TWI682451B

TWI682451B - 基板處理裝置及基板處理方法

Info

Publication number: TWI682451B
Application number: TW106104749A
Authority: TW
Inventors: 中井仁司; 安藤幸嗣
Original assignee: 斯庫林集團股份有限公司
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2020-01-11
Also published as: KR20180099864A; US20190027383A1; CN108604548A; US10903092B2; JP6613181B2; WO2017159052A1; JP2017168699A; KR102116195B1; CN108604548B; TW201802910A

Abstract

將純水、混合液及有機溶劑依序供給至旋轉之基板(9)之上表面(91)，其後，藉由基板(9)之旋轉而去除上表面(91)上之有機溶劑。混合液係藉由表面張力較純水低之有機溶劑與純水混合而產生，溫度較常溫高。對純水之溶解性較有機溶劑高之混合液係藉由供給至施予有純水之上表面(91)而在混合液與純水之介面中使上表面(91)之局部乾燥難以產生，而可抑制圖案元件之倒塌。藉由利用溫度較常溫高之混合液而使基板(9)昇溫，可使基板(9)在短時間內乾燥，而可使關於乾燥之處理所需要之時間縮短。

Description

基板處理裝置及基板處理方法

本發明係關於一種基板處理裝置及基板處理方法。

習知，在半導體基板(以下，簡稱為「基板」)之製造步驟中，使用基板處理裝置而對基板施以各種處理。例如，藉由對表面上形成有抗蝕層之圖案之基板供給藥液，而對基板之表面進行蝕刻等之處理。於藥液之供給後，進而進行將純水供給至基板而將表面之藥液去除之清洗處理、或高速地旋轉基板而將表面之純水去除之乾燥處理。

於乾燥基板時，亦進行將基板上之純水置換為表面張力較純水低之有機溶劑(IPA(isopropyl alcohol；異丙醇)等)。藉此，於乾燥處理中，可防止因純水之表面張力而導致基板上之圖案元件倒塌之情況。例如，於日本專利第5114252號公報(文獻1)中揭示有一種方法，其係於基板上形成純水之液膜，藉由表面張力較純水低之低表面張力溶劑置換基板上之純水，其後，自基板表面將該低表面張力溶劑去除而使基板表面乾燥。

此外，於日本專利第4767767號公報(文獻2)之裝置中，進行如下步驟，即接續著利用純水而進行之基板洗淨處理，將乾燥前處理液供給至基板之主表面，而將殘留於該主表面之純水置換為乾燥前處理液，其後，去除乾燥前處理液而使基板乾燥。乾燥前處理液係包含純水與揮發性較純水高之有機溶劑的混合液，於混合液朝基板之供給中，混合液中之有機溶劑比例增加。於日本專利第5139844號公報(文獻3)中揭示有一種方法，其係藉由與將常溫之低表面張力液體供給至附著有清洗液之基板表面之處理一併地將高溫之溫水供給至基板背面，而使低表面張力液體在基板之表面上溫度上升。在該方法中，可使基板表面上之清洗液與低表面張力液體之置換效率提升，而可良好地自基板表面去除清洗液。

然而，如文獻1般，在基板上形成純水之液膜之情況下，需要以既定時間保持基板旋轉數下降之狀態，因此，清洗處理後至基板乾燥完成之關於乾燥之處理所需之時間變長。另一方面，如文獻3般，於利用純水進行之清洗處理後，若不形成純水之液膜而將低表面張力液體(IPA)直接供給至主表面上，則會因圖案元件之形狀或大小、配置等而有圖案元件倒塌之情況。文獻2之裝置中，於乾燥前處理液之去除(基板之乾燥)上亦需要既定之時間。因此，希望能有一種一面抑制圖案元件之倒塌，一面縮短關於乾燥之處理所需之時間之方法。

本發明係針對一種基板處理裝置，其目的在於一面抑制圖案元件之倒塌，一面縮短乾燥之處理所需之時間。

本發明之基板處理裝置係具備：基板保持部，其係保持基板；基板旋轉機構，其係使上述基板保持部與上述基板一起旋轉；純水供給部，其係將純水供給至上述基板之朝向上方之主表面；混合液供給部，其係將藉由表面張力較純水低之有機溶劑與純水混合而產生且溫度較常溫高之混合液供給至上述主表面；有機溶劑供給部，其係將上述有機溶劑供給至上述主表面；及控制部，其係於藉由上述純水供給部、上述混合液供給部及上述有機溶劑供給部而對藉由上述基板旋轉機構以進行旋轉之上述基板之上述主表面依序供給上述純水、上述混合液及上述有機溶劑之後，藉由上述基板之旋轉而去除上述主表面上之上述有機溶劑。

根據本發明，可一面抑制圖案元件之倒塌，一面縮短乾燥之處理所需之時間。

在本發明之一較佳形態中，上述混合液係藉由將常溫之有機溶劑與加熱之純水混合而產生。

於此情況下，較佳為，上述混合液中之上述有機溶劑之濃度為50vol%以下。

本發明亦針對一種基板處理方法。該基板處理方法係具備如下步驟：(a)將純水供給至旋轉之基板之朝向上方之主表面之步驟；(b)將藉由表面張力較純水低之有機溶劑與純水混合而產生之且溫度較常溫高之混合液供給至旋轉之上述基板之上述主表面之步驟；(c)將上述有機溶劑供給至旋轉之上述基板之上述主表面之步驟；及(d)藉由上述基板之旋轉而去除上述主表面上之上述有機溶劑之步驟。

上述之目的及其他目的、特徵、態樣及優點係參照所附圖式而藉由以下進行之本發明之詳細說明而明瞭。

1‧‧‧基板處理裝置

5‧‧‧腔室

9‧‧‧基板

10‧‧‧控制部

21‧‧‧旋轉馬達

22‧‧‧旋轉夾頭

23‧‧‧杯部

24‧‧‧承液部

25‧‧‧防護部

26‧‧‧防護升降機構

31‧‧‧第1上部噴嘴

32‧‧‧第2上部噴嘴

34‧‧‧下部噴嘴

41‧‧‧藥液供給部

42‧‧‧純水供給部

43‧‧‧有機溶劑供給部

44‧‧‧加熱器

45‧‧‧連接部

51‧‧‧腔室底部

52‧‧‧腔室上底部

53‧‧‧腔室內側壁部

54‧‧‧腔室外側壁部

55‧‧‧腔室頂蓋部

91‧‧‧(基板之)上表面

221‧‧‧軸

241‧‧‧基部

242‧‧‧環狀底部

243‧‧‧周壁部

254‧‧‧卡合部

451、452、453、454、455‧‧‧開閉閥

461、462‧‧‧流量控制閥

471、472‧‧‧開閉閥

J1‧‧‧中心軸

S11~S17‧‧‧步驟

圖1係顯示基板處理裝置之構成之圖。

圖2係顯示基板處理流程之圖。

圖3係顯示基板之上表面上之處理液之圖。

圖4係顯示基板之上表面上之處理液之圖。

圖5係顯示混合液中之有機溶劑之濃度、與混合液和純水之溶解性之關係之圖。

圖6係顯示混合液中之有機溶劑之濃度、與混合液和純水之溶解性之關係之圖。

圖1係顯示本發明之一實施形態之基板處理裝置1之構成之圖。基板處理裝置1中之各構成元件係由控制部10控制。基板處理裝置1係具備旋轉夾頭22、旋轉馬達21、杯部23、及腔室5。作為基板保持部之旋轉夾頭22係藉由使複數個夾持構件接觸至基板9之周緣而夾持基板9。藉此，基板9係被旋轉夾頭22以水平姿勢保持。在以下之說明中，將朝向上方之基板9之主表面91稱為「上表面91」。於上表面91係形成有既定之圖案，該圖案係例如包含直立之大量圖案元件。

於旋轉夾頭22係連接有於上下方向(鉛垂方向)延伸之軸221。軸221係垂直於基板9之上表面91，軸221之中心軸J1係通過基板9之中心。作為基板旋轉機構之旋轉馬達21係使軸221旋轉。藉此，旋轉夾頭22及基板9係以朝向上下方向之中心軸J1為中心進行旋轉。軸221及旋轉馬達21係一併呈中空狀，而於內部配置有後述之下部噴嘴34。

杯部23係具備承液部24、及防護部25。承液部24係具備基部241、環狀底部242、周壁部243。基部241係以中心軸J1為中心之筒狀。基部241係嵌入至後述之腔室內側壁部53而安裝於腔室內側壁部53之外側面。環狀底部242係呈以中心軸J1為中心之圓環板狀，而自基部241之下端部朝外側擴展。周壁部243係以中心軸J1為中心之筒狀，而自環狀底部242之外周部朝上方突出。較佳為，基部241、環狀底部242及周壁部243係作為1個構件而一體成形。

防護部25係以中心軸J1為中心之大致圓筒狀之構件，其包圍旋轉夾頭22之周圍。於防護部25之下部係設置有於與周壁部243之間形成微小間隙之卡合部254。卡合部254與周壁部243係維持為未接觸狀態。防護部25係可藉由防護升降機構26而朝上下方向移動。

腔室5係具備腔室底部51、腔室上底部52、腔室內側壁部53、腔室外側壁部54、及腔室頂蓋部55。腔室底部51係呈板狀，而覆蓋旋轉馬達21及杯部23之下方。腔室上底部52係呈以中心軸J1為中心之大致圓環板狀。腔室上底部52係於腔室底部51之上方，覆蓋旋轉馬達21之上方並且覆蓋旋轉夾頭22之下方。腔室內側壁部53係呈以中心軸J1為中心之大致圓筒狀。腔室內側壁部53係自腔室上底部52之外周部朝下方擴展至腔室底部51。腔室內側壁部53係位於杯部23之徑向內側。

腔室外側壁部54係呈大致筒狀，位於杯部23之徑向外側。腔室外側壁部54係自腔室底部51之外周部朝上方擴展至腔室頂蓋部55之外周部。腔室頂蓋部55係呈板狀，而覆蓋杯部23及旋轉夾頭22之上方。於腔室外側壁部54係設置有用以使基板9搬入及搬出於腔室5內之搬出入口(省略圖示)。

基板處理裝置1係進而具備第1上部噴嘴31、第2 上部噴嘴32、下部噴嘴34、藥液供給部41、純水供給部42、有機溶劑供給部43、及加熱器44。第1上部噴嘴31係例如為朝上下方向伸展之直流噴嘴，而安裝於省略圖示之噴嘴移動機構之臂上。噴嘴移動機構係藉由使臂以平行於中心軸J1之軸為中心進行轉動而選擇性地將第1上部噴嘴31配置於與基板9之上表面91對向之對向位置、與自上表面91之上方錯開之待機位置。配置於對向位置之第1上部噴嘴31係與上表面91之中央部對向。待機位置係於水平方向上自基板9離開之位置。噴嘴移動機構係亦可使臂朝上下方向升降。第2上部噴嘴32亦可與第1上部噴嘴31同樣地藉由其他噴嘴移動機構而選擇性地配置於對向位置與其他待機位置。於上下方向上伸展之下部噴嘴34係配置於中空狀之軸221及旋轉馬達21之內部。下部噴嘴34之上端係與基板9之下表面之中央部對向。

藥液供給部41係經由開閉閥451而連接於第2上部噴嘴32，純水供給部42係經由開閉閥452而連接於連接部45。純水供給部42係進而經由開閉閥471而連接於加熱器44，又經由開閉閥472而連接於下部噴嘴34。加熱器44係經由流量控制閥461及開閉閥453而連接於連接部45，有機溶劑供給部43係經由流量控制閥462及開閉閥454而連接於連接部45。於第2上部噴嘴32與藥液供給部41之間等亦可設置有流量控制閥。連接部45係經由開閉閥455而連接於第1上部噴嘴31。例如，藉由連接部45、以及靠近連接部45而設置之複數個開閉閥452~455構成1個多連閥裝置(混合閥)。藉由藥液供給部41、純水供給部42及有機溶劑供給部43，可分別將作為處理液之藥液、純水及有機溶劑供給至基板9之上表面91。

圖2係顯示基板處理裝置1中之基板9之處理流程之圖。首先，藉由外部之搬送機構而將未處理之基板9搬入至腔室5內，而以旋轉夾頭22保持(步驟S11)。於基板9之搬入時，藉由防護升降機構26而使防護部25下降，藉此，可防止被搬入之基板9接觸至防護部25之情形(於後述之基板9之搬出時亦相同)。若搬送機構移動至腔室5外，則防護部25上升至圖1所示之位置，防護部25之上端係配置於較基板9更靠上方。

接著，藉由噴嘴移動機構而將第2上部噴嘴32配置於與基板9之上表面91之中央部對向之對向位置，藉由旋轉馬達21而開始以既定之旋轉數(旋轉速度)對基板9進行旋轉。然後，藉由打開開閉閥451，藥液經由第2上部噴嘴32而連續地供給至上表面91(步驟S12)。上表面91上之藥液係藉由基板9之旋轉而朝外緣部擴散，藥液係被供給至上表面91之整體。此外，自外緣部飛散之藥液係由杯部23之內側面承接而回收。藥液係例如為包含稀釋氫氟酸(DHF)或氨水之洗淨液。藥液係可為用於基板9上之氧化膜之去除或顯影、或是蝕刻等洗淨以外之處理者。藥液之供給係持續既定時間，其後，藉由關閉開閉閥451而停止供給。在利用藥液之處理中，亦可藉由噴嘴移動機構而使第2上部噴嘴32朝水平方向搖動。亦可與步驟S12一併地，藉由純水供給部42而將純水經由下部噴嘴34供給至基板9之下表面(於後述之步驟S13~S15中亦相同)。

若完成利用藥液之處理，則第2上部噴嘴32朝待機位置移動，接著，將第1上部噴嘴31配置於對向位置。藉由打開開閉閥452而對連接部45之內部空間供給作為清洗液之純水(常溫之純水)，藉由打開開閉閥455，純水係經由第1上部噴嘴31而連續地供給至上表面91(步驟13)。藉此，進行藉由純水沖洗上表面91上之藥液之清洗處理。如圖3所示，於清洗處理中，上表面91之整體係被純水覆蓋。於純水之供給中亦藉由圖1之旋轉馬達21而持續以較高之旋轉數進行基板9之旋轉。例如，旋轉數為500rpm，於後述之混合液之供給時亦相同。自基板9飛散之純水係被杯部23之內側面承接，而被排出至外部。

若純水之供給持續既定時間，則藉由關閉開閉閥452而停止純水之供給。接著，同時地打開開閉閥453、454。藉此，由加熱器44加熱之純水(以下稱為「溫純水」)、與常溫之有機溶劑係被供給至連接部45之內部空間，將有機溶劑與溫純水混合之混合液(稀釋有機溶劑)係於連接部45中產生。

於此，常溫係基板處理裝置1之周圍之溫度，例如為20℃±15℃之範圍。溫純水之溫度係較常溫高，例如為50℃以上，較佳為65℃以上(實際上為90℃以下)。開閉閥471係預先打開，在加熱器44中，可供給有大致一定溫度之溫純水。有機溶劑係例如為IPA(異丙醇)、甲醇、乙醇、丙酮等，其表面張力較純水低。較佳為，有機溶劑之蒸氣壓較純水高。在本實施形態中，使用IPA作為有機溶劑。

混合液係經由第1上部噴嘴31而連續地供給至上表面91(步驟S14)。如圖4所示，供給至上表面91之中央部之混合液係藉由基板9之旋轉而朝外緣部擴散，上表面91上之純水係被置換為混合液。自基板9飛散之混合液係被杯部23之內側面承接。在混合液之供給中，控制部10係藉由控制連接於有機溶劑供給部 43之流量控制閥462之開度、及連接於加熱器44之流量控制閥461之開度，而將有機溶劑與溫純水之混合比，亦即混合液中之有機溶劑的濃度調整為既定之值。關於混合液中之有機溶劑之濃度係待後述。此時，藉由溫度較常溫高之混合液，使基板9之溫度亦上升。再者，亦可於第1上部噴嘴31與連接部45之間設置有線內混合器(inline mixer)等。

若混合液之供給持續既定時間，則保持打開開閉閥454之狀態，而關閉開閉閥453。藉此，中止溫純水朝連接部45之供給，大致上僅有常溫之有機溶劑(純有機溶劑)經由第1上部噴嘴31而連續地供給至上表面91(步驟S15)。藉由基板9之旋轉，上表面91之整體係被有機溶劑覆蓋。自基板9飛散之有機溶劑係被杯部23之內側面承接。在本實施形態中，有機溶劑之供給時之基板9之旋轉數係較混合液之供給時更低(例如為200rpm)。此外，自僅有機溶劑之供給開始經過既定時間後，藉由控制流量控制閥462之開度，而可減低有機溶劑之供給流量。藉此，上表面91上之有機溶劑之液膜厚度變薄。

其後，藉由關閉開閉閥454、455，停止有機溶劑自第1上部噴嘴31之吐出。位於對向位置之第1上部噴嘴31係藉由噴嘴移動機構而自上表面91之上方朝錯開之待機位置移動。接著，基板9之旋轉數係增大至例如1500rpm，藉此進行去除上表面91上之有機溶劑之乾燥處理(步驟S16)。此時，藉由混合液之供給而使基板9之溫度變得較常溫高，因此，有機溶劑之揮發性變高，而促進基板9之乾燥。若基板9之旋轉停止，則藉由外部之搬送機構將基板9搬出於腔室5外(步驟S17)。

於此，對於在利用純水之清洗處理後，形成純水之液膜(進行所謂之純水覆液)之比較例之處理進行說明。在比較例之處理中，於利用純水對基板9之上表面91進行清洗處理後，使基板9之旋轉數及純水之供給流量變小，而於上表面91上形成有較厚之純水液膜。基板9之旋轉數係例如為10rpm。接著，有機溶劑係被供給至上表面91上，而形成有機溶劑之液膜。此時，有機溶劑係以進入於純水液膜與基板9之上表面91之間之方式而擴散至上表面91整體。在比較例之處理中，不進行混合液之供給。於有機溶劑之供給後，藉由基板9之旋轉而去除上表面91上之有機溶劑。在比較例之處理中，於基板9上形成純水液膜時，需要以既定時間保持基板9之旋轉數下降之狀態，因此，於清洗處理後，至基板9之乾燥完成之關於乾燥之處理所需之時間變長(亦即，產出量降低)。

此外，於圖2中，若假設為省略將混合液供給至基板9之步驟S14之處理的其他比較例之處理，則在該其他比較例之處理中，由於有機溶劑之供給，上表面91上之圖案元件有倒塌之情況。圖案元件倒塌之原因雖未必明確，但可舉出下述情形作為其中之一個原因，即，僅存在有些許純水之局部區域(亦即，相對於圖案元件，能受到表面張力影響之僅存在有些許純水之區域，以下，表示為「局部之乾燥」)會產生倒塌。例如，被供給至上表面91之中央部之有機溶劑係以朝外側推出上表面91上之純水(藉由基板9之高速旋轉而成為較薄之層)之方式擴散，亦即，有機溶劑係以有機溶劑與純水之介面自中央部附近朝向外緣部移動之方式於上表面91上擴散。此時，可認為是由於有機溶劑與純水之低溶解性(兩者之混合容易度，亦可視為親和性)，而於兩者之介面中產生上表面91之局部之乾燥。若產生局部之乾燥，則由於作用於圖案元件之純水表面張力之影響而使圖案元件倒塌。

相對於此，在圖1之基板處理裝置1中，依序將純水、混合液及有機溶劑供給至旋轉之基板9之上表面91，其後，藉由基板9之旋轉而去除上表面91上之有機溶劑。與純水之溶解性較有機溶劑高(以及，與純水之表面張力差較有機溶劑小)之混合液係被供給至施予有純水之上表面91，藉此，於混合液與純水之介面中難以產生上表面91之局部之乾燥。其結果，可一面省略純水液膜之形成處理，一面抑制圖案元件之倒塌。此外，藉由利用溫度較常溫高之混合液而使基板9升溫，可使基板9於短時間內乾燥，而可使乾燥之處理所需要之時間縮短(產出量提高)。

在基板處理裝置1中，由於一面以較高之旋轉數對基板9進行旋轉，一面將混合液供給至上表面91，因而可將混合液於短時間內擴散至上表面91之整體。因此，相較於伴隨著一定時間之基板低速旋轉之純水液膜形成處理，可縮短步驟S14中之混合液供給所需要之時間。實際上，由於混合液與有機溶劑之溶解性高，在步驟S15中供給有機溶劑時，可在短時間內將有機溶劑填充至圖案元件間之微小間隙，亦可縮短有機溶劑之供給所需要之時間。如此，藉由步驟S14、S15處理時間之縮短，與步驟S16之乾燥處理時間之縮短相互結合，可進而縮短乾燥之處理所需要之時間。此外，亦可減少步驟S15中之有機溶劑之供給量。

於此，亦可考慮在產生溫度較常溫高之混合液時，使有機溶劑升溫，但由於有機溶劑之易燃性高，因而安全對策之成本將會提高。相對於此，在基板處理裝置1中，藉由混合常溫之有機溶劑與加熱之純水，而產生溫度較常溫高之混合液。藉此，可一面避免於混合液之產生中伴隨著提高成本之有機溶劑之加熱，一面容易地產生高溫之混合液。

於步驟S13~S15中，藉由自相同之第1上部噴嘴31依序吐出純水、混合液及有機溶劑，可簡化該等處理液之吐出之處理。再者，依據基板處理裝置1之設計，亦可使純水、混合液及有機溶劑自不同之噴嘴吐出。

其次，對於混合液中之有機溶劑之濃度進行說明。圖5及圖6係顯示對混合液中之有機溶劑(於此為IPA)之濃度、與混合液和純水之溶解性之關係進行調查後之實驗結果之圖。在本實驗中，準備利用封閉構件而將一端封閉之直徑19mm的管，在將常溫之純水15cc蓄積於朝上下方向延伸之該管之狀態下，將IPA濃度為10vol%(體積百分比濃度)、20vol%、50vol%、100vol%之混合液(IPA濃度為100vol%之情況下為單純之有機溶劑)20cc沿著該管之內表面而注入。於封閉構件係設置有直徑3mm之取樣管，自混合液之注入經過0.5分、1分、2分後，利用取樣管抽出混合液與純水之介面附近之微量液體，對該液體之IPA濃度進行測量。圖5及圖6係顯示自混合液之注入前之純水液面位置(相當於混合液與純水之介面)朝向封閉構件側而分別在5mm及10mm之位置抽出之液體之IPA濃度。

自圖5及圖6可知，於IPA濃度為100vol%之情況下(在圖5及圖6中，標記為「IPA 100%」，以下相同)，介面附近之IPA濃度之上升較小，可說是有機溶劑之相對於純水之溶解性較低。另一方面，於IPA濃度為10vol%、20vol%、50vol%之情況下，介面附近之IPA濃度之上升較100vol%之情況大，可說是混合液之相對於純水之溶解性較高。因此，對於更確實地抑制局部之乾燥，較佳為，混合液中之有機溶劑之濃度為50vol%以下且10vol%以上。實際上，藉由該濃度為50vol%以下，可使混合液中之溫純水之比例變高(成為50%以上)，而可容易地使混合液之溫度變高。可使有機溶劑之消耗量變少，並且，在使混合液之溫度進而變高之觀點上，該濃度較佳為30%以下，更佳為20%以下。於此情況下，混合液之相對於純水之溶解性亦進而變高。

可在上述基板處理裝置1中進行各種變形。

在上述實施形態中，混合液中之有機溶劑之濃度係設為一定，但亦可使混合液中之有機溶劑之濃度階段性地提高。於此情況下，在步驟S14中，自有機溶劑供給部43朝連接部45供給之有機溶劑供給流量係逐漸增大，自加熱器44朝連接部45供給之純水供給流量係逐漸減低。

根據基板處理裝置1之設計，亦可對混合常溫之有機溶劑與常溫之純水之混合液進行加熱，藉此而產生溫度較常溫高之混合液。

在基板處理裝置1中，將純水供給部42、有機溶劑供給部43、加熱器44及連接部45作為主要之構成要素，而構成將溫度較常溫高之混合液供給至上表面91之混合液供給部，但混合液供給部亦可與純水供給部42及有機溶劑供給部43分開獨立地實現。

基板9可被保持為各種態樣。例如，亦可藉由支撐基板9之下表面之基板保持部，而在將形成有圖案之主面朝向上方之狀態下保持基板9。

於基板處理裝置1中進行處理之基板不限定於半導體基板，亦可為玻璃基板或其他基板。

上述實施形態及各變形例中之構成係只要不相互矛盾即可適當組合。

雖已對本發明詳細地描述而進行說明，但上述說明係僅為例示而非用以限定本發明者。因此，只要不脫離本發明之範圍，即可實施多種之變形或態樣。