清洗装置及清洗方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一边向旋转的半导体晶片等衬底的表面提供清洗液一边清洗衬底的清洗装置以及清洗方法。
【背景技术】
[0002]在半导体晶片等衬底的制造过程中，包含对形成于衬底上的金属等的膜进行研磨的研磨工序，在该研磨工序之后，进行用于除去作为研磨肩的微小颗粒物的清洗。例如，在用金属填埋形成于衬底表面的绝缘膜内的布线槽而形成布线的镶嵌(damascene)布线形成工序中，在形成镶嵌布线后通过化学机械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)而除去衬底表面的多余的金属。在CMP后的衬底表面上，由于存在CMP所使用的浆料的残渣(浆料残渣)和金属研磨肩等的颗粒物(缺陷(defect))，所以需要通过清洗除去它们。
[0003]若由于衬底表面的清洗不充分而在衬底表面残留了残渣物，则会从衬底表面的残留有残渣物的部分产生泄露(leak)、成为紧贴性不良的原因等在可靠性方面成为问题。因此，需要以较高清洗度清洗露出了金属膜、阻挡膜、及绝缘膜等的衬底表面。近年来，伴随着半导体器件的精细化，应当除去的颗粒物的直径变小，所以对清洗的要求也变得严格。
[0004]作为CMP装置内的研磨后的清洗方式，已知有使用了滚动清洗部件的清洗、使用了笔形(pencil)清洗部件的清洗、使用了双流体喷嘴的清洗等。在这些清洗中，使衬底绕其中心轴旋转，同时对衬底的表面(上表面)提供药液和冲洗液(以下，将药液及冲洗(rinse)液统括地称为“清洗液”。)。另外，在这些清洗中，在进行使滚动清洗部件、笔形清洗部件、双流体喷嘴发挥作用而进行的清洗(药液清洗)后，作为清洗液至少提供冲洗液，进行在不使滚动清洗部件、笔形清洗部件、双流体喷嘴发挥作用下进行的清洗(冲洗清洗)。
[0005]作为对衬底的表面提供清洗液的方法，已知有从单管喷嘴排出清洗液而使清洗液着落于衬底表面的方法、从喷雾式喷嘴喷出雾状的清洗液而使清洗液着落于衬底表面的方法、从多孔管喷嘴(棒(bar)式喷嘴)排出清洗液而使清洗液着落于衬底表面的方法等。提供至衬底的表面的清洗液受到由衬底旋转所产生的离心力，而朝向衬底的外周流动。此外，着落于衬底之后的清洗液的流动不仅受该离心力的影响，而且在衬底的表面着落之前清洗液向与衬底的表面平行的方向在衬底的表面流动的情况下受其流动的惯性的影响，在衬底的表面倾斜的情况下，受重力的影响，另外，清洗液与衬底的表面的接触角也成为决定清洗液的流动的重要因素。
[0006]当与是药液清洗还是冲洗清洗无关，在衬底的一部分上具有清洗液的流动较少的部位或清洗液沉淀的部位时，浆料残渣和/或金属研磨肩等颗粒物等残留在该部分中，从而清洗变得不充分。因此，希望清洗液在衬底的整个半径均匀地流动。
[0007]此外，作为与本发明相关的现有技术，存在以下的现有技术文献。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献I日本专利第4007766号公报
[0011]专利文献2日本特开平11-47665号公报
【发明内容】
[0012]伴随着近年来的半导体器件的精细化，对清洗装置中的清洗度的要求也变高。然而，在现有的清洗装置中，微小的颗粒物(例如，65nm以下的颗粒物)的除去极其困难。尤其是，当衬底的直径为现在主流的300mm至将来的450mm时，衬底的一部分中这样的不充分的清洗变得显著。
[0013]将使水平平置的衬底旋转而对衬底表面进行冲洗清洗的情况作为例子说明不容易除去微小颗粒物的问题。在除去残留颗粒物及残留药液的冲洗清洗中，当采用从单管喷嘴排出冲洗液而使冲洗液着落于衬底表面的方法而使从单管喷嘴排出的冲洗液着落于衬底的中心附近时，在中心附近得到较高的清洗度，但颗粒物残留在衬底的中心附近的外侧。另一方面，当使从单管喷嘴排出的冲洗液着落在衬底半径的一半时，虽然在着落位置得到较高的清洗度，但颗粒物残留在其以外的部位。即，在使用单管喷嘴提供冲洗液的情况下，虽然在着落位置的周边良好地进行冲洗清洗，但基于液体向衬底上的其他部位漫延的冲洗效果较小。
[0014]另外，当从单管喷嘴排出的冲洗液以高角度着落于衬底表面时，衬底表面为铜布线或low-k膜那样的脆弱的表面的情况下，受到因从单管喷嘴排出的冲洗液的着落而导致的损伤，在着落位置(例如，中心附近)产生缺陷。
[0015]另一方面，在从衬底外侧上方的喷雾式喷嘴喷出雾状的清洗液而使清洗液着落于衬底表面的方法或/和从多孔管喷嘴(棒式喷嘴)排出冲洗液而使冲洗液着落于衬底表面的方法中，由于是基于平置旋转机构进行的排出，所以通过离心力而朝向衬底外周排出除去的颗粒物和/或残留药液，但由于着落区域在从中心到外周的范围内较宽广，所以在该着落区域着落的冲洗液妨碍除去的颗粒物或/和残留药液的基于离心力而产生的朝向外周的移动，并向内侧推回。
[0016]另外，在中心部，由于清洗液通过离心力迅速地向外周移动，所以与中心附近以外的通过旋转而清洗液漫延的区域相比较，冲洗效率变低。而且，关于基于喷雾式喷嘴或多孔管喷嘴的区域着落，到着落之前，冲洗液所接触的空气的量变多，提高了原本以较低的氧浓度(例如，< 1ppb)从工厂提供至CMP装置内的冲洗液(例如，超纯水)的氧浓度(例如，4.0ppm = 4000ppb)，导致衬底的表面的铜等氧化。
[0017]以上的问题并不局限于上述的例子中说明的冲洗清洗，在药液清洗中也能同样产生。
[0018]本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，在一边对旋转的半导体晶片等衬底的表面提供清洗液一边清洗衬底的清洗装置中，通过使清洗液在衬底的整个半径中流动而使清洗度提高。
[0019]本发明的清洗装置具有如下结构:具有:保持衬底并使上述衬底的中心轴作为旋转轴而使上述衬底旋转的衬底旋转机构；朝向保持于上述衬底旋转机构的上述衬底的上表面排出第I清洗液的第I单管喷嘴，上述第I单管喷嘴以上述第I清洗液着落于上述衬底的中心的近前，着落的上述第I清洗液在上述衬底的上表面朝向上述衬底的中心流动的方式排出上述第I清洗液，从上述第I单管喷嘴排出的上述第I清洗液着落后在上述衬底的上表面的液流通过上述衬底的中心。通过该结构，由于在衬底的中心部，通过从第I单管喷嘴排出的清洗液的在与衬底水平方向上的流动的惯性力使清洗液流动，在衬底的中心部的外侧，通过基于衬底的旋转的离心力，使清洗液朝向衬底的外周流动，所以能够使清洗液在衬底的整个半径流动。
[0020]在上述清洗装置中，可以是，上述第I单管喷嘴的排出方向相对于上述衬底的上表面的入射角为45度以下。通过该结构，能够充分地得到从第I单管喷嘴排出的清洗液的在与衬底水平方向上的流动的惯性力。
[0021]在上述清洗装置中，可以是，从上述第I清洗液的向上述衬底的着落位置至上述衬底的中心的距离比上述衬底的半径的三分之一小。通过该结构，着落后的衬底的上表面的液流能够可靠地通过衬底的中心。
[0022]在上述清洗装置中，可以是，还具有朝向保持于上述衬底旋转机构的上述衬底的上表面喷雾第2清洗液的喷雾式喷嘴，可以同时进行基于上述第I单管喷嘴的上述第I清洗液的排出和基于上述喷雾式喷嘴的上述第2清洗液的喷雾。通过该结构，能够更可靠地使清洗液在衬底的整个半径流动。
[0023]在上述清洗装置中，可以是，上述第2清洗液的着落位置与上述第I清洗液的着落位置相比位于上述衬底的旋转方向的上游侧。通过该结构，基于喷雾式喷嘴的清洗液的着落位置位于通过了衬底的中心的第I清洗液的下游，第I清洗液通过离心力从衬底的外周排出，在第I清洗液变少的位置，能够通过喷雾式喷嘴提供第2清洗液。
[0024]在上述清洗装置中，可以是，上述喷雾式喷嘴中喷雾量为最大的喷雾量最大方向从喷雾中心偏移而靠近上述衬底的中心。通过该结构，能够通过喷雾式喷嘴向靠近衬底中心的位置提供更多的第2清洗液。
[0025]在上述清洗装置中，可以是，上述喷雾式喷嘴在上述衬底的半径的大致全长范围内喷雾上述第2清洗液，上述喷雾量最大方向可以朝向上述衬底的中心或者中心附近。通过该结构，防止或减少如下情况:基于喷雾的第2清洗液朝向衬底的中心的流动与在衬底的中心部第2清洗液基于离心力而朝向衬底的外周的流动碰撞，导致第2清洗液在衬底的中心部沉淀这样的情况，从而第2清洗液从衬底的中心部朝向外周流动。
[0026]在上述清洗装置中，可以是，还具有朝向保持于上述衬底旋转机构的上述衬底的上表面排出第3清洗液的第2单管喷嘴，上述第2单管喷嘴可以以上述第3清洗液超过上述衬底的中心着落，并从着落位置朝向上述衬底的外周流动的方式排出上述第3清洗液，从上述第3清洗液的着落位置至上述衬底的中心的距离比从上述第I清洗液的着落位置至上述衬底的中心的距离大，上述第3清洗液的着落位置也可以从上述第I清洗液的着落位置位于上述衬底的旋转方向的下游侧。通过该结构，能够以不妨碍第I清洗液的衬底的表面上的流动的方式，用第2单管喷嘴向衬底上提供第3清洗液。
[0027]可以是，上述清洗装置还具有在上述衬底的直径的大致全长范围内直线状地延伸，一边绕与上述衬底平行的中心轴自转一边与上述衬底的上表面滑动接触的滚动清洗部件，可以是，上述第I单管喷嘴使上述第I清洗液着落于上述滚动清洗部件的滚动卷入侧区域。通过该结构，能够使在滚动清洗中需要的清洗液在衬底的整个半径流动。
[0028]在上述清洗装置中，可以是，上述第I单管喷嘴的排出方向与上述滚动清洗部件的延伸方向所成的角度在俯视下为90度±30度。通过该结构，第I清洗液进入滚动清洗部件之下并进入滚动推出侧区域，通过衬底旋转而被提供至反向清洗区域，所以能够提高反向提供区域的基于清洗液的清洗性。
[0029]可以是，上述清洗装置还具有向位于上述滚动清洗部件的滚动推出侧区域的上述滚动清洗部件的表面直接提供第4清洗液的喷嘴。通过该结构，由于第4清洗液直接提供至滚动清洗部件，所以滚动清洗部件以含浸第4清洗液的状态在清洗区域与衬底滑动，能够提高基于清洗液的清洗性。
[0030]可以是，上述清洗装置还具有笔形清洗部件，其支承于臂的前端部，绕与上述衬底垂直的中心轴自转并且通过上述臂的转动从上述衬底的中心至外周范围，一边与上述衬底的上表面滑动接触一边移动，可以是，上述第I单管喷嘴使上述第I清洗液着落于与上述笔形清洗部件的移动轨迹相比的上述衬底的旋转方向的上游侧。通过该结构，能够使在笔形清洗中需要的清洗液在衬底的整个半径流动。
[0031]可以是，上述清洗装置还具有:笔形清洗部件或双流体喷射喷嘴，其支承于臂的前端部，通过上述臂的转动从上述衬底的中心到外周范围内移动；臂上清洗液提供喷嘴，其设于上述臂上，在上述笔形清洗部件或上述双流体喷射喷嘴的附近向上述衬底的上表面提供清洗液。通过该结构，能够向清洗部位提供新鲜的清洗液。
[0032]在上述清洗装置中，可以是，上述臂上清洗液提供喷嘴以朝向基于上述笔形清洗部件或上述双流体喷射喷嘴的上述衬底的清洗部位提供清洗液的方式倾斜。通过该结构，清洗液能够向朝向清洗部位的方向流动，向清洗部位提供清洗液。
[0033]在上述清洗装置中，可以是，在上述臂的前端部支承有上述笔形清洗部件的情况下，上述臂上清洗液提供喷嘴相对于上述笔形清洗部件设于上述衬底的旋转方向的上游侦U。通过该结构，提供至衬底的上表面的清洗液通过衬底的旋转被输送，提供至衬底与笔形清洗部件滑动接触的清洗部位。
[0034]在上述的清洗装置中，可以是，在上述臂的前端部支承有上述双流体喷射喷嘴的情况下，上述臂上清洗液提供喷嘴相对于上述双流体喷射喷嘴设于上述衬底的旋转方向的下游侧。通过该结构，由于提供至衬底的上表面的清洗液通过衬底的旋转，向从来自双流体喷射喷嘴的喷射流与衬底的上表面碰撞的清洗部位远离的方向输送，所以在清洗部位中清洗液不形成较厚的层，能够减少基于垫层效果的清洗力的降低。
[0035]在上述清洗装置中，可以是，上述臂上清洗液提供喷嘴与基于上述笔形清洗部件或上述双流体喷射喷嘴的上述衬底的清洗部位相比设于靠近上述衬底的中心的位置。通过该结构，从臂上清洗液提供喷嘴提供的清洗液通过基于衬底的旋转的离心力，在朝向清洗部位或清洗部位的附近后，顺畅地朝向衬底的半径方向的外侧流动，从衬底的外缘排出。
[0036]本发明的其它方式的清洗装置具有如下结构:具有:衬底旋转机构，其保持衬底并将上述衬底的中心轴作为旋转轴而使上述衬底旋转；喷雾式喷嘴，其朝向保持于上述衬底旋转机构的上述衬底的上表面扇状地喷雾第2清洗液，在上述喷雾式喷嘴中喷雾量成为最大的喷雾量最大方向从喷雾中心偏移而靠近上述衬底的中心。通过该结构，能够通过喷雾式喷嘴而向靠近衬底的中心的位置提供更多的第2清洗液，在与衬底的中心部相比的外侧，通过衬底的离心力使第2清洗液朝向衬底的外周流动，所以第2清洗液能够从衬底的中心部向外周部流动。
[0037]本发明的又一方式的清洗装置具有如下结构:具有:衬底旋转机构，其保持衬底并将上述衬底的中心轴作为旋转轴而使上述衬底旋转；第I单管喷嘴，其朝向保持于上述衬底旋转机构的上述衬底的上表面排出第I清洗液；喷雾式喷嘴，其朝向保持于上述衬底旋转机构的上述衬底的上表面喷雾第2清洗液，同时进行基于上述第I单管喷嘴的上述第I清洗液的排出与基于上述喷雾式喷嘴的上述第2清洗液的喷雾。通过该结构，由于同时进行基于单管喷嘴的清洗液的排出与基于喷雾式喷嘴的清洗液的喷雾，所以能够提高在衬底的整个半径的清洗液的流动性，能够实现较高的清洗度。
[0038]本发明的清洗方法是将衬底的中心轴作为旋转轴而使上述衬底旋转，朝向上述衬底的上表面排出第I清洗液的清洗方法，具有如下构成:上述第I清洗液着落于上述衬底的中心的近前，着落后的上述衬底的上表面的液流通过上述衬底的中心。通过该构成，在衬底的中心部中，清洗液通过从第I单管喷嘴排出的清洗液的在与衬底水平方向上的流动的惯性力而流动，在衬底的中心部的外侧，清洗液通过基于衬底的旋转的离心力而朝向衬底的外周流动，所以能够使清洗液在衬底的整个半径流动