KR102071817B1 - 기판 세정 방법 및 기판 세정 장치, 및 클러스터 생성 가스의 선정 방법 - Google Patents

기판 세정 방법 및 기판 세정 장치, 및 클러스터 생성 가스의 선정 방법 Download PDF

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

클러스터 생성 가스로서 이하의 (1) 식에서 나타내는 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의 (2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱인 Φ의 값에 근거해서 선정된 것을 이용한다.
(수식 1)
Figure 112018081982416-pct00016

(수식 2)
Figure 112018081982416-pct00017

단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:가스 공급 온도, Tb:클러스터 생성 가스의 비점이다.

Description

기판 세정 방법 및 기판 세정 장치, 및 클러스터 생성 가스의 선정 방법
본 발명은 가스 클러스터를 이용한 기판 세정 방법 및 기판 세정 장치, 및 클러스터 생성 가스의 선정 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 과정에 있어서는, 반도체 기판에 부착하고 있는 파티클이 제품의 결함으로 연결되기 때문에, 기판에 부착한 파티클을 제거하는 세정 처리를 한다. 이러한 기판 세정 기술로서는, 기판 표면에 가스 클러스터를 조사하고, 그 물리적인 작용에 의해 기판 표면의 파티클을 제거하는 기술이 주목받고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, CO2나 Ar을 클러스터화하고, 기판에 충돌시켜 물리적인 세정을 실시하는 기술이 제안되어 있다. 그렇지만, 최근, 서브 미크론으로부터 나노 정도의 미소한 파티클을 제거하는 것이 요구되고 있고, 이러한 미소한 파티클을 높은 효율로 제거하기 위해서는, 고속의 가스 클러스터가 필요하고, CO2나 Ar을 단독으로 이용했을 경우에는 필요한 속도의 가스 클러스터를 얻는 것이 곤란하다.
이것에 대해, 특허문헌 2에는, 가스 클러스터를 이용해 기판 표면을 세정하는 방법으로서, CO2 등의 클러스터 생성 가스에 He 등의 가속용 가스를 혼합하고, 클러스터 생성 가스를 가속하는 기술이 개시되어 있다. 그렇지만, 이러한 기술에서는, 가스의 공급 압력을 높게 하고, 또한 대유량으로 할 필요가 있고, 승압기를 필요로 하는 등, 장치가 복잡화하고, 또한 대형화한다고 하는 문제가 있다.
한편, 특허문헌 3에는, 가스 클러스터를 생성하기 위한 가스를 공급하는 가스 라인을 100K 이하의 극저온으로 냉각시키는 것으로, 낮은 공급 압력에서 큰 사이즈의 가스 클러스터 또는 에어로졸을 생성하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 생성된 가스 클러스터 또는 에어로졸의 속도는 늦고, 미소한 제거 대상물을 높은 효율로 제거하는 것은 곤란하다. 또한, 큰 사이즈의 가스 클러스터에서는, 미세한 패턴내의 파티클을 제거하는 것이 곤란하고, 또한 미세한 패턴에 데미지를 줄 가능성도 커진다.
미국 특허 제 5,062,898 호 명세서 일본 특허 공개 제 2014-72383 호 공보 미국 특허 제 6,449,873 호 명세서
본 발명의 목적은, 복잡하고 대형의 장치를 이용하는 일이 없이, 가스 클러스터에 의해 미소한 파티클을 고효율로 제거할 수 있는 기판 세정 방법 및 기판 세정 장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 이러한 기판 세정이 가능한 클러스터 생성 가스의 선정 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 관점에 의하면, 클러스터 생성 가스를 소정 압력에서 클러스터 노즐에 공급하는 것과, 상기 클러스터 생성 가스를 상기 클러스터 노즐로부터, 피처리 기판이 배치되고, 진공으로 보지된 처리 용기에 분사시키는 것과, 상기 클러스터 생성 가스를 단열 팽창시켜 가스 클러스터를 생성하는 것과, 상기 가스 클러스터를 상기 처리 용기 내에 보지된 피처리 기판에 조사해서 피처리체에 부착한 파티클을 제거하는 것을 구비하는 기판 세정 방법에 있어서, 상기 클러스터 생성 가스로서 이하의 (1) 식에서 나타내는 상기 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 상기 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의 (2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱인 Φ의 값에 근거해서 선정된 것을 이용하는, 기판 세정 방법이 제공된다.
(수식 1)
Figure 112018081982416-pct00001
단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:가스 공급 온도이다.
(수식 2)
Figure 112018081982416-pct00002
단, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
본 발명의 제 2 관점에 의하면, 가스 클러스터를 이용해 기판을 세정하는 기판 세정 장치에 있어서, 피처리 기판이 배치되고, 진공으로 보지되는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 피처리 기판을 보지하는 기판 보지부와, 상기 처리 용기 내를 배기하는 배기 기구와, 클러스터 생성 가스를 공급하는 클러스터 생성 가스 공급부와, 상기 클러스터 생성 가스 공급부로부터 소정 압력으로 상기 클러스터 생성 가스가 공급되고, 상기 클러스터 생성 가스를 상기 처리 용기에 분사하고, 단열 팽창으로 생성된 가스 클러스터를 피처리 기판에 조사하는 클러스터 노즐을 구비하고, 상기 클러스터 가스 공급부는, 상기 클러스터 생성 가스로서 이하의 (1) 식에서 나타내는 상기 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 상기 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의 (2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱인 Φ의 값에 근거해서 선정된 것을 이용하는, 기판 세정 장치가 제공된다.
(수식 3)
Figure 112018081982416-pct00003
단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:가스 공급 온도이다.
(수식 4)
Figure 112018081982416-pct00004
단, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
본 발명의 제 3 관점에 의하면, 클러스터 생성 가스를 소정 압력에서 클러스터 노즐에 공급하고, 상기 클러스터 생성 가스를 상기 클러스터 노즐로부터, 피처리 기판이 배치되고, 진공으로 보지된 처리 용기에 분사시켜, 상기 클러스터 생성 가스가 단열 팽창하는 것에 의해 생성된 가스 클러스터를 피처리 기판에 조사해서 피처리 기판의 파티클을 제거할 때에, 상기 클러스터 생성 가스를 선정하는 방법에 있어서, 이하의 (1) 식에서 나타내는 상기 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 상기 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의 (2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱인 Φ의 값에 근거해서 선정하는 것을 특징으로 하는 클러스터 생성 가스의 선정 방법이 제공된다.
(수식 5)
Figure 112018081982416-pct00005
단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:도입 가스 온도이다.
(수식 6)
Figure 112018081982416-pct00006
단, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
상기 제 1 내지 제 3 관점에 있어서, 상기 클러스터 생성 가스로서, Φ의 값이 CO2 가스의 Φ의 값보다 큰 것을 선정하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 및 제 2 관점에 있어서, 상기 클러스터 생성 가스의 공급 온도가 220K 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 클러스터 생성 가스는 C3H6, C3H8, C4H10 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 클러스터 생성 가스에, 상기 가스 클러스터를 가속하기 위한 가속 가스를 혼합하고, 혼합 가스로서 공급할 수 있다. 상기 가속용 가스로서는, H2 또는 He을 호적으로 이용할 수 있다.
상기 가스 클러스터의 사이즈를, 상기 클러스터 생성 가스 또는 혼합 가스의 공급 압력, 상기 클러스터 생성 가스 또는 혼합 가스의 공급 온도, 또는 상기 클러스터 노즐의 오리피스 직경에 의해 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, 클러스터 노즐로부터 분출한 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 클러스터로 되기 용이함의 지표(C)와의 곱(Φ)에 근거해서 클러스터 생성 가스의 가스종을 선정하므로, 총 에너지가 극력 높은 가스 클러스터를 생성하는 가스를 선정할 수 있고, 선정된 가스에 의한 가스 클러스터에 의해, 미소한 파티클을 고효율로 제거할 수 있다. 또한, 이러한 가스를 선정하는 것에 의해, 공급 압력, 가스 유량 등을 저감할 수 있고, 장치의 복잡화 및 대형화를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 기판 세정 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 각 가스의 가스 온도 27℃(300K)에 있어서의, 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C), 1분자(원자)당의 에너지(K), 및 이들 곱(Φ)을 나타내는 도면이다.
도 3은 각 가스의 공급 온도(T0)와 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C) 및 1분자당의 에너지(K)의 곱(Φ)과의 관계를 나타내는 도면이며, 불활성 가스에 대해 나타내 보이는 것이다.
도 4는 각 가스의 공급 온도(T0)와 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C) 및 1분자당의 에너지(K)의 곱(Φ)과의 관계를 나타내는 도면이며, 부식성 가스나 상온에서 액체로 되는 것에 대해서 나타내 보이는 것이다.
도 5는 각 가스의 공급 온도(T0)와 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C) 및 1분자당의 에너지(K)의 곱(Φ)과의 관계를 나타내는 도면이며, 가연성 가스 등을 나타내는 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 관한 기판 세정 장치를 나타내는 단면도이다.
본 발명자는, 복잡하고 대형의 장치를 이용하는 일이 없이 미소한 파티클을 고효율로 제거할 수 있는 가스 클러스터를 얻을 수 있도록 검토를 거듭했다. 그 결과, 제거 대상의 파티클이 작아지면 질수록, 파티클에 충돌해서 제거에 필요한 에너지를 주는 클러스터의 구성 분자의 총 에너지(=충돌 분자수×1분자당의 에너지)를 크게 하는 것이, 높은 파티클 제거 성능을 얻기 위해서 중요하고, 이것은, 특히, 스페이스 폭이 좁은 패턴 내부의 파티클을 제거할 때에 현저한 것을 찾아냈다. 그리고, 이들을 베이스로 한층 더 검토한 결과, 클러스터 생성 가스를 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 1분자 또는 1원자당의 에너지와, 상기 가스의 비점, 비열비 및 가스 온도로부터 계산되는 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표값과의 곱에 근거해서 클러스터 생성 가스의 가스종을 선정하는 것이 유효한 것을 찾아냈다. 본 발명은 이러한 지견에 근거해 완성된 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
<기판 세정 장치>
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 기판 세정 장치를 나타내는 단면도이다.
기판 세정 장치(100)는 기판에 부착한 파티클을 가스 클러스터에 의해 제거해서 기판의 세정 처리를 실시하는 것이다.
이 기판 세정 장치(100)는 세정 처리를 행하기 위한 처리실을 구획하는 처리 용기(1)를 구비하고 있다. 처리 용기(1) 내에는 피처리 기판(S)을 탑재하는 기판 탑재대(2)가 설치되어 있다. 피처리 기판(S)으로서는, 반도체 웨이퍼나, 플랫 패널 디스플레이용의 유리 기판 등, 여러 가지의 것을 들 수 있고, 부착한 파티클을 제거할 필요가 있는 것이면 특히 한정되지 않는다. 기판 탑재대(2)는 구동 기구(3)에 의해 구동되게 되어 있다.
처리 용기(1)의 측벽 하부에는 배기구(4)가 설치되어 있고, 배기구(4)에는 배기 배관(5)이 접속되어 있다. 배기 배관(5)에는, 진공 펌프(6)가 설치되어 있고, 이 진공 펌프(6)에 의해 처리 용기(1) 내가 진공 배기되게 되어 있다. 이 때의 진공도는 배기 배관(5)에 마련된 압력 제어 밸브(7)에 의해 제어 가능으로 되어 있다. 이들에 의해 배기 기구가 구성되고, 이것에 의해 처리 용기(1) 내가 소정의 진공도로 보지된다.
기판 탑재대(2)의 상방에는, 피처리 기판(S)에 세정용의 가스 클러스터를 조사하는 가스 클러스터 조사 기구(10)가 배치되어 있다. 가스 클러스터 조사 기구(10)는, 처리 용기(1) 내의 상부에 기판 탑재대(2)에 대향해서 마련된 클러스터 노즐(11)과, 처리 용기(1) 외에 마련된, 클러스터 노즐(11)에 클러스터를 생성하기 위한 가스를 공급하는 클러스터 생성 가스 공급부(12)와, 클러스터 생성 가스 공급부(12)로부터의 가스를 클러스터 노즐(11)로 유도하는 가스 공급 배관(13)과, 가스 클러스터의 온도를 제어하는 온도 제어부(14)를 구비하고 있다. 가스 공급 배관(13)에는, 상류측으로부터, 압력 조정기(15), 압력계(16), 유량 제어기(17) 및 개폐 밸브(18)가 설치되어 있다. 클러스터 노즐(11)은, 원통형의 압력실(11a)과, 압력실(11a)의 선단에 마련된 끝이 넓어지는 원뿔형상을 이루는 토출구(11b)를 구비하고 있다. 압력실(11a)과 토출구(11b)와의 사이에 오리피스가 형성된다. 또한, 토출구(11b)의 형상은 원뿔형상으로 한정되지 않는다.
클러스터 생성 가스 공급부(12)로부터 클러스터 생성 가스를 공급할 때, 가스 공급 배관(13)에 마련된 압력계(16)가 계측한 압력값에 근거하여, 유량 제어기(17)에 의해 제어되는 가스 유량 및 압력 조정기(15)에 의해 공급 압력이 예를 들면 0.1 내지 5.0 MPa 정도의 압력으로 조정된다. 가스 공급 배관(13)으로부터 가스 클러스터 노즐(11) 내에 도입된 클러스터 생성 가스는 분자 또는 원자로서 존재하지만, 압력이 높은 압력실(11a)로부터, 오리피스를 거쳐 토출구(11b)에 이르면, 그 압력이 처리 용기(1) 내와 동일한 진공 압력이므로, 급격한 단열 팽창에 의해 응축 온도 이하로 냉각되고, 분자 또는 원자의 일부가 반데르발스힘에 의해 몇개로부터 약 107개 응집하고, 가스 클러스터(C)가 된다. 그리고, 생성된 가스 클러스터(C)가 토출구(11b)로부터 처리 용기(1)(처리실) 내에 분사되고, 피처리 기판(S)에 조사되어 피처리 기판(S)에 부착한 미소 파티클이 제거된다.
클러스터 생성 가스는, 후술하는 바와 같이, 클러스터 노즐(11)로부터 분출할 때의 1분자 또는 1원자당의 에너지와, 상기 가스의 비점, 비열비 및 가스 온도로부터 계산되는 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표값과의 곱에 근거해서 선정된다.
생성된 가스 클러스터를 파괴시키지 않고 피처리 기판(S)에 분사시키기 위해서는, 처리 용기(1) 내의 압력은 낮은 편이 좋고, 예를 들면, 클러스터 노즐(11)에 공급하는 가스의 공급 압력이 1 MPa 이하에서는 300 Pa 이하, 공급 압력이 1 내지 5 MPa에서는 600 Pa 이하인 것이 바람직하다.
상술한 구동 기구(3)는, 클러스터 노즐(11)로부터 분사된 가스 클러스터(C)가 피처리 기판(S)의 전면에 조사되도록 기판 탑재대(2)를 일 평면 내에서 이동시키는 것이며, 예를 들면 XY 테이블로 되어 있다. 또한, 이와 같이 구동 기구(3)에 의해 기판 탑재대(2)를 거쳐서 피처리 기판(S)을 평면 이동시키는 대신에, 클러스터 노즐(11)을 평면 이동시켜도 좋고, 또한 기판 탑재대(2)와 클러스터 노즐(11)과의 양쪽 모두를 평면 이동시켜도 좋다. 또한, 기판 탑재대(2)를 회전시키고, 클러스터 노즐을 상대적으로 이동시켜도 좋다. 또한, 기판 탑재대(2)를 회전시키고 또한 평행 이동시켜도 좋다.
처리 용기(1)의 측면에는, 피처리 기판(S)의 반입·반출을 행하기 위한 반입·반출구(도시하지 않음)가 설치되어 있고, 이 반입·반출구를 거쳐서 진공 반송실(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 반입·반출구는 게이트 밸브(도시하지 않음)에 의해 개폐 가능으로 되어 있고, 진공 반송실 내의 기판 반송 장치에 의해, 처리 용기(1)에 대한 피처리 기판(S)의 반입·반출을 한다.
기판 세정 장치(100)는 제어부(30)를 구비하고 있다. 제어부(30)는, 기판 세정 장치(100)의 가스의 공급(압력 조정기(15), 유량 제어기(17), 및 개폐 밸브(18)), 가스의 배기(압력 제어 밸브(7)), 구동 기구(3)에 의한 기판 탑재대(2)의 구동 등을 제어하는, 마이크로 프로세서(컴퓨터)를 구비한 컨트롤러를 구비하고 있다. 컨트롤러에는, 오퍼레이터가 기판 세정 장치(100)를 관리하기 위해서 커멘드의 입력 조작 등을 실시하는 키보드나, 기판 세정 장치(100)의 가동 상황을 가시화해서 표시하는 디스플레이 등이 접속되어 있다. 또한, 컨트롤러에는, 기판 세정 장치(100)에 있어서의 처리를 컨트롤러의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램이나 처리 조건에 따라 기판 세정 장치(100)의 각 구성부에 소정의 처리를 실행시키기 위한 제어 프로그램인 처리 레시피나, 각종 데이터베이스 등이 격납된 기억부가 접속되어 있다. 레시피는 기억부의 내의 적당의 기억 매체에 기억되어 있다. 그리고, 필요에 따라서, 임의의 레시피를 기억부로부터 호출해 컨트롤러에 실행시키는 것에 의해, 컨트롤러의 제어하에서, 기판 세정 장치(100)로의 소망한 처리를 한다.
이상과 같이 구성되는 기판 세정 장치(100)에 있어서는, 우선, 게이트 밸브를 개방해서 반입·반출구를 거쳐서 피처리 기판(S)을 반입하고, 기판 탑재대(2)상에 탑재한다. 그 다음에, 처리 용기(1) 내를 진공 펌프(6)에 의해 진공 흡인해서 소정 압력의 진공 상태로 하는 것과 동시에, 클러스터 생성 가스 공급부(12)로부터 클러스터 생성 가스를 소정 유량으로 공급하고, 소정의 공급 압력으로 해서, 클러스터 노즐(11)로부터 분사시킨다. 클러스터 노즐(11)의 압력실(11a)은 압력이 높기 때문에, 클러스터 생성 가스는 분자 또는 원자로서 존재하지만, 오리피스를 거쳐 토출구(11b)에 이르면, 그 압력이 처리 용기(1) 내와 동일한 진공 압력이므로, 급격한 단열 팽창에 의해 응축 온도 이하로 냉각되고, 분자 또는 원자의 일부가 반데르발스힘에 의해 응집해서 가스 클러스터(C)가 된다. 그리고, 가스 클러스터(C)는, 토출구(11b)로부터 처리 용기(1)(처리실) 내에 분사되고, 피처리 기판(S)에 조사되어 피처리 기판(S)에 부착한 미소 파티클이 제거된다.
<클러스터 생성 가스의 선정>
다음에, 클러스터 생성 가스의 선정에 대해 설명한다.
본 실시형태에 있어서는, 클러스터 생성 가스는, 클러스터 노즐(11)로부터 분출할 때의 1분자 또는 1원자당의 에너지와, 상기 가스의 비점, 비열비 및 가스 온도로부터 계산되는 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표값과의 곱에 근거해서 선정된다.
구체적으로는, 이하의 (1) 식에서 나타내는 클러스터 노즐(11)로부터 분출할 때의 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의 (2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱, 즉 Φ=K×C로 나타내는 Φ에 근거해서 클러스터 생성 가스의 가스종을 선정한다.
(수식 7)
Figure 112018081982416-pct00007
단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:가스 공급 온도이다.
(수식 8)
Figure 112018081982416-pct00008
단, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
상술한 바와 같이, 제거 대상의 파티클이 작아지면 질수록, 파티클에 충돌해서 제거에 필요한 에너지를 주는 가스 클러스터의 구성 분자의 총 에너지(=충돌 분자수×1분자당의 에너지)를 크게 하는 것이, 높은 파티클 제거 성능을 얻기 위해서 중요하고, 특히 스페이스 폭이 좁은 패턴 내부의 파티클을 제거할 때에 현저하다. 총 에너지를 높게 하기 위해서는, 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)를 크게 하는 것이 중요하지만, 1분자 또는 1원자당의 에너지가 큰 가스종에서도, 클러스터를 생성하지 않으면 유효한 가스는 되지 않는다. 따라서, 본 실시형태에서는, 클러스터 노즐(11)로부터 분출한 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 클러스터로 되기 용이함의 지표(C)와의 곱(Φ)에 근거해서 클러스터 생성 가스의 가스종을 선정한다.
도 2는 각 가스의 가스 온도 27℃(300K)에 있어서의, 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C), 1분자(원자)당의 에너지(K), 및 이들 곱(Φ)을 나타내는 도면이다. 도 2에 있어서, 각 가스의 환의 크기가 각각의 값의 크기를 나타낸다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 SF6은 1분자당의 에너지(K)는 크지만, 이 온도에서는 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C)이 작고, 클러스터의 생성 자체가 어렵다. 따라서, 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C)과 1분자당의 에너지(K)와의 곱(Φ)이 큰 가스가, 가스 클러스터를 이용한 세정 프로세스에 유효한 가스가 된다.
또한, 클러스터로 되기 용이함의 지표값(C), 및 1분자(원자)당의 에너지(K)는 가스 공급 온도(즉, 클러스터 노즐의 온도)(T0)의 함수인 것으로부터, 도 3 내지 도 5에 각 가스의 공급 온도(T0)와 Φ와의 관계를 나타낸다. 도 3은 불활성 가스, 도 4는 부식성 가스나 상온으로 액체가 되는 것, 도 5는 가연성 가스 등이다.
종래는, 클러스터 생성 가스로서 N2, Ar, CO2가 많이 이용되고 있고, 이들을 가스 공급 온도(즉, 클러스터 노즐의 온도)가 100 내지 220K 정도의 극저온으로 사용하고 있다. 그리고, 도 3으로부터 N2, Ar, CO2에서는, 이 온도 범위에 있어서의 Φ의 값은 1.5 내지 740(meV/molecule or atom)이 되는 것을 알 수 있다. 이들 내에서 CO2의 Φ의 값이 가장 크다. 이것으로부터, 클러스터 생성 가스로서는, Φ의 값이 CO2보다 높은 가스를 선정하는 것이 바람직하다. 한편, 도 4에 도시하는 바와 같이, 상온에서 액체의 C2H5OH, CH3OH, H2O, 부식성의 가스인 ClF3, Cl2, HF, NH3, HCl은, Φ의 값이 CO2보다 높지만, 상온에서 액체가 아닌 가스로서 안정적으로 공급 압력을 확보하기 어렵고, 또한 부식성의 가스는 클러스터 생성 가스로서는 부적합하다.
여기서, Φ가 CO2보다 크고, 가스로서 안정적으로 공급 압력을 확보할 수 있고, 비부식성 가스인 점을 고려해 선정하면, 도 5에 나타내는, 탄화수소(CxHy)인 C3H6(프로필렌), C3H8(프로판), C4H10(부탄)이 바람직한 것을 알 수 있다. 특히, 이들은, 가스 공급 온도가 220K 이상에 있어서도 CO2보다 Φ의 값이 크고, 종래보다 높은 온도로 클러스터화할 수 있다. 또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 불활성 가스의 중에서, Xe, SiF4, C2F4는, 가스 공급 온도에 따라서는 Φ의 값이 CO2보다 크다. 따라서, Xe, SiF4, C2F4에 대해서도, 사용 온도역이 C3H6, C3H8, C4H10보다 한정되어 버리지만, 클러스터 생성 가스로서 선정할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 클러스터 노즐(11)로부터 분출한 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 클러스터로 되기 용이함의 지표(C)와의 곱(Φ)에 근거해서 클러스터 생성 가스의 가스종을 선정한다. 이것에 의해, 총 에너지가 극력 높은 가스 클러스터를 생성하는 가스를 선정할 수 있고, 선정된 가스에 의한 가스 클러스터에 의해, 미소한 파티클을 고효율로 제거할 수 있다. 또한, 이러한 가스를 선정하는 것에 의해, 공급 압력, 가스 유량 등을 저감할 수 있고, 장치의 복잡화 및 대형화를 해소할 수 있다. 구체적으로는, 클러스터 생성 가스로서 종래의 CO2보다 Φ가 큰 가스종, 예를 들면 C3H6, C3H8, C4H10, (사용 온도역에 따라서는 Xe, SiF4, C2F4)를 선정하는 것에 의해, 상기 효과를 유효하게 발휘할 수 있다.
또한, 클러스터로 되기 용이함의 지표(C)가 큰 클러스터화하기 쉬운 가스를 선정하는 것은, 생성되는 가스 클러스터의 사이즈를 증가시키는 것에도 연결된다. 일본 특허 공개 제 평8-127867 호 공보에도 기재되어 있는 바와 같이, 가스 클러스터 사이즈의 관계식은 이하의 (3) 식에 나타내는 것이 된다.
(수식 9)
Figure 112018081982416-pct00009
단, P0:가스 공급 압력, D0:클러스터 노즐의 오리피스 직경, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
상기 (3) 식에서 나타내는 Ψ은 가스 클러스터 사이즈의 파라미터이며, 상기 클러스터로 되기 용이함의 지표(C)에 가스 공급 압력(P0) 및 클러스터 노즐의 오리피스 직경(D0)을 곱한 것이다. 따라서, 본 실시형태에 따라서 C를 크게 하는 것에 의해, 보다 낮은 공급 압력(P0)에 의해서 필요한 사이즈의 가스 클러스터를 얻는 것이 가능해진다. 또한, 마찬가지로, 클러스터 노즐의 오리피스 직경(D0)도 작게 할 수 있는 것으로부터, 상기 저 가스 공급 압력화와 맞춰서, 처리 용기(1) 내에 도입하는 가스 유량을 줄일 수 있다. 이것에 의해, 처리 용기(1) 내의 잔류 가스와 가스 클러스터와의 충돌에 의한 가스 클러스터의 에너지 저하 등의 악영향을 억제할 수 있다.
<클러스터 생성에 관련되는 다른 파라미터 제어>
이상과 같이 해서 클러스터 생성 가스를 선정한 다음, 이하와 같은 클러스터 생성에 관련되는 다른 파라미터를 제어할 수도 있다.
(가속용 가스의 사용)
상술한 바와 같은, 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와 클러스터로 되기 용이함의 지표(C)와의 곱(Φ)에 근거해서 선정된 클러스터 생성 가스(예를 들면 C3H8)에, 클러스터 노즐로부터 분출해서 단열 팽창 과정을 거친 후에 특히 고속이 되는 가속용 가스(예를 들면 H2, He)를 혼합시켜, 클러스터 노즐에 혼합 가스로서 공급해 가스 클러스터를 생성시키는 것에 의해, 생성하는 가스 클러스터를 가속할 수 있다.
도 6은 가속용 가스를 이용한 기판 세정 장치를 나타내는 단면도이다. 기판 세정 장치(100')는, 도 1의 기판 세정 장치(100)의 가스 클러스터 조사 기구(10) 대신에, 클러스터 가스 생성 가스와 가속 가스를 혼합해 공급 가능한 가스 클러스터 조사 기구(10')를 구비하고 있는 점이 기판 세정 장치(100)와 상이하지만, 다른 구성은 기판 세정 장치(100)와 동일하기 때문에 동일한 것에는 동일한 도면부호를 부여해 설명을 생략한다.
가스 클러스터 조사 기구(10')는, 처리 용기(1) 내의 상부에 기판 탑재대(2)에 대향해 마련된 클러스터 노즐(11)과, 처리 용기(1)외에 마련된, 클러스터 노즐(11)에 클러스터를 생성하기 위한 가스를 공급하는 클러스터 생성 가스 공급부(12) 및 클러스터 노즐(11)에 가속용 가스를 공급하는 가속용 가스 공급부(20)와, 클러스터 생성 가스와 가속용 가스를 혼합해 클러스터 노즐(11)에 유도하는 배관계와, 가스 클러스터의 온도를 제어하는 온도 제어부(14)를 구비하고 있다. 배관계는, 클러스터 생성 가스 공급부(12)로부터 연장되는 제 1 배관(21)과, 가속용 가스 공급부(20)로부터 연장되는 제 2 배관(22)과, 이들 배관이 합류해 혼합 가스를 클러스터 노즐(11)에 유도하는 혼합 배관(23)을 구비하고 있다. 제 1 배관(21)에는, 상류측으로부터, 유량 제어기(24) 및 개폐 밸브(25)가 설치되어 있다. 또한, 제 1 배관(22)에는, 상류측으로부터, 유량 제어기(26) 및 개폐 밸브(27)가 설치되어 있다. 또한, 혼합 배관(23)에는, 상류측으로부터, 압력 조정기(41), 압력계(42) 및 개폐 밸브(43)가 설치되어 있다.
클러스터 생성 가스 및 가속용 가스를 공급할 때, 유량 제어기(24 및 26)에 의해 이러한 유량이 조정되고, 소정 비율의 혼합 가스가, 혼합 배관(23)에 마련된 압력계(41)가 계측한 압력값에 근거해 압력 조정기(41)에 의해 공급 압력이 예를 들면 0.1 내지 5 MPa 정도의 압력으로 조정된다. 혼합 배관(23)으로부터 가스 클러스터 노즐(11) 내에 도입된 혼합 가스 중, 클러스터 생성 가스는, 압력이 높은 가스 클러스터 노즐(11)로부터 처리 용기(1)(처리실) 내에 공급되는 것에 의해 급격한 단열 팽창에 의해 가스 클러스터가 되고, 가속용 가스는 클러스터화하지 않고, 가스 클러스터를 가속시킨다. 이 때의 혼합 가스에 대한 가속용 가스의 유량 비율은 1 내지 99%의 범위가 바람직하다.
가스 클러스터를 가속하는 것에 의해, 상기 K의 값을 보다 크게 할 수 있고, 가스 클러스터의 총 에너지를 증가시킬 수 있으므로, 보다 세정 능력을 높일 수 있다. 단, 본 실시형태에서는, 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)의 곱(Φ)에 근거하여, 종래 이용하고 있는 CO2보다 클러스터화하기 쉽고 1분자당의 에너지가 큰 클러스터 가스를 선정하므로, 종래보다 가속용 가스의 필요성은 작다. 즉, 가속용 가스를 종래보다 줄여도, 높은 세정 능력의 가스 클러스터를 생성할 수 있다.
(가스 클러스터 사이즈의 제어)
가스 클러스터 사이즈는, 클러스터 생성 가스 또는 혼합 가스의 공급 압력, 클러스터 노즐(또는 토출되는 가스)의 온도, 또는 클러스터 노즐의 오리피스 직경에 의해 제어할 수 있다.
예를 들면, 클러스터 생성 가스의 공급 압력이 낮은 경우(가속용 가스의 비율이 많고, 클러스터 구성용 가스의 비율이 적은 조건으로 공급 압력을 낮게 했을 경우 등), 생성하는 가스 클러스터의 사이즈가 현저하고 작아지는 일이 있다. 이러한 경우는, 가스 공급 온도(=클러스터 노즐의 온도)를 낮게 하는 것이나 오리피스 직경을 확관한 것에 의해, 가스 클러스터의 사이즈를 증가시키는 것이 유효로 된다.
그러나, 오리피스 직경을 확관한 것으로 가스 클러스터 사이즈를 크게 하는 경우에는, 공급 압력을 유지하기 위해서 필요한 가스 유량이 증가하고, 처리 용기(1) 내의 압력 증가로 연결된다. 처리 용기(1) 내의 압력이 증가하면, 처리 용기(1) 내의 잔류 가스와 가스 클러스터와의 충돌에 의한 가스 클러스터의 에너지 저하 등에 의해, 프로세스 성능을 저하시킬 가능성도 있다. 이러한 경우에는, 공급 가스의 온도를 내리는 것에 의해, 가스 클러스터 사이즈를 증가시키는 것이 바람직하다. 단, 본 실시형태에서는, 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)의 곱(Φ)에 근거하여, 종래 이용하고 있는 CO2보다 클러스터화하기 쉽고 1분자당의 에너지가 큰 클러스터 가스를 선정하므로, 종래와 같은 100 내지 220K로 한 극저온까지는 필요로 하지 않고, 상술한 바와 같이, 220K 이상, 예를 들면 220 내지 373K 정도로 충분하다.
<다른 적용>
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 일이 없이 본 발명의 사상의 범위 내에서 여러 가지 변형 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태에 있어서는, 가스 클러스터의 물리 작용만으로 기판을 세정하는 경우에 대해 설명했지만, 가스 클러스터를 적당의 수단으로 이온화하고, 전계나 자계에 의해 가속하도록 해도 좋다.
1: 처리 용기
2: 기판 탑재대
3: 구동 기구
4: 배기구
5: 배기 배관
6: 진공 펌프
7: 압력 제어 밸브
10, 10': 가스 클러스터 조사 기구
11: 클러스터 노즐
12: 클러스터 생성 가스 공급부
20: 가속용 가스 공급부
30: 제어부
100, 100': 기판 세정 장치
C: 가스 클러스터
S: 피처리 기판

Claims (16)

  1. 클러스터 생성 가스를 소정 압력에서 클러스터 노즐에 공급하는 것과,
    상기 클러스터 생성 가스를 상기 클러스터 노즐로부터, 피처리 기판이 배치되고, 진공으로 보지된 처리 용기에 분사시키는 것과,
    상기 클러스터 생성 가스를 단열 팽창시켜 가스 클러스터를 생성하는 것과,
    상기 가스 클러스터를 상기 처리 용기 내에 보지된 피처리 기판에 조사해서 피처리체에 부착한 파티클을 제거하는 것을
    구비하는 기판 세정 방법에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스로서 이하의 (1) 식에서 나타내는 상기 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 상기 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의 (2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱인 Φ의 값에 근거해서 선정된 것을 이용하는
    기판 세정 방법.
    (수식 1)
    Figure 112018081982416-pct00010

    단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:가스 공급 온도이다.
    (수식 2)
    Figure 112018081982416-pct00011

    단, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스로서, Φ의 값이 CO2 가스의 Φ의 값보다 큰 것을 선정하는
    기판 세정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스의 공급 온도가 220K 이상인
    기판 세정 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스는 C3H6, C3H8, C4H10 중 어느 하나인
    기판 세정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스에, 상기 가스 클러스터를 가속하기 위한 가속 가스를 혼합하고, 혼합 가스로서 공급하는
    기판 세정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가속 가스는 H2 또는 He인
    기판 세정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 클러스터의 사이즈를, 상기 클러스터 생성 가스 또는 혼합 가스의 공급 압력, 상기 클러스터 생성 가스 또는 혼합 가스의 공급 온도, 또는 상기 클러스터 노즐의 오리피스 직경에 의해 제어하는
    기판 세정 방법.
  8. 가스 클러스터를 이용해 기판을 세정하는 기판 세정 장치에 있어서,
    피처리 기판이 배치되고, 진공으로 보지되는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에서 피처리 기판을 보지하는 기판 보지부와,
    상기 처리 용기 내를 배기하는 배기 기구와,
    클러스터 생성 가스를 공급하는 클러스터 생성 가스 공급부와,
    상기 클러스터 생성 가스 공급부로부터 소정 압력으로 상기 클러스터 생성 가스가 공급되고, 상기 클러스터 생성 가스를 상기 처리 용기에 분사하고, 단열 팽창으로 생성된 가스 클러스터를 피처리 기판에 조사하는 클러스터 노즐을 구비하며,
    상기 클러스터 생성 가스 공급부는, 상기 클러스터 생성 가스로서 이하의 (1) 식에서 나타내는 상기 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 상기 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의 (2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱인 Φ의 값에 근거해서 선정된 것을 이용하는
    기판 세정 장치.
    (수식 3)
    Figure 112019096152737-pct00012

    단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:가스 공급 온도이다.
    (수식 4)
    Figure 112019096152737-pct00013

    단, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스로서 Φ의 값이 CO2 가스의 Φ의 값보다 큰 것이 이용되는
    기판 세정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스로서 그 공급 온도가 220K 이상인 것이 이용되는
    기판 세정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성 가스는 C3H6, C3H8, C4H10 중 어느 하나인
    기판 세정 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 클러스터를 가속하기 위한 가속 가스를 공급하는 가속 가스 공급부를 더 구비하고, 상기 클러스터 생성 가스에, 상기 가속 가스가 혼합되고, 혼합 가스로서 상기 클러스터 노즐에 공급되는
    기판 세정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가속 가스는 H2 또는 He인
    기판 세정 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 클러스터의 사이즈는, 상기 클러스터 생성 가스 또는 혼합 가스의 공급 압력, 상기 클러스터 생성 가스 또는 혼합 가스의 공급 온도, 또는 상기 클러스터 노즐의 오리피스 직경에 의해 제어되는
    기판 세정 장치.
  15. 클러스터 생성 가스를 소정 압력에서 클러스터 노즐에 공급하고, 상기 클러스터 생성 가스를 상기 클러스터 노즐로부터, 피처리 기판이 배치되고, 진공으로 보지된 처리 용기에 분사시켜, 상기 클러스터 생성 가스가 단열 팽창하는 것에 의해 생성된 가스 클러스터를 피처리 기판에 조사해서 피처리 기판의 파티클을 제거할 때에, 상기 클러스터 생성 가스를 선정하는 방법에 있어서,
    이하의 (1) 식에서 나타내는 상기 클러스터 노즐로부터 분출할 때의 상기 클러스터 생성 가스 1분자 또는 1원자당의 에너지(K)와, 이하의(2) 식에서 나타내는 가스의 클러스터로 되기 용이함을 나타내는 지표(C)와의 곱인 Φ의 값에 근거해서 선정하는
    클러스터 생성 가스의 선정 방법.
    (수식 5)
    Figure 112018081982416-pct00014

    단, kB:볼츠만 정수, γ:클러스터 생성 가스의 비열비, m:클러스터 생성 가스의 질량, ｖ:클러스터 생성 가스의 속도, T0:도입 가스 온도이다.
    (수식 6)
    Figure 112018081982416-pct00015

    단, Tb:클러스터 생성 가스의 비점, T0:가스 공급 온도, γ:클러스터 생성 가스의 비열비이다.
  16. 제 15 항에 있어서,
    Φ의 값이 CO2 가스의 Φ의 값보다 큰 것을 선정하는
    클러스터 생성 가스의 선정 방법.
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