WO2023112476A1 - ダイアフラム、及び薬液制御装置 - Google Patents

Abstract

半導体製造工程で使用される薬液の流通を制御する薬液制御装置に適用され、作動気体により加圧されるダイアフラム（３０）であって、薬液に耐性を有するフッ素樹脂により形成された膜部（３１）と、膜部における作動気体により加圧される側の面（３１ｂ）に設けられ、膜部よりも作動気体を透過させにくい透過抑制層（４２）と、を備える。

Description

ダイアフラム、及び薬液制御装置 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２１年１２月１７日に出願された日本出願番号２０２１－２０５１９６号、及び２０２２年１０月１９日に出願された日本出願番号２０２２－１６７５３２号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、薬液の流通を制御する薬液制御装置に適用されるダイアフラムに関する。

　従来、フォトレジスト等の薬液を半導体ウエハに塗布する薬液供給システムに用いられるダイアフラムポンプ（薬液制御装置）がある（特許文献１参照）。特許文献１に記載のダイアフラムポンプは、ポンプハウジング内をポンプ室と作動室とに仕切るダイアフラムを備え、作動室に作動エアを供給して加圧することでダイアフラムをポンプ室側へ変形させてフォトレジストを吐出する。

特開２００６－７７７１２号公報

　ところで、フォトレジスト（薬液）に気泡が含まれていると、半導体ウエハに形成されるパターンに欠陥が発生する。このため、フォトレジスト中の気泡を除去する脱気処理が実行されている。しかしながら、パターンの微細化が進んだことにより、これまで問題にならなかった微小気泡がパターン欠陥の新たな原因になっている。フォトレジストに微小気泡が含まれる原因を本願開示者が詳細に調査したところ、ダイアフラムを加圧する作動エアが僅かにダイアフラムを透過して微小気泡の発生原因となることを突き止めた。

　本開示は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、薬液制御装置に適用されて薬液に含まれる微小気泡を減少させることができるダイアフラムを提供することにある。

　上記課題を解決するための第１の手段は、
　半導体製造工程で使用される薬液の流通を制御する薬液制御装置に適用され、作動気体により加圧されるダイアフラムであって、
　前記薬液に耐性を有するフッ素樹脂により形成された膜部と、
　前記膜部における前記作動気体により加圧される側の面に設けられ、前記膜部よりも前記作動気体を透過させにくい透過抑制層と、
を備える。

　上記構成によれば、ダイアフラムは、半導体製造工程で使用される薬液の流通を制御する薬液制御装置に適用され、作動気体により加圧される。このため、ダイアフラムを加圧する作動気体が僅かにダイアフラムを透過して、薬液中に微小気泡を発生させる原因となるおそれがある。

　ダイアフラムの膜部は、前記薬液に耐性を有するフッ素樹脂により形成されている。このため、膜部が薬液により腐食することを抑制することができる。そして、前記膜部における前記作動気体により加圧される側の面には、前記膜部よりも前記作動気体を透過させにくい透過抑制層が設けられている。このため、作動気体によりダイアフラムが加圧されても、作動気体がダイアフラムを透過することを抑制することができる。したがって、薬液に含まれる微小気泡を減少させることができる。

　さらに、前記膜部における前記作動気体により加圧される側の面、すなわち膜部における薬液に接触する側の面と反対側の面に透過抑制層が設けられているため、透過抑制層が薬液により腐食することを抑制することができる。

　第２の手段では、前記透過抑制層は、両面テープにより前記膜部に貼り付けられている。こうした構成によれば、硬化性の接着剤により透過抑制層を膜部に接着する構成と比較して、変形可能な両面テープにより透過抑制層を膜部に接着しているため、膜部の変形に両面テープ及び透過抑制層を追従させやすくなる。さらに、作動気体により加圧されて膜部が変形した際に、膜部から透過抑制層に作用する力を両面テープにより緩和することができる。したがって、膜部から透過抑制層が剥がれたり、透過抑制層が損傷したりすることを抑制することができる。

　一般に、フッ素樹脂により形成された膜部の表面は不活性であり、他の部材を貼り付けることが困難である。

　この点、第３の手段では、前記膜部と前記両面テープとの間には、前記膜部の表面を活性化させる表面処理が施されている。したがって、フッ素樹脂により形成された膜部の表面を活性化させることができ、膜部と両面テープとの接着性を向上させることができる。ひいては、膜部が繰り返し変形したとしても、膜部から両面テープ及び透過抑制層が剥がれることを抑制することができる。

　第４の手段では、前記透過抑制層は、ポリ塩化ビニリデンにより形成されている。ポリ塩化ビニリデンは、気体の透過を抑制する効果が高いことが本願開示者により確認されている。このため、作動気体の圧力が高い場合であっても、作動気体がダイアフラムを透過することを抑制することができる。

　第５の手段では、前記透過抑制層の厚みは、１０～４０［μｍ］である。透過抑制層の厚みが１０［μｍ］以上であればガスバリア性が高くなり、４０［μｍ］以下であればダイアフラムの機能に透過抑制層が悪影響を及ぼしにくいことが、本願開示者により確認されている。

　ダイアフラムの膜部は作動気体により加圧されて変形するため、膜部に他の層が積層されると、膜部の変形に支障をきたすおそれがある。

　この点、第６の手段では、前記透過抑制層における前記膜部と反対側の面には、他の層が積層されておらず、前記膜部における前記薬液に接触する側の面には、他の層が積層されていない。このため、ダイアフラムを必要最少限の構成とすることができ、膜部以外の層が膜部の変形に支障をきたことを抑制することができる。

　一般に、薬液の吸入及び吐出を実行するポンプに適用されるダイアフラムは、面積が大きいため、ダイアフラムを透過する作動気体の量が多くなる。

　この点、第７の手段は、薬液制御装置であって、第１～第６のいずれか１つの手段のダイアフラムを備え、前記ダイアフラムの変形により前記薬液の吸入及び吐出を実行するポンプとして使用される。したがって、ポンプに適用されるダイアフラムにおいて、作動気体がダイアフラムを透過することを抑制することができる。

　作動気体の圧力が高いほど、ダイアフラムを透過する作動気体の量が多くなる。

　この点、第８の手段では、１５０～３００［ｋＰａ］の前記作動気体により前記ダイアフラムを加圧する薬液制御装置において、作動気体がダイアフラムを透過することを抑制することができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
ダイアフラムポンプの模式図。 ダイアフラムの断面。 ダイアフラムの膜部付近の拡大断面図。

　以下、半導体製造工程で使用されるフォトレジストを吸入及び吐出するダイアフラムポンプに具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

　図１に示すように、ダイアフラムポンプ１０（薬液制御装置）は、ポンプハウジング１１，２１、ダイアフラム３０等を備えている。なお、図１は、ダイアフラムポンプ１０の一部を表示している。

　ポンプハウジング１１，２１には、対向する部分にそれぞれ円形ドーム状の凹部１５，２５が形成されている。ポンプハウジング１１，２１は、円形状のダイアフラム３０の周縁部３２を挟持し、相互に固定されている。ポンプハウジング２１と周縁部３２との間は、Ｏリング２８によりシールされている。

　ダイアフラム３０は、ポンプハウジング１１，２１の凹部１５，２５により形成される内部空間を仕切っている。ダイアフラム３０により仕切られた凹部１５（ポンプハウジング１１）側の空間は、ポンプ室１６を形成している。ダイアフラム３０により仕切られた凹部２５（ポンプハウジング２１）側の空間は、作動室２６を形成している。ポンプ室１６は、フォトレジスト（薬液）により満たされる空間である。作動室２６は、作動エア（作動気体）により満たされる空間である。

　ポンプハウジング１１には、ポンプ室１６にそれぞれ連通する吸入通路１２及び吐出通路１３が形成されている。吸入通路１２には、フォトレジストをポンプ室１６（ダイアフラムポンプ１０）へ流通させる配管が接続される。吐出通路１３には、ダイアフラムポンプ１０から吐出されたフォトレジストを供給先へ流通させる配管が接続される。

　ポンプハウジング２１には、作動室２６に対して作動エア（圧縮空気）を供給及び排出する給排通路２２が形成されている。給排通路２２には、配管を介して作動エアの供給源と負圧の発生源とが選択的に接続される。

　図２に示すように、ダイアフラム３０は、円形状の膜部３１、円環状の周縁部３２を備えている。ダイアフラム３０は、ポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」と称する）、テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体（以下、「ＰＦＡ」と称する）等、フォトレジスト（薬液）に耐性を有するフッ素樹脂により形成されている。周縁部３２は、膜部３１の外周に設けられている。周縁部３２の厚みは、膜部３１の厚みよりも厚い。例えば、膜部３１の厚みは０．１～０．３［ｍｍ］（望ましくは０．２［ｍｍ］）であり、周縁部３２の厚みは１．５～４．０［ｍｍ］（望ましくは２～３．５［ｍｍ］）である。

　ダイアフラムポンプ１０は、以下のように動作する。図１は、ダイアフラムポンプ１０がフォトレジストを吐出した吐出状態を示している。吐出状態では、給排通路２２から作動室２６へ作動エアが供給されてダイアフラム３０が加圧され、ダイアフラム３０がポンプ室１６側へ変形する。これにより、ポンプ室１６の内部のフォトレジストが吐出通路１３から吐出される。

　その後、給排通路２２から作動エアを排出し、さらに作動室２６へ負圧を導入することにより、ダイアフラム３０が凹部２５側（作動室２６側）へ変形する。これにより、吸入通路１２からポンプ室１６の内部へフォトレジストが吸入される。

　以後、作動室２６の内部を正圧と負圧とに交互に切り替えることを繰り返すことにより、ダイアフラムポンプ１０による吐出と吸入とが繰り返される。ダイアフラムポンプ１０が上記のように駆動する際に、作動室２６には例えば－５０～３００［ｋＰａ］の作動圧が印加される。なお、作動室２６に、例えば－４０～１５０［ｋＰａ］の作動圧が印加されてもよい。これらの場合に、作動室２６に供給される作動エアの圧力は、例えば１５０～３００［ｋＰａ］にすることができる。

　ここで、作動エアによりダイアフラム３０が加圧されることにより、作動エアが僅かにダイアフラムを透過して微小気泡の発生原因となることを本願開示者は突き止めた。そして、作動圧が高いほど、ダイアフラム３０の膜部３１の面積が大きいほど、膜部３１の厚みが薄いほど、ダイアフラムを透過する作動エアの量が多くなると考えられる。ダイアフラムポンプ１０に適用されるダイアフラム３０では、フォトレジスト（薬液）の吐出量を多くするために膜部３１の面積が大きくなりやすい。

　本実施形態では、作動エアがダイアフラム３０を透過することを抑制すべく、ダイアフラム３０の膜部３１に作動エアの透過を抑制する透過抑制層を設けている。

　図３は、ダイアフラム３０の膜部３１付近の拡大断面図である。

　膜部３１において、フォトレジストに接触する側の面３１ａには、他の層が積層されていない。すなわち、膜部３１の面３１ａがフォトレジストに直接接触する。

　膜部３１において、作動エアにより加圧される側の面３１ｂには、両面テープ４１を介して透過抑制層４２が設けられている。すなわち、透過抑制層４２は、両面テープ４１により膜部３１の面３１ｂに貼り付けられている。

　透過抑制層４２は、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）により形成されている。ポリ塩化ビニリデンの窒素透過率は、ＰＴＦＥの窒素透過率の１／１１２５以下である。ポリ塩化ビニリデンの酸素透過率は、ＰＴＦＥの酸素透過率の１／６９０以下である。透過抑制層４２の厚みは、例えば８～６０［μｍ］であり、望ましくは１０～４０［μｍ］（例えば１５［μｍ］）である。そして、透過抑制層４２は、膜部３１よりも作動エアを透過させにくい。

　透過抑制層４２において、膜部３１と反対側の面４２ａには、他の層が積層されていない。すなわち、透過抑制層４２の面４２ａが作動エアに直接接触する。

　作動気体によりダイアフラムが加圧されても、作動気体がダイアフラムを透過することを抑制し、薬液に含まれる微小気泡を減少させることができるポリ塩化ビニリデンにより形成された膜部３１の透過係数［Ｎ２（窒素）］（［Ｐａ・ｍ＾３／（ｃｍ＾２・ｓｅｃ・ａｔｍ）］）を測定したところ、膜部３１の厚みに応じて以下のとおりであった。なお、「＾」はべき乗を表し、例えば２＾３は２の３乗である。厚み１０［μｍ］で１２．４×１０＾－９、厚み１５［μｍ］で８．５×１０＾－９、厚み４０［μｍ］で４．６×１０＾－９であった。また、透過係数の測定方法は、日本工業規格 JIS K 7126-1：2006 プラスチック－フィルム及びシート－ガス透過度試験方法による。

　さらに、透過係数［Ｎ２］が２．３×１０＾－９以上１８．７×１０＾－９以下であれば作動気体によりダイアフラムが加圧されても、作動気体がダイアフラムを透過することを抑制し、薬液に含まれる微小気泡を減少させることができる。

　両面テープ４１は、フィルム状の基材と、基材の両面に付着した粘着剤（粘着層）とを備えている。基材としては、不織布、ポリエステルフィルム、ＰＥＴ（Poly Ethylene Terephthalate）フィルム等を採用することができる。粘着剤としては、アクリル系粘着剤、エマルジョン系粘着剤等を採用することができる。基材及び粘着剤は、可撓性（柔軟性）を有している。両面テープ４１の厚みは、例えば５～３００［μｍ］であり、望ましくは１０～１００［μｍ］である。すなわち、両面テープ４１の厚みは、膜部３１の厚み（例えば０．２［ｍｍ］）以下であることが望ましい。

　一般に、フッ素樹脂により形成された膜部３１の表面は不活性であり、他の部材を貼り付けることが困難である。そこで、膜部３１と両面テープ４１との間には、膜部３１の表面を活性化させる表面処理が施されている（図示略）。表面処理剤は、例えば金属ナトリウム（Ｎａ）である。これにより、膜部３１と両面テープ４１の粘着剤との接着強度を向上させることができる。

　透過抑制層４２の厚みが１０～４０［μｍ］であり、両面テープ４１の厚みが１０～１００［μｍ］である場合に、透過抑制層４２は作動エアの透過を十分に抑制し、且つダイアフラム３０の機能に問題は生じなかった。

　以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

　・ダイアフラム３０の膜部３１は、フォトレジストに耐性を有するフッ素樹脂により形成されている。このため、膜部３１がフォトレジストにより腐食することを抑制することができる。そして、膜部３１における作動エアにより加圧される側の面３１ｂには、膜部３１よりも作動エアを透過させにくい透過抑制層４２が設けられている。このため、作動エアによりダイアフラム３０が加圧されても、作動エアがダイアフラム３０を透過することを抑制することができる。したがって、フォトレジストに含まれる微小気泡を減少させることができる。

　・膜部３１における作動エアにより加圧される側の面３１ｂ、すなわち膜部３１におけるフォトレジストに接触する側の面３１ａと反対側の面３１ｂに透過抑制層４２が設けられているため、透過抑制層４２がフォトレジストにより腐食することを抑制することができる。

　・透過抑制層４２は、両面テープ４１により膜部３１に貼り付けられている。こうした構成によれば、硬化性の接着剤により透過抑制層４２を膜部３１に接着する構成と比較して、可撓性の（変形可能な）両面テープ４１により透過抑制層４２を膜部３１に接着しているため、膜部３１の変形に両面テープ４１及び透過抑制層４２を追従させやすくなる。さらに、作動エアにより加圧されて膜部３１が変形した際に、膜部３１から透過抑制層４２に作用する力を両面テープ４１により緩和することができる。したがって、膜部３１から透過抑制層４２が剥がれたり、透過抑制層４２が損傷したりすることを抑制することができる。

　・膜部３１と両面テープ４１との間には、膜部３１の表面を活性化させる表面処理が施されている。したがって、フッ素樹脂により形成された膜部３１の表面を活性化させることができ、膜部３１と両面テープ４１との接着性を向上させることができる。ひいては、膜部３１が繰り返し変形したとしても、膜部３１から両面テープ４１及び透過抑制層４２が剥がれることを抑制することができる。

　・透過抑制層４２は、ポリ塩化ビニリデンにより形成されている。ポリ塩化ビニリデンは、気体の透過を抑制する効果が高いことが本願開示者により確認されている。このため、作動エアの圧力が高い場合であっても、作動エアがダイアフラム３０を透過することを抑制することができる。

　・透過抑制層４２の厚みは、１０～４０［μｍ］である。透過抑制層４２の厚みが１０［μｍ］以上であれば気体遮断性（ガスバリヤ性）が高くなり、４０［μｍ］以下であればダイアフラム３０の機能に透過抑制層４２が悪影響を及ぼしにくいことが、本願開示者により確認されている。

　・透過抑制層４２の透過係数は、４．６×１０＾－９～１２．４×１０＾－９［Ｎ２］である。こうした構成によれば、透過抑制層４２のガスバリア性を十分に確保することができる。さらに、２．３×１０＾－９～１８．７×１０＾－９であっても透過抑制層４２のガスバリア性を十分に確保することができる。

　・透過抑制層４２における膜部３１と反対側の面４２ａには、他の層が積層されておらず、膜部３１におけるフォトレジストに接触する側の面３１ａには、他の層が積層されていない。このため、ダイアフラム３０を必要最少限の構成とすることができ、膜部３１以外の層が膜部３１の変形に支障をきたことを抑制することができる。

　・ダイアフラムポンプ１０に適用されるダイアフラム３０において、作動エアがダイアフラム３０を透過することを抑制することができる。

　・１５０～３００［ｋＰａ］の作動エアによりダイアフラム３０を加圧するダイアフラムポンプ１０において、作動エアがダイアフラム３０を透過することを抑制することができる。

　なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

　・作動室２６に供給される作動エアの圧力は、１５０［ｋＰａ］よりも低くてもよいし、３００［ｋＰａ］よりも高くてもよい。

　・作動室２６に供給される作動エアの圧力は、１５０～２００［ｋＰａ］であってもよい。

　・両面テープ４１に代えて、単層の粘着層（粘着剤）を採用することもできる。また、接着剤により膜部３１と透過抑制層４２とを接着することもできる。接着剤は、柔軟性を有していることが望ましいが、液体状態から硬化する硬化性の接着剤を採用することもできる。これらの粘着層及び接着剤の厚みは、例えば５～３００［μｍ］であり、望ましくは１０～１００［μｍ］である。すなわち、粘着層及び接着剤の厚みは、膜部３１の厚み（例えば２００［μｍ］）以下であることが望ましい。

　・フォトレジストをフィルタに通過させることにより、フォトレジスト中の気泡を除去する脱気処理を実行するシステムに、ダイアフラムポンプ１０を適用してもよい。

　・ダイアフラム３０が適用される流体制御装置は、ダイアフラム式のバルブや、薬液の圧力を調節するダイアフラム式のレギュレータ等であってもよい。これらの流体制御装置であっても、加圧された作動エアがダイアフラムを透過することを、透過抑制層４２により抑制することができる。ダイアフラム３０に負圧が作用しない流体制御装置であれば、ダイアフラム３０の膜部３１に透過抑制層４２を直接密着させるだけでもよい。その場合であっても、膜部３１と透過抑制層４２との間に作用する静電気力や、真空吸着力により、膜部３１から透過抑制層４２が剥がれることを抑制することができる。こうした構成によれば、両面テープ４１を省略してダイアフラム３０を構成する部材を減らすことができる。

　・透過抑制層４２を、エチレン－ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）により形成することもできる。同じ厚みで比較した場合、ＥＶＯＨの透過係数［Ｎ２］は、ＰＶＤＣの透過係数［Ｎ２］の約１／１０である。透過抑制層４２としてＥＶＯＨを用いた場合、透過係数［Ｎ２］が２．３×１０＾－１０以上１８．７×１０＾－９以下であれば作動気体によりダイアフラムが加圧されても、作動気体がダイアフラムを透過することを抑制し、薬液に含まれる微小気泡を減少させることができる。なお、透過抑制層４２を、他のガスバリア性フィルムにより形成することもできる。
　・透過抑制層４２を、Ａｌ（アルミ）やＡｕ（金）等の金属膜により形成することもできる。金属膜は、例えば真空蒸着により形成することができる。一般に、金属膜の気体透過率は、樹脂膜の気体透過率よりも低い。

　・作動気体として、空気に限らず、窒素、酸素、Ａｒ（アルゴン）等を採用することもできる。

　・流体制御装置が流通を制御する薬液として、フォトレジストの現像液や、洗浄液等を採用することもできる。これらの薬液であっても、フォトレジストの現像やウエハの洗浄等に及ぼす微小気泡の悪影響を、透過抑制層４２により抑制することができる。

　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

　１０…ダイアフラムポンプ、３０…ダイアフラム、３１…膜部、３１ａ…面、３１ｂ…面、４１…両面テープ、４２…透過抑制層、４２ａ…面。

Claims (10)

1. 　半導体製造工程で使用される薬液の流通を制御する薬液制御装置に適用され、作動気体により加圧されるダイアフラムであって、
   　前記薬液に耐性を有するフッ素樹脂により形成された膜部と、
   　前記膜部における前記作動気体により加圧される側の面に設けられ、前記膜部よりも前記作動気体を透過させにくい透過抑制層と、
   を備えるダイアフラム。
2. 　前記透過抑制層は、両面テープにより前記膜部に貼り付けられている、請求項１に記載のダイアフラム。
3. 　前記膜部と前記両面テープとの間には、前記膜部の表面を活性化させる表面処理が施されている、請求項２に記載のダイアフラム。
4. 　前記透過抑制層は、ポリ塩化ビニリデン又はエチレン－ビニルアルコール共重合体により形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のダイアフラム。
5. 　前記透過抑制層の厚みは、１０～４０［μｍ］である、請求項１～４のいずれか１項に記載のダイアフラム。
6. 　前記透過抑制層における前記膜部と反対側の面には、他の層が積層されておらず、
   　前記膜部における前記薬液に接触する側の面には、他の層が積層されていない、請求項１～５のいずれか１項に記載のダイアフラム。
7. 　前記透過抑制層の透過係数［Ｎ２］は、２．３×１０＾－１０～１８．７×１０＾－９である、請求項１～６のいずれか１項に記載のダイアフラム。
8. 　請求項１～６のいずれか１項に記載のダイアフラムを備え、
   　前記ダイアフラムの変形により前記薬液の吸入及び吐出を実行するポンプとして使用される、薬液制御装置。
9. 　１５０～３００［ｋＰａ］の前記作動気体により前記ダイアフラムを加圧する、請求項８に記載の薬液制御装置。
10. 　前記透過抑制層の透過係数［Ｎ２］は、２．３×１０＾－１０～１８．７×１０＾－９である、請求項８又は９に記載の薬液制御装置。

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