基板处理系统及基板处理方法与流程

本发明涉及一种半导体晶片等的基板处理系统及基板处理方法。

背景技术：

为了去除基板上的部分被膜以形成所需的图案，或者去除全部被膜，已知的有将基板浸渍在处理槽内的处理液中并实施蚀刻的基板处理系统(例如，参照专利文献1)。在半导体器件的制造工艺中，多实施通过蚀刻，在硅片等基板上形成的氮化硅膜(si3n4膜)和氧化硅膜(sio2膜)中选择性地去除氮化硅膜。作为去除氮化硅膜的处理液，多利用磷酸(h3po4)水溶液。

由于磷酸水溶液的性质，不仅蚀刻氮化硅膜，而且氧化硅膜也会被轻微蚀刻。如今的半导体器件要求微细的图案，因此为了控制蚀刻量，重要的是保持预定的蚀刻率和作为氮化硅膜和氧化硅膜的各蚀刻率的比例的选择比。作为保持预定的蚀刻率和选择比的技术，已知的有例如加热处理液以达到沸腾状态的同时，在处理液中周期性地在加入预定量的纯水的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2002-158200号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，如上所述，即使周期性地在处理液中加入预定量的纯水以将处理液保持在沸腾的状态的同时处理液的浓度保持在预定的浓度，加入纯水时的处理液的浓度和温度的变化大，而且无法得到所需的蚀刻率和选择比。并且，已知处理液的浓度变化并无法得到所需的蚀刻率和选择比的原因之一在于大气压的变化。

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种能够得到所需的蚀刻率和选择比，且能够进行稳定的处理的基板处理系统及基板处理方法。

为解决课题的技术手段

本发明的基板处理系统，通过将基板浸渍在由加热的水溶液构成的处理液中来去除基板表面的被膜，其特征在于，包括：处理槽，储存处理液，基板浸渍在处理液中；循环部，使从处理槽排出的处理液返回到处理槽；处理液加热部，加热处理液，使得处理槽内的处理液保持在目标温度；密封部，密封处理槽；压力传感器，测量处理槽的内部压力；压力调节部，根据由压力传感器测量的内部压力，增减从处理槽内排出到外部的水蒸气的排气量，从而将处理槽的内部压力调节到高于大气压的目标压力；及浓度调节部，通过循环部在处理液中连续地加入纯水的同时，根据由压力传感器测量的所述内部压力，增减纯水的加水量，从而将处理液的浓度调节到预定的浓度。

此外，本发明的基板处理方法，通过将基板浸渍在由加热的水溶液构成的处理液中来去除基板表面的被膜，其特征在于，包括：浸渍步骤，将基板浸渍在储存于处理槽内的处理液中；密封步骤，密封处理槽；循环步骤，使从处理槽排出的处理液返回到处理槽；处理液加热步骤，加热处理液，使得处理槽内的处理液保持在目标温度；压力调节步骤，根据处理槽的内部压力，增减从处理槽内排出到外部的水蒸气的排气量，将处理槽的内部压力调节到高于大气压的目标压力；及浓度调节步骤，在通过循环步骤被循环的处理液中连续地加入纯水的同时，测量处理槽的内部压力，并根据测量的内部压力增减纯水的加水量，从而调节处理液的浓度。

发明的效果

根据本发明，根据密封的处理槽的内部压力，调节水蒸气的排气量以将处理槽的内部压力保持在高于大气压的目标压力的同时，根据内部压力，增减在循环的处理液中连续地加入的加水量，以将处理液保持在沸腾的状态。由此，处理液的浓度和温度以高精度保持在预定的浓度和温度，从而能够以所需的蚀刻率和选择比去除被膜，进行稳定的处理。

附图说明

图1是示出基板处理系统的结构的框图。

图2是示出排气部的配置的说明图。

具体实施方式

图1中示出的基板处理系统10是用于去除形成在基板11上的被膜的系统。在该例子中，基板11是硅片(半导体基板)，实施利用处理液12将形成在该基板11表面上的氧化硅膜(sio2薄膜)和氮化硅膜(si3n4膜)中选择性地去除氮化硅膜的去除处理。作为处理液12，利用纯水(脱离子水)中溶解磷酸(h3po4)的磷酸水溶液。作为该处理液12，并不限定于磷酸水溶液，根据要去除的被膜可以适当地使用。

基板处理系统10主要由基板处理装置15和周围装置16构成。基板处理装置15由处理槽14、配置在该处理槽14内的一对排出部17、一对排气部18、压力传感器19、温度传感器20、设置在处理槽14上部的盖部件21a、21b及马达22等构成。在该基板处理系统10中，将处理槽14的内部压力pa和处理液12的浓度(磷酸水溶液中的溶质(磷酸)的比例)保持在预定的压力和浓度，进一步通过保持处理液12的沸腾状态，将处理液12保持在所需浓度(以下，称为目标浓度)cs和所需温度(以下，称为目标温度)ts，并利用该处理液12对基板11进行处理。

处理槽14中储存有处理液12，包括上部开口的箱形状的槽主体23和在该槽主体23的外侧一体地设置的外槽24。在槽主体23内配置多个基板11，这些基板11浸渍在处理液12中。各基板11以其表面彼此相对的状态保持在保持构件25上，并且分别以竖立的姿势在图1中在垂直于纸面的方向上排列在槽主体23内。槽主体23的外表面安装加热器26，加热器26加热槽主体23的处理液12。

一对排出部17配置在槽主体23的底部。各排出部17上分别形成有多个开口17a(参照图2)。通过处理液12被供给到该排出部17，处理液12从各开口17a被供给到槽主体23内。

从槽主体23的上部开口溢出的处理液12流入到外槽24内。在该外槽24的底部设置有排液口24a。流入到外槽24的处理液12通过该排液口24a被排出到循环部31。

作为密封部的盖部件21a、21b由马达22驱动，如图1所示，在气密地关闭处理槽14的上部开口的关闭位置和打开处理槽14的上部开口的打开位置之间旋转。使盖部件21a、21b处于打开位置后，通过处理槽14的被打开的上部开口，将基板11配置在处理槽14内的槽主体23内，且从槽主体23内将基板11取出到处理槽14的外部。

对基板11进行处理时，使盖部件21a、21b处于关闭位置以密封处理槽14。由此，通过如后述的被加热的处理液12所产生的水蒸气，对处理槽14的内部进行加压，通过使处理槽14的内部压力pa大于大气压来提高处理液12的沸点。另外，作为处理液12的磷酸水溶液的磷酸和水不会一起沸腾。在本实施例中关注的沸点是处理液12中的水的沸点，处理液12的沸点是作为表示处理液12中的水的沸点来使用。

在对基板11进行处理时，以不能用内部压力pa被打开的方式将盖部件21a、21b锁住在关闭位置。并且，虽然盖部件21a、21b与处理槽14之间优选具有高气密性，但是只要能够使内部压力pa达到高于大气压的压力(以下，称为目标压力)ps即可。并且，也可以构成为在具有气密性的腔室内配置处理槽14。

处理槽14的上部开口、即处理槽14(外槽24)的外壁的上端位于储存于处理槽14内的处理液12的液面的上方。由此，在储存的处理液12的液面的上方，形成有由处理液12的液面、盖部件21a、21b及处理槽14的外壁包围的空间(以下，称为槽内空间)。在该槽内空间内配置有一对排气部18和压力传感器19。

压力传感器19测量槽内空间的压力、即处理槽14的内部压力pa。该压力传感器19将测量的内部压力pa分别传送到排气控制部27和加水控制部28。测量内部压力pa的一个目的是将内部压力pa保持在预定的压力而不受大气压的影响。因此，压力传感器19所测量的内部压力pa并不是以变化的大气压为基准的相对的压力，而是以预定的压力为基准测量的压力，例如绝对压力。并且，对于排气部18将在下面描述。

温度传感器20配置在槽主体23内，测量处理液12的温度ta。由温度传感器20测量的温度ta被传送到加热控制部20，用于处理液12的加热控制。

周围装置16由用于使处理液12循环的循环部31、用于供给处理液12的处理液供给部32等构成。循环部31是使从处理槽14排出的处理液12返回到处理槽14的装置。该循环部31由连接外槽24的排液口24a和槽主体23内的排出部17之间的管道33、连接在管道33的途中的阻尼器34、循环泵35、过滤器36及泡沫去除器37构成。并且，在管道33的途中连接有线加热器38。

循环泵35将从排液口24a排出的处理液12以适当的压力输送到排出部17。由此，处理液12从排出部17的各开口被排出到槽主体23内。阻尼器34设置在循环泵35的上游侧(排液口24a侧)。该阻尼器34是用于即使从排液口24a排出的处理液12的排出量在变化也能够将处理液12始终以预定量供给的装置，储存从排液口24a排出的适当量的处理液12，并将被储存的处理液12供给到循环泵35。

在循环泵35的下游侧连接有线加热器38，通过该线加热器38对供给到槽主体23的处理液12进行加热。线加热器38由加热控制部29进行控制。在线加热器38的下游侧依次连接有过滤器36和泡沫去除器37。过滤器36除去处理液12中的颗粒，泡沫去除器37去除处理液12中的气泡。

处理液供给部32是用于供给新的处理液12的装置，由储存被调节为预定的浓度的处理液12的处理液箱32a和供给阀32b构成。处理液箱32a通过供给阀32b连接到循环泵35的上游侧的管道33上。当槽主体23中储存新的处理液12时，打开供给阀32b，通过循环泵35压送。

排气部18、压力传感器19、排气控制部27及排气阀41构成压力调节部。配置在槽内空间的排气部18呈形成有多个开口18a(参照图2)的管状。排气阀41设置在处理槽14的外侧，各排气部18的一端连接到排气阀41，通过该排气阀41与处理槽14的外部连通。并且，排气阀41上连接有排气管(未示出)。通过处理槽14的内部压力pa与处理槽14外侧的压力(排气管侧压力)之间的压差，处理槽14内的水蒸气通过排气部18和排气阀41被排出到处理槽14的外部。

排气控制部27根据由压力传感器19测量的内部压力pa调节排气阀41的开度，以增减从处理槽14内部排出的水蒸气量。由此，能够将内部压力pa保持在预定的目标压力ps而不受大气压的影响，同时提高处理液12的沸点。如上所述，目标压力ps被设定为高于大气压。

例如，排气控制部27监控内部压力pa的变化状态，根据内部压力pa的变化状态调节排气阀41的开度。由此，能够根据目标压力ps适当地调节排气阀41的开度。更具体地，例如每个预定期间，求出该期间中的内部压力pa的平均压力和标准偏差，当标准偏差超过阈值时，以根据平均压力与目标压力ps之差的调节量增加或减小排气阀41的开度。当平均压力高于目标压力ps时，根据其压差成比例地增加排气阀41的开度，当平均圧力低于目标压力ps时，根据其压差成比例地减小排气阀41的开度。当标准偏差为预定值以下时，排气控制部21保持此时的排气阀41的开度。

压力传感器19、加水控制部28、纯水供给部43及供水阀44构成浓度调节部。纯水供给部43例如由储存纯水(去离子水)的箱等构成。供水阀44是通过根据由压力传感器19测量的内部压力pa的加水控制部28的控制其开度被调节，以调节加水即处理液12中加入纯水时的每单位时间加入的纯水的量(以下，将单位时间加入的纯水的量称为加水量)。在该例子中，在过滤器36与泡沫去除器37之间的管道33中流动的处理液12中加水。

加水控制部28通常将供水阀44保持在打开的状态的同时增减其开度。由此，在处理液12中连续地加入纯水的同时增减其加水量。通过处理液12中连续地加水，将因加水而导致的处理液12的浓度变化抑制到较小的水平。如此，通过在处理液12中连续地加水和增减加水量来抑制处理液12的浓度变化的同时将处理液12的浓度保持在目标浓度cs。并且，也可以纯水加热之后加入到处理液12中。

该基板处理系统10的内部压力pa上升至由大气压、排气阀41的开度、处理液12的浓度、加热器26投入的热能的大小等来决定的压力。但是，内部压力pa通过处理液12沸腾而产生的水蒸气来上升或保持，当处理液12的浓度相同时，内部压力pa越高则处理液12的沸点越高。并且，众所周知，在相同内部压力pa的情况下，通过处理液12的浓度变高，沸点上升。

因此，基板处理系统10中，处理液12的浓度对内部压力pa和处理液12的沸点可具有主导的地位。在此，处理液12处于沸腾的状态时，处理液12的温度ta和沸点一致。即，保持处理液12沸腾的状态的基板处理系统10中，处理液12的浓度变化可成为使内部压力pa和处理液12的温度ta变化的主要原因。并且，由于以目标温度ts作为目标控制处理液12的温度，因此即使假设内部压力pa变得过高，温度ta可达到的范围也不会大幅超过目标温度ts。

因此，基板处理系统10中，通过相反地利用上述的现象，根据内部压力pa增减加水量，从而将处理液12的浓度保持在目标浓度cs。具体地，首先增加加水量，直到内部压力pa达到目标压力ps，在达到目标压力ps的步骤中，调节加水量使得内部压力pa达到预定的压力。在该初始状态下，处理液12中的水过量，从而处理液12的浓度低于目标浓度cs，内部压力pa高于目标压力ps。在这样的初始状态之后，将该初始状态的加水量作为初始加水量调节加水量。对于加水量的调节，每次测量内部压力pa时，比较内部压力pa和目标压力ps，当内部压力pa低于目标压力ps时，增加加水量而使其大于初始加水量，当内部压力pa高于目标压力ps时，减少加水量而使其少于比初始加水量。加水量的增减以初始加水量为基准例如对内部压力pa与目标压力ps的差分成比例地进行。

温度传感器20、加热控制部29、加热器26及线加热器38构成加热处理液12的处理液加热部。加热控制部29控制加热器26和线加热器38的驱动。加热器26以预定的输出功率(热能)加热槽主体23内的处理液12。根据由温度传感器20测量的处理液12的温度ta，通过加热控制部29控制一方的线加热器38的输出功率，使得处理液12保持在目标温度ts。具体地，当处理液12的温度ta没有达到目标温度ts时，线加热器38的输出功率上升，使得温度ta上升，当处理液12的温度ta超过目标温度ts时，线加热器38的输出功率降低，使得因散热等而温度ta降低。当处理液12的温度ta与目标温度ts相同时，考虑到散热等，将线加热器38控制为预定的输出功率，以保持温度ta。目标温度ts是内部压力pa为目标压力ps时的目标浓度cs的处理液12中的水的沸点(饱和温度)。

如图2所示，各排出部17为管状，沿排列的多个基板11配置。排出部17中，在基板11排列的范围，形成有多个开口17a，由此处理液总是均匀地流到各基板11的表面。同样地，排气部18为管状，沿排列的多个基板11配置。排气部18中，在与基板11排列的范围对应的部分形成有多个开口18a。如上所述，通过利用形成有多个开口18a的排气部18，从槽内空间的与基板11排列的范围对应的区域均匀地吸引水蒸气，使得该区域的压力均匀。由此，使得排列有基板11的范围内的处理液12的沸点均匀。排气部18的结构并不限定于上述的结构。并且，图2中，省略保持构件25、压力传感器19等。

接着，对上述结构的作用进行说明。预先从处理液供给部32通过循环部31向槽主体23供给处理液12。然后，槽主体23中充满处理液12的同时，处理液12通过循环部31循环。盖部件21a、21b处于打开位置，从而处理槽14的上部开口处于打开的状态。此时，线加热器38例如在加热控制部29的控制下加热处理液12以使处理液12达到目标温度ts，因此大气压下的处理液12成为沸腾的状态。并且，在处理槽14的上部被打开的状态下，以预设定的加水量连续地加水。

由保持构件25保持的状态的作为处理对象的各基板11从处理槽14的上部开口搬入到处理槽14内，并配置在槽主体23内。由此，各基板11浸渍在处理液12中。虽然通过将基板11浸渍在处理液12中，处理液12中产生温度降低，但是受到该温度的降低，加热控制部29使线加热器38的输出功率提高。因此，在短时间内处理液12的温度ta达到对应于当前的内部压力pa(与大气压大致相同)的沸点而成为沸腾的状态。

浸渍基板11后，盖部件21a、21b旋转到关闭位置，从而处理槽14被密封。此时，排气阀41例如处于通常的开度。并且，通过加热器26和线加热器38，在处理槽14密封之后也继续对处理液12进行加热，并通过加热控制部29控制线加热器38的输出功率，使得处理液12达到目标温度ts。

当处理槽14被密封时，内部压力pa通过处理槽14内的处理液12沸腾而产生的水蒸气上升。当内部压力pa上升时，根据内部压力pa与处理槽14的外侧的压力差，处理槽14内的水蒸气通过排气部18和排气阀41被排出到处理槽14的外部。此时，处理槽14内的水蒸气从排气部18的各开口18a被吸引到排气部18内。因此，从槽内空间的与基板11排列的范围对应的区域均匀地吸引水蒸气。

从排气部18排出的水蒸气量受排气阀41的开度的限制，因此内部压力pa缓慢地上升。随着内部压力pa的上升，处理液12的沸点上升，在处理液12的沸点上升的同时处理液12的温度ta上升，从而成为处理液12沸腾的状态。如上所述，内部压力pa上升至被大气压、排气阀41的开度及处理液12的浓度等决定的压力，从而处理液12以对应于内部压力pa的沸点沸腾。并且，由于此时通过线加热器38的加热被控制为以目标温度ts作为目标，因此即使处理液12的浓度高，处理液12的温度ta也不会大幅高出目标温度ts，从而内部压力pa也相应地受到限制。

例如，在处理槽14被密封之后经过推定达到目标温度ts的适当时间后，开始通过压力传感器19的内部压力pa的测量，通过压力传感器19依次测量的内部压力pa被传送到排气控制部27和加水控制部28。根据被测量的内部压力pa，分别开始通过排气控制部27的排气阀41的开度的调节和通过加水控制部28的供水阀44的开度的调节。

加水控制部28监控被测量的内部压力pa的同时，缓慢地增加供水阀44的开度以增加加水量。达到目标压力ps后，接着调节加水量，使得内部压力pa达到预定的压力，并将调节后的加水量作为初始加水量，开始加水量的调节，使得处理液12的浓度达到目标浓度cs。如上所述，在如此调节加水量的初始状态下，处理液12中的水过量，从而处理液12的浓度低于目标浓度cs，内部压力pa高于目标压力ps。

当开始加水量的调节时，加水控制部28比较被测量的内部压力pa和目标压力ps。然后，当内部压力pa低于目标压力ps时，调节供水阀44的开度，使得以相比当前的初始加水量增加的新的加水量对处理液12加水。相反，当内部压力pa高于目标压力ps时，调节供水阀44，使得以相比初始加水量减少的新的加水量对处理液12加水。加水控制部28比较被测量的内部压力pa和目标压力ps，当内部压力pa低于目标压力ps时，调节供水阀44的开度，使得以相比当前的初始加水量增加的新的加水量对处理液12加水。相反，当内部压力pa高于目标压力ps时，调节供水阀44，使得以相比初始加水量减少的新的加水量对处理液12加水。

另一方面，排气控制部27根据所接收的内部压力pa，在每个预定期间，求出该期间中的内部压力pa的平均压力和标准偏差。然后，求出每一期间的平均压力和标准偏差，将标准偏差与阈值进行比较，当标准偏差超过阈值时，排气控制部27接着比较平均压力和目标压力ps。通过比较，当平均压力大于目标压力ps时，排气控制部27增加排气阀41的开度，以增加从处理槽14排出的水蒸气量。相反，当平均压力小于目标压力ps时，排气控制部27减小排气阀41的开度，以减少从处理槽14排出的水蒸气量。另一方面，当标准偏差为阈值以下时，保持该时点的排气阀41的开度。

例如，当将大气压等增加进来考虑时，排气阀41的开度相对于目标压力ps大时，内部压力pa容易降低，而且加水控制阀28的加水量的增减量也变大，因此内部压力pa的变化即标准偏差变大，并且表现出内部压力pa的平均压力小于目标压力ps的倾向。在这种情况下，排气阀41的开度被减小。结果，内部压力pa比起之前为止情况难以降低，从而加水控制部28的加水量的增减量变小而内部压力pa的变化变小的同时，内部压力pa的平均压力接近目标压力ps。

相反地，当排气阀41的开度相对于目标压力ps小时，内部压力pa容易上升，而且加水控制阀28的加水量的增减量也变大，因此内部压力pa的变化即标准偏差仍然会变大，表现出内部压力pa的平均压力大于目标压力ps的倾向。因此，在这种情况下，排气阀41的开度被变大。结果，内部压力pa难以上升，从而加水控制部28的加水量的增减量变小而内部压力pa的变化变小的同时，内部压力pa的平均压力接近目标压力ps。

如上所述，通过连续调节加水量的同时，重复进行根据每个预定期间求出的平均压力和标准偏差的排气阀41的开度的调节，内部压力pa收敛于目标压力ps，并且处理液12的浓度收敛于目标浓度cs。并且，通过内部压力pa收敛于目标压力ps，处理液12的沸点收敛于预定的目标温度ts。

即使内部压力pa变成目标压力ps后，继续通过压力传感器19测量内部压力pa，并根据测量结果，以与上述相同的方式，重复进行通过排气阀41的排气量的调节和对处理液12的加水量的调节。由此，在将内部压力pa保持在目标压力ps的同时，通过增减连续加水的加水量，将处理液12的浓度保持在目标浓度cs。

并且，如上所述，内部压力pa不受大气压影响地保持在预定的目标压力ps，并且处理液12保持在预定的目标浓度cs，因此处理液12的沸点保持在预定的目标温度ts。并且，由于处理液12保持在被加热而沸腾的状态，因此处理液12保持在目标温度ts。结果，处理基板11由保持在目标温度ts和目标浓度cs的处理液12被处理。

并且，用于从处理槽14内排出水蒸气的排气部18从设置在与基板11排列的范围对应的部分的多个开口18a吸引处理槽14内的水蒸气并将其排出。因此，水蒸气均匀地从与基板11排列的范围对应的槽内空间的区域被吸引。因此，槽内空间的区域的压力不会变得不均匀，所述区域的正下方的处理液12的沸点也不会变得不均匀。因此，对各基板11的任意一个基板11也都由相同的目标温度ts的处理液12被处理。

在经过预定的时间之后，将盖部件21a、21b移动到打开位置，然后将保持构件25和各基板11一起从处理槽14取出。如上所述，被取出的各基板11由保持在目标温度ts和目标浓度cs的处理液12被处理，因此氧化硅膜和氮化硅膜中，以所需的蚀刻率和选择比去除氮化硅膜。并且，当盖部件21a、21b移动到打开位置时，以预设定的加水量连续地进行加水。

附图标记说明

10：基板处理系统

11：基板

12：处理液

14：处理槽

18：排气部

19：压力传感器

21a、21b：盖部件

26：加热器

27：排气控制部

28：加水控制部

31：循环部

38：线加热器

41：排气阀

43：纯水供给部

44：供水阀