JP6566683B2 - 基板洗浄方法および基板洗浄装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスクラスターを用いた基板洗浄方法および基板洗浄装置に関する。
半導体デバイスの製造過程においては、基板に付着しているパーティクルが製品の欠陥につながるため、基板に付着したパーティクルを除去する洗浄処理が行われる。このような基板洗浄技術としては、基板表面にガスクラスターを照射して、その物理的な作用により基板表面のパーティクルを除去する技術が注目されている。
ガスクラスターを用いて基板表面を洗浄する方法としては、ＣＯ２等のクラスター生成用ガスを高圧にしてノズルから噴射し、断熱膨張によりガスクラスターを生成させ、生成されたガスクラスターをイオン化部でイオン化し、これを加速電極により加速して形成されたガスクラスターイオンビームを基板に照射する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
一方、基板洗浄に関するものではないが、断熱膨張により生成された中性のガスクラスターを基板に照射する技術も知られており（例えば特許文献２）、このような技術を基板の洗浄処理に適用して、基板への電気的ダメージを低減することも検討されている。
特開平４−３５４８６５号公報 国際公開第２０１０／０２１２６５号パンフレット
ところで、上記特許文献１のようにガスクラスターイオンビームを用いて基板の洗浄を行う場合、および特許文献２のように中性のガスクラスタービームを用いて基板の洗浄を行った場合のいずれも、ガスクラスタービームによりパーティクルが除去される際に、基板とパーティクルとの摩擦によりこれらが帯電し、パーティクルが基板に再付着する可能性があることが判明した。
また、特許文献２のような中性のガスクラスタービームを用いてパーティクルを物理的に除去する場合には、ガスクラスターが加速されないため、物理的作用を十分に引き出せない可能性があり、洗浄が十分に行われないおそれがある。クラスターサイズを大きくすることにより物理力を向上させることができるが、この場合、クラスターサイズより小さいパーティクルの除去率を効果的に向上させることは難しい。またクラスターサイズを大きくすることは、基板上の微細な構造物（パターン）にダメージを与える可能性も大きくなる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、ガスクラスターを用いて、被処理基板に対するパーティクルの再付着を抑制しつつ、被処理基板に付着したパーティクルを高い除去率で除去することができる基板洗浄方法および基板洗浄装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、ガスクラスターを用いて基板を洗浄する基板洗浄方法であって、処理容器内に被処理基板を配置し、その中を排気して真空に保持することと、前記処理容器内にクラスター生成ガスを高圧力で噴射させて断熱膨張させることによりガスクラスターを生成し、前記被処理基板に向けて照射することと、前記ガスクラスターに電磁波を照射し、前記ガスクラスターの少なくとも一部を荷電ガスクラスターにすることと、前記荷電ガスクラスターを前記被処理基板に到達する前に加速させることと、前記加速された荷電ガスクラスターが前記被処理基板に到達する前に、前記荷電ガスクラスターに電磁波を照射して前記荷電ガスクラスターを除電し、前記被処理基板のチャージダメージを抑制することと、前記ガスクラスターを前記被処理基板に衝突させて前記被処理基板上のパーティクルを除去することと、前記被処理基板上のパーティクルを除去した際に、帯電した前記被処理基板およびパーティクルに電磁波を照射して除電することと、前記被処理基板から除去され、除電されたパーティクルを排気流とともに前記処理容器から排出させることとを含み、前記前記荷電ガスクラスター、前記被処理基板および除去されたパーティクルを除電する際に、前記荷電ガスクラスターを生成する際の電磁波源から放射される電磁波を用いることを特徴とする基板洗浄方法を提供する。
本発明の第２の観点は、ガスクラスターを用いて基板を洗浄する基板洗浄装置であって、被処理基板が配置され、真空に保持される処理容器と、前記処理容器内を排気する排気機構と、前記処理容器内にクラスター生成ガスを高圧力で噴射させて断熱膨張させることによりガスクラスターを生成し、前記被処理基板に向けて照射するガスクラスター生成機構と、前記ガスクラスターに電磁波を照射することにより前記ガスクラスターの少なくとも一部を荷電ガスクラスターにする荷電手段と、前記荷電ガスクラスターを、前記被処理基板に到達する前に加速させる手段と、前記被処理基板に到達する前の前記荷電ガスクラスターに電磁波を照射して除電し、かつ前記加速されたガスクラスターを含む前記ガスクラスターにより前記被処理基板上のパーティクルが除去された際に、帯電した前記被処理基板および前記パーティクルに電磁波を照射して除電する除電手段とを具備し、前記荷電手段および前記除電手段は、共通の電磁波源を有し、前記電磁波源から照射される電磁波により荷電および除電を行い、前記被処理基板に到達する前の前記荷電ガスクラスターを前記除電手段により除電することにより、前記被処理基板のチャージダメージを抑制するとともに、前記被処理基板から除去され、前記除電手段により除電されたパーティクルを、前記排気機構により排気流とともに前記処理容器から排出させることを特徴とする基板洗浄装置を提供する。
本発明において、前記電磁波として真空紫外線を用いることができる。
さらに、前記荷電ガスクラスターの加速は、前記荷電ガスクラスターが前記被処理基板に到達するまでの間で、前記荷電ガスクラスターと逆の極性を有する電荷により前記荷電ガスクラスターを引き込むことにより行うことができる。
さらにまた、前記処理容器内の基板配置領域を覆う着脱可能なカバーを有することが好ましい。また、前記被処理基板は、接地された基板保持体に保持され、前記基板保持体を通して接地されていることが好ましい。
本発明によれば、被処理基板に向けて照射された荷電ガスクラスターを被処理基板に到達する前に加速させ、加速された荷電ガスクラスターを被処理基板に衝突させるので、ガスクラスターのエネルギーが高く、除去しづらい形態のパーティクルをも除去することができ、パーティクルの除去率を高くすることができる。また、帯電した被処理基板やパーティクルを除電し、被処理基板から除去されたパーティクルを排気流とともに排出するので、被処理基板に対するパーティクルの再付着を抑制することができる。また、被処理基板を除電することにより、被処理基板のチャージダメージを抑制することもできる。さらに荷電クラスターを被処理基板衝突前に除電することで、被処理基板へのチャージダメージや過剰な電荷の付加を抑制することができる。
本発明の第１の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る基板洗浄装置の処理動作を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。 Ｈｅガスの混合比とガスクラスター速度（供給ガス：ＣＯ２１００％で生成したガスクラスターの速度を１とした相対値）との関係を示す図である。 第４の実施形態により荷電ガスクラスターが生成されることを検証した実験に用いた計測システムを示す模式図である。 クラスター生成ガスであるＣＯ２ガスのみを供給した場合と、ＣＯ２ガスにＨｅを混合して供給した場合（ＣＯ２：Ｈｅ＝１：１およびＣＯ２：Ｈｅ＝１：９）と、Ｈｅのみを供給した場合とについて、ガスの供給圧力を変化させた際の図７の計測システムにより計測されるイオン電流を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。 ガス速度の一次理論式のモデルを説明するための図である。 本発明の第６の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。 荷電ガスクラスターを加速させる手段の他の例を示す断面図である。 荷電ガスクラスターを加速させる手段のさらに他の例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。
基板洗浄装置１００は、基板に付着したパーティクルをガスクラスターにより除去して基板の洗浄処理を行うものである。
この基板洗浄装置１００は、洗浄処理を行うための処理室を区画する処理容器１を有している。処理容器１内には被処理基板Ｓを載置する基板載置台２が設けられている。被処理基板Ｓとしては、半導体ウエハや、フラットパネルディスプレイ用のガラス基板等、種々のものを挙げることができ、付着したパーティクルを除去する必要があるものであれば特に限定されない。基板載置台２は駆動機構３により駆動されるようになっている。
処理容器１の側壁下部には排気口４が設けられており、排気口４には排気配管５が接続されている。排気配管５には、真空ポンプ６が設けられており、この真空ポンプ６により処理容器１内が真空排気されるようになっている。このときの真空度は排気配管５に設けられた圧力制御バルブ７により制御可能となっている。これらにより排気機構が構成され、これにより処理容器１内が所定の真空度に保持される。
基板載置台２の上方には、被処理基板Ｓに洗浄用のガスクラスターを照射するガスクラスター照射機構１０が配置されている。ガスクラスター照射機構１０は、処理容器１内の上部に基板載置台２に対向して設けられたクラスターノズル１１と、処理容器１外に設けられた、クラスターノズル１１にクラスターを生成するためのガスを供給するクラスター生成ガス供給部１２と、クラスター生成ガス供給部１２からのガスをクラスターノズル１１へ導くガス供給配管１３とを有している。ガス供給配管１３には、開閉バルブ１４および流量制御器１５が設けられている。クラスターノズル１１は、先端が末広がりのコニカルノズルとして構成されているが、形状はこれに限定されない。
クラスター生成ガス供給部１２からクラスター生成ガスを供給する際には、図示していない昇圧器（ガスブースター）により昇圧され、例えば５ＭＰａ以下の高圧にされる。また、やはり図示はしていないが、ガス供給配管１３には圧力計が設けられており、その圧力計が計測した圧力値に基づいて供給圧力が制御される。クラスターノズル１１からクラスター生成ガスが真空に保持された処理容器１（処理室）内に噴射されると、クラスター生成ガスが断熱膨張し、ガスの原子または分子の一部がファンデルワールス力により数個から約１０７個凝集し、ガスクラスターが生成される。
クラスター生成ガスは特に限定されないが、ＣＯ２ガス、Ａｒガス、Ｎ２ガス、ＳＦ６ガス、ＣＦ４ガス等が例示される。これらは単独でも、混合したものでも適用可能である。
生成されたガスクラスターを破壊させずに被処理基板Ｓに噴射させるためには、処理容器１内の圧力は低いほうがよく、例えば、クラスターノズル１１に供給するガスの供給圧力が１ＭＰａ以下では１０Ｐａ以下、供給圧力が１〜５ＭＰａでは３００Ｐａ以下であることが好ましい。
処理容器１の一方の側壁には、処理容器１の内部に真空紫外線（ＶＵＶ）を放射するＶＵＶランプ２０が設けられている。ＶＵＶランプ２０から放射されたＶＵＶは、そのエネルギーによって照射領域の気体をイオン化させる作用を有する。したがって、クラスターノズル１１から噴射されたガスクラスターＣにＶＵＶが照射されることによりガスクラスターＣの少なくとも一部が、マイナスまたはプラスに荷電され、荷電粒子となる。
また、クラスターノズル１１から噴射されたガスクラスターＣが被処理基板Ｓに衝突し、被処理基板Ｓに付着しているパーティクルが除去される際に、被処理基板Ｓとパーティクルの摩擦等により、これらが帯電して、パーティクルが被処理基板Ｓに再付着するおそれがあるが、ＶＵＶランプ２０からのＶＵＶは、被処理基板Ｓの近傍雰囲気にも照射されてイオンが生成され、生成されたイオンにより、帯電した被処理基板Ｓおよびパーティクルが除電され、パーティクルの再付着が抑制される。
すなわち、ＶＵＶランプ２０は、ガスクラスターＣを荷電させる荷電手段（イオン化手段）、ならびに、被処理基板Ｓおよび被処理基板Ｓから除去されたパーティクルおよび荷電クラスターを除電する除電手段として機能する。なお、このような荷電手段や除電手段としては、ＶＵＶに限らず、気体をイオン化させるエネルギーを有する波長の電磁波であれば使用することができ、Ｘ線やガンマ線、紫外線の一部等、波長が３００ｎｍ以下の電磁波を好適に用いることができる。
処理容器１内におけるクラスターノズル１１と基板載置台２上の被処理基板Ｓとの間には、ＶＵＶ照射により荷電されたガスクラスターＣを加速する加速手段としての加速用電極２１が設けられている。加速用電極２１には電源２２から電圧が印加される。この際の電圧は、０．１〜２０ｋＶ程度が好ましい。
また、加速用電極２１の下には、接地された接地電極２３が設けられている。処理容器１および基板載置台２も接地されている。これらが接地されていることにより、パーティクルに作用する静電気的な力の影響を小さくすることができる。
上述した駆動機構３は、クラスターノズル１１から噴射されたガスクラスターＣが被処理基板Ｓの全面に照射されるように基板載置台２を一平面内で移動させるものであり、例えばＸＹテーブルからなっている。なお、このように駆動機構３により基板載置台２を介して被処理基板Ｓを平面移動させる代わりに、クラスターノズル１１を平面移動させてもよく、また、基板載置台２とクラスターノズル１１との両方を平面移動させてもよい。また、基板載置台２を回転させて、クラスターノズルを移動させてもよい。
処理容器１の側面には、被処理基板Ｓの搬入出を行うための搬入出口（図示せず）が設けられており、この搬入出口を介して真空搬送室（図示せず）に接続されている。搬入出口はゲートバルブ(図示せず)により開閉可能となっており、真空搬送室内の基板搬送装置により、処理容器１に対する被処理基板Ｓの搬入出が行われる。
基板洗浄装置１００は、制御部３０を有している。制御部３０は、基板洗浄装置１００のガスの供給（開閉バルブ１４および流量制御器１５）、ガスの排気（圧力制御バルブ７）、駆動機構３による基板載置台２の駆動、ＶＵＶランプ２０によるＶＵＶの照射、電源２２の電圧等を制御する、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたコントローラを有している。コントローラには、オペレータが基板洗浄装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、基板洗浄装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等が接続されている。また、コントローラには、基板洗浄装置１００における処理をコントローラの制御にて実現するための制御プログラムや処理条件に応じて基板洗浄装置１００の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムである処理レシピや、各種データベース等が格納された記憶部が接続されている。レシピは記憶部の中の適宜の記憶媒体に記憶されている。そして、必要に応じて、任意のレシピを記憶部から呼び出してコントローラに実行させることで、コントローラの制御下で、基板洗浄装置１００での所望の処理が行われる。
次に、以上のような基板洗浄装置１００の処理動作について、図２を参照して説明する。
まず、ゲートバルブを開けて搬入出口を介して被処理基板Ｓを搬入し、基板載置台２上に載置し、処理容器１内を真空ポンプ６により真空引きして所定圧力の真空状態とするとともに、クラスター生成ガス供給部１２からＣＯ２ガス等のクラスター生成ガスを、所定流量で昇圧器（ガスブースター）により昇圧して、所定の供給圧力でクラスターノズル１１から噴射する。これにより、クラスターノズル１１から噴射されたクラスター生成ガスが断熱膨張し、ほぼ中性のガスクラスターＣが生成される（図２（ａ））。なお、昇圧器を用いずにクラスター生成ガスの流量のみで供給圧力を調整してもよい。
クラスターノズル１１から噴射されたガスクラスターＣに、ＶＵＶランプ２０から放射されたＶＵＶが照射されることにより、ガスクラスターＣの少なくとも一部はマイナスまたはプラスに帯電される。そして、加速用電極２１に例えば正電荷が供給されることにより、マイナスに帯電したガスクラスターＣは、加速用電極２１に引き込まれて加速される。一方、プラスに帯電したガスクラスターＣは、加速用電極２１と反発し、加速用電極２１外へ移動して排気される（図２（ｂ））。加速用電極２１に引き込まれて加速された荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣは、保有するエネルギーが増加し、洗浄力が増大する。
この際に、被処理基板Ｓに照射されるガスクラスターＣの数は、プラスに帯電したガスクラスターＣの数だけ減少するが、被処理基板Ｓに到達するガスクラスターＣの数が基板洗浄に十分な数になるように、クラスターノズル１１から噴射されるガスクラスターＣの数を調整すればよい。
加速用電極２１を通過したガスクラスターＣのうち荷電ガスクラスターは、加速時の速度をそのまま維持して高いエネルギーを保持したまま、ＶＵＶランプ２０によるＶＵＶ照射雰囲気中のプラスチャージ（プラスイオン）により電気的に中和される（図２（ｃ））。これにより、被処理基板Ｓへのチャージダメージや過剰な電荷の付加を抑制することができる。
そして、加速用電極２１で加速された高エネルギーの荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣを被処理基板Ｓに衝突させることにより、ガスクラスターＣの物理的エネルギーによって基板Ｓの表面に付着するパーティクルＰを高い除去率で除去することができる。
ところで、パーティクルＰが被処理基板Ｓから除去される際に、被処理基板ＳとパーティクルＰとの摩擦により、基板ＳおよびパーティクルＰがプラスまたはマイナスに帯電するため、被処理基板Ｓから除去されたパーティクルＰが被処理基板Ｓへ再付着することが懸念される。しかし、本実施形態では、ＶＵＶランプ２０からのＶＵＶが被処理基板Ｓの近傍雰囲気にも照射され、それにより生成されたイオンにより、帯電された被処理基板ＳおよびパーティクルＰが中和されて除電され、除電されたパーティクルＰは排気口４から排気される（図２（ｄ））。したがって、被処理基板Ｓへのパーティクルの再付着を極めて有効に抑制することができる。
このとき、パーティクルＰは完全に中和されずに一部電荷が残る可能性があるが、被処理基板Ｓ（基板載置台２）や処理容器１は接地されており、パーティクルへの静電的な影響は小さいため、その場合でもパーティクルは被処理基板Ｓや処理容器１に再付着することなく排気流とともに排気される。
なお、被処理基板Ｓが接地されていることにより、仮に被処理基板Ｓ以外から帯電したパーティクルが発塵した場合も、それらの再付着を極めて有効に抑制することができる。
このように、本実施形態によれば、被処理基板Ｓに向けて照射されたガスクラスターの少なくとも一部をＶＵＶにより荷電させ、加速用電極２１で加速して被処理基板Ｓに衝突させるので、ガスクラスターＣのエネルギーが高く、より小さいパーティクルや、膜状に形成されたパーティクル（膜状不純物）等、除去しづらい形態のパーティクルをも除去することができ、パーティクルの除去率を高くすることができる。また、帯電した被処理基板やパーティクルをＶＵＶにより除電し、被処理基板Ｓから除去されたパーティクルを排気流とともに排出するので、被処理基板Ｓに対するパーティクルの再付着を抑制することができる。さらに、ＶＵＶランプ２０からのＶＵＶにより、被処理基板Ｓに衝突する前の荷電ガスクラスターを電気的に中和（除電）することにより、被処理基板Ｓのチャージダメージ（イオンダメージ）を抑制することもできる。
また、一つのＶＵＶランプ２０が、ガスクラスターＣを荷電させる手段、ならびに、被処理基板Ｓおよび被処理基板Ｓから除去されたパーティクルを除電する手段および荷電クラスターを除電する手段として機能するので、装置構成を簡易にすることができる。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。
本実施形態においては、第１の実施形態のＶＵＶランプ２０の代わりに、ガスクラスターＣを荷電する手段としてのＶＵＶランプ２０ａと、被処理基板Ｓおよび被処理基板Ｓから除去されたパーティクルおよび荷電クラスターを除電する手段としてのＶＵＶランプ２０ｂの２つのＶＵＶランプを設け、さらに、処理容器１内の加速用電極２１より下の基板配置領域を着脱可能なカバー４１で覆うようにし、カバー４１を接地している。その他の構成は第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
本実施形態の基板洗浄装置１０１においては、クラスターノズル１１から被処理基板Ｓに向けて照射されガスクラスターＣの少なくとも一部はＶＵＶランプ２０ａからのＶＵＶにより荷電され、この荷電ガスクラスターは加速用電極２１で加速された状態で被処理基板Ｓに衝突する。このため、荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣは高い物理的エネルギーを保有し、この物理的エネルギーによって被処理基板Ｓの表面に付着するパーティクルＰを高い除去率で除去することができる。また、ＶＵＶランプ２０ｂからのＶＵＶにより、帯電された被処理基板Ｓおよびパーティクルを除電し、除去したパーティクルを排気流とともに排出するので、パーティクルの再付着を抑制することができる。また、ＶＵＶランプ２０ｂからのＶＵＶにより、被処理基板Ｓに衝突する前の荷電ガスクラスターを電気的に中和（除電）することにより、被処理基板Ｓのチャージダメージを抑制することもできる。
このとき、処理容器１内の基板配置領域を着脱可能なカバー４１で覆うようにしたので、被処理基板Ｓから除去されたパーティクルをカバー４１に付着させることができ、処理後にカバー４１を取り外して洗浄した後、再度設置することにより、清浄度の高い洗浄プロセスを継続的に実施することができる。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。
本実施形態の基板洗浄装置１０２においては、第２の実施形態のガスクラスターＣを荷電させる手段としてのＶＵＶランプ２０ａの代わりに、処理容器１外にイオン化源４２を設け、イオン化源４２により生成したイオン成分を、処理容器１内のガスクラスター通過部に導入するようにしている。また、第１の実施形態と同様の接地電極２３が設けられている。その他の構成は第２の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
イオン化源４２は、容器４３と、容器４３内にＡｒガスのようなイオン化ガスを導入するイオン化ガス導入部４４と、容器４３内に設けられたプラズマ源４５とを有する。容器４３内でプラズマ源４５により生成されたプラズマ中のイオンおよび電子が、プラズマ導入管４６を経て、処理容器１内において区画部材４７で区画されたガスクラスター通過領域に導入される。これにより、クラスターノズル１１から被処理基板Ｓに向けて照射されたガスクラスターＣの少なくとも一部がイオン化されて荷電ガスクラスターとなり、加速用電極２１で加速され、加速された荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣが被処理基板に衝突する。これにより、その際の物理的エネルギーによって基板Ｓの表面に付着するパーティクルＰを高い除去率で除去することができる。また、ＶＵＶランプ２０ｂからのＶＵＶにより、帯電された被処理基板Ｓおよび除去されたパーティクルを除電し、排気流とともに排出するので、被処理基板Ｓに対するパーティクルの再付着を抑制することができる。また、ＶＵＶランプ２０ｂからのＶＵＶにより、被処理基板Ｓに衝突する前の荷電ガスクラスターを電気的に中和（除電）することにより、被処理基板Ｓへのチャージダメージ等を抑制することもできる。
このとき、区画部材４７で区画されたガスクラスター通過領域に反応性ガスを導入し、イオン化されたガスクラスターＣとともに反応性ガスを被処理基板Ｓに照射することにより、ガスクラスターによる洗浄処理と、反応性ガスによる洗浄処理を併用して行うことも可能となる。
＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。
本実施形態の基板洗浄装置１０３においては、第１〜第３の実施形態とは異なり、ＶＵＶランプ等のガスクラスターを荷電させる手段を用いることなく、荷電ガスクラスターを生成させる。すなわち、第１〜第３の実施形態で用いたガスクラスター照射機構１０の代わりに、クラスターガス生成ガスとＨｅガスとを供給可能なガスクラスター照射機構５０を用いることにより、クラスターノズルから荷電ガスクラスターを噴射する。Ｈｅガスは後述するようにガスクラスターを帯電させるためのガスとして機能する。
具体的には、本実施形態のガスクラスター照射機構５０は、処理容器１内の上部に基板載置台２に対向して設けられたクラスターノズル５１と、処理容器１外に設けられた、クラスターノズル５１にクラスターを生成するためのガスを供給するクラスター生成ガス供給部５２およびＨｅガスを供給するＨｅガス供給部５３と、クラスター生成ガス供給部５２に接続されたクラスター生成ガス供給配管５４およびＨｅガス供給部５３に接続されたＨｅガス供給配管５５と、クラスター生成ガス供給配管５４およびＨｅガス供給配管５５が合流してクラスター生成ガスおよびＨｅガスをクラスターノズル５１へ導く混合ガス供給配管５６とを有している。クラスター生成ガス供給配管５４には開閉バルブ５７および流量制御器５８が設けられており、Ｈｅガス供給配管５５には開閉バルブ５９および流量制御器６０が設けられている。クラスターノズル５１は、第１〜第３の実施形態と同様、先端が末広がりのコニカルノズルとして構成されているが、形状はこれに限定されない。
図示はしていないが、混合ガス供給配管５６には、混合ガスを昇圧する昇圧器（ガスブースター）が設けられ、これにより供給圧力を０．１〜５ＭＰａの高圧にされる。また、やはり図示はしていないが、クラスター生成ガス供給配管５４およびＨｅガス供給配管５５には圧力計が設けられており、その圧力計が計測した圧力値に基づいて供給圧力が制御される。
なお、本実施形態は、ガスクラスターを荷電する手段としてのＶＵＶランプが存在せず、除電する手段として第２の実施形態と同様のＶＵＶランプ２０ｂを有している点、およびガスクラスター照射機構１０の代わりに、ガスクラスター照射機構５０を用いる点以外は、第１の実施形態と同様に構成されているため、説明は省略する。
本実施形態においては、まず、ゲートバルブを開けて搬入出口を介して被処理基板Ｓを搬入し、基板載置台２上に載置し、処理容器１内を真空ポンプ６により真空引きして所定圧力の真空状態とするとともに、ガスクラスター照射機構５０のクラスターノズル５１から、上述したＣＯ２ガス等のクラスター生成ガスとＨｅガスを、所定流量で、必要に応じて昇圧器（ガスブースター）により昇圧して、０．１〜５ＭＰａの範囲の供給圧力で噴射する。これにより、クラスター生成ガスは断熱膨張によってクラスター化するが、Ｈｅガスはクラスター化し難く、ほぼガスのままクラスターノズル５１から噴射される。
このときのクラスターノズル５１からの噴射速度は、ガスクラスターよりもクラスター化していないＨｅガスのほうが速くなる。このため、Ｈｅガスがガスクラスターを押し出してガスクラスターの速度を上昇させる。実際に、クラスター生成ガスであるＣＯ２ガスにＨｅガスを混合してクラスターノズルから噴射した際のガスクラスターの速度を試算した結果を図６に示す。図６は、Ｈｅガスの混合比とガスクラスターの速度との関係を示す図であるが、Ｈｅガスの混合比が大きくなることにより、ガスクラスターの速度が上昇していることがわかる。
このようにガスクラスターの速度が上昇すると、ガスクラスターとクラスターノズル５１の内壁との間に摩擦が生じ、電荷を帯びた荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１が生成され、そのように生成された荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１が被処理基板Ｓに向けて照射される。このとき、ガスクラスターの速度が大きいほど荷電ガスクラスターの数が多くなる。なお、ガスクラスターとＨｅガスとの摩擦によっても電荷が生じる。
このときのＨｅガスの流量とクラスター生成ガスの流量との比率は、１０〜９９％の範囲が好ましい。また、クラスターノズル５１からの供給圧力は０．１〜５ＭＰａであることが好ましい。さらに、処理容器１内の圧力は、３００Ｐａ以下であることが好ましい。
以上のようにして形成された荷電ガスクラスターのうち、加速用電極２１と反対の極性のものは引き込まれて加速された状態で被処理基板Ｓに衝突する。このため、荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１は高い物理的エネルギーを保有し、この物理的エネルギーによって、保有するエネルギーが増加して洗浄力が増大した状態で被処理基板Ｓに衝突する。したがって、荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１の物理的エネルギーによって被処理基板Ｓの表面に付着するパーティクルＰを高い除去率で除去することができる。
加速用電極２１で加速された高エネルギーの荷電ガスクラスターは、加速時の速度をそのまま維持して高いエネルギーを保持したまま、ＶＵＶランプ２０ｂによるＶＵＶ照射雰囲気中のイオンにより電気的に中和される。これにより、被処理基板Ｓへのチャージダメージや過剰な電荷の付加を抑制することができる。また、パーティクルが被処理基板Ｓから除去された際の摩擦により、被処理基板Ｓおよび除去されたパーティクルが帯電してパーティクルが再付着するおそれがあるが、ＶＵＶランプ２０ｂからＶＵＶが照射されることにより、被処理基板Ｓ近傍に生成されたイオンにより被処理基板Ｓおよび除去されたパーティクルが除電され、除電されたパーティクルＰは排気口４から排気流とともに排出されるため、被処理基板Ｓへのパーティクルの再付着を極めて有効に抑制することができる。
このように、本実施形態によれば、クラスターノズル５１から荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１を噴射し、荷電ガスクラスターを加速用電極２１で加速して被処理基板Ｓに衝突させるので、ガスクラスターＣ１のエネルギーが高く、除去しづらい形態のパーティクルをも除去することができ、パーティクルの除去率を高くすることができる。また、帯電した被処理基板やパーティクルをＶＵＶにより除電し、被処理基板Ｓから除去されたパーティクルを排気流とともに排出するので、被処理基板Ｓに対するパーティクルの再付着を抑制することができる。さらに、ＶＵＶランプ２０ｂからのＶＵＶにより、被処理基板Ｓに衝突する前の荷電ガスクラスターを電気的に中和（除電）することができるので、被処理基板Ｓのチャージダメージを抑制することもできる。
また、ＣＯ２ガスのようなクラスター生成ガスにＨｅガスを混合してクラスターノズル５１から噴射するという、簡易な手法により荷電ガスクラスターを生成することができるので、ガスクラスターを荷電させる荷電手段が不要であり、装置構成を簡易にすることができる。
次に、本実施形態により荷電ガスクラスターが生成されることを検証した実験について説明する。図７は、この実験に用いた計測システムを示す模式図である。ガスクラスター照射機構２００は、ＣＯ２ガスボンベ２０１とＨｅガスボンベ２０２を有し、これらから供給されたＣＯ２ガスとＨｅガスを混合し、混合ガスをガスブースター２０３で昇圧し、クラスターノズル２０４から所定の供給圧で第１チャンバー２０７内に噴射し、ガスクラスターを生成させる。符号２０５はマスフローコントローラ、２０６は圧力計である。第１チャンバー２０７内は真空ポンプ２０８により真空雰囲気とされる。クラスターノズル２０４から噴射されるガスクラスターは直進してスキマーコーン２０９を通過し、第２チャンバー２１０に至る。第２チャンバー２１０は真空ポンプ２１１により真空雰囲気とされる。第２チャンバー２１０には、その中を直進したガスクラスターが到達する位置にファラデーカップ２１３が設けられている。ファラデーカップ２１３には、電流計２１４が接続されている。また、第２チャンバー２１０内には、ファラデーカップ２１３へのガスクラスターの通路を遮断するシャッター２１２が開閉可能に設けられている。
このような計測システムを用い、ＣＯ２ガスのみを供給した場合と、ＣＯ２ガスにＨｅを混合して供給した場合（ＣＯ２：Ｈｅ＝１：１およびＣＯ２：Ｈｅ＝１：９）と、Ｈｅのみを供給した場合とで、供給圧力を変化させた場合のイオン電流を求めた。イオン電流は、以下のように計算した。
イオン電流＝［シャッター閉の時の電流値］−［シャッター開の時の電流値］
その結果を図８に示す。この図に示すように、Ｈｅガスのみを供給した場合にはガス供給圧力が増加してもイオン電流の増加がみられず、ＣＯ２ガスのみを供給した場合は、ガス供給圧力増加にともないイオン電流はわずかに増加するにとどまったが、ＣＯ２ガスにＨｅを混合することにより、供給圧力の増加にともなって、イオン電流が大きく増加し、その増加量はＨｅの割合が多いほど多いことが確認された。すなわち、ＣＯ２ガスにＨｅガスを混合することによって、ガスクラスターを効果的に荷電できることが確認された。
＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態について説明する。
図９は、本発明の第５の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。
本実施形態の基板洗浄装置１０４では、第４の実施形態と同様、クラスター生成ガスにガスクラスターを帯電させるためのガスを混合して荷電ガスクラスターを形成するが、ガスクラスターを帯電させるためのガスとして水素ガス（Ｈ２ガス）を用いる点が第４の実施形態とは異なっている。
したがって、図９では、図５の装置のＨｅガス供給部５３におよびＨｅガス供給配管５５の代わりに、Ｈ２ガス供給部５３′およびＨ２ガス供給配管５５′が設けられているが、他の構成は図５の装置と同様であるため、説明は省略する。
本実施形態においては、まず、ゲートバルブを開けて搬入出口を介して被処理基板Ｓを搬入し、基板載置台２上に載置し、処理容器１内を真空ポンプ６により真空引きして所定圧力の真空状態とするとともに、ガスクラスター照射機構５０のクラスターノズル５１から、上述したＣＯ２ガス等のクラスター生成ガスとＨ２ガスを、所定流量で、必要に応じて昇圧器（ガスブースター）により昇圧して、０．１〜５ＭＰａの範囲の供給圧力で噴射する。これにより、クラスター生成ガスは断熱膨張によってクラスター化するが、Ｈ２ガスはＨｅガスと同様クラスター化し難く、ほぼガスのままクラスターノズル５１から噴射される。
このときのクラスターノズル５１からの噴射速度は、ガスクラスターよりもクラスター化していないＨ２ガスのほうが速くなる。このため、Ｈ２ガスがガスクラスターを押し出してガスクラスターの速度を上昇させる。このときのクラスター生成ガスであるＣＯ２ガスにＨ２ガスを混合してクラスターノズルから噴射した際のガスクラスターの速度は、図１０のモデルにおけるガス速度の一次理論式から算出することができる。図１０において、Ｐ０は導入ガス圧力、Ｔ０は導入ガス温度、ρ０はガス密度、Ｐｓは生成部真空度である。このとき、ガス速度νは、以下の（１）式で与えられる。
Figure 0006566683
 ただし、ｋＢ：ボルツマン定数
γ：導入ガスの比熱比
ｍ：導入ガス分子の質量
である。
上記（１）式において、１−（Ｐｓ／Ｐ０）の値は、クラスター生成圧力ではほぼ１であることから、ガスクラスターの速度は以下の（２）式で表すことができる。
Figure 0006566683
ここで、第４の実施形態のようにガスクラスターを帯電させるためのガスとしてＨｅガスを用いた場合と本実施形態のようにＨ２ガスを用いた場合とについて、それぞれクラスター生成ガスであるＣＯ２ガスとの比率を１：１として上記（２）式からガスクラスターの速度νを計算すると、Ｈｅガスを混合した場合のガスクラスターの速度を１としたときに、Ｈ２ガスを混合した場合のガスクラスターの速度は約１．２となり、速度比は約１．２倍となる。
すなわち、帯電させるためのガスとしてＨ２ガスを用いることにより、第４実施形態のＨｅガスを用いる場合よりも、１０〜２０％程度ガスクラスターの速度を大きくなることが計算により求められた。
次に、熱流体シミュレーションにより、ＨｅおよびＨ２ガスのノズル出口付近のガス温度を計算した結果、いずれも−２００℃以下になり、断熱膨張後にＣＯ２の沸点である−７８．５℃（１９４．５Ｋ）以下になっていることが確認された。このことから、第４の実施形態のようにクラスター生成ガスにＨｅガスを混合した場合と同様、Ｈ２ガスを混合した場合もクラスター生成条件を満たしていることがわかる。
以上のように、クラスター生成ガスにＨ２ガスを混合することによりガスクラスターを生成することができ、第４の実施形態と同様、クラスターノズル５１から荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１を噴射し、荷電ガスクラスターを加速用電極２１で加速して被処理基板Ｓに衝突させるので、ガスクラスターＣ１のエネルギーが高く、除去しづらい形態のパーティクルをも除去することができ、パーティクルの除去率を高くすることができる。また、帯電した被処理基板やパーティクルをＶＵＶにより除電し、被処理基板Ｓから除去されたパーティクルを排気流とともに排出するので、被処理基板Ｓに対するパーティクルの再付着を抑制することができる。さらに、ＶＵＶランプ２０ｂからのＶＵＶにより、被処理基板Ｓに衝突する前の荷電ガスクラスターを電気的に中和（除電）することができるので、被処理基板Ｓのチャージダメージを抑制することもできる。
また、第４の実施形態と同様、簡易な手法により荷電ガスクラスターを生成することができるので、ガスクラスターを荷電させる荷電手段が不要であり、装置構成を簡易にすることができる。また、帯電させるためのガスとしてＨ２ガスを用いることにより、第４実施形態のＨｅガスを用いる場合よりも、１０〜２０％程度ガスクラスターの速度を大きくすることができ、ガスクラスターの帯電量を多くして洗浄効果をより高くすることができる。
＜第６の実施形態＞
次に、第６の実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る基板洗浄装置を示す断面図である。
本実施形態の基板洗浄装置１０５においても第４および第５の実施形態と同様、ＶＵＶランプ等のガスクラスターを荷電させる手段を用いることなく、荷電ガスクラスターを生成させるが、その手法は第４および第５の実施形態とは異なっている。
本実施形態では、クラスターガス生成ガスとしてアルコールを供給可能なガスクラスター照射機構６０を用いることにより、クラスターノズルから荷電ガスクラスターを噴射する。
具体的には、本実施形態のガスクラスター照射機構６０は、処理容器１内の上部に基板載置台２に対向して設けられたクラスターノズル６１と、処理容器１外に設けられた、クラスターノズル６１にクラスターを生成するためのガスであるアルコールを供給するクラスター生成ガス供給部６２と、クラスター生成ガス供給部６２に接続されたクラスター生成ガス供給配管６３とを有している。クラスター生成ガス供給配管６３には開閉バルブ６４および流量制御器６５が設けられている。クラスターノズル６１は、第１〜第５の実施形態と同様、先端が末広がりのコニカルノズルとして構成されているが、形状はこれに限定されない。
図示はしていないが、クラスター生成ガス供給部６２からクラスター生成ガスであるアルコールガスを供給する際には、アルコール供給ラインの温度を上げてアルコールの蒸気圧を上昇させる事で、ノズルへの供給圧力を増加させる事ができる。また不活性ガス供給ラインをアルコール供給ラインに接続することで、不活性ガス供給圧力を調整して、ノズルの供給圧力を調整してもよい。アルコールのように原料が液体の場合は、高圧条件下で液化することが懸念されるため、前述のような昇温機構を設けてもよい。また、やはり図示はしていないが、クラスター生成ガス供給配管６３には圧力計が設けられており、その圧力計が計測した圧力値に基づいて供給圧力が制御される。
なお、本実施形態においても第４の実施形態と同様、ガスクラスターを荷電する手段としてのＶＵＶランプが存在せず、除電する手段として第２の実施形態と同様のＶＵＶランプ２０ｂを有している点、およびガスクラスター照射機構１０の代わりに、ガスクラスター照射機構６０を用いる点以外は、第１の実施形態と同様に構成されているため、説明は省略する。
本実施形態においては、まず、ゲートバルブを開けて搬入出口を介して被処理基板Ｓを搬入し、基板載置台２上に載置し、処理容器１内を真空ポンプ６により真空引きして所定圧力の真空状態とするとともに、ガスクラスター照射機構６０のクラスターノズル６１から、上述したアルコールガスを、所定流量で、必要に応じて昇温機構や昇圧器（ガスブースター）により昇圧して、所定の供給圧力で噴射する。これにより、アルコールガスは断熱膨張によってクラスター化し、クラスターノズル６１から噴射される。
アルコールガスは、分子が極性分子であるため、無極性分子であるＣＯ２ガスとは異なり、アルコール分子で形成されたクラスター表面には、極性分子の負電荷を外側（空間側）に向けて配列する可能性があり、帯電しやすくなる。このため、アルコールガスをクラスター化するだけで、荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１を形成することができ、そのように生成された荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１が被処理基板Ｓに向けて照射される。
アルコールガスとしてはメタノールガスおよびエタノールガスを好適に用いることができる。これらは、蒸気圧が２０℃のときを基準にして５０℃で５倍程度、７０℃で１２倍程度、１００℃で５０倍程度となり、液体状態で加温してバブリングすることにより比較的多量に供給することができる。このため、荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１を多く供給することができる。また、第４の実施形態と同様、Ｈｅガス供給源およびＨｅガス供給配管を設けてＨｅガスを混合することにより、さらにガスクラスターの帯電量を増加させることができる。
本実施形態においても、クラスターノズル６１から荷電ガスクラスターを含むガスクラスターＣ１を噴射し、荷電ガスクラスターを加速用電極２１で加速して被処理基板Ｓに衝突させるので、ガスクラスターＣ１のエネルギーが高く、除去しづらい形態のパーティクルをも除去することができ、パーティクルの除去率を高くすることができる。また、帯電した被処理基板やパーティクルをＶＵＶにより除電し、被処理基板Ｓから除去されたパーティクルを排気流とともに排出するので、被処理基板Ｓに対するパーティクルの再付着を抑制することができる。さらに、ＶＵＶランプ２０ｂからのＶＵＶにより、被処理基板Ｓに衝突する前の荷電ガスクラスターを電気的に中和（除電）することができるので、被処理基板Ｓのチャージダメージを抑制することもできる。
また、アルコールガスを噴射するだけの簡易な手法により荷電ガスクラスターを生成することができるので、ガスクラスターを荷電させる荷電手段が不要であり、装置構成を簡易にすることができる。
＜他の適用＞
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては、クラスター生成ガスを断熱膨張させることによりガスクラスターを生成したが、これに限るものではない。また、荷電ガスクラスターを生成する手法も上記実施形態に限定されるものではない。
また、上記実施形態では、荷電ガスクラスターを加速させる手段として、クラスターノズルと被処理基板との間に加速用電極を設けたが、第４の実施形態のように、クラスターノズルから荷電ガスクラスターを噴射する場合は、これに限らず、例えば、図１２や図１３に示すようなものを用いることもできる。
図１２の例では、処理容器１内を、ガスクラスターを生成する部分と荷電ガスクラスターを被処理基板に照射する部分に仕切る金属製の仕切り部材７１を設け、仕切り部材７１を絶縁部材７２により処理容器１から絶縁した状態で、電源７３から仕切り部材７１に電荷を与える構成としている。これにより、仕切り部材７１と接地電位であるクラスターノズル５１との間に電位差が生じ、仕切り部材７１を通過する荷電ガスクラスターＣ１が加速される。
また、図１３では、クラスターノズル５１を碍子等の絶縁部材８１により、処理容器１から絶縁した状態で、電源８２からクラスターノズル５１に電荷を与える構成としている。これにより、クラスターノズル５１と接地電位である被処理基板Ｓとの間に電位差が生じ、荷電ガスクラスターＣ１が加速される。
さらに、上記実施形態では、被処理基板や被処理基板から除去されたパーティクルを除電する手段として、ＶＵＶランプのような電磁波照射手段を用いた例を示したが、これに限るものではない。
さらにまた、本発明は、上記複数の実施形態を適宜組み合わせて実施することも可能である。
１；処理容器
２；基板載置台
３；駆動機構
４；排気口
５；排気配管
６；真空ポンプ
７；圧力制御バルブ
１０，５０，６０；ガスクラスター照射機構
１１，５１，６１；クラスターノズル
１２，５２，６２；クラスター生成ガス供給部
２０，２０ａ，２０ｂ；ＶＵＶランプ
２１；加速用電極
２２；電源
３０；制御部
４２；イオン化源
４５；プラズマ源
５３；Ｈｅガス供給部
５３′：Ｈ２ガス供給部
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５；基板洗浄装置
Ｃ，Ｃ１；荷電ガスクラスター
Ｓ；被処理基板

Claims (9)

  1. ガスクラスターを用いて基板を洗浄する基板洗浄方法であって、
    処理容器内に被処理基板を配置し、その中を排気して真空に保持することと、
    前記処理容器内にクラスター生成ガスを高圧力で噴射させて断熱膨張させることによりガスクラスターを生成し、前記被処理基板に向けて照射することと、
    前記ガスクラスターに電磁波を照射し、前記ガスクラスターの少なくとも一部を荷電ガスクラスターにすることと、
    前記荷電ガスクラスターを前記被処理基板に到達する前に加速させることと、
    前記加速された荷電ガスクラスターが前記被処理基板に到達する前に、前記荷電ガスクラスターに電磁波を照射して前記荷電ガスクラスターを除電し、前記被処理基板のチャージダメージを抑制することと、
    前記ガスクラスターを前記被処理基板に衝突させて前記被処理基板上のパーティクルを除去することと、
    前記被処理基板上のパーティクルを除去した際に、帯電した前記被処理基板および前記パーティクルに電磁波を照射して除電することと、
    前記被処理基板から除去され、除電されたパーティクルを排気流とともに前記処理容器から排出させることと
    を含み、
    前記荷電ガスクラスター、前記被処理基板および除去されたパーティクルを除電する際に、前記荷電ガスクラスターを生成する際の電磁波源から放射される電磁波を用いることを特徴とする基板洗浄方法。
  2. 前記電磁波は真空紫外線であることを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄方法。
  3. 前記荷電ガスクラスターの加速は、前記荷電ガスクラスターが前記被処理基板に到達するまでの間で、前記荷電ガスクラスターと逆の極性を有する電荷により前記荷電ガスクラスターを引き込むことにより行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載に基板洗浄方法。
  4. 前記被処理基板は、接地された基板保持体に保持され、前記基板保持体を通して接地されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の基板洗浄方法。
  5. ガスクラスターを用いて基板を洗浄する基板洗浄装置であって、
    被処理基板が配置され、真空に保持される処理容器と、
    前記処理容器内を排気する排気機構と、
    前記処理容器内にクラスター生成ガスを高圧力で噴射させて断熱膨張させることによりガスクラスターを生成し、前記被処理基板に向けて照射するガスクラスター生成機構と、
    前記ガスクラスターに電磁波を照射することにより前記ガスクラスターの少なくとも一部を荷電ガスクラスターにする荷電手段と、
    前記荷電ガスクラスターを、前記被処理基板に到達する前に加速させる手段と、
    前記被処理基板に到達する前の前記荷電ガスクラスターに電磁波を照射して除電し、かつ前記加速されたガスクラスターを含む前記ガスクラスターにより前記被処理基板上のパーティクルが除去された際に、帯電した前記被処理基板および前記パーティクルに電磁波を照射して除電する除電手段と
    を具備し、
    前記荷電手段および前記除電手段は、共通の電磁波源を有し、前記電磁波源から照射される電磁波により荷電および除電を行い、
    前記被処理基板に到達する前の前記荷電ガスクラスターを前記除電手段により除電することにより、前記被処理基板のチャージダメージを抑制するとともに、
    前記被処理基板から除去され、前記除電手段により除電されたパーティクルを、前記排気機構により排気流とともに前記処理容器から排出させることを特徴とする基板洗浄装置。
  6. 前記電磁波源は、真空紫外線を照射する真空紫外線ランプであることを特徴とする請求項５に記載の基板洗浄装置。
  7. 前記荷電ガスクラスターを加速させる手段は、前記荷電ガスクラスターが前記被処理基板に到達するまでの間で、前記荷電ガスクラスターと逆の極性を有する電荷により前記荷電ガスクラスターを引き込むことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の基板洗浄装置。
  8. 前記処理容器内の基板配置領域を覆う着脱可能なカバーをさらに具備することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の基板洗浄装置。
  9. 前記被処理基板は、接地された基板保持体に保持され、前記基板保持体を通して接地されていることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の基板洗浄装置。
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