KR100348701B1 - 건식 표면 클리닝 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모재 표면의 오염물질을 효과적으로 제거하기 위한 건식 클리닝 장치 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 레이저 유기 충격파를 밀폐된 챔버(chamber) 내부에서 발생시켜, 발생된 충격파를 이용해 모재 표면의 오염물질의 제거를 수행하는 것을 특징으로 한다. 이는 진공 챔버에서 필름 증착시 발생하는 오염입자들을 증착 공정 중 혹은 증착 공정 후 효과적으로 제거할 수 있다는 효과를 제공한다. 특히 본 발명은 반도체 웨이퍼 등과 같은 초청정도 표면을 요구하는 건식 세정공정에 응용할 수 있다.

Description

건식 표면 클리닝 장치{APPARATUS FOR DRY SURFACE-CLEANING OF MATERIALS}
본 발명은 건식 표면 클리닝 장치에 관한 것으로, 레이저 유기 충격파를 밀폐된 공간에서 발생시켜 작업물 표면의 다양한 오염물질을 효과적으로 제거하기 위한 클리닝 장치에 관한 것이다.
반도체 칩 제조를 위한 필름 증착 방법으로는 크게 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition) 방법과 물리적 기상 증착 (physical vapor deposition) 방법의 두가지로 나눌수 있다. 상기 방법들 대부분은 진공 챔버내에서 플라즈마를 발생시켜 필름 증착을 수행하게 된다. 필름의 증착 중 챔버 벽에서 입자들이 떨어지고, 증착이 끝난 후 플라즈마를 소멸시킬 시 플라즈마에 존재하고 있던 많은 기상 입자들이 반도체 웨이퍼 표면에 떨어지게 된다. 이러한 낙성 파티클(particles)들은 칩 제조에 있어 치명적 결함으로 작용함으로 인해 증착 과정후 웨이퍼는 곧바로 클리닝 장비로 옮겨져 습식 방법에 의한 표면 클리닝을 수행하게 된다.
기존의 반도체 습식 클리닝 방법은 황산(H2SO4), 염산(HCl), 암모니아(NH4OH), 과산화 수소(H2O2), 불화수소(HF) 등과 같은 화학적 용매와 물을 혼합시킨 용기에 초음파(ultrasonic 또는 megasonic)와 같은 기계적 힘을 함께 인가함으로서 클리닝을 수행한다. 이러한 습식 클리닝 방법은 다량의 화학약품 및 물의 사용에 따른 환경 오염 문제 및 막대한 처리 비용, 그리고 거대한 크기의 세정장비로 인한 풋프린트(footprint)의 증가, 또한 화학용매에 의한 금속 재료(Ti, Al, W, Cu, Co 등)의 부식성 등과 같은 많은 단점들이 제기되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 단점을 해소하기 위한 것으로, 레이저로부터 조사된 짧은 펄스파(100 nanosecond 이하)의 고에너지 레이저빔(0.1 ∼ 10 J/pulse)을 초점 렌즈를 통해 밀폐된 챔버 내부에 집속시켜 레이저 초점에서 사방으로 전파되는 플라즈마 충격파를 발생시키고, 이때 발생되는 플라즈마 충격파를 작업물 표면에 충돌시켜 작업물 표면의 오염입자들을 제거하는 것을 그 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 레이저로부터 조사된 짧은 펄스파(100 nanosecond 이하)의 고에너지 레이저빔(0.1 ∼ 10 J/pulse)을 초점 렌즈를 통해 대기 중에 집속시켜 레이저 초점에서 사방으로 전파되는 레이저 유기 충격파(플라즈마 충격파)를 발생시키고, 이때 발생되는 레이저 유기 충격파를 작업물 표면에 충돌시켜 작업물 표면의 오염입자를 제거하는 건식 표면 클리닝 장치에 있어서, 레이저 유기 충격파를 발생시키는 레이저빔 발생장치와; 건식 표면 클리닝을 수행하는 밀폐된 챔버와; 레이저빔 발생장치로부터 조사된 레이저빔을 챔버쪽으로 방향을 유도하는 반사 미러와; 챔버 일단에 레이저빔을 통과시키는 투명창과; 작업물 상면 위 챔버 내부에 레이저 빔을 집속시키는 초점 렌즈와; 챔버 내부에 진공을 형성하기 위한 진공펌프로 이루어져 작업물 표면의 오염물질을 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 건식 표면 클리닝을 수행할 수 있는 챔버에서 플라즈마 증착 공정을 인-시튜(in-situ ; 그 자리에서)로 수행할 수 있도록 챔버 내부에 한쌍의 전극이 구비되고, 상기 전극에 RF 전원을 공급하기 위한 RF 전원장치가 설치되어 플라즈마 증착 챔버와 건식 표면 클리닝 장치가 일체로 조합된 건식 표면 클리닝 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 건식 표면 클리닝 장치는 전형적인 플라즈마 증착 장비 내에 전용 클리닝 챔버로서 부속 설치되어 상기 플라즈마 증착 장비의 증착 챔버에서 증착 공정 완료 후 작업물을 건식 표면 클리닝 챔버로 이동하여 건식 표면 클리닝을 실시하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 방법의 제 1 실시예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 방법의 제 2 실시예를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 방법의 제 3 실시예를 도시한 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 충격파 레이저빔 발생장치 2: 레이저빔(laser beam)
3: 반사미러(reflection mirror) 4: 초점렌즈(focussing lens)
5: 레이저 초점(laser focus) 6 : 플라즈마 충격파(plasma shock wave)
11: 클리닝 챔버(cleaning chamber) 12: 투명창(transparent window)
13: 챔버 문(chamber door) 14: 작업물(workpiece)
15: 작업대(working table) 16: 가스입구포트(gas inlet port)
17: 가스출구포트(gas outlet port) 21: 가스소스(gas source)
22: 가스(gas) 23: 가스유량제어기(mass flowcontroller)
24: 밸브(valve) 25: 진공펌프(vacuum pump)
31: 전극(electrode) 32: RF 전원장치(RF power supply)
33: 진공 증착 챔버(vacuum deposition chamber)
41: 작업물 이송 출구(workpiece transfer exit)
이와 같은 본 발명의 특징적인 구성 및 이에 따른 작용효과는 첨부된 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해 질 것이다.
기본적으로 모든 클리닝 공정에 있어서 레이저를 이용한 충격파의 발생은 본 발명자에 의해 출원된, 특허출원번호: 2000-73391호, "건식 표면 클리닝 방법"에 잘 설명되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제 1 실시예를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치는 레이저 유기 충격파를 발생시키는 레이저빔 발생장치(1)와 클리닝을 수행하는 밀폐된 챔버(11)와 챔버(11)와 연결된 부속장치들로 구성되어 있다.
레이저빔 발생장치(1)로부터 조사된 레이저빔(2)은 반사미러(3)에 의해 챔버(11)쪽으로 방향을 유도하며, 초점 렌즈(4)와 투명창(12)을 통과해 작업물(14) 상면 위 챔버(11) 내부에 집속시킨다. 충격파 발생을 위한 레이저로 Nd:YAG 레이저 혹은 CO2레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
이때 조사되는 강력한 레이저빔(2)은 레이저 초점(5)에서 가스입자 브레이크다운(breakdown)에 의한 플라즈마 충격파(plasma shock wave)(6)를 발생시키며, 충격파는 사방으로 전파하게 된다. 전파되는 충격파는 작업물(14) 표면과 부딪치게 되며, 이때 충격파의 힘이 작업물(14)에 부착된 오염입자와 모재와의 접촉강도(adhesion force)보다 크면 오염입자들은 작업물의 표면으로부터 떨어져 제거되게 된다. 이때 반사 미러(3)의 좌우 이동 등과 같은 광학적 방법을 이용하여 레이저빔의 조사 위치를 변경시켜 한 위치뿐만이 아닌 다양한 위치에서 충격파를 발생시켜 클리닝을 수행할 수도 있다.
통상적으로 작업물(14)은 진공펌프(25)를 이용해 작업대(15) 위에 밀착 고정되며, 작업물(14)이 로딩(loading)되는 챔버 문(13) 또한 진공펌프(25)에 의한 진공의 원리로 닫히게 된다. 작업물의 전면적 클리닝을 위해 작업대(15)를 회전시키며, 어느 한 방향으로 직선 운동도 가능하도록 챔버(11) 하부에 구동기구를 구성한다.
레이저빔(2)이 외부에서 챔버(11) 내부로 인입되는데 통과하는 투명창(12)은 보통 유리(glass) 혹은 석영(quartz)등으로 만들며 굴절 현상을 줄이기 위해 두께가 얇은 판(보통 5 mm 이하)으로 사용한다.
챔버(11) 내부의 가스 분위기 제어를 위해 외부에서 다양한 가스 소스(21)를 사용할 수 있다. 예를 들면 가스 소스로는 Ar, N2, He, Ne 등과 같은 불활성 가스와 O2, O3, NF3, CF4, C2F6, F2, Cl2등과 같은 반응성 가스를 사용할 수 있다.
보통 아르곤(Ar) 가스를 사용하면 레이저 충격파의 발생을 용이하게 할 수 있으며, 챔버(11) 내 퍼징(purging) 효과를 줄 수 있으며, 산소(O2)를 사용시는 레이저 충격파에 의해 산소 플라즈마가 챔버 내에 발생하여 산소 라디칼(radical)에 의한 산화력의 증가로 작업물(14) 표면의 유기 오염물질(orgainc contaminants)의 제거를 용이하게 할 수 있다. 그밖에 밀폐된 챔버(11) 내에 오존(O3) 및 NF3등과 같은 유독한 가스도 사용이 가능한데, 레이저 유기 플라즈마에 의한 이러한 가스들의 분해는 상당량은 산소(O) 및 플로린(F) 라디칼의 생성을 도와 유기 오염물 제거에 아주 효과적으로 사용될 수 있다는 특징이 있다. 이러한 가스들은 가스 유량 제어기(MFC: Mass flow controller)(23)에 의해 그 인입량이 정확히 제어되어 입구 포트(16)를 통해 챔버(11) 내로 인입하게 된다.
챔버(11) 내 클리닝 수행 중 발생하는 오염물질 및 사용되어지는 가스들은 외부의 진공펌프(25)를 사용해 출구 포트(17)를 통해 방출하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제 2실시예를 도시한 개략도로서, 본 발명의 건식 표면 클리닝 장치가 진공 증착 장비에 일체로 구성된 것이다.
한편, 일반적인 플라즈마 증착 장비로는 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition)과 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition) 두가지로 나누어진다. 도 2에서 보여지는 바와 같이, 인입포트(16)를 통해 가스(22)가 챔버(33) 내부로 인입 후 RF 전원장치(power supply)(32)를 이용해 전극(31) 양단에 RF 전압을 걸어주면 전극(31) 사이에서 인입된 가스 입자들의 이온화에 의한 반응성 플라즈마가 발생하며 가스 입자들이 활성화하게 된다. 이렇게 반응이 활성화된 기상 입자들은 증착시키고자 하는 작업물(14) 표면에 도달하여 증착이 이루어지게 된다. 증착이 완료 후 플라즈마를 OFF 시키면 플라즈마 내에서 형성된 많은 기상 입자들은 작업물 표면 위로 무작위로 떨어지게 된다. 또한 증착 과정 중 챔버 외벽에서도 입자들이 떨어지게 되는데 이와 같이 증착 반응 중 작업물 표면에 떨어지는 입자들을 낙성 파티클(dropping particles)이라고 부른다. 이러한 낙성 파티클은 특히 반도체 제조 공정에서 치명적 결함으로 작용하여 반드시 제거되어야 한다. 따라서 증착 공정 후 웨이퍼와 같은 초 청정 상태를 유지해야 하는 작업물(14)은 전통적인 습식 클리닝 장치로 옮겨져 입자 제거를 수행한 후 다음 공정으로 넘어간다.
본 발명에 따라 건식 표면 클리닝 장치가 진공 증착 장비에 일체로 구성되는제 2 실시예는 전형적인 플라즈마 증착 장비의 챔버(33)의 외부에 레이저 유기 충격파를 발생시켜 집속시키는 레이저빔 발생장치(1) 및 초점 렌즈(4)가 설치되고, 챔버(33) 일단에 레이저빔을 통과시키는 투명창(12)이 마련된다.
이와 같은 제 2 실시예는 레이저빔 발생장치(1)를 이용하여 증착 장비 내에서 클리닝을 수행할 수 있다. 레이저는 빛이라는 특성으로 인해 유리 및 석영 등과 같은 투명창(12)을 투과하여 쉽게 외부에서 챔버(33) 내부로 레이저빔(2)을 유도할 수 있다. 도 2에서 보여지는 바와 같이 레이저빔(2)을 외부에서 투명창(12)을 통해 챔버(33) 내부에 집속시켜 레이저 빔 초점(5)에서 강력한 플라즈마 충격파(6)를 발생시킴으로서 증착 후 작업물(14) 표면에 존재하는 낙성 파티클을 챔버(33) 내부에서 인-시튜(in-situ)로 클리닝을 수행할 수 있다. 특히 진공 증착 챔버에서 증착 물질이 Ti, Cu, Al, W, Co, Ta 등과 같은 금속막을 증착시킬 경우 금속막이 일반 대기에 노출되면 쉽게 산화막이 형성되어 낙성 파티클이 더욱 단단히 붙어 있게 되어 기존의 습식 방법을 이용한 오프라인(Off-line) 클리닝 수행 시 제거가 더욱 어려워진다. 이러한 증착 챔버(33) 내에서의 인시츄(in-situ) 클리닝은 기존의 클리닝 스텝이 필요치 않아 비용 및 시간을 크게 절감할 수 있어 제조원가 및 생산성(throughput)을 크게 향상시킬 수 있다는 장점을 제공한다.
도 3는 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제 3 실시예를 도시한 개략도이다. 도 2와 비교하여 다른 점은 증착 챔버(33)내에서 클리닝을 수행하지 않고 클리닝을 전용 챔버(11)에서 실시한다는 점이다. 즉 작업물(14)은 진공 증착 챔버(33)에서 표면 증착이 되어진 후 이송 출구(41)를 통해 전용 클리닝 챔버(11)로 이동하여 증착 후 발생한 표면 위의 낙성 파티클 제거를 수행하게 된다. 대부분의 플라즈마 증착 챔버(33)는 고진공(10-4Torr 이하)에서 수행함으로서 증착 챔버(33) 내에서의 클리닝을 위해서는 상당량의 가스를 주입하여 고진공 상태를 저진공 상태로 전환시켜 주어야 만 한다. 따라서 레이저 충격파 클리닝 후 다시 고진공을 만들기 위해 펌핑(pumping) 시간이 필요하게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위해 도 3과 같은 전용 클리닝 챔버(11)를 만들어 증착 챔버(33)의 고진공 상태를 변화시킴 없이 작업물(14)의 클리닝을 수행할 수 있게 한다. 최근 반도체 제조를 위한 증착 장비가 멀티 챔버(multi-chamber) 방식을 사용하는데, 도 3과 같이 플라즈마 증착 장비 내에 전용 클리닝 챔버로서 부속 설치되는 전용 클리닝 챔버(11)의 사용은 하나의 레이저를 사용하여 여러 챔버에서 증착되어 나오는 웨이퍼를 효과적으로 클리닝을 수행할 수 있다는 특징을 제공한다.
보통의 반도체 물리 증착 장비의 경우 비반응성 플라즈마(보통 Ar plasma)에 의한 선-클리닝(pre-cleaning)을 수행하는 챔버가 따로 있는 것과 같이, 도 3과 같은 후 클리닝(post-cleaning) 용도의 전용 레이저 충격파 클리닝 챔버(11)의 설치는 장비의 완성도를 높일 수 있다는 장점을 제공한다. 즉 증착 후 클리닝 처리까지 끝내고 나온 웨이퍼는 곧 바로 다른 처리 공정으로 이어질 수 있게 한다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명인 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치는 반도체 칩 제조 공정 중 진공 증착 공정으로의 적용이 가능하다. 이는 증착 공정 후 실시하는 기존의 클리닝 스텝을 생략시켜 기존 습식 클리닝에서 다량의 화학 약품 사용에 따른 환경적 문제, 비용적 문제, 대규모 장치에 따른 공간적 문제, 긴 세정시간에 의한 생선성 문제, 열악한 작업환경 등의 단점들을 극복할 수 있는 청정 클리닝 방법이라는 특징을 가지고 있으며, 향후 고집적화, 웨이퍼크기의 대형화에 따른 단일 웨이퍼 처리방식(single wafer processing)에 있어 빠른 클리닝 속도 및 높은 효율, 기존 진공 증착 장비와의 쉬운 통합이 가능하다는 효과를 제공한다.

Claims (13)

  1. 건식 표면 클리닝 장치에 있어서,
    레이저 유기 충격파를 발생시키는 레이저빔 발생장치와;
    건식 표면 클리닝을 수행하는 밀폐된 챔버와;
    상기 레이저빔 발생장치로부터 조사된 레이저빔을 챔버쪽으로 방향을 유도하는 반사 미러와;
    상기 챔버 일단에 레이저빔을 통과시키는 투명창과;
    상기 작업물 상면 위 상기 챔버 내부에 레이저 빔을 집속시키는 초점 렌즈와;
    상기 챔버 내부에 진공을 형성하기 위한 진공펌프로 이루어져
    레이저 초점에서 가스입자 브레이크 다운에 의한 플라즈마 충격파가 상기 작업물 표면에 부딛쳐서 오염물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 미러는 다양한 위치에서 충격파를 발생시킬 수 있도록 좌우 이동되는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공펌프에 의해 작업물이 작업대 위에 진공 밀착 고정되고,
    상기 진공펌프에 의해 상기 작업물이 로딩되는 챔버 문이 여닫히는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 작업대를 회전시키거나 직선운동 가능하도록 상기 챔버 하부에 구동기구가 장착되는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명창의 재질은 유리(glass) 혹은 석영(quartz)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 투명창의 두께는 5 mm 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀폐된 챔버 내부에 가스 분위기를 형성하고 제어하기 위한 가스공급장치가 설치되고,
    상기 밀폐된 챔버 일단에 상기 가스 공급장치로부터 가스를 인입하기 위한 입구 포트와 클리닝 수행 중 발생하는 오염물질 및 사용되어지는 가스를 방출하기위한 출구 포트가 설치되는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 공급장치에 사용되는 가스는 Ar, N2, He, Ne 중에서 어느 하나의 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 공급장치에 사용되는 가스는 O2, O3, NF3, CF4, C2F6, F2, Cl2중에서 어느 하나의 반응성 가스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 가스 공급장치는 가스 유량 제어기(MFC: Mass flow controller)에 의해 그 인입량이 정확히 제어되는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 충격파 발생을 위한 레이저로 Nd:YAG 레이저 혹은 CO2레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건식 표면 클리닝을 수행할 수 있는 챔버에서 플라즈마 증착 공정을 인-시튜(in-situ)로 그 자리에서 수행할 수 있도록 챔버 내부에 한쌍의 전극이 구비되고, 상기 전극에 RF 전원을 공급하기 위한 RF 전원장치가 설치되어 플라즈마 증착 챔버와 건식 표면 클리닝 장치가 일체로 조합된 건식 표면 클리닝 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건식 표면 클리닝 장치는 전형적인 플라즈마 증착 장비 내에 전용 클리닝 챔버로서 부속 설치되어 상기 플라즈마 증착 장비의 증착 챔버에서 증착 공정 완료 후 작업물을 건식 표면 클리닝 챔버로 이동하여 건식 표면 클리닝을 실시하는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
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