JP2019197814A

JP2019197814A - 基板処理装置

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Publication number: JP2019197814A
Application number: JP2018090994A
Authority: JP
Inventors: 正幸房野; Masayuki Fusano
Original assignee: Jet Co Ltd
Current assignee: Jet Co Ltd
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-14

Abstract

【課題】気泡によるリン酸水溶液の撹拌を簡単な構成で行うことができる基板処理装置を提供する。【解決手段】槽本体１７に貯留された処理液に基板１１を浸漬する。槽本体１７の底面１７ａには、複数の発泡起点部３６からなる気泡発生部２５が設けられている。発泡起点部３６は、表面に処理液の沸騰による気泡の発生の起点となる凹凸が形成されている。槽本体１７に加熱された処理液が供給され、各発泡起点部３６を起点に沸騰が生じ、その沸騰による気泡が上昇して基板１１同士の間を上昇する。この気泡の上昇により、処理液が流動して撹拌される。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハなどの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は、処理槽に貯留したリン酸水溶液中に半導体ウエハ等の基板を浸漬し、基板の表面に形成されたシリコン窒化膜をウェットエッチングにより除去する工程が含まれる。このようなウェットエッチングを行う処理装置として、複数枚の基板を所定の間隔で保持した状態で処理槽内の処理液に浸漬してエッチング処理を行うバッチ式の基板処理装置が知られている。バッチ式の基板処理装置においては、基板表面に均一にリン酸水溶液が供給されるようにし、シリコン窒化膜のエッチング特性を均一にすることが求められている。一方、バッチ式の基板処理装置においては、装置の小型化のために、複数枚の基板を保持する際のピッチを小さくすることが求められている。リン酸水溶液は、粘度が高いため、基板を保持するピッチが小さくなると、複数枚の基板の間を処理液が流れにくくなり、基板表面への均一な処理液の供給が困難になる。

処理槽内のリン酸水溶液中に水蒸気と不活性ガスとの混合ガスを供給することにより発生する気泡でリン酸水溶液を撹拌する基板処理装置が特許文献１によって知られている。この特許文献１の基板処理装置は、リン酸水溶液を収容する処理槽と、水蒸気を供給する水蒸気供給機構と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構と、水蒸気と不活性ガスとを混合して混合気体を生成する混合機構と、水蒸気、不活性ガス、混合気体をそれぞれ加熱して最終的に混合気体を処理槽内のリン酸水溶液の沸点近くの温度まで加熱するヒータと、加熱された混合気体をリン酸水溶液中に吹き出して気泡を発生させる気泡発生器と、混合気体の湿度が目標湿度になるように調整する流量調整機構等とを備えている。

特開２０１８−５６２５８号公報

上記のように、外部からの混合気体をリン酸水溶液中に放出して気泡を発生する構成の基板処理装置では、混合気体を生成するための各機構、混合気体を加熱するためのヒータ、混合機構からリン酸水溶液中に配置される気泡発生器を接続するための配管等が必要である。このため、装置構成が複雑となって基板処理装置の大型化が避けられなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、気泡によるリン酸水溶液の撹拌を簡単な構成で行うことができる基板処理装置を提供することを目的とする。

本発明の基板処理装置は、加熱されたリン酸水溶液を含む処理液を貯留する処理槽と、前記処理槽内に配置され、複数の基板を起立させるとともに所定の間隔で配列させて前記処理液中に保持するホルダーと、前記処理槽内で前記複数の基板の下方に配置され、表面に前記処理液の沸騰による気泡の発生の起点となる凹凸を有する発泡起点部とを備えるものである。

本発明の基板処理装置によれば、処理槽内のリン酸水溶液を含む処理液の沸騰による気泡が発泡起点部を起点にして発生し処理液中を上昇して処理液を撹拌するので、気泡の発生の起点となる凹凸を有する発泡起点部を設けるという簡単な基板処理装置の構成で処理液を撹拌することができる。

基板処理装置の構成を示すブロック図である。槽本体とホルダーの構成を示す斜視図である。基板と発泡起点部の配置関係を示す説明図である。発泡起点部からの気泡が上昇する状態を示す説明図である。棒状部材に発泡起点部を設けた例を示す説明図である。ディンプル形状の発泡起点部を棒状部材に形成した例を示す説明図である。ディンプル形状の発泡起点部の内面の凹凸を示す説明図である。棒状部材に微細な穴を設けて発泡起点部とした例を示す説明図である。

図１において、基板処理装置１０は、基板１１に形成された薄膜を処理液１２によって除去するものである。この例においては、基板１１は、シリコンウエハ（半導体基板）であり、この基板１１の表面に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）とシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４膜）とのうちシリコン窒化膜を、処理液１２を用いて選択的に除去（エッチング）する除去処理を行う。処理液１２は、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）を純水（脱イオン水）に溶解したリン酸水溶液を加熱した熱リン酸である。

基板処理装置１０は、処理槽１４と循環機構１５とを有している。処理槽１４は、処理液１２が貯留される箱形状の槽本体１７と、この槽本体１７の外側に一体に設けられた外槽１８とを有している。基板処理装置１０は、バッチ式のものであり、槽本体１７内には、ホルダー２１に保持された複数枚の基板１１が配置され、それら基板１１が処理液１２に浸漬される。なお、図１では、図示の便宜上、十数枚の基板１１を描いてあるが、実際には５０枚程度の基板１１がホルダー２１に保持される。

ホルダー２１は、各基板１１をそれぞれ起立した姿勢、すなわち基板表面（表面、裏面）が上下方向に沿った向きに保持する。また、ホルダー２１は、複数枚の基板１１を、表面同士、裏面同士、あるいは表面と裏面とを対面させた状態でそれらを所定の間隔で配列させて保持する。この例では、ホルダー２１は、直径３００ｍｍ、厚みが０．７７５ｍｍの基板１１を５ｍｍの配列ピッチで保持する。したがって、基板１１同士の間隔は、４．２２５ｍｍである。ホルダー２１に保持されている状態で、基板１１に僅かな倒れが生じる場合があるので、基板１１同士の間隔は、実際にはより狭くなる部分もあり、基板１１の上端が接触することもある。

基板１１の配列ピッチは、限定されるものではないが、詳細を後述する気泡発生部２５を起点として発生される気泡で処理液１２を撹拌する手法は、３ｍｍ以上７ｍｍ以下の範囲内の配列ピッチに有用であり、３ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内の配列ピッチに特に有用である。基板１１の配列ピッチが５ｍｍ以下の場合に、基板１１同士の間隔が５ｍｍ以下になり、また基板１１同士の上端が接触して間隔が０ｍｍになる部分が生じることもある。このように基板１１同士の間隔がかなり狭くなる場合や一部が接触するような場合において、気泡発生部２５を起点として発生される気泡で処理液１２を撹拌する手法は、特に有用であって、３ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内の配列ピッチに特に適している。

ホルダー２１は、吊り下げられており、図１に示されるように、各基板１１を槽本体１７内の処理液１２に浸漬させた下降位置と、下降位置から上昇して処理液１２から基板１１を引き上げた上昇位置との間で移動自在である。

槽本体１７内には、下降位置のホルダー２１よりも下方に処理液１２を供給する供給パイプ２３と気泡発生部２５とが設けられている。供給パイプ２３は、基板１１が並ぶ配列方向（図中、Ｘ方向）に沿って延びており、その管壁には複数の吐出口２３ａが配列方向に所定の間隔をあけて設けられている。供給パイプ２３は、水平面内で配列方向と直交する幅方向（図２中のＹ方向）に間隔をあけて２本設けられている。この供給パイプ２３には、循環機構１５からの処理液１２が供給される。これにより、各吐出口２３ａを通して槽本体１７内に処理液１２が供給される。基板処理装置１０は、供給パイプ２３からの処理液１２の吐出による液流とともに、後述するように気泡発生部２５により発生される気泡を処理液１２の撹拌に利用している。なお、吐出口２３ａは、気泡発生部２５で発生される気泡が真上（垂直）に上昇するように、槽本体１７内の処理液１２の液流を形成する向きに調整されることが好ましい。

供給パイプ２３からの処理液１２の供給によって、槽本体１７の上部開口からオーバーフローする処理液１２は外槽１８に流れ込む。外槽１８には、循環機構１５が接続されている。循環機構１５は、外槽１８から排出される処理液１２を供給パイプ２３に向けて送る循環ポンプ２７、循環ポンプ２７と供給パイプ２３との間に設けられ処理液１２の温度を沸点以上に加熱するインラインヒータ２８、処理液１２中のパーティクル等を除去するフィルタ２９等で構成されている。この循環機構１５により、槽本体１７からオーバーフローした処理液１２が沸点以上に加熱されて供給パイプ２３を介して槽本体１７内に供給される。循環機構１５には、図示を省略するが、循環する処理液１２に純水を加える純水供給機構が設けられている。設定温度で処理液１２が沸騰するように、すなわち処理液１２の沸点が設定温度となるように、純水供給機構による処理液１２への純水の加水量が制御される。設定温度は、例えば１５０℃〜１６５℃の範囲内に設定される。処理液１２（リン酸水溶液）中のリン酸濃度は、例えば設定沸点が１５８℃である場合は、概ね８５％となる。上述の設定温度は一例であり、上記の温度範囲よりも高くても低くてもよい。なお、槽本体１７の外周面には、ヒータ（図示省略）が設けられており、槽本体１７内の処理液１２を沸点以上に保温する。処理液１２は、リン酸水溶液以外の成分を含んでよい。

図２において、ホルダー２１は、一対の支持板３１、ボトムバー３２及び一対のサイドバー３３を有する。一対の支持板３１は、ボトムバー３２と各サイドバー３３とによって配列方向に所定の間隔をあけて互いに対面した状態に連結されている。ボトムバー３２は、両端が各支持板３１の下端の中央にそれぞれ固定されている。また、一対のサイドバー３３は、それぞれボトムバー３２よりも上方で、それぞれの両端が各支持板３１に固定されている。サイドバー３３の幅方向の間隔は、基板１１の直径よりも狭い。ボトムバー３２と各サイドバー３３の上端には、基板１１の配列ピッチと同じピッチで複数の切欠き３２ａ、３３ａがそれぞれ設けられている。

上記のように構成されるホルダー２１は、ボトムバー３２の切欠き３２ａで基板１１の最下部のエッジを、また各サイドバー３３の切欠き３３ａで基板１１の下側半分の両側のエッジをそれぞれ部分的に支持する。これにより、ホルダー２１は、基板１１を３点で起立した姿勢に保持する。また、このように構成されるホルダー２１は、その底部が開口３４となっており、保持した基板１１同士の間及び基板１１と支持板３１との間への、下方からの処理液１２及び気泡の進入を阻害しない構成となっている。

気泡発生部２５は、処理液１２を撹拌するために設けられている。この気泡発生部２５は、処理液１２を沸点以上に加熱した際に気泡発生の起点となる複数の発泡起点部３６を有している。この例では、発泡起点部３６は、槽本体１７の底面１７ａに固着されており、供給パイプ２３よりも下側に配置されている。気泡発生部２５は、発泡起点部３６を起点として沸騰により生じる気泡を基板１１同士の間、基板１１と支持板３１との間に通す（上昇させる）ことで、それらの間の処理液１２を流動させる。

図３に上方から見た発泡起点部３６の配列の一例を模式的に示すように、基板１１同士の間、基板１１と支持板３１との間の直下に、それぞれ幅方向に沿って等間隔に複数（この例では５個）の発泡起点部３６が設けられている。なお、図３に示す発泡起点部３６の配列は、一例であり、それに限定されるものではない。また、図３では、供給パイプ２３やボトムバー３２、サイドバー３３の図示を省略している。

発泡起点部３６は、発泡起点部３６の大きさや、形状は、特に限定されないが、この例では円錐形状であり、発泡起点部３６の底面が槽本体１７の底面に固着してある。発泡起点部３６の表面には、処理液１２が沸騰した際に生じる気泡の核（発生起点）となる微細な凹凸が形成されている。すなわち、発泡起点部３６は、処理液１２の沸騰による気泡の発生の起点となるμｍオーダの凹凸を有する。発泡起点部３６の表面の凹凸は、発泡起点部３６を多孔質体とすることで形成されるもの、表面に傷を付けることで形成されるもの、発泡起点部３６の基体の表面に粒子を固着することで形成される凹凸、あるいは固着した粒子に形成した凹凸等であってよい。

気泡は、気泡内の蒸気圧が処理液１２の圧力より高くなったときに処理液１２内に存在できる。発泡起点部３６は、その表面の凹凸の凹部内の蒸気圧が処理液１２の圧力よりも高くなるような大きさの凹部または気泡発生の核となる気体を供給するための凹部を有するものであればよい。

この例のように、基板１１同士の間の直下に幅方向に沿って複数の発泡起点部３６を設ける場合では、発泡起点部３６は、上方から見たときに、一辺が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内の正方形の領域に入る大きさであることが好ましく、一辺が０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内の正方形の領域に入る大きさであることがより好ましい。また、この例のように凸状に発泡起点部３６を設ける場合に、その高さが０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内であることが好ましく、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内であることがより好ましい。

さらに、気泡の発生の起点となる凹凸は、処理液１２の沸騰による気泡の発生の起点となる形状、大きさであればとくに限定されないが、例えば気泡の発生の起点となる凹凸の凹部の深さ（凸部の高さ）は、１μｍから１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましく、１μｍから５００μｍ以下の範囲内であることがより好ましい。気泡の発生の起点となる凹凸の凹部の直径は、１μｍから１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましく、１μｍから５００μｍ以下の範囲内であることがより好ましい。また、気泡の発生の起点となる凹凸の凹部として貫通孔を形成してもよい。

なお、発泡起点部３６は、それにより局所的に処理液１２の流速が低くなる部分を作り出し、その部分にキャビテーションによる気泡を発生させるものであってもよい。

発泡起点部３６は、処理液１２に対して、耐エッチング性を有する材料で作製される。処理液１２である熱リン酸に対するこのような材料としては、石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を挙げることができ、耐エッチング性が高い点から炭化ケイ素が特に好ましい。発泡起点部３６は、その材料に応じた周知の手法で作製することができる。例えば、炭化ケイ素粉末を焼結する等の手法で炭化ケイ素からなる多孔質の発泡起点部３６を作製することができる。また、発泡起点部３６となる基体の表面をエッチング、サンドブラスト、ショットピーニング、レーザ照射等による粗面化して凹凸を形成したり、基体の表面に微細な粒子を溶着する等して凹凸を形成したりすることができる。さらに、発泡起点部３６を微粒子の集合体としてもよい。

発泡起点部３６を槽本体１７の底面１７ａに固着する手法は、処理液１２の種類、発泡起点部３６及び底面１７ａの材料等に応じた手法を用いることができ、例えば槽本体１７が石英であり、発泡起点部３６が炭化ケイ素や石英である場合には溶着で固定することができる。

次に上記構成の作用について説明する。シリコン窒化膜を除去する基板１１は、他の基板１１とともにホルダー２１に保持された状態で、槽本体１７内の処理液１２に浸漬される。槽本体１７内には、循環機構１５で沸点以上（この例では約１６０℃まで）に加熱された処理液１２が供給パイプ２３の吐出口２３ａを介して継続的に供給され、また槽本体１７の外周面に設けたヒータによって槽本体１７内の処理液１２が保温されている。これにより、槽本体１７内の処理液１２は沸点以上の温度を維持する。供給パイプ２３の吐出口２３ａを介して処理液１２が供給されることによって、槽本体１７内には処理液１２を撹拌する流れが形成される。

一方、気泡発生部２５の各発泡起点部３６には、その表面に沸騰による気泡の発生の起点となる凹凸が形成されている。そして、処理液１２が沸点以上になっているから、発泡起点部３６を起点として気泡が生じる。図４に示すように、その処理液１２の沸騰で生じる気泡３８は、処理液１２中を上昇し、基板１１同士の間を通って、処理液１２の水面に達して消滅する。同様に、基板１１と支持板３１との間にも、発泡起点部３６を起点として生じた気泡３８が通る。

ところで、基板１１同士の間隔、基板１１と支持板３１との間隔が狭く、また処理液１２としての熱リン酸は粘度が高いことから、吐出口２３ａからの処理液１２の吐出による撹拌のみでは、それらの間に十分かつ均一な処理液１２の流れが得られず、適正な撹拌とならない場合がある。処理液１２でシリコン窒化膜をウェットエッチングにより除去する際、シリコン窒化膜中のシリコン成分が処理液１２に溶出してシリカ（ケイ素化合物）として溶存する。基板１１同士の間での処理液１２の流れが不十分、不均一であると、処理液１２のシリカ濃度の上昇によるエッチングレートの低下、局所的なシリカ濃度の上昇によるエッチング均一性の低下を招く。

しかしながら、基板処理装置１０では、基板１１同士の間、基板１１と支持板３１との間では、それらの間を気泡が上昇していくことにより、気泡の上側の処理液１２が気泡で押しのけられ、気泡の下側では周囲からの処理液１２が巻き込まれるように引き寄せられる。これにより、基板１１同士の間、基板１１と支持板３１との間についても、十分かつ均一な処理液１２の流れとなるように、処理液１２が撹拌される。基板１１の配列ピッチが３ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内とされて、基板１１同士の間隔がかなり狭くなっている場合や基板１１同士の上端が接触しているような場合であっても、基板１１同士の間における処理液１２が十分かつ均一な流れとなるように撹拌される。この結果、所期のエッチングレートが得られ、また良好なエッチング均一性が得られる。

しかも、基板処理装置１０は、発泡起点部３６を設けることにより、処理液１２を撹拌するための気泡を発生させることができるという簡単な構成である。このような構成は、槽本体１７外に設ける外部機構、この外部機構と槽本体１７内の機構とを接続する配管等が不要であるので、基板処理装置１０の小型化、メンテナンス等に有利である。

上記の例における気泡発生部の構成は一例であり、これに限定されない。例えば、図５に示す気泡発生部２５は、複数本の棒状部材４１のそれぞれに複数の発泡起点部３６を固着した構成である。複数の棒状部材４１は、互いに平行にとなるように、それらの両端がそれぞれ連結部材４２に連結されて一体化されている。このように連結部材４２で連結された複数の棒状部材４１は、その軸心を基板１１の配列方向に平行とし、幅方向に並ぶ向きで槽本体１７内に配置される。

各棒状部材４１の周面の上側の部分には、軸心に沿って複数の発泡起点部３６が所定の間隔で並べて固着されている。棒状部材４１は、その断面形状が処理液１２の流れを妨げないような形状、この例では直径が５ｍｍの円形である。また、棒状部材４１及び連結部材４２は、発泡起点部３６と同様に、処理液１２に対して、耐エッチング性を有する材料で作製される。このように構成される気泡発生部２５は、槽本体１７の底面１７ａと基板１１との間の任意の位置に配置することができる。

図５の例では、発泡起点部３６を設けた棒状部材４１を連結部材４２で連結して、槽本体内に配置する構成であるが、発泡起点部３６を設けた棒状部材４１をホルダーの一対の支持板に固定した構成としてもよい。すなわち、ホルダーに保持された基板の下方で各棒状部材４１がホルダーの一対の支持板の間に掛け渡されるように、各棒状部材４１の両端をそれぞれ支持板の下部に固定してもよい。

また、図６に示すように、発泡起点部４３をディンプル（窪み）形状としてもよい。この場合には、ディンプル形状とされた発泡起点部４３の内面を、図７に示すように、粗面なものとして沸騰による気泡の発生の起点となる凹凸を形成する。図６、図７の例では、ディンプル形状の発泡起点部４３を棒状部材４１に形成しているが、槽本体の底面にディンプル（窪み）形状の発泡起点部４３を形成してもよい。

上記の例では、基板同士の間、基板と支持板との間の直下に発泡起点部を設け、沸騰による気泡をそれらの間を通すようにしているが、基板の直下から気泡が上昇しても、気泡の進路が変わったり、気泡が基板の下端で分割されたりすることによって、基板同士の間、基板と支持板との間に気泡を通すことができる。このため、基板同士の間、基板と支持板との間の直下から発泡起点部が配列方向にずれていてもよく、発泡起点部が配列方向に一様に設けられてもよい。

図８の気泡発生部２５では、発泡起点部として複数の棒状部材４５を設けている。各棒状部材４５は、図５の例の棒状部材４１と同様に連結部材４２で連結されて、槽本体内に配置される。棒状部材４５の周面の上側の部分には、複数の微細な穴４６が設けられており、穴４６は棒状部材４５の軸心に沿って一様に設けられている。これにより、棒状部材４５の周面の上側の部分に沸騰による気泡の発生の起点となる凹凸が形成されている。穴４６の直径、深さは、発泡起点部３６（図２参照）の凹凸の凹部と同じ範囲とするのがよい。

なお、この例では、棒状部材４５に穴４６を設けることによって、気泡の発生の起点となる凹凸を形成しているが、穴４６に代えて微細な粒子を棒状部材４５の表面に固着することで、気泡の発生の起点となる凹凸を形成してもよい。もちろん、槽本体の底面に穴を設けあるいは微細な粒子を固着することで、その底面（底板）を発泡起点部とすることができる。

１０基板処理装置
１１基板
１２処理液
１４処理槽
２１ホルダー
２５気泡発生部
３６、４３発泡起点部
４１、４５棒状部材
４３発泡起点部

Claims

加熱されたリン酸水溶液を含む処理液を貯留する処理槽と、
前記処理槽内に配置され、複数の基板を起立させるとともに所定の間隔で配列させて前記処理液中に保持するホルダーと、
前記処理槽内で前記複数の基板の下方に配置され、表面に前記処理液の沸騰による気泡の発生の起点となる凹凸を有する発泡起点部と
を備えることを特徴とする基板処理装置。
前記発泡起点部は、複数設けられており、前記基板同士の間の直下にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
前記発泡起点部は、前記複数の基板の配列方向と直交する幅方向に沿って複数配列されていることを特徴とする請求項２に記載の基板処理装置。
前記配列方向に延び前記幅方向に所定の間隔で配列された複数の棒状部材を備え、
前記発泡起点部は、前記複数の棒状部材に設けられている
ことを特徴とする請求項３に記載の基板処理装置。
前記発泡起点部は、表面に前記凹凸が形成されるとともに、前記複数の基板の配列方向に延びた棒状部材であり、
複数の前記棒状部材が前記配列方向と直交する幅方向に所定の間隔で配列されていることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。