JPH0232525A - 超音波洗浄装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体基板（ウェー八とも呼ぶ）の表面に付
着した汚染物を、洗浄液に浸漬して除去する超音波洗浄
装置に関するもので、特に半導体製造プロセスにおいて
、基板に付着する［！微小の粒子状又は被膜状の汚染物
の除去に使用される。

（従来の技術） 従来の最も一般的な半導体基板用の超音波洗浄装置は、
第８図に示すように、洗浄槽１の底部に振動板２を含む
超音波振動子３を配置し、該振動子により超音波を発振
させ、槽内に満たされた洗浄液４に超音波振動を与える
と共に半導体基板５を該液に浸漬し、基板表面を洗浄す
るものである。

なお、洗浄液４は洗浄槽１の側壁に設けられた洗浄液供
給口６より流入し洗浄槽上部より放流される。

この装置では、振動板２を介して超音波振動子３から洗
浄液内にに入射された超音波は、洗浄液面に達すると、
空気との界面でその一部が反射される。　このように伝
播方向が互いに反対の入射波と反対波とが重畳されると
周知のように定在波７が発生し、その振幅に対応して、
洗浄液内に音圧の強弱分布が生ずる。

超音波洗浄装置は、その発振周波数により主に２通りに
分けられる。　第１は２０ないし４０ｋＨｚの発振周波
数帯域に属するもので、その汚染物除去作用は主として
キャビテーションによるものである。　一般に強い超音
波が液体内を伝播する場合、その音圧が負（稀薄化位相
）になると、液体内に気泡（空洞）が発生する。　この
現象をキャビテーション（空洞現象）という、　引続き
音圧が変化して正（圧縮化位相）になると気泡は急速に
圧縮されて潰される。　このとき局所的な高圧と高温を
伴う衝撃波が発生し、固体表面に破壊的な作用を及ぼし
汚染物等が遊離除去される。

液内に定在波が形成されている場合には、キャビテーシ
ョンは振幅最大の腹の部分に発生しやすいところから、
２０ないし４０ｋＨｚの発振周波数帯に属する超音波洗
浄装置では定在波が起りやすいように洗浄槽が設計され
ている。　定在波の腹の部分は、例えば４０ｋＨｚでは
、水中において約１９１１１おきであり、洗浄効果の高
いところが局在してしまう、　このため半導体基板表面
の除去対象となる汚染物の大きさが微小となるに従って
洗浄効果が低下するという問題点がある。

第９図及び第１０図は、この問題点を改善するために提
案された従来例の超音波洗浄装置の模式図である。　な
お第８図と同じ符号は同一部分又は対応部分を表わす、
　上記２つの装置は、いずれも洗浄液内の定在波の発生
を防止して上記問題点を解決しようとしたものである。

　両装置とも洗浄槽１の側壁に振動板１２を含む超音波
振動子１３を設ける。　第９図に示す超音波洗浄装置で
は、振動板１２に対向する側壁に、傾斜する反射板８を
設け、振動板１２がら洗浄液内に入射される超音波をこ
の反射板８により液面の方向に反射させ、定在波の発生
を防止し、超音波の洗浄効果を平均化しようとしたもの
である。　第１０図に示す超音波洗浄装置（特開昭６０
−１９３５７７号）は振動板１２に対向する側壁に超音
波吸収体９を設は定在波の発生を防止したものである。

　いずれの場合でも定在波の発生は防止され、超音波に
よる洗浄効果は平均化されるが、それと同時にキャビテ
ーションの発生頻度が少なく、洗浄効果が弱くなる。　
特に除去対象の汚染物の大きさが微小になると、洗浄効
果は極めて不十分となる。

次に超音波洗浄装置の発振周波数による分類の第２のも
のは、１　ＭＨｚ近傍の発振周波数帯域に属する装置で
ある。　この第２の場合には、前記第１の低周波数帯域
の場合に比ベキャビテーションの生成期間が短く、キャ
ビテーションの発生は弱くなるが、その代わり液体分子
の振動加速度が高くなり、その結果液体分子の運動によ
る表面付着物の洗浄作用が強くなると考えられている。

従って０．１ないし１．０４ｎ程度の微小な粒子や汚れ
を除去することが可能である。　便宜上この洗浄作用を
粒子加速機構による洗浄作用と呼ぶ。

第８図に示す従来の超音波洗浄装置と同じ構成で、その
超音波振動子の発振周波数をＩ　ＭＨｚとした場合には
、定在波の腹の間隔は約０．７Ｉｎと狭くなるが、１．
０Ｉｎ程度のデザインルールの半導体デバイスにとって
は除去対象の汚染物の大きさも微小化し、洗浄作用の弱
い領域ができることとなり、その歩留りに大きな影響を
及ぼす、　又第９図及び第１０図に示す従来の超音波洗
浄装置で超音波振動子の発振周波数をＩ　ＭＨ７とした
場合には、前述のように定在波の発生はなく、むらのな
い粒子加速ｍ構による洗浄効果が得られるが、反射板８
又は吸収体９は、振動板１２がら入射される超音波の強
い直接照射を受け、汚損劣化・し、洗浄液内へその遊離
物が粒状となって浮遊し、洗浄効果の低下をもたらすと
いう欠点がある。

（発明が解決しようとする課題） 半導体デバイスの高集積密度化、１７＆Ａ［Ｈ化の進展
に伴い、半導体基板上に付着する除去対象となる微粒子
状の汚染物の大きさは０．１ないし１，０Ｉｎ程度の極
微小となっている。

前述のように、超音波洗浄作用が主としてキャビテーシ
ョン機構に基づく２０ないし４０ｋＨｚの従来の洗浄装
置では、これらの極微小汚染物に対してはその洗浄効果
が少ない。

又超音波洗浄作用が主として粒子加速機構に基づく１Ｍ
Ｈ２程度の従来の洗浄装置でもｆ！微小汚染物の除去に
対しては欠点がある。　例えば第８図に示す従来装置で
は、波長は短いが定在波が形成され、半導体基板面に対
する超音波洗浄効果が不均一になるという欠点は解決さ
れない。　第９図ないし第１０図の従来装置では、定在
波の発生は防止され、洗浄効果の不均一性は改善される
が、反射板や吸収体等が超音波の照射により新しい汚染
源になり、洗浄効果を低下させる。　このため最近は、
異なる発振周波数帯域に属する複数の超音波振動子を設
けて不均一性を改善することが考えられている。

本発明の目的は、半導体基板に付着する極微小汚染物の
除去に際し、前記欠点を改善し、均一な高い洗浄効果が
得られる超音波洗浄装置を提供することである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段とその作用）本発明の第１
請求項に係る超音波洗浄装置は、半導体基板を洗浄液に
浸漬して表面洗浄する装置であって、洗浄槽の底部に、
振動面が水平面から傾けて設けられた振動板を含む超音
波振動子を有し、該超音波振動子の発振周波数が８００
ｋＨｚないし２０００　ｋＨｚの周波数帯域に属するこ
とを特徴とするものである。

振動板の振動面を、水平面に対し所定角度傾けて設けた
ことにより、振動板から入射する超音波は、洗浄液と空
気との界面において、入射方向と異なる方向に反射する
ので、定在波の発生を防ぐことができ、半導体基板面に
対する洗浄効果は均一となる。　又入射超音波は洗浄液
と空気との界面で一度反射され、弱められてから洗浄槽
の対向する側壁に照射されるので、側壁の汚損劣化を防
止できる。　又超音波振動子の傾斜配置により、被洗浄
半導体基板直下の洗浄槽底部に洗浄液供給口を設けるこ
とが可能となる。　発振周波数が８００ｋＨ２ないし２
０００　ｋＨ２の周波数帯域に属する超音波振動子を設
けたので、その超音波洗浄作用は、主として粒子加速機
構によるもので、前述のように０．１ないし１．０μｍ
程度の極微小汚染物の除去に対し高い洗浄効果が得られ
る。

本発明の第２請求項に係る超音波洗浄装置は、洗浄槽内
の洗浄液に浸漬される被洗浄半導体基板直下の底部に、
洗浄液供給口が設けられている第１請求項記載の超音波
洗浄装置である。　これにより被洗浄基板の直下から洗
浄液を供給し、はぼ基板表面に沿って流すことが可能と
なり、洗浄液の置換効率が高くなり、より高い洗浄効果
が得られる。

（実施例） 本発明の第１及び第２請求項に係る超音波洗浄装置の第
１の実施例を第１図に示す、　同図（ａ　）において、
半導体基板５をテフロン製キャリア１０に収納し、キャ
リアホルダ１１により、洗浄槽２１の底から約８ｃｒａ
ＭＩ、て浮かせて洗浄液２４内に浸漬する。　洗浄槽の
底部に、振動板２２ａを含む超音波振動子２３ａ及び振
動板２２ｂを含む超音波振動子２３ｂを設け、振動板２
２ａの振動面（板面と同じ）は水平面とθ１＝３０°傾
け、又振動板２２ｂの振動面は水平面と０２＝９°傾け
、それぞれ洗浄槽の中心から約３　ｃｍずらして設ける
。　２つの超音波振動子２３ａ及び２３ｂは、いずれも
その発振周波数は９５０ｋＨＺで出力ｓｏｏｗである。

　半導体基板の直下の洗浄槽底部に洗浄液（純水）供給
口２６を設ける。　同図（ｂ　’）は、同図（ａ　）に
示す供給口２６のｘ−ｘ′線断面図である。　洗浄液供
給口２６は、口径１．５　ｃｒｙの円孔が十字形に５つ
設けられたもので、圧力１．５　ｋｇ／Ｃ１２、流量５
１／ｍｉｎで純水が供給されている。

この状態で１０分間半導体基板を浸して洗浄する。

第２図は、本発明の超音波洗浄装置の第２の実施例を示
したものである。　本実施例は洗浄槽３１の底部の一方
の側にのみ振動板３２を含む超音波振動子３３を設けた
ことが第１実施例の装置と異なり、他の条件は第１実施
例とほぼ同一である。　即ち振動板３２の振動面（板面
と同じ）は水平面とθ３＝３０°傾けて配置され、超音
波振動子３３の発振周波数は９５０ｋＨ２で出力５００
Ｗである。　又半導体基板５の直下の洗浄槽底部に純水
供給口３６が設けられる。

第３図は、本発明の超音波洗浄装置の第３の実施例を示
すものである。　この装置は本発明の第１請求項に係り
、第２請求項には含まれないものである、　即ちこの装
置は、洗浄槽４１の底部のほぼ全面を覆うように、振動
板４２を含む超音波振動子４３を設け、振動板４２の振
動面を水平面と０４＝１３°傾けて配置したものである
。　従って純水供給口４６は洗浄槽４１の側壁に設けら
れる。

試行結果によれば、振動板の振動面の水平面からの傾き
は、３度ないし４５度であることが望ましい。　即ち傾
きが３度より小さい場合には定在波の発生防止作用、又
傾きが４５度を超える場合には入射超音波の直接照射に
よる洗浄槽側壁の劣化防止作用がそれぞれ損われるおそ
れがある。　又洗浄液の供給圧力等は、半導体基板に付
着する極微小汚染物の洗浄効果及びコストを含む生産条
件等から試行により決定され、その圧力は０．７ないし
２．０　ｋ（１／Ｃ１’　、流量は３ないし１０１／１
ｉｎであることが望ましい。

次に本発明の効果を検証する実験データの一例として、
半導体基板上に作成したＭＯＳキャパシターの酸化膜耐
圧試験結果について説明する。

ゲート酸化膜形成工程前の洗浄処理として、本発明の第
１実施例の装置を用いた。ものと、同一周波数、同一出
力で第９図に示す従来装置を用いて洗浄したものとを比
較した。　即ち上記の洗浄処理をした２種類の基板主面
にそれぞ・れ膜厚１５０人の酸化膜を形成したのち、ゲ
ート電極として不純物をドープした膜厚４０００人、シ
ート抵抗２０Ω／口、面積１０１「のポリシリコン膜を
積層して、ＭＯＳキャパシターを作成した。　基板とゲ
ートｔ［ｚとの間に電圧を印加し酸化膜の耐圧を測定し
た。

酸化膜の電界が８ＭＶ／ｌＪ以下で破壊したキャパシタ
ーの基板面内での分布を第４図及び第５図に示す、　な
おＸ印は破壊したキャパシターチップを示す、　従来装
置を用いて洗浄したキャパシターの結果を示した第４図
では、３２チツプ中８チツプが８ＭＶ／ｃｌ以下の電界
で破壊したのに対し、本発明の第１実施例の装置で洗浄
した結果を示す第５図では、３２チツプのうち１チツプ
が破壊しただけで、本発明の装置の洗浄効果が従来装置
に比し、優れていることがわかる。

次に、本発明の第１実施例の装置と従来の第９図に示す
装置とで、それぞれ複数枚の基板を洗浄し、基板表面上
の微粒子除去率を調べた結果の一例を第６図に示す。　
同図の○印は平均除去率（％）を、又上下の線分はその
変動範囲を示す。

本発明により、基板表面上の微粒子除去率は格段に向上
し、前記第４図、第５図の結果が裏付けられた。　次に
本発明の第１実権例の装置と従来の第９図に示す装置と
を、薬液（ＭＣＩ　＞洗浄後の純水リンス（ｒｉｎｓｅ
、すすぎ）に用いた場合の、洗浄液の比抵抗の回復時間
を測定した結果を第７図に示す、　同図において、横軸
は純水リンス時間（分）を、縦軸は純水洗浄液の比抵抗
（ＭΩ・ｃｎ）値を示す、　実曲線ａは本発明の、又破
線の曲線すは従来のそれぞれの装置を使用した場合の結
果を示す、　同図によれば比抵抗の回復時間は従来約１
６分間必要としたものが本発明では約１０分間に短縮さ
れた。

［発明の効果］ 本発明の超音波洗浄装置では、振動板を水平面に対し、
所定角度傾けて設置したことにより、定在波の発生は無
くなり、半導体基板面に対する洗浄効果の不均一性を改
善することができ、又入射超音波は洗浄液と空気との界
面において反射し、その強度が弱められた後、洗浄槽の
側壁を照射するので、側壁の劣化は大幅に改善され、汚
染物の発生は防止される。　又超音波振動子の発振周波
数を８００ｋＨ２ないし２０００　ｋＨｚとしたことに
より、洗浄作用は主として粒子加速機構によるものとな
り、０．１ないし１．０μｍ程度の極微小汚染物の除去
効率は高くなる。　又本発明の第２請求項の装置におい
ては、振動板を傾斜配設したので半導体基板の真下から
洗浄液を供給することができ、洗浄液の置換効率は高め
られ高い洗浄効果が得られる。

本発明により、半導体基板に付着する極微小汚染物の除
去に際して、従来装置の欠点は改善され、均一な高い洗
浄効果が得られる超音波洗浄装置を提供することができ
な。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ　）は、本発明の超音波洗浄装置の第１実施
例の構成の概要を説明するための模式図、同図（ｂ　）
は洗浄液供給口の拡大断面図、第２図及び第３図は、本
発明の超音波洗浄装置のそれぞれ第２及び第３実施例の
構成の概要を説明するための模式図、第４図及び第５図
は、それぞれ従来装置及び本発明の装置を用いて作成さ
れたＭＯＳキャパシターの酸化膜耐圧試験結果の半導体
基板面内分布図、第６図は基板表面上の微粒子除去率に
関する本発明及び従来装置の比較図、第７図は純水リン
ス時の比抵抗回復特性に関する本発明及び従来装置の比
較図、第８図ないし第１０図はそれぞれ従来の超音波洗
浄装置の構成の概要を説明するための模式図である。 １．２１，３１．４１・・・洗浄槽、　２，１２゜２２
ａ　、２２ｂ　、３２．４２＝−・振動板、　３゜Ｌ３
，２３ａ　、２３ｂ　、３３．４３−・・超音波振動子
、　４，２４，３４．４４・・・洗浄液、　５・・・半
導体基板、　６，２６．３６．４６・・・洗浄液供給口
、　θ１．θ２．θ１．θ４・・・振動板（振動面）の
水平面からの傾き。 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　半導体基板を洗浄液に浸漬して表面洗浄する装置に
   おいて、洗浄槽の底部に振動面が水平面から傾けて設け
   られた振動板を含む超音波振動子を有し、該超音波振動
   子の発振周波数が８００ｋＨｚないし２０００ｋＨｚの
   周波数帯域に属することを特徴とする超音波洗浄装置。 ２　洗浄槽内の洗浄液に浸漬される被洗浄半導体基板直
   下の洗浄槽底部に洗浄液供給口が設けられている超音波
   洗浄装置。