JP2022169174A - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】処理液を用いて基板を処理する技術において、処理液の消費量を抑制し、しかも基板を良好に処理する。【解決手段】本発明に係る基板処理方法は、基板を水平姿勢に保持する工程と、基板の上面に処理液を供給するとともに基板を鉛直軸回りに回転させ、基板の上面に処理液の液膜を形成する工程と、液膜の膜厚を検出する工程と、膜厚の検出結果が所定の目標値である場合に、基板の上面に対向させてプラズマ発生源を配置し、プラズマ発生源から液膜に対してプラズマ照射を行う工程とを備える。【選択図】図２
Description
この発明は、処理液を用いて基板を処理する技術に関し、例えば基板表面のレジスト膜を処理液により除去する基板処理方法および基板処理装置に関するものである。
半導体基板やガラス基板等の各種基板の表面処理を目的として、基板を処理液により処理することが広く行われている。例えば半導体基板の表面に形成されているレジスト膜を剥離除去するプロセスでは、処理液として濃硫酸と過酸化水素水との混合液（硫酸過酸化水素水、Sulfuric Acid Hydrogen Peroxide Mixture；ＳＰＭ）が使われる。例えば特許文献１に記載の技術では、基板が水平姿勢に保持されて所定速度で回転され、その上方に配置されたノズルから硫酸過酸化水素水が吐出される。
本願発明者は、レジスト膜を剥離除去するプロセスにおける処理液に、プラズマ発生源により発生させた活性種を作用させることにより、レジスト膜の剥離効率が向上するという知見を得ている。研究の結果、処理液として濃硫酸と過酸化水素水との混合液の代わりに硫酸を用いた場合においても、レジスト膜が剥離除去できることを確認している。これは、プラズマ発生源により発生した活性種が硫酸に作用することでレジスト膜除去作用を有するカロ酸が生成することであるためであると推定される。
本願発明者が、硫酸を含めた種々の処理液にプラズマ発生源により発生させた活性種を作用させる際、レジスト膜の剥離効率は、レジスト膜の上に形成された液の膜厚に大きく影響されることが判明した。基板上に形成されるレジスト膜は、レジストの種類、基板の処理工程、基板に形成する回路パターンの形状などによって表面の形状や性質が多種多様であるため、レジスト膜の上に形成される処理液の膜厚を常に一定に保つことは困難である。基板上の処理液へのプラズマ発生源の照射状況を一定に保ったとしても、処理液の膜厚が所期の膜厚と異なるならば、レジスト膜の剥離結果が変動することとなる。
これらのことから、プラズマ発生源から基板上の処理液の液膜に対してプラズマ照射を行う処理が所望の結果となるように制御する技術の確立が望まれている。
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、処理液を用いて基板を処理する技術において、処理液の処理を安定化し、さらに処理を最適化することのできる技術を提供することを目的とする。
本発明に係る基板処理方法の一の態様は、上記目的を達成するため、基板を水平姿勢に保持する工程と、前記基板の上面に処理液を供給するとともに前記基板を鉛直軸回りに回転させて、前記基板の上面に前記処理液の液膜を形成する工程と、前記液膜の膜厚を検出する工程と、前記膜厚の検出結果が所定の目標値である場合に、前記基板の上面に対向させてプラズマ発生源を配置し、前記プラズマ発生源から前記液膜に対してプラズマ照射を行う工程とを備えている。
また、この発明に係る基板処理装置の一の態様は、上記目的を達成するため、基板を水平姿勢に保持し鉛直軸回りに回転させる基板保持部と、前記基板保持部に保持された前記基板の上面に処理液を供給する処理液供給部と、前記処理液供給部から所定量の前記処理液を供給させるとともに、前記基板保持部により前記基板を回転させて、前記基板の上面に前記処理液の液膜を形成させる制御部と、前記液膜の膜厚を計測する膜厚計測部と、プラズマを発生させるリアクターと、前記リアクターを、前記基板の上面に近接対向する対向位置と、前記基板の上面から離間した待機位置との間で移動させる移動機構とを備え、前記制御部は、前記膜厚計測部からの信号から前記膜厚を算出する膜厚演算部を有し、前記膜厚の算出結果が所定の目標値であった場合に、前記リアクターを前記対向位置に位置させて前記基板の上面の前記液膜に対しプラズマ照射を行う。
このように構成された発明では、プラズマ照射により処理液を活性化させることにより、基板処理に係る化学反応を促進することができる。ただし、本願発明者の知見によれば、液膜の厚さ（膜厚）が処理品質に大きく影響するため、膜厚を処理内容に応じて適正に制御する必要がある。具体的には、基板の処理に寄与する処理液中の化学種を十分に供給する必要がある一方で、プラズマ点灯により発生する活性種を基板表面に届かせることができる程度に液膜は薄くなければならない。
そこで、この発明では、水平姿勢の基板を回転させて処理液を供給することで、基板の上面に液膜を形成した後、その膜厚を検出する工程を設けている。そして、膜厚が適正であればプラズマ照射を行う。このようにすることで、処理液による基板の処理を良好に行うことができる。また、基板を薄い液膜で覆うことができればよく、継続的に処理液を供給する必要もないので、結果的に処理液の消費量も減らすことができる。
上記のように、本発明によれば、基板を覆う処理液の液膜を形成し、その膜厚が適正であることを確認した上でプラズマ照射を行う。そのため、処理液を活性化して良好に処理を行うことができる。
図１は本発明に係る基板処理装置の一実施形態の概略構成を示す図である。この基板処理装置１は、半導体基板、ガラス基板等の各種基板に対し、処理液を用いた湿式処理を実行するための装置である。例えば半導体基板の表面に形成されたフォトレジスト膜を除去する目的に、この装置１を適用することができる。基板処理装置１は、処理チャンバ１０内に配置されて基板処理の主体となる上部ユニット２０、下部ユニット３０、液供給ユニット４０および膜厚計測ユニット５０と、装置全体の動作を制御する制御ユニット９０とを備えている。
下部ユニット３０は基板Ｓを保持するスピンチャック機構を備えている。具体的には、下部ユニット３０に、基板Ｓの平面サイズと略同一の平面サイズを有する平板状のスピンベース３１が設けられている。スピンベース３１の上面のうち外周部に近い位置には複数のチャックピン３２が配置されており、チャックピン３２が基板Ｓに当接することで、基板Ｓを水平姿勢に保持する。
スピンベース３１の下面には鉛直方向に延びる回転支軸３３が結合されており、回転支軸３３は回転駆動機構３４により鉛直軸回りに回転自在に支持されている。回転駆動機構３４は処理チャンバ１０の底面に固定されており、制御ユニット９０に設けられた回転制御部９８からの制御指令に応じて作動することで、スピンベース３１を所定の回転速度で回転させる。これにより水平姿勢の基板Ｓが鉛直軸回りに回転する。一点鎖線は基板Ｓの回転軸を示しており、基板Ｓが円形である場合にはその中心と回転中心とを一致させることが好ましい。
また、スピンベース３１の側方を取り囲むように、スプラッシュガード３５が配置されている。スプラッシュガード３５は制御ユニット９０に設けられた昇降制御部９９からの制御指令に応じて昇降する。スプラッシュガード３５の上端が基板Ｓよりも上方まで上昇した状態では、スプラッシュガード３５が基板Ｓの周囲を取り囲み、後述する基板処理において基板上面から周囲に飛散する処理液等の液体を受け止めて回収する。一方、スプラッシュガード３５の上端が基板Ｓよりも下方まで下降し基板Ｓが露出した状態では、例えば外部からの基板搬送用ハンドのアクセスを受け入れることが可能となる。
下部ユニット３０の上方に、上部ユニット２０が配置されている。上部ユニット２０は、基板Ｓの平面サイズより少し大きい平面サイズを有する平板状のプレート部材２１を有している。プレート部材２１の上部にはシャフト２２が結合され、シャフト２２は、処理チャンバ１０の天井面に固定された昇降機構２３により鉛直方向に昇降自在に支持されている。
制御ユニット９０に設けられた昇降制御部９１からの制御指令に応じて昇降機構２３が作動することで、プレート部材２１が昇降移動する。これにより、プレート部材２１は、スピンベース３１から上方に大きく離隔した図１に示される待機位置と、後述するようにスピンベース３１に保持された基板Ｓの上面に近接して対向する対向位置との間を移動する。
プレート部材２１の下面、すなわち基板Ｓと対向する側の面には、大気圧下でプラズマ発生源として機能するプラズマリアクター２４が取り付けられている。プラズマリアクター２４は、基板Ｓの平面サイズ以上の平面サイズの平板形状を有しており、基板Ｓの上面全体と対向する。すなわち、上から見たとき、プラズマリアクター２４は基板Ｓの全体を覆い隠す状態となる。例えば基板Ｓが円形であれば、基板Ｓよりも大径の円盤形状のプラズマリアクター２４を用いることができる。プラズマリアクター２４は制御ユニット９０に設けられたプラズマ電源９２から給電を受けて、近傍の気体をプラズマ化させる。
プレート部材２１の下面のうちプラズマリアクター２４よりも外側の周縁部に、ガスノズル２５が設けられている。ガスノズル２５は制御ユニット９０のガス供給部９３に接続されており、ガス供給部９３から供給されるガスを吐出する。点線矢印で示すように、ガスの吐出方向はプラズマリアクター２４の下面に沿った方向であり、より具体的には略水平方向かつ基板Ｓの回転軸に向かう方向である。これにより、プラズマリアクター２４直下のプラズマ発生空間における雰囲気制御を行うことができる。
ガスノズル２５は少なくとも１つあればよいが、基板Ｓの回転軸に関して等角度間隔で複数設けられることがより好ましい。また、後述するように、処理対象物によってはガス供給が不要であるケースもあり、そのようなケースのみを想定すればよい場合にはガスノズルを省くことが可能である。
下部ユニット３０の側方に、少なくとも１つの液供給ユニット４０が設けられる。液供給ユニット４０は、鉛直軸回りに回動する可動軸４２を有する回動機構４１と、可動軸４２に取り付けられたアーム４３と、アーム４３の先端に取り付けられた液体ノズル４４とを有する。液体ノズル４４には制御ユニット９０に設けられた処理液供給部９４から供給される処理液、およびリンス液供給部９５から供給されるリンス液を選択的に吐出する。なお、ここでは１組の液供給ユニット４０で２種類の液体を取り扱うこととしているが、液体の種類ごとに液供給ユニットが設けられてもよい。また、１つのアームに複数のノズルを設け、液体の種類ごとにそれらを使い分ける構成でもよい。
回動機構４１が制御ユニット９０の回動制御部９６からの制御指令に応じて回動することで、液体ノズル４４が、基板Ｓの上方に位置して液体を基板Ｓの上面に供給する処理位置と、基板Ｓの側方に退避した待機位置との間を移動する。また、液体ノズル４４から液体を吐出させながら、液体ノズル４４を基板Ｓの上面に沿って走査移動させることもできる。
下部ユニット３０の側方には、膜厚計測ユニット５０がさらに設けられる。膜厚計測ユニット５０は、後述するように基板Ｓに形成される液膜の膜厚を光学的に計測する。具体的には、膜厚計測ユニット５０は、鉛直軸回りに回動する可動軸５２を有する回動機構５１と、可動軸５２に取り付けられたアーム５３と、アーム５３の先端に取り付けられたセンサー５４とを有する。センサー５４は、計測対象物に光を照射してその反射光を受光し、受光光に応じた信号を制御ユニット９０の膜厚演算部９７に出力する。
膜厚演算部９７は、センサー５４からの出力信号に基づき膜厚を検出する。検出方式としては、例えば光干渉式、反射率分光式など各種の光学的計測原理を用いたものを適用することができる。なお、非接触で短時間に液膜の膜厚を計測することのできる方法であれば、このような光学式以外の計測原理によるものであってもよい。
回動機構４１が制御ユニット９０の回動制御部９６からの制御指令に応じて回動することで、液体ノズル４４が、基板Ｓの上方に位置して液体を基板Ｓの上面に供給する処理位置と、基板Ｓの側方に退避した待機位置との間を移動する。また、液体ノズル４４から液体を吐出させながら、液体ノズル４４を基板Ｓの上面に沿って走査移動させることもできる。
この他に、基板処理装置１の制御ユニット９０には、予め策定された処理レシピに従い装置各部を制御して所定の基板処理を実行させるプロセス制御部９００を備えている。プロセス制御部９００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および記憶部を有しており、記憶部に予め記憶されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、以下に説明する基板処理を実現する。
次に、上記のように構成された基板処理装置１の動作について説明する。基板処理装置１は種々の用途に利用可能であるが、ここではその一例として、半導体基板の表面に形成されたレジスト膜を剥離除去するためのレジスト除去処理について説明する。レジスト膜が有機物である場合、例えば濃硫酸の強い酸化力によりレジスト膜を酸化分解する方法がある。そこで、ここでは処理液として常温の硫酸水溶液を用いるものとする。
従来、硫酸の酸化力を利用したレジスト除去処理としては、硫酸と過酸化水素水との混合液（ＳＰＭ）を処理液として用いた方法が広く用いられている。しかしながら、硫酸と過酸化水素との化学反応で水が発生し硫酸濃度が経時的に低下するため、処理液を継続的に供給する必要がある。このことが硫酸の使用量の増加につながり、結果として環境負荷を増大させる。また高濃度の過酸化水素水は取扱いに注意を要する。
そこで、この実施形態では、プラズマ照射によって処理液である硫酸を活性化することにより、過酸化水素水を使うことなく同等のレジスト除去効果を得られるようにしている。本願発明者の知見によれば、この場合には処理液を継続的に供給する必要はなく、基板の表面がレジスト除去に必要な量の処理液の液膜で覆われていれば足りる。したがって処理液としての硫酸の所要量も少なくて済む。このことに鑑み、本実施形態では、基板Ｓの上面に処理液の液膜を形成し、これにプラズマ照射を行うことにより、レジスト除去を実行する。
図２はこの実施形態における基板処理を示すフローチャートである。また、図３および図４はこの処理における各部の動作を模式的に示す図である。最初に装置全体が初期化される（ステップＳ１０１）。基板処理装置１の初期状態は、図１および図３（ａ）に示すように、上部ユニット２０のプレート部材２１、液供給ユニット４０の液体ノズル４４および膜厚計測ユニット５０のセンサー５４がいずれも待機位置にあり、ガスノズル２５からのガス吐出液体ノズル４４からの液体吐出がいずれも行われていない状態である。また、スプラッシュガード３５は下部位置にあり、スピンベース３１の上部が露出した状態となっている。
この状態から、処理対象となる基板Ｓを受け入れて適宜の前処理が実行される（ステップＳ１０２）。具体的には、外部の搬送ロボットにより搬送されてきた基板Ｓが、図示しないシャッターを介して処理チャンバ１０内に搬入される。基板Ｓは、除去すべきレジスト膜が形成された被処理面を上向きにして水平姿勢でスピンチャック３１に載置される。前処理の内容は任意であるが、例えば薬液を用いたエッチング処理や洗浄処理、それに続くリンス処理などを適用可能である。なお、外部で前処理が行われた後の基板Ｓがこの基板処理装置１に搬入される態様でもよい。すなわち、基板処理装置１での前処理の実行が省かれてもよい。
続いて、本発明に係る基板処理方法が実行される。すなわち、まず処理液による液膜が形成される（ステップＳ１０３）。図３（ｂ）に示すように、スプラッシュガード３５が上方へ移動して基板Ｓの周囲を取り囲む。そして、液供給ユニット４０の液体ノズル４４が基板Ｓの回転中心上方、つまり一点鎖線で示される基板Ｓの回転軸上に位置決めされ、液体ノズル４４から処理液Ｌｑが吐出される。吐出される液量の総量は予め定められている。具体的には、基板Ｓに形成される液膜の膜厚の目標値が予め定められており、当該目標値と基板Ｓの表面積との積に一定のマージンを加えた量が、供給液量とされる。処理液の吐出が終了すると、液体ノズル４４は待機位置に戻される。
さらに、スピンベース３１が所定速度で一定時間回転した後、回転を停止する。これにより基板Ｓが回転し、遠心力の作用で処理液は基板Ｓの上面全体に広がり、最終的には一部が基板Ｓの周縁部から振り切られる。振り切られた処理液はスプラッシュガード３５によって受け止められ、図示しない回収部によって回収される。基板Ｓの回転が終了した後、スプラッシュガード３５が下降する。
最終的に基板Ｓ上に残った処理液が、パドル状の液膜ＬＰを形成する。液膜の厚さは、基板Ｓの回転速度、回転加速度および回転の持続時間によって決まる。なお液膜の厚さの最適値は、基板Ｓの表面状態、具体的にはレジスト膜の種類や厚さ、基板表面に対する被覆率等によって変わり、また処理液の種類や濃度等によっても変わる。したがって、膜厚の目標値は処理の目的に応じて適宜変更設定されることが好ましい。これに伴って、処理液の供給量、基板Ｓの回転速度、回転加速度および回転の持続時間等の各パラメーターも適宜変更設定される。
ただし、処理のばらつきにより、これらのパラメーター設定だけで確実に適正な膜厚の液膜が形成されるとは限らない。後に詳しく説明するが、本実施形態のレジスト除去処理では、液膜ＬＰを膜厚が処理品質に大きく影響する。好ましい膜厚は概ね数百マイクロメーターのオーダーである。そこで、形成された液膜ＬＰの膜厚が計測される（ステップＳ１０４）。
具体的には、図３（ｃ）に示すように、膜厚計測ユニット５０のセンサー５４が基板Ｓ上に移動して基板Ｓ上の液膜ＬＰに向けて光を照射し、反射光を受光する。センサー５４からの出力信号に基づき、膜厚演算部９７が膜厚を算出する。点線矢印で示すように、センサー５４が基板Ｓの上面に沿って走査移動し、複数箇所で膜厚を計測することが好ましい。膜厚計測後、センサー５４は待機位置に戻される。
続いて、膜厚演算部９７により算出された膜厚が最適値を含む適正範囲にあるか否かが判断される（ステップＳ１０５）。例えば、最適値に対し（±２０）％程度を適正範囲とすることができる。このように、膜厚の目標値は単一の値だけでなく、一定の範囲として規定されてもよい。膜厚の目標値は、プロセス制御部９００の記憶部に格納されている。プロセス制御部９００のＣＰＵは、記憶部から膜厚の目標値を取得して膜厚の判断に適用する。ここで、膜厚の目標値は、基板の種類や処理液の種類、または処理液の処理の内容に応じて異なった値が格納されていてもよい。記憶部に複数種類の目標値が格納されている場合、目標値は、基板の種類、処理液の種類、または処理液の処理の内容に関連づけられている。
膜厚が適正範囲になければ（ステップＳ１０５においてＮＯ）、ステップＳ１０３に戻って液膜形成が再実行される。このとき、膜厚に関わるパラメーター、すなわち処理液の供給量、基板の回転速度、基板の回転継続時間、基板の回転加速度の少なくとも１つを、先の液膜形成時とは異ならせてもよい。このように液膜形成条件を変更することで、再形成される液膜における膜厚の適正化を図ることができる。
膜厚が適正範囲内であったときには（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、ステップＳ１０６が実行される。具体的には、図４（ａ）に実線矢印で示すように、ガスノズル２５からガス吐出が開始され、プラズマリアクター２４に対しプラズマ電源９２からプラズマ点灯用の高電圧が印加される。また点線矢印で示すように、プレート部材２１が待機位置から対向位置まで下降し、プラズマリアクター２４が基板Ｓの上面と近接対向する位置に位置決めされる。両者は最終的に数ミリメートルの距離まで接近する。その結果、図４（ｂ）に示すように、電圧印加によりプラズマリアクター２４の下面近傍に発生したプラズマＰが、基板Ｓ上の液膜ＬＰに照射される（ステップＳ１０７）。
プラズマリアクター２４と基板Ｓとの間にガスノズル２５からガスが供給されることで、これらの間のギャップ空間における雰囲気を制御することができる。プラズマ発生を促進させるための雰囲気制御としては、ヘリウムやアルゴンなどの希ガスを含んだガスを供給することが好ましい。また、硫酸を含む処理液によるレジスト除去処理の場合、酸素を含む雰囲気下でのプラズマ照射が処理品質の向上に有効であることがわかっている。このため、例えば酸素と希ガスとの混合気体をガスノズル２５から吐出させることができる。
また、レジスト膜の種類や厚さによっては、大気中の酸素だけを利用して処理を良好に行うことが可能な場合がある。そのような場合には、ガスノズル２５からのガス吐出を行わなくてもよい。また、ガス吐出の不要な処理のみを行う装置であれば、ガスノズル自体を省くことも可能である。
プラズマ照射が所定時間継続されると、プラズマリアクター２４がプレート部材２１とともに上昇し（ステップＳ１０８）、続いてリンス処理が行われる（ステップＳ１０９）。すなわち、図４（ｃ）に示すように、スプラッシュガード３５が上昇し、リンス液供給部９５から適宜のリンス液Ｌｒ、例えば脱イオン水（De-ionized Water；ＤＩＷ）が液供給ユニット４０の液体ノズル４４を介して基板Ｓに供給される。これにより、処理液による基板処理は停止される。基板Ｓは所定の回転速度で回転し、リンス液Ｌｒは基板Ｓの周縁部から振り切られる。
処理レシピにおいて、ステップＳ１０３～Ｓ１０９の繰り返しが指定されている場合には（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、ステップＳ１０３に戻って上記処理が繰り返される。レジスト膜の種類や厚さによっては、上記処理では全てを除去しきれない場合があり得る。そのような場合には、液膜の形成およびプラズマ照射を繰り返して実行することにより、レジスト膜をより確実に除去することが可能となる。
繰り返し処理が必要なくなれば（ステップＳ１１０においてＮＯ）、適宜の後処理が行われ（ステップＳ１１１）、最終的に基板Ｓを乾燥させる乾燥処理が行われる（ステップＳ１１２）。後処理の内容は任意であり、また省略することも可能である。例えば、基板Ｓに形成された微細パターンの倒壊を防止するために、基板Ｓに付着する液体をより表面張力の低い液体に置換する処理を、後処理として実行することができる。また、乾燥処理は、図４（ｄ）に示すように、基板Ｓを高速で回転させ、基板Ｓに残留付着する液体成分を振り切ることにより行われる。
処理後の基板Ｓについては、処理チャンバ１０から搬出することができる。次に処理すべき基板がある場合には（ステップＳ１１３においてＹＥＳ）、ステップＳ１０１に戻り、初期状態から新たに基板を受け入れて上記処理を実行する。次の基板がなければ（ステップＳ１１３においてＮＯ）、処理は終了する。以上が、本実施形態におけるレジスト除去処理の概要である。
図５は各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。ステップＳ１０６では、プラズマリアクター２４が待機位置（時刻Ｔ１）から対向位置（時刻Ｔ２）まで降下し、この間、ガスノズル２５からのガス吐出およびプラズマリアクター２４におけるプラズマ点灯が行われる。この例では、プラズマリアクター２４が下降を開始する時刻Ｔ１よりも後にガス吐出が開始されているが、時刻Ｔ１よりも早くガス吐出が開始されてもよい。
ガス供給量は、当初は比較的多く、かつ時刻Ｔ２よりも前に、より小流量に変更される。図に実線で示すように段階的に流量が変更されてもよく、また点線で示すようにガス供給量が時間と共に漸減する態様であってもよい。当初は大流量でガスを供給することで、プラズマリアクター２４と基板Ｓとの距離が大きい（例えば１０ミリメートル以上の）状態でも、プラズマリアクター２４の直下のプラズマ発生空間の雰囲気制御を良好に行うことができる。
一方、プラズマリアクター２４と基板Ｓとが（例えば３ミリメートル以下まで）接近した状態では、基板Ｓの上面に形成されている液膜ＬＰが乱れるのを防止するために、ガス供給量が低減される。ギャップ空間の容積が小さくなっているため、小流量でも良好に雰囲気制御を行うことが可能である。
プラズマを点灯させるためのプラズマリアクター２４への電圧印加については、プラズマ点灯状態を安定させるために、時刻Ｔ２よりも十分に早いタイミングで開始される。この例では、プラズマ発生空間における雰囲気制御が行われた状態でプラズマ点灯させるために、ガスノズル２５からのガス吐出が開始されてから電圧印加が開始される。しかしながら、例えばガス吐出よりも早くプラズマを点灯させてもよく、また常時点灯させた状態としてもよい。
プラズマリアクター２４が基板Ｓとの近接対向位置に配置され、プラズマリアクター２４と基板Ｓとの間の雰囲気制御がなされた状態でプラズマが点灯する。これにより、プラズマリアクター２４と基板Ｓとの間のギャップ空間がプラズマ発生空間となり、ギャップ空間内の気体がプラズマ化する。
図６はプラズマ点灯によるレジスト除去処理の原理を模式的に示す図である。図６（ａ）に示すように、プラズマリアクター２４と基板Ｓとの間のギャップ空間ＧＳにおいて発生したプラズマＰが液膜ＬＰに照射される。これにより液中に溶け込んだ活性種Ａが、液中の硫酸によるレジスト膜Ｒの酸化分解反応を促進させる。これにより、レジスト膜Ｒの除去処理が進行する。
液膜ＬＰの厚さＴｐについては、酸化分解反応の主体となる硫酸が少なくともレジスト膜Ｒを分解させるのに十分な量供給される程度に厚くする必要がある。一方で、図６（ｂ）に示すように、液膜ＬＰが厚すぎると、液中に溶け込んだ活性種Ａがレジスト膜Ｒとの界面まで到達する前に失活してしまい、プラズマ照射の効果が減殺されてしまう。この効果を高めるためには、液膜ＬＰは薄い方がよい。これらのことから、液膜ＬＰの厚さＴｐについては適正な範囲がある。
例えば、本願発明者が実験したある系においては、厚さ２００マイクロメートルの液膜にプラズマ照射することで１００％のレジスト除去率が得られたが、同じプラズマ照射条件で膜厚を２２０マイクロメートルとした場合には９８％程度、３００マイクロメートル程度とした場合には５２％程度まで、レジスト除去率の低下がみられた。このように、小さな膜厚の違いでレジスト除去性能に大きな差が生じる。
基板Ｓに供給する処理液の量だけで液膜ＬＰの厚さを制御する方法も考えられる。例えば、直径３００ミリメートルの円形基板に厚さ２００マイクロメートルの液膜を形成するために必要な液量は約１４ミリリットルである。ただし、基板表面には凹凸や位置による濡れ性の違い等があることから、必要量の液体を供給するだけで一様な液膜を形成することは、現実的には難しい。そこで、必要量より多い処理液を供給し、基板Ｓの回転によって一部を振り切ることで膜厚を調整することが好ましい。この場合、回転速度や加速度、その持続時間等を制御することにより、所望の膜厚を実現することが可能である。
プラズマ照射が行われる間、基板Ｓの回転が停止されていることが好ましい。プラズマ照射により液中に生じた活性種をレジスト膜との界面に十分な量到達させるためには、液膜ＬＰを静止状態としておくことが効果的である。なお、例えば基板全体における処理の均一化を図るために、液膜ＬＰの乱れを生じさせない程度の低速で基板Ｓを回転させてもよい。このときの回転速度を液膜形成時の回転速度よりも小さくしておけば、基板Ｓからの処理液の落下を防止し、基板Ｓに形成された液膜ＬＰの破れを回避することができる。
本実施形態のレジスト除去処理では、ステップＳ１１０において処理の繰り返しの要否が判断される。そして、繰り返しが必要な場合には、液膜形成、膜厚計測、プラズマ照射の一連の処理が複数回実行される。これにより、次のような効果が得られる。
第１に、レジスト除去効果をより確実なものとすることができる。具体的には次の通りである。例えばレジスト膜が厚い場合や、イオン注入を受けて硬化が進んでいるような場合には、１度の処理では全てのレジスト膜を除去しきれないことがあり得る。ここで、レジスト除去作用を高めるために液膜を厚くしたのでは、プラズマ照射の効果が薄れてしまい、結果として必ずしもレジスト除去効果は向上しない。薄い液膜とプラズマ照射との組み合わせを複数回繰り返すことで、より効果的にレジスト除去を実現することができる。
第２に、処理ごとに液膜の厚さを異ならせることができる。基板表面には凹凸があり、またイオン注入密度の違い等によりレジスト膜の状態は基板内の位置によって異なる。そのため、レジスト膜を除去するための処理において必要とされる、液膜の適正な厚さは基板内で一様ではない。液膜の形成を複数回行う場合には、その膜厚の目標値を目的に応じて都度設定することができるので、基板全体で良好な処理結果を得ることが可能になる。
第３に、レジスト膜との化学反応に消費されることにより処理液中の硫酸濃度が低下するが、新たに液膜を形成することでこれをリセットすることができる。新たに供給されたフレッシュな処理液で基板の処理を行うことにより、良好な処理品質を得ることが可能となる。
このような繰り返し処理においては、基板Ｓへの処理液の供給量、基板Ｓの回転速度や加速度、回転持続時間、膜厚の目標値、プラズマ照射条件等の各パラメーターを、処理ごとに設定することが可能である。
以上のように、この実施形態では、基板Ｓに形成されたレジスト膜の除去処理を、硫酸を主体とする処理液による液膜形成とプラズマ照射との組み合わせによって行う。プラズマ照射によって処理液を活性化することができるため、過酸化水素を添加する必要がなく、また処理液を継続的に供給する必要がない。さらに、プラズマ活性種を処理液とレジスト膜との界面まで到達させるためには液膜は薄い方が適しており、これにより処理液の使用量をさらに削減することができる。
以上説明したように、上記実施形態においては、スピンチャック機構（スピンベース３１、チャックピン３２、回転支軸３３、回転駆動機構３４）が本発明の「基板保持部」として機能しており、プラズマリアクター２４が本発明の「リアクター」として機能している。そして、プラズマリアクター２４とプラズマ電源９２とが、本発明の「プラズマ発生源」として機能している。また、制御ユニット９０が本発明の「制御部」として機能している。
また、液供給ユニット４０および処理液供給部９４が、本発明の「処理液供給部」として機能している。また、膜厚計測ユニット５０が、本発明の「膜厚計測部」として機能している。そして、ガスノズル２５およびガス供給部９３が、本発明の「気体供給部」として機能している。
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、上記実施形態において、基板Ｓへの処理液の供給は、基板Ｓの回転中心上方に位置決めされた液体ノズル４４から処理液を吐出することによって行われる。しかしながら、処理液の供給態様はこれに限定されず、例えばスプレーノズルを用いてスプレー塗布する方法や、ノズルを基板Ｓに対して走査移動させながら処理液を吐出する方法であってもよい。
また、上記実施形態におけるプラズマリアクター２４は、基板Ｓの平面サイズ以上の平面サイズを有する平板状の部材である。これに代えて、次に示すように、より小型のプラズマリアクターを用いることも可能である。
図７はプラズマリアクターの別形態を例示する平面図である。図７（ａ）に示す例では、基板Ｓよりも小型のプラズマリアクター２４ａが揺動アーム２４ｂの先端に取り付けられており、図示しない駆動機構の作動により揺動アーム２４ｂが揺動することで、プラズマリアクター２４ａが基板Ｓの上面に沿って走査移動する。プラズマ点灯はプラズマリアクター２４ａと基板Ｓとの間の空間に限定されるから、基板Ｓに対しプラズマリアクター２４ａを走査移動させることで、基板Ｓの全体を処理することができる。また、基板Ｓ上の特定の位置のみを処理することもできる。基板Ｓの全体を短時間で処理するために、基板Ｓは低速で回転されてもよい。このときの回転速度は、液膜形成時の回転速度よりも低速であることが望ましい。
また、図７（ｂ）に示す例では、一の方向において基板Ｓのサイズより大きく、その直交方向においては基板Ｓのサイズより小さい、細長いプラズマリアクター２４ｃが設けられる。図示しない走査移動機構が、基板Ｓに対しプラズマリアクター２４ｃをその長手方向と交わる方向に走査移動させることにより、基板Ｓの表面全体が処理される。走査移動機構は、モーターと、プラズマリアクター２４ｃとモーターを結合する結合部材とを備える。この例では、基板Ｓの回転は必ずしも必要ない。
また、上記実施形態では、基板Ｓの表面に形成された有機物であるレジスト膜の除去を目的として、処理液として硫酸を用い、酸素を含むガスをプラズマ発生空間に導入している。これらの材料は処理の一例として示したものであり、本発明の基板処理装置および基板処理方法は、これら以外の各種の材料を用いた処理にも適用可能である。
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方法においては、例えば液膜の形成後、基板の回転を停止してプラズマ照射を行うことができる。このような構成によれば、基板に形成された液膜の乱れを抑えて、プラズマ照射により液中に溶け込む活性種を効率よく基板表面に到達させることができる。
また例えば、プラズマ発生源は、基板の平面サイズ以上の平面サイズを有するリアクターを備えてもよい。このような構成によれば、基板の表面全体を同時に処理することができる。あるいは例えば、プラズマ発生源は、基板の平面サイズより小さい平面サイズを有するリアクターを備え、基板を液膜の形成時以下の回転速度で回転させながら、リアクターを基板に対し走査移動させてプラズマ照射を行う構成とすることもできる。このような構成によれば、リアクターと基板との対向位置を順次変更することで、基板全体を処理することが可能である。また、必要に応じ基板上の特定の位置だけを処理することも可能である。
また例えば、液膜の形成後、基板の回転を停止して膜厚の検出を行うことができる。基板の回転を停止した状態で膜厚検出を行うことで、回転に伴う振動や遠心力による膜厚変動の影響を受けずに膜厚を検出することが可能である。
また例えば、膜厚の検出結果が目標値と異なる基板に対しては、液膜の形成を再実行することができる。こうすることで、液膜の厚さを適正化した状態で、プラズマ照射を実行することができる。この場合、処理液の供給量、基板の回転速度、基板の回転継続時間、基板の回転加速度の少なくとも１つを、先の液膜形成時とは異ならせて液膜の形成を再実行してもよい。このような構成によれば、液膜形成条件を変えて液膜の形成を再実行することで、新たに形成される液膜の膜厚の適正化を図ることができる。
また例えば、液膜を形成する工程では、膜厚が目標値であるときの液膜を構成する液量よりも多い所定量の処理液を基板の上面に供給し、該処理液の一部を回転により振り切ることができる。このような構成によれば、液膜の厚さを決定するパラメーターは、主として基板の回転に関わるものとなる。すなわち、基板の回転制御を適切に行うことで、所望の膜厚を実現することが可能となる。
また例えば、液膜の形成、膜厚の検出およびプラズマ照射を、この順で複数回繰り返して実行することができる。このような構成によれば、処理を複数回繰り返すことで、処理結果をより確実なものとすることができる。また、例えば実行ごとに処理条件を異ならせることで、より処理効果を高めることも可能となる。
ここで、処理液は硫酸を含むものであってもよい。硫酸を用いた基板処理としては、過酸化水素水と混合した硫酸過酸化水素水を用いるものが知られているが、プラズマ照射による活性化を行うことで、過酸化水素水を不要とすることができる。
この場合、プラズマ照射を行う工程では、プラズマ発生源と基板の上面との間に酸素を含む気体を供給することができる。本願発明者の知見によれば、硫酸を主体とする処理液での処理においては、酸素を含む雰囲気下でプラズマ点灯させることにより、処理効果が向上することがわかっている。したがって、プラズマ発生源と基板の上面との間を酸素雰囲気とすることにより、処理効果を高めることが可能である。
この場合さらに、膜厚の検出後、プラズマ発生源を基板の上方の待機位置から基板との対向位置まで下降させながら、プラズマ発生源と基板とのギャップ空間に気体を供給し、プラズマ発生源の下降に伴い、気体の供給量を経時的に減少させることが好ましい。プラズマ発生源は、基板から大きく離間した待機位置から、基板に近接対向する対向位置へ移動する。このとき、プラズマ発生源と基板とのギャップ空間に気体を供給しておくことで、ギャップ空間の雰囲気を適切に制御することができる。
雰囲気制御という観点では、プラズマ発生源と基板とのギャップが大きいときには比較的大流量で気体を供給することが有効である一方、ギャップが小さくなると、基板に形成された液膜を気体の流れが乱すおそれがある。これを防止するために、気体の供給量を経時的に低減させることが有効である。
また例えば、本発明は、基板の上面に形成されたレジスト膜を処理液により除去する処理に適用することができる。すなわち、レジスト膜を分解除去するために、処理液による液膜形成と、プラズマ照射とを組み合わせた処理を適用することができる。プラズマ照射により処理液中の反応種を活性化することができるので、少ない液量でも良好にレジスト除去を実行することが可能である。
また例えば、目標値を取得する目標値取得工程をさらに備えてもよく、目標値は、基板の種類、処理液の種類、および処理液による処理の内容のいずれかに対応するものとすることができる。このような構成によれば、用途に応じた膜厚の目標値を設定することが可能であり、例えば複数の目標値を切り替えて適用することができる。
また、本発明に係る基板処理装置においては、例えばリアクターは、基板の平面サイズ以上の平面サイズを有し、対向位置では基板の上面の全体と対向するように構成することができる。このような構成によれば、基板表面の全体を同時に処理することが可能である。
また例えば、リアクターと基板の上面との間に気体を供給する気体供給部をさらに設けてもよい。このような構成によれば、リアクターと基板との間の雰囲気をプラズマ点灯に適した条件に制御して、安定的にプラズマを発生させることが可能となる。また、プラズマ点灯により発生する活性種の種類を制御することができる。
ここで、気体供給部は、リアクターと一体的に結合されて気体を吐出するガスノズルを有していてもよく、さらにガスノズルは、基板の周縁部側から回転中心に向けて略水平に気体を吐出する構成であってもよい。ガスノズルがリアクターと一体化されることで両者の位置関係が固定されるので、リアクターの下面における雰囲気制御をより確実に行うことができる。また、基板の周縁部側から回転中心に向けて略水平方向に気体を吐出することで、リアクターと基板との間の雰囲気を一様なものとすることができ、このことは安定したプラズマ点灯に資するものである。
この発明は、基板を処理液によって処理する各種の基板処理に適用可能であり、例えば基板からレジスト膜を除去する処理に好適に適用することができる。
１ 基板処理装置
２４ プラズマリアクター（プラズマ発生源、リアクター）
２５ ガスノズル（気体供給部）
３１ スピンベース（基板保持部）
３２ チャックピン（基板保持部）
３３ 回転支軸（基板保持部）
３４ 回転駆動機構（基板保持部）
４０ 液供給ユニット
５０ 膜厚計測ユニット（膜厚計測部）
９０ 制御ユニット（制御部）
９２ プラズマ電源（プラズマ発生源）
９３ ガス供給部（気体供給部）
９４ 処理液供給部（処理液供給部）
９７ 膜厚演算部
Ｌｑ 処理液
Ｓ 基板
２４ プラズマリアクター（プラズマ発生源、リアクター）
２５ ガスノズル（気体供給部）
３１ スピンベース（基板保持部）
３２ チャックピン（基板保持部）
３３ 回転支軸（基板保持部）
３４ 回転駆動機構（基板保持部）
４０ 液供給ユニット
５０ 膜厚計測ユニット（膜厚計測部）
９０ 制御ユニット（制御部）
９２ プラズマ電源（プラズマ発生源）
９３ ガス供給部（気体供給部）
９４ 処理液供給部（処理液供給部）
９７ 膜厚演算部
Ｌｑ 処理液
Ｓ 基板
Claims (19)
- 基板を水平姿勢に保持する工程と、
前記基板の上面に処理液を供給するとともに前記基板を鉛直軸回りに回転させ、前記基板の上面に前記処理液の液膜を形成する工程と、
前記液膜の膜厚を検出する工程と、
前記膜厚の検出結果が所定の目標値である場合に、前記基板の上面に対向させてプラズマ発生源を配置し、前記プラズマ発生源から前記液膜に対してプラズマ照射を行う工程と
を備える、基板処理方法。 - 前記液膜の形成後、前記基板の回転を停止して前記プラズマ照射を行う、請求項１に記載の基板処理方法。
- 前記プラズマ発生源は、前記基板の平面サイズ以上の平面サイズを有するリアクターを備える、請求項２に記載の基板処理方法。
- 前記プラズマ発生源は、前記基板の平面サイズより小さい平面サイズを有するリアクターを備え、
前記基板を前記液膜の形成時以下の回転速度で回転させながら、前記リアクターを前記基板に対し走査移動させて前記プラズマ照射を行う、請求項１に記載の基板処理方法。 - 前記液膜の形成後、前記基板の回転を停止して前記膜厚の検出を行う、請求項１ないし４のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記膜厚の検出結果が前記目標値と異なる場合に、前記基板に対し前記液膜の形成を再実行する、請求項１ないし５のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記処理液の供給量、前記基板の回転速度、前記基板の回転継続時間、前記基板の回転加速度の少なくとも１つを、先の液膜形成時とは異ならせて前記液膜の形成を再実行する、請求項６に記載の基板処理方法。
- 前記液膜を形成する工程では、前記膜厚が前記目標値であるときの前記液膜を構成する液量よりも多い所定量の前記処理液を前記基板の上面に供給し、該処理液の一部を回転により振り切る、請求項１ないし７のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記液膜の形成、前記膜厚の検出および前記プラズマ照射を、この順で複数回繰り返して実行する請求項１ないし８のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記処理液は硫酸を含む、請求項１ないし９のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記プラズマ照射を行う工程では、前記プラズマ発生源と前記基板の上面との間に酸素を含む気体を供給する、請求項１０に記載の基板処理方法。
- 前記膜厚の検出後、前記プラズマ発生源を前記基板の上方の待機位置から前記基板との対向位置まで下降させながら、前記プラズマ発生源と前記基板とのギャップ空間に前記気体を供給し、前記プラズマ発生源の下降に伴い、前記気体の供給量を経時的に減少させる、請求項１１に記載の基板処理方法。
- 前記基板の上面に形成されたレジスト膜を前記処理液により除去する、請求項１ないし１２のいずれかに記載の基板処理方法。
- 前記目標値を取得する目標値取得工程をさらに備え、
前記目標値は、前記基板の種類、前記処理液の種類、および前記処理液による処理の内容のいずれかに対応する、請求項１ないし１３のいずれかに記載の基板処理方法。 - 基板を水平姿勢に保持し鉛直軸回りに回転させる基板保持部と、
前記基板保持部に保持された前記基板の上面に処理液を供給する処理液供給部と、
前記処理液供給部から所定量の前記処理液を供給させるとともに、前記基板保持部により前記基板を回転させて、前記基板の上面に前記処理液の液膜を形成させる制御部と、
前記液膜の膜厚を計測する膜厚計測部と、
プラズマを発生させるリアクターと、
前記リアクターを、前記基板の上面に近接対向する対向位置と、前記基板の上面から離間した待機位置との間で移動させる移動機構と
を備え、
前記制御部は、前記膜厚計測部からの信号から前記膜厚を算出する膜厚演算部を有し、前記膜厚の算出結果が所定の目標値であった場合に、前記リアクターを前記対向位置に位置させて前記基板の上面の前記液膜に対しプラズマ照射を行う、基板処理装置。 - 前記リアクターは、前記基板の平面サイズ以上の平面サイズを有し、前記対向位置では前記基板の上面の全体と対向する、請求項１５に記載の基板処理装置。
- 前記リアクターと前記基板の上面との間に気体を供給する気体供給部を備える、請求項１５または１６に記載の基板処理装置。
- 前記気体供給部は、前記リアクターと一体的に結合されて前記気体を吐出するガスノズルを有する、請求項１７に記載の基板処理装置。
- 前記ガスノズルは、前記基板の周縁部側から回転中心に向けて略水平に前記気体を吐出する、請求項１８に記載の基板処理装置。
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