JP6818614B2 - 基板処理装置および基板処理装置を含む基板処理システム - Google Patents

基板処理装置および基板処理装置を含む基板処理システム Download PDF

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Description

本発明は、基板処理装置および基板処理装置を含む基板処理システムに関する。
半導体デバイスの製造において、基板の表面を研磨する化学機械研磨（ＣＭＰ，Chemical Mechanical Polishing）装置が知られている。ＣＭＰ装置では、研磨テーブルの上面に研磨パッドが貼り付けられて、研磨面が形成される。このＣＭＰ装置は、トップリングによって保持される基板の被研磨面を研磨面に押しつけ、研磨面に研磨液としてのスラリーを供給しながら、研磨テーブルとトップリングとを回転させる。これによって、研磨面と被研磨面とが摺動的に相対移動され、被研磨面が研磨される。
ここでＣＭＰを含む平坦化技術については、近年、被研磨材料が多岐に渡り、またその研磨性能（例えば平坦性や研磨ダメージ、更には生産性）に対する要求が厳しくなっている。このような背景の中で、新たな平坦化方法も提案されており、触媒基準エッチング（catalyst referred etching：以下ＣＡＲＥ）法もその一つである。ＣＡＲＥ法は、処理液の存在下において、触媒材料近傍のみにおいて処理液中から被処理面との反応種が生成され、触媒材料と被処理面を近接または接触させることで、触媒材料との近接または接触面において、選択的に被処理面のエッチング反応を生じさせることが可能である。例えば、凹凸を有する被処理面においては、凸部と触媒材料とを近接または接触させることで、凸部の選択的エッチングが可能になり、よって被処理面の平坦化が可能になる。本ＣＡＲＥ方法は、当初はＳｉＣやＧａＮといった、化学的に安定なためにＣＭＰでの高効率な平坦化が容易でなかった次世代基板材料の平坦化において提案されてきた（例えば、下記の特許文献１、２）が、近年では、シリコン酸化膜等でもプロセスが可能であることが確認されており、現状のシリコン基板材料への適用の可能性もある。
特開２００８−１２１０９９号公報 国際公開２０１５／１５９９７３号
ＣＡＲＥでは、触媒表面近傍のみにおいて処理液中から反応種が生成され、触媒と被処理面をｎｍレベルに近接または接触させることにより、本領域でのエッチング反応を選択的に生じさせることが可能である。そのため、凹凸を有する被処理面においては、被処理面の凸部を選択的にエッチングすることを可能としている。また、近接または接触部のみでエッチング反応が生じるため、エッチング速度は触媒材料の接触面積の影響を受ける。上記文献に代表されるこれまでの方式では触媒材料を被処理面に接触させる方式を取っており、例えば凹凸を有する被処理面を効率的に処理するには、凹凸の選択性を維持しつつ、触媒材料と被処理面との均一な接触を確保するために、弾性体（たとえばゴム）を用いて触媒とエッチング対象物（たとえば半導体ウェハ）との近接距離（ｎｍレベル）を実現する方法が提案されている。例えば特許文献２では、弾性部材表面に触媒を配置させ、被処理領域に接触させている。弾性部材が備える剛性としての性質を利用して処理対象物の凸に選択的に接触または近接を実現すると同時に、弾性部材が備える弾性の性質を利用して、触媒と被処理領域との均一な接触を実現させている。しかし、この方式では、触媒と被処理面との近接状態は、弾性部材（ゴム）の特性及び表面状態に依存し、その特性及び表面状態を接触領域において、精度良くコントロールすることは難しく、限界がある。こ
の場合、触媒面（弾性体）の形状にもよるが、触媒(弾性部材)と被処理面との接触領域内で接触状態に不均一が生じる。特に触媒(弾性部材)側の凸部では、必要以上に触媒が加圧された状態となる。このような加圧状態で、処理液を触媒と被処理面との間に導入するために、触媒と被処理面とを、回転などにより相対運動をさせると、触媒面が擦れて剥がれや摩耗といった触媒の機械的な劣化が生じることがある。触媒の劣化が生じることで、触媒の寿命は短くなり、また、触媒と被処理面との接触状態が不均一であることから、接触領域でのエッチング速度が不均一となり、エッチング性能が劣化してしまう。
本発明は上述の問題の少なくとも一部を解決または緩和することを目的としている。
［形態１］形態１によれば、処理液の存在下で触媒と基板とを近接または接触させて、基板の被処理領域をエッチングするための基板処理装置が提供され、かかる基板処理装置は、基板を保持するための基板保持部と、触媒を保持するための触媒保持部と、を有し、前記触媒保持部は、高剛性のベースプレートと、前記ベースプレートに隣接して配置されるピエゾ素子と、前記ピエゾ素子に隣接して配置される高剛性の触媒保持ベースと、前記触媒保持ベースに保持された触媒と、を有し、前記基板処理装置はさらに、前記ピエゾ素子へ印加する駆動電圧を制御するための制御装置を有する。
［形態２］形態２によれば、形態１による基板処理装置において、前記触媒保持部は、第１領域および第２領域を有し、前記第１領域は、第１触媒、第１触媒保持ベース、および第１ピエゾ素子を有し、前記第２領域は、第２触媒、第２触媒保持ベース、および第２ピエゾ素子を有し、前記制御装置は、前記第１ピエゾ素子および前記第２ピエゾ素子にそれぞれ独立して駆動電圧を印加できるように構成される。
［形態３］形態３によれば、形態１または形態２による基板処理装置において、前記制御装置は、前記触媒保持ベースおよび前記触媒を共振させるための周波数の駆動電圧を前記ピエゾ素子へ印加するように構成される。
［形態４］形態４によれば、形態１から形態３のいずれか１つの形態による基板処理装置において、前記触媒保持部は、前記ピエゾ素子の振動振幅を監視するための振動センサを有する。
［形態５］形態５によれば、形態１から形態４のいずれか１つの形態による基板処理装置において、前記触媒保持部を前記基板保持部の方向へ運動させるための第１駆動機構を有する。
［形態６］形態６によれば、形態１から形態５のいずれか１つの形態による基板処理装置において、前記触媒保持部を前記基板保持部の基板保持面に平行な方向に運動させるための第２駆動機構を有する。
［形態７］形態７によれば、形態６による基板処理装置において、前記第２駆動機構による前記触媒保持部の運動は、回転運動、直線運動、および、回転運動および直線運動を組み合わせた運動の少なくとも１つを含む。
［形態８］形態８によれば、形態１から形態７のいずれか１つの形態による基板処理装置において、前記基板保持部を前記基板保持部の基板保持面に平行な方向に運動させるための第３駆動機構を有する。
［形態９］形態９によれば、形態８による基板処理装置において、前記第３駆動機構に
よる前記触媒保持部の運動は、回転運動、直線運動、および、回転運動および直線運動を組み合わせた運動の少なくとも１つを含む。
［形態１０］形態１０によれば、基板処理システムが提供され、かかる基板処理システムは、形態１から形態７のいずれか１つの形態による基板処理装置と、前記基板処理装置での処理後に基板を洗浄するための洗浄装置と、前記洗浄部での洗浄後に基板を乾燥させるための乾燥装置と、前記基板処理システム内で基板を搬送するための搬送機構と、前記基板処理装置、前記洗浄部、前記乾燥部、および前記搬送機構の動作を制御するための制御装置と、を有する。
［形態１１］形態１１によれば、形態１０による基板処理システムにおいて、基板をＣＭＰ処理するためのＣＭＰ装置を有する。
一実施形態に係る基板処理システムの全体構成を示すブロック図である。 一実施形態によるＣＡＲＥを実行する基板処理装置の構成を示す概略図である。 一実施形態による、ＣＡＲＥヘッドの構造を概略的に示す側面断面図である。 一実施形態による、ＣＡＲＥヘッドの構造を概略的に示す側面断面図である。 一実施形態による、ＣＡＲＥヘッドの構造を概略的に示す側面断面図である。 一実施形態によるＣＡＲＥヘッドの構造の一部を概略的に示す側面断面図である。 一実施形態によるＣＡＲＥヘッドの構造の一部を概略的に示す側面断面図である。 ＣＡＲＥヘッドを触媒の方から見た図であり、ピエゾ素子の配置の例を示す図である。 ＣＡＲＥヘッドを触媒の方から見た図であり、ピエゾ素子の配置の例を示す図である。 ＣＡＲＥヘッドを触媒の方から見た図であり、ピエゾ素子の配置の例を示す図である。 ＣＡＲＥヘッドを触媒の方から見た図であり、ピエゾ素子の配置の例を示す図である。 ＣＡＲＥヘッドを基板の被処理領域に近づけてから、ピエゾ素子に駆動電圧を印加して、触媒を基板の被処理面に接触させる様子を示す図である。 ピエゾ素子に交流電圧を印加しているときの振動センサの信号を示すグラフである。
以下に、本発明に係る基板処理装置および基板処理システムの実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。
図１は、一実施形態に係る基板処理システム１１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、基板処理システム１１００は、ＣＡＲＥ処理を実行するための基板処理装置１０００、ＣＭＰ処理を実行するためのＣＭＰ装置１２００、洗浄装置１３０
０、乾燥装置１４００、搬送機構１５００、および制御装置９００を有する。基板処理システム１１００の基板処理装置１０００は、ＣＡＲＥを行う本明細書で説明する任意の特徴を備える基板処理装置１０００とすることができる。
ＣＭＰ装置１２００は、任意のＣＭＰ装置とすることができる。たとえば、ＣＭＰ装置１２００は、処理対象となる基板Ｗｆよりも大きな面積を備える研磨パッドを用いて基板を研磨する研磨装置、および、処理対象となる基板Ｗｆよりも小さな面積を備える研磨パッドを用いて基板Ｗｆを研磨する研磨装置、のいずれか一方、または両方とすることができる。
洗浄装置１３００は、処理後の基板Ｗｆを洗浄するための装置である。洗浄装置１３００は、任意のタイミングで基板Ｗｆを洗浄することができる。たとえば、基板処理装置１０００でのＣＡＲＥ処理の後、ＣＭＰ装置による研磨の後に洗浄を行うことができる。洗浄装置１３００は、任意の公知の洗浄装置を使用ことができるので、本明細書では詳細は説明しない。
乾燥装置１４００は、洗浄した基板Ｗｆを乾燥させるための装置である。乾燥装置１４００は、任意の公知の乾燥モジュールを使用することができるので、本明細書では詳細は説明しない。
搬送機構１５００は、基板処理システム１１００内で基板を搬送するための機構であり、基板を基板処理装置１０００、ＣＭＰ装置１２００、洗浄装置１３００、および乾燥装置１４００の間で基板Ｗｆの受け渡しを行う。また、搬送機構１５００は、基板処理システム１１００の内外へ基板Ｗｆを出し入れも行う。搬送機構１５００として任意の公知の搬送機構を使用することができるので、本明細書では詳細は説明しない。
制御装置９００は、基板処理システム１１００内の各々の装置の動作を制御する。制御装置９００は、記憶装置、入出力装置、メモリ、ＣＰＵなどのハードウェアを備える一般的な汎用コンピュータおよび専用コンピュータ等から構成することができる。制御装置９００は、１つのハードウェハから構成してもよいし、複数のハードウェハから構成してもよい。
図２は、一実施形態によるＣＡＲＥを実行する基板処理装置１０００の構成を示す概略図である。図２に示されるように、基板処理装置１０００は、ベース面１００２の上に構成されている。基板処理装置１０００は、独立した１つの装置としても構成してもよく、また、基板処理装置１０００とともにＣＭＰ装置１２００を含む基板処理システム１１００の一部のモジュールとして構成してもよい（図１参照）。基板処理装置１０００は、図示しない筐体内に設置される。筐体は図示しない排気機構を備え、研磨処理中に研磨液などが筐体の外部に暴露しないように構成される。
図２に示されるように、基板処理装置１０００は、基板保持部として、基板Ｗｆを上向きに保持するステージ４００を備える。一実施形態において、基板Ｗｆは、搬送機構１５００によりステージ４００に配置することができる。図示の基板処理装置１０００は、ステージ４００の周りに、上下動が可能な４個のリフトピン４０２を備えており、リフトピン４０２が上昇した状態において、搬送機構１５００から４個のリフトピン４０２上で基板Ｗｆを受け取ることができる。リフトピン４０２上に基板Ｗｆが載せられた後、リフトピン４０２は、ステージ４００への基板受け渡し位置まで下降することで、基板Ｗｆがステージに仮置きされる。そのため、４個のリフトピン４０２の内側に制限された領域内に基板Ｗｆを位置決めが可能である。しかし、さらに高精度の位置決めを要する場合は、別途、位置決め機構４０４により、ステージ４００上の所定位置に基板Ｗｆを位置決めして
もよい。図１に示される実施形態においては、位置決めピン（図示せず）と位置決めパッド４０６とにより基板Ｗｆの位置決めが可能である。位置決め機構４０４は、基板Ｗｆの平面内の方向に移動可能な位置決めパッド４０６を備える。ステージ４００を挟んで、位置決めパッド４０６の反対側に複数の位置決めピン（図示せず）を備えている。リフトピン４０２上に基板Ｗｆが載せられた状態において、位置決めパッド４０６を基板Ｗｆに押し付け、位置決めパッド４０６と位置決めピンとにより基板Ｗｆの位置決めを行うことができる。基板Ｗｆの位置決めをしたら、基板Ｗｆをステージ４００上に固定し、その後、リフトピン４０２を下降させて基板Ｗｆをステージ４００の上に配置することができる。ステージ４００は、たとえば真空吸着によりＷｆをステージ４００上に固定するものとすることができる。基板処理装置１０００は、検出部４０８を備える。検出部４０８は、ステージ４００上に配置された基板Ｗｆの位置を検出するためのものである。たとえば、基板Ｗｆに形成されたノッチ、オリエンテーションフラットや基板外周部を検出して、基板Ｗｆのステージ４００上での位置を検出することができる。ノッチやオリエンテーションフラットの位置を基準とすることで、基板Ｗｆの任意の点を特定することが可能であり、それにより所望の領域の処理が可能となる。また、基板外周部の位置情報より、基板Ｗｆのステージ４００上での位置情報（たとえば、理想位置に対するズレ量）が得られることから、本情報をもとに制御装置９００でＣＡＲＥヘッド５００の移動位置を補正してもよい。なお、基板Ｗｆをステージ４００から離脱させるときは、リフトピン４０２をステージ４００からの基板受取位置に移動した後、ステージ４００の真空吸着を解放する。そして、リフトピン４０２を上昇させて、基板Ｗｆを搬送機構１５００への基板受け渡し位置に移動させた後、リフトピン４０２の基板Ｗｆを搬送機構１５００が受け取ることができる。基板Ｗｆはその後、搬送機構１５００により後続の処理のために任意の場所へ搬送することができる。
基板処理装置１０００のステージ４００は回転駆動機構４１０を備え、回転軸４００Ａを中心に回転運動可能に構成される。ここで、「回転運動」とは、一定の方向に連続的に回転すること、および、所定の角度範囲で円周方向に運動（往復運動も含む）することを意味している。なお、他の実施形態として、ステージ４００は、保持された基板Ｗｆに直線運動を与える移動機構を備えるものとしてもよい。直線運動を与える移動機構として、たとえば、いわゆるＸＹステージを使用してもよい。
図２に示される基板処理装置１０００は、触媒保持部としてのＣＡＲＥヘッド５００を備える。基板処理装置１０００は、ＣＡＲＥヘッド５００を保持する保持アーム６００を備える。また、基板処理装置１０００は、保持アーム６００を基板Ｗｆの表面に垂直な方向（図２においてはｚ方向）に移動させるための垂直駆動機構６０２を備える。垂直駆動機構６０２により、保持アーム６００とともにＣＡＲＥヘッド５００および触媒５１６が基板Ｗｆの表面に垂直な方向に移動可能となる。垂直駆動機構６０２は、基板ＷｆをＣＡＲＥ処理するときに基板ＷｆにＣＡＲＥヘッド５００を近づけるための、粗動用の駆動機構である。図２に示される実施形態においては、垂直駆動機構６０２は、モータおよびボールネジを利用した機構であるが、他の実施形態として、空圧式または液圧式の駆動機構やバネを利用した駆動機構としてもよい。
図２に示される基板処理装置１０００においては、保持アーム６００を横方向（図２にいおいてはｙ方向）に移動させるための横駆動機構６２０を備える。横駆動機構６２０により、アーム６００とともにＣＡＲＥヘッド５００および触媒５１６が横方向に移動可能である。なお、かかる横方向（ｙ方向）は、基板Ｗｆの表面に平行な方向である。図２に示される実施形態においては、横駆動機構６２０は保持アーム６００を垂直駆動機構６０２ごと移動させる構成である。上述のように、基板処理装置１０００のステージ４００は、基板Ｗｆを基板Ｗｆの処理面に平行な方向に移動可能である。したがって、ステージ４００の移動機構および保持アーム６００の横駆動機構６２０を適宜操作することで、ＣＡ
ＲＥヘッド５００を基板Ｗｆ上の任意の位置へ移動させることができる。
図２に示される実施形態による基板処理装置１０００は、処理液供給ノズル７０２を備える。処理液供給ノズル７０２は、ＣＡＲＥ処理に使用される処理液の供給源に流体的に接続されている。また、図２に示される実施形態による基板処理装置１０００においては、処理液供給ノズル７０２は、保持アーム６００に保持されている。そのため、処理液供給ノズル７０２を通じて、基板Ｗｆ上の処理領域にのみ処理液を効率的に供給することができる。なお、処理液は、ＣＡＲＥヘッド５００の内部を通って、ＣＡＲＥヘッド５００の内側から基板Ｗｆ上の供給できるようにしてもよい。その場合、処理液の供給路は、シャフト５１０およびＣＡＲＥヘッド５００内に設けられ、処理液供給ノズル７０２はＣＡＲＥヘッド５００に設けられる。シャフト５１０から触媒５１６の表面まで処理液を供給するための管路を設けたＣＡＲＥヘッドとして、たとえば、特許文献２（ＷＯ２０１５／１５９９７３）に開示されている構造を採用してもよい。
図３Ａは、一実施形態による、ＣＡＲＥヘッド５００の構造を概略的に示す側面断面図である。図３Ａに示される実施形態においては、ＣＡＲＥヘッド５００はジンバル機構５０２（たとえば球面滑り軸受）を介してシャフト５１０に連結される。シャフト５１０は、図２に示されるように保持アーム６００に連結されている。ＣＡＲＥヘッド５００は図示しない回転モータにより回転可能としてもよい。図３Ａに示されるように、ＣＡＲＥヘッド５００は、外周部材５０４を備える。外周部材５０４は、一方の端部が閉じた略円筒形状とすることができる。
外周部材５０４の内側には、ヘッド本体５０６が配置されている。ヘッド本体５０６に下側には、ベースプレート５０８が配置されている。ベースプレート５０８は、ヘッド本体５０６にたとえばネジ等により取り外し可能に取り付けられる。ベースプレート５０８は、平坦な表面の実現や、後述するピエゾ素子５１２の駆動時における反力による変形を防止するために、たとえば金属材料のように、５０ＧＰａ以上、好ましくは１００ＧＰａ以上の被削性及び表面仕上げ状態の良い高剛性の材料から形成される。ベースプレート５０８は、たとえばセラミックやステンレス鋼（ＳＵＳ）などから形成することができる。
ベースプレート５０８の下側面には、ピエゾ素子５１２が設けられる。ピエゾ素子５１２は、たとえば接着剤などによりベースプレート５０８の下面に固定することができる。ピエゾ素子５１２には、駆動電圧を印加するための配線５３０が接続されている。ピエゾ素子５１２は、駆動電圧を印加することで、ベースプレート５０８の下面に垂直な方向に膨張／収縮するように配置される。ピエゾ素子５１２の膨張／収縮の最大量は、ベースプレート５０８の下面に垂直な方向に数１０μ〜１００μｍ程度でよいが、ピエゾ素子５１２の膨張／収縮の分解能は、１０ｎｍ以下であることが望ましい。なお、上述したように、ベースプレート５０８は、ヘッド本体５０６から取り外し可能である。そのため、ベースプレート５０８をヘッド本体５０６に取り付けられたときに、ピエゾ素子５１２への電気配線５３０が確立されるように構成されることが好ましい。ピエゾ素子５１２への電気配線５３０のためにコンタクトプローブなどを使用することができる（ＷＯ２０１５／１５９９７３など参照）。
ピエゾ素子５１２の下側には触媒保持ベース５１４が設けられる。触媒保持ベース５１４は、触媒を付与した後も表面粗さや形状精度の維持、およびピエゾ素子５１２による変形に対する強度の維持、触媒への電圧印加の観点からは金属材料から形成することが望ましい。たとえば触媒保持ベース５１４はＳＵＳ箔などの厚さが１００μｍ以下の金属箔から形成することができる。
触媒保持ベース５１４の下面には触媒５１６が設けられる。触媒５１６は、たとえば触
媒保持ベース５１４の表面に蒸着により成膜することができる。触媒５１６の成膜方法としては、抵抗加熱式蒸着やスパッタ蒸着といった物理蒸着及びＣＶＤ等の化学蒸着の方式がある。また、電解めっきや無電解めっき等の他の成膜方法によって触媒５１６を触媒保持ベース５１４に形成してもよい。また、触媒５１６の厚さは、１００ｎｍから数１０μｍ程度が望ましい。これは、触媒が基板と接触しかつ相対運動を行った場合に摩耗による劣化があるため、触媒の厚みが極端に薄い場合は、触媒の交換頻度が多くなるからである。また、板状の触媒５１６を触媒保持ベース５１４に固定するようにしてもよい。さらに、触媒保持ベース５１４を触媒を含む溶液に含浸して、触媒保持ベース５１４の表面に触媒５１６の層を形成してもよい。
図３Ｂは、一実施形態による、ＣＡＲＥヘッド５００の構造を概略的に示す側面断面図である。図３Ｂに示される実施形態においては、ＣＡＲＥヘッド５００はシャフト５１０に連結される。シャフト５１０は、図２に示されるように保持アーム６００に連結されている。ＣＡＲＥヘッド５００は図示しない回転モータにより回転可能としてもよい。図３Ｂに示されるように、ＣＡＲＥヘッド５００は、外周部材５０４を備える。外周部材５０４は、一方の端部が閉じた略円筒形状とすることができる。また、シャフト５１０は、外周部材５０４に取り付けられている。図３Ｂの実施形態においては、ベースプレート５０８は、バネ５５０を介してヘッド本体５０６に接続されている。後述のように、触媒保持ベース５１４および触媒５１６が振動するようにピエゾ素子５１２に駆動電圧として交流電圧を印加して振動させる際に、バネ５５０により振動を減衰させることで、振動がシャフト５１０および保持アーム６００まで伝搬しないようにすることができる。なお、図３Ｂの実施形態においては、振動減衰の方式としてバネ５５０を用いているが、他の実施形態として、制振ゴム等の弾性体など、他の任意の振動減衰手段を使用してもよい。
図３Ａ、図３Ｂに示されるように、ＣＡＲＥヘッド５００は、触媒５１６に電圧を印加できるように、触媒電極５１８を備える。触媒電極５１８は、触媒５１６または触媒保持ベース５１４に電気的に接続されている。触媒電極５１８は、ＣＡＲＥヘッド５００およびシャフト５１０を通じて配線５３１に接続されている。ベースプレート５０８をヘッド本体５０６に取り付けられたときに、触媒電極５１８への電気配線５３１が確立されるように構成される。また、外周部材５０４には、カウンター電極５２０が設けられている。カウンター電極５２０は、環状形状である。カウンター電極５２０は、ＣＡＲＥヘッド５００およびシャフト５１０を通じて配線５３２に接続されている。触媒電極５１８およびカウンター電極５２０は、ＣＡＲＥヘッド５００を通じて配線５３１、５３１がなされており、図示しない電源に接続される。そのため、触媒５１６とカウンター電極５２０とを処理液を介して電気的に接続することができる。触媒５１６に電圧を印加することで、触媒５１６の活性状態を制御することができ、よって、基板Ｗｆのエッチング速度を変化させることができる。なお、図３Ａ、図３Ｂにおいて、カウンター電極５２０はＣＡＲＥヘッド５００内に配置されているが、触媒５１６とカウンター電極５２０とが処理液を介して電気的に接続されていればよいため、ＣＡＲＥヘッド５００内でなく、ＣＡＲＥヘッド５００の外部に設けてもよい。
上述のように、基板処理装置１０００は、ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆへ近づけるための垂直駆動機構６０２を備える。垂直駆動機構６０２では、触媒５１６が基板Ｗｆの表面の近くまでくるようにＣＡＲＥヘッド５００を移動させる。その後、ピエゾ素子５１２に駆動電圧を付与することで、触媒５１６と基板Ｗｆとの間の距離を微細に制御することができる。
なお、ＣＡＲＥヘッド５００は、振動センサ５２２を備える。振動センサ５２２は、ピエゾ素子５１２に振動を与えるように駆動電圧を印加した際の振動振幅を検出するためのものである。一般的に振動センサには圧電式、静電容量式、渦電流式等があるが、図３Ａ
の実施形態において、振動センサ５２２は圧電式であり、ベースプレート５０８またはヘッド本体５０６に埋め込まれている。後述のように、触媒保持ベース５１４及び触媒５１６が振動するようピエゾ素子５１２に駆動電圧として交流電圧を印加して振動させる際に、触媒５１６と基板Ｗｆとの接触の有無によるベースプレート５０８もしくはヘッド本体５０６への反力の変化をモニタリングすることで、振動振幅の変化をモニタリングすることができる。また、図３Ｂの実施形態においては、振動センサ５２２は、静電容量式もしくは渦電流式のセンサであり、ベースプレート５０８とヘッド本体５０６間の距離をモニタリングすることで、振動振幅の変化をモニタリングすることができる。なお、振動センサ５２２は、ピエゾ素子５１２の振動し相当する振幅変位を検出できれば、他の位置に設けてもよい。
図４は、一実施形態による、ＣＡＲＥヘッド５００の構造を概略的に示す側面断面図である。図４に示されるＣＡＲＥヘッド５００は、ピエゾ素子５１２、触媒保持ベース５１４、および触媒５１６が複数の領域に分割されていることを除いて、図３に示されるＣＡＲＥヘッド５００と同様の構造とすることができる。図４に示されるように、ベースプレート５０８には、複数のピエゾ素子５１２が取り付けられている。各ピエゾ素子５１２の下面には、それぞれ触媒保持ベース５１４が取り付けられ、触媒保持ベース５１４の下面に触媒５１６が設けられている。図４に示されるように、各触媒５１６にはそれぞれ電圧を印加するための配線５３１が接続されている。各ピエゾ素子５１２は、それぞれ独立に駆動電圧を印加するための配線５３０が接続されている。そのため、各ピエゾ素子５１２に印加する駆動電圧を制御することで、各ピエゾ素子５１２と、基板Ｗｆとの接触状態または近接距離を独立に制御することができる。また、加工精度の影響などで、各領域の触媒５１６の表面の高さが不均一である場合でも、各ピエゾ素子５１２に印加する駆動電圧を制御することで、各領域の触媒５１６を均一に基板Ｗｆに接触または近接させることができる。
図５は、一実施形態によるＣＡＲＥヘッド５００の構造の一部を概略的に示す側面断面図である。図５は、ＣＡＲＥヘッド５００のうち、ある領域のベースプレート５０８、ピエゾ素子５１２、触媒保持ベース５１４、触媒５１６を示し、また、処理される基板Ｗｆを概略的に示している。図５は、図４に示される複数の領域に分割されたピエゾ素子５１２、触媒保持ベース５１４、および触媒５１６のうちの１つの領域の例ともいえる。図５に示される実施形態において、ＣＡＲＥヘッド５００の全体としてベースプレート５０８は１つであり、その下に複数のピエゾ素子５１２が取り付けられるものとすることができる。図５の実施形態において、触媒保持ベース５１４は、切頭円錐形状または切頭角錐形状であり、頂点が基板Ｗｆの方を向くように配置されている。そのため、触媒保持ベース５１４の表面に配置される触媒５１６と基板Ｗｆとの接触面積を小さくすることができる。たとえば、処理対象の基板Ｗｆの被処理領域が半導体基板の面内に製作されたチップ内の一部であるような微小領域である場合、図５の実施形態のように、触媒５１６が微小な接触面積を備えるようにすると有効である。図５は、一例として基板Ｗｆの上に形成された被処理膜の一部に凸部分があり、この凸部分をＣＡＲＥにより平坦化する場合を示している。また、図５に示される実施形態において、各ピエゾ素子５１２は、他のピエゾ素子５１２から独立して、駆動電圧を印加できるように構成することができる。さらに、図５に示される実施形態において、触媒５１６は、他の触媒５１６から独立して、電圧を与えることができるように構成される。
図６は、一実施形態によるＣＡＲＥヘッド５００の構造の一部を概略的に示す側面断面図である。図６は、ＣＡＲＥヘッド５００のうち、ある領域のベースプレート５０８、ピエゾ素子５１２、触媒保持ベース５１４、触媒５１６を示し、また、処理される基板Ｗｆを概略的に示している。図６は、図４に示される複数の領域に分割されたピエゾ素子５１２、触媒保持ベース５１４、および触媒５１６のうちの１つの領域の例ともいえる。図６
に示される実施形態において、ＣＡＲＥヘッド５００の全体としてベースプレート５０８は１つであり、その下に複数のピエゾ素子５１２が取り付けられるものとすることができる。図６の実施形態において、触媒保持ベース５１４は、円柱形状または角柱形状とすることができ、一方の端部が基板Ｗｆの方を向くように配置されている。図６の実施形態においても、図５の実施形態と同様に、触媒保持ベース５１４およびその表面に配置される触媒５１６の基板Ｗｆとの接触面積を小さくすることができる。たとえば、処理対象の基板Ｗｆの被処理領域が半導体基板の面内に製作されたチップ内の一部であるような微小領域である場合、図６の実施形態のように、触媒５１６が微小な接触面積を備えるようにすると有効である。図６は、一例として基板Ｗｆの上に形成された被処理膜の一部に凸部分があり、この凸部分をＣＡＲＥにより平坦化する場合を示している。図５、図６の実施形態において、触媒保持ベース５１４の形状は、処理すべき基板Ｗｆの被処理領域の面積に応じて適宜変更することができる。また、図６に示される実施形態において、各ピエゾ素子５１２は、他のピエゾ素子５１２から独立して、駆動電圧を印加できるように構成することができる。さらに、図６に示される実施形態において、触媒５１６は、他の触媒５１６から独立して、電圧を与えることができるように構成される。
図７Ａ〜図７Ｄは、ピエゾ素子５１２の配置の例を示す図である。図７Ａは、ＣＡＲＥヘッド５００を触媒の方から見た図である。ただし、図７Ａは、ベースプレート５０８に取り付けられたピエゾ素子５１２のみを示しており、他の構造は省略している。図７Ａは、円形のベースプレート５０８に１つの円板形状のピエゾ素子５１２が１つだけ配置されている。図７Ｂは、ＣＡＲＥヘッド５００を触媒の方から見た図である。ただし、図７Ｂは、ベースプレート５０８に取り付けられたピエゾ素子５１２のみを示しており、他の構造は省略している。図７Ｂは、円形のベースプレート５０８の中心に円形のピエゾ素子５１２が配置され、その外側に同心円状に複数の環状のピエゾ素子５１２が配置されている。図７Ｃは、ＣＡＲＥヘッド５００を触媒の方から見た図である。ただし、図７Ｃは、ベースプレート５０８に取り付けられたピエゾ素子５１２のみを示しており、他の構造は省略している。図７Ｃは、円形のベースプレート５０８に１つの四角形状のピエゾ素子５１２が格子状に複数配置されている。図７Ｄは、ＣＡＲＥヘッド５００を触媒の方から見た図である。ただし、図７Ｄは、ベースプレート５０８に取り付けられたピエゾ素子５１２のみを示しており、他の構造は省略している。図７Ｄは、円形のベースプレート５０８に１つの円形のピエゾ素子５１２が格子状に複数配置されている。図７Ａ〜図７Ｄは、ＣＡＲＥヘッド５００におけるピエゾ素子５１２の配置のパターンの例を示しており、各ピエゾ素子５１２の下に取り付けられる触媒保持ベース５１４および触媒５１６の形状は任意である。たとえば、図５、図６に示された実施形態の触媒保持ベース５１４および触媒５１６とすることができる。また、図７Ａ〜図７Ｄに示される実施形態においては、ピエゾ素子５１２が複数の領域に分割されているので、領域ごとに独立して、ピエゾ素子５１２に駆動電圧を印加できるように構成することができる。これらのピエゾ素子５１２の配置については、基本的には被処理領域の形状により適宜決定しても良く、例えば被処理領域が基板Ｗｆの半径方向に分布を持つ場合は図７Ｂのような同心円状のピエゾ配置が良く、また、各基板Ｗｆの各チップに対して処理を行う場合、図７Ｃ、７Ｄに配置されるピエゾ素子５１２およびその下に配置される触媒保持ベース５１４、触媒５１６がチップサイズであっても良い。
以下では、本明細書で開示される基板処理装置１０００およびこれを含む基板処理システム１１００を用いたＣＡＲＥ処理について説明する。上述のように、基板処理装置１０００および基板処理システム１１００は、制御装置９００を備えており、基板処理装置１０００および基板処理システム１１００内の各要素は制御装置９００により制御可能に構成することができる。
まず、処理対象である基板Ｗｆをステージ４００に設置する。そして、触媒保持部であ
るＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆ上の被処理領域へ移動させる。このとき、アーム６００の移動、ステージ４００の回転などの移動を組み合わせて、ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆの被処理領域に移動させることができる。なお、予め基板Ｗｆの表面の状態検出（たとえば、膜厚など）を実施しておき、被処理領域の位置を決定することができる。なお、図１とともに説明したように、基板処理装置１０００は、検出部４０８を備えており、基板Ｗｆの任意の点を特定することが可能であり、それにより所望の領域の処理が可能となる。また、被処理領域から得られた情報と基板処理の目標値との差分から処理条件を決定することができる。
ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆ上の被処理位置に移動させたら、ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆの面に垂直方向に移動させて、触媒５１６を基板Ｗｆの被処理領域に近づける。このとき、ＣＡＲＥヘッド５００のピエゾ素子５１２には駆動電圧を与えず、ピエゾ素子５１２を駆動させない。そして、触媒５１６の表面と基板Ｗｆの被処理領域の表面との間の距離が、ピエゾ素子５１２による移動の範囲内になるように移動させる。
その後、ピエゾ素子５１２に駆動電圧を印加することで、ピエゾ素子５１２を変形させて、触媒５１６を基板Ｗｆの被処理領域に接触または近接させる。このとき、ピエゾ素子５１２に交流電圧を印加することができる。ピエゾ素子５１２は、印加された交流電圧の周波数で振動（膨張／収縮）することになる。印加する交流電圧の周波数は任意とすることができる。また、触媒５１６が保持された触媒保持ベース５１４が共振するような固有振動数に相当する周波数の交流電圧を印加してもよい。印加する交流電圧のパターンは、矩形波、サイン波などとすることができる。また、直流電圧をピエゾ素子５１２に印加してもよい。図８は、ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆの被処理領域に近づけてから、ピエゾ素子５１２に駆動電圧を印加して、触媒５１６を基板Ｗｆの被処理面に接触させる様子を示す図である。図８は、基板Ｗｆの表面に形成された膜の凸部を平坦化する場合を示している。図８の左側の図は、ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆの被処理領域に近づけて、ピエゾ素子５１２に駆動電圧を印加させる前の状態を示している。図８の右側の図は、ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆの被処理領域に近づけて、ピエゾ素子５１２に駆動電圧を印加させた状態を示している。図８に示されるように、ピエゾ素子５１２に駆動電圧を印加させることで、ピエゾ素子５１２は変形し、触媒５１６を基板Ｗｆの被処理領域に接触または近接させることができる。
図９は、ピエゾ素子５１２に交流電圧を印加しているときの振動センサ５２２の信号を示すグラフである。図９のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸は振動センサ５２２の信号出力であり、圧電式の振動センサ５２２であれば圧力に相当する信号出力であり、図３Ｂの実施形態のように静電容量式または渦電流式の振動センサ５２２であれば、ベースプレート５０８とヘッド本体５０６間の距離に相当する信号出力である。一般的に、ピエゾ素子は、印加する駆動電圧の大きさに応じて形状が変化する。触媒５１６が基板Ｗｆに接触すると、ピエゾ素子５１２の変形に物理的・機械的な制限が発生する。そこで、振動センサ５２２によりピエゾ素子５１２の変位に相当する信号をモニタリングしながらピエゾ素子５１２に印加する駆動電圧の大きさを大きくしていくと、変位がある一定以上の変化をしなくなる。その時に触媒５１６と基板Ｗｆの表面とが接触したと判断することができる。あるいは、ピエゾ素子５１２に所定の大きさの交流電圧を印加しながら、ＣＡＲＥヘッド５００を基板Ｗｆに向けて移動させてもよい。この場合、触媒５１６が基板Ｗｆに接触していないときは、振動センサ５２２からは、ピエゾ素子５１２に印加した駆動電圧に応じた変位が出力される。触媒５１６が基板に接触したときに、ピエゾ素子５１２の変形に制限が生じるため、振動センサ５２２で観察される変位の振幅が小さくなる（図９参照）。そこで、振動センサ５２２で観察される変位の振幅が小さくなったときに、触媒５１６と基板Ｗｆとが接触したと判断してもよい。なお、ピエゾ素子５１２、触媒保持ベース５１４、および触媒５１６が複数の領域に分割されている実施形態においては、領域
ごとに触媒５１６と基板Ｗｆとの接触判断をしてもよい。
ピエゾ素子５１２の駆動により、ピエゾ素子５１２と基板Ｗｆとの接触または近接が可能と判断したら、ＣＡＲＥ処理のための処理液を触媒５１６と基板Ｗｆの表面との間に供給する。図２の実施形態においては、ＣＡＲＥヘッド５００の外部に設けられた処理液供給ノズル７０２から処理液を供給することができる。しかし、他の実施形態において、ＣＡＲＥヘッド５００の内部に処理液供給ノズル７０２を設けて、ＣＡＲＥヘッド５００から処理液を供給するようにしてもよい。たとえば、回転シャフト５１０から触媒５１６の表面まで処理液を供給するための管路を設け、触媒５１６の表面から処理液を供給するようにすることができる。回転シャフト５１０から触媒５１６の表面まで処理液を供給するための管路を設けたＣＡＲＥヘッドとして、たとえば、特許文献２（ＷＯ２０１５／１５９９７３）に開示されている構造を採用してもよい。なお、触媒保持ベース５１４および触媒５１６に、処理液を触媒５１６の表面に均一に供給するための溝部を設ける構造としてもよい。溝部は、たとえば、触媒５１６の表面に同心円状の複数の溝としてもよく、また、縦横に格子状の溝としてもよく、また、触媒５１６の表面の中心から放射状に延びる複数の溝、螺旋形上に延びる溝、などとすることができる。
また、ＣＡＲＥ反応においては、選択する触媒材料によっては、触媒表面に電圧を印加することで、エッチング速度が変化する。そのため、処理液の供給とともに触媒５１６に電圧を印加してもよい。
ピエゾ素子５１２の駆動により触媒５１６を基板Ｗｆの被処理領域に接触させることができる状態において、処理液を供給することでＣＡＲＥ反応が生じる。このとき、触媒５１６と基板Ｗｆの被処理領域とを相対的に運動させてもよい。たとえば、ＣＡＲＥヘッド５００のアーム６００を移動させたり、基板Ｗｆが配置されたステージ４００を回転させたりすることで、触媒５１６と基板Ｗｆの被処理領域を相対的に運動させることができる。あるいは、ＣＡＲＥヘッド５００を回転させてもよい。触媒５１６と基板Ｗｆの被処理領域との相対的な運動は、ピエゾ素子５１２を振動させながら行う。上述のように、触媒５１６と基板Ｗｆとの接触を判断した点を基準として、ピエゾ素子５１２の最大変位のときに触媒５１６と基板Ｗｆの被処理面との間の距離が数１０ｎｍ以下になるように、より好ましくは１０ｎｍ以下になるようにピエゾ素子５１２に付与する駆動電圧を制御する。また、触媒５１６と基板Ｗｆとの接触を判断した点を基準として、ピエゾ素子５１２の駆動電圧の振幅を制御して、触媒５１６と基板Ｗｆとの接触量を制御しても良い。
このように、触媒５１６と基板Ｗｆの被処理面との間の距離をピエゾ素子５１２により微細に制御することができるので、触媒５１６の表面の被処理面への接触量または近接量を小さくすることができる。そのため、触媒５１６の表面に与える機械的なダメージを軽減することができ、触媒の劣化を軽減することができる。
ＣＡＲＥ処理を行った後は、処理後の基板Ｗｆを搬送機構１５００により洗浄装置１３００へ搬送し、基板Ｗｆの洗浄を行う。基板Ｗｆの洗浄は任意の公知の方法で行うことができる。基板Ｗｆを洗浄したら、基板Ｗｆを搬送機構１５００により乾燥装置１４００へ搬送する。基板Ｗｆの乾燥は任意の公知の方法で行うことができる。基板Ｗｆを乾燥させたら、基板Ｗｆを搬送機構１５００により所定の位置に配置する。なお、基板処理装置１０００によるＣＡＲＥ処理は、基板処理システム１１００のＣＭＰ装置１２００によりＣＰＭ処理を行った後に実施してもよい。
なお、本明細書で開示する基板処理装置１０００においては、様々な種類の基板を、様々な触媒、および処理液を使用して処理することができる。基板Ｗｆの被処理領域の例は、たとえば、ＳｉＯ２やＬｏｗ−ｋ材料に代表される絶縁膜、ＣｕやＷに代表される配線
金属、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ、Ｃｏ等に代表されるバリアメタル、ＧａＡｓ等に代表されるＩＩＩ−Ｖ族材料である。触媒５１６の材質としては、たとえば、貴金属、遷移金属、セラミックス系固体触媒、塩基性固体触媒、酸性固体触媒などとすることができる。処理液は、たとえば、酸素溶解水、オゾン水、酸、アルカリ溶液、Ｈ２Ｏ２水、フッ化水素酸溶液などとすることができる。なお、触媒５１６および処理液は、基板Ｗｆの被処理領域の材質によって、適宜設定することができる。たとえば、被処理領域の材質がＣｕである場合、触媒５１６としては酸性固体触媒が用いられ、処理液としてはオゾン水が用いられてもよい。また、被処理領域の材質がＳｉＯ２である場合には、触媒５１６には白金やニッケルが用いられ、処理液には酸が用いられてもよい。また、被処理領域の材質がＩＩＩ−Ｖ族金属（例えば、ＧａＡｓ）である場合には、触媒５１６には鉄が用いられ、処理液にはＨ２Ｏ２水が用いられてもよい。
以上、いくつかの例に基づいて本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。
４００…ステージ
５００…ＣＡＲＥヘッド
５０２…ジンバル機構
５０４…外周部材
５０６…ヘッド本体
５０８…ベースプレート
５１０…シャフト
５１２…ピエゾ素子
５１４…触媒保持ベース
５１６…触媒
５１８…触媒電極
５２０…カウンター電極
５２２…振動センサ
５５０…バネ
６００…保持アーム
６０２…垂直駆動機構
６２０…横駆動機構
７０２…処理液供給ノズル
９００…制御装置
１０００…基板処理装置
１１００…基板処理システム
１２００…ＣＭＰ装置
１３００…洗浄装置
１４００…乾燥装置
１５００…搬送機構
Ｗｆ…基板

Claims (10)

  1. 処理液の存在下で触媒と基板とを近接または接触させて、基板の被処理領域をエッチングするための基板処理装置であって、
    基板を保持するための基板保持部と、
    触媒を保持するための触媒保持部と、を有し、
    前記触媒保持部は、
    高剛性のベースプレートと、
    前記ベースプレートに隣接して配置されるピエゾ素子と、
    前記ピエゾ素子に隣接して配置される高剛性の触媒保持ベースと、
    前記触媒保持ベースに保持された触媒と、を有し、
    前記基板処理装置はさらに、前記ピエゾ素子へ印加する駆動電圧を制御するための制御装置を有し、
    前記触媒保持部は、前記ピエゾ素子の振動振幅を監視するための振動センサを有し、
    前記制御装置は、前記ピエゾ素子の振動振幅の変化に基づいて触媒と基板との接触を判断するように構成されている、
    基板処理装置。
  2. 請求項１に記載の基板処理装置であって、
    前記触媒保持部は、第１領域および第２領域を有し、
    前記第１領域は、第１触媒、第１触媒保持ベース、および第１ピエゾ素子を有し、
    前記第２領域は、第２触媒、第２触媒保持ベース、および第２ピエゾ素子を有し、
    前記制御装置は、前記第１ピエゾ素子および前記第２ピエゾ素子にそれぞれ独立して駆動電圧を印加できるように構成される、
    基板処理装置。
  3. 請求項１または２に記載の基板処理装置であって、
    前記制御装置は、前記触媒保持ベースおよび前記触媒を共振させるための周波数の駆動
    電圧を前記ピエゾ素子へ印加するように構成される、
    基板処理装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板処理装置であって、
    前記触媒保持部を前記基板保持部の方向へ運動させるための第１駆動機構を有する、
    基板処理装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の基板処理装置であって、
    前記触媒保持部を前記基板保持部の基板保持面に平行な方向に運動させるための第２駆動機構を有する、
    基板処理装置。
  6. 請求項５に記載の基板処理装置であって、
    前記第２駆動機構による前記触媒保持部の運動は、回転運動、直線運動、および、回転運動および直線運動を組み合わせた運動の少なくとも１つを含む、
    基板処理装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の基板処理装置であって、
    前記基板保持部を前記基板保持部の基板保持面に平行な方向に運動させるための第３駆動機構を有する、
  8. 請求項７に記載の基板処理装置であって、
    前記第３駆動機構による前記触媒保持部の運動は、回転運動、直線運動、および、回転運動および直線運動を組み合わせた運動の少なくとも１つを含む、
    基板処理装置。
  9. 基板処理システムであって、
    請求項１乃至８のいずれか一項に記載の基板処理装置と、
    前記基板処理装置での処理後に基板を洗浄するための洗浄装置と、
    前記洗浄装置での洗浄後に基板を乾燥させるための乾燥装置と、
    前記基板処理システム内で基板を搬送するための搬送機構と、
    前記基板処理装置、前記洗浄装置、前記乾燥装置、および前記搬送機構の動作を制御するための制御装置と、を有する、
    基板処理システム。
  10. 請求項９に記載の基板処理システムであって、
    基板をＣＭＰ処理するためのＣＭＰ装置を有する、
    基板処理システム。
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