JP2015185813A - 基板洗浄方法および基板洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タクトタイムおよびランニングコストを増大させることなく、基板の一方主面に形成されたパターンがダメージを受けるのを抑制しながら基板の他方主面を良好に洗浄する。【解決手段】基板の一方主面に第１の液体を供給して第１の液膜を形成する液膜形成工程と、第１の液膜が一方主面に形成された状態で第２の液体に超音波を印加した超音波印加液を基板の他方主面に供給して他方主面を洗浄する洗浄工程とを備え、第１の液体は、基板の主面上に存在する液体に超音波が伝わるときに当該液体中で発生するキャビテーションにより基板に作用する単位面積当たりの応力であるキャビテーション強度が第２の液体よりも低い。【選択図】図５

Description

この発明は、一方主面にパターンが形成された基板の他方主面を洗浄する基板洗浄方法および装置に関するものである。なお、当該基板には、半導体ウエハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、プラズマ表示用ガラス基板、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板などの各種基板などが含まれる。

半導体装置や液晶表示装置などの電子部品の製造工程においては、基板の表面に成膜やエッチングなどの処理を繰り返し施して微細パターンを形成する工程が含まれる。ここで、当該基板の裏面にパーティクルが付着していると、これがフォトリソグラフィ工程におけるデフォーカス要因となり、所望の微細パターンを形成するのが難しくなる。また、裏面にパーティクルが付着した基板によってクロスコンタミネーションが発生することもある。さらに、基板搬送時には基板の裏面を真空吸着することが多く、その過程で基板の裏面にパーティクルが付着してしまうことがある。そのため、基板の裏面を洗浄する技術が数多く提案されている。例えば特許文献１に記載の装置は、処理液に超音波を印加した超音波処理液を基板の裏面に供給して超音波洗浄を実行している。また、この装置では、超音波洗浄時に超音波が基板の表面側に伝わり基板の表面に形成されているパターンがダメージを受けるのを防止するため、基板の表面に液膜を形成した後で当該液膜を凍結させてパターン補強を行っている。

特開２０１０−２７８１６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、パターンのダメージ防止のために液膜の凍結処理を実行し、これが完了した後で基板の裏面洗浄を行う必要がある。このため、基板の裏面洗浄に要するトータル時間、つまりタクトタイムが長くなってしまう。また、凍結処理を行うために冷却ガスを液膜に供給する必要があり、ランニングコストの増大は不可避である。

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、タクトタイムおよびランニングコストを増大させることなく、基板の一方主面に形成されたパターンがダメージを受けるのを抑制しながら基板の他方主面を良好に洗浄することができる基板洗浄方法および基板洗浄装置を提供することを目的とする。

この発明の第１態様は、一方主面にパターンが形成された基板の他方主面を洗浄する基板洗浄方法であって、基板の一方主面に第１の液体を供給して第１の液膜を形成する液膜形成工程と、第１の液膜が一方主面に形成された状態で第２の液体に超音波を印加した超音波印加液を基板の他方主面に供給して他方主面を洗浄する洗浄工程とを備え、第１の液体は、基板の主面上に存在する液体に超音波が伝わるときに当該液体中で発生するキャビテーションにより基板に作用する単位面積当たりの応力であるキャビテーション強度が第２の液体よりも低いことを特徴としている。

また、この発明の第２態様は、一方主面にパターンが形成された基板の他方主面を洗浄する基板洗浄装置であって、基板の一方主面に第１の液体を供給して第１の液膜を形成する液膜形成手段と、第１の液膜が一方主面に形成された状態で基板の他方主面に向けて第２の液体を吐出するノズルと、ノズルに設けられる振動子と、発振信号を振動子に出力し、振動子によって第２の液体に超音波を印加する発振器とを備え、液膜形成手段は、基板の主面上に存在する液体に超音波が伝わるときに当該液体中で発生するキャビテーションにより基板に作用する単位面積当たりの応力であるキャビテーション強度が第２の液体よりも低い液体を第１の液体として用いることを特徴としている。

このように構成された発明では、基板の一方主面、つまりパターンが形成された面に第１の液体で第１の液膜を形成してパターンを保護しながら、超音波印加液（＝第２の液体＋超音波）が基板の他方主面に供給されて他方主面の洗浄が行われる。このとき、超音波は基板の他方主面から一方主面に伝わるが、第１の液体のキャビテーション強度は超音波印加液を構成する第２の液体のそれよりも低く設定される。つまり、超音波印加液を構成する第２の液体ではキャビテーション強度が比較的高く設定されるのに対し、第１の液体では比較的低く設定される。このキャビテーション強度は超音波の伝播によって発生して基板に作用する単位面積当たりの応力を意味する。したがって、キャビテーション強度が比較的高い第２の液体（超音波印加液）が供給された基板の他方主面に対しては大きな応力が作用して他方主面に付着するパーティクルなどを除去して他方主面を良好に洗浄する。一方、キャビテーション強度が比較的低い第１の液体が供給された基板の一方主面に超音波が伝わっても一方主面に作用する応力は小さく、パターンへのダメージは少ない。

本発明によれば、第２の液体よりも低いキャビテーション強度を有する第１の液体によって基板の一方主面（パターン形成面）に第１の液膜を形成し、その状態で超音波印加液（＝第２の液体＋超音波）による基板の他方主面の洗浄を行っているため、パターンのダメージを抑制しながら基板の他方主面を良好に洗浄することができる。

本発明にかかる基板洗浄装置の第１実施形態を示す図である。 図１に示す装置の部分平面図である。 図１に示す装置における発振信号のタイミングを示す図である。 図１に示す基板洗浄装置の動作を示すフローチャートである。 図１に示す基板洗浄装置の動作を模式的に示す図である。 発振信号と洗浄能力との関係を検証するための実験内容および実験結果を示す図である。

図１は本発明にかかる基板洗浄装置の第１実施形態を示す図である。また、図２は図１に示す装置の部分平面図である。この基板洗浄装置１は、基板Ｗの表面Ｗｆを上方に向けたフェイスアップ状態で基板Ｗを保持しながら液体に超音波を印加した超音波印加液によって半導体ウエハ等の基板Ｗの裏面Ｗｂに付着しているパーティクルなどの不要物を除去する装置である。より具体的には、上記液体としてＤＩＷ（脱イオン水：Ｄｅ Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ）を用いるとともに、ＤＩＷに対して超音波を断続的に印加したパルス状超音波印加液を基板Ｗの裏面Ｗｂに対して供給して裏面洗浄処理を施した後、ＤＩＷで濡れた基板Ｗをスピン乾燥させる装置である。なお、図面への図示を省略するが、基板Ｗの表面Ｗｆにはｐｏｌｙ−Ｓｉ等からなるデバイスパターンが形成されている。

基板洗浄装置１は、基板Ｗの表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗを略水平姿勢に保持して回転させるスピンチャック１０を備えている。スピンチャック１０は、回転支軸１１がモータを含むチャック回転機構３１の回転支軸に連結されており、チャック回転機構３１の駆動により回転軸Ｊ（鉛直軸）回りに回転可能となっている。回転支軸１１の上端部には、円盤状のスピンベース１２が一体的にネジなどの締結部品によって連結されている。したがって、装置全体を制御する制御ユニット３０からの動作指令に応じてチャック回転機構３１が作動することによりスピンベース１２が回転軸Ｊ回りに回転する。また、制御ユニット３０はチャック回転機構３１を制御して回転数を調整する。

スピンベース１２の周縁部付近には、基板Ｗの周縁部を把持するための複数個のチャックピン１３が立設されている。チャックピン１３は、円形の基板Ｗを確実に保持するために複数個設けてあればよく、スピンベース１２の周縁部に沿って基板Ｗの回転中心（回転軸Ｊ）に対して等角度間隔で配置されている。なお、本実施形態では、図２に示すように、３つのチャックピン１３が設けられている。

チャックピン１３のそれぞれは、基板Ｗの周縁部を下方から支持する基板支持部と、基板支持部に支持された基板Ｗの外周端面を押圧して基板Ｗを保持する基板保持部とを備えている。各チャックピン１３は、基板保持部が基板Ｗの外周端面を押圧する押圧状態と、基板保持部が基板Ｗの外周端面から離れる解放状態との間を切り替え可能に構成されている。

スピンベース１２に対して基板Ｗが受渡しされる際には、複数個のチャックピン１３を解放状態とし、基板Ｗに対して洗浄処理を行う際には、複数個のチャックピン１３を押圧状態とする。押圧状態とすることによって、複数個のチャックピン１３は基板Ｗの周縁部を把持してその基板Ｗをスピンベース１２から所定間隔を隔てた上方位置で略水平姿勢に保持することができる。これにより、基板Ｗはその表面（パターン形成面）Ｗｆを上方に向け、裏面Ｗｂを下方に向けた状態、つまりフェイスアップ状態で支持される。

このように基板Ｗを保持したスピンチャック１０をチャック回転機構３１により回転駆動することで基板Ｗを所定の回転数で回転させながら、基板Ｗの下方側から基板Ｗの裏面Ｗｂの中央部、基板Ｗの外側からスピンベース１２と基板Ｗとの間を介して基板Ｗの裏面Ｗｂの周縁部、および基板Ｗの上方側から基板Ｗの表面Ｗｆの中央部にＤＩＷが供給されて洗浄処理が実行される。

本実施形態では、回転支軸１１は中空形状に仕上げられており、その中空部分にＤＩＷ供給管１４が挿通されている。このＤＩＷ供給管１４はスピンベース１２の上面まで延び、その端面が基板Ｗの裏面Ｗｂの中央部を臨んでいる。つまり、ＤＩＷ供給管１４の上端部がノズル口１４１として機能する。一方、ＤＩＷ供給管１４の下端部はバルブ４１およびガス濃度調整機構４２を介してＤＩＷ供給源に配管接続される。このＤＩＷ供給源としては、装置１が設置される工場に装備される用力を用いてもよい。もちろん、装置１内にＤＩＷの貯留タンクを設け、これをＤＩＷ供給源として用いてもよい。

ガス濃度調整機構４２は、ＤＩＷ供給源から供給されるＤＩＷに窒素ガスを溶解させてＤＩＷ中のガス濃度を飽和レベル程度にまで高め、これによってガスリッチなＤＩＷを作成する機能を有している。具体的な構成としては例えば特開２００４−７９９９０号公報に記載されたものを用いることができる。このようにＤＩＷでの溶存ガス濃度を増大させると、ＤＩＷへの超音波の印加によって気泡の発生と消滅、つまりキャビテーションが促進され、優れた洗浄効果が得られる。そこで、本実施形態では、上記洗浄効果を得るためにガスリッチなＤＩＷ（以下「キャビテーション促進液」という）を作成する。そして、バルブ制御機構３２がバルブ４１に開指令を与えると、バルブ４１が開いてガス濃度調整機構４２から圧送されるキャビテーション促進液がＤＩＷ供給管１４に送り込まれる。これによって、キャビテーション促進液がＤＩＷ供給管１４の上端部に設けられるノズル口１４１から基板Ｗの裏面中央部に向けて吐出される。一方、バルブ制御機構３２からの閉指令に応じてバルブ４１が閉じると、基板Ｗの裏面中央部へのキャビテーション促進液の供給が停止される。この実施形態では、後述するように基板Ｗを回転させたままキャビテーション促進液の吐出を行うが、これによって、基板Ｗの裏面Ｗｂに供給されたキャビテーション促進液は遠心力により基板Ｗの周縁部に広がりキャビテーション促進液による液膜Ｌｂ（図５参照）が形成される。

また、ガス濃度調整機構４２とバルブ４１とを接続する配管の中間部では、別の配管が分岐し、図１に示すようにチャックピン１３よりも外側（同図の左手側）に固定配置された超音波ノズル５０側に延設され、その先端部は超音波ノズル５０の導入口５１に接続される。この分岐配管にバルブ４３が介挿されている。このため、バルブ制御機構３２がバルブ４３に開指令を与えると、バルブ４３が開いてガス濃度調整機構４２から圧送されるキャビテーション促進液が超音波ノズル５０に送り込まれ、吐出口５２から基板Ｗの裏面Ｗｂに沿わすように吐出される。この吐出されたキャビテーション促進液は基板Ｗの外側からスピンベース１２と基板Ｗとの間を介して基板Ｗの裏面Ｗｂの周縁部に供給される。一方、バルブ制御機構３２からの閉指令に応じてバルブ４３が閉じると、超音波ノズル５０へのキャビテーション促進液の圧送が停止され、キャビテーション促進液の供給も停止される。

超音波ノズル５０には振動子５３が配置されてキャビテーション促進液に対して超音波振動を印加する。より詳しくは、振動子５３は図１に示すように吐出口５２から吐出されるキャビテーション促進液の吐出方向において吐出口５２の反対側に配置されている。そして、制御ユニット３０からの制御信号に基づき発振器６０から発振信号が振動子５３に出力されると、振動子５３が振動して超音波を発生させる。本実施形態では、図３に示すように、発振器６０は、制御ユニット３０からの制御信号を受けると、一定周波数の信号を予め設定された時間だけ連続的に振動子５３に与える。

さらに、基板Ｗの上方側から基板Ｗの表面Ｗｆの中央部にＤＩＷを供給する機能と、基板Ｗの表面側にガスを供給する機能とを達成するために、本実施形態は次のように構成されている。すなわち、基板表面の略中央部の上方には、流体噴射ヘッド７０が設けられている。流体噴射ヘッド７０の上部から２つの流体導入部７１１、７２１が立設されている。これらのうち流体導入部７１１は、外部の窒素ガス供給源から圧送されてくる窒素ガスと、ＤＩＷ供給源から圧送されてくるＤＩＷとを取り込む機能を有している。一方、流体導入部７２１は外部の窒素ガス供給源から圧送されてくる窒素ガスを取り込む機能のみを有している。より詳しくは、流体導入部７１１に対して、外部の窒素ガス供給源と接続されバルブ７１２を介挿してなる配管７１３が接続されるとともに、外部のＤＩＷ供給源と接続され脱ガス機構８１およびバルブ８２を介挿してなる配管７１４が接続されている。

また、流体導入部７１１の内部には、２本の供給路７１５、７１６が上下方向に延設されており、各供給路７１５、７１６の下方端が流体噴射ヘッド７０の下面（基板Ｗの表面Ｗｆと対向する面）で基板Ｗの略中央に向けて開口し、それぞれガス吐出口７１７およびＤＩＷ吐出口７１８として機能する。また、各供給路７１５、７１６の上方端はそれぞれ配管７１３、７１４に連通されている。このため、バルブ制御機構３２がバルブ７１２に開指令を与えると、バルブ７１２が開いて窒素ガス供給源から供給される窒素ガスを流体噴射ヘッド７０へ送り込む。また、バルブ制御機構３２がバルブ８２に開指令を与えると、バルブ８２が開いて脱ガス機構８１を経由したＤＩＷを流体噴射ヘッド７０へ送り込む。一方、バルブ制御機構３２からの閉指令に応じてバルブ７１２、８２が閉じると、窒素ガスおよびＤＩＷの供給がそれぞれ停止される。

本実施形態では、上記したように脱ガス機構８１が設けられているが、それはＤＩＷから溶存ガスを取り去る、つまり脱ガス処理を施して流体噴射ヘッド７０に送り込むＤＩＷ中の溶存ガス濃度を低下させるためであり、これによってＤＩＷ内でのキャビテーションの発生を抑制することができる。なお、ここでは、ＤＩＷに対して脱ガス処理を施してキャビテーション強度を低下させたものを「キャビテーション抑制液」と称し、その技術的意義については後で詳述する。

流体噴射ヘッド７０に設けられた、もう一方の流体導入部７２１には、窒素ガス供給源と接続されバルブ７２２を介挿してなる配管７２３が接続されている。バルブ７２２は制御ユニット３０により制御されたバルブ制御機構３２によって開閉制御されており、必要に応じてバルブ７２２を開くことにより、窒素ガス供給源から供給される窒素ガスがガス供給路７２４を介して流体噴射ヘッド７０の内部に形成されたバッファ空間ＢＦに案内される。さらに、流体噴射ヘッド７０の側面外周部には、バッファ空間ＢＦに連通されたガス噴射口７２５が設けられている。

上記したように本実施形態では、２種類の窒素ガス供給系統を有している。そのうちの一方、つまり窒素ガス供給源、バルブ７１２、配管７１３および供給路７１５で構成される供給系統では、窒素ガス供給源から圧送される窒素ガスは、供給路７１５を通って流体噴射ヘッド７０の下面に設けられたガス吐出口７１７から基板Ｗの表面中央部に向けて吐出される。

また、他方、つまり窒素ガス供給源、バルブ７２２、配管７２３およびガス供給路７２４で構成される供給系統では、窒素ガス供給源から圧送される窒素ガスは、流体噴射ヘッド７０内に形成されたバッファ空間ＢＦに送り込まれた後、ガス噴射口７２５を通って外部に向け噴射される。このとき、窒素ガスは略水平方向に延びるスリット状のガス噴射口７２５を通して押し出されるため、噴射された窒素ガスの広がりは、上下方向にはその範囲が規制される一方、水平方向（周方向）にはほぼ等方的となる。つまり、ガス噴射口７２５から窒素ガスが噴射されることにより、基板Ｗの上部には、その略中央部から周縁部に向かう薄層状の気流が形成される。特にこの実施形態では、圧送されてきたガスをいったんバッファ空間ＢＦに案内し、そこからガス噴射口７２５を通して噴射しているので、周方向において均一な噴射量が得られる。また、加圧された窒素ガスが小さなギャップを通って噴出されることにより流速が速くなり、窒素ガスは周囲に向けて勢いよく噴射される。その結果、流体噴射ヘッド７０の周囲から窒素ガス流が噴射され、基板Ｗの表面Ｗｆに向け落下してくるゴミやミスト等および外部雰囲気を基板Ｗの表面Ｗｆから遮断する。

このように構成された流体噴射ヘッド７０は図示を省略するアームによってスピンベース１２の上方に保持される一方、該アームは制御ユニット３０により制御されるヘッド昇降機構３３に接続されて昇降可能に構成されている。かかる構成により、スピンチャック１０に保持される基板Ｗの表面Ｗｆに対して流体噴射ヘッド７０が所定の間隔（例えば２〜１０ｍｍ程度）で対向位置決めされる。また、流体噴射ヘッド７０、スピンチャック１０、ヘッド昇降機構３３およびチャック回転機構３１は処理チャンバー（図示省略）内に収容されている。

なお、図１中の符号３４は、タッチパネルなどにより構成される表示操作部であり、制御ユニット３０から与えられる画像情報を表示する表示部として機能と、ユーザが表示部に表示されたキーやボタンなどを操作して入力した情報を受け取り、制御ユニット３０の送信する操作入力部として機能とを兼ね備えている。もちろん、表示部と操作入力部とを個別に設けてもよいことは言うまでもない。また、図１中の符号３０１は制御ユニット３０に設けられた記憶部であり、洗浄処理を行うに際して予め設定される種々の条件、つまり処理条件や洗浄プログラム等を記憶する機能を有している。

次に、上記のように構成された装置の動作について図３ないし図５を参照しつつ説明する。図３は発振信号のタイミングを示す図である。また、図４は図１に示す基板洗浄装置の動作を示すフローチャートである。さらに、図５は図１に示す基板洗浄装置の動作を模式的に示す図である。

処理の開始前には、バルブ４１、４３、８２、７１２、７２２はいずれも閉じられており、スピンチャック１０は静止している。そして、制御ユニット３０は予め記憶部３０１に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を以下のように制御して基板Ｗの裏面洗浄処理および乾燥処理を行う。すなわち、基板搬送ロボット（図示省略）により１枚の基板Ｗがスピンチャック１０に載置されチャックピン１３により保持される（ステップＳ１）。このとき、必要に応じてヘッド昇降機構３３を作動させて流体噴射ヘッド７０をスピンチャック１０から上方の離間位置に移動させれば基板の搬入をよりスムーズに行うことができるが、基板と流体噴射ヘッド７０との間に十分な距離が確保されていれば流体噴射ヘッド７０の移動は不要である。後述する基板搬出時においても同様である。

次のステップＳ２ではスピンチャック１０の回転を開始する。また、基板ＷへのＤＩＷ供給を開始する（ステップＳ３）。より詳しくは、バルブ４１、４３を開いてキャビテーション促進液をノズル口１４１および吐出口５２から基板Ｗの裏面Ｗｂに向けて吐出する。また、バルブ８２を開いてキャビテーション抑制液をＤＩＷ吐出口７１８から基板Ｗの表面Ｗｆに向けて吐出する。これによって、図５に示すように基板Ｗの表面Ｗｆ上にキャビテーション抑制液の液膜Ｌｆが形成される（液膜形成工程）。

そして、スピンチャック１０の回転数が上記プログラム中で設定されている設定回転数に到達する（ステップＳ４で「ＹＥＳ」）と、図３に示すように発振器６０から発振信号を振動子５３に出力する（ステップＳ５）。本実施形態では超音波を連続的に印加したキャビテーション促進液が基板Ｗの裏面Ｗｂに供給されて裏面洗浄が行われる（洗浄工程）。当該洗浄処理は上記プログラム中で設定されている設定時間だけ継続して行われ、ステップＳ６で当該設定時間の経過が確認されると、発振器６０が発振信号の出力を停止し（ステップＳ７）、それに続いてバルブ４１、４３、８２を閉じてキャビテーション促進液（ＤＩＷ）およびキャビテーション抑制液（ＤＩＷ）の供給を停止する（ステップＳ８）。

こうして洗浄処理が完了すると、基板Ｗの表面Ｗｆおよび裏面Ｗｂに残るＤＩＷを除去する乾燥処理を行う。すなわち、基板Ｗを回転させたまま、バルブ７２２を開き、流体噴射ヘッド７０の周囲に設けられたガス噴射口７２５から窒素ガスの噴射を開始する（ステップＳ９）。続いて、バルブ７１２を開き、流体噴射ヘッド７０の下面に設けられたガス吐出口７１７から窒素ガスを基板Ｗの表面Ｗｆに向けて供給を開始する（ステップＳ１０）。

ガス噴射口７２５から供給される窒素ガスの流速は速く、しかも上下方向の噴射方向が絞られており、基板Ｗの上部において中央部から周囲に向かって放射状に流れる窒素ガスのカーテンを形成している。一方、ガス吐出口７１７から供給される窒素ガスの流速はこれより遅く、かつ基板Ｗの表面Ｗｆに向けて強く吹き付ける流れとならないように流量が制限される。このため、ガス吐出口７１７から供給される窒素ガスは、ガス噴射口７２５から噴射されるカーテン状のガス層と基板Ｗの表面Ｗｆとにより囲まれる空間に残存する空気をパージし該空間を窒素雰囲気に保つように作用する。そこで、ここでは、ガス噴射口７２５から供給される窒素ガスを「カーテン用ガス」と称する一方、ガス吐出口７１７から吐出される窒素ガスを「パージ用ガス」と称している。

こうして基板Ｗの上方にガスのカーテンを形成するとともに基板Ｗの表面Ｗｆを窒素雰囲気に保った状態で、スピンチャック１０の回転数を上げて基板Ｗを高速回転させ（ステップＳ１１）、基板Ｗの表面Ｗｆおよび裏面Ｗｂの純水を振り切ることによって基板Ｗを乾燥させる。乾燥処理の実行中においてはカーテン用ガスおよびパージ用ガスを供給し続けることによって、乾燥した基板Ｗの表面Ｗｆへのミスト等の付着や酸化が防止される。乾燥処理が終了するとスピンチャック１０の回転を停止し（ステップＳ１２）、パージ用ガスおよびカーテン用ガスの供給を順次停止する（ステップＳ１３、Ｓ１４）。そして、基板搬送ロボットが乾燥された基板Ｗをスピンチャック１０から取り出し、別の装置へ搬出することで（ステップＳ１５）、１枚の基板Ｗに対する裏面洗浄処理が完了する。また上記処理を繰り返すことにより、複数の基板を順次処理することができる。

以上のように、この実施形態では、基板Ｗの表面（パターン形成面）Ｗｆにキャビテーション抑制液で液膜Ｌｆを形成してパターンを保護した状態で、超音波印加液（＝キャビテーション促進液＋超音波）を基板Ｗの裏面Ｗｂに供給して裏面洗浄を行っているので、パターンのダメージを抑制しながら基板Ｗの裏面Ｗｂを良好に洗浄することができる。すなわち、裏面Ｗｂを超音波洗浄するために、窒素ガスを飽和レベル程度にまで溶存させたキャビテーション促進液を用いている。このため、キャビテーション促進液に超音波が与えられることで数多くのキャビテーションが発生して裏面Ｗｂを効果的に洗浄することが可能となっている。

超音波が印加されたキャビテーション促進液を裏面Ｗｂに沿わすように与えているために表面Ｗｆ側にも音波が伝わり、パターンにダメージを与える可能性がある。しかしながら、本実施形態では、キャビテーション強度が小さいキャビテーション抑制液を用いて基板Ｗの表面Ｗｆに液膜Ｌｆを形成している。すなわち、表面Ｗｆへの供給前に、ＤＩＷに対して脱ガス処理を施すことで溶存ガス濃度をキャビテーション促進液よりも低下させ、これによって基板Ｗの表面Ｗｆに供給する液体、つまりキャビテーション抑制液のキャビテーション強度を低下させている。ここで、「キャビテーション強度」とは、超音波により液中で発生するキャビテーションにより基板Ｗに作用する単位面積当たりの応力を意味しており、このキャビテーション強度は、キャビテーション係数αおよび気泡崩壊エネルギーＵによって決まる。すなわち、キャビテーション係数αは次式
α＝（Ｐe-Ｐv）／（ρＶ^２／２） … （式１）
ただし、Ｐe：静圧、Ｐv：蒸気圧、ρ：密度、Ｖ：流速、
で求められ、キャビテーション係数αが小さいほどキャビテーション強度は大きくなる。また、気泡崩壊エネルギーＵは次式
Ｕ＝４πｒ^２σ＝１６πσ^３／（Ｐe-Ｐv）^２ … （式２）
ただし、ｒ：崩壊前の気泡半径、σ：表面張力、
で求められ、気泡崩壊エネルギーＵが大きいほどキャビテーション強度は大きくなる。

本実施形態では、脱ガス処理によってキャビテーション抑制液に溶存するガス濃度は低く抑えられているため、蒸気圧Ｐvは大幅に低下している。そのため、キャビテーション係数αは大きくなる一方で、気泡崩壊エネルギーＵは小さくなり、キャビテーション抑制液のキャビテーション強度は小さくなっている。その結果、裏面洗浄処理時に表面Ｗｆ側に音波が伝わるものの、キャビテーション強度が低く抑えられ、基板表面側でのパターン損壊を効果的に抑制することができる。

さらに、特許文献１に記載の装置で必須となっていた凍結処理が不要となり、タクトタイムおよびランニングコストを増大させることなく、パターンのダメージを抑制しつつ基板Ｗの裏面Ｗｂを良好に洗浄することができる。

ところで、上記実施形態では、発振器６０は一定周波数の信号を予め設定された時間だけ連続的に振動子５３に与えており、これによって超音波ノズル５０内で超音波印加液を得ているが、発振信号の態様はこれに限定されるものではない。例えば図６（ａ）に示すように一定時間（時間幅Ｔon）だけ振動子５３を発振させるＯＮ信号と、一定時間（時間幅Ｔoff）だけ振動子５３の発振を停止するＯＦＦ信号を交互に切り替える発振信号を発振器６０が出力し、キャビテーション促進液への超音波の印加と印加停止を交互に行うように構成してもよい。ただし、この発振信号を用いる場合、ＯＮ信号の時間幅Ｔonによって洗浄能力が異なってくる。そこで、洗浄能力を向上させるために時間幅Ｔon、Ｔoffをどのように設定するのが好適であるかを検証した。以下、図６を参照しつつ説明する。

図６は発振信号と洗浄能力との関係を検証するための実験内容および実験結果を示す図である。ここでは、除去率の実験（以下「実験Ａ」という）と、音圧の実験（以下「実験Ｂ」という）とを行った。

まず、実験Ａについて説明する。同図（ｂ）に示すように、３００［ｍｍ］のシリコンウエハを基板Ｗとして用意し、予めパーティクル（Ｓｉ屑）を基板Ｗの表面に分散して存在させる。そして、基板Ｗの表面Ｗｆの中央部のうち６×８[ｓｑｕａｒｅｍｍ]の測定領域についてパーティクル数を測定した後で当該基板Ｗの表面ＷｆにＤＩＷの液膜を形成する。それに続いて、図６（ｂ）に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆから角度θ（＝８２゜）だけ傾いた方向に５［ｍｍ］離れて超音波ノズル５０の吐出口５２が位置するように超音波ノズル５０を配置した。そして、この超音波ノズル５０に対して流量１．５[Ｌ／ｍｉｎ]でＤＩＷを供給しながら周波数５[ＭＨｚ]のＯＮ信号を有する発振信号を振動子５３に与えて２０[Ｗ］でＤＩＷに超音波を印加し、その超音波印加液ＤＩＷを基板Ｗの表面Ｗｆの中央部に３０秒間供給した。その後で表面Ｗｆの上記測定領域に残存するパーティクル数を測定し、パーティクルの除去率を求めた。このような実験を発振信号のＯＮ信号の時間幅ＴonおよびＯＦＦ信号の時間幅Ｔoffを変更しつつ実行した。なお、この実験では、時間幅Ｔonと時間幅Ｔoffとの比を（１：１）に設定する、つまり５０％デューティーで行っており、図６（ｃ）中の横軸のパルス時間[秒]は、ＯＮ信号の時間幅Ｔonであり、ＯＦＦ信号の時間幅Ｔoffでもある。なお、パーティクル数の測定はＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のウエハ検査装置ＳＰ１を用いて行った。図６（ｃ）中の実線は上記実験Ａの結果を示しており、この結果から次のことがわかる。つまり、パーティクルの除去率は、パルス時間が約５×１０^−５〜１０^−４[秒]付近で最大となり、それよりも短くても長くても減少する。

次に実験Ｂについて説明する。実験Ｂでは、発振信号のＯＮ信号の時間幅ＴonおよびＯＦＦ信号の時間幅Ｔoffを変更しつつ超音波ノズル５０の吐出口５２から吐出されるＤＩＷ中の音圧をハイドロホンで計測した。図６（ｃ）中の破線は上記実験Ｂの結果を示しており、この結果から次のことがわかる。つまり、音圧は、パルス時間が約５×１０^−５[秒]付近で最大となり、それよりも短くても長くても減少する。

これらの実験Ａ、Ｂを比較してわかるように、パーティクルの除去率が最大となるパルス時間と、音圧が最大となるパルス時間とがほぼ等しく、しかもパルス時間の変化に伴う両者の減少度合いもほぼ同様である。したがって、基板洗浄装置１において超音波ノズル５０から吐出されるキャビテーション促進液における超音波の音圧について、ＯＮ信号の時間幅Ｔonに対する変化を予め計測しておき、その計測結果に基づいてＯＮ信号の時間幅Ｔonを設定してもよい。より具体的には、音圧がピークとなるピーク時間幅を求め、ＯＮ信号の時間幅Ｔonを上記ピーク時間幅もしくはピークの半値全幅となる範囲内の値に設定することで、パーティクルの除去率を高めて裏面洗浄の効率を高めることができる。

このように、上記第１実施形態では、基板Ｗの表面Ｗｆおよび裏面Ｗｂがそれぞれ本発明の「一方主面」および「他方主面」に相当しており、脱ガス機構８１および流体噴射ヘッド７０がそれぞれ本発明の「脱気部」および「吐出部」として機能しており、これらによって本発明の「液膜形成手段」が構成されている。また、キャビテーション抑制液およびキャビテーション促進液がそれぞれ本発明の「第１の液体」および「第２の液体」の一例に相当している。さらに、液膜Ｌｆ、Ｌｂはそれぞれ本発明の「第１の液膜」および「第２の液膜」の一例に相当している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記第１実施形態では、本発明の「第２の液体」としてキャビテーション促進液、つまりＤＩＷ供給源から供給されるＤＩＷにガスを溶解させてガス濃度を高めた液体を用いているが、例えばＤＩＷ供給源から供給されるＤＩＷをそのまま用いてもよい（第２実施形態）。また、ＤＩＷに炭酸ガスを溶存させた炭酸水や水素を溶存させた水素水などの機能水を用いてもよい（第３実施形態）。すなわち、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態のように、本発明の「第１の液体」および「第２の液体」として同一組成の液体（ＤＩＷ）を用いる場合であっても、「第１の液体」中のガス濃度が「第２の液体」中のガス濃度よりも低く設定することで上記作用効果が得られる。また、これはＤＩＷに限定されるものではなく、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、エタノール、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）を主たる成分とする液体、ＳＣ１（アンモニア水と過酸化水素水との混合水溶液）など、基板洗浄に用いる一般的な洗浄液においても同様である。

また、本発明の「第１の液体」および「第２の液体」として互いに異なる組成の液体を用いてもよく、「第１の液体」のキャビテーション強度が「第２の液体」のそれよりも低くなるように構成することで第１実施形態と同様の作用効果が得られる。例えば第１実施形態では、キャビテーション抑制液（第１の液体）として脱ガス処理したＤＩＷを用いているが、これに限定されるものではなく、キャビテーション強度が超音波ノズル５０から吐出される超音波印加液よりも小さな液体をキャビテーション抑制液として用いることができる。すなわち、キャビテーション抑制液としては、キャビテーション係数αが大きい、および／または気泡崩壊エネルギーＵが小さい液体を用いるのが好適である。ここでＤＩＷのキャビテーション係数αおよび気泡崩壊エネルギーＵを「１」とした場合、イソプロピルアルコール、ＨＦＥ７３００、ＨＦＥ７１００のそれらは以下の通りである。なお、ＨＦＥ７３００、ＨＦＥ７１００は、それぞれ住友スリーエム株式会社製の商品名ノベック（登録商標）７３００、７１００を意味している。

例えばイソプロピルアルコールのキャビテーション係数αはＤＩＷに比べて大きく、しかも気泡崩壊エネルギーＵはＤＩＷよりも大幅に小さい。したがって、イソプロピルアルコールあるいはイソプロピルアルコールとＤＩＷとを混合させた混合液をキャビテーション抑制液として好適に用いることができる。また、イソプロピルアルコールおよび上記混合液はいわゆる低表面張力液であるため、これらを基板Ｗの表面Ｗｆに供給して液膜Ｌｆを形成しておくことは乾燥処理時でのパターン倒壊を効果的に防止する上でも望ましい。

また、上記第１実施形態では、基板Ｗを回転させながらキャビテーション促進液（第２の液体）を基板Ｗの裏面中央部に供給して液膜Ｌｂを形成した状態で図５に示すように基板Ｗの径方向においてチャックピン１３よりも外側（同図の左手側）から超音波印加液を裏面Ｗｂに供給している。これによって超音波を裏面Ｗｂの全体に伝播させて裏面洗浄を行っているが、超音波印加液を基板Ｗの裏面中央部に供給するように構成してもよい。

また、上記第１実施形態では、ガス濃度調整機構４２は窒素ガスをＤＩＷに溶解させてＤＩＷ中のガス濃度を高めているが、窒素ガス以外に他の不活性ガスや炭酸ガスを用いてもよい。

この発明は、一方主面にパターンが形成された基板の他方主面を洗浄する基板洗浄技術に好適である。

１…基板洗浄装置
４２…ガス濃度調整機構
５０…超音波ノズル
５２…吐出口
５３…振動子
６０…発振器
７０…流体噴射ヘッド
８１…脱ガス機構
Ｌｆ…（第１の）液膜
Ｌｂ…（第２の）液膜
Ｗ…基板

Claims (15)

1. 一方主面にパターンが形成された基板の他方主面を洗浄する基板洗浄方法であって、
   前記基板の前記一方主面に第１の液体を供給して第１の液膜を形成する液膜形成工程と、
   前記第１の液膜が前記一方主面に形成された状態で第２の液体に超音波を印加した超音波印加液を前記基板の前記他方主面に供給して前記他方主面を洗浄する洗浄工程とを備え、
   前記第１の液体は、前記基板の主面上に存在する液体に超音波が伝わるときに当該液体中で発生するキャビテーションにより前記基板に作用する単位面積当たりの応力であるキャビテーション強度が前記第２の液体よりも低いことを特徴とする基板洗浄方法。
2. 請求項１に記載の基板洗浄方法であって、
   前記液膜形成工程は、前記第２の液体と同一の組成であり且つ前記第２の液体よりも低いガス濃度を有する液体を前記第１の液体として用いる基板洗浄方法。
3. 請求項２に記載の基板洗浄方法であって、
   前記液膜形成工程は、前記一方主面に前記第１の液体を供給する前に、前記第１の液体を脱気して前記第１の液体のキャビテーション強度を低下させる工程を含む基板洗浄方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の基板洗浄方法であって、
   前記第１の液体および前記第２の液体は、水、炭酸水または水素水である基板洗浄方法。
5. 請求項１に記載の基板洗浄方法であって、
   前記液膜形成工程では、前記第２の液体と異なる組成を有する液体を前記第１の液体として用いる基板洗浄方法。
6. 請求項５に記載の基板洗浄方法であって、
   前記第１の液体は前記第２の液体よりも大きなキャビテーション係数を有するとともに前記第２の液体よりも小さな気泡崩壊エネルギーを有する基板洗浄方法。
7. 請求項５または６に記載の基板洗浄方法であって、
   前記第１の液体はイソプロピルアルコールまたはイソプロピルアルコールに水を混合させた混合液であり、前記第２の液体は水、炭酸水または水素水である基板洗浄方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の基板洗浄方法であって、
   前記洗浄工程は、前記第２の液体に対して超音波を印加する前に、不活性ガスまたは炭酸ガスを前記第２の液体に溶解させて前記第２の液体中のガス濃度を増大させて前記第２の液体のキャビテーション強度を高める工程を含む基板洗浄方法。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の基板洗浄方法であって、
   前記基板を回転中心回りに回転させながら前記液膜形成工程および前記洗浄工程を実行する基板洗浄方法。
10. 請求項９に記載の基板洗浄方法であって、
    前記洗浄工程は、前記第２の液体を前記基板の前記他方主面に供給して第２の液膜を形成した状態で前記基板の径方向において前記基板の外側から前記超音波印加液を前記他方主面に供給する工程を含む基板洗浄方法。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の基板洗浄方法であって、
    前記洗浄工程は、前記第２の液体に対して超音波を連続的に印加して前記超音波印加液を作成する工程を含む基板洗浄方法。
12. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の基板洗浄方法であって、
    前記洗浄工程は、前記第２の液体に対して超音波の印加と印加停止とを交互に繰り返して前記超音波印加液を作成する工程を含む基板洗浄方法。
13. 一方主面にパターンが形成された基板の他方主面を洗浄する基板洗浄装置であって、
    前記基板の前記一方主面に第１の液体を供給して第１の液膜を形成する液膜形成手段と、
    前記第１の液膜が前記一方主面に形成された状態で前記基板の前記他方主面に向けて第２の液体を吐出するノズルと、
    前記ノズルに設けられる振動子と、
    発振信号を前記振動子に出力し、前記振動子によって前記第２の液体に超音波を印加する発振器とを備え、
    前記液膜形成手段は、前記基板の主面上に存在する液体に超音波が伝わるときに当該液体中で発生するキャビテーションにより前記基板に作用する単位面積当たりの応力であるキャビテーション強度が前記第２の液体よりも低い液体を前記第１の液体として用いることを特徴とする基板洗浄装置。
14. 請求項１３に記載の基板洗浄装置であって、
    前記液膜形成手段は、前記第１の液体を脱気する脱気部と、前記脱気部により脱気された前記第１の液体を前記基板の前記一方主面に向けて吐出する吐出部とを有する基板洗浄装置。
15. 請求項１３または１４に記載の基板洗浄装置であって、
    前記第２の液体に不活性ガスまたは炭酸ガスを溶解させることで前記第２の液体中のガス濃度を高めるガス濃度調整機構を備え、
    前記振動子は前記ガス濃度調整機構によりガス濃度が高められた第２の液体に超音波を印加する基板洗浄装置。

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