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枚葉スピン洗浄とは

THEME 02 パターン形成 · 洗浄・ウェット工程Single Wafer Spin Cleaning
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枚葉スピン洗浄とは、ウェーハを1枚ずつ回しながら薬液と超純水をノズルから注ぎ、遠心力で外周へ捨て続ける洗浄方式です。 ウェーハが触れる液は、注いだそばから流れ去ります。

回転は、注いだ液を外周へ運んで捨てる

Section titled “回転は、注いだ液を外周へ運んで捨てる”

枚葉洗浄装置として最も一般的なのはスピンプロセッサで、回っているウェーハへ薬液や純水を吹き付けて洗います1。ウェットステーションのように何十枚も一度に洗う装置はバッチ洗浄装置、1枚ずつ洗う装置は枚葉洗浄装置と呼び分けます。

回転の役目は、乾かすことよりも先に、液を運ぶことにあります。中心付近へ落ちた液は遠心力で外周へ広がり、ウェーハの端から飛び去ります。ノズルが送り込み、回転が捨てるので、表面には常に新しい薬液の薄い膜が乗ります。洗浄という工程を、槽の中の静かな時間から、流れ続ける時間へ組み替えたものが枚葉スピン洗浄です。

槽を共有しないので、汚染が次のウェーハへ持ち回らない

Section titled “槽を共有しないので、汚染が次のウェーハへ持ち回らない”

クロスコンタミネーションは、1つの装置で続けて流す別々のプロセスどうしが、互いの生成物などで相手のプロセス環境を汚すことです2。配線工程で銅の付いたウェーハを洗浄した槽が、後から入る別のウェーハへ銅汚染を生じさせる場合がその例です。

槽の中の薬液は、その日に通ったすべてのウェーハの履歴を抱えます。1枚目が溶かし込んだ金属汚染は槽の中に残留し、50枚目のウェーハも同じ液に浸かります。バッチ式が1枚あたりのコストで有利になる理由と、汚染が持ち回る理由は、どちらも薬液を共有するという一点から来ます。

枚葉スピン洗浄は、この共有を絶ちます。SEAJの技術ロードマップ2012年版は、硫酸と過酸化水素によるSPM洗浄の薬液を、枚葉式あるいはスプレー式の洗浄装置でワンパスで供給すればクロスコンタミネーションを回避できるとしています3。ワンパスは、1回通した液をそのまま排液へ送る供給の仕方です。

同じ液を何枚が浴びるのかで、汚れの行き先が変わります
槽に浸します1枚目が溶かし込んだ金属が槽に残り、後から入るウェーハが同じ液に浸かります薬液槽薬液は全枚で共有されます回しながら注ぎます注いだ液は外周から捨てられ、同じ液を次のウェーハが浴びる経路を絶ちます薬液・超純水回転が液を外へ運びます
槽に浸す洗浄では、1枚目が溶かし込んだ金属が槽に残留し、後から入るウェーハも同じ液に浸かります。枚葉スピン洗浄は注いだ液を外周から捨てるため、同じ液を次のウェーハが浴びる経路を絶ちます。

回転は気流も生み、捨てたミストをウェーハへ戻す

Section titled “回転は気流も生み、捨てたミストをウェーハへ戻す”

回転が作るものは、液の逃げ道と、もう一つ、気流です。回転を使う以上、ウェーハのすぐそばに気流が立ち、これに乗った薬液ミストなどが再びウェーハへ付きます2。対策として、ウェーハの表面および裏面の近くへ円形の板を設ける方法があり、乾燥時にウェーハ近傍を不活性ガスで満たす用途もあります。外へ捨てた汚れが空気の流れで戻ってくる再付着の経路まで、装置の側で潰しにいく構造です。

液の当たり方は、半径ごとに異なります。中心では回転の線速度が小さく、外周では大きくなります。乾燥のRotagoni乾燥法では、300から1000rpmで水平に回すウェーハの中心へ、純水を送る管と、IPA蒸気を含む窒素ガスの吹き出し管とを対で置き、純水ノズルを中心から半径方向へゆっくり移動させ、ガスノズルがそれを追います。ノズルを半径方向へ動かす運転は、どの半径にどれだけ液を当てるかを、時間の配分として作ります。

当てる時間と回数、面内の均一性、持ち方が管理項目になる

Section titled “当てる時間と回数、面内の均一性、持ち方が管理項目になる”

薬液を当てる時間と回数が、最初のつまみです。ソニーが開発した枚葉式スピン洗浄の技術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面へ交互に送ることを繰り返します。この方法で1回の薬液をかける時間は約10秒で、繰り返し回数はウェーハの汚れ具合と狙う清浄度に応じて設定します。微細なパターンのあるウェーハへ適用するため、メガソニックを避けます。

面内のばらつきが、次の計測対象です。SEAJの技術ロードマップは、130nm以降の先端LSIデバイスのレジスト残渣除去で枚葉式洗浄装置の導入が進んだ理由に、パーティクル数、ウェーハ面内のレジスト残渣除去の均一性、酸化膜などLSI構成材料のエッチング量の均一性、再付着の抑制の面でバッチ式より優れているケースを挙げています。枚葉スピン洗浄の現場で監視するのも、この4点です。

ウェーハの持ち方も管理項目に入ります。近ごろはウェーハを持つときに裏面を真空吸着する例が減り、ベベル保持方式へ移ることで装置由来の汚染を最小限へ抑えています。装置がウェーハへ触れる場所は、裏面と端に限られます。触った跡がそのまま欠陥になるため、どこを掴むかが清浄度の設計そのものになります。

代償は時間と薬液で、チャンバの数で払う

Section titled “代償は時間と薬液で、チャンバの数で払う”

枚葉スピン洗浄が差し出すものは、時間と液量です。SEAJの技術ロードマップ2012年版は、レジスト剥離では剥離性能や異物付着レベルを低減できる利点から枚葉化の流れがある一方、薬液の消費量とスループットではバッチ式が上回るため、用途ごとにバッチ式洗浄装置と枚葉式洗浄装置を選び分ける形が続くと見込んでいます。1枚ごとに新しい液を注いで捨てるので、枚数分の液が要ります。1枚ずつ順に流すので、枚数分の時間が要ります。

払い方は、チャンバの数です。SCREENは枚葉式洗浄装置SU-3400で、6段×4タワー構造で最大24チャンバを搭載し、枚葉式洗浄装置として世界最高水準にあたる毎時1,200枚の実用の速さを実現したとしています4。洗浄チャンバを小サイズ化して6段タワー構造の新しいプラットフォームを採用し、SU-3300と同じ24台のチャンバを載せながらフットプリントを30%削減したとしています。ノズルの改良と薬液を循環させる仕組みで薬液の使用量を切り詰め、全自動の気流制御で排気の流量を減らしたことで、装置使用時の環境負荷を20%低減したとも同社はしています。

1枚ずつの遅さを、チャンバの数で払います
1チャンバでは1枚ずつ流れます時間が進みます1枚目2枚目3枚目4枚目同じ枚数を流すのに時間がかかります薬液も1枚ごとに要りますSEAJのロードマップは、薬液の消費量とスループットでバッチ式が上回るとしていますチャンバを積み上げます6段 × 4タワー ＝ 最大24チャンバ実用の速さ1,200枚／時SCREEN SU-34001枚あたりの時間はそのままに、並列に積んで枚数を作ります
枚葉スピン洗浄は1枚ずつ順に流すため、同じ枚数を仕上げる時間と薬液の量ではバッチ式が上回ります。SCREENのSU-3400は6段×4タワーで最大24チャンバを積み、毎時1,200枚の実用の速さを実現したとしています。

1枚ずつだから、材料と工程ごとにレシピを選べる

Section titled “1枚ずつだから、材料と工程ごとにレシピを選べる”

1枚ごとにレシピを組めることは、材料が混ざる工場で価値を持ちます。SCREENのスピンプロセッサSP-2100は、シリコンに加えてSiCやGaN、LiTaO3などの化合物ウェーハへ対応し、ウェーハサイズは76mmから200mmまでを覆います5。チャンバは2種類で、マルチタスクチャンバが高温の強酸による洗浄とエッチングへ対応し、ドライタスクチャンバがウェーハを水洗して高速スピン乾燥を行います。NanosprayやSoftsprayという洗浄ツールを選べ、CMP後の洗浄などのために表面ブラシを搭載できます。

バッチ洗浄装置の利点は、生産性が高く1枚あたりのウェーハのコストが安いことで、枚葉洗浄装置の特長は、多品種少量生産へ向くことです1。洗浄の中にはウェーハを1枚ずつでのみ最適に流せる性格の工程もあり、現実の半導体工場は、コストと目的に応じて2つの方式を場面ごとに使い分けるのが通例です。装置を選ぶ判断は、枚数と品種の掛け算で決まります。

よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
枚葉スピン洗浄とは何ですか？

ウェーハを1枚ずつ回しながら、薬液と超純水をノズルから注ぎ、遠心力で外周へ捨て続ける洗浄方式です。枚葉洗浄装置として最も一般的なのが、回っているウェーハへ薬液や純水を吹き付けて洗うスピンプロセッサです。

槽に浸すバッチ洗浄と、どこが違いますか？

薬液を共有するかどうかが違います。配線工程で銅の付いたウェーハを洗浄した槽は、後から入る別のウェーハへ銅汚染を生じさせることがあり、クロスコンタミネーションの例に挙がります。枚葉スピン洗浄は1枚ごとに新しい液を注いで捨てるため、この持ち回りの経路を絶ちます。

なぜウェーハを回すのですか？

液を運んで捨てるためです。中心付近へ落ちた液は遠心力で外周へ広がり、ウェーハの端から飛び去ります。ノズルが送り込み、回転が捨てるので、表面には常に新しい薬液の薄い膜が乗ります。

現場では何を計測しますか？

パーティクル数、ウェーハ面内のレジスト残渣除去の均一性、酸化膜などLSI構成材料のエッチング量の均一性、再付着の抑制の4点です。SEAJの技術ロードマップは、この4点で枚葉式がバッチ式より優れているケースを挙げています。

枚葉スピン洗浄が差し出すものは何ですか？

時間と薬液の量です。SEAJの技術ロードマップ2012年版は、レジスト剥離で枚葉化が進む一方、薬液の消費量とスループットではバッチ式が上回るため、用途に合わせて2つを使い分けると予想しています。

回転で起きる副作用はありますか？

気流が生じます。回転を使う以上ウェーハのすぐそばに気流が立ち、これに乗った薬液ミストなどが再びウェーハへ付きます。対策として、ウェーハの表面および裏面の近くへ円形の板を設ける方法があります。

どんな装置が市販されていますか？

SCREENの枚葉式洗浄装置SU-3400は、6段×4タワー構造で最大24チャンバを搭載し、毎時1,200枚の実用の速さを実現したとしています。同社のスピンプロセッサSP-2100は、SiCやGaNなどの化合物ウェーハと、76mmから200mmまでのウェーハサイズに対応します。

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