KR20190120348A - 가스 클러스터 처리 장치 및 가스 클러스터 처리 방법 - Google Patents

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다다시 쇼조
게이타 가네히라
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
이와타니 산교 가부시키가이샤
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Abstract

기판(S)에 가스 클러스터를 조사하여 기판 S에 소정의 처리를 행하는 가스 클러스터 처리 장치(100)는, 처리 용기(1)와, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부(13)와, 가스 공급부(13)로부터 공급되는 가스의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(14)와, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스가 소정의 공급 압력으로 공급되어, 그 가스를 진공 유지된 처리 용기 내에 분출하여 단열 팽창에 의해 클러스터화시키는 클러스터 노즐(11)과, 매스 플로우 컨트롤러(14)와 클러스터 노즐(11) 사이의 배관(12)에 마련되어, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스의 공급 압력을 제어하는 배압 제어기(17)를 갖는 압력 제어부(15)를 구비한다.

Description

가스 클러스터 처리 장치 및 가스 클러스터 처리 방법
본 발명은 가스 클러스터 처리 장치 및 가스 클러스터 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 과정에 있어서는, 기판에 부착되어 있는 파티클이 제품의 결함으로 연결되기 때문에, 기판에 부착된 파티클을 제거하는 세정 처리가 행해진다. 이와 같은 기판 세정 처리를 행하기 위한 기술로서는, 기판 표면에 가스 클러스터를 조사하여, 그 물리적인 작용에 의해 기판 표면의 파티클을 제거하는 기술이 주목받고 있다.
가스 클러스터를 기판 표면에 조사하는 기술로서는, CO2 등의 클러스터 생성용 가스를 고압으로 하여 노즐로부터 진공 중에 분사하고, 단열 팽창에 의해 가스 클러스터를 생성시켜, 생성된 가스 클러스터를 이온화부에서 이온화하고, 이것을 가속 전극에 의해 가속하여 형성된 가스 클러스터 이온 빔을 기판에 조사하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
또한, CO2 등의 클러스터 생성용 가스 및 He 등의 가속용 가스의 복수의 가스를 노즐로부터 진공 중에 분사하고, 단열 팽창에 의해 생성된 중성의 가스 클러스터를 기판에 조사하는 기술도 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
노즐로부터 조사되는 가스 클러스터의 직경은 가스의 공급 압력에 의해 결정되기 때문에, 가스 공급 압력을 제어하는 것이 필요하지만, 특허문헌 1, 2에도 기재되어 있는 바와 같이, 종래는 가스의 공급 압력을 주로 가스의 공급 유량으로 제어하고 있다. 즉, 가스의 공급 압력과 공급 유량은 비례하기 때문에, 가스의 공급 유량을 제어함으로써 가스의 공급 압력을 제어할 수 있다. 또한, 특허문헌 2에 개시된 바와 같이, 공급 압력의 미세 조정은 압력 조정 밸브를 사용하여 행하고 있다.
일본 특허 공표 제2006-500741호 공보 일본 특허 공개 제2013-175681호 공보
가스의 공급 유량은 통상 매스 플로우 컨트롤러(내부의 유로에 있어서의 가스의 질량 유량에 비례한 온도 변화를 파악하고, 전기 신호로 변환하여, 외부로부터의 설정 유량에 대응하는 전기 신호에 기초하여, 유량 제어 밸브를 작동시켜, 설정된 유량으로 제어함)에 의해 제어되지만, 매스 플로우 컨트롤러에 의한 유량 제어에서는, 설정 압력에 도달할 때까지는 장시간을 요하게 되어 버린다. 또한, 설정 공급 압력에 대응하는 공급량보다도 가스의 공급량을 증가시켜 설정 공급 압력에 도달하는 시간을 단축하고자 하면, 공급 압력이 압력 조정 밸브에 의해 설정한 압력에 비해 오버슈트되어, 압력의 제어성이 저하되어 버린다. 또한, 이와 같은 오버슈트가 생기면, 매스 플로우 컨트롤러 하류측의 압력이 상승하여 매스 플로우 컨트롤러 전후의 차압이 생기지 않아 가스 공급량의 제어 자체를 할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 기판에 가스 클러스터를 조사하여 기판 처리를 행할 때에, 단시간에 가스 클러스터의 생성에 필요한 가스 공급 압력에 도달시킬 수 있으며, 또한 가스 공급 압력의 제어성이 양호한 기술을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 제1 관점에 의하면, 피처리체에 가스 클러스터를 조사하여 피처리체에 소정의 처리를 행하는 가스 클러스터 처리 장치이며, 피처리체가 배치되는 처리 용기와, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 가스 공급부로부터 공급되는 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기와, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스가 소정의 공급 압력으로 공급되고, 상기 가스를 진공 유지된 처리 용기 내에 분출하여 상기 가스를 단열 팽창에 의해 클러스터화시키는 클러스터 노즐과, 상기 유량 제어기와 상기 클러스터 노즐 사이의 배관에 마련되고, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스의 공급 압력을 제어하는 배압 제어기를 갖는 압력 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치가 제공된다.
상기 압력 제어부는, 상기 배관으로부터 분기되는 분기 배관을 갖고, 상기 배압 제어기는 상기 분기 배관에 마련되어, 상기 배관으로부터의 가스가 상기 배압 제어기에 흘러서 배기되도록 구성되고, 상기 배압 제어기는, 그 1차측의 압력이 상기 소정의 공급 압력이 되도록 설정되고, 상기 1차측의 압력이 상기 소정의 공급 압력에 도달한 시점에서, 상기 배압 제어기를 통해 여분의 가스가 배기되도록 할 수 있다.
상기 배압 제어기로서, 상기 분기 배관에 직렬로 마련된 제1 배압 제어기 및 제2 배압 제어기를 갖고, 상기 제1 배압 제어기로서 차압 범위가 좁은 고정밀도의 것이 사용됨과 함께, 상기 제1 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 공급 압력의 설정값이 되도록 설정되고, 상기 제2 배압 제어기로서 차압 범위가 상기 제1 배압 제어기보다도 넓은 것이 사용됨과 함께, 상기 제2 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 압력의 설정값보다도 낮은 값이 되도록 설정되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유량 제어기의 설정 유량을 제어하는 제어 수단을 추가로 갖고, 상기 제어 수단은, 상기 가스 공급부로부터 공급되는 상기 가스의 공급 압력이 상기 소정의 공급 압력에 도달할 때까지, 상기 유량 제어기의 설정 유량을, 상기 소정의 공급 압력에 도달하는데 필요한 유량을 초과하는 제1 유량으로 제어하고, 상기 압력 제어부는, 상기 배압 제어기에 흐르는 가스의 유량을 계측하는 유량 계측기를 갖고, 상기 제어 수단은, 해당 유량 계측기의 계측값에 기초하여, 상기 유량 제어기의 설정값을, 상기 소정의 공급 압력을 유지하는 것이 가능한 유량보다 크고, 또한, 상기 제1 유량보다 작은 제2 유량으로 제어할 수 있다.
상기 가스 공급부는, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스로서, 적어도 2종류의 가스를 별개로 공급하고, 상기 유량 제어기로서, 상기 적어도 2종류의 가스의 각각에 대응하는 적어도 두 유량 제어기를 갖고, 상기 적어도 2종류의 가스는, 상기 적어도 두 유량 제어기의 하류측에서 상기 배관에 합류하고, 상기 압력 제어부는, 상기 배관의 상기 적어도 2종류의 가스 모두가 합류한 부분에 마련되도록 할 수 있다.
상기 배관의 상기 압력 제어부가 마련된 부분보다도 상류측에 마련되고, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를 승압하는 승압기를 추가로 가져도 된다. 또한, 상기 압력 제어부는, 상기 배관으로부터 상기 배압 제어기를 바이패스하여 배기하는 바이패스 유로와, 바이패스 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 추가로 갖고, 가스 클러스터 처리 후에 상기 개폐 밸브를 개방하여, 상기 클러스터 노즐 및 상기 배관 내의 가스를 상기 바이패스 유로를 통해 배기하도록 해도 된다. 상기 압력 제어부가 마련된 분기 배관 부분보다도 하류측에 마련되고, 또한 상기 클러스터 노즐부를 포함하고, 그것보다 상류측에 상기 가스를 온도 조절하는 온도 조절기를 추가로 가져도 된다. 상기 유량 제어기로서는 매스 플로우 컨트롤러가 적합하다.
상기 제1 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지하는 것이 가능한 유량의 1.5배 내지 50배의 범위로 제어하고, 상기 제2 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지 가능한 유량의 1.02배 내지 1.5배의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 관점에 의하면, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를, 배관을 통해 클러스터 노즐에 공급하고, 상기 클러스터 노즐로부터 상기 가스를 진공 유지된 처리 용기 내에 분출시켜 상기 가스를 단열 팽창에 의해 클러스터화시켜, 상기 처리 용기 내에 배치된 피처리체에 가스 클러스터를 조사하고, 피처리체에 소정의 처리를 행하는 가스 클러스터 처리 방법이며, 상기 가스의 유량을 소정의 유량으로 제어하고, 상기 가스의 일부를 상기 배관으로부터 배출함으로써 상기 배관에 있어서의 공급 압력을 소정의 공급 압력으로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법이 제공된다.
상기 제2 관점에 있어서, 상기 공급 압력을 배압 제어기에 의해 제어할 수 있다. 이 경우에, 상기 배압 제어기는, 상기 배관으로부터 분기되는 분기 배관에 마련되고, 상기 배관으로부터 배출되는 가스가 상기 분기 배관을 지나 상기 배압 제어기로 흐르고, 상기 배압 제어기는, 그 1차측의 압력이 상기 소정의 공급 압력이 되도록 설정되고, 상기 1차측의 압력이 상기 소정의 공급 압력에 도달한 시점에서, 상기 배압 제어기를 통해 여분의 가스가 배출되도록 할 수 있다. 또한, 상기 배압 제어기로서, 상기 분기 배관에 직렬로 마련된 제1 배압 제어기 및 제2 배압 제어기를 갖고, 상기 제1 배압 제어기로서 차압 범위가 좁은 고정밀도의 것이 사용됨과 함께, 상기 제1 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 공급 압력의 설정값이 되도록 설정되어, 상기 제2 배압 제어기로서 차압 범위가 상기 제1 배압 제어기보다도 넓은 것이 사용됨과 함께, 상기 제2 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 압력의 설정값보다도 낮은 값이 되도록 설정되는 것을 사용할 수 있다.
상기 가스의 공급 압력이 상기 소정의 공급 압력에 도달할 때까지, 상기 유량 제어기의 설정 유량을, 상기 소정의 공급 압력에 도달하는데 필요한 유량을 초과하는 제1 유량으로 제어하고, 상기 배관으로부터 배출되어, 상기 배압 제어기로 흐르는 가스의 유량을 계측하고, 그 계측값에 기초하여, 상기 가스의 유량을, 상기 소정의 공급 압력을 유지하는 것이 가능한 유량보다 크고, 또한, 상기 제1 유량보다 작은 제2 유량으로 제어할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지하는 것이 가능한 유량의 1.5배 내지 50배의 범위로 제어하고, 상기 제2 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지 가능한 유량의 1.02배 내지 1.5배의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 가스 공급부로부터 공급되는 가스의 유량을 유량 제어기에 의해 제어하고, 유량 제어기와 클러스터 노즐 사이의 배관에 있어서의 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스 공급 압력을, 배압 제어기를 갖는 압력 제어부에 의해 제어하므로, 대유량으로 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를 흘려, 소정의 공급 압력이 된 시점에서 여분의 가스를 배출시킬 수 있어, 단시간에 소정의 가스 공급 압력에 도달시킬 수 있다. 또한, 이와 같이, 소정의 공급 압력에 도달한 시점에서 여분의 가스를 배출함으로써, 가스 공급 압력에 오버슈트가 생기는 일이 없고, 또한, 배압 제어기에 의해 처리 중에 가스 공급 압력이 일정하게 유지되기 때문에, 가스 공급 압력의 제어성이 양호하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 가스 공급 압력과 가스 공급 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 가스 공급 유량에 의해 가스 공급 압력을 제어하는 경우에 있어서의, 공급 압력의 경시 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 가스 공급 유량에 의해 가스 공급 압력을 제어하는 경우에, 설정 공급 압력에 대응하는 공급량보다도 가스의 공급량을 증가시켰을 때의 압력 경시 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 가스 공급 압력의 제어 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 11은 종래의 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
<제1 실시 형태>
먼저, 제1 실시 형태에 대해 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(100)는, 피처리체의 표면에 가스 클러스터를 조사하여 피처리체 표면의 세정 처리를 행하기 위한 것이다.
이 가스 클러스터 처리 장치(100)는, 세정 처리를 행하기 위한 처리실을 구획하는 처리 용기(1)를 갖고 있다. 처리 용기(1) 내의 저부 근방에는 피처리체인 기판 S를 적재하는 기판 적재대(2)가 마련되어 있다.
기판 S로서는, 반도체 웨이퍼나, 플랫 패널 디스플레이용 유리 기판 등, 다양한 것을 들 수 있고, 특별히 한정되지 않는다.
처리 용기(1) 내의 상부에는, 기판 적재대(2)에 대향하도록, 가스 클러스터를 기판 S를 향해 조사하는 클러스터 노즐(11)이 마련되어 있다. 클러스터 노즐(11)은, 본체부(11a)와, 원뿔 형상을 이루는 선단부(11b)를 갖는다. 본체부(11a)와 선단부(11b) 사이에는, 직경이 예를 들어 0.1㎜ 정도의 오리피스부를 갖고 있다.
기판 적재대(2)는, 구동부(3)에 의해 구동되게 되어 있고, 구동부(3)에 의해 기판 적재대(2)를 구동함으로써, 기판 S와 클러스터 노즐(11) 사이에 상대적인 이동이 생기게 되어 있다. 구동부(3)는, X축 레일(3a)과, Y축 레일(3b)을 갖는 XY 테이블로서 구성되어 있다. 또한, 기판 적재대(2)를 고정적으로 마련하여, 클러스터 노즐(11)을 구동시켜도 된다.
처리 용기(1)의 저부에는 배기구(4)가 마련되어 있고, 배기구(4)에는 배기 배관(5)이 접속되어 있다. 배기 배관(5)에는, 진공 펌프(6)가 마련되어 있고, 이 진공 펌프(6)에 의해 처리 용기(1) 내가 진공 배기되도록 되어 있다. 이 때의 진공도는 배기 배관(5)에 마련된 압력 제어 밸브(7)에 의해 제어 가능하게 되어 있다. 이들 배기 배관(5), 진공 펌프(6), 및 압력 제어 밸브(7)에 의해 배기 기구(10)가 구성되어, 이에 의해 처리 용기(1) 내가 소정의 진공도, 예를 들어 0.1 내지 300Pa로 유지된다.
처리 용기(1)의 측면에는, 기판 S의 반출입을 행하기 위한 반출입구(8)가 마련되어 있고, 이 반출입구(8)를 통해 진공 반송실(도시되지 않음)에 접속되어 있다. 반출입구(8)는 게이트 밸브(9)에 의해 개폐 가능하게 되어 있고, 진공 반송실 내의 기판 반송 장치(도시되지 않음)에 의해, 처리 용기(1)에 대한 기판 S의 반출입이 행해진다.
클러스터 노즐(11)에는, 노즐(11) 내에 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스인 클러스터 생성 가스를 공급하는 가스 공급 배관(12)의 일단이 처리 용기(1)의 천장벽을 관통하여 접속되어 있고, 가스 공급 배관(12)의 타단에는, 관련 가스를 공급하는 가스 공급원(13)이 접속되어 있다. 가스 공급 배관(12)에는, 클러스터 생성 가스의 공급 유량을 제어하는 유량 제어기인 매스 플로우 컨트롤러(14)가 마련되어 있다.
매스 플로우 컨트롤러(14)와 클러스터 노즐(11) 사이에는, 클러스터 노즐(11)에 공급되는 가스의 공급 압력을 제어하는 압력 제어부(15)가 마련되어 있다.
압력 제어부(15)는, 가스 공급 배관(12)의 매스 플로우 컨트롤러(14)와 클러스터 노즐(11) 사이의 부분으로부터 분기된 분기 배관(16)과, 분기 배관(16)에 마련된 배압 제어기(17)와, 분기 배관(16)로 흐르는 가스의 유량을 계측하는 유량계(18)를 갖는다. 분기 배관(16)의 타단은, 배기 배관(5)에 접속되어 있다. 분기 배관(16)의 배압 제어기(17)의 상류측에는, 압력계(19)가 마련되어 있다. 배압 제어기(17)는, 1차측, 즉, 배압 제어기(17)의 상류측의 압력을 일정값으로 제어하는 기능을 갖는다. 구체적으로는, 배압 제어기(17)는 릴리프 밸브를 구비하고 있고, 1차측의 압력이 설정 압력에 도달하면 릴리프 밸브가 개방되어, 여분의 가스가 배기되어, 가스 공급 압력이 일정하게 유지되게 되어 있다. 배압 제어기(17)로서는, 1차측의 압력이 클러스터 노즐(11)에 공급되는 가스의 공급 압력, 예를 들어 0.9MPa가 되도록 차압 제어되는 것이 사용된다. 압력계(19)는, 배압 제어기(17)의 상류측의 압력을 모니터하는 것이다. 또한, 유량계(18)는 배압 제어기(17)의 하류측에 마련되어 있지만, 분기 배관(16)의 가스 유량을 측정할 수 있으면 설치 위치는 한정되지 않는다.
또한, 가스 공급 배관(12)에는, 매스 플로우 컨트롤러(14)의 전후에 개폐 밸브(21 및 22)가 마련되어 있다. 또한, 분기 배관(16)의 배압 제어기(17)의 하류측에는 개폐 밸브(23)가 마련되어 있다.
가스 공급원(13)으로부터 클러스터 노즐(11)에 공급되는 클러스터 생성 가스의 공급 압력은 압력 제어부(15)에 의해 예를 들어 0.3 내지 5.0MPa 범위의 고압으로 제어된다. 가스 공급원(13)으로부터 공급되는 클러스터 생성 가스는, 클러스터 노즐(11)로부터 예를 들어 0.1 내지 300Pa의 진공으로 유지된 처리 용기(1) 내에 분사되면, 공급된 가스가 단열 팽창하고, 가스의 원자 또는 분자의 일부가 반데르발스힘에 의해 수개 내지 약107개 응집하여, 가스 클러스터가 된다.
클러스터 생성 가스는 특별히 한정되지 않지만, 클러스터를 생성 가능한 가스, 예를 들어 CO2 가스, Ar 가스, N2 가스, SF6 가스, CF4 가스 등을 적합하게 사용할 수 있다. 클러스터 생성 가스를 복수 혼합하여 공급하도록 해도 된다. 또한, 클러스터 가속용에 H2 가스나 He 가스를 혼합해도 된다.
생성된 가스 클러스터를 파괴시키지 않고 기판 S에 분사시키기 위해서는, 처리 용기(1) 내의 압력은 낮은 쪽이 좋고, 예를 들어 클러스터 노즐(11)에 공급하는 가스의 공급 압력이 1MPa 이하이면 100Pa 이하, 공급 압력이 1 내지 5MPa에서는 1000Pa 이하인 것이 바람직하다.
가스 클러스터 처리 장치(100)는, 제어부(30)를 갖고 있다. 제어부(30)는, 가스 클러스터 처리 장치(100)의 각 구성부(밸브, 매스 플로우 컨트롤러, 배압 제어기, 구동부 등)를 제어하는 것이며, 특히, 배압 제어기(17)에 설정 압력의 명령을 부여하고, 또한, 유량계(18)의 계측 유량에 기초하여 매스 플로우 컨트롤러(14)의 유량 제어를 행한다.
다음에, 이와 같이 구성되는 가스 클러스터 처리 장치(100)의 처리 동작에 대해 설명한다.
게이트 밸브(9)를 개방하여 반출입구(8)를 통해 진공 반송실로부터 기판 S를 진공 펌프(6)에 의해 상시 배기되어 있는 처리 용기(1) 내에 반입하고, 기판 적재대(2) 위에 적재한다. 게이트 밸브(9)를 폐쇄한 후, 압력 제어 밸브(7)에 의해 처리 용기(1) 내의 압력을 소정의 압력으로 제어한다.
이 후, 가스 클러스터 생성 가스를 소정의 공급 압력으로 클러스터 노즐(11)에 공급한다. 이 때의 가스 공급 압력의 제어는, 종래, 매스 플로우 컨트롤러를 사용하여 가스 공급 유량을 제어함으로써 행하고 있었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 공급 압력과 가스 공급 유량의 관계는 비례 관계에 있고, 그 관계는 클러스터 노즐의 오리피스 직경에 의존한다. 또한, 가스 공급 압력의 미세 조정은, 매스 플로우 컨트롤러의 하류측에 마련된 압력 제어 밸브(레귤레이터)에 의해 행하고 있었다.
그러나, 가스 공급 유량에 의해 가스 공급 압력을 제어하는 경우에는, 소정의 공급 압력이 되도록 매스 플로우 컨트롤러의 가스 공급 유량을 세트해도, 클러스터 노즐의 오리피스로부터 가스가 흐르는 상태에서 승압을 행하기 때문에, 오리피스로부터 흘러 나오는 가스양과 공급하는 가스양이 안정화될 때까지 시간을 요하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 설정한 공급 압력까지의 도달 시간이 길어져 버린다. 예를 들어, 클러스터 생성 가스로서 CO2 가스를 사용하여, 0.9MPa까지 승압할 경우, 15분 이상 걸리고 있었다.
한편, 설정 공급 압력에 대응하는 공급량보다도 가스의 공급량을 증가시켜 설정 공급 압력에 도달하는 시간을 단축하고자 하면, 도달 시간은 종래보다 단축되지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 설정된 원하는 압력에 비해, 공급 압력이 오버슈트되어, 압력의 제어성이 저하되어 버린다. 또한, 이와 같은 오버슈트가 생기면, 매스 플로우 컨트롤러 하류측의 압력이 상승하여 매스 플로우 컨트롤러 전후의 차압이 생기지 않아 가스 공급 유량의 제어 자체를 할 수 없게 된다. 매스 플로우 컨트롤러의 하류측에 가스 공급 압력의 미세 조정용 압력 조정 밸브(레귤레이터)를 마련했다고 해도, 마찬가지로 매스 플로우 컨트롤러 하류측의 압력은 상승하여, 매스 플로우 컨트롤러 전후의 차압이 생기지 않아, 가스 공급 유량 자체의 제어를 할 수 없게 된다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 이와 같은 문제를 해소하기 위해, 클러스터 생성 가스의 가스 공급 압력의 제어를, 배압 제어기(17)를 갖는 압력 제어부(15)에 의해 행한다.
이하, 가스 공급 압력의 제어 방법의 일례를, 도 5의 흐름도를 참조하여 설명한다.
최초에, 설정된 가스 공급 압력에 대응하는 도달 필요 유량을 초과하는 유량으로 클러스터 생성 가스가 공급되도록, 매스 플로우 컨트롤러(14)에 의해 유량을 제1 유량으로 제어하면서 클러스터 생성 가스를 공급한다(스텝 1).
설정된 가스 공급압에 도달하면, 배압 제어 밸브(17)의 릴리프 밸브가 개방되어, 여분의 가스가 분기 배관(16)을 통해 배출되어, 가스 공급 배관(12)을 통해 클러스터 노즐(11)로 공급되는 클러스터 생성 가스의 공급 압력이 일정하게 유지되고, 이 시점에서 기판 S의 세정 처리를 개시한다(스텝 2).
세정 처리가 개시된 후, 유량계(18)에 의해 계측된 분기 배관(16)의 가스 유량값을, 매스 플로우 컨트롤러(14)에 피드백하여, 클러스터 생성 가스의 공급 유량을, 설정된 가스 공급 압력을 유지할 수 있는 유량보다 크고, 또한, 제1 유량보다 작은 제2 유량으로 제어한다(스텝 3).
이와 같이, 클러스터 생성 가스의 공급 압력을 제어하는 압력 제어부(15)에 배압 제어기(17)를 마련하여, 가스 공급 압력 자체를 제어하도록 했으므로, 매스 플로우 컨트롤러(14)의 설정에 의해 대유량으로 클러스터 생성 가스를 공급해도, 공급 압력이 설정 압력에 도달한 시점에서 여분의 가스를 배압 제어기(17)를 통해 배출할 수 있어, 가스 공급 압력을 설정 압력으로 제어할 수 있다. 이 때문에, 대유량의 클러스터 생성 가스를 공급할 수 있어, 단시간으로 설정된 가스 공급 압력에 도달시킬 수 있다. 예를 들어, 공급 압력이 0.9MPa일 때, 종래, 가스 공급 개시로부터 설정 공급 압력에 도달하여 안정될 때까지의 시간이 15분 이상 필요했던 것이, 본 실시 형태에서는 4분 이하까지 단축시킬 수 있다.
또한, 스텝 2에서 공급 압력이 설정 압력에 도달한 시점에서 여분의 가스를 배출하므로, 가스 공급 압력에 오버슈트가 생기는 일이 없고, 또한, 배압 제어기(17)에 의해 세정 처리 중에 가스 공급 압력이 일정하게 유지되기 때문에, 가스 공급 압력의 제어성이 양호하다.
또한, 세정 처리가 개시된 후, 여분의 가스로서 분기 배관(16)에 흘린 가스의 유량을 유량계(18)에 의해 계측하고, 그 계측값에 기초하여 클러스터 생성 가스의 유량을 제어할 수 있으므로, 가스 클러스터의 생성에 기여하지 않는 불필요한 가스양을 저감시킬 수 있다.
<제2 실시 형태>
다음에, 제2 실시 형태에 대해 설명한다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(101)의 기본 구성은 제1 실시 형태의 도 1과 동일하지만, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스로서 적어도 2종류의 가스를 공급하는 점이 도 1과는 상이하다.
본 실시 형태에서는, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스로서, 적어도 1종류의 클러스터 생성 가스를 포함하는, 적어도 2종류의 가스를 별개로 공급한다. 예를 들어, 상술한 CO2 가스, Ar 가스, N2 가스, SF6 가스, CF4 가스 등의 클러스터 생성 가스를 2종류 이상 별개로 공급하도록 해도 되고, 클러스터 생성 가스와, 클러스터 생성 가스를 가속하기 위한 가속용 가스를 각각 공급하도록 해도 된다. 가속용 가스는, 클러스터 생성 가스 단독으로는 필요한 속도가 얻어지지 않는 경우에 사용되고, 그 자체는 클러스터를 생성하기 어렵지만, 클러스터 생성 가스에 의해 생성된 가스 클러스터를 가속하는 작용을 갖는다. 가속용 가스로서는, He 가스, H2 가스 등을 사용할 수 있다. 기판 S의 표면에서 소정의 반응을 생기게 하는 반응 가스 등의 다른 가스를 사용해도 된다.
도 6의 예에서는, 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급원(13a)과, 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급원(13b)을 갖고, 2종류의 가스를 공급하는 경우를 나타낸다. 구체적으로는, 제1 가스 공급원(13a)으로부터 공급되는 제1 가스로서 클러스터 생성 가스인 CO2 가스, 제2 가스 공급원(13b)으로부터 공급되는 제2 가스로서 가속 가스인 H2 가스 또는 He 가스의 경우가 예시된다. 제1 가스 또는 제2 가스를, 복수의 가스를 혼합한 것으로 해도 된다.
제1 가스 공급원(13a)에는 제1 배관(12a)이 접속되고, 제2 가스 공급원(13b)에는 제2 배관(12b)이 접속되어 있다. 제1 배관(12a) 및 제2 배관(12b)은, 클러스터 노즐(11)로부터 연장되는 가스 공급 배관(12)에 접속되어 있고, 제1 가스 및 제2 가스는, 각각 제1 가스 공급원(13a) 및 제2 가스 공급원(13b)으로부터, 제1 배관(12a) 및 제2 배관(12b)을 지나 가스 공급 배관(12)에 합류하여, 클러스터 노즐(11)에 공급된다. 제1 배관(12a)에는, 제1 가스의 공급 유량을 제어하는 유량 제어기인 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)(14a)가 마련되어 있다. 또한, 제2 배관(12b)에는, 제2 가스의 공급 유량을 제어하는 유량 제어기인 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)(14b)가 마련되어 있다.
또한, 3종류 이상의 가스를 공급하는 경우에는, 그 수에 따라, 가스 공급원, 배관, 매스 플로우 컨트롤러를 더 마련하면 된다.
본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(101)에 있어서도, 도 1에 도시되는 제1 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(100)와 마찬가지로, 압력 제어부(15)를 갖고 있다. 압력 제어부(15)는, 제1 매스 플로우 컨트롤러(14a) 및 제2 매스 플로우 컨트롤러(14b)와 클러스터 노즐(11) 사이에 마련되어 있고, 가스 공급 배관(12)으로부터 분기된 분기 배관(16)과, 분기 배관(16)에 마련된 배압 제어기(17)와, 분기 배관(16)에 흐르는 가스의 유량을 계측하는 유량계(18)를 갖는 압력 제어부(15)를 갖고 있다. 분기 배관(16)의 배압 제어기(17)의 하류측에는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 개폐 밸브(23)가 마련되어 있다
또한, 제1 배관(12a)에는, 제1 매스 플로우 컨트롤러(14a)의 전후에 개폐 밸브(21a 및 22b)가 마련되어 있고, 제2 배관(12b)에는, 제2 매스 플로우 컨트롤러(14b)의 전후에 개폐 밸브(21b 및 22b)가 마련되어 있다.
또한, 본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(101)에 있어서도, 제1 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(100)와 마찬가지로, 각 구성부(밸브, 매스 플로우 컨트롤러, 배압 제어기, 구동부 등)를 제어하는 제어부(30)를 갖고 있다. 본 실시 형태에서는, 제어부(30)는, 배압 제어기(17)에 설정 압력의 명령을 부여하고, 또한, 유량계(18)의 계측 유량에 기초하여 제1 매스 플로우 컨트롤러(14a) 및 제2 매스 플로우 컨트롤러(14b)의 유량 제어를 행한다.
또한, 다른 구성에 대해서는, 제1 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(100)와 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.
다음에, 이와 같이 구성되는 가스 클러스터 처리 장치(101)의 처리 동작에 대해 설명한다.
제1 실시 형태와 마찬가지로, 게이트 밸브(9)를 개방하여 반출입구(8)를 통해 진공 반송실로부터 기판 S를 진공 펌프(6)에 의해 상시 배기되어 있는 처리 용기(1) 내에 반입하고, 기판 적재대(2) 위에 적재한다. 게이트 밸브(9)를 폐쇄한 후, 압력 제어 밸브(7)에 의해 처리 용기(1) 내의 압력을 소정의 압력으로 제어한다.
이 후, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스로서, 적어도 1종류의 클러스터 생성 가스를 포함하는, 적어도 2종류의 가스를 클러스터 노즐(11)로 공급한다. 도 6의 예에서는, 제1 가스 공급원(13a) 및 제2 가스 공급원(13b)으로부터, 제1 가스 및 제2 가스를 공급한다.
이와 같이 복수종의 가스를 공급하는 경우, 종래의 매스 플로우 컨트롤러를 사용하여 가스 공급 유량을 제어하여 가스 공급 압력을 제어하는 방법에서는, 상술한 바와 같은, 설정된 공급 압력까지의 도달 시간이 긴, 공급 압력의 제어성이 나쁘다는 문제점 외에, 가스 비율이 불안정해지는 경우가 있다는 문제점이 있었다.
즉, 상술한 도 4에 도시된 바와 같이, 공급 압력이 오버슈트되어, 매스 플로우 컨트롤러 하류측의 압력이 상승하여, 매스 플로우 컨트롤러 전후의 차압이 생기지 않게 되면, 가스 공급 유량의 제어를 할 수 없게 되어, 복수 종류의 가스의 비율을 설정 비율로 유지하는 것도 할 수 없게 된다.
예를 들어, 클러스터 생성 가스로서 CO2 가스를 사용하여, 가속용 가스로서 He 가스 또는 H2 가스를 사용하는 경우, 이들의 가스 비율이 설정으로부터 어긋나, CO2비가 극단적으로 높아지면, 클러스터 노즐(11) 부분에서 CO2 분압이 상승하여 액화가 발생하는 경우가 있다. CO2의 액화가 생기면, 거대 클러스터가 생성되어, 기판 S 위의 패턴에 손상이 발생될 우려가 있다.
이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 제1 가스 공급원(13a)으로부터의 제1 가스를 제1 매스 플로우 컨트롤러(14a)로 제어하고, 제2 가스 공급원(13b)으로부터의 제2 가스를 제2 매스 플로우 컨트롤러(14b)로 제어하여, 제1 가스 및 제2 가스를 소정 비율로, 또한 이들이 설정된 가스 공급 압력에 대응하는 도달 필요 유량을 초과하는 유량이 되도록 공급하고, 배압 제어기(17)에 의해 설정 공급 압력이 되도록 하여 클러스터 노즐(11)에 공급한다. 이 때문에, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 단시간에 설정된 가스 공급 압력에 도달시킬 수 있으며, 또한 가스 공급 압력의 오버슈트를 생기지 않게 하여 양호한 가스 공급 압력의 제어성이 얻어진다고 하는 효과를 발휘하는 것 외에, 가스 공급 압력의 오버슈트에 기인하는 매스 플로우 컨트롤러에 의한 유량 제어 불능이 생기는 일이 없고, 제1 가스 및 제2 가스의 비율을 설정 비율로 유지할 수 있다는 효과도 얻을 수 있다. 3종류 이상의 가스를 사용하는 경우도 마찬가지이다.
또한, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 세정 처리가 개시된 후, 여분의 가스로서 분기 배관(16)에 흘린 가스의 유량을 유량계(18)에 의해 계측하여, 그 계측값을 매스 플로우 컨트롤러(14a, 14b)에 피드백한다. 이에 의해, 가스의 비율을 유지한 채, 가스 클러스터의 생성에 기여하지 않는 불필요한 가스양을 저감시킬 수 있다.
또한, 유량 제어기의 설정 유량인 제1 유량을, 설정된 공급 압력을 유지하는 것이 가능한 유량의 1.5배 내지 50배의 범위로 설정할 수 있다. 50배의 범위 내이면, 동일한 유량 제어기에서의 제어를 고정밀도로 행할 수 있다. 또한, 1.5배 내지 5.0배의 범위의 유량이면 극단적인 유속의 변화가 생기지 않고, 제1 가스와 제2 가스의 비율을 보다 고정밀도로 유지하는 것이 가능하게 되고, 1.5배 내지 2.0배의 범위의 유량이면 더욱 좋다. 제2 유량으로서는, 상기 소정의 공급 압력을 유지 가능한 유량의 1.02배 내지 1.5배의 범위로 제어할 수 있다.
<제3 실시 형태>
다음에, 제3 실시 형태에 대해 설명한다.
도 7은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(102)의 기본 구성은 제2 실시 형태의 도 6과 마찬가지이지만, 압력 제어부가 직렬로 배치된 2개의 배압 제어기를 갖고 있는 점이 도 6과는 상이하다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(102)에 있어서는, 압력 제어부(15')는, 매스 플로우 컨트롤러(14a, 14b)와 클러스터 노즐(11) 사이의 가스 공급 배관(12)으로부터 분기된 분기 배관(16)과, 분기 배관(16)에 마련된 제1 배압 제어기(17a)와, 분기 배관(16)의 제1 배압 제어기(17a)의 하류측에 마련된 제2 배압 제어기(17b)와, 분기 배관(16)에 흐르는 가스의 유량을 계측하는 유량계(18)를 갖는다. 분기 배관(16)의 타단은, 배기 배관(5)에 접속되어 있다. 유량계(18)의 위치는, 분기 배관(16)의 가스 유량을 측정할 수 있으면 한정되지 않는다. 분기 배관(16)의 제1 배압 제어기(17a)의 상류측에는, 제1 압력계(19a)가 마련되어 있고, 제2 배압 제어기(17b)의 상류측에는, 제2 압력계(19b)가 마련되어 있고, 분기 배관(16) 내의 이들의 위치의 압력을 모니터하게 되어 있다. 분기 배관(16)의 제1 배압 제어기(17a)의 하류측 및 제2 배압 제어기(17b)의 하류측에는, 각각 개폐 밸브(23a 및 23b)가 마련되어 있다.
이와 같이, 두 배압 제어기를 직렬로 배치함으로써, 하류측의 제2 배압 제어기(17b)의 1차측을 소정의 압력으로 설정하고, 상류측의 제1 배압 제어기(17a)에 의해 가스 공급 배관(12)에 있어서의 가스 공급 압력의 제어를 행하도록 하면, 가스 공급 개시로부터 설정 공급 압력에 도달하여 안정될 때까지의 시간을 더욱 단축할 수 있다. 즉, 제1 배압 제어기(17a)로서 차압 레인지가 작은 고정밀도의 것을 사용하고, 제2 배압 제어기(17b)로서 차압 레인지가 비교적 큰 것을 사용함으로써, 제2 배압 제어기(17b)에 의해 대략의 압력 제어를 하고, 제1 배압 제어기(17a)에 의해 좁은 차압 범위의 제어를 행할 수 있어, 가스 공급 개시로부터 설정 공급 압력에 도달하여 안정될 때까지의 시간을 1분 이하의 단시간에 행할 수 있다.
예를 들어, 제1 배압 제어기(17a)로서 전자 제어식 Δ0.3MPa 차압(미소 차압) 제어 타입을 사용하고, 제2 배압 제어기(17b)로서 기계식 Δ1MPa 차압 제어 타입인 것을 사용하여, 제1 배압 제어기(17a)의 1차측 압력(가스 공급 압력)을 0.9MPa로 하고, 제2 배압 제어기(17b)의 1차측 압력을 0.75MPa로 함으로써, 가스 공급 개시로부터 설정 공급 압력에 도달하여 안정될 때까지의 시간을, 하나의 배압 제어기를 사용했을 때에 4분 정도로부터 15 내지 20sec정도까지 단축시킬 수 있다. 또한, 전자 제어식 미소 차압 타입의 배압 제어기는, 차압 레인지는 좁지만 오차가 ±0.01MPa로 고정밀도이기 때문에, 가스 공급 압력을 고정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 도 7에서는 제2 실시 형태와 마찬가지로, 복수 종류의 가스를 공급하는 경우에 대해 도시했지만, 제1 실시 형태와 같이 1종류의 가스를 공급하는 경우여도 된다. 또한, 배압 제어기를 3개 이상 직렬로 마련해도 된다.
<제4 실시 형태>
다음에, 제4 실시 형태에 대해 설명한다.
도 8은, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(103)의 기본 구성은 제3 실시 형태의 도 7과 마찬가지이지만, 압력 제어부가, 배압 제어기를 바이패스하는 바이패스 배관과 바이패스 배관을 개폐하는 개폐 밸브를 추가로 갖고 있는 점이 도 7과는 상이하다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(103)에 있어서는, 압력 제어부(15")는, 도 7에 도시되는 제3 실시 형태의 압력 제어부(15')의 구성 요소를 모두 갖는 것 외에, 추가로, 일단이 분기 배관(16)에 있어서의 제1 배압 제어기(17a)의 상류측 부분에 접속되고, 타단이 제2 배압 제어기(17b)의 하류측 부분에 접속되어서, 제1 배압 제어기(17a) 및 제2 배압 제어기(17b)를 바이패스하는 바이패스 배관(41)과, 바이패스 배관(41)에 마련된 개폐 밸브(42)를 갖는다.
바이패스 배관(41) 및 개폐 밸브(42)를 마련하지 않는 경우, 기판 처리가 종료 후, 가스의 공급을 정지해도, 차압에 의해 클러스터 노즐(11) 및 배관에 잔존한 가스가 클러스터 노즐(11)로부터 계속하여 토출된다. 일반적으로, 처리 용기(1)에 인접하는 진공 반송실은, 처리 용기(1)보다도 저압으로 유지되어 있기 때문에, 기판 S의 반출에 있어서는, 처리 용기(1) 내의 압력을 더욱 저하시킬 필요가 있고, 보다 차압이 커져, 가스 공급 정지로부터 실제로 가스의 토출이 정지할 때까지의 시간이 길어져 버린다.
기판 S의 반출은, 이와 같은 가스 공급 정지 후, 클러스터 노즐(11)로부터의 가스 토출이 멈춘 후에 행할 필요가 있어, 이 가스 토출 시간에 의해 처리 종료 후의 기판 교환의 시간이 길어져 버려, 처리의 스루풋에 악영향을 준다.
이에 비하여, 본 실시 형태에서는, 바이패스 배관(41) 및 개폐 밸브(42)를 마련하였기 때문에, 처리 중에는 개폐 밸브(42)를 폐쇄해 두고, 처리 종료 후에 개폐 밸브(42)를 개방하도록 함으로써, 클러스터 노즐(11) 내 및 배관 내의 가스가 바이패스 배관(41)을 통해 배기 기구(10)에 의해 빠르게 흡인된다. 이 때문에, 가스 공급 정지 후, 클러스터 노즐로부터의 가스 토출이 멈출 때까지 시간을 단축시킬 수 있어, 기판 교환의 시간을 단축시킬 수 있다.
실제로, 가스 공급 압력을 0.9MPa로 하고, 바이패스 배관 및 개폐 밸브를 사용하지 않는 경우, 가스 공급 정지 후, 클러스터 노즐로부터의 가스 토출이 멈출 때까지 시간이 12초였다. 이에 반하여, 바이패스 배관 및 개폐 밸브를 사용하여, 가스 공급 정지 후에 개폐 밸브를 개방하여 바이패스 배관을 통해 가스를 흡인함으로써, 그 시간이 1/6인 2초로 단축되었다.
또한, 도 8의 가스 클러스터 처리 장치(103)는, 도 7에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(102)의 압력 제어부에 바이패스 배관 및 개폐 밸브를 적용한 경우를 나타내는 것이지만, 도 1에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(100), 도 6에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(101)에 바이패스 배관 및 개폐 밸브를 적용해도 된다.
<제5 실시 형태>
다음에, 제5 실시 형태에 대해 설명한다.
도 9는, 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(104)의 기본 구성은 제3 실시 형태의 도 7과 마찬가지이지만, 배기 배관의 압력 제어부의 접속 위치보다도 상류측에 승압기가 마련되어 있는 점이 도 7과는 상이하다.
도 9에 도시되는 바와 같이, 본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(104)에 있어서는, 가스 공급 배관(12)의 압력 제어부(15')의 접속부, 즉 분기 배관(16)의 접속부보다도 상류측에 승압기(45)가 마련되어 있다.
승압기(45)는, 예를 들어 가스 부스터를 포함하고, 가스 공급 배관(12)에 공급된 가스의 압력을 상승시키는 것이다. 승압기(45)는, 클러스터 노즐(11)에 공급되는 가스의 공급 압력을 높게 하기 때문에 유효하다.
그러나, 가스 공급 압력의 제어를 종래와 같이 매스 플로우 컨트롤러에 의한 가스 공급 유량의 제어에 의해 행하는 경우, 승압기를 사용함으로써, 클러스터 노즐(11)의 오리피스로부터 흘러 나오는 가스양과 공급하는 가스양이 안정화될 때까지의 시간 이외에도, 승압기(45)의 압력이 안정될 때까지의 시간이 존재하기 때문에, 설정한 공급 압력까지의 도달 시간이 점점 길어져 버린다.
이에 비해, 본 실시 형태에서는, 배압 제어기를 사용하여 가스 공급 압력 자체를 제어함으로써, 가스 공급 압력을 단시간에 설정 압력으로 제어할 수 있도록 했으므로, 승압기(45)의 압력 안정화까지 요하는 시간도 짧게 할 수 있다. 이 때문에, 본 실시 형태와 같이 승압기(45)를 마련한 경우에, 가스 공급 개시로부터 설정 공급 압력에 도달하여 안정될 때까지의 시간을 단축하는 효과를 한층 높일 수 있다.
또한, 도 9의 가스 클러스터 처리 장치(104)는, 도 7에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(102)에 승압기를 적용한 경우를 나타내는 것이지만, 도 1에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(100), 도 6에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(101), 도 8에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(103)에 승압기를 적용해도 된다.
<제6 실시 형태>
다음에, 제6 실시 형태에 대해 설명한다.
도 10은, 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 가스 클러스터 처리 장치를 도시하는 단면도이다.
본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(105)의 기본 구성은 제3 실시 형태의 도 7과 마찬가지이지만, 클러스터 노즐을 온도 조절하는 온도 조절 기구를 갖는 점이 도 7과는 상이하다.
도 10에 도시되는 바와 같이, 본 실시 형태의 가스 클러스터 처리 장치(105)에 있어서는, 클러스터 노즐(11)의 주위에 온도 조절 기구(50)가 마련되어 있다. 온도 조절 기구(50)는, 클러스터 노즐(11)에 공급된 가스의 온도 조절을 행하는 것이며, 온도 조절 기구(50)에 의한 클러스터 생성 가스의 가열 또는 냉각에 의해 가스 클러스터 사이즈를 조정할 수 있다. 이에 의해, 가스 클러스터에 의한 세정 처리를 효과적으로 행할 수 있다.
온도 조절 기구(50)에 의해 가스의 온도 조절을 행하는 경우에는, 가스 공급부측의 가스 온도와 클러스터 노즐(11) 바로 근처의 온도 조절 기구(50) 부근에서의 가스 온도에 차가 생긴다. 예를 들어, 온도 조절 기구(50)에 의해 가스의 냉각을 행하면, 클러스터 노즐(11)의 오리피스 부분을 통과하는 가스 유량은 증가한다. 따라서, 이 경우는, 클러스터 노즐(11)이 상온 시(비온도 조절시)에 설정한 가스 공급 압력을 유지하기 위해서 필요한 가스 유량으로는, 원하는 가스 공급 압력에 도달되지 않을 가능성이 있다. 이 때문에, 종래와 같이 가스 공급 압력의 제어를 매스 플로우 컨트롤러에 의한 가스 공급 유량의 제어에 의해 행하는 경우는, 클러스터 노즐(11)의 온도를 변화시키면, 그 때마다 그에 대응하는 가스 유량을 설정할 필요가 있어, 가스 공급 압력의 불안정화 요인으로 되어 있었다.
이에 비해, 본 실시 형태에서는, 클러스터 노즐(11)에 대한 가스 공급 압력이 배압 제어기에 의해 항상 일정하게 제어되기 때문에, 온도 조절 기구(50)에 의한 온도의 변동이 생겨도 안정된 가스 공급이 가능해진다. 또한, 만일 공급 가스 유량이 부족 또는 과다의 경우가 생겨도, 유량계(18)의 계측값이 매스 플로우 컨트롤러(14a, 14b)에 피드백되므로 안정된 가스 공급을 유지할 수 있다.
또한, 도 10의 가스 클러스터 처리 장치(105)는, 도 7에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(102)에 온도 조절 기구를 적용한 경우를 나타내는 것이지만, 도 1에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(100), 도 6에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(101), 도 8에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(103), 도 9에 도시되는 가스 클러스터 처리 장치(104)에 온도 조절 기구를 적용해도 된다.
<실험예>
다음에, 본 발명의 실험예에 대해 설명한다.
여기에서는, 클러스터 생성 가스로서 CO2 가스, 가속용 가스로서 H2 가스 또는 He 가스를 사용하여, 도 6의 가스 클러스터 처리 장치(101)에 의해 가스 클러스터에 의한 기판 처리를 행했다.
진공 펌프(6)에 의해 상시 배기되어 있는 처리 용기(1)에 기판 S를 반입하고, 배압 제어기(17)의 1차측의 압력, 즉 가스 공급 압력을 0.9MPa로 설정했다. 본 예에서는 계산 상, 0.9MPa 도달에 필요한 총 유량은 1000sccm이며, CO2 가스와 H2 가스 또는 He 가스의 유량비를 1:1로 한 경우의 필요 유량은, CO2 가스와 H2 가스 또는 He 가스가 모두 500sccm이었다.
스텝 1로서, CO2 가스의 유량 및 H2 가스 또는 He 가스의 유량을 모두 0.9MPa에 대응하는 도달 필요 유량을 초과하는 1000sccm으로 공급했다. 스텝 2로서, 배압 제어기(17)가 작동하여 압력이 안정된 시점에서 세정 처리를 개시했다. 세정 처리가 개시된 후, 스텝 3으로서, 유량계(18)에 의해 계측된 유량을 매스 플로우 컨트롤러(14a, 14b)에 피드백하고, CO2 가스의 유량 및 H2 가스 또는 He 가스의 유량을, 가스 공급 압력을 0.9MPa로 유지할 수 있기에 충분한 500sccm을 초과 1000sccm 미만의 유량으로 제어했다.
이상과 같이 제어함으로써, 가스 공급 개시로부터 설정 공급 압력에 도달하여 안정될 때까지의 시간을 4분 이내로 할 수 있고, 클러스터 노즐(11)로의 가스 공급 압력은 일정하게 유지되어, 안정된 처리를 행할 수 있었다.
비교를 위해, 가스 공급 압력 제어를 매스 플로우 컨트롤러의 유량에 의해 행하는 가스 클러스터 처리 장치를 이용하여 가스 클러스터에 의한 기판 처리를 행했다. 이 때의 장치는, 도 11에 도시된 바와 같이, 도 6과 마찬가지로, 두 가스 공급원 및 두 매스 플로우 컨트롤러를 갖고, 압력 제어부(15) 대신에 가스 공급 배관(12)에 압력 제어 밸브(60)를 마련한 것을 사용했다. 61은 압력계이다. 또한, 도 11에서 도 6과 동일한 것에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 클러스터 생성 가스로서 CO2 가스, 가속용 가스로서 H2 가스 또는 He 가스를 사용했다.
진공 펌프(6)에 의해 상시 배기되어 있는 처리 용기(1)에 기판 S를 반입하고, 가스 공급 압력을 0.9MPa로 설정했다. 본 예에서는 계산 상, 0.9MPa 도달에 필요한 총 유량은 1000sccm이므로, CO2 가스와 H2 가스 또는 He 가스의 유량비를 1:1로 하고, CO2 가스와 H2 가스 또는 He 가스를 모두 500sccm으로 했다. 이 유량으로 가스를 공급하여, 공급 압력을 제어하고, 공급 압력이 안정되는 것을 기다려 처리를 행했다. 이 때, 가스를 공급하고 나서 공급 압력이 안정될 때까지, 15분 이상 걸렸다.
공급 압력을 안정시키기 위한 시간을 단축하기 위해, 매스 플로우 컨트롤러에 의해 공급 개시 시의 유량 설정을 CO2 가스와 H2 가스 또는 He 가스를 모두 1000sccm으로 했다. 이에 의해 설정 압력 도달까지의 시간은 단축되었지만, 공급 압력이 오버슈트되었다. 또한, 오버슈트가 생긴 시점에서 매스 플로우 컨트롤러의 하류측의 압력이 상승되고 있으므로, 매스 플로우 컨트롤러 전후의 차압이 생기지 않아, 제어에 헌팅이 생겨, 유량 제어를 할 수 없게 되어, 가스 비율이 소정의 범위로부터 어긋나 있었다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 효과가 확인되었다.
<다른 적용>
이상, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 범위 내에 있어서 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 가스 클러스터에 의한 기판 처리를 기판 세정 처리에 적용한 경우에 대해 나타냈지만, 이에 한정되지 않고 예를 들어 에칭과 같은 가공에 적용해도 된다. 또한, 상기 복수의 실시 형태를 임의로 조합하여 실시해도 된다.
1; 처리 용기
2; 기판 적재대
3; 구동부
10; 배기 기구
11; 클러스터 노즐
12; 가스 공급 배관
13, 13a, 13b; 가스 공급원
14, 14a, 14b; 매스 플로우 컨트롤러
15, 15', 15"; 압력 제어부
16; 분기 배관
17, 17a, 17b; 배압 제어기
18; 유량계
19, 19a, 19b; 압력계
21, 22, 23, 23a, 23b, 42; 개폐 밸브
30; 제어부
41; 바이패스 배관
45; 승압기
50; 온도 조절 기구
100, 101, 102, 103, 104, 105; 가스 클러스터 처리 장치
S; 기판(피처리체)

Claims (15)

  1. 피처리체에 가스 클러스터를 조사하여 피처리체에 소정의 처리를 행하는 가스 클러스터 처리 장치이며,
    피처리체가 배치되는 처리 용기와,
    가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 가스 공급부로부터 공급되는 상기 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기와,
    상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스가 소정의 공급 압력으로 공급되고, 상기 가스를 진공 유지된 처리 용기 내에 분출하여 상기 가스를 단열 팽창에 의해 클러스터화시키는 클러스터 노즐과,
    상기 유량 제어기와 상기 클러스터 노즐 사이의 배관에 마련되고, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스의 공급 압력을 제어하는 배압 제어기를 갖는 압력 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력 제어부는, 상기 배관으로부터 분기되는 분기 배관을 갖고, 상기 배압 제어기로서, 상기 분기 배관에 직렬로 마련된 제1 배압 제어기 및 제2 배압 제어기를 갖고, 상기 제1 배압 제어기로서 차압 범위가 좁은 고정밀도의 것이 사용됨과 함께, 상기 제1 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 공급 압력의 설정값이 되도록 설정되고, 상기 제2 배압 제어기로서 차압 범위가 상기 제1 배압 제어기보다도 넓은 것이 사용됨과 함께, 상기 제2 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 공급 압력의 설정값보다도 낮은 값이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유량 제어기의 설정 유량을 제어하는 제어 수단을 추가로 갖고,
    상기 제어 수단은, 상기 가스 공급부로부터 공급되는 상기 가스의 공급 압력이 상기 소정의 공급 압력에 도달할 때까지, 상기 유량 제어기의 설정 유량을, 상기 소정의 공급 압력에 도달하는데 필요한 유량을 초과하는 제1 유량으로 제어하고,
    상기 압력 제어부는, 상기 배압 제어기에 흐르는 가스의 유량을 계측하는 유량 계측기를 갖고, 상기 제어 수단은, 해당 유량 계측기의 계측값에 기초하여, 상기 유량 제어기의 설정값을, 상기 소정의 공급 압력을 유지하는 것이 가능한 유량보다 크고, 또한, 상기 제1 유량보다 작은 제2 유량으로 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급부는, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스로서, 적어도 2종류의 가스를 별개로 공급하고, 상기 유량 제어기로서, 상기 적어도 2종류의 가스의 각각에 대응하는 적어도 두 유량 제어기를 갖고, 상기 적어도 2종류의 가스는, 상기 적어도 두 유량 제어기의 하류측에서 상기 배관에 합류하고, 상기 압력 제어부는, 상기 배관의 상기 적어도 2종류의 가스 모두가 합류한 부분에 마련되는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배관의 상기 압력 제어부가 마련된 부분보다도 상류측에 마련되고, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를 승압하는 승압기를 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 제어부는, 상기 배관으로부터 상기 배압 제어기를 바이패스하여 배기하는 바이패스 유로와, 바이패스 유로를 개폐하는 개폐 밸브를 추가로 갖고, 가스 클러스터 처리 후에 상기 개폐 밸브를 개방하여, 상기 클러스터 노즐 및 상기 배관 내의 잔류 가스를 상기 바이패스 유로를 통해 배기하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제1 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지 가능한 유량의 1.5배 내지 50배의 범위로 제어하고, 상기 제2 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지 가능한 유량의 1.02배 내지 1.5배의 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 장치.
  8. 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를, 배관을 통해 클러스터 노즐에 공급하고, 상기 클러스터 노즐로부터 상기 가스를 진공 유지된 처리 용기 내에 분출시켜 상기 가스를 단열 팽창에 의해 클러스터화시켜, 상기 처리 용기 내에 배치된 피처리체에 가스 클러스터를 조사하여, 피처리체에 소정의 처리를 행하는 가스 클러스터 처리 방법이며,
    상기 가스의 유량을 소정의 유량으로 제어하고, 상기 가스의 일부를 상기 배관으로부터 배출함으로써 상기 배관에 있어서의 공급 압력을 소정의 공급 압력으로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공급 압력을 배압 제어기에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 배압 제어기는, 상기 배관으로부터 분기되는 분기 배관에 마련되고, 상기 배관으로부터 배출되는 가스가 상기 분기 배관을 지나 상기 배압 제어기로 흐르고, 상기 배압 제어기는, 그 1차측의 압력이 상기 소정의 공급 압력이 되도록 설정되어, 상기 1차측의 압력이 상기 소정의 공급 압력에 도달한 시점에서, 상기 배압 제어기를 통해 여분의 가스가 배출되는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 배압 제어기로서, 상기 분기 배관에 직렬로 마련된 제1 배압 제어기 및 제2 배압 제어기를 갖고, 상기 제1 배압 제어기로서 차압 범위가 좁은 고정밀도의 것이 사용됨과 함께, 상기 제1 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 공급 압력의 설정값이 되도록 설정되고, 상기 제2 배압 제어기로서 차압 범위가 상기 제1 배압 제어기보다도 넓은 것이 사용됨과 함께, 상기 제2 배압 제어기의 1차측의 압력이 상기 가스 공급 압력의 설정값보다도 낮은 값이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스의 공급 압력이 상기 소정의 공급 압력에 도달할 때까지, 상기 유량 제어기의 설정 유량을, 상기 소정의 공급 압력에 도달하는데 필요한 유량을 초과하는 제1 유량으로 제어하고, 상기 배관으로부터 배출되어, 상기 배압 제어기로 흐르는 가스의 유량을 계측하고, 그 계측값에 기초하여, 상기 가스의 유량을, 상기 소정의 공급 압력을 유지하는 것이 가능한 유량보다 크고, 또한, 상기 제1 유량보다 작은 제2 유량으로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스로서, 적어도 2종류의 가스를 별개로 공급하고, 상기 적어도 2종류의 가스를 각각 유량 제어하고, 상기 적어도 2종류의 가스는 유량 제어 후, 상기 배관에 합류하고, 상기 적어도 2종류의 가스의 모두가 합류한 후에 상기 가스의 일부가 배출되는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상기 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스는, 그 일부가 배출되는 위치보다도 상류측에서, 승압기에 의해 승압되는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제1 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지 가능한 유량의 1.5배 내지 50배의 범위로 제어하고, 상기 제2 유량으로서, 상기 소정의 공급 압력을 유지 가능한 유량의 1.02배 내지 1.5배의 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 클러스터 처리 방법.
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