CN101009208A - 基板处理装置以及基板处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种基板处理装置，包括：基板保持机构，其保持处理对象的基板；二流体喷嘴，其向被保持在上述基板保持机构上的基板表面供给液滴。二流体喷嘴具有壳体、喷出处理液的液体喷出口以及喷出气体的气体喷出口，该二流体喷嘴向上述壳体内导入处理液和气体，在上述壳体外，将从上述液体喷出口喷出的处理液和从上述气体喷出口喷出的气体进行混合来形成上述处理液的液滴，将该液滴供给到基板上。从二流体喷嘴供给的液滴在上述基板表面的密度为每分钟108个/平方毫米以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对基板表面进行清洗处理等的基板处理装置以及基板处理方法。成为处理对象的基板例如包括：半导体晶片、液晶显示装置用基板、等离子显示器用基板、FED(Field Emission Display：场发射显示器)用基板、光盘用基板、磁盘用基板、光磁盘用基板、光掩模用基板等。
背景技术
在半导体装置的制造工序中，用于除去半导体晶片(以下称为“晶片”)表面的异物(颗粒等)的清洗处理不可缺少。在用于清洗晶片表面的基板处理装置中，具有二流体喷嘴，该二流体喷嘴通过使处理液(清洗液)和气体混合而生成处理液的液滴来进行喷射(如US 2002/0059947 A1)。
图9是表示二流体喷嘴的结构例的图解剖面图。该二流体喷嘴51包括有构成壳体的外筒52和被嵌入到其内部的内筒53。外筒52和内筒53具有大致圆筒状的形状，并共有中心轴。内筒53的内部空间为处理液流路56，能够从内筒53的上端部向处理液流路56导入作为处理液(清洗液)的纯水(去离子水：DeIonized Water)。处理液流路56的下端朝下方开口来作为处理液喷出口57。
另一方面，在内筒53和外筒52之间形成有大致圆筒状的间隙、即气体流路54。气体流路54的下端环绕处理液喷出口57开口来作为环状的气体喷出口58。气体流路54与贯通外筒52的气体导入管55相连通，经由该气体导入管55而导入高压的氮气。
当向处理液流路56导入纯水并向气体流路54导入氮气时，从处理液喷出口57喷出纯水的同时，从气体喷出口58喷出氮气。这些纯水以及氮气分别从处理液喷出口57和气体喷出口58喷出，通过在其附近进行冲撞(混合)而形成纯水的液滴。该液滴成为喷流，冲撞到在其下方所配置的晶片W的表面上。此时，附着在晶片W表面的颗粒等杂质通过纯水的液滴的动能而物理性地被除去。
由二流体喷嘴进行的喷射清洗与刷洗或超声波清洗等其他物理清洗处理相比较，对基板的损伤(特别是对在基板表面所形成的图案的损伤)较少。因此，是用于形成有微细图案的基板表面的低损伤清洗的有力的选择。
但是，虽说是由二流体喷嘴进行的喷射清洗，但是对基板的损伤并不是完全没有，随着在基板表面所形成的图案进一步被微细化，要求更低的损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现使用二流体喷嘴的基板处理中的更低损伤的基板处理装置以及基板处理方法。
为了减少对基板表面的图案的损伤，首先可以考虑减少向二流体喷嘴投入的气体流量来降低从二流体喷嘴所喷射的液滴的速度。但是，当减少投入气体流量时，所形成的液滴的粒径变大，相应地，液滴密度变少。由此，不仅不利于降低对基板表面的图案的损伤，异物除去能力也变差。这是因为，当液滴密度降低时，液滴冲撞到基板上的异物的概率变低。
本发明人直至本发明的完成，反复研究利用二流体喷嘴进行的基板清洗的结果是，查明与异物除去能力有密切关系的是液滴密度。
即，本发明一个方面的基板处理装置包括基板保持机构，其保持处理对象的基板；二流体喷嘴。该二流体喷嘴具有壳体、喷出处理液的液体喷出口以及喷出气体的气体喷出口，该二流体喷嘴向上述壳体内导入处理液和气体，在上述壳体外(仅是液体喷出口的附近)，将从上述液体喷出口喷出的处理液和从上述气体喷出口喷出的气体混合(向液体喷射气体)，而形成上述处理液的液滴，将该液滴供给到在上述基板保持机构所保持的基板的表面上。从上述二流体喷嘴所供给的液滴在上述基板表面上的密度(液滴密度)为每分钟108个/平方毫米以上(优选为每分钟1.2×108个/平方毫米以上。更优选每分钟5×108个/平方毫米以上、每分钟8×108个/平方毫米以下)。
根据该结构，能通过混合型喷嘴来形成微小液滴。该混合型喷嘴在壳体外使气体以及液体混合来形成液滴喷流。并且，在基板保持机构所保持的基板表面上的液滴密度为每分钟108个/平方毫米(一分钟内1平方毫米的单位区域达到108个液滴的密度)以上，从而如后面所述的实验结果所示，能够得到良好的异物除去性能。即，即使在为降低对基板表面的图案的损伤而减少气体流量的情况下，也能通过将液滴密度控制在上述范围来实现所需要的异物除去性能。这样一来，能够实现低损伤且异物除去性能良好的清洗处理，能良好地进行形成有极微细图案的基板的清洗处理。
在基板表面的液滴密度的上限为例如每分钟109个/平方毫米。该上限值主要由外部混合型二流体喷嘴的结构上的限度确定。
处理液可以是例如纯水(去离子水)，也可以是氨、过氧化氢水溶液、以水的混合液那样的药液。
上述气体喷出口可以形成为包围上述液体喷出口的圆环形状。此时，优选，该圆环形状的气体喷出口的外径为2毫米以上、3.5毫米以下，该圆环形状的气体喷出口的宽度为0.05毫米以上、0.2毫米以下(更优选为0.05毫米以上、0.15毫米以下)。
优选，上述基板处理装置还包含气体供给机构，该气体供给机构以每分钟17升以下的流量向上述壳体供给上述气体。通过以这种小流量供给气体，从而能抑制液滴冲撞到基板上时的速度，能够降低对基板表面的图案的损伤。并且，由于液滴密度高，所以能实现充分的异物除去性能。这样一来，能使高异物除去能力以及损伤的降低并存，同时能够进行基板表面的异物除去处理。
另外，本发明另一方面的基板处理装置包括：基板保持机构，其保持处理对象的基板；二流体喷嘴。二流体喷嘴具有壳体、喷出处理液的液体喷出口以及喷出气体的气体喷出口，该二流体喷嘴向上述壳体内导入处理液和气体，在上述壳体外，将从上述液体喷出口喷出的处理液和从上述气体喷出口喷出的气体混合(向液体喷射气体)，而形成上述处理液的液滴，将该液滴供给到在上述基板保持机构所保持的基板的表面上。上述气体喷出口形成为包围上述液体喷出口的圆环形状，该圆环形状的气体喷出口的外径为2毫米以上、3.5毫米以下，该圆环形状的气体喷出口的宽度为0.05毫米以上、0.2毫米以下(更优选为0.05毫米以上、0.15毫米以下)。
在本发明的受让人自本申请的申请前提出的外部混合型二流体喷嘴中，包围中央的液体喷出口的圆环状的气体喷出口例如形成为其外径为3.5毫米、宽度为0.3毫米。根据对这样构成的二流体喷嘴的实验结果，为得到所需要的异物除去性能(例如50％的除去率)而所需的液滴密度为8×107左右，但是，由于此时的气体流量较大，所以对基板表面的图案的损伤比较大。当减小气体流量时，损伤被降低，但是液滴变大，不能得到所需要的液滴密度。
相对于此，在如上述那样设计气体喷出口的二流体喷嘴中，能以较小流量的气体投入形成小径的液滴，能够容易达成为得到所需要的除去性能所需的液滴密度(例如为108个/分钟·平方毫米以上)。即，通过使二流体喷嘴自身变小，从而即使减少气体流量也能形成小径的液滴，并能实现所需要的液滴密度。由此，能够减轻对基板上的图案的损伤的同时，可以有效地除去基板表面的异物。
优选地，上述二流体喷嘴，在向基板供给上述处理液的液滴时，从在上述基板保持机构所保持的基板的表面隔着小于20毫米的距离而被配置。根据该结构，通过使二流体喷嘴和基板表面之间的距离小于20毫米，从而能较高维持在基板表面的液滴密度。更具体地说，能够抑制或防止从二流体喷嘴至到达基板表面液滴彼此接触而一体化来成为更大的液滴。另外，同时能够抑制或防止液滴流扩散而使清洗面积变大，结果使液滴密度变低。由此，由于使小径的液滴到达基板表面的小面积的区域，所以能提高在基板表面的液滴密度。此外，所谓二流体喷嘴和基板表面之间的距离是指从液体喷出口喷出的处理液和从气体喷出口喷出的气体的混合点与基板表面之间的距离。
优选地，上述基板处理装置还包含控制器，该控制器控制向上述壳体供给的处理液和气体的流量、以及上述二流体喷嘴和上述基板表面之间的距离(更具体地说，从液体喷出口所喷出的处理液和从气体喷出口所喷出的气体的混合点与基板表面的距离)。优选地，该控制器控制处理液和气体的流量、以及二流体喷嘴和基板表面之间的距离，以使得从上述二流体喷嘴所供给的液滴在上述基板表面的密度(液滴密度)为每分钟108个/平方毫米以上(更优选为每分钟1.2×108个/平方毫米以上。例如，上限值为109个/平方毫米)。
通过该结构，能以较少的气体投入量将在基板表面的液滴密度控制在每分钟108个/平方毫米以上，能实现对基板表面的图案的损伤较少的基板清洗处理。
优选地，上述控制器例如将被投入到上述壳体的处理液的流量控制在每分钟100毫升的范围内，将被投入到上述壳体的气体的流量控制在每分钟10～20升(优选为每分钟13～17升。更优选为每分钟约16升)的范围内。进而，优选地，上述控制器将二流体喷嘴和基板表面之间的距离控制在2～15毫米(更优选为3～10毫米。进一步优选为3～7毫米)的范围内。
优选地，从上述二流体喷嘴所供给的液滴的体积中值直径为25微米以下(优选为20微米以下)。
所谓体积中值直径是用所喷射的液体的体积来表示液滴的粒子直径的尺度。具体地说，在比某个粒径大的液滴的体积的合计为所观测的全部液滴体积的50％(因此，比该粒径小的液滴的体积的合计为所观测的全部液滴体积的50％)的情况下，将该粒径称为体积中值直径。
通过使体积中值直径在上述的范围，能够抑制对在基板表面所形成的图案的损伤，并能充分提高在基板表面的液滴密度，从而能得到良好的异物除去性能。
优选地，从上述二流体喷嘴所供给的液滴在基板表面的到达区域(清洗区域)的直径为5毫米以上、15毫米以下(更优选为6毫米以上、13毫米以下。进一步优选为6毫米以上、8毫米以下)。圆形清洗区域的面积，在液滴直径为5毫米的情况下，为19.6平方毫米，在其直径为6毫米的情况下，为28.3平方毫米，在其直径为8毫米的情况下，为50.2平方毫米，在其直径为13毫米的情况下，为132.7平方毫米，在其直径为15毫米的情况下，为176.6平方毫米。
根据该结构，能使液滴的到达区域充分变小，能够提高在基板表面的液滴密度。由此，能够提高异物除去性能。
优选地，上述二流体喷嘴具有旋涡气流形成部，该旋涡气流形成部安装在上述壳体内的、从气体导入口至上述气体喷出口的气体流路中，用于形成旋涡气流，该旋涡气流包围从上述处理液喷出口沿着处理液喷出方向所喷出的处理液流。根据该结构，由于能够抑制从气体喷出口喷出的气体的扩散，所以能有效地混合处理液和气体，而能有效地形成微小的液滴。由此，能更加降低对基板的损伤。
本发明的基板处理方法包括：向二流体喷嘴的壳体导入处理液体的步骤；向上述二流体喷嘴的壳体导入气体的步骤；从上述二流体喷嘴的液体喷出口喷出上述液体，另一方面从上述二流体喷嘴的气体喷出口喷出上述气体，通过将上述液体和上述气体混合，从而生成上述处理液的液滴的步骤；
将上述所生成的液滴供给到基板表面，使在基板表面的液滴密度为每分钟108个/平方毫米以上(更优选为每分钟1.2×108个/平方毫米以上。例如，上限值为109个/平方毫米)的步骤。根据该方法，能够达成低损伤且异物除去性能良好的清洗处理，能良好地进行形成有极微细图案的基板的清洗处理。
优选地，向上述二流体喷嘴的壳体导入气体的步骤包含以每分钟17升以下的流量向上述壳体供给上述气体的步骤。根据该方法，能抑制液滴冲撞到基板上时的速度，能够降低对基板表面的图案的损伤。并且，由于液滴密度高，所以能实现充分的异物除去性能。这样一来，能使高异物除去能力以及损伤的降低并存，同时能够进行基板表面的异物除去处理。
本发明的上述或者其他目的、特征以及效果参照附图并通过下述的实施方式的说明就可以变清楚。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的基板处理装置的结构的图解侧视图。
图2A是表示二流体喷嘴的结构的图解剖面图，图2B是其仰视图。
图3A以及图3B分别是内筒的图解部分侧视图以及仰视图。
图4是表示从二流体喷嘴的气体喷出口喷出的氮气的行进方向的图解立体图。
图5是表示从二流体喷嘴的气体喷出口喷出的氮气的行进方向的图解立体图。
图6A以及图6B表示液滴密度和晶片上的图案损伤数的关系。
图7A以及图7B表示比较例的二流体喷嘴中的喷嘴高度和晶片的图案损伤数的关系。
图8A以及图8B分别表示第一实施例以及第二实施例的二流体喷嘴中的喷嘴高度和晶片上的图案损伤数的关系。
图9是表示在现有的基板处理装置所具有的二流体喷嘴的结构的图解剖视图。
具体实施方式
图1是表示本发明一实施方式的基板处理装置的结构的图解侧视图。该基板处理装置1是用于清洗作为基板的一例的半导体晶片(以下仅称为“晶片”)W的表面的装置，具有：作为基板保持机构的旋转卡盘10，其大致水平保持并旋转晶片W；二流体喷嘴2，其向被保持在旋转卡盘10上的晶片W供给作为清洗液的纯水(去离子水：Deionized Water)的液滴。
旋转卡盘10具有沿铅直方向配置的旋转轴11和大致水平地安装在其上端的圆板状的旋转基座12。在旋转基座12的上表面周缘部，在旋转基座12的圆周方向上空开适当的间隔，竖立设置有多个卡盘销13。卡盘销13支承晶片W的下表面周缘部并与晶片W的端面(圆周面)相抵接，而能与其他卡盘销13协同动作来夹持晶片W。晶片W通过旋转卡盘10以其中心位于旋转轴11的中心轴上的方式而大致水平地被保持。
在旋转轴11结合有旋转驱动机构14，能使旋转轴11绕其中心轴进行旋转。由此，能使被保持在旋转卡盘10上的晶片W进行旋转。
从纯水供给源经由处理液配管24而可将作为处理液的一例的纯水供给到二流体喷嘴2。在处理液配管24安装有可开度调整的阀24V，该阀24V可进行向二流体喷嘴2供给的纯水的流路的开闭、以及纯水的流量的调节。
另外，从氮气供给源经由氮气配管25而可将高压的氮气(气体的一例)供给到二流体喷嘴2。在氮气配管25安装有可开度调整的阀25V，该阀25V可进行向二流体喷嘴2供给的氮气的流路的开闭、以及氮气的流量的调节。在氮气配管25中阀25V的下游侧(阀25V和二流体喷嘴2之间)安装有压力计25P，该压力计25P能够测定被导入二流体喷嘴2的氮气的压力。
二流体喷嘴2通过臂21而与喷嘴移动机构23相结合。喷嘴移动机构23通过使臂21绕沿铅直方向的摇动轴摇动而能够使与臂21相结合的二流体喷嘴2在晶片W上进行移动，另外，通过使臂21升降而能够变更二流体喷嘴2和晶片W之间的距离(二流体喷嘴2相对晶片W表面的高度)。由此，能够使由二流体喷嘴2的处理位置从被保持在旋转卡盘10上的晶片W的中心部移动到至周缘部的各部，同时，能够调整二流体喷嘴2和晶片W之间的距离。
当同时打开阀24V、25V而向二流体喷嘴2同时导入纯水以及氮气时，通过二流体喷嘴2生成纯水的液滴喷流，朝着被保持在旋转卡盘10上的晶片W的上表面来向下方喷射。
阀24V、25V的开闭、以及旋转驱动机构14以及喷嘴移动机构23的动作能由控制器20来控制。
清洗晶片W的表面时，通过旋转驱动机构14使被保持在旋转卡盘10上的晶片W旋转，通过喷嘴移动机构23使二流体喷嘴2在晶片W之上沿水平方向(晶片W的旋转半径方向)移动，并从二流体喷嘴2向晶片W的上表面喷射纯水的液滴。此时，二流体喷嘴2，在将离晶片W的表面的高度保持一定的状态下，在与晶片W的中心对置的位置、和与晶片W的周缘部对置的位置之间水平移动。由此，能均匀地处理晶片W的整个上表面。
通过向二流体喷嘴2导入高压的氮气，从而能使具有较大动能的纯水的液滴冲撞到晶片W的表面。此时，通过纯水的液滴的动能而物理性地除去附着在晶片W的表面的颗粒。
通过改变阀25V的开度来改变被导入到二流体喷嘴2的氮气的压力(流量)，从而能使由二流体喷嘴2所生成的纯水的液滴的粒径变化，相应地，能够使在晶片W表面的液滴密度(在每个单位时间到达单位面积区域的液滴数)变化。由此，能够使由纯水的液滴进行的晶片W的处理特性变化。
并且，通过变更二流体喷嘴2相对晶片W表面的高度，而能够变更液滴喷流到达晶片W时的到达区域(处理区域。在该实施方式中是大致圆形的清洗区域)的大小(面积)，该液滴喷流是从二流体喷嘴2扩散并被引导至晶片W表面。由此，能够调节在晶片W表面的液滴密度。
图2A是表示二流体喷嘴2的结构的图解剖面图，图2B是从旋转卡盘10侧所见到的二流体喷嘴2的仰视图。二流体喷嘴2是所谓的外部混合型的喷嘴，能在壳体外使氮气与纯水冲撞而生成处理液的液滴。二流体喷嘴2包括构成壳体的外筒34和被嵌入在其内部的内筒39，并具有大致圆柱状的外形。内筒39和外筒34共有中心轴Q，同轴状地被配置。
内筒39的内部空间为直线状的处理液流路40。处理液流路40，在内筒39的一方的端部，有开口作为处理液导入口。在该内筒39的一方的端部连接有处理液配管24，从处理液配管24经由处理液导入口30而向处理液流路40导入纯水。处理液流路40，在内筒39的另一方的端部(与连接有处理液配管24一侧相反侧)，有开口作为处理液喷出口41。
通过内筒39，纯水的流路被限制为沿中心轴Q的直线状，从处理液喷出口41在沿着该直线(中心轴Q)的方向喷出纯水。在处理晶片W时，以中心轴Q垂直于晶片W的表面的方式来配置二流体喷嘴2。
外筒34具有大致一定的内径。另一方面，内筒39在沿着中心轴Q方向的各部分外径变化。内筒39的中间部39A具有比外筒34的内径小的外径。
在内筒39的一方以及另一方的端部附近，以从内筒39的外周面突出的方式分别设置有和内筒39一体地形成的凸缘39B、39C。凸缘39B、39C具有与外筒34的内径大致相等的外径。由此，内筒39在凸缘39B、39C的外周部与外筒34的内壁紧密接触的同时，在内筒39的中间部39A和外筒34的内壁之间形成有以中心轴Q为中心的大致圆筒状的间隙、即圆筒流路35。
在外筒34的长度方向中间部形成有与圆筒流路35相连通的气体导入口31。在外筒34的侧面，在形成有气体导入口31的部分连接有氮气配管25。氮气配管25的内部空间和圆筒流路35相连通，而能从氮气配管25经由气体导入口31向圆筒流路35导入氮气。
在被设置于内筒39的处理液喷出口41侧的凸缘39B，形成有沿中心轴Q方向贯通凸缘39B的气流方向变换流路43。
外筒34的处理液喷出口41侧的端部为越向前端内径越小的具有锥状内壁面的遮蔽部34A。在中心轴Q方向，从凸缘39B的端部突出有短筒部39D。短筒部39D被配置在遮蔽部34A的大致中心。遮蔽部34A的内径比短筒部39D的外径大。由此，在遮蔽部34A和短筒部39D之间形成有包围中心轴Q的大致圆筒状的间隙、即回旋流形成流路38。
圆筒流路35、气流方向变换流路43以及回旋流形成流路38相互连通，形成气体流路44。回旋流形成流路38环绕处理液喷出口41有开口而作为环状的气体喷出口36。通过这种结构，经由氮气配管25而被导入圆筒流路35的氮气从气体喷出口36被喷出。气流方向变换流路43形成在气体喷出口36的附近。
在清洗晶片W时的基板处理装置1中，二流体喷嘴2的处理液喷出口41以及气体喷出口36朝向被保持在旋转卡盘10上的晶片W侧(下方)。处理液喷出口41和气体喷出口36邻近形成。更具体地说，处理液喷出口41呈圆形地开口，气体喷出口36以包围处理液喷出口41圆环状方式开口。
圆环状的气体喷出口36其外径a为2mm～3.5mm，其宽度c为0.05mm～0.2mm。还有，圆形的处理液喷出口41其直径b为(＝a-2c。与气体喷出口36的内径相等。)1.6mm～3.4mm。更优选的是，以a＝2.10mm～2.65mm、b＝2.00mm～2.35mm、c＝0.05mm～0.15mm的各数值范围来设定各尺寸。具体来说，如后面所述，在本发明人进行了试实验的第一实施例中，a＝2.20mm、b＝2.10mm、c＝0.05mm。另外，在第二实施例中，a＝2.50mm、b＝2.30mm、c＝0.10mm。
图3A是内筒39的图解部分侧视图，图3B是内筒39的图解仰视图。在图3A仅表示凸缘39B附近的部分。
凸缘39B具有伞状的形状，相对中心轴Q向侧方大致垂直地突出。在凸缘39B形成有6个槽42。各槽42从凸缘39B的外周面向凸缘39B的内部，以沿着与中心轴Q大致平行且不包含中心轴Q的平面的方式，以相互大致等角度间隔而形成。
在沿着中心轴Q的方向看，任意一个的槽42都相对连接凸缘39B的外周上的开口位置和中心轴Q的径向，以大致相同的角度斜交，并以沿着短筒部39D的外周的切线的方式形成(参照图3B)。因此，在二流体喷嘴2中，在沿着中心轴Q的方向看，槽42以沿着气体喷出口36(回旋流形成流路38)的切线方向的方式来形成。
在二流体喷嘴2中，槽42的外周侧被外筒34的内壁堵塞，由此，形成有6个气流方向变换流路43。另外，在凸缘39B的短筒部39D侧周缘部，槽42的开口部被遮蔽部34A覆盖(参照图2)。另一方面，在沿着中心轴Q的方向看，槽42的内部侧的部分位于与气体喷出口36重叠的位置。
这样，在内部形成有气流方向变换流路43的二流体喷嘴2，仅以在外筒34内嵌入在周围形成有槽42的内筒39就能得到。
当从氮气配管25向圆筒流路35导入氮气时，氮气在圆筒流路35沿着其母线流向气流方向变换流路43侧，而被导入气流方向变换流路43。在气流方向变换流路43内流动的氮气中，在凸缘39B的外周侧流动的氮气在回旋流形成流路38侧，沿着遮蔽部34A的内壁流向凸缘39B的内部侧(在图3B用箭头K表示氮气流动的方向)。此时，氮气流动的方向从气体流路44的母线方向变换为具有沿着气体流路44(回旋流形成流路38)的圆周方向的分量的方向。
在回旋流形成流路38内，氮气能沿着回旋流形成流路38的圆周方向自由地流动。由此，从气流方向变换流路43被导入到回旋流形成流路38的氮气绕中心轴Q(处理液流路40)以在图3B中沿逆时针方向旋转的方式流动，而被导入气体喷出口36。
通过形成6个气流方向变换流路43，而从大致圆筒状的气体流路44的圆周上隔着间隔所配置的6个地方，将改变了方向的气流导入到回旋流形成流路38(气体喷出口36侧)。由此，在回旋流形成流路38的圆周方向(回旋方向)形成均匀的回旋流。
图4是表示从二流体喷嘴2的气体喷出口36喷出的氮气的行进方向的图解立体图。在图4中，用箭头N表示氮气的行进方向。在回旋流形成流路38，氮气以绕处理液流路40回旋的方式流动，由此从气体喷出口36喷出的氮气在气体喷出口36附近形成旋涡气流。氮气在回旋流形成流路38形成回旋流之后，从气体喷出口36被喷出，因此，该旋涡气流在圆周方向上变得均匀。氮气的旋涡气流以包围从处理液喷出口41沿着中心轴Q喷出的纯水的方式而被形成。
在沿着中心轴Q的方向看，通过以沿着气体喷出口36的切线方向的方式形成槽42，从气体喷出口36喷出的氮气在具有气体喷出口36的切线方向的分量的方向上前进。由此，从二流体喷嘴2和氮气一起被搬运到晶片W上的纯水的液滴流主要具有：节流部L1，其形成在处理液喷出口41的附近；扩散部M1，其从节流部L1起越接近被保持在旋转卡盘10上的晶片W的表面就越进行扩展。
节流部L1具有这样的形状(大致倒圆锥台形状)：与纯水的喷出方向垂直的横截面的面积(大致圆形截面的直径)在沿着纯水的喷出方向的各部分越接近被保持在旋转卡盘10上的晶片W就减少。扩散部M1与节流部L1的旋转卡盘10侧的端部连接设置，具有这样的形状(大致圆锥台形状)：与纯水的喷出方向垂直的横截面的面积(大致圆形截面的直径)随着接近旋转卡盘10而增大。因此，通过节流部L1和扩散部M1，而形成鼓形的形状。
从二流体喷嘴2喷射的纯水的液滴的主要行进方向(旋涡气流的中心轴方向)相对于晶片W大致垂直。
图5是表示从二流体喷嘴2的气体喷出口36喷出的氮气的行进方向的其他例子的图解立体图。在图5中，用箭头N表示氮气的行进方向。从二流体喷嘴2和氮气一起被搬运到晶片W上的纯水的液滴流主要具有：节流部L2，其形成在处理液喷出口41的附近；扩散部M2，其从节流部L1随着接近被保持在旋转卡盘10上的晶片W的表面进行扩展。
在此例中，节流部L2具有这样的形状(大致圆柱形状)：与纯水的喷出方向垂直的横截面的面积(大致圆形截面的直径)在沿着纯水的喷出方向的各部分大致一样。扩散部M2与节流部L2的旋转卡盘10侧的端部连接设置，具有这样的形状(大致圆锥台形状)：与纯水的喷出方向垂直的横截面的面积(大致圆形截面的直径)随着接近旋转卡盘10而增大。
这样，从气体喷出口36流向晶片W的氮气在节流部L1、L2以不会以向侧方扩散的方式流动。由此，由于从处理液喷出口41喷出的纯水被关在较窄的区域内，所以纯水和氮气有效地混合(冲撞)，有效地生成具有较小直径的纯水的液滴。
另外，这样中途部被节流而流动的氮气被从气体喷出口36喷出的氮气从后面有效地挤压而流动，所以不会较大减速就能够到达晶片W。纯水的液滴和从气体喷出口36喷出的氮气一起被搬运前进，所以纯水的液滴也不会较大减速就能够到达晶片W。
即，纯水的液滴不依赖于二流体喷嘴2和晶片W表面之间的距离，具有与被投入到二流体喷嘴2的氮气的流量对应的动能而能够冲撞到晶片W上。由此，给予附着在晶片W表面的颗粒动能，而除去颗粒，所以晶片W表面被有效地清洗。
进而，在本实施方式的二流体喷嘴2中，由于所喷射的纯水的液滴的方向稳定，所以被保持在旋转卡盘10上的晶片W中的清洗区域稳定。因此，能均匀地清洗晶片W。
下面的表1表示本发明人使如前述那样构成的二流体喷嘴2的尺寸等不同来进行清洗实验的结果。
在“比较例”，为气体喷出口36的外径a＝3.5mm，其宽度c＝0.3mm，处理液喷出口41的直径b＝2.9mm。另外，在“第一实施例”，为a＝2.2mm，b＝2.1mm，c＝0.05mm。进而，在“第二实施例”，为a＝2.5mm，b＝2.3mm，c＝0.1mm。
表1
| 喷嘴 | 高度mm | 氮气流量升/分 | 清洗面积mm2 | 液滴直径μm | 液滴密度(×107)个/分·mm2 | 除去率 | 损伤数(第一晶片) | 损伤数(第二晶片) |
| 比较例 | 3 | 31 | 50.3 | 34 | 9.67 | 50％处理时间一定 | - | 1028 |
| 6 | 33 | 66 | 33 | 8.06 | 103 | 1115 | ||
| 10 | 35 | 120.2 | 32 | 4.85 | 133 | 1484 | ||
| 20 | 45 | 205 | 27 | 4.73 | 207 | 1596 | ||
| 第一实施例 | 3 | 13 | 28.3 | 20 | 84.43 | - | 237 | |
| 10 | 14 | 129.6 | 20 | 18.42 | - | 631 | ||
| 第二实施例 | 3 | 15 | 28.3 | 23 | 55.52 | 46 | 448 | |
| 6 | 16 | 47.1 | 23 | 33.31 | 72 | 608 | ||
| 10 | 17 | 91.9 | 23 | 17.08 | 77 | 753 | ||
| 20 | 18 | 150.8 | 22 | 9.16 | - | 1064 |
关于比较例2，将二流体喷嘴2离晶片W表面的高度分别设定为3mm、6mm、10mm以及20mm，同时以能得到50％的除去率的方式分别调节氮气流量，来进行实验。纯水流量在任意的情况下都为每分钟100毫升。关于第一实施例，将二流体喷嘴2离晶片W表面的高度分别设定为3mm以及10mm，同时以能得到50％的除去率的方式分别调节氮气流量，来进行实验。纯水流量在任意的情况下都为每分钟100毫升。关于第二实施例，将二流体喷嘴2离晶片W表面的高度分别设定为3mm、6mm、10mm以及20mm，同时以能得到50％的除去率的方式分别调节氮气流量，来进行实验。纯水流量在任意的情况下都为每分钟100毫升。这样，在得到同等除去率的条件下，来调查晶片W上的清洗面积、液滴直径、以及液滴密度和晶片W上的图案的损伤数。
在这里，所谓“除去率”是指从预先附着有微粒子的晶片W所除去的该微粒子的比例。具体地说，计测出晶片W表面的粒子数N0，然后使颗粒(Si3N4粒子)附着在晶片W的表面上，并计测出晶片W表面的粒子数N1，进而，在清洗后计测出晶片W表面的粒子数N2。此时的除去率由下式计算出。
除去率(％)＝100×(N1-N2)/(N1-N0)
还有，二流体喷嘴2离晶片W表面的所谓“高度”是指从晶片W表面至二流体喷嘴2的气液混合点的高度。严格地说，气液混合点处于从二流体喷嘴2的下端起约2mm左右下方的位置，但是，即使看作与二流体喷嘴2的下端位置(即，气体喷出口36以及处理液喷出口41的位置)实质上相同也没有影响。由于气液混合点必须在晶片W的表面之上，由此，规定“高度”的下限。规定上限并没有物理上原因。
“氮气流量”由喷嘴结构规定上限。即，在第一以及第二实施例的喷嘴，相较于比较例的喷嘴，流量的上限变小。氮气流量如上述那样以能够得到所期望的除去率(例如50％)的方式进行控制。
所谓“清洗面积”是由二流体喷嘴2生成的液滴喷流到达晶片W的表面的区域(到达区域。清洗区域)的大小。由于该到达区域为圆形的区域，所以通过计测出其直径就能求出清洗面积。到达区域的直径可以用尺子直接计测出，也可以使晶片W旋转，并通过来自二流体喷嘴2的液滴喷流来清洗晶片W上的环状(带状)的区域，通过用尺子计测出该环状区域的断度也间接地计测出来。清洗面积可根据二流体喷嘴2的“高度”来调整。即，由于高度越高，液滴喷流就越扩散，所以清洗面积变大。
所谓“液滴直径”是液滴的平均粒子直径，在这里，是体积中值直径(VMD)。所谓体积中值直径是用从二流体喷嘴2喷射的液体的体积来表示液滴的粒子直径的尺度，在比某个粒径大的液滴的体积的合计是所观测的整个液滴体积的50％(因此，比该粒径小的液滴的体积的合计是所观测的整个液滴体积的50％)的情况下，将该粒径称为体积中值直径。体积中值直径可以使用激光衍射式粒子直径分布测定装置等进行测定。
在比较例的喷嘴中，液滴直径随着氮气流量的增加而变小。相对于此，在第一以及第二实施例的喷嘴中，液滴直径几乎不依赖于氮气流量。因此，在第一以及第二实施例的喷嘴有这样的优点：即使在氮气流量上产生一些偏差，也能维持液滴直径。
所谓“液滴密度”是指在单位时间(在这里为1分钟)内到达晶片W表面的单位面积(在这里为1平方毫米)的液滴数。该液滴密度基于清洗面积以及体积中值直径的测定结果、和投入到二流体喷嘴2的纯水流量，通过计算而能够求出。在利用第一以及第二实施例的喷嘴的情况下，由于液地直径几乎不依赖于氮气流量，所以可以认为液滴密度受喷嘴的“高度”的影响。即，若喷嘴的高度降低，则相应地使液滴密度变高。
实验使用在表面形成了第一抗蚀图案的第一晶片、和在表面形成了第二抗蚀图案的第二晶片来进行。第二抗蚀图案相比第一抗蚀图案脆弱。第一以及第二图案都是以同宽度即180nm的间隔形成了线宽180nm的线。
所谓“损伤数”是指晶片上的图案倒塌以及图案消失(缺损)的总数。关于损伤数，将在第一晶片为100以下、在第二晶片为1000以下作为是否合格的判定基准。
从图4以及图5的说明可知，二流体喷嘴2的高度越高，清洗面积就越大，相应地，在晶片W表面的液滴密度就越低。另外，用于达成所需要的除去率的氮气流量增多。在第二实施例的喷嘴中，对于将喷嘴的“高度”设为20nm的情况，当应用上述的是否合格判定基准时，结果为不合格的结果(参照表1)。这是推测出：为了提高喷嘴的高度而使液滴密度变小导致异物除去效果不足，为了弥补该效果不足而使氮气流量增多的结果是，损伤变大。因此，可以说，优选喷嘴的高度设为20mm以下，更优选设为10mm以下。进而可以说，氮气流量为每分钟17毫升以下有利于降低损伤。
在比较例中，即使在将二流体喷嘴2的高度下降到6mm的情况下，为了达成50％的除去率所需要的氮气流量也为33升/分钟，此时的液滴直径为33μm，液滴密度为8.06×107个/分钟·mm2。此时，第一晶片的损伤数为103个，第二晶片的损伤数为1115个，对晶片w表面的图案施加有不被允许的损伤。
另一方面，在利用第一实施例以及第二实施例的情况下，即使在将二流体喷嘴2的高度上升到10mm时，为达成50％的除去率所需要的氮气流量也为4～17升/分钟左右，此时的液滴直径分别为20μm、23μm，液滴密度分别为18.42×107个/分钟·mm2、17.08×107个/分钟·mm2。即，由于能够以较少的气体流量得到20μm左右的微小液滴直径，所以不需要提高流量。相应地，在利用第一实施例的情况下，损伤数第二晶片为631个，在利用第二实施例的情况下，损伤数量第一晶片为77个，都在允许范围。
这样，通过使用第一以及第二实施例的二流体喷嘴，从而能将氮气流量抑制在小流量，且能以高密度将小径的液滴供给到晶片W表面，其结果，能够降低对晶片W表面的图案的损伤。当然，也能削减氮气的使用量。
图6A表示液滴密度和第一晶片上的图案损伤数的关系，图6B表示液滴密度和第二晶片上的图案损伤数的关系。由此可知，在液滴密度为108个/分钟·mm2以上的情况下，损伤数变少。进而，在液滴密度小于108个/分钟·mm2的区域(更具体地说，小于1.2×108个/分钟·mm2的区域)，损伤数较大地依赖于液滴密度，相对于此，在液滴密度为108个/分钟·mm2以上的区域(尤其是1.2×108个/分钟·mm2以上的区域)，发现了液滴密度越大损伤数就越少的倾向，但是没有发现大的液滴密度依赖性。换而言之，可以说液滴密度为108个/分钟·mm2以上的区域(尤其是1.2×108个/分钟·mm2以上的区域)，是损伤数的液滴密度依赖性比较小的区域。从图6B所示的参照直线L1、L2可知，在液滴密度小于1.2×108个/分钟·mm2的区域，损伤数的液滴密度依赖性变大，在液滴密度为108个/分钟·mm2以上的区域，损伤数的液滴密度依赖性变小。因此，优选在液滴密度为1.2×108个/分钟·mm2以上的条件下进行异物除去处理。
图7A表示上述比较例中的喷嘴高度和第一晶片的图案损伤数的关系，图7B表示上述比较例中的喷嘴高度和第二晶片的图案损伤数的关系。进而，图8A表示上述第一实施例中的喷嘴高度和第二晶片上的图案损伤数的关系，图8B表示上述第二实施例中的喷嘴高度和第一晶片的图案损伤数的关系。从这些图中可把握这样的关系：当提高喷嘴高度时，清洗面积变宽，相应地，液滴密度表小，其结果，为了弥补清洗能力当增加氮气流量时，损伤数变大。
以上，对本发明一实施方式进行了说明，但是，该发明还可以用其他方式来实施。例如，在上述的实施方式中，以从气体喷出口36旋涡状地喷出氮气的结构的二流体喷嘴为例，但是，从气体喷出口喷出的气体未必需要形成旋涡状的气流。即，即使对使用了二流体喷嘴(例如参照图9)的基板处理装置液也可应用本发明，其中，该二流体喷嘴是从气体喷出口喷出的气体相对从处理液喷出口喷出的处理液从放射方向喷射气体的结构。
另外，可以使用蒸馏水等通过离子交换以外的方法得到的纯水来取代去离子水，能根据目的而使用杂质的种类以及含有量适当的处理液。
从二流体喷嘴2喷出的处理液不限于纯水(清洗液)，也可以是例如蚀刻液。此时，通过二流体喷嘴2来有效地混合蚀刻液和氮气，生成粒径较小的蚀刻液的液滴。由此，不给晶片W带来损伤就能蚀刻晶片W的表面。
另外，由于从气体喷出口36喷出的氮气不向侧方较大地扩展推进，所以能使具有较大动能的蚀刻液的液滴冲撞到晶片W的表面，能有效地蚀刻晶片W的表面。
可以以二流体喷嘴2的中心轴Q和晶片W的法线斜交的姿势来配置二流体喷嘴2，以使得从二流体喷嘴2喷射的纯水的液滴的主要行进方向(旋涡气流的中心轴方向)相对晶片W倾斜。
对本发明的实施方式详细地进行了说明，但是这些只不过是为使本发明的技术内容清楚而使用的具体例，本发明不应该限定于这些具体例来解释，本发明的精神以及范围仅由权利要求数来限定。
本申请对应于2006年1月26日向日本专利局提出的特愿2006-17967号以及2006年10月30日向日本专利局提出的特愿2006-294470号，这些申请的全部公开通过引用而被编入其中。
Claims (17)
1.一种基板处理装置，其特征在于，包括：
基板保持机构，其保持处理对象的基板；
二流体喷嘴，其具有壳体、喷出处理液的液体喷出口以及喷出气体的气体喷出口，该二流体喷嘴向上述壳体内导入处理液和气体，在上述壳体外，将从上述液体喷出口喷出的处理液和从上述气体喷出口喷出的气体混合来形成上述处理液的液滴，将该液滴供给到被保持在上述基板保持机构上的基板的表面，
从上述二流体喷嘴供给的液滴在上述基板表面的密度为每分钟108个/平方毫米以上。
2.如权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，从上述二流体喷嘴供给的液滴在上述基板表面的密度为每分钟1.2×108个/平方毫米以上。
3.如权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，上述气体喷出口形成为包围上述液体喷出口的圆环形状，该圆环形状的气体喷出口的外径为2毫米以上、3.5毫米以下，该圆环形状的气体喷出口的宽度为0.05毫米以上、0.2毫米以下。
4.如权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，还包含气体供给机构，该气体供给机构以每分钟17升以下的流量向上述壳体内供给上述气体。
5.如权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，从上述二流体喷嘴所供给的液滴的体积中值直径为25微米以下。
6.如权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，从上述二流体喷嘴所供给的液滴在基板表面的到达区域的直径为5毫米以上、15毫米以下。
7.如权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，上述二流体喷嘴具有旋涡气流形成部，该旋涡气流形成部安装在上述壳体内的、从气体导入口至上述气体喷出口的气体流路中，用于形成旋涡气流，该旋涡气流包围从上述处理液喷出口沿着处理液喷出口方向所喷出的处理液流。
8.一种基板处理装置，其特征在于，包括：
基板保持机构，其保持处理对象的基板；
二流体喷嘴，其具有壳体、喷出处理液的液体喷出口以及喷出气体的气体喷出口，该二流体喷嘴向上述壳体内导入处理液和气体，在上述壳体外，将从上述液体喷出口喷出的处理液和从上述气体喷出口喷出的气体混合来形成上述处理液的液滴，将该液滴供给到被保持在上述基板保持机构上的基板的表面，
上述气体喷出口形成为包围上述液体喷出口的圆环形状，该圆环形状的气体喷出口的外径为2毫米以上、3.5毫米以下，该圆环形状的气体喷出口的宽度为0.05毫米以上、0.2毫米以下。
9.如权利要求8所述的基板处理装置，其特征在于，上述二流体喷嘴，在向基板供给上述处理液的液滴时，离被保持在上述基板保持机构上的基板的表面隔着小于20毫米的距离而被配置。
10.如权利要求8所述的基板处理装置，其特征在于，还包含控制器，该控制器控制向上述壳体供给的处理液和气体的流量、以及上述二流体喷嘴和上述基板表面之间的距离，以使得从上述二流体喷嘴供给的液滴在上述基板表面的密度为每分钟108个/平方毫米以上。
11.如权利要求10所述的基板处理装置，其特征在于，上述控制器控制向上述壳体供给的处理液和气体的流量、以及上述二流体喷嘴和上述基板表面之间的距离，以使得从上述二流体喷嘴供给的液滴在上述基板表面的密度为每分钟1.2×108个/平方毫米以上。
12.如权利要求8所述的基板处理装置，其特征在于，从上述二流体喷嘴供给的液滴的体积中值直径为25微米以下。
13.如权利要求8所述的基板处理装置，其特征在于，从上述二流体喷嘴供给的液滴在基板表面的到达区域的直径为5毫米以上、15毫米以下。
14.如权利要求8所述的基板处理装置，其特征在于，上述二流体喷嘴具有旋涡气流形成部，该旋涡气流形成部安装在上述壳体内的、从气体导入口至上述气体喷出口的气体流路中，用于形成旋涡气流，该旋涡气流包围从上述处理液喷出口沿着处理液喷出方向喷出的处理液流。
15.一种基板处理方法，其特征在于，包括：
向二流体喷嘴的壳体导入处理液的步骤；
向上述二流体喷嘴的壳体导入气体的步骤；
从上述二流体喷嘴的液体喷出口喷出上述液体，另一方面从上述二流体喷嘴的气体喷出口喷出上述气体，通过将上述液体和上述气体进行混合，从而生成上述处理液的液滴的步骤；
将上述所生成的液滴供给到基板表面，使在该基板表面的液滴密度为每分钟108个/平方毫米以上的步骤。
16.如权利要求15所述的基板处理方法，其特征在于，将上述液滴供给到基板表面的步骤包含使从二流体喷嘴供给的液滴在上述基板表面的密度为每分钟1.2×108个/平方毫米以上的步骤。
17.如权利要求15所述的基板处理方法，其特征在于，向上述二流体喷嘴的壳体导入气体的步骤包含以每分钟17升以下的流量向上述壳体供给上述气体的步骤。
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