JP7025964B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば半導体デバイスを製造するプロセスに用いられる基板に対して所定の熱処理を行なう熱処理装置に関する。

一般に、半導体デバイスの製造においては、例えば半導体ウエハ（以下、ウエハということがある）に回路パターンを形成するためにフォトリソグラフィ技術が利用されている。フォトリソグラフィ技術では、塗布処理装置でレジスト液の塗布処理を行い、マスクパターンを露光処理した後に現像処理装置で現像液による現像処理を行う工程によって、回路パターンを形成する塗布現像処理装置が知られている。

この様な塗布現像処理装置で塗布処理や現像処理が施された基板や、処理が施される前の基板には所定の熱処理が施される。この熱処理を行なう熱処理装置は、通常は基板を載置して熱処理を行うための平坦なプレートを備えており、一方で熱処理の対象となる基板は、段差のない平坦な基板である。（特許文献１参照）。しかし、近年は基板の厚みを例えば、５０μｍ程度に薄く形成された特殊な基板の処理が行われることもある。この様な特殊な基板は、デバイスが形成されるデバイス領域に使用される部位のみを、通常の厚みを有する基板から研削することで製造され、デバイス領域を囲繞する外周余剰領域に対応する裏面に、補強用の環状凸部が形成された基板である（特許文献２参照）。この様な特殊な基板に対してもレジスト液による成膜や露光後の現像処理における熱処理を適正に処理しなければならない。

特開２００２－３２４７３９号公報 特開２００７－１７３４８７号公報

一般的に用いられる基板は平面な表裏面を有しており、熱処理を行なうためのプレートも平坦な平面を有する熱処理装置が用いられる。しかしながら、例えば裏面側に補強用の環状凸部（下側に凸）が形成された特殊な基板を処理する場合、平坦な平面を有するプレートでは環状凸部のみがプレート面に載置されて環状凸部の内側は浮いてしまい正常な熱処理を施すことが出来ない。この様な基板は環状凸部が上面側に形成されている（上側に凸）場合もあり、どちらの場合においても正常な熱処理をすることが求められている。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、周縁部に環状凸部を有する基板のデバイス有効領域面に均一に所望の熱処理を施すことが出来る熱処理装置を提供することを目的とする。

前記問題を解決するために、この発明は、基板に熱処理を行う熱処理装置であって、前記基板を載置する円形の頂部面を持つ基板載置部と、前記頂部面を所定温度に加熱または冷却する加熱手段または冷却手段と、前記頂部面を貫通して配置され、前記基板載置部の表面上方で基板を支持する複数のピン部と、前記ピン部を前記基板載置部の表面から出没自在に昇降させるピン昇降機構と、前記頂部面の外周側方で前記基板の周縁部を保持する複数の周縁保持部と、前記周縁保持部を昇降自在に昇降させる周縁保持部昇降機構と、制御部とを有し、さらに前記基板載置部との間で基板を受け渡し可能な移載冷却プレートを備え、前記移載冷却プレートは、前記基板を載置する円形の頂部面を中央部に有し、前記制御部は、前記ピン昇降機構及び前記周縁保持部昇降機構の動作を制御するように構成されていることを特徴としている（請求項１）。

前記制御部は、前記ピン部の上昇位置で前記基板が前記ピン部に支持された状態で、前記周縁保持部を上昇させて前記基板の周縁部を支持し、その後前記ピン部を下降させ、その後前記周縁保持部を下降させて前記基板を基板載置部に載置するように、前記ピン昇降機構及び前記周縁保持部昇降機構の動作を制御するようにしてもよい（請求項２）。

前記周縁保持部は頂部に水平面を有し、前記基板を当該水平面で支持するときに、前記基板の周縁端部が接触すると当該基板を前記基板載置部の中心方向に誘導するためのガイド部材を有するようにしてもよい（請求項３）。この様な構成の周縁保持部を例えば基板載置部の中心に対して中心角１２０度ずつずれた３箇所に設けることにより、基板を基板載置部中心にセンターリングすることが出来るので、基板と円形の頂部面を確実に合わせることが出来る。

前記周縁保持部は、頂部に前記基板の裏面の周縁部を吸着するための吸着孔を有していてもよい（請求項４）。これによって基板を吸着保持することができる。

前記基板載置部を囲みかつ昇降自在なリング状シャッタと、前記基板載置部と対向配置され、前記基板載置部を覆う蓋体と、を有し、前記リング状シャッタを上昇させて前記蓋体に当接させることにより、前記基板載置部上に処理空間が形成されるようにしてもよい（請求項５）。

前記基板は、下面の周縁部に環状凸部を有し、当該環状凸部の内側に平坦な凹部面を有する基板であり、前記熱処理は、前記基板載置部の頂部面に前記凹部面を嵌めて行なわれるものであってもよい（請求項６）。また、前記基板は、上面の周縁部に環状凸部を有し、当該環状凸部の内側に平坦な凹部面を有する基板であり、前記熱処理は、前記凹部面に対応する基板裏面側を前記基板載置部の頂部面に載置して行なわれるものであってもよい（請求項７）。

熱処理される基板が、上面の周縁部に前記環状凸部を有する場合には、前記ピン部の上昇位置を、前記基板の凹部面の厚み幅分の距離を下げて上昇させるように前記ピン昇降機構を制御するか、または周縁保持部の高さを、前記厚み幅分の距離を上昇させるように前記周縁保持部昇降機構を制御するように制御部が制御してもよい（請求項８）。

本発明によれば、周縁部に環状凸部を有する基板のデバイス有効領域面に均一に所望の熱処理を施すことが出来る。

本発明の実施の形態にかかる熱処理装置で熱処理される対象基板を説明する図である。 本発明の実施の形態にかかる熱処理装置の断面を模式的に示した説明図である。 図２の熱処理装置における基板載置部の斜視図である。 図２の熱処理装置における周縁保持部の基板吸着状態を説明するための説明図である。 図２の熱処理装置の動作を説明するための断面を模式的に示した説明図である。 図２の熱処理装置の動作を説明するための断面を模式的に示した説明図である。 移載冷却プレートの構造を説明する図である。

まず、この発明の実施の形態に係る熱処理装置が組み込まれている一般的に良く知られているレジスト塗布現像処理装置（図示せず）について説明をする。半導体基板であるウエハを処理するレジスト塗布現像処理装置には、キャリアブロックが設けられており、さらにこのキャリアブロックに設けられている載置台上に載置された密閉型の基板収納容器であるキャリアに収納されたウエハを、基板搬送装置が取り出す。またレジスト塗布現像処理装置は、そのウエハをキャリアブロックに隣接配置される筐体で囲まれた処理ブロックに受け渡し、処理ブロック内でウエハを目的の処理モジュールに搬送するための他の基板搬送装置を備えている。当該他の基板搬送装置により所定の処理モジュールに順次ウエハが搬送されて所定の処理がなされる。そして最後の処理モジュールにて処理が完了して他の基板搬送装置によって取り出された処理済みのウエハは、基板搬送装置によって処理ブロックからキャリアに戻される。

次に本発明の実施の形態にかかる熱処理装置である熱処理モジュールの処理について説明をする。熱処理モジュールで行われる処理の目的は複数あり、例えば、感光剤であるレジスト液が基板上に所定の厚みを持って成膜された後に、溶媒を熱によって揮発させて固める塗布後熱処理（ＰＡＢ）、パターン露光装置によるパターン露光処理の後で現像処理をする前に加熱して、露光時の露光の際の光の定在波痕が残ったレジストパターン側面を滑らかにしたり、また化学増幅型のレジスト液の場合はレジスト中の酸発生剤に反応を促進させるための熱処理となるポストエクスポージャベーク（ＰＥＢ）に使用される。さらにまた、現像処理後の水分を除去するための熱処理としてのポストベーク（ＰＯＢ）に使用されることがある。

次に本発明の実施の形態にかかる熱処理モジュールで処理対象となる特殊形状のウエハについて図１を用いて説明をする。図１のウエハＷは通常形状のウエハを特殊加工して製造されたものである。このウエハＷは例えばＤＩＳＣＯ社が開発したウエハバックグラインディング技術によって加工されたものであり、ウエハ裏面外周部を例えば３ｍｍほど残して内側のエリアのみを研削することで、反りによる割れや欠けを防止する効果がある基板として知られている。

この様な加工が施されたウエハＷは、グライディング（研磨）された領域、あるいはその裏面側がデバイス形成領域Ｄとなり、図１（ａ）に示した例ではデバイス形成領域Ｄは、厚みが例えば５０ｕｍ程度まで裏面が削り込まれた凹部２の表面側に位置している。そして研削されずに残った部分は、下側に凸の環状凸部１となり、この環状凸部１は、加工前の通常のウエハの厚みのまま残されるので、ウエハＷ全体の変形の抑止効果が得られる。この環状凸部１の幅Ｍは所望の幅になる様に処理されるが、デバイス形成領域Ｄを多くとるために概ね３ｍｍ程度とされている。なお、デバイス形成領域Ｄを形成するための凹部２は、図１（ｂ）の様に、ウエハＷの上面側に形成されてもよい。かかる場合、環状凸部１は、上側に凸の形状となり、デバイス形成領域Ｄは凹部２内の領域となる。

次に本発明の実施の形態にかかる熱処理装置である熱処理モジュール１０の構造を図２、図３、図４を用いて説明する。図２は熱処理モジュール１０の全体構造を説明する側面の断面を模式的に示している図である。なお図２は熱処理モジュール１０が待機の状態を示している。熱処理モジュール１０は、内部にウエハＷを熱処理するためのヒータ１５を有する基板載置部１１と、基板載置部１１と対向して配置され、処理空間２０を形成するための蓋体９を有している。
蓋体９には、中心から処理空間２０の熱処理中の雰囲気を排気するための排気管２１が接続されており、前述した熱処理の用途によってその雰囲気が工場側に設けられる所定の排気系に排気される。
この処理空間２０を形成するために、基板載置部１１を囲うように昇降自在なリング状シャッタ１８が設けられており、リングシャッタ昇降機構１９により蓋体９の位置までリング状シャッタ１８を上昇させると処理空間２０が形成され、下降することでウエハＷを受け入れる状態となる。

基板載置部１１はウエハＷを熱処理モジュール１０の外部から受け渡しするときに使用する、例えば３本のピン部１３を備えている。ウエハＷは３本のピン部１３の上に支持される。このピン部１３はピン昇降機構１４によって基板載置部１１に穿設された孔であるピン孔１２から出没自在に構成されており、例えばピン部１３を基板載置部１１の上面から２０ｍｍの位置に上昇させることが出来る。
基板載置部１１の外周には、後述する周縁保持部１６が、複数個所に設けられている。この周縁保持部１６は、周縁保持部昇降機構１７によって昇降自在である。

次に基板載置部１１のみの構造についてピン孔１２を省略して、図３の斜視図にて説明をする。基板載置部１１は厚みのある円盤形状であり、断面凸型で厚み方向の下側の第１段部２５と、第１段部２５よりも小さい直径を持つ第２段部２６とを有し、第１段部２５と第２段部２６の境界には、環状の水平面を有する水平部１１ａを備えている。断面凸型の第２段部２６の上面となる頂部面１１ｂは、ウエハＷのデバイス形成領域Ｄの裏面が載置される面である。

次に、この発明の実施の形態に係る熱処理モジュール１０における周縁保持部１６についての細部の詳細を図４を用いて説明する。図４（ａ）はウエハＷの環状凸部１が下面に形成された場合における、当該ウエハＷの保持状態を説明する図であり、図４（ｂ）はその保持状態を上面から説明する平面図である。周縁保持部１６は全体して垂直方向に延びる棒状であり、基板保持するために基板載置部１１の水平部１１ａの水平方向の長さと概ね一致した長さを有し、かつ水平に伸びてウエハＷの周縁部を支持する水平面１６ａが周縁保持部１６の上面に備えられている。

この水平面１６ａにはウエハＷを吸着して保持するためのバキューム孔２８が設けられており、支持したウエハＷの周縁部を吸引するための管路であるバキュームライン２９と連通している。さらに水平面１６ａにはウエハＷを保持するときにウエハＷの周面端部を案内して、受け渡しの位置ずれを修正するためのガイド３０がバキューム孔２８の外側に設けられている。この周縁保持部１６は基板載置部１１の外周に複数設けられており、各周縁保持部１６のガイド３０の内側にウエハＷが落とし込まれることで、基板載置部１１の中心位置とウエハＷの中心位置が概ね合う様にアライメントされることとなる。なお、ウエハＷはアライメントされた後に基板載置部１１のバキューム孔２８に吸引されて保持される。

次に本発明の熱処理モジュール１０を用いてウエハＷの環状凸部１が下面側に形成されている場合の熱処理の動作について図５（ａ）から図６（ｃ）を用いて説明を行なう。図５（ａ）はウエハＷを受取る前の待機状態の熱処理モジュール１０を示す。リング状シャッタ１８と周縁保持部１６は下降されており、処理空間２０は開放された状態にあり、搬入されるウエハＷを一旦受け取って支持するためピン部１３は上昇位置にある。次に、図示しない基板搬送機構より搬送されたデバイス形成領域Ｄが上面となるウエハＷが、図５（ｂ）のようにピン部１３上に支持される。

次に図５（ｃ）のように周縁保持部１６を上昇させ、ピン部１３上のウエハＷを受け取り周縁保持部１６の水平面１６ａに、ウエハＷの周縁部を載せる。このときにガイド３０によるアライメントが機能してウエハＷの位置が規制される。ガイド３０によってアライメントが完了して、ウエハＷが所定位置にガイドされた後にバキューム孔２８によりウエハＷの環状凸部１が吸着保持される。なお確実に吸着保持するためにバキューム孔２８の開口部にはゴム材のＯリングが設けられていても良い。周縁保持部１６にウエハＷが吸着、保持された後にピン部１３は下降する。

次に、図６（ａ）のように周縁保持部１６がウエハＷの周縁部の環状凸部１を吸着した状態で周縁保持部１６を下降させ、基板載置部１１の頂部面１１ｂに近づいた位置で吸引を解除し、そのまま周縁保持部１６の下降を継続する。これによりウエハＷは基板載置部１１の第２段部２６にウエハＷの凹部２が嵌るように載置され、デバイス形成領域Ｄに適切な熱処理を施すことができる。なお、下降させるときにウエハＷを吸着させて下降を行っているが、ウエハＷが周縁保持部１６のガイド３０による規制位置にあれば必ずしも吸着はしなくても良い。また、基板載置部１１の頂部面１１ｂの中心付近や周縁付近に、載置したウエハＷの吸着が出来る複数の吸引孔（図示せず）を備えることで、ウエハＷの反りを矯正して載置させることもできる。

次に、図６（ｂ）のようにリング状シャッタ１８を上昇させて蓋体９の下面と当接する位置まで上昇させることで、基板載置部１１の上方に処理空間２０が形成されて熱処理が行われる。なおウエハＷを保持した周縁保持部１６を下降させる前にリング状シャッタ１８を上昇させて処理空間２０を形成しても良く、これらを同時に動作させても良い。

図２に記載の制御部２７は、上記した一連の動作を制御し、また熱処理レシピの所定時間が経過後に図６（ｃ）に示したように、リング状シャッタ１８を下降させて処理空間２０を開放した後に、ピン部１３を上昇させてウエハＷを支持させる制御を行なう。この後に次のウエハを処理するため、基板搬送機構（図示せず）によってウエハＷの入替を行ない、熱処理後のウエハＷは当該基板搬送機構によって搬出される。なお、制御部２７により熱処理モジュールの各昇降機構のアクチュエータの動作、ヒータによる温度制御、処理時間の管理がなされる。

次に、この発明に係る熱処理装置に、例えば併設されて使用される冷却処理機構について説明する。熱処理装置での熱処理が終了した後、ウエハＷは速やかに冷却処理に付されることがあり、当該冷却処理機構は、かかる場合に適した構成を有している。以下に、そのような用途に適したウエハＷの冷却機能を備え、かつ搬入搬出機構の機能を有する移載冷却プレートとして具体化した例を説明する。図７（ａ）は移載冷却プレート３１の平面図であり、図７（ｂ）は側面図である。この移載冷却プレート３１も、既述した熱処理モジュール１０における基板載置部１１と同様に段差を備えている。すなわち。移載冷却プレート３１は、下側から順に第１段部３１ａと、第１段部３１ａよりも径の小さい第２段部３１ｂを有している。第１段部３１ａ、第２段部３１ｂは、いずれも平面視が円形であり、同心円状に構成されている。そして第２段部３１ｂは、ウエハＷの凹部２と適合する大きさ、形状を有している。したがって、ウエハＷの凹部２が下向きのときは第２段部３１ｂに嵌る寸法となっている。

移載冷却プレート３１は、前記した熱処理モジュール１０側のピン部１３に対応した位置に、ピン部回避スリット３２が２列設けられており、図示しない水平移動機構と取付け部３３により移載冷却プレート３１が連結されて、前記した熱処理モジュール１０の基板載置部１１側に移動させることが出来る。熱処理モジュール１０のピン部１３が下降した状態で、第２段部３１ｂに嵌った状態のウエハＷを、熱処理モジュール１０の基板載置部１１の上方に進出させた後に、基板載置部１１のピン部１３を上昇させて、ウエハＷを移載冷却プレート３１の上面よりも高い位置で支持し、次いで移載冷却プレート３１を後退させることで熱処理モジュール１０側にウエハＷを受け渡すことが出来る。

次いで熱処理モジュール１０での熱処理終了後は、逆の順にてウエハＷを移載冷却プレート３１の段差、すなわち第２段部３１ｂの外周にウエハＷの凹部２が嵌るように載置してウエハＷを移載冷却プレート３１に移載し、移動する移載冷却プレート３１上でウエハＷに対して冷却処理を行うことができる。これにより例えばポストエクスポージャベーク（ＰＥＢ）において、化学増幅型レジストのパターン処理がなされたウエハＷの熱による酸の反応を、速やかに冷却して停止することが出来る。

前述した基板搬送装置で搬入されるウエハＷの上面に環状凸部１を有する場合、すなわち凹部２がウエハＷの上面に形成されている場合には、制御部２７が、前記ピン昇降機構１４の上昇位置をウエハＷの厚み幅と同等の距離分、ピン部１３の位置を下げるように制御する。すなわちウエハＷの向き、つまり環状凸部１の向きでピン部１３の昇降位置をオフセットして調整する。あるいは、周縁保持部昇降機構１７を制御して、周縁保持部１６の高さをウエハＷの厚み幅と同等の距離を上昇させてもよい。

以上の実施の形態は、レジスト塗布現像処理装置の熱処理モジュールに適用した場合について説明したが、本発明はかかる例に限らず、もちろん他の装置構成、システム構成における加熱処理装置にも適用できる。さらに冷却処理を行う冷却モジュール、冷却処理装置にも適用することが出来る。この場合、基板載置部の頂部面を冷却する冷却手段を、たとえば基板載置部に設けることが提案できる。冷却手段としては例えば、冷却水、温調水、エア等の流体の流路を基板載置部内に設けたり、ペルチェ素子を基板載置部に設けることが例示できる。

Ｗ ウエハ
１ 環状凸部
２ 凹部
９ 蓋体
１０ 熱処理モジュール
１１ 基板載置部
１１ａ 水平部
１１ｂ 頂部面
１２ ピン孔
１３ ピン部
１４ ピン昇降機構
１５ ヒータ
１６ 周縁保持部
１７ 周縁保持部昇降機構
１８ リング状シャッタ
１９ リングシャッタ昇降機構
２０ 処理空間
２１ 排気管
２５ 第１段部
２６ 第２段部
２７ 制御部
２８ バキューム孔
２９ バキュームライン
３０ ガイド
３１ 移載冷却プレート
３２ ピン部回避スリット

Claims (8)

1. 基板に熱処理を行う熱処理装置であって、
   前記基板を載置する円形の頂部面を持つ基板載置部と、
   前記頂部面を所定温度に加熱または冷却する加熱手段または冷却手段と、
   前記頂部面を貫通して配置され、前記基板載置部の表面上方で基板を支持する複数のピン部と、
   前記ピン部を前記基板載置部の表面から出没自在に昇降させるピン昇降機構と、
   前記頂部面の外周側方で前記基板の周縁部を保持する複数の周縁保持部と、
   前記周縁保持部を昇降自在に昇降させる周縁保持部昇降機構と、
   制御部とを有し、
   さらに前記基板載置部との間で基板を受け渡し可能な移載冷却プレートを備え、
   前記移載冷却プレートは、前記基板を載置する円形の頂部面を中央部に有し、
   前記制御部は、前記ピン昇降機構及び前記周縁保持部昇降機構の動作を制御するように構成されていることを特徴とする熱処理装置。
2. 前記制御部は、前記ピン部の上昇位置で前記基板が前記ピン部に支持された状態で、前記周縁保持部を上昇させて前記基板の周縁部を支持し、
   その後前記ピン部を下降させ、その後前記周縁保持部を下降させて前記基板を基板載置部に載置するように、前記ピン昇降機構及び前記周縁保持部昇降機構の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記周縁保持部は頂部に水平面を有し、
   前記基板を当該水平面で支持するときに、前記基板の周縁端部が接触すると当該基板を前記基板載置部の中心方向に誘導するためのガイド部材を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の熱処理装置。
4. 前記周縁保持部は、頂部に前記基板の裏面の周縁部を吸着するための吸着孔を有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
5. 前記基板載置部を囲みかつ昇降自在なリング状シャッタと、
   前記基板載置部と対向配置され、前記基板載置部を覆う蓋体と、を有し、
   前記リング状シャッタを上昇させて前記蓋体に当接させることにより、前記基板載置部上に処理空間が形成されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
6. 前記基板は、下面の周縁部に環状凸部を有し、当該環状凸部の内側に平坦な凹部面を有する基板であり、
   前記熱処理は、前記基板載置部の頂部面に前記凹部面を嵌めて行なわれることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱処理装置。
7. 前記基板は、上面の周縁部に環状凸部を有し、当該環状凸部の内側に平坦な凹部面を有する基板であり、
   前記熱処理は、前記凹部面に対応する基板裏面側を前記基板載置部の頂部面に載置して行なわれることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱処理装置。
8. 前記制御部は、熱処理される基板が、上面の周縁部に前記環状凸部を有する場合には、
   前記ピン部の上昇位置を、前記基板の凹部面の厚み幅分の距離を下げて上昇させるように前記ピン昇降機構を制御するか、または周縁保持部の高さを、前記厚み幅分の距離を上昇させるように前記周縁保持部昇降機構を制御することを特徴とする、請求項７に記載の熱処理装置。

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