JP2007273805A - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、ウォーターマークを形成することなく基板表面の水分を除去することができる基板処理方法及び基板処理装置を提供する。
【解決手段】洗浄後の半導体ウェーハ表面に微少水分層を形成し、その後、非酸素雰囲気中にて乾燥処理を行う。微小水分層で半導体ウェーハ表面を覆うことで、ウォーターマークの原因である雰囲気中の酸素の影響を半導体ウェーハ表面から排除でき、基板表面へのウォーターマークの形成を抑制することができる。微小水分層は、基板表面の干渉模様の検出することや、基板表面近傍に、基板表面と平行に照射したレーザー光の散乱を検出することにより、適切に形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体ウェーハや、液晶表示装置用ガラス基板や、プラズマディスプレイ用ガラス基板など、各種基板の湿式洗浄後の乾燥に適用される基板処理方法および基板処理装置に関するものである。

半導体装置の製造工程において、半導体ウェーハ湿式洗浄工程(以下、洗浄工程という)は非常に重要な役割を果たしている。洗浄工程は主に、半導体ウェーハを各種薬液や純水などを用いて処理する洗浄ステップと、洗浄後の半導体ウェーハ表面から水分を除去する乾燥ステップから構成される。

半導体ウェーハの乾燥方法として、一般的にウェーハを水平に保持した状態で高速回転させ、半導体ウェーハ表面に付着した水分を振り切る事により乾燥させる、スピン乾燥法が知られている。このスピン乾燥法は簡便ではあるが、ウォーターマークと呼ばれるシミが形成されることがある。一般的にウォーターマークとは下記反応式に示すように、水分、酸素及びシリコンとの反応によって形成されるケイ酸（H₂SiO₃）が水分中へ溶解し、水分が蒸発した後、残ったケイ酸の析出によって形成されると言われている。
H₂O + O₂ + Si → H₂SiO₃ →（HSiO₃ ^-）

ウォーターマークは半導体装置の歩留まり悪化を引き起こすため、極力発生させないことが求められている。このウォーターマークの発生を抑制するために、洗浄後の半導体ウェーハ表面に純水などの液膜を形成した上で、雰囲気遮断板を近接させ、半導体ウェーハと遮断板間の空間に大量の窒素ガスを供給し空間から酸素を排除し、上記反応を抑制する方法が提案されている。

更に、比較的水分が残りやすく、ウォーターマークが発生し易い微細パターン上での対策として、前記窒素雰囲気中にＩＰＡ（イソプロピルアルコール）ベーパーを供給し、その揮発力によって水分除去する方法や、その状態から更に半導体ウェーハを高速回転させ乾燥する方法が特許文献１に提案されている。
特開２００４−１１９７１７号公報

しかしながら特許文献１で開示されている方法では、半導体ウェーハと雰囲気遮断板間の空間に大量の窒素及びＩＰＡベーパーを供給しながら、半導体ウェーハを高速回転させるため、半導体ウェーハ表面から離脱した水分の飛沫及びＩＰＡベーパーが雰囲気遮断板に付着し、それが凝集して再び落下し、半導体ウェーハ表面に付着してしまう問題がある。このとき水分中及び雰囲気遮断板表面に付着していたパーティクルや汚染物も、半導体ウェーハに再付着してしまうという問題が起こる。

さらに上記方法では、ＩＰＡを大量に使用することで、火災の危険性や作業者への安全性及び環境問題などが危惧される。

そこで本発明は、雰囲気遮断板などの機構や、ＩＰＡなどの有機溶剤を用いることなく、半導体ウェーハ表面のウォーターマーク発生要因である酸素の影響を抑制しながら、前記半導体ウェーハ表面の水分を除去することを可能とする基板処理方法および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為に、発明者は半導体ウェーハの乾燥方法について調査を行った。その結果、特別な装置を用いることなく、ウォーターマークを抑制する方法を発明した。すなわち、半導体ウェーハ表面近傍に対向する位置に雰囲気遮断板を設置した上で、大量の窒素ガスやＩＰＡによって雰囲気を置換しなくとも、半導体ウェーハ表面からウォーターマーク発生原因である酸素の影響を排除した表面状態に制御した上で、残留水分のない良好な乾燥状態を実現する乾燥方法である。以下、本発明の説明を行う。

本発明は、ウォーターマークを抑制するため、基板表面に微少水分層を形成し、雰囲気中の酸素の影響を排除する雰囲気制御工程と、微少水分層を除去する水分除去工程から構成される。

従来のスピン乾燥では、基板を高速回転させることで、マクロな水膜や水滴の除去と、微少水分の蒸発を連続的に行って基板を乾燥させている。ウォーターマーク発生反応は、雰囲気中の酸素が混入する微少水分の蒸発時に起きていることから、微少水分が基板表面を覆うように制御することで、雰囲気中の酸素の影響を排除しウォーターマーク発生の恐れのない状態を形成することができる。

物質表面に吸着する水分量は、一般的に、雰囲気の相対湿度や基板表面のラフネスに依存することが知られている。つまり、マクロな水膜や水滴を除去した直後は多くの微少水分が基板表面に存在していることになる。仮に局所的に水分量の少ない部分が存在しても、前記基板表面近傍の水分によって当該部分に水分が補填され、基板全面が覆われた状態が形成される。本発明では、このようなマクロな水膜や水滴の除去後に、基板表面を被覆する水分を微少水分層と呼ぶ。

このように微少水分層を形成した状態に基板表面を制御した後、非酸素雰囲気中で乾燥処理を行うことでウォーターマーク発生のない、また残留水分のない良好な乾燥を行うことができる。

これらを立証する事実として、従来のスピン乾燥では、乾燥途中に干渉模様が観測される。これは、スピン回転によってマクロな水膜や水滴が除去された後、スピン回転で生じた気流によって微少水分層の蒸発が急激に進み、膜厚が連続的に変化しているため、光が干渉し模様が観測されるのである。

発明者は、この干渉模様が観測される前にウェーハの回転を停止したところ、マクロな水滴などはほとんど観測されず、またウォーターマーク発生数も通常のスピン乾燥より大幅に減少させることができた。すなわち、マクロな液膜や水滴は除去されたものの、基板表面を微少水分層によって覆った状態に制御することにより、基板表面から雰囲気中の酸素の影響を排除することができ、ウォーターマークの発生を抑制できたのである。

スピン回転によるマクロな水滴や水膜の除去完了を検出する手法として、干渉模様を光学カメラにて検出する方法や、レーザーを半導体ウェーハ表面から０．５〜１．０ｍｍの高さで平行に照射し、マクロな水滴が存在する場合には乱反射してしまい、受光機にレーザーが届かないことを利用する方法などが挙げられる。

マクロな水滴を除去し、表面を微少水分層で覆われた状態の基板に、非酸素雰囲気中で乾燥処理を行い表面を覆う微少水分層を除去する。水分除去の方法としては、非酸素雰囲気中であれば、乾燥方法に制限はない。基板表面に形成された膜や構造に応じて、適する乾燥処理を施せばよい。近年の微細な半導体装置に対応する乾燥方法として、減圧乾燥、加熱乾燥、あるいは減圧加熱乾燥などが挙げられる。

以上のように本発明は、微少水分層で基板表面を覆った状態に制御することで、雰囲気中の酸素の影響を基板表面から排除する雰囲気制御工程と、非酸素雰囲気中で表面の微少水分層を除去し基板を乾燥させる水分除去工程とを含むことを特徴とする基板処理方法である。

また、他の観点では、本発明は、基板表面のマクロな水滴や水膜が除去されたことを検出する手段を有する基板処理装置を提供することができる。

本発明の半導体装置の製造方法を用いれば、雰囲気遮断板などを用いないため、特許文献１で開示されている方法の様に雰囲気遮断板に付着した水分の飛沫及びＩＰＡなどの滴下による半導体ウェーハ表面への再付着を防止する事ができ、且つ半導体ウェーハ表面から雰囲気中の酸素の影響を排除する事ができるため、水分、酸素、シリコンの反応によるウォーターマークの形成を抑制する事ができるため、歩留まりや信頼性の向上に効果がある。

また、雰囲気遮断板やその昇降機構などが不要となるため、構成部品点数削減による故障率低減、パーティクル発生源減少によるクリーン度の更なる向上、洗浄装置のコスト削減なども見込む事ができる。

すなわち、製造工程にある半導体装置を清浄に乾燥させることが可能となり、この結果、品質の向上並びに歩留りの向上を低コストで実現することができる。

以下、本発明の実施形態に係る基板処理方法について、図面を参照しながら説明する。ここでは、本発明を半導体ウェーハの低誘電率膜堆積後の異物除去洗浄工程として具体化する。なお、説明中の条件は一例であり、本発明の範囲を限定するものではない。図１は低誘電率膜の異物除去洗浄を行う基板処理装置の概略構成図である。

半導体ウェーハ１はＦＯＵＰ２（Front Opening Unified Pod）から取り出され、ウェーハ搬送装置３によって、洗浄装置４に搬送される。洗浄装置４は一般的な半導体ウェーハ洗浄装置である。図示を省略しているが、洗浄装置４は、半導体ウェーハ１を水平に保持し、この半導体ウェーハ１の中心を通る鉛直軸線を回転軸線として半導体ウェーハ１を回転させる機構と、純水及び薬液を半導体ウェーハ１に供給する機構と、メガソニックノズルや二流体洗浄ノズル、ブラシといった半導体ウェーハ１の物理洗浄を行う機構とを有する。薬液供給機構には洗浄液として、フッ酸、アンモニア、過酸化水素水、塩酸、硫酸、燐酸、オゾン水、水素水、炭酸水などの薬液、もしくはこれらの混合液が用いられる。これらの薬液は図示しない薬液供給源で所定の濃度に調整され供給されている。

所定の回転数（例えば、５００ｒｐｍ）で回転している半導体ウェーハ１に、純水もしくは薬液を供給し所定の時間洗浄を行う。なお、回転数はウェーハ径やデバイス構造等に応じて任意に変更できる。更にブラシなど物理力を用いた洗浄を併用することによって、表面の異物が更に効率的に除去できる。洗浄終了後、純水リンスを行う。ここまでが先に説明した洗浄ステップである。

次に本発明による乾燥ステップとして、半導体ウェーハ１表面に微少水分層を形成し、半導体ウェーハ１表面近傍から酸素を排除する雰囲気制御工程と、ウォーターマークの発生を抑制しつつ表面から水分を除去する微少水分層除去工程を行う。

本実施形態で半導体ウェーハ１上に堆積した低誘電率膜に対して、リンス用純水供給停止後に、半導体ウェーハ１の回転による遠心力でリンス後の水滴や液膜を半導体ウェーハ表面から除去し、且つ回転によって発生した気流により半導体ウェーハ１表面の水分を急激に蒸発させることなく、半導体ウェーハ１表面に微少水分層を形成できる処理条件は、回転数が５００ｒｐｍで処理時間が１０〜１５秒の処理であった。

半導体ウェーハ１表面に微少水分層を形成後直ちに、搬送装置６によって乾燥チャンバー５に半導体ウェーハ１を搬送する。このようにウェーハ表面を微少水分層で覆った状態で搬送することで、大気中の酸素の影響を排除しウォーターマーク発生を抑制できる。微少水分層形成後の半導体ウェーハ１を搬送するウェーハ搬送装置６が設置された搬送室７を、不活性ガス雰囲気に制御すると、ウォーターマーク抑制に更に効果的である。

乾燥チャンバー５は、図示しない不活性ガス供給機構とウェーハ保持機構と加熱機構及び減圧機構を備える。搬送室７は、内部を常に不活性ガスによって陽圧に保っており、大気中の酸素及び水分の混入を防いだ状態で、半導体ウェーハ１の搬送を行う。乾燥チャンバー５へ搬送後、ウェーハ保持機構へ半導体ウェーハ１を載置し、１．０Ｐａ程度の減圧雰囲気下で３０秒処理することで、半導体ウェーハ１表面の微少水分が除去される。このとき、低誘電率膜内部の水分も併せて除去される。この後、再び不活性ガスを用いて乾燥チャンバー５内を大気圧より若干陽圧に戻す。その後搬送装置３によってＦＯＵＰ２へ半導体ウェーハ１を搬送すれば、洗浄工程での処理は終了となる。

本発明による乾燥方法の効果は、ウォーターマーク発生数の抑制だけでなく、残留水分量が少ないことも挙げられる。低誘電率膜の多くは多孔質であり、膜中にマイクロポアを多く含んでいる。そのため、表面に多くの微少水分が吸着しやすく、また空孔中に水分が入り込んだ場合、スピン乾燥では除去できず、比誘電率の上昇という結果を招いていた。しかしながら本発明においては、微少水分を減圧雰囲気下で除去することにより、マイクロポア中の水分を除去することができ、比誘電率を上昇させることなく良好に乾燥することができる。

以上のように、半導体ウェーハ表面に微少水分層を形成し、ウェーハ表面から酸素を排除することで、低誘電率膜表面に発生するウォーターマークを抑制することができ、更に、マイクロポアを有し膜内部に水分の残留しやすい低誘電率膜を良好に乾燥させることができる。

なお、本例では洗浄処理装置１つ、乾燥処理装置１つを備えた基板処理装置を説明したが、スループットや使用する薬液などを考慮し、複数の洗浄処理装置及び乾燥処理装置を具備しても勿論良い。また、半導体ウェーハ１の回転数や処理時間などは、表面に形成された膜種や半導体装置の構造などによって所望の値に変更することができる。

ここで、微少水分層を検出する条件を固定して処理していたが、製造工程中の半導体ウェーハにはバラツキが存在するため、固定処理では表面に水滴が残留してしまうことや、水滴除去後不必要に処理し、蒸発によって微少水分層が減少してしまうことがある。そこで発明者らは、マクロな水滴や水膜を除去し微少水分層の形成が完了したことを検出するために、洗浄装置４上部に光学カメラを設置した（図示せず)。

洗浄装置４の上部に設置した光学カメラにて、リンス後スピン中の半導体ウェーハ１表面を観察し、発生する干渉模様を検出する。光学カメラにて干渉模様を検出後、即座にスピンの停止を洗浄装置に指示する。これにより、微少水分層が全て蒸発する前にスピンを停止することができ、乾燥に適した雰囲気にウェーハ１表面を制御することができる。

また、光学式カメラのかわりに図２に示すように、半導体ウェーハ１に平行に、一対のレーザー発光素子８と受光素子９を、半導体ウェーハ１表面から０．５〜１．０ｍｍ程度の高さに設置する。これにより、マクロな水滴１０が半導体ウェーハ１表面に残留していれば、発光素子８から発信されたレーザー光１１は水滴１０によって乱反射し、受光素子９に到達しないが、除去された時点で受光素子９にレーザーが到達する。これによって半導体ウェーハ１表面からマクロな水滴が除去されたことが確認できる。必要に応じて、受光素子に規定時間到達することで確認とするような設定としてももちろん良い。

なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。また、本発明は、半導体ウェーハに限らず、電子部品、液晶用ガラス基板やプラズマディスプレイ用ガラス基板等のいかなる基板に対しても適用することができる。

本発明は、ウォーターマークと呼ばれるしみを形成することなく基板を乾燥させることができ、電子部品、液晶用ガラス基板やプラズマディスプレイ用ガラス基板等の基板処理方法および基板処理装置として有用である。

本発明の実施形態に係る基板処理装置の概略図 本発明の実施形態に係る微少水分層を検出する装置の構成図

符号の説明

１ 半導体ウェーハ（基板）
２ ＦＯＵＰ
３ ウェーハ搬送装置
４ 洗浄装置
５ 乾燥チャンバー
６ ウェーハ搬送装置
８ レーザー発光素子
９ レーザー受光素子
１０ 水滴

Claims (6)

1. 基板洗浄後に当該基板の乾燥を行う工程を有する基板処理方法において、
   前記乾燥工程が、
   基板表面に微少水分層を形成し基板表面から雰囲気中の酸素の影響を排除する工程（ａ）と、
   微少水分層を非酸素雰囲気下で除去する工程（ｂ）と、
   を含むことを特徴とする基板処理方法。
2. 前記工程（ｂ）は、基板表面に形成する微少水分層をスピン回転によって除去することを特徴とする請求項１記載の基板処理方法。
3. 工程（ｂ）における微少水分層の量は、基板上に発生する干渉模様にて検出することを特徴とする請求項２記載の基板処理方法。
4. 前記干渉模様を、光学式カメラによって検出することを特徴とする請求項３記載の基板処理方法。
5. 工程（ｂ）における微少水分層の量は、基板に対して、レーザー光を基板表面から０．５〜１．０ｍｍの高さで平行に照射し、マクロな水滴によるレーザー光散乱の有無により検出することを特徴とする請求項２記載の基板処理方法。
6. 洗浄された基板の乾燥を行う基板処理装置において、
   基板表面のマクロな水滴や水膜が除去されたことを検出する手段を備えたことを特徴とする基板処理装置。
   
   

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