JP7313208B2

JP7313208B2 - 基板処理方法

Info

Publication number: JP7313208B2
Application number: JP2019119027A
Authority: JP
Inventors: 貴士中澤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2023-07-24
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: JP2021005648A

Description

本開示は、基板処理方法に関する。

従来、半導体部品やフラットディスプレイや電子部品などの製造工程においては、半導体ウエハや液晶基板やディスク状記憶媒体などの基板の表面に生成された酸化膜やレジスト膜などを除去するために、基板を洗浄する基板処理装置が利用されている。基板の洗浄には、例えば、硫酸と過酸化水素水とを混合した硫酸過酸化水素水（sulfuric acid／hydrogen peroxide mixture：ＳＰＭ）が洗浄液として用いられる。

処理液の消費量を低減しながら処理の均一性を高めるために、硫酸過酸化水素水の流路を複数の流路に分岐し、複数の流路に主吐出口及び副吐出口を設け、更に、流路の途中にヒータを設けた基板処理装置が提案されている（特許文献１）。

特開２０１６－１５７８５１号公報

本開示は、容易に処理の面内均一性を向上することができる基板処理方法を提供する。

本開示の一態様による基板処理方法は、基板を保持して回転させる工程と、回転している前記基板に向けて処理液を吐出する工程と、回転している前記基板の径方向のＮ箇所（Ｎは２以上の整数）に、前記処理液よりも低温の冷却ガスを吐出する工程と、を有し、前記冷却ガスの吐出前よりも前記冷却ガスの吐出後で前記処理液の前記基板の径方向における温度差が小さくなるように前記冷却ガスを吐出し、回転している前記基板に向けて前記処理液が吐出された時に前記基板上に濡れ広がる前記処理液の温度分布を示す第１のデータと、前記処理液に前記冷却ガスを吐出した時の前記冷却ガスの流量と前記処理液の温度の降下量との関係を示す第２のデータと、を予め取得しておき、前記第１のデータ及び前記第２のデータに基づいて前記Ｎ箇所のそれぞれについて前記冷却ガスの流量を設定する工程を有する。

本開示によれば、容易に処理の面内均一性を向上することができる。

第１の実施形態に係る基板処理装置を示す図である。第１の実施形態に係る基板処理装置に含まれる気液供給部を示す図である。第１の実施形態に係る基板処理装置における冷却ガスの供給経路を示す図である。第１の実施形態に係る基板処理装置による基板処理方法を示すフローチャートである。ウエハの温度分布を示す図である。冷却ガスの流量の分布を示す模式図である。第２の実施形態に係る基板処理装置による基板処理方法を示すフローチャートである。冷却ガスの供給経路の変形例を示す図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して説明を省略することがある。本明細書において、下方とは鉛直下方を意味し、上方とは鉛直上方を意味する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る基板処理装置を示す図である。図２は、第１の実施形態に係る基板処理装置に含まれる気液供給部を示す図である。図３は、第１の実施形態に係る基板処理装置における冷却ガスの供給経路を示す図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る基板処理装置は、チャンバ２と、アウタカップ３と、インナカップ４と、回転モータ５と、スピンチャック８とを有する。アウタカップは３円筒状の形状を有し、チャンバ２の内部に配置されている。インナカップ４はアウタカップ３の内側に昇降自在に取り付けられている。回転モータ５はインナカップ４の内側中央部に載置されている。スピンチャック８は回転モータ５の駆動軸６の先端に取り付けられており、ウエハＷを保持しながら水平回転させる。インナカップ４には、昇降機構９が連結されている。ウエハＷは基板の一例である。回転モータ５、駆動軸６及びスピンチャック８が基板回転部に含まれる。

基板処理装置１は気液供給部１０を有する。気液供給部１０は、駆動部１１と、洗浄液ノズル２０と、冷却ガスノズル３０とを有する。図１及び図２に示すように、洗浄液ノズル２０及び冷却ガスノズル３０は互いに平行に延び、駆動部１１に固定されている。駆動部１１は洗浄液ノズル２０及び冷却ガスノズル３０をウエハＷの上方でウエハＷの半径方向に移動させる。洗浄液ノズル２０は先端に洗浄液吐出口２１を有する。洗浄液ノズル２０には、洗浄液供給源２２が流量調整部２３を介して接続されている。冷却ガスノズル３０はウエハＷの上方にＮ個（Ｎは２以上の整数）の冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎを有する。冷却ガスノズル３０には、冷却ガス供給源３２が流量調整部３３を介して接続されている。図３に示すように、冷却ガスの供給経路は、冷却ガス供給源３２と冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎとの間でＮ個に分岐しており、流量調整部３３は、分岐したＮ個の供給路毎に流量調整バルブ３３－１～３３－Ｎを有する。つまり、冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎは互いに独立して流量調整バルブ３３－１～３３－Ｎに接続されている。例えば、洗浄液は硫酸過酸化水素水（ＳＰＭ）であり、冷却ガスは窒素（Ｎ_２）ガスである。洗浄液は処理液の一例である。硫酸過酸化水素水は、硫酸と過酸化水素水とを混合することで生成することができるが、混合の際に硫酸と過酸化水素水とが反応して発熱する。また、発熱の程度は硫酸と過酸化水素水との混合比に依存する。例えば、洗浄液供給源２２における洗浄液の温度は１００℃～１２０℃程度であり、冷却ガス供給源３２における冷却ガスの温度は２０℃～３０℃程度の常温である。

冷却ガス吐出孔３１－１がウエハＷの洗浄時にウエハＷの回転中心の直上に位置する。冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎは、冷却ガス吐出孔３１－１、冷却ガス吐出孔３１－２、・・・、冷却ガス吐出孔３１－Ｎの順に駆動部１１に向かって配置されている。冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎは、例えば一定間隔で並んでいる。例えば、ウエハＷの直径が３００ｍｍの場合、冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎは１０ｍｍ～３０ｍｍの一定間隔で並んでいる。

洗浄液ノズル２０は、上記のように、冷却ガスノズル３０と平行に延びる。例えば、洗浄液ノズル２０と冷却ガスノズル３０との間の距離は２０ｍｍ～４０ｍｍ程度である。従って、洗浄液吐出口２１は、ウエハＷの洗浄時にウエハＷの回転中心の直上から２０ｍｍ～４０ｍｍ程度離間する。

スピンチャック８には、半径方向に並ぶＭ個（Ｍは２以上の整数）の温度センサ１２－１～１２－Ｍが設けられている。温度センサ１２－１がウエハＷの回転中心の直下に位置する。温度センサ１２－１～１２－Ｍは、温度センサ１２－１、温度センサ１２－２、・・・、温度センサ１２－Ｍの順に外周部に向かって配置されている。温度センサ１２－１～１２－Ｍは、例えば一定間隔で並んでいる。例えば、ウエハＷの直径が３００ｍｍの場合、温度センサ１２－１～１２－Ｍは１０ｍｍ～２０ｍｍの一定間隔で並んでいる。温度センサ１２－１～１２－Ｍは、それぞれウエハＷの直上の部分の温度を検知する。冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎの数Ｎと温度センサ１２－１～１２－Ｍの数Ｍとは互いに等しくても相違していてもよい。温度センサ１２－１～１２－Ｍは、例えば赤外線（ＩＲ）センサである。

基板処理装置１は、回転モータ５と、昇降機構９と、駆動部１１と、流量調整部２３と、流量調整部３３とを制御する制御部３７を有する。制御部３７には、温度センサ１２－１～１２－Ｍによる温度の検知結果が入力される。制御部３７は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）からなるコントローラ３８と、コントローラ３８に接続された記憶媒体３９とを有する。記憶媒体３９は、各種の設定データやプログラムを格納しており、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリや、ハードディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭやフレキシブルディスクなどのディスク状記憶媒体などの公知のもので構成される。

次に、第１の実施形態における基板処理方法について説明する。基板処理装置１は、記憶媒体３９に記録された基板処理プログラムにしたがって、以下に説明するように、ウエハＷの洗浄処理を行う。図４は、第１の実施形態に係る基板処理装置１による基板処理方法を示すフローチャートである。

まず、駆動部１１が洗浄液ノズル２０及び冷却ガスノズル３０を駆動し、冷却ガス吐出孔３１－１をウエハＷの回転中心の直上に位置させる（ステップＳ１１）。

次いで、ウエハＷを回転させ、温度センサ１２－１～１２－ＭによりウエハＷのＭ箇所の温度を測定し、ウエハＷの温度分布を取得する（ステップＳ１２）。

その後、冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎの各々から吐出する冷却ガスの初期流量を設定する（ステップＳ１３）。初期流量は冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎの間で等しくてもよく、また、それまでの他のウエハの処理における温度分布に基づいて冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎ毎に相違していてもよい。例えば、後述の第２の実施形態における第１のデータ及び第２のデータから計算される流量を用いてもよい。

続いて、流量調整部２３を調整して洗浄液吐出口２１から洗浄液を吐出するとともに、流量調整バルブ３３－１～３３－Ｎを調整して冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎから冷却ガスを吐出する（ステップＳ１４）。

その後、温度センサ１２－１～１２－ＭによりウエハＷのＭ箇所の温度を測定し、ウエハＷの温度分布を取得する（ステップＳ１５）。

続いて、温度センサ１２－１～１２－Ｍにより検知される温度が均一になるように、冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎから吐出される冷却ガスの流量を調整する（ステップＳ１６）。例えば、温度センサ１２－１～１２－ＭのうちでウエハＷの縁に最も近く位置する温度センサ１２－Ｍにより検知される温度が最も低くなりやすい。この場合、温度センサ１２－１～１２－（Ｍ－１）により検知される各温度が、温度センサ１２－Ｍにより検知される温度と等しくなるように流量調整バルブ３３－１～３３－Ｎを調整する。

そして、予め定められた所定の洗浄時間が経過するまでステップＳ１５～Ｓ１６の処理を繰り返す（ステップＳ１７）。

所定の洗浄時間が経過すると、洗浄液の吐出及び冷却ガスの吐出を停止し（ステップＳ１８）、駆動部１１が洗浄液ノズル２０及び冷却ガスノズル３０を駆動し、冷却ガス吐出孔３１－１をウエハＷの上方から退避させる（ステップＳ１９）。

このようにして、ウエハＷの洗浄処理が行われる。

ここで、ウエハＷの温度分布について説明する。図５は、ウエハＷの温度分布を示す図である。図５（ａ）には、冷却ガスの吐出が行われていない場合の温度分布を示し、図５（ｂ）には、冷却ガスの吐出を行われている場合の温度分布を示す。図５には、一例として、直径が３００ｍｍのウエハＷの温度分布を示している。図６は、冷却ガスの流量の分布を示す模式図である。

冷却ガスの吐出が行われていない場合、ウエハＷは回転し、洗浄液はウエハＷの回転中心から２０ｍｍ～４０ｍｍ程度離間した位置に吐出される。また、ウエハＷの回転に伴って洗浄液は遠心力によりウエハＷの中心近傍から縁に向かって流れ、洗浄液の温度はウエハＷ上を流れている間に低下する。このため、図５（ａ）に示すように、洗浄液が吐出される位置でウエハＷの温度が温度Ｔ_２と最も高く、縁でウエハＷの温度が温度Ｔ_１と最も低くなる。

図５（ａ）に示される温度分布は温度センサ１２－１～１２－Ｍにより検知することができる。本実施形態では、制御部３７が温度センサ１２－１～１２－Ｍによる検知結果を取得し、ウエハＷの面内の温度分布を均一にすべく、図６に示すように、冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎの各々から吐出される冷却ガス４０の流量を、流量調整バルブ３３－１～３３－Ｎを通じて制御する。すなわち、洗浄液が吐出される位置の近傍で冷却ガスの流量を最も高くし、ウエハＷの縁の近傍で冷却ガスの流量を最も低くする。この結果、図５（ｂ）に示すように、洗浄液が吐出される位置でのウエハＷの温度と縁での温度との差が小さくなり、ウエハＷの温度の面内均一性が向上する。ウエハＷの温度の面内均一性を向上することで、エッチングレートの面内均一性を向上することができる。図６に示すように、洗浄液５０は、洗浄液吐出口２１からウエハＷの回転中心から離間した位置に吐出される。

このように、第１の実施形態によれば、洗浄液の温度の面内均一性を容易に向上することができる。従って、洗浄液を用いた洗浄処理の面内均一性を容易に向上することができる。

なお、冷却ガスを用いずに洗浄液ノズル２０を搖動させて洗浄液の温度の面内均一性を調整することも可能ではあるが、この場合には、洗浄液ノズル２０をどのタイミングでどの場所に移動させるかを示すレシピの作成が煩雑になる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、洗浄液の温度変化の傾向を予め取得しておき、この温度変化の傾向に基づいて冷却ガスの流量を調整する点で第１の実施形態と相違する。

第２の実施形態では、洗浄液の温度変化の傾向に関するデータを記憶媒体３９に記憶させておく。具体的には、記憶媒体３９は、第１のデータとして、回転しているウエハＷに向けて洗浄液が吐出された時にウエハＷ上に濡れ広がる洗浄液の温度分布を示すデータを記憶する。例えば、「洗浄液吐出口２１の直下での洗浄液の温度を基準として、ウエハＷの回転中心での温度は－１．０℃、ウエハＷの回転中心から７５ｍｍ離れた位置での温度は－２．５℃、ウエハＷの回転中心から１５０ｍｍ離れた位置での温度は－５．０℃」のようなデータを記憶する。記憶媒体３９は、第２のデータとして、洗浄液に冷却ガスを吐出した時の冷却ガスの流量と洗浄液の温度の降下量との関係を示すデータを記憶する。例えば、「洗浄液の温度は、０．７ｌ／ｍの流量で冷却ガスが吐出されると１．０℃降温し、２．０ｌ／ｍの流量で冷却ガスが吐出されると５．０℃降温する」のようなデータを記憶する。第１のデータ及び第２のデータは関数として記憶されていてもよく、テーブルとして記憶されていてもよい。

第１のデータ及び第２のデータは、例えばダミーウエハを用いた試験を前もって行っておくことで容易に取得することができる。

ここで、第２の実施形態における基板処理方法について説明する。基板処理装置１は、記憶媒体３９に記録された基板処理プログラムにしたがって、以下に説明するように、ウエハＷの洗浄処理を行う。図７は、第２の実施形態に係る基板処理装置１による基板処理方法を示すフローチャートである。

まず、駆動部１１が洗浄液ノズル２０及び冷却ガスノズル３０を駆動し、冷却ガス吐出孔３１－１をウエハＷの回転中心の直上に位置させる（ステップＳ２１）。

次いで、ウエハＷを回転させ、第１のデータに示される温度の不均一性を抑制するために好適な冷却ガスの流量を、第２のデータを用いて算出し、算出結果を冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎから吐出する冷却ガスの流量として設定する（ステップＳ２２）。

その後、流量調整部２３を調整して洗浄液吐出口２１から洗浄液を吐出するとともに、流量調整バルブ３３－１～３３－Ｎを調整して冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎから冷却ガスを吐出する（ステップＳ２３）。

そして、第２の実施形態では、予め定められた所定の洗浄時間が経過するまでステップＳ２２で設定した流量での冷却ガスの吐出を継続する（ステップＳ２４）。

所定の洗浄時間が経過すると、洗浄液の吐出及び冷却ガスの吐出を停止し（ステップＳ２５）、駆動部１１が洗浄液ノズル２０及び冷却ガスノズル３０を駆動し、冷却ガス吐出孔３１－１をウエハＷの上方から退避させる（ステップＳ２６）。

このようにして、ウエハＷの洗浄処理が行われる。

第２の実施形態によっても、洗浄液の温度の面内均一性を容易に向上することができ、洗浄液を用いた洗浄処理の面内均一性を容易に向上することができる。

なお、第１のデータとして、洗浄液吐出口２１から吐出されてウエハＷに到達した時の洗浄液の温度毎に異なるデータが用いられてもよい。例えば、次のようなデータが用いられてもよい。

（１）ウエハＷに到達した時の洗浄液の温度が１２０℃であれば、洗浄液吐出口２１の直下での洗浄液の温度を基準として、ウエハＷの回転中心での温度は－１．０℃、ウエハＷの回転中心から７５ｍｍ離れた位置での温度は－２．５℃、ウエハＷの回転中心から１５０ｍｍ離れた位置での温度は－５．０℃
（２）ウエハＷに到達した時の洗浄液の温度が１１５℃であれば、洗浄液吐出口２１の直下での洗浄液の温度を基準として、ウエハＷの回転中心での温度は－０．８℃、ウエハＷの回転中心から７５ｍｍ離れた位置での温度は－２．３℃、ウエハＷの回転中心から１５０ｍｍ離れた位置での温度は－４．５℃

この場合、平面視で洗浄液吐出口２１と重なる位置又はその直近に温度センサ１２－１～１２－Ｍのいずれかが配置されていることが好ましい。平面視で洗浄液吐出口２１と重なる位置又はその直近に配置された温度センサの検知結果に基づいて、ウエハＷに到達した時の洗浄液の温度を推定できるからである。

また、第１のデータとして、ウエハＷの縁での洗浄液の温度毎に異なるデータが用いられてもよい。例えば、次のようなデータが用いられてもよい。

（１）ウエハＷの縁での洗浄液の温度が９０℃であれば、ウエハＷの縁での洗浄液の温度を基準として、ウエハＷの回転中心での温度は＋４．０℃、洗浄液吐出口２１の直下での温度は＋５．０℃、ウエハＷの回転中心から７５ｍｍ離れた位置での温度は＋２．５℃
（２）ウエハＷの縁での洗浄液の温度が９５℃であれば、ウエハＷの縁での洗浄液の温度を基準として、ウエハＷの回転中心での温度は＋３．７℃、洗浄液吐出口２１の直下での温度は＋４．５℃、ウエハＷの回転中心から７５ｍｍ離れた位置での温度は＋２．２℃

この場合、平面視でウエハＷの縁と重なる位置又はその直近に温度センサ１２－Ｍが配置されていることが好ましい。温度センサ１２－Ｍの検知結果に基づいて、ウエハＷの縁における洗浄液の温度を推定できるからである。

また、洗浄液及び冷却ガスの吐出を開始した後に、適宜、温度センサ１２－１～１２－Ｍの検知結果を取得して冷却ガス吐出孔から吐出される冷却ガスの流量を調整してもよい。

洗浄液の温度と冷却ガスの温度との間の差が大きいほど、冷却ガスの吐出による洗浄液の温度の微調整が困難となる。このため、図８に示すように、冷却ガス供給源３２と流量調整部３３との間に、冷却ガスの温度を調整する温度調整部３４を設けてもよい。例えば、冷却ガス供給源３２から常温の冷却ガスが供給される場合に、温度調整部３４により冷却ガスを５０℃～６０℃程度の温度に加熱してもよい。また、冷却ガスの供給経路の分岐点よりも冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎ側に、分岐した供給経路毎に温度調整部を設けてもよい。

冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎの開口径は、互いに等しくても相違していてもよい。例えば、ウエハＷの回転中心からの距離が、洗浄液吐出口２１のウエハＷの回転中心からの距離に最も近い冷却ガス吐出孔の開口径が最も大きく、ここから離間するほど開口径が小さくなっていてもよい。

ウエハＷの温度分布によっては、冷却ガス吐出孔３１－１～３１－Ｎのすべてから冷却ガスを吐出させる必要はなく、一部の冷却ガス吐出孔からの冷却ガスの吐出を停止してもよい。また、冷却ガスの吐出は連続的に行ってもよく、断続的に行ってもよい。

洗浄処理中に洗浄液ノズル２０及び冷却ガスノズル３０の位置が固定されている必要はなく、例えば、冷却ガス吐出孔３１－１がウエハＷの回転中心の直上に位置する時間帯と、洗浄液吐出口２１がウエハＷの回転中心の直上に位置する時間帯が交互に設けられていてもよい。また、冷却ガスノズル３０を駆動する駆動部と、洗浄液ノズル２０を駆動する駆動部とが別々に設けられていて、洗浄処理中に冷却ガスノズル３０がウエハＷの上方で洗浄液ノズル２０から独立して移動してもよい。

温度センサ１２－１～１２－Ｍに代えて放射温度計又は赤外線カメラが用いられてもよい。温度センサ１２－１～１２－Ｍ、放射温度計、赤外線カメラの設置位置は、ウエハＷの温度を検知できれば限定されない。

冷却ガスがウエハＷの回転中心に吐出されなくてもよい。例えば、平面視で、冷却ガス吐出孔３１－１と洗浄液吐出口２１との間にウエハＷの回転中心が位置してもよい。

また、冷却ガスをウエハＷの裏面に吐出してもよい。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１基板処理装置
１０気液供給部
１１駆動部
１２－１～１２－Ｍ温度センサ
２０洗浄液ノズル
２１洗浄液吐出口
３０冷却ガスノズル
３１－１～３１－Ｎ冷却ガス吐出孔
３２冷却ガス供給源
３３流量調整部
３３－１～３３－Ｎ流量調整バルブ
３４温度調整部
３７制御部
３８コントローラ
３９記憶媒体
４０冷却ガス
５０洗浄液

Claims

基板を保持して回転させる工程と、
回転している前記基板に向けて処理液を吐出する工程と、
回転している前記基板の径方向のＮ箇所（Ｎは２以上の整数）に、前記処理液よりも低温の冷却ガスを吐出する工程と、
を有し、
前記冷却ガスの吐出前よりも前記冷却ガスの吐出後で前記処理液の前記基板の径方向における温度差が小さくなるように前記冷却ガスを吐出し、
回転している前記基板に向けて前記処理液が吐出された時に前記基板上に濡れ広がる前記処理液の温度分布を示す第１のデータと、前記処理液に前記冷却ガスを吐出した時の前記冷却ガスの流量と前記処理液の温度の降下量との関係を示す第２のデータと、を予め取得しておき、
前記第１のデータ及び前記第２のデータに基づいて前記Ｎ箇所のそれぞれについて前記冷却ガスの流量を設定する工程を有することを特徴とする基板処理方法。
前記冷却ガスは、前記基板の前記処理液が吐出される面と同じ面に向けて吐出されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理方法。