KR20010034784A - 반도체 웨이퍼와 같은 작업편을 가공하는 공정 및 장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼와 같은 작업편을 가공하는 공정 및 장치 Download PDF

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Abstract

마이크로전자 제조 산업 분야에서 문제되는 오염물을 해결하기 위한 화학 공정 순서에 사용된 신규한 화학 물질 및 적용 기술이 설명된다. 이들 문제는, 즉 유기물, 미립자, 금속/이온 및 실리콘 이산화물에 대한 오염물을 최소화하는 것이다. 일반적으로 언급된 반도체 웨이퍼와 같은 작업편(20)의 세척은 작업편(20)의 표면에 화학적 흐름의 분무에 의해성취된다. 오존은 액체 처리 흐름(70) 내에 또는 처리 환경(15) 내에 분무된다. 액체 또는 증기의 형태일 수 있는 화학적 흐름은 작업편(20)의 표면 상에 형성하는 경계층의 제어를 가능하게 하는 시스템 내의 웨이퍼에 인가된다. 화학적 흐름은 미립자와 유기물을 동시에 제거하기 위해 수산화 암모늄과 같은 성분, 용액의 pH를 상승시키는 다른 화학 물질, 또는 하나 이상의 특정 세척 작업을 이루도록 설계된 다른 화학적 첨가물을 포함할 수 있다.

Description

반도체 웨이퍼와 같은 작업편을 가공하는 공정 및 장치 {PROCESS AND APPARATUS FOR TREATING A WORKPIECE SUCH AS A SEMICONDUCTOR WAFER}
반도체 웨이퍼의 세척은 집적 회로 등을 제작하는 데 사용되는 제조 공정에서 종종 결정적인 단계이다. 취급되는 기하학 치수는 미크론 단위인 한편, 필름의 두께는 20Å 정도일 수 있다. 이는 장치가 유기물, 미립자, 또는 금속/이온 오염물로 인한 성능 저하에 상당히 민감해지도록 만든다. 제작 구조물에 사용되는 실리콘 이산화물도 산화물의 질 또는 두께가 설계 변수에 맞지 않으면 오염물로 고려될 수 있다.
비록 웨이퍼 세척이 긴 역사를 갖더라도, 현재 세척 기술의 기간은 RCA가 다양한 형태의 오염물을 다루도록 세척 공정을 개발한 1970년대 초에 시작된 것으로 통상 생각된다. 비록 다른 이들이 동일한 시간 대에 동일하거나 또는 유사한 공정들을 개발해 왔으나, 일반적인 최종 형태의 세척 공정은 기본적으로 동일하다.
RCA 세척 공정의 제1 단계는 황산 및 과산화수소 혼합물을 사용하여 유기체 오염물을 제거하는 하는 것을 포함한다. 그 비율은 전형적으로 섭씨 90 내지 140도의 온도에서 2:1 또는 20:1의 범위 내에 있다. 이 혼합물은 공통적으로 "피라냐(piranha)"라고 불리운다. 유기체 오염물의 제거에 대한 최근의 개선책은 과산화수소를 기포화시키고 황산 라인 내에 주입된 오존으로 교체하는 것이다.
공정의 제2 단계는 통상의 상온에서 물과 HF(49%)의 비를 200:1 내지 10:1로 하여 산화물 필름을 제거하는 것을 포함한다. 이 공정은 웨이퍼의 영역을 소수성 상태로 만든다.
공정의 다음 단계는 미립자를 제거하고 통상 섭씨 60 내지 70도의 온도로 물, 과산화수소 및 수산화 암모늄의 혼합물을 사용하여 소수성 실리콘 표면을 다시 산화시키는 것을 포함한다. 역사적으로, 이들 성분의 비는 5:1:1 정도이다. 최근에, 이 비율은 보다 공통적으로 5:1:0.25 또는 그보다 더욱 희석되었다. 이 혼합물은 "SC1"(표준 세척 1) 또는 RCA1으로 공통적으로 불리운다. 비록 공정의 이러한 부분이 (미립자 제거를 돕는 제타 잠재력(zeta potential)의 생성과 관련하여) 미가공 실리콘 웨이퍼(bare silicon wafer) 표면 상의 실리콘 이산화 필름을 동시에 성장 및 에칭함으로써 미립자를 제거하는 현저한 작업을 수행하지만, 이는 용액 내의 철 및 알루미늄과 같은 금속이 실리콘 표면 상에 침전되는 단점을 갖는다.
공정의 마지막 부분에서, 금속들은 물, 과산화수소 및 염산의 혼합물로 제거된다. 상기 제거는 섭씨 약 60 내지 70도에서 통상 완료된다. 역사적으로, 그 비율은 5:1:1 정도였으나, 최근의 개선책은, 물과 HCl의 희석 혼합물을 포함하여, 보다 희석된 화학 물질도 효율적이라는 것을 보여주고 있다. 이러한 혼합물은 "SC2"(표준 세척 2), RCA2, 또는 HUANG2로 언급된다.
상기 단계들은 종종 차례로 수행되고, 소위 "예비 확산 세척"을 구성한다. 이러한 예비 확산 세척은, 불순물들을 장치층 내에 병합하거나 또는 이들이 장치를 무용하게 만들도록 하는 이러한 방식으로 확산되게 하는 열 조작에 앞서 웨이퍼가 매우 깨끗한 상태로 있는 것을 보장한다. 비록 이러한 4단계의 세척 공정이 반도체 산업계에서 표준 세척 공정으로 인식되더라도, 동일한 하위 구성 요소를 사용하는 공정의 많은 변형이 있다. 예를 들어, 피라냐 용액은 공정에서 낙하되어, HF -＞ SC1 -＞ SC2 의 처리 순서로 된다. 최근에, 얇은 산화물은 장치 성능 관계에 대한 원인이 되어, "염산 내구(hydrochloric acid last)" 화학 물질이 개발되었다. 이러한 경우, 앞서 언급된 하나 이상의 세척 단계는 웨이퍼 표면으로부터 실리콘의 이면을 제거하기 위하여 염산을 포함하는 최종 세척과 함께 사용된다.
특정 화학 물질이 웨이퍼에 가해지는 방법은 사용되는 실제 화학 물질만큼 중요할 수 있다. 예를 들어, 미처리 실리콘 웨이퍼에 대한 HF 담금 공정(immersion process)은 미립자가 중성이도록 구성될 수 있다. 미처리 실리콘 웨이퍼 상에 HF의 분무는 0.2 미크론의 공칭 직경에서 미립자에 대해 수백 또는 그 이상의 미립자 추가를 보여준다.
비록 전술된 4개 화학 물질 세척 공정이 여러해 동안 효율적이었으나, 그럼에도 불구하고 이는 특정 결함을 갖는다. 이러한 결함은 화학제품의 높은 가격, 다양한 세척 단계를 통하여 웨이퍼를 얻는 데 요구되는 긴 공정 시간, 화학적 단계들 사이의 대규모 세척의 요구에 의한 많은 물의 소비, 그리고 높은 처분 비용을 포함한다. 그 결과, 현행의 4개 화학 물질 세척 공정만큼 또는 그 이상으로 우수한 결과를 가져오지만 보다 더 경제적인 매력이 있는 다른 세척 공정을 고안하려는 노력이 있어 왔다.
다양한 화학적 공정들은 현행의 4개 화학 물질 세척 공정을 대체하려는 노력에서 개발되었다. 그러나, 이러한 세척 공정은 반도체 처리 산업 분야에서 세척의 주요한 관심 모두를 완전히 해결하지 못했다. 보다 특히, 이들은 유기물, 미립자, 금속/이온 및 실리콘 이산화물의 오염물들 중 하나 이상으로부터 오염물을 최소화하는 문제를 완전히 해결하지 못했다.
본 출원은 "작업편의 표면을 처리하기 위해 처리 액체 및 오존을 분사하는 장치 및 방법"이라는 제목으로 1998년 4월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제09/061,318호(대리인 정리 번호는 제SEM4492P0140US)의 부분 연속 출원이고, "반도체 웨이퍼와 같은 작업편을 세척하기 위한 공정"이라는 제목으로 1998년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제60/099,067호(대리인 정리 번호는 제SEM4492P0141US)의 부분 연속 출원이고, "반도체 웨이퍼와 같은 작업편을 세척하기 위한 공정"이라는 제목으로 출원된 특허 출원(대리인 정리 번호는 제SEM4492P0142US)의 부분 연속 출원이고, 이들 모두는 여기에서 병합되어 있다.
도1은 오존이 가압된 처리 액체를 포함하는 라인 내에 주입되는 반도체 작업편을 처리하는 장치의 일 실시예의 개략적인 블럭도이다.
도2는 작업편의 표면 상에 분무된 처리 액체를 가열함으로써 반도체 작업편이 간접적으로 가열되는 반도체 작업편을 처리하는 장치의 일 실시예의 개략적인 블럭도이다.
도3은 처리 유체 및 오존으로 반도체 작업편을 처리하는 공정 흐름의 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
도4는 오존 및 처리 유체가 상이한 유로를 따라서 반도체 작업편에 구비되는 도2에서 설명된 시스템의 다른 실시예의 개략적인 블럭도이다.
도5는 가입된 스팀 및 오존이 반도체 작업편을 포함하는 압력 챔버 내에 구비된 반도체 작업편을 처리하는 장치의 일 실시예의 개략적인 블럭도이다.
도6은 자외선 램프가 작업편의 표면에서 동적 반응을 향상시키는 데 사용되는 반도체 작업편을 처리하는 장치의 일 실시예의 개략적인 블럭도이다.
도7은 기액 접촉기가 작업편의 표면에서 동적 반응을 향상시키는 데 사용되는 반도체 작업편을 처리하는 장치의 일 실시예의 개략적인 블럭도이다.
마이크로전자 제조 산업 분야에서 문제되는 오염물을 해결하기 위한 화학 공정 순서에 사용된 신규한 화학 물질 및 적용 기술이 설명된다. 이들 문제는, 즉 유기물, 미립자, 금속/이온 및 실리콘 이산화물에 대한 오염물을 최소화하는 것이다. 일반적으로 언급된 반도체 웨이퍼와 같은 작업편의 세척은 작업편의 표면에 화학적 흐름의 분무에 의해성취된다. 오존은 액체 처리 흐름 내에 또는 처리 환경 내에 분무된다. 액체 또는 증기의 형태일 수 있는 화학적 흐름은 작업편의 표면 상에 형성하는 경계층의 제어를 가능하게 하는 시스템 내의 웨이퍼에 인가된다. 화학적 흐름은, 미립자와 유기물을 동시에 제거하기 위해 수산화 암모늄과 같은 성분, 용액의 pH를 상승시키는 다른 화학 물질, 또는 하나 이상의 특정 세척 작업을 이루도록 설계된 다른 화학적 첨가물을 포함할 수 있다. 특별 적용 기술은 웨이퍼 표면 상의 액체 경계층을 형성하고 제어하도록 구성된다.
이 공정의 일 실시예에 따라서, 세척될 웨이퍼는 표준 테프론(Teflon) 웨이퍼 카세트 내에, 또는 "비담체(carrierless)" 로터 설계를 사용한 처리 챔버 내에 놓인다. 상기 로터 설계는 몬타나주 칼리스펠(Kalispell)의 세미툴, 인크.(Semitool, Inc.)로부터 입수 가능한 스프레이 솔벤트 툴즈(Spray Solvent Tools) 또는 스프레이 액시드 툴즈(Spray Acid Tools)와 같은 습식 가공 툴인 점에서 같다.
카세트 또는 웨이퍼는 세미툴, 인크.로부터 입수 가능한 상기 툴 중의 하나인 처리 챔버와 같은 폐쇄된 환경 내에 놓여진다. 처리 중에, 웨이퍼 및/또는 카세트는 챔버 내에서 회전한다.
처리 용액은 온도가 제어된 재순환 화학 탱크로부터 웨이퍼 표면 상에 분무된다. 이는 주위 환경뿐만 아니라 웨이퍼의 표면도 가열한다. 만일 분무가 중단되면, 얇은 액체 필름이 웨이퍼 표면 상에 남는다. 그러나, 이는 액체 분무가 화학적 처리 단계 동안에 계속되는 경우일 것이다. 웨이퍼 표면이 소수성인 경우, 계면 활성제가 표면 상의 얇은 액체 필름을 생성시키도록 액체 화학 물질에 첨가될 수 있다. 웨이퍼 표면에 있는 처리 용액의 경계층은 회전 속도, 처리 용액의 유속 및/또는 액체(또는 스팀) 흐름을 웨이퍼 표면으로 이송하는 데 사용된 주입 기술(노즐 설계)을 통하여 제어된다.
오존은 액체 이송과 동일한 분기관을 통하여 또는 개별 분기관을 통하여 액체 분무 동안 폐쇄된 챔버 내에 동시에 주입된다. 오존 주입은 분무가 완료된 후에도 계속될 수 있다. 만일 웨이퍼 표면이 (비연속 분무의 경우에서와 같이) 건조되기 시작하면, 간단한 분무가 액체를 다시 공급하도록 활성화된다. 이는 노출된 웨이퍼 표면이 항상 습한 상태를 유지하고 더욱이 웨이퍼 표면에서의 상승된 온도가 유지되는 것을 보장한다. 일반적으로 계속적인 분무가 바람직하다.
오존이 고온의 액체 용액에서 제한된 용해도를 갖는 동안, 오존을 통하여 확산 가능하고 액체/고체 인터페이스에서 (그것이 실리콘, 포토레지스트 등 어느 것이든) 웨이퍼 표면과 반응한다. 따라서, 용해보다는 오히려 분산이 웨이퍼의 표면에 오존을 이송하는 데 사용되는 주요 메카니즘이다. 물은 탄소-탄소 결합을 가수분해하거나 또는 실리콘-수소 또는 실리콘-수산기 결합을 가수분해함으로써 실리콘 표면의 산화를 가속화하는 것을 돕는다는 것이 이해된다. 상승된 온도는 반응 활성을 촉진시키고 비록 액체 필름의 높은 온도가 용해된 오존의 높은 농도를 갖는 용액을 만들지 못하더라도 가스 상태의 높은 오존의 농도가 액체 필름을 통하여 오존의 확산을 향상시킨다.
오존의 유동은 증기 발생기 등을 통하여 처리 챔버 내로 이송될 수 있다. 이러한 발생기는 온도가 제어된 물로 충전된다. 따라서, 오존 가스 흐름은 최소 두께에서 각 웨이퍼 표면 상에 경계층을 유지시키는 수증기가 풍부하게 하여 상기 층이 확산을 방지하지 않는다. 동시에, 이러한 이송은 웨이퍼가 공정 동안에 완전히 건조되는 것을 방지하는 데 도움이 된다.
통상의 분무 처리 직업에서, 웨이퍼 회전 속도는 10 내지 100rpm의 범위 내에 있다. 이러한 낮은 속도는 확산 방해부가 생성되도록 액체의 경계층이 웨이퍼의 표면 상에 형성되는 것을 허용하기 쉽게 하고, 그 다음 이는 반응 속도를 억제한다. 그러나, 높은 회전 속도(＞ 300rpm)와 함께, 웨이퍼의 표면 온도를 유지하도록 가열되는 탈이온수(deionized water)와 같은 액체의 연속적인 분무가 확산층 두께를 최소화하는 매우 얇은 경계층을 생성하여, 그에 의해 제거 속도가 향상되는 것을 알게 된다. 공정 동안 웨이퍼 회전 속도의 증가는 결국 제거 속도에 대응한다는 것도 알게 된다. 예를 들어, 300 내지 800 rpm의 회전 속도는 2 이상의 요소에 의해 제거 속도가 결국 증가하게 된다. 1500rpm으로의 추가 증가는 또 다른 이중 증가로 되는 것으로 보인다.
개시된 공정을 더 향상시키기 위하여, 액체 공급(물 공급)의 온도는 가압된 포화 스팀을 처리 챔버로 공급하도록 가열된다. 이러한 경우, 섭씨 100도가 초과된 웨이퍼 표면 온도를 얻는 것이 가능하여, 반응 활성을 더 가속시킨다. 스팀 발생기는 원하는 온도를 얻기 위하여 처리 챔버를 가압하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 처리 챔버가 35psi(241.31kPa)의 압력 증가에 대응하도록 섭씨 126도에서 포화 스팀이 사용될 수 있다. 처리 챔버 내의 증가된 압력은 더 높은 오존 농도의 사용에 대비하여, 각 웨이퍼 표면에서 경계층을 가로질러 높은 확산 구배를 생성한다. 더욱이, 스팀의 사용은 웨이퍼 표면에서의 ??요한 얇은 경계층을 얻도록 낮은 회전 속도의 사용을 또한 허용한다. 오존의 산화 속도는 자외선으로 웨이퍼 표면을 조사함으로써 또한 향상될 수 있다.
본 발명가들은 하나의 처리 단계에서 동시에 미립자, 금속 및 유기물을 제거하는 것이 이제 가능하다는 것을 알게 되었다. 더욱이, 동일한 단계에서 새롭고, 세척되고, 제어된 화학 산화물 필름을 재생시키는 것이 이제 가능하다. 이를 위하여, 일정한 첨가제는 일정한 오염물을 특정 목표로 삼기 위하여 그리고/또는 전체 공정의 효율을 향상시키기 위하여 처리 액체 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 수산화 암모늄은 작업편 상의 미립자 수를 줄이기 위하여 처리 액체(예를 들어, 탈이온수)에 첨가될 수 있다. 이러한 공정에서, 오존은 수산화 암모늄에 의해 실리콘 표면에 흠집 발생을 방지한다.
전체 공정의 세척 능력을 향상시키는 다른 첨가제는 HF 및 HCl을 포함한다. 이러한 첨가제는 다음의 이점/효과를 갖는다. 즉, 1) 유기체 오염물 제거, 2) 산화물의 제거 및 제어된 화학 산화물의 재생, 3) 미립자의 제거, 4) 금속의 제거이다.
하나 이상의 상기 세척 공정 단계가 완료된 후에, 웨이퍼는 이어지는 세척 단계를 위해 준비된다. 이를 위하여, 웨이퍼는 탈이온수 또는 적절한 수성 용액으로 헹궈진다. 이때, 처리 챔버 내의 오존은, 예를 들어 질소 흐름으로 제거될 수 있다.
용액의 금속 제거 능력을 향상시키는 첨가제가 사용되지 않는 경우에, 금속 제거를 위한 추가의 처리 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 하나 이상의 이러한 세척 단계에서, 금속 및/또는 실리콘 이산화물은 불화수소산 및/또는 염산을 포함하는 온도가 제어된 혼합물, 클로로아세트산, 또는 다른 할로겐 화합물을 가함으로써 웨이퍼 표면으로부터 제거될 수 있다. 오존은 이러한 단계 중에 액체 흐름 또는 처리 환경으로 도입되거나 또는 그렇지 않을 수도 있다.
어떤 중간 세척 단계를 포함하여, 하나 이상의 상기 단계가 완료된 후에, 웨이퍼는 탈이온수 또는 수성 용액에서 최종적으로 헹궈진다. 헹굼 후에, 웨이퍼는 가열된 질소, 다른 불활성 가스 유동, 또는 유기물 증기의 사용을 포함할 수 있는 방식으로 건조된다. 더욱이, 웨이퍼는 건조 단계 중에 회전될 수 있다.
개시된 공정은 세척 또는 작업편의 표면으로부터 오염물의 선택적인 제거를 필요로 하는 많은 상황에 적용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 개시된 공정 단계는 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 포토레지스트를 제거하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 하나의 처리 용액을 사용하여 하나의 처리 단계에서 반사 방지 코팅(ARC)의 해당층 및 포토레지스트층을 동시에 제거하는 것이 이제 가능하다. 특히, 본 발명가들은 수산화 암모늄 및/또는 테트라-메틸 수산화 암모늄과 같은 높은 pH를 갖는 수성 용액과 탈이온수가 포토레지스트 및 반사 방지 코팅 모두를 제거하도록 오존과 함께 작용하는 제어된 경계층을 형성하는 데 사용될 수 있다는 것을 알게 되었다. 상술한 내용으로부터, 개시된 공정에서 몇몇 신규한 태양들이 있다. 이들은 다음을 포함한다.
1) 사용될 액체에 종속하여, 웨이퍼의 온도를 안정시키도록 웨이퍼 표면에 이송된 온도 제어된 액체 화학 물질 공급의 사용은 각 웨이퍼 표면에서 오염물의 탄소-탄소 결합의 가수분해를 돕도록 물의 공급을 제공한다.
2) 웨이퍼 표면 상에 존재하는 액체 경계층의 두께 제어는 웨이퍼 표면에 오존의 확산을 방지하기에 충분한 두께가 되지 않도록 한다. 이와 같이, 오존은 제어된 경계층을 통하여 확산하도록 허용되고, 이는 표면에서의 실리콘, 유기물, 또는 금속을 산화시킬 수 있거나, 그렇지 않으면 어떤 원하는 반응을 돕는다. 경계층은 웨이퍼 회전 속도의 제어, 증기 이송, 제어된 액체 분무, 스팀의 사용, 계면 활성제의 사용, 또는 이들 기술의 하나 이상의 조합을 통하여 제어될 수 있다.
3) 이 공정은 가압된 처리 환경을 만드는 데 사용될 수 있는, 또는 그렇지 않은, 폐쇄된 처리 챔버 내에서 일어난다.
전술한 공정을 처리하기 위하여 반도체 작업편과 같은 작업편의 표면의 처리를 위한 처리 액체와 오존의 혼합물을 공급하는 장치가 이하에서 설명된다. 장치의 바람직한 실시예는 처리 액체를 포함하는 저장기와 반도체 작업편을 내장하는 처리 챔버 사이에 유체 연통을 제공하는 데 사용되는 액체 공급 라인을 포함한다. 히터는 직접 또는 간접적으로 작업편을 가열하도록 배치된다. 바람직하게도, 작업편으로 공급되는 처리 액체를 가열하여 작업편이 가열된다. 하나 이상의 노즐은 액체 공급 라인으로부터 처리 액체를 수용하고 오존 발생기가 오존을 작업편을 포함하는 환경에 제공하는 동안 작업편의 표면 상에 이를 분무한다.
공정에 따른 반도체 작업편의 처리를 위한 처리 액체 및 오존을 구비하기에 적절한 장치의 일 실시예가 도1에 도시되어 있다. 10으로 표시된 처리 시스템은 반도체 웨이퍼 작업편과 같은 하나 이상의 작업편(20)을 포함하는 처리 챔버(15)를 갖는다. 비록 도시된 시스템이 일군의 작업편 장치에 관한 것이더라도, 이 시스템이 단일 작업편 처리에서도 사용하는 데 용이하게 적용되는 것은 인식될 것이다.
작업편(20)은, 예를 들어 로터 조립체(30)로부터 연장하는 하나 이상의 지지부(25)에 의해 챔버(15) 내에서 지지된다. 로터 조립체(30)는 밀폐 및 폐쇄된 처리 환경을 형성하기 위하여 처리 챔버(15)의 하우징과 함께 밀봉한다. 더욱이, 로터 조립체(30)는 오존 및 처리 액체로 처리하는 동안 또는 그 후에 반도체 작업편(20)이 축(35)에 대해 회전할 수 있도록 구비된다.
하나 이상의 노즐(40)은, 처리 챔버(15) 내에 배치되어, 오존 및 처리 액체의 분무 혼합물을 처리될 반도체 작업편(20)의 표면 상으로 향하게 한다. 도시된 실시예에서, 노즐(40)은 처리 액체의 분무가 반도체 작업편(20)의 밑면을 향하게 한다. 그러나, 유체 분무가 이와 달리, 또는 이에 더하여 반도체 작업편(20)의 상부면을 향하게될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
처리 액체 및 오존은 처리 액체와 혼합된 오존을 포함하는 단일 유체 라인을 구비하도록 유일하게 배치된 다수의 시스템 부품의 도움으로 노즐(40)에 공급된다. 이를 위하여, 저장기(45)는 오존과 혼합될 액체가 저장되는 챔버(50)를 한정한다. 챔버(50)는 펌프 기구(55)의 입력부와 유체 연통한다. 펌프 기구(55)는 노즐(40) 입력부로의 궁극적인 공급을 위하여 60으로 표시된 유체 유로를 따라서 액체를 가압하에 제공한다. 양호한 처리 유체는 탈이온수이지만, 수성 또는 비수성 용액과 같은 다른 처리 유체가 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
다수의 부품들은 유체 유로(60)를 따라서 배치된다. 먼저, 필터(65)가 유체 유로(60)를 따라서 배치되어 처리 유체로부터 극히 미세한 오염물을 여과한다. 여전히 가압된 처리 유체는 유체 유동 라인(70)을 따라서 필터(65)의 출력부에 구비된다. 유체 유동 라인(70)을 따라서 오존이 주입된다. 오존은 오존 발생기(75)에 의해 생성되고, 유체 유동 라인(80)을 따라서 가압하에 유체 유동 라인(70)으로 공급된다. 선택적으로, 이제 오존과 함께 주입된 처리 액체는 오존과 처리 액체를 혼합하는 혼합기(90)의 입력부로 공급된다. 혼합기(90)는 정지 또는 작동 상태일 수 있다. 혼합기(90)로부터, 처리 액체 및 오존은, 처리될 반도체 작업편(20)의 표면 상에 액체를 차례로 분무하고 오존을 처리 챔버(15)의 환경으로 도입시키는 노즐(40)에 입력되도록 구비된다.
처리 액체 내의 오존을 더 농축시키기 위하여, 오존 발생기(75)의 출력은 저장기(45)의 액체 챔버(50) 내에 배치된 분산 유닛(95)에 공급될 수 있다. 분산 유닛(95)은 처리 액체를 통하여 오존의 분산된 유동을 제공하여 그에 의해 유로(60)를 따라서 오존의 추가 양을 주입하기 전에 오존을 유체 흐름에 더한다.
도1의 시스템의 실시예에서, 챔버(15)의 소모된 액체는 유체 라인(105)을 따라서, 예를 들어 밸브 기구(110)로 제공된다. 밸브 기구(110)는 소모된 액체를 방출 출력부(115)로 또는 다시 저장기(45)의 액체 챔버(50)로 제공하도록 작동될 수 있다. 시스템을 통하여 그리고 다시 저장기(45)로의 처리 액체의 계속되는 순환은 계속되는 오존 주입 및/또는 오존 분산을 통하여 액체의 오존 농도를 향상시키는 데 조력한다.
반도체 작업편의 표면을 처리하기 위한 유체 혼합물을 이송하기 위한 시스템의 추가의 일 실시예는 도2에 도시된다. 비록 도2의 시스템(120)이 도1의 시스템(10)과 사실상 유사하지만, 큰 차이가 있다. 도2의 시스템(110)은, 오존화 대기를 생성하는 오존의 유동을 따라서 공급된 가열 액체로 반도체 작업편(20)의 표면을 가열하는 것은 포토레지스트 제거, 재(ash)의 제거 및/또는 세척 공정에서 매우 효과적인 본 발명에 의한 인식에 바탕을 둔다. 그와 같이, 시스템(120)은 처리 액체가 표면 반응을 가속시키는 상승된 온도에서 반도체 작업편의 표면에 공급되도록 처리 액체를 가열하는 데 사용되는 하나 이상의 히터를 포함한다. 반응을 활성화하기 위하여 작업편을 직접 가열하는 것도 가능하다는 것이 인식될 것이다. 이러한 가열은 가열된 처리 유체와의 접촉을 통한 작업편의 간접 가열에 더하여 또는 간접 가열 대신에 일어날 수 있다. 예를 들어, 지지부(25)는 작업편(20)을 가열하는 데 사용될 수 있는 가열 요소를 포함할 수 있다. 챔버(15)는 챔버 환경 및 작업편의 온도를 상승시키기 위한 히터를 포함할 수 있다.
앞서 주지된 바와 같이, 아마도 유기물 분자의 탄소-탄소 결합의 가수 분해를 통하여 작업편의 표면에서 세척/제거 반응을 시작하는 것이 요구되리라 믿어지기 때문에, 양호한 처리 액체는 탈이온수이다. 그러나, 본 발명가들은 상당한 양의 물이 반도체 작업편의 표면 상에 연속적인 필름을 형성할 수 있다는 것을 인식한다. 이 필름은 오존으로의 확산을 방지하는 작용을 하여, 그에 의해 반응 속도를 억제한다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 경계층 두께의 제어는 반도체 작업편의 rpm 제어, 증기 이송, 그리고 처리 액체의 제어된 분무, 또는 이들 기술의 하나 이상의 조합에 의해 수행된다. 경계층 두께를 감소시킴으로써, 오존은 작업편의 표면에 확산되고 제거될 유기물 재료와의 반응이 허용된다.
도3은 시스템(120)이, 예를 들어 반도체 작업편의 표면으로부터 포토레지스트를 제거하는 데 사용될 때, 도2의 시스템에서 수행될 수 있는 공정의 일 실시예를 도시한다. 단계 200에서 제거될 작업편(20)이, 예를 들어 테프론 웨이퍼 카세트에 놓인다. 이 카세트는 챔버(15)와 같은 폐쇄된 환경에 놓인다. 챔버(15)와 그에 대응하는 부품들은 몬타나주 칼리스펠의 세미툴, 인크.로부터 입수 가능한 스프레이 솔벤트 툴 플랫폼(Spray Solvent Tool Platform) 또는 스프레이 액시드 툴 플랫폼(Spray Acid Tool Platform)에 기초하여 구성될 수 있다. 이와 달리, 반도체 작업편(20)은 세미툴, 인크.로부터 입수 가능한 반도체 가공 툴인 등록 상표 매그넘(MAGNUM)의 자동화된 가공 플랫폼과 일관되게 비담체(carrierless) 방식으로 챔버(15) 내에 배치된다.
단계 205에서, 가열된 탈이온수는 반도체 작업편(20)의 표면 상에 분무된다. 가열된 탈이온수는 챔버(15)의 폐쇄된 환경은 물론 반도체 작업편(20)의 표면을 가열한다. 분무가 정지된 때, 얇은 액체 필름은 작업편의 표면 상에 남아 있다. 만일 표면이 소수성인 경우, 계면 활성제는 작업편의 표면 상에 얇은 액체 경계층을 생성시키는 데 조력하도록 탈이온수에 더해질 수 있다. 여기에서 설명된 내용의 관점에서, 계면 활성제가 친수성 표면과 관련해서도 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 부식 억제제가 수성 오존의 얇은 경계층 처리와 관련하여 사용될 수도 있다.
탈이온수의 표면 경계층은 하나 이상의 기술을 사용하여 단계 210에서 제어된다. 예를 들어, 로터(30)에 의해서 반도체 작업편(20)은 축(35)에 대해 회전될 수 있어서, 그에 의해 경계층을 얇게 하는 구심 가속도가 생성된다. 탈이온수의 유속은 표면 경계층의 두께를 제어하는 데에도 사용될 수 있다. 유속이 낮을 수록 경계층의 두께가 감소된다. 더욱이, 탈이온수가 챔버(15) 내에 주입되는 방식이 경계층 두께를 제어하는 데 사용될 수 있다. 노즐(40)은 미세한 액적과 같은 탈이온수를 제공하도록 설계될 수 있어서, 그에 의해 얇은 경계층 내에 생성된다.
단계215에서, 오존은 물이 분무되는 동안 유체 유로(60) 내에 주입되고, 또는 그렇지 않으면 챔버(15)의 내부 챔버 환경에 구비된다. 만일 도2의 장치가 사용되면, 오존의 주입은 분무가 차단된 후 계속된다. 만일 작업편의 표면이 건조해지기 시작하면, 바람직하게는 간단한 분무가 작업편의 표면 상에 액체 필름을 다시 공급하도록 활성화된다. 이는 노출된 작업편의 표면이 항상 습한 상태를 유지하는 것을 보장하고, 더욱이 작업편의 온도가 원하는 반응 온도로 상승되어 유지되는 것을 보장한다. 작업편의 표면이 상승된 온도 및 높은 회전 속도(즉, 300 rpm 이하, 300 내지 800 rpm, 또는 1500 rpm 이상)에서 유지하기에 충분한 유속을 갖는 탈이온수의 연속적인 분무는 오존 확산 방지를 최소화하는 얇은 경계층을 생성하여 그에 의해 포토레지스트 제거 속도를 향상시키는 것이 알려져 있다. 이와 같이, 경계층 두께의 제어는 웨이퍼의 표면으로 활성 오존의 확산을 조절하는 데 사용된다.
오존이 가열된 탈이온수에서 제한된 용해도를 갖는 동안, 오존은 물을 통하여 확산 가능하게 되고 액체/레지스트 인터페이스에서 포토레지스트와 반응한다. 탈이온수 자체의 존재는 웨이퍼의 표면 위에 포토레지스트와 같은 유기체 침전물의 탄소-탄소 결합을 가수분해함으로써 반응을 더 돕는다는 것이 이해된다. 비록 경계층 필름의 높은 온도가 용해된 오존의 높은 농도를 실제로 갖지 못하더라도 가스 상태에서 높은 오존의 농도가 경계층 필름을 통하여 오존의 확산을 향상시키는 동안 높은 온도는 반응 활성을 향상시킨다.
반도체 작업편(20)이 오존 및/또는 액체와 제거될 재료의 반응을 통하여 처리된 후, 작업편은 단계 220에서 헹궈지고 단계 225에서 건조된다. 예를 들어, 작업편에는 단계220에서 헹궈지는 동안 탈이온수의 유동이 분무된다. 이들은 그 다음 단계 225에서 하나 이상의 잘 공지의 건조 기술로 건조된다.
상술한 공정에서, 상승된 온도는 웨이퍼 표면에서 반응 속도를 가속시키는 데 사용된다. 웨이퍼 표면 온도가 최대일 수 있는 방식은 공정 중에 물 또는 스팀과 같은 가열된 처리 액체의 일정한 이송을 유지하는 것이다. 가열된 처리 액체는 가공 중에 웨이퍼와 접촉하여 가열한다. 그러나, 이러한 일정한 이송은 물 또는 다른 처리 액체의 상당한 폐기물을 가져온다. 물을 보존하고 가능한 가장 얇은 경계층을 얻기 위하여, 액체 또는 스팀의 "펄스 유동"이 사용될 수 있다. 이러한 "펄스 유동"이 상승된 필수 웨이퍼 표면 온도를 유지하지 못하는 경우에, 웨이퍼 표면 온도를 유지시키는 다른 방식이 요구될 수 있다. 이러한 다른 한 방안은 웨이퍼 표면 및 가공 환경 온도를 원하는 수준에서 유지시키는 "고온 벽" 반응기를 사용하는 것이다. 이를 위하여, 처리 챔버는, 예를 들어 가열된 하나 이상의 내재된 재순환 코일, 가열 블랭킷, 열원(예를 들면 적외선 램프)으로부터의 조사 등에 의해 가열된다.
실험실 내의 실험에서, 1 미크론의 포토레지스트로 코팅된 150㎜의 실리콘 웨이퍼는 상술한 공정의 내용에 따라서 제거된다. 처리 챔버는 섭씨 95도로 가열된 탈이온수를 처리 챔버 내에 10분 동안 분무함으로써 예비 가열된다. 세척 공정동안, 섭씨 95도로 가열된 탈이온수의 펄스 유동이 사용된다. 펄스 유동은 10초의 "오프 시간"에 의해 후속되는 약 5초의 "온 시간"을 포함한다. 웨이퍼는 800 rpm의 속도로 회전되고, 탈이온수의 펄스 유동은 분당 3리터의 유속으로 9개의 노즐을 통하여 처리 챔버 내로 분무된다. 오존은 12%의 농도로 분당 8리터의 유속으로 개별 분기관을 통하여 처리 챔버 내에 주입된다. 결과적인 제거 속도는 7234 Å/min이다.
전술된 반도체 세척 공정의 사용으로 많은 이점들이 있다. 가장 의미있는 이점들 중의 하나는, 유기물을 제거하고, 미립자를 제거하고, 금속을 감소시키고, 그리고 실리콘 이산화물을 제거하는 성능을 보유하면서, 종래의 4-화학 세척 공정이 2-화학 단계 공정으로 감소될 수 있다는 것이다. 공정 시간, 화학 물질의 소비, 물의 소비 및 폐기물의 생성도 모두 상당히 감소된다. 상기 공정의 추가 이점은 FEOL 및 BEOL 웨이퍼 및 제거 공정에 적용시킬 수 있다는 것이다. 실험실에서의 시험은 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등과 같은 금속 상에 침입(attack)이 없음을 나타낸다. 잘 알려진 예외가 구리로서, 이는 오존의 존재로 구리 산화물을 형성한다. 이러한 산화물은 알루미늄과 같은 금속 상에 형성하는 산화물과 같은 "경(hard)"하고 균일한 비활성화(passivation) 산화물이 아니다. 그 결과, 산화물은 용이하게 제거된다.
다시 도3에서, 처리 단계 205 내지 215는 사실상 동시에 수행될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 더욱이, 처리 단계 205 내지 215는 다른 처리 액체를 사용하여 연속하여 계속될 수 있다. 이러한 예에서, 사용되는 처리 액체의 각각은 오염물의 각 세트를 제거하도록 특별히 맞추어질 수 있다. 그러나, 가능한 적은 다른 처리 액체를 사용하는 것이 바람직하다. 사용되는 다른 처리 액체의 수를 감소시킴으로써, 전체 세척 공정은 단순화되고, 사용되는 다른 처리 액체의 수의 감소는 화학 물질의 소비를 최소화한다.
본 발명가들은, 처리 단계 205 내지 215의 단일 주기에서 유기체 오염물, 금속 및 미립자를 제거하는 데 사용될 수 있는 하나의 처리 액체를 개발하였다. 처리 액체는 산성의 처리 액체 용액을 형성하도록 HF 또는 HCl과 같은 하나 이상의 화합물과 탈이온수의 용액을 포함한다.
단계 205 내지 215에서 설명된 처리 단계에서 불화수소산(hydrofluoric acid) 용액의 사용은 다음을 포함하는 여러 장점을 제공한다는 것을 이제 알 수 있다.
1. 유기체 오염물의 제거 - 공정의 산화성(oxidation capability)은 포토레지스트 상에서 계속적으로 설명되어 왔다. 제거 속도는 종종 4000A/min을 초과한다. 세척 시에 유기체 오염물이 통상 분자 수준에 있다는 사실을 고려하면, 개시된 공정은 충분한 산화성을 갖는다.
2. 산화물의 제거 및 제어된 화학 산화물의 재생 - 용액의 온도 및 용액 내의 HF의 농도에 종속하여, 특정 에칭 속도가 한정될 수 있다. 그러나, 오존은 제어된 경계층을 통하여 확산될 것이고 웨이퍼가 소수성이 되는 것을 방지하도록 산화물을 재생할 것이다. 섭씨 65도에서 H2O:HF가 500:1인 혼합물은 약 6A/min의 속도로 SiO2를 에칭할 것이다. 섭씨 25도에서의 동일한 용액은 약 2A/min의 속도로 SiO2를 에칭할 것이다. "선천적인" 산화물은 산화물 제거를 위한 통상의 목표 두께인 8 내지 12A의 두께에서 통상 자가 한정(self limiting)한다.
3. 미립자의 제거 - 비록 산성 용액이 앞서 주지된 SC1 세척에 존재하는 적절한 제타 잠재력을 갖지 않더라도, 산화물 표면을 에칭하고 재생하는 동일한 제거 메커니즘을 사용할 때, HF 처리 액체를 갖는 개시된 공정에서 미립자를 제거하는 것은 여전히 중요하게 보여진다.
4. 금속의 제거 - 실험실에서의 실험에서, 웨이퍼는 철, 니켈 및 구리로 의도적으로 오염된다. HF를 함유한 처리 액체를 갖는 개시된 공정은 크기가 3등급 이상인 금속에서의 감소를 보여준다. 추가된 향상으로서, HCl은, 비록 동일한 정도의 산화물 및 미립자 제거성을 갖지 못하더라도, 금속 제거를 달성하도록 HCl 대신 사용될 수 있다. HF 및 HCl의 조합은 이들 화합물의 각각이 상당한 금속 제거성을 갖는 것과 마찬가지로 장점을 더 갖지만, 금속의 금속 산화물로의 변화 및 2개의 산성 할로겐화물의 공생 상호 작용과 관련한 산화물의 표면의 재생은 금속 제거를 위한 적절한 환경을 예외적으로 발생시킨다.
5. 만일 원한다면, 담금 셀(immersion cell)에서 최종 HF 단계를 사용하거나 또는 금속 제거후 HF 증기 단계를 사용함으로써 산화물이 없는 (소수성의) 표면이 생성될 수 있다.
전형적인 화학 물질의 인가 시간은 1:00 내지 5:00의 범위 내에 있다. 약 20:00의 4-화학 세척 공정 시간과 비교하여, HF 및/또는 HCl를 함유한 처리 액체를 갖는 개시된 공정은 매우 눈에 띄게된다. 전형적인 H2O:HF:HCl의 농도비는 500:1:1 내지 50:1:1에 속한다. 또한, HF 또는 HCl를 포함하지 않는 경우 500:1 내지 50:1에 속한다. 더 높은 농도가 가능하지만, 경제적인 이점이 감소된다. 가스상인 HF 또는 HCl이 더욱이 희망하는 세척 화학 물질을 생성하도록 물 속으로 주입될 수 있다는 것을 인지하는 것은 중요하다. 처리 장치 구성 및 희망하는 세척 요구의 차이로 인해서, 특정 세척 공정의 매개변수의 정의는 이들 차이와 요구에 기초하여 변할 것이다.
본 공정의 장점은 다음을 포함한다.
1. 세척 공정에 사용되는 화학 물질의 양과 형태의 감소
2. 요구되는 많은 중간의 헹굼 단계의 배제에 의한 물 소비의 감소
3. 처리 시간의 감소
4. 처리 하드웨어의 단순화
개시된 공정들은 반직관적이다. SC1과 적은 정도로 SC2와 같은 화학계에서 과산화 수소를 오존으로 교체하는 노력이 몇 년에 걸쳐서 행해져 왔다. 경계층으로의 용해 대신에 경계층을 통한 확산이 제어하는 메커니즘인 이러한 방식으로 경계층을 제어하지 못하고 오존을 도입시키지 못하였기 때문에 이들 노력은 크게 실패하였다. 종래 용액의 세척 효율이 온도가 증가함으로써 크게 향상되는 한편, 주어진 액체 용액 내의 오존의 용해도가 용액의 온도에 반비례한다는 것이 인식된다. 섭씨 1도의 물에서 오존의 용해도는 약 100ppm이다. 섭씨 60도에서 이 용해도는 5ppm 미만으로 떨어진다. 따라서, 상승된 온도에서 오존의 농도는 실리콘 표면의 흠집이 발생하지 않을 것을 보장할 만큼 충분히 빠르게 실리콘 웨이퍼 표면을 비활성화(산화)시키기에 불충분하다. 따라서, 2개의 메커니즘은 가공 성능을 최적화하려고 시도할 때 서로 상충한다.
현재 개시된 공정과 관련하여 설명된 경계층 제어 기술을 적용함으로써, 섭씨 95도에서 물:수산화 알루미늄이 4:1인 용액을 사용하여 실리콘 웨이퍼를 가공하고 2Å 미만의 증가 표면 거칠기(RMS)를 알게 되는 것이 가능하다는 것을 시험들로부터 알 수 있다. 이러한 동일한 용액이 담금 시스템 또는 종래의 분무 시스템에 적용될 때, 원자 현미경(atomic force microscopy)에 의해 측정되는 바와 같은 RMS 표면 거칠기는 20Å 이상만큼 증가하고, 최대 표면 거칠기는 190Å을 초과한다. 더욱이, 종래의 공정이 빛산란식 입자 계수기에 의해 표면을 판독 불가능하게 만들 정도로 표면에 흠집을 낼 것이나, 경계 제어 기술은 웨이퍼 표면 상에 50%까지의 미립자 감소를 실제로 보여준다.
유기체 오염물을 산화 및 제거시키는 경우, 종래의 수성 오존 공정들은 분당 약 200 내지 700Å의 포토레지스트 (탄화수소 필름) 제거 속도를 보여준다. 개시된 공정의 경계층 제어 시스템에서, 상기 속도는 분무 제어 경계층에서 분당 2500 내지 7000Å, 또는 경계층이 15psi(103.42kPa) 섭씨 126도에서의 스팀을 사용하여 생성될 때는 8000Å으로 가속된다.
개시된 공정들은 마이크로전자 제조의 넓은 영역에서 사용하기에 적합하다. 반도체 장치의 제조시에 관계된 하나의 문제점은 반사 노치(reflective notching)이다. 반도체 웨이퍼 상의 패턴을 노출시키기 위하여, 웨이퍼는 포토레지스트라고 불리는 광활성 화합물로 코팅된다. 이 저항 필름은 광 패턴에 노출되어, 그에 의해 빛이 전송되는 영역을 노출시킨다. 그러나, 지형학적 형태가 포토레지스트 아래에 존재할 수 있기 때문에, 빛이 포토레지스트를 통하여 지나가서 지형학적 형태에 반사되는 것이 가능하다. 이는 결국 바람직하지 않은 영역이 노출된다. 이러한 현상은 "반사 노치"로 알려져 있다. 장치 밀도가 증가할 때, 반사 노치는 더 크게 문제된다.
유사한 문제가 조사의 입사각에 직각으로의 반사율의 결과로서 발생한다. 이러한 반사율은 표준파 형성의 현상을 통하여 노출 빔에서의 왜곡을 생성할 수 있어서, 그에 의해 포토레지스트에서 패턴의 왜곡이 발생한다.
이들 현상을 제거하기 위하여, 반사 방지 코팅층이 통상 사용된다. 포토레지스트 필름은 반사 방지 코팅층의 상부 또는 그 아래에 대체로 배치된다. 포토레지스트층 및 반사 방지 코팅층은 모두 중간 제조 단계에서 사용되는 단순한 임시층들이기 때문에, 이들은 이러한 중간 제조 단계가 완료된 후에 제거되어야 한다.
도3의 공정이 단일 처리 단계(예를 들어, 210 내지 215로 표시된 단계)에서 포토레지스트층 및 반사 방지 코팅층을 모두 제거하기 위해 물과 수산화 알루미늄을 포함하는 처리 액체와 함께 사용될 수 있다는 것이 알려져있다. 비록 이는 무게로 물에 0.02% 내지 0.04%의 수산화 알루미늄 농도에서 설명되지만, 다른 농도도 존속하도록 고려된다.
포토레지스트층 및 대응하는 반사 방지 코팅층을 동시에 제거하기 위한 공정은 수산화 알루미늄을 포함하는 처리 액체에 한정되지 않는다. 오히려, 첨가제의 주요 목적은 웨이퍼 표면 상에 분무되는 용액의 pH를 상승시키는 것이다. 바람직하게도, pH는 약8.5 내지 11 사이에 있도록 상승되어야 한다. 비록 수산화나트륨 및/또는 수산화 칼륨과 같은 염기가 이러한 제거에 사용될 수 있더라도, 이들은 이동성 이온 오염물에 관한 문제로 인해 덜 바람직한 것으로 간주된다. 그러나, TMAH(테트라-메틸 수산화 암모늄)와 같은 화학 물질은 적절하여 이동성 이온 오염물이 관계하는 동일한 문제를 이끌어 내지 않는다. 수산기 라디칼에 많은 이온화된 물도 사용될 수 있다.
희석된 수산화 암모늄 용액은 다수의 방법으로 공정 내에 적용될 수 있다. 예를 들어, 주사기 펌프 또는 정밀한 약제 살포기는 용액 흐름의 단일 사용이 가능하도록 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 오존을 포함한 탈이온수 흐름을 사용하여 포토레지스트를 제거하는 것이 가능해지고, 수산화 암모늄이 수성의 흐름에 주입되는 짧은 기간동안 제거가 완료된다. 이는 화학 물질의 사용 및 폐기물 생성을 최소화하는 데 도움이 된다. 적용 장치는 적절한 센서 및 작동기를 사용하여, 예를 들어 마이크로 프로세서 제어의 사용에 의해 pH의 모니터링 및 제어를 가능하게 할 수 도 있다.
도4에는, 오존 처리 시스템(227)의 다른 추가 실시예가 도시되어 있다. 도4의 실시예에서, 하나 이상의 노즐(230)은 오존을 오존 발생기(75)로부터 직접 반응 환경으로 유도하도록 처리 챔버(15) 내에 배치된다. 가열된 처리 유체는, 오존 공급 라인으로부터 분리된 공급 라인을 통하여 가열된 탈이온수와 같은 처리 유체를 수용하는 노즐(40)을 통하여 챔버(15) 내에 제공된다. 이와 같이, 오존이 유로(60) 내에 주입되는 것이 최적이다.
오존 처리 시스템의 다른 실시예는 도5에서 250으로 도시된다. 시스템(250)에서, 처리 챔버(15)에 가압된 포화 스팀을 공급하는 스팀 보일러(260)는 펌프 메커니즘을 교체하였다. 바람직하게도, 반응 챔버(15)는 밀봉되어서 반응을 위한 가압된 환경을 형성한다. 예를 들어, 섭씨 126도의 포화 스팀은 스팀 보일러(260)에 의해 생성되고 작업편 처리 동안 35psi(241.31kPa)의 압력을 생성하도록 반응 챔버(15)에 공급된다. 오존은 도시된 바와 같이 챔버(15) 내에 직접 주입될 수 있고, 그리고/또는 동시 공급을 위한 통로(60) 내에 스팀으로 주입될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 시스템 구성을 사용하여, 섭씨 100도를 초과하는 반도체 작업편의 표면 온도를 얻는 것이 가능하여, 반응 활성을 더 가속시킨다.
상술한 시스템의 어느 하나로 만들어질 수 있는 추가의 개선은 도6에 도시되어있다. 이 실시예에서, 자외선 램프(300)는 처리 중에 반도체 작업편(20)의 표면을 조사하는 데 사용된다. 이러한 조사는 반응 활성을 더 향상시킨다. 비록 이러한 조사 기술이 반도체 작업편 가공을 일괄 처리하도록 적용되지만, 이는 작업편이 자외선 조사에 보다 용이하게 완전히 노출되는 도시된 단일 웨이퍼 가공 환경에서 보다 용이하고 경제적으로 수행된다.
도7에서, 하나 이상의 상술한 공정들을 수행하기 위한 추가의 시스템(310)이 설명된다. 오존을 수성의 흐름 내에 용해하는 것을 촉진시키기는 데 사용하는 하나 이상의 기액 접촉기(315)를 사용하는 것이 시스템(310)에서 특히 유의할 점이다. 이러한 접촉기는 처리 액체의 온도가, 예를 들어 대기 온도 또는 그 근처에 있을 때 특별히 이점이 있다. 이러한 낮은 온도는 알루미늄/실리콘/구리와 같은 필름 상에 촉진될 수 있는 부식을 제어하는 데 요구될 수 있다.
바람직하게도, 접촉기(315)는 액체가 일 단부 내에 도입되고 오존 가스가 대향 단부 내로 도입되는 평행 대향류 구성이다. 이러한 접촉기는 다른 판매자는 물론 더블류. 엘. 고어사(W. L. Gore, Corp.)에 의해 제조 및 판매된다. 이들 접촉기는 게이지 압으로 약 1 내지 4기압의 가압하에서 작동한다. 접촉기(315)에 존재하는 비용해 가스는 선택적으로 가스 손실을 최소화하도록 처리 챔버(320)로 향하게 될 수 있다. 그러나, 접촉기(315)용 오존 공급부(330)는 처리 챔버(320)로 직접 이송하기 위한 공급부와 같을 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
현재 개시된 장치 및 방법은 상술한 반도체 작업편 이외의 작업편을 처리하는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 평패널 디스플레이, 하드 디스크 매체, CD 글래스 등과 같은 다른 작업편들이 상술한 장치 및 방법을 사용하여 처리된 표면을 가질 수 있다.
비록 개시된 응용을 위한 바람직한 처리 액체가 탈이온수이지만, 다른 처리 액체도 사용될 수 있다. 예를 들어, 산성 및 염기성 액체가 처리될 특정 표면 및 제거될 재료에 따라서 사용될 수 있다. 황산, 염산 및 수산화 암모늄을 포함하는 처리 액체가 다양한 적용예에 사용될 수 있다.
많은 변경이 이러한 기본적인 기술로부터 벗어나지 않고 상술한 시스템으로 만들어질 수 있다. 비록 본 발명이 하나 이상의 특정 실시예에 참고하여 사실상 상세한 설명으로 기술되어 있더라도, 이 기술 분야의 숙련자는 첨부된 청구항에서 설명되는 바와 같이 본 발명의 범위 및 정신에서 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (99)

  1. 작업편을 처리하는 방법에 있어서,
    작업편이 상승된 온도로 유지되도록 돕는 가열된 액체를 처리될 작업편의 표면 상에 구비하는 단계와,
    작업편을 포함하는 환경 내로 오존을 도입시키는 단계와,
    작업편의 표면에서의 반응을 위해 오존의 확산을 허용하는 얇은 액체 경계층을 형성하도록 작업편 상의 가열된 액체의 두께를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체가 탈이온수인 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탈이온수가 과열(superheat)된 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 액체는 황산을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 액체는 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 액체는 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액체는 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어 단계는 작업편을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어 단계는 300rpm 이상의 회전속도로 작업편을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어 단계는 액체에 계면 활성제를 더하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어 단계는 처리될 웨이퍼의 표면 상에 분무된 액체의 유동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  12. 작업편의 표면을 세척하는 방법에 있어서,
    HF 및 HCl를 포함하는 그룹으로부터 선택된 추가의 화합물과 물을 포함하는 가열된 액체 용액을 작업편의 표면 상에 구비하는 단계와,
    작업편을 포함하는 환경 내로 오존을 도입시키는 단계와,
    작업편의 표면에서의 반응을 위해 오존의 확산을 허용하도록 작업편의 표면 상에 얇은 액체 경계층을 형성하기 위하여 가열된 액체 용액의 두께를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 가열된 액체 용액은 유기체 오염물, 금속 및 미립자를 동시에 제거하기에 적절하고, 작업편이 상승된 온도로 유지되도록 돕는 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어 단계는 300rpm 이상의 회전속도로 작업편을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 가열된 액체는 펄스 유동으로 구비되는 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 액체는 물과 HF의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  16. 제15항에 있어서, 물과 HF의 농도비가 50:1 내지 500:1인 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 액체는 물과 HCl의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  18. 제17항에 있어서, 물과 HCl의 농도비가 50:1 내지 500:1인 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 액체는 물과 HF와 HCl의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  20. 제19항에 있어서, 물과 HF와 HCl의 농도비가 50:1:1 내지 500:1:1인 것을 특징으로 하는 작업편 세척 방법.
  21. 작업편으로부터 포토레지스트 및 반사 방지 코팅 재료를 동시에 제거하는 방법에 있어서,
    포토레지스트 및 반사 방지 코팅 재료와 접촉하도록 가열된 액체를 작업편의 표면 상에 구비하는 단계와,
    작업편을 포함하는 환경 내로 오존을 도입시키는 단계와,
    포토레지스트 및 반사 방지 코팅 재료와 함께 반응하도록 오존의 확산을 허용하는 얇은 액체 경계층을 형성하기 위하여 작업편의 표면 상에 가열된 액체의 두께를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 가열된 액체는 물과 수산화 암모늄을 포함하고, 작업편이 상승된 온도로 유지되도록 돕는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제어 단계는 300rpm 이상의 회전속도로 작업편을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제12항에 있어서, 상기 가열된 액체는 펄스 유동으로 구비되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 동시에 작업편의 표면으로부터 산화물을 제거하고 작업편의 표면 상의 제어된 화학 산화물을 재생시키기 위한 방법에 있어서,
    산화물과 접촉하도록 HF 및 HCl을 포함하는 그룹으로부터 선택된 추가의 화합물과 물을 포함하는 가열된 액체 용액을 작업편의 표면 상에 구비하는 단계와,
    작업편을 포함하는 환경 내로 오존을 도입시키는 단계와,
    작업편의 표면에서 제어된 산화물층의 재생을 위해 오존의 확산을 허용하도록 작업편의 표면 상의 얇은 액체 경계층을 형성하기 위하여 가열된 액체 용액의 두께를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 가열된 액체 용액은 존재하는 산화물을 제거하고, 작업편이 상승된 온도로 유지되도록 돕는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제어 단계는 300rpm 이상의 회전속도로 작업편을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 가열된 액체는 펄스 유동으로 구비되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 액체는 물과 HF의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 물과 HF의 농도비가 50:1 내지 500:1인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제24항에 있어서, 상기 액체는 물과 HCl의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 물과 HCl의 농도비가 50:1 내지 500:1인 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제24항에 있어서, 상기 액체는 물과 HF와 HCl의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 물과 HF와 HCl의 농도비가 50:1:1 내지 500:1:1인 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 작업편을 처리하는 방법에 있어서,
    가열 가압된 액체의 유동을 구비하는 단계와,
    상기 가압된 액체 유동 내에 오존을 주입하는 단계와,
    오존과 가열된 액체의 혼합물을 작업편 상에 분무하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 액체가 탈이온수인 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 탈이온수가 가열된 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 탈이온수가 과열된 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  37. 제33항에 있어서, 상기 액체는 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  38. 제33항에 있어서, 상기 액체는 황산을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  39. 제33항에 있어서, 상기 액체는 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  40. 제33항에 있어서, 상기 액체는 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  41. 제33항에 있어서, 상기 분무 단계는 하나 이상의 고정된 분무 위치로부터 작업편 상에 상기 액체를 분무함으로써 한정되는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  42. 제41항에 있어서, 오존과 액체 혼합물로 분무될 때 작업편을 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  43. 제11항에 있어서, 오존과 가열된 액체 혼합물로 분무될 때 작업편을 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편 처리 방법.
  44. 작업편의 표면 상에 처리 액체 및 오존의 혼합물을 공급하기 위한 장치에 있어서,
    액체 챔버를 갖는 액체 저장기와,
    액체 챔버와 유체 연통하는 입력부를 갖고 출력부를 더 갖는 펌프와,
    작업편의 표면 상에 액체를 분무하도록 배치된 하나 이상의 노즐과,
    상기 펌프와 하나 이상의 노즐 사이에 연장되어 상기 펌프의 출력부에 제공된 가압된 액체를 이송하는 유로와,
    오존을 상기 유로 내에 주입하기 위한 오존 공급 시스템과,
    상기 처리 액체를 작업편의 표면 상에 공급하기 전에 처리 액체를 가열하도록 배치된 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  45. 제44항에서, 상기 유로 내에 배치된 혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  46. 재44항에 있어서, 상기 오존 공급 시스템은 오존 및 처리 액체를 수용하도록 배치된 접촉기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  47. 제45항에 있어서, 상기 혼합기는 정적 혼합기인 것을 특징으로 하는 장치.
  48. 제45항에 있어서, 상기 혼합기는 능동 혼합기인 것을 특징으로 하는 장치.
  49. 제44항에 있어서, 상기 가압된 액체는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 장치.
  50. 제44항에 있어서, 상기 가압된 액체는 황산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  51. 제44항에 있어서, 상기 가압된 액체는 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  52. 제44항에 있어서, 상기 가압된 액체는 산성 수산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  53. 제44항에 있어서, 상기 가압된 액체는 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  54. 제44항에 있어서, 상기 액체 저장기는 오존을 액체 저장기의 액체 챔버 내로 공급하기 위한 입구를 포함하고, 상기 액체 챔버는 펌프와 유체 연통하는 것을 특징으로 하는 장치.
  55. 제54항에 있어서, 상기 오존 공급용 입구는 오존 발생기와 유체 연통하는 것을 특징으로 하는 장치.
  56. 제54항에 있어서, 상기 액체 저장기는 상기 입구에 수용된 오존을 액체 챔버 내에 포함된 액체 내에서 용해하기 위해 액체 챔버 내에 배치된 오존 분산 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  57. 제44항에 있어서, 상기 하나 이상의 노즐로부터 처리하는 처리 액체로 분무될 때 작업편을 수납하기 위한 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  58. 제57항에 있어서, 상기 챔버와 액체 저장기 사이에 연장되는 재순환 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  59. 제57항에 있어서, 작업편을 회전시키기 위하여 챔버 내에 배치된 로터 조립체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  60. 작업편의 표면을 처리하기 위해 물을 포함하는 액체와 오존의 혼합물을 제공하는 장치에 있어서,
    물을 포함하는 액체를 보유하는 챔버를 갖는 저장기와,
    상기 저장기의 챔버로부터 물을 포함하는 액체를 수용하도록 접속된 입력부와 물을 포함하는 가압된 액체를 공급하기 위한 출력부를 갖는 펌프와,
    작업편의 표면 상에 액체를 분무하도록 배치된 하나 이상의 노즐과,
    상기 펌프와 하나 이상의 노즐 사이에 연장되어 상기 펌프의 출력부에 제공된 물을 포함하는 가압된 액체를 이송하는 유로와,
    출구에 오존의 공급을 방생시키는 오존 발생기와,
    상기 유로 내에 오존을 주입하기 위하여 상기 오존 발생기로부터 유로까지 연장된 하나 이상의 공급 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  61. 제60항에 있어서, 상기 유로 내에 배치된 혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  62. 제61항에 있어서, 상기 혼합기는 정적 혼합기인 것을 특징으로 하는 장치.
  63. 제61항에 있어서, 상기 혼합기는 능동 혼합기인 것을 특징으로 하는 장치.
  64. 제60항에 있어서, 상기 저장기는 오존을 저장기의 챔버 내에 공급하는 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  65. 제64항에 있어서, 상기 오존 공급용 입구는 오존 발생기와 유체 연통하는 것을 특징으로 하는 장치.
  66. 제60항에 있어서, 상기 저장기는 입구에서 수용된 오존을 챔버 내에 수용된 물을 포함하는 액체 내에서 용해하기 위하여 챔버 내에 배치된 오존 분산 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  67. 제60항에 있어서, 상기 하나 이상의 노즐로부터 처리하는 물을 포함하는 액체로 분무될 때 작업편을 수납하기 위한 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  68. 제67항에 있어서, 작업편을 수납하는 챔버와 저장기의 챔버 사이에 연장되는 재순환 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  69. 제67항에 있어서, 작업편을 회전시키기 위해 챔버 내에 배치된 로터 조립체를 더 포함하고, 상기 로터 조립체는 적어도 300rpm까지 작동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  70. 작업편의 표면을 처리하기 위하여 처리 액체 및 오존의 혼합물을 공급하기 위한 장치에 있어서,
    작업편을 가열하기 위한 수단과,
    처리 액체를 작업편의 표면 상에 처리 액체를 분무하기 위한 수단과,
    오존을 작업편을 포함하는 환경 내로 도입하기 위한 수단과,
    오존을 작업편의 표면에 확산시키는 것을 용이하게 하기 위하여 작업편의 표면 상에 처리 액체의 경계층의 두께를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  71. 제70항에 있어서, 상기 가열 수단은 작업편에 인가될 처리 액체를 가열하도록 배치된 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  72. 제70항에 있어서, 상기 제어 수단은 작업편을 회전시키도록 배치된 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  73. 제70항에 있어서, 상기 제어 수단은 작업편의 표면에 인가된 처리 액체의 유동을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  74. 제70항에 있어서, 작업편의 표면에 인가된 처리 액체의 유동을 제어하기 위한 수단이 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  75. 제70항에 있어서, 상기 제어 수단은 처리 액체의 미세한 액적을 생성하도록 구성된 하나 이상의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  76. 제70항에 있어서, 상기 처리 액체는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 장치.
  77. 제70항에 있어서, 상기 처리 액체는 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  78. 제70항에 있어서, 상기 처리 액체는 황산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  79. 제70항에 있어서, 상기 처리 액체는 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  80. 제70항에 있어서, 상기 처리 액체는 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  81. 제76항에 있어서, 상기 가열 수단은 스팀 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  82. 제70항에 있어서, 상기 처리 액체는 물을 포함하는 수성 용액인 것을 특징으로 하는 장치.
  83. 제82항에 있어서, 상기 가열 수단은 스팀 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  84. 작업편의 표면을 처리하기 위하여 처리 액체 및 오존의 혼합물을 공급하기 위한 장치에 있어서,
    작업편을 가열하도록 배치된 히터와,
    저장기와,
    작업편을 수납하는 처리 챔버와,
    상기 저장기와 처리 챔버 사이에 처리 액체의 유체 연통을 제공하는 액체 공급 라인과,
    액체 공급 라인으로부터 처리 액체를 수용하여 작업편의 표면 상에 처리 액체를 분무하는 하나 이상의 노즐과,
    작업편을 포함하는 환경 내에 오존을 구비하도록 출력 라인을 갖는 오존 발생기와,
    오존을 작업편의 표면에 확산시키는 것을 용이하게 하기 위하여 작업편의 표면 상에 처리 액체의 경계층의 두께를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  85. 제84항에 있어서, 상기 히터는 분무되는 처리 액체를 가열함으로써 작업편을 간접적으로 가열하는 것을 특징으로 하는 장치.
  86. 제84항에 있어서, 상기 처리 액체는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 장치.
  87. 제84항에 있어서, 상기 처리 액체는 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  88. 제84항에 있어서, 상기 처리 액체는 황산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  89. 제84항에 있어서, 상기 처리 액체는 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  90. 제84항에 있어서, 상기 처리 액체는 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  91. 제84항에 있어서, 상기 처리 액체는 물을 포함하는 수성 용액인 것을 특징으로 하는 장치.
  92. 제84항에 있어서, 상기 오존 발생기의 출력 라인은 액체 공급 라인에 접속된 것을 특징으로 하는 장치.
  93. 제84항에 있어서, 상기 오존 발생기의 출력 라인은 처리 챔버에 접속된 것을 특징으로 하는 장치.
  94. 제84항에 있어서, 상기 히터는 액체 공급 라인과 직렬로 접속된 것을 특징으로 하는 장치.
  95. 제84항에 있어서, 상기 히터는 저장기 내에 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
  96. 제84항에 있어서, 상기 제어 수단은 작업편을 회전시키도록 배치된 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  97. 제84항에 있어서, 상기 제어 수단은 액체 공급 라인을 통하여 처리 액체 유동을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  98. 제84항에 있어서, 액체 공급 라인을 통하여 처리 액체 유동을 제어하기 위한 수단이 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  99. 제84항에 있어서, 상기 제어 수단은 처리 액체의 미세한 액적을 생성하도록 구성된 하나 이상의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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