JP2013138073A - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液膜の凍結に要する時間を短くし、また、液膜の凍結に要する冷却コストを抑制する。
【解決手段】基板処理装置１では、基板９の上面９１に第１液体供給部３１から純水が供給され、基板回転機構５により基板９が回転することにより、基板９の上面９１上に液膜が形成される。液膜が形成される際には、回転中の基板９の下面９２に第２液体供給部３２から冷却された純水が供給され、基板９が冷却される。これにより、液膜形成時における基板９および液膜の温度上昇が抑制される。その結果、凍結部４による液膜の凍結に要する時間を短くすることができる。また、凍結部４からの冷却ガスの温度を高くしても迅速に液膜を凍結することができる。このため、冷却ガス供給源から冷却ガスノズル４１へと冷却ガスを供給する配管等の断熱設備を簡素化することができる。その結果、凍結部４による液膜の凍結に要する冷却コストを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板を処理する基板処理装置および基板処理方法に関する。

従来より、半導体基板（以下、単に「基板」という。）の製造工程では、基板処理装置を用いて酸化膜等の絶縁膜を有する基板に対して様々な処理が施される。例えば、基板の表面に洗浄液を供給することにより、基板の表面上に付着したパーティクル等を除去する洗浄処理が行われる。

特許文献１では、基板の表面に脱イオン水（ＤＩＷ：De Ionized Water）等の液膜を形成し、当該液膜を冷却ガスにより冷却して凍結させた後、リンス液で解凍除去することにより、基板表面のパーティクルを除去する技術が開示されている。また、特許文献２では、上述の凍結洗浄において、常温よりも冷却した脱イオン水を基板の表面に供給して液膜を形成する技術が開示されている。特許文献１および特許文献２の装置では、基板を回転させ、基板の表面に吐出された液体の一部を基板上から除去する（すなわち、液体を振り切る）ことにより、基板の表面上に液膜が形成される。

特開２００８−７１８７５号公報 特開２００９−２５４９６５号公報

ところで、上述のような凍結洗浄を行う基板処理装置では、基板上の液膜を凍結させるための冷却ガスとして、液体窒素内を通る配管を通過して約−１９０℃まで冷却された窒素ガス等が利用される。このような冷却ガスを、基板の処理が行われるチャンバ内へと導入するためには、高性能な断熱設備が必要であり、装置の製造コストが増大してしまう。しかしながら、断熱設備の性能を下げると冷却ガスの温度が高くなり、液膜の凍結に要する時間が長くなってしまう。

特許文献２の装置では、冷却された脱イオン水にて液膜を形成することにより、液膜の凍結に要する時間の短縮や、液膜の凍結に要する冷却コストの抑制が図られている。しかしながら、基板を回転させて液膜を形成する間に、基板の周囲のガス等から液膜に熱が流入し、液膜の温度が上昇してしまうため、凍結に要する時間の短縮や、凍結に要する冷却コストの抑制に限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、液膜の凍結に要する冷却コストを抑制し、また、液膜の凍結に要する時間を短くすることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板を処理する基板処理装置であって、チャンバと、前記チャンバ内において一方の主面を上側に向けた状態で基板を保持する基板保持部と、前記基板の前記一方の主面に液体を供給する液体供給部と、前記液体が供給された前記基板を前記一方の主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記一方の主面上に前記液体の液膜を形成する基板回転機構と、前記液膜が形成される際に、回転中の前記基板の他方の主面を冷却する冷却部と、前記液膜を冷却して凍結させる凍結部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板処理装置であって、前記冷却部が、冷却された冷却用液体を前記基板の前記他方の主面に供給する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の基板処理装置であって、前記冷却用液体が、前記液体供給部から供給される前記液体と同じである。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の基板処理装置であって、前記冷却部が、前記基板の前記他方の主面に向けて冷却されたガスを供給する。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の基板処理装置であって、前記液体供給部から供給される前記液体が純水である。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の基板処理装置であって、凍結した前記液膜である凍結膜に加熱された解凍用液体を供給して前記凍結膜を除去する凍結膜除去部をさらに備える。

請求項７に記載の発明は、基板を処理する基板処理方法であって、ａ）チャンバ内において一方の主面を上側に向けた状態で保持された基板の前記主面に液体を供給する工程と、ｂ）前記基板の他方の主面を冷却しつつ前記基板を前記一方の主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記一方の主面上に前記液体の液膜を形成する工程と、ｃ）前記液膜を冷却して凍結させる工程とを備える。

本発明では、液膜の凍結に要する冷却コストを抑制することができる。また、液膜の凍結に要する時間を短くすることができる。

一の実施の形態に係る基板処理装置の構成を示す図である。 基板の処理の流れを示す図である。 比較例の基板処理装置における液膜の形成時間と、液膜の厚さおよび温度との関係を示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る基板処理装置１の構成を示す図である。図１に示すように、基板処理装置１は、半導体基板９（以下、単に「基板９」という。）を１枚ずつ処理する枚葉式の装置である。基板処理装置１では、基板９上に凍結膜を形成し、当該凍結膜を除去することにより、基板９上からパーティクル等を除去する凍結洗浄処理が行われる。

基板処理装置１は、基板保持部２と、カップ部２１と、第１液体供給部３１と、第２液体供給部３２と、凍結部４と、基板回転機構５と、加熱液供給部６と、チャンバ７と、制御部８とを備える。制御部８は、第１液体供給部３１、第２液体供給部３２、凍結部４、基板回転機構５および加熱液供給部６等の構成を制御する。基板保持部２は、チャンバ７内において基板９の一方の主面９１（以下、「上面９１」という。）を上側に向けた状態で基板９を保持する。基板９の上面９１には、回路パターン等が形成されている。カップ部２１は、チャンバ７内において基板９および基板保持部２の周囲を囲む。基板回転機構５は、基板９の中心を通るとともに基板９の上面９１に垂直な回転軸を中心として、基板９を基板保持部２と共に水平面内にて回転する。

第１液体供給部３１は、予め冷却された液体を基板９の上面９１の中央部に向けて吐出する。また、第２液体供給部３２から基板９の他方の主面９２（以下、「下面９２」という。）の中央部に向けて、第１液体供給部３１から供給される液体と同じ液体が吐出される。本実施の形態では、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２から、約０．５℃に冷却された純水（好ましくは、脱イオン水（ＤＩＷ：De Ionized Water））が基板９の上面９１および下面９２に供給される。

凍結部４は、基板９の上面９１に向けて冷却ガスを供給する。冷却ガスは、第１液体供給部３１から供給される純水の凝固点である０℃よりも低い温度まで冷却されたガスである。凍結部４は、冷却ガスを吐出する冷却ガスノズル４１と、冷却ガスノズル４１を回転軸４２１を中心として水平に回動するノズル回動機構４２とを備える。ノズル回動機構４２は、回転軸４２１から水平方向に延びるとともに冷却ガスノズル４１が取り付けられるアーム４２２を備える。冷却ガスとしては、冷却された窒素（Ｎ_２）ガスが用いられる。冷却ガスの温度は、好ましくは、−１００℃〜−２０℃であり、本実施の形態では、約−５０℃である。

加熱液供給部６は、基板９の上面９１の中央部に、加熱された液体である加熱液を供給する。図１では、図示の都合上、加熱液供給部６を第１液体供給部３１の上方に描いているが、実際には、第１液体供給部３１が基板９の上方から外側に退避した状態で、加熱液供給部６が基板９の外側から上方へと移動する。また、第１液体供給部３１が基板９の上方に位置する際には、加熱液供給部６が基板９の上方から外側に退避する。加熱液としては、常温よりも高い温度まで加熱された純水（好ましくは、脱イオン水）が用いられる。加熱液の温度は、好ましくは５０℃〜９０℃であり、本実施の形態では、約８０℃である。

図２は、基板処理装置１における基板９の処理の流れを示す図である。基板処理装置１では、まず、基板９がチャンバ７内に搬入されて基板保持部２により保持され、制御部８の制御により、基板回転機構５による基板９の回転が開始される（ステップＳ１１）。基板９の回転数は、例えば、３００ｒｐｍ〜９００ｒｐｍであり、本実施の形態では４００ｒｐｍである。

続いて、制御部８により第１液体供給部３１および第２液体供給部３２が制御され、第１液体供給部３１から基板９の上面９１に対する純水の供給が開始され、第２液体供給部３２から基板９の下面９２に対する純水の供給が開始される（ステップＳ１２，Ｓ１３）。基板９の上面９１および下面９２に供給された純水は、基板９の回転により、基板９の中央部から外縁部に向かって上面９１および下面９２の全面に亘って拡がり、基板９のエッジから外側へと飛散する。基板９から飛散した純水は、カップ部２１により受けられて回収される。

基板処理装置１では、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２からの純水の供給が所定の時間だけ継続され、基板９の温度が、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２から供給される純水とほぼ同じ温度まで冷却される（ステップＳ１４）。以下の説明では、ステップＳ１４における基板９の冷却を、「予備冷却」という。本実施の形態では、予備冷却により、基板９全体が約０．５℃まで冷却される。

その後、基板回転機構５による基板９の回転数が減少し、基板９の予備冷却時よりも小さい回転数に変更される。基板９の回転数は、例えば、５０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍであり、本実施の形態では８０ｒｐｍである。続いて、第１液体供給部３１から基板９の上面９１への純水の供給が停止される（ステップＳ１５）。基板処理装置１では、低速にて回転する基板９の上面９１において、上面９１上に残っている純水の一部が基板９の中央部からエッジへと向かい、基板９から外側へと飛散する。そして、基板９の上面９１上には、純水の薄い液膜が形成される（ステップＳ１６）。液膜の厚さは、基板９の上面９１の全面に亘っておよそ均一であり、本実施の形態では、約５０μｍである。なお、液膜の厚さは必ずしも均一である必要はない。

基板処理装置１では、基板９の上面９１上に液膜が形成される際にも、第２液体供給部３２により、回転中の基板９の下面９２に純水が継続的に供給され、基板９の下面９２が冷却される。換言すれば、第２液体供給部３２は、冷却された冷却用液体を液膜形成中の基板９の下面９２に供給し、基板９を冷却する冷却部である。

液膜の形成が終了すると、第２液体供給部３２からの純水の供給が停止される（ステップＳ１７）。続いて、制御部８の制御により、凍結部４のノズル回動機構４２による冷却ガスノズル４１の回動が開始され、基板９の中央部とエッジとの間で冷却ガスノズル４１が往復移動を繰り返す。そして、基板処理装置１の外部に設けられた冷却ガス供給源から冷却ガスノズル４１へと冷却ガスが供給され、冷却ガスノズル４１から回転中の基板９の上面９１に向けて供給される。これにより、基板９の上面９１の全面に亘って冷却ガスが供給され、上面９１上の液膜が冷却されて凍結する（ステップＳ１８）。以下、凍結した液膜を「凍結膜」とも呼ぶ。なお、基板処理装置１では、基板９の中央部の上方にて停止した冷却ガスノズル４１から冷却ガスの供給が行われ、基板９の回転により冷却ガスが基板９の中央部から外縁部へと拡がることにより凍結膜が形成されてもよい。

基板９上では、基板９とパーティクル等との間に浸入した純水が凍結（凝固）して体積が増加することにより、パーティクル等が基板９から微小距離だけ浮き上がる。その結果、パーティクル等と基板９との間の付着力が低減され、パーティクル等が基板９から脱離する。また、純水が凍結する際に、基板９の上面９１に平行な方向に体積が増加することによっても、基板９に付着しているパーティクル等が基板９から剥離する。

凍結膜の形成が終了すると、凍結部４からの冷却ガスの供給が停止され、冷却ガスノズル４１が基板９の上方から外側に移動する。続いて、基板回転機構５による基板９の回転数が増加し、凍結膜の形成時よりも大きい回転数に変更される。基板９の回転数は、例えば、１５００ｒｐｍ〜２５００ｒｐｍであり、本実施の形態では２０００ｒｐｍである。

次に、制御部８により加熱液供給部６が制御され、加熱液供給部６から基板９の上面９１に向けて加熱液が供給される。加熱液は、基板９の回転により、基板９の中央部から外縁部に向かって上面９１の全面に亘って拡がる。これにより、上面９１上の凍結膜が急速に解凍され（すなわち、液化され）、加熱液と共に基板９のエッジから外側へと飛散する（ステップＳ１９）。基板９の上面９１に付着していたパーティクル等は、基板９上から飛散する液体と共に基板９上から除去される。基板９上から外側へと飛散した液体は、カップ部２１により受けられて回収される。基板処理装置１では、加熱液供給部６は、基板９上の凍結膜に解凍用液体である加熱液を供給して凍結膜を除去する凍結膜除去部の役割を果たす。

凍結膜の除去が終了すると、図示省略のリンス液供給部から基板９の上面９１上にリンス液（例えば、常温の脱イオン水）が供給され、基板９のリンス処理が行われる（ステップＳ２０）。リンス処理中の基板９の回転数は、好ましくは、３００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍであり、本実施の形態では、８００ｒｐｍである。その後、基板９の回転数を１５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ（本実施の形態では、２０００ｒｐｍ）に変更し、基板９の回転により、基板９上のリンス液を除去する乾燥処理が行われる（ステップＳ２１）。基板９の乾燥処理が終了すると、基板回転機構５による基板９の回転が停止する（ステップＳ２２）。

以上に説明したように、基板処理装置１では、基板９の上面９１に液膜が形成される際に、回転中の基板９の下面９２が第２液体供給部３２により冷却される。これにより、液膜形成時における基板９および液膜の温度上昇が抑制される。その結果、凍結部４により冷却された際に、液膜の凍結に要する時間を短くすることができる。また、凍結部４からの冷却ガスの温度を高くしても迅速に液膜を凍結することができる。このため、冷却ガス供給源から冷却ガスノズル４１へと冷却ガスを供給する配管等の断熱設備を簡素化することができる。その結果、凍結部４による液膜の凍結に要する冷却コストを抑制することができる。

基板処理装置１では、第２液体供給部３２から基板９の下面９２への純水の供給は、凍結部４による基板９への冷却ガスの供給が開始される直前まで行われることが好ましい。これにより、基板９および液膜の温度を低く維持した状態で液膜の凍結を開始することができる。

ところで、液膜の形成時に基板の下面の冷却が行われない基板処理装置（以下、「比較例の基板処理装置」という。）では、液膜を形成するための基板の回転時間、すなわち、液膜の形成時間が長くなると、基板の周囲のガス等から基板および液膜に流入する熱量が増大し、基板および液膜の温度が上昇してしまう。

図３は、比較例の基板処理装置における液膜の形成時間と、基板上の所定位置における液膜の厚さおよび液膜の温度との関係を示す図である。図３の横軸は液膜の形成時間を示し、左側および右側の縦軸はそれぞれ、基板上の所定位置における液膜の厚さ、および、液膜の温度を示す。図３中の実線９５は液膜の厚さを示し、破線９６は液膜の温度を示す。

図３に示すように、液膜の形成時間を長くすると、液膜を薄くすることはできるが、液膜の温度が上昇してしまい、液膜の凍結に要する時間が長くなったり、凍結部から供給される冷却ガスの温度を非常に低くする必要が生じる。このため、比較例の基板処理装置では、液膜の形成時間を十分に確保することができず、液膜を所望の厚さまで薄くすることが難しい。液膜の厚さは、基板からのパーティクル等の除去率に関係しており、液膜の厚さが所望の厚さから大きくずれると、パーティクル等の除去率が低下してしまう。

これに対し、本実施の形態に係る基板処理装置１では、上述のように、液膜の形成時に基板９を下面９２から冷却して基板９および液膜の温度上昇を抑制することができる。このため、液膜の形成時間を十分に確保することができ、所望の厚さの液膜を形成することができる。その結果、基板９からのパーティクル等の除去率を向上することができる。

基板処理装置１では、第２液体供給部３２により冷却用液体である純水が基板９の下面９２に供給されることにより、冷却ガスを基板９の下面９２に供給して冷却する場合に比べて、液膜形成時の基板９の冷却を効率良く行うことができる。なお、液膜の凍結時には、基板９の下面９２に残っている純水も上面９１上の液膜と共に凍結させることになるが、基板９の熱容量が、上面９１および下面９２上の純水の熱容量に比べて大きいため、下面９２上の純水を凍結するために必要となる熱量は、基板９の温度上昇の抑制により不要となった熱量に比べて小さくなる。したがって、基板処理装置１において液膜の凍結に必要な熱量は、比較例の基板処理装置において液膜の凍結に必要な熱量よりも小さくてすむ。

基板処理装置１では、第２液体供給部３２から下面９２に供給される液体が、第１液体供給部３１から上面９１に供給される液体と同じであるため、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２の配管の一部を共通にしたり、当該配管の冷却機構を共通化する等、基板処理装置１の構成を簡素化することができる。また、基板９の上面９１および下面９２に供給された液体をまとめて回収して基板処理装置１の処理に再利用することもできる。

上述のように、基板９上の凍結膜は、体積膨張率が比較的大きい純水により形成されるため、他の液体により凍結膜を形成する場合に比べて、パーティクル等の基板９に対する付着力をより一層低減することができる。その結果、基板９からのパーティクル等の除去率を向上することができる。また、加熱液を供給して基板９から凍結膜を除去することにより、基板９に付着しているパーティクル等を凍結膜と共に効率良く除去することができる。基板処理装置１では、加熱液を、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２から供給される液体と同じ液体とすることにより、凍結膜の解凍時に基板９から飛散する液体も回収して再利用することができる。

基板処理装置１では、液膜形成中の基板９を冷却する冷却部として、第２液体供給部３２に代えて、基板９の下面９２に向けて冷却されたガス（例えば、窒素ガス）を供給する機構が設けられてもよい。このように、基板９の冷却にガスが利用されることにより、液膜形成時よりも基板９の回転数が小さい凍結膜形成時において、基板９の下面９２から純水が上面９１へと回り込んで凍結してしまうおそれがなく、凍結膜の膜厚の均一性を向上することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

基板処理装置１の第２液体供給部３２から基板９の下面９２に供給される液体は、純水には限定されない。例えば、冷却された炭酸水や水素水等が、第２液体供給部３２から基板９の下面９２に供給されてもよい。また、イソプロピルアルコールやフッ化水素酸等のように、第１液体供給部３１から供給される純水よりも凝固点が低い液体が、純水の凝固点以下の温度まで冷却された状態で基板９の下面９２に供給されてもよい。あるいは、凝固点以下の温度まで過冷却された純水が、基板９の下面９２に供給されてもよい。このように、第１液体供給部３１から供給される純水の凝固点以下の低温の液体が基板９の下面９２に供給されることにより、液膜形成時における基板９および液膜の温度上昇をより一層抑制することができる。なお、過冷却とは、物質の相変化において、変化するべき温度以下でもその状態が変化しないでいる状態を指す。

基板処理装置１では、第１液体供給部３１から基板９の上面９１に供給される液体は、必ずしも、予め冷却された純水である必要はなく、例えば、常温の純水が基板９の上面９１に供給され、当該純水により液膜が形成されてもよい。この場合、第１液体供給部３１に純水を供給する機構の冷却設備や断熱設備等を省略することができ、基板処理装置１の構造を簡素化することができる。また、第１液体供給部３１から、純水以外の液体（炭酸水、水素水、ＳＣ１（アンモニア過酸化水素水）、ターシャリーブタノール（ＴＢＡ）等）が供給され、当該液体により液膜が形成されてもよい。

凍結部４による液膜の凍結は、液膜を形成する液体の凝固点よりも低温の窒素以外の冷却ガス（例えば、酸素、空気、オゾン、アルゴン）が、基板９の上面９１に供給されることにより行われてもよい。液膜の凍結は、液膜を形成する液体の凝固点よりも低温の冷却ガスや液体が、基板９の下面９２に供給されることにより行われてもよい。また、加熱液供給部６では、純水以外の様々な液体が、解凍用液体として常温よりも高い温度まで加熱され、基板９の上面９１に供給されてもよい。また、解凍用液体として常温以下の液体が利用されてもよい。

基板処理装置１により処理される基板は、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、プラズマ表示用ガラス基板、ＦＥＤ（Field Emission Display）用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板等であってもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ 基板処理装置
２ 基板保持部
４ 凍結部
５ 基板回転機構
６ 加熱液供給部
７ チャンバ
９ 基板
３１ 第１液体供給部
３２ 第２液体供給部
９１ 上面
９２ 下面
Ｓ１１〜Ｓ２２ ステップ

Claims (7)

1. 基板を処理する基板処理装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバ内において一方の主面を上側に向けた状態で基板を保持する基板保持部と、
   前記基板の前記一方の主面に液体を供給する液体供給部と、
   前記液体が供給された前記基板を前記一方の主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記一方の主面上に前記液体の液膜を形成する基板回転機構と、
   前記液膜が形成される際に、回転中の前記基板の他方の主面を冷却する冷却部と、
   前記液膜を冷却して凍結させる凍結部と、
   を備えることを特徴とする基板処理装置。
2. 請求項１に記載の基板処理装置であって、
   前記冷却部が、冷却された冷却用液体を前記基板の前記他方の主面に供給することを特徴とする基板処理装置。
3. 請求項２に記載の基板処理装置であって、
   前記冷却用液体が、前記液体供給部から供給される前記液体と同じであることを特徴とする基板処理装置。
4. 請求項１に記載の基板処理装置であって、
   前記冷却部が、前記基板の前記他方の主面に向けて冷却されたガスを供給することを特徴とする基板処理装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の基板処理装置であって、
   前記液体供給部から供給される前記液体が純水であることを特徴とする基板処理装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の基板処理装置であって、
   凍結した前記液膜である凍結膜に加熱された解凍用液体を供給して前記凍結膜を除去する凍結膜除去部をさらに備えることを特徴とする基板処理装置。
7. 基板を処理する基板処理方法であって、
   ａ）チャンバ内において一方の主面を上側に向けた状態で保持された基板の前記主面に液体を供給する工程と、
   ｂ）前記基板の他方の主面を冷却しつつ前記基板を前記一方の主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記一方の主面上に前記液体の液膜を形成する工程と、
   ｃ）前記液膜を冷却して凍結させる工程と、
   を備えることを特徴とする基板処理方法。

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