(57)【要約】【課題】    衝撃力の均一化されたエアロゾルを形成し、物理洗浄する技術を提供する。【解決手段】    エアロゾル洗浄方法は、不純物ガスを含み得る、化学的に不活性な作動媒体ガスを予備冷却して、作動媒体ガスは気相に保ちつつ、不純物ガスを液化ないしは固化させる第１冷却工程と、予備冷却された作動媒体ガスを受け、液化ないしは固化した不純物を除去する工程と、不純物を除去した作動媒体ガスを受け、さらに第２冷却する第２冷却工程と、第２冷却された作動媒体を受け、ノズルから低圧雰囲気中に噴き出させてエアロゾルを形成し、被洗浄物にエアロゾルを噴射して洗浄を行う洗浄工程と、を含む。【選択図】  図１
2007053142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物ガスを含み得る、化学的に不活性な作動媒体ガスの供給配管と、
前記供給配管に接続され、作動媒体ガスを受け、予備冷却して、作動媒体ガスは気相に保ちつつ、不純物ガスを液化ないしは固化させる第１冷凍機と、
前記第１冷凍機から作動媒体ガスを受け、液化ないしは固化した不純物を除去する手段と、
前記不純物を除去した作動媒体ガスを受け、さらに冷却する第２冷凍機と、
真空排気可能なチャンバ内に、被洗浄物を載置するテーブルと、前記テーブルに対向して配置されたノズルとを備え、前記第２冷凍機から作動媒体を受け、ノズルから低圧雰囲気中に噴き出させてエアロゾルを形成し、被洗浄物にエアロゾルを噴射して洗浄を行うための、エアロゾル生成機構と、
を有するエアロゾル洗浄装置。
【請求項２】
前記作動媒体が窒素を含み、前記不純物が水分を含み、前記不純物を除去する手段がフィルタを含む請求項１記載のエアロゾル洗浄装置。
【請求項３】
不純物ガスを含み得る、化学的に不活性な作動媒体ガスを予備冷却して、作動媒体ガスは気相に保ちつつ、不純物ガスを液化ないしは固化させる第１冷却工程と、
前記予備冷却された作動媒体ガスを受け、液化ないしは固化した不純物を除去する工程と、
前記不純物を除去した作動媒体ガスを受け、さらに第２冷却する第２冷却工程と、
前記第２冷却された作動媒体を受け、ノズルから低圧雰囲気中に噴き出させてエアロゾルを形成し、被洗浄物にエアロゾルを噴射して洗浄を行う洗浄工程と、
を含むエアロゾル洗浄方法。
【請求項４】
前記作動媒体が窒素を含み、前記不純物が水分を含み、前記不純物を除去する工程がフィルタで液化ないし固化した不純物を除去する工程を含む請求項３記載のエアロゾル洗浄方法。
【請求項５】
前記被洗浄物が、半導体ウエハである請求項３又は４記載のエアロゾル洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾル洗浄装置及び方法に関し、特に微細化した半導体装置の製造プロセスに適用可能なエアロゾル洗浄装置および方法に関する。
【０００２】
エアロゾルとは、気体中に浮遊する微小な液体又は固体の粒子を言う。エアロゾルは生成過程の違いから、粉塵(dust)、フューム(fume)、ミスト(mist)、煤塵(smoke dust)等と呼ばれ、また気象学的には、視程や色の違いから、霧(fog)、もや(mist)、噴霧(haze)、スモッグ（smog）等と呼ばれることもある。
【背景技術】
【０００３】
半導体装置の製造プロセスにおいては、半導体ウエハの表面に付着した塵を除去する工程が必須である。半導体ウエハ上の塵は、一般的には薬液を用いた薬液洗浄で除去している。半導体ウエハを薬液に接触させると、塵を除去する他、膜がエッチングされたり、表層に化学酸化膜が形成されたりする。このため、製造される半導体装置の特性が塵除去工程の影響を受ける。
【０００４】
気体に熱を与えると、温度が上昇し、体積が増加する。体積増加のためにエネルギが消費されると考えることができる。熱を与えずに体積を膨張（断熱膨張）させると、体積増加のためのエネルギが奪われ、温度が低下する。即ち断熱膨張させると、冷却が生じる。冷却により、気体を液体に、液体を固体に変化させることができる。
【０００５】
化学的に不活性なガスを、断熱膨張を利用して、超低温に冷却して形成したエアロゾルを用いて、物理的洗浄を行うことが提案されている。例えば、窒素ガスとアルゴンガスを混合し、アルゴンは少なくとも一部液化し、アルゴン液を含む流体をノズルから減圧雰囲気中に吹き出すことによって断熱膨張させ、アルゴン液の少なくとも一部を固化してアルゴン微粒子とし、アルゴン微粒子を含む流体を被洗浄物に噴射して洗浄を行うことが提案されている。化学的に不活性なガスを作動媒体とするので、洗浄の他に、エッチングを生じたり、化学酸化膜を形成することがない。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２９５８９５号公報
【特許文献２】特開平７−４５５７１号公報
【特許文献３】特開平１１-１６５１３９号公報  窒素ガスを用い、液化温度程度に冷却した後、窒素媒体を真空チャンバ内でノズルから噴射させ、断熱膨張によって窒素のエアロゾルを形成し、物理洗浄を行う装置が提供されている。窒素のエアロゾルは、エッチングを生じたり、化学酸化膜を形成したりすることがないので、次世代の洗浄技術として注目されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、エアロゾル洗浄において、新たに発見された課題を解決することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、均一な洗浄力を持つエアロゾル洗浄技術を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、衝撃力の均一化されたエアロゾルを形成し、物理洗浄する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１観点によれば、
不純物ガスを含み得る、化学的に不活性な作動媒体ガスの供給配管と、
前記供給配管に接続され、作動媒体ガスを受け、予備冷却して、作動媒体ガスは気相に保ちつつ、不純物ガスを液化ないしは固化させる第１冷凍機と、
前記第１冷凍機から作動媒体ガスを受け、液化ないしは固化した不純物を除去する手段と、
前記不純物を除去した作動媒体ガスを受け、さらに冷却する第２冷凍機と、
真空排気可能なチャンバ内に、被洗浄物を載置するテーブルと、前記テーブルに対向して配置されたノズルとを備え、前記第２冷凍機から作動媒体を受け、ノズルから低圧雰囲気中に噴き出させてエアロゾルを形成し、被洗浄物にエアロゾルを噴射して洗浄を行うための、エアロゾル生成機構と、
を有するエアロゾル洗浄装置
が提供される。
【００１１】
本発明の他の観点によれば、
不純物ガスを含み得る、化学的に不活性な作動媒体ガスを予備冷却して、作動媒体ガスは気相に保ちつつ、不純物ガスを液化ないしは固化させる第１冷却工程と、
前記予備冷却された作動媒体ガスを受け、液化ないしは固化した不純物を除去する工程と、
前記不純物を除去した作動媒体ガスを受け、さらに第２冷却する第２冷却工程と、
前記第２冷却された作動媒体を受け、ノズルから低圧雰囲気中に噴き出させてエアロゾルを形成し、被洗浄物にエアロゾルを噴射して洗浄を行う洗浄工程と、
を含むエアロゾル洗浄方法
が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
不純物が除去された作動媒体からエアロゾルを形成するので、均一なエアロゾルを形成することができる。エアロゾル中の粒子の衝撃力を均一化することが可能になる。被洗浄物に与える物理的洗浄力を均一にでき、パターン倒れを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者は、窒素を作動媒体とするエアロゾル洗浄装置を用いて、シリコン基板の洗浄試験を行った。試験したサンプルは、厚さ１１０ｎｍのポリシリコン層の上にゲート酸化膜と窒化シリコン膜で幅０．１８μｍのラインをパターニングしたものである。ところが、窒素のエアロゾル洗浄によって、配線が下地層から剥がれるパターン倒れが発生することが見出された。
【００１４】
新たに発見されたパターン倒れの原因を究明すると、エアロゾルの粒子が均一なサイズに形成されず、大きな粒子が混入していることが考えられる。大きな粒子が衝突することにより、配線パターンが大きな衝撃を受け、パターン倒れが発生すると考えられる。
【００１５】
エアロゾルのサイズが均一にならない原因として、水分などの不純物ガスが作動媒体ガスに混入していることが考えられる。気相不純物はフィルタでは除去されない。例えば１気圧の下では、窒素は融点約６３°Ｋ、沸点約７７°Ｋを有し、水は融点約２7３°Ｋ，沸点約３７３°Ｋを有することが知られている。圧力が１気圧以外であっても、作動媒体の窒素中に水分が混合していると、窒素が液化する前に水分は固化してしまうであろう。固化した水分（氷粒子）は、液化ないし固化した窒素粒子とは異なる物性を有するであろうし、窒素の液化、固化の際、成長の核となり、大きな粒子を生成する原因となり得るであろう。何れにせよ、窒素ガス中の水分は衝撃力の大きなエアロゾル粒子発生の原因となり得ると考えられる。窒素ガスに混入している水分を除去すれば、衝撃力の大きなエアロゾル粒子の発生を抑制できるであろう。
【００１６】
水分除去の方法として、作動媒体である窒素ガスを冷却し、窒素は液化せず、気相を保つが、水分は液化ないし固化する状態とする。水分が液化ないし固化して粒子となれば、ガスフィルタで除去することができる。作動媒体に含まれる不純物ガスは、液化温度、固化温度が作動媒体より高ければ、同様に除去できると期待される。以下、図面を参照して、実施例を説明する。
【００１７】
図１Ａは，本発明の実施例によるエアロゾル洗浄装置の構成を概略的に示すブロック図である。作動媒体の流路Ｒ1は，窒素ガスを供給する供給配管にフィルタＦ1が接続されている。フィルタＦ１は、例えば粒径０．０５μｍ以上の塵を除去するガスフィルタである。窒素ガス中に含まれる水分は気相であり、このフィルタで除去することはできない。フィルタＦ１を通過した窒素ガスは，マスフローコントローラＭＦＣによって流量を制御され、エアー操作のバルブＶ１、圧力計ＰＭ１を介して１次冷凍機１０に供給される。この時点での圧力は、例えば３〜４気圧である。１次冷凍機１０は、例えば冷媒１１中に配管１２を配置した構成であり、配管１２中を流れる窒素ガスを、例えば‐７０℃以下で、窒素の液化温度より高い温度に予備冷却し、導入配管１３に供給する。この時点で、窒素ガス中に含まれる水分等は液化、固化する。導入配管１３は、フィルタ１５に接続されている。
【００１８】
図１Ｂは、フィルタ１５の導入配管１３中の水分の状態を模式的に示す。液化ないし固化した水分粒子１８が窒素ガス中に浮遊した状態である。
【００１９】
一旦、液化ないし固化した水分粒子が、再び気化しないように、必要に応じて、フィルタ１５も冷媒１４で冷却することが好ましい。フィルタ１５の出力配管は、温度計ＴＭ１を介して２次冷凍機２０の導入配管１６に接続されている。
【００２０】
図１Ｃは、２次冷凍機２０の導入配管１６中の状態を概略的に示す。窒素ガス中に浮遊していた液相又は固相の水分粒子はフィルタ１５で除去されているため、不純物の除去された窒素ガスが配管１６中を流れる。なお、配管１６が、２重管構造を有する場合を示している。
【００２１】
例えば２次冷凍機２０は、冷媒２３中に配管２２が配置された構成を有する。２次冷凍機２２のデュアー瓶２１には、液体窒素を供給する流路Ｒ２が接続されている。液体窒素はエアー操作のバルブＶ２を介してデュアー瓶２１中に導入され、配管２２を浸漬するようにデュアー瓶２１内に溜められる。液体窒素から蒸発した窒素ガスは、流路Ｒ３を介して排出される。流路Ｒ３は、圧力計ＰＭ３、圧力調整弁ＣＶ２を介してヒータＨ１が接続され、窒素ガスを所定の温度に昇温した後、温度計ＴＭ２、必要に応じて接続される真空排気系ＶＰ２を介して排出される。例えば、デュアー瓶２１内を減圧して、液体窒素の温度を例えば７３Ｋ程度に降下させることができる。２次冷凍機の配管２２中の窒素を加圧状態とすると、窒素の液化温度は上昇する。配管２２内を加圧状態または大気圧、デュアー瓶２１内を大気圧、または減圧状態として、液体窒素２３で冷却されることにより、配管２２中の窒素を一部液化することができる。
【００２２】
液体窒素を含む作動媒体は、洗浄機構３０の真空チャンバ３１内に導入され、ノズル３２から低圧雰囲気中に噴出する。真空チャンバ３１の低圧雰囲気中で断熱膨張した作動媒体は、さらに冷却され、液化ないし固化し、テーブル３４上に配置された被洗浄物３７にエアロゾルを噴射する。
【００２３】
ノズル３２に供給する窒素を気相のみとしても、断熱膨張によってエアロゾルを形成することはできるが、液化エネルギも断熱膨張が負担することになる。液相を含む窒素媒体をノズルに供給すれば、液相窒素から固化熱を奪うだけで固相窒素を形成でき、効率的にエアロゾルを形成できる。
【００２４】
図１Ｄは、ノズルから噴出する作動媒体の状態を概略的に示す。ノズル３２に導入される作動媒体はその一部が液化した窒素である。ノズル口から噴出し、断熱膨張することにより、気相もしくは液相の窒素は急速に冷却され、液相又は固相の粒子となってエアロゾルＡＺを形成する。
【００２５】
図１Ｅに示すように、ノズルから噴射したエアロゾルＡＺの窒素粒子は、例えばシリコンウエハＷＦである被洗浄物上の塵Ｄに衝突し、物理的に塵Ｄを飛散させる。このようにして、ウエハＷＦ上の物理的洗浄作業が行なわれる。
【００２６】
テーブル３４を２次元平面内で走査することにより、被洗浄物の所望領域をエアロゾルで物理洗浄することができる。エアロゾルは被洗浄物を冷却する性質を有する。テーブル３４中にはヒータ３５が備えられており、被洗浄物３７を例えば７０℃程度に加熱する。このようにして、作動媒体のエアロゾルで洗浄された被洗浄物３７は、過冷却されることなく洗浄動作を受ける。
【００２７】
真空チャンバ３１には排気流路Ｒｘが接続されており、使用済み窒素ガスは、圧力計ＰＭ２、圧力調整弁ＣＶ１、真空排気ポンプＶＰを介して排出される。真空排気ポンプＶＰは、例えば２段のメカニカルブースタポンプと１段のドライポンプを直列に接蔵した構成である。
【００２８】
作動媒体である窒素ガスは、水分を若干含むことは免れ難い。窒素ガス中の不純物である水分は、１次冷却機１０の１次冷却によって液化ない固化し、フィルタ１５で除去される。従って、２次冷却機２０に導入される配管１６中の窒素ガスは、水分を除去したものとなる。
【００２９】
上述の実施例においては、フィルタ１５にトラップされた水分粒子は次第に蓄積される。フィルタ１５に水分粒子がある程度蓄積された状態で、積極的に水分粒子を除去する構成を設けてもよい。
【００３０】
図２Ａは、フィルタ１５に蓄積された水分粒子を除去できる変形例を示す。作動媒体供給流路Ｒ１の２次冷凍機２０の導入配管１６の前にバルブＶ３を設ける。バルブＶ３の上流側に分岐配管を設け、バルブＶ４を接続する。さらに流路Ｒ１の例えば圧力計ＰＭ１と１次冷凍機１０の間にヒータＨ２、温度計ＴＭ３を接続する。バルブＶ３を閉じ、バルブＶ４を開く。１次冷凍機１０を休止状態にし、ヒータＨ２を稼動させる。流路Ｒ１に窒素ガスを供給すると、配管中を流れる窒素ガスは、ヒータＨ２で例えば１００℃以上に加熱される。温度計ＴＭ３を介して加熱された窒素ガスが１次冷凍機１０を介して、フィルタ１５に流れる。フィルタ１５にトラップされていた液相または固相の水分は加熱された窒素ガス中に気化し、温度計ＴＭ１、バルブＶ４を介して排出される。２次冷凍機２０には加熱された窒素ガスは導入されないので、２次冷凍機は低温状態を維持できる。
【００３１】
図２Ｂは、蓄積した水分粒子を除去できる他の変形例を示す。流路Ｒ１の２次冷凍機２０上流側にバルブＶ３を接続し、その上流側で分岐配管を接続しバルブＶ４を設ける点は図２Ａと同様である。フィルタＦ１、マスフローコントローラＭＦＣ１、バルブＶ１を有する配管Ｒ１と並列に、フィルタＦ２、マスフローコントローラＭＦＣ２、バルブＶ５を備えた再生用配管Ｒ４が設けられ、圧力計ＰＭ１上流側で接続される。通常動作の時はバルブＶ４，Ｖ５を閉じ、バルブＶ１、Ｖ３を開いて比較的低圧の窒素ガスを１次冷凍機１０に供給する。再生を行なう時は、バルブＶ１、Ｖ３を閉じ、バルブＶ４、Ｖ５を開いてより高圧の窒素ガスを流路Ｒ４から１次冷凍機１０に供給する。圧力を高めることにより、水分の凝固点を降下させ、フィルタ１５に蓄積された氷粒子を液化、気化させ、温度計ＴＭ１、バルブＶ４を介して排出させる。併せてヒータを設けてもよい。
【００３２】
なお、固化した水分粒子を除去するためにフィルタを用いる場合を説明したが、フィルタ以外の構成により不純物粒子を除去することも可能である。
【００３３】
図２Ｃは、作動媒体を竜巻状に流し、作動媒体中に含まれる不純物粒子を遠心力で除去する構成を示す。１次冷凍機１０で冷却された作動ガスは円筒状の流路１８中に噴出し、ガイド１７によって竜巻状にされる。竜巻状に流れる作動流体は、その中に含まれる不純物粒子を遠心力によって外周方向に飛散させ、不純物粒子を含まない作動媒体が円筒の中央部から出力配管１３から供給される。なお、出力配管１３にさらにフィルタ１５を設けてもよい。
【００３４】
図１Ａに示す構成においては、１次冷却と２次冷却とを冷媒で配管を冷却する別個の冷凍機を用いて行なった。冷凍機は、これらに限らない。
【００３５】
図２Ｄは、２段式の機械式冷凍機を用い、その相対的に高温側の１段目で１次冷凍を行ない、フィルタ１５で不純物粒子を除去した後、より低温側の２段目で２次冷凍を行う構成を示す。例えば、２段構成のＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機を利用することができる。
【００３６】
以上実施例の沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組合せが可能なことは当業者に自明であろう。作動媒体は、窒素のみに限らない。例えば窒素とアルゴンの混合媒体を用いることもできる。除去すべき不純物も水分のみに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１Ａ〜１Ｅは、本発明の実施例によるエアロゾル洗浄装置の構成を示すブロック図、および概略断面図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｄは、図１Ａ〜１Ｅに示す実施例の変形例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０      １次冷凍機
１１      冷媒
１２      配管
１３      導入配管
１４      冷媒
１５      (ガス)フィルタ
１６      導入配管
１８      （固化した）不純物粒子
２０      ２次冷凍機
２１      デュアー瓶
２２      配管
２３      冷媒
３１      真空チャンバ
３２      ノズル
３４      テーブル
３５      ヒータ
Ｆ      （ガス）フィルタ
Ｈ      ヒータ
ＭＦＣ      マスフローコントローラ
Ｖ      バルブ
ＴＭ      温度計
ＰＭ      圧力計
ＣＶ      圧力調整弁
ＶＰ      真空排気ポンプ
ＡＺ      エアロゾル
Ｄ      塵
【図１】
2007053142.tif 000003
【図２】
2007053142.tif 000004