JP5245528B2

JP5245528B2 - 洗浄装置

Info

Publication number: JP5245528B2
Application number: JP2008126581A
Authority: JP
Inventors: 宙江口; 彰石川; 武彦上田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-05-14
Also published as: JP2009277811A

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板を洗浄する洗浄装置に関する。

近年、半導体装置の製造工程において、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）によりウェハの表面を平坦化する工程が必須となってきている。このようなＣＭＰ処理を行った後には、スラリーに含まれていた研磨砥粒や、金属不純物等の微細な異物がウェハ上に残存するため、ウェハの洗浄が必要とされる。ウェハの洗浄を行う洗浄装置には、例えば、樹脂製の２つの洗浄用ブラシをウェハの表面および裏面に接触させながらそれぞれ回転させることにより、ウェハを洗浄する構成のものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００７−１９４２４４号公報

しかしながら、上述のような洗浄装置においては、ウェハの洗浄を行ったブラシをブラシ再生用の基板に擦りつけることにより、ブラシに付着した異物（研磨砥粒や金属不純物等の微粒子）を除去してブラシを再生させていたため、ブラシの寿命が短くなる一因となっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ブラシの寿命を長くした洗浄装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る洗浄装置は、基板を保持する保持機構と、前記基板を洗浄可能なブラシとを備え、前記保持機構に保持された前記基板に前記ブラシを当接させながら相対移動させて前記基板を洗浄するように構成された洗浄装置において、前記ブラシを洗浄するブラシ洗浄器を有し、前記ブラシ洗浄器は、前記ブラシの表面電位および前記ブラシに付着した異物の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする水素イオン濃度を有した液体を供給する液体供給装置を有し、前記液体供給装置により供給された前記液体中に前記ブラシを浸漬して、前記ブラシの表面電位および前記異物の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることにより、前記ブラシに付着した異物を前記ブラシから分離し前記液体中に混入させて除去するようになっている。

本発明によれば、ブラシの寿命を長くすることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した洗浄装置１の概略構成を図１および図２に示す。この洗浄装置１は、半導体ウェハ等の円板形の基板Ｗを洗浄するための装置であり、基板Ｗを回転可能に保持する保持機構１０と、洗浄ブラシ２１が装着された洗浄ブラシヘッド２０と、洗浄ブラシヘッド２０を駆動するヘッド駆動機構３０と、基板Ｗの表面に洗浄液を供給する洗浄液供給装置４０と、基板Ｗの表面に純水を供給する純水供給装置４５と、洗浄ブラシ２１の洗浄を行うブラシ洗浄器５０とを主体に構成される。

保持機構１０は、基板Ｗに対してそれぞれ等間隔（９０度間隔）に配設された第１〜第４のチャックローラ１１〜１４と、第２のチャックローラ１２と第３のチャックローラ１３との間に配設された回転ローラ１５とを有して構成され、第１〜第４のチャックローラ１１〜１４がそれぞれ基板Ｗの外周端部近傍を支持することにより、基板Ｗが略水平な状態で回転可能に保持される。基板Ｗの外周端部と接触する回転ローラ１５は、図示しない電気モータと連結されており、電気モータの回転駆動力を受けて回転するようになっている。そして、回転ローラ１５に対する回転駆動力は、基板Ｗと回転ローラ１５との間の摩擦力を利用して基板Ｗに伝達され、これにより、回転ローラ１５の回転駆動力を利用して基板Ｗが回転駆動されるようになっている。

洗浄ブラシヘッド２０は、図２に示すように、基板Ｗの表面を洗浄する洗浄ブラシ２１と、洗浄ブラシ２１を保持して回転可能なヘッド部材２２とを有して構成される。洗浄ブラシ２１は、樹脂等の高分子材料を用いて円盤状（ディスク状）に形成され、表面（下面）側で基板Ｗの表面洗浄を行う。ヘッド部材２２は、洗浄ブラシ２１よりも若干大きい外径を有する円盤状に形成され、下面側に洗浄ブラシ２１が着脱可能に装着される。また、ヘッド部材２２の上端部は、スピンドル２５を介してヘッド回転機構３１と連結されており、ヘッド部材２２および洗浄ブラシ２１が水平状態で保持されるとともに、ヘッド回転機構３１の回転駆動力を受けて、ヘッド部材２２とともに洗浄ブラシ２１が回転駆動されるようになっている。

ヘッド駆動機構３０は、洗浄ブラシヘッド２０（洗浄ブラシ２１）を水平面内で回転させるヘッド回転機構３１と、ヘッド回転機構３１とともに洗浄ブラシヘッド２０を水平方向に移動させるヘッド移動機構３２とを有して構成される。ヘッド回転機構３１は、図示しない電気モータ等を主体に構成され、スピンドル２５を介して洗浄ブラシヘッド２０（洗浄ブラシ２１）を回転駆動する。ヘッド移動機構３２は、保持機構１０およびブラシ洗浄器５０の上方に対向して設けられ、ヘッド回転機構３１と連結された洗浄ブラシヘッド２０を、昇降可能に且つ、保持機構１０の上方に位置して基板Ｗを洗浄可能な洗浄位置Ａとブラシ洗浄器５０の上方に位置して洗浄ブラシ２１を洗浄可能なリフレッシュ位置Ｂとの間で水平移動（往復移動）可能に構成される。

洗浄液供給装置４０は、図１に示すように、図示しない管路を介して保持機構１０の上方に配設された洗浄液供給ノズル４１から、基板Ｗを洗浄するための洗浄液を基板Ｗの表面に滴下して供給する。洗浄液供給装置４０から供給される洗浄液として、例えばクエン酸水溶液（約ｐＨ５）が用いられる。純水供給装置４５は、図示しない管路を介して保持機構１０の上方に配設された純水供給ノズル４６から、洗浄後の基板Ｗに残留した洗浄液を除去するための純水を基板Ｗの表面に滴下して供給する。

ブラシ洗浄器５０は、リフレッシュポット５１と、リフレッシュ液供給装置５５とを有して構成される。リフレッシュポット５１は、洗浄ブラシ２１およびヘッド部材２２よりも外径の大きい有底円筒状に形成され、ヘッド移動機構３２によりリフレッシュ位置Ｂに移動した洗浄ブラシヘッド２０を下降させると、リフレッシュポット５１内に洗浄ブラシ２１が収容されるようになっている。リフレッシュポット５１には、リフレッシュ液供給管５６を介してリフレッシュ液供給装置５５が接続されており、リフレッシュ液供給装置５５からリフレッシュポット５１内に、洗浄ブラシ２１を洗浄するためのリフレッシュ液Ｆが供給されて貯留されるようになっている。リフレッシュ液供給装置５５から供給されるリフレッシュ液Ｆとして、例えば水酸化ナトリウム（NaOH）水溶液（約ｐＨ１２）が用いられる。

また、リフレッシュポット５１には純水供給管５２が接続されており、純水供給装置４５からリフレッシュポット５１内に、洗浄後の洗浄ブラシ２１に残留したリフレッシュ液Ｆを除去するための純水が供給されて貯留されるようになっている。そのため、ヘッド移動機構３２によりリフレッシュ位置Ｂに移動した洗浄ブラシヘッド２０をリフレッシュポット５１内に下降させると、リフレッシュポット５１内に貯留されたリフレッシュ液Ｆもしくは純水に洗浄ブラシ２１を浸漬させることが可能になる。なお、リフレッシュポット５１の底部には、図示しない排水弁が設けられており、リフレッシュポット５１内に貯留された液体（リフレッシュ液Ｆもしくは純水）を外部に排出して、リフレッシュポット５１内に貯留される液体を入れ替えることができるようになっている。

以上のように構成される洗浄装置１を用いて基板Ｗの洗浄を行うには、まず、ブラシスクラブ洗浄処理を行う。このブラシスクラブ洗浄処理では、ヘッド移動機構３２により洗浄ブラシヘッド２０を洗浄位置Ａに移動させて、洗浄ブラシ２１を保持機構１０に保持された基板Ｗの上方に対向させ、保持機構１０により基板Ｗを回転させるとともに、ヘッド回転機構３１により洗浄ブラシヘッド２０（洗浄ブラシ２１）を回転させながら、洗浄ブラシヘッド２０を下降させて洗浄ブラシ２１を基板Ｗに当接させる。そして、洗浄液供給装置４０を用いて洗浄液供給ノズル４１から基板Ｗの表面（上面）に洗浄液を供給しながら、洗浄ブラシ２１を基板Ｗの表面に当接させた状態で回転させることにより、基板Ｗの洗浄が行われる。

このようにしてブラシスクラブ洗浄処理を行った後、ブラシリフレッシュ処理を行う。このブラシリフレッシュ処理では、ヘッド移動機構３２により洗浄ブラシヘッド２０をリフレッシュ位置Ｂに移動させて洗浄ブラシ２１をリフレッシュポット５１の上方に対向させ、ヘッド回転機構３１により洗浄ブラシヘッド２０（洗浄ブラシ２１）を回転させながら、洗浄ブラシヘッド２０を下降させてリフレッシュポット５１内に貯留されたリフレッシュ液Ｆに洗浄ブラシ２１を浸漬させる。なお、リフレッシュポット５１内に貯留されるリフレッシュ液Ｆは、リフレッシュ液供給装置５５からリフレッシュ液供給管５６を介してリフレッシュポット５１内に供給される。

ところで、基板Ｗの洗浄を行った洗浄ブラシ２１の表面には、図３（ａ）に示すように、研磨砥粒や金属不純物等といった微細な異物Ｂが付着する。異物Ｂの等電位点をｐＨ２とし、基板Ｗの等電位点をｐＨ３とし、洗浄ブラシ２１の等電位点をｐＨ６としたとき、図４に示すように、水素イオン濃度（ｐＨ）がｐＨ２以下もしくはｐＨ６以上の条件でブラシスクラブ洗浄処理を行なうと、基板Ｗと異物Ｂの表面電位は互いに正負が同じ表面電位となり、異物Ｂと洗浄ブラシ２１の表面電位も互いに正負が同じ表面電位となるため、基板Ｗと異物Ｂとの間に生じる斥力およびブラシスクラブによる機械的効果の２つの効果により、基板Ｗ上から異物Ｂを除去することが可能である。

さらに、水素イオン濃度（ｐＨ）がｐＨ３〜ｐＨ６の範囲でブラシスクラブ洗浄処理を行なうと、基板Ｗと異物Ｂの表面電位は互いに正負が同じ表面電位となり、異物Ｂと洗浄ブラシ２１の表面電位は互いに正負が異なる表面電位となるため、基板Ｗと異物Ｂとの間に生じる斥力およびブラシスクラブによる機械的効果、さらには異物Ｂと洗浄ブラシ２１との間に生じる引力の３つの効果により、基板Ｗ上から異物Ｂを効果的に除去することができる。このとき、図３（ａ）に示すように、異物Ｂと洗浄ブラシ２１との間に生じる引力のため、洗浄ブラシ２１の表面に異物Ｂが付着して蓄積されることとなるが、異物Ｂと洗浄ブラシ２１との間に斥力が生じるｐＨ２以下もしくはｐＨ６以上の条件で洗浄ブラシ２１をリフレッシュ（ブラシリフレッシュ処理）することにより、図３（ｂ）に示すように、洗浄ブラシ２１の表面に蓄積した異物Ｂを洗浄ブラシ２１からリフレッシュ液Ｆ中に分離して除去することが可能である。

なお、水素イオン濃度（ｐＨ）がｐＨ２〜ｐＨ３の範囲でブラシスクラブ洗浄処理を行なうと、基板Ｗと異物Ｂとの間に引力が生じるため、ブラシスクラブによる機械的効果により基板Ｗ上から異物Ｂが引き離されたとしても、当該引き離された異物Ｂが基板Ｗに再付着し、洗浄効率が悪いことが予想される。

なお、基板Ｗ、異物Ｂ、および洗浄ブラシ２１の表面電位は、基板Ｗ上もしくは洗浄ブラシ２１の表面に供給する液体（すなわち、洗浄液やリフレッシュ液、リンス水等）の水素イオン濃度（ｐＨ）を変化させることにより制御する。また、このような液体に含まれる電解質や界面活性剤の種類と濃度によっても制御することができる。

また、洗浄ブラシ２１の等電位点は、洗浄ブラシ２１の材質（例えば、高分子に含まれる酸性基（例えば、カルボキシル基）と塩基性基（例えば、アミノ基や水酸基）の配合比率）により制御することも可能である。また、洗浄ブラシ２１としてポリビニルアルコールをホルマール化したＰＶＡスポンジブラシを用いる場合には、ホルマール化度によっても等電位点を制御することができる。

このように、リフレッシュ液Ｆに洗浄ブラシ２１を浸漬させて、洗浄ブラシ２１から異物Ｂ（研磨砥粒や金属不純物等の微粒子）をリフレッシュ液Ｆ中に分離した後、図示しない排水弁によりリフレッシュポット５１内に貯留されたリフレッシュ液Ｆを外部に排出してから、純水供給装置４５により純水供給管５２を介してリフレッシュポット５１内に純水を供給し、リフレッシュポット５１内に貯留した純水に洗浄ブラシ２１を浸漬させる。これにより、洗浄後の洗浄ブラシ２１に残留したリフレッシュ液Ｆが除去される（すなわち、純水により洗浄ブラシ２１の表面がリンスされる）。

また、ブラシリフレッシュ処理と平行して、スプレーリンス処理およびスピンドライ処理が行われる。スプレーリンス処理では、保持機構１０により基板Ｗを回転させながら、純水供給装置４５を用いて純水供給ノズル４６から基板Ｗの表面（上面）に純水を供給する。これにより、洗浄後の基板Ｗに残留した洗浄液が除去される（すなわち、純水により基板Ｗの表面がリンスされる）。スプレーリンス処理の後、スピンドライ処理が行われ、このスピンドライ処理では、保持機構１０により基板Ｗを高速で回転させ、基板Ｗに付着した液体（純水等）を飛ばして基板Ｗを乾燥させる。

この結果、本実施形態の洗浄装置１によれば、ブラシ洗浄器５０が、洗浄ブラシ２１の表面電位を変化させて、洗浄ブラシ２１の表面電位および洗浄ブラシ２１に付着した異物Ｂの表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることにより、洗浄ブラシ２１から異物Ｂを分離して除去するため、洗浄ブラシ２１に大きなダメージを与えることなく洗浄ブラシ２１から異物Ｂを除去することができ、洗浄ブラシ２１の寿命を長くすることが可能になる。

またこのとき、リフレッシュ液供給装置５５およびリフレッシュポット５１を用いて、リフレッシュ液Ｆを洗浄ブラシ２１の表面に供給して洗浄ブラシ２１の表面電位を変化させ、洗浄ブラシ２１の表面電位および異物Ｂの表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることにより、洗浄ブラシ２１から異物Ｂをリフレッシュ液Ｆ中に分離して除去することが好ましく、このようにすれば、簡便な構成で洗浄ブラシ２１から異物Ｂを除去することが可能になる。

なお、本願の発明者は、本実施形態に関する実験を行っている。この実験ではまず、基板Ｗとして直径φ３００ｍｍのシリコンウェハを実験室内に暴露し、０．２μｍ以上の異物を１００００〜５００００個付着させた汚染サンプルを製作した。次いで、本実施形態の洗浄装置１を用いて汚染サンプルを洗浄し乾燥させた。そして、ウェハ異物検査器（図示せず）を用いて洗浄前後における０．２μｍ以上の異物の数を測定することにより、洗浄による異物の除去率を求めた。

この実験では、ブラシリフレッシュ処理を行わずに汚染サンプル１０枚を連続して洗浄する場合（以下、実験１と称する）と、汚染サンプル１枚を洗浄する毎にブラシリフレッシュ処理を行ないながら、汚染サンプル１０枚を洗浄する場合（以下、実験２と称する）とで、異物の除去率を比較した。

なお、実験１および実験２で行われるブラシスクラブ洗浄処理は、同じ処理条件であり、次に示すような条件でブラシスクラブ洗浄処理を行った。

洗浄ブラシの回転数：５００ｒｐｍ
ウェハの回転数：２０ｒｐｍ
洗浄液：クエン酸水溶液（約ｐＨ５）
洗浄液流量：１０００ｍｌ／ｍｉｎ
処理時間：１２０ｓｅｃ

また、実験１および実験２で行われるスプレーリンス処理は、同じ処理条件であり、次に示すような条件でスプレーリンス処理を行った。

ウェハの回転数：２０ｒｐｍ
リンス液：純水
リンス液流量：１０００ｍｌ／ｍｉｎ
処理時間：１２０ｓｅｃ

また、実験１および実験２で行われるスピンドライ処理は、同じ処理条件であり、次に示すような条件でスピンドライ処理を行った。

ウェハの回転数：１５００ｒｐｍ
処理時間：１２０ｓｅｃ

そして、実験２で行われるブラシリフレッシュ処理は、次に示すような条件で処理を行った。

洗浄ブラシの回転数：１０ｒｐｍ
リフレッシュ液：水酸化ナトリウム（NaOH）水溶液（約ｐＨ１２）
リフレッシュ液流量：１００ｍｌ／ｍｉｎ
処理時間：１２０ｓｅｃ

なお、異物Ｂと洗浄ブラシ２１の等電位点は不明であるが、一般にｐＨを十分大きくすることで、物体の（すなわち、異物Ｂおよび洗浄ブラシ２１の）表面電位は負（−）の表面電位になると考えられる。図５は、実験１および実験２における処理枚数と異物の除去率を示している。この図５から、洗浄ブラシ２１と異物Ｂとの間に斥力が生じるｐＨ領域のリンス水（リフレッシュ液）を用いて、洗浄ブラシ２１に堆積した異物Ｂを除去することにより、洗浄ブラシ２１の異物除去性能を維持できることがわかる。

なお、上述の実施形態において、図２の二点鎖線で示すように、リフレッシュポット５１の底部近傍に、異物捕集用の板状の回収部材６０を設け、この回収部材６０の表面電位が異物Ｂの表面電位と正負が異なる表面電位となるように制御することで、洗浄ブラシ２１からリフレッシュ液Ｆ中に分離された異物Ｂを回収部材６０に付着させるようにしてもよい。このようにすれば、回収部材６０に異物Ｂが付着してリフレッシュ液Ｆ中に異物Ｂが残留しないため、洗浄ブラシ２１から異物Ｂを効果的に除去することができる。なお、回収部材６０に異物Ｂが蓄積した場合、例えば薬液を用いて、回収部材６０の表面電位が異物Ｂの表面電位と正負が同じ表面電位となるように制御し、当該薬液をリフレッシュポット５１から排出するようにすれば、回収部材６０に蓄積した異物Ｂを除去して回収部材６０を繰り返し使用することが可能になる。

また、上述の実施形態において、洗浄ブラシ２１が円盤状（ディスク状）に形成されているが、これに限られるものではなく、例えば、円筒状に形成されていてもよく、球形に形成されていてもよい。

また、上述の実施形態において、リフレッシュポット５１に貯留されたリフレッシュ液Ｆに洗浄ブラシ２１を浸漬させることで、洗浄ブラシ２１から異物Ｂを分離して除去しているが、これに限られるものではなく、例えば、保持機構１０から基板Ｗを取り除いた状態で、洗浄ブラシヘッド２０を前述の洗浄位置Ａに位置させたまま、洗浄ブラシ２１の表面に前述のリフレッシュ液Ｆを吹きかけるようにすることで、洗浄ブラシ２１から異物Ｂを除去するようにしてもよい。

本発明に係る洗浄装置の平面図である。本発明に係る洗浄装置の側面図である。洗浄ブラシヘッドの拡大図である。表面電位と引力もしくは斥力との関係を示す図である。異物の除去率を示すグラフである。

符号の説明

Ｗ基板
Ｂ異物Ｆリフレッシュ液
１洗浄装置１０保持機構
２０洗浄ブラシヘッド
２１洗浄ブラシ２２ヘッド部材
５０ブラシ洗浄器
５１リフレッシュポット５５リフレッシュ液供給装置
６０回収部材

Claims

基板を保持する保持機構と、前記基板を洗浄可能なブラシとを備え、前記保持機構に保持された前記基板に前記ブラシを当接させながら相対移動させて前記基板を洗浄するように構成された洗浄装置において、
前記ブラシを洗浄するブラシ洗浄器を有し、
前記ブラシ洗浄器は、前記ブラシの表面電位および前記ブラシに付着した異物の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする水素イオン濃度を有した液体を供給する液体供給装置を有し、
前記液体供給装置により供給された前記液体中に前記ブラシを浸漬して、前記ブラシの表面電位および前記異物の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることにより、前記ブラシに付着した異物を前記ブラシから分離し前記液体中に混入させて除去することを特徴とする洗浄装置。
前記液体供給装置は、前記ブラシの表面電位および前記ブラシに付着した異物の表面電位を互いに正にする水素イオン濃度を有した液体を供給することを特徴とする請求項１に記載の洗浄装置。
前記液体供給装置は、前記ブラシの表面電位および前記ブラシに付着した異物の表面電位を互いに負にする水素イオン濃度を有した液体を供給することを特徴とする請求項１に記載の洗浄装置。
前記液体の水素イオン濃度は、１．０×１０ ^−２ｍｏｌ／Ｌ以下もしくは１．０×１０ ⁻⁶ ｍｏｌ／Ｌ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の洗浄装置。
前記ブラシ洗浄器は、前記ブラシから分離されて前記液体中に混入した前記異物を付着させる回収部材を有し、
前記回収部材の表面電位は、前記ブラシから分離されて前記液体中に混入した前記異物の表面電位と正負が異なる表面電位であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の洗浄装置。