2流体ノズル及び洗浄装置
【課題】 噴射用ガスの使用量を減らすと共に、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にして、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去できるようにする。
【解決手段】 2流体ノズルを、ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造で構成する。
【解決手段】 2流体ノズルを、ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造で構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置に関し、例えば、半導体ウエハや半導体マスク等に付着した不純物を洗浄するために使用する2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造工程において、シリコンウエハやフォトマスク等に付着した異物を除去する方法として、高圧ジェット洗浄やメガソニック洗浄を用いる方法が知られている。また、ジェットノズル内部に加圧したガスと液体とを混合する混合部を持ち、ここで発生させた微細な液滴をシリコンウエハ等に噴射して異物を高効率で洗浄し、かつ、ウエハ表面に設けられているパターン等の損傷を防ぐ2流体ジェット洗浄が知られている(特許文献1参照)。さらには、加圧したガスが液体を取り囲む渦巻き気流を形成するように構成されているものも知られている(特許文献2)。
【0003】
また、洗浄対象物に噴射する液滴の液滴径を均一にするための技術も知られている(特許文献3)。さらに、圧力を安定させて均一な液滴を供給するとともに噴射用ガスの使用量を抑えるために、ノズル内部に液体とガスのバッファ室を有する2流体ノズルを用いる洗浄方法が知られている(特許文献4参照)。
【特許文献1】特許3315611号
【特許文献2】特開2004−356317号
【特許文献3】特開2002−208579号
【特許文献4】特開2003−145064号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、高圧ジェット洗浄の場合は、半導体基板等に付着した1.0μm以下の異物粒子に対する除去率が低く、また、メガソニック洗浄の場合は、半導体基板等に対する物理的な力の影響が非常に大きいため、LSIやMEMSなどの微小構造体のパターンを有している基板を損傷してしまうという問題がある。
【0005】
また、洗浄対象物に液滴(ミスト)を噴射する際に、噴射口で渦巻き気流となるようにガスを加速する場合や、加速管等を用いてガスを加速する場合には、加速するための大量の噴射用ガスが必要となり、コストが増えるという問題がある。また、この場合には、2流体ノズル内部に加速管を配設する必要があるため、ノズル自体が大きくなり、その結果、洗浄装置全体が大きくなるという問題がある。
【0006】
また、液滴を発生させるための液体を供給する配管が、噴射用ガスの流れを妨げるように配置されている場合には、ガスが全体的に均一な圧力で液体と接することができないため、液滴の径の均一化を図ることができず、その結果、大きな液滴が発生して洗浄対象物であるウエハ基板に損傷を与えてしまうという問題がある。
【0007】
さらに、2流体ノズル内部に液体とガスのバッファ室を設ける構成とすると、構造上の理由から、バッファ室から液滴噴射口までの間に開閉バルブを設けることができないため、バッファ室内の残留圧力の影響により、液滴の供給・停止の制御を正確に行うことが難しくなるという問題がある。
【0008】
本発明は、上述の点を考慮し、液滴で被洗浄物を洗浄する際に使用する噴射用ガスの量を減らすとともに、微細で均一な液滴を形成することができる2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る2流体ノズルは、回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生するものである。
本発明に係る2流体ノズルは、ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とを具備した構成である。
【0010】
好ましくは、ガス流通路は、内部材と外部材により形成され、この外部材に前記スパイラル構造が設けられていることが適当である。
さらに好ましくは、スパイラル構造の頂点部と内部材との間に空間を有していることが適当である。
さらに好ましくは、スパイラルの直径が、混合部へ向けて小さくなることが適当である。
【0011】
本発明に係る洗浄装置は、回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生する2流体ノズルとを具備した構成である。
さらに好ましくは、2流体ノズルを、被洗浄物の表面に対して角度を有するように設けることが適当である。
【0012】
本発明に係る洗浄装置は、ガスと液滴とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とからなる2流体ノズルとを具備した構成である。
【0013】
本発明の2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置では、噴射用ガスの量を減らすことができる。また、微細で均一な液滴を形成できるので、洗浄対象物に損傷を与えることなく、効率よく洗浄対象物から異物を除去することができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明に係る2流体ノズルによれば、噴射用ガスの速度を加速して速くすることができるので、噴射用ガスの使用量を少なくすることができる。また、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にできるので、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去することができる。
【0015】
本発明に係る洗浄装置によれば、噴射用ガスの速度を加速して速くすることができるので、噴射用ガスの使用量を少なくすることができる。また、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にできるので、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去することができる。
また、本発明に係る洗浄装置によれば、ノズルから噴射される液滴の速度を最大にして、洗浄物表面に付着している異物等を除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る2流体ノズル1の概略構成の断面を示したものである。
図1に示すように、2流体ノズル1は、内部材としてのインナーケース2と外部材としてのアウターカバー3とから構成されている。インナーケース2を覆うようにアウターカバー3を設けることで、インナーケース2とアウターカバー3の間には、空間としてのガス流通路6が形成されている。アウターカバー3の内周面及び外周面は、インナーケース2の外周面と平行になるように、すなわちインナーケース2の円錐台形の周面に沿うように形成されている。ガス流通路6には、ガスを供給するためのガス供給口5と、ガスと液体とを混合する混合部10が設けられている。
【0017】
インナーケース2には、液体を供給するための液体供給口7と、液体供給口7から延びるように液体通路部8が形成され、この液体通路部8の先端に液体を放出するための液体流出口9が設けられている。液体流出口9の先には、ガスと液体とを混合する混合部10が存在する。また、液体通路部8は、インナーケース2の中心軸上に設けられている。インナーケース2は、頂部が混合部10に位置するような円錐台形状を有している。なお、インナーケース2の形状は、円錐台形に限らず、同心円からなる形状であって、混合部10へ向けて、その半径が同一半径を含む単調減少する形状であればよく、例えば、テーパーを有する形状のものであればよい。
【0018】
アウターカバー3の内側には、ガス流通路6に面して、スパイラル山部4aとスパイラル溝部4bからなるスパイラル形状が連続するスパイラル構造4が設けられている。ガス流通路6は、スパイラル山部4aの頂点部とインナーケース2の外周面部との間にできる空間部11aと、スパイラル溝部4bの空間部11bとで構成される微小な空間によって形成されている。すなわち、ガス流通路6の間隔11は、空間部11aと空間部11bの間隔を足し合わせたものになる。
【0019】
なお、スパイラル構造4は、インナーケース2側に設けてもよい。また、スパイラル構造は、インナーケース2とアウターカバー3の両方に設けてもよいが、この場合には、インナーケース2とアウターカバー3に設けられたそれぞれのスパイラル山部4aの頂点が互いに重ならないように、スパイラル構造を設ける必要がある。
【0020】
また、スパイラル形状の溝の数は、複数本に限らず、1本であってもよい。さらにスパイラルの数は、ガス流通路6の途中で増加、減少させてもよい。さらに、スパイラル溝部4bの断面形状は、三角形に限らず、半円形、楕円形、長円形、多角形状であってもよい。また、スパイラル形状の溝のピッチ幅は、一定である必要はなく不等間隔にしてもよい。例えば、スパイラル形状の溝のピッチ幅は、混合部10に向かって狭くなるように形成することができる。
【0021】
ガス流通路6の断面積eを求める場合には、ある一つのスパイラル山部4aの頂点部から隣接するスパイラル山部4aの頂点に至るまでのスパイラル軌跡に沿った断面積を求める必要があるが、本実施の形態では、図1に示すように、一つのスパイラル山部の頂点部4aからインナーケース2の中心軸方向へ垂線を下ろした際に形成される断面積を、ガス流通路6の断面積eと定義する。なお、ガスの流速を高めるために、ガス流通路6の断面積eが、混合部10へ近づくにつれて小さくなるように構成してもよい。
【0022】
さらに、ガスを回転させるために、インナーケース2もしくはアウターカバー3のいずれか一方を回転させるようにしてもよい。また、インナーケース2及びアウターカバー3を同時に回転させるようにしてもよい。この場合には、回転させる部材にガスを回転させるための効果的な突起を設けることが望ましい。
【0023】
図2は、図1に示すX−X線で2流体ノズル1を切断した際の概略断面図である。
図2aに示すように、ガス供給口5は、ガス流通路6内に供給された窒素(N2)ガスが回転する方向と反対方向に延長した部分に設けられている。ガス供給口5を設ける箇所は、2箇所に限られず、1箇所以上複数個所に設けてもよい。また、図2bに示すように、ガス供給口5は、ガス流通路6内に供給されたガスが回転する方向と垂直な方向の位置に設けてもよい。
【0024】
次に、図3〜図8に基づいて、本実施の形態に係る2流体ノズル1の動作について説明する。
2流体ノズル1に供給されたガスは、図3に示すようにスパイラル形状4に到達するガスg1とインナーケース2の円錐台形状の表面に沿って流れるガスg2に分かれる。なお、噴射用のガスとしては、窒素ガスに限らず、不活性ガスや反応性の低いガスを用いてもよい。
【0025】
スパイラル形状に到達したガスg1は、図に示す矢印g1’のようにスパイラル形状に設けられたスパイラル溝部4bに沿って流れ、スパイラルの溝に沿った円周方向の速度成分を得る。一方、インナーケース2の円錐形状の表面に沿って流れるガスg2は、供給された際に与えられた円周方向の速度成分を保ったまま円錐部に到達するが、ガスの粘性によって、スパイラル溝部4bを円周方向の速度を持って流れるガスg1の影響を受けることで回転する速度が増し、円周方向の速度成分を強めながら、かつ、ノズル先端方向へ向かう速度成分は維持したまま、混合部10に導かれる。なお、本実施の形態では、ガスと液体がノズルの内部で混合される内部混合形状としたが、混合部分は、内部混合および外部混合どちらであってもよい。
【0026】
次に、図4を用いて、ガスg2の速度が、ガスg1の影響を受けることによって加速される理由を詳細に説明する。
図4は、2流体ノズルの一部を構成する同心二重円管50の構造を示す斜視図である。同心二重円管50は、同じ中心軸を持つ内管51と外管52によって構成されている。ここでは、中心軸から外管52までの距離をa、中心軸から内管51の周面までの距離をbとし、中心軸から所定の距離を隔てた位置をrとする。また、スパイラル溝部の深さ、すなわちスパイラル山部の高さをDとし、隣接して設けられているスパイラル山部の頂点の距離(ピッチ間)をLとする。二重円管50の内部に示された矢印g1は、スパイラル構造により回転されるガスの流れを示し、矢印g2は、二重円管内を直進するガスの流れをしめす。
【0027】
図5は、図4に示す二重円管50を切断した際の断面図である。同心二重円管50は、スパイラル構造4を有さない部分Aと、スパイラル溝4を有している部分Bとから構成されている。
同心二重円管のスパイラル構造が存在しない部分Aにおける流速分布uは、一般的に円管内の中心線から距離をr(b<r<aの範囲で変動)とすると以下の数1で表されることが知られている。
【0028】
【数1】
【0029】
ここで、μは液体の粘性、dP/dxは定数である。
上記の式はuとrの放物線の2次関数であり、この式から同心二重円管内の流速分布uは、図4に示す点、c、c’、c”に示すような分布となり、スパイラル山部の頂点付近(線分A-A’)を境に内周部は配管の中心線方向に流れ、外周部はスパイラル構造によって決定された角度θにしたがって回転しながら吐出口に向かって進んでいく。
【0030】
また、さらに式(1)をrについて微分し解き、軸方向最大となる条件を求めると下記の数2に示すrの値を得ることができる。
【0031】
【数2】
【0032】
これはrがこの値を取る部分で同心二重円管内では最も速い流速(umaxとする)となることを示している。
【0033】
次に、同心二重円管50のスパイラル構造が存在する部分Bについて、スパイラル部分を通って流れる流体と内側の管に沿って流れる流体の境界部分でそれぞれの流体のすべり面が発生しない場合(一体化して流れる場合、つまり、流体が配管内をきれいに旋回しながら流れる場合)を考える。
同心二重円管には、隣り合うスパイラル山の間隔(ピッチ)がLで、外側の配管内壁から高さDのスパイラル山部を有するスパイラル構造が形成されている。
スパイラル山部の頂点付近において、中心軸に沿った方向の速度成分uで流体が流れるとすると、距離Lの間隔を流れる間に中心線からの半径a−Dのスパイラル構造にしたがって流体は1周しなければならない。この場合、中心軸に直角な回転速度成分ωは、下記の数3で表される。
【0034】
【数3】
【0035】
スパイラル山部の頂点付近では、中心軸方向に進む流れの速度成分uと、スパイラル形状によって発生する円周方向の流れの速度成分ωによって合成された速度vxが発生する。速度vxは、下記のような数4で表される(図4(b)参照)。
【0036】
【数4】
【0037】
数1と数3の両式から、数5が導かれ、スパイラル山部の高さDとした時のその山近傍の流体の速度を見積もることができる。
【0038】
【数5】
【0039】
ここでスパイラル山部の高さDが小さすぎると数1の流速分布の式からも判るようにスパイラルの溝の山付近の流速uが小さくなり、数3より同時にωも小さくなる、そのため、uとωの合成速度が得られたとしても、スパイラル構造がない場合の数1および数2で決まる、管内の流体の最大速度umaxより速度の絶対値が小さくなり、流体の速度を向上させる効果がない。Dが大きすぎても同じ理由から流速を高めることができない。これらを踏まえてスパイラル構造の利点を生かし流体を加速するための最適な溝の深さは、数2で決まるrの半径のところから外側にスパイラル山部が形成されている場合である。また、少なくとも流体の速度を向上させるスパイラル山部の高さは、数5で得られたvx>umaxになるようなrの値の範囲に設定すればよいことが解る。
なお、同心二重円管50の寸法a、bが同じでも、使用する流体の粘性により最適なスパイラル山部の高さは変化していくが、粘性を持つすべての流体において前述した方法で最適値を算出することができる。
【0040】
次に、ガス流通路6の間隔11とスパイラル山部11bの間隔との関係を考察し、最適なガス流通路6の構成を求める。
図6aは、図3に示した2流体ノズル1を示す。また、図6bは、図6aに示された2流体ノズル1をY−Y線に従って切断したものである。切断面Aは、共通の垂線で、平行に配置されたインナーケース2の外周面とアウターケース3の内壁面を切断したものである。 この切断面Aは、図5に示した同心二重同心円管50を垂線で切断したものと同じ関係となっている。
【0041】
図6bに示すように、インナーケース2の中心軸からインナーケースの外周面までの距離(同心円内径)をA3、インナーケースの中心軸からスパイラル山部4aの頂点列までの距離をA2、インナーケース2の中心軸からアウターカバー3の内壁面までの距離(同心円外径)をA3とすると、ガス流通路6の間隔11は、A1(同心円外径)−A3(同心円内径)で求められる。ガス流通路6の間隔11と、スパイラル山部4aの高さ、すなわちスパイラル溝部4bの高さ11bとの最適な関係を求めることによって、ガスg2の直進成分が通過する空間部11aの最適な間隔も求めることができる。
【0042】
ここで、2流体ノズル1の内径A3と外径A1の差、すなわちガス流通路6の間隔11が2.5〜5[mm]となるように、同心円外径A1の半径 を12.5[mm]〜30[mm]の範囲で、同心円内径A3の半径を10[mm]〜27.5[mm]の範囲で設定し、2流体ノズル1を構成する。
ここで、ガス流通路6の間隔11が5[mm]の時、この差の値を100とすると、スパイラル溝部4bの間隔11bは、30〜70が最適の範囲となる。また、ガス流通路6の間隔11が3[mm]の時、この差の値を100とするとスパイラル溝部4bの間隔11bは、37〜64が最適の範囲となる。さらに、ガス流通路6の間隔11が2.5[mm]の時、この差の値を100とすると、スパイラル溝部4bの間隔は40〜62が指摘の範囲となる。
【0043】
上記のようにガス流通路6の最適な間隔11とスパイラル溝部4bの間隔11b(溝の高さD)の最適範囲は、インナーケース2の外周面とアウターカバー3の内壁面の差、すなわち外径と内径の半径、すなわちガス流通路6の間隔11によってのみ定まる。したがって、外径の半径が30[mm]、内径の半径が25[mm]の場合も、外径の半径が15[mm]、内径の半径が10[mm]の場合も、ガス流通路6の間隔11は同じ5[mm]となるので、スパイラル山部4aの高さ11bの最適な範囲は同じとなる。すなわり、スパイラル山4aの高さ11b(スパイラル溝4bの深さ)は、二重同心円を形成するインナーカバー2とアウターカバー3で形成するガス流通路6の間隔11の30%〜70%となるように形成すればよい。
【0044】
なお、上記のデータからも明らかなように、ガス流通路6の間隔11が大きくなれば、スパイラル山4aの高さ11bの適用範囲は広くなるが、2流体ノズル1の外径を決める際には、2流体ノズル自体の大きさを小さくする必要があること、インナーケース2はテーパー形状とする必要があること、インナーケース2におけるガス供給口5側の半径と混合部10側との半径の差をつける必要があることなどを考慮して、2流体ノズル1の外径は所定の範囲内にする必要がある。
【0045】
図7に示すように、スパイラル構造4を有していない2流体ノズル1’において、インナーケース2の中心軸とアウターカバー3の内壁面との距離をガスの回転半径rと定義する。気体の密度m(一定として)、ガス供給口側5での回転の接線方向速度V0、その部分での回転半径r0、混合部10側における回転の接線方向速度V1、回転半径r1とすると、角運動量保存の式(角運動量I=mrv:[質量(気体の密度)]×[回転半径]×[(接線方向)速度])により、下記の数6の関係となり、回転の接線方向の速度が回転半径の比に応じて加速され、r0>r1の場合、混合部10側の回転の接線方向の速度V1が、ガス供給口5側での回転の接線方向速度V0よりも速くなる。
【0046】
【数6】
【0047】
同様に、図8に示すように、スパイラル構造4を有している2流体ノズル1において、
ガスの回転半径r’を、インナーケース2の中心軸とスパイラル山部4aの頂点との距離とする。
この場合、インナーケース2のガス供給口側5での回転の接線方向速度V0’、その部分での回転半径r0’、混合部10側における回転の接線方向速度V1’、回転半径r1’すると、運動量保存の法則により、下記の数7の関係となり、
となり、r0’>r1’の場合、混合部10側の接線方向の速度V1’がガス供給口5側での回転の接線方向速度V0’よりも速くなる。
【0048】
【数7】
【0049】
本実施の形態のインナーケース2は、その直径が混合部10へ近づくにつれて小さくなるようなテーパー形状を有しており、アウターカバー3は、インナーケース2に沿うように形成されているので、回転半径の関係はr0’>r1’となる。したがって、回転方向に速度を持つガスg1の速度は、混合部10へ近づくにつれて速くなる。
【0050】
従って、本実施の形態に係る2流体ノズル1によれば、混合部10においてガスの直進速度成分と回転速度成分のベクトル和で表される速度でガスが噴出することとなり、スパイラル構造4がない場合に比較して、回転成分が加わる分だけガスの流速を高めることができる。また、加速されて速度が速くなった窒素ガスg1、g2は、混合部10において、インナーケース2の液体流出口9から放出される液体と側面方向から接触し、液体を液滴(ミスト)にするので、均一な径を有する液滴を発生させることができる。また、発生した均一な径の液滴をウエハ上の異物粒子に衝突させることにより、異物粒子をウエハ表面から除去することができる。
【0051】
図9は、本発明の他の実施の形態に係る2流体ノズル31の概略構成を示したものである。
図9に示すように、2流体ノズル31は、内部材としてのインナーケース32と外部材としてのアウターカバー33とから構成されている。インナーケース32とアウターケース33との間にはガス流通路6が形成されており、ガス流通路6にはガス供給口5と混合部10が設けられている。インナーケース32には、液体供給口7と、液体通路部8と、液体流出口9が設けられ、液体流出口9の先には混合部10が存在する。
【0052】
インナーケース32は、一定の長さでガス流通路6に沿って円柱形状となっており、その後混合部10に向けて円錐台形状となるように一体に形成されている。ガス流通路6に面したアウターカバー33の内側には、スパイラル形状が連続するスパイラル構造34が形成されている。スパイラル構造34は、インナーケース32の円柱形状に対向する部分に設けられている。また、本実施の形態のスパイラル構造34は、混合部10へ向かうにつれて、ピッチの間隔が短くなる可変ピッチスパイラル構造となっている。
【0053】
インナーケース32の中心軸線と、アウターカバー33の内壁面との距離を半径rとすると、インナーケース32の円柱形状と円錐台形状とが連続する部分の半径はr0となり、混合部側10の半径はr1となる。
【0054】
ノズル31に、窒素ガスが円周方向に向けて供給されると、図に示すようにガスはスパイラル構造34に到達するガスg1とインナーケース32の円柱形状の表面に沿って流れるガスg2に分かれる。スパイラル構造34に到達したガスg1は、スパイラル形状に設けられたスパイラル溝造34に沿って流れ、スパイラル溝部4bに沿った円周方向の速度成分を得る。このスパイラルは、元々のガスの流れを大きく妨げて流路抵抗とならないように、ガス流入側でスパイラル溝のピッチ(一回転するために必要な長さ)が大きく、混合部10に向かってピッチが小さくなるようになっている。この構造によって、スパイラル溝4bに沿って流れるガスの回転速度は、出口に向かって効率よく加速される。
【0055】
一方、インナーケース32の直線部表面に沿って流れるガスg2は、供給された際に与えられた円周方向の速度成分を保ったまま、混合部10方向に進んでいくが、スパイラルの溝4bに沿い流れることで円周方向の速度成分を次第に増加させていくガスg1の影響によって、ガスg2も出口方向に進む速度を保ったまま、回転方向の速度成分が増加していく。ガスg1とg2は円錐台部に到達すると合流し、直進速度と回転速度を持つため旋回しながら円錐台形状に沿って流れていく。円錐台の半径が小さくなると、ガスの回転方向成分は、角運動量保存の法則に支配されるため、角速度(回転速度)が速くなる。この速度の増加は、円錐台の流入口の半径と円錐台の出口部分(混合部)の半径の比によって決まり、理想的には、円錐台の太い部分での回転の接線方向速度V0、その部分での回転半径r0、出口(円錐台の細い部分で、混合部)における回転の接線方向速度V1、出口の回転半径r1とすると、角運動量保存則(角運動量:I=mrv=[質量(気体の密度)]×[回転半径]×[(接線方向)速度]:一定)より、下記の数8のように、円錐台部分の上面と下面に相当する部分の半径の比によってガスの回転速度(接線方向)が加速されて速くなる。
【0056】
【数8】
【0057】
なお、ガスの直進成分に関しては、直進進行方向のガス流路6の断面積、最終的には、出口の断面積によって変化するが、スパイラル構造34がない場合と同じ、速度を持って混合部分に達する。
【0058】
したがって、本実施の形態の2流体ノズル31によれば、混合部10では、ガスの直進速度成分と回転速度成分のベクトル和で表される速度でガスが噴出することとなり、スパイラル構造344がない場合に比較して、回転成分が加わる分だけガスの流速を高めることができる。なお、本実施の形態では、ガスと液体がノズル内部で混合される内部混合形状としたが、混合部分は、内部混合および外部混合どちらであってもよい。
【0059】
加速されて速度が速くなった窒素ガスg1、g2は、混合部10において、インナーケース2の液体流出口9から放出される液体、本例では純水と混合する。この場合、円周方向の速度成分を有する窒素ガスg1、g2は、混合部10から供給される液体の側面方向から接触し、液体を液滴(ミスト)にする。窒素ガスを液体の側面方向から接触させるので、均一な径を有する液滴を発生させることができる。なお、液体は、純水に限らず、希フッ酸(フッ化水素酸水溶液)、SC-1(アンモニア水、過酸化水素水の混合液)、SC-2(塩酸、過酸化水素水の混合液)、O3水(オゾンガスを純水に溶解した液体)、有機溶剤などを用いても良い。
【0060】
発生した均一な径の液滴は、被洗浄物としてのウエハ表面に付着している異物粒子に直接衝突したり、最初にウエハ表面に衝突した後にウエハ表面に広がって異物粒子に衝突する。そして、この衝突により、ウエハ上の異物粒子に物理的な力が加わり、異物粒子はウエハ表面から除去される。
【0061】
他の実施の形態として、2流体ノズル1の先端部にラバール形状26を有するノズルを接続してもよい。図10に示すように、混合部10近傍の断面積が最も小さくなるようなスロート部27を有するラバール形状26のノズルを2流体ノズル1に接続する。このときの2流体ノズル1のガス流通路6の断面積eは、ガス供給口5側をe1、混合部10側をe2とすると、e1≧e2の関係になるように設定される。ガス供給口5より供給されたガスは、ガス流通路6内で加速され、ガス速度は、スロート部27若しくはその手前で音速を超える。ガスの速度がスロート部27で音速を超えている場合は、流路の断面積が増加するにつれて速度が増すという流体の性質により、混合部10で発生した液滴はラバール形状26内部でさらに加速された後に、被洗浄物に衝突する。また、液滴に回転力を付与せずにラバール形状26を通過させた場合に比較して、本実施の形態の液滴は、2流体ノズル1のスパイラル形状4で回転力を付与されているため、ラバール形状26を通過させることでさらに高い洗浄力を与えることができる。
【0062】
なお、予め、ガスに回転運動を与える機構を通過させた後に、テーパー構造等を通じてガスを加速させるような機構にしてもよい。また、ガスに回転運動を与える機構と、テーパー構造等の一部をオーバーラップさせるような機構にしてもよい。また、予め液体とガスを混合させてから、回転機構やテーパー構造を通す機構としてもよい。さらに、2流体ノズルへの液体の供給は、アウターカバーの外から行うようにしてもよい。
【0063】
図11は、本発明に係る2流体ノズル1を用いた洗浄装置20の概略図である。
洗浄装置20は、2流体ノズル1と、2流体ノズルに液体を供給するための純水供給装置21と、薬液供給装置22と、2流体ノズル1に噴射用のガスを供給するための窒素ガス供給配管23と、被洗浄物であるウエハ24を支持する洗浄チャンバー(図示せず)から構成される。なお、ウエハ24を固定する図示しないチャック部は、6本の円柱形状を有するピンを備え、下部にはチャック部を回転させるためのモータ駆動部との連結構造を備えている。
【0064】
図12に示すように、ウエハ24の水平面に対して、所定の角度を有するように2流体ノズル1を取り付ける。この角度は、ガスの流れ方向の速度と、スパイラル形状によって発生するガスの接線方向の速度との合成速度の成分が、ウエハ24の洗浄面に対して垂直となるような角度とする。このような角度で2流体ノズルを取り付けることで、ノズルから噴射されるガスの速度を最大にすることができる。
【0065】
また、図13に示すように、2流体ノズル1を、ノズル1の先端が、ウエハ24の回転方向に対して反対方向を向くように取り付ける。このようにウエハの回転方向に対して、反対方向にノズル1を取り付けることで、噴射されるガスの流れ方向の速度成分を最大限に利用することができる。この場合、2流体ノズル1は、ウエハ24の中心線上を移動するように配置するのが好ましい。
【0066】
ウエハ24の洗浄は、図14に示すプロセスフローに従って行われる。
まず、ステップ1において、洗浄するウエハ24を図示しないチェンバーにロード(支持)する。つぎに、ステップ2において、ウエハ24を所定の回転数で回転させた後、表面酸化剤、本例ではオゾン水(純水にオゾンガスを溶解した液体)を供給し、ウエハ24表面上に薄い酸化膜を生成する。オゾン水の供給は、通常のチューブノズルもしくは2流体ノズルを使用して行う。2流体ノズルを使ってオゾン水をウエハ24に向かって噴射すると、微小なオゾン水の液滴が高速でウエハ24表面に衝突する。この衝突による物理的な力によってウエハ24表面上の異物は除去され、オゾン水とともにウエハ24表面から流される。
【0067】
次に、ステップ3において、2流体ノズル1を使用して、ウエハ24に希フッ酸(DHF)を供給し、ウエハ24上に生成された酸化膜をエッチングする。液滴状にされた希フッ酸が、ウエハ24全体に供給されるように、2流体ノズル1をウエハ24上で移動させる。このとき、2流体ノズル1の先端部分が、ウエハ24の中心線上を移動するように制御することで、ノズルから噴射されるガスの流れ方向の速度成分を最大限に利用することができる。
なお、この工程で酸化膜は、必ずしも全てエッチングする必要はない。またフッ酸をウエハ24に供給して処理を行っている最中には、別のチューブノズルを使って純水(DIW)を同時に供給するようにしてもよい。
【0068】
2流体ノズル1から希フッ酸を噴射すると、噴射によって微小な希フッ酸水溶液の液滴が高速でウエハ24の表面に衝突する。この衝突による物理的な力によってウエハ24表面上の異物が除去され、ウエハ24表面のオゾン水と共に異物が流される。同時に、ウエハ24表面に生成された酸化膜は、希フッ酸によりエッチングされるため、異物とウエハ24表面の付着力が弱まり、効果的に異物を除去することができる。
【0069】
また、図15に示すように、2流体ノズル1で液滴を噴射しているウエハ24の近傍に、ウエハ24に純水を供給するチューブ25を設け、液滴の噴射が行われている部分の下流部に純水を供給する。
2流体ノズル1から噴射されるガスがウエハ24表面に衝突する部分やその周辺は、液膜が切れるという現象が生じ、液膜が切れた部分はウエハの表面が大気に触れることになるので、そこに異物が付着するという問題が発生する。そこで、チューブ25により、液膜切れが発生し易い部分に純水を供給することで、ウエハ24表面に異物が付着することを防ぐことができる。なお、チューブで供給する液体として、純水のほかに、2流体ノズル1で使用する処理用液体と同じものを用いてもよい。
【0070】
つぎに、ステップ4において、2流体ノズル1を用いて、純水をウエハ24の表面に噴射して純水リンスを行い、ウエハ24表面に残留している異物の除去を行う。その後、ステップ5において、ウエハ24の乾燥作業を行い、ウエハ24をチャンバー部から取り外して全工程の作業を終了する。
【0071】
なお、本発明に係る2流体ノズル1を用いる洗浄は、液体をウエハに供給する工程であれば、どの工程にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明に係る2流体ノズルの実施の形態を示す概略断面図である。
【図2】(a)2流体ノズルに設けられたガス供給口の位置を示す図である。(b)2流体ノズルに設けられたガス供給口の他の実施の形態を示す図である。
【図3】本発明に係る2流体ノズル内部におけるガスの流れを示す図である。
【図4】同心二重円管の斜視図である。
【図5】図4に示す同心二重円管をXX線で切断した際の概略断面図である。
【図6】2流体ノズルの内部に設けられたガス流通路の間隔を示す図である。
【図7】2流体ノズル内部のガスの回転半径を示す図である。
【図8】本発明に係る2流体ノズル内部のガスの回転半径を示す図である。
【図9】本発明に係る2流体ノズルの他の実施の形態を示す概略断面図である。
【図10】ラバール形状を有するノズルを接続した2流体ノズルの実施の形態を示す概略構成図である。
【図11】本発明に係る2流体ノズルを使用した洗浄装置を示す概略構成図である。
【図12】洗浄装置に取り付けた2流体ノズルの取り付け角度を示す図である。
【図13】ウエハの回転方向と2流体ノズルの取り付け向きの関係を示す図である。
【図14】ウエハの洗浄処理の処理フロー図である。
【図15】リンス用のチューブを設けた2流体ノズルを使用した洗浄装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【0073】
1、1’、31・・2流体ノズル、2・・インナーケース、3・・アウターカバー、4・・スパイラル構造、4a・・スパイラル山部、4b・・スパイラル溝部、5・・ガス供給口、6・・ガス流通路、7・・液体供給口、8・・液体通路部、9・・液体流出口、10・・混合部、11、11a、11b・・微小空間、20・・洗浄装置、21・・純水供給装置、22・・薬液供給装置、23・・N2供給配管、24・・ウエハ、25・・チューブ、26・・ラバール形状ノズル、27・・スロート部、34・・可変ピッチスパイラル構造、50・・同心二重円管、51・・内管、52・・外管、e・・断面積、g・・ガス
【技術分野】
【0001】
本発明は、2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置に関し、例えば、半導体ウエハや半導体マスク等に付着した不純物を洗浄するために使用する2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造工程において、シリコンウエハやフォトマスク等に付着した異物を除去する方法として、高圧ジェット洗浄やメガソニック洗浄を用いる方法が知られている。また、ジェットノズル内部に加圧したガスと液体とを混合する混合部を持ち、ここで発生させた微細な液滴をシリコンウエハ等に噴射して異物を高効率で洗浄し、かつ、ウエハ表面に設けられているパターン等の損傷を防ぐ2流体ジェット洗浄が知られている(特許文献1参照)。さらには、加圧したガスが液体を取り囲む渦巻き気流を形成するように構成されているものも知られている(特許文献2)。
【0003】
また、洗浄対象物に噴射する液滴の液滴径を均一にするための技術も知られている(特許文献3)。さらに、圧力を安定させて均一な液滴を供給するとともに噴射用ガスの使用量を抑えるために、ノズル内部に液体とガスのバッファ室を有する2流体ノズルを用いる洗浄方法が知られている(特許文献4参照)。
【特許文献1】特許3315611号
【特許文献2】特開2004−356317号
【特許文献3】特開2002−208579号
【特許文献4】特開2003−145064号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、高圧ジェット洗浄の場合は、半導体基板等に付着した1.0μm以下の異物粒子に対する除去率が低く、また、メガソニック洗浄の場合は、半導体基板等に対する物理的な力の影響が非常に大きいため、LSIやMEMSなどの微小構造体のパターンを有している基板を損傷してしまうという問題がある。
【0005】
また、洗浄対象物に液滴(ミスト)を噴射する際に、噴射口で渦巻き気流となるようにガスを加速する場合や、加速管等を用いてガスを加速する場合には、加速するための大量の噴射用ガスが必要となり、コストが増えるという問題がある。また、この場合には、2流体ノズル内部に加速管を配設する必要があるため、ノズル自体が大きくなり、その結果、洗浄装置全体が大きくなるという問題がある。
【0006】
また、液滴を発生させるための液体を供給する配管が、噴射用ガスの流れを妨げるように配置されている場合には、ガスが全体的に均一な圧力で液体と接することができないため、液滴の径の均一化を図ることができず、その結果、大きな液滴が発生して洗浄対象物であるウエハ基板に損傷を与えてしまうという問題がある。
【0007】
さらに、2流体ノズル内部に液体とガスのバッファ室を設ける構成とすると、構造上の理由から、バッファ室から液滴噴射口までの間に開閉バルブを設けることができないため、バッファ室内の残留圧力の影響により、液滴の供給・停止の制御を正確に行うことが難しくなるという問題がある。
【0008】
本発明は、上述の点を考慮し、液滴で被洗浄物を洗浄する際に使用する噴射用ガスの量を減らすとともに、微細で均一な液滴を形成することができる2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る2流体ノズルは、回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生するものである。
本発明に係る2流体ノズルは、ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とを具備した構成である。
【0010】
好ましくは、ガス流通路は、内部材と外部材により形成され、この外部材に前記スパイラル構造が設けられていることが適当である。
さらに好ましくは、スパイラル構造の頂点部と内部材との間に空間を有していることが適当である。
さらに好ましくは、スパイラルの直径が、混合部へ向けて小さくなることが適当である。
【0011】
本発明に係る洗浄装置は、回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生する2流体ノズルとを具備した構成である。
さらに好ましくは、2流体ノズルを、被洗浄物の表面に対して角度を有するように設けることが適当である。
【0012】
本発明に係る洗浄装置は、ガスと液滴とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とからなる2流体ノズルとを具備した構成である。
【0013】
本発明の2流体ノズル及びそれを用いた洗浄装置では、噴射用ガスの量を減らすことができる。また、微細で均一な液滴を形成できるので、洗浄対象物に損傷を与えることなく、効率よく洗浄対象物から異物を除去することができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明に係る2流体ノズルによれば、噴射用ガスの速度を加速して速くすることができるので、噴射用ガスの使用量を少なくすることができる。また、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にできるので、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去することができる。
【0015】
本発明に係る洗浄装置によれば、噴射用ガスの速度を加速して速くすることができるので、噴射用ガスの使用量を少なくすることができる。また、被洗浄物に噴射する液滴の径を均一にできるので、被洗浄物の表面に形成された素子等を破壊することなく、洗浄物の表面に付着している異物等を除去することができる。
また、本発明に係る洗浄装置によれば、ノズルから噴射される液滴の速度を最大にして、洗浄物表面に付着している異物等を除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る2流体ノズル1の概略構成の断面を示したものである。
図1に示すように、2流体ノズル1は、内部材としてのインナーケース2と外部材としてのアウターカバー3とから構成されている。インナーケース2を覆うようにアウターカバー3を設けることで、インナーケース2とアウターカバー3の間には、空間としてのガス流通路6が形成されている。アウターカバー3の内周面及び外周面は、インナーケース2の外周面と平行になるように、すなわちインナーケース2の円錐台形の周面に沿うように形成されている。ガス流通路6には、ガスを供給するためのガス供給口5と、ガスと液体とを混合する混合部10が設けられている。
【0017】
インナーケース2には、液体を供給するための液体供給口7と、液体供給口7から延びるように液体通路部8が形成され、この液体通路部8の先端に液体を放出するための液体流出口9が設けられている。液体流出口9の先には、ガスと液体とを混合する混合部10が存在する。また、液体通路部8は、インナーケース2の中心軸上に設けられている。インナーケース2は、頂部が混合部10に位置するような円錐台形状を有している。なお、インナーケース2の形状は、円錐台形に限らず、同心円からなる形状であって、混合部10へ向けて、その半径が同一半径を含む単調減少する形状であればよく、例えば、テーパーを有する形状のものであればよい。
【0018】
アウターカバー3の内側には、ガス流通路6に面して、スパイラル山部4aとスパイラル溝部4bからなるスパイラル形状が連続するスパイラル構造4が設けられている。ガス流通路6は、スパイラル山部4aの頂点部とインナーケース2の外周面部との間にできる空間部11aと、スパイラル溝部4bの空間部11bとで構成される微小な空間によって形成されている。すなわち、ガス流通路6の間隔11は、空間部11aと空間部11bの間隔を足し合わせたものになる。
【0019】
なお、スパイラル構造4は、インナーケース2側に設けてもよい。また、スパイラル構造は、インナーケース2とアウターカバー3の両方に設けてもよいが、この場合には、インナーケース2とアウターカバー3に設けられたそれぞれのスパイラル山部4aの頂点が互いに重ならないように、スパイラル構造を設ける必要がある。
【0020】
また、スパイラル形状の溝の数は、複数本に限らず、1本であってもよい。さらにスパイラルの数は、ガス流通路6の途中で増加、減少させてもよい。さらに、スパイラル溝部4bの断面形状は、三角形に限らず、半円形、楕円形、長円形、多角形状であってもよい。また、スパイラル形状の溝のピッチ幅は、一定である必要はなく不等間隔にしてもよい。例えば、スパイラル形状の溝のピッチ幅は、混合部10に向かって狭くなるように形成することができる。
【0021】
ガス流通路6の断面積eを求める場合には、ある一つのスパイラル山部4aの頂点部から隣接するスパイラル山部4aの頂点に至るまでのスパイラル軌跡に沿った断面積を求める必要があるが、本実施の形態では、図1に示すように、一つのスパイラル山部の頂点部4aからインナーケース2の中心軸方向へ垂線を下ろした際に形成される断面積を、ガス流通路6の断面積eと定義する。なお、ガスの流速を高めるために、ガス流通路6の断面積eが、混合部10へ近づくにつれて小さくなるように構成してもよい。
【0022】
さらに、ガスを回転させるために、インナーケース2もしくはアウターカバー3のいずれか一方を回転させるようにしてもよい。また、インナーケース2及びアウターカバー3を同時に回転させるようにしてもよい。この場合には、回転させる部材にガスを回転させるための効果的な突起を設けることが望ましい。
【0023】
図2は、図1に示すX−X線で2流体ノズル1を切断した際の概略断面図である。
図2aに示すように、ガス供給口5は、ガス流通路6内に供給された窒素(N2)ガスが回転する方向と反対方向に延長した部分に設けられている。ガス供給口5を設ける箇所は、2箇所に限られず、1箇所以上複数個所に設けてもよい。また、図2bに示すように、ガス供給口5は、ガス流通路6内に供給されたガスが回転する方向と垂直な方向の位置に設けてもよい。
【0024】
次に、図3〜図8に基づいて、本実施の形態に係る2流体ノズル1の動作について説明する。
2流体ノズル1に供給されたガスは、図3に示すようにスパイラル形状4に到達するガスg1とインナーケース2の円錐台形状の表面に沿って流れるガスg2に分かれる。なお、噴射用のガスとしては、窒素ガスに限らず、不活性ガスや反応性の低いガスを用いてもよい。
【0025】
スパイラル形状に到達したガスg1は、図に示す矢印g1’のようにスパイラル形状に設けられたスパイラル溝部4bに沿って流れ、スパイラルの溝に沿った円周方向の速度成分を得る。一方、インナーケース2の円錐形状の表面に沿って流れるガスg2は、供給された際に与えられた円周方向の速度成分を保ったまま円錐部に到達するが、ガスの粘性によって、スパイラル溝部4bを円周方向の速度を持って流れるガスg1の影響を受けることで回転する速度が増し、円周方向の速度成分を強めながら、かつ、ノズル先端方向へ向かう速度成分は維持したまま、混合部10に導かれる。なお、本実施の形態では、ガスと液体がノズルの内部で混合される内部混合形状としたが、混合部分は、内部混合および外部混合どちらであってもよい。
【0026】
次に、図4を用いて、ガスg2の速度が、ガスg1の影響を受けることによって加速される理由を詳細に説明する。
図4は、2流体ノズルの一部を構成する同心二重円管50の構造を示す斜視図である。同心二重円管50は、同じ中心軸を持つ内管51と外管52によって構成されている。ここでは、中心軸から外管52までの距離をa、中心軸から内管51の周面までの距離をbとし、中心軸から所定の距離を隔てた位置をrとする。また、スパイラル溝部の深さ、すなわちスパイラル山部の高さをDとし、隣接して設けられているスパイラル山部の頂点の距離(ピッチ間)をLとする。二重円管50の内部に示された矢印g1は、スパイラル構造により回転されるガスの流れを示し、矢印g2は、二重円管内を直進するガスの流れをしめす。
【0027】
図5は、図4に示す二重円管50を切断した際の断面図である。同心二重円管50は、スパイラル構造4を有さない部分Aと、スパイラル溝4を有している部分Bとから構成されている。
同心二重円管のスパイラル構造が存在しない部分Aにおける流速分布uは、一般的に円管内の中心線から距離をr(b<r<aの範囲で変動)とすると以下の数1で表されることが知られている。
【0028】
【数1】
【0029】
ここで、μは液体の粘性、dP/dxは定数である。
上記の式はuとrの放物線の2次関数であり、この式から同心二重円管内の流速分布uは、図4に示す点、c、c’、c”に示すような分布となり、スパイラル山部の頂点付近(線分A-A’)を境に内周部は配管の中心線方向に流れ、外周部はスパイラル構造によって決定された角度θにしたがって回転しながら吐出口に向かって進んでいく。
【0030】
また、さらに式(1)をrについて微分し解き、軸方向最大となる条件を求めると下記の数2に示すrの値を得ることができる。
【0031】
【数2】
【0032】
これはrがこの値を取る部分で同心二重円管内では最も速い流速(umaxとする)となることを示している。
【0033】
次に、同心二重円管50のスパイラル構造が存在する部分Bについて、スパイラル部分を通って流れる流体と内側の管に沿って流れる流体の境界部分でそれぞれの流体のすべり面が発生しない場合(一体化して流れる場合、つまり、流体が配管内をきれいに旋回しながら流れる場合)を考える。
同心二重円管には、隣り合うスパイラル山の間隔(ピッチ)がLで、外側の配管内壁から高さDのスパイラル山部を有するスパイラル構造が形成されている。
スパイラル山部の頂点付近において、中心軸に沿った方向の速度成分uで流体が流れるとすると、距離Lの間隔を流れる間に中心線からの半径a−Dのスパイラル構造にしたがって流体は1周しなければならない。この場合、中心軸に直角な回転速度成分ωは、下記の数3で表される。
【0034】
【数3】
【0035】
スパイラル山部の頂点付近では、中心軸方向に進む流れの速度成分uと、スパイラル形状によって発生する円周方向の流れの速度成分ωによって合成された速度vxが発生する。速度vxは、下記のような数4で表される(図4(b)参照)。
【0036】
【数4】
【0037】
数1と数3の両式から、数5が導かれ、スパイラル山部の高さDとした時のその山近傍の流体の速度を見積もることができる。
【0038】
【数5】
【0039】
ここでスパイラル山部の高さDが小さすぎると数1の流速分布の式からも判るようにスパイラルの溝の山付近の流速uが小さくなり、数3より同時にωも小さくなる、そのため、uとωの合成速度が得られたとしても、スパイラル構造がない場合の数1および数2で決まる、管内の流体の最大速度umaxより速度の絶対値が小さくなり、流体の速度を向上させる効果がない。Dが大きすぎても同じ理由から流速を高めることができない。これらを踏まえてスパイラル構造の利点を生かし流体を加速するための最適な溝の深さは、数2で決まるrの半径のところから外側にスパイラル山部が形成されている場合である。また、少なくとも流体の速度を向上させるスパイラル山部の高さは、数5で得られたvx>umaxになるようなrの値の範囲に設定すればよいことが解る。
なお、同心二重円管50の寸法a、bが同じでも、使用する流体の粘性により最適なスパイラル山部の高さは変化していくが、粘性を持つすべての流体において前述した方法で最適値を算出することができる。
【0040】
次に、ガス流通路6の間隔11とスパイラル山部11bの間隔との関係を考察し、最適なガス流通路6の構成を求める。
図6aは、図3に示した2流体ノズル1を示す。また、図6bは、図6aに示された2流体ノズル1をY−Y線に従って切断したものである。切断面Aは、共通の垂線で、平行に配置されたインナーケース2の外周面とアウターケース3の内壁面を切断したものである。 この切断面Aは、図5に示した同心二重同心円管50を垂線で切断したものと同じ関係となっている。
【0041】
図6bに示すように、インナーケース2の中心軸からインナーケースの外周面までの距離(同心円内径)をA3、インナーケースの中心軸からスパイラル山部4aの頂点列までの距離をA2、インナーケース2の中心軸からアウターカバー3の内壁面までの距離(同心円外径)をA3とすると、ガス流通路6の間隔11は、A1(同心円外径)−A3(同心円内径)で求められる。ガス流通路6の間隔11と、スパイラル山部4aの高さ、すなわちスパイラル溝部4bの高さ11bとの最適な関係を求めることによって、ガスg2の直進成分が通過する空間部11aの最適な間隔も求めることができる。
【0042】
ここで、2流体ノズル1の内径A3と外径A1の差、すなわちガス流通路6の間隔11が2.5〜5[mm]となるように、同心円外径A1の半径 を12.5[mm]〜30[mm]の範囲で、同心円内径A3の半径を10[mm]〜27.5[mm]の範囲で設定し、2流体ノズル1を構成する。
ここで、ガス流通路6の間隔11が5[mm]の時、この差の値を100とすると、スパイラル溝部4bの間隔11bは、30〜70が最適の範囲となる。また、ガス流通路6の間隔11が3[mm]の時、この差の値を100とするとスパイラル溝部4bの間隔11bは、37〜64が最適の範囲となる。さらに、ガス流通路6の間隔11が2.5[mm]の時、この差の値を100とすると、スパイラル溝部4bの間隔は40〜62が指摘の範囲となる。
【0043】
上記のようにガス流通路6の最適な間隔11とスパイラル溝部4bの間隔11b(溝の高さD)の最適範囲は、インナーケース2の外周面とアウターカバー3の内壁面の差、すなわち外径と内径の半径、すなわちガス流通路6の間隔11によってのみ定まる。したがって、外径の半径が30[mm]、内径の半径が25[mm]の場合も、外径の半径が15[mm]、内径の半径が10[mm]の場合も、ガス流通路6の間隔11は同じ5[mm]となるので、スパイラル山部4aの高さ11bの最適な範囲は同じとなる。すなわり、スパイラル山4aの高さ11b(スパイラル溝4bの深さ)は、二重同心円を形成するインナーカバー2とアウターカバー3で形成するガス流通路6の間隔11の30%〜70%となるように形成すればよい。
【0044】
なお、上記のデータからも明らかなように、ガス流通路6の間隔11が大きくなれば、スパイラル山4aの高さ11bの適用範囲は広くなるが、2流体ノズル1の外径を決める際には、2流体ノズル自体の大きさを小さくする必要があること、インナーケース2はテーパー形状とする必要があること、インナーケース2におけるガス供給口5側の半径と混合部10側との半径の差をつける必要があることなどを考慮して、2流体ノズル1の外径は所定の範囲内にする必要がある。
【0045】
図7に示すように、スパイラル構造4を有していない2流体ノズル1’において、インナーケース2の中心軸とアウターカバー3の内壁面との距離をガスの回転半径rと定義する。気体の密度m(一定として)、ガス供給口側5での回転の接線方向速度V0、その部分での回転半径r0、混合部10側における回転の接線方向速度V1、回転半径r1とすると、角運動量保存の式(角運動量I=mrv:[質量(気体の密度)]×[回転半径]×[(接線方向)速度])により、下記の数6の関係となり、回転の接線方向の速度が回転半径の比に応じて加速され、r0>r1の場合、混合部10側の回転の接線方向の速度V1が、ガス供給口5側での回転の接線方向速度V0よりも速くなる。
【0046】
【数6】
【0047】
同様に、図8に示すように、スパイラル構造4を有している2流体ノズル1において、
ガスの回転半径r’を、インナーケース2の中心軸とスパイラル山部4aの頂点との距離とする。
この場合、インナーケース2のガス供給口側5での回転の接線方向速度V0’、その部分での回転半径r0’、混合部10側における回転の接線方向速度V1’、回転半径r1’すると、運動量保存の法則により、下記の数7の関係となり、
となり、r0’>r1’の場合、混合部10側の接線方向の速度V1’がガス供給口5側での回転の接線方向速度V0’よりも速くなる。
【0048】
【数7】
【0049】
本実施の形態のインナーケース2は、その直径が混合部10へ近づくにつれて小さくなるようなテーパー形状を有しており、アウターカバー3は、インナーケース2に沿うように形成されているので、回転半径の関係はr0’>r1’となる。したがって、回転方向に速度を持つガスg1の速度は、混合部10へ近づくにつれて速くなる。
【0050】
従って、本実施の形態に係る2流体ノズル1によれば、混合部10においてガスの直進速度成分と回転速度成分のベクトル和で表される速度でガスが噴出することとなり、スパイラル構造4がない場合に比較して、回転成分が加わる分だけガスの流速を高めることができる。また、加速されて速度が速くなった窒素ガスg1、g2は、混合部10において、インナーケース2の液体流出口9から放出される液体と側面方向から接触し、液体を液滴(ミスト)にするので、均一な径を有する液滴を発生させることができる。また、発生した均一な径の液滴をウエハ上の異物粒子に衝突させることにより、異物粒子をウエハ表面から除去することができる。
【0051】
図9は、本発明の他の実施の形態に係る2流体ノズル31の概略構成を示したものである。
図9に示すように、2流体ノズル31は、内部材としてのインナーケース32と外部材としてのアウターカバー33とから構成されている。インナーケース32とアウターケース33との間にはガス流通路6が形成されており、ガス流通路6にはガス供給口5と混合部10が設けられている。インナーケース32には、液体供給口7と、液体通路部8と、液体流出口9が設けられ、液体流出口9の先には混合部10が存在する。
【0052】
インナーケース32は、一定の長さでガス流通路6に沿って円柱形状となっており、その後混合部10に向けて円錐台形状となるように一体に形成されている。ガス流通路6に面したアウターカバー33の内側には、スパイラル形状が連続するスパイラル構造34が形成されている。スパイラル構造34は、インナーケース32の円柱形状に対向する部分に設けられている。また、本実施の形態のスパイラル構造34は、混合部10へ向かうにつれて、ピッチの間隔が短くなる可変ピッチスパイラル構造となっている。
【0053】
インナーケース32の中心軸線と、アウターカバー33の内壁面との距離を半径rとすると、インナーケース32の円柱形状と円錐台形状とが連続する部分の半径はr0となり、混合部側10の半径はr1となる。
【0054】
ノズル31に、窒素ガスが円周方向に向けて供給されると、図に示すようにガスはスパイラル構造34に到達するガスg1とインナーケース32の円柱形状の表面に沿って流れるガスg2に分かれる。スパイラル構造34に到達したガスg1は、スパイラル形状に設けられたスパイラル溝造34に沿って流れ、スパイラル溝部4bに沿った円周方向の速度成分を得る。このスパイラルは、元々のガスの流れを大きく妨げて流路抵抗とならないように、ガス流入側でスパイラル溝のピッチ(一回転するために必要な長さ)が大きく、混合部10に向かってピッチが小さくなるようになっている。この構造によって、スパイラル溝4bに沿って流れるガスの回転速度は、出口に向かって効率よく加速される。
【0055】
一方、インナーケース32の直線部表面に沿って流れるガスg2は、供給された際に与えられた円周方向の速度成分を保ったまま、混合部10方向に進んでいくが、スパイラルの溝4bに沿い流れることで円周方向の速度成分を次第に増加させていくガスg1の影響によって、ガスg2も出口方向に進む速度を保ったまま、回転方向の速度成分が増加していく。ガスg1とg2は円錐台部に到達すると合流し、直進速度と回転速度を持つため旋回しながら円錐台形状に沿って流れていく。円錐台の半径が小さくなると、ガスの回転方向成分は、角運動量保存の法則に支配されるため、角速度(回転速度)が速くなる。この速度の増加は、円錐台の流入口の半径と円錐台の出口部分(混合部)の半径の比によって決まり、理想的には、円錐台の太い部分での回転の接線方向速度V0、その部分での回転半径r0、出口(円錐台の細い部分で、混合部)における回転の接線方向速度V1、出口の回転半径r1とすると、角運動量保存則(角運動量:I=mrv=[質量(気体の密度)]×[回転半径]×[(接線方向)速度]:一定)より、下記の数8のように、円錐台部分の上面と下面に相当する部分の半径の比によってガスの回転速度(接線方向)が加速されて速くなる。
【0056】
【数8】
【0057】
なお、ガスの直進成分に関しては、直進進行方向のガス流路6の断面積、最終的には、出口の断面積によって変化するが、スパイラル構造34がない場合と同じ、速度を持って混合部分に達する。
【0058】
したがって、本実施の形態の2流体ノズル31によれば、混合部10では、ガスの直進速度成分と回転速度成分のベクトル和で表される速度でガスが噴出することとなり、スパイラル構造344がない場合に比較して、回転成分が加わる分だけガスの流速を高めることができる。なお、本実施の形態では、ガスと液体がノズル内部で混合される内部混合形状としたが、混合部分は、内部混合および外部混合どちらであってもよい。
【0059】
加速されて速度が速くなった窒素ガスg1、g2は、混合部10において、インナーケース2の液体流出口9から放出される液体、本例では純水と混合する。この場合、円周方向の速度成分を有する窒素ガスg1、g2は、混合部10から供給される液体の側面方向から接触し、液体を液滴(ミスト)にする。窒素ガスを液体の側面方向から接触させるので、均一な径を有する液滴を発生させることができる。なお、液体は、純水に限らず、希フッ酸(フッ化水素酸水溶液)、SC-1(アンモニア水、過酸化水素水の混合液)、SC-2(塩酸、過酸化水素水の混合液)、O3水(オゾンガスを純水に溶解した液体)、有機溶剤などを用いても良い。
【0060】
発生した均一な径の液滴は、被洗浄物としてのウエハ表面に付着している異物粒子に直接衝突したり、最初にウエハ表面に衝突した後にウエハ表面に広がって異物粒子に衝突する。そして、この衝突により、ウエハ上の異物粒子に物理的な力が加わり、異物粒子はウエハ表面から除去される。
【0061】
他の実施の形態として、2流体ノズル1の先端部にラバール形状26を有するノズルを接続してもよい。図10に示すように、混合部10近傍の断面積が最も小さくなるようなスロート部27を有するラバール形状26のノズルを2流体ノズル1に接続する。このときの2流体ノズル1のガス流通路6の断面積eは、ガス供給口5側をe1、混合部10側をe2とすると、e1≧e2の関係になるように設定される。ガス供給口5より供給されたガスは、ガス流通路6内で加速され、ガス速度は、スロート部27若しくはその手前で音速を超える。ガスの速度がスロート部27で音速を超えている場合は、流路の断面積が増加するにつれて速度が増すという流体の性質により、混合部10で発生した液滴はラバール形状26内部でさらに加速された後に、被洗浄物に衝突する。また、液滴に回転力を付与せずにラバール形状26を通過させた場合に比較して、本実施の形態の液滴は、2流体ノズル1のスパイラル形状4で回転力を付与されているため、ラバール形状26を通過させることでさらに高い洗浄力を与えることができる。
【0062】
なお、予め、ガスに回転運動を与える機構を通過させた後に、テーパー構造等を通じてガスを加速させるような機構にしてもよい。また、ガスに回転運動を与える機構と、テーパー構造等の一部をオーバーラップさせるような機構にしてもよい。また、予め液体とガスを混合させてから、回転機構やテーパー構造を通す機構としてもよい。さらに、2流体ノズルへの液体の供給は、アウターカバーの外から行うようにしてもよい。
【0063】
図11は、本発明に係る2流体ノズル1を用いた洗浄装置20の概略図である。
洗浄装置20は、2流体ノズル1と、2流体ノズルに液体を供給するための純水供給装置21と、薬液供給装置22と、2流体ノズル1に噴射用のガスを供給するための窒素ガス供給配管23と、被洗浄物であるウエハ24を支持する洗浄チャンバー(図示せず)から構成される。なお、ウエハ24を固定する図示しないチャック部は、6本の円柱形状を有するピンを備え、下部にはチャック部を回転させるためのモータ駆動部との連結構造を備えている。
【0064】
図12に示すように、ウエハ24の水平面に対して、所定の角度を有するように2流体ノズル1を取り付ける。この角度は、ガスの流れ方向の速度と、スパイラル形状によって発生するガスの接線方向の速度との合成速度の成分が、ウエハ24の洗浄面に対して垂直となるような角度とする。このような角度で2流体ノズルを取り付けることで、ノズルから噴射されるガスの速度を最大にすることができる。
【0065】
また、図13に示すように、2流体ノズル1を、ノズル1の先端が、ウエハ24の回転方向に対して反対方向を向くように取り付ける。このようにウエハの回転方向に対して、反対方向にノズル1を取り付けることで、噴射されるガスの流れ方向の速度成分を最大限に利用することができる。この場合、2流体ノズル1は、ウエハ24の中心線上を移動するように配置するのが好ましい。
【0066】
ウエハ24の洗浄は、図14に示すプロセスフローに従って行われる。
まず、ステップ1において、洗浄するウエハ24を図示しないチェンバーにロード(支持)する。つぎに、ステップ2において、ウエハ24を所定の回転数で回転させた後、表面酸化剤、本例ではオゾン水(純水にオゾンガスを溶解した液体)を供給し、ウエハ24表面上に薄い酸化膜を生成する。オゾン水の供給は、通常のチューブノズルもしくは2流体ノズルを使用して行う。2流体ノズルを使ってオゾン水をウエハ24に向かって噴射すると、微小なオゾン水の液滴が高速でウエハ24表面に衝突する。この衝突による物理的な力によってウエハ24表面上の異物は除去され、オゾン水とともにウエハ24表面から流される。
【0067】
次に、ステップ3において、2流体ノズル1を使用して、ウエハ24に希フッ酸(DHF)を供給し、ウエハ24上に生成された酸化膜をエッチングする。液滴状にされた希フッ酸が、ウエハ24全体に供給されるように、2流体ノズル1をウエハ24上で移動させる。このとき、2流体ノズル1の先端部分が、ウエハ24の中心線上を移動するように制御することで、ノズルから噴射されるガスの流れ方向の速度成分を最大限に利用することができる。
なお、この工程で酸化膜は、必ずしも全てエッチングする必要はない。またフッ酸をウエハ24に供給して処理を行っている最中には、別のチューブノズルを使って純水(DIW)を同時に供給するようにしてもよい。
【0068】
2流体ノズル1から希フッ酸を噴射すると、噴射によって微小な希フッ酸水溶液の液滴が高速でウエハ24の表面に衝突する。この衝突による物理的な力によってウエハ24表面上の異物が除去され、ウエハ24表面のオゾン水と共に異物が流される。同時に、ウエハ24表面に生成された酸化膜は、希フッ酸によりエッチングされるため、異物とウエハ24表面の付着力が弱まり、効果的に異物を除去することができる。
【0069】
また、図15に示すように、2流体ノズル1で液滴を噴射しているウエハ24の近傍に、ウエハ24に純水を供給するチューブ25を設け、液滴の噴射が行われている部分の下流部に純水を供給する。
2流体ノズル1から噴射されるガスがウエハ24表面に衝突する部分やその周辺は、液膜が切れるという現象が生じ、液膜が切れた部分はウエハの表面が大気に触れることになるので、そこに異物が付着するという問題が発生する。そこで、チューブ25により、液膜切れが発生し易い部分に純水を供給することで、ウエハ24表面に異物が付着することを防ぐことができる。なお、チューブで供給する液体として、純水のほかに、2流体ノズル1で使用する処理用液体と同じものを用いてもよい。
【0070】
つぎに、ステップ4において、2流体ノズル1を用いて、純水をウエハ24の表面に噴射して純水リンスを行い、ウエハ24表面に残留している異物の除去を行う。その後、ステップ5において、ウエハ24の乾燥作業を行い、ウエハ24をチャンバー部から取り外して全工程の作業を終了する。
【0071】
なお、本発明に係る2流体ノズル1を用いる洗浄は、液体をウエハに供給する工程であれば、どの工程にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明に係る2流体ノズルの実施の形態を示す概略断面図である。
【図2】(a)2流体ノズルに設けられたガス供給口の位置を示す図である。(b)2流体ノズルに設けられたガス供給口の他の実施の形態を示す図である。
【図3】本発明に係る2流体ノズル内部におけるガスの流れを示す図である。
【図4】同心二重円管の斜視図である。
【図5】図4に示す同心二重円管をXX線で切断した際の概略断面図である。
【図6】2流体ノズルの内部に設けられたガス流通路の間隔を示す図である。
【図7】2流体ノズル内部のガスの回転半径を示す図である。
【図8】本発明に係る2流体ノズル内部のガスの回転半径を示す図である。
【図9】本発明に係る2流体ノズルの他の実施の形態を示す概略断面図である。
【図10】ラバール形状を有するノズルを接続した2流体ノズルの実施の形態を示す概略構成図である。
【図11】本発明に係る2流体ノズルを使用した洗浄装置を示す概略構成図である。
【図12】洗浄装置に取り付けた2流体ノズルの取り付け角度を示す図である。
【図13】ウエハの回転方向と2流体ノズルの取り付け向きの関係を示す図である。
【図14】ウエハの洗浄処理の処理フロー図である。
【図15】リンス用のチューブを設けた2流体ノズルを使用した洗浄装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【0073】
1、1’、31・・2流体ノズル、2・・インナーケース、3・・アウターカバー、4・・スパイラル構造、4a・・スパイラル山部、4b・・スパイラル溝部、5・・ガス供給口、6・・ガス流通路、7・・液体供給口、8・・液体通路部、9・・液体流出口、10・・混合部、11、11a、11b・・微小空間、20・・洗浄装置、21・・純水供給装置、22・・薬液供給装置、23・・N2供給配管、24・・ウエハ、25・・チューブ、26・・ラバール形状ノズル、27・・スロート部、34・・可変ピッチスパイラル構造、50・・同心二重円管、51・・内管、52・・外管、e・・断面積、g・・ガス
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生することを特徴とする2流体ノズル。
【請求項2】
ガスと液体とを混合する混合部と、
前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、
前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造と、
を備えたことを特徴とする2流体ノズル。
【請求項3】
前記ガス流通路は、内部材と外部材により形成され、この外部材に前記スパイラル構造が設けられていることを特徴とする請求項2記載の2流体ノズル。
【請求項4】
前記スパイラル構造の頂点部と前記内部材との間に空間を有していることを特徴とする請求項3記載の2流体ノズル。
【請求項5】
前記内部材は、内部に液体通路部を有していることを特徴とする請求項4記載の2流体ノズル。
【請求項6】
前記内部材は、前記混合部に向けて頂点を有する円錐形状であることを特徴とする請求項5記載の2流体ノズル。
【請求項7】
前記スパイラル構造の直径が、前記混合部へ向けて小さくなることを特徴とする請求項2、3、4、5又は6記載の2流体ノズル。
【請求項8】
前記スパイラル構造のピッチ間が、前記混合部へ向けて狭くなることを特徴とする請求項2,3,4、5又は6記載の2流体ノズル。
【請求項9】
回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生する2流体ノズルを備えた洗浄装置。
【請求項10】
前記2流体ノズルを、被洗浄物の表面に対して角度を有するように設けたことを特徴とする請求項9記載の洗浄装置。
【請求項11】
ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、
前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とからなる2流体ノズルを備えた洗浄装置。
【請求項1】
回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生することを特徴とする2流体ノズル。
【請求項2】
ガスと液体とを混合する混合部と、
前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、
前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造と、
を備えたことを特徴とする2流体ノズル。
【請求項3】
前記ガス流通路は、内部材と外部材により形成され、この外部材に前記スパイラル構造が設けられていることを特徴とする請求項2記載の2流体ノズル。
【請求項4】
前記スパイラル構造の頂点部と前記内部材との間に空間を有していることを特徴とする請求項3記載の2流体ノズル。
【請求項5】
前記内部材は、内部に液体通路部を有していることを特徴とする請求項4記載の2流体ノズル。
【請求項6】
前記内部材は、前記混合部に向けて頂点を有する円錐形状であることを特徴とする請求項5記載の2流体ノズル。
【請求項7】
前記スパイラル構造の直径が、前記混合部へ向けて小さくなることを特徴とする請求項2、3、4、5又は6記載の2流体ノズル。
【請求項8】
前記スパイラル構造のピッチ間が、前記混合部へ向けて狭くなることを特徴とする請求項2,3,4、5又は6記載の2流体ノズル。
【請求項9】
回転することにより加速したガスと液体とを混合して液滴を発生する2流体ノズルを備えた洗浄装置。
【請求項10】
前記2流体ノズルを、被洗浄物の表面に対して角度を有するように設けたことを特徴とする請求項9記載の洗浄装置。
【請求項11】
ガスと液体とを混合する混合部と、前記ガスを前記混合部へ導くガス流通路と、
前記ガス流通路に設けられた前記ガスを回転させるためのスパイラル構造とからなる2流体ノズルを備えた洗浄装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【公開番号】特開2006−247619(P2006−247619A)
【公開日】平成18年9月21日(2006.9.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−71571(P2005−71571)
【出願日】平成17年3月14日(2005.3.14)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年9月21日(2006.9.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年3月14日(2005.3.14)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
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