JP4027288B2 - 基板処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板等の基板（以下、単に「基板」と称する）を処理液で処理する基板処理装置に関する。

従来、この種の装置として、例えば基板表面のシリコン窒化膜を高温度の燐酸（Ｈ₃ＰＯ₄）溶液を用いてエッチング処理する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、図４を参照して説明する。この装置は、燐酸溶液を貯留する処理槽１０１と、この処理槽１０１から溢れた燐酸溶液を回収する回収槽１０３と、この回収槽１０３に回収された燐酸溶液を処理槽１０１に戻す循環系１０５と、この循環系１０５を流通している処理液を加熱しているインラインヒータ１０７と、処理槽１０１の底部に配設され、処理槽１０１内に移動された基板Wの処理位置に向けて処理液を供給する注入管１０８と、処理槽１０１内の燐酸溶液を絶えず加熱している加熱器１０９と、燐酸の供給部１１１と、燐酸溶液の温度調整のために処理槽１０１に純水を補充する開閉弁１１３とを備えている。

このような構成の装置では、シリコン酸化膜との高エッチングレートを維持した状態で処理を施すことがある。その場合には、所定濃度に調整された燐酸溶液を、その濃度に応じた沸点直前の高温度（１２０〜１７０℃）に保つことが行われる。そして、燐酸溶液の温度が設定温度よりも高い場合は、その程度に応じて開閉弁１１３の開放時間を長めに調整して処理槽１０１内に純水を補充することによりその温度が下げられ、逆に設定温度よりも低い場合は、純水を補充せずにその程度に応じてインラインヒータ１０７及び加熱器１０９によってその温度が上げられる。
特開平９−１８１０４１号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。

すなわち、従来の装置は、処理槽１０１の下方に位置する基板Wの下部付近が、その他の部分に比較してエッチングが進行するという現象が生じ、基板Ｗの面内におけるエッチングの均一性が悪いという問題がある。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、基板に対する処理を均一に施す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。

本発明者は、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。

すなわち、処理槽１０１に処理液を供給している注入管１０８の処理液供給方向を調整すると、それに応じて基板Ｗ面においてエッチングが進行する部分が面内において移動することが実験によって明らかになった。このことから、インラインヒータ１０７を介して加熱された直後の処理液が、注入管１０８より基板Ｗの特定箇所に向けて供給されていることが原因で、基板Ｗの表面が部分的にエッチングされて処理が不均一になっていることが判った。

因みに、インラインヒータ１０７の消費電力は約９kＷであり、加熱器１０９の消費電力は約２ｋWであることから、インラインヒータ１０７で加熱された処理液による影響が顕著に基板Wに対して現れていると推測される。

このような知見に基づく本発明は、次のように構成されている。

すなわち、請求項1に記載の発明は、基板に所定の処理を行う基板処理装置において、処理液を貯留する処理槽と、前記処理槽内の処理位置と前記処理槽外との待機位置との間で、基板の搬送を行う搬送手段と、前記処理槽内に処理液を供給する供給手段と、前記処理槽内の処理液を加熱する第１加熱手段と、前記供給手段に流通する処理液を加熱する第２加熱手段と、基板が待機位置にある場合には、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段により処理液を加熱し、基板が処理位置に搬送されて前記処理槽内の処理液に浸漬される場合には、前記第２加熱手段による加熱を停止して前記第１加熱手段により処理液を加熱する制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項1に記載の発明によれば、基板が待機位置にある場合には、第１加熱手段と第２加熱手段の両方で処理液を加熱し、基板が処理位置に搬送されて処理液に浸漬される場合には、第２加熱手段による加熱を停止して、第１加熱手段でのみ処理槽内の処理液を加熱する。つまり、供給手段から供給される処理液は加熱されておらず、処理槽に供給された処理液が第１加熱手段でのみ継続して加熱されるので、加熱直後の処理液が基板に対して供給されることがなく、第１加熱手段で全体的に加熱されている処理液で基板に対する処理が施されることになる。したがって、基板の表面全体がほぼ均一な温度の処理液で処理されるので、基板に対する処理を均一化することができる。

なお、ここでいう「基板が処理位置に搬送されて処理槽内の処理液に浸漬される場合」とは、基板が処理液に浸漬される前から、基板が処理槽内の処理位置に移動されるまでを含むものである。したがって、基板が処理槽の上方などの待機位置にあって処理位置に移動される前に予め第２加熱手段による加熱を停止したり、待機位置から処理位置に基板が搬送手段で搬送される間に第２加熱手段による加熱を停止したり、待機位置から処理位置に基板が搬送手段で搬送された時点で第２加熱手段による加熱を停止したりすることも含む。

また、第２加熱手段による加熱は、基板が処理位置に搬送されるより所定時間だけ前に停止されることが好ましい（請求項２）。加熱を停止しても処理液に対する加熱が即座に停止されることはなく、余熱による加熱が生じるので、これによる処理不均一を抑制するためである。

また、供給手段は、前記処理槽から溢れた処理液を、前記第２加熱手段を介して前記処理槽に再び供給する循環式であることが好ましい（請求項３）。処理液を循環させて処理することにより、処理液の消費量を抑制することができる。

この発明に係る基板処理装置によれば、加熱直後の処理液が基板に対して供給されることがなく、第１加熱手段で全体的に加熱されている処理液により基板に対する処理が施される。したがって、基板の表面全体がほぼ均一な温度の処理液で処理されるので、基板に対する処理を均一化することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例1を説明する。

図１は本発明の一実施例に係る基板処理装置の概略構成を示すブロック図である。ここでは薬液として燐酸と希釈液として純水とを混合して得られた処理液である燐酸溶液を加熱し、この燐酸溶液中に基板（例えば半導体ウエハ）を浸漬してエッチング処理する装置を例に採って説明する。

この基板処理装置は、燐酸溶液を貯留する処理槽１を備えている。この処理槽１の周囲には、処理槽１から溢れ出た燐酸溶液を回収するための回収槽３が設けられている。回収槽３で回収された燐酸溶液は循環系５を介して処理槽１に戻される。この循環系５は、回収槽３と処理槽１の底部に設けられた噴出管７とを連通接続する配管９に、循環ポンプ１１、インラインヒータ１３、およびフィルタ１５備えている。インラインヒータ１３は処理槽１に戻される燐酸溶液を加熱するためのものであり、フィルタ１５は処理槽１に戻される燐酸溶液からパーティクルを除去するためのものである。処理槽１と回収槽３の外周囲には、槽内の燐酸溶液を加熱するための槽用加熱器１７が設けられている。

なお、上記のインラインヒータ１３が本発明の第２加熱手段に相当し、槽用加熱器１７が本発明における第１加熱手段に相当する。また、循環系５が本発明の供給手段に相当する。

処理槽１の上部には開閉自在のカバー１９が設けられている。処理対象である複数枚の基板Ｗは昇降自在の保持アーム２１に等間隔に直立姿勢で保持されている。昇降自在の保持アーム２１が槽外の待機位置にあるときには、カバー１９は閉じられている。一方、基板Ｗを保持アーム２１に保持して槽内の処理位置に投入するときには、カバー１９が開けられる。基板Ｗ群が槽内に投入されてエッチング処理を施している間、カバー１９は再び閉じられる。

なお、上記の保持アーム２１が本発明における搬送手段に相当する。

回収槽３へ燐酸を供給する燐酸供給部２３が配設されている。燐酸供給部２３は、回収槽３の上部に配設されたノズル２５と、このノズル２５を燐酸供給源に連通接続する配管２７と、この配管２７に介在する流量調整弁２９とを備えている。また、処理槽１へ純水を補充するための純水補充部３１が配設されている。この純水補充部３１は、処理槽１の縁近傍に配設されたノズル３３と、このノズル３３を純水供給源に連通接続する配管３５と、この配管３５に配設された流量調整弁３７とを備えている。

処理槽１内には燐酸溶液の温度を検出する温度センサ４１が設けられている。この温度センサ４１の検出信号は温度制御部４３に与えられる。温度制御部４３は、この検出信号に基づいてインラインヒータ１３をＰＩＤ（比例・積分・微分）制御するとともに、槽用加熱器１７をＯＮ／ＯＦＦ制御する。具体的には、温度制御部４３は、燐酸溶液の温度が１５９．７〜１６０．３°Ｃの範囲に入るようにインラインヒータ１３を制御する。また、温度制御部４３は、燐酸溶液の温度が１６０．３°Ｃ以下では槽用加熱器１７をＯＮ状態に維持し、１６０．３°Ｃを超えるとＯＦＦ状態にする。

本発明における制御手段に相当する上記の温度制御部４３は、上記のような制御の他に、次のような制御も行う。

すなわち、保持アーム２１が待機位置や処理位置以外にある場合には、インラインヒータ１３と槽用加熱器１７を上記のように制御する。一方、保持アーム２１が待機位置から処理位置に移動する前には、インラインヒータ１３による加熱を停止し、槽用加熱器１７による加熱だけに切り替える。そして、基板Ｗへの処理が完了して保持アーム２１が処理位置から待機位置に戻ると、再びインラインヒータ１３による加熱を再開する。換言すると、基板Ｗを処理槽１に移動して処理するのに先立ち、インラインヒータ１３及び槽用加熱器１７による加熱から、槽用加熱器１７による加熱だけに切り替える。なお、保持アーム２１がどの位置にあるか等の情報は、後述する主制御部５７から与えられる。

さらに処理槽１には、燐酸溶液の濃度を検出する濃度検出装置４５が付設されている。この濃度検出装置４５は、燐酸溶液の濃度と燐酸溶液の比重との間に相関関係があることに着目して、燐酸溶液の比重を実質的に検出することにより、燐酸溶液の濃度を検出するものである。また、燐酸溶液の比重は処理槽１内の所定深さにおける圧力と相関関係を有するので、濃度検出装置４５は、処理槽１内の所定深さに検出端を有し、この検出端に付与される処理液の圧力を検出することによって、燐酸溶液の濃度を検出している。以下に、濃度検出装置４５の構成を具体的に説明する。

濃度検出装置４５は、検出管４７と、レギュレータ４９と、圧力検出部５１と、濃度算出部５３とを備えている。検出管４７は、燐酸溶液に耐性を有するフッ素樹脂等で形成されており、その先端部である圧力検出端は処理槽１内の所定深さに位置するように設けられている。レギュレータ４９は、窒素ガス供給源からの窒素ガスを一定流量にして検出管４７に供給する。すると、定常状態においては、窒素ガスの放出圧力は、処理槽１の液面から所定深さにおける液圧にほぼ等しいものとみなすことができる。圧力検出部５１は、この検出管４７内の窒素ガス圧力を測定する圧力センサを備えている。したがって、この圧力検出部５１からの出力信号は、処理槽１の液面からの所定深さにおける液圧であるとみなすことができる。濃度算出部５３は、圧力検出部５１からの圧力に応じた電圧と濃度との対応関係を表した検量線データを予め記憶しており、圧力検出部５１からの検出信号（電圧）に基づいて、処理槽１内の燐酸溶液の濃度を求める。

具体的な濃度算出手法は、特開平１１−２１９９３１号公報に詳述されているので詳細な説明を省略するが、簡単に説明すると以下のようなものである。

すなわち、圧力検出部５１からの検出信号（電圧）と液圧とは所定の関数関係を有し、液圧は、液面から検出管４７の検出端までの距離（深さ）と、燐酸溶液の比重との積に比例する値に大気圧を加えたものとしても表すことができる。したがって、検出端における液圧は、燐酸溶液の濃度と、検出端の深さとを変数とする関数で表現することができる。このため濃度及び深さは、圧力検出部５１が出力した電圧との間に一定の関係が成り立つ。この関係から、所定深さに対して濃度と電圧との関係を予め求めておくことにより、圧力検出部５１からの電圧に基づいて燐酸溶液の濃度を求めることができる。

濃度検出装置４５で得られた燐酸溶液の濃度データは濃度制御部５５に与えられる。濃度制御部５５は、燐酸溶液の検出濃度が燐酸溶液の設定温度に対応した沸点濃度よりも少し高くなるように、上述した流量調整弁３７を調整し、これによりノズル３３から処理槽１に供給される純水の補充量を調整する。具体的には、濃度制御部５５は、燐酸溶液の検出濃度に基づいてＰＩＤ（比例・積分・微分）制御によって流量調整弁３７を操作する。

主制御部５７は、本基板処理装置の全体を管理するために設けられている。具体的には、主制御部５７は、温度制御部４３に対する燐酸溶液の設定温度の指令、濃度制御部５５に対する燐酸溶液の目標濃度の指令、および燐酸の流量調整弁２９の操作指令などを与える。

次に本基板処理装置の動作を図２のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１，Ｓ２
まず、燐酸の流量調整弁２９が開けられて、ノズル２５から回収槽３に燐酸が供給される。回収槽３に供給された燐酸は、循環系５を介して処理槽１に送られる間にインラインヒータ１３によって加熱される。また、処理槽１に導入された燐酸は槽用加熱器１７によっても加熱される。

ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５
処理槽１内の燐酸の温度は温度センサ４１によって検出されて温度制御部４３に与えられる。この温度制御部４３は、設定温度１６０°Ｃに対して±０．３°Ｃの範囲内で温度管理している。具体的には、液温度が１５９．７°Ｃ未満のときは、循環系加熱器１３および槽用加熱器１７による加熱を継続する。液温度が１６０．３°Ｃを超えるときは、インラインヒータ１３および槽用加熱器１７による加熱を停止して自然冷却によって液温度を下げる。液温度が１５９．７°Ｃから１６０．３°Ｃの範囲内に入ると次のステップＳ６に進む。

ステップＳ６
処理槽１内の液濃度が濃度検出装置４５によって逐次検出される。濃度制御部４５は、この検出濃度が予め設定された目標濃度になるように、ＰＩＤ制御により流量調整弁３９を調整することにより処理槽１に純水を補充する。この目標濃度は、燐酸溶液の設定温度に対応した沸点濃度よりも少し高くなるよう設定される。処理槽１内の燐酸溶液の検出濃度が目標濃度範囲を超える場合は純水の補充が継続される。一方、検出濃度が目標濃度範囲を下回る場合は、純水の補充が停止される。純水の補充が停止されると、燐酸溶液の加熱により燐酸溶液中の純水が蒸発して、燐酸溶液の濃度は自然に上昇する。

ステップＳ７
処理槽１内の燐酸溶液が目標濃度範囲に入って安定すると、保持アーム２１に保持された基板Ｗ群が処理槽１内の処理位置に移動される前に、温度制御部４３はインラインヒータ１３による加熱を停止する。なお、槽用加熱器１７による加熱及び循環ポンプ１１による処理液の循環は継続される。

上記の「基板Ｗ群が処理位置に移動される前に」とは、基板Ｗが保持アーム２１により待機位置に移動された時点や、処理位置に移動するまでの間等を含む。具体的には、基板Ｗが処理槽１の上方などの待機位置にあって処理位置に移動される前に予めインラインヒータ１３による加熱を停止したり、待機位置から処理位置に基板Ｗが保持アーム２１で搬送される間にインラインヒータ１３による加熱を停止したり、待機位置から処理位置に基板が搬送手段で搬送された時点でインラインヒータ１３による加熱を停止したりすることも含む。但し、余熱を考慮し、基板Ｗが処理位置に搬送されるより所定時間だけ前に停止されることが好ましい。これにより余熱による悪影響を抑制できる。なお、上記の所定時間とは、循環系５による燐酸溶液の循環速度にもよるが、例えば、３０〜９０秒程度である。

ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０
インラインヒータ１３による加熱が停止された後、保持アーム２１に保持された基板Ｗ群が処理槽１内に投入されて、基板Ｗ群のエッチング処理が始まる。基板Ｗが処理位置に移動した時点から予め定められた処理時間が経過するまで、インラインヒータ１３を除いてステップＳ２〜Ｓ６の温度制御および濃度制御が繰り返し行なわれる。処理時間が経過すると基板Ｗ群が槽内から引き上げられて待機位置に移動し、その後、次の処理槽へ移送される。

ステップＳ１１
基板Ｗが処理槽１から引き上げられると、温度制御部４３は再びインラインヒータ１３による加熱を再開する。

このように本実施例では、基板Ｗが待機位置にある場合には、インラインヒータ１３と槽用加熱器１７の両方で処理液を加熱し、基板Ｗが処理位置に搬送されて処理液に浸漬される場合には、インラインヒータ１３による加熱を停止して、槽用加熱器１７でのみ処理槽１内の処理液を加熱する。つまり、循環系５を介して噴出管７から供給される処理液は加熱されておらず、処理槽１に供給された処理液が槽用加熱器１７でのみ継続して加熱されるので、加熱直後の処理液が基板Ｗに対して供給されることがなく、槽用加熱器１７で全体的に加熱されている処理液で処理が施されることになる。したがって、基板Ｗの表面全体がほぼ均一な温度の処理液で処理されるので、基板Ｗに対する処理を均一化することができる。

次に本実施例における燐酸溶液の温度制御と濃度制御との関係を、図３を参照して説明する。なお、図３は、燐酸溶液の濃度および温度と、シリコン窒化膜エッチングレートとの関係を示すグラフである。

この図３に示すように、沸点ＢＰは、燐酸溶液の濃度が高くなるにつれて高くなる性質を有する。また、本実施例では、温度制御部４３が燐酸溶液の温度を一定に保つように制御していることから、シリコン窒化膜のエッチング時の選択比（エッチングレート）は、濃度の変動に応じて、温度ごとのエッチングレート曲線ＥＲＣに沿って移動することになる。ここでは、温度１５０℃の場合を曲線ＥＲＣ１とし、温度１６０℃の場合を曲線ＥＲＣ２とし、温度１７０℃の場合を曲線ＥＲＣ３としている。本実施例では燐酸溶液の設定温度は１６０℃であるので、曲線ＥＲＣ２に沿って濃度が変動する。曲線ＥＲＣ２上の沸点濃度ＢＰよりも少し高めの濃度域がサブ沸点ＳＢＰである。燐酸溶液の濃度を沸点ＢＰ境界の乱域ＴＺ側に位置するサブ沸点ＳＢＰに維持することでエッチングレートを最も高く維持することができる。本実施例の燐酸溶液の目標濃度は、このサブ沸点域に設定されている。

上述したように、本実施例おいて、燐酸溶液の温度が設定温度範囲を超えたときに、純水を供給することなく加熱停止によって燐酸溶液の温度を下げ（図２のステップＳ５）、また、濃度制御は、燐酸溶液の温度が１５９．７〜１６０．３℃の範囲に入ったときに行うようにしている（ステップＳ６）。

上記のような制御を行う理由は次のとおりである。燐酸溶液が例えば１７０℃にまで上昇したときに、温度を下げるために純水を供給すると、燐酸溶液の濃度は図３の曲線ＥＲＣ３に沿って左方向（濃度が低下する方向）に変化する。すると、燐酸溶液が設定温度に対応した目標濃度（図３の曲線ＥＲＣ２上のサブ沸点ＳＢＰ）に達する前に、沸点ＢＰに達して突沸を引き起こす恐れがある。突沸を避けるためには、純水の補充を徐々に行う必要があるが、そうすると燐酸溶液を設定温度にするのに長時間を要する。

これに対して本実施例では、燐酸溶液の温度をインラインヒータ１３と槽用加熱器１７の操作のみで制御しているので、燐酸溶液の温度を昇降させても燐酸溶液の濃度が変動しない。したがって、燐酸溶液の突沸を未然に防止することができる。また、燐酸溶液の濃度調整のための純水補充は、燐酸溶液の温度が設定温度範囲に入っている場合にのみ行うので、純水の補充により突沸が発生することもない。

以上のように本実施例によれば、燐酸溶液の設定温度に対応した曲線ＥＲＣ２に沿って、燐酸溶液の濃度が目標濃度よりも高い場合は純水が補充されて濃度が下げられ、逆に、燐酸溶液の濃度が目標濃度よりも低い場合は純水の供給が停止されて、加熱された燐酸溶液からの純水の蒸発によって濃度を上げているので、燐酸溶液の濃度をサブ沸点に精度よく維持することができ、もって燐酸溶液のエッチングレートを高い状態で維持することができる。

本発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形実施が可能である。

（１）上記の実施例では、処理液として燐酸溶液を例に採って説明したが、硫酸溶液等の他の処理液であっても本発明を適用することができる。

（２）上記の実施例では、処理液の設定温度に対応した沸点濃度よりも少し高くなるように処理液の濃度を調整しているが、このような制御を行うことなく、薬液や純水などを処理槽に補充する基板処理装置であれば本発明を適用することができる。

（３）本発明は、上述したような処理液を循環させる循環系の配管を備えた装置でなく、処理槽１から溢れた処理液を回収槽３を介して排出する形態の処理装置であっても適用可能である。

（４）槽用加熱器１７はＯＮ／ＯＦＦ制御を行っているが、インラインヒータ１３をオフにした後は、槽用加熱器１７をＰＩＤ（比例・積分・微分）制御して温度調節の精度を維持するように構成してもよい。

実施例に係る基板処理装置の概略構成を示すブロック図である。 処理の流れを示すフローチャートである。 燐酸溶液の濃度および温度とシリコン窒化膜エッチングレートとの関係を示すグラフである。 従来装置の説明に供する図である。

符号の説明

Ｗ … 基板
１ … 処理槽
３ … 回収槽
５ … 循環系（供給手段）
７ … 噴出管
１３ … インラインヒータ（第２加熱手段）
１７ … 槽用加熱器（第１加熱手段）
１９ … カバー
２１ … 保持アーム（搬送手段）
２３ … 燐酸供給部
３１ … 純水補充部
４３ … 温度制御部（制御手段）
４５ … 濃度検出装置

Claims (3)

1. 基板に所定の処理を行う基板処理装置において、
   処理液を貯留する処理槽と、
   前記処理槽内の処理位置と前記処理槽外との待機位置との間で、基板の搬送を行う搬送手段と、
   前記処理槽内に処理液を供給する供給手段と、
   前記処理槽内の処理液を加熱する第１加熱手段と、
   前記供給手段に流通する処理液を加熱する第２加熱手段と、
   基板が待機位置にある場合には、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段により処理液を加熱し、基板が処理位置に搬送されて前記処理槽内の処理液に浸漬される場合には、前記第２加熱手段による加熱を停止して前記第１加熱手段により処理液を加熱する制御手段と、
   を備えていることを特徴とする基板処理装置。
2. 請求項１に記載の基板処理装置において、
   前記第２加熱手段による加熱は、基板が処理位置に搬送されるより所定時間だけ前に停止されることを特徴とする基板処理装置。
   
3. 請求項１または２に記載の基板処理装置において、
   前記供給手段は、前記処理槽から溢れた処理液を、前記第２加熱手段を介して前記処理槽に再び供給する循環式であることを特徴とする基板処理装置。
   

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