KR101429728B1 - 건식 식각 장치, 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐 및 고속 입자 빔을 이용한 건식 식각 방법. - Google Patents

건식 식각 장치, 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐 및 고속 입자 빔을 이용한 건식 식각 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법은 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 조사하여 대상물을 식각하는 건식 식각 방법으로서, 상기 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 고속 입자 빔 생성 단계와 상기 생성된 고속 입자 빔을 대상물에 조사하여 대상물을 식각하는 식각 단계를 포함한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 장치는 대상물을 식각하는 건식 식각 장치로서, 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 노즐을 포함하되, 상기 노즐은 이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하는 노즐로서, 노즐의 출구측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 형태의 팽창부를 포함하고, 상기 팽창부는 제1팽창부 및 제2팽창부를 순차적으로 포함하여 이루어지며 상기 제2팽창부의 평균 팽창각이 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

건식 식각 장치, 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐 및 고속 입자 빔을 이용한 건식 식각 방법. {a dry etching device, a nozzle generating superspeed particle beam for dry etching and a dry etching method of using superspeed particle beam}
본 발명은 건식 식각 장치, 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐 및 고속 입자 빔을 이용한 건식 식각 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 기판의 제조공정에서 고속 입자 빔을 조사하여 웨이퍼의 표면 막질을 개선하거나 미세 패턴을 형성하는 건식 식각 장치, 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐 및 고속 입자 빔을 이용한 건식 식각 방법에 관한 것이다.
일반적인 반도체 제조 공정에서는 공기, 대기 중의 수분 접촉에 의해 웨이퍼 표면에 자연산화막이 발생한다. 웨이퍼 오염과 동시에 발생하는 자연산화막은 표면 흡착률과 화학적 특성을 변화시키는 주요인으로 지목된다.
이를 억제하기 위해 질소가스 등의 초고품질 가스를 사용하거나, 화학적 수분 제거를 위한 초청정 공기를 사용하는 등 많은 노력을 하고 있으나, 복잡한 과정과 과도한 비용이 소요되는 등 많은 문제점이 존재한다.
특히 이미 발생된 자연산화막은 주로 화학약품을 이용한 습식 표면 식각 방식에 의해 제거하고 있으나, 화학약품 사용에 따른 환경 문제 및 유지관리 비용 등이 문제점이 존재한다.
또한 정밀한 미세패턴을 형성하여 반도체 장치의 집적도를 향상시키고 있으나 패턴의 식각 공정에서 많은 시간이 소요되어 생산성 측면에서 단점으로 지적되고 있다.
본 발명은, 상술한 화학적 습식 식각 공정의 문제점을 해결하기 위하여, 화학적 습식 식각 공정에서 탈피하여, 승화성 고체 입자를 분사하여 건식 식각 공정을 가능케 함으로써, 환경오염 및 유지관비 비용 등의 문제를 해결하고, 표면 막질 개선을 개선하거나 미세패턴 형성에 있어서 식각 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 건식 식각 장치, 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐 및 고속 입자 빔을 이용한 건식 식각 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법은 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 조사하여 대상물을 식각하는 건식 식각 방법으로서, 상기 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 고속 입자 빔 생성 단계와 상기 생성된 고속 입자 빔을 대상물에 조사하여 대상물을 식각하는 식각 단계를 포함한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 장치는 대상물을 식각하는 건식 식각 장치로서, 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 노즐을 포함하되, 상기 노즐은 이산화탄소로이루어진 입자생성가스를 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하는 노즐로서, 노즐의 출구측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 형태의 팽창부를 포함하고, 상기 팽창부는 제1팽창부 및 제2팽창부를 순차적으로 포함하여 이루어지며 상기 제2팽창부의 평균 팽창각이 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존의 화학적 방식에 따른 복잡한 설비와 공정단계가 지닌 문제점에서 벗어나 새로운 방식의 고속 입자 빔 분사 방식을 이용하여 공정 효율과 생산성, 경제성 및 환경적 이점을 동시에 지닌다.
또한, 본 발명은 별도의 냉각 장치 없이 나노 크기의 상온 승화성 입자를 생성시키는 동시에 이를 초고속으로 분사하여 식각 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.
보다 상세하게는 오리피스를 마련함으로써 급속 팽창을 통하여 별도의 냉각 장치 없이 개수밀도 및 균일도가 높은 핵 생성을 유도할 수 있다.
그리고, 완만한 팽창각을 가지는 제1팽창부를 통하여 생성된 핵을 성장시켜 나노 크기의 승화성 입자를 형성할 수 있으며, 제2팽창부를 통하여 증가된 팽창각으로 팽창시킴으로써 형성된 입자를 가속시킬 수 있다.
또한, 제3팽창부를 마련하여 박리지점을 조절하여 식각 효율을 보다 높일 수 있는 한편, 노즐의 출구면을 비스듬히 절단시켜 식각 대상물에의 근접성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법으로서, 자연산화막을 제거하여 웨이퍼 표면 막질을 개선하는 건식 식각 방법을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법으로서, 고속 입자 빔을 조절하여 원하는 표면 거칠기를 형성하는 건식 식각 방법을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2에 따른 결과를 보여주는 실험예를 나타내며, 도 3의 (a) 내지(d) 는 승화성 입자를 이용하여 다양한 표면 거칠기를 형성한 것을 나타내며, 도 3의 (e)는 (a) 내지 (d)의 결과를 그래프로 나타낸 것으로서 압력 조건과 거칠기의 상관관계를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법으로서, 표면 식각용 마스크를 이용하여 원하는 패턴을 식각하는 건식 식각 방법을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐의 횡 단면을 나타내는 단면도에 해당한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐의 팽창부의 팽창각을 나타내는 단면도에 해당한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐과 대상물과의 근접관계를 나타내는 개념도에 해당한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 장치의 주요 구성을 나타내는 구성도에 해당한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합가스를 이용하는 경우의 고속 입자 빔 생성 단계의 세부단계를 나타내는 순서도에 해당한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 순수입자생성가스를 이용하는 경우의 고속 입자 빔 생성 단계의 세부단계를 나타내는 순서도에 해당한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예는 건식 식각 방법에 관한 것으로서, 크게 1) 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 ‘고속 입자 빔 생성 단계’와 2) 상기 생성된 고속 입자 빔을 대상물에 조사하여 대상물을 식각하는 ‘식각 단계’로 나누어 불 수 있다.
이하, ‘식각 단계’에 대하여 먼저 살펴보기로 한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법으로서, 자연산화막을 제거하여 웨이퍼 표면 막질을 개선하는 건식 식각 방법을 나타내는 개념도이다.
즉, 여기서의 상기 대상물은 웨이퍼(100)의 상면에 형성된 자연산화막(110)에 해당한다.
그리고, 상기 식각 단계는 상기 고속 입자 빔을 조사하여 상기 자연산화막(110)을 식각하여 제거함으로써 웨이퍼(100) 표면 막질을 개선하는 것에 해당한다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법으로서, 고속 입자 빔을 조절하여 원하는 표면 거칠기를 형성하는 건식 식각 방법을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2에 따른 결과를 보여주는 실험예를 나타내며, 도 3의 (a) 내지(d) 는 승화성 입자를 이용하여 다양한 표면 거칠기를 형성한 것을 나타내며, 도 3의 (e)는 (a) 내지 (d)의 결과를 그래프로 나타낸 것으로서 압력 조건과 거칠기의 상관관계를 나타낸다.
즉 압력 조건에 따라 다양한 거칠기를 대상물의 표면에 형성할 수 있음을 확인할 수 있다. 도면부호 120에 해당하는 면이 상기 거칠기가 형성된 면에 해당한다. 여기서의 대상물은 주로 웨이퍼(100)에 해당하나, 반드시 웨이퍼(100)에 해당한다고 볼 수는 없다.
한편, 표면 가공을 위한 승화성 입자의 크기는 1nm 이상 100nm 이하 인 것이 바람직하다. 1nm 이하의 단일물질(전자, 이온, 원자, 분자)의 경우 에너지가 거의 균일하므로 이 단위 에너지를 아주 정확한 값으로 제어하지 않으면 원하는 변형이 일어나지 않거나 원하지 않는 큰 변형이 일어나는 문제점이 있다. 반대로, 100nm 이상의 입자상 물질(액적, 고체입자)의 경우 입자를 구성하는 분자/원자들이 다양한 범위의 에너지 분포를 가지므로 국부적으로 원하는 변형이 일어나도록 할 경우에 다른 위치에서는 원하지 않는 큰 변형이 반드시 초래되기 때문이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 방법으로서, 표면 식각용 마스크를 이용하여 원하는 패턴을 식각하는 건식 식각 방법을 나타내는 개념도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 식각 단계는 대상물의 상면에 표면 식각용 마스크(130)를 마련한다. 그리고, 상기 표면 식각용 마스크를 대상물과 노즐의 사이에 두고 상기 대상물로 고속 입자 빔을 조사함으로써 상기 마스크에 형성된 미세 패턴에 대응되는 미세 패턴을 상기 대상물에 식각 형성하는 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이 여기서의 대상물은 패턴부모재(140)를 고려할 수 있으며, 이 경우 식각 단계 후 최종적으로 패턴부(150)가 형성되게 된다.
이하, ‘고속 입자 빔 생성 단계’에 대하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
‘고속 입자 빔 생성 단계’를 본격적으로 살펴보기에 앞서, ‘고속 입자 빔 생성 단계’에 사용되는 ‘고속 입자 빔을 생성하는 노즐’에 대하여 먼저 살펴보기로 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐의 횡단면을 나타낸 개략도에 해당한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐은 노즐목(11)에 마련된 오리피스(12)와 상기 노즐목(11)의 출구로부터 이어지는 팽창부를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 오리피스(12)는 노즐목(11)의 개폐 단면적을 조절하여, 상기 노즐목(11)의 단면적을 미세 구멍으로 감소시키게 된다. 상기 오리피스(12)를 통과하는 상기 입자생성가스(또는 입자생성가스와 캐리어가스의 혼합가스)는 급속 팽창되어 나노 크기의 핵을 생성하게 된다.
그리고, 상기 오리피스(12)는 노즐목(11)에 마련된다고 하였으나, 여기서의 노즐목(11)은 노즐(10)에 있어서 단면적이 가장 좁아진 부분을 의미한다 할 것이므로, 팽창부 입구측에 오리피스(12)만 결합되는 경우도 포함한다고 할 것이다. 즉, 오리피스(12) 자체를 하나의 노즐목(11)으로 볼 수도 있는 것이다.
한편, 종래기술에 따른 입자 생성 장치의 노즐의 경우 핵 생성을 위하여 입자생성가스를 냉각시키는 과정을 필수적으로 포함하여야 하나, 본 발명에 따른 노즐(10)의 경우 미세 구멍을 가지는 오리피스(12)를 마련하여 급속 팽창시킴으로써 별도의 냉각장치 없이 상온에서 핵 생성을 유도할 수 있다. 또한, 급속 팽창에 따라 균일한 크기의 핵 생성 또한 가능하다 할 것이다.
그리고, 상기 오리피스(12)는 상기 미세 구멍의 크기가 가변되지 않는 형태는 물론이거니와, 상기 미세 구멍의 크기를 조절할 수 있는 조리개 형태로 이루어질 수 있으며, 한편으로는 노즐(10)에 장착되는 오리피스(12)를 교체할 수 있는 형태로 마련되어 미세 구멍의 크기를 조절하는 방식도 고려할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐은 상기 노즐목(11)의 출구측 또는 오리피스(12)의 출구측에 마련되는 팽창부를 포함한다. 상기 팽창부는 종래기술에 따른 입자 생성 노즐과 달리 출구측으로 갈수록 단면적이 증가하는 형태로 이루어진다. 종래기술에 따른 입사 생성 노즐은 입자의 성장을 위하여 단면적의 크기가 반복하여 증가/감소되는 형상으로 이루어진다.
보다 구체적으로, 상기 팽창부는 팽창각이 서로 다른 제1팽창부(14) 및 제2팽창부(15)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1팽창부(14)는 0°초과 30°미만의 팽창각(θ1)을 가지는 것이 바람직하며, 상기 제1팽창부(14)를 통과하면서 핵 성장이 이루어지게 된다. 제1팽창부(14)는 제2팽창부(15)에 비하여 비교적 완만한 팽창각(θ1)을 가지도록 형성되며, 핵 성장이 이루어지기에 충분한 시간을 제공한다.
상기 제1팽창부(14)는 비교적 완만한 팽창각(θ1)으로 비교적 길게 형성되어 핵 성장을 유도하는 반면, 경계층이 증가하여 유효면적을 감소시키므로 유동속도의 감소를 초래한다. 따라서 이를 보상하기 위하여 추가 가속력을 얻을 수 있는 제2팽창부(15)를 설치한다.
상기 제2팽창부(15)의 평균 팽창각(θ2)은 상기 제1팽창부(14)의 팽창각(θ1) 비하여 10°~ 45°증가된 팽창각(θ2)을 가지는 것이 바람직하다. 상기 제2팽창부(15)는 제1팽창부(14)에 비하여 급격한 팽창각을 가지도록 형성되어 입구와 출구의 높은 면적비를 형성하므로 입자를 충분히 가속하게 된다. 한편, 제2팽창부(15)는 제1팽창부(14) 및 제3팽창부(16)와는 달리 단일 팽창각을 가지지 않으므로 평균 팽창각이라 나타낸 것이다.
상기 제2팽창부(15)는 제1팽창부(14)로부터 연장됨에 있어서, 그 연결부위의 팽창각이 단속적으로 크게 변화될 경우 내부 충격파가 발생하게 된다. 따라서, 상기 제2팽창부(15)는 굴곡을 가지는 형상으로 형성됨이 바람직하다. 보다 상세하게는, 제2팽창부(15)의 제1팽창부(14)와의 연결부분은 제1팽창부(14) 출구측의 팽창각(θ1)과 동일한 팽창각을 가지도록 형성하되, 상기 제2팽창부(15)의 중심부로 갈수록 팽창각이 점점 증가되어 상기 중심부 인근에서 급격한 경사각을 이루게 되며, 다시 상기 중심부에서 제2팽창부(15)의 출구측으로 갈수록 팽창각이 감소되도록 형성하여 내부 충격파를 발생을 방지하도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐의 팽창부는 상술한 바와 같이 제1팽창부(14) 및 제2팽창부(15)를 포함하여 이루어지는 것을 고려할 수 있으나, 다른 한편으로는 제3팽창부(16)를 더 포함하는 것을 고려할 수 있다.
제3팽창부(16)는 상기 제2팽창부(15)의 출구에 연결되며 팽창부의 최종 출구를 형성한다. 상기 제3팽창부(16)는 노즐(10) 내부유동의 박리지점을 조절하는 역할을 수행한다.
상기 제3팽창부(16)는 상기 제2팽창부(15)의 팽창각(θ2)보다 10°~ 45°증가되되, 최대 90°를 미만의 팽창각(θ3)을 가지는 것이 바람직하다.
노즐(10) 후단의 배압이 낮은 경우에는 박리지점이 노즐목(11)에서 멀어지게 되어 유동장이 추가적으로 성장할 수 있으므로, 제3팽창부(16)는 충분한 길이를 확보함과 동시에 박리지점을 팽창부의 끝단으로 유도하도록 형성되는 것이 바람직하다. 고속 코어(isentropic core)가 노즐(10) 외부로 형성되어 식각 효율을 크게 높일 수 있기 때문이다.
반면, 노즐(10) 후단의 배압이 높게 형성된 경우에는 박리지점이 노즐목(11)에 가까워지게 되어 유동장이 이미 충분히 성장된 상태라 볼 수 있으므로, 제3팽창부(16)의 길이를 줄여 고속 코어를 노즐(10) 외부로 노출시키는 것이 바람직하다.
한편, 노즐(10)의 외부면은 단열부(18)로 감싸지는 것이 바람직하다. 상기 단열부(18)는 외부단열관과 그 내부에 충진되는 단열재로 이루어진다. 상기 단열부(18)는 노즐(10)의 단열성을 유지하여 입자 성장을 촉진함과 동시에, 노즐(10)이 고압가스에 견딜 수 있도록 외벽을 형성하여 기계적 강도를 제공한다. 그리고, 노즐(10) 측면 전체를 감싸도록 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐과 대상물(1)의 접근관계를 나타낸 개략도에 해당한다.
도 7의 (a)는 일반적인 경우의 노즐(10) 출구면과 대상물(1)의 위치관계를 나타낸 것에 해당하며, 도 3의 (b)는 노즐을 대상물(1)에 보다 근접시킬 수 있도록 노즐의 출구면을 비스듬히 절단한 것을 나타낸 것에 해당한다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 노즐(10)은 일반적으로 일정 각도 기울어진 상태에서 식각 작업을 수행하게 된다. 이 경우 원통 형상의 특성상 노즐(10) 출구가 대상물(1)에 완전히 근접하지 못하게 되어 식각 효율이 떨어지는 문제점이 발생된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 노즐(10)의 출구면을 노즐(10)의 작업 각도와 대응되도록 비스듬히 절단된 형상으로 마련하는 것이 바람직하다. 이와 같이 절단된 형상의 절단각(θ4)은 노즐축(19)을 기준으로 볼 때, 20°이상 90°미만의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔을 생성하는 노즐에 대하여 살펴보았다. 이하, 이러한 노즐(10)을 포함하는 건식 식각 장치에 대하여 살펴보기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 식각 장치의 주요 구성을 나타내는 요부 구성도에 해당한다.
본 발명에 따른 건식 식각 장치는 i) 입자생성가스에 캐리어가스를 혼합하여 이용하는 경우와 ii) 입자생성가스만을 이용하는 경우로 나누어 살펴볼 수 있다.
먼저, i) 입자생성가스에 캐리어가스를 혼합하여 이용하는 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이 입자생성가스저장부(40) 및 캐리어가스저장부(50)를 포함하는 가스저장부, 혼합챔버(30), 압력조절기(20) 및 노즐(10)을 포함하여 구성된다.
그리고, ii) 입자생성가스만을 이용하는 경우에는, 상기 캐리어가스저장부(50) 및 혼합부를 포함하지 않는다.
입자생성가스와 캐리어가스를 혼합하여 사용하는 경우, 상기 입자생성가스저장부(40)와 캐리어가스저장부(50)는 혼합챔버(30)로 연결된다. 상술한 바와 같이 입자생성가스로는 이산화탄소가 이용되며, 캐리어가스로는 질소 또는 헬륨이 이용되는 것이 바람직하다. 상기 혼합챔버(30)는 상기 입자생성가스와 캐리어가스를 충분히 혼합시키는 동시에, 혼합 비율을 조절하는 역할을 수행한다. 상기 혼합 비율은 캐리어가스의 부피 비율이 혼합가스 전체 부피의 10% 이상 99% 이하를 차지하도록 혼합하여, 이산화탄소 혼합가스를 형성하는 것이 바람직하다.
혼합챔버(30)에서 혼합된 혼합가스는 압력조절기(20)로 유입된다. 압력조절기(20)는 상기 혼합가스의 노즐(10)로의 공급압력을 조절하게 된다.
한편, 이산화탄소로 이루어진 입자생성가스만을 이용하는 경우에는 상기 혼합챔버(30)를 거치지 않고 상기 입자생성가스저장부(40)를 압력조절기(20)에 직접 연결하여 입사생성가스를 압력조절기(20)에 공급하는 것을 고려할 수도 있다. 이하, 혼합가스에 대비되는 개념으로서, 입자생성가스만을 이용하는 경우의 입자생성가스를 순수입자생성가스라 하기로 한다.
그리고, 상기 압력조절기(20)에서의 출력 압력은 생성되는 승화성 입자의 크기 및 분사속도를 고려하여, i) 상기 혼합가스의 경우 5 ~ 120 bar, ii) 상기 순수입자생성가스의 경우 5 ~ 60 bar의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
상기 압력조절기(20)를 통과한 혼합가스 또는 순수입자생성가스는 노즐(10)의 입구로 공급된다.
노즐(10)의 입구로 공급된 상기 혼합가스 또는 순수입자생성가스는 상술한 바와 같이 오리피스(12), 제1팽창부(14), 제2팽창부(15)를 순차적으로 통과하여 승화성 나노 입자를 대상물(1)에 분사하게 된다. 노즐(10)의 상세 내부 구조는 상술한 바 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 ‘고속 입자 빔 생성 단계’에 대하서 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 입자 빔 생성 단계는, 이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 노즐(10)에 통과시켜 초고속 균일 나노입자를 생성하는 것에 해당한다. 여기서 입자생성가스는 캐리어가스와 혼합되어 혼합가스의 노즐(10)에 공급될 수도 있으며, 순수입자생성가스의 형태로 공급될 수도 있다.
먼저, 혼합가스의 형태로 공급되는 경우, 상기 입자생성가스와 캐리어가스를 혼합시켜 혼합기체를 형성하는 혼합단계 및 상기 혼합단계를 거친 혼합가스의 압력을 조절하는 압력조절단계를 순차적으로 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 캐리어가스는 질소 또는 헬륨으로 이루어지며, 상기 압력조절단계를 거친 상기 혼합가스의 압력은 5 bar 이상 120 bar 이하로 조절되어 상기 노즐(10)로 유입되는 것이 바람직하다.
상기 압력조절단계를 거치고 난 후, 상기 입자생성가스가 상기 노즐(10)의 노즐목(11)에 마련된 오리피스(12)를 통과하면서 급속 팽창되어 핵 생성이 이루어지는 핵생성단계를 거치게 된다.
그리고, 상기 핵생성단계를 거친 후, 노즐목(11) 출구로부터 이어지는 0°초과 30°미만의 팽창각(θ1)을 가지는 제1팽창부(14)를 통과하면서 핵 성장이 이루어져 승화성 입자가 생성되는 입자생성단계를 거친다.
그리고, 상기 입자생성단계를 거친 후, 상기 제1팽창부(14)의 출구로부터 이어지며 상기 제1팽창부(14)의 팽창각(θ1) 보다 10°~ 45° 증가된 평균 팽창각(θ2)을 가지는 제2팽창부(15)를 통과하면서 경계층의 성장을 상쇄하고 상기 승화성 입자의 분사속도가 상승되는 입자가속단계를 거치게 된다.
상기 입자가속단계를 거친 후, 상기 제2팽창부(15)의 출구로부터 이어지며 상기 제2팽창부(15)의 평균 팽창각(θ2) 보다 10°~ 45° 증가되되 최대 90° 미만의 팽창각(θ3)을 가지는 제3팽창부(16)를 통과하면서 승화성 입자의 고속 코어를 노즐(10) 외부로 형성시키는 유동조절단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 순수입자생성가스만이 공급되는 경우, 상기 혼합단계를 거치지 않고, 상기 입자생성가스의 압력을 조절하는 압력조절단계를 거치게 된다.
여기서, 상기 압력조절단계를 거친 상기 입자생성가스의 압력은 5 bar 이상 60 bar 이하로 조절되어 상기 노즐(10)로 유입되는 것이 바람직하다.
이 후의 단계는 상술한 핵생성단계, 입자생성단계, 입자가속단계 및 유동조절단계와 동일하다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 위치관계는 첨부된 도면을 중심으로 설명된 것으로서, 실시 태양에 따라 그 위치관계는 달라질 수 있다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 발명에서 사용되는 모든 용어들은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다고 할 것이다. 아울러, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 할 것이다.
이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예는 물론, 본 발명에 기존의 공지기술을 단순 주합하거나, 본 발명을 단순 변형한 실시 또한, 당연히 본 발명의 권리 범위에 해당한다고 보아야 할 것이다.
1: 대상물
10: 노즐
11: 노즐목
12: 오리피스
13: 오리피스블록
14: 제1팽창부
15: 제2팽창부
16: 제3팽창부
17: 가스공급관
18: 단열부
19: 노즐축
20: 압력조절기
30: 혼합챔버
40: 입자생성가스저장부
50: 캐리어가스저장부
100: 웨이퍼
110: 자연산화막
120: 거칠기가 형성된 면
130: 마스크
140: 패턴부모재
150: 패턴부
θ1,θ2,θ3: 팽창각
θ4: 절단각

Claims (25)

  1. 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 조사하여 대상물을 식각하는 건식 식각 방법으로서,
    상기 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 고속 입자 빔 생성 단계
    상기 생성된 고속 입자 빔을 대상물에 조사하여 대상물을 식각하는 식각 단계를 포함하며,
    상기 식각 단계는,
    고속 입자 빔을 조사하여 대상물의 표면에 미세 거칠기를 형성하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  2. 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 조사하여 대상물을 식각하는 건식 식각 방법으로서,
    상기 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 고속 입자 빔 생성 단계
    상기 생성된 고속 입자 빔을 대상물에 조사하여 대상물을 식각하는 식각 단계를 포함하며,
    상기 식각 단계는,
    상기 대상물의 상면에 표면 식각용 마스크를 마련하고 상기 표면 식각용 마스크를 사이에 두고 상기 대상물로 고속 입자 빔을 조사함으로써 상기 마스크에 형성된 미세 패턴에 대응되는 미세 패턴을 상기 대상물에 식각하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  3. 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 조사하여 대상물을 식각하는 건식 식각 방법으로서,
    상기 승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 고속 입자 빔 생성 단계
    상기 생성된 고속 입자 빔을 대상물에 조사하여 대상물을 식각하는 식각 단계를 포함하며,
    상기 고속 입자 빔 생성 단계는,
    입자생성가스를 제1팽창부와 제2팽창부를 포함하는 노즐에 통과시켜 대상물에 분사하되, 상기 제2팽창부의 평균 팽창각이 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 큰 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 대상물은 웨이퍼의 상면에 형성된 자연산화막에 해당하며,
    상기 식각 단계는,
    상기 고속 입자 빔을 조사하여 상기 자연산화막을 식각함으로써 웨이퍼 표면 막질을 개선하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 입자생성가스가 상기 노즐의 노즐목에 마련된 오리피스를 통과하면서 급속 팽창되어 핵 생성이 이루어지는 핵생성단계
    상기 핵생성단계를 거친 후, 노즐목 출구로부터 이어지는 제1팽창부를 통과하면서 핵 성장이 이루어져 승화성 입자가 생성되는 입자생성단계 및
    상기 입자생성단계를 거친 후, 상기 제1팽창부의 출구로부터 이어지며 상기 제1팽창부의 팽창각보다 더 큰 평균 팽창각을 가지는 제2팽창부를 통과하면서 경계층의 성장을 상쇄하고 상기 승화성 입자의 분사속도가 상승되는 입자가속단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 입자생성가스는 이산화탄소로 이루어지며,
    상기 제1팽창각은 0°초과 30°미만의 팽창각을 가지고,
    상기 제2팽창각은 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 10°~ 45° 증가된 평균 팽창각을 가지는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 고속 입자 빔 생성 단계는,
    상기 입자가속단계를 거친 후, 상기 제2팽창부의 출구로부터 이어지며 상기 제2팽창부의 평균 팽창각 보다 10°~ 45° 증가되되 최대 90°미만의 팽창각을 가지는 제3팽창부를 통과하면서 승화성 입자의 고속 코어를 노즐 외부로 형성시키는 유동조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  8. 제5항에 있어서
    상기 고속 입자 빔 생성 단계는,
    상기 입자가속단계를 거친 후, 상기 제2팽창부의 출구로부터 이어지며 상기 제2팽창부의 평균 팽창각 보다 10°~ 45° 증가되되 최대 90°미만의 팽창각을 가지는 제3팽창부를 통과하면서 승화성 입자의 고속 코어를 노즐 외부로 형성시키는 유동조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 방법.
  9. 대상물을 식각하는 건식 식각 장치로서,
    승화성 입자로 이루어진 고속 입자 빔을 생성하는 노즐을 포함하되,
    상기 노즐은,
    이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하는 노즐로서,
    노즐의 출구측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 형태의 팽창부를 포함하되,
    상기 팽창부는,
    제1팽창부 및 제2팽창부를 순차적으로 포함하여 이루어지며,
    상기 제2팽창부의 평균 팽창각이 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 큰 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 대상물은 웨이퍼의 상면에 형성된 자연산화막에 해당하며,
    상기 고속 입자 빔을 조사하여 상기 자연산화막을 식각함으로써 웨이퍼 표면 막질을 개선하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    고속 입자 빔을 조사하여 상기 대상물의 표면에 미세 거칠기를 식각 형성하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 노즐과 대상물의 사이에 식각용 마스크를 마련하고 상기 노즐에서 상기 대상물로 고속 입자 빔을 조사함으로써 상기 마스크에 형성된 미세 패턴에 대응되는 미세 패턴을 상기 대상물에 식각하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 노즐은,
    상기 팽창부의 입구에 마련되어 상기 입자생성가스를 급속 팽창시키는 오리피스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2팽창부의 상기 제1팽창부와의 연결부분은 제1팽창부 출구측의 팽창각과 동일한 팽창각을 가지도록 형성되되, 상기 제2팽창부의 중심부로 갈수록 팽창각이 증가되며, 상기 중심부에서 출구측으로 갈수록 팽창각이 감소되도록 형성된 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1팽창부는 0° 초과 30°이하의 팽창각을 가지며,
    상기 제2팽창부는 상기 제1팽창부의 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가된 평균 팽창각을 가지는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 노즐은,
    제2팽창부의 출구에 연결되는 제3팽창부를 더 포함하되,
    상기 제3팽창부는 상기 제2팽창부의 평균 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가되되 최대 90° 미만의 팽창각을 가지는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 노즐은,
    상기 노즐의 입구측에 마련되는 압축부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 팽창부의 출구는 상기 노즐이 대상물에 근접할 수 있도록 노즐축을 기준으로 비스듬히 절단된 형태인 것을 특징으로 하는 건식 식각 장치.
  19. 승화성 입자를 분사하여 대상물을 식각하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐로서,
    상기 노즐은,
    이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하는 노즐로서,
    노즐의 출구측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 형태의 팽창부
    상기 팽창부는,
    제1팽창부 및 제2팽창부를 순차적으로 포함하여 이루어지되,
    상기 제2팽창부의 평균 팽창각이 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 큰 것을 특징으로 하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 팽창부의 입구에 마련되어 상기 입자생성가스를 급속 팽창시키는 오리피스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2팽창부의 상기 제1팽창부와의 연결부분은 제1팽창부 출구측의 팽창각과 동일한 팽창각을 가지도록 형성되되, 상기 제2팽창부의 중심부로 갈수록 팽창각이 증가되며, 상기 중심부에서 출구측으로 갈수록 팽창각이 감소되도록 형성된 것을 특징으로 하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1팽창부는 0° 초과 30°이하의 팽창각을 가지며,
    상기 제2팽창부는 상기 제1팽창부의 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가된 평균 팽창각을 가지는 것을 특징으로 하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 노즐은,
    제2팽창부의 출구에 연결되는 제3팽창부를 더 포함하되,
    상기 제3팽창부는 상기 제2팽창부의 평균 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가되되 최대 90° 미만의 팽창각을 가지는 것을 특징으로 하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 노즐은,
    상기 노즐의 입구측에 마련되는 압축부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 팽창부의 출구는 상기 노즐이 대상물에 근접할 수 있도록 노즐축을 기준으로 비스듬히 절단된 형태인 것을 특징으로 하는 건식 식각을 위한 고속 입자 빔을 생성하는 노즐.
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