JP4745443B2 - メガソニック洗浄モジュール - Google Patents

Description

本発明は、メガソニック洗浄モジュール（megasonic cleaning module）に関するものであり、より詳細には、電源供給ユニットから電源の印加を受ける圧電素子を内部に有してこの圧電素子の振動により超音波を発生させるバイブレータと、このバイブレータの一端に結合されて被洗浄物としての半導体ウェハーに対して垂直に設置されるとともに径を徐々に縮径することでバイブレータから発生した縦方向の超音波を集中させる増幅部を有する第１振動ロッドと、この第１振動ロッドに対して垂直に組み合わされて縦方向の超音波による半導体ウェハーへの影響を回避するように第１振動ロッドとの接合部位の径を他端よりも相対的に小さく設定するとともに他端の断面を様々な形状に形成して第１振動ロッドの縦方向の超音波を横方向に伝播させる第２振動ロッドとで構成され、半導体ウェハーの異物を横方向の超音波を利用して効果的に遊離させるメガソニック洗浄モジュールに関するものである。

半導体製造過程のうち最も基本的な技術の一つが、洗浄技術である。
半導体製造過程は、半導体ウェハーの表面を形成するために様々な段階の工程を必要とし、各段階で所定の工程を遂行する半導体ウェハー及び半導体製造装置には各種の汚染物、すなわち、異物が生じて残存するため、一定の時間間隔で半導体ウェハー及び半導体製造装置を洗浄して工程を進行させなければならない。
前述した洗浄技術は、半導体の製造工程中に発生する様々な異物を物理的方法または化学的方法を駆使して除去するものである。

前述した化学的方法は、半導体ウェハーの表面の汚染を水洗及びエッチング、そして、酸化還元反応などにより除去する方法であり、様々な化学薬品やガスを使用するものである。
この化学的方法では、付着した粒子を純水または化学洗浄液で除去し、有機物を溶剤で溶解したり酸化性酸で除去し、または、酸素プラズマ中で炭化して除去し、場合によっては、半導体ウェハーの表面を一定量エッチングして新しい清浄表面を露出させることもある。

また、化学的方法とは異なる物理的方法は、超音波エネルギーによって付着物を剥離させたり、ブラシで払拭したり、高圧水を利用して付着物を除去する方法である。
一般的に、物理的方法と化学的方法とを組み合わせることにより、効率的な洗浄が行われている。

つまり、超音波洗浄とは、被洗浄物に付着した異物を物理的方法(超音波)、化学的方法(化学洗浄液)を利用して除去し、除去された異物が再度付着することを回避するものである。
超音波による物理的現象は、超音波のキャビテーション現象（cavitation phenomenon）によって行われ、このキャビテーション現象とは、超音波エネルギーが液中に伝播される（transmit）時、超音波の圧力により液中に微細な気泡が生成されて消滅する現象であり、かなり大きな圧力(数十気圧〜数百気圧)と高温(数百度〜数千度)を伴う現象である。

この現象は、極めて短い時間(数万分の１秒〜数十万分の１秒)内に気泡の生成と消滅とを繰り返す現象である。
この衝撃波により、洗浄液中の被洗浄物の内部の深く見えない所まで短い時間内に洗浄が行われる。

そして、キャビテーション現象による衝撃エネルギーに加えて、超音波自体の放射圧による攪拌効果及び熱作用等が洗剤との相乗効果を生じて高い洗浄効果を得ることができる。

超音波洗浄は、主に液晶ディスプレイ（LCD）装置用ガラス基板、半導体ウェハー、データ貯蔵等のための磁気ディスクのような被洗浄物を洗浄または洗い流すために利用されている。
一般的な超音波洗浄システムで、被洗浄物は、超音波バイブレータにより活性化された振動板から超音波が照射される洗浄液により満たされた洗浄槽に浸漬されている。
超音波は、振動エネルギーを被洗浄物の粒子（particle）に対して照射し、粒子及び他の異物を被洗浄物から効果的に除去するようになっている。

近年、半導体装置が高集積化され、半導体ウェハー上に具現されるパターン（pattern）がとても小さくなっている。
これにより、このような半導体ウェハー上のパターンでは、極めて微細な粒子（particle）に起因して半導体素子の不良が発生することがあるため、洗浄工程の重要性がより更に増してきている。

一般的に、半導体ウェハーの洗浄は、超純粋水(洗浄液)、ブラシ、超音波を利用して行われている。

図１は、従来の半導体洗浄用超音波装置を示す概要図であり、このような従来の半導体洗浄用超音波装置は、超音波と洗浄水（または、洗浄液）を利用して半導体ウェハー１０５の表面を洗浄するものであり、側部の供給管１０２を介して洗浄液１０３を供給するように設計され、洗浄液噴出器１０６は、下端がノズル形状を呈している。

この従来の半導体洗浄用超音波装置は、供給管１０２から洗浄液１０３が流入されて、振動部１０１により超音波を洗浄液１０３と共に照射することで、洗浄液噴出器１０６の下部に配置された被洗浄物に対して超音波を含んだ洗浄液１０３が噴出され、被洗浄物を回転させる回転軸１０４によって被洗浄物の表面を洗浄するように設計されている。

ところが、この従来の半導体洗浄用超音波装置は、１つの洗浄液噴出器１０６内で超音波と洗浄液１０３が予め組み合わされた状態で放出される構造を呈しているため、洗浄効果に比べて過度に多量の洗浄液１０３が消費されるという問題点があった。

また、洗浄作業の過程で、動作周波数、洗浄液の条件、消費電力、冷却条件等の洗浄条件の瞬間的な変動に起因して超音波の強度の変動幅が大きいため、洗浄液噴出器１０６のノズルから高圧の洗浄液１０３が噴出されて、半導体ウェハー１０５の表面に局部的または全体的な損傷を与えることがあるという致命的な問題点があった。

図２は、従来の振動ロッドを利用した半導体洗浄用超音波装置を示す概要図であり、このような従来の半導体洗浄用超音波装置は、前方に向かって突出されて下部に配置された半導体ウェハー１１４との間で一定の間隙を有するように配置される振動ロッド１１０と、この振動ロッド１１０に結合されて振動ロッド１１０に超音波発振エネルギーを提供する振動部１１１と、半導体ウェハー１１４との間隙に洗浄液１１６を放出する洗浄液噴出器１１３とで構成されている。

そして、半導体ウェハー１１４を回転させるために回転板１１２と回転軸１１５とが設けられ、回転板１１２の上に半導体ウェハー１１４が載置され、この半導体ウェハー１１４の上に振動ロッド１１０が配置されていることにより、回転軸１１５と回転板１１２とが半導体ウェハー１１４を回転させるとともに、振動ロッド１１０が縦波の超音波を照射し、洗浄液１１６が放出されることで、半導体ウェハー１１４の一側面の全体に亘って超音波洗浄を施すように設計されている。

ところが、図２に示す従来の半導体洗浄用超音波装置では、片持ち式の振動ロッド１１０が採用されているため、振動ロッド１１０の軸線方向の下部領域においてのみ洗浄作用が進行され、構造的に振動ロッド１１０によって超音波の強弱が発生して、微細なパターンの半導体ウェハー１１４では均一な洗浄性能を期待できないという問題点があった。

本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決するものであり、本発明の目的は、超音波を利用して半導体ウェハーを洗浄することであり、縦方向の超音波を集中させるためにその径を徐々に縮径される第１振動ロッドと、この第１振動ロッドから発生した縦方向の超音波を横方向に変えるために第１振動ロッドに対して垂直に組み合わされる第２振動ロッドとを備え、第２振動ロッドの第１振動ロッドとの接合部位が、非接合部位よりも径を小さく設定されていることにより、横方向の超音波ではない縦方向の超音波による洗浄液への影響を回避するとともに、非接合部位の断面を様々な形状に形成して、半導体ウェハーの異物を効果的に遊離させるメガソニック洗浄モジュールを提供することである。

そして、本発明の更なる目的及び効果についても以下に説明され、本発明の実施例によって明示する。
また、本発明の目的及び効果は、特許請求の範囲に記載された手段及びこれら手段の組合せによって実現する。

本発明は、前述したような目的を達成するために以下の特徴を有している。

本発明は、超音波を発生するバイブレータと、このバイブレータから発生した超音波を集中させるためにその径を徐々に縮径されるとともに被洗浄物としての半導体ウェハーの一側面との間隙を維持した状態で半導体ウェハーに対して垂直に配置されて超音波を縦方向に伝播させる第１振動ロッドと、この第１振動ロッドの一端に垂直に組み合わされて半導体ウェハーの一側面に塗布された洗浄液に縦方向に振動する超音波を横方向に伝播させて異物を遊離させるとともに第１振動ロッドに結合された一端の径を他端よりも相対的に小さく設定して縦方向の超音波による洗浄液への影響を回避する第２振動ロッドとを備えていることを特徴とする。

超音波を含んだ洗浄液噴出器を用いた従来の半導体洗浄用超音波装置を示す概要図である。 振動ロッドを用いた従来の半導体洗浄用超音波装置を示す概要図である。 本発明の第１実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図である。 図３のＡ部を示す拡大図である。 本発明の第２実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図である。 本発明の第３実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図である。 本発明の第４実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図である。 本発明の第５実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図である。 本発明の第６実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
ここで、本明細書及び特許請求の範囲で使用される用語や単語は、一般的または辞書的な意味に限定して解釈されるものではなく、発明者は自らの発明を最適な方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に立脚して、本発明の技術的思想に合致する意味及び概念で解釈されるものである。

従って、本明細書に記載された実施例と図面に示す構成は、本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明の技術的思想を全て表現するものではないため、本明細書の出願当時において、本明細書に記載された技術内容に代替可能な多様な均等物及び変形例が存在することは言うまでもない。

以下、図３乃至図９を参照して本発明の好適な実施例であるメガソニック洗浄モジュールを詳細に説明する。

図に示すように、本発明のメガソニック洗浄モジュールは、被洗浄物としての半導体ウェハー６０の異物を超音波４０を利用して遊離させるものであり、縦方向の超音波（縦波）２１を集中させた後に縦方向の超音波２１を横方向の超音波（横波）３１に変換することで効果的に半導体ウェハー６０を洗浄する洗浄モジュールに関するものであり、バイブレータ１０と第１振動ロッド２０と第２振動ロッド３０とを備えている。

図３は、本発明の第１実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図で、図３に示すように、メガソニック洗浄モジュールは、超音波４０を発生するバイブレータ１０は、内部に圧電素子１２を有している。

圧電素子１２は、電源供給ユニットから延びる２本の電源線１３に連結されて電源の供給を受け、この圧電素子１２の振動により超音波４０を発生するように設計されている。

バイブレータ１０は、被洗浄物としての半導体ウェハー６０の一側面に、垂直方向に一定間隔を離隔して配置され、バイブレータ１０から発生した超音波４０を縦方向に伝播させるために、バイブレータ１０の圧電素子１２の陰極側に、第１振動ロッド２０が結合されている。

第１振動ロッド２０は、徐々に縮径するように結合され、すなわち、バイブレータ１０側から半導体ウェハー６０側に向けて徐々に縮径するようにバイブレータ１０に結合され、半導体ウェハー６０の一側面から一定間隔を離間した状態で半導体ウェハー６０の一側面に対して垂直に配置されている。

このように第１振動ロッド２０の径（差し渡しの長さ）を段階的に徐々に縮径させたことにより、バイブレータ１０の内部に設けられた圧電素子１２から発生する縦方向の超音波２１が、一箇所に集められて徐々に集中するように設計されている。

半導体ウェハー６０に対向する第１振動ロッド２０の端部側には、半導体ウェハー６０の一側面と離間した状態を維持しつつ対向する第２振動ロッド３０が、第１振動ロッド２０と垂直に結合されている。

すなわち、第２振動ロッド３０の一端は、第１振動ロッド２０の一端に結合され、第１振動ロッド２０内を伝播する縦方向の超音波２１を第２振動ロッド３０の長手方向に伝播させて、横方向の超音波３１を伝播させるように設計されている。

これにより、被洗浄物としての半導体ウェハー６０の洗浄時に、縦方向にのみ洗浄する従来の洗浄装置と比較してより均一な洗浄性能を得ることができ、微細なパターンを有する半導体ウェハー６０にも適用できる。

また、第１振動ロッド２０と第２振動ロッド３０との結合部位では、第１振動ロッド２０内を伝播する縦方向の超音波２１が第２振動ロッド３０に伝播して横方向にその向きを変化する際、第１振動ロッド２０が、半導体ウェハー６０に影響を与える場合がある。

このことを防止するために、第２振動ロッド３０の一端の径（差し渡しの長さ）を他端より相対的に小さく設定し、径の小さい一端を第１振動ロッド２０に結合することにより、第２振動ロッド３０の他端と半導体ウェハー６０との間隙よりも、第２振動ロッド３０の一端と半導体ウェハー６０との間隙が相対的に大きくなり、第１振動ロッド２０から伝達される縦方向の超音波２１による影響、すなわち、半導体ウェハー６０への影響を低減できる。

また、第１振動ロッド２０と第２振動ロッド３０は、石英、サファイア、ダイアモンド、ガラス質カーボンを含むガラス質固体物質のうち一つの材質からなり、または、ステンレス、チタニウム、アルミニウムを含む金属物質またはテフロン（登録商標）等の耐化学材料でコーティングされた金属物質のうちいずれか一つの材質からなっている。

図３乃至図９は、本発明の第１乃至第６実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図であり、これら図３乃至図９は、第１振動ロッド２０から伝達された縦方向の超音波２１を横方向に伝播させて均一な超音波４０を発生させる第２振動ロッド３０の他端、すなわち、第１振動ロッド２０との非接合部位に着目して示す説明図である。

図３は、本発明の第１実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図であり、図３に示すように、第１振動ロッド２０と結合する第２振動ロッド３０の一端の断面形状は、四角形、円形、多角形等を呈し、第２振動ロッド３０の他端は、一端の径より大きな長方形の断面形状を有している。
半導体ウェハー６０の一側面との離間距離は、第２振動ロッド３０の一端側が他端側より大きく設定されている。

図４は、図３のＡ部を示す拡大図であり、図４に示すように、第１振動ロッド２０内を伝播した縦方向の超音波(縦波)２１がその伝播方向を変えて第２振動ロッド３０内で横方向の超音波(横波)３１として振動する状態を示す概念図である。

図４に示す符号ａは、位相差が発生することを示すものであり、この位相差の発生により均一な洗浄効果を得ることができる。

図５は、本発明の第２実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示した斜視図で、図５に示すように、第１振動ロッド２０と結合する第２振動ロッド３０の一端の断面形状は、四角形、円形、多角形等を呈し、第２振動ロッド３０の他端は、その一端の径より大きな正菱形の断面形状を有している。
ここで、図３に示す第１実施例とは異なり、第２振動ロッド３０の一端と他端とが長手方向に同一の中心線上に位置していることにより、被洗浄物としての半導体ウェハー６０の一側面との離間距離は、第２振動ロッド３０の一端側が他端側より大きく設定されている。

図６は、本発明の第３実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示した斜視図であり、図６に示すように、第２振動ロッド３０の一端と他端とが同一の中心線上に位置する図５に示す第２実施例とは異なり、長手方向にその上面が一致する形態を有している。
これにより、被洗浄物としての半導体ウェハー６０の一側面との離間距離は、図５に示す第２実施例と比較して、第２振動ロッド３０の一端側が他端側より更に大きく設定されている。

図７は、本発明の第４実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示した斜視図であり、図７に示すように、第１振動ロッド２０と結合する第２振動ロッド３０の一端の断面形状は、四角形、円形、多角形等を呈し、第２振動ロッド３０の他端は、一端の径より大きな菱形の断面形状を有している。
第２振動ロッド３０は、その一端と他端とが長手方向に同一の中心線上に配置されている。

図８は、本発明の第５実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示した斜視図であり、図８に示すように、第１振動ロッド２０と結合する第２振動ロッド３０の一端の断面形状は、円形を呈し、第２振動ロッド３０の他端は、一端の径より大きな円形の断面形状を有している。
第２振動ロッド３０の一端と他端の上面が同一線上に一致するように構成されることにより、半導体ウェハー６０の一側面との離間距離は、第２振動ロッド３０の一端側が他端側より更に大きく設定されている。

図９は、本発明の第６実施例であるメガソニック洗浄モジュールを示す斜視図であり、図９に示すように、第１振動ロッド２０と結合する第２振動ロッド３０の一端の断面形状は、円形を呈し、第２振動ロッド３０の他端は、一端の径より大きな楕円形の断面形状を有している。

図３乃至図９に示す符号５０は、洗浄液噴出器を示している。

本発明を前述したような好適な実施例及び図面を用いて説明したが、本発明は、これら実施例及び図面により限定されることはなく、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する当業者であれば、本発明の要旨から逸脱することなく、他の様々な修正及び変更を施すことが可能なことは自明であり、添付する特許請求の範囲に係る技術的内容は、本発明の均等な範囲内に属する修正及び変更を含むものである。

前述したように、本発明は、超音波を利用して半導体ウェハーを洗浄するものであり、縦方向の超音波を集中させるためにその径を徐々に縮径された第１振動ロッドと、第１振動ロッドから発生した縦方向の超音波を横方向に変えるために第１振動ロッドに対して垂直に組み合わされた第２振動ロッドとを備え、第２振動ロッドの第１振動ロッドとの接合部位側の径を非接合部位側の径より径を小さく設定することにより、横方向の超音波ではない縦方向の超音波による洗浄液への影響を回避するとともに、非接合部位の断面を様々な形状に形成することにより、半導体ウェハーの異物を効果的に遊離させることができるという効果を奏する。

１０ ・・・ バイブレータ
１２ ・・・ 圧電素子
１３ ・・・ 電源線
２０ ・・・ 第１振動ロッド
２１ ・・・ 超音波（縦波）
３０ ・・・ 第２振動ロッド
３１ ・・・ 超音波（横波）
４０ ・・・ 超音波
５０ ・・・ 洗浄液噴出器
６０ ・・・ 半導体ウェハー

Claims (7)

1. 超音波を発生するバイブレータと、該バイブレータから発生した超音波を集中させるためにその径を徐々に縮径されるとともに被洗浄物としての半導体ウェハーの一側面との間隙を維持した状態で半導体ウェハーの一側面に対して垂直に配置されて前記超音波を縦方向に伝播させる第１振動ロッドと、該第１振動ロッドの一端に垂直に組み合わされて前記半導体ウェハーの一側面に塗布された洗浄液に縦方向に振動する超音波を横方向に伝播させて異物を遊離させるとともに前記第１振動ロッドに結合された一端の径を他端よりも相対的に小さく設定して前記縦方向の超音波による洗浄液への影響を回避する第２振動ロッドとを備えていることを特徴とするメガソニック洗浄モジュール。
2. 前記第１振動ロッドと第２振動ロッドとが、一体に成形されていることを特徴とする請求項１に記載のメガソニック洗浄モジュール。
3. 前記第１振動ロッドと第２振動ロッドとが、相互に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のメガソニック洗浄モジュール。
4. 前記バイブレータは、電源供給ユニットから電源の印加を受ける圧電素子を内部に有して該圧電素子の振動により超音波を発生させるように設計されていることを特徴とする請求項１に記載のメガソニック洗浄モジュール。
5. 前記第２振動ロッドの他端が、四角形、円形、多角形のいずれかの断面形状を呈していることを特徴とする請求項１に記載のメガソニック洗浄モジュール。
6. 前記第１振動ロッドと第２振動ロッドとが、石英、サファイア、ダイアモンド、ガラス質カーボンを含むガラス質固体物質のいずれか１つからなっていることを特徴とする請求項１に記載のメガソニック洗浄モジュール。
7. 前記第１振動ロッドと第２振動ロッドとが、ステンレス、チタニウム、アルミニウムを含む金属物質またはテフロンのような耐化学性材料でコーティングされた金属物質のいずれか１つからなっていることを特徴とする請求項１に記載のメガソニック洗浄モジュール。

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