KR100454005B1 - 반도체 웨이퍼의 메가소닉 세정을 위한 탈이온수의 온도제어 가스화 - Google Patents
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Abstract
예를 들어 실리콘 반도체 웨이퍼를 세정하기 위해 50℃ 내지 85℃의 고온과 대기압의 보조 압력에서 100% 포화 농도의 가스, 예를 들어 질소를 갖는 탈이온수를 준비하기 위한 장치가 제공된다. 20 내지 30℃의 저온에서 예정된 가스 농도를 갖는 제 1 부분의 탈이온수의 가스 농도는 저온에서 예정된 아포화 농도의 가스를 제공하기 위해 압력 펌프(17)와 압력 센서(19)를 갖는 가스화 챔버(11) 내에서 조절된다. 조절된 가스 농도의 제 1 부분의 탈이온수 온도는 예정된 고온, 예를 들어 80℃에서 예정된 가스 농도를 갖는 제 2 부분의 탈이온수와 일정한 비율로 온도 센서(20)를 갖는 혼합기(13) 내에서 혼합됨으로써 조절된다. 제 1 및 제 2 부분의 탈이온수 흐름은 메가소닉 진동하에서 세정 탱크(14) 내의 웨이퍼를 세정하기 위해 고온에서 포화 가스 농도를 갖는 고온 배스를 형성하기 위해 제 1 및 제 2 흐름 제어기(12, 21)에 의해 제어된다. 흐름 제어기(22)는 챔버 압력과 흐름 제어기의 작동을 제어하기 위해 펌프(17), 압력 센서(19), 온도 센서(20) 및 제 1 및 제 2 흐름 제어기(12, 21)에 연결된다.
Description
집적 회로(IC) 등을 형성하기 위해 예를 들어 실리콘 웨이퍼 기판 또는 칩 상에 마이크로 전자 장치 등을 제조할 때, 다양한 금속층과 절연층이 선택적인 시퀀스로 증착된다. 동일한 영역 내에 더 많은 소자를 장착하여 이용가능한 기판 영역내의 장치 소자의 집적도를 최대화시키기 위해, 더욱 소형화된 IC가 이용된다. 감소된 피치 치수는 서브-미크론(1미크론 이하, 즉, 1,000㎚ 또는 10,000Å) 치수로 현재 초대규모 집적회로(VLSI)당 소자를 더 조밀하게 패킹하기 위해 요구된다.
반도체 웨이퍼의 IC 제조에 사용되는 습식 화학 공정의 일형태는 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 제거하기 위한 웨이퍼의 세정에 관한 것이다. 이는 비반응성 세정 강화(버블 생성) 가스, 예를 들어 질소(N2), 및/또는 메가소닉 진동을 배스에 인가함으로써 급속 교반되는 고온 탈이온수 세정 배스 내에 웨이퍼를 침지시킨다.
예를 들어 실리콘 웨이퍼의 전체적인 세정을 위해, 소위 "RCA 세정" 공정이 사용되는데 여기서 웨이퍼는 제 1 단계에서 유기물 및 입자 오염물 제거를 위한 탈이온수 내에 있는 예를 들어 과산화수소(H2O2)와 수산화암모늄(NH4OH)의 소위 SC1(표준 세정액 1)인 알카리성 용액과 그 후 제 2 단계에서 금속 불순물 제거를 위한 탈이온수 내에 있는 예를 들어 과산화수소와 염화수소(HCl)의 소위 SC2(표준 세정액 2)인 산성 용액을 연달아 포함하는 두 가지 세정제로 처리된다. 각각의 처리 단계는 예를 들어 약 10 내지 20분동안 약 75 내지 85℃에서 처리되며, 일반적으로 고온 탈이온수를 사용하는 린스 단계가 수반된다. 웨이퍼는 최종 린스 단계 후에 건조 단계에서 일반적으로 건조된다.
특히 입자를 제거하기 위해, 약 5:1:1의 부피비로 탈이온화된 H2O/H2O2/NH4OH의 일반적인 SC1 혼합물이 약 10분동안 약 65℃에서 웨이퍼를 세정하기 위해 사용된다. 용액 내에 있는 고농도의 SC1 화학물 및 사용되는 고온으로 인해 웨이퍼 표면과 입자를 소정의 정도로 에칭함으로써 대부분의 입자가 제거되어, 웨이퍼와 입자간의 부착력을 감소시키고 웨이퍼로부터 벌크 용액으로의 입자 이동을 촉진시킨다. 또한 SC1 용액의 높은 pH는 웨이퍼와 입자 상에 음전하를 유도하여, 느슨한 입자가 웨이퍼 표면에 재흡착되는 것을 방지하는 경향이 있는 상호 반발을 제공한다. 그러나, 이러한 통상적인 SC1 세정 용액은 고가이며 현재 이용가능한 장치에 사용되기 위한 많은 결정적인 세정 단계에서 너무나 침식성이 강하다.
최근 반도체 세정 공정은 메가소닉 기술의 도입으로 인해 실질적으로 예를 들어 실리콘 웨이퍼의 표면에 덜 공격적이고 덜 유해한 용액으로 보다 양호한 입자 제거 효과를 나타낸다. 메가소닉 진동 세정 용액은 통상적인 SC1 용액의 희석된 형태이며, 요구된 효과에 따라 광범위하게 변하는 온도에서 사용된다. 이러한 관점에서 사용되는 일반적인 SC1 희석 용액은 약 100:0.9:0.5 부피비로 탈이온화된 H2O/H2O2/NH4OH 혼합물이며, 여기서 98.+%(100/101.4 = 98.6)은 탈이온수이고 단지 약 1.4%는 활성 화학물을 구성한다. 거의 모든 용액이 물이기 때문에, 물에 용해된 가스의 양은 희석된 SC1 혼합물의 총 가스 농도를 좌우할 것이다.
메가소닉 기술이 입자 제거 작용을 강화시키는 정확한 메커니즘은 아직 완전히 이해되지는 않는다. 그러나, 후술되는 것처럼, 세정 용액 내에 용해된 가스의 양은 효과적인 세정, 즉 입자 제거에 결정적이다.
반도체 웨이퍼를 세정하는 방법의 소정 실시예가 하기 종래 기술에 기술된다.
1995년 11월 7일에 허여된 미국 특허 제 5,464,480호(매듀스)에는 오존(O3)이 확산되는 대기이하 또는 냉각된(1 내지 15℃) 탈이온수를 갖는 탱크 내에서 반도체 웨이퍼로부터 유기 재료, 예를 들어 포토레지스트를 제거하고, 그 후 탈이온수로 웨이퍼를 린스처리하는 단계가 설명되어 있다. 오존은 상온 또는 그보다 더 높은 온도에서 탈이온수에 거의 용해되지 않지만, 대기 이하의 온도에서 유기 재료를 불용성 가스에 대해 산화시키는데에 충분한 용해도를 갖는다고 설명되어 있다. 메가소닉 트랜스듀서는 탱크 내의 오존이 첨가된(ozonated) 탈이온수를 교반하는데 사용된다.
RCA 세정을 위해, 웨이퍼는 탈이온수로 린스처리되고, SC1 용액을 형성하기 위해 암모니아(NH3)가 확산되는 오존이 첨가된 탈이온수로 처리되며, 다시 린스처리된다. 다음, 고온(70℃)의 탈이온수는 탱크의 온도를 상승시키기 위해 사용된다. 그 후 웨이퍼는 오존 가스와 염화 수소(즉, HCl) 가스가 SC2 용액을 형성하도록 확산되는 탈이온수로 처리되며, 여기서 웨이퍼는 탈이온수로 최종적으로 린스처리된다.
1998년 2월 3일 허여된 미국 특허 제 5,714,203호(쉐렌버거 등)는 웨이퍼 표면을 소수성으로 만드는 플루오르화수소(HF)를 포함하는 수용성 세정 배스 내에 실리콘 웨이퍼를 침지시키는 단계와, 배스로부터 웨이퍼를 제거하면서 배스 표면, 또는 선택적으로 제거되고 건조된 웨이퍼를 산소/오존(O2/O3) 가스 혼합물 또는 공기, 즉 질소(N2), 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2), 또는 이산화탄소, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 또는 라돈(Rn)과 같은 화학적으로 불활성인 캐리어 가스 내의 산소/오존(O2/O3) 가스 혼합물의 가스 흐름에 위치시키는 단계를 개시한다. 가스 흐름이 배스 표면에 적용될 때, 가스 흐름은 웨이퍼의 건조를 돕는 액체 표면 장력을 낮추며, 건조된 웨이퍼에 적용될 때, 가스 유동은 웨이퍼 표면을 친수성화(hydrophilize)시킨다. 또한 세정 배스가 오존을 포함하면 웨이퍼 표면은 친수성화된다.
1996년 10월 29일에 허여된 미국 특허 제 5,569,330호(쉴드 등)는 웨이퍼 표면을 소수성으로 만드는 HF를 포함하는 액체 배스를 사용하고, 그 후 웨이퍼 표면을 친수성으로 만드는 오존을 포함하는 액체 배스를 사용하여 동일한 콘테이너 내에서 연달아 반도체 웨이퍼를 화학적으로 처리하며, 상기 처리 단계들에서 메가소닉 진동을 인가하는 단계 및 최종적으로 웨이퍼를 건조시키는 단계를 개시한다. 또한 웨이퍼는 상기 처리 단계 사이에서 즉시 건조될 것이다.
1996년 5월 28일에 허여된 미국 특허 제 5,520,744호(후지가와 등)는 (1) 과산화수소와 암모니아, (2) HF, 및 (3) 과산화수소와 HCl를 각각 포함하는 세 개의 등온 가열된(예를 들어, 60℃) 탈이온수의 화학 배스, 및 또한 각각의 화학 배스 처리 후에 탈이온수의 린스 배스에서 연달아 밀봉된 챔버 내의 실리콘 웨이퍼를 처리하는 단계를 개시한다. 불활성 가스와 유기 용매, 예를 들어 질소와 이소프로필 알코올의 증기는 웨이퍼의 건조를 돕는 웨이퍼 상에 존재하는 탈이온수의 표면 장력을 낮추기 위한 최종 마지막 린스 배스 후에 웨이퍼에 가해지며, 이는 감소된 압력하에서 목적이 달성되며, 웨이퍼 상으로의 오염물의 흡착을 감소시킨다.
1998년 9월 1일에 허여된 미국 특허 제 5,800,626호(코헨 등)(공동 발명되어, 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션사에 양도됨)는 소정의 공정 온도에서 탈이온수와 가스를 포함하는 세정 용액으로 마이크로 전자 장치 기판의 메가소닉 세정의 효율을 제어하는 방법을 개시한다. 이는 소정 공정 온도에서 단지 부분적으로, 예를 들어 60-98% 가스로 포화된 세정 용액을 제공하기 위한 양을 기판 뒷면에 질소와 같은 가스를 첨가함으로써 수행된다. 세정 용액은 예를 들어 각각 10:1:1 내지 1,000:2:1의 부피비로 탈이온화된 H2O/H2O2/NH4OH(SC1), 또는 각각 10:0:1 내지 1,000:1:1의 부피비로 탈이온화된 H2O/H2O2/HCl(SC2)의 희석 용액이다. 진공 탈가스된 제 1 부분의 탈이온수와 적어도 일부분 가스로 포화된 제 2 부분의 탈이온수는 소정의 공정 온도에서 사용되는 부분적으로 가스 포화된 물을 제공하기에 효과적인 비율로 혼합될 수 있다.
상기 미국 특허 제 5,800,626호에는 더 높은 온도 또는 더 낮은 적용 압력은 용액 내에서 용해될 수 있는 가스의 양을 감소시킬 수 있어서, 가스로 포화된 물의 가열은 소정의 용해된 가스가 기포를 통해 추출된다고 설명되어 있다. 웨이퍼 세정 용액 내에 너무 많은 가스를 갖는 것은 포화 온도 당 고온의 탈이온수에 가스 버블을 형성하여, 실리콘 표면에 결함을 야기할 수 있다는 위험이 있다. 또한, 산소 가스는 산화물의 웨이퍼 표면에는 불활성이지만 수소 말단 실리콘 표면에는 반응성이라고 고려되기 때문에, 탈이온수 내에 특히 산소의 존재는 수소 말단 실리콘 표면을 에칭하여 거칠게 할 수 있다. 이러한 이유 때문에, 탈이온수는 일반적으로 탈가스 형태로 제공되며, 탈가스화 수(degassified water)는 소정의 공정 온도에서 사용되는 부분적으로 포화된 물을 제공하는 특정 용해도와 온도 의존성의 특정 가스로 재가스화된다. 부분적으로 가스 포화된 물의 제공으로 기판의 세정이 더 낮은 메가소닉 전력, 더 낮은 온도 및 더 낮은 화학물의 농도에서 목적을 달성할 수 있으며, 이러한 부분적으로만 가스 포화된 물의 준비는 소정의 일 공정 온도에서만 사용된다는 한계가 있다.
상기 미국 특허 제 5,800,626호의 개시 내용은 본원에 참조되었다.
예를 들어 실리콘 반도체 웨이퍼의 메가소닉 세정에 사용되는 탈이온수 내의 비반응성 세정 강화(버블 생성 및 교반) 가스의 가스 농도는 세정 전에 존재하는 초기 오염 입자량과 비교할 때, 세정 후에 잔류하는 입자 수, 즉 오염 입자량 상당한 영향을 미친다.
이러한 관점에서, 예를 들어 표준 세정액 SC1 및 SC2를 사용하는 친수성 웨이퍼에 대해, 메가소닉 진동의 일반적인 응용은 세정 강화, 즉, 교반을 일으키는 고농도의 가스를 갖는 세정 배스를 필요로 한다. 한편, 예를 들어 HF 처리를 이용하는 소수성 웨이퍼에 대해, 세정 배스내의 고농도 가스는 결국 버블의 과잉 형성을 야기시켜 유해하며, 일반적으로 많은 입자 수, 즉 세정 후 웨이퍼 상에 잔류하는 많은 양의 오염 입자를 초래한다. 이는 가스 버블은 소수성 표면에서 핵을 형성하거나 소수성 표면으로 이동하여 상기 표면에 입자를 증착시키는 경향이 있기 때문이다. 따라서, 소수성 웨이퍼에 대해, 포화 농도 이하로 용해된 가스 함량을 갖는 희석된 예를 들어 HF 용액이 사용된다.
희석된 세정 용액은 주로 탈이온수이기 때문에, 반도체 웨이퍼를 세정하는 오늘날의 습식 세정 장치에 사용되는 탈이온수에서 용해된 가스의 양에 특별한 주의가 요구된다.
소정의 세정 단계, 예를 들어 순차적인 세정 및 린스 단계에서 각각의 처리 단계에 사용되는 액체 배스에 최적의 가스 농도가 허용되도록, 이러한 목적을 위해 사용되는 오늘날의 습식 세정 장치는 일부 경우에 있어 소위 콘택터(contactor)와 같은 가스화장치/탈가스화장치의 형태의 가스 조절 부재를 구비한다. 상기 부재는 일반적으로 액체 구역(물의 공간)과 가스 구역(가스 공간)으로 가스 투과막에 의해 분리된 밀봉 챔버이며, 물은 물의 공간에 공급된다.
상기 부재로서 가스화장치가 사용될 때, 가스는 압력 펌프로 응용된 펌프에 의해 가스 공간에 공급되며 상기 투과성막을 통해 농도를 증가시킴으로써 물 내에 용해된 가스의 농도를 조절하도록 선택적 정압(positive pressure)에서 물에 공급된다. 반면, 상기 부재로서 탈가스화장치가 사용될 때, 가스는 상기 투과성막을 통해 물로부터 제거되며 감압 펌프로 응용된 펌프에 의해 농도를 감소시킴으로써 물에 용해된 가스 농도를 조절하도록 선택적 진공 압력에서 가스 공간으로부터 제거된다.
가스화장치는 일반적으로 반도체 웨이퍼를 세정하기 위한 세정 탱크에 물을 전달하기 이전에, 가스화장치로부터 세정 탱크로 전달시에, 예를 들어 상온(저온)의 탈이온수를 (고온)세정 온도로 가열시키는데 사용되는 히터의 앞, 즉 상류에 있는 장비 상에 위치된다. 그러나, 상온(저온)의 탈이온수와 예열된(고온) 탈이온수가 이용될 수 있으며, 저온 및 고온 공급물은 고온의 세정 온도에서 물을 제공하기 위해 소정의 비율로 혼합될 수 있다.
그러나, 오늘날의 습식 세정 장치는 보다 높은 온도에서, 세정 배스의 탈이온수 내에 있는 가스의 과포화가 발생함을 고려하지 않는다. 이는 세정 단계 동안 메가소닉 진동 효율을 크게 감소시킨다.
가열된 탈이온수 내에 있는 가스의 비효율적인 과포화 또는 아포화를 방지하기 위해, 메가소닉 진동 작용하에서 반도체 웨이퍼를 세정하는 선택적으로 상승된 세정 온도로 탈이온수가 가열되기 이전에 탈이온수의 가스 농도를 선택적으로 조절하는 방법 및 장치를 포함하는 시스템을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명은 본 출원과 공동 양수인 및 공동 발명자를 가지며, 본 명세서와 동시 출원된(Siemens 99 P 7607 US-S. Kudelka and D.L.Rath) "TEMPERATURE CONTROLLED DEGASSIFICATION OF DEIONIZED WATER FOR MEGASONIC CLEANING OF SEMICONDUCTOR WAFERS"란 명칭의 미국 특허 출원번호 제 09/318,155호에 관한 것이다.
본 발명은 반도체 웨이퍼의 메가소닉 세정을 위한 탈이온수의 온도 제어 가스화를 위한 방법과 장치를 포함하는 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로 예를 들어 실리콘 반도체 웨이퍼를 세정하기 위해 선택적으로 상승된 세정 온도와 선택적으로 보조적인(attendant) 세정 압력에서 실질적으로 100%의 포화농도를 갖는 비반응성 세정 강화 가스가 용해된 탈이온수를 제공하는 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용되는, "비반응성" 세정 강화 가스는 웨이퍼 내에 또는 반도체 웨이퍼 내에 또는 반도체 웨이퍼 상에 존재하는 소정의 성분과 반응하지 않고(즉 화학 반응에 불활성임) 반도체 웨이퍼로부터 예를 들어 입자, 오염물의 세정을 강화하기 위한 탈이온수내에 용해될 수 있는 소정의 가스 물질을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는, "반도체 웨이퍼"는 오염 입자 제거와 화학적 세정 공정의 대상이 되는 집적 회로 또는 다른 관련 회로 구조물을 제공하는데 사용되는 예를 들어 실리콘으로 이루어진 소정의 마이크로 전자 장치, 기판, 칩 등을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따라 반도체 웨이퍼의 메가소닉 세정을 위해 가스화되고 가열된 탈이온수를 제공하는 장치의 개략도이다.
도 2는 25℃ 등온에서 질소 가스의 농도의 함수로서 탈이온수 내에서 실리콘 질화물 입자의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 3은 상이한 온도에서 탈이온수에 대해 1 대기 정압에서 최적의 질소 가스의 농도를 도시하는 그래프이다.
상기 도면은 일정한 비율로 도시되지 않으며, 소정의 도면은 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위해 과장된다.
전술한 단점은 본 발명에 따라 메가소닉 진동 하에서 반도체 웨이퍼를 세정하는 선택적으로 상승된 세정 온도로 탈이온수가 가열되기 이전에 탈이온수의 가스 농도를 선택적으로 조절하여, 가열된 탈이온수 내에 있는 가스의 비효율적인 과포화 또는 아포화를 방지하는 방법 및 장치를 포함하는 시스템을 제공함으로써 해결된다. 특히, 탈이온수의 가스 농도는 증가된 메가소닉 세정 효율을 위해 세정 공정 온도의 함수로서 제어되어야 한다.
본 발명의 제 1 측면에 따라, 예를 들어 실리콘 반도체 웨이퍼를 세정하기 위해 선택적으로 상승된 세정 온도와 선택적으로 보조적인 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도로 용해된 비반응성 세정 강화 가스를 포함하는 탈이온수를 마련하는 방법이 제공된다.
상기 방법은, 예정된 초기 농도와 예정된 초기 저온에서 제 1 부분의 탈이온수에 용해된 비반응성 세정 강화 가스 농도를 조절하여, 초기 저온에서 용해된 가스를 예정된 아포화 초기 농도로 조절하여 제공하는 단계; 및
예정된 초기 농도와 예정된 초기 고온의 가스가 용해된 제 2 부분의 탈이온수를 온도를 조절하는 양으로 예정된 비율로 상기 제 1 부분의 탈이온수와 혼합함으로써, 가스 농도가 조절된 상기 제 1 부분의 탈이온수 온도를 조절하여, 반도체 웨이퍼를 세정하기 위한 세정 온도 및 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도로 용해된 가스를 함유한 탈이온수의 고온 배스를 형성하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 세정 온도는 약 50 내지 85℃(122 내지 185℉)로, 약 66℃(151℉)이며, 제 1 부분의 탈이온수의 초기 저온은 약 15 내지 30℃(59 내지 86℉)로, 약 25℃(77℉)이며, 제 2 부분의 탈이온수의 초기 고온은 약 60 내지 95℃(140 내지 203℉)로 약 80℃(176℉)이며 세정 온도보다 적어도 약 5℃(9℉) 더 높으며, 세정 압력은 거의 대기압이다.
바람직하게, 제 2 부분의 탈이온수는 실질적으로 100% 포화된 초기 농도의 가스가 용해되며, 제 1 부분의 탈이온수의 가스 농도는 적어도 약 90%의 아포화로 조절된 농도의 가스 및 실질적으로 100% 이하의 포화 농도로 탈이온수내에 용해된 가스를 제공한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따라, 상기 방법은 매우 희석된 세정 용액을 공급하기 위해 예를 들어 과산화수소와 수산화암모늄 등을 포함하는 알칼리성 세정제와 같은 화학 세정제를 첨가하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 희석된 세정 용액은 예를 들어 10:1:1 내지 1,000:2:1의 부피비, 특히 각각 100:0.9:0.5(SC1)의 탈이온 H2O/H2O2/NH4OH의 알칼리성 세정 용액을 포함한다.
본 발명의 또다른 바람직한 특성에 따라, 상기 방법은 웨이퍼를 고온 배스에 침지시키고 고온 배스에 메가소닉 진동을 인가함으로써, 웨이퍼를 고온의 배스와 접촉시켜 반도체 웨이퍼를 세정하는 단계를 더 포함한다.
특히, 상기 방법은 예정된 초기 농도의 가스 및 예정된 초기 저온에서 가스가 용해된 제 1 부분의 탈이온수를 가스화시켜, 초기 저온에서 상기 탈이온수에 용해된 가스 농도를 예정된 아포화 농도로 조절하여 제공하는 단계; 및 예정된 초기 농도 및 예정된 초기 고온의 가스가 용해된 제 2 부분의 탈이온수를 온도를 조절하는 양으로 예정된 비율에서 상기 제 1 부분의 탈이온수와 혼합함으로써 가스 농도가 조절된 상기 제 1 부분의 탈이온수를 가열하여, 세정 온도 및 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도의 가스가 용해된 탈이온수의 고온 배스를 충분히 형성하는 단계를 포함한다.
비반응성 세정 강화 가스는 일반적으로 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Rn), 수소(H2), 메탄(CH4) 및 에탄(C2H6)과 같은 경질 탄화수소, 테트라플루오로메탄(CF4)과 같은 경질 과불화 탄화수소, 디메틸 에테르(CH3OCH3)와 같은 경질 에테르, 경질 불화 에테르 등을 포함한다. 약한 산성 pH가 문제되지 않는 경우, 가스는 이산화탄소(CO2)일 수도 있으며, 소정의 산화적 활성이 문제되지 않는 경우, 가스는 아산화질소(웃음 가스(N2O))일 수도 있다.
그러나, 사용되는 비반응성 세정 강화 가스 및 탈이온수는 각각 실질적으로 무산소이며, 바람직하게 기본적으로 무산소이다.
본 발명의 제 2 측면에 따라, 반도체 웨이퍼를 세정하기 위해 선택적으로 상승된 세정 온도와 선택적으로 보조적인 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도의 비반응성 세정 강화 가스가 용해된 탈이온수를 준비하는 장치가 제공된다.
상기 장치는 제 1 흐름 제어 수단에 유동적으로 연결된 가스화 챔버; 예정된 제 1 온도와 예정된 제 1 농도의 가스가 용해된 제 1 부분의 액체를 공급하는 제 1 액체 입구 수단; 챔버에 가스를 공급하는 가스 입구 수단; 선택적으로 조절된 압력에서 챔버에 가스를 공급하도록 가스입구 수단에 유동적으로 접속된 압력 공급 수단; 및 챔버내의 압력을 감지하는 압력 감지 수단을 포함하며, 제 1 흐름 제어 수단은 상기 액체 혼합 수단으로 상기 챔버로부터의 가스 농도가 조절된 제 1 액체를 공급하도록 액체 혼합 수단에 유동적으로 접속된다.
상기 장치는 예정된 제 2 온도와 예정된 제 2 농도의 가스가 용해된 제 2 부분의 액체를 상기 혼합 수단에 공급하도록 상기 혼합 수단에 접속된 제 2 흐름 제어 수단; 및 상기 혼합 수단내의 액체 온도를 감지하는 온도 감지 수단을 더 포함한다.
제어 수단은 압력 인가 수단, 압력 감지 수단, 온도 감지 수단, 제 1 및 제 2 흐름 제어기 수단에 접속되어, 챔버내의 압력을 선택적으로 조절하기 위한 압력 인가 수단의 동작을 제어하며 혼합 수단을 통해 제 1 및 제 2 액체의 흐름을 각각 선택적으로 조절하기 위해 제 1 및 제 2 흐름 제어기 수단의 동작을 제어하여, 선택적으로 조절된 농도 및 선택적으로 상승된 온도 및 보조적인 압력의 가스가 용해된 탈이온수의 고온 배스에 상응하는 혼합 액체를 제공한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따라, 상기 장치는 반도체 웨이퍼의 메가소닉 세정을 위해 상기 혼합 수단으로부터 최종 혼합된 액체를 수용하도록 정렬된 세정 탱크를 더 포함한다.
본 발명은 첨부 도면 및 청구의 범위와 함께 다음의 상세한 설명에 의해 보다 용이하게 이해될 것이다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명에 따라, 예를 들어 실리콘 반도체 웨이퍼를 세정하기 위한 고온 배스를 형성하기 위해 선택적으로 상승된(고온) 세정 온도와 선택적으로 보조적인 세정 압력에서 100% 포화 농도의 비반응성 세정 강화 가스가 용해된 탈이온수를 제공하는 장치(10)가 도시된다. 장치(10)는 가스화 챔버(11), 제 1 흐름 제어기(12), 혼합기(13), 세정 탱크(14), 압력 펌프(17), 압력 센서(19), 온도 센서(20), 제 2 흐름 제어기(21), 제어기(22), 펌프 제어 라인(23), 압력 제어 라인(24), 제 1 흐름 제어기 제어 라인(25), 압력 제어 라인(26), 제 2 흐름 제어기 제어 라인(27), 및 화학물 공급기(28)를 포함한다. 챔버(11)는 물 입구(15)와 가스 입구(16)를 가지며, 펌프(17)는 가스 입구(18)를 갖는다.
가스화 챔버(11)는 예를 들어 제 1 측정 밸브로서 형성된 제 1 흐름 제어기(12)에 유동적으로 연결되며, 차례로 제 1 흐름 제어기(12)는, 예를 들어 혼합 밸브로서 형성된 혼합기(13)에 유동적으로 연결된다. 또한 예를 들어 측정 밸브로서 형성된 제 2 흐름 제어기(21)는 마찬가지로 혼합기(13)에 유동적으로 연결된다.
혼합기(13)는 예를 들어 10 gal/분의 흐름 속도로 약 50 내지 85℃, 예를 들어 66℃의 세정 온도에서 바람직한 고온의 탈이온수가 제공되도록, 예정된 부피비(예를 들어, 25.5%는 저온 부분이고 74.5%는 고온 부분)로 혼합기내에서 혼합되도록, 제 1 흐름 제어기(12)에 의해 제어되는 예정된 제 1 부피 흐름 속도, 예를 들어, 2.55gal/분으로 가스화 챔버(11)로부터 예정된 초기 저온의 제 1 부분의 탈이온수와, 제 2 흐름 제어기(21)에 의해 제어되는 예정된 제 2 부피 흐름 속도, 예를 들어, 7.45gal/분으로 예정된 초기 고온의 제 2 부분의 탈이온수를 수용하도록 정렬된다. 세정 탱크(14)는 하나 이상의 반도체 웨이퍼(도시 않음)의 배치 작업 세정을 달성하기 위해, 혼합기(13)로부터 고온의 탈이온수를 수용하기 위해 통상적인 방법으로 정렬된다.
가스화 챔버(11)는 통상적인 탈가스화/가스화 챔버, 즉 가스 투과성 막에 의해 액체 구역(물의 공간)과 가스 구역(가스 공간)으로 분리되며 밀폐된, 예를 들어 밀봉된 챔버로서 적절히 제공된다. 가스화 챔버(11)로 사용될 때, 챔버(11)는 챔버에 물을 공급하기 위한 물 입구(15)와 챔버에 가스를 공급하기 위한 가스 입구(16)를 갖는다. 가스는 압력 펌프(17)에 의해 가스 공간에 공급되며 농도를 증가시킴으로써 물에 용해된 가스의 농도를 조절하기 위해 선택적인 정압에서 물의 공간에 막을 통해 공급된다.
물의 입구(14)는 제 1 부분의 탈이온수로 완전히 채워진 탈가스화 챔버(11)의 물의 공간을 유지하기 위해 탈이온수의 제 1 소스(도시 않음)에 접속된다. 제 1 부분의 탈이온수는 바람직하게 거의 무산소이다. 예를 들면, 저온(cold)의 탈이온수에는 예정된 초기 농도로 약 48%(8ppm)의 질소(N2) 가스와 같은 비반응 세정 강화(버블 형성 및 교반) 가스가 약 15-30℃의 예정된 초기 저온, 및 특히 약 25℃의 대기 또는 실온에서 용해되어 있다.
제 1 소스의 탈이온수는 일반적으로 산소가 없는 물을 제공하기 위해 탈이온수로부터 모든 가스를 제거하도록 예비 탈가스화된 탈이온수이다. 기본적으로 무산소 탈이온수는 탈가스화 챔버(11)로 흐르기에 충분한 압력 헤드 또는 펌프 압력 하에서, 질소와 같은 불활성 가스의 블랭킷에 의해 커버되며, 약 15 내지 30℃, 예를 들어 25℃의 실온 이상의 온도에서 일반적으로 유지되는 저장기에 저장된다. 이러한 조건하에서의 저장으로 인해 질소와 같은 불활성 가스를 갖는 저온의 탈이온수를 가스화, 예를 들어 48%(8ppm) 가스로 포화되게 한다.
압력 펌프(17)의 가스 입구(18)는 질소 가스 실린더(도시되지 않음)와 같은 비반응 세정 강화 가스의 소스에 접속되어 가스화 챔버(11)에 상기 가스를 공급한다. 이를 위해, 압력 펌프(17)는 가스화 챔버(11)의 가스 입구(16)에 연결된다. 압력 센서(19)는 압력, 즉 가스화 챔버 내의 질소 가스의 평형 상태의 부분 압력을 감지하고 모니터하기 위해 가스화 챔버(11)의 가스 공간과 연통한다.
압력 펌프(17)는 선택적인 정압에서 가스화 챔버(11)의 가스 공간을 유지하기 위해 압력 센서(19)와 관련해서 작동된다. 이로 인해 가스화 챔버(11)의 탈이온수 내에 용해된 가스의 농도를 조절하기 위해 가스 공간으로부터 막을 통과함으로써 가스화 챔버(11)의 물의 공간 내의 물에 선택적인 양의 질소 가스가 용해된다.
따라서 이러한 제 1 부분의 탈이온수의 가스 농도는 증가되어 48%(8ppm) 내지 적어도 약 90%로 탈이온수 내에 용해된 질소 가스의 아포화 조절된 농도와 예를 들어 95.4%(15.8ppm)의 가스 포화와 같은 실질적으로 100% 이하로 포화된 농도가 제공된다.
제 2 흐름 제어기(21)는 바람직하게 기본적으로 무산소이며, 탈이온수 내에 용융된 질소 가스의 예정된 초기 농도, 즉 실질적으로 100%(8ppm)의 농도를 가지며, 약 60 내지 95℃, 예를 들어 80℃의 예정된 초기 고온이며, 50 내지 85℃ 세정 온도보다 약 5℃ 더 높은 탈이온수의 제 1 소스(도시되지 않음)에 연결된다.
또한 제 2 소스의 탈이온수는 일반적으로 산소가 없는 물을 제공하기 위해 탈이온수로부터 모든 가스를 제거하도록 예비 탈가스화된 탈이온수이다. 그후 기본적으로 무산소 탈이온수는 약 60 내지 95℃, 예를 들어 80℃의 고온으로 가열되고, 제 2 흐름 제어기(21)로의 흐름이 충분히 용이하도록 압력 헤드 하에서 고온에서 질소와 같은 불활성 가스의 블랭킷에 의해 커버된 저장기 내에 저장된다. 이러한 조건하에서의 저장으로 인해 질소와 같은 불활성 가스를 갖는 고온의 탈이온수를 가스화, 예를 들어 100%(8ppm) 가스로 포화되게 한다.
제 2 흐름 제어기(21)는 가스화 챔버(11)로부터 제 1 흐름 제어기(12)를 통해 공급된 95.4%(15.8ppm)의 조절된 가스 농도 및 저온(15-30℃, 예를 들어 25℃)의 제 1 부분의 탈이온수(2.55gal/min)와 예정된 체적 비율(7.45gal/min)로 초기 실질적으로 100%(8ppm) 포화된 가스 농도 및 고온(60-95℃, 예를 들어 80℃)의 제 2 부분의 탈이온수를 혼합기(13)에 공급하도록 배열된다.
이러한 방식으로, 저온 및 고온 물 부분은 50 내지 85℃, 예를 들어 66℃의 세정 온도 및 보조적인 세정 압력, 예를 들어 대기압에서 실질적으로 100%(16.6ppm) 포화 농도의 질소 가스가 용해된 탈이온수의 최종 고온 배스(10gal/분)를 제공하도록 혼합된다. 온도 센서(20)는 혼합기(13) 내에 있는 탈이온수의 온도를 감지하고 모니터하도록 배열된다.
그러므로, 25℃에서 48%(8ppm)의 질소 가스 농도를 갖는 저온 탈이온수의 중앙 또는 국부적 공급과 80℃에서 100%(8ppm)의 질소 가스 농도를 갖는 고온 탈이온수의 중앙 또는 국부적 공급 및 66℃에서 100%(10ppm)의 포화 가스 농도를 갖는 고온 세정 배스를 형성하도록 10gal/분의 흐름 속도를 제공하기 위해 습식 세정 장비에서 물의 국부적 가스 농도 조절을 가정할 때, 저온의 물은 48%(8ppm)로부터 95.4%(15.8ppm) 농도의 질소로 가스화처리되며 2.55gal/분의 흐름 속도에서 7.45gal/분의 흐름 속도의 고온 물과 혼합된다. 가스의 농도 조절 및 온도 조절은 저온 및 고온의 물 부분의 흐름 속도에 따라 좌우된다.
따라서, 25℃ 온도와 8ppm(48% 포화)의 절대 질소 가스 농도를 갖는 저온 탈이온수 공급에 대해, 80℃의 온도와 8ppm(100% 포화)의 절대 질소 가스 농도를 갖는 고온 탈이온수 공급, 및 10gal/분의 흐름 속도를 갖고 66℃의 온도와 10ppm(100% 포화)의 절대 질소 가스 농도를 갖는 고온 탈이온수인 탈이온수의 세정 배스에 대해, 고온 탈이온수의 흐름 속도(x)는 다음과 같이 계산된다.
80x + 25(1-x) = 66 (1), 이를 풀어쓰면 80x + 25 - 25x = 66, 55x = 41, 따라서 x = 0.745 또는 74.5%, 즉 7.45gal/분이다.
그러므로 저온의 탈이온수의 흐름 속도(1-x)는 0.255 또는 25.5%, 즉 2.55gal/분이다.
일치되게, 달성될 고온의 탈이온수와 적절한 ppm의 질소 가스 농도의 혼합에 있어서, 저온의 탈이온수는 약 15.8ppm(95.4%)의 절대 질소 가스 농도로 가스화되어야 하며, 다음과 같이 계산된다.
8(0.745) + y(0.255) = 10(1), 이를 풀어쓰면 5.96 + 0.255y = 10, 0.255y = 4.04, 따라서 y = 15.8이다.
약 11ppm의 질소 가스 농도에 해당하는 도 3의 포화 곡선에 대해 고온의 탈이온수 배스 온도가 66℃ 대신 60℃라는 것을 제외하고 상기 설명된 것처럼 동일한 조건이 가정되며, 고온 탈이온수의 흐름 속도(x)는 다음과 같이 계산된다.
80x + 25(1-x) = 60(1), 이를 풀어쓰면 80x + 25 - 25x = 60, 55x = 35, 따라서 x = 0.636 또는 63.6%, 즉 6.36gal/분이다.
그러므로 저온 탈이온수의 흐름 속도(1-x)는 0.364 또는 36.4%, 즉 3.64gal/분이 되며, 저온 탈이온수는 약 16.2ppm의 가스 농도 y로 가스화되어야 하며, 다음과 같이 계산된다.
8(0.636) + y(0.364) = 11(1), 이를 풀어쓰면 5.09 + 0.364y = 11, 0.364y = 5.91, 따라서 y = 16.2이다.
유사하게, 약 9ppm(100%)의 질소 가스 농도에 해당하는 도 3의 포화 곡선에 대해 고온의 탈이온수 배스가 66℃ 대신 70℃라는 것을 제외하고 상기 설명된 것과 동일한 조건이 가정되며, 고온 탈이온수의 흐름 속도(x)는 다음과 같이 계산된다.
80x + 25(1-x) = 70(1), 이를 풀어쓰면 80x + 25 - 25x = 70, 55x = 45, 따라서 x = 0.818 또는 81.8%, 즉 8.18gal/분이다.
그러므로 저온 탈이온수의 흐름 속도(1-x)는 0.182 또는 18.2%, 즉 1.82gal/분이 되며, 저온 탈이온수는 약 13.5ppm의 가스 농도 y로 가스화되어야 하며, 다음과 같이 계산된다.
8(0.818) + y(0.182) = 9(1), 이를 풀어쓰면 6.54 + 0.182y = 9, 0.182y = 2.46, 따라서, y = 13.5이다.
그러므로, 제공될 100% 포화된 가스 농도의 고온 탈이온수 배스에 요구된 흐름 속도와 온도 및 저온 탈이온수와 고온 탈이온수의 공지된 절대 가스 농도와 온도에 기초해서, 저온 및 고온 탈이온수 부분의 부피비와 흐름 속도는 용이하게 계산될 수 있으며, 저온 탈이온수가 저온 및 고온 탈이온수 부분을 혼합하는 적당한 부피비 당 요구된 100% 포화된 가스 농도의 고온 탈이온수 배스를 제공하기 위해 상승되어야 할 절대 가스 농도가 용이하게 계산된다.
세정 탱크(14)는 예를 들어 통상적인 방식으로 대기에 유지되거나 비간접 연통으로 인한 외부 오염을 피하기 위해 밀폐 탱크 또는 셀로서 정렬됨으로써 선택적인 세정 압력, 예를 들어 약 대기압(1기압) 하에서 적절하게 제공된다. 약 50-85℃의 고온 세정 온도, 특히 약 66℃, 및 보조적인 세정 압력, 예를 들어 대기압에서 고온 배스 형태로 세정 탱크(14) 및 혼합기(13)로부터 세정 탱크(14)에 수용된 고온 탈이온수에 메가소닉 진동을 부여하거나 인가하는 종래 방식으로, 메가소닉 진동 발생기(도시되지 않음)와 같은 메가소닉 트랜스듀서가 세정 탱크(14)에 제공된다.
제어기(22)는 압력 펌프(17), 제 1 흐름 제어기(12) 및 제 2 흐름 제어기(21)의 작동을 제어하는 통상적인 방식으로, 펌프 제어 라인(23), 압력 제어 라인(24), 제 1 흐름 제어기 제어 라인(25), 온도 제어 라인(26) 및 제 2 흐름 제어기 제어 라인(27)을 통해 압력 펌프(17), 압력 센서(19), 제 1 흐름 제어기(12), 온도 센서(20) 및 제 2 흐름 제어기(21)에 각각 연결된다. 제어기(22)는 가스화 챔버(11)의 가스 압력 및 혼합기(13)에서 제 1 부분 및 제 2 부분의 탈이온수를 선택적으로 혼합하기 위한 제 1 흐름 제어기(12) 및 제 2 흐름 제어기(21)의 흐름 속도를 선택적으로 제어하는데 사용되어 반도체 웨이퍼의 메가소닉 세정을 위해 고온 배스를 형성하는데 사용되는 세정 탱크(14)에 고온 탈이온수를 제공한다.
세정 탱크(14) 내의 고온 액체 배스는 공지된 방식에서 탈이온수 내에 선택적인 비율(SC1), 예를 들어 10:1:1 내지 1,000:2:1의 부피비, 특히 각각 100:0.9:0.5의 탈이온화된 H2O/H2O2/NH4OH의 탈이온수의 과산화수소 및 수산화암모늄의 매우 희석된 알카리성 용액과 같은 소정의 비율로, 예를 들어 부피비(표준 세정 용액)로 탈이온수 내의 일반적인 화학적 세정제 또는 조성물의 수용성 화학 처리 배스로서 사용될 수도 있다.
이러한 목적을 위해, 혼합기(13)로부터 세정 탱크(14)로 고온 배스의 전달에 따라 화학 공급부(28)는 통상적인 방법으로 세정 탱크(14) 내의 고온 액체 배스에 화학적제 또는 조성물을 첨가하기 위해 세정 탱크(14)와 관련하여 동작하도록 제공된다.
가스화 챔버(11)와 혼합기(13)는 저온의 제 1 부분 탈이온수 및 고온의 제 2 부분 탈이온수를 수용하고 처리하도록 배열되어, 그내부의 질소 또는 다른 적절한 가스 농도를 조절하기 위해 저온의 제 1 부분의 탈이온수를 가스화시키고, 예를 들어 하나 이상의 세정 탱크(14)에서 웨이퍼 또는 웨이퍼들의 연속적인 개별 린스 및 세정 처리를 포함하는 반도체 웨이퍼 배치 세정 공정에서의 사용을 위해 소정의 고온을 달성하도록 고온의 제 2 부분의 탈이온수를 적절한 비율로 제 1 부분의 탈이온수와 혼합함으로써 가스 농도가 조절된 제 1 부분이 가열된다.
따라서, 본 발명에 따라 저온의 탈이온수 내에서 세정 강화 가스, 예를 들어 질소의 부분압의 온도에 의존한 조절은 가스화 챔버(11)내에서 달성된다. 혼합기(13) 내에서 고온 탈이온수와의 혼합으로, 특히 세정 탱크(14) 내에서 실리콘 웨이퍼의 메가소닉 세정과 관련해서, 탈이온수 린스 작업 뿐만 아니라 화학적 세정 작업에 충분히 사용되기 위해 평형 상태에서 바람직한 100% 포화 가스 농도를 갖는 고온 탈이온수가 준비된다.
일정한 고온, 예를 들어 66℃에서, 세정 효율은 특정 액체/가스 시스템의 평형 가스 농도에서 최고에 달한다. 비평형 상태의 더 높은 가스 농도에서, 실제로 일반적으로 발생하는 것처럼, 세정 효율은 감소한다. 그러므로, 가스화 장치 →온도 조절기 →처리 챔버, 즉 세정 탱크의 처리 과정을 사용하는 통상적인 탈이온수 준비 시스템은 가스화 장치의 가스화 정도가 온도를 제어한다면 최적의 메가소닉 효율이 달성된다.
이는 가스의 용해도가 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문이다. 따라서, 상대적으로 저온의 탈이온수 및 상대적으로 저온의 탈이온수와 상대적으로 고온의 탈이온수의 혼합물의 가스화는 상대적으로 고온에서 바람직한 탈이온수 세정 배스를 제공하기 위해 필요하다. 통상적인 탈이온수 준비 시스템은 세정 작업을 위해 사용되는 고온의 탈이온수의 상승된 온도에 따라 저온의 탈이온수 가스화를 조절하지 않기 때문에, 메가소닉 진동 효율은 주어진 세정 처리 온도에 대해서만 적합하다.
이제 도 2를 참조하면, y축이 실리콘 입자 제거 효율(%)이고 x축이 압력(atm)인 그래프가 도시된다. 상기 그래프는 탈이온수 내에 용해된 가스로서 질소를 사용하는 반도체 웨이퍼 세정 효율에 따른 가스로 과포화된 탈이온수 및 아포화된 탈이온수의 효과를 도시한다.
일반적인 실시예를 따른 상기 입자 제거 효율 시험에서, 실리콘 웨이퍼는 재생 가능한 방식으로 시험 입자, 이러한 경우에 실리콘 질화물 입자로 인해 처음 오염된다. 그 후 증착된 시험 입자의 수가 계산된다. 입자 제거 효율은 알고 있는 초기 입자 수에 기초해서 제거된 입자 수에 의해 계산된다.
웨이퍼 표면 상에 있는 시험 입자의 성질은 제조 공정 중에 웨이퍼 표면 상에 존재할 것으로 기대되는 실제 입자와 상이할 것이다. 그러나, 상기 시험은 소정의 세정 장치에 대한 수용할 수 있는 세정 효율 값을 제공한다. 일반적으로, 제조 공정에서 발생되는 웨이퍼 표면상의 실제 입자는 웨이퍼 표면에 보다 강하게 접착되어 시험 입자보다 제거하기 곤란하다고 가정될 수 있다.
도 2에는 질소 가스 농도의 함수로서 오염원인 실리콘 질화물 입자의 입자 제거 효율, 즉 제거 효율 = f(p), 또는 다르게 표현하면, 가스 농도와 동등한 가스의 부분압의 함수로서 도시된다. 실험 조건으로는 용해된 질소 가스 함량에 따라 조절된 탈이온수, 즉, 가스 조절 부재(탈가스화장치 또는 가스화장치)로서 통상적으로 호에흐스트 셀라니즈(Hoechst Celanese) 콘택터를 사용를 사용하여 탈가스화된 또는가스화된 탈이온수에 대해, 25℃의 일정한 온도 및 약 0.6-1.4 기압 사이의 범위의 가스 부분압을 포함하며, 메가소닉 습식 세정 동작은 1기압의 압력에서 60초 동안 SC1 용액(100:0.9:0.5 ; 탈이온수:과산화수소:수산화암모늄)으로 습식 세정 공정을 이용하여, 25℃에서 습식 세정 장비로서 CFM 8050 시스템(CFM 테크놀로지스사)에서 수행된다.
도 2의 수직 점선은 정상 압력 또는 대기압(1atm)을 나타내며, 수직 점선 왼쪽의 가스 농도는 대기압 이하의 음압에서 아포화를 나타내며, 수직 점선 오른쪽의 가스 농도는 대기압 이상의 정압에서 과포화를 나타낸다.
도 2는 대기압의 질소(100% 포화 평형)에서, 최대 입자 제거 효율이 관찰됨을 도시한다. 더 낮고 더 높은 가스 농도에서, 세정 효율은 상당히 감소한다.
탈이온수 내의 과포화된 질소에서 입자 제거 효율의 감소는 메가소닉 에너지가 웨이퍼 표면에 도달하기 전에 메가소닉 에너지를 유해하게 흡수하는 가스(질소)의 과잉 버블의 형성에 의해 설명된다.
더 낮은 가스 농도에서 입자 제거 효율의 감소는 안정한 캐비테이션이 낮은 평형 가스 농도에서 감소되기 때문이라고 여겨진다. 이는 지금까지 당업자에게 명백히 이해되지 않고 있다.
세정 효율에 대한 용해된 가스 농도의 효과를 명확히 이해하기 위해, 제거 효율은 100% 이하(즉, 70%)로 조절되어야 하며, 이에 의해 용해된 가스 농도의 세정 효율에 대한 영향을 알 수 있다. 이러한 이유 때문에, 여기서 수행된 실험은 상온(즉, 25℃)에서 짧은 세정 시간(즉 60초) 동안 매우 희석된 SC1 용액(즉, 100:0.9:0. 5 ; 탈이온수 : 과산화수소 : 수산화암모늄)으로 수행된다. 일반적으로, 세정 효율은 용액 화학물의 농도, 세정 시간, 및 온도를 증가시킴으로써 증가한다.
이제 도 3을 참조하면, y축이 질소(ppm)이고 x축이 온도(℃)인 그래프가 도시된다. 상기 그래프는 용해된 질소의 1 기압의 일정한 전체 압력에서 약 15 내지 75℃ 범위의 상이한 온도에 대한 탈이온수 내의 최적 질소 가스 농도(ppm)를 도시한다. 그러므로, 최적의 평형 농도는 도 3에서 질소에 대해 증명된 것처럼 평형 가스 농도이다. 도 3에서 세 개, 즉 왼쪽, 중앙, 및 오른쪽 수직 점선은 각각 25℃, 29℃ 및 66℃의 온도를 나타내며, 세 개, 즉 상부, 중앙부 및 하부 수평 점선은 각각 탈이온수 내에 용해된 질소 농도, 즉 18ppm, 16.6ppm 및 10ppm을 나타낸다.
도 3의 포화 곡선은 100% 질소 가스의 포화는 25℃(왼쪽 수직 점선)에서 약 18ppm(상부 수평 점선)에 대응하고, 29℃(중앙부 수직 점선)에서 약 16.6ppm(중앙 수평 점선)에 대응하며, 66℃(오른쪽 수직 점선)에서 약 10ppm(하부 수평 점선)에 대응함을 나타낸다. 그러므로, 18ppm의 질소 함유 탈이온수를 25℃로 내지 66℃로 또는 16.6ppm의 질소 함유 탈이온수를 29℃ 내지 66℃로 가열하면 가열된 탈이온수 내에 질소가 상당히 과포화된다. 반면, 10ppm의 질소 함유 탈이온수를 25℃ 내지 66℃로 또는 29℃ 내지 66℃로 가열하면 가열된 탈이온수 내에 질소가 바람직하게 100% 포화된다.
도 3의 포화 곡선으로부터 알 수 있듯이, 25℃에서 16.6ppm의 질소 함유 탈이온수는 평형 포화 상태의 약 90%에 달하며, 질소가 아포화된 상태를 나타낸다. 또한 도 3의 포화 곡선으로부터 알 수 있듯이, 16.6ppm 농도는 탈이온수를 25℃ 내지 66℃로 가열시 10ppm의 질소 가스와 비교할 때 평형 상태에서 60% 이상(즉, 16.6-10 = 6.6, 6.6/10 = 66%) 과포화된다.
도 2를 다시 참조하면, 60% 이상의 과포화는 질화물 입자 제거 효율 성능을 30% 이상 감소시킴을 알 수 있다. 도 2에 도시된 것처럼, 약 70%의 입자 제거 효율은 1.0 대기압(탈이온수 내의 100% 질소 포화와 동등함)에서 얻어진다. 반면에, 약 40%의 입자 제거 효율은 0.8 대기압(탈이온수 내에 아포화된 질소의 농도)에서 얻어지지만, 약 65%의 입자 제거 효율은 1.2 대기압(탈이온수 내에 과포화된 질소의 농도)에서 얻어진다.
전술된 것처럼, 탈이온수에 용해된 질소 가스가 아포화 농도(즉 100% 정상 포화 이하)일 때, 바람직한 안정한 캐비테이션은 감소되며, 탈이온수 내에 용해된 질소 가스가 과포화 농도(즉 100% 정상 포화 이상)일 때, 가해진 메가소닉 진동의 효율을 두가지 경우에서 감소시키기 위해 메가소닉 에너지를 역흡수하는 과잉의 버블이 형성된다.
따라서, 도 2 및 도 3으로부터 알 수 있듯이, 대기압(1ppm)에서 질소 가스를 함유하는 66℃의 고온 탈이온수를 포화 농도(100% 정상 포화)로 제공하기 위해, 사용될 탈이온수는 10ppm의 질소 가스를 함유하도록 조절되어야 하며, 탈이온수 온도를 66℃로 조절할 때, 바람직한 포화 질소 가스 농도가 달성될 것이다.
따라서, 도 2의 곡선에서 메가소닉 입자 제거는 희석된 SC1 용액의 전체 가스 농도가 선택된 공정 온도에서 실질적으로 100% 포화값일 때 가장 효과적임을 알 수 있다. 따라서, 도 3의 곡선에서 1 기압의 압력, 즉 입자 제거 세정 작업이 수행되는 일반적인 압력에서 질소 가스의 포화 농도는 용액 온도에 강하게 의존함을 알 수 있다. 그러므로, 결론적으로 사용되는 희석된 SC1 용액 내의 가스 농도는 가해진 메가소닉의 효율을 최대화하기 위해 소정의 경우에 사용될 공정 온도에 의존하여 재조절됨을 알 수 있다.
또한, 초기 제 1 및 제 2 부분의 탈이온수를 제공하는데 사용되는 상이한 공정 때문에, 용해된 가스의 총양은 제 1 및 제 2 부분의 탈이온수의 소스로 작용하는 적절한 중앙 또는 국부적인 제조 위치에서 광범위하게 변할 수 있다. 그러므로, 여기서 예상되는 것처럼 부가적인 탈이온수 내의 가스 농도 조절이 없으면, 가해진 메가소닉 세정 작업은 본 발명에 따라 얻을 수 있는 효율을 얻을 수 없다.
메가소닉 기술이 입자 제거 작업을 강화시키는 정확한 메카니즘은 아직 완전히 이해되진 않지만, 세정 용액에 용해된 가스의 양은 예상된 효과적인 세정, 즉 입자 제거에 결정적임을 전술한 내용으로부터 알 수 있다. 세정 탱크(14)는 질소 또는 다른 적절한 가스를 함유하는 탈이온수를 사용하는 소정의 린스 단계, 및/또는 질소 또는 다른 적절한 가스 외에 하나 이상의 적절한 화학제를 포함하는 탈이온수를 사용하는 화학적 세정 단계에 의해 하나 이상의 반도체 웨이퍼를 처리하는데 사용되는 소정의 통상적인 형태를 취한다.
예를 들어 실리콘 웨이퍼를 세정할 때, 고려되는 희석 SC1의 세정 단계는 필요한 다른 화학적 단계에 선행하거나 뒤따를 수 있다. 이들은 전형적인 세정 시퀀스에서 일반적인 세정 단계에서 예를 들어 소수성 실리콘 표면을 생성하는 상부층인 실리콘 산화물을 제거하기 위한 희석된 HF 용액; SC1 세정 단계에서 증착된 금속성 오염물을 제거하기 위한, SC1 세정 단계 이후의, 탈이온수의 혼합물, 과산화수소 및 염산과 같은 SC2 용액; 및/또는 유기 오염물을 제거하기 위해 통상적으로 SC1 단계 이전에 오존과 황산의 혼합물 또는 과산화수소, 또는 물에 용해된 오존과 같은 산화 용액과 같은 에천트의 사용을 포함한다.
이러한 각각의 화학적 공정 단계는 잔류 공정 화학물을 제거하기 위해 탈이온수를 사용하는 웨이퍼 린스 단계를 수반한다. 모든 화학적 단계와 린스 단계가 수행된 후에, 웨이퍼는 건조된다. 포스트 화학적 공정의 최종 린스 단계는 상승된 온도에서 수행될 수도 있고 강화된 화학적 확산/이동 효율을 위해 메가소닉을 이용할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따라 2부분의 탈이온수가 사용되는데, 제 1 부분은 고온 세정 온도 보다 낮은 초기 저온을 가지며, 제 2 부분은 고온 세정 온도 보다 높은 초기 고온을 가지며 세정 온도에서 혼합물을 형성하기 위한 비율로 제 1 부분과 혼합된다. 다른 한편으론, 본 발명과 동시에 출원된 특허 출원에 따라, 탈이온수의 일부는 고온 세정 온도보다 낮은 초기 저온을 갖도록 사용되어 세정 온도로 가열된다.
미국 특허 제 5,800,626호는 표 1에 단지 50% 또는 100% 포화로 추정되는 질소 가스의 포화에서 40:2:1, 80:3:1 및 240:3:1의 부피비의 H2O/H2O2/NH4OH인 SC1 세정 용액과 45℃, 65℃, 22℃ 및 23℃의 온도에서 수행된 시험 결과를 포함한다. 그러나, 이러한 포화 결과는 본 발명에 따른 방식으로 탈이온수의 선택적인 온도에 따른 가스 농도 조절과 관계되지 않는 시험에 기초한 것이다.
따라서, 전술된 특정 실시예는 단지 본 발명의 일반 원리를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 원리와 일관된 다양한 변형이 제공될 수도 있다.
Claims (23)
- 반도체 웨이퍼로부터 메가소닉을 이용하여 입자를 제거하기 위해 선택적으로 상승된 세정 온도 및 선택적으로 보조적인 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도의 비반응성 세정 강화 가스가 용해된, 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법으로서,예정된 초기 농도 및 예정된 초기 저온의 가스가 용해된 제 1 부분의 탈이온수에 대해 용해된 비반응성 세정 강화 가스의 농도를 조절하여, 상기 초기 저온에서 용해된 가스 농도를 예정된 아포화 농도로 조절하여 제공하는 단계; 및예정된 초기 농도 및 예정된 초기 고온의 가스가 용해된 제 2 부분의 탈이온수를 온도를 조절하는 양으로 예정된 비율에서 상기 제 1 부분의 탈이온수와 혼합함으로써 가스 농도가 제어된 상기 제 1 부분의 탈이온수의 온도를 조절하여, 반도체 웨이퍼의 메가소닉 입자 제거 세정이 강화되도록 상기 세정 온도와 상기 세정 압력에서 상기 실질적으로 100% 포화 농도의 가스가 용해된 탈이온수의 고온 배스를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세정 온도는 약 50 내지 85℃이며, 상기 제 2 부분의 탈이온수에 대한 상기 초기 고온은 약 60℃ 내지 95℃이며 상기 세정 온도보다 적어도 약 5℃ 높고, 상기 세정 압력은 대략 대기압인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 부분의 탈이온수는 상기 탈이온수내에 용해된 실질적으로 100% 포화된 초기 가스 농도를 가지며, 상기 제 1 부분의 탈이온수의 가스 농도는 적어도 약 90% 이상 및 실질적으로 100% 이하의 포화 농도로 상기 탈이온수내에 용해된 상기 가스 농도가 아포화 농도로 조절되어 제공되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 고온 배스에 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 고온 배스에 과산화수소와 수산화암모늄을 포함하는 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서,약 10:1:1 내지 1,000:2:1의 탈이온수 대 과산화수소 대 수산화암모늄의 부피비를 제공하기 위해 상기 고온 배스에 과산화수소와 수산화암모늄을 포함하는 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 웨이퍼를 상기 고온 배스와 접촉시킴으로써 반도체 웨이퍼를 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 웨이퍼를 상기 고온 배스에 침지시키고 상기 고온 배스에 메가소닉 진동을 인가함으로써 반도체 웨이퍼를 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 반도체 웨이퍼로부터 메가소닉을 이용하여 입자를 제거하기 위해 약 50 내지 85℃의 선택적으로 상승된 세정 온도 및 대략 대기압인 선택적으로 보조적인 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도의 비반응성 세정 강화 가스가 용해된, 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법으로서,예정된 초기 농도 및약 15℃ 내지 30℃의 예정된 초기 저온을 갖는 비반응성 세정 강화 가스가 용해된 제 1 부분의 탈이온수의 농도를 조절하여 상기 초기 저온에서 용해된 가스의 농도를 예정된 아포화 농도로 조절하여 제공하는 단계;예정된 초기 농도 및 상기 세정 온도보다 적어도 약 5℃ 높은 약 60℃ 내지 95℃의 초기 고온을 갖는 가스가 용해된 제 2 부분의 탈이온수를 온도 조절 양으로 예정된 비율로 상기 제 1 부분의 탈이온수와 혼합함으로써 농도가 조절된 상기 제 1 부분의 탈이온수의 온도를 조절하여, 반도체 웨이퍼의 메가소닉 입자 제거 세정이 강화되도록 상기 세정 온도와 상기 세정 압력에서 상기 실질적으로 100% 포화 농도의 가스가 용해된 탈이온수의 고온 배스를 형성하는 단계; 및상기 웨이퍼를 상기 고온 배스에 침지시키고 상기 배스에 상기 웨이퍼를 세정하기 위한 메가소닉 진동 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 2 부분의 탈이온수는 상기 탈이온수내에 용해된 실질적으로 100% 포화된 초기 농도의 가스를 포함하며,상기 제 1 부분의 탈이온수의 가스 농도는 적어도 약 90% 이상 및 실질적으로 100% 이하의 포화 농도로 상기 탈이온수내에 용해된 상기 가스 농도가 아포화 농도로 조절되어 제공되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 고온 배스에 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 고온 배스에 과산화수소와 수산화암모늄을 함유하는 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 9 항에 있어서,약 10:1:1 내지 1,000:2:1의 탈이온수 대 과산화수소 대 수산화암모늄의 부피비를 제공하도록 상기 고온 배스에 과산화수소와 수산화암모늄을 포함하는 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 반도체 웨이퍼로부터 메가소닉을 이용하여 입자를 제거하기 위해 선택적으로 상승된 세정 온도 및 선택적으로 보조적인 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도의 비반응성 세정 강화 가스가 용해된, 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법으로서,예정된 초기 농도 및 예정된 초기 저온의 비반응성 세정 강화 가스가 용해된 제 1 부분의 탈이온수를 가스화시켜, 상기 초기 저온에서 상기 탈이온수에 용해된 가스의 농도를 예정된 아포화 농도로 조절하여 제공하는 단계; 및예정된 초기 농도 및 예정된 초기 고온의 가스가 용해된 제 2 부분의 탈이온수를 온도 조절 양으로 예정된 비율에서 상기 제 1 부분의 탈이온수와 혼합함으로써 농도가 조절된 상기 제 1 부분의 탈이온수를 가열하여, 반도체 웨이퍼의 메가소닉 입자 제거 세정이 강화되도록 상기 세정 온도와 상기 세정 압력에서 상기 실질적으로 100% 포화 농도의 가스가 용해된 탈이온수의 고온 배스를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 세정 온도는 약 50℃ 내지 85℃이며, 상기 제 1 부분의 탈이온수의 초기 저온은 약 15℃ 내지 30℃이며, 상기 제 2 부분의 탈이온수의 초기 저온은 약 60℃ 내지 95℃이며 상기 세정 온도보다 적어도 약 5℃ 높고, 상기 세정 압력은 대략 대기압인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 제 2 부분의 탈이온수는 상기 탈이온수내에 용해된 실질적으로 100% 포화된 초기 가스 농도를 가지며, 상기 제 1 부분의 탈이온수의 가스 농도는 적어도 약 90% 이상 및 실질적으로 100% 이하의 포화 농도로 상기 탈이온수내에 용해된 상기 가스 농도가 아포화 농도로 조절되어 제공되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 고온 배스에 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 고온 배스에 과산화수소와 수산화암모늄을 포함하는 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 14 항에 있어서,약 10:1:1 내지 1,000:2:2의 탈이온수 대 과산화수소 대 수산화암모늄의 부피비를 제공하기 위해 상기 고온 배스에 과산화수소와 수산화암모늄을 포함하는 화학적 세정제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 웨이퍼를 상기 고온 배스와 접촉시킴으로써 반도체 웨이퍼를 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 웨이퍼를 상기 고온 배스에 침지시키고 상기 고온 배스에 메가소닉 진동을 인가함으로써 반도체 웨이퍼를 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수의 제공 방법.
- 반도체 웨이퍼로부터 메가소닉을 이용하여 입자를 제거하기 위해 선택적으로 상승된 세정 온도 및 선택적으로 보조적인 세정 압력에서 실질적으로 100% 포화 농도의 비반응성 세정 강화 가스가 용해된, 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수를 제공하는 장치로서,제 1 흐름 제어 수단에 접속된 가스화 챔버;- 상기 제 1 흐름 제어 수단은 상기 챔버로부터 가스 농도가 조절된 제 1 부분의 액체를 공급하기 위해 액체 혼합 수단에 접속됨 -제 1 예정된 저온 및 제 1 예정된 농도의 가스가 용해된 제 1 부분의 액체를 상기 챔버에 공급하기 위한 제 1 액체 입구 수단, 상기 챔버에 가스를 공급하기 위한 가스 입구 수단, 선택적으로 조절된 압력에서 상기 챔버에 상기 가스를 공급하기 위해 상기 가스 입구 수단에 유동적으로 접속된 압력 인가 수단, 및 상기 챔버내의 압력을 감지하는 압력 감지 수단;제 2 예정된 고온 및 제 2 예정된 농도의 가스가 용해된 제 2 부분의 액체를 상기 혼합 수단에 공급하기 위해 상기 혼합 수단에 유동적으로 접속된 제 2 흐름 제어 수단;상기 혼합 수단내의 액체 온도를 감지하기 위한 온도 감지 수단; 및상기 압력 인가 수단, 상기 압력 감지 수단, 상기 온도 감지 수단, 상기 제 1 흐름 제어기 수단 및 상기 제 2 흐름 제어기 수단에 접속되어 상기 챔버내의 압력을 선택적으로 조절하기 위해 상기 압력 인가 수단의 동작을 제어하고 상기 혼합 수단을 통해 제 1 및 제 2 액체 부분 각각의 흐름을 선택적으로 제어하기 위해 상기 제 1 및 제 2 흐름 제어기의 동작을 제어하여, 선택적으로 조절된 농도 및 선택적으로 상승된 온도 및 보조적인 압력의 가스가 용해된 탈이온수의 고온 배스에 해당하는 혼합 액체를 제공하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수 제공 장치.
- 제 22 항에 있어서,반도체 웨이퍼의 메가소닉 세정을 위해 상기 혼합 수단으로부터 상기 혼합된 액체를 수용하도록 배열된 세정 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 메가소닉 세정용 탈이온수 제공 장치.
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