JP2007266194A - 半導体基板の洗浄方法及びそれを用いた半導体基板の洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】孔部や溝部に付着した径が０．１μｍ以下の微細なパーティクルを除去できるようにする。
【解決手段】孔部１１ａが空胴共振する周波数を持つ超音波を、例えば孔部１１ａに対して発振し、該孔部１１ａに空胴共振を発生させる。この孔部１１ａに発生した空洞共振により、孔部１１ａに付着したパーティクルを洗浄する。これにより、孔部１１ａに付着した径が０．１μｍ以下の微細なパーティクルを除去できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造プロセスで用いられる半導体基板の洗浄方法及びそれを用いた半導体基板の洗浄装置に関する。

近年、半導体集積回路の微細化及び高集積化が著しく進んでおり、半導体装置の製造プロセスにおいて、半導体基板（ウェハ）等に付着したパーティクルの除去がますます重要になってきている。パーティクルを除去する手段として、従来から超音波を利用した洗浄方法が知られている。

超音波洗浄は、一般に処理液として純水を用い、半導体基板上に絶縁膜若しくは金属膜を成膜する工程の前後又はホールパターンを形成する工程の後に、レジスト膜や絶縁膜の成膜に起因するパーティクルを除去する手段として用いられることが多い。

超音波洗浄は、超音波によって処理液（洗浄液）中に生じるキャビテーション（空洞、気泡）の消滅時に発生する衝撃波と、超音波による液粒子の振動とが半導体基板表面のパーティクルに作用することを利用したパーティクルの除去に有効な洗浄方法として幅広く用いられている。

例えば、従来の超音波洗浄方法として、メガソニック（５００ｋＨｚから５ＭＨｚの周波数帯の超音波）を用いる例がある（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照。）。

図１５は超音波を印加した洗浄液を吐出する枚葉型スプレータイプのメガソニック洗浄装置を示している。半導体基板（図示せず）は半導体基板ホルダ１０１により被処理面を上向きにして保持され、図中の矢印１０２の方向に回転する。また、基板面に平行に移動するメガソニックノズル１０３を備え、該メガソニックノズル１０３により、メガソニックを印加された洗浄液１０４を半導体基板上に噴射する。

図１６は複数の半導体基板を一括に超音波洗浄する、いわゆるバッチ式のメガソニック洗浄装置である。洗浄槽１０５の下側には超音波発振源１０６が設けられており、洗浄槽１０５に貯留された洗浄液１０７に超音波が印加される。これにより、半導体基板ホルダ１０８により保持された複数の半導体基板１０９は、超音波発振源１０６からのメガソニック帯の超音波を受けた洗浄液１０７によって洗浄される。
特開平１０−４１２６３号公報 特開平０３−５４８２７号公報

近年、半導体素子の微細化に伴い、より微細なパーティクルの半導体基板の特性への影響が無視できなくなってきている。特に、径が０．１μｍ以下のホールパターンをが形成された半導体基板においては、０．１μｍ以下の大きさを持つより微細なパーティクルを除去することが要求される。

しかしながら、前記従来のキャビテーション又は洗浄液の振動による効果を用いた、発振周波数が５ＭＨｚ以下の超音波による洗浄方法は、より微細なパターンの場合には、パーティクルの除去性が低下するという問題がある。

一般に、周波数が５００ｋＨｚから５ＭＨｚであるメガソニックを用いた洗浄は、径が０．１μｍから０．５μｍのパーティクルは効率良く除去することが可能であるが、径が０．１μｍ以下のパーティクルや、微細パターンに付着したパーティクルは容易に除去することができない。さらに、微細化によるコンタクトホール等の孔部の径や溝部の幅の縮小とそれによる高アスペスト比化（深さと幅との比の値の増大）に伴なって、より一層パターン内部におけるパーティクルの除去が困難となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、孔部や溝部に付着した径が０．１μｍ以下の微細なパーティクルを除去できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、半導体基板の洗浄方法を、半導体基板に形成された孔部又は溝部が空洞共振する周波数を持つ超音波を半導体基板に印加する構成とする。

具体的に、本発明に係る半導体基板の洗浄方法は、半導体基板の主面上に形成された孔部又は溝部を洗浄する半導体基板の洗浄方法を対象とし、孔部又は溝部が空胴共振する周波数を持つ超音波を孔部又は溝部に対して発振し、孔部又は溝部に空胴共振を発生させる工程と、発生した空洞共振により、孔部又は溝部を洗浄する工程とを備えていることを特徴とする。

本発明の半導体基板の洗浄方法は、空胴共振を発生させる工程において、超音波は所定の周波数の範囲で周波数を連続的又は断続的に変化させながら発振することが好ましい。

本発明の半導体基板の洗浄方法は、空胴共振を発生させる工程において、超音波は半導体基板の上面の全面に対して同時に発振することが好ましい。

また、本発明の半導体基板の洗浄方法は、空胴共振を発生させる工程において、超音波は半導体基板の上面の一部に対して選択的に発振することが好ましい。

この場合に、半導体基板の上面において、孔部又は溝部はその形状、構成材料及び形成密度が互いに異なる複数の領域を有しており、超音波の周波数、強度、発振時間又は超音波を発生する振動子のスキャン速度を各領域ごとに変更することが好ましい。

本発明の半導体基板の洗浄方法は、空胴共振を発生させる工程において、半導体基板の主面に対して平行に液体を流すことが好ましい。

本発明に係る半導体基板の洗浄装置は、半導体基板の主面上に形成された孔部又は溝部を洗浄する半導体基板の洗浄装置を対象とし、洗浄槽と、洗浄槽の内側に設けられ、半導体基板を保持する基板保持部と、基板保持部に保持された半導体基板の主面と対向するように設けられ、孔部又は溝部が空胴共振する周波数を持つ超音波を孔部又は溝部に対して発振する振動子を有する超音波発生部とを備えていることを特徴とする。

本発明の半導体基板の洗浄装置において、超音波発生部は、半導体基板の主面に対して垂直な方向又は平行な方向に移動可能で且つ主面に対して傾斜して保持できるように構成されていることが好ましい。

この場合に、振動子はその径が３ｃｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の半導体基板の洗浄装置において、基板保持部は、複数の半導体基板を互いの主面が対向するように１対ずつ保持可能であり、超音波発生部は振動子を複数有し、各振動子は各１対ずつの半導体基板の主面同士の間に互いの間隔が調整可能に設けられていることが好ましい。

本発明の半導体基板の洗浄装置は、洗浄槽の内側に設けられ、基板保持部に保持された複数の半導体基板の各主面に対してそれぞれ平行に液流を生じさせる液流発生部をさらに備えていることが好ましい。

ここで、本発明の微細なパーティクルを除去するための動作原理について説明する。

従来の５ＭＨｚ以下の周波数を用いたメガソニックは、その波長が孔部又は溝部の深さと比べて大きいため、孔部又は溝部の内側ではパーティクルを除去する効果を十分に得られない。例えば、周波数が２ＭＨｚで媒体（洗浄液）の主成分が純水の場合は、伝播する超音波の波長は３００μｍ程度であり、一般に孔部や溝部の深さが１μｍ以下であるため、深さに対して照射される超音波が１００倍以上も大きい。

これに対し、超音波の発振周波数を高くすると、短波長の超音波を得られ且つその指向性も向上するため、孔部や溝部の内側にまで超音波が作用するようになる。ところが、周波数が高い超音波は伝播による減衰が大きく、所望の洗浄効果を十分には得られない。

そこで、本願発明者は、種々検討を重ねた結果、半導体基板上に形成した孔部又は溝部に対して、該孔部又は溝部に固有の周波数（共振周波数）を持つ超音波を印加した場合には、超音波が増幅されて大きな振動作用を得られるという知見を得ている。この振動作用は空胴共振と呼ばれ、該空胴共振を用いることにより、５０ＭＨｚ以上の周波数を持つ高い超音波でも減衰することがなく、従って、所望の洗浄効果を得ることができる。

このように、本発明は、上記の動作原理に基づき、半導体基板上に形成した孔部又は溝部に空胴共振（パターン中の媒体を共振）を生じさせることにより、孔部又は溝部に付着した除去が困難な微細なパーティクルを確実に除去することができる。

より具体的には、孔部又は溝部を空胴共振させた場合には、孔部又は溝部に入り込んだ媒体は大きく振動する。この媒体の振動作用により、孔部又は溝部に付着した微細なパーティクルが剥がれ落ちる。剥がれ落ちたパーティクルは、例えば洗浄液による洗浄によって容易に除去することができる。

孔部又は溝部を空胴共振させる手段として、例えば、深さが６００ｎｍで、径が１００ｎｍの孔部が半導体基板上に形成されている場合は、共振周波数をf、波長をλ、超音波の伝播速度をＶとし、単純に孔部の深さが１／４λの場合に空胴共振が発生すると考えると、以下の（式１）から
ｆ＝Ｖ／４λ ………（１）
＝Ｖ／（４×６００×１０^-9）［Ｈｚ］
となる。これにより、例えば、空気中の音波では、伝播速度Ｖ＝３４３ｍ／ｓであることから、共振周波数ｆ＝１４２．９ＭＨｚとなる。よって、１４０ＭＨｚ前後の周波数帯で空胴共振が発生すると考えられる。また、媒体が水の場合は、伝播速度Ｖ＝１５３０ｍ／ｓであることから、共振周波数ｆ＝６３７．５ＭＨｚとなる。従って、共振させる媒体により、用いる周波数が異なることになる。

また、一般に、パターンのアスペクト比の値が大きく、且つ共振対象中における音波の伝播速度と周囲の物質中における音波の伝播速度との差が大きい方がより大きな共振効果を得ることができる。

本発明の半導体基板の洗浄方法及びそれを用いた半導体基板の洗浄装置によると、従来の超音波洗浄方法では除去が困難な孔部又は溝部に付着した、例えば０．１μｍ以下の大きさの微細なパーティクルであっても除去が可能となるため、微細なパーティクルに起因する半導体装置の不良及び特性劣化を防止することができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法が洗浄対象とする半導体基板の断面構成の一例を示している。図１に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板（ウェハ）１０の主面上には素子（図示せず）が形成され、該素子を覆うように酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）からなる層間絶縁膜１１が形成されている。層間絶縁膜１１には、例えば深さが５００ｎｍ、径が１００ｎｍ及び間隔が２００ｎｍの複数の孔部であるホール１１ａが形成されている。

ここで、超音波の波長をλとし、単純にホールの深さが１／４λの場合に空胴共振が発生するとした場合のホール１１ａの深さと共振周波数との関係を図２に示す。

図２はホール１１ａ内を純水で満たした場合と大気中の場合との関係をそれぞれ示している。但し、音波の伝播速度は純水中では１５３０ｍ／ｓであり、大気中では３４０ｍ／ｓである。

上述したように、ホール１１ａの深さが１／４λの場合に空胴共振が発生するとし、ホール１１ａを満たす洗浄液が純水の場合は、空胴共振が発生する超音波の共振周波数は前述の（式１）から、７６５ＭＨｚとなる。従って、ホール１１ａの深さのばらつきや洗浄液の成分又は温度変化による伝播速度のばらつきを考慮すると、例えばホール１１ａの深さのばらつきが±８％以内であり、洗浄液は水を８０％以上含み、温度が２５℃±５℃の場合は、空胴共振が発生する周波数は７００ＭＨｚから８５０ＭＨｚである。空胴共振周波数付近ではホール１１ａ内の洗浄液は激しく振動する。

図３はホール１１ａに空洞共振が生じている状態の模式的な断面構成を示す。図３に示すように、洗浄液１２がホール１１ａ内で空胴共振すると、ホール１１ａ中の洗浄液１２は矢印１３の方向に大きく振動する。このホール１１ａ中の洗浄液１２の振動作用により、ホール１１ａの壁面に付着した微細なパーティクル１４は剥がれ落ちる。このとき、洗浄液１２には半導体基板１０の主面に対して平行となる液流１５を生じさせている。

以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法の一例について説明する。

まず、洗浄液中において、半導体基板を、超音波発振源からの主面までの距離が例えば０．２ｃｍとなる位置に保持する。

次に、超音波発振源から超音波を発振して、半導体基板に対して洗浄処理を行なう。発振する周波数は、例えば７００ＭＨｚから８５０ＭＨｚとして９秒間スイープしながら増減する。

具体的には、図４（ａ）に示すように、例えば１ステップの周波数の変化量を１ｋＨｚとし、全３０００００ステップを、最初の４．５秒間で周波数を７００ＭＨｚから８５０ＭＨｚまで徐々に増加させ、同様に次の４．５秒間で周波数を８５０ＭＨｚから７００ＭＨｚまで徐々に減少させる。図４（ｂ）は図４（ａ）の時刻Ｔ₁ の近傍を拡大して示している。図４（ｂ）に示すように、周波数は３０μｓごとに１ｋＨｚずつ増加又は減少し、前述した１５０ＭＨｚの範囲で周波数の増減を繰り返す。

なお、ここでは、超音波の周波数が変化する速度を一定（３３．３ＭＨｚ／ｓ）としたが、ホール１１ａの深さ又は洗浄液の液温のばらつきが小さく、従ってホール１１ａが空胴共振する周波数のばらつきが小さい場合には、例えば図４（ｃ）に示すように周波数を変化させると良い。すなわち、空胴共振する周波数の理論値又は実験結果から得られる値、本実施形態では７６５ＭＨｚ付近であって、空胴共振するホール１１ａの割合が多い周波数帯域では、周波数の変化速度を小さくし、一方、空胴共振作用を得られるホール１１ａの割合が少ない７００ＭＨｚ及び８５０ＭＨｚ付近では、周波数の変化速度を大きくすると、共振する時間が長くなるのでより効果的である。

従って、ホール１１ａの共振周波数付近ではホール１１ａが空洞共振し、ホール１１ａ内に付着した微細なパーティクル１４が剥がれ落ちる。

また、このとき、図３に示したように、半導体基板１０の主面に平行な液流１５を発生することにより、剥がれ落ちたパーティクル１４を除去することができる。なお、高周波の超音波を洗浄液１２に印加すると、洗浄液１２の分子が振動することにより液温が上昇する。洗浄液１２の液温が上昇すると、洗浄液１２中を伝播する音波の伝播速度が変化して、ホール１１ａの共振周波数も変動するが、洗浄液１２に生じさせた液流１５により洗浄液１２の液温を一定に保つことができる。

以上説明したように、第１の実施形態によると、洗浄液１２に印加した超音波によるホール１１ａの空胴共振作用により、従来の洗浄方法では除去が困難であったホール１１ａの内側に付着した微細なパーティクル１４を除去することができるため、半導体基板１０に形成されたパターンの清浄度を高めることが可能となる。

また、ホール１１ａが空胴共振する周波数の理論値又は実験結果から得られる周波数帯を含む所定の範囲で超音波の周波数を連続的に又は断続的に変化させることにより、半導体基板１０に形成されたホール１１ａの深さのばらつき並びに洗浄液１２の成分のばらつき及び温度のばらつき等により、ホール１１ａに生じる空洞共振の共振周波数にばらつきが生じた場合でも、ホール１１ａに空洞共振を生じさせることが可能となる。

また、洗浄中に半導体基板１０の主面に平行な液流１５を発生させることにより、前述したように、ホール１１ａから剥がれ落ちたパーティクル１４を除去する効果と、洗浄液１２の液温を一定に保つ効果とを得られる。洗浄液１２の液温を一定に保つことにより、空胴共振の共振周波数の変動を抑えることができるため、洗浄効果のばらつきを低減することができる。

なお、第１の実施形態においては、洗浄対象となるパターンにホールパターンを用いたが、洗浄対象はホールパターンに限られない。例えば、図５に示すように、半導体基板１０上に形成された溝部１１ｂに対しても有効である。

また、第１の実施形態においては、ホールパターンの微細なパーティクルの除去に有効な例を示したが、本実施形態に係る洗浄処理を、例えばポリマーの除去洗浄工程又はレジストの除去洗浄工程の前処理として行なってもよい。ポリマー又はレジストの除去洗浄工程においては、一般にホール内の残渣の除去が課題となっており、ホールの径が１００ｎｍ以下の微細なホール内の残渣の除去は困難である。

しかしながら、第１の実施形態に係る空洞共振を用いる洗浄処理を前処理として実施すれば、ホール内の空胴共振作用により、残渣を除去したり、該残渣の付着力を低減したりすることができる。従って、その後の残渣除去を目的とした洗浄工程における除去効果が大幅に向上する。また、それゆえにエッチング性が弱い除去液を用いた除去処理を可能とし、ホールの底部から露出する基板、金属配線又は層間絶縁膜等の他の構成材料へのダメージを低減できる。

また、第１の実施形態に係る洗浄処理を、従来の５００ｋＨｚから５ＭＨｚの周波数帯を持つメガソニックを用いた洗浄と組み合わせてもよい。例えば、従来のメガソニックを用いた洗浄により、０．１μｍ以上の大きさのパーティクル及びホールの外部に付着したパーティクルを除去した後に、本実施形態に係る洗浄方法により、ホール内に付着した微細なパーティクルを除去してもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法が洗浄対象とする半導体基板の一例であって、（ａ）は断面構成を示し、（ｂ）は平面構成を示している。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えば、Ｓｉからなり、それぞれ複数の第１の領域Ａ及び第２の領域Ｂが互いに間隔をおいて形成された半導体基板（ウェハ）２０の主面上には素子（図示せず）が形成され、該素子を覆うようにＳｉＯ₂ からなる第１の層間絶縁膜２１が形成されている。第１の領域Ａにおける第１の層間絶縁膜２１には、例えば深さが６００ｎｍ及び径が１２０ｎｍの複数の孔部である第１のホール２１ａが形成されている。また、第２の領域Ａには、厚さが２００ｎｍの第１の層間絶縁膜２１とその上に形成された第２の層間絶縁膜２２が形成されており、該第２の層間絶縁膜２２には、例えば深さが４００ｎｍ及び径が８０ｎｍの複数の孔部である第２のホール２２ａが形成されている。

ここで、第１の領域Ａ及び第２の領域Ｂの分布の位置座標並びにパターン形状の情報は電子情報化されている。

以下、第２の実施形態に係る洗浄方法の一例について説明する。

第２の実施形態においては、各ホール２１ａ、２２ａの位置座標及びパターン形状の情報を元にして、半導体基板２０の第１の領域Ａ及び第２の領域Ｂごとに、各パターン形状に適した条件で洗浄処理を行なう。ここで、空洞共振が発生する周波数は、第１の実施形態と同様に算出すると、第１の領域Ａにおいては６００ＭＨｚから７００ＭＨｚであり、第２の領域Ｂにおいては９００ＭＨｚから１ＧＨｚである。

従って、第１の領域Ａにおいては、半導体基板２０の主面上の任意の位置に移動可能な超音波発振源を例えば１ｃｍ／ｓの速度でスキャンさせながら、発振周波数が６００ＭＨｚから７００ＭＨｚの範囲を２秒間でスイープする。より具体的には、例えば１ステップの周波数の変化量を１ｋＨｚとし、全２０００００ステップを、最初の１秒間で周波数を６００ＭＨｚから７００ＭＨｚまで徐々に増加させ、同様に次の１秒間で周波数を７００ＭＨｚから６００ＭＨｚまで徐々に減少させる。この周波数の増減を繰り返す。以上の超音波印加処理により、第１の領域Ａにおける各第１のホール２１ａは空洞共振するため、各第１のホール２１ａ内のパーティクルが除去される。

これに対し、第２の領域Ｂにおいては、超音波発振源を例えば０．５ｃｍ／ｓの速度でスキャンさせながら、発振周波数が９００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲を第１の領域Ａと同様に２秒間でスイープする。以上の超音波の印加処理により、第２の領域Ｂにおける各第２のホール２２ａは空洞共振するため、各第２のホール２２ａ内のパーティクルが除去される。

上述したように、第２の実施形態においては、半導体基板２０上に、形状が互いに異なるホールパターンが形成されている場合であっても、各ホール２１ａ、２２ａがそれぞれに空胴共振するように、半導体基板２０の主面内の位置及び座標で共振周波数を変化させることにより、互いに形状が異なるホールパターン内のパーティクルが除去できるようになる。

前述した第１の実施形態は、洗浄対象である一の半導体基板１０の面内又は半導体基板１０同士の間でホール１１ａの深さ、パターン形状又はホール１１ａが形成される膜の組成が異なる場合は、それぞれ空胴共振が生じる共振周波数及びパターン自体が共振する共振周波数が異なるため、一の周波数帯では対応することができない。

これに対し、第２の実施形態においては、パターンの位置座標及びパターン形状の電子情報を元に、共振対象である半導体基板２０の面内のパターン形状及び膜組成、すなわち第１の層間絶縁膜２１と第２の層間絶縁膜２２との膜組成に応じた処理が可能である。従って、一の半導体基板２０の面内又は半導体基板２０同士の間で各ホール２１ａ、２２ａのパターン形状及び膜組成等が異なる場合にも有効である。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図７は本発明の第３の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置の一例であって、第１の実施形態に係る洗浄方法を実施可能な洗浄装置の断面構成を模式的に示している。

図７に示すように、第３の実施形態に係る洗浄装置３０Ａは、金属又は樹脂からなる洗浄槽３１と、該洗浄槽３１の底面上に保持台３２を介在させて設けられ、周波数が６００ＭＨｚから９００ＭＨｚの超音波を発振する第１の超音波発生器３３と、該第１の超音波発生器３３の上方に処理対象の半導体基板５０をその周縁部で保持するリング状の基板ホルダ３４と、洗浄槽３１の底面上における保持台３２の両側方部分及び洗浄槽３１の内壁面上における基板ホルダ３４との対向する部分にそれぞれ設けられ、周波数が１．５ＭＨｚの超音波を発振する複数の第２の超音波発生器３５とを備えている。

ここで、各超音波発生器３３、３５の振動子は、例えば酸化亜鉛からなる圧電素子を用いる。第１の超音波発生器３３が発生する超音波の周波数は、洗浄対象である半導体基板５０が第１の実施形態の図１に示した構成を採る場合である。従って、第１の超音波発生器３３が発振する周波数は半導体基板５０上に形成したホール又は溝部が空胴共振する周波数である必要がある。これに対し、第２の超音波発生器３５が発振する周波数は通常のメガソニック帯（５００ｋＨｚから５ＭＨｚ）であればよい。

保持台３２の側部すなわち第１の超音波発生器３３の外側部分には、洗浄槽３１に貯留される洗浄液５１を洗浄槽３１内に供給する供給口３６と、半導体基板５０から除去されたパーティクルを排液する排液口３７とが設けられており、洗浄処理時には、図中の矢印の方向に液流５２を発生する。ここで、供給口３６と排液口３７とは液流発生部を構成する。これにより、洗浄中の洗浄液５１の清浄度を保ち、半導体基板５０へのパーティクルの再付着を防止する。その上、洗浄液５１の液温を一定とする効果をも得ることができる。

なお、洗浄液５１の供給口３６及び排液口３７はそれぞれ拡大して示したように、互いの対向面に開口部を有する直方体状であって、対向する各開口部には液流５２の方向を決定する複数のフィンが設けられている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は基板ホルダ３４の具体例を示している。図８（ａ）に示すように、基板ホルダ３４は上下可動なリフタ３４ａと接続されており、半導体基板５０の主面と第１の超音波発生器３３との間隔を適当な距離に設定することができる。さらに、基板ホルダ３４には、４つのチャック３４ｂがほぼ等間隔に設けられ、各チャックは３４ｂは、半導体基板５０の周縁部を保持できるように該半導体基板５０の保持面には例えばゴム材からなるパッド３４ｃが配されている。なお、各チャック３４ｂとパッド３４ｃとは可動部３４ｄで連結されている。

また、図８（ｂ）に示すように、基板ホルダ３４は、半導体基板５０の洗浄面である主面が上向きの状態から下向きの状態となるように、すなわち半導体基板５０の主面が第１の超音波発生器３３と対向して保持できるようにリフタ３４ａの連結部３４ｅを軸に回転することができる。

以上説明したように、第３の実施形態に係る洗浄装置３０Ａによると、洗浄液５１中において、第１の超音波発生器３３と半導体基板５０の主面との距離を０．２ｃｍに保持して洗浄を行なえるため、第１の実施形態で用いた減衰が大きい周波数帯である１００ＭＨｚから１０ＧＨｚの超音波による洗浄処理が可能となる。なお、第１の超音波発生器３３と半導体基板５０の主面との距離は０．２ｃｍに限られず、０．１ｃｍから１ｃｍの範囲であればよい。

また、保持台３２の側部には、洗浄液５１の供給口３６と排液口３７とを設けているため、半導体基板５０の主面に平行な液流５２を発生することができる。このため、半導体基板５０から剥がれ落ちたパーティクルを効率良く除去できると共に、洗浄液５１の液温を一定に保つことができる。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図９は本発明の第４の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置の一例であって、第２の実施形態に係る洗浄方法を実施可能な洗浄装置の断面構成を模式的に示している。図９において、図７と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図９に示すように、第３の実施形態に係る洗浄装置３０Ｂは、洗浄槽３１の底面上に設けられた支持棒３８と該支持棒３８の上端にその中央部分が保持された板状の基板ホルダ３９とを有している。

基板ホルダ３９の上方には、５００ＭＨｚから２ＧＨｚの超音波を発振するペンシル形状を持つ第１の超音波発生器４０が、基板ホルダ３９の上に主面を上にして保持される半導体基板５０の主面上の任意の位置に移動可動に設けられている。第１の超音波発生器４０を構成する振動子は、酸化亜鉛又はチタン酸バリウムを含む圧電性材料からなる圧電素子を用いており、第１の超音波発生器４０の先端部に搭載されている。振動子の直径は、例えば０．５ｃｍから３ｃｍとする。ここで、第１の超音波発生器４０は図示しない上位制御器により制御される。すなわち、第１の超音波発生器４０は上位制御器により、半導体基板５０の主面に対して任意の傾斜角で保持され、上下方向及び水平方向に対して移動可能に設けられている。これにより、第１の超音波発生器４０は、半導体基板５０の被処理面内の任意の位置に任意の角度で５００ＭＨｚから２ＧＨｚの超音波を照射することができる。

なお、第１の超音波発生器４０が発生する超音波の周波数は、洗浄対象である半導体基板５０が第３の実施形態に係る図６（ａ）に示した場合の一例であり、従って、第１の超音波発生器４０が発振する周波数は半導体基板５０上に形成したホール又は溝部が空胴共振する周波数である必要がある。

また、第３の実施形態と同様に、第２の超音波発生器３５が発振する周波数はメガソニック帯（５００ｋＨｚから５ＭＨｚ）であればよい。

基板ホルダ３９の側部には、洗浄槽３１に貯留される洗浄液５１を洗浄槽３１内に供給する供給口３６と、半導体基板５０から除去されたパーティクルを排液する排液口３７とが互いの開口部を対向させて設けられており、洗浄処理時には、図中の矢印の方向に液流５２を発生する。これにより、洗浄中の洗浄液５１の清浄度を保ち、半導体基板５０へのパーティクルの再付着を防止する。その上、洗浄液５１の液温を一定とすることができる。

以上説明したように、第４の実施形態に係る洗浄装置３０Ｂによると、半導体基板５０の主面の任意の位置に対して任意の周波数の超音波を照射可能である。このため、一の半導体基板５０の面内又は他の半導体基板５０との間でパターン形状若しくはパターンの構成材料が異なる場合であっても、共振対象であるパターン形状又は構成材料に応じた洗浄処理が可能である。

また、第４の実施形態に係る洗浄装置３０Ｂは、第３の実施形態に係る洗浄装置３０Ａと異なり、ペンシル形状の第１の超音波発生器４０を用いているため、超音波が照射される面積が小さい。このため、超音波の照射によって洗浄液５１の液温がほとんど上昇しないので、ホール又は溝部が空胴共振する周波数及びパターンが共振する周波数のばらつきが小さい。

（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１０は本発明の第５の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置の一例であって、複数の半導体基板を一括に洗浄可能な、いわゆるバッチ式の洗浄装置の断面構成を模式的に示している。図１０において、図７と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図１０に示すように、第５の実施形態に係る洗浄装置３０Ｃは、洗浄槽３１の底面上に保持台３２を介在させて設けられた基板洗浄器４１を有している。

図１１は基板洗浄器４１の構成を示している。図１１に示すように、基板洗浄器４１は、それぞれ周波数が６００ＭＨｚから９００ＭＨｚの超音波を発振する板状の複数の第１の超音波発生器４２と、該複数の超音波発生器４２を互いに間隔をおいて保持する超音波発生器保持部４３と、それぞれが半導体基板を保持する複数の基板ホルダ４４と、各基板ホルダ４４を第１の超音波発生器４２の両面から互いに間隔をおいて挟むように保持する基板ホルダ保持部４５とから構成されている。基板ホルダ保持部４５における基板ホルダ４４側には、洗浄液５１を各基板ホルダ４４の面内方向に供給する液流発生部としての複数の洗浄器内供給口４６が設けられている。

基板ホルダ保持部４５は可動であり、該基板ホルダ保持部４５を上方又は前後方向に移動することにより、超音波発生器保持部４３と分離することができる。

各基板ホルダ４４は複数の基板ホルダ４４が配置される方向（図では矢印５３の方向）に可動であり、上位制御装置（図示せず）により、各基板ホルダ４４の位置を調整することができる。これにより、各半導体基板の被処理面から第１の超音波発生器４２までの距離を最適化することができる。

図１２は複数の第１の超音波発生器４２及びそれを保持する超音波発生器保持部４３の斜視図である。図１２に示すように、複数の第１の超音波発生器４２はそれぞれ所定の間隔をおいて超音波発生器保持部４３に保持されている。超音波発生器保持部４３は、複数の第１の超音波発生器４２が配置される方向に洗浄液５１が流通可能な空隙部を有しており、該空隙部を通して洗浄中の洗浄液５１に矢印の方向の液流５２が生じる。

図１３は基板洗浄器４１の側面図であって、基板ホルダ４４及び基板ホルダ保持部４５を第１の超音波発生器４２側からみた正面図である。複数の半導体基板は各基板ホルダ４４にそれぞれチャック４８によって保持される。また、各基板ホルダ４４は接続部４７を介して基板ホルダ保持部４５と接続されている。ここで、前述したように、各接続部４７は基板ホルダ４４と共に可動である（図では前後方向に可動）。

このように、基板洗浄器４１における基板ホルダ保持部４５は、一対の基板ホルダ４４が一の第１の超音波発生器４２を両側から挟み、且つ各半導体基板をその被処理面が互いに対向するように保持する。従って、洗浄中はすべての半導体基板の被処理面が第１の超音波発生器４２の発振源と面して保持される。

ここでも、第２の超音波発生器３５は、５００ｋＨｚから５ＭＨｚ程度のメガソニック帯でよく、例えば１．５ＭＨｚとしている。また、各超音波発生器３５、４２の振動子は例えば、酸化亜鉛からなる圧電素子を用いている。

また、第５の実施形態においても、保持台３２の両側には洗浄液５１を供給する供給口３６と排液する排液口３７とが設けられており、洗浄処理が開始されると、洗浄液５１に図中の矢印の方向の液流５２を発生させる。該液流５２により、半導体基板の表面から除去されたパーティクルは随時、洗浄液５１と共に排出される。その結果、洗浄液５１の清浄度が保たれると共に、該洗浄液５１の液温を一定に保たれる。

以下、基板ホルダ保持部４５により、複数の半導体基板をその被処理面が互いに対向するように保持する保持方法について図面を参照しながら説明する。

図１４（ａ）に示すように、まず、処理対象である複数の半導体基板の基板ホルダ４４への受け渡しが容易となるように、基板ホルダ保持部４５を９０°回転して、各基板ホルダ４４の基板ホルダ保持部４５と反対側の端部（下端部）を横向きにする。続いて、それぞれ一対の基板ホルダ４４のうちの下側に位置する一方の基板ホルダ４４に、複数の半導体基板５０を各被処理面を上向きにして横側から順次受け渡す。半導体基板５０が受け渡された各基板ホルダ４４は、チャック４８により半導体基板５０を保持する。

次に、図１４（ｂ）に示すように、一対の基板ホルダ４４のうちの他方の基板ホルダ４４が下側に位置するように、基板ホルダ保持部４５を１８０°回転させる。この状態で、それぞれ一対の基板ホルダ４４のうちの下側に位置する他方の基板ホルダ４４に残りの半導体基板５０を各被処理面を上向きにして横側から順次受け渡す。

次に、洗浄槽３１中で、複数の半導体基板５０が保持された基板ホルダ保持部４５を超音波発生器保持部４３の上方に移動させ、その後、基板ホルダ保持部４５を所定の位置に合わせた後、基板ホルダ保持部４５をそれぞれ一対の半導体基板５０が一の第１の超音波発生器４２を挟んで各半導体基板５０の被処理面が対向するように下降させる。ここで、洗浄を行なう前に、各基板ホルダ４４の位置を調整し、各半導体基板５０の被処理面から対向する第１の超音波発生器４２までの距離をそれぞれ０．２ｃｍに設定する。但し、この距離は０．２ｃｍに限られず、０．１ｃｍから１ｃｍの範囲であればよい。

洗浄中は、各洗浄器内供給口４６から供給される洗浄液５１の下方に発生する液流により、半導体基板から剥がれ落ちたパーティクルがホール又は溝部から除去され、さらに、下方に流されたパーティクルは液流５２によって排液口３７から回収される。

以上説明したように、第５の実施形態によると、複数の半導体基板５０を、各半導体基板５０の上に形成されたホール又は溝部が空胴共振する周波数の超音波を照射することにより、比較的に規模が小さい洗浄槽３１であっても、一括に処理することが可能となる。例えば、直径が０．２ｍの半導体基板５０の洗浄を行なう場合の洗浄槽３１に必要な大きさを［表１］に示す。

また、第５の実施形態は、基板洗浄器４１において、超音波発生器保持部４３が複数の第１の超音発生器４２のそれぞれを一対の半導体基板５０の被処理面が対向する形態で保持する。これにより、各半導体基板５０と各第１の超音波発生器４２とを１対１で且つ一方向に配置する場合と比べて、各半導体基板５０の裏面からのクロスコンタミネーションを低減するだけでなく、第１の超音波発生器４２の必要数が半分で済む。

また、第５の実施形態は、基板ホルダ保持部４５において、各基板ホルダ４４を可動に設けることにより、半導体基板５０同士の間隔及び各半導体基板５０の被処理面から第１の超音波発生器４２までの距離を任意に設定することが可能となる。このため、半導体基板５０上に形成されたホール又は溝部が空胴共振する周波数を持つ超音波を用いた洗浄処理に対して最適な処理条件を得ることができる。

また、第５の実施形態は、各半導体基板５０の主面に平行に流れる液流を洗浄液５１に生じさせると共に該洗浄液５１を供給し且つ排液することにより、各半導体基板５０から剥離されたパーティクルを効率良く除去することができる。さらに、各半導体基板５０の温度及び洗浄液５１の温度をも一定に保つことも可能となる。

本発明に係る半導体基板の洗浄方法及びそれぞれを用いた半導体基板の洗浄装置は、ホール又は溝部に付着した０．１μｍ以下の大きさの微細なパーティクルであっても除去することが可能であり、半導体装置の製造プロセスで用いられる半導体基板の洗浄処理等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法が対象とする半導体基板の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法を説明するグラフであって、ホールの深さと超音波の共振周波数との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法の原理を説明するための模式的な断面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法における超音波の発生タイミングの一例を示す図である。（ｂ）は（ａ）の一部を拡大した図である。（ｃ）は（ａ）の変形例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法が対象とする半導体基板の他の例を示す模式的な断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体基板の洗浄方法が対象とする半導体基板の一例を示し、（ａ）は模式的な断面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置を示す模式的な断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置における基板ホルダを示す模式的な断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置における基板洗浄器を示す模式的な正面図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置における超音波発生器保持部及び超音波発生器の一部を示す模式的な斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置における基板ホルダ保持部及び基板ホルダを示す模式的な平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置における基板ホルダ保持部に半導体基板を受け渡す様子を示す模式的な正面図である。 従来の枚葉型スプレータイプのメガソニック洗浄装置を示す模式的な断面図である。 従来のバッチ式のメガソニック洗浄装置を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１０ 半導体基板
１１ 層間絶縁膜
１１ａ ホール（孔部）
１１ｂ 溝部
１２ 洗浄液
１４ パーティクル
１５ 液流
Ａ 第１の領域
Ｂ 第２の領域
２０ 半導体基板
２１ 第１の層間絶縁膜
２１ａ 第１のホール
２２ 第２の層間絶縁膜
２２ａ 第２のホール
３０Ａ 洗浄装置
３０Ｂ 洗浄装置
３０Ｃ 洗浄装置
３１ 洗浄槽
３２ 保持台
３３ 第１の超音波発生器
３４ 基板ホルダ
３４ａ リフタ
３４ｂ チャック
３４ｃ パッド
３４ｄ 可動部
３４ｅ 連結部
３５ 第２の超音波発生器
３６ 供給口（液流発生部）
３７ 排液口（液流発生部）
３８ 支持棒
３９ 基板ホルダ
４０ 第１の超音波発生器
４１ 基板洗浄器
４２ 第１の超音波発生器
４３ 超音波発生器保持部
４４ 基板ホルダ
４５ 基板ホルダ保持部
４６ 洗浄器内供給口（液流発生部）
４７ 接続部
４８ チャック
５０ 半導体基板
５１ 洗浄液
５２ 液流

Claims (11)

1. 半導体基板の主面上に形成された孔部又は溝部を洗浄する半導体基板の洗浄方法であって、
   前記孔部又は前記溝部が空胴共振する周波数を持つ超音波を前記孔部又は前記溝部に対して発振し、前記孔部又は前記溝部に空胴共振を発生させる工程と、
   発生した空洞共振により、前記孔部又は前記溝部を洗浄する工程とを備えていることを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
2. 前記空胴共振を発生させる工程において、前記超音波は、所定の周波数の範囲で前記周波数を連続的又は断続的に変化させながら発振することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の洗浄方法。
3. 前記空胴共振を発生させる工程において、前記超音波は、前記半導体基板の上面の全面に対して同時に発振することを特徴する請求項１又は２に記載の半導体基板の洗浄方法。
4. 前記空胴共振を発生させる工程において、前記超音波は、前記半導体基板の上面の一部に対して選択的に発振することを特徴する請求項１又は２に記載の半導体基板の洗浄方法。
5. 前記半導体基板の上面において、前記孔部又は前記溝部はその形状、構成材料及び形成密度が互いに異なる複数の領域を有しており、
   前記超音波の周波数、強度、発振時間又は前記超音波を発生する振動子のスキャン速度を前記各領域ごとに変更することを特徴する請求項４に記載の半導体基板の洗浄方法。
6. 前記空胴共振を発生させる工程において、前記半導体基板の主面に対して平行に液体を流すことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体基板の洗浄方法。
7. 半導体基板の主面上に形成された孔部又は溝部を洗浄する半導体基板の洗浄装置であって、
   洗浄槽と、
   前記洗浄槽の内側に設けられ、前記半導体基板を保持する基板保持部と、
   前記基板保持部に保持された半導体基板の主面と対向するように設けられ、前記孔部又は前記溝部が空胴共振する周波数を持つ超音波を前記孔部又は前記溝部に対して発振する振動子を有する超音波発生部とを備えていることを特徴とする半導体基板の洗浄装置。
8. 前記超音波発生部は、前記半導体基板の主面に対して垂直な方向又は平行な方向に移動可能で且つ前記主面に対して傾斜して保持できるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体基板の洗浄装置。
9. 前記振動子はその径が３ｃｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板の洗浄装置。
10. 前記基板保持部は、複数の前記半導体基板を互いの主面が対向するように１対ずつ保持可能であり、
    前記超音波発生部は前記振動子を複数有し、前記各振動子は前記各１対ずつの半導体基板の主面同士の間に互いの間隔が調整可能に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の半導体基板の洗浄装置。
11. 前記洗浄槽の内側に設けられ、前記基板保持部に保持された前記複数の半導体基板の各主面に対してそれぞれ平行に液流を生じさせる液流発生部をさらに備えていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の半導体基板の洗浄装置。

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