特許 7032815 基板の洗浄方法及び洗浄装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-01

(45)【発行日】2022-03-09

(54)【発明の名称】基板の洗浄方法及び洗浄装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20220302BHJP

【ＦＩ】

H01L21/304 648G

H01L21/304 643D

H01L21/304 642E

【請求項の数】 70

(21)【出願番号】P 2019515436

(86)(22)【出願日】2016-09-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-10-17

(86)【国際出願番号】 CN2016099428

(87)【国際公開番号】W WO2018053678

(87)【国際公開日】2018-03-29

【審査請求日】2019-08-27

(73)【特許権者】

【識別番号】510005650

【氏名又は名称】エーシーエム リサーチ （シャンハイ） インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】特許業務法人梶・須原特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ワン フゥイ

(72)【発明者】

【氏名】ワン シー

(72)【発明者】

【氏名】チェン フーピン

(72)【発明者】

【氏名】チェン フーファ

(72)【発明者】

【氏名】ワン ジェン

(72)【発明者】

【氏名】ヂャン シァオイェン

(72)【発明者】

【氏名】ジン イーヌオ

(72)【発明者】

【氏名】ジァ ヂャオウェイ

(72)【発明者】

【氏名】ワン ジュン

(72)【発明者】

【氏名】リー シュエジュン

【審査官】堀江 義隆

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１２－５２２３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２８９５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５１３５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パターン構造の複数の特徴部位を有する半導体ウエハを洗浄する方法であって、
前記半導体ウエハに液体を塗布し、
タイマーに基づいて、気泡内破が発生する所定の第一期間にわたって音響エネルギーを前記液体に供給するように、トランスデューサの電源を、第一周波数および第一電力レベルに制御し、
音響エネルギーを前記液体に供給するための前記トランスデューサの前記電源を、前記タイマーに基づいて、所定の第二期間にわたって、第二周波数および第二電力レベルに制御するステップと、
所定のサイクル数の間、前記第一および第二期間が交互に適用され、
前記音響エネルギーを供給したことにより前記特徴部位が損傷を受けないように、前記第一期間と第二期間、前記第一電力レベルと第二電力レベル、および、前記第一周波数と第二周波数とを決定し、
Ｔ_ｎを所定サイクル後の気泡の最高温度とし、Ｔ_ｄを、パターン構造が損傷する高い強度の内破を引き起こす気泡温度とした場合、Ｔ_ｎをＴ_ｄより低く制御することによって、気泡内破の内破強度を、パターン構造が損傷する強度よりも低い状態に制御することを特徴とする方法。

【請求項2】

パターン構造の複数の特徴部位を有する半導体ウエハを洗浄する方法であって、
前記半導体ウエハに液体を塗布し、
タイマーに基づいて、気泡内破が発生する所定の第一期間にわたって音響エネルギーを前記液体に供給するように、トランスデューサの電源を、第一周波数および第一電力レベルに制御し、
音響エネルギーを前記液体に供給するための前記トランスデューサの前記電源を、前記タイマーに基づいて、所定の第二期間にわたって、第二周波数および第二電力レベルに制御するステップと、
所定のサイクル数の間、前記第一および第二期間が交互に適用され、
前記音響エネルギーを供給したことにより前記特徴部位が損傷を受けないように、前記第一期間と第二期間、前記第一電力レベルと第二電力レベル、および、前記第一周波数と第二周波数とを決定し、
Ｔ_ｉを内破温度とし、Ｔ_０を液体温度とし、ΔＴを前記気泡が一回圧縮された後の温度上昇とし、δＴを前記気泡が一回膨張させられた後の温度下降とし、ｆ_１を前記第一周波数として、前記第一期間は、（（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１）／ｆ_１よりも短いことを特徴とする方法。

【請求項3】

前記第二電力レベルは前記第一電力レベルより低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記第二電力レベルがゼロであることを特徴とする請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記第二周波数は前記第一周波数より低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項6】

前記第二期間における音響エネルギーは、前記第一期間における音響エネルギーと逆位相であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項7】

前記第一周波数は前記第二周波数に等しく、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルより高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項8】

前記第一周波数は前記第二周波数より高く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルより高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項9】

前記第一周波数は前記第二周波数より低く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルに等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項10】

前記第一周波数は前記第二周波数より低く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルよりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項11】

前記第一周波数は前記第二周波数より低く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルよりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項12】

前記第一電力レベルは、前記第一期間中に上がることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項13】

前記第一電力レベルは、前記第一期間中に下がることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項14】

前記第一電力レベルは、前記第一期間中に上がること及び下がることの両方が生じることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項15】

前記第一周波数は、前記第一期間中に高い値から低い値に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項16】

前記第一周波数は、前記第一期間中に低い値から高い値に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項17】

前記第一周波数は、前記第一期間中に低い値から高い値に変化し、その後前記低い値に戻ることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項18】

前記第一周波数は、前記第一期間中に高い値から低い値に変化し、その後前記高い値に戻ることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項19】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_１に設定され、その後ｆ_３に設定され、最後にｆ_４に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項20】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_４に設定され、その後ｆ_３に設定され、最後にｆ_１に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項21】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_１に設定され、その後ｆ_４に設定され、最後にｆ_３に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項22】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_３に設定され、その後ｆ_４に設定され、最後にｆ_１に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項23】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_３に設定され、その後ｆ_１に設定され、最後にｆ_４に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項24】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_４に設定され、その後ｆ_１に設定され、最後にｆ_３に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項25】

前記第二期間において前記第二周波数はゼロであり、前記第二電力レベルは一定の正の値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項26】

前記第二期間において前記第二周波数はゼロであり、前記第二電力レベルは一定の負の値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項27】

前記特徴部位は、深さ対幅の比が少なくとも３であるビアホールまたはトレンチを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項28】

前記半導体ウエハの装置製造ノードが１６ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項29】

音響エネルギーが供給されるとき、前記トランスデューサに対して前記ウエハを回転させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項30】

前記特徴部位は、前記第一期間における気泡の膨張によって損傷されないことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項31】

前記第二期間において気泡内部の温度が低下することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項32】

前記第二期間において前記気泡内部の温度が前記液体の温度近傍まで低下することを特徴とする請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記第一期間は、第一周波数の一サイクル期間の２，０００倍より短いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項34】

パターン構造の複数の特徴部位を有する半導体ウエハを洗浄する装置であって、
前記半導体ウエハを保持するように構成されたウエハホルダと、
前記半導体ウエハに液体を塗布するように構成された注入口と、
音響エネルギーを液体に供給するように構成されたトランスデューサと、
前記トランスデューサの電源と、
タイマーを備えた電源用制御装置とを備え、前記制御装置は前記タイマーに基づいて前記トランスデューサを制御することにより、
気泡内破が発生する所定の第一期間にわたって、第一周波数および第一電力レベルで音響エネルギーを前記液体に供給し、
所定の第二期間にわたって、第二周波数および第二電力レベルで、音響エネルギーを前記液体に供給するように構成され、
前記制御装置は、所定のサイクル数の間、前記第一期間および第二期間を交互に適用するように構成されており、
前記音響エネルギーを供給したことにより前記特徴部位が損傷を受けないように、前記第一期間と第二期間、前記第一電力レベルと第二電力レベル、および、前記第一周波数と第二周波数とを決定し、
Ｔ_ｎを所定サイクル後の気泡の最高温度とし、Ｔ_ｄを、パターン構造が損傷する高い強度の内破を引き起こす気泡温度とした場合、Ｔ_ｎをＴ_ｄより低く制御することによって、気泡内破の内破強度を、パターン構造が損傷する強度よりも低い状態に制御することを特徴とする装置。

【請求項35】

パターン構造の複数の特徴部位を有する半導体ウエハを洗浄する装置であって、
前記半導体ウエハを保持するように構成されたウエハホルダと、
前記半導体ウエハに液体を塗布するように構成された注入口と、
音響エネルギーを液体に供給するように構成されたトランスデューサと、
前記トランスデューサの電源と、
タイマーを備えた電源用制御装置とを備え、前記制御装置は前記タイマーに基づいて前記トランスデューサを制御することにより、
気泡内破が発生する所定の第一期間にわたって、第一周波数および第一電力レベルで音響エネルギーを前記液体に供給し、
所定の第二期間にわたって、第二周波数および第二電力レベルで、音響エネルギーを前記液体に供給するように構成され、
前記制御装置は、所定のサイクル数の間、前記第一期間および第二期間を交互に適用するように構成されており、
前記音響エネルギーを供給したことにより前記特徴部位が損傷を受けないように、前記第一期間と第二期間、前記第一電力レベルと第二電力レベル、および、前記第一周波数と第二周波数とを決定し、
Ｔｉを内破温度とし、Ｔ_０を液体温度とし、ΔＴを前記気泡が一回圧縮された後の温度上昇とし、δＴを前記気泡が一回膨張させられた後の温度下降とし、ｆ_１を前記第一周波数として、前記第一期間は、（（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１）／ｆ_１よりも短いことを特徴とする装置。

【請求項36】

ウエハホルダは回転チャックを備えることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項37】

ウエハホルダは洗浄タンクに沈められたカセットを備えることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項38】

前記注入口はノズルを備えていることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項39】

前記トランスデューサが前記注入口に接続され、前記注入口を流れる前記液体に音響エネルギーを加えることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項40】

前記第二電力レベルは前記第一電力レベルより低いことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項41】

前記第二電力レベルがゼロであることを特徴とする請求項４０に記載の装置。

【請求項42】

前記第二周波数は前記第一周波数より低いことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項43】

前記第二期間における音響エネルギーは、前記第一期間における音響エネルギーと逆位相であることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項44】

前記第一周波数は前記第二周波数に等しく、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルより高いことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項45】

前記第一周波数は前記第二周波数より高く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルより高いことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項46】

前記第一周波数は前記第二周波数より低く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルに等しいことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項47】

前記第一周波数は前記第二周波数より低く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルよりも高いことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項48】

前記第一周波数は前記第二周波数より低く、前記第一電力レベルは前記第二電力レベルよりも低いことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項49】

前記第一電力レベルは、前記第一期間中に上がることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項50】

前記第一電力レベルは、前記第一期間中に下がることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項51】

前記第一電力レベルは、前記第一期間中に上がること及び下がることの両方が生じることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項52】

前記第一周波数は、前記第一期間中に高い値から低い値に変化することを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項53】

前記第一周波数は、前記第一期間中に低い値から高い値に変化することを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項54】

前記第一周波数は、前記第一期間中に低い値から高い値に変化し、その後前記低い値に戻ることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項55】

前記第一周波数は、前記第一期間中に高い値から低い値に変化し、その後前記高い値に戻ることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項56】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_１に設定され、その後ｆ_３に設定され、最後にｆ_４に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項57】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_４に設定され、その後ｆ_３に設定され、最後にｆ_１に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項58】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_１に設定され、その後ｆ_４に設定され、最後にｆ_３に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項59】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_３に設定され、その後ｆ_４に設定され、最後にｆ_１に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項60】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_３に設定され、その後ｆ_１に設定され、最後にｆ_４に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項61】

前記第一期間において前記第一周波数はまずｆ_４に設定され、その後ｆ_１に設定され、最後にｆ_３に設定され、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さいことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項62】

前記第二期間において前記第二周波数はゼロであり、前記第二電力レベルは一定の正の値であることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項63】

前記第二期間において前記第二周波数はゼロであり、前記第二電力レベルは一定の負の値であることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項64】

前記特徴部位は、深さ対幅の比が少なくとも３であるビアホールまたはトレンチを含むことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項65】

前記半導体ウエハの装置製造ノードが１６ナノメートル以下であることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項66】

ウエハホルダは、音響エネルギーが供給される際にトランスデューサに対してウエハを回転させるようにさらに構成されていることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項67】

前記特徴部位は、前記第一期間における気泡の膨張によって損傷されないことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項68】

前記第二期間において気泡内部の温度が低下することを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【請求項69】

前記第二期間において前記気泡内部の温度が前記液体の温度近傍まで低下することを特徴とする請求項６８に記載の装置。

【請求項70】

前記第一期間は、第一周波数の一サイクル期間の２，０００倍より短いことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基板の洗浄方法および洗浄装置に関する。より具体的には、洗浄工程において、超音波または高周波超音波装置（ultra or mega sonic device）によって生成される気泡キャビテーションを制御し、基板全体に安定した、または、制御されたキャビテーションを発生させることにより、基板上の微細粒子をデバイス構造に損傷を与えることなく効率的に除去することに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、複数の異なる処理工程を経てトランジスタおよび相互接続要素を製造することによって、半導体ウエハ上に製造または加工される。近年トランジスタには、フィン電界効果トランジスタ（Fin Field Effect Transistor; finFET）や３次元ＮＡＮＤメモリのように二次元から三次元に構築されるものがある。半導体ウエハに伴うトランジスタ端子同士を電気的に接続するために、半導体装置の一部として誘電材料に導電性（例えば、金属）のトレンチ、ビアホール（via）などが形成される。トレンチおよびビアホールは、トランジスタ間、および、半導体装置の内部回路と半導体装置の外部回路との電気信号および電力を接続する。

【0003】

半導体ウエハ上におけるｆｉｎＦＥＴおよび相互接続要素の形成工程では、例えばマスキング、エッチング、および、堆積工程を経て、所望の半導体装置の電子回路が形成される。特に、複数のマスキングおよびプラズマエッチング工程を行うことによって、トランジスタのフィンおよび／または相互接続要素のトレンチやビアホールとして機能する半導体ウエハの誘電層に、ｆｉｎＦＥＴ、３次元ＮＡＮＤフラッシュセル、および／または、凹領域のパターンを形成することができる。ポストエッチングまたはフォトレジストアッシングにおいて、フィン構造および／またはトレンチやビアホールにおける粒子および異物を除去するために、湿式洗浄工程が必要となる。特に装置製造ノードが１４ｎｍまたは１６ｎｍ、或いは、それ以上移動する場合に、フィンおよび／またはトレンチおよびビアホールの側壁損失は、臨界寸法の維持に重要となる。側壁損失を低減または排除するには、適度に希釈された化学薬品、または、場合によっては脱イオン水のみを使用することが重要となる。しかし、通常、希釈された化学薬品や脱イオン水では、フィン構造、３次元ＮＡＮＤ孔、および／または、トレンチやビアホール内の粒子を効率的に除去できない。したがって、これらの粒子を効率的に除去するには、超音波または高周波超音波などの機械的な力が必要である。超音波または高周波超音波は、ウエハ構造に機械的な力を加える気泡キャビテーションを発生させるが、トランジットキャビテーションやマイクロ噴流などの激しいキャビテーションによって、パターン構造が破損する。したがって、安定したまたは制御されたキャビテーションを維持することは、機械的な力を損傷限界内に制御すると同時に粒子の効率的な除去を行うために重要なパラメータとなる。前記３次元ＮＡＮＤ孔の構造において、トランジットキャビテーションによって孔構造が損傷するとは限らないが、孔の内部にキャビテーションが飽和することによって洗浄効果が低減する。

【0004】

米国特許第４３２６５５３号には、ノズルに結合されて半導体ウエハを洗浄する高周波超音波エネルギーが開示されている。流体は加圧され、高周波超音波トランスデューサによって高周波超音波エネルギーが流体に加えられる。ノズルは、超音波／高周波超音波の周波数で振動する洗浄用流体をリボン状に噴射させて表面に衝突させるための形状を有している。

【0005】

米国特許第６０３９０５９号には、音波エネルギを流体に伝達する細長いプローブを振動させるエネルギー源が開示されている。一構成において、流体がウエハの両側に噴射される一方、プローブは上側近傍に配置されている。別の構成では、短いプローブの先端面が表面近傍に配置されており、ウエハが回転する際にその表面上をプローブが移動する。

【0006】

米国特許第６８４３２５７Ｂ２号には、ウエハ表面に平行な軸を中心に回転するロッドを振動させるエネルギー源が開示されている。ロッド表面に、エッチングにより螺旋溝などを形成する。

【0007】

洗浄工程において、安定したまたは制御されたキャビテーションをウエハ全体に発生させることで、ウエハ上のデバイス構造が損傷することなく効率的に微細粒子を除去するには、超音波または高周波超音波装置によって発生する気泡キャビテーションを制御する方法が必要である。

【発明の概要】

【0008】

本発明の一方法は、安定した気泡キャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハに損傷を与えることのない超音波／高周波超音波洗浄を可能とする。前記安定した気泡キャビテーションは、音波電源を、τ_１よりも短い時間（time interval）だけ電力Ｐ_１に設定し、音波電源を、τ_２よりも長い時間だけ電力Ｐ_２に設定し、ウエハが洗浄されるまで上記のステップを繰り返すことにより制御される。電力Ｐ_２はゼロに等しい、または、電力Ｐ_１よりはるかに小さく、τ_１は、気泡内部の温度が臨界内破（implosion）温度まで上昇する時間であり、τ_２は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりはるかに低い温度まで低下する時間である。

【0009】

本発明の別の方法は、安定した気泡キャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハが損傷することなく超音波／高周波超音波洗浄を行うことを可能とする。前記安定した気泡キャビテーションは、音波電源を、τ_１よりも短い時間（time interval）だけ周波数ｆ_１に設定し、音波電源を、τ_２よりも長い時間だけ周波数ｆ_２に設定し、ウエハが洗浄されるまで上記のステップを繰り返すことにより制御される。周波数ｆ_２は周波数ｆ_１よりはるかに高く、望ましくは２倍または４倍の高さであり、τ_１は、気泡内部の温度が臨界内破（implosion）温度まで上昇する時間であり、τ_２は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりはるかに低い温度まで低下する時間である。

【0010】

本発明の別の方法は、パターン構造内の空間よりも小さな気泡サイズの安定した気泡キャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハが損傷することのない超音波／高周波超音波洗浄を可能とする。パターン化された構造内の空間よりも小さい気泡サイズを有する安定気泡キャビテーションは、音波電源を、τ_１より短い時間だけ電力Ｐ_１で設定し、音波電源を、τ_２より長い時間だけ電力Ｐ_２で設定し、ウエハが洗浄されるまで、前記ステップを繰り返すことによって制御される。電力Ｐ_２はゼロに等しい、または、電力Ｐ_１よりはるかに小さく、τ_１は、気泡サイズがパターン構造内の空間と同等かそれ以上の臨界サイズまで増加する時間であり、τ_２は、気泡内部のサイズがパターン構造内の空間よりはるかに小さい値にまで減少する時間である。

【0011】

本発明の別の方法は、パターン構造内の空間よりも小さな気泡サイズの安定した気泡キャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハが損傷することのない超音波／高周波超音波洗浄を可能とする。パターン化された構造内の空間よりも小さい気泡サイズを有する安定気泡キャビテーションは、音波電源を、τ_１より短い時間だけ周波数ｆ_１で設定し、音波電源を、τ_２より長い時間だけ周波数ｆ_２で設定し、ウエハが洗浄されるまで、前記ステップを繰り返すことによって制御される。ｆ_２はｆ_１よりはるかに高く、２倍から４倍の高さであることが望ましく、τ_１は、気泡サイズがパターン構造内の空間と同等かそれ以上の臨界サイズまで増加する時間であり、τ_２は、気泡サイズがパターン構造内の空間よりはるかに小さい値にまで減少する時間である。

【0012】

本発明の一方法は、制御されたトランジットキャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハに損傷を与えることのない超音波／高周波超音波洗浄を可能とする。前記制御されたトランジットキャビテーションは、音波電源を、τ_１よりも短い時間（time interval）だけ電力Ｐ_１に設定し、音波電源を、τ_２よりも長い時間だけ電力Ｐ_２に設定し、ウエハが洗浄されるまで上記のステップを繰り返すことにより制御される。電力Ｐ_２はゼロに等しい、または、電力Ｐ_１よりはるかに小さく、τ_１は、気泡内部の温度が臨界内破（implosion）温度より高く上昇する時間であり、τ_２は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりはるかに低い温度まで低下する時間である。制御されたトランジットキャビテーションは、パターン構造に対する損傷を最小限に抑えながら、より高いＰＲＥ（粒子除去効率）を提供する。

【0013】

本発明の別の方法は、制御されたトランジットキャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハが損傷することなく超音波／高周波超音波洗浄を行うことを可能とする。前記制御されたトランジットキャビテーションは、音波電源を、τ_１よりも短い時間（time interval）だけ周波数ｆ_１に設定し、音波電源を、τ_２よりも長い時間だけ周波数ｆ_２に設定し、ウエハが洗浄されるまで上記のステップを繰り返すことにより制御される。周波数ｆ_２は周波数ｆ_１よりはるかに高く、望ましくは２倍または４倍の高さであり、τ_１は、気泡内部の温度が臨界内破（implosion）より高く上昇する時間であり、τ_２は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりはるかに低い温度まで低下する時間である。制御されたトランジットキャビテーションは、パターン構造に対する損傷を最小限に抑えながら、より高いＰＲＥ（粒子除去効率）を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1A】超音波／高周波超音波装置を使用するウエハ洗浄装置の例を示す図である。

【図1B】超音波／高周波超音波装置を使用するウエハ洗浄装置の例を示す図である。

【図2A】超音波／高周波超音波トランスデューサの各種形状を示す図である。

【図2B】超音波／高周波超音波トランスデューサの各種形状を示す図である。

【図2C】超音波／高周波超音波トランスデューサの各種形状を示す図である。

【図2D】超音波／高周波超音波トランスデューサの各種形状を示す図である。

【図2E】超音波／高周波超音波トランスデューサの各種形状を示す図である。

【図2F】超音波／高周波超音波トランスデューサの各種形状を示す図である。

【図2G】超音波／高周波超音波トランスデューサの各種形状を示す図である。

【図3】ウエハ洗浄工程における気泡キャビテーションを示す図である。

【図4A】洗浄工程中のウエハ上のパターン構造に損傷を与えるトランジットキャビテーションを示す図である。

【図4B】洗浄工程中のウエハ上のパターン構造に損傷を与えるトランジットキャビテーションを示す図である。

【図5A】洗浄工程中の気泡内部の熱エネルギーの変化を示す図である。

【図5B】洗浄工程中の気泡内部の熱エネルギーの変化を示す図である。

【図5C】洗浄工程中の気泡内部の熱エネルギーの変化を示す図である。

【図6A】ウエハ洗浄方法の一例を示す図である。

【図6B】ウエハ洗浄方法の一例を示す図である。

【図6C】ウエハ洗浄方法の一例を示す図である。

【図7A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図7B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図7C】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図8A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図8B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図8C】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図8D】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図9A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図9B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図9C】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図9D】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図10A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図10B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図11A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図11B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図12A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図12B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図13A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図13B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図14A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図14B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図15A】洗浄工程中のウエハ上のパターン構造に損傷を与える安定キャビテーションを示す図である。

【図15B】洗浄工程中のウエハ上のパターン構造に損傷を与える安定キャビテーションを示す図である。

【図15C】洗浄工程中のウエハ上のパターン構造に損傷を与える安定キャビテーションを示す図である。

【図16】超音波／高周波超音波装置を使用するウエハ洗浄装置の別の例を示す図である。

【図17】超音波／高周波超音波装置を使用するウエハ洗浄装置の例を示す図である。

【図18A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図18B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図18C】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図19】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図20A】パターン構造に損傷を与えることなく、洗浄工程中に発生する気泡内破を示す。

【図20B】パターン構造に損傷を与えることなく、洗浄工程中に発生する気泡内破を示す。

【図20C】パターン構造に損傷を与えることなく、洗浄工程中に発生する気泡内破を示す。

【図20D】パターン構造に損傷を与えることなく、洗浄工程中に発生する気泡内破を示す。

【図21A】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【図21B】ウエハ洗浄方法の別の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１Ａ、図１Ｂに、超音波／高周波超音波装置を用いたウエハ洗浄装置を示す。ウエハ洗浄装置は、ウエハ１０１０と、回転駆動機構１０１６によって回転されるウエハチャック１０１４と、洗剤または脱イオン水１０３２を供給するノズル１０１２と、超音波／高周波超音波装置１００３と、超音波／高周波超音波電源とを備えている。超音波／高周波超音波装置１００３は、さらに、共振器１００８に音響的に結合された圧電トランスデューサ１００４を備えている。圧電トランスデューサ１００４は、振動するように電気的に励起され、共振器１００８は液体に高周波音響エネルギーを伝達する。超音波／高周波超音波エネルギーによって発生した気泡キャビテーションは、ウエハ１０１０上の粒子を振動させる。これにより異物はウエハ１０１０の表面から振動により隔離され、ノズル１０１２から供給される液体１０３２の流動によって前記表面から除去される。

【0016】

また、図２Ａ～図２Ｇは、本発明による超音波／高周波超音波装置の上面図である。図１に示した超音波／高周波超音波装置１００３の代わりに、異なる形状の超音波／高周波超音波装置３００３、すなわち、図２Ａに示す三角形または扇形状のもの、図２Ｂに示す矩形のもの、図２Ｃに示す八角形のもの、図２Ｄに示すような楕円形のもの、図２Ｅに示す半円形のもの、図２Ｆに示す四分円形のもの、図２Ｇに示す円形のものを使用してもよい。

【0017】

図３は、圧縮段階の気泡キャビテーションを示す。気泡は、その形状が球状Ａからリンゴ状の形状Ｇへと徐々に圧縮され、最終的に内破状態Ｉに到達しマイクロ噴流を形成する。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、マイクロ噴流は非常に荒々しく（数千気圧および数千℃に達することもある）、特にフィーチャーサイズｔが７０ｎｍ以下に収縮すると、半導体ウエハ４０１０上の微細パターン構造４０３４に損傷を与えうる。

【0018】

図５Ａ～図５Ｃには、本発明による気泡キャビテーションの簡略モデルが示されている。音波正圧が気泡に作用するにつれて、気泡の体積が減少する。この体積が収縮する過程で、音波圧力Ｐ_Ｍが気泡に作用し、機械的作用が気泡内にて熱エネルギーに変換され、気泡内の気体および／または蒸気の温度が上昇する。

【0019】

理想的な気体の状態式は以下のように表すことが出来る。

【0020】

ｐ_０ｖ_０／Ｔ_０＝ｐｖ／Ｔ （１）

【0021】

ここで、ｐ_０は圧縮前の気泡内の圧力であり、ｖ_０は圧縮前の気泡の初期体積であり、Ｔ_０は圧縮前の気泡内の気体温度であり、Ｐは圧縮時の気泡内の圧力であり、Ｖは圧縮時の気泡の体積であり、Ｔは圧縮時の気泡内の気体温度である。

【0022】

計算を単純化するために、圧縮時に気体の温度が変化しない、または、圧縮が非常にゆっくりで、気泡周辺の液体によって温度上昇が相殺されると仮定する。この場合、一回の気泡圧縮（体積Ｎユニットから体積１ユニットまたは圧縮比＝Ｎ）の、音波圧力Ｐ_Ｍによる機械的作用ｗ_ｍは以下のように表すことが出来る。

【0023】

ｗ_ｍ＝∫_０ ^ｘ０－１ｐＳｄｘ＝∫_０ ^ｘ０－１（Ｓ（ｘ_０ｐ_０）／（ｘ_０－ｘ））ｄｘ＝Ｓｘ_０ｐ_０∫_０ ^ｘ０－１ｄｘ／（ｘ_０－ｘ）
＝－Ｓｘ_０ｐ_０ｌｎ（ｘ_０－ｘ）│_０ ^ｘ０－１＝Ｓｘ_０ｐ_０ｌｎ（ｘ_０） （２）
ここで、Ｓはシリンダ断面の面積、Ｘ_０はシリンダの長さ、Ｐ_０は圧縮前のシリンダ内部の気体圧力である。上記式（２）では、圧縮時の温度上昇の要因を考慮していないため、気泡内の圧力は実際には温度上昇により高くなる。したがって、音波圧力による実際の機械的作用は、式（２）によって計算されるものよりも大きくなる。
全ての音波圧力による機械的作用が部分的に熱エネルギーに変換され、部分的に気泡内の高圧気体および蒸気の機械的エネルギーに変換されると仮定し、この熱エネルギーが全体的に気泡内の気体の温度上昇に寄与し（気泡周辺の液体分子にエネルギーの伝達がない）、気泡内部の気体の質量が圧縮の前後で一定であると仮定すると、一回の気泡の圧縮後の温度上昇ΔＴは以下の式で表すことが出来る。
ΔＴ＝Ｑ／（ｍｃ）＝βｗ_ｍ／（ｍｃ）＝βＳｘ_０ｐ_０ｌｎ（ｘ_０）／（ｍｃ） （３）
上記式で、Ｑは機械的作用から変換された熱エネルギーであり、βは音波圧力によるトータルの機械的作用に対する熱エネルギーの比であり、ｍは気泡内部の気体の質量であり、ｃは気体比熱係数である。β＝０．６５、Ｓ＝１Ｅ－１２ｍ^２、ｘ_０＝１０００ｍ＝１Ｅ－３ｍ（圧縮比Ｎ＝１０００）、ｐ_０＝１ｋｇ／ｃｍ^２＝１Ｅ４ｋｇ／ｍ^２、ｍ＝８．９Ｅ－１７ｋｇ（水素ガスの場合）、ｃ＝９．９Ｅ３Ｊ／（ｋｇ^０ｋ）を上記式（３）に代入すると、ΔＴ＝５０．９^０ｋとなる。
最初の圧縮後の気泡内の気体温度Ｔ_１は以下の通り計算される。

【0024】

Ｔ_１＝Ｔ_０＋ΔＴ＝２０℃＋５０．９℃＝７０．９℃ （４）

【0025】

図５Ｂに示すように、気泡が最小サイズの１ミクロンに達したとき。このような高温下では、気泡周辺の液体分子には蒸発するものもある。その後、音波圧力が負になり、気泡サイズが拡大し始める。この逆の過程において、圧力Ｐ_Ｇを有する高温の気体および蒸気は、周囲の液体表面に作用する。同時に図５Ｃに示すように、音波圧力Ｐ_Ｍが、気泡膨張方向に引っ張るため、負の音波圧力Ｐ_Ｍも部分的に周囲の液体に作用する。これらの作用が恊働する結果、気泡内部の熱エネルギーが完全に放出されたり機械的エネルギーに変換されたりすることができないため、元の気体温度Ｔ_０または液体温度にまで気泡内部の気体の温度を冷却することができない。キャビテーションの第一サイクルが終了した後、図６Ｂに示すように、気泡内の気体の温度Ｔ_２は、Ｔ_０とＴ_１の間になる。または、Ｔ_２を以下のように表すことができる。

【0026】

Ｔ_２＝Ｔ_１－δＴ＝Ｔ_０＋ΔＴ－δＴ （５）

【0027】

ここで、δＴは気泡が一回膨張した後の温度低下であり、δＴは、ΔＴより低い。

【0028】

気泡キャビテーションの第二サイクルが最小気泡サイズに達すると、気泡内の気体および／または蒸気の温度Ｔ_３は、以下の通りである。

【0029】

Ｔ_３＝Ｔ_２＋ΔＴ＝Ｔ_０＋ΔＴ－δＴ＋ΔＴ＝Ｔ_０ （６）

【0030】

気泡キャビテーションの第二サイクルが終了すると、気泡内の気体および／または蒸気の温度Ｔ_４は、

【0031】

Ｔ_４＝Ｔ_３－δＴ＝Ｔ_０＋２ΔＴ－δＴ－δＴ＝Ｔ_０＋２ΔＴ－２δＴ （７）

【0032】

同様に、気泡キャビテーションのｎ番目サイクルが最小気泡サイズに達すると、気泡内の気体および／または蒸気の温度Ｔ２ｎ－１は、以下の通りである。

【0033】

Ｔ_２ｎ－１＝Ｔ_０＋ｎΔＴ－（ｎ－１）δＴ （８）

【0034】

気泡キャビテーションのｎ番目サイクルが終了すると、気泡内の気体および／または蒸気の温度Ｔ_２ｎは、

【0035】

Ｔ_２ｎ＝Ｔ_０＋ｎΔＴ－ｎδＴ＝Ｔ_０＋ｎ（ΔＴ－δＴ） （９）

【0036】

気泡キャビテーションのサイクル数ｎが増加するにつれ、気体および蒸気の温度が上昇する。したがって、図６Ｃに示すように、気泡表面上の分子がより多くバブル６０８２の内部に蒸発し、気泡６０８２のサイズを拡大させる。最終的に、圧縮時の気泡内部の温度は、内破温度Ｔ_ｉ（通常、Ｔ_ｉは数千℃と同等に高い）に達し、図６Ｃに示すように、激しいマイクロ噴流６０８０が形成される。

【0037】

式（８）から、内破サイクル数ｎ_ｉは以下のように表すことができる。

【0038】

ｎ_ｉ＝（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１ （１０）

【0039】

式（１０）から、内破時間τ_ｉは以下のように表すことができる。

【0040】

τ_ｉ＝ｎ_ｉｔ_１＝ｔ_１（（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１）
＝（（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１）／ｆ_１ （１１）
ここで、ｔ_１は超音波／高周波超音波の周期であり、ｆ_１は周波数である。

【0041】

式（１０）および（１１）により、内破サイクル数ｎ_ｉおよび内破期間τ_ｉを計算することができる。Ｔｉ＝３０００℃、Ｔ＝５０．９℃、Ｔ_０＝２０℃、ｆ_１＝５００ＫＨｚ、ｆ_１＝１ＭＨｚ、ｆ_１＝２ＭＨｚと仮定し、内破サイクル数ｎ_ｉ、内破期間τ_ｉ、および、（ΔＴ－δＴ）の関係を表１に示す。

【0042】

【表1】

【0043】

ウエハ上のパターン構造に対する損傷を回避するために、安定したキャビテーションを維持しなければならず、気泡内破またはマイクロ噴流を回避しなければならない。図７Ａ～図７Ｃには、本発明の、安定した気泡キャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハが損傷することのない超音波／高周波超音波洗浄を可能とする方法が示されている。図７Ａは、電源出力の波形を示しており、図７Ｂはキャビテーションの各サイクルに対応する温度曲線を示しており、図７Ｃはキャビテーションの各サイクルにおける気泡サイズの拡大を示している。気泡内破を回避するための本発明による操作処理ステップは以下の通りである。

【0044】

ステップ１：超音波／高周波超音波装置を、チャックまたはタンクに設置されたウエハまたは基板の表面に隣接させる。

【0045】

ステップ２：ウエハと超音波／高周波超音波装置との間に薬液または気体（水素、窒素、酸素、または、ＣＯ_２）でドープした水を充填する。

【0046】

ステップ３：チャックを回転させるか、ウエハを振動させる。

【0047】

ステップ４：電源を周波数ｆ_１と電力Ｐ_１に設定する。

【0048】

ステップ５：気泡内部の気体や蒸気の温度が内破温度Ｔ_ｉに達する前（式（１１）で計算された時間がτ_１＜τ_ｉに達する前）に、電源出力をゼロワットに設定する。これにより、液体または水の温度が気泡内部の気体温度よりもはるかに低くなるため、気体温度が冷却し始める。

【0049】

ステップ６：気泡内の気体温度が室温Ｔ_０まで低下する、または、時間（ゼロ電力時間）がτ_２に達した後、再度電源を周波数ｆ_１および電力Ｐ_１に設定する。

【0050】

ステップ７：ウエハが洗浄されるまで、ステップ１からステップ６を繰り返す。

【0051】

ステップ５では、気泡の内破を回避するために、期間τ_１が、τ_ｉよりも短くなければならず、τ_ｉは式（１１）を使って算出することができる。

【0052】

ステップ６では、気泡内の気体温度を室温または液体温度まで下げる必要はなく、室温または液体温度より高い特定の温度であってもよいが、内破温度Ｔより大幅に低い温度であることが好ましい。

【0053】

式（８）および（９）によれば、（ΔＴ－δＴ）がわかっていれば、Ｔ_ｉを算出できる。しかし一般的に、（ΔＴ－δＴ）は直接算出または測定することは容易ではない。内破期間τ_ｉは以下の方法により実験的に導出することができる。

【0054】

ステップ１：表１に基づいて、実験計画（ＤＯＥ）の条件として５つの異なる期間τ_１を選択する。

【0055】

ステップ２：τ_２として、一回目のスクリーンテストにおけるτ_１の少なくとも１０倍、好ましくはτ_１ の１００倍を選択する。

【0056】

ステップ３：電力Ｐ_０を一定値に固定して上記五つの条件で特定のパターン構造を有するウエハを別々に洗浄する。ここで、Ｐ_０は連続モード（非パルスモード）で継続すると、ウエハ上のパターン構造が確実に損傷する出力である。

【0057】

ステップ４：ＳＥＭＳ、または、ＡＭＡＴ ＳＥＭヴィジョンや日立ＩＳ３０００などのウエハパターン損傷検査器具を用いて上記五つのウエハの損傷状況を検査すれば、内破期間τ_ｉを一定の範囲内に設定することができる。

【0058】

内破時間τ_ｉの範囲を狭めるためにステップ１から４を再度行ってもよい。内破期間τ_ｉを把握した後、期間τ_１を、安全マージンのために０．５τ_ｉより小さい値に設定してもよい。実験データの一例を以下に説明する。

【0059】

パターン構造は、５５ｎｍのポリシリコンゲート線である。超音波／高周波超音波の周波数は１ＭＨｚであり、ウエハ内の、および、ウエハからウエハのエネルギー量をより均一にするために、Ｐｒｏｓｙｓ社製の超音波／高周波超音波装置をギャップ振動モード（ＰＣＴ／ＣＮ２００８／０７３４７１参照）で稼働させた。他の実験パラメータおよび最終的なパターン損傷データを以下の表２にまとめる。

【0060】

【表2】

【0061】

τ_１＝２ｍｓ（または、２０００サイクル数）では、加工寸法５５ｎｍのパターン構造に１２１６もの箇所に損傷をもたらしたが、τ_１＝０．１ｍｓ（または、１００サイクル数）では、加工寸法５５ｎｍのパターン構造の損傷箇所がゼロ（０）箇所であった。したがって、τ_ｉは、０．１ｍｓと２ｍｓとの間の数字であり、この範囲を狭めるために更に詳細なテストが必要になる。超音波または高周波超音波出力密度および周波数に関連するサイクル数は、電力密度が大きいほど、サイクル数が少なくなり、周波数が低いほどサイクル数が少なくなることは明らかである。以上の実験結果から、超音波または高周波超音波の電力密度が０．１ｗａｔｔｓ／ｃｍ^２より大きく、超音波または高周波超音波の周波数が１ＭＨｚ以下と仮定すると、損傷のないサイクル数が２０００未満であると想定できる。周波数が１ＭＨｚより大きな範囲に上がるか、電力密度が０．１ｗａｔｔｓ／ｃｍ^２未満になれば、サイクル数が上昇することが予想される。

【0062】

τ_１がわかれば、上述と同様のＤＥＯ法に基づいて、期間τ_２を短くすることができる。すなわち、期間τ_１を固定し、期間τ_２を短くしていきパターン構造に損傷が見られるまでＤＯＥを継続させる。期間τ_２が短くなると、気泡内の気体および／または蒸気の温度が充分に冷却されず、気泡内の気体および蒸気の平均温度が徐々に高くなり、最終的には気泡内破を引き起こす。この内破が引き起こされる時間を臨界冷却時間という。臨界冷却時間τ_ｃがわかった後、同様に、期間τ_２を２τ_ｃより大きい値に設定することにより安全マージンを確保することができる。

【0063】

また、図８Ａ～図８Ｄには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ４において超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１に設定し、電力の波形の振幅が変化するように設定する点を除いて、図７Ａに示す方法と同様である。図８Ａには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１に設定し、電力の波形の振幅が増加するように設定する別の洗浄方法が示されている。図８Ｂには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１に設定し、電力の波形の振幅が縮小するように設定する別の洗浄方法が示されている。図８Ｃには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１に設定し、電力の波形の振幅がまず縮小し、その後で増加するように設定する別の洗浄方法が示されている。図８Ｄには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１に設定し、電力の波形の振幅がまず増加し、その後縮小するように設定するさらに別の洗浄方法が示されている。

【0064】

また、図９Ａ～図９Ｄには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ４において超音波／高周波超音波電源の周波数が変化するように設定する点を除いて、図７Ａに示す方法と同様である。図９Ａには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_３より高い周波数ｆ_１に設定し、後に周波数ｆ_３に設定する別の洗浄方法を示す。図９Ｂには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_３に設定し、後に周波数ｆ_３より高い周波数ｆ_１に設定する別の洗浄方法を示す。図９Ｃには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_３に設定し、その後周波数ｆ３より高い周波数ｆ_１に設定し、最後に周波数ｆ_３に設定する別の洗浄方法を示す。図９Ｄには、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_３より高い周波数ｆ_１に設定し、その後周波数ｆ_３に設定し、最後に周波数ｆ_１に設定する別の洗浄方法を示す。

【0065】

図９Ｃに示す方法と同様に、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_１に設定し、その後周波数ｆ_３に設定し、最後に周波数ｆ_４に設定してもよく、ここで、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さい。

【0066】

また、図９Ｃに示す方法と同様に、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_４に設定し、その後周波数ｆ_３に設定し、最後に周波数ｆ_１に設定してもよく、ここで、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さい。

【0067】

また、図９Ｃに示す方法と同様に、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_１に設定し、その後周波数ｆ_４に設定し、最後に周波数ｆ_３に設定してもよく、ここで、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さい。

【0068】

また、図９Ｃに示す方法と同様に、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_３に設定し、その後周波数ｆ_４に設定し、最後に周波数ｆ_１に設定してもよく、ここで、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さい。

【0069】

また、図９Ｃに示す方法と同様に、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_３に設定し、その後周波数ｆ_１に設定し、最後に周波数ｆ_４に設定してもよく、ここで、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さい。

【0070】

また、図９Ｃに示す方法と同様に、ステップ４において、超音波／高周波超音波電源をまず周波数ｆ_４に設定し、その後周波数ｆ_１に設定し、最後に周波数ｆ_３に設定してもよく、ここで、ｆ_４はｆ_３より小さく、ｆ_３はｆ_１より小さい。

【0071】

図１０Ａ～図１０Ｂには、本発明の、安定した気泡キャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハが損傷することのない超音波／高周波超音波洗浄を可能とする別の方法が示されている。図１０Ａは、電源出力の波形を示しており、図１０Ｂはキャビテーションの各サイクルに対応する温度曲線を示している。本発明による操作処理ステップは以下の通りである。

【0072】

ステップ１：超音波／高周波超音波装置を、チャックまたはタンクに設置されたウエハまたは基板の表面に隣接させる。

【0073】

ステップ２：ウエハと超音波／高周波超音波装置との間に薬液または気体でドープした水を充填する。

【0074】

ステップ３：チャックを回転させるか、ウエハを振動させる。

【0075】

ステップ４：電源を周波数ｆ_１と電力Ｐ_１に設定する。

【0076】

ステップ５：気泡内部の気体と蒸気の温度が内破温度Ｔ_ｉに達する前に（合計時間τ_１の経過）、電源出力を周波数ｆ_１と出力をＰ_１より小さいＰ_２に設定する。これにより、液体または水の温度が気泡内部の気体温度よりもはるかに低くなるため、気体温度が冷却し始める。

【0077】

ステップ６：気泡内の気体温度が室温Ｔ_０に近い特定の温度まで低下する、または、時間（ゼロ電力時間）がτ_２に達した後、再度電源を周波数ｆ_１および電力Ｐ_１に設定する。

【0078】

ステップ７：ウエハが洗浄されるまで、ステップ１からステップ６を繰り返す。

【0079】

ステップ６では、図１０Ｂに示すように、電力Ｐ_２により気泡内部の気体の温度を室温まで冷却することができないため、後段階のτ_２タイムゾーンに温度差ΔＴ_２が生じるはずである。

【0080】

また、図１１Ａ～図１１Ｂには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ５において超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１より低いｆ_２に設定し、電力をＰ_１より小さいＰ_２に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。ｆ_２はｆ_１よりも低いので、気泡内のガスまたは蒸気の温度はより速く上昇する。したがって、Ｐ_２はＰ_１よりも大幅に小さく設定するべきであり、気泡内のガスおよび／または蒸気の温度を下げるためには５倍または１０倍小さいのが好ましい。

【0081】

また、図１２Ａ～図１２Ｂには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ５において超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１より高いｆ_２に設定し、電力をＰ_１と同等のＰ_２に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。

【0082】

また、図１３Ａ～図１３Ｂには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ５において超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１より高いｆ_２に設定し、電力をＰ_１より小さいＰ_２に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。

【0083】

また、図１４Ａ～図１４Ｂには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ５において超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１より高いｆ_２に設定し、電力をＰ_１より高いＰ_２に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。ｆ_２はｆ_１よりも高いので、気泡内のガスまたは蒸気の温度はゆっくりと上昇する。したがって、図１４Ｂに示すように、Ｐ_２はＰ_１より若干高くなることもあるが、気泡内のガスおよび蒸気の温度は、タイムゾーンτ_２で温度ゾーンτ_１より低くなるようにしなければならない。

【0084】

図４Ａおよび図４Ｂには、パターン構造が激しいマイクロ噴流によって損傷することが示されている。図１５Ａおよび図１５Ｂは、安定したキャビテーションであってもウエハ上のパターン構造が損傷する可能性があることを示している。気泡キャビテーションが続くと、気泡内部の気体および蒸気の温度が上昇するため、図１５Ａに示すように、気泡１５０４６のサイズもまた増加する。図１５Ｂに示すように、気泡１５０４８の大きさがパターン構造の空間Ｗのよりも大きくなると、図１５Ｃに示すように、気泡キャビテーションの膨張力によって、パターン構造１５０３４を損傷させる可能性がある。本発明による洗浄方法は以下の通りである。

【0085】

ステップ１：超音波／高周波超音波装置を、チャックまたはタンクに設置されたウエハまたは基板の表面に隣接させる。

【0086】

ステップ２：ウエハと超音波／高周波超音波装置との間に薬液または気体でドープした水を充填する。

【0087】

ステップ３：チャックを回転させるか、ウエハを振動させる。

【0088】

ステップ４：電源を周波数ｆ_１と電力Ｐ_１に設定する。

【0089】

ステップ５：気泡のサイズがパターン構造の空間Ｗの寸法と同じになる前に（期間τ_１の経過）、電源出力をゼロワットに設定する。これにより、液体または水の温度が気泡内部の気体温度よりもはるかに低くなるため、気体温度が冷却し始める。

【0090】

ステップ６：気泡内の気体温度が低下しつづけて室温Ｔ_０まで下がる、または、時間（ゼロ電力時間）がτ_２に達した後、再度電源を周波数ｆ_１および電力Ｐ_１に設定する。

【0091】

ステップ７：ウエハが洗浄されるまで、ステップ１からステップ６を繰り返す。

【0092】

ステップ６では、気泡内の気体温度を室温まで下げる必要はなく、どの温度であってもよいが、内破温度Ｔより大幅に低い温度であることが好ましい。ステップ５では、気泡の膨張力がパターン構造が破損または損傷しない限り、気泡の大きさをパターン構造の寸法より若干大きくすることができる。期間τ_１は、以下の方法を用いて実験的に導出することができる。

【0093】

ステップ１：表１と同様に、実験計画（ＤＯＥ）の条件として５つの異なる期間τ_１を選択する。

【0094】

ステップ２：τ_２として、一回目のスクリーンテストにおけるτ_１の少なくとも１０倍、好ましくはτ_１の１００倍を選択する。

【0095】

ステップ３：電力Ｐ_０を一定値に固定して上記五つの条件で特定のパターン構造を有するウエハを別々に洗浄する。ここで、Ｐ_０は連続モード（非パルスモード）で継続すると、ウエハ上のパターン構造が確実に損傷する出力である。

【0096】

ステップ４：ＳＥＭＳ、または、ＡＭＡＴ ＳＥＭヴィジョンや日立ＩＳ３０００などのウエハパターン損傷検査器具を用いて上記五つのウエハの損傷状況を検査すれば、損傷時間τ_ｉを一定の範囲内に設定することができる。

【0097】

損傷時間τ_ｄの範囲を狭めるためにステップ１から４を再度行ってもよい。損傷期間τ_ｄを把握した後、期間τ_１を、安全マージンのために０．５τ_ｄより小さい値に設定してもよい。

【0098】

図７から図１４に記載された全ての洗浄方法は、図１５に記載の方法に適用または組み合わせてもよい。

【0099】

図１６に、超音波／高周波超音波装置を用いたウエハ洗浄装置を示す。ウエハ洗浄装置は、ウエハ１６０１０と、回転駆動機構１６０１６によって回転されるウエハチャック１６０１４と、洗剤または脱イオン水１６０６０を供給するノズル１６０６４と、ノズル１６０６４に連結された超音波／高周波超音波装置１６０６２と、超音波／高周波超音波電源とを備えている。超音波／高周波超音波装置１６０６２によって生成された超音波／高周波超音波は、化学薬品または水の液柱１６０６０を介してウエハに伝達される。図７から図１５に記載された全ての洗浄方法は、図１６に記載の洗浄装置において使用されてもよい。

【0100】

図１７に、超音波／高周波超音波装置を用いたウエハ洗浄装置を示す。ウエハ洗浄装置は、ウエハ１７０１０と、洗浄タンク１７０７４と、洗浄タンク１７０７４に保持され、ウエハ１７０１０を保持するウエハカセット１７０７６と、洗剤１７０７０と、洗浄タンク１７０７４の外壁に取り付けられた超音波／高周波超音波装置１７０７２と、超音波／高周波超音波電源とを備えている。少なくとも一つの注入口から、洗剤１７０７０を洗浄タンク１７０７４に充填し、ウエハ１７０１０を浸漬する。図７から図１５に記載された全ての洗浄方法は、図１７に記載の洗浄装置において使用されてもよい。

【0101】

また、図１８Ａ～図１８Ｃには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ５を除いて、図７Ａに示す方法と同様である。気泡内部の気体や蒸気の温度が内破温度Ｔ_ｉに達する前（式（１１）で計算された時間がτ_１＜τ_ｉに達する前）に、電源出力を正の値または負のＤＣ値に設定して、超音波／高周波超音波装置の振動を維持または停止する。これにより、液体または水の温度が気泡内部の気体温度よりもはるかに低くなるため、気体温度が冷却し始める。前記正の値または負の値は、電力Ｐ_１に等しくても小さくてもよい。

【0102】

また、図１９には、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。上記方法は、ステップ５を除いて、図７Ａに示す方法と同様である。気泡内部の気体や蒸気の温度が内破温度Ｔ_ｉに達する前（式（１１）で計算された時間がτ_１＜τ_ｉに達する前）に、電源出力をｆ_１と同じ周波数で、ｆ_１と逆位相に設定する。これにより、気泡によるキャビテーションを迅速に停止する。これにより、液体または水の温度が気泡内部の気体温度よりもはるかに低くなるため、気体温度が冷却し始める。前記正の値または負の値は、電力Ｐ_１に等しくても小さくてもよい。上記の動作中、気泡キャビテーションを迅速に停止させるために、電源出力を周波数ｆ_１とは異なる周波数でｆ_１と逆位相に設定してもよい。

【0103】

図２０Ａ～図２０Ｄには、超音波または高周波超音波エネルギーによる気泡キャビテーション中に発生する、ウエハ上のパターン構造を損傷することのない気泡内破が示されている。ウエハ２００１０のビアホール２００３４およびトレンチ２００３６等のパターン構造は、高周波音波出力によって生成される気泡キャビテーションのサイズが、パターン構造の臨界寸法よりもはるかに小さい寸法に制御された場合に、寸法の大きなパターン構造に対する気泡内破力が小さくなる、または、そもそもパターン構造の原料特性が、ある一定強度の機械力に対する耐性を本来有している等、ある一定の機械強度を有している場合がある。気泡の内破によって発生するマイクロ噴流の力を、パターン構造を維持する程度の強度に制御すれば、パターン構造が損傷することはない。また、気泡の内破によって発生するマイクロ噴流の機械力によって、ビアホールやトレンチ等のパターン構造またはウエハ表面の粒子または残留物の除去性能に寄与し、高い洗浄効率を達成することができる。また、洗浄工程の性能および効率の向上には、マイクロ噴流の強度を内破点より高く損傷点より低く制御することが望ましい。

【0104】

図２１Ａ～図２１Ｂによると、τ_１の時点で音波力Ｐ_１が気泡に作用している間、Ｔ_ｉの時点で最初の気泡の温度が内破温度に達すると気泡の内破が発生し始める。その後、温度がＴ_ｉ～Ｔ_ｎまで増加している間（Δτの期間）、気泡の内破が継続的に発生する。τ_２の時間音波電源をオフにすることで、気泡の温度が周囲の液体によってＴ_ｎから元の温度Ｔ_０に冷却される。Ｔ_ｉは、ビアホールおよびトレンチの特徴部位における通常の気泡内破の温度の閾値であって、最初の気泡内破を引き起こすものとして決定される。

【0105】

熱転写は特徴部位において正確に一律に行われるわけではないので、温度がＴ_ｉに到達後より多くの気泡内破が発生し続ける。気泡内破の強度は、内破温度Ｔが上昇するにつれて高くなる。しかし、温度Ｔ_ｎを温度Ｔ_ｄより低く制御（時間Δτを制御）することによって、パターン構造が損傷しないように気泡内破の強度を制御する。ここで、Ｔ_ｎは、ｎサイクル後、音波出力が気泡に作用し続けることによって得られる気泡の最高温度であり、Ｔ_ｄは、パターン構造の損傷を引き起こす高強度（または出力）の気泡内破がある一定の量蓄積する温度である。洗浄工程において、最初の気泡内破が始まった後、所望の洗浄性能と効率が達成できるように時間Δτを制御することによって、気泡内破強度の制御が可能となり、パターン構造が損傷するほどに強度が高くなりすぎることを防止する。

【0106】

図２１Ａ～図２１Ｂには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法の別の実施形態が示されている。粒子除去効率（ＰＲＥ）を向上させるために、高周波超音波洗浄工程においてトランジットキャビテーションを制御することが望ましい。前記制御されたトランジットキャビテーションは、音波電源を、τ_１よりも短い時間（time interval）だけ電力Ｐ_１に設定し、音波電源を、τ_２よりも長い時間だけ電力Ｐ_２に設定し、ウエハが洗浄されるまで上記のステップを繰り返すことにより達成される。電力Ｐ_２はゼロに等しい、または、電力Ｐ_１よりはるかに小さく、τ_１は、気泡内部の温度が臨界内破（implosion）温度より高く上昇する時間であり、τ_２は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりはるかに低い温度まで低下する時間である。制御されたトランジットキャビテーションによって、洗浄工程においてある程度の気泡内破が発生するため、制御されたトランジットキャビテーションは、パターン構造に対する損傷を最小限に抑えながら、より高いＰＲＥ（粒子除去効率）を提供する。臨界内破温度は、最初の気泡内破を引き起こす気泡の最低温度である。ＰＲＥを更に向上させるには、気泡の温度を更に上昇させる必要があるため、時間τ_１が必要となる。また、τ_２の時間を短くすることによって、気泡の温度を上昇させてもよい。超音波または高周波超音波の周波数は内破のレベルを制御するための別のパラメータである。通常、周波数が高いほど、内破のレベルまたは強度は低くなる。

【0107】

本発明による別の実施形態は、制御されたトランジットキャビテーションを維持させることによって、パターン構造を有するウエハが損傷することなく超音波／高周波超音波洗浄を行うことを可能とする、超音波／高周波超音波装置を用いたウエハの洗浄方法である。前記制御されたトランジットキャビテーションは、音波電源を、τ_１よりも短い時間（time interval）だけ周波数ｆ_１に設定し、音波電源を、τ_２よりも長い時間だけ周波数ｆ_２に設定し、ウエハが洗浄されるまで上記のステップを繰り返すことにより制御される。周波数ｆ_２は周波数ｆ_１よりはるかに高く、望ましくは２倍または４倍の高さであり、τ_１は、気泡内部の温度が臨界内破（implosion）より高く上昇する時間であり、τ_２は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりはるかに低い温度まで低下する時間である。制御されたトランジットキャビテーションは、パターン構造に対する損傷を最小限に抑えながら、より高いＰＲＥ（粒子除去効率）を提供する。臨界内破温度は、最初の気泡内破を引き起こす気泡の最低温度である。ＰＲＥを更に向上させるには、気泡の温度を更に上昇させる必要があるため、時間τ_１が必要となる。また、τ_２の時間を短くすることによって、気泡の温度を上昇させてもよい。超音波または高周波超音波の周波数は内破のレベルを制御するための別のパラメータである。通常、周波数が高いほど、内破のレベルまたは強度は低くなる。

【0108】

以上のように、本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板上のパターン構造に損傷を与えることなく基板を洗浄する方法を提供するものであり、以下のステップを含んでいる。前記方法は、前記基板と前記超音波／高周波超音波装置との間の空間に液体を塗布し、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１と電力Ｐ_１に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内破によってマイクロ噴流が発生した後であって、気泡内破によって発生した前記マイクロ噴流によって前記基板のパターン構造が損傷する前に、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_２と電力Ｐ_２に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１および電力Ｐ_１に再び設定し、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す。

【0109】

一実施形態において、本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板を洗浄するための装置を提供する。前記装置は、チャックと、超音波／高周波超音波装置と、少なくとも一つのノズルと、超音波／高周波超音波電源と、制御装置とを備えている。前記チャックは基板を保持する。前記超音波／高周波超音波装置は、前記基板に隣接して配置される。前記少なくとも一つのノズルは、前記基板と、前記基板と前記超音波／高周波超音波装置との間の隙間とに薬液を噴射する。前記制御装置は、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１と電力Ｐ_１に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内破によってマイクロ噴流が発生した後であって、気泡内破によって発生した前記マイクロ噴流によって前記基板のパターン構造が損傷する前に、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_２と電力Ｐ_２に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、その超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１および電力Ｐ_１に再び設定し、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す。

【0110】

別の実施形態において、本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板を洗浄するための装置を提供する。前記装置は、カセットと、タンクと、超音波／高周波超音波装置と、少なくとも一つの注入口と、超音波／高周波超音波電源と、制御装置とを備えている。前記カセットは少なくとも一つの基板を保持する。前記タンクは前記カセットを保持する。前記超音波／高周波超音波装置は、前記タンクの外壁に装着されている。前記少なくとも一つの注入口は、前記基板を浸漬するために前記タンク内に薬液を充填するために用いられる。前記制御装置は、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１と電力Ｐ_１に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内破によってマイクロ噴流が発生した後であって、気泡内破によって発生した前記マイクロ噴流によって前記基板のパターン構造が損傷する前に、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_２と電力Ｐ_２に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１および電力Ｐ_１に再び設定し、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す。

【0111】

別の実施形態において、本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板を洗浄するための装置を提供する。前記装置は、チャックと、超音波／高周波超音波装置と、ノズルと、超音波／高周波超音波電源と、制御装置とを備えている。前記チャックは基板を保持する。前記超音波／高周波超音波装置は、前記ノズルと連結して前記基板に隣接して配置される。前記ノズルは、前記基板上に薬液を噴射する。前記制御装置は、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１と電力Ｐ_１に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内破によってマイクロ噴流が発生した後であって、気泡内破によって発生した前記マイクロ噴流によって前記基板のパターン構造が損傷する前に、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_２と電力Ｐ_２に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１および電力Ｐ_１に再び設定し、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す。

【0112】

図８から図１９までに開示された実施形態は、図２１に開示された実施形態に適用可能である。

【0113】

一般的に、本発明に開示する方法では、０．１ＭＨｚ～１０ＭＨｚの周波数の超音波／高周波超音波を適用してもよい。

【0114】

本発明の具体的な実施形態、実施例、および、適用に関して説明したが、本発明から逸脱することなく種々の修正および変形例が可能であることは当業者には明らかであろう。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A-5C】

【図6A-6C】

【図7A-7C】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10A-10B】

【図11A-11B】

【図12A-12B】

【図13A-13B】

【図14A-14B】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図16】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図19】

【図20A】

【図20B】

【図20C】

【図20D】

【図21A-21B】