０℃以下であることが望ましい。
【００４１】
次に、基板９０が温度Ｔ２（一例として、２００℃）未満になった後において、基板を金属ブロック１１０に接触させる（ステップＳ６０）。この状態を、図５（ｃ）に示す。この段階では、基板９０が充分に冷却されているので、基板９０に欠け、割れが発生し難くなる。
【００４２】
その後、ロードロック室１０内が大気状態になり、基板９０をロードロック室１０から取り出すことが可能な状態になる。なお、基板９０をよりゆっくりと冷却させるには、ロードロック室１０の容積をロードロック室１１の容積よりも大きくしてもよい。
【００４３】
図６は、実施形態の効果を説明する図である。  
横軸は、時間（秒）であり、縦軸は、基板９０の温度である。
【００４４】
横軸には、基板９０が真空処理室２０からロードロック室１０内に搬送された直後の時刻Ｘと、基板９０が金属ブロック１１０で冷却された後の時刻Ｙが示されている。ここで、基板温度Ｔ１は、３５０℃以上、４００℃以下であり、基板温度Ｔ２は、１５０℃以上、２００℃以下としている。なお、図中には、基板温度のそれぞれの一例として、３５０℃と、２００℃と、の例が示されている。実施形態ではこれらの値に限定されない。
【００４５】
先ず、ラインＡは、金属ブロック１１０を設けず、基板９０を真空状態で放置しながら冷却させた場合の例である。この場合、基板９０の周りは、真空である。このような状況では、基板９０が真空中への放射冷却によって冷却されるために、冷却時間が長くなってしまう。従って、ラインＡの勾配はなだらかになり、基板９０がロードロック室１０に搬入されてから、基板温度がＴ２になるまでのタクトタイムが上昇してしまう。
【００４６】
一方、ラインＢは、真空処理室２０からロードロック室１０内に搬送した直後に、金属ブロック１１０上に載置したとき温度変化の例である。この場合、基板９０は急激に冷却されるものの、基板９０は、許容値を超えた温度分布を有したままの状態で、冷却されてしまう。その結果、基板９０内に熱ストレスが発生して、基板９０に欠けや割れが発生する可能性がある。
【００４７】
これに対し、ラインＣは、実施形態の例である。この場合、基板９０は、ラインＡに比べ迅速に冷却されるとともに、ラインＢに比べて、基板面内の温度分布がより均一になるように冷却される。従って、基板９０は、許容値を超えた温度分布を有したまま冷却されず、基板９０内に熱ストレスが発生し難くなる。その結果、基板９０に欠けや割れが発生し難くなる。また、実施形態では、金属ブロック１１０を基板９０に近づける速度を変えることにより、基板９０の冷却速度を変えることができる。例えば、金属ブロック１１０を基板９０に近づける速度をより遅くすれば、ラインＣは、ラインＣ１のようになり、金属ブロック１１０を基板９０に近づける速度をより速くすれば、ラインＣは、ラインＣ２のようになる。従って、実施形態では、基板９０の冷却速度の自由度が高くなる。
【００４８】
このように、実施形態に係る基板冷却方法によれば、高温状態にある半導体基板を、より均一かつ迅速に冷却することができる。実施形態に係る基板冷却方法は、熱伝導率の高い半導体基板（例えば、ＳｉＣ基板）の冷却に有効である。
【００４９】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００５０】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。例えば、金属ブロック１１０を基板９０の上面側から接近させる方法も、実施形態に含まれる。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１  真空処理装置
１０、１１  ロードロック室
２０  真空処理室（処理室）
２１  支持台
３０  基板搬送室
３１  真空ロボット
３２  搬送アーム
４０、４１  ストッカ室
４２  カセットケース
５０  搬送機構
５１  真空ロボット
５２  搬送アーム
９０  基板
９０ａ  領域
１００  蓋部
１０１  真空容器
１０２  ガイド機構
１１０  金属ブロック
１１０ａ、１１０ｂ  金属ブロック部
１１０ｓ  主面
１１０ｔ  溝
１１１  リフタ（駆動部）
１１２  制御機構
１２０  温度センサ
【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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【図６】
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