TWI610359B

TWI610359B - 基板洗淨裝置及基板洗淨方法

Info

Publication number: TWI610359B
Application number: TW102147709A
Authority: TW
Inventors: 石橋知淳
Original assignee: 荏原製作所股份有限公司
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2018-01-01
Also published as: JP2014130883A; US20140182632A1; KR20140086846A; TW201428842A

Description

基板洗淨裝置及基板洗淨方法

本發明係關於一種基板洗淨裝置及基板洗淨方法，特別是關於利用雙流體噴射洗淨以非接觸方式洗淨半導體晶圓等基板表面(研磨面)的基板洗淨裝置及基板洗淨方法。本發明之基板洗淨裝置及基板洗淨方法亦可對應於Φ450mm之大直徑的半導體晶圓，亦可適用於平面板製造工序、CMOS或CCD等影像感測器製造工序、MRAM之磁性膜製造工序等。

伴隨近年半導體元件之微細化，廣為進行在基板上形成物性不同之各種材料膜，並加以洗淨。例如在以金屬埋入形成於基板表面之絕緣膜內的配線溝，而形成配線之金屬鑲嵌配線形成工序中，在金屬鑲嵌配線形成後，先以化學機械研磨(CMP)研磨除去基板表面之多餘金屬，而在CMP後之基板表面露出金屬膜、障壁膜及絕緣膜等對水浸潤性不同之複數種膜。

在藉由CMP而露出金屬膜、障壁膜及絕緣膜等之基板表面，存在CMP中使用之泥漿的殘渣(泥漿殘渣)及金屬研磨屑等微粒子(瑕疵)，若基板表面洗淨不徹底而在基板表面留下殘渣物時，會造成從基板表面留下殘渣物之部分產生洩漏，或成為密合性不良之原因等可靠性方面的問題。因而，需要以高洗淨度來洗淨露出金屬膜、障壁膜及絕緣膜等對水之浸潤性不同的膜之基板表面。

一種非接觸方式洗淨半導體晶圓等基板表面之洗淨方式，習知有使用雙流體噴射(2FJ)之雙流體噴射洗淨(參照專利文獻1,2等)。如第一圖所示，雙流體噴射洗淨係將表面(研磨面)向上，在水平旋轉之基板W上方向下配置雙流體噴嘴100，使雙流體噴嘴100與基板W平行地在一個方向移動，並從該雙流體噴嘴100使高速氣體攜帶之微小液滴(噴霧)朝向基板W之表面向下噴出、碰撞，利用該微小液滴向基板W表面之碰撞而產生的衝擊波，可除去(洗淨)基板W表面之微粒子102。

【先前技術文獻】 【專利文獻】

[專利文獻1]日本專利第3504023號公報

[專利文獻2]日本特開2010-238850號公報

但是，過去之雙流體噴射洗淨，特別是洗淨具有疏水性表面之基板的該表面時，會在基板表面留下微粒子，以高洗淨度洗淨基板表面全部區域困難。換言之，如第一圖所示，從雙流體噴嘴100使高速氣體攜帶之微小液滴(噴霧)朝向基板W表面向下噴出，而與基板W表面碰撞時，藉由該碰撞而飛揚之微粒子102與基板W表面碰撞後，被氣流攜帶而浮游，又飄落到基板W表面之洗淨後的區域。而後，特別是疏水性之表面，飄落到該洗淨完成區域的微粒子102容易停滯在該處，結果在基板W表面留下微粒子而成為瑕疵。

特別是，今後矽晶圓之尺寸最大會從Φ300mm變成Φ450mm之大直徑，因此，以高洗淨度洗淨Φ450mm之矽晶圓等基板表面的大致全部區域將更加困難。

本發明係鑑於上述情形者，目的為提供一種活用雙流體噴射洗淨之原本洗淨特性，可以高洗淨度洗淨基板表面之基板洗淨裝置及基板洗淨方法。

本發明之基板洗淨裝置，係具有：基板保持機構，其係將表面向下地水平保持基板並使其旋轉；及雙流體噴嘴，其係朝向前述基板保持機構所保持之基板表面，向上噴射氣體與液體之雙流體噴射流。

藉此，藉由使從雙流體噴嘴噴射之向上雙流體噴射流碰撞於將表面向下而水平旋轉之基板的該表面，可洗淨基板表面，抑制該洗淨時脫離基板表面之微粒子，藉由其本身重量及雙流體噴射流碰撞於基板表面後的向下流動氣流移動於下方，而再度附著於基板表面。藉此，可進行具有原本洗淨特性之雙流體噴射洗淨。

本發明適合之一種樣態，係進一步具有：支撐軸，其係隨意旋轉地直立設於前述基板保持構件之側方；及移動機構，其係由基部連結於該支撐軸之水平方向延伸的搖動臂而構成，使前述雙流體噴嘴與前述基板保持構件所保持之基板表面平行移動；且在前述搖動臂之前端安裝有前述雙流體噴嘴。

藉此，藉由使支撐軸旋轉，而使搖動臂轉動，可使雙流體噴嘴移動，而且藉由控制支撐軸之旋轉速度及旋轉角度，可控制雙流體噴嘴之移動速度及移動距離。

本發明適合之一種樣態，係前述搖動臂使前述雙流體噴嘴噴出雙流體噴射流，並在一個方向移動，前述雙流體噴嘴從與基板中心偏置之開始洗淨位置，通過基板中心之正下方，而移動至基板外周部外方之結束洗淨位置。

藉此，不致不均一而可更均勻地洗淨基板表面全部區域。

本發明適合之一種樣態，前述雙流體噴嘴係具有縫隙狀之噴射口的縫隙型噴嘴，且前述噴射口係以與前述基板保持構件所保持之基板表面平行的方式固定而設置，前述噴射口在長邊方向之長度係基板的半徑以上之長度，且以通過基板中心之垂線及通過基板外周端部之垂線均通過前述噴射口的方式設置前述雙流體噴嘴。

藉此，在固定了由縫隙型噴嘴構成之雙流體噴嘴的狀態下，不致不均一而可更均勻地洗淨基板表面全部區域。

本發明之基板洗淨方法，係將表面向下，使基板水平旋轉，並朝向水平旋轉之基板表面，從雙流體噴嘴向上噴射氣體與液體之雙流體噴射流。

本發明適合之一種樣態，係從與基板中心偏置之開始洗淨位置，通過基板中心之正下方，至基板外周部外方之結束洗淨位置，使前述雙流體噴嘴噴出雙流體噴射流，並與基板表面平行地在一個方向移動。

採用本發明，藉由使從雙流體噴嘴噴射之向上雙流體噴射流碰撞於將表面向下而水平旋轉之基板的該表面，可洗淨基板表面。抑制該洗淨時脫離基板表面之微粒子，藉由其本身重量及雙流體噴射流碰撞基板表面後向下流動之氣流移動於下方，而再度附著基板表面。藉此，可藉由具有原本洗淨特性之雙流體噴射洗淨，以高洗淨度洗淨基板表面。

10‧‧‧機架

12‧‧‧載入口

14a~14d‧‧‧研磨單元

16‧‧‧第一洗淨單元

18‧‧‧第二洗淨單元

20‧‧‧乾燥單元

22‧‧‧第一搬送機器人

24‧‧‧搬送單元

26‧‧‧第二搬送機器人

28‧‧‧第三搬送機器人

30‧‧‧控制部

40‧‧‧基板保持機構

42‧‧‧支撐軸

44‧‧‧搖動臂

46‧‧‧雙流體噴嘴

48‧‧‧移動機構

50‧‧‧夾盤

52‧‧‧支臂

54‧‧‧旋轉軸

56‧‧‧基台

60‧‧‧微粒子

62‧‧‧雙流體噴嘴

62a‧‧‧噴射口

100‧‧‧雙流體噴嘴

102‧‧‧微粒子

A‧‧‧開始洗淨位置

B‧‧‧結束洗淨位置

O‧‧‧基板之中心

P‧‧‧移動軌跡

R‧‧‧箭頭

W‧‧‧基板

第一圖係過去雙流體噴射洗淨中之微粒子的動態之說明圖。

第二圖係顯示具備本發明實施形態之基板洗淨裝置的基板處理裝置之全體構成平面圖。

第三圖係顯示作為第二圖所示之第一洗淨單元而使用的本發明實施形態之基板洗淨裝置概要的斜視圖。

第四圖係顯示以第三圖所示之第一洗淨單元的基板保持機構所保持之基板與雙流體噴嘴的關係圖。

第五圖係本發明之雙流體噴射洗淨中的微粒子之動態的說明圖。

第六圖係顯示以本發明其他實施形態之基板保持裝置所保持的基板與雙流體噴嘴之關係圖。

第七圖係將洗淨前留在基板表面之微粒子數作為100%，以百分率(瑕疵率)顯示計測實施例1、比較例1及洗淨前留在基板表面之100nm以上的微粒子(瑕疵)數時的結果之圖表，且在實施例1及比較例1中，與照片一起顯示。

第八圖係將洗淨前留在基板表面之泥漿數作為1，以任意單位顯示計測實施例1、實施例2、比較例1及洗淨前留在基板表面之100nm以上的泥漿與泥漿塊數時的結果之圖表。

第九(a)圖係顯示洗淨後留在基板表面之泥漿的狀態圖，第九(b)圖係顯示洗淨後留在基板表面之泥漿塊的狀態圖。

以下，參照圖式說明本發明之實施形態。

第二圖係顯示具備本發明之實施形態的基板洗淨裝置之基板處理裝置的全體構成平面圖。如第二圖所示，基板處理裝置具備概略矩形狀之機架10、及放置儲存多數個半導體晶圓等之基板的基板匣盒之載入口12。載入口12鄰接於機架10而配置。載入口12中可搭載開放式匣盒、SMIF(標準製造介面(Standard Manufacturing Interface))密閉容器(Pod)或FOUP(前開統一密閉容器(Front Opening unified Pod))。SMIF、FOUP係內部收納基板匣盒，藉由以分隔壁覆蓋可保持與外部空間獨立之環境的密閉容器。

在機架10之內部收容有複數個(本例係4個)研磨單元14a~14d、洗淨研磨後之基板的第一洗淨單元16及第二洗淨單元18、以及使洗淨後之基板乾燥的乾燥單元20。研磨單元14a~14d沿著基板處理裝置之長度方向排列，洗淨單元16,18及乾燥單元20亦沿著基板處理裝置之長度方向排列。本發明之實施形態的基板洗淨裝置適用於第一洗淨單元16。

在被載入口12、位於該載入口12側之研磨單元14a及乾燥單元20包圍的區域配置具有使基板反轉180°之反轉機構的第一搬送機器人22，並與研磨單元14a~14d平行地配置搬送單元24。第一搬送機器人22在將表面(被研磨面)向上狀態下，從載入口12接收研磨前之基板，並以表面向下之方式使基板反轉180°後將基板送交搬送單元24，並且在將表面向上之狀態下，從乾燥單元20接收乾燥後之基板送回載入口12。搬送單元24搬送從第一搬送機器人22所接收之基板，在與各研磨單元14a~14d之間進行基板的送交，並且將從研磨單元14a~14d接收之基板，在表面向下情況下送交第一洗淨單元16。

於第一洗淨單元16及第二洗淨單元18之間，配置在此等各單元16,18之間進行基板送交的具備使基板反轉180°之反轉機構的第二搬送機器人26，並於第二洗淨單元18與乾燥單元20之間，配置在與此等各單元18,20之間進行基板之送交的第三搬送機器人28。再者，於機架10之內部配置有控制基板處理裝置之各機器動作的控制部30。

本例之第一洗淨單元16係使用本發明實施形態的基板洗淨裝置。第二洗淨單元18係使用在洗淨液存在下，使圓柱狀且長條狀水平延伸之滾筒洗淨構件接觸於基板表面(及背面)，使基板及滾筒洗淨構件分別在一個方向旋轉，而摩擦洗淨基板表面(及背面)的滾筒洗淨單元。該第二洗淨單元(滾筒洗淨單元)18係以併用在洗淨液中施加數十~1MHz附近之超音波，使洗淨液因振動加速度之作用力作用於附著在基板表面的微粒子之超音波洗淨的方式構成。

此外，乾燥單元20係使用朝向水平旋轉之基板，從移動之噴射噴嘴噴出IPA氣體使基板乾燥，進一步使基板以高速旋轉，藉由離心力使基板乾燥之自旋乾燥單元。

第三圖係顯示作為第二圖所示之第一洗淨單元16而使用的本發明實施形態之基板洗淨裝置概要的斜視圖。第四圖係顯示以第三圖所示的第一洗淨單元16之基板保持構件所保持的基板與雙流體噴嘴之關係圖。

如第三圖所示，作為本發明實施形態之基板洗淨裝置的第一洗淨單元16具備：將被研磨單元14a~14d之任何一個研磨的表面向下，水平保持半導體晶圓等基板W而使其旋轉之基板保持機構40；直立設置於基板保持機構40所保持之基板W側方而隨意旋轉的支撐軸42；及在該支撐軸42上端連結基部，而水平方向延伸之搖動臂44。搖動臂44位於基板保持機構40所保持之基板W的下方。以該支撐軸42與搖動臂44構成移動機構48，並藉由移動機構48使雙流體噴嘴46與基板保持機構40所保持之基板W的表面平行移動。

在搖動臂44之自由端(前端)，向上且隨意上下移動地安裝有噴射口形成圓形之概略圓筒狀的雙流體噴嘴46。在雙流體噴嘴46上連接有供給由氮(N₂)氣或氬氣等惰性氣體構成之載氣的載氣供給線；及供給純水、二氧化碳(CO₂)氣溶解水或氫水等之洗淨液的洗淨液供給線(均無圖示)，藉由使供給至雙流體噴嘴46內部之氮氣等載氣與純水或二氧化碳氣溶解水等洗淨液從雙流體噴嘴46高速噴出，生成載氣中洗淨液以微小液滴(噴霧)而存在之雙流體噴射流。藉由使該雙流體噴嘴46所生成之雙流體噴射流朝向旋轉中之基板W表面噴出而碰撞，利用微小液滴對基板表面之碰撞產生的衝擊波，可除去(洗淨)基板表面之微粒子等。

支撐軸42連結於作為驅動機構之馬達(無圖示)，其係藉由使支撐軸42旋轉，而以該支撐軸42為中心使搖動臂44搖動。該馬達以來自控制部30之信號控制旋轉速度及旋轉角度，藉此，控制搖動臂44之角速度及搖動角，並控制雙流體噴嘴46之移動速度及移動距離。

基板保持機構40具備將水平狀態保持基板W之夾盤50裝設於前端的複數支(圖示為4支)支臂52，該支臂52之基端連結於與旋轉軸54一體旋轉之基台56。藉此，將表面(研磨面)向下，並以基板保持機構40之夾盤50保持的基板W在箭頭R所示的方向旋轉。

第四圖係在基板W表面表示雙流體噴嘴46之移動軌跡P的圖。雙流體噴嘴46之噴射口在將與基板表面平行之面上從基板表面離開指定距離程度之下方的狀態下移動。如第四圖詳細顯示，雙流體噴嘴46藉由伴隨搖動臂44之搖動而從離開基板W之中心O偏置的開始洗淨位置A，通過基板W之中心O，至基板W外周部外方之結束洗淨位置B，取圓弧狀之移動軌跡P在一個方向移動，來進行基板W表面之洗淨。該洗淨時，朝向水平旋轉之基板W表面，使載氣中洗淨液以微小液滴(噴霧)存在之雙流體噴射流，從雙流體噴嘴46之噴射口朝向上方噴出。

以下說明藉由該第一洗淨單元16洗淨基板W之例。研磨單元14a~14d係將基板W表面(被研磨面)向下進行基板表面之研磨。因而，研磨後之基板W在將研磨單元14a~14d所研磨的表面向下情況下，從搬送單元24搬送至第一洗淨單元16。基板保持機構40將研磨之表面向下，而以夾盤50水平保持基板W。以基板保持機構40水平保持基板W後，使位於基板保持機構40側方之退開位置的雙流體噴嘴46，藉由轉動搖動臂44，而移動至基板W下方之開始洗淨位置A。

在該狀態下，使基板W水平旋轉，使載氣中洗淨液以微小液滴(噴霧)之方式存在的雙流體噴射流，從雙流體噴嘴46高速朝向位於上方的基板W表面向上噴出而碰撞。同時，使雙流體噴嘴46從開始洗淨位置A 通過基板W之中心O的正下方，至基板W外周部外方之結束洗淨位置B，而取圓弧狀之移動軌跡P以指定之移動速度在一個方向移動。藉此，以微小液滴對基板W表面碰撞而產生之衝擊波除去(洗淨)基板W表面之微粒子等。

如此，本例係在將表面向下而水平旋轉之基板W的該表面，藉由使雙流體噴嘴46在一個方向移動，並使從雙流體噴嘴46噴射之向上雙流體噴射流碰撞，可洗淨基板W全部表面。第五圖顯示該洗淨時之微粒子的動態。

如第五圖所示，抑制該洗淨時脫離基板W表面之微粒子60，藉由其本身重量及雙流體噴射流碰撞基板W表面後向下流動的氣流移動於下方，而再度附著於基板W表面(未洗淨區域及洗淨完成區域)。藉此，無須考慮脫離基板W表面之微粒子60再度對基板W表面附著，可產生雙流體噴嘴原本之洗淨特性進行雙流體噴射洗淨。而後，藉由使雙流體噴嘴46從開始洗淨位置A通過基板W之中心O的正下方，移動至基板W外周部外方之結束洗淨位置B，來洗淨基板W表面，可更均勻地洗淨基板W表面的全部區域。

第二圖所示之基板處理裝置，係將表面(被研磨面)向上，使第一搬送機器人22從載入口12內之基板匣盒取出的基板，以表面向下之方式反轉180°後，搬送至研磨單元14a~14d之任何一個實施研磨。而後，將研磨後之基板在被研磨單元14a~14d之任何一個研磨的表面向下情況下，搬送至第一洗淨單元16進行粗洗淨。其次，使粗洗淨後之基板以第二搬送機器人26從第一洗淨單元16取出，以表面向上之方式反轉180°後，搬送至第二洗淨單元18實施加工洗淨。而後，從第二洗淨單元18取出洗淨後之基板搬入乾燥單元20使其乾燥，然後，將乾燥後之基板送回載入口12之基板匣盒內。

第六圖顯示本發明其他實施形態使用之雙流體噴嘴62與基板保持機構所保持之基板W的關係圖。本例之雙流體噴嘴62係使用具有細長縫隙狀之噴射口62a的縫隙型噴嘴。該噴射口62a係以固定於與基板保持構件所保持之基板W表面平行地從基板表面離開一定距離程度之下方的位置，通過基板中心之垂線及通過基板外周端部之垂線均通過噴射口的方式設置。噴射口62a之形狀係細長概略矩形狀，且噴射口之長邊方向的長度具有基板W之半徑以上的長度。另外，亦可使噴射口62a具有基板W之直徑以上的長度。

如此，藉由使用由具有縫隙狀噴射口62a之縫隙型噴嘴構成的雙流體噴嘴62，可在固定雙流體噴嘴62之狀態下，不致不均一而可更均勻地洗淨基板W之表面全部區域。

使用第二圖所示之基板處理裝置，以研磨單元14a~14d之任何一個研磨TEOS包覆晶圓(Blanket Wafer)(基板)的表面，以第一洗淨單元16洗淨研磨後之基板表面並使其自旋乾燥時，將計測留在基板表面之100nm以上的微粒子(瑕疵)數時之結果，在第七圖中作為實施例1而與照片一起顯示。第七圖中，係將研磨後不實施洗淨，而使其自旋乾燥時，將計測留在基板表面之100nm以上的微粒子(瑕疵)數時之結果作為洗淨前而顯示，以研磨單元14a~14d之任何一個研磨TEOS包覆晶圓(基板)的表面，使用如第一圖所示之過去雙流體洗淨單元洗淨研磨後的基板表面，並使其自旋乾燥時，將計測留在基板表面之100nm以上的微粒子(瑕疵)數時之結果作為比較例1而與照片一起顯示。第七圖中，瑕疵殘留率係將洗淨前留在基板表面之微粒子(瑕疵)數作為基準(100%)的百分率來顯示。

另外，實施例1中，係將噴嘴直徑為Φ2~Φ6mm之雙流體噴嘴46配置於與基板分離5~15mm之位置來使用，使基板在100min^-1以下旋轉，並在雙流體噴嘴46中供給流量為150~250ml/min之純水與流量為50~150SLM之氮氣進行基板的洗淨。此等條件在比較例1中同樣適用。

從第七圖明瞭，比較例1中，瑕疵殘留率約為28%，且微粒子(瑕疵)容易以圓分布狀態殘存於基板表面。所謂瑕疵以圓分布狀態殘存於基板表面之狀態，係指瑕疵以複數個圓狀留在基板表面，或是渦流狀留下之狀態。實施例1中，瑕疵殘留率為0.17%，與比較例1比較，判明洗淨後可格外減少殘留於基板表面的瑕疵數。

第八圖與第七圖所示之實施例1同樣地，係使基板自旋乾燥時，將計測留在基板表面之100nm以上的泥漿與泥漿塊數時之結果作為實施例1而顯示，將洗淨中之基板的旋轉速度提高至實施例1的6倍，其他與實施例1同樣地，使基板自旋乾燥時，計測留在基板表面之100nm以上的泥漿與泥漿塊數時的結果作為實施例2而顯示。第八圖中，係將研磨後不實施洗淨，而使基板自旋乾燥時，將計測留在基板表面之泥漿與泥漿塊數時之結果作為洗淨前而顯示，在與第七圖所示之比較例1同樣的條件下洗淨基板，並使基板自旋乾燥時，計測泥漿與泥漿塊數時之結果作為比較例1而顯示。第八圖中，泥漿數與泥漿塊數係將洗淨前留在基板表面之泥漿數作為1的任意單位而顯示。

第九(a)圖顯示洗淨後留在基板表面之泥漿的狀態，第九(b)圖顯示洗淨後留在基板表面之泥漿塊的狀態。

從第八圖明瞭，實施例1,2與比較例1比較，判明洗淨後可使留在基板表面之泥漿與泥漿塊數格外減少，特別是實施例2可使泥漿與泥漿塊數均為零。

以上係說明本發明一種實施形態，不過本發明不限定於上述之實施形態，在其技術性思想之範圍內當然可以各種不同形態來實施。