JP6339351B2 - 基板洗浄装置および基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体と液体からなる二流体噴流をウェーハなどの基板に供給して基板を洗浄する基板洗浄装置に関し、特に研磨された基板の表面に二流体噴流を供給して該基板を洗浄する基板洗浄装置に関するものである。本発明の基板洗浄装置は、直径３００ｍｍのウェーハのみならず、直径４５０ｍｍのウェーハの洗浄にも適用でき、さらにはフラットパネル製造工程やＣＭＯＳやＣＣＤなどのイメージセンサー製造工程、ＭＲＡＭの磁性膜製造工程などにも適用することが可能である。

近年の半導体デバイスの微細化に伴い、基板上に物性の異なる様々な材料膜を形成して、当該材料膜を加工することが行われている。特に、絶縁膜に形成した配線溝を金属で埋めるダマシン配線形成工程では、当該工程後に基板研磨装置によって余分な金属を研磨し、除去する。研磨後の基板表面には、金属膜、バリア膜、絶縁膜などの様々な膜が存在する。基板表面上に露出したこれらの膜には、研磨にて使用されたスラリや研磨屑など残渣物が存在している。このような残渣物を除去するために、研磨された基板は基板洗浄装置に搬送され、ここで基板表面が洗浄される。

基板表面が充分に洗浄されないと、残渣物が付着している位置で電流リークが発生したり、密着性不良が発生するなど、信頼性の点で問題が発生する。そのため、半導体デバイスの製造において、基板の洗浄は、製品の歩留まりを向上させるために重要な工程となっている。

基板を洗浄するための装置として、気体と液体との混合流体からなる二流体噴流を基板の表面に供給して該基板を洗浄する二流体洗浄装置が知られている。この二流体洗浄装置は、図９に示すように、二流体ノズル１００を基板Ｗの表面と平行に移動させながら二流体ノズル１００から二流体噴流を基板Ｗの表面に供給し、二流体噴流と基板Ｗとの衝突で発生した衝撃波で基板表面上に存在する砥粒や研磨屑などのパーティクルを除去する。

特開２０１０−２３８８５０号公報 特開２００５−９３８７３号公報

しかしながら、図９に示すように、二流体噴流は広がりながら基板に到達するために、衝撃波の基板表面に対する入射角θが小さい。このため、図１０に示すように、基板表面上の微小な凹部内に存在するパーティクルに衝撃波が当たらず、これらパーティクルを除去することができなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、基板表面上に形成された微小な凹部内に存在するパーティクルを除去することができる基板洗浄装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような基板洗浄装置を備えた基板処理装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板を保持する基板保持部と、前記基板の表面に二流体噴流を供給する二流体ノズルとを備え、前記二流体ノズルは、第１の二流体噴流を噴射する第１の噴射ノズルと、前記第１の二流体噴流よりも高速の第２の二流体噴流を噴射する第２の噴射ノズルと、前記第１の噴射ノズルおよび前記第２の噴射ノズルに連通する液体室が内部に形成された液体容器を備え、前記第１の噴射ノズルは第１の気体導入ポートに接続され、前記第２の噴射ノズルは第２の気体導入ポートに接続されており、前記液体容器は、前記液体室に連通する液体導入ポートを有しており、前記第２の噴射ノズルは、前記第１の噴射ノズルを囲むように配置されていることを特徴とする基板洗浄装置である。

本発明の好ましい態様は、前記第２の二流体噴流の速度は、音速以上であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記二流体ノズルを前記基板の半径方向に移動させるノズル移動機構をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記二流体ノズルと前記基板の表面との距離を変える距離調整機構をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の他の態様は、基板を保持する基板保持部と、前記基板の表面に二流体噴流を供給する二流体ノズルとを備え、前記二流体ノズルは、第１の二流体噴流を噴射する第１の噴射ノズルと、前記第１の二流体噴流よりも高速の第２の二流体噴流を噴射する第２の噴射ノズルと、前記第１の噴射ノズルの内部に配置され、前記第１の二流体噴流よりも高速の第３の二流体噴流を噴射する第３の噴射ノズルを備え、前記第２の噴射ノズルは、前記第１の噴射ノズルを囲むように配置されていることを特徴とする基板洗浄装置である。
本発明の好ましい態様は、前記第３の二流体噴流の速度は、音速以上であることを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板を研磨する研磨ユニットと、前記研磨ユニットで研磨された基板を洗浄する上記基板洗浄装置とを備えたことを特徴とする基板処理装置である。

本発明によれば、高速の第２の二流体噴流は、第１の二流体噴流を囲みながら基板の表面に向かって進行する。第１の二流体噴流と第２の二流体噴流との間には速度差があるため、第２の二流体噴流は第１の二流体噴流との接触により集束する。このように第２の二流体噴流が集束するので、基板の表面に対する衝撃波の入射角が大きくなり（９０度に近づき）、結果として、基板表面に形成されている微小な凹部内に存在するパーティクルに衝撃波が当たり、これらパーティクルを除去することができる。

本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を備えた基板処理装置の全体構成を示す平面図である。 第２洗浄ユニットに使用されている本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を示す斜視図である。 二流体ノズルの一例を示す縦断面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 第１の噴射ノズルおよび第２の噴射ノズルから噴射された第１の二流体噴流と第２の二流体噴流を示す模式図である。 第２の二流体噴流がウェーハの表面に衝突したときの衝撃波を示す模式図である。 二流体ノズルの他の実施形態を示す模式図である。 第１の噴射ノズル、第２の噴射ノズル、および第３の噴射ノズルをその軸方向から見た模式図である。 従来の噴射ノズルから噴射された二流体噴流を示す模式図である。 二流体噴流が基板の表面に衝突したときの衝撃波を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を備えた基板処理装置の全体構成を示す平面図である。図１に示すように、基板処理装置は、略矩形状のハウジング１０と、多数のウェーハ等の基板を収容する基板カセットが載置されるロードポート１２を備えている。ロードポート１２は、ハウジング１０に隣接して配置されている。ロードポート１２には、オープンカセット、ＳＭＩＦ（Standard Manufacturing Interface）ポッド、またはＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）を搭載することができる。ＳＭＩＦ、ＦＯＵＰは、内部に基板カセットを収納し、隔壁で覆うことにより、外部空間とは独立した環境を保つことができる密閉容器である。

ハウジング１０の内部には、複数（この実施形態では４つ）の研磨ユニット１４ａ〜１４ｄと、研磨後の基板を洗浄する第１洗浄ユニット１６及び第２洗浄ユニット１８と、洗浄後の基板を乾燥させる乾燥ユニット２０が収容されている。研磨ユニット１４ａ〜１４ｄは、基板処理装置の長手方向に沿って配列され、洗浄ユニット１６，１８及び乾燥ユニット２０も基板処理装置の長手方向に沿って配列されている。

ロードポート１２、研磨ユニット１４ａ、及び乾燥ユニット２０に囲まれた領域には、第１基板搬送ロボット２２が配置され、また研磨ユニット１４ａ〜１４ｄと平行に、基板搬送ユニット２４が配置されている。第１基板搬送ロボット２２は、研磨前の基板をロードポート１２から受け取って基板搬送ユニット２４に渡すとともに、乾燥後の基板を乾燥ユニット２０から受け取ってロードポート１２に戻す。基板搬送ユニット２４は、第１基板搬送ロボット２２から受け取った基板を搬送して、各研磨ユニット１４ａ〜１４ｄとの間で基板の受け渡しを行う。各研磨ユニットは、研磨面に研磨液（スラリー）を供給しながら、ウェーハなどの基板を研磨面に摺接させることで、基板の表面を研磨する。

第１洗浄ユニット１６と第２洗浄ユニット１８の間に位置して、これらの洗浄ユニット１６，１８および基板搬送ユニット２４の間で基板を搬送する第２基板搬送ロボット２６が配置され、第２洗浄ユニット１８と乾燥ユニット２０との間に位置して、これらの各ユニット１８，２０の間で基板を搬送する第３基板搬送ロボット２８が配置されている。更に、ハウジング１０の内部に位置して、基板処理装置の各ユニットの動きを制御する動作制御部３０が配置されている。

第１洗浄ユニット１６として、薬液の存在下で、基板の表裏両面にロールスポンジを擦り付けて基板を洗浄する基板洗浄装置が使用されている。第２洗浄ユニット１８として、本発明の実施形態に係る二流体タイプの基板洗浄装置が使用されている。また、乾燥ユニット２０として、基板を保持し、移動するノズルからＩＰＡ蒸気を噴出して基板を乾燥させ、更に高速で回転させることによって基板を乾燥させるスピン乾燥装置が使用されている。

基板は、研磨ユニット１４ａ〜１４ｄの少なくとも１つにより研磨される。研磨された基板は、第１洗浄ユニット１６と第２洗浄ユニット１８により洗浄され、さらに洗浄された基板は乾燥ユニット２０により乾燥される。

図２は、第２洗浄ユニット１８に使用されている本発明の実施形態に係る基板洗浄装置を示す斜視図である。図２に示すように、この基板洗浄装置は、基板の一例であるウェーハＷを水平に保持して回転させる基板保持部４１と、ウェーハＷの上面に二流体噴流を供給する二流体ノズル４２と、この二流体ノズル４２を保持するノズルアーム４４とを備えている。二流体ノズル４２には、第１の気体供給源５５と、第２の気体供給源５６と、液体供給源５７が接続されている。

基板保持部４１は、ウェーハＷの周縁部を保持する複数の（図２では４つの）チャック４５と、チャック４５に連結されたモータ４８とを備えている。チャック４５はウェーハＷを水平に保持し、この状態でウェーハＷはその中心軸線まわりにモータ４８によって回転される。

二流体ノズル４２はウェーハＷの上方に配置されている。ノズルアーム４４の一端に二流体ノズル４２が取り付けられ、ノズルアーム４４の他端には旋回軸５０が連結されている。二流体ノズル４２は、ノズルアーム４４および旋回軸５０を介してノズル移動機構５１に連結されている。より具体的には、旋回軸５０には、ノズルアーム４４を旋回させるノズル移動機構５１が連結されている。ノズル移動機構５１は、旋回軸５０を所定の角度だけ回転させることにより、ノズルアーム４４をウェーハＷと平行な平面内で旋回させるようになっている。ノズルアーム４４の旋回により、これに支持された二流体ノズル４２がウェーハＷの半径方向に移動する。

さらに、ノズル移動機構５１は、旋回軸５０を上下動させるノズル昇降機構５２に接続されており、これにより二流体ノズル４２は、ウェーハＷに対して相対的に上下動することができるようになっている。このノズル昇降機構５２は、二流体ノズル４２とウェーハＷの表面との距離を変える距離調整機構として機能する。

ウェーハＷは次のようにして洗浄される。まず、基板保持部４１は、ウェーハＷをその中心軸線まわりに回転させる。この状態で、二流体ノズル４２は、ウェーハＷの上面に二流体噴流を供給し、さらにウェーハＷの半径方向に移動する。ウェーハＷの上面は、二流体噴流によって洗浄される。

図３は、二流体ノズル４２の一例を示す縦断面図であり、図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。図３に示すように、二流体ノズル４２は、第１の噴射ノズル６１と、その第１の噴射ノズル６１を囲むように配置された第２の噴射ノズル６２と、第１の噴射ノズル６１および第２の噴射ノズル６２に連通する液体室６６が内部に形成された液体容器６５とを備えている。液体容器６５は第２の噴射ノズル６２の上端に接続されており、第１の噴射ノズル６１の下端は第２の噴射ノズル６２の下端と同じ高さに位置している。図４に示すように、第１の噴射ノズル６１と第２の噴射ノズル６２は、同軸状に配置されている。

図３に示すように、液体容器６５は、液体室６６に連通する液体導入ポート７４を有しており、この液体導入ポート７４は液体供給源５７に接続されている。液体（例えば純水）は、この液体導入ポート７４を通じて液体室６６に供給されるようになっている。第１の噴射ノズル６１は、液体容器６５を貫通して延びている。第１の噴射ノズル６１には、液体室６６に連通する複数の第１の接続路７１が形成されている。液体容器６５の下端には、第２の噴射ノズル６２と液体室６６とを連通する第２の接続路７２が形成されている。この第２の接続路７２は第１の噴射ノズル６１を囲むように形成されている。

第１の噴射ノズル６１の上端には、第１の気体供給源５５に接続された第１の気体導入ポート７５が形成されている。第２の噴射ノズル６２の上端には、第２の気体供給源５６に接続された第２の気体導入ポート７６が形成されている。第１の気体供給源５５は、第１の気体を第１の気体導入ポート７５を通じて第１の噴射ノズル６１に供給し、第２の気体供給源５６は、第１の気体よりも高圧の第２の気体を第２の気体導入ポート７６を通じて第２の噴射ノズル６２に供給する。

液体、第１の気体、および第２の気体は、同時に二流体ノズル４２に供給される。液体は液体室６６を満たし、第１の接続路７１を通って第１の噴射ノズル６１に流入しつつ、第２の接続路７２を通って第２の噴射ノズル６２に流入する。第１の噴射ノズル６１内では、第１の気体と液体が混合され、第１の二流体噴流を形成する。第２の噴射ノズル６２内では、第２の気体と液体が混合され、第２の二流体噴流を形成する。第１の気体と第２の気体の種類は同じであってもよく、または異なっていてもよい。

第２の噴射ノズル６２に導入される第２の気体は、第１の噴射ノズル６１に導入される第１の気体の圧力よりも高い圧力を有している。したがって、第２の二流体噴流は、第１の二流体噴流よりも高速で進行する。具体的には、第２の二流体噴流の速度は音速以上であることが好ましい。これは、第２の二流体噴流がウェーハＷの表面に衝突したときに、強い衝撃波が生じるためである。なお、音速は、０℃および１気圧の条件下で、３３１．４５ｍ／ｓである。

図５は、第１の噴射ノズル６１および第２の噴射ノズル６２から噴射された第１の二流体噴流と第２の二流体噴流を示す模式図である。第１の二流体噴流と第２の二流体噴流との間には速度差があるため、図５に示すように、第２の二流体噴流は第１の二流体噴流との接触により集束する。このように第２の二流体噴流が集束するので、図６に示すように、ウェーハＷの表面に対する衝撃波の入射角が大きくなり（９０度に近づき）、結果として、ウェーハＷの表面に形成されている微小な凹部内に存在するパーティクルに衝撃波が当たり、これらパーティクルを除去することができる。特に、パターン配線の段差や表面スクラッチなどの凹部内に存在する１００ｎｍ以下のサイズの微小パーティクルを除去することができる。

図３に示す二流体ノズルの構成は一例であり、他の構成を採用してもよい。例えば、第１の気体供給源および第１の液体供給源から第１の気体および第１の液体を第１の噴射ノズル６１に供給し、第２の気体供給源および第２の液体供給源から第２の気体および第２の液体を第２の噴射ノズル６２に供給してもよい。この場合は、第１の気体および第１の液体の種類は、第２の気体および第２の液体とは別にすることができる。例えば、第１の液体および第２の液体のうちの一方に機能水（例えば、水素水、アンモニア水、またはイソプロピルアルコールを含んだ液体）を用い、他方に純水を用いてもよい。

第１の噴射ノズル６１から噴射される第１の流体噴流および第２の噴射ノズル６２から噴射される第２の流体噴流のうち、一方は二流体噴流であって他方は気体噴流であってもよい。例えば、第２の噴射ノズル６２は高速の二流体噴流を噴射しつつ、第１の噴射ノズル６１は、低速の気体噴流を噴射するように構成されてもよい。別の例では、第１の噴射ノズル６１は低速の二流体噴流を噴射しつつ、第２の噴射ノズル６２は、高速の気体噴流を噴射するように構成されてもよい。

図７は、二流体ノズルの他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない構成は、図３に示す構成と同様である。この実施形態では、第１の噴射ノズル６１の内部に第３の噴射ノズル７９が配置されている。第１の噴射ノズル６１、第２の噴射ノズル６２、および第３の噴射ノズル７９は、図８に示すように、同軸状に配置されている。第３の噴射ノズル７９からは、第１の二流体噴流よりも高速な第３の二流体噴流が噴射される。すなわち、第２の二流体噴流および第３の二流体噴流の速度は、第１の二流体噴流よりも高い。第２の二流体噴流および第３の二流体噴流の速度は、音速以上であることが好ましい。高速の第２の二流体噴流は、低速の第１の二流体噴流との接触により集束し、高速の第３の二流体噴流は、低速の第１の二流体噴流との接触により広がる。

第１の噴射ノズル６１から噴射される第１の流体噴流と、第２および第３の噴射ノズル６２，７９から噴射される第２および第３の流体噴流のうち、一方は二流体噴流であって他方は気体噴流であってもよい。例えば、第２および第３の噴射ノズル６２，７９は高速の二流体噴流を噴射しつつ、第１の噴射ノズル６１は、低速の気体噴流を噴射するように構成されてもよい。別の例では、第１の噴射ノズル６１は低速の二流体噴流を噴射しつつ、第２および第３の噴射ノズル６２，７９は、高速の気体噴流を噴射するように構成されてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１０ ハウジング
１２ ロードポート
１４ａ〜１４ｄ 研磨ユニット
１６ 第１洗浄ユニット
１８ 第２洗浄ユニット
２０ 乾燥ユニット
２２ 第１基板搬送ロボット
２４ 基板搬送ユニット
２６ 第２基板搬送ロボット
２８ 第３基板搬送ロボット
３０ 動作制御部
４１ 基板保持部
４２ 二流体ノズル
４４ ノズルアーム
４５ チャック
４８ モータ
５０ 旋回軸
５１ ノズル移動機構
５２ ノズル昇降機構（距離調整機構）
５５ 第１の気体供給源
５６ 第２の気体供給源
５７ 液体供給源
６１ 第１の噴射ノズル
６２ 第２の噴射ノズル
６５ 液体容器
６６ 液体室
７１ 第１の接続路
７２ 第２の接続路
７４ 液体導入ポート
７５ 第１の気体導入ポート
７６ 第２の気体導入ポート
７９ 第３の噴射ノズル

Claims (8)

1. 基板を保持する基板保持部と、
   前記基板の表面に二流体噴流を供給する二流体ノズルとを備え、
   前記二流体ノズルは、第１の二流体噴流を噴射する第１の噴射ノズルと、前記第１の二流体噴流よりも高速の第２の二流体噴流を噴射する第２の噴射ノズルと、前記第１の噴射ノズルおよび前記第２の噴射ノズルに連通する液体室が内部に形成された液体容器を備え、
   前記第１の噴射ノズルは第１の気体導入ポートに接続され、前記第２の噴射ノズルは第２の気体導入ポートに接続されており、
   前記液体容器は、前記液体室に連通する液体導入ポートを有しており、
   前記第２の噴射ノズルは、前記第１の噴射ノズルを囲むように配置されていることを特徴とする基板洗浄装置。
2. 前記第２の二流体噴流の速度は、音速以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板洗浄装置。
3. 前記二流体ノズルを前記基板の半径方向に移動させるノズル移動機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の基板洗浄装置。
4. 前記二流体ノズルと前記基板の表面との距離を変える距離調整機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板洗浄装置。
5. 基板を保持する基板保持部と、
   前記基板の表面に二流体噴流を供給する二流体ノズルとを備え、
   前記二流体ノズルは、第１の二流体噴流を噴射する第１の噴射ノズルと、前記第１の二流体噴流よりも高速の第２の二流体噴流を噴射する第２の噴射ノズルと、前記第１の噴射ノズルの内部に配置され、前記第１の二流体噴流よりも高速の第３の二流体噴流を噴射する第３の噴射ノズルを備え、
   前記第２の噴射ノズルは、前記第１の噴射ノズルを囲むように配置されていることを特徴とする基板洗浄装置。
6. 前記第３の二流体噴流の速度は、音速以上であることを特徴とする請求項５に記載の基板洗浄装置。
7. 基板を研磨する研磨ユニットと、
   前記研磨ユニットで研磨された基板を洗浄する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の基板洗浄装置とを備えたことを特徴とする基板処理装置。
8. 基板洗浄装置に用いられる二流体ノズルであって、
   第１の二流体噴流を噴射する第１の噴射ノズルと、
   前記第１の二流体噴流よりも高速の第２の二流体噴流を噴射する第２の噴射ノズルと、
   前記第１の噴射ノズルおよび前記第２の噴射ノズルに連通する液体室が内部に形成された液体容器を備え、
   前記第１の噴射ノズルは第１の気体導入ポートに接続され、前記第２の噴射ノズルは第２の気体導入ポートに接続されており、
   前記液体容器は、前記液体室に連通する液体導入ポートを有しており、
   前記第２の噴射ノズルは、前記第１の噴射ノズルを囲むように配置されていることを特徴とする二流体ノズル。

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