JPH01184926A - 洗浄装置および洗浄方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は基板洗浄に関するものであって、特に半導体装
置製造工程に於ける基板洗浄工程に用いる洗浄槽の形状
を改善し、洗浄時間を短縮することを目的とする。

従来の技術 半導体装置の製造装置の自動化に伴い、薬液や水を満た
した容器にキャリアに入った半導体基板を浸漬する基板
洗浄装置も自動化が進んでいる。

薬液や純水を満たす為の容器（洗浄槽）の構造に関して
も、種々の機能を付加する為に、槽は大形化し、工夫さ
れた形状のものが開発されている。

しかし、パッチ式の洗浄方式では、この槽の大型化に伴
なって、最も重要な基板表面に於ける薬液或は純水の流
速は低下する傾向にある。

発明が解決しようとする課題 例えば、第１１図に示すように直径１５０ｍｇのシリコ
ン基板６を、ＳＥＭＩ規格のキャリア４にほぼ垂直に挿
入して水洗する場合、基板２５枚入９キャリア４の上面
の寸法は、１８０ｓｎ＋ｘ１５０１１Ｎ程度（フロロウ
ェアＡ１８２−８０シリーズの場合１了８ｆｆ×１４３
ｆｆ）である。多孔部材（多孔板）２は、基板５の並ん
でいる方向および基板面に平行な方向ともにピッチ１Ｑ
ＭＭでほぼ全面に均等な密度の孔６を有している。この
槽は底部の純水供給管３より２０１／ｍ程度の純水を供
給して槽上部から排出して基板６の洗浄を行うものであ
る。

しかしながら、このような槽では、キャリア４の形状に
純水の流れが影響されて、基板６の中央部近辺Ｃでは純
水流速が大、キャリアと基板の接触する周辺Ｐでは流速
が小となる。流速を実測した例を、第１２図に示す。第
１２図は第１１図中ｚ−ｚ’線上、４．７６１１ピツチ
で並んだ基板と基板の間隙の中央部をレーザドツプラ流
速計を用いて測定した結果を示している。実際の流速は
、場所を一定にしても、時間的に１秒以下の短い周期で
変動しているので数分間に渡って測定した流速の平均を
示したものである。

図から明らかなように、シリコン基板５の中央部でのみ
速く、周辺では非常に遅くなっていることがわかる。特
に周辺では、キャリアの溝の影響で流速は測定できない
が、中央部の％程度の極めて小さいものとなる。すなわ
ち、中央付近は比軟的短時間で基板に付着したイオンや
エツチング材汚染物等が除去されるが、周辺やキャリア
が清浄化されるには極めて遅い流速のため、長い時間を
要するのである。これを簡単なモデルを用いて試算した
。第１０図Ａは２枚の板の間の空間をα：（１−α）に
２分割し、１方の空間には平均流速Ｖ　、他方には流速
ｖ２の純水が流れるものと仮定する。第９図Ｂに示すよ
うに純水の入り口のイオン濃度Ｃ＝ｏ、出口の濃度をそ
れぞれＣ、Ｃ時間１＝０の時の基板間の平均濃ｏｕｔ１
　　　　ｏｕｔ２ 度をＣｏとする。ｔが充分大きく、Ｃｏｕ、１／Ｃ０お
よびＣ０ｕｔ２／”がかなり小さい範囲では、流速の速
い部分で Ｃ＝ｃｏ　　（−ｋｖｌｔ） ｏｕｔｌ　　　　１３ＸＰ 流速の遅い部分で Ｃｏｕｔ２　＝Ｃｏｅｘｐ　（−ｋｖ２　ｔ）とできる
。すると、Ｃｏユ、とＣ０ｕｔ２の合流したものの平均
濃度Ｃ８Ｕ、は となる。ｋは定数である。

いま、ａ　＝０．９とし、■ｖ１−１０　、ｖ２＝１■
ｖ　＝１０　、　　ｖ２＝０．１ とし、さらにに＝ｏ、１と仮定する。計算結果は第９図
のとおりとなり、洗浄の初期は高流速部が、後期は低流
速部の洗浄特性が、全体の平均濃度に直接影響しており
、十分な洗浄効果を得るに要する時間を短縮するには、
低流速部をなくすこと（全体の速度を」二げろ。低流速
域の領域を少くする。）が必要ヤあることがわかる。

すなわち基板のエツチング材等の洗浄において、排出出
口の純水は、流速の速い部分ではすぐにイオン濃度が低
下し、基板表面の残留イオン濃度も十分小さくなるが、
流速の遅い部分でのイオン濃度が十分低下するまで、流
速の速い部分はむだに水を流し続けないといけないこと
になる。

そして従来の榴成によると、この例に示したのと同様に
基板下部から、基板と基板の間に侵入した純水は、はぼ
直線的な軌動を通って基板上部に達し、排出されてしま
うのである。従って中央部Ｃ付近の流速の大なる部分は
短時間で清浄化され、この後この部分を通過する純水は
、洗浄に寄与することになる槽上部から排出される。一
方周辺部は流速が小である為、このような状況では、シ
リコン基板表面およびキャリア表面から不純物イオンを
完全に除去するまでに長い時間を要し、高価な純水もム
ダに多量に必要とするので、半導体装置等の製品のコス
ト上昇の原因となる。すなわち、供給された大部分の純
水は流速大なる部分に集中し、残りのわずかな部分の流
速小なる部分を長時間かけて洗浄するのである。周辺部
に於けるこの様な状況は、流れの解析方法として広く用
いられている。例えばインク等の有色水溶性液体を注射
針のような細管から注入する実験によっても容易に確認
することができる。

課題を解決するための手段 本発明は、洗浄槽内に、被洗浄基板をほぼ垂直方向に保
持し、下方にたとえば孔が局所的に配置された多孔部材
と洗浄液給水部を形成し、前記給水部から前記多孔部材
を介して前記基板表面に前記洗浄液を供給して前記洗浄
液流れを生成し、前記洗浄液を前記洗浄槽の上部より排
出するとともに、前記基板表面において前記基板表面の
一方の端部から他方の端部に流れる洗浄液の流れと前記
基板表面で円状の流れを生じさせて前記基板表面を洗浄
するものである。

とくに円形状基板を用いた場合、円状の流れの大きさが
前記基板の外径の１／４より大きくなるように供給する
のが望ましい。

さらに、半導体基板にエツチング処理を行ったのち、ウ
ェットエツチングに用いた薬品成分（エツチング材）や
ドライエツチング時に生じた不要な表面異物の除去を目
的として本発明を用いると一層有効となる。

作　　用 このように、望ましくは基板径のに程度の径を有する渦
流（円状の流れ）が存在すれば、多孔板の孔近傍の基板
表面のイオンは短時間で除去され、その後、この部分を
通過し、イオンを殆んど含まない純水が渦流作用によっ
て基板全面の表面（特に端部表面）イオン除去に貢献す
る。これは、流速が大で、イオン濃度が短時間で低下し
た部分から供給される水であるので、従来では排水され
ていた水を再利用していることに相当する。このように
槽内で、純水を再利用できるように、槽構造を最適化す
ることによって、純水使用効率を向上させ、純水使用量
を低減できる。従って、コスト低減、洗浄時間の短縮が
可能となる。

実施例 本発明の実施例として、６＃φＳｉ半導体基板（ウェハ
）の水洗槽に関して説明する。第１図は第１の実施例の
洗浄装置の基本概念を示す概略構成断面図であって、１
は洗浄槽、２は多孔板、３は給水管、４はキャリア、５
はＳｔ基板を示す。

ここで、多孔板２の孔６の開孔分布（平面図）を第３図
に、第１図中ｘ−Ｘ線上の平均流速分布を第２図に示す
。孔６の分布は、基板径方向ピッチ１０絹、基板の並び
方向ピンチ４．７６ｍｍであって、基板径方向の中央付
近に局所的に孔６が分布されている。このような開孔率
分布の多孔板を用いると、供給された純水Ｗは第１図に
矢印で概要を示すように、例えば渦流７は、基板直径の
Ｚ程度以゛上の径りを有する渦流となり、基板中央近傍
の流速は非常に大きく、かつ周辺では下向きの速い流れ
が生じ、洗浄に使用された水は槽上部より排出される。

このように大きな渦流を生じせしめるには、渦流の径と
同程度に多孔板の孔６を局所的に配すればよい。

第２の実施例について、第４図〜第６図を用いて説明す
る。第４図は、第２の実施例の洗浄装置の基本概念図、
第６図は第４図に示す洗浄装置内のＹ　−Ｙ’線上の流
速分布を示す。この場合の多孔板２の開孔分布（平面図
）を第６図に示す。開孔分布は、基板径方向ピッチ１０
酊、基板並び方向ピッチ４．７６１１１Ｊｌであって、
基板径方向の中心より片側に局所的に開孔６を有する。

このような開孔率分布の多孔板２を用いると、第４図に
矢印で示すように、基板直径にほぼ等しい径を有する渦
流が生じ、基板径方向片側の流速は上向きで速く、反対
側の流速は下向きで速くなる。

この様に渦流を発生させると、単に層流のみを用いる場
合に比して、槽内の総流量は大となる為、局所的に流速
の極めて小さくなる部分が生じることはなくなる。渦流
を生じさせる手段としては、他にも槽側面に純水噴出口
を設置する等種々の方法が考えられる。

本発明を実施した場合、第１に洗浄に要する時間が短縮
される。第７図に本発明の第１の実施例を適用した場合
と従来の洗浄槽を用いた場合の、比抵抗回復時間を示す
。実験は、規格品のウェハキャリア（フロロウェアＡ１
８２ＭＪ　）に直径１５０ｊｆｆのシリコン基板を２６
枚挿てんし、このキャリアを１規定濃度の硫酸に浸漬し
た後空中でめ３０秒間液切シをして、水洗槽に投入した
。純水の供給量は２０１／−である。投入した時からの
時間を横軸に、糟の上からオーバ７０−した水を集めた
水の相対比抵抗を縦軸に示す。図中曲線■は従来の水洗
槽の場合曲線＠は、本発明の第１の実施例の水洗槽の場
合の比抵抗回復特性である。

図より明らかなように、従来のイ程度の時間で比抵抗が
回復し、洗浄時間を短かくすることができる。

第２に、以上のように水洗時間が短かいと、純水使用量
を削減できる。先の実験では、２０１７ｍの給水量に対
して約８分短縮されたとすれば、２０Ｘ８＝１６０／／
ｍの削減になる。純水１ｔの価格を１０００円と仮定す
ると、 １０００円／ｌ×１６０１／１００ｏｌ＝１６０円にな
る。１枚当り１　ｓｏ／２５　＝　６．４円の削減とな
る。これは半導体装置の大量製造において大きく寄与す
る。

さらに、従来の洗浄槽では、たとえばシリコン基板に、
通常よく行われる弗化水素酸等による除去材にて薬液処
理を施して基板表面の酸化膜を除去する工程を行った後
薬液を基板表面から除去する場合、基板中央付近では純
水の流速が大きいので、薬液成分は２〜３分程度で除去
できるのに対し、キャリアと接触している部分では極端
に流速が遅いので１５分程要した。この場合、弗化水素
酸により基板表面の酸化膜を除去しても基板６の中央部
は弗素イオンが除去されてから１０分以上４１し水で洗
われるので、純水により表面に第８図Ａに示すように酸
化膜２０が形成される。厚さは純水温度に依存し、２３
℃前後ではエリプソメーターで測定すると１０八程度と
なる。一方、基板のキャリアに近い部分では、弗素イオ
ンが除去された後１〜２分程度しか純水に爆されないの
で酸化はほとんどされない。超高密度ＭＯ８ＬＳＩのゲ
ート酸化膜のように、基板表面に３０〜４０人の熱酸化
膜を均一性良く形成する必要のある場合、このように初
期酸化膜の不均一があると、例えばＭＯＳトランジスタ
を形成した場合のしきい値電圧の大きなバラツキを引き
起こす。

本発明を用いると、洗浄時間の短縮が可能であり、この
ような酸化膜等の不要な被膜２ｏが形成されにくく、均
一なトランジスタ等の形成が可能となる。

また、例えば基板５０表面に深い溝３０．３１や穴を選
択エツチングにて多数形成した場合、溝や穴内部のエツ
チング材である薬液成分の洗浄において、薬液成分は主
に拡散機構により除去される。第８図Ｂに示すように、
基板５の中央部のように表面の純水流速が大きい場合、
穴や溝から拡散して出て来た薬品成分４ｏは速やかに流
れ去ってしまうので、穴や溝３ｏの入口付近と、底部と
の間の薬液成分の濃度差は大となシ拡散が促進される。

しかし、基板５のキャリア付近の端部では、従来の洗浄
のように表面流速が小さければ、端部では穴や溝３１の
入口付近に拡散して出て来た薬液成分は停滞し、穴や溝
底部からの拡散速度は非常に小さくなる。従ってこのよ
うな場合、水洗時間の基板中央部と、キャリアに近い部
分との差はさらに大となってしまう。

本発明を用いればこのような深い溝や穴を有する基板の
洗浄にも、中央から周辺まで完全に薬品成分を除去する
時間差が少ないので、このような現象は生じにくく均一
に薬液成分が除去され、またこうしたことにもとづく不
要な酸化膜が基板５の表面あるいは溝に生じることも少
なくなる。したがって、このようなエツチング加工の施
された基板の洗浄にとっても、本発明は好都合である。

本発明がこのような効果を発生するのは、多孔板の孔か
ら噴出した純水が、孔近傍の基板表面の薬液成分等を除
去した後、清浄化された表面を通過し、しかるのち、ま
だ薬液成分の残溜した部分に到達することによる。しか
も、従来孔から噴出した純水が、槽上部から排出される
までの平均工程長がたかだか基板の直径或は槽の高さ程
度であったのに対し、本発明では大きな渦流を作ってこ
の工程長を基板面内で長くすることにより達成されるも
のである。

１だ、たとえキャリアがなくてこれによって純水の流れ
が制限されなくてもこのことは同様で、従来の例に示し
たように、純水は層流状にするよりも、渦流にした方が
効果があり、本発明はキャリアのない場合にも有効であ
る。

そして、渦流効果を最大限に利用する場合、小さな渦流
が発生しても効果は小さく、基板の太きさの２程度の径
を有する大きな渦流があることが望ましい。

なお、本発明は半導体基板に限らず、金属、絶縁物等の
他の基板の洗浄に適用できることはいうまでもない。

発明の効果 以上のように、本発明を用いることにより、洗浄速度の
向上ならびに純水等の使用量を減らｊことが可能となシ
、洗浄作業の能率向上、洗浄効果の向上にすぐれた工業
的効果を発揮するものである。特に、本発明は、エツチ
ング処理の施された半導体基板表面の均一な洗浄が可能
となり、高密度な半導体集積回路装置の均一な製造に大
きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の洗浄装置の概略構成断
面と流速ベクトルを示す図、第２図は本発明第１の実施
例における基板間中央付近の平均流速の実測値を示す図
、第３図は第１の実施例の多孔板付近の要部平面図、第
４図は第２の実施例の洗浄装置の概略構成断面図、第５
図は第２の実施例における基板間中央付近の平均流速の
実測値を示す図、第６図は第２の実施例に於ける多孔板
付近の要部平面図、第７図は従来例と本発明第１の実施
例を適用した場合の薬液除去速度を比較する為の比抵抗
回復特性図、第８図は洗浄における半導体基板の断面図
、第９図は基板と基板の間を２分割し、一方の流速が大
、他方が小である場合の薬液等の濃度低下特性を見積っ
た計算結果を示す図、第１０図は第９図を得る計算の仮
定の説明図、第１１図は従来の洗浄槽の概略構成断面図
、第１２図は従来の洗浄槽内の平均流速の実測結果を示
す図である。 １・・・・・・洗浄槽外壁、２・・・・・・多孔板、３
・・・・・・純水供給管、４・・・・・・キャリア、５
・・・・・・Ｓｉ基板、６・・・・・・孔、７・・・・
・・渦流。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名／−
−−　シ先　フ争オ雪タト第１會 ？　−ｍ−り　スし　板 ３　−−−　３毛　水イへ　３臼・腎 ４−　キャリア ５−　シリコン基板 に　−ｍ−２ら 第１図　　　　　　７゛−ラ侍５克 第２図 基板中央 第３図 乙　　Ｚ 第４図 第５図 （ｍ仇ジ 中 −相対比抵抗　　　　　　囚 ３１″４ 虫 第８図 ２θ 第　９　図 第１０図 （ハノ （Ｅｌ） 第１１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）洗浄槽内にほぼ垂直方向に設置された被洗浄基板
   と、前記洗浄槽内の下方に形成された多孔部材と、前記
   多孔部材の下方に形成された洗浄液供給部とを備え、前
   記多孔部材の孔を局所的に配置し、前記供給部から前記
   洗浄液を前記孔を介して前記基板表面に供給し、前記基
   板表面の洗浄を行うことを特徴とする洗浄装置。
2. （２）被洗浄基板が、前記基板を保持するためのキャリ
   アに載置され、表面の被膜が除去された半導体基板又は
   エッチングにより溝もしくは穴の形成された半導体基板
   よりなり、洗浄液にて、前記被膜の除去材又は前記溝も
   しくは穴に残存したエッチング材を洗浄除去することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の洗浄装置。
3. （３）洗浄槽内に、被洗浄基板をほぼ垂直方向に設置し
   、前記基板の下方に多孔部材と洗浄液給水部を形成し、
   前記給水部から前記多孔部材を介して前記基板表面に前
   記洗浄液を供給して前記洗浄液流れを生成し、前記洗浄
   液を前記洗浄槽の上部より排出するとともに、前記基板
   表面において前記基板表面の一方の端部から他方の端部
   に流れる洗浄液の流れと前記基板表面で円状の流れを生
   じさせて前記基板表面を洗浄することを特徴とする洗浄
   方法。
4. （４）基板が円形状をなし、円状の流れの大きさが前記
   基板の外径の１／４より大きいことを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の洗浄方法。
5. （５）被洗浄基板が、表面の被膜が除去された半導体基
   板又はエッチングにより溝もしくは穴の形成された半導
   体基板よりなり、洗浄液にて、前記被膜の除去材又は前
   記溝もしくは穴に残存したエッチング材を洗浄除去する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の洗浄方法
   。