JP2006066727A - 半導体製造装置及び薬液交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 処理槽内で新液と廃液とが混ざることなしに、廃液と新液との熱交換により新液を昇温することができ、エネルギー削減及び薬液交換時間短縮をはかる。
【解決手段】 半導体基板を洗浄するための半導体製造装置において、処理温度に昇温された状態で半導体基板の洗浄に供される薬液が充填され、洗浄後の薬液を循環させて再利用する高温循環型薬液槽１１と、薬液槽１１内の薬液１２を排出するバルブ２１と、排出された薬液である廃液に、該廃液との混合によって熱を発生する補助液体を添加することによって、該廃液を加熱する補助液体添加機構３２と、加熱された廃液が一時的に貯留されると共に新液が通流され、廃液と新液との熱交換により廃液を冷却すると共に新液を昇温する熱交換器３１と、熱交換器３１を通して昇温された新液を薬液槽１１内に供給する配管とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温循環型薬液槽を用いて半導体基板の洗浄を行う半導体製造装置と、洗浄後の薬液を交換するための薬液交換方法に関する。

従来、半導体基板を洗浄する方式は各種提案されているが、高濃度の薬液を使用する場合は、半導体基板を洗浄した薬液を何度も循環して使用する薬液循環系のシステムが採用されている。この循環系のシステムにおいて、特に加熱して使用される薬液としては、硫酸・過酸化水素水混合液、リン酸溶液、塩酸と過酸化水素水との混合水溶液、アンモニアと過酸化水素水との混合水溶液が一般的である。

半導体基板を同一薬液にて何度も洗浄する循環系システムにて薬液を使い込むと、不純物が薬液中に溶解したり、或いは初期濃度に対して薬液同士の反応が進み濃度が変化するため、薬液を定期的或いは不定期に交換する必要がある。高温薬液を交換する場合、処理槽の最下部分の配管に設けた廃液バルブを開いて薬液を抜き、冷却が必要な場合は、冷却タンクに処理槽内の全ての薬液を一時的に貯留した後に排出し、冷却タンクが不要な場合はそのまま排出する。

全ての薬液の排出が終わったら廃液バルブを閉じ、新液を処理槽内へ供給する。処理槽内が循環量に達した後、ポンプを作動し、ヒータにて薬液を昇温して所定の処理温度に昇温後、一定温度にコントロールする。そして、新液が処理温度になって再び半導体基板の洗浄を行う。従ってこの場合、新液の温度が半導体基板を洗浄することができる処理温度になるまで、電力エネルギーが必要となると共に、昇温できるまでの間は処理を待つことになる。

これらの問題を解決するために、処理槽から排出される薬液（廃液）を利用して新液を昇温することによりエネルギーの有効利用をはかる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、高温廃液と新液とを熱交換器で熱交換することにより、処理槽に供給される新液の温度を高めることができ、電力エネルギーの低減、処理温度まで昇温できるまでの時間の短縮をはかることができる。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題があった。即ち、特許文献１の方法は、常に液流が存在する場合の熱交換であり、処理槽に供給する流入液体（新液）と処理槽から排出する流出液体（廃液）とが同時に流れている系での熱交換に関するものである。従って、処理槽内を完全に空にし、新液を入れ換える方式には応用することはできず、新液と廃液との間で熱交換を行う場合は処理槽内で新液と廃液が混ざり合ってしまう問題がある。

また、一般的な熱交換システムでは廃液温度（処理温度とほぼ同じ）よりも新液の温度は低くなるため、熱交換を行ったとしても、それだけでは新液を処理温度まで昇温させることはできない。従って、熱交換により昇温された新液を更に処理温度まで昇温するための電力エネルギーが必要となる。

このように従来、高温循環型薬液槽を用いて半導体基板を洗浄する半導体製造装置においては、新液を処理温度まで昇温するために電力エネルギーが必要となり、更に新液が処理温度まで昇温するまでの時間は処理を待つ必要がある。また、廃液と新液との熱交換を利用する方法があるが、この場合は、処理槽内で新液と廃液が混ざり合ってしまう問題がある。さらに、仮に熱交換を行ったとしても新液を処理温度まで昇温することはできず、別の手段によって新液を昇温する必要がある。
特開２０００−２６６４９６号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、処理槽内で新液と廃液とが混ざることなしに、廃液と新液との熱交換により新液を昇温することができ、電力エネルギーの更なる削減及び薬液交換時間の短縮をはかり得る半導体製造装置及び薬液交換方法に関する。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、半導体基板を洗浄するための半導体製造装置において、所定温度に昇温された状態で半導体基板の洗浄に供される薬液が充填され、洗浄後の薬液を循環させて再利用する高温循環型薬液槽と、前記薬液槽内の薬液を排出する手段と、前記排出された薬液である廃液に、該廃液との混合によって熱を発生する補助液体を添加することによって、該廃液を加熱する手段と、前記加熱された廃液が一時的に貯留されると共に新液が通流され、前記廃液と新液との熱交換により前記廃液を冷却すると共に前記新液を昇温する熱交換器と、前記熱交換器を通して昇温された新液を前記薬液槽内に供給する手段と、を具備してなることを特徴とする。

また、本発明の別の態様は、所定温度に昇温された状態で半導体基板の洗浄に供される薬液が充填され、洗浄後の薬液を循環させて再利用する高温循環型薬液槽を有する半導体製造装置に対し、高温循環型薬液槽内の薬液を交換するための薬液交換方法であって、前記薬液槽内の薬液を排出する工程と、前記排出された薬液である廃液に、該廃液との混合によって熱を発生する補助液体を添加することによって、該廃液を加熱する工程と、前記加熱された廃液を熱交換器に一時的に貯留する工程と、前記熱交換器内に新液を通流させ、該熱交換器内で前記廃液と新液との熱交換により前記廃液を冷却すると共に前記新液を昇温し、昇温された新液を前記薬液槽内に供給する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、熱交換器により高温廃液の熱を新液に与えることによって、新液に対する昇温のための電力エネルギーを削減すると共に、昇温にかかる循環加熱時間を削減することができる。しかも、廃液に補助液体を添加し、希釈熱，反応熱，或いは中和熱等を発生させることにより、熱交換前の廃液の温度をより高めることができる。これにより、熱交換器のみで新液を処理温度まで昇温することが可能となり、新液に対する昇温のための電力エネルギーを不要にすることができる。

また、熱交換器に廃液の液流が存在する場合の熱交換ではなく、廃液を熱交換器に貯留した後の熱交換であるため、処理槽内の高温薬液を空にした後、処理槽内に新液を供給することができる。従って、新液と廃液とが混ざることのない薬液入れ換えが可能である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体製造装置を示す概略構成図である。

図中の１１はＳｉウェハ等の半導体基板の洗浄に供される処理槽（高温循環型薬液槽）であり、この処理槽１１内に例えば硫酸系の高温薬液１２が充填される。半導体基板１３は、処理槽１１内の薬液１２中に浸漬されて洗浄処理される。

処理槽１１内の薬液は、ポンプ（Ｐ）１４により、ヒータ１５（Ｈ），フィルタ１６を通って処理槽１１の底部から供給し、処理槽１１の上部から溢流させ、循環するようになっている。循環経路には、薬液の温度を制御するためのヒータ（Ｈ）１５と、不純物となるパーティクル除去を行うためのフィルタ（Ｆ）１６が挿入されている。そして、半導体基板１３の洗浄中或いは待機中において、処理槽１１内の薬液１２の一部をポンプ１４により循環させると共に、ヒータ１５及びフィルタ１６を通して温度コントロール及びパーティクル除去を行うようになっている。また、処理槽１１の外部には薬液１２の濃度を測定するための濃度モニタ１７が設けられている。

処理槽１１の最下部分の配管、例えば循環経路のポンプ１４とヒータ１５との間には廃液バルブ２１が設けられ、このバルブ２１により処理槽１１内の薬液１２は廃棄されるようになっている。さらに、処理槽１１内には処理槽１１の上側から新液が供給されるようになっている。

具体的には、薬液交換時期がきたらポンプ１４及びヒータ１５の運転を止め、廃液バルブ２１を開き、処理槽１１の最下部分の配管から薬液を排出する。薬液の全てが排出されたら廃液バルブ２１を閉じ、新液を処理槽１１内へ供給する。そして、処理槽１１内が循環量に達した後、ポンプ１４を作動、ヒータ１５にて薬液１２を昇温、所定の温度に昇温後、一定温度にコントロールする。そして、所定の処理温度（プロセス温度）になって再び半導体基板１３の洗浄を行うことになる。

ここまでの基本構成は従来装置と同じであるが、本実施形態ではこれに加えて、処理槽１１から排出される廃液と処理槽１１内に新たに供給すべき新液との間で熱交換を行うための熱交換器３１と、廃液に対して補助液体としての水を添加することにより廃液を昇温するための水添加機構３２が設けられている。

即ち、高温薬液循環槽の廃液系に熱交換器３１が配置され、処理槽１１からバルブ２１を通して排出された薬液（廃液）は熱交換器３１に供給される。熱交換器３１に一時的に貯留された廃液はバルブ２３から外部に排出される。一方、熱交換器３１にはバルブ２４を介して新液が供給され、熱交換器３１により昇温された新液は処理槽１１内に供給される。また、水添加機構３２は、バルブ２２を開くことにより、熱交換器３１に供給される前の廃液に対して水を添加し、これらの希釈熱により廃液を昇温する。従って、廃液は水と反応して昇温され、この昇温された廃液が熱交換器３１に供給されることになる。

熱交換器３１は、図２にその内部構造図を示すように、廃液を一時的に貯留するための配管３５と、この配管３５内に設けられた新液配管３６とで構成される。ここで、熱交換器３１の廃液側配管容量は、処理槽１１の薬液容量と同じ容量以上を持ち、この配管３５の外壁は断熱が施され、基本的に新液との熱交換を行うような構造である。つまり、処理槽１１内の薬液を全て熱交換器３１に排出することができ、処理槽１１内を空にし、新液を供給する際、処理槽１１内で廃液と新液が混ざらないようになっている。新液供給側は処理槽１１と同じ容量ある必要はなく、熱交換器内部の新液温度をモニタしながら必要に応じて供給側バルブ２４をＯＮ，ＯＦＦ制御して処理槽１１に必要量送液すれば良い。熱交換率を上げるため、廃液側に図示していない撹拌装置をつけても良い。

熱交換器３１の廃液の出口側には廃液温度モニタ３７が設けられ、新液の出口側には新液温度モニタ３８が設けられている。

熱交換前の廃液に添加する水の量は、濃度モニタ１７の検出値によって定めればよい。具体的には、処理槽１１内の薬液を排出する前に濃度モニタ１７により薬液１２中の硫酸の濃度を検出し、その検出結果に基づいて希釈可能な水の添加量を予め把握し、この範囲内に設定すればよい。

上記の構成において、処理槽１１内の薬液を交換する際には、まずポンプ１４及びヒータ１５の運転を止め、バルブ２１を開き、処理槽１１内の薬液１２の全てを排出し、熱交換器３１内に一時的に貯留する。このとき、廃液を加熱するために、バルブ２２を開き所定量の水を廃液に添加する。従って、熱交換器３１内に供給される廃液は、処理温度よりも高い温度に昇温された状態となっている。廃液に添加する水の量は、前記図２に示すモニタ３７，３８を用い、廃液温度及び新液温度を見ながら調整することができる。薬液１２の全てが排出されたら廃液バルブ２１を閉じる。

次に、バルブ２４を開き、熱交換器３１を通して処理槽１１内に新液を供給する。熱交換器３１内に供給された新液は、廃液との熱交換により昇温され、この昇温された新液が処理槽１１内に供給される。従って、新液を処理温度まで昇温するための電気エネルギーを少なくする、又は無しにすることができる。

図３は、熱交換器３１による廃液と新液との間の熱交換の様子を示している。熱交換器３１に供給される廃液の温度をＴ１、熱交換器３１から排出される廃液の温度をＴ２、熱交換器３１に供給される新液の温度をＴ２’、熱交換器３１から排出される新液の温度をＴ１’とする。熱交換の原理から、温度Ｔ１’は温度Ｔ１よりも高くなることはないため、処理温度である廃液をそのまま熱交換器３１に供給したのでは、温度Ｔ１’は処理温度よりも低くなり、新液に対して別の昇温エネルギーが必要となる。本実施形態では、水の添加により廃液を希釈熱で予め昇温し、温度Ｔ１を処理温度よりも高くしているため、温度Ｔ１’を処理温度まで昇温することができる。

ここで、硫酸廃液に水を添加した場合の希釈廃液温度の変化を、図５に示す。横軸は水添加後の希釈された廃液硫酸濃度であり、縦軸は廃液温度である。この図では、９３％と７８％の１００℃硫酸廃液に水を任意に添加した場合の希釈廃液温度の変化の例を示している。一般に、半導体洗浄に用いられた硫酸廃液濃度はおよそ８０％程度であり、この廃液を７５％になるように水を添加することで廃液温度をおよそ１０℃上昇させることができ、薬液熱交換器での熱交換ロスを補うことができる。

新液の供給により処理槽１１内が循環量に達した後、ポンプ１４を作動、ヒータ１５にて薬液１２を昇温、所定の温度に昇温後、一定温度にコントロールする。そして、薬液１２が所定の温度になって再び半導体基板１３の洗浄を行うことになる。

上記に説明したように、高温硫酸を含む半導体洗浄工程であれば、高濃度の硫酸溶液を排出するため、水による希釈熱により、循環にて使用していたプロセス温度より熱交換器３１に入る前の廃液の温度を高くすることができ、熱交換率が悪くても新液を十分に昇温することができ、例えば循環温度（プロセス温度）まで上げることが可能となる。従って、新液に対する新たな昇温エネルギーを少なく、又は無しにすることができ、循環後のヒータ１５は循環温度（プロセス温度）を維持するために使用すればよい。

また、熱交換器３１内の廃液はバルブ２３を開くことにより外部に排出されるが、この廃液は新液との熱交換により冷却されているため、廃液冷却のための別の冷却機構は不要となる。従って、クリーンルームの廃液配管の耐熱性がない場合であっても、冷却タンク等を要することなく廃液を排出することができる。

なお、洗浄された半導体基板１３は処理槽１１から取り出された後に、図示していない洗浄槽にて付着した薬液が超純水を用いて十分に除去され、乾燥された後、次の半導体製造工程に進められる。半導体基板１３上に付着した不純物の除去が上記記載の一薬液で困難な場合は、各薬液洗浄間に超純水リンスを挟んで連続的に洗浄し、最後に超純水リンスを行い、半導体基板に付着した薬液を十分に除去後、乾燥する。

このように本実施形態によれば、高温循環型薬液槽として用いられる処理槽１１内の薬液を交換する際に、処理槽１１内の薬液１２の全てを排出して熱交換器３１内に貯留すると共に、廃液に水を添加して廃液を希釈熱により加熱することにより、熱交換器３１において、新液を効率良く加熱することができる。特に、硫酸を使用した高温循環型薬液槽では硫酸濃度が濃いため、水との希釈熱も大きく非常に効果的である。そして、新液を十分に高い温度まで昇温することにより、新液の供給に際して新たな電気エネルギーを必要としない。しかも、薬液の交換に際して処理槽１１内の全ての薬液を排出した後に新液の供給を行うことから、処理槽１１内で新液と廃液とが混ざるのを未然に防止することができる。

つまり、処理槽１１内で新液と廃液とが混ざることなしに、廃液と新液との熱交換によって新液を昇温することができ、電力エネルギーの更なる削減及び薬液交換時間の短縮をはかることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体製造装置を示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が、先に説明した第１の実施形態と異なる点は、濃度モニタ１７の測定結果に応じて水添加機構３２による水添加量を設定することにある。また、廃液バルブ２１と熱交換器３１との間には、廃液の一部を熱交換器３１に通すことなく直接廃棄するためのバルブ２５が設けられている。さらに、熱交換器３１の新液側の配管には、新液の一部を熱交換器３１に通すことなく直接処理槽１１に供給するためのバルブ２６が設けられている。

本実施形態においても、先に説明した第１の実施形態と同様に、処理槽１１内で新液と廃液とが混合すること無しに、熱交換器３１により昇温された新液を供給することができる。

これに加えて本実施形態では、濃度モニタ１７の測定結果に応じて水の添加量を、次のように設定することができる。

(1) 高温硫酸を使用する系において硫酸濃度をモニタし、熱交換器３１で昇温される新液の温度が処理温度となるように廃液に必要な温度を経験的或いは実験的に求め、この廃液温度となるように水の添加量を決定する。この場合、新液に対する昇温のための電力エネルギーは不要となる。即ち、熱交換のみで新液の温度を処理温度まで昇温することができる。

(2) 高温硫酸を使用する系において硫酸濃度をモニタし、処理槽１１から排出する前の濃度から予め定めておいた廃液濃度と水の添加量の関係から必要な水の量を決定する。近年、環境負荷低減の立場から、廃液の工場からの排出は控え、例えば硫酸は半導体製造装置から排出後、クリーンルーム全体では回収し、希硫酸として別の工業で使用することも多く、ある程度の濃度に合わせて回収するケースがある。

即ち、硫酸系の廃液は、一般にはそのまま産業廃棄物として捨てるのではなく、別の工業用途に使用することもあり、一定の濃度となっていることが望ましい。

そこで、濃度モニタ１７の測定結果に応じて、廃液の硫酸濃度が７５％となるように水の添加量を決定する。これにより、熱交換後にバルブ２３を開くことにより排出される廃液は硫酸濃度７５％となり、そのまま別の用途に使用できることになる。

また、廃液濃度が上記の値となるように設定した場合、熱交換器３１による新液の昇温温度は必ずしも処理温度とはならない。９３％又は７８％の１００℃硫酸廃液に水を任意に添加した場合の希釈廃液温度を、図５に示す。縦軸は廃液温度、横軸は水添加後の希釈された廃液硫酸濃度である。一般的に半導体洗浄で用いた硫酸廃液濃度はおよそ８０％程度であり、１００℃程度の廃液を７５％になるように水を添加することで廃液温度をおよそ１０℃上昇させることができ、薬液熱交換器での熱交換ロスを補うことができる。新液の温度が処理温度に達しない場合は、ヒータ１５或いは別の手段により加熱すればよい。この場合も、新液は熱交換によってある程度昇温されているので、この温度から処理温度まで昇温するための電力エネルギーは少なくて済む。

熱交換器３１による新液の昇温温度が処理温度以上となる場合は、新液の一部をバルブ２６によりバイパスすることにより、処理槽１１内でトータルの新液の温度が処理温度となるようにしても良い。さらに、予め廃液の一部をバルブ２１を通して廃棄しておき、残った廃液と水との混合による希釈熱によって加熱された廃液により新液が処理温度まで昇温されるようにしても良い。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、洗浄液としての硫酸系の薬液に対して補助液として水を用い、希釈熱により廃液を加熱したが、薬液と補助液との組み合わせは適宜変更可能である。例えば、塩酸系の薬液に対しては有機アルカリを添加し、中和熱により加熱することが可能である。さらに、アンモニア系の薬液に対しては有機酸を添加し、反応熱により加熱することが可能である。但し、温度低下時熱交換内部に析出沈殿しないような物質を選ぶ必要がある。

また、補助液体の添加位置は廃液が熱交換器に入る前の配管でも良いし、熱交換器内でも良い。さらに、安全装置として処理槽の廃液側に図示していない、リリーフ弁が付いていても良い。さらに、図２では１薬液しか記載していないが、純水を含め２薬液以上の混合液を用いる場合は、新液の供給配管を熱交換器３１に平行に入れ、２薬液以上を同時に熱交換昇温してもかまわない。また、過酸化水素水のように高温にすると分解反応するような液は熱交換を行わず直接処理槽に必要量供給してもかまわない。

また、半導体基板の洗浄方式には何枚もの半導体基板を薬液が入った処理槽に浸漬し、同時に洗浄するバッチ式洗浄と半導体基板一枚ずつを回転させながら半導体基板上に薬液を吐出する枚葉式洗浄とがある。本発明は、バッチ洗浄，枚葉洗浄いずれであっても、高濃度の薬液を使用した薬液循環系のシステムであれば適用することが可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わる半導体製造装置を示す概略構成図。 図１の実施形態に用いた熱交換器の内部構造を示す断面図。 図２の熱交換器における熱交換の様子を示す模式図。 第２の実施形態に係わる半導体製造装置を示す概略構成図。 硫酸廃液に水を添加した場合の希釈廃液温度の変化を示す特性図。

符号の説明

１１…処理槽（高温循環型薬液槽）
１２…薬液
１３…半導体基板
１４…ポンプ
１５…ヒータ
１６…フィルタ
１７…濃度モニタ
２１〜２６…バルブ
３１…熱交換器
３２…水添加機構
３５…廃液配管
３６…新液配管
３７…廃液温度モニタ
３８…新液温度モニタ

Claims (7)

1. 所定温度に昇温された状態で半導体基板の洗浄に供される薬液が充填され、洗浄後の薬液を循環させて再利用する高温循環型薬液槽と、
   前記薬液槽内の薬液を排出する手段と、
   前記排出された薬液である廃液に、該廃液との混合によって熱を発生する補助液体を添加することによって、該廃液を加熱する手段と、
   前記加熱された廃液が一時的に貯留されると共に新液が通流され、前記廃液と新液との熱交換により前記廃液を冷却すると共に前記新液を昇温する熱交換器と、
   前記熱交換器を通して昇温された新液を前記薬液槽内に供給する手段と、
   を具備してなることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記廃液に対する前記熱交換器の配管容量は、前記薬液槽に充填される薬液量以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
3. 前記補助液体は、前記廃液との混合によって希釈熱，反応熱，又は中和熱を発生するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体製造装置。
4. 前記薬液は少なくとも硫酸を含むものであり、前記補助液体は水であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体製造装置。
5. 前記薬液槽内の少なくとも１薬液の濃度を測定する濃度測定器を具備し、この濃度測定器の測定結果に基づいて前記補助液体の添加量を決定することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体製造装置。
6. 前記補助液体の添加量を、前記熱交換器内で前記新液を所定温度まで昇温するために必要な前記廃液の温度に基づいて設定してなることを特徴とする請求項５記載の半導体製造装置。
7. 所定温度に昇温された状態で半導体基板の洗浄に供される薬液が充填され、洗浄後の薬液を循環させて再利用する高温循環型薬液槽を有する半導体製造装置に対し、高温循環型薬液槽内の薬液を交換するための薬液交換方法であって、
   前記薬液槽内の薬液を排出する工程と、
   前記排出された薬液である廃液に、該廃液との混合によって熱を発生する補助液体を添加することによって、該廃液を加熱する工程と、
   前記加熱された廃液を熱交換器に一時的に貯留する工程と、
   前記熱交換器内に新液を通流させ、該熱交換器内で前記廃液と新液との熱交換により前記廃液を冷却すると共に前記新液を昇温し、昇温された新液を前記薬液槽内に供給する工程と、
   を含むことを特徴とする薬液交換方法。

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