メガソニック洗浄とは

THEME 02 パターン形成 · 洗浄・ウェット工程Megasonic Cleaning

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メガソニック洗浄とは、およそ500キロヘルツから3メガヘルツの超音波を洗浄液へ放射し、液そのものを速く動かしてウェーハ表面の微粒子を落とす洗浄です。台所の超音波洗浄機と同じ原理ですが、泡を作る力をあえて手放した側に振ってあります。それでも、落とす力と壊す力は同じ出力のつまみに乗っています。だから現場の選択は、出力を上げるか、洗浄液を替えて出力を抑えるか、その工程ではメガソニックを外すかの3つになります。

周波数を上げるほど、泡が減って液の加速度が増える

超音波洗浄は、キャビテーション、加速度、物理化学的反応促進作用という3つの相互作用¹で汚れを落とし、作動周波数によって3つの強さに差が出ます。周波数が低いほどキャビテーションが起こりやすく、周波数が高くなるほど加速度が大きくなります。

超音波洗浄の周波数帯

周波数が高い側ほど洗う相手は繊細になり、ウェーハに使うメガソニックは実用範囲の最も高い帯にあります。

実用化されている超音波洗浄機の作動周波数は15キロヘルツから3メガヘルツです²。油汚れの付いたプレス部品や金属加工部品には26キロヘルツから38キロヘルツ、レンズやハードディスクの部品といった精密な相手には70キロヘルツから400キロヘルツ付近を使います。超音波工業会は、液晶ガラスや半導体ウェーハに付いたパーティクルと呼ばれる無機質の汚れの除去には、メガソニックと呼ばれる500 kHz〜3 MHzの洗浄機を用いるとしています²。ここでいう汚れがパーティクルです。

泡の崩壊はウェーハまで侵食するので、メガソニックは加速度で洗う

低い周波数の超音波洗浄では、キャビテーションが汚れを落とします。液体中の微小な泡が膨張と収縮を繰り返しながら真空の泡へ育ち、洗浄物の表面に張り付いたまま崩壊し³、そのときの衝撃波で油汚れなどを除きます。長時間の照射では、硬い洗浄物の表面や振動子の表面まで侵食されるエロージョンが起き、アルミ系やシリコンウェーハの表面に生じる場合もあります。

ウェーハにとって、この衝撃波は諸刃です。カイジョーは、750kHzと950kHzの高周波のメガソニック洗浄は主に加速度で洗い、キャビテーションがほとんど発生しないとし⁴、キャビテーションによるエロージョンや、定在波による洗浄ムラの解決に有効としています⁴。一般的な26キロヘルツの超音波洗浄器が液の中へ放つ音波の加速度はおよそ1000G、950キロヘルツではおよそ100000Gとされています。周波数を上げるほど、泡を育てる力を手放す代わりに、水そのものを速く動かす力を得ます。

装置は、液中に超音波を放射する洗浄用の振動子と、振動子を駆動する発振器でできています²。メガソニックの振動子には、高周波電圧で機械振動を起こすチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の圧電素子³が使われます。出力は発振器の実効電力で表し、測る電力計はJEITA規格AE-4007A（現在の超音波工業会規格USMAJ S-003）に規定されています³。カイジョーは、200kHz以上に対応する同社の装置で0.1Wのパワー設定ができ、ダメージレス洗浄向けの精密な出力制御がしやすいとしています⁴。

出力を上げると、除去率と構造の損傷が一緒に増える

東北大学の平野栄樹らは2013年の論文で、ダイシングソーで20ミリ角に切ったシリコンウェーハと、厚さ1.3マイクロメートル・幅5マイクロメートル・長さ23マイクロメートルと28マイクロメートルの片持ち梁を用意し、パーティクル除去率と微細構造の損傷率を同時に測りました⁵。0.75メガヘルツのメガソニック洗浄では、出力を500ワット以上にすると折れた片持ち梁が見つかり、その損傷は長い方の28マイクロメートルの梁に集中しました。

出力と洗浄液の効き方

梁が無事な400ワットでも、純水では10%程度しか落ちません。洗浄液を替えると同じ出力で80〜90%まで届きます。

損傷が生じずに済む400ワットでは、純水の除去率が10パーセント程度に留まり、希釈したアンモニア過酸化水素水で80パーセント、界面活性剤を加えた水で90パーセントに届きました。論文の結論も、純水のメガソニック洗浄は粒子を落とせても同時に片持ち梁を傷める一方、界面活性剤を溶かした水や希釈したアンモニア過酸化水素水なら、構造を傷めない低い物理エネルギーでも粒子を効果的に除ける⁵というものです。

現場が同時に測るのは、落ちた微粒子の数と、壊れた構造の数です。片方だけを追えば、もう片方が悪化します。出力を上げて除去率を稼ぐか、液の側で稼いで出力を抑えるかという選択が、レシピづくりの中身になります。

槽に浸すか、ノズルで点に当てるかで、音の届き方が変わる

槽式とノズル式

槽では振動面と液面の間で音波が反射して定在波が立ち、洗浄ムラの元になります。ノズルでは流れる純水に音波を乗せ、製品の例では2mmか4mmの点に集めます。

洗浄槽では、液表面と振動面で音波が繰り返し反射して定在波が生じます。周波数変調で定在波の位置を周期的に動かすと、洗浄ムラを減らせます。超音波工業会は、振動子の作動周波数は洗浄液の深さや液温などで常に変わるので、発振器の作動周波数を最適な状態に合わせる必要があるとしています²。カイジョーの装置は、使う液温によって常温（最高50℃）と高温（最高70℃）の2タイプ⁴を用意しています。

メガソニックスクラブは⁶、ノズルの先に発振子を持たせ、高周波の超音波を乗せた純水を点で当てる方式です。SONOSYSのノズルは、内部の振動子が作る音波を純水などの流れる液を通じて基板表面へ伝え⁷、エネルギーを2mmまたは4mmの狭い点に集中させるとしています⁷。周波数は600kHz、1MHz、2MHz、3MHz、4MHz、5MHz、9MHzをそろえ⁷、同社が示す最大出力は発振器100%、35Wモジュールでおよそ270W/cm²です⁷。ダブルノズルでは、組み合わせた2つの周波数を2本の液流で基板上の1点へ同時に当てます⁷。

微細なパターンでは物理力が壊す側に回り、工程ごとに入れるか外すかが分かれる

表面技術協会の1999年の解説は、メガソニックスクラブは洗浄力が高い反面、デバイスが細かくなるにつれて物理的な力がパターンを壊す問題が表に出て、使える工程が限られてきたとしています。同じ解説によれば、微細なパターンが受ける損傷の大きさはパーティクルの除去力と相関し、よく落ちる条件ほど壊れる量も増えます。しかもメガソニックスクラバーは、除去力そのものを加減しにくい方式です。

そこで、工程の側で外す組み方も生まれました。ソニーが開発した枚葉式スピン洗浄のSCROD法は、オゾン水と希フッ酸をジェットノズルから回転中のウェーハへ交互に供給する方法で、微細なパターンのあるウェーハへ適用するためにメガソニックを使わずに組み立てています⁸。希フッ酸洗浄の化学の力で微粒子まで落とし、物理力を持ち込まずに済ませる道です。

逆に、積極的に組み込む洗浄もあります。東北大学の大見教授の研究グループによる室温四工程洗浄は、第2工程で水素溶解水（1.2〜1.6 ppm H2、アンモニア添加でpH 9.3）にメガソニックを使って微粒子を除き⁸、第4工程では水素溶解純水（1.6 ppm H2）とメガソニック照射でFPM液のリンスと水素終端化を進め、自然酸化膜も抑えます⁸。アンモニア過酸化水素水の処理槽におよそ1メガヘルツの超音波を印加すると、化学の力と物理の力が重なって微粒子の落ち方がよくなります。ハイブリッド接合の前のCMP後洗浄でも、ブラシと並ぶ基本の洗い方です。

出力で稼げば構造が折れ、液で稼げば薬液の管理が増える

除去力と損傷は同じつまみに乗ります。出力を上げれば小さな粒まで届く代わりに細い構造が折れる確率も上がり、適用できる工程がパターンの形と高さで先に絞られます。液の側で稼ぐ道を選ぶと、純水だけで済んでいた工程に界面活性剤やアンモニア過酸化水素水が加わり、濃度の維持と廃液の手当てが付いてきます。

装置の消耗と洗浄ムラも付いて回ります。振動子の振動面はエロージョンで痩せ、エロージョンが進むと洗浄効果が下がる場合もあるので、洗浄効果の維持には交換の計画が要ります。作動周波数が液の深さや液温で動くので、発振器の周波数合わせや周波数変調のような対策と、条件を作り直す手間が日常業務になります。

よくある質問（FAQ）

メガソニック洗浄とは何ですか？

およそ500キロヘルツから3メガヘルツの超音波を洗浄液へ放射し、液そのものを速く動かしてウェーハ表面の微粒子を落とす洗浄です。この帯域の洗浄機は、液晶ガラスや半導体ウェーハのパーティクル除去に使われます。

ふつうの超音波洗浄との違いは何ですか？

洗浄の担い手が、泡の破裂から液の加速度へ移ります。周波数が低いほどキャビテーションが起こりやすく、高くなるほど加速度が大きくなるので、メガソニックの帯域では泡の破裂より液の加速度が主になります。

なぜ泡を避けるのですか？

泡の崩壊がウェーハ表面を傷めるためです。長時間の照射では硬い洗浄物の表面や振動子の表面が侵食されるエロージョンが起き、アルミ系やシリコンウェーハの表面に生じる場合もあります。

出力を上げると何が起きますか？

落ちる量とともに、壊れる量も増えます。東北大学の研究グループの2013年の論文では、0.75メガヘルツのメガソニック洗浄で出力を500ワット以上にすると、片持ち梁構造の損傷が観察されました。

出力を下げても微粒子は落とせますか？

洗浄液を替えると落とせます。同じ研究では、損傷が生じずに済む400ワットで、純水の除去率が10パーセント程度だった一方、希釈したアンモニア過酸化水素水では80パーセント、界面活性剤を加えた水では90パーセントに届きました。

どの工程で使いますか？

微粒子を落としたい場面です。東北大学の研究グループによる室温四工程洗浄では、アンモニアを加えた水素溶解水にメガソニックを併用して微粒子を除きます。

メガソニックを外す洗浄もありますか？

あります。ソニーが開発した枚葉式スピン洗浄のSCROD法は、微細なパターンのあるウェーハへ適用するために、メガソニックを使わずに組み立てています。

比較・違いを学ぶ

枚葉式洗浄（シングルウェハ洗浄）とは── メガソニックを組み込むか外すかを選べる装置の形
RCA洗浄とは── メガソニックを併用する相手になる薬液のレシピ
パーティクルとは── メガソニックが落とそうとしている相手そのもの

出典

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