JP2014131033A - ウエハ形状物品を処理するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板表面上の微細構造への損傷、不均一な洗浄の問題、の原因である液体噴霧の液滴が多分散であること、を解決する方法と装置を提供する。
【解決手段】単分散液滴の噴霧を生成するよう設計された液滴生成器を用いて、ウエハ形状物品の湿式処理を改善する。液滴生成器は、スピンチャックの上方に取り付けられ、ウエハ形状物品の主要面にわたって直線または弓状の経路で移動される。液滴生成器は、音響エネルギが放出オリフィス１５０の周りの本体の領域に到達するように本体に音響的に結合された変換器を備える。各オリフィスは、少なくとも１μｍかつ最大２００μｍの幅ｗと、ｗに対するｈの比が１以下であるような高さｈとを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウエハなどのウエハ形状物品を処理するための方法および装置に関する。

半導体ウエハの製造中、ウエハの表面は、化学残留物または粒子状物質の除去など様々な処理を受ける。現在、ミキシングノズルが、枚葉式ウエハ湿式処理モジュールでの洗浄処理に用いられている。これらのノズルで、洗浄溶液が加圧気体と混合されて噴霧を形成する。半導体ウエハ上に形成されるデバイスフィーチャのサイズが減少し続けるにつれ、基板表面上の微細構造への損傷、不均一な洗浄の結果としての基板上のパターンの存在、長い処理時間、および、制御の欠如など、従来の湿式処理を用いることによる様々な問題が生じている。したがって、これらの問題に対処するウエハ形状物品の処理用の装置があれば望ましい。

本発明者は、従来の湿式処理装置に関する上述の問題が、少なくとも部分的には、従来の液体噴霧の液滴が多分散である、すなわち、著しく様々な直径の液滴を有することを原因とすることを発見した。この発見に基づいて、本発明者は、単分散噴霧を利用して、上述の問題のいくつかを緩和するための新規の装置および方法を開発した。

したがって、一態様において、本発明は、ウエハ形状物品の湿式処理のための装置に関し、その装置は、所定の向きにウエハ形状物品を保持するよう適合されたスピンチャックと、本体、液体のための流入口、スピンチャック上に載置されたウエハ形状物品の表面上に液体を放出するための少なくとも１つのオリフィス、および、音響エネルギが少なくとも１つのオリフィスの周りの本体の領域に到達するように本体に音響的に結合された少なくとも１つの変換器を有する液滴生成器と、を備える。液滴生成器は、少なくとも１つのオリフィスを通して液体を単分散液滴の噴霧として供給するよう構成されている。処理液体供給器が、液滴生成器から放出される液体と同じ側でウエハ形状物品上に処理液体を供給するように、スピンチャックおよび液滴生成器に対して位置決めされている。コントローラが、処理液体供給器から供給された処理液体との関連で、液滴生成器からの単分散液滴の噴霧を制御するよう構成されている。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、アームが、液滴生成器に結合されており、スピンチャックに載置されたウエハ形状物品と略平行な直線または弓状の経路で液滴生成器を移動させるよう構成されている。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、少なくとも１つのオリフィスは、少なくとも１μｍかつ最大２００μｍの幅ｗと、ｗに対するｈの比が１以下であるような高さｈとを有する。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、液滴生成器は、さらに、液体容器と、圧縮ガスを保持するための圧力容器とを備え、液体容器、圧力容器、および、液滴生成器は、相互接続可能である。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、液滴生成器は、さらに、高圧ポンプと、液体容器とを備え、高圧ポンプは、液体容器および液滴生成器と接続可能である。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、液滴生成器は、少なくとも１列の直線配列の少なくとも２つのオリフィスを備える。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、少なくとも１つのオリフィスは、本体に取り付けられたプレートに含まれる。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、高圧ポンプは、２から５０バールの範囲の圧力Ｐに液体を加圧するよう構成されている。

本発明に従った装置の好ましい実施形態において、幅ｗは、１０μｍから８０μｍである。

別の態様において、本発明は、ウエハ形状物品を処理するための方法に関し、その方法は、処理液体供給器からウエハ形状物品の主要面上に処理液体を供給して、ウエハ形状物品の主要面上に処理液体の薄膜を形成する工程と、液滴生成器から液滴生成器に形成された少なくとも１つのオリフィスを通して別の液体を別個に放出しつつ、液体が少なくとも１つのオリフィスを通る際に液体に音響エネルギを印加する工程であって、音響エネルギは、波数ｋａが０．３から１までの間になるような波長λを有し、ｋａ＝ｗπ／λであることにより、液体の単分散液滴の流れを生成する、工程と、単分散液滴の流れを処理液体の薄膜に衝突させる工程と、を備える。

本発明に従った方法の好ましい実施形態において、液滴生成器は、ウエハ形状物品の主要面と平行に移動される。

本発明に従った方法の好ましい実施形態において、ウエハ形状物品は、主要面と略垂直な軸を中心に回転され、処理液体は、単分散液滴の流れによって衝突された処理液体の薄膜が０．５ｍｍ以下の厚さを有するように供給される。

本発明に従った方法の好ましい実施形態において、単分散液滴の液体は、水以下の粘性を有する。

本発明に従った方法の好ましい実施形態において、音響エネルギは、圧電変換器によって生成される。

本発明に従った方法の好ましい実施形態において、液体は、１０μｍから８０μｍまでの基本的に同じサイズを各々有する複数のオリフィスを通して供給される。

添付の図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を読めば、本発明の他の課題、特徴、および、利点が明らかになる。

本発明の一実施形態に従って、湿式ウエハ処理のための装置を示す概略斜視図。

図１の液滴生成器２を示す断面図。

オリフィス１５０がよく見えるように図２の領域Ａを示す拡大図。

本発明に従った方法の一実施形態において、異なるオリフィス直径について、液体圧力と液滴速度との間の関係を示す図。

本発明に従った方法の一実施形態において、液体圧力と単分散液滴を生成するのに最適な周波数との間の関係を示す図。

本発明に従った方法および装置の実施形態によって生成された水滴の列の写真を示す図。

液滴生成器で用いるプレートの一実施形態を示す概略図。

液滴生成器で用いるプレートの別の実施形態を示す概略図。

複数のプレートが液滴生成器で用いられた実施形態を示す概略図。

本発明に従った装置の好ましい実施形態を示す概略図。

装置の別の好ましい実施形態を示す概略図。

液滴生成器が加圧環境内に設けられた実施形態を示す概略図。

液滴生成器によって供給される液滴と、別個に供給される処理液体との間で可能な空間的関係を示す平面図。

本発明に従った方法および装置で用いるのに適した液滴生成器の別の実施形態を示す斜視断面図。

液滴生成器のためのノズルインサートを示す斜視断面図。

液滴生成器で用いるのに適した噴霧化手段を三次元的に示す概略図。

図１において、枚葉式の半導体ウエハ湿式処理のための装置が、ウエハＷを支持して回転させるためのスピンチャック（４）と、液滴生成器（２）と、液滴生成器（２）が取り付けられる支持アーム（３）と、を備える。アーム（３）は、例えば、スピンチャック（４）の回転軸にほぼ垂直な直線経路に沿って、または、スピンチャック（４）の回転軸にほぼ垂直な平面内の弓状経路に沿って、スピンチャック（４）（および結果的に基板Ｗ）の上方で液滴生成器（２）を移動させることができるように、支持フレーム（５）上に取り付けられる。実際には、アーム（３）および生成器（２）のこの動きは、通常、基板Ｗが回転するために効果を奏する。

従来の構成であってよいノズル（７）を通して処理液体を供給する別の液体供給器（６）がさらに備えられることが好ましい。液滴生成器（２）およびノズル（７）は、以下に詳述するように、コンピュータマイクロコントローラ（８）の制御下でウエハＷの上面の上に異なる位置でそれぞれの処理液体を供給する。図の実施形態において、液適生成器（２）およびノズル（７）は、互いに独立してウエハＷの表面の上方をそれぞれ移動可能であるが、別の実施形態では、これらの構成要素は、固定されていてもよいし、互いに対して固定、すなわち、一体的に移動可能であってもよい。

図２において、本実施形態の液適生成器（２）は、流入口（１３０）を通して加圧処理液体（２１０）を供給される本体（１００）を備える。本体（１００）は、底部プレート（１６０）および上部プレート（１１０）を備える。底部プレート（１６０）は、少なくとも１つのオリフィス（１５０）を備えており、オリフィスを通して層流液体噴流（１９０）が形成される。上部プレート（１１０）には、変換器が設けられている（例えば、プレート（１１０）にエポキシ樹脂で接着された圧電変換器）。この変換器（１７０）は、選択された周波数ｆおよび電力で電気的に駆動されて、容器（１００）内に存在する処理液体（１２０）に波長λの音響エネルギ（１４０）を印加することができる。その結果、オリフィス（１５０）内の処理液体（１２０）に音響エネルギ（１４０）が存在することになる。この音響エネルギ（１４０）は、噴流（１９０）にレイリー・プラトー不安定性を引き起こし、それにより、噴流（１９０）が分裂して単分散液滴（１８０）になる。

図３は、オリフィス（１５０）の幅ｗおよび深さｈを示す。幅ｗは、１μｍから２００μｍであってよく、２μｍから１００μｍが好ましく、１０μｍから８０μｍがさらに好ましく、典型的な値は１０μｍ、２０μｍ、および、３０μｍである。ｗに対するｈの比は、１以下がよく、０．０５から０．５の間が好ましい。ｗおよびｈ：ｗの好ましい値から、比較的薄い流出プレートをもたらすｈの値の範囲が得られるので、より厚いプレート（１６０）の幅ｄのへこみの範囲内にオリフィス（１５０）を構成するのに有用である。

噴流（１９０）の流量は、液体（２１０）の圧力を変えることによって調節できる。液滴（１８０）の直径Ｄは、オリフィスの幅ｗ、処理液体（２１０）に印加される圧力Ｐ、駆動周波数ｆ、および、液体（２１０）の物理的特性の関数である。しかしながら、低粘性液体（例えば、水以下の粘性）については、Ｄは、基本的にオリフィスの直径ｗの関数であり、およそ１．８９１ｗであるが、液滴の直径Ｄは、周波数ｆを変化させることによって若干は変化しうる。

駆動流の圧力Ｐに基づいて、すべての噴流からの単分散液滴の形成が保証される周波数範囲と、薄いプレートの鋭い縁部の穴を通る液体の体積流量（ひいては噴射速度）とを規定する公式が開発されている。周波数は、以下の式で与えられる：
ここで、ｗはオリフィスの幅、ρは液体（２１０）の密度、μは液体（２１０）の粘性、Ｐは圧力、Ｃ１およびＣ２は、それぞれ０．３６０１および０．５５７４と実験的に決定された値、ｋａは、音響エネルギの無次元波数である。ｋａは、０．３から１の範囲であり、Ｒａｙｌｅｉｇｈ（１８７８）（Strutt, J.W., Lord Rayleigh. "On the Instability of Jets." Proceedings of the London Mathematical Society 10 (1878) 4-13.）に記載のように、約０．６９が好ましい。

波数ｋａは、以下のように近似できる：
ここで、ｕは、音響エネルギ（１４０）の位相速度であり、Ｖ≡は、液体（２１０）の体積流量である。したがって、波数ｋａの好ましい範囲に対応する周波数は、以下のように表現されうる：

図４および図５は、それぞれ、上記の式１および式３に従って、液滴速度（または噴射速度）および周波数ｆに対する液体圧力Ｐの関係を示すグラフである。したがって、両方の図における横座標の単位は、印加圧力のＭＰａであり、縦座標の単位は、図４では射出時の噴射速度（したがって初期液滴形成時の速度）のｍ／ｓであり、図５では周波数の１０²ｋＨｚである。

図６は、ハイスピードカメラで撮影した室温での水滴の列の写真である。液滴は、１８８ｋＨｚの励起周波数ｆおよび３バールの印加圧力Ｐで、２０μｍの幅ｗを有する単一のオリフィスを通して生成された。液滴は、３８μｍの直径Ｄを有し、噴射速度は２０ｍ／ｓである。

図６において、液滴直径Ｄが非常に均一であることがわかる；それでも、本明細書で用いられている「単分散」という用語は、液滴の直径の完全な同一性を必要とせず、その代わりに液滴直径の変動係数が５％以下、好ましくは３％以下、より好ましくは１％以下の液滴の噴霧を含むと理解されるべきであり、ここで、変動係数は、液滴直径の平均値に対する液滴直径の標準偏差の比である。

実際的には、複数のオリフィスが単一のオリフィス（１５０）より好ましく、その数は特定の用途によって異なりうるが、１０より多いことが好ましく、２０より多いことがより好ましい。図７は、１列のオリフィス（８２０）を備えたプレート（８１０）を示し；図８は、複数列のオリフィス（９２０）を備えたプレート（９１０）を示し；図９は、少なくとも１列のオリフィス（１０２０）を各々備えた複数のプレート（１０１０）を示す。好ましい実施形態において、図２の底部プレート（１６０）の全部または一部を、プレート（８１０）、（９１０）、または、（１０１０）と置き換えることができる。これらのプレート（８１０）、（９１０）、および、（１０１０）は、例えば、シリコン、プラスチック、または、ステンレス鋼で製造される。プレート（１６０）、（８１０）、（９１０）、または、（１０１０）は、本体（１００）、（８００）、（９００）、または、（１０００）から取り外し可能であってよい。その場合、プレートは、Ｏリング（図示せず）でシールされた２つの平行なプレートの間で本体（１００）に組み込まれてよい。もちろん、必要に応じて、２以上のプレートを本体（１００）に組み込むことができる。

所与のプレート（８１０）、（９１０）、または、（１０１０）のオリフィス（８２０）、（９２０）、または、（１０２０）はすべて、できる限り同じサイズであることが好ましく、振動励起（１４０）が、発生するすべての液体噴流に作用することが好ましい。表１は、所与のオリフィス幅ｗ、体積流量Ｖ’、および、オリフィスの数に対する最小周波数ｆ_min、最適周波数ｆ_opt、および、最大周波数ｆ_maxの式３に基づいたいくつかの計算値を示す。

オリフィスは、乾式または湿式エッチングもしくはレーザ穿孔によって製造されることが好ましい。エッチング処理は、複数のオリフィスすべてが基本的に同じサイズであることを保証する。通例、液適生成器（２）は、オリフィスの列が基板Ｗの半径と平行になるように配置される。

図１０において、液体は、液適生成器の本体（３００）に導入される前に圧縮ガスで加圧される。圧縮ガス（例えば、窒素、酸素、または、空気）は、圧力容器（３４０）に保持される。圧力容器（３４０）は、最大５０バールの圧力に耐えることができるのが好ましい。この圧縮ガスは、圧力管（３３０）を通して液体容器（３２０）に送られる。容器（３２０）も圧力容器であり、液体供給ライン（３６０）にわたって液体で満たされうる。容器（３２０）は、液体媒質を貯蔵しており、供給ライン（３１０）が、基板Ｗに液滴を供給する液適生成器の本体（３００）に加圧液体を供給するために開かれうる。

図１１の実施形態において、液体は、高圧ポンプ（４２０）によって加圧される。高圧ポンプ（４２０）は、管（４３０）を通して液体容器（４４０）に接続されている。この高圧ポンプ（４２０）は、好ましくは２から５０バールの圧力で液体を加圧することができ、回転式ポンプまたは理想的にはピストンポンプであってよい。ポンプ（４２０）は、基板Ｗに液滴を供給する液適生成器（４００）の本体に高圧管（４１０）を通して接続されている。

図１２の実施形態では、液適生成器（６２０）および基板Ｗが、加圧環境（６００）内にあり、加圧環境（６００）は、液適生成器の外部から液滴（６４０）に所望の圧力をかける。加圧環境（６００）は、例えば、ウエハＷが取り付けられるスピンチャックを液適生成器（６２０）およびそれに関連する流入口（６１０）と共に収容する密閉処理チャンバ（６３０）によって提供されうる。

図１３に示すように、処理液体供給ノズル７は、単分散液滴がウエハ面上に形成された処理液体の薄膜上に噴霧されるように、液適生成器２に対して配置される。例えば、処理液体は、脱イオン水またはＳＣ−１であってよく、単分散噴霧は、薄い液体層に液滴の衝撃を提供するために用いられる。単分散噴霧ノズルの位置は、或る領域に噴霧するように制御され、その領域では、ノズル７によって供給された処理液体の液膜が０．５ｍｍ厚以下になることが好ましい。図１３の領域Ａは、単分散噴霧が供給される領域に対応する。したがって、洗浄液体ノズル供給器と液滴ノズル供給器とは別個に移動することが好ましい。あるいは、ウエハは、ＳＣ１などの化学物質で予め湿潤されてよく、その後、単分散噴霧が供給されることにより、化学物質が徐々に希釈され除去される。さらに、化学物質は、噴霧の停止中に再び供給されてもよい。

液適生成器の別の実施形態が図１４に示されており、液体容器として機能する本体５００、液適生成器に液体を供給する供給管５３０、環状超音波変換器５７０、単分散液滴の噴霧を生成するためのノズル先端５１０、ノズル先端のためのハウジング５４０、および、ハウジング５４０内にノズル５１０を固定する取付ねじ５２０を備える。

本実施形態のノズル先端５１０は、米国特許公開第２０１２／００１２１０５号に記載されたように製造されてよく、本願の図１５および図１６は、その出願のそれぞれ図８および図３から引用している。特に、ノズル先端５１０は、その出願に記載されたようにノズルチップ（ｎｏｚｚｌｅ ｃｈｉｐ）５１５を備えてよく、ここで、図１６によると、噴霧化される液体は、第１および第２の膜５１６、５１７の間に形成された空洞５１８を通過する。

本発明は様々な好ましい実施形態に関連して説明されているが、それらの実施形態は、本発明の例示のために提供されているに過ぎないこと、そして、本発明はそれらの実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の真の範囲および精神によって網羅されるものを含む。

Claims (15)

1. ウエハ形状物品の湿式処理のための装置であって、
   所定の向きに前記ウエハ形状物品を保持するよう適合されたスピンチャックと、
   本体と、液体のための流入口と、前記スピンチャック上に載置された前記ウエハ形状物品の表面上に液体を放出するための少なくとも１つのオリフィスと、音響エネルギが前記少なくとも１つのオリフィスの周りの前記本体の領域に到達するように前記本体に音響的に結合された少なくとも１つの変換器と、を有する液滴生成器であって、前記液滴生成器は、前記少なくとも１つのオリフィスを通して液体を単分散液滴の噴霧として供給するよう構成されている、液滴生成器と、
   前記液滴生成器から放出される液体と同じ側で前記ウエハ形状物品上に処理液体を供給するように、前記スピンチャックおよび前記液滴生成器に対して位置決めされた処理液体供給器と、
   前記処理液体供給器から供給された前記処理液体との関連で、前記液滴生成器からの単分散液滴の噴霧を制御するよう構成されたコントローラと、
   を備える、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、さらに、
   前記液滴生成器に結合され、前記スピンチャックに載置された前記ウエハ形状物品と略平行な直線または弓状の経路で前記液滴生成器を移動させるよう構成されたアームを備える、装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、
   前記少なくとも１つのオリフィスは、少なくとも１μｍかつ最大２００μｍの幅ｗと、ｗに対するｈの比が１以下であるような高さｈとを有する、装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、
   前記液滴生成器は、さらに、
   液体容器と、
   圧縮ガスを保持するための圧力容器と、を備え、
   前記液体容器、前記圧力容器、および、前記液滴生成器は、相互接続可能である、装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、
   前記液滴生成器は、さらに、
   高圧ポンプと、
   液体容器と、を備え、
   前記高圧ポンプは、前記液体容器および前記液滴生成器と接続可能である、装置。
6. 請求項１に記載の装置であって、
   前記液滴生成器は、少なくとも１列の直線配列の少なくとも２つのオリフィスを備える、装置。
7. 請求項１に記載の装置であって、
   前記少なくとも１つのオリフィスは、前記本体に取り付けられたプレートに含まれる、装置。
8. 請求項５に記載の装置であって、
   前記高圧ポンプは、２から５０バールの範囲の圧力Ｐに液体を加圧するよう構成されている、装置。
9. 請求項３に記載の装置であって、
   前記幅ｗは、１０μｍから８０μｍである、装置。
10. ウエハ形状物品を処理するための方法であって、
    処理液体供給器から前記ウエハ形状物品の主要面上に処理液体を供給して、前記ウエハ形状物品の前記主要面上に処理液体の薄膜を形成する工程と、
    液滴生成器から前記液滴生成器に形成された少なくとも１つのオリフィスを通して別の液体を別個に放出しつつ、前記液体が前記少なくとも１つのオリフィスを通る際に前記液体に音響エネルギを印加する工程であって、前記音響エネルギは、波数ｋａが０．３から１までの間になるような波長λを有し、ｋａ＝ｗπ／λであることにより、前記液体の単分散液滴の流れを生成する、工程と、
    前記単分散液滴の流れを前記処理液体の薄膜に衝突させる工程と、
    を備える、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、
    前記ウエハ形状物品の前記主要面と平行に前記液滴生成器を移動させる工程を備える、方法。
12. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、
    前記主要面と略垂直な軸を中心に前記ウエハ形状物品を回転させる工程を備え、
    前記処理液体は、前記単分散液滴の流れによって衝突された前記処理液体の薄膜が０．５ｍｍ以下の厚さを有するように供給される、方法。
13. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記単分散液滴の前記液体は、水以下の粘性を有する、方法。
14. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記音響エネルギは、圧電変換器によって生成される、方法。
15. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記液体は、１０μｍから８０μｍまでの基本的に同じサイズを各々有する複数のオリフィスを通して供給される、方法。