JP2013541228A - 一体形基板クリーニングシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

有機及び無機残渣が付着している基板をクリーニングする方法が提供される。この方法は、空中酸素プラズマを用いて有機残渣を基板から除去するステップ及び極低温ＣＯ_２を用いて無機残渣を基板から除去するステップを有する。基板は、温和な冷却剤を用いて前処理され、希釈湿式化学的クリーニング法を用いて後処理されるのが良い。
【選択図】 図５

Description

本発明は、基板クリーニング方法に関する。特に、本発明は、基板をクリーニングする一体形システム及び方法に関する。

粒子、残渣除去及び表面クリーニングの分野は、一般に、半導体業界を遙かに超えて普及している。生物学的用途、医学的（インプラント及び機器）用途、宇宙用途、イメージング用途、自動車用途、医薬品用途等の多くの用途は、後処理又は前処理のための予備処理ステップとして表面クリーニングを大々的に利用している。ソリッドステートデバイス技術の幕開け以来微小電気デバイスの作製において厳格に清浄なウェーハが必要であることは十分に認識されている。半導体デバイスの幾何学的形状は、小さくなり続けていると共にウェーハサイズが増大しているので、デバイス歩留まりに対する既存のクリーニング方法の問題がより重要性を増している。というのは、「キラー（killer）」粒子のサイズも又小さくなっているからである。ナノスケール製造では、かかる要望は、桁違いに増している。温和な、基板独立性のクリーニングプロセスが非常に望ましい。と言うのは、かかる温和なクリーニングプロセスは、種々の基板に対して（化学利用クリーニングプロセスの場合のように）変更の必要がなくしかも表面を改質する潜在的可能性（例えばエッチング、粗面化等）を備えていないからである。

伝統的に、半導体製造及び表面汚染により影響を受ける他の業界では数種類の粒子及び残渣除去技術が用いられている。かかる技術としては、超音波、メガソニック、ブラシスクラビング、乾式（ドライ）アルゴンアイスクリーニング（Argon ice cleaning）、プラズマエッチング又は湿式（ウェット）エッチング等が挙げられる。過去１０年間にわたり業界における種々の方法にならって有効な乾式クリーニング技術が模索された。フィルム独立性を示す１つの乾式クリーニング技術、即ち、エーロゾルジェットクリーニングがサブミクロン粒子の乾式除去に関して良好な潜在的可能性を有することが分かった。ガス流中の粒子は、迅速な冷却中における液滴又はガス状媒体の凝固によって作られる場合がある。固体粒子が粒子と衝突すると、衝突エネルギーは、付着力に打ち勝って粒子又は残渣を表面から除去する場合がある。ＣＯ₂エーロゾルクリーニング技術は、多種多様な表面クリーニング用途、例えばＳｉウェーハ、フォトマスク、ＭＥＭＳデバイス、包装材製造、イメージング装置、金属リフトオフ、イオン打ち込みフォトレジストストリッピング、ディスクドライブ、フラットパネルディスプレイ及び３‐Ｄ積み重ねＩＣ集積フロー用のポストダイシングに利用されている。

マスク業界では、一番目に重要な問題は、マスク技術及びマスク供給源のコスト及びサイクル時間である。マスク技術には歩留まりを低下させる多くの仕組み、即ち、過度の量のリソグラフィー欠陥、修復不可能な欠陥、粒子欠陥及びペリクル被着後における粒子欠陥が存在する。ペリクルは、接着剤を用いてリソグラフィーフォトマスクに被着され、それによりマスクのアクティブな領域を欠陥から保護する。これらマスクは、大量生産品用のマスクに微細な特徴部を繰り返しプリントするために利用されている。マスクの寿命は、欠陥部の有機層の成長（ヘーズ（haze）とも呼ばれる）、静電放電（ＥＳＤ）、除去不可能粒子の存在、透過損失、反射率損失、相変化、印刷臨界寸法（ＣＤ）一様性の変化等のような問題に起因して短くなる。従来型溶剤クリーニング技術の実施の結果として、マスクの劣化が生じ、それ故マスク寿命が短くなる。マスク特性に対してはその使用のために維持される必要のある極めて厳格な仕様が適用される。異物やしみは、マスク上のクリーニングを必要とする軟質欠陥と呼ばれている。マスク上に見受けられる欠陥が問題ではなく、これら欠陥の印刷性が問題となる。検査ツールにより目印を付けられた欠陥は、印刷されることはなく又は観察された欠陥は、アクティブな回路に対して電気的に関連しているわけではない。問題なのは、何らかの欠陥が特定の照明又は合焦条件に起因して印刷される場合があることであるが、マスク検査中に観察されるわけではないということにある。

元のマスクの処理欠陥又は工場使用中におけるマスクに対する劣化欠陥（即ち、ヘーズ、ＥＳＤ及び運動中の粒子等）に起因して欠陥の印刷の繰り返しによりマスク納入検査及び再認定が必要である。かくして、多くの問題により、ペリクルは、結果的にウェーハ印刷誤差をもたらす欠陥をなくすために補修及びクリーニングを実施するようマスクから除去される必要がある。ペリクルをいったん除去すると、ある程度のペリクル接着剤残渣が残る。この残渣は、印刷領域欠陥をいったんなくすと、新たなペリクルを定位置に被着することができるようにする前に完全に除去される必要がある。また、結果的にマスク保守点検が必要となる幾つかのペリクル関連問題、例えば、ペリクルの損傷、ペリクルの下に位置する粒子の存在、リソグラフィー露光に関して生じる劣化、除去できない粒子の存在等のような問題が存在する。多数回の露光後に生じるペリクルグルーのＵＶ及びＥＵＶ露光により生じる劣化の結果として、ペリクルの除去後に取りにくい残渣が生じる。最終的な目標は、損傷のない仕方で全てのペリクルグルー残渣並びに有機粒子と無機粒子の両方である場合がある全ての軟質欠陥を除去するクリーニング技術を提供することにある。

公知のクリーニング方法は、典型的には、結果的に構造に対する化学的攻撃が生じる（或いは場合によっては、例えば利用された化学物質がヘーズの１つの源として周知である硫酸のスルフェート残渣の付着のような追加の問題を招く）湿式クリーニング又は基板にルーズに結合された無機物に最も適した運動量移動という物理的方法を利用した大抵が極低温ＣＯ₂による乾式クリーニング若しくは別法として、有機残渣を除去する（これは、従来、「アッシング（灰化）」と呼ばれる場合のある減圧雰囲気で実施される）ための活性気体‐固体化学作用を含む低圧プラズマドライクリーニングによる乾式クリーニングを利用している。

有機及び無機粒子又は残渣を効果的に除去する化学的性質を提供する一体形乾式クリーニング方法には顕著な利点が存在する。これは、ほぼ大気圧で実施されると特に有利であり、それにより複雑且つ高価な真空技術の利用が回避される。かくして、方法の組み合わせにより、一ユニットで考えられる全ての欠陥の除去が可能であり、かかる除去は、迅速且つ経済的に魅力的である。重要な一例は、フォトマスク業界に普及している利用である。

したがって、空中プラズマと極低温ＣＯ₂を組み合わせた一体形クリーニング技術が望ましい。

本発明の実施形態は、有利には、有機及び無機残渣が付着している基板をクリーニングするシステム及び方法を提供する。一実施形態では、この方法は、空中酸素プラズマを用いて有機残渣を基板から除去するステップと、極低温ＣＯ₂を用いて無機残渣を前記基板から除去するステップとを有する。別の実施形態では、システムは、基板コンベヤと、ヘリウムと他のガスの混合物を電圧場の存在下で流通させる同心の内側及び外側電極を備えた空中酸素プラズマジェット装置と、極低温ＣＯ₂装置とを有する。

かくして、本明細書における本発明の詳細な説明を良好に理解することができるようにするために且つ当該技術に対する本発明の貢献を良好に理解することができるようにするために本発明の或る特定の実施形態の概要をかなり広義に説明した。当然のことながら、以下において説明し、本明細書に添付された特許請求の範囲の内容をなす本発明の追加の実施形態が存在する。

この点に関し、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明はその用途が以下の説明又は図面に記載された構成の細部及びコンポーネントの配置には限定されないことが理解されるべきである。本発明は、説明した実施形態に加えて幾つかの実施形態が可能であり、種々の仕方で実施すると共に実用化できる。また、理解されるべきこととして、本明細書並びに要約書で用いられる言い回し及び用語は、説明の目的のためであり、本発明を限定するものと見なされてはならない。

したがって、当業者であれば理解されるように、本発明の基礎となる技術的思想は、本発明の幾つかの目的を達成するための他の構造、方法及びシステムの設計の基礎として容易に利用できる。したがって、特許請求の範囲の記載は、均等構成例が本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、かかる均等構成例を含むものとして解されることが重要である。

本発明の実施形態としての大気圧プラズマジェット装置の略図である。 原子間力顕微鏡検査法（ＡＦＭ）により測定されたＳｉＯ₂上のアクリル系接着剤フィルム厚さの変化の断面図である。 酸素プラズマへの暴露後における接着剤フィルムの光学画像を示す図である。 酸素プラズマへの暴露後に残された接着剤の残渣を示す図である。 本発明の実施形態に従って局所空中プラズマとＣＯ₂のクリーニング源の組み合わせを示す図である。

次に、図面を参照して本発明を説明するが、図全体にわたり、同一の参照符号は、同一の部分を示している。

本発明の実施形態は、有利には、高価な真空機器を必要とする減圧法を用いないで空中酸素プラズマジェット装置（酸素プラズマ）により局所有機残渣、例えばグルー等を除去する。幾つかの実施形態では、残渣を冷却するための冷却剤（例えば、液体Ｎ₂）シャワー又はスプレー前処理をクリーニング前に利用するのが良い。

本発明は、クリーニング方法の種々の組み合わせを提供し、かかる組み合わせとしては、残渣の完全な除去のための空中酸素プラズマ除去とＣＯ₂クリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための前処理としての温和な冷却剤、例えば液体Ｎ₂内へのクリーニングされるべき基板の浸漬と空中プラズマクリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための前処理としての温和な冷却剤、例えば液体Ｎ₂内への基板の浸漬とＣＯ₂クリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための前処理としての温和な冷却剤、例えば液体Ｎ₂内への基板の浸漬と空中酸素クリーニングに続くＣＯ₂クリーニングの組み合わせ、アクティブな構造の損傷を最小限に抑えるよう暴露（又は処理時間）及び／又は穏やかなエッチング剤を減少させることを目的とする空中酸素プラズマ除去と湿式溶液化学的クリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための前処理としての温和な冷却剤、例えば液体Ｎ₂内への基板の浸漬とＣＯ₂クリーニング及び次の希釈化学的クリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための前処理としての温和の冷却剤、例えば液体Ｎ₂内への基板の浸漬と希釈化学的クリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための前処理としての温和な冷却剤、例えば液体Ｎ₂内への基板の浸漬とＣＯ₂クリーニング及び希釈化学的クリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための前処理としての温和な冷却剤、例えば液体Ｎ₂内への基板の浸漬と空中プラズマ及び次の希釈化学的クリーニングの組み合わせ、残渣の完全な除去のための空中プラズマクリーニングとＣＯ₂クリーニング及び次の希釈化学的クリーニングの組み合わせ、ＣＯ₂クリーニングと有機溶剤添加、マスク加熱、ＬＮ₂スプレー又は空中プラズマクリーニングの組み合わせが挙げられ、これらのクリーニング方法の他の組み合わせ及び順列も又、本発明により想定されている。

これら本発明のクリーニングの組み合わせは、公知の基板クリーニング方法と比較して多くの利点を提供する。例えば、有機残渣、例えばペリクルグルー又は他の汚染要因物の除去のための一体形プラズマに加えたＣＯ₂クリーニング中、基板、例えばマスクの劣化が生じないことが見込まれる。ＣＯ₂だけのクリーニングの場合、取れにくい残渣は、一般に、多量のＣＯ₂並びに極めて長い処理時間（＞１時間）を必要とする。局所空中プラズマの予備適用によって、ＣＯ₂消費量を最小限に抑えることができると共に処理時間を劇的に減少させることができ、それにより、有利には、維持費（ＣｏＯ）が減少する。

これら本発明の一体形クリーニング方法を利用すると、極めて強引な湿式クリーニングレシピ（利用可能な劣化対策予算の大部分をマスクについて使い切ってしまう）を必要とする取れにくい残渣は、完全に保たれるか最小限に抑えられるかのいずれかである。これら一体形技術の使用後に残渣が存在する場合、低減型化学的（温和な）湿式クリーニング法を関連使用するのが良い。

一実施形態では、「乾式（ドライ）」クリーニング方法を利用する接着剤残渣の除去を自動化することができ、これは、攻撃性のあるクリーニング剤の影響を受けやすい基板領域を不用意に攻撃する場合のある「湿式（ウェット）」化学作用と比較して明白な利点を有する。

酸素プラズマによる初期クリーニングでは、グルー領域を局所空中プラズマジェットに暴露する。ジェット装置１０は、ヘリウムと他のガスの混合物を流通させる２つの同心電極、即ち、内側電極１２及び外側電極１４を有する。１３．５６ＭＨｚＲＦ電力を１００〜２５０Ｖの電圧で内側電極１２に印加することにより、ガス放電が点火され、プラズマが生じる。

プラズマジェットからのイオン化ガスがノズル１６を通って流出し、ノズル１６のところで、このイオン化ガスは、数ミリメートル下流側に存在する基板に当てられる。典型的な動作条件の下では、ガス速度は、流出物温度がほぼ１５０℃の状態で約１０ｍ／ｓである。公知の一プロセスがノズルから種々の距離を置いたところでプラズマジェットの流出物中のオゾン濃度を測定すると共にこれが２〜５×１０¹⁵ｃｍ^-3まで変化していることが判明しているが、本発明は、ノズル出口のところで８×１０¹⁵ｃｍ^-3に等しいＯ原子濃度を生じさせ、これは、下流側に１０ｃｍの距離にわたって次第に二桁減少する。準安定性酸素の濃度は、ノズルの出口のところでは２×１０¹³ｃｍ^-3であり、これは、２５ｍｍのところの最大値にまで増大し、そしてゆっくりと低下する。Ｏ原子及び場合によっては準安定性Ｏ₂は、ポリイミドエッチングにおけるアクティブな種である場合がある。原子酸素濃度が約１０¹⁵ｃｍ^-3であると共に流速が上記において推定したように１０ｍ／ｓであると推定すると、試料上の原子酸素のフラックスは、１×１０¹⁸原子／ｃｍ²・ｓという高い量に達する場合がある。反応の確率が１％という低いものであると仮定した場合、グルー残渣除去の比率は、少なくとも１×１０¹⁶／１０¹⁴＝１０²層／ｓ又は約２μｍ／分となろう。

３０００オングストロームＳｉＯ₂フィルムで覆われたＳｉウェーハ上における局所被着によるアクリル系接着剤の酸素除去率を求めた。フィルム厚さは、原子間力顕微鏡検査法（ＡＦＭ）により少なくとも２．６μｍであると推定された。図２は、フィルム変化の断面図である。

図３は、４０秒間大気圧プラズマに暴露されたアクリル系接着剤フィルムの光学画像を示している。目で見て、酸素プラズマに暴露された内側の楕円形領域は、効果的な接着剤除去結果を示している。

ＡＦＭによる暴露領域の詳細な検査結果により明らかになったこととして、最高数ナノメートルの高さでグルー残渣のパッチが存在している（図４）。

マスク業界では、このような程度の残渣は、同一領域上のペリクルの再グルー付けを邪魔しないものとして許容される場合がある。しかしながら、これら残渣は、従来型湿式化学作用への迅速な暴露か好ましくは乾式物理的技術、例えばＣＯ₂エーロゾル法かのいずれかによって容易に除去できる。

組み合わせプラズマ／ＣＯ₂クリーニング方法の一実施形態が図５に概略的に示されている。基板２０は、プラズマクリーニング源２２及びＣＯ₂クリーニング源２４が静止状態のままで左側に動いている。変形例として、基板２０は、クリーニング源２２，２４を右側に動かしている間、静止状態のままであっても良い。プラズマクリーニング源２２は、有機残渣３０を除去し又はほぐし、次に、ＣＯ₂クリーニング源２４からのビームを及ぼし、それによりほぐされた有機残渣３０及び／又は無機残渣３２を除去する。

本発明の多くの特徴及び多くの利点は、詳細な説明から明らかであり、かくして、本発明の真の精神及び範囲に属する本発明のかかる全ての特徴及び利点を含むことが特許請求の範囲の記載によって意図されている。さらに、多くの改造例及び変形例が当業者に容易に想到できるので、本発明を図示すると共に説明した構造及び作用そのものに限定しようとするものではなく、したがって、全ての適当な改造例及び均等例は、本発明の範囲に含まれるものと解される。

Claims (12)

1. 有機及び無機残渣が付着している基板をクリーニングする方法であって、
   空中酸素プラズマを用いて有機残渣を前記基板から除去するステップと、
   極低温ＣＯ₂を用いて無機残渣を前記基板から除去するステップとを有する、方法。
2. 温和な冷却剤を用いて前記基板を前処理するステップを更に有する、請求項１記載の方法。
3. 前記温和な冷却剤は、液体Ｎ₂である、請求項２記載の方法。
4. 前記前処理は、前記冷却剤中への前記基板の浸漬を含む、請求項２記載の方法。
5. 希釈湿式化学的クリーニングを利用して前記基板を後処理するステップを更に有する、請求項１記載の方法。
6. 前記空中酸素プラズマは、ヘリウムと他のガスの混合物を電圧場の存在下で流通させる同心の内側及び外側電極を備えたジェット装置によって作られる、請求項１記載の方法。
7. １００Ｖ〜２５０Ｖの電圧を生じさせるよう高周波エネルギーが前記内側電極に印加される、請求項６記載の方法。
8. 前記ジェット装置を出るガス速度は、約１０ｍ／ｓであり、流出物温度は、約１５０℃である、請求項６記載の方法。
9. 前記ジェット装置は、約１×１０¹⁸原子／ｃｍ²・ｓの原子酸素フラックスを生じさせる、請求項６記載の方法。
10. 極低温ＣＯ₂を用いてほぐされた有機残渣を前記基板から除去するステップを更に有する、請求項１記載の方法。
11. 有機及び無機残渣が付着している基板をクリーニングする方法であって、
    シャワー又はスプレーとして提供された液体Ｎ₂を用いて前記基板を前処理するステップと、
    空中酸素プラズマジェットを用いて有機残渣を前記基板から除去するステップと、
    極低温ＣＯ₂を用いて有機及び無機残渣を前記基板から除去するステップと、
    希釈湿式化学的クリーニングを利用して前記基板を後処理するステップとを有する、方法。
12. 有機及び無機残渣が付着している基板をクリーニングするシステムであって、
    基板コンベヤと、
    ヘリウムと他のガスの混合物を電圧場の存在下で流通させる同心の内側及び外側電極を備えた空中酸素プラズマジェット装置と、
    極低温ＣＯ₂装置とを有する、システム。