(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗浄液に超音波振動を与え被洗浄物に向けて吐出する超音波洗浄用ノズルにおいて、上記洗浄液が導入される中継室と、この中継室に設けられ、中継室内の洗浄液に超音波振動を与える振動部と、この振動部と対向する位置に設けられ、上記洗浄液を吐出するとともに、上記中継室側に設けられその内径が漸次狭くなる第１流路及びこの第１流路と連続して設けられその内径が一定で、かつ、上記超音波振動のうち、前記洗浄液を吐出する方向に対して、斜め方向に進むものが複数回反射する長さを有する第２流路を有する吐出流路とを備えていることを特徴とする超音波洗浄用ノズル。
【請求項２】
上記第１流路と上記第２流路とは一体成型されているものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄用ノズル。
【請求項３】
上記第２流路の内壁面には樹脂が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄用ノズル。
【請求項４】
超音波洗浄用ノズルから洗浄液を吐出して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置において、上記洗浄液を吐出する超音波洗浄用ノズルと、上記洗浄液を上記超音波洗浄用ノズルに供給する洗浄液供給部と、上記被洗浄物を位置決めする位置決め部とを備え、上記超音波洗浄用ノズルは、上記洗浄液が導入される中継室と、この中継室に設けられ、中継室内の流体に超音波振動を与える振動部と、この振動部と対向する位置に設けられ、上記洗浄液を吐出するとともに、上記中継室側に設けられその内径が漸次狭くなる第１流路及びこの第１流路と連続して設けられその内径が一定で、かつ、上記超音波振動のうち、前記洗浄液を吐出する方向に対して、斜め方向に進むものが複数回反射する長さを有する第２流路を有する吐出流路とを具備することを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項５】
上記振動部は、所定間隔毎にＯＮ−ＯＦＦを繰り返しながら駆動することを特徴とする請求項４に記載の超音波洗浄装置。
【請求項６】
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁膜上にゲートコンダクタを形成する工程と、上記ゲートコンダクタ上にゲートギャップを形成する工程と、上記ゲートギャップのマスクパターンに従って上記ゲートコンダクタを上記ゲート絶縁膜までエッチングする工程と、上記請求項１乃至３のいずれか記載の超音波洗浄ノズルから照射された洗浄液を用いて表面を洗浄する工程とを有する製造方法により形成されたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を形成するシリコンウエハや化合物半導体ウエハ等の半導体基板や、液晶表示装置を形成するガラス基板等の被洗浄物を超音波処理により洗浄する際に好適な、超音波洗浄用ノズル、超音波洗浄装置、及び、これら洗浄技術を適用した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板や液晶表示装置用のガラス基板等の製造工程では、種々の微細加工の前後で、半導体ウエハやガラス基板等に付着したサブミクロンオーダのパーティクル等を洗浄除去する必要がある。そこで、半導体ウエハ等の被洗浄物に対して、ダメージの少ない６００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの高周波数の超音波を印加した洗浄液をノズルから照射して洗浄する超音波洗浄方法が用いられている。
【０００３】
図９の（ａ）はこのような超音波洗浄方法に用いられる超音波洗浄用ノズルの一例を示す図である。超音波洗浄用ノズル１０は、洗浄液Ｌが導入口１１ａから導入される中継室１１と、この中継室１１内に設けられ、中継室１１内の流体に超音波振動を与える振動部１２と、この振動部１２と対向する位置に設けられ、洗浄液を吐出するとともに、中継室１２側に設けられたその流路の内径が吐出口１３ａに向けて漸次狭くなるノズル体１３とを備えている。なお、振動部１２は、発振器１２ａと、振動子１２ｂと、振動板１２ｃとから構成されている。
【０００４】
このように構成された超音波洗浄用ノズル１０では、導入口１１ａから中継室１１に導入され、発振器１２ａにより６００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚ程度の周波数の電力が与えられて振動子１２ｂが振動し、さらにその振動が振動板１２ｃを介して洗浄液Ｌに超音波が印加される。洗浄液はノズル体１３を通過し、吐出口１３ａから半導体ウエハにスポット照射される。このとき、超音波出力を円錐状の吐出口１３ａ外で収束させて半導体ウエハＷ表面に与える超音波エネルギをあげることが行われていた。なお、図９の（ｂ）中矢印Ｐは超音波の進行方向を模式的に示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した洗浄方法であると次のような問題があった。すなわち、超音波の印加により中継室１１内で乱れが増した洗浄液Ｌが吐出口１３ａの外でさらに霧化するため、更に超音波が拡散される。また、円錐形状のノズル体１３は、超音波が吐出口１３ａ外で集中する設計になっているため、その音圧レベルは照射距離や流量変動に大きく影響され、この乱れによって洗浄性能が著しく低下するという問題があった。
【０００６】
また、図９の（ｂ）に示すようにノズル体１３内で反射した超音波と振動板１２ｃから直進した超音波とが合成され、局部的に強い超音波が生成されることによって配線パターンの破壊やＳｉ結晶の欠陥等の製品不良が発生する虞があった。
【０００７】
そこで本発明は、洗浄液を整流化し照射距離や流量変動による音圧値の乱れを抑制するとともに、ノズル内での不要な反射音波を軽減させ、製品不良を起さない超音波洗浄用ノズル、洗浄装置及びこれら洗浄技術を用いて形成された半導体装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の超音波洗浄用ノズル、超音波洗浄装置及び半導体装置は次のように構成されている。
【０００９】
（１）洗浄液に超音波振動を与え被洗浄物に向けて吐出する超音波洗浄用ノズルにおいて、上記洗浄液が導入される中継室と、この中継室に設けられ、中継室内の洗浄液に超音波振動を与える振動部と、この振動部と対向する位置に設けられ、上記洗浄液を吐出するとともに、上記中継室側に設けられその内径が漸次狭くなる第１流路及びこの第１流路と連続して設けられその内径が一定で、かつ、上記超音波振動のうち、前記洗浄液を吐出する方向に対して、斜め方向に進むものが複数回反射する長さを有する第２流路を有する吐出流路とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
（２）上記（１）に記載された超音波洗浄用ノズルであって、上記第１流路と上記第２流路とは一体成型されているものであることを特徴とする。
【００１１】
（３）上記（１）に記載された超音波洗浄用ノズルであって、上記第２流路の内壁面には樹脂が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
（４）超音波洗浄用ノズルから洗浄液を吐出して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置において、上記洗浄液を吐出する超音波洗浄用ノズルと、上記洗浄液を上記超音波洗浄用ノズルに供給する洗浄液供給部と、上記被洗浄物を位置決めする位置決め部とを備え、上記超音波洗浄用ノズルは、上記洗浄液が導入される中継室と、この中継室に設けられ、中継室内の流体に超音波振動を与える振動部と、この振動部と対向する位置に設けられ、上記洗浄液を吐出するとともに、上記中継室側に設けられその内径が漸次狭くなる第１流路及びこの第１流路と連続して設けられその内径が一定で、かつ、上記超音波振動のうち、前記洗浄液を吐出する方向に対して、斜め方向に進むものが複数回反射する長さを有する第２流路を有する吐出流路とを具備することを特徴とする。
【００１４】
（５）上記（４）に記載された超音波洗浄装置であって、上記振動部は、所定間隔毎にＯＮ−ＯＦＦを繰り返しながら駆動することを特徴とする。
【００１５】
（６）半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、上記ゲート絶縁膜上にゲートコンダクタを形成する工程と、上記ゲートコンダクタ上にゲートギャップを形成する工程と、上記ゲートギャップのマスクパターンに従って上記ゲートコンダクタを上記ゲート絶縁膜までエッチングする工程と、（１）〜（３）のいずれか記載の超音波洗浄ノズルから照射された洗浄液を用いて表面を洗浄する工程とを有する製造方法により形成されたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る超音波洗浄装置２０の構成を示す図、図２は超音波洗浄装置２０に組み込まれた超音波洗浄用ノズル６０を示す断面図、図３は超音波洗浄用ノズル６０における超音波の進行方向を模式的に示す説明図である。
【００１７】
超音波洗浄装置２０は、被洗浄物となる半導体ウエハＷを支持するとともに、回転させる回転ステージ機構３０と、後述する超音波洗浄用ノズル６０を位置決めするための位置決め機構４０と、超音波洗浄用ノズル６０に洗浄液Ｌを供給する洗浄液供給部５０と、位置決め機構４０により、回転ステージ機構３０に支持された半導体ウエハＷに超音波が印加された洗浄液Ｌを照射する超音波洗浄用ノズル６０とを備えている。
【００１８】
回転ステージ機構３０は、有底筒状のカップ体３１と、このカップ体３１の低部の略中心位置に設けられ、モータ（不図示）の回転軸に連結された回転ステージ３２とを備えている。なお、カップ体３１の底部には洗浄処理後の洗浄液Ｌを排出するための排出口（不図示）が設けられている。また、カップ体３１の上方には、半導体ウエハＷから飛散した洗浄液Ｌをカップ体３１の内側へ反射して半導体ウエハＷに跳ね返るのを防止し、洗浄液Ｌを排出口側へ導くために中心側に向けて傾斜させた内壁３１ａが設けられている。回転ステージ３２の外周側には、環状に複数の支持ピン３２ａが等間隔に設けられており、これら支持ピン３２ａにより半導体ウエハＷを支持固定している。
【００１９】
位置決め機構４０はロボットアーム等から構成されており、超音波洗浄用ノズル６０を、半導体ウエハＷの被洗浄面Ｗａと対向させるとともに、半導体ウエハＷの軸方向及び半導体ウエハＷの径方向に沿って移動可能に設けられている。超音波洗浄用ノズル６０は、筒状の中継室７０と、この中継室７０の一方の開口を蓋するように設けられ中継室７０内部の洗浄液Ｌに超音波を付与する振動部８０と、中継室７０の他方の開口に取り付けられたノズル体９０とを備えている。
【００２０】
中継室７０には、導入口７１が連通して設けられており、洗浄液供給部５０から洗浄液Ｌが供給される。振動部８０は、電圧が印加されることにより発振する発振器８１と、この発振器８１により６００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚ程度の周波数の電力が与えられて振動する振動子８２と、この振動子８２に隣接配置された振動板８３とから構成されている。ノズル体９０は石英等から形成されており、中継室７０側に設けられたテーパノズル（第１流路）９１と、吐出側に設けられた円筒状の延長ノズル（第２流路）９２とから構成されている。なお、図２中９２ａは吐出口を示している。テーパノズル９１と延長ノズル９２とは一体に形成されており、その内壁面の継ぎ目は滑らかなものとなるように形成されている。
【００２１】
このように構成された超音波洗浄装置２０を利用しての洗浄方法について以下に説明する。まず、位置決め機構４０により超音波洗浄用ノズル６０を回転ステージ３２上から退避させる。この状態で、半導体ウエハＷを回転ステージ３２上に載せ、支持ピン３２ａで支持固定する。次に、位置決め機構４０により回動・駆動して超音波洗浄用ノズル６０を半導体ウエハＷ上に水平移動させ、更に、半導体ウエハＷ表面と吐出口９２ａとが所定のギャップとなるまで下降させる。
【００２２】
次に、モータを駆動して半導体ウエハＷを矢印Ｃ方向に回転させ、洗浄液供給部５０から超音波洗浄用ノズル６０の中継室６１内に洗浄液Ｌを所定圧で供給する。これと同時に発振器８１により振動子８２を駆動し、振動板８３を振動させる。洗浄液Ｌが振動板８３に触れると洗浄液Ｌに振動板８３から超音波振動が伝達される。さらに、中継室７０内が洗浄液Ｌで満たされると、ノズル体９０を介して吐出口９２ａより半導体ウエハＷに向けて超音波が印加された洗浄液Ｌが照射される。
【００２３】
半導体ウエハＷの被洗浄面Ｗａに到達した洗浄液Ｌは、被洗浄面Ｗａ表面に付着したパーティクル等を除去し洗浄する。洗浄後の洗浄液Ｌは、半導体ウエハＷの回転による遠心力により外周側に飛散してカップ体３１の排出口から排出される。
【００２４】
図４は、超音波洗浄用ノズル６０を用いた場合と、従来の超音波洗浄用ノズルを用いた場合における一定時間内の音圧レベルの変動を比較して示すグラフである。また、図５の（ａ），（ｂ）は、超音波洗浄用ノズル６０と従来の超音波洗浄用ノズルにおいて条件を変えた場合の音圧レベルを示すグラフである。
【００２５】
図５の（ａ）に示すように、照射距離を１０〜５０ｍｍで変えた場合、従来の超音波洗浄用ノズルでは、音圧レベルがばらつくのに対し、本実施の形態に係る超音波洗浄用ノズル６０においては１０〜３０ｍｍの間ではほぼ一定レベルが保たれている。さらに、図５の（ｂ）に示すように、洗浄液Ｌの流量を１．２〜１．６ｌ／ｍｉｎで変えた場合、従来の超音波洗浄用ノズルでは、音圧レベルがばらつくのに対し、本実施の形態に係る超音波洗浄用ノズル６０においてはほぼ一定レベルが保たれている。
【００２６】
これらの現象は延長ノズル９２を設けることで、洗浄液Ｌに対する整流効果が増したためであると考えられる。また、図３に示すように、振動板８３から出た超音波のうちノズル体９０の内壁面にあたったものが大きく減衰することから、延長ノズル９２を設けることで斜め方向に進む超音波を効果的に減衰させることができるためである。
【００２７】
次に、超音波洗浄用ノズル６０におけるノズル体９０の形状の設定方法について説明する。ノズル体９０の延長ノズル９２は内径が一定の円筒状に形成されており、その軸方向長さは洗浄液Ｌの洗浄特性に影響する。
【００２８】
延長ノズル９２の軸方向長さを５ｍｍとしたノズル体、１２ｍｍとしたノズル体、従来のノズル体の３種類について、各種測定を行った。例えば、吐出口から半導体ウエハＷまでの照射距離を変化させた場合の音圧値の変動は、軸方向長さを１２ｍｍとした場合が最も少ない。また、単位時間あたりの音圧ピークの変動が最も少ない。
【００２９】
さらに吐出口９２ａの直径とほぼ同じ直径の照射領域において音圧レベルを測定した場合も、その分布が平坦であり、また最大ピークに対する異常ピークの比率が最も低くなっている。このため、発振出力を高くすることができ、低出力でも除去が可能な窒化シリコンはもちろん、高出力でしか除去できないポリスチレン系ラテックス粒子等もほぼ完全に除去することが可能となった。
【００３０】
これらの現象は延長ノズル９２を長くすることで洗浄液Ｌに対する整流効果が増したためであると考えられる。また、図３に示すように、振動板８３から出た超音波のうちノズル体９０の内壁面にあたったものは大きく減衰することから、延長ノズル９２を長くすることに伴って反射回数が増え、減衰率が高くなるためであると考えられる。このため、吐出口９２ａから吐出される洗浄液Ｌに印加される超音波は直線状に進むものが大半となる。
【００３１】
次に、振動子８２の駆動方法について説明する。近年、半導体ウエハＷ等の基板表面に形成される配線は微細化される方向にあり、従来ダメージが起きることの無かった帯域の超音波であってもダメージが生じることがある。そこで、本実施の形態においては、超音波を連続的に付与しつづける方法の他、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返して照射する方法を採用している。すなわち、超音波をＯＮ−ＯＦＦを繰り返すことにより、ＯＮ時の超音波により配線や基板を構成する結晶が共振するが、所定時間後にＯＦＦすることにより、共振が治まり配線や結晶にダメージを与えるほどの共振にまで達することを防止することができる。
【００３２】
このような照射方法は、配線や結晶中に生じている共振を相殺する超音波を切り替えながら付与することになり、連続的に一定の超音波を付与し続けた場合に比べ、ダメージの発生を１００分の１までに低減できる。
【００３３】
上述したように、本実施の形態における超音波洗浄装置２０を用いると、従来の超音波洗浄方法に比べて配線等に対するダメージや、基板等を構成する物質の結晶状態に与えるダメージを極力低減しつつ、効率よく半導体ウエハＷの超音波洗浄を行うことが可能となる。したがって、歩留まりがよい半導体装置を得ることが可能となる。
【００３４】
図６は、超音波洗浄用ノズル６０の第１の変形例を示す断面図である。本変形例においては、延長ノズル９２内に円筒状の樹脂材９３を固定したものである。樹脂材９３を固定することにより、延長ノズル９２の内壁面に反射する超音波の減衰をより大きくすることができ、吐出口９２ａから吐出される洗浄水Ｌに印加される超音波の直進性をより高めることができる。このため、数１０％程度、出力向上させても半導体ウエハＷにダメージを与えることがない。さらに、延長ノズル９２自体の耐食性が向上するという効果も得られる。なお、樹脂材９３を固定するのではなく、１０〜１００μｍ程度の樹脂を塗布するようにしてもよい。
【００３５】
図７は、超音波洗浄用ノズル６０の第２の変形例を示す断面図である。本変形例においては、ノズル体９０の代わりに、ノズル体９４を用いている。ノズル体９４は、一定の割合でその内径が漸次狭くなるテーパノズル９５と、このテーパノズル９５に接続されており、上記一定の割合よりも少ない割合でその内径が漸次狭くなる延長ノズル９６を用いている。このようなノズル体９４を用いた場合であっても、吐出口９６ａから照射する洗浄水Ｌを整流することができ、ノズル体９０を用いた場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００３６】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る超音波洗浄装置１００の構成を示す図である。なお、図６において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
超音波洗浄装置１００においては、半導体ウエハＷを回転させる回転ステージ機構３０の代わりに、被洗浄物Ｈを直進させて図８中矢印Ｘ方向に移動させるコンベア機構１１０を用いている。さらに、超音波洗浄用ノズル６０の代わりに超音波洗浄用ノズル１２０を設けている。なお、超音波洗浄用ノズル１２０は、超音波洗浄用ノズル６０と同様の断面形状を有し、矢印Ｘ方向に直交する矢印Ｙ方向に沿って各部材が延設される構成となっている。
【００３８】
このように構成された超音波洗浄装置１００においても、上述した超音波洗浄装置２０と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、洗浄の対象となる被洗浄物の種類や洗浄液の流量、パーティクル等の除去対象に応じて、各部材の寸法、超音波の出力等を変更してもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、洗浄液を整流化し照射距離や流量変動による音圧値の乱れを抑制するとともに、ノズル内での不要な反射音波を軽減させ、製品不良を起さないことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る超音波洗浄装置の構成を示す図。
【図２】同超音波洗浄装置に組み込まれた超音波洗浄用ノズルを示す断面図。
【図３】同超音波洗浄用ノズルにおける超音波の進行方向を模式的に示す説明図。
【図４】同超音波洗浄用ノズルと従来の超音波洗浄用ノズルにおける一定時間内の音圧レベルの変動を示すグラフ。
【図５】同超音波洗浄用ノズルと従来の超音波洗浄用ノズルにおける音圧レベルを示すグラフであって、（ａ）は照射距離を変えた場合、（ｂ）は洗浄液の流量を変えた場合。
【図６】同超音波洗浄用ノズルの第１の変形例を示す断面図。
【図７】同超音波洗浄用ノズルの第２の変形例を示す断面図。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る超音波洗浄装置の構成を示す図。
【図９】従来の超音波洗浄用ノズルを示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は超音波の進行方向を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
２０…超音波洗浄装置
３０…回転ステージ機構
３２…回転ステージ
４０…位置決め機構
５０…洗浄液供給部
６０，１２０…超音波洗浄用ノズル
７０…中継室
８０…振動部
８１…発振器
８２…振動子
８３…振動板
９０，９４…ノズル体
９１…テーパノズル（第１流路）
９２…延長ノズル（第２流路）
９３…樹脂体
１１０…コンベア機構
Ｗ…半導体ウエハ（半導体装置）
Ｈ…被洗浄体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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