JP2017130694A - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
たとえば、基板を1枚ずつ処理する枚葉式の基板処理装置は、基板をほぼ水平に保持しつつ、その基板を回転させるスピンチャックと、このスピンチャックによって回転される基板の表面に処理液を供給するためのノズルとを備えている。スピンチャックに保持された基板に対して薬液が供給され、その後に純水が供給されることにより、基板上の薬液が純水に置換される。その後に、基板上の純水を排除するためのスピン乾燥処理が行われる。スピン乾燥処理では、基板が高速回転されることにより、基板に付着している純水が振り切られて除去(乾燥)される。このような乾燥処理の手法では、ウエハの表面に形成されているパターンの間隙に入り込んだ純水が振り切られず、パターンの間隙に純水が残留するおそれがある。
この発明の方法によれば、基板の上面に有機溶媒を供給することにより、微細パターンの間隙に存在するリンス液が有機溶媒によって置換される。これにより、基板の上面からリンス液が良好に除去される。
高温保持工程時には、有機溶媒の液膜は、気相膜を介して基板の上面から上方に分離されている。そのため、有機溶媒の液膜と基板の上面との間にほとんど摩擦力が生じず、有機溶媒の液膜は基板の上面に沿って移動し易い状態にある。
請求項3に記載のように、高温保持工程における基板温度は、高温保持工程において有機溶媒の沸騰が防止できる温度に設定してもよい。これにより有機溶媒の液膜の亀裂の発生を有効に防止することができる。
請求項5に記載のように、前記高温保持工程における基板温度、および前記高温保持工程の実行時間の少なくとも一方は、有機溶媒の気相膜に含まれる気相の有機溶媒が、前記有機溶媒の液膜を突き破って当該液膜上に出ないような温度および実行時間にそれぞれ設定されていてもよい。
請求項7に記載のように、前記高温保持工程における前記有機溶媒の液膜の膜厚は、基板の中心において1〜5mmに設定されてもよい。これにより、有機溶媒の液膜の亀裂の発生を有効に防止することができる。
請求項9に記載のように、高温保持工程において前記有機溶媒の液膜に有機溶媒を追加してもよい。これにより、有機溶媒の液膜の亀裂の発生を有効に防止することができる。
この発明の方法によれば、有機溶媒が液相のまま基板の上面に供給される。そして、微細パターンの間隙に液相の有機溶媒が入り込む。有機溶媒が液相であるので、微細パターンの間隙に存在しているリンス液を、有機溶媒によって良好に置換することができる。これにより、基板の上面からリンス液を確実に除去することができる。
請求項11に記載のように、前記高温保持工程は、前記基板保持手段に保持されている基板を、当該基板の下方に配置されたヒータ(5;303;403;503;603:703)によって加熱する工程を含んでいてもよい。
この発明の方法によれば、スピンドライ工程の実行に先立って、基板の上面から有機溶媒が排除される。有機溶媒が基板の上面に有機溶媒が存在しない状態でスピンドライ工程が実行されるので、スピンドライ工程時にパターン倒れが生じるのを確実に防止することができる。
また、請求項14に記載のように、前記有機溶媒排除工程は、前記基板保持手段に保持されている基板の上面に向けて帯状の気体を吹き付けるとともに、当該基板の上面における当該気体の吹付け領域を移動させる工程を含んでいてもよい。
さらにまた、請求項16に記載のように、前記有機溶媒排除工程は、前記基板保持手段に保持されている基板を、その中央領域から周縁部に向けて順に加熱する工程を含んでいてもよい。
請求項18に記載のように、前記基板保持手段に保持された基板の上面に対向配置される基板対向面(62)を備えた蓋部材(10)をさらに含んでいてもよい。
請求項19に記載の発明は、前記基板保持手段を内部に格納するカップ本体カップ本体(8)をさらに含み、前記蓋部材は前記カップ本体の開口を閉塞することにより、前記カップ本体の内部空間を外部から密閉する開口(9)を有する、請求項18に記載の基板処理装置である。
図1は、本発明の第1実施形態に係る基板処理装置1の構成を模式的に示す断面図である。
この基板処理装置1は、円形の半導体ウエハW(以下、単に「ウエハW」という)のデバイス形成領域側の表面に対して洗浄処理の一例としてのエッチング処理を施すための枚葉型の装置である。自然酸化膜を除去するためのエッチング処理を実行する場合には、エッチング液としてたとえば希ふっ酸が採用される。また、犠牲膜を除去するためのエッチング処理を実行する場合には、エッチング液としてたとえば濃ふっ酸やTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)などが採用される。
ヒータ5は、水平平坦な円形の上面18を有し、円板状をなしている。ヒータ5の上面18は、基板保持回転機構4に保持されたウエハWの下面の周縁部を除く領域と対向している。抵抗16に給電して発熱させると上面18を含むヒータ5全体が発熱する。ヒータ5の上面18の全域において、ヒータ5のオン状態における上面18の単位面積当たりの発熱量は均一に設定されている。
また、ヒータ支持台17は、底壁部31の中心部を貫通して下方に延びている。ヒータ支持台17の軸部と底壁部31の中心部との間は、円環状のシール部材35によってシールされている。
外蓋41の中心部下面45は円形を有する水平平坦面である。中心部下面45は、基板保持回転機構4に保持されるウエハWの表面(上面)の中心部に対向している。
内蓋61は、外蓋41の中心部下面45を取り囲む略円盤状をなしている。内蓋61は、ウエハWよりもやや大径をなしており、ほぼ水平な姿勢で、かつその中心がウエハWの回転軸線C上に位置している。内蓋61の内周縁には短筒の内周筒61Aが接続されている。当該内周筒61Aは鉛直上方に延伸する部分と当該延伸部分の上端から径方向外方に向けて水平円盤状に突出する部分とからなっている。内周筒61Aは外蓋41の中心部下面45に対して独立して回転できるように連結されている。
また、蓋部材10には外蓋41および内蓋61を一体的に昇降させるための蓋昇降機構54が結合されている。蓋昇降機構54の駆動により、蓋部材10は、下カップ8よりも上方に退避して下カップ8の開口9を開放する開位置と、下カップ8の開口9を閉塞する閉位置との間で昇降される。
回転リング11の上面には、たとえば6本の下当接ピン12がウエハWの回転軸線C(図1参照)を中心とする円周上に等間隔に配置されている。各下当接ピン12の上端は水平面と回転軸線Cに向いて下方向に傾斜した下当接面12Aとを有している。6本の下当接ピン12の上にウエハWを載置すると、ウエハWの下面(裏面)周端縁が下当接ピン12の下当接面12Aと当接しウエハWを基板保持回転機構4に良好に保持することができ、ウエハWを各基板処理工程での処理速度(たとえば10〜3000rpm)で回転させることができる。
基板処理装置1は、マイクロコンピュータを含む構成の制御装置70を備えている。制御装置70は、リング回転機構13、蓋昇降機構54、ヒータ昇降機構19、エッチング液ノズル移動機構23、リンス液ノズル移動機構28などの動作を制御する。
また、制御装置70は、予め定められたプログラムに従って、エッチング液バルブ22、リンス液バルブ27、有機溶媒バルブ48、窒素ガスバルブ53の開閉動作を制御するとともに、流量調節バルブ55の開度を制御する。また、制御装置70は、抵抗16(図1参照)への通電/切断の切換えにより、ヒータ5のオン/オフを制御する。
以下では、図1〜図6、図7A〜図7I、および図8A〜図8Dを参照して、エッチング処理の処理例について説明する。
図8A〜図8Dに示すように、処理室3内に搬入されるウエハWは、たとえば、シリコンウエハの表面に微細パターン101を形成したものである。微細パターン101は凸状の構造体102を互いに同方向に沿って配列して形成される。各構造体102のパターン幅W0(図8A参照)は通常10nm〜45nm程度、微細パターン101の間隙W3(図8A参照)は10nm〜数μm程度に形成されている。なお、微細パターン101はライン状の構造体のパターンであってもよく、この場合の微細パターン101には溝(トレンチ)状の間隙が形成されることになる。あるいは、微細パターン101は所定の薄膜に複数の小さな空隙(ボイド)(又は微細孔(ポア))状の間隙を形成したものであってもよい。
このような微細パターン101が形成されたウエハWを乾燥させる場合に、ウエハWが乾燥していく過程で隣接する構造体102同士を引き付ける力が加わって微細パターン101がパターン倒壊を起こすおそれがある。
まず、図7Aに示すようにウエハWは図示しないロボットにより処理室3内に搬入された後、回転リング11の複数本の下当接ピン12に引き渡され、これらの下当接ピン12によって保持される(S1:ウエハW搬入)。これにより、搬入されたウエハWは、その表面(微細パターン101の形成面)を上方に向けた状態で基板保持回転機構4に保持される。
ウエハWが基板保持回転機構4に保持されると、図7Bに示すように、制御装置70はリング回転機構13を制御して、ウエハWの回転を開始させる。ウエハWは予め定める基板処理速度(たとえば300〜1500rpm程度)まで上昇される。
エッチング液ノズル6がウエハWの回転軸線C上に配置されると、図7Bに示すように、制御装置70は、エッチング液バルブ22(図1等参照)を開いて、エッチング液ノズル6からエッチング液を吐出する。ウエハWの上面中心部付近に供給されたエッチング液は、ウエハWの回転による遠心力を受けて、ウエハWの上面上をウエハWの周縁部に向けて流れる。これにより、ウエハWの上面の全域にエッチング液が行き渡り、ウエハWの上面がエッチングされる(S2:エッチング処理)。
エッチング液の吐出開始から、予め定めるエッチング時間が経過すると、制御装置70は、エッチング液バルブ22を閉じて、エッチング液ノズル6からのエッチング液の吐出を停止するとともに、エッチング液ノズル移動機構23を制御して、エッチング液の吐出停止後のエッチング液ノズル6を、そのホームポジションに戻す。
リンス液ノズル7がウエハWの回転軸線C上に配置されると、図7Cに示すように、制御装置70は、リンス液バルブ27(図1等参照)を開いて、リンス液ノズル7からDIWを吐出する。ウエハWの上面の中心部付近に供給されたDIWは、ウエハWの回転による遠心力を受けて、ウエハWの上面上をウエハWの周縁部に向けて流れ、これにより、ウエハWの上面の全域にDIWが行き渡り、ウエハWの上面に付着したエッチング液が洗い流される(ステップS3:リンス処理)。このリンス処理により、図8Aに示すように、ウエハWの上面100に形成された微細パターン101の間隙の底部(当該空間におけるウエハW自体の上面100に極めて近い位置)までDIWが行き渡る。
DIWの吐出開始から、予め定めるリンス時間が経過すると、制御装置70は、リンス液バルブ27を閉じて、リンス液ノズル7からのDIWの吐出を停止するとともに、リンス液ノズル移動機構28を制御して、DIWの吐出停止後のリンス液ノズル7を、そのホームポジションに戻す。
蓋部材10が閉位置まで下降し蓋部材10と下カップ8とが結合すると、図7Eに示すように、制御装置70はリング回転機構13を制御して回転リング11の回転を開始させる。これにより、回転リング11の回転速度でウエハWおよび内蓋61が同一方向に回転される。
IPA置換が完了すると、図7Fに示すように、制御装置70はヒータ昇降機構19を制御しヒータ5を上位置まで上昇させてウエハ加熱工程(S5)を実行する。
本実施形態では、ウエハWの上面全面がこの加熱時上面温度まで昇温されるように、ヒータ5の単位面積当たりの熱量および、ウエハWの下面とヒータ5の上面18との間隔W1が所定の大きさに設定されている。
ウエハWの加熱は少なくともウエハWの上面全面においてIPA液膜80が浮上するとともに、微細パターン101の間隙の液相のIPAが気相化するまで継続する。
なお、ウエハWの上面に浮上しているIPA液膜80に亀裂等(図8Dの符号81参照)が生じることがある。亀裂等が生じた部分ではIPAの液滴とウエハWとの液固界面が生じた状態で乾燥するため、表面張力に起因してパターン倒壊が生じるおそれがある。また、ウエハWの上面にウォータマーク等の欠陥が生じるおそれがある。
IPAの液膜80に亀裂等を生じさせる要因は2つ考えられる。
第1の要因はウエハWの長時間の加熱による多量のIPA蒸気の発生またはIPAの液膜80の沸騰である。多量のIPA蒸気が発生しまたはIPAの液膜80が沸騰するとIPAの蒸気膜85がその上方のIPAの液膜80を突き破って当該液膜80上に出て液膜80に亀裂を生じさせるおそれがある。
第1の要因に関して、本実施形態ではウエハWの加熱温度および加熱時間をこのような亀裂81が生じない温度や時間に設定することで対応している。また、ウエハWの加熱中に適宜のタイミングでIPA液をIPA液膜80に補給することにより、ウエハ加熱工程(S5)およびIPA排除工程(S6)を通してIPAの液膜80に亀裂等が生じない厚み(例えば基板の回転中心において1〜5mm。望ましくは約3mm)を維持するようにしている。
IPA排除工程(S6)の説明に戻る。制御装置70は、図7Gに示すように、ウエハWの回転速度を例えば10〜500rpmに設定すると共に窒素ガスバルブ53を開く。このとき、流量調節バルブ55(図1等参照)の開度は、窒素ガス吐出口51からの窒素ガス(N2)の吐出流量が小流量になるようにその開度が設定されている。これにより、窒素ガス吐出口51からは小流量の窒素ガスが吐出しウエハWの上面中心部に吹き付けられる。これにより、ウエハWの上面中心部のIPAの液膜80が部分的に除去されて小径円形状の乾燥領域82が形成される。
図9は本発明の第2実施形態に係る基板処理装置201の平面図であり、図10は本装置201を用いたIPA排除工程を示す側面図である。図9および図10において、第1実施形態に示された各部に対応する部分には、図1〜図7の場合と同一の参照符号を付して示し、説明を省略する。
この手法では、ステップS6(図6参照)のIPA排除工程において、ガス吹付けノズル202からウエハWの上面に直線状(帯状)の窒素ガスを吹き付ける。これにより、ウエハWの上面に、Y方向に沿う直線状の窒素ガス吹付け領域205が形成される。また、窒素ガスの吹付けと並行して、ガス吹付けノズル202は、ウエハWの上方領域外にある移動開始位置(図9において二点鎖線で図示)から、この移動開始位置とウエハWの回転中心を挟んだ反対側でウエハWの上方領域外にあるリターン位置(図9において一点鎖線で図示)までの間をX方向に沿って移動(一方向スキャン)させる。これに伴い、窒素ガス吹付け領域205が、X方向に沿って移動する。
しかし、第1実施形態において説明したエッチング処理・リンス処理・IPA液処理・ウエハW加熱処理の後に実施されるIPA液膜の排除方法はこれに限られるものではない。図11A乃至図15Cに示す各手法によりウエハW上のIPA液膜を排除してもよい。
図13Aに示すウエハWは、ウエハ保持手段502内のヒータ503によりIPAの沸点以上に加熱され、その上面にIPAの蒸気膜85を形成している。この蒸気膜85は、IPAの液膜80をウエハWの上方に浮上させている(図8C参照)。このスポンジワイプ504は、ウエハWと同様円板状をなしており、吸水性を有している。スポンジワイプ504は、ホルダ505によって上方から支持されている。IPA排除工程では、図13Aに示すように、スポンジワイプ504を下降させて、ウエハWの上面に近接配置させる。これにより、ウエハWの上面のIPAの液膜80がスポンジワイプ504に吸収される(図13B参照)。その状態で、図13Cに示すように、スポンジワイプ504を引き上げることにより、IPAの液膜80が、ウエハWの上面から排除される。ゆえに、パターンの倒壊を生じさせることなく、ウエハWの上面からIPAの液膜80を良好に排除することができる。
図15Aに示すウエハWは内部にヒータ703が配置されたウエハ保持手段702に載置されている。このヒータ703上面は多数のエリアに分けられており、各エリアにおいて発熱状態と非発熱状態とを切り換えることができるようになっている。つまり、エリアごとにオン/オフを制御できるようになっている。
たとえば、前述の第1実施形態では、IPA液供給工程(図6のS4)の開始からIPA排除工程(図6のS6)の終了までの期間に亘って、ウエハWを回転させ続けるとして説明したが、IPA液供給工程(図6のS4)の一部期間または全期間において、ウエハWの回転速度を零または零に近い低速(例えば20rpm未満の回転速度)に保ってもよい。また、ウエハ加熱工程(図6のS5)の一部期間または全期間において、ウエハWの回転速度を零または零に近い低速(例えば20rpm未満の回転速度)に保ってもよい。
また、第1実施形態において、ステップS4のIPA液の供給後ステップS5のウエハWの加熱開始までの間、ウエハWの上面の温度を、常温よりも高く、かつ加熱時上面温度よりも低い所定の温度に保持しておいてもよい。この場合、ウエハWの上面に供給されるIPA液の置換効率を高めることができ、これにより、IPA置換時間を短縮することができる。この場合、ヒータ5を、下位置(図7A等参照)と上位置(図7F等参照)との間の所定の中間位置に配置することによりウエハWを加熱してもよい。
また、ヒータ5をウエハWの回転と同期して回転させるヒータ回転機構が備えられていてもよい。
また、IPA液の供給は、適宜のタイミングで停止すればよい。たとえば、ウエハ加熱工程(S5)の開始直前にIPA液の供給を停止してもよいし、ウエハ加熱工程(S5) の開始後、所定時間経過後にIPA液の供給を停止してもよい。前記したようにウエハ加熱工程(S5)の実施中にIPA液を液膜80に適宜追加するものであってもよい。
また、リンス液としてDIWを用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、リンス液は、DIWに限らず、炭酸水、電解イオン水、オゾン水、希釈濃度(たとえば、10〜100ppm程度)の塩酸水、還元水(水素水)などをリンス液として採用することもできる。
また、前述の各実施形態ではウエハWにエッチング処理を行う場合を例に挙げたが、洗浄処理など他の処理においても本発明が適用される。このような洗浄処理においては、洗浄液として前述の希ふっ酸に加え、SC1(ammonia-hydrogen peroxide mixture:アンモニア過酸化水素水混合液)、SC2(hydrochloric acid/hydrogen peroxide mixture:塩酸過酸化水素水混合液)、バファードフッ酸(Buffered HF:ふっ酸とふっ化アンモニウムとの混合液)等を採用することができる。
4 基板保持回転機構(基板保持手段)
5;303;403;503;603;703 ヒータ
8 下カップ(カップ本体)
9 開口
10 蓋部材
19 ヒータ昇降機構(昇降手段)
26 基板対向面
43 有機溶媒流通管(有機溶媒供給手段)
70 制御装置
80 IPAの液膜(有機溶媒の液膜)
85 IPAの蒸気膜(有機溶媒の気相膜)
101 微細パターン
102 構造体
W ウエハ(基板)
Claims (20)
- 微細パターンが形成され、基板保持手段に水平姿勢に保持されている基板の上面に、リンス液を供給するリンス工程と、
前記リンス液よりも表面張力の低い液体の有機溶媒を、前記有機溶媒の沸点以下の温度とされた前記基板の上面に供給することにより、前記基板の上面に付着したリンス液を前記有機溶媒で置換する有機溶媒供給工程と、
前記基板の上面を有機溶媒の沸点よりも高い所定の高温に保持することにより、前記微細パターンの間隙を含む前記基板の上面全面において有機溶媒の気相膜を形成すると共に当該気相膜の上方に有機溶媒の液膜を形成する高温保持工程と、
前記基板の上面から、前記有機溶媒の液膜を排除する有機溶媒排除工程とを含む、基板処理方法。 - 前記有機溶媒排除工程は、前記高温保持工程の終了に先立って実行開始される、請求項1に記載の基板処理方法。
- 前記高温保持工程における基板の上面温度は、前記高温保持工程において前記有機溶媒の液膜の沸騰が防止できる温度に設定されている、請求項1または2に記載の基板処理方法。
- 前記所定の高温は、有機溶媒の沸点よりも10〜50℃高い、請求項1〜3のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記高温保持工程における基板温度、および前記高温保持工程の実行時間の少なくとも一方は、有機溶媒の気相膜に含まれる気相の有機溶媒が、前記有機溶媒の液膜を突き破って当該液膜上に出ないような温度および実行時間にそれぞれ設定されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記高温保持工程における前記有機溶媒の液膜の膜厚は、前記高温保持工程において前記有機溶媒の液膜が分裂しない厚みに設定されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記高温保持工程における前記有機溶媒の液膜の膜厚は、前記基板の中心において1〜5mmに設定されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記高温保持工程は、前記記基板保持手段に保持されている基板を回転させながらその基板の上面を前記所定の高温に保持するものであり、
前記高温保持工程における前記基板の回転速度は、10〜500rpmに設定されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の基板処理方法。 - 前記高温保持工程において前記有機溶媒の液膜に有機溶媒を追加する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記有機溶媒供給工程は、前記基板保持手段に保持されている基板の上面の温度が有機溶媒の沸点未満であるときに実行される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記高温保持工程は、前記基板保持手段に保持されている基板を、当該基板の下方に配置されたヒータによって加熱する工程を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記有機溶媒排除工程の後に、前記基板保持手段に保持されている基板を回転させて当該基板を乾燥させるスピンドライ工程をさらに含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記有機溶媒排除工程は、前記基板保持手段に保持されている基板を回転させつつ、当該基板の上面の回転中心に向けて気体を吐出する工程を含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記有機溶媒排除工程は、前記基板保持手段に保持されている基板の上面に向けて帯状の気体を吹き付けるとともに、当該基板の上面における当該気体の吹付け領域を移動させる工程を含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記有機溶媒排除工程は、前記基板保持手段に保持されている基板を、水平に対して傾ける工程を含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 前記有機溶媒排除工程は、前記基板保持手段に保持されている基板を、その中央領域から周縁部に向けて順に加熱する工程を含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の基板処理方法。
- 上面に微細パターンが形成された基板を水平姿勢に保持する基板保持手段と、
前記基板の上面にリンス液を供給するリンス液供給手段と、
前記基板の上面に、前記リンス液よりも表面張力の低い有機溶媒を供給するための有機溶媒供給手段と、
前記基板を加熱するためのヒータと、
前記基板から前記有機溶媒を排除するための有機溶媒排除手段と、
前記リンス液供給手段、前記有機溶媒供給手段、前記ヒータおよび前記有機溶媒排除手段を制御することにより、前記リンス液供給手段から前記基板にリンス液を供給させ、その後、前記有機溶媒供給手段から前記基板に前記有機溶媒を供給して前記基板に付着したリンス液を前記有機溶媒に置換させ、前記ヒータを制御して、前記基板を前記有機溶媒の沸点よりも高い所定の高温まで昇温させることにより、前記微細パターンの間隙を含む前記基板の上面全面において前記有機溶媒の気相膜を形成すると共に前記気相膜の上方に前記有機溶媒の液膜を形成させ、前記有機溶媒の液膜が形成された後、前記有機溶媒排除手段により前記有機溶媒の液膜を前記基板の上面から排除させる制御手段
とを含む、基板処理装置。 - 前記基板保持手段に保持された基板の上面に対向配置される基板対向面を備えた蓋部材をさらに含む、請求項17に記載の基板処理装置。
- 前記基板保持手段を内部に格納するカップ本体をさらに含み、
前記蓋部材は前記カップ本体の開口を閉塞することにより、前記カップ本体の内部空間を外部から密閉する、請求項18に記載の基板処理装置。 - 前記ヒータは、前記基板保持手段に保持されている基板を、当該基板の下方から加熱するためのものであり、
前記ヒータと前記基板保持手段に保持されている基板とが接近/離反するように、前記ヒータおよび前記基板保持手段の少なくとも一方を昇降させる昇降手段をさらに含む、請求項17〜19のいずれか一項に記載の基板処理装置。
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