JP6966858B2 - 性状測定装置及び性状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板などの部材を表面処理する流動体の状態を検出するための性状測定装置及び性状測定方法に関するものである。

従来、基板の表面に処理液を供給し、基板を洗浄、エッチング、リンスなどの表面処理する処理において、処理対象となる基板や処理液の状態を検出するために光学的手段を用いる技術が広く知られている。

例えば、特許文献１（特開２００３−３３７１０４号公報）には、冷気光源であるレーザ光源からのレーザビームをステージ上の試料（ウエハ）の上部より垂直に入射させ試料から得られたフォトルミネッセンス又はラマン散乱光を取り出し分光器及び光検出器で測定評価を行う技術が開示されている。

また、特許文献２（特開２０１６−７０６６９号公報）には、回転する基板上に処理液を供給し、基板正面に形成された処理液の液膜に赤外線を照射して反射光を受光し、所定波長における吸光度から処理液膜に含まれる成分の存在量を測定する技術が開示されている。

特開２００３−３３７１０４号公報 特開２０１６−７０６６９号公報

しかし、特許文献１の技術は、半導体の表面性状を検査計測するものであるが、基板表面の処理液の状態を計測することはできないという問題があった。すなわち、基板表面の処理液の成分濃度、温度、表面流速などは、基板の処理の程度に影響を及ぼすことになるため、処理装置の動作制御に必要な情報であるが、特許文献１の技術では基板表面の処理液の性状計測は不可能であるという問題があった。

特許文献２の技術は、照射した赤外線の特定波長の吸光度を計測することにより処理液膜中の成分を測定することができるが、吸光度計測は、赤外線が液膜を透過する距離（光路長）によって液膜中の特定成分の濃度計測するため、液膜の厚みが既知である必要があり、また、液膜を透過して基板表面で反射した反射光を計測するため、基板表面における反射率や凹凸など、基板の性状が測定結果に影響を及ぼすおそれがあった。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、基板の性状に影響を受けることがなく、基板表面に存在する流動体の性状を測定することができる性状測定装置を提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の性状測定装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、基板の表面に供給されて前記基板表面に液膜を形成する基板処理液の濃度、温度又は膜厚を計測演算する性状測定装置であって、
前記基板を水平方向に支持し、鉛直方向に伸びる回転軸まわりに前記基板を回転させることにより、前記基板表面に供給された前記基板処理液を用いて前記液膜を形成する回転ステージと、
前記基板の側方から前記液膜を通過するように前記基板の表面に沿った方向にレーザー光を照射するレーザー発振器と、
前記液膜を透過した前記レーザー光が前記液膜により前記基板の表面上方に散乱した散乱光を検出する光検出器と、
前記光検出器が検出した散乱光に基づいて、前記液膜の濃度、温度又は膜厚を計測演算する計測演算部と、
を備えることを特徴とする性状測定装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記レーザー発振器は、前記基板の表面と略水平な面状光を発光することを特徴とする、第１態様の性状測定装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記回転ステージにより前記基板が回転して周囲に飛散する流動体を受けるカップ本体に、前記レーザー光を前記基板の側方から前記液膜に到達させることができるような前記レーザー光の光路中の所定の高さ及び大きさで、前記レーザー光が透過するレーザー透過窓が設けられた飛散防止カップをさらに備え、
前記レーザー発振器は、前記レーザー透過窓を透過して前記液膜に照射されることを特徴とする、請求項２に記載の性状測定装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、基板の表面に供給されて前記基板表面に液膜を形成する基板処理液の濃度、温度又は膜厚を計測演算する方法において、
前記基板を水平方向に支持し、鉛直方向に伸びる回転軸まわりに前記基板を回転させる回転ステージの回転によって、前記基板表面に供給された前記基板処理液を用いて前記液膜を形成し、
前記基板の側方に配置されたレーザー発振器から、前記液膜を通過するように前記基板の表面に沿った方向にレーザー光を照射し、
前記液膜を透過した前記レーザー光が前記液膜により散乱した散乱光を検出可能な光検出器を用いて、前記散乱光を検出し、
前記光検出器が検出した散乱光に基づいて、前記液膜の濃度、温度又は膜厚を演算する、ことを特徴とする、流動体の性状測定方法を提供する。

本発明によれば、レーザー光を基板の表面に形成された流動体膜に側方から照射し、当該レーザー光が流動体膜を通過することにより、散乱した散乱光を基板の表面上方から光検出器で検出することにより、流動体膜を形成する流動体の性状をリアルタイムで計測することができる。

本発明の性状測定装置を用いた実施形態にかかるウエハ処理装置の構成を模式的に示す斜視図である。 レーザー光の照射方向を説明するための図である。 レーザー光の照射により生じる散乱光の計測を説明する図である。 処理液膜中のトレーサ粒子による散乱光の発生原理を説明する図である。 処理液膜の性状変化に伴うラマンスペクトルの変化例を模式的に示す図であり、（ａ）は膜厚が厚くなる場合、（ｂ）は濃度が高くなる場合、（ｃ）は温度が高くなる場合を示す。 本発明の性状測定装置を用いた第２実施形態にかかるウエハ処理装置の構成を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る性状測定装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の性状測定装置を用いた実施形態にかかるウエハ処理装置の構成を模式的に示す斜視図である。

本実施形態にかかるウエハ処理装置１は、ウエハＷを枚葉ごとに洗浄するための装置であり、ウエハＷを載置する回転ステージ２と、回転ステージ上のウエハＷに処理液５０を供給する液供給ノズル３とを備えている。回転ステージ上のウエハＷに向けてレーザー光Ｌを照射するレーザー発振器４と、ウエハＷの主面から散乱された光を検出可能な光検出器５と、光検出器が検出した情報及び後述するレーザー光Ｌの照射位置に基づいて演算処理を行う制御演算部６とを備えている。

回転ステージ２は、ウエハＷを略水平に載置する支持テーブル７と、支持テーブル７の鉛直中心軸周りに支持テーブル７を矢印９０に示すように回転させるモータ８とを備える。支持テーブル７は、上面にウエハＷを吸引して支持する。

モータ８は、支持テーブル７の回転速度及び回転角度を制御することができる。

ウエハＷを回転させながらその上面に処理液５０を供給すると、処理液５０は遠心力によってウエハＷの周縁部に向かって移動し、移動量と供給量が釣り合う膜厚の液膜５１を形成する。液膜５１の厚みは、処理液の供給部分が最も厚く、ウエハＷの外側ほど回転角速度が大きくなるため薄くなる。処理液の供給が停止すると、処理液はウエハＷの周縁部から排出され、処理液膜は膜厚を減じて、やがて消滅する。このような処理は、例えば、ウエハＷの各種現像、洗浄、リンス、乾燥（水分除去）のために行われる。

なお、本実施形態では、ウエハの回転に伴い、周縁部から飛散する処理液の飛沫を受けるために、支持テーブル７の周囲を囲うように配置される飛散防止カップ９を備えている。飛散防止カップ９には部分的に透明窓９ａが形成されており、レーザー発振器４からのレーザー光Ｌが透過する。

飛散防止カップの透明窓９ａは、石英などの透明材料が用いられ、後述するようにレーザー光ＬをウエハＷの側方から、処理液膜に到達させることができるようにレーザー光Ｌの光路中に所定の高さ及び大きさに設けられている。

回転ステージ２の外側に設けられたレーザー発振器４は、面状のレーザー光Ｌを照射する。本実施形態では、水平方向に広がりを持ち、ウエハＷの面に沿った方向にレーザー光Ｌが一方向から照射される。なお、レーザー発振器４については、複数備えていてもよく、複数方向からのレーザー光のＬの照射も可能である。レーザー光Ｌは、図２に示すように所定の高さ方向寸法を有しており、回転ステージ２の回転に伴うウエハＷのぶれによっても、ウエハＷの表面にほとんど入射されないようになっている。

液供給ノズル３は、回転ステージ２の上方に設けられ、回転ステージ２に支持されているウエハＷの中心部分に所定の温度及び濃度の処理液５０を供給する。処理液は、例えば水と薬液を所定の割合で混合したものであり、ウエハＷの処理の目的に応じて、洗浄液、エッチング液、リンス液など種々のものを用いることができる。

処理液としては、処理液を連続的に吐出するようにしてもよいし、霧状の処理液を噴霧するようにしてもよい。液供給ノズル３からウエハＷの表面に供給された処理液は、上記のように、ウエハ表面で処理液膜を形成し、ウエハＷの表面処理を行う。なお、処理液５０中には、後述するように一定量のトレーサ粒子５２を含有させてもよい。

レーザー発振器４は、レーザー光の発光部に、レンズなどの光学部材を設けて、レーザー光が面状に広がるように構成してもよいし、線状のレーザー光を高速で往復移動させることにより面状のレーザー光となるように構成してもよい。この場合は、面状のレーザー光の出力が弱くなるため、後述する散乱光のレベルが低くなる可能性がある。一方で、複数のレーザー発振器を並列配置させて、面状のレーザー光としてもよく、この構成によれば、レーザー光の出力低下を防止することができる。

レーザー発振器４から発光されたレーザー光Ｌは、飛散防止カップの透明窓９ａを透過して回転ステージ２に到達し、回転ステージ２上に支持されているウエハの周縁からウエハＷの面上に形成されている処理液膜５１をウエハＷの面に沿って通過する。本実施形態では、レーザー光Ｌは、ウエハＷの表面全域にわたって透過するが、一部の液膜のみを透過するように構成されていてもよい。

処理液膜５１を通過するレーザー光Ｌは、図３に示すように、処理液膜５１中の散乱粒子によって散乱し、散乱光Ｒが生じる。散乱光Ｒは、レーザー光の波長と処理液５０中の散乱粒子によって種々のものが生じる。具体的には、幾何学散乱、レイリー散乱、ミー散乱、ラマン散乱などが含まれる。これらの散乱は、処理液膜５１中の散乱粒子の粒子径とレーザー光Ｌの波長との関係により決定される。

例えば、処理液膜５１には、当該散乱光Ｒを発生させるために、図４に示すように散乱粒子としてのトレーサ粒子５２は、レーザー光Ｌの波長よりも大きい粒子径を有するため、粒子に到達したレーザー光は、幾何学散乱を生じさせる。

また、レーザー光Ｌの波長が、散乱粒子である処理液膜５１の分子粒子と同程度の場合は、ミー散乱を生じさせ、分子粒子径が波長より小さい場合は、レイリー散乱を生じさせる。

さらに、波長よりも散乱粒子である分子の粒子径が小さい場合は、入射光が振動する分子に衝突することにより、入射光のエネルギーの一部が分子の振動エネルギーと授受されることにより入射光と異なる波長の散乱光となるラマン散乱を生じさせる。ラマンスペクトルには、波長が短くなるアンチストーク散乱光、波長が長くなるストーク散乱光が含まれる。このラマンスペクトルを解析することにより、処理液膜５１の濃度や温度を計測することができる。ラマンスペクトルは、処理液膜５１の分子粒子のスペクトル波長の近傍の波長を有するレーザー光Ｌとすることにより大きくなる。

なお、ラマンスペクトルの強度の増強のために、角振動数の異なる２つのレーザー光（ポンプ光とストークス光）を併用してもよく、レーザー発振器４として、補助光源を備えていてもよい。

これらの散乱光Ｒは、ウエハＷの上方に設けられた光検出器５に到達し、検出される。光検出器５は、検出しようとする散乱光Ｒを受光して、その輝度、波長などを検出することができる検出器であり、散乱光の特性に応じた任意のものを用いることができる。例えば、幾何学散乱を検出したい場合などの場合は可視光カメラが好適に使用でき、隙間に焦点を合わせ、カメラを用いることで、隙間の処理液膜５１による散乱光を検出することができる。また、ラマンスペクトルを検出したい場合は、ラマン散乱用の検出器等を用いることができる。ラマン散乱においては、測定したい物質固有の検出波長が存在しており、測定したい物質固有の波長を計測することで、当該物質の性状を計測することができる。

また、光検出器５は、散乱光の特性に応じた複数種類のものを備えていてもよい。例えば、ラマン散乱用の検出器と可視光カメラとをそれぞれ備えることも可能である。

本実施形態において、光検出器５は、ウエハＷに対して直交する光軸となるように配置されている。すなわち、レーザー光Ｌに対して直交する方向から散乱光Ｒを検出することとなる。また、光検出器５は、ウエハＷの全面を同時に検出可能に構成されており、必要に応じて、特定の領域を検知する複数の光検出器を用いることも可能である。

光検出器５には、必要に応じて散乱光Ｒの分光手段を併用することが好ましい。分光手段としては、分光器又は干渉フィルタなどが使用可能である。

光検出器５により検出された散乱光は、制御演算部６によって、処理液膜５１の性状特定に用いられる。前記検出された散乱光は、用いる光検出器５に応じて異なり、例えば、幾何学散乱の場合は、撮像した画像データ等が該当し、ラマン散乱の場合は検出した生スペクトルや位置情報が該当する。また、散乱光の特性により計測可能な処理液膜５１の性状も決定され、例えば、画像データの場合は、複数枚の経時的に比較することで、処理液膜５１の流速を計測することができる。

また、検出器が生スペクトルを検出した場合は、生スペクトルを校正したラマンスペクトルを用い、処理液膜５１の膜厚、濃度、温度によってスペクトルの強度変化やスペクトルのシフトなどの特性を用いて、処理液１００の濃度や温度を計測することが可能である。

図５は、液膜の性状変化に伴うラマンスペクトルの変化例を模式的に示す図であり、（ａ）は膜厚が厚くなる場合、（ｂ）は濃度が高くなる場合、（ｃ）は温度が高くなる場合をそれぞれ示している。図５のグラフは、いずれも実線が変化前の状態、破線が性状変化に伴いラマンスペクトルが変化した状態を示している。

これらのラマンスペクトルのシフトについては、温度及び濃度に応じて変化する波長と強度が特定される。なお、図５において、符号３０で示されるスペクトルのピークは水由来のもの、符号３１，３２で示されるスペクトルのピークは薬液由来のものをそれぞれ示している。

膜厚が厚くなる場合は、図５（ａ）に示すように、変化後のスペクトルはシフトせず、強度がそのまま増加するようにラマンスペクトルが変化する。これは、膜厚の増加に伴い、処理液中の分子粒子が増加して散乱光Ｒが増加するためであり、スペクトルのシフトは伴わない。なお、膜厚が薄くなる場合は、スペクトルの強度はそのまま減少する。

濃度が高くなる場合は、図５（ｂ）に示すように、処理液膜中の薬液の割合が大きくなり、水の割合が小さくなるため、水由来のピーク３０は減少し、薬液由来のピーク３１，３２は増加する。逆に濃度が低くなる場合は、水由来のピーク３０が増加し、薬液由来のピーク３１，３２は減少する。

処理液膜の温度が高くなる場合は、図５（ｃ）に示すように、温度に応じたピーク位置のシフトが生じまた、スペクトルの強度が増加する。また、温度が低くなる場合は、逆の挙動を示し、スペクトルの強度が減少する。

また、ウエハＷの回転ステージ２の回転角度に関する情報を制御演算部６に入力することによって、検出タイミングが異なる２つの検出結果に伴い、液膜の流速や流動方向についても検出することができる。

本実施形態にかかるウエハ処理装置１によれば、面状のレーザー光Ｌが処理液膜を透過し処理液膜中の粒子により散乱した散乱光ＲをウエハＷの上方から測定することで、処理液膜の性状を測定することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の性状測定装置を用いた第２実施形態にかかる基板処理装置の構成を模式的に示す斜視図である。

本実施形態にかかる基板処理装置１１は、基板Ｗを枚葉ごとに洗浄するための装置であり、基板Ｗを載置するテーブル１２と、テーブル１２上の基板Ｗに処理液５０を供給する液供給ノズル１３とを備えている。回転ステージ上の基板Ｗに向けてレーザー光Ｌを照射するレーザー発振器４と、基板Ｗの主面から散乱された光を検出可能な光検出器５と、光検出器が検出した情報及び後述するレーザー光Ｌの照射位置に基づいて演算処理を行う制御演算部６とを備えている。

テーブル１２は、基板Ｗを吸引により位置ずれしないように支持する。なお、このとき基板Ｗを必要に応じて長さ方向にわずかに傾斜させて支持してもよい。液供給ノズル１３は洗浄液を基板Ｗ表面に吐出する。吐出された洗浄液５０は、基板の傾斜に伴い基板Ｗの表面全体に広がって液膜５１を形成する。また、液供給ノズル１３と長さ方向に対向する位置には、エアナイフ１７が設けられており、基板Ｗ表面に広がった液膜を基板表面から吹き飛ばして基板表面を乾燥させる。

レーザー発振器１４は、レーザー光の発光部１４ａから所定の幅寸法を有する線状のレーザー光を照射することができる。レーザー発振器１４から発光されたレーザー光Ｌは、テーブル上に支持されている基板Ｗの周縁から基板Ｗの面上に形成されている処理液膜５１を基板Ｗの面に沿って幅方向に通過する。

処理液膜５１を通過するレーザー光Ｌは、処理液膜５１中の散乱粒子によって散乱し、散乱光Ｒが生じる。

これらの散乱光Ｒは、ウエハＷの上方に設けられた光検出器１５に到達し、検出される。本実施形態においては、光検出器１５は、基板Ｗの表面全体を撮像可能なものでなくてもよく、レーザー光Ｌが照射されている領域のみを撮像範囲とするものであってもよい。

本実施形態において、光検出器１５は、レーザー光Ｌが透過している領域を撮像し、その光軸が基板Ｗに対して直交するように配置されている。すなわち、レーザー光Ｌに対して直交する方向から散乱光Ｒを検出することとなる。

光検出器１５には、必要に応じて散乱光Ｒの分光手段を併用することが好ましい。分光手段としては、分光器又は干渉フィルタなどが使用可能である。

光検出器１５により検出された散乱光は、制御演算部１６によって、処理液膜５１の性状特定に用いられる。本実施形態では、レーザー光Ｌが通過する基板Ｗ表面の一部の液膜について、濃度、温度、膜厚などを計測することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかるウエハ処理装置によれば、レーザー光を照射し、これにより発生した散乱光を光検出器で検出することにより、処理液等の流動体の性状をリアルタイムで計測することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、上記実施形態は、ウエハの洗浄装置、特にスピン型洗浄装置を主に例示したが、エッチングやメッキ等の処理を行うための半導体製造装置にも適用可能である。

１ ウエハ処理装置
２ 回転ステージ
３，１３ 液供給ノズル
４，１４ レーザー発振器光検出器
５，１５ 光検出器制御演算部
６，１６ 制御演算部
７ 支持テーブル
８ モータ
９ 飛散防止カップ
９ａ 透明窓
１２ テーブル
１４ａ レーザー光発光部
１７ エアナイフ
５０ 処理液
５１ 液膜
５２ トレーサ粒子
１００ 処理液
Ｗ ウエハ
Ｌ レーザー光
Ｒ 散乱光

Claims (4)

1. 基板の表面に供給されて前記基板表面に液膜を形成する基板処理液の濃度、温度又は膜厚を計測演算する性状測定装置であって、
   前記基板を水平方向に支持し、鉛直方向に伸びる回転軸まわりに前記基板を回転させることにより、前記基板表面に供給された前記基板処理液を用いて前記液膜を形成する回転ステージと、
   前記基板の側方から前記液膜を通過するように前記基板の表面に沿った方向にレーザー光を照射するレーザー発振器と、
   前記液膜を透過した前記レーザー光が前記液膜により前記基板の表面上方に散乱した散乱光を検出する光検出器と、
   前記光検出器が検出した散乱光に基づいて、前記液膜の濃度、温度又は膜厚を計測演算する計測演算部と、
   を備えることを特徴とする性状測定装置。
2. 前記レーザー発振器は、前記基板の表面と略水平な面状光を発光することを特徴とする、請求項１に記載の性状測定装置。
3. 前記回転ステージにより前記基板が回転して周囲に飛散する流動体を受けるカップ本体に、前記レーザー光を前記基板の側方から前記液膜に到達させることができるような前記レーザー光の光路中の所定の高さ及び大きさで、前記レーザー光が透過するレーザー透過窓が設けられた飛散防止カップをさらに備え、
   前記レーザー発振器は、前記レーザー透過窓を透過して前記液膜に照射されることを特徴とする、請求項２に記載の性状測定装置。
4. 基板の表面に供給されて前記基板表面に液膜を形成する基板処理液の濃度、温度又は膜厚を計測演算する方法において、
   前記基板を水平方向に支持し、鉛直方向に伸びる回転軸まわりに前記基板を回転させる回転ステージの回転によって、前記基板表面に供給された前記基板処理液を用いて前記液膜を形成し、
   前記基板の側方に配置されたレーザー発振器から、前記液膜を通過するように前記基板の表面に沿った方向にレーザー光を照射し、
   前記液膜を透過した前記レーザー光が前記液膜により散乱した散乱光を検出可能な光検出器を用いて、前記散乱光を検出し、
   前記光検出器が検出した散乱光に基づいて、前記液膜の濃度、温度又は膜厚を演算する、ことを特徴とする、流動体の性状測定方法。

Images