JP5342220B2 - 基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板処理装置に関する。

基板処理装置は、半導体装置や液晶表示装置などの製造工程において、半導体ウェーハや液晶用ガラス基板などの基板の表面に対して処理液を供給し、その基板表面を処理する装置である。この基板処理装置としては、例えば、半導体ウェーハの基板表面から不要になったレジスト膜を剥離するレジスト剥離装置や基板表面に付着したパーティクル（粒子）を除去して洗浄する洗浄装置などが挙げられる。

このような基板処理装置では、マイクロバブルやナノバブルなどの微小気泡（微細気泡）を多数含む液体が処理液として用いられることがある。この微小気泡を発生させるためには、旋回式のバブル発生器が使用されている（例えば、特許文献１参照）。この旋回式のバブル発生器を用いた微小気泡発生装置は、通常、所望サイズの微小気泡を得るため、タンクなどの容器内に溜めた液をポンプによりバブル発生器に何度も通過させて循環させ、液中の各微小気泡を繰り返し分断する。
特開２００６−１４２３００号公報

しかしながら、前述の微小気泡発生装置では、バブル発生器を通過する各微小気泡の通過回数を明確に把握することは難しく、それらのバブル径（気泡の直径）を制御することは困難である。また、循環式が採用されているため、液体が何度もポンプを通過することになり、ポンプ（駆動用モータ）の熱により、微小気泡を含む液体の温度が上昇してしまう。さらに、タンクなどの容器が大きく、循環用の配管が長くなるほど、所望サイズの微小気泡を発生させるまでの発生時間が長くなってしまう。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、微小気泡のバブル径を制御することができ、さらに、微小気泡を含む液体の温度上昇を抑えることができ、加えて、所望サイズの微小気泡を発生させるまでの発生時間を短縮することができる基板処理装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、微細気泡発生装置で生成された微小気泡を含む液体を供給ノズルから供給することによって基板を処理する基板処理装置であって、
前記微細気泡発生装置は、
気体及び液体を混合して前記液体中に複数の微小気泡を発生させる発生器と、
この発生器に対し、開閉量が制御される第１の開閉弁を介して前記液体を供給する液体供給部と、
前記発生器に対し、開閉量が制御される第２の開閉弁を介して前記気体を供給する気体供給部と、
前記発生器により発生した複数の微小気泡を含む液体を通過させて前記液体中の複数の微小気泡を分断する、複数個の直列に接続される分断器とを備え、
前記分断器の個数は前記分断器の分断性能と所望の前記微小気泡の直径との関係から決定され、
前記複数個直列に接続される分断器群の一端側は前記発生器に接続され、他端側は接続管を介して前記供給ノズルに接続され、前記接続管の途中には、前記発生器で生成された微小気泡を含む前記液体を前記複数個の分断器を順次通過させ、前記供給ノズルに供給する単一のポンプが設けられることである。

本発明によれば、微小気泡のバブル径を制御することができ、さらに、微小気泡を含む液体の温度上昇を抑えることができ、加えて、所望サイズの微小気泡を発生させるまでの発生時間を短縮することができる。

本発明の実施の一形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る基板処理装置１は、処理室となる処理ボックス２と、その処理ボックス２内に設けられたカップ３と、そのカップ３内に設けられ基板Ｗを水平状態で保持する保持テーブル４と、その保持テーブル４を水平面内で回転させる回転機構５と、保持テーブル４上の基板Ｗに対して上方から処理液を供給する供給ノズル６と、その供給ノズル６を基板Ｗの表面である被処理面に沿って移動させる移動機構７と、多数の微小気泡を含む液体である処理液を生成して供給ノズル６に供給する微小気泡発生装置８と、各部を制御する制御部９とを備えている。

処理ボックス２は、カップ３や保持テーブル４、供給ノズル６などを収容している。この処理ボックス２の上部には、ダウンフロー用のフィルタ付きファン２ａが設けられている。このファン２ａは制御部９に電気的に接続されており、その駆動が制御部９により制御される。

カップ３は、円筒形状に形成されており、その内部に保持テーブル４を収容する。このカップ３の周壁の上部は径方向の内側に向かって傾斜している。

保持テーブル４は、カップ３の内部であってその上部側に水平面内で回転可能に設けられており、挟持部材４ａにより基板Ｗを着脱可能に保持する。

回転機構５は、保持テーブル４に連結された回転軸５ａと、その回転軸５ａを回転させる駆動源となるモータ５ｂとを有している。このモータ５ｂは制御部９に電気的に接続されており、その駆動が制御部９により制御される。回転機構５は、モータ５ｂにより回転軸５ａをＲ方向（図１中）に回転させ、保持テーブル４を基板Ｗの被処理面に交差する回転軸５ａまわりに回転させる。

供給ノズル６は、保持テーブル４の上方に移動可能に配置されており、保持テーブル４上の基板Ｗに対して処理液を供給する。この処理液は、微小気泡発生装置８により生成された多数の微小気泡を含む液体であり、微小気泡発生装置８から供給される。

移動機構７は、供給ノズル６を支持するアーム７ａと、そのアーム７ａに連結された回転軸７ｂと、その回転軸７ｂを回転させる駆動源となるモータ７ｃとを有している。このモータ７ｃは制御部９に電気的に接続されており、その駆動が制御部９により制御される。移動機構７は、モータ７ｃにより回転軸７ｂをＲ方向（図１中）に回転させ、アーム７ａを介して供給ノズル６を基板Ｗの被処理面に沿って基板Ｗの半径方向であるＸ方向（図１中）に移動させる。なお、移動機構７は供給ノズル６を上下方向であるＺ軸方向（図１中）に移動させる機構も有している。

微小気泡発生装置８は、供給用の液体を貯留する液体供給部８ａと、供給用の気体を貯留する気体供給部８ｂと、供給された気体及び液体を混合してその液体中に多数の微小気泡を発生させる発生器８ｃと、発生器８ｃにより発生した液体中の各微小気泡を分断する複数個の分断器８ｄと、供給用の駆動源となるポンプ８ｅとを備えている。

液体供給部８ａは接続管Ｐ１を介して発生器８ｃに接続されている。この接続管Ｐ１の途中には、バルブなどの開閉弁Ｖ１が設けられている。この開閉弁Ｖ１は制御部９に電気的に接続されており、その開閉量が制御部９により制御される。この液体供給部８ａは、液体として、例えば、純水などの洗浄液や硫酸などの剥離液を発生器８ｃに供給する。

気体供給部８ｂは接続管Ｐ２を介して発生器８ｃに接続されている。この接続管Ｐ２の途中には、バルブなどの開閉弁Ｖ２が設けられている。この開閉弁Ｖ２は制御部９に電気的に接続されており、その開閉量が制御部９により制御される。この気体供給部８ｂは、気体として、例えば、窒素ガスなどの不活性ガスや空気などを発生器８ｃに供給する。

発生器８ｃは、液体供給部８ａから供給された気体と気体供給部８ｂから供給された液体とを旋回させて混合し、その液体中に多数（処理液として機能する数）の微小気泡を発生させる装置である。ここで、微小気泡は、マイクロバブル（ＭＢ）やマイクロナノバブル（ＭＮＢ）、ナノバブル（ＮＢ）などの概念を含む微細気泡である。例えば、マイクロバブルは気泡の直径が１０μｍ〜数十μｍ以下の微小な気泡であり、マイクロナノバブルは気泡の数百ｎｍ〜１０μｍ以下の微小な気泡であり、ナノバブルは数百ｎｍ以下の微小な気泡である。なお、微小気泡の発生方式としては、旋回方式だけではなく、例えば、フィルタなどに気体を加圧するタイプなどの加圧方式を用いても良い。

各分断器８ｄは、図２に示すように、直列に接続されており、一端側に位置する分断器８ｄが発生器８ｃに接続管Ｐ３を介して接続されている（図１参照）。これらの分断器８ｄは、互いに接続管Ｐ４により接続されており、発生器８ｃから流入した多数の微小気泡を含む液体を順次通過（流通）させて液体中の各微小気泡を分断する。また、前述の他端側に位置する分断器８ｄは供給ノズル６に接続管Ｐ５を介して接続されている（図１参照）。この接続管Ｐ５の途中には、ポンプ８ｅが設けられている。このポンプ８ｅは制御部９に電気的に接続されており、その駆動が制御部９により制御される。このポンプ８ｅの駆動により多数の微小気泡を含む液体は各分断器８ｄを順次通過し、その後、接続管Ｐ５を介して供給ノズル６に供給される。

制御部９は、各部を集中的に制御するマイクロコンピュータと、基板処理に関する基板処理情報や各種プログラムなどを記憶する記憶部とを備えている。この制御部９は、基板処理情報や各種プログラムに基づいて、回転機構５により保持テーブル４を回転させ、その状態で移動機構７により供給ノズル６を基板Ｗの周縁（外縁）に向かって並ぶ複数の供給位置に順次移動させながら、その供給ノズル６から処理液を回転する基板Ｗの被処理面上に供給し、基板処理を行う。

次いで、前述の分断器８ｄについて詳しく説明する。

図３及び図４に示すように、分断器８ｄは、円筒形状の基体１１と、その基体１１に設けられ多数の微小気泡を含む液体が流入する流入部１２と、基体１１に設けられ多数の微小気泡を含む液体が流出する流出部１３とを備えている。

流入部１２は、円筒形状に形成されて基体１１の周壁に取り付けられており、液体が流入する流入口１２ａを有している。この流入部１２は、液体が流入して基体１１の内壁に沿って流れて基体１１内で旋回するように基体１１に設けられている。

流出部１３は、円筒形状に形成されて基体１１の両端面の一方に取り付けられており、液体が流出する流出口１３ａを有している。この流出部１３は、液体が旋回して発生した旋回流の旋回軸方向に平行で、液体が旋回して進行する方向（旋回流が進行する方向）にそのまま流出するように基体１１に設けられている。

基体１１の内壁には、複数の突起部１１ａが設けられている。これらの突起部１１ａは、液体が旋回する旋回方向に対して交差する方向、すなわち基体１１の円柱軸に平行な方向にそれぞれ延伸し、基体１１の内壁に円周方向に並べて形成されている。これにより、基体１１の内部に流入した液体が旋回する際には、各突起部１１ａに当たった液体中の各微小気泡は拡散されて細分化される。

なお、各突起部１１ａが基体１１の内壁に設けられるため、溝部１１ｂが隣接する突起部１１ａの間に順次形成されることになり、基体１１の内壁には凹凸部が内壁の円周方向に沿って設けられることになる。

また、基体１１は、円筒内周の周長さ２πＲ（Ｒ：半径）と液体が内周を回る速度ｖと突起部１１ａの個数ｎとを用いて、ｎ×ｖ／２πＲが気泡の固有振動数ｆ（ｓｅｃ．^−１）と同じになるように設計されている（ｆ＝ｎ×ｖ／２πＲ）。これにより、微小気泡は、前述の突起部１１ａによる拡散に加え、共振して分断される。

ここで、必要なバブル径（気泡の直径）を得るためのバブルの分割回数（分断回数）の計算方法について説明する。

まず、直径Ｄの球体の体積ＶはＶ＝πＤ^３／６であり、表面積ＳａはＳａ＝πＤ^２となる。単位体積のバブルをＮ等分に分割した場合には、１個当たりのバブル径ＬはＬ∝Ｎ^−１／３であり（バブル一個の表面積Ｓａ∝Ｎ^−２／３）、バブル総表面積ＳｂはＳｂ＝バブル一個の表面積Ｓａ×Ｎ∝Ｎ^−２／３×Ｎ＝Ｎ^１／３となる（Ｓｂ∝Ｎ^１／３）。

このＳｂ∝Ｎ^１／３からＮ∝Ｓｂ^３が得られ、バブル総表面積比をＲｓとすると、Ｎ∝Ｒｓ^３となる。バブル総表面積比Ｒｓはバブル径比Ｒｒの逆数と同じになるので、初期バブル径をＬ１として、到達バブル径をＬ２とすると、バブル径比（Ｒｒ＝Ｌ２／Ｌ１）の逆数はＬ１／Ｌ２となり、必要なバブル分割数Ｎは前述の関係式からＮ∝（Ｌ１／Ｌ２）^３、すなわちＮ∝Ｒｒ^−３となる。

そこで、Ｎ^−１／３＝Ｒｒ（Ｎ：バブル分割数、Ｒｒ：バブル径比）の関係式を図５に示す。また、Ｎ^１／３＝Ｒｓの関係式（Ｎ：バブル分割数、Ｒｓ：バブル総表面積比）を図６に示す。

例えば、初期バブル径Ｌ１を１０μｍとし、到達バブル径Ｌ２を１μｍとすると、バブル径比ＲｒはＲｒ＝１／１０となる。図５を参照すると、バブル径比Ｒｒが０．１０である場合、バブル分割数Ｎは１０^３となる。次いで、図６を参照すると、Ｎ＝１０^３に対応するバブル総表面積比Ｒｓは１０となる。

したがって、バブル径を１／１０にする場合には、図５及ぶ図６を参照すると、必要な分割回数は１０００回であり、バブル総表面積は１０倍となることがわかる。ただし、バブル分割回数がねずみ算（等比数列）式に進行すると仮定すると、必要な分断回数Ｍは、２^Ｍ＝１０^３であり、Ｍ＝３ｌｏｇ（１０）／ｌｏｇ（２）＝１０回となる。

次いで、直列に連結する分断器８ｄの個数の決定方法について説明する。

分断器８ｄの個数は、分断器８ｄの分断性能と所望のバブル径との関係から決定される。すなわち、分断器８ｄの個数は、図７及び図８に示すような関係から決定される。ここで、図８は、図７における分断器性能が１０〜１００００で、必要分断器個数が２〜１０の部分（図７に示す点線領域）を拡大して示す図である。

なお、図７及び図８において、波形Ａ１はバブル径比が１／１０^４である場合の波形であり、波形Ａ２はバブル径比が１／１０^５である場合の波形であり、波形Ａ３はバブル径比が１／１０^６である場合の波形である。

また、図７及び図８において、分断器性能は、分断器８ｄが一個のバブル（気泡）を何個に分断できるかを示す。例えば、分断器性能が１００であれば、液体が分断器８ｄを通過する際に、一個のバブルを１００個に分断することができる。また、必要分断器個数は、ある分断器性能で所望のバブル径まで何個の分断器８ｄを通過させればよいかを示す。

ここで、例えば、分断器性能が１００個であり、初期バブル径が１ｃｍの条件であると、図８から、必要分断器個数は、到達バブル径１μｍの場合（１／１０^４：波形Ａ１参照）、６個となり、到達バブル径１００ｎｍの場合（１／１０^５：波形Ａ２参照）、８個となり、到達バブル径１０ｎｍの場合（１／１０^６：波形Ａ３参照）、９個となる。このようにして、分断器性能と所望のバブル径との関係に応じて必要分断器個数が決定される。

次に、前述の基板処理装置１が行う基板処理動作（基板処理方法）について説明する。

まず、供給ノズル６が基板Ｗの中央付近に対向する供給開始位置まで移動機構７により移動し、保持テーブル４は回転機構５により回転する。これにより、保持テーブル４上の基板Ｗが回転する。その後、供給ノズル６は移動機構７により供給開始位置から外縁に向けて各供給位置に順次移動しながら、回転する保持テーブル４上の基板Ｗに処理液を供給する。

このとき、供給ノズル６には、微小気泡発生装置８から多数の微小気泡を含む液体が処理液として供給される。まず、開閉弁Ｖ１、Ｖ２が制御部９により開けられ、ポンプ８ｅも制御部９により駆動される。これにより、発生器８ｃに液体供給部８ａから接続管Ｐ１を介して液体が供給され、気体供給部８ｂから接続管Ｐ２を介して気体が供給される。

供給された液体と気体は発生器８ｃにより混合され、多数の微小気泡を含む液体が生成される。その後、生成された多数の微小気泡を含む液体は接続管Ｐ３を介して分断器８ｄに流入し、各接続管Ｐ４により直列に接続された各分断器８ｄを順次通過する。このとき、各分断器８ｄを順次通過した液体は、所望のバブル径を有する多数の微小気泡を含有することになる。この多数の微小気泡を含んだ液体は供給ノズル６に接続管Ｐ５を介して供給される。

このような微小気泡発生装置８では、多数の微小気泡を含む液体が通過する分断器８ｄの個数を変更することにより分断回数を増減し、各微小気泡のバブル径を制御することが可能になるので、液中に所望のバブル径の微小気泡を多数発生させることができる。また、循環式を採用していないので、液体が何度もポンプ８ｅを通過することがなくなり、ポンプ８ｅの熱により液体の温度が上昇することを抑えることができる。加えて、多数の微小気泡を含む液体は各分断器８ｄを順次通過していくので、循環式を採用した場合に比べ、所望サイズの微小気泡を発生させるまでの発生時間を短縮することができる。

また、分断器８ｄに流入した液体は、その分断器８ｄの基体１１の内壁に沿って進行し、基体１１の内部空間に旋回流を発生させる。このとき、基体１１の内壁に形成された各突起部１１ａに当たった各々の微小気泡は拡散されて細分化される。さらにこのとき、各微小気泡は共振して分断される。このように、分断器８ｄに流入した液体中の各微小気泡は、基体１１の内部に発生した旋回流により各突起部１１ａに当接して拡散され、さらに、共振して細かく分断される。これにより、液中の各微小気泡を確実に分断して細分化することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、気体及び液体を混合して液体中に多数の微小気泡を発生させる発生器８ｃと、その発生器８ｃにより発生した多数の微小気泡を含む液体を通過させて液体中の微小気泡を分断する複数個の分断器８ｄとを設けることによって、所望のバブル径の微小気泡を発生させるためには、分断器８ｄの個数を変更して分断回数を増減させればよく、簡単な構成で微小気泡のバブル径を制御することができる。さらに、循環式を採用することなく微小気泡を発生することが可能となるので、液体が何度もポンプ８ｅを通過することがなくなり、ポンプ８ｅの熱により微小気泡を含む液体の温度が上昇することを抑えることができる。加えて、配管の一部として各分断器８ｄが設置されており、液体は各分断器８ｄを順次通過していくので、循環式を採用した場合に比べ、所望サイズの微小気泡を発生させるまでの発生時間を短縮することができる。

また、複数個の分断器８ｄを直列に接続することによって、単純に分断器８ｄの個数を変更するだけで分断回数を増減させ、微小気泡のバブル径を制御することができる。加えて、分断器８ｄの個数を分断器８ｄの分断性能と所望の微小気泡の直径との関係から決定することによって、液中に精度良く所望の微小気泡を発生させることができる。

また、分断器８ｄは、円筒形状の基体１１と、微小気泡を含む液体が流入して基体１１の内壁に沿って基体１１内で旋回するように基体１１に設けられた流入部１２と、その流入部１２から流入した液体が旋回する旋回方向に対して交差する方向にそれぞれ延伸し、基体１１の内壁に円周方向に並べて形成された複数の突起部１１ａと、流入部１２から流入した液体が旋回して進行する方向に流出するように基体１１に設けられた流出部１３とを具備していることから、流入部１２から流入した液体中の微小気泡は、基体１１の内部に発生した旋回流により各突起部１１ａに当たって拡散され、より細かく分割されるので、液中の微小気泡を確実に分断して細分化することができる。

なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前述の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。また、前述の実施の形態においては、各種の数値を挙げているが、それらの数値は例示であり、限定されるものではない。

前述の実施の形態においては、分断器８ｄとして旋回式の分断器を用いているが、これに限るものではなく、例えば、多孔質フィルタに液体を通過させるフィルタ式の分断器を用いるようにしてもよい。

本発明の実施の一形態に係る基板処理装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示す基板処理装置が備える微小気泡発生装置の一部を拡大して示す模式図である。 図２に示す微小気泡発生装置が備える分断器の概略構成を示す外観斜視図である。 図３に示す分断器を分断して内部構造を示す斜視図である。 バブル径比とバブル分割数との関係を説明するための説明図である。 バブル総表面積比とバブル分割数との関係を説明するための説明図である。 必要分断器個数と分断器性能との関係を説明するための説明図である。 図７に示す一部を拡大して説明するための説明図である。

符号の説明

８ 微小気泡発生装置
８ｃ 発生器
８ｄ 分断器
１１ 基体
１１ａ 突起部
１２ 流入部
１３ 流出部

Claims (2)

1. 微細気泡発生装置で生成された微小気泡を含む液体を供給ノズルから供給することによって基板を処理する基板処理装置であって、
   前記微細気泡発生装置は、
   気体及び液体を混合して前記液体中に複数の微小気泡を発生させる発生器と、
   この発生器に対し、開閉量が制御される第１の開閉弁を介して前記液体を供給する液体供給部と、
   前記発生器に対し、開閉量が制御される第２の開閉弁を介して前記気体を供給する気体供給部と、
   前記発生器により発生した複数の微小気泡を含む液体を通過させて前記液体中の複数の微小気泡を分断する、複数個の直列に接続される分断器とを備え、
   前記分断器の個数は前記分断器の分断性能と所望の前記微小気泡の直径との関係から決定され、
   前記複数個直列に接続される分断器群の一端側は前記発生器に接続され、他端側は接続管を介して前記供給ノズルに接続され、前記接続管の途中には、前記発生器で生成された微小気泡を含む前記液体を前記複数個の分断器を順次通過させ、前記供給ノズルに供給する単一のポンプが設けられることを特徴とする基板処理装置。
2. 前記分断器は、
   円筒形状の基体と、
   前記複数の微小気泡を含む液体が流入して前記基体の内壁に沿って前記基体内で旋回するように前記基体に設けられた流入部と、
   前記流入部から流入した前記液体が旋回する旋回方向に対して交差する方向にそれぞれ延伸し、前記基体の内壁に円周方向に並べて形成された複数の突起部と、
   前記流入部から流入した前記液体が旋回して進行する方向に流出するように前記基体に設けられた流出部と、
   を具備していることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。

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