JP6494480B2

JP6494480B2 - 基板液処理装置及び基板液処理装置の基板乾燥方法

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Publication number: JP6494480B2
Application number: JP2015187978A
Authority: JP
Inventors: 小原　隆憲; 隆憲小原; 範臣内田; 健人久留巣
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP2017063130A

Description

本発明は、基板に処理液を供給して液処理を行う基板液処理装置において、基板を乾燥させる技術に関する。

半導体装置の製造においては、半導体ウエハ等の基板を水平に保持し、鉛直軸線周りに回転させた状態で、基板の一方の面（例えばデバイス非形成面である基板裏面）に洗浄液（例えば洗浄用薬液またはリンス液）を供給して、当該一方の面に洗浄処理を施すことがある。当該一方の面の洗浄が終了した後に、基板を高速回転させることにより振り切り乾燥が行われる。このとき、乾燥促進及びウオーターマークの発生を防止するために当該一方の面に対して窒素ガス等の不活性ガスが供給される。上記の一連の処理を実行するための基板液処理装置が、例えば特許文献１に記載されている。

特許第５００５５７１号公報

基板の乾燥処理の間、乾燥すべき一方の面は、基板の保持及び回転等の機能を果たす平面状の部材と対向している。しかしながら、この対向する平面状の部材の構造によっては、当該一方の面において他の領域よりも乾燥が遅れてしまう領域が生じることがあった。この様な乾燥の遅れを無くして基板の全面を乾燥させるためには例えば不活性ガスの供給量を増加させることもできるが、コストアップを招くおそれもある。

本発明は、上述した問題点を解決するためのものであり、基板の一方の面の全面を時間的に均一に乾燥させることができる技術を提供する。

本発明は上述した課題を解決するためのものであり、本発明の基板液処理装置は、基板を水平姿勢で保持する保持部と、前記保持部が設けられたベースプレートと、前記ベースプレートを回転させる回転軸と、前記回転軸内に設けられ、前記基板に向けて処理液を吐出する液体吐出口を先端に有する処理液供給管と、前記液体吐出口を配置し、少なくとも前記回転軸と前記処理液供給管との間の隙間を覆うことができる回転しない頭部と、を備え、前記ベースプレートは、前記ベースプレートの前記基板に面する一方の面側と他方の面側とを貫通し、前記他方の面側から前記一方の面側へと流れる気流を発生させる通気路を有し、前記通気路は、前記一方の面側に流れた気流が、前記ベースプレートと前記基板の間の領域のうち気体の淀みが生じる領域へと向かう位置に設けられており、前記気体の淀みが生じる領域は、前記基板の回転による圧力低下が生じている前記頭部の内側の領域と、前記基板の外部から進入しその後上向きに戻って行く気流及び下向きに戻って行く気流が発生する外側の領域と、の間にある前記頭部の端部の周縁領域とする。

本発明によれば、基板の一方の面の全面を時間的に均一に乾燥させることができる。

本発明の一実施形態に係る基板液処理システムの全体構成を示す概略平面図である。図１の処理ユニットの構成を示す断面図である。ベースプレートを上方から見た平面図である。ウエハ下面の乾燥の進行について説明するための図である。ウエハの下面とベースプレートの上面との間の気流を模式的に表した図である。

以下に、本発明に係る基板液処理装置及び基板液処理方法の具体的な構成について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、本発明に係る基板液処理装置の実施形態として本発明を基板処理システムに適用した場合について説明する。

図１は、本実施形態に係る基板処理システムの概略構成を示す図である。以下では、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を規定し、Ｚ軸正方向を鉛直上向き方向とする。

図１に示すように、基板処理システム１は、搬入出ステーション２と、処理ステーション３とを備える。搬入出ステーション２と処理ステーション３とは隣接して設けられる。

搬入出ステーション２は、キャリア載置部１１と、搬送部１２とを備える。キャリア載置部１１には、複数枚の基板、本実施形態では半導体ウェハ（以下ウェハＷ）を水平状態で収容する複数のキャリアＣが載置される。

搬送部１２は、キャリア載置部１１に隣接して設けられ、内部に基板搬送装置１３と、受渡部１４とを備える。基板搬送装置１３は、ウェハＷを保持するウェハ保持機構を備える。また、基板搬送装置１３は、水平方向および鉛直方向への移動ならびに鉛直軸を中心とする旋回が可能であり、ウェハ保持機構を用いてキャリアＣと受渡部１４との間でウェハＷの搬送を行う。

処理ステーション３は、搬送部１２に隣接して設けられる。処理ステーション３は、搬送部１５と、複数の処理ユニット１６とを備える。複数の処理ユニット１６は、搬送部１５の両側に並べて設けられる。

搬送部１５は、内部に基板搬送装置１７を備える。基板搬送装置１７は、ウェハＷを保持するウェハ保持機構を備える。また、基板搬送装置１７は、水平方向および鉛直方向への移動ならびに鉛直軸を中心とする旋回が可能であり、ウェハ保持機構を用いて受渡部１４と処理ユニット１６との間でウェハＷの搬送を行う。

処理ユニット１６は、基板搬送装置１７によって搬送されるウェハＷに対して所定の基板処理を行う。

また、基板処理システム１は、制御装置４を備える。制御装置４は、たとえばコンピュータであり、制御部１８と記憶部１９とを備える。記憶部１９には、基板処理システム１において実行される各種の処理を制御するプログラムが格納される。制御部１８は、記憶部１９に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって基板処理システム１の動作を制御する。

なお、かかるプログラムは、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から制御装置４の記憶部１９にインストールされたものであってもよい。コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体としては、たとえばハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルディスク（ＭＯ）、メモリカードなどがある。

上記のように構成された基板処理システム１では、まず、搬入出ステーション２の基板搬送装置１３が、キャリア載置部１１に載置されたキャリアＣからウェハＷを取り出し、取り出したウェハＷを受渡部１４に載置する。受渡部１４に載置されたウェハＷは、処理ステーション３の基板搬送装置１７によって受渡部１４から取り出されて、処理ユニット１６へ搬入される。

処理ユニット１６へ搬入されたウェハＷは、処理ユニット１６によって処理された後、基板搬送装置１７によって処理ユニット１６から搬出されて、受渡部１４に載置される。そして、受渡部１４に載置された処理済のウェハＷは、基板搬送装置１３によってキャリア載置部１１のキャリアＣへ戻される。

次に、処理ユニット１６の概略構成について図２を参照して説明する。

図２に示すように、処理ユニット１６は、チャンバ２０と、ウエハＷを保持して回転させる基板保持回転機構３０と、処理液供給ノズルを構成する液体吐出部４０と、ウエハＷに供給された後の処理液を回収する回収カップ５０とを備える。

チャンバ２０は、基板保持回転機構３０、液体吐出部４０及び回収カップ５０を収容する。チャンバ２０の天井部には、ＦＦＵ（Fan Filter Unit）２１が設けられる。ＦＦＵ２１は、チャンバ２０内にダウンフローを形成する。

基板保持回転機構３０は、機械的なクランプ機構によりウエハＷを保持するメカニカルチャックとして構成されている。基板保持回転機構３０は、基板保持部３１、回転軸３２及び回転モータ（回転駆動部）３３を有している。

基板保持部３１は、円板形のベースプレート（板状体）３１ａと、ベースプレート３１ａの周縁部に設けられた複数の保持部材３１ｂを有している。保持部材３１ｂは、ウエハＷの周縁を保持する。一実施形態においては、複数の保持部材３１ｂのいくつかはウエハＷに対して進退してウエハＷの把持及び解放の切り換えを行う可動の支持部材であり、残りの保持部材３１ｂは不動の保持部材である。回転軸３２は中空であり、ベースプレート３１ａの中央部から鉛直方向下向きに延びている。回転モータ３３は回転軸３２を回転駆動し、これにより、基板保持部３１により水平姿勢で保持されたウエハＷが鉛直軸線周りに回転する。

液体吐出部４０は、全体として鉛直方向に延びる細長い軸状の部材として形成されている。液体吐出部４０は、鉛直方向に延びる中空円筒形の軸部４１と、頭部４２とを有している。軸部４１は、基板保持回転機構３０の回転軸３２の内部の円柱形の空洞３２ａ内に挿入されている。軸部４１と回転軸３２とは同心である。軸部４１の外周面と回転軸３２の内周面との間に円環状の断面を有する気体通路８０としての空間が形成されている。

液体吐出部４０の内部には、鉛直方向に延びる円柱形の空洞がある。この空洞の内部には処理液供給管４３が設けられている。処理液供給管４３の上端は、液体吐出部４０の頭部４２の上面で開口しており、基板保持回転機構３０に保持されたウエハＷの下面の中央部に向けて処理液を吐出する液体吐出口となる。

処理液供給管４３には、ウエハＷの下面を処理するための所定の処理液が、処理液供給機構７２から供給される。処理液供給機構７２の構成の図示及び詳細な説明は省略するが、例えば、処理液供給源に接続された供給ラインと、この供給ラインに介設された開閉弁及び流量制御弁などから構成される。この処理液供給機構７２は、複数の処理液、例えば洗浄用薬液（例えばＤＨＦ）及びリンス液を切り換えて供給することができるように構成されていてもよい。

回収カップ５０は、基板保持回転機構３０の基板保持部３１を取り囲むように配置され、回転するウエハＷから飛散する処理液を捕集する。回収カップ５０は、不動の下カップ体５１と、上昇位置（図２に示す位置）と下降位置との間で昇降可能な上カップ体５２とを有している。上カップ体５２は、昇降機構５３により昇降する。上カップ体５２が下降位置にあるときには、上カップ体５２の上端は、基板保持回転機構３０により保持されたウエハＷよりも低い位置に位置する。このため、上カップ体５２が下降位置にあるときに、チャンバ２０内に進入した図１に示した基板搬送装置１７の基板保持機構（アーム）と基板保持回転機構３０との間で、ウエハＷの受け渡しが可能となる。

下カップ体５１の底部には、排出口５４が形成されている。この排出口５４を介して、捕集された処理液及び回収カップ５０内の雰囲気が回収カップ５０から排出される。排出口５４には排出管５５が接続され、排出管５５は減圧雰囲気の工場排気系（図示せず）に接続されている。遮蔽板９２は、液処理に利用された処理液が、回転モータ３３等に付着しないよう、ベースプレート３１ａの下面と回転モータ３３との間の空間を遮断している。

ＦＦＵ２１からの清浄空気のダウンフローは、回収カップ５０（上カップ体５２）の上部開口を介して回収カップ５０内に引き込まれ、排出口５４から排気される。このため、回収カップ５０内には、矢印Ｆで示す気流が生じる。

処理ユニット１６はさらに、基板保持回転機構３０により保持されたウエハＷの上面に処理液（洗浄用薬液あるいはリンス液）を供給する少なくとも１つの処理液供給ノズル６１を備えていてもよい。処理ユニット１６はさらに、ウエハＷの上面をスクラブ洗浄するブラシ６２を備えていてもよい。

頭部４２の下面と基板保持部３１（特にベースプレート３１ａ）との間には円環状の隙間があり、この隙間が気体吐出路８１となっている。頭部４２の周縁端とベースプレート３１ａによって気体吐出のための気体吐出口８２が画定される。気体吐出口８２から気体吐出路８１及び気体通路８０内に液体（液体吐出口から吐出されてウエハＷ下面に到達した後に落下してくる処理液）が侵入することを防止するため、頭部４２は半径方向外側に張り出した円形であり、上方からの平面視で気体通路８０を完全に覆っている。

前述した液体吐出部４０の軸部４１と回転軸３２との間の気体通路８０には、パージ用気体としての不活性ガス、ここでは窒素（Ｎ_２）ガスが、乾燥用気体供給機構７４から供給される。パージ用気体供給機構７４の構成の図示及び詳細な説明は省略するが、例えば、パージ用気体供給源に接続された供給ラインと、この供給ラインに介設された開閉弁及び流量制御弁等から構成される。パージ用気体供給機構７４から、気体通路８０に供給された窒素ガスは、気体吐出路８１に流入し、気体吐出口８２から吐出される。

本実施形態では、液処理後のウエハＷの下面の乾燥促進のために、ベースプレート３１ａのウエハＷに面する一方の面側（ベースプレート３１ａの表面側）とその反対面となる他方の面側（ベースプレート３１ａの裏面側）とを貫通する通気路９０を設けている。図３は、ベースプレート３１ａを上方から見た平面図である。図示されるように、ベースプレート３１ａには、通気路９０が回転中心を基準に半径方向に向けて３０度の間隔おきに１２個設けられている。通気路９０の直径は通気用として機能すれば良く限定されない。開口９１は、回転軸３２と接合する部分であり、本実施形態では、頭部４２よりも少しだけ大きな直径を有している。詳細は後述するが、通気路９０の回転中心からの距離は、乾燥処理時に回転しない頭部４２の直径に基づき決定される。本実施形態では、頭部４２の直径は６０ｍｍ、通気路９０の回転中心からの距離は７０ｍｍである。

次に、処理ユニット１６で行われるウエハＷに対する処理について簡単に説明する。

まず、上カップ体５２が下降位置にある状態で、基板搬送装置１７の基板保持機構（アーム）がチャンバ２０内に進入し、ウエハＷを基板保持回転機構３０の保持部３１に渡す。その後、基板保持機構（アーム）がチャンバ２０から退出し、上カップ体５２が上昇位置に上昇する。

次に、基板保持回転機構３０が、ウエハＷを回転させる。この状態で、ウエハＷに対して所定の液処理が施される。液処理の一例を以下に述べる。所定時間の間、処理液供給ノズル６１から洗浄用薬液（例えばＤＨＦ）がウエハＷの上面（デバイスが形成されたウエハＷの表面）に供給され、これと同時に、処理液供給管４３の液体吐出口から洗浄用薬液（例えばＤＨＦ）がウエハの下面（デバイスが形成されていないウエハＷの裏面）の中央部（ほぼ中心）に供給され、これによりウエハＷの上面及び下面に薬液洗浄処理が施される。

次に、引き続きウエハＷを回転させたまま、所定時間の間、処理液供給ノズル６１からウエハＷの上面にリンス液（例えば純水（ＤＩＷ））が供給されると同時に、処理液供給管４３の液体吐出口からウエハＷの下面中央部にリンス液（例えば純水（ＤＩＷ））が供給され、ウエハＷの上面及び下面にリンス処理が施される。これにより、ウエハＷの上面及び下面に残留する薬液及び薬液洗浄処理により生じた反応生成物がリンス液により洗い流される。以上の液処理を行っている間、気体吐出路８１への処理液の進入を防止するため、気体吐出口８２から窒素ガスが供給されている。

液処理が終わると次に、ウエハＷの上面及び下面への液体の供給を停止し、引き続きウエハＷを回転させたまま（好ましくはウエハの回転速度を増大させ）、ウエハＷの上面及び下面を乾燥させる。

ここで、乾燥処理に関して、発明者が行った実験及び考察について以下に説明する。

まず、ベースプレート３１ａに通気路９０が無い点を除き図２に示すものと同じ構成を有する処理ユニットを用いて、ウエハＷの下面に対して、リンス処理を行った後に、窒素ガスの供給を行うことなく乾燥処理を行う実験を行った。実験は、乾燥処理時に、ウエハの回転速度を２０００ｒｐｍとし、その回転数を所定時間維持することにより行った。

以上の条件でウエハＷを４９秒間回転させるとウエハＷが完全に乾燥したが、それ以下の時間においては、以下のような乾燥の遅延が生じた。すなわち、ウエハＷを約３０秒間回転させて停止させたとき、ウエハＷの下面には直径約１３０〜１５０ｍｍの円形の乾燥残り１００が確認された（図４（ａ）を参照）。ウエハＷを約４０秒間回転させて停止させたとき、ウエハＷの下面には直径約６０〜８０ｍｍのリング状の乾燥残り１００が確認された（図４（ｂ）を参照））。ウエハＷを約４７秒間回転させて停止させたときには、一部が欠けたリング状の乾燥残り１００が確認された（図４（ｃ）を参照）。他の回転速度における実験でも、リング状の乾燥残り１００が生じる位置がやや変化し完全乾燥に至るまでの時間は異なったが、同様の傾向が確認された。このことから、最も乾燥し難い領域は、ウエハＷの中心部ではなく、ウエハの中心部から離れたリング状の領域であることがわかった。

上記実験結果より、上記リング状の領域（ウエハＷの半径に対して、中心から約２０％〜３０％の領域）の乾燥を促進することが、ウエハＷ下面全体の乾燥時間の短縮につながることがわかった。

図５（ａ）は、通気路が無いベースプレート３１ａを回転させてウエハＷを乾燥させる場合の、ウエハＷの下面とベースプレート３１ａの上面との間の気流を模式的に表した図である。図において、乾燥処理の間、回転しない頭部４２よりも十分に外側の領域５０１（ウエハＷの半径に対して、中心から約３０％〜１００％の領域）においては、ウエハＷの外部から進入しその後上向きに戻って行く気流５０１ａ及び下向きに戻って行く気流５０１ｂが発生する。したがって、領域５０１では、気流５０１ａ及び気流５０１ｂによりウエハＷ等に付着した液体の蒸発が促進され、領域５０１に対応するウエハＷの下面領域は他の領域に比較して早く乾燥が終了する。

また、頭部４２の内側の領域５０２（ウエハＷの半径に対して、中心から約０％〜２０％の領域）においては、ウエハＷの回転による圧力低下が生じており、ウエハＷ等に付着した液体が蒸発し易い状態になっている。したがって、液体の蒸発が促進され、領域５０１よりは遅いが後述する領域５０３に比較して領域５０１に対応するウエハＷの下面領域は早く乾燥が終了する。

乾燥処理の間、回転しない頭部４２と回転するベースプレート３１ａの上面との境界付近の領域５０３（ウエハＷの半径に対して、中心から約２０％〜３０％の領域）では、領域５０１のような気流は発生せず、気体の淀みが発生する。また、領域５０２のような、圧力低下も生じない。このため、他の領域に比較して乾燥しにくく、他の領域の乾燥が完了した時点で、領域５０３に対応するウエハＷの下面領域は上記のようなリング状の乾燥残り１００が存在する。

本実施形態では、通気路９０による通気により、この領域５０３の気流の淀みを解消するように構成した。図５（ｂ）は、通気路９０が有るベースプレート３１ａを回転させてウエハＷを乾燥させる場合の、ウエハＷの下面とベースプレート３１ａの上面との間の気流を模式的に表した図である。図のように、ベースプレート３１ａの下面から上面へと流れて領域５０３へ向かう気流５０３ａが発生する。そして、領域５０３の淀んだ気体がベースプレート３１ａの気体へと置換されるようになる。したがって、領域５０３における乾燥の遅れを抑制することができ、他の領域に比較しても同等の時間で乾燥が完了するので、ウエハＷ全面を時間的に均一に乾燥させることができる。また、乾燥用ガスを用いてウエハＷの裏面を乾燥させる手法に比べて、コストがかからず装置の制御も簡単にすることができる。

このように、上記実施形態では、頭部４２がベースプレート３１ａの上面よりも上方に位置しており、頭部４２の上面とウエハＷの下面との間隔がベースプレート３１ａの上面とウエハＷの下面との間隔よりも狭くなっている。そして、通気路９０は、頭部４２の外周端縁よりも外側であって、回転するウエハＷと回転しない頭部４２との間に形成されたウエハＷの下面との間隔が狭い領域５０２とウエハＷとともに回転するベースプレート３１ａとの間に形成されたウエハＷの下面との間隔が広い領域５０１との間の領域５０３に形成されている。本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、たとえば以下に説明するように変形することもできる。

（変形例）
上記実施形態では、液処理時にウエハＷの裏面に供給した処理液がウエハＷから落下して通気路９０に入ってベースプレート３１ａの裏面側まで伝わり、さらに遮断板９２へと落下してその上面に付着するおそれがある。したがって、例えば、遮断板９２を平坦ではなく半径方向外側下方に向けて傾斜させるように設けて、付着した液が迅速に外側に流れて除去されるように構成しても良い。また、液処理時は、通気路９０を自動的に塞ぐための可動式の蓋を設けても良い。また、通気路９０も、上述したような垂直な円筒状ではなく、ベースプレート３１ａの表側の開口のほうがベースプレート３１ａの裏側の開口よりも半径方向外側になるよう円筒を傾斜させても良い。これにより、通気路９０に入り込んでも遠心力で表面側に引き戻され易くなるので、処理液がベースプレート３１ａの裏面側まで伝わりにくくなる。

上記実施形態では、コスト的な観点により、乾燥処理を行っているときに不活性ガスを吐出しないようにしているが、これに限定するものではない。通気路９０から気体を供給することと平行して不活性ガスを気体吐出口８２から吐出するようにしても良い。これにより、淀みの領域に対して供給される気体の量が増加するので、より迅速に乾燥が完了するようになる。

上記実施形態では、ウエハＷの下面を乾燥させる場合を例に本発明を説明したが、これに限られない。例えば、ウエハＷの上面を乾燥させる場合にも、本発明は適用可能である。すなわち、ウエハＷをトッププレートで覆うようなシステムにおいては、ウエハＷの上面とトッププレートの下面との関係で、同様の部分的な乾燥遅延が生じる場合がある。その場合は、トッププレートに上記実施形態と同様な通気口を設けて構造上気体の淀みが生じる領域に気体を供給することで、乾燥の均一性を高めることができる。

２０チャンバ
３０基板保持回転機構
４０液体吐出部
３１ａベースプレート
９０通気路

Claims

基板を水平姿勢で保持する保持部と、
前記保持部が設けられたベースプレートと、
前記ベースプレートを回転させる回転軸と、
前記回転軸内に設けられ、前記基板に向けて処理液を吐出する液体吐出口を先端に有する処理液供給管と、
前記液体吐出口を配置し、少なくとも前記回転軸と前記処理液供給管との間の隙間を覆うことができる回転しない頭部と、を備え、
前記ベースプレートは、前記ベースプレートの前記基板に面する一方の面側と他方の面側とを貫通し、前記他方の面側から前記一方の面側へと流れる気流を発生させる通気路を有し、
前記通気路は、前記一方の面側に流れた気流が、前記ベースプレートと前記基板の間の領域のうち気体の淀みが生じる領域へと向かう位置に設けられており、
前記気体の淀みが生じる領域は、前記基板の回転による圧力低下が生じている前記頭部の内側の領域と、前記基板の外部から進入しその後上向きに戻って行く気流及び下向きに戻って行く気流が発生する外側の領域と、の間にある前記頭部の端部の周縁領域であることを特徴とする基板液処理装置。
前記通気路は、円周方向に対して複数個設けられていることを特徴とする請求項１に記載の基板液処理装置。
基板を水平姿勢で保持する保持部と、前記保持部が設けられたベースプレートと、前記ベースプレートを回転させる回転軸と、前記回転軸の回転中心に設けられ、前記基板に向けて処理液を吐出する液体吐出口を先端に有する処理液供給管と、前記液体吐出口を中心に配置し、少なくとも前記回転軸と前記処理液供給管との間の隙間を覆うことができる回転しない円形の頭部と、を備える基板液処理装置の基板乾燥方法であって、
前記ベースプレートは、前記ベースプレートの前記基板に面する一方の面側と他方の面側とを貫通する通気路を有しており、
前記通気路は、前記一方の面側に流れた気流が、前記ベースプレートと前記基板の間の領域のうち気体の淀みが生じる領域へと向かう位置に設けられており、
前記気体の淀みが生じる領域は、前記基板の回転による圧力低下が生じている前記頭部の内側の領域と、前記基板の外部から進入しその後上向きに戻って行く気流及び下向きに戻って行く気流が発生する外側の領域と、の間にある前記頭部の端部の周縁領域であり、
前記回転軸による回転にともない発生する前記ベースプレートの他方の面側から前記一方の面側の前記気体の淀みが生じる領域へと向かって流れる気流を用いて前記基板の一方の面を乾燥することを特徴とする基板乾燥方法。