JP2009032710A

JP2009032710A - 基板処理装置

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Publication number: JP2009032710A
Application number: JP2007191873A
Authority: JP
Inventors: Masato Tanaka; 眞人田中; Ayumi Higuchi; 鮎美樋口
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-02-12

Abstract

【課題】基板の表面に形成された構造物を損傷することを回避しつつ、基板に付着したパーティクルを効果的に除去する。
【解決手段】基板処理装置１は、冷却した処理液に不活性ガスを溶解させたものに半導体ウエハＷを浸漬し、当該処理液に超音波振動を付与することにより、半導体ウエハＷに付着したパーティクルを微小気泡で除去する。基板処理装置１では、溶解部１２８において、チラー１２６により冷却された処理液に不活性ガスが溶解させられ、溶解部１２８により不活性ガスが溶解させられた処理液１０４が処理槽１０２に貯留される。超音波振動子１５６は、伝搬槽１５２の底部、伝搬水１５４及び処理槽１０２の底部を介して、処理液１０４に超音波振動を付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニア過水、純水等の処理液により半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板等の基板に付着したパーティクルを除去する基板処理装置に関する。

半導体ウエハに付着したパーティクルの除去は、アンモニア水等のアルカリ水溶液と過酸化水素水と純水とを混合したアンモニア過水（ＳＣ−１）等の処理液に半導体ウエハを浸漬し、化学的な作用を利用して半導体ウエハの表面からパーティクルを遊離させることにより行われるのが一般的である。この場合、処理液は常温以上に加熱されることが多い。また、半導体ウエハの表面に付着したパーティクルの除去において、メガヘルツ帯の超音波を発生させて、処理液を介して超音波振動を半導体ウエハまで伝搬させ、超音波振動による物理力を利用して半導体ウエハの表面からパーティクルを遊離させることも行われている。

しかし、超音波振動による物理力を利用して半導体ウエハに付着したパーティクルを除去しようとすると、当該物理力により、半導体ウエハの表面に形成された構造物（例えば、シリンダー）を損傷してしまう場合がある。

そこで、不活性ガスを処理液に溶解させ、処理液に溶解させた不活性ガスにクッションの役割を果たさせることにより、半導体ウエハの表面に形成された構造物の損傷を防止することも検討されている。

なお、特許文献１及び特許文献２は、本願発明と関連する先行技術文献であり、不活性ガスを処理液に溶解させた上でメガソニック洗浄を行う技術を開示している。

特開２００４−２２５７２号公報特開２００４−７９９９０号公報

しかしながら、半導体デバイスの構造が微細化し、半導体ウエハの表面に高アスペクト比の構造物が形成されるようになると、単に不活性ガスを溶解させた処理液を使用するという先述の損傷防止策だけでは十分な効果が得られない場合がある。また、損傷防止策のみを考慮した処理を行うと、逆にパーティクルの除去が効果的に行えないという問題がある。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、半導体ウエハ等の基板の表面に形成された構造物を損傷することを回避しつつ、基板に付着したパーティクルを効果的に除去する基板処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板処理装置において、処理液を貯留する処理槽と、前記処理槽に貯留された処理液の中に基板を保持する保持手段と、前記処理槽へ処理液を供給する処理液供給手段と、前記処理液供給手段に接続され、前記処理液供給手段に処理液を供給する配管と、前記配管に設けられ、処理液を冷却させる冷却手段と、前記冷却手段が設けられた位置より下流側の配管に設けられ、前記冷却手段により冷却させられた処理液に不活性ガスを溶解させる溶解手段と、前記処理槽に貯留された処理液に超音波振動を付与する超音波振動を発生させる超音波発生手段と、を備えることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の基板処理装置において、前記処理槽に貯留された処理液の液温を測定する温度計と、前記処理槽に貯留された処理液に溶解している不活性ガスの濃度を測定する濃度計と、前記温度計により測定された液温が１０℃以下でかつ、前記濃度計により測定された濃度が所定の濃度以上である場合、前記超音波発生手段の超音波の発生を開始させる制御部と、をさらに備えることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の基板処理装置において、前記溶解手段により処理液に溶解させる不活性ガスの量を調整する調整手段をさらに備え、前記制御部は、前記超音波発生手段を作動させた後、前記調整手段を制御して前記溶解手段により処理液に溶解させる不活性ガスの量を増加させることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３に記載の基板処理装置において、前記制御部は、濃度計により測定された濃度に基づいて、前記調整手段を制御して前記溶解手段により処理液に溶解させる不活性ガスの量を増加させることを特徴とするものである。

本発明によれば、冷却手段により冷却された処理液に不活性ガスを溶解させているので、微小気泡を処理液の中に大量に発生させることができ、基板の表面に形成された構造物を損傷することなく、基板に付着したパーティクルを効果的に除去することができる。

請求項２の発明によれば、処理液に溶解している不活性ガスの量が増加するとともに処理液の密度が高くなってから超音波振動を付与しているので、基板に付着したパーティクルをより効果的に除去することができる。

請求項３の発明によれば、超音波発生手段を作動させた後、溶解手段により処理液に溶解させる不活性ガスの量を増加させるので、処理液への超音波振動の付与により低下した処理液中の不活性ガスの濃度を回復することができる。

＜１基板処理装置の構成＞
図１は、本発明の望ましい実施形態に係る基板処理装置１の模式図である。基板処理装置１は、冷却しかつ不活性ガスを溶解させた処理液に半導体ウエハＷを浸漬させた状態で、処理液に超音波振動を付与することにより、半導体ウエハＷに付着したパーティクルを除去するものである。基板処理装置１は、複数枚の半導体ウエハＷを同時に処理するバッチ式の洗浄装置である。また、基板処理装置１は、半導体ウエハＷの他、液晶表示装置用ガラス基板、プラズマディスプレイパネル用ガラス基板、磁気ディスク用又は光ディスク用のガラス基板又はセラミックス基板等の各種基板も処理することができる。

図１に示すように、基板処理装置１は、主に、処理槽１０２、伝搬槽１５２、超音波振動子１５６、リフタ１５８及び制御部１６０を備える。

図１に断面を示す処理槽１０２は、内部に処理液１０４を貯留しており、基板処理装置１において同時に処理される複数枚の半導体ウエハＷを貯留している処理液１０４に浸漬することができる容器形状を有している。処理液１０４としては、純水や、純水と他の溶液とを混合した混合液、例えば、純水と過酸化水素水（H₂O₂）とアンモニア水（NH₃）とを容積比で１００：２：１の割合で混合した混合液（ＳＣ−１）を採用することができる。

処理槽１０２の内底面の近傍には、供給された処理液を処理槽１０２の内部に向かって吐出する一対のノズル１０６が設けられている。この一対のノズル１０６には、それぞれ半導体ウエハＷの配列方向に沿って、処理液１０４を処理槽１０２内へ吐出するための複数個の吐出孔が形成されている。処理槽１０２の外側面の上端の近傍には、処理槽１０２の上部からあふれ出した処理液を回収する外槽１０８が設けられている。

また、処理槽１０２の内部には、処理液１０４の液温を測定する温度計１１０と、処理液１０４に溶解している不活性ガスの濃度を測定する濃度計１１２とが設けられ、温度計１１０及び濃度計１１２の測定結果は制御部１６０によって取得されている。

基板処理装置１は、処理槽１０２を出て処理槽１０２へ戻る処理液の循環経路を構成する配管１２２を備える。この配管１２２は、一端がノズル１０６に、他端が外槽１０８の底部に接続されており、上流から下流に向かって順に、処理液を送液するポンプ１２４と、処理液を冷却するチラー１２６と、不活性ガスを処理液に溶解させる溶解部１２８と、処理液中の浮遊物を濾過するフィルタ１３０が設けられている。ポンプ１２４及びチラー１２６の動作は、制御部１６０によって制御されている。基板処理装置１では、ポンプ１２４で処理液を送液することにより、配管１２２に処理液１０４を循環させ、外槽１０８において回収した処理液をノズル１０６を介して処理槽１０２へ再供給する。

溶解部１２８には、不活性ガスの供給経路となる配管１４２の一端が接続されている。配管１４２には、配管１４２を開閉するバルブ１４４と、不活性ガスの流量を制御する流量制御器１４６とが設けられ、配管１４２の他端には、不活性ガスの供給源１４８が接続されている。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ₂）を採用することができる。バルブ１４４及び流量制御器１４６の動作は、制御部１６０によって制御されている。

図２は、溶解部１２８の模式図である。図２に示すように、溶解部１２８は、主に、本体１７２と、処理液取入口１８０と、処理液送出口１８６と、不活性ガス導入口１８２，１８４とを備える。溶解部１２８は、処理液取入口１８０から取り入れた処理液１０４に、不活性ガス導入口１８２，１８４から導入した不活性ガスを溶解させて、処理液送出口１８６から送り出す。

図２に斜上方から見た状態を示す本体１７２は、両端が閉じられた円筒容器１７４に給液管１７６と多数の中空糸分離膜１７８とを内蔵させた構造を有している。

給液管１７６は、円筒容器１７４の円筒軸上に配置されており、円筒容器１７４の第１の端面に設けられた処理液取入口１８０と接続されている。給液管１７６は、処理液取入口１８０から取り入れた処理液を円筒容器１７４の内部に導き、円筒容器１７４の内部において処理液を円筒容器１７４の径方向Ｄ１に吐出する。これにより、円筒容器１７４の内部は処理液で満たされることになる。

細筒状の中空糸分離膜１７８は、給液管１７６の周りに同軸状に配置されており、円筒容器１７４の第１の端面に設けられた不活性ガス導入口１８２又は円筒容器１７４の第２の端面に設けられた不活性ガス導入口１８４に接続されている。中空糸分離膜１７８は、不活性ガスを透過するが、処理液１０４を透過しない材質で構成されている。これにより、中空糸分離膜１７８が処理液に浸漬された状態で不活性ガス導入口１８２，１８４に不活性ガスが加圧供給されると、中空糸分離膜１７８を経由して処理液の中に不活性ガスが供給され、処理液に不活性ガスが溶解させられる。ここで、溶解部１２８において処理液に溶解させる不活性ガスの量は、流量制御器１４６によって調整される。

図１に戻って説明すると、処理槽１０２の下方には、処理槽１０２に超音波振動を伝搬する伝搬水１５４を貯留する伝搬槽１５２が配置されており、処理槽１０２の底部は伝搬水１５４に浸漬されている。さらに、この伝搬槽１５２の外底部には、メガヘルツ帯の超音波振動を発生する超音波振動子１５６が取り付けられている。超音波振動子１５６の動作は、制御部１６０によって制御されている。超音波振動子１５６により発生された超音波振動は、伝搬槽１５２の底部、伝搬水１５４及び処理槽１０２の底部を介して、処理液１０４に付与される。

リフタ１５８は、基板処理装置１において同時に処理される複数の半導体ウエハＷ（例えば、５０枚）を所定の間隔を置いて保持した状態で、図示しない駆動機構により処理槽１０２内の処理位置と処理槽の上方位置との間を上下方向に移動する。なお駆動機構によるリフタ１５８の動作は、制御部１６０によって制御されている。

なお、リフタ１５８は、前工程から受け取った半導体ウエハＷを処理槽１０２内の処理液１０４に浸漬し、半導体ウエハＷを処理液１０４の中に保持し、処理液１０４に浸漬されている半導体ウエハＷを引き上げて次行程へ受け渡す。

制御部１６０は、組み込みコンピュータを含んで構成され、上述したように、基板処理装置１の各構成を統括制御する。

＜２基板処理装置の動作＞
図３は、半導体ウエハＷに付着したパーティクルを除去する際の基板処理装置１の動作を説明する流れ図である。

半導体ウエハＷの処理に当たっては、最初に、制御部１６０の制御を受けて、ポンプ１２４の運転が開始され、処理液の循環が開始される（ステップＳ１０１）。

次に、制御部１６０の制御を受けて、チラー１２６の運転が開始され、処理液の冷却が開始されるとともに（ステップＳ１０２）、バルブ１４４が開かれ、溶解部１２８への不活性ガスの供給が開始される（ステップＳ１０３）。これにより、基板処理装置１では、溶解部１２８において、チラー１２６により冷却された処理液に不活性ガスが溶解させられ、溶解部１２８により不活性ガスが溶解させられた処理液１０４が、配管１２２を介して一対のノズル１０６から処理槽１０２内に供給される。

続いて、制御部１６０は、温度計１１０により測定された液温及び濃度計１１２により測定された濃度を取得し（ステップＳ１０４）、液温が所定値以下かつ濃度が所定値以上（例えば、不活性ガスの濃度が飽和濃度に近い値）となると（ステップＳ１０５で"YES"）、超音波振動子１５６を動作させて、処理液１０４への超音波振動の付与を開始する（ステップＳ１０６）。この超音波振動により、半導体ウエハＷに付着したパーティクルの除去に寄与する微小気泡（キャビティ）が処理液１０４の中に発生する。

一方、制御部１６０は、温度が所定値以下となっていない場合又は濃度が所定値以上となっていない場合は（ステップＳ１０５で"NO"）、ステップＳ１０４へ戻って液温及び濃度を再び取得する。これにより、基板処理装置１では、液温が所定値以下かつ濃度が所定値以上となるまでは、処理液１０４への超音波振動の付与が開始されないことになる。

このように液温及び濃度を管理するようにしたのは、以下の理由による。図４は、処理液中の微小気泡の状態を示す図であり、図４（ａ）は従来の技術、図４（ｂ）は本発明の技術を示している。

図４（ａ）に示す従来の技術では、常温において不活性ガスを処理液に溶け込ませており、処理槽内の処理液に超音波振動を付与すると、微小気泡が発生する。この微小気泡はさらなる超音波振動の付与により、大小に変化し、最終的には微小気泡が破裂し、この微小気泡の破裂の衝撃により、半導体ウエハＷの表面のパーティクルが除去される。

しかしながら、処理液中で発生する微小気泡の数が少ないので、微小気泡の破裂の衝撃によるパーティクル除去が十分ではない。また、微小気泡のサイズが大きく、数も少ないので、微小気泡間を通り抜けた超音波振動が半導体ウエハの表面に形成された構造物への損傷を与えてしまうことになる。

それに対して、本発明の技術では、まず、チラー１２６により処理液の液温を１０℃以下にすると、処理液１０４の密度が高くなるので、常温時に比べて溶解部１２８において不活性ガスが多量に溶け込むことになり、処理液中における不活性ガスの溶存量が従来の技術に比べて増加する。不活性ガスの溶存量が増加した処理液に超音波振動子１５６からの超音波振動を付与すると、処理液内の多くの微小気泡（キャビティ）が発生する。このとき処理液を冷却したことにより処理液の密度が増加しているため、常温時に比べて微小気泡のサイズは小さくなるとともに、微小気泡の密度も向上するので、微小気泡が大量に発生する（図４（ｂ））。

さらに、この微小気泡に超音波振動を付与し続けると、超音波振動により微小気泡が大小に変化し、最終的には大量の微小気泡が破裂し、この微小気泡の破裂の衝撃により、従来の技術に比べて、半導体ウエハＷに付着した表面のパーティクルを効果的に除去できる。また、このとき、処理液中に微小気泡が大量に発生しているので、超音波振動子１５６からの超音波振動は、多量の微小気泡により緩和させられ（図４（ｂ））、半導体ウエハの表面に形成された構造物への損傷を防止できることになる。

続いて、制御部１６０は、濃度計１１２による不活性ガスの濃度の検出結果に基づいて、流量制御器１４６を制御して、溶解部１２８に供給する不活性ガスの量を増加させ、溶解部１２８において溶解させる不活性ガスの量を増加させる（ステップＳ１０７）。このように、超音波振動子１５６を作動させた後、処理液１０４に溶解させる不活性ガスの量を増加させているので、超音波振動の付与により低下した不活性ガスの濃度を確実に回復できる。

しかる後に、制御部１６０の制御を受けて、リフタ１５８が半導体ウエハＷを処理液１０４に浸漬し、処理液１０４の中に半導体ウエハＷを所定時間保持する（ステップＳ１０８）。これにより、半導体ウエハＷに付着したパーティクルが、微小気泡の破裂に伴い除去されることになる。

＜３処理液の温度＞
処理液１０４の液温は、処理液１０４の凝固点以上であって、処理液１０４の密度ができるだけ高くなるようにすることが望ましい。したがって、望ましい処理液１０４の液温は、処理液１０４の種類によって異なってくるが、純水を主成分とする処理液１０４の場合は、密度がある程度大きくなる０℃以上２０℃以下とすることが望ましく、０℃以上１０℃以下とすることがさらに望ましい。この範囲内ならば、図５に示すように、処理液１０４の密度を高くすることができるからである。なお、図５は、純水の密度の液温に対する依存性を示すグラフである。

実施形態に係る基板処理装置の模式図である。溶解部１２８の模式図である。実施形態の基板処理装置の動作を説明する流れ図である。処理液中の微小気泡の状態を示す図である。純水の密度の液温に対する依存性を示す図である。

符号の説明

１基板処理装置
１０２処理槽
１０４処理液
１２６チラー
１２８溶解部
１５６超音波振動子
１５８リフタ
１６０制御部

Claims

処理液を貯留する処理槽と、
前記処理槽に貯留された処理液の中に基板を保持する保持手段と、
前記処理槽へ処理液を供給する処理液供給手段と、
前記処理液供給手段に接続され、前記処理液供給手段に処理液を供給する配管と、
前記配管に設けられ、処理液を冷却させる冷却手段と、
前記冷却手段が設けられた位置より下流側の配管に設けられ、前記冷却手段により冷却させられた処理液に不活性ガスを溶解させる溶解手段と、
前記処理槽に貯留された処理液に超音波振動を付与する超音波振動を発生させる超音波発生手段と、
を備えることを特徴とする基板処理装置。
前記処理槽に貯留された処理液の液温を測定する温度計と、
前記処理槽に貯留された処理液に溶解している不活性ガスの濃度を測定する濃度計と、
前記温度計により測定された液温が１０℃以下でかつ、前記濃度計により測定された濃度が所定の濃度以上である場合、前記超音波発生手段の超音波の発生を開始させる制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
前記溶解手段により処理液に溶解させる不活性ガスの量を調整する調整手段をさらに備え、
前記制御部は、前記超音波発生手段を作動させた後、前記調整手段を制御して前記溶解手段により処理液に溶解させる不活性ガスの量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の基板処理装置。
前記制御部は、濃度計により測定された濃度に基づいて、前記調整手段を制御して前記溶解手段により処理液に溶解させる不活性ガスの量を増加させることを特徴とする請求項３に記載の基板処理装置。