(57)【要約】本発明は、複数のパターン構造要素を有する基板の洗浄方法及び装置であって、基板を回転させるように構成された基板ホルダに基板を配置する工程と、基板に洗浄液を供給する工程と、トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが付与されているときには、基板ホルダにより基板を第１速度で回転させる工程と、トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが付与されていないときには、基板ホルダにより基板を第１速度よりも速い第２速度で回転させる工程とを備えている。
2021517732.tif 000002
【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基板の洗浄方法であって、
前記基板を回転させるように構成された基板ホルダに前記基板を配置する工程と、
前記基板に洗浄液を供給する工程と、
トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されているときに、前記基板ホルダにより、前記基板を第１速度で回転させる工程と、
前記トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されていないときに、前記基板ホルダにより、前記基板を前記第１速度よりも速い第２速度で回転させる工程とを備えた、基板の洗浄方法。
【請求項２】
音響エネルギーが供給されているときに、前記基板を前記第１速度で回転させる工程と、音響エネルギーが供給されていないときに、前記基板を前記第２速度で回転させる工程と、を交互に複数サイクル行う、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項３】
前記第１速度は、１０〜２００回転／分の速度である、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項４】
前記第２速度は、１００〜１５００回転／分の速度である、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項５】
音響エネルギーが供給されているときに前記第１速度で前記基板を回転させる工程は、
タイマーに基づいて、予め設定された第１期間、第１周波数で第１パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するように、前記トランスデューサの電源を制御することと、
前記タイマーに基づいて、予め設定された第２期間、第２周波数で第２パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するように、前記トランスデューサの電源を制御することとを含む、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項６】
前記第１期間及び前記第２期間、前記第１パワーレベル及び前記第２パワーレベル、並びに、前記第１周波数及び前記第２周波数を、音響エネルギーを供給した結果として損傷したパターン構造要素の比率を、予め設定された閾値未満となるように決定する、請求項５に記載の基板の洗浄方法。
【請求項７】
前記基板のデバイス製造ノードが４５ｎｍ以下である、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項８】
パターン構造要素のライン幅が、６０ｎｍ以下である、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項９】
パターン構造要素の幅に対する深さのアスペクト比が３以上である、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１０】
前記音響エネルギーが供給されているときに前記第１速度で前記基板を回転させた後、前記音響エネルギーが供給されていないときに前記第２速度で前記基板を回転させる前に、前記トランスデューサを前記洗浄液から離すように移動させる工程をさらに備えた、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１１】
前記基板に前記洗浄液を供給する前に、前記基板上の気泡を引き込む欠陥を除去する前処理を行う工程をさらに備えた、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１２】
前記基板に前記洗浄液を供給する前に、前記洗浄液に、前記洗浄液内の気泡の少なくとも一部を除去する前処理を行う工程をさらに備えた、請求項１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１３】
複数のパターン構造要素を有する基板の洗浄方法であって、
前記基板上の、気泡を引き込む欠陥を除去する前処理を行う工程と、
基板に洗浄液を供給する工程と、
タイマーに基づいて、予め設定された第１期間、第１周波数で第１パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するようにトランスデューサの電源を制御する工程と、
前記タイマーに基づいて、予め設定された第２期間、第２周波数で第２パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するようにトランスデューサの電源を制御する工程とを備えており、
前記第１期間と前記第２期間とを、交互に予め設定された複数サイクル行う、基板の洗浄方法。
【請求項１４】
前記第１期間及び前記第２期間、前記第１パワーレベル及び第２パワーレベル、並びに、第１周波数及び第２周波数が、音響エネルギーの供給の結果としての損傷したパターン構造要素の比率を、あらかじめ設定された閾値未満となるように決定する、請求項１３に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１５】
前記前処理が、前記基板へのプラズマエネルギーの供給を含む、請求項１３に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１６】
前記前処理が、前記基板への１種類以上の前処理液の供給を含む、請求項１３に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１７】
前記基板への前記１種類以上の前処理液の供給が、ＳＣ１液の供給を含む、請求項１６に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１８】
前記基板への前記１種類以上の前処理液の供給が、
前記基板へのオゾン液の供給と、
前記基板への脱イオン水の供給と、
前記基板への希釈したフッ化水素の供給とを含む、請求項１６に記載の基板の洗浄方法。
【請求項１９】
複数のパターン構造要素を有する基板の洗浄方法であって、
前記洗浄液に、前記洗浄液内の気泡の少なくとも一部を除去する前処理を行う工程と、
前記基板に前記洗浄液を供給する工程と、
タイマーに基づいて、予め設定された第１期間、第１周波数で第１パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するようにトランスデューサの電源を制御する工程と、
前記タイマーに基づいて、予め設定された第２期間、第２周波数で第２パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するようにトランスデューサの電源を制御する工程とを備えており、
前記第１期間と前記第２期間とを、交互に予め設定された複数サイクル行う、基板の洗浄方法。
【請求項２０】
前記前処理は、閾値よりもサイズの大きい気泡の除去を含む、請求項１９に記載の基板の洗浄方法。
【請求項２１】
複数のパターン構造要素を有する基板を洗浄する基板の洗浄装置であって、
前記基板を保持して回転させるように構成された基板ホルダと、
前記基板に洗浄液を供給するように構成された注入口と、
前記洗浄液に音響エネルギーを供給するように構成されたトランスデューサと、
１以上のコントローラと、を備え、前記１以上のコントローラは、
前記トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されているときに、前記基板を第１速度で回転させるように前記基板ホルダを制御し、
前記トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されていないときに、前記基板を、前記第１速度よりも速い第２速度で回転させるように前記基板ホルダを制御するように構成された、基板の洗浄装置。
【請求項２２】
前記基板ホルダが、回転チャックを有する、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項２３】
前記注入口が、前記洗浄液を前記基板に噴射するように構成されたノズルを有する、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項２４】
前記１以上のコントローラは、音響エネルギーが供給されているときに、前記基板を前記第１速度で回転させる工程と、音響エネルギーが供給されていないときに、前記基板を前記第２速度で回転させる工程と、を交互に複数サイクル行うように構成された、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項２５】
前記第１速度は、１０〜２００回転／分の速度である、請求項２１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項２６】
前記第２速度は、１００〜１５００回転／分の速度である、請求項２１に記載の基板の洗浄方法。
【請求項２７】
前記トランスデューサは、電源を備え、
前記１以上のコントローラは、タイマーを有し、
前記１以上のコントローラは、前記基板を第１速度で回転させるときに、
前記タイマーに基づいて、予め設定された第１期間、第１周波数及び第１パワーレベルで洗浄液に音響エネルギーを供給するように、トランスデューサの電源を制御し、
前記第１期間の後の予め設定された第２期間、前記タイマーに基づいて、予め設定された第２期間、第２周波数及び第２パワーレベルで洗浄液に音響エネルギーを供給するように、前記電源を制御するように構成された、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項２８】
前記基板のデバイス製造ノードが４５ｎｍ以下である、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項２９】
パターン構造要素のライン幅が、６０ｎｍ以下である、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３０】
パターン構造要素の幅に対する深さのアスペクト比が３以上である、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３１】
前記１以上のコントローラは、前記音響エネルギーが供給されているときに前記第１速度で前記基板を回転させた後、前記音響エネルギーが供給されていないときに前記第２速度で前記基板を回転させる前に、前記トランスデューサを前記洗浄液から離すように移動させるように構成された、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３２】
前記基板に前記洗浄液を供給する前に、プラズマエネルギーを前記基板に供給するように構成されたプラズマ源をさらに備えている、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３３】
前記注入口は、さらに、前記基板に前記洗浄液を供給する前に、前記基板に１種類以上の前処理液を供給するように構成された、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３４】
前記１種類以上の処理液が、ＳＣ１液を含む、請求項３３に記載の解除基板の洗浄装置。
【請求項３５】
前記１種類以上の前処理液が、オゾン液と、脱イオン水と、希釈したフッ化水素と、を含む、請求項３３に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３６】
前記注入口と結合され、前記洗浄液中の気泡の少なくとも一部を除去するように構成された気泡除去器、を備えている、請求項２１に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３７】
前記気泡除去器が、閾値よりも大きいサイズの気泡を除去するように構成されている、請求項３６に記載の基板の洗浄装置。
【請求項３８】
基板の洗浄装置を制御するためのコントローラであって、
トランスデューサに、前記基板に供給される洗浄液に音響エネルギーを供給させているときに、基板ホルダに、前記基板を第１速度で回転させ、
前記トランスデューサに、前記洗浄液に音響エネルギーを供給させていないときに、前記基板ホルダに、前記基板を第１速度よりも速い第２速度で回転させるように構成された、コントローラ。
【請求項３９】
タイマーをさらに備え、前記コントローラは、
前記タイマーに基づいてトランスデューサの電源を制御して、予め設定された第１期間、第１周波数で第１パワーレベルの音響エネルギーを前記洗浄液に供給させ、
前記第１期間の後の予め設定された第２期間、前記タイマーに基づいて、予め設定された第２期間、第２周波数及び第２パワーレベルで洗浄液に音響エネルギーを供給するように、前記電源を制御するように構成された、請求項３８に記載のコントローラ。
【請求項４０】
前記第２パワーレベルが０である、請求項３９に記載のコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の洗浄方法及び洗浄装置に関する。より具体的には、洗浄処理において、超音波又は高周波超音波により発生された気泡キャビテーションを制御し、基板全体に、安定した、又は、制御されたキャビテーションを発生させることにより、高アスペクト比のビアホール、トレンチ、又は、凹部領域における微細粒子を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及び相互接続要素を製造することによって、半導体基板上に製造される又は加工される。近年トランジスタは、フィン電界効果トランジスタ及び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。半導体基板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、ビアホール等が形成される。トレンチ及びビアホールは、トランジスタ間、及び、半導体デバイスの内部回路と半導体装置の外部回路との電気信号及びパワーを接続する。
【０００３】
半導体基板上におけるＦｉｎＦＥＴ及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、及び堆積工程を経て、所望の半導体装置の電子回路が形成されてよい。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ェハの誘電層に、ｆｉｎＦＥＴ、３次元ＮＡＮＤフラッシュセルおよび／または陥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ホールおよび／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、基板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、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は、パターン構造を損傷させる。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。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、孔の内部の気泡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ェ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、音響エネルギー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、流体がウェ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、ウェ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、ウェ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、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、高アスペクト比のビアホール、トレンチ、または、凹領域における微細粒子を効率的に除去するよりよい方法が必要である。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の１つの観点によると、複数のパターン構造要素（features of patterned structures）を有する基板を洗浄する基板洗浄方法であって、前記基板を回転させるように構成された基板ホルダに前記基板を配置する工程と、前記基板に洗浄液を供給する工程と、トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されているときに、前記基板ホルダにより、前記基板を第１速度で回転させる工程と、トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されていないときに、前記基板ホルダにより、前記基板を前記第１速度よりも速い第２速度で回転させる工程とを備えた、基板の洗浄方法が開示される。
【０００９】
本発明の別の観点によると、複数のパターン構造要素を有する基板を洗浄する基板洗浄方法であって、気泡を引き込む基板上の欠陥を除去する前処理を実行する工程と、基板に洗浄液を供給する工程と、タイマーに基づいて、予め設定された第１期間、第１周波数で第１パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するようにトランスデューサの電源を制御する工程と、前記タイマーに基づいて、予め設定された第２期間、第２周波数で第２パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するようにトランスデューサの電源を制御する工程とを備えており、前記第１期間と前記第２期間とを、交互に予め設定された複数サイクル行う、基板の洗浄方法が開示される。
【００１０】
本発明の別の観点によると、複数のパターン構造要素を有する基板を洗浄する基板洗浄方法であって、洗浄液内の気泡の少なくとも一部を除去する前処理を実行する工程と、前記基板に前記洗浄液を供給する工程と、タイマーに基づいて、予め設定された第１期間、第１周波数で第１パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するようにトランスデューサの電源を制御する工程と、前記タイマーに基づいて、予め設定された第２期間、第２周波数で第２パワーレベルの音響エネルギーを洗浄液に供給するように、トランスデューサの電源を制御する工程とを備えており、前記第１期間と前記第２期間とを、交互に予め設定された複数サイクル行う、基板の洗浄方法が開示される。
【００１１】
本発明の別の観点によると、複数のパターン構造要素を有する基板を洗浄する基板洗浄装置であって、前記基板を保持して回転させるように構成された基板ホルダと、前記基板に洗浄液を供給するように構成された注入口と、前記洗浄液に音響エネルギーを供給するように構成されたトランスデューサと、１以上のコントローラと、を備え、前記１以上のコントローラは、前記トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されているときに、前記基板を第１速度で回転させるように前記基板ホルダを制御し、前記トランスデューサにより洗浄液に音響エネルギーが供給されていないときに、前記基板を、前記第１速度よりも速い第２速度で回転させるように前記基板ホルダを制御するように構成された、基板の洗浄装置が開示される。
【００１２】
本発明の別の観点によると、基板の洗浄装置を制御するコントローラであって、前記トランスデューサに、前記基板に供給される洗浄液に音響エネルギーを供給させているときに、基板ホルダを制御して、前記基板を第１速度で回転させ、前記トランスデューサに、前記洗浄液に音響エネルギーを供給させていないときに、前記基板ホルダを制御して、前記基板を第１速度よりも速い第２速度で回転させるように構成された、コントローラが開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】超音波／高周波超音波装置を使用するウェ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ェ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】ウェ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】洗浄工程中の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】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】ウェハ洗浄方法の一例を示す図である。
【図６Ｂ】ウェハ洗浄方法の一例を示す図である。
【図６Ｃ】ウェハ洗浄方法の一例を示す図である。
【図７Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図７Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図７Ｃ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図８Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図８Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図８Ｃ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図８Ｄ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図９Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図９Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図９Ｃ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図９Ｄ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１０Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１０Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１１Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１１Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１２Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１２Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１３Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１３Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１４Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１４Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１５Ａ】洗浄工程中のウェ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】洗浄工程中のウェ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】洗浄工程中のウェ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ェ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ェハ洗浄装置の例を示す図である。
【図１８Ａ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１８Ｂ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１８Ｃ】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図１９】ウェハ洗浄方法の別の例を示す図である。
【図２０Ａ】は、ビアホールまたはトレンチといったパターン構造要素において飽和点未満の状態にある気泡を示す図である。
【図２０Ｂ】は、ビアホールまたはトレンチといったパターン構造要素において飽和点未満の状態にある気泡を示す図である。
【図２０Ｃ】は、ビアホールまたはトレンチといったパターン構造要素において飽和点未満の状態にある気泡を示す図である。
【図２０Ｄ】は、ビアホールまたはトレンチといったパターン構造要素において飽和点未満の状態にある気泡を示す図である。
【図２０Ｅ】ビアホール、トレンチ、または、凹空間ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点に近似するまたはそれ以上の値となるように、超音波／高周波超音波装置によって拡張された気泡のサイズを示す図である。
【図２０Ｆ】ビアホール、トレンチ、または、凹空間ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点に近似するまたはそれ以上の値となるように、超音波／高周波超音波装置によって拡張された気泡のサイズを示す図である。
【図２０Ｇ】ビアホール、トレンチ、または、凹空間ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点に近似するまたはそれ以上の値となるように、超音波／高周波超音波装置によって拡張された気泡のサイズを示す図である。
【図２０Ｈ】ビアホール、トレンチ、または、凹空間ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点に近似するまたはそれ以上の値となるように、超音波／高周波超音波装置によって拡張された気泡のサイズを示す図である。
【図２０Ｉ】ビアホール、トレンチ、または、凹空間ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点よりはるかに低くなるように、限定された範囲で、超音波／高周波超音波装置によって拡張された気泡のサイズを示す図である。
【図２０Ｊ】ビアホール、トレンチ、または、凹空間ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点よりはるかに低くなるように、限定された範囲で、超音波／高周波超音波装置によって拡張された気泡のサイズを示す図である。
【図２１Ａ】基板の洗浄方法の一例を示す図である。
【図２１Ｂ】基板の洗浄方法の一例を示す図である。
【図２１Ｃ】基板の洗浄方法の一例を示す図である。
【図２１Ｄ】基板の洗浄方法の一例を示す図である。
【図２２Ａ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２２Ｂ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２２Ｃ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２２Ｄ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２３Ａ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２３Ｂ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２３Ｃ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２４Ａ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２４Ｂ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２４Ｃ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２４Ｄ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２４Ｅ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２５】気泡の数と洗浄液の気体濃度との関係を示す図である。
【図２６】気泡除去器を含む、別の一実施形態による基板の洗浄装置を示す図である。
【図２７Ａ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【図２７Ｂ】基板の洗浄方法の別の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１Ａ、図１Ｂに、超音波／高周波超音波装置を用いたウェハ洗浄装置を示す。ウェハ洗浄装置は、ウェハ１０１０と、回転駆動機構１０１６によって回転されるウェハチャック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、ウェハ１０１０上の粒子を振動させる。これにより異物はウェハ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ＰM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。
【００１８】
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。
【００１９】
ｐ0ｖ0／Ｔ0＝ｐｖ／Ｔ    （１）
【００２０】
ここで、ｐ0は圧縮前の気泡内の圧力であり、ｖ0は圧縮前の気泡の初期体積であり、Ｔ0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。
【００２１】
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ＰMによる機械的作用ｗmは以下のように表すことが出来る。
【００２２】
【数１】
2021517732.tif 000003
【００２３】
ここで、Ｓはシリンダ断面の面積、Ｘ0はシリンダの長さ、Ｐ0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。
【００２４】
音波圧力による全ての機械的作用が、部分的に気泡内部の高圧気体及び蒸気の熱エネルギーに変換され、部分的に気泡内部の高圧気体及び蒸気の機械的エネルギーに変換され、その熱エネルギーは気泡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。
【００２５】
ΔＴ＝Ｑ／（ｍｃ）＝βｗｍ／（ｍｃ）＝βＳｘ0ｐ0ｌｎ（ｘ0）／（ｍｃ）      （３）
【００２６】
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-12ｍ2、ｘ0＝１０００μｍ＝１Ｅ-3ｍ（圧縮比Ｎ１＝１０００）、ｐ0＝１ｋｇ／ｃｍ2＝１Ｅ4ｋｇ／ｍ2、ｍ＝８．９Ｅ-17ｋｇ（水素ガスの場合）、ｃ＝９．９Ｅ3Ｊ／（ｋｇ℃）を上記式（３）に代入すると、ΔＴ＝５０．９℃となる。
【００２７】
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Ｔ１は以下の通り計算される。
【００２８】
Ｔ1＝Ｔ0＋ΔＴ＝２０℃＋５０．９℃＝７０．９℃  （４）
【００２９】
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ＰG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ＰMが、気泡を膨張方向に引っ張るため、負の音波圧力ＰM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Ｔ0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Ｔ2は、Ｔ0とＴ1の間になる。または、Ｔ2を以下のように表すことができる。
【００３０】
Ｔ2＝Ｔ１−δＴ＝Ｔ0＋ΔＴ−δＴ      （５）
【００３１】
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。
【００３２】
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Ｔ3は、以下の通りである。
【００３３】
Ｔ3＝Ｔ2＋ΔＴ＝Ｔ0＋ΔＴ−δＴ＋ΔＴ＝Ｔ0＋２ΔＴ−δＴ  （６）
【００３４】
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Ｔ4は、以下の通りである。
【００３５】
Ｔ4＝Ｔ3−δＴ＝Ｔ0＋２ΔＴ−δＴ−δＴ＝Ｔ0＋２ΔＴ−２δＴ      （７）
【００３６】
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。
【００３７】
Ｔ2n-1＝Ｔ0＋ｎΔＴ−（ｎ−１）δＴ        （８）
【００３８】
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Ｔ2nは、
【００３９】
Ｔ2n＝Ｔ0＋ｎΔＴ−ｎδＴ＝Ｔ0＋ｎ（ΔＴ−δＴ）      （９）
【００４０】
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／又は蒸気の温度が上昇し、これにより、気泡表面のより多くの分子が気泡６０８２の内部に向かって蒸発し、図６Ｃに示すように、気泡６０８２のサイズも大きくなる。最終的に、圧縮時の気泡内部の温度は、内破温度Ｔi（通常、Ｔi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。
【００４１】
式（８）から、内破サイクル数ｎiは以下のように表すことができる。
【００４２】
ｎi＝（Ｔi−Ｔ0−ΔＴ）／（ΔＴ−δＴ）＋１      （１０）
【００４３】
式（１０）から、内破時間τiは以下のように表すことができる。
【００４４】
τi＝ｎiｔ1＝ｔ1（（Ｔi−Ｔ0−ΔＴ）／（ΔＴ−δＴ）＋１）
＝ｎi／ｆ1＝（（Ｔi−Ｔ0−ΔＴ）／（ΔＴ−δＴ）＋１）／ｆ1      （１１）
【００４５】
ここで、ｔ1はサイクル周期であり、ｆ1は超音波／高周波超音波の周波数である。
【００４６】
式（１０）および（１１）により、内破サイクル数ｎiおよび内破時間τiを計算することができる。Ｔi＝３０００℃、ΔＴ＝５０．９℃、Ｔ0＝２０℃、ｆ1＝５００ＫＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚと仮定したときにおける、内破サイクル数ｎi、内破時間τi、及び、（ΔＴ−δＴ）の計算された関係を表１に示す。
【表１】
2021517732.tif 000004
【００４７】
ウェ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ェ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。
【００４８】
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ェハまたは基板の表面に隣接させる。
【００４９】
ステップ２：ウェハと超音波／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、ＣＯ2）でドープした水を充填する。
【００５０】
ステップ３：チャックを回転させるか、ウェハを振動させる。
【００５１】
ステップ４：電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に設定する。
【００５２】
ステップ５：気泡内部の気体や蒸気の温度が内破温度Ｔiに達する前（τ1が、式（１１）で計算された時間τi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。
【００５３】
ステップ６：気泡内の気体温度が室温Ｔ0まで低下する、または、時間（ゼロパワー時間）がτ2に達した後、再度電源を周波数ｆ1およびパワーＰ1に設定する。
【００５４】
ステップ７：ウェ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。
【００５５】
ステップ５では、気泡の内破を回避するために、時間τ1がτiよりも短くなければならず、τiは式（１１）を使って算出することができる。
【００５６】
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Ｔiより大幅に低い温度であることが好ましい。
【００５７】
式（８）および（９）によれば、（ΔＴ−δＴ）がわかっていれば、τiを算出できる。しかし一般的に、（ΔＴーδＴ）は直接算出または測定することが容易ではない。内破時間τiは以下の方法により実験的に決定することができる。
【００５８】
ステップ１：表１に基づいて、実験計画（ＤＯＥ）の条件として５つの異なる時間τ1を選択する。
【００５９】
ステップ２：τ2として、τ1の少なくとも１０倍、好ましくは一回目のスクリーンテストでτ1の１００倍を選択する。
【００６０】
ステップ３：パワーＰ0を一定値に固定して上記５つの条件で特定のパターン構造を有するウェハを別々に洗浄する。ここで、Ｐ0は連続モード（非パルスモード）で継続すると、ウェハ上のパターン構造が確実に損傷する出力である。
【００６１】
ステップ４：ＳＥＭＳ、または、ＡＭＡＴ  ＳＥＭヴィジョンや日立ＩＳ３０００などのウェハパターン損傷検査器具を用いて上記５つのウェハの損傷状況を検査すれば、内破時間τiを一定の範囲内に設定することができる。
【００６２】
内破時間τi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。内破時間τiを把握した後、時間τ1を、安全マージンのために０．５τi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。
【００６３】
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、ウェハ内の、および、ウェハからウェ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。
【表２】
2021517732.tif 000005
【００６４】
τ1＝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、τ1＝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、τi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、パワー密度が大きいほど、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パワー密度が０．１ｗａｔｔｓ／ｃｍ2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、パワー密度が０．１ｗａｔｔｓ／ｃｍ2未満になれば、サイクル数が上昇することが予想される。
【００６５】
τ1がわかれば、上述と同様のＤＯＥ法に基づいて、時間τ2を短くすることができる。すなわち、時間τ１を固定し、時間τ２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。時間τ2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τcがわかった後、同様に、時間τ2を２τc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。
【００６６】
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ェ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ｆ1に設定し、パワー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ｆ1に設定し、パワー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ｆ1に設定し、パワー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ｆ1に設定し、パワー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ｆ1に設定し、パワー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。
【００６７】
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ェ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ｆ3より高い周波数ｆ1に設定し、後に周波数ｆ3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ｆ3に設定し、後に周波数ｆ3より高い周波数ｆ1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ｆ3に設定し、その後周波数ｆ３より高い周波数ｆ1に設定し、最後に周波数ｆ3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ｆ3より高い周波数ｆ1に設定し、その後周波数ｆ3に設定し、最後に周波数ｆ1に設定する別の洗浄方法を示す。
【００６８】
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ｆ1に設定し、その後周波数ｆ3に設定し、最後に周波数ｆ4に設定してもよく、ここで、ｆ4はｆ3より小さく、ｆ3はｆ1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ｆ4に設定し、その後周波数ｆ3に設定し、最後に周波数ｆ1に設定してもよく、ここで、ｆ4はｆ3より小さく、ｆ3はｆ1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ｆ1に設定し、その後周波数ｆ4に設定し、最後に周波数ｆ3に設定してもよく、ここで、ｆ4はｆ3より小さく、ｆ3はｆ1より小さい。
【００７１】
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ｆ3に設定し、その後周波数ｆ4に設定し、最後に周波数ｆ1に設定してもよく、ここで、ｆ4はｆ3より小さく、ｆ3はｆ1より小さい。
【００７２】
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ｆ3に設定し、その後周波数ｆ1に設定し、最後に周波数ｆ4に設定してもよく、ここで、ｆ4はｆ3より小さく、ｆ3はｆ1より小さい。
【００７３】
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ｆ4に設定し、その後周波数ｆ1に設定し、最後に周波数ｆ3に設定してもよく、ここで、ｆ4はｆ3より小さく、ｆ3はｆ1より小さい。
【００７４】
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ェ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。
【００７５】
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ェハまたは基板の表面に隣接させる。
【００７６】
ステップ２：ウェハと超音波／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。
【００７７】
ステップ３：チャックを回転させるか、ウェハを振動させる。
【００７８】
ステップ４：電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に設定する。
【００７９】
ステップ５：気泡内部の気体と蒸気の温度が内破温度Ｔiに達する（合計期間τ1の経過する）前に、電源出力を周波数ｆ1及び出力Ｐ2（Ｐ1より小さい）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。
【００８０】
ステップ６：気泡内の気体温度が室温Ｔ0に近い特定の温度まで低下する、または、時間（ゼロパワー時間）がτ2に達した後、再度電源を周波数ｆ1およびパワーＰ1に設定する。
【００８１】
ステップ７：ウェ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。
【００８２】
ステップ６では、図１０Ｂに示すように、パワーＰ2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τ2タイムゾーンに温度差ΔＴ2が生じるはずである。
【００８３】
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ェ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ｆ1より低いｆ2に設定し、パワーをＰ1より小さいＰ2に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。ｆ2はｆ1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、Ｐ2はＰ1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。
【００８４】
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ェ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ｆ1より高いｆ2に設定し、パワーをＰ1と同等のＰ2に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。
【００８５】
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ェ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ｆ1より高いｆ2に設定し、パワーをＰ1より小さいＰ2に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。
【００８６】
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ェ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ｆ1より高いｆ2に設定し、パワーをＰ1より高いＰ2に設定する点を除いて、図１０Ａに示す方法と同様である。ｆ2はｆ1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、Ｐ2はＰ1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、時間ゾーンτ2で時間ゾーンτ1より低くなるようにしなければならない。
【００８７】
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ェ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の寸法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。本発明による別の洗浄方法は、下記の通りである。
【００８８】
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ェハまたは基板の表面に隣接させる。
【００８９】
ステップ２：ウェハと超音波／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。
【００９０】
ステップ３：チャックを回転させるか、ウェハを振動させる。
【００９１】
ステップ４：電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に設定する。
【００９２】
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（時間τ1カ゛経過する）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。
【００９３】
ステップ６：気泡内の気体温度が低下しつづけて室温Ｔ0まで下がる、または、時間（ゼロパワー時間）がτ2に達した後、再度電源を周波数ｆ1およびパワーＰ1に設定する。
【００９４】
ステップ７：ウェ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。
【００９５】
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Ｔi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。時間τ1は、以下の方法を用いて実験的に決定することができる。
【００９６】
ステップ１：表１と同様に、実験計画（ＤＯＥ）の条件として５つの異なる時間τ1を選択する。
【００９７】
ステップ２：τ2として、τ1の少なくとも１０倍、好ましくは一回目のスクリーンテストでτ1 の１００倍を選択する。
【００９８】
ステップ３：パワーＰ0を一定値に固定して上記５つの条件で特定のパターン構造を有するウェハを別々に洗浄する。ここで、Ｐ0は連続モード（非パルスモード）で継続すると、ウェハ上のパターン構造が確実に損傷する出力である。
【００９９】
ステップ４：ＳＥＭＳ、または、ＡＭＡＴ  ＳＥＭヴィジョンや日立ＩＳ３０００などのウェハパターン損傷検査器具を用いて上記５つのウェハの損傷状況を検査すれば、損傷時間τiを一定の範囲内に設定することができる。
【０１００】
損傷時間τd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τdを把握した後、期間τ1を、安全マージンのために０．５τdより小さい値に設定してもよい。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図１６に、超音波／高周波超音波装置を用いたウェハ洗浄装置を示す。ウェハ洗浄装置は、ウェハ１６０１０と、回転駆動機構１６０１６によって回転されるウェハチャック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を介してウェハに伝達される。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。
【０１０３】
図１７に、超音波／高周波超音波装置を用いたウェハ洗浄装置を示す。ウェハ洗浄装置は、ウェハ１７０１０と、洗浄タンク１７０７４と、洗浄タンク１７０７４に保持され、ウェハ１７０１０を保持するウェハカセット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、ウェハ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。
【０１０４】
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ェ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。上記方法ではステップ５において、気泡内部の気体や蒸気の温度が内破温度Ｔiに達する前（時間τ1が式（１１）で計算されたτi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、パワーＰ1に等しくても小さくてもよい。
【０１０５】
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ェ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。上記方法ではステップ５において、気泡内部の気体や蒸気の温度が内破温度Ｔiに達する前（時間τ1が式（１１）で計算されたτiに達する前）に、電源出力をｆ1と同じ周波数で、ｆ1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、パワーＰ1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ｆ1とは異なる周波数でｆ1と逆位相に設定してもよい。
【０１０６】
図２０Ａ〜図２０Ｄに示すように、気泡２００１２は、基板２００１０上のビアホール２００３４またはトレンチ２００３６のパターン構造要素において、飽和点未満の状態にあるので、これらビアホール２００３４またはトレンチ２００３６のパターン構造要素における気泡の気泡キャビテーションによる新鮮な薬液との入れ替わりが促進され、これらのパターン構造要素からの残留物や粒子等の不純物の除去が促進される。なお、飽和点ＲSは、ビアホール、トレンチ、または、凹領域の複数のパターン構造要素内における気泡の最大量によって定義される。飽和点を超えると、薬液がビアホールおよびトレンチのパターン構造要素内の気泡に閉塞され、これらパターン構造要素における底壁や側壁に到達しにくくなり、薬液の洗浄能力が影響を受けることとなる。飽和点未満の場合には、ビアホールまたはトレンチの複数のパターン構造要素において、薬液の実行性が十分に発揮されるとともに、良好な洗浄性能を得ることができる。
【０１０７】
飽和点未満では、ビアホール、トレンチ、または、凹空間の体積ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒは、以下の通りである。
Ｒ＝ＶB／ＶVTR＜Ｒs
【０１０８】
そして飽和点ＲS以上で、ビアホール、トレンチ、または、凹空間の体積ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒは、以下の通りである。
Ｒ＝ＶB／ＶVTR＝Ｒs
【０１０９】
ビアホール、トレンチ、または、凹空間の複数のパターン構造要素における気泡の総体積は以下の通りである。
ＶB＝Ｎｖb
【０１１０】
ここで、Ｎはパターン構造要素内での総気泡数であり、ｖbは単一の気泡の平均体積である。
【０１１１】
図２０Ｅ〜図２０Ｈに示すように、超音波／高周波超音波装置で膨張させた気泡２００１２は、その大きさが徐々に一定量に到達し、その結果、ビアホール、トレンチ、または、凹空間ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点ＲS近くまたはこれ以上となる。膨張した気泡２００１２によって、薬液の入れ替えや不純物除去の経路となるビアホールまたはトレンチが閉塞されることになる。この場合、高周波出力が、ビアホールまたはトレンチ内に十分に伝達されて底壁や側壁に到達することができない。また、ビアホールまたはトレンチ内の粒子や残留物等の不純物２００４８を効率的に排出することができない。このような状況は臨界寸法Ｗ１が小さくなり、ビアホールおよびトレンチのパターン構造要素内の気泡が膨張することによって飽和状態になる場合に起こりうる。
【０１１２】
図２０Ｉ〜図２０Ｊに示すように、ビアホール、トレンチ、または、凹空間の体積ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒが飽和点よりはるかに低くなるように、限定された範囲で、超音波／高周波超音波装置によって気泡２００１２のサイズが拡張される。ビアホールまたはトレンチ内では、気泡キャビテーションによって新鮮な薬液２００４７が自由に入れ替えられて洗浄性能を良好なものにする一方、残留物や粒子などの不純物２００４８がビアホール、トレンチ、および、凹空間のパターン構造要素から排出される。
【０１１３】
ビアホール、トレンチのパターン構造要素における気泡数及び気泡サイズは、これらのパターン構造要素内の全気泡量と関係があるため、キャビテーションによって膨張した気泡サイズの制御が、高アスペクト比のパターン構造要素内の洗浄工程において重要となる。
【０１１４】
図２１Ａ〜図２１Ｄに示すように、第一サイクルのキャビテーションが終わった後、気泡に作用中の音波出力が正のときに、気泡内のガスの体積がＶ0よりも小さい最小サイズＶ1まで圧縮され、気泡に作用中の音波出力が負のときに、体積Ｖ2まで戻される。しかしながら、図２１Ｂに示すように、体積がＶ2の気泡の温度Ｔ2は、Ｖ0の体積での気泡内の温度Ｔ0よりも高くなるので、気泡周辺の液体分子が高温下で蒸発することに伴い、Ｖ2の体積がＶ0の体積よりも大きくなる。そして、図２１Ｂに示すように、第二の圧縮による気泡のＶ3の体積はＶ1とＶ2との間になる。Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は以下の式で表すことができる。
Ｖ1＝Ｖ0−ΔＶ    （１２）
Ｖ2＝Ｖ1＋ΔＶ    （１３）
Ｖ3＝Ｖ2−ΔＶ＝Ｖ1＋δＶ−ΔＶ＝Ｖ0−ΔＶ＋δＶ−ΔＶ＝Ｖ0＋δＶ−２ΔＶ    （１４）
【０１１５】
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。
【０１１６】
第二サイクルの気泡キャビテーションの後、温度が上昇し続ける間に気泡サイズがより大きなものとなり、気泡内部のガスおよび／または蒸気の体積Ｖ4は以下のようになる。
Ｖ4＝Ｖ3＋δＶ＝Ｖ0＋δＶ−２ΔＶ＋δＶ＝Ｖ0＋２（δＶ−ΔＶ）    （１５）
【０１１７】
第三サイクルの気泡キャビテーションのときに、気泡内のガスおよび／または蒸気の体積はＶ5は、以下の通りとなる。
Ｖ5＝Ｖ4−ΔＶ＝Ｖ0＋２（δＶ−ΔＶ）−ΔＶ＝Ｖ0＋２δＶ−３ΔＶ    （１６）
【０１１８】
同様に、第ｎサイクルの気泡キャビテーションが最小気泡サイズに達すると、気泡内部のガスおよび／または蒸気の体積Ｖ2n-1は、以下の通りとなる。
Ｖ2n-1＝Ｖ0＋（ｎ−１）δＶ−ｎΔＶ＝Ｖ0＋（ｎ−１）δＶ−ｎΔＶ    （１７）
【０１１９】
第ｎサイクルの気泡キャビテーションが終わると、気泡内のガスおよび／または蒸気の体積Ｖ2nは、以下の通りとなる。
Ｖ2n＝Ｖ0＋ｎ（δＶ−ΔＶ）    （１８）
【０１２０】
ビアホール、トレンチ、凹領域のパターン構造要素内の薬液の入れ替わり経路を閉塞することなく、物理的な移動を可能とするサイズ、または、気泡がキャビテーションの飽和点または気泡密度より低い状態となる目標体積Ｖiに気泡の体積を制限するための、サイクル数ｎiは以下のように表すことができる。
ｎi＝（Ｖi−Ｖ０−ΔＶ）／（δＶ−ΔＶ）＋１    （１９）
【０１２１】
式（１９）から、Ｖiを得るための目標時間τiは、以下のように表すことができる。
τi＝ｎiｔ1＝ｔ1（（Ｖi−Ｖ0−ΔＶ）／（δＶ−ΔＶ）＋１）
＝ｎi／ｆ1＝（（Ｖi−Ｖ0−ΔＴ）／（δＶ−ΔＶ）＋１）／ｆ1    （２０）
【０１２２】
ここで、ｔ1はサイクル周期であり、ｆ1は超音波／高周波超音波の周波数である。
【０１２３】
式（１９）及び（２０）によれば、気泡サイズを制限するための目標サイクル数ｎiと時間τiを算出することができる。
【０１２４】
なお、気泡キャビテーションのサイクル数ｎが多くなると、ガスおよび液体（水）蒸気の温度が高くなる。したがって、気泡表面の分子がより多く気泡内に蒸発するため、気泡２１０８２のサイズがさらに大きくなり、式（１８）によって算出される値よりも大きくなる。実際の運用では、後述する実験方法によって気泡サイズが決定されることになるため、温度上昇に伴う気泡内面における液体または水の蒸発によって影響される気泡サイズについて、本明細書では理論的な詳述は省略する。図２１Ｄに示すように、平均単一気泡体積の増加に伴って、ビアホール、トレンチ、または、凹空間の体積ＶVTRに対する総気泡体積ＶＢの比ＲがＲ0から連続的に上昇する。
【０１２５】
気泡体積が増加するに伴い、気泡の直径は最終的に、図２０Ｅに示すビアホールまたは図２０Ｇに示すトレンチまたは凹領域等のパターン構造要素Ｗ１のサイズと同じか同程度のサイズになる。その後、特にアスペクト比（深さ／幅）が３倍以上の場合、ビアホールおよびトレンチ内の気泡によって、超音波／高周波超音波エネルギーがブロックされて、ビアホールおよびトレンチの底壁に届かなくなる。このため、このように深いビアホールまたはトレンチの底壁における不純物や粒子を効果的に除去することができない。
【０１２６】
気泡が、ビアホールまたはトレンチのパターン構造要素において薬液の入れ替わり経路を閉塞する臨界寸法まで成長することを避けるために、図２２Ａ〜図２２Ｄには、本発明による、サイズ制限された気泡キャビテーションを維持することによって、高アスペクト比のビアホールまたはトレンチのパターン構造要素を有する基板に対して効果的に超音波／高周波超音波洗浄を行う方法が開示されている。図２２Ａは、電源出力の波形を示しており、図２２Ｂ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おり、図２２Ｃ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。図２２Ｄは、ビアホール、トレンチ、又は凹部空間の体積ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒの曲線を示している。
【０１２７】
Ｒ＝ＶB／ＶVTR＝Ｎｖb／ＶVTRによれば、ビアホール、トレンチ、または、凹空間の体積ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒは、Ｒ0からＲnまで増加し、平均単一気泡の体積は、τ1の期間におけるサイクル数ｎの後に、音波キャビテーションによって膨張する。そして、Ｒnは、飽和点ＲS未満に制御されている。
Ｒn＝ＶB／ＶVTR＝Ｎｖb／ＶVTR＜ＲS
【０１２８】
そして、ビアホール、トレンチ、または、凹空間の体積ＶVTRに対する総気泡体積ＶBの比Ｒは、ＲnからＲ0まで減少し、平均単一気泡の体積は、τ2の期間における冷却工程によって元のサイズに戻る。
【０１２９】
気泡サイズの増加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に開示する通りである。
【０１３０】
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基板または基板の表面に隣接させる。
【０１３１】
ステップ２：基板と超音波／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、ＣＯ2）でドープした水を充填する。
【０１３２】
ステップ３：チャックを回転させるか、基板を振動させる。
【０１３３】
ステップ４：電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に設定する。
【０１３４】
ステップ５：気泡の体積が一定の体積Ｖnまたは直径ｗまで膨張（または期間がτ1に到達）した後、電源出力をゼロワットに設定することにより、液体または水の温度がガスの温度を下げるため、気泡内のガスの体積が縮小し始める。
【０１３５】
ステップ６：気泡の体積が元の体積まで戻り、ガスの温度が室温Ｔ0まで低下する、または、時間（ゼロパワー時間）がτ2に達した後、再度電源を周波数ｆ1およびパワーＰ1に設定する。
【０１３６】
ステップ７：基板が洗浄されるまで、ステップ１からステップ６を繰り返す。
【０１３７】
ステップ５において、膨張した気泡の体積Ｖnや径ｗは、ビアホールまたはトレンチといったパターン構造要素を閉塞する寸法Ｖiやサイズｗ１よりも小さく制限される必要はない。Ｖiよりある程度大きな体積であり得るが、最短の処理時間で効果的に洗浄を行うためには寸法Ｖiよりも小さいことが望ましい。また、τ1もτiより小さく制限する必要はないが、式（２０）で定義されるτiよりも小さいことが好ましい。
【０１３８】
ステップ６では、気泡の体積を元の体積まで縮小する必要はない。元の体積をある程度超える体積ではあるものの、ビアホール、トレンチ、または、凹領域等のパターン構造要素の底壁に対して超音波／高周波超音波電源の出力が伝達されるように気泡サイズを制限するには、Ｖiよりも大幅に小さくする必要がある。
【０１３９】
図２２Ｂには、超音波／高周波超音波電源が時間τ1の間作動することによって、大体積Ｖnにまで膨張した気泡が示されている。この状態では、物質移動の経路が部分的に閉塞される。したがって、新鮮な薬液が、ビアホールまたはトレンチ内に十分に伝達されて底壁や側壁に到達することができない。また、ビアホールまたはトレンチ内の粒子や残留物等の不純物を効率的に排出することができない。しかし、図２２Ａに示すように、超音波／高周波超音波電源をオフにして気泡を時間τ2の間冷却すると、この状態は気泡が収縮する次の状態に移行する。この冷却状態では、新鮮な薬液をビアホールまたはトレンチに送り、これらの底壁や側壁を洗浄することが可能になる。次のサイクルにおいて、超音波／高周波超音波電源がオンにされたとき、気泡体積の増加によって発生する引っ張り力により、ビアホールまたはトレンチから粒子、残留物、その他の不純物が除去される。洗浄工程において二つの状態が交互に発生することにより、ビアホール、トレンチ、または、凹領域の高アスペクト比の複数のパターン構造要素を有する基板に対して、効果的に超音波／高周波超音波洗浄を行うことができる。
【０１４０】
期間τ2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。したがって正確に定義されるべきである。また気泡サイズを制限する時間はτ1＜τiであることが望ましく、τiも定義されていることが望ましい。以下の方法では、実験によって、冷却状態において気泡が収縮する時間τ２と、気泡サイズが、気泡による閉塞が起こるサイズまで膨張することを制限する時間τ1とを決定することができる。上記実験では、薬液に接続された超音波／高周波超音波装置が用いられ、ビアホールおよびトレンチといった小さなパターン構造要素に、洗浄性能の評価を行うためにトレース可能な残留物が存在するパターン構造を有する基板を洗浄を行う。
【０１４１】
ステップ１：式（２０）に基づいて、τiとして算出される、パターン構造要素を閉塞するのに充分なサイズのτ1を選択する。
【０１４２】
ステップ２：ＤＯＥを実行するための異なる時間τ2を選択する。時間τ2は、少なくとも第一スクリーン試験において、τ1の１０倍、より好ましくはτ1の１００倍以上の値となるように選択する。
【０１４３】
ステップ３：時間τ1および一定のパワーＰ0を固定して５つの条件で特定のパターン構造を有する基板を別々に洗浄する。ここで、Ｐ0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といったパターン構造要素が確実に洗浄されないパワーである。
【０１４４】
ステップ４：上記５つの基板のビアホールまたはトレンチのパターン構造要素におけるトレース可能な残留物の状態を、ＳＥＭＳ又はＥＤＸのような元素分析ツールによって検査する。
【０１４５】
ステップ１〜ステップ４を再度繰り返して、ビアホールまた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確認できるまで、時間τ2を徐々に短くしてもよい。時間τ2が短縮されることにより、気泡の体積を充分に縮小できないことから、これらパターン構造要素が徐々に閉塞され、洗浄能力に影響がでる。この期間を、臨界冷却期間τcと称する。臨界冷却時間τcがわかった後、期間τ2を２τc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。
【０１４６】
以下により詳細な例を示す。
【０１４７】
ステップ１：表３と同様に、実験計画（ＤＯＥ）の条件として、τ10、２τ10、４τ10、８τ10、１６τ10、３２τ10、６４τ10、１２８τ10、２５６τ10、５１２τ10等のように、１０個の異なる期間τ1を選択する。
【０１４８】
ステップ２：τ2として、表３と同様に、少なくとも５１２τ10の少なくとも１０倍、好ましくは一回目のスクリーンテストで５１２τ10の２０倍を選択する。
【０１４９】
ステップ３：パワーＰ0を一定値に固定して上記１０個の条件で特定のパターン構造を有する基板を別々に洗浄する。ここで、Ｐ0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といったパターン構造要素が確実に洗浄されないパワーである。
【表３】
2021517732.tif 000006
【０１５０】
ステップ４：表３に示すような上記条件を使用して、ビアホールまたはトレンチといったパターン構造要素がポストプラスマエッチングされた１０個の基板を処理する。なお、ポストプラズマエッチングされた基板を選択する理由としては、エッチング処理時に発生したポリマーがトレンチの側壁とビアホールの側壁に形成されているからである。ビアホールの底壁や側壁に形成されたポリマーは、従来の方法によって除去することが困難である。そこで１０個の基板上のビアホールまたはトレンチといったパターン構造要素の洗浄状態を、基板断面に対するＳＥＭＳによって検査する。そのデータを表３に示す。表３から、τ1＝３２τ10において洗浄効果が６の最良点に達しているため、最適時間τ1は３２τ10である。
【０１５１】
ピークが存在しない場合には、ステップ１〜ステップ４を、τ1の時間設定を広げて繰り返すことで、時間τ1を求めることができる。初期τ1を求めた後、τ1に近似する時間設定でステップ１〜ステップ４を再度繰り返すことにより時間τ1の範囲を絞り込むことができる。時間τiを把握した後、時間τ2を５１２τ2から洗浄効果が減少する値まで減少させることによって、時間τ2を最適化することができる。詳細な手順を以下の表４に開示する。
【表４】
2021517732.tif 000007
【０１５２】
表４から、τ2＝２５６τ10において洗浄効果が７の最良点に達しているため、最適時間τ2は２５６τ10である。
【０１５３】
また、図２３Ａ〜図２３Ｃには、本発明による超音波／高周波超音波装置を用いた基板の洗浄方法の別の実施形態が示されている。なお、上記方法はキャビテーションが飽和点ＲSに達しても、時間ｍτ1の間電源がオンの状態であることを除いて図２２Ａ〜図２２Ｄと同様である。ここで、ｍは、ビアホールおよびトレンチ構造および薬液によって０．１〜１００、好ましくは２であり、図２２Ａ〜図２２Ｄの実施形態で説明した実験によって最適化する必要がある。
【０１５４】
図８〜図１４、図１６〜図１９に開示された方法及び装置は、図２２及び図２３に示すされるように実施形態に適用することが可能であり、以後説明を省略する。
【０１５５】
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。
【０１５６】
上述したように、ここに開示する本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板上のビアホール、トレンチ、または、凹領域を効果的に洗浄する方法であって、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付与する工程と、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動する工程と、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第一の設定値まで増加した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ2とパワーＰ2に設定して、前記超音波／高周波超音波装置を駆動する工程と、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第二の設定値まで減少した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に再度設定する工程と、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す工程とを備えている。
【０１５７】
第一の設定値は、キャビテーション飽和点未満の値となっている。第二の設定値は、キャビテーション飽和点よりもはるかに低い値となっている。気泡内の温度が下がることにより、ビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第二の設定値まで減少する。気泡内の温度は前記液体の温度付近まで低下する。
【０１５８】
上記実施形態では、前記第一の設定値は、キャビテーション飽和点であり、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比がキャビテーション飽和点に到達した後であっても、前記超音波／高周波超音波電源をｍτ1の期間、周波数ｆ1とパワーＰ1に再度設定する。ここで、τ1は、キャビテーション飽和点に到達する時間であり、ｍは、τ1の係数であり、０．１〜１００までの数、好ましくは２である。
【０１５９】
一実施形態に開示する本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板上のビアホール、トレンチ、または、凹領域を効果的に洗浄するための装置である。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、コントローラとを備えている。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。前記コントローラは、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1およびパワーＰ1に設定し、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第一の設定値まで増加した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ2およびパワーＰ2に設定し、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第二の設定値まで減少した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に再度設定し、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す。
【０１６０】
別の実施形態に開示する本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板上のビアホール、トレンチ、または、凹領域を効果的に洗浄するための装置である。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、コントローラとを備えている。前記カセットは少なくとも一つの基板を保持する。タンクは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の前記タンク内に薬液を充填するために使用される。前記コントローラは、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1およびパワーＰ1に設定し、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第一の設定値まで増加した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ2およびパワーＰ2に設定し、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第二の設定値まで減少した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に再度設定し、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す。
【０１６１】
別の実施形態に開示する本発明は、超音波／高周波超音波装置を用いて基板上のビアホール、トレンチ、または、凹領域を効果的に洗浄するための装置である。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、コントローラとを備えている。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。前記コントローラは、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1およびパワーＰ1に設定し、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第一の設定値まで増加した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ2およびパワーＰ2に設定し、前記超音波／高周波超音波装置を駆動し、前記基板のビアホール、トレンチ、または、凹領域内の体積に対する総気泡体積の比が第二の設定値まで減少した後、前記超音波／高周波超音波電源を周波数ｆ1とパワーＰ1に再度設定し、前記基板が洗浄されるまで上記のステップを繰り返す。
【０１６２】
図２４Ａ〜図２４Ｅを参照して、本発明の、音響エネルギーを用いて、例えば粒子、残留物及びその他の不純物といった、半導体ウェハ２４０１０上のパターン構造要素２４０３４内の不純物２４０４８を除去するためのプロセスの工程は、以下の通りである。以下の工程は、ステップ１〜ステップ５の順序と異なる順序で行われてもよい。
【０１６３】
ステップ１：パターン構造要素２０４３４を有する半導体ウェハ２４０１０を、例えば回転チャックなどの基材にセットする。基材は、設定された速度で半導体ウェハ２４０１０を回転させることができる。特徴部分のライン幅Ｗは、６０ｎｍ以下である。
【０１６４】
ステップ２：例えば、薬液又は気体（水素、窒素、酸素、ＮＨ3又はＣＯ2）がドープされた水のような洗浄液２４０３２を、送出口から半導体ウェハ２４０１０に供給する。この送出口は、半導体ウェハ２４０１０上に洗浄液を注入又は噴射するノズルであってもよい。半導体ウェハ２４０１０は、洗浄液２４０３２が供給されるにつれて回転されてもよい。
【０１６５】
ステップ３：図２４Ｂに示すように、音響エネルギーが洗浄液２４０３２に供給されているときに、半導体ウェハ２４０１０を、例えば１０ＲＰＭ（revolutions per minute）〜１００又は２００ＲＰＭの低い速度ω１で回転させる。例えば、音響エネルギーを供給するために、超音波又は高周波超音波装置が、半導体ウェハ２４０１０の表面に隣接して配置され、上記低い回転速度と、超音波／高周波超音波装置の位置とにより、超音波／高周波超音波装置と半導体ウェハ２４０１０との間に洗浄液２４０３２が充填される。より厳密には、回転チャックの回転相度、半導体ウェハ２４０１０と超音波／高周波超音波装置との間の隙間の距離、洗浄液の流量、及び、洗浄液２４０３２の物理的特定を含むある設定の組み合わせで、洗浄液２４０３２の表面張力により、半導体ウェハ２４０１０と超音波／高周波超音波装置との間の隙間に洗浄液が充填される。超音波又は高周波超音波装置の電源がオンになると、気泡２４０４６が発生し、音響エネルギーを用いた半導体ウェハ２０４０１上の洗浄プロセスが開始される。図２４Ｂに示すように、パターン構造要素２４０３４内の不純物２４０４８は、超音波／高周波超音波による音響エネルギーにより持ち上げられる。ステップ３の継続時間は、例えば、１秒から数分程度であってもよい。
【０１６６】
ステップ４：図２４Ｃに示すように、音響エネルギーが洗浄液２４０３２に供給されていないときに、半導体ウェハ２４０１０を、例えば、１００ＲＰＭ又は２００ＲＰＭ〜１５００ＲＰＭの高い速度ω２で回転させる。例えば、音響エネルギーの供給を止めるために、超音波又は高周波超音波装置の電源をオフにし、及び／又は、超音波又は高周波超音波装置を、半導体ウェハ２４０１０に隣接する位置から、液面よりも上の高さまで、持ち上げてもよい。半導体ウェハ２４０１０の表面の洗浄液２４０３２が回転チャックとともに回転されるため、半導体ウェハ２４０１０の回転速度を増加させるときに、半導体ウェハ２４０１０の表面における洗浄液２４０３２の接線速度が増加する。図２４Ｃに示すように、洗浄液２４０３２の接線速度の増加が、ステップ３で持ち上げられた残留物２４０４８の除去効率を高める。残留物２４０４８は、半導体ウェハの縁に沿って横方向に移動し、最終的に、半導体ウェハ２４０１０から離れる。ステップ４の持続時間は、例えば、１秒から数分程度であってもよい。このステップでは、音響エネルギーの供給が停止され、気泡２４０４６が定常状態のままである。このステップでは、半導体ウェハを回転させるための基材の回転速度が高い速度ω２に増加する前に、超音波又は高周波超音波装置は、半導体ウェハに隣接する位置から持ち上げられることが好ましく、このことは、残留物２４０４８の除去により貢献する。
【０１６７】
ステップ５：図２４Ｄ〜図２４Ｅに示すように、パターン構造要素２４０１０内に戻ってきた又は残留した残留物２４０４８を除去するために、ステップ３とステップ４とを１以上のサイクル繰り返す。図２４Ｂ〜図２４Ｃに示すように、残留物２４０４８の一部がステップ３で持ち上げられて半導体ウェハ２４０１０のパターン構造から離れる。この残留物２４０４８の一部は、ステップ４において、半導体ウェハ２４０１０の回転速度の増加に起因する外側に向かう液体の流れによって簡単に除去される。しかしながら、残留物２４０４８の別の一部は、パターン構造又はパターン構造の近くに残ったままであり、音響エネルギーの供給が停止するため、パターン構造要素２４０３４に戻り、パターン構造要素２４０３４内に残ったままとなる。したがって、図２４Ｄ〜図２４Ｅに示すように、ステップ３及びステップ４を１サイクル以上繰り返すことによって、残留物２４０４８をより効果的に除去することができる。
【０１６８】
ステップ３において、図７Ａ〜図７Ｃ、又は、図８Ａ〜図１４Ｂのいずれかに関連して、音響エネルギーを用いた洗浄プロセスは、ステップ４〜ステップ６に沿って適用してもよい。このようにして、損傷を与える内破又はパターン構造の閉塞を回避するために、気泡は冷却される。
【０１６９】
音響エネルギーが供給され、液体薬品又は気体がドープされた水によるパターン構造の洗浄プロセスでは、気泡は、音響エネルギーによって膨張する。特に、アスペクト比（深さ／幅）が３以上であるときに、ビアホール、トレンチ及び／又は凹部領域といったパターン構造要素が、気泡によって塞がれる虞がある。したがって、新鮮な液体が効率よくビアホール、トレンチ、及び／又は凹部領域の底に到達せず、このような深いビアホール、トレンチ及び／又は凹部領域の粒子、不純物又はその他の残留物を、効率よく除去あるいは洗浄することができない。パターン構造要素内において、飽和点ＲSは、ビアホール、トレンチ、または、凹領域の複数のパターン構造要素内における気泡の最大量によって定義される。飽和点を超えると、薬液がビアホール、トレンチ又は凹部領域といったパターン構造要素内の気泡に閉塞され、これらパターン構造要素における底壁や側壁に到達しにくくなり、薬液の洗浄能力が影響を受けることとなる。飽和点未満の場合には、薬液が、ビアホール、トレンチ又は凹部領域といったパターン構造要素に十分に流れ、良好な洗浄性能を得ることができる。
【０１７０】
ビアホール、トレンチ又は凹部領域といったパターン構造要素における気泡の総体積は、ビアホール、トレンチ又は凹部領域といったパターン構造要素における気泡数及び気泡サイズの両方と関係があるため、気泡数及び気泡サイズの制御は、高アスペクト比のパターン構造要素内の洗浄工程における洗浄性能に重要となる。図２１Ａ〜図２１Ｄに示すように、１つの気泡の体積を制御する方法を開示したが、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１７１】
図２５は、気泡の数と洗浄液の気体濃度との関係を示す。洗浄液における気体濃度を制御するために、洗浄液にドープする気体の量をこの装置によって正確に制御する必要がある。超音波又は高周波超音波洗浄プロセスパラメータを最適にした後、適切な気体濃度を決定するために、気体のドープ量を変えて音響エネルギーを供給してビアホール、トレンチ又は凹部領域といった小さいパターン構造要素を含むパターン基板を洗浄する、検証実験を行う必要がある。最適な気体濃度は、実験によって得られる最適な洗浄性能に基づいて決定される。
【０１７２】
図２６は、別の典型的な半導体ウェハ洗浄装置を示している。上記装置は、気泡除去器２６０８４を備えている点を除いて、図１Ａに示すものと同様である。気泡除去器２６０８４は、ノズル２６０１２につながる経路上に設置されてもよい。洗浄液２６０３２は、気泡除去器２６０８４を通って流れ、ノズル２６０１２に供給される。ノズル２６０１２は、回転チャック２６０１４上に配置され回転駆動機構２６０１６によって回転される半導体ウェハ２６０１０上に洗浄液２６０３２を供給する。気泡除去器２６０８４は、大きな気泡を遮断するが、小さい気泡は遮断しない、すなわち、小さい気泡は、洗浄液とともに気泡除去器２６０８４を通過して流れることができるが、大きい気泡は、このように流れることができない。気泡除去器２６０８４は、洗浄液がノズル２６０１２に供給される前に、洗浄液中の大きい気泡を除去する。そして、このことが、音響エネルギーを供給した洗浄液によるパターン構造の洗浄のプロセスの間、損傷を与える内破、又は、半導体ウェハ１６０１０上のパターン構造が塞がれるのを抑える助けとなる。
【０１７３】
図２７Ａは、例えばパターン構造要素２７０３４内のクズやバリのような１以上の欠陥２７０５０を有する半導体ウェハ２７０１０を示しており、このような欠陥は、表面に残った混入物や異方性結晶エッチングに起因する表面特性のような、パターン構造要素の表面の滑らかさに影響を与える。音響エネルギーが供給され、化学液体又は気体がドープされた水のような洗浄液２７０３２によるビアホール、トレンチ又は凹部領域といったパターン構造要素を洗浄するプロセスでは、気泡２７０４６が欠陥２７０５０の周辺に蓄積し、欠陥２７０５０によるひずみ集中によって気泡２７０４６が簡単に破裂する。気泡の破裂によるマイクロ噴流の機械的な力がパターン構造要素２７０３４のさらなる損傷につながる。
【０１７４】
この問題を解決するために、図２７Ｂに示すような、欠陥２７０５０を除去して、パターン構造の滑らかな表面を得るための前処理が必要である。
【０１７５】
一実施形態では、洗浄プロセスに先立って、高エネルギーのプラズマを用いて、パターン構造２７０３４の表面のクズを除去して、パターン構造２７０３４の滑らかな表面を形成する、クズ除去プロセスが実行される。それから、本発明の、図２４Ａ〜図２４Ｅに示すステップが実行される。
【０１７６】
別の一実施形態では、パターン構造の滑らかな表面を得るために、洗浄プロセスに先立って、高エネルギーのプラズマを使用して、パターン構造２７０３４の表面のバリを除去又は滑らかにする。それから、本発明の、図２４Ａ〜図２４Ｅに示すステップが実行される。
【０１７７】
一実施形態では、パターン構造の表面のバリを除去するあるいは滑らかにする、以下のステップを含むウェット前処理が実行される。以下の工程は、ステップ１〜ステップ３の順序と異なる順序で行われてもよい。
【０１７８】
ステップ１：複数のパターン構造要素を含む半導体ウェハを、例えば、回転チャックのような基材上に配置する。
【０１７９】
ステップ２：送出口から半導体ウェハ上に前処理液を供給する、又は、２以上の前処理液を順に供給して、パターン構造上のバリを除去する又は滑らかにする。この送出口は、前処理液を半導体ウェハ上に注入するあるいは噴射するノズルであってもよい。半導体ウェハは、１以上の前処理液が供給されるにつれて回転されてもよい。
【０１８０】
ステップ３：前処理液を洗い流すために脱イオン（ＤＩ）水を半導体ウェハ上に供給する。
【０１８１】
続いて、図２４Ａ〜図２４Ｅに示すステップ２〜ステップ５を実行して、パターン構造を有する半導体ウェハを洗浄する。
【０１８２】
シリコン表面の前処理のための前処理液は、ＳＣ１液（Ｈ2Ｏ、Ｈ2Ｏ2及びＮＨ4ＯＨの混合液）であってもよい。複数の前処理液が下記のように供給されてもよい。すなわち、最初に、オゾン液（所定量のオゾンが溶解した水）を半導体ウェハの表面に供給して、シリコンの表面安定化処理のための凝縮された酸化膜を形成し、半導体ウェハ上に残った化学物質を洗い流すためにＤＩ水を供給し、半導体ウェハの表面の酸化物をエッチングするために、希釈したフッ化水素（ＤＨＦ）を半導体ウェハ上に供給して、粒子、残留物又はその他の不純物のアンダーカット効果を得る。これにより、後に続く洗浄ステップにおいて、粒子、残留物又はその他の不純物をより簡単に除去することができる。
【０１８３】
本開示のいくつかの態様では、基材の回転および音響エネルギーの供給が、一又は複数のコントローラ、例えば、機器のソフトウェアプログラマブル制御によって制御されてよい。一又は複数のコントローラは、回転および／またはエネルギー供給のタイミングを制御するための一又は複数のタイマーを備えていてよい。
【０１８４】
本発明は、４５ｎｍ以下の半導体ウェハのデバイス製造ノード、及び、６０ｎｍ以下のライン幅に適用してもよい。
【０１８５】
本発明は、３Ｄ  ＮＡＮＤに適用してもよい。
【０１８６】
図７Ａ〜図１４Ｂ、及び図１８Ａ〜図２３Ｃで開示した方法、並びに、図１Ａ、図１６、図１７で開示した装置は、図２４Ａ〜図２７Ｂに示すような実施形態に適用することが可能である。
【０１８７】
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】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ−５Ｃ】
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【図６Ａ−６Ｃ】
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【図７Ａ−７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ−１０Ｂ】
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【図１１Ａ−１１Ｂ】
2021517732.tif 000032
【図１２Ａ−１２Ｂ】
2021517732.tif 000033
【図１３Ａ−１３Ｂ】
2021517732.tif 000034
【図１４Ａ−１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２０Ｆ】
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【図２０Ｇ】
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【図２０Ｈ】
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【図２０Ｉ】
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【図２０Ｊ】
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【図２１Ａ−２１Ｄ】
2021517732.tif 000055
【図２２Ａ−２２Ｄ】
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【図２３Ａ−２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２４Ｅ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【国際調査報告】
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