JP4342260B2 - ウエハー処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、処理液がウエハーの裏面に廻り込むのを防止するウエハー処理装置に関する。

従来、ウエハーの表面を薬液で洗浄処理する場合には、ウエハーの裏面をバキュームホースに接続されたテーブル状のバキュームチャックの上面に載置して吸着固定し、このバキュームチャックを高速回転させることにより、ウエハーを回転させ、回転されるウエハーの表面に薬液を吐液して所定の処理をした後、ウエハーの回転を停止し、ウエハーの裏面外周部に付着している薬液の残部に純水を吹き付けて洗い落とし、その後ウエハーの裏面外周部に空気を噴出させてウエハーの乾燥を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１７０８０５号公報（図１〜図３）

しかしながら、前記従来のウエハーの面を薬液で洗浄処理する方法においては、未だ解決すべき以下のような問題があった。
薬液の吐液、ウエハーの回転停止、純水の吹き付け及び空気の噴出等、処理工程が多くなって、生産性が悪かった。そこで、処理工程を少なくするために、ウエハーの裏面外周部に薬液が付着しないようにすることが考えられる。
ウエハーを高速回転（例えば、３０００ｒｐｍ）させた場合には、ウエハーの表面（上面）に落とされた薬液は大きな遠心力によりウエハーの外端から外側に飛ばされるので、ウエハーの外端を伝わってウエハーの裏面（下面）に廻り込むことは無いが、ウエハーを低速回転（例えば、５００ｒｐｍ）させた場合には、薬液には小さな遠心力しか働かないので、薬液は表面張力の影響によりウエハーの外端を伝わってウエハーの裏面に廻り込み、その結果、ウエハーの裏面を汚染したり、また、必要に応じて、後工程で汚れた裏面を洗浄する必要があった。また、場合によっては、バキュームチャックの中まで汚染していた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ウエハーを低速回転させた場合でも、ウエハーの裏面への処理液の廻り込みを完全に防止することができ、これにより、処理液がウエハーの裏面を汚染することがなく、また、ウエハーの裏面の洗浄を不要にできるウエハー処理装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う請求項１記載のウエハー処理装置は、バキュームチャックによりウエハーを保持し、該ウエハーを回転させながら該ウエハーの表面に処理液をかけて所定の処理を行ない、しかも、前記ウエハーの裏面のエッジ部全周に半径方向内側から外側に向けて均一に気体を吹き付けるリング状のスリットを有するリングブローノズルを備え、前記処理液が前記ウエハーの裏面に廻り込むのを防止するウエハー処理装置において、
前記スリットの幅は０．０１〜０．１ｍｍとし、前記ウエハーの裏面と前記スリットの噴出口の上端との隙間は３ｍｍ以下とし、前記スリットの前記ウエハーの裏面に対する噴射角度は１５〜３５°とし、前記スリットから噴射される気体の吹き出し速度を１０〜４０ｍ／秒とし、
かつ、前記リングブローノズルのノズル側壁面は前記ウエハーの外端より１〜５ｍｍ内側に位置すると共に、前記スリットはオリフラ部又はノッチの下端を指向し、
前記スリットの噴出口の外端を水平に対して３０〜６０°の角度で面落とし、
更に、前記リングブローノズルには、気体の溜り部が設けられている。

ここで、スリットの幅を０．０１〜０．１ｍｍとしたのは、０．０１ｍｍ未満では適切な気体の吹き出し速度や流量が得られず、一方、０．１ｍｍを超えると気体の吹き出し速度が比較的小さくなり、全周にわたって均一な吹き出し速度が得られないためである。
ウエハーの裏面とスリットの噴出口の上端との隙間を３ｍｍ以下としたのは、３ｍｍを超えると気体の吹き出し速度が小さくなるためである。

噴射角度を１５〜３５°としたのは、１５°未満では気体の垂直方向の速度成分が小さくなり、一方、３５°を超えると気体の水平方向の速度成分が小さくなるためである。
気体の吹き出し速度は処理液の流量、ウエハーサイズ及びウエハー回転数に依存するが、ここで、気体の吹き出し速度を１０〜４０ｍ／秒としたのは、１０ｍ／秒未満ではウエハーの裏面への処理液の廻り込みを完全に防止することができず、一方、４０ｍ／秒を超えると気体の使用量が急激に増加するためである。

ノズル側壁面をウエハーの外端より内側に位置したのは、リングブローノズルの側壁面に付着した液滴が表面張力で成長し、ウエハーの表面から流れ落ちてくる液流とくっついてウエハーの裏面へ入り込むのを防ぐためであり、かつ、スリットの噴出口の外端を水平に対して面落とししたのは、ブロー流が下方へ偏向するのを防止し、リングブローノズルの側壁面に付着した液滴を傾斜により流れ落とすためである。

請求項２記載のウエハー処理装置は、請求項１記載のウエハー処理装置において、前記リングブローノズルは、円周部に上スリット部が形成されたリング状の上側ノズル分割体と、該上側ノズル分割体の上スリット部に対向する下スリット部が形成された下側ノズル分割体とを組み立てて構成される。

請求項１、２記載のウエハー処理装置においては、バキュームチャックにより保持されたウエハーを回転させながらウエハーの表面に処理液をかけて所定の処理を行なう際、リングブローノズルのリング状のスリットからウエハーの裏面のエッジ部全周に半径方向内側から外側に向けて気体を吹き付けるので、例えば、回転速度が遅い場合に、ウエハーの表面の処理液が遠心力に抗して表面張力及び自重によりウエハーの裏面に廻り込もうとしても、気体の運動エネルギーにより、処理液を吹き飛ばすことができ、リングブローノズルの側壁に付着した処理液が表面張力で成長し、ウエハーとリングブローノズルとの間に入り込むのを完全に防止することができる。この結果、ウエハーの裏面を汚染することがなく、ウエハーの裏面の洗浄工程を不要にでき、洗浄液の使用量の削減及び処理時間の削減が可能となる。また、ウエハーの表面のみの洗浄等の処理が可能となる。さらに、低速回転域における処理液の廻り込みが防止できるため、洗浄液とウエハーとの接触時間を長くとる必要がある処理にも適用できる。

そして、リングブローノズルのスリットの幅、ウエハーの裏面とスリットの噴出口の上端との隙間、スリットのウエハーの裏面に対する噴射角度、及び、リングブローノズルのスリットから噴射される気体の吹き出し速度を所定の大きさに設定するので、処理液がウエハーの裏面に廻り込むのを効果的に防止することができ、この結果、使用する気体が適量となって、経済的であると共に、処理時間が短くて済む。

また、リングブローノズルのノズル側壁面をウエハーの外端より内側に位置し、スリットの噴出口の外端を水平に対して面落とししているので、処理液がウエハーの裏面に廻り込むのをさらに、効果的に防止することができ、この結果、使用する気体がさらに適量となって、経済的であると共に、処理時間がさらに短くて済む。
更に、リングブローノズルには、気体の溜り部が設けられているので、スリットから吹き出される気体の変動を抑えることができる。

請求項２記載のウエハー処理装置においては、リングブローノズルは、上側ノズル分割体と、上側ノズル分割体の上スリット部に対向する下スリット部が形成された下側ノズル分割体とを組み立てて構成されるので、精密なノズル構造が可能となり、この結果、全周にわたって均一なブロー流の形成及び効率的な流れを作ることができ、必要な気体の流量を低減することができると共に、製作が簡略化され、安価に製造できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係るウエハー処理装置の斜視図、図２は同ウエハー処理装置の要部の斜視図、図３は同ウエハー処理装置のリングブローノズルの断面を示す説明図、図４は同ウエハー処理装置のリングブローノズルの平面図、図５は図４の矢視Ａ−Ａ断面図、図６は図３の要部拡大図、図７は図４の矢視Ｂ−Ｂ部分断面図、図８はリングブローノズルの構造及びリングブローノズルとウエハーの配置を示す説明図、図９は処理液の液滴とリングブローノズル及びウエハーとの関係を示す説明図である。

図１〜図４に示すように、本発明の一実施の形態に係るウエハー処理装置１０は、ウエハー１１をバキュームチャック１4により保持し、ウエハー１１を回転させながらウエハー１１の表面１２に処理液の一例である洗浄液１３をかけて洗浄処理を行なう枚葉式スピン洗浄装置であって、洗浄液１３がウエハー１１の表面１２から裏面１５に廻り込むのを防止するために、ウエハー１１の裏面１５のエッジ部１６に気体の一例であるエアー１７を均一にブローする（吹き付ける）リング状で組立構造のリングブローノズル１８を備えている。

図１及び図２に示すように、ウエハー処理装置１０は、所定の処理が施されるウエハー１１を載置して吸着するバキュームチャック１4と、バキュームチャック１4をダイレクトに回転駆動するサーボモータ１９と、回転するウエハー１１の表面１２に洗浄液１３を供給する固定ノズル２０を備えた洗浄液供給手段２１と、ウエハー１１の裏面１５のエッジ部１６にエアー１７をブローするリングブローノズル１８と、ウエハー１１を洗浄する洗浄ノズル２２を備えた洗浄手段２３と、ブロー後のエアー１７及び洗浄液１３の液滴や蒸気等をガイドする排気チャンバー２４と、洗浄後の洗浄液１３を貯留するシンク２５とを備えている。

以下、特に、リングブローノズル１８について詳しく説明する。
図３、図４及び図８に示すように、リングブローノズル１８は、ウエハー１１の裏面１５のエッジ部１６にエアー１７をブロー可能なリング状のスリット２９を備えた構造となっており、外周部３０に半径方向外側に沿って上側に傾斜した上傾斜面（上スリット部）３１を備えたリング板状の上側ノズル分割体３２と、上側ノズル分割体３２の上傾斜面３１に対向して僅少の平行な隙間（スリット幅）Ｓをあけて配置された下傾斜面（下スリット部）３３を備えた下側ノズル分割体３４とを有している。

図３及び図５に示すように、断面が凹状でリング状の下側ノズル分割体３４は、上端部に下傾斜面３３を備えた断面がＬ字形の外ノズル体３５と、外ノズル体３５の内周部の下部に４本の取付ボルト３６を介して着脱可能に取付けられた円筒状の内ノズル体３７とを有している。外ノズル体３５の内周下部に精度良く形成された段部に、内ノズル体３７の下端部が嵌入して設けられており、半径方向及び上下方向の位置決めができるようになっている。

同様に、図３及び図５に示すように、上側ノズル分割体３２の内周下端部に精度良く形成された段部に、内ノズル体３７の上端部に精度良く形成された凸部が嵌入して設けられており、半径方向及び上下方向の位置決めができるようになっている。内ノズル体３７の上端部と上側ノズル分割体３２の内周部３８とは４本の取付ボルト３９を介して着脱可能に固定されている。

かかる構成によって、上側ノズル分割体３２と下側ノズル分割体３４とを組み立てて構成されるリングブローノズル１８のスリット２９のスリット幅Ｓやスリット傾斜角度θが正確に確保されることになる。さらに、リングブローノズル１８は４本の固定用シャフト４０、固定用シャフト４０の上端部に形成された雄ねじに螺合するナット４１及び座金４２等により、ノズル取付架台（図示せず）に取付けられている。

図３〜図５に示すように、外ノズル体３５の底部４３の平面視して対向する２個所には貫通孔４４が形成されており、貫通孔４４の上部は、上側ノズル分割体３２及び下側ノズル分割体３４の組立により形成される円筒状のエアー溜り部４５の上流側に連通され、一方、貫通孔４４の下部には、エアー溜り部４５の下流側に連通されたスリット２９からブローするエアー１７を供給する、継手を備えたエアー配管４６が接続されている。エアー溜り部４５の体積を確保し、これによって、エアー１７の供給変動によるスリット２９からブローされるエアー１７の吹き出し変動を抑えることができる。

図８を参照して、リングブローノズル１８の模式的な構造及びリングブローノズル１８とウエハー１１の配置を説明する。
リングブローノズル１８のスリット２９のスリット幅Ｓは、エアー１７がウエハー１１の裏面１５のエッジ部１６の全周にわたり均等に噴射されるように、全周にわたり均等な隙間になるように精密加工が施されており、スリット幅Ｓは、例えば、０．０１〜０．１ｍｍとし、スリット２９から放射状に噴射されるエアー１７の吹き出し速度は１０〜４０ｍ／秒を確保している。

回転するウエハー１１の外端５２の下端（ノッチ又はオリフラ部）を狙ってスリット２９から噴射されるエアー１７のウエハー１１の裏面１５に対する噴射角度、即ち、スリット傾斜角度θは、１５〜３５°、好ましくは、２０〜３０°としており、リングブローされるエアー１７の運動エネルギーにより、ウエハー１１の表面１２の洗浄液１３が遠心力に抗して表面張力及び自重により、ウエハー１１の裏面１５のエッジ部１６に廻り込むのを防止することができるように構成されている。

図８に示すように、ウエハー１１の裏面１５とスリット２９の噴出口の上端５１との隙間ａは３ｍｍ以下としている。リングブローノズル１８の側壁面（外ノズル体３５の外周面４８と同じ）はウエハー１１の外端５２より内側（例えば、距離ｂ＝１〜５ｍｍ）に、位置している。このように、リングブローノズル１８の側壁面をウエハー１１の外端５２よりも、少し内側に配置する理由は以下による。

図９に示すように、ウエハー１１の外端５２と同じ位置に側壁面３５ａを配置した比較例であるリングブローノズル１８ａの場合には、リングブローノズル１８ａの側壁面３５ａに付着した液滴１３ａが表面張力で成長し、ウエハー１１の表面１２から流れ落ちてくる液流１３ｂとくっついてウエハー１１の裏面１５へ入り込み易いが、図８に示すように、リングブローノズル１８の場合には、側壁面をウエハー１１の外端５２よりも少し内側に配置して、ウエハー１１の裏面１５へ入り込み難くしている。

さらに、スリット２９の噴出口の外端５３は、リングブローノズル１８の側壁面(外ノズル体３５の外周面４８)から、例えば、距離ｃ（１〜５ｍｍ）の水平距離で、しかも、水平に対して３０〜６０°の面落とし角度αでノズル外端部を面落とししており、これにより、リング状に吹き出されるエアー１７はウエハー１１の裏面１５に沿って直進することができる。もし、この面落としが形成されていない場合には、エアー１７は裏面１５に沿って直進することができず、下方への偏向流となり、液滴を吹き飛ばす効果が小さくなる。

なお、リングブローノズルによる効果的なエアー１７のブローを行なうためには、リングブローノズルの形状、構造、材質（表面処理）、ウエハー１１との位置関係、及びブロー気体条件等の諸元を、以下に示すように、理論的考察と実験に基づいて決定する必要がある。

（理論的考察）
回転するウエハーの端面から離脱する液滴が、リングブローノズルから噴出されるエアーブロー流の中で受ける力について、Ｆａｘｅｎ（ファクセン）の法則を参考にして理論的考察を行なう。
液滴が回転するウエハーの端面から離脱するときの終速度Ｕは、Ｕ＝（ｒω²−μｇ）Δｔであり、ウエハーの半径に対して直交する接線方向となる。ここで、ｒ：ウエハーの半径、ω：ウエハーの角速度、μ：液滴とウエハーの動摩擦係数、Δｔ：微小時間、ｇ：重力加速度である。
ウエハーの端面から接線方向に終速度Ｕで離脱した液滴は、エアーブロー流の影響を受け、大気中に浮遊しながら落下することになり、液滴の終速度Ｕは変化することになる。

リングブローノズルから十分遠くで、流速分布Ｖを持つエアーブロー流の中に半径Ｒの球状の液滴があり、液滴が終速度Ｕで動くとき、液滴に働く力ＦはＦａｘｅｎの法則から、次式で表現される。
Ｆ＝−ｆ（υ、ν）Ｒ［Ｖ−Ｕ＋ｈ（υ、ν）ΔＶ］ ・・・・・（１）
ここで、ｆ、ｈ：関数、υ：エアーの粘性率、ν：液滴の粘性率、Ｖ：十分遠くの流速分布、ΔＶ：十分遠くの流速分布範囲である。

式（１）から分かることは、以下の通りである。
液滴の受ける力Ｆは、液滴の半径に比例し、ウエハーの半径に対して垂直な接線方向の終速度Ｕと、リングブローノズルから噴出され、ウエハーの半径方向に速度分布を持つエアーの十分遠くの流速分布Ｖ及び流速分布範囲ΔＶを変数とする関数で与えられる。

次に、本発明のリングブローノズルの作用効果を確認するために行った実施例について説明する。ここで、図１０は本発明の実施例に係るウエハー処理装置に使用したリングブローノズルの寸法を示す説明図、図１１はウエハー回転数に対する廻り込みを生じさせないためのエアー流量を示す説明図、図１２は廻り込み防止に必要な、ウエハー回転数に対する平均エアー吹き出し速度を示す説明図、図１３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、実施例に使用したリングブローノズルのエアー吹き出し測定位置、エアー吹き出し速度を示す説明図である。

（裏面廻り込み防止の確認)
実験条件は、以下の通りの固定パラメータ及び変動パラメータとした。
固定パラメータとして、図１０に示すように、３インチウエハーと４インチウエハーの２種類のウエハーで実験した。なお、図１０中の括弧内の数値は、３インチのリングブローノズルのものと異なる場合の４インチのリングブローノズルのものについて表している。また、オリフラ（ウエハー外周部の切欠き）までの数値ｂは、３インチウエハーでは３．９３ｍｍ、４インチウエハーでは４．２ｍｍとなる。
洗浄液として精製水を使用し、使用量は２００ｍリットル／ｍｉｎとした。
エアーの供給圧は４ｋｇ／ｃｍ²とした。

変動パラメータとして、テストするウエハーに対応する２種類の３インチのリングブローノズルと４インチのリングブローノズルを製作して実験した。
ウエハーの回転数Ｎは、３０、１００、２００、３００、４００、５００ｒｐｍとした。
エアーの供給流量は２０〜８０リットル／ｍｉｎとした。
実験方法としては、リングブローノズルに指定量のエアーを送り、ウエハーを回転させながら、ウエハーに精製水を３０秒かけた後、ウエハーの裏面への精製水の廻り込みを目視により確認した。

実験結果として、図１１には各ウエハーについて、各ウエハー回転数における廻り込みを生じさせないエアー流量を示す。また、図１１のエアー流量を平均エアー吹き出し速度に換算したものを図１２に示す。
ウエハーの回転数Ｎが４００ｒｐｍ以下では、エアー流量（平均エアー吹き出し速度）は略一定であるが、５００ｒｐｍ以上では小さくなることが分かる。

（リングブローノズルのブローエアーの流速測定)
図１３（Ａ）に示すように、リングブローノズルにエアーを供給し、３インチウエハー及び４インチウエハーにおいて流量別に、スリットの円周方向の８等分の各位置（１〜８）からブローされるエアーの流速（吹き出し速度）を測定した。なお、エアーの供給圧は４ｋｇ／ｃｍ²、エアーチューブサイズは１／４インチ、実験温度は室温とした。
図１３（Ｂ）に示すように、周方向でのエアーの吹き出し速度のバラツキは小さく、略均一なブロー流が得られることが分かった。即ち、リングブローノズルは組立構造ではあるが、スリット幅Ｓが全周にわたって維持されていることが分かる。

本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明のウエハー処理装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
本実施の形態において、ウエハー処理装置を洗浄処理として使用したが、これに限定されず、例えば、レジスト剥離処理、リフトオフ処理、エッチング処理としても使用することができる。

リングブローノズルを、円盤リング状の上側ノズル分割体と、下側ノズル分割体とを組み立てて構成したが、これに限定されず、必要に応じて、一体構造としたり、また、別の組立構造とすることもできる。

ウエハーに吹き出す気体としてエアー（実際には、クリーンエアー）を用いたが、これに限定されず、必要に応じて、クリーンな不活性ガス（例えば、窒素等）を用いることもできる。
処理液として洗浄液を使用したが、これに限定されず、所定の処理の内容に応じて、その他の処理液を使用することもできる。

本発明の一実施の形態に係るウエハー処理装置の斜視図である。 同ウエハー処理装置の要部の斜視図である。 同ウエハー処理装置のリングブローノズルの断面を示す説明図である。 同ウエハー処理装置のリングブローノズルの平面図である。 図４の矢視Ａ−Ａ断面図である。 図３の要部拡大図である。 図４の矢視Ｂ−Ｂ部分断面図である。 リングブローノズルの構造及びリングブローノズルとウエハーの配置を示す説明図である。 処理液の液滴とリングブローノズル及びウエハーとの関係を示す説明図である。 本発明の実施例に係るウエハー処理装置に使用したリングブローノズルの寸法を示す説明図である。 ウエハー回転数に対する廻り込みを生じさせないためのエアー流量を示す説明図である。 ウエハー回転数に対する廻り込みを生じさせないための平均エアー吹き出し速度を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、実施例に使用したリングブローノズルのエアー吹き出し測定位置、エアー吹き出し速度を示す説明図である。

１０：ウエハー処理装置、１１：ウエハー、１２：表面、１３：洗浄液（処理液）、１３ａ：液滴、１３ｂ：液流、１４：バキュームチャック、１５：裏面、１６：エッジ部、１７：エアー（気体）、１８、１８ａ：リングブローノズル、１９：サーボモータ、２０：固定ノズル、２１：洗浄液供給手段、２２：洗浄ノズル、２３：洗浄手段、２４：排気チャンバー、２５：シンク、２９：スリット、３０：外周部、３１：上傾斜面、３２：上側ノズル分割体、３３：下傾斜面、３４：下側ノズル分割体、３５：外ノズル体、３５ａ：側壁面、３６：取付ボルト、３７：内ノズル体、３８：内周部、３９：取付ボルト、４０：固定用シャフト、４１：ナット、４２：座金、４３：底部、４４：貫通孔、４５：エアー溜り部、４６：エアー配管、４８：外周面、５１：噴出口の上端、５２：外端、５３：噴出口の外端

Claims (2)

1. バキュームチャックによりウエハーを保持し、該ウエハーを回転させながら該ウエハーの表面に処理液をかけて所定の処理を行ない、しかも、前記ウエハーの裏面のエッジ部全周に半径方向内側から外側に向けて均一に気体を吹き付けるリング状のスリットを有するリングブローノズルを備え、前記処理液が前記ウエハーの裏面に廻り込むのを防止するウエハー処理装置において、
   前記スリットの幅は０．０１〜０．１ｍｍとし、前記ウエハーの裏面と前記スリットの噴出口の上端との隙間は３ｍｍ以下とし、前記スリットの前記ウエハーの裏面に対する噴射角度は１５〜３５°とし、前記スリットから噴射される気体の吹き出し速度を１０〜４０ｍ／秒とし、
   かつ、前記リングブローノズルのノズル側壁面は前記ウエハーの外端より１〜５ｍｍ内側に位置すると共に、前記スリットはオリフラ部又はノッチの下端を指向し、
   前記スリットの噴出口の外端を水平に対して３０〜６０°の角度で面落とし、
   更に、前記リングブローノズルには、気体の溜り部が設けられたことを特徴とするウエハー処理装置。
2. 請求項１記載のウエハー処理装置において、前記リングブローノズルは、円周部に上スリット部が形成されたリング状の上側ノズル分割体と、該上側ノズル分割体の上スリット部に対向する下スリット部が形成された下側ノズル分割体とを組み立てて構成されることを特徴とするウエハー処理装置。

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