KR20230138030A - 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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KR20230138030A
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노리타케 스미
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

본 발명에 따른 기판 처리 방법에서는, 챔버 내에서 초임계 상태의 처리 유체에 의해 기판을 처리한 후의 감압 공정이 2단계로 구분된다. 제1 감압 공정에서는, 챔버의 내부 공간의 온도를 처리 유체의 임계 온도 이상으로 유지하면서, 내부 공간을 임계 압력보다 낮고 대기압보다 높은 압력까지 감압한다. 제2 감압 공정에서는, 제1 감압 공정보다 높은 배출 속도로 처리 유체를 배출하여 내부 공간을 감압한다. 이때, 내부 공간의 압력이 대기압까지 저하할 때의 내부 공간의 온도가 소정의 목표 온도가 되도록, 배출 속도가 제어된다. 처리 후의 챔버 내의 온도를 적절히 관리하고, 특히 복수의 기판을 차례로 처리하는 경우에도 안정적인 처리 효율을 얻을 수 있다.

Description

기판 처리 방법 및 기판 처리 장치
이 발명은, 챔버 내에서 초임계 상태의 처리 유체에 의해 기판을 처리하는 기술에 관한 것이며, 특히 처리 유체를 챔버로부터 배출하는 프로세스에 관한 것이다.
반도체 기판, 표시 장치용 유리 기판 등의 각종 기판의 처리 공정에는, 기판의 표면을 각종 처리 유체에 의해 처리하는 것이 포함된다. 처리 유체로서 약액이나 린스액 등의 액체를 이용하는 처리는 종래부터 널리 행해지고 있지만, 최근에는 초임계 유체를 이용한 처리도 실용화되고 있다. 특히, 표면에 미세 패턴이 형성된 기판의 처리에 있어서는, 액체에 비해 표면 장력이 낮은 초임계 유체는, 패턴의 간극의 안쪽까지 들어가기 때문에 효율적으로 처리를 행하는 것이 가능하다. 또 건조 시에 발생할 수 있는, 표면 장력에 기인하는 패턴 도괴의 발생 리스크를 저감시킬 수 있다.
예를 들면 특허문헌 1에는, 기판에 부착된 액체를 초임계 유체에 의해 치환하고, 기판의 건조 처리를 행하는 기판 처리 장치가 기재되어 있다. 보다 구체적으로는, 특허문헌 1에는, 초임계 처리 유체로서 이산화탄소를, 이에 의해 치환되는 치환 대상액으로서 IPA(Isopropyl alcohol; 이소프로필알코올)를 이용한 경우의 건조 처리의 흐름이 상세하게 기재되어 있다. 즉, 기판을 수용한 챔버 내가 처리 유체로 채워지고, 챔버 내가 당해 처리 유체의 임계 압력 및 임계 온도를 모두 웃도는 상태가 일정 기간 유지된다. 그 후, 챔버 내가 감압되어 일련의 처리가 종료된다.
일본국 특허공개 2018-081966호 공보
상기 종래 기술에서는, 주로 승압과 강압을 반복하는 압력 제어에 의해 초임계 상태의 유지가 도모되고 있다. 그러나, 처리 중의 초임계 유체의 온도 및 압력에 대해서는, 일정하게 유지되는 것이 보다 바람직하다. 그 이유는, 초임계 유체에서는, 특히 온도 변화에 수반하는 밀도 변화가 매우 크기 때문에, 예를 들면 액체의 치환을 목적으로 하는 처리에 있어서는, 처리 유체의 밀도에 따라 처리 효율이 크게 변화하기 때문이다. 보다 상세하게는, 초임계 처리 유체는 고밀도일수록, 다른 액체를 많이 들여올 수 있기 때문에 액체의 치환 효율은 높아진다. 그리고, 초임계 처리 유체는 온도가 낮을수록 고밀도이다. 그 때문에, 처리 유체는, 초임계 상태를 유지할 수 있는 범위에 있어서 가능한 한 저온 또한 일정 온도인 것이 바람직하다.
처리 유체의 온도는, 챔버에 도입될 때의 챔버 내 온도에 의해서도 영향을 받는다. 이 때문에, 도입 시의 챔버 내의 온도에 대해서도 일정 또한 적정하게 유지되어 있을 것이 요구된다. 그러나, 상기 종래 기술에서는 이 점에 대해서는 고려되어 있지 않고, 처리 중 이외의 타이밍, 특히 감압 프로세스에 있어서 챔버 내 온도는 관리되어 있지 않다. 이 때문에, 특히 복수의 기판을 차례로 처리하는 경우에 있어서, 앞선 기판에 대한 처리에 의해 고온이 된 챔버 내에 다음 기판 및 처리 유체가 도입되는 경우가 있을 수 있다. 이에 의해 처리 효율이 저하하거나, 처리 결과의 불균일이 발생하거나 할 우려가 있다.
이 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 챔버 내에서 초임계 상태의 처리 유체에 의해 기판을 처리하는 기술에 있어서, 처리 후의 챔버 내의 온도를 적절히 관리하고, 특히 복수의 기판을 차례로 처리하는 경우에도 안정적인 처리 효율을 얻을 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 발명의 일 양태는, 챔버 내에서 초임계 상태의 처리 유체에 의해 기판을 처리하는 기판 처리 방법으로서, 상기 기판을 수용한 상기 챔버의 내부 공간에 상기 처리 유체를 도입하고, 상기 내부 공간의 압력을 상기 처리 유체의 임계 압력보다 고압으로, 또한 상기 내부 공간의 온도를 상기 처리 유체의 임계 온도보다 고온으로 유지하여 상기 기판을 처리하는 초임계 처리 공정과, 상기 처리 유체를 상기 챔버로부터 배출하여, 상기 내부 공간의 온도를 상기 임계 온도 이상으로 유지하면서, 상기 내부 공간을 상기 임계 압력보다 낮고 대기압보다 높은 압력까지 감압하는 제1 감압 공정과, 상기 제1 감압 공정보다 높은 배출 속도로 상기 처리 유체를 배출하여 상기 내부 공간을 감압하는 제2 감압 공정을 구비하고 있다. 여기서, 상기 제2 감압 공정에서는, 상기 내부 공간의 압력이 대기압까지 저하할 때의 상기 내부 공간의 온도가 소정의 목표 온도가 되도록, 상기 배출 속도가 제어된다.
또, 이 발명의 다른 일 양태는, 초임계 상태의 처리 유체에 의해 기판을 처리하는 기판 처리 장치로서, 상기 기판을 수용하는 내부 공간을 갖는 챔버와, 상기 챔버의 내부 공간에 상기 처리 유체를 공급하는 유체 공급부와, 상기 내부 공간으로부터 상기 처리 유체를 배출하는 유체 배출부와, 상기 유체 공급부 및 상기 유체 배출부를 제어하는 제어부를 구비하고 있다. 그리고, 상기 제어부는, 상기 유체 공급부에 의해 상기 처리 유체를 상기 내부 공간에 공급시켜, 상기 내부 공간의 압력을 상기 처리 유체의 임계 압력보다 고압 또한 상기 내부 공간의 온도를 상기 처리 유체의 임계 온도보다 고온으로 유지한 후, 상기 유체 배출부에 의해 상기 처리 유체를 상기 챔버로부터 배출시켜, 상기 내부 공간의 온도를 상기 임계 온도 이상으로 유지하면서, 상기 내부 공간을 상기 임계 압력보다 낮고 대기압보다 높은 압력까지 감압하고, 또한, 상기 유체 배출부에 의한 상기 처리 유체의 배출 속도를 증대시켜, 상기 내부 공간을 대기압까지 감압하고, 상기 배출 속도를, 상기 내부 공간의 압력이 대기압까지 저하할 때의 상기 내부 공간의 온도가 소정의 목표 온도가 되도록 제어한다.
여기서 말하는 「배출 속도」란, 챔버로부터 배출되는 처리 유체의 단위 시간당 질량을 나타내는 것으로 한다.
이와 같이 구성된 발명에서는, 압력 및 온도가 모두 임계점을 초과한 초임계 상태의 처리 유체에 의한 기판의 처리 후, 처리 유체를 챔버 밖으로 배출하기 위한 프로세스가 2단계로 나누어져 있다. 즉, 제1 단계에서는, 챔버 내가 임계 온도 이상으로 유지되면서, 임계 압력보다 낮은 압력까지 감압된다. 이에 의해, 처리 유체는 초임계 상태로부터 액상을 거치는 일 없이 기상으로 천이한다. 이 때문에, 미세 패턴이 형성된 기판이더라도, 액상으로부터 기상으로의 상변화에 기인하는 패턴 도괴의 문제는 회피된다.
챔버 내가 임계 압력 이하 또한 기상의 처리 유체로 충만한 상태로부터의 감압의 양태에 대해서는, 액상으로의 상전이가 발생하지 않는 한에 있어서 비교적 자유도가 높다고 할 수 있다. 예를 들면, 챔버 내에 잔류하는 처리 유체를 즉시 배출하여 챔버 내를 대기압까지 감압해도 된다. 이렇게 함으로써, 처리 후의 기판을 챔버로부터 취출(取出)할 때까지의 시간을 단축하는 것이 가능하다.
이에 대하여, 본 발명의 감압 프로세스의 제2 단계에서는, 처리 유체를 배출할 때에 챔버 내에서 발생하는 단열 팽창을 이용하여, 처리 종료 시의 챔버 내의 온도 관리를 행하고 있다. 구체적으로는, 상기한 제1 단계의 감압 시보다 높은 배출 속도로 처리 유체를 배출함으로써, 챔버 내의 처리 유체를 단시간에 팽창시켜, 단열 팽창을 발생시킨다. 이에 의해, 챔버 내부 공간의 온도를 저하시킨다. 여기서, 「내부 공간의 온도」란, 바람직하게는 내부 공간에 면하는 부재의 표면, 예를 들면 챔버 벽면의 온도를 가리키는 개념이다. 단, 보다 간이적으로는, 챔버 내의 유체의 온도에 의해 나타내는 것이 가능하다.
제2 단계에 있어서의 감압에서는, 내부 공간이 대기압까지 감압되었을 때에 내부 온도가 소정의 목표 온도로 되어 있는 바와 같이, 배출 속도가 제어된다. 따라서, 챔버 내가 대기압까지 감압된 시점에서의 챔버 내의 온도는 목표 온도로 되어 있다. 이와 같이, 챔버의 내부 공간의 온도를 지표로 하여 감압을 관리함으로써, 감압 종료 시의 챔버 내를 적정한 온도로 유지해 둘 수 있다. 이에 의해, 복수의 기판에 대한 처리가 연속적으로 실행되는 경우여도, 각 기판에 대한 처리가 개시될 때의 챔버 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 그 결과, 도입되는 처리 유체의 온도 불균일을 억제하여, 처리 결과를 안정시킬 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는, 챔버 내의 처리 유체가 초임계 상태로부터 기상으로 천이한 후의 감압에 대해서는, 챔버 내의 온도를 지표로 하여 진행이 관리된다. 이 때문에, 1개의 기판에 대한 처리가 종료된 후의 챔버 내의 온도를 적절히 관리할 수 있다. 특히 복수의 기판을 차례로 처리하는 경우에도, 처리마다의 초임계 처리 유체의 온도 불균일을 억제하여, 안정적인 처리 효율을 얻을 수 있다.
이 발명의 상기 그리고 그 외의 목적과 신규 특징은, 첨부 도면을 참조하면서 다음의 상세한 설명을 읽으면, 보다 완전하게 명확해질 것이다. 단, 도면은 오로지 해설을 위한 것이며, 이 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명에 따른 기판 처리 장치의 일 실시 형태의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 이 기판 처리 장치에 의해 실행되는 처리의 개요를 나타내는 플로차트이다.
도 3은, 초임계 처리에 있어서의 챔버 내의 온도 변화를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 실시 형태의 초임계 처리에 있어서의 상변화를 나타내는 상도(相圖)이다.
도 5는, 초임계 처리에 있어서의 각 부의 상태 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 1은 본 발명에 따른 기판 처리 장치의 일 실시 형태의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 이 기판 처리 장치(1)는, 예를 들면 반도체 기판과 같은 각종 기판의 표면을, 초임계 유체를 이용하여 처리하기 위한 장치이며, 본 발명에 따른 기판 처리 방법을 실행하는 데에 적합한 장치 구성을 갖는 것이다. 이하의 설명에 있어서 방향을 통일적으로 나타내기 위하여, 도 1에 나타내는 바와 같이 XYZ 직교 좌표계를 설정한다. 여기서, XY 평면은 수평면이며, Z방향은 연직 방향을 나타낸다. 보다 구체적으로는, (-Z)방향이 연직 하향을 나타낸다.
본 실시 형태에 있어서의 「기판」으로서는, 반도체 웨이퍼, 포토마스크용 유리 기판, 액정 표시용 유리 기판, 플라즈마 표시용 유리 기판, FED(Field Emission Display)용 기판, 광디스크용 기판, 자기 디스크용 기판, 광자기 디스크용 기판 등의 각종 기판을 적용 가능하다. 이하에서는 주로 원반 형상의 반도체 웨이퍼의 처리에 이용되는 기판 처리 장치를 예로 들어 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 위에 예시한 각종 기판의 처리에도 동일하게 적용 가능하다. 또 기판의 형상에 대해서도 각종의 것을 적용 가능하다.
기판 처리 장치(1)는, 처리 유닛(10), 이재(移載) 유닛(30), 공급 유닛(50) 및 제어 유닛(90)을 구비하고 있다. 처리 유닛(10)은, 초임계 건조 처리의 실행 주체가 되는 것이다. 이재 유닛(30)은, 도시하지 않은 외부의 반송 장치에 의해 반송되어 오는 미처리 기판(S)을 수취하여 유닛(10)에 반입하고, 또 처리 후의 기판(S)을 처리 유닛(10)으로부터 외부의 반송 장치에 수도(受渡)한다. 공급 유닛(50)은, 처리에 필요한 화학 물질, 동력 및 에너지 등을, 처리 유닛(10) 및 이재 유닛(30)에 공급한다.
제어 유닛(90)은, 이들 장치의 각 부를 제어하여 소정의 처리를 실현한다. 이 목적을 위하여, 제어 유닛(90)은, CPU(91), 메모리(92), 스토리지(93), 및 인터페이스(94) 등을 구비하고 있다. CPU(91)는, 각종 제어 프로그램을 실행한다. 메모리(92)는, 처리 데이터를 일시적으로 기억한다. 스토리지(93)는, CPU(91)가 실행하는 제어 프로그램을 기억한다. 인터페이스(94)는, 유저나 외부 장치와 정보 교환을 행한다. 후술하는 장치의 동작은, CPU(91)가 미리 스토리지(93)에 기입된 제어 프로그램을 실행하여, 장치 각 부로 하여금 소정의 동작을 행하게 함으로써 실현된다.
처리 유닛(10)은, 대좌(11) 위에 처리 챔버(12)가 장착된 구조를 갖고 있다. 처리 챔버(12)는, 몇 가지의 금속 블록의 조합에 의해 구성되고, 그 내부가 공동(空洞)이 되어 처리 공간(SP)을 구성하고 있다. 처리 대상의 기판(S)은 처리 공간(SP) 내에 반입되어 처리를 받는다. 처리 챔버(12)의 (-Y) 측 측면에는, X방향으로 가늘고 길게 연장되는 슬릿 형상의 개구(121)가 형성되어 있다. 개구(121)를 통하여, 처리 공간(SP)과 외부 공간이 연통하고 있다. 처리 공간(SP)의 단면 형상은, 개구(121)의 개구 형상과 대략 같다. 즉, 처리 공간(SP)은 X방향으로 길고 Z방향으로 짧은 단면 형상을 갖고, Y방향으로 연장되는 공동이다.
처리 챔버(12)의 (-Y) 측 측면에는, 개구(121)를 폐색하도록 덮개 부재(13)가 설치되어 있다. 덮개 부재(13)가 처리 챔버(12)의 개구(121)를 폐색함으로써, 기밀성의 처리 용기가 구성된다. 이에 의해, 내부의 처리 공간(SP)에서 기판(S)에 대한 고압하에서의 처리가 가능해진다. 덮개 부재(13)의 (+Y) 측 측면에는 평판 형상의 지지 트레이(15)가 수평 자세로 장착되어 있다. 지지 트레이(15)의 상면(151)은, 기판(S)을 재치(載置) 가능한 지지면으로 되어 있다. 덮개 부재(13)는 도시를 생략하는 지지 기구에 의해, Y방향으로 수평 이동 가능하게 지지되어 있다.
덮개 부재(13)는, 공급 유닛(50)에 설치된 진퇴 기구(53)에 의해, 처리 챔버(12)에 대하여 진퇴 이동 가능하게 되어 있다. 구체적으로는, 진퇴 기구(53)는, 예를 들면 리니어 모터, 직동 가이드, 볼 나사 기구, 솔레노이드, 에어 실린더 등의 직동 기구를 갖고 있다. 이와 같은 직동 기구가 덮개 부재(13)를 Y방향으로 이동시킨다. 진퇴 기구(53)는 제어 유닛(90)으로부터의 제어 지령에 따라 동작한다.
덮개 부재(13)가 (-Y)방향으로 이동함으로써 처리 챔버(12)로부터 이격하고, 점선으로 나타내는 바와 같이 지지 트레이(15)가 처리 공간(SP)으로부터 개구(121)를 통하여 외부로 인출되면, 지지 트레이(15)에 대한 액세스가 가능해진다. 즉, 지지 트레이(15)에 대한 기판(S)의 재치, 및 지지 트레이(15)에 재치되어 있는 기판(S)의 취출이 가능해진다. 한편, 덮개 부재(13)가 (+Y)방향으로 이동함으로써, 지지 트레이(15)는 처리 공간(SP) 내에 수용된다. 지지 트레이(15)에 기판(S)이 재치되어 있는 경우, 기판(S)은 지지 트레이(15)와 함께 처리 공간(SP)에 반입된다.
덮개 부재(13)가 (+Y)방향으로 이동하여 개구(121)를 막음으로써, 처리 공간(SP)이 밀폐된다. 덮개 부재(13)의 (+Y) 측 측면과 처리 챔버(12)의 (-Y) 측 측면의 사이에는 시일 부재(122)가 설치되고, 처리 공간(SP)의 기밀 상태가 유지된다. 시일 부재(122)는 예를 들면 고무제이다. 또, 도시하지 않은 로크 기구에 의해, 덮개 부재(13)는 처리 챔버(12)에 대하여 고정된다. 이와 같이, 이 실시 형태에서는, 덮개 부재(13)는, 개구(121)를 폐색하여 처리 공간(SP)을 밀폐하는 폐색 상태(실선)와, 개구(121)로부터 크게 이격하여 기판(S)의 출납이 가능해지는 이격 상태(점선)의 사이에서 전환된다.
처리 공간(SP)의 기밀 상태가 확보된 상태로, 처리 공간(SP) 내에서 기판(S)에 대한 처리가 실행된다. 이 실시 형태에서는, 공급 유닛(50)에 설치된 유체 공급부(57)로부터, 처리 유체로서, 초임계 처리에 이용 가능한 물질의 처리 유체, 예를 들면 이산화탄소가 송출된다. 처리 유체는, 기체, 액체 또는 초임계의 상태로 처리 유닛(10)에 공급된다. 이산화탄소는, 비교적 저온, 저압에서 초임계 상태가 되고, 또 기판 처리에 많이 사용되는 유기 용제를 잘 녹이는 성질을 갖는다고 하는 점에서, 초임계 건조 처리에 적합한 화학 물질이다. 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 임계점은, 기압(임계 압력)이 7.38MPa, 온도(임계 온도)가 31.1℃이다.
처리 유체는 처리 공간(SP)에 충전되고, 처리 공간(SP) 내가 적당한 온도 및 압력에 도달하면, 처리 공간(SP)은 초임계 상태의 처리 유체로 채워진다. 이렇게 하여 기판(S)이 처리 챔버(12) 내에서 초임계 유체에 의해 처리된다. 공급 유닛(50)에는 유체 회수부(55)가 설치되어 있고, 처리 후의 유체는 유체 회수부(55)에 의해 회수된다. 유체 공급부(57) 및 유체 회수부(55)는, 제어 유닛(90)에 의해 제어되어 있다.
처리 공간(SP)은, 지지 트레이(15) 및 이것에 지지되는 기판(S)을 받아들임 가능한 형상 및 용적을 갖고 있다. 즉, 처리 공간(SP)은, 수평 방향으로는 지지 트레이(15)의 폭보다 넓고, 연직 방향으로는 지지 트레이(15)와 기판(S)을 합한 높이보다 큰 개략 직사각형의 단면 형상과, 지지 트레이(15)를 받아들임 가능한 깊이를 갖고 있다. 이와 같이 처리 공간(SP)은 지지 트레이(15) 및 기판(S)을 받아들일 만한 형상 및 용적을 갖고 있다. 단, 지지 트레이(15) 및 기판(S)과, 처리 공간(SP)의 내벽면 사이의 간극은 얼마 안 된다. 따라서, 처리 공간(SP)을 충전하기 위하여 필요한 처리 유체의 양은 비교적 적어도 된다.
지지 트레이(15)가 처리 공간(SP)에 수용된 상태에서는, 처리 공간(SP)은 지지 트레이(15)보다 상방의 공간과 하방의 공간으로 크게 이분된다. 지지 트레이(15)에 기판(S)이 재치되어 있는 경우에는, 처리 공간(SP)은, 기판(S)의 상면보다 상방의 공간과, 지지 트레이(15)의 하면보다 하방의 공간으로 구분되게 된다.
유체 공급부(57)는, 기판(S)의 (+Y) 측 단부보다 더 (+Y) 측에서, 처리 공간(SP) 중 기판(S)보다 상방의 공간과, 지지 트레이(15)보다 하방의 공간 각각에 대하여 처리 유체를 공급한다. 한편, 유체 회수부(55)는, 기판(S)의 (-Y) 측 단부보다 더 (-Y) 측에서, 처리 공간(SP) 중 기판(S)보다 상방의 공간과, 지지 트레이(15)보다 하방의 공간으로부터 각각 처리 유체를 배출한다. 이에 의해, 처리 공간(SP) 내에서는, 기판(S)의 상방과 지지 트레이(15)의 하방 각각에, (+Y) 측으로부터 (-Y) 측을 향하는 처리 유체의 층류가 형성되게 된다.
처리 공간(SP)으로부터 유체 회수부(55)에 이르는 처리 유체의 배출 경로가 되는 배관에는, 처리 공간(SP)으로부터 배출되는 처리 유체의 압력 및 온도를 검출하는 검출부(173, 174)가 설치되어 있다. 구체적으로는, 처리 공간(SP) 중 지지 트레이(15)보다 상방의 공간에 연통하여 당해 공간으로부터 처리 유체를 배출하는 배관에, 제1 검출부(173)가 설치된다. 또, 지지 트레이(15)보다 하방의 공간에 연통하여 당해 공간으로부터 처리 유체를 배출하는 배관에, 제2 검출부(174)가 설치되어 있다.
검출부(173, 174)는 처리 공간(SP)의 압력 및 온도를 검출하는 것이고, 이 의미에 있어서는 처리 공간(SP)의 내부에 설치되는 것이 바람직하다. 특히 온도에 대해서는, 처리 공간(SP)에 면하는 챔버 내벽면의 온도를 검출할 수 있으면 이상적이다. 그러나, 처리 유체의 원활한 흐름을 저해하거나, 처리 유체에 대한 오염원이 되거나 하는 것은 피하지 않으면 안 된다. 이 때문에, 간이적인 대체 방법으로서, 처리 유체의 유통 방향에 있어서 기판(S)보다 하류 측에서 처리 공간(SP)에 연통하는 처리 유체의 유로에, 검출부(173, 174)가 설치된다. 즉, 이 유로를 흐르는 처리 유체의 압력 및 온도의 검출 결과를, 처리 공간(SP)의 압력 및 온도로 간주하는 것으로 한다.
이 목적에서는, 처리 공간(SP)으로부터 검출부(173, 174)에 이르는 처리 유체의 유로를 구성하는 배관에 대해서는, 압력 손실이 작은 것인 것이 바람직하다. 또, 처리 유체의 흐름에 영향을 주지 않는 한, 처리 공간(SP)에 직접 면하도록 검출부가 배치되어도 물론 상관없다.
제어 유닛(90)은, 검출부(173, 174)의 출력에 의거하여 처리 공간(SP) 내의 압력 및 온도를 특정하고, 그 결과에 의거하여 유체 공급부(57) 및 유체 회수부(55)를 제어한다. 이에 의해, 처리 공간(SP)으로의 처리 유체의 공급 및 처리 공간(SP)으로부터의 처리 유체의 배출이 적절히 관리된다. 그 결과, 처리 공간(SP) 내의 압력 및 온도가, 미리 정해진 처리 레시피에 따라 조정된다.
이재 유닛(30)은, 외부의 반송 장치와 지지 트레이(15)의 사이에 있어서의 기판(S)의 수도를 담당한다. 이 목적을 위하여, 이재 유닛(30)은, 본체(31)와, 승강 부재(33)와, 베이스 부재(35)와, 복수의 리프트 핀(37)을 구비하고 있다. 승강 부재(33)는 Z방향으로 연장되는 기둥 형상의 부재이며, 도시하지 않은 지지 기구에 의해, 본체(31)에 대하여 Z방향으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 승강 부재(33)의 상부에는, 대략 수평의 상면을 갖는 베이스 부재(35)가 장착되어 있다. 베이스 부재(35)의 상면으로부터 상향으로, 복수의 리프트 핀(37)이 세워 설치되어 있다. 리프트 핀(37) 각각은, 그 상단부가 기판(S)의 하면에 맞닿음으로써 기판(S)을 하방으로부터 수평 자세로 지지한다. 기판(S)을 수평 자세로 안정적으로 지지하기 위하여, 상단부의 높이가 서로 동일한 3 이상의 리프트 핀(37)이 설치되는 것이 바람직하다.
승강 부재(33)는, 공급 유닛(50)에 설치된 승강 기구(51)에 의해 승강 이동 가능하게 되어 있다. 구체적으로는, 승강 기구(51)는, 예를 들면 리니어 모터, 직동 가이드, 볼 나사 기구, 솔레노이드 또는 에어 실린더 등의 직동 기구를 갖고 있고, 이와 같은 직동 기구가 승강 부재(33)를 Z방향으로 이동시킨다. 승강 기구(51)는 제어 유닛(90)으로부터의 제어 지령에 따라 동작한다.
승강 부재(33)의 승강에 의해 베이스 부재(35)가 상하로 움직이고, 이것과 일체적으로 복수의 리프트 핀(37)이 상하로 움직인다. 이에 의해, 이재 유닛(30)과 지지 트레이(15)의 사이에서의 기판(S)의 수도가 실현된다. 보다 구체적으로는, 도 1에 점선으로 나타내는 바와 같이, 지지 트레이(15)가 챔버 밖으로 인출된 상태로 기판(S)이 수도된다. 이 목적을 위하여, 지지 트레이(15)에는 리프트 핀(37)을 삽입 통과시키기 위한 관통 구멍(152)이 형성되어 있다. 베이스 부재(35)가 상승하면, 리프트 핀(37)의 상단은 관통 구멍(152)을 통과하여 지지 트레이(15)의 지지면(151)보다 상방에 도달한다. 이 상태로, 외부의 반송 장치에 의해 반송되어 오는 기판(S)이, 리프트 핀(37)에 수도된다. 리프트 핀(37)이 하강함으로써, 기판(S)은 리프트 핀(37)으로부터 지지 트레이(15)에 수도된다. 기판(S)의 반출은, 상기와 반대의 순서에 의해 행할 수 있다.
도 2는 이 기판 처리 장치에 의해 실행되는 처리의 개요를 나타내는 플로차트이다. 이 기판 처리 장치(1)는, 초임계 건조 처리, 즉 전(前) 공정에 있어서 세정액에 의해 세정된 기판(S)을 건조시키는 처리를 실행한다. 구체적으로는 이하와 같다. 처리 대상의 기판(S)은, 기판 처리 시스템을 구성하는 다른 기판 처리 장치에서 실행되는 전 공정에 있어서, 세정액에 의해 세정된다. 그 후, 예를 들면 이소프로필알코올(IPA) 등의 유기 용제에 의한 액막이 표면에 형성된 상태로, 기판(S)은 기판 처리 장치(1)에 반송된다.
예를 들면 기판(S)의 표면에 미세 패턴이 형성되어 있는 경우, 기판(S)에 잔류 부착되어 있는 액체의 표면 장력에 의해 패턴의 도괴가 발생할 우려가 있다. 또, 불완전한 건조에 의해 기판(S)의 표면에 워터 마크가 잔류하는 경우가 있다. 또, 기판(S) 표면이 외기에 접촉함으로써 산화 등의 변질을 발생시키는 경우가 있다. 이와 같은 문제를 미연에 회피하기 위하여, 기판(S)의 표면(패턴 형성면)을, 액체 또는 고체의 표면층으로 덮은 상태로 반송하는 경우가 있다.
예를 들면 세정액이 물을 주성분으로 하는 것인 경우에는, 이것보다 표면 장력이 낮고, 또한 기판에 대한 부식성이 낮은 액체, 예를 들면 IPA나 아세톤 등의 유기 용제에 의해 액막을 형성한 상태로, 반송이 실행된다. 즉, 기판(S)은, 수평 상태로 지지되고, 또한 그 상면에 액막이 형성된 상태로, 기판 처리 장치(1)에 반송되어 온다. 여기에서는 액막 재료의 일례로서 IPA가 이용되는 것으로 한다.
도시하지 않은 반송 장치에 의해 반송되어 온 기판(S)은 처리 챔버(12)에 수용된다(단계 S101). 구체적으로는, 기판(S)은, 패턴 형성면을 상면으로 하고, 게다가 당해 상면이 얇은 액막에 덮인 상태로 반송되어 온다. 도 1에 점선으로 나타내는 바와 같이, 덮개 부재(13)가 (-Y) 측으로 이동하여 지지 트레이(15)가 인출된 상태로, 리프트 핀(37)이 상승한다. 반송 장치는 기판(S)을 리프트 핀(37)에 수도한다. 리프트 핀(37)이 하강함으로써, 기판(S)은 지지 트레이(15)에 재치된다. 지지 트레이(15) 및 덮개 부재(13)가 일체적으로 (+Y)방향으로 이동하면, 기판(S)을 지지하는 지지 트레이(15)가 처리 챔버(12) 내의 처리 공간(SP)에 수용됨과 더불어, 개구(121)가 덮개 부재(13)에 의해 폐색된다.
이 상태로, 처리 유체로서의 이산화탄소가, 기상 상태로 처리 공간(SP)에 도입된다(단계 S102). 기판(S)의 반입 시에 처리 공간(SP)에는 외기가 침입하지만, 기상의 처리 유체를 도입함으로써, 이것을 치환할 수 있다. 또한 기상의 처리 유체를 주입함으로써, 처리 챔버(12) 내의 압력이 상승한다.
또한, 처리 유체의 도입 과정에 있어서, 처리 공간(SP)으로부터의 처리 유체의 배출은 계속적으로 행해진다. 즉, 유체 공급부(57)에 의해 처리 유체가 도입되고 있는 동안에도, 유체 회수부(55)에 의한 처리 공간(SP)으로부터의 처리 유체의 배출이 실행되고 있다. 이에 의해, 처리에 제공된 처리 유체가 처리 공간(SP)에 체류하는 일 없이 배출되어, 처리 유체 중에 들어간 잔류 액체 등의 불순물이 기판(S)에 재부착되는 것이 방지된다.
처리 유체의 공급량이 배출량보다 많으면, 처리 공간(SP)에 있어서의 처리 유체의 밀도가 상승하여 챔버 내압이 상승한다. 반대로, 처리 유체의 공급량이 배출량보다 적으면, 처리 공간(SP)에 있어서의 처리 유체의 밀도는 저하하여 챔버 내는 감압된다. 이와 같은 처리 유체의 처리 챔버(12)에 대한 공급 및 처리 챔버(12)로부터의 배출에 대해서는, 미리 작성된 급배(給排) 레시피에 의거하여 행해진다. 즉, 제어 유닛(90)이 급배 레시피에 의거하여 유체 공급부(57) 및 유체 회수부(55)를 제어함으로써, 처리 유체의 공급·배출 타이밍이나 그 유량 등이 조정된다.
처리 공간(SP) 내에서 처리 유체의 압력이 상승하여 임계 압력을 초과하면, 처리 유체는 챔버 내에서 초임계 상태가 된다. 즉, 처리 공간(SP) 내에서의 상변화에 의해, 처리 유체가 기상으로부터 초임계 상태로 천이한다. 또한, 초임계 상태의 처리 유체는 외부로부터 공급되어도 된다. 처리 공간(SP)에 초임계 유체가 도입됨으로써, 기판(S)을 덮는 IPA 등의 유기 용제가 초임계 유체에 의해 치환된다. 기판(S)의 표면으로부터 유리된 유기 용제는, 처리 유체에 녹아 들어간 상태로 처리 유체와 함께 처리 챔버(12)로부터 배출되어, 기판(S)으로부터 제거된다. 즉, 초임계 상태의 처리 유체는, 기판(S)에 부착되는 유기 용제를 치환 대상액으로 하여 이것을 치환하고, 처리 챔버(12) 밖으로 배출하는 기능을 갖는다. 처리 공간(SP)이 초임계 상태의 처리 유체로 채워진 상태를 소정 시간 계속함으로써(단계 S103), 기판(S)에 부착되어 있던 치환 대상액을 완전하게 치환하여 챔버 밖으로 배출할 수 있다.
처리 챔버(12) 내에서의 초임계 유체에 의한 치환 대상액의 치환이 종료하면(단계 S104), 처리 공간(SP) 내의 처리 유체를 배출하여 기판(S)을 건조시킨다. 구체적으로는, 처리 공간(SP)으로부터의 유체의 배출량을 증대시킴으로써, 초임계 상태의 처리 유체로 채워진 처리 챔버(12) 내를 감압한다(단계 S105, S106). 이 실시 형태에서는, 2단계의 감압 프로세스, 즉 제1 감압 공정(단계 S105) 및 제2 감압 공정(단계 S106)이 실행된다. 이렇게 함으로써, 처리 공간(SP)이 최종적으로 대기압까지 감압된다. 이들 2개의 감압 공정의 차이에 대해서는 뒤에 상세하게 설명한다.
감압 프로세스에 있어서, 처리 유체의 공급은 정지되어도 되고, 또 소량의 처리 유체가 계속해서 공급되는 양태여도 된다. 처리 공간(SP)이 초임계 유체로 채워진 상태로부터 감압됨으로써, 처리 유체는 초임계 상태로부터 상변화하여 기상이 된다. 기화한 처리 유체를 외부로 배출함으로써, 기판(S)은 건조 상태가 된다. 이때, 급격한 온도 저하에 의해 고상 및 액상을 발생시키는 일이 없도록, 감압 속도가 조정된다. 이에 의해, 처리 공간(SP) 내의 처리 유체는, 초임계 상태로부터 직접 기화하여 외부로 배출된다. 따라서, 건조 후의 표면이 노출된 기판(S)에 기액 계면이 형성되는 것은 회피된다.
이와 같이, 이 실시 형태의 초임계 건조 처리에서는, 처리 공간(SP)을 초임계 상태의 처리 유체로 채운 후, 기상으로 상변화시켜 배출함으로써, 기판(S)에 부착되는 액체를 효율적으로 치환하여, 기판(S)에 대한 잔류를 방지할 수 있다. 게다가, 불순물의 부착에 의한 기판의 오염이나 패턴 도괴 등, 기액 계면의 형성에 기인하여 발생하는 문제를 회피하면서 기판을 건조시킬 수 있다.
처리 후의 기판(S)은 후 공정으로 불출된다(단계 S107). 즉, 덮개 부재(13)가 (-Y)방향으로 이동함으로써 지지 트레이(15)가 처리 챔버(12)로부터 외부로 인출되고, 이재 유닛(30)을 통하여 외부의 반송 장치로 기판(S)이 수도된다. 이때, 기판(S)은 건조한 상태가 되어 있다. 후 공정의 내용은 임의이다. 다음에 처리해야 하는 기판이 없으면(단계 S108에 있어서 NO), 처리는 종료한다. 그 밖에 처리 대상 기판이 있는 경우에는(단계 S108에 있어서 YES), 단계 S101로 되돌아와 새로운 기판(S)이 받아들여지고, 상기 처리가 반복된다.
1장의 기판(S)에 대한 처리의 종료 후, 이어서 다음 기판(S)의 처리가 행해지는 경우에는, 이하와 같이 함으로써 택트 타임을 단축할 수 있다. 즉, 지지 트레이(15)가 인출되어 처리 완료된 기판(S)이 반출된 후, 새롭게 미처리 기판(S)이 재치되고 나서 지지 트레이(15)를 처리 챔버(12) 내에 수용한다. 또, 이렇게 하여 덮개 부재(13)의 개폐 횟수를 저감시킴으로써, 외기의 진입에 기인하는 처리 챔버(12) 내의 온도 변화를 억제하는 효과도 얻어진다.
다음으로, 이 실시 형태에 있어서 감압 공정이 2단계로 실시되는 이유에 대하여 설명한다. 초임계 처리를 행한 후의 감압 공정에 대해서는, 초임계 상태의 처리 유체가 액상을 거치는 일 없이 기상으로 상전이하여 챔버 밖으로 배출되면 충분하다. 이 때문에, 1장의 기판에 대한 처리만을 생각하면, 처리 종료 시의 챔버 내 온도에 대해서는 특별히 관리할 필요는 없다고 할 수 있다. 그러나, 다음에 설명하는 바와 같이, 복수의 기판을 연속적으로 처리하는 경우에는, 1장의 기판에 대한 처리의 종료 시의 챔버 내 온도는, 다음에 처리되는 기판의 처리 결과에 영향을 미친다.
도 3은 초임계 처리에 있어서의 챔버 내의 온도 변화를 모식적으로 나타내는 도면이다. 처리 챔버(12)의 처리 공간(SP)에 기판(S)이 수용된 직후의 챔버 내 온도를, 초기 온도(Ti)로 나타낸다. 이 상태로부터, 처리 공간(SP)에 처리 유체가 도입되어 챔버 내가 승압되고, 챔버 내의 온도는 차츰 상승한다. 그리고, 챔버 내 온도가 처리 유체의 임계 온도를 초과하는 온도(Tm)로 유지된 상태가 일정 기간 계속됨으로써, 기판(S)이 초임계 처리된다. 초임계 처리 유체의 밀도는 온도에 의해 크게 변동하고, 밀도 변화는 치환 효율의 변동으로 이어진다. 이 때문에, 1장의 기판(S)에 대한 처리 중의 온도는 일정한 것이 바람직하다. 또, 복수의 기판에 대한 처리 품질을 안정시키기 위해서는, 각 기판에 대한 처리 중의 온도가 같은 것이 바람직하다.
초임계 처리 유체에 의한 처리 후, 처리 공간(SP)이 감압되어 최종적으로 대기압까지 강압하는 과정에서, 챔버 내 온도도 저하한다. 이때, 도면에 실선으로 나타내는 바와 같이, 감압 종료 시점의 온도가 초기 온도(Ti)와 같으면, 이어서 실시되는 다른 기판에 대한 처리에 있어서의 온도 변화도 거의 같아진다고 생각된다. 한편, 감압 시의 챔버 내 온도가 적절히 관리되어 있지 않으면, 예를 들면 점선으로 나타내는 바와 같이 초기 온도(Ti)보다 높은 온도에서 처리가 종료되는 케이스나, 파선으로 나타내는 바와 같이 초기 온도(Ti)보다 낮은 온도에서 처리가 종료되는 케이스 등이 있을 수 있다.
그러면, 앞선 기판에 대한 처리와 다음 기판에 대한 처리의 사이에서 초기 온도가 상이하게 되어, 처리 중의 온도도 상이한 변화를 나타내게 된다. 그 결과, 기판 마다 처리 품질이 상이하다고 하는 사태가 발생할 수 있다. 특히, 초기 온도보다 고온에서 처리가 종료된 경우, 다음 기판에 대한 처리에 있어서 초임계 처리 유체의 온도가 너무 높아지고, 처리 유체의 밀도가 낮아져 치환 효율이 저하하는, 즉 처리 품질이 열화한다고 하는 문제를 발생시킨다. 또, 처리를 반복할 때마다 처리 챔버(12)에 열에너지가 축적되어, 처리 공간(SP)의 온도가 차츰 상승해 간다.
이 문제를 해소하기 위하여, 본 실시 형태에서는, 감압 종료 시의 챔버 내의 온도가 적정한 값이 되도록, 감압의 진행이 제어된다. 여기서 말하는 감압 종료 시란, 구체적으로는 챔버 내의 압력이 실질적으로 대기압까지 저하할 때를 의미한다. 이하, 본 실시 형태의 감압 공정의 구체적 양태에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 4는 본 실시 형태의 초임계 처리에 있어서의 상변화를 나타내는 상도이다. 초임계 처리를 행하기 위하여 챔버 내를 초임계 유체로 채울 때, 미리 초임계 상태로 한 처리 유체를 처리 챔버에 도입해도 된다. 단, 상술과 같이 초임계 유체는 온도나 압력의 변화에 따른 밀도 변화가 크기 때문에, 보다 취급이 용이한 액상, 기상으로의 도입이 현실적이다. 즉, 기상 또는 액상으로 처리 유체를 도입하고, 챔버 내에서 초임계 상태로 상전이시킨다. 이 경우, 도 3에 점선 화살표 a~c로 나타내는 바와 같이, 처리 유체의 압력 및 온도 변화의 양태로서는 다양한 것이 생각된다.
도면에 있어서 흰색 동그라미 표시는 본 실시 형태의 처리 유체인 이산화탄소의 임계점을 나타내고 있다. 부호 Pc, Tc는 각각 임계 압력 및 임계 온도를 나타낸다. 또, 점 P1은 초임계 처리에 있어서 목표로 하는 압력 및 온도를 나타내는 점이다. 처리 효율의 관점에서는, 점 P1은 임계점(흰색 동그라미 표시)에 가까운 것이 바람직하다.
화살표 a는 액상의 처리 유체를 도입하는 케이스에 대응한다. 보다 구체적으로는, 화살표 a는, 임계 압력(Pc)보다 저압이고 임계 온도(Tc)보다 저온인 액상의 처리 유체를 챔버 내에서 가압·가열함으로써 초임계 상태로 전이시키는 케이스를 나타낸다. 이때 기상으로의 상전이가 발생하지 않도록, 처리 유체의 압력 및 온도가 제어된다. 또한, 도입되는 액상의 처리 유체의 압력은, 임계 압력(Pc)보다 고압이어도 된다.
또, 화살표 b, c는 기상의 처리 유체를 도입하는 케이스에 대응한다. 보다 구체적으로는, 화살표 b, c는, 임계 압력(Pc)보다 저압이고 임계 온도(Tc)보다 저온인 기체상의 처리 유체를, 챔버 내에서 가압 및 가열함으로써 초임계 상태로 전이시키는 케이스를 나타낸다. 이 중 화살표 b는 기상으로부터 액상을 거쳐 초임계 전이시키는 케이스를, 또 화살표 c는, 액상을 거치는 일 없이 기상으로부터 초임계 상태로 전이시키는 케이스를 나타낸다.
이와 같이, 도입된 처리 유체를 임계 압력(Pc)보다 고압 또한 임계 온도(Tc)보다 고온인 초임계 상태(점 P1)에 이르게 하는 방법으로서는, 다양한 것이 있을 수 있다. 한편, 초임계 처리의 종료 후의 감압 공정은, 다음의 3점을 고려한 내용으로 하는 것이 바람직하다.
(1) 처리 유체가 초임계 상태로부터 액상을 거치는 일 없이 기상으로 상전이하는 것,
(2) 감압 종료 시의 챔버 내 온도가 적정값이 되는 것,
(3) 상기 (1), (2)를 만족하는 한에 있어서 가능한 한 단시간에 대기압까지 감압하는 것.
상기 (1)은, 미세 패턴이 형성된 기판에 있어서도 패턴 도괴를 발생시키지 않는다고 하는 목적에서의 요청이다. 또, (2)는 복수 장의 기판에 대한 처리 품질을 안정화한다고 하는 목적에서의 요청이다. 또, (3)은 처리의 스루풋 향상이라고 하는 목적에서의 요청이다.
이에, 이 실시 형태에서는, 감압 공정을 상기 (1), (2)의 목적에 각각 대응한 2단계로 구분하고, 각각을 개별적으로 최적화함으로써, 상기 (3)의 목적 달성이 도모되고 있다. 즉, 감압 공정의 제1 단계(도 2의 단계 S105에 나타내는, 제1 감압 공정)에서는, 상기 (1)의 목적을 달성하기 위하여, 챔버 내 온도가 임계 온도(Tc)를 밑돌지 않는 것을 목표로 하여 감압의 진행이 제어된다. 구체적으로는, 도 4에 파선 화살표 d로 나타내는 바와 같이, 처리 유체 상태가, 「압력, 온도 모두 임계점을 초과하는(즉 처리 유체가 초임계 상태인)」 점 P1로부터 「온도가 임계 온도(Tc)보다 높고 압력이 임계 압력(Pc)보다 낮은」 점 P2로 천이하도록, 감압이 제어된다. 이에 의해, 처리 유체는 액상을 거치는 일 없이 초임계 상태로부터 기상으로 상전이한다.
한편, 감압 공정의 제2 단계(도 2의 단계 S106에 나타내는, 제2 감압 공정)에서는, 상기 (2)의 목적을 달성하기 위하여, 감압 종료 시의 챔버 내 온도를 지표로 하여 감압이 제어된다. 즉, 도 4에 파선 화살표 e로 나타내는 점 P2로부터 점 P3으로의 상태 천이에서는, 점 P3에 있어서의 온도가 미리 설정된 목표 온도(Tt)가 되도록, 감압의 진행이 조정된다. 이 시점에서 챔버 내 압력은 임계 압력(Pc)을 밑돌고 있다. 그 때문에, 상당히 극단적인 온도 저하를 발생시키는 것과 같은 조작을 행하지 않는 한, 처리 유체가 액상으로 전이하는 것에 대한 배려는 불필요하다.
도 4의 예에서는 목표 온도(Tt)는 임계 온도(Tc)보다 높지만, 이것보다 낮아도 된다. 승압 과정에 있어서 처리 유체를 단시간에 초임계 상태에 이르게 한다고 하는 관점에서는, 목표 온도(Tt)는 임계 온도(Tc)보다 높은 것이 바람직하다. 한편, 승압 과정에서 필연적으로 온도 상승이 발생하고, 또 치환 효율의 점에서는 초임계 처리 중의 처리 유체의 온도는 낮은 편이 바람직하기 때문에, 처리 개시 시점에서의 챔버 내 온도는 임계 온도(Tc)보다 낮아도 된다.
또한, 처리 공간(SP)에 도입된 처리 유체가 급격한 온도 변화를 받아 상전이하는 일이 없도록 한다고 하는 관점에서는, 도입되는 처리 유체의 온도와 챔버 내 온도의 차가 작은 것이 바람직하다. 이 관점에서 목표 온도(Tt) 및 처리 유체의 온도가 정해져도 된다. 이와 같이, 목표 온도(Tt)의 설정에 관해서는 다양한 발상이 성립할 수 있다. 그렇게 하여 설정된 목표 온도(Tt)를 지표로 하여 감압 제어를 행하는 것이, 본 실시 형태의 주안점이다.
또한 복수의 기판에 대하여 안정적으로 처리를 행하기 위해서는, 처리 개시 시의 초기 온도(Ti)와 처리 종료 시의 목표 온도(Tt)가 같은 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 복수 회의 처리에 있어서의 온도 변화를 맞출 수 있고, 처리 품질을 안정적인 것으로 할 수 있다. 또, 앞선 기판에 대한 처리가 종료된 시점에서, 챔버 내가 다음 기판을 받아들이는 데에 적합한 온도로 되어 있기 때문에, 즉시 다음 기판에 대한 처리를 개시하는 것이 가능하다. 이에 의해 스루풋의 향상을 도모할 수 있다.
초임계 처리에 의해 고온이 된 챔버 내의 온도를 내리기 위하여, 처리 유체의 단열 팽창에 의한 온도 저하를 이용할 수 있다. 즉, 고압의 기체로서 처리 공간(SP)에 충만해 있는 처리 유체를 비교적 높은 배출 속도로 배출함으로써 처리 유체를 급속히 팽창시켜, 처리 유체의 온도를 저하시킨다. 이에 의해, 처리 공간(SP)에 면하는 챔버 내벽면을 냉각시킬 수 있다. 배출 속도를 적절히 설정함으로써, 이때의 온도 저하의 속도를 제어하여, 최종적으로 챔버 내를 목표 온도(Tt)까지 저하시키는 것이 가능해진다.
초임계 상태로부터 액상을 거치는 일 없이 기상으로 전이시키는 것에 주목한 감압 처리에서는, 온도 저하에 의한 액상으로의 전이를 방지하기 위하여, 처리 유체의 배출 속도는 비교적 완만한 것으로 하는 것이 필요하다. 따라서, 이때의 배출 속도를 유지한 채로 감압을 계속하면, 대기압까지의 감압에는 긴 시간을 필요로 하게 된다.
한편, 기상으로 전이한 후의 처리 유체에 대해서는, 보다 높은 배출 속도로 배출하는 것이 가능하고, 이에 의해 감압의 소요 시간을 단축할 수 있다. 그리고, 이때의 처리 유체의 단열 팽창에 의한 온도 저하를 적극적으로 이용하여, 감압 종료 시의 챔버 내 온도의 적정화를 도모하는 것도 가능해진다. 이것을 가능하게 하기 위하여, 본 실시 형태에서는 상기와 같은 2단계의 감압을 실행한다.
도 5는 초임계 처리에 있어서의 각 부의 상태 변화를 나타내는 타이밍 차트이다. 보다 구체적으로는, 도 5의 (a)는, 미리 정해진 급배 레시피에 의거하는 처리 유체의 공급 및 배출의 타이밍과, 이에 수반하는 처리 챔버(12) 내의 상태 변화의 관계를 나타낸다. 또, 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)는 그 변형예를 나타낸다. 우선, 처리 유체의 공급 및 배출의 타이밍과 그 양을 규정한 급배 레시피에 대하여, 도 5의 (a)를 참조하여 설명한다.
초기 상태에서는, 처리 챔버(12)에 기판(S)을 수용하기 위하여 덮개 부재(13)가 열려, 처리 공간(SP)은 대기 개방되어 있다. 즉 챔버 내 압력은 거의 대기압(Pa)이며, 임계 압력(Pc)보다 충분히 작다. 한편, 처리 유체로서의 이산화탄소의 임계 온도(Tc)가 실온에 가까운 점에서, 챔버 내의 초기 온도(Ti)는 임계 온도(Tc)에 가까운 온도로 되어 있다. 도면에서는 초기 온도(Ti)가 임계 온도(Tc)보다 조금 높지만, 임계 온도(Tc)보다 낮은 케이스도 있을 수 있다.
기판(S)의 수용 후, 시각 T1에 있어서 기상의 처리 유체가 소정의 유량으로 처리 공간(SP)에 도입 개시된다. 이때, 일정량으로의 배출도 행해진다. 배출 유량에 대하여 공급 유량을 크게 함으로써, 챔버 내 압력이 차츰 상승한다. 챔버 내 압력이 임계 압력(Pc)에 도달하는 시각 T2에 있어서, 챔버 내 온도가 임계 온도(Tc)를 웃돌고 있으면 처리 유체는 초임계 상태로 상전이한다.
시각 T3에 있어서, 처리 유체의 공급량이 챔버 내 압력을 대략 일정하게 유지하는 양으로 조정된다. 이에 의해, 초임계 상태의 처리 유체가 충만하는 챔버 내의 압력 및 온도가 대체로 일정하게 유지된다. 그리고, 시각 T4에 있어서 감압이 개시된다. 즉, 처리 유체의 공급량이 크게 줄어드는 한편 배출량이 늘어남으로써 배출 과다가 되어, 챔버 내 압력이 저하한다. 처리 유체의 팽창에 수반하여 챔버 내 온도도 저하하지만, 임계 온도(Tc)를 밑돌지 않도록, 비교적 완만한 감압 속도로 감압이 실행된다. 챔버 내의 압력 변화에 따라 처리 유체의 배출 속도를 제어함으로써, 감압 속도를 조정하는 것이 가능하다. 이때의 감압 처리가 「제1 감압 공정」이며, 도 5에서는 「감압 (1)」로 기재된다.
챔버 내 압력이 임계 압력(Pc) 이하로 저하하는 시각 T5에 있어서, 처리 유체는 기상으로 상전이한다. 그 후, 시각 T6에 있어서 처리 유체의 배출 속도가 증대되고, 이에 의해 감압 처리는 「제2 감압 공정」으로 이행한다. 도 5에서는 단 2의 감압 공정이 「감압 (2)」로 기재된다. 예를 들면, 챔버 내 압력의 검출값이 임계 압력(Pc)보다 낮은 규정값이 되었을 때에 처리 유체의 배출 속도를 증대시키는 제어를 행함으로써, 제1 감압 공정으로부터 제2 감압 공정으로의 이행을 실현할 수 있다. 또, 챔버 내 압력의 검출값이 임계 압력(Pc)보다 낮고, 또한 챔버 내 온도의 검출값이 임계 온도(Tc)보다 높은 규정값까지 저하했을 때에, 처리 유체의 배출 속도를 증대시키는 제어여도 된다.
챔버 내 압력이 거의 대기압(Pa)까지 저하하는 시각 T7 이후, 처리 공간(SP)을 대기 개방하여 기판(S)을 반출할 수 있다. 급속한 감압에 의해 챔버 내의 온도가 저하하여, 시각 T7에 있어서 챔버 내 온도가 목표 온도(Tt)가 되도록, 감압 속도(처리 유체의 배출 속도)가 조정된다.
이 예에서는 목표 온도(Tt)와 초기 온도(Ti)가 같아지는 설정으로 되어 있다. 따라서 감압 처리의 종료 시점에서 챔버 내 온도는 초기 온도(Ti)로 되돌아와 있다. 이 때문에, 처리 완료된 기판의 반출 후, 즉시 새로운 미처리 기판을 받아들여 처리를 행하는 경우여도, 각각의 처리에 있어서의 온도 조건은 같아진다. 이에 의해, 앞선 기판에 대한 처리와 동등한 처리 결과를 거칠 수 있다. 즉, 이 실시 형태에서는, 복수의 기판을 안정적인 처리 품질로 처리하는 것이 가능하다.
또한, 도 5의 (a)의 예에서는, 제2 감압 공정에 있어서는 감압의 진행에 수반하여 챔버 내 온도가 점감하고, 압력이 대기압까지 저하하는 시각 T7에 있어서, 챔버 내 온도도 목표 온도(Tt)까지 내려가는 양태로 되어 있다. 그러나, 필요한 것은, 처리 공간(SP)의 대기 개방이 가능한, 즉 처리 완료된 기판(S)을 처리 챔버(12)로부터 취출 가능한 타이밍에 있어서, 챔버 내의 온도가 목표 온도(Tt)가 되어 있는 것이다. 이 의미에 있어서, 챔버 내 압력이 대기압까지 저하하는 시각과 챔버 내 온도가 목표 온도(Tt)에 도달하는 시각이 같을 필요는 없다.
예를 들면 도 5의 (b)에 나타내는 변형예와 같이, 챔버 내 압력이 대기압까지 저하하는 시각 T7보다 전에, 챔버 내 온도가 목표 온도(Tt)까지 저하하는 양태여도 된다. 이 경우, 챔버 내 온도가 목표 온도(Tt)에 도달하는 시각 T8보다 후에 대해서는, 처리 유체의 단열 팽창에 의한 추가적인 온도 저하를 억제하기 위하여, 처리 유체의 배출 속도를 작게 하는 것이 바람직하다.
또 예를 들면 도 5의 (c)에 나타내는 변형예와 같이, 챔버 내 온도가 목표 온도(Tt)에 도달하는 시각 T8에 있어서 챔버 내 압력이 대기압보다 높은 경우여도, 그 차이가 그다지 크지 않으면, 단번에 대기압까지 감압할 수 있다. 예를 들면 덮개 부재(13)를 여는 것에 의해 처리 공간(SP)을 대기 개방해도 되고, 이에 의해 챔버 내 압력은 대기압이 된다. 이와 같이, 챔버 내 압력이 미리 대기압에 가까운 압력까지 충분히 저하되어 있으면, 그 후의 대기 개방 등에 의한 압력 변화에 의해서도 큰 온도 변화는 발생하지 않는다고 생각된다. 따라서, 챔버 내 온도가 목표 온도(Tt)에 도달한 시점에서 챔버 내 압력이 충분히 저하되어 있으면, 대기압까지 저하하는 것을 기다리는 일 없이 처리 공간(SP)을 대기 개방하는 것도 가능하다.
이때의 제어는, 챔버 내의 압력 및 온도를 감시해 두고, 챔버 내 온도가 목표 온도(Tt)에 도달한 시각 T8에 있어서 챔버 내 압력이 규정값을 밑돌고 있으면, 관리하에서의 감압을 정지하고 즉시 처리 공간(SP)을 대기 개방하는 것이 된다. 시각 T8에 있어서 챔버 내 압력이 규정값보다 높으면, 규정값까지 저하한 시점에서 감압을 정지할 수 있다.
이상과 같이, 이 실시 형태에서는, 초임계 처리의 실행 후의 감압 공정을, 제1 감압 공정과 제2 감압 공정의 2단계로 나누어 실행하고 있다. 제1 감압 공정에서는, 초임계 상태의 처리 유체를 액상을 거치는 일 없이 기상으로 전이시킨다. 한편, 제2 감압 공정에서는, 기상으로 전이한 후의 처리 유체의 단열 팽창에 의한 냉각 효과를 이용하여 처리 후의 챔버 내 온도를 적정하게 유지하면서 챔버 내를 대기압까지 감압한다. 이들 2단계의 처리 사이에서는, 감압 제어를 위하여 주목되는 제어 인자(압력, 온도)와 처리 유체의 배출 속도가 서로 상이하다.
이와 같이 함으로써, 초임계 처리 유체를 직접 기상으로 전이시켜 배출함으로써 처리 결과를 양호한 것으로 할 수 있다. 또, 처리 후의 챔버 내 온도를 적정하게 유지함으로써 복수의 기판에 대한 처리 결과를 안정적인 것으로 할 수 있다. 그 때문에, 이 실시 형태에서는, 복수의 기판을 양호하고 안정적인 처리 품질로 처리하는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 실시 형태의 기판 처리 장치(1)에 있어서는, 처리 챔버(12)가 본 발명의 「챔버」로서 기능하고 있고, 개구(121)가 본 발명의 「개구」에 상당하고 있다. 또 처리 공간(SP)이 본 발명의 「내부 공간」에 상당하고 있다. 또, 지지 트레이(15) 및 덮개 부재(13)가, 본 발명의 「지지 트레이」 및 「덮개부」로서 각각 기능하고 있다. 또, 유체 공급부(57), 유체 회수부(55) 및 제어 유닛(90)이, 각각 본 발명의 「유체 공급부」, 「유체 배출부」 및 「제어부」로서 기능하고 있다. 또 검출부(173, 174)가 본 발명의 「검출부」로서 기능하고 있다.
또, 상기 실시 형태의 기판 처리 방법(도 2)에 있어서는, 단계 S102~S104가 본 발명의 「초임계 처리 공정」에 상당하고 있다. 그리고, 단계 S105, S106이 각각 본 발명의 「제1 감압 공정」, 「제2 감압 공정」에 상당하고 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 취지를 벗어나지 않는 한에 있어서 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제1 및 제2 감압 공정에 있어서의 감압 제어에 대해서는, 상기한 바와 같이 검출부(173, 174)의 검출 결과에 의거하여 처리 유체의 배출 속도를 조정하는 양태에 한정되지 않고, 보다 간이적으로는 다음과 같이 할 수도 있다.
상기 실시 형태의 초임계 처리에 있어서는, 처리 후의 챔버 내 온도가 관리되고 있다. 이 때문에, 복수 장의 기판에 대하여 순차적으로 처리를 행하는 경우의 온도 변화 프로파일을 거의 같게 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 처리 유체의 도입에서 배출까지의 사이에 있어서의 챔버 내의 온도 변화에는 재현성이 있다. 이 점에서, 예비 실험에 의해 챔버 내의 압력 및 온도 변화를 미리 측정해 두면, 그 결과로부터, 제1 및 제2 감압 공정 각각에 있어서의 처리 유체의 배출 속도 및 그 지속 시간을 실험적으로 결정하는 것이 가능하다. 이 결과를 이용하여 배출 제어를 행하도록 하면, 처리 중에 압력 및 온도의 검출 결과를 이용하지 않아도, 상기 실시 형태와 동일한 감압 제어를 실현하는 것이 가능하다.
또, 상기 실시 형태의 설명에서는, 복수의 기판을 순서대로 처리하는 경우에 최초의 기판을 처리할 때의 초기 온도의 제어에 대해서는 언급하고 있지 않다. 그러나, 처리의 안정성을 생각했을 때, 이때의 초기 온도도 적정 온도로 유지되어 있는 것이 바람직하다. 이 목적을 위하여, 또 외란에 기인하는 온도 변화를 억제하기 위하여, 기판 처리 장치(1)에 온도 안정화를 위한 구성이 추가로 설치되어도 된다. 예를 들면 처리 챔버(12)의 표면 또는 내부에 히터가 설치되어도 된다. 또 지지 트레이(15)가 히터를 내장하는 것이어도 된다.
또, 상기 실시 형태의 처리에서 사용되는 각종 화학 물질은 일부의 예를 나타낸 것으로, 상기한 본 발명의 기술 사상에 합치하는 것이면, 이것 대신에 다양한 것을 사용하는 것이 가능하다.
이상, 구체적인 실시 형태를 예시하여 설명해 온 바와 같이, 본 발명에 따른 기판 처리 방법에 있어서, 제2 감압 공정에서는, 내부 공간 내의 처리 유체를 단열 팽창시켜 내부 공간의 온도를 저하시킬 수 있다. 단열 팽창에 의한 온도 저하는 감압 공정에 있어서 필연적으로 발생하는 현상이지만, 이것을 가미한 감압 제어를 행함으로써, 챔버 내의 온도를 목표 온도로 하여 감압을 종료시킬 수 있다.
또 예를 들면, 목표 온도는 임계 온도 이상이어도 된다. 1장의 기판에 대한 처리가 종료된 후에 다음 기판에 대한 처리를 실행하는 경우, 챔버 내의 온도가 임계 온도 이상으로 유지되고 있으면, 도입되는 처리 유체를 단시간에 초임계 상태에 이르게 하는 것이 가능하여, 효율적으로 처리를 행할 수 있다.
또 예를 들면, 제2 감압 공정은, 제1 감압 공정에 있어서 내부 공간의 압력이 임계 압력보다 낮은 규정값까지 저하했을 때에 개시할 수 있다. 제1 감압 공정에서는 챔버 내 온도가 임계 온도를 밑돌지 않도록 하여 감압이 실행된다. 따라서, 내부 공간이 임계 압력보다 저압이 되면, 챔버 내의 처리 유체는 초임계 상태로부터 액상을 거치는 일 없이 기상으로 전이하고 있다고 할 수 있다. 이 타이밍에 제2 감압 공정을 실행하면, 액상으로의 전이를 회피하면서, 처리 유체의 압력 및 온도를 더욱 저하시킬 수 있다.
또 예를 들면, 제2 감압 공정에 있어서는, 내부 공간의 온도가 목표 온도까지 저하한 후에, 배출 속도를 저하시켜도 된다. 이 상태로 더욱 급속한 배출을 계속하면, 챔버 내 온도가 더욱 저하해 버리게 된다. 배출 속도를 저하시킴으로써, 추가적인 온도 저하를 억제하면서 내부 공간의 압력을 저하시킬 수 있다.
한편, 예를 들면 제2 감압 공정에 있어서는, 내부 공간의 온도가 목표 온도까지 저하한 후에, 내부 공간을 대기 개방하도록 해도 된다. 이 시점에서 내부 공간이 대기압까지 감압되어 있지 않았다고 해도, 대기압과의 차이가 작으면, 대기 개방에 의한 추가적인 온도 저하는 경미하다. 이에, 내부 공간의 온도가 목표 온도까지 저하한 시점에서 대기 개방을 행함으로써, 처리 시간의 단축을 도모하는 것이 가능해진다.
또, 이 기판 처리 방법은, 내부 공간이 대기 개방된 후에, 기판을 반출하고, 미처리 기판을 챔버 내에 반입하여 초임계 처리 공정을 실행함으로써, 복수의 기판을 차례로 처리하도록 구성되어도 된다. 본 발명에서는 1장의 기판에 대한 처리가 종료되는 시점에서의 챔버 내 온도가 관리되고 있기 때문에, 다음 기판을 처리할 때의 초기 온도를 적정값으로 해 둘 수 있다. 이 때문에, 이와 같이 복수의 기판을 차례로 처리하는 경우에, 그들의 처리 결과를 안정적인 것으로 하는 것이 가능하다.
또, 본 발명에 따른 기판 처리 장치는, 예를 들면, 내부 공간의 압력 및 온도를 검출하는 검출부를 구비하고, 제어부는, 검출부의 검출 결과에 의거하여 유체 공급부 및 유체 배출부를 제어할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 내부 공간의 압력 및 온도의 검출 결과 중 적어도 한쪽을 이용하여 감압의 진행을 제어함으로써, 기판에 대한 처리를 양호하게 행할 수 있다. 게다가, 처리 종료 시의 챔버 내 온도를 적정하게 관리하여 복수 기판에 대한 처리를 안정적으로 행하는 것이 가능해진다.
또 예를 들면, 챔버의 측면에 내부 공간과 연통하는 개구가 형성되어도 되고, 이 경우, 기판을 수평 자세로 지지하여 개구를 통하여 내부 공간에 진입 가능한 지지 트레이와, 지지 트레이가 내부 공간에 수용된 상태로 개구를 폐색하는 덮개부가 추가로 설치되어도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 내부 공간에 대하여 지지 트레이를 출납시킴으로써, 기판의 반입 및 반출을 행할 수 있다. 또, 덮개부가 개구를 폐색함으로써 내부 공간을 기밀 상태로 하여 고압 처리를 실행하는 것이 가능해진다. 또한, 덮개부가 개구로부터 이격됨으로써, 내부 공간의 대기 개방을 실현할 수 있다.
이상, 특정 실시예를 따라 발명을 설명했지만, 이 설명은 한정적인 의미로 해석되는 것을 의도한 것은 아니다. 발명의 설명을 참조하면, 본 발명의 그 외의 실시 형태와 마찬가지로, 개시된 실시 형태의 다양한 변형예가, 이 기술에 정통한 자에게 명확해질 것이다. 고로, 첨부의 특허청구범위는, 발명의 진정한 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 당해 변형예 또는 실시 형태를 포함하는 것으로 생각할 수 있다.
이 발명은, 챔버 내에 도입한 처리 유체를 이용하여 기판을 처리하는 처리 전반에 적용할 수 있다. 예를 들면, 반도체 기판 등의 기판을 초임계 유체에 의해 1장씩 차례로 처리하는, 매엽식의 기판 처리에 적합하게 적용할 수 있다.
1 기판 처리 장치
12 처리 챔버(챔버)
13 덮개 부재(덮개부)
15 지지 트레이
55 유체 회수부(유체 배출부)
57 유체 공급부
90 제어 유닛(제어부)
121 개구
173, 174 검출부
S 기판
S102~S104 초임계 처리 공정
S105 제1 감압 공정
S106 제2 감압 공정
SP 처리 공간(내부 공간)

Claims (10)

  1. 챔버 내에서 초임계 상태의 처리 유체에 의해 기판을 처리하는 기판 처리 방법에 있어서,
    상기 기판을 수용한 상기 챔버의 내부 공간에 상기 처리 유체를 도입하고, 상기 내부 공간의 압력을 상기 처리 유체의 임계 압력보다 고압으로, 또한 상기 내부 공간의 온도를 상기 처리 유체의 임계 온도보다 고온으로 유지하여 상기 기판을 처리하는 초임계 처리 공정과,
    상기 처리 유체를 상기 챔버로부터 배출하여, 상기 내부 공간의 온도를 상기 임계 온도 이상으로 유지하면서, 상기 내부 공간을 상기 임계 압력보다 낮고 대기압보다 높은 압력까지 감압하는 제1 감압 공정과,
    상기 제1 감압 공정보다 높은 배출 속도로 상기 처리 유체를 배출하여 상기 내부 공간을 감압하는 제2 감압 공정
    을 구비하고,
    상기 제2 감압 공정에서는, 상기 내부 공간의 압력이 대기압까지 저하할 때의 상기 내부 공간의 온도가 소정의 목표 온도가 되도록, 상기 배출 속도가 제어되는, 기판 처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 감압 공정에서는, 상기 내부 공간 내의 상기 처리 유체를 단열 팽창시켜 상기 내부 공간의 온도를 저하시키는, 기판 처리 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 목표 온도는 상기 임계 온도 이상인, 기판 처리 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 감압 공정은, 상기 제1 감압 공정에 있어서 상기 내부 공간의 압력이 상기 임계 압력보다 낮은 규정값까지 저하한 경우에 개시되는, 기판 처리 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 감압 공정에 있어서, 상기 내부 공간의 온도가 상기 목표 온도까지 저하한 후에 상기 배출 속도를 저하시키는, 기판 처리 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 감압 공정에 있어서, 상기 내부 공간의 온도가 상기 목표 온도까지 저하한 후에 상기 내부 공간을 대기 개방하는, 기판 처리 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 공간이 대기 개방된 후에, 상기 기판을 반출하고, 미처리 기판을 상기 챔버 내에 반입하여 상기 초임계 처리 공정을 실행함으로써, 복수의 상기 기판을 차례로 처리하는, 기판 처리 방법.
  8. 초임계 상태의 처리 유체에 의해 기판을 처리하는 기판 처리 장치에 있어서,
    상기 기판을 수용하는 내부 공간을 갖는 챔버와,
    상기 챔버의 내부 공간에 상기 처리 유체를 공급하는 유체 공급부와,
    상기 내부 공간으로부터 상기 처리 유체를 배출하는 유체 배출부와,
    상기 유체 공급부 및 상기 유체 배출부를 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 유체 공급부에 의해 상기 처리 유체를 상기 내부 공간에 공급시켜, 상기 내부 공간의 압력을 상기 처리 유체의 임계 압력보다 고압 또한 상기 내부 공간의 온도를 상기 처리 유체의 임계 온도보다 고온으로 유지한 후,
    상기 유체 배출부에 의해 상기 처리 유체를 상기 챔버로부터 배출시켜, 상기 내부 공간의 온도를 상기 임계 온도 이상으로 유지하면서, 상기 내부 공간을 상기 임계 압력보다 낮고 대기압보다 높은 압력까지 감압하고, 또한,
    상기 유체 배출부에 의한 상기 처리 유체의 배출 속도를 증대시켜, 상기 내부 공간을 대기압까지 감압하고,
    상기 배출 속도를, 상기 내부 공간의 압력이 대기압까지 저하할 때의 상기 내부 공간의 온도가 소정의 목표 온도가 되도록 제어하는,
    기판 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 내부 공간의 압력 및 온도를 검출하는 검출부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 검출부의 검출 결과에 의거하여 상기 유체 공급부 및 상기 유체 배출부를 제어하는, 기판 처리 장치.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 챔버의 측면에, 상기 내부 공간과 연통하는 개구가 형성되고,
    상기 기판을 수평 자세로 지지하여, 상기 개구를 통하여 상기 내부 공간에 진입 가능한 지지 트레이와,
    상기 지지 트레이가 상기 내부 공간에 수용된 상태로 상기 개구를 폐색하는 덮개부
    를 추가로 구비하는, 기판 처리 장치.
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