JP5487521B2 - 蒸気乾燥装置、および、それを用いた製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気乾燥装置、および、それを用いた製造方法に関する。より詳細には、半導体ウエハ、液晶表示装置用の基板、記録ディスク用の基板などの水での洗浄が必要な製品の製造過程において、水での洗浄後の製品をイソプロピルアルコールなどの有機溶剤の蒸気中で乾燥させる蒸気乾燥方法に用いられる蒸気乾燥装置、および、それを用いた水での洗浄が必要な製品の製造方法に関する。

半導体装置の製造に供される基板（ウエハ）は、洗浄の最終段階において水洗処理が施された後に、表面乾燥が行われる。通常、このような表面乾燥に用いられる技術として、イソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡと表記することがある。）を用いたＩＰＡ蒸気乾燥法が多用されており、従来から多くの提案がなされている。（例えば、特許文献１：特開２０００−３６４８１号公報、特許文献２：特開２００５−２６８３３１号公報参照）。

特許文献１に開示されたＩＰＡ蒸気乾燥法用の蒸気乾燥装置は、上方から被処理物を搬入できるように構成した処理槽を備え、処理槽の下方には、ＩＰＡ溶剤とそれを加熱蒸発させるヒータが配置される。処理槽の上方には冷却蛇管が設けられ、上昇してくるＩＰＡ蒸気を速やかに冷却液化して回収できるようになっているため、冷却蛇管を超えて流出する蒸気はなく、ＩＰＡ蒸気は処理槽内に充満されて飽和状態の蒸気層を形成する。

基板をこのような処理槽内のＩＰＡ蒸気層に曝すと、温度の低い基板表面で蒸気が凝縮することにより、急速に蒸気が消費される。ＩＰＡ蒸気層は飽和状態を外れ、蒸気密度が低下するとともに、蒸気層の体積も減少する。しかし、ＩＰＡ溶剤はヒータにより加熱されているため、時間経過と共にＩＰＡ蒸気密度は上昇し、ＩＰＡ蒸気層は初期の飽和状態に回復する。また、このとき基板表面の温度も蒸気の温度とほぼ等しくなるため、ＩＰＡ蒸気の凝縮も一旦終了する。この初期の飽和状態に回復するまでの時間をリカバリ時間と称している。このリカバリ時間を基準として、基板をＩＰＡ蒸気に曝す時間（曝露時間）が定められる。

リカバリ時間が曝露時間よりも短かすぎると、ＩＰＡ蒸気の初期の凝縮は曝露時間よりも短時間で終了してしまう。その後、基板表面のＩＰＡ溶剤の一部が揮発するが、その気化熱によって基板表面が降温して再びＩＰＡ蒸気の凝縮が起こり、曝露時間（乾燥時間）終了まで、揮発と凝縮を繰り返すこととなる。このような過乾燥によって、基板表面にパーティクル（基板表面に付着した反応生成物、塵埃などの異物）が付着しやすくなる。

一方、リカバリ時間が曝露時間よりも長すぎると、基板表面の水分とＩＰＡ溶剤の置換が確実に行われなくなるため、基板の表面にウォータマークと呼ばれるしみや自然酸化膜が発生したり、乾燥不良が発生しやすくなる。

これらの問題を生じないようにするためには、リカバリ時間に対する適切な曝露時間を設定できるような蒸気乾燥装置が望ましい。このような蒸気乾燥装置として、十分な熱容量を持ったダミー部材を持つ蒸気乾燥装置（特許文献１）が開示されている。しかしながら、この場合には、熱容量の増大に伴いリカバリ時間が長時間化する。このため、作業効率を上げるために曝露時間を短くすると、ウォータマークや乾燥不良が発生するという問題があった。

一方、リカバリ時間を短くし、ウォータマークの発生を抑制するために、処理槽の上側からＩＰＡ蒸気を導入するための構造を有する蒸気乾燥装置（特許文献２）が提案されている。しかしながら、かかる蒸気乾燥装置においては、処理槽の高さの加工精度や処理槽の位置精度がプロセスの性能を支配するため、装置のセットアップが難しいという問題があった。

特開２０００−３６４８１号公報 特開２００５−２６８３３１号公報

本発明は、ウエハ等の被乾燥物表面の水分を効率よく、かつ、再現性良く除去し、被乾燥物へのパーティクルの付着、および、ウォータマークや乾燥不良の発生を抑制することができ、且つ、装置のセットアップを容易に行うことのできる蒸気乾燥装置を提供することを目的とする。

本発明は、水で洗浄された被乾燥物を有機溶剤の蒸気中に曝し、前記被乾燥物の表面で前記蒸気を凝縮させることにより、前記被乾燥物の表面に残留する水分を前記有機溶剤で置換した後に、前記被乾燥物の表面の前記有機溶剤を揮発させることによって、前記被乾燥物を乾燥する蒸気乾燥方法に用いられ、
前記被乾燥物および前記蒸気を収容する処理槽と、
該処理槽内に設置され、前記蒸気を前記被乾燥物の表面に導入するための孔を有する蒸気導入部材とを備えることを特徴とする蒸気乾燥装置である。

前記蒸気導入部材は、前記被乾燥物が設置される部位の下側に設置されることが好ましい。

前記蒸気導入部材は、前記蒸気が発生する部位の上側に設置されることが好ましい。
前記蒸気導入部材は、前記蒸気が発生する部位から前記被乾燥物が設置される部位への前記蒸気の流れを生じさせることが好ましい。

さらに、前記被乾燥物の表面の前記水分と前記有機溶剤との混合物を回収し、前記処理槽の外部へ排出するための排出手段を、前記蒸気導入部材の下側に備えることが好ましい。

前記蒸気導入部材の孔は、前記混合物を前記排出手段によって排出するための排出孔を兼ねることが好ましい。

前記蒸気導入部材全体の水平投影面積に対する、前記孔の水平投影面積の合計値の比率が２０％以下であることが好ましい。

前記有機溶剤は、イソプロピルアルコールであることが好ましい。
また、本発明は、水での洗浄が必要な製品の製造方法であって、
前記製品を水で洗浄した後に、請求項１に記載の蒸気乾燥装置を用いて前記製品を乾燥する工程を含む、製造方法にも関する。

本発明の蒸気乾燥装置によれば、被乾燥物へのパーティクルの付着、および、ウォータマークや乾燥不良の発生を抑制することができ、且つ、装置のセットアップを容易に行うことができる。

本発明の蒸気乾燥装置の一実施形態を示す模式図である。 処理槽にウエハを曝露した際の処理槽内の温度変化を示すグラフである。 ＩＰＡの飽和蒸気中に曝されたときの、処理ウエハ枚数とリカバリ時間との関係を示すグラフである。 本発明の蒸気乾燥装置に用いられる蒸気導入部材の一形態を示す模式図である。 （ａ）は、本発明の蒸気乾燥装置の処理槽内における、有機溶剤の蒸気の状態を説明するための模式図である。（ｂ）は、従来の蒸気乾燥装置の処理槽内における、有機溶剤の蒸気の状態を説明するための模式図である。 蒸気導入部材の開口率と、蒸気導入部材を用いてウエハの処理を行った後の異物検査結果との関係を示すグラフである。 本発明の蒸気乾燥装置に用いられる蒸気導入部材の別の形態を示す模式図である。（ａ）は正面図であり、（ｂ）は上面図である。

本発明は、水で洗浄された被乾燥物を有機溶剤の蒸気中に曝し、前記被乾燥物の表面で前記蒸気を凝縮させることにより、前記被乾燥物の表面に残留する水分を前記有機溶剤で置換した後に、前記被乾燥物の表面の前記有機溶剤を揮発させることによって、前記被乾燥物を乾燥する蒸気乾燥方法に用いられる蒸気乾燥装置である。ここで、被乾燥物の表面とは、処理槽内の有機溶剤の蒸気と接することのできる全ての表面であり、空隙部分の内部表面なども含まれる。

本発明の蒸気乾燥装置は、前記被乾燥物および前記蒸気を収容する処理槽と、該処理槽内に設置され、前記蒸気を前記被乾燥物の表面に導入するための孔を有する蒸気導入部材とを備えることを特徴としている。本発明の蒸気乾燥装置は、かかる蒸気導入部材を有することによりＩＰＡ蒸気が整流され、被処理物の表面に残留する水分の有機溶剤による置換が、被処理物の熱容量の変動に関わらず効率よく行われることを特徴としている。

蒸気導入部材は、被乾燥物が設置される部位の下側に設置されることが好ましく、有機溶剤の蒸気が発生する部位の上側に設置されることが好ましい。より好ましくは、蒸気導入部材は、被乾燥物が設置される部位と有機溶剤の蒸気が発生する部位の間に設置される。蒸気導入部材は、このように配置される際もしくは配置された後に、蒸気が発生する部位から被乾燥物が設置される部位への蒸気の流れを生じさせることが好ましい。

蒸気が発生する部位としては、例えば、下部にヒータが設けられた処理槽内の底部に貯留された有機溶剤の液面が挙げられるが、これに限定されるものではない。

さらに、蒸気導入部材の下側に、被乾燥物の表面の水分と有機溶剤との混合物を回収し、処理槽の外部へ排出するための排出手段を備えることが好ましい。排出手段としては、例えば、外部へ通じるドレイン管を備えた受け皿状の構造体などが挙げられる。

蒸気導入部材全体の水平投影面積に対する、孔の水平投影面積の合計値の比率（蒸気導入部材の開口率）は、２０％以下であることが好ましい。蒸気導入部材の開口率を小さくすることによって、蒸気導入部材による有機溶剤の蒸気の気流が生じ易くなり、ウォータマーク等の抑制に顕著な効果を有する。

（実施形態１）
以下、本発明の蒸気乾燥装置の一実施形態について、図面に基づいて具体的に説明する。

図１に、本発明の蒸気乾燥装置の一実施形態を示す。図１に示す蒸気乾燥装置は、有機溶剤２００（液体のイソプロピルアルコールなど）を収容する処理槽１００、処理槽１００の上方に所定の間隔をおき処理槽１００近傍に設けられた冷却蛇管１０１、処理槽１００の下部に設けられたヒータ１０２、処理槽１００のＩＰＡ液面と冷却蛇管１０１より規定される空間にウエハ３００を出し入れするための昇降機構、ウエハ３００若しくはカセット３０１を所定位置に容易にセットするための蒸気導入部材４０１、およびウエハ３００上のＩＰＡと水分の混合物を回収し、前記空間外に排出するためのドレイン管５００を備えている。

上記の構成を有する蒸気乾燥装置は、蒸気導入部材を備えることにより、乾燥処理毎の被乾燥物の量（熱容量）の変化による総熱容量の変動が小さくなるため、リカバリ時間を安定させることができる。このため、被乾燥物へのパーティクルの付着、および、ウォータマークや乾燥不良の発生を抑制することができる。また、蒸気導入部材の形状や配置のみを調整すればよいため、処理槽全体を調整する従来の蒸気乾燥装置と比べて、装置のセットアップを容易に行うことができる。

実施形態１の蒸気乾燥装置において、蒸気導入部材４０１は、ウエハ（被乾燥物）３００が設置される部位の下側に設置されている。また、蒸気導入部材４０１は、有機溶剤の蒸気が発生する部位（すなわち、有機溶剤２００の液面）より上側に設置される。蒸気導入部材４０１は、このように配置される際もしくは配置された後に、有機溶剤２００の液面からウエハ３００への蒸気の流れを生じさせるができ、被乾燥物の表面に有機溶剤を効率よく凝縮させることができ、ウォータマークや乾燥不良の発生、異物（パーティクル）の付着を防ぐことができる。

また、蒸気導入部材４０１の下側に、ウエハ３００の表面の水分と有機溶剤との混合物を回収し、処理槽１００の外部へ排出するためのドレイン管（排出手段）５００を備えている。蒸気導入部材４０１の下側に排出手段（ドレイン管５００）を設けることにより、被乾燥物に残留する水分と有機溶剤の混合液が効率良く処理槽の外部に排出され、揮発させる有機溶剤中への該混合液の混入を防ぐことができる。

本発明に用いられる有機溶剤２００は、好ましくはＩＰＡである。イソプロピルアルコールを用いることで、素子の絶縁破壊を防ぐことや微細パターン上のミクロンからサブミクロン以下の径の水滴を除去することができる。

処理槽１００は、ＩＰＡ等の有機溶剤によって腐食されにくい材料（例えば、石英ガラス）によって形成されることが好ましい。

実施形態１の蒸気乾燥装置の動作を説明する。
（１） 蒸気導入部材４０１に、ウエハ３００が入ったカセット３０１をセットする。
（２） 昇降機構により冷却蛇管１０１上方から一体となったカセット３０１と蒸気導入部材４０１を、ＩＰＡ液面と冷却蛇管１０１より規定される空間に入れる。
（３） カセット３０１と蒸気導入部材４０１が上記空間にてＩＰＡ蒸気に曝される。
（４） カセット３０１内のウエハ３００表面の水分は蒸気導入部材４０１により整流されたＩＰＡ蒸気と置換される。
（５） 昇降機構によりカセット３０１と蒸気導入部材４０１を上記空間から出す。

上記（１）においては、ウエハ３００が直接、蒸気導入部材４０１にセットされる場合もある。上記（２）においては、蒸気導入部材４０１が予め上記空間に待機する場合もある。上記（５）においては、カセット３０１のみが上記空間から出される場合もある。

蒸気導入部材４０１とウエハ（被乾燥物）３００は、一体となった状態で、有機溶剤２００の蒸気中に曝されることが好ましい。被乾燥物と蒸気導入部材を一体で挿入することにより、被乾燥物を蒸気導入部材の上に容易に設置することができ、且つ、被乾燥物の表面の残留水分を蒸気導入部材で回収（排出）できる。

また、蒸気導入部材４０１とウエハ（被乾燥物）３００は、一体となった状態で、有機溶剤２００の蒸気中から引き出されることが好ましい。被乾燥物と蒸気導入部材が一体で引き出されることで、取り出し時にも飽和蒸気の流れを作ることで被乾燥物の表面に有機溶剤を凝縮させることが可能になり、処理槽内の異物（パーティクル）付着が低減できる。

図２は、実施形態１の蒸気乾燥装置において、処理槽１００にウエハ３００を曝露した際の処理槽１００内の温度変化を示すグラフである。なお、図２に示す処理槽内温度とは、図１に示す冷却蛇管１０１直下に取り付けられた熱電対により測定された処理槽１００内の温度である。図２のグラフに示すように、処理槽１００にウエハ３００を曝露すると、ウエハ３００上へのＩＰＡの初期凝縮が起こるため、ＩＰＡ蒸気密度が下がる。その際、冷却蛇管１０１の高さまでＩＰＡの蒸気が到達しないために、処理槽内の温度が下がる。その後、時間が経過に伴って、処理槽１００内のＩＰＡ蒸気の高さが徐々に上昇することにより、処理槽１００内の温度はＩＰＡ蒸気温度（８２．４℃）まで回復する。ウエハ３００を曝露した時から、蒸気温度が一旦下がり、元の温度に回復するまでの時間は、上述の重要な指標であるリカバリ時間と見なすことができる。図２には、ヒータ温度１８０℃と２３０℃の場合に、ウエハ３００を１２枚セットした際の処理槽１００内の温度変化を示すが、リカバリ時間はそれぞれ２０秒および５５秒となる。

図３に、実施形態１の蒸気乾燥装置において、ＩＰＡの飽和蒸気中に曝されたときに同時に処理されるウエハの枚数（処理ウエハ枚数）と、リカバリ時間との関係を示す。図２には、ヒータ温度が１８０、２３０、２８０℃、処理されたウエハの枚数が１枚、１２枚のときのリカバリ時間を示しているが、ウエハの枚数が変わることでリカバリ時間が変化しており、ヒータ温度を下げるほど、枚数による時間差が拡大している。このことから、ヒータ温度をあげる事が初期凝縮を効率よく行うポイントであることが分かるが、ヒータと処理槽の設置状態やヒータの加熱限界、安全性を考えると現実的には難しい。

図４に、本発明の蒸気乾燥装置に用いられる蒸気導入部材の一形態を示す。蒸気導入部材４０１の底板部分４１０には、開口率が２０％以下となるように孔４１１が設けられている。ここでの開口率とは、底板部分４１０の面積に対する孔４１１の開口部の面積の比率である。

図５（ａ）を用いて、本発明の蒸気乾燥装置の処理槽内における、有機溶剤の蒸気の状態を説明する。図１の昇降機構４００により、ウエハ３００が蒸気導入部材４０１と共に処理槽内に導入（配置）される際、図５（ａ）に示すように、蒸気導入部材４０１の孔４１１から有機溶剤の蒸気２０１が導入され、ウエハ３００表面に有機溶剤の蒸気２０１が凝縮する。参考までに、図５（ｂ）を用いて、従来の蒸気乾燥装置の（蒸気導入部材を有していない）処理槽内における、有機溶剤の蒸気の状態を説明する。図５（ｂ）に示すように、ウエハ３００が処理槽に導入された際に、ウエハ３００により有機溶剤の蒸気２０１が乱れるため、該蒸気がウエハ３００を避けるように振る舞い、十分に水分と有機溶剤とが置換されず、その結果ウォータマークが発生する。

また、有機溶剤の蒸気２０１をウエハ３００の表面に導入する際、ウエハ３００上の水分と有機溶剤（蒸気２０１が凝縮したもの）との混合物が、ウエハ３００から処理槽１００の底の有機溶剤２００中に滴下すると、有機溶剤２００は水が混じった有機溶剤溶液となり、ウォータマークの一因となる。しかし、図１に示されるように蒸気導入部材４０１の下側にドレイン管（排出手段）５００を備えられている場合は、水分と有機溶剤の混合物は、蒸気導入部材４０１に設けられた孔４１１を通って受け皿に回収され、ドレイン管５００を通して処理槽１００外へと排出される。これにより、被乾燥物に残留する水分と有機溶剤の混合液が、揮発させる有機溶剤中へ混入すること防止でき、ウォータマークの発生を抑制することができる。

（蒸気導入部材の開口率）
図６に、蒸気導入部材４０１の孔４１１の開口率と、蒸気導入部材４０１を用いてウエハの処理を行った後の異物検査結果との関係を示す。ここで、孔４１１の開口率とは、蒸気導入部材４０１の底板部分の面積に対する孔４１１の開口部面積の比率である。なお、蒸気導入部材４０１の孔の数は一定（６４個／ｍ²）とし、孔の径を変化させることにより、各々の開口率（５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、７０、１００％）を有する蒸気導入部材を作製した。

図６のグラフより、孔４１１の開口率を２０％以下にすることによって、ウォータマーク等の抑制に顕著な効果を有することが分かる。これは、蒸気導入部材の開口率を小さくすることによって、蒸気導入部材による有機溶剤の蒸気の気流が生じ易くなることによる効果であると考えられる。

その際、ウエハ３００上の水分と有機溶剤の蒸気２０１との混合物がウエハ３００から滴下するが、該混合物は蒸気導入部材に開けられた孔４１１を通り、受け皿にて回収され、ドレイン管５００を通して、処理槽外へと排出される。この方法によれば、初期凝縮の段階でＩＰＡが効率的にウエハ３００に供給されるため、ウォータマークの発生しない蒸気乾燥方法が可能となる。

また、蒸気導入部材４０１については、図７に示すような形状でも良い。この場合、蒸気導入部材４０１の処理槽への導入側の先端が三角形であり、その先端に孔４１１が設けられているため、導入の際に、ＩＰＡ蒸気の流れが生成され、より効率的な初期凝縮が可能になる。また、水とＩＰＡの混合物が重力により孔４１１に移動するため、該混合物の排出効率も良くなる。

図７に示すような複数の円形状の孔４１１を１つにつなげて、スリット状の孔にしてもよい（図示せず）。この場合、蒸気導入部材の製造が容易になるという利点がある。このように、蒸気導入部材４００の孔４１１は、有機溶剤の蒸気２０１が通過できるものであれば特に限定されず、種々の形態を取り得る。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の蒸気乾燥装置は、例えば、水での洗浄が必要な製品の製造工程において、該製品を乾燥するために使用できる。水での洗浄が必要な製品としては、例えば、半導体ウエハ、液晶表示装置用の基板、記録ディスク用の基板が挙げられる。

１００ 処理槽、１０１ 冷却蛇管、１０２ ヒータ、２００ 有機溶剤、２０１ 有機溶剤の蒸気、３００ ウエハ（被乾燥物）、３０１ カセット、４００ 昇降機構、４０１ 蒸気導入部材、４１０ 底板部分、４１１ 孔、５００ ドレイン管（排出手段）。

Claims (6)

1. 水で洗浄された被乾燥物を有機溶剤の蒸気中に曝し、前記被乾燥物の表面で前記蒸気を凝縮させることにより、前記被乾燥物の表面に残留する水分を前記有機溶剤で置換した後に、前記被乾燥物の表面の前記有機溶剤を揮発させることによって、前記被乾燥物を乾燥する蒸気乾燥方法に用いられる蒸気乾燥装置であって、
   前記被乾燥物および前記蒸気を収容する処理槽と、
   該処理槽内に設置され、前記蒸気を前記被乾燥物の表面に導入するための孔を有する蒸気導入部材とを備え、
   前記蒸気導入部材は、前記被乾燥物が設置される部位の下側、かつ、前記蒸気が発生する部位の上側に設置され、
   前記蒸気導入部材全体の水平投影面積に対する、前記孔の水平投影面積の合計値の比率が２０％以下である、蒸気乾燥装置。
2. 前記蒸気導入部材が、前記蒸気が発生する部位から前記被乾燥物が設置される部位への前記蒸気の流れを生じさせる、請求項１に記載の蒸気乾燥装置。
3. さらに、前記被乾燥物の表面の前記水分と前記有機溶剤との混合物を回収し、前記処理槽の外部へ排出するための排出手段を、前記蒸気導入部材の下側に備える、請求項１に記載の蒸気乾燥装置。
4. 前記蒸気導入部材の孔が、前記混合物を前記排出手段によって排出するための排出孔を兼ねる、請求項３に記載の蒸気乾燥装置。
5. 前記有機溶剤は、イソプロピルアルコールである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気乾燥装置。
6. 水での洗浄が必要な製品の製造方法であって、
   前記製品を水で洗浄した後に、請求項１に記載の蒸気乾燥装置を用いて前記製品を乾燥する工程を含む、製造方法。

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