JP6043084B2 - 半導体基板の洗浄方法および洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は基板の洗浄に関し、特に半導体基板の洗浄に関する。

超音波およびメガソニックのウエハ洗浄方法は、半導体産業において、特にシリコンウエハを洗浄するために知られている。一般的な原理は、通常は、液を満たしたタンク中にウエハを沈めることにより、ウエハを洗浄液に接触させて、音響トランスデューサの方法で音響エネルギを洗浄液に与えることである。最も知られた応用は、超音波（＜２００ｋＨｚ）またはメガソニック（最大で１ＭＨｚまたはそれ以上）の周波数範囲の音波の使用である。液体中に溶けたまたは液体に加えられた気体物質が存在する場合、音響エネルギはキャビテーションを起こし、即ち、振動し、または崩壊する泡を形成する。ウエハ表面から粒子を除去する場合の泡の補助は、泡の形成、振動により形成された牽引力、または泡が不安定になり崩壊した時に形成された牽引力による。しかしながら、現状の技術には多くの問題点がある。超音波周波数では、共振泡は大きくより強く崩壊し、基板およびその上に存在する構造の損傷のリスクを大きくする。メガソニック洗浄は、振動泡がより小さくより低い損傷リスクを有する。しかしながら、それぞれの新たな世代の技術で集積回路中に存在する構造はより小さく形成されるため、損傷のリスクは残る。一方、泡が振動サイズより小さい場合、それらは、ウエハ表面から粒子を除去するのに十分に寄与しない。現在知られている音響洗浄方法は、洗浄される表面での音波の反射による、洗浄液中での定常波の形成に依存する。定常波中では、泡はノードとアンチノードに向かって引かれる。結果として、泡濃度は局所的に非常に高くできる。それらの濃厚に密集した泡は、互いに影響し（泡の振動を制御しない）、泡の合体速度は、より速くなる（泡のサイズを制御しない）。

本発明は、添付された請求の範囲に記載された方法および装置に関する。

本発明は、このように、基板の洗浄方法に関し、この方法は、
基板を液体中に沈める工程と、
液体中で音波を形成する工程であって、この音波は波伝播方向に伝わる工程と、
波伝播方向に対して所定の角度に基板を向ける工程であって、この角度は好適には基板を通る音波の伝達が最大となるように選択された斜めの角度である工程と、
基板を通って伝達される音波の全てを実質的に吸収する工程と、を含む。

好適な具体例では、
基板は液体が満たされたタンク中に沈められ、
波は、タンクに接続されて配置されたトランスデューサにより形成され、
基板は、適当な保持手段でタンク内に所定の角度で保持され、
減衰材料の層が、少なくともトランスデューサに対向する位置に、タンク中に配置され、基板は、トランスデューサと、トランスデューサに対向して配置された減衰材料との間に配置される。

具体例では、音波の作成中に、気体が液体中に溶かされ、または気体が液体に加えられる。

減衰材料の層は、プレートにより液体から分離され、プレートは音波に対して透明でも良い。

本発明は、同時に基板を洗浄するための装置に関し、この装置は、
洗浄液を保持するのに適したタンクと、
タンク中の洗浄液中を伝播する音波を形成できるように、タンクと接続して配置された音響トランスデューサと、
タンク中に、波が伝播する方向に対して所定の角度で基板を保持して維持する保持手段であって、所定の角度が斜めの角度である保持手段と、
少なくともトランスデューサに対向する位置に配置された減衰材料の層であって、基板保持手段は、トランスデューサと、トランスデューサに対向して配置された減衰材料との間に配置される減衰材料の層と、を含む。

本発明の装置において、減衰材料の層は、少なくとも１つの周波数の音波が通過するプレートによりタンクの内部から分離されても良い。プレートは石英プレートでも良い。

本発明の装置の具体例では、タンクは、側壁の間の空間を、側壁に対して平行に配置されて、基板が移動できるように、間を隔てて配置された２つの平行な側壁を有し、第１の側壁は、第１の側壁に対して斜めの角度で配置されたサイドアームを備え、サイドアームの遠位端部に配置された音響トランスデューサを有し、第２の側壁は、減衰材料の層を含みまたはこの層に接続される。

本発明の装置は、更に、タンクから液体濾過システム等を通ってタンクに戻るように液体を循環させる手段を備えても良い。

本発明にかかる装置では、減衰材料の層は、基板保持手段のそれぞれの側に存在しても良い。

本発明の方法、および本発明の装置の基本要素を示す。 本発明の特定の具体例にかかる装置を示す。 様々な音響出力について、入射角の関数として粒子除去効率を示すグラフである。

本発明は、容器中の液体を通る音波の行動により基板を洗浄し、容器中で実質的に音波の反射が発生しない方法に関する。特に、崩壊する泡を形成し、これにより洗浄効率を向上させるために、液体中に気体が溶かされ、または加えられる。容器の壁からの反射が無いことは、適当な減衰材料の適用により得られる。基板表面での反射は、波の伝達方向に対して基板を伝達角度（transmission angle）だけ傾けることにより除去される。この結果、定常波が実質的に抑制され、即ち、基板からの反射を通して現れる定常波だけでなく、タンクの壁からの反射を通して現れる定常波も抑制される。これは、洗浄効率を、期待より高い程度まで改良する。

図１は、本発明の方法の実施に適した装置である。例えばＳｉウエハ１のような基板は、洗浄液で満たされたタンク２の中に配置される。音響トランスデューサ３はタンクの側壁に取り付けられる。トランスデューサから液体を通る波の伝播方向は、矢印で表される。ウエハは、伝播方向に対して所定の角度で配置され、この所定の角度は好適には斜めの角度である。図１に示された角度αは、基板上の波の入射角である。角度αがいわゆる「伝達角度（transmission angle）」に等しい場合、基板表面で実質的な反射無しに、波は基板１を通る。そのような伝達角度の存在は、この技術分野でよく知られている。この角度の値は、基板の厚さと材料、音波の周波数、およびタンク中の液体のタイプに依存する。伝達角度の位置で、波は、あたかもウエハが無いかのように液体中を伝達する。本発明の方法では、波は、タンクの対向する側壁からは反射されず、トランスデューサと減衰材料との間にウエハがあることで、トランスデューサに対向して配置された吸収材料の層４により実質的に吸収される。

音波の粒子除去効果は、音響反射を最小にすることで、即ち、ウエハを伝達角度で斜めに配置し、減衰材料を適用することで、大きく改良される。これは、この説明で更に検討される例により示される。進行波（travelling wave）のための最大音圧は、定常波に比較してほぼ半分であることは注意すべきである。結果として、進行波は、より低い電力密度において、より良い洗浄となる。

再度、図１を参照すると、本発明の装置の基本要素が示されており、洗浄液を含むのに適したタンク２、液体を通って伝播する音波を形成することができるように配置された音響トランスデューサ３、およびトランスデューサに対して所定の角度で、好適には傾いた角度で、タンク中に基板を配置するための手段とを含む。少なくともトランスデューサに対向して、減衰材料４が存在し、トランスデューサ３により出力された進行波を吸収するように配置される。減衰材料は、また、基板の他の側に存在しても良く、例えば矩形のタンク２の全ての４つの垂直な壁に取り付けられても良い。後者の場合、音波が液体中に入れるように、音響トランスデューサ３の位置の減衰材料中に、開口部が設けられなければならない。

洗浄液とトランスデューサのタイプは、この分野で知られたいずれのタイプでも良い。液体に加えられる気体は、例えば、酸素、窒素、二酸化炭素、キセノン、またはヘリウムのようないずれの好適な気体でも良い。気体は、音波の作動に先立って液体に溶かしても良く、または、例えば、装置は、膜接触器のようなこの分野で知られた好適な気化システムを含みまたは連動しても良い。液体の周囲圧力、液体の静水圧、気体の蒸気圧、流量、液体温度、および気体と液体の接触面積は、液体中に溶ける気体の量を制御するための主なパラメータである。液体の圧力が高くなり、温度が低くなるほど、より多くの気体が液体中に溶ける。溶けた気体の量と飽和レベルは、泡の形成に影響する。溶けた気体から泡を形成する代わりに、液体中への泡の急速注入が適用されても良い。泡システム、毛細管、ノズル等が、気体の泡を液体中に注入する。また、専用の孔の大きさを有し、液体を供給された気体から分離する膜接触器が用いられてもよい。

減衰材料は、この目的のために好適ないずれの材料でもよい。減衰材料は、適用される周波数や洗浄液のタイプに応じて選択されても良い。減衰材料の厚さは、音波の殆どが吸収されるのに十分であるべきである。減衰材料は、洗浄液と直接接触しても良い。代わりに、音響的に透明なプレートが、液体と減衰材料との間に配置され、減衰材料を液体から分離しても良い。そのような音響的に透明のプレートの例は、特定の周波数の音波に対して透明なプレートを形成するために好適な厚さを有する石英プレートである。後者の具体例は、減衰材料が化学的に洗浄液と両立しない場合に有用であり、または一般的に減衰材料の、または減衰材料による汚染を避けるために有用である。タンク２の中の液体は固定されても良く、この場合は、本発明の方法により洗浄された基板から除去された粒子により汚染された時に、所定の時間の後に交換が必要である。代わりに、タンクは循環モードで適用されても良い。この場合、タンクは好適な液体循環手段と接続され、これにより液体は、好ましくは濾過装置に、コンスタントにタンクから流れ出し、濾過後に、タンクに循環して戻る。好適には、時間のいかなる瞬間においても、タンク中の液体の体積は、循環モードにおいて実質的に変化しない。

図２は、本発明の装置の特定の具体例を示し、タンク２は狭くて長い形状で、好適には直立状態に配置され、タンクの平行な第１と第２の側壁１１、１２の間に、基板１が垂直に配置されるように形成された基板保持手段を有する。第１の側壁１１から外方にタンクのサイドアーム１３が延びて、側壁１１に対して角度αで延びる。

サイドアーム１３の遠位端部には、音響トランスデューサ３が搭載され、基板１に向かって、サイドアームの内部を通って伝達する音波を形成することができる。タンクの対向する壁１２には、減衰材料１５が取り付けられ、基板と向き合う。好適には、薄い音響的に透明なプレート１４、例えば石英プレートが、タンクの内側と減衰材料との間に搭載される。示された具体例では、減衰材料４と石英プレート１４が、開口部１５が形成された側壁１２の外部表面に取り付けられる。この方法では、タンクの実際の側壁は、側壁１２と減衰材料４とで形成される。代わりに、側壁１２は開口せず、図１と同様に、減衰材料（および可能であれば石英プレート）がタンクの内側に配置されても良い。

基板は、タンクの内側に動かないように配置され、その目的のために、好適な保持手段（図示せず）が提供され、これはこの技術分野で知られた保持手段でも良い。具体例では、保持手段は更に、洗浄操作中に、基板表面（矢印参照）の方向に上下に基板を動かすように提供されても良い。具体例の主な長所は、タンクの体積を低減することである。最適条件では、化学物質が加えられる（例えば、ＡＰＭ＝過酸化アンモニウム、ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ）。より小さな体積は、化学材料の消費を減らす。図２の装置が循環モードで使用された場合、大きいタンクより少ない液体の流量が必要となる。より低い流量は、また、気化システムの設計をより容易にする。

連続信号により、またはパルス信号により、音波が形成されても良い。パルス信号は、平均泡サイズを共鳴サイズに近づくように調整し、より洗浄を改良することができる。「パルスオン」時間（所定の周波数で与えられる音響信号）の間、修正された拡散を通って泡が成長する。「パルスオフ」時間（信号が与えられない）の間、液体飽和レベルが高すぎない場合は、泡は縮む。最適な「パルスオン」および「パルスオフ」時間は、溶けた気体の濃度に依存する。

本発明は、図面や前述の記載に詳細に描写され記載されるが、そのような描写や記載が、実例的または例示的であり、限定的では無いと考えられる。記載された具体例に関する他の変形は、図面、説明、および添付された請求の範囲の研究から、請求された発明を実施する分野の当業者により、理解され達成されるであろう。請求の範囲において、「含む（comprising）」の用語は他の要素や工程を排除するものではなく、不定冠詞「ある（a」または「ある（an）」は、複数を排除しない。互いに異なる従属請求項に所定の測定が列挙されたという単なる事実は、それらの測定の組み合わせが有利に使用できないことを表すものではない。請求の範囲中のいかなる符号も、その範囲を限定するように解釈すべきではない。

上述の説明は本発明の所定の具体例を詳細に述べる。しかしながら、先の記載がテキスト中にいかに詳細に述べられようとも、本発明は多くの方法で行うことができ、それゆえに、記載された具体例に限定されるものではない。本発明の所定の特徴や形態を記載するための、特定の用語の使用は、その用語が関係する本発明の長所や形態の特定の特徴を含むように限定されるように、その用語がここで再定義されることを暗示すると取るべきではない。

例−テスト結果
図１について、多くの実験が行われた。テストされた基板はＳｉウエハ（直径２００ｍｍ）であり、表面上に、直径が約７８ｎｍのシリカ粒子が堆積された。洗浄処理は、Solid State Phenom., 92 (2003), p.161にXuらが記載したような、かすみモード（haze mode）中で光散乱を用いた局所的な粒子除去効率（Particle Removal Efficiency :PER）を測定して評価した。洗浄液には、わずかに酸素で過飽和になった（飽和レベルが約１２０％）水を用いた。タンクは矩形形状（４０×４０×４０ｃｍ^３）であり、側壁に直接取り付けられた直接タイプのトランスデューサを有する。すべての垂直な壁は、Precision Acousticsから商業的に入手できるAptflex F28（厚さは１ｃｍ、密度は水に近い１．０１ｇ／ｍ^３）からなる減衰層で完全に覆われ、トランスデューサの位置の減衰層に開口部を有する。

連続した音響場が、９２８ｋＨｚの周波数で、トランスデューサで形成される異なるレベルの出力で与えられる。図３のグラフは、異なる出力レベルに対して、入射角αの関数としてＰＲＥを示し、最も高い洗浄効率はα＝３０°の周囲で得られ、これは２００ｍｍＳｉウエハの伝達角度と同一であることがわかる。

減衰層の有効性は比較テストにより示され、洗浄が、１回は減衰層有りで、１回は減衰層無しで、先に記載された実験と同じ環境下で、同じ装置で行われた。減衰層を用いたテストは、全ての４つの壁の上の、トランスデューサの位置に開口部を有する減衰材料を用いて行われた。

双方のテストの洗浄処方は以下の通りである。
パルス信号：「パルス信号」時間２５０ｍｓ
負荷サイクル：３０％（即ち、「パルスオフ」時間５８３ｍｓ）
気体濃度：わずかに過飽和
洗浄時間：４分
ウエハは１．５ｃｍ上下に移動し、０．５ｃｍ水平方向にシフトする。音響場は一般には不均一なため、この移動は洗浄の均一性を最適化する。
周波数音響場：９２８ｋＨｚ
電力：４０Ｗ（６７０ｍＷ／ｃｍ^２）
追加のテストは、減衰材料と、パルス信号の代わりに連続信号を用い、８４０ｍＷ／ｃｍ^２のより高い出力レベルを除いて、全ての他のパラメータが同一で行われた。

表１の最初の２列は減衰材料の有る場合と無い場合における、伝達角度からのオフセットの関数としてＰＲＥを比較する。結果は、基板が伝達角度に配置されることで、また減衰層の適用が無い場合に、ＰＲＥが最適化されることを表す。しかしながら、減衰層が加えられた場合、即ち洗浄が進行波のみにより行われた場合、洗浄効率はかなり増加し、期待されたより大きく増加した。表１の第３の列は、同じ値のＰＲＥを得るためには、連続信号ではより高い音響出力が必要であることを示す。パルス信号は、それゆえに、より低い出力レベルにおいて、改良された洗浄効率を得ることができる。

Claims (7)

1. 基板（１）を洗浄する方法であって、
   基板を液体中に沈める工程と、
   液体中で音波を形成する工程であって、この音波は波伝播方向に伝わる工程と、
   波伝播方向に対して所定の角度に基板を向ける工程であって、この角度は好適には基板を通る音波の伝達が最大となるように選択された斜めの角度である工程と、
   基板を通って伝達される音波の全てを実質的に吸収する工程と、を含み、
   基板（１）は液体が満たされたタンク（２）中に沈められ、
   音波は、タンクに接続されて配置されたトランスデューサ（３）により形成され、
   基板（１）は、適当な保持手段でタンク内に所定の角度で保持され、
   減衰材料（４）の層は、少なくともトランスデューサ（３）に対向する位置に、タンク中に配置され、基板（１）は、トランスデューサ（３）と、トランスデューサに対向して配置された減衰材料との間に配置され、
   減衰材料の層（４）はプレート（１４）により液体から分離され、プレートは音波に対して透明である方法。
2. 音波の作成中に、気体が液体中に溶かされ、または気体が液体に加えられる請求項１に記載の方法。
3. 基板を洗浄するための装置であって、
   洗浄液を保持するのに適したタンク（２）と、
   タンク中の洗浄液中を伝播する音波を形成できるように、タンクと接続して配置された音響トランスデューサ（３）と、
   タンク中に、波が伝播する方向に対して所定の角度で基板を保持して維持する保持手段であって、所定の角度が斜めの角度である保持手段と、
   少なくともトランスデューサ（３）に対向する位置に配置された減衰材料の層（４）であって、基板保持手段は、トランスデューサ（３）と、トランスデューサに対向して配置された減衰材料との間に配置される減衰材料の層（４）と、を含み、
   減衰材料の層（４）は、少なくとも１つの周波数の音波に対して透明なプレート（１４）によりタンク（２）の内部から分離された装置。
4. プレート（１４）は石英プレートである請求項３に記載の装置。
5. タンク（２）は、側壁の間の空間を、側壁に対して平行に配置されて、基板（１）が移動できるように、間を隔てて配置された２つの平行な側壁（１１、１２）を有し、第１の側壁（１１）は、第１の側壁（１１）に対して斜めの角度で配置されたサイドアーム（１３）を備え、サイドアームの遠位端部に配置された音響トランスデューサ（３）を有し、第２の側壁（１２）は、減衰材料の層（４）を含みまたはこの層に接続される請求項３または４のいずれかに記載の装置。
6. タンクから、液体濾過システム等を通って、タンクに戻るように液体を循環させる手段を備える請求項３〜５のいずれかに記載の装置。
7. 減衰材料の層（４）は、基板保持手段のそれぞれの側に存在する請求項３〜６のいずれかに記載の装置。

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