气体团簇照射机构和使用了该气体团簇照射机构的基板处理装置、以及气体团簇照射方法

摘要

本发明公开了向被保持为真空的处理容器(1)内喷射气体并利用绝热膨胀来生成气体团簇、将生成的气体团簇向被处理基板(S)照射的气体团簇照射机构(10)。气体团簇照射机构(10)包括：具有多个气体喷射喷嘴(17)的喷嘴单元(11)；向喷嘴单元(11)供给气体的气体供给部(12)。以这样的方式设定气体喷射喷嘴(17)的根数：自气体喷射喷嘴(17)以需要的流量供给气体时处理容器(1)内所到达的压力成为不破坏气体团簇的程度的压力。而且，以这样的方式配置气体喷射喷嘴(17)中的相邻的气体喷射喷嘴：自该相邻的气体喷射喷嘴喷射出的气体中的无助于气体团簇的形成的残留气体的扩散范围互不重叠。

说明书

技术领域

本发明涉及气体团簇照射机构和使用了该气体团簇照射机构的基板处 理装置、以及气体团簇照射方法。

背景技术

最近，对试样表面照射气体团簇来进行试样表面的加工、清洗的气体团 簇技术作为能够进行选择性较高的加工、清洗的技术受到关注。

作为对试样表面照射气体团簇的方法，公知有例如使用了使气体团簇离 子化并利用电场、磁场加速而与试样表面碰撞的气体团簇离子束的方法(例 如，参照专利文献1)。

在使用了上述气体团簇离子束的方法中，担心使团簇离子化而对基板造 成电损伤，因此，使用中和器等使团簇离子成为电中性来并与试样碰撞，但 是，即使使用这样的方法也难以使团簇完全成为电中性。

所以，作为不产生这样的电损伤的气体团簇照射技术，提出有利用气体 的绝热膨胀并照射中性的气体团簇的技术(专利文献2)。

在专利文献2中，将作为反应气体的ClF₃气体和与作为沸点比其低的气 体的Ar气体的混合气体以不会液化的范围的压力自喷出部一边绝热膨胀一 边喷出到真空处理室内，生成反应性团簇，将该反应性团簇向真空处理室内 的试样喷射来对试样表面进行加工。

专利文献

专利文献1：日本特开平8-319105号公报

专利文献2：国际公开第2010/021265号手册

发明内容

发明要解决的问题

可是，在上述专利文献2所公开的技术中，基本上自一个喷射部(喷嘴) 喷射气体来生成团簇，但是，自一个喷嘴生成的气体团簇的照射区域是φ几 mm，在应用于像半导体晶圆这样的大面积的基板的处理的情况下，生产率 成为问题。

像这样的生产率的问题能够通过设置多根气体喷射喷嘴来解决，但是， 若设置多个气体喷射喷嘴则气体流量增加，因由此造成的真空度的降低而导 致处理性能降低。即、在真空度较低时气体团簇被破坏，因此，当喷嘴的根 数增多而真空度比预定值低时，因气体团簇的破坏而使处理性能降低。此外， 即使气体团簇喷嘴的根数适当也存在局部真空度降低的情况，在该情况下在 该部分处理性能降低。

用于解决问题的方案

本发明是鉴于这样的情况而做成的，本发明的课题在于提供一种能够不 破坏气体团簇且以高生产率由气体团簇进行处理的气体团簇照射机构和气 体团簇照射方法、以及具有这样的气体团簇照射机构的基板处理装置。

发明的效果

为了解决上述课题，在本发明的第1技术方案中，提供一种气体团簇照 射机构，其是如下的气体团簇照射机构：向被保持为真空的处理容器内喷射 气体并利用绝热膨胀来生成气体团簇，向配置于上述处理容器内的被处理基 板照射气体团簇，该气体团簇照射机构包括：喷嘴单元，其具有多个向上述 处理容器内喷射气体的气体喷射喷嘴；以及气体供给部，其向上述喷嘴单元 供给用于生成气体团簇的气体，以这样的方式设定上述喷嘴单元的上述气体 喷射喷嘴的根数：自上述气体喷射喷嘴以需要的流量供给上述气体时上述处 理容器内所到达的压力成为不破坏气体团簇的程度的压力，在上述喷嘴单元 中，以这样的方式配置上述多个气体喷射喷嘴中的相邻的气体喷射喷嘴：自 该相邻的气体喷射喷嘴喷射出的气体中的无助于气体团簇的形成的残留气 体的扩散范围互不重叠。

优选的是，在向上述喷嘴单元供给的气体的供给压力为1Mpa以下时， 上述处理容器内的压力为0.3kPa以下，在上述供给压力超过1Mpa且为5Mpa 以下时，上述处理容器内的压力为3kPa以下。

优选的是，上述多个气体喷射喷嘴中的相邻的气体喷射喷嘴彼此的距离 为20mm以上。此外，能够构成为，上述喷嘴单元和上述被处理基板以能够 相对移动的方式设置，一边使上述喷嘴单元和上述被处理基板相对移动一边 向上述被处理基板的整个面照射气体团簇。

作为上述气体团簇照射机构，优选的是，该气体团簇照射机构具有多个 上述喷嘴单元，自上述多个喷嘴单元中的一个喷嘴单元喷射气体，并且，能 够依次改变喷嘴单元来喷射气体。在该情况下，优选上述多个喷嘴单元中的 相互相邻的喷嘴单元中的上述气体喷射喷嘴的位置错开。优选的是，将上述 相互相邻的喷嘴单元中的上述气体喷射喷嘴的错开的距离设为与来自一个 气体喷射喷嘴的气体团簇照射范围相同或比该气体团簇照射范围小，将上述 喷嘴单元的数量设为在上述被处理基板的直径方向上不形成没有自上述气 体喷射喷嘴照射气体团簇的部分的数量。

上述气体团簇照射机构设于用于向上述处理容器输送上述被处理基板 的真空传递腔室或者加载互锁腔室，能够在用于输送上述被处理基板的输送 臂上载置了上述被处理基板的状态下进行气体团簇的照射。

在本发明的第2的技术方案中，提供一种基板处理装置，其包括：处理 容器，其被保持为真空；基板支承部，其用于在上述处理容器内支承被处理 基板；以及气体团簇照射机构，其向上述处理容器内喷射气体并利用绝热膨 胀来生成气体团簇，向上述被处理基板照射气体团簇，该基板处理装置利用 气体团簇对上述被处理基板实施预定的处理，其中，上述气体团簇照射机构 具有：喷嘴单元，其具有多个向上述处理容器内喷射气体的气体喷射喷嘴； 气体供给部，其向上述喷嘴单元供给用于生成气体团簇的气体，以这样的方 式设定上述喷嘴单元的上述气体喷射喷嘴的根数：自上述气体喷射喷嘴以需 要的流量供给上述气体时上述处理容器内所到达的压力成为不破坏气体团 簇的程度的压力，在上述喷嘴单元中，以这样的方式配置上述多个气体喷射 喷嘴中的相邻的气体喷射喷嘴：自该相邻的气体喷射喷嘴喷射出的气体中的 无助于气体团簇的形成的残留气体的扩散范围互不重叠。

在本发明的第3的技术方案中，提供一种气体团簇照射方法，在该气体 团簇照射方法中，向被保持为真空的处理容器内喷射气体并利用绝热膨胀来 生成气体团簇，向配置于上述处理容器内的被处理基板照射气体团簇，其中， 以这样的方式设定气体喷射喷嘴的根数：在向上述处理容器内自多个上述气 体喷射喷嘴喷射气体时，自上述气体喷射喷嘴以需要的流量供给上述气体时 上述处理容器内所到达的压力成为不破坏气体团簇的程度的压力，以这样的 方式配置上述多个气体喷射喷嘴中的相邻的气体喷射喷嘴：自该相邻的气体 喷射喷嘴喷射出的气体中的无助于气体团簇的形成的残留气体的扩散范围 互不重叠。

采用本发明，将气体喷射喷嘴的根数设定为自气体喷射喷嘴以需要的流 量供给气体时处理容器内所到达的压力成为不破坏气体团簇的程度的压力 的根数。而且，将多个气体喷射喷嘴中的相邻的气体喷射喷嘴以自该相邻的 气体喷射喷嘴喷射出的气体中的无助于气体团簇的形成的残留气体的扩散 范围互不重叠的方式进行配置。通过具有这样的结构，无论是在整体还是在 局部都不会出现破坏气体团簇那样的较高的压力，能够不破坏气体团簇地以 高生产率进行基于气体团簇的处理。

附图说明

图1是表示具有本发明的第1实施方式的气体团簇照射机构的基板处理 装置的剖视图。

图2是表示本发明的第1实施方式的气体团簇照射机构的俯视图。

图3是表示相邻的气体喷射喷嘴的无助于气体团簇的形成的残留气体重 叠的状态的示意图。

图4是表示模拟实际来自气体喷射喷嘴的气体的流动、确认了残留气体 扩散到何范围为止的结果的图。

图5是表示根据图4的结果求得样品面上的压力分布的结果的图。

图6是表示本发明的第2实施方式的气体团簇照射机构的俯视图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施的方式。

<第1实施方式>

首先，说明第1实施方式。

图1是表示具有本发明的第1实施方式的气体团簇照射机构的基板处理 装置的剖视图，图2是表示第1实施方式的气体团簇照射机构的俯视图。

基板处理装置100用于由气体团簇进行基板的处理。作为基板的处理， 能够列举出基板的清洗处理、蚀刻后的基板的残渣处理、蚀刻处理等。

该基板处理装置100具有划分出用于进行基板处理的处理室的处理容器 1。在处理容器1内设有基板载置台2，在该基板载置台2上载置被处理基板S。 作为被处理基板S，能够列举出半导体晶圆、平板显示器用的玻璃基板等各 种被处理基板，并没有特别限定。基板载置台2利用由例如XY平台构成的驱 动机构3能够在一个平面内自由地移动，与此相伴该基板载置台2上的被处理 基板S也能够进行平面移动。

在处理容器1的侧壁下部设有排气口4，排气口4连接有排气配管5。在排 气配管5上设有具有真空泵等的排气机构6，能够利用该排气机构6对处理容 器1内进行真空排气。此时的真空度能够由设于排气配管5的压力控制阀7进 行控制。

在基板载置台2的上方配置有用于向被处理基板S照射气体团簇的气体 团簇照射机构10。气体团簇照射机构10具有与基板载置台2相对设置的喷嘴 单元11、向喷嘴单元11供给用于生成团簇的气体的气体供给部12、将来自气 体供给部12的气体向喷嘴单元11引导的气体供给配管13。在气体供给配管13 上设有开闭阀14和流量控制器15。喷嘴单元11具有头部16和设于头部16的多 个(在图中为4个)气体喷射喷嘴17。并且，来自气体供给配管13的用于生 成气体团簇的气体经由头部16自多个气体喷射喷嘴17喷出。气体喷射喷嘴17 构成为顶端呈扩开形状的圆锥形喷嘴，但是，形状并不限于此，也可以是仅 在头部16形成的小孔(孔口)。

自气体喷射喷嘴17喷射出的气体在被排气机构6真空排气后的处理容器 1(处理室)内进行绝热膨胀，气体的原子或分子的一部分在范德华力的作 用下自几个聚集为几万个而成为气体团簇。气体团簇具有直进的性质，直进 了的气体团簇被照射于被处理基板S的表面而进行期望的处理、例如进行被 处理基板S的表面的清洗处理。在利用气体团簇进行清洗处理的情况下，能 够有效地去除用通常的气体无法去除的附着物。此时，处理容器1内的压力 与自气体喷射喷嘴17喷射之前的气体的压力之间的压差越大越能够增大自 气体喷射喷嘴17喷射出的气体团簇与被处理基板S碰撞时的能量。

用于形成气体团簇的气体并没有特别限定，但是能够例示出Ar气体、 N₂气体、CO₂气体、ClF₃气体、HF气体等。此外，也可以使用H₂O等液体的 蒸汽。这些气体既能够单独使用也能够混合后使用，也可以使用He气体形成 混合气体。

优选为了在生成后的气体团簇不被破坏的情况下向被处理基板S喷射， 处理容器1内的真空度较高是较好的(即、压力较低是较好的)，在向喷嘴单 元11供给的气体的供给压力为1Mpa以下时，处理容器1内的真空度优选为 0.3kPa以下，在向喷嘴单元11供给的气体的供给压力超过1Mpa且为5Mpa以 下时，处理容器1内的真空度优选为3kPa以下。

在本实施方式中为了提高生产率，设有多个气体喷射喷嘴17。但是，若 气体喷射喷嘴17的根数增多，则有可能气体流量增加而真空度降低而导致气 体团簇的破坏。因此，气体喷射喷嘴17的根数设定为这样的根数：自气体喷 射喷嘴17以需要的流量供给气体时，处理容器1内所到达的压力成为不会破 坏气体团簇的程度的压力。

此外，在自气体喷射喷嘴17喷射气体时，无助于气体团簇的形成的残留 气体向周围扩散，但是，当相邻的气体喷射喷嘴17彼此的该残留气体的扩散 范围重叠时，有可能在该部分真空度局部地降低(压力上升)，气体团簇被 破坏而处理性能降低。因此，在本实施方式中，以这样的方式配置多个气体 喷射喷嘴17中的相邻的气体喷射喷嘴：自该相邻的喷气体喷射嘴喷射出的气 体中的无助于气体团簇的形成的残留气体的扩散范围互不重叠。

在处理容器1的侧面设有用于进行被处理基板S的搬入搬出的搬入搬出 口18。该搬入搬出口18能够利用闸阀19进行开闭。另外，基板处理装置100 具有用于输送基板的输送装置，并连接于其中被保持为真空的真空输送室或 者加载互锁室。

如上述那样，驱动机构3用于使基板载置台2在一个平面内移动，且用于 在喷嘴单元11和被处理基板S之间产生相对移动。该驱动机构3以自气体喷射 喷嘴17喷射出的气体团簇被向基板载置台2上的被处理基板S的整个面照射 的方式使基板载置台2移动。另外，作为驱动机构也可以替代使基板载置台2 移动而使喷嘴单元11移动。

如图1所示，基板处理装置100具有控制部20。控制部20具有包括微处理 器(计算机)的控制器，该控制器用于控制基板处理装置100的气体的供给 (开闭阀14和流量控制器15)、气体的排气(压力控制阀7)、由驱动机构3进 行的基板载置台2的驱动等。控制器连接有操作者为了管理基板处理装置100 而进行命令的输入操作等的键盘、使基板处理装置100的运行状况可视化进 行显示的显示器等。此外，控制器连接有储存有处理制程、各种数据库等的 存储部，该处理制程为用于通过控制器的控制来实现基板处理装置100的处 理的控制程序、用于根据处理条件使基板处理装置100的各构成部执行预定 的处理的控制程序。制程被存储在存储部中的适当的存储介质。并且，根据 需要，通过自存储部调用任意的制程来在控制器中执行，从而在控制器的控 制下，进行在基板处理装置100中的期望的处理。

接着，说明以上那样的基板处理装置100的处理动作。

首先，打开闸阀19经由搬入搬出口18搬入被处理基板S，并将被处理基 板S载置在基板载置台2上。

接着，利用驱动机构3将基板载置台2设定在初始位置，利用排气机构6 对处理容器1内进行抽真空，并且，自喷嘴单元11的多个气体喷射喷嘴17以 预定流量喷射预定的气体。由此，在向喷嘴单元11供给的气体的供给压力为 1Mpa以下时，使处理容器1内成为0.3kPa以下的真空状态，在供给压力超过 1Mpa且为5Mpa以下时，使处理容器1内的成为3kPa以下的真空状态，并且， 使自气体喷射喷嘴17喷射出的气体绝热膨胀而生成气体团簇，该气体团簇直 进而碰撞基板载置台2上的被处理基板S，进行清洗处理等。此时，为了在被 处理基板S的整个表面上都照射气体团簇，而利用驱动机构3使被处理基板S 移动。

如上述那样，自一个气体喷射喷嘴生成的气体团簇的照射区域为φ几 mm，所以，在气体喷射喷嘴为一个情况下，若对较大的被处理基板S进行处 理则生产率较低。因此，在本实施方式中，设有多个气体喷射喷嘴17。但是， 若气体喷射喷嘴17的根数增多，则有可能气体流量增加而真空度降低、导致 气体团簇的破坏，因此，气体喷射喷嘴17的根数设定为这样的根数：自气体 喷射喷嘴17以需要的流量供给气体时处理容器1内所到达的压力成为不会破 坏气体团簇的程度的压力。

例如，若当用于使气体团簇生成的气体喷射喷嘴为1根时，气体流量为 700sccm而处理容器1内的真空度(压力)为1Pa，则以在处理容器内的真空 度不破坏气体团簇的范围内的15Pa进行基板处理的情况下，配置15根上述气 体喷射喷嘴。

但是，即使处理容器1内的整体的平均的真空度适当，也会发现如下情 况：当局部地形成真空度的较低区域时，在该区域团簇破坏而处理性能降低。 此外，发现像这样的局部的真空度的降低的原因在于相邻的气体喷射喷嘴17 接近地配置。即、如图3所示，自气体喷射喷嘴17喷射气体而形成气体团簇C， 无助于气体团簇的形成的残留气体如虚线所示区域R那样向周围扩散。当相 邻的气体喷射喷嘴17彼此的该残留气体的扩散区域R的范围重叠时，有可能 在该部分真空度局部地降低(压力上升)，气体团簇被破坏而处理性能降低。

所以，在本实施方式中，以这样的方式配置多个气体喷射喷嘴17中的相 邻的气体喷射喷嘴：自该相邻的气体喷射喷嘴喷射出的气体中的无助于气体 团簇的形成的残留气体的扩散范围互不重叠。

说明模拟实际来自气体喷射喷嘴的气体的流动、确认了残留气体扩散至 何范围为止的结果。在此，使用作为通用热流体分析软件的FLUENT Ver.3 进行了CO₂气体流动的模拟。作为气体喷出喷嘴使用圆锥形喷嘴，设为与气 体喷射喷嘴相对地配置样品面的状态，计算条件为以下的表1所示的A～C的 3个条件。

(表1)

将上述模拟结果示出在图4中。图4是表示在各条件下、自喷嘴喷射出的 CO₂气体的情况的气体的压力分布的图。此外，根据图4的结果求得的样品面 上的压力分布的结果示出在图5中。图5的横轴是距喷嘴中心的距离。

如这些图所示，可知：即使在条件A～C的任意一个条件下，在样品面 上的处于喷嘴附近的部分也存在压力最高的部分，在距喷嘴中心10mm附近 成为大致容器(日文：バルク)压力。根据该结果，认为与压力无关地自喷 嘴喷射出的CO₂气体向半径10mm的范围扩散。根据以上的模拟结果，优选相 邻的气体喷射喷嘴17间隔20mm以上。

例如，如上述例那样，在将用1根的情况下处理容器1内的真空度(压力) 成为1Pa的气体喷射喷嘴设为15根、而使处理容器内的压力成为15Pa来进行 基板处理的情况下，若作为基板使用300mm晶圆，则如上述那样只要每隔开 20mm配置气体喷射喷嘴，就能够与300mm晶圆的直径相对应地将15根的气 体喷射喷嘴以排成1列的方式配置。

<第2实施方式>

接着，说明第2实施方式。

图6是表示本发明的第2实施方式的气体团簇照射机构的俯视图。

如图6所示，本实施方式的气体团簇照射机构10’具有与基板载置台2(在 图6中未图示)相对设置的3个喷嘴单元11a、11b、11c、向上述喷嘴单元11a、 11b、11c供给用于生成团簇的气体的气体供给部12’、将来自气体供给部12’ 的气体向喷嘴单元11a、11b、11c引导的气体供给配管。气体供给配管具有自 气体供给部12’延伸的共用配管13’和自共用配管13’分支出来并与喷嘴单 元11a、11b、11c相连接的分支配管13a、13b、13c。在分支配管13a、13b、 13c上分别设有开闭阀14a、14b、14c和流量控制器15a、15b、15c。喷嘴单元 11a、11b、11c与上述喷嘴单元11同样地具有头部16和设于头部16的多个(在 图中为4个)气体喷射喷嘴17。并且，用于生成气体团簇的气体经由喷嘴单 元11a、11b、11c的头部16自多个气体喷射喷嘴17喷出。喷嘴单元11a、11b、 11c设置为一体。

喷嘴单元11a、11b、11c分别与第1实施方式的喷嘴单元11同样地，气体 喷射喷嘴17的根数设定为这样的根数：自气体喷射喷嘴17以需要的流量供给 气体时，处理容器1内所到达的压力成为不破坏气体团簇的程度的压力。此 外，对于喷嘴单元11a、11b、11c的多个气体喷射喷嘴17的配置，也与喷嘴单 元11同样地以这样的方式配置相邻的气体喷射喷嘴：自该相邻的气体喷射喷 嘴喷射出的气体中的无助于气体团簇的形成的残留气体的扩散范围互不重 叠。

并且，通过由控制部20’以依次打开喷嘴单元11a、11b、11c的开闭阀 14a、14b、14c的方式进行控制，能够按照喷嘴单元11a、11b、11c的顺序错 开时间地照射气体团簇，能够抑制由处理容器1内的整体的真空度和局部的 真空度降低引起的处理性能的降低，并且获得更高的生产率。

此时，如图6所示，通过将气体喷射喷嘴17以相邻的喷嘴单元错开的方 式配置，能够减少基于驱动机构3(在图6中未图示)的喷嘴单元11a、11b、 11c的横向的移动，能够进一步提高生产率。特别是优选，使相邻的喷嘴单 元的气体喷射喷嘴17的错开的距离与来自一个气体喷射喷嘴的团簇照射范 围相同或比其小，将喷嘴单元的数量设为在被处理基板S的直径方向上不形 成没有自气体喷射喷嘴照射气体团簇的部分的数量。在图6的例子中，喷嘴 单元11a的气体喷射喷嘴17、喷嘴单元11b的气体喷射喷嘴17、喷嘴单元11c 的气体喷射喷嘴17以在被处理基板S的直径方向上不形成没有照射气体团簇 的部分的方式一点一点地错开配置。通过这样做，能够使基于驱动机构3的 被处理基板S的移动方向仅为一个方向，能够获得极高的生产率。

例如，如上述例那样，在将用1根的情况下使处理容器1内的真空度(压 力)成为1Pa的气体喷射喷嘴设为15根、而使处理容器内的压力成为15Pa来 对300mm晶圆进行处理的情况下，在一个喷嘴单元中以20mm间隔将气体喷 射喷嘴设为15根的情况下，当将例如自一个喷嘴照射气体团簇的范围设为 4mm，通过设有5个气体喷射喷嘴的位置各错开4mm而成的喷嘴单元，能够 在300mm晶圆的直径方向上不形成没有照射气体团簇的部分，逐个使用这些 喷嘴单元依次喷射气体，由此，能够使晶圆的移动方向成为一个方向而以极 高的生产率进行处理。

<其它的应用>

另外，本发明不限定于上述实施方式而能够进行各种变形。例如，在上 述实施方式中，作为喷嘴单元示出了将气体喷射喷嘴配置为一列的喷嘴单元， 但并不是限于此。

此外，在上述实施方式中，示出了在进行基板的清洗处理等的专用的装 置中使用了本发明的气体团簇照射机构的例子，但并不限于此。例如，在蚀 刻后或者灰化后进行基板的残渣处理的情况等下，能够在例如连接有蚀刻腔 室、灰化腔室等处理腔室的真空传递腔室、用于将存在于大气气氛的基板输 送至真空状态的蚀刻腔室、灰化腔室的加载互锁腔室中设置本发明的气体团 簇照射机构，在结束蚀刻处理、灰化处理之后，能够在基板的输送中用这些 腔室进行基于气体团簇的基板的残渣处理。在该情况下，能够不设置特別的 基板载置台和驱动机构，而在搭载于系统的输送臂上载置了被处理基板的状 态下一边使被处理基板移动一边照射气体团簇。

附图标记说明

1、处理容器；2、基板载置台；3、驱动机构；6、排气机构；10、10’、气 体团簇照射机构；11、11a、11b、11c；喷嘴单元；12、12’、气体供给部； 14、14a、14b、14c、开闭阀；16、头部；17、气体喷射喷嘴；20、20’、控 制部；100、基板处理装置；C、气体团簇；R、残留气体扩散的区域；S、 被处理基板。