洗浄装置
【課題】 洗浄装置に関し、水素水を用いた洗浄に於いて、被洗浄物の表面に損傷を与えることなく、物理的な力を作用させることを可能とし、被洗浄物の表面に固着しているパーティクルを容易に解放し、水素水洗浄に依る効果を向上させようとする。
【解決手段】 被洗浄物であるウェーハ４０１が収容された洗浄槽４０２内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波振動子４０４からの超音波を印加してウェーハ４０１を洗浄する洗浄装置に於いて、ウェーハ４０１に接触した状態で振動するブラシ４０５を設けることが基本になっている。
【解決手段】 被洗浄物であるウェーハ４０１が収容された洗浄槽４０２内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波振動子４０４からの超音波を印加してウェーハ４０１を洗浄する洗浄装置に於いて、ウェーハ４０１に接触した状態で振動するブラシ４０５を設けることが基本になっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子や液晶パネルなど、超精密電子部品を製造する工程に於いて、シリコン基板やガラス基板などの部材を洗浄するのに好適な洗浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶パネルの製造工程に於いて、清浄度の管理は製造歩留りを左右する重要な課題である。特に、部材表面のパーティクル汚染は、配線間の短絡、パターン欠陥、層間絶縁膜の絶縁不良などの原因となる為、厳格な清浄度管理が求められている。
【０００３】
パーティクル汚染に依るデバイス特性の劣化、製造歩留りの低下を回避する為、各工程間には洗浄工程が導入され、部材の表面を極めて清浄な状態に保ちながら製造工程が進められる。
【０００４】
半導体素子の製造工程を例に採って説明すると、従来、シリコン基板表面の洗浄は、主として、濃アンモニア水か濃塩酸と、過酸化水素水と、超純水とを混合して調製した溶液を一定温度に加熱し、この溶液にシリコン基板を一定時間浸漬した後、超純水で濯ぐという、いわゆる、ＲＣＡ洗浄法（１９７０年、Ｒａｄｉｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａに依って発表。）を基本とする方法に依って行われてきた。
【０００５】
ＲＣＡ洗浄法は、シリコン基板表面に付着した有機物、金属、パーティクルの除去に極めて優れた効果を発揮する洗浄法であって、今日に至るまで種々の改良を加えられながら広く用いられている。特に、ＳＣ１（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｌｅａｎ １）と呼ばれる濃アンモニア水と過酸化水素水を混合したアルカリ性溶液は、シリコン基板の表面を酸化しながら同時に表面近傍を溶解し、付着したパーティクルを表面から脱離（リフトオフ）させる。また、液性がアルカリ性であることから、基板表面とパーティクルとの間に働く静電的反発作用に依って、再付着を抑止する機能をもっているので、シリコン基板表面のパーティクル汚染を効果的に除去することができる。
【０００６】
前記したように、ＲＣＡ洗浄法は、有効な洗浄法であるが、高濃度で、しかも、高純度（高品質）の酸、アルカリや過酸化水素などの薬液を多量に必要とすると共に薬液処理後に基板を濯ぐ為の超純水も大量に使用する。また、洗浄後の廃液中に前記各薬液が排出される為、排水処理に於いて中和や沈殿処理などに大きな負担がかかり、多量の汚泥も派生させる。
【０００７】
従って、ＲＣＡ洗浄法を実施するには、シリコン基板表面の清浄度を確保する為、薬液や超純水、そして、廃液処理などに多大な費用が必要である。
【０００８】
また、半導体素子の製造工程に於ける洗浄工程に限らず、製造業全体の一般的な問題として、自然環境保護の観点から、化学物質やエネルギーを大量に使用する製造手法から、より環境負荷が小さい代替手段への切り替えを推進すべきである旨の問題意識が産業界に急速に高まりつつある。
【０００９】
この為、ＲＣＡ洗浄法に比較し、洗浄力を低下させることなく、薬液使用量を低減することができる新たな洗浄方法が模索されている。
【００１０】
このような状況下にあって、近年、注目を集めている洗浄方法として、超純水に特定のガスを溶解させた水（以下、「ガス溶解水」と呼ぶこととする。）を用いる洗浄方法が知られている。ガス溶解水は、溶解させたガスの種類に応じて特定の「機能」を発揮することから、「ガス溶解型機能水」、或いは、単に「機能水」とも呼ばれている。
【００１１】
一部のガス溶解水に、物体の表面を清浄にする効果、即ち、洗浄効果があることは１９９０年頃から注目され始め、その効果や洗浄メカニズムについてだけでなく、ガス溶解水の製造装置やガス溶解水を用いた洗浄装置についても様々な研究がなされている。
【００１２】
例えば、被洗浄物を入れた洗浄槽にガス溶解水を供給し、これに超音波を印加して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【００１３】
また、パーティクル除去の効果が高いガス種として水素ガスに注目し、予めガス透過膜を介して超純水を真空脱気しておき、この脱気水にガス透過膜を介して水素ガスを溶解させ、この水素溶解水の中で超音波を照射して被洗浄物を洗浄する方法及び装置が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
【００１４】
更にまた、脱気水に水素ガスを溶解させて生成した水素溶解水にアルカリを溶解させてｐＨを調整した水素溶解水の中で超音波を照射して被洗浄物を洗浄する方法及び装置が知られている（例えば、特許文献３を参照。）。
【００１５】
これ等の公知文献は、ガス溶解水を用いた洗浄について最も基本となる技術要素を開示したものであるが、これ等を応用、発展させた様々な洗浄装置、或いは、洗浄方法が発明されている。
【００１６】
被洗浄物の表面からパーティクルを除去する効果を備えたガス溶解水として、超純水に水素ガスを溶解させた水素溶解水が利用されている。以下、水素溶解水を「水素水」と呼ぶことにする。
【００１７】
図７は水素水を用いる超音波洗浄装置の一例を表す要部ブロック図であり、この図を用いて水素水を用いた洗浄のメカニズムについて説明する。
【００１８】
超純水製造装置１０１で製造した非常に不純物が少ない超純水は、脱気装置１０２へ送られる。脱気装置１０２では、ガス透過膜１０３を介して超純水と接する雰囲気を真空ポンプ１０４を用いて減圧することに依り、超純水中に溶存しているガスを除去する。脱気された超純水は、ガス溶解装置１０５へと送られる。
【００１９】
水素ガス発生装置１０６に於いては、純水の電気分解に依って水素ガスを生成し、ガス溶解装置１０５に供給する。ガス溶解装置１０５では、ガス透過膜１０７を介して脱気された超純水と水素ガスが接していて、水素ガスは、脱気された超純水中に溶解する。脱気装置１０２で予め超純水を脱気しておくことに依り、ガス溶解装置１０５での水素ガスの溶解が容易になる。超純水の流量と水素ガスの供給量を調節することに依り、生成される水素水中の溶存水素濃度を制御することができる。パーティクルの除去を目的とした洗浄では、超純水中の溶存水素濃度は、１ｐｐｍ前後で充分な効果が得られる。
【００２０】
このようにして生成した水素水に対し、薬液タンク１０８内のアンモニアがポンプ１０９の働きで極微量ずつ送られて混合される。アンモニアは、後に説明するが、パーティクルが被洗浄物１１３の表面に再付着するのを防止する目的で、水素水のｐＨをアルカリ側に調整する為に添加する。水素水に添加するアルカリは、必ずしもアンモニアである必要はなく、被洗浄物への影響などを考慮して、他のアルカリを添加しても良い。
【００２１】
水素水中のアンモニア濃度は、例えば水素水の電気伝導率を測定することに依って把握し、制御することができる。水素水は、洗浄槽１１０の下部から洗浄槽１１０の内部に送り込まれ、洗浄槽１１０の上部開口部から洗浄槽１１０の外へと溢出する（オーバーフロー）。従って、洗浄槽１１０の内部では、次々に供給される水素水が下から上に向かって絶えることなく流れていて、滞留することはない。
【００２２】
洗浄槽１１０の底面には、超音波振動子１１１が設置されている。発振器１１２で生成された信号が超音波振動子１１１に印加された場合、超音波振動子１１１が振動して、洗浄槽１１０内に満たされた水素水中を超音波が伝播する。尚、脱気装置１０２に於ける超純水の脱気方法、ガス溶解装置１０５に於ける水素ガスの溶解方法、水素ガス発生装置１０６に於ける水素ガスの生成方法は、ここで説明した方法と異なる場合もある。
【００２３】
洗浄槽１１０の内部に満たされた水素水に超音波が印加された場合、一部の水分子が分解してＨラジカルとＯＨラジカルに分裂する。これ等のラジカルは非常に反応性が高く、発生後、速やかに両者が結び付いて安定な水分子に戻る反応が最も優勢と考えられる。
【００２４】
然しながら、一部のＯＨラジカルは、水素水中の溶存水素と反応して水分子となる為、水素水中では相対的にＨラジカルが余っている状態になる。このようにして生じた反応性が極めて高い余剰Ｈラジカルは、水素水に浸漬された被洗浄物１１３や、被洗浄物１１３の表面に付着しているパーティクルの表面の最末端部との反応を生ずる。例えば、活性な最表面ダングリングボンドに結合して不活性化したり、或いは、末端原子との置換を起こしたりする。その結果、被洗浄物１１３の表面からのパーティクル脱離が促進される。
【００２５】
このような余剰Ｈラジカルの効果だけでなく、被洗浄物１１３とパーティクルの界面に於けるマイクロバブル（気泡）の発生に依る物理的な剥離効果や、超音波洗浄本来の振動加速度の効果が加わって、水素水中では、極めて効果的に被洗浄物１１３の表面からパーティクルが除去される。水素水洗浄のメカニズムについては、既に、詳細な報告がなされている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【００２６】
ところで、種々の材料の表面のゼータ電位の値は、その表面が接している溶液のｐＨに依存する。水素水に微量のアンモニアを添加して水素水のｐＨをアルカリ側に変化させることに依り、多くの被洗浄物１１３とパーティクルの材料の組み合わせに於いて、両者の表面のゼータ電位を同極性にすることができる。
【００２７】
その結果、両者の間に静電的な反発力が発生し、被洗浄物１１３へのパーティクルの再付着を防止する効果が得られる。僅か１ｐｐｍのアンモニアの添加に依って水素水のｐＨは９．４に変化するが、この液性に於いて、多くの材料の組み合わせに対して再付着を防止する効果が得られる。また、材料の組み合わせに依っては、アンモニアを添加しなくても、水素水だけで充分な洗浄効果が得られる場合もある。
【００２８】
前記説明したように、水素水洗浄は、超純水に１ｐｐｍ前後の濃度の水素ガスを溶解させ、必要あれば、僅か１ｐｐｍ前後のアンモニアを添加するだけで、優れたパーティクル除去の効果を発揮する。
【００２９】
水素水洗浄と濃アンモニア水及び過酸化水素水を混合したＳＣ１に依る洗浄とを比較した場合、水素水洗浄は、高濃度の薬液の使用量を殆ど０にすることができると共に濯ぎの為の超純水の使用量も圧倒的に少なくすることができ、また、廃液処理の負担も極めて小さくできるので、費用の面、及び、環境負荷の面での優位性が非常に高い技術であると言うことができる。
【００３０】
ここで、ＳＣ１に代表される薬液洗浄と水素水洗浄とについて、パーティクル除去のメカニズムを更に詳細に比較説明する。
【００３１】
薬液洗浄では、被洗浄物の表面近傍、更に場合に依っては、付着しているパーティクルの表面近傍を薬液で溶解（エッチング）することに依り、パーティクルを被洗浄物の表面から脱離（リフトオフ）させる。この為、薬液洗浄では、パーティクルが被洗浄物の表面にどのような付着の仕方をしているかに拘わらず、パーティクルを脱離させることが可能である。
【００３２】
これに対し、水素水洗浄では、超音波の印加に依って水素水中に発生した非常に活性な水素ラジカルがダングリングボンドと結合して不活性化したり、界面の末端部の原子と置き換わるなどの化学反応を起こし、界面でのマイクロバブル（気泡）の発生に依る剥離効果、そして、超音波洗浄本来の振動加速度の効果と共にパーティクルを離脱させる。
【００３３】
従って、水素水洗浄は、パーティクルが被洗浄物の表面にファンデルワールス力のような静電的な引力に依って吸着している場合には効果が大きいが、パーティクルと被洗浄物との間に化学結合が生じていたり、両者が機械的に固着しているような場合には、パーティクルの脱離が困難となる。
【００３４】
例えば、半導体ウェーハの表面を平坦にする為の化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）の終了後に半導体ウェーハを洗浄する工程について説明する。
【００３５】
一般に、ＣＭＰでは、研磨用組成物（スラリー）を用いて研磨を行う。スラリーは、ダイヤモンドやシリカなどを材料とする砥粒、及び、それを分散させる液状成分からなる。液状成分には、酸化剤、還元剤、エッチング剤、腐食防止剤などの薬液が目的に応じて添加されている。
【００３６】
ＣＭＰを実施するには、研磨パッドと半導体ウェーハとを接触させ、その界面にスラリーを供給しつつ両者に摩擦運動をさせる。その運動に依って、スラリー中の砥粒に依り、半導体ウェーハ表面が機械的に研磨され、また、スラリー中の液状成分に含まれる薬液に依り、半導体ウェーハ表面が化学的に変換されたり、或いは、研磨されることで平坦化される。
【００３７】
ＣＭＰ工程が完了した後、ウェーハ表面を洗浄し付着していたスラリーを除去する必要がある。然しながら、研磨中に一定の圧力で砥粒がウェーハ表面に押し付けられること、そして、砥粒とウェーハ表面との界面にスラリーに含まれる薬液が介在することに依り、スラリー中の砥粒はウェーハ表面に強固に付着している。従って、ＣＭＰ後のウェーハに対して、そのまま水素水洗浄を行っても、ウェーハ表面に付着した砥粒は簡単には除去することができない。
【００３８】
然しながら、砥粒に物理的な力の作用を与え、砥粒とウェーハ表面の間の強固な固着を切り離してやることで、水素水洗浄が本来備えているパーティクル除去の機能を顕現させて大きな洗浄効果を得ることができる。
【００３９】
その方法の一例について、水素水を用いたブラシ洗浄の説明図である図８を参照しつつ説明する。被洗浄物であるウェーハ２０１は、何らかの方法で支持されて回転するようになっている。ウェーハ２０１の両面にはブラシ２０２を接触させる。ブラシ２０２は、例えば軟らかいポリビニルアルコール（ＰＶＡ）製のスポンジで作製された円筒形のローラーになっていて、軸を中心に回転可能になっている。更に、ウェーハ２０１の表裏両面はノズル２０３（裏面用は省略）からの水素水で噴射されるようになっている。尚、ノズル２０３は、噴射する液体に超音波を印加できるようになっていて、噴射された液体中を超音波が伝播してウェーハ２０１に達する。
【００４０】
ここで用いる水素水は、図７について説明した方法で生成したものであって良く、必要に応じ、アンモニアを添加しても良い。ウェーハ２０１及びブラシ２０２をそれぞれ回転させながらノズル２０３から超音波を印加した水素水を噴射する。これに依り、ウェーハ２０１の表面に強固に固着した砥粒にブラシ２０２との摩擦で生じる力が作用し、砥粒はウェーハ２０１の表面から解放される。ウェーハ２０１の表面への強固な固着がなくなった砥粒に対し、前記説明した水素水の効果が充分に発揮され、砥粒は効率良くウェーハ２０１の表面から除去される。
【００４１】
ブラシに依るウェーハ表面の摩擦は、水素水を用いたブラシ洗浄の別の説明図である図９で説明される方法に依っても実現される。図８の例と同様、例えばＰＶＡスポンジからなるブラシ３０２は、回転するウェーハ３０１の表面と接触しながら軸を中心に回転し、ウェーハ３０１の表面との間に摩擦を発生させる。この状態を維持しながら、ブラシ３０２はウェーハ３０１上を移動し、ウェーハ３０１の全面を摩擦する。ウェーハ３０１の表面には、図８の例と同様、噴射する液体に超音波を印加できるノズル３０３から水素水が供給され、ブラシ３０２に依る摩擦力の作用に助けられて、ウェーハ３０１の表面から砥粒が除去される。
【００４２】
このような洗浄方法、即ち、超音波を印加しながら水素水とブラシに依り基板を洗浄する方法は既知である（例えば、特許文献４を参照。）。
【００４３】
さて、図８或いは図９について説明した方法を採って、ブラシとの摩擦を利用して砥粒を除去しようとした場合、砥粒、ウェーハ表面、ブラシの材料の組み合わせ如何に依り、ウェーハ表面にスクラッチ痕を発生させてしまう旨の問題がある。
【００４４】
また、ＣＭＰ後のスラリーの洗浄に限られず、一般的な問題として、被洗浄物の表面に強固に固着したパーティクルを水素水洗浄に依って除去するに際し、前記したようなブラシとの動的な摩擦を利用した場合、被洗浄物の表面にスクラッチ痕を発生させるだけでなく、被洗浄物の表面にパターンなどの微細な構造物が形成されている場合には、これ等の構造物をブラシとの摩擦に依って損傷させてしまう旨の問題もある。
【特許文献１】特許第２８２１８８７号明細書
【特許文献２】特許第３５２１３９３号明細書
【特許文献３】特許第３２９６４０５号明細書
【特許文献４】特開２００４−９６０５５号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｍｏｒｉｔａ，ｅｔ ａｌ，“Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ｕｌｔｒａｐｕｒｅ Ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｍｅｇａｓｏｎｉｃ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ，”５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｕｌｔｒａ Ｃｌｅａｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅｓ（ＵＣＰＳＳ）２０００，Ｏｏｓｔｅｎｄｅ，Ｂｅｌｇｉｕｍ（２０００）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４５】
本発明では、水素水を用いた洗浄に於いて、被洗浄物の表面に損傷を与えることなく、物理的な力を作用させることを可能とし、被洗浄物の表面に固着しているパーティクルを容易に解放し、水素水洗浄に依る効果を向上させようとする。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
本発明に依る洗浄装置に於いては、被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄装置に於いて、被洗浄物に接触した状態で振動するブラシを設けたことが基本になっている。
【発明の効果】
【００４７】
前記手段を採ることに依り、被洗浄物の表面には物理的な力を与えることで、強固に固着しているパーティクルを当該表面から容易に解放することができ、従って、そのパーティクルは水素水に依る洗浄で簡単に除去することが可能であり、そして、その物理的な力は、動的な摩擦力ではなく、静的な応力であることから、被洗浄物の表面に損傷を与えることは皆無である。
【００４８】
水素水洗浄技術は、費用の面、及び、環境負荷の面で優れた洗浄技術であり、このような水素水洗浄技術と本発明の技術を一体化することで、水素水洗浄技術の本来の効果を更に高めることができ、また、適用可能な分野も更に広範になると認識される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
図１は本発明に依る洗浄装置の原理を説明する要部切断側面図であり、図に於いて、４０１は半導体ウェーハ、４０２は洗浄槽、４０３は給水管、４０４は超音波振動子、４０５はブラシ、４０６は振動発生装置、４０７は振動板をそれぞれ示している。
【００５０】
ここでは、板状の被洗浄物の例として半導体ウェーハ４０１を採り上げ、これを水素水で洗浄する場合について説明する。
【００５１】
上部が開口している洗浄槽４０２の下部に給水管４０３が接続されていて、給水管４０３からは水素水が供給されて洗浄槽４０２の内部に満ちている。洗浄槽４０２の底面には超音波振動子４０４が設置されていて、その振動は超音波となって水素水中を伝播する。
【００５２】
水素水で満たされた洗浄槽４０２の内部に於いて、被洗浄物であるウェーハ４０１及びウェーハ４０１の全面に接触することが可能な平面部分をもつブラシ４０５が対向して平行に設置されている。ブラシ４０５は、ＰＶＡスポンジなど極めて軟らかい材料で作製され、振動発生装置４０６の振動板４０７上に固定されていて、振動発生装置４０６が動作した場合、振動板４０７が振動し、その振動はブラシ４０５の全体に伝わることになる。
【００５３】
更に、ウェーハ４０１とブラシ４０５とは、両者の向きを平行に保ったまま、相対距離を変化させることができる機構に依って支持されていて、両者を周期的に接近、離間させることが可能である。両者が最も接近した際には、ブラシ４０５の平面部分はウェーハ４０１の全面に均一に接触する。
【００５４】
従って、ブラシ４０５の振動はウェーハ４０１の表面に良好に伝えられ、ウェーハ４０１の表面に固着したパーティクルに対して微細に周期的に変化する応力を加え、パーティクルとウェーハ４０１との間の強固な固着を切り離し、パーティクルがウェーハ４０１の表面から水素水洗浄の効果で容易に脱離できる状態とする。
【００５５】
この振動に起因する摩擦運動は発生せず、パーティクルに周期的に変化する摩擦力以外の応力のみが加わることとなる。即ち、ブラシ４０５とウェーハ４０１とが接触した状態の接触界面で、ブラシ４０５に於ける振動が如何なる方向の振動であっても、その振動がブラシ４０５とウェーハ４０１との相対位置関係にずれを発生させることはなく、また、発生させないように振動は制御される。従って、ウェーハ４０１の表面に摩擦痕などの損傷が生ずることはない。
【００５６】
また、ブラシ４０５がウェーハ４０１から離れた場合、水素水洗浄の機能が現れる。即ち、超音波振動子４０４で発生した超音波が水素水中を伝播して、水素水中に活性な水素ラジカルを生成し、その働きでウェーハ４０１の表面からパーティクルを脱離し、且つ、除去する。
【実施例１】
【００５７】
図２は本発明の一実施例を説明する為のウェーハ洗浄装置の要部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明するが、ここでは、溶存水素濃度が管理された水素水が既存の手段に依って製造され、洗浄装置に供給されるものとする。また、この水素水には、必要な場合、ｐＨを調節する目的でアンモニア等のアルカリが添加され、その濃度も適切に管理されているものとする。水素水、或いは、アンモニアを添加した水素水が製造され、洗浄装置へ供給される場合の具体的構成については、図７について説明した構成が参考となろう。
【００５８】
本発明の本質的な要素は、水素水洗浄の効果を生じさせる部分と、被洗浄物の表面に殆ど接線応力或いは剪断応力のみ、従って、法線応力は極めて微細である物理的な力の作用を与える部分とに分けることができる。まず、水素水洗浄の効果を生じさせる為の機構について説明する。
【００５９】
被洗浄物であるウェーハ５０１は、石英洗浄槽５０２の内部を満たした水素水５０３に浸漬して洗浄する。水素水製造装置で製造された水素水５０３は、給水管５０４に依って石英洗浄槽５０２の底部に導入され、給水管５０４に形成された複数の穴５０５から石英洗浄槽５０２の内部へと噴出する。
【００６０】
水素水５０３は、石英洗浄槽５０２の下部から上部へと流れ、石英洗浄槽５０２の上面に在る開口部から外へ溢出する（オーバーフロー）。このようにすることで、石英洗浄槽５０２の内部に於ける水素水５０３は常に新しく供給されるものと置き換わり続け、石英洗浄槽５０２内に滞留することはない。
【００６１】
石英洗浄槽５０２は、ステンレス製の外槽５０６に設けられた支柱５０７に依って支持されている。外槽５０６の底面には超音波振動子５０８が設置され、外部の発振器５０９で生成された高周波信号が印加されて振動することで超音波を発生する。
【００６２】
外槽５０６の内部には常に水５１０が満たされていて、超音波振動子５０８で発生した超音波は水５１０を伝播し、更に、石英洗浄槽５０２の底面を通過し、石英洗浄槽５０２の内部の水素水５０３へと伝播する。
【００６３】
超音波振動子５０８で水素水５０３に超音波を印加する目的は、通常の超音波洗浄の効果と共に水素水５０３の内部で余剰水素ラジカルを発生させ、先に説明した水素水洗浄効果を得ることにある。そして、超音波の周波数が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ以上であれば、余剰水素ラジカルを発生させる効果があるとされている。
【００６４】
然しながら、超音波の周波数が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度の範囲では、超音波が引き起こすキャビテーション（空洞）の生成と消滅とに依って局所的に発生する衝撃波の影響が強く、ウェーハ５０１に与える損傷が大きい。この為、超音波振動子５０８で発生させる超音波の周波数としては、ウェーハ５０１に与える損傷が小さくなるメガソニックと呼ばれる５００ｋＨｚから２ＭＨｚ〜３ＭＨｚの範囲が好ましい。
【００６５】
次に、本実施例に於ける被洗浄物であるウェーハ５０１の表面に物理的な力の作用を与える機構について説明する。
【００６６】
本実施例では、ウェーハ５０１及びウェーハ５０１の全面と一度で接触できるだけの広さの平面部分をもったブラシ５１１を接触させ、ブラシ５１１を振動させることで、ウェーハ５０１の表面に物理的な力の作用を与える。ブラシ５１１は、振動発生装置５１２の振動板５１３上に固定されていて、振動発生装置５１２を動作させると、振動板５１３が振動し、それに伴ってブラシ５１１の全体が振動する。
【００６７】
振動発生装置５１２に於ける振動板５１３の振動は、例えば、信号発生器５１４で発生させた任意の波形信号をアンプ５１５に依って増幅してから振動発生装置５１２に伝えて制御する。ウェーハ５０１は、ウェーハ５０１を保持するツメ５１７を備えたウェーハホルダ５１６に保持されている。
【００６８】
ウェーハホルダ５１６と振動発生装置５１２は、ウェーハ５０１とブラシ５１１とが対向して平行となるようにアーム５１８に依って往復運動機構５１９に固定されている。往復運動機構５１９は、ウェーハ５０１とブラシ５１１の向きを平行に維持したまま、両者の相対距離が変化するようにアーム５１８を自由に運動させることができる。
【００６９】
アーム５１８の運動は、コンピュータを備えた制御装置５２０に依って制御する。例えば、往復運動機構５１９はウェーハ５０１とブラシ５１１の両者を周期的に接近、離間させ、両者が最も接近したときにブラシ５１１の平面部分をウェーハ５０１の全面に均一に接触させることができる。
【００７０】
制御装置５２０に依って、振動発生装置５１２を駆動している信号発生器５１４或いはアンプ５１５の動作も制御してやれば、振動板５１３の動作をアーム５１８の動作と連携させることができる。例えば、ブラシ５１１がウェーハ５０１に接触しているときだけ、振動板５１３を振動させるような運転が可能となる。
【００７１】
ブラシ５１１の材料としては、本実施例ではＰＶＡスポンジを使用したが、ＰＶＡスポンジに限られず、多孔質のスポンジ状のものであれば良い。要は、ウェーハ５０１の表面を損傷させないことにあるので、樹脂製の軟らかい材料が好ましく、例えば、発泡ポリウレタンなどであって良い。
【００７２】
図３は図２に見られる振動発生装置５１２の詳細な構造を表す要部説明図である。図に於いて、ウェーハと接触するブラシ６０１は、振動板６０２に固定されている。また、振動板６０２には支持棒６０３が取り付けられていて、ブラシ６０１がウェーハと接触したときに振動板６０２を支え、振動板６０２が筐体６０４中に陥没するのを防止している。支持棒６０３の先端は、筐体６０４の内側壁面に固定されることなく、壁面に沿って自由に運動することができ、従って、振動板６０２の振動には何らの妨げにもならない。
【００７３】
振動板６０２の振動の動力は、コイル６０５と磁気回路６０６の間に働く磁力に依って発生させる。コイル６０５は振動板６０２に、そして、磁気回路６０６は筐体６０４にそれぞれ固定されている。永久磁石である磁気回路６０６は、円筒状に捲回されたコイル６０５の空洞内に挿入されている。コイル６０５は、ケーブル６０７に依って、外部の信号源（例えば、図２に見られる信号発生器５１４やアンプ５１５など。）に接続される。外部の信号源からコイル６０５に時間的に変動する信号電流が送られた場合、コイル６０５では時間的に変動する磁場が発生し、この磁場と磁気回路６０６が発生させる磁場との相互作用で、コイル６０５は振動運動し、その振動に伴って振動板６０２が振動する。
【００７４】
本実施例では、ブラシ６０１が図３に於ける横方向の運動成分をもつ振動をすることが必要である為、コイル６０５と磁気回路６０６の組みは、図３に見られる向きに設置している。また、コイル６０５と磁気回路６０６の組みを異なった方向に複数組設置することで、振動板６０２の振動は一方向のみの単純な振動ではなく、複数の方向の成分をもった振動となり、更に好ましいものとなる。
【００７５】
本実施例に於いて、振動発生装置（図２及び図３を参照。）は水没させた状態で動作させる。この為、振動板６０２と筐体６０４との間に生ずる隙間には支持シート６０８を貼付し、筐体６０４と振動板６０２との位置関係を固定すると共に外部からの水の侵入を防止する。支持シート６０８は、波板状に成型したフッ素樹脂のシートなどを用いて振動板６０２が図３の横方向に振動できる構造とする。
【００７６】
ブラシ６０１の振動の周波数については、実験の結果、例えば、超音波振動子が発生させる振動のような小さい振幅で高い周波数の振動はＰＶＡスポンジ等の軟らかい材料で吸収されてしまい、ウェーハ表面のパーティクルに対して効果的な作用を与えられないことが明らかとなり、そして、本発明の目的を達成する為には、高くても１００Ｈｚ程度までの周波数の振動で充分な効果が得られることが判った。そこで、例えば音響機器として用いられているスピーカーに於けるボイスコイル、振動板、磁気回路からなる構造を採用して振動を発生させたところ、極めて良好にパーティクルの除去を実現することができた。然しながら、ブラシ６０１に適切な大きさの振動を与えることができれば、図示説明した手段に限定されるものではない。
【００７７】
図４は図２に見られる往復運動機構５１９の詳細な構造を表す要部説明図であり、２つの枠７０１が、２本の平行なシャフト７０２で連結され、シャフト７０２には、雄ネジが切られたネジ棒７０３が平行に設置されている。ネジ棒７０３は、枠７０１に於いて、ベアリングを介して支持され、自由に回転できる構成になっている。ネジ棒７０３の一端はモーター７０４に連結されていて、モーター７０４がネジ棒７０３を回転させる。
【００７８】
二つの枠７０１の間には可動台座７０５が設置され、可動台座７０５には、２つのガイド穴７０６が形成され、シャフト７０２が貫通している。また、可動台座７０５には、雌ネジを切ったネジ穴７０７が形成され、ネジ棒７０３が挿入されている。モーター７０４を回転させると、可動台座７０５は、シャフト７０２に沿って自由に移動する。モーター７０４は、ケーブル７０８に依って外部の制御装置（例えば図２に見られる制御装置５２０）と接続されている。制御装置に依ってモーター７０４の回転量、回転速度を制御することに依り、可動台座７０５の位置、移動速度を精密に制御することができる。
【００７９】
例えば、図２に見られるアーム５１８の何れか一方を図４に見られる枠７０１に、他方を可動台座７０５に固定することで、図４について説明した機構に依って、図２について説明したウェーハ５０１とブラシ５１１との接近、離間を実現することができる。
【００８０】
再び図２を参照しつつ、本実施例に於いて実施した洗浄実験を説明しながら本発明に依る洗浄作業の実際について説明する。
【００８１】
直径約２０ｃｍ（８インチ）のシリコンウェーハを基板とし、最表面に厚さ２μｍのＣｕ膜を電気メッキに依って成膜する。このＣｕ膜の面を、溶融石英から成る平均粒径０．１５μｍの砥粒を含むスラリーを用い、ＣＭＰ法を適用して研磨する。尚、電気メッキ及びＣＭＰは通常の技法を適用して良い。
【００８２】
前記ＣＭＰを実施した直後に於けるＣｕ膜の面に付着している砥粒を洗浄除去する実験を行った。
【００８３】
この場合の装置構成並びに設定について説明する。先ず、容積１５リットルの石英洗浄槽５０２に溶存水素濃度１．５ｐｐｍの水素水５０３を１０リットル／分の流量で供給した。水素水５０３は、石英洗浄槽５０２の上部開口部から槽外にオーバーフローさせた。この石英洗浄槽５０２の下方に設置した超音波振動子５０８を振動させ、水素水５０３にメガソニックを印加した。その周波数は７５０ｋＨｚ、出力６００Ｗであった。
【００８４】
振動発生装置５１２は、２方向の振動成分を発生させるコイルと磁気回路の組み合わせを備えている。信号発生器５１４に依って５０Ｈｚで変動する正弦波の電流を発生させ、アンプ５１５に依って振幅を適度に増幅し、振動発生装置５１２のコイルに通電させた。振動発生装置５１２の振動板５１３上には、ブラシ５１１として、水中で軟化させた状態での厚さが１５ｍｍ、直径が約２２ｃｍ（８．５インチ）の円板状のＰＶＡスポンジを固定した。
【００８５】
被洗浄物であるウェーハ５０１をウェーハホルダ５１６に設置して、往復運動機構５１９に依り、ブラシ５１１を振動させながらウェーハ５０１に接近させ、接触させ、離間するという動作を水素水５０３中でなされるようにした。ウェーハ５０１の中心とブラシ５１１の中心は同一直線上に置かれ、ブラシ５１１はウェーハ５０１の全面に均一に接触するようになっている。
【００８６】
図５はウェーハ５０１とブラシ５１１の相対的な位置関係を説明する為の要部説明図である。本実施例では、ウェーハ８０１の位置は固定であって、振動板８０３だけが往復運動するようになっている。（ａ）は、ウェーハ８０１の表面と振動板８０３とが最も離間した状態を示し、その距離Ｌ１は３３ｍｍに設定されている。このとき、ウェーハ８０１の表面とＰＶＡスポンジの表面との距離Ｌ２は１８ｍｍであり、両者の間は水素水で満たされている。（ｂ）は、振動板８０３が最もウェーハ８０１の表面に接近した状態を示していて、その距離Ｌ３は１３ｍｍに設定してある。この状態で、ＰＶＡスポンジ８０２の表面はウェーハ８０１の表面に接触し、更に、ＰＶＡスポンジ８０２の厚さが２ｍｍ縮む分だけ押し込まれる。振動板８０３は往復運動機構の動作に依って振幅２０ｍｍの往復運動を行い、図５の（ａ）及び（ｂ）の状態の間を往復する。
【００８７】
図６は往復運動機構の往復運動の様子を表す線図であり、横軸には時間（秒）を、縦軸にはウェーハ８０１の表面と振動板８０３との相対距離の値（ｍｍ）をそれぞれ採ってある。振動板８０３は、２０ｍｍ／秒の速さで運動するように設定されている。また、図５の（ａ）及び（ｂ）の状態で、振動板８０３は、それぞれ１秒間の静止をするように設定されている。
【００８８】
以上、記述したような装置構成の下で、ＣＭＰ直後のＣｕ膜の面に付着している砥粒を洗浄除去する実験を行った。この場合の評価は、洗浄の前後に於けるＣｕ膜の面に付着している砥粒の数を計測し、比較することで実施し、砥粒の数の計測は、ウェーハ表面検査装置で行った。
【００８９】
まず、振動するブラシ５１１をウェーハ５０１に接触させることなく、超音波振動子５０８に依って印加されるメガソニックのみを用いて１分間の水素水洗浄を行った。その結果、砥粒は２０％程度しか除去できなかった。砥粒はＣｕ膜表面に強固に固着していると推定された。
【００９０】
次に、振動板５１３がウェーハ５０１に最も接近してブラシ５１１がウェーハ５０１に接触した状態、即ち、図５の（ｂ）の状態とし、振動発生装置５１２で５０Ｈｚの振動を加えながら１分間の水素水洗浄を行った。その結果、砥粒は僅か８％程度が除去された。アンプ５１５に於ける増幅率を変えて振動板５１３の振幅を変化させても、そして、信号発生器５１４で発生させる正弦波の周波数を５０Ｈｚから上下させても、除去率は殆ど変化しなかった。ブラシ５１１が接触したままでは、洗浄効果は全く得られないことが判った。
【００９１】
そこで、往復運動機構５１９を用い、ブラシ５１１を５０Ｈｚで振動させたまま、図６の線図に見られるような往復運動を行いながら水素水洗浄を１分間実施した。その結果、砥粒は９５％を除去することができた。これは、Ｃｕ膜の表面と砥粒との間の固着をブラシ５１１の振動に依って解放し、更に、水素水洗浄の効果に依って砥粒をＣｕ膜の表面から除去する旨の効果が発揮されたものと認識される。
【００９２】
然しながら、この条件での洗浄の結果、洗浄後のＣｕ膜の表面に微小なスクラッチ痕が多数発生していることが判明した。詳しく分析を行ったところ、ブラシ５１１の表面がウェーハ５０１の表面に接触する瞬間、及び、逆に離間する瞬間に両者の間に激しい動的な摩擦が発生し、この摩擦が原因でスクラッチ痕が発生することが判った。また、ブラシ５１１がウェーハ５０１の表面と充分に接触した状態では、振動板５１３を振動させてもブラシ５１１とウェーハ５０１の表面は密着したままで、両者の接触界面では摩擦は発生せず、周期的に変化する静的な応力だけがウェーハ５０１の表面に作用していることも判った。
【００９３】
そこで、制御装置５２０のコンピュータを用い、振動板５１３がウェーハ５０１に最も接近して、ブラシ５１１がウェーハ５０１の表面に充分に接触した状態、即ち、図５に於ける（ｂ）の状態のときだけ、振動発生装置を動作させてブラシ５１１を振動させ、他の時間はブラシ５１１の振動を停止するように制御した。即ち、図６に於いて、横軸に太線で表した区間だけ、ブラシ５１１を振動させることにした。この設定の下で、１分間の水素水洗浄を行ったところ、略９６％という砥粒の除去率を記録しながら、スクラッチ痕は皆無であった。
【００９４】
更に、信号発生器５１４で発生させる正弦波信号の周波数を５０Ｈｚに固定し、アンプ５１５での増幅率を変えて、ブラシ５１１の振幅を変化させて水素水洗浄を行った。その結果、振幅が小さい領域では、殆ど砥粒を除去できないのに対し、振幅が一定の大きさを越えると急速に砥粒の除去率が上昇し、上記条件で９６％に達し、しかも、１００％に近い除去率にまで上昇した。然しながら、更に振幅を大きくした場合、ブラシ５１１とウェーハ５０１との界面で動的な摩擦が発生し始め、洗浄後のＣｕ膜の表面に微小なスクラッチ痕が発生した。このように、本実施例に於いては、ブラシ５１１の振動の振幅と周波数の最適化を行うことに依って、ブラシ５１１とウェーハ５０１との界面に於いて、動的な摩擦を発生させることなく、１００％近い砥粒の除去率が得られた。
【００９５】
また、信号発生器５１４で発生させる正弦波信号の周波数を検討した結果、周波数が高くなると共に振動板５１３の振動がブラシ５１１の内部で吸収される傾向が強くなり、充分な応力をウェーハ５０１の表面に加えられない状態となり、水素水に依る洗浄効果が得られないことも判った。ブラシ５１１の材料、即ち、ここではＰＶＡスポンジは、弾性体としての性質と、ブラシ５１１の外形寸法、特に厚さに依っても変化するが、振動板５１３の振動周波数の上限は、高くても１ｋＨｚが限界である。勿論、各々の周波数の設定に於いて、先に説明したような水素水に依る洗浄効果を効率良く得られるような振動の振幅の最適化が必要である。
【００９６】
本実施例では、前記したように、制御装置５２０のコンピュータを用い、ブラシ５１１がウェーハ５０１の表面に充分に接触した状態のときだけ、振動発生装置５１２を動作させてブラシ５１１を振動させ、他の時間はブラシ５１１を振動させないように制御した。この制御は、ブラシ５１１とウェーハ５０１の相対的な位置関係に合わせて振動発生装置５１２に対してオンオフの指令を出して行っても良い。また、往復運動機構５１９などにブラシ５１１とウェーハ５０１が接触することで両者の間に発生する応力（圧力）を感知するセンサーを設け、両者が充分に接触し、両者の間に作用する応力が一定の値を上回っている時間だけ、振動発生装置５１２を動作させるような制御の仕方を行ってもよい。
【００９７】
尚、ここで説明した洗浄装置及び洗浄方法は、水素水を用いた洗浄だけでなく、従来の薬液などの洗浄液を使用した場合に於いても、その洗浄効果を充分に発揮することができる。
【００９８】
本発明に於いては、前記説明した実施例を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【００９９】
（付記１）
被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄装置に於いて、 被洗浄物に接触した状態で振動するブラシを設けたこと
を特徴とする洗浄装置。
【０１００】
（付記２）
ブラシが弾性体からなること
を特徴とする（付記１）記載の洗浄装置。
【０１０１】
（付記３）
弾性体が樹脂を材料とし且つ多孔質のスポンジ状を成すこと
を特徴とする（付記２）記載の洗浄装置。
【０１０２】
（付記４）
ブラシの振動周波数が１ｋＨｚ以下であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記３）の何れか１記載の洗浄装置。
【０１０３】
（付記５）
洗浄槽に供給する洗浄液が特定種類のガスを溶解させた超純水であるガス溶解水或いは特定のアルカリを溶解してｐＨを調整したガス溶解水であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載の洗浄装置。
【０１０４】
（付記６）
被洗浄物とブラシとが一定時間に亙って接触してブラシが振動する工程及び一定時間に亙って接触しない工程を交互に繰り返す為の機構
を備えてなることを特徴とする（付記１）乃至（付記５）の何れか１記載の洗浄装置。
【０１０５】
（付記７）
ブラシが振動する時間はブラシが被洗浄物に接触する工程の開始直後に始まり、該工程の終了直前に終わるように時間を限定する機構
を備えてなることを特徴とする（付記６）記載の洗浄装置。
【０１０６】
（付記８）
被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄方法に於いて、 被洗浄物に振動するブラシを接触した状態で洗浄を行うこと
を特徴とする洗浄方法。
【０１０７】
（付記９）
洗浄槽に供給する洗浄液が特定種類のガスを溶解させた超純水であるガス溶解水或いは特定のアルカリを溶解してｐＨを調整したガス溶解水であること
を特徴とする（付記８）記載の洗浄方法。
【０１０８】
（付記１０）
被洗浄物とブラシとが一定時間に亙って接触してブラシが振動する工程及び一定時間に亙って接触しない工程を交互に繰り返すこと
を特徴とする（付記８）或いは（付記９）記載の洗浄方法。
【０１０９】
（付記１１）
ブラシが振動する時間はブラシが被洗浄物に接触する工程の開始直後に始まり、該工程の終了直前に終わるように時間を限定すること
を特徴とする（付記１０）記載の洗浄方法。
【０１１０】
（付記１２）
ブラシが被洗浄物に接触し且つ振動している間に於いて、ブラシと被洗浄物の接触界面に動的な摩擦を発生させることなく洗浄を行うこと
を特徴とする（付記１１）記載の洗浄方法。
【０１１１】
（付記１３）
洗浄槽内に供給する洗浄液であるガス溶解水が超純水に水素ガスを溶解させたものであること
を特徴とする（付記８）乃至（付記１２）の何れか１記載の洗浄方法。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明に依る洗浄装置の原理を説明する要部切断側面図である。
【図２】本発明の一実施例を説明するためのウェーハ洗浄装置の要部切断側面図である。
【図３】図２に見られる振動発生装置の詳細な構造を表す要部説明図である。
【図４】図２に見られる往復運動機構の詳細な構造を表す要部説明図である。
【図５】ウェーハとブラシの相対的な位置関係を説明する為の要部説明図である。
【図６】往復運動機構の往復運動の様子を表す線図である。
【図７】水素水を用いる超音波洗浄装置の一例を表す要部ブロック図である。
【図８】水素水を用いたブラシ洗浄の説明図である。
【図９】水素水を用いたブラシ洗浄の説明図である。
【符号の説明】
【０１１３】
４０１ ウェーハ
４０２ 洗浄槽
４０３ 給水管
４０４ 超音波振動子
４０５ ブラシ
４０６ 振動発生装置
４０７ 振動板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子や液晶パネルなど、超精密電子部品を製造する工程に於いて、シリコン基板やガラス基板などの部材を洗浄するのに好適な洗浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶パネルの製造工程に於いて、清浄度の管理は製造歩留りを左右する重要な課題である。特に、部材表面のパーティクル汚染は、配線間の短絡、パターン欠陥、層間絶縁膜の絶縁不良などの原因となる為、厳格な清浄度管理が求められている。
【０００３】
パーティクル汚染に依るデバイス特性の劣化、製造歩留りの低下を回避する為、各工程間には洗浄工程が導入され、部材の表面を極めて清浄な状態に保ちながら製造工程が進められる。
【０００４】
半導体素子の製造工程を例に採って説明すると、従来、シリコン基板表面の洗浄は、主として、濃アンモニア水か濃塩酸と、過酸化水素水と、超純水とを混合して調製した溶液を一定温度に加熱し、この溶液にシリコン基板を一定時間浸漬した後、超純水で濯ぐという、いわゆる、ＲＣＡ洗浄法（１９７０年、Ｒａｄｉｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａに依って発表。）を基本とする方法に依って行われてきた。
【０００５】
ＲＣＡ洗浄法は、シリコン基板表面に付着した有機物、金属、パーティクルの除去に極めて優れた効果を発揮する洗浄法であって、今日に至るまで種々の改良を加えられながら広く用いられている。特に、ＳＣ１（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｌｅａｎ １）と呼ばれる濃アンモニア水と過酸化水素水を混合したアルカリ性溶液は、シリコン基板の表面を酸化しながら同時に表面近傍を溶解し、付着したパーティクルを表面から脱離（リフトオフ）させる。また、液性がアルカリ性であることから、基板表面とパーティクルとの間に働く静電的反発作用に依って、再付着を抑止する機能をもっているので、シリコン基板表面のパーティクル汚染を効果的に除去することができる。
【０００６】
前記したように、ＲＣＡ洗浄法は、有効な洗浄法であるが、高濃度で、しかも、高純度（高品質）の酸、アルカリや過酸化水素などの薬液を多量に必要とすると共に薬液処理後に基板を濯ぐ為の超純水も大量に使用する。また、洗浄後の廃液中に前記各薬液が排出される為、排水処理に於いて中和や沈殿処理などに大きな負担がかかり、多量の汚泥も派生させる。
【０００７】
従って、ＲＣＡ洗浄法を実施するには、シリコン基板表面の清浄度を確保する為、薬液や超純水、そして、廃液処理などに多大な費用が必要である。
【０００８】
また、半導体素子の製造工程に於ける洗浄工程に限らず、製造業全体の一般的な問題として、自然環境保護の観点から、化学物質やエネルギーを大量に使用する製造手法から、より環境負荷が小さい代替手段への切り替えを推進すべきである旨の問題意識が産業界に急速に高まりつつある。
【０００９】
この為、ＲＣＡ洗浄法に比較し、洗浄力を低下させることなく、薬液使用量を低減することができる新たな洗浄方法が模索されている。
【００１０】
このような状況下にあって、近年、注目を集めている洗浄方法として、超純水に特定のガスを溶解させた水（以下、「ガス溶解水」と呼ぶこととする。）を用いる洗浄方法が知られている。ガス溶解水は、溶解させたガスの種類に応じて特定の「機能」を発揮することから、「ガス溶解型機能水」、或いは、単に「機能水」とも呼ばれている。
【００１１】
一部のガス溶解水に、物体の表面を清浄にする効果、即ち、洗浄効果があることは１９９０年頃から注目され始め、その効果や洗浄メカニズムについてだけでなく、ガス溶解水の製造装置やガス溶解水を用いた洗浄装置についても様々な研究がなされている。
【００１２】
例えば、被洗浄物を入れた洗浄槽にガス溶解水を供給し、これに超音波を印加して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【００１３】
また、パーティクル除去の効果が高いガス種として水素ガスに注目し、予めガス透過膜を介して超純水を真空脱気しておき、この脱気水にガス透過膜を介して水素ガスを溶解させ、この水素溶解水の中で超音波を照射して被洗浄物を洗浄する方法及び装置が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
【００１４】
更にまた、脱気水に水素ガスを溶解させて生成した水素溶解水にアルカリを溶解させてｐＨを調整した水素溶解水の中で超音波を照射して被洗浄物を洗浄する方法及び装置が知られている（例えば、特許文献３を参照。）。
【００１５】
これ等の公知文献は、ガス溶解水を用いた洗浄について最も基本となる技術要素を開示したものであるが、これ等を応用、発展させた様々な洗浄装置、或いは、洗浄方法が発明されている。
【００１６】
被洗浄物の表面からパーティクルを除去する効果を備えたガス溶解水として、超純水に水素ガスを溶解させた水素溶解水が利用されている。以下、水素溶解水を「水素水」と呼ぶことにする。
【００１７】
図７は水素水を用いる超音波洗浄装置の一例を表す要部ブロック図であり、この図を用いて水素水を用いた洗浄のメカニズムについて説明する。
【００１８】
超純水製造装置１０１で製造した非常に不純物が少ない超純水は、脱気装置１０２へ送られる。脱気装置１０２では、ガス透過膜１０３を介して超純水と接する雰囲気を真空ポンプ１０４を用いて減圧することに依り、超純水中に溶存しているガスを除去する。脱気された超純水は、ガス溶解装置１０５へと送られる。
【００１９】
水素ガス発生装置１０６に於いては、純水の電気分解に依って水素ガスを生成し、ガス溶解装置１０５に供給する。ガス溶解装置１０５では、ガス透過膜１０７を介して脱気された超純水と水素ガスが接していて、水素ガスは、脱気された超純水中に溶解する。脱気装置１０２で予め超純水を脱気しておくことに依り、ガス溶解装置１０５での水素ガスの溶解が容易になる。超純水の流量と水素ガスの供給量を調節することに依り、生成される水素水中の溶存水素濃度を制御することができる。パーティクルの除去を目的とした洗浄では、超純水中の溶存水素濃度は、１ｐｐｍ前後で充分な効果が得られる。
【００２０】
このようにして生成した水素水に対し、薬液タンク１０８内のアンモニアがポンプ１０９の働きで極微量ずつ送られて混合される。アンモニアは、後に説明するが、パーティクルが被洗浄物１１３の表面に再付着するのを防止する目的で、水素水のｐＨをアルカリ側に調整する為に添加する。水素水に添加するアルカリは、必ずしもアンモニアである必要はなく、被洗浄物への影響などを考慮して、他のアルカリを添加しても良い。
【００２１】
水素水中のアンモニア濃度は、例えば水素水の電気伝導率を測定することに依って把握し、制御することができる。水素水は、洗浄槽１１０の下部から洗浄槽１１０の内部に送り込まれ、洗浄槽１１０の上部開口部から洗浄槽１１０の外へと溢出する（オーバーフロー）。従って、洗浄槽１１０の内部では、次々に供給される水素水が下から上に向かって絶えることなく流れていて、滞留することはない。
【００２２】
洗浄槽１１０の底面には、超音波振動子１１１が設置されている。発振器１１２で生成された信号が超音波振動子１１１に印加された場合、超音波振動子１１１が振動して、洗浄槽１１０内に満たされた水素水中を超音波が伝播する。尚、脱気装置１０２に於ける超純水の脱気方法、ガス溶解装置１０５に於ける水素ガスの溶解方法、水素ガス発生装置１０６に於ける水素ガスの生成方法は、ここで説明した方法と異なる場合もある。
【００２３】
洗浄槽１１０の内部に満たされた水素水に超音波が印加された場合、一部の水分子が分解してＨラジカルとＯＨラジカルに分裂する。これ等のラジカルは非常に反応性が高く、発生後、速やかに両者が結び付いて安定な水分子に戻る反応が最も優勢と考えられる。
【００２４】
然しながら、一部のＯＨラジカルは、水素水中の溶存水素と反応して水分子となる為、水素水中では相対的にＨラジカルが余っている状態になる。このようにして生じた反応性が極めて高い余剰Ｈラジカルは、水素水に浸漬された被洗浄物１１３や、被洗浄物１１３の表面に付着しているパーティクルの表面の最末端部との反応を生ずる。例えば、活性な最表面ダングリングボンドに結合して不活性化したり、或いは、末端原子との置換を起こしたりする。その結果、被洗浄物１１３の表面からのパーティクル脱離が促進される。
【００２５】
このような余剰Ｈラジカルの効果だけでなく、被洗浄物１１３とパーティクルの界面に於けるマイクロバブル（気泡）の発生に依る物理的な剥離効果や、超音波洗浄本来の振動加速度の効果が加わって、水素水中では、極めて効果的に被洗浄物１１３の表面からパーティクルが除去される。水素水洗浄のメカニズムについては、既に、詳細な報告がなされている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【００２６】
ところで、種々の材料の表面のゼータ電位の値は、その表面が接している溶液のｐＨに依存する。水素水に微量のアンモニアを添加して水素水のｐＨをアルカリ側に変化させることに依り、多くの被洗浄物１１３とパーティクルの材料の組み合わせに於いて、両者の表面のゼータ電位を同極性にすることができる。
【００２７】
その結果、両者の間に静電的な反発力が発生し、被洗浄物１１３へのパーティクルの再付着を防止する効果が得られる。僅か１ｐｐｍのアンモニアの添加に依って水素水のｐＨは９．４に変化するが、この液性に於いて、多くの材料の組み合わせに対して再付着を防止する効果が得られる。また、材料の組み合わせに依っては、アンモニアを添加しなくても、水素水だけで充分な洗浄効果が得られる場合もある。
【００２８】
前記説明したように、水素水洗浄は、超純水に１ｐｐｍ前後の濃度の水素ガスを溶解させ、必要あれば、僅か１ｐｐｍ前後のアンモニアを添加するだけで、優れたパーティクル除去の効果を発揮する。
【００２９】
水素水洗浄と濃アンモニア水及び過酸化水素水を混合したＳＣ１に依る洗浄とを比較した場合、水素水洗浄は、高濃度の薬液の使用量を殆ど０にすることができると共に濯ぎの為の超純水の使用量も圧倒的に少なくすることができ、また、廃液処理の負担も極めて小さくできるので、費用の面、及び、環境負荷の面での優位性が非常に高い技術であると言うことができる。
【００３０】
ここで、ＳＣ１に代表される薬液洗浄と水素水洗浄とについて、パーティクル除去のメカニズムを更に詳細に比較説明する。
【００３１】
薬液洗浄では、被洗浄物の表面近傍、更に場合に依っては、付着しているパーティクルの表面近傍を薬液で溶解（エッチング）することに依り、パーティクルを被洗浄物の表面から脱離（リフトオフ）させる。この為、薬液洗浄では、パーティクルが被洗浄物の表面にどのような付着の仕方をしているかに拘わらず、パーティクルを脱離させることが可能である。
【００３２】
これに対し、水素水洗浄では、超音波の印加に依って水素水中に発生した非常に活性な水素ラジカルがダングリングボンドと結合して不活性化したり、界面の末端部の原子と置き換わるなどの化学反応を起こし、界面でのマイクロバブル（気泡）の発生に依る剥離効果、そして、超音波洗浄本来の振動加速度の効果と共にパーティクルを離脱させる。
【００３３】
従って、水素水洗浄は、パーティクルが被洗浄物の表面にファンデルワールス力のような静電的な引力に依って吸着している場合には効果が大きいが、パーティクルと被洗浄物との間に化学結合が生じていたり、両者が機械的に固着しているような場合には、パーティクルの脱離が困難となる。
【００３４】
例えば、半導体ウェーハの表面を平坦にする為の化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）の終了後に半導体ウェーハを洗浄する工程について説明する。
【００３５】
一般に、ＣＭＰでは、研磨用組成物（スラリー）を用いて研磨を行う。スラリーは、ダイヤモンドやシリカなどを材料とする砥粒、及び、それを分散させる液状成分からなる。液状成分には、酸化剤、還元剤、エッチング剤、腐食防止剤などの薬液が目的に応じて添加されている。
【００３６】
ＣＭＰを実施するには、研磨パッドと半導体ウェーハとを接触させ、その界面にスラリーを供給しつつ両者に摩擦運動をさせる。その運動に依って、スラリー中の砥粒に依り、半導体ウェーハ表面が機械的に研磨され、また、スラリー中の液状成分に含まれる薬液に依り、半導体ウェーハ表面が化学的に変換されたり、或いは、研磨されることで平坦化される。
【００３７】
ＣＭＰ工程が完了した後、ウェーハ表面を洗浄し付着していたスラリーを除去する必要がある。然しながら、研磨中に一定の圧力で砥粒がウェーハ表面に押し付けられること、そして、砥粒とウェーハ表面との界面にスラリーに含まれる薬液が介在することに依り、スラリー中の砥粒はウェーハ表面に強固に付着している。従って、ＣＭＰ後のウェーハに対して、そのまま水素水洗浄を行っても、ウェーハ表面に付着した砥粒は簡単には除去することができない。
【００３８】
然しながら、砥粒に物理的な力の作用を与え、砥粒とウェーハ表面の間の強固な固着を切り離してやることで、水素水洗浄が本来備えているパーティクル除去の機能を顕現させて大きな洗浄効果を得ることができる。
【００３９】
その方法の一例について、水素水を用いたブラシ洗浄の説明図である図８を参照しつつ説明する。被洗浄物であるウェーハ２０１は、何らかの方法で支持されて回転するようになっている。ウェーハ２０１の両面にはブラシ２０２を接触させる。ブラシ２０２は、例えば軟らかいポリビニルアルコール（ＰＶＡ）製のスポンジで作製された円筒形のローラーになっていて、軸を中心に回転可能になっている。更に、ウェーハ２０１の表裏両面はノズル２０３（裏面用は省略）からの水素水で噴射されるようになっている。尚、ノズル２０３は、噴射する液体に超音波を印加できるようになっていて、噴射された液体中を超音波が伝播してウェーハ２０１に達する。
【００４０】
ここで用いる水素水は、図７について説明した方法で生成したものであって良く、必要に応じ、アンモニアを添加しても良い。ウェーハ２０１及びブラシ２０２をそれぞれ回転させながらノズル２０３から超音波を印加した水素水を噴射する。これに依り、ウェーハ２０１の表面に強固に固着した砥粒にブラシ２０２との摩擦で生じる力が作用し、砥粒はウェーハ２０１の表面から解放される。ウェーハ２０１の表面への強固な固着がなくなった砥粒に対し、前記説明した水素水の効果が充分に発揮され、砥粒は効率良くウェーハ２０１の表面から除去される。
【００４１】
ブラシに依るウェーハ表面の摩擦は、水素水を用いたブラシ洗浄の別の説明図である図９で説明される方法に依っても実現される。図８の例と同様、例えばＰＶＡスポンジからなるブラシ３０２は、回転するウェーハ３０１の表面と接触しながら軸を中心に回転し、ウェーハ３０１の表面との間に摩擦を発生させる。この状態を維持しながら、ブラシ３０２はウェーハ３０１上を移動し、ウェーハ３０１の全面を摩擦する。ウェーハ３０１の表面には、図８の例と同様、噴射する液体に超音波を印加できるノズル３０３から水素水が供給され、ブラシ３０２に依る摩擦力の作用に助けられて、ウェーハ３０１の表面から砥粒が除去される。
【００４２】
このような洗浄方法、即ち、超音波を印加しながら水素水とブラシに依り基板を洗浄する方法は既知である（例えば、特許文献４を参照。）。
【００４３】
さて、図８或いは図９について説明した方法を採って、ブラシとの摩擦を利用して砥粒を除去しようとした場合、砥粒、ウェーハ表面、ブラシの材料の組み合わせ如何に依り、ウェーハ表面にスクラッチ痕を発生させてしまう旨の問題がある。
【００４４】
また、ＣＭＰ後のスラリーの洗浄に限られず、一般的な問題として、被洗浄物の表面に強固に固着したパーティクルを水素水洗浄に依って除去するに際し、前記したようなブラシとの動的な摩擦を利用した場合、被洗浄物の表面にスクラッチ痕を発生させるだけでなく、被洗浄物の表面にパターンなどの微細な構造物が形成されている場合には、これ等の構造物をブラシとの摩擦に依って損傷させてしまう旨の問題もある。
【特許文献１】特許第２８２１８８７号明細書
【特許文献２】特許第３５２１３９３号明細書
【特許文献３】特許第３２９６４０５号明細書
【特許文献４】特開２００４−９６０５５号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｍｏｒｉｔａ，ｅｔ ａｌ，“Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ｕｌｔｒａｐｕｒｅ Ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｍｅｇａｓｏｎｉｃ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ，”５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｕｌｔｒａ Ｃｌｅａｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅｓ（ＵＣＰＳＳ）２０００，Ｏｏｓｔｅｎｄｅ，Ｂｅｌｇｉｕｍ（２０００）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４５】
本発明では、水素水を用いた洗浄に於いて、被洗浄物の表面に損傷を与えることなく、物理的な力を作用させることを可能とし、被洗浄物の表面に固着しているパーティクルを容易に解放し、水素水洗浄に依る効果を向上させようとする。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
本発明に依る洗浄装置に於いては、被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄装置に於いて、被洗浄物に接触した状態で振動するブラシを設けたことが基本になっている。
【発明の効果】
【００４７】
前記手段を採ることに依り、被洗浄物の表面には物理的な力を与えることで、強固に固着しているパーティクルを当該表面から容易に解放することができ、従って、そのパーティクルは水素水に依る洗浄で簡単に除去することが可能であり、そして、その物理的な力は、動的な摩擦力ではなく、静的な応力であることから、被洗浄物の表面に損傷を与えることは皆無である。
【００４８】
水素水洗浄技術は、費用の面、及び、環境負荷の面で優れた洗浄技術であり、このような水素水洗浄技術と本発明の技術を一体化することで、水素水洗浄技術の本来の効果を更に高めることができ、また、適用可能な分野も更に広範になると認識される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
図１は本発明に依る洗浄装置の原理を説明する要部切断側面図であり、図に於いて、４０１は半導体ウェーハ、４０２は洗浄槽、４０３は給水管、４０４は超音波振動子、４０５はブラシ、４０６は振動発生装置、４０７は振動板をそれぞれ示している。
【００５０】
ここでは、板状の被洗浄物の例として半導体ウェーハ４０１を採り上げ、これを水素水で洗浄する場合について説明する。
【００５１】
上部が開口している洗浄槽４０２の下部に給水管４０３が接続されていて、給水管４０３からは水素水が供給されて洗浄槽４０２の内部に満ちている。洗浄槽４０２の底面には超音波振動子４０４が設置されていて、その振動は超音波となって水素水中を伝播する。
【００５２】
水素水で満たされた洗浄槽４０２の内部に於いて、被洗浄物であるウェーハ４０１及びウェーハ４０１の全面に接触することが可能な平面部分をもつブラシ４０５が対向して平行に設置されている。ブラシ４０５は、ＰＶＡスポンジなど極めて軟らかい材料で作製され、振動発生装置４０６の振動板４０７上に固定されていて、振動発生装置４０６が動作した場合、振動板４０７が振動し、その振動はブラシ４０５の全体に伝わることになる。
【００５３】
更に、ウェーハ４０１とブラシ４０５とは、両者の向きを平行に保ったまま、相対距離を変化させることができる機構に依って支持されていて、両者を周期的に接近、離間させることが可能である。両者が最も接近した際には、ブラシ４０５の平面部分はウェーハ４０１の全面に均一に接触する。
【００５４】
従って、ブラシ４０５の振動はウェーハ４０１の表面に良好に伝えられ、ウェーハ４０１の表面に固着したパーティクルに対して微細に周期的に変化する応力を加え、パーティクルとウェーハ４０１との間の強固な固着を切り離し、パーティクルがウェーハ４０１の表面から水素水洗浄の効果で容易に脱離できる状態とする。
【００５５】
この振動に起因する摩擦運動は発生せず、パーティクルに周期的に変化する摩擦力以外の応力のみが加わることとなる。即ち、ブラシ４０５とウェーハ４０１とが接触した状態の接触界面で、ブラシ４０５に於ける振動が如何なる方向の振動であっても、その振動がブラシ４０５とウェーハ４０１との相対位置関係にずれを発生させることはなく、また、発生させないように振動は制御される。従って、ウェーハ４０１の表面に摩擦痕などの損傷が生ずることはない。
【００５６】
また、ブラシ４０５がウェーハ４０１から離れた場合、水素水洗浄の機能が現れる。即ち、超音波振動子４０４で発生した超音波が水素水中を伝播して、水素水中に活性な水素ラジカルを生成し、その働きでウェーハ４０１の表面からパーティクルを脱離し、且つ、除去する。
【実施例１】
【００５７】
図２は本発明の一実施例を説明する為のウェーハ洗浄装置の要部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明するが、ここでは、溶存水素濃度が管理された水素水が既存の手段に依って製造され、洗浄装置に供給されるものとする。また、この水素水には、必要な場合、ｐＨを調節する目的でアンモニア等のアルカリが添加され、その濃度も適切に管理されているものとする。水素水、或いは、アンモニアを添加した水素水が製造され、洗浄装置へ供給される場合の具体的構成については、図７について説明した構成が参考となろう。
【００５８】
本発明の本質的な要素は、水素水洗浄の効果を生じさせる部分と、被洗浄物の表面に殆ど接線応力或いは剪断応力のみ、従って、法線応力は極めて微細である物理的な力の作用を与える部分とに分けることができる。まず、水素水洗浄の効果を生じさせる為の機構について説明する。
【００５９】
被洗浄物であるウェーハ５０１は、石英洗浄槽５０２の内部を満たした水素水５０３に浸漬して洗浄する。水素水製造装置で製造された水素水５０３は、給水管５０４に依って石英洗浄槽５０２の底部に導入され、給水管５０４に形成された複数の穴５０５から石英洗浄槽５０２の内部へと噴出する。
【００６０】
水素水５０３は、石英洗浄槽５０２の下部から上部へと流れ、石英洗浄槽５０２の上面に在る開口部から外へ溢出する（オーバーフロー）。このようにすることで、石英洗浄槽５０２の内部に於ける水素水５０３は常に新しく供給されるものと置き換わり続け、石英洗浄槽５０２内に滞留することはない。
【００６１】
石英洗浄槽５０２は、ステンレス製の外槽５０６に設けられた支柱５０７に依って支持されている。外槽５０６の底面には超音波振動子５０８が設置され、外部の発振器５０９で生成された高周波信号が印加されて振動することで超音波を発生する。
【００６２】
外槽５０６の内部には常に水５１０が満たされていて、超音波振動子５０８で発生した超音波は水５１０を伝播し、更に、石英洗浄槽５０２の底面を通過し、石英洗浄槽５０２の内部の水素水５０３へと伝播する。
【００６３】
超音波振動子５０８で水素水５０３に超音波を印加する目的は、通常の超音波洗浄の効果と共に水素水５０３の内部で余剰水素ラジカルを発生させ、先に説明した水素水洗浄効果を得ることにある。そして、超音波の周波数が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ以上であれば、余剰水素ラジカルを発生させる効果があるとされている。
【００６４】
然しながら、超音波の周波数が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度の範囲では、超音波が引き起こすキャビテーション（空洞）の生成と消滅とに依って局所的に発生する衝撃波の影響が強く、ウェーハ５０１に与える損傷が大きい。この為、超音波振動子５０８で発生させる超音波の周波数としては、ウェーハ５０１に与える損傷が小さくなるメガソニックと呼ばれる５００ｋＨｚから２ＭＨｚ〜３ＭＨｚの範囲が好ましい。
【００６５】
次に、本実施例に於ける被洗浄物であるウェーハ５０１の表面に物理的な力の作用を与える機構について説明する。
【００６６】
本実施例では、ウェーハ５０１及びウェーハ５０１の全面と一度で接触できるだけの広さの平面部分をもったブラシ５１１を接触させ、ブラシ５１１を振動させることで、ウェーハ５０１の表面に物理的な力の作用を与える。ブラシ５１１は、振動発生装置５１２の振動板５１３上に固定されていて、振動発生装置５１２を動作させると、振動板５１３が振動し、それに伴ってブラシ５１１の全体が振動する。
【００６７】
振動発生装置５１２に於ける振動板５１３の振動は、例えば、信号発生器５１４で発生させた任意の波形信号をアンプ５１５に依って増幅してから振動発生装置５１２に伝えて制御する。ウェーハ５０１は、ウェーハ５０１を保持するツメ５１７を備えたウェーハホルダ５１６に保持されている。
【００６８】
ウェーハホルダ５１６と振動発生装置５１２は、ウェーハ５０１とブラシ５１１とが対向して平行となるようにアーム５１８に依って往復運動機構５１９に固定されている。往復運動機構５１９は、ウェーハ５０１とブラシ５１１の向きを平行に維持したまま、両者の相対距離が変化するようにアーム５１８を自由に運動させることができる。
【００６９】
アーム５１８の運動は、コンピュータを備えた制御装置５２０に依って制御する。例えば、往復運動機構５１９はウェーハ５０１とブラシ５１１の両者を周期的に接近、離間させ、両者が最も接近したときにブラシ５１１の平面部分をウェーハ５０１の全面に均一に接触させることができる。
【００７０】
制御装置５２０に依って、振動発生装置５１２を駆動している信号発生器５１４或いはアンプ５１５の動作も制御してやれば、振動板５１３の動作をアーム５１８の動作と連携させることができる。例えば、ブラシ５１１がウェーハ５０１に接触しているときだけ、振動板５１３を振動させるような運転が可能となる。
【００７１】
ブラシ５１１の材料としては、本実施例ではＰＶＡスポンジを使用したが、ＰＶＡスポンジに限られず、多孔質のスポンジ状のものであれば良い。要は、ウェーハ５０１の表面を損傷させないことにあるので、樹脂製の軟らかい材料が好ましく、例えば、発泡ポリウレタンなどであって良い。
【００７２】
図３は図２に見られる振動発生装置５１２の詳細な構造を表す要部説明図である。図に於いて、ウェーハと接触するブラシ６０１は、振動板６０２に固定されている。また、振動板６０２には支持棒６０３が取り付けられていて、ブラシ６０１がウェーハと接触したときに振動板６０２を支え、振動板６０２が筐体６０４中に陥没するのを防止している。支持棒６０３の先端は、筐体６０４の内側壁面に固定されることなく、壁面に沿って自由に運動することができ、従って、振動板６０２の振動には何らの妨げにもならない。
【００７３】
振動板６０２の振動の動力は、コイル６０５と磁気回路６０６の間に働く磁力に依って発生させる。コイル６０５は振動板６０２に、そして、磁気回路６０６は筐体６０４にそれぞれ固定されている。永久磁石である磁気回路６０６は、円筒状に捲回されたコイル６０５の空洞内に挿入されている。コイル６０５は、ケーブル６０７に依って、外部の信号源（例えば、図２に見られる信号発生器５１４やアンプ５１５など。）に接続される。外部の信号源からコイル６０５に時間的に変動する信号電流が送られた場合、コイル６０５では時間的に変動する磁場が発生し、この磁場と磁気回路６０６が発生させる磁場との相互作用で、コイル６０５は振動運動し、その振動に伴って振動板６０２が振動する。
【００７４】
本実施例では、ブラシ６０１が図３に於ける横方向の運動成分をもつ振動をすることが必要である為、コイル６０５と磁気回路６０６の組みは、図３に見られる向きに設置している。また、コイル６０５と磁気回路６０６の組みを異なった方向に複数組設置することで、振動板６０２の振動は一方向のみの単純な振動ではなく、複数の方向の成分をもった振動となり、更に好ましいものとなる。
【００７５】
本実施例に於いて、振動発生装置（図２及び図３を参照。）は水没させた状態で動作させる。この為、振動板６０２と筐体６０４との間に生ずる隙間には支持シート６０８を貼付し、筐体６０４と振動板６０２との位置関係を固定すると共に外部からの水の侵入を防止する。支持シート６０８は、波板状に成型したフッ素樹脂のシートなどを用いて振動板６０２が図３の横方向に振動できる構造とする。
【００７６】
ブラシ６０１の振動の周波数については、実験の結果、例えば、超音波振動子が発生させる振動のような小さい振幅で高い周波数の振動はＰＶＡスポンジ等の軟らかい材料で吸収されてしまい、ウェーハ表面のパーティクルに対して効果的な作用を与えられないことが明らかとなり、そして、本発明の目的を達成する為には、高くても１００Ｈｚ程度までの周波数の振動で充分な効果が得られることが判った。そこで、例えば音響機器として用いられているスピーカーに於けるボイスコイル、振動板、磁気回路からなる構造を採用して振動を発生させたところ、極めて良好にパーティクルの除去を実現することができた。然しながら、ブラシ６０１に適切な大きさの振動を与えることができれば、図示説明した手段に限定されるものではない。
【００７７】
図４は図２に見られる往復運動機構５１９の詳細な構造を表す要部説明図であり、２つの枠７０１が、２本の平行なシャフト７０２で連結され、シャフト７０２には、雄ネジが切られたネジ棒７０３が平行に設置されている。ネジ棒７０３は、枠７０１に於いて、ベアリングを介して支持され、自由に回転できる構成になっている。ネジ棒７０３の一端はモーター７０４に連結されていて、モーター７０４がネジ棒７０３を回転させる。
【００７８】
二つの枠７０１の間には可動台座７０５が設置され、可動台座７０５には、２つのガイド穴７０６が形成され、シャフト７０２が貫通している。また、可動台座７０５には、雌ネジを切ったネジ穴７０７が形成され、ネジ棒７０３が挿入されている。モーター７０４を回転させると、可動台座７０５は、シャフト７０２に沿って自由に移動する。モーター７０４は、ケーブル７０８に依って外部の制御装置（例えば図２に見られる制御装置５２０）と接続されている。制御装置に依ってモーター７０４の回転量、回転速度を制御することに依り、可動台座７０５の位置、移動速度を精密に制御することができる。
【００７９】
例えば、図２に見られるアーム５１８の何れか一方を図４に見られる枠７０１に、他方を可動台座７０５に固定することで、図４について説明した機構に依って、図２について説明したウェーハ５０１とブラシ５１１との接近、離間を実現することができる。
【００８０】
再び図２を参照しつつ、本実施例に於いて実施した洗浄実験を説明しながら本発明に依る洗浄作業の実際について説明する。
【００８１】
直径約２０ｃｍ（８インチ）のシリコンウェーハを基板とし、最表面に厚さ２μｍのＣｕ膜を電気メッキに依って成膜する。このＣｕ膜の面を、溶融石英から成る平均粒径０．１５μｍの砥粒を含むスラリーを用い、ＣＭＰ法を適用して研磨する。尚、電気メッキ及びＣＭＰは通常の技法を適用して良い。
【００８２】
前記ＣＭＰを実施した直後に於けるＣｕ膜の面に付着している砥粒を洗浄除去する実験を行った。
【００８３】
この場合の装置構成並びに設定について説明する。先ず、容積１５リットルの石英洗浄槽５０２に溶存水素濃度１．５ｐｐｍの水素水５０３を１０リットル／分の流量で供給した。水素水５０３は、石英洗浄槽５０２の上部開口部から槽外にオーバーフローさせた。この石英洗浄槽５０２の下方に設置した超音波振動子５０８を振動させ、水素水５０３にメガソニックを印加した。その周波数は７５０ｋＨｚ、出力６００Ｗであった。
【００８４】
振動発生装置５１２は、２方向の振動成分を発生させるコイルと磁気回路の組み合わせを備えている。信号発生器５１４に依って５０Ｈｚで変動する正弦波の電流を発生させ、アンプ５１５に依って振幅を適度に増幅し、振動発生装置５１２のコイルに通電させた。振動発生装置５１２の振動板５１３上には、ブラシ５１１として、水中で軟化させた状態での厚さが１５ｍｍ、直径が約２２ｃｍ（８．５インチ）の円板状のＰＶＡスポンジを固定した。
【００８５】
被洗浄物であるウェーハ５０１をウェーハホルダ５１６に設置して、往復運動機構５１９に依り、ブラシ５１１を振動させながらウェーハ５０１に接近させ、接触させ、離間するという動作を水素水５０３中でなされるようにした。ウェーハ５０１の中心とブラシ５１１の中心は同一直線上に置かれ、ブラシ５１１はウェーハ５０１の全面に均一に接触するようになっている。
【００８６】
図５はウェーハ５０１とブラシ５１１の相対的な位置関係を説明する為の要部説明図である。本実施例では、ウェーハ８０１の位置は固定であって、振動板８０３だけが往復運動するようになっている。（ａ）は、ウェーハ８０１の表面と振動板８０３とが最も離間した状態を示し、その距離Ｌ１は３３ｍｍに設定されている。このとき、ウェーハ８０１の表面とＰＶＡスポンジの表面との距離Ｌ２は１８ｍｍであり、両者の間は水素水で満たされている。（ｂ）は、振動板８０３が最もウェーハ８０１の表面に接近した状態を示していて、その距離Ｌ３は１３ｍｍに設定してある。この状態で、ＰＶＡスポンジ８０２の表面はウェーハ８０１の表面に接触し、更に、ＰＶＡスポンジ８０２の厚さが２ｍｍ縮む分だけ押し込まれる。振動板８０３は往復運動機構の動作に依って振幅２０ｍｍの往復運動を行い、図５の（ａ）及び（ｂ）の状態の間を往復する。
【００８７】
図６は往復運動機構の往復運動の様子を表す線図であり、横軸には時間（秒）を、縦軸にはウェーハ８０１の表面と振動板８０３との相対距離の値（ｍｍ）をそれぞれ採ってある。振動板８０３は、２０ｍｍ／秒の速さで運動するように設定されている。また、図５の（ａ）及び（ｂ）の状態で、振動板８０３は、それぞれ１秒間の静止をするように設定されている。
【００８８】
以上、記述したような装置構成の下で、ＣＭＰ直後のＣｕ膜の面に付着している砥粒を洗浄除去する実験を行った。この場合の評価は、洗浄の前後に於けるＣｕ膜の面に付着している砥粒の数を計測し、比較することで実施し、砥粒の数の計測は、ウェーハ表面検査装置で行った。
【００８９】
まず、振動するブラシ５１１をウェーハ５０１に接触させることなく、超音波振動子５０８に依って印加されるメガソニックのみを用いて１分間の水素水洗浄を行った。その結果、砥粒は２０％程度しか除去できなかった。砥粒はＣｕ膜表面に強固に固着していると推定された。
【００９０】
次に、振動板５１３がウェーハ５０１に最も接近してブラシ５１１がウェーハ５０１に接触した状態、即ち、図５の（ｂ）の状態とし、振動発生装置５１２で５０Ｈｚの振動を加えながら１分間の水素水洗浄を行った。その結果、砥粒は僅か８％程度が除去された。アンプ５１５に於ける増幅率を変えて振動板５１３の振幅を変化させても、そして、信号発生器５１４で発生させる正弦波の周波数を５０Ｈｚから上下させても、除去率は殆ど変化しなかった。ブラシ５１１が接触したままでは、洗浄効果は全く得られないことが判った。
【００９１】
そこで、往復運動機構５１９を用い、ブラシ５１１を５０Ｈｚで振動させたまま、図６の線図に見られるような往復運動を行いながら水素水洗浄を１分間実施した。その結果、砥粒は９５％を除去することができた。これは、Ｃｕ膜の表面と砥粒との間の固着をブラシ５１１の振動に依って解放し、更に、水素水洗浄の効果に依って砥粒をＣｕ膜の表面から除去する旨の効果が発揮されたものと認識される。
【００９２】
然しながら、この条件での洗浄の結果、洗浄後のＣｕ膜の表面に微小なスクラッチ痕が多数発生していることが判明した。詳しく分析を行ったところ、ブラシ５１１の表面がウェーハ５０１の表面に接触する瞬間、及び、逆に離間する瞬間に両者の間に激しい動的な摩擦が発生し、この摩擦が原因でスクラッチ痕が発生することが判った。また、ブラシ５１１がウェーハ５０１の表面と充分に接触した状態では、振動板５１３を振動させてもブラシ５１１とウェーハ５０１の表面は密着したままで、両者の接触界面では摩擦は発生せず、周期的に変化する静的な応力だけがウェーハ５０１の表面に作用していることも判った。
【００９３】
そこで、制御装置５２０のコンピュータを用い、振動板５１３がウェーハ５０１に最も接近して、ブラシ５１１がウェーハ５０１の表面に充分に接触した状態、即ち、図５に於ける（ｂ）の状態のときだけ、振動発生装置を動作させてブラシ５１１を振動させ、他の時間はブラシ５１１の振動を停止するように制御した。即ち、図６に於いて、横軸に太線で表した区間だけ、ブラシ５１１を振動させることにした。この設定の下で、１分間の水素水洗浄を行ったところ、略９６％という砥粒の除去率を記録しながら、スクラッチ痕は皆無であった。
【００９４】
更に、信号発生器５１４で発生させる正弦波信号の周波数を５０Ｈｚに固定し、アンプ５１５での増幅率を変えて、ブラシ５１１の振幅を変化させて水素水洗浄を行った。その結果、振幅が小さい領域では、殆ど砥粒を除去できないのに対し、振幅が一定の大きさを越えると急速に砥粒の除去率が上昇し、上記条件で９６％に達し、しかも、１００％に近い除去率にまで上昇した。然しながら、更に振幅を大きくした場合、ブラシ５１１とウェーハ５０１との界面で動的な摩擦が発生し始め、洗浄後のＣｕ膜の表面に微小なスクラッチ痕が発生した。このように、本実施例に於いては、ブラシ５１１の振動の振幅と周波数の最適化を行うことに依って、ブラシ５１１とウェーハ５０１との界面に於いて、動的な摩擦を発生させることなく、１００％近い砥粒の除去率が得られた。
【００９５】
また、信号発生器５１４で発生させる正弦波信号の周波数を検討した結果、周波数が高くなると共に振動板５１３の振動がブラシ５１１の内部で吸収される傾向が強くなり、充分な応力をウェーハ５０１の表面に加えられない状態となり、水素水に依る洗浄効果が得られないことも判った。ブラシ５１１の材料、即ち、ここではＰＶＡスポンジは、弾性体としての性質と、ブラシ５１１の外形寸法、特に厚さに依っても変化するが、振動板５１３の振動周波数の上限は、高くても１ｋＨｚが限界である。勿論、各々の周波数の設定に於いて、先に説明したような水素水に依る洗浄効果を効率良く得られるような振動の振幅の最適化が必要である。
【００９６】
本実施例では、前記したように、制御装置５２０のコンピュータを用い、ブラシ５１１がウェーハ５０１の表面に充分に接触した状態のときだけ、振動発生装置５１２を動作させてブラシ５１１を振動させ、他の時間はブラシ５１１を振動させないように制御した。この制御は、ブラシ５１１とウェーハ５０１の相対的な位置関係に合わせて振動発生装置５１２に対してオンオフの指令を出して行っても良い。また、往復運動機構５１９などにブラシ５１１とウェーハ５０１が接触することで両者の間に発生する応力（圧力）を感知するセンサーを設け、両者が充分に接触し、両者の間に作用する応力が一定の値を上回っている時間だけ、振動発生装置５１２を動作させるような制御の仕方を行ってもよい。
【００９７】
尚、ここで説明した洗浄装置及び洗浄方法は、水素水を用いた洗浄だけでなく、従来の薬液などの洗浄液を使用した場合に於いても、その洗浄効果を充分に発揮することができる。
【００９８】
本発明に於いては、前記説明した実施例を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【００９９】
（付記１）
被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄装置に於いて、 被洗浄物に接触した状態で振動するブラシを設けたこと
を特徴とする洗浄装置。
【０１００】
（付記２）
ブラシが弾性体からなること
を特徴とする（付記１）記載の洗浄装置。
【０１０１】
（付記３）
弾性体が樹脂を材料とし且つ多孔質のスポンジ状を成すこと
を特徴とする（付記２）記載の洗浄装置。
【０１０２】
（付記４）
ブラシの振動周波数が１ｋＨｚ以下であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記３）の何れか１記載の洗浄装置。
【０１０３】
（付記５）
洗浄槽に供給する洗浄液が特定種類のガスを溶解させた超純水であるガス溶解水或いは特定のアルカリを溶解してｐＨを調整したガス溶解水であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載の洗浄装置。
【０１０４】
（付記６）
被洗浄物とブラシとが一定時間に亙って接触してブラシが振動する工程及び一定時間に亙って接触しない工程を交互に繰り返す為の機構
を備えてなることを特徴とする（付記１）乃至（付記５）の何れか１記載の洗浄装置。
【０１０５】
（付記７）
ブラシが振動する時間はブラシが被洗浄物に接触する工程の開始直後に始まり、該工程の終了直前に終わるように時間を限定する機構
を備えてなることを特徴とする（付記６）記載の洗浄装置。
【０１０６】
（付記８）
被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄方法に於いて、 被洗浄物に振動するブラシを接触した状態で洗浄を行うこと
を特徴とする洗浄方法。
【０１０７】
（付記９）
洗浄槽に供給する洗浄液が特定種類のガスを溶解させた超純水であるガス溶解水或いは特定のアルカリを溶解してｐＨを調整したガス溶解水であること
を特徴とする（付記８）記載の洗浄方法。
【０１０８】
（付記１０）
被洗浄物とブラシとが一定時間に亙って接触してブラシが振動する工程及び一定時間に亙って接触しない工程を交互に繰り返すこと
を特徴とする（付記８）或いは（付記９）記載の洗浄方法。
【０１０９】
（付記１１）
ブラシが振動する時間はブラシが被洗浄物に接触する工程の開始直後に始まり、該工程の終了直前に終わるように時間を限定すること
を特徴とする（付記１０）記載の洗浄方法。
【０１１０】
（付記１２）
ブラシが被洗浄物に接触し且つ振動している間に於いて、ブラシと被洗浄物の接触界面に動的な摩擦を発生させることなく洗浄を行うこと
を特徴とする（付記１１）記載の洗浄方法。
【０１１１】
（付記１３）
洗浄槽内に供給する洗浄液であるガス溶解水が超純水に水素ガスを溶解させたものであること
を特徴とする（付記８）乃至（付記１２）の何れか１記載の洗浄方法。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明に依る洗浄装置の原理を説明する要部切断側面図である。
【図２】本発明の一実施例を説明するためのウェーハ洗浄装置の要部切断側面図である。
【図３】図２に見られる振動発生装置の詳細な構造を表す要部説明図である。
【図４】図２に見られる往復運動機構の詳細な構造を表す要部説明図である。
【図５】ウェーハとブラシの相対的な位置関係を説明する為の要部説明図である。
【図６】往復運動機構の往復運動の様子を表す線図である。
【図７】水素水を用いる超音波洗浄装置の一例を表す要部ブロック図である。
【図８】水素水を用いたブラシ洗浄の説明図である。
【図９】水素水を用いたブラシ洗浄の説明図である。
【符号の説明】
【０１１３】
４０１ ウェーハ
４０２ 洗浄槽
４０３ 給水管
４０４ 超音波振動子
４０５ ブラシ
４０６ 振動発生装置
４０７ 振動板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄装置に於いて、 被洗浄物に接触した状態で振動するブラシを設けたこと
を特徴とする洗浄装置。
【請求項２】
ブラシが弾性体であること
を特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項３】
洗浄槽に供給する洗浄液が特定種類のガスを溶解させた超純水であるガス溶解水或いは特定のアルカリを溶解してｐＨを調整したガス溶解水であること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の洗浄装置。
【請求項４】
被洗浄物とブラシとが一定時間に亙って接触してブラシが振動する工程及び一定時間に亙って接触しない工程を交互に繰り返す為の機構
を備えてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の洗浄装置。
【請求項５】
ブラシが振動する時間はブラシが被洗浄物に接触する工程の開始直後に始まり、該工程の終了直前に終わるように時間を限定する機構
を備えてなることを特徴とする請求項４記載の洗浄装置。
【請求項１】
被洗浄物が収容された洗浄槽内に洗浄液を供給し、洗浄液に超音波を印加して被洗浄物を洗浄する洗浄装置に於いて、 被洗浄物に接触した状態で振動するブラシを設けたこと
を特徴とする洗浄装置。
【請求項２】
ブラシが弾性体であること
を特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項３】
洗浄槽に供給する洗浄液が特定種類のガスを溶解させた超純水であるガス溶解水或いは特定のアルカリを溶解してｐＨを調整したガス溶解水であること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の洗浄装置。
【請求項４】
被洗浄物とブラシとが一定時間に亙って接触してブラシが振動する工程及び一定時間に亙って接触しない工程を交互に繰り返す為の機構
を備えてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の洗浄装置。
【請求項５】
ブラシが振動する時間はブラシが被洗浄物に接触する工程の開始直後に始まり、該工程の終了直前に終わるように時間を限定する機構
を備えてなることを特徴とする請求項４記載の洗浄装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１８１４１７（Ｐ２００６−１８１４１７Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７５６７８（Ｐ２００４−３７５６７８）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]