JP2016046313A - 洗浄部材、洗浄装置及び洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の表面に対する洗浄性能を向上させることができる洗浄部材、洗浄装置及び洗浄方法を提供する。【解決手段】洗浄部材４はイオン交換樹脂を含んで構成されており、洗浄部材４によって機械的に除去された砥粒等の粒子を、イオン交換樹脂のもつゼータ電位により、電気的に吸着し捕獲することができる。洗浄装置１は、該洗浄部材４の外面部を半導体基板２の表面に対し相対的に摺動させる駆動機構を備える。【選択図】図１

Description

本実施形態は、半導体基板の表面の洗浄に用いられる洗浄部材、洗浄装置及び洗浄方法に関する。

半導体装置の製造においては、半導体基板（ウエハ）に対する化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）の工程の後に、半導体基板の表面に残存する異物（研磨砥粒等）を除去するために、洗浄工程が実行される。この洗浄の工程は、一般に、半導体基板の表面にロールブラシを宛がうように配置し、洗浄液を供給しながら、半導体基板及びロールブラシを夫々回転させることにより行われる。前記ロールブラシは、外周面に複数の突起部を有する円筒状をなし、その外周部分は、ＰＶＡ等の合成樹脂からスポンジ状に構成されている。これにて、半導体基板とロールブラシとの間の相対的摺動によって、半導体基板上の残存粒子等の異物が物理的に除去される。

特開２０１１−２３３６４６号公報 特開２０１１−１６５７５１号公報

半導体基板の洗浄の工程においては、特に、ロールブラシにより一旦除去（捕獲）した粒子が、半導体基板の表面に再付着するいわゆる逆汚染の問題があり、洗浄性能を向上させることが要望される。

そこで、半導体基板の表面に対する洗浄性能を向上させることができる洗浄部材、洗浄装置及び洗浄方法を提供する。

実施形態の洗浄部材は、半導体基板の表面を相対的に摺動することにより、該半導体基板を洗浄する洗浄部材であって、イオン交換樹脂を含んで構成されるところに特徴を有する。

実施形態の洗浄装置は、半導体基板の表面を洗浄する洗浄装置であって、上記洗浄部材と、前記洗浄部材の外面部を半導体基板の表面に対し相対的に摺動させる駆動機構とを備えるところに特徴を有する。

また、実施形態の洗浄方法は、半導体基板の表面を洗浄する方法において、上記洗浄部材を備え、前記洗浄部材の外面部を半導体基板の表面に対し相対的に摺動させるところに特徴を有する。

第１の実施形態を示すもので、洗浄装置の構成を概略的に示す斜視図 半導体基板、ロールブラシ、ノズルの位置関係を示す正面図 ロールブラシの構成を示す縦断面図 各種砥粒のゼータ電位を説明するための図 第２の実施形態に係るロールブラシの概略的な縦断面図 第３の実施形態に係る洗浄装置の構成を概略的に示す正面図

（１）第１の実施形態
図１から図４を参照して、第１の実施形態について述べる。尚、以下に述べる各実施形態は、半導体基板（ウエハ）のＣＭＰ工程後の洗浄工程を実行する洗浄装置に適用したものとなっている。

図１は、本実施形態に係る洗浄装置１の構成を概略的に示している。この洗浄装置１は、半導体基板（この場合半導体ウエハ）２を支持し回転させる回転支持部３、半導体基板２の表面（上面）に宛がわれて回転される本実施形態に係る洗浄部材としてのロールブラシ４、半導体基板２の表面に洗浄液を供給する洗浄液供給部５を備えて構成される。周知のように、前記半導体基板２は、外周の一箇所が直線状に切欠かれた如き薄い円板状をなしている。

前記回転支持部３は、前記半導体基板２の外周縁部を、例えば外周の６箇所において水平状態に支持すると共に、支持した半導体基板２を、その中心部の垂直軸周りに例えば矢印Ａ方向に回転させるように構成されている。前記ロールブラシ４は、図２にも一部示すように、円筒状に構成され、前記回転支持部３に支持された半導体基板２の上面に、直径方向に水平に延びるように配置されるようになっている。

この場合、ロールブラシ４は、その一端側が支持体６によって支持されると共に、その支持体６内に配設された図示しない駆動機構により、例えば矢印Ｂ方向に回転されるように構成されている。このロールブラシ４の詳細については後述する。また、前記洗浄液供給部５は、ノズル５ａ（図２参照）を備え、前記半導体基板２の上面（ロールブラシ４による洗浄部分）に対し、前記ノズル５ａから洗浄液Ｗ（純水、或いは、アルカリ性又は酸性の洗浄液）を供給するように構成されている。

上記した洗浄装置１においては、化学機械研磨（ＣＭＰ）の工程を終えた半導体基板２が回転支持部３にセットされ、洗浄の工程が実行されるのであるが、前記ＣＭＰの工程では、図示しない研磨装置により、半導体基板２の表面の金属膜等が研磨される。周知のように、ＣＭＰの工程では、研磨剤（砥粒Ｓ）を含んだスラリーが供給されながら、研磨パッドにより、半導体基板２の表面（上面）が研磨される。この場合、砥粒Ｓとしては、例えば、セリア（ＣｅＯ_２ ）、アルミナ（Ａｌ_２ Ｏ_３ ）、シリカ（ＳｉＯ_２ ）等が用いられる。ＣＭＰの工程を終えた半導体基板２の表面には、砥粒Ｓ（図３参照）などの異物が残存しており、洗浄工程では、砥粒Ｓの除去が行われる。

さて、本実施形態に係る洗浄部材たるロールブラシ４について、図２及び図３も参照して述べる。図３に示すように、このロールブラシ４は、円筒状（丸棒状）の芯材７の外周に、ブラシ部８を有して構成されている。前記芯材７は、支持体６に支持されて回転されるようになっており、前記ブラシ部８は、その芯材７に対し着脱（交換）可能に取付けられるようになっている。

このとき、ブラシ部８は、前記芯材７の外周に嵌合する円筒状の主部の外周面に、多数個の突起部９を有して構成されている。本実施形態では、ブラシ部８の主部は、イオン交換樹脂、この場合、網目構造を有する強塩基性陰イオン交換樹脂から、無数の微細な気孔（径が数百ｎｍ〜１μｍ）を有する多孔質状(スポンジ状)に構成されている。周知のように、この強塩基性陰イオン交換樹脂は、例えばスチレン−ビニルベンゼン系の共重合体からなる母体に、塩基性のイオン交換基を結合してなり、解離して強塩基性を呈し、陰イオンを交換するものである。強塩基性陰イオン交換樹脂は、全てのｐＨ領域でプラスのゼータ電位を有する。尚、ここでは強塩基性陰イオン交換樹脂を採用したが、弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いても良い。イオン交換樹脂は、アクリル酸或いはメタクリル酸とジビニルベンゼンとの共重合体を母体とするものであっても良い。

また、本実施形態では、前記突起部９は、例えばＰＶＡ（ポリビニルアルコール）樹脂から、やはり多孔質状(スポンジ状)に構成されている。この場合、ＰＶＡのゼータ電位は、酸性〜アルカリ性溶液中でマイナスである。尚、多数個の突起部９は、前記ブラシ部８の主部に対し、二色成形或いは接着剤を用いた貼合せ等により一体化（固着）されている。

次に、上記のように構成された洗浄装置１を用いた半導体基板２の洗浄の工程（本実施形態に係る洗浄方法）について、図４も参照して述べる。尚、ここでは、ＣＭＰ工程における研磨剤（研磨砥粒Ｓ）としてセリアが用いられ、洗浄工程における洗浄液Ｗとして純水を用いる場合を具体例としながら説明する。

上述のように、ＣＭＰの工程を終えた半導体基板２は、洗浄装置１に搬入され、洗浄すべき面を上面としながら、回転支持部３に水平状態にセットされる。このとき、半導体基板２の表面（上面）には、ＣＭＰ工程で使用された砥粒Ｓ（この場合セリア）を含むスラリーが残存している。そして、ロールブラシ４を、セットされた半導体基板２の上面に接する位置に移動させた上で、洗浄の工程が開始される。

この洗浄の工程では、半導体基板２の上面に対し、洗浄液供給部５のノズル５ａから洗浄液Ｗ（純水）が供給されながら、半導体基板２が垂直軸周りに矢印Ａ方向に回転されると共に、ロールブラシ４が半導体基板２の上面に接しながら矢印Ｂ方向に回転される。これにて、図３に示すように、半導体基板２の表面をロールブラシ４のブラシ部８が相対的に摺動することによって、半導体基板２に残存していたセリア粒子Ｓ等の異物が半導体基板２表面からはがされて、洗浄液Ｗと共に流れ去って外部へ排出される。このとき、ロールブラシ４の外周の突起部９の作用によって、セリア粒子Ｓは機械的に掻き取られるように除去される。これと共に、半導体基板２表面から離れたセリア粒子Ｓが、ロールブラシ４のブラシ部８の微細な気孔内に、洗浄液Ｗと共に浸透して捕獲されるようになる。

ここで、図４は、半導体基板２の研磨に用いられる、代表的な砥粒（セリア（ＣｅＯ_２ ）、アルミナ（Ａｌ_２ Ｏ_３ ）、シリカ（ＳｉＯ_２ ））のゼータ電位を示している。セリア粒子Ｓの場合は、純水（ｐＨが８）中でマイナスのゼータ電位となっている。一方、ブラシ部８の材質として、従来から広く用いられているＰＶＡ（ポリビニルアルコール）のゼータ電位は、酸性〜アルカリ性溶液中でマイナスであることは周知の通りである。そのため、仮にブラシ部８の材質として全体がＰＶＡ製であるとすると、ブラシ部８とセリア粒子Ｓとが電気的に反発し、セリア粒子Ｓをブラシ部８で捕獲できず、半導体基板２への再付着が生じてしまう虞がある。

ところが、本実施形態のロールブラシ４では、ブラシ部８の主部が、プラスのゼータ電位をもつ強塩基性陰イオン交換樹脂から構成され、突起部９がＰＶＡ樹脂から構成されている。そのため、突起部９では、半導体基板２上のセリア粒子Ｓを、電気的な反発と機械的作用とによって除去することができる。そして、突起部９を除くブラシ部８の主部では、表面に付着したセリア粒子Ｓや、内部に純水Ｗと共に浸透したセリア粒子Ｓを、強塩基性陰イオン交換樹脂のもつプラスのゼータ電位により、電気的に吸着することができる。この場合、強塩基性陰イオン交換樹脂からなるブラシ部８は、無数の気孔を有して構成されているので、多量のセリア粒子Ｓを内部に吸着することが可能となる。

このように本実施形態によれば、ロールブラシ４のブラシ部８の主部を、強塩基性陰イオン交換樹脂を含んで構成すると共に、突起部９についてはＰＶＡ樹脂から構成したので、半導体基板２上に残留していたセリア粒子Ｓを、機械的除去と電気的吸着との双方の作用によって、半導体基板２に再付着することを抑制しながら、効果的に除去することができる。従って、半導体基板２の表面に対する洗浄性能を、大幅に向上させることができるという優れた効果を奏するものである。

尚、上記実施形態では、ブラシ部８を、強塩基性陰イオン交換樹脂を含んで構成したが、弱塩基性陰イオン交換樹脂を含んで構成しても、同様の効果を得ることができる。上記第１の実施形態の説明では、砥粒Ｓとして、洗浄液Ｗ中のゼータ電位がマイナスのセリア粒子を洗浄する場合において、ブラシ部８が強塩基性陰イオン交換樹脂（又は弱塩基性陰イオン交換樹脂）を含んで構成されるものとしたが、砥粒の洗浄液中のゼータ電位がプラスの砥粒であれば、強酸性陽イオン交換樹脂（又は弱酸性陽イオン交換樹脂）を用いるようにすれば良い。強酸性陽イオン交換樹脂は、全てのｐＨ領域においてゼータ電位がマイナスになっている。このように、使用する洗浄液の種類で本発明の適用が制限されることはない。

また、半導体基板２の表面の被研磨膜が例えば銅である場合には、研磨粒子として主にシリカが用いられる。このときの洗浄液としてアルカリ洗浄液を用いた場合、図４に示したように、シリカ砥粒は、アルカリ領域でゼータ電位がマイナスになる。従って、第１の実施形態で用いたと同等の強塩基性陰イオン交換樹脂（又は弱塩基性陰イオン交換樹脂）を含んだロールブラシ４を用いることにより、優れた洗浄性能を得ることができる。

更に、半導体基板２の表面の被研磨膜が例えばタングステンである場合には、研磨粒子として主にアルミナが用いられる。このときの洗浄液として酸性洗浄液を用いた場合、図４に示したように、アルミナ砥粒は、酸性領域でゼータ電位がプラスになる。従ってこの場合には、ロールブラシ４のブラシ部８の主部を、強酸性陽イオン交換樹脂（又は弱酸性陽イオン交換樹脂）から構成することができ、これにより、洗浄性能を向上させることができる。このとき、突起部９については、ＰＶＡ樹脂から構成しても良く、また他の材料を採用しても良い。

（２）第２の実施形態
次に、図５を参照しながら、第２の実施形態について述べる。この第２の実施形態が、上記第１の実施形態と異なるところは、洗浄部材たるロールブラシ１１の構成にある。即ち、このロールブラシ１１は、円筒状（丸棒状）の芯材７の外周に、ブラシ部１２を着脱（交換）可能に有して構成されている。ブラシ部１２は、前記芯材７の外周に嵌合する円筒状の主部の外周面に、多数個の突起部１３を一体的に有して構成されている。

本実施形態では、ブラシ部１２の主部は、イオン交換樹脂、例えば強塩基性陰イオン交換樹脂（又は弱塩基性陰イオン交換樹脂）から、無数の微細な気孔を有する多孔質状(スポンジ状)に構成されている。そして、前記突起部１３は、基端側（基端部１３ａ）と先端側（先端部１３ｂ）とで材質を異ならせた２層構造を備えている。

このとき、先端部１３ｂは、例えばＰＶＡ（ポリビニルアルコール）樹脂から、やはり多孔質状(スポンジ状)に構成されている。基端部１３ａは、ブラシ部１２の主部と一体に即ち強塩基性陰イオン交換樹脂（又は弱塩基性陰イオン交換樹脂）から、多孔質状(スポンジ状)に構成されている。尚、基端部１３ａはブラシ部１２の主部に対し一体に成形され、突起部１３の先端部１３ｂは、基端部１３ａ（ブラシ部１２）に対し二色成形或いは接着剤を用いた貼合せ等により一体化（固着）されている。

上記構成のロールブラシ１１は、例えば、研磨砥粒Ｓとしてセリアを用いたＣＭＰ工程後の半導体基板２の洗浄工程に用いられ、また、この洗浄工程における洗浄液Ｗとして純水が用いられる。このとき、上記第１の実施形態と同様に、セリア粒子Ｓは、洗浄液（純水）Ｗ中でゼータ電位がマイナスである。これに対し、ロールブラシ１１のうち、ブラシ部１２の突起部１３の先端部１３ｂは、ＰＶＡ製であるためゼータ電位がマイナスであり、ブラシ部１２の主部、及び、突起部１３の基端部１３ａは、強塩基性陰イオン交換樹脂（又は弱塩基性陰イオン交換樹脂）から構成されプラスのゼータ電位をもっている。

これにより、洗浄動作（ロールブラシ１１の回転）により、突起部１３の先端部１３ｂでは、半導体基板２上のセリア粒子Ｓを、電気的な反発と機械的作用とによって除去することができる。そして、突起部１３の先端部１３ｂを除くブラシ部１２の大部分で、表面に付着したセリア粒子Ｓや、内部に純水Ｗと共に浸透したセリア粒子Ｓを、強塩基性陰イオン交換樹脂（又は弱塩基性陰イオン交換樹脂）のもつプラスのゼータ電位により、電気的に吸着することができる。

従って、この第２の実施形態のロールブラシ１１によれば、半導体基板２上に残留していたセリア粒子Ｓの再付着の防止効果をより一層高めることができ、半導体基板２の表面に対する洗浄性能を、大幅に向上させることができるという優れた効果を奏する。

（３）第３の実施形態、その他の実施形態
図６は、第３の実施形態に係る洗浄装置２１の構成を概略的に示している。この洗浄装置２１は、上記第１、第２の実施形態のようなロールブラシ４、１１を備えることに代えて、洗浄部材としてのペンシルブラシ２２を備えた、いわゆるペンシル洗浄装置から構成されている。

この洗浄装置２１は、半導体基板２が水平状態にセットされ回転される回転支持部（図示せず）、前記ペンシルブラシ２２、前記半導体基板２の上面に洗浄液を供給する洗浄液供給部（ノズル５ａのみ図示）を備えて構成される。前記回転支持部の上方には、水平方向に延びる可動アーム２３が設けられ、この可動アーム２３の先端に下向きに回転シャフト２４が設けられている。回転シャフト２４の下端部にブラシホルダ２５が取付けられ、前記ペンシルブラシ２２は、ブラシホルダ２５の下面側に着脱（交換）可能に装着（保持）されるようになっている。

前記ペンシルブラシ２２は、全体として、下面側が下方に丸く膨らんだ形態の円板状をなし、本実施形態では、上側の基端部２２ａと、下側の先端部２２ｂとで異なる材質とされた二層構造を備えている。このとき、下側の先端部２２ｂは、例えばＰＶＡ樹脂から、多孔質状(スポンジ状)に構成され、上側の基端部２２ａは、イオン交換樹脂からやはり、多孔質状(スポンジ状)に構成されている。この場合も、除去したい砥粒のゼータ電位がマイナスであれば、強塩基性陰イオン交換樹脂（又は弱塩基性陰イオン交換樹脂）採用し、プラスであれば、強酸性陽イオン交換樹脂（又は弱酸性陽イオン交換樹脂）を採用することができる。

尚、詳しい図示は省略するが、回転支持部は、駆動機構により半導体基板２を回転させるように構成されている。また、前記可動アーム２３は、水平方向に移動（搖動）するように構成されており、図示しない駆動機構により回転シャフト２４ひいてはペンシルブラシ２２を、垂直軸周りに回転させるように構成されている。

上記構成の洗浄装置２１にあっても、例えばＣＭＰ工程後の半導体基板２が搬入され、洗浄すべき表面を上面として回転支持部にセットされる。そして、洗浄の工程では、半導体基板２の上面に対し、洗浄液供給部のノズル５ａから純水等の洗浄液Ｗが供給されながら、半導体基板２が垂直軸周りに回転されると共に、ペンシルブラシ２２が半導体基板２の上面に接しながら垂直軸周りに回転（更には可動アーム２３による水平方向への移動）される。

このとき、ペンシルブラシ２２の先端部２２ｂが半導体基板２の上面に接して回転（摺動）することにより、半導体基板２に残存していた砥粒が機械的に除去される。これと共に、ペンシルブラシ２２の基端部２２ａの表面及び内部では、砥粒が洗浄液Ｗと共に浸透して、電気的な吸着力により捕獲されるようになる。従って、この第３の実施形態においても、砥粒の半導体基板２への再付着が効果的に抑えられ、半導体基板２の表面に対する洗浄性能を、大幅に向上させることができるという優れた効果を奏する。

尚、上記した各実施形態では詳しく説明しなかったが、洗浄装置においては、採用されているイオン交換樹脂の種類の異なる複数種類のロールブラシ（ブラシ部）やペンシルブラシを用意しておき、洗浄する半導体基板（除去したい砥粒）の種類に応じて、洗浄部材を交換して使用できることは勿論である。更には、ロールブラシのブラシ部やペンシルブラシの使用に伴い、多量の砥粒が捕獲されている場合には、そのまま使用を続けると、半導体基板に対するいわゆる逆汚染の虞が生ずる。そのような場合には、洗浄部材を洗浄したり、新しいものに交換したりすることができる。

また、上記した各実施形態では、半導体基板２のＣＰＭ工程後の洗浄について説明したが、半導体製造プロセスの各工程における洗浄に、各実施形態の洗浄部材（洗浄装置）や洗浄方法を適用することができる。洗浄部材の材質としても、上記したＰＶＡなどに限らず、各種の樹脂等採用することができる。その他、砥粒の材質、洗浄液の種類等についても、様々な変更が可能であり、洗浄装置の全体的な構成としても、２個のロールブラシで、半導体基板の両面を同時に洗浄するものであっても良い等、変形が可能である。

以上、本発明の複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１、２１は洗浄装置、２は半導体基板、４、１１はロールブラシ（洗浄部材）、８、１２はブラシ部、９、１３は突起部、２２はペンシルブラシ（洗浄部材）、Ｗは洗浄液、Ｓは砥粒を示す。

Claims (7)

1. 半導体基板の表面を相対的に摺動することにより、該半導体基板を洗浄する洗浄部材であって、
   イオン交換樹脂を含んで構成されることを特徴とする洗浄部材。
2. 前記イオン交換樹脂は、強塩基性陰イオン交換樹脂、又は、強酸性陽イオン交換樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の洗浄部材。
3. 前記イオン交換樹脂は、弱塩基性陰イオン交換樹脂、又は、弱酸性陽イオン交換樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の洗浄部材。
4. 前記イオン交換樹脂は、スチレンとジビニルベンゼンとの共重合体、又は、アクリル酸或いはメタクリル酸とジビニルベンゼンとの共重合体を母体とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の洗浄部材。
5. 半導体基板の表面を洗浄する洗浄装置であって、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の洗浄部材と、
   前記洗浄部材の外面部を前記半導体基板の表面に対し相対的に摺動させる駆動機構とを備えることを特徴とする洗浄装置。
6. 半導体基板の表面を洗浄する方法において、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の洗浄部材を備え、
   前記洗浄部材の外面部を前記半導体基板の表面に対し相対的に摺動させることを特徴とする洗浄方法。
7. 化学機械研磨後の半導体基板に対して前記洗浄部材による洗浄を行うことを特徴とする請求項６記載の洗浄方法。

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