JP2018056383A - 基板洗浄装置及び基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板をスクラブ洗浄するロール洗浄部材と基板との間の摩擦力を検出して洗浄性能の変動を制御する。
【解決手段】 長尺状のロール洗浄部材を平板状の基板に摺接させて基板の洗浄処理を行う基板洗浄装置は、ロール洗浄部材を回転可能に支持するロールホルダと、ロールホルダを支持する連結部材を備え、ロール洗浄部材が基板に所定のロール荷重を加えるようにロールホルダを昇降させる昇降機構と、連結部材に設けられ、ロール洗浄部材と基板との摩擦力を測定するセンサ部材と、センサ部材の測定値に基づき、ロール洗浄部材と基板との摩擦力をフィードバック制御する制御部とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロール状の洗浄部材を用いて半導体ウェハ等の基板の表面をスクラブ洗浄する基板洗浄装置及びこの基板洗浄装置を備えた基板処理装置に関する。

円柱状のロール洗浄部材をウェハ等の基板に押し当てて、基板の表面を洗浄する基板洗浄装置が知られている。この種の基板洗浄装置では、基板洗浄時に、ロール洗浄部材を一定の押し付け荷重で基板に押し付ける必要があるが、ロール洗浄部材の性状のばらつきや経時変化等により、ロール洗浄部材を用いて基板洗浄している際に実際に基板に加えられている荷重（以下、ロール荷重）を把握できない。

このため、出願人は、ロール洗浄部材を昇降させるエアシリンダに供給されるエアの供給圧力を測定し、その測定値に基づきロール荷重をフィードバック制御する技術を開発している（特許文献１）。また、特許文献２に記載の基板洗浄装置では、装置内部に、ロール洗浄部材から基板に加えられるロール荷重を測定するロードセル等の圧力センサを搭載し、その測定値からロール荷重をフィードバック制御している。

さらに、特許文献３に記載の基板洗浄装置では、ロール洗浄部材を昇降させる昇降機構の昇降部と、ロール洗浄部材を保持するロールホルダとの間に、ロール荷重を測定するロードセルを配置し、当該ロードセルでの測定値に基づき昇降部を駆動してロール荷重をフィードバックしている。

特開２０１６−１５７７７８号公報 特開２００２−５０６０２号公報 特開２０１４−３８９８３号公報

ロール洗浄部材を基板等の基板に押し当てるタイプの基板洗浄装置では、基板洗浄中に、ロール洗浄部材に対して基板が相対的に移動するため、その際にロール洗浄部材と基板との間に摩擦力が発生する。そして、ロール洗浄部材の押圧力や基板表面の状態が変化することで摩擦力が変動してしまうと、ロール洗浄部材による洗浄性能が低下してしまうおそれがある。しかしながら、上記特許文献に記載の基板処理装置では、ロール洗浄部材と基板との間の摩擦力による洗浄性能の影響を除去することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、ロール洗浄部材と基板との間の摩擦力を検出することによりロール洗浄部材による洗浄性能の変動を制御することを可能とする基板洗浄装置及びこれを備えた基板処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、長尺状のロール洗浄部材を平板状の基板に摺接させて前記基板の洗浄処理を行う基板洗浄装置であって、前記ロール洗浄部材を回転可能に支持するロールホルダと、前記ロールホルダを支持する連結部材を備え、前記ロール洗浄部材が前記基板に所定のロール荷重を加えるように前記ロールホルダを昇降させる昇降機構と、前記連結部材に設けられ、前記ロール洗浄部材と前記基板との摩擦力を測定するセンサ部材と、前記センサ部材の測定値に基づき、前記ロール洗浄部材と前記基板との摩擦力をフィードバック制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

ロールホルダを支持する連結部材には、洗浄処理中に相対的に移動するロール洗浄部材と前記基板との間の摩擦力に起因するトルクが集中する。このため、連結部材にセンサ部材を設けることで、ロール洗浄部材と基板との摩擦力を効果的に検出することができ、当該摩擦力の変動に起因する洗浄特性の劣化を抑制することができる。

上記の基板洗浄装置において、前記センサ部材は前記連結部材の内部に配置されていることが好ましい。これにより、ロール洗浄部材と基板との摩擦力をより正確に検出することができる。

上記の基板洗浄装置において、前記センサ部材は、前記ロール洗浄部材による前記基板へのロール荷重を測定し、前記制御部は、前記センサ部材からのロール荷重の測定値に基づき前記ロールホルダの昇降を制御して前記ロール荷重をフィードバックするようにしても良い。この構成により、ロール洗浄部材による基板への押し付け力の変動を抑制することができ、従来の基板処理装置で用いられていたロードセルをセンサ部材で置き換えることが可能となる。

上記の基板洗浄装置において、前記制御部は、前記センサ部材により測定されたロール荷重と摩擦力より前記ロール洗浄部材と前記基板との間の摩擦係数を算出し、算出された摩擦係数が所定範囲から外れた場合に前記ロール洗浄部材の異常を検出するようにしても良い。この構成により、異常が発生したロール洗浄部材の交換を促すことができ、ロール洗浄部材の異常による洗浄性能の低下を防止することができる。

上記の基板洗浄装置において、前記連結部材は、前記ロールホルダの長さ方向に沿ったほぼ中央に配置されていることが好ましい。

本発明の一態様に係る基板処理装置は、上記の基板洗浄装置を備えたことを特徴とする。この構成により、洗浄処理中のロール洗浄部材と基板との摩擦力の変動に起因する洗浄特性の劣化を抑制することができる。

本発明によれば、ロールホルダを支持する連結部材にセンサ部材を設けることで、ロール洗浄部材と基板との摩擦力を効果的に検出することができ、当該摩擦力の変動に起因する洗浄特性の劣化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す平面図である。 基板洗浄装置の一実施形態を概略的に示す斜視図である。 基板洗浄装置の全体構成の概要を示す正面図である。 基板洗浄装置の要部断面図である。 基板洗浄装置の要部断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る基板処理装置について、図面を参照して説明する。なお、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、基板処理装置の全体構成を示す平面図である。基板処理装置１０は、ロード／アンロード部１２、研磨部１３と、洗浄部１４とに区画されており、これらは矩形状のハウジング１１の内部に設けられている。また、基板処理装置は、基板処理の動作制御を行う制御装置１５を有している。

ロード／アンロード部１２は、複数のフロントロード部２０と、走行機構２１と、２台の搬送ロボット２２を備えている。フロントロード部２０には、多数の基板（基板）をストックする基板カセットが載置される。搬送ロボット２２は、上下に２つのハンドを備えており、走行機構２１上を移動することで、フロントロード部２０内の基板カセットから基板Ｗを取り出して研磨部１３へ送るとともに、洗浄部１４から送られる処理済みの基板を基板カセットに戻す動作を行う。

研磨部１３は、基板の研磨（平坦化処理）を行う領域であり、複数の研磨ユニット１３Ａ〜１３Ｄが設けられ、基板処理装置の長手方向に沿って配列されている。個々の研磨ユニットは、研磨テーブル上の基板Ｗを研磨パッドに押圧しながら研磨するためのトップリングと、研磨パッドに研磨液やドレッシング液を供給する研磨液供給ノズルと、研磨パッドの研磨面のドレッシングを行うドレッサと、液体と気体の混合流体または霧状の液体を研磨面に噴射して研磨面に残留する研磨屑や砥粒を洗い流すアトマイザを備えている。

研磨部１３と洗浄部１４との間には、基板Ｗを搬送する搬送機構として、第１，第２リニアトランスポータ１６，１７が設けられている。第１リニアトランスポータ１６は、ロード／アンロード部１２から基板Ｗを受け取る第１位置、研磨ユニット１３Ａ，１３Ｂとの間で基板Ｗの受け渡しを行う第２，第３位置、第２リニアトランスポータ１７へ基板Ｗを受け渡すための第４位置との間で移動自在とされている。

第２リニアトランスポータ１７は、第１リニアトランスポータ１６から基板Ｗを受け取るための第５位置、研磨ユニット１３Ｃ，１３Ｄとの間で基板Ｗの受け渡しを行う第６，第７位置との間で移動自在とされている。これらトランスポータ１６，１７の間には、基板Ｗを洗浄部１４へ送るためのスイングトランスポータ２３が備えられている。

洗浄部１４は、第１基板洗浄装置３０、第２基板洗浄装置３１、基板乾燥装置３２と、これら装置間で基板の受け渡しを行うための搬送ロボット３３，３４を備えている。研磨ユニットで研磨処理が施された基板Ｗは、第１基板洗浄装置３０で洗浄（一次洗浄）され、次いで第２基板洗浄装置３１で更に洗浄（仕上げ洗浄）される。洗浄後の基板は、第２基板洗浄装置３１から基板乾燥装置３２に搬入されてスピン乾燥が施される。乾燥後の基板Ｗは、ロード／アンロード部１２に戻される。

図２は、本発明の実施形態に係る基板洗浄装置３０、３１の構成を示す斜視図である。基板洗浄装置３０は、基板Ｗの周縁部を支持しながら基板Ｗを水平方向に回転させる複数（図２の例では４つ）のスピンドル４０を備えている。これらスピンドル４０は、図２の矢印で示すように、基板Ｗの周縁部に当接する位置と、基板Ｗから対比する位置との間で、基板Ｗの面と平行な方向に移動可能となっている。また、基板洗浄装置３０は、基板Ｗの上方に昇降自在に配置される上側ロールアーム４２と、基板Ｗの下方に昇降自在に配置される下側ロールアーム４４とを備えている。

スピンドル４０は、その上部にローラー８０が設けられている。ローラー８０の外周側面には嵌合溝８０ａが形成されており、基板Ｗの周縁部がこの嵌合溝８０ａに当接した状態で、ローラー８０を基板Ｗに押付けて回転させる。これにより、基板Ｗが図２に矢印Ｅで示すように水平に回転する。ここに図示した実施形態では、４個全てのローラー８０を図示しない駆動機構に連結して、基板Ｗに回転力を付与するようにしている。なお、４個のうち２個のローラー８０が基板Ｗに回転力を与え（駆動機構は図示せず）、他の２個のローラー８０を基板Ｗの回転を受けるベアリングとして機能させてもよい。

上側ロールアーム４２には、円柱状で水平に延びる上側ロール洗浄部材（ロールスポンジ）４６が回転自在に支持されている。上側ロール洗浄部材４６は、例えばＰＶＡ（ポリビニルアルコール）から構成され、図示しない駆動機構によって、図２の矢印Ｆ１に示す方向に回転する。下側ロールアーム４４には、円柱状で水平に延びる下側ロール洗浄部材（ロールスポンジ）４８が回転自在に支持されている。下側ロール洗浄部材４８は、例えばＰＶＡから構成され、図示しない駆動機構によって、図２の矢印Ｆ２に示す方向に回転する。

スピンドル４０で支持されながら回転させられる基板Ｗの上方に位置して、基板Ｗの表面（上面）に薬液および純水（リンス液）を供給する２本の上側供給ノズル５０が配置されている。また、スピンドル４０で支持されながら回転させられる基板Ｗの下方に位置して、基板Ｗの裏面（下面）に薬液および純水（リンス液）を供給する２本の下側供給ノズル５２が配置されている。

基板Ｗの洗浄は次のようにして行われる。基板Ｗを水平に回転させた状態で、上側供給ノズル５０から基板Ｗの表面（上面）に薬液を供給しつつ、上側ロール洗浄部材４６を回転させながら下降させて回転中の基板Ｗの表面に所定の押付け荷重で接触させる。これにより、薬液の存在下で、基板Ｗの表面が上側ロール洗浄部材４６によりスクラブ洗浄される。上側ロール洗浄部材４６の長さは、基板Ｗの直径より僅かに長く設定されており、基板Ｗの全表面が同時に洗浄される。

基板Ｗの表面を洗浄するのと同時に、下側供給ノズル５２から基板Ｗの裏面（下面）に薬液を供給しつつ、下側ロール洗浄部材４８を回転させながら上昇させて回転中の基板Ｗの裏面に所定の押付け荷重で接触させる。これにより、薬液の存在下で、基板Ｗの裏面が下側ロール洗浄部材４８によりスクラブ洗浄される。下側ロール洗浄部材４８の長さは、基板Ｗの直径より僅かに長く設定されていて、基板Ｗの全裏面が同時に洗浄される。基板Ｗの表面および裏面が洗浄された後、上側供給ノズル５０および下側供給ノズル５２から純水が基板Ｗの表面および裏面に供給され、基板Ｗが純水でリンスされる。

図３は、基板洗浄装置の全体構成の概要を示した図である。上側ロールアーム４２の中央には凹部４２ａが形成され、この凹部４２ａ内に位置するロードセル５４が上側ロールアーム４２に固定されている。上側ロールアーム４２は、昇降機構６０に連結されている。この昇降機構６０は、アクチュエータとしてのエアシリンダ５６と、このエアシリンダ（アクチュエータ）５６の駆動に伴って昇降し、鉛直方向に延びる昇降軸５７と、この昇降軸５７の上端に連結され、水平方向に延びるサポートアーム５８とを有する。このサポートアーム５８には、チルト機構７０を介して上側ロールアーム４２が連結される。

上側ロールアーム４２は、エアシリンダ５６によって、昇降軸５７及びサポートアーム５８と一体に昇降される。エアシリンダ５６には、エアシリンダ５６の内部に供給される気体の圧力を制御する圧力調整器としての電空レギュレータ６２が連結されている。

基板Ｗの洗浄時には、上側ロールアーム４２を下降させて、上側ロール洗浄部材４６を基板Ｗに接触させる。この際、ロードセル５４に加わる引張り荷重が減少し、その減少した分が、上側ロール洗浄部材４６が基板Ｗに対して加えた押付け荷重に限りなく一致する。上側ロール洗浄部材４６が基板Ｗに対して加える押付け荷重、すなわち引張り荷重の減少分は、ロードセル５４によって測定される。

ロードセル５４による押付け荷重の測定値の情報は、制御部６４に送られる。制御部６４では、押付け荷重の測定値と押付け荷重の設定値とを比較し、その差を最小（あるいは所定範囲内）とするための電空レギュレータ６２の操作量を示す制御信号を生成し、この制御信号を電空レギュレータ６２に送る。これにより、上側ロール洗浄部材４６による基板Ｗへの押し付け荷重が調整される。

ロードセル５４とサポートアーム５８の自由端との間に、上側ロールアーム４２を傾動可能に支持するチルト機構７０が設置されている。図４および図５に示すように、このチルト機構７０は、ロードセル５４に固定されたブラケット７２と、サポートアーム５８に連結された軸受ケーシング７８と、ブラケット７２と軸受ケーシング７８とを回転自在に連結する枢軸７４とを備えている。ブラケット７２には、上側ロールアーム４２が延びる方向とは直交する方向に貫通孔が形成され、枢軸７４はこの貫通孔を挿通してブラケット７２に固定される。サポートアーム５８の自由端には、枢軸７４を回転自在に支持する一対の軸受７６を取付けた軸受ケーシング７８が連結される。これによって、ロードセル５４を固定した上側ロールアーム４２が、枢軸７４を中心に図４の矢印で示す方向に傾くことが許容される。

このようなチルト機構７０を介して、サポートアーム５８は、上側ロールアーム４２に回転自在に支持される上側ロール洗浄部材４６を傾動可能に支持している。このような構成によれば、上側ロール洗浄部材４６の水平姿勢を保ちながら、基板Ｗに反りや傾き、回転によるばたつき等が生じた時に、上側ロール洗浄部材４６は、基板Ｗの表面の動きに追従することができる。したがって、上側ロール洗浄部材４６は、その全長に亘って基板Ｗに均一に接触することができる。このように、押付け荷重が均一に基板Ｗに加わるので、基板洗浄性能を向上させることができるとともに、基板Ｗからの反発力を上側ロール洗浄部材４６全体で受けて、押付け荷重の測定精度を向上させることができる。

前述したロードセルを用いたロールアームの昇降制御機構やロールアームのチルト機構は、基板Ｗの下側にも設けられている。これにより、下側ロール洗浄部材４８による基板Ｗの押し付け荷重を制御し、また下側ロールアーム４４の傾きを調整することができる。

基板洗浄装置３０の上側ロール洗浄部材４６の上側でブラケット７２の内部には、上側ロール洗浄部材４６と基板Ｗとの間に発生する摩擦力を検出するためのセンサ部材８２が設けられている。このセンサ部材８２は、例えば、ブラケット７２が図４のＸ軸方向に受ける力を検出するひずみセンサが用いられ、ネジ等の固定部材８４よってブラケット７２の内部に形成された空洞の中で固定されている。また、センサ部材８２は、図示しない被覆部材等により防水されている。

本実施形態に係る基板処理装置３０では、上側ロール洗浄部材４６が、その軸方向の中央に配置されたブラケット７２を介してサポートアーム５８に接続されており、洗浄処理中に回転する基板Ｗと上側ロール洗浄部材４６との間の摩擦力に起因するトルクがブラケット７２に集中する。このため、ブラケット７２の内部にセンサ部材８２を設け、ブラケット７２が受けるトルクを測定することで、上側ロール洗浄部材４６と基板Ｗとの間の摩擦力を正確に測定することができる。

センサ部材８２は制御部６４に接続されており、センサ部材８２での摩擦力の測定値を示す信号が制御部６４に送られる。制御装置１５では、摩擦力の測定値と、図示しない記録媒体から読みだした設定値、あるいはあらかじめ設定された設定値とを比較し、その差が所定範囲から外れたときに、その差を最小とするための電空レギュレータ６２の操作量を示す制御信号を電空レギュレータ６２に送る。電空レギュレータ６２は、制御信号に基づいて動作し、エアシリンダ５６の推力を変化させて、洗浄部材と基板Ｗとの相対的な位置関係を変更する。これにより、上側ロール洗浄部材４６と基板Ｗとの摩擦力が調整されるので、当該摩擦力の変動に起因する洗浄特性のばらつきを抑制することができる。

上記の実施形態では、センサ部材８２によって測定された上側ロール洗浄部材と基板との摩擦力を示す測定信号に基づき、上側ロール洗浄部材による押圧力を調整することで上側ロール洗浄部材と基板との摩擦力を調整しているが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、ロール洗浄部材の回転速度を調整するといった他の方法によって上側ロール洗浄部材と基板との摩擦力の調整を行うようにしても良い。

上記実施形態では、センサ部材８２を基板Ｗの上側（すなわち、上側ロール洗浄部材側）にのみ配置しているが、本発明はこれに限られることはなく、センサ部材を基板Ｗの下側（すなわち、下側ロール洗浄部材側）に配置しても良く、また基板Ｗの上側と下側の両方に配置しても良い。これにより、下側ロール洗浄部材４８と基板Ｗとの摩擦力の変動を検出し、洗浄特性の変動を抑制することができる。

また、上記実施形態では、基板Ｗの面に平行な一方向（図３のＸ軸方向）に生じる力を測定して摩擦力を検出しているが、本発明はこれに限られず、例えば３軸センサを用いることができる。基板Ｗの面に垂直な方向（図３のＺ方向）に生じる力を検出することで、上側ロール洗浄部材４６による基板Ｗへの押し付け力を測定することができ、エアシリンダ５６の推力を調整することで、上側ロール洗浄部材４６による基板Ｗへの押し付け力の変動を抑制することができる。これにより、ロードセル５４をセンサ部材８２で置き換えることが可能となる。

また、図３のＸ軸方向のみならず、Ｙ軸方向に発生する力もあわせて測定することで、洗浄処理中における上側ロール洗浄部材４６と基板Ｗとの摩擦力のみならず、基板Ｗの回転方向に生じる力（ねじれ成分）を測定することができる。これにより、例えば、基板Ｗが受けるねじれ成分の力が所定値を超えた場合に装置異常と判定することで、基板洗浄装置の故障発生を未然に防止することができる。

さらに、センサ部材において、図３のＸ軸方向の力の測定値（摩擦力）と、Ｚ軸方向の力の測定値（垂直抗力）から、洗浄処理中におけるロール洗浄部材と基板Ｗとの摩擦係数を算出することができる。そして、この算出された摩擦係数が所定範囲から逸脱した場合に、ロール洗浄部材の劣化等の異常を検出して、その交換を促すようにしても良く、これにより、ロール洗浄部材の異常による洗浄性能の低下を防止することができる。

上述した実施形態では、基板洗浄装置に設けられた制御部において、上側ロール洗浄部材４６と基板Ｗとの間の摩擦力を検出してその変動を調整するようにしているが、本発明はこれに限られることはなく、基板研磨装置の動作を統括的に制御する制御装置１５において、上側ロール洗浄部材４６と基板Ｗとの間の摩擦力を検出してその変動を調整するように構成しても良い。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。例えば、平面状の基板の裏面を下方に向けた状態で吸着保持し、基板の裏面に押し当てた洗浄部材を移動させることで洗浄する、基板裏面を洗浄部材で洗浄する基板洗浄装置において、洗浄部材と基板との摩擦力を測定するセンサを設け、このセンサの測定結果に基づいて洗浄部材と基板との摩擦力を制御するようにしてもよい。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１０ 基板処理装置
１５ 制御装置
３０，３１ 基板洗浄装置
４０ スピンドル
４２ ロールホルダ
４６、４８ ロール洗浄部材
５４ ロードセル
６０ 昇降機構
６４ 制御部
７０ チルト機構
７２ ブラケット
８２ センサ部材

Claims (7)

1. 長尺状のロール洗浄部材を平板状の基板に摺接させて前記基板の洗浄処理を行う基板洗浄装置において、
   前記ロール洗浄部材を回転可能に支持するロールホルダと、
   前記ロールホルダを支持する連結部材を備え、前記ロール洗浄部材が前記基板に所定のロール荷重を加えるように前記ロールホルダを昇降させる昇降機構と、
   前記連結部材に設けられ、前記ロール洗浄部材と前記基板との摩擦力を測定するセンサ部材と、
   前記センサ部材の測定値に基づき、前記ロール洗浄部材と前記基板との摩擦力をフィードバック制御する制御部とを備えたことを特徴とする基板洗浄装置。
2. 前記センサ部材は前記連結部材の内部に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の基板洗浄装置。
3. 前記センサ部材は、前記ロール洗浄部材による前記基板へのロール荷重を測定し、
   前記制御部は、前記センサ部材からのロール荷重の測定値に基づき前記ロールホルダの昇降を制御して前記ロール荷重をフィードバックすることを特徴とする、請求項１または２記載の基板洗浄装置。
4. 前記制御部は、前記センサ部材により測定されたロール荷重と摩擦力より前記ロール洗浄部材と前記基板との間の摩擦係数を算出し、算出された摩擦係数が所定範囲から外れた場合に前記ロール洗浄部材の異常を検出する、請求項３記載の基板洗浄装置。
5. 前記連結部材は、前記ロールホルダの長さ方向に沿ったほぼ中央に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の基板洗浄装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の基板洗浄装置を備えたことを特徴とする基板処理装置。
7. 平板状の基板に研磨処理を行う基板研磨装置と、研磨処理後の前記基板を洗浄する基板洗浄装置と、前記基板研磨装置と前記基板洗浄装置の動作を制御する制御装置とを備えた基板処理装置であって、
   前記基板洗浄装置は、
   前記基板に摺接される長尺状のロール洗浄部材と、
   前記ロール洗浄部材を回転可能に支持するロールホルダと、
   前記ロールホルダを支持する連結部材を備え、前記ロール洗浄部材が前記基板に所定のロール荷重を加えるように前記ロールホルダを昇降させる昇降機構と、
   前記連結部材に設けられ、前記ロール洗浄部材と前記基板との摩擦力を測定するセンサ部材とを備え、
   前記制御部は、前記センサ部材の測定値に基づき、前記ロール洗浄部材と前記基板との摩擦力をフィードバック制御することを特徴とする基板処理装置。