JP6321353B2 - 基板洗浄装置および基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体と液体からなる二流体噴流をウェーハなどの基板に供給して基板を洗浄する基板洗浄装置に関し、特に研磨された基板の表面に二流体噴流を供給して該基板を洗浄する基板洗浄装置に関するものである。本発明の基板洗浄装置は、直径３００ｍｍのウェーハのみならず、直径４５０ｍｍのウェーハの洗浄にも適用でき、さらにはフラットパネル製造工程やＣＭＯＳやＣＣＤなどのイメージセンサー製造工程、ＭＲＡＭの磁性膜製造工程などにも適用することが可能である。

近年の半導体デバイスの微細化に伴い、基板上に物性の異なる様々な材料膜を形成して、当該材料膜を加工することが行われている。特に、絶縁膜に形成した配線溝を金属で埋めるダマシン配線形成工程では、金属膜形成後に基板研磨装置によって余分な金属を研磨し、除去する。研磨後の基板表面には、金属膜、バリア膜、絶縁膜などの様々な膜が存在する。基板表面上に露出したこれらの膜には、研磨にて使用されたスラリや研磨屑など残渣物が存在している。このような残渣物を除去するために、研磨された基板は基板洗浄装置に搬送され、基板表面が洗浄される。

基板表面が充分に洗浄されないと、残渣物に起因して電流リークが発生したり、密着性不良が発生するなど、信頼性の点で問題が発生する。そのため、半導体デバイスの製造において、基板の洗浄は、製品の歩留まりを向上させるために重要な工程となっている。

基板を洗浄するための装置として、気体と液体との混合流体からなる二流体噴流を基板の表面に供給する二流体洗浄装置が知られている。この二流体洗浄装置は、図７に示すように、二流体ノズル１００を基板Ｗの表面と平行に移動させながら二流体ノズル１００から二流体噴流を基板Ｗの表面に供給し、基板表面上に存在する砥粒や研磨屑などのパーティクルを除去する。

図８は、図７に示す二流体洗浄装置の構造を示す模式図である。図８に示すように、二流体ノズル１００には、その内部にある気体室１６０に気体を供給する気体供給ライン１５５と、二流体ノズル１００内の混合室１６１に液体を供給する液体供給ライン１５７とが接続されている。二流体ノズル１００はその上部に気体導入ポート１６４を有しており、この気体導入ポート１６４を介して気体供給ライン１５５は二流体ノズル１００に接続されている。

液体供給ライン１５７は、二流体ノズル１００内の気体室１６０を通って下方に延びており、液体供給ライン１５７の液体出口１５７ａは二流体ノズル１００の内部に位置している。気体室１６０は、液体供給ライン１５７の液体出口１５７ａの上方に位置しており、混合室１６１は液体供給ライン１５７の液体出口１５７ａの下方に位置している。純水などの液体は、液体供給ライン１５７を通じて二流体ノズル１００内の混合室１６１に供給される。

気体供給ライン１５５には気体供給弁１７１とフィルタ１７２が設けられている。気体供給ライン１５５を流れる気体（例えば、窒素ガスなどの不活性ガス）は、気体供給弁１７１とフィルタ１７２をこの順に通過し、気体導入ポート１６４を通じて二流体ノズル１００の気体室１６０内に流入する。気体供給弁１７１としては、流量制御弁（例えば、マスフローコントローラ）、エアオペレーションバルブ、開閉弁（ＯＮ−ＯＦＦバルブ）などが使用される。

液体と気体は混合室１６１内で混合されて高圧の二流体を形成する。気体が気体室１６０に供給される間、図９に示すように、気体供給弁１７１は短い周期（例えば、０．１〜１．０秒）で開閉される。したがって、気体は気体室１６０に間欠的に供給され、結果として二流体の流量が周期的に変化する。このように脈動する二流体の噴流が基板の表面に供給され、基板の表面から砥粒や研磨屑を除去する。

特開２００５−１２１９７号公報 特開２０１３−８９７９７号公報

気体供給弁１７１が周期的に開閉されると、混合室１６１で形成される二流体の流量も気体の流量に従って脈動すると予想される。しかしながら、気体供給弁１７１が短い周期で開閉すると、気体室１６０内に存在する残圧に起因して、図１０に示すように、二流体の流量の振幅が想定よりも小さくなる。その結果、二流体噴流の洗浄効果が低下してしまう。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、二流体噴流を大きく脈動させながら、二流体の噴流を基板に供給することができる基板洗浄装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような基板洗浄装置を備えた基板処理装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板を保持する基板保持部と、前記基板の表面に二流体噴流を供給する二流体ノズルと、前記二流体ノズル内の気体室に気体を供給する気体供給ラインと、前記気体供給ラインの気体流路を開閉する気体供給弁と、前記二流体ノズル内の混合室に液体を供給する液体供給ラインと、前記気体室内の前記気体を吸引する気体吸引ラインと、前記気体吸引ラインの気体流路を開閉する気体吸引弁と、前記気体供給弁および前記気体吸引弁に同じ周期で開閉動作を繰り返させるバルブ制御部とを備え、前記気体室は前記混合室に連通しており、前記気体供給弁が閉じた状態にあるとき、前記気体吸引弁は開いた状態にあることを特徴とする基板洗浄装置である。

本発明の好ましい態様は、前記気体吸引弁は、前記気体供給弁が閉じると同時に開くことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記気体吸引弁は、前記気体供給弁が閉じる前に開くことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記気体吸引ラインは、前記混合室の上方に位置する気体排出ポートを介して前記二流体ノズルに接続されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記周期は、０．１〜１．０秒であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記気体吸引ラインは、気体排出ポートを介して前記二流体ノズルに接続されており、前記気体排出ポートは前記混合室の上方に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記液体供給ラインは、前記気体室を通って下方に延びており、前記気体室は、前記液体供給ラインの液体出口の上方に位置しており、前記混合室は前記液体供給ラインの前記液体出口の下方に位置していることを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板を研磨する研磨ユニットと、前記研磨ユニットで研磨された基板を洗浄する上記基板洗浄装置とを備えたことを特徴とする基板処理装置である。

本発明によれば、二流体ノズルの気体室への気体の供給と気体の吸引が交互に繰り返される。すなわち、気体室内の残圧が除去された状態で、気体が気体室に供給される。したがって、二流体の流量を大きく変動させることができ、結果として、基板を効率よく洗浄することが可能となる。

本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を備えた基板処理装置の全体構成を示す平面図である。 第２洗浄ユニットに使用されている本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を示す斜視図である。 基板洗浄装置の構造を示す模式図である。 気体供給弁および気体吸引弁の開閉状態を示すグラフである。 図４に示すタイミングで気体供給弁および気体吸引弁が周期的に開閉しているときの二流体の流量を示すグラフである。 他の実施形態における気体供給弁および気体吸引弁の開閉状態を示すグラフである。 従来の二流体洗浄装置を示す模式図である。 図７に示す二流体洗浄装置の構造を示す模式図である。 気体供給弁の開閉状態を示すグラフである。 図９に示すタイミングで気体供給弁が周期的に開閉しているときの二流体の流量を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を備えた基板処理装置の全体構成を示す平面図である。図１に示すように、基板処理装置は、略矩形状のハウジング１０と、多数のウェーハ等の基板を収容する基板カセットが載置されるロードポート１２を備えている。ロードポート１２は、ハウジング１０に隣接して配置されている。ロードポート１２には、オープンカセット、ＳＭＩＦ（Standard Manufacturing Interface）ポッド、またはＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）を搭載することができる。ＳＭＩＦ、ＦＯＵＰは、内部に基板カセットを収納し、隔壁で覆うことにより、外部空間とは独立した環境を保つことができる密閉容器である。

ハウジング１０の内部には、複数（この実施形態では４つ）の研磨ユニット１４ａ〜１４ｄと、研磨後の基板を洗浄する第１洗浄ユニット１６及び第２洗浄ユニット１８と、洗浄後の基板を乾燥させる乾燥ユニット２０が収容されている。研磨ユニット１４ａ〜１４ｄは、基板処理装置の長手方向に沿って配列され、洗浄ユニット１６，１８及び乾燥ユニット２０も基板処理装置の長手方向に沿って配列されている。

ロードポート１２、研磨ユニット１４ａ、及び乾燥ユニット２０に囲まれた領域には、第１基板搬送ロボット２２が配置され、また研磨ユニット１４ａ〜１４ｄと平行に、基板搬送ユニット２４が配置されている。第１基板搬送ロボット２２は、研磨前の基板をロードポート１２から受け取って基板搬送ユニット２４に渡すとともに、乾燥後の基板を乾燥ユニット２０から受け取ってロードポート１２に戻す。基板搬送ユニット２４は、第１基板搬送ロボット２２から受け取った基板を搬送して、各研磨ユニット１４ａ〜１４ｄとの間で基板の受け渡しを行う。各研磨ユニットは、研磨面に研磨液（スラリー）を供給しながら、ウェーハなどの基板を研磨面に摺接させることで、基板の表面を研磨する。

第１洗浄ユニット１６と第２洗浄ユニット１８の間に位置して、これらの洗浄ユニット１６，１８および基板搬送ユニット２４の間で基板を搬送する第２基板搬送ロボット２６が配置され、第２洗浄ユニット１８と乾燥ユニット２０との間に位置して、これらの各ユニット１８，２０の間で基板を搬送する第３基板搬送ロボット２８が配置されている。更に、ハウジング１０の内部に位置して、基板処理装置の各ユニットの動きを制御する動作制御部３０が配置されている。

第１洗浄ユニット１６として、薬液の存在下で、基板の表裏両面にロールスポンジを擦り付けて基板を洗浄する基板洗浄装置が使用されている。第２洗浄ユニット１８として、本発明の実施形態に係る二流体タイプの基板洗浄装置が使用されている。また、乾燥ユニット２０として、基板を保持し、移動するノズルからＩＰＡ蒸気を噴出して基板を乾燥させ、更に高速で回転させることによって基板を乾燥させるスピン乾燥装置が使用されている。

基板は、研磨ユニット１４ａ〜１４ｄの少なくとも１つにより研磨される。研磨された基板は、第１洗浄ユニット１６と第２洗浄ユニット１８により洗浄され、さらに洗浄された基板は乾燥ユニット２０により乾燥される。

図２は、第２洗浄ユニット１８に使用されている本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を示す斜視図である。図２に示すように、この基板洗浄装置は、基板の一例であるウェーハＷを水平に保持して回転させる基板保持部４１と、ウェーハＷの上面に二流体噴流を供給する二流体ノズル４２と、この二流体ノズル４２を保持するノズルアーム４４とを備えている。二流体ノズル４２には、気体供給ライン５５と、気体吸引ライン５６と、液体供給ライン５７が接続されている。

基板保持部４１は、ウェーハＷの周縁部を保持する複数の（図２では４つの）チャック４５と、チャック４５に連結されたモータ４８とを備えている。チャック４５はウェーハＷを水平に保持し、この状態でウェーハＷはその中心軸線まわりにモータ４８によって回転される。

二流体ノズル４２はウェーハＷの上方に配置されている。ノズルアーム４４の一端に二流体ノズル４２が取り付けられ、ノズルアーム４４の他端には旋回軸５０が連結されている。二流体ノズル４２は、ノズルアーム４４および旋回軸５０を介してノズル移動機構５１に連結されている。より具体的には、旋回軸５０には、ノズルアーム４４を旋回させるノズル移動機構５１が連結されている。ノズル移動機構５１は、旋回軸５０を所定の角度だけ回転させることにより、ノズルアーム４４をウェーハＷと平行な平面内で旋回させるようになっている。ノズルアーム４４の旋回により、これに支持された二流体ノズル４２がウェーハＷの半径方向に移動する。

ノズル移動機構５１は、旋回軸５０を上下動させるノズル昇降機構５２に接続されており、これにより二流体ノズル４２は、ウェーハＷに対して相対的に上下動することができるようになっている。このノズル昇降機構５２は、二流体ノズル４２とウェーハＷの表面との距離を変える距離調整機構として機能する。

ウェーハＷは次のようにして洗浄される。まず、基板保持部４１は、ウェーハＷをその中心軸線まわりに回転させる。この状態で、二流体ノズル４２は、ウェーハＷの上面に二流体噴流を供給し、さらにウェーハＷの半径方向に移動する。ウェーハＷの上面は、二流体噴流によって洗浄される。

図３は、基板洗浄装置の構造を示す模式図である。図３に示すように、二流体ノズル４２には、その内部に形成されている気体室６０に気体を供給する気体供給ライン５５と、二流体ノズル４２内に形成されている混合室６１に液体を供給する液体供給ライン５７と、気体室６０内の気体を吸引する気体吸引ライン５６が接続されている。

二流体ノズル４２はその上部に気体導入ポート６４を有しており、この気体導入ポート６４を介して気体供給ライン５５が二流体ノズル４２に接続されている。二流体ノズル４２はその上部に気体排出ポート６５をさらに有しており、この気体排出ポート６５を介して気体吸引ライン５６が二流体ノズル４２に接続されている。気体導入ポート６４は、気体排出ポート６５よりも上方に位置している。

液体供給ライン５７は、二流体ノズル４２の気体室６０を通って下方に延びており、液体供給ライン５７の液体出口５７ａは二流体ノズル４２の内部に位置している。気体室６０は、液体供給ライン５７の液体出口５７ａの上方に位置しており、混合室６１は液体供給ライン５７の液体出口５７ａの下方に位置している。気体室６０と混合室６１は互いに連通している。

純水などの液体は、液体供給ライン５７を通じて二流体ノズル４２内の混合室６１に供給される。液体は、ポンプによって昇圧された状態で液体供給ライン５７内を移送されてもよいし、気体吸引ライン５６によって二流体ノズル４２内に形成される負圧に引かれて液体供給ライン５７内を移送されてもよい。

気体吸引ライン５６が二流体ノズル４２内の液体を吸引しないように、気体排出ポート６５は二流体ノズル４２内の混合室６１の上方に（すなわち、液体供給ライン５７の液体出口５７ａよりも上方に）配置されている。

気体供給ライン５５には気体供給弁７１とフィルタ７２が設けられている。気体供給ライン５５を流れる気体（例えば、窒素ガスなどの不活性ガス）は、気体供給弁７１とフィルタ７２をこの順に通過し、気体導入ポート６４を通じて二流体ノズル４２の気体室６０内に流入する。液体供給ライン５７からの液体と気体供給ライン５５からの気体は、混合室６１内で混合されて高圧の二流体を形成する。

気体供給弁７１は、気体供給ライン５５の気体流路を所定の周期で繰り返し開閉するように動作する。したがって、気体は気体室６０に間欠的に供給され、結果として二流体の流量が周期的に変化する。このように脈動する二流体の噴流が基板の表面に供給され、基板の表面から砥粒や研磨屑を除去する。

気体吸引ライン５６には、真空ポンプなどの真空源６７が接続される。この気体吸引ライン５６には、気体吸引弁７３が設けられている。気体吸引弁７３は、気体吸引ライン５６の気体流路を、気体供給弁７１と同じ周期で繰り返し開閉するように動作する。したがって、気体吸引ライン５６は、気体室６０内の気体を間欠的に吸引する。気体供給弁７１および気体吸引弁７３としては、流量制御弁（例えば、マスフローコントローラ）、エアオペレーションバルブ、開閉弁（ＯＮ−ＯＦＦバルブ）などが使用される。

液体が混合室６１に供給される間、気体室６０への気体の供給と、気体室６０からの気体の吸引が交互に繰り返されるように、気体供給弁７１および気体吸引弁７３の開閉動作は所定の周期（例えば、０．１〜１．０秒）で繰り返される。気体供給弁７１および気体吸引弁７３はバルブ制御部７５に接続されており、気体供給弁７１および気体吸引弁７３の開閉動作はバルブ制御部７５によって制御される。

図４は、気体供給弁７１および気体吸引弁７３の開閉状態を示すグラフである。図４において、縦軸は気体供給弁７１および気体吸引弁７３が開状態にあるか、または閉状態にあるかを示し、横軸は時間を表している。図４から分かるように、気体供給弁７１および気体吸引弁７３は同じ周期で開閉動作を繰り返すが、気体吸引弁７３の開閉状態は気体供給弁７１の開閉状態と反対である。すなわち、気体供給弁７１が開くと同時に気体吸引弁７３が閉じ、気体供給弁７１が閉じると同時に気体吸引弁７３が開くようになっている。

このように気体供給弁７１および気体吸引弁７３を同じ周期で交互に開閉することにより、気体室６０への気体の供給と気体室６０からの気体の吸引が交互に行われる。気体供給弁７１および気体吸引弁７３の開閉動作は、バルブ制御部７５によって制御されている。図４に示すように、バルブ制御部７５は、気体供給弁７１および気体吸引弁７３に同じ周期で開閉動作を繰り返させるように構成されている。

気体供給弁７１が閉じた状態のとき、気体吸引弁７３は開いた状態にある。気体室６０内の気体は気体吸引ライン５６を通じて吸引され、気体室６０内の残圧が除去される。図５は、図４に示すタイミングで気体供給弁７１および気体吸引弁７３が周期的に開閉しているときの二流体の流量を示すグラフである。気体室６０に気体が供給される前に気体室６０内の残圧が除去されるので、図５に示すように、二流体の噴流は大きく脈動し、結果として基板の表面を高効率で洗浄することができる。

図６は、他の実施形態における気体供給弁７１および気体吸引弁７３の開閉状態を示すグラフである。特に説明しない構成および動作は、上述した実施形態と同様であるのでその重複する説明を省略する。この実施形態は、気体供給弁７１が開くと同時に気体吸引弁７３が閉じる点で上述した実施形態と同じであるが、気体供給弁７１が閉じる前に気体吸引弁７３が開く点で異なっている。気体吸引弁７３の開閉周期は、気体供給弁７１の開閉周期と同じである。

図６に示す実施形態によれば、気体供給弁７１が閉じたときに遅延なく残圧が除去される。この場合も、気体供給弁７１が閉じた状態のとき、気体吸引弁７３は開いた状態にある。気体室６０への気体の供給と、気体室６０からの気体の吸引は交互に繰り返され、二流体の流量は、図５に示すグラフとほぼ同じように大きく脈動する。したがって、二流体の噴流によって基板の表面を高効率で洗浄することができる。

気体供給弁７１が閉じた状態にある間、気体吸引弁７３は常に開いた状態になくてもよい。例えば、気体供給弁７１が開く直前に（すなわち気体供給弁７１が閉じた状態にあるときに）、気体吸引弁７３が閉じてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１０ ハウジング
１２ ロードポート
１４ａ〜１４ｄ 研磨ユニット
１６ 第１洗浄ユニット
１８ 第２洗浄ユニット
２０ 乾燥ユニット
２２ 第１基板搬送ロボット
２４ 基板搬送ユニット
２６ 第２基板搬送ロボット
２８ 第３基板搬送ロボット
３０ 動作制御部
４１ 基板保持部
４２ 二流体ノズル
４４ ノズルアーム
４５ チャック
４８ モータ
５０ 旋回軸
５１ ノズル移動機構
５２ ノズル昇降機構（距離調整機構）
５５ 気体供給ライン
５６ 気体吸引ライン
５７ 液体供給ライン
６０ 気体室
６１ 混合室
６４ 気体導入ポート
６５ 気体排出ポート
６７ 真空源
７１ 気体供給弁
７２ フィルタ
７３ 気体吸引弁
７５ バルブ制御部

Claims (8)

1. 基板を保持する基板保持部と、
   前記基板の表面に二流体噴流を供給する二流体ノズルと、
   前記二流体ノズル内の気体室に気体を供給する気体供給ラインと、
   前記気体供給ラインの気体流路を開閉する気体供給弁と、
   前記二流体ノズル内の混合室に液体を供給する液体供給ラインと、
   前記気体室内の前記気体を吸引する気体吸引ラインと、
   前記気体吸引ラインの気体流路を開閉する気体吸引弁と、
   前記気体供給弁および前記気体吸引弁に同じ周期で開閉動作を繰り返させるバルブ制御部とを備え、
   前記気体室は前記混合室に連通しており、
   前記気体供給弁が閉じた状態にあるとき、前記気体吸引弁は開いた状態にあることを特徴とする基板洗浄装置。
2. 前記気体吸引弁は、前記気体供給弁が閉じると同時に開くことを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄装置。
3. 前記気体吸引弁は、前記気体供給弁が閉じる前に開くことを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄装置。
4. 前記気体吸引ラインは、前記混合室の上方に位置する気体排出ポートを介して前記二流体ノズルに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄装置。
5. 前記周期は、０．１〜１．０秒であることを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄装置。
6. 前記気体吸引ラインは、気体排出ポートを介して前記二流体ノズルに接続されており、
   前記気体排出ポートは前記混合室の上方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の基板洗浄装置。
7. 前記液体供給ラインは、前記気体室を通って下方に延びており、前記気体室は、前記液体供給ラインの液体出口の上方に位置しており、前記混合室は前記液体供給ラインの前記液体出口の下方に位置していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の基板洗浄装置。
8. 基板を研磨する研磨ユニットと、
   前記研磨ユニットで研磨された基板を洗浄する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の基板洗浄装置とを備えたことを特徴とする基板処理装置。

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