CN108604548B - 基板处理装置以及基板处理方法 - Google Patents

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Abstract

在向旋转的基板(9)的上表面(91)依次供给纯水、混合液和有机溶剂之后，借助基板(9)的旋转来去除上表面(91)上的有机溶剂。混合液通过将表面张力小于纯水的有机溶剂和纯水混合而生成且温度高于常温。通过向提供了纯水的上表面(91)供给溶解于纯水的溶解性高于有机溶剂的混合液，在混合液与纯水的边界上，难以发生上表面(91)的局部干燥，从而抑制图案要素倒塌。通过温度高于常温的混合液使基板(9)升温，能够使基板(9)在短时间内干燥，从而能够缩短干燥相关的处理所需的时间。

Description

基板处理装置以及基板处理方法
技术领域
本发明涉及基板处理装置以及基板处理方法。
背景技术
以往，在半导体基板(以下，简称为“基板”)的制造工序中，使用基板处理装置对基板实施各种处理。例如，通过向在表面上形成有抗蚀图案的基板供给处理液，对基板表面进行蚀刻等处理。在供给药液之后，还进行通过向基板供给纯水去除表面的药液的冲洗处理、通过高速旋转基板来去除表面的纯水的干燥处理。
在干燥基板时，还进行由表面张力小于纯水的有机溶剂(IPA：异丙醇等)取代基板上的纯水的处理。由此，防止了在干燥处理中由纯水的表面张力引起基板上的图案要素倒塌。例如在日本专利第5114252号公报(文献1)中公开了如下方法：在基板上形成纯水的液膜，并且由表面张力小于纯水的低表面张力溶剂取代基板上的纯水之后，将该低表面张力溶剂从基板表面去除使基板表面干燥。
另外，在日本专利第4767767号公报(文献2)的装置中进行以下处理：接着用纯水进行的基板的清洗处理，向基板的主表面供给干燥前处理液，用干燥前处理液取代残留于该主表面的纯水，之后去除干燥前处理液使基板干燥。干燥前处理液是含有纯水和挥发性高于纯水的有机溶剂的混合液，并在向基板供给混合液的过程中，使混合液中的有机溶剂的比例增加。在日本专利第5139844号公报(文献3)中公开了如下方法：与向附着有冲洗液的基板表面供给常温的低表面张力液体的处理并行地，向基板的背面供给高温的温水，从而使基板表面上的低表面张力液体的温度上升。在该方法中，能够提高基板表面上的冲洗液和低表面张力液体的取代效率，并能够从基板的表面良好地去除冲洗液。
但是，如文献1那样，在基板上形成纯水的液膜的情况下，由于需要将基板的转速降低的状态保持恒定时间，因此，从冲洗处理后到基板的干燥完成为止的干燥相关处理所需的时间变长。另一方面，如文献3那样，若在用纯水进行冲洗处理后不形成纯水的液膜而向主表面直接供给低表面张力液体(IPA)，则根据图案要素的形状、大小、配置等，会有图案要素倒塌的情况。在文献2的装置中，干燥前处理液的去除(基板的干燥)也需要恒定时间。因此，需要一种抑制图案要素倒塌，并且缩短干燥相关处理所需的时间的方法。
发明内容
本发明面向一种基板处理装置，其目的在于，能够抑制图案要素倒塌，并且缩短干燥相关处理所需的时间。
本发明的基板处理装置具有：基板保持部，保持基板；基板旋转机构，使所述基板保持部和所述基板一起旋转；纯水供给部，向所述基板的朝向上方的主表面供给纯水；混合液供给部，向所述主表面供给通过将表面张力小于纯水的有机溶剂和纯水混合而生成且温度高于常温的混合液；有机溶剂供给部，向所述主表面供给所述有机溶剂；以及控制部，在使所述纯水供给部、所述混合液供给部和所述有机溶剂供给部向通过所述基板旋转机构进行旋转的所述基板的所述主表面依次供给所述纯水、所述混合液和所述有机溶剂之后，通过所述基板的旋转去除所述主表面上的所述有机溶剂。
根据本发明，能够抑制图案要素的倒塌并能够缩短干燥相关的处理所需的时间。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述混合液通过将常温的有机溶剂和加热的纯水混合而生成。
此时，优选地，所述混合液中的所述有机溶剂浓度为50vol％以下。
本发明还提供基板处理方法。该基板处理方法，包括：a)工序，向旋转的基板的朝向上方的主表面供给纯水；b)工序，向旋转的所述基板的所述主表面供给通过将表面张力小于纯水的有机溶剂和纯水混合而生成且温度高于常温的混合液；c)工序，向旋转的所述基板的所述主表面供给所述有机溶剂；以及d)工序，借助所述基板的旋转去除所述主表面上的所述有机溶剂。
通过以下参照附图进行的本发明的详细说明，上述目的和其他目的、特征、实施方式以及优点会更加明确。
附图说明
图1是表示基板处理装置的构成的图。
图2是表示基板的处理流程的图。
图3是表示基板上表面上的处理液的图。
图4是表示基板上表面上的处理液的图。
图5是表示混合液中的有机溶剂浓度与混合液溶解于纯水的溶解性之间的关系的图。
图6是表示混合液中的有机溶剂的浓度与混合液溶解于纯水的溶解性之间的关系的图。
具体实施方式
图1是表示本发明一实施方式的基板处理装置1的构成的图。基板处理装置1中的各构成要素由控制部10控制。基板处理装置1具有旋转卡盘22、旋转马达21、杯部23以及腔室5。作为基板保持部的旋转卡盘22，通过使多个夹持构件与基板9的边缘接触来夹持基板9。由此，由旋转卡盘22将基板9保持为水平姿态。在以下的说明中，将朝向上方的基板9的主表面91称为“上表面91”。在上表面91形成有规定的图案，且该图案例如包括直立的多个图案要素。
在旋转卡盘22连接有在上下方向(铅垂方向)上延伸的轴221。轴221与基板9的上表面91垂直，轴221的中心轴J1穿过基板9的中心。作为基板旋转机构的旋转马达21使轴221旋转。由此，旋转卡盘22和基板9以朝向上下方向的中心轴J1为中心旋转。轴221和旋转马达21都是中空状且在内部配置有后述的下部喷嘴34。
杯部23具有液体接收部24和挡板部25。液体接收部24具有基座部241、环状底部242和周壁部243。基座部241是以中心轴J1为中心的筒状。基座部241外嵌于后述的腔室内侧壁部53，并安装于腔室内侧壁部53的外侧面。环状底部242是以中心轴J1为中心的圆环板状，并从基座部241的下端部向外侧扩展。周壁部243是以中心轴J1为中心的筒状，并从环状底部242的外周部向上方突出。优选地，将基座部241、环状底部242和周壁部243作为一个构件一体地形成。
挡板部25是以中心轴J1为中心的大致圆筒状的构件，并包围旋转卡盘22的周围。挡板部25的下部设置有卡合部254，在该卡合部254与周壁部243之间形成微小的间隙。卡合部254与周壁部243保持非接触状态。挡板部25通过挡板升降机构26能够在上下方向上移动。
腔室5具有腔室底部51、腔室上底部52、腔室内侧壁部53、腔室外侧壁部54和腔室顶盖部55。腔室底部51是板状并覆盖旋转马达21和杯部23的下方。腔室上底部52是以中心轴J1为中心的大致圆环板状。腔室上底部52在腔室底部51的上方覆盖旋转马达21的上方，并且覆盖旋转卡盘22的下方。腔室内侧壁部53是以中心轴J1为中心的大致圆筒状。腔室内侧壁部53从腔室上底部52的外周部向下方扩展到腔室底部51。腔室内侧壁部53位于杯部23的径向内侧。
腔室外侧壁部54是大致筒状并位于杯部23的径向外侧。腔室外侧壁部54从腔室底部51的外周部向上方扩展到腔室顶盖部55的外周部。腔室顶盖部55是板状并覆盖杯部23和旋转卡盘22的上方。在腔室外侧壁部54设置有用于将基板9搬入和搬出腔室5内的搬入搬出口(省略图示)。
基板处理装置1还具有第一上部喷嘴31、第二上部喷嘴32、下部喷嘴34、药液供给部41、纯水供给部42、有机溶剂供给部43和加热器44。第一上部喷嘴31是例如在上下方向上延伸的直线型喷嘴，安装于省略图示的喷嘴移动机构的臂部。喷嘴移动机构通过以平行于中心轴J1的轴为中心转动臂部，将第一上部喷嘴31选择性地配置于与基板9的上表面91相向的相向位置和从上表面91的上方偏离的待机位置。配置于相向位置的第一上部喷嘴31与上表面91的中央部相向。待机位置是在水平方向上远离基板9的位置。喷嘴移动机构也能够将臂部使上下方向上升降。与第一上部喷嘴31相同地，第二上部喷嘴32也通过其他喷嘴移动机构选择性地配置于相向位置和其他待机位置。在上下方向上延伸的下部喷嘴34配置于中空状的轴221和旋转马达21的内部。下部喷嘴34的上端与基板9的下表面的中央部相向。
药液供给部41经由开闭阀451连接于第二上部喷嘴32，纯水供给部42经由开闭阀452连接于连接部45。纯水供给部42还经由开闭阀471连接于加热器44，并且经由开闭阀472连接于下部喷嘴34。加热器44经由流量控制阀461和开闭阀453连接于连接部45，有机溶剂供给部43经由流量控制阀462和开闭阀454连接于连接部45。也可以在第二上部喷嘴32与药液供给部41之间等设置流量控制阀。连接部45经由开闭阀455连接于第一上部喷嘴31。例如，一个多向阀装置(混合阀)由连接部45和靠近连接部45设置的多个开闭阀452～455构成。通过药液供给部41、纯水供给部42和有机溶剂供给部43，分别向基板9的上表面91供给作为处理液的药液、纯水和有机溶剂。
图2是表示基板处理装置1中的基板9的处理流程的图。首先，通过外部的输送机构向腔室5内搬入未处理的基板9，并由旋转卡盘22保持基板9(步骤S11)。在搬入基板9时，通过挡板升降机构26使挡板部25下降，防止了搬入的基板9与挡板部25接触(后述的基板9的搬出也相同)。当输送机构向腔室5外移动时，挡板部25上升至图1所示的位置且挡板部25的上端配置在比基板9靠近上方的位置。
接着，第二上部喷嘴32通过喷嘴移动机构配置于与基板9的上表面91的中央部相向的相向位置，并通过旋转马达21使基板9以规定的转速(旋转速度)开始旋转。另外，通过打开开闭阀451，药液经由第二上部喷嘴32连续地供给到上表面91(步骤S12)。上表面91上的药液借助基板9的旋转扩展至外缘部，从而使药液供给到整个上表面91。另外，从外缘部飞散的药液被杯部23的内侧面接收并回收。药液例如是含有稀氢氟酸(DHF)或者氨水的清洗液。药液也可以用于基板9上的氧化膜的去除或显影或者刻蚀等的清洗以外的处理中。药液的供给持续规定时间之后，通过关闭开闭阀451停止药液的供给。在用药液进行的处理中，第二上部喷嘴32也可以通过喷嘴移动机构在水平方向上摆动。也可以与步骤S12并行地，通过纯水供给部42将纯水经由下部喷嘴34供给到基板9的下表面(后述的步骤S13～S15也相同)。
当完成用药液进行的处理时，第二上部喷嘴32移动至待机位置，接着，使第一上部喷嘴31配置在相向位置。通过打开开闭阀452将作为冲洗液的纯水(常温的纯水)供给到连接部45的内部空间，打开开闭阀455，纯水经由第一上部喷嘴31连续地供给到上表面91(步骤S13)。由此，进行用纯水冲洗上表面91上的药液的冲洗处理。冲洗处理中，如图3所示，整个上表面91被纯水覆盖。在纯水的供给中，通过图1的旋转马达21使基板9以较高的转速持续旋转。例如，转速为500rpm，并且在后述的混合液供给时也是相同的。从基板9飞散的纯水被杯部23的内侧面接收并向外部排出。
当纯水的供给持续规定时间时，通过关闭开闭阀452停止纯水的供给。接着，开闭阀453、454同时被打开。由此，将来自加热器44的被加热的纯水(以下，简称为“温纯水”)和常温的有机溶剂供给到连接部45的内部空间，并在连接部45中生成将有机溶剂和温纯水混合的混合液(稀释有机溶剂)。
其中，常温是指基板处理装置1的周围的温度，例如在20℃±15℃的范围。温纯水的温度比常温高，例如为50℃以上，优选为65℃以上(实际上是90℃以下)。开闭阀471预先被打开，通过加热器44能够供给大致恒定温度的温纯水。有机溶剂例如是IPA(异丙醇)、甲醇、乙醇、丙酮等且表面张力比纯水小。有机溶剂优选具有比纯水高的蒸汽压。在本实施方式中，作为有机溶剂使用了IPA。
混合液经由第一上部喷嘴31连续地供给到上表面91(步骤S14)。如图4所示，供给到上表面91的中央部的混合液借助基板9的旋转向外缘部扩展，从而上表面91上的纯水被混合液取代。从基板9飞散的混合液被杯部23的内侧面接收。在混合液的供给中，通过控制部10对连接于有机溶剂供给部43的流量控制阀462的开度、以及连接于加热器44的流量控制阀461的开度进行控制，将有机溶剂与温纯水的混合比、即混合液中的有机溶剂的浓度调整为规定值。关于混合液中的有机溶剂的浓度在后面叙述。此时，通过温度比常温高的混合液，也使基板9的温度上升。需要说明的是，在第一上部喷嘴31和连接部45之间也可以设置管路混合器(inlinemixer)等。
当混合液的供给持续规定时间时，在开闭阀454打开的状态下，开闭阀453被关闭。由此，向连接部45的温纯水的供给被停止，只有大致常温的有机溶剂(纯有机溶剂)经由第一上部喷嘴31连续地供给到上表面91(步骤S15)。通过基板9的旋转，整个上表面91被有机溶剂覆盖。从基板9飞散的有机溶剂被杯部23的内侧面接收。在本实施方式中，供给有机溶剂时的基板9的转速比供给混合液时低(例如，200rpm)。另外，从仅供给有机溶剂开始经过规定时间之后对流量控制阀462的开度进行控制，从而降低了有机溶剂的供给流量。由此，上表面91上的有机溶剂的液膜厚度变薄。
之后，通过开闭阀454、455的关闭，来自第一上部喷嘴31的有机溶剂喷出被停止。通过喷嘴移动机构，位于相向位置的第一上部喷嘴31移动到偏离上表面91的上方的待机位置。接着，通过使基板9的转速增加到例如1500rpm，开始进行去除上表面91上的有机溶剂的干燥处理(步骤S16)。此时，由于通过混合液的供给，基板9的温度变得高于常温，因此有机溶剂的挥发性变高，从而促进了基板9的干燥。当停止基板的旋转时，基板9通过外部的输送机构被搬出至腔室5的外面(步骤S17)。
在此，对利用纯水进行冲洗处理之后形成纯水液膜(所谓的布满(Puddle)纯水)的比较例的处理进行说明。在比较例的处理中，用纯水对基板9的上表面91进行冲洗处理之后，通过减小基板9的转速和纯水的供给流量，在上表面91上形成较厚的纯水液膜。基板9的转速例如是10rpm。接着，将有机溶剂供给到上表面91上并形成有机溶剂的液膜。此时，有机溶剂以进入纯水液膜与基板9的上表面91之间的方式向整个上表面91扩展。在比较例的处理中不进行混合液的供给。在供给有机溶剂之后，借助基板9的旋转来去除上表面91上的有机溶剂。在比较例的处理中，在基板9上形成纯水的液膜时，由于需要将基板9的转速降低的状态保持恒定时间，因此，从冲洗处理后到完成基板9的干燥为止的干燥相关处理所需的时间变长(即，吞吐量下降)。
另外，假设在图2中省略向基板9供给混合液的步骤S14处理的另一比较例的处理时，在该另一比较例的处理中，因有机溶剂的供给而有时上表面91上的图案要素倒塌。图案要素的倒塌原因虽不明确，但作为一个原因，可列举发生仅存在极少量纯水的局部区域(即，是仅存在能够对图案要素产生表面张力的影响的少量纯水的区域，以下，称为“局部干燥”)。例如，供给到上表面91的中央部的有机溶剂，以将上表面91上的纯水(借助基板9的高速旋转变为薄层)向外侧推出的方式扩展，即，有机溶剂以有机溶剂与纯水的边界从中央部附近向外缘部移动的方式在上表面91上扩展。此时，可以想到：因有机溶剂溶解于纯水的溶解性(是两者的易混合性，也可以视为是亲和性)低而在两者的边界发生上表面91的局部干燥。当发生局部干燥时，因受到作用于图案要素的纯水的表面张力的影响而图案要素倒塌。
与此相对，在图1的基板处理装置1中，纯水、混合液和有机溶剂依次被供给到旋转的基板的上表面91之后，借助基板9的旋转，上表面91上的有机溶剂被去除。通过向提供了纯水的上表面91供给溶解于纯水的溶解性高于有机溶剂(以及，与纯水的表面张力的差小于有机溶剂)的混合液，在混合液与纯水的边界难以发生上表面91的局部干燥。其结果，能够省略纯水液膜的形成处理，并且能够抑制图案要素倒塌。另外，由于通过温度高于常温的混合液使基板9升温，因此能够使基板9在短时间干燥，并能够缩短干燥相关的处理所需的时间(提高吞吐量)。
在基板处理装置1中，由于一边以较高的转速旋转基板9,一边将混合液供给到上表面91，因此能够使混合液在短时间内扩散到整个上表面91。因此，与伴随恒定时间的基板的低速旋转的纯水液膜的形成处理相比，能够缩短步骤S14中的供给混合液所需的时间。实际上，由于有机溶剂溶解于混合液的溶解性高，因此，在步骤S15中供给有机溶剂时，能够使有机溶剂在短时间内填充到图案要素间的微小间隙中，从而还能够缩短供给有机溶剂所需的时间。如上所述，通过缩短步骤S14、S15的处理时间，与步骤S16的干燥处理时间的缩短相结合，能够进一步缩短干燥相关的处理所需的时间。另外，也能够减少步骤S15中的有机溶剂的供给量。
此处，在生成温度高于常温的混合液时，也可以考虑使有机溶剂升温，但由于有机溶剂的可燃性高，因此会增加安全对策的成本。与此相对，在基板处理装置1中，通过将常温的有机溶剂和加热的纯水混合，生成了温度高于常温的混合液。由此，在生成混合液时，能够避免伴随有机溶剂的加热的成本的增加，同时容易生成高温的混合液。
在步骤S13～S15中，通过使纯水、混合液和有机溶剂从同一个第一上部喷嘴31依次喷出，能够简化这些处理液的喷出相关的处理。此外，根据基板处理装置1的设计，纯水、混合液和有机溶剂也可以从不同的喷嘴喷出。
接着，对混合液中的有机溶剂的浓度进行叙述。图5和图6是表示所调查的混合液中的有机溶剂(此处为IPA)的浓度与混合液溶解于纯水的溶解性之间关系的实验结果的图。在本实验中，准备被堵塞构件堵塞一端的直径19mm的管，并在上下方向上延伸的该管内贮存有常温的纯水15cc的状态下，沿着该管的内面注入IPA浓度为10vol％(体积百分比浓度)、20vol％、50vol％、100vol％的混合液(当IPA浓度为100vol％时，为纯有机溶剂)2cc。在堵塞构件设置有直径3mm的采样管，从注入混合液开始经过0.5分钟、1分钟、2分钟后，通过采样管提取混合液和纯水的边界附近的微量液体，并测量该液体的IPA浓度。图5和图6表示从注入混合液前的纯水的液面位置(相当于混合液和纯水的边界)朝向堵塞构件侧位于5mm和10mm的位置分别提取的液体的IPA浓度。
根据图5和图6可知，当IPA浓度为100vol％时(在图5和图6中，标记为“IPA100％”，以下相同)，边界附近的IPA浓度的上升小，有机溶剂溶解于纯水的溶解性低。另外，可知当IPA浓度为10vol％、20vol％、50vol％时，边界附近的IPA浓度的上升比100vol％时大，混合液溶解于纯水的溶解性高。由此，为了更可靠地抑制局部干燥，优选混合液中的有机溶剂的浓度为50vol％以下且10vol％以上。实际上，由于该浓度在50vol％以下，因此能够提高混合液中的温纯水的比例(设定为50％以上)，并能够容易提高混合液的温度。从减少有机溶剂的消耗量，并且进一步提高混合液的温度的观点出发，该浓度优选为30％以下，更优选为20％以下。此时，混合液溶解于纯水的溶解性也进一步提高。
在上述基板处理装置1中可进行各种变形。
在上述实施方式中，将混合液中的有机溶剂的浓度设定成恒定，但混合液中的有机溶剂的浓度也可以阶段性提高。此时，在步骤S14中，使从有机溶剂供给部43向连接部45的有机溶剂的供给流量逐渐增大，而使从加热器44向连接部45的纯水的供给流量逐渐减小。
根据基板处理装置1的设计，也可以通过对将常温的有机溶剂和常温的纯水混合的混合液进行加热，来生成温度高于常温的混合液。
在基板处理装置1中，将纯水供给部42、有机溶剂供给部43、加热器44和连接部45作为主要构成要素，构成了向上表面91供给温度高于常温的混合液的混合液供给部，但也可以将混合液供给部与纯水供给部42和有机溶剂供给部43独立地设置。
基板9也能够以各种方式被保持。例如，也可以通过支撑基板9的下表面的基板保持部，以使形成有图案的主表面朝向上方的状态保持基板9。
在基板处理装置1中所处理的基板不限于半导体基板，也可以是玻璃基板或其他的基板。
上述实施例以及各变形例中的构成，在不相互矛盾的情况下也可以适当进行组合。
对本发明进行了详细说明，但上述的说明是例示性的而不是限制性的。因此，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行多种变形或实施方式。
附图标记说明
1 基板处理装置
9 基板
10 控制部
21 旋转马达
22 旋转卡盘
42 纯水供给部
43 有机溶剂供给部
44 加热器
45 连接部
91 (基板的)上表面
S11～S17 步骤

Claims (4)

1.一种基板处理装置，其中，具备：
基板保持部，保持基板；
基板旋转机构，使所述基板保持部和所述基板一起旋转；
纯水供给部，向所述基板的朝向上方的主表面供给纯水；
混合液供给部，向所述主表面供给通过将表面张力小于纯水的常温的有机溶剂和加热的纯水混合而生成且温度高于常温的混合液；
有机溶剂供给部，向所述主表面供给所述有机溶剂；以及
控制部，在使所述纯水供给部、所述混合液供给部和所述有机溶剂供给部向通过所述基板旋转机构进行旋转的所述基板的所述主表面依次供给所述纯水、所述混合液和所述有机溶剂之后，通过所述基板的旋转去除所述主表面上的所述有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的基板处理装置，其中，
所述混合液中的所述有机溶剂的浓度为50vol％以下。
3.一种基板处理方法，其中，包括：
a)工序，向旋转的基板的朝向上方的主表面供给纯水；
b)工序，向旋转的所述基板的所述主表面供给通过将表面张力小于纯水的常温的有机溶剂和加热的纯水混合而生成且温度高于常温的混合液；
c)工序，向旋转的所述基板的所述主表面供给所述有机溶剂；以及
d)工序，借助所述基板的旋转去除所述主表面上的所述有机溶剂。
4.根据权利要求3所述的基板处理方法，其中，
所述混合液中的所述有机溶剂的浓度为50vol％以下。
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