JP2006247619A - ２流体ノズル及び洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 噴射用ガスの使用量を減らすと共に、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にして、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去できるようにする。
【解決手段】 ２流体ノズルを、ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造で構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置に関し、例えば、半導体ウエハや半導体マスク等に付着した不純物を洗浄するために使用する２流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置に関する。

半導体製造工程において、シリコンウエハやフォトマスク等に付着した異物を除去する方法として、高圧ジェット洗浄やメガソニック洗浄を用いる方法が知られている。また、ジェットノズル内部に加圧したガスと液体とを混合する混合部を持ち、ここで発生させた微細な液滴をシリコンウエハ等に噴射して異物を高効率で洗浄し、かつ、ウエハ表面に設けられているパターン等の損傷を防ぐ２流体ジェット洗浄が知られている（特許文献１参照）。さらには、加圧したガスが液体を取り囲む渦巻き気流を形成するように構成されているものも知られている（特許文献２）。

また、洗浄対象物に噴射する液滴の液滴径を均一にするための技術も知られている（特許文献３）。さらに、圧力を安定させて均一な液滴を供給するとともに噴射用ガスの使用量を抑えるために、ノズル内部に液体とガスのバッファ室を有する２流体ノズルを用いる洗浄方法が知られている（特許文献４参照）。
特許３３１５６１１号 特開２００４−３５６３１７号 特開２００２−２０８５７９号 特開２００３−１４５０６４号

しかし、高圧ジェット洗浄の場合は、半導体基板等に付着した１．０μｍ以下の異物粒子に対する除去率が低く、また、メガソニック洗浄の場合は、半導体基板等に対する物理的な力の影響が非常に大きいため、ＬＳＩやＭＥＭＳなどの微小構造体のパターンを有している基板を損傷してしまうという問題がある。

また、洗浄対象物に液滴（ミスト）を噴射する際に、噴射口で渦巻き気流となるようにガスを加速する場合や、加速管等を用いてガスを加速する場合には、加速するための大量の噴射用ガスが必要となり、コストが増えるという問題がある。また、この場合には、２流体ノズル内部に加速管を配設する必要があるため、ノズル自体が大きくなり、その結果、洗浄装置全体が大きくなるという問題がある。

また、液滴を発生させるための液体を供給する配管が、噴射用ガスの流れを妨げるように配置されている場合には、ガスが全体的に均一な圧力で液体と接することができないため、液滴の径の均一化を図ることができず、その結果、大きな液滴が発生して洗浄対象物であるウエハ基板に損傷を与えてしまうという問題がある。

さらに、２流体ノズル内部に液体とガスのバッファ室を設ける構成とすると、構造上の理由から、バッファ室から液滴噴射口までの間に開閉バルブを設けることができないため、バッファ室内の残留圧力の影響により、液滴の供給・停止の制御を正確に行うことが難しくなるという問題がある。

本発明は、上述の点を考慮し、液滴で被洗浄物を洗浄する際に使用する噴射用ガスの量を減らすとともに、微細で均一な液滴を形成することができる２流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置を提供するものである。

本発明に係る２流体ノズルは、回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生するものである。
本発明に係る２流体ノズルは、ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とを具備した構成である。

好ましくは、ガス流通路は、内部材と外部材により形成され、この外部材に前記スパイラル構造が設けられていることが適当である。
さらに好ましくは、スパイラル構造の頂点部と内部材との間に空間を有していることが適当である。
さらに好ましくは、スパイラルの直径が、混合部へ向けて小さくなることが適当である。

本発明に係る洗浄装置は、回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生する２流体ノズルとを具備した構成である。
さらに好ましくは、２流体ノズルを、被洗浄物の表面に対して角度を有するように設けることが適当である。

本発明に係る洗浄装置は、ガスと液滴とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とからなる２流体ノズルとを具備した構成である。

本発明の２流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置では、噴射用ガスの量を減らすことができる。また、微細で均一な液滴を形成できるので、洗浄対象物に損傷を与えることなく、効率よく洗浄対象物から異物を除去することができる。

本発明に係る２流体ノズルによれば、噴射用ガスの速度を加速して速くすることができるので、噴射用ガスの使用量を少なくすることができる。また、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にできるので、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去することができる。

本発明に係る洗浄装置によれば、噴射用ガスの速度を加速して速くすることができるので、噴射用ガスの使用量を少なくすることができる。また、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にできるので、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去することができる。
また、本発明に係る洗浄装置によれば、ノズルから噴射される液滴の速度を最大にして、洗浄物表面に付着している異物等を除去することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る２流体ノズル１の概略構成の断面を示したものである。
図１に示すように、２流体ノズル１は、内部材としてのインナーケース２と外部材としてのアウターカバー３とから構成されている。インナーケース２を覆うようにアウターカバー３を設けることで、インナーケース２とアウターカバー３の間には、空間としてのガス流通路６が形成されている。アウターカバー３の内周面及び外周面は、インナーケース２の外周面と平行になるように、すなわちインナーケース２の円錐台形の周面に沿うように形成されている。ガス流通路６には、ガスを供給するためのガス供給口５と、ガスと液体とを混合する混合部１０が設けられている。

インナーケース２には、液体を供給するための液体供給口７と、液体供給口７から延びるように液体通路部８が形成され、この液体通路部８の先端に液体を放出するための液体流出口９が設けられている。液体流出口９の先には、ガスと液体とを混合する混合部１０が存在する。また、液体通路部８は、インナーケース２の中心軸上に設けられている。インナーケース２は、頂部が混合部１０に位置するような円錐台形状を有している。なお、インナーケース２の形状は、円錐台形に限らず、同心円からなる形状であって、混合部１０へ向けて、その半径が同一半径を含む単調減少する形状であればよく、例えば、テーパーを有する形状のものであればよい。

アウターカバー３の内側には、ガス流通路６に面して、スパイラル山部４ａとスパイラル溝部４ｂからなるスパイラル形状が連続するスパイラル構造４が設けられている。ガス流通路６は、スパイラル山部４ａの頂点部とインナーケース２の外周面部との間にできる空間部１１ａと、スパイラル溝部４ｂの空間部１１ｂとで構成される微小な空間によって形成されている。すなわち、ガス流通路６の間隔１１は、空間部１１ａと空間部１１ｂの間隔を足し合わせたものになる。

なお、スパイラル構造４は、インナーケース２側に設けてもよい。また、スパイラル構造は、インナーケース２とアウターカバー３の両方に設けてもよいが、この場合には、インナーケース２とアウターカバー３に設けられたそれぞれのスパイラル山部４ａの頂点が互いに重ならないように、スパイラル構造を設ける必要がある。

また、スパイラル形状の溝の数は、複数本に限らず、１本であってもよい。さらにスパイラルの数は、ガス流通路６の途中で増加、減少させてもよい。さらに、スパイラル溝部４ｂの断面形状は、三角形に限らず、半円形、楕円形、長円形、多角形状であってもよい。また、スパイラル形状の溝のピッチ幅は、一定である必要はなく不等間隔にしてもよい。例えば、スパイラル形状の溝のピッチ幅は、混合部１０に向かって狭くなるように形成することができる。

ガス流通路６の断面積ｅを求める場合には、ある一つのスパイラル山部４ａの頂点部から隣接するスパイラル山部４ａの頂点に至るまでのスパイラル軌跡に沿った断面積を求める必要があるが、本実施の形態では、図１に示すように、一つのスパイラル山部の頂点部４ａからインナーケース２の中心軸方向へ垂線を下ろした際に形成される断面積を、ガス流通路６の断面積ｅと定義する。なお、ガスの流速を高めるために、ガス流通路６の断面積ｅが、混合部１０へ近づくにつれて小さくなるように構成してもよい。

さらに、ガスを回転させるために、インナーケース２もしくはアウターカバー３のいずれか一方を回転させるようにしてもよい。また、インナーケース２及びアウターカバー３を同時に回転させるようにしてもよい。この場合には、回転させる部材にガスを回転させるための効果的な突起を設けることが望ましい。

図２は、図１に示すＸ−Ｘ線で２流体ノズル１を切断した際の概略断面図である。
図２ａに示すように、ガス供給口５は、ガス流通路６内に供給された窒素（Ｎ_２）ガスが回転する方向と反対方向に延長した部分に設けられている。ガス供給口５を設ける箇所は、２箇所に限られず、１箇所以上複数個所に設けてもよい。また、図２ｂに示すように、ガス供給口５は、ガス流通路６内に供給されたガスが回転する方向と垂直な方向の位置に設けてもよい。

次に、図３〜図８に基づいて、本実施の形態に係る２流体ノズル１の動作について説明する。
２流体ノズル１に供給されたガスは、図３に示すようにスパイラル形状４に到達するガスｇ１とインナーケース２の円錐台形状の表面に沿って流れるガスｇ２に分かれる。なお、噴射用のガスとしては、窒素ガスに限らず、不活性ガスや反応性の低いガスを用いてもよい。

スパイラル形状に到達したガスｇ１は、図に示す矢印ｇ１’のようにスパイラル形状に設けられたスパイラル溝部４ｂに沿って流れ、スパイラルの溝に沿った円周方向の速度成分を得る。一方、インナーケース２の円錐形状の表面に沿って流れるガスｇ２は、供給された際に与えられた円周方向の速度成分を保ったまま円錐部に到達するが、ガスの粘性によって、スパイラル溝部４ｂを円周方向の速度を持って流れるガスｇ１の影響を受けることで回転する速度が増し、円周方向の速度成分を強めながら、かつ、ノズル先端方向へ向かう速度成分は維持したまま、混合部１０に導かれる。なお、本実施の形態では、ガスと液体がノズルの内部で混合される内部混合形状としたが、混合部分は、内部混合および外部混合どちらであってもよい。

次に、図４を用いて、ガスｇ２の速度が、ガスｇ１の影響を受けることによって加速される理由を詳細に説明する。
図４は、２流体ノズルの一部を構成する同心二重円管５０の構造を示す斜視図である。同心二重円管５０は、同じ中心軸を持つ内管５１と外管５２によって構成されている。ここでは、中心軸から外管５２までの距離をａ、中心軸から内管５１の周面までの距離をｂとし、中心軸から所定の距離を隔てた位置をｒとする。また、スパイラル溝部の深さ、すなわちスパイラル山部の高さをＤとし、隣接して設けられているスパイラル山部の頂点の距離（ピッチ間）をＬとする。二重円管５０の内部に示された矢印ｇ１は、スパイラル構造により回転されるガスの流れを示し、矢印ｇ２は、二重円管内を直進するガスの流れをしめす。

図５は、図４に示す二重円管５０を切断した際の断面図である。同心二重円管５０は、スパイラル構造４を有さない部分Ａと、スパイラル溝４を有している部分Ｂとから構成されている。
同心二重円管のスパイラル構造が存在しない部分Ａにおける流速分布uは、一般的に円管内の中心線から距離をr（b<r<aの範囲で変動）とすると以下の数１で表されることが知られている。

ここで、μは液体の粘性、dP/dxは定数である。
上記の式はuとrの放物線の２次関数であり、この式から同心二重円管内の流速分布uは、図４に示す点、c、c’、c”に示すような分布となり、スパイラル山部の頂点付近（線分A-A’）を境に内周部は配管の中心線方向に流れ、外周部はスパイラル構造によって決定された角度θにしたがって回転しながら吐出口に向かって進んでいく。

また、さらに式(1)をrについて微分し解き、軸方向最大となる条件を求めると下記の数２に示すrの値を得ることができる。

これはrがこの値を取る部分で同心二重円管内では最も速い流速（u_maxとする）となることを示している。

次に、同心二重円管５０のスパイラル構造が存在する部分Ｂについて、スパイラル部分を通って流れる流体と内側の管に沿って流れる流体の境界部分でそれぞれの流体のすべり面が発生しない場合（一体化して流れる場合、つまり、流体が配管内をきれいに旋回しながら流れる場合）を考える。
同心二重円管には、隣り合うスパイラル山の間隔（ピッチ）がＬで、外側の配管内壁から高さＤのスパイラル山部を有するスパイラル構造が形成されている。
スパイラル山部の頂点付近において、中心軸に沿った方向の速度成分uで流体が流れるとすると、距離Ｌの間隔を流れる間に中心線からの半径a−Dのスパイラル構造にしたがって流体は１周しなければならない。この場合、中心軸に直角な回転速度成分ωは、下記の数３で表される。

スパイラル山部の頂点付近では、中心軸方向に進む流れの速度成分uと、スパイラル形状によって発生する円周方向の流れの速度成分ωによって合成された速度v_xが発生する。速度v_xは、下記のような数４で表される（図４（ｂ）参照）。

数１と数３の両式から、数５が導かれ、スパイラル山部の高さＤとした時のその山近傍の流体の速度を見積もることができる。

ここでスパイラル山部の高さDが小さすぎると数1の流速分布の式からも判るようにスパイラルの溝の山付近の流速uが小さくなり、数3より同時にωも小さくなる、そのため、uとωの合成速度が得られたとしても、スパイラル構造がない場合の数１および数２で決まる、管内の流体の最大速度u_maxより速度の絶対値が小さくなり、流体の速度を向上させる効果がない。Dが大きすぎても同じ理由から流速を高めることができない。これらを踏まえてスパイラル構造の利点を生かし流体を加速するための最適な溝の深さは、数２で決まるrの半径のところから外側にスパイラル山部が形成されている場合である。また、少なくとも流体の速度を向上させるスパイラル山部の高さは、数５で得られたv_x>u_maxになるようなrの値の範囲に設定すればよいことが解る。
なお、同心二重円管５０の寸法a、bが同じでも、使用する流体の粘性により最適なスパイラル山部の高さは変化していくが、粘性を持つすべての流体において前述した方法で最適値を算出することができる。

次に、ガス流通路６の間隔１１とスパイラル山部１１ｂの間隔との関係を考察し、最適なガス流通路６の構成を求める。
図６ａは、図３に示した２流体ノズル１を示す。また、図６ｂは、図６ａに示された２流体ノズル１をＹ−Ｙ線に従って切断したものである。切断面Ａは、共通の垂線で、平行に配置されたインナーケース２の外周面とアウターケース３の内壁面を切断したものである。 この切断面Ａは、図５に示した同心二重同心円管５０を垂線で切断したものと同じ関係となっている。

図６ｂに示すように、インナーケース２の中心軸からインナーケースの外周面までの距離（同心円内径）をＡ３、インナーケースの中心軸からスパイラル山部４ａの頂点列までの距離をＡ２、インナーケース２の中心軸からアウターカバー３の内壁面までの距離（同心円外径）をＡ３とすると、ガス流通路６の間隔１１は、Ａ１（同心円外径）−Ａ３（同心円内径）で求められる。ガス流通路６の間隔１１と、スパイラル山部４ａの高さ、すなわちスパイラル溝部４ｂの高さ１１ｂとの最適な関係を求めることによって、ガスｇ２の直進成分が通過する空間部１１ａの最適な間隔も求めることができる。

ここで、２流体ノズル１の内径Ａ３と外径Ａ１の差、すなわちガス流通路６の間隔１１が2.5〜5[mm]となるように、同心円外径Ａ１の半径 を12.5[mm]〜30[mm]の範囲で、同心円内径Ａ３の半径を10[mm]〜27.5[mm]の範囲で設定し、２流体ノズル１を構成する。
ここで、ガス流通路６の間隔１１が5[mm]の時、この差の値を100とすると、スパイラル溝部４ｂの間隔１１ｂは、30〜70が最適の範囲となる。また、ガス流通路６の間隔１１が3[mm]の時、この差の値を100とするとスパイラル溝部４ｂの間隔１１ｂは、37〜64が最適の範囲となる。さらに、ガス流通路６の間隔１１が2.5[mm]の時、この差の値を100とすると、スパイラル溝部４ｂの間隔は40〜62が指摘の範囲となる。

上記のようにガス流通路６の最適な間隔１１とスパイラル溝部４ｂの間隔１１ｂ（溝の高さＤ）の最適範囲は、インナーケース２の外周面とアウターカバー３の内壁面の差、すなわち外径と内径の半径、すなわちガス流通路６の間隔１１によってのみ定まる。したがって、外径の半径が30[mm]、内径の半径が25[mm]の場合も、外径の半径が15[mm]、内径の半径が10[mm]の場合も、ガス流通路６の間隔１１は同じ5[mm]となるので、スパイラル山部４ａの高さ１１ｂの最適な範囲は同じとなる。すなわり、スパイラル山４ａの高さ１１ｂ（スパイラル溝４ｂの深さ）は、二重同心円を形成するインナーカバー２とアウターカバー３で形成するガス流通路６の間隔１１の３０％〜７０％となるように形成すればよい。

なお、上記のデータからも明らかなように、ガス流通路６の間隔１１が大きくなれば、スパイラル山４ａの高さ１１ｂの適用範囲は広くなるが、２流体ノズル１の外径を決める際には、２流体ノズル自体の大きさを小さくする必要があること、インナーケース２はテーパー形状とする必要があること、インナーケース２におけるガス供給口５側の半径と混合部１０側との半径の差をつける必要があることなどを考慮して、２流体ノズル１の外径は所定の範囲内にする必要がある。

図７に示すように、スパイラル構造４を有していない２流体ノズル１’において、インナーケース２の中心軸とアウターカバー３の内壁面との距離をガスの回転半径ｒと定義する。気体の密度ｍ（一定として）、ガス供給口側５での回転の接線方向速度V₀、その部分での回転半径r₀、混合部１０側における回転の接線方向速度V₁、回転半径r₁とすると、角運動量保存の式（角運動量Ｉ＝ｍｒｖ：[質量（気体の密度）]×[回転半径]×[（接線方向）速度]）により、下記の数６の関係となり、回転の接線方向の速度が回転半径の比に応じて加速され、r₀＞r₁の場合、混合部１０側の回転の接線方向の速度V₁が、ガス供給口５側での回転の接線方向速度V₀よりも速くなる。

同様に、図８に示すように、スパイラル構造４を有している２流体ノズル１において、
ガスの回転半径ｒ’を、インナーケース２の中心軸とスパイラル山部４ａの頂点との距離とする。
この場合、インナーケース２のガス供給口側５での回転の接線方向速度V₀’、その部分での回転半径r₀’、混合部１０側における回転の接線方向速度V₁’、回転半径r₁’すると、運動量保存の法則により、下記の数７の関係となり、
となり、r₀’＞r₁’の場合、混合部１０側の接線方向の速度V₁’がガス供給口５側での回転の接線方向速度V₀’よりも速くなる。

本実施の形態のインナーケース２は、その直径が混合部１０へ近づくにつれて小さくなるようなテーパー形状を有しており、アウターカバー３は、インナーケース２に沿うように形成されているので、回転半径の関係はr₀’＞r₁’となる。したがって、回転方向に速度を持つガスｇ１の速度は、混合部１０へ近づくにつれて速くなる。

従って、本実施の形態に係る２流体ノズル１によれば、混合部１０においてガスの直進速度成分と回転速度成分のベクトル和で表される速度でガスが噴出することとなり、スパイラル構造４がない場合に比較して、回転成分が加わる分だけガスの流速を高めることができる。また、加速されて速度が速くなった窒素ガスｇ１、ｇ２は、混合部１０において、インナーケース２の液体流出口９から放出される液体と側面方向から接触し、液体を液滴（ミスト）にするので、均一な径を有する液滴を発生させることができる。また、発生した均一な径の液滴をウエハ上の異物粒子に衝突させることにより、異物粒子をウエハ表面から除去することができる。

図９は、本発明の他の実施の形態に係る２流体ノズル３１の概略構成を示したものである。
図９に示すように、２流体ノズル３１は、内部材としてのインナーケース３２と外部材としてのアウターカバー３３とから構成されている。インナーケース３２とアウターケース３３との間にはガス流通路６が形成されており、ガス流通路６にはガス供給口５と混合部１０が設けられている。インナーケース３２には、液体供給口７と、液体通路部８と、液体流出口９が設けられ、液体流出口９の先には混合部１０が存在する。

インナーケース３２は、一定の長さでガス流通路６に沿って円柱形状となっており、その後混合部１０に向けて円錐台形状となるように一体に形成されている。ガス流通路６に面したアウターカバー３３の内側には、スパイラル形状が連続するスパイラル構造３４が形成されている。スパイラル構造３４は、インナーケース３２の円柱形状に対向する部分に設けられている。また、本実施の形態のスパイラル構造３４は、混合部１０へ向かうにつれて、ピッチの間隔が短くなる可変ピッチスパイラル構造となっている。

インナーケース３２の中心軸線と、アウターカバー３３の内壁面との距離を半径ｒとすると、インナーケース３２の円柱形状と円錐台形状とが連続する部分の半径はｒ０となり、混合部側１０の半径はｒ１となる。

ノズル３１に、窒素ガスが円周方向に向けて供給されると、図に示すようにガスはスパイラル構造３４に到達するガスｇ１とインナーケース３２の円柱形状の表面に沿って流れるガスｇ２に分かれる。スパイラル構造３４に到達したガスｇ１は、スパイラル形状に設けられたスパイラル溝造３４に沿って流れ、スパイラル溝部４ｂに沿った円周方向の速度成分を得る。このスパイラルは、元々のガスの流れを大きく妨げて流路抵抗とならないように、ガス流入側でスパイラル溝のピッチ（一回転するために必要な長さ）が大きく、混合部１０に向かってピッチが小さくなるようになっている。この構造によって、スパイラル溝４ｂに沿って流れるガスの回転速度は、出口に向かって効率よく加速される。

一方、インナーケース３２の直線部表面に沿って流れるガスｇ２は、供給された際に与えられた円周方向の速度成分を保ったまま、混合部１０方向に進んでいくが、スパイラルの溝４ｂに沿い流れることで円周方向の速度成分を次第に増加させていくガスｇ１の影響によって、ガスｇ２も出口方向に進む速度を保ったまま、回転方向の速度成分が増加していく。ガスｇ１とｇ２は円錐台部に到達すると合流し、直進速度と回転速度を持つため旋回しながら円錐台形状に沿って流れていく。円錐台の半径が小さくなると、ガスの回転方向成分は、角運動量保存の法則に支配されるため、角速度（回転速度）が速くなる。この速度の増加は、円錐台の流入口の半径と円錐台の出口部分（混合部）の半径の比によって決まり、理想的には、円錐台の太い部分での回転の接線方向速度V₀、その部分での回転半径r₀、出口（円錐台の細い部分で、混合部）における回転の接線方向速度V₁、出口の回転半径r₁とすると、角運動量保存則(角運動量：I=mrv=[質量(気体の密度)]×[回転半径]×[(接線方向)速度]：一定)より、下記の数８のように、円錐台部分の上面と下面に相当する部分の半径の比によってガスの回転速度（接線方向）が加速されて速くなる。

なお、ガスの直進成分に関しては、直進進行方向のガス流路６の断面積、最終的には、出口の断面積によって変化するが、スパイラル構造３４がない場合と同じ、速度を持って混合部分に達する。

したがって、本実施の形態の２流体ノズル３１によれば、混合部１０では、ガスの直進速度成分と回転速度成分のベクトル和で表される速度でガスが噴出することとなり、スパイラル構造３４４がない場合に比較して、回転成分が加わる分だけガスの流速を高めることができる。なお、本実施の形態では、ガスと液体がノズル内部で混合される内部混合形状としたが、混合部分は、内部混合および外部混合どちらであってもよい。

加速されて速度が速くなった窒素ガスｇ１、ｇ２は、混合部１０において、インナーケース２の液体流出口９から放出される液体、本例では純水と混合する。この場合、円周方向の速度成分を有する窒素ガスｇ１、ｇ２は、混合部１０から供給される液体の側面方向から接触し、液体を液滴（ミスト）にする。窒素ガスを液体の側面方向から接触させるので、均一な径を有する液滴を発生させることができる。なお、液体は、純水に限らず、希フッ酸（フッ化水素酸水溶液）、SC-1（アンモニア水、過酸化水素水の混合液）、SC-2（塩酸、過酸化水素水の混合液）、O_３水（オゾンガスを純水に溶解した液体）、有機溶剤などを用いても良い。

発生した均一な径の液滴は、被洗浄物としてのウエハ表面に付着している異物粒子に直接衝突したり、最初にウエハ表面に衝突した後にウエハ表面に広がって異物粒子に衝突する。そして、この衝突により、ウエハ上の異物粒子に物理的な力が加わり、異物粒子はウエハ表面から除去される。

他の実施の形態として、２流体ノズル１の先端部にラバール形状２６を有するノズルを接続してもよい。図１０に示すように、混合部１０近傍の断面積が最も小さくなるようなスロート部２７を有するラバール形状２６のノズルを２流体ノズル１に接続する。このときの２流体ノズル１のガス流通路６の断面積ｅは、ガス供給口５側をｅ１、混合部１０側をｅ２とすると、ｅ１≧ｅ２の関係になるように設定される。ガス供給口５より供給されたガスは、ガス流通路６内で加速され、ガス速度は、スロート部２７若しくはその手前で音速を超える。ガスの速度がスロート部２７で音速を超えている場合は、流路の断面積が増加するにつれて速度が増すという流体の性質により、混合部１０で発生した液滴はラバール形状２６内部でさらに加速された後に、被洗浄物に衝突する。また、液滴に回転力を付与せずにラバール形状２６を通過させた場合に比較して、本実施の形態の液滴は、２流体ノズル１のスパイラル形状４で回転力を付与されているため、ラバール形状２６を通過させることでさらに高い洗浄力を与えることができる。

なお、予め、ガスに回転運動を与える機構を通過させた後に、テーパー構造等を通じてガスを加速させるような機構にしてもよい。また、ガスに回転運動を与える機構と、テーパー構造等の一部をオーバーラップさせるような機構にしてもよい。また、予め液体とガスを混合させてから、回転機構やテーパー構造を通す機構としてもよい。さらに、２流体ノズルへの液体の供給は、アウターカバーの外から行うようにしてもよい。

図１１は、本発明に係る２流体ノズル１を用いた洗浄装置２０の概略図である。
洗浄装置２０は、２流体ノズル１と、２流体ノズルに液体を供給するための純水供給装置２１と、薬液供給装置２２と、２流体ノズル１に噴射用のガスを供給するための窒素ガス供給配管２３と、被洗浄物であるウエハ２４を支持する洗浄チャンバー（図示せず）から構成される。なお、ウエハ２４を固定する図示しないチャック部は、６本の円柱形状を有するピンを備え、下部にはチャック部を回転させるためのモータ駆動部との連結構造を備えている。

図１２に示すように、ウエハ２４の水平面に対して、所定の角度を有するように２流体ノズル１を取り付ける。この角度は、ガスの流れ方向の速度と、スパイラル形状によって発生するガスの接線方向の速度との合成速度の成分が、ウエハ２４の洗浄面に対して垂直となるような角度とする。このような角度で２流体ノズルを取り付けることで、ノズルから噴射されるガスの速度を最大にすることができる。

また、図１３に示すように、２流体ノズル１を、ノズル１の先端が、ウエハ２４の回転方向に対して反対方向を向くように取り付ける。このようにウエハの回転方向に対して、反対方向にノズル１を取り付けることで、噴射されるガスの流れ方向の速度成分を最大限に利用することができる。この場合、２流体ノズル１は、ウエハ２４の中心線上を移動するように配置するのが好ましい。

ウエハ２４の洗浄は、図１４に示すプロセスフローに従って行われる。
まず、ステップ１において、洗浄するウエハ２４を図示しないチェンバーにロード（支持）する。つぎに、ステップ２において、ウエハ２４を所定の回転数で回転させた後、表面酸化剤、本例ではオゾン水（純水にオゾンガスを溶解した液体）を供給し、ウエハ２４表面上に薄い酸化膜を生成する。オゾン水の供給は、通常のチューブノズルもしくは２流体ノズルを使用して行う。２流体ノズルを使ってオゾン水をウエハ２４に向かって噴射すると、微小なオゾン水の液滴が高速でウエハ２４表面に衝突する。この衝突による物理的な力によってウエハ２４表面上の異物は除去され、オゾン水とともにウエハ２４表面から流される。

次に、ステップ３において、２流体ノズル１を使用して、ウエハ２４に希フッ酸（DHF）を供給し、ウエハ２４上に生成された酸化膜をエッチングする。液滴状にされた希フッ酸が、ウエハ２４全体に供給されるように、２流体ノズル１をウエハ２４上で移動させる。このとき、２流体ノズル１の先端部分が、ウエハ２４の中心線上を移動するように制御することで、ノズルから噴射されるガスの流れ方向の速度成分を最大限に利用することができる。
なお、この工程で酸化膜は、必ずしも全てエッチングする必要はない。またフッ酸をウエハ２４に供給して処理を行っている最中には、別のチューブノズルを使って純水（DIW）を同時に供給するようにしてもよい。

２流体ノズル１から希フッ酸を噴射すると、噴射によって微小な希フッ酸水溶液の液滴が高速でウエハ２４の表面に衝突する。この衝突による物理的な力によってウエハ２４表面上の異物が除去され、ウエハ２４表面のオゾン水と共に異物が流される。同時に、ウエハ２４表面に生成された酸化膜は、希フッ酸によりエッチングされるため、異物とウエハ２４表面の付着力が弱まり、効果的に異物を除去することができる。

また、図１５に示すように、２流体ノズル１で液滴を噴射しているウエハ２４の近傍に、ウエハ２４に純水を供給するチューブ２５を設け、液滴の噴射が行われている部分の下流部に純水を供給する。
２流体ノズル１から噴射されるガスがウエハ２４表面に衝突する部分やその周辺は、液膜が切れるという現象が生じ、液膜が切れた部分はウエハの表面が大気に触れることになるので、そこに異物が付着するという問題が発生する。そこで、チューブ２５により、液膜切れが発生し易い部分に純水を供給することで、ウエハ２４表面に異物が付着することを防ぐことができる。なお、チューブで供給する液体として、純水のほかに、２流体ノズル１で使用する処理用液体と同じものを用いてもよい。

つぎに、ステップ４において、２流体ノズル１を用いて、純水をウエハ２４の表面に噴射して純水リンスを行い、ウエハ２４表面に残留している異物の除去を行う。その後、ステップ５において、ウエハ２４の乾燥作業を行い、ウエハ２４をチャンバー部から取り外して全工程の作業を終了する。

なお、本発明に係る２流体ノズル１を用いる洗浄は、液体をウエハに供給する工程であれば、どの工程にも適用することができる。

本発明に係る２流体ノズルの実施の形態を示す概略断面図である。 （ａ）２流体ノズルに設けられたガス供給口の位置を示す図である。（ｂ）２流体ノズルに設けられたガス供給口の他の実施の形態を示す図である。 本発明に係る２流体ノズル内部におけるガスの流れを示す図である。 同心二重円管の斜視図である。 図４に示す同心二重円管をＸＸ線で切断した際の概略断面図である。 ２流体ノズルの内部に設けられたガス流通路の間隔を示す図である。 ２流体ノズル内部のガスの回転半径を示す図である。 本発明に係る２流体ノズル内部のガスの回転半径を示す図である。 本発明に係る２流体ノズルの他の実施の形態を示す概略断面図である。 ラバール形状を有するノズルを接続した２流体ノズルの実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る２流体ノズルを使用した洗浄装置を示す概略構成図である。 洗浄装置に取り付けた２流体ノズルの取り付け角度を示す図である。 ウエハの回転方向と２流体ノズルの取り付け向きの関係を示す図である。 ウエハの洗浄処理の処理フロー図である。 リンス用のチューブを設けた２流体ノズルを使用した洗浄装置の概略構成図である。

符号の説明

１、１’、３１・・２流体ノズル、２・・インナーケース、３・・アウターカバー、４・・スパイラル構造、４ａ・・スパイラル山部、４ｂ・・スパイラル溝部、５・・ガス供給口、６・・ガス流通路、７・・液体供給口、８・・液体通路部、９・・液体流出口、１０・・混合部、１１、１１ａ、１１ｂ・・微小空間、２０・・洗浄装置、２１・・純水供給装置、２２・・薬液供給装置、２３・・Ｎ_２供給配管、２４・・ウエハ、２５・・チューブ、２６・・ラバール形状ノズル、２７・・スロート部、３４・・可変ピッチスパイラル構造、５０・・同心二重円管、５１・・内管、５２・・外管、ｅ・・断面積、ｇ・・ガス

Claims (11)

1. 回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生することを特徴とする２流体ノズル。
2. ガスと液体とを混合する混合部と、
   前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、
   前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造と、
   を備えたことを特徴とする２流体ノズル。
3. 前記ガス流通路は、内部材と外部材により形成され、この外部材に前記スパイラル構造が設けられていることを特徴とする請求項２記載の２流体ノズル。
4. 前記スパイラル構造の頂点部と前記内部材との間に空間を有していることを特徴とする請求項３記載の２流体ノズル。
5. 前記内部材は、内部に液体通路部を有していることを特徴とする請求項４記載の２流体ノズル。
6. 前記内部材は、前記混合部に向けて頂点を有する円錐形状であることを特徴とする請求項５記載の２流体ノズル。
7. 前記スパイラル構造の直径が、前記混合部へ向けて小さくなることを特徴とする請求項２、３、４、５又は６記載の２流体ノズル。
8. 前記スパイラル構造のピッチ間が、前記混合部へ向けて狭くなることを特徴とする請求項２，３，４、５又は６記載の２流体ノズル。
9. 回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生する２流体ノズルを備えた洗浄装置。
10. 前記２流体ノズルを、被洗浄物の表面に対して角度を有するように設けたことを特徴とする請求項９記載の洗浄装置。
11. ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、
    前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とからなる２流体ノズルを備えた洗浄装置。

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