JP2007207786A - 基板処理方法及び基板処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】循環する高温の処理液へ補充液を効率よく混入して処理液の濃度及び温度分布を均一に保持することができる構造が簡単な基板処理方法及び基板処理システムを提供すること。
【解決手段】処理液及びウェーハＷを収容し上部開口縁に溢流堰３ｂが形成された内槽３と内槽の溢流堰から溢れる処理液を収容する外槽４とを有する処理槽２と、内槽と外槽とを接続して処理液の循環を行なう処理液循環路Ｌ_１と、処理槽から蒸発した処理液と実質的に同一量の補充液を補充する補充液供給手段と、を備えた基板処理システム１であって、補充液供給手段は、複数個の供給ノズル１４と、供給ノズルへ前記補充液を供給する補充液供給源に接続された補給路Ｌ_２を有し、複数個の供給ノズルは、そのノズル穴１４'が溢流堰近傍の内槽に貯留される処理液内の液面に対して浅い位置に溢流堰に向けられて設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハや液晶表示パネル等の各種基板の処理を行なう基板処理方法及び基板処理システムに係り、特に、処理液を高温に加熱し、この高温の処理液を循環させて各種基板を処理する基板処理方法及び基板処理システムに関するものである。

近年、半導体製造工程においては、半導体素子の高性能化、高集積化に伴いウェーハ表面のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）−シリコン窒化膜（Ｓｉ_４Ｎ_３膜）に対して精緻なエッチング処理が要求されている。このエッチング処理は、特にゲート絶縁膜の均一な薄膜化が重要課題となっており、基板上に形成されたＳｉＯ_２膜−Ｓｉ_４Ｎ_３膜のうちＳｉ_４Ｎ_３膜をエッチングした後に基板表面に均一なＳｉＯ_２膜を残さなければならい。
この処理のエッチング液には、通常、高温度に加熱した燐酸（Ｈ_３ＰＯ_４）溶液が使用されるが、基板処理中に燐酸溶液の温度及び濃度が変動すると、エッチングレートが変化して均一な処理ができなくなるので、燐酸溶液の温度及び濃度を所定の範囲にコントロールする必要がある。しかしながら、燐酸溶液は、通常、１５０℃〜１８０℃程度の高温に加熱されているため、燐酸溶液に混入している水分が蒸発し易く、この水分が蒸発してしまうと燐酸溶液の濃度が上昇してエッチングレートが変化し均一な処理ができなくなる。
そこで、この蒸発した水分を補充する必要があることから、その補充は、主に以下の方法・装置によって行われている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。

下記特許文献１に開示された液補充装置は、底部にヒータ及び中空平板状の補充液供給ノズルを配設した処理槽を備え、補充液供給ノズルから純水を補充供給する装置であり、また下記特許文献２には、循環路の管内に直接純水を補充する方法が開示されており、下記特許文献３には、オーバーフロー槽へ純水を補充するようにしたシステムが開示されている。さらに、処理槽或いは循環路へ直接純水を補充するのではなく、処理槽の上から純水を滴下する処理装置も下記特許文献４で知られている。

図４は下記特許文献４に開示された基板処理装置の部分断面図であって、この処理装置２０は、高温に加熱された処理液を貯留し、上端に処理液の溢れ出る溢流部を有する内槽２１と、この内槽２１の溢流部２１ａ'から溢れ出た処理液を受ける外槽２２と、この外槽２２で受けた処理液を内槽に循環させる処理液循環手段と、複数種の処理液のうち、処理液の温度以下の沸点を持つ液を補充液として内槽２１の溢流部直上の溢流部近傍に供給する補充液供給手段としての純水注入ノズル２３と、を備えた構成を有している。

この処理装置２０による被処理基板、例えばウェーハＷの処理は、先ず、内槽２１に高温に加熱された処理液、例えば１５０℃〜１８０℃の燐酸溶液ＰＡを貯留し、この貯留した燐酸溶液ＰＡにウェーハＷを浸漬してウェーハの表面処理を行なう。この表面処理は、燐酸溶液を外槽２２から取り出して加熱手段により加熱して処理液循環手段を介して循環させ、再びウェーハＷのエッチング処理に使用されるようになっている。

この処理工程においては、燐酸溶液ＰＡは高温の１５０℃〜１８０℃の範囲に維持され易い。そこで、この処理装置２０では水分の蒸発に伴う燐酸溶液の濃度の変化をオペレータが計測器等により測定し、その測定値から純水の単位時間当たりの蒸発量を求め、この蒸発量に基づいて定量ポンプの流量を設定することにより、純水槽から適当な量の純水ＰＷを純水注入ノズル２３に送給している。純水注入ノズル２３に供給された純水は、この注入ノズルの純水吹出し口Ｈａから排出され、その直下の溢流部２１ａ'近傍の燐酸溶液ＰＡの表面に至り、燐酸溶液ＰＡに混ざり合いながら外槽２２の樋部を通って外槽２２の貯留部に流れ込むようになっている。

実公平７−４１１５２号公報（図１、第２頁右欄上第３行〜同欄第４９行） 特公平３−２０８９５号公報（図１、特許請求の範囲） 特開平６−６９１７９号公報（図１、段落〔０００８〕、〔０００９〕） 特許第３４６２３２５号公報（図３、段落〔００２８〕〜〔００３２〕）

しかしながら、上記特許文献１に開示された液補充装置では、処理槽の底部へ直接純水が供給されるので、この補充される純水に気体が混入されていると、この気体及び純水が高温の燐酸溶液と反応して激しい沸騰（突沸）状態、いわゆる水蒸気爆発に似た現象を起こし液面方向へ急速に上昇するため、処理液に浸漬されているウェーハが上方へ押し上げられる。そのとき、ウェーハ同士が接触して破損したり或いはウェーハの上部が処理液上に突出して処理液による処理が行えなかったり、さらにチッピング及びウェーハの振動によるキズが発生したりする恐れがある。また、上記特許文献２に開示された処理方法のように配管内へ直接供給すると、上記特許文献１のものと同様に管内で水蒸気爆発を起し管体が破壊する恐れがあるので、管体を頑丈にする必要がある。さらに、上記特許文献３に記載された処理システムは、処理槽の外槽へ補充しているので、上記のようなウェーハの移動がなくウェーハに悪影響を及ぼすことがないものの純水が処理液に効率よく混入されないので後述する上記特許文献４のものと同じ課題を有している。また、上記特許文献４に開示された基板処理装置は、処理槽の上方から補充液の純水を雫状に滴下しているので、補充された純水は高温の処理液に効率よく十分に混入されない。処理液への純水の混入が不十分であると、純水が高温処理液の表面に溜まってこの表面から蒸発し易い状態となって蒸発してしまい補充した純水によって処理液の液濃度及び温度を基準範囲にコントロールすることができなくなり、結果として被処理基板を均一に処理することができなくなる恐れがある。このため、上記特許文献４の基板処理装置においては、外槽を一部大きくすれば拡散を利用して補充液の混合を促進することができるが、そのためには大きな外槽が必要であったり、より多量の処理液が必要であったりする。

本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、循環する高温の処理液へ補充液を効率よく混入して処理液の濃度及び温度分布を均一に保持することができる基板処理方法及び基板処理システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、循環する高温の処理液へ補充液を効率よく混入して処理液の濃度及び温度分布を均一に保持することができる構造が簡単な基板処理方法及び基板処理システムを提供することにある。

上記の目的は、以下の構成により達成される。すなわち、請求項１に記載の基板処理方法の発明は、内部に被処理基板が収容される上部開口縁に溢流堰が形成された処理槽に数種の処理液を混入し、該処理液の少なくとも一種を沸点以上に加熱し、前記処理槽の溢流堰から溢流した処理液を圧送循環経路を介して前記処理槽へ再度供給することにより循環させて前記被処理基板を処理する基板処理方法であって、
前記処理槽から蒸発した処理液量と実質的に同一量の補充液を、前記処理槽の上部溢流堰近傍でかつ前記処理液に貯留された処理液内の液面に対して浅い位置に注入して前記処理液に混入させるとともに前記溢流堰から溢流させて循環させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板処理方法において、前記数種の処理液のうちの一種が密度の高い液体であり、前記補充液が密度の低い液体であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の基板処理方法において、前記数種の処理液のうちの一種が燐酸であり、前記補充液が純水であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の基板処理方法において、前記処理液は１５０℃〜１８０℃に加熱されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の基板処理方法において、前記処理液は前記処理槽の底部に配設された分散板を通して前記処理槽内に供給されることを特徴とする。

請求項６に記載の基板処理システムの発明は、処理液及び被処理基板を収容し上部開口縁に溢流堰が形成された内槽と該内槽の溢流堰から溢れる処理液を収容する外槽とを有する処理槽と、前記内槽と外槽とを接続して前記処理液の循環を行なう処理液循環路と、前記処理槽から蒸発した処理液と実質的に同一量の補充液を補充する補充液供給手段と、を備えた基板処理システムであって、
前記補充液供給手段は、複数個の供給ノズルと、該供給ノズルへ前記補充液を供給する補充液供給源に接続された補給路を有し、前記複数個の供給ノズルは、そのノズル穴が前記溢流堰近傍の前記内槽に貯留される処理液内の液面に対して浅い位置に前記溢流堰に向けられて設けられていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の基板処理システムにおいて、前記内槽の溢流堰は、前記内槽の上端に少なくとも１個の放流穴で形成され、この放流穴に前記供給ノズルのノズル穴が対向していることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の基板処理システムにおいて、前記内槽の底部内に分散板を配設し、前記処理液を前記分散板を通して前記内槽に供給することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項６〜８のいずれかに記載の基板処理システムにおいて、前記処理液は燐酸に純水が混入された燐酸溶液であって、該処理液は１５０℃〜１８０℃に加熱されていることを特徴とする。

本発明は、上記構成を備えることにより、以下に示す優れた効果を奏する。すなわち、
請求項１の発明によれば、補充液（純水）は、処理槽の上部溢流堰近傍にあって貯留された処理液の液面に対して浅い位置へ注入することにより、補充液（純水）が高温に加熱された処理液に注入されて液面で激しい沸騰状態、いわゆる突沸現象が発生しても、この突沸現象は液面で起こりこの突沸による衝撃が処理中の被処理基板へ波及して基板を移動等させることにより損傷する恐れがない。また、この補充液（純水）は、液面で突沸現象を発生させても直ちに溢流堰から溢流されるので、この突沸現象及び溢流堰からの溢流の過程で補充液が処理液に効率よくほぼ均一に混入され、処理液の濃度及び温度の変動が少なくなり高品質の処理が可能になる。

請求項２の発明によれば、高い密度の液体と低い密度の液体との混合は容易ではないが、本発明によれば、補充液は処理液中に混合されるので、溢流時には既に処理液の中にあり、落下中及び外槽液面に達した時の衝撃によって混合が促進される。このため、密度が異なる液体の混合が容易に行える。

請求項３、４の発明によれば、１５０℃〜１８０℃に加熱された燐酸溶液を使用することにより、被処理基板の極薄の皮膜に対する精密エッチング性を向上し、歩留まりおよび生産性を向上できる。

請求項５の発明によれば、処理槽の底部に分散板を設けることにより、処理槽の底部からの処理液を処理槽内へ均一に分散させて被処理基板に供給することができるので、エッチングのムラを防ぎ、均一な基板処理を行なうことができる。

請求項６の発明によれば、簡単な構造で請求項１の効果を奏する基板処理システムを作製できる。

請求項７の発明によれば、前記内槽の上端に少なくとも１個の放流穴が形成されるので、この放流穴から突沸現象を起こした処理液がスムーズに放流されて、突沸現象に伴う衝撃が処理中の被処理基板へ波及することがなくなる。

請求項８の発明によれば、内槽の底部に分散板を設けることにより、この内槽の底部から供給される処理液を処理槽内へ均一に分散させて被処理基板に供給することができるので、均一な基板処理を行なうことができる。

請求項９の発明によれば、１５０℃〜１８０℃に加熱された燐酸溶液を使用することにより、被処理基板の極薄の皮膜に対する精密エッチング性を向上し、歩留まりおよび生産性を向上できる。

以下、図面を参照して本発明の最良の実施形態を説明する。但し、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための基板処理方法及び基板処理システムを例示するものであって、本発明をこの基板処理方法及び基板処理システムに特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものも等しく適応し得るものである。

図１は本発明の実施例に係る基板処理システムを示す概略説明図、図２は処理槽を示し、図２（ａ）は縦断面図、図２（ｂ）は平面図、図３は供給ノズルが設けられた部分を示し、図３（ａ）は拡大正面図、図３（ｂ）は斜視図である。
この基板処理システム１は、図１に示すように、高温度の処理液、例えば１５０℃〜１８０℃程度の燐酸溶液ＰＡが貯留される内槽３及びこの内槽３から溢れる処理液を収容する外槽４からなる処理槽２と、外槽４へ収容された処理液をろ過及び加熱して再び内槽３へ戻す循環路Ｌ_１と、この循環路Ｌ_１とは別系統で、処理槽２へ補充液、例えば純水ＰＷを補充する補給路Ｌ_２とを備えている。

処理槽２は、所定量の処理液及び複数枚の被処理基板、例えばウェーハＷが収容される大きさの有底容器で形成され、この容器には、外周囲、例えば底部に処理槽２内の処理液を加熱するヒータ１２が設けられている。なお、処理槽２は図示しない専用のクリーンブース内へ収容されてエアーコントロールされている。また、循環路Ｌ_１には、外槽４から取り出した燐酸溶液ＰＡに所定の圧力をかけて圧送するポンプ５と、燐酸溶液ＰＡ中に混入した不純物等を除去するフィルタ６と、フィルタ６でろ過された処理液を所定温度に加熱するヒータ７とが設けられ、これらが配管で接続されるとともに、配管の一端部は内槽３の底部に設けられた供給管３ａへ連結されており、外槽４から取り出した燐酸溶液ＰＡは所定温度より低下しないように加熱したのちに再び内槽３の底部から循環供給されるようになっている。また、補給路Ｌ_２は、一端が純水供給源に接続されるとともに途中にポンプ１０、流量計８及びヒータ９等が連結されて他端が内槽３内に挿入される供給ノズル１４に接続された流路からなり、純水供給源から所定量の純水ＰＷが供給されるようになっている。また、この基板処理システム１にはさらに温度制御手段１３が設けられており、この温度制御手段１３には、処理槽２に付設した温度センサ１３ａの検知出力に基づいて各ヒータ７、９、１２を制御するようになっている。

処理槽２は、図２に示すように、上部が開口し有底で所定量の処理液及び複数枚のウェーハＷを収容できる大きさの箱型の内槽３と、この内槽３の外周囲に設けられて内槽３から溢れた処理液を収容する外槽４とからなり、外槽４の上方開口部が内槽３の上方開口部より上位に位置するように外槽４の側壁が内槽３の上方開口部より上方へ延出されている。内槽３及び外槽４は、いずれも耐高熱性及び耐薬品性の材料、例えば石英或いは合成樹脂材等で形成されている。

内槽３は、底部に供給管３ａが挿入され、この供給管３ａは循環路Ｌ_１の配管に接続されている。さらに、内槽３の底面には排出口が形成されている。また、この内槽３の上部開口部の外周囲は、処理液がオーバーフローする溢流堰３ｂとなっている。この溢流堰３ｂは、処理液がスムーズにオーバーフローできるように複数の切欠き溝、例えばＶ字状溝３_０（図３（ｂ）参照）が形成されている。また、外周囲の一辺には、Ｖ字状溝３_０より大きい放流用の溝、例えば凹状溝（放流穴）３_１が形成されている。この凹状溝３_１には、後述する供給ノズル１４の先端が対向配置され、この放流穴３_１から比較的大量の処理液が滝状に落下するようになっている。また、この内槽３の底部には、供給管３ａから供給される処理液を内槽内へほぼ均等に分散させる分散板１５が配設されている。この分散板１５は、例えば、複数個の小穴が形成された板状体で形成されている。さらに、内槽３の外周囲にはヒータ１２（図１参照）が付設され、処理槽１内の処理液温度が所定温度に維持されるように温度コントロールされる。外槽４には、その底部に排出口４ａが形成され、この排出口４ａは循環路Ｌ_１の配管に接続されている。

供給ノズル１４は、図２及び図３に示すように、１乃至複数個、例えば２個のノズル１４_１、１４_２を有しており、これらのノズル１４_１、１４_２は回動可能な補給管１４ａに連結されている。ウェーハＷ処理時には、この補給管１４ａは、各ノズル１４_１、１４_２のそれぞれのノズル穴１４'、１４'（図３参照）が溢流堰３ｂの放流穴３_１に対向するように位置決めされている。また、ウェーハＷ投入回収時にはウェーハＷの移動の妨げにならないように内槽３の上部とは別の位置にて待機する。このように供給ノズル１４を内槽３に取付けると、内槽３に処理液を一杯に貯留すると、各ノズル１４_１、１４_２のそれぞれのノズル穴１４'、１４'は、内槽３内の液面から下へ潜入される。この状態で、処理液の循環供給を継続すると、処理液は内槽３の溢流堰３ｂからオーバーフローし、この状態で各ノズル穴１４'、１４'から補充液を注入すると、注入された補充液はオーバーフローする処理液とともに溢流堰３ｂの放流穴３_１から外槽４へ放出される。このとき、補充液が処理液に混入されて外槽４へ滝状に落下し、この落下時にも、補充液が処理液に混入される。

次に、この基板処理システム１を使用した処理液の循環方法を説明する。
先ず、処理液供給源（図示省略）からヒータ７により高温１５０℃〜１８０℃に加熱された燐酸溶液ＰＡを処理槽２の内槽３へオーバーフローするように供給する。そして、被処理基板のウェーハＷをこの内槽３へ搬送し、貯留された燐酸溶液ＰＡ内へ浸漬してエッチング処理をする。このエッチング処理と同時に、内槽３からオーバーフローし外槽４へ収容された燐酸溶液ＰＡをポンプ５により加圧してフィルタ６で不純物等を除去し、ヒータ７により１５０℃〜１８０℃に維持するように加熱して、再び内槽底部の供給管３ａへ帰還させて処理液を循環させエッチング処理を行う。

燐酸溶液ＰＡは、高温を維持した状態で処理されるために処理中にその内部に含まれる水分が蒸発する。そこで、水分の蒸発に伴って燐酸溶液ＰＡ濃度が変化するので、この変化をオペレータが計測器等により測定し、所定のＰＡ濃度より下回ったらその測定値から純水ＰＷの補充量を求め、これに基づいて定量ポンプ１０による補充量を設定して純水供給源から純水ＰＷを供給ノズル１４に給送する。供給ノズル１４から高温の燐酸溶液ＰＡへ純水ＰＷが注入されると、液面で激しい沸騰、いわゆる突沸現象を起こすが、各ノズル１４_１、１４_２のそれぞれのノズル穴１４'、１４'を内槽３内の液面に対して浅い位置に配置しているので、この突沸による影響が処理中のウェーハＷへ波及してウェーハを移動等させることがない。

しかも、各ノズル穴１４'、１４'が溢流堰３ｂの放流穴３_１に近接し対向しているので、突沸現象を起こした処理液、すなわち、燐酸溶液と補充された純水との混合液が溢流堰３ｂの放流穴３_１から放出されて外槽４へ滝状に落下する。このとき、補充液が処理液に混入されて外槽４へ滝状に落下し、この落下時にも、補充液が処理液に混入される。そして外槽４の液面に達すると、さらに良く混合される。

密度が異なる液体の混合は時間を要するが、この方法であると密度が高い処理液中に密度が低い補充液を混入されたうえで、落下させ外槽４の液面に衝突させるのでより混合が早く行われる。従来のように処理液面に補充液を供給するのみではこれほどの効果は得られないし、密度の低い補充液は液面付近に残る傾向にある。また、補充液の沸点より高い温度の処理液に補充液を混合させるので、突沸現象が起こり内槽３から外槽４に向かって液が飛び出すこともあるが、この効果もさらに混合を促進することになる。

したがって、燐酸溶液ＰＡが内槽３から外槽４に溢流する際に燐酸溶液ＰＡと純水ＰＷが撹拌されるため純水ＰＷが処理液中へ十分に拡散し、それにより純水ＰＷが燐酸溶液ＰＡ表面に留まって燐酸溶液ＰＡ表面から直接空気中に蒸発することがないので燐酸溶液ＰＡの温度低下が少なくなり、高い品質のエッチング処理ができる。

図１は本発明の実施例に係る基板処理システムを示す概略説明図である。 図２は処理槽を示し、図２（ａ）は縦断面図、図２（ｂ）は平面図である。 図３は供給ノズルが設けられた部分を示し、図３（ａ）は拡大正面図、図３（ｂ）は斜視図である。 図４は従来技術の基板処理装置の部分断面図である。

符号の説明

１ 基板処理システム
２ 処理槽
３ 内槽
３ｂ 溢流堰
３_０ 切欠き溝（Ｖ字状溝）
３_１ 凹状溝（放流穴）
４ 外槽
５ ポンプ
７ ヒータ
８ 流量計
９ ヒータ
１０ ポンプ
１２ ヒータ
１３ 温度制御手段
１４ 供給ノズル
１４' ノズル穴

Claims (9)

1. 内部に被処理基板が収容される上部開口縁に溢流堰が形成された処理槽に数種の処理液を混入し、該処理液の少なくとも一種を沸点以上に加熱し、前記処理槽の溢流堰から溢流した処理液を圧送循環経路を介して前記処理槽へ再度供給することにより循環させて前記被処理基板を処理する基板処理方法であって、
   前記処理槽から蒸発した処理液量と実質的に同一量の補充液を、前記処理槽の上部溢流堰近傍でかつ前記処理液に貯留された処理液内の液面に対して浅い位置に注入して前記処理液に混入させるとともに前記溢流堰から溢流させて循環させることを特徴とする基板処理方法。
2. 前記数種の処理液のうちの一種が密度の高い液体であり、前記補充液が密度の低い液体であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理方法。
3. 前記数種の処理液のうちの一種が燐酸であり、前記補充液が純水であることを特徴とする請求項１または２に記載の基板処理方法。
4. 前記処理液は１５０℃〜１８０℃に加熱されていることを特徴とする請求項３に記載の基板処理方法。
5. 前記処理液は前記処理槽の底部に配設された分散板を通して前記処理槽内に供給されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理方法。
6. 処理液及び被処理基板を収容し上部開口縁に溢流堰が形成された内槽と該内槽の溢流堰から溢れる処理液を収容する外槽とを有する処理槽と、前記内槽と外槽とを接続して前記処理液の循環を行なう処理液循環路と、前記処理槽から蒸発した処理液と実質的に同一量の補充液を補充する補充液供給手段と、を備えた基板処理システムであって、
   前記補充液供給手段は、複数個の供給ノズルと、該供給ノズルへ前記補充液を供給する補充液供給源に接続された補給路を有し、前記複数個の供給ノズルは、そのノズル穴が前記溢流堰近傍の前記内槽に貯留される処理液内の液面に対して浅い位置に前記溢流堰に向けられて設けられていることを特徴とする基板処理システム。
7. 前記内槽の溢流堰は、前記内槽の上端に少なくとも１個の放流穴で形成され、この放流穴に前記供給ノズルのノズル穴が対向していることを特徴とする請求項６に記載の基板処理システム。
8. 前記内槽の底部内に分散板を配設し、前記処理液を前記分散板を通して前記内槽に供給することを特徴とする請求項６に記載の基板処理システム。
9. 前記処理液は燐酸に純水が混入された燐酸溶液であって、該処理液は１５０℃〜１８０℃に加熱されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の基板処理システム。

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