JP5865073B2 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板を処理する基板処理装置および基板処理方法に関する。

従来より、半導体基板（以下、単に「基板」という。）の製造工程では、基板処理装置を用いて酸化膜等の絶縁膜を有する基板に対して様々な処理が施される。例えば、基板の表面に洗浄液を供給することにより、基板の表面上に付着したパーティクル等を除去する洗浄処理が行われる。

特許文献１では、基板の表面に脱イオン水（ＤＩＷ：De Ionized Water）等の液体を供給し、当該液体を冷却ガスにより冷却して凍結させた後、リンス液で解凍除去することにより、基板表面の洗浄を行う技術が開示されている。また、特許文献２では、上述の凍結洗浄において、常温よりも冷却した脱イオン水を基板の表面に供給し、冷却ガスにより凍結させる技術が開示されている。特許文献２では、脱イオン水の冷却温度は１０℃よりも低くすることが好ましく、配管の断熱構造や熱交換器の能力等を考慮すると、２℃程度に設定するのが好ましいと記載されている。

特開２００８−７１８７５号公報 特開２００９−２５４９６５号公報

ところで、上述のような凍結洗浄を行う基板処理装置では、基板上の液膜を凍結させるための冷却ガスとして、液体窒素内を通る配管を通過して約−１９０℃まで冷却された窒素ガス等が利用される。このような冷却ガスを、基板の処理が行われるチャンバ内へと導入するためには、高性能な断熱設備が必要であり、装置の製造コストが増大してしまう。しかしながら、断熱設備の性能を下げると冷却ガスの温度が高くなり、液膜の凍結に要する時間が長くなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、液膜の凍結に要する冷却コストを抑制し、また、液膜の凍結に要する時間を短くすることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板を処理する基板処理装置であって、チャンバと、前記チャンバ内において主面を上側に向けた状態で基板を保持する基板保持部と、前記基板の前記主面に凝固点よりも低い温度まで過冷却された過冷却液を供給する液体供給部と、前記過冷却液が供給された前記基板を前記主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記主面上に前記過冷却液からなる液膜を形成する基板回転機構と、前記液膜を冷却して凍結させる凍結部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板処理装置であって、前記液体供給部から前記過冷却液を前記基板の前記主面に供給することにより、前記主面の温度を前記過冷却液の凝固点よりも低い温度とした後に、前記基板回転機構による前記液膜の形成が行われる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の基板処理装置であって、前記液膜が形成される際に、回転中の前記基板の他方の主面を冷却する冷却部をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の基板処理装置であって、前記冷却部が、前記過冷却液を前記他方の主面に供給する。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の基板処理装置であって、前記過冷却液が純水である。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の基板処理装置であって、凍結した前記液膜である凍結膜に加熱された解凍用液体を供給して前記凍結膜を除去する凍結膜除去部をさらに備える。

請求項７に記載の発明は、基板を処理する基板処理方法であって、ａ）チャンバ内において一方の主面を上側に向けた状態で保持された基板の前記主面に凝固点よりも低い温度まで過冷却された過冷却液を供給する工程と、ｂ）前記基板を前記主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記主面上に前記過冷却液からなる液膜を形成する工程と、ｃ）前記液膜を冷却して凍結させる工程とを備える。

本発明では、液膜の凍結に要する冷却コストを抑制することができる。また、液膜の凍結に要する時間を短くすることができる。

一の実施の形態に係る基板処理装置の構成を示す図である。 基板の処理の流れを示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る基板処理装置１の構成を示す図である。図１に示すように、基板処理装置１は、半導体基板９（以下、単に「基板９」という。）を１枚ずつ処理する枚葉式の装置である。基板処理装置１では、基板９上に凍結膜を形成し、当該凍結膜を除去することにより、基板９上からパーティクル等を除去する凍結洗浄処理が行われる。

基板処理装置１は、基板保持部２と、カップ部２１と、第１液体供給部３１と、第２液体供給部３２と、凍結部４と、基板回転機構５と、加熱液供給部６と、チャンバ７と、制御部８とを備える。制御部８は、第１液体供給部３１、第２液体供給部３２、凍結部４、基板回転機構５および加熱液供給部６等の構成を制御する。基板保持部２は、チャンバ７内において基板９の一方の主面９１（以下、「上面９１」という。）を上側に向けた状態で基板９を保持する。基板９の上面９１には、回路パターン等が形成されている。カップ部２１は、チャンバ７内において基板９および基板保持部２の周囲を囲む。基板回転機構５は、基板９の中心を通るとともに基板９の上面９１に垂直な回転軸を中心として、基板９を基板保持部２と共に水平面内にて回転する。

第１液体供給部３１は、凝固点よりも低い温度まで過冷却された液体である過冷却液を基板９の上面９１に供給する。過冷却とは、物質の相変化において、変化するべき温度以下でもその状態が変化しないでいる状態を指す。本実施の形態では、第１液体供給部３１から基板９の上面９１の中央部に向けて、０℃よりも低い温度（例えば、約−５℃）まで過冷却された純水である過冷却水が吐出される。また、第２液体供給部３２から基板９の他方の主面９２（以下、「下面９２」という。）の中央部に向けて、第１液体供給部３１から供給される過冷却水と同様の過冷却液が吐出される。過冷却液としては、脱イオン水（ＤＩＷ：De Ionized Water）が利用されることが好ましい。

凍結部４は、基板９の上面９１に向けて冷却ガスを供給する。冷却ガスは、第１液体供給部３１から供給される冷却液の凝固点よりも低い温度まで冷却されたガスである。凍結部４は、冷却ガスを吐出する冷却ガスノズル４１と、冷却ガスノズル４１を回転軸４２１を中心として水平に回動するノズル回動機構４２とを備える。ノズル回動機構４２は、回転軸４２１から水平方向に延びるとともに冷却ガスノズル４１が取り付けられるアーム４２２を備える。冷却ガスとしては、冷却された窒素（Ｎ_２）ガスが用いられる。冷却ガスの温度は、好ましくは、−１００℃〜−２０℃であり、本実施の形態では、約−５０℃である。

加熱液供給部６は、基板９の上面９１の中央部に、加熱された液体である加熱液を供給する。図１では、図示の都合上、加熱液供給部６を第１液体供給部３１の上方に描いているが、実際には、第１液体供給部３１が基板９の上方から外側に退避した状態で、加熱液供給部６が基板９の外側から上方へと移動する。また、第１液体供給部３１が基板９の上方に位置する際には、加熱液供給部６が基板９の上方から外側に退避する。加熱液としては、常温よりも高い温度まで加熱された純水（好ましくは、脱イオン水）が用いられる。加熱液の温度は、好ましくは５０℃〜９０℃であり、本実施の形態では、約８０℃である。

図２は、基板処理装置１における基板９の処理の流れを示す図である。基板処理装置１では、まず、基板９がチャンバ７内に搬入されて基板保持部２により保持され、制御部８の制御により、基板回転機構５による基板９の回転が開始される（ステップＳ１１）。基板９の回転数は、例えば、３００ｒｐｍ〜９００ｒｐｍであり、本実施の形態では４００ｒｐｍである。

続いて、制御部８により第１液体供給部３１および第２液体供給部３２が制御され、第１液体供給部３１から基板９の上面９１に対する過冷却液の供給が開始され、第２液体供給部３２から基板９の下面９２に対する過冷却液の供給が開始される（ステップＳ１２，Ｓ１３）。基板９の上面９１および下面９２に供給された過冷却液は、基板９の回転により、基板９の中央部から外縁部に向かって上面９１および下面９２の全面に亘って拡がり、基板９のエッジから外側へと飛散する。基板９から飛散した過冷却液は、カップ部２１により受けられて回収される。

基板処理装置１では、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２からの過冷却液の供給が所定の時間だけ継続される。そして、少なくとも基板９の上面９１の温度が０℃（すなわち、過冷却液の凝固点）よりも低くなるまで基板９が冷却される（ステップＳ１４）。より好ましくは、基板９全体の温度が０℃よりも低くなるまで、基板９の上面９１および下面９２に対する過冷却液の供給が継続される。以下の説明では、ステップＳ１４における基板９の冷却を、「予備冷却」という。本実施の形態では、予備冷却により、基板９全体が約−１℃まで冷却される。

その後、基板回転機構５による基板９の回転数が減少し、過冷却液による基板９の予備冷却時よりも小さい回転数に変更される。基板９の回転数は、例えば、５０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍであり、本実施の形態では８０ｒｐｍである。続いて、第１液体供給部３１から基板９の上面９１への過冷却液の供給が停止される（ステップＳ１５）。基板処理装置１では、低速にて回転する基板９の上面９１において、上面９１上に残っている過冷却液の一部が基板９の中央部からエッジへと向かい、基板９から外側へと飛散する。そして、基板９の上面９１上には、過冷却液の薄い液膜が形成される（ステップＳ１６）。液膜の厚さは、基板９の上面９１の全面に亘っておよそ均一であり、本実施の形態では、約５０μｍである。なお、液膜の厚さは必ずしも均一である必要はない。

基板処理装置１では、基板９の上面９１上に液膜が形成される際にも、第２液体供給部３２により、回転中の基板９の下面９２に過冷却液が継続的に供給され、基板９の下面９２が冷却される。換言すれば、第２液体供給部３２は、液膜形成中も基板９の下面９２の冷却を行う冷却部である。

液膜の形成が終了すると、第２液体供給部３２からの過冷却液の供給が停止される（ステップＳ１７）。続いて、制御部８の制御により、凍結部４のノズル回動機構４２による冷却ガスノズル４１の回動が開始され、基板９の中央部とエッジとの間で冷却ガスノズル４１が往復移動を繰り返す。そして、基板処理装置１の外部に設けられた冷却ガス供給源から冷却ガスノズル４１へと冷却ガスが供給され、冷却ガスノズル４１から回転中の基板９の上面９１に向けて供給される。これにより、基板９の上面９１の全面に亘って冷却ガスが供給され、上面９１上の液膜が冷却されて凍結する（ステップＳ１８）。以下、凍結した液膜を「凍結膜」とも呼ぶ。なお、基板処理装置１では、基板９の中央部の上方にて停止した冷却ガスノズル４１から冷却ガスの供給が行われ、基板９の回転により冷却ガスが基板９の中央部から外縁部へと拡がることにより凍結膜が形成されてもよい。

基板９上では、基板９とパーティクル等との間に浸入した過冷却液が凍結（凝固）して体積が増加することにより、パーティクル等が基板９から微小距離だけ浮き上がる。その結果、パーティクル等と基板９との間の付着力が低減され、パーティクル等が基板９から脱離する。また、過冷却液が凍結する際に、基板９の上面９１に平行な方向に体積が増加することによっても、基板９に付着しているパーティクル等が基板９から剥離する。

凍結膜の形成が終了すると、凍結部４からの冷却ガスの供給が停止され、冷却ガスノズル４１が基板９の上方から外側に移動する。続いて、基板回転機構５による基板９の回転数が増加し、凍結膜の形成時よりも大きい回転数に変更される。基板９の回転数は、例えば、１５００ｒｐｍ〜２５００ｒｐｍであり、本実施の形態では２０００ｒｐｍである。

次に、制御部８により加熱液供給部６が制御され、加熱液供給部６から基板９の上面９１に向けて加熱液が供給される。加熱液は、基板９の回転により、基板９の中央部から外縁部に向かって上面９１の全面に亘って拡がる。これにより、上面９１上の凍結膜が急速に解凍され（すなわち、液化され）、加熱液と共に基板９のエッジから外側へと飛散する（ステップＳ１９）。基板９の上面９１に付着していたパーティクル等は、基板９上から飛散する液体と共に基板９上から除去される。基板９上から外側へと飛散した液体は、カップ部２１により受けられて回収される。基板処理装置１では、加熱液供給部６は、基板９上の凍結膜に解凍用液体である加熱液を供給して凍結膜を除去する凍結膜除去部の役割を果たす。

凍結膜の除去が終了すると、図示省略のリンス液供給部から基板９の上面９１上にリンス液（例えば、常温の脱イオン水）が供給され、基板９のリンス処理が行われる（ステップＳ２０）。リンス処理中の基板９の回転数は、好ましくは、３００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍであり、本実施の形態では、８００ｒｐｍである。その後、基板９の回転数を１５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ（本実施の形態では、２０００ｒｐｍ）に変更し、基板９の回転により、基板９上のリンス液を除去する乾燥処理が行われる（ステップＳ２１）。基板９の乾燥処理が終了すると、基板回転機構５による基板９の回転が停止する（ステップＳ２２）。

以上に説明したように、基板処理装置１では、基板９の上面９１に供給された過冷却液により上面９１上に液膜が形成され、当該液膜が凍結部４からの冷却ガスにより冷却されて凍結膜が形成される。過冷却液により形成された液膜の温度は、当該液体（純水）の凝固点よりも低く、凝固点よりも高温の純水に比べて凍結が生じやすい状態にある。このため、凍結部４により冷却された際に、液膜の凍結に要する時間（すなわち、液体が固体へと変化する相変化時間）を短くすることができる。また、相変化時間を短くすることにより、パーティクル等の除去率を向上することができる。

基板処理装置１では、凝固点よりも高温の純水にて液膜を形成する場合に比べて、凍結部４からの冷却ガスの温度を高くしても迅速に液膜を凍結することができる。このため、冷却ガス供給源から冷却ガスノズル４１へと冷却ガスを供給する配管等の断熱設備を簡素化することができる。その結果、凍結部４による液膜の凍結に要する冷却コストを抑制することができる。なお、相変化時間は、過冷却状態の液膜の温度と凝固点との差である過冷幅が大きいほど短くなる。

基板処理装置１では、上述のように、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２から基板９の上面９１および下面９２に過冷却液が供給され、基板９の温度が過冷却液の凝固点よりも低くなった後に、基板９上への液膜の形成が行われる。このため、液膜が基板９の熱を吸収して液膜の温度が上昇することが抑制される。その結果、液膜の凍結に要する時間をより短くすることができる。また、液膜の凍結に要する冷却コストをより抑制することができる。

基板処理装置１では、液膜が形成される際に、冷却部である第２液体供給部３２により基板９の下面９２が冷却されるため、液膜形成中における基板９および液膜の温度上昇がさらに抑制される。これにより、液膜の凍結に要する時間をより一層短くすることができる。また、液膜の凍結に要する冷却コストをさらに抑制することができる。上述のように、第２液体供給部３２から下面９２に供給される液体は、第１液体供給部３１から上面９１に供給される過冷却液と同様の液体である。このため、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２の配管の一部を共通にする等、基板処理装置１の構成を簡素化することができる。また、基板９の上面９１および下面９２に供給された液体をまとめて回収して基板処理装置１の処理に再利用することもできる。

上述のように、基板９上の凍結膜は、体積膨張率が比較的大きい純水により形成されるため、他の液体により凍結膜を形成する場合に比べて、パーティクル等の基板９に対する付着力をより一層低減することができる。その結果、基板９からのパーティクル等の除去率を向上することができる。また、加熱液を供給して基板９から凍結膜を除去することにより、基板９に付着しているパーティクル等を凍結膜と共に効率良く除去することができる。基板処理装置１では、加熱液を、第１液体供給部３１および第２液体供給部３２から供給される過冷却液と同様の液体とすることにより、凍結膜の解凍時に基板９から飛散する液体も回収して再利用することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、第１液体供給部３１から基板９の上面９１に純水以外の液体（例えば、水素水、炭酸水、ＳＣ１（アンモニア過酸化水素水）、ターシャリーブタノール（ＴＢＡ））が過冷却された過冷却液が供給され、当該過冷却液の液膜が凍結することにより凍結膜が形成されてもよい。

凍結部４による液膜の凍結は、液膜を形成する液体の凝固点よりも低温の窒素以外の冷却ガス（例えば、酸素、空気、オゾン、アルゴン）が、基板９の上面９１に供給されることにより行われてもよい。液膜の凍結は、液膜を形成する液体の凝固点よりも低温の冷却ガスや液体が、基板９の下面９２に供給されることにより行われてもよい。

上記実施の形態では、基板９の上面９１に液膜が形成されるよりも前、および、液膜が形成される際に、冷却部である第２液体供給部３２から基板９の下面９２に純水の過冷却液が供給されることにより下面９２が冷却されるが、下面９２の冷却は、純水以外の液体が過冷却された過冷却液が供給されることにより行われてもよい。また、基板９の下面９２の冷却は、常温よりも低温の過冷却されていない液体（より好ましくは、基板９の上面９１において液膜を形成する液体の凝固点よりも低温の液体）が冷却部から下面９２に供給されることにより行われてもよく、常温よりも低温の気体の供給により行われてもよい。加熱液供給部６では、純水以外の様々な液体が、解凍用液体として常温よりも高い温度まで加熱され、基板９の上面９１に供給されてもよい。また、解凍用液体として常温以下の液体が利用されてもよい。

基板処理装置１では、液膜形成中における液膜の温度上昇が許容範囲内であれば、冷却部による基板９の下面９２の冷却は省略されてもよい。また、液膜が基板９の熱を吸収することにより生じる温度上昇が許容範囲内であれば、ステップＳ１４における基板９の予備冷却は省略されてもよい。この場合、凍結部４による凍結処理が開始される際の液膜の温度が凝固点以上となる可能性はあるが、凝固点よりも高温の液体が基板９の上面９１に供給されて液膜が形成される場合に比べ、液膜の凍結に要する時間を短くすることができ、また、凍結部４による液膜の凍結に要する冷却コストを抑制することができる。

基板処理装置１により処理される基板は、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、プラズマ表示用ガラス基板、ＦＥＤ（Field Emission Display）用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板等であってもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ 基板処理装置
２ 基板保持部
４ 凍結部
５ 基板回転機構
６ 加熱液供給部
７ チャンバ
９ 基板
３１ 第１液体供給部
３２ 第２液体供給部
９１ 上面
９２ 下面
Ｓ１１〜Ｓ２２ ステップ

Claims (7)

1. 基板を処理する基板処理装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバ内において主面を上側に向けた状態で基板を保持する基板保持部と、
   前記基板の前記主面に凝固点よりも低い温度まで過冷却された過冷却液を供給する液体供給部と、
   前記過冷却液が供給された前記基板を前記主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記主面上に前記過冷却液からなる液膜を形成する基板回転機構と、
   前記液膜を冷却して凍結させる凍結部と、
   を備えることを特徴とする基板処理装置。
2. 請求項１に記載の基板処理装置であって、
   前記液体供給部から前記過冷却液を前記基板の前記主面に供給することにより、前記主面の温度を前記過冷却液の凝固点よりも低い温度とした後に、前記基板回転機構による前記液膜の形成が行われることを特徴とする基板処理装置。
3. 請求項１または２に記載の基板処理装置であって、
   前記液膜が形成される際に、回転中の前記基板の他方の主面を冷却する冷却部をさらに備えることを特徴とする基板処理装置。
4. 請求項３に記載の基板処理装置であって、
   前記冷却部が、前記過冷却液を前記他方の主面に供給することを特徴とする基板処理装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の基板処理装置であって、
   前記過冷却液が純水であることを特徴とする基板処理装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の基板処理装置であって、
   凍結した前記液膜である凍結膜に加熱された解凍用液体を供給して前記凍結膜を除去する凍結膜除去部をさらに備えることを特徴とする基板処理装置。
7. 基板を処理する基板処理方法であって、
   ａ）チャンバ内において一方の主面を上側に向けた状態で保持された基板の前記主面に凝固点よりも低い温度まで過冷却された過冷却液を供給する工程と、
   ｂ）前記基板を前記主面に垂直な軸を中心として回転することにより、前記主面上に前記過冷却液からなる液膜を形成する工程と、
   ｃ）前記液膜を冷却して凍結させる工程と、
   を備えることを特徴とする基板処理方法。

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