JP2019140220A - 半導体処理装置および半導体処理方法 - Google Patents

半導体処理装置および半導体処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体基板が大きく反っていても処理可能な半導体処理装置および半導体処理方法を提供する。【解決手段】本実施形態による半導体処理装置は、半導体基板を搭載し該半導体基板を回転可能とするステージを備える。複数の保持部は、ステージ上に設けられ、半導体基板の端部を保持する。複数のセンサは、複数の保持部のそれぞれに設けられ、半導体基板の端部を検出する。昇降機構は、保持部の高さを変更可能である。制御部は、複数のセンサが半導体基板の端部を検出するように、昇降機構を制御して保持部の高さを変更する。【選択図】 図２

Description

本実施形態は、半導体処理装置および半導体処理方法に関する。
ＮＡＮＤ型ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等のように三次元的に積層された立体型構造を有する半導体装置が開発されている。このような立体型構造を有する半導体装置は、多くの材料を積層するので、平面型の半導体装置と比較して半導体基板の反りが大きくなる。
一方、枚葉式洗浄装置において処理可能な半導体基板の反りの許容範囲は、半導体基板を保持するチャックピンとステージとの間の間隙に基づいて設定されている。従って、半導体基板の反りがその許容範囲を超えると、洗浄装置は、半導体基板を処理することができなくなってしまう。
特許第４０８０３１９号公報
半導体基板が大きく反っていても処理可能な半導体処理装置および半導体処理方法を提供する。
本実施形態による半導体処理装置は、半導体基板を搭載し該半導体基板を回転可能とするステージを備える。複数の保持部は、ステージ上に設けられ、半導体基板の端部を保持する。複数のセンサは、複数の保持部のそれぞれに設けられ、半導体基板の端部を検出する。昇降機構は、保持部の高さを変更可能である。制御部は、複数のセンサが半導体基板の端部を検出するように、昇降機構を制御して保持部の高さを変更する。
本実施形態による半導体洗浄装置１の構成例を示す概略図。 本実施形態によるチャックピンおよび洗浄装置の構成例を示す図。 反りを有する半導体基板Ｗの一例を示す図。 チャックピン２０の高さの調節の様子を示す概念図。 本実施形態による洗浄方法の一例を示すフロー図。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施形態による半導体洗浄装置１の構成例を示す概略図である。半導体処理装置としての半導体洗浄装置（以下、単に、洗浄装置ともいう）１は、枚葉式の洗浄装置１であり、半導体基板Ｗを収容可能なチャンバ２と、半導体基板Ｗに薬液を供給する薬液供給部３とを備えている。チャンバ２には、例えば、ステンレス等の薬液に対して耐腐食性のある材料を用いており、チャンバ２の内部は減圧可能となっている。薬液供給部３は、チャンバ２の内部の上面に設けられており、薬液を半導体基板Ｗへ向かって供給する。尚、本実施形態は、洗浄装置１に限定されず、ウェットエッチング装置、ドライエッチング装置、成膜装置等の枚葉式の半導体処理装置に適用することができる。
洗浄装置１は、ステージ１０と、チャックピン２０とを備えている。ステージ１０は、円形状の上面を有し、チャンバ２の内部において半導体基板Ｗをその上方に搭載可能である。ステージ１０の中心には軸１５が接続されており、ステージ１０は軸１５を中心として回転可能に構成されている。ステージ１０は、その上面からエアーを吹き出したり、あるいは、薬液を供給可能に構成されていてもよい。
保持部としての複数のチャックピン２０は、ステージ１０上に設けられている。複数のチャックピン２０は、ステージ１０の上面の外縁部に沿って略均等に配置されている。チャックピン２０は、半導体基板Ｗの端部を保持（チャック）するために、少なくとも３つ設けられている。本実施形態では、６つのチャックピン２０がステージ１０の上面の外縁部に沿って略均等に配置されている。
チャックピン２０は、例えば、真空チャック、静電チャック、スピンチャック等のいずれでもよい。また、チャックピン２０には、例えば、ステンレス等の薬液に対して耐腐食性のある材料を用いている。
図２は、本実施形態によるチャックピン２０および洗浄装置１の構成例を示す図である。チャックピン２０は、第１支持部２１と、第２支持部２２と、昇降軸２３とを備えている。
第１支持部２１は、ステージ１０の上面と略平行な（略水平な）支持面Ｆ２１を有し、支持面Ｆ２１上に半導体基板Ｗの端部を搭載する。これにより、第１支持部２１は、半導体基板Ｗをステージ１０の上面に接触させないように半導体基板Ｗの端部を下方から支持する。
第２支持部２２は、ステージ１０の上面と略垂直な支持面Ｆ２２を有し、支持面Ｆ２２に半導体基板Ｗの側面（ベベル部）が接触する。これにより、第２支持部２２は、半導体基板Ｗの端部を側方から支持し、半導体基板Ｗをステージ１０上で回転させている際に、半導体基板Ｗが横方向へ外れて飛んでいかないように半導体基板Ｗを側方から支持する。尚、３つ以上のチャックピン２０をステージ１０の外周に略均等に設けることによって、チャックピン２０の第２支持部２２は、半導体基板Ｗを少なくとも三方向から支持し、半導体基板Ｗが遠心力で飛んで行くことを抑制することができる。
昇降軸２３は、第１支持部２１の底面に接続されており、ステージ１０の下方にある昇降機構４０に接続されている。昇降軸２３は、昇降機構４０の動作を受けて、第１および第２支持部２１、２２をステージ１０の上面に対して略垂直方向（略鉛直方向）へ移動させることができる。尚、第１および第２支持部２１、２２および昇降軸２３は、個別に形成された後に組み立ててもよく、あるいは、第１および第２支持部２１、２２および昇降軸２３のうち２つ以上が、一体形成されてもよい。
洗浄装置１は、センサ３０と、昇降機構４０と、モータ５０と、制御演算部６０とをさらに備えている。
センサ３０は、複数のチャックピン２０のそれぞれの第２支持部２２に設けられ、半導体基板Ｗの端部が第１支持部２１上に存在するか否かを検出する。センサ３０は、例えば、光を放射し、半導体基板Ｗの端部に反射する反射光を検出する光学センサでよい。この場合、センサ３０は、発光部と、受光部（いずれも図示せず）とを備えている。センサ３０の発光部は、第２支持部２２の下端部に配置されており、ステージ１０の上面に対して略平行方向（略水平方向）に光を放射する。半導体基板Ｗが第１支持部２１の支持面Ｆ２１上に存在する場合、発光部からの光は、半導体基板Ｗの側面（ベベル部）に反射し、その反射光がセンサ３０の受光部に受光される。センサ３０の受光部は、半導体基板Ｗからの反射光を受光し、その反射光の強度を光電変換して電気信号として制御演算部６０へ送る。一方、半導体基板Ｗが第１支持部２１の支持面Ｆ２１上に無い場合、発光部からの光は、半導体基板Ｗの側面（ベベル部）に反射することなく、チャンバ２内で散乱してしまう。従って、センサ３０の受光部では、半導体基板Ｗからの反射光はほとんど検出されない。
センサ３０は、例えば、半導体基板Ｗの自重による圧力を検出する圧力センサでもよい。この場合、センサ３０は、例えば、ピエゾ素子等のような圧電素子（図示せず）でよい。センサ３０は、第１支持部２１の支持面Ｆ２１上に配置されており、半導体基板Ｗが第１支持部２１の支持面Ｆ２１上に存在するか否かを検出する。この場合、半導体基板Ｗの端部が第１支持部２１の支持面Ｆ２１上に載置されると、センサ３０が半導体基板Ｗの重みによって圧電変換し、電気信号を出力する。センサ３０はこの電気信号を制御演算部６０へ送る。尚、光学センサや圧力センサ等のセンサ３０は、チャックピン２０と一体形成されていてもよい。
昇降機構４０は、チャックピン２０の高さを変更することができる機構である。例えば、昇降機構４０は、ネジ機構であってもよい。この場合、昇降軸２３は、その側面にネジ山およびネジ溝を有するボルト状に形成され、昇降機構４０が昇降軸２３に対応するナット状に形成される。モータ５０が、昇降機構４０のナットを回転させることによって、昇降軸２３を上下方向に伸縮させる。これにより、ステージ１０の上面から突出する昇降軸２３の長さを変更し、第１および第２支持部２１、２２の高さＨを調節することができる。
昇降機構４０は、ネジ機構に限定されず、例えば、空圧式ポンプあるいは油圧式ポンプであってもよい。この場合、ポンプの動作によって、第１および第２支持部２１、２２の高さＨを調節する。昇降機構４０が空圧式ポンプあるいは油圧式ポンプの場合、モータ５０は設けなくてもよい。
モータ５０は、昇降機構４０を駆動させ、第１および第２支持部２１、２２の高さＨを変更させることができる。モータ５０は、制御演算部６０とともにサーボモータとして構成されてもよい。
尚、センサ３０、昇降機構４０およびモータ５０は、複数のチャックピン２０のそれぞれに対応して設けられている。従って、センサ３０は、チャックピン２０ごとに半導体基板Ｗの端部を検出することができる。昇降機構４０およびモータ５０は、チャックピン２０ごとに第１支持部２１の高さＨを変更することができる。
制御演算部６０は、全てまたは一部のチャックピン２０のセンサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出するように、昇降機構４０を制御してチャックピン２０の第１支持部２１の高さＨを変更する。そのために、制御演算部６０は、全てまたは一部のチャックピン２０に対して共通に設けられており、該全てまたは一部のチャックピン２０のセンサ３０からの検出結果を受けて対応するモータ５０を制御する。このように、制御演算部６０は、センサ３０からのフィードバックを受けてモータ５０の制御を行う。制御演算部６０は、半導体基板Ｗを処理前や処理中においてリアルタイムでモータ５０をフィードバック制御してよい。
例えば、全てのチャックピン２０において半導体基板Ｗの端部が支持面Ｆ２１上で検出されている場合、半導体基板Ｗは、チャックピン２０によって正常にチャックされている。従って、制御演算部６０は、モータ５０を駆動することなく、第１支持部２１の高さＨを維持する。
一方、いずれかのチャックピン２０において半導体基板Ｗが支持面Ｆ２１上に無い場合、半導体基板Ｗは、反っている（歪曲している）可能性がある。この場合、半導体基板Ｗは、チャックピン２０によって正常にチャックされていないおそれがある。例えば、図３は、反りを有する半導体基板Ｗの一例を示す図である。尚、図３は、半導体基板Ｗの反りを理解し易くするために誇張して描かれている、このような反りを有する半導体基板Ｗは、ステージ１０上に載置されたときに、その端部は一部のチャックピン２０の支持面Ｆ２１から浮いてしまう。従って、その一部のチャックピン２０のセンサ３０は、半導体基板Ｗの端部を検出することができない。このような反りのある半導体基板Ｗは、チャックピン２０によって正常にチャックできないため、処理を開始すると、半導体基板Ｗがチャックピン２０から外れて飛んで行ったり、チャンバ２の内部で欠けたり、半導体基板Ｗが傷ついたりする。また、反りのある半導体基板Ｗは、ステージ１０の上面に接触する場合がある。この場合、半導体基板Ｗに傷が付いたり、割れや破損の原因となる。
そこで、本実施形態による洗浄装置１において、制御演算部６０は、半導体基板Ｗを検出していないセンサ３０からの信号を受けながら、モータ５０をフィードバック制御し、半導体基板Ｗの反り適合するようにチャックピン２０の高さＨを調節する。
図４は、チャックピン２０の高さの調節の様子を示す概念図である。ここで、半導体基板Ｗを検出していないチャックピン２０を２０ａとし、半導体基板Ｗを検出しているチャックピン２０を２０ｂとする。
制御演算部６０は、半導体基板Ｗの端部を検出していないチャックピン２０ａのセンサ（第１センサ）３０からの信号に応じて、モータ５０をフィードバック制御し、チャックピン２０ａを上昇させる。チャックピン２０ａが上昇している様子は、図４の破線で示されている。その後、チャックピン２０ａのセンサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出した時点またはその直後に、制御演算部６０はチャックピン２０ａに対応するモータ５０の駆動を停止させる。これにより、他のチャックピン２０ｂにおいて半導体基板Ｗを浮かせることなく、チャックピン２０ａの支持面Ｆ２１に半導体基板Ｗの端部を接触させることができる。
図示しないが、制御演算部６０は、半導体基板Ｗの端部を検出していないチャックピン２０ａのセンサ３０からの信号に応じて、半導体基板Ｗの端部を検出しているチャックピン２０ｂのセンサ（第２センサ）３０に対応するモータ５０をフィードバック制御し、チャックピン２０ｂを低下させてもよい。この場合、チャックピン２０ｂの低下に従って半導体基板Ｗが徐々に低下し、チャックピン２０ａのセンサ３０ａが半導体基板Ｗの端部を検出した時点またはその直後に、制御演算部６０はチャックピン２０ｂに対応するモータ５０の駆動を停止させる。これにより、チャックピン２０ｂ上にある半導体基板Ｗを浮かせることなく、チャックピン２０ａの支持面Ｆ２１に半導体基板Ｗの端部を接触させることができる。
次に、本実施形態による洗浄装置１を用いた洗浄方法を説明する。
図５は、本実施形態による洗浄方法の一例を示すフロー図である。
まず、チャンバ２内に半導体基板Ｗを搬入し、半導体基板Ｗをステージ１０の上方に載置する（Ｓ１０）。このとき、チャックピン２０は、ほぼ同じ高さに設定されており、半導体基板Ｗは、チャックピン２０上に載置される。
次に、各チャックピン２０においてセンサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出する（Ｓ２０）。半導体基板Ｗに反りがある場合、半導体基板Ｗの端部は、一部のチャックピン２０から浮いてしまう。この場合、後述のように、一部のチャックピン２０においてセンサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出することができない。
例えば、全てのチャックピン２０において、センサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出した場合（Ｓ３０のＹＥＳ）、制御演算部６０は、チャックピン２０の高さを変更することなく、半導体基板Ｗを回転させ洗浄処理を実行する（Ｓ４０）。このとき、全てのセンサ３０は、半導体基板Ｗの端部を検出しているので、第２支持部２２は、半導体基板Ｗの側面（ベベル部）を適切に保持（チャック）している。従って、そのまま洗浄処理を実行しても問題は生じないと考えられる。
一方、一部のチャックピン２０においてセンサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出していない場合（Ｓ３０のＮＯ）、その一部のチャックピン２０では、半導体基板Ｗの端部が浮いていると考えられる。従って、制御演算部６０は、センサ３０の信号を受けながら、モータ５０をフィードバック制御し、支持面Ｆ２１が半導体基板Ｗの端部に接触するようにチャックピン２０の高さを調節する（Ｓ５０）。
例えば、制御演算部６０は、半導体基板Ｗの端部を検出していないセンサ３０からの信号に応じて、それに対応するチャックピン２０を高くする。その後、センサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出した時点またはその直後に、制御演算部６０はモータ５０の駆動を停止させる。これにより、チャックピン２０の支持面Ｆ２１に半導体基板Ｗの端部を接触させることができる。
逆に、制御演算部６０は、半導体基板Ｗの端部を検出していないセンサ３０からの信号に応じて、半導体基板Ｗの端部を検出しているセンサ３０に対応するチャックピン２０を低下させてもよい。この場合、半導体基板Ｗの端部を検出しているセンサ３０を低下させるので、チャックピン２０の低下に従って半導体基板Ｗも徐々に低下する。そして、センサ３０が半導体基板Ｗの端部を検出した時点またはその直後に、制御演算部６０はモータ５０の駆動を停止させる。これにより、半導体基板Ｗの端部を検出していないチャックピン２０の支持面Ｆ２１に半導体基板Ｗの端部を接触させることができる。
ただし、チャックピン２０を低下させると、半導体基板Ｗの歪みによって、半導体基板Ｗがステージ１０の上面に接触するおそれがある。従って、制御演算部６０は、チャックピン２０の支持面Ｆ２１が充分に高い位置にある場合、あるいは、支持面Ｆ２１の高さが上限近傍であり、それ以上支持面Ｆ２１を上昇させることができない場合に、チャックピン２０を低下させるように制御することが好ましい。
このようにして全てのチャックピン２０の支持面Ｆ２１に半導体基板Ｗの端部を接触させた後（Ｓ３０のＹＥＳ）、洗浄装置１は、洗浄処理を実行する（Ｓ４０）。洗浄装置１は、洗浄処理中にステップＳ２０〜Ｓ５０を繰り返しながらリアルタイムでチャックピン２０の高さを調節する。
半導体基板Ｗの反りの原因は、半導体基板Ｗ上に成膜された材料からの応力によることが多い。従って、半導体基板Ｗ上の材料が洗浄またはエッチングにより除去されたり、あるいは、半導体基板Ｗ上に材料が成膜されることによって、半導体基板Ｗの反りは処理中に変化する場合がある。このような処理中における半導体基板Ｗの反りの変化に対応するために、制御演算部６０は、上述のように、半導体基板Ｗを処理前や処理中においてリアルタイムでモータ５０をフィードバック制御する。これにより、チャックピン２０の支持面Ｆ２１は、処理中においてもリアルタイムで半導体基板Ｗの端部に追従し、その端部を支持することができる。
制御演算部６０は、各チャックピン２０を個別に制御してもよい。しかし、制御演算部６０は、複数のチャックピン２０ごとに同じ制御を行ってもよい。例えば、制御演算部６０は、隣接する２つのチャックピン２０ごとに同時に同じ制御を行ってもよい。あるいは、制御演算部６０は、ステージ１０の上面の中心を挟んで対向している２つのチャックピン２０について同時に同じ制御を行ってもよい。半導体基板Ｗの反りは、ステージ１０の中心において略対称であることが多い。従って、このように隣接あるいは対向する複数のチャックピン２０を同時に同じだけ動作させることは有用である。
以上のように、本実施形態による洗浄装置１は、半導体基板Ｗの反り形状や反り量に関係なく、チャックピン２０で半導体基板Ｗを確実にチャックすることができる。また、チャックピン２０は、フィードバック制御によって洗浄処理中においてもリアルタイムで半導体基板Ｗの端部に追従して半導体基板Ｗを支持することができる。これにより、洗浄装置１は、半導体基板Ｗが反っていても、半導体基板Ｗを正常に回転させながら処理することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１ 洗浄装置、１０ ステージ、２０ チャックピン、２１ 第１支持部、２２ 第２支持部、２３ 昇降軸、３０ センサ、４０ 昇降機構、５０ モータ、６０ 制御演算部

Claims (8)

  1. 半導体基板を搭載し該半導体基板を回転可能とするステージと、
    前記ステージ上に設けられ、前記半導体基板の端部を保持する複数の保持部と、
    前記複数の保持部のそれぞれに設けられ、前記半導体基板の端部を検出する複数のセンサと、
    前記保持部の高さを変更可能な昇降機構と、
    前記複数のセンサが前記半導体基板の端部を検出するように、前記昇降機構を制御して前記保持部の高さを変更する制御部と、を備えている半導体処理装置。
  2. 前記複数の保持部は、
    前記半導体基板の端部を下方から支持する第１支持部と、
    前記半導体基板の端部を側方から支持する第２支持部とを備えている、請求項１に記載の半導体処理装置。
  3. 前記複数のセンサは、前記ステージが前記半導体基板を回転させている期間中に、前記半導体基板の端部を検出し、
    前記制御部は、前記ステージが前記半導体基板を回転させている期間中に、前記保持部の高さを変更する、請求項１または請求項２に記載の半導体処理装置。
  4. 前記複数のセンサは、光を放射し、前記半導体基板の端部に反射する反射光を検出する光学センサである、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体処理装置。
  5. 前記複数のセンサは、前記半導体基板の自重による圧力を検出する圧力センサである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体処理装置。
  6. 前記複数のセンサのうち第１センサが前記半導体基板の端部を検出していない場合、前記制御部は、前記複数のセンサのうち前記半導体基板の端部を検出している第２センサのある前記保持部を下方へ下降させる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体処理装置。
  7. 前記複数のセンサのうち第１センサが前記半導体基板の端部を検出していない場合、前記制御部は、前記第１センサのある前記保持部を上昇させる、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体処理装置。
  8. 半導体基板を搭載し該半導体基板を回転可能とするステージと、前記ステージ上に設けられ、前記半導体基板の端部を保持する複数の保持部と、前記複数の保持部のそれぞれに設けられ前記半導体基板の端部を検出する複数のセンサと、前記保持部の高さを変更可能な昇降機構と、前記昇降機構を制御して前記保持部の高さを変更する制御部と、を備えた半導体処理装置を用いた半導体処理方法であって、
    前記ステージに搭載された前記半導体基板の端部を前記複数のセンサにおいて検出し、
    前記複数のセンサが前記半導体基板の端部を検出するように、前記昇降機構を制御して前記保持部の高さを前記制御部によって変更することを具備する半導体処理方法。
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