JP2011151333A - 洗浄装置および洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の、ウエハなどを対象とする、純水などの洗浄液を用いた超音波振動体方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置は、洗浄によってウエハ表面に与えるダメージが小さいといった利点を持つが、汚染物質などの異物を除去するための洗浄時間が長いといった課題を有しており、これを短時間化する必要がある。
【解決手段】超音波振動を伝播させる振動体の超音波照射面と、ウエハ表面の間隔における洗浄液を積極的に攪拌するように、振動体自体を超音波照射面内の垂直軸中心に回転させる構造とする。このことで、超音波振動によりウエハ表面から遊離して洗浄液中に浮遊する異物を再度ウエハ表面に付着する確率が大きく低下し、汚染洗浄液を洗浄作用領域である間隔部分から速やかに流出させることにより、洗浄時間の大幅短縮が可能となった。
【選択図】図２

Description

本発明は、洗浄装置に関し、とくに半導体ウエハなどの基板の洗浄に好適な洗浄装置および洗浄方法に関する。

近年、半導体素子の製造において、使用ウエハサイズの大口径化がますます進んでいるなか、ウエハの洗浄工程においては、大型洗浄槽によるディップ洗浄方式に代わって、枚葉式で、ウエハの回転を行わせつつ洗浄する、いわゆる枚葉式スピン洗浄方式の採用が多くなされてきている。それは、例えば、(ａ)洗浄処理のウエハ面内均一性の確保容易化、（ｂ）面内から除去された汚染物質の再付着の抑制、（ｃ）使用洗浄液、リンス用純水の削減、(ｄ)洗浄装置の立ち上げ時間の短縮化、などの可能性において有利な点をもつことに起因する。

さらに、自回転するウエハ表面に、超音波ノズルから洗浄液を噴射させて汚染物質を除去するといった、超音波ノズル方式などの枚葉式超音波スピン洗浄装置が開発されている。この方式は、超音波ノズル内の振動子を発振させて超音波を発生させ、その超音波を、噴射洗浄液を媒体としてウエハ表面に伝播させ、超音波エネルギーでウエハ表面の汚染を除去する、といった作用効果を用いている。

図６に、その超音波ノズル方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置の主要部模式図を示す。図において、図示しない超音波振動子を内蔵した超音波ノズル１０１から洗浄対象物であるウエハ１０２の表面にむけて洗浄液１０３を噴射するように構成する。超音波ノズル１０１内の超音波振動子を動作させたとき、発生超音波が洗浄液１０３を媒体としてウエハ１０２表面に伝播する。図示しないウエハ搭載テーブルなどのウエハ搭載手段によってウエハ１０２を回転させた状況下で、洗浄液１０３がウエハ１０２の表面に当たる領域、すなわち超音波照射領域１０４がウエハ１０２の中心部と外周部間を往復運動するように、図示しない超音波ノズルホルダーなどの超音波ノズル保持手段を用いて往復運動させれば、超音波照射領域１０４がウエハ１０２全面を走査することになって、ウエハ１０２表面全域が洗浄されることとなる。

一方、半導体素子の微細化・高集積化の進展に伴って、素子の層間絶縁膜の薄膜化ならびに低寄生容量化への要請から、その膜への低誘電率絶縁材料の適用が活発化している。そういった絶縁材料として、例えば微細な空孔（ポア）が内部に一様に分布形成された多孔質シリカ（ポーラスシリカ）材料がある。この多孔質シリカ膜を反応性ドライエッチングによって加工して、例えば１００ｎｍ以下の微細パターンが表面に形成されているウエハを、上記のような超音波ノズル方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置で洗浄を行うと、この材料がかなりの程度の脆弱性を有することから、噴射される超音波洗浄水が与える比較的大きな超音波ダメージにより、微細なパターンが破壊されることがある。

こういった脆弱な微細パターンの洗浄時での破壊を回避するための直接的な方法としては、パターンの脆弱性に応じて、ウエハ表面に照射する単位面積当たりの超音波エネルギーを小さくすることが必要であり、このために超音波ノズル１０１に内蔵された超音波振動子を駆動する超音波発信器の駆動出力を調整して対応する。

こうした駆動出力の調整による超音波の小出力化は可能ではあるが、実際問題として、内蔵超音波振動子の形状・構造などによって決まる固有の超音波振動条件から、駆動出力がある下限を下回ると安定した超音波振動を得ることができなくなる。また、高い超音波周波数で駆動する場合、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増し、超音波がウエハ表面に達しないといった現象も生じる。こういったことのため、特に非常に小さな駆動出力で振動子を動作させてウエハ表面を洗浄するには、このような超音波ノズル方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置には多くの不都合な点がある。

そこで、ウエハ表面に与える超音波のダメージを低減させる方法として、超音波振動体を利用して超音波をウエハ表面に照射する方法が考えられている。

図７に典型的な例を示す。図７（１）は、超音波振動体方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置の主要部模式図で、図７（２）は要部拡大断面図である。図７（１）に図示するように、例えば振動体支持手段１０７で支持された、三角柱の形状をした振動体１０５（例えば、セラミックス材料や石英材料などからなる）の平坦な面の一つに超音波振動子１０６を取り付ける。また図示するように振動体１０５の他の平坦な面の一つをウエハ１０２の被洗浄面と平行、かつ僅かな間隔を隔てて向かい合うように振動体１０５を振動体支持手段１０７で保持する。洗浄液ノズル１０８から洗浄液１０３を供給し、振動体―ウエハ表面の間隔が洗浄液１０３によって完全に満たされるようにする。

断面図の図７（２）を参照し、このように振動体―ウエハ表面の間隔が洗浄液１０３によって完全に満たされ状態で超音波振動子１０６を駆動すると、発生した超音波は振動体１０５の内部を伝播し、ウエハ１０２に向かい合った面の全体から洗浄液１０３へ伝えられ、更に洗浄液１０３中を伝播して被洗浄面であるウエハ１０２の表面へと届き洗浄が行われる。ウエハ１０２と向かい合う振動体１０５の面の振動の様相は、超音波振動子１０６の振動の仕方や振動体１０５の形状・材質などで決まるため、事前にシミュレーションで予測可能である。従って、それぞれの目的に応じて振動体１０５の設計に反映される。

本図では三角柱形状の振動体の例を示したが、振動体形状はこれに限らず、例えば、円柱、四角柱なども適用可能である。また必ずしも振動体を傾斜させる必要は無く、適用状況に応じて垂直に配置しても構わない。振動体の材料なども様々に検討されている。

このような振動体を介して超音波を伝播する方法は、超音波振動子で発生した超音波振動が伝播して振動体の広い面積全面が振動するようにできることから、振動のエネルギーが分散し、被洗浄面での単位面積当たりに照射される超音波エネルギーは、超音波ノズル方式のそれに比べて大幅に小さいものとなり、ウエハ表面に与える超音波のダメージを低減させるといった効果がある。

さらに、この方法の場合、振動体の表面で発生した超音波は、微小な厚さの洗浄液の膜（例えば、数ｍｍから多くは１ｍｍ前後、あるいはそれ以下の厚さの洗浄液膜）の中を伝播するだけでウエハ表面など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小さなものであっても、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、特に破壊され易いパターンなどの洗浄の効果を発揮させることができる。

特開２００３−１８１３９４号公報 特開２００３−３１５４０号公報

しかし、図７に示したような、振動体からの超音波の伝播を用いた超音波振動体方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置では、一般に、例えば、図６に示したノズル方式などに比べ、ウエハ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。表面に同一条件で異物を付着したウエハを洗浄すると、超音波振動体方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置を超音波ノズル方式のそれとで比較すると、同等の異物除去率が得られるまで数倍の時間を要することがある。

多数のウエハを同時に処理できるバッチ式処理と異なり、枚葉式においてウエハ一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大きく低下させることになり、製造上、極めて深刻な問題を生じる。

そこで、本発明の課題は、ウエハ表面上に脆弱かつ微細なパターンが形成されている場合などにおいてでも、それらのパターンを破壊することなく、短時間でウエハ表面にある異物を取り除く、効率良い洗浄が可能な、超音波振動体方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置および洗浄方法を提供することにある。

本発明の洗浄装置は、
振動体の一端に超音波振動子が装着され、他端に超音波照射面が形成された超音波発生手段と、
洗浄対象の基板の被洗浄面を、前記超音波照射面に対して、平行に一定間隔で対向するように保持する基板保持手段と、
前記超音波照射面を、前記被洗浄面に垂直な回転軸を中心に回転させ、かつ前記基板上を平面走査させる超音波照射面回転走査手段と、
前記超音波照射面と前記被洗浄面間を、洗浄中において常時洗浄液で満たす洗浄液供給手段と、
を有することを特徴とする。

また、本発明の洗浄方法は、
振動体の一端に超音波振動子が装着され、他端に超音波照射面が形成された超音波発生手段を用い、
洗浄対象の基板の被洗浄面を、前記超音波照射面に一定間隔で対向するように保持し、
前記超音波照射面を、前記被洗浄面に交わる方向を回転軸として回転させ、かつ前記基板上を平面走査させ、
前記超音波照射面と前記被洗浄面間を、洗浄中において常時洗浄液で満たして、前記被洗浄面を洗浄することを特徴とする。

本発明の洗浄装置によって、ウエハ表面のダメージが抑制できるといった振動体方式自体の特徴に加え、洗浄効率が低いといった課題を、振動体の超音波照射面と被洗浄物であるウエハ表面の間隔における洗浄液を積極的に攪拌するように、振動体自体を超音波照射面内の垂直軸中心に回転させることで、ウエハ表面から遊離して洗浄液中に浮遊する異物を再度ウエハ表面に付着せしめなくすることで、洗浄効率の大幅向上（＝洗浄時間の大幅短縮）の効果を得ることが可能となる。

本発明の回転振動体の作用を説明する図 本発明の振動体ユニットを説明する図 本発明の振動体ユニットの洗浄中動作を説明する図 本発明の洗浄装置の構成を説明する図 本発明の超音波照射面の構成例を説明する図 従来のノズル式超音波洗浄装置を説明する図 従来の振動体方式超音波洗浄装置を説明する図

以下に、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。
（異物除去効率向上のための検討）
まず、本発明の発明者らは、上記課題である、振動体利用の洗浄方法における異物除去効率の低さの原因の調査を行った。

ウエハ表面から超音波によって汚染物質などの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と考えられる。

その第一は、ウエハ表面に照射された超音波のエネルギーにより、ウエハ表面に付着している異物を、ウエハ表面から離脱させ、洗浄液中に浮遊さ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への離脱作用は大きく、異物除去効率が高くなる。しかし、ウエハ表面に与えるダメージはより大きくなり、ウエハ表面に形成されたパターンなどの構造物の破壊が生じる可能性が高まる。

その第二は、洗浄液中に浮遊した異物を、洗浄液とともに、ウエハ表面近傍から除去するステップである。ウエ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遊させた異物が、再びウエ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、特にウエ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）の極性が異なり、その結果、相互に引力が生じた場合において、顕著に発生する。

上記プロセスのステップを踏まえて検討した結果、振動体を利用して洗浄する方法では、単位面積あたりに照射される超音波のエネルギーは、超音波ノズルを利用する方法に比べると大幅に小さくなってはいるものの、ウエハ表面から異物を離脱させ、洗浄液中に浮遊させるには十分であることが判った。そして、振動体を利用する方法の洗浄効率を低下させているものの多くは、振動体とウエ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エハ表面への異物の再付着によるものであることが明らかになった。

（装置主要部構成例）
上記検討結果を踏まえ、ウエハ表面へのダメージが小さいといった利点を活かしつつ、再付着の発生を大幅に低減させることができる、新たな洗浄装置を考案した。以下にその装置の実施例について添付図を用いて説明する。

図１は、本発明装置の基本となる主要部の構成を説明するための断面模式図であり、図１（１）は、本発明の主要部分の垂直断面図、図１（２）は同じく水平断面図である。本図に示すように、ウエハ１の面と、振動体２の最下面である超音波照射面４とが、狭い間隔５を置いて対向し、間隔５は洗浄液３によって満たされている。振動体２は超音波を良好に伝播させる材料からなり、また、この場合、一定長の円柱状の形状をなしている。

図１（１）は、円柱状の振動体２の中心軸６が鉛直方向に向くように、これを保持したときの、その最下部およびその近傍の範囲を示す。

振動体２の図示しない上方の一端には、図示しない超音波振動子が接続され、また同振動子は図示しない高周波信号電源と接続される。高周波信号電源を動作させると超音波振動子は超音波（振動）を発生させ、この超音波（振動）は振動体２を伝播し、振動体２の最下端の平坦状の平面に加工された面、即ち超音波照射面４に達する。超音波照射面４に達した超音波（振動）は、これに接する媒質中に放射されるが、この場合は洗浄液３中に放射される。

具体的な手順としては、本実施例においては、ウエハ１の表面を洗浄液３にて超音波洗浄する場合であるから、まず水平に保持したウエハ１の表面に、図示しないノズルから洗浄液３を供給し、一定の厚さの洗浄液膜を形成するようにする。そして、超音波照射面４が洗浄液３中に完全に入るように、振動体２を保持する。すなわち、互いに平行な超音波照射面４とウエハ１の表面に挟まれた間隙５が完全に洗浄液３で満たされるようにする。

前述のように、振動体２を伝播して超音波照射面４に達した超音波（振動）は、超音波照射面４から洗浄液３内に向けて照射され、洗浄液３に対して作用するとともに、洗浄液３中を伝播し、ウエハ１の表面に対しても作用する。こうして、洗浄液３と超音波（振動）の作用とで、ウエハ１の表面に付着していた異物は、表面から遊離し、洗浄液３の中に浮遊し、洗浄液３の流れにのって外部に運び去られることとなる。

このとき、超音波照射面４とウエハ１の表面の間隔５を一定に保ったまま、超音波照射面４にウエハ１の表面の全面を掃引させること（例えば、ウエハ１の自回転運動と超音波照射面４の一軸方向走査を組み合わせることなど）で、ウエハ１の表面の片面全面が洗浄される。

このとき、更に、振動体２自体を、中心軸６を中心に、例えば矢印の回転方向７で示す方向に回転させる構成とする。これにより、超音波照射面４とウエハ１表面に挟まれた間隙５を満たしている洗浄液３中において、例えば、模式的に示した乱流８の矢印で示すように、積極的に乱流を生じさせて、浮遊物が含まれる洗浄液３を攪拌する。この洗浄液の攪拌の程度は、ウエハ自体の回転運動が加われば更に進むし、勿論、振動体の回転速度にも依存する。

こうした振動体の回転による攪拌を伴う構成と、回転を行わず積極的な攪拌を伴わない構成を比べると、前者のほうが、ウエハ１の表面から遊離した異物を含んだ洗浄液３がこの間隙５から排出されるまでの間に、異物がウエハ１表面に再付着する確率が大幅に小さくなる。その結果、洗浄液３とともに異物がこの間隙５から外部に排出される効率が大きく向上し、さらに、ウエハ１の表面全体での異物の除去効率を格段に向上させることが可能となる。

（装置実施例）
図２は、本発明の一実施例である洗浄装置における中心的な役割を行う構成要素である、振動体ユニット部分を説明するための垂直断面模式図である。

円柱状の振動体２の最上部には、振動体２と中心軸を共有する円盤状のフランジ９が形成されている。本実施例においては、振動体２とフランジ９は合成石英により切れ目のない一体で成型されている。また、振動体２およびフランジ９の中心軸の位置に、洗浄液３を流す目的で、最上端から最下端まで貫通するように、円筒形の穴である流路１０が開けられており、フランジ９の上側の面の中心と、振動体２の最下端面、すなわち超音波照射面４の中心には、それぞれ流路１０の末端の開口部１６が存在している。本実施例では振動体２とフランジ９の材質として合成石英を採用したが、これらの材質はこれに限定されたものではなく、超音波を良好に伝播させるものであり、かつ、洗浄液３と接触した時に他の部材を汚染するような物質の溶出を起こさない材料であれば、どのような材質を用いてもよい。

振動体２とフランジ９を支持する目的で、上部軸受１１および下部軸受１２が設置されている。

まず、上部軸受１１は、円盤状のフランジ９の周囲をすっぽりと覆っており、下側の面の中央に設けた円形の穴から振動体２が鉛直下向きに飛び出している。上部軸受１１の円形の穴とそこから伸びる振動体２の間には、振動体２が自由に回転できるだけのわずかな遊び程度の隙間が設けられている。

上部軸受１１の上側の面の中央部には、振動体２の中心軸の真上に当たる位置に、超音波振動子１３が埋め込まれている。また、上部軸受１１の上下の面のそれぞれには、上部軸受１１の内側に洗浄液３を供給するための送液管１４が複数個所接続されている。送液管１４は、図示しない送液ポンプに接続されていて、この送液ポンプを動作させると、洗浄液３が送液管１４を通って上部軸受１１の内部へと供給される。

上部軸受１１の内側には、ちょうどフランジ９の上下の面と接触するような位置に、微小な突起１５が複数個設置されている。フランジ９を上下から挟むように設置されている突起１５の先端とフランジ９の間には、フランジ９が自由に回転できるだけのわずかな遊び程度の隙間が設けられている。

上部軸受１１の内部に洗浄液３が一定の流量で供給されると、フランジ９の周囲はすべて洗浄液３によって満たされ、ちょうど洗浄液３が潤滑液の役割を果たし、フランジ９は上部軸受１１の内部で滑らかに回転できるようになる。上部軸受１１の内側には、突起１５が設けられているので、回転中のフランジ９が上下どちらかに移動しても、突起１５の先端がフランジ９の表面に接触するので、フランジ９と上部軸受１１が広い面積で接触して両者の間に大きな摩擦が発生することがない。

上部軸受１１の内部に供給された洗浄液３は、その多くの割合が、流路１０を通って上から下に向かって流れ、振動体２の最下端の超音波照射面４の中心に開いている開口部１６から、ウエハ１と超音波照射面４に挟まれた間隔５へと放出される。この間隔５を満たした洗浄液３により、ウエハ１の表面の洗浄が行われる。また、洗浄液３は、上部軸受１１の下側の面に設けた円形の穴と振動体２の間の隙間からも多くが漏れ出ることになるが、そもそもウエハ１上には全面に同じ洗浄液３の膜が形成されているので、洗浄作業には支障は生じない。

下部軸受１２は、振動体２の外周に沿ってぐるりと一周する円筒状の部材を中心に成り立っている。円筒状の部材の内側と振動体２の間には、振動体２が自由に回転できるだけのわずかな遊び程度の隙間が設けられている。下部軸受１２の円筒状の部材には、やはり複数の送液管１４が接続されていて、図示しない送液ポンプの動作によって、円筒状の部材の内側と振動体２に挟まれた空間に洗浄液３が供給される。

下部軸受１２においても、下部軸受１２の円筒状の部材の内側と振動体２の間の隙間に供給された洗浄液３が、やはり潤滑液の役割を果たし、振動体２は下部軸受１２に位置決めされた状態で滑らかに回転することができる。下部軸受１２と振動体２の間の隙間からも、供給された洗浄液３が漏れ出るが、そもそもウエハ１上には全面に同じ洗浄液３の膜が形成されているので、洗浄作業には支障は生じない。

振動体２およびフランジ９は、上部軸受１１によって鉛直方向の位置決めがなされ、また、下部軸受１２によって水平方向の位置決めがなされた状態で支持され、同時に滑らかに回転することができる。

一方、振動体２の外周には、複数個所に駆動輪１７が接触している。駆動輪１７は、図示しない動力機構の動作によって回転することができる。本実施例では、駆動輪１７の振動体２の外周と接触する最外周部分には、振動体２の外周との間に一定の摩擦を生じることができ、かつ、汚染物質の溶出が少ないシリコーンゴムを用いている。振動体２の周囲を取り囲むように配置した複数個の駆動輪１７を、同時に振動体２の外周側面に押し当てて、同一方向に回転させることにより、振動体２とフランジ９はその中心軸を中心に回転する。

図２に示した振動体ユニットによる洗浄について説明する。

まず、洗浄対象物であるウエハ１を、洗浄装置内の図示しない支持台上に水平に載置して固定する。支持台を回転させて、ウエハ１を水平に支持したまま回転させる。

振動体２の下側先端の超音波照射面４が、ウエハ１の表面と所定の間隔を置いて平行に向かい合うように、この振動体ユニットを図示しない機構により支持する。超音波照射面４とウエハ１の表面の間隔５は、ウエハ１の表面に形成される洗浄液３の膜の中に超音波照射面４が確実に浸ることができ、かつ、洗浄動作中に超音波照射面４がウエハ１の表面に接触することがないような範囲で設定すればよい。この点に関しては、本発明のみにおいて考慮しなければならない特殊な事情はなく、従来の振動体を用いた洗浄方法と同様に設定すればよい。具体的には、どんなに大きい場合でも２〜３ｍｍ程度、多くの場合は１ｍｍ前後である。

送液ポンプを動作させて上部軸受１１および下部軸受１２に洗浄液３を供給する。主として流路１０を経由して洗浄液３がウエハ１の表面に供給される。ウエハ１は回転しているので、洗浄液３はウエハ１上で濡れ広がり、ウエハ１上に洗浄液３の一定の厚さの膜が形成される。この時、振動体２の先端の超音波照射面４が確実に洗浄液３の膜に浸ることができるよう、洗浄液３の供給流量と、ウエハ１の回転速度を調整する必要がある。

ウエハ１上に形成された洗浄液３の膜が安定したら、駆動輪１７を動作させて、振動体２を回転させる。また、超音波振動子１３を動作させて超音波振動を発生させる。

超音波振動子１３で発生した超音波振動は、まず、上部軸受１１の内部を満たしている洗浄液３を伝播して、フランジ９の上側側面に達する。超音波振動は、その後、フランジ９および振動体２を伝播して、超音波照射面４から、ウエハ１上に形成された洗浄液３の膜へと照射され、ウエハ１の表面に到達する。ウエハ１の表面に付着していた異物は、超音波の作用によって、ウエハ１の表面から遊離して洗浄液３へと浮き上がり、液中に浮遊する。振動体２が回転していることにより、超音波照射面４とウエハ１に挟まれた間隔５を満たしている洗浄液３の内部は激しく攪拌される。このため、一度洗浄液３中に浮遊した異物は、ウエハ１の表面に再付着しにくくなり、洗浄液３の流れに乗ってこの間隔５の外部へと流され、さらにはウエハ１の回転によってウエハ１の外部へと振り切られる。

本実施例では、超音波照射面４とウエハ１に挟まれた間隔５への洗浄液３の供給は、超音波照射面４の中心に設けられた流路１０の末端の開口部１６から行い、超音波照射面４の中心から外周方向へと洗浄液３が広がるような様式を採用した。このような様式は、超音波照射面４の面積が大きく、超音波照射面４の外周からウエハ１の回転を利用して洗浄液３をこの空間の内部に巻き込むように供給することが困難な場合（例えば、図７に例示した装置など）には，非常に有効である。しかし、そのような事情がない場合には，この間隔５への洗浄液３の供給方法は，本実施例で採用した様式に限定されるものではなく、勿論、外部ノズルから供給するような様式を採用してもよい。

次に、図２に示した振動体ユニットを、洗浄作業中にどのような運動を行わせるかについて、図３を用いて説明する。

図３は、本実施例を搭載した洗浄装置の上面部に設置されている、ウエハの洗浄を行うための洗浄チャンバーを、鉛直上方から見た平面模式図である。

洗浄チャンバー１８は、ウエハの洗浄を行うために、洗浄装置の上面部に設けられた空間であり、上側に円形の広い開口部を持っている。洗浄チャンバー１８の中心部には，洗浄対象物であるウエハ１を水平に支持、固定し、さらに回転させるためのウエハチャックが設置されている。ウエハチャックは、図３ではウエハ１の下側に隠れているため、図示されていない。洗浄チャンバー１８の外縁部には、ウエハ１の回転によって洗浄液が洗浄チャンバー１８の外部に飛散するのを防止するためのカップ１９が設けられている。

洗浄チャンバー１８の両側には、ガイドレール２０が設置されていて、その上でスライダー２１が自在に往復運動するようになっている。２つのスライダー２１の間には、台座２２が渡されていて、その中央には、振動体ユニット２３が設置されている。振動体ユニット２３は、図２で詳細を説明した振動体ユニットと同一の物であるが、図３において細部を詳細に図示することは省略している。

図３（１）に示すように、洗浄作業を行っていない時、例えばウエハ１の交換作業を行っている時には、振動体ユニット２３は洗浄チャンバー１８の外部に退避している。

洗浄作業を開始すると、図３（２）に示すように、振動体ユニット２３は、洗浄チャンバー１８の内部に移動し、さらに鉛直方向にも移動して、図２に示した超音波照射面４が洗浄に適した所定の位置まで接近する。振動体ユニット２３において、洗浄液の供給、振動体の回転、超音波の照射が開始され、洗浄作業が開始される。スライダー２１が、ガイドレール２０上を移動方向２４の矢印で示す方向に往復運動することで、超音波照射面がウエハ１の全面を掃引し、ウエハ１の全面が洗浄される。

図４に，本実施例を搭載した洗浄装置の全体像の三面模式図を示す。

筐体２５の上面に、図３に示した洗浄チャンバー１８やガイドレール２０などの洗浄作業を行うための構成要素が水平に配置されている。さらに、洗浄前後のウエハを収容するためのウエハラック２６や、ウエハラック２６と洗浄チャンバー１８の間のウエハの搬送を行うためのウエハ搬送機構２７などの構成要素も設置されている。これらの構成要素が雰囲気中の浮遊異物によって汚染されることを防止するため、筐体２５の上面には、これらの構成要素を覆い隠すように、クリーンブース２８が設置されていて、その内部が極めて清浄度の高い環境に維持されている。洗浄装置全体の操作は、操作パネル２９を介して自動化された処理レシピにより行われる。

ところで、本発明において、振動体２の超音波照射面４は、平坦な平面であっても充分な効果が得られるが、超音波照射面４に凹凸を設けることによって、本発明の効果がより大きく得られるようになる。図５（１）は、超音波照射面４に凹凸を設けた一実施例の平面模式図であり，円形の超音波照射面２を中心角が４５度の８つの扇形の領域に分け、各領域の間に微小な段差３０を設けたものである。この実施例では、隣り合う扇形の領域の間に、０．２ｍｍの段差が設けられている。表面にこのような段差を設けた超音波照射面２を、ウエハ１の表面に形成させた洗浄液３の膜に浸した状態で回転させると、段差がない場合と比べて、超音波照射面４に接している洗浄液３の内部を攪拌する効果がさらに高まる。また、図５（２）は、同じく超音波照射面４に凹凸を設けた一実施例の平面模式図であるが、こちらでは，高さ０．２ｍｍの微小な突起３１を超音波照射面２の一面に設けている。図５（２）のような凹凸の様式でも、図５（１）の実施例と同様に攪拌の程度を高める効果が得られる。

本実施例の装置を用いて、発明効果を確認する実験を行った、
直径８インチ（２００ｍｍ）のシリコンウエハの表面に厚さ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（ＳｉＯ２）微粒子を片面当たり３万個程度付着させて試料とした。ウエハ表面検査装置を使用して、洗浄前後でウエ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し、その洗浄完了時間で比較することとした。

本実施例の装置では、振動体は直径２０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの円柱状で、合成石英で製造された物を使用した。また、振動体の先端の超音波照射面の中心には、洗浄液を吐出するために直径４ｍｍの開口部が設けられている。

超音波振動子で発生させる超音波の振動周波数は３ＭＨｚ、出力は６０Ｗとした。洗浄液には、超純水中に水素ガスを１．５ｍｇ／Ｌの濃度で溶解させた水素溶解水を使用した。

ウエハを、１５０ｒｐｍの速度で回転させた。水素溶解水は、ウエハが回転している状態で、ウエハ表面に厚さ２ｍｍの膜を形成するように流量を調整して、超音波照射面の中心の開口部から吐出してウエハ上に供給した。

振動体ユニットは、ウエハ上で５０ｍｍ／ｓｅｃの速度で、ウエハの中心とウエハの外周の間で往復運動をさせた。本実験で使用した振動体の先端の超音波照射面の形状は、凹凸を設けずに、平面とした。

まず，本実施例の装置を用いて、振動体を回転させずに洗浄を行った。この時、超音波照射面と洗浄対象面のギャップは，０．９ｍｍで一定とした。その結果、洗浄が完了するまでには、平均で４２０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、振動体を、１００ｒｐｍの回転数で回転させた。その結果、洗浄が完了するまでに要した平均時間は平均で６０秒と、７分の１もの大幅に短縮した洗浄時間を得ることができた。いずれの場合も、ウエハ自体の回転を実施している状況下であるが、振動体の回転動作を加えて洗浄する効果が非常に大きいことが判る。さらに、図５で示した超音波照射面に凹凸をつけて洗浄実験を実施したところ、さらに、凡そ１０〜２０％程度の時間短縮効果を得ることができた。

以上のように、従来、洗浄効率が低いことが課題であった振動体を使用する洗浄装置において、振動体の超音波照射面と被洗浄物であるウエハ表面の間隔における洗浄液を積極的に攪拌するように、振動体自体を超音波照射面内の垂直軸中心に回転させ、このことで、超音波振動によりウエハ表面から遊離して洗浄液中に浮遊する異物を再度ウエハ表面に付着せしめないようにして、汚染洗浄液を洗浄作用領域である間隔部分から速やかに流出させることによって洗浄効率の大幅向上（＝洗浄時間の大幅短縮）が実現できた。

この結果、本発明の洗浄装置により、超音波振動体方式の枚葉式超音波スピン洗浄装置が本来有するウエハ表面に与えるダメージが小さいといった利点を活かしつつ、課題でもあった洗浄効率の面でも大幅に高める洗浄装置を実現できた。

なお、本実施例において説明した使用素材や具体的な構成は一例であって、例えば、振動体材料（合成石英以外にセラミックスやステンレス鋼材など）、振動体形状（円柱状以外に、三、四角柱、あるいは六、八角柱など）、振動体回転機構、使用超音波周波数や出力値、洗浄液（ガス溶解水以外に純水、酸系・アルカリ系薬液，有機溶剤など）、洗浄液供給機構、また超音波放射面の凹凸（他に、例えば、格子状段差ほか多様な段差パターン、突起形状またその組み合わせなど）、回転振動体のウエハ走査機構などにおいて、多様な実施形態が実現可能であることは言うまでもない。

１、１０２ ウエハ
２、１０５ 振動体
３、１０３ 洗浄液
４ 超音波照射面
５ 間隔
６ 中心軸
７ 回転方向
８ 乱流
９ フランジ
１０ 流路
１１ 上部軸受
１２ 下部軸受
１３、１０６ 超音波振動子
１４ 送液管
１５ 突起
１６ 開口部
１７ 駆動輪
１８ 洗浄チャンバー
１９ カップ
２０ ガイドレール
２１ スライダー
２２ 台座
２３ 振動体ユニット
２４ 移動方向
２５ 筐体
２６ ウエハラック
２７ ウエハ搬送機構
２８ クリーンブース
２９ 操作パネル
３０ 段差
３１ 突起
１０１ 超音波ノズル
１０４ 超音波照射領域
１０７ 振動体支持手段
１０８ 洗浄液ノズル

Claims (6)

1. 振動体の一端に超音波振動子が装着され、他端に超音波照射面が形成された超音波発生手段と、
   洗浄対象の基板の被洗浄面を、前記超音波照射面に一定間隔で対向するように保持する基板保持手段と、
   前記超音波照射面を、前記被洗浄面に交わる方向を回転軸として回転させ、かつ前記基板上を平面走査させる超音波照射面回転走査手段と、
   前記超音波照射面と前記被洗浄面間を、洗浄中において常時洗浄液で満たす洗浄液供給手段と、
   を有することを特徴とする洗浄装置。
2. 前記基板保持手段は、前記基板を回転させる回転手段を有することを特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
3. 前記洗浄液供給手段は、前記洗浄液が、前記超音波照射面に設けられた前記振動体の開口部から、前記被洗浄面に向かって吐出する構成を有することを特徴とする請求項１または２記載の洗浄装置。
4. 前記超音波照射面は、凸部および／または凹部を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の洗浄装置。
5. 前記振動体は、円柱状合成石英からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の洗浄装置。
6. 振動体の一端に超音波振動子が装着され、他端に超音波照射面が形成された超音波発生手段を用い、
   洗浄対象の基板の被洗浄面を、前記超音波照射面に一定間隔で対向するように保持し、
   前記超音波照射面を、前記被洗浄面に交わる方向を回転軸として回転させ、かつ前記基板上を平面走査させ、
   前記超音波照射面と前記被洗浄面間を、洗浄中において常時洗浄液で満たして、前記被洗浄面を洗浄することを特徴とする洗浄方法。