KR0160168B1 - 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

기판을 세정하기 위한 에어로졸 스프레이 장치는 노즐 헤드를 구비한 에어로졸 생성 수단을 포함한다. 상기 노즐 헤드는 회전가능한 홀더에 의해서 지지되는 기판에 대해 선택된 근접위치 및 방향으로 배치된다. 에어로졸 스프레이는 기판으로부터 입자를 전위시키고, 또한 기판의 회전은 분리된 입자를 제거시키는데 도움을 준다. 에어로졸 세정 방법은 기판을 사전선택된 속도로 회전시키는 단계와, 기판으로부터 입자의 제거를 도와주도록 상기 회전과 연합하여 에어로졸 제트를 스프레이시키는 단계를 포함한다.

Description

기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법

제1도는 본 발명에 따른 에어로졸 세정 방법 및 장치의 바람직한 일 실시예를 형성하는 블록도.

제2a도 내지 제2c도는 기판 회전과 에어로졸 스프레이 적용을 조합한 여러가지 방법의 실시예를 나타낸 도면.

제3도는 에어로졸로부터의 고체 입자가 기판상의 이물질에 충격을 가하는 형태를 나타내는 개략도.

제4도는 방출된 입자의 궤적과, 기판위에서의 방출된 입자의 수평방향 이동거리에 관한 수평방향(평면내) 순간 속도의 증가 영향을 나타내는 개략도.

제5도는 회전하는 기판상의 입자가 받는 게산된 수평방향 힘(calculated horizontal force)을 나타내는 그래프.

제6a도 내지 제6e도는 회전하는 기판상의 입자를 불어내기 위한 본 발명의 에어로졸 스프레이 헤드 장치의 여러가지 실시예를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 에어로졸 장치 105,400,420 : 스프레이 노즐 헤드

110 : 기판 홀더 115 : 가열 수단

112 : 회전 수단 200 : 밀폐체

210 : 오염입자 220 : 기판(웨이퍼)

500 : 에어로졸 스프레이 표면 플레이트

본 발명은 기판의 세정에 관한 것으로, 특히 마이크로일렉트로닉 부품 및 조립체의 제조에 사용할 수 있는 에어로졸 제트 세정에 관한 것이다.

기판의 표면으로부터 원하지 않은 이물질(foreign materials), 처리 잔류물(process residues), 입자(particles) 등[이하, 오염입자(contaminant particles)로 칭함]을 제거하는 것은 마이크로일렉트로닉 제품을 제조하는 데에 있어서 부품의 수율(yield) 및 신뢰성(reliability)에 대단히 중요한 것이다. 본 명세서에서 사용되는 기판(substrate)이란 용어는 반도체 웨이퍼, 세라믹 기판(ceramic substrates), 인쇄 회로 기판(printed circuit boards), 디스플레이 패널(display panels), 디스플레이(displays), 디스크(disks) 및 기타 조립체를 포함한다. 마이크로일렉트로닉 제품의 제조시에 오염입자는 제조 공정에 사용되는 공구(tools), 조작자(operators) 및 처리공정을 비롯한 주변환경으로부터 발생되는 것으로 인식되어 왔다. 공기중의 입자를 제거하기 위한 필터(HEPA 필터) 및 송풍기(blower)를 갖춘 제조실의 사용과, 청정실 의복의 사용과, 화학 세정제 및 미립자의 발생을 감소시키도록 설계된 장비를 이용한 공정의 사용에도 불구하고, 공정, 취급 및 저장 중에 소정량의 오염입자가 기판상에 생성되는 것을 방지하는 것은 지금까지 불가능하였다. 그러므로, 오염입자의 양을 감소시키기 위해 소정 공정 사이에서 기판을 세정시키는 것이 일반으로 행해지고 있다. 습식 세정(wet cleaning)이 가장 광범위하게 사용되고 있으며, 이 습식 세정은 탈이온수(de-ionized water) 또는 알콜[IPA-이소프로필 알콜(iso propyl alcohol)]을 사용하여 기판을 다수회 헹구고 스프레이하여, (점착력을 극복하여) 입자를 제거한다. 오염입자를 제거하는 데에 있어서 제1단계는 기판의 표면에 대한 오염입자의 점착력을 극복하는 것이다.

기판에 대한 오염입자의 점착력은 오염입자의 크기 및 관련된 점착력의 성질, 즉 점착력이 화학적인 힘 또는 물리적인 힘중 어느 것으로부터 유래하는가에 따라 달라질 수 있다[M.B. Ranade의 Aerosol Science and Technology 7권(1987) 167 내지 176 페이지 참조]. 화학적인 힘은 오염입자와 기판 사이의 원자가(valence) 또는 코어 전자(core electrons)의 상호작용/교환을 수반한다. 물리적인 점착력은 마이크로일렉트로닉스에서 기판에 대한 오염입자의 점착에 가장 일반적이며, 보통 반데스 발스형 교환력 또는 정전기력(van der wall type exchange or electrostatic forces)이다. 이러한 힘은 상당히 클수 있으며, 또한 이들의 강도(strength)는 중력 강도의 수 배가 될 수 있다. 점착력이 주로 정전기적 성질에 의한 경우에는, 선택된 화학 용액을 종종 사용하여 표면 전하(surface charges)를 중화시켜서 정전기적 점착력을 감소시킨다. 화학적으로 결합된 오염입자는 고체의 결합 에너지에 비하여 보다 큰 점착 에너지를 갖는다. 화학적으로 결합된 오염입자는 대부분의 세정 기법(cleaning techniques)에 의해 제거하기가 어려우며, 스퍼터링에 의해 제거하거나 또는 용매(solvent)에 의해서 용해할 필요가 있다. 물리적으로 결합된 오염입자는 일반적으로 충돌하는 기체, 유체 또는 고체로부터의 운동량 전달(momentum transfer)에 의해서 이동될 수 있는데, 이것은 스프레이 세정(spray cleaning), 초음파 세정(ultrasonic cleaning) 및 에어로졸 세정(aerosol cleaning)에서 사용되는 개념이다. 운동량 전달을 활용하는 처리중에서, 에어로졸 세정이 오염입자를 제거시키는 데에 가장 효과적이라는 것을 발견하였다. 이것은 미국 특허 제 5,062,898호에 개시되어 있다. 사용되는 에어로졸은 주로 어떤 기체 또는 액체와 혼합된 고체 입자(solid particles)이다. 고압으로 예비냉각된 기체/액체는 오리피스를 통과하여 팽창되고, 주울-톰슨 효과(Joule-Thompson effect)로 인하여 기체/액체는 더욱 냉각되어, 결과적으로 응축된 고체 입자가 형성된다. 제트(jet)내의 고체 및 기체/입체 입자의 혼합물은 기판을 고속으로 블라스트(blast)하는데 사용된다.

일반적으로, 소형 입자를 제거시키는 것이 더욱 어려운데, 이는 점착력은 입자의 크기에 따라 오직 선형적으로 감소되는 반면, 점착력을 극복하기 위해서 가해질 수 있는 힘은 입자의 면적(제곱) 또는 용적(3제곱)에 따라 감소되기 때문이다. 주로 발생하는 인가되는 힘은 중력(gravity)이며, 이 중력은 입자의 용적에 따라 변한다. 따라서, 인가된 힘이 점착력에 비하여 입자 크기에 따라 급격히 감소되므로, 입자를 제거하는 작업을 매우 어렵게 한다. 또한, 블라스팅 작동/세정 작동 동안에 경계층(boundary layer)이 형성되는 것에 의해, 입자에 대한 인가된 힘 결합 효과를 감소시키게 된다. 기판이 유체를 함유한 매체에 의해서 또는 유체 형성 분위기 내에서 블라스트될 때, 경계층이 기판 표면상에 형성된다. 보통 경계층은 충돌하는 기체/액체 또는 기판의 표면상에 존재하는 기상(氣相)/액상(液相) 층(gaseous/liquid layer)으로 구성된다. 오염입자의 크기가 서브미크론의 입자(sub-micron particles)의 경우와 같이 경계층의 두께정도일 때, 경계층은 서브미크론의 입자를 고압의 기체 또는 액체 스프레이의 충돌로부터 효과적으로 차단한다. 그러나, 에어로졸 세정에 있어서, 에어로졸내의 고체 입자/경질 입자(solid/hard particles)(냉동 입자)는 기판의 표면 경계층을 통과하여 오염입자와 충돌할 수 있다. 입자의 충돌로 인한 동적인 충격(dynamic impact)은 오염입자의 점착력을 극복하는 매우 큰 힘을 가할 수 있다. 이러한 힘은 충격 에너지의 제1차 시간 도함수이다. 고압 에어로졸내의 고체 입자는 음속(sound velocity)에 근접한 속도로 추진되고, 에어로졸 입자와 오염입자 사이의 운동량 전달은 수분의 1초내에 완료되므로, 오염입자상에 상당한 힘이 순간적으로 가하여져서 오염입자의 점착력을 극복하게 된다.

에어로졸 세정의 사용에 대한 몇가지 양태(aspects)가 다음 미국 특허에 개시되어 있다. 이들 특허에 개시된 특징은 대체로 조성물(composition), 장치(apparatus) 및 세정 응용예를 포함한다.

미국 특허 제 4,617,064호는, CO₂펠릿(pellets)이 고압 CO₂캐리어 기체(carrier gas)에 의해서 추진되고, 노즐(nozzle)에 세정 대상물위에 수동으로 배향되는, 입자 블라스트 세정 장치(particle-blast cleaning apparatus)에 대해 개시하고 있다.

미국 특허 제 4,747,421호는 미세한 CO₂입자를 사용하여 기판으로부터 포토레지스트 필름(photo-resist film)을 제거시키기 위한 장치에 대해 개시하고 있다. 이 기판은 미끄럼 이동가능한 로드(slidable rod)에 부착되어, 미끄럼 운동 및 회전 운동에 의해 고정 노즐에 대해 이동된다. 또한, 이 특허에는 기판에 대한 제트(jet)의 45°배향이 90°배향보다 훨씬 효과적이라고 언급되어 있다.

미국 특허 제 4,974,375호는 아이스 입자의 제트(jet of ice particles)를 사용하여 기판을 세정하는 장치에 대해 개시하고 있다. 기판은 지지 테이블에 의해 거의 직각으로 지지되고, 상기 지지 테이블은 모터에 의해 회전되며, 그에 따라 아이스 입자가 기판의 전체 표면위에 균일하게 충돌하게 되어 기판의 표면을 균일하게 세정할 수 있다.

미국 특허 제 5,035,750호에는 가압 질소 가스에 의해서 추진되는 냉동 아이스 입자를 반도체 웨이퍼의 표면에 블라스팅하는 것에 의하여 반도체 웨이퍼를 세정하는 것이 개시되어 있다. 반도체 웨이퍼는 컨베이어 벨트(conveyor belt)에 의해서 이동된다.

미국 특허 제 5,062,898호는 마이크로일렉트로닉 부품을 세정하기 위한 아르곤 에어로졸 제트의 사용에 대해 개시하고 있다.

미국 특허 제 5,147,466호는 미세한 냉동 입자를 표면에 대해 블라스팅하는 것에 의하여 표면을 세정하는 방법을 개시하고 있으며, 상기 냉동 입자의 경도는 상이한 에어로졸 물질의 사용에 따라 선택된다.

1992년 10월 9일자로 출원되고 1992년 12월 14일자로 특허 허여된 미국 특허출원 제 07/958,417호는 저온 에어로졸(cryogenic aerosol)을 사용하는 세정 장치에 관한 것이다. 이 세정 장치는 노즐과, 상기 노즐을 수납하는 세정 챔버(cleaning chamber)와, 웨이퍼를 지지하고 기판 표면의 전체를 스프레이하도록 상기 웨이퍼를 에어로졸 스프레이에 대해 선형 및 곡선 형태로 이동시키는 기판 홀더(substrate holder)와, 이동된 입자가 기판의 다른 부분상에 다시 부착되지 않도록 이들 입자를 쓸어내는데 도움을 주는 캐리어 기체(carrier gas)를 포함한다. 따라서, 이 특허의 특징은 오염입자를 세정 대상 기판의 부근으로부터 효과적으로 이동하고 제거하는 것에 초점이 맞추어져 있다. 상기 장치의 캐리어 기체 특징은 설계 및 작동하는 데에 비용이 많이 든다.

따라서, 종래 기술의 에어로졸 세정 장치 및 방법의 결점을 극복해야 할 필요가 있다. 종래의 에어로졸 세정 장치의 단점중 하나는 유리된 입자(loosened particles)를 기판상의 에어로졸 스프레이(aerosol spray)로부터 효과적으로 제거할 수 없으므로, 기판에 대한 오염입자의 점착력을 극복함과 아울러 오염입자가 세정되는 기판에서 제거될 수 있도록 충분한 운동량을 부여하는 에어로졸 스프레이가 필요하다는 것이다. 공기중의 오염입자를 멀리 운반하기 위해 질소 캐리어 기체를 사용하는 것은 공기중의 작은 오염입자에만 효과적이며, 이것은 또한 오염입자가 먼저 기판에서 추출될 것이 요구된다. 고유속(high flow rates)의 질소를 사용하면 비용이 많이 들게 된다. 종래 기술의 에어로졸 세정 방법의 다른 단점은, 오염입자를 기판의 한 단부로부터 다른 단부까지 쓸어내기 위해서 기판을 선형적으로 전후로 다수회 스프레이에 통과하도록 해야 할 필요가 있다는 것이다. 이것은 시간이 많이 소요되고 또한 에어로졸 세정 장치의 생산성을 저하시킨다. 종래의 에어로졸 세정 장치의 또다른 일반적 결점은, 오염입자에 수평방향 속도를 부여하기 위해서 에어로졸 입자의 운동량의 일부를 사용할 필요가 있다는 것이다. 이것은 에어로졸 충격 에너지(aerosol bombardment energy)가 오염입자의 점착력만을 극복하기 위해 최적화될 수 없다는 것을 의미한다.

본 발명의 특징은 기판의 세정에 에어로졸 스프레이를 사용하는 단순하면서도 효과적인 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 특징은 세정 장치의 복잡성을 가중시키지 않고 기판으로부터 공기중의 오염입자를 효율적으로 제거시키기 위한 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 기판상의 입자를 이동시키는데 있어서 에어로졸 제트(aerosol jets)의 유효성을 향상시키는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 마이크로일렉트로닉스 산업(micro-electronics industry)에 있어서 기존의 제조 관행과 호환가능한 개선된 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

기판을 세정시키기 위한 에어로졸 세정 장치는 노즐 헤드(nozzle head)를 구비한 에어로졸 생성 수단(aerosol producing means)을 포함한다. 상기 노즐 헤드는, 회전가능한 홀더(rotatable holder)에 의해서 지지되는 기판에 대해 선택된 근접위치 및 배향으로 배치된다. 에어로졸 스프레이는 기판으로부터 입자를 이동시키며, 또한 기판의 회전은 유리된 입자의 제거를 돕는다.

에어로졸 세정 방법은 기판을 사전선택된 속도로 회전시키는 단계와, 기판으로부터 입자의 제거를 돕도록 상기 회전과 함께 에어로졸 제트를 스프레이시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 장점은 첨부한 도면에 도시된 본 발명에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

제1도는 본 발명의 에어로졸 세정 장치/방법을 개략적으로 도시한 다이어그램이다. 에어로졸 장치(100)는 기체 및/또는 액체의 공급원, 예비냉각/가압 장치(precooling/pressurizing equipment), 불순물 트랩(impurity traps), 절연된 이송 파이프 등과 같은 에어로졸을 생성하기 위해 사용되는 종래의 부품을 포함한다. 에어로졸을 생성하기 위한 스프레이 노즐 헤드(spray nozzel head)(105)는 별도로 도시되어 있다. 스프레이 노즐 헤드(105)는 에어로졸 장치(100)에 일체로 연결된다. 고압으로 예비냉각된 기체/액체는 스프레이 노즐 헤드(105)의 구멍을 통해 팽창되어, 제트 스프레이의 주울 톰슨 냉각(Joule Thompson cooling)에 의해 고체 입자를 핵형성시킨다. 스프레이는 기판 홀더(substrate holder)(110)에 의해서 지지되는 기판상으로 배향된다. 가열 수단(115), 바람직하게는 가열 램프(heat lamp)는, 사전선택된 시간에서 스프레이 세정동작 및 기판의 회전동작과 연관되어, 온(ON) 또는 오프(OFF)되도록 기판 홀더(110)와 전기적으로 연동되어 있다. 가열 램프의 방사(radiation)는 전체 웨이퍼를 가열시킬 수 있거나 또는 바람직하게는 웨이퍼의 한 세그먼트(segment)에 집중될 수 있다. 기판 홀더(110)는 기계적인 클램프(mechanical clamp), 진공 클램프 또는 정전기적인 척(electrostatic chuck)과 같은 다양한 홀더중 하나 일 수 있다.

기판 홀더(110)는 프로그램가능한 회전 수단(112), 예를 들어 기어 및 벨트를 직접 또는 간접적으로 사용하는 프로그램가능한 모터에 의해서 사전선택된 속도 및 지속시간 동안 구동된다. 제2a도 내지 제2c도에 도시된 바와 같이, 기판 홀더의 회전과 에어로졸 스프레이 블라스트 동작은, 서로에 대해서 순차적으로 또는 동시적으로 조절되도록 프로그래밍될 수 있으며, 또는 순차적인 및 동시적인 회전과 스프레이 블라스트의 조합도 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 당업자에 의해서 다른 회전/스프레이의 조합도 인식되고 실시될 수 있다. 제2a도 내지 제2c도는 기판의 회전을 그래프로 표시한 것이며, 여기서 w1, w2, w3 및 w4는 임의 시간 스케일(arbitrary time scale)(x축)에 대한 회전 속도를 나타낸다. 점선은 기판이 회전하는 동안 에어로졸 스프레이가 적용되는 시간을 표시한 것이다. 제2c도는, 기판의 회전 속도가 천천히 증가되는 동안에 에어로졸 스프레이가 활성화되고, 그 다음에 에어로졸 제트 스프레이 없이 웨이퍼 기판을 고속으로 회전시켜, 에어로졸 스프레이에 의해 유리된 입자를 제거하는 경우를 나타낸 것이다. 제2b도는 저속/고속의 회전 사이클을 사용한 것으로, 에어로졸 스프레이는 저속으로 회전하는 동안에만 기판상에 가해진다. 제2a도는 보다 단순한 경우를 나타낸 것으로, 기판은 일정 속도로 회전하고 그리고 에어로졸 스프레이는 일부 또는 전체 회전 사이클동안 기판상에 가해진다.

회전 속도는 기판 상부의 오염입자에 원심력을 인가하고 또한 상당한 순간적인 평면방향 속도(considerable instantaneous in-plane velocity)를 부여하도록 선택된다. 블라스팅 중에 사용되는 낮은 회전 속도는 거의 0(2rpm) 내지 1000rpm의 범위인 반면, 블라스팅 동작이 없는 중의 높은 회전 속도는 전형적으로 500rpm 내지 8000rpm일 수 있다. 바람직한 실시예 중 하나에 있어서, 기판의 회전 속도는 3000rpm까지 증가되고, 에어로졸 스프레이는 30초 내지 2분 동안 작동되며, 웨이퍼의 회전은 서서히 감속되어 정지된다. 에어로졸 스프레이 시간은 보통 10초 내지 5분의 범위에 있을 수 있다.

웨이퍼 처리 로봇(wafer handling robot)(120)는 세정대상의 기판을 기판 홀더(110)내에 위치시키고 또 에어로졸 세정 동작 후에 기판을 제거하도록 기판 홀더(110)와 인터페이스(inferface)되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 기판 홀더(110)와, 에어로졸 스프레이 노즐 헤드(105)와, 가열 수단(115) 및 회전수단(112)은 진공배기(evacuation) 또는 퍼징(purging)을 행할 수 있는 밀폐체(enclosure)(200)내에 배치된다.

퍼징을 사용하는 경우, 질소, 아르곤 및 이산화탄소와 같은 비산화성(non-oxidizing)이고 거의 불활성인 기체를 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 오염입자와의 충돌 후에 에어로졸 스프레이를 제거하고 또한 이동된 오염입자를 제거하기 위해 배기 장치가 설치된다. 또한 배기 장치는 밀페체(200)내에 제어된 대기압(controlled atmosphere) 또는 부분 진공을 유지하는 것이 바람직하다. 필요한 경우, 진공 펌프(vacuum pump)를 사용하여, 밀폐체(200)를 진공배기시키고 또한 밀폐체(200)를 10^-4torr의 바람직한 진공 내지 대기압 이하로 유지시킬 수 있다.

가열 수단(115) 및 회전 수단(112)은 밀폐체(200)의 외부에 위치되어 필요한 접근 또는 결합을 제공할 수 있다. 이러한 설계의 장점은 캐리어 기체에 대한 필요성을 제거하고, 웨이퍼의 처리 및 회전을 위해 기존의 기법을 이용할 수 있으며, 고효율의 세정동작을 달성할 수 있는 것이다. 웨이퍼 처리 로봇(120)은 기판 이송공정을 단순화시킴과 아울러 세정 챔버 내부를 진공 상태로 유지하도록 중간 챔버(도시안됨)내에 설치될 수 있다.

이하, 본 발명의 개념, 특징 및 다양한 실시예에 대해 보다 상세히 설명한다.

제3도를 참조하면, 입자(a1…an)를 갖는 에어로졸 입자의 스트림(aerosol particle stream)이 소정 시간 간격 동안 기판(220)상에 점착된 오염입자(210)와 충돌하는 것을 도시한 것이다. 본 발명에 따라 기판이 일 회전하는 동안에 오염입자가 에어로졸 입자에 의해서 충격을 받는 시간 간격은, 통상적으로 수밀리초(milliseconds)내이며, 이것은 스프레이의 폭에 따라 달라진다. 에어로졸 스프레이의 운동 에너지의 일부는 열로서 오염입자(210)에 전달되어 기판(220)에 대한 오염입자의 점착력을 극복하며, 운동 에너지의 다른 일부는 에어로졸 자체를 가열하여 고체를 액체 또는 기체로 변환시키는데 소비되고, 운동 에너지의 또 다른 일부는 오염입자의 운동 에너지에 전달된다.

에어로졸 입자와 오염입자의 충돌에 기인한 에너지 전달의 다른 예는, 충돌시간이 아주 짧기 때문에, 상당히 큰 순간적인 힘이 발생한다는 것이다. 어떤 상황에 있어서, 평균 전체 에너지 보다도 이러한 큰 순간적인 힘이 오염입자의 점착력을 극복하는 데에 보다 큰 역할을 한다. 에어로졸의 고체 입장 의해서 소비되는 에너지는 때때로 고체를 기체로 승화시키며, 그 결과 고압 기체의 팽창이 오염입자(210)의 부근에서 발생할 때 오염입자의 점착을 완화시킬 수 있다. 오염입자(210)에 전달된 에너지가 오염입자(210)의 점착력을 극복하는 데에 필요한 에너지양을 초과하는 경우, 오염입자(210)는 소정 속도로 이동/방출되는데, 이 속도는 오염입자의 운동 에너지가 되는 오염입자의 초과 에너지에 의존한다. 에어로졸 고체입자(a₁…a_n)의 속도 및 에너지, 에어로졸과 오염입자 사이의 에너지 전달(결합) 효율과 같은 운동량 전달의 중요한 물리적인 변수는, 소정 범위의 통계값(statistical values)을 갖는다. 이러한 통계적인 변동의 결과, 일반적으로 오염입자의 일부는 다양한 속도로 기판(220)으로부터 이동되고 방출된다. 또한, 탄성적으로 반동하는 에어로졸 입자는 2차적인 충돌에 의해서 추가 에너지를 방출된 오염입자(210')에 전달할 수 있다. 오염입자에 전달된 소정의 운동량/에너지에 대해서, 이동된 오염입자(210')의 궁극적인 속도는 그의 질량에 의존한다.

제4도는 방출된 입자가 취할 수 있는 여러가지 상이한 궤적(trajectories)을 도식적으로 나타낸 것이다. 이 궤적은 입자의 방출각도와 방출된 입자의 상대적인 수평 속도 및 수직 속도에 의존한다. 제4도에 있어서, 궤적(v₁…v₃)은 모두 방출된 입자의 수직 속도는 동일하지만, 그의 수평 속도가 v₁에서 v₃로 증가한 경우를 나타낸 것이다. 기판(220)의 평면에 평행한 수평 속도가 크게 되면, 이동된 오염입자가 기판(220)의 다른 부분위에 재착륙(relanding)되는 것을 방지하여 오염입자를 제거하는데 도움을 줄 수 있음이 명백하다. 오염입자의 수평 속도를 증가시킬 필요가 있는 상술한 점에 비추어, 에어로졸 젯트를 법선으로부터 벗어나게(경사지게) 배향시키는 것이 바람직하다. 그러나, 수직 속도 성분은 입자가(중력에 대항하여) 비행(flight)하는 시간을 결정하는 그리고 수평 속도 성분은 그 시간동안 이동되는 수평 거리를 결정하기 때문에, 수직 속도 및 수평 속도의 균형이 필요하다는 것을 이해할 수 있다. 입자를 기판으로부터 제거시키고 그리고 기판의 재오염을 방지하기 위해서는 충분한 수평이동이 요구된다.

이점에 있어서, 본 발명의 중요한 사항은, 에어로졸 블라스트팅의 동작 및 각도에 무관하게, 오염입자의 수평 속도를 실질적으로 증가시키는 것이다. 에어로졸 입자의 동적인 충격(dynamic impact)은 주로 오염입자를 기판으로부터 이동시키도록 최적화된다. 본 발명에 있어서, 기판을 소정의 속도로 회전시키는 것에 의하여, 강한 평면내 힘(in-plane force)과 큰 평면내 속도(in-plane velocity)가 오염입자에 가해진다. 기판의 회전으로 인한 원심력은 오염입자에 작용하여, 기판의 중심으로부터 기판의 외측부분을 향하여 회전하는 원호형 경로(rotating arcurial path)에 대해 접선방향으로 오염입자를 이동시킨다. 따라서, 입자가 회전하는 기판을 떠날 때까지, 입자는 원심력이 증가하고 그리고 평면내 속도가 보다 큰 위치로 이동된다. 상보적인 회전 동작 및 블라스팅 동작은 상이한 방법으로 구현될 수 있다. 에를들면, 기판 홀더는 그 축을 중심으로 회전될 수 있으며, 에어로졸 충돌은 회전 사이클의 1주기 동안 작동될 수 있다. 또한, 오염 입자의 점착력이 에어로졸 블라스팅에 의해서 충분히 극복되어 있는 한, 원심력은 오염입자가 방출되지 않은 경우라도 유리된 오염입자를 미끄럼이동시켜 기판으로부터 떨어지게 할 수 있다.

제5도는, 기판의 회전속도가 600rpm 내지 8000rpm 범위인 경우, 200㎜ 기판의 중심으로부터 소정 거리에 위치된 오염입자가 받는 원심력을 계산한 것을 도시한 것이다. 이 계산은 잘 알려진 원심력 방정식, 즉 F=m x w²x r을 이용하는데, 여기서 m은 입자의 질량이며, w는 각속도(radians/sec)이고, r은 회전 중심으로부터 입자의 거리이다. 원심력은 통상 F=0.001 x w²x r x g 단위와 같이 중력단위의 배수로 표현될 수 있는데, 여기서 w는 radians/second로 표현되고, r은 센티미터 단위이며, g는 10³x 질량이다. 이것은 원심력을 중력의 배수로 가시화할 수 있다. 미국 특허 제4,974,375호(7열 48행 내지 52행)에 따르면, 100㎏/㎠ G의 물 제트(water jet)와 2㎏/㎠ G의 에어로졸 제트(aerosol jet)가 기판을 세정하는 데에 사용될 수 있으며, 반면에 아이스 입자 스프레이(ice particle spray)가 물 스프레이보다 더욱 효과적인 것으로 판명되어 있다. 물 제트로부터 입자에 가해지는 힘은 대략 압력 x 충격면적으로 주어지고, 또한 이 힘은 입자 크기의 제곱에 비례한다. 원심력은 입자 크기의 세제곱에 비례한다. 제5도는 오염입자가 받는 원심력은 간단히 고속의 물 스프레이로부터의 힘에 필적하게 되지만, 에어로졸 충격으로부터의 순간적인 힘보다 작게 되기 쉽다는 것을 보여준다. 그러나, 오염입자의 방출 속도가 전체 에너지 및 에너지 전달에 의해서 결정되는 물 제트 및 에어로졸 스프레이와는 달리, 기판 회전은 오염입자에 상당한 속도를 부여한다. 따라서, 회전 및 에어로졸을 조합하면, 기판으로부터 입자를 제거하는데 상승효과를 발휘한다. 그러므로, 기판을 소정의 최소 속도로 회전시키는 것은, 점착력이 저하된 기판상의 오염입자를 제거하는데 매우 효과적인 방법이다. 기판의 회전에 기인하여 오염입자에 부여된 순간 수평 속도는 오염입자의 반경방향 위치의 함수이고, w x r로 주어지며, 여기서 w 및 r은 앞서 정의한 바와 같다. 생성된 오염입자의 속도가 에어로졸 입자의 크기와 오염입자의 크기에 좌우되는 블라스팅 운동량 전달 작용과는 달리, 회전에 의해 야기된 오염입자의 평면내 속도는 오염입자의 크기에 무관하다. 또한, 오염입자가 받는 원심력은 경계층의 존재에 의해 방해받지 않는다. 기판 회전의 축 잇점은 경계층을 얇게 한다는 것이다. 경계층의 두께는 경계층의 점착력 및 점성력(adhesion and viscous forces)과 경계층을 형성한 유체에 작용하는 원심력간의 절충(교환)(tradeoff)에 해당되므로, 에어로졸 블라스팅의 효과를 더욱 증진시킨다. 경계층이 얇으면, 소형의 오염입자를 두꺼운 경계층보다 더욱 효과적으로 블라스팅하는 것이 가능하다. 경계층을 얇게 하는 것의 효과는 보다 높은 회전 속도에서 보다 얇은 저항층을 형성하는 것과 유사하다.

충돌하는 에어로졸에 의해 오염입자를 이동시키는 데에 있어서 바람직한 블라스팅 방향을 제안하는 것은, 무거운 물체를 들어올릴 때 지렛대 방향의 효과(effect of lever direction)와 유사하다고 볼 수 있다. 기판이 에어로졸 블라스팅에 의해 선형으로 주사될 때, 오염입자는 고정된 방향으로부터 지렛대의 힘을 받게 된다. 본 발명에서 상정하는 바와 같이, 기판과 오염입자의 회전 운동은 기판이 선형 운동을 하는 경우보다 오염입자가 넓은 범위의 방향으로부터의 에어로졸 입자에 의해서 타격되는 결과를 발생시킨다. 이러한 다방향의 충격은 특히 기판 표면상의 트렌치(요홈)(trenches)를 세정하는 데에 있어서 특정한 장점을 제공할 수 있다.

제6a도 내지 제6e도는 회전하는 기판과 함께 바람직하게 사용되는 스프레이 노즐 장치의 실시예들을 도시한 것이다. 제6a도는 축(Z)을 중심으로 회전하는 기판 또는 웨이퍼(220)을 도시한 것이다. 기다란 스프레이 노즐 헤드(400)가 기판(220)으로부터 특정한 거리를 두고 고정되고, 또한 회전하는 기판(220)의 반경을 포괄하도록 도시되어 있다. 스프레이 노즐 헤드(400)는 수직축에 대해 소정각도로 고정된 구멍을 포함하는 에어로졸 스프레이 표면 플레이트(aerosol spray face plate)(500)를 구비한 것으로 도시되어 있다. 보다 상세히 설명하면, 그의 도시한 에어로졸 스프레이 표면 플레이트는 고정된 각도(fixed angle)의 편평한 표면이다. 변형예로, 제6D도 및 제6E도에 각기 도시된 바와 같이 반구체형(hemispherical) 또는 관형(tubular)과 같은 만곡된 표면상에 오리피스를 형성하여, 에어로졸 스프레이를 다소의 분산 각도(diverging angles)로 생성시킬 수 있다. 제6a, 6b 및 6c도에 도시된 바와 같이, 편평한 표면의 플레이트의 경우에 있어서, 각도는 웨이퍼(220)의 평면에 대해 10도 내지 90도일 수 있으며, 30도 내지 60도인 것이 바람직하다. 기판의 회전이 오염입자에 수평 속도를 부여하기 때문에, 편평한 플레이트를 90도로 배향시키는 것도 가능하다. 제6b도는 제6a도의 스프레이 노즐 헤드(400)보다 긴 다른 기다란 스프레이 노즐 헤드(420)를 도시한 것이며, 이 스프레이 노즐 헤드(420)는 회전 기판(220)의 직경을 포괄한다. 기판(220)이 회전할 때, 제6a도에 도시된 스프레이 노즐 장치는 1회전마다 에어로졸 블라스팅이 한 번 일어나고, 제6b도의 스프레이 노즐 장치는 기판의 매 회전에 대해 에어로졸 블라스팅이 두 번 일어난다. 또한, 제6b도의 스프레이 노즐장치에 있어서, 오염입자는 기판의 매 회전동안 한번은 오염입자의 전단부(leading edge)를 따라서 그리고 한번은 오염입자의 후단부(trailing edge)를 따라서 블라스팅된다(지렛대의 힘이 인가된다). 제6c도는 에어로졸 스프레이에 대해 소영역(small region)으로 한정된 단일 또는 다중 오리피스를 구비한 포인트 노즐 헤드(point nozzel head)를 도시한 것이다. 포인트 노즐 헤드는, 스프레이 패턴이 국소화되어 있기 때문에, 회전하는 기판의 반경을 포괄하도록 이동될 필요가 있다.

일반적으로, 노즐 헤드의 에어로졸 출구 표면은 기판에 평행하게 위치되고, 1㎜ 내지 20㎜의 바람직한 거리만큼 이격되게 위치된다. 전술된 바와 같이, 상이한 스프레이 노즐 구조가 사용될 수 있다.

균일한 에어로졸 스프레이(노즐 스프레이 헤드내의 균일하게 이격된 오리피스)를 사용하고 기판을 회전시킨 결과, 그의 회전에 의하여 기판의 중심에 있는 오염입자에 보다 큰(보다 긴) 에어로졸 입자 충격을 제공하고 그리고 웨이퍼의 주위부근에 있는 오염입자에는 보다 작은 충격을 제공한다. 이것은 각형 세그먼트(angular segment)의 영역이 기판의 중심부 근처에서 보다 작고 그리고 기판의 에지부에 근접할 수록 보다 크게 되지만, 충격시간은 모든 영역의 세그먼트에 대해 동일하기 때문이다. 그러나, 기판의 중심부 부근에서 오염입자의 긴 시간의 블라스팅 및 기판의 주변부 부근에서 오염입자의 짧은 시간의 블라스팅은, 기판의 회전으로부터의 주변부에서 크고 중심부에서 작은 원심력에 의해서 상쇄된다. 따라서, 원심력은 에어로졸 충격력을 보상하고 보완한다. 또한, 필요하다면 스프레이 노즐을개량하여 입자 스프레이를 미세하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 오리피스의 수를 변경하는 것에 의하여, 기판의 에지부 근처에서 보다 많은 에어로졸 스프레이를 발생시키고 기판의 중심부 근처에서 보다 적은 에어로졸 스프레이를 발생시키는 것과 같은 비균일한 스프레이 패턴을 도입할 수 있다. 제6a도 및 제6b도에는 기판(220)에 대해 원형의 반도체로 도시되어 있지만, 기판의 형상은 중요한 사항이 아니다. 예를 들어, 기판(220)은 직사각형 또는 어떠한 다른 형상으로 이루어질 수 있다. 기판을 회전시키는 동안에 확실한 지지방법이 채용되는 한, 기판의 형상은 중요하지 않다. 따라서, 지지방법으로는 기계적인 클램프, 진공 흡착(vacuum suction), 정전기적인 척 등을 사용할 수 있다. 가열 수단은 웨이퍼 척과 결합된 저항성 요소(resistive elements)가 될 수 있거나 또는 방사에 의해서 표면을 가열하도록 기판위에 배치된 가열 램프가 될 수 있다. 가열의 장점중 하나는 에어로졸의 전체적인 세정 유효성을 저하시킬 수 있는 기판의 표면상의 불순물 또는 물(에어로졸로부터의 불순물 또는 대기로부터의 물)의 응축을 감소시키는 데에 있다. 표면을 가열하는 다른 장점은 고체 에어로졸 입자를 증발시켜, 휘발된 에어로졸이 세정대상의 기판에서 효과적으로 제거되도록 하는 것에 있다. 앞서 상술한 바와 같이, 기포(gas bubble)의 고압 팽창과 폭발을 수반한 에어로졸 고체의 기체로의 변화에 의하여, 오염입자의 제거 유효성을 증진시킬 수 있다. 가열 램프 장치에 있어서, 웨이퍼 표면은 회전 사이클의 일부동안에 가열 램프 아래를 통과할 수 있다. 웨이퍼는 500rpm 내지 8000rpm으로 회전되며, 2000rpm 내지 4000rpm으로 회전되는 것이 가장 바람직하다. 웨이퍼의 회전속도가 커지면, 하중 균형(load balancing)을 위해 고가의 장치가 필요할 수도 있다. 회전속도가 매우 느리면, 오염입자의 제거에 효과적인 도움을 주는 적절한 원심력을 제공하지 않을 수도 있다. 또한, 회전하는 기판에 의해서 생성되는 것으로 에어로졸 블라스팅 동작을 간섭할 가능성이 있는 공기 난류(air turbulence)를 최소화시키기 위해서 챔버를 부분진공으로 유지하는 것이 유익할 수도 있다. 또한, 부분진공은 오염입자의 배출 효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 하나의 바람직한 실시예로 기술하였지만, 당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 다양한 변경 및 수정을 행할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범위내에 속하는 모든 변형을 포괄하도록 의도되어 있다.

Claims (10)

1. 마이크로일렉트로닉스 제조에 사용되는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법에 있어서, ① 상기 기판을 지지하는 단계와, ② 상기 표면상의 원하지 않은 입자에 1g보다 실질적으로 큰 원심력을 부여하도록 상기 기판을 500rpm 내지 8000rpm 정도의 속도로 회전시키는 단계와, ③ 주울-톰슨(Joule-Thompson) 팽창을 이용하여, 대략 음속으로 이동하는 고체 입자를 포함하는 에어로졸 스프레이(aerosol spray)를 생성하는 단계와, ④ 상기 기판의 회전과 협조하여 선택된 시간 동안 상기 기판의 표면에 상기 에어로졸을 지향시켜, 상기 원하지 않은 입자를 상기 고체 입자로 충격하여, 상기 고체 입자의 충격과 상기 기판의 회전으로부터의 원심력에 의해 상기 표면으로부터 원하지 않은 입자를 이동시키고 제거하도록 하는 상기 에어로졸의 지향 단계를 포함하는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 회전 단계 및 상기 에어로졸의 지향 단계 동안에 상기 기판을 부분 진공으로 유지하는 단계를 더 포함하는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판의 회전 단계 및 상기 에어로졸의 지향 단계와 연관하여 상기 기판을 가열하는 단게를 더 포함하는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 에어로졸의 지향 단계 및 상기 기판의 회전 단계는 순차적으로 수행되는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 에어로졸의 지향 단계 및 상기 기판의 회전 단계는 동시에 수행되는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 에어로졸의 지향 단계는 10초를 초과하고 5분 미만의 지속 시간 동안 수행되는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 회전속도는 2000rpm 내지 4000rpm의 범위인 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면에 에어로졸을 지향시키는 단계를 수행한 다음에, 상기 기판을 500rpm 내지 8000rpm의 속도로 회전시키는 단계를 수행하는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면에 에어로졸을 지향시키는 단계는 상기 기판을 500rpm 내지 8000rpm의 속도로 회전시키는 동안에 수행되며, 상기 에어로졸의 지향 단계는 상기 회전의 일부 지속기간 동안에 수행되는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면에 에어로졸을 지향시키는 단계는 상기 기판을 선택된 지속시간 동안 500rpm 내지 3000rpm의 속도로 회전시키는 동안에 수행되며, 그 다음 상기 표면에 상기 에어로졸을 지향시키는 일없이 상기 기판을 500rpm 내지 8000rpm의 속도로 회전시키는 기판의 표면상의 원하지 않은 입자를 제거하는 방법.