JP3226026B2 - 薬液処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置等の製
造プロセスにおいて、半導体基板のエッチングまたは洗
浄を行う薬液処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板のエッチングまたは洗浄で
は、複数の基板をキャリアにセットし、処理槽の薬液に
浸漬して処理するバッチ法が主流である。薬液は、揮
発、持ち出し、分解、消費等で濃度が低下するため、薬
液の成分を添加して、各成分が所定の濃度になるように
管理されている。

【０００３】例えば、代表的な半導体基板の洗浄方法で
あるアンモニア水と過酸化水素水を混合した薬液（アン
モニア−過酸化水素薬液）を使用する処理装置の場合、
図６に示すように、アンモニア水が貯えられた貯留槽１
６と、過酸化水素水が貯えられた貯留槽１７と、超純水
が貯えられた貯留槽１８とを有し、貯留槽１６、１７、
１８からアンモニア水、過酸化水素水、超純水を送液ポ
ンプ１９、２０、２１の駆動により必要な量だけ処理槽
１に供給し、処理槽１内で半導体基板の洗浄を行う。処
理槽１中のアンモニアおよび過酸化水素の濃度は濃度コ
ントローラ１３でモニターされ、減少した量が自動的に
処理槽に補充される。

【０００４】処理槽内の薬液成分の濃度を一定に保つた
めに、特開平４−２７８５２９号公報には、処理槽にア
ンモニア濃度を計測するアンモニア成分分析計および過
酸化水素の濃度を計測する過酸化水素成分分析計を取り
付け、薬液中のアンモニアおよび過酸化水素の濃度を個
別にモニタできるようにした処理装置が開示されてい
る。そして成分分析計からの信号に基づいて、濃度の減
少した薬液の成分を自動補充し、薬液成分の濃度を一定
に保っている。また、アンモニアの蒸発等による濃度低
下に比べ、過酸化水素の濃度低下は一般的に小さいた
め、特開平５−２５９１４１号公報には、過酸化水素水
は補充せず、アンモニア水のみを処理温度に応じて補充
する方法が開示されている。また、特開平７−１４２４
３５号公報には、アンモニア濃度に対するエッチング速
度の変動が少ない濃度領域で洗浄を行う方法、ならびに
当該方法と、前記薬液濃度測定により濃度管理を行う方
法あるいはアンモニアのみを補充する方法とを組み合わ
せた方法が開示されている。

【０００５】しかし、これらの薬液処理装置では、半導
体基板の処理中あるいは処理の待機中に、揮発性の高い
薬液成分が処理槽の上方より揮散するため、補充のため
添加される薬液成分の量が多くなるという問題があっ
た。近年、薬液コスト低下の要請および環境問題意識の
高揚から薬液使用量の削減が特に望まれており、かかる
問題への対応の重要性が増してきている。

【０００６】薬液成分の揮散を防止するための従来技術
として、特開平２−２９５１１８号公報には、図７に示
すとおり、処理槽１の上部に比重が空気よりも重い不活
性ガスを不活性ガス噴射拡散ノズル２２で噴霧拡散した
後、不活性ガス２３を冷却用パイプ２４で冷却し、揮発
した薬液成分を凝集させて処理槽１に戻す薬液処理装置
が開示されている。また、特開平４−１５１８３２号公
報には、図８に示すとおり、処理槽１の上部に噴出口２
６から層状に加湿器２５により加湿した気体を噴出し、
揮発した薬液成分を吸収させて排気口２７から回収する
薬液処理装置が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
２−２９５１１８号公報記載の方法では、処理槽１の上
部に噴霧拡散した不活性ガス２３に処理槽１の外部から
微粒子が混入し、凝集した薬液成分と共に処理槽１内に
落下して処理槽１内の微粒子を増加させるという問題が
あった。さらに、浸漬した半導体基板５を引き上げる際
に不活性ガス２３中を漂う微粒子が薬液成分と共に基板
表面へ付着するという問題があった。

【０００８】また、特開平４−１５１８３２号公報記載
の方法では、噴出口２６から噴出した加湿気体が外部か
ら微粒子を巻き込みやすく、引き上げ中の基板表面に巻
き込んだ微粒子が付着するという問題があった。

【０００９】さらに、上記公報記載の技術はいずれも、
薬液の持ち出し、分解、消費等で生じる濃度の低下が考
慮されておらず、薬液成分の濃度モニタや補充が行われ
ない。このため、薬液成分の揮散防止のみでは薬液濃度
を一定に保つことが困難な場合があり、この点でなお改
善の余地を有していた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明によれば、薬液が満たされ半導体基板が設置される洗
浄槽および該洗浄槽の周囲を囲むように配置されたオー
バーフロー槽が内部に配置された密閉容器と、該密閉容
器内の上部に配置され、該薬液から揮発した成分を含む
蒸気を冷却して凝集させる冷却手段と、該オーバーフロ
ー槽と該洗浄槽とを接続し、該薬液を循環させる循環路
と、該循環路に設けられ、該オーバーフロー槽内の薬液
を洗浄槽に送液する循環ポンプと、該循環路の該循環ポ
ンプ下流側に設けられた濾過手段と、前記薬液に含まれ
る所定成分を前記洗浄槽に補充する薬液補充手段と、前
記洗浄槽内および前記オーバーフロー槽内の薬液の成分
濃度を検出する濃度検出手段と、前記薬液補充手段およ
び前記濃度検出手段に接続し、検出された薬液の成分濃
度に基づいて前記洗浄槽内の薬液の各成分の濃度が所定
の値となるように前記所定成分の補充量を制御する制御
手段とを備えたことを特徴とする薬液処理装置、が提供
される。

【００１１】本発明の薬液処理装置によれば、薬液から
揮発した成分を含む蒸気を冷却手段により凝集し、これ
をオーバーフロー槽から濾過手段を通過させた後、処理
槽へ戻すことにより、薬液が循環される。このため、薬
液成分の濃度の変動を抑えることができる。また揮発成
分を含む蒸気の充満を防ぐことができるので、基板に蒸
気が触れることによって生じる処理異常や基板への微粒
子付着を防止できる。

【００１２】

【００１３】また、この発明によれば、濃度検出手段を
洗浄槽内とオーバーフロー槽内の両方に設けているの
で、より精密な薬液成分の濃度管理を行うことができ
る。すなわち、揮発した成分を含む蒸気を液化した回収
液の成分が洗浄槽の薬液成分と異なる場合があり、この
ような場合には、各槽の濃度を別々に管理することによ
ってより的確に薬液所定成分の補充量を決定することが
できる。

【００１４】さらに本発明によれば、上記薬液処理装置
において、前記薬液に含まれる所定成分を前記洗浄槽に
補充する薬液補充手段と、前記オーバーフロー槽内の薬
液の水位を検出する水位検出手段と、該水位検出手段に
接続し、検出された薬液の水位に基づいてオーバーフロ
ー槽内の薬液の量が所定の薬液量となるように前記所定
成分の補充量を制御する制御手段とを備えたことを特徴
とする薬液処理装置、が提供される。

【００１５】この発明によれば、検出された薬液の水位
に基づいて必要最小限度の薬液補充を行うことができ
る。水位を制御する範囲は装置の種類、洗浄条件等に応
じて適宜設定されるが、たとえば、半導体基板の洗浄中
の標準の水位を標準水位としたときに、標準水位の上下
１０％以内とすることが好ましく、上下５％以内とする
ことがさらに好ましい。薬液の量が少なくオーバーフロ
ー槽の薬液の水位が低すぎると薬液に含まれる特定の成
分が揮発等により減少した場合の薬液組成の変動が大き
くなって薬液管理が困難になる場合があり、また、薬液
の量が多くオーバーフロー槽の薬液の水位が高すぎると
薬液の補充量が制限されて薬液管理が困難になる場合が
あるからである。

【００１６】本発明において、薬液の各成分の濃度が所
定の値となるように補充量を制御する制御手段と、薬液
の水位に基づいてオーバーフロー槽内の薬液の量が所定
の薬液量となるように補充量を制御する制御手段の２種
類の制御手段を設けることもできる。このようにすれば
薬液の水位を一定範囲に収めつつ、薬液の各成分の濃度
を一定に維持することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明における薬液とは、半導体
基板の表面処理、すなわち基板の洗浄、エッチングに用
いられる薬液をいい、たとえば過酸化水素を含むものを
いう。本発明は特にアンモニアや塩酸などの揮発性の高
い成分を含む薬液を用いる場合に有効である。

【００１８】本発明の薬液処理装置は、洗浄槽と、該洗
浄槽の周囲を囲むように配置されたオーバーフロー槽と
を備えている。処理中は、通常、洗浄槽からオーバーフ
ロー槽に薬液があふれる状態とする。これによりつねに
洗浄槽の上面の縁まで薬液が満たされることとなり、液
面が一定になるため、薬液処理条件が一定に保たれる。

【００１９】本発明の薬液処理装置には、密閉容器内の
上部に、薬液から揮発した成分を含む蒸気を冷却して凝
集させる冷却手段が配置されている。冷却手段の構成
は、薬液から揮発した成分を含む蒸気を冷却して凝集す
る機能を有していれば特に制限されず、冷媒による冷
却、電気的冷却などによるものが用いられる。冷媒によ
る冷却手段として、たとえば、内部に冷媒の通ずる導管
が設けられたセラミック体を用いることができる。セラ
ミック体の材質としては、洗浄に用いられる薬液に対し
良好な耐薬品性を有するものが用いられる。たとえば石
英は、アンモニア、塩酸など多くの薬液成分に対して良
好な耐薬品性を有するので、好適である。また冷却手段
として、内部に冷媒の通ずる導管が設けられ、表面に腐
食防止層が設けられた金属体を用いることができる。腐
食防止層は、洗浄に用いられる薬液による金属体の腐食
を防止するための層であり、テフロンなどの耐薬品性樹
脂や石英などの材質を用いることができる。冷却手段に
使用される冷媒としては、特に制限がないが、水などが
挙げられる。電気的冷却による冷却手段としては、ペル
チェ効果を利用して電気的に冷却する構造を有するもの
を用いることもできる。また使用される条件、環境によ
っては、温度を積極的に下げるための特別な手段を含ま
ない金属体あるいはセラミック体を冷却手段として用い
ることもできる。すなわち、このような金属体あるいは
セラミック体により、薬液から揮発した成分を含む蒸気
を室温まで冷却し、凝集させることができる場合には、
このような形態とすることもできる。

【００２０】冷却手段の形状については特に制限がない
が、凝集した蒸気がオーバーフロー槽に効率的に滴下さ
れるような形状が好ましい。たとえば、底面を上方に配
置し頂点を下方に配置した錐体（角錐および円錐）、あ
るいはこのような錐体が連続した形態とすることが好ま
しい。図１の冷却板７はその一例を示すものであり、逆
円錐状の形状を有している。また冷却効率の点からは表
面積が広いことが好ましいため、冷却手段の表面に適
宜、凹凸やフィン状の突起等を設けてもよい。

【００２１】冷却手段は密閉容器内の上部、すなわち薬
液の液面よりも上方に配置されるが、蒸気を効率的に凝
集する観点から、密閉容器の天井部付近に配置されるの
が好ましい。また蒸気が効率的にオーバーフロー槽に滴
下されるように、オーバーフロー槽上部に配置されるこ
とが好ましい。たとえば底面を上方に、頂点を下方に配
置した錐体の形状を有する冷却手段を用いる場合、少な
くともその頂点はオーバーフロー槽の上部に配置するこ
とが好ましい。なお配置する冷却手段の数は特に制限が
なく、単数であっても複数であってもよい。

【００２２】本発明の薬液処理装置は、循環路の循環ポ
ンプ下流側に濾過手段が設けられており、これにより、
回収された薬液に微粒子が混入しても薬液を洗浄槽に戻
す前に除去することができる。濾過手段としては所定サ
イズの孔が設けられたフィルター等を用いることができ
る。

【００２３】以下、代表的な半導体基板の洗浄方法であ
るアンモニア水と過酸化水素水を混合した薬液（アンモ
ニア−過酸化水素薬液）を用いた場合を例にとり、本発
明の実施形態について図面を参照して説明する。

【００２４】図１は本発明の半導体基板の薬液処理装置
の一実施形態の構成図である。図１に示す本発明の薬液
処理装置は、処理槽１とオーバーフロー槽２を備えた密
閉容器２８（蓋３つき）と、処理槽１とオーバーフロー
槽２を結ぶ循環路２８を有する。循環路２８には、上流
側から順に、循環ポンプ１４、フィルター１５が設けら
れている。処理槽１には、温度コントローラ９と接続さ
れた温度センサ８およびヒータ１０を備え、また、濃度
コントローラ１３と接続された濃度センサー２９、水位
コントローラ１２と接続された水位センサー１１を備え
ている。

【００２５】またこの装置は、薬液の所定成分を補充す
る手段として、アンモニア水が貯えられた貯留槽１６、
過酸化水素水が貯えられた貯留槽１７、超純水が貯えら
れた貯留槽１８、送液ポンプ１９、送液ポンプ２０、送
液ポンプ２１を備えている。処理槽１中の薬液４（アン
モニア−過酸化水素薬液）は循環ポンプ１４の駆動によ
り、処理槽１、オーバーフロー槽２、循環ポンプ１４、
フィルター１５の順で循環される。

【００２６】薬液４は、常時、温度センサ８でモニター
され、温度コントローラ９からの信号によりヒータ１０
で加熱され、所定の温度に制御される。処理槽１内のオ
ーバーフロー槽２上部には薬液４から揮発した成分を含
む蒸気を凝集させるための冷却板７が設置されている。
凝集した液体はオーバーフロー槽２に落下した後、循環
ポンプ１４により図中の矢印の向きで送液され、フィル
ター１５を通って処理槽１へ戻される。オーバーフロー
槽２および処理槽１の薬液の成分濃度は濃度コントロー
ラでモニターされ、薬液から蒸発した成分の回収では補
えない量を、アンモニア水が貯えられた貯留槽１６、過
酸化水素水が貯えられた貯留槽１７と、超純水が貯えら
れた貯留槽１８から送液ポンプ１９、送液ポンプ２０、
送液ポンプ２１の駆動により処理槽１に供給して、薬液
４の各成分が所定の濃度になるように制御する。キャリ
ア６に入れた半導体基板５は、微粒子の除去、液温の制
御、成分濃度の制御が行われた薬液４に一定時間浸漬し
て処理される。

【００２７】

【実施例】次に、代表的な半導体基板の洗浄方法である
アンモニア水と過酸化水素水を混合した薬液（アンモニ
ア−過酸化水素薬液）を用いた場合を例にとり、本発明
の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

【００２８】図２は、図６の従来の薬液処理装置を用
い、処理装置の薬液量を保つため、超純水のみを補充し
て半導体基板を処理した場合のアンモニア濃度、過酸化
水素濃度の経時変化を示したものである。アンモニア濃
度と過酸化水素濃度は、揮発、持ち出し、分解、消費等
により、時間が経つにつれて徐々に低下している。特
に、揮発性の高いアンモニアの濃度低下が大きい。

【００２９】図３は、図６の従来の薬液処理装置を用
い、処理装置内の薬液量と薬液の成分濃度を保つため、
アンモニア水（２９重量％）、過酸化水素水（３０重量
％）、超純水を補充して半導体基板を処理した場合のア
ンモニア濃度、過酸化水素濃度の経時変化を示したもの
である。アンモニア濃度と過酸化水素濃度は、ほぼ一定
に保たれている。ただし、処理槽の容積５０Ｌに対し
て、8時間で補充したアンモニア水の量は約８０Ｌと非
常に多い。なお、8時間で補充した過酸化水素の量は約
４Ｌである。

【００３０】図４は、図１の本発明の薬液処理装置を用
い、薬液から揮発した成分を含む蒸気を処理槽１上部の
空間に設置した冷却板７により凝集させてオーバーフロ
ー槽２から処理槽１へ戻し、かつ、処理装置内の薬液量
を保つため、超純水のみを補充して半導体基板を処理し
た場合のアンモニア濃度、過酸化水素濃度の経時変化を
示したものである。薬液の補充は行っていない。アンモ
ニア濃度と過酸化水素濃度は共に時間が経つにつれて徐
々に低下しているが、アンモニアの濃度低下は図２に示
した従来装置の結果に比べて小さくなっている。

【００３１】図５は、図１の本発明の薬液処理装置を用
い、薬液から揮発した成分を含む蒸気を処理槽１上部の
空間に設置した冷却板７により凝集させてオーバーフロ
ー槽２から処理槽１へ戻し、かつ、処理装置内の薬液量
と薬液の成分濃度を保つため、アンモニア水（２９重量
％）、過酸化水素水（３０重量％）、超純水を補充して
半導体基板を処理した場合のアンモニア濃度、過酸化水
素濃度の経時変化を示したものである。アンモニア濃度
と過酸化水素濃度は、薬液から揮発した成分の回収のみ
行った場合よりも（図４）さらに一定に保たれる。ま
た、8時間で補充したアンモニア水の量は、処理槽の容
積５０Ｌに対して約４０Ｌとなり、従来の薬液処理装置
に比べて１／２に低下している。

【００３２】図１の本発明の薬液処理装置では、処理槽
１の蓋３の開放時間（半導体基板の出入）が全稼動時間
の約２％であり、待機時間と処理時間は閉じているた
め、処理槽１の上方から揮散する薬液成分は極少であ
る。また、薬液の揮発成分は冷却板７で常に凝集されて
いるため、蓋３を開放した際に、処理槽１の上部空間に
溜まった揮発成分が一気に放出されることもない。蓋３
により微粒子の混入を防ぐことができ、また、微粒子は
冷却板７で凝集された液体と共にオーバーフロー槽２に
落下するため、半導体基板の引き上げ時に基板表面へ付
着することもない。オーバーフロー槽２へ落下した液体
はフィルター１５を通過して処理槽１へ戻されるため、
回収した液体に微粒子が混入しても処理槽１の薬液４に
突発的な微粒子の増加を起こすこともない。

【００３３】なお、本発明の薬液処理装置では、上記薬
液以外にも揮発性の高い成分を含む薬液、例えば、塩酸
と過酸化水素を混合した薬液（塩酸−過酸化水素薬液）
でも同様の効果を得ることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の薬液処理装
置によれば、薬液から揮発した成分を含む蒸気が冷却手
段により凝集され、オーバーフロー槽から濾過手段を通
過した後、処理槽へ戻されるため、薬液成分の濃度の変
動を抑え、薬液に微粒子が混入することを防止できる。

【００３５】また、薬液の成分濃度を検出する濃度検出
手段を設けることにより、不足する薬液の成分を濃度検
出手段の測定結果に基づいて補充し、必要最小限度の薬
液補充量で薬液の濃度を制御することができる。また、
オーバーフロー槽内の薬液の水位を検出する水位検出手
段を設けることにより、検出された薬液の水位に基づい
て必要最小限度の薬液補充を行うことができる。これら
により薬液成分の補充量の削減を図ることができ、薬液
自体のコストのみならず、廃棄液処理費を含めたトータ
ルの薬品コストを低減し、かつ環境負荷の低減を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薬液処理装置の一実施形態を示す図で
ある。

【図２】従来の薬液処理装置を用いたアンモニア−過酸
化水素薬液による半導体基板処理において、薬液成分を
補充しない場合のアンモニア濃度と過酸化水素濃度の変
化を示す図である。

【図３】従来の薬液処理装置を用いたアンモニア−過酸
化水素薬液による半導体基板処理おいて、薬液成分を補
充した場合のアンモニア濃度と過酸化水素濃度の変化を
示す図である。

【図４】本発明の薬液処理装置を用いたアンモニア−過
酸化水素薬液による半導体基板処理において、薬液成分
を補充しない場合のアンモニア濃度と過酸化水素濃度の
変化を示す図である。

【図５】本発明の薬液処理装置を用いたアンモニア−過
酸化水素薬液による半導体基板処理において、薬液成分
を補充した場合のアンモニア濃度と過酸化水素濃度の変
化を示す図である。

【図６】従来の薬液処理装置の一例を示す図である。

【図７】従来の薬液処理装置の一例を示す図である。

【図８】従来の薬液処理装置の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 処理槽 ２ オーバーフロー槽 ３ 蓋（観音開き） ４ 薬液 ５ 半導体基板 ６ キャリア ７ 冷却板 ８ 温度センサ ９ 温度コントローラ １０ ヒータ １１ 水位センサ １２ 水位コントーラ １３ 濃度コントローラ １４ 循環ポンプ １５ フィルター １６ 貯留槽 １７ 貯留槽 １８ 貯留槽 １９ 送液ポンプ ２０ 送液ポンプ ２１ 送液ポンプ ２２ 不活性ガス噴射拡散ノズル ２３ 不活性ガス ２４ 冷却用パイプ ２５ 加湿器 ２６ 噴出口 ２７ 排気口 ２８ 循環路 ２９ 濃度センサ ３０ 密閉容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−55152（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−104234（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−159029（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−129274（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−45655（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−38589（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−278847（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−96234（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−326769（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−85353（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 648 H01L 21/304 642 H01L 21/306 B08B 3/04

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薬液が満たされ半導体基板が設置される
   洗浄槽および該洗浄槽の周囲を囲むように配置されたオ
   ーバーフロー槽が内部に配置された密閉容器と、 該密閉容器内の上部に配置され、該薬液から揮発した成
   分を含む蒸気を冷却して凝集させる冷却手段と、 該オーバーフロー槽と該洗浄槽とを接続し、該薬液を循
   環させる循環路と、 該循環路に設けられ、該オーバーフロー槽内の薬液を洗
   浄槽に送液する循環ポンプと、 該循環路の該循環ポンプ下流側に設けられた濾過手段
   と、 前記薬液に含まれる所定成分を前記洗浄槽に補充する薬
   液補充手段と、 前記洗浄槽内および前記オーバーフロー槽内の薬液の成
   分濃度を検出する濃度検出手段と、 前記薬液補充手段および前記濃度検出手段に接続し、検
   出された薬液の成分濃度に基づいて前記洗浄槽内の薬液
   の各成分の濃度が所定の値となるように前記所定成分の
   補充量を制御する制御手段と を備えたことを特徴とする
   薬液処理装置。
2. 【請求項２】 前記オーバーフロー槽内の薬液の水位を
   検出する水位検出手段と、 該水位検出手段に接続し、検出された薬液の水位に基づ
   いてオーバーフロー槽内の薬液の量が所定の薬液量とな
   るように前記所定成分の補充量を制御する制御手段とを
   備えたことを特徴とする請求項１に記載の薬液処理装
   置。
3. 【請求項３】 前記冷却手段は、内部に冷媒の通ずる導
   管が設けられたセラミック体であることを特徴とする請
   求項１または２に記載の薬液処理装置。
4. 【請求項４】 前記冷却手段は、内部に冷媒の通ずる導
   管が設けられ、表面に腐食防止層が設けられた金属体で
   あることを特徴とする請求項１または２に記載の薬液処
   理装置。
5. 【請求項５】 前記冷却手段が前記オーバーフロー槽の
   上部に設けられた請求項１乃至４いずれかに記載の薬液
   処理装置。
6. 【請求項６】 前記冷却手段は、凝集した薬液の所定成
   分が前記オーバーフロー槽内に滴下されるように配置さ
   れた請求項１乃至５いずれかに記載の薬液処理装置。