JP4862002B2 - 薄型基板回転処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体や液晶等の製造において、薄板状物、特に基板を回転させ、その表面に処理液を滴下、分散させて薄膜を形成し、又は表面を洗浄、乾燥する装置であるいわゆるスピンコータに関するものである。

半導体や液晶等の製造においては、半導体ウエハやガラス板等の基板の表面にフォトレジストの薄膜を形成し、あるいは表面を洗浄又は乾燥する作業工程があるが、そこでは回転ヘッド部上に載置された基板を拘束で回転させる装置が用いられている。

例えば、薄膜形成工程においては、フォトレジスト等の処理液が滴下された基板を高速回転させることにより、処理液を遠心力で拡げて薄膜を形成する、表面処理装置であるスピンコータが用いられている。ここで、スピンコータは半導体製造工場内のクリーンルーム中で使用される。

図９に従来型スピンコータの構造を示す。

従来のスピンコータ１は、水平に置かれた腕状、矩形状若しくは円盤状の基板支持部材２３と、その下面中心から下方に伸びるロータ部材２２と、そのロータ部材２２の下方にドライブベルト３４によって接続される駆動モータ３３を具備している。基板支持部材２３の上面にはウエハ１４が載置され、その周囲にはウエハ１４に滴下された処理液３２の飛散を防止する飛散防止壁１３が設けられている。基板支持部材２３の上方には処理液３２を滴下するための吐出ノズル３１が配置されている。

以下にスピンコータ１の動作を説明する。まず、前工程から移送されたウエハ１４は、基板支持部材２３上に真空チャッキング等により載置される。次に駆動モータ３３によりロータ部材２２を介して基板支持部材２３とともにウエハ１４を、例えば２０００ｒｐｍや６０００ｒｐｍ等の高速に回転させる。

そして、回転するウエハ１４の表面に上方の吐出ノズル３１から処理液３２を滴下すると、処理液３２は遠心力によりウエハ１４の表面に拡がり薄膜を形成する。

なお、この薄膜の形成に寄与しなかった余分の処理液３２は、ウエハ１４表面より振り飛ばされて、飛散防止壁１３に衝突することにより捕集され下部から回収される。

このような薄膜形成工程は、通常、薄膜への不純物の混入を避けるため、クリーンルーム内で行われ、特に図９に示したウエハ処理を行うＡ側は、Ｂ側に比べクリーンに維持される。

上述のウエハ製造において、不良品を減らし、歩留を上昇させることが極めて重要であり、そのための発明が以下のようになされている。例えば、処理液３２をウエハ１４表面へ塗布する際の均一性向上の方法が発明されたり（例えば特許文献１参照）、例えば、ウエハ１４は上面だけではなく下面を高い清浄度に維持する必要があり、その要求に応えるために、ウエハ下面に向けて処理液３２を噴射する下部処理液用のノズルが配置されたりしている。（例えば特許文献２を参照）。

また、生産効率向上のためウエハの大型化が進んでおり、同時にスピンコータのロータ部材２２に多くの機構が組み込まれ、そのため前記ロータ部材２２が大型化し、重量も増加していく傾向にある。
特開2001-9347号公報 特開2001-44149号公報

前述のようにウエハの生産効率向上と共に、スピンコータのロータ部材に多くの機構が組み込まれ重量が増大し、長大化したため、前記ロータ部材を高速回転させた際の安定性が確保されなくなってきた。

すなわち、鉛直方向に長尺であるスピンコータはロータ部材２２の上面と下面の距離が離れているため、上面側若しくは下面側の回転中心がずれた場合、そのずれが微細な量であったとしても、鉛直方向の距離が長いため、ロータ部材２２にかかる慣性力は大きくなり、安定性を失い。特にスピンコータは２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍの高速である領域で回転させるため、ロータ部材２２にかかる慣性力はさらに大きなものとなる。

加えて、スピンコータは停止状態から高速回転状態に瞬時に加速し、瞬時に停止状態に戻すという運転方法を取るため、ロータ部材２２にかかる慣性力はさらに大きなものとなる。

上記のようにロータ部材２２の安定性が失われると、ウエハ１４の処理が適切に行えなくなり、不良品となってしまい、歩留を著しく下げることとなる。そのため、ウエハ１４の生産性向上のためには、ロータ部材２２の安定的回転の確保が極めて重要な課題となっている。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、多機能化に伴い大型化するスピンコータのロータ部材の、安定的回転を確保し、さらに、スピンコータの鉛直方向における短尺化により、工場内の容積効率向上を実現するものである。

上記課題を解決するため、本発明に係る基板を回転処理する装置（スピンコータ１）は、筒状の固定部材４５の外周側に、環状に形成されたステータコイル２８を固定して構成したステータ部材２１と、前記ステータ部材２１の内周側に回転可能に、回転体４１を支持し、この回転体４１の側面であって、前記ステータタコイル２８を囲み、接近するように、複数の永久磁石２９を配置して、前記回転体４１と共に回転するロータ部材２２を形成し、前記ステータ部材２１と前記ロータ部材２２を合わせて偏平状の電動機２０（例えばモータ）を形成し、前記回転体４１の上面に基板支持部材２３を配置し、前記基板支持部材２３に支持された薄板状被処理物（ウエハ１４）の裏面に処理液３２を噴射するようにパイプ３５を配設したことを特徴とする。

上記の基板を回転処理する装置において、前記回転体４１は内縁筒部４２と環状の平板部４４と、この平板部の外周に形成された外縁筒部４３を有し、前記外縁筒部４３の内面
に複数の永久磁石２９を配置した前記ロータ部材２２の、前記内縁筒部４２の外面を前記ステータ部材２１へ回転可能に支持させることで構成した偏平状の電動機２０を具備したことを特徴とする。

上記の基板を回転処理する装置において、筒状の固定部材４５の外周に、前記環状のステータコイル２８を固定し、さらに前記固定部材４５の下端が筐体４６に固定された支持部材４７に固定されていることを特徴とする。

上記課題を解決するための本発明に係る基板を回転処理する装置（スピンコータ１）は、筒状の固定部材４５の内周側に、環状に形成されたステータコイル２８を固定して構成したステータ部材２１と、前記ステータ部材２１の内周側に回転可能に、回転体４１を支持し、この回転体４１の側面であって、複数の永久磁石２９を、前記円環状に形成されたステータコイル２８の内周側に接近するように配置して、前記回転体４１と共に回転するロータ部材２２を形成し、前記ステータ部材２１と前記ロータ部材２２を合わせて偏平状の電動機２０を形成し、前記回転体４１の上面に基板支持部材２３を配置し、前記基板支持部材２３に支持された薄板状被処理物（ウエハ１４）の裏面に処理液３２を噴射するようにパイプ３５を配設したことを特徴とする。

上記の基板を回転処理する装置において、円筒状の回転体４１の外周側に、複数の永久磁石２９を環状に配置したロータ部材２２と、前記永久磁石２９の上方及び下方を軸支持体２４により軸支持し、永久磁石２９上方の軸支持体２４より外周方向に伸びる上方環状板３６と、永久磁石２９下方の軸支持体２４より外周方向に伸びる下方環状板３７が、円筒状の側壁板３８により接続し、前記側壁板３８の内周側で、かつ前記永久磁石２９を囲み、接近するように環状のステータコイル２８を配置したステータ部材２１を形成し、前記ステータ部材２１と前記ロータ部材２２を合わせて形成した偏平状の電動機２０を具備したことを特徴とする。

上記の基板を回転処理する装置において、前記パイプ３５に負圧を発生させることで、前記基板支持部材２３に前記薄板状被処理物（ウエハ１４）が吸着するように構成したことを特徴とする。

上記の基板を回転処理する装置において、前記ステータ部材２１は、筐体４６に固定された支持部材４７に固定され、前記ステータ部材２１と前記ロータ部材２２を合わせて偏平状の電動機２０を形成し、前記電動機２０のロータ部材２２の上面に基板支持部材２３を配置し、前記基板支持部材２３に支持された薄板状被処理物（ウエハ１４）の上面に処理液３２を噴射するように、１つ又は複数のパイプ３５を配設し、前記ウエハ１４の裏面に処理液３２を噴射するように、１つ又は複数のパイプ３５を配設したことを特徴とする。

薄板状物であるウエハ１４を回転させるための駆動力を、偏平状の電動機２０にすることで、基盤回転処理装置であるスピンコータ１の高さを低く構成することが可能となり、それによりロータ部材２２の重心が、従来に比べ鉛直方向に低い位置となるため、ロータ部材２２の安定性が向上した。

さらに、スピンコータ１が従来に比べ鉛直方向に短尺に構成することが可能となり、スピンコータ１の設置される工場内の、クリーンルームにおける容積効率が向上した。

中空部２６を有する環状の電動機２０を用いたことにより、ウエハ１４の上面に加えて下面を同時に処理可能となるスピンコータ１を構成することが可能となった。

偏平状かつ環状の電動機２０を用いることで、従来の駆動モータ３３に必要であったドライブベルト３４やドライブギア等の動力伝達機構が不必要となり、ステータ部材２１及びロータ部材２２を組み合わせて構成した電動機２０と、基板支持部材２３の回転中心を同軸線上とした状態で直接、連結することが可能となった。

スピンコータ１に動力伝達機構がなくなるため、低振動及び低騒音化が実現した。また、回転部分が鉛直方向に短尺となるため、装置の安定性が増し、それに伴い均一な膜ができるようになり、成膜品質の上昇が実現した。さらに、低振動化が実現することにより、スピンコータ１及び周辺機器から構成されるユニットを複数段重ねることが可能となった。

偏平状かつ環状の電動機２０を使用することにより、ウエハ１４の下面処理のための機構や、ウエハ１４を基板支持部材２３に固定するために、ウエハ１４の下方に負圧を発生させる機構を従来通り具備しながら、スピンコータの鉛直方向の短尺化を実現し、同時にロータ部材２２の安定的回転を実現した。

以下、本発明を図に示す実施形態を参照して具体的に説明する。

図１は本発明の薄型基板回転処理装置（スピンコータ１）の概略を示している。スピンコータ１は、駆動モータであるアウターロータ型の電動機２０に基板支持部材２３を固定し、前記電動機２０は支持部材４７に設置されている。前記基板支持部材２３には被処理物である基板（ウエハ１４）が載置され、その上方には処理液３２を供給するためのパイプ３５が配置されており、ウエハ１４の外周方向には前記処理液３２の飛散を防止するための飛散防止壁１３が設置されている。また、ウエハ１４の下方には、下面処理用のノズル３１を持つパイプ３５が配置されている。

図２はアウターロータ型の電動機２０を利用したスピンコータ１の主要部概略、図３はその主要部の分解図を示している。アウターロータ型の電動機２０は、ステータ部材２１とロータ部材２２が軸支持体２４を介して結合されており、中空部２６を持つドーナツ状となっている。ステータ部材２１はドーナツ状であり、側壁外周側にステータコイル２８を、内周側には前記ロータ部材２２の内縁筒部４２と結合するための軸支持体２４を有している。

また、ロータ部材２２は、内縁筒部４２と外縁筒部４３と、前記内縁筒部４２と外縁筒部４３をつなぐ環状の平板部４４から形成された回転体４１に、前記外縁筒部４３の内周側に、前記ステータコイル２８に対向するように永久磁石２９を固定して構成した。前記ステータコイル２８に電気を流すことで、固定されたステータ部材２１に対して、ロータ部材２２が回転する電動機２０となる。

図４はインナーロータ型の電動機２０を利用した薄型基板回転処理装置（スピンコータ１）の主要部概略、図５はその主要部の分解図を示している。インナーロータ型の電動機２０は、ステータ部材２１とロータ部材２２が軸支持体２４を介して結合されており、中空部２６を持つドーナツ状となっている。

前記ロータ部材２２は、円筒状の回転体４１外周側に複数個の永久磁石２９を環状に固定して構成している。

前記ステータ部材２１は、前記ロータ部材２２に固定された複数個の永久磁石２９の、上方、及び下方を軸支持体２４により支持し、永久磁石２９の上方の軸支持体２４より外周方向に伸びる上方環状板３６と、永久磁石２９の下方の軸支持体２４より外周方向に伸びる下方環状板３７を、円筒状の側壁板３８により接続し、前記側壁板３８の内周側で、かつ前記永久磁石２９を囲み、接近するように環状のステータコイル２８を前記側壁板３８に固定して構成している。

前記ステータ部材２１と前記ロータ部材２２を合わせて、偏平状かつドーナツ状の電動機２０を構成している。ここで、前記ステータコイル２８に電気を流すことで、固定されたステータ部材２１に対して、ロータ部材２２が回転する。

図６は、図３のＣ−Ｃ矢視図である。永久磁石２９の配列の１例を示しており、中空部２６の中心部にはパイプ３５が貫通している様子を示している。

図７は、図３のＤ−Ｄ矢視図である。基板支持部材２３はドーナツ状であり、ウエハ１４を保持するための爪１６を有しており、中空部２６の中心部にはパイプ３５が貫通している様子を示している。基板支持部材２３はドーナツ状に限らず、中心に孔を持つ形状であれば、矩形でも他の形状であっても問題はない。

図８は本発明のスピンコータ１を工場内に、鉛直方向に２台重ねて設置している状態を示している。

図９はウエハ１４の下面処理機能を有した、従来型のスピンコータ１の概略図である。

本発明は図９に示す従来型のスピンコータにおける駆動モータ３３を、図１に示すように、偏平状かつ環状の電動機２０に変更することにより、スピンコータ１の鉛直方向の高さを低く構成し、かつ回転部分の重心を低く、回転が安定的に行われるよう構成したことを特徴とする。

本発明のスピンコータ１における偏平状かつ環状の電動機２０の具体例として、図２及び図３に示すアウターロータ型の電動機２０と、図４及び図５に示すインナーロータ型の電動機２０が考えられる。

アウターロータ型の電動機２０は、図２及び図３に示すように、ステータ部材２１、ロータ部材２２及び基板支持部材２３から構成されている。

ステータ部材２１はドーナツ状で、固定部材４５の内周側にロータ部材２２を回転可能に保持するためのベアリング等の軸支持体２４を、外周側には電動機を構成するためのステータコイル２８を具備している。前述したように、ウエハ１４を処理するため、図１のＡ側は極めてクリーンな状態を維持する必要があるため、軸支持体２４はシール付のボールベアリング等の、オイルミストや他のダストの発生が低減されているものを使用するのが望ましい。

ロータ部材２２はドーナツ状で、外縁筒部４３の内周側に電動機２０を形成するための永久磁石２９を具備している。ロータ部材２２の外周方向に比較的質量のある永久磁石２９を備えているため、今後見込まれるウエハ１４の大型化に対応させることも容易となっている。

すなわち、半導体製造の高効率化を実現するためにウエハ１４は、近年も直径２００ｍｍから３００ｍｍへ移行が始まっているように、大型化の一途を辿っており、今後もさらに大型になることが予見される。このウエハ１４の大型化に伴い、基板支持部材２３の大型化が必要となり、次第にロータ部材２２の上部の重量が増加していくと考えられる。

その際、アウターロータ型の電動機２０を採用した本発明のスピンコータ１であれば、ロータ部材２２の重量が永久磁石２９の影響で大きくなり、さらにロータ部材２２の外周側に重量物である永久磁石２９が配置されているため、ロータ部材２２が生む慣性モーメントが大きくなっている。そのため、基板支持部材２３等の大型化が進んでも、その影響を小さくすることが可能である。

図６は、図３に示したＣ−Ｃ矢視図であり、アウターロータ型の電動機２０のロータ部材２２に配置されている永久磁石２９の様子を示している。永久磁石２９は前記ロータ部材２２の外縁筒部の内側に沿うように、Ｎ極、Ｓ極が交互になるように配置されている。中央の中空部２６にはウエハ１４の下面処理用パイプ３５が中央に配置されており、パイプ３５は必要に応じて１本から複数本を自由に設置することが可能である。

図７は、図３に示したＤ−Ｄ矢視図であり、基板支持部材２３の上面を示している。中央の中空部２６には下面処理用パイプ３５につながる吐出ノズル３１が配置されている。外周上には、載置されたウエハ１４を保持するための爪１６が設置されている。

インナーロータ型の電動機２０は、図４及び図５に示すように、ステータ部材２１、ロータ部材２２及び基板支持部材２３から構成されている。

ステータ部材２１はドーナツ状で、側壁板３８に電動機２０を形成するためのステータコイル２８を、そのさらに内周側に、ロータ部材２２を回転可能に支持するための、ベアリング等の軸支持体２４を具備している。ここで、軸支持体２４は前述のアウターロータ型の電動機２０の場合と同様に、オイルミストやダストの発生を低減したシール付ボールベアリング等を使用することが望ましい。

ロータ部材２２は円筒状の回転体４１の外側に、電動機２０を構成するための永久磁石２９を配置している。永久磁石２９は、前述のアウターロータ型の電動機２０と同様に、Ｎ極とＳ極が交互に、かつ環状に複数個、配置されている。

前述の偏平状かつ環状の電動機２０を採用したことにより、図９に示す従来のスピンコータ１の持つ回転時の重心が不安定であった問題を解消した。すなわち、従来のスピンコータ１は回転動力の伝達部とロータ部材２２及び基板支持部材２３の鉛直方向の重心のずれが生じているため、瞬時に高速回転に達するスピンコータ１においては、安定性を維持するのが困難である問題を抱えていた。

上記の問題に対して、本発明におけるスピンコータ１は図１に示すように、駆動モータ３３を、偏平状かつ環状の例えばアウターロータ型の電動機２０を採用することで、装置の高さを低く抑え、かつ下面処理用のパイプ３５を通すための中空部２６を設けることを可能とした。また、高さの低い偏平状の電動機２０を採用したことで、ロータ部材２２とその上部に固定された基板支持部材２３等を含めた回転部分における重心が、鉛直方向に低い位置となるため、回転時の安定性向上を実現した。

図８は本発明の薄型スピンコータ１を、半導体生産工場内に設置する際のユニットに対応させた概略図を示している。前記スピンコータ１は、飛散防止壁１３と前記スピンコータ１を固定するための支持部材４７から構成される筐体４６に内包されることで、ユニットを構成している。ここに、本発明のスピンコータ１は薄型化を実現したため、図８に示すように１つのユニットに複数のスピンコータ１を設置することを可能とした。

図９に示す従来のスピンコータ１は、高さが約６００ｍｍであり、駆動モータ３３やパイプ３５等の取り合いを含め、高さが約１８００ｍｍのユニットとして構築し、工場に載置されている。

これに対して、図８に示す本発明の薄型スピンコータ１は、高さを８０ｍｍから１２０ｍｍ程度とし、パイプ３５等の取り合いを含めても高さが２５０ｍｍから３５０ｍｍ程度に収めることが可能となった。そのため、工場で使用する際の高さ約１８００ｍｍのユニットに２段又はそれ以上重ねて配置することが可能となり、工場内の容積効率が向上し、半導体生産工場の限られたクリーンルームの中に、従来以上の台数のスピンコータ１を設置することが可能となるので、生産効率の飛躍的な向上が実現した。

図１に示すように、処理液３２を滴下するためのパイプ３５は、用途に合わせて複数本配置することが可能であり、例えば処理液３２の他に乾燥用エアーを噴くパイプ３５を設置する等が可能である。また、下面処理用のパイプ３５はウエハ１４の下面を洗浄するために使用するが、用途に合わせて複数本配置することが可能であり、例えば、ウエハ１４が基板支持部材２３に確実に保持されるよう、負圧を発生させる吸引用のパイプ３５を設置する等が可能である。

ウエハ１４は処理液３２を滴下された後、高速に回転されることにより、処理液３２は遠心力の作用を受け、ウエハ１４上に薄く引き延ばされ、薄膜を形成する。その際、余分な処理液３２がウエハ１４上から吹き飛ばされるため、処理液３２の飛散を防止し、また、余分な処理液３２を回収する図示しない回収機構を備えた飛散防止壁１３を設置している。

従来例と同様に、図１に示すＡ側は、Ｂ側以上に清浄が保たれる環境にある。

以上、本発明の薄型基板回転処理装置であるスピンコータ１により、多機能化に伴い大型化するスピンコータの鉛直方向における短尺化を実現し、それにより、ロータ部材２２の安定的回転を確保し、かつ工場内の容積率向上を実現することができた。その結果、半導体製造における生産効率の飛躍的向上を実現した。

本発明の薄型基板回転処理装置であるスピンコータの概略図である。 アウターロータ型の電動機を利用した本発明のスピンコータの概略図である。 アウターロータ型の電動機を利用した本発明のスピンコータの分解図である。 インナーロータ型の電動機を利用した本発明のスピンコータの概略図である。 インナーロータ型の電動機を利用した本発明のスピンコータの分解図である。 図３におけるＣ−Ｃ矢視図である。 図３におけるＤ−Ｄ矢視図である。 本発明のスピンコータの実施例の概略図である。 従来のスピンコータの概略図である。

符号の説明

１ 基板回転処理装置（スピンコータ）
１４ ウエハ
２１ ステータ部材
２２ ロータ部材
２３ 基板支持部材
２８ ステータコイル
２９ 永久磁石

Claims (6)

1. 筒状の固定部材の外周側に、環状に形成されたステータコイルを固定して構成したステータ部材と、
   前記ステータ部材の内周側に回転可能に、回転体を支持し、この回転体の側面であって、前記ステータタコイルを囲み、接近するように、複数の永久磁石を配置して、前記回転体と共に回転するロータ部材を形成し、
   前記ステータ部材と前記ロータ部材を合わせて偏平状の電動機を形成し、
   前記回転体の上面に基板支持部材を配置し、
   前記基板支持部材に支持された薄板状被処理物の裏面に処理液を噴射するようにパイプを配設し、
   前記回転体は内縁筒部と環状の平板部と、この平板部の外周に形成された外縁筒部を有し、
   前記外縁筒部の内面に複数の永久磁石を配置した前記ロータ部材の、
   前記内縁筒部の外面を前記ステータ部材へ回転可能に支持させることで構成した偏平状の電動機を具備したこと
   を特徴とする基板を回転処理する装置。
2. 筒状の固定部材の外周に、前記環状のステータコイルを固定し、
   更に前記固定部材の下端が筐体に固定された支持部材に固定されていること
   を特徴とする請求項１に記載の基板を回転処理する装置。
3. 前記パイプに負圧を発生させることで、
   前記基板支持部材に前記薄板状被処理物が吸着するように構成したこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載の基板を回転処理する装置。
4. 前記ステータ部材は、筐体に固定された支持部材に固定され、
   前記ステータ部材と前記ロータ部材を合わせて偏平状の電動機を形成し、
   前記電動機のロータ部材の上面に基板支持部材を配置し、
   前記基板支持部材に支持された薄板状被処理物の上面に処理液を噴射するように、１つ又は複数のパイプを配設し、
   前記薄板状被処理物の裏面に処理液を噴射するように、１つ又は複数のパイプを配設した
   こと
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板を回転処理する装置。
5. 筒状の固定部材の内周側に、環状に形成されたステータコイルを固定して構成したステータ部材と、
   前記ステータ部材の内周側に回転可能に、回転体を支持し、この回転体の側面であって、複数の永久磁石を、前記円環状に形成されたステータコイルの内周側に接近するように配置して、前記回転体と共に回転するロータ部材を形成し、
   前記ステータ部材と前記ロータ部材を合わせて偏平状の電動機を形成し、
   前記回転体の上面に基板支持部材を配置し、
   前記基板支持部材に支持された薄板状被処理物の裏面に処理液を噴射するようにパイプを配設し、
   前記パイプに負圧を発生させることで、
   前記基板支持部材に前記薄板状被処理物が吸着するように構成したことを特徴とする基板を回転処理する装置。
6. 円筒状の回転体の外周側に、複数の永久磁石を環状に配置したロータ部材と、
   前記永久磁石の上方及び下方を軸支持体により軸支持し、
   永久磁石上方の軸支持体より外周方向に伸びる上方環状板と、
   永久磁石下方の軸支持体より外周方向に伸びる下方環状板が、
   円筒状の側壁板により接続し、
   前記側壁板の内周側で、かつ前記永久磁石を囲み、接近するように環状のステータコイルを配置したステータ部材を形成し、
   前記ステータ部材と前記ロータ部材を合わせて形成した偏平状の電動機を具備したこと
   を特徴とする請求項５に記載の基板を回転処理する装置。

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