JP2011029315A - 基板洗浄装置および基板洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短い洗浄時間にて基板の全面を洗浄することができる基板洗浄装置および基板洗浄方法を提供する。
【解決手段】洗浄ヘッド６０の底面には２０個の吐出孔を所定の配列間隔で一列に並べた孔列ＮＲを４列設けている。また、洗浄ヘッド６０の外壁面には圧電素子が貼設されている。洗浄ヘッド６０の内部に洗浄液を供給しつつ、圧電素子により洗浄液に振動を付与することによって、合計８０個の吐出孔６４から直径が一定である洗浄液の液滴を生成して一定速度にて連続して吐出する。洗浄ヘッド６０から液滴を吐出する際には、カバーリンスノズル８０から基板Ｗの上面にカバーリンス液を吐出して液膜を形成しつつ洗浄ヘッド６０を基板Ｗの中心部と端縁部との間でスキャンさせる。８０個の吐出孔６４から液滴を吐出することによって、短い洗浄時間にて基板Ｗの全面を洗浄することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して半導体基板、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等（以下、単に「基板」と称する）に吐出して洗浄する基板洗浄装置および基板洗浄方法に関する。

従来より、半導体基板等の製造プロセスにおいては基板に付着したパーティクルを除去する洗浄工程が必須のものとなっている。洗浄工程を実行する枚葉式の洗浄装置においては、純水等の洗浄液の微小な液滴を基板に向けて噴射することにより基板を洗浄する技術が利用されている。

このような洗浄装置では、例えば特許文献１に開示されるように、洗浄液と加圧した気体とを混合して液滴を生成し、その液滴と気体との混合流体を基板に噴射する二流体ノズルが広く用いられている。基板に付着しているパーティクル等の異物は、洗浄液の液滴の運動エネルギーによって物理的に除去される。

一方、このようなスプレー方式の洗浄技術とは異なる洗浄処理技術として、特許文献２には、圧電素子に超音波帯域の周波数で膨張収縮を繰り返し行わせることによって、吐出口から一方向に加速された洗浄液のミストを基板に向けて高速に噴出させる洗浄装置が開示されている。また、特許文献３，４には、インクジェットプリンタのプリンタヘッドと同様に、ピエゾ素子などによって一定量の洗浄液の液滴を吐出するインクジェット方式の洗浄ノズルが開示されている。

特開２００７−２２７８７８号公報 特開２０００−５３３号公報 特開２００３−２８３１０３号公報 特開２００４−３２７４８７号公報

特許文献３，４に開示されるようなインクジェット方式の洗浄処理技術においては、ノズルから吐出する液滴の形態を電子制御によってきめ細かく制御することができ、最適な液滴径および液滴速度にて洗浄液の液滴を吐出するように制御すれば、有効な洗浄処理を行うことができる。しかしながら、インクジェット方式の洗浄処理はスプレー方式のように吐出された洗浄液が拡がるという現象が生じにくいため、基板上に液滴が衝突しない領域、つまり洗い残しが生じるおそれがある。このような、洗い残し部分を無くするためにに、洗浄ヘッドを非常に低速でスキャンさせると、洗浄時間が極めて長くなってスループットが低下するという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、短い洗浄時間にて基板の全面を洗浄することができる基板洗浄装置および基板洗浄方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して基板に吐出して洗浄する基板洗浄装置において、基板を保持して回転させる回転保持手段と、前記回転保持手段に保持された基板の上面に液体を吐出して液膜を形成する液膜形成手段と、それぞれが直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出する６０個以上３００個以下の吐出孔を穿設した洗浄ヘッドと、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る基板洗浄装置において、前記洗浄ヘッドに、６０個以下の吐出孔を一列に並べた孔列を５列以下設けることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る基板洗浄装置において、前記洗浄ヘッドに、２０個の吐出孔を一列に並べた孔列を４列設けることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項２の発明に係る基板洗浄装置において、前記洗浄ヘッドに、６０個の吐出孔を一列に並べた孔列を１列設けることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る基板洗浄装置において、前記洗浄ヘッドに穿設された吐出孔の孔径は１５μｍであり、その吐出孔から直径２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出することを特徴とする。

また、請求項６の発明は、直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して基板に吐出して洗浄する基板洗浄方法において、回転する基板の上面に液体を吐出して液膜を形成する液膜形成工程と、洗浄ヘッドに穿設した６０個以上３００個以下の吐出孔のそれぞれから直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出する液滴吐出工程と、を備えることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項６の発明に係る基板洗浄方法において、前記洗浄ヘッドに、６０個以下の吐出孔を一列に並べた孔列を５列以下設けることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る基板洗浄方法において、前記洗浄ヘッドに、２０個の吐出孔を一列に並べた孔列を４列設けることを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項７の発明に係る基板洗浄方法において、前記洗浄ヘッドに、６０個の吐出孔を一列に並べた孔列を１列設けることを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項６から請求項９のいずれかの発明に係る基板洗浄方法において、それぞれの吐出孔から直径２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出することを特徴とする。

請求項１から請求項５の発明によれば、洗浄ヘッドに、それぞれが直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出する６０個以上３００個以下の吐出孔を穿設するため、現時的に許容される比較的短い洗浄時間にて基板の全面を洗浄することができる。

特に、請求項２の発明によれば、洗浄ヘッドに、６０個以下の吐出孔を一列に並べた孔列を５列以下設けるため、全ての吐出孔に対応する位置に液膜を形成することができる。

また、請求項６から請求項１０の発明によれば、洗浄ヘッドに穿設した６０個以上３００個以下の吐出孔のそれぞれから直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出するため、現時的に許容される比較的短い洗浄時間にて基板の全面を洗浄することができる。

特に、請求項７の発明によれば、洗浄ヘッドに、６０個以下の吐出孔を一列に並べた孔列を５列以下設けるため、全ての吐出孔に対応する位置に液膜を形成することができる。

本発明に係る基板洗浄装置の一例を示す図である。 洗浄ヘッドの概略構成を示す図である。 洗浄ヘッドの斜視図である。 第１実施形態における吐出孔の配列を示す図である。 第１実施形態における洗浄動作を示す図である。 第２実施形態における洗浄動作を示す図である。 洗浄ヘッドの他の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る基板洗浄装置の一例を示す図である。この基板洗浄装置１は、半導体の基板Ｗを１枚ずつ洗浄する枚葉式の洗浄装置であり、円形のシリコンの基板Ｗに付着したパーティクル等の汚染物質を除去して洗浄する。基板洗浄装置１は、主要な構成として、回転保持部１０と、処理カップ２０と、スプラッシュガード３０と、ノズル駆動部５０と、洗浄ヘッド６０と、カバーリンスノズル８０と、制御部９０と、を備える。

回転保持部１０は、スピンベース１１、回転軸１３およびモータ１４を備える。スピンベース１１は、基板Ｗよりも若干大きな径を有する円板状部材である。スピンベース１１の上面周縁部には、同一円周上に沿って複数個（本実施形態では６個）の支持ピン１２が立設されている。各支持ピン１２は、基板Ｗの下面周縁部を下から支持する円筒状の支持部と、その支持部の上面に突設されて基板Ｗの端縁部に当接して押圧するピン部とによって構成されている。６個の支持ピン１２のうち３個についてはスピンベース１１に固定設置された固定支持ピンとされている。固定支持ピンは、円筒状支持部の軸心上にピン部を突設している。一方、６個の支持ピン１２のうち残りの３個についてはスピンベース１１に対して回転（自転）自在に設置された可動支持ピンとされている。可動支持ピンでは、円筒状支持部の軸心から若干偏心してピン部が突設されている。３個の可動支持ピンは図示省略のリンク機構および駆動機構によって連動して回動駆動される。可動支持ピンが回動することにより、６個のピン部で基板Ｗの端縁部を把持することと、基板Ｗの把持を解除することとが可能である。６個の支持ピン１２によって基板Ｗの端縁部を把持することにより、スピンベース１１は基板Ｗの下面中央部に接触することなく基板Ｗを水平姿勢にて保持することができる。

回転軸１３は、スピンベース１１の下面側中心部に垂設されている。回転軸１３は、駆動ベルト１５を介してモータ１４の駆動プーリ１６と連動連結されている。モータ１４が駆動プーリ１６を回転駆動させると、駆動ベルト１５が回走して回転軸１３が回転する。これにより、スピンベース１１に保持された基板Ｗは、スピンベース１１および回転軸１３とともに、水平面内にて鉛直方向に沿った中心軸ＲＸの周りで回転する。

また、回転軸１３の内側は中空となっており、その中空部分には鉛直方向に沿って処理液ノズル１８が挿設されている。処理液ノズル１８は図示を省略する処理液供給源と連通接続されている。処理液ノズル１８の先端はスピンベース１１に保持された基板Ｗの下面中心部に向けて開口している。このため、処理液ノズル１８の先端から基板Ｗの下面中心部に処理液を供給することができる。

また、回転軸１３の内壁面と処理液ノズル１８の外壁面との間の隙間は気体供給流路とされており、図示を省略する気体供給源と連通接続されている。この隙間の上端からスピンベース１１に保持された基板Ｗの下面に向けて気体を供給することができる。

回転保持部１０を取り囲んで処理カップ２０が設けられている。処理カップ２０の内側には、円筒状の仕切壁２１が設けられている。また、回転保持部１０の周囲を取り囲むように、基板Ｗの洗浄処理に用いられた洗浄液を排液するための排液空間２２が仕切壁２１の内側に形成されている。さらに、排液空間２２を取り囲むように、処理カップ２０の外壁と仕切壁２１との間に基板Ｗの洗浄処理に用いられた洗浄液を回収するための回収空間２３が形成されている。

排液空間２２には、排液処理装置（図示省略）へ洗浄液を導くための排液管２７が接続され、回収空間２３には、回収処理装置（図示省略）へ洗浄液を導くための回収管２８が接続されている。

処理カップ２０の上方には、基板Ｗからの洗浄液が外方へ飛散することを防止するためのスプラッシュガード３０が設けられている。このスプラッシュガード３０は、中心軸ＲＸに対して回転対称な形状とされている。スプラッシュガード３０の上端部の内面には、断面Ｖの字形状の排液案内溝３１が環状に形成されている。また、スプラッシュガード３０の下端部の内面には、外側下方に傾斜する傾斜面からなる回収液案内部３２が形成されている。回収液案内部３２の上端付近には、処理カップ２０の仕切壁２１を受け入れるための仕切壁収納溝３３が形成されている。

このスプラッシュガード３０は、ボールねじ機構等で構成されたガード昇降駆動機構３５によって鉛直方向に沿って昇降駆動される。ガード昇降駆動機構３５は、スプラッシュガード３０を、回収液案内部３２がスピンベース１１に保持された基板Ｗの端縁部を取り囲む回収位置と、排液案内溝３１がスピンベース１１に保持された基板Ｗの端縁部を取り囲む排液位置との問で昇降させる。スプラッシュガード３０が回収位置（図１に示す位置）にある場合には、基板Ｗの端縁部から飛散した洗浄液が回収液案内部３２により回収空間２３に導かれ、回収管２８を介して回収される。一方、スプラッシュガード３０が排液位置にある場合には、基板Ｗの端縁部から飛散した洗浄液が排液案内溝３１により排液空間２２に導かれ、排液管２７を介して排液される。このようにして、洗浄液の排液および回収を切り換えて実行可能とされている。また、スピンベース１１に対して基板Ｗの受け渡しを行う場合には、ガード昇降駆動機構３５は、スピンベース１１がスプラッシュガード３０の上端よりも突き出る高さ位置にまでスプラッシュガード３０を下降させる。

基板洗浄装置１は、さらにカバーリンスノズル８０を備える。カバーリンスノズル８０は、図示を省略するカバーリンス液供給源から送給されたカバーリンス液（本実施形態では純水）を回転保持部１０に保持された基板Ｗの上面に吐出する。カバーリンスノズル８０からのカバーリンス液の吐出の有無、および、吐出流量は制御部９０が送給ラインの流量調整バルブ等を制御することによって調整される。

ノズル駆動部５０は、昇降モータ５１、スイングモータ５３およびノズルアーム５８を備える。ノズルアーム５８の先端には洗浄ヘッド６０が取り付けられている。ノズルアーム５８の基端側はスイングモータ５３のモータ軸５３ａに連結されている。スイングモータ５３は、モータ軸５３ａを中心に洗浄ヘッド６０を水平面内にて回動させる。

スイングモータ５３は昇降ベース５４に取り付けられている。昇降ベース５４は、固定設置された昇降モータ５１のモータ軸に直結されたボールネジ５２に螺合されるとともに、ガイド部材５５に摺動自在に取り付けられている。昇降モータ５１がボールネジ５２を回転させると、昇降ベース５４とともに洗浄ヘッド６０が昇降する。

ノズル駆動部５０の昇降モータ５１およびスイングモータ５３によって、洗浄ヘッド６０はスプラッシュガード３０よりも外方の待避位置とスピンベース１１の上方の洗浄位置との間で移動する。また、洗浄ヘッド６０は、スピンベース１１の上方において、スイングモータ５３によって基板Ｗの中心部上方と端縁部上方との間で揺動される。

また、制御部９０は、基板洗浄装置１に設けられた種々の動作機構を制御する。制御部９０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部９０は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。

図２は、洗浄ヘッド６０の概略構成を示す図である。また、図３は、洗浄ヘッド６０の斜視図である。洗浄ヘッド６０は、四角柱形状の筒状体６１に圧電素子（ピエゾ素子）６２を貼設して構成される。洗浄ヘッド６０は、樹脂製のホルダー６３を介してノズルアーム５８の先端に取り付けられる。なお、図３ではホルダー６３を省略している。

四角柱形状の筒状体６１の内側には中空空間が形成されており、その両端は開口されている。本実施形態においては、筒状体６１は石英によって形成されているが、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等のセラミックスによって形成するようにしても良い。

第１実施形態においては、洗浄ヘッド６０の筒状体６１の底面に８０個の吐出孔（ノズル）６４が穿設されている。図４は、第１実施形態における吐出孔６４の配列を示す図であり、筒状体６１を底面から見た平面図である。同図に示すように、筒状体６１の底面には２０個の吐出孔６４を所定の配列間隔で一列に並べた孔列ＮＲを４列設けている。２０個の吐出孔６４を４列配置することによって合計８０個の吐出孔６４を筒状体６１の底面に設けている。各吐出孔６４は、筒状体６１の底壁面を貫通する略円筒形状である。８０個の吐出孔６４の直径（孔径）は均一であり、第１実施形態では１５μｍである。

また、筒状体６１の上面（８０個の吐出孔６４が設けられた壁面と対向する壁面）の外側には圧電素子６２が貼設されている。圧電素子６２は高周波発生器を有する電源６５と電気的に接続されている。電源６５は、所定周波数の交流電圧を圧電素子６２に印加する。

筒状体６１の内側空間の一端側開口は供給配管７０を介して洗浄液供給源７１と連通接続されている。供給配管７０の経路途中には圧送ポンプ７２およびフィルター７３が介挿されている。圧送ポンプ７２は洗浄液供給源７１から洗浄ヘッド６０に向けて洗浄液（本実施形態では純水）を圧送する。フィルター７３は、洗浄液供給源７１から送給された洗浄液中に含まれる異物を取り除く。

一方、筒状体６１の内側空間の他端側開口には排出配管７５が連通接続されている。排出配管７５の経路途中にはバルブ７６が介挿されている。筒状体６１の内側空間に供給配管７０から洗浄液を供給しつつバルブ７６を開放すると、排出配管７５から装置外部へと洗浄液が排出される。

次に、上述の構成を有する基板洗浄装置１の処理動作について説明する。以下に説明する処理動作は、制御部９０が所定の洗浄処理用ソフトウェアを実行して基板洗浄装置１の各機構を制御することによって行われるものである。図５は、第１実施形態の基板洗浄装置１における洗浄動作を示す図である。

まず、スプラッシュガード３０が下降してスピンベース１１がスプラッシュガード３０よりも上方に出た状態にて、スピンベース１１に基板Ｗが渡される。続いて、スプラッシュガード３０が上述の排液位置まで上昇するとともに、ノズル駆動部５０が洗浄ヘッド６０をスピンベース１１に保持された基板Ｗの上方の洗浄位置まで移動させる。洗浄位置においては、洗浄ヘッド６０の複数の吐出孔６４と基板Ｗとの間隔が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下とされる。

洗浄ヘッド６０には、洗浄処理を行っていないときにも常時連続して圧送ポンプ７２から洗浄液が送給されている。洗浄処理を行っていないときには、バルブ７６が開放されており、筒状体６１の内部に送給された洗浄液はそのまま排出配管７５から装置外部に排出され続けている。すなわち、洗浄ヘッド６０がスプラッシュガード３０よりも外方の待避位置にて待機しているとき、および、待避位置から基板Ｗ上方の洗浄位置に移動しているときも洗浄ヘッド６０には洗浄液が供給され続けており、その洗浄液は装置外部に排出され続けている。

次に、回転保持部１０によって基板Ｗの回転を開始するとともに、カバーリンスノズル８０から回転する基板Ｗの上面にカバーリンス液を吐出して液膜を形成する。続いて洗浄ヘッド６０から洗浄液の液滴を回転する基板Ｗの上面に向けて吐出する。このときに、処理液ノズル１８から基板Ｗの下面に向けて洗浄液を吐出しても良い。また、図５に示すように、基板Ｗを回転させつつ、ノズル駆動部５０によって洗浄ヘッド６０を基板Ｗの中心部上方と端縁部上方との間でスキャンさせて洗浄処理が進行する。洗浄処理を行うときには、洗浄ヘッド６０への洗浄液の送給を行いつつバルブ７６を閉止する。このため、筒状体６１内部における洗浄液の液圧が上昇し、それによって８０個の吐出孔６４から洗浄液が吐出される。

また、洗浄処理を行うときには、電源６５が所定周波数の交流電圧を圧電素子６２に印加する。これによって、圧電素子６２が膨張収縮を繰り返し、筒状体６１内部の洗浄液に所定周波数の振動が付与される。筒状体６１の内部における洗浄液の液圧を高めるとともに、その洗浄液に振動を与えると、８０個の吐出孔６４から液圧により流出する洗浄液が振動により分散・分断されて洗浄液の液滴が生成されて吐出される。ここで、吐出孔６４から流れ出る液流が分断されて液滴が生成されるのは以下の過程による。筒状体６１内には、洗浄液が一定圧もしくは狭い範囲を有する圧力（D.C.pressure：直流圧）に維持されて供給される。吐出孔６４からは、その圧力によって８０個の吐出孔６４において実質的に同じ排出率で洗浄液が流れ出る。この状態で圧電素子６２に固定された所定周波数の交流電圧を印加すると、発生する振動によって液流が分散・分断されて液滴が形成される。ここでの圧送ポンプ７２による洗浄液の供給圧力と圧電素子６２に印加する交流の周波数は、いわゆるコンティニュアスインクジェット装置の通常の操作範囲外になる値である。基板Ｗに付着しているパーティクル等の汚染物質は、洗浄ヘッド６０から吐出された液滴の運動エネルギーによって物理的に除去される。なお、回転する基板Ｗから遠心力によって飛散した液体は、排液案内溝３１により排液空間２２に導かれ、排液管２７から排液される。

ここで、制御部９０が圧送ポンプ７２を制御して筒状体６１内部の洗浄液の液圧を調整するとともに、電源６５を制御して洗浄液に与える振動を調整することによって、８０個の吐出孔６４から吐出される液滴の吐出条件（パラメータ）を規定することができる。

第１実施形態においては、８０個の吐出孔６４から基板Ｗに向けて吐出される洗浄液の液滴の直径（液滴径）を２０μｍとしている。ここで、８０個の吐出孔６４から吐出される全ての液滴の液滴径が厳密に２０μｍではないが、本実施形態の方式にて吐出される液滴の液滴径のバラツキは極めて小さい。具体的には、液滴径の分布が３σ（σは標準偏差）で２μｍ以下に収まっており、８０個の吐出孔６４からは実質的に直径が一定（２０μｍ）である洗浄液の液滴が吐出されているとみなすことができる。

また、第１実施形態においては、８０個の吐出孔６４から基板Ｗに向けて吐出される洗浄液の速度（液滴速度）を４０ｍ／ｓとしている。液滴径と同じく、８０個の吐出孔６４から吐出される全ての液滴の液滴速度が厳密に４０ｍ／ｓではないが、本実施形態の方式にて吐出される液滴の液滴速度のバラツキは極めて小さい。具体的には、液滴速度の分布は３σで５ｍ／ｓ以下に収まっており、８０個の吐出孔６４からは実質的に一定速度（４０ｍ／ｓ）にて洗浄液の液滴が吐出されているとみなすことができる。

このように、第１実施形態の洗浄ヘッド６０の吐出孔６４からは直径が２０μｍ均一の洗浄液の液滴を一定液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出している。吐出する液滴の液滴径および液滴速度のバラツキを小さな範囲に収めることができるのは、筒状体６１内部に高圧充填された洗浄液に圧電素子６２から振動を与えて複数の吐出孔６４から吐出することによるものである。すなわち、従来の二流体ノズルにおいては、加圧された気体を液体に衝突させて液滴を生成しているため、液滴が気体との混相流として吐出されることとなって制御が困難となり、液滴の液滴径および液滴速度も分布の広いバラツキが大きなものとなるのである。これに対して、第１実施形態の洗浄ヘッド６０においては、加圧された液体に振動を与えつつ複数の吐出孔６４から吐出しているため、液滴のみが吐出されることとなり、液滴の液滴径および液滴速度を分布の狭いバラツキの小さなものとすることができるのである。

液滴直径が２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて吐出するようにすれば、基板Ｗにダメージを与えることなく有効な洗浄力を得ることができる。すなわち、あまりに液滴の直径が大きかったり液滴速度が速すぎたりすると、液滴の衝突によって基板Ｗにダメージが発生する。逆に、液滴の直径が小さすぎたり液滴速度が遅すぎたりすると、必要な洗浄力が得られなくなる。液滴径２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて吐出するという条件は、シリコンの半導体基板Ｗの洗浄処理を行う際には基板Ｗにダメージを与えることなく有効な洗浄力を得ることが出来る好適な液滴条件である。

しかも、第１実施形態の洗浄ヘッド６０の吐出孔６４から吐出される液滴の液滴径および液滴速度の分布は極めて狭い。従って、洗浄に寄与しない無駄な液滴および基板Ｗにダメージを与えるような有害な液滴は皆無となり、基板Ｗにダメージを与えることなく洗浄効率を確実に向上させることができる。

また、基板洗浄装置１は、カバーリンスノズル８０から回転する基板Ｗの上面にカバーリンス液を吐出して液膜を形成している。洗浄ヘッド６０から吐出された液滴はカバーリンス液の液膜を介して基板Ｗの上面に衝突することとなる。この液膜が存在しない状態で洗浄ヘッド６０からの液滴が直接衝突すると基板Ｗにダメージを与えるおそれがあるが、カバーリンス液の液膜を形成することによって液滴の衝撃を緩和して基板Ｗにダメージを与えることを防止している。

このように、液滴直径が２０μｍにて一定の洗浄液の液滴を一定液滴速度４０ｍ／ｓにて基板Ｗに吐出するようにすれば、基板Ｗにダメージを与えることなく有効な洗浄力を得ることができるのであるが、実際の洗浄プロセスにおいては、所定の時間内に基板Ｗの全面を均一に洗浄することが要求される。ここで、仮に洗浄ヘッド６０に１個の吐出孔６４が設けられているとして、その単一の吐出孔６４から液滴径２０μｍの洗浄液の液滴が液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出する場合に直径が３００ｍｍの基板Ｗの全面を均一に洗浄するのに必要な洗浄時間について考える。

まず、基板Ｗの全面を均一に洗浄するためには、基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させることが必要である。このためには、液滴が液滴径の１／２以上重なりながら基板Ｗに衝突することが必要となり、具体的には基板Ｗの円周方向における液滴の衝突間隔および半径方向における衝突間隔がともに液滴径の１／２以下（液滴径が２０μｍであれば１０μｍ以下）となるように基板Ｗの回転数および洗浄ヘッド６０のスキャン速度を調節すれば良い。

基板Ｗの円周方向については、外周に近くなるほど回転の速度が大きくなり、端縁部での速度が最大となる。基板Ｗの端縁部において円周方向に沿った液滴の衝突間隔が液滴径の１／２以下、つまり１０μｍ以下であれば、それよりも内側での円周方向に沿った液滴の衝突間隔はさらに密となり、隙間が発生することは無い。孔径１５μｍの吐出孔６４から直径が２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出すると、同じ吐出孔６４から連続吐出された隣接する液滴同士の中心間距離は５２μｍとなる。そうすると、連続吐出されて液滴速度４０ｍ／ｓで基板Ｗに衝突する隣接する液滴の衝突間隔が１０μｍとなるためには、基板Ｗの端縁部の回転速度は７．８ｍ／ｓとなり、これに対応するφ３００ｍｍの基板Ｗの回転数は５００ｒｐｍとなる。すなわち、基板Ｗの回転数が５００ｒｐｍ以下であれば、基板Ｗの円周方向についての液滴の衝突間隔を液滴径の１／２以下とすることができる。

次に、基板Ｗの半径方向についても隣接する液滴の衝突間隔を１０μｍ以下とする必要がある。このためには、基板Ｗが一回転する間に洗浄ヘッド６０が半径方向に沿って移動するスキャン距離が１０μｍ以下であれば良い。なお、洗浄ヘッド６０は、厳密にはノズル駆動部５０によって円弧状の軌跡を描きながらスキャンするものであるが、円弧の半径が十分に大きいため洗浄ヘッド６０が基板Ｗの半径方向に沿って直線的にスキャンするものと近似することができる。

上記の条件より基板Ｗの回転数が５００ｒｐｍとすると、基板Ｗが一回転するのに要する時間は０．１２秒であり、その間に洗浄ヘッド６０が基板Ｗの半径方向に沿って１０μｍ進むためにはスキャン速度を０．０８３ｍｍ／ｓとする必要がある。すなわち、基板Ｗの回転数を５００ｒｐｍとしつつ、洗浄ヘッド６０のスキャン速度を０．０８３ｍｍ／ｓとすれば、基板Ｗの円周方向における液滴の衝突間隔および半径方向における衝突間隔をともに液滴径の１／２以下とすることができ、基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させることができる。ところが、洗浄ヘッド６０のスキャン速度を０．０８３ｍｍ／ｓとすると、φ３００ｍｍの基板Ｗ（つまり半径１５０ｍｍ）の中心部から端縁部にまで洗浄ヘッド６０が移動するのに１８００秒を要することとなる。この１８００秒という所要時間は、１個の吐出孔６４を設けた洗浄ヘッド６０によって基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させて均一に洗浄するのに必要な理論上の最小時間である。

現実の半導体製造プロセスにおいて、１枚の基板Ｗの洗浄処理に許容される時間は約３０秒（長くても６０秒）であり、１８００秒という洗浄時間は到底許容されるレベルではない。この洗浄時間を３０秒とするためには、理論上洗浄ヘッド６０に６０個の吐出孔６４を設けなければならない。

上記のようにして算定された、１枚の基板Ｗを３０秒で均一に洗浄するのに必要な吐出孔６４の数である６０個という理論値は、１個の吐出孔６４によってカバーできる面積からも妥当なものと算出することができる。すなわち、基板Ｗの中心部から端縁部にまで洗浄ヘッド６０が移動するのに要するスキャン時間を３０秒という現実的な値にすると、基板Ｗの回転数を５００ｒｐｍとして３０秒のスキャン時間の間に描かれる洗浄ヘッド６０の軌跡の長さは１１７８０９．５ｍｍと算出される。この軌跡の長さに液滴の直径をかけた値が３０秒のスキャンの間に１個の吐出孔６４によってカバーできる洗浄面積として概算されるものであり、２３５６．１９０ｍｍ²となる。φ３００ｍｍの基板Ｗの洗浄面の面積は７０６８５．８３ｍｍ²であるが、液滴は直径の１／２だけ重なる必要があり、必要な洗浄面積は２倍の１４１３７１．６６ｍｍ²とみなすことができる。この必要な洗浄面積は、１個の吐出孔６４によってカバーできる洗浄面積の６０倍であり、洗浄ヘッド６０が３０秒のスキャン時間にて基板Ｗの中心部から端縁部にまで移動する間に基板Ｗの全面を洗浄するためには洗浄ヘッド６０に６０個の吐出孔６４を設ける必要がある。

以上のように、現実的に１枚の基板Ｗの洗浄処理に許容される洗浄時間である３０秒という時間内に基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させて均一に洗浄するためには、直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出する吐出孔６４を洗浄ヘッド６０に少なくとも６０個穿設する必要がある。但し、１個の吐出孔６４によって基板Ｗの全面を均一に洗浄できる１８００秒という洗浄時間は理論上の計算値であり、実際には種々の変動要因によってさらに長時間を要する。本発明者等の調査によれば、単一の吐出孔６４によって基板Ｗの全面を均一に洗浄するためには、実際上は２４００秒程度の洗浄時間が必要であるという知見を得ている。この実際上必要とされる洗浄時間を３０秒とするためには、洗浄ヘッド６０に８０個の吐出孔６４を設けるのが好ましい。第１実施形態においては、このような理由によって洗浄ヘッド６０に８０個の吐出孔６４を穿設している。

第１実施形態においては、基板Ｗを５００ｒｐｍにて回転させつつ、８０個の吐出孔６４を設けた洗浄ヘッド６０を基板Ｗの中心部から端縁部に向けて３０秒かけてスキャンさせ、それぞれの吐出孔６４から直径が２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出することにより、３０秒という比較的短い現実的な処理時間内にて基板Ｗの全面を均一に洗浄することができる。

以上のようにして基板Ｗ全面の均一な洗浄処理が終了した後、バルブ７６が開放されて洗浄ヘッド６０からの液滴吐出が停止され、ノズル駆動部５０によって洗浄ヘッド６０が待避位置まで移動される。続いて、基板Ｗの回転数を上昇させて基板Ｗの乾燥処理が実行される。乾燥処理が終了した後、基板Ｗの回転が停止するとともに、スプラッシュガード３０が下降し、処理後の基板Ｗがスピンベース１１から搬出される。これにより、基板洗浄装置１における一連の処理動作が終了する。なお、洗浄および乾燥処理中におけるスプラッシュガード３０の位置は、洗浄液の回収または排液の必要性に応じて適宜変更することが好ましい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の基板洗浄装置の全体構成は第１実施形態と概ね同様である（図１参照）。装置構成において第２実施形態が第１実施形態と相違するのは、洗浄ヘッド６０に６０個の吐出孔６４を穿設している点である。第２実施形態においては、洗浄ヘッド６０の筒状体６１の底面に６０個の吐出孔６４を所定の配列間隔で一列に並べた孔列ＮＲを１列設けている。各吐出孔６４は、第１実施形態と同様に筒状体６１の底壁面を貫通する略円筒形状であり、その孔径は１５μｍである。吐出孔６４の配列を除く残余の構成は第１実施形態と同じである。

第２実施形態の基板洗浄装置における動作手順も第１実施形態と概ね同じである。すなわち、回転保持部１０によって回転される基板Ｗの上面にカバーリンスノズル８０からカバーリンス液を吐出して液膜を形成しつつ、洗浄ヘッド６０から洗浄液の液滴を基板Ｗの上面に向けて吐出する。第２実施形態においても、バルブ７６を閉止して筒状体６１の内部における洗浄液の液圧を高めるとともに、圧電素子６２によってその洗浄液に振動を与える。その結果、６０個の吐出孔６４から洗浄液の液滴が生成されて吐出される。

図６は、第２実施形態における洗浄動作を示す図である。第１実施形態と同じく、第２実施形態の洗浄ヘッド６０の吐出孔６４からは直径が２０μｍ均一の洗浄液の液滴を一定液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出している。また、洗浄ヘッド６０から吐出する液滴の液滴径および液滴速度のバラツキは小さく、具体的には液滴径の分布が３σで２μｍ以下であり、液滴速度の分布は３σで５ｍ／ｓ以下である。このため、基板Ｗにダメージを与えることなく有効な洗浄力を得ることができる。

また、基板Ｗの全面を均一に洗浄するためには、基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させることが必要である。このためには、基板Ｗの円周方向における液滴の衝突間隔および半径方向における衝突間隔がともに液滴径の１／２以下（液滴径が２０μｍであれば１０μｍ以下）となるように基板Ｗの回転数および洗浄ヘッド６０のスキャン速度を調節すれば良い。

基板Ｗの円周方向については、第１実施形態と同じく、基板Ｗの端縁部において円周方向に沿った液滴の衝突間隔が液滴径の１／２以下、つまり１０μｍ以下であれば、それよりも内側での円周方向に沿った液滴の衝突間隔はさらに密となり、隙間が発生することは無い。吐出孔６４から液滴径が２０μｍで液滴速度４０ｍ／ｓにて連続吐出されて基板Ｗに衝突する隣接する液滴の衝突間隔が１０μｍとなるためには、φ３００ｍｍの基板Ｗの回転数が５００ｒｐｍであれば良い。

基板Ｗの半径方向についても、第１実施形態と同じく、隣接する液滴の衝突間隔を１０μｍ以下とする必要があり、このためには、基板Ｗが一回転する間に洗浄ヘッド６０が半径方向に沿って移動するスキャン距離が１０μｍ以下であれば良い。基板Ｗが一回転する間に洗浄ヘッド６０が基板Ｗの半径方向に沿って１０μｍ進むためにはスキャン速度を０．０８３ｍｍ／ｓとする必要がある。洗浄ヘッド６０に単一の吐出孔６４を設けた場合に、洗浄ヘッド６０のスキャン速度を０．０８３ｍｍ／ｓとすると、基板Ｗの中心部から端縁部にまで洗浄ヘッド６０が移動するのに１８００秒を要することとなって現実的でないことは既述した通りである。

第２実施形態においては、洗浄ヘッド６０に６０個の吐出孔６４を一列に設けている。そして、６０個の吐出孔６４を一列に並べた孔列ＮＲの長手方向、つまり吐出孔６４の配列方向は図６に示すように基板Ｗの半径方向と一致している。また、孔列ＮＲの長さを基板Ｗの半径と等しくしている。従って、洗浄ヘッド６０のスキャン速度が０．０８３ｍｍ／ｓであったとしても、洗浄ヘッド６０を基板Ｗの半径方向に沿って吐出孔６４の配列間隔だけスキャンさせれば、基板Ｗの半径方向の全域にわたって隣接する液滴の衝突間隔を１０μｍ以下とすることができる。この場合、基板Ｗの半径方向について必要な洗浄時間は吐出孔６４の配列間隔によって規定される。

第２実施形態の洗浄ヘッド６０には、２．５ｍｍ間隔で６０個の吐出孔６４を設けている。従って、６０個の吐出孔６４の両端間の距離、つまり孔列ＮＲの長さは１５０ｍｍとなり、φ３００ｍｍの基板Ｗの半径と等しい。洗浄処理を開始するときに、６０個の吐出孔６４の両端が基板Ｗの中心部と端縁部に位置するように洗浄ヘッド６０を移動させ、スキャン速度０．０８３ｍｍ／ｓにて洗浄ヘッド６０を基板Ｗの半径方向に沿ってスキャンさせれば３０秒で配列間隔の２．５ｍｍを移動して基板Ｗの半径方向の全域にわたって隣接する液滴の衝突間隔を１０μｍ以下とすることができる。

以上のように、第２実施形態においては、洗浄ヘッド６０に２．５ｍｍ間隔にて６０個の吐出孔６４を一列に設け、洗浄処理の開始時に６０個の吐出孔６４の配列が基板Ｗの半径方向に沿うとともに両端の吐出孔６４が基板Ｗの中心部と端縁部とに位置するように洗浄ヘッド６０を移動させている。そして、基板Ｗを５００ｒｐｍにて回転させつつ、６０個の吐出孔６４を一列に設けた洗浄ヘッド６０を基板Ｗの半径方向に沿って０．０８３ｍｍ／ｓにて３０秒かけてスキャンさせ、それぞれの吐出孔６４から直径が２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出している。これにより、３０秒という比較的短い現実的な処理時間内にて、基板Ｗの円周方向における液滴の衝突間隔および半径方向における衝突間隔をともに液滴径の１／２以下とすることができ、基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させて全面を均一に洗浄することができる。

＜吐出孔配列の総括＞
第１実施形態では洗浄ヘッド６０に２０個の吐出孔６４を４列配置することによって合計８０個の吐出孔６４を設け、第２実施形態では洗浄ヘッド６０に一列に並べた６０個の吐出孔６４を設けている。また、現実的に１枚の基板Ｗの洗浄処理に許容される洗浄時間である３０秒という時間内に基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させて均一に洗浄するためには、直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出する吐出孔６４を洗浄ヘッド６０に少なくとも６０個穿設する必要があることは第１実施形態にて述べた通りである。

ところで、洗浄ヘッド６０から液滴を吐出する際には、カバーリンスノズル８０からカバーリンス液を基板Ｗの上面に吐出して液膜を形成することによって液滴衝突の衝撃を緩和し、基板Ｗにダメージを与えることを確実に防止している。第１実施形態では２０個の吐出孔６４を所定の配列間隔で一列に並べた孔列ＮＲを４列設けているが、このような複数の吐出孔６４を一列に並べた孔列ＮＲが６列以上になると、全ての吐出孔６４の直下に液膜を形成することが困難となる。液膜が形成されていない領域に吐出孔６４から吐出された液滴が衝突すると、その部分ではダメージが発生するおそれがある。このため、複数の吐出孔６４を一列に並べた孔列ＮＲの列数は５列以下とする必要がある。

一方、第２実施形態では６０個の吐出孔６４を一列に並べて設けているが、一列に並べる吐出孔６４の数が６０個を超えると、上記と同様に全ての吐出孔６４の直下に液膜を形成することが困難となる。また、一列に並べる吐出孔６４の数が６０個を超えると、圧送ポンプ７２から全ての吐出孔６４に均等な圧力で洗浄液を送給することが難しくなる。このため、一列に並べる吐出孔６４の数は６０個以下とする必要がある。

これらの点から、洗浄ヘッド６０に設ける吐出孔６４の配列形態を総括すると、洗浄処理時間を現実的に許容される範囲内にまで短縮するという観点からは少なくとも６０個の吐出孔６４を洗浄ヘッド６０に設ける必要がある。また、全ての吐出孔６４の直下にカバーリンス液の液膜を形成するとともに、圧送ポンプ７２から全ての吐出孔６４に均等な圧力で洗浄液を送給するためには、一列に並べる吐出孔６４の上限は６０個であり、孔列の上限は５列となる。すなわち、６０個以下の吐出孔６４を一列に並べた孔列を５列以下洗浄ヘッド６０に設けるようにしなければならず、吐出孔６４の総数の上限は３００個となる。従って、洗浄ヘッド６０に設ける吐出孔６４の総数は６０個以上３００個以下の範囲に限定される。

＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、第１実施形態においては洗浄ヘッド６０に２０個の吐出孔６４を４列配置し、第２実施形態においては６０個の吐出孔６４を一列配置していたが、洗浄ヘッド６０に設ける吐出孔６４の配列形態はこれらに限定されるものではなく、上記の制限範囲内であれば他の形態であっても良い。すなわち、洗浄ヘッド６０に設ける吐出孔６４の総数が６０個以上３００個以下であり、６０個以下の吐出孔６４を一列に並べた孔列を５列以下にて配列するものであれば、任意の配列形態を採用することができる。

また、上記各実施形態の基板洗浄装置１では、洗浄ヘッド６０に洗浄処理を行っていないときにも洗浄液を供給しており、その洗浄液は装置外部に排出しているが、これを循環システムとして構成しても良い。すなわち、バルブ７６の下流側の配管をフィルターを介して洗浄液供給源７１に接続し、洗浄ヘッド６０からの洗浄液を洗浄液供給源７１に還流するようにしても良い。

また、上記各実施形態の洗浄ヘッド６０では、四角柱形状の筒状体６１に複数の吐出孔６４を穿設するようにしていたが、洗浄ヘッド６０の形態はこれに限定されるものではない。図７は、洗浄ヘッド６０の他の例を示す図である。

図７の洗浄ヘッド６０は、円筒形状の筒状体１６１の壁面に複数の吐出孔６４を穿設するとともに、それら複数の吐出孔６４と対向する部位の外壁面に圧電素子６２を貼設して構成されている。筒状体１６１の中空空間の両端は開口されており、上記実施形態と同様に、その一端は供給配管７０に接続されるとともに、他端は排出配管７５に接続される（図２参照）。筒状体１６１は、石英またはジルコニア等のセラミックスによって形成すれば良い。

このような円筒形状の洗浄ヘッド６０を備えた基板洗浄装置の全体構成は上記実施形態と同じである。洗浄ヘッド６０には洗浄液が継続して供給され続けており、洗浄処理を行うときにはバルブ７６を閉止することによって複数の吐出孔６４から洗浄液が吐出される。また、洗浄処理を行うときには、圧電素子６２によって筒状体１６１の内部の洗浄液に振動を付与する。これにより、上記実施形態と同様の条件（液滴径２０μｍ、液滴速度４０ｍ／ｓ）にて複数の吐出孔６４から洗浄液の液滴を生成して吐出することができる。そして、複数の吐出孔６４を上記実施形態と同様に配列することによって比較的短い現実的な処理時間内にて基板Ｗの全面に液滴を隙間無く衝突させて全面を均一に洗浄することができる。

但し、円筒形状の筒状体１６１に複数の孔列を設けると、吐出孔６４から基板Ｗまでの距離を均一に保つことが難しくなるため、複数の孔列を設ける場合には、図７のような筒状体１６１を複数本平行に設けることが好ましい。

また、洗浄ヘッド６０の形態としては、図３，図７に示した以外の形状の筒状体に複数の吐出孔を設け、それら複数の吐出孔から洗浄液の液滴を基板Ｗに向けて吐出するようにしても良い。

また、第２実施形態においては、洗浄ヘッド６０に６０個の吐出孔６４を一列に並べて設けていたが、基板Ｗの中心部へのダメージ集中を防止するために、中央部に近い吐出孔６４ほど孔径を小さくするようにしても良い。

また、本発明に係る基板洗浄装置によって処理対象となる基板は半導体基板に限定されるものではなく、液晶表示装置などに用いるガラス基板であっても良い。

また、洗浄液は純水に限定されるものではなく、洗浄用の薬液の水溶液であっても良い。また、カバーリンス液の純水に限定されるものではなく、薬液の水溶液であっても良い。カバーリンス液は洗浄液と同種のものであっても良いし、異種のものであっても良い。

また、基板洗浄装置１の全体構成は、図１の形態に限定されるものではなく、例えば、洗浄処理後の基板Ｗに窒素ガスを噴出して乾燥させるガスノズルを設けるようにしても良い。

１ 基板洗浄装置
１０ 回転保持部
１１ スピンベース
２０ 処理カップ
３０ スプラッシュガード
５０ ノズル駆動部
６０ 洗浄ヘッド
６１，１６１ 筒状体
６２ 圧電素子
６４ 吐出孔
６５ 電源
８０ カバーリンスノズル
９０ 制御部
ＮＲ 孔列
Ｗ 基板

Claims (10)

1. 直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して基板に吐出して洗浄する基板洗浄装置であって、
   基板を保持して回転させる回転保持手段と、
   前記回転保持手段に保持された基板の上面に液体を吐出して液膜を形成する液膜形成手段と、
   それぞれが直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出する６０個以上３００個以下の吐出孔を穿設した洗浄ヘッドと、
   を備えることを特徴とする基板洗浄装置。
2. 請求項１記載の基板洗浄装置において、
   前記洗浄ヘッドに、６０個以下の吐出孔を一列に並べた孔列を５列以下設けることを特徴とする基板洗浄装置。
3. 請求項２記載の基板洗浄装置において、
   前記洗浄ヘッドに、２０個の吐出孔を一列に並べた孔列を４列設けることを特徴とする基板洗浄装置。
4. 請求項２記載の基板洗浄装置において、
   前記洗浄ヘッドに、６０個の吐出孔を一列に並べた孔列を１列設けることを特徴とする基板洗浄装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の基板洗浄装置において、
   前記洗浄ヘッドに穿設された吐出孔の孔径は１５μｍであり、
   その吐出孔から直径２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出することを特徴とする基板洗浄装置。
6. 直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して基板に吐出して洗浄する基板洗浄方法であって、
   回転する基板の上面に液体を吐出して液膜を形成する液膜形成工程と、
   洗浄ヘッドに穿設した６０個以上３００個以下の吐出孔のそれぞれから直径が一定である洗浄液の液滴を一定速度にて連続して吐出する液滴吐出工程と、
   を備えることを特徴とする基板洗浄方法。
7. 請求項６記載の基板洗浄方法において、
   前記洗浄ヘッドに、６０個以下の吐出孔を一列に並べた孔列を５列以下設けることを特徴とする基板洗浄方法。
8. 請求項７記載の基板洗浄方法において、
   前記洗浄ヘッドに、２０個の吐出孔を一列に並べた孔列を４列設けることを特徴とする基板洗浄方法。
9. 請求項７記載の基板洗浄方法において、
   前記洗浄ヘッドに、６０個の吐出孔を一列に並べた孔列を１列設けることを特徴とする基板洗浄方法。
10. 請求項６から請求項９のいずれかに記載の基板洗浄方法において、
    それぞれの吐出孔から直径２０μｍの洗浄液の液滴を液滴速度４０ｍ／ｓにて連続して吐出することを特徴とする基板洗浄方法。

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