JP4921913B2

JP4921913B2 - 基板洗浄方法

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Publication number: JP4921913B2
Application number: JP2006271072A
Authority: JP
Inventors: 健太郎松永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-10-02
Also published as: JP2008091637A; US20080078427A1

Description

本発明は、基板洗浄方法に関し、特に半導体装置の製造工程のリソグラフィ工程において、液浸型露光装置による露光前もしくは露光後の基板の洗浄方法に関するものである。

半導体リソグラフィ技術における液浸露光装置を用いた微細パターンの露光によって、被処理基板の表面と裏面が液浸液で濡れる場合がある。基板表面が濡れている場合、基板表面上の水滴を取り除く工程が無いと、水滴は基板表面で乾燥し、水滴の乾燥痕跡（水滴痕：Ｗａｔｅｒｍａｒｋ）が基板表面上に残る。

図９の（ａ）（ｂ）は、従来例に係る半導体装置の製造工程の断面図である。リソグラフィ工程において、基板表面上には、図９の（ａ）のように被加工基板９１に近い順に反射防止膜９２、レジスト９３、及び液浸保護膜９４を塗布する場合と、図９の（ｂ）のように被加工基板９１に近い順に転写膜９５、ＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）膜９６、レジスト９３、及び液浸保護膜９４を塗布する場合とがある。

しかし図９の（ａ）（ｂ）において、液浸保護膜９４上の残留水滴９７が乾燥する際に、水滴９７は液浸保護膜９４を透過してレジスト９３に達する。レジスト９３に達した水滴は、レジスト９３中の酸発生剤、Ｑｕｅｎｃｈｅｒの膜中の分布を乱し、露光後のベーク（ＰｏｓｔＥｘｐｏｓｕｒｅＢａｋｅ：ＰＥＢ）工程、液浸保護膜剥離工程、現像工程を経てパターンを形成すると、パターン寸法が所望の寸法から外れる場合や、断面形状が庇形状になる場合や、水滴痕の範囲で全くパターンを形成しない場合などが生じる。これにより、半導体装置製造上の歩留まりを大きく劣化させる。

また、基板の裏面が濡れている場合は、基板の裏面、エッジ、ベベル部分の汚れが水滴を伝い、ＰＥＢ工程にてベーカーに汚染物質が付着し、処理される基板の枚数の増加によって蓄積された汚染物質が他の基板の表面に付着することによって欠陥が発生し、それによって歩留まりが低下する可能性がある。

そこで、液浸露光を用いたリソグラフィ工程において歩留まりを向上させるために、液浸露光後に基板の表面と裏面を洗浄し、基板の表面と裏面の水滴と汚染物質を除去する必要がある。

半導体装置の製造工程において基板を洗浄する技術として、半導体フロントエンドプロセスにおける洗浄装置があるが、洗浄装置の洗浄ユニットは大きく高価であることから、従来の露光装置もしくは塗布現像装置に搭載することは困難である。そこで、以下のような方法が考えられている。

図１０は、従来の塗布現像装置に搭載されている現像ユニットを上方から見た図である。図１０に示すように、現像後のリンス方法を用いて基板１０１上にノズル１０２から洗浄液１０３を吐出し、毎秒１０００〜２０００回転で基板をスピン回転させて洗浄液を基板外部へ飛散させる（１０４）ことによって乾燥する方法で基板を洗浄する。この場合、基板の表面と裏面に微小な水滴痕が数百〜数千個残って基板上に欠陥として生じ、洗浄したのにもかかわらず、欠陥を減らすことはできなかった。

また、現像後のリンス工程にて、基板上の中心部分から外周方向に等速度で洗浄液を吐出しながら基板外に飛散させるスキャンリンス方法を、上記の基板の洗浄に適用した。上述した毎秒１０００回転以上で基板を回転させて洗浄液を飛散させる方法では、図１０の場合と同様に、基板の表面と裏面に微小な水滴痕が数百〜数千個残って基板上に欠陥として生じた。

このことから、図１１に示すように、洗浄液が飛散しない毎秒５００回転以下の回転数で洗浄したが、ノズル１０２から吐出された洗浄液１０３が回転する基板１０１に乗って基板上に滞留し、この滞留した洗浄液が新たに吐出された洗浄液と衝突（１０５）することによって、洗浄液の流れが乱れて水滴痕が基板上に残る（１０６）問題が生じた。

なお特許文献１には、基板洗浄の際、基板中央から外側に向けて走査して基板表面を洗浄する構成が開示されている。
特開２００４−３３５５４２号公報

本発明の目的は、安価かつ簡易に、被処理基板上の水滴を残さずに洗浄することができる基板洗浄方法を提供することにある。

本発明の一形態の基板洗浄方法は、被処理基板の上方のノズルから洗浄液を吐出し、前記基板を回転させながら前記基板を洗浄する基板洗浄方法であり、前記ノズルから前記洗浄液を前記基板に吐出しながら、前記ノズルを前記基板の中心から前記基板の外側へ走査し、前記洗浄液を前記基板の外側に散逸させる基板洗浄方法において、前記基板上に滞留している洗浄液が存在する状態で、前記ノズルから吐出された前記洗浄液が前記基板表面に接触した際、前記ノズルから吐出された前記洗浄液が、前記基板上に滞留している前記洗浄液に衝突しないように、前記洗浄液の流量、前記基板の回転数、前記ノズルの走査速度と走査開始位置を制御することを特徴とする。

本発明によれば、安価かつ簡易に、被処理基板上の水滴を残さずに洗浄することができる基板洗浄方法を提供できる。

以下、実施の形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の基板洗浄方法を示す図である。なお、本基板洗浄方法は、基板洗浄装置内の図示しない制御装置の制御により行われる。図１に示すように、半導体ウエハなどの被処理基板１１を洗浄する工程において、被処理基板１１上方のノズル１２から洗浄液１３を吐出し、基板１１を回転させながら基板１１を洗浄、乾燥する。

この工程で、図２に示すように、ノズル１２から洗浄液１３を基板１１に吐出しながら、ノズル１２を基板中心から基板の外側へ走査し、基板上の残留水滴１４を吸着させながら洗浄液１３を基板１１外側に散逸させる。これによって、基板１１上に水滴を残さずに基板１１を洗浄、乾燥する。

ここで、ノズル１２から吐出した洗浄液１３が基板１１の回転に則って基板１１上を移動しながら散逸する際に、回転する基板１１上に滞留した洗浄液１３がノズル１２から吐出した洗浄液１３と衝突しないように、洗浄液１３の流量、基板１１の回転数、ノズル１２のスキャン（走査）速度とスキャン開始位置を制御する。これによって、基板１１上に水滴を残さずに基板１１を洗浄、乾燥する。

まず、半導体装置の製造工程における微細パターンを形成するリソグラフィ工程にて、塗布現像装置で被加工基板に反射防止膜ＡＲＣ２９Ａ（日産化学社製）を厚さ７７ｎｍで塗布し、２０５℃で６０秒間ベークし、基板を冷却した。その後、レジストＡＲ２０１４Ｊ（ＪＳＲ社製）を厚さ１５０ｎｍで塗布し、１１５℃で６０秒間ベークし、基板を冷却した後、保護膜ＴＣＸ０１５（ＪＳＲ社製）を厚さ９０ｎｍで塗布し、９０℃で６０秒間ベークした。この基板を、塗布現像装置とインターフェースユニットを介してインライン接続したＡｒＦ液浸露光装置に搬送し、液浸露光を行った。

液浸露光後、基板表面には直径０．５ｍｍの水滴が５個、直径１ｍｍの水滴が１個残存し、基板裏面には直径２ｍｍの水滴が基板の外周から２ｍｍの位置に２個、直径１ｍｍの水滴が基板の外周から１ｍｍの位置に３個残存した。この基板を、基板表面と裏面の水滴が乾燥して消失しないまでの９０秒間のうちに、塗布現像装置中に設置された洗浄ユニットに搬送した。

保護膜の静的接触角が７８度、洗浄液が超純水であり、洗浄液の流量が０．５Ｌ／ｍｉｎと設定すると、ノズルから吐出した洗浄液が基板上で跳水現象を起こす。その跳水現象を起こしている領域の半径（跳水半径）が８ｍｍであるので、ノズルのスキャン開始位置Ｒｓ０は、跳水半径Ｒｊと比例（Ｒｓ０∝Ｒｊ）の関係で表される中心から５ｍｍの位置とする。

ノズルのスキャン速度Ｖｓは、跳水半径Ｒｊとウエハ（基板）の単位時間あたりの回転数ｎｒｅｖとの積と比例の関係（Ｖｓ∝Ｒｊ×ｎｒｅｖ）で表され、基板の回転数が１００ｒｐｍである時には、Ｖｓ＝８．３ｍｍ／ｓｅｃで等速にてノズルのスキャンを行いながら基板表面の洗浄処理を行うとよい。この場合、洗浄液は図３で示されるような軌跡（３１）を描いて基板の外側へ飛散させた。本工程にて、基板表面に水滴痕がない洗浄、乾燥が行われた。

この場合の各パラメータは以下のように決定される。跳水半径Ｒｊ（＝Ｒｊ（Ｑ））と流量Ｑの関係は図４のようになり、跳水半径Ｒｊは、本実施の形態のように回転する基板の中心部に吐出しない場合、流量Ｑにほとんど依存しない。また、図５に示すように、跳水半径Ｒｊは回転数ｎｒｅｖにほぼ関係なく決定され、図６に示すように、スキャン初期位置Ｒｓ０と跳水半径Ｒｊは、Ｒｓ０＝βＲｊ（β〜１）の関係を持つ。

また、スキャン速度Ｖｓは以下のように決定される。図７に示すように、基板の回転数ｎｒｅｖが高いとスキャン速度Ｖｓを高くする必要があり、回転数ｎｒｅｖが低いとスキャン速度Ｖｓを低くする必要がある。

次に基板裏面の洗浄は、基板の外周から３０ｍｍの位置に設置した裏面洗浄用のノズルから洗浄液を０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で基板裏面に向かって吐出し、基板表面の洗浄と同時に行った。

本洗浄によって基板裏面に存在した水滴はすべて除去され、裏面の汚染が無い状態にて基板をＰＥＢ工程に搬送した。ＰＥＢ工程においては、１１５℃で６０秒間ベークした後、基板を冷却し、現像工程に搬送した。現像工程においては、２．３８重量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液（ＴＭＡＨ）を現像液に用い、６０秒間現像を行った。以上の工程にて、５５ｎｍライン＆スペースのパターンを欠陥なく形成した。

本第１の実施の形態では、半導体装置の製造工程におけるリソグラフィ工程の液浸露光後の基板の洗浄について説明したが、露光後の洗浄に限るものでも、リソグラフィ工程に限るものでもない。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の基板に対して同様の材料を積層塗布形成し、ＡｒＦ液浸露光装置にて液浸露光を行った。

液浸露光後、第１の実施の形態と同様に基板の表面と裏面に水滴が残留した。第１の実施の形態と同様の保護膜を塗布形成しているため、保護膜の静的接触角が７８度、洗浄液が超純水であり、洗浄液の流量が０．２５Ｌ／ｍｉｎの場合の跳水半径が６ｍｍであるので、スキャン開始位置Ｒｓ０は跳水半径Ｒｊと比例（Ｒｓ０∝Ｒｊ）の関係で表される位置である中心から４ｍｍの位置とする。

スキャン速度Ｖｓは、跳水半径Ｒｊとウエハ回転数ｎｒｅｖとの積と比例の関係（Ｖｓ∝Ｒｊ×ｎｒｅｖ）で表され、基板の回転数が１００ｒｐｍである時には、Ｖｓ＝４０ｍｍ／ｓｅｃで等速にてノズルのスキャンを行いながら基板表面の洗浄処理を行うとよい。この場合、洗浄液は図８で示されるような軌跡（８１）を描いて基板の外側へ飛散させた。本工程にて、基板表面に水滴痕がない洗浄、乾燥が行われた。

次に基板裏面の洗浄は、第１の実施の形態と同様に基板の外周から３０ｍｍの位置に設置した裏面洗浄用のノズルから洗浄液を０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で基板裏面に向かって吐出し、基板表面の洗浄と同時に行った。

本洗浄によって基板裏面に存在した水滴はすべて除去され、裏面の汚染が無い状態にて基板をＰＥＢ工程に搬送し、第１の実施の形態と同様の工程を経て、５５ｎｍライン＆スペースのパターンを欠陥なく形成した。

（第３の実施の形態）
第１の実施の形態においては、基板を液浸露光後に洗浄工程を行ったが、本第３の実施の形態においては液浸露光前にも洗浄工程を行う方法を説明する。

第１の実施の形態と同様に、塗布現像装置で被加工基板に反射防止膜ＡＲＣ２９Ａ（日産化学社製）を厚さ８０ｎｍで塗布し、２０５℃で６０秒間ベークし、基板を冷却した。その後、レジストＡＲ２０１４Ｊ（ＪＳＲ社製）を厚さ１５０ｎｍで塗布し、１１５℃で６０秒間ベークし、基板を冷却した後、保護膜ＴＣＸ０２６（ＪＳＲ社製）を厚さ９０ｎｍで塗布し、９０℃で６０秒間ベークした。この基板を洗浄ユニットに搬送した。

第１の実施の形態と同様の保護膜を塗布形成しているため、保護膜の静的接触角が７８度、洗浄液が超純水であり、洗浄液の流量が０．５Ｌ／ｍｉｎと設定すると、ノズルから吐出した洗浄液が基板上で跳水現象を起こす。その跳水現象を起こしている領域の半径（跳水半径）が８ｍｍであるので、スキャン開始位置Ｒｓ０は跳水半径Ｒｊと比例（Ｒｓ０∝Ｒｊ）の関係で表される位置である中心から５ｍｍの位置とする。

スキャン速度Ｖｓは、跳水半径Ｒｊとウエハ回転数ｎｒｅｖとの積と比例の関係（Ｖｓ∝Ｒｊ×ｎｒｅｖ）で表され、基板の回転数が１５０ｒｐｍである時には、Ｖｓ＝１２．４５ｍｍ／ｓｅｃで等速にてノズルのスキャンを行いながら基板表面の洗浄処理を行うとよい。この場合、洗浄液は図３で示されるような軌跡（３１）を描いて基板の外側へ飛散させた。

本洗浄を行うことによって、ベーカーからの汚染を防止することが可能となる。すなわち、ベーク工程によって保護膜をベークした際の昇華物がベーカーに付着したものが、保護膜上に飛散して基板表面に付着するが、このベーカーからの汚染を防止することができる。

この基板を、塗布現像装置とインターフェースユニットを介してインライン接続したＡｒＦ液浸露光装置に搬送し、液浸露光を行い、第１の実施の形態と同様に液浸露光後の洗浄も行い、基板の表面と裏面に水滴痕がない洗浄、乾燥を行った。引き続き、ＰＥＢ工程、保護膜剥離、現像工程を行い、５５ｎｍライン＆スペースのパターンを欠陥なく形成した。

本実施の形態では液浸保護膜がある場合について説明したが、保護膜がなく、液浸露光の際の最表面がレジストである場合でもよい。この場合、水洗によって除くことができる汚染は、ベーク工程の際のレジストの昇華物がベーカーに付着しレジスト上に飛散して基板表面に付着したものである。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成であるが、ノズルのスキャン速度Ｖｓがノズルの位置の基板の角速度ωｎｚと比例関係（Ｖｓ∝ωｎｚ）で表されるよう、ノズルを基板の外周に向かって加速しながら洗浄していく方法である。

保護膜の静的接触角が７８度、洗浄液が超純水であり、洗浄液の流量が０．５Ｌ／ｍｉｎと設定すると、ノズルから吐出した洗浄液の跳水半径が８ｍｍであるので、スキャン開始位置Ｒｓ０は跳水半径Ｒｊと比例（Ｒｓ０∝Ｒｊ）の関係で表される中心から５ｍｍの位置とする。

ノズルのスキャン速度Ｖｓは基板の外周から３０ｍｍの位置での角速度にてＶｓ＝２０ｍｍ／ｓｅｃで開始し、ノズルのスキャン速度を加速しながら基板表面の洗浄処理を行うとよい。この場合、洗浄液は図３で示されるような軌跡（３１）を描いて基板の外側へ飛散させた。

なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。

第１の実施の形態に係る基板洗浄方法を示す図。第１の実施の形態に係る基板洗浄方法を示す図。第１の実施の形態に係る洗浄液の軌跡を示す図。第１の実施の形態に係る跳水半径と流量の関係を示す図。第１の実施の形態に係る跳水半径と回転数の関係を示す図。第１の実施の形態に係るスキャン初期位置と跳水半径の関係を示す図。第１の実施の形態に係るスキャン速度と回転数の関係を示す図。第１の実施の形態に係る洗浄液の軌跡を示す図。従来例に係る半導体装置の製造工程の断面図。従来例に係る塗布現像装置に搭載されている現像ユニットを上方から見た図。従来例に係る塗布現像装置に搭載されている現像ユニットを上方から見た図。

符号の説明

１１…被処理基板１２…ノズル１３…洗浄液１４…残留水滴

Claims

被処理基板の上方のノズルから洗浄液を吐出し、前記基板を回転させながら前記基板を洗浄する基板洗浄方法であり、前記ノズルから前記洗浄液を前記基板に吐出しながら、前記ノズルを前記基板の中心から前記基板の外側へ走査し、前記洗浄液を前記基板の外側に散逸させる基板洗浄方法において、
前記基板上に滞留している洗浄液が存在する状態で、前記ノズルから吐出された前記洗浄液が前記基板表面に接触した際、前記ノズルから吐出された前記洗浄液が、前記基板上に滞留している前記洗浄液に衝突しないように、前記洗浄液の流量、前記基板の回転数、前記ノズルの走査速度と走査開始位置を制御することを特徴とする基板洗浄方法。
前記ノズルの走査速度は、前記ノズルから吐出した前記洗浄液が前記基板上で跳水現象を起こしている領域の半径と前記基板の単位時間あたりの回転数との積と比例関係を持つことを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄方法。
前記ノズルの走査開始位置は、前記ノズルから吐出した前記洗浄液が前記基板上で跳水現象を起こしている領域の半径と比例の関係で表された位置とすることを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄方法。
前記洗浄液の流量は、前記ノズルから吐出した前記洗浄液が前記基板上で跳水現象を起こしている領域の半径により決まることを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄方法。
他のノズルから洗浄液を前記基板の裏面に吐出することを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄方法。