KR20080086817A - 액체 필터를 갖는 자외광 조사 장치 - Google Patents

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키요시로 마쯔시타
켄이치 카가미
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에이에스엠 저펜 가부시기가이샤
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Abstract

UV광으로 반도체 기판을 조사하기 위한 UV광 조사 장치는, 내부에 기판-지지 테이블이 제공되고 광 투과창을 갖는 반응기; 상기 광 투과창을 통해 UV광을 갖는 상기 기판-지지 테이블 상에 배치된 반도체 기판을 조사하기 위해서 상기 반응기에 연결되고, 적어도 하나의 UV 램프를 포함하는 UV광 조사 유닛; 및 UV광이 투과되는 액체층을 형성하기 위해 UV 램프 및 상기 광 투과창 사이에 배치된 액체층 형성 채널을 포함한다. 상기 액체층은 상기 액체층 형성 채널을 통해서 흐르는 액체에 의해서 형성된다.

Description

액체 필터를 갖는 자외광 조사 장치{UV light irradiating apparatus with liquid filter}
본 발명은 일반적으로 자외광(UV light) 조사 장치 또는 반도체 기판의 조사 방법에 관한 것이다.
전통적으로, UV 처리 장치는 자외광을 사용한 다양한 공정 타겟들의 개량 또는 광화학 반응을 이용하는 공정을 통한 물체의 생산에 이용되어 왔다. 최근 고집적화 소자에 대한 경향은 미세 배선 설계 및 다층 배선 구조에 대한 필요성을 만들어왔고, 이는 그 파워 소비를 줄이면서 소자의 처리 속도를 증가시키기 위해서 층간 부피를 감소시키는 것을 절실하게 필요로 한다. 저유전율(low-k) 물질들은 층간 부피를 감소시키기 위해서 사용된다. 그러나, 물질의 유전 상수를 감소시키는 것은 그 기계적 강도 (탄성 계수(elastic modulus) 또는 EM)를 또한 감소키고, 이는 저유전율 물질이 후속 공정, 예컨대 CMP, 와이어 본딩 및 패키징에서 받는 스트레스를 견디기 어렵게 한다. 전술한 문제를 해결하기 위한 하나의 방법은 저유전율 물질을 UV 조사로 경화시켜(cure), 그 기계적 강도를 향상시키는 것이다 (그 예는 미국특허 US 6,759,098 및 US 9,296,909에서 발견된다). UV 조사는 저유전율 물질이 수축하고 굳게 하여, 그 기계적 강도(EM)를 50 내지 200% 향상시킨다. 별도로, 광화학 반응에 기초한 광 CVD는 열 CVD 또는 PECVD계 막 증착공정을 이용함으로써 열 또는 플라즈마 손상으로부터 자유로운 다양한 박막을 얻기 위해 최근 고집적화 소자의 경향으로부터 유래하는 다른 수요에 대한 방안으로 여러 해 동안 연구되어 왔다.
UV 조사는 막 내의 -CH3 결합 또는 -Si-O 결합을 깨고 그 깨진 성분을 재결합시켜 O-Si-O 네트웍을 형성함으로써 저유전율막(low-k film)의 기계적 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과는 단파장의 UV광에 더 강한데, 왜냐하면 그러한 광(light)이 보다 높은 에너지를 생성하기 때문이다. 다양한 형태의 램프들은 UV 경화용, 예컨대 엑시머(excimer) 램프들 및 수은 램프들 용으로 사용될 수 있다. 이러한 것들 중에서, 수은 램프들은 다양한 파장의 광을 생성하고 결과적으로 많은 열을 생성하여, 그 결과 이러한 램프들은 냉각을 필요로 한다. 일반적으로, 수은 램프들은 냉각 공기를 공급하는 송풍기(blower)에 의해서 냉각된다. 냉각 공기 중 산소는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장의 UV광을 흡수하고 그것을 오존으로 변환시키기 때문에, 조사 타겟에 도달하는 유효 UV광의 양은 감소할 것이다. 결과적으로, 경화 효과가 감소하고 처리량(throughput) 또한 영향을 받을 것이다. 게다가, 생성된 오존은 해롭고, 따라서 배출 기체는 스크러버(scrubber)법 등으로 처리되어야 한다. 만일 250 nm 또는 그보다 짧은 파장의 유효 UV광의 양을 늘리기 위해 서 램프로의 입력 전력이 증가하면, 보다 많은 열이 생성되고 경화 타겟의 온도, 즉 저유전율막이 그 위에 형성되는 기판의 온도가 또한 증가될 것이다.
전술한 문제들의 적어도 하나를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 램프 냉각 방법을 공랭식(air cooling)에서 수랭식(water cooling)으로 변경한다. 이것이 냉각용 대기 공기의 사용에 대한 필요성을 제거하기 때문에, 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 필요 UV광은 냉각 기체 내의 산소에 의해서 흡수되지 않고, 그에 따라 효과적인 UV 처리가 가능해진다. 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광은 저유전율막을 경화시키는(curing) 데 효과적이다. 특히, 200 내지 250 nm 파장의 UV광은 매우 효과적이다. 수은 램프들을 냉각시키기 위해서는 많은 공기가 필요하지만, 그러나 전술한 바와 같이, 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 유효 광은 공기 중의 산소에 의해서 흡수되어 해로운 오존으로 변환된다. 그 필요로 하는 질소의 많은 양에 비추어 질소의 사용은 실질적이지 못하다. 만일 전술한 실시예가 이용되면, 이러한 걱정은 더 이상 필요치 않다. 다른 실시예에서, 램프 유닛 내의 대기는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광이 냉각 기체 내의 산소에 의해서 흡수되는 것을 막기 위해서 N2로 교체된다. 다른 문제는, 전술한 바와 같이, 만일 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광의 세기가 경화 효율을 높이기 위해서 증가하면, 램프로부터 생성된 열이 피조사 기판의 온도를 증가시킬 것이다. 결과적으로, UV광의 세기는 일정 레벨까지만 증가될 수 있다. 일 실시예에서, 수냉(water-cooled) 램프는 열과 관련된 문제를 발생시키지 않으면서 UV광의 세기를 높이기 위해서 사용된다.
발명을 요약하고 관련 기술에 비추어 얻어지는 장점들을 설명하기 위한 목적으로, 본 발명의 일부 목적 및 장점들이 여기에 개시된다. 물론, 모든 그러한 목적 또는 장점들이 본 발명의 여하의 특정 실시예에 따라서 반드시 얻어져야하는 것은 아니라는 것이 이해될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 여기에 교시되거나 암시될 수 있는 다른 목적 또는 장점들을 꼭 달성하지 않고서도 여기에 교시된 하나의 장점 또는 일군의 장점들을 달성하거나 또는 최적화시키는 형태로 구체화되거나 수행될 수 있음을 인식할 수 있다.
본 발명의 다른 관점, 특징 및 장점은 아래의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.
본 발명의 실시예들은, 수냉 필터를 사용하여 고압 수은 램프들의 열 문제를 해결하면서 저유전율막의 경화에 효과적인 특정 파장의 UV광에 의한 경화 효율을 향상시키고, 또한 오존 생성을 억제하기 위해서 경화 분위기를 질소로 대체하여 경화에 효과적인 UV광의 양을 증가시키기 위한 방법을 제공한다.
본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 바람직한 실시예들은 본 발명을 제한할 의도로 제공된 것은 아니다.
일 실시예에서, 본 발명은 UV광으로 반도체 기판을 조사하기 위한 UV광 조사 장치를 제공하고, 상기 UV광 조사 장치는 (i) 내부에 기판-지지 테이블이 제공되 고, 광 투과창(light transmission window)을 구비하는 반응기; (ii) 상기 기판-지지 테이블 상에 놓여 있는 반도체 기판을 상기 광 투과창을 통해서 UV광으로 조사하기 위해서 상기 반응기에 연결되고, 적어도 하나의 UV 램프를 포함하는 UV광 조사 유닛; (iii) 상기 UV광이 투과되는 액체층을 형성하기 위해서 상기 UV 램프 및 상기 광 투과창 사이에 배치되는 액체층 형성 채널(liquid layer forming channel)로서, 상기 액체층은 상기 액체층 형성 채널을 통해서 흐르는 액체에 의해서 형성되는, 액체층 형성 채널을 포함한다.
전술한 실시예는 하기의 실시예들을 더 포함할 수 있지만, 여기에 제한되지는 않는다.
일 실시예에서, 상기 액체층은 250 nm 또는 그 이하의 파장을 갖는 UV광을 실질적으로 또는 거의 흡수하지 않는 액체의 흐름에 의해서 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 액체층을 이루는 상기 액체는 물일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 액체층 형성 채널은 250 nm 또는 그 이하의 파장을 갖는 UV광을 투과시킬 수 있는 유리로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체층 형성 채널은 그 사이에 상기 액체층을 통과시키기 위한 두 투명 벽들에 의해서 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 두 벽들 사이의 거리는 약 5 mm 내지 15 mm (바람직하게는 7 mm 내지 12 mm) 일 수 있다. 상기 벽 (예컨대, 석영 유리로 구성된)의 두께는 약 1mm 내지 약 2mm이다.
일 실시예에서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 벽들 사이에 상기 액체를 통과시키기 위한 내벽 및 외벽을 포함하는 이중벽의 울타리(double walled enclosure)에 의해서 형성되고, 상기 울타리는 상기 UV 램프를 둘러쌀 수 있다. 일 실시예에서, 상기 UV 램프는 긴(elongated) 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이중벽의 울타리는 상기 내벽 및 외벽 사이의 상기 액체를 유입하기 위한 액체 유입 포트(liquid inlet port) 및 상기 내벽 및 외벽 사이의 상기 액체를 배출하기 위한 액체 배출 포트(liquid exhaust outlet port)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이중벽의 울타리는 상기 내벽에 의해서 둘러싸인 내부로 불활성 기체를 유입시키기 위한 불활성 기체 유입 포트 및 상기 내부로부터 상기 불활성 기체를 배출하기 위한 불활성 기체 배출 포트를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 UV 램프보다는 상기 UV광 투과창에 평행하고 더 근접할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 UV광 투과창은 상기 액체층 형성 채널을 구성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 UV 조사 유닛은 상기 UV 조사 유닛의 내벽을 따라서 배치된 반사판(reflection plate)을 갖고, 상기 반사판은 상기 UV 램프로부터 상기 UV광 투과창 방향으로 상기 UV광을 반사시키도록 각도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 채널로 상기 액체를 유입시키기 위한 액체 유입 포트 및 상기 채널로부터 상기 액체를 배출하기 위한 액체 배출 포트를 갖고, 그리고 상기 액체 배출 포트 내의 상기 액체의 온도를 검출하기 위해 상기 액체 배출 포트 내에 배치된 온도 센서를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 온도 센서에 의해서 검출된 상기 온도에 따라서 상기 액체의 유량을 제어하기 위해 상기 액체 유입 포트의 상류에 배치된 유량 제어 기(flow controller)를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은, (i) 반응기 내에 기판-지지 테이블 상의 반도체 기판을 배치시키는 단계; (ii) UV광 조사 유닛 내에 제공된 UV 램프, 및 상기 반응기와 상기 UV광 조사 유닛 사이에 제공된 광 투과창 사이에 배치된 액체층 형성 채널을 통해 액체를 통과시킴으로써 액체층을 형성하는 단계; 및 (iii) 상기 액체층 및 상기 광 투과창을 통해서 상기 UV 램프로부터 방사된 UV광으로 상기 반도체 기판을 조사하는 단계를 포함하는, UV광으로 반도체 기판을 조사하는 방법을 제공한다.
전술한 실시예는 하기의 실시예들을 더 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에서, 상기 액체층은 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 실질적으로 또는 거의 흡수하지 않는 상기 액체를 통과시켜 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 액체층을 구성하는 상기 액체는 물일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기판은 상기 UV광 조사를 받는 저유전율막(low-k film) (또는 초저유전율막)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 UV 램프를 둘러싸고 내벽 및 외벽을 포함하는 이중벽 울타리에 의해서 형성되고, 상기 액체층 형성 단계는 상기 내벽 및 외벽 사이에 상기 액체를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 액체층 형성 단계는 상기 내벽에 의해서 둘러싸인 내부로 불활성 기체를 유입시키고 상기 내부로부터 상기 불활성 기체를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체층은 상기 UV 램프보다는 상기 UV광 투과창에 평행하고 더 근접할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 UV광 투과창은 상기 액체층 형성 채널로서 제공하고, 상기 액체층은 상기 UV광 투과창 내에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 UV 조사 유닛은 상기 UV 조사 유닛의 내벽을 따라서 배치된 반사판을 갖고, 상기 조사 단계는 UV광을 상기 반사판을 이용하여 상기 UV 램프로부터 상기 UV광 투과창을 향해서 반사시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체층 형성 단계는 상기 채널 내로 상기 액체를 유입시키고, 상기 채널로부터 상기 액체를 배출하고, 상기 채널로부터 배출된 상기 액체의 온도를 검출하고, 그리고 상기 검출 온도에 따라서 상기 채널 내로 유입된 상기 액체의 유량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 액체 유량은 40℃ 또는 그 이하의 상기 채널로부터 배출하는 상기 액체의 상기 온도를 제어하기 위해서 제어될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예들 및 도면들을 참조하여 하기에 상세하게 설명될 것이다. 바람직한 실시예들 및 도면들은 본 발명을 제한할 의도는 아니다.
전술한 모든 실시예들에서, 일 실시예 내에 사용된 여하의 구성은 그 교환이 실행할 수 없거나 또는 역효과를 초래하지 않는 한 다른 실시예 내에 교환하여 사용될 수 있다. 나아가, 본 발명은 장치들 및 방법들에 동등하게 적용될 수 있다.
도 1에 도시된 UV 조사 장치는 UV 유닛(18), 수냉 필터(water-cooled filter, 11), 조사창(irradiation window, 5), 기체 유입링(gas introduction ring, 9), 반응기 챔버(6), 히터 테이블(7), 및 진공 펌프(12)를 포함한다. 기체 유입링(9)은 다중 기체 배출 포트들(8)을 포함하고, 이를 통해서 화살표들 사이의 중앙으로 기체가 방출된다. 찬 거울(cold mirror, 1)은 IR광을 투과시키고 UV광을 그 거울 위에서 반사시키기 위해서 UV 유닛(18)의 내벽을 따라서 맞춰지고, 그 결과 UV광은 조사창(5)을 효과적으로 통과할 것이다. 다른 찬 거울(2)은 동일한 목적으로 UV 램프(3) 위에 또한 놓여질 것이다. 수냉 필터(water-cooled filter, 11)는 냉각수 입구(14) 및 냉각수 출구(10)를 갖고, 여기에서 냉각수 입구(14)는 냉기 유닛(chiller unit, 13) 내의 냉각수가 수냉 필터(11) 내로 공급되도록 냉기 유닛(열 교환기)(13) 상의 냉각수 공급 포트(16)에 연결된다. 냉각수 출구(10)는 냉각수가 수냉 필터(11)를 통과한 후 이를 냉기 유닛(13)으로 반환시키기 위해서 냉기 유닛(13) 상의 냉각수 반환 포트(17)에 연결된다. 냉기 유닛(13)은 냉각수의 온도 및 유량을 제어하기 위해서 온도 제어기(19) 및 유량 제어기(15)를 갖는다.
상기 UV 조사 장치는 이 도면에 도시된 것에 제한되지 않고, 여하의 장치가 UV광을 조사할 수 있는 한 이용될 수 있다. 그러나, 하기 설명이 이 도면에 도시된 상기 장치에 적용된다. 이 도면에서, 챔버(6)는 진공 및 대기 근처 사이에서 다양한 조건에서 제어될 수 있고, 그리고 UV 조사 유닛(18)은 상면 상에 놓여진다. 이 도면에서, UV광 소스(3) 및 히터(7)는 서로 평행하게 대향되고, 조사창 유리(5)는 UV광 소스(3) 및 히터(7) 사이에서 그 둘 내에 평행하게 대향된다. 조사창(5)은 균일한 UV광을 조사하기 위해서 이용되고 예를 들어 합성 석영으로 만들어진다. 이 창은 반응기(6)를 대기로부터 막아내고 UV광이 투과되는 한에서는 여하의 물질로 구성될 수 있다. UV 조사 유닛(18) 내의 UV광 소스(3)는 서로 평행하게 배열된 다 중 튜브들을 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 광 소스는 균일한 세기를 얻기 위해서 적절하게 배열되고, 그리고 반사기(reflector, 2)(이는 UV 램프의 가리개(shade)와 같이 보임)는 각 UV 튜브로부터의 UV광이 박막을 향해 반사되도록 해주고, 여기에서 반사기(2)의 각도는 균일한 세기를 얻도록 조절된다. 램프(3)는 UV광이 투과될 수 있는 유리, 예컨대 합성 석영으로 만들어지고 그리고 그 안에서 냉각수가 흐르는 유닛(11) 내에 배치된다. 유닛(11)을 통해서 흐르는 냉각수는 그 유닛 외부에 배치된 냉기 유닛(13)에 의해서 순환된다. 유닛(11)은 산소를 제거하기 위해서 질소로 채워지고, 그 결과 UV 조사의 결과물로서 오존이 생성되지 않을 것이다. 이 장치에서, 진공 및 대기 근처 사이의 다양한 조건에서 제어될 수 있는 기판 처리 구역(6)은 그 안에 조사창 유리(5)가 설치되는 플랜지(9)에 의해서 UV 방사 구역(UV emitting section, 18)으로부터 분리된다. UV 방사 구역 및 조사창 유리(5) 사이의 공간은 질소에 의해서 대체되었고, 이것은 또한 대기중의 산소에 의해서 UV광이 흡수는 되는 것과 결과적인 오존의 생성을 막아준다.
이 실시예에서, UV광 소스(3)는 쉽게 제거되고 교체될 수 있는 구조를 갖는다. 또한, 이 실시예에서, 기체는 플랜지(9)를 통해서 유입되고, 여기에서 다중 기체 입구 포트들은 균일한 처리 분위기를 생성하기 위해서 대칭적으로 제공되고 배열된다. UV 조사 공정에서, 챔버(6)는 Ar, CO, CO2, C2H4, CH4, H2, He, Kr, Ne, N2, O2, Xe, 알코올 기체 및 유기 기체에서 선택된 기체로 채워지고, 그 압력은 약 0.1 Torr에서 대기 근처 범위에서 (1 Torr, 10 Torr, 50 Torr, 100 Torr, 1,000 Torr 및 전술한 여하의 두 숫자 사이의 값을 포함하여) 조절되고, 이어서 게이트 밸브를 거쳐 기판 이송 포트를 통해서 유입된 처리 타겟 또는 반도체 기판이 그 온도가 약 0℃ 내지 약 650℃ 범위로 (10℃, 50℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃ 및 전술한 여하의 두 숫자의 사이 값, 바람직하게는 300℃ 내지 450℃ 범위를 포함하여) 설정된 히터(7) 상에 놓여지고, 그 후 약 100 nm 내지 약 400 nm 범위의 (150 nm, 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm 및 전술한 여하의 두 숫자의 사이, 바람직하게는 약 200 내지 250 nm 범위를 포함하여) 파장을 갖는 UV광은 약 1 mW/cm2 내지 약 1,000 mW/cm2 범위 (10 mW/cm2, 50 mW/cm2, 100 mW/cm2, 200 mW/cm2, 500 mW/cm2, 800 mW/cm2 및 전술한 여하의 두 숫자 사이의 값을 포함하여) 내의 출력으로 UV광 소스로부터 적절한 거리를 (수냉 필터(11) 및 조사창(5) 사이의 거리는 약 5 내지 40 cm일 수 있고, 조사창(5) 및 기판 사이의 거리는 약 0.5 내지 10 cm일 수 있음) 유지함에 의해서 반도체 기판 상의 막으로 조사된다. 바람직하게 300 nm 또는 그보다 짧은, 또는 보다 바람직하게는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광의 사용은 UV 조사의 효과(예컨대, 저유전율막(low-k film)의 경화)를 극대화하면서도 반면 열 생성은 억제한다. 조사 시간은 약 1 초 내지 약 60 분 범위(5초, 10초, 20초, 50초, 100초, 200초, 500초 1000초 및 전술한 여하의 두 숫자의 사이 값을 포함하여)일 수 있다. 챔버는 배출 포트를 통해서 비워진다. 이 반도체 제조 장치는 자동 순서에 따른 일련의 처리 단계들을 수행하고, 여기에서 특정 처리 단계들은 기체 유입, UV 조사, 조사 중단, 및 기체 공급 중단을 포함한다.
도 2는 일 실시예에 사용된 수냉 필터의 개략적인 측면도(a) 및 개략적인 정 면도(b)이다. 이 수냉 필터는 UV 램프(3)를 감싸고 수직으로 긴 UV 램프(3)를 보관하고 내부 공간(29)을 생성하도록 양 단부의 커버들(27, 28)에 의해서 봉합된다. 하나의 커버(28)는 입구(inlet, 25)를 갖고 이를 통해서 불활성 기체, 예컨대 질소 기체가 내부 공간(29)으로 유입되고, 반면 다른 커버(27)는 배출 포트(exhaust port, 26)를 갖고 이를 통해서 내부 공간(29)을 통과한 불활성 기체를 배출한다. 커버들(27, 28)은 내부 공간(29)을 밀봉하여 봉합할 필요는 없지만 (왜냐하면 내부는 고온에 도달할 것이기 때문), 대신 그것들이 대기 공기(산소)가 유입되지 않도록 내부 공간(29)을 양의 압력에 유지하는 것으로 충분하다. 커버들(28, 27)은 또한 냉각수가 유입되는 냉각수 입구(14) 및 냉각수를 배출하는 냉각수 출구(10)를 갖는다. 수냉 필터는 이중벽 석영 유리(double-walled quartz glass, 21)를 갖고, 냉각수(22)는 이 벽들 사이로 흐른다. 일 실시예에서, 석영 유리의 두께는 약 1 내지 2 mm이고, 수층(water layer)의 두께는 약 내지 15 mm이다.
도 2에서, 수냉 필터는 세 개의 UV 램프들을 둘러싼다. 그러나, 각 UV 램프는 분리된 실린더형 수냉 필터 내에 보관되고 또는 5 내지 10 개의 UV 램프가 단일 수냉 필터 내에 보관될 수 있다.
일 실시예에서, UV 램프는 DUV에서 적외선에 걸치는 다양한 파장을 포괄하는 광을 생성하고, 수은 램프들은 이러한 응용에 특히 적합하다. 수은 램프들은 내부 램프 압력에 의해서 185 nm, 254 nm, 365 nm 등의 파장과 결부된 저압에서 초고압 형태들의 다양한 형태들로 분류되고, 여하의 형태라도 적절하게 선택될 수 있다 (300 nm 보다 짧은 파장을 갖는 광은 저유전율막의 경화에 효과적이다). 수은 램프 들은 저유전율막 내의 -CH3 결합 또는 -Si-O 결합을 깨고, 이어서 그 막의 기계적 강도를 높이기 위해서 깨진 성분들이 재결합하여 O-Si-O 네트웍을 형성하는 것을 허용한다. 기판이 놓여지는 대기는 저유전율막의 산화를 막기 위해서 일반적으로 불활성 기체로 대체될 수 있다. 일 실시예에서, KrCl 엑시머(222 nm) 램프들이 사용될 수 있다. KrCl 엑시머 램프들은 비교적 약한 출력과 관련 있지만, 그것들은 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖고 막 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
수냉 필터는 도 1 및 도 2에 도시된 배치에 제한되지 않고, 여하의 다른 실시예, 예컨대 수층이 UV 램프 및 조사창 사이에 제공된 것이 이용될 수 있다. 예를 들어, 물이 두 유리 시트(sheet)들 사이로 흐르는 실시예가 고려될 수 있다. 도 3 및 도 4는 그러한 실시예에 따른 수냉 필터(31)의 개략도를 보여준다. 이 구조의 모든 다른 구성들은 도 1에 도시된 것들과 동일한 구성이다. 동일한 참조 부호는 동일한 구성을 나타내기 위해서 사용되었기 때문에, 그 설명은 생략된다. 이 실시예에서, 조사창의 전체 표면은 합성 유리 등으로 만들어진 필터 유리로 덮여 있다. 그 필터는 물로 채워지고, 이 물은 냉기 유닛에 의해서 온도-제어된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 수냉 필터(31)는 사이에 특정 거리가 유지된 채로 (예컨대 전술한 수층의 두께의 1.5 또는 2 배와 동일하거나 그 근처인) 배치된 두 합성 석영 시트들(41)을 기본적으로 포함하고, 냉각수 입구(34)가 우측 단부에 배치되고 냉각수 출구(30)가 좌측 단부에 배치되어 냉각수(42)가 그 내부로 흐르는 것을 제외하고는 밀봉하여 봉합된다. 수냉 필터(31)는 조사창(5)에 근접하여 제공되고, 일 실시예에서 둘 사이의 거리는 수 밀리미터 내지 수 센티미터이다. 조사창 그 자체가 수냉 필터로 구성된 것도 또한 가능하다.
수냉 필터를 사용함으로써, UV 램프로부터의 열이 보다 효과적으로 억제될 수 있다. 또한, 반도체 막들을 처리하기에 효과적인 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광은 흡수 손실 없이 투과될 수 있고, 결과적으로 반도체 막들이 효과적으로 처리될 수 있다. 유기 막 등으로 코팅된 합성 유리 찬 필터의 사용은 열을 차단하는 데 효과적이다. 그러나, 그러한 필터는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 또한 흡수하기 때문에 효과적이지 않다. 본 발명이 일 실시예에서, 찬 필터를 포함하여 필터가 사용되지 않고 물이 대신에 열을 막기 위해서 사용된다. 물은 1 μm 또는 그보다 긴 파장을 갖는 적외광을 흡수하고 그보다 짧은 파장을 갖는 여하의 다른 광도 흡수하지 않는 것으로 알려져 있다. 1μm 또는 그보다 긴 파장을 갖는 IR광은 막 품질에 영향을 미치지 않고, 이 파장 범위에서 광 흡수는 문제되지 않는다. 일 실시예에서, 램프는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 투과시키는 유리로 둘러싸이고, 그리고 이 유리는 다른 층의 유리에 의해서 둘러싸인다. 두 유리층들 사이의 공간을 물로 채움으로써, 수 필터(water filter)가 구성된다. 이 필터의 이중 유리층들은 완전히 봉합되고 그 사이에 채워진 물을 새지 않는다. 또한, 이 필터는 내부의 냉각수를 순환시키기 위해서 UV 조사 유닛에 외적으로 설치된 수냉 유닛에 연결된다. 일 실시예에서, 이 필터는 불활성 기체, 예컨대 질소, Ar, He, 등으로 채워지고, 그리고 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 흡수하는 산소가 존재하지 않는다. 이 필터는 열 문제를 해결하고, 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 효과적인 경화 UV광의 세기가 기판 온도를 올리지 않고서도 상승되도록 한다. 그런데, 약 170 내지 180 nm의 파장을 갖는 광은 Si-CH3 결합을 깨고 그에 따라 불필요한 결합, 예컨대 Si-CH3 결합의 깨진 구성에 H가 붙어 있는 Si-H 결합의 형성을 촉진한다. 이에 따라, UV광의 핵심적 파장 범위는 바람직하게는 200 내지 250 nm일 수 있고, 이러한 조건을 만족하는 UV광이 기판에 투과될 수 있다.
UV광의 세기를 제어하기 위해서, 예를 들어 도 5에 도시된 방법이 이용될 수 있다. 도 5에서 장치는 조사창(5)의 전후에 위치한 UV 램프(3)로부터 조사된 UV광의 세기를 측정하기 위해서 UV 조명계(54)를 이용하고, 그리고 그 결과를 세기 모니터(53)에 신호로서 보내고, 여기에서 그 신호는 세기 데이터로 인식되어 UV 램프(3)로의 파워를 제어하기 위해서 UV 제어기/파워 유닛(52)으로 출력된다. 일 실시예에서, 수냉 필터는 조사창(5) 내에 설치된다. 또한, UV 조사 챔버(6) 내에 배치될 기판은 로드락 챔버(50) 내에 설치된 로드락 암(LL 암)(51)에 의해서 로드락 챔버(50)로부터 UV 조사 챔버로 이송된다. 기판의 이송에 이어서, UV 조사 챔버 내의 서셉터(7)는 조사창으로부터 특정 갭이 달성되는 위치로 올라간다.
램프가 대기 공기를 이용하여 송풍기로 냉각되는 통상적인 장치에서, 램프 유닛은 필연적으로 대기 공기를 포함한다. 질소 또는 다른 기체는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광의 흡수를 막기 위해서 램프를 냉각시키기 위해서 사용되지만, 그러나 대량의 기체가 필요하기 때문에 이는 비용 효율 면에서 실용적이지 않다. 수냉 필터의 사용은 송풍기를 이용한 공기 냉각을 필요 없게 하기 때문에, 램프 유닛은 산소를 제거하기 위해서 질소로 항상 채워진다.
일 실시예에서, 수냉 필터로부터의 냉각수는 순수, 이온 교환된 물 등을 이용하고, 그리고 그 유량은 냉각수 내에 용해된 산소가 공기 버블들을 형성하여 UV광을 흡수하고/스캐터링하는 것을 막기 위해서 램프로의 입구(냉각수 입구)에서 약 25℃ 그리고 출구(냉각수 출구)에서 약 35 내지 40℃의 온도를 달성하도록 제어된다. 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 냉기 유닛(13)은 냉각수의 온도(예컨대 출구 온도)를 모니터하고 그 유량을 제어하기 위한 온도 제어기(19) 및 유량 제어기(15)를 갖는다. 만일 냉각수의 출구 온도가 높으면, 순환 속도가 증가된다. 만일 그 온도가 낮다면, 순환 속도가 감소된다. 일 실시예에서, 입구 온도는 상온 근처로 유지되어야 하고, 왜냐하면 만일 입구 온도가 상온보다 낮다면 이슬 맺힘이 일어날 수 있다. 출구에서 냉각수의 온도를 40℃ 또는 그 아래로 유지하여 공기 버블의 형성을 억제하기 위한 바람직한 방법은 상온의 냉각수를 약 5 내지 20 SLM으로 필터로 공급하는 것이다.
250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광의 막 품질을 향상시키는 방법의 예들이 도 6 및 도 7에 도시된다. 여기에서, 막 품질의 변화는 막 두께의 감소로 평가된다. 도 6은 고압 수은 램프의 파장 분포 및 SiC막을 통한 UV 투과율 (CVD, 4MS = 150 sccm, NH3 = 1000 sccm, He = 500 sccm, 압력 = 500 Pa, RF (27 MHz) = 500 W, RF (400 kHz) = 150W, 증착 온도 = 400℃, 막 두께 = 50 nm)을 보여준다. SiC막을 통한 UV광 투과율은 엘립소미트리(ellipsometry) 및 막 두께에 의해서 측정된 소산 계수(extinction coefficient)로부터 측정되었다. SiC막은 300 nm 또는 그보다 긴 파장을 갖는 광에 민감하지 않고 그러한 빛을 거의 100% 투과시킨다. 반 면에, 그것은 300 nm 도는 그보다 짧은 파장을 갖는 광을 흡수하고 이러한 경향은 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 광에서 현저하다. 이에 따라, 만일 이러한 수은 램프가 저유전율막용 캡층(cap layer)으로 형성된 SiC막 위로 UV광을 조사하는 데 이용된다면, 그 결과 200 내지 250 nm의 파장을 갖는 UV광을 갖는 저유전율막을 조사하는 것과 동일하다.
도 7은 저유전율막(CVD, TMDOS(tetra methyl-disiloxane) = 100 sccm, 이소프로필 알코올 = 400 sccm, O2 = 50 sccm, He = 150 sccm, 압력 = 800 Pa, RF(27 MHz) = 1,800W, 온도 = 400℃, 막 두께 = 500 nm)이 UV광으로 직접적으로 그리고 SiC막 위에서 조사될 때 얼마나 수축하는 가에 대한 결과를 보여준다. 동일한 지속의 UV 조사 하에서, SiC 없는 막이 SiC막보다 더 수축했다. 이것은 저유전율막의 수축 효과를 갖는 UV광이 SiC에 의해서 차폐되었기 때문이다. 도 6에 도시된 바와 같이, SiC를 투과하지 않는 광은 300 nm 보다 짧은(현저하게는 250 nm 또는 그 보다 짧은) 파장을 가졌다. 이것은 저유전율막의 수축 효과를 갖는 UV광이 300 nm 보다 짧은 파장을 갖는다는 것을 나타낸다. 이 실험에서, UV 경화 효과는 SiC막에 의해서 35% 감소했다. 이 정도로 차폐된 UV광은 주로 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 가지기 때문에, 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 광이 UV 경화에 특히 유용하다고 결론 내릴 수 있다.
이러한 결과는 저유전율막의 경화 효과를 높이기 위해서는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광의 양을 늘리는 것이 효과적이라는 것을 나타낸다. 그러나, 300 nm 또는 그보다 짧은, 바람직하게는 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 증가시키려는 목적으로 입력 파워를 높이는 시도는 다른 파장의 광이 비례적으로 증가하게 하고, 보다 문제가 되는 것은 열 생성을 비례적으로 증가시킬 수 있다. 증가된 열 생성은 경화된 기판이 온도를 올리고, 이것은 400℃ 도는 그 이하에서 온도가 제어되어야 하는 층간 절연층의 경화에 문제가 된다. 이에 따라, 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 보다 많이 얻기 위한 효과적인 수단은 1) UV 램프에 의해서 생성된 열을 차단하고 램프에 인가되는 파워 입력을 높이는 것이고, 그리고 2) 산소에 의한 UV광의 흡수를 차단하기 위해서 램프 주위 대기를 질소로 대체하는 것이다. 일 실시예에서 사용된 수냉 필터는 이러한 조건들의 양자를 만족시킨다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 수냉 필터를 사용하여 고압 수은 램프들의 열 문제를 해결하면서 저유전율막의 경화에 효과적인 특정 파장의 UV광에 의한 경화 효율을 향상시키고, 또한 오존 생성을 억제하기 위해서 경화 분위기를 질소로 대체하여 경화에 효과적인 UV광의 양을 증가시키기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 설명에서 조건들 및/또는 구조가 특정되지 않았지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시에 비추어 통상적인 실험을 통해서 그러한 조건들 및/또는 구조들을 쉽게 제공할 수 있다.
본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 많은 그리고 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명의 형태는 단지 설명을 위해서 제공되고 본 발명의 범위를 제한하지 않음은 명백하게 이해되어야 한다.
본 발명의 특징들은 본 발명을 제한하지 않고 설명의 의도로 제공된 바람직한 실시예들의 도면들을 참조해서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV 조사 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 액체 필터에 의해 동봉된 UV 램프들의 개략적인 측면도(a) 및 개략적인 정면도(b)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 UV 조사 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 필터의 개략적인 측면도(a) 및 개략적인 사시도(b)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 UV 조사 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장과 UV 세기/SiC막의 UV 투명도 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 SiC 캡의 유무에 따른 두께 변화를 보여주는 그래프이다.

Claims (26)

  1. 내부에 기판-지지 테이블이 제공되고, 광 투과창을 갖는 반응기;
    상기 광 투과창을 통해 UV광을 갖는 상기 기판-지지 테이블 상에 배치된 반도체 기판을 조사하기 위해서 상기 반응기에 연결되고, 적어도 하나의 UV 램프를 포함하는 UV광 조사 유닛; 및
    상기 UV광이 투과되는 액체층을 형성하기 위해 상기 UV 램프 및 상기 광 투과창 사이에 배치된 액체층 형성 채널(liquid layer forming channel)을 포함하고, 상기 액체층 형성 채널은 상기 액체층 형성 채널을 통해서 흐르는 액체에 의해서 형성된, UV광으로 반도체 기판을 조사하기 위한 UV광 조사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액체층은 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 실질적으로 또는 거의 흡수하지 않는 상기 액체를 흘려서 형성된 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 액체층을 형성하는 상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 액체층 형성 채널은 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 투과시킬 수 있는 유리로 형성된 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장 치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 액체층 형성 채널은 그 사이에 상기 액체층을 통과시키기 위한 두 투명 벽들에 의해서 형성된 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 두 벽들 사이의 거리는 약 5 mm 내지 15 mm인 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 벽들 사이에 상기 액체를 통과시키기 위한 내벽 및 외벽을 포함하는 이중벽의 울타리(double walled enclosure)에 의해서 형성되고, 상기 울타리는 상기 UV 램프를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 UV 램프는 긴(elongated) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 이중벽의 울타리는 상기 내벽 및 외벽 사이의 상기 액체를 유입하기 위한 액체 유입 포트(liquid inlet port) 및 상기 내벽 및 외벽 사이의 상기 액체를 배출하기 위한 액체 배출 포트(liquid exhaust outlet port)를 갖는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 이중벽의 울타리는 상기 내벽에 의해서 둘러싸인 내부로 불활성 기체를 유입시키기 위한 불활성 기체 유입 포트 및 상기 내부로부터 상기 불활성 기체를 배출하기 위한 불활성 기체 배출 포트를 갖는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 UV 램프보다는 상기 UV광 투과창에 평행하고 더 근접한 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 UV광 투과창은 상기 액체층 형성 채널을 구성하는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 UV 조사 유닛은 상기 UV 조사 유닛의 내벽을 따라서 배치된 반사판(reflection plate)을 갖고, 상기 반사판은 상기 UV 램프로부터 상기 UV광 투과창 방향으로 상기 UV광을 반사시키도록 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 채널로 상기 액체를 유입시키기 위한 액체 유입 포트 및 상기 채널로부터 상기 액체를 배출하기 위한 액체 배출 포트를 갖고, 그리고 상기 액체 배출 포트 내의 상기 액체의 온도를 검출하기 위해 상기 액체 배출 포트 내에 배치된 온도 센서를 갖는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 온도 센서에 의해서 검출된 상기 온도에 따라서 상기 액체의 유량을 제어하기 위해 상기 액체 유입 포트의 상류에 배치된 유량 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 UV광 조사 장치.
  16. 반응기 내에 기판-지지 테이블 상의 반도체 기판을 배치시키는 단계;
    UV광 조사 유닛 내에 제공된 UV 램프, 및 상기 반응기와 상기 UV광 조사 유닛 사이에 제공된 광 투과창 사이에 배치된 액체층 형성 채널을 통해 액체를 통과시킴으로써 액체층을 형성하는 단계; 및
    상기 액체층 및 상기 광 투과창을 통해서 상기 UV 램프로부터 방사된 UV광으로 상기 반도체 기판을 조사하는 단계를 포함하는, UV광으로 반도체 기판을 조사하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 액체층은 250 nm 또는 그보다 짧은 파장을 갖는 UV광을 실질적으로 또는 거의 흡수하지 않는 상기 액체를 통과시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 액체층을 구성하는 상기 액체는 물인 것을 특징으 로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 기판은 상기 UV광 조사를 받는 저유전율막(low-k film)을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 액체층 형성 채널은 상기 UV 램프를 둘러싸고 내벽 및 외벽을 포함하는 이중벽 울타리에 의해서 형성되고, 상기 액체층 형성 단계는 상기 내벽 및 외벽 사이에 상기 액체를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 액체층 형성 단계는 상기 내벽에 의해서 둘러싸인 내부로 불활성 기체를 유입시키고 상기 내부로부터 상기 불활성 기체를 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  22. 제 16 항에 있어서, 상기 액체층은 상기 UV 램프보다는 상기 UV광 투과창에 평행하고 더 근접한 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 UV광 투과창은 상기 액체층 형성 채널로서 제공하고, 상기 액체층은 상기 UV광 투과창 내에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  24. 제 16 항에 있어서, 상기 UV 조사 유닛은 상기 UV 조사 유닛의 내벽을 따라서 배치된 반사판을 갖고, 상기 조사 단계는 UV광을 상기 반사판을 이용하여 상기 UV 램프로부터 상기 UV광 투과창을 향해서 반사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  25. 제 16 항에 있어서, 상기 액체층 형성 단계는 상기 채널 내로 상기 액체를 유입시키고, 상기 채널로부터 상기 액체를 배출하고, 상기 채널로부터 배출된 상기 액체의 온도를 검출하고, 그리고 상기 검출 온도에 따라서 상기 채널 내로 유입된 상기 액체의 유량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 액체 유량은 40℃ 또는 그 이항의 상기 채널로부터 배출하는 상기 액체의 상기 온도를 제어하기 위해서 제어된 것을 특징으로 하는 반도체 기판을 조사하는 방법.
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