JP6220655B2 - 雰囲気制御機構及び小型製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、薬液処理カップ内部の雰囲気を制御する雰囲気制御機構と、この雰囲気制御機構を用いた小型製造装置とに関する。例えば、本発明は、小型の半導体ウェハを用いた半導体製造プロセスで使用されるレジスト塗布装置やレジスト現像装置等に適用することができる。

従来の雰囲気制御機構について、半導体製造プロセス用のレジスト塗布装置に搭載されたものを例に採って説明する。

従来の半導体製造工場では、巨大なクリーンルーム内に製造装置を設置して、半導体デバイスの製造を行っていた。半導体工場のクリーンルームには、所定の温度・湿度に調整されたクリーンエアーが常時供給されており、これによってクリーンルーム内の温度・湿度が管理されている。従来のレジスト塗布装置は、このようなクリーンルーム内に設置されると共に、このクリーンルーム内のクリーンエアーを取り込んで、所定の温度及び湿度に再調整し、フィルタを通して、天井側から処理室内に供給していた（下記特許文献１参照）。

このため、従来は、クリーンルーム内の温度・湿度が精度良く管理されていれば、屋外等の温度・湿度が変動しても、レジスト塗布装置や現像装置の内部の温度や湿度を、十分な精度で制御することができた。

特許第３３８８９０６号

従来の半導体製造工場は、規模が巨大であるため、建設コストや運営コストが非常に高額であった。このような大規模製造システムは、少品種大量生産ではチップの製造単価低減に寄与するが、少量多品種生産の要請に応え難く、市場状況に応じた生産量の調整を困難にすると共に、中小企業の参入を困難にする。これらの問題を解決するためには、小口径ウェハ（例えば、直径２０ｍｍ以下）を用いて低コストで半導体チップを製造できると共に、クリーンルーム内に設置する必要の無い、小型で安価な半導体製造装置が望まれる。

しかしながら、半導体製造工場にクリーンルームを設けない場合、工場内部の温度や湿度を精度良く制御することは困難である。このため、屋外等の温度・湿度の変動により工場内部の温度・湿度が変動して、レジスト塗布装置や現像装置の内部の温度・湿度が変動してしまうおそれがある。

レジスト塗布装置内の温度・湿度が変動すると、レジストの粘度や乾燥速さが変動するため、レジスト膜厚制御の精度が悪化する。また、レジスト現像装置の温度が変動すると、現像速さが変動して、現像精度が悪化する。

このような課題は、レジスト塗布装置やレジスト現像装置だけで無く、他の半導体製造装置にも生じ、また、半導体デバイスを製造する装置だけで無く、例えばサファイア基板やアルミニウム基板等に処理を施して電子デバイスを製造する装置や、光学デバイスを製造する装置等にも生じる。

本発明の課題は、製造工場内部の温度や湿度が変動しても、製造装置の内部の温度・湿度を精度良く制御できる雰囲気制御機構を提供することにある。

請求項１の発明に係る雰囲気制御機構は、処理基板を内部に収容して処理を施す薬液処理カップの内部雰囲気を制御する雰囲気制御機構であって、ガスを貫流させることによって前記薬液処理カップの壁部の温度を調整するために該壁部に設けられた通気路と、該通気路に該ガスを供給する給気口と、前記薬液処理カップの上面開口部の外縁近傍に設けられ、前記通気路を貫流した前記ガスを該上面開口部の中心方向に噴出することによって、前記薬液処理カップ内を該ガスで充満させると共に、該薬液処理カップ内への外気の浸入を抑える、複数のガス噴出口とを備える雰囲気制御機構としたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記ガスが、温度及び湿度の両方が調整されたガスであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記ガスが、クリーンエアー又はクリーン化された窒素ガスであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の構成に加え、前記通気路は、前記薬液処理カップの高さ方向に配列された複数の環状路と、隣接する二本の前記環状路間にそれぞれ設けられた接続路とを備えることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の構成に加え、前記環状路に前記ガスを流入させる側の前記接続路と、該環状路から該ガスを流出させる側の前記接続路とが、該環状路が形成する円の中心点に対して１８０度ずれた位置に配置されたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の構成に加え、前記処理基板の径が２０ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れかに記載の雰囲気制御機構を備える小型製造装置としたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、薬液処理カップ内へ供給されたガスにより、この薬液処理カップ内部の温度を制御することができる。更に、ガスを上面開口部の中心方向に噴出することにより、外気の浸入を抑えて、温度の制御精度を向上させることができる。加えて、このガスに通気路を通過させることにより、薬液処理カップの壁部の温度を調整して、外部の温度変化が壁部から内部に伝搬することを抑制できる。従って、請求項１の発明によれば、外部温度が変動しても、薬液処理カップ内の温度を精度良く制御することができる。

請求項２の発明によれば、温度及び湿度の両方が調整されたガスを使用することにより、薬液処理カップ内の温度に加えて、湿度も精度良く制御することができる。

請求項３の発明によれば、ガスとしてクリーンなエアー又は窒素ガスを使用することにより、薬液処理カップをクリーンルーム内に設置しなくても、クリーンな雰囲気で処理基板の処理を行うことができる。

請求項４の発明によれば、複数の環状路及び接続路を用いて前記通気路を形成することにより、簡単な構造の通気路で、薬液処理カップの壁部の温度を、精度良く制御することができる。

請求項５の発明によれば、ガス流入側の接続路とガス流出側の接続路とを１８０度ずれた位置に配置したので、環状路のガス流量を均一化して、薬液処理カップの温度を均一化することができる。

請求項６の発明によれば、径が２０ｍｍ以下の処理基板を使用することにより、雰囲気制御機構を小型化することが容易になる。

請求項７の発明によれば、本発明に係る雰囲気制御機構を備えているので、上記請求項１乃至６の効果を有する小型製造装置を提供することができる。

実施の形態１に係る小型製造装置の全体構成を示す概念的斜視図である。 実施の形態１に係るレジスト塗布装置の構成を示す概念的平面図である。 実施の形態１に係るスピンコーター機構のコーターカップ部の構成を示す概略的断面図である。 図３に示したコーターカップ部の通気路の構成を概念的に示す断面図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１について、本発明を小型半導体ウェハ用のレジスト塗布装置に適用した場合を例に採り、図１乃至図４を用いて説明する。

図１は、この実施の形態１に係る小型半導体製造装置の全体構成を概念的に示す斜視図である。

図１から解るように、この実施の形態１に係る小型半導体製造装置１００（本発明の「小型製造装置」に相当する）は、処理室としてのレジスト塗布装置１１０と、装置前室１２０とを収容する。レジスト塗布装置１１０と装置前室１２０とは、分離可能に構成されている。

レジスト塗布装置１１０は、図示しないウェハ搬送口を介して装置前室１２０から半導体ウェハＷ（図１では示さず）を受け取る。そして、この半導体ウェハＷに対して、レジスト膜形成処理を行う。レジスト塗布装置１１０についての詳細な説明は、後述する。この実施の形態１では、半導体ウェハＷとして、径が２０ｍｍ以下（例えば１２．５±０．２ｍｍ）の小径のものを使用する。

一方、装置前室１２０は、ウェハ搬送容器（図示せず）に収容された半導体ウェハＷを取り出して、レジスト塗布装置１１０に搬送するための部屋である。装置前室１２０の天板１２０ａには、ウェハ搬送容器を載置するための容器載置台１２１と、載置されたウェハ搬送容器を上方から押圧固定する押さえレバー１２２と、小型半導体製造装置１００の操作を行うための操作釦１１４等を有する操作パネル１２４が設けられている。また、装置前室１２０は、ウェハ搬送容器から下方に取り出した半導体ウェハＷをレジスト塗布装置１１０に搬入するための搬送ロボット（図示せず）を備えている。

図２は、レジスト塗布装置１１０の構成を概念的に示す平面図である。図２に示したように、この実施の形態１では、１台のレジスト塗布装置１１０（例えば筐体の水平断面の一辺が３０ｃｍ）の内部に、搬送ユニット２１０、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）処理ユニット２２０、スピンコーターユニット２３０、レジストノズル２４０、ＥＢＲ（Ｅｄｇｅ Ｂｅａｄ Ｒｅｍｏｖａｌ）ノズル２５０、ベーク処理ユニット２６０等が収容されている。

搬送ユニット２１０は、半導体ウェハＷを上述の搬送ロボット（図示せず）から受け取って、ＨＭＤＳ処理ユニット２２０、スピンコーターユニット２３０、ベーク処理ユニット２６０に順次搬送する。搬送ユニット２１０の本体部２１１は、一対のハンド部２１２ａ，２１２ｂを備えている。ハンド部２１２ａ，２１２ｂの先端部分には、円弧状のウェハ載置部２１３ａ，２１３ｂが、互いに対向するように形成されている。半導体ウェハＷは、これらウェハ載置部２１２ａ，２１２ｂに外縁部が当接するように、載置される。ハンド部２１２ａ，２１２ｂは、互いに遠ざかる方向に開いたり、互いに近づく方向に閉じたりすることができる。図２は、ハンド部２１２ａ，２１２ｂが閉じた状態である。搬送ユニット２１０は、図示しない機構により、本体部２１１を回転させることができると共に、ハンド部２１２ａ，２１２ｂを伸縮させることができる。

ＨＭＤＳ処理ユニット２２０は、ＨＭＤＳ処理（すなわち、フォトレジストと半導体ウェハＷとの密着性を向上させるために、半導体ウェハＷの表面のＯ−Ｈ基をＨＭＤＳで置換する処理）を行うための機構である。ＨＭＤＳ処理ユニット２２０は、ホットプレート２２１と、例えば４本の載置ピン２２２ａ〜２２２ｄとを備えている。載置ピン２２２ａ〜２２２ｄは、このホットプレート２２１の外縁部の内側に略均等に配置されている。これら載置ピン２２２ａ〜２２２ｄは、図示しない昇降機構によって昇降させることができ、最下降したときにはホットプレート２２１内に収容される。半導体ウェハＷをホットプレート２２１上に載置する為には、まず、ハンド部２１２ａ，２１２ｂが閉じた状態で、ウェハ載置部２１３ａ，２１３ｂ上に半導体ウェハＷを載置し、搬送ユニット２１０の本体部２１１を、ホットプレート２２１に対向する位置まで回転させ、更に、ハンド部２１２ａ，２１２ｂをホットプレート２２１上まで前進させる。そして、載置ピン２２２ａ〜２２２ｄを上昇させて半導体ウェハＷを下方から持ち上げることで、ハンド部２１２ａ，２１２ｂから離間させる。続いて、このハンド部２１２ａ，２１２ｂを開いて、後退させる。その後、ホットプレート２２１内に収容される位置まで、載置ピン２２２ａ〜２２２ｄを下降させることにより、ホットプレート２２１上に半導体ウェハＷが載置される。

スピンコーターユニット２３０は、半導体ウェハＷに対するレジスト膜の形成や、ＥＢＲ処理、裏面洗浄処理等を行うための機構である。スピンコーターユニット２３０は、半導体ウェハＷを保持して回転させるための、載置部２３１を備えている。スピンコーターユニット２３０の詳細については、後述する。

レジストノズル２４０は、レジスト膜形成工程において、回転する半導体ウェハＷに、フォトレジスト液を供給するためのノズルである。フォトレジスト液を供給する際、レジストノズル２４０は、載置部２３１に載置された半導体ウェハＷの中心部上方までノズル口２４１を回転移動させて、この半導体ウェハＷ上に、フォトレジスト液を滴下する。

ＥＢＲノズル２５０は、ＥＢＲ工程（すなわち、半導体ウェハＷの周縁部に形成されたレジスト膜を除去する工程）において、半導体ウェハＷの周縁部にレジスト溶解液を供給するためのノズルである。ＥＢＲ工程に際して、ＥＢＲノズル２５０は、載置部２３１に載置された半導体ウェハＷの周縁部上方までノズル口２５１を回転移動させて、レジスト溶解液を滴下する。

ベーク処理ユニット２６０は、フォトレジスト膜を固化するために半導体ウェハＷを加熱する機構である。ベーク処理ユニット２６０は、ホットプレート２６１と、例えば４本の載置ピン２６２ａ〜２６２ｄとを備えている。載置ピン２６２ａ〜２６２ｄは、このホットプレート２６１の外縁部の内側に略均等に配置されており、図示しない昇降機構によって昇降させることができる。半導体ウェハＷをホットプレート２６１上に載置する際の手順は、ＨＭＤＳ処理ユニット２２０の場合と同様であるので、説明を省略する。

図３は、この実施の形態１に係るスピンコーターユニット２３０の構成を示す概略的断面図である。また、図４は、この実施の形態１に係るコーターカップ部３３０の通気路の構成を概念的に示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

図３に示すように、スピンコーターユニット２３０は、回転部３１０と、外筒部材３２０と、コーターカップ部３３０（本発明の「薬剤処理カップ」に相当する）と、ガス供給バルブ３６０とを備えている。

回転部３１０は、中空の回転軸３１１を備えている。回転軸３１１は、駆動部（図示せず）によって回転及び昇降される。回転軸３１１の上端部は、半導体ウェハＷを載置する載置部２３１（図２参照）となっており、半導体ウェハＷを載置して中空部３１１ａを真空引きすることにより、この半導体ウェハＷを保持することができる。

外筒部材３２０は、回転軸３１１の外周を囲むように設けられている。外筒部材３２０は、半導体ウェハＷから飛散したフォトレジスト液や洗浄液等が廃液溝（図示せず）に流入するように、傘状に形成されている。

コーターカップ部３３０は、カップ筐体３４０と、カップカバー３５０とを備えている。このコーターカップ部３３０は、回転部３１０及び外筒部材３２０の外周を覆っており、半導体ウェハＷから飛散したフォトレジスト液や洗浄液等がコーターカップ部３３０の外部に達することを防ぐ。

このコーターカップ部３３０は、温湿度調整用のガスを貫流させるための、通気路３３１，３３２を備えている。通気路３３１は、給気口３４３を介して、ガス供給バルブ３６０に連結されている。このガス供給バルブ３６０は、図示しないガス供給機構（ガスボンベ等）に連結されている。

この通気路３３１は、カップ筐体３４０に形成されており、環状路３４１ａ〜３４１ｅと接続路３４２ａ〜３４２ｄとを有する（図４）。このうち、環状路３４１ａは、給気口３４３に連通している。

環状路３４１ａ〜３４１ｅは、図３及び図４（ａ）に示すように、カップ筐体３４０の高さ方向に配列形成されている。そして、隣接する環状路どうしが、接続路３４２ａ〜３４２ｄによって連通している。

図４（ｂ）は、環状路３４１ｂと接続路３４２ａ，３４２ｂとの位置関係を示す概念図である。図４（ｂ）から分かるように、環状路３４１ｂにガスを流入させる接続路３４２ａとガスを流出させる接続路３４２ｂとは、この環状路３４１ｂが形成する円の中心点に対して、１８０度ずれた位置に配置されている。なお、環状路３４１ｃ，３４１ｄにおけるガス流入側接続路とガス流出側接続路との位置関係も、同様である。

通気路３３２は、カップカバー３５０に形成されている。通気路３３２は、通気口３３２ａを介して、上記通気路３３１の最上段の環状路３４１ｅから、ガスを供給される。通気口３３２ａの個数は、任意である。また、環状路３４１ｅの内側面全体と連通するように、環状の通気口３３２ａを設けてもよい。 通気路３３２に供給されたガスは、複数個（図３では２個のみ示した）のガス噴出口３３２ｂから、噴出される。これらのガス噴出口３３２ｂは、カップカバー３５０の開口部３５１（本発明の「上面開口部」に相当する）の中心方向に向かってガスを噴出するように、形成されている。

以下、コーターカップ部３３０内の温度及び湿度を調整する方法について説明する。

まず、ガス供給バルブ３６０を開くと、給気口３４３を介して、温湿度調整用のガスが、通気路３３１の環状路３４１ａに供給される。このガスとしては、温度及び湿度の両方が所望値に調整されたものを使用する。ガスの種類は限定されないが、例えば、空気や窒素が使用できる。また、このガスとしては、レジスト塗布工程の歩留まりを向上させるために、塵埃が十分に除去された、クリーンなガスが使用される。

このガスが、以下のようにして通気路３３１，３３２を貫流することにより、コーターカップ部３３０の壁部（すなわち、カップ筐体３４０及びカップカバー３５０）の温度が調整される。

環状路３４１ａに供給されたガスは、まず、接続路３４２ａを通過して、環状路３４１ｂに達し、更に、接続路３４２ｂに達する。上述のように、この実施の形態１では、ガス流入側の接続路３４２ｂとガス流出側の接続路３４２ｃとを、環状路３４１ｂが形成する円の中心点に対して１８０度ずれるように、配置した（図４（ｂ）参照）。このため、図４（ｂ）の経路Ａと経路Ｂとで、ガスの流量を均一化することができる。これにより、カップ筐体３４０のうち環状路３４１ｂ近傍部分の温度を、経路Ａ付近と経路Ｂ付近とで、ほぼ均一にすることができる。

接続路３４２ｂを通過したガスは、接続路３４２ｃ、３４２ｄを介して、環状路３４１ｃ〜３４１ｅを順次貫流する。環状路３４１ｃ，３４１ｄも、上述の環状路３４１ｄと同様、流入側の接続路と流出側の接続路とが１８０度ずれている。このため、環状路３４１ｃ，３４１ｄの近傍付近でも、温度を均一化することができる。

接続路３４２ｄを通過したガスは、最上段の環状路３４１ｅに達し、この環状路３４１ｅの開口から、カップカバー３５０の通気路３３２に供給される。そして、通気を３３２は、複数個のガス噴出口３３２ｂから、このガスを噴出する。このとき、このガス噴出口３３２ｂは、上述のように、カップカバー３５０の開口部３５１の中心方向に向かって、ほぼ水平に、ガスを噴出する。これにより、噴出したガスがコーターカップ部３３０内に貯留されると共に、開口部３５１付近には、噴出されたガスの壁が形成されて、コーターカップ部３３０の内部への外気の浸入が抑えられる。この結果、コーターカップ部３３０内の温度を精度良く制御することができる。

以上説明したように、この実施の形態１によれは、温度・湿度が調整されたガスをコーターカップ部３３０内に貯留させると共に、このコーターカップ部３３０内への外気の浸入を抑えるので、外部温度が変動しても、コーターカップ部３３０内の温度や湿度を精度良く制御することができる。

加えて、この実施の形態１によれば、このガスによって、カップ筐体３４０及びカップカバー３５０自体の温度を調整するので、コーターカップ部３３０の外部温度が変化しても、この温度変化がコーターカップ部３３０の内部に伝わり難くなる。これにより、コーターカップ部３３０内の温度制御の精度を更に向上させることができる。

また、この実施の形態１によれば、温度だけでなく湿度も調整されたガスを使用するので、コーターカップ部３３０内の温度及び湿度の両方を精度良く制御することができる。

更に、この実施の形態１によれば、ガスとしてクリーンエアーやクリーン化された窒素ガス等の、塵埃が十分に少ないガスを使用するので、小型半導体製造装置１００をクリーンルーム内に設置しなくても、クリーンな雰囲気で処理基板の処理を行うことができる。

加えて、この実施の形態１によれば、複数の環状路３４１ａ〜３４１ｅ及び接続路３４２ａ〜３４２ｄを用いて通気路３３１を形成したので、簡単な構造で、コーターカップ部３３０の温度を、精度良く制御することができる。

加えて、環状路３４１ｂ〜３４１ｄにおいて、ガス流入側の接続路とガス流出側の接続路とを１８０度ずらしたので、コーターカップ部３３０の温度制御の精度を更に高めることができる。

この実施の形態１によれば、小型の半導体製造装置１００を安価に提供することができるので、径が２０ｍｍ以下の半導体ウェハＷを使用する半導体製造装置に好適である。

なお、この実施の形態１では、本発明をレジスト塗布装置に適用した場合を例に採って説明したが、例えばレジスト現像装置等、他の半導体製造装置にも適用することができ、更には、半導体製造装置以外の製造装置にも適用することができる。

また、半導体ウェハＷを用いる製造装置だけでなく、他の種類の基板（例えばサファイア基板等の絶縁性基板や、アルミニウム基板等の導電性基板）や、非円盤形状（例えば矩形）の処理基板からデバイスを製造する製造装置にも適用することができる。

この実施の形態１では、本発明を小型製造装置に適用した場合を例に採って説明したが、例えば８インチや１２インチ等の大径半導体ウェハを使用する半導体製造装置等、大型の製造装置にも使用できる。

１００ 小型半導体製造装置
１１０ 処理室
１２０ 装置前室
１２１ 容器載置台
１２２ 押さえレバー
１２４ 操作パネル
２１０ 搬送ユニット
２２０ ＨＭＤＳ処理ユニット
２３０ スピンコーターユニット
２４０ レジストノズル
２５０ ＥＢＲノズル
２６０ ベーク処理ユニット
３１０ 回転部
３１１ 回転軸
３２０ 外筒部材
３３０ コーターカップ部
３３１，３３２ 通気路
３４３ 給気口
３４０ カップ筐体
３４１ａ〜３４１ｅ 環状路
３４２ａ〜３４２ｄ 接続路
３５０ カップカバー
３３２ａ 通気口
３３２ｂ ガス噴出口
３６０ バルブ

Claims (7)

1. 処理基板を内部に収容して処理を施す薬液処理カップの内部雰囲気を制御する雰囲気制御機構であって、
   ガスを貫流させることによって前記薬液処理カップの壁部の温度を調整するために該壁部に設けられた通気路と、
   該通気路に該ガスを供給する給気口と、
   前記薬液処理カップの上面開口部の外縁近傍に設けられ、前記通気路を貫流した前記ガスを該上面開口部の中心方向に噴出することによって、前記薬液処理カップ内を該ガスで充満させると共に、該薬液処理カップ内への外気の浸入を抑える、複数のガス噴出口と、
   を備えることを特徴とする雰囲気制御機構。
2. 前記ガスは、温度及び湿度の両方が調整されたガスであることを特徴とする請求項１に記載の雰囲気制御機構。
3. 前記ガスは、クリーンエアー又はクリーン化された窒素ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の雰囲気制御機構。
4. 前記通気路は、
   前記薬液処理カップの高さ方向に配列された複数の環状路と、
   隣接する二本の前記環状路間にそれぞれ設けられた接続路と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の雰囲気制御機構。
5. 前記環状路に前記ガスを流入させる側の前記接続路と、該環状路から該ガスを流出させる側の前記接続路とが、該環状路が形成する円の中心点に対して１８０度ずれた位置に配置されたことを特徴とする請求項４に記載の雰囲気制御機構。
6. 前記処理基板の径が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の雰囲気制御機構。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載の雰囲気制御機構を備えることを特徴とする小型製造装置。

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