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JP2017098330A - 基板保持装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板の直径が大きくなっても、基板の自重によるたわみ量を最小限とし、かつ基板の回転時の振動を抑制することができる基板保持装置を提供する。【解決手段】基板保持装置は、基板Wの周縁部を保持しつつ基板を回転させる基板保持装置であって、基台1に支持され基台1に対して上下方向に相対移動可能な複数の支柱2と、複数の支柱2にそれぞれ設けられ基板Wの周縁部を保持する複数のチャック3と、複数のチャック3により保持された基板Wの下面を支持する少なくとも1つのサポートピン4とを備える。【選択図】図6

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板の周縁部を保持しつつ基板を回転させる基板保持装置に関するものである。
半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウェハ等の基板の表面に成膜、エッチング、研磨などの各種処理が施される。これら各種処理が施された基板は、処理後に清浄化するために、基板の洗浄処理および乾燥処理が行われる。例えば、基板の洗浄処理では、基板を保持しつつ基板を回転させ、この状態で基板に洗浄液を供給して洗浄する。基板の乾燥処理では、基板を保持しつつ基板を高速で回転させて基板をスピン乾燥させ、或いは、基板を保持しつつ基板を回転させながら基板の表面にIPA蒸気等を吹き付けて基板を乾燥させる。
このように基板の洗浄処理や乾燥処理を行うために、特開2009−295751号公報(特許文献1)に開示されているように、基板の周縁部をチャックで保持しつつ基板を回転させる基板保持装置が知られている。
特開2009−295751号公報
半導体デバイスの製造工程で用いられる半導体ウェハ(シリコンウェハ)の直径は、300mmから450mmへと大口径化している。特許文献1に開示されているような基板保持装置を用い、直径が450mmのウェハを保持しつつウェハを高速で回転させて基板を乾燥させる工程でウェハ割れが頻発するという問題がある。
本発明者らは、大口径のウェハの場合に頻発するウェハ割れの原因を究明するために種々の実験を行う過程で以下の知見を得たものである。
すなわち、特許文献1に開示されている基板保持装置は、ウェハの周縁部をウェハの円周方向に間隔をおいて配置された4個のチャックで保持しつつウェハを高速で回転させるように構成しているため、直径が450mmの大口径ウェハの場合には、相隣接するチャック間の距離が大きくなってしまい、ウェハの自重によるたわみ量が増加するという問題がある。
また、ウェハをスピン乾燥させるために高速回転させると、ウェハの回転速度が、ウェハの周辺を等間隔に4点で支持した場合のウェハの固有振動数に近づき、ウェハの振動が大きくなるという問題がある。
本発明は、上述した知見に基づいてなされたものであり、ウェハ等の基板の直径が大きくなっても、基板の自重によるたわみ量を最小限とし、かつ基板の回転時の振動を抑制することができる基板保持装置を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の基板保持装置は、基板の周縁部を保持しつつ基板を回転させる基板保持装置であって、基台に支持され、該基台に対して上下方向に相対移動可能な複数の支柱と、前記複数の支柱にそれぞれ設けられ、基板の周縁部を保持する複数のチャックと、前記複数のチャックにより保持された基板の下面を支持する少なくとも1つのサポートピンとを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、基板を下から支えるサポートピンを設置しているため、基板の直径が大きくなっても基板の自重によるたわみ量を最小限とすることができる。また、複数のチャックにより基板の周縁部が保持された状態にある基板の固有振動数を、少なくとも1つのサポートピンによって基板の下面を支持させることにより変えることができる。
本発明の好ましい態様は、前記少なくとも1つのサポートピンは、前記基台の中心を中心とする円の円周方向に間隔をおいて設けられた複数のサポートピンからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数のチャックは、前記基台の中心を中心とする円の円周方向に間隔をおいて配置され、前記複数のサポートピンの各々は、相隣接する2つのチャックの間に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記サポートピンの上端部は、半球面の形状をなすことを特徴とする。
本発明によれば、サポートピンの上端部が半球面の形状であるため、サポートピンの半球面は、その頂点が基板の下面に点接触で基板を支持することができる。
本発明の好ましい態様は、前記サポートピンは前記基台に固定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数のチャックにより基板の周縁部が保持された状態にある基板の固有振動数を、前記少なくとも1つのサポートピンによって基板の下面を支持させることにより変えるようにしたことを特徴とする。
本発明の基板保持装置によれば、ウェハ等の基板の直径が大きくなっても、基板の自重によるたわみ量を最小限とし、かつ基板の回転時の振動を抑制することができる。したがって、基板を乾燥させる際に基板を高速回転させても基板が割れることがない。
図1は、本発明に係る基板保持装置の全体構成を示す縦断面図である。 図2は、図1に示す基板保持装置を示す平面図である。 図3は、図1に示す基板保持装置においてリフターによって支柱が上昇された状態を示す縦断面図である。 図4は、基板を下から支えるサポートピンを備えた基板保持装置の斜視図である。 図5は、基板保持装置の平面図である。 図6は、基板保持装置の要部縦断面図である。 図7(a)は、チャックを示す平面図であり、図7(b)はチャックの側面図である。 図8(a)は、チャックがウェハを把持した状態を示す平面図であり、図8(b)はチャックがウェハを解放した状態を示す平面図である。 図9は、図2のA−A線断面図である。 図10は、図9のB−B線断面図である。 第2の磁石と第3の磁石の配置を説明するための模式図であり、支柱の軸方向から見た図である。 リフターにより支柱を上昇させたときの図2に示すA−A線断面図である。 図12のC−C線断面図である。 4つの支柱の下端を互いに連結する連結リングが設けられた断面図である。 4つの支柱の下端を互いに連結する連結リングが設けられた平面図である。
以下、本発明に係る基板保持装置の実施形態を図1乃至図15を参照して説明する。
図1は、本発明に係る基板保持装置の全体構成を示す縦断面図である。図2は図1に示す基板保持装置を示す平面図である。
図1および図2に示すように、基板保持装置は、4つのアーム1aを有する基台1と、各アーム1aの先端に支持された4つの支柱2と、これら支柱2の上端にそれぞれ設けられた4つのチャック3とを備えている。各支柱2は基台1に対して相対的に上下動可能であり、かつ各支柱2はその軸心まわりに回転可能に構成されている。支柱2は、基板の一例であるウェハWの周縁部を把持するチャック3を有している。支柱2およびチャック3は、基台1の中心を中心とする円の円周上に等間隔で配置されている。すなわち、支柱2およびチャック3はウェハWの周縁部に沿って等間隔で配置されている。
基台1は回転軸5の上端に固定されており、この回転軸5は軸受6によって回転自在に支持されている。軸受6は回転軸5を囲むように配置された円筒体7の内周面に固定されている。円筒体7の下端は架台9に取り付けられており、その位置は固定されている。回転軸5は、プーリー11,12およびベルト14を介してモータ15に連結されている。モータ15を駆動させることにより、基台1はその軸心を中心として回転するようになっている。ウェハWはチャック3によって把持され、モータ15によってウェハWの中心軸線まわりに回転される。
円筒体7を囲むように、支柱2を上昇させるリフター20が配置されている。このリフター20は、円筒体7に対して上下方向にスライド可能に構成されている。リフター20は、4つの支柱2を持ち上げる4つのプッシャー20aを有している。円筒体7の外周面とリフター20の内周面との間には、第1の気体チャンバ21と第2の気体チャンバ22が形成されている。これら第1の気体チャンバ21と第2の気体チャンバ22は、それぞれ第1の気体流路24および第2の気体流路25に連通しており、これら第1の気体流路24および第2の気体流路25は、図示しない加圧気体供給源に連結されている。
図3は、図1に示す基板保持装置においてリフターによって支柱が上昇された状態を示す縦断面図である。第1の気体チャンバ21内の圧力を第2の気体チャンバ22内の圧力よりも高くすると、図3に示すように、リフター20が上昇する。一方、第2の気体チャンバ22内の圧力を第1の気体チャンバ21内の圧力よりも高くすると、図1に示すように、リフター20が下降する。リフター20により4つの支柱2および4つのチャック3は同時に上昇し、下降する。
基台1の上面には、回転カップ28が固定されている。この回転カップ28は、回転するウェハWから遠心力により飛び出した液体を受け止めるためのものである。図1に示すように、回転カップ28はウェハWの全周を囲むように配置されている。回転カップ28の縦断面形状は径方向内側に傾斜している。また、回転カップ28の内周面は滑らかな曲面から構成されている。回転カップ28の上端はウェハWに近接しており、回転カップ28の上端の内径は、ウェハWの直径よりもやや大きい。回転カップ28の上端には、支柱2の外周面形状に沿った切り欠き28aが形成されている。回転カップ28の底面には、斜めに延びる液体排出孔(図示せず)が形成されている。図3に示すように、リフター20が上昇すると、支柱2およびチャック3は上昇し、ウェハWは回転カップ28の上端より上方に位置する。
図4乃至図6は、相隣接するチャック3,3間にウェハWを下から支えるサポートピン4を備えた基板保持装置を示す図であり、図4は基板保持装置の斜視図、図5は基板保持装置の平面図、図6は基板保持装置の要部縦断面図である。
図4および図5に示すように、基板保持装置には、相隣接するチャック3,3間にウェハWを下から支えるサポートピン4が設置されている。すなわち、4つのチャック3の間には、垂直方向に延びる4つのサポートピン4が基台1の中心を中心とする円の円周上に間隔をおいて設置されている。4つのサポートピン4は、4つのチャック3が位置する円周上よりやや半径方向内側の円周上に位置している。
図6は、基板保持装置に設置されたサポートピン4の一つを示す縦断面図である。図6に示すように、サポートピン4は全体が棒状に形成されており、上端部は半球面4aになっており、下端部はねじ部4bになっている。サポートピン4は、ねじ部4bが基台1に螺合されることにより基台1に固定されている。サポートピン4の半球面4aは、その頂点がウェハWの下面に点接触でウェハWを支持するようになっている。サポートピン4の半球面4aの頂点は、4つのチャック3により水平の姿勢で保持されるウェハWの外周部の下面と略同一の高さか、又はわずかに低い高さに設定されている。具体的には、4本のサポートピン4の半球面4aの頂点は、ウェハWの外周部の下面より0mm〜0.1mmだけ低い高さに設定されている。
本発明の基板保持装置によれば、図4乃至図6に示すように、相隣接するチャック3,3間にウェハWを下から支えるサポートピン4を設置しているため、ウェハの直径が大きくなってもウェハの自重によるたわみ量を最小限とすることができる。
また、ウェハの周辺を等間隔に4点で支持することに加えて、ウェハWの外周部の下面をサポートピン4で支持するようにしたため、ウェハの固有振動数を変えることができる。したがって、ウェハWをスピン乾燥させるために、例えば、1500〜3000min−1の速度で高速回転させた場合でも、ウェハの回転速度がウェハの固有振動数に近づかないようにすることができ、ウェハの振動を抑制することができる。
図7(a)は、チャック3を示す平面図であり、図7(b)はチャック3の側面図である。チャック3は、支柱2の上端の偏心した位置に形成されている。このチャック3は、ウェハWの周縁部に当接することによりウェハWの周縁部を把持する。支柱2の上端には、チャック3から支柱2の軸心に向かって延びる位置決め部41がさらに形成されている。位置決め部41の一端はチャック3の側面に一体的に接続され、他端は支柱2の軸心上に位置している。この位置決め部41の中心側の端部は、支柱2と同心の円に沿って湾曲した側面41aを有している。支柱2の上端は、下方に傾斜するテーパ面となっている。
図8(a)は、チャック3がウェハWを把持した状態を示す平面図であり、図8(b)はチャック3がウェハWを解放した状態を示す平面図である。ウェハWは、支柱2の上端(テーパ面)上に載置され、そして、支柱2を回転させることにより、チャック3をウェハWの周縁部に当接させる。これにより、図8(a)に示すように、ウェハWがチャック3に把持される。支柱2を反対方向に回転させると、図8(b)に示すように、チャック3がウェハWから離れ、これによりウェハWが解放される。このとき、ウェハWの周縁部は、位置決め部41の中心側端部の側面41aに接触する。したがって、位置決め部41の側面41aによって、支柱2が回転するときのウェハWの変位を制限することができ、その後のウェハ搬送の安定性を向上させることができる。
図9は図2のA−A線断面図であり、図10は図9のB−B線断面図である。図9および図10では、回転カップ28の図示は省略されている。基台1のアーム1aは、支柱2をスライド自在に保持する保持部材1bを有している。この保持部材1bはアーム1aと一体に構成してもよい。保持部材1bには上下に延びる貫通孔が形成されており、この貫通孔に支柱2が挿入されている。貫通孔の直径は支柱2の直径よりも僅かに大きく、したがって支柱2は基台1に対して上下方向に相対移動可能となっており、さらに支柱2は、その軸心まわりに回転可能となっている。
基板保持装置は、支柱2をその軸方向に付勢するばね30を有している。基台1の保持部材1bの下面には外側カバー31が取り付けられている。外側カバー31は、ばね30の上側部位を囲む内周面を有している。本実施形態では、外側カバー31は、ばね30の上半分を囲むように配置されている。ばね30の上端は、外側カバー31の上端に形成された内側フランジ32に接触している。内側フランジ32は省略してもよい。この場合は、ばね30の上端は基台1の保持部材1bの下面に接触する。外側カバー31の内周面の直径は、ばね30の外径と同じか、またはやや大きい。本実施形態では、外側カバー31の内周面の直径は、ばね30の外径よりもわずかに大きい。
支柱2の下部には、内側カラー33が取り付けられている。この内側カラー33は、円筒状の形状を有した部材である。ばね30は、支柱2および内側カラー33を囲むように配置されている。内側カラー33はばね30の内側に配置されており、ばね30の下側部位を支持する外周面を有している。内側カラー33の外周面の直径は、ばね30の内径と同じか、またはやや小さい。本実施形態では、内側カラー33の外周面の直径は、ばね30の内径と同じであり、内側カラー33の外周面はばね30の下側部位に接触している。さらに、内側カラー33の外周面の直径は、支柱2の外周面の直径よりも大きい。外側カバー31および内側カラー33は、耐摩耗性の高い樹脂から構成されている。例えば、外側カバー31および内側カラー33はPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)から構成されている。
内側カラー33の下端にはばねストッパー35が接続されている。本実施形態では、ばねストッパー35は内側カラー33と一体に形成されているが、内側カラー33とばねストッパー35とは別の部材であってもよい。支柱2は、その軸心まわりに回転可能なように内側カラー33に連結されている。すなわち、支柱2は、内側カラー33およびばねストッパー35に対して相対的に回転可能となっている。
ばね30の上端は基台1の保持部材1bを押圧し、ばね30の下端は支柱2に連結されたばねストッパー35を押している。したがって、本実施形態のばね30は、支柱2を下方に付勢する。支柱2の外周面には、保持部材1bの貫通孔の直径よりも大きい径を有する支柱ストッパー2aが形成されている。この支柱ストッパー2aは基台1の保持部材1bよりも上方に位置している。したがって、図9に示すように、支柱2の下方への移動は支柱ストッパー2aによって制限される。
基台1の保持部材1bには第1の磁石43が埋設されている。支柱2内には第2の磁石44および第3の磁石45が配置されている。これら第2の磁石44および第3の磁石45は、上下方向に離間して配列されている。これらの第1〜第3の磁石43,44,45としては、ネオジム磁石が好適に用いられる。
図11は、第2の磁石44と第3の磁石45の配置を説明するための模式図であり、支柱2の軸方向から見た図である。図11に示すように、第2の磁石44と第3の磁石45とは、支柱2の周方向においてずれて配置されている。すなわち、第2の磁石44と支柱2の中心とを結ぶ線と、第3の磁石45と支柱2の中心とを結ぶ線とは、支柱2の軸方向から見たときに所定の角度αで交わっている。
支柱2が、図9に示す下降位置にあるとき、第2の磁石44は第1の磁石43に近接し、第3の磁石45は第1の磁石43から離れている。このとき、第1の磁石43と第2の磁石44との間には引き合う力が働く。この引力は、支柱2にその軸心まわりに回転する力を与え、その回転方向は、チャック3がウェハWの周縁部を押圧する方向である。したがって、図9に示す下降位置は、ウェハWを把持するクランプ位置となる。
図12は、リフター30により支柱2を上昇させたときの図2に示すA−A線断面図であり、図13は図12のC−C線断面図である。リフター30により支柱2を図12に示す上昇位置まで上昇させると、図12および図13に示すように第3の磁石45が第1の磁石43に接近し、第2の磁石44は第1の磁石43から離れる。このとき、第1の磁石43と第3の磁石45との間には引き合う力が働く。この引力は支柱2にその軸心まわりに回転する力を与え、その回転方向は、チャック3がウェハWから離間する方向である。したがって、図12に示す上昇位置は、基板をリリースするアンクランプ位置である。
第2の磁石44と第3の磁石45とは支柱2の周方向において異なる位置に配置されているので、支柱2の上下移動に伴って支柱2には回転力が作用する。この回転力によってチャック3にウェハWを把持する力とウェハWを解放する力が与えられる。したがって、支柱2を上下させるだけで、チャック3はウェハWを把持し、かつ解放することができる。このように、第1の磁石43、第2の磁石44、および第3の磁石45は、支柱2およびチャック3を支柱2の軸心まわりに回転させる回転機構として機能する。この回転機構は、支柱2の上下動に従って動作する。
支柱2がリフター20によって上昇されるとき、リフター20のプッシャー20aは、ばねストッパー35に接触する。支柱2はばねストッパー35とは独立に回転自在であるので、支柱2は上昇しながらその軸心まわりにスムーズに回転することができ、その一方でばねストッパー35および内側カラー33は回転しない。図12に示すように、支柱2がばね30の力に逆らって上昇されたとき、内側カラー33は外側カバー31内に収容される。内側カラー33の外周面と外側カバー31の内周面との間には円筒状の空間が形成され、圧縮されたばね30はこの円筒状の空間内に収容される。リフター20は、ばね30の力に逆らって支柱2をその軸方向に移動させる移動機構である。
支柱2の側面には、その軸心に沿って延びる溝46が形成されている。この溝46は円弧状の水平断面を有している。基台1の保持部材1bには、溝46に向かって突起する突起部47が形成されている。この突起部47の先端は、溝46の内部に位置しており、突起部47は溝46に緩やかに係合している。この溝46および突起部47は、支柱2の回転角度を制限するために設けられている。
図3に示すように、支柱2が上昇すると、ウェハWは回転カップ28よりも高い位置にまで上昇されるとともに、チャック3はウェハWの周縁部から離れる。したがって、搬送ロボットなどの搬送装置(図示せず)は、ウェハWを基板保持装置から取り出すことができる。
ウェハWは、図1に示す、支柱2が下降位置にある状態で、モータ15によって回転される。ウェハWが回転されているとき、ばね30には遠心力が作用する。特に、ウェハWを高速で(例えば、1500〜3000min−1の速度で)回転させたときに、大きな遠心力がばね30に作用し、ばね30が外側に変形する。このようなばね30の変形は、ばね30を疲労させ、想定よりも早くばね30が破断してしまう。
このようなばね30の外側への変形を防止するために、図9に示すように、ばね30の外側には外側カバー31が設けられ、ばね30の内側には内側カラー33が設けられている。外側カバー31は、ばね30の上側部位の、支柱2の軸方向に対して垂直な方向への移動(変位)を制限する第1の構造体として機能し、内側カラー33は、ばね30の下側部位の、支柱2の軸方向に対して垂直な方向への移動(変位)を制限する第2の構造体として機能する。
ウェハWが回転しているとき、ばね30の上側部位は外側カバー31によって外側から支持され、ばね30の下側部位は内側カラー33によって内側から支持される。したがって、ばね30に強い遠心力が作用しても、ばね30の外側への変形、すなわちばね30の支柱2の軸方向に対して垂直な方向への移動は、外側カバー31および内側カラー33によって制限される。したがって、ばね30はほとんど変形せず、大きな応力も発生しない。結果として、予期しないばね30の破断を防ぐことができる。また、図3および図12に示すように、ウェハWをチャック3から解放するために支柱2が上昇されたとき、内側カラー33は外側カバー31内に収容されるので、内側カラー33と外側カバー31は支柱2の上昇を妨げることはなく、機構をコンパクトにすることができる。
ウェハWが高速で回転しているとき、支柱2にも強い遠心力が作用し、支柱2の端部が外側に変位することがある。その結果、チャック3がウェハWを保持する力が不安定となる可能性がある。そこで、このような支柱2の端部の外側への変位を防止するために、図14および図15に示すように、4つの支柱2の下端を互いに連結する連結リング50が設けられている。この連結リング50は、各支柱2の下端に取り付けられたばねストッパー35に固定されている。したがって、連結リング50は、ばねストッパー35を介して各支柱2に連結されている。連結リング50は、支柱2とともに上下動し、モータ15によってウェハWの軸心まわりに回転する支柱2と一体に連結リング50も回転される。連結リング50は、4つの支柱2の相対位置を制限するので、強い遠心力が支柱2に加わっても、支柱2の端部の外側への変位を防止することができる。支柱2は、アーム1aと連結リング50の上下2か所で支持されているため、ウェハWが高速で回転しているときの支柱2の変形を防止することができる。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
1 基台
1a アーム
2 支柱
3 チャック
4 サポートピン
5 回転軸
6 軸受
7 円筒体
9 架台
11,12 プーリー
14 ベルト
15 モータ
20 リフター
20a プッシャー
21 第1の気体チャンバ
22 第2の気体チャンバ
24 第1の気体流路
25 第2の気体流路
28 回転カップ
30 ばね
31 外側カバー
33 内側カラー
35 ばねストッパー
43 第1の磁石
44 第2の磁石
45 第3の磁石
46 溝
47 突起部
50 連結リング

Claims (6)

  1. 基板の周縁部を保持しつつ基板を回転させる基板保持装置であって、
    基台に支持され、該基台に対して上下方向に相対移動可能な複数の支柱と、
    前記複数の支柱にそれぞれ設けられ、基板の周縁部を保持する複数のチャックと、
    前記複数のチャックにより保持された基板の下面を支持する少なくとも1つのサポートピンとを備えたことを特徴とする基板保持装置。
  2. 前記少なくとも1つのサポートピンは、前記基台の中心を中心とする円の円周方向に間隔をおいて設けられた複数のサポートピンからなることを特徴とする請求項1に記載の基板保持装置。
  3. 前記複数のチャックは、前記基台の中心を中心とする円の円周方向に間隔をおいて配置され、前記複数のサポートピンの各々は、相隣接する2つのチャックの間に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の基板保持装置。
  4. 前記サポートピンの上端部は、半球面の形状をなすことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の基板保持装置。
  5. 前記サポートピンは前記基台に固定されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の基板保持装置。
  6. 前記複数のチャックにより基板の周縁部が保持された状態にある基板の固有振動数を、前記少なくとも1つのサポートピンによって基板の下面を支持させることにより変えるようにしたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の基板保持装置。
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