JP2022103636A - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内で基板を処理流体によって処理する基板処理技術において、チャンバ内を超臨界処理に適した温度に維持しつつ、乱流の原因となる処理流体の温度変化を抑制し、基板に対する超臨界処理を良好に行うことのできる技術を提供する。【解決手段】チャンバ内の処理空間で、超臨界状態の処理流体により基板を処理する基板処理装置および方法において、チャンバ内で基板よりも下方に、チャンバ内を加熱するヒータを配置し、処理空間に基板を搬入するとともにヒータによる加熱を行い、処理流体を処理空間に供給して、処理空間を超臨界状態の処理流体により満たした後、処理流体を処理空間から排出する。処理空間に超臨界状態の処理流体が導入される時から所定の期間については加熱を停止する。【選択図】図４

Description

この発明は、チャンバ内で基板を処理流体によって処理する基板処理装置に関するものである。

半導体基板、表示装置用ガラス基板等の各種基板の処理工程には、基板の表面を各種の処理流体によって処理するものが含まれる。処理流体として薬液やリンス液などの液体を用いる処理は従来から広く行われているが、近年では超臨界流体を用いた処理も実用化されている。特に、表面に微細パターンが形成された基板の処理においては、液体に比べて表面張力が低い超臨界流体はパターンの隙間の奥まで入り込むため効率よく処理を行うことが可能であり、また乾燥時において表面張力に起因するパターン倒壊の発生リスクを低減することができる。

例えば特許文献１には、超臨界流体を用いて基板の乾燥処理を行う基板処理装置が記載されている。この装置では、２つの板状部材が対向配置されて、その隙間が処理空間として機能する処理容器が構成されている。処理空間の一方端部から薄板状の保持板に載置されたウエハ（基板）が搬入され、他方端部から超臨界状態の二酸化炭素が導入される。

この従来技術においては、チャンバの上下壁面にヒータが取り付けられている。ヒータ加熱によりチャンバの温度を一定に、例えば処理流体の臨界温度よりも高温に維持しておくことにより、チャンバ内に導入される処理流体を超臨界状態に転換させ、またその状態を安定的に維持することが可能である。

特開２０１８－０８２０４３号公報（例えば、図３）

上記従来技術では、チャンバ内での処理流体がどのように流れるかについては詳しく言及されていない。しかしながら、本願発明者らの知見によれば、チャンバ内での処理流体の流れ方が、処理結果の良否、つまり処理後の基板の清浄度に影響を及ぼしていることがわかった。すなわち、チャンバ内での処理流体の流れに乱れがあると、例えば超臨界流体の置換作用により基板から遊離した残留液体が基板に再付着し、基板を汚染するおそれがある。

このような乱流は、チャンバ内における処理流体の温度ムラによっても生じ得る。というのは、超臨界状態の流体は温度に対する密度の変化が大きいため、温度ムラによって対流が発生しやすいからである。このことから、特に処理流体に直接接触するチャンバ内の部位については、処理流体に温度ムラを生じさせるような加熱源とならないことが望ましい。しかしながら、上記従来技術では熱容量の大きいチャンバ全体を加熱しており、そのような細かい温度管理の要求に応えるものとはなっていなかった。

このように、超臨界処理用のチャンバにおいては、チャンバ内を超臨界処理に適した温度に維持しておくことが望まれる一方で、超臨界状態の処理流体に対し乱流の原因となるような温度変化を回避しなければならないという相反する要求がある。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、チャンバ内で基板を処理流体によって処理する基板処理技術において、チャンバ内を超臨界処理に適した温度に維持しつつ、乱流の原因となる処理流体の温度変化を抑制し、基板に対する超臨界処理を良好に行うことのできる技術を提供することを目的とする。

この発明の一の態様は、超臨界状態の処理流体により基板を処理する基板処理装置であって、上記目的を達成するため、前記基板を収容可能な処理空間を内部に有するチャンバと、前記処理空間に対し前記処理流体の供給および排出を行う給排部と、前記チャンバ内で前記基板よりも下方に配置されて、前記チャンバ内を加熱するヒータと、前記ヒータを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記処理空間に超臨界状態の前記処理流体が導入される時から所定の期間については前記ヒータによる加熱を停止させる。

また、この発明の一の態様は、チャンバ内の処理空間で、超臨界状態の処理流体により基板を処理する基板処理方法であって、上記目的を達成するため、前記チャンバ内で前記基板よりも下方に、前記チャンバ内を加熱するヒータを配置し、前記処理空間に前記基板を搬入するとともに前記ヒータによる加熱を行い、前記処理流体を前記処理空間に供給して、前記処理空間を超臨界状態の前記処理流体により満たした後、前記処理流体を前記処理空間から排出し、前記処理空間に超臨界状態の前記処理流体が導入される時から所定の期間については前記加熱を停止する。

このように構成された発明では、チャンバ内にヒータを配置し加熱を行うことによって、チャンバ内を超臨界処理に適した温度に維持することが可能である。一方、チャンバ内に超臨界状態の処理流体が導入される際にはヒータによる加熱が停止されている。このため、導入された処理流体がヒータからの加熱によって温められることは回避される。特にチャンバ内に収容された基板よりも下方にヒータが配置される場合、基板の下方側で温められて低密度となった処理流体が上方に向かう対流が、乱流の原因となる。このような乱流の発生は、ヒータ加熱を停止することによって抑制することが可能である。

超臨界処理は、例えば基板に付着した液体を超臨界状態の処理流体により置換し基板から除去する目的で実行される。基板から離脱した液体が再付着するのを防止するための乱流の抑制作用は、超臨界状態の処理流体による液体の置換が開始されてから完了するまでの間、持続すればよい。すなわち、少なくとも処理流体がチャンバに導入される時から処理が完了したと見なせるまでの所定期間、ヒータ加熱が停止された状態が継続されればよい。

上記のように、本発明では、チャンバ内で基板の下方に配置されたヒータによりチャンバ内を加熱することで、チャンバ内を超臨界処理に適した温度に維持しておくことができる。一方、超臨界状態の処理流体による処理が行われる際にはヒータの加熱が停止されるので、チャンバ内で処理流体が加熱されて対流が発生し、基板が汚染されるのを未然に防止することができる。このため、基板を良好に処理することが可能である。

本発明に係る基板処理方法を実行可能な基板処理装置を示す図である。 基板処理装置により実行される処理の概要を示すフローチャートである。 超臨界処理における相変化を示す相図である。 超臨界処理における各部の状態変化を示すタイミングチャートである。 処理チャンバ内での処理流体の流れを模式的に示す図である。 ヒータの他の配置の例を示す図である。

図１は本発明に係る基板処理方法を実行可能な、基板処理装置の概略構成を示す図である。この基板処理装置１は、例えば半導体基板のような各種基板の表面を、超臨界流体を用いて処理するための装置である。以下の説明において方向を統一的に示すために、図１に示すようにＸＹＺ直交座標系を設定する。ここで、ＸＹ平面は水平面であり、Ｚ方向は鉛直方向を表す。より具体的には、（－Ｚ）方向が鉛直下向きを表す。

本実施形態における「基板」としては、半導体ウエハ、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などの各種基板を適用可能である。以下では主として円盤状の半導体ウエハの処理に用いられる基板処理装置を例に採って図面を参照して説明する。しかしながら、上に例示した各種の基板の処理にも同様に適用可能である。また基板の形状についても各種のものを適用可能である。

基板処理装置１は、処理ユニット１０、移載ユニット３０、供給ユニット５０および制御ユニット９０を備えている。処理ユニット１０は、超臨界乾燥処理の実行主体となるものである。移載ユニット３０は、図示しない外部の搬送装置により搬送されてくる未処理基板Ｓを受け取って処理ユニット１０に搬入し、また処理後の基板Ｓを処理ユニット１０から外部の搬送装置に受け渡す。供給ユニット５０は、処理に必要な化学物質、動力およびエネルギー等を、処理ユニット１０および移載ユニット３０に供給する。

制御ユニット９０は、これら装置の各部を制御して所定の処理を実現する。この目的のために、制御ユニット９０は、ＣＰＵ９１、メモリ９２、ストレージ９３、およびインターフェース９４などを備えている。ＣＰＵ９１は、各種の制御プログラムを実行する。メモリ９２は、処理データを一時的に記憶する。ストレージ９３は、ＣＰＵ９１が実行する制御プログラムを記憶する。インターフェース９４は、ユーザや外部装置と情報交換を行う。後述する装置の動作は、ＣＰＵ９１が予めストレージ９３に書き込まれた制御プログラムを実行し、装置各部に所定の動作を行わせることにより実現される。

処理ユニット１０は、台座１１の上に処理チャンバ１２が取り付けられた構造を有している。処理チャンバ１２は、いくつかの金属ブロックの組み合わせにより構成され、その内部が空洞となって処理空間ＳＰを構成している。処理対象の基板Ｓは処理空間ＳＰ内に搬入されて処理を受ける。処理チャンバ１２の（－Ｙ）側側面には、Ｘ方向に細長く延びるスリット状の開口１２１が形成されている。開口１２１を介して、処理空間ＳＰと外部空間とが連通している。処理空間ＳＰの断面形状は、開口１２１の開口形状と概ね同じである。すなわち、処理空間ＳＰはＸ方向に長くＺ方向に短い断面形状を有し、Ｙ方向に延びる空洞である。

処理チャンバ１２の（－Ｙ）側側面には、開口１２１を閉塞するように蓋部材１３が設けられている。蓋部材１３が処理チャンバ１２の開口１２１を閉塞することにより、気密性の処理容器が構成される。これにより、内部の処理空間ＳＰで基板Ｓに対する高圧下での処理が可能となる。蓋部材１３の（＋Ｙ）側側面には平板状の支持トレイ１５が水平姿勢で取り付けられている。支持トレイ１５の上面１５１は、基板Ｓを載置可能な支持面となっている。蓋部材１３は図示を省略する支持機構により、Ｙ方向に水平移動自在に支持されている。

蓋部材１３は、供給ユニット５０に設けられた進退機構５３により、処理チャンバ１２に対して進退移動可能となっている。具体的には、進退機構５３は、例えばリニアモータ、直動ガイド、ボールねじ機構、ソレノイド、エアシリンダ等の直動機構を有している。このような直動機構が蓋部材１３をＹ方向に移動させる。進退機構５３は制御ユニット９０からの制御指令に応じて動作する。

蓋部材１３が（－Ｙ）方向に移動することにより処理チャンバ１２から離間し、点線で示すように支持トレイ１５が処理空間ＳＰから開口１２１を介して外部へ引き出されると、支持トレイ１５へのアクセスが可能となる。すなわち、支持トレイ１５への基板Ｓの載置、および支持トレイ１５に載置されている基板Ｓの取り出しが可能となる。一方、蓋部材１３が（＋Ｙ）方向に移動することにより、支持トレイ１５は処理空間ＳＰ内へ収容される。支持トレイ１５に基板Ｓが載置されている場合、基板Ｓは支持トレイ１５とともに処理空間ＳＰに搬入される。

蓋部材１３が（＋Ｙ）方向に移動し開口１２１を塞ぐことにより、処理空間ＳＰが密閉される。蓋部材１３の（＋Ｙ）側側面と処理チャンバ１２の（－Ｙ）側側面との間にはシール部材１２２が設けられ、処理空間ＳＰの気密状態が保持される。シール部材１２２は例えばゴム製である。また、図示しないロック機構により、蓋部材１３は処理チャンバ１２に対して固定される。このように、この実施形態では、蓋部材１３は、開口１２１を閉塞して処理空間ＳＰを密閉する閉塞状態（実線）と、開口１２１から大きく離間して基板Ｓの出し入れが可能となる離間状態（点線）との間で切り替えられる。

処理空間ＳＰの気密状態が確保された状態で、処理空間ＳＰ内で基板Ｓに対する処理が実行される。この実施形態では、供給ユニット５０に設けられた流体供給部５７から、処理流体として、超臨界処理に利用可能な物質の処理流体、例えば二酸化炭素が送出される。処理流体は、気体、液体または超臨界の状態で処理ユニット１０に供給される。二酸化炭素は、比較的低温、低圧で超臨界状態となり、また基板処理に多用される有機溶剤をよく溶かす性質を有するという点で、超臨界乾燥処理に好適な化学物質である。二酸化炭素が超臨界状態となる臨界点は、気圧（臨界圧力）が７．３８ＭＰａ、温度（臨界温度）が３１．１℃である。

処理流体は処理空間ＳＰに充填され、処理空間ＳＰ内が適当な温度および圧力に到達すると、処理空間ＳＰは超臨界状態の処理流体で満たされる。こうして基板Ｓが処理チャンバ１２内で超臨界流体により処理される。供給ユニット５０には流体回収部５５が設けられており、処理後の流体は流体回収部５５により回収される。流体供給部５７および流体回収部５５は、制御ユニット９０により制御されている。

超臨界状態の処理流体が処理チャンバ１２内で冷やされて相変化するのを防止するため、処理チャンバＳＰ内部には適宜の熱源が設けられることが好ましい。特に基板Ｓの周辺で意図せぬ相変化が生じるのを防止するために、この実施形態では、支持トレイ１５にヒータ１５５が内蔵されている。ヒータ１５５は供給ユニット５０の温度調整部５９によって温度制御されている。

温度調整部５９は制御ユニット９０からの制御指令に応じて作動し、ヒータ１５５に電力を供給して発熱させる。ヒータ１５５が発熱して支持トレイ１５を加熱し、支持トレイ１５からの輻射熱によって処理空間ＳＰの内壁面が温められる。温度調整部５９はさらに、流体供給部５７から供給される処理流体の温度を制御する機能も有している。

処理空間ＳＰは、支持トレイ１５およびこれに支持される基板Ｓを受け入れ可能な形状および容積を有している。すなわち、処理空間ＳＰは、水平方向には支持トレイ１５の幅よりも広く、鉛直方向には支持トレイ１５と基板Ｓとを合わせた高さよりも大きい概略矩形の断面形状と、支持トレイ１５を受け入れ可能な奥行きとを有している。このように処理空間ＳＰは支持トレイ１５および基板Ｓを受け入れるだけの形状および容積を有している。ただし、支持トレイ１５および基板Ｓと、処理空間ＳＰの内壁面との間の隙間は僅かである。したがって、処理空間ＳＰを充填するために必要な処理流体の量は比較的少なくて済む。

支持トレイ１５が処理空間ＳＰに収容された状態では、処理空間ＳＰは支持トレイ１５の上方の空間と下方の空間とに大きく二分される。支持トレイ１５に基板Ｓが載置されている場合には、処理空間ＳＰは、基板Ｓの上面よりも上方の空間と、支持トレイ１５の下面よりも下方の空間とに区分されることになる。

流体供給部５７は、基板Ｓの（＋Ｙ）側端部よりもさらに（＋Ｙ）側で、処理空間ＳＰのうち基板Ｓよりも上方の空間と、支持トレイ１５よりも下方の空間とのそれぞれに対して処理流体を供給する。一方、流体回収部５５は、基板Ｓの（－Ｙ）側端部よりもさらに（－Ｙ）側で、処理空間ＳＰのうち基板Ｓよりも上方の空間と、支持トレイ１５よりも下方の空間とからそれぞれ処理流体を排出する。これにより、処理空間ＳＰ内では、基板Ｓの上方と支持トレイ１５の下方とのそれぞれに、（＋Ｙ）側から（－Ｙ）側に向かう処理流体の層流が形成されることになる。

移載ユニット３０は、外部の搬送装置と支持トレイ１５との間における基板Ｓの受け渡しを担う。この目的のために、移載ユニット３０は、本体３１と、昇降部材３３と、ベース部材３５と、複数のリフトピン３７とを備えている。昇降部材３３はＺ方向に延びる柱状の部材であり、図示しない支持機構により、本体３１に対してＺ方向に移動自在に支持されている。昇降部材３３の上部には、略水平の上面を有するベース部材３５が取り付けられている。ベース部材３５の上面から上向きに、複数のリフトピン３７が立設されている。リフトピン３７の各々は、その上端部が基板Ｓの下面に当接することで基板Ｓを下方から水平姿勢に支持する。基板Ｓを水平姿勢で安定的に支持するために、上端部の高さが互いに等しい３以上のリフトピン３７が設けられることが望ましい。

昇降部材３３は、供給ユニット５０に設けられた昇降機構５１により昇降移動可能となっている。具体的には、昇降機構５１は、例えばリニアモータ、直動ガイド、ボールねじ機構、ソレノイド、エアシリンダ等の直動機構を有しており、このような直動機構が昇降部材３３をＺ方向に移動させる。昇降機構５１は制御ユニット９０からの制御指令に応じて動作する。

昇降部材３３の昇降によりベース部材３５が上下動し、これと一体的に複数のリフトピン３７が上下動する。これにより、移載ユニット３０と支持トレイ１５との間での基板Ｓの受け渡しが実現される。より具体的には、図１に点線で示すように、支持トレイ１５がチャンバ外へ引き出された状態で基板Ｓが受け渡される。この目的のために、支持トレイ１５にはリフトピン３７を挿通させるための貫通孔１５２が設けられている。ベース部材３５が上昇すると、リフトピン３７の上端は貫通孔１５２を通して支持トレイ１５の支持面１５１よりも上方に到達する。この状態で、外部の搬送装置により搬送されてくる基板Ｓが、リフトピン３７に受け渡される。リフトピン３７が下降することにより、基板Ｓはリフトピン３７から支持トレイ１５へ受け渡される。基板Ｓの搬出は、上記と逆の手順により行うことができる。

図２はこの基板処理装置により実行される処理の概要を示すフローチャートである。この基板処理装置１は、超臨界乾燥処理、すなわち前工程において洗浄液により洗浄された基板Ｓを乾燥させる処理を実行する。具体的には以下の通りである。処理対象の基板Ｓは、基板処理システムを構成する他の基板処理装置で実行される前工程において、洗浄液により洗浄される。その後、例えばイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの有機溶剤による液膜が表面に形成された状態で、基板Ｓは基板処理装置１に搬送される。

例えば基板Ｓの表面に微細パターンが形成されている場合、基板Ｓに残留付着している液体の表面張力によってパターンの倒壊が生じるおそれがある。また、不完全な乾燥によって基板Ｓの表面にウォーターマークが残留する場合がある。また、基板Ｓ表面が外気に触れることで酸化等の変質を生じる場合がある。このような問題を未然に回避するために、基板Ｓの表面（パターン形成面）を、液体または固体の表面層で覆った状態で搬送することがある。

例えば洗浄液が水を主成分とするものである場合には、これより表面張力が低く、かつ基板に対する腐食性が低い液体、例えばＩＰＡやアセトン等の有機溶剤により液膜を形成した状態で、搬送が実行される。すなわち、基板Ｓは、水平状態に支持され、かつその上面に液膜が形成された状態で、基板処理装置１に搬送されてくる。

図示しない搬送装置により搬送されてきた基板Ｓは処理チャンバ１２に収容される（ステップＳ１０１）。具体的には、基板Ｓは、パターン形成面を上面にして、しかも該上面が薄い液膜に覆われた状態で搬送されてくる。図１に点線で示すように、蓋部材１３が（－Ｙ）側へ移動し支持トレイ１５が引き出された状態で、リフトピン３７が上昇する。搬送装置は基板Ｓをリフトピン３７へ受け渡す。リフトピン３７が下降することで、基板Ｓは支持トレイ１５に載置される。支持トレイ１５および蓋部材１３が一体的に（＋Ｙ）方向に移動すると、基板Ｓを支持する支持トレイ１５が処理チャンバ１２内の処理空間ＳＰに収容されるとともに、開口１２１が蓋部材１３により閉塞される。

この状態で、処理流体としての二酸化炭素が、気相の状態で処理空間ＳＰに導入される（ステップＳ１０２）。基板Ｓの搬入時に処理空間ＳＰには外気が侵入するが、気相の処理流体を導入することで、これを置換することができる。さらに気相の処理流体を注入することで、処理チャンバ１２内の圧力が上昇する。

なお、処理流体の導入過程において、処理空間ＳＰからの処理流体の排出は継続的に行われる。すなわち、流体供給部５７により処理流体が導入されている間にも、流体回収部５５による処理空間ＳＰからの処理流体の排出が実行されている。これにより、処理に供された処理流体が処理空間ＳＰに対流することなく排出され、処理流体中に取り込まれた残留液体などの不純物が基板Ｓに再付着することが防止される。

処理流体の供給量が排出量よりも多ければ、処理空間ＳＰにおける処理流体の密度が上昇しチャンバ内圧が上昇する。逆に、処理流体の供給量が排出量よりも少なければ、処理空間ＳＰにおける処理流体の密度は低下しチャンバ内は減圧される。

処理空間ＳＰ内で処理流体の圧力が上昇し臨界圧力を超過すると、処理流体はチャンバ内で超臨界状態となる。すなわち、処理空間ＳＰ内での相変化により、処理流体が気相から超臨界状態に遷移する。なお、超臨界状態の処理流体は外部から供給されてもよい。処理空間ＳＰが超臨界流体で満たされた状態が所定時間維持されることで（ステップＳ１０３）、基板Ｓに付着する液体成分（ＩＰＡ）を流体中に溶け込ませて基板Ｓから離脱させることができる。この「所定時間」は、基板Ｓに付着した液体成分を処理流体により確実に置換しチャンバ外へ排出するために必要な時間として予め設定される。基板Ｓから離脱した液体成分は、処理流体とともにチャンバ外へ排出される。こうして基板Ｓに残留する液体成分は完全に除去される。

次に、処理空間ＳＰ内の処理流体を排出して基板Ｓを乾燥させる。具体的には、処理空間ＳＰからの流体の排出量を増大させることで、超臨界状態の処理流体で満たされた処理チャンバ１２内を減圧する（ステップＳ１０４）。このとき処理流体の供給は停止されてもよく、また少量の処理流体が継続して供給される態様でもよい。処理空間ＳＰが超臨界流体で満たされた状態から減圧されることで、処理流体は超臨界状態から相変化して気相となる。気化した処理流体を外部へ排出することで、基板Ｓは乾燥状態となる。このとき、急激な温度低下により固相および液相を生じることがないように、減圧速度が調整される。これにより、処理空間ＳＰ内の処理流体は、超臨界状態から直接気化して外部へ排出される。したがって、乾燥後の表面が露出した基板Ｓに気液界面が形成されることは回避される。

このように、この実施形態の超臨界乾燥処理では、処理空間ＳＰを超臨界状態の処理流体で満たした後、気相に相変化させて排出することにより、基板Ｓに付着する液体を効率よく置換し、基板Ｓへの残留を防止することができる。しかも、不純物の付着による基板の汚染やパターン倒壊等、気液界面の形成に起因して生じる問題を回避しつつ基板を乾燥させることができる。

処理後の基板Ｓは後工程へ払い出される（ステップＳ１０５）。すなわち、蓋部材１３が（－Ｙ）方向へ移動することで支持トレイ１５が処理チャンバ１２から外部へ引き出され、移載ユニット３０を介して外部の搬送装置へ基板Ｓが受け渡される。このとき、基板Ｓは乾燥した状態となっている。後工程の内容は任意である。次に処理すべき基板がなければ（ステップＳ１０６においてＮＯ）、処理は終了する。他に処理対象基板がある場合には（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、ステップＳ１０１に戻って新たな基板Ｓが受け入れられ、上記処理が繰り返される。

１枚の基板Ｓに対する処理の終了後、引き続き次の基板Ｓの処理が行われる場合には、以下のようにすることでタクトタイムを短縮することができる。すなわち、支持トレイ１５が引き出されて処理済みの基板Ｓが搬出された後、新たに未処理基板Ｓが載置されてから支持トレイ１５を処理チャンバ１２内に収容する。また、こうして蓋部材１３の開閉回数を低減させることにより、外気の進入に起因する処理チャンバ１２内の温度変化を抑制する効果も得られる。

例えば液体を置換する目的で超臨界流体が用いられる場合には、超臨界流体の密度が高いほど置換効率が高い。超臨界流体は温度による密度変化が大きく、具体的には温度が高いほど密度が小さくなる。したがって、高密度の超臨界流体を得るには温度は低い方が好ましい。この意味では臨界温度に近い温度であることが望ましいが、僅かな温度変化で気相や液相に相転移しまう。そのため、処理チャンバ１２内の温度はできるだけ一定していることが望ましい。特に超臨界流体が二酸化炭素である場合、臨界温度が常温に近い温度（約３１℃）であるため、外気の影響による温度変化が処理の安定性を損なうおそれがある。

この問題を回避し処理チャンバ１２内の温度を安定化させるために、この実施形態の基板処理装置１では、支持トレイ１５に処理チャンバ１２内を温めるためのヒータ１５５が内蔵されている。しかしながら、導入される処理流体の温度と支持トレイ１５の温度とは完全に同じとはならず、また処理時の圧縮、膨張により処理流体自体の温度も変動する。さらに、蓋部材１３の開閉の度に外気が進入することによる温度変化もあり、処理チャンバ１２内の温度を一定に保持することは容易でない。以下、本実施形態における処理チャンバ１２内の温度管理について説明する。

図３は超臨界処理における相変化を示す相図である。超臨界処理を行うべくチャンバ内を超臨界流体で満たすのに際しては、予め超臨界状態とした処理流体を処理チャンバに導入してもよい。ただし、前述のように超臨界流体は温度や圧力の変化による密度変化が大きいから、より取り扱いの容易な液相、気相での導入が現実的である。すなわち、気相または液相で処理流体を導入し、チャンバ内で超臨界状態に相転移させる。この場合、図３に矢印ａ～ｄで示すように、処理流体の圧力および温度変化の態様としては種々のものが考えられる。

図において白丸印は本実施形態の処理流体である二酸化炭素の臨界点を表している。符号Ｐｃ、Ｔｃはそれぞれ臨界圧力および臨界温度を表す。また、点Ｐは超臨界処理において目標とする圧力および温度を示す点である。処理効率の観点からは、点Ｐは臨界点（白丸印）に近いことが好ましい。

矢印ａ、ｂは液相の処理流体を導入するケースに対応する。より具体的には、矢印ａは、臨界圧力Ｐｃよりも高圧で臨界温度Ｔｃよりも低温の液状の処理流体をチャンバ内で加熱することで超臨界状態に転移させるケースを示す。また、矢印ｂは、臨界圧力Ｐｃよりも低圧で臨界温度Ｔｃよりも低温の液状の処理流体をチャンバ内で加圧および加熱することで超臨界状態に転移させるケースを示す。いずれの場合においても、気相への相転移が生じないように圧力および温度が制御される。

また、矢印ｃ、ｄは気相の処理流体を導入するケースに対応する。より具体的には、矢印ｃは、臨界圧力Ｐｃよりも低圧で臨界温度Ｔｃよりも低温の気体状の処理流体をチャンバ内で加圧および加熱することで超臨界状態に転移させるケースを示す。また、矢印ｄは、臨界圧力Ｐｃよりも低圧で臨界温度Ｔｃよりも高温の気体状の処理流体をチャンバ内で加圧することで超臨界状態に転移させるケースを示す。いずれの場合においても、液相への相転移が生じないように圧力および温度が制御される。

これらのいずれに態様によっても、導入された処理流体を臨界圧力Ｐｃよりも高圧かつ臨界温度Ｔｃよりも高温の超臨界状態（点Ｐ）に至らせることが可能である。一方、超臨界処理の終了時には、破線矢印で示すように、チャンバ内を減圧して処理流体を超臨界状態から気相に変化させることで、基板を乾燥させて取り出すことが可能になる。超臨界状態から液相を経由することなく気相に相転移させることで、乾燥後の基板表面に気液界面が触れることによるパターン倒壊は防止される。

図４は本実施形態の超臨界処理における各部の状態変化を示すタイミングチャートである。前述のように、本実施形態の超臨界処理は、基板収容、処理流体導入、チャンバ内減圧、基板搬出の各処理ステップで構成される。複数の基板に対し順次処理を行う場合、点線矢印で示すように、処理済みの基板を搬出した後に新たな未処理の基板を収容して処理を繰り返す。

この間、処理チャンバ１２内の流体は、大気（開放）、気相または液相の処理流体、超臨界状態の処理流体、気相の処理流体、大気の順で変化する。これに伴い、処理チャンバ１２内の温度および圧力も変動する。処理流体として二酸化炭素を用いる場合、臨界温度Ｔｃが比較的常温に近いことから、この処理過程における温度変化は比較的小さい。チャンバ内の温度については、超臨界状態における温度Ｔａが臨界温度Ｔｃ（図３）を上回っていればよく、それ以外の期間については臨界温度Ｔｃよりも高くても低くてもよい。

一方、チャンバ内圧力は、大気圧Ｐａから臨界圧力Ｐｃを超える圧力までの間で大きく変化する。チャンバ内の温度および圧力の両方が臨界点を超えている期間、チャンバ内は超臨界状態の処理流体で満たされる。チャンバ内温度を単に臨界温度Ｔｃより高温に維持すること自体はそれほど難しくないため、チャンバ内の流体が超臨界状態となるか否かを決めるのは主として圧力の変化である。チャンバ内の流体の圧力は、処理流体の給排バランス、つまり流体供給部５７から供給される処理流体の供給量と、流体回収部５５へ排出される処理流体の排出量との関係によって決まる。

このように、超臨界処理においては、チャンバ内温度を上下させることは必ずしも必要でないが、処理に適した温度が維持されていることが望ましい。その意味では温度変化は小さい方が好ましく、例えば極端には常に一定温度であってもよい。また、特に複数基板への連続的な処理における処理結果の安定性の観点からは、基板Ｓが収容される際の処理チャンバ１２内および支持トレイ１５の温度が毎回同じであることが望ましい。

チャンバ内温度は、チャンバに導入される流体の温度に依存するほか、処理中の加圧、減圧プロセスにおける流体の膨張および収縮に起因する温度変動の影響を受ける。これらの影響による温度変化を低減するために、支持トレイ１５に内蔵されたヒータ１５５が用いられる。

チャンバ内の温度を維持するために、チャンバ内やその周囲にヒータが設けられた構成は公知である。すなわち、熱容量の大きい処理チャンバや支持トレイを加熱しておくことで、外気や流体の温度変化の影響を抑える技術は実用化されている。その場合、図４に符号（ａ）を付して示すように、温度を安定化させるためヒータは常時オンとなっていると考えられる。

図５は処理チャンバ内での処理流体の流れを模式的に示す図である。図５（ａ）に示すように、処理空間ＳＰにおいては、基板Ｓの上方および支持トレイ１５の下方のそれぞれに、（＋Ｙ）側から（－Ｙ）側に流れる超臨界処理流体の層流Ｆａ，Ｆｂが形成されることが望ましい。しかしながら、このときヒータ１５５により温められている支持トレイ１５の温度が処理流体、特に支持トレイ１５の下方側を流れる処理流体の温度よりも高くなっていれば、処理流体が温められることになる。

超臨界流体の温度が上がればその密度が小さくなり、処理空間ＳＰ内で処理流体の対流が生じる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、処理チャンバ１２の側壁面と支持トレイ１５との隙間や支持トレイ１５に設けられた貫通孔１５２等を通して、支持トレイ１５の下方を流れる処理流体の一部が基板Ｓの上方へ回り込んでくる。これにより基板Ｓの周囲に乱流が生じると、処理流体により置換されて処理流体中に溶け込んだ残留液体が基板Ｓに再付着し基板Ｓを汚染するおそれがある。この問題を解消するために、この実施形態では、超臨界処理中にヒータ１５５をオフにし、ヒータ１５５による支持トレイ１５の加熱を一時的に停止するようにしている。これにより、ヒータ１５５が処理流体を昇温させることに起因する乱流の発生が回避される。ヒータオフ後の支持トレイ１５の温度は、導入される処理流体の温度に近づいてゆくことになる。

原理的には、図４に符号（ｂ）で示すように、少なくともチャンバ内が超臨界流体で満たされている間、すなわち時刻Ｔ２からＴ４までの間、ヒータ１５５がオフとなればよい。処理流体が超臨界状態に相転移するタイミングでは、超臨界流体と基板Ｓに付着していた液体とが併存している。このときに処理流体が温められて乱流を生じる事態は、基板の汚染防止の観点から確実に回避する必要がある。

ただし、現実的には、導入される処理流体がチャンバ内で超臨界に相転移する時刻Ｔ２を正確に予測することは難しく、またヒータ加熱がその時刻に影響を及ぼすことも考えられるから、符号（ｃ）で示すように、相転移が生じるであろう時刻Ｔ２よりも早い段階でヒータ１５５をオフにしておくことが望ましい。例えば処理流体の導入を開始する時刻Ｔ１に、ヒータ１５５をオフにすることができる。また例えば、蓋部材１３が閉じられた直後にヒータ１５５をオフにするようにしてもよい。

一方、ヒータオフの終期、つまりオフになったヒータ１５５を再びオンにするタイミングについては次のように考えることができる。少なくとも基板Ｓ上において超臨界流体による液体成分の置換が完了するまで、より厳密には基板Ｓから離脱した液体成分が処理空間ＳＰから排出されるまでの間は、ヒータ１５５がオフの状態が継続されることが好ましい。超臨界処理の初期段階のように処理流体に液体成分が残存しているときには、対流によって生じる乱流が基板Ｓの汚染原因となり得る。しかしながら、液体成分が排出されて以降については、乱流は必ずしも汚染の原因とはならない。

このため、超臨界状態が十分に継続されて基板Ｓの周囲に液体成分が残存しない状況であれば、ヒータ加熱を再開してよい。例えば符号（ｄ）で示すように、チャンバ内の処理流体が超臨界状態から気相に相転移する時刻Ｔ４よりも早くヒータ１５５をオンにするようにしてもよい。

特に、付号（ｅ）で示すように、チャンバ内の減圧が開始される時刻Ｔ３よりも早くヒータ１５５をオンにすれば、次のような効果が得られる。超臨界状態から気相への相転移においては、減圧に伴う処理流体の断熱膨張により、チャンバ内の温度が図４に点線で示すように急激に低下し、場合によっては外気温度よりも低温になることもあり得る。このような温度低下は、チャンバ内温度を一定に維持するとの目的に反する。特に、高圧状態のままチャンバ内温度が急激に下がることで液相への相転移が生じることは、確実に回避しなければならない。減圧開始よりも前にヒータ１５５をオンにすることによって、このような温度低下を抑制することが可能となる。

超臨界処理中、処理流体による液体成分の置換がどの時点で完了したかを把握することは困難である。しかしながら、例えば予備実験によって処理空間ＳＰから液体成分が排出されなくなるタイミングを予め計測しておき、それに対応する時間が経過した時をもって置換が完了したと推定することができる。その時以降にヒータ１５５をオンにすることによって、上記と同様の効果を得ることが可能である。

なお、超臨界処理の初期段階でヒータ１５５の発熱を停止させる方法としては、ヒータ１５５の動作を完全に停止させることを要するものではない。例えば、ヒータ１５５の加熱目標温度を周囲温度よりも十分に低く設定することにより、実質的にヒータ１５５からの発熱を停止させることが可能である。また、処理流体の導入後にヒータ１５５を停止させる場合であれば、導入される処理流体の温度よりも低い目標温度設定とすることにより、発熱を停止させることができる。

また、支持トレイ１５が処理流体の温度よりも低温である限りにおいて、ヒータ１５５への通電を継続させておいてもよい。支持トレイ１５に内蔵されたヒータ１５５をある程度の温度に維持しておくことによって、必要なときには直ちに支持トレイ１５を昇温させることが可能となる。

気相状態で導入される処理流体の温度が例えば５０℃程度である場合、ヒータ１５５による加熱目標温度としてはこれより少し低い温度、例えば４０℃程度とすることができる。ただしこれらの温度に限定されるものではない。

図６はヒータの他の配置の例を示す図である。上記実施形態のヒータ１５５は支持トレイ１５の内部に埋め込まれており、支持トレイ１５を介してチャンバ内を加熱するものである。一方、図６（ａ）に示す例では、ヒータ１５５ａが支持トレイ１５の下面に露出した状態で設けられている。このような構成によっても、支持トレイ１５と処理チャンバ１２の内部とを加熱することが可能である。この場合においても、ヒータ１５５ａが下方を流れる処理流体を温めることにより乱流が生じ得るから、上記と同様のヒータ制御が有効である。

なお、ヒータを支持トレイ１５の上面に設けることは必ずしも効果的ではない。このような構成であっても支持トレイ１５と処理チャンバ１２内部とを加熱することは可能であるが、支持トレイ１５に基板Ｓが載置されているとき、ヒータが発する熱は主として基板Ｓを温めることになる。そうすると、例えば液膜を形成された基板Ｓが支持トレイ１５に載置されたときに液体の蒸発が進行してしまうなど、処理の安定性に必ずしも寄与しないことになる。

図６（ｂ）に示す例では、処理チャンバ１２にヒータ１５５ｂが設けられている。より具体的には、処理チャンバ１２内で処理空間ＳＰの底面に当たる位置に、ヒータ１５５ｂが設けられている。この場合においても、ヒータ１５５ｂが支持トレイ１５との間を流れる処理流体を温めることにより乱流が生じ得るから、上記と同様のヒータ制御が有効である。

なお、この構成では、ヒータ１５５ｂによる支持トレイ１５に対する加熱効果が低い。特に支持トレイ１５がチャンバ外へ引き出されているときには加熱がなされない。一方、支持トレイ１５にヒータを配置した構成では、支持トレイ１５がチャンバ外へ引き出されているときにチャンバ内が加熱されないことになる。ただし、一般的には支持トレイ１５に比べて処理チャンバ１２の熱容量が十分に大きいため温度変化は軽微であり、また処理チャンバ１２側に別途ヒータを設けることも可能であることから、支持トレイ１５にヒータを設けることは合理的である。

以上説明したように、上記実施形態の基板処理装置１においては、処理チャンバ１２、支持トレイ１５およびヒータ１５５（１５５ａ，１５５ｂ）が、それぞれ本発明の「チャンバ」、「支持トレイ」および「ヒータ」として機能している。また、流体供給部５７および流体回収部５５が一体として本発明の「給排部」として機能している。そして、制御ユニット９０と温度調整部５９とが一体して、本発明の「制御部」として機能している。また、上記実施形態では二酸化炭素が本発明の「処理流体」に相当し、搬入される基板Ｓに液膜を形成するＩＰＡ等の有機溶剤が、本発明の「置換対象液」に相当している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態の基板処理装置１は、処理チャンバ１２の外側表面に設けられたあるいは処理チャンバ１２の筐体ブロック内に埋め込まれたヒータをさらに備えていてもよい。このようなヒータにより予め処理チャンバを温めておくことで、一連の超臨界処理において処理空間内の温度変化をより低減させることができる。この場合、処理チャンバの温度については処理流体よりも高くならないように、例えば３０℃程度とすることが好ましい。

また例えば、上記実施形態のシーケンスでは、ヒータオン時の加熱目標温度を一定としているが、必要に応じて、これを多段階に変更するようにしてもよい。例えば支持トレイ１５が処理空間ＳＰ内にあるときと外部にあるときとの間で、目標温度が異なっていてもよい。また、処理後の基板Ｓが外部へ搬出される際には、基板Ｓの冷却を促進するため、加熱目標温度が他のタイミングより低く設定されてもよい。

また、上記実施形態では、処理済みの基板が搬出されてから直ちに次の未処理基板が搬入されることでタクトタイムの短縮が図られている。しかしながら、基板の搬出後にいったん蓋部材が閉じられるようなシーケンスにおいても、上記と同様のヒータ制御が可能である。すなわち、蓋部材が開閉される際にはヒータをオンにしておき、チャンバ内が超臨界状態になるよりも前にヒータをオフにするようにすればよい。

また、上記実施形態の処理で使用される各種の化学物質は一部の例を示したものであり、上記した本発明の技術思想に合致するものであれば、これに代えて種々のものを使用することが可能である。

以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明に係る基板処理装置は、給排部が、処理空間内を超臨界状態の処理流体で満たした状態を一定時間継続した後に、処理流体を排出して基板を乾燥させ、制御部が、少なくとも処理空間が超臨界状態の処理流体で満たされている期間、加熱を停止させるように構成されてもよい。このような構成によれば、処理空間が超臨界状態の処理流体で満たされている期間の全体にわたって、ヒータの発熱により処理流体の温度を変化させてしまうことを防止することができる。

また、この基板処理装置が基板に付着した置換対象液を処理流体により置換して基板を乾燥させるものである場合において、制御部は、処理空間に残留する置換対象液の処理流体による置換が完了するまでの間、加熱を停止させるように構成されてもよい。超臨界状態の処理流体が加熱されることに起因する問題は、加熱により生じる乱流が汚染物質を基板に付着させてしまう点にある。言い換えれば、汚染物質となり得る置換対象液の置換が完了するまでの間についてヒータ加熱を停止するようにすれば、本発明の効果を得ることができる。

したがって例えば、制御部は、置換対象液の置換が完了した後、加熱を開始させるようにしてもよい。こうすることで、処理後の温度低下を抑制することができる。超臨界状態から基板を乾燥させるプロセスにおいては、処理流体が液相を経ることなく気相に相転移することが望ましい。処理流体の急激な温度低下を防止し液相への相転移を回避する目的に、ヒータによる加熱を利用することが可能である。

また例えば、給排部は、処理空間内が超臨界状態の処理流体で満たされた状態が一定時間継続された後に、処理空間を減圧して基板を乾燥させ、制御部は、給排部が処理空間の減圧を開始するよりも前に、加熱を開始させるようにしてもよい。この場合、減圧時に処理流体の急激な膨張による温度低下が生じることがあるが、ヒータ加熱によりこのような温度低下を抑制することができる。

また例えば、これらの基板処理装置において、給排部は、気相または液相の処理流体をチャンバに供給し、制御部は、処理流体が処理空間で超臨界状態に転換するよりも前に加熱を停止させることが好ましい。このような超臨界処理の初期段階では、処理空間内には基板の汚染源となる物質が残留していると考えられる。このような段階においてヒータ加熱を停止し、処理流体の乱流が発生するのを抑制することで、残留物質が基板に付着するのを防止することができる。

また例えば、この基板処理装置は、上部に基板を載置可能な平板形状を有し、処理空間に対し進退移動することで基板をチャンバに対し出し入れする支持トレイをさらに備え、ヒータが支持トレイに設けられていてもよい。このような構成によれば、支持トレイがチャンバ外にあるときに支持トレイの温度が低下するのを防止することができる。

また例えば、制御部は、ヒータによる加熱目標温度を処理流体の温度よりも低い温度に設定することで、実質的に加熱を停止させるようにしてもよい。すなわち、この発明では、ヒータの発熱が処理流体の温度を上昇させることが避けられれば足り、ヒータの動作自体を停止させることを要するものではない。

また、この発明に係る基板処理方法において、処理流体による処理が終了した処理済み基板をチャンバから搬出した後、新たに未処理基板をチャンバに搬入して処理流体による処理を実行する場合には、処理済み基板の搬出を開始してから未処理基板の搬入を終了するまでの間、継続して加熱を行うようにしてもよい。このように複数の基板に対し順次処理を行う場合には、基板の入れ替えを行う間ヒータによる加熱を継続して実施することで、チャンバ内の温度低下を防止することが可能である。

この発明は、チャンバ内に導入した超臨界処理流体を用いて基板を処理する基板処理装置全般に適用することができる。例えば、半導体基板等の基板を超臨界流体によって乾燥させる基板乾燥処理に適用することができる。

１ 基板処理装置
１２ 処理チャンバ（チャンバ）
１５ 支持トレイ
５５ 流体回収部（給排部）
５７ 流体供給部（給排部）
５９ 温度調整部（制御部）
９０ 制御ユニット（制御部）
１５５，１５５ａ，１５５ｂ ヒータ
Ｓ 基板
ＳＰ 処理空間

Claims (10)

1. 超臨界状態の処理流体により基板を処理する基板処理装置において、
   前記基板を収容可能な処理空間を内部に有するチャンバと、
   前記処理空間に対し前記処理流体の供給および排出を行う給排部と、
   前記チャンバ内で前記基板よりも下方に配置されて、前記チャンバ内を加熱するヒータと、
   前記ヒータを制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記処理空間に超臨界状態の前記処理流体が導入される時から所定の期間については前記ヒータによる加熱を停止させる基板処理装置。
2. 前記給排部は、前記処理空間内が超臨界状態の前記処理流体で満たされた状態が一定時間継続された後に、前記処理流体を排出して前記基板を乾燥させ、
   前記制御部は、少なくとも前記処理空間が超臨界状態の前記処理流体で満たされている期間、前記加熱を停止させる請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記基板に付着した置換対象液を前記処理流体により置換して前記基板を乾燥させる請求項１に記載の基板処理装置であって、
   前記制御部は、前記処理空間に残留する前記置換対象液の前記処理流体による置換が完了するまでの間、前記加熱を停止させる基板処理装置。
4. 前記制御部は、前記置換対象液の置換が完了した後、前記加熱を開始させる請求項３に記載の基板処理装置。
5. 前記給排部は、前記処理空間内が超臨界状態の前記処理流体で満たされた状態が一定時間継続された後に、前記処理空間を減圧して前記基板を乾燥させ、
   前記制御部は、前記給排部が前記処理空間の減圧を開始するよりも前に、前記加熱を開始させる請求項１に記載の基板処理装置。
6. 前記給排部は、気相または液相の前記処理流体を前記チャンバに供給し、
   前記制御部は、前記処理流体が前記処理空間で超臨界状態に転換するよりも前に前記加熱を停止させる請求項１ないし５のいずれかに記載の基板処理装置。
7. 上部に前記基板を載置可能な平板形状を有し、前記処理空間に対し進退移動することで前記基板を前記チャンバに対し出し入れする支持トレイを備え、
   前記ヒータが前記支持トレイに設けられている請求項１ないし６のいずれかに記載の基板処理装置。
8. 前記制御部は、前記ヒータによる加熱目標温度を前記処理流体の温度よりも低い温度に設定することで、実質的に前記加熱を停止させる請求項１ないし７のいずれかに記載の基板処理装置。
9. チャンバ内の処理空間で、超臨界状態の処理流体により基板を処理する基板処理方法において、
   前記チャンバ内で前記基板よりも下方に、前記チャンバ内を加熱するヒータを配置し、
   前記処理空間に前記基板を搬入するとともに前記ヒータによる加熱を行い、
   前記処理流体を前記処理空間に供給して、前記処理空間を超臨界状態の前記処理流体により満たした後、前記処理流体を前記処理空間から排出し、
   前記処理空間に超臨界状態の前記処理流体が導入される時から所定の期間については、前記加熱を停止する基板処理方法。
10. 前記処理流体による処理が終了した処理済み基板を前記チャンバから搬出した後、新たに未処理基板を前記チャンバに搬入して前記処理流体による処理を実行し、
    前記処理済み基板の搬出を開始してから前記未処理基板の搬入を終了するまでの間、継続して前記加熱を行う請求項９に記載の基板処理方法。

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