JP6491903B2 - 基板洗浄装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板の周縁部を複数のローラで保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させつつ基板に洗浄液を供給して基板を洗浄する基板洗浄装置および方法に関するものである。

半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウェハ等の基板の表面に成膜、エッチング、研磨などの各種処理が施される。これら各種処理のためには、基板の表面を清浄に保つ必要があるので、基板の洗浄処理が行われる。基板の洗浄処理には、基板の周縁部を複数のローラによって保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を押し当てて洗浄する洗浄機が広く用いられている。

上述したように、基板を複数のローラで挟み回転させる洗浄機においては、洗浄部材によって基板の表面に所定の圧力を加えつつ基板の表面を擦ることにより、基板の表面の汚れ（パーティクル等）を落とすようにしているため、基板とローラとの間にスリップが発生して基板の回転速度が設定回転速度より低下する場合がある。

特開平１０−２８９８８９号公報 特開平１１−２１９９３０号公報 特開２００３−７７８８１号公報

基板を複数のローラで挟み回転させる洗浄機において、基板とローラとの間にスリップが発生するかどうかは、ローラの接触部の摩耗の他、洗浄部材の回転速度および押付力、薬液の種類、基板周縁部の材料により変わる。基板とローラとの間のスリップを検知する方法はいくつか知られているが、従来はスリップが検知された後、ローラの接触部の交換やローラの押し付け力（クランプ力）の調整をマニュアルで行っている。種々の条件が変わるたびにそのような作業を行うことはきわめて煩雑であった。また、ローラのクランプ力を強めた状態で処理を継続すると、ローラの接触部の摩耗が進み、寿命が短くなる問題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、洗浄中に基板とローラとの間に発生するスリップの有無を監視し、スリップが発生した場合に基板に対するローラの押し付け力を自動的に調整することができる基板洗浄装置および方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の基板洗浄装置は、基板の周縁部を複数のローラで保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させつつ、基板に洗浄液を供給して基板を洗浄する基板洗浄装置において、基板の回転速度が設定された回転速度より低下する状態になる基板とローラとの間に発生するスリップを検知するスリップ検知手段と、前記ローラを所定の押し付け力で基板に押し付けるローラ押し付け機構と、前記スリップ検知手段が基板とローラとの間のスリップを検知した際に、前記ローラ押し付け機構による押し付け力を増加させる制御部とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、基板とローラとの間のスリップを検知した際に、基板へのローラの押し付け力（クランプ力）を増加させることにより、基板とローラとの間のスリップを解消することができる。したがって、基板の回転速度を直ちに設定回転速度に復帰させることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記スリップ検知手段は、基板の周縁部にあるノッチが前記ローラに当たることでローラに発生する振動を検出する振動センサからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記スリップ検知手段は、基板の周縁部にあるノッチを検出可能な光センサからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記スリップ検知手段は、基板の周縁部に接触して回転する従動ローラと、従動ローラの回転速度を測定する速度センサからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ローラ押し付け機構は、エアシリンダまたは電動シリンダからなることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御部は、前記スリップ検知手段から受信した信号が所定の閾値を下回った時に前記ローラ押し付け機構による押し付け力を増加させることを特徴とする。
本発明によれば、スリップ検知手段の信号が所定の閾値より低下したときに、基板とローラとの間にスリップが発生したと判定し、基板へのローラの押し付け力（クランプ力）を増加させる。これにより、スリップを解消することができる。

本発明の基板洗浄方法は、基板の周縁部を複数のローラで保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させつつ基板に洗浄液を供給して基板を洗浄する基板洗浄方法において、複数の回転するローラを所定の押し付け力で基板に押し付けて基板を設定された回転速度で回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させて洗浄し、前記洗浄中に、基板の回転速度が前記設定された回転速度より低下する状態になる基板とローラとの間に発生するスリップの有無を監視し、前記スリップが発生した際に、基板に対する前記ローラの押し付け力を増加させて基板の洗浄を継続することを特徴とする。
本発明によれば、基板とローラとの間のスリップを検知した際に、基板へのローラの押し付け力（クランプ力）を増加させることにより、基板とローラとの間のスリップを解消することができる。したがって、基板の回転速度を直ちに設定回転速度に復帰させることができる。

本発明の好ましい態様は、基板の周縁部にあるノッチが前記ローラに当たることでローラに発生する振動を検出する振動センサによって前記スリップを検知することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、基板の周縁部にあるノッチを検出可能な光センサによって基板の回転を監視することで、前記スリップを検知することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、基板の周縁部に接触して回転する従動ローラの回転を速度センサによって監視することで、前記スリップを検知することを特徴とする。

本発明の基板洗浄装置の調整方法の実施形態によれば、基板の周縁部を複数のローラで保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させつつ基板に洗浄液を供給して基板を洗浄する基板洗浄装置の調整方法において、前記洗浄部材が基板に接触していない状態で、基板に対する前記ローラの押し付け力を変更しながら、基板の回転状態を監視する。
本発明の実施形態によれば、前記ローラの押し付け力を次第に大きくしていき、基板の回転が始まるときの前記ローラの押し付け力を求める。

本発明の基板洗浄装置の調整方法の第２の実施形態によれば、基板の周縁部を複数のローラで保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させつつ、基板に洗浄液を供給して基板を洗浄する基板洗浄装置の調整方法において、前記洗浄部材を基板に接触させた状態で、基板に対する前記ローラの押し付け力を変更しながら、基板の回転状態を監視する。
本発明の実施形態によれば、前記ローラの押し付け力を次第に小さくしていき、基板とローラとの間のスリップが始まるときの前記ローラの押し付け力を求める。
本発明の基板洗浄装置の実施形態によれば、基板の周縁部を保持し基板を回転させる複数のローラと、基板の表面に洗浄液を供給する洗浄液供給ノズルと、前記複数のローラにより回転される基板の表面に接触して基板表面を洗浄する洗浄部材と、基板に対する前記複数のローラの押しつけ力を制御するコントローラと、受光部と投光部とからなる光センサとを備え、前記光センサは、回転している基板のノッチを検出可能な位置に光軸が設けられ、基板のノッチが前記光軸を通過するときに前記受光部が前記投光部からの光を受光し、電気的信号を生成して前記コントローラに該電気的信号を出力する。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）洗浄中に、散発的に生じる基板とローラとの間のスリップを検知したときに、その場でローラの押し付け力（クランプ力）を強め、基板とローラとの間のスリップを解消し、洗浄を継続することで、洗浄性能を維持することができる。
（２）処理条件に応じて頻繁に手動でローラの押し付け力（クランプ力）を調整するといった作業が必要でないため、ダウンタイムを削減できる。
（３）基板とローラとの間のスリップが発生しない限り、標準のローラの押付け力で処理するため、押し付け力を増加させたまま処理を継続してローラの摩耗が進行するという問題を解消することができる。
（４）装置のセッティング時あるいは基板の洗浄処理の開始前などに、基板の回転状態を監視しながら基板に対するローラの押し付け力（クランプ力）を調整することができる。したがって、基板を設定回転速度で回転させるためのクランプ力を最適化できる。

図１は、本説明に係る基板洗浄装置の全体構成を示す模式的斜視図である。 図２は、基板のスリップを検知してローラの押し付け力を制御する構成を備えた基板洗浄装置を示す模式図である。 図３は、図２に示すように構成された基板洗浄装置によるクランプ力の補正方法を示すグラフである。 図４は、基板のスリップを検知する検知手段の他の態様を示す模式的斜視図である。 図５は、基板のスリップを検知する検知手段の更に他の態様を示す模式的斜視図である。

以下、本発明に係る基板洗浄装置および方法の実施形態を図１乃至図５を参照して説明する。
図１は、本説明に係る基板洗浄装置の全体構成を示す模式的斜視図である。図１に示すように、基板洗浄装置１は、半導体ウェハ等の基板Ｗの周縁部を保持し基板Ｗをその軸心の周りに回転させる複数のローラ１と、ローラ１により回転される基板Ｗの表面に接触する洗浄部材２とを備えている。図示例では、４個のローラ１が設置されており、各ローラ１はスピンドル３に連結されている。４個のローラ１のうち、例えば、２個のローラ１はスピンドル３を介してモータ４に連結されていて回転駆動されるようになっており、基板Ｗに回転力を与え、他の２個のローラ１は基板Ｗの回転を支承するベアリングの働きをしている。なお、全てのローラ１をモータに連結して、全てのローラ１が基板Ｗに回転力を付与するように構成してもよい。

洗浄部材２は、円柱状で基板Ｗの直径とほぼ同じ長さを有した長尺状のＰＶＡからなるロールスポンジによって構成され、図示されないホルダーにより保持されている。洗浄部材２は基板Ｗの回転軸心と直交する回転軸心の周りに回転するように構成されている。なお、洗浄部材は、基板Ｗの直径より小さい直径を有し基板Ｗの回転軸心と平行な回転軸心の周りに回転するペンシル型洗浄部材であってもよい。また、基板Ｗの裏面側に、基板Ｗの裏面を洗浄する洗浄部材を配置し、表板Ｗの表裏面を同時に洗浄するように構成してもよい。

図１に示すように、左側の２つのローラ１は第１ステージ５−１により支持されており、右側の２つのローラ１は第２ステージ５−２により支持されている。第１ステージ５−１には、第１エアシリンダ６−１が連結されており、第２ステージ５−２には、第２エアシリンダ６−２が連結されている。また、第２ステージ５−２には加速度センサからなる振動センサ８が取り付けられている。

図１に示すように構成された基板洗浄装置は、以下のように動作する。
第１ステージ５−１と第２ステージ５−２とがそれぞれ第１エアシリンダ６−１と第２エアシリンダ６−２によって離間する方向に移動した状態で、基板Ｗが供給されると、第１エアシリンダ６−１と第２エアシリンダ６−２が作動して第１ステージ５−１と第２ステージ５−２とが前進し、基板Ｗの周縁部は４つのローラ１により保持される。すなわち、図１に示すように、基板Ｗは４つのローラ１により水平に保持された状態になる。この状態でモータ４を駆動してローラ１を回転駆動し、基板Ｗに回転力を付与し、モータ４に連結されていないローラ１によって基板Ｗの回転を支承する。

このように基板Ｗを回転させた状態で、図示されない洗浄液供給ノズルから基板Ｗの表面（上面）に洗浄液を供給しつつ、洗浄部材２を回転させながら下降させて回転中の基板Ｗの表面に所定の荷重で洗浄部材２を接触させる。これによって、洗浄液の存在下で基板Ｗの表面を洗浄部材２によりスクラブ洗浄する。
基板Ｗが回転している間、基板Ｗの周縁部にはノッチ（Ｖ字型の切れ込み）ｎが形成されているため、ノッチｎがローラ１に当たると、ローラ１が振動する。ローラ１の振動に伴い、ローラ１を支持している第１ステージ５−１と第２ステージ５−２とが振動する。この振動は、第２ステージ５−２に設置された加速度センサからなる振動センサ８によって検出することができる。

次に、振動センサ８によって検出した振動から基板Ｗとローラ１との間に発生したスリップを検知し、スリップが検知されたときに基板Ｗに対するローラ１の押し付け力（クランプ力）を増加させる構成について説明する。なお、基板とローラとの間に発生するスリップについて、基板のスリップと短縮して表記する場合もある。
図２は、基板Ｗのスリップを検知してローラ１の押し付け力を制御する構成を備えた基板洗浄装置を示す模式図である。図２に示すように、第２ステージ５−２に設置された振動センサ８はコントローラ（制御部）１０に接続されている。第２ステージ５−２を前後進させる第２エアシリンダ６−２は電空レギュレータ１１に接続されており、電空レギュレータ１１はコントローラ（制御部）１０に接続されている。図２においてローラ１、第１ステージ５−１、第２ステージ５−２、第１エアシリンダ６−１および第２エアシリンダ６−２の構成は、図１に示すとおりである。

図３は、図２に示すように構成された基板洗浄装置によるクランプ力の補正方法を示すグラフである。基板Ｗの洗浄中に、振動センサ８によって検出された振動は、内部にアンプや演算部等を備えたコントローラ（制御部）１０によって増幅された後に実効値変換される。その結果、コントローラ１０は図３の上段に示すようなＲＭＳ波形を得る。発明者らは、上記のシステムによって得られるＲＭＳ波形をモニタリングすると、基板のスリップが生じたときにＲＭＳ波形の値が小さくなることを確認した。そこで、コントローラ１０は、ＲＭＳ波形を監視し、図３の上段に示すように、ＲＭＳ波形が所定の閾値を下回ったら、基板Ｗの回転速度が設定回転速度より低下して基板Ｗのスリップが発生したと判定し、電空レギュレータ１１に圧力制御信号を送信する。電空レギュレータ１１は、コントローラ１０から送信された圧力制御信号に基づいて、図３の下段に示すように、上昇させたクランプエアー圧を第２エアシリンダ６−２に供給し、基板Ｗに対するローラ１の押し付け力（クランプ力）を増加させる。第２エアシリンダ６−２は、ローラ１を所定の押し付け力で基板Ｗに押し付けるローラ押し付け機構を構成している。ローラ押し付け機構は、エアシリンダに代えて電動シリンダであってもよい。コントローラ１０は、クランプ力を増加させた後に、図３の上段に示すように、ＲＭＳ波形が閾値を上回ったら、基板Ｗの回転速度が設定回転速度に回復したと判定し、電空レギュレータ１１に圧力制御信号を送信する。電空レギュレータ１１は、コントローラ１０から送信された圧力制御信号に基づいて、図３の下段に示すように、元の圧力に低下させたクランプエアー圧を第２エアシリンダ６−２に供給し、基板Ｗに対するローラ１の押し付け力（クランプ力）を標準設定値に戻す。

このように、本発明によれば、基板Ｗのスリップが検知されたときに、ローラ１のクランプ力を増加させて基板Ｗをスリップ状態から設定された回転速度に閉ループ制御（ＣＬＣ制御）によって回復させることができる。基板Ｗの洗浄中、ＲＭＳ波形を常時監視し、クランプ力の補正を常に行うことにより、散発的に生ずる基板のスリップを直ちに解消することができる。

図４は、基板Ｗのスリップを検知する検知手段の他の態様を示す模式的斜視図である。図４においては、洗浄部材２、第１ステージ５−１,第２ステージ５−２、第１エアシリンダ６−１,第２エアシリンダ６−２等は図示を省略している。
図４に示す実施形態では、基板Ｗの周縁部に形成されたノッチｎを検出する光センサ２０が設置されている。光センサ２０は、光を投光する投光部２１と、投光部２１からの光を受光する受光部２２とから構成されている。投受光部２１,２２は保持部２３により保持されている。また、投受光部２１,２２はコントローラ（制御部）１０に接続されている。

光センサ２０は、回転している基板Ｗのノッチｎを検出可能な位置に光軸を合わせてあり、投光部２１からの光は通常遮光状態であり、基板Ｗのノッチｎが光軸を通過する時にのみ受光部２２は投光部２１からの光を受光し、光を電気的信号に変換し、コントローラ１０に出力する。コントローラ１０は、光センサ２０からの信号に基づいて基板Ｗの回転速度が設定回転速度より低下したことを検知して基板Ｗのスリップが発生したと判定し、電空レギュレータ１１（図２参照）に圧力制御信号を送信する。電空レギュレータ１１は、コントローラ１０から送信された圧力制御信号に基づいて上昇させたクランプエアー圧を第２エアシリンダ６−２（図２参照）に供給し、基板Ｗに対するローラ１の押し付け力（クランプ力）を増加させる。その後、光センサ２０により基板Ｗの回転速度の監視を引き続き行い、基板Ｗの回転速度が設定回転速度に回復したら、基板Ｗへのローラ１の押し付け力（クランプ力）を標準設定値に戻す。

図５は、基板Ｗのスリップを検知する検知手段の更に他の態様を示す模式的斜視図である。図５においては、洗浄部材２、第１ステージ５−１,第２ステージ５−２、第１エアシリンダ６−１,第２エアシリンダ６−２等は図示を省略している。
図５に示す実施形態では、基板Ｗの周縁部に接触して回転する従動ローラ３０が設置されている。従動ローラ３０には、従動ローラ３０と一体に回転するスピンドル３１が固定されており、スピンドル３１の下端部を囲むように回転速度センサ３２が設置されている。図５に示す実施形態では、従動ローラ３０を基板Ｗの周縁部に接触させ、基板Ｗの回転を利用して従動ローラ３０を回転させ、従動ローラ３０の回転速度を回転速度センサ３２で測定するようにしている。回転速度センサ３２はコントローラ（制御部）１０に接続されている。コントローラ１０は、回転速度センサ３２からの信号に基づいて基板Ｗの回転速度が設定回転速度より低下したことを検知して基板Ｗのスリップが発生したと判定し、電空レギュレータ１１（図２参照）に圧力制御信号を送信する。電空レギュレータ１１は、コントローラ１０から送信された圧力制御信号に基づいて上昇させたクランプエアー圧を第２エアシリンダ６−２（図２参照）に供給し、基板Ｗに対するローラ１の押し付け力（クランプ力）を増加させる。その後、回転速度センサ３２により基板Ｗの回転速度の監視を引き続き行い、基板Ｗの回転速度が設定回転速度に回復したら、基板Ｗへのローラ１の押し付け力（クランプ力）を標準設定値に戻す。

次に、図１乃至図５に示すような構成を備えた基板洗浄装置を用いて、装置のセッティング時あるいは基板の洗浄処理の開始前などに、ローラ１の押し付け力（クランプ力）を調整する方法について説明する。
図１において、洗浄部材２が基板Ｗに接触していない状態においてローラ１の押し付け力（クランプ力）を次第に強めて基板Ｗの回転が始まるクランプ力を求め、この基板Ｗの回転が始まるクランプ力を基にして基板を設定回転速度で回転させるためのクランプ力を最適化することができる。この場合、基板Ｗの回転開始は、振動センサ８、光センサ２０、回転速度センサ３２により検知可能であり、クランプ力はコントローラ（制御部）１０により演算することができる。

また、洗浄部材２を基板Ｗに接触させ、基板Ｗを設定回転速度で回転させた状態においてローラの押し付け力（クランプ力）を徐々に弱くしていき、基板Ｗがスリップし始めるときのクランプ力を求める。そして、この基板Ｗがスリップし始めるときのクランプ力を基にして、クランプ力を段階的に少しずつ増加させていき、基板Ｗがスリップしなくなるときの最小のクランプ力を求めることができる。この場合、基板Ｗのスリップは、上述したように、振動センサ８、光センサ２０、回転速度センサ３２により検知可能であり、最小のクランプ力はコントローラ（制御部）１０により演算することができる。

図１乃至図５に示す実施形態においては、基板Ｗを水平の状態で回転させる構成としたが、基板Ｗを垂直の状態で回転させるようにしてもよい。
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ ローラ
２ 洗浄部材
３ スピンドル
４ モータ
５−１ 第１ステージ
５−２ 第２ステージ
６−１ 第１エアシリンダ
６−２ 第２エアシリンダ
８ 振動センサ
１０ コントローラ（制御部）
１１ 電空レギュレータ
２０ 光センサ
２１ 投光部
２２ 受光部
２３ 保持部
３０ 従動ローラ
３１ スピンドル
３２ 回転速度センサ
ｎ ノッチ
Ｗ 基板

Claims (10)

1. 基板の周縁部を複数のローラで保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させつつ、基板に洗浄液を供給して基板を洗浄する基板洗浄装置において、
   基板の回転速度が設定された回転速度より低下する状態になる基板とローラとの間に発生するスリップを検知するスリップ検知手段と、
   前記ローラを所定の押し付け力で基板に押し付けるローラ押し付け機構と、
   前記スリップ検知手段が基板とローラとの間のスリップを検知した際に、前記ローラ押し付け機構による押し付け力を増加させる制御部とを備えたことを特徴とする基板洗浄装置。
2. 前記スリップ検知手段は、基板の周縁部にあるノッチが前記ローラに当たることでローラに発生する振動を検出する振動センサからなることを特徴とする請求項１記載の基板洗浄装置。
3. 前記スリップ検知手段は、基板の周縁部にあるノッチを検出可能な光センサからなることを特徴とする請求項１記載の基板洗浄装置。
4. 前記スリップ検知手段は、基板の周縁部に接触して回転する従動ローラと、従動ローラの回転速度を測定する速度センサからなることを特徴とする請求項１記載の基板洗浄装置。
5. 前記ローラ押し付け機構は、エアシリンダまたは電動シリンダからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板洗浄装置。
6. 前記制御部は、前記スリップ検知手段から受信した信号が所定の閾値を下回った時に前記ローラ押し付け機構による押し付け力を増加させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板洗浄装置。
7. 基板の周縁部を複数のローラで保持しつつローラを回転駆動することにより基板を回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させつつ基板に洗浄液を供給して基板を洗浄する基板洗浄方法において、
   複数の回転するローラを所定の押し付け力で基板に押し付けて基板を設定された回転速度で回転させ、回転する基板に洗浄部材を接触させて洗浄し、
   前記洗浄中に、基板の回転速度が前記設定された回転速度より低下する状態になる基板とローラとの間に発生するスリップの有無を監視し、
   前記スリップが発生した際に、基板に対する前記ローラの押し付け力を増加させて基板の洗浄を継続することを特徴とする基板洗浄方法。
8. 基板の周縁部にあるノッチが前記ローラに当たることでローラに発生する振動を検出する振動センサによって前記スリップを検知することを特徴とする請求項７記載の基板洗浄方法。
9. 基板の周縁部にあるノッチを検出可能な光センサによって基板の回転を監視することで、前記スリップを検知することを特徴とする請求項７記載の基板洗浄方法。
10. 基板の周縁部に接触して回転する従動ローラの回転を速度センサによって監視することで、前記スリップを検知することを特徴とする請求項７記載の基板洗浄方法。

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