JP2005307311A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 基板の帯電状態を、湿式プロセスの種類に合わせて適切にコントロールすることで、基板表面の静電気によるプロセス不良を抑制する。
【解決手段】 基板の静電気を調整する静電気調整部３０と、前記静電気を調整した基板に湿式処理を施す湿式処理装置を有する。この静電気調整部は、例えば基板の帯電状態を検知する静電気センサ３２と、帯電部ブロア３８とを有し、基板に帯電した静電気を除去するか、または基板を任意な帯電状態に帯電させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は基板処理装置及び基板処理方法に関し、特に、基板表面を薬液や純水等の処理液に接触させて該基板表面の湿式処理を行う基板処理装置及び基板処理方法に関する。
半導体基板上にＬＳＩ配線などを形成するプロセスとして、従来、ドライプロセスが多く採用されていたが、近年ではめっき法、化学機械的研磨法（CMP）、電解エッチング法、電解研磨法、洗浄法などの湿式プロセスが積極的に採用されつつある。例えば、基板の表面に形成した配線溝及びコンタクトホールの内部に、めっきによって、アルミニウム、近年では銅や銀等の金属（導電体）を埋込み、しかる後、余分な金属をＣＭＰによって除去し平坦化するプロセス（いわゆる、ダマシンプロセス）が使用されつつある。
図１（ａ）乃至図１（ｃ）は、この種の銅配線基板の一製造例を工程順に示す。先ず、図１（ａ）に示すように、半導体素子が形成された半導体基材１上の導電層１ａの上にＳｉＯ２からなる酸化膜やＬｏｗ−ｋ材膜などの絶縁膜２を堆積し、リソグラフィ・エッチング技術によりコンタクトホール３と配線溝４を形成する。これらの上にＴａＮ等からなるバリア膜５、更にその上に電解めっきの給電層としてのシード層７がスパッタリングやＣＶＤ等により形成する。
そして、基板Ｗの表面に銅めっきを施すことで、図１（ｂ）に示すように、半導体基材１のコンタクトホール３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する。その後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により、絶縁膜２上の銅膜６、シード層７及びバリア膜５を除去して、コンタクトホール３及び配線溝４内に充填させた銅膜６の表面と絶縁膜２の表面とをほぼ同一平面にする。これにより、図１（ｃ）に示すように銅膜６からなる配線が形成される。
ここで、ドライプロセスについは、基板の静電気を管理することが日頃から一般に行われている。しかし、湿式プロセスでは、基板の帯電状態の管理があまり重要視されていなかった。
図２は、電解めっきを行う基板処理装置の従来の一般的なレイアウトを示す。この基板処理装置は、基板を収容した基板カセット１０から基板を乾燥状態で搬入して処理し、処理後の基板を乾燥状態で搬出する装置フレーム１２を備えている。この装置フレーム１２の内部には、置台１４、２台の後洗浄装置１６、及びめっき液供給回収装置１８に配管を介して連結された４台の電解めっき装置２０が配置されている。更に、基板カセット１０と置台１４との間で基板の受渡しを行う第１基板搬送ロボット２２と、置台１４、後洗浄装置１６及び電解めっき装置２０との間で基板の受渡しを行う第２基板搬送ロボット２４が走行自在に配置されている。
これにより、第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０から乾燥状態で取り出され、置台１４に置かれた基板は、第２基板搬送ロボット２４で電解めっき装置２０に搬送され、ここで電解めっき処理が行われる。そして、めっき後の基板は、後洗浄装置１６に搬送され、ここで後洗浄され乾燥された後、置台１４に置かれ、第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０の元に位置に戻される。
乾燥状態で装置フレームの内部に搬入された基板が帯電状態にあると、それと反する極性を有するパーティクルや、有機及び無機化合物等が基板の表面に吸着しやすくなる。また、湿式処理に使用するめっき液等の薬液（処理液）が極性を有する場合には、処理液と基板との接触効率が低下し、この結果、基板のローカルあるいはグローバルな領域にプロセス不良が発生する場合がある。
このプロセス不良は、基板の加工サイズが小さくなるほど顕著に認められる。例えば、１３０ｎｍノードの配線を、前述のダマシンプロセスで形成する場合においては殆ど問題視されていなかったが、９０ｎｍノード以降の配線では、プロセス不良による歩留まり低下が無視できないレベルになる。また、配線材料の変更によっても不良率に変化が認められる。つまり、アルミニウム配線の場合はプロセス不良が殆ど認められなかったが、配線材料が銅になり、更には絶縁膜材料が有機物やポーラス材等のＬｏｗ−ｋ材になると不良率の上昇がより顕著になる。
ここでいうプロセス不良としては、めっきにおいては、金属析出の欠損や金属の不均一な析出などが、ＣＭＰプロセス及び電解加工プロセスにおいては、研磨残り、過研磨、ピット形成及び腐蝕進行などが、洗浄プロセスにおいては、洗浄不良や腐蝕進行などが挙げられる。
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、基板の帯電状態を、湿式プロセスの種類に合わせて適切にコントロールすることで、基板表面の静電気によるプロセス不良を抑制するようにした基板処理装置及び基板処理方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の基板処理装置は、基板の静電気を調整する静電気調整部と、前記静電気を調整した基板に湿式処理を施す湿式処理装置を有することを特徴とする。前記湿式処理装置には、例えば電解めっき装置、無電解めっき装置、ＣＭＰ装置、電解エッチング装置、電解研磨装置、化学エッチング装置及び洗浄装置が含まれる。
これにより、例えば、静電気調整部で、基板に帯電した静電気（電荷）を除去したり、基板を任意な帯電状態に帯電させたりして、基板の帯電状態を、湿式処理の種類に合わせて適切にコントロールした状態で湿式処理を行うことで、プロセス不良を抑制し、デバイスの歩留りを向上させることができる。
静電気調整部は、例えば基板を湿式処理装置に搬送する基板搬送ロボット、基板の湿式処理装置への搬送経路及び湿式処理装置の少なくとも一つに設置される。
本発明の基板処理方法は、基板の静電気を調整する工程と、前記静電気を調整した基板に湿式処理を施す工程を有することを特徴とする。
本発明によれば、予め基板の静電気を任意に調整して該基板表面の湿式処理を行うことで、例えばより微細化され、高度な配線材料を使う世代においても、高い歩留まりでＬＳＩ等を製造し、電子製品の低コスト化に貢献することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図３は、本発明の実施の形態における電解めっきを行う基板処理装置のレイアウトを示す。この基板処理装置は、前述の図２に示す基板処理装置と同様に、基板を収容した基板カセット１０から基板を乾燥状態で搬入して処理し、処理後の基板を乾燥状態で搬出する装置フレーム１２を備えている。この装置フレーム１２の内部には、置台１４、２台の後洗浄装置１６、めっき液供給回収装置１８に配管を介して連結された４台の電解めっき装置２０、第１基板搬送ロボット２２及び第２基板搬送ロボット２４が配置されている。
更に、この例では、第１基板搬送ロボット２２、置台１４及び後洗浄装置１６に囲まれた領域に位置して、置台１４の上に置かれた基板の帯電状態を検知し、置台１４上の基板を湿式処理（電解めっき）に適した帯電状態に帯電させる静電気調整部３０が備えられている。
この静電気調整部３０は、図４に詳細に示すように、置台１４の上に置かれた基板Ｗの上方に配置されて基板Ｗの帯電状態を検知する静電気センサ３２と、モータ３４とファン３６を備え、ファン３６の回転に伴ってプラスまたはマイナスのイオンを置台１４上の基板Ｗに向けて吹き付けて帯電させる帯電ユニットとしての帯電ブロア３８とを有している。そして、静電気センサ３２で検知された信号を、アンプ４０で増幅して制御部４２に入力し、この制御部４２の出力信号で帯電ブロア３８のモータ３４の回転速度を制御し、これによって、置台１４上の基板Ｗを、モータ３４の回転速度に応じて、プラスまたはマイナスの任意の帯電状態にコントロールするようになっている。
この静電気センサ３２としては、例えばキーエンス(株)製のＳＫシリーズが、帯電ブロア３８としては、同じくキーエンス(株)製のSJ-F100/010などが有効に使用される。なお、静電気センサや帯電ユニットとしての帯電ブロアは、これらに限定されるものでないことは勿論である。
この例によれば、１枚の基板Ｗを第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０から乾燥状態で取り出し、装置フレーム１２内に搬入して置台１４上に置く。そして、この置台１４上に置いた基板Ｗの帯電状態を静電気センサ３２で検知し、この帯電状態に応じて、置台１４上の基板Ｗを、静電気調整部３０で、極性の大きなめっき液（処理液）を使用する電解めっきに適したプラスまたはマイナスの任意の帯電状態にコントロールする。
次に、この帯電状態をコントロールした基板を、第２基板搬送ロボット２４で電解めっき装置２０に搬送し、この電解めっき装置２０で、例えば、図１（ｂ）に示すように、半導体基材１のコンタクトホール３及び配線溝４内に銅を充填するとともに、絶縁膜２上に銅膜６を堆積する。この時、基板Ｗは、極性の大きなめっき液（処理液）を使用する電解めっきに適した帯電状態にあり、このため、例えより微細化され、高度な配線材料を使う世代においても、めっき膜の静電気によるプロセス不良、例えば金属析出の欠損や金属の不均一な析出などが抑制される。
そして、めっき後の基板Ｗを後洗浄装置１６に搬送し、ここで後洗浄して乾燥させた後、置台１４に置き、第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０の元に位置に戻す。
図５は、電解めっき装置２０に設置した静電気調整部の他の例を示す。つまり、電解めっき装置２０は、上下動及び回転自在で、表面（被めっき面）を下向きにして基板Ｗを着脱自在に保持する基板ホルダ４４と、内部にめっき液（処理槽）４６を保持するめっき槽４８を有している。そして、めっき槽４８内に保持しためっき液４６に基板ホルダ４４で保持した基板Ｗの表面（下面）を接触させ、更に通電させることで、基板Ｗの表面に電解めっきを行うようになっている。
この例では、一端を大地に接地させ、他端を基板ホルダ４４で保持する基板Ｗに接触させる導線５０で、基板Ｗに帯電した静電気（電荷）を除去する静電気調整部を構成している。つまり、この例によれば、基板Ｗを基板ホルダ４４で保持すると、基板Ｗが導線（静電気調整部）５０を通してアースされ、これによって、基板Ｗが除電されて、常に除電した状態で基板の電解めっきを行うことができる。
なお、図６に示すように、電解めっき装置２０として、表面を上向きにして基板Ｗを保持する基板ホルダ５２を備え、この基板ホルダ５２で保持した基板Ｗの周縁部をリング状のシール材５４に圧接させてシールし、この基板Ｗの上面のシール材５４で囲まれた領域にめっき液４６を保持してめっきを行うようにしたものを使用した場合にあっても、静電気調整部を構成する導線５６を通して基板ホルダ５２で保持した基板Ｗをアースすることで、基板Ｗを基板ホルダ５２で保持すると同時に除電して、常に除電した状態で基板の電解めっきを行うことができる。
図７は、例えば第１基板搬送ロボット２２に設置した静電気調整部の更に他の例を示す。この例は、ロボット本体５８から延びるアーム６０及び該アーム６０の先端の基板Ｗを載置保持するハンド６２を共に導電材料で構成し、更に、一端を大地に接地させた導線６４の他端をロボット本体５８に接続させ、導線６４とアーム６０とがロボット本体５８を介して導電するようにして静電気調整部を構成している。つまり、この例によれば、第１基板搬送ロボット２２のハンド６２で基板Ｗを載置保持すると、ハンド６２、アーム６０、ロボット本体５８及び導線６４を通して基板Ｗがアースされて除電される。そして、このように除電された状態で、基板Ｗは電解めっき装置２０に搬送されてめっきされる。
なお、この静電気調整部を第２基板搬送ロボット２４に設けてもよいことは勿論である。また、図３と図４、図５、図６及び図７にそれぞれ示す静電気調整部を任意に組み合わせて用いるようにしてもよい。
図８は、本発明の他の実施の形態における無電解めっきを行う基板処理装置のレイアウトを示す。この基板処理装置は、基板を収容した基板カセット１０から基板を乾燥状態で搬入して処理し、処理後の基板を乾燥状態で搬出する装置フレーム１２を備えている。この装置フレーム１２の内部には、置台１４、前洗浄装置７０、前処理装置７２、無電解めっき液供給装置７４に配管を介して連結された２台の無電解めっき装置７６、後洗浄装置７８、乾燥装置８０、第１基板搬送ロボット２２及び第２基板搬送ロボット２４が配置されている。更に、第１基板搬送ロボット２２、置台１４及び前洗浄装置７０に囲まれた領域に位置して、前述と同様な構成の静電気センサ３２と帯電ブロア３８を有する静電気調整部３０が備えられている。
この例によれば、１枚の基板を第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０から乾燥状態で取り出し、装置フレーム１２内に搬入して置台１４上に置く。そして、この置台１４上に置いた基板の帯電状態を静電気センサ３２で検知し、この帯電状態に応じて、置台１４上の基板Ｗを、静電気調整部３０で、例えば前処理液（処理液）を使用する前処理、または無電解めっき液（処理液）を使用する無電解めっきに適したプラスまたはマイナスの任意の帯電状態にコントロールする。
なお、例えば、基板を静電気調整部３０で前処理液（処理液）を使用する前処理に適したプラスまたはマイナスの任意の帯電状態にコントロールし、更に無電解めっき装置７６にあっては、図５に示す導線５０からなる静電気調整部や図６に示す導線５６からなる静電気調整部で基板を除電するようにしてもよい。
次に、この帯電状態をコントロールした基板を、第２基板搬送ロボット２４で前洗浄装置７０に搬送して基板の表面を前洗浄し、次に前処理装置７２に搬送して基板の表面に前処理を施す。そして、無電解めっき装置７６に搬送して、前処理を施した基板の表面にめっき膜を形成し、しかる後、後洗浄装置７８に搬送して、基板の表面を後洗浄し、乾燥装置８０に搬送して乾燥させた後、置台１４に置き、第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０の元に位置に戻す。
無電解めっきは、様々な湿式処理の組合せから成り立ち、かつ極性の大きな前処理液や無電解めっき液等の処理液を使用するので、基板の静電気管理は特に重要となる。
図９は、本発明の実施の形態におけるＣＭＰを行う基板処理装置のレイアウトを示す。この基板処理装置は、基板を収容した基板カセット１０から基板を乾燥状態で搬入して処理し、処理後の基板を乾燥状態で搬出する装置フレーム１２を備えている。この装置フレーム１２の内部には、置台１４、純水洗浄装置８２、２台の化学洗浄装置８４、研磨液供給装置８６に配管を介して連結された２台のＣＭＰ装置８８、乾燥装置９０、第１基板搬送ロボット２２及び第２基板搬送ロボット２４が配置されている。更に、第１基板搬送ロボット２２、置台１４及び純水洗浄装置８２に囲まれた領域に位置して、前述と同様な構成の静電気センサ３２と帯電ブロア３８を有する静電気調整部３０が備えられている。
この例によれば、１枚の基板を第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０から乾燥状態で取り出し、装置フレーム１２内に搬入して置台１４上に置く。そして、この置台１４上に置いた基板Ｗの帯電状態を静電気センサ３２で検知し、この帯電状態に応じて、置台１４上の基板Ｗを、帯電ブロア３８で、例えば図１（ｂ）に示す、銅膜６、バリア膜５及び絶縁膜２等の複数の電位を有する材料を研磨する際の局部電池の影響を軽減するのに適したプラスまたはマイナスの任意の帯電状態にコントロールする。
次に、この帯電状態をコントロールした基板をＣＭＰ装置８８に搬送し、このＣＭＰ装置８８で、例えば、図１（ｂ）〜（ｃ）に示すように、絶縁膜２上の銅膜６、シード層７及びバリア膜５を除去して表面を平坦化する。この時、基板Ｗは、ＣＭＰに適した帯電状態にあり、このため、例えより微細化され、高度な配線材料を使う世代においても、静電気によるプロセス不良、例えば被研磨面の研磨残り、過研磨、ピット形成及び腐蝕進行などが抑制される。
そして、研磨後の基板を化学洗浄装置８４に搬送して、基板の表面を薬液（処理液）で洗浄し、純水洗浄装置８２に搬送して純水で洗浄した後、乾燥装置９０に搬送して乾燥させて置台１４に置き、第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０の元に位置に戻す。
図１０は、本発明の更に他の実施の形態における洗浄を行う基板処理装置のレイアウトを示す。この基板処理装置は、基板を収容した基板カセット１０から基板を乾燥状態で搬入して処理し、処理後の基板を乾燥状態で搬出する装置フレーム１２を備えている。この装置フレーム１２の内部には、置台１４、２台の乾燥装置９２、２台の裏面洗浄装置９４及び洗浄液供給装置９６に配管を介して連結された２台の洗浄装置９８、第１基板搬送ロボット２２及び第２基板搬送ロボット２４が配置されている。更に、第１基板搬送ロボット２２、置台１４及び乾燥装置９２に囲まれた領域に位置して、前述と同様な構成の静電気センサ３２と帯電ブロア３８を有する静電気調整部３０が備えられている。
この例によれば、１枚の基板を第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０から乾燥状態で取り出し、装置フレーム１２内に搬入して置台１４上に置く。そして、この置台１４上に置いた基板Ｗの帯電状態を静電気センサ３２で検知し、この帯電状態に応じて、置台１４上の基板Ｗを、局部電池やパーティクルの付着を抑え、残留成分の除去を促進するのに適したプラスまたはマイナスの任意の帯電状態にコントロールする。
次に、この帯電状態をコントロールした基板を洗浄装置９８に搬送し、この洗浄装置９８で基板の表面を洗浄液（薬液）で洗浄する。この時、基板Ｗは、洗浄に適した帯電状態にあり、このため、例えより微細化され、高度な配線材料を使う世代においても、静電気によるプロセス不良、例えば洗浄不良や腐蝕進行などが抑制される。
そして、洗浄後の基板を裏面洗浄装置９４に搬送して、基板の裏面を洗浄し、乾燥装置９２に搬送して乾燥させた後、置台１４に置き、第１基板搬送ロボット２２で基板カセット１０の元に位置に戻す。
なお、上記の例では、湿式処理装置として、電解めっき装置、無電解めっき装置、ＣＭＰ装置及び洗浄装置を使用した例を示しているが、電解エッチング装置、電解研磨装置または化学エッチング装置等の他の任意の湿式処理装置を使用してもよいことは勿論である。
次に、基板に帯電処理を行うことなく、電解銅めっき及びめっき後のＣＭＰを行った場合、基板を除電した後に電解銅めっき及びめっき後のＣＭＰを行った場合、基板にプラス１ｋＶの電荷を帯電させて電解銅めっき及びめっき後のＣＭＰを行った場合、及び基板にマイナス１ｋＶの電荷を帯電させて電解銅めっき及びめっき後のＣＭＰを行った場合における、静電気量、銅めっき欠落密度及びＣＭＰ後のコロージョンを測定した結果を表１に示す。
Figure 2005307311
この表１から、適用するプロセスによって、基板の適切な帯電状態は異なり、必ずしも電解めっきとＣＭＰの最適帯電値は一致しないことが判る。これは、使用する電解質や極性化合物が異なるためと考えられる。これらの原理機構の解明は今後の検討課題であるが、静電気をコントロールすることでプロセス不良を最少化し、デバイスの歩留まりを向上させることができる。
銅配線を形成する例を工程順に示す図である。 従来の電解めっきを行う基板処理装置の平面配置図である。 本発明の実施の形態の電解めっきを行う基板処理装置の平面配置図である。 図３の静電気調整部を拡大して示す図である。 静電気調整部を備えためっき装置を示す図である。 静電気調整部を備えためっき装置の他の例を示す図である。 静電気調整部を備えた基板搬送ロボットを示す図である。 本発明の実施の形態の無電解めっきを行う基板処理装置の平面配置図である。 本発明の実施の形態のＣＭＰを行う基板処理装置の平面配置図である。 本発明の実施の形態の洗浄を行う基板処理装置の平面配置図である。
符号の説明
１０ 基板カセット
１２ 装置フレーム
１４ 置台
２０ 電解めっき装置
２２，２４ 基板搬送ロボット
３０ 静電気調整部
３２ 静電気センサ
３４ モータ
３６ ファン
３８ 帯電ブロア
４２ 制御部
４４，５２ 基板ホルダ
４８ めっき槽
５０，５６，６４ 導線（静電気調整部）
５４ シール材
７２ 前処理装置
７６ 無電解めっき装置
７８ 後洗浄装置
８４ 化学洗浄装置
８８ ＣＭＰ装置
９４ 裏面洗浄装置
９８ 洗浄装置

Claims (12)

  1. 基板の静電気を調整する静電気調整部と、
    前記静電気を調整した基板に湿式処理を施す湿式処理装置を有することを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記湿式処理装置は、電解めっき装置、無電解めっき装置、ＣＭＰ装置、電解エッチング装置、電解研磨装置、化学エッチング装置及び洗浄装置の少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記静電気調整部は、基板に帯電した静電気を除去することを特徴とする請求項１または２記載の基板処理装置。
  4. 前記静電気調整部は、基板をアースするように構成されていることを特徴とする請求項３記載の基板処理装置。
  5. 前記静電気調整部は、基板を任意な帯電状態に帯電させることを特徴とする請求項１または２記載の基板処理装置。
  6. 前記静電気調整部は、基板の帯電状態を検知する静電気センサと、基板に帯電させる帯電ユニットと、前記帯電ユニットを制御する制御部を有することを特徴とする請求項５記載の基板処理装置。
  7. 前記静電気調整部は、基板を前記湿式処理装置に搬送する基板搬送ロボット、基板の前記湿式処理装置への搬送経路及び前記湿式処理装置の少なくとも一つに設置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の基板処理装置。
  8. 基板の静電気を調整する工程と、
    前記静電気を調整した基板に湿式処理を施す工程を有することを特徴とする基板処理方法。
  9. 前記湿式処理は、電解めっき、無電解めっき、ＣＭＰ、電解エッチング、電解研磨、化学エッチング及び洗浄の少なくとも一つであることを特徴とする請求項８記載の基板処理方法。
  10. 前記基板の静電気を調整する工程は、基板に帯電した静電気を除去するものであることを特徴とする請求項８または９記載の基板処理方法。
  11. 前記基板をアースすることで基板に帯電した静電気を除去することを特徴とする請求項１０記載の基板処理方法。
  12. 前記基板の静電気を調整する工程は、基板を任意な帯電状態に帯電させるものであることを特徴とする請求項８または９記載の基板処理方法。
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