JP2006332534A - 基板洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な機構で押圧荷重を精密に制御可能な基板洗浄装置の実現。
【解決手段】 基板を保持して回転する基板保持・回転機構11-18と、洗浄ブラシ21を保持して回転するブラシ保持・回転機構22-26と、ブラシ保持・回転機構を、基板保持・回転機構に保持された基板に押圧すると共に垂直な方向に変位させる押圧機構27-32とを備える基板洗浄装置において、押圧機構はエアバッグ31を備え、エアバッグを介して押圧する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造プロセス、液晶パネル製造プロセス及び磁気ヘッド製造プロセス等で、基板を洗浄する基板洗浄装置に関する。ここでは特に基板（ウエハ）上に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に付属して使用される基板洗浄装置を例として説明する。

近年、半導体製造プロセスにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中のウエハの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）することが行われており、特許文献１などに説明されている。ＣＭＰ装置は、研磨パッドを貼り付けたプラテンを回転させ、研磨パッド上にスラリー（研磨粒子を含んだ研磨液）を供給しながら、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら研磨パッドに押し付けて、ウエハの表面に形成された絶縁膜や金属膜の層を研磨する。

ＣＭＰ装置では、ウエハの表面を研磨前及び研磨後に洗浄する必要があり、洗浄を行う時には、ウエハを洗浄装置に保持して回転し、ノズルからウエハ表面に洗浄液を供給しながら、ウエハの表面に洗浄ブラシを押し付けて回転する。洗浄液としては、過酸化水素、アンモニア、フッ酸などを純水と混合した溶液が使用されるが、各種の溶液を複数混合した溶液が使用される場合もある。本発明は、ＣＭＰ装置に付属して使用される基板洗浄装置に主として適用されるが、これに限定されるものではない。

基板洗浄装置で使用される洗浄ブラシは、円筒形状を有し、軸を中心に回転させながらウエハの表面に押圧して洗浄を行う。洗浄ブラシは弾力性があり、ウエハの表面に押圧すると、ウエハとの接触部分が変形しながら回転する。良好な洗浄を行うには、洗浄ブラシをウエハの表面に押圧する押圧荷重が重要である。特許文献２は、実押圧荷重の設定を容易に行える基板洗浄方法及び基板洗浄装置を記載している。また、特許文献３は、圧力センサにより実押圧荷重を検出して、実押圧荷重が所望の設定値になるように制御する基板洗浄装置を記載している。

従来の基板洗浄装置の構成及び動作については、特許文献２及び３に詳細に記載されているので、ここでは説明を省略し、特許文献２及び３の記載内容が随時参照されるものとする。

特開２００４−２７５９１７号公報 特許第３４６３９０８号 特許第３５３９７８７号

特許文献２は、押圧手段にエアーシリンダを使用することを記載している。エアーシリンダを使用することにより押圧荷重を精密に制御することが可能になる。しかし、エアーシリンダは、構成が複雑で高コストであるという問題がある。

また、半導体製造プロセスでは、各工程の動作条件などの各種の情報を収集し、製造された半導体装置の歩留まりなどの各種の問題との因果関係を解析して各工程にフィードバックし、製造工程を常に最良の条件に保持することが行われている。しかし、ＣＭＰ工程に付属した基板洗浄工程は、他の工程との関連性が低いと考えられ、基板洗浄工程においてウエハの破損などの問題が発生しないようにすればよいと考えられてきた。そのため、基板洗浄装置は、特許文献２及び３に記載されたように、実押圧荷重などを精密に制御することが考えられていたが、動作条件などの各種の情報を、半導体製造工程全体を管理する外部監視部に伝達することは行われていなかった。そのため、基板洗浄工程と半導体製造工程全体における歩留まりとの関係を解析することはできないという問題があった。

また、特許文献２及び３に記載された装置では、実押圧荷重などを精密に制御することができるが、所望の条件に設定するのが難しいという問題があった。
上記のような問題は、半導体製造プロセスに限らず、液晶パネルや磁気ヘッドなどの基板を洗浄する場合も同様である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、第１の目的は、簡単な機構で押圧荷重を精密に制御可能にした基板洗浄装置を実現することであり、第２の目的は、基板洗浄工程と製造工程全体における歩留まりとの関係を解析するための情報を提供可能な基板洗浄装置を実現することであり、第３の目的は、洗浄の条件設定が容易に行える基板洗浄装置を実現することである。

上記第１の目的を実現するため、本発明の第１の態様の基板洗浄装置は、基板を保持して回転する基板保持・回転機構と、洗浄ブラシを保持して回転するブラシ保持・回転機構と、前記ブラシ保持・回転機構を、前記基板保持・回転機構に保持された前記基板に押圧すると共に垂直な方向に変位させる押圧機構とを備える基板洗浄装置において、前記押圧機構はエアバッグを備え、前記エアバッグを介して押圧することを特徴とする。

エアバッグは、内部の圧力を調整することにより外部に対して所望の圧力を印加することが可能であり、弾力のある外装で覆われており、低コストで、配置が容易である。基板洗浄装置は、正確な実押圧荷重を加えることが必要である。エアバッグを使用することにより、エアバッグを支持する部分の変位に対する感度特性が低下し制御が容易になるが、エアバッグはそれ自体で高精度の外部圧力を発生させるのは難しい。しかし、圧力センサを使用して実押圧荷重に対応する制御値を検出して制御するか、エアバッグを介して実押圧荷重を印加する時の特性をあらかじめ測定しておけば、十分な精度で実押圧荷重を制御することが可能である。

ブラシ基板保持・回転機構はそれ自体がかなりの重量であり、ブラシ基板保持・回転機構の自重をそのまま基板に印加すると必要な実押圧荷重以上の荷重が印加されることになる。そこで、押圧機構は、ブラシ基板保持・回転機構の自重をエアバッグで支持する機構を有するように構成する。この場合、エアバッグの空気圧を変化させると、エアバッグが支持するブラシ基板保持・回転機構の位置が変化することになる。なお、バネ機構などを使用してブラシ基板保持・回転機構の自重をバランスさせた上で、エアバッグでブラシ基板保持・回転機構を下側に押圧するように構成することも可能である。

前述のように、洗浄ブラシは弾力性を有し、基板との位置に応じて接触圧が異なる。そこで、押圧機構にエアバッグの位置を変位させるエアバッグ変位機構を設け、エアバッグで支持する位置を変化可能にする。エアバッグの空気圧とエアバッグ支持位置の変位を組み合わせることにより、実押圧荷重の調整範囲を広げることができる。

エアバッグの空気圧及びエアバッグ変位機構を制御する制御部を設ける。制御部は、洗浄ブラシを回転するモータのトルクに応じて、エアバッグの空気圧及びエアバッグ変位機構を制御する。

上記第２の目的を実現するため、本発明の第２の態様の基板洗浄装置は、基板を保持して回転する基板保持・回転機構と、洗浄ブラシを保持して回転するブラシ保持・回転機構と、前記ブラシ保持・回転機構を、前記基板保持・回転機構に保持された前記基板に押圧すると共に垂直な方向に変位させる押圧機構とを備える基板洗浄装置において、各部の動作条件及びセンサによる検出値を外部の監視部に伝達する伝達手段を備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様の基板洗浄装置は、伝達手段により外部の監視部に各部の動作条件及びセンサによる検出値を伝達するので、基板洗浄工程の動作条件及びセンサによる検出値を製造工程全体における歩留まりと関係付けて解析できるようになる。

上記第３の目的を実現するため、本発明の第３の態様の基板洗浄装置は、基板を保持して回転する基板保持・回転機構と、洗浄ブラシを保持して回転するブラシ保持・回転機構と、前記ブラシ保持・回転機構を、前記基板保持・回転機構に保持された前記基板に押圧すると共に垂直な方向に変位させる押圧機構と、各部の制御を行う制御部とを備える基板洗浄装置において、各部の動作条件及びセンサによる検出値を表示する表示部と、オペレータが、前記表示部の表示に基づいて動作条件を設定する設定手段とを備え、前記制御部は、前記設定手段により設定された動作条件を実現するように制御することを特徴とする。

本発明の第３の態様の基板洗浄装置は、オペレータが表示部の表示を見ながら設定手段により動作条件を設定できるので、設定動作が容易である。

本発明の第１の態様によれば、押圧荷重を精密に制御可能な基板洗浄装置が簡単な機構で実現できる。

本発明の第２の態様によれば、各部の動作条件及びセンサによる検出値を伝達手段により外部の監視部に伝達できるので、基板洗浄工程の動作条件及びセンサによる検出値を製造工程全体における歩留まりと関係付けて解析できるようになり、製造工程の一層の歩留まり向上が図れる。

本発明の第３の態様によれば、基板洗浄装置において、洗浄の条件設定が容易に行えるようになり、作業性が向上する。

図１は、本発明の実施例のＣＭＰ装置に付属して使用される基板洗浄装置の構成を示す図であり、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面図である。また、図２は、保持されたウエハと、ウエハを保持して回転させる保持部材と、洗浄ブラシとの関係を示す図である。

図示のように、基板（ウエハ）１００は、薄い円板状である。基板保持・回転機構は、第１ベース部材１１に設けられた４個の軸保持１２と、各軸保持１２にそれぞれ回転可能に保持された４本の回転軸１３と、各回転軸１３の下側に設けられたプーリ１４と、第１ベース部材１１に設けられたウエハ回転用モータ１５と、モータ１５の回転軸の先端に設けられた駆動プーリ１６と、駆動プーリ１６の回転を４個のプーリ１４に伝達する駆動ベルト１７と、各回転軸１３の上側の端にそれぞれ設けられた４個の保持部材１８とを有する。保持部材１８には溝が設けられており、ウエハ１００が溝の部分に位置するように保持し、モータ１５を回転して保持部材１８を回転することにより、保持されたウエハ１００が回転する。４個の保持部材１８にウエハ１００を保持する時には、２個の保持部材１８を退避位置に移動し、搬送アームに吸着されたウエハ１００を残りの２個の保持部材１８の溝に接触するように移動した状態で、２個の保持部材１８を退避位置から保持位置に移動して、４個の保持部材１８の溝にウエハ１００を保持する。４個の保持部材１８から保持されたウエハ１００を取り外す時には、逆の動作を行う。

なお、本実施例では、上記のような基板保持・回転機構を使用したが、特許文献２に記載されたようなウエハの裏面を回転軸に吸着して回転する方式を使用することも可能である。

洗浄ブラシ２１を保持して回転するブラシ保持・回転機構は、第２ベース部材２０と、洗浄ブラシ２１の回転軸を保持する筐体２２、２３及び２６と、筐体２３に設けられたブラシ回転用モータ２４と、モータ２４の回転軸と洗浄ブラシ２１の回転軸を接続するギア機構２５とを有する。洗浄ブラシ２１は、ナイロンブラシやモヘアブラシ、またはスポンジ製やフェルト製、プラスチック製などのものがあるが、いずれもウエハ１００の表面に接触させる場合、洗浄ブラシ２１の回転軸とウエハ１００の表面との間の距離に応じて接触圧が異なり、モータ２４で回転させる時のトルクが異なる。

押圧機構は、筐体２６に取り付けられた移動軸２７と、第２ベース部材２０に設けられた移動軸２７を上下方向に移動可能に保持する軸保持部材２８と、第２ベース部材２０に設けられた低摺動シリンダ２９と、低摺動シリンダ２９の上に設けられた歪みゲージ３０と、歪みゲージ３０の上に設けられたエアバッグ３１と、移動軸２７が取り付けられた上板３２とを有する。ブラシ保持・回転機構、移動軸２７及び上板３２で構成される部分は、自重により下方向に移動する力がかかっており、それをエアバッグ３１及び歪みゲージ３０を介して低摺動シリンダ２９が支持している。

制御部４１は、各部の制御を行う部分で、マイクロコンピュータなどで構成される。エアレギュレータ３２は、空圧源からの圧縮空気の圧力を調整してエアバッグ３１に供給する。エアレギュレータ３２から出力される空気の圧力は圧力センサ４３により検出され、検出値は制御部４１に送られる。制御部４１は、表示部４４にオペレータが動作条件などを設定するために必要な表示などを行い、実施例の基板洗浄装置が使用される半導体製造プロセス全体を監視する外部監視部４５に、動作条件や測定値などを伝達する。

制御部４１は、上記のように、圧力センサ４３の検出したエアバッグ３１に供給される空気圧、歪みゲージ３０の検出した荷重及び洗浄ブラシ用モータ２４のトルクに関するデータを読み取り、それらのデータに基づいてエアレギュレータ４２の出力する空気圧、低摺動シリンダ２９の変位位置及び荷重及び洗浄ブラシ用モータ２４の回転数などを制御する。

前述のように、ブラシ保持・回転機構、移動軸２７及び上板３２で構成される部分は、自重により下方向に移動する力がかかっており、それをエアバッグ３１及び歪みゲージ３０を介して低摺動シリンダ２９が支持している。エアバッグ３１に供給する空気圧を増加すれば、上方へ押し上げる力が増加して、上板３２の位置が上昇する。これにより洗浄ブラシ２１の位置が上昇し、洗浄ブラシ２１とウエハ１００との接触圧、すなわち実押圧荷重が減少する。したがって、実押圧荷重は、ブラシ保持・回転機構、移動軸２７及び上板３２で構成される部分の重量から、エアバッグ３１が上板を押し上げる力を減じた値である。歪みゲージ３０は、この値を検出する。

低摺動シリンダ２９は先端位置を精密に変化させることができる。低摺動シリンダ２９により歪みゲージ３０及びエアバッグ３１の位置を変化させると、洗浄ブラシ２１の位置が変化して、洗浄ブラシ２１とウエハ１００との接触圧、すなわち実押圧荷重が変化する。したがって、実施例の構成では、実押圧荷重は、エアバッグ３１の空気圧を変化させるか、低摺動シリンダ２９を変位させることにより変化させることができる。なお、低摺動シリンダ２９の代わりに、ステッピングモータとボールネジなどの移動機構を組み合わせてた機構を使用することも可能である。

エアバッグ３１は、内部の圧力を調整することにより外部に対して所望の圧力を印加することが可能であり、弾力のある外装で覆われており、低コストで、配置が容易である。エアシリンダやバネ機構を使用した場合と同様に、エアバッグを使用することにより、エアバッグを支持する部分の変位に対する感度特性が低下し制御が容易になるが、エアバッグはそれ自体で高精度の外部圧力を発生させるのは難しい。しかし、歪みゲージ３０は、エアバッグ３１が上板を押し上げる力を検出しており、ブラシ保持・回転機構、移動軸２７及び上板３２で構成される部分の重量は既知であるので、この重量から歪みゲージ３０の検出した力を減じれば洗浄ブラシ２１とウエハ１００の接触圧、すなわち実押圧荷重を検出することができる。

また、洗浄ブラシ２１を回転させるモータ２４の回転トルクは、実押圧荷重に応じて変化する。したがって、モータ２４の回転トルクを検出すれば、実押圧荷重についての情報が得られる。

実際には、洗浄するウエハ１００の種類や表面状態、洗浄ブラシ２１の状態などにより、上記の歪みゲージ３０の検出した力から算出した実押圧荷重とモータ２４の回転トルクから算出した実押圧荷重の間には差が生じる。逆に、ウエハ１００の種類や表面状態、洗浄ブラシ２１の状態などと、歪みゲージ３０の検出した力から算出した実押圧荷重とモータ２４の回転トルクから算出した実押圧荷重の関係を関連付けた情報を蓄積し、それらの間の関係を求めておけば、歪みゲージ３０の検出した力から算出した実押圧荷重とモータ２４の回転トルクから算出した実押圧荷重の関係を検出することにより、ウエハ１００の表面状態、洗浄ブラシ２１の状態などを推測できることを意味する。

制御部４１は、歪みゲージ３０の出力値やモータ２４の回転トルクを検出して記憶し、圧力センサ４３の検出値に基づいて所望の空気圧がエアバッグ３１に供給されるようにエアレギュレータ４２を制御し、更に低摺動シリンダ２９の変位量やモータ２４の回転数を制御する。

制御部４１は、歪みゲージ３０の出力値やモータ２４の回転トルク、エアバッグ３１に供給される空気圧、低摺動シリンダ２９の変位量やモータ２４の回転数などの各種のデータを通信経路を介して、半導体製造プロセス全体を管理する外部監視部４５に伝達する。半導体製造プロセスを構築する時には、試験的にプロセスを行い、各プロセスのレシピを決定する。ＣＭＰ工程に付随した基板洗浄装置も同様に決められたレシピにしたがって運用される。試験プロセスに基づいて決定されたレシピは、実際の製造プロセスで蓄積された各種のデータに基づいて、随時最適なプロセスを実現するように変更される。実施例の基板洗浄装置も上記のように外部監視部４５に各種のデータを伝達しており、外部監視部４５は、このデータを他のプロセスのデータ及び最終的な歩留まりデータと関連付けて解析することにより、随時基板洗浄装置のレシピを改良する。

また、オペレータが基板洗浄装置の動作条件を設定し、設定した条件を微調整することが行われる。制御部４１は、歪みゲージ３０の出力値やモータ２４の回転トルク、エアバッグ３１に供給される空気圧、低摺動シリンダ２９の変位量やモータ２４の回転数などの各種のデータを表示部４４に表示する。オペレータは、表示部４４の表示を見ながら、図示していない入力手段（キーボードやマウスなど）を使用して動作条件の設定や微調整を行う。表示部４４には上記のような各種のデータが表示されるので、オペレータはそれらのデータを総合的に判断して操作を行うことができる。
以上、半導体基板を洗浄する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

以上説明したように、本発明によれば、押圧荷重を精密に制御可能で、各種データを容易に収集できる基板洗浄装置が簡単な機構で実現できるので、半導体製造プロセス、液晶パネル製造プロセス及び磁気ヘッド製造プロセス等の歩留まり向上が期待できる。

本発明の実施例の基板洗浄装置の構成を示す図である。 実施例の基板洗浄装置におけるウエハと洗浄ブラシの位置関係を示す図である。

符号の説明

１５ ウエハ回転用モータ
１８ ウエハ保持部材
２１ 洗浄ブラシ
２４ ブラシ回転用モータ
２９ 低摺動シリンダ
３０ 歪ゲージ
３１ エアバッグ
１００ 基板（ウエハ）

Claims (8)

1. 基板を保持して回転する基板保持・回転機構と、
   洗浄ブラシを保持して回転するブラシ保持・回転機構と、
   前記ブラシ保持・回転機構を、前記基板保持・回転機構に保持された前記基板に押圧すると共に垂直な方向に変位させる押圧機構とを備える基板洗浄装置において、
   前記押圧機構はエアバッグを備え、前記エアバッグを介して押圧することを特徴とする基板洗浄装置。
2. 前記押圧機構は、前記ブラシ保持・回転機構の自重を前記エアバッグで支持する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄装置。
3. 前記洗浄ブラシは、弾力性を有し、前記基板との位置に応じて接触圧が異なり、
   前記押圧機構は、前記エアバッグの位置を変位させるエアバッグ変位機構を備えることを特徴とする請求項２に記載の基板洗浄装置。
4. 前記エアバッグの空気圧及び前記エアバッグ変位機構を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記洗浄ブラシを回転するモータのトルクに応じて、前記エアバッグの空気圧及び前記エアバッグ変位機構を制御することを特徴とする請求項３に記載の基板洗浄装置。
5. 各部の動作条件及びセンサによる検出値を外部の監視部に伝達する伝達手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の基板洗浄装置。
6. 各部の動作条件及びセンサによる検出値を表示する表示部と、
   オペレータが、前記表示部の表示に基づいて動作条件を設定する設定手段とを備え、
   前記制御部は、前記設定手段により設定された動作条件を実現するように制御することを特徴とする請求項５に記載の基板洗浄装置。
7. 基板を保持して回転する基板保持・回転機構と、
   洗浄ブラシを保持して回転するブラシ保持・回転機構と、
   前記ブラシ保持・回転機構を、前記基板保持・回転機構に保持された前記基板に押圧すると共に垂直な方向に変位させる押圧機構とを備える基板洗浄装置において、
   各部の動作条件及びセンサによる検出値を外部の監視部に伝達する伝達手段を備えることを特徴とする基板洗浄装置。
8. 基板を保持して回転する基板保持・回転機構と、
   洗浄ブラシを保持して回転するブラシ保持・回転機構と、
   前記ブラシ保持・回転機構を、前記基板保持・回転機構に保持された前記基板に押圧すると共に垂直な方向に変位させる押圧機構と、
   各部の制御を行う制御部とを備える基板洗浄装置において、
   各部の動作条件及びセンサによる検出値を表示する表示部と、
   オペレータが、前記表示部の表示に基づいて動作条件を設定する設定手段とを備え、
   前記制御部は、前記設定手段により設定された動作条件を実現するように制御することを特徴とする基板洗浄装置。

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