JP3959028B2 - 加工ツールにおいて基板上の粒子による汚染を低減するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工ツールにおいて基板上の粒子による汚染を低減するための装置および方法に関する。ここで、基板はチャックの方向に向いた背面を有している。

半導体素子の製造では、基板が集積回路の所望の構造を受けとるまでに、数段階の製造工程を経る必要がある。多くの場合、対応装置は、内部にチャックを有する加工チャンバを備えている。チャック上には、実際の加工工程を受けることができるように、例えば半導体ウェハなどの半導体素子を載せることができる。限定的なクリーンルームの仕様に関わらず、粒子汚染にまつわる問題が頻繁に発生する。その原因となるのは、処理中の半導体素子とチャックとの間の機械的な相互作用と、現在の加工の物理的または化学的副産物である。半導体素子の前面に不規則に集まった粒子は、最終的に集積回路に欠陥を発生させ得る。また、半導体素子の背面に集まった粒子も、その後の加工工程に深刻な問題を引き起こし得る。半導体素子の背面に粒子が蓄積されると、次の加工工程で半導体素子の平坦な背面とチャック表面との間に粒子が閉じ込められてしまい、半導体素子がチャック上に配置されたときに歪がみが生じる。特にリソグラフィ工程では、横方向の１００ｎｍまでの非線形なひずみ、および、半導体素子のいたるところで焦点深度のばらつきが問題となる。

半導体素子がウェハの場合は、リソグラフィ工程の前の加工トラックは、通常、スピンコーターに続くホットプレートと、コーティング工程の間にウェハ上に散布されたレジストをプレバックするためのさらなるホットプレートとを備える。ウェハ露光以前のこうした工程の中では、主にコーティング工程は、ウェハの背面に蓄積された粒子を集めることに大きく寄与することを意味する。この原因は、ウェハをコーティングする際のスピン運動の間、ウェハ表面からレジストの材料が取り除かれるからである。レジストは、エアフローによって、ウェハ背面上の粒子として集められ得る。もしくは、ウェハが加工チャンバ（すなわち、スピンカップ）から取り出された後に、レジストはチャック上に堆積する。続いて加工されるウェハは汚染されたチャック上に取り付けられ、粒子がウェハ背面に張り付く。

５０００ｒｐｍまでの回転率で回転中のウェハを把持し、かつ、固定するために、チャック表面には真空通路が配置され、真空ポートにつながれている。そのため、真空通路の圧力により、ウェハとチャックとの間により強い機械的相互作用が発生する。粒子は主にウェハの下のこれらの通路内部に集まり、最終的にはウェハ背面の高濃度領域、すなわち、ウェハ背面と真空通路の接触領域に付着する。

いくつかの技術が、背面の粒子汚染問題を回避するために提案されてきた。ある従来技術の解決策は、必要でなく、かつ、後の工程で粒子を生成し得るレジストを除去するために、溶媒を半導体素子のエッジに向けることである。例えば、２００ｍｍのウェハはチャックより僅かに大きい直径を有しているので、ウェハ背面のエッジ部分は同様に溶液で洗浄されることが多い。しかし、ウェハ背面のほとんどの部分がチェックに接しているので、この技術では、背面の汚染粒子はほとんど除去され得ない。

粒子汚染を低減するための別の技術は、コーティングなどの最初の加工工程においてチャック上で汚染された背面領域を、リソグラフィなどの続く工程におけるチャック上の真空通路の位置に配置することである。ゆがみは実際上減り得るが、光学検査などを用いて汚染領域を正確に予測することは容易ではない。さらに、対応するチャックの設計も同一でなければならない。

米国特許第５，９６６，６３５号では、チャックから粒子を除去するために、チャックに溶媒液を付与することによって、２つのウェハ加工工程の間にチャックを洗浄することが提案されている。この方法により、チャックは次に加工されるウェハ背面に粒子を付着させ得ない。粒子は加工チャンバ内でもチャック上でも蓄積することはないが、多くの粒子が発生する加工工程中では、粒子はまだウェハの背面に移動することができる。粒子がいったん真空通路に入ると、ウェハの下にさらに運ばれ得る。

直径３００ｍｍのウェハに一般的に適用されるさらに別の技術は、ウェハと真空チャックの接触領域を縮小することである。現在チャックのために一般的に使用されるチャックのウェハの背面の支持領域は、ウェハ背面領域の約５０％である。従って、エッジビード除去ノズルを介してウェハ背面に溶媒液を付与することによって、ウェハ背面領域の約半分を洗浄することができるが、中央部分は汚染されたままである。この解決策の主な欠点は、３００ｍｍのウェハが、通常用いられる回転度数における通常モードで振動し始めることである。レジストは、約５０００ｒｐｍで回転しながらウェハに塗布されるが、ウェハ前面では均一に分配されない。むしろ、外側の支持のない表面領域、すなわち、ウェハ背面がチャックと接触していないところでは、機械的な干渉効果により、波状の厚さの構造が形成される。

このため、スピンコーターの回転速度は、一般的には、３００ｍｍのウェハでは約２０００ｒｐｍまで低減されている。したがって、特定の粘性を持つより分厚いレジストを加工することが困難になり、その結果、リソグラフィ工程での加工の質が低下する。

したがって、本発明の主な課題は、半導体素子製造における粒子汚染を低減し、次の製造工程の加工状況を改良することである。

加工ツールにおける基板上の粒子の汚染を低減する装置および方法によって本課題は解決される。ここでは、基板はその背面をチャックに向けているものとする。装置は、前記基板の加工工程を提供する加工ツールの加工チャンバと、前記基板を把持するために前記加工チャンバの内部に配置された前記チャックと、前記チャックから基板を持ち上げるためのテーパーシェルフを有する前記少なくとも３本の可動式アームと、ドライブを含むアームの運動制御手段と、溶媒液を散布する少なくとも１本リンスノズルと、少なくとも１本のリンスノズルに供給するための前記溶媒液を提供する手段とを備える。上記方法は、前記基板を提供する工程と、加工ツール内のチャックに前記基板を積む工程と、基板を加工する工程と、少なくとも３本のアームの集合を用いてチャックから前記基板を持ち上げる工程と、少なくとも１本のリンスノズルを用いて基板背面に溶媒液を散布する工程と、前記チャックから前記基板を下ろす工程とを包含する。

本発明によれば、アームの集合が加工ツールの加工チャンバ内に設けられており、半導体素子の背面にリンスノズルを介して溶媒液を付与することによって洗浄を行うために、アームは加工後にチャックから半導体素子を持ち上げる。加工ツールがスピンコーターであれば、本発明は、例えばウェハなどの露光前にコーティングトラックで特に適用され得る。しかし、任意の他の適切な半導体素子を加工するＣＭＰ、エッチングなどの任意の他の加工ツール、または、マスク、レチクル、パネルディスプレイなどといった基板に対しても、本発明の装置と方法は組み込まれ得る。

半導体素子の背面を洗浄した後、ロボットが次の加工工程まで運べるように、半導体素子を再度チャック上に下げることができる。または、本発明の装置によって設けられたアームの集合からトラックオートメーションシステムのロボットのアームまで、直接運ぶこともできる。本装置のアームは、半導体素子との接触領域を可能な限り小さくするためのテーパーシェルフを含み、ナイフのエッジの形状を有し得る。接触領域、すなわち、アームが基板と接触して把持する位置は、好ましくは、基板のエッジに配置される。なぜならば、接触領域は、従来のエッチビード除去ノズルによってすでに洗浄され得るからである。アームは下から素子を持ち上げるように構成されている。安定した位置に戻るために、素子は少なくとも３本のアームに支えられている。

支持アームまたはピンの好ましい数は、３本から５本である。アームは、素子を持ち上げるためには、少なくとも垂直方向に動く必要がある。任意のジョイントによって、アームは様々なサイズの基板に合わせて調節され、基板を締め付けることができる。全てのアームはそれぞれのドライブを有し、ドライブは制御部によってアームの運動を調節し得る。または、アームは１つの共通のドライブによって上げ下げされる。アームは、加工チャンバのチャック位置の上部か下部のどちらかにある可動式ソケットに基づき得る。上部の位置にある場合、背面から基板を支えるために、アームをその上部から基板の周りを通るように導くため、さらなるドライブとジョイントとが必要となる。素子の背面はチャックの方向、すなわち、一般的には下方向を向いている。接触が確立した後、素子は持ち上げられ得る。好ましくは、基板は、ただ重量を把持され、少なくとも３本の支持アーム上に横たわった安定した位置で固定される。さらに、基板前面（加工ツールがスピンコーターの場合レジストで覆われている）と接触せずに基板のエッジから中央向きに作用する力を有するアームの締め付けメカニズムを、同様に適用され得る。

アームに使用される材料は、スチールまたはテフロン（Ｒ）などのあらゆる中性材料であり得る。さらなる局面において、リンスノズルを介して溶媒液を基板背面の全ての部分に均質にいきわたらせるために、少なくとも３本のアームは軸の周りを回転し得る。好ましい実施形態では、回転軸はチャックの回転軸と同一である。回転中、基板がわずかに中心からそれることと連動して遠心力による滑り落ちによって損傷を受けないように、基板はアームによって締め付けられる必要がある。基板の背面に溶媒液を散布しているときのアームの回転速度は、スピンドライの回転速度を超過すべきではない。スピンドライの回転速度は一般的に１０００ｒｐｍである。好ましい回転速度は、５０ー３００ｒｐｍの範囲である。

基板背面を洗浄するために、少なくとも１本のリンスノズルが設けられている。リンスノズルは溶媒液のソースと連結しており、溶媒液はノズルを介して３−５０ｐｓｉの圧力で基板背面に散布され得る。溶媒液としては、ＰＧＭＥＡＺ（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）、ＥＧＭＥＡ（エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート）、または、任意の他の通常の溶媒液が使用され得る。アームの集合が回転できない場合、基板背面をくまなく溶媒液で覆うために、好ましくは２本のリンスノズルを使用することになる。さらなる局面において、素子背面の到達性がさらに有利に改良されるように、少なくとも１本のリンスノズルの動きを制御してもよい。

少なくとも１本のリンスノズルの水平方向の高さレベルは、基板が持ち上げられる位置、すなわち、基板と接触するアームのテーパーシェルフの最高位置の下である。この位置では、リンスノズルを介した溶媒液が基板背面に到達し得る。さらに、リンスノズルの高さは、チャックの表面の位置よりも上である。溶媒液をチャック表面に散布し効果的に汚染のもとになる粒子を除去するため、ノズルの位置および／または方向を変更するためのドライブによって、さらなる局面において、リンスノズルはチャック表面に向けられ得る。

さらなる局面において、チャックの真空通路、または、真空ポートの汚染も考慮している。前記真空通路、または、真空ポート内の粒子の沈殿を防ぐために、加工チャンバ内の圧力より高い圧力で真空通路を通って真空ポートからガスが導かれ得る。これには、Ｎ_２ガス、または、任意の他の中性ガス（例えばヘリウム）が利用され得る。スイッチを利用して、真空通路を介してチャック表面に基板を吸引するように真空ポートを真空にするか、または、真空通路を清潔に保つために真空ポートからガスを送りこむ。

本発明のさらなる有利な特徴と局面と詳細は、従属請求項で明らかにされる。

ここで、本発明を添付の図面と関連する実施形態を参照して説明する。

スピンコーター２の加工チャンバ３内には、４本のアーム５の集合は、アーム垂直運動のための回転ドライブガイド手段６ａに備え付けられている。ドライブガイド手段６ａの回転軸は、加工中の半導体ウェハ１を把持するためのスピンコーターのチャック４の回転軸と同じである。図１に示されるように、アーム垂直運動のための回転ドライブガイド手段６ａは、アーム５の運動制御手段６によって制御されており、チャック４から半導体ウェハ１を持ち上げることができる。そのため、半導体ウェハ背面１ｂとチャック４の表面に、リンスノズル７を介して、溶媒液１０は自在に散布される。アーム水平運動のためのジョイント５ｂによって、アーム５は半導体ウェハ１のサイズに応じて調節され得る。そのため、半導体ウェハは、アーム５の先端のテーパーシェルフ５ａへ適切に締め付けられ得る。アーム運動制御手段６は、制御部を含み、制御部はコーティング加工を制御するオートメーションシステムに連結する。特に、ドライブガイド手段６ａによるアーム５の持ち上げと、それぞれのドライブを有するジョイント５ｂによる締め付けと、ドライブ付きベアリング６ｂによるアーム５の集合の回転は、完全なコーティングトラック加工に従って、順次起こる。

高さレベルはウェハ１を把持するテーパーシェルフ５ａを備えたアーム５の持ち上げ位置の下になるので、アーム５の集合の持ち上げ位置では、リンスノズルがウェハ背面１ｂへ溶媒液１０を散布し得る。そのため、汚染粒子はウェハの背面１ｂから効果的に取り除かれ得る。さらに、チャック表面に溶媒液１０を散布することができるように、リンスノズル方向調節手段８は、リンスノズル７の方向を、リンスノズルのチャック洗浄位置７ａに切り替え得る。溶媒液１０は、外部の溶媒液供給手段１１によって供給される。

チャック４は、回転加工中に、半導体ウェハ１をチャック表面に吸引するために、真空ポート２４に連結された真空通路２３を含む。図１の配置では、ウェハ背面１ｂが溶媒液で洗浄される。そのため、真空通路２３はウェハ背面１ｂから除去された粒子によって汚染され得る。したがって、真空ポート２４と真空源２２の結合は、スイッチ２０によって、ガス容器２１との結合に切り替えられる。このガス容器２１は、加工チャンバ３内よりも高圧のＮ_２ガスを含む。そのため、窒素ガスは、真空ポート２４を経て真空通路２３を介して流れ、粒子が真空通路２３に留まることを防ぐ。

本発明の方法の実施形態に従うと、基板上の粒子汚染を低減する連続的な工程を図２に示す。用いる装置は、前述の実施形態において説明したものと同様である。ウェハをコーティングするためのトラックオートメーションシステムのロボットは、ウェハ１をスピンコーター２に提供し、ウェハ１をチャック４に配置する。有機レジストは、直径３００ｍｍのウェハが４０００ｒｐｍ（１分当たりの回転数）で回転するとき、ウェハ前面１ａに散布される。チャック４は２９０ｍｍの直径を有する。コーティング後、エッジビードリンスノズルを用いた従来の背面リンスはウェハ１のエッジに作用する。チャックが２００ｒｐｍで回転している間、ウェハ１のエッジはチャックの裏側にさらされている。明らかに、加工チャンバ２を囲むレジストディスペンスノズルとエッジビードリンスノズルとスピンカップは、図１の実施形態には示されていない。背面リンスはオプションの工程であり、本発明に従って実行される必要はない。

その後、アーム運動制御手段６を用いることで、アーム５は持ち上げられ、ウェハ１をテーパーシェルフ５ａと接触させながら、ウェハ１を持ち上げ位置まで持ち上げる。この後、３種類の加工が並行して行われる。すなわち、４つのアームが１００ｒｐｍでウェハを回転させながら、リンスノズルはウェハ背面１ｂに８ｐｓｉの圧力で溶媒液を散布し、スイッチ２０が開かれて、Ｎ_２ガスがガス容器２１から真空通路２３を介して真空ポート２４を通り放出される。それにより、ウェハ背面１ｂの洗浄工程で生じた粒子を取り除く。さらに、スピニングおよびコーティング工程で生じた、エアフロー中を浮遊するレジスト粒子は、チャックに向かって移動し得るが、真空通路２３への沈殿をよく防ぐことができる。

洗浄工程の後、ウェハ１を１０００ｒｐｍの回転速度のアーム５を把持しながら、スピンドライする。そして、最終的にはロボットアームに渡され、ロボットのアームは次の加工工程にウェハ１を運ぶ。

同様の実施形態では、ウェハ１は、洗浄工程後、再度チャック４上に置かれ得る（下ろされた位置）。そしてチャック上でスピンドライされ、ロボットによる移動工程に続く。

さらに別の実施形態では、ウェハ背面の洗浄工程の後に、チャック洗浄位置７ａにリンスノズル７を切り替え、溶媒液を散布することによって、チャック表面の洗浄工程に移行し得る。その後、前記実施形態の工程が続けられ得る。

図１は、本発明の実施形態に従った、スピンコーターの加工チャンバ内の装置の側面図を示している。 図２は、本発明の実施形態に従った方法を利用したコーティング加工のフローチャートを示している。

符号の説明

１ 基板、半導体ウェハ
１ａ 基板前面
１ｂ 基板背面
２ 加工ツール、スピンコーター
３ 加工チャンバ
４ チャック
５ 可動式アームの集合
５ａ 可動式アームのテーパーシェルフ
５ｂ アーム水平運動用ジョイント
６ アーム運動制御手段
６ａ アーム垂直運動のための回転ドライブガイド手段
６ｂ アーム回転のためのドライブ付きベアリング
７ リンスノズル
７ａ チャック洗浄位置のリンスノズル
８ リンスノズル方向調節手段
１０ 溶媒液
１１ 溶媒液供給手段
２０ スイッチ：真空とＮ_２ガス
２１ Ｎ_２ガス源
２２ 真空源
２３ 真空通路
２４ 真空ポート

Claims (8)

1. 加工ツール（２）において基板（１）上の粒子による汚染を低減する装置であって、
   該装置は、
   加工チャンバ（３）内に配置されたチャック（４）であって、該チェック（４）は、該基板（１）の背面（１ｂ）を受け取り、該加工チャンバ（３）は、該基板（１）を加工する工程を提供するように設計されている、チャック（４）と、
   該チャック（４）から該基板（１）を持ち上げる少なくとも３本の可動式アーム（５）の集合と、
   ドライブを含む該少なくとも３本の可動式アームの運動を制御する手段（６）と
   を備え、
   該少なくとも３本の可動式アーム（５）のそれぞれは、テーパーシェルフ（５ａ）を有することと、
   溶媒液（１０）を散布する少なくとも１本のリンスノズル（７）と、
   該少なくとも１本のリンスノズル（７）に供給するための該溶媒液を提供する手段（１２）と、
   該チャック（４）は、該基板（１）を固定するために、真空ポート（２４）と該真空ポート（２４）に連結された真空通路（２３）とを含むことと、
   該真空ポートに連結された少なくとも２つのガス圧力源であって、
   （ａ）該加工チャンバのガス圧力より低い第１のガス圧力（２２）であって、ほぼ真空状態を提供する第１のガス圧力（２２）と、
   （ｂ）該加工チャンバのガス圧力より高い第２のガス圧力（２１）であって、該真空通路に中性ガスを提供する第２のガス圧力（２１）と
   を含む、少なくとも２つのガス圧力源と、
   該少なくとも１本のリンスノズル（７）が該溶媒液（１０）を散布するときにおいて、該真空ポート（２４）に加えられるガス圧力源を該第１のガス圧力（２２）から該第２のガス圧力（２１）に切り替える手段（２０）とによって特徴付けられる、装置。
2. 前記加工ツール（３）は、前記基板（１）の背面（１ｂ）の反対側にある前面（１ａ）にレジストを散布する手段を有するスピンコーターであり、前記チャック（４）は、軸の周りを回転するように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも３本のアーム（５）の集合は、前記軸の周りを回転し得るように備え付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記基板（１）は、少なくとも３００ミリメーターの直径を有する半導体ウェハであり、前記チャック（４）は、少なくとも２８０ミリメーターの直径を有する接触表面を有することによって特徴付けられる、請求項２または請求項３に記載の装置。
5. 前記少なくとも３本のアーム（５）の集合によって持ち上げられる前記ウェハ（１）の前記背面（１ｂ）、前記接触表面、または、前記チャック（４）の前記真空通路（２３）のうちのいずれかは、前記少なくとも１本のリンスノズル（７）を介して前記溶媒液（１０）によってアクセスされ得るように該少なくとも１本のリンスノズルの位置および方向を調節する手段（８）によって特徴付けられる、請求項４に記載の装置。
6. 加工ツール（２）内の基板（１）上の粒子数を低減する方法であって、該基板（１）はチャック（４）の方向に向いた背面（１ｂ）を有しており、
   該方法は、
   （ａ）該加工ツール（２）内の該チャック（４）上に該基板（１）を積む工程と、
   （ｂ）工程（ａ）の後に、該チャック（４）上に積まれた該基板（１）を加工する工程と、
   （ｃ）工程（ｂ）の後に、少なくとも３本のアーム（５）の集合を用いて該チャック（４）から該基板（１）を持ち上げる工程と、
   （ｄ）工程（ｃ）の後に、少なくとも１本のリンスノズル（７）を用いて該基板（１）の背面（１ｂ）上に溶媒液（１０）を散布し、同時に、少なくとも一つの真空ポート（２４）を粒子による汚染から保護するために、該チャック(４）上に形成された該少なくとも１つの真空ポート（２４）からガスを導く工程と
   を包含する方法。
7. 前記溶媒液（１０）を散布している間、前記チャック（４）から前記基板（１）を持ち上げている前記少なくとも３本のアーム（５）の集合が軸の周りを回転することによって特徴付けられる、請求項６に記載の方法。
8. 前記基板（１）を持ち上げた後、前記溶媒液（１０）を前記チャック（４）上に散布することによって特徴付けられる、請求項７に記載の方法。

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