JP2003154242A

JP2003154242A - 流体混合装置

Info

Publication number: JP2003154242A
Application number: JP2001359056A
Authority: JP
Inventors: Koichi Okada; 光一岡田; Tomohito Tsuga; 智仁都賀; Manabu Negishi; 学根岸; Takayuki Jizaimaru; 隆行自在丸
Original assignee: Nomura Micro Science Co Ltd; Texas Instruments Japan Ltd
Current assignee: Nomura Micro Science Co Ltd; Texas Instruments Japan Ltd
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-05-27

Abstract

(57)【要約】【課題】流体の混合を小さいスペースで且つ短時間で行
うことができる流体混合装置を提供する。【解決手段】流体混合装置１００は、純水を給送するた
めの分流路１０８，１１０を備えており、一方の分流路
１１０には、純水に二酸化炭素を注入する気体注入装置
１１２が設けられている。分流路１０８，１１０を経て
給送された流体は、共通流路１１４にて合流し、互いに
混合される。共通流路１１４には、局所的に流路断面積
が拡大して流体の攪拌混合を促進する攪拌混合部３００
が設けられている。混合流体の攪拌混合により混合流体
中の気体の溶解を促進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程等においてウエハの洗浄等に用いられる流体を得る
ための流体混合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体装置の製造工程におい
て、半導体ウエハの洗浄には純水が使用される。例え
ば、ウエハにチップを形成する工程（いわゆるウエハ前
処理工程）におけるウエハ・スクラバー工程や、チップ
の組み立て工程（後処理工程）におけるウエハ・ダイシ
ング工程において、異物除去や冷却の目的で電気比抵抗
が高い純水が使用される。

【０００３】ところで、高圧吐出流やブラシの高速回転
による純水の高速流衝突及び発生する気泡破壊による静
電気の発生によって、ウエハに作りこまれた半導体素子
を形成する酸化膜や金属薄膜が静電気放電により破壊す
るという問題がある。このような半導体素子の破壊を防
止する方策としては、純水の電気比抵抗を低下させ、静
電気の発生を抑えることが考えられる。具体的には、例
えば二酸化炭素（ＣＯ₂）ガス又は空気中の二酸化炭素
を純水に溶解させることで電気比抵抗を低下させた、い
わゆる炭酸水を用いる方法が知られている。

【０００４】ここで使用される炭酸水中には炭酸水素イ
オンが解離溶解しているが、この炭酸水素イオンによっ
て電気比抵抗を低くすることができるので、ウエハ上へ
の静電気の帯電を低下させ、静電気放電による半導体素
子の破壊を防止することができる。又、洗浄後の乾燥工
程を経た段階では、ウエハ表面では（炭酸水中に溶解し
ていた）炭酸ガスはガスとして消失し、一切不純物残渣
の痕跡を残さないという利点もある。

【０００５】このような炭酸水を得るための装置は、純
水を第１及び第２の流路に分流し、第２の流路を流れる
純水に二酸化炭素を注入するよう構成されている。更
に、第１の流路を流れる純水と、第２の流路を流れる二
酸化炭素を含有する水とを合流し、混合することによ
り、二酸化炭素が完全に溶解した炭酸水を生成するよう
になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、炭酸水
中の二酸化炭素の濃度が安定するまでには、炭酸水が長
い距離（数ｍ）を流れる必要がある。そのため、合流流
路の長さを短くすることができず、設備の占有スペース
が大きいという問題がある。又、炭酸水中の二酸化炭素
の濃度が安定するまでに５〜１０時間という長時間を要
するため、作業効率が低いという問題もある。

【０００７】従って本発明は、流体の混合を小さい占有
スペースで且つ短時間で行う流体混合装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の流体混合装置は、流体を第１及び第２の流路に
分流するための分流部と、上記第２の流路に流れる流体
の流量を制御する流量制御弁と、上記第２の流路に流れ
る流体に気体を溶解させるための気体溶解部と、上記第
１の流路に流れる流体と上記第２の流路に流れる気体が
溶解された流体とを合流させるための合流部と、上記合
流部で合流された上記第１の流路に流れる流体と上記第
２の流路に流れる流体との攪拌混合を促進するための攪
拌混合部と、上記攪拌混合部から出力される流体中にお
ける溶解された気体の濃度を検出するための検出部と、
を有する。

【０００９】このように、攪拌混合部により、第１及び
第２の流路を経て合流部で合流された流体の攪拌混合を
促進することで、両流体の混合を促進し、流体中の気体
の溶解を促進することができる。これにより、流体の混
合を小さいスペースで且つ短時間で行うことが可能にな
る。

【００１０】又、本発明では、上記攪拌混合部の流路断
面積が直前の流路断面積よりも大きく設定されており、
当該攪拌混合部に、フィルタと、上記混合流体中に溶解
されない気体を外部に排出するための排出部とが設けら
れていることが好ましい。

【００１１】更に、本発明では、上記流体が純水であ
り、上記気体が二酸化炭素であることが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図示した一実施形態に基い
て本発明を詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係
る流体混合装置１００を含む流体供給システム１０２の
基本構成を示す図である。この流体供給システム１０２
は、半導体装置の製造プロセスにおけるウエハの洗浄水
等として用いられる炭酸水（二酸化炭素を純水に溶解し
たもの）を供給するためのものである。この流体供給シ
ステム１０２は、純水を給送する純水給送装置１０４
と、この純水給送装置１０４に接続された流路１０６
と、この流路１０６を介して給送された純水を二系統に
分けて給送するための第１及び第２の分流路１０８，１
１０と、第２の分流路１１０に接続された気体注入装置
（溶解部）１１２と、分流路１０８，１１０を流れる各
流体を合流して混合する共通流路１１４とを備えてい
る。第２の分流路１１０の上流側には、流路１０６から
第２の分流路１１０に流入する流量を制御する流量制御
弁１２０が設けられている。この流量制御弁１２０によ
り、第１の分流路１０８を流れる純水の流量と、第２の
分流路１１０を流れる純水の流量との比が変化するよう
になっている。尚、流路１０６，分流路１０８，１１０
および共通流路１１４は、円形断面を有していてもよい
し、他の断面形状を有していてもよい。

【００１３】気体注入装置１１２は、外管２０２と内管
２０４とからなる二重管を有している。内管２０４は、
第２の分流路１１０に接続されており、第２の分流路１
１０から純水が流入するようになっている。図２に拡大
して示すように、外管２０２は、内管２０４の外側に所
定の隔間を隔てて設けられている。内管２０４の隔壁
は、気体（二酸化炭素）を透過させ、液体を透過させな
い材質で構成されている。これに対し、外管２０２の隔
壁は、気体も液体も透過させない材質で構成されてい
る。尚、外管２０２の長手方向両端は、図示しない部材
によって封止されている。図１に示したように、外管２
０２には、二酸化炭素ガスを蓄えたボンベ１２４が、給
気管１２２を介して接続されている。給気管１２２に
は、外管２０２への二酸化炭素ガスの供給量を調節する
ためのレギュレータ１２６が取り付けられている。又、
外管２０２には、この外管２０２を通過した二酸化炭素
を排気するための排気管１２８が取り付けられている。
排気管１２８の先端には、逆止弁１３０が設けられてい
る。

【００１４】この気体注入装置１１２では、ボンベ１２
４から供給された二酸化炭素ガスが、外管２０２の内部
（すなわち内管２０４の外側）を流れ、排気管１２８か
ら排出される。このとき、内管２０４の外側を流れる二
酸化炭素ガスが、内管２０４の隔壁を透過して、内管２
０４の内部を流れる純水に注入される。このようにして
二酸化炭素が注入された純水は、第２の分流路１１０を
通って共通流路１１４に向かう。

【００１５】共通流路１１４では、第１の分流路１０８
を通って給送された純水と、第２の分流路１１０を通っ
て給送された二酸化炭素を含有する水とが合流し、互い
に混合される。ここで生成される混合流体は、二酸化炭
素が溶解した水（炭酸水）となる。

【００１６】共通流路１１４には、混合流体の電気比抵
抗値を検出する検出装置１１８が設けられている。電気
比抵抗値は、二酸化炭素の濃度によって変化するもので
ある。検出装置１１８は、共通流路１１４において、炭
酸水中の二酸化炭素の濃度が安定する位置に配置され
る。検出装置１１８の検出値は、図示しないコントロー
ラに入力される。このコントローラは、作業者が電気比
抵抗値の検出値を確認し、手動にて流量制御弁１２０を
駆動制御して分流路１０８，１１０における流量比を変
化させるようになっている。第２の分流路１１０におけ
る流量を多くすれば、共通流路１１４における混合流体
中の二酸化炭素の濃度が増加し（すなわち電気比抵抗値
が減少し）、第２の分流路１１０における流量を少なく
すれば、共通流路１１４における混合流体中の二酸化炭
素の含有量が減少する（すなわち電気比抵抗値が増加す
る）。

【００１７】本実施の形態に係る流体混合装置１００
は、図１に一点差線で示したように共通流路１１４に設
けられるものであり、分流路１０８を経て給送された純
水と、分流路１１０を経て給送された二酸化炭素を含む
純水とを合流させ、混合するものである。

【００１８】図３は、本実施の形態に係る流体混合装置
１００を示す図である。共通流路１１４において図中右
側には、分流路１０８，１１０が結合されている。この
結合部分は、分流路１０８を経て給送された純水と、分
流路１１０を経て給送された二酸化炭素を含有する水と
が合流する部分（合流部３０２とする。）である。この
合流部３０２の下流側には、局所的に流路断面積が拡大
する領域である攪拌混合部３００が設けられている。こ
の攪拌混合部３００は、内部を流れる混合流体を攪拌
し、不規則性を与えることによって二酸化炭素の混合流
体への溶解を促進し、濃度の早期安定化及び均一化を図
るものである。攪拌混合を確実に発生させるためには、
攪拌混合部３００の流路断面積は、その上流側の共通流
路１１４に対し、不連続的に大きくなるよう構成されて
いることが好ましい。尚、ここでは、攪拌混合部３００
は、合流部３０２よりも僅かに下流に設けられている
が、合流部３０２に設けてもよい。

【００１９】更に、攪拌混合部３００の内部には、フィ
ルタ３０４が設けられている。フィルタ３０４は、混合
流体の攪拌混合を促進する作用のほか、混合流体中に溶
解していない気泡が存在する場合、その溶解を促進し、
下流側に流れるのを抑制する作用を有する。図３に示し
た例では、フィルタ３０４としては、多数の細孔を平面
的に配置した平板型フィルタを用いており、流れの方向
に沿って複数枚のフィルタ３０４を配置している。又、
攪拌混合部３００の上面には、フィルタ３０４を通過で
きずに滞留した未溶解の気泡を除去するための開口部で
ある排出口３０６が形成されている。

【００２０】この攪拌混合部３００を設けたことによ
り、検出装置１１８を、合流部３０２の比較的近傍に設
けることができる。これは、攪拌混合部３００において
混合流体が攪拌混合され、二酸化炭素の溶解が促進され
ることから、短い距離で二酸化炭素の含有量が安定する
ためである。

【００２１】次に、本実施の形態の流体混合装置１００
を用いた流体供給システム１０２の動作について説明す
る。ここでは、第２の分流路１１０の流量制御弁１２０
及び気体注入装置１１２のレギュレータ１２６は、それ
ぞれ予め定められた値に設定されているものとする。純
水給送装置１０４から給送された純水は、流路１０６を
経由して第１及び第２の分流路１０８，１１０に流入す
る。第１の分流路１０８を流れた純水は、そのまま共通
流路１１４に達する。一方、第２の分流路１１０を流れ
る純水は、気体注入装置１１２による二酸化炭素の注入
を受けたのち、共通流路１１４に達する。共通流路１１
４では、純水と、二酸化炭素を含有する水とが合流し、
混合流体となる。この混合流体は、共通流路１１４の攪
拌混合部３００及びそのフィルタ３０４を通過すること
により十分攪拌混合される。これにより、混合流体にお
ける二酸化炭素の溶解が促進される。混合流体において
溶解しない二酸化炭素の気泡は、フィルタ３０４によっ
て進行を妨げられ、排出口３０６から外部に排出され
る。混合流体は、二酸化炭素気体が完全に溶解し、しか
もその溶解状態が安定した状態で検出装置１１８に流入
し、そこで混合流体の電気比抵抗値が測定される。

【００２２】検出された電気比抵抗値が許容範囲よりも
小さい場合には、流量制御弁１２０を増加方向に操作
し、第２の分流路１１０の流量を増加させる。一方、電
気比抵抗値が許容範囲よりも大きい場合には、流量制御
弁１２０を減少方向に操作し、第２の分流路１１０の流
量を減少させる。検出装置１１８による電気比抵抗値の
検出と、流量制御弁１２０による流量調節とを繰り返す
ことにより、所望の電気比抵抗値を有する混合流体が得
られる。このようにして得られた混合流体は、共通流路
１１４の排出口１１６を介して、ウエハの洗浄装置等に
供給される。二酸化炭素が溶解された炭酸水は、その電
気比抵抗値を純水に比べて低下させることができるの
で、ウエハ上に帯電する静電気を効率よく逃がすことが
できる。従って、ウエハ上に形成された半導体素子の静
電気による破損を防止することができる。

【００２３】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、共通流路１１４に攪拌混合部３００を設け、攪拌混
合して気体の溶解を促進するようにしたので、気体の溶
解濃度が安定するまでの時間を短縮するとともに、合流
部３０２から検出センサまでの距離を短縮することがで
きる。これにより、設備を小型化することができると共
に、半導体装置の製造工程における作業効率が向上す
る。

【００２４】特に、攪拌混合部３００にフィルタ３０４
を設けることにより、気体の溶解をより一層促進するこ
とができ、且つ、未溶解気泡を下流に長さないようにす
ることができる。加えて、攪拌混合部３００に気体抜き
用の排出口３０６を設けることで、未溶解気泡を効率よ
く除去することができる。

【００２５】ここで、攪拌混合部３００としては、図４
に一例を示すフィルタハウジングを用いることも可能で
ある。図４に示したフィルタハウジング４００は、略円
筒状の外容器４０２を有し、その長手方向における一端
部（図中上端部）に流入口４０４と排出口４０６とを備
えている。外容器４０２の内部には、円筒形状のフィル
タ４１０が設けられている。このフィルタ４１０は、内
径が例えば０．２μｍの細孔を多数有するものであり、
外容器４０２の内側に突設されたボス４１２，４１４に
よって支持されている。外容器４０２には、更に、フィ
ルタ４１０の内側と排出口４０６とを連通するための連
通孔４０８が形成されている。フィルタ４００の流入口
４０４から流入した混合流体は、フィルタ４１０を外側
から内側に通過したのち、連通孔４０８及び排出口４０
６を介して、共通流路１１４に排出される。フィルタ４
１０を通過することで混合流体が攪拌混合され、混合流
体中の気体の溶解を促進することができる。

【００２６】

【実施例】次に、本実施の形態の実施例について説明す
る。実施例として、図１に示した流体供給システム１０
２を用いて炭酸水を作成した。攪拌混合部３００として
は、図４に示したフィルタハウジング４００を用いた。
フィルタハウジング４００の内容積は１．２Ｌ（リット
ル）とし、フィルタ４１０の細孔径は０．２μｍとし
た。共通流路１１４の内径は、１２．７ｍｍとした。純
水給送装置１０４からの吐出量は１〜５Ｌ／ｍｉｎとし
た。流量制御弁１２０は、第１の分流路１０８における
流量と第２の分流路１１０における流量との比が１０：
１となるように設定した。純水給送装置１０４における
吐出圧力は１．５ｋｇ／ｃｍ ²とし、レギュレータ１２
６における二酸化炭素の圧力は０．３ｋｇ／ｃｍ²とし
た。

【００２７】以上の条件において、共通流路１１４を流
れる混合流体の電気比抵抗値を検出装置１１８で検出
し、その電気比抵抗値が安定するまでの時間を測定し
た。又、電気比抵抗値が安定するまでに必要な距離、す
なわち合流部３０２と電気比抵抗値の検出位置との最短
距離Ｌを測定した。これらの測定結果を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】更に、ここで得られた混合流体を用いて、
ウエハ前処理工程における高圧水流によるスクラバー洗
浄中のウエハに帯電する静電気量を測定した。更に、上
記洗浄後に実際に製造されている２４枚のウエハについ
て半導体集積回路チップ中の層間絶縁酸化膜の静電気に
よる平均破壊発生箇所数（個／ウエハ）を顕微鏡による
目視検査により調べ、モニター用に予め作り込まれたキ
ャパシタによる酸化膜の絶縁耐圧（Ｖ）を測定した。こ
れらの結果も表１に併せて示す。尚、歩留まりについて
は、上記ウエハから実際に製造された半導体集積回路チ
ップの電気的諸特性検査合格率を従来工程（後述する比
較例２）と比較したときの差分（％）で表した。

【００３０】一方、比較例１として、攪拌混合部３００
を有さない（すなわちフィルタハウジング４００を有さ
ない）流体供給システムを用いて炭酸水を製造した。こ
の比較例１についても、電気比抵抗値が安定するまでの
時間（分）・距離（ｍ）、電気比抵抗値、ウエハへの静
電気帯電量（ＫＶ）、静電気放電による酸化膜破壊発生
箇所数（個／ウエハ）、酸化膜の絶縁耐圧特性（Ｖ）及
び歩留まり（％）をそれぞれ測定した。測定結果を表１
に併せて示す。

【００３１】更に、比較例２として、純水（二酸化炭素
を含まないもの）を用いてスクラバー洗浄を行った半導
体チップについて、ウエハへの静電気帯電量（ＫＶ）、
静電気放電による酸化膜破壊発生箇所数（個／ウエ
ハ）、酸化膜の絶縁耐圧特性（Ｖ）及び歩留まり（％）
をそれぞれ測定した。測定結果を表１に併せて示す。

【００３２】表１に示したように、電気比抵抗値が安定
するまでの時間は、比較例１では３００〜６００分であ
るのに対し、本実施例では１０分であった。すなわち、
実施例によれば、電気比抵抗値が安定するまでの時間を
大幅に（１／３０以下に）短縮できることが分かった。
更に、電気比抵抗値が安定するまでの距離は、比較例１
では２．０ｍであるのに対し、本実施例では０．５ｍで
あった。すなわち、実施例によれば、検出装置１１８
を、合流部３０２により近い位置に設けることができる
ことが分かった。このように、本実施例では、攪拌混合
部３００により混合流体中の二酸化炭素の溶解を促進す
るようにしたことにより、電気比抵抗値が安定するまで
の（すなわち二酸化炭素濃度が安定するまでの）距離及
び時間を大幅に短縮することができることが分かった。

【００３３】又、炭酸水を用いてスクラバー洗浄を行っ
た本実施例及び比較例１では、純水でスクラバー洗浄を
行った比較例２に比べて、ウエハへの静電気帯電量が小
さく、静電気放電による酸化膜破壊発生箇所も少なく、
且つ、酸化膜の絶縁耐圧特性も良好で歩留まりも高いこ
とが分かった。これは、電気比抵抗値の低い炭酸水を用
いたことにより半導体ウエハへの静電気の帯電が大幅に
減少し、これにより絶縁用酸化膜や金属薄膜等の静電破
壊特性が向上したことによるものである。

【００３４】以上、本発明の一実施形態を図面に沿って
説明した。しかしながら本発明は上記実施形態に示した
事項に限定されず、特許請求の範囲の記載に基いてその
変更、改良等が可能であることは明らかである。例え
ば、混合される流体は、純水や、二酸化炭素を含有した
水に限らず、他の流体であってもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、合流部に攪
拌混合部を設け、流体の攪拌混合を促進するようにした
ので、流体中の気体の溶解濃度が安定するまでの距離及
び時間を短縮することができる。これにより、流体の混
合を小さいスペースで且つ短時間で行うことが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態の流体混合装置が適用される流体
供給システムの構成図である。

【図２】図１に示した流体供給システムにおける気体注
入装置を拡大して示す図である。

【図３】本実施の形態の流体混合装置を拡大して示す図
である。

【図４】攪拌混合部として用いられるフィルタハウジン
グの一例を示す図である。

【符号の説明】

１００流体混合装置１０２流体供給システム１０４純水給送装置１０８，１１０分流路１１２気体注入装置１１４共通流路１１８検出装置１２０流量制御弁１２４ボンベ１２６レギュレータ２０２外管２０４内管３００攪拌混合部３０２合流部３０４フィルタ３０６排出口４００フィルタハウジング４０２外容器４０４流入口４０６排出口４０８連通孔４１０フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡田光一茨城県稲敷郡美浦村木原2350 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社内 (72)発明者都賀智仁茨城県稲敷郡美浦村木原2350 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社内 (72)発明者根岸学茨城県稲敷郡美浦村木原2350 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社内 (72)発明者自在丸隆行神奈川県厚木市岡田２丁目９番８号野村マイクロ・サイエンス株式会社内Ｆターム(参考） 4G035 AA01 AB04 AC26 AE01 AE13 4G037 BB06 BC04 BD10 EA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体を第１及び第２の流路に分流するた
めの分流部と、上記第２の流路に流れる流体の流量を制御する流量制御
弁と、上記第２の流路に流れる流体に気体を溶解させるための
気体溶解部と、上記第１の流路に流れる流体と上記第２の流路に流れる
気体が溶解された流体とを合流させるための合流部と、上記合流部で合流された上記第１の流路に流れる流体と
上記第２の流路に流れる流体との攪拌混合を促進するた
めの攪拌混合部と、上記攪拌混合部から出力される流体中における溶解され
た気体の濃度を検出するための検出部と、を有する流体
混合装置。
【請求項２】上記攪拌混合部の流路断面積が直前の流
路断面積よりも大きく設定されており、当該攪拌混合部
に、フィルタと、上記混合流体中に溶解されない気体を
外部に排出するための排出部とが設けられている請求項
１記載の流体混合装置。
【請求項３】上記流体が純水であり、上記気体が二酸
化炭素である請求項１又は２に記載の流体混合装置。