JPH11330033A

JPH11330033A - エネルギーを有するクラスタ・ビームを使用して汚染表面を洗浄する方法および装置

Info

Publication number: JPH11330033A
Application number: JP12870498A
Authority: JP
Inventors: F Mahoney John; ジョン・エフ・マホニー
Original assignee: FRASER SCIENT Inc
Current assignee: FRASER SCIENT Inc
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】汚染物質の大きさや、組成や、形態とは独立
に表面から汚染物質を除去する。【解決手段】所定の組成、速度、エネルギー、サイズ
分布を有する微少飛沫またはクラスタからなるビームを
目標基板上へ送り、汚染物質を除去する。１つまたは複
数の毛管状放出器の先端へ空気圧によって送られる導電
流体を静電噴霧することによって、荷電された高エネル
ギー・クラスタ・ビームが形成される。ビーム・クラス
タは、イオン・ビームと比べて大きいので、目標物の広
い領域にわたってエネルギーを消費し、それによって、
サブミクロン微粒子、有機被膜、金属汚染物質を同時に
剥離し除去する。個別のクラスタ衝撃エネルギーは高い
が、多数のクラスタ核子によって共用される。このた
め、衝撃時の比エネルギーは１ｃＶ／核子よりも小さ
く、材料スパッタリングしきい値よりもかなり低く、し
たがって、汚染物質除去プロセス中の直接エッチングや
衝撃を受ける表面への損傷が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全般的には、表面
を洗浄する方法および装置に関し、詳細には、有機被
膜、粒状物質、その他の汚染物質を半導体ウェハの表面
から除去することに関する。

【０００２】

【従来の技術】表面から汚染物質を除去することは、製
造し、かつその後多数の装置およびプロセスを実施する
うえで重大である。たとえば、半導体製造設備のデバイ
ス歩留まりは、ウェハ表面に堆積する微粒子による欠陥
の悪影響を受ける。大量生産ＶＬＳＩの歩留まり損失の
８０％以上は、微粒子による微小汚染が原因である。デ
バイス形状が引き続き小型化し、ウェハ寸法が大きくな
っているので、微粒子汚染のデバイス歩留まりに対する
影響は増大している。２０１０年までに０．０７ミクロ
ン・フィーチャ・サイズを生産するという国全体の目標
を達成するには、ウェハ表面を洗浄する新しい技術が必
要である。半導体ウェハ処理では、従来型の洗浄技術に
よる除去に対する高い抵抗を示す大きさが０．１ミクロ
ン以下の粒子の除去が必要であると認識されている。現
在の粒子除去技術は、「キラー」粒子サイズが小さくな
るにつれてますます無効になっている。

【０００３】特にマルチレベル・プロセスの後段で、プ
ロセス・ツール機器内で発生する粒子は、欠陥のあるチ
ップに関する主要な歩留まり損失源となる。現在の所、
真空中でウェハを処理する市販のインサイチュー（in-s
itu）洗浄器具はない。微小電子機器デバイス製造に関
する表面洗浄に課される要件は、シリコンまたはガリウ
ムヒ素のウェハ製作技術に基づくマイクロマシンおよび
マイクロセンサの製造にも適用される。

【０００４】本発明は、半導体ウェハおよび処理ツール
の洗浄だけでなく、鏡、レンズ、窓など地上光学系また
は宇宙船光学系の洗浄にも関する。本発明のその他の応
用分野には、フラット・パネル・ディスプレイの製造時
のコストを低減し信頼性を維持するためのシリコンまた
はその他の基板材料の洗浄と、宇宙船温度制御表面およ
びソーラー・パネルの洗浄と、堆積または成長を向上さ
せるための厚膜材料または薄膜材料の堆積に備えた表面
の洗浄と、真空チャンバ壁、核融合を研究するＮａｔｉ
ｏｎａｌＩｇｎｉｔｉｏｎＦａｃｉｌｉｔｙなど主
要な施設の内部機械／光学系、薬理学的クロス汚染を抑
制するうえで重大な表面などを厳密に洗浄し汚染物質を
除去することが含まれる。

【０００５】本発明の他の応用分野には、磁気ディスク
記憶媒体などコンピュータに関連する重大な表面の洗浄
が含まれる。コンピュータ技術が引き続き進歩している
ため、化学的に清浄で微粒子のない表面に対する需要が
増大している。コンピュータ技術は引き続き、小型化さ
れる微小電子機器デバイスに依存するので、製品歩留ま
りはますます、化学汚染物質および粒状汚染物質の影響
を受けることになる。

【０００６】薄膜構造は、光学構成要素、産業用メッ
キ、太陽電池、耐磨耗コーティングおよび耐腐食コーテ
ィング、透過要素および反射要素用のコーティングを含
め、様々な産業応用分野で使用されている。薄膜構造
は、被膜の成長、堆積、耐磨耗性、安定性を阻害する化
学汚染物質およびミクロン・サイズの汚染物質が存在す
るとその悪影響を受ける。本発明は、上記の応用分野で
使用される従来型の洗浄技術と比べて向上した、様々な
固体表面用の洗浄方法を提供する。表面から微粒子を除
去する洗浄技法については、Ｊ．Ｂａｒｄｉｎａ著「Ｍ
ｅｔｈｏｄｓＦｏｒＳｕｒｆａｃｅＰａｒｔｉｃ
ｌｅＲｅｍｏｖａｌ：ＡＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅ
Ｓｔｕｄｙ」（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＳｃｉ．Ｔ
ｅｃｈｎｏｌ．、６、１２１、１９８８年）を参照され
たい。

【０００７】現在の所、ウェハ表面を洗浄するための２
つの基本的な方法がある。すなわち処理薬品、被膜、微
粒子汚染を除去するように設計された液相または「湿
式」洗浄および気相すなわち「乾式」洗浄がある。これ
らの方法は、いくつかの欠点を有する。最も深刻な欠点
は、有機被膜の表面、微量金属元素、または微粒子を同
時に除去する技術が存在しないことである。場合によっ
ては、洗浄プロセス自体が汚染源である。ｇｉｖｅサイ
ズ範囲の微粒子を除去することのできるメガソニック技
術でも、０．１ミクロン以下の微粒子を除去する場合に
は有効ではない。さらに、超音波洗浄効率は、微粒子の
組成および形態にある程度依存することを示している。
湿式洗浄技術は、大量の水を消費するという欠点も有す
る。水を節約し水の使用に関連するコストを削減する必
要があることは自明である。また、湿式洗浄技術は、硫
酸、リン酸、フッ化水素酸、塩化水素酸、フッ化アンモ
ニウム、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸
化カリウム、過酸化水素を含む、無機酸、塩基、エッチ
など大量の環境に有害な薬品を消費する。これらの物質
は、固有の処理問題および廃棄物貯蔵問題を有する。湿
式薬品洗浄技術の現状は、ハットリ著「Ｔｒｅｎｄｓ
ｉｎＷａｆｅｒＣｌｅａｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ」（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌ．
Ｓｕｐｐｌ．、ｐ．Ｓ７、１９９５年５月）で論じられ
ている。

【０００８】宇宙船光学表面および半導体デバイスを洗
浄するために、液体ＣＯ₂ジェット・スプレーを膨張さ
せることによって形成されたドライアイス雪片も使用さ
れている。このような応用例は、Ｍ．Ｍ．Ｈｉｌｌｓ著
「ＣａｒｂｏｎＤｉｏｘｉｄｅＪｅｔＳｐｒａｙ
ＣｌｅａｎｉｎｇｏｆＭｏｌｅｃｕｌａｒＣｏ
ｎｔａｍｉｎａｎｔｓ」（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃ
ｈｎｏｌ．Ａ１３（１）、３０、１９９５年１月／２
月）およびＲ．Ｓｈｅｒｍａｎ等「ＤｒｙＳｕｒｆａ
ｃｅＣｌｅａｎｉｎｇＵｓｉｎｇＣＯ₂Ｓｎｏ
ｗ」（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、Ｂ９
（４）、１９７０年、１９９１年７月／８月）で論じら
れている。ＣＯ₂ジェット・スプレーは、有機被膜およ
び微粒子を除去することができるが、将来の微小汚染の
ないウェハ製造に対して指定されているレベルにサブミ
クロン微粒子（＜０．１ミクロン）を除去する場合には
無効である。

【０００９】半導体ウェハから汚染物質を除去するため
の他の「乾式」洗浄技術には、処理ガスを励起すること
によって形成された反応性気体基を使用する気相洗浄が
含まれる。このようなプロセスでは複合薬品が使用さ
れ、そのため、粒状汚染物質を除去しようとする際に表
面が損傷し、あるいは基板材料が除去される。

【００１０】本発明を適切な文脈で完全に理解すること
ができるように他の背景情報を与えるために、いくつか
の従来技術の特許を参照することができる。オノ等の米
国特許第５１９６０３４号は、超純水で微小な氷粒子を
形成し、高圧下のガスを使用して氷粒子ジェットを形成
し、氷粒子のスプレーを半導体ウェハの表面に当てる方
法を開示している。このように形成された氷粒子ジェッ
トは、０．１ミクロンよりも小さな微小なサブミクロン
微粒子を追い出すのに必要な十分な速度や寸法範囲を有
していない。このプロセスも水、ガス、移送配管を介し
て汚染物質を導入するという欠点を有する。

【００１１】米国特許第５１４８８２３号は、圧電トラ
ンスジューサと送信機を備える高周波数メガソニック・
プロセスに基づく洗浄システムを開示している。リンス
・サイクルと洗浄サイクルを組み合わせ、サイクル間に
ウェハを溶剤／空気界面にさらさないようにすることに
よって汚染を低減する方法が記載されている。この特許
は、ウェハ表面から粒子を除去する超音波技術と、大量
の水と、厳しい環境規制に従って処分する必要がある溶
剤とを消費することが判明している技術に依存する種類
の開示を代表するものである。また、メガソニック処理
は、インサイチュー気相ウェハ製作ステップまたは真空
ウェハ製作ステップには組み込めないイックスサイチュ
ー（ex-situ）湿式洗浄方法である。０．１ミクロンよ
りも小さな「キラー」微粒子を除去することが、小形デ
バイスの歩留まりを向上させるうえでますます重大にな
っているので、メガソニック周波数を従来技術よりも高
くする必要がある。メガソニック洗浄容器も、メガソニ
ック・ビームの洗浄力に干渉しないように調整しなけれ
ばならない。

【００１２】Ｍｏｓｌｅｈｉの米国特許第５０８９４４
１号は、湿式薬品処理にさらされ、あるいは処理ステッ
プ間の移送時に大気にさらされる半導体表面上で成長す
る自然酸化物を除去する低温（６５０℃ないし８００
℃）インサイチュー乾式洗浄プロセスに関する方法を開
示している。酸化物除去は、ウェハを高温でゲルマン
（ＧｅＨ₄）と水素ガスの乾式洗浄混合物にさらすこと
によって行われる。この方法は、（プラズマによる支援
の有無にかかわらず）反応性ガスまたは気体基を使用す
る他の気相洗浄プロセスに類似している。有機残滓およ
び酸化薄膜の洗浄が実証されているが、これらのプロセ
スによってサブミクロン微粒子または微量金属を効率的
に除去しようとすると必ずウェハ基板のエッチピットが
増加し、あるいはウェハ基板が損傷する。さらに、多く
のそのような乾式洗浄方法はＨＦなどの腐食性ガスを使
用する。

【００１３】Ｗｈｉｔｌｏｃｋ等の米国特許第４８０６
１７１号は、固体二酸化炭素と気体二酸化炭素とからな
る流れを使用して基板から粒子を除去する方法を開示し
ている。このプロセスは、基板を横切って噴出される乾
燥窒素流によって除去に対する抵抗の大きな粒子を除去
する。しかし、ＣＯ₂の固体／気体混合物は、エッチン
グによって形成されたミクロン寸法のトレンチに捕捉さ
れたサブミクロン微粒子を効率的に除去することはでき
ない。また、このプロセスは粒状物質の除去に限られて
おり、有機被膜などその他の汚染物質の一部は除去され
ずに残る。また、米国特許第５１９６０３４号と同様
に、衝撃を与える側のＣＯ₂固体の速度は、衝撃を受け
る材料で微小衝撃を誘導し、超微粒子、金属物質、有機
物質を脱離させ剥離するためのしきい値よりもずっと低
い。

【００１４】Ｗａｒｆｉｅｌｄの米国特許第５２３２５
６３号は、表面凹部に存在する物質を含む汚染物質の組
合せをウェハ表面から除去する電界槽構成を開示してい
る。半導体ウェハおよび不活性導電電極が、水と、ＨＣ
ＬまたはＨＮＯ₃などの電界質と、非イオン表面活性剤
（スルホン酸）とからなる槽に浸漬される。電圧源を使
用し洗浄セルを通じて電力を流すと、ウェハ電極表面で
酸素気泡が生成され、それによって表面から汚染物質が
浮遊する。この構成の欠点は、ウェハを槽から取り出す
際、電界槽表面にはすでに除去された汚染物質で満ちて
いるので、ウェハが液体／空気界面を破壊するときに再
汚染されることである。他の湿式薬品洗浄方法と同様
に、多重ウェハ洗浄では、槽溶液を頻繁に交換する必要
があり、最終的に大量の水および薬品が消費される。こ
のイックスサイチュー洗浄は時間および手間がかかる傾
向があり、過度の非自動ウェハ処理を必要とする。

【００１５】Ｍａｇｅｅ等の米国特許第５１５１１３５
号は、紫外線レーザ放射の短い（８０ナノ秒以下）低エ
ネルギー・パルス（０．１Ｊ／ｃｍ²ないし０．３Ｊ／
ｃｍ²）を基板を横切って掃引させ、化学汚染物質、金
属汚染物質、粒状汚染物質を除去する方法を開示してい
る。一般に、レーザ洗浄技術はいくつかの欠点を有す
る。高エネルギー・パルス・レーザは、点欠陥、表面融
解、アニーリングを導入することによって基板を損傷さ
せる恐れがある。非一様なパルスまたは高エネルギーの
均一なパルスは実際には、過度の熱伝導のために汚染物
質を「焼き付ける」恐れがある。低エネルギー・パルス
・レーザは、保持力の強い静電力によって表面に強力に
結合された０．１ミクロンよりも小さな微粒子を除去す
るのに十分な運動量を加えることのできない光子インパ
ルスを生成する。さらに、低エネルギー・レーザ・パル
スによって照射された表面から汚染物質を洗浄するのに
複数のパルスが必要になることがある。ひどく汚染され
た領域を洗浄するには複数のパスが必要であり、したが
って、表面を洗浄するのに必要な時間が長くなる。迅速
な洗浄を行うために追加レーザを導入しても、システム
が複雑になり、かつすでに高いシステムのコストが増大
するに過ぎない。引用した洗浄例では、まず、湿式化学
手段によって事前に洗浄された表面について説明し、そ
れに続いて「トッピングオフ」プロセスとしてのレーザ
洗浄ステップについて説明しているので、開示では、一
次洗浄ステップとしてのパルスＵＶレーザの有用性は不
確実である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記で引用した文献の
厳密な長所、特徴、利点が何であるかにかかわらず、そ
のうちのどれも本発明の目的を達成しない。特に大きさ
が０．１ミクロンよりも小さな粒状物質に対して、半導
体ウェハから薄膜汚染物質および粒状汚染物質を同時に
かつ極めて効率的に除去する改良された方法および装置
を提供することが望ましい。本発明の基本的な目的は、
汚染物質の大きさや、組成や、形態とは独立に表面から
汚染物質を除去することである。本発明の他の目的は、
有害な薬品や、高度に浄化され脱イオン化された大量の
高価な水を使用しないウェハ洗浄技術を導入することで
ある。本発明の他の目的は、大きさが分散された微小飛
沫（クラスタ）の超音波ビームを使用して凹部、エッチ
ングされたトレンチ、またはバイアに捕捉されたサブミ
クロン汚染物質を除去する、真空中でウェハおよびウェ
ハ処理ツールを洗浄するインサイチュー方法を提供する
ことである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前述の目的とその他の目
的は、所定の組成、速度、エネルギー、サイズ分布を有
する微少飛沫すなわちクラスタのビームを用いて表面に
衝撃を与えることによって表面汚染物質を除去する装置
および方法を提供する本発明によって達成される。空気
圧によって導電流体を毛管放出器の先端へ送ることによ
って、直径が１ミクロンよりも小さく、好ましくは、
０．０１ミクロンないし０．１ミクロンの範囲である高
エネルギー・クラスタのビームが形成される。毛管の先
端または直線スリットの縁部に電界を印加することによ
って導電流体が静電噴霧され、荷電されたクラスタのビ
ームが形成される。１０⁵ボルト／ｃｍ以上程度の噴霧
に必要な高抽出電界は、放出器と対電極または抽出との
間に電位差を印加することによって確立される。荷電さ
れたクラスタは、抽出電界によって高速度に静電加速さ
れ、目標基板（たとえば、ウェハ）の方へ送られる。基
板への帯電は、クラスタ上の電荷を中和する電子をビー
ムに注入することによって防止される。クラスタは、そ
の形成段中に多重荷電され、１０ｋＶ以上の加速によっ
て５０万電子ボルトよりも高い大きな衝撃エネルギーが
得られる。クラスタは、イオン・ビームと比べて大きい
ので、目標物の広い領域にわたってエネルギーを消費
し、それによって、サブミクロン微粒子、有機被膜、金
属汚染物質を同時に剥離し除去する。たとえば、洗浄さ
れた表面上への汚染物質の再導入を防止する低温シュラ
ウドを使用して、除去された汚染物質が収集される。個
別のクラスタ衝撃エネルギーは高いが、多数のクラスタ
核子によって共用される。このため、衝撃時の比エネル
ギーは１ｃＶ／核子よりも小さく、材料スパッタリング
しきい値よりもかなり低く、したがって、汚染物質除去
プロセス中の直接エッチングや衝撃を受ける表面への損
傷が防止される。洗浄される目標物の面積を増大し、汚
染物質種を除去するのに必要な時間を短縮するには、複
数の毛管放出器を、互いに隣接しかつ平行に配設された
二つ以上の直線アレイとして構成する。目標基板の荷電
を防止するには、ビームに対して電子を放出することに
よって、単一の毛管放出器または複数のアレイから放出
された荷電クラスタを中和する。クラスタ・ビームを中
和するための新規の手段は、一方が、正のクラスタを生
成するために正の高電圧で動作し、他方が、負のクラス
タを形成するために負の高電圧で動作する２つのアレイ
を使用する。アレイ電圧は、目標基板上の正味電荷蓄積
が約零になるまで独立に調整される。

【００１８】本発明の特徴、態様、利点は、下記の詳細
な説明と、添付の特許請求の範囲と、添付の図面からよ
り完全に明らかになろう。

【００１９】

【発明の実施の形態】下記の説明では、本発明を完全に
理解していただくために多数の詳細が記載されている。
しかし、当業者なら、これらの特定の詳細なしに本発明
を実施することができる。いくつかの例では、本発明を
不必要に曖昧にしないように周知の特徴、構造、技術は
示されていない。図１および２は、本発明の好ましい実
施形態を示す。本発明のプロセスは、毛管放出器３２を
使用してミクロンまたはサブミクロン・サイズのクラス
タすなわち微少飛沫のビーム３４を形成する。非制限的
な一例を挙げると、放出器は、内径が０．００１インチ
ないし０．００４インチ（０．０３ｍｍないし０．１ｍ
ｍ）程度の小内径管状毛管の形である。特に好ましい構
成による図２に示した毛管放出器先端３３は、２０度な
いし４５度の角度にテーパ付けすることができる。この
放出器先端が好ましいが、なまくらな端部を有する毛管
先端３３を用いて十分な動作を得ることができる。本発
明の範囲および趣旨内で、所望のクラスタ・サイズを有
するビームを与える他の毛管先端構成が可能であること
が十分に企図されよう。毛管内径３１の実際の寸法は、
導電流体２１の所望の流量と、粘度などの物理的特性に
依存する。本発明のこの実施形態では、毛管放出器の外
径３９は、０．００８インチないし０．０３２インチ
（０．２ｍｍないし０．８ｍｍ）程度であってよい。こ
れらの限界外の毛管寸法が適切であることもある。毛管
放出器・チューブは、導電性または絶縁性を有する材料
を含め多数の材料で形成することができる。導電材料
は、ステンレススチールと白金を含むが、これらに限ら
ない。白金は、電気化学腐食に対する優れた抵抗を示
し、それによって毛管放出器先端３３の寿命を延ばすの
で好ましい材料である。絶縁材料は、ガラス、セラミク
ス、溶融シリカを含むが、これらに限らない。

【００２０】本発明の好ましい実施形態では、容器１８
からの導電流体２１が流体導管２０を通じて毛管放出器
３２に流れ込む。流体導管内の容器と毛管放出器との間
に、毛管放出器への流体流を終了または再開する手段と
して二方向遮断弁（Ｖ４）１５が挿入される。単一の毛
管放出器３２の好ましい流体流量は、０．１マイクロリ
ットル／分ないし３マイクロリットル／分であってよ
い。ただし、この範囲外の流量によって使用可能なクラ
スタ・ビームを生成することができる。流体流量は、毛
管放出器３２の形状流量インピーダンスと、容器１８内
の流体の上方の圧力と、流体温度とによって制御するこ
とができる。容器内の溶液の上の圧力は、オンオフ電磁
弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）１４の組合せを自動的に開閉す
る圧力／真空コントローラ１６によって調整することが
できる。弁（Ｖ２）が閉じているとき、弁Ｖ（１）を開
き、弁（Ｖ３）を開くと、調整されたガス１２およびガ
ス導管１３が容器１８に接続され、流体はガス１２から
加えられる正の圧力にさらされる。弁（Ｖ１）を閉じ、
弁（Ｖ２）を開き、弁（Ｖ３）を開くと、真空ポンプ１
０が容器１８に接続され、容器１８内の流体の上方の圧
力が低下する。このように、容器の圧力は、調整するこ
とができるが、毛管放出器への流量を制御するための好
ましい範囲５０ｔｏｒｒないし３０ＰＳＩに限らない。
流体２１を含む容器１８を加圧するにはアルゴンなどの
不活性ガスが好ましい。一般に、使用する加圧ガスが流
体による吸収に抵抗し、流体導管２０内に気泡が形成さ
れる可能性を低減することが好ましい。さらに、流体２
１を容器１８に充填する前に、流体をガス抜きし、溶解
したガスを除去することが好ましい。

【００２１】特に粘度が温度変化に応じて大きく変動す
る流体の場合、導電流体２１を加熱することによって流
量を制御することができる。この特性を示す流体の例
は、高濃度のグリセリンからなる流体である。溶液を加
熱するための様々な従来型の手段を使用することができ
るが、十分な方法を図１に示す。流体導管２０は真空密
閉され、真空フランジ２４を通過する。真空フランジ
は、高真空チャンバ２７に取り付けられ密閉される。ヒ
ータ２６、好ましくは可撓性のシリコン・ゴム・ヒータ
がフランジ２４を囲み、フランジ２４に取り付けられ
る。フランジ２４内を伝導する熱によって、フランジに
密に接触する流体導管２０が加熱される。熱電対２２
は、温度コントローラ２４によって調整されるフランジ
温度を検知する。グリセリン流体の流量を制御するのに
適したフランジ温度は周囲温度ないし６０℃の範囲であ
る。

【００２２】本実施形態でクラスタを形成するために使
用される好ましい流体は、酢酸アンモニウムなどの電解
添加剤でドープされた高純度グリセリン溶剤からなる。
グリセリンは、ウェハ洗浄プロセスに有害な薬品やオゾ
ン破壊物質を導入しないので好ましい溶剤である。ま
た、高真空処理に匹敵する低い蒸気圧を有する。グリセ
リンは、極めて極性の高い溶剤として、広範囲にわたっ
て変動する濃度を有する塩、酸、塩基など様々な導電エ
ージェントを溶解させることができる。酢酸アンモニウ
ムを使用してグリセリンに導電性を加えるとき、好まし
い溶液濃度は０．１Ｎないし２．０Ｎの範囲である。し
かし、クラスタを生成するための流体はグリセリンに限
らない。グリセリンと水またはその他の混和可能な溶剤
との混合物を使用することもできる。体積比がたとえば
６０：４０または５０：５０の水：メタノールに溶解さ
せた電界質からなるより揮発性の高い流体も、クラスタ
生成プロセスに適合することができる。また、導電添加
剤は、ｑｕａｔｅｒｎｉｕｍハロゲン化アンモニウムな
どの揮発性塩に限らない。ＮａＩ、ＣｓＩ、ＫＩなどの
非揮発性アルカリ金属塩を流体２１に導入し、表面から
汚染物質を除去するうえで有効なサイズ範囲のクラスタ
または微少飛沫を形成するのに必要な導電性を与えるこ
ともできる。毛管放出器が塩の堆積によって詰まるのを
防止するには、非揮発性ではなく揮発性添加剤を、水：
メタノール混合物などの高蒸気圧成分を有する流体と組
み合わせることが好ましい。

【００２３】次に、図２を参照し、クラスタまたは微少
飛沫のビームを生成するプロセスについて説明する。容
器１８からの導電流体は、流体導管２０内を流れ、高真
空にさらされた毛管放出器３２へ送られる。流体は、毛
管先端３３に達すると、毛管放出器３２に高電圧を印加
することによって形成された強い静電界領域３７に進入
する。好ましい電圧は、電源１７によって印加される＋
８ｋＶないし＋２０ｋＶの範囲であってよい。電界３７
は、毛管先端３３と、電源１９によって電位を調整する
ことのできる抽出電極３０との間に確立される。毛管先
端３３で比較的強い電界が生成されると（＞１０⁵ボル
ト／ｃｍ）、静電力によって導電流体のさらされた表面
に応力が発生する。毛管放出器３２に印加される電圧が
増大するにつれて、先端３３にある流体表面に作用する
静電力も、流体を保持する表面張力Ｓを超える値に達す
るまで増大する。表面張力よりも高い静電力で流体は破
壊され、ビーム３４を形成する荷電されたクラスタの集
合体になる。電源１７によって毛管放出器３２に正の高
電圧を印加した場合、ビーム３４中のクラスタは正に荷
電される。別法として、毛管放出器に負の高電圧を印加
した場合、ビーム３４は、負に荷電されたクラスタから
なる。

【００２４】電界３７の大きさを変化させることによっ
て、より小さな平均直径またはより大きな平均直径を有
するクラスタを生成することができる。一般に、小形ク
ラスタは高い電荷質量比を有し、高い電界によって生成
され、それに対して、大形クラスタはより低い電荷質量
比を有し、比較的低い電界で形成される。電源１７によ
って毛管放出器３２に一定の電圧を印加すると、電界３
７は、電源１９によって抽出電極３０に印加される電圧
に応じて増減する。逆に、抽出電極３０に一定の電圧を
印加することによって、電界３７は、毛管放出器３２に
印加される電圧に応じて増減する。クラスタが目標基板
３８にぶつかるときのエネルギーは、抽出電極３０に印
加される電圧とは独立に、毛管放出器３２に印加される
電圧によって決定される。本発明の好ましい実施形態で
は、毛管放出器に印加される電圧を、０．５ＭｅＶより
も大きな衝撃エネルギーに対応するように一定に維持
し、汚染物質を効率的に除去する大きさを有するクラス
タを生成するように抽出電極電圧を変化させることが望
ましい。簡単に言えば、毛管放出器に印加される電圧を
使用してクラスタ衝撃エネルギーを制御することがで
き、抽出電極に印加される電圧を使用して平均クラスタ
・サイズを制御することができる。

【００２５】毛管放出器３２および抽出電極３０に印加
される電圧によって電界３７を固定すると、ビーム３４
中のクラスタ・サイズ分布を他の手段によって修正でき
ることを留意されたい。導電流体の流量を、より小さな
クラスタに対応する低流量とより大きなクラスタに対応
する高流量とに変化させることによって、より小さな平
均クラスタ直径またはより大きな平均クラスタ直径を形
成するように分布中の平均クラスタ・サイズをシフトす
ることもできる。最後に、毛管放出器３２および抽出電
極３０に所与の流体流量および電圧を印加した場合、流
体２１の導電性を変化させることによって、分布を特徴
付ける平均クラスタ・サイズを修正することができる。
ウェハ表面からミクロン微粒子およびサブミクロン微粒
子を除去するには、平均直径の範囲が０．０１ミクロン
ないし−０．０５ミクロンのクラスタが好ましい。上記
の説明から、このシステムが、粒状汚染物質または有機
被膜汚染物質を基板から効率的に除去するのに必要な大
きさおよびエネルギーを有するクラスタを生成するよう
に処理変数を調整するのに十分な融通性を備えることは
明らかである。

【００２６】クラスタ・ビーム３４は、毛管先端３３で
流体を静電分散することによって形成され、毛管放出器
３２を抽出電極３０から分離するギャップ内に存在する
電界３７によって加速される。本発明の好ましい実施形
態では、抽出電極３０の円形開口部または抽出穴３５
は、大きさが１／８インチないし３／８インチ（０．８
ｍｍないし２．４ｍｍ）程度の直径を有する。対称性を
考慮して、毛管放出器３２が管状である場合、抽出穴３
５は通常、円形であるが、他の形状を使用することが可
能である。毛管放出器−抽出電極組合せの好ましい位置
合わせは、毛管先端３３が抽出電極３０の中央平面に存
在するように毛管放出器３２を同軸的に抽出穴３５の中
心に置くことからなる。この構成が好ましいが、毛管先
端３３を抽出電極３０の背面のすぐ後ろ、すなわち１／
８インチ（０．８ｍｍ）の距離に位置決めした場合に十
分な動作を達成することができる。毛管放出器３２をさ
らに引き込むと、クラスタ・ビーム３４が抽出電極３０
の背面に過度に当たる可能性がある。ビーム中の荷電さ
れたクラスタによる抽出電極３０の衝撃のために二次電
子が放出され、この二次電子が再び毛管先端３３に加速
され、そのため、毛管放出器３２に正の高電圧が印加さ
れたときに制御されない先端加熱が行われる。

【００２７】図１を見るとわかるが、クラスタ・ビーム
３４形成加速プロセスは真空チャンバ２７内で行われ
る。固定されあるいは移送可能な目標基板３８をクラス
タ・ビーム３４に挿入する。本発明の好ましい実施形態
では、合焦されない発散クラスタ・ビームが目標基板３
８に衝撃を与える。このように、基板の広い面積を洗浄
することができ、これに対して合焦されたビームでは狭
い面積しか洗浄できない。ビーム中の個別のクラスタが
目標基板３８の表面に衝撃を与え、それによって、様々
なタイプの汚染物質が有効に除去される。いくつかの例
では、汚染物質を効率的に除去するために、目標基板３
８をクラスタ・ビーム３４に対して回転させ、鋭い入射
角で衝撃を与えることができる。目標基板３８から剥離
された汚染物質は低温コレクタ３６の表面上に堆積し、
液体窒素またはその他の手段によって冷却され、洗浄さ
れた基板表面上に再堆積するのが防止される。代替密着
表面または収集表面は、被覆されない多孔性焼結金属メ
ッシュまたはテフロン膜フィルタからなる。クラスタ・
ビームの衝撃によって表面から除去された微粒子は収集
表面上に極めて軽い荷重を与える。荷重条件に鑑み、オ
イルを被覆されたテフロン膜フィルタは、Ｃ．Ｔｓａｉ
「ＳｏｌｉｄＰａｒｔｉｃｌｅＣｏｌｌｅｃｔｉｏ
ｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｎＩｍｐａ
ｃｔｉｏｎＳｕｒｆａｃｅｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅ
ｎｔＤｅｓｉｇｎｓ」（ＡｅｒｏｓｏｌＳｃｉ．Ｔ
ｅｃｈｎｏｌ．、２３、９６、１９９５年）で論じられ
たように収集効率が１００％の表面を構成することがで
きる。収集表面に薄いコーティングを付与するオイルは
好ましくは、極めて低い蒸気圧（＝１０^-10ｔｏｒｒ）
を有するオイルで、たとえばＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ．
Ｍｅｔａｌ社が製造しているシリコン拡散ポンプ流体Ｍ
ｏｄｅｌＤ−７０５０であり、いくつかの応用例で
は、電圧を印加することによって荷電された誘電表面に
よって、放出された粒状汚染物質を十分に収集すること
ができる。

【００２８】クラスタ衝撃のいくつかの特性は、汚染物
質除去プロセスにとって重要でかつ適切である。クラス
タ速度は音速であり、毛管放出器３２に印加される加速
電圧に応じて、衝撃を受ける材料内の音速を超えること
ができる。衝撃を受ける材料（基板３８、被膜、または
微粒子）内で衝撃波を誘導し、それによって、汚染物質
種を除去または剥離させることができると考えられる。
個別のクラスタが多数の電荷（Ｎ＞１００）を保持する
ことができるので、１０ｋＶ以上で加速されたクラスタ
は、０．５ＭｅＶないし２．０ＭｅＶの衝撃エネルギー
を有し、このエネルギーが目標基板３８の広い領域にわ
たって蓄積される。この衝突エネルギーの一部を直接伝
達すると、汚染物質を表面に結合するロンドン−ファン
デルワールス力および静電力に打ち勝つことができる。
ビーム３４中の個別のクラスタの重量は、好ましくは１
０^-16グラムないし１０^-17グラム程度であり、その音速
と相まって、特にエネルギーが付加された複数回の衝突
を伴う事象の場合に、被膜汚染物質および粒状汚染物質
に大きな運動量を伝達する手段を構成する。本発明の固
有の特徴は、原子イオン・ビームまたは小分子イオン・
ビームとは異なり、汚染表面を洗浄するために使用され
るクラスタの重量のために、クラスタを構成する多数の
核子によって総クラスタ・エネルギーが共用されるとい
うことが確実になることである。総クラスタ・エネルギ
ーは１ＭｅＶを超えることがあるが、衝突に加わる個別
の核子は１ｅＶ／核子よりも低い比エネルギーを有す
る。原子レベルでは、目標基板の損傷またはスパッタリ
ングが防止される。本発明の好ましい実施形態では、こ
れは、基板を損傷せず、かつ基板材料で構成された稼働
装置に必須の永久的な特徴を除去せずに汚染物質を除去
しなければならないので重大な特徴である。本発明の他
の固有の特徴は、ビーム・クラスタの大きさが、直径が
１ミクロンよりも小さな個別の粒状汚染物質に匹敵する
ことである。サブミクロン・クラスタは、将来のマイク
ロエレクトロニクス・デバイスが０．０７ミクロンに近
い寸法の特徴を備える場合に特に厄介な大きさである
０．１ミクロンよりも小さな微粒子に干渉し除去するう
えで特に有効である。

【００２９】目標基板３８上の過度の電荷蓄積を放出す
る手段を設けない場合、クラスタ・ビーム３４が存在す
ると表面充電が行われる可能性がある。表面充電によっ
て電位が蓄積すると、ビームが減速し、クラスタの衝撃
エネルギーが低減する。さらに、目標基板３８上の近傍
領域間で電位が変動すると、局部放電が推進され、基板
フィーチャが損傷する恐れがある。本発明の好ましい実
施形態では、中和方法を使用して、正に荷電されたクラ
スタ・ビームにさらされる基板の充電を防止する。図２
を参照するとわかるように、熱電子放出器４４は、好ま
しくは、タンタル、または加熱時に豊富な電子を放出す
るその他の耐火材料で構成され、抽出電極３０の下方に
位置決めされる。熱電子放出器４４は好ましくは、０．
０１０インチないし０．０２０インチ（０．０３ｍｍな
いし０．０６ｍｍ）の範囲の小直径ワイヤで構成され、
管状毛管放出器３２の長手方向軸上に対称的に位置決め
された円として形成される。熱電子放出器４４は、フィ
ラメント電源４６によって加熱し、電子を飛翔経路４２
に沿って発射するのに必要なエネルギーを与える電源４
８によって負に数ボルトだけバイアスさせることができ
る。熱電子放出器４４から逃げる電子は、中和器シール
ド４０に配置された円形開口部を介して出る。クラスタ
・ビームの中和は、ビーム内に電子を捕捉し、正に荷電
された個別のクラスタによって電子を取り込むことによ
って行うことができる。異なる構成と材料を有する、ビ
ームに電子を注入して中和を行う代替手段が存在する
が、本発明の範囲または趣旨から逸脱せずに本明細書で
論じる必要はない。

【００３０】次に、複数のクラスタ・ビームを与えて、
より大きな表面積に衝撃を与えそれを洗浄し、汚染物質
を除去するのに必要な時間を短縮するために、処理装置
の第２の実施形態について説明する。図３は、複数の発
散クラスタ・ビームを生成するために複数の毛管放出器
３２からなる直線アレイを示す。複数の毛管放出器が、
直線状であり、あるいは六角形にパックされ、あるいは
他の何らかの適切な形状に構成されたアレイを形成する
のに、複数の円形穴３５を有する単一の抽出電極３０を
使用することができる。この複数穴抽出電極は、アレイ
を構成する各毛管放出器で強い電界を確立するために必
要な形状を備える。複数のビームの中和は、アレイの直
線寸法に整合するように構成された、単一の毛管放出器
と共に使用される前述の単一の熱電子放出器４４によっ
て行うことができる。＋８ｋＶないし２０ｋＶの範囲、
この実施形態では好ましくは＋１５ｋＶの正の高電圧を
電源１７によって各毛管放出器３２に印加する。アレイ
を構成する個別の毛管放出器は、図３に示したように並
列に配線することができる。

【００３１】複数の毛管放出器３２を使用することの代
替策として、図５に示した直線毛管スリット６２を設け
ることができる。毛管スリットに電圧を印加することに
よって、流体中にスリット縁部に沿って複数の放射部位
が形成され、クラスタまたは微少飛沫の複数のビームが
生成される。流体２１が充填されたスリット・チャネル
６４の好ましい幅は、０．００１インチないし０．００
４インチ程度である。図５で、スロット付き抽出電極６
０は、スリット縁部に強い電界を確立する際に助けとな
る。この構成（図示せず）のビーム中和は、図３でわか
るように電子放出ワイヤ・フィラメントによって行うこ
とができる。

【００３２】図４を参照するとわかるように、ビームを
中和するための新規の手段は、２つ以上の直線アレイを
使用することによって得られる。図４の左側は、電源１
７に平行に配線された複数の毛管放出器３２からなる直
線アレイを示す。電源１７によって正の高電圧が印加さ
れると、正に荷電されたクラスタ・ビームがアレイによ
って生成される。同様に、図４の右側は、電源２３に平
行に配線された複数の毛管放出器３２からなる隣接する
直線アレイを示す。電源２３によって負の電圧が印加さ
れると、負に荷電されたクラスタ・ビームがアレイによ
って形成される。このバイポーラ構成を使用すると、正
に荷電されたクラスタからなるビームと負に荷電された
クラスタとからなるビームを同時に生成することができ
る。ビーム中和は、目標基板３８上の正味電荷蓄積が約
零になるまで、電源１７および２３から印加される正の
電圧および負の電圧を調整することによって行うことが
できる。

【００３３】本発明の代替実施形態では、クラスタ・ビ
ームを合焦させ偏向させることのできるイオン光学系を
与えることができる。ビームを目標基板上の厳密な位置
に正確に位置決めすることによって、隣接する領域を照
射せずに、指定された領域から汚染物質を除去すること
ができる。図６は、単一の毛管放出器３２によって生成
されたクラスタ・ビーム３４を合焦させるために使用さ
れる３要素静電レンズ５０を示す。この構成では、電源
５２によって中央要素レンズ・プレートに合焦電圧を印
加する。印加電圧の極性は、正のクラスタ・ビームを形
成するか、それとも負のクラスタ・ビームを形成するか
に依存する。図６は対称的なＥｉｎｚｅｌアパーチュア
・タイプ・レンズを示しているが、他の種類および形状
の静電レンズを使用して、本発明の範囲または趣旨から
逸脱せずにクラスタ・ビームを制御することができる。
このようなレンズには、スリット、管状シリンダと、非
対称的な形状を有するレンズが含まれる。クラスタ・ビ
ームを基板３８上に厳密に位置決めするための静電偏向
およびラスタリングは、ラスタリング電源５４により可
変電圧または一定の電圧を印加することによって制御さ
れる１組の直交偏向板５６、５８によって行うことがで
きる。

【００３４】本発明の好ましい実施形態の上記の説明
は、図示および説明のために与えたものである。しか
し、上記の説明は、網羅的なものでも、あるいは開示し
た形態のみに本発明を制限するものでもない。当業者な
ら、本発明の趣旨または範囲を逸脱せずに、本発明に多
数の変更および修正を加えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体ウェハなどの表面を洗浄
し、あるいはそのような表面から汚染物質を除去するた
めに使用される荷電されたクラスタを生成するための基
本概念および装置を示す図である。

【図２】後でビームに電子を注入することによって中和
される荷電されたクラスタ・ビームを生成する毛管放出
器を示す図である。

【図３】ビームを中和する熱電子放出フィラメントと組
み合わされた複数の毛管放出器または毛管放出器・アレ
イを示す部分斜視図である。

【図４】ビームを中和する正の毛管放出器と負の毛管放
出器の交番アレイからなるバイポーラ構成を示す斜視図
である。

【図５】荷電されたクラスタ・ビームを生成する直線ス
リット毛管放出器構成を示す斜視図である。

【図６】指定された目標領域にクラスタ・ビームを位置
決めするために合焦および電界偏向を行う関連するイオ
ン光学系を含む毛管クラスタ・放出器の斜視図である。

【符号の説明】

１２調整されたガス１４オンオフ電磁弁１６圧力／真空コントローラ１７、１９、２３電源１８容器２０流体導管２１導電流体２２熱電対２３電源２４フランジ２６ヒータ２７高真空チャンバ３０抽出電極３２毛管放出器

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年６月２３日

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面から汚染物質を除去する装置で
あって、クラスタ・ビームを生成する開口部を有する放出器源
と、表面張力を有する導電流体を空気圧により流体導体を介
して放出器開口部へ送るクラスタ源と、抽出電極自体と前記放出器源との間に電界を生成する抽
出電極とを備え、前記導電流体を前記放出器源開口部へ送ると、前記電界
が表面張力よりも高い静電力を生成し、前記導電流体
が、あるクラスタ・サイズを有する複数のクラスタとし
て噴霧され、前記クラスタが、前記電界によって加速さ
れ前記基板表面に衝撃を与え、さらに、前記クラスタ・ビームに対して電荷を放出し、それによ
って、前記基板表面上の過度の電荷蓄積を防止する中和
源を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】前記放出器源が、直径が約０．００１イ
ンチないし０．００４インチの円形開口部を有する毛細
管であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記放出器源が、約０．００１インチな
いし０．００４インチのギャップ幅を有する毛管スリッ
ト開口部であることを特徴とする請求項１に記載の装
置。
【請求項４】前記放出器源が、直線アレイとして配設
された複数の毛細管で形成されることを特徴とする請求
項１に記載の装置。
【請求項５】前記導電流体を空気圧によって前記放出
器開口部へ送る手段が、加圧されたガスと、真空ポンプと、前記放出器開口部への前記導電流体の流量を自動的に調
整する圧力／真空コントローラとを含むことを特徴とす
る請求項１に記載の装置。
【請求項６】前記電界を付与する手段が、前記抽出電
極および前記放出器源に高電圧を印加する電源手段を含
むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】前記放出器源に結合された前記電源が＋
８ｋＶないし＋２０ｋＶの範囲で変化し、前記抽出電極
に結合された前記電源が０ｋＶないし＋１０ｋＶの範囲
で変化することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】前記クラスタ・サイズが、０．０１ミク
ロンないし０．１ミクロンの範囲の平均直径の周りで分
散することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】前記クラスタの比エネルギーが約１ｅＶ
／核子よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の
装置。
【請求項１０】前記中和源が、電子放出源を備えるこ
とを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】前記電子放出源が耐火金属フィラメン
トであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】前記基板表面から放出された前記汚染
物質がコレクタ源によって捕捉され、前記コレクタ源
が、前記クラスタ・ビームを通過させる開口部を含み、
かつ内部に前記基板表面を含むことを特徴とする請求項
１に記載の装置。
【請求項１３】前記コレクタ源が低温冷却表面である
ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】基板表面から汚染物質を除去する方法
であって、ａ．導電流体を空気圧によって放出器源の開口部へ送る
ステップと、ｂ．前記放出器源に電界を印加して、前記導電流体の表
面張力よりも高い静電力を生成させ、それによって、荷
電されたクラスタのビームを形成するステップと、ｃ．前記ビームに対して電荷を放出し、それによって、
前記基板表面上の電荷蓄積を中和するステップと、ｄ．前記クラスタが前記基板表面に当たるように前記基
板表面を前記ビームの経路に置くステップと、ｅ．前記基板表面上に前記クラスタを当てることによっ
て放出された前記汚染物質を収集するステップとを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】方法が真空チャンバ内で実施されるこ
とを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】中和手段を含み、ａ．互いに隣接しかつ平行に位置決めされた複数の放出
器源の２つの直線アレイを設けるステップと、ｂ．第１のアレイを備える前記放出器源に正の電圧を印
加し、それによって、正に荷電されたクラスタのビーム
を形成し、第２のアレイを備える前記放出器源に負の電
圧を印加し、それによって、負に荷電されたクラスタの
ビームを形成するステップとを含むことを特徴とする請
求項１４に記載の方法。