KR20090012305A - 기판 손실 없이 표면 층을 제거하기 위한 중간 압력플라즈마 시스템 - Google Patents

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액셀리스 테크놀로지스, 인크.
유니버시티 오브 휴스턴
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Abstract

반도체 웨이퍼로부터 포토레지스트 또는 다른 유기 화합물을 제거하는 시스템 및 방법이 제공된다. 불화되지 않은 반응물 가스(O2, H2, H2O, N2, 등)가 중간 압력 표면파 방전에 의하여 석영 튜브 내에서 활성화된다. 플라즈마 제트가 기판에 충돌할 때, 휘발성 반응 생성물(H2O, CO2, 또는 저분자 중량 탄화수소)가 기판으로부터 포토레지스트를 선택적으로 제거한다. 중간 압력은 또한 웨이퍼 상의 반응성 지역 내에 효율적인 열원을 제공하는 높은 가스 온도를 가능하게 하여, 에치 레이트를 강화하고 이온 주입된 포토레지스트를 제거하는 실용적인 수단을 제공한다.
반도체 웨이퍼, 포토레지스트, 반응물 가스, 플라즈마 제트, 중간 압력.

Description

기판 손실 없이 표면 층을 제거하기 위한 중간 압력 플라즈마 시스템{MEDIUM PRESSURE PLASMA SYSTEM FOR REMOVAL OF SURFACE LAYERS WITHOUT SUBSTRATE LOSS}
관련 출원과의 상호 참조
본 발명은 2004년 6월 12일자로 출원된 미국 가출원 번호 60/633,673에 대해 35 U.S.C. §119(e) 하에서 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 반도체 프로세싱에 관한 것이며, 특히, 집적 회로의 제조에서 워크피스, 예를 들어, 반도체 웨이퍼로부터의 표면 층의 선택적인 제거에 관한 것이다. 다음의 논의가 반도체 제조 공정에 관한 것이지만, 본 발명이 각종 제조 공정 및 장치에 적용될 수 있으므로, 본 발명이 반도체 제조에 국한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
포토레지스트 마스크는 절연용 FEOL(front-end-of-line) 이온 주입, P- 또는 N-웰(well) 도핑, 임계 전압 조정 및 소스-드레인 콘택으로부터 금속의 BEOL(back-end-of-line) 플라즈마 에칭 또는 도금 및 레벨간 유전체의 에칭까지 집적 회로(IC)의 모든 층을 규정한다. 이러한 코팅은 반도체 소자 내의 각 레벨이 형성된 후에 효율적이고 완전하게 제거되어야 한다. 본 명세서에서, 레지스터 제거는 레지스트 애싱(resist ashing), 스트립핑(stripping) 또는 이칭으로서 다양하게 기술될 수 있다. 본 논의가 "에칭"에 대해 많이 언급할 것이지만, 본 발명의 명세서에서 용어 에칭이 애싱, 스트립핑 또는 애칭을 칭하기 위하여 보편적으로 사용되고, 적절한 경우, 표면 층의 제거가 암시되는 다양한 다른 공정을 칭할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 현재, 다운스트림 플라즈마 발생 장치를 이용하는 것이 레지스트를 제거하기 위한 산업 표준이다. 이 방법에서, O2와 같은 통상적으로 비-반응성 가스는 자신이 플라즈마로 변환되는 마이크로파 또는 무선 주파수 방전을 통하여 흐르며, 여기된 분자, 래디컬(radical), 이온, 및 전자의 혼합물로서 규정된다. 플라즈마 내의 하전된 종은 자신이 다운스트림 분배 시스템을 통해 흐를 때 재결합될 수 있다. 그러나, 많은 래디컬은 웨이퍼에 도달할 만큼 충분한 수명을 가질 수 있다. 흐름 가스로서 산소를 사용하는 예의 경우에, 단일 시그마 준안정 산소 분자(singlet sigma metastable oxygen molecule)이 존속하고, 궁극적으로 웨이퍼 표면과 상호작용한다(J.T. Jeong 등의 Plasma Sources Sci. Technol. 7, 282-285, 1998). 고 에너지 이온 충돌은 반도체 소자의 구성요소 또는 웨이퍼 기판 자체에 희망하지 않은 손상을 초래한다. 그러므로, 하전된 입자가 존재하지 않으면 다운스트림 애시 툴에서 집적 회로(IC)에 대한 전기적 손상이 방지될 수 있다.
본 명세서는 표면 도파관 방전 기술에 기초하여, 반도체 제조 공정에서 이전에 결코 사용되지 않은 신규한 플라즈마 소스를 제공한다. Moisson 등에 의해 개발된 서파가이드 디바이스(Surfaguid device)(Moission 등의 IEEE Trans. Plasma Sci., PS-12, 203-214, 1984)와 같은 플라즈마 시스템의 이전 구현예는 플라즈마 가스를 활성화하기 위하여 전자기 전력의 소스를 사용하였다. 그러나, 이 장치의 제한된 냉각 효율이 결과적인 플라즈마의 전력 밀도를 실제로 제한한다. 이전에, 오일-냉각형 플라즈마 소스(oil-cooled plasma source)가 통상적으로 구현되었다. 그러나, 고에너지로 플라즈마를 동작시키는 것은 매우 높은 온도를 수반한다. 냉각 오일(cooling oil)은 이러한 조건 하에서 분해되어, 도파관 내의 플라즈마 방전 튜브의 외부 벽 상에 탄화된 층을 증착시킨다. 일단 개시되면, 오일-기반 탄소 층은 마이크로파 노출을 증가시킴에 따라 고속으로 성장하고; 궁극적으로, 도파관 내에서 캐터스트러픽 아킹(catastrophic arcing)이 발생하여 플라즈마 방전 튜브를 파괴한다. 그러므로, 오일-냉각형 시스템은 고에너지 플라즈마 방전에 부적합하다. 공기-냉각형 고전력 플라즈마 시스템이 보고되었지만, 이 시스템의 동작은 대기압, 즉 높은 압력 상황으로 제한되어, 결과적인 플라즈마가 포토레지스트와 같은 유기 표면 층의 선택적 제거에 필요한 반응성 종을 포함하지 않게 될 것이다(Y. Okamoto, High-Power Microwave-Induced Helium Plasma At Atmospheric Pressure For Determination Of Halogens In Aqueous Solution, Jap. Journ. Appl. Phys. 38, L338, 1999).
전형적으로, 웨이퍼는 다운스트림 플라즈마 애싱 동안 반응 레이트를 강화시키기 위하여 가열된다. 주입되지 않은 레지스트 층에 대한 종래의 공정에서의 애플리케이션 시간은 O2-기반 플라즈마 화학제에 대해 270℃에서 최하 15초일 수 있다. 중간 IC 제조 단계에 필요로 되는 바와 같이, 일단 레지스트 층이 이온 주입을 겪 게 되면, 플라즈마를 사용한 반응 메커니즘이 더 복잡해진다. 주입 공정이 매우 낮은 진성 에치 레이트(etch rate)를 나타내는 금속 이온과 혼합되는 탄화된 크러스트(carbonized crust)를 생성하기 때문에, 이온 주입된 레지스트는 주입되지 않은 레지스트보더 제거하기가 훨씬 더 복잡하다(G K. Virogradova 등의 J. Vac. Sci. Technol. B, 17, 1, Jan/Feb 1999; S Fugimura 등의 Nucl. Instrum. Methods B39, 1989, pp. 809; K J Orv다등의 Nucl. Instrum. Methods B7/8, 1985, P501; T. Bausum 등의 "Stripping High-Dose Implanted Resist for 300 mm Production" Semiconductor International, 06/01/2003; J. R. Wasson 등의 "Ion Absorbing Stencil Mask Coatings For Ion Beam Lithgraphy" J. Vac. Sci. Technol. B, 15, 2214, 1997). 공정 처리량은 하드베이크 온도(hardbake temperature) 이상의 가열에 응답하여 방출되는 가스, 주로 NH3의 압력 하에서 크러스트가 폭발할 때 발생할 수 있는 미립자의 배출을 방지하기 위하여 웨이퍼 온도가 약 120℃ 아래로 유지되어야 하기 때문에 더 감소된다. 이 현상은 팝핑(popping)으로서 공지되어 있다(D. Fleming 등의 Manufacturing Improvements Realized through an Optimized pre-Implant UV/Bake Process, Future Fab International, 4,1, 1977, p 177). 그래파이트 또는 포토레지스트와 달리 이온 주입된 레지스트 막은 본질적으로 불활성이다; 이들은 대기 산소, 질소, 또는 수증기를 흡수하지 않는다. 원자 산소와 반응하는 이온 주입된 레지스트 막에 대한 활성화 에너지는 주입되지 않은 레지스트에 대한 활성화 에너지인 0.17 eV와 비교하여 2.4 eV인 것으로 보고되었다(A. Joshi 등 의 J. Vac. Sci. Techol. A, 8, 3, May/June 1990. pp. 2173). 이 부가적인 활성화 에너지는 이온 주입된 레지스트 막이 종래의 다운스트림 플라즈마에서 본질적으로 에칭 불가능한 이유를 설명한다. 또한, 이온 주입된 막에 대한 에치 레이트를 강화하기 위하여 RF-바이어스 및 불소 화학제가 사용되었다(K J Orvek 및 C Huffman의 Nucl. Instrum. Methods B7/8 (1985) P501; JI. McOmber 등의 Nucl. Instrum. Methods B74(1993) pp. 266-270; K. Reinhardt 등의 IBM Technical Symposium, France October 1999). 그러나, 이러한 더 적극적인 제거 방법은 항상 보호되지 않은 표면의 어느 정도의 부식을 초래한다. 점점, 웨이퍼 표면에 대한 이와 같은 손실이 경제적으로 수용할 수 없게 되고 있는데, 그 이유는 콘택 및 게이트 산화물의 두께가 각각의 새로운 세대의 IC에 따라 지속적으로 줄어들기 때문이다.
그러므로, 이산화 실리콘, 실리콘 또는 다른 유전체 박막에 대한 본질적으로 완전한 선택도를 갖는 이온 주입 포토레지스트 층을 제거할 수 있고 불소 화학제로부터 전체 독립성을 제공하는 새로운 에칭 패러다임이 매우 필요하다. 주입되거나 주입되지 않은 표면 층을 포함하는 무기 또는 유기 재료로 코팅된 재료 상에 적용될 수 있는 낮은 기판 온도를 유지하면서, 상업적으로 실행 가능한 제거 레이트를 제공하는 새로운 기술이 또한 필요하다.
본 발명은 반도체 웨이퍼로부터 표면 층을 제공하는 새로운 방법을 제공함으로써 상기의 요구를 처리한다. 본 발명은 반응물 가스가 중간 압력 표면파 방전에 의해 활성화되는 방법을 제공한다. 상기 방법은 웨이퍼의 표면으로부터 포토레지스트를 스트립핑할 수 있는 휘발성 반응물을 플라즈마 가스 내에 형성하는 단계를 포함한다. 플라즈마 가스는 기판에 충돌하는 반응성 플라즈마 제트를 형성하며, 이 반응성 플라즈마 제트로부터 표면 층이 선택적이고 이에 따라 안전하게 고효율로 에칭될 수 있다. 상기 방법은 상기 제트 앞에서 큰 웨이퍼를 스캐닝함으로써 큰 웨이퍼로부터 도포된 재료를 스트립핑하는 상업적으로 실행 가능한 방식으로 실행될 수 있다.
특히, 본 발명은 일반적으로 제조 공정에서 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치를 특징으로 하며, 상기 장치는 공정 챔버; 플라즈마 애플리케이터(plasma applicator); 및 냉각 시스템을 포함한다. 공정 챔버는 프로세싱되어 표면 층이 제거될 수 있는 워크피스를 수용하는 대기압 이하의 환경(subatmospheric environment)을 규정한다. 플라즈마 애플리케이터는 플라즈마를 발생시키고, 반응물 공정 가스의 가압 공급부(pressurized supply), 반응물 공정 가스의 가압 공급부와 유체 연통된 플라즈마 방전 튜브, 내부에서 플라즈마를 발생시키기 위하여 플라즈마 방전 튜브에 전자기 전력을 지향시키는 전자기 전력 소스, 및 워크피스를 향하는 방향으로 공정 챔버 내로 플라즈마 가스를 분사하기 위해 플라즈마 방전 튜브의 단부에 위치되는 노즐 오프닝(nozzle opening)을 포함한다. 최종적으로, 냉각 시스템은 가스의 냉각제를 순환시키기 위하여 플라즈마 방전 튜브를 실질적으로 둘러싸는 도관을 포함함으로써 플라즈마 방전 튜브 주위에 냉각 채널을 형성한다.
본 발명의 실시예는 반도체 웨이퍼 상에서 중간 압력(약 10 토르 및 약 500 토르 사이) 플라즈마 재료 제거를 수행하는 장치로서 제공된다. 상기 장치는 O2, H2, H2O, N, 등과 같은 반응물 가스가 석영, 사파이어 또는 다른 전자기에 민감하지 않은 재료로 이루어진 좁은 방전 튜브를 통해 흐를 수 있고, 마이크로파 또는 RF 전원과 같은 전자기 전원에 의한 표면파 활성화가 적용될 수 있는 시스템을 제공한다. 부가적으로, 냉각 채널에 부착될 수 있는 일체형 냉각 플랜지를 방전 튜브 상에 더 포함하는, 가스의 냉각제를 사용한 방전 튜브용 냉각 시스템이 제공된다. 상기 장치는 가스가 튜브로부터 나와서 기판에 충돌해서, H2O, CO2, 또는 저 분자 중량 탄화수소와 같은 결과적인 휘발성 반응 생성물이 기판 웨이퍼의 표면으로부터 재료 층을 선택적으로 스트립핑할 수 있도록 하는 배출 노즐을 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 웨이퍼 가열 및 포지셔닝(positioning)을 제공하며 플라즈마 소스에 의한 웨이퍼의 고속 스캐닝을 제공하는, 웨이퍼 청크(wafer chunk)를 지지하는 포지셔닝 시스템을 더 포함할 수 있다.
표면파 방전을 사용하는 것은 여기 전력이 인가되는 지점으로부터 이것이 사용되는 웨이퍼까지 방전을 안내할 수 있는 특수한 장점을 갖는다. 또한, 표면파 방전을 제공하는 방법은 전자기 전력 시스템에 대한 상당한 변화 없이 광범위한 압력에 걸쳐 실행될 수 있다.
본 발명의 이상적인 동작 압력 범위는 (약 10 토르 이상이지만, 약 500 토르이하인) 중간 압력 상황이다. 중간 압력 플라즈마는 매우 높은 레이트의 전자-이온 재결합 및 강력한 입자 열중성자화(particle thermalization)가 저압 플라즈마 내에 존재하는 고에너지 하전된 종을 제거할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 고에너지 종을 제거하면 기판 전류를 잠재적으로 손상시키는 것 및 스퍼터 부식의 가능성이 제거된다. 또한, 중간 압력 상황에서의 플라즈마 가스 온도는 저압 플라즈마에 비하여 매우 높다. 플라즈마 가스 온도가 더 높으면 웨이퍼 상의 반응성 지역(reactive zone), 특히 가장 필요로 되는 장소에 부가적인 열원이 제공된다. 이러한 포커싱된 열 에너지는 유기 재료의 반응성 제거에 긍정적으로 기여하며, 여기서 재료 제거의 반응 레이트가 증가함으로써, 공정의 속도(및 이에 따른 상업적인 실행 가능성)을 증가시킨다. 대조적으로, 이 플라즈마 시스템에 대해 (10 토르 이하의) 저압을 사용하는 것은 압력이 감소함에 따라 플라즈마 제트의 기하구조가 플래어 아웃(flare out)됨으로써, "스폿 크기(spot size)"를 덜 제어 가능하게 할 수 있기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. (약 500 토르 이상의) 고압을 사용하는 것은 표면 제거에 필요로 되는 반응성 종이 웨이퍼에 도달하기 전에 재결합하여, 고도의 선택적 제거를 위한 플라즈마의 효율을 감소시킬 수 있기 때문에 유용하지 않을 수 있다. 그러나, 넓은 압력 윈도우에 걸친 본 발명의 동작은 플라즈마 소스가 여전히 동작하고 있는 동안 대기압 웨이퍼 교환을 가능하게 할 수 있다. 플라즈마의 점화가 통상적으로 (1T에 가까운) 저압을 필요로 하기 때문에, 약 760 토르(대기압)에서 웨이퍼 교환 동안 전원이 유지될 수 있는 경우에, 공정 압력을 순환시키는 것이 피해질 수 있다. 이것은 부가적으로 플라즈마 점화를 위해 저압으로 진공 펌핑(vacuum pumping)해야 하고, 그 다음에 각각의 반도체 웨이퍼를 프로세싱하기 위해 중간 압력으로 재가압하는 것을 피하도록 함으로써, 산업적인 세팅에서 귀중한 공정 시간을 더 절약할 수 있다.
이하의 본 발명의 상세한 설명이 더 양호하게 이해될 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 특징 및 기술적인 장점이 다소 광범위하게 상술되었다. 본 발명의 청구항의 주제를 형성하는 본 발명의 부가적인 특징 및 장점은 이하에 설명될 것이다.
본 발명 및 이의 장점의 더 완전한 이해를 위하여, 이제 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명이 참조된다.
도1은 본 발명의 실시예에서의 플라즈마 제거 시스템의 단면도.
도2는 본 발명의 실시예에서의 동작중인 플라즈마 제거 시스템의 단면도.
도3 내지 7은 본 발명의 실시예에서의 수집된 실험 데이터를 도시한 도면.
도8은 본 발명의 실시예에서의 스캐닝 패턴을 개략적으로 도시한 도면.
도9는 본 발명의 실시예에서의 열 흐름을 개략적으로 도시한 도면.
도10 내지 17은 본 발명의 실시예를 사용하여 처리된 샘플의 현미경사진.
도18 및 19는 본 발명의 실시예의 방법 단계를 흐름도 형태로 도시한 도면.
다음의 설명에서, 특정 공정 값 또는 파라미터, 등과 같은 수치적인 특정 값은 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위하여 설명된다. 그러나, 본 발명이 이와 같은 특정 세부사항 없이 실행될 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 다른 상황에서, 널리 공지된 구성요소는 불필요한 세부사항에서 본 발명을 모호하지 않게 하기 위하여 블록도로 도시되었다. 대부분, 특정 반도체 제품 애플리케이션 등에 관한 세부사항은 이와 같은 세부사항이 본 발명의 완전한 이해를 성취하는데 필요로 되지 않고 당업자들의 지식 내에 있는 한 생략되었다.
도시된 요소가 반드시 크기대로 도시되지는 않고 여러 도면에 걸쳐 동일하거나 유사한 요소에는 동일한 참조 번호가 병기되어 있는 도면을 이제 참조한다.
도1은 플라즈마 애플리케이터(101), 공정 챔버(102), 및 고속 웨이퍼 스캐닝 단(103)의 개략적인 표현을 도시한다. 플라즈마 애플리케이터(101)는 공정 챔버(102)를 포함하는 반도체 공정 툴의 챔버 벽(104) 상에 장착될 수 있고, 상기 챔버는 표면 층 제거가 희망되는 웨이퍼 또는 임의의 다른 워크피스를 프로세싱하는 대기압 이하의 환경을 규정한다. 전자기 전원은 도파관(111)의 감소된 높이 섹션에서 얇은-벽의 커플링 개구(110)를 통하여 플라즈마 방전 튜브(106)에 전력(105)을 공급한다. 일 실시예에서, 2.45 GHz의 마이크로파 전력이 6 mm 직경 석영 플라즈마 방전 튜브에 인가된다. 표면파가 플라즈마 방전 튜브(106) 및 플라즈마(108) 사이의 경계면을 따라 양 방향으로 런칭(launching)될지라도, 공정 가스(114)의 방향성 흐름(112)은 도파관(111)의 상부측 상에서의 방전을 효율적으로 억제한다. 다운스트림 표면파와 함께, 이러한 동일한 흐름(112)은 플라즈마 방전 튜브(106)에 부착되는 베이스 플랜지(118) 내의 노즐 오프닝(119)로부터 나오는 플라즈마 제트(108)를 생성한다. 본 명세서에서, 플라즈마 제트는 플라즈마 애플리케이터로부터 나오는 가압된 플라즈마 가스의 스트림이라 칭해진다. 일례에서, 플라즈마 제트는 활성화된 공정 가스가 2 mm 거리의 반도체 웨이퍼에 충돌하도록 한다. 또 다른 예에서, 웨이퍼는 플라즈마 제트로부터 약 20 mm 정도이다.
고속 웨이퍼 스캐닝 단은 웨이퍼를 클램핑(clamping)하는 웨이퍼 홀더를 갖튼 청크(130)를 포함한다. 웨이퍼 홀더는 진공력, 챔버 압력, 또는 전자기적으로 동작될 수 있다. 웨이퍼 홀더는 웨이퍼와의 희망하는 콘택 컨덕턴스의 정도에 따라, 웨이퍼를 열적 전도성 또는 절연성 재료와 콘택시킬 수 있다. 일례에서, 열적 콘택 컨덕턴스를 감소시킴으로써 열의 소산을 방지하여 웨이퍼 온도를 증가시키기 위하여 절연성 재료 층이 웨이퍼 및 웨이퍼 홀더 사이에 도입된다. 반대로, 일례에서, 열적 콘택 컨덕턴스를 증가시킴으로써 열의 소산을 촉진하여 웨이퍼 온도를 감소시키기 위하여 전도성 재료 층이 웨이퍼 및 웨이퍼 홀더 사이에 도입된다. 또한, 청크(130)는 웨이퍼를 가열하기 위하여 커플링(133)을 통하여 전원에 접속되거나, 웨이퍼를 냉각시키기 위하여 커플링(132)을 통하여 물과 같은 활성 냉각 공급부에 접속될 수 있다. 청크에는 또한 커플링(135)을 통한 열전쌍 센서 또는 청크 온도를 모니터링하는 다른 온도 센서가 구비될 수 있다.
청크 및 웨이퍼 홀더는 웨이퍼를 스캐닝하기 위한 기계적 포지셔닝 시스템 상에 장착될 수 있다. 이 점에서, 웨이퍼를 스캐닝하는 것은 플라즈마 처리에 웨이퍼의 영역을 노출시키기 위하여 플라즈마 제트에 의해 충돌되면서 웨이퍼를 동적으로 포지셔닝하는 것이라 칭해진다. 스캐닝에 의한 노출은 웨이퍼 상의 전체 영역에 걸쳐 균일할 수 있거나, 또는 플라즈마로의 상이한 레벨의 노출로 웨이퍼의 섹션을 선택적으로 처리하는 것을 포함할 수 있다. 도1에서, x-축 선형 드라이브(136) 및 y-축 선형 드라이브(134)를 포함하는 이중 축 직교 포지셔닝 시스템이 예시적인 실시예로 도시되어 있다. 회전 축이 반경방향 선형 드라이브 상에 장착되는 극성 좌 표 배열과 같은 기계적인 포지셔닝을 위한 다른 구성이 또한 본 발명에 의해 실행될 수 있다. 일예에서, 기계적인 포지셔닝 시스템은 100 cm/s보다 더 빠른 스캐닝 속도 및 중력 가속도의 2.5배를 초과하는 가속도를 갖는 2개의 직교의 모터 구동되는 병진 단을 포함한다. 일 실시예에서, 본 발명은 웨이퍼의 각 지점이 제트의 풋프린트(footprint) 내에서 통과되도록 컴퓨터 제어 하에서 스캐닝 패턴을 수행할 수 있고, 상기 풋프린트는 에칭된 트랙(etched track)의 측방향 플라즈마 제트 프로파일의 약 반가폭(full width at half maximum: FWHM)과 동일한 직경을 갖는다. 하나의 특정 예에서, 본 발명은 웨이퍼 온도를 증가시키기 위하여 웨이퍼의 에지 상에서 낮은 스캐닝 레이트를 제공하는 스캐닝 패턴을 컴퓨터 제어 하에서 실행할 수 있고 에지 효과로 인한 감소된 에치 레이트를 보상할 수 있다.
본 발명은 가스 냉각제를 사용하는 냉각 시스템을 이용한다. 플라즈마 방전 튜브를 냉각시키기 위하여 플라즈마 가스(114)와 반대 방향(113)으로 흐르는 고속력 가스가 사용됨으로써, 훨씬 더 높은 전력 소산에서의 플라즈마 애플리케이터(101)의 동작이 가능해진다. 일례에서, 동심 외부 튜브(116)에 의해 제한된 건조 가스 또는 질소 냉각 가스가 플라즈마 방전 튜브(106)를 냉각시킨다. 도1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 방전 튜브(106)는 애플리케이터 몸체 상으로의 장착을 용이하게 하기 위하여 일체형 베이스 플랜지(118)를 포함한다. 베이스 플랜지(118)의 중요 기능은 매우 뜨거울 수 있는 플라즈마 방전 튜브(106)의 매우 근접한 부분으로부터 O-링 시일(140)을 배치하는 것이다. O-링 시일(140)은 비교적 낮은 녹느점을 가지며, 과도한 열적 로딩에 의해 용이하게 파괴될 수 있다. 플라즈마 방전 튜 브(106)의 하부측과 직접 콘택하는 O-링은 필연적으로 용해될 것이다. 본 발명의 냉각 시스템의 구성 및 디자인은 베이스 플랜지(118)에 걸친 충분히 높은 온도 기울기를 제공하여, 베이스 플랜지(118)의 중앙 노즐(119)로부터 나오는 뜨거운 플라즈마가 베이스 플랜지(118)의 에지 상에서의 O-링 시일(140)의 열화를 초래하지 않도록 한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 알루미늄 스페이서(142)는 외부 냉각 도관(116) 상의 대응하는 냉각 플랜지(117)로부터 방전 튜브 플랜지(118)를 분리시킨다. 도1에 도시된 본 발명의 실시예는 냉각 시스템의 동심원형의 동축 단면 기하구조에 따른다. 직사각형, 정사각형, 타원, 또는 편심형 배열과 같이, 냉각 도관에 의해 둘러싸인 플라즈마 방전 튜브의 다른 단면 기하구조가 본 발명의 범위 내에서 실행될 수 있다. 본 발명에서 실행되는 전력 상황을 가능하게 하기 위하여 동일한 냉각 성능을 제공하는 액체 또는 가스 냉각제를 사용하는 다른 냉각 시스템이 또한 본 발명의 실시예에서 구현될 수 있다.
본 발명은 프로세싱 챔버 내로의 전자기 전력의 누설을 제거하기 위하여 내부 튜브의 플랜지 하부에 통합된 트랩(trap)(120)을 더 포함할 수 있다. 일례에서, 1/4 트랜스포머 기반 마이크로파 트랩이 사용된다. 가스 냉각제는 트랩(120)의 하부면 내의 채널을 통하여 플라즈마 방전 튜브(106)를 향하여 반경방향 내부로 흘러서, 플라즈마 방전 튜브 및 외부 냉각 도관(116) 사이의 좁은 간격(105)에 진입할 수 있다. 냉각 가스의 속력은 흐름 단면이 감소되기 때문에, 상기 가스가 이 영역에 진입할 때 실질적으로 증가한다. 결과적으로, 특히 도파관(110)의 매우 뜨거운 지역에서 플라즈마 방전 튜브(106)의 냉각이 상당히 강화된다. 하나의 예시적인 실 시예에서, 플라즈마 방전 튜브 및 냉각 도관 사이의 1 mm 폭의 갭은 냉각 가스 속력이 마하 1에 접근하도록 함으로써, 2.5 kW 부근의 높은 마이크로파 전력 레벨이 연속적으로 유지될 수 있게 된다. 오일-기반 냉각 시스템과 대조적으로, 본 발명의 공기 냉각은 고전력 레벨에서의 플라즈마 제트의 연장된 연속적 동작 이후에도, 방전 튜브 상의 증착물을 남기지 않고 플라즈마 방전 튜브에 대한 손상을 초래하지 않는다.
도2는 본 발명의 실시예에서 동작하는 플라즈마 제거 시스템의 사진이다. 가시 플라즈마 제트는 길이가 약 20 cm이고 빛을 낸다. 도2에 도시된 예시적인 실시예에서 사용된 공정 가스는 약 9:1 비율의 반응성 O2:N2 혼합물이며, 약 80 토르의 압력이 약 2 slpm의 흐름 레이트로 공급된다. 전자기 방전 전력은 약 1 kW이다.
플라즈마 제트의 열적 전력은 웨이퍼를 국소적으로 가열시키는 능력을 제공하여, 반응 레이트를 증가시킴으로써 에치 레이트를 증가시키는 동시에, 유기 표면 층의 에칭 반응을 공급하는 반응성 종을 전달한다. 충돌 플라즈마 제트로부터 기판에 전달된 총 열적 전력(P)은 다음 식에 의해 제트 하에 배치되는 열적으로 분리된 알루미늄 블록의 온도(T) 상승 대 시간(t)의 레이트(dT/dt)를 측정함으로써 결정되고:
P=CρV(DT/dt)
여기서, 열 용량 C = 0.9 J/K.g이고, 밀도 ρ= 2.7g/cm3이며, 부피 V = 104.04 cm3이다. 이러한 측정치의 결과가 열적으로 분리된 알루미늄 블록에 대한 온 도 대 시간을 도시한 도3의 데이터 플롯(data plot)에 도시되어 있다. 이 예에서, 상기 블록은 25℃의 초기 온도를 나타내는 알루미늄 블록으로부터 3 cm의 거리에서 충돌하는 플라즈마 제트를 생성하기 위하여 인가되는 1.8 kW의 마이크로파 전력 하에서, 3 slpm의 흐름 레이트 및 80 토르의 압력에서 공급되는 O2:N2 = 9:1 반응 가스에 의해 가열된다. 도3의 그래프는 온도 및 시간 사이의 선형 관계를 나타내며, 여기서 dT/dt는 직선의 기울기이다. 이 예에서, 총 열적 전력 P = 312 W이다. 이러한 측정은 본 발명의 강화된 열적 성능을 입증하기 위하여 상이한 마이크로파 전력, 가스 조성, 및 기판 거리에서 반복될 수 있다.
도4는 도3에서와 같은 예에 대하여 동일한 공정 조건 하에서 플라즈마 제트 전력 대 인가된 마이크로파 전력의 측정치의 데이터 플롯을 도시한다. 도4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 제트 전력은 마이크로파 전력을 선형으로 따른다. 이 예에서, 변환 효율은 타겟(반도체 웨이퍼)이 노즐 오프닝(119)로부터 측정되는, 플라즈마 소스로부터 각각 0.9 cm 및 2.9 cm의 거리일 때, 측정된 데이터 지점의 선형 보간의 기울기에 의해 측정된 바와 같이, 약 19% 및 21%이다.
도5는 도3에서와 같은 예에 대하여 동일한 공정 조건 하에서 플라즈마 제트 전력 대 플라즈마 소스로부터의 거리의 측정치의 데이터 플롯을 도시한다. 도5에 도시된 바와 같이, 제트 전력은 소스로부터의 거리가 약 1 cm로부터 5 cm로 증가함에 따라 감소한다. 이것은 공정 챔버(102) 내의 대기 온도 가스와 혼합하는 것에 의한 플라즈마의 냉각의 결과일 수 있다.
도6은 도3에서와 같은 예에 대하여 동일한 공정 조건 하에서, 플라즈마 제트 전력 대 플라즈마 소스로부터의 2.9 cm의 타겟 거리에서의 O2의 농도의 측정치의 데이터 플롯을 도시한다. 도6은 약 20% 내지 약 90%의 O2 농도에 걸쳐 비교적 일정한 플라즈마 제트 전력을 나타낸다. 이 결과는 플라즈마 제트 전력이 본질적으로 O2/N2 가스 조성에 무관하다는 것을 나타낸다.
도7은 콘택 컨덕턴스 대 웨이퍼 및 청크 사이의 간격의 측정치의 데이터 플롯을 도시한다. 플라즈마 제트에 의한 스캐닝 동안 동적 조건 하에서 웨이퍼 온도를 제어하는 능력은 애싱 공정의 성공을 결정할 수 있다. 웨이퍼 온도를 제어하는 것은 웨이퍼 및 청크 사이의 열적 콘택 컨덕턴스(K)에 의해 억제된다. K에 대한 값은 일정한 온도 청크 상에 장착된 알루미늄 블록의 정상 상태 온도를 결정함으로써, 웨이퍼 및 청크 사이의 다양한 갭에 대해 측정되었다. 블록 및 청크 사이의 간격(spacing)은 얇은 마이카 스페이서(mica spacer)로 유지되었다. K는 다음 식에 의해 제공되며:
K = A(T - T0)/P
여기서 A는 블록 및 청크 사이의 콘택의 면적이고, T0는 청크 온도이며, P는 전력이다. 열적 컨덕턴스에 대한 측정된 값은 청크 및 블록이 최초로 콘택할 때 K = 55 mW/cm2K라는 것이 밝혀졌고, 이는 다른 보고된 값을 양호하게 따른다. 도8에 도시된 바와 같이, 컨덕턴스는 웨이퍼 및 청크 사이의 갭이 증가함에 따라 상당히 감소한다. 청크 및 웨이퍼 사이의 열 전달에 대한 시간 상수(τ)는 다음:
τ = C/K에 의해 제공되며,
여기서 C는 단위 면적당 웨이퍼의 열 용량이다. 이 시간 상수는 청크와의 최초 콘택 시에 300 mm 실리콘 웨이퍼에 약 2초이며, 0.01 갭에 대해 약 10 초로 증가한다. 콘택 컨덕턴스, 및 이로 인한 시간 상수의 급격한 변화는 매우 정확한 갭 제어를 필요로 하며, 이것은 청크 상의 웨이퍼의 정전기 또는 진공 클램핑에 대한 필요성을 암시한다. 따라서, 종래의 압력 시스템에 비하여 중간 압력 상황에서 동작 가능한 본 발명의 또 다른 이점은 정전기 클램핑을 필요로 하는 대신에, 청크 상의 웨이퍼의 진공 클램핑을 사용하도록 하는 능력이다.
레지스트를 완전히 제거하기 위하여, 웨이퍼는 도8에 도시된 바와 같이 서펜타인 래스터 패턴(serpentine raster pattern)(1014)으로 스캐닝될 수 있다. 도8에서, x-축(1010)을 따른 라인 스캔(1014)은 반도체 웨이퍼(1016)에 대한, y-축(1012)을 따른 짧은 병진들, 즉 트랙 간격들 사이에서 각 방향에서 교호된다. 이와 같은 패턴에 대하여, 트랙 간격은 웨이퍼에 걸쳐 균일한 에치 프로파일을 제공하기 위하여 제트의 직경보다 더 적을 수 있다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, 트랙 간격은 0.7 cm로 설정되었다. 0.7 cm의 트랙 간격에 경우에, 트랙 중심 및 트랙들 간의 중간점 사이의 에치 깊이의 변화는 최초 레지스트 두께의 2%보다 더 적다.
본 발명의 실시예에서의 스캐닝 플라즈마 제트(1521)에 의한 포토레지스트 제거에 관련된 열적 공정이 도9에 도시되어 있다. 플라즈마 제트(1521)는 유기 레 지스트(1531)의 표면 층으로 코팅되는 반도체 웨이퍼 기판(1530)에 걸쳐 스캐닝된다. 웨이퍼가 x-방향(1511)에서 고속으로 스캐닝될 때, 웨이퍼(1530)의 방향(1523)으로 중간 압력 하에서 고 에너지로 플라즈마 소스(1520)로부터 나오는 플라즈마 제트(1521)는 웨이퍼를 통한, 그리고 수직적으로 웨이퍼 홀더, 즉 청크의 콘택 컨덕턴스를 통한 열 전도에 의해 측방향으로 냉각되는 가열된 트랙(1522)을 생성한다. 관련된 열적 플럭스(Flateral 1524 및 Fvertical 1526)는 측방향 열 흐름 및 수직적 전도에 각각 대응한다.
청크는 웨이퍼 상의 레지스트 레치 레이트를 증가시키기 위하여 가열될 수 있다. 청크는 또한 플라즈마 제트에 의해 제공되는 과도한 열을 소산시킬 수 있다. 상기 제트의 열은 웨이퍼를 통해 고속으로 확산되며, 상기 제트의 드웰 시간(dwell time)에 대응하는 확산 길이는 최고 스캐닝 속도에 대해서도 웨이퍼 두께보다 더 크다. 본 발명의 일례에서, 측방향 확산 길이는 약 0.2-0.4초의 트랙 스캔 시간 동안 단지 0.5 cm이고, 약 50%만큼 가열된 지역의 폭을 증가시킨다. 그러므로, 제1 근사화에서, 고속 스캐닝은 고속 스캐닝 방향에 수직한 y-방향에서 웨이퍼를 가로질러 이동하는 라인 히터의 열역학적 등가물로서 이해되어야 한다. 일례에서, 수직 열 흐름은 실리콘 기판에 대하여 2-10초 시간 상수를 갖는 저속 공정이며, 단일 트랙을 스캐닝하는데 필요로 되는 시간 동안 무시 가능하다. 그러나, 수직 열 흐름이 여러 트랙이 스캐닝된 후에 중요한 열적 팩터가 되는 경우가 존재할 수 있다.
제트 전력, 스캐닝 속도, 및 수직 열 흐름 사이의 균형은 특정 애싱 공정의 유효성을 결정할 수 있다. 처리량을 최대화하기 위하여, 본 발명의 실시예는 더 높은 에치 레이트로 직접 변환되는, 플라즈마 제트를 활성화시키는 고 레벨의 전자기 전력을 사용하여 동작된다. 증가된 전력은 또한 플라즈마에서 반응성 가스의 발생을 최대화하고, 레지스트 및 에칭 가스 사이의 애싱 반응을 활성화시키기 위하여 열을 제공한다.
이온 주입된 레지스트의 경우에, 최초 청크 온도는 레지스트의 하드베이크 온도 바로 아래로 설정될 수 있다. 일예에서, 최초 청크 온도는 약 125℃일 수 있는 레지스트 하드 베이크 온도의 10℃ 아래로 설정된다. 레지스트는 이 온도에서 안정적이며, 팝핑이 발생하지 않아야 한다. 웨이퍼 및 청크 사이의 콘택 컨덕턴스는 예를 들어, 소정 입력 전력 밀도에 대해 웨이퍼 온도를 최대화하기 위하여 헬륨 후방 냉각으로 최대화될 수 있다. 최종적으로, 스캐닝 속도가 증가됨으로써, 웨이퍼가 팝핑 없이 불명확하게 스캐닝될 수 있는 지점에 대해, 웨이퍼의 유효 전력 밀도를 감소시킬 수 있다. 필요로 되는 속도는 1 m/s보다 상당히 더 클 수 있다. 스캐닝이 진행됨에 따라, 웨이퍼 온도는 점진적으로 상승하고 스캐닝 플라즈마 제트는 주입된 포토레지스트 크러스트에서 미소한 홀을 생성하여, 크러스트에 베이스 레지스트로부터 방출된 가스가 투과 가능하도록 한다. 일단 투과성이 획득되면, 온도는 스캐닝 속도를 감소시키거나 웨이퍼 홀더 및 청크 사이의 콘택 컨덕턴스를 감소시켜, 웨이퍼 홀더를 통해 소산되는 열의 량을 감소시킴으로써 상승하게 될 수 있다. 포토레지스트 크러스터에 투과되는 사전-스캐닝 공정의 결과는 제2 스캐닝 동작 동안 웨이퍼 표면으로부터 레지스트가 고속으로 제거될 수 있다는 것이다.
주입되지 않은 레지스트를 에칭하는 것은 더 적은 열적 제약을 포함한다; 최초 청크 온도는 더 높을 수 있는데, 일례에서 200-350℃ 주위이고, 콘택 컨덕턴스 및 스캔 속도는 훨씬 더 낮게 설정되어, 이들 모두가 더 높은 웨이퍼 온도를 초래하여 더 높은 에치 레이트를 초래할 수 있다. 주입되지 않은 레지스트의 경우에, 콘택 컨덕턴스가 상당히 감소될 수 있다. 일례에서, 웨이퍼는 수만 인치만큼 청크보다 더 높아질 수 있다.
상기의 결과로서, 고-선량 이온-주입된 포토레지스트의 애싱은 크러스트가 고온 레지스트 제거 공정에 앞서 저온 전처리 공정에 의해 먼저 투과 가능해지는 2-단계 공정으로서 행해질 수 있다. 전처리 공정은 레지스트의 베이크 온도 아래의 청크 온도, 일례에서, 120℃로 행해질 수 있다. 이 비교적 낮은 온도는 탄화된 크러스트가 팝핑으로써 또한 공지된 공정을 제거/무용하게 하는 이벤트에서 레지스트의 열적 분해에 의해 방출된 가스로 인해 폭발할 때, 미립자의 배출을 방지하기 위하여 필요로 된다. 일단 포토레지스트 크러스트가 본 발명의 전처리 스캐닝에 의해 가스가 투과 가능하게 되면, 웨이퍼의 온도는 레지스트 제거의 레이트를 강화하기 위하여 안전하게 상슬될 수 있다. 실리콘 웨이퍼로부터 고농도로 주입된 (P, 40 keV, 5 x 1015/cm2) I-라인 포토레지스트의 스캐닝된 플라즈마 애싱에서의 전처리 및 레지스트 제거의 조건이 측정을 통하여 설정 및 검증되었다.
도10 내지 17은 본 발명의 실시예에 의해 처리된 포토레지스트의 표면 층을 갖는 샘플 반도체 웨이퍼의 현미경사진이다. 도10은 15 cm/s에서의 1 kW 플라즈마 제트의 열에 의해 형성된 미세한 가스-충전된 블리스터(blister)의 망을 도시한다. 도11에서, 기판이 쪼개질 때 파쇄된 블리스터는 방출된 가스의 압력이 아래에 놓인 주입되지 않은 레지스트 베이스로부터 크러스트를 디라미네이팅(delaminating)하였다는 것을 나타낸다. 이 예에서, 블리스터의 높이는 원래 레지스트 두께의 3-4배이다. 이 블리스터링 효과는 팝핑 현상과 관련되지만, 상기 팝핑 현상과는 상이하며, 크러스트의 큰 플레이트 표면으로부터 제거된다. 그러나, 블리스터링은 미립자 파편이 발생되는 경우에 수용 가능할 수 있다. 일단 블리스터가 형성되면, 크러스트로부터 기판으로의 열 전도는 극적으로 감소하며, 이의 온도는 기판의 온도의 수백℃ 이상 상승할 수 있다. 디라미네이션으로 인한 국소화된 고온은 도12에 도시된 바와 같이 크러스트의 에칭을 가속시킨다. 이러한 오프닝이 크러스트(1901)에 나타날 때, 도13에 도시된 바와 같이, 베이스 레지스트는 제트에 노출되고, 크러스트 아래에서 측방향 에칭(1902)이 발생한다. 도14는 크러스트(2011)의 대부분이 제거되고 블리스터(2010)가 병합되는 에칭의 최종 단계를 도시한다.
본 발명의 실시예를 사용하여 재료 제거의 처리량 레이트를 최대화하기 위하여, 플라즈마 제트는 인가될 수 있는 가능한 최대의 전자기 전력에서 동작될 수 있다. 그 후, 전처리 공정 동안 팝핑을 방지하기 위하여, 과도한 온도 상승을 방지하는데 충분한 온도로 제트를 스캐닝하는 것이 필요로 될 수 있다. 하나의 예시적인 경우에, 레지스트 제거 단계 동안 팝핑을 방지하는데 충분한 투과성을 성취하기 위하여 다수의 전처리 스캔이 필요로 될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 레지스트는 기판 온도를 변화시킴이 없이 50-100 cm/s 정도의 속도로 단일 스캔에서 완전히 제거될 수 있다. 본 발명의 상이하지만 관련된 실시예에서 유사한 결과 를 달성하기 위하여 공정 파라미터들에 대한 다른 세팅이 사용될 수 있다.
블리스터 형성 이외의 다른 공정이 이온 주입된 포토레지스트 내에서 크러스트의 투과성을 유도할 수 있다. 도15는 예를 들어, 전처리 공정의 초기 단계 동안 전개될 수 있는 그물모양의 레지스트 포면을 도시한다. 이 표면은 도16에 도시된 바와 같이, 투과성 단계의 이후 단에서 투과 가능해진다.
본 발명을 실행하는 예시적인 실시예에서, 다수의 전처리 스캔(마이크로파 전력=5.15kW, 기판 온도=100℃, 스캔 속도=105cm/s, O2/N2=9:1, 흐름=3slpm, 압력=80T)을 갖는 주입된 I-라인 포토레지스트(120℃에서 하드베이킹되고 나서, 40 keV의 에너지 및 5 x 1015/cm2의 고농도 주입 밀도로 인이 주입된 1.2 미크론 I-라인 베이스 레지스트)에 대해 최적화된 공정이 나타났다. 이 전처리는 2.5kW, 및 40 cm/s에서의 후속 레지스트 제거 스캔(반면 다른 조건은 상기 전처리와 동일하게 유지됨)보다 선행하였다. 도17에서 명백해지는 바와 같이, 모든 크러스트 및 베이스 레지스트가 웨이퍼에서 제거되었고, 스캐닝 전자 현미경 하에서 잔여물이 보이지 않았다.
도18은 본 발명을 실행하는 방법(2401)을 흐름도 형태로 도시한다. 상기 방법은 도1에 도시된 바와 같은 플라즈마 애플리케이터 장치를 구비한 공정 챔버 내로 웨이퍼를 도입하는 단계(2402)에서 시작될 수 있다. 플라즈마가 저온에서 사전 점화된 경우, 단계(2402)는 플라즈마가 대기압에서 활성화되는 동안 수행될 수 있다. 단계(2404)에서, 웨이퍼 및 웨이퍼 홀더 사이의 클램핑 경계면은 희망하는 열 적 전도도를 위해, 높거나 낮은 컨덕턴스를 위해 조정될 수 있다. 단계(2406)에서, 반도체 웨이퍼는 대기압 또는 진공력을 사용하여, 또는 전자기적으로 청크 내로 클램핑될 수 있다. 단계(2408)에서, 상술된 바와 같이, 플라즈마 방전 튜브를 냉각시키는 냉각 시스템의 동작이 개시될 수 있다. 다음으로, 단계(2410) 반응물 공정 가스의 활성화가 개시될 수 있다. 플라즈마의 활성화 이후에, 단계(2412)에서 웨이퍼 표면은 충돌하는 플라즈마 제트에 의해 처리될 수 있다. 단계(2414)에서, 웨이퍼는 플라즈마 제트 빔에 의해 스캐닝될 수 있다. 상기 방법(2401)이 본 발명의 일 실시예를 설명하며 공정 또는 장비 요건에 따라 제공된 것과 상이한 순서로, 또는 어떤 단계를 생략하여, 설명된 공정 단계의 다양한 조합으로 동등하게 실행될 수 있다는 점에 주의하라. 예를 들어, 방법(2401)의 일 실시예에서, 레지스트 크러스트에 가스가 투과 가능하도록 하기 위하여 이온 주입된 레지스트의 전처리가 수행된다. 방법(2401)의 또 다른 실시예에서, 포토레지스트 층만의 선택적 애싱 및 제거를 위하여 주입되지 않거나 전처리된 이온 주입된 레지스트가 처리된다.
도19는 도18에 도시된 방법 단계(2410)를 실행하는 하나의 예시적인 방법(2501)을 도시한다. 우선, 상술된 바와 같이, 단계(2502)에서 전자기 전원이 활성화될 수 있다. 단계(2504)에서, 전자기 방사선이 도파관을 통하여 플라즈마 방전 튜브에 전달된다. 단계(2506)에서, 전자기 전력이 제어되지 않은 방사선으로부터 웨이퍼를 보호하기 위하여 트랩 내에 수용된다.
본 발명 및 이의 장점이 상세히 설명되었을지라도, 첨부된 청구항에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 본원에서 다양한 변화, 대체 및 변경이 행해질 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (33)

  1. 제조 공정에서 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치에 있어서:
    대기압을 대기압 이하의 환경으로 규정하며 워크피스를 수용하는 공정 챔버;
    플라즈마를 발생시키는 플라즈마 애플리케이터로서,
    반응물 공정 가스의 가압 공급부;
    반응성 공정 가스의 상기 가압 공급부와 유체 연통된 플라즈마 방전 튜브;
    내부에서 플라즈마를 발생시키기 위하여 상기 플라즈마 방전 튜브에 전자기 전력을 지향시키는 전자기 전력 소스; 및
    워크피스를 향하는 방향으로 상기 공정 챔버 내로 플라즈마 가스를 분사하기 위해 플라즈마 방전 튜브의 단부에 위치되는 노즐 오프닝을 포함하는 플라즈마 애플리케이터; 및
    가스의 냉각제를 순환시키기 위하여 플라즈마 방전 튜브를 실질적으로 둘러싸는 도관을 포함함으로써 상기 플라즈마 방전 튜브 주위에 냉각 채널을 형성하는 냉각 시스템을 포함하는, 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    정자기 전력을 상기 플라즈마 방전 튜브에 전달하는 도파관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 애플리케이터 내에서 정자기 전력을 수용하는 마이크로파 트랩을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응물 공정 가스는 O2, H2, H2O, N2 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응물 공정 가스는 O2, H2, H2O, N2 또는 이의 조합으로 구성되며, 상기 반응물 공정 가스는 불소를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전 튜브는 석영 또는 다른 전자기적으로 민감하지 않은 세라믹 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 적어도 2.5 kW의 전력 소산 또는 적어도 1.5 kW/cm3의 전력 밀도에서 상기 전자기 전원의 동작을 제공하는 열역학 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 전원은 약 100 kHz 및 2.45 GHz 사이의 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 노즐에 대해 워크피스를 스캐닝하여 상기 워크피스의 표면 층이 상기 플라즈마에 노출되도록 하기 위하여 워크피스를 수용하여 유지하는 청크를 포함하는 기계적인 포지셔닝 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기계적인 포지셔닝 시스템은 상기 청크가 중력 가속도보다 약 2.5배 더 빠르게 가속될 수 있고 약 100 cm/s보다 더 빠른 선형 속력으로 포지셔닝될 수 있도록 동작 가능한, 워크피스의 상기 표면을 스캐닝하는 다수의 메카트로닉 병진 단(mechatronic translation stage)을 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 및 워크피스 사이의 거리는 약 2 mm보다 더 크고 약 20 mm보다 더 적은 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 다수의 메카트로닉 병진 단은 데카르트 또는 극 좌표에 따라 포지셔닝하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 청크는 상기 청크 및 워크피스 사이의 열적 콘택 컨덕턴스를 변경시키기 위하여 열적 절연성 또는 열적 전도성 재료 특성을 갖는 열적 재료의 층을 자신의 표면 상에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 플라즈마 애플리케이터가 동작을 유지하고 있는 동안, 대기압으로 상승된 상태에서 상기 공정 챔버 내의 압력으로 상기 청크 상으로 워크피스를 제거 및 도입함으로써, 상기 공정 챔버 내에서 처리될 각각의 워크피스에 대해 플라즈마를 소화 및 재점화할 필요성을 제거하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    공정 대기압 또는 진공에 의해 공급된 힘 또는 전자기력에 의해 상기 청크 상으로 워크피스를 클램핑하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 장치.
  16. 반도체 제조 공정에서 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법에 있어서:
    대기압을 대기압 이하의 처리 환경으로 규정하는 공정 챔버 내로 웨이퍼를 도입하는 단계;
    방전 튜브를 통하여 흐르는 활성화된 반응물 가스를 발생시키기 위하여 방전 튜브를 통해 흐르는 반응물 가스를 전자기 전원에 의해 제공되는 표면파 방전에 노출시키는 단계; 및
    상기 챔버 내로 및 웨이퍼의 표면 상에 활성화된 반응물 가스를 분사하는 단 계를 포함하며, 상기 표면 층은 기판 재료의 실질적인 손실 없이 선택적으로 제거되는, 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전 튜브 부근에 냉각 채널을 형성하고 상기 냉각 채널을 통해 가스의 냉각제를 순환시킴으로써 상기 플라즈마 방전 튜브를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 반응물 가스는 O2, H2, H2O, N2 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 표면 층은 주입되지 않은 포토레지스트 또는 다른 유기 또는 무기 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 표면 층은 이온 주입된 포토레지스트 재료 또는 다른 유기 또는 무기 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    분사된 반응물 가스에 대한 웨이퍼의 상대적인 이동을 통하여 웨이퍼를 제1 속도로 스캐닝하는 단계를 포함하며, 여기서 주입된 포토레지스트 크러스트는 가스가 투과 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    주입된 반응물 가스에 대한 웨이퍼의 상대적인 이동을 통하여 웨이퍼를 제2 속도로 스캐닝하는 단계를 더 포함하며, 여기서 포토레지스트 및/또는 크러스트는 웨이퍼로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    제1 전력 레벨로 표면파 방전에 상기 반응물 가스를 노출시키는 단계를 더 포함하며, 여기서 주입된 포토레지스트 크러스트는 가스가 투과 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    제2 전력 레벨로 표면파 방전에 상기 반응물 가스를 노출시키는 단계를 더 포함하며, 여기서 포토레지스트 및/또는 크러스트는 웨이퍼로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    분사된 반응물 가스에 대한 웨이퍼의 상대적인 이동을 통하여 웨이퍼를 제1 온도로 스캐닝하는 단계를 더 포함하며, 여기서 주입된 포토레지스트 크러스트는 가스가 투과 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    주입된 반응물 가스에 대한 웨이퍼의 상대적인 이동을 통하여 웨이퍼를 제2 온도로 스캔하는 단계를 더 포함하며, 여기서 포토레지스트 및/또는 크러스트는 웨이퍼로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  27. 제16항에 있어서,
    상기 활성화 단계는:
    상기 플라즈마 방전 튜브 상에서 표면파를 발생시키기 위하여 전자기 전원을 여기시키는 단계;
    상기 플라즈마 방전 튜브에 맞물린 도파관을 통하여 상기 플라즈마 방전 튜브에 전자기 전력을 전달하는 단계; 및
    상기 플라즈마 애플리케이터 내에서 트랩을 사용하여 전자기 방사선을 수용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  28. 제16항에 있어서,
    상기 전자기 전원은 약 100 kHz 및 2.45 MHz 사이의 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  29. 제16항에 있어서,
    청크 상에 웨이퍼를 위치시키는 단계; 및
    상기 청크 상에 장착된 기계적인 포지셔닝 시스템을 통하여 분사된 반응물 가스에 대해 청크를 스캐닝하는 단계를 더 포함하며, 웨이퍼가 상부에 배치된 청크는 이의 표면 층이 분사된 반응물 가스에 노출되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 기계적인 포지셔닝 시스템은 상기 청크가 중력 가속도보다 2.5 배 더 빠르게 가속될 수 있고 약 100 cm/s보다 더 빠른 선형 속력으로 포지셔닝되도록 동작되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 청크 상에 장착된 웨이퍼 홀더 및 웨이퍼 사이에 위치되는 열적 절연성 또는 전도성 재료의 층을 통하여 웨이퍼의 온도를 가변시키는 단계를 더 포함하며, 상기 웨이퍼 홀더 및 웨이퍼 사이의 열적 콘택 컨덕턴스는 변경되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 공정 챔버 내의 압력이 대기압일 때 상기 청크 상으로 웨이퍼를 제거 및 도입함으로써, 상기 공정 챔버 내에서 프로세싱되는 각각의 웨이퍼에 대해 활성화된 반응물 가스를 점화시킬 필요성을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
  33. 제31항에 있어서,
    공정 대기압 또는 진공에 의해 공급된 힘, 또는 전자기력에 의하여 상기 청크 상으로 반도체 웨이퍼를 클램핑하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼로부터 표면 층을 선택적으로 제거하는 방법.
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