JP6890446B2 - 半導体処理装置及び半導体処理流動体の計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体材料を収容する槽の内部の処理液などの流動体の状態を検出するための半導体処理装置及び槽内部の処理流動体の性状を計測する方法に関するものである。

槽の内部に処理液等の流動体を貯留し、槽内部に処理物を収容して当該処理物の製造や処理を行うにあたり、槽の外部から槽内に光を照射し、当該光の散乱光を撮像することで、槽内部の処理物の状態を検査計測する技術が知られている。これらの装置としては、例えば、特許文献１（特許第５９２８１４６号公報）、特許文献２（特開２００７-１７１０１２号公報）、特許文献３（特開２０１５-１９５２７０号公報）等が知られている。

特許文献１は、フォトリフレクタンス法を半導体製造技術に利用したものであり、半導体デバイスのエッチングを行いながら、槽外から槽内の半導体に光を当てその反射光であるプローブ光の反射率を測定し、当該プローブ光のエネルギーと反射光の変化量の振動波形を計測することで、半導体表面に関する表面再結合速度などの多種の詳細な情報を計測する装置が開示されている。

また、特許文献２には、大気中の限られた空間に浮遊する特定の物質からなるエアロゾルまたは特定の物質を含むエアロゾルの個数またはそのエアロゾルに含まれる量を遠隔かつリアルタイムで計測するために、エアロゾルにレーザー照射を施し、その結果、レーザー光と特定の物質による相互作用により、その特定の物質が照射するレーザー光と波長が異なるレーザー光励起で発光する蛍光、りん光、またはフォトルミネッセンス等の特定の物質が発生する特有の光を可視化して画像計測し、画像処理により計数する技術が開示されている。

特許文献３は、半導体処理液であるリン酸溶液中のリン酸濃度を測定するために処理槽にリン酸溶液を供給する供給路の途中にラマン分光器を設けたリン酸濃度計測部を備えた基板処理装置が開示されている。

特許第５９２８１４６号公報 特開２００７-１７１０１２号公報 特開２０１５-１９５２７０号公報

しかし、特許文献１の技術は、半導体の表面性状を検査計測するものであるが、槽内の流動体の状態を計測することはできないという問題があった。すなわち、槽内に流動体を貯留して半導体材料を流動体に浸漬した状態で処理を行う場合、半導体表面の性状計測と同様に流動体の状態を検知することが重要であるが、特許文献１の技術では流動体の性状計測は不可能であるという問題があった。

特許文献２の技術は、空気中に浮遊する粒子群に特定の物質を付加しての濃度計測するにあたり、レーザー照射によるエアロゾルの発光を検出するものであり、槽内の半導体材料に前記特定の物質が影響を与えるという問題もあり、また、半導体材料がレーザー照射の障害となるため、半導体処理装置に使用することが困難であるという問題があった。

また、特許文献３の技術は、エッチングを行う処理槽であるリン酸溶液浴槽へリン酸溶液を供給又は排出する配管にリン酸濃度計測部が設けられているため、処理槽内での処理液の状態を直接的に計測することができないという問題を有していた。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、半導体材料に影響を与えることなく、槽内の流動体の性状を直接的にリアルタイムで計測することができる半導体処理装置及び半導体処理流動体の計測方法を提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の半導体処理装置及び半導体処理流動体の計測方法を提供する。

本発明の第１態様によれば、内部の流動体にウエハを浸漬可能な処理槽と、
前記処理槽内に設けられ、前記浸漬されたウエハとの間に、隙間をおいて前記ウエハと平行配置された透明板と、
複数枚の前記ウエハを間隔をおいて互いに平行に支持可能であり、前記透明板と前記ウエハとの前記隙間が前記複数のウエハ間の前記間隔と同じになるように、前記透明板と前記ウエハを支持するウエハ支持部と、
前記ウエハと透明板との間に前記ウエハに平行な面状のレーザー光を照射するレーザー発振器と、
前記レーザー光が前記流動体により散乱し、前記透明板を透過した散乱光を検出する光検出器と、
前記光検出器が検出した散乱光に基づいて、前記流動体の性状を計測演算する計測演算部と、
を備えることを特徴とする、半導体処理装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記レーザー光の波長は、前記レーザー光のエネルギーの一部が前記流動体中の散乱粒子の振動エネルギーと授受されることにより、前記レーザー光と異なる波長の散乱光となるラマン散乱を生じさせる波長であることを特徴とする、第１態様の半導体処理装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記検出器はラマン散乱用の検出器であることを特徴とする、第１又は第２態様のいずれか１つの半導体処理装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、ウエハを浸漬可能な処理槽内の流動体の性状を計測する方法において、
前記処理槽内に設けられ前記浸漬されたウエハとの間に、隙間をおいて前記ウエハと平行配置された透明板を設け、
複数枚の前記ウエハを間隔をおいて互いに平行に支持可能なウエハ支持部によって、前記透明板と前記ウエハとの前記隙間が前記複数のウエハ間の前記間隔と同じになるように、前記透明板と前記ウエハを支持し、
前記ウエハと透明板との間に前記ウエハに平行な面状のレーザー光を照射し、
前記レーザー光が前記流動体により散乱し、前記透明板を透過した散乱光を検出可能な光検出器を用いて、前記散乱光を検出し、
前記光検出器が検出した前記散乱光に基づいて、前記流動体の性状を計測演算することを特徴とする、半導体処理流動体の計測方法を提供する。

本発明によれば、透明板とウエハとの間の隙間に面状のレーザー光を照射し、これにより発生した散乱光を光検出器で検出することにより、洗浄液等の流動体の性状をリアルタイムで計測することができる。また、透明板を設けることで事前に流動傾向の差を少なくしているため、透明板に隣接するウエハと透明板との洗浄液の性状を計測することで、洗浄槽全体の性状を予測することができる。

本発明の半導体処理装置の実施形態にかかるウエハ洗浄装置の構成を模式的に示す正面図である。 図１のウエハ洗浄装置の槽構成を模式的に示す一部破断斜視図である。 ウエハの配置位置とレーザー光の照射位置を説明する図である。 洗浄液中のトレーサ粒子による散乱光の発生原理を説明する図である。 洗浄液の性状変化に伴うラマンスペクトルの変化例を模式的に示す図であり、（ａ）は濃度が高くなる場合、（ｂ）は温度が高くなる場合を示す。

以下、本発明の実施形態に係る半導体処理装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の半導体処理装置の実施形態にかかるウエハ洗浄装置のウエハ洗浄装置の構成を模式的に示す正面図である。図２は、本実施形態にかかるウエハ洗浄装置の槽構成を模式的に示す一部破断斜視図である。

本発明の半導体処理装置の本実施形態にかかるウエハ洗浄装置１は、ウエハ２０を洗浄するための洗浄液１００を収容する洗浄槽（内槽）２を備えており、当該洗浄槽２の外側に外槽３を備えている。洗浄槽２内の洗浄液１００は、例えば水と薬液を所定の割合で混合したものであり、槽の底部近傍に設けられた図示しない吐出口から槽内に導入され、槽内を循環しており、洗浄槽２の上端からオーバーフローして外槽３に流れるように構成されている。

洗浄槽２が透明材料である石英槽ではなく、テフロン（登録商標）槽などの不透明な材質で構成されている場合には、後述するレーザー発振器８から発光されたレーザー光３０を槽内に導くためのスリット状の透過窓９及び、レーザー光３０が散乱した散乱光４０を槽外から検知可能な検査窓１９を設ける。透過窓９と検査窓１９は、洗浄槽２の互いに交差する槽壁２ａ，２ｂに設けられており、透過窓９はウエハ２０の厚み方向に沿った槽壁２ａに、検査窓１９は、ウエハ２０の主面に沿った槽壁２ｂにそれぞれ設けられている。透過窓９及び検査窓１９は、洗浄対象となるウエハ２０に影響を及ぼさないような材料が用いられることが好ましく、例えば、石英ガラスなどが好適に用いられる。

洗浄対象となるウエハ２０は、図２に示すように、複数枚のウエハ２０が所定の間隔をおいて互いに平行になるように洗浄槽２内に配置される。ウエハ２０は、ウエハ受台４により保持される。

ウエハ受台４は、図２に示すように、ウエハの配列方向に沿って対向配置される１組の受台本体部５と受台本体部５の下端側に設けられる受け部材６とを備える。受け部材６は、受台本体部５の両端側に２本設けられており、２点でウエハの下面を支持することでウエハ２０を支持する。

２本の受け部材６には、ウエハ２０の周縁が嵌り込んでウエハ２０を立てた状態で支持するための凹溝６ａが均等間隔で複数設けられている。ウエハ２０の周縁部分を当該凹溝６ａに嵌入することで、複数枚のウエハ２０を、所定の等間隔の隙間をおいて安定して立った状態に支持することができる。

図２に示すように、ウエハ受け台４の最前側には、洗浄対象となるウエハ２０と同形状の透明板７が設けられている。最前面のウエハ２０と透明板７との隙間は、後述する面状のレーザー光が照射される投光用の隙間１０となっている。

透明板７は、洗浄槽２外からの洗浄液の性状を分光計測可能とするためのものである。透明板７は、ウエハ２０と同形状、同寸法に構成されており、ウエハ２０へ影響しない石英ガラスが用いられている。なお、透明板７としては透明基板を用いることも可能であり、この場合は、最前列の透明基板が透明板７としての機能も併せ持つことになる。

受け部材６は、隙間１０の幅寸法Ａが、複数枚のウエハ２０の間に形成される間隔の幅寸法Ａ１と同じになるように、すべての凹溝６ａが等間隔となるように構成されている。このため、当該ウエハ２０及び透明板７の間の隙間に存在する洗浄液は、各隙間で液流傾向の差異が極力小さくなっている。

透明板７は、ウエハ受け台４に脱着可能に設けられており、ウエハ２０をウエハ受け台４に載置する際及びウエハ受け台４から取り外す際に一緒に脱着することができる。

洗浄槽２の外側には、レーザー発振器８が設けられている。レーザー発振器８は、面状のレーザー光３０を照射する。レーザー発振器８は、ウエハ受け台４に支持されたウエハ２０と略平行な面状のレーザー光を発光可能な面光源で構成される。

レーザー発振器８は、レーザー光の発光部８ａに、レンズなどの光学部材を設けて、レーザー光が面状に広がるように構成してもよいし、線状のレーザー光を高速で往復移動させることにより面状のレーザー光を発光できるように構成してもよい。この場合は、面状のレーザー光の出力が弱くなるため、後述する散乱光のレベルが低くなる可能性がある。一方で、複数のレーザー発振器を並列配置させて、面状のレーザー光としてもよく、この構成によれば、レーザー光の出力低下を防止することができる。

洗浄槽２には、図２に示すように、レーザー発振器８から発光されたレーザー光３０を槽内に導くためのスリット状の透過窓９が洗浄槽２の壁２ａに設けられている。透過窓９は、図３に示すように、ウエハ受け台４に支持されている透明板７と最前面に位置するウエハ２０との間の隙間１０に面状のレーザー光を到達できる位置に設けられている。

レーザー発振器８から発光されたレーザー光３０は、透過窓９を透過して洗浄槽２内へ導かれ、透明板７及びウエハ２０を直接照射することなく隙間１０を通過する。

隙間１０に到達したレーザー光３０は、図３に示すように、洗浄液１００中の散乱粒子によって散乱し、散乱光４０が生じる。散乱光４０は、レーザー光の波長と洗浄液によって種々のものが生じる。具体的には、幾何学散乱、レイリー散乱、ミー散乱、ラマン散乱などが含まれる。これらの散乱は、洗浄液中の散乱粒子の粒子径とレーザー光３０の波長との関係により決定される。

例えば、洗浄液１００には、当該散乱光４０を発生させるために、図４に示すように散乱粒子としてのトレーサ粒子１２は、レーザー光３０の波長よりも大きい粒子径を有するため、粒子に到達したレーザー光は、幾何学散乱を生じさせる。

また、レーザー光３０の波長が、散乱粒子である洗浄液１００の分子粒子と同程度の場合は、ミー散乱を生じさせ、分子粒子径が波長より小さい場合は、レイリー散乱を生じさせる。

さらに、波長よりも散乱粒子である分子の粒子径が小さい場合は、入射光が振動する分子に衝突することにより、入射光のエネルギーの一部が分子の振動エネルギーと授受されることにより入射光と異なる波長の散乱光となるラマン散乱を生じさせる。ラマンスペクトルには、波長が短くなるアンチストーク散乱光、波長が長くなるストーク散乱光が含まれる。このラマンスペクトルを解析することにより、洗浄液の濃度や温度を計測することができる。ラマンスペクトルは、洗浄液１００の分子粒子のスペクトル波長の近傍の波長を有するレーザー光３０とすることにより大きくなる。

なお、ラマンスペクトルの強度の増強のために、角振動数の異なる２つのレーザー光（ポンプ光とストークス光）を併用してもよく、レーザー発振器８として、補助光源を備えていてもよい。

これらの散乱光４０は、透明板７及び検査窓１９を透過して洗浄槽２の外部に設けられた光検出器１４により検出される。光検出器１４は、検出しようとする散乱光を受光して、その輝度、波長などを検出することができる検出器であり、散乱光の特性に応じた任意のものを用いることができる。例えば、幾何学散乱を検出したい場合などの場合は可視光カメラが好適に使用でき、隙間に焦点を合わせ、カメラを用いることで、隙間の洗浄液による散乱光を検出することができる。また、ラマンスペクトルを検出したい場合は、ラマン散乱用の検出器等を用いることができる。ラマン散乱においては、測定したい物質固有の検出波長が存在しており、測定したい物質固有の波長を計測することで、当該物質の性状を計測することができる。

また、光検出器１４は、散乱光の特性に応じた複数種類のものを備えていてもよい。例えば、ラマン散乱用の検出器と可視光カメラとをそれぞれ備えることも可能である。

光検出器１４には、必要に応じて散乱光４０の分光手段を併用することが好ましい。分光手段としては、分光器又は干渉フィルタなどが使用可能である。

なお、光検出器の受光方向は、レーザー光３０が直接入射されることなく、かつ、散乱光４０の角度依存性により、散乱光が大きく発生する方向に向ければよい。例えば、レイリー散乱の場合は、入射光に対して直角な方向に散乱する散乱光が少ないため、入射光すなわち、透明板７の面に対して、鈍角となるような位置となるように設けることが好ましい。なお、光検出器の受光方向が、透明板７及び処理層２と直交しない場合には、散乱光がこれらを透過するときに屈折するため、当該屈折の影響を考慮することが好ましい。

光検出器１４により検出された散乱光は、計測演算部１５によって、洗浄液１００の性状特定に用いられる。前記検出された散乱光は、用いる光検出器１４に応じて異なり、例えば、幾何学散乱の場合は、撮像した画像データ等が該当し、ラマン散乱の場合は検出した生スペクトルや位置情報が該当する。また、散乱光の特性により計測可能な洗浄液１００の性状も決定され、例えば、画像データの場合は、複数枚の経時的に比較することで、洗浄液の流速を計測することができる。

また、検出器が生スペクトルを検出した場合は、生スペクトルを校正したラマンスペクトルを用い、洗浄液の濃度や洗浄液の温度によってスペクトルの強度変化やスペクトルのシフトなどの特性を用いて、洗浄液１００の濃度や温度を計測することが可能である。さらに位置情報を用いてそれらの性状をマッピングすることができる。

図５は、液膜の性状変化に伴うラマンスペクトルの変化例を模式的に示す図であり、（ａ）濃度が高くなる場合、（ｂ）は温度が高くなる場合をそれぞれ示している。図５のグラフは、いずれも実線が変化前の状態、破線が性状変化に伴いラマンスペクトルが変化した状態を示している。

これらのラマンスペクトルのシフトについては、温度及び濃度に応じて変化する波長と強度が特定される。なお、図５において、符号５０で示されるスペクトルのピークは水由来のもの、符号５１，５２で示されるスペクトルのピークは薬液由来のものをそれぞれ示している。

濃度が高くなる場合は、図５（ａ）に示すように、処理液膜中の薬液の割合が大きくなり、水の割合が小さくなるため、水由来のピーク５０は減少し、薬液由来のピーク５１，５２は増加する。逆に濃度が低くなる場合は、水由来のピーク５０が増加し、薬液由来のピーク５１，５２は減少する。

処理液膜の温度が高くなる場合は、図５（ｂ）に示すように、温度に応じたピーク位置のシフトが生じまた、スペクトルの強度が増加する。また、温度が低くなる場合は、逆の挙動を示し、スペクトルの強度が減少する。

これらの濃度及び温度によるスペクトルのシフトについては、温度及び濃度に応じて変化する波長と強度が特定される ため、予めこれらの既知のデータに基づいて作成された検量データを準備しておくことが必要である。そして、ラマンスペクトルと検量データとを比較することにより、処理液の濃度及び温度が演算される。

以上説明したように、本実施形態の半導体洗浄装置によれば、透明板とウエハ２０との間に面状のレーザー光を照射し、これにより発生した散乱光を光検出器で検出することにより、流動体である洗浄液の性状をリアルタイムで計測することができる。また、透明板を設けているため、間隔をおいて配置されるウエハ２０の隙間ごとの流動傾向の差を極力少なくすることができ、１枚目のウエハ２０と透明板７との洗浄液の性状を計測することで、洗浄槽全体の性状を予測することが可能となる。また、これらの洗浄液の性状は、槽内における状態を直接的に計測することができるため、洗浄槽の状態制御などに用いることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、上記実施形態は、ウエハの洗浄装置であったが、エッチングやメッキ等の処理を行うための半導体製造装置にも適用可能である。また、流動体は液体に限定されるものではなく、例えば、蒸着工程やスパッタ工程など、気体を流動体とする場合にも適用可能である。

また、処理槽は、洗浄液を貯留する独立した槽に限定されるものではなく、洗浄液が連続して流動する連続式のものであってもよい。

１ ウエハ洗浄装置
２ 洗浄槽
２ａ，２ｂ 槽壁
３ 外槽
４ ウエハ受台
５ 受台本体部
６ 受け部材
６ａ 凹溝
７ 透明板
８ レーザー発振器
９ 透過窓
１０ 隙間
１２ トレーサ粒子
１４ 光検出器
１５ 計測演算部
１９ 検査窓
２０ ウエハ
３０ レーザー光
４０ 散乱光
１００ 洗浄液

Claims (4)

1. 内部の流動体にウエハを浸漬可能な処理槽と、
   前記処理槽内に設けられ、前記浸漬されたウエハとの間に、隙間をおいて前記ウエハと平行配置された透明板と、
   複数枚の前記ウエハを間隔をおいて互いに平行に支持可能であり、前記透明板と前記ウエハとの前記隙間が前記複数のウエハ間の前記間隔と同じになるように、前記透明板と前記ウエハを支持するウエハ支持部と、
   前記ウエハと透明板との間に前記ウエハに平行な面状のレーザー光を照射するレーザー発振器と、
   前記レーザー光が前記流動体により散乱し、前記透明板を透過した散乱光を検出する光検出器と、
   前記光検出器が検出した散乱光に基づいて、前記流動体の性状を計測演算する計測演算部と、
   を備えることを特徴とする、半導体処理装置。
2. 前記レーザー光の波長は、前記レーザー光のエネルギーの一部が前記流動体中の散乱粒子の振動エネルギーと授受されることにより、前記レーザー光と異なる波長の散乱光となるラマン散乱を生じさせる波長であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体処理装置。
3. 前記検出器はラマン散乱用の検出器であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体処理装置。
4. ウエハを浸漬可能な処理槽内の流動体の性状を計測する方法において、
   前記処理槽内に設けられ前記浸漬されたウエハとの間に、隙間をおいて前記ウエハと平行配置された透明板を設け、
   複数枚の前記ウエハを間隔をおいて互いに平行に支持可能なウエハ支持部によって、前記透明板と前記ウエハとの前記隙間が前記複数のウエハ間の前記間隔と同じになるように、前記透明板と前記ウエハを支持し、
   前記ウエハと透明板との間に前記ウエハに平行な面状のレーザー光を照射し、
   前記レーザー光が前記流動体により散乱し、前記透明板を透過した散乱光を検出可能な光検出器を用いて、前記散乱光を検出し、
   前記光検出器が検出した前記散乱光に基づいて、前記流動体の性状を計測演算することを特徴とする、半導体処理流動体の計測方法。

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