特許 7293221 半導体ウェハの洗浄システム

(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】2023-06-09

(45)【発行日】2023-06-19

(54)【発明の名称】半導体ウェハの洗浄システム

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20230612BHJP

【ＦＩ】

H01L21/304 648G

H01L21/304 643A

H01L21/304 643D

H01L21/304 642E

H01L21/304 642A

【請求項の数】 53

(21)【出願番号】P 2020526910

(86)(22)【出願日】2017-11-15

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-04-08

(86)【国際出願番号】 CN2017111016

(87)【国際公開番号】W WO2019095127

(87)【国際公開日】2019-05-23

【審査請求日】2020-10-19

【前置審査】

(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】弁理士法人ＡＴＥＮ

(72)【発明者】

【氏名】ワン フゥイ

(72)【発明者】

【氏名】チェン フーファ

(72)【発明者】

【氏名】チェン フーピン

(72)【発明者】

【氏名】ワン ジェン

(72)【発明者】

【氏名】ワン シー

(72)【発明者】

【氏名】ヂャン シャオイェン

(72)【発明者】

【氏名】ジン イーヌォ

(72)【発明者】

【氏名】ジャ ヂャオウェイ

(72)【発明者】

【氏名】シェ リァンヂー

(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】国際公開第２０１７／１７３５８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２８７８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０８１４３０（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】

複数のパターン構造要素を有する半導体ウェハの洗浄中における損傷を制御するシステムであって、
洗浄プロセス中に半導体ウェハを一時的に拘束するためのウェハホルダと、
前記半導体ウェハの表面に洗浄液を供給するための注入口と、
第１の周波数及び第１の電力レベルの第１の所定期間と、第２の周波数及び第２の電力レベルの第２の所定期間との交互で動作するように構成されており、前記洗浄液に音波エネルギーを与える音波発生器であって、前記第１の所定期間及び前記第２の所定期間が互いに連続するように繋がるようにし、前記洗浄液中における気泡サイズを、前記第１の所定期間中には音波エネルギーによって増大させ、前記第２の所定期間中には減少させる音波発生器と、
前記第１および第２の周波数と、前記第１および第２の電力レベルと、前記第１および第２の所定期間と、前記音波発生器による前記第１および第２の所定期間の交替回数とを提供するようにプログラムされたコントローラとを備えており、
前記第１及び第２の所定期間、前記第１及び第２の電力レベル、並びに、前記第１及び第２の周波数のうちの少なくとも１つが、前記音波エネルギーの付与の結果としての損傷した前記パターン構造要素の割合がゼロよりも大きい所定閾値よりも小さくなるように決定され、
半導体ウェハにおけるビアホール、トレンチ又は凹部空間の体積に対する総気泡体積の比が第１所定値まで増加した後に、電力が前記第２の所定期間にわたって前記第２の周波数及び前記第２の電力レベルに設定され、半導体ウェハにおけるビアホール、トレンチ又は凹部空間の体積に対する総気泡体積の比が第２所定値まで減少した後に、電力が前記第１の所定期間にわたって前記第１の周波数及び前記第１の電力レベルに設定されたシステム。

【請求項2】

前記ウェハホルダが回転チャックである、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記ウェハホルダが洗浄タンク内に浸漬されたカセットである、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記注入口がノズルを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記音波発生器に結合された音波トランスデューサをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記音波トランスデューサは、前記半導体ウェハ上にギャップを隔てて配置されており、前記ギャップが洗浄プロセス中に前記洗浄液で満たされる、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記ギャップが、前記洗浄プロセスの間に変化する、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記音波トランスデューサは、前記注入口に接続されており、前記注入口を流れる前記洗浄液に音波エネルギーを与える、請求項５に記載のシステム。

【請求項9】

前記洗浄液が、化学溶液、脱イオン水、及び前記化学溶液と前記脱イオン水の組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記第２の電力レベルが０である、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

前記第１の周波数が前記第２の周波数に等しく、且つ、両方の前記周波数がそれぞれの期間において一定のままでありつつ、前記第１の電力レベルが前記第２の電力レベルよりも高く、且つ、両方の前記電力レベルがそれぞれの期間において一定のままである、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記第１の周波数が前記第２の周波数よりも高く、且つ、両方の前記周波数がそれぞれの期間において一定のままでありつつ、前記第１の電力レベルが前記第２の電力レベルよりも高く、且つ、両方の前記電力レベルがそれぞれの期間において一定のままである、請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

前記第１の周波数が前記第２の周波数よりも低く、且つ、両方の前記周波数がそれぞれの期間において一定のままでありつつ、前記第１の電力レベルが前記第２の電力レベルと等しく、且つ、両方の前記電力レベルがそれぞれの期間において一定のままである、請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

前記第１の周波数が前記第２の周波数よりも低く、且つ、両方の前記周波数がそれぞれの期間において一定のままでありつつ、前記第１の電力レベルが前記第２の電力レベルよりも高く、且つ、両方の前記電力レベルがそれぞれの期間において一定のままである、請求項１に記載のシステム。

【請求項15】

前記第１の周波数が前記第２の周波数よりも低く、且つ、両方の前記周波数がそれぞれの期間において一定のままでありつつ、前記第１の電力レベルが前記第２の電力レベルよりも低く、且つ、両方の前記電力レベルがそれぞれの期間において一定のままである、請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

前記第１の電力レベルが、前記第１の所定期間中に増加する、請求項１に記載のシステム。

【請求項17】

前記第１の電力レベルが、前記第１の所定期間中に減少する、請求項１に記載のシステム。

【請求項18】

前記第１の電力レベルが、前記第１の所定期間中に増加も減少もする、請求項１に記載のシステム。

【請求項19】

前記第２の周波数が実質的に０近傍であり、前記第２の電力レベルが前記第２の所定期間において正の一定値である、請求項１に記載のシステム。

【請求項20】

前記第２の周波数が実質的に０近傍であり、前記第２の電力レベルが前記第２の所定期間において負の一定値である、請求項１に記載のシステム。

【請求項21】

前記第１の所定期間における前記音波トランスデューサからの音波と、前記第２の所定期間における前記音波トランスデューサからの音波とが、逆位相である、請求項５～８のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項22】

前記第１の所定期間が、前記第１の周波数のサイクル周期の２，０００倍よりも短い、請求項１に記載のシステム。

【請求項23】

内破温度をＴ_i、洗浄液の温度をＴ₀、１回の圧縮を経ることによる温度上昇幅をΔＴ、１回の膨張を経ることによる温度下降幅をδＴ、前記第１の周波数をｆ₁として、前記第１の所定期間が（（Ｔ_i－Ｔ₀－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１）／ｆ₁よりも短い、請求項１に記載のシステム。

【請求項24】

前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、高い値から低い値に変化する、請求項１に記載のシステム。

【請求項25】

前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、低い値から高い値に変化する、請求項１に記載のシステム。

【請求項26】

前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、低い値から高い値に変化してから前記低い値に復帰する、請求項１に記載のシステム。

【請求項27】

前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、高い値から低い値に変化してから前記高い値に復帰する、請求項１に記載のシステム。

【請求項28】

ｆ₄がｆ₃より小さく、ｆ₃がｆ₁より小さいとして、前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、最初にｆ₁、そしてｆ₃、最後にｆ₄となる、請求項１に記載のシステム。

【請求項29】

ｆ₄がｆ₃より小さく、ｆ₃がｆ₁より小さいとして、前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、最初にｆ₄、そしてｆ₃、最後にｆ₁となる、請求項１に記載のシステム。

【請求項30】

ｆ₄がｆ₃より小さく、ｆ₃がｆ₁より小さいとして、前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、最初にｆ₁、そしてｆ₄、最後にｆ₃となる、請求項１に記載のシステム。

【請求項31】

ｆ₄がｆ₃より小さく、ｆ₃がｆ₁より小さいとして、前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、最初にｆ₃、そしてｆ₄、最後にｆ₁となる、請求項１に記載のシステム。

【請求項32】

ｆ₄がｆ₃より小さく、ｆ₃がｆ₁より小さいとして、前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、最初にｆ₃、そしてｆ₁、最後にｆ₄となる、請求項１に記載のシステム。

【請求項33】

ｆ₄がｆ₃より小さく、ｆ₃がｆ₁より小さいとして、前記第１の周波数が、前記第１の所定期間において、最初にｆ₄、そしてｆ₁、最後にｆ₃とする、請求項１に記載のシステム。

【請求項34】

前記音波発生器の出力を検出するために前記音波発生器に結合された検出回路をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。

【請求項35】

前記検出回路が、入力信号を減衰させるための電圧減衰回路を含んでいる、請求項３４に記載のシステム。

【請求項36】

前記検出回路が、信号を第１の波形から第２の波形へと変換するための整形回路を含んでいる、請求項３４に記載のシステム。

【請求項37】

前記第１の波形が正弦波であり、前記第２の波形が矩形波である、請求項３６に記載のシステム。

【請求項38】

前記検出回路は、入力信号の振幅を検出して基準値と比較するための振幅検出回路を含み、前記検出回路は、前記検出された振幅が前記基準値を超えているときに、アラーム信号を生成させ、前記音波発生器をオフにさせる、請求項３４に記載のシステム。

【請求項39】

前記基準値が、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）によって生成される、請求項３８に記載のシステム。

【請求項40】

前記検出回路は、前記第１の所定期間を検出して所定値と比較し、前記第１の所定期間が前記所定値を超えているときに、アラーム信号を生成させ、前記音波発生器をオフにさせる、請求項３４に記載のシステム。

【請求項41】

前記検出回路は、前記第２の所定期間を検出して所定値と比較し、前記第２の所定期間が前記所定値未満であるときに、アラーム信号を生成させ、前記音波発生器をオフにさせる、請求項３４に記載のシステム。

【請求項42】

前記半導体ウェハにおける前記パターン構造への損傷を検査することによって、前記洗浄液中における気泡の内破を回避するように、前記第１の所定期間が実験によって決定された、請求項１に記載のシステム。

【請求項43】

実験による前記決定は、前記第１及び第２の周波数並びに前記第１及び第２の電力レベルを一定値に維持すると共に、前記第２の所定期間を前記第１の所定期間よりも著しく長い一定値に維持しつつ、互いに異なる洗浄プロセスにおける前記第１の所定期間の値として異なる値を選択することを含む、請求項４２に記載のシステム。

【請求項44】

洗浄中の前記半導体ウェハにおける前記パターン構造への損傷が生じないような限定された気泡の内破を許容するように、前記第１の所定期間が実験によって決定された、請求項１に記載のシステム。

【請求項45】

実験による前記決定は、前記第１及び第２の周波数並びに前記第１及び第２の電力レベルを一定値に維持すると共に、前記第２の所定期間を前記第１の所定期間よりも著しく長い一定値に維持しつつ、互いに異なる洗浄プロセスにおける前記第１の所定期間の値として異なる値を選択することを含む、請求項４４に記載のシステム。

【請求項46】

前記洗浄液における気泡内部の温度が所定温度まで低下可能となるように、前記第２の所定期間が実験によって決定された、請求項１に記載のシステム。

【請求項47】

前記所定温度が実質的に室温近傍である、請求項４６に記載のシステム。

【請求項48】

前記半導体ウェハにおける前記パターン構造への損傷を検査することによって、前記洗浄液中における気泡の内破を回避するように、前記第１の周波数及び前記第１の電力レベルが実験によって決定された、請求項１に記載のシステム。

【請求項49】

洗浄中の前記半導体ウェハにおける前記パターン構造への損傷が生じないような限定された気泡の内破を許容するように、前記第１の周波数及び前記第１の電力レベルが実験によって決定された、請求項１に記載のシステム。

【請求項50】

前記洗浄液における気泡内部の温度が所定温度まで低下可能となるように、前記第２の周波数及び前記第２の電力レベルが実験によって決定された、請求項１に記載のシステム。

【請求項51】

前記所定温度が実質的に室温近傍である、請求項５０に記載のシステム。

【請求項52】

前記半導体ウェハへの損傷を検査することによって、前記交替回数が実験によって決定される、請求項１に記載のシステム。

【請求項53】

前記音波エネルギーを付与することによる洗浄効果によって生じる歩留まり向上が、前記音波エネルギーを付与することによる損傷によって生じる歩留まり低下よりも大きい、請求項１に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体ウェハの洗浄に関し、より詳細には、制御された音波エネルギーを使用する湿式洗浄方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスは、トランジスタ及び相互接続要素を製造する一連の処理工程を用いて半導体ウェハ上に製造又は作製される。これらのトランジスタは、従来、２次元的に構成されているが、最近では、ＦｉｎＦＥＴトランジスタなどのように３次元的に構成されている。相互接続要素は、絶縁材料中に形成された導電性（例えば金属）のトレンチ、ビアホールなどを含む。

【0003】

これらのトランジスタ及び相互接続素子を形成する際に、半導体ウェハには複数のマスキング、エッチング、及び堆積プロセスが施されて、半導体デバイスのための所望の構造が形成される。特に、複数のマスキング及びプラズマエッチング工程を行うことによって、半導体ウェハの誘電層に、ｆｉｎＦＥＴトランジスタのフィン及び相互接続要素のトレンチやビアホールとして機能する凹部領域を形成することができる。ポストエッチング又はフォトレジストアッシングによって、フィン構造及び／又はトレンチやビアホールにある粒子及び異物を除去するためには、湿式洗浄工程が必要である。しかし、化学薬品による湿式洗浄は、側壁損失をもたらし得る。特にデバイス製造ノードが１４ｎｍ又は１６ｎｍさらにそれ以上に縮小したとき、フィン、トレンチ及びビアホールの側壁損失は、臨界寸法を維持する上で危機的事態である。側壁損失を低減又は削減するには、中程度の又は希釈された化学薬品、又は、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、中程度の又は希釈された化学薬品や脱イオン水では、フィン構造及び／又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、例えば超音波（ultra sonic）又は高周波超音波（mega sonic）エネルギーなどで生成された機械的な力が必要である。超音波又は高周波超音波は、洗浄中にウェハ構造に機械的な力を加えるための気泡キャビテーションを発生させる。

【0004】

しかしながら、キャビテーションは、無秩序な現象である。キャビテーション気泡の発生及びその崩壊が生じることは、多くの物理パラメータの影響を受ける。トランジットキャビテーション又はマイクロジェットなどの激しいキャビテーションは、パターン構造（フィン、トレンチ及びビアホール）を損傷させる可能性がある。従来の超音波又は高周波超音波洗浄プロセスにおいては、電力が十分に高い場合、例えば、５－１０ワットよりも大きい場合にのみ、顕著な粒子除去効率（ＰＲＥ）が得られる。しかしながら、電力が約２ワットを超える場合には、顕著なウェハ損傷が発生し始める。したがって、大きな損傷を引き起こすことなく、ウェハを効率的に洗浄することができるような電力の窓領域を見つけることは困難である。すなわち、安定した又は制御されたキャビテーションを維持することは、パターン構造から異物粒子を効率的に除去することを可能としつつ音波機械力を損傷限界未満に制御するために、重要な役割を果たす。

【0005】

したがって、ウェハの洗浄プロセス中に超音波又は高周波超音波デバイスによって生成される気泡キャビテーションを制御するためのシステム及び方法であって、ウェハ上のパターン構造を損傷させることなく、微細な異物粒子を効率的に除去することができるシステム及び方法を提供することが望ましい。

【発明の概要】

【0006】

ここに開示された半導体ウェハの洗浄システムは、洗浄プロセス中に半導体ウェハを一時的に拘束するためのウェハホルダと、半導体ウェハの表面に洗浄液を供給するための注入口と、第１の所定設定値の第１の所定期間と、第２の所定設定値の第２の所定期間との交互で動作するように構成された音波発生器と、前記音波発生器による、第１及び第２の所定設定値と、第１および第２の所定期間と、第１および第２の所定設定値の交替回数とを決定するようにプログラムされたコントローラとを備えている。洗浄液内の気泡キャビテーションは、第１の所定期間において増加し、第２の所定期間において減少する。第１の所定期間及び第２の所定期間は、互いに連続するように繋がっている。そのため、洗浄液中の気泡を、各第１の所定期間での洗浄後に十分に冷却することができ、半導体ウェハの損傷を回避することができる。

【0007】

以下の実施形態の詳細な説明を考慮して、他の態様、特徴及び技術が当業者に明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

添付した本明細書の一部を構成する図面は、本開示のいくつかの態様を説明するために含まれている。本開示のより明確な概念、及び本開示を提供されるシステムの構成要素及び動作のより明確な概念は、図面に示される例示的な、したがって非限定的な実施形態を参照することによって、より容易に明らかになるであろう。ここで、同じ参照符号（２つ以上の図面にある場合）は、同じ要素を示す。本開示は、以下に提示される説明と組み合わせて、これらの図面のうちの一又は複数を参照することによって、よりよく理解され得る。なお、図面に示された特徴は必ずしも縮尺通りに描かれていないことに留意すべきである。

【0009】

【図1A】本発明の一実施形態による超音波又は高周波超音波デバイスを使用するウェハ洗浄装置を示す図である。

【図1B】本発明の一実施形態による超音波又は高周波超音波デバイスを使用するウェハ洗浄装置を示す図である。

【図2A】超音波又は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】超音波又は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】超音波又は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】超音波又は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】超音波又は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】超音波又は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】超音波又は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】ウェハ洗浄プロセス中における気泡内破を示す図である。

【図4A】ウェハ洗浄プロセスにおいてウェ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】ウェハ洗浄プロセスにおいてウェ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】音波ウェハ洗浄プロセスにおいて気泡内部の熱エネルギーの変化を示す図である。

【図5B】音波ウェハ洗浄プロセスにおいて気泡内部の熱エネルギーの変化を示す図である。

【図5C】音波ウェハ洗浄プロセスにおいて気泡内部の熱エネルギーの変化を示す図である。

【図6A】最終的にマイクロジェットが発生する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図6B】最終的にマイクロジェットが発生する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図6C】最終的にマイクロジェットが発生する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図7A】本発明の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図7B】本発明の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図7C】本発明の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図7D】本発明の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図7E】本発明の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図8A】本発明の別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図8B】本発明の別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図8C】本発明の別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図8D】本発明の別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図9A】本発明のさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図9B】本発明のさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図9C】本発明のさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図9D】本発明のさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図10A】本発明のまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図10B】本発明のまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図10C】本発明のまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図11A】本発明のまたさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図11B】本発明のまたさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図12A】本発明のさらにまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図12B】本発明のさらにまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図13A】本発明のさらなる別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図13B】本発明のさらなる別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図14A】本発明のまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図14B】本発明のまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図15A】音波ウェハ洗浄プロセスにおいてウェハ上のパターン構造に損傷を与える安定したキャビテーションを示す図である。

【図15B】音波ウェハ洗浄プロセスにおいてウェハ上のパターン構造に損傷を与える安定したキャビテーションを示す図である。

【図15C】音波ウェハ洗浄プロセスにおいてウェハ上のパターン構造に損傷を与える安定したキャビテーションを示す図である。

【図15D】本発明の一実施形態による代替的なウェハ洗浄プロセスを示すフローチャートである。

【図16A】本発明の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図16B】本発明の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図16C】本発明の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図17】本発明の別の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図18A】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18B】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18C】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18D】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18E】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18F】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18G】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18H】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18I】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図18J】半導体ウェハのビアホール又はトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。

【図19A】音波エネルギーに応じた気泡体積の変化を示す図である。

【図19B】音波エネルギーに応じた気泡体積の変化を示す図である。

【図19C】音波エネルギーに応じた気泡体積の変化を示す図である。

【図19D】音波エネルギーに応じた気泡体積の変化を示す図である。

【図20A】本発明の一実施形態による高いアスペクト比のビアホール及びトレンチといったパターン構造要素を効果的に洗浄する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図20B】本発明の一実施形態による高いアスペクト比のビアホール及びトレンチといったパターン構造要素を効果的に洗浄する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図20C】本発明の一実施形態による高いアスペクト比のビアホール及びトレンチといったパターン構造要素を効果的に洗浄する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図20D】本発明の一実施形態による高いアスペクト比のビアホール及びトレンチといったパターン構造要素を効果的に洗浄する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図21A】本発明の一実施形態による別の洗浄プロセスを示す図である。

【図21B】本発明の一実施形態による別の洗浄プロセスを示す図である。

【図21C】本発明の一実施形態による別の洗浄プロセスを示す図である。

【図22A】本発明の別の一実施形態による音波エネルギーを用いたウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図22B】本発明の別の一実施形態による音波エネルギーを用いたウェハ洗浄プロセスを示す図である。

【図23】本発明の一実施形態による図７－２２に示されたウェハ洗浄プロセスを実行するためのウェハ洗浄装置の一例を示す図である。

【図24】本発明の一実施形態による図７－２２に示されたウェハ洗浄プロセスを実行するための別のウェハ洗浄装置の断面図である。

【図25】本発明の一実施形態による音波エネルギーを採用したウェハ洗浄プロセスの動作パラメータをモニタリングするための制御システムを示す図である。

【図26】本発明の一実施形態による図２５に示す検出システムのブロック図である。

【図27】本発明の別の一実施形態による図２５に示す検出システムのブロック図である。

【図28A】本発明の一実施形態による図２６に示す電圧減衰回路の例を示す図である。

【図28B】本発明の一実施形態による図２６に示す電圧減衰回路の例を示す図である。

【図28C】本発明の一実施形態による図２６に示す電圧減衰回路の例を示す図である。

【図29A】本発明の一実施形態による図２６に示す整形回路の例を示す図である。

【図29B】本発明の一実施形態による図２６に示す整形回路の例を示す図である。

【図29C】本発明の一実施形態による図２６に示す整形回路の例を示す図である。

【図30A】本発明の一実施形態による図２６及び図２７のメインコントローラの例を示す図である。

【図30B】本発明の一実施形態による図２６及び図２７のメインコントローラの例を示す図である。

【図30C】本発明の一実施形態による図２６及び図２７のメインコントローラの例を示す図である。

【図31】ホストコンピュータが音波電源を停止した後で、音波電源が数回振動している様子を示す図である。

【図32A】本発明の一実施形態による図２７に示す振幅検出回路の例を示す図である。

【図32B】本発明の一実施形態による図２７に示す振幅検出回路の例を示す図である。

【図32C】本発明の一実施形態による図２７に示す振幅検出回路の例を示す図である。

【図33】本発明の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示すフローチャートである。

【図34】本発明の別の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示の一態様は、音波エネルギーを用いた半導体ウェハ洗浄における気泡キャビテーションの制御に関する。以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

【0011】

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態による超音波または高周波超音波装置を使用するウェハ洗浄装置を示す図である。図１Ａは、ウェハ１０１０を保持するウェハチャック１０１４と、ウェハチャック１０１４を駆動する回転駆動モジュール１０１６と、ウェハ１０１０の表面に洗浄液１０３２を供給するノズル１０１２とを含むウェハ洗浄装置の断面図である。洗浄液１０３２は、洗浄化学物質又は脱イオン水であってよい。また、ウェハ洗浄装置は、ウェハ１０１０の上方に配置された超音波又は高周波超音波デバイス１００３を含む。そして、ウェハ１０１０の回転及びノズル１０１２からの洗浄液１０３２の一定の流れに伴って、ウェハ１０１０と音波デバイス１００３との間に、厚さｄの洗浄液１０３２の膜が維持される。超音波又は高周波超音波デバイス１００３は、清浄液と接触する共振器１００８に音響的に結合された圧電トランスデューサ１００４をさらに含んでいる。圧電トランスデューサ１００４は電気的に励起されて振動し、共振器１００８は洗浄液１０３２に高周波音波エネルギーを伝達する。高周波音響エネルギーによって発生した気泡のキャビテーションは、ウェハ１０１０の表面にある異物、すなわち汚染物質を振動させ、そこから除去させる。

【0012】

再び図１Ａを参照すると、ウェハ洗浄装置はアーム１００７も含んでいる。アーム１００７は、音波デバイス１００３を垂直方向Ｚに移動させることによって液膜厚さｄを変化させるために、音波デバイス１００３に結合されている。垂直駆動モジュール１００６は、アーム１００７を垂直方向に移動させる。垂直駆動モジュール１００６及び回転駆動モジュール１０１６の両方は、制御装置１０８８によって制御される。

【0013】

図１Ａに示すウェハ洗浄装置の平面図である図１Ｂに示すように、音波デバイス１００３は、ウェハ１０１０の小さな領域のみを覆っている。したがって、ウェハ１０１０は、その全体にわたって均一な音波エネルギーを受け取るために回転しなければならない。図１Ａ及び図１Ｂには１つの音波デバイス１００３だけが示されているが、他の実施形態では、複数の音波デバイスが同時にまた間欠的に用いられてもよい。同様に、２個以上のノズル１０１２が、洗浄液１０３２をより均一に吹き付けるために使用されてもよい。

【0014】

図２Ａ～図２Ｇは、超音波または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２Ａは三角形又はパイ形状を示し、図２Ｂは矩形を示し、図２Ｃは八角形を示し、図２Ｄは楕円形を示し、図２Ｅは半円形状を示し、図２Ｆは１／４円形状を示し、図２Ｇは真円形状を示している。これらの形状の各々における音波トランスデューサが、図１に示す音波デバイス１００３の圧電トランスデューサ１００４の代わりに使用されてもよい。

【0015】

図３は、ウェハ洗浄プロセス中における気泡の内破を示す図である。気泡３０１２の形状は、音波エネルギーが気泡３０１２に印加されるにつれて、球状Ａからリンゴ形状Ｇへと徐々に圧縮される。最終的に、気泡３０１２は、内破状態Ｉに達し、マイクロジェットを形成する。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、マイクロジェットは非常に猛烈な（数千気圧及び数千℃に達することもある）、特にパターン構造要素のサイズｔが７０ｎｍ以下に収縮すると、半導体ウェハ４０１０上の微細パターン構造４０３４に損傷を与えうる。

【0016】

図４Ａ及び図４Ｂは、ウェハ洗浄プロセスにおいてウェ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４Ａに示すように、気泡４０４０、４０４２及び４０４４は、半導体ウェハ４０１０にあるパターン構造４０３４の上方における音波キャビテーションによって形成される。パターン構造４０３４は、これらに限定されるものではないが、フィン、ビアホール、トレンチ等を含む、洗浄される必要がある複数の要素を含む。気泡４０４４は、数１０００気圧及び数１０００℃に達する非常に猛烈なマイクロジェットとなる。図４Ｂに示すように、マイクロジェットが発生すると、パターン構造４０３４の一部が吹き飛ばされる。このような損傷は、７０ｎｍ以下のデバイス要素サイズを有するウェハに対してより深刻である。

【0017】

図５Ａ～図５Ｃは、ウェハ洗浄プロセスにおいて気泡５０１６内部の熱エネルギーの変化を示す図である。気泡５０１６に音波正圧が作用すると、気泡５０１６は、図５Ａに示すように、その体積を減少させる。この体積が収縮する過程で、音波圧力Ｐ_Ｍが気泡５０１６に作用し、機械的仕事が気泡５０１６内にて熱エネルギーに変換される。したがって、気泡５０１６内部の気体及び／又は蒸気の温度Ｔは、図５Ｂに示すように、増加する。様々なパラメータ間の関係は、次の式によって表すことができる。

【0018】

ｐ_０ｖ_０／Ｔ_０＝ｐｖ／Ｔ （１）

【0019】

ここで、ｐ_０は圧縮前の気泡内の圧力、ｖ_０は圧縮前の気泡５０１６の初期体積、Ｔ_０は圧縮前の気泡内部の気体の温度であり、ｐは圧縮中における気泡内部の圧力、ｖは圧縮中における気泡の体積、Ｔは圧縮中における気泡内部の気体の温度である。

【0020】

計算を単純化するために、圧縮中には気体の温度が変化しない、又は、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単位から体積１単位、つまり圧縮比＝Ｎ）中における、音波圧力Ｐ_Ｍによる機械的仕事ｗ_ｍは以下のように表すことができる。

【数1】

【0021】

ここで、Ｓはシリンダの断面積、Ｘ_０はシリンダの長さ、ｐ_０は圧縮前におけるシリンダ内部の気体圧力である。上記式（２）では、圧縮中における温度上昇要因を考慮していないため、気泡内の実際の圧力は温度上昇のためにより高くなる。したがって、音波圧力による実際の機械的仕事は、式（２）によって計算されるものよりも大きくなる。

【0022】

音波圧力による機械的仕事の一部が、気泡内部の高圧気体及び／又は蒸気の熱エネルギー及び部分的に機械的エネルギーに変換され、その熱エネルギーは気泡内部の温度上昇に完全に寄与する（気泡の周囲の液体分子にエネルギーが移らない）と仮定し、さらに、気泡内部の気体の質量が圧縮の前後で一定のままであると仮定すると、気泡の１回の圧縮を経ることによる温度上昇ΔＴは、以下の式によって表すことができる。

【0023】

ΔＴ＝Ｑ／（ｍｃ）＝βｗｍ／（ｍｃ）＝βＳｘ_０ｐ_０ｌｎ（ｘ_０）／（ｍｃ） （３）

【0024】

上記式で、Ｑは機械的仕事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＝１０００μｍ＝１Ｅ^－３ｍ（圧縮比Ｎ＝１０００）、ｐ_０＝１ｋｇ／ｃｍ^２＝１Ｅ^４ｋｇ／ｍ^２、ｍ＝８．９Ｅ^－１７ｋｇ（水素ガスの場合）、ｃ＝９．９Ｅ^３Ｊ／（ｋｇ^０ｋ）を上記式（３）に代入すると、ΔＴ＝５０．９℃となる。

【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、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。

【0026】

Ｔ_１＝Ｔ_０＋ΔＴ＝２０℃＋５０．９℃＝７０．９℃ （４）

【0027】

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。この逆プロセスでは、圧力Ｐ_Ｇを有する高温気体及び／又は蒸気が、周囲の液体表面に仕事をすることになる。同時に図５Ｃに示すように、音波圧力Ｐ_Ｍが、気泡を膨張方向に引っ張るため、負の音波圧力Ｐ_Ｍも周囲の液体に部分的に仕事をする。これらの作用が協働する結果、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又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１サイクルの後、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度Ｔ_２は、図６Ｂに示すように、Ｔ_０とＴ_１の間のいずれかとなる。ここで、Ｔ_２を以下のように表すことができる。

Ｔ_２＝Ｔ_１－δＴ＝Ｔ_０＋ΔＴ－δＴ （５）

ここで、δＴは気泡が一回膨張した後の温度低下幅であり、δＴはΔΔＴより小さい。

気泡キャビテーションの第２サイクルが最小気泡サイズに達すると、気泡内の気体及び／又は蒸気の温度Ｔ_３は、以下の通りとなる。

Ｔ_３＝Ｔ_２＋ΔＴ＝Ｔ_０＋ΔＴ－δＴ＋ΔＴ＝Ｔ_０＋２ΔＴ－δＴ （６）

気泡キャビテーションの第２サイクルが終了すると、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度Ｔ_４は、以下のようになる。

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

同様に、気泡キャビテーションのｎ番目のサイクルが最小気泡サイズに達したとき、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度Ｔ_２ｎ－１は、以下の通りである。
Ｔ_２ｎ－１＝Ｔ_０＋ｎΔＴ－（ｎ－１）δＴ （８）

【0028】

気泡キャビテーションのｎ番目サイクルが終了すると、気泡内の気体及び／又は蒸気の温度Ｔ_２ｎは、以下のようになる。

Ｔ_２ｎ＝Ｔ_０＋ｎΔＴ－ｎδＴ＝Ｔ_０＋ｎ（ΔＴ－δＴ） （９）

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。

ｎ_ｉ＝（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１ （１０）

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。

τ_ｉ＝ｎ_ｉｔ_１＝ｔ_１（（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１）

＝ｎ_ｉ／ｆ_１＝（（Ｔ_ｉ－Ｔ_０－ΔＴ）／（ΔＴ－δＴ）＋１）／ｆ_１ （１１）

ここで、ｔ_１はサイクル周期であり、ｆ_１は超音波／高周波超音波の周波数である。

【0029】

式（１０）及び（１１）により、内破サイクル数ｎ_ｉ及び内破時間τ_ｉを計算することができる。Ｔ_ｉ＝３０００℃、ΔＴ＝５０．９℃、Ｔ_０＝２０℃、ｆ_１＝５００ＫＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚと仮定したときにおける、内破サイクル数ｎ_ｉ、内破時間τ_ｉ、及び、（ΔＴ－δＴ）の計算された関係を表１に示す。

【表1】

【0030】

図６Ａ～図６Ｃは、マイクロジェットが最終的に発生し、処理パラメータが式（１）～（１１）に従う場合における、音波ウェハ洗浄プロセスを示す。図６Ａに示すように、洗浄液中に気泡キャビテーションを発生させるために、音波デバイスに電力（Ｐ）が連続的に供給される。気泡キャビテーションのサイクル数ｎが増加するにつれて、気体及び／又は蒸気の温度は、図６Ｂに示されるように増加する。そのため、気泡表面のより多くの分子が、気泡６０８２の内部へ向かって蒸発し、その結果、図６Ｃに示すように、時間の経過と共にそのサイズが増加する。最終的に、圧縮中における気泡６０８２内の温度は、内破温度Ｔ_ｉに達し（通常、Ｔ_ｉは数１０００℃程度と高くなる）、図６Ｃに示すように、激しいマイクロジェット６０８０が発生する。したがって、洗浄中におけるウェハのパターン構造の損傷を回避するために、安定したキャビテーションが維持されなければならず、気泡の内破つまりマイクロジェットは回避されなければならない。

【0031】

図７Ａ～図７Ｅは、本発明の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。図７Ａは、洗浄液中に気泡キャビテーションを発生させるために、音波デバイスに間欠的に供給される電源出力の波形を示す。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す。図７Ｃは、キャビテーションの各サイクル中に、期間τ_１においては気泡サイズが増加し、期間τ_２において電力供給が終了したときに減少することを示している。

【0032】

本発明の第１の実施形態による気泡内破を回避するための詳細な処理の複数工程が、図７Ｄに示されている。この処理は、超音波又は高周波超音波デバイスを洗浄中のウェハの上面近傍に配置する工程７０１０から始まる。工程７０２０において、化学物質又は気体がドープされた水のいずれかである洗浄液をウェハ上に導入し、ウェハと音波デバイスとの間のギャップを洗浄液で満たす。工程７０３０において、チャックによって保持されたウェハの回転又は振動を開始させる。工程７０４０において、周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１を有する電源を、音波デバイスに印加する。工程７０５０において、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が内破温度Ｔ_ｉに達するか、又は期間τ_１が式（１１）によって計算される時間τ_ｉに達する前に、電源出力を０とする。すると、洗浄液の温度が気体温度よりもはるかに低いため、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が低下し始める。工程７０６０において、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が室温Ｔ_０まで低下した後、又は持続時間がτ_２に達した後（期間τ_２の間、電源出力は０とされる）、電源出力を、周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１に復帰させる。工程７０７０において、ウェハの清浄度を検査する。そして、ウェハが所望の程度までまだ清浄になっていない場合、工程７０１０から工程７０６０までを繰り返す。代替的には、清浄度の検査をサイクル毎に行わなくてもよい。実用されるサイクルの数を、サンプルウェハを使用して予め実験によって決定してもよい。

【0033】

再び図７Ｄを参照すると、工程７０５０において、気泡の内破を回避するために、期間τ_１は式（１１）を用いて計算されるτ_ｉよりも短くなければならない。工程７０６０において、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度は、室温又は洗浄液温度まで冷却される必要がない。むしろ、それは、室温又は洗浄液温度よりも高い温度であることができる。好ましくは、この温度は、内破温度Ｔ_ｉよりも十分に低い。

【0034】

式（８）及び（９）によれば、（ΔＴ－δＴ）が分かっている場合には、内破時間τ_ｉを計算することができる。しかし、通常、（ΔＴ－δＴ）は、計算することができず、容易に直接的な測定をすることができない。一方において、τ_ｉは実験によって決定することができる。

【0035】

図７Ｅは、内破時間τ_ｉを実験によって決定するための処理を示すフローチャートである。まず、工程７２１０において、５つの異なる期間τ_１を、表１に基づいて実験計画法（ＤＯＥ）条件として例示的に選択する。工程７２２０において、期間τ_２を、選択された期間τ_１の少なくとも１０倍、第１のスクリーニング試験では好ましくは１００倍長い時間に設定する。工程７２３０において、電力レベルをＰ_０に固定し、上記の５つのＤＯＥ条件で、同じ特定パターン構造を有する５つの異なるウェハを別々に洗浄する。ここで、Ｐ_０は図６Ａに示すような連続モード（非パルスモード）を行うと、パターン構造が確実に損傷する電力レベルである。工程７２４０において、５枚のウェハの損傷状態を、電子顕微鏡（ＳＥＭ）又はＡＭＡＴ ＳＥＭビジョン又はＨｉｔａｃｈｉ ＩＳ３０００のようなウェハパターン損傷調査ツールによって検査する。これにより、内破時間τ_ｉを特定の範囲に狭めることができる。損傷したパターン構造要素のパーセンテージは、ＳＥＭによって検査された損傷したパターン構造要素の総数を、パターン構造要素の総数で除算することによって計算することができる。損傷したパターン構造要素のパーセンテージを決定するその他の方法が存在してもよい。例えば、損傷したパターン構造要素の割合の指標として、最終的なウェハ歩留まりが使用されてもよい。

【0036】

上記の工程７２１０～７２４０を繰り返すことにより、内破時間τ_ｉの範囲を狭くすることができる。内破時間τ_ｉを取得した後、期間τ_１を、安全マージンのために０．５＊τ_ｉより小さい値に設定してもよい。以下の段落は、そのような実験の例を記載している。

【0037】

パターン構造が５５ｎｍのポリシリコンゲートラインによって形成されると仮定すると、超音波周波数は１ＭＨｚであり、この超音波は、ウェハ内及びウェハからウェハへの均一なエネルギー付与量を達成するために、ギャップ発振モード（ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＣＮ２００８／０７３４７１号の明細書に開示されている）で動作するＰｒｏｓｙｓ社によって製造された超音波／高周波超音波デバイスによって生成される。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。

【表2】

【0038】

実験では、τ_１＝２ｍｓ（２０００サイクル）の場合、上述の音波洗浄プロセスによって、５５ｎｍの要素サイズを有するパターン構造に対して１２１６個の損傷部位が発生する。τ_１＝０．１ｍｓ（１００サイクル）の場合、音波洗浄プロセスによって、同じパターン構造に対してゼロ（０）個の損傷部位が発生する。したがって、内破時間τ_ｉは、０．１ｍｓから２ｍｓの間の値である。よりτ_１の範囲を狭くした追加の試験によって、τ_ｉの範囲をより狭くすることができる。

【0039】

上記の実験では、サイクル数は、超音波又は高周波超音波のパワー密度及び周波数に依存しており、パワー密度が大きいほどサイクル数が少なく、周波数が低いほどサイクル数が少ない。上記の実験から、超音波又は高周波超音波のパワー密度が０．１ワット／ｃｍ^２より大きく、超音波又は高周波超音波の周波数が１ＭＨｚ以下である場合、損傷のないサイクル数は２，０００より小さいと予測することができる。周波数が１ＭＨｚより大きな範囲に上昇するか、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測される。

【0040】

期間τ_１を取得した後、上記したのと同様のＤＯＥ法に基づいて、期間τ_２を実験によって取得することができる。この場合、τ_１は所定の値に固定され、パターン構造に損傷が観察されるまで、各ＤＯＥを行う際にτ_２を徐々に短くする。期間τ_２が短くなるにつれて、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が十分に低下できず、気泡内部の気体及び／又は蒸気の平均温度が徐々に増加し、最終的には気泡の内破を引き起こす。この内破を引き起こす時間を、臨界冷却時間τ_ｃという。臨界冷却時間τ_ｃを知ることによって、安全マージンをとって期間τ_２を２＊τ_ｃよりも大きい値に設定することができる。

【0041】

したがって、洗浄プロセスの複数のパラメータは、音波エネルギーを付与することによる洗浄効果によって生じる歩留まり向上が、前記音波エネルギーを付与することによる損傷によって生じる歩留まり低下よりも大きくなるように決定されてもよい。損傷率についての所定の閾値が、例えば顧客によって指定されてもよい。洗浄プロセスのパラメータは、損傷の割合が所定の閾値よりも小さく、又は実質的に０若しくは０丁度となるように決定されてもよい。所定の閾値は、例えば、１０％、５％、２％又は１％であってよい。損傷率は、ウェハ製造の最終歩留まりが、洗浄プロセスによって引き起こされるいかなる損傷の影響も実質的に受けない場合、実質的に０である。換言すれば、洗浄プロセスによって引き起こされる損傷は、製造プロセス全体の観点から許容可能である。損傷率は、上述のように、電子顕微鏡を使用してサンプルウェハを検査することによって決定することができる。

【0042】

図８Ａ～図８Ｄは、本発明の別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。この音波ウェハ洗浄プロセスでは、電源Ｐの振幅を、図７Ａ及び図７Ｄの工程７０４０のように一定のレベルＰ１に維持するのではなく、時間とともに変化させるが、その他の面では図７Ａ～７Ｄに示したものと同じままである。一実施形態では、図８Ａに示すように、電源の振幅Ｐが、期間τ_１の間に増大する。別の実施形態では、図８Ｂに示すように、電源振幅Ｐが、期間τ_１の間に減少する。さらに別の実施形態では、図８Ｃに示すように、電源振幅Ｐが、期間τ_１の最初に減少し、その後、増加する。図８Ｄに示す実施形態では、電源振幅Ｐが、期間τ_１の最初に増加し、その後、減少する。

【0043】

図９Ａ～図９Ｄは、本発明のさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。この音波ウェハ洗浄プロセスでは、電源の周波数を、図７Ａ及び図７Ｄの工程７０４０のように一定値ｆ_１に維持するのではなく、時間とともに変化させるが、その他の面では図７Ａ～７Ｄに示したものと同じままである。一実施形態では、図９Ａに示すように、電源の周波数が、期間τ_１の最初にｆ_１で、次にｆ_３となる。ここでｆ_１はｆ_３よりも高い周波数である。図９Ｂに示すように、一実施形態では、電源の周波数が、期間τ_１の最初にｆ_３で、その後にｆ_１へと高くなる。図９Ｃに示すように、一実施形態では、電源の周波数が、期間τ_１の間にｆ_３からｆ_１に変化し、次いで、ｆ_３に戻る。図９Ｄに示すように、一実施形態では、電源の周波数が、期間τ_１の間にｆ_１からｆ_３に変化し、次いで、ｆ_１に戻る。

【0044】

図９Ｃに示す洗浄プロセスと同様に、一実施形態では、電源周波数は、期間τ_１においてまずｆ_１に設定され、その後ｆ_３に設定され、最後にｆ_４に設定される。ここで、ｆ_４がｆ_３より小さく、ｆ_３がｆ_１より小さい。

【0045】

さらに、図９Ｃに示す洗浄プロセスと同様に、一実施形態では、電源周波数は、期間τ_１においてまずｆ_４に設定され、その後ｆ_３に設定され、最後にｆ_１に設定される。ここで、ｆ_４がｆ_３より小さく、ｆ_３がｆ_１より小さい。

【0046】

さらに、図９Ｃに示す洗浄プロセスと同様に、一実施形態では、電源周波数は、期間τ_１においてまずｆ_１に設定され、その後ｆ_４に設定され、最後にｆ_３に設定される。ここで、ｆ_４がｆ_３より小さく、ｆ_３がｆ_１より小さい。

【0047】

さらに、図９Ｃに示す洗浄プロセスと同様に、一実施形態では、電源周波数は、期間τ_１においてまずｆ_３に設定され、その後ｆ_４に設定され、最後にｆ_１に設定される。ここで、ｆ_４がｆ_３より小さく、ｆ_３がｆ_１より小さい。

【0048】

さらに、図９Ｃに示す洗浄プロセスと同様に、一実施形態では、電源周波数は、期間τ_１においてまずｆ_３に設定され、その後ｆ_１に設定され、最後にｆ_４に設定される。ここで、ｆ_４がｆ_３より小さく、ｆ_３がｆ_１より小さい。

【0049】

さらに、図９Ｃに示す洗浄プロセスと同様に、一実施形態では、電源周波数は、期間τ_１においてまずｆ_４に設定され、その後ｆ_１に設定され、最後にｆ_３に設定される。ここで、ｆ_４がｆ_３より小さく、ｆ_３がｆ_１より小さい。

【0050】

図１０Ａ～図１０Ｃは、本発明のまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。図１０Ａを参照すると、図７Ａに示される洗浄プロセスと同様に、期間τ_１において、電力レベルＰ１及び周波数ｆ_１を有する電源が、音波デバイスに印加される。しかし、期間τ_２において、電力を、図７Ａに示すように０に落とすのではなく、レベルＰ２まで低下させる。したがって、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度は、図１０Ｂに示すように、Ｔ_０＋ΔＴ_２まで低下する。

【0051】

図１０Ｃは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるウェハ洗浄プロセスの処理を示すフローチャートである。工程１００１０において、超音波又は高周波超音波デバイスを、洗浄中のウェハの上面近傍に配置する。工程１００２０において、化学物質又は気体がドープされた水のいずれかである洗浄液をウェハ上に導入し、ウェハと音波デバイスとの間のギャップを洗浄液で満たす。工程１００３０において、ウェハを保持するチャックを、洗浄プロセスのために回転させ始める。工程１００４０において、周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１を有する電源を、音波デバイスに印加する。工程１００５０において、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が内破温度Ｔ_ｉに達するか、又は期間τ_１が式（１１）によって計算される期間τ_ｉに達する前に、周波数をｆ_１に維持しつつ、電力レベルをＰ２に下げる。工程１００６０において、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が室温Ｔ_０近傍まで低下した後、又は持続時間がτ_２に達した後、電力レベルをＰ１に復帰させる。工程１００７０において、ウェハの清浄度を検査する。そして、ウェハが所望の程度までまだ清浄になっていない場合、工程１００１０から工程１００６０までを繰り返す。代替的には、清浄度の検査をサイクル毎に行わなくてもよい。実用されるサイクルの数を、サンプルウェハを使用して予め実験によって決定してもよい。

【0052】

図１１Ａ～図１１Ｂは、本発明のまたさらに別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。この音波ウェハ洗浄プロセスは、図１０Ａ～図１０Ｃに示されたものと同様であり、相違点は、工程１００５０のみである。図１１Ａ及び図１１Ｂに示すウェハ洗浄プロセスでは、電源周波数をｆ_１に維持する代わりに、期間τ_２の間、周波数をｆ_２に低下させる。気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度を室温Ｔ_０近傍まで低下させられるように、電力レベルＰ２は、Ｐ１よりも十分に小さく、好ましくは１／５又は１／１０であるべきである。

【0053】

図１２Ａ～図１２Ｂは、本発明のさらにまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。本洗浄プロセスと図１０Ａ～図１０Ｃに示すものとの間の差は、工程１００５０のみである。本ウェハ洗浄工程では、期間τ_２における電力レベルＰ２をＰ１と実質的に同じとしつつ、電源周波数をｆ_２に高める。

【0054】

図１３Ａ～図１３Ｂは、本発明のさらなる別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。本洗浄プロセスと図１０Ａ～図１０Ｃに示すものとの間の差は、工程１００５０のみである。本ウェハ洗浄工程では、期間τ_２における電力レベルをＰ１からＰ２へと低下させつつ、電源周波数をｆ_２に高める。

【0055】

図１４Ａ～図１４Ｂは、本発明のまた別の一実施形態による音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。本洗浄プロセスと図１０Ａ～図１０Ｃに示すものとの間の差は、工程１００５０のみである。本ウェハ洗浄工程では、期間τ_２における電力レベルをＰ１からＰ２へと増大させつつ、電源周波数をｆ_１からｆ_２に高める。周波数ｆ_２はｆ_１よりも高いために音波エネルギーは気泡をそれほど強く加熱しないので、電力レベルＰ２は、Ｐ１よりわずかに高くてもよいが、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が図１４Ｂに示すように期間τ_２の間に減少することを確実にするためには、高すぎてはならない。

【0056】

図１５Ａ～１５Ｃは、音波ウェハ洗浄プロセスにおいてウェハ上のパターン構造に損傷を与える安定したキャビテーションを示す図である。図１５Ａに示すように、ウェハ１５０１０上には、間隔Ｗを有するパターン構造１５０３４が形成されている。キャビテーションプロセスで形成されたいくつかの気泡１５０４６は、パターン構造１５０３４の間隙中にある。図１５Ｂに示すように、気泡キャビテーションが継続するにつれて、気泡１５０４８内の気体及び／又は蒸気の温度が上昇し、気泡１５０４８のサイズが増大する。気泡１５０４８の大きさが間隔Ｗ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。したがって、新しいウェハ洗浄プロセスが必要とされる。

【0057】

図１５Ｃに示された気泡膨張によって引き起こされる損傷部位は、図４Ｂに示された気泡内破による損傷部位よりも小さくてよい。例えば、気泡の膨張は、１００ｎｍのオーダーの損傷部位をもたらす可能性があり、一方で気泡の内破は、１μｍのオーダーのより大きな損傷部位をもたらす場合がある。

【0058】

図１５Ｄは、本発明の一実施形態による代替的なウェハ洗浄プロセスを示すフローチャートである。代替のウェハ洗浄プロセスは、超音波又は高周波超音波デバイスを、洗浄中のウェハの上面近傍に配置する工程１５２１０から始まる。工程１５０２０において、化学物質又は気体がドープされた水のいずれかである洗浄液をウェハ上に導入し、ウェハと音波デバイスとの間のギャップを洗浄液で満たす。工程１５２３０において、チャックによって保持されたウェハの回転又は振動を開始させる。工程１５２４０において、周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１を有する電源を、音波デバイスに印加する。工程１５２５０において、気泡のサイズが間隔Ｗの値に達する前に、電源出力を０とする。すると、洗浄液の温度が気体温度よりもはるかに低いため、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が低下し始める。工程１５２６０において、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が室温Ｔ_０まで低下した後、又は持続時間がτ_２に達した後（期間τ_２の間、電源出力は０とされる）、電源出力を、周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１に復帰させる。工程１５２７０において、ウェハの清浄度を検査する。そして、ウェハが所望の程度までまだ清浄になっていない場合、工程１５２１０から工程１５２６０までを繰り返す。代替的には、清浄度の検査をサイクル毎に行わなくてもよい。実用されるサイクルの数を、サンプルウェハを使用して予め実験によって決定してもよい。

【0059】

再び図１５Ｄを参照すると、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度は、室温Ｔ_０まで冷却される必要がないが、好ましくは、内破温度Ｔ_ｉよりはるかに低い温度に冷却されるべきである。工程１５２５０では、気泡の膨張力がパターン構造１５０３４を破損又は損傷しない限り、気泡の大きさをパターン構造１５０３４の間隔Ｗより若干大きくすることができる。

【0060】

再び図１５Ｄを参照すると、工程１５２４０の持続時間は、図７Ｅに示す手順から、τ_１として実験によって取得することができる。いくつかの実施形態では、図７－１４に示すウェハ洗浄プロセスを、図１５に示すウェハ洗浄プロセスと組み合わせることができる。

【0061】

図１６Ａ～図１６Ｃは、本発明の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示す図である。このウェハ洗浄プロセスは、図７Ｄの工程７０５０を除いて、図７Ａ～図７Ｅに示したものと同様である。このウェハ洗浄プロセスでは、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が、内破温度Ｔ_ｉに達するか、又は持続時間τ_１が式（１１）によって計算されるτ_ｉに達する前に、電源出力を、図１６Ａに示される正のＤＣ値又は図１６Ｂ及び１６Ｃに示される負のＤＣ値に設定する。その結果、洗浄液の温度が気体及び／又は蒸気の温度よりもはるかに低いため、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が低下し始める。いくつかの実施形態では、正又は負のいずれのＤＣ出力の振幅についても、洗浄液中の気泡キャビテーションを生成するための期間τ_１に印加される電力レベルＰ１の振幅よりも大きくても（図示せず）、等しくても（図１６Ａ及び図１６Ｂ参照）、小さくても（図１６Ｃ参照）よい。

【0062】

図１７は、本発明の別の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示す図である。このウェハ洗浄プロセスはまた、図７Ｄの工程７０５０を除いて、図７Ａ～図７Ｅに示すものと同様である。 このウェハ洗浄工程は、期間τ_１に印加されるのと同じ周波数ｆ_１を維持しつつ、電源出力の位相を反転させ、その結果、気泡キャビテーションを迅速に停止させることができる。その結果、洗浄液の温度が気体及び／又は蒸気の温度よりもはるかに低いため、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が低下し始める。

【0063】

再び図１７を参照すると、期間τ_２における電力レベルは、Ｐ２であり、これは、それぞれ異なる実施形態において、期間τ_１における電力レベルであるＰ１より大きい、Ｐ１に等しい、又は、Ｐ１より小さいものであってよい。一実施形態では、期間τ_２における電源周波数は、位相が反転されていれば、ｆ_１とは異なるものであってよい。いくつかの実施形態では、超音波又は高周波超音波電源の周波数ｆ_１は、０．１ＭＨｚから１０ＭＨｚまでの間である。

【0064】

図１８Ａ～１８Ｊは、半導体ウェハのビアホールまたはトレンチ内における新鮮な洗浄液の循環を向上させる気泡キャビテーション制御を示す図である。図１８Ａは、ウェハ１８０１０内に形成された複数のビアホール１８０３４の断面図である。ここで、ビアホール開口の直径をＷ１として示している。音波エネルギーによってビアホール１８０３４内に生成された気泡１８０１２は、残留物及びそこからの粒子などの不純物の除去を促進する。図１８Ｂは、図１８Ａに示されたビアホールの平面図である。

【0065】

図１８Ｃは、ウェハ１８０１０内に形成された複数のトレンチ１８０３６の断面図である。同様に、音波エネルギーによってトレンチ１８０３６内に生成された気泡１８０１２は、残留物及びそこからの粒子などの不純物の除去を促進する。図１８Ｄは、図１８Ｃに示されたトレンチ１８０３６の平面図である。

【0066】

ビアホール１８０３４、トレンチ１８０３６又は別の凹部領域といったパターン構成要素の中に含まれ得る気泡の最大量によって、飽和点Ｒ_ｓを定義する。気泡の量が飽和点Ｒ_ｓを超えると、洗浄液が気泡によって遮断され、ビアホール１８０３４又はトレンチ１８０３６の側壁の底部に到達しにくくなり、洗浄性能が悪影響を受けることになる。気泡の量が飽和点Ｒ_ｓ未満であると、ビアホール１８０３４又はトレンチ１８０３６といったパターン構成要素の内側で洗浄液に十分な有効性があり、良好な洗浄性能を得ることができる。

【0067】

飽和点未満では、ビアホール又はトレンチすなわち凹部空間Ｖ_ＶＴＲの体積に対する総気泡体積Ｖ_Ｂの比Ｒは、以下の通りである。

Ｒ＝Ｖ_Ｂ／Ｖ_ＶＴＲ＜Ｒ_ｓ

そして、飽和点Ｒ_ｓにおける比Ｒは以下の通りである。

Ｒ＝Ｖ_Ｂ／Ｖ_ＶＴＲ＜Ｒ_ｓ

ビアホール１８０３４、トレンチ１８０３６又は他の凹部空間といったパターン構成要素における全気泡の体積は、以下の通りである。

Ｖ_Ｂ＝Ｎ＊Ｖ_Ｂ

ここで、Ｎは、パターン構成要素内の気泡の数であり、Ｖ_Ｂは、単一の気泡の平均体積である。

【0068】

図１８Ｅ～図１８Ｈに示されるように、超音波又は高周波超音波エネルギーが洗浄液に印加されたとき、気泡１８０１２のサイズはある程度の体積まで徐々に膨張し、これにより、ビアホール又はトレンチすなわち凹部空間Ｖ_ＶＴＲの体積に対する総気泡体積Ｖ_Ｂの比Ｒは、飽和点Ｒ_ｓ近傍又はそれよりも大きくなる。膨張した気泡１８０１２は、ビアホール又はトレンチにおける洗浄液の入れ替え及び不純物除去の経路を遮断する。このような場合、音響エネルギーがビアホール又はトレンチに効率的に移動してそれらの底部及び側壁に達することができず、粒子、残渣及び他の不純物１８０４８は、ビアホール又はトレンチ内にトラップされる。これは、臨界寸法Ｗ１がより小さくなる高度な半導体プロセスで容易に発生し得る。

【0069】

図１８Ｉ～図１８Ｊに示されるように、超音波又は高周波超音波エネルギーによる気泡１８０１２のサイズ拡大は限界内であり、ビアホール、トレンチ又は凹部空間Ｖ_ＶＴＲの体積に対する総気泡体積Ｖ_Ｂの比Ｒは、飽和点Ｒ_ｓよりもはるかに低い。新鮮な洗浄液１８０４７は、パターン構造要素内部の小さな気泡キャビテーションのために、ビアホール又はトレンチ内で自由に循環し、その結果、例えば、残留物及び粒子のような不純物１８０４８は、パターン構造要素から容易に押し出されて良好な洗浄性能が得られる。

【0070】

ビアホール又はトレンチといったパターン構造要素における気泡の総体積は気泡の数及びサイズによって決定されるので、キャビテーションによる気泡サイズの膨張を制御することは、高アスペクト比のパターン構造要素を有するウェハの洗浄性能にとって重要である。

【0071】

図１９Ａ～１９Ｄは、音波エネルギーに応じた気泡体積の変化を示す図である。キャビテーションの第１のサイクル中、気泡の体積は、正の音波パワーサイクルを経てＶ_０からＶ_１に圧縮され、それから負の音波パワーサイクルを経てＶ_２まで膨張する。しかし、Ｖ_２に対応する気泡の温度Ｔ_２は、Ｖ_０に対応する温度Ｔ_０よりも高くなるので、図１９Ｂに示すように、体積Ｖ_２は体積Ｖ_０よりも大きくなる。この体積増加は、気泡を取り囲む液体分子がより高い温度下で蒸発することによって引き起こされる。同様に、２回目の圧縮後の気泡の体積Ｖ_３は、図１９Ｂに示されるように、Ｖ_１とＶ_２の間のいずれかの値となる。Ｖ_１、Ｖ_２及びＶ_３を以下のように表すことができる。

Ｖ_１＝Ｖ_０－ΔＶ （１２）

Ｖ_２＝Ｖ_１＋δＶ （１３）

Ｖ_３＝Ｖ_２－ΔＶ＝Ｖ_１＋δＶ－ΔＶ＝Ｖ_０－ΔＶ＋δＶ－ΔＶ＝Ｖ_０＋δＶ－２ΔＶ （１４）

【0072】

ここで、ΔＶは、超音波／高周波超音波によって生成される正圧による１回の圧縮を経ることによる気泡の体積圧縮量であり、δＶは、超音波／高周波超音波によって生成される負圧による１回の膨張を経ることによる気泡の体積増加量であり、（δＶ－ΔＶ）は、式（５）によって算出される１サイクルを経ることによる温度上昇（ΔＴ－δＴ）による体積増加量である。

【0073】

気泡キャビテーションの第２のサイクルを経ても、温度が上昇し続け、気泡がより大きなサイズまで膨張する。気泡内部の気体及び／又は蒸気の体積Ｖ_４は、以下のようになる。

Ｖ_４＝Ｖ_３＋δＶ＝Ｖ_０＋δＶ－２ΔＶ＋δＶ＝Ｖ_０＋２（δＶ－ΔＶ） （１５）

３回目の圧縮後、気泡内部の気体及び／又は蒸気の体積Ｖ_５は、以下のようになる。

Ｖ_５＝Ｖ_４－ΔＶ＝Ｖ_０＋２（δＶ－ΔＶ）－ΔＶ＝Ｖ_０＋２δＶ－３ΔＶ （１６）

【0074】

同様に、気泡キャビテーションのｎ番目のサイクルが最小気泡サイズに達したとき、気泡内部の気体及び／又は蒸気の体積Ｖ_２ｎ－１は、以下の通りである。

Ｖ_２ｎ－１＝Ｖ_０＋（ｎ－１）δＶ－ｎΔＶ＝Ｖ_０＋（ｎ－１）δＶ－ｎΔＶ （１７）

【0075】

気泡キャビテーションのｎ番目サイクルが終了したとき、気泡内の気体及び／又は蒸気の体積Ｖ_２ｎは、以下のようになる。

Ｖ_２ｎ＝Ｖ_０＋ｎ（δＶ－ΔＶ） （１８）

【0076】

十分な物理的移動可能性を有する値又は飽和点未満となる所望の体積Ｖ_ｉに気泡の体積を制限し、ビアホール、トレンチ、又はその他の凹部領域といったパターン構造要素での洗浄液入れ替えが遮断されるのを防止するために、サイクル数ｎ_ｉは、次のように表すことができる。

ｎ_ｉ＝（Ｖ_ｉ－Ｖ_０－ΔＶ）／（δＶ－ΔＶ）＋１（１９）

【0077】

式（１９）から、Ｖ_ｉを達成するための所望の時間τ_ｉは、以下のように表すことができる。

τ_ｉ＝ｎ_ｉｔ_１＝ｔ_１（（Ｖ_ｉ－Ｖ_０－ΔＶ）／（δＶ－ΔＶ）＋１）

＝ｎ_ｉ／ｆ_１＝（（Ｖ_ｉ－Ｖ_０－ΔＴ）／（δＶ－ΔＶ）＋１）／ｆ_１ （２０）

ここで、ｔ_１はサイクル周期であり、ｆ_１は超音波／高周波超音波の周波数である。したがって、気泡寸法がパターン構造要素の遮断レベルに達するのを防止するための所望のサイクル数ｎ_ｉ及び所望の時間τ_ｉは、式（１９）及び式（２０）から計算することができる。

【0078】

気泡キャビテーションのサイクル数ｎが増加すると、気泡内部の気体及び／又は蒸気の温度が上昇し、そのため気泡表面のより多くの分子が気泡内部へと蒸発することに留意されたい。したがって、気泡１９０８２のサイズは、さらに増加することになって、式（１８）によって計算される値よりも大きくなる。動作中において、気泡サイズは、以下に開示される実験方法によって決定されるので、温度上昇に起因した気泡内部表面への液体又は水の蒸発によって影響される気泡の大きさは、ここでは、理論的な詳細を議論しない。平均単一気泡体積が増加するにつれて、図１９Ｄに示すように、ビアホール、トレンチ、又は他の凹部空間の体積Ｖ_ＶＴＲに対する総気泡体積Ｖ_Ｂの比Ｒは、Ｒ_０から連続的に増加する。

【0079】

気泡体積が増加するにつれて、気泡の直径は、最終的には、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すビアホール１８０３４又は図１８Ｃ及び図１８Ｄに示すトレンチ１８０３６のパターン構造要素Ｗ１と同じサイズ又は同じオーダーのサイズに達することになる。そして、特にアスペクト比（深さ／幅）が３以上の場合、ビアホール１８０３４及びトレンチ１８０３６の内部の気泡は、超音波／高周波超音波エネルギーがこれら底部へとさらに入らないように遮断する。したがって、そのような深いビアホール又はトレンチの底部の汚染物質又は粒子は、効果的に除去又は洗浄することができない。そこで、ビアホール又はトレンチのパターン構造要素における洗浄液の入れ替え経路を遮断するような臨界的寸法まで気泡が成長するのを防止するための、新しい洗浄処理が提案される。

【0080】

図２０Ａ～図２０Ｄは、本発明の一実施形態による高いアスペクト比のビアホール及びトレンチといったパターン構造要素を効果的に洗浄する音波ウェハ洗浄プロセスを示す図である。このウェハ洗浄プロセスは、音波エネルギーによるキャビテーションにおける気泡のサイズを制限する。図２０Ａは、期間τ_１においては電力レベルがＰ１とされ、期間τ_２においてはオフにされる電源出力の波形を示している。図２０Ｂは、キャビテーションの各サイクルに対応する気泡体積曲線を示している。図２０Ｃは、キャビテーションの各サイクルにおける気泡サイズが膨張する様子を示している。図２０Ｄは、ビアホール、トレンチ、又は他の凹部空間の体積Ｖ_ＶＴＲに対する総気泡体積Ｖ_Ｂの比Ｒの曲線を示している。

【0081】

Ｒ＝Ｖ_Ｂ／Ｖ_ＶＴＲ＝Ｎ_ｖｂ／Ｖ_ＶＴＲ

上記の式によると、平均単一気泡体積が、期間τ_１において、所定のサイクル数ｎを経て音波キャビテーションによって膨張する場合、ビアホール、トレンチ、又は他の凹部空間の体積Ｖ_ＶＴＲに対する総気泡体積Ｖ_Ｂの比Ｒは、Ｒ_０からＲ_ｎまで増加する。そして、Ｒ_ｎは、以下のように、飽和点Ｒ_ｓ未満に制御される。

Ｒ_ｎ＝Ｖ_Ｂ／Ｖ_ＶＴＲ＝Ｎ_ｖｂ／Ｖ_ＶＴＲ＜Ｒ_ｓ

そして、平均単一気泡体積が期間τ_２における冷却プロセスにおいて元のサイズに戻る場合、ビアホール、トレンチ又は他の凹部空間Ｖ_ＶＴＲの体積に対する総気泡体積Ｖ_Ｂの比Ｒは、Ｒ_ｎからＲ_０へ減少する。

【0082】

再び図２０Ｂを参照すると、気泡は、期間τ_１において洗浄液に印加される超音波／高周波超音波パワーで大体積Ｖｎに膨張する。この状態では、物質移動の経路が部分的に遮断される。そして、新鮮な洗浄液が、ビアホール又はトレンチの底部及び側壁へと十分に流れ込むことができない。その間、ビアホール及びトレンチにトラップされた粒子、残渣及び他の不純物を、効率的に除去することができない。しかし、この状態は、図２０Ａに示すように、期間τ_２において気泡を冷却するために超高／高周波超音波電力がオフにされたとき、気泡が収縮する次の状態へと遷移する。この冷却状態では、新鮮な洗浄液がビアホール及びトレンチの中に流入することによって、その底部及び側壁を洗浄することが可能である。次のサイクルで超音波／高周波超音波電力が再びオンにされると、粒子、残留物、及び他の不純物は、気泡体積の増加によって発生する引っ張り力によって、ビアホール及びトレンチから除去され得る。超音波／高周波超音波を用いた洗浄プロセスにおいて２つの状態が交互になるとき、ウェハ基板上のビアホール、トレンチ、及び他の凹部領域の高アスペクト比のパターン構造要素を効果的に洗浄することができる。

【0083】

期間τ_２における冷却状態は、この洗浄工程において重要な役割を果たす。また、気泡の大きさを制限するためには、条件（τ_１＜τ_ｉ）が望ましい。以下の方法では、冷却状態の間に気泡サイズを収縮させるための期間τ_２と、経路遮断サイズまでに気泡膨張を制限するための期間τ_１とを実験的に決定することができる。この実験は、化学液と結合された超音波／高周波超音波デバイスを用いて実施され、トレース可能な残留物が存在するビアホール及びトレンチといった小さなパターン構造要素を有するパターン加工された基板を洗浄し、洗浄性能を評価する。

【0084】

第１のステップは、パターン構造要素を遮断するのに十分な長さのτ_１を選択することであり、これは、式（２０）に基づいてτ_ｉを計算することであってもよい。第２のステップは、ＤＯＥを実行するための複数の異なる期間τ_２を選択することである。期間τ_２の選択は、最初のスクリーンテストでは、τ_１の少なくとも１０倍であり、好ましくは、１００倍である。第３のステップは、期間１及び電力Ｐ_０を固定し、特定のパターン構造を有する基板を個別に洗浄することを、少なくとも５つの条件下で実行することである。ここで、Ｐ_０は、連続モード（非パルスモード）で動作しているときに、基板上のビアホール又はトレンチのパターン構造要素が確実に洗浄されない電力である。第４のステップは、ＳＥＭ又はＥＤＸなどの素子分析ツールによって、上記５つの基板のビアホール又はトレンチのパターン構造要素内のトレース可能な残留物の状態を検査することである。上記の第１のステップから第４のステップまでを数回繰り返すことで、ビアホール又はトレンチのパターン構造要素内のトレース可能な残留物が観察されるまで、期間τ_２を徐々に短くすることができる。期間τ_２が短くなるにつれて、気泡の体積は十分に縮小することができず、これによって、パターン構造要素が徐々に遮断され、洗浄性能に影響を及ぼす。この期間を、臨界冷却期間τ_ｃと称する。臨界冷却期間τ_ｃが得られた後、安全マージンを確保するために、期間τ_２を２τ_ｃより大きい値とする。

【0085】

より詳細な例を以下に示す。第１のステップは、表３に示されるように、実験計画法（ＤＯＥ）条件として、τ_１０，２τ_１０，４τ_１０、８τ_１０，１６τ_１０、３２τ_１０、６４τ_１０、１２８τ_１０、２５６τ_１０、５１２τ_１０のような１０個の異なる期間τ_１選択することである。第２のステップは、表３に示すように、最初のスクリーンテストにおいて、５１２τ_１０の少なくとも１０倍、好ましくは２０倍の期間τ_２を選択することである。第３のステップは、電力Ｐ_０を固定して、上記の１０個の条件の下で、特定のパターン構造を有する基板を個別に洗浄することである。ここで、Ｐ_０は、連続モード（非パルスモード）で動作しているときに、基板上のビアホール又はトレンチのパターン構造要素が確実に洗浄されない電力である。第４のステップは、表３に示す条件を使用して、プラズマエッチング後にビアホール又はトレンチのパターン構造要素を有する１０個の基板を処理することである。プラズマエッチング後の基板を選択する理由は、エッチングプロセス中に生成されたポリマーが、トレンチ及びビアホールの側壁上に形成されているからである。ビアホールの底部又は側壁上に形成されたこれらのポリマーは、従来の方法によって除去することが困難である。次のステップは、基板の断面における、１０個の基板上のビアホール又はトレンチのパターン構造要素の洗浄状態を、ＳＥＭによって検査することである。得られたデータを以下の表３に示す。表３から、洗浄効果が、τ_１＝３２τ_１０である基板＃６において最良点となることが明らかとなった。つまり、最適な期間τ_１は３２τ_１０である。

【表3】

【0086】

ピークが見つからない場合、期間τ_１を見つけるために、上記の第１～第４のステップが、τ_１をより広い時間範囲として再び繰り返されてる。初期のτ_１を見つけた後、上述の第１及び第４のステップが、期間τ_１の範囲を狭くするために、より狭い時間範囲τ_１で再び繰り返される。期間τ_ｉを知った後、期間τ_２を５１２τ_２から清掃効果が減少し始める値まで減少させることによって、期間τ_２を最適化することができる。詳細な手順を、下記の表４に開示する。表４から、洗浄効果が、τ_２＝２５６τ_１０である基板＃５において最良点に達するので、最適な期間τ_２は２５６τ_１０である。

【表4】

【0087】

図２１Ａ～図２１Ｃは、本発明の一実施形態による別の洗浄プロセスを示す図である。本洗浄プロセスは、図２０Ａ～図２０Ｄに示されたものと同様であり、キャビテーションが飽和点Ｒ_ｓに達した後でも、ｍτ_１の期間、現在の洗浄プロセスの電力がオンのままであるという点でのみ相違している。ここで、ｍは、０．１～１００の任意の数、好ましくは２であり、これは、ビアホール及びトレンチの構造及び使用される洗浄液に依存する。そして、ｍの値は、図２０Ａ～図２０Ｄに示される実施形態と同様の実験によって最適化される必要がある。

【0088】

図２２Ａ及び図２２Ｂは、本発明の別の一実施形態による音波エネルギーを用いたウェハ洗浄プロセスを示す図である。音波電力Ｐ１が洗浄液に印加される期間τ_１において、最初の気泡の温度が内破温度Ｔ_ｉに達したときに、気泡内破が生じ始め、次いで、Ｔ_ｉからＴｎへの温度上昇中（期間Δτの間）にもいくらかの気泡内破が生じ続ける。期間τ_２において音波出力をオフにした後、気泡の温度は、周囲の液体によってＴｎから元のＴ_０に冷却される。Ｔ_ｉは、ビアホール及びトレンチのパターン構造要素における気泡内破の温度閾値として決定されるものであり、これは、最初の気泡内破を引き起こす。

【0089】

熱伝達は、パターン構造要素内で正確に一様ではないので、温度がＴ_ｉに達した後により多くの気泡が発生し続けることがある。気泡の内破強度は、気泡温度Ｔが増加するにつれて、ますます高くなる。しかしながら、気泡内破は、パターン構造に損傷をもたらすことになる内破強度より低くなるように制御されなければならない。気泡内破は、時間Δτの調整で温度Ｔｎを温度Ｔｄより低く制御することによって、制御することができる。ここで、Ｔｎは、ｎサイクルの間に洗浄液に印加される音波電力に起因する気泡の最大温度であり、Ｔｄは、パターン構造を損傷させる原因となる高強度（又は電力）における、ある量の気泡内破の蓄積物の温度である。本洗浄プロセスにおいて、気泡内破強度は、洗浄でパターン構造の損傷を引き起こすような過度に高い気泡内破強度となるのを回避しつつ、所望の洗浄性能及び効率を達成できるように、最初の気泡内破が開始した後の時間Δτを調整することで制御される。

【0090】

粒子除去効率（ＰＲＥ）を高めるために、図２２Ａ～図２２Ｂに示すように、超音波又は高周波超音波洗浄プロセスにおいてトランジットキャビテーション（transit cavitation）が制御されていることが望ましい。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より短い時間間隔で電力Ｐ１を有するものとし、次にτ_２より長い時間間隔で電力Ｐ_２を有するものとし、ウェハが洗浄されるまで上記工程を繰り返すことによって達成される。ここで、電力Ｐ_２は、０に等しいか、又は電力Ｐ１よりもはるかに小さく、τ_１は気泡内部の温度が臨界内破温度よりも高くなる時間間隔であり、τ_２は気泡内部の温度が臨界内破温度よりも低い温度に低下する時間間隔である。制御されたトランジットキャビテーションは、洗浄プロセスにおいて特定の気泡内破を伴うので、制御されたトランジットキャビテーションは、パターン構造の損傷を最小限に抑えて、より高いＰＲＥ（粒子除去効率）を提供することになる。臨界内破温度は、最初の気泡内破が生じる気泡内部の最低温度である。ＰＲＥをさらに増大させるためには、気泡の温度をさらに上昇させる必要があり、したがって、期間τ_１をより長くすることが必要とされる。また、気泡の温度は、期間τ_２を短縮することによって上昇させることができる。

【0091】

内破レベルを制御するための別のパラメータとして、超音波又は高周波超音波の周波数がある。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より短い時間間隔で周波数ｆ_１を有するものとし、次にτ_２より長い時間間隔で周波数ｆ_２を有するものとし、ウェハが洗浄されるまで上記工程を繰り返すことによって達成される。ここで、ｆ_２はｆ_１よりもはるかに高く、好ましくは２倍又は４倍である。通常、周波数が高いほど、内破レベル又は強度が低くなる。ここでも、τ_１は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりも高くなる時間間隔であり、τ_２は、気泡内部の温度が臨界内破温度よりもはるかに低い温度まで低下する時間間隔である。制御されたトランジットキャビテーションは、パターン構造への損傷を最小限に抑えつつ、より高いＰＲＥ（粒子除去効率）を提供する。臨界内破温度は、最初の気泡内破が生じる気泡内部の最低温度である。ＰＲＥをさらに増大させるためには、気泡の温度をさらに上昇させる必要があり、したがって、期間τ_１をより長くすることが必要とされる。また、気泡の温度は、期間τ_２を短縮することによって上昇させることができる。一般的に、本発明に開示する方法では、周波数０．１ＭＨｚ～１０ＭＨｚの超音波又は高周波超音波がウェハ洗浄プロセスに印加されてよい。

【0092】

図２３は、本発明の一実施形態による図７－２２に示されたウェハ洗浄プロセスを実行するためのウェハ洗浄装置の一例を示す図である。このウェハ洗浄装置は、ウェハ２３０１０を載置するためのウェハチャック２３０１４を含んでいる。ウェハチャック２３０１４は、回転駆動機構２３０１６によって駆動される洗浄プロセスにおいて、ウェハ２３０１０とともに回転する。また、ウェハ洗浄装置は、洗浄化学物質又は脱イオン水２３０６０などの洗浄液をウェハ２３０１０に供給するためのノズル２３０６４を含んでいる。ノズル２３０６４には、超音波又は高周波超音波エネルギーを洗浄液に付与するために、超音波又は高周波超音波デバイス２３０６２が結合されている。超音波又は高周波超音波デバイス２３０６２が発生させた超音波又は高周波超音波は、ノズル２３０６４から洗浄液２３０６０を経由してウェハ２３０１０へと伝播する。

【0093】

図２４は、本発明の一実施形態による図７－２２に示されたウェハ洗浄プロセスを実行するための別のウェハ洗浄装置の断面図である。このウェハ洗浄装置は、洗浄液２４０７０の大部分を収容した洗浄タンク２４０７４と、洗浄液２４０７０中に浸漬された複数のウェハ２４０１０を保持するウェハカセット２４０７６とを含んでいる。また、ウェハ洗浄装置は、洗浄タンク２４０７４の壁に取り付けられて、洗浄液に対して超音波又は高周波超音波エネルギーを付与する超音波又は高周波超音波デバイス２４０７２をさらに含んでいる。洗浄プロセス中にウェハ２４０１０が洗浄液２４０７０中に浸漬されるように、洗浄タンク２４０７４に洗浄液２４０７０を充填するための少なくとも１つの注入口（図示せず）が設けられている。

【0094】

上記の実施形態では、もし電力レベル、周波数、パワーオン時間（τ_１）及びパワーオフ時間（τ_２）などの、音波電源の臨界プロセスパラメータの全てが、ウェハ洗浄プロセス中のリアルタイムモニタリングなしに電源コントローラに予め設定されているのであれば、ウェハ洗浄プロセスの間の何らかの異常条件のために依然としてパターン構造の損傷が生じ得る。したがって、音波電源の稼働状態をリアルタイムでモニタリングする装置及び方法が必要となる。パラメータが正常範囲内にない場合は、音波電源を停止して、アラーム信号が送信され報告されるべきである。

【0095】

図２５は、本発明の一実施形態による音波エネルギーを採用したウェハ洗浄プロセスの動作パラメータをモニタリングするための制御システムを示す図である。この制御システムは、ホストコンピュータ２５０８０、音波発生器２５０８２、音波トランスデューサ１００３、検出システム２５０８６、及び、通信ケーブル２５０８８を含んでいる。ホストコンピュータ２５０８０は、電力設定Ｐ１、電源オン期間設定τ_１、電力設定Ｐ_２、電源オフ期間設定τ_２、周波数設定などの音波パラメータ設定、及び、電源投入コマンドなどの制御コマンドを音波発生器２５０８２に送信する。これらのコマンドを受信後、音波発生器２５０８２は音波波形を生成し、当該音波波形をウェハ１０１０を洗浄するための音波トランスデューサ１００３に送信する。一方、ホストコンピュータ２５０８０からのパラメータ設定と、音波発生器２５０８２からの実際の出力とが、検出システム２５０８６によって読み取られる。検出システム２５０８６は、音波発生器２５０８２からの実際の出力を、ホストコンピュータ２５０８０からのパラメータ設定と比較する。比較結果は、通信ケーブル２５０８８を介してホストコンピュータ２５０８０に送信される。音波発生器２５０８２の出力がホストコンピュータ２５０８０によって送信されたパラメータ設定と異なる場合、検出システム２５０８６は、アラーム信号をホストコンピュータ２５０８０に送信する。アラーム信号を受信したホストコンピュータ２５０８０は、音波発生器２５０８２を停止してウェハ１０１０のパターン構造へのさらなる損傷を防止する。

【0096】

図２６は、本発明の一実施形態による、図２５に示された検出システム２５０８６のブロック図である。この検出システム２５０８６は、例として、電圧減衰回路２６０９０と、整形回路２６０９２と、メインコントローラ２６０９４と、通信回路２６０９６と、電力回路２６０９８とを含んでいる。メインコントローラ２６０９４は、ＦＰＧＡが実装されたものでよい。通信回路２６０９６は、ホストコンピュータ２５０８０とのインターフェースとして確立されている。通信回路２６０９６は、ホストコンピュータ２５０８０とのＲＳ２３２／ＲＳ４８５シリアル通信を実行して、ホストコンピュータ２５０８０からパラメータ設定を読み出し、ホストコンピュータ２５０８０に比較結果を送信する。電源回路２６０９８は、ＤＣ１５Ｖを、全システムについて目標電圧であるＤＣ１．２Ｖ、ＤＣ３．３Ｖ、ＤＣ５Ｖに変換するように設計されている。

【0097】

図２７は、本発明の別の実施形態に係る検出システム２５０８６のブロック図である。検出システム２５０８６は、例として、電圧減衰回路２６０９０と、振幅検出回路２７０９２と、メインコントローラ２６０９４と、通信回路２６０９６と、電力回路２６０９８とを含んでいる。

【0098】

図２８Ａ～図２８Ｃは、本発明の一実施形態による電圧減衰回路２６０９０の例示的な実装形態を示す。音波発生器２５０８２からの音波信号出力が最初に読み込まれたとき、振幅の値は図２８Ｂに示すように比較的高い値である。電圧減衰回路２６０９０は、図２８Ｃに示すような波形の振幅値を低減するために、２つのオペアンプ２８１０２及び２８１０４を使用するように設計されている。電圧減衰回路２６０９０の減衰率は、５～１００の範囲に設定され、好ましくは２０に設定されている。電圧の減衰は以下の式で表すことができる。

Ｖ_ｏｕｔ＝（Ｒ２／Ｒ１）＊Ｖ_ｉｎ

Ｒ１＝２００ｋであり、Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝１０Ｋであると仮定すると、Ｖ_ｏｕｔ＝（Ｒ２／Ｒ１）＊Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｉｎ／２０である。

ここで、Ｖ_ｏｕｔは、電圧減衰回路２６０９０が出力する振幅値であり、Ｖ_ｉｎは、電圧減衰回路２６０９０に入力される振幅値であり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、２つのオペアンプ２８１０２、２８１０４の抵抗値である。

【0099】

図２９Ａ～図２９Ｃは、本発明の一実施形態による、図２６に示す整形回路２６０９２の例を示す図である。再び図２６を参照すると、電圧減衰回路２６０９０の出力は、整形回路２６０９２に接続されている。電圧減衰回路２６０９０から出力された波形が整形回路２６０９２に入力されて、メインコントローラ（ＦＰＧＡ）２６０９４によって処理できるように正弦波が矩形波に変換される。整形回路２６０９２は、図２９Ａに示すように、ウインドウコンパレータ２９１０２と、ＯＲゲート２９１０４とを含んでいる。Ｖ_ｃａｌ－＜Ｖ_ｉｎ＜Ｖ_ｃａｌ＋であれば、Ｖ_ｏｕｔ＝０であり、そうでなければＶ_ｏｕｔ＝１である。ここで、Ｖ_ｃａｌ－とＶ_ｃａｌ＋は二つの閾値であり、Ｖ_ｉｎは整形回路の入力値であり、Ｖ_ｏｕｔは整形回路の出力値である。電圧減衰回路２１９０を通過する波形は、図２９Ｂに示すような正弦波である。整形回路２６０９２は、正弦波を図２９Ｃに示すような矩形波に変換する。

【0100】

図３０Ａ～図３０Ｃは、本発明の一実施形態による、図２６及び図２７のメインコントローラ２６０９４の例示的な実装形態を示す。図３０Ａに示すように、メインコントローラ２６０９４は、パルス変換モジュール３０１０２と、周期測定モジュール３０１０４とを含んでいる。パルス変換モジュール３０１０２は、図３０Ｂ及び図３０Ｃに示すように、期間τ_１のパルス信号をハイレベル信号に変換し、期間τ_２の間、ローレベル信号をそのままに維持する。図３０Ａに示されたパルス変換モジュール３０１０２の回路記号は、Ｃｌｋ＿Ｓｙｓが５０ＭＨｚのクロック信号であり、Ｐｕｌｓｅ＿Ｉｎが入力信号であり、Ｐｕｌｓｅ＿Ｏｕｔが出力信号である。周期測定モジュール３０１０４は、以下の式を用いたカウンタによって高レベル及び低レベルの持続時間を測定するのに使用される。

τ_１＝Ｃｏｕｎｔｅｒ＿Ｈ＊２０ｎｓ、τ_２＝Ｃｏｕｎｔｅｒ＿Ｌ＊２０ｎｓ

ここでＣｏｕｎｔｅｒ＿Ｈは、高レベルの数であり、Ｃｏｕｎｔｅｒ＿Ｌは低レベルの数である。

【0101】

メインコントローラ２６０９４は、算出されたパワーオン時間と予め設定された期間τ_１とを比較する。算出されたパワーオン時間が予め設定された期間τ_１よりも長い場合、メインコントローラ２６０９４は、ホストコンピュータ２５０８０にアラーム信号を送出する。アラーム信号を受信したホストコンピュータ２５０８０は、音波発生器２５０８２を停止する。メインコントローラ２６０９４は、算出されたパワーオフ時間と予め設定された期間τ_２とを比較する。算出されたパワーオフ時間が予め設定された期間τ_２よりも短い場合、メインコントローラ２６０９４は、ホストコンピュータ２５０８０にアラーム信号を送出する。アラーム信号を受信したホストコンピュータ２５０８０は、音波発生器２６０８２を停止する。一実施形態では、メインコントローラ２６０９４としては、ＡｌｔｅｒａサイクロンＩＶ ＦＰＧＡモデル番号ＥＰ４ＣＥ２２Ｆ１７Ｃ６Ｎを使用して実装することができる。

【0102】

図３１は、ホストコンピュータが音波電源を停止した後において、音波装置の特性のために音波電源が数回振動している様子を示す図である。パワーダウン後に音波発生器２５０８２が数サイクル発振する期間τ_３は、メインコントローラ２６０９４によって測定される。期間τ_３は実験によって求めることができる。したがって、周期的測定モジュール２５１０４によって計算された時間をτとすると、実際のパワーオン時間はτ－τ_３に等しい。メインコントローラ２６０９４は、算出されたパワーオン時間と予め設定された期間τ_１とを比較する。算出されたパワーオン時間が予め設定された期間τ_１よりも長い場合、メインコントローラ２６０９４は、ホストコンピュータ２５０８０にアラーム信号を送出する。

【0103】

図３２Ａ～図３２Ｃは、本発明の一実施形態による図２７に示す振幅検出回路２７０９２の例を示す図である。振幅検出回路２７０９２は、基準電圧発生回路と比較回路とを含んでいる。図３２Ｂに示すように、基準電圧発生回路は、図２７Ｃに示すように、メインコントローラ２６０９４からのデジタル入力をアナログＤＣ基準電圧Ｖ_ｒｅｆ＋及びＶ_ｒｅｆ－に変換するＤ／Ａ変換器３２１１８を使用するように設計されている。比較回路は、ウィンドウコンパレータ３２１１４及びＡＮＤゲート３２１１６を使用して、電圧減衰回路２６０９０からの出力である減衰された振幅Ｖ_ｉｎと、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ＋及びＶ_ｒｅｆ－とを比較するように設計されている。減衰振幅Ｖ_ｉｎが基準電圧Ｖ_ｒｅｆ＋及び／又はＶ_ｒｅｆ－を超える場合、振幅検出回路２７０９２は、アラーム信号をホストコンピュータ２５０８０に送出する。アラーム信号を受信したホストコンピュータ２５０８０は、音波発生器２５０８２を停止してウェハ１０１０のパターン構造へのさらなる損傷を防止する。

【0104】

図３３は、本発明の一実施形態に係るウェハ洗浄プロセスを示すフローチャートである。ウェハ洗浄プロセスは、ウェハと超音波／高周波超音波デバイスとの間の空間に洗浄液を付与する工程３３０１０から始まる。工程３３０２０において、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１に設定して、超音波／高周波超音波デバイスを駆動する。工程３３０３０において、検出されたパワーオン時間を、予め設定された期間τ_１と比較する。検出されたパワーオン時間が期間τ_１よりも長い場合、電源を遮断し、さらにアラーム信号を送信する。工程３３０４０において、洗浄液中の気泡キャビテーションがウェハ上のパターン構造を損傷させる前に、超音波／高周波超音波電源を出力０に設定する。工程３３０５０では、気泡内部の温度があるレベルまで低下した後に、音波電源を周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１に復帰させる。工程３３０６０において、検出されたパワーオフ時間を、予め設定された期間τ_２と比較する。検出されたパワーオフ時間が期間τ_２よりも短い場合、超音波／高周波超音波電源を遮断し、さらにアラーム信号を送信する。工程３３０７０において、ウェハの清浄度を検査する。そして、ウェハが所望の程度までまだ清浄になっていない場合、工程３３０１０から工程３３０６０までを繰り返す。代替的には、清浄度の検査をサイクル毎に行わなくてもよい。実用されるサイクルの数を、サンプルウェハを使用して予め実験によって決定してもよい。

【0105】

図３４は、本発明の別の一実施形態によるウェハ洗浄プロセスを示すフローチャートである。ウェハ洗浄プロセスは、ウェハと超音波／高周波超音波デバイスとの間の空間に洗浄液を付与する工程３４０１０から始まる。工程３４０２０において、超音波／高周波超音波電源が周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１に設定されて、超音波／高周波超音波デバイスを駆動する。工程３４０３０において、音波出力の振幅を検出し、規定値と比較する。検出された振幅が規定値よりも大きい場合、電源を遮断し、さらにアラーム信号を送信する。工程３４０４０において、洗浄液中の気泡キャビテーションがウェハ上のパターン構造を損傷させる前に、音波供給を出力０に設定する。工程３１０５０では、気泡内部の温度があるレベルまで低下した後に、音波電源を周波数ｆ_１及び電力レベルＰ１に復帰させる。工程３４０６０において、ウェハの清浄度を検査し、そして、ウェハが所望の程度までまだ清浄になっていない場合、工程３４０１０から工程３４０５０までを繰り返す。代替的には、清浄度の検査をサイクル毎に行わなくてもよい。実用されるサイクルの数を、サンプルウェハを使用して予め実験によって決定してもよい。

【0106】

いくつかの例において、本開示の全体を通して様々な図に描写された複数のウェハ洗浄プロセスを、所望の洗浄結果を生成するために組み合わせることができる。一例として、図３４の工程３４０３０の振幅検出は、図３３に示されたウェハ洗浄プロセスに組み込むことができる。別の例として、図２６の電圧減衰２６０９０及び整形回路２６０９２、並びに、図２７の振幅検出回路２７０９２を、図３３及び図３４に示されたウェハ洗浄プロセスに適用することができる。

【0107】

本発明は、超音波／高周波超音波デバイスを用いて半導体基板を洗浄する装置を提供するものであり、チャックと、超音波／高周波超音波デバイスと、少なくとも一つのノズルと、超音波／高周波超音波電源と、ホストコンピュータと、検出システムとを備えている。チャックは、半導体基板を保持する。超音波／高周波超音波デバイスは、半導体基板に隣接して配置されている。少なくとも一つのノズルは、前記半導体基板上、及び、前記半導体基板と前記超音波／高周波超音波デバイスとの間のギャップに薬液を導入する。ホストコンピュータは、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に設定し、超音波／高周波超音波デバイスを駆動し、半導体基板上のパターン構造を液体内の気泡キャビテーションが破壊する前に、超音波／高周波超音波電源を出力ゼロに設定し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に再び設定する。検出システムは、電力Ｐ１及び周波数ｆ_１におけるパワーオン時間及びパワーオフ時間を別々に検出し、電力Ｐ１及び周波数ｆ_１の検出されたパワーオン時間を予め設定された期間τ_１と比較する。検出されたパワーオン時間が予め設定された期間τ_１よりも長い場合、検出システムはアラーム信号をホストコンピュータに送信し、そして、ホストコンピュータはアラーム信号を受信し、超音波／高周波超音波電源をシャットダウンする。また、検出システムは、検出されたパワーオフ時間を予め設定された期間τ_２と比較する。検出されたパワーオフ時間が予め設定された期間τ_２よりも短い場合、検出システムはアラーム信号をホストコンピュータに送信し、そして、ホストコンピュータはアラーム信号を受信し、超音波／高周波超音波電源をシャットダウンする。

【0108】

一実施形態において、超音波／高周波超音波デバイスはさらにノズルと結合され、半導体基板に隣接して配置されており、超音波／高周波超音波デバイスのエネルギーは、ノズルから液柱（liquid column）を通して半導体基板に伝達される。

【0109】

本発明は、超音波／高周波超音波デバイスを用いて半導体基板を洗浄する別の装置を提供するものであり、チャックと、超音波／高周波超音波デバイスと、少なくとも一つのノズルと、超音波／高周波超音波電源と、ホストコンピュータと、検出システムとを備えている。チャックは、半導体基板を保持する。超音波／高周波超音波デバイスは、半導体基板に隣接して配置されている。少なくとも一つのノズルは、前記半導体基板上、及び、前記半導体基板と前記超音波／高周波超音波デバイスとの間のギャップに薬液を導入する。ホストコンピュータは、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に設定し、超音波／高周波超音波デバイスを駆動し、半導体基板上のパターン構造を液体内の気泡キャビテーションが破壊する前に、超音波／高周波超音波電源を出力ゼロに設定し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に再び設定する。検出システムは、超音波／高周波超音波電源から出力される各波形の振幅を検出し、各波形の検出された振幅を規定値と比較する。任意の波形の検出された振幅が規定値より大きい場合、検出システムは、ホストコンピュータにアラーム信号を出力し、ホストコンピュータは、アラーム信号を受信して、超音波／高周波超音波電源を停止する。ここで、既定値は、通常の動作時の波形振幅よりも大きい値である。

【0110】

一実施形態において、超音波／高周波超音波デバイスはさらにノズルと結合され、半導体基板に隣接して配置されており、超音波／高周波超音波デバイスのエネルギーは、ノズルから液柱を通して半導体基板に伝達される。

【0111】

本発明は、超音波／高周波超音波デバイスを用いて半導体基板を洗浄する別の装置を提供するものであり、カセットと、タンクと、超音波／高周波超音波デバイスと、少なくとも一つの注入口と、超音波／高周波超音波電源と、ホストコンピュータと、検出システムとを備えている。カセットは、少なくとも一つの半導体基板を保持する。タンクはカセットを保持する。超音波／高周波超音波デバイスは、タンクの外壁に装着されている。少なくとも一つの注入口は、前記半導体基板を浸漬するためのタンク内に薬液を充填する。ホストコンピュータは、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に設定し、超音波／高周波超音波デバイスを駆動し、半導体基板上のパターン構造を液体内の気泡キャビテーションが破壊する前に、超音波／高周波超音波電源を出力ゼロに設定し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に再び設定する。検出システムは、電力Ｐ１及び周波数ｆ_１におけるパワーオン時間及びパワーオフ時間を別々に検出し、電力Ｐ１及び周波数ｆ_１の検出されたパワーオン時間を予め設定された期間τ_１と比較する。検出されたパワーオン時間が予め設定された期間τ_１よりも長い場合、検出システムはアラーム信号をホストコンピュータに送信し、そして、ホストコンピュータはアラーム信号を受信し、超音波／高周波超音波電源をシャットダウンする。また、検出システムは、検出されたパワーオフ時間を予め設定された期間τ_２と比較する。検出されたパワーオフ時間が予め設定された期間τ_２よりも短い場合、検出システムはアラーム信号をホストコンピュータに送信し、そして、ホストコンピュータはアラーム信号を受信し、超音波／高周波超音波電源をシャットダウンする。

【0112】

本発明は、超音波／高周波超音波デバイスを用いて半導体基板を洗浄する別の装置を提供するものであり、カセットと、タンクと、超音波／高周波超音波デバイスと、少なくとも一つの注入口と、超音波／高周波超音波電源と、ホストコンピュータと、検出システムとを備えている。カセットは、少なくとも一つの半導体基板を保持する。タンクはカセットを保持する。超音波／高周波超音波デバイスは、タンクの外壁に装着されている。少なくとも一つの注入口は、前記半導体基板を浸漬するためのタンク内に薬液を充填する。ホストコンピュータは、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に設定し、超音波／高周波超音波デバイスを駆動し、半導体基板上のパターン構造を液体内の気泡キャビテーションが破壊する前に、超音波／高周波超音波電源を出力ゼロに設定し、気泡内の温度が設定温度まで冷却された後、超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ_１及び電力Ｐ１に再び設定する。検出システムは、超音波／高周波超音波電源から出力される各波形の振幅を検出し、各波形の検出された振幅を規定値と比較する。いずれかの波形の検出された振幅が規定値より大きい場合、検出システムは、ホストコンピュータにアラーム信号を出力し、ホストコンピュータは、アラーム信号を受信して、超音波／高周波超音波電源を停止する。ここで、既定値は、通常の動作時の波形振幅よりも大きい値である。

【0113】

本開示は、その例示的な実施形態を参照して特に示され説明されているが、当業者は、特許請求の範囲の趣旨から逸脱することなく、形態及び詳細の様々な変更を行い得ると理解するであろう。

【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7D】

【図7E】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10A-10B】

【図10C】

【図11A-11B】

【図12A-12B】

【図13A-13B】

【図14A-14B】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図15D】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図18D】

【図18E】

【図18F】

【図18G】

【図18H】

【図18I】

【図18J】

【図19A-19C】

【図19D】

【図20A-20D】

【図21A-21C】

【図22A-22B】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28A】

【図28B】

【図28C】

【図29A】

【図29B】

【図29C】

【図30A】

【図30B】

【図30C】

【図31】

【図32A】

【図32B】

【図32C】

【図33】

【図34】