JP2010087444A - 超音波照射装置、洗浄装置及び洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波照射装置、洗浄装置及び洗浄方法に関し、振動体を利用してダメージを低減するとともに、ウェーハ表面への異物の再付着を防止する。
【解決手段】 円筒状の外周側面を備えた中空回転体と、前記中空回転体を支持し且つ前記中空回転体の中心軸を中心に前記中空回転体を回転させるための手段と、前記中空回転体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波照射装置、洗浄装置及び洗浄方法に関するものであり、例えば、回転するウェーハの表面に液体の洗浄液を注いで洗浄する枚葉式のスピン洗浄方式においてウェーハにダメージを与えることなくウェーハの表面に付着した汚染物質を効率的に除去するための構成に関するものである。

近年、半導体装置の製造では、ウェーハサイズの大口径化が進んでおり、これに伴ってウェーハの洗浄工程においても、枚葉式のスピン洗浄が主流になりつつある。この枚葉式のスピン洗浄は大型の洗浄槽を用いて行うディップ式洗浄と比べて、ウェーハ面内で均一な洗浄処理が行いやすい、ウェーハ表面から除去した汚染物質がウェーハ表面に再付着しにくい、洗浄液やリンス用純水の使用量を抑制できる、洗浄装置の立ち上げが短時間で行えるなどの多くの利点を有する。

このようなスピン洗浄においては、超音波洗浄によりウェーハを洗浄するスピン洗浄装置が一般的である（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。この場合、ウェーハの表面に超音波ノズルから洗浄液を噴射し、同時に、超音波ノズル内部の振動子を発振させて超音波を発生させ、超音波ノズルから噴射される洗浄液を媒体として超音波をウェーハ表面に伝播させ、超音波のエネルギーを利用してウェーハ表面の洗浄を行う。

図１１は、従来の超音波ノズルを用いたスピン洗浄方法の説明図であり、超音波ノズル７２からウェーハ７１に向けて洗浄液７３を噴射する。超音波ノズル７２に内蔵された超音波振動子（図示は省略）を動作させると、発生した超音波が洗浄液７３を媒体としてウェーハ表面に伝搬する。ウェーハ７１を回転させた状態で、超音波ノズル７２から噴射された洗浄液７３がウェーハ表面に当たる点である照射点７４が、ウェーハの回転の中心と外周の間を往復運動するように超音波ノズル７２に往復運動をさせれば、照射点７４がウェーハの全面を通過し、ウェーハ７１の全面が洗浄される。

ところで、近年、半導体素子の配線ルールの微細化の進展に伴って、その製造工程の途中において、表面に非常に壊れやすい微細な構造物（パターン）が形成されたウェーハを洗浄しなければならない工程が増えている。例えば、比誘電率の値を下げる目的でポアと呼ばれる微細な空孔を内部に一様に分布させた多孔質シリカ（ポーラスシリカ）から成る層間絶縁層に対して、反応性のドライエッチングによって幅が１００ｎｍを下回るような微細なパターンが形成されている場合が想定される。このようなウェーハに対して超音波ノズルを用いて超音波洗浄を行うと、超音波が与えるダメージによって、ウェーハ表面のパターンが破壊されることがある。

このような問題を回避するためには、ウェーハ表面に形成されたパターンの構造的な強度に応じて、ウェーハ表面の単位面積当たりに照射される超音波のエネルギーを小さくすることが必要となる。上記の図１１に示した超音波ノズルを利用した洗浄装置においては、超音波がウェーハ表面の構造物に与えるダメージを低減させられるように、超音波ノズルに内蔵されている超音波振動子を駆動させるための超音波発振器に、駆動出力を調整できる機構が備えられていることが多い。その結果、ある程度の範囲内であれば、駆動出力を小さく設定することができる。それでも駆動出力が大き過ぎる場合には、さらに小さい出力での駆動が可能となるように、超音波発振器の電子回路に修正（改造）を加えることが必要になる。

しかし、超音波発振器の電子回路の修正によって駆動出力を小さくできたとしても、超音波ノズルに内蔵されている超音波振動子には形状や構造によって決まる固有の振動条件があり、駆動出力がある下限を下回ると、安定した振動が成立しない。また、高い周波数の場合、超音波振動子の駆動出力が一定の大きさを下回ると、超音波ノズルから噴射された洗浄液中での超音波の減衰が急激に顕著となるため、超音波がウェーハ表面に到達しない。このように、超音波ノズルを使用する場合には、非常に小さな駆動出力で振動子を動作させて、ウェーハ表面に超音波を照射することは困難である。

そこで、このような問題に対して、ウェーハに与える超音波のダメージをできるだけ低減させる目的で、振動体を利用した超音波の照射方法が提案されているので、図１２を参照して説明する（例えば、特許文献３参照）。

図１２は従来の改良型の超音波洗浄によりウェーハを洗浄するスピン洗浄方法の説明図であり、図１２（ａ）は全体構成斜視図であり、図１２（ｂ）は要部拡大平面図である。図に示すように、楔状の形状をした部材である振動体７５の平坦な面の一つに超音波振動子７６が設置されている。楔状の振動体７５の別の平坦な面がウェーハ７１の被洗浄面と平行に且つわずかな距離を隔てて向かい合うように振動体７５を保持する。ノズル７７から洗浄液７３を供給し、振動体７５とウェーハ７１の間にできた空間が洗浄液７３によって完全に満たされるようにする。

この状態で超音波振動子７６を駆動させると、発生した超音波は、振動体７５の内部を伝搬し、ウェーハ７１に向かい合った面の全体から洗浄液７３へと伝えられ、洗浄液７３中を伝搬して、被洗浄面であるウェーハ７１の表面へと届く。ウェーハ７１と向かい合う面の振動の仕方は、超音波振動子７６の振動の仕方や振動体７５の形状や材質で決まるので、これらは事前にシミュレーションによって予測され、目的に応じて振動体７５の設計に反映される。なお、図１２では、楔状のセラミックスの振動体を採用した例を示したが、振動体の材質、形状・構造は、様々である（例えば、特許文献４参照）。

このような振動体を利用する方法では、超音波振動子で発生した超音波振動によって振動体の広い面の全体が振動するため、振動のエネルギーが分散し、被洗浄面の単位面積当たりに照射される超音波のエネルギーは、超音波ノズルの場合に比べて大幅に小さくなり、ウェーハ表面に与える超音波のダメージを低減させる効果が得られる。

また、振動体の表面で発生した超音波は、どんなに大きくても数ｍｍ、多くの場合はわずか１ｍｍ前後、あるいはそれ以下の厚さの洗浄液の膜中を伝搬するだけで被洗浄面に達するので、たとえ振動体の表面での超音波振動のエネルギーが微小であっても、大きな減衰を伴わずに被洗浄面に超音波を照射することができ、確実に洗浄の効果を発揮させることができる。

このように、振動体を利用したスピン洗浄方法を採用することにより、ウェーハ表面に与える超音波のダメージを低減させることができ、ウェーハ表面に形成された微細な構造物（パターン）の破壊を防止することができるようになった。
特開２００６−１２２８２２号公報 特開２００８−０２１６７２号公報 特開２００３−１８１３９４号公報 特開２００３−０３１５４０号公報

しかし、上述の振動体を利用したスピン洗浄方法は、図１１に示したような超音波ノズルを利用するスピン洗浄方法に比べて、ウェーハ表面に付着している異物の除去効率が低いという問題がある。具体的には、表面に同一条件で異物を付着させたウェーハを洗浄する場合、振動体を利用したスピン洗浄方法では、超音波ノズルを利用するスピン洗浄方法と同等の異物の除去率が得られるまでに、数倍の時間を要するという問題点があった。

また、同時に多数のウェーハを処理できるバッチ式の処理方法とは異なり、枚葉式の処理方法においてウェーハの１枚当たりの処理に長時間を要することは、プロセス全体の処理能力を低下させることとなり、極めて深刻な問題を生じることになる。

発明者らは、振動体を利用する洗浄方法の異物の除去効率の低さについて、原因の調査を行った。ウェーハの表面から異物を洗浄除去するプロセスには、大きく２つのステップがある。その第一は、ウェーハ表面に照射された超音波のエネルギーにより、ウェーハ表面に付着している異物を洗浄液中に浮き上がらせるステップである。照射された超音波のエネルギーが大きいほど、異物を洗浄液中に浮き上がらせる作用は大きく、除去効率は高くなる。しかし、その一方でウェーハ表面に与えるダメージは大きくなり、ウェーハ表面に形成された構造物の破壊などが起きる。

その第二は、洗浄液中に浮き上がった異物を、洗浄液とともに洗い流し、ウェーハ表面から除去するステップである。ウェーハ表面における洗浄液の流れが停滞すると、せっかく超音波の作用によって洗浄液中に浮き上がった異物が、再びウェーハ表面に付着する傾向が高まり、除去効率の低下を招く。このような再付着は、特に、ウェーハ表面と異物のそれぞれの材料の洗浄液中における電位（ゼータ電位）の極性が異なって、引力が生じる場合において、顕著に発生する。

発明者らが鋭意検討した結果、振動体を利用するスピン洗浄方法では、単位面積当たりに照射される超音波のエネルギーは、確かに超音波ノズルを利用するスピン洗浄方法に比べると大幅に小さくなってはいるものの、その大きさは、ウェーハ表面から異物を洗浄液中に浮き上がらせるには充分であることが明らかとなった。

そして、振動体を利用するスピン洗浄方法の洗浄効率を低下させているのは、振動体とウェーハ表面に挟まれた微小な空間における洗浄液の流れの悪さと、そのために生じるウェーハ表面への異物の再付着が原因であることを究明した。

したがって、本発明は、振動体を利用してダメージを低減するとともに、ウェーハ表面への異物の再付着を防止することを目的とする。

本発明の一観点からは、円筒状の外周側面を備えた中空回転体と、前記中空回転体を支持し且つ前記中空回転体の中心軸を中心に前記中空回転体を回転させるための手段と、前記中空回転体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段とを備えることを特徴とする超音波照射装置が提供される。

また、本発明の別の観点からは、ウェーハを水平に支持し且つその状態で前記ウェーハを回転させるための手段と、上述の超音波照射装置と、前記超音波照射装置を支持し、且つ、前記中空回転体の外周側面が前記ウェーハの表面から微小且つ一定の間隔を隔てたまま前記超音波照射装置を前記ウェーハ面に平行に往復運動をさせるための手段と、前記ウェーハ表面に洗浄液を供給するための手段とを備えることを特徴とする洗浄装置が提供される。

また、本発明のさらに別の観点からは、上述の洗浄装置を用いてウェーハの洗浄を行うことを特徴とする洗浄方法が提供される。

開示の超音波照射装置、洗浄装置及び洗浄方法によれば、ウェーハ表面に与えるダメージを低減させるという振動体を用いた洗浄方法の利点を活かしつつ、超音波の作用により洗浄液中に浮き上がった異物のウェーハ表面への再付着を低減させて、異物の除去効率を大幅に高めることが可能となる。

ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態を説明する。本発明は、振動体を利用するスピン洗浄方法が抱えるこのような問題点を踏まえ、ウェーハ表面へのダメージが小さいという利点を活かしつつ、同時に振動体とウェーハ表面に挟まれた空間での洗浄液の流れを良くし、再付着の発生を大幅に低減させることを可能にするものである。

図１は、本発明のスピン洗浄方法の原理的構成の説明図であり、振動体を内包した中空回転体の断面に沿った構成説明図である。図１に示すように、スピン洗浄に用いる超音波照射装置１０は、円柱状の振動体１１、振動体１１を微小な間隙を介して内包する中空回転体１２、振動体１１と中空回転体１２との微小な間隙に充填される超音波媒質液体１３とからなる。なお、振動体１１の一端には、超音波振動子（図示を省略）が接続されている。

振動体１１の中心軸と中空回転体１２の中心軸は一致するように配置されるとともに、中空回転体１２も、振動体１１と同様に、超音波を良好に伝搬させる材料、例えば、シリコンに対する不純物となる物質が含まれず且つ耐薬品性に優れる合成石英で構成される。中空回転体１２は、振動体１１の周囲で自在に回転できるように支持される。振動体１１は中空回転体１２の回転軸のような役割を果たし、振動体１１そのものは回転しない。

振動体１１の外周側面と中空回転体１２の内側側面の間には、微小な間隔が設けられるように、両者の径が設定される。その結果、両者の間には、円筒状の空間が形成される。この空間には、超音波を良好に伝搬させる性質を備えた液体、即ち、超音波媒質液体１３が満たされる。なお、超音波媒質液体１３としては、超音波媒質液体１３が洗浄中にウェーハの表面へ流れ出しても洗浄効果には影響を与えないようにするために、スピン洗浄に用いる洗浄液２２をそのまま用いることが好適である。

ウェーハ２１の表面に洗浄液２２を供給し、洗浄液２２の膜を形成しておく。振動体１１の中心軸がウェーハ２１の表面と平行になるように振動体１１を支持し、ウェーハ２１の表面に形成された洗浄液２２の膜に、中空回転体１２の外周側面が接触するように、ウェーハ２１と振動体１１の距離を設定する。

振動体１１の一端に接続されている超音波振動子を動作させると、振動体１１の全体に超音波振動が伝搬する。超音波は、振動体１１の外周側面からその外側の超音波媒質液体１３へと伝搬して、さらに外側の中空回転体１２の内側側面へと達する。中空回転体１２の内側側面へ達した超音波１４は、中空回転体１２中を伝搬して、中空回転体１２の外周側面へと達する。

中空回転体１２の外周側面へ達した超音波１４は、中空回転体１２の外周側面からウェーハ２１の表面に形成された洗浄液２２の膜中へと照射され、ウェーハ２１の表面に達し、ウェーハ２１の表面から異物を離脱させ、洗浄液２２中へと浮き上がらせる作用をもたらす。超音波１４が中空回転体１２の外周側面に達する時点では、超音波のエネルギーは分散し、ウェーハ２１の表面の単位面積当たりに照射される超音波のエネルギーは大幅に小さくなっており、従来の振動体を利用するスピン洗浄方法の場合と同様に、ウェーハ２１の表面に与える超音波のダメージを低減させる効果が得られる。

また、中空回転体１２の外周側面から洗浄液２２へと照射された超音波は、１ｍｍ前後或いはそれ以下の厚さの洗浄液２２の膜中を伝搬するだけでウェーハ２１の表面に達するので、従来の振動体を利用するスピン洗浄の場合と同様に、たとえ中空回転体１２の外周側面での超音波振動のエネルギーが微小であっても、大きな減衰を伴わずにウェーハ２１の表面に超音波を照射することができ、確実に超音波の作用を発揮させることができる。

一方、超音波１４の照射と同時に、動力源（図示は省略）によって中空回転体１２を回転させる。中空回転体１２が回転することにより、ウェーハ２１の表面の洗浄液２２は、中空回転体１２とウェーハ２１の表面に挟まれた空間に強制的に引き込まれ、洗浄液２２は矢印で示すようにこの空間を通過したのち、強制的にこの空間から排出される。なお、中空回転体１２の回転は、洗浄液２２の流れが図において左から右である場合には、洗浄液２２の流れを加速するように左回りに回転させる。

洗浄液２２の流れは、中空回転体１２の回転により加速されるため中空回転体１２とウェーハ２１の表面に挟まれた空間で停滞することはなく、従来の振動体を利用するスピン洗浄の場合よりも大幅に速い速度でこの空間を通過する。このため、ウェーハ２１の表面から超音波１４の作用によって洗浄液２２中へと浮き上がった異物を、高速の洗浄液２２の流れとともに速やかに洗い流すことが可能となる。その結果、従来の振動体を利用するスピン洗浄の場合と比較して、ウェーハ２１の表面への異物の再付着を大幅に減少させることができる。

このように、本発明によれば、まず、従来の振動体を利用するスピン洗浄の場合と同様に、ウェーハの表面に与える超音波のダメージを低減させる効果が得られる。次に、従来の振動体を利用するスピン洗浄の場合と比較して、ウェーハ表面への異物の再付着を大幅に減少させる効果が得られる。これらの効果が同時に得られることから、本発明を利用すれば、従来の振動体を利用するスピン洗浄方法では実現できなかった、ウェーハ表面に与えるダメージが小さく、且つ、異物の除去効率の高い洗浄が可能となる。

なお、中空回転体１２の外周側面には、掻き出し効果を高めて洗浄液２２の流れをより加速するため、微小な凹凸を設けておいても良い。例えば、研削加工により中空回転体１２の外周側面に回転軸方向に平行な溝を形成しても良いし、或いは、中空回転体１２の外周側面に回転軸方向に平行に線条突起物を粘着しても良い。この場合の凹（溝）凸（突起物）の深さ或いは高さは任意であるが、洗浄液２２が中空回転体１２の全外周側面と接するように洗浄液２２の膜厚以下の高さ或いは深さとする。

以上を前提として、次に、図２乃至図８を参照して本発明の実施例１の超音波照射装置を説明する。図２は本発明の実施例１の超音波照射装置の本体部の外観図であり、振動体及び超音波煽動子を備えた振動部３０、振動体３１を微小な間隙を介して内包する中空回転体４０、及び、中空回転体４０の飛び出しを防止するキャップ５０によって構成される。なお、この実施例１においては、超音波媒質液体として洗浄液をそのまま用いる。

図３は、振動部の構成説明図であり、振動部３０は、振動体３１、超音波振動子３２、支持部３３、送液チューブ３６を備えた送液リング３４、及び、高周波電源ケーブル３７からなる。振動体３１は合成石英から成り、例えば、長さが１１５ｍｍ、直径が１５ｍｍの円柱状である。この振動体３１の一端は、超音波振動子３２に接続されている。

また、ここでは、超音波振動子３２として、例えば、振動周波数１．５ＭＨｚ、最大出力６０Ｗの振動子を採用した。超音波振動子３２の振動周波数としては、超音波が被洗浄物であるウェーハの表面に与えるダメージを考慮すると、できるだけ高い周波数の振動子を採用することが望ましく、少なくとも１ＭＨｚ以上の周波数が好ましい。振動体３１に超音波振動が生じると、発生した超音波は、振動体３１の全体へと伝搬する。

超音波振動子３２は、振動体３１を含む主要部分全体を支持するための支持部３３に固定されている。支持部３３からは、高周波電力電源（図示は省略）からの高周波電力信号を超音波振動子３２に供給するための高周波電源ケーブル３７が伸びている。

振動体３１の一端には、さらに、送液リング３４が固定されている。送液リング３４には、内部を貫通するように洗浄液導入通路３５が複数設けられている。後述するように、振動体３１の外周側面と回転体の内側側面の間には円筒状の空間が設けられるが、洗浄液導入通路３５は、外部から供給される洗浄液をこの円筒状の空間に導くことを目的に設けられている。

上述のように、空気は超音波を大きく減衰させるので、振動体３１で発生した超音波を外側の回転体４０へと伝搬させるため、両者の間に形成される円筒状の空間を超音波媒質液体としての洗浄液で満たすことが必要である。この洗浄液を振動体３１の外側の円筒状の空間に継続的に送り続けて、円筒状の空間を常に洗浄液で満たすようにする。

洗浄液導入通路３５の回転体側に面した端部開口部は、円筒状の空間の一端と向かい合うように振動体３１の外周側面に接する位置に設けられている。一方、反対側の端部開口部からは液送チューブ３６が伸び送液ポンプ（図示は省略）へと接続されている。この送液ポンプを動作させることにより、洗浄液が振動体３１の外側の円筒状の空間へと供給される。洗浄液導入通路３５の数は任意であるが、ここでは、例えば、振動体３１の中心軸を囲むように９０度おきに４本設置している。

図４は、中空回転体の構成説明図であり、中空回転体４０は、内部に円形の穴が貫通している円筒状の石英管４１と、これを両端から挟むように接続されるギアリング４２と樹脂リング４３とからなる。石英管４１、ギアリング４２、樹脂リング４３は、内径、外径ともに同じ大きさである。ここでは、中空回転体４０の内径は例えば、１９ｍｍとし、外径は４９ｍｍとする。また、石英管４１の長さは例えば、５０ｍｍであり、ギアリング４２および樹脂リング４３の長さ（厚さ）はいずれも１５ｍｍであり、中空回転体４０の全体の長さは、これらの合計の８０ｍｍとなる。

また、石英管４１の材質は、例えば、振動体３１と同一の合成石英からなり、超音波を良好に伝搬させることができる。ギアリング４２と樹脂リング４３の材質は、洗浄液による化学的作用を受けにくい樹脂であることが望ましく、ここでは、これらをフッ素系樹脂の母材から削り出し加工により製作した。

このギアリング４２の外周側面にはギアが形成されていて、このギアを外部の動力源に接続されたギアと噛み合わせることにより、中空回転体４０を回転させることができる。また、ギアリング４２と樹脂リング４３の内側側面には、スペーサー４４が設けられている。このスペーサー４４は、両リングを削り出し加工で製作する際に、これらの部分を削り残すことによって形成した。スペーサー４４の高さは、回転の際に必要な若干の遊びも考慮して、ここでは、１．８ｍｍに設定した。

このスペーサー４４は、振動体３１に中空回転体４０を差し込んで回転させる際に、振動体３１の外周側面と中空回転体４０の内側側面の間にできるだけ均一な間隔を設け、振動体３１の外側に円筒状の空間を作ることを目的に、形成されるものである。また、中空回転体４０の内側側面が振動体３１の外周側面にできるだけ小さな面積で接触するようにし、摩擦を小さくして、中空回転体４０の回転を滑らかに行わせる役割も果たす。ここでは、スペーサー４４は、一例として、中空回転体４０の中心軸を囲むように９０度おきに４本設置されているが、スペーサー４４の配置方法はこの限りではなく、前記の目的を果たすことができれば、自由に配置して良い。

ギアリング４２および樹脂リング４３のそれぞれ石英管４１とは反対側の面には、半球状の小さな突起４５，４６が形成されている。この突起４５，４６も、両リングを削り出し加工で製作する際に削り残すことで形成されている。ここでは、突起４５，４６の高さは１ｍｍに設定している。突起４５はギアリング４２が送液リング３４と、また、突起４６は樹脂リング４３がキャップ５０と、それぞれできるだけ小さな面積で接触するようにし、摩擦を小さくして、中空回転体４０の回転が滑らかに行われるようにするために形成される。

図５は、キャップの構成説明図であり、キャップ５０はフッ素樹脂から形成され、外径は中空回転体４０と同じ４９ｍｍであり、中央の穴５１の直径は振動体３１の直径と同じ１５ｍｍである。このキャップ５０は、中空回転体４０が振動体３１から抜け落ちないようにするために、振動体３１の先端に固定するものである。

図２に示したように、これらを組み立てて超音波照射装置の本体部６０を構成する場合には、振動体３１を中空回転体４０の内側の穴に差し込み、さらに、振動体３１の先端にキャップ５０に設けた穴５１に挿入して固定する。これにより、振動体３１の外周側面の外側に、厚さが約２ｍｍの円筒状の空間が形成され、中空回転体は振動体３１の外側で自由に回転することができる。

また、洗浄液導入通路３５から振動体３１の外側の円筒状の空間に継続的に洗浄液を供給すると、洗浄液はこの円筒状の空間の中を送液リング３４からキャップ５０へと向かう向きに流れ続ける。円筒状の空間を満たしたうえでさらに余分になった洗浄液は、送液リング３４とギアリング４２の間に突起４５により形成されたスペースから、或いは、樹脂リング４３とキャップ５０の間に突起４６により形成されたスペースから、流れ出して被洗浄物であるウェーハ上へと流出する。

図６は、超音波照射装置の全体構成図であり、支持ベース６１には、振動部３０の支持部３３が固定され、さらに、先端にギア６４を設置した動力伝達軸６３を備えるモーター６２が設置されている。この支持ベース６１は、超音波照射装置の本体部６０の全体を支持し、所定の運動をさせるための機構（図示は省略）へと固定されている。

モーター６２からは電源ケーブル６５が伸びていて、制御装置（図示は省略）へと接続されていて、モーター６２を駆動、制御する。動力伝達軸６３の先端に取り付けられたギア６４が、中空回転体４０のギアリング４２と噛み合うように、各構成要素は配置される。モーター６２を動作させることにより、中空回転体４０を回転させることができる。

図７は、本発明の超音波照射装置を用いた洗浄工程の説明図である。被洗浄物であるウェーハ２１の表面に、ノズル２３から洗浄液２２を供給し、ウェーハ２１の表面に洗浄液２２の膜を形成しておく。ウェーハ２１の表面から洗浄液２２中へと浮き上がった異物をウェーハ２１から速やかに洗い流すため、洗浄作業中は、ウェーハ２１は常に一定の速度で回転させておく。洗浄液２２の膜が一定の厚さを維持するようにするためには、ノズル２３からの洗浄液２２の供給量と、ウェーハ２１の回転数のバランスを調整する必要がある。

超音波照射装置の本体部６０の中空回転体４０の中心軸がウェーハ２１の表面と平行になるよう駆動機構（図示は省略）に支持ベース６１を固定する。そして、図７に示すように、中空回転体４０の外周側面が、ウェーハ２１の表面に形成された洗浄液２２の膜に接触し、且つ、ウェーハ２１の表面とは接触しないよう、駆動機構（図示は省略）を動作させて、超音波照射装置の本体部６０をウェーハ２１に接近させ、中空回転体４０の外周側面とウェーハ２１の表面との距離が、所定の洗浄距離ｄとなるようにする。なお、この洗浄距離ｄは、ウェーハ２１の表面からの異物の除去効率が最も高くなるよう、他のパラメータとともに最適化され、設定される。

超音波照射装置の本体部６０の内部に超音波媒質用の洗浄液２２を供給しつつ振動体３１を動作させ、さらに中空回転体４０を回転させる。その結果、中空回転体４０の外周側面から超音波が照射され、同時に、中空回転体４０の回転により、洗浄液２２が、中空回転体４０の外周側面とウェーハ２１の表面の間の空間を通過して行く。超音波の作用によってウェーハ２１の表面から洗浄液２２中へと浮き上がった異物は、洗浄液２２の流れに乗って中空回転体４０とウェーハ２１に挟まれた空間から排出され、さらに、上記の図１に示したようにウェーハ２１の回転によって洗浄液２２とともにウェーハ２１の外部へと振り切られる。

図８は、ウェーハと超音波照射装置の運動の説明図である。洗浄作業中のウェーハ２１と超音波照射装置の本体部６０の動作を、上方から見下ろした様子を示している。ウェーハ２１は、回転自在のウェーハチャック（図示は省略）上に、ウェーハ２１の中心とウェーハチャックの回転の中心が一致するように、水平に載置され、固定される。ウェーハ２１は、洗浄作業中、ウェーハの回転の中心を中心に一定速度で回転する。

一方、超音波照射装置の本体部６０は、アーム６６の一端に固定され、アーム６６のもう一端は、アームの回転軸６７に固定されている。アーム６６の回転軸６７は、動力機構（図示は省略）に接続されていて、一定の速度で往復回転運動をする。そのため、アーム６６とその先端に固定されている超音波照射装置の本体部６０は、矢印で示すようにウェーハ２１上で往復運動を行う。超音波照射装置の本体部６０の往復運動が形成する面が、ウェーハ２１の回転運動の面と平行になるよう、アーム６６の回転軸６７は、ウェーハ２１の回転運動の面に対して垂直に立てられている。

また、アーム６６からは、超音波照射装置の本体部６０の運動の向きに対して前方および後方の両側のウェーハ２１の表面に洗浄液２２を注ぐためのノズル２３が伸びている。アーム６６の往復運動により、超音波照射装置の本体部６０と２つのノズル２３の位置関係が保たれたまま、ノズル２３も超音波照射装置の本体部６０とともに往復運動を行う。

各ノズル２３の先端は、超音波照射装置の本体部６０から一定の距離を隔てたウェーハ２１上の位置に洗浄液２２が供給されるように配置されている。ノズル２３からウェーハ２１の表面に供給された洗浄液２２は、供給時の圧力とウェーハ２１の回転の作用によって、ウェーハ２１上で濡れ広がり、ウェーハ２１の全面に洗浄液２２の膜が形成される。なお、超音波照射装置の本体部６０の往復運動の間、超音波照射装置の本体部６０を構成する中空回転体４０の外周側面とウェーハ２１の表面との距離、即ち、洗浄距離ｄは一定の値を取るように制御する。

超音波照射装置の本体部６０の中空回転体４０から照射される超音波の作用は、中空回転体４０と洗浄液２２が接触している細長い筋状の領域にしか及ばないが、ウェーハ２１の回転と超音波照射装置の本体部６０の往復運動により、超音波が照射される領域は、ウェーハ２１の全面を掃引することとなり、ウェーハ２１の全面が洗浄される。

なお、この実施例１では、往復回転運動をする回転軸６７から伸びたアーム６６の先端に超音波照射装置の本体部６０を設置した場合を説明したが、超音波照射装置の本体部６０の運動のさせ方はこの限りではなく、例えば、平行に走る２本のガイドレールの間に超音波照射装置の本体部６０を渡し、超音波照射装置の本体部６０が往復直線運動するように構成しても良い。

なお、このような支持機構及び駆動系を含む超音波照射装置、ノズル２３を含む洗浄液供給機構、及び、駆動機構を含むウェーハチャック等によりスピン洗浄装置が構成されることになる。

このスピン洗浄装置を用いて、効果を確認する実験を行った。ここでは、直径８インチ（２００ｍｍ）のシリコンウェーハの表面に厚さ１００ｎｍの熱酸化膜を形成し、その表面に平均粒径０．１５μｍのシリカ（ＳｉＯ_２）微粒子を片面当たり３万個程度付着させて試料とした。ウェーハ表面検査装置を使用して、洗浄前後でウェーハ表面に付着しているシリカ粒子の数を計測し、洗浄によってどれだけのシリカ粒子が除去されたか（除去率）を算出した。評価の目安として、付着させた微粒子の９９％を洗浄除去できたところで、洗浄が完了したものと判定することとした。

超音波の振動周波数は１．５ＭＨｚ、出力は６０Ｗとした。洗浄液には、超純水中に水素ガスを１．５ｍ／Ｌの濃度で溶解させた水素溶解水を使用した。洗浄液は、中空回転体の両側の、中空回転体の中心からそれぞれ３１ｍｍ離れた位置に、いずれも１．５Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。

シリコンウェーハは、１５０ｒｐｍの速度で回転させた。また、超音波照射装置は、中空回転体の中心が約５０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動するように、ウェーハ上で往復運動をさせた。中空回転体４０の外周側面とウェーハ表面の距離、すなわち洗浄距離ｄは、約１ｍｍとした。

まず、中空回転体を回転させずに超音波のみを照射して、通常の振動体によるスピン洗浄方法と同じように洗浄を行った。その結果、洗浄が完了するまでには、即ち、付着させた微粒子の９９％を洗浄除去するまでに平均で３８５秒を要した。

次に、超音波の照射条件などはすべて同一のままとし、中空回転体を１００ｒｐｍの速度で回転させて洗浄を行った。その結果、洗浄が完了するまでに要した平均時間は、７５秒にまで短縮された。以上のように、本発明の実施例１の構成により、ウェーハ表面に付着した異物の除去効率が大幅に向上することが実験により確認された。

次に、図９を参照して、本発明の実施例２の超音波照射装置を説明するが、基本的な装置構成は上記の実施例１と同様であるので、超音波照射装置の主要部のみを説明する。図９は本発明の実施例２の超音波照射装置の主要部の断面図であり、中空回転体４０の内側側面から中空回転体４０の外周側面に向かって、中空回転体４０の内部を貫通するように、超音波媒質液体としての洗浄液２２を導く通路４７が形成されて、中空回転体４０の外周側面に形成された洗浄液噴射口４８に接続される。

各洗浄液噴射口４８近傍における通路４７の向きは、中空回転体４０の外周側面に対して斜めに、即ち、中空回転体４０の外周側面の法線と一定の角度を成すように形成されている。なお、通路４７及び洗浄液噴射口４８は中空円筒体４０の長さ方向に沿っては、例えば、３カ所設けるものであり、したがって、全体の通路４７及び洗浄液噴射口４８の数は４×３となる。

振動体３１の外側の円筒状の空間に圧力をかけて送り込まれた洗浄液２２は、通路４７を通って、洗浄液噴射口４８から中空回転体４０の外部へと噴き出し、洗浄液２２が噴出することの反作用で、洗浄液２２が噴射される方向とは逆方向に中空回転体４０を回転させる力が働いて中空回転体４０を回転させる。なお、この場合も、洗浄液噴射口４８から噴射されるのは、洗浄に用いられる洗浄液と同一であるため、洗浄効果には影響を与えない。

このように、本発明の実施例２においては、中空回転体４０に洗浄液噴射口４８を設けているので、外部の動力源からの動力を利用することなく中空回転体４０を回転させることができる。なお、図においては、通路４７及び洗浄液噴射口４８を断面当たり４か所設けているが４か所に限られるものではなく、任意の数を設ければ良い。但し、多すぎると加工が困難になるので、２〜８本が適当である。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例３の超音波照射装置を説明するが、基本的な装置構成は上記の実施例１と同様であるので、中空回転体の構成のみを説明する。図１０は本発明の実施例３の超音波照射装置の中空回転体の構成説明図であり、中空回転体４０は、内部に円形の穴が貫通している円筒状の石英管４１と、これを両端から挟むように接続されるギアリング４２と樹脂リング４３とからなる。ここでは、実施例１と同様に中空回転体４０の内径は例えば、１９ｍｍとし、外径は４９ｍｍとする。また、石英管４１の長さは例えば、５０ｍｍである。

また、石英管４１の材質は、例えば、振動体３１と同一の合成石英からなり、石英管４１の外周面に、研削加工によって、幅が例えば、０．５ｍｍで、深さが例えば、０．３ｍｍの複数の溝４９を設ける。この溝４９を設けることによって、中空回転体４０と洗浄液２２の接触面積が増えるため、中空回転体４０による洗浄液２２の巻き込みと排出がより効率良く行われるため、中空回転体４０とウェーハの間に挟まれた空間での洗浄液２２の流れを良くするために効果的である。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は、各実施例に示した構成、条件に限られるものではない。例えば、上記の実施例１においては中空回転体を回転させるために、中空回転体の一部にギアを形成して、これを動力源に接続された別の回転するギアと噛み合わせているが、回転駆動機構はギアに限られるものではない。例えば、動力源に接続された回転軸の一端に、一定の弾力性を備えたローラを設けて、このローラを回転体の外周側面に押し付けることによって、回転体を回転させても良い。この場合、ローラの材質としては、洗浄液による化学的作用の影響を受けにくい、シリコーンゴムなどを利用するのが望ましい。

また、本発明の実施例３においては、中空回転体の外周側面に研削加工により溝を設けているが、微小な凹凸が形成できるものであれば溝に限られるものではない。例えば、幅が１．０ｍｍで、厚さが０．５ｍｍの合成石英製の線条部材を予め形成しておき、この線条部材を中空回転体の外周側面に接着或いは溶融接合させても良い。

ここで、実施例１乃至実施例３を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
（付記１） 円筒状の外周側面を備えた中空回転体と、
前記中空回転体を支持し且つ前記中空回転体の中心軸を中心に前記中空回転体を回転させるための手段と、
前記中空回転体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段と
を備えることを特徴とする超音波照射装置。
（付記２） 前記中空回転体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段が、
前記中空回転体の中空部に前記中空回転体と微小な間隔を隔てて挿入された円柱状の振動体と、
前記振動体と前記中空回転体との間の微小な間隔を満たし、且つ、超音波を良好に伝搬させる液体と、
前記振動体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段と
を備えることを特徴とする付記１記載の超音波照射装置。
（付記３） ウェーハを水平に支持し且つその状態で前記ウェーハを回転させるための手段と、
付記１または２に記載の超音波照射装置と、
前記超音波照射装置を支持し、且つ、前記中空回転体の外周側面が前記ウェーハの表面から微小且つ一定の間隔を隔てたまま前記超音波照射装置を前記ウェーハ面に平行に往復運動をさせるための手段と、
前記ウェーハ表面に洗浄液を供給するための手段と
を備えることを特徴とする洗浄装置。
（付記４） 前記振動体と前記中空回転体の間に形成される円筒状の微小な空間に供給される液体が、前記ウェーハの表面に供給される洗浄液と同一であり、且つ、
前記円筒状の空間の一方の端部から他方の端部に向けて継続的に供給する手段を備えることを特徴とする付記３記載の洗浄装置。
（付記５） 前記中空回転体を前記振動体の周囲で回転させるための手段が、前記中空回転体の外周側面の一部に環状に設けられた第１のギアと、
一方の端部が回転動力源に接続された回転軸の他方の端部に設けられ、且つ、前記第１のギアと噛み合うように配置された第２のギアと
からなることを特徴とする付記３または４に記載の洗浄装置。
（付記６） 前記中空回転体を前記振動体の周囲で回転させるための手段が、一方の端部が回転動力源に接続された回転軸の他方の端部にローラと、
前記ローラを前記中空回転体の外周側面に接触させる手段と
からなることを特徴とする付記３または４に記載の洗浄装置。
（付記７） 前記中空回転体を前記振動体の周囲で回転させるための手段が、前記中空回転体の内部に形成され、且つ、前記振動体と前記中空回転体の間に形成される円筒状の空間に供給された液体を、前記中空回転体の外周側面の法線と一定の角度を成すように噴出させる排出通路からからなることを特徴とする付記３または４に記載の洗浄装置。
（付記８） 前記中空回転体の外周側面に、前記ウェーハの表面に供給される前記洗浄液の膜厚より低い凹凸が形成されていることを特徴とする付記３乃至７のいずれか１に記載の洗浄装置。
（付記９） 前記振動体及前記中空回転体が、合成石英によって形成されていることを特徴とする付記３乃至８のいずれか１に記載の洗浄装置。
（付記１０） 付記３乃至９のいずれか１に記載の洗浄装置を用いてウェーハの洗浄を行うことを特徴とする洗浄方法。

本発明のスピン洗浄方法の原理的構成の説明図である。 本発明の実施例１の超音波照射装置の本体部の外観図である。 振動部の構成説明図である。 中空回転体の構成説明図である。 キャップの構成説明図である。 超音波照射装置の本体部の全体構成図である。 本発明の超音波照射装置を用いた洗浄工程の説明図である。 ウェーハと超音波照射装置の運動の説明図である。 本発明の実施例２の超音波照射装置の主要部の断面図である。 本発明の実施例３の超音波照射装置の中空回転体の構成説明図である。 従来の超音波ノズルを用いたスピン洗浄方法の説明図である。 従来の振動体を用いたスピン洗浄方法の説明図である。

符号の説明

１０ 超音波照射装置
１１ 振動体
１２ 中空回転体
１３ 超音波媒質液体
１４ 超音波
２１ ウェーハ
２２ 洗浄液
２３ ノズル
３０ 振動部
３１ 振動体
３２ 超音波振動子
３３ 支持部
３４ 送液リング
３５ 洗浄液導入通路
３６ 送液チューブ
３７ 高周波電源ケーブル
４０ 中空回転体
４１ 石英管
４２ ギアリング
４３ 樹脂リング
４４ スペーサー
４５，４６ 突起
４７ 通路
４８ 洗浄液噴射口
４９ 溝
５０ キャップ
５１ 穴
６０ 超音波照射装置の本体部
６１ 支持ベース
６２ モーター
６３ 動力伝達軸
６４ ギア
６５ 電源ケーブル
６６ アーム
６７ 回転軸
７１ ウェーハ
７２ 超音波ノズル
７３ 洗浄液
７４ 照射点
７５ 振動体
７６ 超音波振動子
７７ ノズル

Claims (5)

1. 円筒状の外周側面を備えた中空回転体と、
   前記中空回転体を支持し且つ前記中空回転体の中心軸を中心に前記中空回転体を回転させるための手段と、
   前記中空回転体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段と
   を備えることを特徴とする超音波照射装置。
2. 前記中空回転体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段が、
   前記中空回転体の中空部に前記中空回転体と微小な間隔を隔てて挿入された円柱状の振動体と、
   前記振動体と前記中空回転体との間の微小な間隔を満たし、且つ、超音波を良好に伝搬させる液体と、
   前記振動体の外周側面に超音波振動を生じさせるための手段と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。
3. ウェーハを水平に支持し且つその状態で前記ウェーハを回転させるための手段と、
   請求項１または２に記載の超音波照射装置と、
   前記超音波照射装置を支持し、且つ、前記中空回転体の外周側面が前記ウェーハの表面から微小且つ一定の間隔を隔てたまま前記超音波照射装置を前記ウェーハ面に平行に往復運動をさせるための手段と、
   前記ウェーハ表面に洗浄液を供給するための手段と
   を備えることを特徴とする洗浄装置。
4. 前記中空回転体の外周側面に、前記ウェーハの表面に供給される前記洗浄液の膜厚より低い凹凸が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の洗浄装置。
5. 請求項３または４に記載の洗浄装置を用いてウェーハの洗浄を行うことを特徴とする洗浄方法。

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