JP6061378B2 - 基板処理装置 - Google Patents
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Description
複数枚の基板を一括して処理するバッチ式の基板処理装置では、高温のリン酸水溶液が貯留された処理槽に複数枚の基板が一定時間浸漬される。
一方、枚葉式の基板処理装置では、一枚の基板を短時間で均一に処理することができる。
そこで、この発明の目的は、窒化膜のエッチングレートを高めつつ、同時に窒化膜の選択比を高く保つことができる基板処理装置を提供することである。
この構成によれば、貯留槽内のリン酸水溶液に基板が浸漬される。浸漬状態にある基板に、熱伝導によって発熱部からの熱が与えられると同時に、熱輻射(熱ふく射)によって熱が与えられる。
ここで、基板がリン酸水溶液の沸点以上に加熱されている場合、基板表面とリン酸水溶液とが接する境界では、局所的には極めて高温で、かつ全体としてリン酸濃度が低く維持された状態を実現することができ、その状態のリン酸水溶液を、基板の表面の窒化膜に作用させることができる。これにより、エッチングレートを非常に高めることができ、同時に窒化膜の選択比を高く維持することができる。
請求項3に記載の発明は、前記基板保持手段は、前記貯留槽に対して非接触状態で、基板を支持する基板支持部(13)を有し、前記基板支持部に支持された基板を回転させる基板回転手段(14)をさらに含む、請求項1または2に記載の基板処理装置である。
この構成によれば、基板に対して回転処理(たとえばスピンドライ)を施すことができる。
一方、基板を浸漬しているリン酸水溶液は、発熱部からの熱により沸点に維持されている。
ここで、基板がリン酸水溶液の沸点以上に加熱されている場合、基板表面とリン酸水溶液とが接する境界では、局所的には極めて高温で、かつ全体としてリン酸濃度が低く維持された状態を実現することができ、その状態のリン酸水溶液を、基板の表面の窒化膜に作用させることができる。これにより、エッチングレートを非常に高めることができ、同時に窒化膜の選択比を高く維持することができる。
また、基板に対して回転処理(たとえばスピンドライ)を施すことができる。
請求項6に記載の発明は、前記貯留槽(4;404)は底面(29;409)を有し、前記貯留槽の前記底面が前記発熱部を構成している、請求項5に記載の基板処理装置である。
請求項7に記載の発明は、前記貯留槽に貯留されているリン酸水溶液に水を供給する水供給手段(50;102)と、前記水供給手段からの水の供給/供給停止を制御することにより、前記貯留槽に貯留されているリン酸水溶液の濃度を制御する濃度制御手段(40)とを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の基板処理装置である。
請求項7記載の構成によれば、加熱手段からの加熱により沸騰状態に維持されているリン酸水溶液に対して水を供給することにより、リン酸水溶液のリン酸濃度の上昇が抑制される。すなわち、リン酸水溶液に対する水の供給/供給停止を制御することにより、リン酸水溶液の濃度を制御することができる。これにより、適度に濃度制御されたリン酸水溶液を基板に供給することができ、ゆえに、窒化膜の選択比をより一層高く維持することができる。
この場合、多数の吐出口のそれぞれから水の液滴が吐出されるので、貯留槽に貯留されているリン酸水溶液に、ほぼ均一に水を供給することができる。その結果、リン酸水溶液のリン酸濃度を均一に保つことができる。これにより、窒化膜の選択比を、基板の全域で一様に保つことができる。
請求項9に記載のように、前記水供給手段は、前記貯留部にスプレー状の水を噴射するスプレーノズル(102)を含んでいてもよい。
この場合、スプレー状の水を噴射することにより、貯留槽に貯留されているリン酸水溶液に、より細かい水の液滴が供給される。
水とリン酸水溶液とは、それらの比重や粘度等の相違のために、比較的混ざりにくい傾向にある。しかしながら、液滴の大きさが細かければ細かいほど混ざり易いので、細かい液滴の状態の水をリン酸水溶液に供給することにより、水とリン酸水溶液とをスムーズに混合させることができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る基板処理装置1の構成を模式的に示す断面図である。
この基板処理装置1は、基板の一例としての円形の半導体ウエハW(以下、単に「ウエハW」という)におけるデバイス形成領域側の表面に対して、シリコン酸化膜(酸化膜)およびシリコン窒化膜(窒化膜)のエッチング処理を施すための枚葉型の装置である。このエッチング処理は、ウエハWの表面から、窒化膜を選択的にエッチングするための処理であり、エッチング液としてリン酸水溶液が用いられる。
複数の挟持ピン34には、挟持ピン駆動機構43が結合されている。挟持ピン駆動機構43は、複数の挟持ピン34を、ウエハWの端面と当接してウエハWを挟持することができる挟持位置と、この挟持位置よりもウエハWの径方向外方の開放位置とに導くことができるようになっている。スピンチャック3は、各挟持ピン34をウエハWの周端面に接触させて挟持することにより、ウエハWがスピンチャック3に強固に保持される。ウエハWが複数個の挟持部材13に保持された状態で、スピンモータ14の回転駆動力が回転軸11に入力されることにより、ウエハWの中心を通る鉛直な回転軸線A1まわりにウエハWが回転する。スピンチャック3はウエハWを、最大2500rpmの回転速度で回転させることができる。
ノズル配管51の基端には、水供給源からの水が供給される第1水供給管53が接続されている。ノズル配管51の内部が第1水供給管53の内部と連通している。第1水供給管53には、第1水供給管53を開閉するための第1水バルブ54が介装されている。第1水バルブ54が開かれると、第1水供給管53からバーノズル50に水が供給され、各吐出口52から水が下方に向けて吐出される。各吐出口が小孔より形成されているので、各吐出口52は液滴となって滴下する。このとき、各吐出口52からの水の吐出流量は均一である。各吐出口52から滴下された水は、スピンチャック3の貯留槽4に降り注がれる。
貯留槽4は、たとえば略円筒の有底容器状をなし、セラミックや炭化ケイ素(SiC)を用いて形成されている。貯留槽4は、スピンベース12の上面と、スピンチャック3に保持されるウエハWの下面との間に水平姿勢で配置されている。貯留槽4は、水平平坦な円形の底面(発熱部)29と、底面29の周縁部から鉛直上方に立ち上がる外周壁38とを備えている。貯留槽4の底面29と外周壁38の内周面とによって、底面29の上方に液を溜めるための浅溝の貯留溝41が区画されており、底面29の上方に液を溜めることができるようになっており、外周壁38の高さは、貯留溝41に溜められる液の厚みが2mm〜11mmの範囲内で、たとえば約7mmになるように設定されている。貯留槽4の底面29の内部には、抵抗式のヒータ28が埋設されている。
支持ロッド25は、スピンベース12および回転軸11を上下方向に貫通する貫通穴24を回転軸線A1に沿って鉛直方向(スピンベース12の厚み方向)に挿通し、その上端が、貯留槽4に固定されている。支持ロッド25は貫通穴24においてスピンベース12または回転軸11と接触していない。支持ロッド25の下端(他端)は、スピンチャック3の下方の周辺部材に固定され、これにより、支持ロッド25が姿勢保持されている。このように、貯留槽4がスピンチャック3に支持されていないので、ウエハWの回転中であっても、貯留槽4は回転せずに静止(非回転状態)している。
水供給路61には、水供給源から水が供給される水下供給管63が接続されている。水下供給管63には、この水下供給管63を開閉するための水下バルブ64が介装されている。水下バルブ64が開かれると、水下供給管63から水供給路61を介して下吐出口62に水が供給される。これにより、下吐出口62から水が吐出される。
基板処理装置1は、マイクロコンピュータを含む構成の制御部(温度制御手段)40を備えている。制御部40は、ヒータ28への通電/切断の切換えにより、ヒータ28のオン/オフを制御する。また、制御部40は、スピンモータ14、挟持ピン駆動機構43、昇降機構27等の動作を制御する。また、制御部40は、リン酸バルブ17、第1水バルブ54、第2水バルブ32等の開閉動作を制御する。
以下では、図1〜図4Fを参照して、リン酸エッチング処理の処理例について説明する。
ウエハWの下面と貯留槽4の底面29とが接近しているので、スピンチャック3に保持されているウエハWは、貯留槽4の底面29から熱輻射により加熱される。貯留槽4が上位置にある状態で、底面29とウエハWの下面とが平行をなしているので、ウエハWに貯留槽4から与えられる単位面積当たりの熱量は、ウエハWの全域においてほぼ均一である。
これにより、貯留槽4内のリン酸水溶液のリン酸濃度および温度が、それぞれ予め定めるリン酸濃度(一例として81%)および温度(一例として約140℃)に一定に制御される。
図5は、貯留槽4の底面29によるウエハWの加熱状態を示す図である。
図6に示すように、リン酸水溶液におけるリン酸濃度が高くなるにつれて、リン酸水溶液の沸点が高くなっている。たとえば81%の濃度を有するリン酸水溶液では、その沸点が約140℃である。通常、81%の濃度のリン酸水溶液は、液相において、140℃以上に昇温しない。
図7は、リン酸水溶液におけるリン酸濃度およびリン酸水溶液の温度とシリコン窒化膜のエッチングレートとの関係を示すグラフである。図7では、150℃、160℃および170℃の温度を有するリン酸水溶液を用いてシリコン窒化膜をエッチングしたときのエッチングレートを実線で示している。また、図7では、リン酸水溶液の沸点を破線で示している。
一方、リン酸水溶液の温度が150℃のとき、エッチングレートは、リン酸濃度の増加に伴って減少する。リン酸水溶液の温度が160℃および170℃のときについても同様である。したがって、リン酸水溶液の温度が一定であれば、リン酸濃度が低いほどエッチングレートが高い。また、図示はしていないが、リン酸水溶液の温度が140℃のときについても同様である。
換言すると、ウエハW表面とリン酸水溶液とが接する境界では、局所的には極めて高温で、かつリン酸濃度が低く維持された状態を実現することができる。具体的には、当該境界において、温度が約160℃で濃度が約81%という、通常では存在しない高温低濃度の状態を実現することができる(この状態におけるシリコン窒化膜のエッチングレートおよびシリコン窒化膜の選択比の一例を「実施例」として図7中に示す)。この状態のリン酸水溶液が、ウエハWの表面のシリコン窒化膜に作用するから、シリコン窒化膜のエッチングレートを非常に高めることができ、同時にシリコン窒化膜の選択比を高く維持することができる。
次いで、制御部40は、スピンモータ14を制御して、ウエハWの回転速度を所定のリンス処理速度(300〜1500rpmの範囲で、たとえば1000rpm)に上げるとともに、第2水バルブ32を開いて、水ノズル30の吐出口からウエハWの回転中心付近に向けてDIWを供給する(ステップS2:リンス工程)。ウエハWの表面に供給されたDIWは、ウエハWの回転による遠心力を受けて、ウエハWの表面上をウエハWの周縁に向けて流れる。これにより、ウエハWの表面に付着しているリン酸水溶液がDIWによって洗い流される。
その後、制御部40は、スピンモータ14を駆動して、ウエハWの回転速度を所定の高回転速度(たとえば1500〜2500rpm)に上げて、ウエハWに付着しているDIWを振り切って乾燥されるスピンドライが行われる(ステップS3)。ステップS3のスピンドライによって、ウエハWに付着しているDIWが除去される。
基板処理装置101が、第1実施形態に係る基板処理装置1と相違する点は、水を供給するための水供給手段として、バーノズル50に代えて、水の液滴をスプレー状に吐出(噴霧)するスプレーノズル102を採用した点である。スプレーノズル102には、水供給源からの水が供給される第3水供給管103が接続されている。第3水供給管103には、第3水供給管103を開閉するための第3水バルブ104が介装されている。第3水バルブ104が開かれると、第3水供給管103からスプレーノズル102に水が供給され、スプレーノズル102から下方に向けて水の液滴がスプレー状に吐出(噴霧)される。スプレーノズル102から吐出される水の液滴は、前述の第1実施形態のバーノズルから吐出される水の液滴よりも細かい(小さい)。
また、スプレーノズル102からリン酸水溶液に対し、より細かい水の液滴が供給される。水とリン酸水溶液とは、それらの比重や粘度等の相違のために、比較的混ざりにくい傾向にある。しかしながら、液滴の大きさが細かければ細かいほど混ざり易いので、細かい液滴の状態の水をリン酸水溶液に供給することにより、水とリン酸水溶液とをスムーズに混合させることができる。
図9は、本発明の第3実施形態に係る基板処理装置201の構成を模式的に示す図である。図9において、第1実施形態に示された各部に対応する部分には、図1〜図7の場合と同一の参照符号を付して示し、説明を省略する。
貯留槽204は、たとえば、セラミックやSiC、耐熱樹脂を用いて形成されている。貯留槽204の構成は、ヒータ28(図1参照)が埋設されておらず加熱手段として機能しない点を除いて、図1に示す貯留槽4と共通の構成である。つまり、貯留槽204は水平姿勢で配置され、その水平姿勢を維持したまま昇降される。昇降機構(図1参照)27の駆動により、貯留槽204は、その下面がスピンベース12の上面に近接する下位置と、貯留槽204の底面29が、ウエハWの下面に微小間隔W1を隔てて対向配置される上位置との間で昇降させられる。これにより、貯留槽204とウエハWとの間隔を変更することが可能である。
このような基板処理装置201で実行されるリン酸エッチング処理では、第1実施形態と同様に(図4A参照)、貯留槽204の貯留溝41にリン酸水溶液が溜められる。その後、処理室2内に未処理のウエハWが搬入され、スピンチャック3(の挟持部材13)にウエハWが、その表面を上方に向けた状態に保持される。
第3実施形態によれば、貯留槽204のリン酸水溶液に浸漬されているウエハWを、その上方に近接配置されたヒータヘッド203を用いて加熱する。そのため、貯留槽204にヒータを内蔵する等の複雑な構成を採用することなく、ウエハWを良好に加熱することができる。
基板処理装置301が、第1実施形態に係る基板処理装置1と相違する点は、基板処理装置301が、第3実施形態に係る基板処理装置201と相違する点は、ウエハWの表面を加熱するためのヒータとして、ヒータヘッド203に代えて赤外線ヒータ(加熱手段)303を設けた点にある。
また、大きな熱量を与えることが可能な赤外線ヒータ303を加熱手段として設けるので、加熱手段として簡便な構成を採用しつつ、ウエハWを加熱することができる。
図11は、本発明の第5実施形態に係る基板処理装置401の構成を模式的に示す図である。図11において、第1実施形態に示された各部に対応する部分には、図1〜図7の場合と同一の参照符号を付して示し、説明を省略する。
基板保持台402は、リン酸水溶液を溜めるための貯留槽404(加熱手段)を備えている。貯留槽404は、たとえば略円筒の有底容器状をなし、セラミックや炭化ケイ素(SiC)を用いて形成されている。貯留槽404は、水平平坦な円形の底面409を有する底面部409Aと、底面409の周縁部から鉛直上方に立ち上がる外周壁408とを備えている。貯留槽404の底面409と外周壁408の内周面とによって、底面29の上方に液を溜めるための貯留溝405が区画されており、底面409の上方に液を溜めることができるようになっており、外周壁408の高さは、貯留溝405に溜められる液の厚みが所定の厚み(2mm〜11mmの範囲内で、たとえば約7mm)になるように設定されている。貯留槽404の底面部409Aには、抵抗式のヒータ406が埋設されている。
このような基板処理装置401では、貯留槽404に関連して、貯留槽404に対してウエハWを昇降させる複数本(たとえば、3本)のリフトピン403が設けられている。複数本のリフトピン403は、貯留槽404の底面部409Aを上下に貫通して形成された貫通孔412に挿通されて、その貯留槽404の底面409に対して昇降可能に設けられている。また、各リフトピン403は共通の支持部材410に支持されている。支持部材410には、シリンダを含むリフトピン昇降機構411が結合されている。リフトピン昇降機構411は、複数本のリフトピン403の先端が基板保持台402の上方に突出する位置と、複数本のリフトピン403の先端が基板保持台402の下方に退避する位置との間で、複数本のリフトピン403を一体的に昇降させる。
第5実施形態によれば、貯留槽404の底面409の熱伝導によるウエハWへの加熱により、ウエハWが約200℃に昇温される。この状態で、ウエハW表面との境界部分のリン酸水溶液に、ウエハWの表面に近づくほど高くなる温度勾配が形成される。その結果、ウエハWの表面との境界部分におけるリン酸水溶液において、極めて高温で、かつリン酸濃度が低く維持された状態を実現することができる。この状態のリン酸水溶液が、ウエハWの表面のシリコン窒化膜に作用するから、シリコン窒化膜のエッチングレートを非常に高めることができ、同時にシリコン窒化膜の選択比を高く維持することができる。
たとえば、第2実施形態と第5実施形態とを組み合わせることができる。すなわち、第2実施形態において、バーノズル50(図1参照)に代えて、水の液滴をスプレー状に吐出(噴霧)するスプレーノズル102を採用してもよい。
また、第1、第2および第5実施形態において、バーノズル50またはスプレーノズル102を用いて、貯留槽4,404のリン酸水溶液に水を供給するものを例に挙げて説明したが、リンス用の水ノズル30を用いて貯留槽4,404内のリン酸水溶液に水(DIW)を供給するようにしてもよい。
また、第1、第2および第5実施形態において、貯留槽4,404にヒータの機能を持たせる場合について説明したが、貯留槽4,404とヒータとを分離した構成であってもよい。この場合、たとえば、貯留槽4,404の下方からヒータにより加熱する構成であってもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
3 スピンチャック(基板保持手段)
4 貯留槽
13 挟持部材(基板支持部)
14 スピンモータ(基板回転手段)
29 底面
40 制御部(温度制御手段)
50 バーノズル(多孔ノズル)
102 スプレーノズル
203 抵抗式ヒータ
204 貯留槽
209 下面(発熱部)
303 赤外線ヒータ(加熱手段)
304A 赤外線照射面(発熱部)
304 赤外線ランプ
402 基板保持台(基板保持手段)
404 貯留槽(加熱手段)
409 底面
W ウエハ(基板)
Claims (9)
- リン酸水溶液を貯留する貯留槽と、
前記貯留槽内のリン酸水溶液に基板を浸漬させた状態で、当該基板を水平姿勢に保持する基板保持手段と、
前記基板保持手段に保持されている基板と対向する発熱部を有し、当該基板を、前記発熱部からの熱輻射および熱伝達により、前記貯留槽に貯留されている前記リン酸水溶液以上の温度まで加熱する加熱手段とを含み、
前記加熱手段は、前記基板保持手段に保持されている基板を、上方側から加熱する、基板処理装置。 - 前記加熱手段は赤外線ランプを有し、
前記赤外線ランプは、前記基板保持手段に保持されている基板の表面に対向配置されて、当該表面に向けて赤外線を照射する、請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記基板保持手段は、前記貯留槽に対して非接触状態で、基板を支持する基板支持部を有し、
前記基板支持部に支持された基板を回転させる基板回転手段をさらに含む、請求項1または2に記載の基板処理装置。 - リン酸水溶液を貯留する貯留槽と、
前記貯留槽に対して非接触状態で基板を支持する基板支持部を有し、前記貯留槽内のリン酸水溶液に前記基板を浸漬させた状態で、当該基板を水平姿勢に保持する基板保持手段と、
前記基板支持部に支持された基板を回転させる基板回転手段と、
前記基板保持手段に保持されている基板と対向する発熱部を有し、当該基板を、前記発熱部からの熱輻射および熱伝達により、前記貯留槽に貯留されている前記リン酸水溶液以上の温度まで加熱する加熱手段とを含む、基板処理装置。 - 前記加熱手段は、前記基板保持手段に保持されている基板を、下方側から加熱する、請求項4に記載の基板処理装置。
- 前記貯留槽は底面を有し、
前記貯留槽の前記底面が前記発熱部を構成している、請求項5に記載の基板処理装置。 - 前記貯留槽に貯留されているリン酸水溶液に水を供給する水供給手段と、
前記水供給手段からの水の供給/供給停止を制御することにより、前記貯留槽に貯留されているリン酸水溶液の濃度を制御する濃度制御手段とを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の基板処理装置。 - 前記水供給手段は、水の液滴を吐出する多数の吐出口を有する多孔ノズルを含む、請求項7に記載の基板処理装置。
- 前記水供給手段は、前記貯留部にスプレー状の水を噴射するスプレーノズルを含む、請求項7に記載の基板処理装置。
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