KR20210093906A - 기판 세정 방법, 처리 용기 세정 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

기판 세정 방법, 처리 용기 세정 방법 및 기판 처리 장치 Download PDF

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KR20210093906A
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가즈야 도바시
츠네나가 나카시마
겐지 세키구치
슈우이치 니시키도
마사토 나카조
다카히로 야스타케
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

처리 용기 내부에 기판을 배치하는 공정과, 상기 처리 용기 내부에 배치된 가스 노즐의 분사구로부터 가스를 분사하는 공정과, 상기 가스 노즐로부터의 가스 분사에 의해 발생한 수직 충격파를 상기 기판의 주표면에 충돌시키는 공정과, 상기 수직 충격파를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시킴으로써 상기 기판의 상기 주표면에 부착된 파티클을 제거하는 공정을 포함하는 기판 세정 방법에 관한 것이다.

Description

기판 세정 방법, 처리 용기 세정 방법 및 기판 처리 장치
본 개시 내용은 기판 세정 방법, 처리 용기 세정 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에 기재된 기판 세정 방법은, 노즐부에서 가스를 토출함으로써 가스 클러스터를 생성하는 공정과, 가스 클러스터를 기판 표면에 수직으로 조사(照射)하여 파티클을 제거하는 공정을 포함한다. 가스 클러스터를 조사할 때에 노즐부 선단에서 기판까지의 거리가 10mm~100mm이다.
일본국 공개특허공보 특개2015-026745호
본 개시 내용의 일 양태는 기판을 오염시키는 파티클을 높은 효율로 제거할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시 내용의 일 양태에 따른 기판 세정 방법은, 처리 용기 내부에 기판을 배치하는 공정과, 상기 처리 용기 내부에 배치된 가스 노즐의 분사구로부터 가스를 분사하는 공정과, 상기 가스 노즐로부터의 가스 분사에 의해 발생한 수직 충격파를 상기 기판의 주표면에 충돌시키는 공정과, 상기 수직 충격파를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시킴으로써 상기 기판의 상기 주표면에 부착된 파티클을 제거하는 공정을 포함한다.
본 개시 내용의 일 양태에 의하면, 기판을 오염시키는 파티클을 높은 효율로 제거할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 측면도이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 가스 노즐 이동 기구를 나타내는 평면도이다.
도 3은 일 실시형태에 있어 수직 충격파가 기판에 충돌하는 것을 나타내는 단면도이다.
도 4는 가스 노즐 분사구에서 아랫쪽으로의 거리 L과 분사구에서 분사된 가스의 압력 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 가스 노즐 분사구에서 아랫쪽으로의 거리 L과 분사구에서 분사된 가스의 질량 유속 밀도 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 (c)에 나타낸 시뮬레이션 결과의 일 예의 그래프이다.
도 7은 입자 직경 200nm인 파티클의 제거율 PRE1과, 가스 노즐 분사구와 기판 주표면 사이의 갭 G1간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 가스 노즐 분사구와 기판 주표면 사이의 갭 G1과, 분사구에서 분사된 가스의 질량 유속 밀도 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시형태에 있어 가스 클러스터가 기판에 충돌하는 것을 나타내는 단면도이다.
도 10은 입자 직경 40nm인 파티클의 제거율 PRE2와, 가스 노즐 분사구와 기판 주표면 사이의 갭 G1간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시형태에 따른 기판 세정 방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 12는 일 실시형태에 따른 기판 세정 방법에 의해 세정되는 기판의 상태 경시 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 일 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 처리 용기 세정시의 상태를 나타내는 측면도이다.
도 14는 가스 노즐 분사구와 기판 홀딩부의 기판 홀딩면 사이의 갭 G2와, 분사구에서 분사된 가스의 유속 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 일 실시형태에 따른 처리 용기 세정 방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 16은 일 실시형태에 있어 처리 용기의 내벽면인 측벽면에 형성되는 가스 노즐을 나타내는 도면이다.
도 17은 소용돌이 모양 기류를 형성하는 가스 노즐의 노즐 구멍 단면 형상의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 18은 소용돌이 모양 기류를 형성하는 가스 노즐의 노즐 구멍 단면 형상과, 노즐 구멍 출구에서 분사된 가스의 유속 간 관계의 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 본 개시 내용의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 한편, 각 도면에서 동일 또는 대응하는 구성에는 동일 또는 대응하는 부호를 붙이고, 설명을 생략하는 경우가 있다. 이하의 설명에서, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향은 서로 수직인 방향이고, X축 방향 및 Y축 방향은 수평 방향이며, Z축 방향은 연직 방향이다. 또한, 하방(아랫쪽)이라 함은 연직 방향 아랫쪽(Z축 (-)방향)을 의미하며, 상방(윗쪽)이라 함은 연직 방향 윗쪽(Z축 (+)방향)을 의미한다.
도 1은 일 실시형태에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 측면도이다. 도 2는 일 실시형태에 따른 가스 노즐 이동 기구를 나타내는 평면도이다. 기판 처리 장치(10)는 기판(2)의 주표면(3)을 향해 가스를 분출함으로써 기판(2)의 주표면(3)에 부착된 파티클(5,6)(도 12 참조)을 제거한다. 기판(2)은, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 등과 같은 반도체 기판이다. 기판 처리 장치(10)는 처리 용기(20), 기판 홀딩부(30), 회전축부(34), 회전 구동부(36), 승강 구동부(38), 가스 노즐(40), 가스 노즐 이동 기구(50), 가스 공급 기구(60), 감압 기구(70), 제어부(90)를 구비한다.
처리 용기(20)는 그 내부에 기판(2)이 처리되는 공간이 형성된다. 처리 용기(20)의 내부는, 예를 들어, 원기둥 형상의 공간이다. 처리 용기(20)는 기판(2)의 반출입구인 게이트(미도시)와, 게이트를 개폐하는 게이트 밸브(미도시)를 구비한다.
기판 홀딩부(30)는, 처리 용기(20)의 내부에 배치되며, 기판(2)을 홀딩하는 기판 홀딩면(31)을 갖는다. 기판 홀딩부(30)는, 예를 들어, 기판(2)의 파티클(5,6)이 제거되는 주표면(3)이 윗쪽을 향하도록 기판(2)을 수평으로 홀딩한다.
회전축부(34)는 기판 홀딩부(30)의 중앙부에서부터 아랫쪽으로 연장되어 연직으로 배치된다. 회전축부(34)의 상단부는 처리 용기(20)의 내부에 배치되며, 회전축부(34)의 하단부는 처리 용기(20)의 외부에 배치된다.
회전 구동부(36)는 회전축부(34)를 연직축 중심으로 회전시킴으로써 기판 홀딩부(30)를 회전시킨다. 회전 구동부(36)는, 예를 들어, 회전 모터와, 회전 모터의 회전 구동력을 회전축부(34)에 전달하는 전달 기구를 구비한다.
승강 구동부(38)는 기판 홀딩부(30)를 승강시킨다. 승강 구동부(38)는, 예를 들어, 유체압 실린더 등으로 구성된다. 승강 구동부(38)는 회전 구동부(36)를 통해 기판 홀딩부(30)를 승강시키지만, 회전 구동부(36)를 통하지 않고 기판 홀딩부(30)를 승강시킬 수도 있다.
가스 노즐(40)은 기판 홀딩부(30)에 홀딩되어 있는 기판(2)의 표면(3)을 향해 가스를 분사한다. 가스 노즐(40)은 가스 분사구(41)를 아랫쪽으로 하여 기판 홀딩부(30)의 윗쪽에 배치된다.
가스 노즐 이동 기구(50)는 기판 홀딩부(30)의 직경 방향으로 가스 노즐(40)을 이동시킨다. 가스 노즐 이동 기구(50)는 기판 홀딩부(30)의 중심부의 바로 위 위치와 기판 홀딩부(30)의 외주부의 바로 위 위치 사이에서 가스 노즐(40)을 이동시킨다.
가스 노즐 이동 기구(50)는, 예를 들어, 선회 아암(51)과, 선회 아암(51)을 선회시키는 선회 구동부(52)를 구비한다. 선회 아암(51)은 수평으로 배치되며, 가스 노즐(40)의 분사구(41)를 아랫쪽으로 하여 선단부에서 가스 노즐(40)을 홀딩한다. 선회 구동부(52)는, 선회 아암(51)의 기단부로부터 아랫쪽으로 연장되는 선회축(53)을 중심으로 하여 선회 아암(51)을 선회시킨다.
한편, 가스 노즐 이동 기구(50)는, 선회 아암(51)과 선회 구동부(52) 대신에, 가이드 레일과 직동 기구를 구비할 수도 있다. 가이드 레일은 수평으로 배치되며, 직동 기구가 가이드 레일을 따라 가스 노즐(40)을 이동시킨다.
가스 노즐 이동 기구(50)는 가스 노즐(40)을 승강시키는 승강 구동부(54)를 또한 구비할 수 있다. 승강 구동부(54)는, 예를 들어, 유체압 실린더 등으로 구성된다. 승강 구동부(54)는 선회 구동부(52)를 통해 가스 노즐(40)을 승강시키지만, 선회 구동부(52)를 통하지 않고 가스 노즐(40)을 승강시킬 수도 있다.
가스 공급 기구(60)는 가스를 가스 노즐(40)에 공급한다. 가스 공급 기구(60)는, 하류단이 가스 노즐(40)에 접속되는 공통 라인(L1)과, 공통 라인(L1)의 상류단으로부터 제1 공급원(61)까지 연장되는 제1 분기 라인(L2)과, 공통 라인(L1)의 상류단으로부터 제2 공급원(62)까지 연장되는 제2 분기 라인(L3)을 구비한다.
공통 라인(L1)에는, 가스 노즐(40)로의 가스 공급압 P를 조정하는 압력 조정 밸브(63)가 구비된다. 압력 조정 밸브(63)는 제어부(90)에 의한 제어 하에 가스 노즐(40)로의 가스 공급압 P를 조정한다. 한편, 공통 라인(L1)의 압력 조정 밸브(63) 상류측에는, 가스 부스터 등과 같은 승압기가 또한 구비될 수도 있다.
제1 분기 라인(L2)에는, 제1 개폐 밸브(64)와 제1 유량 조정 밸브(65)가 구비된다. 제1 개폐 밸브(64)가 가스 유로를 개방하면, 가스가 제1 공급원(61)에서 가스 노즐(40)로 공급된다. 제1 유량 조정 밸브(65)는 제1 분기 라인(L2)을 흐르는 가스의 유량을 조정한다. 제1 개폐 밸브(64)가 가스의 유로를 닫으면, 제1 공급원(61)에서 가스 노즐(40)로의 가스 공급이 정지된다.
제2 분기 라인(L3)에는, 제2 개폐 밸브(66)와, 제2 유량 조정 밸브(67)가 구비된다. 제2 개폐 밸브(66)가 가스 유로를 개방하면, 가스가 제2 공급원(62)에서 가스 노즐(40)로 공급된다. 제2 유량 제어 밸브(67)는 제2 분기 라인(L3)을 흐르는 가스의 유량을 조정한다. 제2 개폐 밸브(66)가 가스 유로를 닫으면, 제2 공급원(62)에서 가스 노즐(40)로의 가스 공급이 정지된다.
제1 공급원(61)은, 예를 들어, 이산화탄소(CO2) 가스를 가스 노즐(40)에 공급한다. 한편, 제2 공급원(62)은, 예를 들어, 수소(H2) 가스를 가스 노즐(40)에 공급한다. 가스 노즐(40)로 공급되는 가스에 포함되는 이산화탄소 가스의 함유율(C)은, 제1 유량 조정 밸브(65) 및 제2 유량 조정 밸브(67)에 의해 조정된다. 제1 유량 조정 밸브(65) 및 제2 유량 조정 밸브(67)는, 제어부(90)에 의한 제어 하에, 이산화탄소 가스의 함유율(C)을 조정한다. 한편, 제어부(90)가 이산화탄소 가스의 함유율(C)을 0으로 설정하는 경우, 제2 개폐 밸브(66)는 제어부(90)에 의한 제어 하에 가스 유로가 닫힌다.
감압 기구(70)는 처리 용기(20)의 내부를 감압한다. 감압 기구(70)는, 예를 들어, 처리 용기(20) 내부의 가스를 흡인하는 흡인 펌프(71)와, 처리 용기(20)의 내벽면(22)에 형성되는 흡인구(27)로부터 흡인 펌프(71)까지 연장되는 흡인 라인(72)의 도중에 구비되는 압력 조정 밸브(73)를 구비한다. 흡인구(27)는 처리 용기(20)의 하벽면(24)에 형성되며, 회전축부(34)를 중심으로 해서 등간격으로 복수 개 배치될 수 있다.
제어부(90)는, 예를 들어, 컴퓨터로 구성되며, CPU(Central Processing Unit, 91)와, 메모리 등과 같은 기억 매체(92)를 구비한다. 기억 매체(92)에는, 기판 처리 장치(10)에서 실행되는 각종 처리를 제어하는 프로그램이 저장된다. 제어부(90)는 기억 매체(92)에 기억된 프로그램을 CPU(91)로 하여금 실행시킴으로써, 기판 처리 장치(10)의 동작을 제어한다. 또한, 제어부(90)는 입력 인터페이스(93)와 출력 인터페이스(94)를 구비한다. 제어부(90)는, 입력 인터페이스(93)에서 외부로부터의 신호를 수신하고, 출력 인터페이스(94)에서 신호를 외부로 송신한다.
이와 같은 프로그램은 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기억 매체에 기억되어 있는 것으로서, 그 기억 매체로부터 제어부(90)의 기억 매체(92)에 인스톨된 것일 수도 있다. 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기억 매체로는, 예를 들어, 하드 디스크(HD), 플렉시블 디스크(FD), 컴팩트 디스크(CD), 마그넷 광학 디스크(MO), 메모리 카드 등을 들 수 있다. 한편, 프로그램은 인터넷을 통해 서버로부터 다운로드되어 제어부(90)의 기억 매체(92)에 인스톨될 수도 있다.
도 3은 일 실시형태에 있어 수직 충격파가 기판에 충돌하는 것을 나타내는 단면도이다. 가스 노즐(40)은, 예를 들어, 일반적으로 드 라발 노즐(de Laval nozzle)이라고 하는 것이며, 분사구(41) 및 공급구(42)보다 직경이 작은 노즐목(throat,43)을 구비한다. 가스 노즐(40)은 노즐목(43)과 분사구(41) 사이에서 노즐목(43)에서 분사구(41)로 갈수록 직경이 커지는 테이퍼 개구(45)를 갖는다.
가스 노즐(40)은 처리 용기(20) 내부에 배치된다. 처리 용기(20) 내부는 감압 기구(70)에 의해 미리 감압된다. 가스 노즐(40)의 공급구(42)로 공급된 가스는 노즐목(43)을 통과함으로써 음속을 넘는 속도로 가속되어 분사구(41)에서 분사된다.
분사된 가스는 수직 충격파(SW)를 형성한다. 수직 충격파(SW)는 마하 디스크(Mach Disk)라고도 한다. 수직 충격파(SW)는 전파 방향에 대해 수직인 파면을 갖는 충격파이다. 충격파는 처리 용기(20) 내부에서 초음속으로 전파되는 압력의 불연속적 변화이다.
제어부(90)는 기판 홀딩부(30)에 홀딩되어 있는 기판(2)에 대한 가스의 충돌을 제어한다. 기판(2)에 대한 가스의 충돌은, 예를 들어, (1)가스 노즐(40)의 분사구(41)와 기판(2)의 주표면(3) 사이의 갭 G1, (2)가스 노즐(40)로 공급되는 가스에 포함되는 이산화탄소 가스의 함유율 C, (3)가스 노즐(40)로 공급되는 가스의 공급압 P 등에 따라 변화한다.
그러므로, 제어부(90)는 갭 G1, 이산화탄소의 함유율 C, 공급압 P 중 적어도 하나를 제어함으로써 기판(2)에 대한 가스의 충돌을 제어한다. 이 때, 제어부(90)는 기판 홀딩부(30)의 Z축 방향 위치를 제어함으로써 갭 G1을 제어할 수도 있으며, 가스 노즐(40)의 Z축 방향 위치를 제어함으로써 갭 G1을 제어할 수도 있다.
제어부(90)는 가스 분사에 의해 발생한 수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킨다. 수직 충격파(SW)가 기판(2)의 주표면(3)에 작용하므로, 자세하게는 후술하겠지만, 기판(2)의 주표면(3)에 부착된 입자 직경 100nm 이상의 큰 입자 직경 파티클(5)을 고효율로 제거할 수가 있다.
가스 노즐(40)의 중심선은 기판(2)의 주표면(3)에 대해 수직으로 배치될 수 있다. 수직 충격파(SW)의 파면이 기판(2)의 주표면(3)과 평행하도록 충돌한다. 그러므로, 수직 충격파(SW)가 기판(2)의 주표면(3)에 작용하는 범위가 넓어서, 큰 입자 직경 파티클(5)을 고효율로 제거할 수 있다. 또한, 기판(2)의 주표면(3)의 요철 패턴(4)이 붕괴하는 것을 억제할 수 있다.
도 4는 가스 노즐의 분사구에서 아랫쪽으로의 거리(L)와, 분사구에서 분사된 가스의 압력 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)는 이산화탄소 가스의 함유율 C가 25체적%이고 수소 가스의 함유율이 75체적%일 때의 압력 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 4의 (b)는 이산화탄소 가스의 함유율 C가 50체적%이고 수소 가스의 함유율이 50체적%일 때의 압력 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 4의 (c)는 이산화탄소 가스의 함유율 C가 100체적%이고 수소 가스의 함유율이 0체적%일 때의 압력 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다.
도 4의 시뮬레이션에서는, ANSYS사의 유체 해석 소프트웨어(상표명: Fluent)를 사용하여 정상(定常) 상태의 유체 해석을 실시하였다. 또한, 도 4의 시뮬레이션에서는, 공급구(42)의 직경을 10mm, 노즐목(43)의 직경을 0.24mm, 분사구(41)의 직경을 4.4mm, 테이퍼 개구(45)의 테이퍼 각을 6°로 각각 설정하였다. 또한, 도 4의 시뮬레이션에서는, 공급구(42)에서의 가스 공급압 P를 0.7MPa, 공급구(42)에서의 가스 온도를 -10℃, 처리 용기(20) 내부의 기압을 40Pa로 각각 설정하였다. 또한, 도 4의 시뮬레이션에서는, 가스 노즐(40)의 중심선을 중심으로 좌우 대칭인 장방형의 2차원 해석 영역을 설정하고, 가스가 2차원 해석 영역의 네 변으로 자유롭게 유출되는 유출 경계를 설정하였다.
도 4로부터, 가스 노즐(40)의 분사구(41)에서 아랫쪽으로의 거리(L)가 약 30mm~40mm인 영역 GA(도 6 참조)와, 거리(L)가 약 70mm~80mm인 영역 GB(도 6 참조)에서, 압력의 불연속적 변화인 수직 충격파(SW)가 형성됨을 알 수 있다.
도 5는 가스 노즐의 분사구에서 아랫쪽으로의 거리(L)와, 분사구에서 분사된 가스의 질량 유속 밀도(D) 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 5의 (a)는 이산화탄소 가스의 함유율 C가 25체적%이고 수소 가스의 함유율이 75체적%일 때의 질량 유속 밀도 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 5의 (b)는 이산화탄소 가스의 함유율 C가 50체적%이고 수소 가스의 함유율이 50체적%일 때의 질량 유속 밀도 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 5의 (c)는 이산화탄소 가스의 함유율 C가 100체적%이고 수소 가스의 함유율이 0체적%일 때의 질량 유속 밀도 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 한편, 도 5의 시뮬레이션은 도 4의 시뮬레이션과 같은 설정으로 실시하였다.
질량 유속 밀도(D)라 함은 단위 시간에 단위 면적을 통과하는 가스의 질량을 나타내는 물리량으로서, 수직 충격파(SW) 강도의 지표이다. 질량 유속 밀도(D)는 하기의 식(1)로부터 산출된다.
D=ρ×ｖ ···· (1)
상기 식(1)에서, ρ는 가스의 밀도(kg/m3)이고, v는 가스의 유속(m/s)이다. 가스의 유속이 양(+)이면 가스가 상방에서 하방으로 흐름을 의미하며, 가스 유속이 음(-)이면 가스가 하방에서 상방으로 흐름을 의미한다. 공급압 P가 클수록 가스 밀도 ρ와 가스 유속 v 둘 다 커지는 바, 질량 유속 밀도 D도 커진다. 또한, 수소 가스보다 분자량이 큰 이산화탄소 가스의 함유율 C가 클수록, 가스 밀도 ρ가 커지므로 질량 유속 밀도 D도 커진다.
도 5의 시뮬레이션 결과와 도 4의 시뮬레이션 결과로부터, 질량 유속 밀도(D)의 크기가 큰 곳에서 수직 충격파(SW)가 형성됨을 알 수 있다.
도 6은 도 5의 (c)에 나타내는 시뮬레이션 결과의 일 예의 그래프이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 거리(L)가 0에서부터 커짐에 따라 질량 유속 밀도(D)가 급격히 저하된 후, 급격히 상승한 다음에, 저하와 상승을 반복한다.
도 6의 시뮬레이션 결과와 도 4의 시뮬레이션 결과를 비교하면, 수직 충격파(SW)는 질량 유속 밀도(D)의 값이 각 피크값의 반값 이상으로 되는 영역(GA, GB)에서 형성됨을 알 수 있다.
한편, 수직 충격파(SW)는 거리 L이 약 0mm~25mm인 영역으로서 질량 유속 밀도(D)가 급격히 저하되는 영역에서는 발생하지 않는다.
도 7은 입자 직경이 200nm인 파티클의 제거율 PRE1과, 가스 노즐의 분사구와 기판 주표면 사이의 갭 G1 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다. 파티클 제거율 PRE1은 하기의 식(2)로부터 산출했다.
PRE1=(n1-n2)/n1×100 ···· (2)
상기 식(2)에서, n1은 세정 전 기판(2)의 주표면(3)에 부착시킨 입자 직경 200nm의 실리카 입자의 갯수이고, n2는 세정 후 기판(2)의 주표면(3)에 남은 입자 직경 200nm의 실리카 입자의 갯수이다. 실리카 입자의 갯수(n1, n2)는 SEM(Scanning Electron Microscope)에 의해 계측하였다.
기판(2)의 세정은, 기판 홀딩부(30)의 회전수를 150rpm으로, 가스 노즐(40)의 선회 속도를 1°/s로 각각 설정하고, 기판 홀딩부(30)에 홀딩되어 있는 기판(2)의 주표면(3) 전체에 대해 가스 노즐(40)로부터 가스를 충돌시킴으로써 실시하였다. 또한, 기판(2)의 세정은, 도 4의 시뮬레이션과 마찬가지로, 공급구(42)의 직경을 10mm, 노즐목(43)의 직경을 0.24mm, 분사구(41)의 직경을 4.4mm, 테이퍼 개구(45)의 테이퍼 각을 6°로 각각 설정하였다. 또한, 기판(2)의 세정은, 도 4의 시뮬레이션과 마찬가지로, 공급구(42)에서의 가스 공급압 P를 0.7MPa, 공급구(42)에서의 가스 온도를 -10℃, 처리 용기(20)의 내부 기압을 40Pa로 각각 설정하였다.
도 7로부터, 갭 G1이 약 40mm일 때에 입자 직경 200nm의 실리카 입자의 제거율 PRE1이 향상됨을 알 수 있다. 한편으로, 갭 G1이 약 40mm일 때에는, 후술하는 도 8로부터 알 수 있듯이, 수직 충격파(SW)가 기판(2)의 주표면(3)에 충돌한다. 그러므로, 수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킴으로써, 입자 직경 200nm의 실리카 입자의 제거율 PRE1이 향상됨을 알 수 있다.
또한, 도 7로부터, 수소 가스보다 분자량이 큰 이산화탄소 가스의 함유율 C가 클수록 입자 직경 200nm의 실리카 입자의 제거율 PRE1이 향상됨을 알 수 있다. 이것은, 상기 식(1)로부터 알 수 있듯이 질량 유속 밀도 D가 가스 밀도 ρ에 비례하므로, 수소 가스보다 분자량이 큰 이산화탄소 가스의 함유율 C가 클수록 질량 유속 밀도 D가 커지는 것이 이유라고 추정된다.
도 8은 가스 노즐의 분사구와 기판의 주표면 사이의 갭 G1과, 분사구에서 분사된 가스의 질량 유속 밀도 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 8의 (a)는 갭 G1이 35mm일 때의 질량 유속 밀도 시뮬레이션 결과의 일 예룰 나타낸다. 도 8의 (b)는 갭 G1이 40mm일 때의 질량 유속 밀도 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 8의 (c)는 갭 G1이 50mm일 때의 질량 유속 밀도 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다.
도 8의 시뮬레이션에서는, 가스 노즐(40)의 분사구(41)에서 아랫쪽으로 35mm, 40mm, 50mm 이격된 위치에서, 기판(2)의 주표면(3)으로서 장방형의 2차원 해석 영역의 아랫쪽 한 변에는 가스의 출입이 없는 벽면 경계를 설정하였다. 장방형의 2차원 해석 영역의 나머지 세 변에는 가스가 자유롭게 유출되는 유출 경계를 설정하였다. 또한, 도 8의 시뮬레이션에서는, 이산화탄소 가스의 함유율 C를 100체적%, 수소 가스의 함유율을 0체적%로 각각 설정하였다. 이들 이외의 설정은 도 4의 시뮬레이션과 같은 설정이다.
도 8로부터, 갭 G1이 40mm인 경우에, 기판(2)의 주표면(3)에 질량 유속 밀도 D가 약 8kg/m2s인 수직 충격파(SW)를 충돌시킬 수 있음을 알 수 있다. 한편, 도 8의 시뮬레이션 결과와 도 5 (c) 및 도 6에 나타내는 시뮬레이션 결과에서, 수직 충격파(SW)가 발생하는 위치가 약간 다른 것은 경계 조건 설정에 기인한다. 2차원 해석 영역의 아랫쪽 한 변에 벽면 경계를 설정한 도 8의 시뮬레이션 결과가 실시예이며, 2차원 해석 영역의 아랫쪽 한 변에 유출 경계를 설정한 도 5 (c) 및 도 6의 시뮬레이션 결과가 참고예이다.
도 9는 일 실시형태에 있어 가스 클러스터가 기판에 충돌하는 것을 나타내는 단면도이다. 도 9에 나타내는 클러스터(GC)가 기판(2)에 충돌하는 경우와, 도 3에 나타내는 수직 충격파(SW)가 기판(2)에 충돌하는 경우에서는, 갭 G1, 이산화탄소 가스의 함유율 C, 공급압 P 중 적어도 하나가 다르다. 먼저, 가스 클러스터(GC)의 발생에 대해 설명한다.
가스 노즐(40)은 처리 용기(20)의 내부에 배치된다. 처리 용기(20)의 내부는 감압 기구(70)에 의해 미리 감압된다. 가스 노즐(40)의 공급구(42)로 공급된 가스는 노즐목(43)을 통과할 때에 음속으로 되며, 노즐목(43)을 통과한 후에는 단열 팽창에 의해 음속을 넘는 속도로 가속되어 분사구(41)에서 분사된다.
분사된 가스는 감압된 처리 용기(20) 내부에서 단열 팽창하므로 응축 온도까지 냉각되어, 원자 또는 분자의 집합체인 가스 클러스터(GC)를 형성한다. 가스클러스터(GC)는, 예를 들어, 이산화탄소 가스 분자끼리 반데르발스 힘(van der Waals force)에 의해 결합된 집합체이다.
수소 가스는 이산화탄소 가스와 혼합된 상태로 노즐목(43)을 통과함으로써, 이산화탄소 가스의 분사 속도를 높일 수 있어서, 그 결과 이산화탄소 가스로 형성되는 가스 클러스터(GC)를 가속시킬 수 있다.
제어부(90)는 가스 분사에 의해 발생한 가스 클러스터(GC)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킨다. 가스 클러스터(GC)가 기판(2)의 주표면(3)에 작용하므로, 자세하게는 후술하겠지만, 기판(2)의 주표면(3)에 부착된 입자 직경 수십 nm의 작은 입자 직경 파티클(6)을 고효율로 제거할 수가 있다.
도 10은 입자 직경이 40nm인 파티클의 제거율 PRE2와, 가스 노즐 분사구와 기판 주표면 사이의 갭 G1 간 관계의 일 예를 나타내는 도면이다. 파티클 제거율 PRE2는 아래의 식(3)으로부터 산출하였다.
PRE2=(n3-n4)/n3×100 ···· (3)
상기 식(3)에서, n3은 세정 전 기판(2)의 주표면(3)에 부착시킨 입자 직경 40nm의 실리카 입자 갯수이며, n4는 세정 후 기판(2)의 주표면(3)에 남은 입자 직경 40nm의 실리카 입자 갯수이다. 실리카 입자 갯수 n3, n4는 SEM(Scanning Electron Microscope)에 의해 계측하였다.
기판(2)의 세정은, 기판 홀딩부(30)의 회전수를 150rpm으로, 가스 노즐(40)의 선회 속도를 1°/s로 각각 설정하고서, 기판 홀딩부(30)에 홀딩되어 있는 기판(2)의 주표면(3) 전체에 가스 노즐(40)로부터 가스를 충돌시킴으로써 실시하였다. 또한, 기판(2)의 세정은, 도 4의 시뮬레이션과 마찬가지로, 공급구(42)의 직경을 10mm, 노즐목(43)의 직경을 0.24mm, 분사구(41)의 직경을 4.4mm, 테이퍼 개구(45)의 테이퍼 각을 6°로 각각 설정하였다. 또한, 기판(2)의 세정은, 도 4의 시뮬레이션과 마찬가지로, 공급구(42)에서의 가스 공급압 P를 0.7MPa, 공급구(42)에서의 가스 온도를 -10℃, 처리 용기(20) 내부의 기압을 40Pa로 각각 설정하였다.
도 10으로부터, 제거율 PRE2에 있어, 질량 유속 밀도 D가 약 8kg/m2s인 수직 충격파(SW)가 기판(2)의 주표면(3)에 충돌하는 조건(G1=40mm, C=100체적%)보다 좋은 조건이 존재함을 알 수 있다. 작은 입자 직경 파티클(6)은 표면적이 작으므로, 수직 충격파(SW)의 압력을 충분히 받기가 어려워서, 그 잇점을 충분히 누리기 어렵다. 작은 입자 직경 파티클(6)을 제거하려면, 분자의 집합체인 가스 클러스터(GC)의 고속 충돌이 유효하다. 또한, 앞서 기재한 바와 같이, 수소 가스와 혼합함으로써 가스 클러스터(GC)의 속도를 높일 수 있다.
또한, 도 10으로부터, 이산화탄소 가스의 함유율 C가 100체적%인 경우, 갭 G1에 관계없이, 입자 직경이 40nm인 실리카 입자의 제거율 PRE2가 대략 0이었다. 가스 클러스터(GC)의 속도 저하를 억제하는 수소 가스의 부족이 원인이라고 추정된다.
도 11은 일 실시형태에 따른 기판 세정 방법을 나타내는 플로우 챠트이다. 도 11에 나타내는 각 공정은 제어부(90)에 의한 제어 하에 실시된다.
기판 세정 방법은 처리 용기(20) 내부에 기판(2)을 배치하는 공정 S101을 갖는다. 공정 S101에서는, 반송 장치가 처리 용기(20) 외부에서 처리 용기(20) 내부로 기판(2)을 반입하고, 반입된 기판(2)을 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 배치한다. 기판 홀딩부(30)는 기판(2)의 주표면(3)을 위로 해서 기판(2)을 수평으로 홀딩한다.
기판 처리 방법은 처리 용기(20) 내부에 배치된 가스 노즐(40)의 분사구(41)로부터 가스를 분사하는 공정 S102를 갖는다. 공정 S102에서는, 감압 기구(70)가 처리 용기(20) 내부의 가스를 흡인하고, 가스 공급 기구(60)가 가스를 가스 노즐(40)로 공급한다.
가스 노즐(40)에 공급되는 가스의 조성(예를 들어, 이산화탄소 가스의 함유율 C)은, 예를 들어, 제1 유량 조정 밸브(65)와 제2 유량 조정 밸브(67)에 의해 조정된다. 이산화탄소 가스의 함유율 C가 100체적%인 경우에 제2 개폐 밸브(66)가 가스 유로를 닫는다. 또한, 가스 노즐(40)에 공급되는 가스의 공급압 P는 압력 조정 밸브(63)에 의해 조정된다.
기판 처리 방법은 가스 분사에 의해 수직 충격파(SW)를 형성하는 공정 S103을 갖는다. 수직 충격파(SW)가 형성되는 영역 GA, GB는 도 6에 나타내는 바와 같이 불연속적이어서, 수직 충격파(SW)가 형성되지 않는 영역이 존재한다.
기판 처리 방법은 수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시키는 공정 S104를 갖는다. 수직 충격파(SW)의 파면이 기판(2)의 주표면(3)에 평행하도록 충돌할 수 있다. 수직 충격파(SW)가 기판(2)의 주표면(3)에 작용되는 범위는 넓다. 또한, 기판(2) 주표면(3)의 요철 패턴(4)의 붕괴를 억제할 수 있다.
수직 충격파(SW)를 기판(2) 주표면(3)에 충돌시킬 때에, 가스 노즐(40) 분사구(41)와 기판(2) 주표면(3) 사이의 갭 G1은, 예를 들어, 37mm 이상 45mm 이하로 제어될 수 있다. 강도가 큰 수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킬 수가 있다.
또한, 수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킬 때에, 기판(2) 주표면(3) 근방에서의 가스의 질량 유속 밀도(D)는, 예를 들어, 6kg/m2s 이상으로 제어될 수 있다. 강도가 큰 수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킬 수 있다. 한편, D는 15kg/m2s 이하로 제어될 수 있다. 기판(2)의 주표면(3) 근방이라 함은, 주표면(3)으로부터 2mm 이내의 범위를 의미한다.
기판 처리 방법은 입자 직경이 100nm 이상인 큰 입자 직경 파티클(5)을 제거하는 공정 S105를 갖는다. 공정 S105에서는, 수면 충격파(SW)가 그 압력에 의해 큰 입자 직경 파티클(5)을 기판(2)의 주표면(3)으로부터 분리시킨다.
상기의 공정 S102~S105은 기판(2)의 수직 충격파(SW)가 충돌하는 위치를 변경하면서 반복 실행된다. 이러한 변경은, 예를 들어, 회전 구동부(36)가 기판 홀딩부(30)를 회전시키면서 가스 노즐 이동 기구(50)가 기판(2) 직경 방향으로 가스 노즐(40)을 이동시킴으로써 실시된다. 기판(2)의 주표면(3) 전체에 수직 충격파(SW)를 충돌시킬 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는, 기판 홀딩부(30)를 회전시키고 기판(2) 직경 방향으로 가스 노즐(40)을 이동시킴으로써 기판(2)에 있어 수직 충격파(SW)가 충돌하는 위치를 변경하지만, 본 개시 기술이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 가스 노즐(40)을 고정시킨 상태에서 기판 홀딩부(30)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시킬 수도 있다.
기판 처리 방법은 기판(2)에 대한 가스 충돌 조건을 변경하는 공정 S106을 갖는다. 공정 S106에서는, 제어부(90)가 갭 G1, 이산화탄소 가스 함유율 C, 공급압 P 중 적어도 하나를 변경함으로써, 기판(2)에 대한 가스 충돌 조건을 변경한다. 변경 전 충돌 조건(예를 들어, 큰 입자 직경 파티클(5) 제거용 충돌 조건)과 변경 후 충돌 조건(예를 들어, 작은 입자 직경 파티클(6) 제거용 충돌 조건)은 각각 실험 또는 시뮬레이션에 의해 정해져서 기억 매체(92)에 미리 기억된다.
기판 처리 방법은 처리 용기(20)의 내부에 배치된 가스 노즐(40)의 분사구(41)로부터 가스를 분사하는 공정 S107을 갖는다. 공정 S107에서는, 감압 기구(70)가 처리 용기(20) 내부의 가스를 흡인하고, 가스 공급 기구(60)가 가스를 가스 노즐(40)로 공급한다.
가스 노즐(40)에 공급되는 가스의 조성(예를 들어, 이산화탄소 가스의 함유율 C)은, 예를 들어, 제1 유량 조정 밸브(65)와 제2 유량 조정 밸브(67)에 의해 조정된다. 이산화탄소 가스의 함유율 C는, 가스 클러스터 GC의 속도 저하를 억제할 수 있도록, 바람직하게는 90체적% 이하이다. 또한, 가스 노즐(40)에 공급되는 가스의 공급압 P는 압력 조정 밸브(63)에 의해 조정된다.
기판 처리 방법은 가스 분사에 의해 가스 클러스터(GC)를 형성하는 공정 S108을 갖는다. 가스 클러스터(GC)는, 예를 들어, 이산화탄소 가스 분자끼리 반데르발스 힘에 의해 결합된 집합체이다.
기판 처리 방법은 가스 클러스터(GC)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시키는 공정 S109를 갖는다. 가스 클러스터(GC)는 기판(2)의 주표면(3)에 수직하게 충돌될 수 있다. 기판(2) 주표면(3)의 요철 패턴(4)의 붕괴를 억제할 수 있다.
기판 처리 방법은 입자 직경이 수십nm인 작은 입자 직경 파티클(6)을 제거하는 공정 S110을 갖는다. 앞서 설명한 바와 같이, 작은 입자 직경 파티클(6)을 제거하려면, 분자의 집합체인 가스 클러스터(GC)의 고속 충돌이 유효하다.
상기의 공정 S107~S110은 기판(2)에 있어 가스 클러스터(GC)가 충돌하는 위치를 변경하면서 반복 실행된다. 이러한 변경은, 예를 들어, 회전 구동부(36)가 기판 홀딩부(30)를 회전시키면서 가스 노즐 이동 기구(50)가 가스 노즐(40)을 기판(2) 직경 방향으로 이동시킴으로써 실시된다. 기판(2)의 주표면(3) 전체에 가스 클러스터(GC)를 충돌시킬 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는, 기판 홀딩부(30)를 회전시키고, 가스 노즐(40)을 기판(2) 직경 방향으로 이동시킴으로써, 기판(2)의 클러스터(GC)가 충돌하는 위치를 변경하지만, 본 개시 기술이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 가스 노즐(40)을 고정한 상태에서 기판 홀딩부(30)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시킬 수도 있다.
기판 처리 방법은 기판(2)을 처리 용기(20) 내부로부터 처리 용기(20) 외부로 반출하는 공정 S111을 갖는다. 이러한 공정 S111에서는, 기판 홀딩부(30)가 기판(2)의 홀딩을 해제하며, 반송 장치가 기판 홀딩부(30)로부터 기판(2)을 수취하고, 수취한 기판(2)을 처리 용기(20) 내부로부터 처리 용기(20) 외부로 반출한다.
한편, 도 11에 나타내는 각 공정의 순서는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판 처리 장치(10)가 가스 노즐(40)을 복수 개 구비하는 경우, 기판 처리 장치(10)는, 하나의 가스 노즐(40)을 이용하여 공정 S102~S105를 실시하는 것과 병행해서, 다른 하나의 가스 노즐(40)을 이용하여 공정 S107~S110을 실시할 수도 있다.
또한, 도 11에 나타내는 공정의 일부는 실시하지 않을 수도 있다. 기판 처리 장치(10)가 가스 노즐(40)을 복수 개 구비하는 경우, 가스 노즐(40)마다 가스가 기판(2)의 주표면(3)에 충돌하는 조건을 설정할 수 있으므로, 공정 S106을 불필요하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 기판 처리 방법은, 수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킴으로써, 기판(2)의 주표면(3)에 부착된 큰 입자 직경 파티클(5)을 제거하는 공정 S105를 갖는다. 가스 클러스터(GC)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시키는 경우에 비해, 큰 입자 직경 파티클(5)의 제거 효율을 향상시켜 기판(2)의 세정 시간을 단축할 수 있다.
수직 충격파(SW)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킴으로써 작은 입자 직경 파티클(6)을 제거하는 것도 가능하지만, 이 때의 제거 효율은 가스 클러스터(GC)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시키는 경우에 비해 저하될 때가 있다.
그리하여, 본 실시형태의 기판 처리 방법은, 가스 클러스터(GC)를 기판(2)의 주표면(3)에 충돌시킴으로써, 기판(2)의 주표면(3)에 부착된 작은 입자 직경 파티클(6)을 제거하는 공정 S110을 갖는다. 이로써, 작은 입자 직경 파티클(6)의 제거 효율을 향상시켜 기판(2)의 세정 시간을 단축할 수 있다.
도 12는 일 실시형태에 따른 기판 세정 방법에 의해 세정되는 기판 상태의 경시 변화를 나타내는 도면이다. 도 12의 (a)는 가스를 분사하는 공정 S101 직전에서의 기판 상태를 나타내는 도면이다. 도 12의 (b)는 수직 충격파에 의해 큰 입자 직경 파티클을 제거하는 공정 S105 직후에서의 기판 상태를 나타내는 도면이다. 도 12의 (c)는 가스 클러스터에 의해 작은 입자 직경 파티클(6)을 제거하는 공정 S110 직후에서의 기판 상태를 나타내는 도면이다.
수직 충격파(SW)에 의해 큰 입자 직경 파티클(5)을 제거하는 공정 S105는, 가스 클러스터(GC)에 의해 작은 입자 직경 파티클(6)을 제거하는 공정 S110보다 나중에 실시될 수도 있으나, 도 12에 나타내는 바와 같이 공정 S110보다 먼저 실시될 수도 있다. 큰 입자 직경 파티클(5)을 먼저 제거하여 작은 입자 직경 파티클(6)을 노출시키므로, 작은 입자 직경 파티클(6)의 제거 효율을 향상시킬 수 있다. 기판(2)의 주표면(3)이 요철 패턴(4)을 갖는 경우에 특히 유효하다.
한편, 수직 충격파(SW)를 충돌시킨 영역에 가스 클러스터(GC)를 충돌시킨다면, 하나의 가스 노즐(40)을 사용하여 공정 S102~S105를 실시하는 것과 병행해서, 다른 하나의 가스 노즐(40)를 사용하여 공정 S107~S110을 실시할 수도 있다.
그런데, 도 1 등에 나타내는 가스 노즐(40)로부터 분사된 가스가 기판(2)의 주표면(3)에 충돌하면 방사형의 기류가 형성된다. 이러한 기류는 기판(2)의 주표면(3)을 따라 흘러 처리 용기(20)의 내벽면(22)으로 뿜어진다.
처리 용기(20)의 내벽면(22)은 상벽면(23), 하벽면(24), 상벽면(23) 외주로부터 하벽면(24) 외주까지 연장되는 측벽면(25)을 갖는다. 기판(2)의 주표면(3)은 수평으로 배치되므로, 기판(2)의 주표면(3)을 따라 흐르는 기류는 측벽면(25)으로 뿜어진다.
기판(2)의 주표면(3)을 따라 흐르는 기류는 기판(2)의 주표면(3)으로부터 박리된 파티클(5,6)을 처리 용기(20)의 측벽면(25)으로 뿜어낸다. 그리하여, 처리 용기(20)의 측벽면(25)에는 파티클이 부착된다.
이에, 제어부(90)는 처리 용기(20)의 측벽면(25)에 부착된 파티클을 제거하기 위해, 가스 노즐(40)로부터 분사된 가스가 처리 용기(20)의 내부에 배치된 충돌판에 충돌하는 것을 제어한다. 충돌판이라 함은, 예를 들어, 도 13에 나타내는 바와 같이 기판 홀딩부(30)가 사용된다.
한편, 기판 홀딩부(30) 대신에 전용의 더미 기판을 사용할 수도 있다. 더미 기판은 기판(2)과 마찬가지로 기판 홀딩부(30)에 홀딩된다. 더미 기판은 처리 용기(20) 내부에 보관될 수도 있고, 처리 용기(20) 외부에 보관되고 있다가 사용시에 처리 용기(20) 내부로 반입될 수도 있다.
도 13은 일 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 처리 용기 세정시 상태를 나타내는 측면도이다. 처리 용기(20)의 세정은, 예를 들어, 하나의 기판(2)이 처리 용기(20) 내부로부터 처리 용기(20) 외부로 반출된 후, 다른 하나의 기판(2)이 처리 용기(20) 외부로부터 처리 용기(20) 내부로 반입되기 전에 실시된다.
제어부(90)는 가스 노즐(40)로부터 분사된 가스를 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌시킴으로써, 방사형의 기류(GF)를 형성한다. 이 기류(2)는 기판(3)의 주표면(20)을 따라 흘러 처리 용기(25)의 측벽면(25)으로 뿜어져 측벽면(25)에 부착된 파티클을 제거한다.
도 14는 가스 노즐의 분사구와 기판 홀딩부의 기판 홀딩면 사이의 갭(G2)과, 분사구에서 분사된 가스의 유속과의 관계의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 14의 (a)는 갭(G2)이 35mm일 때의 유속 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 14의 (b)는 갭(G2)이 40mm일 때의 유속 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 14의 (c)는 갭(G2)이 50mm일 때의 유속 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다. 도 14에서 색의 계조는 유속의 크기를 나타낸다. 색이 검정색으로부터 흰색에 가까워질수록 유속의 크기는 크다.
도 14의 시뮬레이션에서는, 가스 노즐(40)의 분사구(41)에서 아랫쪽으로 35mm, 40mm, 45mm 이격된 위치에, 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)으로서 장방형의 2차원 해석 영역의 아랫쪽 한변에 가스 출입이 없는 벽면 경계를 설정하였다. 장방형의 2차원 해석 영역의 나머지 세 변에는 가스가 자유롭게 유출되는 유출 경계를 설정하였다. 또한, 도 14의 시뮬레이션에서는, 이산화탄소 가스 함유율 C를 100체적%로, 수소 가스 함유율을 0체적%로 각각 설정하였다. 이들 이외의 설정은 도 4의 시뮬레이션과 같은 설정이었다.
도 14로부터, 갭(G2)이 40mm인 경우, 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌한 가스에 의해 방사형 기류(GF)를 멀리까지 고속으로 보낼 수 있음을 알 수 있다. 또한, 갭(G2)이 약 40mm일 때에는, 전술한 도 8로부터 알 수 있듯이, 수직 충격파(SW)가 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌한다. 따라서, 수직 충격파(SW)가 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌함으로써, 방사형 기류(GF)를 멀리까지 고속으로 보낼 수 있음을 알 수 있다.
도 15는 일 실시형태에 따른 처리 용기 세정 방법을 나타내는 플로우 챠트이다. 도 15에 나타내는 각 공정은 제어부(90)에 의한 제어 하에 실시된다. 도 15에 나타내는 각 공정은, 예를 들어, 하나의 기판(2)이 처리 용기(20) 내부로부터 처리 용기(20) 외부로 반출된 후에, 다른 하나의 기판(2)이 처리 용기(20) 외부로부터 처리 용기(20) 내부로 반입되기 전에 실시된다.
처리 용기 세정 방법은 처리 용기(20) 내부에 배치된 가스 노즐(40)의 분사구(41)에서 가스를 분사하는 공정 S201을 갖는다. 공정 S201에서는, 감압 기구(70)가 처리 용기(20) 내부의 가스를 흡인하고, 가스 공급 기구(60)가 가스를 가스 노즐(40)에 공급한다.
가스 노즐(40)에 공급되는 가스의 조성(예를 들어, 이산화탄소 가스 함유율 C)은, 예를 들어, 제1 유량 조정 밸브(65)와 제2 유량 조정 밸브(67)에 의해 조정된다. 이산화탄소 가스 함유율 C가 100체적%인 경우, 제2 개폐 밸브(66)가 가스 유로를 닫는다. 또한, 가스 노즐(40)에 공급되는 가스의 공급압 P는 압력 조정 밸브(63)에 의해 조정된다.
처리 용기 세정 방법은 가스 분사에 의해 수직 충격파(SW)를 형성하는 공정 S202를 갖는다. 수직 충격파(SW)가 형성되는 영역 GA, GB(도 6 참조)는 불연속적이어서, 수직 충격파(SW)가 형성되지 않는 영역이 존재한다.
처리 용기 세정 방법은 수직 충격파(SW)를 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌시키는 공정 S203을 갖는다. 수직 충격파(SW)의 파면이 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 평행하도록 충돌시킬 수 있다. 수직 충격파(SW)가 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 작용하는 범위가 넓다.
수직 충격파(SW)를 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌시킬 때에, 가스 노즐(40)의 분사구(41)와 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31) 사이의 갭(G2)은, 예를 들어, 37mm 이상 45mm 이하로 제어될 수 있다. 강도가 큰 수직 충격파(SW)를 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌시킬 수 있다.
또한, 수직 충격파(SW)를 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌시킬 때에, 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31) 근방에서의 가스의 질량 유속 밀도(D)는, 예를 들어, 6kg/m2s 이상으로 제어될 수 있다. 강도가 큰 수직 충격파(SW)를 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌시킬 수 있다. 한편, D는 15kg/m2s 이하로 제어될 수 있다.
처리 용기 세정 방법은, 수직 충격파(SW)가 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌함으로써 발생한 기류(GF)를 처리 용기(20)의 내벽면(22)으로 뿜어내는 공정 S204를 갖는다. 기류(GF)는 방사형으로 형성되며 처리 용기(20)의 측벽면(25)으로 뿜어내어진다.
처리 용기 세정 방법은, 기류(GF)를 처리 용기(20)의 내벽면(22)으로 뿜어냄으로써 처리 용기(20)의 내벽면(22)에 부착된 파티클을 제거하는 공정 S205를 갖는다. 처리 용기(20)의 내벽면(22)으로부터 제거된 파티클은 처리 용기(20)의 하벽면(24)에 형성되는 흡인구(27)를 통해 처리 용기(20) 내부로부터 처리 용기(20) 외부로 배출된다.
상기의 공정 S201~S205는, 갭(G2)을 소정의 범위(예를 들어, 37mm 이상 45mm 이하)로 유지하고서 기판 홀딩부(30)와 가스 노즐(40) 양쪽을 연직 방향으로 이동시키면서 반복 실행된다. 측벽면(25)의 연직 방향으로 넓은 범위를 세정할 수 있다.
상기의 공정 S201~S205는, 가스 노즐(40)을 수평 방향으로 이동시키면서 반복 실행된다. 측벽면(25)의 둘레 방향으로 이격된 복수 개의 부분(예를 들어, 도 13에서 왼쪽 부분과 오른쪽 부분)으로 가스 노즐(40)을 접근시킬 수 있다. 그리하여, 측벽면(25)의 둘레 방향으로 이격된 복수 개의 부분을 강하게 세정할 수 있다.
처리 용기 세정시의 기판 홀딩부(30)에 대한 가스 충돌 강도는, 기판 세정시의 기판(2)에 대한 가스 충돌 강도보다 크도록 설정될 수 있다. 처리 용기(20)의 측벽면(25)으로 뿜어지는 기류의 강도는 처리 용기 세정시보다 기판 세정시가 약하다. 따라서, 처리 용기 세정시에 측벽면(25)으로부터 분리되지 않은 파티클은 기판 세정시에도 분리되지 않으므로, 기판 세정시에 기판(2)을 오염시키지 않는다.
가스 충돌 강도는 질량 유속 밀도 D로 나타내어진다. 이산화탄소 가스 함유율 C가 클수록, 전술한 바와 같이 질량 유속 밀도 D가 크므로, 가스 충돌 강도가 크다. 또한, 공급압 P가 클수록, 전술한 바와 같이 질량 유속 밀도 D가 크므로, 가스 충돌의 강도가 크다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 처리 용기 세정 방법은, 수직 충격파(SW)를 기판 홀딩부(30)의 기판 홀딩면(31)에 충돌시키는 공정 S203을 갖는다. 기류(GF)를 멀리까지 고속으로 보낼 수 있어서, 강한 기류(GF)에 의해 처리 용기(20) 내벽면(22)에 부착된 파티클을 고효율로 제거할 수가 있다. 처리 용기(20)를 자동으로 세정할 수 있는 바 사용자의 수고가 경감된다.
한편, 본 실시형태의 처리 용기 세정 방법은 처리 용기(20)의 내벽면(22)으로부터 제거된 파티클을 운반하는 소용돌이 모양 기류를 형성하는 공정을 갖지 않으나, 이러한 공정을 추가로 가질 수도 있다. 파티클을 소용돌이 모양 기류(이하, "사이클론 기류"라고도 함)에 실어 처리 용기(20) 외부에 고효율로 배출할 수가 있다.
도 16은 일 실시형태에 따른 처리 용기의 내부에 소용돌이 모양 기류를 형성하는 가스 노즐을 나타내는 도면이다. 도 16의 (a)는 가스 노즐 배치의 일 예를 나타내는 평면도이다. 도 16의 (b)는 (a)의 A-A선을 따른 가스 노즐의 일 예를 나타내는 단면도이다.
기판 처리 장치(10)는, 처리 용기(20)의 내부에, 처리 용기(20)의 내벽면(22)으로부터 제거된 파티클을 운반하는 소용돌이 모양 기류를 형성하는 가스 노즐(80)을 구비한다. 가스 노즐(80)은, 예를 들어, 처리 용기(20)의 측벽면(25)에 둘레 방향으로 간격을 두어 복수 개 배치된다.
복수 개의 가스 노즐(80)은 각각 처리 용기(20)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 가스를 분출하는 출구(81)를 갖는다. 분사된 가스는 처리 용기(20)의 측벽면(25)을 따라 소용돌이치며 흘러 처리 용기(20)의 하벽면(24)에 형성된 흡인구(27)에서 배출된다.
출구(81)는, 예를 들어, 비스듬하게 아랫쪽을 향해 가스를 분사할 수 있다. 한편, 출구(81)는 가스를 수평으로 분사할 수도 있고, 비스듬하게 윗쪽으로 분사할 수도 있다. 어느 경우이든 출구(81)가 처리 용기(20)의 직경 방향에 직교하는 방향으로 가스를 분출하면, 소용돌이 모양 기류가 처리 용기(20) 내부에 형성된다.
출구(81)에서 분사되는 가스로는, 질소 가스 등과 같은 불활성 가스가 사용된다.
도 17은 소용돌이 모양 기류를 형성하는 가스 노즐의 노즐 구멍의 단면 형상의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 17의 (a)는 입구에서 출구까지 내경이 일정한 노즐 구멍의 단면 형상의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 17의 (a)에서 입구(82)의 직경이 2mm, 출구(81)의 직경이 2mm, 입구(82)에서 출구(81)까지의 거리가 5mm이다. 도 17의 (b)는 입구에서 출구로 갈수록 내경이 커지는 노즐 구멍의 단면 형상의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 17의 (b)에서 입구(82)의 직경이 0.5mm, 출구(81)의 직경이 2mm, 입구(82)에서 출구(81)까지의 거리가 5mm, 입구(82)에서 출구(81)까지의 테이퍼 각은 약 16°이다.
도 18은 소용돌이 모양 기류를 형성하는 가스 노즐의 노즐 구멍의 단면 형상과, 노즐 구멍의 출구에서 분사된 가스의 유속 간 관계의 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 18의 (a)는, 도 17의 (a)에 나타내는 노즐 구멍의 출구에서 분사된 가스의 유속 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 18의 (b)는, 도 17의 (b)에 나타내는 노즐 구멍의 출구에서 분사된 가스의 유속 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 18에서 색의 계조는 유속의 크기를 나타낸다. 색이 검정색으로부터 흰색으로 가까워질수록 유속 크기가 크다. 또한, 도 18에서 가로축은 노즐 구멍의 출구(81)로부터의 분사 거리(ID)를 나타낸다.
도 18로부터, 입구(82)에서 출구(81)로 갈수록 내경이 커지는 노즐 구멍을 사용하는 경우, 입구(82)에서 출구(81)까지 내경이 일정한 노즐 구멍을 사용한 경우에 비해 가스를 멀리까지 고속으로 운반 가능함을 알 수 있다. 따라서, 입구(82)에서 출구(81)로 갈수록 내경이 커지는 노즐 구멍을 사용하면, 처리 용기(20)의 내벽면(22)으로부터 제거된 파티클을 고효율로 추출 가능함을 알 수 있다.
이상에서 본 개시 내용에 따른 기판 세정 방법, 처리 용기 세정 방법, 기판 처리 장치의 실시형태에 대해 설명하였으나, 본 개시 내용은 상기 실시형태 등에 한정되지 않는다. 청구범위에 기재된 범위 내에서 각종의 변경, 수정, 치환, 부가, 삭제 및 조합이 가능하다. 이들에 관해서도 당연히 본 개시 내용의 기술적 범위에 속한다.
상기 실시형태의 가스 노즐(40)에 의해 공급되는 가스는, 이산화탄소 가스와 수소 가스의 혼합 가스, 또는 순수한 이산화탄소 가스인데, 본 개시 내용의 기술은 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, 수소 가스 대신에 헬륨(He) 가스를 사용할 수 있다.
상기 실시형태의 기판(2)은 실리콘 웨이퍼이지만, 탄화규소 기판, 사파이어 기판, 유리 기판 등일 수도 있다.
상기 실시형태의 처리 용기 세정 방법에서는, 충돌판으로서 기판 홀딩부(30) 또는 더미 기판이 사용되므로, 수직 충격파(SW)가 충돌하는 표면이 수평면이고 수평한 기류(GF)가 형성되지만, 충돌판의 구성이 특별히 한정되는 것은 아니다. 충돌판은, 기류(GF)를 비스듬한 윗쪽 또는 비스듬한 아랫쪽으로 향하게 하기 위해, 수직 충격파(SW)가 충돌하는 표면에 경사면을 구비할 수도 있다.
본 출원은 일본국 특허청에 2018년 11월 30일자로 출원된 특허출원 2018-225669호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 당해 특허출원 2018-225669호의 전체 내용을 본 출원에 원용한다.
2 기판
3 주표면
5 큰 입자 직경 파티클
6 작은 입자 직경 파티클
10 기판 처리 장치
20 처리 용기
22 내벽면
30 기판 홀딩부(충돌판)
31 기판 홀딩면
40 가스 노즐(제1 가스 노즐)
41 분사구
80 가스 노즐(제2 가스 노즐)
90 제어부
SW 수직 충격파
GC 가스 클러스터

Claims (16)

  1. 처리 용기 내부에 기판을 배치하는 공정과,
    상기 처리 용기 내부에 배치된 가스 노즐의 분사구로부터 가스를 분사하는 공정과,
    상기 가스 노즐로부터의 가스 분사에 의해 발생한 수직 충격파를 상기 기판의 주표면에 충돌시키는 공정과,
    상기 수직 충격파를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시킴으로써, 상기 기판의 상기 주표면에 부착된 파티클을 제거하는 공정을 포함하는 기판 세정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수직 충격파를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시킬 때에 상기 기판의 상기 주표면 근방에서의 상기 수직 충격파의 질량 유속 밀도가 6kg/m2s 이상인 기판 세정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수직 충격파를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시킬 때에 상기 가스 노즐의 상기 분사구와 상기 기판의 상기 주표면 사이의 갭이 37mm 이상 45mm 이하인 기판 세정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 분사에 의해 발생한 가스 클러스터를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시키는 공정을 포함하는 기판 세정 방법.
  5. 처리 용기와,
    상기 처리 용기의 내부에 배치되는 기판을 홀딩하는 기판 홀딩부와,
    상기 처리 용기의 내부에 가스를 분사하는 가스 노즐과,
    상기 기판 홀딩부에 홀딩되어 있는 상기 기판에 대한 상기 가스의 충돌을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 가스 노즐로부터의 상기 가스의 분사에 의해 발생한 수직 충격파를 상기 기판의 주표면에 충돌시킴으로써, 상기 기판의 상기 주표면에 부착된 파티클을 제거하는 것인 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수직 충격파를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시킬 때에 상기 기판의 상기 주표면 근방에서의 상기 수직 충격파의 질량 유속 밀도를 6kg/m2s 이상으로 제어하는 것인 기판 처리 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수직 충격파를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시킬 때에 상기 가스 노즐의 분사구와 상기 기판의 상기 주표면 사이의 갭을 37mm 이상 45mm 이하로 제어하는 것인 기판 처리 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 가스 분사에 의해 발생한 가스 클러스터를 상기 기판의 상기 주표면에 충돌시키는 것인 기판 처리 장치.
  9. 처리 용기 내부에 배치된 가스 노즐의 분사구로부터 가스를 분사하는 공정과,
    상기 가스 노즐로부터의 가스 분사에 의해 발생한 수직 충격파를 상기 처리 용기의 내부에 배치된 충돌판의 표면에 충돌시키는 공정과,
    상기 수직 충격파가 상기 충돌판의 상기 표면에 충돌함으로써 발생한 기류를 상기 처리 용기의 내벽면으로 뿜어내는 공정과,
    상기 기류를 상기 처리 용기의 내벽면으로 뿜어냄으로써, 상기 처리 용기의 내벽면에 부착된 파티클을 제거하는 공정을 포함하는 처리 용기 세정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수직 충격파를 상기 충돌판의 상기 표면에 충돌시킬 때에 상기 충돌판의 상기 표면 근방에서의 상기 수직 충격파의 질량 유속 밀도가 6kg/m2s 이상인 처리 용기 세정 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 수직 충격파를 상기 충돌판의 상기 표면에 충돌시킬 때에 상기 가스 노즐의 상기 분사구와 상기 충돌판의 상기 표면 사이의 갭이 37mm 이상 45mm 이하인 처리 용기 세정 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내벽면으로부터 제거된 상기 파티클을 운반하는 소용돌이 모양 기류를 상기 처리 용기의 내부에 형성하는 공정을 포함하는 처리 용기 세정 방법.
  13. 처리 용기와,
    상기 처리 용기의 내부에 가스를 분사하는 제1 가스 노즐과,
    상기 처리 용기의 내부에 배치된 충돌판에 대한, 상기 제1 가스 노즐로부터 분사된 가스의 충돌을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 가스 노즐로부터의 가스 분사에 의해 발생한 수직 충격파를 상기 충돌판의 표면에 충돌시킴으로써, 상기 처리 용기의 내벽면에 부착된 파티클을 제거하는 기류를 발생시키는 것인 기판 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수직 충격파를 상기 충돌판의 상기 표면에 충돌시킬 때에 상기 충돌판의 상기 표면 근방에서의 상기 수직 충격파의 질량 유속 밀도를 6kg/m2s 이상으로 제어하는 것인 기판 처리 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수직 충격파를 상기 충돌판의 상기 표면에 충돌시킬 때에 상기 제1 가스 노즐의 분사구와 상기 충돌판의 상기 표면 사이의 갭을 37mm 이상 45mm 이하로 제어하는 것인 기판 처리 장치.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 용기의 내벽면으로부터 제거된 상기 파티클을 운반하는 소용돌이 모양 기류를 상기 처리 용기의 내부에 형성하는 제2 가스 노즐을 포함하는 기판 처리 장치.
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