JP2012507858A - 半導体ウエハ処理のための音響を用いた枚葉式ウエハ湿式洗浄 - Google Patents

半導体ウエハ処理のための音響を用いた枚葉式ウエハ湿式洗浄 Download PDF

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Abstract

【課題】
【解決手段】基板を洗浄するための方法が開示されており、その方法は、液体媒質が、洗浄される基板の一部を実質的に覆うように、基板の表面に液体媒質を供給する工程を備える。音響エネルギを生成するために、１または複数の変換器が用いられる。生成された音響エネルギは、液体媒質に印加された音響エネルギが液体媒質内でのキャビテーションを防止するように、基板および液体媒質メニスカスに印加される。基板に印加された音響エネルギは、液体媒質内に導入される音波に最大の音波変位を提供する。基板および液体媒質に導入された音響エネルギは、基板表面からの粒子汚染物質の除去を可能にする。除去された粒子汚染物質は、液体媒質内に取り込まれ、液体媒質によって基板表面から運び去られる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、一般に、半導体基板の洗浄に関し、特に、加工処理後に半導体基板を洗浄するために選択的洗浄媒体と共に音響エネルギを利用するための方法および装置に関する。
半導体チップの製造処理では、周知の通り、製造動作が実行されて望ましくない残留物が基板の表面上に残った場合に、基板の洗浄および乾燥が必要になる。かかる製造動作の例としては、プラズマエッチング（例えば、デュアルダマシン用途のためのビアエッチングまたはトレンチエッチング）および化学機械研磨（ＣＭＰ）が挙げられる。各製造動作後に基板の表面から望ましくない残留物を除去する際に、様々な洗浄処理が利用されてきた。基板の表面から望ましくない残留物を除去する際に利用される洗浄処理のいくつかは、基板の表面を実質的に覆う液体媒質に音響エネルギを伝搬させて、音響エネルギを用いて基板の表面から粒子を除去することを含む。
音響エネルギ洗浄処理中に用いられている典型的な液体媒質としては、脱イオン水（ＤＩＷ）、いくつかの基板洗浄剤のうちの任意の１または複数の洗浄剤、および、それらの組み合わせ（ＤＩＷ内に希水酸化アンモニウム／過酸化水素溶液を混合したものなど）が挙げられる。液体媒質に音響エネルギを伝搬させることにより、主に、キャビテーション、マイクロストリーミング、および、液体媒質として化学剤を用いた場合の化学反応の強化による洗浄が可能になる。キャビテーションとは、音波撹拌の作用下で液体媒質内において溶解ガスから微小な泡が急速に形成および破裂することである。破裂時に、泡はエネルギを放出する。破裂した泡からのエネルギは、粒子が基板に付着することを可能にする様々な付着力を断つことにより、粒子除去を助ける。音響マイクロストリーミングとは、メガソニック振動下で液体媒質に音波を伝搬させることで生じた速度勾配によって引き起こされる流体運動である。音響エネルギは、液体媒質内での化学反応を促進するための活性化エネルギを供給する。
基板の表面上に形成されたフィーチャのクリティカルディメンションが小さくなり続けるにつれ、フィーチャのクリティカルディメンションに匹敵する寸法を有するサブミクロンの粒子の数が増える。サブミクロン粒子のクリティカルディメンションのため、低周波数超音波エネルギを用いた洗浄技術では、もはや、フィーチャの周りからサブミクロン粒子を効果的に除去することができない。結果として、超音波洗浄を用いた製造動作によって形成されるデバイスの信頼性および歩留まりは、大幅に減少する。
超音波洗浄が有効でないことに対処するため、１バッチのウエハまたは単一のウエハを洗浄するための半導体製造動作で、メガソニックエネルギが広く利用された。メガソニック洗浄による主要な粒子除去メカニズムは、キャビテーションおよび音響ストリーミングに起因する。基板または１バッチの基板が浸漬された洗浄タンク内の液体媒質中で音圧波を生成するために、メガソニック変換器が用いられる。望ましくない微粒子は、キャビテーションおよびマイクロストリーミングの作用を受ける。メガソニック洗浄で用いられる音響エネルギは、望ましくない粒子を基板の表面から効果的に除去するが、キャビテーションを提供するために用いられる音響エネルギの量によると、サブミクロン粒子汚染物質がその周りに堆積しているフィーチャが損傷する場合がある。フィーチャへの損傷は、関連するデバイスを動作不能にすることにより、基板から得られるデバイスの総歩留まりおよび信頼性を低くする。
基板の表面上に形成されたフィーチャを損傷することなく、音響エネルギを用いて、サブミクロン粒子状汚染物質を基板の表面から効果的に除去するための方法を見出せば有利である。
本発明の実施形態は、このような課題に対処するものである。
概して、本発明は、基板表面に対する音響エネルギおよび強化された洗浄剤の供給を、制御された効果的な方法で管理することができる洗浄ツールを提供することにより、上記の要求を満たす。本発明は、処理、装置、またはシステムなど、種々の形態で実施できることを理解されたい。以下では、本発明の実施形態をいくつか説明する。
一実施形態では、半導体基板の表面から粒子汚染物質を洗浄するための方法が提供されている。その方法は、液体媒質を半導体基板の表面に供給する工程を含む。半導体基板の振動を可能にするために、音響エネルギが半導体に印加される。半導体基板の振動は、音響エネルギを液体媒質に伝達して、基板の表面に供給された液体媒質内に音波速度を導入する。液体媒質に印加される音響エネルギは、液体媒質にキャビテーションを導入しないように調整される。基板および液体媒質に印加された音響エネルギは、基板表面から粒子汚染物質を取り除くことを可能にする力を提供する。液体媒質は、液体媒質の化学構造が、取り除かれた粒子汚染物質との少なくとも部分的な結合または相互作用を可能にするように選択される。液体媒質は、取り除かれた粒子汚染物質と共に、基板から運び去られ、結果として、実質的に清浄な基板が得られる。
別の実施形態では、基板を洗浄するための装置が提供されており、その装置は、ベースと、ベースから伸びる１または複数の側壁とによって規定された空洞を有する第１の外側タンクを備える。第１のタンクは、さらに、ベースの反対側に開口部を備えており、内部に規定された空洞内に、ある体積の第１の液体媒質を保持するよう構成されている。装置は、さらに、第１の外側タンク内に配置された第２の内側タンクを備えており、第２の内側タンクを取り巻く空洞が、第１の外側タンク内に規定される。第１の外側タンク内の空洞は、第１の液体媒質を収容する。同様に、第２の内側タンクは、ベースと、ベースから伸びる１または複数の側壁とによって規定された空洞、および、ベースの反対側の開口部を備える。第２の内側タンクは、内部に規定された空洞内に、ある体積の第２の液体媒質を保持すると共に、基板を受け入れて、空洞内に含まれる第２の液体媒質に浸漬するよう構成される。さらに、基板を支持し、第２の液体媒質中に完全に基板を浸漬するために、キャリア機構が設けられている。音響エネルギを生成するための変換器が、第１の外側タンクのベースに設けられている。変換器によって生成された音響エネルギは、第２の内側タンク内の基板および第２の液体媒質に印加される。第２の液体媒質に印加される音響エネルギは、第２の液体媒質内でのキャビテーションを防止すると共に、第２の液体媒質内に音波速度を導入するように選択される。基板に印加される音響エネルギは、第２の液体媒質内に導入される音波に最大の波変位を提供するように選択される。音響エネルギは、基板および液体媒質が協働して、基板表面から粒子汚染物質を取り除くことを可能にし、次いで、取り除かれた粒子汚染物質は、第２の液体媒質と少なくとも部分的に結合または相互作用し、第２の液体媒質によって運び去られる。
別の実施形態では、基板を洗浄するための装置が提供されており、その装置は処理チャンバを備え、処理チャンバは、処理チャンバ内で基板を支持して搬送するよう構成されたキャリア機構を有する。基板は、除去すべき複数の粒子汚染物質を表面上に有する。処理チャンバは、少なくとも、供給ヘッドアセンブリおよびリンスヘッドアセンブリを備える。供給ヘッドアセンブリは、流入導管を通して液体媒質をメニスカスとして基板の表面に供給するよう構成される。リンスヘッドアセンブリは、基板表面をリンスするためのリンス剤を供給する少なくとも１つの流入導管と、液体媒質およびリンス剤を基板表面から除去する少なくとも１つの流出導管とを備える。リンスヘッドは、さらに、基板、および、基板表面に供給された液体媒質のメニスカスに、音響エネルギ（ＡＥ）を供給するための１または複数の変換器を備える。ＡＥは、キャリア機構によって支持された基板が振動することを可能にする。基板の振動は、液体媒質に伝達され、液体媒質内に音波速度を導入する。液体媒質に印加される音響エネルギは、液体媒質内でのキャビテーションを防止するように選択される。液体媒質および基板に印加された複合的な音響エネルギは、基板および液体媒質が、粒子汚染物質に対して同時に作用して、粒子汚染物質を基板表面から実質的に解放することを可能にする。解放された粒子汚染物質は、液体媒質と少なくとも部分的に結合または相互作用して、液体媒質の速度によって運び去られる。
本発明には、数多くの利点がある。基板および液体媒質の各々に印加された音響エネルギは同時に作用して、基板表面から粒子汚染物質を上手く解放する。基板表面に印加される音響エネルギの量を注意深く選択することにより、汚染物質の近くに形成されているフィーチャの属性の実質的に良好な保護を保証する。したがって、実質的に汚染の程度が低い効率的な基板洗浄によって、歩留まりの向上を実現できる。さらに、基板表面に供給される液体媒質の化学構造により、粒子汚染物質の再沈着が防止され、液体媒質を速やかに除去することにより、液体媒質が基板表面に付着することがない。基板および液体媒質に音響エネルギを同時に印加することで、キャビテーションおよびマイクロストリーミングを抑制しないことによって従来のメガソニック技術で生じる一般的な問題（フィーチャの損傷など）を回避しつつ、効率的な基板洗浄が実現される。
本発明のその他の態様および利点については、本発明の原理を例示した添付図面に沿って行う以下の詳細な説明によって明らかになる。
添付図面を伴った以下の詳細な説明により、本願発明は容易に理解される。説明の理解を容易にするため、類似する符号は、類似する構造要素を示している。
本発明の一実施形態において、浸漬タンクを用いた基板洗浄システムを示す概略側面ブロック図。
図１Ａに示した基板洗浄システムの概略上面ブロック図。
本発明の一実施形態に従って、単一の供給ヘッドの後ろにリンスヘッドが続く基板洗浄乾燥システムを示す図。
図２Ａに示した基板洗浄乾燥システムの一部を示す断面図。
本発明の一実施形態において、音響エネルギを基板および液体媒質に印加するための複数の変換器を有する基板洗浄システムを示す図。
本発明の別の実施形態において、音響エネルギを基板に印加するための複数の変換器を備える基板洗浄システムを示す側面図。
２つの供給ヘッドをそれぞれ基板の各側に配置した図２Ａの基板洗浄システムの別の実施形態を示す図。
本発明の一実施形態において、スピンツールを用いた基板洗浄システムを示す図。
図３Ａに示したスピンツールの別の実施形態を示す図。
図３Ｂに示したスピンツール機構の動作を示す上面図。
図３Ａおよび図３Ｂに示したスピンツール機構の別の実施形態を示す図。
本発明の一実施形態に従って、手注入技術と音波技術との結果を比較した粒子除去効率データのグラフ。 本発明の一実施形態に従って、手注入技術と音波技術との結果を比較した粒子除去効率データのグラフ。
本発明の一実施形態において、音波洗浄技術および標準的な手注入洗浄技術に関連する処理後の粒子マップを示す図。 本発明の一実施形態において、音波洗浄技術および標準的な手注入洗浄技術に関連する処理後の粒子マップを示す図。
本発明の一実施形態において、標準的な手注入技術およびメガソニック音響エネルギ技術に関する粒子除去効率を示す棒グラフ。
本発明の一実施形態において、洗浄処理中に印加された音響エネルギに関する損傷のデータを示す図。 本発明の一実施形態において、洗浄処理中に印加された音響エネルギに関する損傷のデータを示す図。 本発明の一実施形態において、洗浄処理中に印加された音響エネルギに関する損傷のデータを示す図。
本発明の一実施形態において、メガソニック印加テストに基づいた粒子除去効率を示す図。 本発明の一実施形態において、メガソニック印加テストに基づいた粒子除去効率を示す図。
本発明の一実施形態に従って、メガソニック音響エネルギを基板表面に供給する処理に含まれる動作を示すフローチャート。
基板を洗浄および／または乾燥する方法および装置のための発明が開示されている。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部もしくはすべてがなくとも実施可能である。また、本発明が不必要に不明瞭となることを避けるため、周知の処理動作の説明は省略した。
図１Ａおよび図１Ｂは、基板処理システムの一実施形態を示す図である。この実施形態では、基板を処理するために、浸漬タンクが利用される。図１Ａおよび図１Ｂに示す基板処理システムは例示であり、浸漬タンクを用いた基板表面の洗浄を可能にする任意の他の適切なタイプの構成が利用されてもよいことを理解されたい。図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の一実施形態に従って、浸漬タンクの側面および上面を示す。図に示すように、システムは、ベースと、ベースから伸びる１または複数の側壁とによって形成された空洞を有する第１の外側タンクを備える。ベースの反対側に、空洞への開口部が形成されている。空洞は、第１の液体媒質を収容するよう構成される。第１の外側タンク内には、第２の内側タンクが配置されており、第２の内側タンクを取り巻く空洞が、第１の外側タンク内に規定される。第１の外側タンク内の空洞は、第１の液体媒質を収容する。第２の内側タンクは、ベースと、ベースから伸びる１または複数の側壁とによって規定された空洞を備える。ベースの反対側には開口部が設けられており、開口部を通して、第２の内側タンクの空洞内に基板が導入される。第２の内側タンクは、空洞内に第２の液体媒質を収容するよう構成されている。基板を支持し、第２の内側タンク内の第２の液体媒質に基板を浸漬するために、キャリア機構が設けられている。一実施形態では、変換器Ｔ１が、第１の外側タンクのベースに設けられており、第２の内側タンク内に収容された第２の液体媒質に音響エネルギを導入するために用いられる。音響エネルギは、第１の外側タンク内の第１の液体媒質を通して第２の液体媒質に印加される。第１の液体媒質は、伝達媒質として機能し、第１の外側タンクに結合された変換器から第２の内側タンク内の第２の液体媒質に音響エネルギを伝達する。本願で用いられているように、伝達媒質は、媒質への超音波エネルギの伝達を可能にする、または、改善するために、変換器と媒質との間で用いられる物質（通常は、水）として定義される。この実施形態では、媒質は、第２の液体媒質である。第２の液体媒質に印加された音響エネルギは、第２の液体媒質内に浸漬された基板に伝達され、それにより、基板は振動する。この実施形態では、第２の液体媒質は、音響エネルギを基板に伝達するための伝達媒質として機能する。
本発明の別の実施形態では、適切な伝達媒質を用いたインターフェースを通して、第２の内側タンクの空洞内に含まれる基板および第２の液体媒質に音響エネルギを供給するために、２以上の変換器Ｔ１、Ｔ２などを用いる。２以上の変換器からの音響エネルギは、基板および第２の液体媒質が、音響エネルギを用いて協働し、粒子汚染物質が基板表面に付着するための付着力を断って粒子汚染物質を基板表面から解放するように、同時に供給される。液体媒質に印加される音響エネルギは、液体媒質内のキャビテーションを防止するように選択される。基板上に形成されたフィーチャの一部は、キャビテーション中に溶解ガスによって形成される微小な泡が破裂する際に損傷されうる。したがって、キャビテーションによって引き起こされる損傷を最小限に抑えることが不可欠である。結果として、音響エネルギは、液体媒質中のキャビテーションを回避することによって、基板上に形成されたフィーチャへのかかる損傷を防止するように選択される。基板および第２の液体媒質の各々に印加される音響エネルギは、従来のメガソニック洗浄処理中に液体媒質に直接印加される単一の高周波数音響エネルギよりも実質的に小さい。しかしながら、複合的な音響エネルギは、粒子汚染物質（汚染物質）を基板の表面に結合する付着力を断って、基板表面上の汚染物質の近くに形成されたフィーチャを損傷することなく基板表面から粒子汚染物質をうまく除去する助けとなるのに十分なエネルギを供給する。
一実施形態では、第１の液体媒質および第２の液体媒質は同じ媒質である。この実施形態では、第２の内側タンクは、清浄な第２の液体媒質をリザーバ（図示せず）から第２の内側タンク内に補給するための流入口（図示せず）と、洗浄処理中に第２の液体媒質および粒子汚染物質を速やかに除去するための流出口（図示せず）と、を備える。汚染物質および液体媒質を第２の内側タンクから速やかに除去することにより、汚染物質または液体媒質が基板表面に再付着することを防止する。さらに、第２の液体媒質の化学構造により、汚染物質の再付着が確実に防止される。第２の内側タンクの流出口は、第１の外側タンクの流入口に接続されてよく、その流入口を通して、第２の液体媒質が粒子汚染物質と共に、第１の外側タンク内に受け入れられる。この流入口に加えて、第１の外側タンクは、外部リザーバに接続された第２の流入口を備えてよく、そこから、第１の液体媒質を空洞内に受け入れる。第１の外側タンクの流出口（図示せず）は、洗浄処理中に、さらなる第１および第２の液体媒質を、対応する外部リザーバ（図示せず）および第２の内側タンクからそれぞれ受け入れることができるように、第１の外側タンク内の第１および第２の液体媒質を除去するために用いられる。
別の実施形態では、第１の液体媒質および第２の液体媒質は、異なる媒質である。一実施形態では、第１の液体媒質は、脱イオン水（ＤＩＷ）であってよい。第２の液体媒質は、汚染物質のサイズおよび組成に基づいて選択される。汚染物質が分析され、第２の液体媒質の化学構造が、洗浄処理中に基板表面から解放された汚染物質との少なくとも部分的な結合または相互作用を可能にするように、第２の液体媒質が選択される。一実施形態では、ポリマ系液体媒質が、第２の液体媒質として選択される。ポリマ系液体媒質は、粒子汚染物質との少なくとも部分的な結合または相互作用を可能にする長いポリマ鎖からなる化学構造を備えており、粘性が高い。ポリマ系液体媒質の粘性により、液体媒質は、基板表面に液体媒質が付着することを防止するために、洗浄処理後に基板表面から除去される必要がある。ポリマ液体媒質の化学構造に関する詳細情報については、２００８年６月２日出願の米国特許出願第１２／１３１，６５４、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｒｅｍｏｖａｌ ｂｙ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ Ｍｅｄｉａ」を参照することができる。一実施形態では、分析に基づいて、基板表面を洗浄するために選択されたポリマ系液体媒質は、部分的に加水分解されたポリアクリルアミドである。
第２の液体媒質内で基板に印加された複合的な音響エネルギは、液体−汚染物質−基板の界面において不均衡な圧力波を生成し、その圧力波は、第２の液体媒質を通して汚染物質に力を作用させて、汚染物質を基板表面に結合させている付着力を断つ。汚染物質に作用した力は、基板表面から汚染物質をうまく解放する。基板表面から解放されると、汚染物質は、第２の液体媒質と少なくとも部分的に結合または相互作用して、速やかに第２の液体媒質内に取り込まれる。洗浄処理が成功すると、捉えられた汚染物質は、第２の液体媒質と共に第２の内側タンクから速やかに除去され、次の基板洗浄処理に向けて、清浄な第２の液体媒質が第２の内側タンク内に補給される。単一の基板の洗浄に関して実施形態を詳述したが、これらの実施形態は、基板のバッチ洗浄に拡張することも可能である。この例では、キャリア機構は、複数の位置に、１バッチの基板を受けて支持し、洗浄処理中に１バッチの基板を受け入れるのに十分な幅を有する空洞を通して第２の液体媒質内に１バッチの基板を浸漬するよう構成される。
基板および第２の液体媒質に印加される音響エネルギに関する周波数は、汚染物質のサイズおよび組成ならびに汚染物質−基板表面の相互作用の種類に基づいて調整できることに注意されたい。汚染物質が小さいか軽い場合には、高い周波数の音響エネルギが印加されてよい。本発明のこれらの実施形態によると、複合的なエネルギが、基板上に形成されたフィーチャを損傷することなく基板から汚染物質を解放する助けとなるように、基板および液体媒質の各々に印加される音響エネルギの周波数を微調整することにより、基板表面上のフィーチャへの損傷を克服する。
図２Ａは、基板１００の表面を洗浄するための音響エネルギを印加するためにヘッドアセンブリを用いる本発明の別の実施形態を示す。図２Ａは、液体媒質をメニスカスとして基板の表面に供給するために供給ヘッド１０６ａを用いるシステムの側面図を示す。この実施形態では、供給ヘッド１０６ａは、基板１００の上面に液体媒質のメニスカスを供給するために設けられている。その後に基板１００の表面をリンスおよび乾燥するために、リンスヘッド１０６ｃが設けられてよい。一実施形態では、供給ヘッドおよびリンスヘッドは、離間されつつも基板１００の表面に近接することを可能にする向きに配置されるため、近接ヘッドである。一実施形態では、近接距離は、約０．１ｍｍから約３ｍｍであり、約０．３〜１ｍｍの間であることが好ましい。図２に示した供給ヘッドアセンブリ１０６ａは例示であり、音響エネルギを用いて基板を洗浄するための任意の他の適切なタイプの構成が用いられてもよい。さらに、図２Ａの供給ヘッド１０６ａおよびリンスヘッド１０６ｃの形状は、基板１００の表面の一部を覆うよう構成される。一実施形態では、供給ヘッドおよびリンスヘッドが固定されて、基板が軸に沿って移動される。一実施形態では、基板は、基板の表面が、洗浄処理中に液体媒質に、そして、リンスおよび乾燥処理中に液体または液体薬品（リンス剤など）に実質的にさらされるように、キャリアによって受けられて支持され、軸方向に沿って線形的に移動される。別の実施形態では、液体媒質を供給し、音響エネルギを基板および液体媒質に印加するために、スピンヘッドが利用されてもよい。この実施形態では、基板は、チャックなどのキャリア上に取り付けられ、基板の表面が、供給ヘッドおよびリンスヘッドによってそれぞれ供給された液体媒質およびリンス剤に実質的にさらされるように、軸を中心に回転される。基板１００のサイズおよび形状も様々であってよく、供給ヘッド１０６ａおよびリンスヘッド１０６ｃは、基板１００の表面を実質的に洗浄するよう適切に構成される。別の実施形態では、供給ヘッドおよびリンスヘッドは可動であってよく、基板は、固定であってもよいし、供給およびリンスヘッドの動きに対して移動してもよい。
液体媒質は、化学構造が、粒子と少なくとも部分的に結合または相互作用することにより、基板の表面から離脱する際に迅速な粒子の捕捉を可能にすることができるように注意深く選択される。液体媒質は、長いポリマ鎖からなる粘性液体である。液体媒質は、供給ヘッドに露出された基板表面の部分に液体媒質の薄いメニスカスが供給されるように、供給ヘッド１０６ａによって供給される。液体媒質の薄いメニスカスの厚さは、約０．１ｍｍから約２ｍｍであってよく、最適な厚さは約０．５ｍｍである。
洗浄処理は、キャリア（図示せず）によって供給ヘッド１０６ａの下で基板を移動させつつ、基板表面に液体媒質のメニスカスを供給することから始まる。キャリアは、基板を受けて支持し、軸に沿って移動させることができる従来のキャリアであってよい。液体媒質をメニスカスとして供給した後、基板は、リンスヘッド１０６ｃの下を移動され、その際、音響エネルギを基板および液体媒質に印加するために、１または複数の変換器Ｔ１、Ｔ２が利用される。基板の表面をリンスするために、洗浄動作後にリンス剤を基板に導入する際には、リンスヘッド１０６ｃの１または複数の流入導管１０６ｃ−１が用いられる。基板に供給された液体媒質およびリンス剤を速やかに除去するために、リンスヘッドの１または複数の流出導管が用いられる。液体媒質は、供給ヘッド１０６ａによって導入された時からリンスヘッド１０６ｃによって除去されるまで、基板の表面上に残る。洗浄処理中に液体媒質が基板の表面上に残る時間は、供給ヘッドおよびリンスヘッドの間の距離と、基板の移動速度とによって決まる。供給ヘッドおよびリンスヘッドの間の距離を「ｄ」とし、基板の相対速度を「ｗ」とすると、洗浄処理中の基板表面上での液体媒質の滞留時間は、関数ｆｎ（ｗ，ｄ）で表される。液体媒質の滞留時間は、基板表面の最適な洗浄を実現するように、供給ヘッドおよびリンスヘッドの間の距離「ｄ」を調節すること、ならびに、基板の速度「ｗ」を調節することによって調節されてよい。
リンスヘッド１０６ｃは、音響エネルギを基板および液体媒質に印加するために用いられる１または複数の変換器を備える。ここで、図２Ｂを参照しつつ、基板および液体媒質に対する音響エネルギの印加について詳細に説明する。図２Ｂは、基板の洗浄で用いられる洗浄システムの一部を示す断面図である。基板の表面にメニスカス１１６として液体媒質を供給した後、基板は、リンスヘッド１０６ｃの下に移動される。液体媒質メニスカス１１６は、供給点において実質的に液体であり、その粘度は、供給点から離れるにつれて変化しうる。液体媒質は粘性を有するため、液体媒質が基板表面に付着することを防止するために、液体媒質のメニスカス１１６を除去する必要がある。リンスヘッドの流出導管は、基板表面から液体媒質を速やかに除去することを可能にする。図２Ｂには１つの流出導管が図示されているが、リンスヘッドは、基板表面からの液体媒質の速やかな除去を助けるために、複数の流出導管を備えてもよいことを理解されたい。リンスヘッド１０６ｃは、さらに、洗浄処理後に基板表面をリンスするために、液体または液体薬品（リンス剤など）を導入する流入導管を備える。
リンスヘッドの変換器Ｔ１（４０６）は、音響エネルギを基板および液体媒質に導入するために用いられる。変換器Ｔ１は、変換器本体４０６ｂと、電源４０８に接続された圧電素子４０６ａとを備える。電源４０８は、高周波電源など、任意のタイプの電源であってよい。変換器Ｔ１は、変換器で生成された音響エネルギが実質的な強度の損失なしに伝達されるように、基板の上面に対向するリンスヘッドの底面の近くに配置される。変換器本体４０６ｂは、圧電素子４０６ａを介して電源４０８から電力を受けて、泡１で示すように、その電力を音響エネルギに変換する。次いで、音響エネルギは、泡２で示すように、リンスヘッド１０６ｃによってメニスカスとして供給されたリンス剤に伝達される。リンス剤は、伝達媒質として機能し、基板に向かう伝達の矢印と泡３とによって示されるように、音響エネルギを基板１００に伝達する。基板は、リンス剤メニスカスを介して変換器Ｔ１から音響エネルギを受けて、振動し始める。液体媒質の粘性により、音響エネルギの印加は、供給ヘッドの下の供給点の近くで印加されると、より効果的である。基板および液体媒質に印加された音響エネルギは、同時に作用して、基板表面から粒子汚染物質を解放する。解放された汚染物質は、液体媒質と少なくとも部分的に結合または相互作用して、流出導管を通して速やかに除去される。基板表面および液体媒質に印加される音響エネルギは、汚染物質の構造、サイズ、および、基板−汚染物質の相互作用の種類に基づいて微調整されてよい。
一実施形態では、変換器Ｔ１は、リンスヘッド１０６ｃの長さに及ぶ線形設計を有する。この実施形態では、リンスヘッド１０６ｃは、リンス剤を供給するための流入導管と、洗浄処理後にリンス剤および液体媒質を除去するための流出導管とを備える。変換器Ｔ１は、流入導管も流出導管も覆うことなく、実質的にリンスヘッド１０６ｃの長さに及ぶように構成される。変換器Ｔ１は、均一な音響エネルギを基板および液体媒質に供給するよう構成される。
図２Ｃは、複数の変換器Ｔ１、Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃ、Ｔ２、Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃなどがリンスヘッド１０６ｃに備えられた一実施形態を示す。複数の変換器Ｔ１、Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃ、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４などは、液体媒質および基板１００にわたって均一に音響エネルギを印加するために用いられる。リンスヘッド１０６ｃは、リンス剤を基板に供給するための複数の流入導管１０６ｃ−１と、液体媒質およびリンス剤を基板１００の表面から除去するための複数の流出導管１０６ｃ−２とを備える。流出導管１０６ｃ−２は、真空を用いて、洗浄動作中に基板表面から、液体媒質、粒子汚染物質、および、リンス剤を除去できるように、真空ポートに接続されてよい。この実施形態では、複数の変換器は、音響エネルギの印加領域が、リンスヘッド１０６ｃにさらされる基板の部分全体を覆うように、リンスヘッド１０６ｃの表面を覆うように直線的に配列される。さらに、変換器は、変換器の位置が、流入導管および流出導管のいずれとも重ならないように、リンスヘッドに配列される。一実施形態では、複数の変換器は、均一な音響エネルギを基板および液体媒質に供給するために、単一周波数モードで作動するよう構成される。
別の実施形態では、複数の変換器Ｔ１、Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃ、Ｔ２、Ｔ２ａなどは、基板および液体媒質に印加される音響エネルギの均一性、ひいては、洗浄効率を向上させるために、複数周波数モードで作動するよう構成されてもよい。複数の変換器によって生成された音響エネルギは、基板および液体媒質に対する音響エネルギの均一な印加をさらに保証するために微調整されてよい。例えば、変換器（音響アクチュエータ）の一部が、特定の周波数で作動するよう構成され、他の変換器が、異なる周波数で作動するよう構成されてよい。変換器の周波数は、圧電素子におけるセンサを用いて制御されてよい。あるいは、圧電素子におけるセンサはすべて、同時にいくつかの周波数で、または、両方の周波数の任意の組み合わせで動作するよう構成されてもよい。
図２Ｄは、本発明の別の実施形態において、複数の変換器を収容するリンスヘッド１０６ｃを示す簡単なブロック図である。この実施形態では、複数の変換器は、各変換器の音響エネルギ印加領域が別の変換器の領域と重なることで、リンスヘッドに対して露出された基板表面の部分全体が複数の変換器から均一な音響エネルギを受けるように配列されている。
別の実施形態では、第１のリンスヘッド１０６ｃに加えて、図２Ｅに示すように、第２のリンスヘッド１０６ｂが、基板１００の下側に設けられる。図に示すように、第２のリンスヘッド１０６ｂは、伝達媒質（リンス剤など）のメニスカスを供給するための流入導管と、さらなる音響エネルギを伝達媒質に供給するための１組の変換器Ｔ３、Ｔ４などとを備える。この実施形態では、伝達媒質はリンス剤である。伝達媒質は、変換器Ｔ３およびＴ４からの音響エネルギを、基板の下側から基板１００に伝達するための媒質として機能する。供給ヘッド１０６ａは、液体媒質をメニスカスとして基板１００の上面に供給し、リンスヘッド１０６ｃの変換器Ｔ１、Ｔ２などは、音響エネルギを上側から基板１００に供給する。上側および下側の両方から基板に印加された音響エネルギは、音波として液体媒質内に導入された音響エネルギがキャビテーションを生成しないように、音響エネルギを液体媒質に印加するために用いられる。図２Ｅに示した実施形態は例示であり、本発明の機能が保持される限りは任意の数の供給ヘッド、リンスヘッド、および、変換器が、任意の構成で用いられてよい。図２Ａ〜図２Ｅのリンスヘッドの構成および方向は例示であり、限定を意図するものではないことに注意されたい。一実施形態では、音響エネルギおよびリンス剤を下側から基板に供給し、洗浄処理後にリンス剤および液体媒質を除去するために、リンスヘッド１０６ｂのみが用いられてよい。別の実施形態では、リンスヘッド１０６ｂおよび１０６ｃは、リンス剤および音響エネルギを基板の上面に供給するよう構成されてもよい。別の実施形態では、基板の上側、下側、または、両側から、リンス剤および／または音響エネルギを供給するために、さらなるリンスヘッドが利用されてもよい。
１または複数の変換器が１または複数のリンスヘッド内に配置された実施形態について説明した。しかしながら、これらの実施形態は例示であり、限定を意図するものではない。本発明の一実施形態では、１または複数の変換器が、供給ヘッド内に配置されてもよい。この実施形態では、変換器は、液体媒質を基板１００に供給する流入導管の後ろに位置することで、変換器によって生成された音響エネルギが液体媒質および基板１００に伝達されるように配置される。別の実施形態では、変換器Ｔ１は、別個のヘッドに配置されてもよい。この実施形態では、変換器Ｔ１を備えたヘッドは、変換器Ｔ１によって生成された音響エネルギが基板および液体媒質に印加されるように、供給ヘッドの後ろに配置される。捕捉された粒子を含む液体媒質を基板表面から実質的に除去して、実質的に清浄な基板１００を実現するように、変換器Ｔ１を備えたヘッドの後ろに、随意的にリンスヘッドを設けてもよい。
複数の変換器は、洗浄処理中に液体媒質および基板１００に対して均一な音響エネルギを生成するために利用される。供給ヘッド１０６ａは、１または複数の流入導管を通してリザーバ（図示せず）から基板に液体媒質をメニスカス１１６として供給するよう構成されており、変換器は、基板の各面に対向する複数のリンスヘッドの表面近傍に配置され、流入導管および流出導管のいずれとも重ならない。メニスカス１１６は、供給ヘッド１０６ａに向かって露出された基板表面の部分を実質的に覆う。
変換器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４（４０６）は、外部電源４０８から電力供給される。一実施形態では、外部電源は、高周波（ＲＦ）電源である。電源４０８からの電力は、変換器４０６によって音響エネルギに変換され、その音響エネルギが、基板１００と液体媒質のメニスカス１１６に印加される。変換器４０６は、ＲＦを音響エネルギに変換することを可能にする任意の適切な構成を有してよいことを理解されたい。
一実施形態では、変換器４０６は、液体媒質、任意の他の伝達媒質メニスカス１１６、および、洗浄される基板１００の表面上に存在しうる汚染物質から、変換器４０６の圧電水晶４０６ａおよび変換器本体４０６ｂを保護するために、テフロン（登録商標）などの物質で被覆されてよい。電源４０８からの電力は、液体媒質メニスカス１１６に供給された音響エネルギがメニスカス１１６内でキャビテーションを引き起こさないように選択される。一実施形態では、リンスヘッド１０６ｂおよび１０６ｃの流入導管および流出導管は、流入導管のリンス剤を供給する位置が変換器の間にあり、変換器によって遮られないように配置される。基板から解放された汚染物質と共に液体媒質を速やかに除去するために用いられる流出導管は、液体媒質を除去するための吸引を行う真空ポート（図示せず）に接続される。
一実施形態では、メニスカスを速やかに除去することにより、基板から解放されたばかりの汚染物質の再付着が回避されると共に、液体媒質に長期的にさらされることによるフィーチャへの損傷が防止される。液体媒質の化学構造は、汚染物質のより速い除去を可能にすることにより、汚染物質が基板１００に再付着することを防止する。液体媒質を速やかに除去することにより、液体媒質が、その粘性によって基板の表面に付着することも防止される。汚染物質に液体媒質がさらされる時間は、基板１００の表面から最適量の汚染物質が除去されるように調整されてよいことに注意されたい。供給ヘッド１０６ａおよびリンスヘッド１０６ｂ、１０６ｃは、基板１００の表面に供給されるメニスカスの領域が、音響エネルギの印加される領域と実質的に重なるように配置される。装置の構成と、メニスカスの所望のサイズおよび形状とに応じて、任意の適切な数の流入導管および流出導管を用いてよいことを理解されたい。
音響エネルギの存在下で、対象汚染物質（基板上に吸着されたもの）は、液体媒質および基板の音響挙動の違いによって力を受ける。その力は、汚染物質を基板から取り除く。取り除かれた汚染物質は、液体媒質と少なくとも部分的に結合または相互作用して、流出導管を通して液体媒質と共に除去される。一実施形態では、変換器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４などは、同等で均一な音響エネルギを基板および液体媒質に供給するように選択される。変換器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４によって印加される音響エネルギが同じであっても、その結果としての液体媒質および基板内での音響エネルギは、互いに異なりうる。これは、２つの媒質（基板および液体媒質）内での異なる音響挙動の原因となる２つの媒質の固有特性の違いによって起こりうる。別の実施形態では、Ｔ１およびＴ２によって生成される音響エネルギは、変換器Ｔ３およびＴ４によって生成される音響エネルギと異なる。
基板および液体媒質における複合的音響エネルギにより、基板および液体媒質は協働して、フィーチャを損傷することなく基板１００の表面から汚染物質を解放する。界面および粒子への音響力の供給量は、差し迫ったマッチングに基づいて（ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｎｄｅｎｔ ｍａｔｃｈｉｎｇ）、適切な変換器を選択すること、および、音響エネルギを基板および液体媒質に伝達する伝達媒質を変更することによって制御できる。複数の変換器を利用することは、液体媒質内での音波変位の均一性を制御および維持する助けとなる。音響エネルギを組み合わせることにより、より小さい音響エネルギを利用することも可能になり、基板および液体媒質の両方に音響エネルギを印加することにより、メガソニック音響エネルギを液体媒質に直接印加して汚染物質を解放する従来のメガソニック洗浄動作よりも、良好な洗浄結果が得られる。
表面および液体媒質に印加される複合的な音響エネルギは、約１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数の波を生成しうる。液体媒質メニスカスに印加される音響エネルギは、キャビテーションを防止しつつ、汚染物質の除去のためにメニスカスおよび基板に最適な音響エネルギを供給するように、注意深く選択される。キャビテーションを防止することにより、キャビテーションの際に泡の破裂によって放出されるさらなるエネルギが回避される。さらに、基板に印加される音響エネルギは、液体媒質内に導入される音波の最大の波変位を可能にし、それにより、基板表面上に形成されたフィーチャを損傷することなく、基板１００の表面から汚染物質を効率的に除去する助けとなる。
供給ヘッドおよびリンスヘッドに設けられる変換器の形状は、変換器を収容する対応するヘッドの形状に合うよう選択される。上述のように、これらの実施形態は例示であり、液体媒質のメニスカスを生成して、制御された方法で基板表面に供給し、適切な音響エネルギを生成して、洗浄処理中にメニスカスおよび基板に印加するように、供給ヘッド１０６ａおよびリンスヘッド１０６ｂ、１０６ｃなどの組み合わせが基板に近接することを可能にするために、任意の他の構成を用いてもよい。
変換器によって生成される音響エネルギは、汚染物質のサイズ、組成、および、種類、基板の種類、厚さ、幅、および、組成、液体媒質の種類、組成、および、特性に基づいて、変換器への電力供給を調節することによって調整されてよい。同様に、液体媒質は、第１の液体媒質の供給が、基板上のフィーチャ、または、洗浄処理に用いられる構成要素のいずれをも劣化させないように、汚染物質の性質、種類、および、サイズ、基板の種類および組成に基づいて選択される。一実施形態では、メニスカスとして供給される第１の液体媒質は、部分的に加水分解されたポリアクリルアミドである。部分的に加水分解されたポリアクリルアミドの代わりに、または、それと組み合わせて、汚染物質との結合を可能にしうる化学構造を有する任意の他の適切な液体媒質が用いられてもよい。洗浄動作後に基板をリンスおよび乾燥するために用いられるリンス剤は、脱イオン水（ＤＩＷ）であってよい。このリンス剤は例示であり、実施形態は、ＤＩＷの代わりに、または、それと組み合わせて、任意の他のリンス剤を用いてもよい。
近接ヘッド、近接ヘッドの配置および構成、アームアセンブリの構成および機能、ならびに、音響エネルギを用いた洗浄のために近接ヘッド内に設けられる変換器に関する詳細情報については、２００３年６月３０日出願の米国特許出願第１０／６１１，１４０号、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＣＬＥＡＮＩＮＧ Ａ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＵＳＩＮＧ ＭＥＧＡＳＯＮＩＣ ＰＯＷＥＲ」を参照できる。これは、本願の出願人に譲渡されている。
基板表面への液体媒質の流量は、メニスカスの層を維持するように制御される。一実施形態では、供給ヘッド１０６ａの流入口を通る液体媒質の流量は、供給ヘッドのサイズに応じて変化してよく、約５ｍｌ／分すなわち約０．００１７７標準立方フィート毎時（ＳＣＦＨ）から、約５００ｍｌ／分すなわち約１．０５４９ＳＣＦＨの間であってよく、最適流量は、約１００ｍｌ／分すなわち約０．２２ＳＣＦＨである。同様に、同じ供給ヘッドまたは異なる供給ヘッドの流出口を通る真空についての流量は、液体媒質の流量に従って調節されてよく、約１００標準リットル毎分（ＳＬＭ）から約６００ＳＬＭの間に維持され、最適流量は、約５００ＳＬＭである。
図３Ａ〜図３Ｄは、基板を洗浄するためにスピンツール機構を利用する本発明の別の実施形態を示す。図３Ａに示すように、スピンツール機構は、液体媒質を受け入れて保持するための容器４１０（ボウルなど）を備える。容器４１０は、容器４１０内に液体媒質を補給できるように洗浄処理後に液体媒質を除去するための流出ポート４７０を備える。キャリア機構４２０（チャックなど）は、基板を受けて支持し、軸に沿って移動させるよう構成されている。キャリア機構４２０は、軸に沿ってキャリア機構４２０を移動させる力を供給するためのモータ機構４４０に結合されている。基板１００は、容器内の液体媒質の薄層が基板表面を覆うように、キャリア機構上に支持される。キャリア機構４２０は、さらに、変換器Ｔ１を備える。変換器Ｔ１は、電源（図示せず）に接続されており、基板１００および液体媒質に印加される音響エネルギを生成するために電力を利用する。一実施形態において、音響エネルギは、音の形態を取る。音エネルギは、基板１００と、基板表面上の液体媒質とに伝達される。洗浄処理中に基板表面にリンス剤を供給するために、リンス機構４３０（ノズルなど）が利用される。リンス剤は、変換器Ｔ１によって生成された音響エネルギを受けて液体媒質に伝達する伝達媒質として機能しうる。リンス機構４３０は、制御機構４５０（ノズル制御機構など）を用いて上下および横方向に移動できるように、可動アームに取り付けられており、その結果、リンス機構４３０は、リンス剤の均一なメニスカスを基板１００の表面に供給するように基板の上方で適切に位置決めされることが可能である。次に、リンス機構４３０は、リンス剤を供給する流体供給源４６０に接続されている。別の実施形態では、変換器Ｔ１は、液体媒質を基板表面に供給する流入導管をいずれも遮らないように、リンス機構内に配置される。この実施形態では、リンス機構４３０は、流体供給源４６０に接続されるだけでなく、変換器Ｔ１にエネルギを供給するための電源にも接続される。
動作中、変換器は、電源からの電力を利用して、その電力を音響エネルギ（音エネルギなど）に変換する。音響エネルギは、キャリア機構４２０上に支持された基板に伝達される。基板１００に印加された音響エネルギの一部は、音波として基板表面上の液体媒質に伝達される。液体媒質に供給される音響エネルギの量は、液体媒質内のキャビテーションを防止するように微調整されることに注意されたい。基板への音響エネルギは、基板の振動を可能にする。基板および液体媒質における複合的な音響エネルギは、粒子汚染物質と基板表面との間の付着力に打ち克つように作用することにより、粒子汚染物質を解放する。解放された汚染物質は液体媒質と共に除去され、その結果、実質的に清浄な表面が得られる。リンス剤は、洗浄処理後に基板表面をさらに洗浄するために用いられてよい。
図３Ａに示した実施形態は例示であり、限定を意図するものではない。一実施形態では、変換器Ｔ１は、均一な音響エネルギを基板表面に供給するよう構成された複数の変換器に置き換えられてもよい。別の実施形態では、複数の変換器は、基板に印加される音響エネルギの均一性をさらに高めて、効率的な洗浄を行うために、複数周波数モードで作動するよう構成されてもよい。
図３Ｂは、図３Ａに示したスピンツールの別の構成を示す。この実施形態では、変換器Ｔ１は、キャリア機構の中ではなく、可動アーム４８０に設けられている。可動アーム４８０は、均一な音響エネルギを基板および液体媒質に供給するために変換器Ｔ１の位置を調節できるように、上下および横方向に移動するよう構成される。可動アーム４８０は、変換器が電力を用いて音響エネルギを基板および液体媒質に供給できるように、電源に接続される。一実施形態において、音響エネルギは、音エネルギの形態を取る。リンス機構４３０は、液体媒質のメニスカスを供給された基板１００にリンス剤を供給するために用いられる。動作中、変換器Ｔ１からの音響エネルギは、リンス剤に印加される。リンス剤は、伝達媒質として機能し、音響エネルギを液体媒質および基板１００に伝達する。基板１００および液体媒質に印加された音響エネルギは、基板１００の振動を可能にし、液体媒質内に音波を導入する。基板および液体媒質からの音響エネルギは協働して、付着力に打ち克つことにより、粒子を基板から解放する。解放された粒子は液体媒質と共に基板表面から除去され、その結果、実質的に清浄な基板が得られる。別の実施形態では、可動アーム４８０は、液体媒質を基板に供給するための流入導管を備えてもよい。この実施形態では、変換器Ｔ１は、液体媒質を供給する流入導管と重ならないように設けられてよい。変換器Ｔ１の機能は、図３Ｂを参照して説明した実施形態と同様である。
図３Ｃは、本発明の一実施形態において、図３Ｂに示したリンス機構４３０と変換器Ｔ１を備えた可動アーム４８０の動作を示す。この実施形態では、基板１００を載置したキャリア機構は、図３Ｂに示したモータ機構４４０を用いて軸の周りで回転するよう構成される。リンス機構４３０は、最初は基板１００の中心に配置されており、基板がキャリア機構４２０によって軸を中心に回転される間に、基板１００の外縁に向かってゆっくり移動される。リンス機構４３０が外向きに移動するため、遠心力が液体媒質およびリンス剤を外周に向かって押しやることにより、中心から外に向かって基板の洗浄が行われる。図３Ｂに示すように、変換器Ｔ１を備えた可動アーム４８０は、リンス機構４３０に近接した中心付近に配置され、基板１００の外周に向かってゆっくり移動される。変換器Ｔ１からの音響エネルギは、リンス機構４３０によって供給されたリンス剤を通して液体媒質および基板１００に印加され、協働して基板表面から粒子を解放する。解放された粒子は、液体媒質と結合し、基板表面に作用する遠心力によって基板表面から除去される。リンス機構４３０および可動アーム４８０の位置は例示と見なされるべきであり、本発明の機能が満たされる限りは、他の構成を考慮してもよい。
図３Ｄは、スピンツール機構の別の実施形態を示す。この実施形態では、キャリア機構４２０は、軸に沿って回転するだけでなく、さらに上下に移動するよう構成される。この構成は、基板を１つの容器から別の容器に移動させることなく、異なる加工動作（洗浄およびリンスなど）を実行できるように、キャリア機構４２０上に受けられた基板を、上下に移動させ、回転軸の周りに回転させることを可能にする。容器４１０は、液体媒質およびリンス剤を再利用できるように、洗浄処理およびリンス処理中に、液体媒質のための流出口４７０−ａおよびリンス剤のための流出口４７０−ｂを提供するよう構成される。流出口４７０−ａおよび４７０−ｂは、対応する容器に接続されており、それぞれ、洗浄処理およびリンス処理の後に、液体媒質およびリンス剤を受け入れる。これに向けて、キャリア機構４２０は、液体媒質が薄膜として基板表面を実質的に覆うように、最初に基板１００を位置１に配置する。洗浄処理後、液体媒質が粒子と共に、第１の流出口４７０−ａを通して効率的に除去されて、液体媒質容器内に収集される。次いで、キャリア機構は、位置２に持ち上げられ、そこで、基板１００は、リンス機構４３０からのリンス剤で処理される。リンス処理の完了後、リンス剤は、流出口４７０−ｂを通して除去され、リンス剤容器に収集される。用いる薬剤の種類に基づいて、薬剤が再利用されてもよい。音響エネルギは、図３Ｄに示すように、キャリア機構内の変換器Ｔ１を通して供給されてもよいし、図３Ｂに示すように、可動アーム４８０に配置された変換器Ｔ１を通して供給されてもよい。基板および液体媒質における音響エネルギは協働して、基板表面から粒子を解放する。解放された粒子は、液体媒質と少なくとも部分的に結合し、洗浄処理後に基板から処理され、その結果、実質的に清浄な表面が得られる。
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の一実施形態に従って、手注入（ｈａｎｄｐｏｕｒ）技術と音波技術との結果を比較した粒子除去効率データのグラフである。図４Ａからわかるように、音響エネルギ技術の粒子除去効率は、手注入技術から得られた効率よりも実質的に高い。一実施形態では、粒子除去効率（ＰＲＥ）は、図４Ｂからわかるように、約１６〜１８％の改善を示している。
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の一実施形態において、音波洗浄技術および標準的な手注入洗浄技術に関連する処理後の粒子マップの分布を示す。図からわかるように、単位面積当たりの汚染物質の量は、標準的な手注入技術に比べて、音波技術では実質的に少ない。さらに、粒子は、標準的な手注入に比べて、音響エネルギを用いた場合に基板表面上でかなり均一に除去されたことがわかり、粒子マップは、音波技術を受けた後の基板表面上における汚染物質の分布について不均一の問題がないことを示している。
図６は、本発明の一実施形態において、標準的な手注入技術およびメガソニック音響エネルギ技術に関する粒子除去効率（ＰＲＥ）の棒グラフを示す。図からわかるように、液体媒質（例えば、部分的に加水分解されたポリアクリルアミド）を用いた場合の標準的な手注入技術のＰＲＥは、９０ナノメートル（ｎｍ）より大きい寸法を有する汚染物質について、約７９％の効率を示す。音波技術のＰＲＥは、図に示すように、表面に印加された音響エネルギの電力の変化に伴って変化し、５Ｗ／ｃｍ2の複合的な音響エネルギが基板表面および液体媒質に印加された時に顕著な改善が見られた。図に示すように、ＰＲＥは、約７９％の効率から約９８％の効率に改善した。ただし、基板上に形成されたフィーチャが損傷しないことを保証しつつ、高いＰＲＥを得られるように、注意深く音響エネルギを選択する必要があることを理解されたい。かかる損傷は、キャビテーションによって起こりうる。したがって、キャビテーションを防止して基板上に形成されたフィーチャの特性を保護しつつ、最適な粒子除去効率を可能にするために、音響エネルギの印加と液体媒質の適切な選択が注意深く監視される。
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の一実施形態において、洗浄処理中に印加された異なる電力レベルにおける１ＭＨｚの音響エネルギに関する損傷のデータを示す。図からわかるように、基板に印加された音響エネルギに関する電力レベルは、粒子除去効率（ＰＲＥ）が高くなるほど、基板上に発生する損傷の量を大きく左右する。図７Ａに示すように、基板−液体媒質−汚染物質の界面に５Ｗ／ｃｍ2の音響エネルギ（ＡＥ）電力が印加された場合、ＰＲＥが約１８％改善したものの、約３０，０００の損傷が生じた。図７Ｂに示すように、０．７Ｗ／ｃｍ2のＡＥ電力の場合、約５００の損傷が生じ、図７Ｃに示すように、０．３Ｗ／ｃｍ2のＡＥ電力の場合、生じた損傷は約０であったが、それでも、ＰＲＥは約５％改善された。導入されるＡＥの量は、基板で生じる損傷の量を最小限に抑えつつ、所望のＰＲＥの大きさに基づいて最適化される。
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の一実施形態において、音響エネルギ印加テストに基づいた粒子除去効率を示す。図に示すように、音響エネルギの導入により、ＰＲＥの改善が可能であり、その改善は、従来の洗浄処理ですでに得られていた元のＰＲＥによって決まる。図に示すように、低ＰＲＥレジーム（４０％）では、音響エネルギを印加することにより、ＰＲＥは、従来の標準的な手注入洗浄処理から約１０％改善される。中ＰＲＥレジームおよび高ＰＲＥレジーム（８０％および９５％）では、音響エネルギを印加することにより、ＰＲＥは、従来の手注入応用例から、それぞれ４％および１．５％改善される。フィーチャサイズは小さくなり続けるため、ＰＲＥを１００％近くに改善することが望ましく、適切な音響エネルギを選択および印加することで、所望のＰＲＥの結果を実現することが可能になる。
近接ヘッドの例およびそれぞれの構成、流入導管および流出導管のパターンについては、米国特許出願第１０／２６１，８３９号、第１０／４０４，２７０号、および、第１０／３３０，８９７号を参照することができる。したがって、本明細書に記載の近接ヘッドのいずれか、一部、または、全部は、適切な基板洗浄および乾燥のために、任意の適切な構成で利用されてよい。さらに、近接ヘッドは、任意の適切な数または形状の流出導管および流入導管を有してよい。さらに、変換器４０６は、音響エネルギを基板に印加することと、音波をメニスカス１１６に導入することが可能な限りは、任意の適切なサイズ、形状、および、数であってよい。変換器４０６は、音波をメニスカス１１６に印加できる限りは、リンスヘッド１０６ｃの任意の適切な領域、または、供給ヘッド１０６ｂの任意の適切な領域、などに配置されてよいことを理解されたい。したがって、変換器４０６は、図２Ａ〜図２Ｅおよび図３を参照して上述したように、音波（例えば、超音波および／またはメガソニック波）をメニスカス１１６に印加しうる。その結果、適切な液体媒質および音響エネルギを用いることにより、基板表面の洗浄をインテリジェントに最適化および強化することができる。
液体媒質は、化学構造および組成に基づいて注意深く選択される。一実施形態では、集積回路デバイスを規定するフィーチャを有する基板を洗浄するために用いられる典型的な液体媒質は、５００，０００ｇ／ｍｏｌ以上の分子量を持つポリマ（ポリアクリルアミド（ＰＡＭ））を含む。液体媒質は、実質的な液相にあるものとして定義される。液体媒質は、音響エネルギの印加による力が、基板を覆う液体媒質に作用した時に、基板表面上に形成されたフィーチャの周りで変形する。液体媒質は、基板表面上に供給されて、表面上のデバイスフィーチャを実質的に損傷することなく表面から汚染物質を除去する。液体媒質は、基板表面上に供給される前には研磨粒子を実質的に含まない。基板の洗浄に用いられる液体媒質に関する詳細情報については、２００７年１２月１４日出願の米国特許仮出願第６１／０１３９５０、「ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＲＥＭＯＶＡＬ ＢＹ ＳＩＮＧＬＥ−ＰＨＡＳＥ ＡＮＤ ＴＷＯ−ＰＨＡＳＥ ＭＥＤＩＡ」を参照することができる。これは、本願の出願人に譲渡されている。
一実施形態では、フィーチャを損傷することなく汚染物質の最適な除去を可能にした液体媒質の属性は、約５ｍｌ／分から約５００ｍｌ／分の流量を含み、最適流量は、約１００ｍｌ／分であり、圧力は、約０ｐｓｉから約５０ｐｓｉである。基板から近接ヘッドまでの最適なギャップの範囲は、約０．３ｍｍから約３ｍｍの間であり、最適ギャップは、約０．５ｍｍから１ｍｍの間である。最適な結果を示したメガソニック音響エネルギは、約１０ｋＨｚから約１０ＭＨｚの間である。高周波数音響エネルギの場合、印加のメカニズムは、マイクロストリーミングおよびキャビテーションによる。より低い周波数の音響エネルギについては、印加のメカニズムが異なる。低周波数では、音響エネルギは液体媒質に結合され、印加される音響エネルギの周波数が緩和時間の周波数と同等であるため、液体媒質を音波に反応させる。低周波数で最適な結果を示した音響エネルギは、約１Ｈｚから約１ｋＨｚの間である。一実施形態では、音響エネルギの周波数は、液体媒質の緩和時間の逆数と同程度である。例えば、液体媒質の緩和時間が１秒である場合、音響エネルギの周波数は、約１Ｈｚであってよい。
液体媒質は、溶媒と、液体媒質の水素イオン指数（ｐＨ）値を変化させるための緩衝剤とを含む。緩衝剤および溶媒は、基板の洗浄に用いられる液体媒質を形成する。ポリマは、液体媒質の溶媒に溶解可能になる。結果として得られる液体媒質は、１ｐｐｂ（パーツ・パー・ビリオン）未満の金属汚染物質を有し、ｐＨ値は、約７から約１２の間である。溶解したポリマは、基板表面から取り除かれた汚染物質と少なくとも部分的に結合または相互作用して上手く取り込むために、長いポリマ鎖を有する。
音響エネルギを用いて基板表面を洗浄するための方法について、図９を参照して説明しない。その方法は、動作９１０に示すように、基板表面の一部を実質的に覆うように、液体媒質を選択および供給することから始まる。液体媒質は、基板表面を実質的に覆うように、液体メニスカスとして供給されてもよいし、基板を浸漬できる空洞を有するタンク内に供給されてもよい。液体媒質は、化学構造が、基板表面から解放された汚染物質との少なくとも部分的な結合または相互作用を可能にするように選択されてよい。一実施形態では、液体媒質をメニスカスとして導入するために、近接ヘッドが用いられる。動作９２０に示すように、１または複数の変換器を通して、音響エネルギが液体媒質および基板に印加される。変換器は、音響エネルギが、液体媒質内にキャビテーションを引き起こさずに、液体媒質内に導入される音波の最大の波変位を提供するように、音響エネルギ（ＡＥ）を、基板に、そして、基板を通して液体媒質内に導入することができるよう選択される。ＡＥの存在下で、対象汚染物質（基板上に吸着したもの）は、液体媒質および基板の音響挙動の違いによって力を受ける。音響挙動の違いは、液体媒質および基板の固有特性（音速および変位振幅など）による。動作９３０に示すように、汚染物質が受ける複合的な力が、汚染物質を基板から取り除く助けとなる。処理は、動作９４０に示すように、取り除かれた汚染物質が、液体媒質と少なくとも部分的に結合または相互作用して、液体媒質に取り込まれ、液体媒質と共に速やかに除去されることで終了する。処理は、さらに別の基板の洗浄を続けてもよい。単一の基板の洗浄に関して実施形態を詳述したが、これらの実施形態は、基板のバッチ洗浄に用いてもよい。
本発明は、いくつかの好ましい実施形態に沿って説明されているが、当業者が、明細書および図面から、様々な変更、追加、置き換え、および、等価物を実現することは明らかである。したがって、本発明は、本発明の真の趣旨および範囲内での変更、追加、置き換え、および、等価物の全てを含むよう意図されている。

Claims (32)

  1. 半導体基板を洗浄するための方法であって、
    洗浄される前記半導体基板の表面の一部を実質的に覆うように、前記半導体基板の前記表面に液体媒質を供給する工程と、
    前記半導体基板が振動することを可能にするように、前記半導体基板に音響エネルギを印加する工程と、を備え、
    前記半導体基板は、除去対象となる複数の粒子汚染物質を有し、
    前記半導体基板の前記振動は、前記音響エネルギを前記液体媒質に伝達して、前記液体媒質内に音波速度を導入し、
    前記液体媒質内の前記音波速度は、前記半導体基板の前記振動と共に、前記複数の粒子汚染物質を前記半導体基板の前記表面から取り除く力を供給する、方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    前記半導体基板に音響エネルギを印加する工程は、さらに、
    音響エネルギを生成するための変換器を選択する工程と、
    前記液体媒質において最大の音波変位を提供するように、前記半導体基板に印加する前記音響エネルギを生成する工程と、を備える、方法。
  3. 請求項２に記載の方法であって、さらに、
    前記液体媒質内の前記音波速度が、前記液体媒質内でキャビテーションを引き起こさないように、前記音響エネルギを調整する工程を備える、方法。
  4. 請求項２に記載の方法であって、さらに、
    前記液体媒質および前記半導体基板内で音波変位の均一性を維持するように、前記変換器によって印加される前記音響エネルギを制御する工程を備える、方法。
  5. 請求項３に記載の方法であって、さらに、
    前記半導体基板の下側に結合され、伝達媒質を通して前記下側から前記半導体基板に音響エネルギを印加することを可能にする第２の変換器を提供する工程を備える、方法。
  6. 請求項５に記載の方法であって、さらに、
    音響エネルギの伝達を可能にする固有特性を有する伝達媒質を選択する工程と、
    前記伝達媒質を前記半導体基板に供給する工程と、を備え、
    前記下側から前記半導体基板に供給される音響エネルギの量は、前記伝達媒質の前記固有特性に基づく、方法。
  7. 請求項６に記載の方法であって、
    前記半導体基板および前記液体媒質に印加される前記音響エネルギは、前記半導体基板、前記液体媒質、および前記伝達媒質に関する固有特性に基づき、
    前記音響エネルギは、前記液体媒質内での前記音波の音響挙動を規定する、方法。
  8. 請求項５に記載の方法であって、
    前記伝達媒質は、前記半導体基板をリンスする際に用いられる液体または液体薬品の一方である、方法。
  9. 請求項７に記載の方法であって、
    前記伝達媒質および前記液体媒質に関する前記固有特性は、化学組成、密度、および、温度のうちの任意の１または複数を含み、
    前記半導体基板に関する前記固有特性は、組成、厚さ、幅、温度、汚染物質の種類、汚染物質のサイズ、汚染物質の組成のうちの任意の１または複数を含む、方法。
  10. 請求項１に記載の方法であって、さらに、
    前記液体媒質の化学構造が、前記洗浄の処理中に前記半導体基板の前記表面から解放された前記粒子汚染物質との少なくとも部分的な結合または相互作用を可能にするように、前記液体媒質を選択する工程を備え、
    前記液体媒質は、部分的に加水分解されたポリアクリルアミドである、方法。
  11. 基板を洗浄するための装置であって、
    ベースと、前記ベースから伸びる１または複数の側壁と、前記ベースの反対側の開口部とによって規定された空洞を有し、前記空洞内に、ある体積の第１の液体媒質を保持するよう構成された第１の外側タンクと、
    前記第１の外側タンク内で第２の内側タンクを取り囲む前記空洞を規定するように、前記第１の外側タンク内に配置された第２の内側タンクであって、前記第１の外側タンク内での前記第２の内側タンクの配置によって形成された空間は、前記第１の液体媒質によって満たされ、前記第２の内側タンクは、ベースと、前記ベースから伸びる１または複数の側壁と、前記ベースの反対側の開口部とによって規定された空洞を有し、前記空洞内に、ある体積の第２の液体媒質を保持するよう構成されている、第２の内側タンクと、
    前記基板を支持し、前記第２の内側タンク内に規定された前記空洞内の前記第２の液体媒質に完全に前記基板を浸漬させるよう構成されたキャリア機構と、
    前記第２の内側タンク内の前記基板および前記第２の液体媒質に音響エネルギを印加するための変換器であって、前記音響エネルギは、前記基板および前記第２の液体媒質が協働して、前記基板の表面から粒子汚染物質を取り除くことを可能にする、変換器と、を備え、
    前記第１のタンクの前記開口部および前記第２のタンクの前記開口部は、前記基板が前記第１および第２のタンクの前記開口部を通して前記第２のタンク内に導入されることを可能にするように実質的に平行であり、前記第２の液体媒質に印加された前記音響エネルギは、前記第２の液体媒質内のキャビテーションを防止し、前記基板に印加された前記音響エネルギは、前記第２の液体媒質内に導入される音波の最大の波変位を可能にする、装置。
  12. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記変換器は、前記第１の外側タンクの前記ベースに設けられ、
    前記変換器からの前記音響エネルギは、前記第１の外側タンク内の前記第１の液体媒質を通して、前記第２の内側タンク内の前記浸漬された基板および前記第２の液体媒質に伝達される、装置。
  13. 請求項１２に記載の装置であって、
    前記変換器は、少なくとも第１および第２の変換器で構成され、
    前記第１および第２の変換器は、前記第１の外側タンクの前記ベースに設けられ、前記第１の外側タンク内の前記第１の液体媒質を通して、前記第２の内側タンク内の前記第２の液体媒質および前記基板に向けて音響エネルギを生成する、装置。
  14. 請求項１１に記載の装置であって、さらに、
    前記第１および第２の液体媒質を選択することにより、前記第２の液体媒質および前記基板に供給される音響エネルギの量を制御する工程を含み、
    前記第２の液体媒質および前記基板に供給される音響エネルギの量は、前記基板ならびに前記第１および第２の液体媒質に関する固有特性に基づく、装置。
  15. 請求項１４に記載の装置であって、
    前記第２の液体媒質は、前記第２の液体媒質の化学構造が、前記基板の前記表面から解放された前記粒子汚染物質との少なくとも部分的な結合または相互作用を可能にするように選択される、装置。
  16. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記第２の内側タンクは、さらに、清浄で新しい第２の液体媒質を前記第２の内側タンク内に補充するための流入口と、前記粒子汚染物質と共に前記第２の液体媒質を前記第２の内側タンクから除去するための流出口とを備え、
    前記第１の外側タンクは、洗浄の処理中に、前記第２の内側タンクから前記粒子汚染物質と共に前記第２の液体媒質を受け入れる、装置。
  17. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記キャリア機構は、前記洗浄の処理中に、前記第２の内側タンク内で複数の基板を支持して浸漬させるための複数の位置を備えるよう構成され、
    単一の変換器または複数の変換器のいずれかが、前記第２の内側タンク内に浸漬された前記複数の基板の各々に音響エネルギを印加するために用いられる、装置。
  18. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記基板および前記液体媒質に印加される複合的な音響エネルギは、約１０ｋＨｚから約１０ＭＨｚの間の周波数を有する、装置。
  19. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記基板および前記液体媒質に印加される複合的な音響エネルギの周波数は、前記液体媒質の緩和時間の逆数に基づく、装置。
  20. 表面上に粒子汚染物質を有する基板を洗浄するための装置であって、
    処理チャンバであって、前記処理チャンバ内で前記基板を受けて支持し搬送するよう構成されたキャリア機構を有する、処理チャンバを備え、
    前記処理チャンバは、さらに、
    液体媒質をメニスカスとして前記基板の表面に供給するよう構成された供給ヘッドアセンブリと、
    リンス剤を前記基板の上面にメニスカスとして供給するための少なくとも１つの流入導管と、前記リンス剤および前記液体媒質を前記基板の前記表面から除去するための少なくとも１つの流出導管と、少なくとも１つの変換器と、を備えたリンスヘッドアセンブリと、を備え、
    前記変換器は、前記基板の振動を可能にするために、前記キャリア機構によって支持された前記基板に音響エネルギを供給するよう構成され、
    前記半導体基板の前記振動は、前記基板の前記表面に供給された前記液体媒質の前記メニスカスに前記音響エネルギを伝達して、前記液体媒質内に音波速度を導入し、
    前記液体媒質の前記メニスカス内の前記音波速度は、前記基板の前記振動と共に、前記基板の前記表面から前記粒子汚染物質を取り除くのを助け、
    前記変換器は、前記基板に音響エネルギを伝達するために、前記基板の前記表面に近接する前記リンスヘッドアセンブリの表面近くに配置される、装置。
  21. 請求項２０に記載の装置であって、
    前記供給ヘッドアセンブリおよび前記リンスヘッドアセンブリは、線形近接ヘッドである、装置。
  22. 請求項２０に記載の装置であって、
    前記リンスヘッドアセンブリ内の前記変換器の形状は、前記リンスヘッドアセンブリの形状に適合するよう選択される、装置。
  23. 請求項２０に記載の装置であって、さらに、
    リンス剤を前記基板の前記表面に供給するための少なくとも１つの流入導管と、前記リンス剤および前記液体媒質を前記基板の前記表面から除去するための少なくとも１つの流出導管と、少なくとも１つの変換器と、を備えた第２のリンスヘッドアセンブリを備え、
    前記第２のリンスヘッドアセンブリ内の前記変換器の形状は、前記第２のリンスヘッドアセンブリの形状に適合し、
    前記第２のリンスヘッドアセンブリ内の前記変換器は、前記基板の前記表面に対向する前記第２のリンスヘッドアセンブリの表面近くに配置され、
    前記第２のリンスヘッドアセンブリ内の前記変換器は、前記リンス剤を通して、前記基板と前記基板の前記表面上に供給された前記液体媒質の前記メニスカスとに、音響エネルギを供給するよう構成され、
    前記リンス剤に印加される音響エネルギの量は、前記液体媒質内に導入された音波に最大の音波変位の差を提供すると共に、前記液体媒質内でのキャビテーションを防止するように選択される、装置。
  24. 請求項２３に記載の装置であって、
    前記第２のリンスヘッドアセンブリは、前記基板の背面を通して前記基板および前記液体媒質に前記音響エネルギを供給するために、前記基板の前記背面に近接して配置され、
    前記第２のリンスヘッドアセンブリ内の前記変換器は、前記基板の前記背面に近接する前記リンスヘッドアセンブリの表面近くに配置される、装置。
  25. 請求項２０に記載の装置であって、
    前記液体媒質は、前記液体媒質の化学構造が、解放された前記粒子汚染物質との少なくとも部分的な結合または相互作用を可能にするように選択され、
    前記液体媒質は、部分的に加水分解されたポリアクリルアミドである、装置。
  26. 請求項２０に記載の装置であって、
    前記基板の前記表面および前記液体媒質に印加される複合的な音響エネルギは、約１０ｋＨｚから約１０ＭＨｚの間の周波数を有する、装置。
  27. 表面上に粒子汚染物質を有する基板を洗浄するための装置であって、
    キャリア機構を備えた容器であって、前記容器は、液体媒質を受け入れて保持するよう構成され、前記容器内の前記キャリア機構は、前記基板を受けて支持し、軸に沿って移動させるよう構成される、容器と、
    前記基板の振動を可能にするために、前記キャリア機構によって支持された前記基板に音響エネルギを供給するよう構成された変換器であって、前記基板の前記振動は、前記基板の前記表面に供給された前記液体媒質のメニスカスに前記音響エネルギを伝達して、前記液体媒質内に音波速度を導入し、前記液体媒質の前記メニスカス内の前記音波速度は、前記基板の前記振動と共に、前記基板の前記表面から前記粒子汚染物質を取り除くのを助ける、変換器と、
    リンス剤を前記基板の上面にメニスカスとして供給するための少なくとも１つの流入導管を備えたリンス機構と、を備え、
    前記液体媒質に印加される前記音波速度は、前記液体媒質内でのキャビテーションを防止する、装置。
  28. 請求項２７に記載の装置であって、
    前記変換器は、前記キャリア機構内に設けられており、電源に接続されており、前記電源を通して供給された電力から音響エネルギを生成するよう構成される、装置。
  29. 請求項２７に記載の装置であって、
    前記変換器は、前記基板の表面に近接する位置に前記変換器を位置決めできるように、前記変換器を上下および横方向に移動させるよう構成された可動アーム機構に取り付けられる、装置。
  30. 請求項２７に記載の装置であって、
    前記リンス機構は、前記基板の表面に近接する位置に前記リンス機構を位置決めできるように、前記リンス機構を上下および横方向に移動させるよう構成された可動アーム機構に取り付けられる、
    前記リンス機構の動きは、リンス制御機構を使用して制御される、装置。
  31. 請求項２７に記載の装置であって、さらに、
    前記キャリア機構が上下移動および回転軸の周りでの回転を行うことを可能にするために、前記キャリア機構に結合されたモータ機構を備える、装置。
  32. 請求項２７に記載の装置であって、さらに、
    前記リンス剤を供給するため、ならびに、洗浄およびリンス動作後に、前記基板の前記表面から除去された前記液体媒質および前記リンス剤を収集するための複数の別個の容器を備え、
    前記容器は、洗浄の処理中に前記液体媒質を前記容器から除去するための別個の流出導管を備える、装置。
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