JP4726752B2 - 基板洗浄装置 - Google Patents

Description

この発明は、基板の表裏面及び外周面を洗浄することのできる装置に属し、半導体基板、液晶ガラス基板、マスク基板などの精密基板の洗浄に好適に利用されうる。

基板を洗浄する装置として、従来より図１１に示すものが知られている（例えば特許文献１）。この装置１０１は、基板１５０の裏面を図略の真空ポンプにより吸着して保持するテーブル１０２と、テーブル１０２を装置本体に対して回転させるモータ１２５と、テーブル１０２の上方で旋回可能な洗浄液噴射ノズルを基本的に備えている。
そして、テーブル１０２とともに回転する基板１５０に対して噴射ノズルをテーブル１０２の半径方向に往復動させながら洗浄液を噴射することにより、基板１５０の表面を洗浄する。洗浄中はカバー１１０にて基板１５０が囲まれており、洗浄液の飛散が防止されている。裏面を洗浄するときは、一旦真空引きを解除し、手袋をはめた作業者が人力で基板１５０を裏返すか、又は搬出テーブル１６１にて基板１５０を取りだして反転装置（例えば特許文献３）にて反転させた後に、搬入テーブル１６０にて装置本体内に搬入し、再び洗浄操作を行う。搬出搬入時にはカバー１１０はエアーシリンダー１３１によって上方の退避位置まで押し上げられる。

基板を洗浄する別の従来装置として、中央に凹部を有するテーブルの周縁で基板を保持し、凹部内に下部ノズルを配置し、テーブルの回転軸内を通る管より下部ノズルに洗浄液を供給できるようにしたものが提案されている（特許文献２）。この装置によれば、下部ノズルから噴射される洗浄液によって基板の裏面も洗浄されるので、基板を裏返す必要はない。尚、特許文献２には基板をテーブルに固定する手段が記載されていないが、図面の構成からして、基板の周縁の複数箇所をテーブルで各々独立に把持しているものと想像される。
いずれの装置においても、洗浄後に基板を乾燥させるには、回転数を洗浄時の約３倍程度に上げて洗浄液を振り切る、場合により基板にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などのアルコールを噴射して乾燥時間を短縮するなどの方法が採られている。

特開平８−２９９９１８ 特開平１１−１５６３１４ 特開２００３−７６６３

しかし、洗浄に関しては図１１に示す従来の洗浄装置では、基板１５０を反転させるのに時間がかかり、洗浄効率が低い。また、反転前に基板の回転を一時止めるので、配線基板においては停止中に洗浄液の圧力で飛散した導電材料が基板の表面や裏面に付着して基板を汚してしまう。導電材料が銅のような低抵抗金属からなる場合、微量でも付着すると配線間の短絡を招き、製品の歩留まりを低下させることとなる。更にまた、基板の外周面を洗浄することは困難である。特許文献２に記載の装置では、基板の周縁の複数箇所をテーブルで各々独立に把持しているので、テーブルに対する基板の着脱操作が煩わしい。
次に、乾燥に関しては配線用トレンチ（溝）のアスペクト比が大きくなると、トレンチの中にウォーターマークやＩＰＡが残り、導電材料を腐食したり汚染したりし、電気抵抗を増大させる。ときにはロボットハンド等による二次汚染が発生する。アルコールの非燃化のための対策を十分に施さなければならない。
それ故、この発明の一つの課題は、基板の回転中に基板の外周面をも洗浄することのできる装置を提供することにある。別の課題は、洗浄後の基板を清浄に乾燥することのできる装置を提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の基板洗浄装置は、
基板を回転させながらノズルより基板に洗浄液を噴射するものにおいて、
本体と、
本体に取り付けられ、互いに独立して出力を生じうる二個以上の直線運動の駆動源と、
本体に回転可能に取り付けられた回転軸と、
回転軸を中心として回転可能に本体に取り付けられ、前記出力をそれぞれ回転力に変換する二以上のカム機構と、
回転軸から径方向に離れた位置に回転軸と平行な軸線を有し、その軸線を中心として回転可能に回転軸に固定され、基板を水平に支持するとともに回転に伴って基板の側面を互いに挟み又は解放する二組以上の回転柱と、
回転軸と同心の回転中心を有し、カム機構に従動して前記回転力を回転柱の組にそれぞれ伝達しうる二以上の伝達部材と、
回転軸に固定され、カム機構の回転を回転軸の回転に連係させるストッパーと
を備えることを特徴とする。

この発明の装置の作用は以下の通りである。先ず、基板を回転柱で支持し、複数組の回転柱のいずれかの組（これを組Ａとし、別の組を組Ｂとする。）で挟みながら回転軸を回転させる。これにより基板は回転し、洗浄液を噴射することにより、基板を洗浄することができる。基板の外周面のうち、この段階で洗浄できないのは、組Ａの回転柱との接点のみである。この間、ストッパーに連れられて伝達部材及びカム機構も回転軸と共に回転し、各回転柱も回転軸を通る中心線の回りを旋回する。

次に、駆動源より一つの出力を生じさせてその駆動源から組Ｂの回転柱に至る伝達経路のカム機構及び伝達部材を介して組Ｂの回転柱を回転させる。即ち、駆動源の出力をカム機構が回転力に変換し、伝達部材を介して組Ｂの回転柱に伝達する。それに伴って旋回中の組Ｂの回転柱が自身の軸線を中心として回転する。こうして基板は、組Ａの回転柱と同時に組Ｂの回転柱によっても挟まれる。
その後、もう一つの駆動源の出力の方向を変えることにより組Ａの回転柱を自身の軸線を中心として回転させる。これにより基板は、組Ａから解放される。従って、洗浄されずに残っていた、組Ａの回転柱との接点を洗浄することができる。

前記回転柱としては、上面を有する柱と、その上面の偏心位置に立てられて柱の回転に伴って基板の側面に接し又は離れるピンとを有するものであってよい。柱の上面で基板の底面を支持し、ピンで基板の側面を傷つけることなく挟み又は解放することができるからである。この場合、各組のピンは同じ組のピンと周方向にほぼ等間隔の位置に配置され、他の組のピンとは異なる位相位置に配置される。これにより、各組のピンが交替で基板を挟み又は解放することができる。このような回転柱の構成において、前記上面が傾斜しており、前記偏心位置が上面の最高位置であると好ましい。これにより上面と基板底面との接触が点接触となり、上面と基板底面との間を洗浄液が通過しやすくなり、洗浄効果が一層向上する。

伝達部材が回転力を伝達する手段としては、歯車伝動及びベルト伝動が挙げられる。望ましいのは、歯車伝動、即ち前記回転柱の外周面及び前記伝達部材の外周面に互いに噛み合うように形成された歯車歯である。
前記カム機構は、回転軸を中心として回転可能且つ回転軸方向に移動可能に本体に取り付けられ、回転軸に対して傾斜した溝を有する溝カムと、伝達部材に固定されて溝内を転動するローラとの組み合わせである。溝が回転軸に対して傾斜していることから、溝カムの回転軸方向の移動により、ローラが周方向に変位させられ、伝達部材を回転させることができる。

前記ストッパーは、回転軸と直交する円盤であって、溝カムの回転軸方向の移動を許容するとともに溝カムを回転軸に連れ回りさせる凹部を有するものである。
前記回転軸の上端にはテーブルが固定され、前記回転柱はテーブルを介して回転軸に気密に固定されているのが、好ましい。テーブル下の部品の濡れを防止できるからである。また更に、テーブルが回転柱よりも径方向外側に延びており、テーブルの上面の延長部分に気密に当接して回転柱を収容可能なカバーを備えると好ましい。これにより、基板を極力小さい密閉空間に収容することができる。そのため、減圧手段や基板材料に対して不活性な気体を導入する手段と併用して、基板をその位置で静止させたまま速やかに乾燥させることができる。尚、このテーブルと回転柱との気密化構造は、テーブルの下の動力伝達機構がこの発明と異なる洗浄装置に対しても適用可能である。
すなわち、前記第二番目の課題を達成するために、適切な基板乾燥装置は、
テーブルと、
テーブルの中心と周縁との間に立てられて基板を支持する複数の支柱（前記洗浄装置が乾燥装置を兼ねる複合機となるときは、回転柱がこの支柱となる。）と、
テーブルの上面に気密に当接して支柱を収容しうるとともに、テーブルから離れる方向に移動可能なカバーと、
テーブルに当接しているカバーとテーブルとで囲まれる空間を減圧する手段と
を備えることを特徴とする。

この発明の基板洗浄装置によれば、基板を回転させながら、外周面を含む基板全体を洗浄することができる。従って、洗浄液の圧力で飛散する導電材料が基板に付着しにくく、洗浄後の清浄度が高い。また、基板の表裏面洗浄のための反転・移送装置が付属していないので、装置全体が小型である。

−実施形態１−
この発明の実施形態を図面とともに説明する。図１は第一の実施形態に係る洗浄装置の要部を示す軸方向断面図、図２は同じく平面図である。
洗浄装置１は、半導体基板７０を回転させながら、洗浄液を噴射して洗浄するものである。洗浄装置１は、円筒部を有する本体４３と、本体４３に固定された駆動モータ９と、本体４３の円筒部内周面に上下の軸受け３０を介して取り付けられた中空の回転軸４と、本体４３にシリンダベース４６を介して周方向に等間隔に固定された三個の往復エアシリンダ５１と、シリンダベース４７を介して同様に固定された三個の往復エアシリンダ５２とを備える。駆動モータ９は、ベルトを介して回転軸４をその軸回りに回転させる。回転軸４の上端には円盤状のテーブル３がボルトにて固定されている。回転軸４の内部には、上下の軸受け７を介して中心軸５が嵌合され、その中心軸５の中に２本の洗浄液供給管が通されている。中心軸５は、テーブル３よりも上方に突き出ており、上端には供給管に各々接続された二個の下部ノズル６が取り付けられ、下端は本体４３に固定されている。

二組のエアシリンダ５１、５２は、ロッドが先端のブロック５６、５７を伴って上下方向に往復運動するもので、同じ組のシリンダは同期して作動するとともに、互いに他方の組と独立して出力を生じるように図略の制御装置と接続している。ブロック５７には、本体４３を包囲する環状の溝カム３７が軸受け３２を介して取り付けられ、ブロック５６にはその溝カム３７を包囲するように環状の溝カム３６が軸受け３１を介して取り付けられている。即ち、溝カム３６、３７は互いに非接触の二重輪状配置をとっている。溝カム３６の周縁部には図３に正面図として示すように上向きの３つの突起４０が周方向に等間隔に形成され、溝カム３７の周縁部にも突起４１が突起４０と６０度位相をずらせた位置に形成されている。そして、それらの突起４０、４１に外側から見て左上がりに傾斜し、径方向に貫通した溝３８、３９が形成されている。溝３８の勾配は、後述の伝達部材２６の回転ストロークを伝達部材２７の回転ストロークと同じにするために、溝３９の勾配よりも緩やかになっている。溝カム３６、３７の上方には、溝カム３６よりも大きい外径の円盤状のストッパー２３が回転軸４の外周面より径方向に張り出している。ストッパー２３は、回転軸４にボルトで固定されている。ストッパー２３は、図４及び図５に示すように、突起４０、４１と対応する箇所に少し余裕をもって突起４０、４１をそれぞれ受け入れる切り欠き２４及び孔２５を有している。従って、溝カム３６、３７の上下方向の移動を許容するとともに、回転軸４に対する相対的な回転を阻止している。

一方、テーブル３の周縁には、周方向に等間隔に３本の回転柱１０が取り付けられ、同じ円周上で回転柱１０と６０度位相をずらせた位置に回転柱１１が取り付けられている。３本の回転柱１０は、互いに同形である。回転柱１１も同様である。回転柱１０、１１は、テーブル３を上下方向に回転可能に貫通している。そして、上面は緩い勾配をもって傾斜しており、ほぼ最高位で丸棒状のピン２０、２１が上向きに突出している。回転柱１０、１１には、テーブル３下の部分に歯車１２、１３が嵌合され、固定されている。これらの歯車１２、１３は、それぞれ伝達部材２６、２７の外周面に形成された歯車歯２８、２９と噛み合っている。伝達部材２６、２７は、図６及び図７にそれぞれ平面図として示すように、中央に軸孔を有するほぼ円盤状をなす。伝達部材２６は、フッ素樹脂などの摩擦係数の小さい樹脂からなり、回転軸４の外周面におけるテーブル３直下の高さ位置に摺動可能に嵌合されている。伝達部材２７は、伝達部材２６よりも更に下方で同様に回転軸４に嵌合されている。尚、伝達部材２６、２７には、噛み合いの関係に無い歯車１３、１２との干渉を避けるために、凹形の逃げ７１、７２が形成されている。更に、伝達部材２６、２７の下面には、ブラケットを介してローラ１６、１７がそれぞれ溝カムの溝３８、３９内で転動可能に取り付けられている。尚、図７における符号７３は、ブラケット挿入用孔を指す。

テーブルの上方には、上部ノズル（図示省略）が備えられている。上部ノズルは、例えばＷＯ２００５−３８８９３に開示されている噴射器３０のようなもので、アームの端部に保持され、アームの他端がジョイントに水平方向の軸回りに回転可能に連結され、ジョイントは本体に回転可能に立てられている。従って、上部ノズルは、水平方向に移動可能であるとともに、傾斜も可能であり、基板の上面と側面とに向かって洗浄液を噴射することができる。
尚、図１２に縦断面図として示すように、回転軸４と伝達部材２６、２７との嵌合部に玉軸受け６０、６１を介在させてもよい。

この洗浄装置１を用いて円形の基板７０を洗浄する操作を説明する。以下の説明において「時計方向」とは「平面視時計方向」、「反時計方向」とは「平面視反時計方向」を意味する。モータ９をＯＦＦにしてテーブル３の回転を停止しておき、ピン２０、２１を基板７０の外周面よりも外側に退避させおき、基板７０を回転柱１０、１１の上面に載せる。そして、シリンダ５１のブロック５６を下降させる。すると溝カム３６がブロック５６に伴われて下降する。図４は、溝カム３６が下降した状態を示している。溝カム３６は、ローラ１６から受ける反力で下降に伴って溝３８の方向に沿って回転しようとするが、突起４０と切り欠き２４とが係り合っているため、ストッパー２３にて回転が阻止される。従って、逆にローラ１６が溝カム３６の下降中に溝３８内を転動しながら時計方向に移動し、それに伴って伝達部材２６が同方向に回転する。それにより同時に３本の回転柱１０が反時計方向に回転し、３本のピン２０が基板７０の外周面を挟む（図８(a)）。その結果、テーブル３の回転中心と基板７０の回転中心との一致性を保って基板７０が３本一組の回転柱１０に保持される。

この状態でモータ９を駆動させることにより、回転軸４及びテーブル３とともに基板７０を回転させながら、上下のノズルより洗浄液を噴射する。これにより、基板７０は、ピン２０と接触している部分を除いてほぼ全面が洗浄される。この間、伝達部材２６、２７及び溝カム３６、３７もストッパー２３に連れられて回転軸４と共に回転し、各回転柱１０、１１も中心軸５の回りを旋回する。

次に、シリンダ５２でブロック５７を下降させる。するとブロック５６の下降時に溝カム３６が下降したと同様に溝カム３７が図１の上昇位置から下降し、ローラ１７の転動に伴って伝達部材２７が時計方向に回転する。それにより旋回中の回転柱１１が反時計方向に回転し、３本のピン２１が基板７０の外周面を挟む。その結果、基板７０は、回転を停止することなく、各組３本からなる合計６本の回転柱で保持される（図８(b)）。

その後、シリンダ５１でブロック５６を溝カム３６とともに上昇させる。すると、伝達部材２６が反時計方向に回転し、旋回中の回転柱１０が同時に時計方向に回転する。それにより、３本のピン２０が基板７０から離れ（図８(c)）、ピン２０と接触していた部分も洗浄される。
シリンダ５１、５２は、押し式、引き式のいずれであってもよい。いずれの場合も停電やエア漏れ等によってエアの供給が停止したときでもブロック５６、５７が下がるようにリターンスプリングと併用するのが望ましい。また、シリンダ５１、５２、突起４０、４１及びローラ１６、１７は、曲げモーメントを軽減し、溝カム、ローラ、伝達部材などに発生する歪みを小さくするために各三個設けたが、個数は限定されない。回転柱１０、１１の上面は水平であってもよいが、傾斜しているのが好ましい。傾斜していることにより、基板７０が回転柱１０、１１に点接触して支持される。その結果、基板７０の底面と回転柱１０、１１との間を洗浄液が通過しやすくなり、洗浄力が向上するからである。テーブル３の幾何学的中心と回転中心とは一致していなくてもよく、不一致の場合の方が幾何学的中心を含む全面を均等に洗浄することができる。幾何学的中心と回転中心とを不一致にするには、３本の回転柱１０（及び１１）のうちの１本を、１又は２歯分だけ残り２本の回転柱よりも先行もしくは遅延するように伝達部材２６（及び２７）と噛み合わせればよい。

−実施形態２−
図９は第二実施形態に係る基板洗浄装置を示す要部断面図、図１０は図９におけるＤ部拡大図である。この実施形態に係る洗浄装置は、洗浄後に基板を移動することなく乾燥することを可能にするものである。洗浄装置２は、テーブル３より下は実施形態１と同じ構造であってよい。以下、実施形態１と異なる点及び実施形態１で説明を省略した点を詳細に説明する。

この実施形態では、テーブル３の上面に気密に当接して回転柱１０、１１を収容可能なカップ状のカバー８０を備える。カバー８０は、図略の昇降装置により昇降可能である。回転柱１０、１１の外周面にはゴム製又はフッ素樹脂製のリングシール８８が填められている。テーブル３を回転軸４に固着するボルトの外周面にも同様にＯリングシール８９が填められている。また、テーブル３の軸孔３０には図１０に示すようにフッ素樹脂製のリングシール９０が填められている。リングシール９０は、内周面の上下にリップが突き出たデュアルリップ形状を有している。これらのリップは、中心軸５の外周面に密接するとともに、中心軸５に近づくほど互いに離れる方向に湾曲している。従って、加圧減圧いずれの場合も気体の通過を阻止しうる。また、リングシール９０は、フッ素樹脂からなるので、耐薬品性に優れ、粉塵が発生しにくい。こうしてテーブル３の気密性が保たれている。更に、テーブル３は、回転柱１０、１１よりも径方向外側に張り出すように延びている。そして、カバー８０の下降時にはこの張り出し部分の上面にカバー８０の下端面がゴム製のＯリングシール８７を介して当接する。Ｏリングシール８７は、カバー８０の下端面に形成された環状凹部７４に嵌められている。カバー８０には切替弁８２、８５及び排気弁８６が取り付けられている。従って、カバー８０が下降してテーブル３と合わせられているときは、気体はカバー８０とテーブル３とで囲まれる空間Ｓの内外を通り抜けることができない。
テーブル３と中心軸５との嵌合部の気密性は、単一のリングシール９０に代えて、２個以上のシール、例えば上リップを有するもの（加圧用）と下リップを有するもの（減圧用）とを併用することにより確保してもよい。また、凹部７４に代えて図１３に縦断面図として示すようにテーブル３’の上面に環状凹部７５を形成し、そこにＯリングシール８７を嵌めることにより、カバー８０’の下端面と気密に当接させてもよい。尚、図１３のＤ部拡大図は、図１０と同じである。

この洗浄装置２によれば、テーブル３の回転を停止してカバー８０を下降させ、基板７０の周囲をカバー８０とテーブル３とで密閉した後、切替弁８２を介して真空ポンプ８１で減圧することにより、基板７０を乾燥させることができる。基板７０を支持する回転柱１０、１１の組を変えることにより、基板７０を移動することなくその支持部分も乾燥させることができる。減圧により洗浄液の蒸発速度が高められるから、基板７０は常温で乾燥する。しかも減圧対象となる空間Ｓがテーブル３の上面とカバー８０とで囲まれる小さい部分であるから、速やかに減圧することができる。従って、ウォーターマークが付くことはない。しかも、洗浄後に基板７０を移動させる必要がないので、移動中の汚染を避けることができる。また、必要に応じて洗浄後減圧前にレギュレータ８４で圧力を調整しながら、切替弁８５を介して基板材料及び導電材料に対して不活性な気体、例えば窒素を導入すると同時に、排気弁８６より空気を排出してもよい。そして、窒素置換後または置換中に減圧乾燥することにより、トレンチ内まで窒素が充満し、導電材料を酸化させることなく清浄に乾燥することができる。

実施形態１の洗浄装置の要部を示す軸方向断面図である。 同洗浄装置の要部を示す平面図である。 同洗浄装置の一つの溝カムを示す正面図である。 同洗浄装置の一つの溝カムとストッパーとの関係を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図である。 同洗浄装置のもう一つの溝カムとストッパーとの関係を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が背面図である。 同洗浄装置の一つの伝達部材を示す平面図である。 同洗浄装置のもう一つの伝達部材を示す平面図である。 一組の回転柱と別の一組の回転柱の各々の回転時期を説明する図である。 実施形態２の洗浄装置の要部を示す軸方向断面図である。 図９におけるＤ部拡大図である。 従来の洗浄装置の要部を示す軸方向断面図である。 実施形態１の洗浄装置の変形例を示す軸方向断面図である。 実施形態２の洗浄装置の変形例を示す軸方向断面図である。

符号の説明

１ 洗浄装置
３ テーブル
４ 回転軸
５ 中心軸
６ ノズル
７ 軸受け
９ 駆動モータ
１０、１１ 回転柱
２０、２１ ピン
２６、２７ 伝達部材
３６、３７ 溝カム
１６、１７ ローラ
２３ ストッパー
５１、５２ シリンダ
８０ カバー

Claims (3)

1. 基板を回転させながらノズルより基板に洗浄液を噴射するものにおいて、
   本体と、
   本体に取り付けられ、互いに独立して出力を生じうる二個以上の直線運動の駆動源と、
   本体に回転可能に取り付けられた回転軸と、
   回転軸を中心として回転可能且つ回転軸方向に移動可能に本体に取り付けられ、回転軸に対して傾斜した溝を有する溝カムと、伝達部材に固定されて溝内を転動するローラとからなり、前記出力をそれぞれ回転力に変換する二以上のカム機構と、
   回転軸から径方向に離れた位置に回転軸と平行な軸線を有し、その軸線を中心として回転可能に回転軸に固定され、基板を水平に支持するとともに回転に伴って基板の側面を互いに挟み又は解放する二組以上の回転柱と、
   回転軸と同心の回転中心を有し、カム機構に従動して前記回転力を回転柱の組にそれぞれ伝達しうる二以上の伝達部材と、
   回転軸に固定され、回転軸と直交する円盤であって、溝カムの回転軸方向の移動を許容するとともに溝カムを回転軸に連れ回りさせる凹部を有することにより、溝カムの回転を回転軸の回転に連係させるストッパーと
   を備えることを特徴とする基板洗浄装置。
2. 前記回転軸の上端に固定されたテーブルを更に備え、
   前記回転柱がテーブルを介して回転軸に気密に固定されている請求項１に記載の装置。
3. テーブルが回転柱よりも径方向外側に延びており、テーブルの上面に気密に当接して回転柱を収容可能なカバーを更に備える請求項２に記載の装置。

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