JP6444698B2 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、基板処理装置および基板処理方法に関する。

半導体プロセスにおいては、ウェハを清浄に保つために、薬液を用いてウェハを洗浄する。洗浄後は、ウェハから薬液を除去するためにウェハをリンス液で処理する。リンス液での処理後は、ウェハを次工程へ送るためにウェハを乾燥させる。

ウェハを乾燥させる技術として、ＩＰＡ(Iso-Proply Alcohol)乾燥がある。ＩＰＡ乾燥では、リンス液で処理したウェハの表面を、揮発性のＩＰＡで置換することで乾燥させる。しかし、ＩＰＡ乾燥を、２０ｎｍ以下の幅を持つ微細な凸状パターンが形成されたウェハに適用する場合、凸状パターン上に配置されたＩＰＡの表面張力により、凸状パターンの倒壊や変形が生じるおそれがあった。

これに対処するために、有機膜材料を揮発性溶媒に溶解した有機膜材料含有液を用いた乾燥技術がある。この乾燥技術では、リンス液が付着したウェハ上に有機膜材料含有液を塗布してリンス液を有機膜材料含有液で置換する。さらに、有機膜材料含有液中の揮発性溶媒を揮発させることにより、凸状パターン間に有機膜材料を埋め込むようにウェハ上に有機膜材料を析出させる。これによりウェハ上に付着したリンス液は有機膜により置換され完全に除去される。そして、この有機膜を昇華させることによってウェハ表面を乾燥させる。

しかし、このような有機膜を用いた乾燥技術では、揮発性溶媒が短時間で揮発すると、有機膜の表面が部分的に波打ち、その平坦性が悪化する。有機膜の平坦性が悪化すると、有機膜に被覆されていない領域や有機膜厚が不適当な領域で凸状パターンが依然として変形あるいは倒壊するおそれがあった。

なお、半導体基板表面に形成された凹凸パターンにレジストや有機シリコン材料を塗布し埋め込む方法が幾つか知られている。例えば、ポリシラザンを含む溶液を半導体基板に塗布し、ポリシラザンをシリコン酸化膜に転化させるために水蒸気やオゾンガスを基板表面に供給する方法がある。また、例えば、塗布膜の埋め込み性を改善するために溶媒蒸気を供給したり、超音波を印加する方法がある。この方法では、水蒸気や溶媒の蒸気を塗布膜に供給することで膜の構造転化や塗布膜の凹み改善を行っているが、平坦な基板に対してドーム型のルーフを用いるため、平坦な基板の中央部と外周部で蒸気供給のムラが発生してしまっていた。これにより、外周部で塗布膜の凹みの改善効果が小さくなってしまう傾向があった。

特開２０１３−６９９５２号公報

パターンの倒壊や変形を抑制する基板処理装置および基板処理方法を提供する。

本実施形態による基板処理装置は、第１ノズルと、第２ノズルと、検出器と、制御部と、を備える。第１ノズルは、リンス液で処理した基板の表面に、リンス液を置換可能な有機膜材料含有液を供給する。第２ノズルは、基板の表面に、有機膜材料が溶解可能な溶媒の蒸気を供給する。検出器は、基板の表面における蒸気の第１物理量を検出する。制御部は、第１物理量に応じて蒸気の第２物理量を制御する。

第１の実施形態を示す基板処理装置１の図である。 凸状パターン２１を有する半導体基板２の模式図である。 第１の実施形態を示す基板処理方法の全体工程図である。 第１の実施形態を示す基板処理方法の成膜工程図である。 図１の基板処理装置１による有機膜材料含有液の塗布動作を示す図である。 図１の基板処理装置１による成膜動作を示す図である。 有機膜３が形成された半導体基板２の模式図である。 第２の実施形態を示す基板処理装置１の図である。 第２の実施形態を示す基板処理方法の成膜工程図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態を示す基板処理装置１の図である。基板処理装置１は、回転機構１１と、複数のノズルＮ１〜Ｎ５と、蒸気分圧検出器１２１と、温度制御部ＴＣと、ヒータＨと、マスフローコントローラＭＦＣと、対向板１３と、蒸気供給源１４と、蒸気供給管１７＿２と、移動装置１６とを有する。

回転機構１１は、円板状の水平なステージ１１１を有している。ステージ１１１は、鉛直方向に延びる回転軸１１３の上端に、回転軸１１３と同心状に固定されている。ステージ１１１は、回転軸１１３を中心に回転することができる。回転軸１１３には、例えばモータ等の駆動源１１４が接続されている。駆動源１１４は、回転軸１１３を回転駆動する。駆動源１１４には、例えば、ドライバ回路やＣＰＵ等で構成される制御部１１５が接続されている。制御部１１５は、駆動源１１４による回転軸１１３の回転駆動を制御する。

ステージ１１１の表面１１１ａの外周縁には、複数のチャックピン１１２が周方向に間隔を隔てて配置されている。複数のチャックピン１１２は、半導体基板２の外周面を把持するようにして半導体基板２をステージ１１１上に水平に固定する。これにより、回転機構１１は、半導体基板２をステージ１１１の上方に固定した状態で回転させることができる。

ステージ１１１の周囲には、ステージ１１１と同心の略筒状のカップ１９が設けられている。カップ１９の上端部は、チャックピン１１２より高い位置にある。カップ１９は、例えば、後述する洗浄、リンスおよび乾燥の際に、半導体基板２の表面の液体が回転機構１１の回転によって周囲に飛散することを防止する。

第１ノズルＮ１は、有機膜材料含有液を貯留するタンク１８＿１に供給管１７＿１を介して接続されている。供給管１７＿１には、有機膜材料含有液の流量を調整するバルブＶ＿１が配置されている。第１ノズルＮ１は、半導体基板２から離間した待機位置と半導体基板２の表面上方の供給位置との間を移動する。

第１ノズルＮ１は、リンス液で処理した半導体基板２の表面に、タンク１８＿１から供給された有機膜材料含有液を吐出する。第１ノズルＮ１によって吐出された有機膜材料含有液は、回転機構１１による半導体基板２の回転にともなって、半導体基板２の表面の中央部から径方向外方に広がるように塗布される。半導体基板２の表面に塗布された有機膜材料含有液は、半導体基板２の表面に存在するリンス液と置換し、固化して有機膜を形成する。そして、有機膜を半導体基板２から昇華させることによって、半導体基板２を乾燥させる。

ここで、有機膜材料含有液は、常温常圧で固体の有機膜材料を揮発性の溶媒に溶解させた溶液である。有機膜材料は、有機膜を形成するものであれば特に限定されない。有機膜材料は、例えば、高分子化合物に比較して低分子化合物であることが好ましく、芳香族化合物、環状化合物が好ましい。さらに好ましくは、極性官能基を持つ芳香族化合物、極性官能基を持つ環状化合物がある。例えば、安息香酸誘導体、フタル酸誘導体、フェノール誘導体、ベンゾフェノン誘導体、シクロヘキサンカルボン酸誘導体、ベンズアミド誘導体、アニリン誘導体などがある。また、有機膜材料は、メチルエステル基を有する化合物であってもよい。有機膜材料含有液の溶媒は、リンス液を置換可能であれば特に限定されない。例えば、リンス液として純水を用いる場合、溶媒は、例えば、メタノール、エタノール、ＩＰＡ（すなわち２−プロパノール）、シクロヘキサノン、アセトン、テトラヒドロフラン、でよい。また、この他にも、溶媒は、ＰＧＭＥＡ(プロピレングリコール‐１‐モノメチルエーテルアセテート)やＮＭＰ（Ｎ‐メチルピロリドン）などでもよい。

第２ノズルＮ２は、蒸気供給源１４に蒸気供給管１７＿２を介して接続されている。蒸気供給源１４は、有機膜材料含有液の溶媒を貯留する溶媒タンク１４１と、該溶媒を加温する溶媒ヒータ１４２とを有する。溶媒ヒータ１４２によって加温された溶媒は、蒸発することで蒸気になる。また、蒸気供給管１７＿２には、溶媒の蒸気の流量を調整する蒸気供給バルブＶ＿２が配置されている。蒸気供給バルブＶ＿２には、マスフローコントローラＭＦＣが接続されている。マスフローコントローラＭＦＣは、例えば蒸気供給バルブＶ＿２の開度を制御することで溶媒の蒸気の流量を制御する。

第２ノズルＮ２は、有機膜材料含有液が供給された半導体基板２の表面に、蒸気供給源１４から供給された溶媒の蒸気を吐出する。ここで、溶媒は、上述の通り、例えば、ＩＰＡである。ＩＰＡは、有機膜材料を良好に溶解し、かつ、リンス液（純水）との置換性にも優れているので、半導体基板２の乾燥に適する。

なお、蒸気の溶媒は、有機膜材料を溶解可能であれば有機膜材料含有液の溶媒以外の溶媒であってもよい。例えば、メタノール、エタノール、ＩＰＡ（すなわち２−プロパノール）、シクロヘキサノン、アセトン、テトラヒドロフラン、ＰＧＭＥＡ(プロピレングリコール‐１‐モノメチルエーテルアセテート)、ＮＭＰ（Ｎ‐メチルピロリドン）でよい。

対向板１３には、蒸気供給管１７＿２の一端が、第２ノズルＮ２に連通するように接続されている。蒸気供給管１７＿２の他端には、蒸気供給源１４が接続されている。第２ノズルＮ２は、半導体基板２の表面に対向する対向板１３の中央に配置されている。対向板１３は、ステージ１１１と同心の円形平板状の天板１３１と、天板１３１の外周端から垂下した円筒状の外周壁１３２とを有する。第２ノズルＮ２は、半導体基板２の表面の中央部に対向する位置と、半導体基板２の表面に対して上方向Ｄ１に離間した位置との間を移動可能である。第２ノズルＮ２は、移動装置１６によって対向板１３と一体的に移動される。

溶媒の蒸気は、有機膜を柔らかくするため、あるいは、有機膜材料の析出速度を抑制するために、半導体基板２上に供給される。例えば、有機膜材料含有液を半導体基板２上に供給した後、第２ノズルＮ２が溶媒の蒸気を有機膜材料含有液へ供給する。このとき、溶媒の蒸気は、有機膜材料含有液中の溶媒の揮発を遅延させ、かつ、有機膜材料を溶解する。これにより、有機膜は、有機膜材料が析出し切って膜化する前に、有機膜材料の析出が不完全な柔らかい状態を比較的長時間経る。即ち、溶媒の蒸気は、有機膜材料の析出速度を抑制し（遅延させ）、それにより、有機膜の柔らかい状態を比較的長時間、継続させる。柔らかい有機膜は、或る程度流動性を有するので、回転機構１１が半導体基板２を回転させることによって、有機膜のレベリングが容易になる。

第３ノズルＮ３は、リンス液を貯留するタンク１８＿３に供給管１７＿３を介して接続されている。リンス液は、例えば純水である。供給管１７＿３には、リンス液の流量を調整するバルブＶ＿３が配置されている。第３ノズルＮ３は、第１ノズルＮ１と同様に供給位置と待機位置との間を移動可能である。

第３ノズルＮ３は、薬液すなわち洗浄液で洗浄した半導体基板２の表面に、タンク１８＿３から供給されたリンス液を吐出する。なお、第３ノズルＮ３は、半導体基板２を枚葉式でリンスするが、バッチ式でリンスした半導体基板２を乾燥するために本実施形態を適用することもできる。半導体基板２をバッチ式でリンスする場合、第３ノズルＮ３に替えてリンス液漕を設ければよい。

第４ノズルＮ４は、薬液を貯留するタンク１８＿４に供給管１７＿４を介して接続されている。供給管１７＿４には、薬液の流量を調整するバルブＶ＿４が配置されている。第４ノズルＮ４は、半導体基板２の表面に薬液を吐出する。第４ノズルＮ４は、第１ノズルＮ１と同様に供給位置と待機位置との間を移動可能である。なお、第４ノズルＮ４は、半導体基板２を枚葉式で洗浄するが、バッチ式で洗浄した半導体基板２を乾燥するために本実施形態を適用することもできる。半導体基板２をバッチ式で洗浄する場合、第４ノズルＮ４に替えて薬液漕を設ければよい。

第５ノズルＮ５は、ＩＰＡを貯留するタンク１８＿５に供給管１７＿５を介して接続されている。供給管１７＿５には、ＩＰＡの流量を調整するバルブＶ＿５が配置されている。第５ノズルＮ５は、リンス液で処理された半導体基板２の表面にＩＰＡを吐出する。ＩＰＡは、リンス液と効率的に置換できる。但し、上述の通り、第２ノズルＮ２から吐出される有機膜材料含有液もリンス液と置換することができるので、第５ノズルＮ５は、必ずしも設ける必要は無い。

蒸気分圧検出器１２１は、基板表面における溶媒の蒸気の第１物理量として、溶媒の蒸気の分圧（以下、蒸気分圧ともいう）を検出する。蒸気分圧検出器１２１の具体的な態様は特に限定されない。例えば、蒸気分圧検出器１２１は、対向板１３の外周壁１３２の内側において蒸気に晒されるピラニ式の分圧検出器である。ピラニ式の分圧検出器は、例えば、蒸気に晒される金属線を有し、該金属線に印加した電圧と該金属線に流れる電流とを測定することで、該金属線の電気抵抗を蒸気分圧として算出する。または、蒸気分圧検出器１２１は、冷陰極電離真空計の１つであるペニング式の分圧検出器（ペニング真空計）であってもよい。蒸気分圧検出器１２１は、蒸気分圧の検出値を温度制御部ＴＣに出力する。

ここで、蒸気分圧は、半導体基板２の乾燥がパターンの倒壊や変形の抑制の観点および処理時間の観点から適切に行われているか否かを示す指標の１つと言える。なぜならば、蒸気分圧が低過ぎれば、溶媒が短時間で揮発してしまうので、有機膜材料の析出速度を抑制困難となるからである。この場合、十分なレベリングができる程度に有機膜を柔らかくすることが困難となる。また、蒸気分圧が高過ぎれば、溶媒がほとんど揮発せずに、有機膜材料の析出が著しく遅延する。このため、乾燥時間が過大になる。そこで、本実施形態では、蒸気分圧を指標として、半導体基板２の乾燥が適切に行われるように、蒸気分圧に影響する蒸気の温度を制御する。

尚、蒸気分圧の上限値および下限値の具体的な態様は特に限定されない。例えば、上限値は、飽和蒸気圧であってもよい。下限値は、飽和蒸気圧以下の圧力（例えば、５０ｋＰａ等）であってもよい。上限値を飽和蒸気圧とした場合、蒸気分圧を飽和蒸気圧以下に制御きるので、蒸気の凝結を、有機膜材料の析出が著しく遅延しないように適度に抑えることができる。制御の詳細は後述する。

ヒータＨは、蒸気供給管１７＿２に配置されている。ヒータＨは、蒸気供給管１７＿２を加熱することで、蒸気供給管１７＿２を流れる蒸気を加熱する。温度制御部ＴＣは、蒸気分圧検出器１２１およびヒータＨに接続されている。温度制御部ＴＣは、蒸気分圧検出器１２１から取得した蒸気分圧の値に応じて、蒸気分圧が上限値と下限値との間に収まるようにヒータＨの温度を制御する。温度制御部ＴＣは、ヒータＨの温度を制御することで、蒸気の温度（以下、蒸気温度ともいう）を制御する。蒸気温度を制御することで、蒸気分圧をレベリングおよび半導体基板２の迅速な乾燥に適した値に制御できる。

尚、ヒータＨの温度制御の具体的な態様は特に限定されない。例えば、ヒータＨが、電気信号の印加によって発熱する構造であれば、電気信号の印加量によってヒータＨの温度を制御してよい。また、対向板１３や蒸気供給管１７＿２に、蒸気温度を検出する温度計を配置し、温度計の検出結果を温度制御部ＴＣにフィードバックしてもよい。温度制御部ＴＣは、蒸気分圧が飽和蒸気圧以下になるように、蒸気温度を６５℃〜８０℃の範囲に制御してもよい。

移動装置１６は、液剤供給用の第１移動装置１６１と、蒸気供給用の第２移動装置１６２とを有する。移動装置１６は、ノズルＮ１〜５を上記供給位置と待機位置との間を移動させる。移動装置１６は、ノズルＮ１、３〜５を一体として移動させてもよく、あるいは、個別に移動させてもよい。

第１移動装置１６１は、ノズルＮ１、３〜５に一端が連結されたアーム部１６１１と、アーム部１６１１の他端に連結された回転軸１６１２と、回転軸１６１２を回転駆動する駆動源１６１３と、駆動源１６１３を制御する制御部１６１４とを有する。

第２移動装置１６２は、対向板１３の上部に連結された支軸１６２１と、支軸１６２１を上下動させる駆動装置１６２２と、駆動装置１６２２を制御する制御部１６２３とを有する。

ここで、もし、溶媒の蒸気を用いずに半導体基板２を乾燥する場合、上述のように、有機膜の平坦性が悪化し、半導体基板２上に形成されたパターンが変形あるいは倒壊するおそれがある。より詳細には、溶媒の蒸気を用いない場合、溶媒が短時間で揮発し、有機膜材料の析出速度を抑制することが困難である。従って、有機膜が平坦でなく波打った状態で流動性を失い固まってしまう。

例えば、図２に示すように、半導体基板２の表面に、複数の微細な凸状パターン２１が狭ピッチで形成されている場合がある。尚、凸状パターン２１は、例えばＮＡＮＤ型フラッシュメモリのメモリ部のパターンあるいは３次元積層型メモリのメモリ部のパターンでよい。このような凸状パターン２１を有する半導体基板２を、有機膜材料含有液を用いて乾燥させる場合、有機膜が波打った状態で固まると、凸状パターン２１が有機膜の起伏にともない変形したり、あるいは、倒壊するおそれがある。また、有機膜材料含有液の溶媒が短時間で揮発すると、有機膜が凸状パターン２１間へ充分に埋め込まれないまま固まってしまうおそれもある。この場合にも、凸状パターン２１が変形したり、あるいは、倒壊するおそれがある。

これに対して、本実施形態では、第２ノズルＮ２が、半導体基板２上に供給された有機膜材料含有液に溶媒の蒸気をあてる。これにより、有機膜材料含有液の溶媒の揮発を抑制し、有機膜材料の析出速度を抑制することができる。また、蒸気の溶媒が有機膜材料含有液中で析出した有機膜材料あるいは有機膜を或る程度溶解できるので、有機膜材料の析出速度を抑制できる。この場合、有機膜の柔軟な状態が比較的長期間持続するので、有機膜の平坦性が向上し、かつ、凸状パターン２１の間を適切に埋め込むことができる。その結果、本実施形態による半導体処理装置１は、パターンの変形や倒壊を抑制することができる。

さらに、溶媒の蒸気は、半導体基板２の表面を対向板１３で覆った状態で供給される。このため、半導体基板２の表面と対向板１３との間に溶媒の蒸気を充満させることができる。これにより、少ない溶媒の蒸気で、有機膜材料含有液の溶媒の揮発を有効に抑制できる。その結果、有機膜材料の析出速度や有機膜の固化時間を更に有効に抑制できる。また、対向板１３の天板１３１は、半導体基板２の表面に対して平行であるため、半導体基板２の表面における中央部と外周部とで、蒸気供給の斑は少ない。この結果、半導体基板２の表面の全面に亘って、有機膜材料の析出速度を有効に抑制できる。

もし、溶媒の蒸気を、一定の温度や予め決められた段階的に変化する温度で加熱する場合、半導体基板２を適切に乾燥することは困難である。なぜならば、一定の温度や予め決められた段階的に変化する温度は、実際の蒸気分圧を反映していないからである。

これに対して、本実施形態では、蒸気分圧の監視結果に応じて蒸気温度を変更可能であるので、蒸気温度を実際の蒸気分圧に応じて変更することができる。このため、有機膜材料の析出速度や有機膜の固化時間を適切に制御することができる。その結果、パターンの変形や倒壊を抑制しながら半導体基板２を短時間で乾燥させることができる。

なお、半導体基板２の表面においてチャックピン１１２付近の部位では、チャックピン１１２によって有機膜材料含有液の流れが妨げられ易い。このため、チャックピン１１２付近では、有機膜材料含有液の塗布斑が生じ易い傾向にある。しかし、本実施形態によれば、溶媒の蒸気を用いることで、チャックピン１１２付近における有機膜材料含有液の柔軟な状態が比較的長期間持続する。よって、チャックピン１１２付近における塗布斑を抑制できる。これにより、チャックピン１１２付近における有機膜も十分に平坦かすることができ、チャックピン１１２付近でのパターンの変形または倒壊も抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の基板処理装置１は、基板表面の溶媒の蒸気圧を制御することができ、付随して有機材料含有液からの溶媒の揮発を制御できる。そして、溶媒の揮発を制御することで、析出した有機膜材料（すなわち有機膜）の埋め込み性、膜厚が改善され、パターンの倒壊や変形を抑制することができる。

次に、図３〜図７を用いて、本実施形態の基板処理方法の一例としての基板処理装置１の動作例を説明する。ここで、図３は、第１の実施形態を示す基板処理方法の全体工程図である。図４は、第１の実施形態を示す基板処理方法の成膜工程図である。図５は、図１の基板処理装置１による有機膜材料含有液の塗布動作を示す図である。図６は、図１の基板処理装置１による蒸気供給動作を示す図である。

先ず、基板処理装置１は、図３のステップＳ１において、ステージ１１１上に載置されている半導体基板２に対して洗浄工程を実施する。洗浄工程において、第１移動装置１６１は、第４ノズルＮ４を供給位置に移動させて、半導体基板２の表面に薬液を吐出する。このとき、駆動源１１４は、ステージ１１１を回転させる。ステージ１１１の回転にともなって、半導体基板２は、回転しながら洗浄される。

次いで、基板処理装置１は、ステップＳ２において、洗浄後の半導体基板２に対して、半導体基板２の表面の薬液（すなわち洗浄液）をリンス液に置換するリンス工程を実施する。リンス工程において、第１移動装置１６１は、第３ノズルＮ３を供給位置に移動させ、半導体基板２の表面にリンス液を吐出する。このとき、駆動源１１４は、ステージ１１１を回転させる。ステージ１１１の回転にともなって、半導体基板２は、回転しながらリンスされる。

次いで、基板処理装置１は、ステップＳ３において、リンス後の半導体基板２に対して、ＩＰＡ置換工程を実施する。ＩＰＡ置換工程において、第１移動装置１６１は、第５ノズルＮ５を供給位置に移動させ、基板表面にＩＰＡを吐出する。このとき、駆動源１１４は、ステージ１１１を回転させる。ステージ１１１の回転にともなって、半導体基板２が回転しながら、リンス液がＩＰＡで置換される。なお、有機膜材料含有液によってリンス液を十分に置換できるのであれば、ＩＰＡ置換工程は省略してもよい。また、第５ノズルＮ５に替えて、第２ノズルＮ２からのＩＰＡの蒸気を用いてＩＰＡ置換工程を実施してもよい。

次いで、基板処理装置１は、ステップＳ４において、ＩＰＡ置換後の半導体基板２に対して、有機膜材料含有液の塗布工程を実施する。塗布工程において、第１移動装置１６１は、第１ノズルＮ１を供給位置に移動させ、半導体基板２の表面に有機膜材料含有液（図５における符号Ｌ）を吐出する。なお、図５には、供給位置に移動された第１ノズルＮ１が示されている。このとき、駆動源１１４は、図５の符号Ｒに示される回転軸１１３回りにステージ１１１を回転させる。ステージ１１１の回転にともなって、基板表面には、有機膜材料含有液Ｌが基板表面の中央部から径方向外方に向かって塗布されていく。これにより、基板表面に残存するリンス液は、有機膜材料含有液Ｌによって効率的に置換される。したがって、塗布工程は、基板表面のリンス液を有機膜材料含有液で置換する工程でもある。塗布工程の終了後、第１移動装置１６１は、ノズルＮ１、３〜５を待機位置へ移動させる。

次いで、基板処理装置１は、ステップＳ５において、有機膜材料含有液Ｌの塗布後の半導体基板２に対して、有機膜材料含有液の溶媒の蒸気を供給しながら、有機膜の成膜工程すなわち有機膜材料を析出させる工程を実施する。成膜工程において、第２移動装置１６２は、第２ノズルＮ２を供給位置に移動させ、半導体基板２の表面上の有機膜材料含有液に溶媒の蒸気（図６における符号Ｓ）を供給する。このとき、対向板１３は、半導体基板２の表面を上方から覆う。尚、図６には、供給位置に移動された第２ノズルＮ２が示されている。また、このとき、駆動源１１４は、ステージ１１１を、塗布工程（Ｓ４）のときよりも高速に回転させる。

蒸気Ｓの供給により、半導体基板２の表面には、有機膜材料が急激には析出されず、或る程度時間をかけて析出される。これにより、半導体基板２の表面には、柔らかい弾力性のある（可撓性のある）有機膜が次第に形成される。このような有機膜は、液体と固体との間の或る粘性を有する半固体あるいは粘性体の膜（例えば、ゲル状の膜）であるといってもよい。このような有機膜に、ステージ１１１の高速回転によって大きな遠心力が作用すると、有機膜は、液体半導体基板２の表面上において径方向外方側に流動する。これにより、有機膜の表面がレベリングされ、半導体基板２の表面における高低差（起伏）を低減できる。このようにしてレベリングが促進される。

また、半導体基板２の表面に固体の有機膜が既に形成されている場合、溶媒の蒸気が固体の有機膜を再度柔軟にすることができる。従って、固体の有機膜が既に形成されている場合であっても、有機膜をレベリングすることができる。

さらに、有機膜材料が急激に析出されずに、或る程度時間をかけて析出されるので、図７に示すように、有機膜材料は、凸状パターン２１の間に充分に埋め込まれ得る。

さらに、柔らかい有機膜においては、溶媒が残存する。このため、凸状パターン２１間に残存するリンス液は、有機膜の溶媒によって置換され得る。これにより、レベリングが更に促進される。その後、溶媒の蒸気の供給を停止することによって、溶媒が有機膜から揮発し、有機膜は固化する。

次いで、ステップＳ６において、有機膜が成膜された半導体基板２に対して、不図示のベーク炉を用いたベーク工程を実施する。次いで、ステップＳ７において、ベーク後の半導体基板２に対して、不図示の昇華装置を用いて、有機膜の昇華工程を実施する。昇華工程においては、有機膜の温度および圧力を調整することで、有機膜すなわち析出された有機膜材料を直接気体に相転移させて基板表面から除去する。尚、有機膜はプラズマを用いて気化することによって除去してもよい。これにより、半導体基板２の乾燥が完了する。

（有機膜の成膜工程）
次に、図４を参照して成膜工程（Ｓ５）の更なる詳細を説明する。成膜工程において、先ず、第２ノズルＮ２は、ステップＳ５１において蒸気Ｓの供給を開始する。

次いで、蒸気分圧検出器１２１は、ステップＳ５２１において、蒸気分圧の検出を開始する。

次いで、温度制御部ＴＣは、ステップＳ５３１において、ステップＳ５２１で検出された蒸気分圧が、下限値未満であるか否かを判定する。そして、蒸気分圧が下限値未満（ステップＳ５３１：Ｙｅｓ）である場合には、ステップＳ５４１に進む。一方、蒸気分圧が下限値以上（ステップＳ５３１：Ｎｏ）である場合には、ステップＳ５５１に進む。

ここで、ステップＳ５４１に進んだ場合、温度制御部ＴＣは、蒸気温度を上昇させる。ステップＳ５４１の後は、ステップＳ５５１に進む。

ステップＳ５４１において、例えば、温度制御部ＴＣは、一定温度ずつ蒸気温度を上昇させることを、下限値以上の蒸気分圧が検出されるまで複数回繰り返してもよい。または、例えば、蒸気分圧と好適な蒸気温度の上昇量との対応関係が予めテーブルや関数等の態様によって設定されている場合、温度制御部ＴＣは、当該対応関係に基づいて好適な蒸気温度の上昇量を選択してもよい。

次いで、ステップＳ５５１において、温度制御部ＴＣは、ステップＳ５２１において検出された蒸気分圧が、上限値より大きいか否かを判定する。そして、蒸気分圧が上限値より大きい（ステップＳ５５１：Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ５６１に進む。一方、蒸気分圧が上限値以下（ステップＳ５５１：Ｎｏ）である場合には、ステップＳ５７に進む。

ここで、ステップＳ５６１に進んだ場合、温度制御部ＴＣは、蒸気温度を低下させる。ステップＳ５６１の後は、ステップＳ５７に進む。

ステップＳ５６１において、例えば、温度制御部ＴＣは、ヒータＨの駆動を、上限値以下の蒸気分圧が検出されるまで停止してもよい。または、温度制御部ＴＣは、ヒータＨの加熱温度を、上限値以下の蒸気分圧が検出されるまで漸減または段階的に減少させてもよい。

次いで、ステップＳ５７において、基板処理装置１は、成膜終了の有無を判定する。この判定は、例えば蒸気供給の開始時刻から予め定められた時間が経過したこと等を判定基準としてもよい。そして、成膜終了が検知された（ステップＳ５７：Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ５８１に進む。一方、成膜終了が検知されない（ステップＳ５７：Ｎｏ）場合には、ステップＳ５３１に戻る。

次いで、ステップＳ５８１において、蒸気分圧検出器１２１は、蒸気分圧の検出を終了する。

次いで、ステップＳ５９において、第２ノズルＮ２は、蒸気Ｓの供給を終了する。その後、図３のステップＳ６に進む。

以上の成膜工程によれば、蒸気分圧の監視結果に応じて、蒸気分圧が上限値と下限値との間に収まるように蒸気温度を変更できるので、有機膜材料の析出速度を制御できる。これにより、半導体基板２を、パターンの変形や倒壊を抑制しながらも、できるだけ短時間に乾燥させることができる。

本実施形態によれば、蒸気Ｓの供給により、半導体基板２の表面には、柔らかい弾力性のある（可撓性のある）有機膜が次第に形成される。このような有機膜を有する半導体基板２を回転させることによって、半導体基板２の表面における有機膜をレベリングさせることができる。

また、半導体基板２の表面に固体の有機膜が既に形成されている場合、溶媒の蒸気が固体の有機膜を再度柔軟にすることができる。従って、固体の有機膜が既に形成されている場合であっても、有機膜をレベリングすることができる。

さらに、有機膜材料が急激に析出されずに、或る程度時間をかけて析出されるので、有機膜材料は、凸状パターン２１の間に充分に埋め込まれ得る。

（変形例）
第１の実施形態において、有機膜材料含有液として有機膜材料を溶媒に溶解した溶液を用いて半導体基板２を乾燥する例を説明した。一方、有機膜材料含有液は、融解した有機膜材料そのものであってもよい。ここで、融解した有機膜材料は、溶媒を含まない。また、融解した有機膜材料は、凝固によって有機膜を形成する。

有機膜材料含有液として融解した有機膜材料を上記成膜工程において用いても、溶媒の蒸気は、有機膜材料を溶解し、有機膜材料含有液を半固体あるいは粘性体にすることができる。これにより、本変形例は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（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の実施形態の説明にあたり、第１の実施形態に類する構成部については、同一の符号を付して重複した説明は省略する。

図８は、第２の実施形態を示す基板処理装置１の図である。第２の実施形態の基板処理装置１は、第１の実施形態で説明した蒸気分圧検出器１２１の替わりに、蒸気濃度検出器１２２を有する。

蒸気濃度検出器１２２は、基板表面における溶媒の蒸気の第１物理量として、基板表面における溶媒の蒸気の濃度（以下、蒸気濃度ともいう）を検出する。蒸気濃度検出器１２２の具体的な態様は特に限定されない。例えば、蒸気濃度検出器１２２は、対向板１３に配置された赤外吸収式の濃度検出器である。赤外吸収式の濃度検出器は、例えば、対向板１３の外周壁１３２の内側の溶媒の蒸気に対して、光源から赤外線を照射し、蒸気に吸収されずに透過した赤外線を受光器で受光し、受光量に応じた蒸気濃度を算出する。または、蒸気濃度検出器１２２は、水素炎イオン化型ＶＯＣ分析計（ＦＩＤ）であってもよい。ＦＩＤは、例えば、溶媒の蒸気を水素炎中で燃焼させることで得られたイオンをコレクタ電極に捕集して電気信号に変換することで、電気信号に応じた蒸気濃度を算出する。または、蒸気濃度検出器１２２は、光イオン化（ＰＩＤ）式の濃度検出器であってもよい。ＰＩＤ式の濃度検出器は、例えば、光照射によってイオン化した溶媒の蒸気中の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を電極によって電荷量として検出することで、電荷量に応じた蒸気濃度を算出する。蒸気濃度検出器１２２は、蒸気濃度の検出値を、マスフローコントローラＭＦＣに出力する。

ここで、蒸気濃度は、半導体基板２の乾燥がパターンの倒壊や変形の抑制の観点および処理時間の観点から適切に行われているか否かを示す指標の１つと言える。なぜならば、蒸気濃度が低過ぎれば、有機膜材料の析出速度を抑制することが困難であるので、十分なレベリングができる程度に有機膜を柔らかくすることが困難であるからである。また、蒸気濃度が高過ぎれば、有機膜材料の析出が著しく遅延するため、乾燥時間が過大になるからである。そこで、本実施形態では、蒸気濃度を指標として、半導体基板２の乾燥が適切に行われるように、蒸気濃度に影響する蒸気の流量を制御する。制御の詳細は後述する。

本実施形態のマスフローコントローラＭＦＣは、蒸気濃度検出器１２２に接続されている。マスフローコントローラＭＦＣは、蒸気濃度検出器１２２から取得した蒸気濃度に応じて、蒸気濃度が上限値と下限値との間に収まるように、蒸気供給バルブＶ＿２の開度を制御する。マスフローコントローラＭＦＣは、蒸気供給バルブＶ＿２の開度を制御することで、溶媒の蒸気の流量（以下、蒸気流量ともいう）を制御する。蒸気供給バルブＶ＿２の開度の制御の具体的な態様は特に限定されない。例えば、蒸気供給バルブＶ＿２が、電気信号の印加にともなって開度が変化する構造であれば、電気信号の印加量によって開度を制御してよい。

第２の実施形態では、蒸気濃度の監視結果に応じて蒸気流量を変更可能である。この場合、蒸気流量を実際の蒸気濃度に応じて変更することができるので、有機膜材料の析出速度や有機膜の固化時間を適切に制御することができる。これにより、パターンの変形や倒壊を抑制しながら半導体基板２を短時間で乾燥させることができる。

次に、図９を用いて、本実施形態の基板処理方法の一例としての基板処理装置１の動作例を説明する。図９は、第２の実施形態を示す基板処理方法の成膜工程図である。

図９に示すように、第２の実施形態においては、図４のステップＳ５２１〜Ｓ５６１、Ｓ５８１に替わり、ステップＳ５２２〜Ｓ５６２、Ｓ５８２を実行する。

ステップＳ５２２において、蒸気濃度検出器１２２は、蒸気濃度の検出を開始する。

ステップＳ５３２において、マスフローコントローラＭＦＣは、ステップＳ５２２において検出された蒸気濃度が、下限値未満であるか否かを判定する。そして、蒸気濃度が下限値未満（ステップＳ５３２：Ｙｅｓ）である場合には、ステップＳ５４２に進む。一方、蒸気濃度が下限値以上（ステップＳ５３２：Ｎｏ）である場合には、ステップＳ５５２に進む。

ここで、ステップＳ５４２に進んだ場合、マスフローコントローラＭＦＣは、蒸気流量を増加させる。ステップＳ５４２の後は、ステップＳ５５２に進む。

ステップＳ５４２において、例えば、マスフローコントローラＭＦＣは、一定流量ずつ蒸気流量を増加させることを、下限値以上の蒸気濃度が検出されるまで複数回繰り返してもよい。または、例えば、蒸気濃度と好適な蒸気流量の増加量との対応関係が予めテーブルや関数等の態様によって設定されている場合、マスフローコントローラＭＦＣは、当該対応関係に基づいて好適な蒸気流量の増加量を選択してもよい。

ステップＳ５５２において、マスフローコントローラＭＦＣは、ステップＳ５２２において検出された蒸気濃度が、上限値より大きいか否かを判定する。そして、蒸気濃度が上限値より大きい（ステップＳ５５２：Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ５６２に進む。一方、蒸気濃度が上限値以下（ステップＳ５５２：Ｎｏ）である場合には、ステップＳ５７に進む。

ここで、ステップＳ５６２に進んだ場合、マスフローコントローラＭＦＣは、蒸気流量を減少させる。ステップＳ５６２の後は、ステップＳ５７に進む。

ステップＳ５６２において、例えば、マスフローコントローラＭＦＣは、一定流量ずつの蒸気流量の減少制御を、上限値以下の蒸気濃度が検出されるまで複数回繰り返してもよい。または、例えば、蒸気濃度に応じた好適な蒸気流量の減少量の情報が予めテーブルや関数等の態様によって取得されている場合、マスフローコントローラＭＦＣは、当該情報に基づいて好適な減少量を選択してもよい。

ステップＳ５８２において、蒸気濃度検出器１２２は、蒸気濃度の検出を終了する。

その他の構成および作用効果は、第１実施形態と同様でよい。

第１および第２の実施形態において、溶媒の蒸気は、有機膜材料含有液の塗布中に供給されてもよい。この場合、有機膜材料含有液の塗布と蒸気の供給とを同時に行うために、第１ノズルＮ１を第２ノズルＮ２とともに対向板１３に設けてもよい。また、溶媒の蒸気は、有機膜の固化後に供給されてもよい。この場合、有機膜をレベリングするために、有機膜を溶解し柔らかくする。

第１の実施形態と第２の実施形態とを適宜組み合わせてもよい。例えば、蒸気分圧および蒸気濃度の一方または両方の監視結果に応じて、蒸気温度および蒸気流量の一方または両方を制御してもよい。また、第２の実施形態において融解した有機膜材料を採用してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 基板処理装置
１２１ 蒸気分圧検出器
２ 半導体基板

Claims (5)

1. パターンが形成された基板の表面に薬液を供給する第４ノズルと、
   前記薬液で処理された前記基板の表面にリンス液を供給する第３ノズルと、
   前記リンス液で処理した前記基板の表面に、前記リンス液を置換可能な有機膜材料含有液を供給する第１ノズルと、
   前記基板の表面に、前記有機膜材料が溶解可能な溶媒の蒸気を供給する第２ノズルと、
   前記蒸気の分圧および濃度の少なくとも一方を含む前記基板の表面における前記蒸気の第１物理量を検出する検出器と、
   前記第１物理量に応じて前記蒸気の温度および流量の少なくとも一方を含む前記蒸気の第２物理量を制御する制御部と、
   前記基板の表面に前記蒸気を供給するときに、前記有機膜材料含有液に基づいて前記基板の表面に形成される有機膜の表面をレベリングするように前記基板を保持しつつ回転させる回転機構と、を備える基板処理装置。
2. 前記回転機構は、前記基板の表面に前記蒸気を供給するときに、前記基板の表面に前記有機膜材料含有液を供給するときよりも高速に前記基板を回転させる、請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記基板の表面に対向する対向板を更に有する、請求項１または２に記載の基板処理装置。
4. 前記第２ノズルは、前記対向板の中央に配置され、
   前記基板処理装置は、
   前記第２ノズルに連通するように前記対向板に接続された蒸気供給管と、
   前記蒸気供給管に接続された蒸気供給源と、を更に備える、請求項３に記載の基板処理装置。
5. 基板を乾燥させる基板処理方法であって、
   パターンが形成された前記基板の表面を洗浄液を用いて洗浄する工程と、前記基板の表面の前記洗浄液をリンス液に置換する工程と、前記基板の表面の前記リンス液を、常温常圧で固体の有機膜材料を融解または溶媒に溶解させた有機膜材料含有液に置換する工程と、前記基板の表面に供給された前記有機膜材料含有液から前記有機膜材料を析出させる工程と、前記基板の表面に析出した前記有機膜材料を除去する工程と、を含み、
   前記有機膜材料を析出させる工程では、前記基板の表面に析出された前記有機膜材料の表面をレベリングするように前記基板を保持しつつ回転させ、かつ、前記基板の表面に、前記有機膜材料が溶解可能な溶媒の蒸気を供給しながら、前記蒸気の分圧および濃度の少なくとも一方を含む前記基板の表面における前記蒸気の第１物理量を検出し、前記第１物理量に応じた前記蒸気の温度および流量の少なくとも一方を含む前記蒸気の第２物理量を制御することで、前記有機膜材料含有液から前記基板の表面を被覆する有機膜を生成する、基板処理方法。

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