KR20090118876A - 전자 부착에 의한 표면 산화물의 제거 - Google Patents

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춘 크리스틴 동
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Abstract

본 발명에서는 표적 영역 내의 기판 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 방법 및 장치가 기술되어 있다. 하나의 특정 구체예에서, 그 방법 및 장치는, 전도성 와이어에 의해 전기적으로 접속되고 제1 전기접속군 및 제2 전기접속군으로 분리되는 돌출 전도성 팁의 배열을 가진 에너자이징 전극(energizing electrode)을 포함하며, 상기 전도성 팁의 적어도 일부는 음으로로 바이어스된 DC 전압원에 의해 활성화되어 표적 영역 내에서 전자를 발생시키고, 이 전자는 표적 영역 내에 존재하는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착하여 음으로 하전된 환원성 기체를 형성하고, 이 환원성 기체는 처리 표면과 접촉하여 기판의 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시킨다.

Description

전자 부착에 의한 표면 산화물의 제거{REMOVAL OF SURFACE OXIDES BY ELECTRON ATTACHMENT}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2003년 4월 28일 출원된 미국 특허출원 제10/425,405호의 계속출원인 미국 특허출원 제12/042,055호, 이어서 그의 일부 계속 출원인 미국 특허출원 제 12/119,701호의 일부 계속 출원이고, 이들의 개시 내용은 전체적으로 본원에 참고로 포함된다. 또한, 본 출원은 2008년 8월 5일 출원된 미국 가특허출원 제61/086,313호의 이익을 청구하는 것으로, 그의 개시 내용은 전체적으로 본원에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명에서는 절연 기판을 비롯한 기판의 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 무플럭스(fluxless) 방법이 기술되어 있다. 또한, 본 발명에서는 기판의 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 장치도 기술되어 있다.
웨이퍼 범핑(wafer bumping)은 내부 납 결합(inner lead bonding)을 위한 칩 결합 패드 위에 두꺼운 금속 범프를 제조하는데 사용되는 방법이다. 그 범프는 보 통 패드 상에 땜납(solder)을 침착시킨 후 리플로우 처리함으로써(본원에서는 제1 리플로우라고 칭함) 합금화를 수행하고 땜납 범프의 형상을 버섯 형상에서 반구 형상으로 변화시킴으로써 제조된다. 제1 리플로우 처리된 범프를 가진 칩은 기판 상의 땜납 습윤성 단자의 접지면에 상응하도록 플리핑된("flipped")된 후 제2 리플로우 처리되어 땜납 접합부를 형성하게 된다. 이러한 땜납 접합부는 본원에서 내부 납 결합부라 칭한다. 고융점 땜납(예를 들어, >300℃)은, 외부 납 결합(outer lead bonding)과 같은 후속의 조립 단계를 내부 납 결합의 붕괴없이 저융점 땜납(예를 들어, <230℃)을 사용하여 진행할 수 있기 때문에, 웨이퍼 범핑 방법에 통용된다.
제1 리플로우 처리후 땜납 범프의 형상은 중요하다. 예를 들어, 큰 범프 높이는 보다 우수한 결합 및 보다 높은 피로 저항에 바람직하다. 또한, 형성된 범프는 바람직하게도 평면성을 보장하기 위해 실질적으로 균일하여야 한다. 비교적 보다 큰 범프 높이를 가지면서 실질적으로 균일한 땜납 범프는 제1 리플로우 처리 동안 산화물이 없는 범프 표면과 관련있는 것으로 판단된다. 현재, 땜납 범핑된 웨이퍼의 제1 리플로우 처리 동안 땜납 산화물을 제거하는 두 가지 주요 접근법이 있다. 제1 접근법은 400 내지 450℃의 리플로우 온도에서 순수한 수소를 사용하는 무플럭스 납땜이다. 이 접근법의 주요 난제는 순수한 수소의 가연성 성질인데, 이 성질은 이러한 접근법의 적용을 크게 제한한다. 제2 접근법은 침착된 땜납 범프 상에 유기 플럭스를 적용하거나 웨이퍼 상에 인쇄되어 범프를 형성하게 되는 땜납 페이스트 혼합물 내에 유기 플럭스를 적용하고, 그 범프를 불활성 환경에서 리플로우 처리하여 플럭스가 땜납 표면 상의 초기 산화물을 효과적으로 제거할 수 있도록 하 는 것이다. 그러나, 이 접근법은 결점을 가진다. 플럭스의 분해로 인해 땜납 범프 내에 작은 공극(void)이 형성될 수 있다. 이러한 공극은 형성된 땜납 결합의 전기적 및 기계적 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 땜납 범핑된 웨이퍼의 공평면성(co-planarity)을 파괴하여 후속의 칩 결합 공정에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 분해된 플럭스 휘발물질이 리플로우 퍼니스(furnace)를 오염시킬 수도 있는데, 이는 유지 비용을 상승시킬 수 있다. 또한, 플럭스 잔류물이 종종 웨이퍼 상에 잔류하게 되는데, 이는 금속을 부식시킬 수 있고 조립체의 성능을 저하시킬 수 있다.
상술한 리플로우 공정으로부터 플럭스 잔류물을 제거하기 위해서는, 세정제로서 염화불화탄소(CFC, chlorofluorcarbon)를 사용하는 후 세정 공정을 채택할 수 있다. 그러나, 후 세정은 추가의 공정 단계를 추가하는데, 이는 제조 공정 시간을 증가시키게 된다. 또한, 세정제로서 염화불화탄소(CFC)를 사용하는 것은 지구 보호 오존층에 대한 손상 가능성 때문에 금지되어 있다. 잔류물을 감소시키기 위해 소량의 활성화제를 사용하는 비세정(non-clean) 플럭스가 개발되었지만, 플럭스 잔류물의 양과 플럭스의 활성에서 득과 실 간의 상충관계가 존재한다. 따라서, 고반응성 H2 라디칼을 발생시키고 이어서 표면 산화물을 환원시키기 위한 수소 농도 및 처리 온도의 유효 범위를 감소시키는 것을 돕는 촉매 방법이 산업계에서 추구되고 있다.
무플럭스 (건식) 납땜은 종래 기술에서는 몇가지 기법을 이용하여 수행되고 있다. 한 가지 기법은 레이저를 사용하여 금속 산화물을 융삭시키거나 그 금속 산화물을 그 기화 온도로 가열하는 것이다. 이러한 공정은 전통적으로 방출된 오염물 에 의한 재산화를 방지하기 위해 불활성 또는 환원 대기하에 수행된다. 그러나, 산화물과 베이스 금속의 융점 또는 비점은 유사할 수 있으며, 베이스 금속을 용융 또는 기화시키는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 레이저 공정은 실행하기가 곤란하다. 레이저는 일반적으로 고가이고 조작하기에 비효율적이어서, 산화층에 대한 직접적인 가시선이 요구된다. 이러한 인자는 대부분의 납땜 적용에 대한 레이저 기법의 유용성을 제한하게 된다.
표면 산화물은 고온에서 반응성 기체(예를 들어, H2)에 대한 노출을 통하여 화학적으로 (예를 들어, H2O로) 환원될 수 있다. 일반적으로는 불활성 캐리어(예를 들어, N2) 중에 5% 이상의 환원성 기체를 함유하는 혼합물이 사용된다. 이어서, 반응 생성물(예를 들어, H2O)이 고온에서의 탈착에 의해 표면으로부터 방출되고 기체 유동장에서 운반되어 간다. 전형적인 처리 온도는 350℃를 초과한다. 그러나, 이 공정은 고온에서도 조차 느리고 비효율적일 수 있다.
환원 공정의 속도 및 효율성은 보다 활성인 환원성 화학종을 사용하여 상승시킬 수 있다. 이러한 활성 화학종은 통상의 플라즈마 기법을 이용하여 생성될 수 있다. 오디오파, 라디오파 또는 마이크로파 주파수의 기체 플라즈마를 사용하여 표면 탈산소화를 위한 반응성 라디칼을 생성할 수 있다. 이러한 공정에서는, 고강도 전자기 방사선이 사용되어 H2, O2, SF6 또는 불소 함유 화합물을 비롯한 다른 화학종을 고반응성 라디칼로 이온화 및 해리시키게 된다. 표면 처리는 300℃ 이하의 온 도에서 수행될 수 있다. 그러나, 플라즈마를 형성하기 위한 최적 조건을 얻기 위해서는 그러한 공정이 일반적으로 진공 조건하에 수행된다. 진공 조작은 고가의 장비를 필요로 하며 보다 신속한 연속식 공정보다는 오히려 느린 배치식(batch) 공정으로서 수행되어야 한다. 또한, 플라즈마는 일반적으로 공정 챔버 내에서 확산 분산되어서 특정의 기판 영역으로 유도하기가 어렵다. 따라서, 반응성 화학종은 그 공정에서 효율적으로 이용될 수 없다. 또한, 플라즈마는 스퍼터링 공정을 통하여 공정 챔버에 손상을 야기할 수 있으며, 유전체 표면 상에 공간 전하의 축적을 발생시켜 가능성 있는 마이크로회로 손상을 유발할 수 있다. 또한, 마이크로파 자체도 마이크로회로를 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 처리 동안 기판 온도를 제어하는 것을 어렵게 할 수 있다. 또한, 플라즈마는 잠재적으로 위험한 자외선을 방출할 수도 있다. 이러한 공정은 고가의 전기 장비를 필요로 하고 상당한 전력을 소비하므로 전체적인 비용 효율을 저하시킨다.
미국 특허 제5,409,543호에는 진공 조건에서 고온 필라멘트를 사용하여 분자 수소를 열적으로 해리시켜 반응성 수소 화학종(즉, 원자 수소)을 생성시키기 위한 공정이 개시되어 있다. 에너자이징된 수소(energized hygrogn)는 기판 표면을 화학적으로 환원시킨다. 고온 필라멘트의 온도 범위는 500℃ 내지 2200℃일 수 있다. 전기적으로 바이어스된(biased) 그리드(grid)를 사용하여 고온 필라멘트로부터 방출되는 과잉의 자유 전자를 편향시키거나 포획한다. 반응성 화학종 또는 원자 수소는 불활성 캐리어 기체 중에 2% 내지 100%의 수소를 함유하는 혼합물로부터 생성된다.
미국 특허 제6,203,637호에는 열음극(thermionic cathode)으로부터 유래한 방전을 사용하여 수소를 활성화시키기 위한 공정이 개시되어 있다. 열음극으로부터 방출된 전자가 기상 방전을 생성시키는데, 이것은 활성 화학종을 발생시킨다. 방출 공정은 가열된 필라멘트를 함유하는 별도 또는 원격 챔버에서 수행된다. 이온 및 활성화 중성자는 처리 챔버로 유입되어 산화된 금속 표면을 화학적으로 환원시키게 된다. 그러나, 이러한 열음극 공정은 최적의 유용성 및 필라멘트의 수명을 위해 진공 조건을 필요로 한다. 진공 조작은 납땜 이송 벨트 시스템 내로 도입되어야 하는 고가의 장비를 필요로 하므로, 전체적인 비용 효율을 저하시킨다
문헌[Potier et al., "Fluxess Soldering Under Activated Atmosphere at Ambient Pressure", Surface Mount International Conference, 1995, San Jose, CA] 및 미국 특허 제6,146,503호, 제6,089,445호, 제6,021,940호, 제6,007,637호, 제5,941,448호, 제5,858,312호 및 제5,722,581호에는 전기 방전을 사용하여 활성화 H2(또는 다른 환원성 기체, 예를 들어 CH4 또는 NH3)를 생성하는 공정이 개시되어 있다. 환원성 기체는 일반적으로 불활성 캐리어 기체(N2) 중에 "퍼센트 수준"으로 존재한다. 방전은 "수 킬로볼트"의 교류 전압원을 사용하여 생성시킨다. 원격 챔버의 전극으로부터 방출된 전자는, 전기적으로 하전된 화학종을 실질적으로 함유하지 않는 여기되거나 불안정한 화학종을 생성한 후 이들을 기판으로 흐르게 한다. 결과로 얻어진 이 공정은 납땜하고자 하는 베이스 금속 상의 산화물을 약 150℃의 온도에서 환원시킨다. 그러나, 이러한 원격 방전 챔버는 상당한 장비 비용을 필요로 하 며, 기존의 납땜 이송 벨트 시스템을 개장하는 것이 용이하지 않다. 또한, 이러한 공정은 전형적으로 땜납 산화물을 제거하기 보다는 납땜 전에 금속 표면을 전처리하는데 사용된다.
미국 특허 제5,433,820호에는 고전압(1 kV 내지 50 kV) 전극으로부터 대기압에서의 전기 방전 또는 플라즈마를 사용하는 표면 처리 공정이 기술되어 있다. 전극은 원격 챔버가 아니라 기판에 가까이 배치된다. 전극으로부터 방출된 자유 전자는 반응성 수소 라디칼, 즉 원자 수소를 함유하는 플라즈마를 생성한 후, 산화된 기판 위에 배치된 유전체 차폐물(dielectric shield) 내의 개구부를 통과한다. 유전체 차폐물은 탈산소화를 필요로 하는 특정의 표면 위치에 활성 수소를 집중시킨다. 그러나, 이러한 유전체 차폐물은, 전기장을 변경시키고 정확한 공정 제어를 방해할 수 있는 표면 전하를 축적할 수 있다. 이 기술된 공정은 베이스 금속 표면을 플럭스로 처리하는 경우에만 사용된다.
따라서, 당업계에서는 땜납 범핑된 웨이퍼를 비교적 저온에서 무플럭스 리플로우 처리하여 열 에너지를 감소시키기 위한 경제적이고 효율적인 공정을 제공하는 것이 필요하다. 당업계에서는 또한 진공 장치를 구입하고 유지하는 비용을 피하기 위해 대략 주위 또는 대기 압력하에서 무플럭스 땜납 리플로우를 수행하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것도 필요하다. 당업계에서는 불연성 기체 환경을 사용하여 무플럭스 땜납 리플로우 공정을 추가로 제공하는 것이 필요하다. 추가로, 당업계에 서는 예를 들어 전기적으로 절연된 기판과 같은 기판의 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 것이 필요하다. 전기적으로 절연된 기판의 예로는 경질 에폭시 유리 적층 기판; 가요성 중합체 필름(예, 폴리이미드); 집적 회로(IC) 상호접속 구성(interconnection scheme)에 사용된 절연 기판; 3차원 또는 적층 IC 패키징 기술에서 사용된 절연 기판; 및 이들의 조합이 포함되나 이들에 한정되지 않는다.
본원에 기술된 방법 및 장치는 플럭스를 사용하는 일 없이 기판의 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함으로써 상기 당업계의 필요성의 일부 또는 전부를 총족시키게 된다. 하나의 양태에서, 본 발명은 기판의 처리 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 접지 전위를 가진 베이스 전극에 가까이 위치하며, 금속 산화물을 포함한 처리 표면을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 베이스 전극 및 기판에 가까이 위치하는 에너자이징 전극을 제공하는 단계로서, 처리 표면의 적어도 일부는 에너자이징 전극에 노출되고, 베이스 전극 및 에너자이징 전극 및 기판은 표적 영역내에 존재하는 것인 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 상기 에너자이징 전극은 돌출 전도성 팁의 배열을 포함하는 전기 절연판에 의해 한정되고, 전도성 팁은 전도성 와이어에 의해 전기적으로 접속되며, 돌출 팁의 배열은 제1 전기접속군 및 제2 전기접속군으로 분리되고, 제1 또는 제2 전기접속군 중 하나는 양으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되고, 제1 또는 제2 전기접속군 중 나머지는 음으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되며, 양으로 바 이어스된 DC 전압원 및 음으로 바이어스된 DC 전압원은 음으로 바이어스된 DC 전압원과 양으로 바이어스된 DC 전압원 사이에서 에너지의 공급을 변경할 수 있는 기능 제어기(functional controller)에 전기적으로 접속되며; 상기 방법은 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물을 표적 영역으로 통과시키는 단계; 음으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화시켜 전도성 팁의 열(row)을 에너자이징함으로써 표적 영역내에서 전자를 발생시키는 단계로서, 전자의 적어도 일부는 상기 환원성 기체의 적어도 일부에 부착함으로써 음으로 하전된 환원성 기체를 형성하는 것인 단계; 처리 표면을 음으로 하전된 환원성 기체와 접촉시켜 기판의 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시키는 단계; 및 양으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화하여 전도성 팁의 열을 에너자이징함로써 처리 표면으로부터 과잉의 전자를 회수하는 단계로서, 음으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁의 열 및 양으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁의 열은 동시에 에너자이징되지 않는 것인 단계를 포함한다.
추가의 양태에서, 상기 에너자이징 전극은 내부 용적을 가진 챔버, 기체 주입구, 및 하향 돌출된 전도성 팁의 배열을 함유하는 전기적으로 절연된 베이스에 의해 한정되며, 전도성 팁은 피하주사용 바늘로 이루어지고, 각각의 피하주사용 바늘은, 챔버 내로 유입되는 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물이 각각의 피하주사용 바늘로부터 주입될 수 있도록, 기체 챔버의 내부 용적과 유체 연통하며, 피하주사용 바늘은, 전자가 각각의 피하주사용 바늘 팁으로부터 발생될 수 있도록, 모두 전도성 와이어에 의해 함께 전기적으로 접속되고 이어서 음으로 바이어스된 DC 전 압원에 접속되고, 전자의 적어도 일부는 각각의 피하주사용 바늘 팁으로부터 유출되는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착함으로써 음으로 하전된 환원성 기체를 형성하며; 상기 방법은 처리 표면을 상기 음으로 하전된 환원성 기체와 접촉시켜 기판의 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시키는 단계로서, 기판은 음으로 하전된 전자가 기판에서 접지로 배출될 수 있도록 전기적으로 전도성이고 접지되어 있는 것인 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 상기 에너자이징 전극은 내부 용적을 가진 챔버, 기체 주입구, 및 하향 돌출된 전도성 팁의 배열을 가진 전기적으로 절연된 베이스에 의해 한정되며, 전도성 팁은 제1 전기접속군 및 제2 전기접속군으로 분리되고, 전도성 팁의 제1 또는 제2 전기접속군의 적어도 하나는, 챔버 내로 유입되는 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물이 각각의 피하주사용 바늘로부터 주입될 수 있도록, 기체 챔버의 내부 용적과 유체 연통하며, 피하주사용 바늘 중 적어도 하나의 군은 음으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되고, 제1 또는 제2 전기접속군의 나머지는 양으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되며, 음으로 바이어스된 DC 전압원 및 양으로 바이어스된 DC 전압원은 음으로 바이어스된 DC 전압원 및 양으로 바이어스된 DC 전압원 사이에서 에너지의 공급을 변경시킬 수 있는 기능 제어기에 전기적으로 접속되며; 상기 방법은 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물을 기체 챔버 및 각각의 피하주사용 바늘로 통과시키는 단계; 음으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화하여 피하주사용 바늘의 적어도 하나의 군을 에너자이징함으로써 각각의 피하주사용 바늘 팁으로부터 전자를 발생시킬 수 있도록 하는 단계로서, 전자의 적어도 일부는 각각의 피 하주사용 바늘 팁으로부터 유출되는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착함으로써 음으로 하전된 환원성 기체를 형성하는 것인 단계; 처리 표면을 음으로 하전된 환원성 기체와 접촉시켜 기판의 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시키는 단계; 및 양으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화하여 전도성 팁의 다른 군을 에너자이징함으로써 처리 표면으로부터 과잉의 전자를 회수하는 단계로서, 음으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 피하주사용 바늘의 적어도 하나의 군 및 양으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁의 나머지 군은 동시에 에너자이징되지 않는 것인 단계를 포함한다.
본 발명에서는 땜납 범핑된 웨이퍼를 비교적 저온에서 무플럭스 리플로우 처리하여 열에너지를 감소시키는 경제적이고 효율적인 무플럭스 땜납 리플로우 방법 및 장치가 이용가능하다.
본원에는 음으로 하전된 이온에 노출시켜 기판 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 방법 및 장치가 기술되어 있다. 음으로 하전된 이온은 표면 금속 산화물과 반응하여 환원시킨다. 하나의 양태에서, 그 방법, 장치 또는 둘 다는 예를 들어 땜납 범핑된 웨이퍼의 리플로우에 사용된 리플로우 기계와 같은 통상의 리플로우 및 땜납 장비를 개량함으로써 사용될 수 있다. 이러한 양태 또는 다른 양태에서, 본 방법은 또한 금속 도금(즉, 인쇄 회로판 또는 금속 표면의 일부를 땜납 도금하여 이것을 후속 납땜 공정에 보다 수정가능하게 하는 것), 외부 납 결합을 위한 리 플로우 및 웨이브 납땜, 표면 세정, 브레이징(brazing), 용접 및 실리콘 웨이퍼 가공 동안 형성된 금속의 표면 산화물, 예를 들어 산화구리의 제거와 같으나 이들에 한정되지 않는, 기판으로부터 표면 금속 산화물의 제거가 필요한 다른 방법에 적용될 수 있다. 본원에 기술된 방법 및 장치를 사용하여 금속 산화물을 제거하는 것은 유기 플럭스의 필요성 없이 산화물의 제거가 요망되는 전술한 방법 또는 임의의 다른 방법에 동등하게 적용될 수 있다.
일반적으로, 본원에 사용된 용어 "기판"는 실리콘, 이산화규소로 코팅된 실리콘, 알루미늄-알루미늄 산화물, 비소화갈륨, 세라믹, 석영, 구리, 유리, 에폭시 또는 전자 장치 내에 사용하기에 적합한 임의의 재료와 같은 재료를 말한다. 특정 구체예에서, 기판은 그 위에 땜납이 배치된 전기적으로 절연된 기판 또는 반도체 기판이다. 예시적인 땜납 조성물로는 무플럭스 주석-은, 무플럭스 주석-은-구리, 무플럭스 주석-납 또는 무플럭스 주석-구리가 포함되나 이들에 한정되지 않는다. 하나의 구체예에서, 기판은 전기적으로 절연된 기판이다. 전기적으로 절연된 기판의 예로는 다음과 같은 것이 포함되나 이들에 한정되지 않는다: 인쇄 회로판에 사용된 경질 에폭시 유리(예를 들어, FR-4 형태) 적층 기판, 가요성 회로에 사용된 가요성 중합체 필름(예를 들어, 폴리이미드) 기판, 집적 회로 상호접속 구성(interconnection scheme)에 사용된 절연 기판, 중합체 기제 BGA의 고밀도 인터컨넥트 등과 같은 고밀도 인터컨넥트(interconnect), 3-D 또는 적층 집적 회로 또는 3-D 또는 적층 패키징 기술에 사용된 절연 기판; 및 이들의 조합. 그러나, 본원에 기술된 방법 및 장치는 여러 가지 상이한 기판 및 땜납 조성물에 적합하다. 특 정의 바람직한 구체예에서, 기판은 그 위에 다수의 땜납 범프가 배치된 실리콘 웨이퍼이다.
이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 직류 전압원과 같은 에너지원이 둘 이상의 전극 사이에 인가될 때, 전자는 다른 전극에 대해 음의 전기 바이어스를 가진 2 개의 전극(본원에서 "방출 전극"이라 칭함) 중 하나 및/또는 상기 두 전극 간의 기체상에서 발생되는 것으로 여겨된다. 발생된 전자는 다른 전극으로 이동하는데, 이 전극은 전기장을 따라 접지되거나 양의 전기 바이어스를 가진다(본원에서 "베이스 전극"이라 칭함). 표면 상에 다수의 땜납 범프를 갖는 기판은 땜납 범핑된 표면 또는 방출 전극에 노출된 처리할 영역을 가진 베이스 및 방출 전극에 의해 한정된 영역(본원에서 "표적 영역"이라 칭함) 내에 배치된다. 특정 구체예에서, 기판은 표적 조립체를 형성하는 베이스 전극에 접속될 수 있다. 환원성 기체 및 임의로 캐리어 기체를 포함하는 기체 혼합물은 전극에 의해 발생된 전기장을 통과한다. 전자 이동 동안, 환원성 기체의 일부는 전자 부착에 의해 음이온을 형성한하고, 이어서 표적 조립체, 즉 베이스 전극 및 기판 표면으로 이동한다. 따라서, 기판 표면 위에서, 음으로 하전된 이온은 통상의 플럭스에 대한 필요성 없이 기존의 금속 산화물을 환원시킬 수 있다. 또한, 처리하고자 하는 표면 상의 활성 화학종의 흡착은 전기장을 따른 음으로 하전된 이온의 이동으로 인하여 촉진될 수 있다.
환원성 기체가 수소를 포함하는 구체예에서, 본 발명의 방법은 다음과 같이 일어난다고 생각된다:
분자 H2의 해리성 부착: H2 + e' ⇒ H- + H (I)
수소 원자 위의 전자 부착: e' + H ⇒ H- (II)
(I)과 (II)의 조합: 2e' + H2 ⇒ 2H- (III)
산화물 환원: 2H- + MO ⇒ M + H2O + 2e' (M = 땜납/베이스 금속) (IV)
이러한 구체예에서, 본 발명의 전자 부착 방법을 사용하는 금속 산화물 환원의 활성화 에너지는 분자 수소를 사용하는 방법 보다 낮은데, 그 이유는 전자 부착을 통한 원자 수소 이온의 형성이 분자 수소의 결합 파괴와 관련된 에너지를 제거하기 때문이다.
특정 구체예에서, 전극 중 적어도 하나에, 바람직하게는 방출 전극에, 방출 전극으로 하여금 전자를 발생시키기에 충분한 에너지가 공급된다. 에너지원은 전기 에너지 또는 전압원, 이를 테면 AC 또는 DC 원이 바람직하다. 다른 에너지원, 예컨대 전자기 에너지원, 열 에너지원 또는 광 에너지원은 단독으로 또는 전술한 에너지원 중 임의의 것과 조합하여 사용될 수도 있다. 본 발명의 특정 구체예에서, 방출 전극은 제1 전압 레벨에 접속되고, 베이스 전극은 제2 전압 레벨에 접속되어 있다. 전압 레벨의 차는 전위에서 바이어스를 형성한다. 상기 제1 또는 제2 전압 레벨 중 하나는 "0"일 수 있는데, 이는 두 전극 중 어느 하나가 접지된 상태일 수 있음을 나타내는 것이다.
전자 부착에 의해 음으로 하전된 이온을 생성시키기 위하여, 대량의 전자가 발생될 필요가 있다. 이와 관련하여, 전자는 음극 방출, 기체 방전 또는 이들의 조합과 같으나 이들에 한정되지 않는 다양한 방법에 의해 생성될 수 있다. 이들 전자 발생 방법 중에서, 방법의 선택은 주로 발생된 전자의 효율과 에너지 준위에 따른다. 환원성 기체가 수소인 구체예에서, 에너지 준위가 대략 4 eV인 전자가 바람직하다. 이들 구체예에서, 이러한 저 에너지 준위 전자는 기체 방전보다는 음극 방출에 의하여 발생되는 것이 바람직하다. 이어서, 발생된 전자는 방출 전극으로부터 공간 전하를 형성하는 베이스 전극으로 이동할 수 있다. 공간 전하는 수소가 2 이상의 전극을 통과하거나, 표적 영역 내를 통과할 때 전자 부착에 의해 음으로 하전된 수소 이온을 발생하는 전자원을 제공한다.
음극 방출을 통한 전자 발생을 수반하는 구체예의 경우, 이러한 구체예로는 전계 방출법(본원에서 냉간 방출이라 칭함), 열 방출법(본원에서 열간 방출이라 칭함), 열-전계 방출법, 광 방출법 및 전자 또는 이온 빔 방출법이 포함될 수 있다.
전계 방출법은 방출 전극의 표면으로부터 발생될 전자에 대한 에너지 장벽을 극복하기에 그 강도가 충분히 높은 베이스 전극에 대하여 방출 전극 상에서 음의 바이어스로 전기장을 인가시키는 것을 포함한다. 바람직한 특정 구체예에서, 0.1 내지 50 kV, 바람직하게는 2 내지 30 kV 범위의 DC 전압이 두 전극 사이에 인가된다. 이러한 구체예에서, 전극 간의 간격은 0.1 내지 30 ㎝, 바람직하게는 0.5 내지 5 ㎝ 범위일 수 있다.
한편, 열 방출법은 방출 전극 내 전자를 에너자이징하고, 방출 전극의 재료 내 금속 결합으로부터 전자를 분리하기 위하여 고온을 사용하는 것을 포함한다. 특정의 바람직한 구체예에서, 방출 전극의 온도 범위는 800 내지 3500℃, 바람직하게는 800 내지 1500℃ 범위일 수 있다. AC 또는 DC를 전극에 통과시킴으로써 직접 가열하는 방법; 음극 표면을, 발열체, IR 방사선에 의해 가열된 전기적으로 절연된 고온 표면과 접촉시켜 간접 가열하는 방법, 또는 이들의 조합과 같으나 이들에 한정되지 않는 다양한 방법에 의해 방출 전극을 고온으로 하고/하거나 고온으로 유지할 수 있다.
열-전계 방출법은 전기장 및 고온이 모두 적용되는 전계 방출법과 열 방출법의 혼성법이다. 따라서, 열-전계 방출법은 순수한 전계 방출법 및 순수한 열 방출법에 비하여 동일한 양의 전자를 발생시키는 데 보다 약한 전기장과 보다 낮은 전극 온도를 필요로 할 수 있다. 열-전계 방출법은 순수한 전계 방출법이 직면하였던 문제점 예컨대, 방출 표면 상의 오염에 의하여 전자 방출이 열화되는 경향 및 방출 표면의 평면성과 균일성에 대한 고도의 제한을 최소화시킬 수 있다. 또한, 열-전계 방출법은 열 방출과 관련된 문제점, 예컨대 방출 전극과 기체상 사이의 화학 반응의 가능성이 높다는 문제점을 피할 수도 있다. 열-전계 방출법이 전자 방출에 사용되는 구체예에서, 방출 전극의 온도 범위는 상온에서 3500℃, 보다 바람직하게는 150 내지 1500℃일 수 있다. 이러한 구체예에서, 전기 전압의 범위는 0.01 내지 30 kV, 보다 바람직하게는 0.1 내지 10 kV 범위일 수 있다.
특정의 바람직한 구체예에서, 전자 발생을 위해 열 방출법 또는 열-전계 방출법이 사용된다. 이들 구체예에서, 이 방법들 중 하나의 방법에 사용된 고온의 방 출 전극은 두 개의 전극에 의해 발생된 전기장을 통과시키는 기체 혼합물용 열원으로서 작용할 수 있고, 따라서 후속의 리플로우 처리 공정을 위한 기체를 가열하는데 필요로 되는 열 에너지를 줄일 수 있다.
본 발명의 특정 구체예에서, 전자는 음극 방출법 및 코로나 방전법의 조합에 의해 발생된다. 이러한 구체예에서, 에너지원, 이를 테면 DC 전압은 두 전극 사이에 인가되며, 전자는 방출 전극(냉간 또는 열간) 및 방출 전극 부근의 기체상(코로나 방전) 둘 다로부터 발생될 수 있다. 코로나 방전은 전자 부착에 의해 음으로 하전된 이온을 형성하는 효율을 증가시키고, 방출 전극의 수명을 증가시키기 위하여 최소화시키는 것이 바람직하다.
음극 방출 메카니즘이 전자 방출에 사용되는 구체예에서, 상기 두 전극에 인가된 전압은 일정하거나 또는 펄스화될 수 있다. 상기 전압 펄스의 주파수 범위는 0 내지 100 kHz이다. 도 1a 및 1b는 각각 방출 전극 및 베이스 전극에 대한 전압 펄스의 예시를 제공한다. 이러한 구체예에서, 도 1a 및 1b에 도시된 것과 같은 펄스화된 전압은 전자 발생량을 개선하고, 기체상 방전 성향을 감소시키도록 일정한 전압인 것이 바람직하다고 생각된다.
기체 방전을 통한 전자 발생과 관련된 구체예의 경우, 이러한 구체예는 열 방전, 광 방전, 및 글로우 방전, 아크 방전, 스파크 방전 및 코로나 방전을 비롯한 다양한 전자 사태(avalanche) 방전이 포함될 수 있다. 이러한 구체예에서, 전자는 기체상 이온화에 의하여 발생된다. 기체상은 환원성 기체 및 불활성 기체를 포함하는 기체 혼합물이다. 기체상 이온화의 특정 구체예에서, 전압원이 두 전극 사이에 인가되고, 전자가 상기 두 전극 사이의 기체 혼합물 내의 불활성 기체로부터 발생된 다음 양으로 바이어스된 전극, 이를 테면 베이스 전극으로 이동할 수 있다. 이러한 전자 이동 동안, 이러한 전자의 일부가 환원성 기체 분자에 부착되고, 전자 부착에 의해 음으로 하전된 이온을 형성할 수 있다. 또한, 일부 양이온은 불활성 기체에서 생성될 수 있는데, 이것은 이후 방출 전극과 같이 음으로 바이어스된 전극으로 이동하여 전극 표면에서 중화된다.
전술한 바와 같이, 전자는 베이스 전극에 대하여 음의 바이어스를 가진 경우 방출 전극으로부터 방출될 수 있다. 도 2a 내지 2i를 참조하면, 방출 전극은 예를 들어 얇은 와이어(2a), 예리한 팁을 가진 로드(2b), 예리한 팁 또는 빗 형태를 가진 로드(2c), 스크린 또는 와이어 메쉬(2d), 성긴 코일(2e), 빗살 배열(2f), 얇은 와이어 또는 필라멘트 다발(2g), 표면으로부터 돌출된 예리한 팁을 가진 막대(2h), 또는 돌기가 형성된 표면을 가진 판(2i)과 같은 다양한 기하 구조를 가질 수 있다. 추가의 기하 구조는 상기 형태의 조합형, 예를 들어 표면 돌출부를 가진 판 또는 막대, 와이어 권선 또는 필라멘트를 감은 로드, 얇은 와이어의 코일 등을 포함할 수 있다. 평행하게 나열되거나 또는 교차 격자형으로 배열될 수 있는 다수의 전극들이 사용될 수 있다. 또 다른 기하 구조로는 다수의 전극이 휠의 "스포크(spoke)"에서와 같이 방사상 형상으로 배열된 "외건(wagon) 휠"이 포함될 수 있다. 전계 방출을 수반하는 구체예와 같은 특정 구체예에서, 음극은 도 3에 도시한 기하 구조와 같이 전극 표면 부근의 전계를 최대로 하기 위해 복수의 예리한 팁과 같은 표면 굴곡이 큰 기하 구조로 제조하는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전 극(1)은 그 표면으로부터 방사상으로 돌출하는 다수의 팁(3)과 함께 전극 표면 상의 홈내에 존재하는 일련의 얇은 와이어(2)를 가진다.
방출 전극으로서 작용하는 전극 재료는 비교적 낮은 전자 방출 에너지 또는 일 함수를 가진 전도성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 재료는 융점이 높고 처리 조건하에의 안정성이 비교적 높은 것도 바람직하다. 적합한 재료의 예로는 전도성 기판에 코팅되거나 또는 침착된 금속, 합금, 반도체 및 산화물이 포함될 수 있다. 추가의 예로는 전도성 기판 상에 침착된 텅스텐, 흑연, 고온 합금, 이를 테면 니켈 크롬 합금 및 금속 산화물, 이를 테면 BaO 및 Al2O3가 포함되나 이들로 한정되는 것은 아니다.
베이스 전극으로서 작용하는 전극은 금속 또는 본원에 개시된 다른 재료 중 임의의 것과 같은 전도성 재료로 구성된다. 베이스 전극은 용도에 따라 여러 가지 상이한 기하 구조를 가질 수 있다.
열-전계 방출법을 수반하는 본 발명의 특정 구체예에서, 방출 전극은 구획된 조립체, 이를 테면 도 4에 도시된 바와 같은 전극을 포함할 수 있다. 이러한 관점에서, 방출 전극의 코어부(10)는 전기 저항이 큰 금속으로 이루어질 수 있다. 다수의 팁(11)은 코어부(10)로부터 방사상으로 돌출한다. 팁(11)은 본원에 개시된 재료 중 임의의 것과 같이 전자 방출 에너지 또는 일 함수가 비교적 작은 전도성 재료로 제조될 수 있다. 코어부는 AC 또는 DC 전류(도시되어 있지 않음)를 상기 코어부(10)에 직접 통과시킴으로써 가열할 수 있다. 열 전도에 의해, 코어부로부터 팁(11)으로 열이 이동할 것이다. 고온 코어부(10) 및 다수의 팁(11)을 밀봉부(12) 내에 밀봉하고, 이를 지지체 프레임에 삽입함으로써 도시된 바와 같이 구획된 조립체를 형성한다. 팁(11)은 밀봉부(12) 외측에 노출된다. 밀봉부(12)는 절연재로 구성된다. 구획된 조립체는 작동시 코어를 열팽창시킬 수 있다. 이러한 구성에서, 베이스 전극에 비해 음의 전압 바이어스를 방출 전극에 인가함으로써 고온 팁(11)으로부터 전자를 발생시킬 수 있다.
열-전계 방출법과 관련된 본 발명의 다른 바람직한 구체예에서, 간접 가열은 방출 전극의 온도를 상승시킬 수 있다. 이는 방출 전극의 코어로서 가열 카트리지를 사용하여 실현될 수 있다. 가열 카트리지의 표면은 카트리지내의 발열체로부터 전기적으로 절연되는 금속과 같은 전도성 재료로 구성될 수 있다. 전자 방출을 촉진하기 위하여, 다수의 분포된 방출 팁이 가열 카트리지의 표면 상에 장착될 수 있다. 카트리지 내의 발열체에 AC 또는 DC 전류를 흐르게 함으로써 카트리지를 가열할 수 있다. 제2 전극에 비해 음의 전압 바이어스를 카트리지 표면에 인가함으로써, 카트리지의 분포된 팁으로부터 전자를 발생시킬 수 있다. 이러한 구성에서 전압 바이어스를 형성하기 위하여, 제2 전극을 접지하여 상기 카트리지가 음의 바이어스가 되도록 하거나, 상기 카트리지를 접지하여 상기 제2 전극을 양의 바이어스가 되도록 할 수 있다. 일부 구체예에서, 후자의 경우 두 전기 회로 사이의 가능성있는 간섭을 제거하는데 바람직할 수 있는데, 예를 들면 한 회로는 발열체를 따라 AC 또는 DC 전류일 수 있고, 다른 회로는 상기 카트리지의 표면과 제2 전극 사이에서 고전압 바이어스일 수 있다. 이러한 구체예에서, 고온 카트리지 전극은 또한 기 체 혼합물이 리플로우 처리 공정에 필요한 온도를 얻을 수 있도록 하는 열원으로서 작용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물은 2 개 이상의 전극에 의해 발생되는 전기장을 통과한다. 상기 기체 혼합물 내에 함유된 환원성 기체는 다음과 같은 범주 중 하나 이상에 속할 수 있다: 1) 본질적으로 환원성인 기체, 2) 금속 산화물과의 반응에 의해 기체 산화물을 생성하는 활성 화학종을 발생시킬 수 있는 기체 또는 3) 금속 산화물과의 반응에 의해 액체 또는 수성 산화물을 생성하는 활성 화학종을 발생시킬 수 있는 기체.
제1 범주의 기체 또는 본질적으로 환원성인 기체는 제거하고자 하는 산화물에 대해 열역학적으로 환원제로서 작용하는 임의의 기체를 포함한다. 본질적으로 환원성인 기체의 예로는 H2, CO, SiH4, Si2H6, 포름산, 예를 들어 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올, 및 하기 일반식 (III)을 가진 몇몇 산성 증기가 포함된다:
Figure 112009028783135-PAT00001
상기 식 (III)에서, 치환기 R은 알킬기, 치환된 알킬기, 아릴기, 또는 치환된 아릴기일 수 있다. 본원에 사용된 용어 "알킬"은 바람직하게는 1 내지 20 개의 탄소 원자, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 개의 탄소 원자를 함유하는 선형, 분지형 또는 환형 알킬기를 포함한다. 또한, 이는 다른 기, 이를 테면 할로알킬, 알크아릴 또는 아르알킬에 포함된 알킬 부분에도 적용된다. 용어 "치환된 알킬"은 헤테로 원 자, 이를 테면 O, N, S 또는 할로겐 원자; OCH3; OR(R = 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10); 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10; NO2; SO3R(R = 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10); 또는 NR2(R = H, 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10)를 포함하는 치환기를 가진 알킬 부분에도 적용된다. 본원에 사용된 용어 "할로겐"은 불소, 염소, 브롬 및 요오드를 포함한다. 본원에 사용된 용어 "아릴"은 방향성을 가진 6 내지 12원 탄소 환을 포함한다. 본원에 사용된 용어 "치환된 아릴"은 헤테로 원자, 이를 테면 O, N, S 또는 할로겐 원자; OCH3; OR(R = 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10); 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10; NO2; SO3R(R = 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10); 또는 NR2(R = H, 알킬 C1-10 또는 아릴 C6-10)를 포함하는 치환기를 가진 아릴 환을 포함한다. 특정한 바람직한 구체예에서, 기체 혼합물은 수소를 함유한다.
제2 범주의 환원성 기체는 본질적으로 환원성은 아니지만, 기체 분자 위에 전자를 해리가능하도록 부착시킴으로써 예를 들어 H, C, S, H', C' 및 S'와 같은 활성 화학종을 발생시키고, 이 활성 화학종과 제거하고자 하는 금속 산화물을 반응시켜 기체 산화물을 형성할 수 있는 임의의 기체를 포함한다. 이러한 유형의 기체의 예로는 NH3, H2S, CH4, C2H4,와 같으나 이들에 한정되지 않는 C1 내지 C10 탄화수소, 상기 일반식 (III)의 산성 증기 및 하기 일반식 (IV)의 유기 증기가 포함된다:
Figure 112009028783135-PAT00002
상기 일반식 (III) 및 (IV)에서, 치환기 R은 알킬기, 치환된 알킬기, 아릴기 또는 치환된 아릴기일 수 있다.
제3 범주의 환원성 기체는 본질적으로 환원성은 아니지만, 기체 분자 위에 전자를 해리가능하도록 부착시킴으로써 예를 들어 F, Cl, F' 및 Cl'과 같은 활성 화학종을 발생시키고, 이 활성 화학종과 금속 산화물을 반응시켜 액체 또는 수성 산화물을 형성할 수 있는 임의의 기체를 포함한다. 이러한 유형의 기체의 예로는 불소 및 염소 함유 기체, 이를 테면 CF4, SF6, CF2Cl2, HCl, BF3, WF6, UF6, SiF3, NF3, OClF3 및 HF가 포함된다.
상기 범주의 환원성 기체 중 하나 이상을 포함하는 것 이외에, 기체 혼합물은 1 종 이상의 캐리어 기체를 추가로 함유할 수 있다. 캐리어 기체는 예를 들어 환원성 기체를 희석하거나 충돌 안정성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 기체 혼합물에 사용되는 캐리어 기체는 전자 친화도가 상기 기체 혼합물 내의 환원성 기체 또는 기체들의 전자 친화도보다 작은 임의의 기체일 수 있다. 특정의 바람직한 구체예에서, 캐리어 기체는 불활성 기체이다. 적합한 불활성 기체의 예로는 N2, Ar, He, Ne, Kr, Xe 및 Rn이 포함되나 이들에 한정되지 않는다.
특정의 바람직한 구체예에서, 기체 혼합물은 비용이 비교적 저렴하고, 배기 기체 방출이 환경 친화적인 이유로 환원성 기체로서 수소를, 그리고 캐리어 기체로서 질소를 포함한다. 이러한 구체예에서, 기체 혼합물은 0.1 내지 100 부피%, 바람직하게는 1 내지 50 부피%, 보다 바람직하게는 0.1 내지 4 부피%의 수소를 포함한 다. 수소의 양은 4% 미만인 것이 바람직하며, 이는 기체 혼합물을 불연성으로 만든다.
특정 구체예에서, 기체 혼합물은 상온 내지 450℃ 범위, 보다 바람직하게는 100 내지 350℃ 범위의 온도에서 2 이상의 전극에 의해 발생되는 장을 통과한다. 기체 혼합물의 압력은 주위 대기압, 즉 공정 영역의 기존 압력이 바람직하다. 진공과 같은 특별한 압력이 필요하지 않을 수 있다. 기체 혼합물을 가압하는 구체예에서, 압력의 범위는 10 내지 20 psia, 바람직하게는 14 내지 16 psia일 수 있다.
산화물을 제거하고자 하는 기판 표면은 바람직하게는 그 표면을 방출 전극으로 향하게 하여 방출 전극과 베이스 전극 사이에 위치시킨다. 본 발명의 특정의 바람직한 구체예에서, 기판을 베이스 전극에 접속하여 표적 조립체를 제공하고, 방출 전극으로 향하게 할 수 있다. 이러한 구체예에서, 방출 전극과 웨이퍼 및/또는 표적 조립체의 상면 사이의 간격 범위는 0.1 내지 30 cm, 바람직하게는 0.5 내지 5 cm일 수 있다.
도 5는 기판이 실리콘 웨이퍼(20)인 웨이퍼 범핑 용도로 사용되는 방법을 설명하는 것이다. 도 5를 참조하면, 제2 전극(24)은 웨이퍼(20) 위에 위치하며, 다수의 땜납 범프(도시되어 있지 않음)를 포함하는 웨이퍼(20)가 제1 전극(22) 위에 배치되어 표적 조립체를 형성한다. 다수의 땜납 범프를 함유하는 웨이퍼(20)의 표면의 적어도 일부는 제2 전극(24)에 노출된다. 웨이퍼(20)가 제1 전극(22) 위에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 웨이퍼(20)는 전극(22 및 24) 어느 곳에나 배치할 수 있다. 펄스화 전압(25)이 제1 전(22) 및 제2 전극(24)에 걸쳐 인가되어 전기장이 발생된다. 수소 및 질소를 함유하는 기체 혼합물(26)이 전기장을 통과한다. 전기장 내에서 저 에너지 전자(28)가 생성되며, 이들 전자는 제1 전극(22) 및 그 위에 배치된 웨이퍼(20)로 이동한다. 또한, 기체 혼합물(26) 내 수소의 일부가 전자 부착에 의해 수소 이온(30)을 형성하며, 이것도 제1 전극(22) 및 그 위에 배치된 웨이퍼(20)로 이동한다. 음으로 하전된 수소 이온(30) 및 전자(28)의, 그 위에 웨이퍼(20)가 배치된 전극(22)으로의 이동은 이온(30)이 웨이퍼(20)의 표면으로 흡착되는 것을 촉진하고 웨이퍼 표면의 탈산소화(본원에서 표면 탈산소화라 칭함)를 조장한다.
기판의 전도도에 따라서, 표면 탈산소화로부터의 반응 부산물로서 발생되는 전자의 일부가 기판 표면에 축적될 수 있다. 또한, 자유 전자의 일부는 전기장을 따라 이동하기 때문에 기판 위에 직접 흡착될 수 있다. 기판 표면에의 이러한 전자 의 축적은 음으로 하전된 이온의 추가의 흡착을 방지할 뿐만 아니라, 표면 탈산소화의 평형에 불리한 영향을 미칠 수도 있다. 표면 탈산소화 공정을 보다 효율적으로 하기 위해, 기판 표면 상의 전자는 주기적으로 제거할 필요가 있다.
기판 표면 상의 전자를 제거하는 한 가지 방법은 서로에 관하여 전극 양쪽의 극성을 변화시키는 것일 수 있다. 극성을 변화시키는 동안, 각 전극의 전압 레벨은 반드시 동일할 필요는 없다. 하나의 구체예에서, 극성 변화는 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 2 개 이상의 전극 사이에 쌍방향성 전압 펄스를 인가함으로써 달성될 수 있다. 도 6은, 전극이 전압 펄스의 한쪽 상(즉, 음의 바이어스)에서 전자를 발생하고 전압 펄스의 다른쪽 상(즉, 양의 바이어스)에서 전자를 회수할 수 있는 극 성 변화의 예를 제공한다. 도 6에서, 전극(100)은 전자 방출 및 전자 회수 전극 둘 다로서 사용되며, 전극(102)은 베이스 전극으로서 사용된다. 이러한 구성은 표면 탈산소화의 효율을 최대화되도록 한다. 다수의 예리한 팁(101)을 포함하는 전극(100)은 웨이퍼(103) 위에 위치한다. 전극(100)은 AC 전원(104)에 접속되어 가열된다. 다른 전극(102)은 웨이퍼(103) 아래에 위치한다. 전극(100 및 102)의 극성 변화는, 예를 들면 쌍방향성 펄스화 DC 전원(105)에 의해 얻어질 수 있다. 쌍방향성 전압 펄스의 예가 도 10(b)에 예시되어 있다. 전극(100)이 음으로 바이어스된 경우, 팁(101)으로부터 발생되는 전자의 적어도 일부가 환원성 기체의 적어도 일부에 부착되고, 새로 생성된 환원성 기체 이온이 웨이퍼(103)를 향하여 이동한다. 극성이 반전되는 경우, 전자는 웨이퍼(103)의 표면으로부터 방출되며, 팁(101)에서 회수된다. 도 7(a) 및 7(b)는 전압 펄스의 각 주기 동안 하전된 화학종의 이송을 예시한다. 두 전극의 극성을 변화시키는 주파수 범위는 0 내지 100 kHz일 수 있다.
다른 구체예에서, 기판 표면 상의 과잉의 전자는 하나 이상의 추가 전극을 사용함으로써 제거될 수 있다. 도 8은 웨이퍼가 기판인 예를 제공한다. 도 8을 참조하면, 웨이퍼(200)가 접지된 베이스 전극(201) 위에 배치된다. 두 전극, 즉 베이스 전극(201)에 대하여 음의 전압 바이어스를 가진 전극(202) 및 베이스 전극(201)에 대해 양의 전압 바이어스를 가진 전극(203)을 웨이퍼 표면(200) 위에 설치한다. 이러한 구성에서, 전자가 전극(202)으로부터 연속적으로 발생되고, 전극(203)에서 회수된다. 하나의 특정 구체예에서, 전극(202) 및 전극(203)의 극성을 베이스 전극(201)에 대해 양에서 음의 전압 바이어스로, 그리고 그 반대로 주기적으로 변화 시킬 수 있다.
또 다른 구체예에서, 표면 탈산소화 후 중화제를 사용하여 기판 표면으로부터 전자 또는 잔류 표면 전하를 제거할 수 있다. 미처리된 채로 남으면, 잔류 전하의 오염은 민감한 전자 부품에 정전 방전 손상을 유발할 수 있다. 이러한 구체예에서, 고순도 기체, 이를 테면 N2를 상업적으로 입수가능한 중화 장치에 통과하게 한 다음, 기판 표면에 걸쳐 흐르게 하면, 웨이퍼 표면의 잔류 전하를 중화시킬 수 있다. 기체 중에 존재하는 양이온이 임의의 잔류 전자를 중화하여 전기적으로 중성인 표면을 제공한다. 적합한 전하 중화 장치는 예를 들어 기체 중에 등밀도의 양이온 및 음이온을 생성시키는 Kr-85 방사선 공급원으로 이루어질 수 있다. 기체가 웨이퍼에 흐를 때 양이온 및 음이온이 기체 내에 생성된다고 할 수 있으나, 기체 흐름의 순전하는 0이다.
특정 구체예에서, 기판 또는 표적 조립체는 방출 전극으로서 작용하는 전극에 관하여 이동시킬 수 있다. 이에 대하여, 방출 전극을 고정 위치에 두고 기판을 이동시킬 수도 있거나, 방출 전극을 이동시키고 기판을 고정 위치에 둘 수 있거나, 방출 전극과 기판 둘 다 이동시킨다. 이동은 수직 이동, 수평 이동, 회전 이동 또는 아크를 따른 이동일 수 있다. 이러한 구체예에서, 이어 기판 표면의 국소 영역 내에서 표면 탈산소화가 일어날 수 있다.
하기 도 9(a) 내지 9(e)의 경우, 기판은 접지된 베이스 전극 위에 배치되는 실리콘 웨이퍼이다. 다수의 땜납 범프(도시되어 있지 않음)를 포함하는 웨이퍼 표 면의 적어도 일부를, 방출 및 회수 모두(즉, 예를 들어 전위적으로 음에서 양의 바이어스로 극성을 변화시키는)의 전극으로서 작용하는 제2 전극에 노출시킨다. 도 9(a)에는 0 내지 100 KHz의 주파수 범위내에서 순환하여 (306)으로 나타낸 이온 영역을 발생시킬 수 있는, 베이스 전극(304)에 대하여 쌍방향 펄스화 전압이 인가되는 가열된 선형 전극(302) 아래에서 회전 이동하는 실리콘 웨이퍼(300)가 도시되어 있다. 처리 챔버 외부에 위치한 모터(도시되어 있지 않음)는 웨이퍼를 회전시킨다. 이러한 회전은 반도체의 가공에서 웨이퍼 표면을 유의적으로 오염시키지 않고 흔히 이루어진다. 오염은 높은 세정도, 회전하는 원료 공급로(feed-through) 및 유동 패턴의 제어를 이용함으로써 피할 수 있다. 도 9(b)에는 베이스 전극(314)에 대하여 쌍방향 펄스화 전압이 인가되어 (316)으로 나타낸 이온 영역을 발생시킬 수 있는 가열된 선형 전극(312) 아래에서 직선 이동하는 실리콘 웨이퍼(310)가 도시되어 있다. 이러한 구성은 예를 들어 인쇄 회로판을 리플로우 로를 통하여 이동시키는 것과 같이, 관상 범핑 로를 통하여 웨이퍼를 이동시키는데 컨베이어 벨트를 사용하는 용도에 적합할 수 있다. 도 9(c)는 한 쌍의 가열된 선형 방출 전극(324 및 326) 아래에서 회전 이동하는 실리콘 웨이퍼(320)를 나타낸 것으로; 베이스 전극(322)은 정상(steady)의 양의 바이어스를 가지며, 방출 전극(324 및 326)은 베이스 전극(322)에 대하여 정상의 음의 바이어스를 가짐으로써, 전자가 웨이퍼 표면으로부터 발생되고 회수되어 (328)로 나타낸 이온 영역을 발생시킨다. 처리 챔버 외부에 위치한 모터(도시되어 있지 않음)는 웨이퍼를 회전시킨다. 도 9(d)에는 전자의 방출과 회수를 개별적으로 수행하여 (338)로 나타낸 이온 영역을 발생시키는 베이스 전극(332)에 대하여 정상의 대향 극성으로 유지되는 한 쌍의 가열된 선형 전극(334 및 336) 아래에서 직선 이동하는 실리콘 웨이퍼(330)가 도시되어 있다. 마지막으로, 도 9(e)는 피봇 암(346)의 말단에 위치하는 비교적 작은 전극(334)을 이용한다. 전극(344)의 극성은 베이스 전극(342)에 대하여 주기적으로 변경되어 (348)로 나타낸 이온 영역을 발생시킨다. 암은 예를 들어 아크형 운동으로 회전 웨이퍼(340) 위에서 스윙하여 전체 웨이퍼 표면을 완전하고 균일하게 처리한다.
본원에 기술된 방법은 땜납 범프를 구비한 웨이퍼의 리플로우 이외에, 예를 들어 표면 세정, 금속 도금, 브레이징, 용접 및 외부 납 결합을 위한 리플로우 및 웨이브 땜납 등과 같은 마이크로전자 장치 제조의 몇몇 분야에서 사용될 수 있다. 본원에 기술된 방법에 적합한 리플로우 및 웨이브 땜납 장치의 예는 본 발명의 출원인에게 양도되고 그의 개시 내용 전체가 본원에 참고로 포함되는 계류 중인 미국 특허출원 제09/949,580호에 제공된 도 1 내지 3에 도시되어 있다. 하나의 특정 구체예에서, 본원에 개시된 방법을 사용하여 실리콘 웨이퍼 처리 중에 형성되는 금속의 표면 산화물, 예를 들어 산화구리를 환원시킬 수 있거나 박막의 탈산소화를 수행할 수 있다. 이러한 산화물은 웨이퍼 위에 마이크로전자 장치를 형성하는데 사용되는 다양한 습식 처리 단계, 예를 들어 화학 기계적 평탄화의 결과로서 형성될 수 있다. 이러한 표면 산화물은 수율 및 장치 신뢰성을 감소시킨다. 본 방법은 수성 환원제를 사용할 필요 없이 완전 건식의 환경 친화적 방식으로 표면 산화물을 제거할 수 있다. 또한, 본 발명은 비교적 저온에서 수행되기 때문에, 처리하는 동안 장치의 열적 비용에 그다지 영향을 주지 않는다. 이와는 대조적으로, 고온은 도핑제 및 산화물의 확산을 유발하여 장치의 성능을 저하시키기 때문에, 장치의 수율과 신뢰성을 저하시키는 경향이 있다. 본 발명의 방법은 단일 웨이퍼에서 수행되기 때문에, 이 방법은 다른 단일 웨이퍼 공정과 통합됨으로써 다른 제조 단계와의 적합성을 더욱 양호하게 할 수 있다.
본원에 기술된 방법 및 장치는 웨이퍼 범핑 및 박막 탈산소화의 용도에 특히 적합하다. 웨이퍼 범핑 및 박막 탈산소화에 본원에 개시된 방법 및 장치를 이용함에 있어서 많은 편리성이 있다. 첫째, 외부 납 결합을 위한 통상의 리플로우 납땜 공정에 비해, 웨이퍼 범핑 및 박막 탈산소화는 모두 단일면의 처리이다. 이에 관하여, 탈산소화하고자 하는 표면 보다 위의 공간을 1 cm 정도로 작게 하여, 이온 발생과 이송 공정 모두를 효율적으로 진행할 수 있다. 둘째, 웨이퍼 범핑에서 리플로우를 위한 처리 온도는 통상의 리플로우 땜납 처리 온도보다 상당히 높다. 고온은 전자 부착에 의해 음으로 하전된 이온의 형성을 촉진한다. 세째, 웨이퍼 범핑 및 박막 탈산소화 공정에서, 땜납 범프와 박막은 완전히 노출되므로, 표면 탈산소화 동안 "쉐도우(shadow)" 효과를 최소화한다. 또한, 땜납이 부품 표면을 습윤화시키고 그 위에 확산되어야 하는 다른 납땜 공정과 비교하였을 때, 웨이퍼 위에 침착된 땜납 범프는 제1 리플로우시 땜납 볼을 형성하는 것만을 필요로 한다.
도 11 내지 14는 본 발명에 따른 기판의 처리 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는데 사용되는 바람직한 전극 조립체 장치를 나타낸 것이다. 도 11을 참조하면, 전극 조립체는 전도성 와이어(도시되지 않음)에 의해 전기적으로 접속된 돌출 전도성 팁(506)의 배열을 가진 에너자이징 전극(501), 및 접지 전위를 가진 베이스 전극(502)을 포함한다. 본원에 사용된 용어 "에너자이징 전극"은 접지(0)에 대하여 양전위 또는 음전위를 가진 전극인 전극을 말한다. 에너자이징 전극(501)은 베이스 전극(502)에 가까이 위치한다. 바람직하게도, 베이스 전극(502) 및 에너자이징 전극(501)은 약 0.5 cm 내지 약 5.0 cm의 간격을 두고 서로 떨어져 있다. 바람직한 구체예에서, 베이스 전극(502) 및 에너자이징 전극(501)은 1.0 cm의 간격을 두고 서로 떨어져 있다.
기판(503)은 베이스 전극(502)에 가까이 위치한다. 기판(503)은 절연부(504), 및 금속 산화물을 가진 처리 표면(505)을 포함한다. 바람직하게도, 처리 표면(505)의 적어도 일부는 에너자이징 전극(501) 및 베이스 전극(502)에 노출되어 있고, 에너자이징 전극(501) 및 기판(503)은 모두 표적 영역 내에 존재한다.
도 11 및 도 12(a)를 참조하면, 에너자이징 전극(501)은 전도성 와이어(도시되어 있지 않음)에 의해 전기적으로 접속된 돌출 전도성 팁(506)의 배열을 가진 절연판에 의해 한정된다. 바람직하게도, 절연판은 예를 들어 석영, 세라믹 물질, 중합체 및 그의 혼합물과 같은 절연 물질 중에서 선택된 물질을 포함한다. 하나의 구체예에서, 절연판은 석영을 포함한다. 또 다른 구체예에서, 절연판은 세라믹 물질을 포함한다.
하나의 특정 구체예에서, 돌출 전도성 팁은 베이스 판에 제거가능하게 접속된다. 예를 들어, 도 12(a)를 참조하면, 절연판의 이면(underside)에는 "키홀(key hole)"을 닮은 홀(507)이 존재한다. 각각의 홀(507)은 전도성 팁(506)이 홀(507)에 삽입되면 전도성 팁(506)을 전기적으로 접속하는 전도성 와이어(508)에 의해 접속 되어 있다. 도 12(b)는 홀(507) 중 3 개의 배열을 확대한 도면을 나타낸 것이다. 바람직하게도, 홀(507)(및 즉 전도성 팁(506))은 약 2 mm 내지 약 10 mm의 간격, 또는 약 5 mm 내지 약 8 mm의 간격, 또는 약 5 mm의 간격을 두고 서로 떨어져 있다. 홀(507)은 예를 들어 레이저 드릴링(laser drilling)과 같은 당업자들에게 공지된 임의의 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 13은 그의 상단(508)을 홀(507) 중 하나에 끼우고 전도성 와이어(508)와 접속시킨 다음 예를 들어 비틀림 운동에 의해 소정의 위치에 고정시킨 하나의 전도성 팁(506)을 나타낸다. 각각의 전도성 팁은 예를 들어 전도성 팁(506)을 소정의 위치에 고정시키는데 사용되는 것과는 반대 방향으로 비틀림 운동에 의해 풀어 제거할 수 있다. 바람직하게도, 전도성 팁(506)은 예를 들어 황동, 스테인리스 스틸, 니켈-크롬 합금 및 비교적 낮은 전자-방출 에너지를 가진 다른 물질과 같은 금속으로부터 형성된다. 또 다른 구체예에서, 전도성 팁(506)은 예를 들어 탄소 나노튜브와 같은 나노 튜브로 구성될 수 있다.
도 14에 도시된 구체예를 참조하면, 돌출 전도성 팁(506)은 제1 전기접속군(510) 및 제2 전기접속군(512)으로 분리되고, 제1 또는 제2 전기접속군 중 하나는 양으로 바이어스된 DC 전압원(516)과 접속되며, 제1 또는 제2 전기접속군 중 나머지는 음으로 바이어스된 DC 전압원(518)과 접속된다. 양으로 바이어스된 DC 전압원 및 음으로 바이어스된 DC 전압원은 음으로 바이어스된 DC 전압원 및 양으로 바이어스된 DC 전압원 사이에 에너지의 공급을 변경할 수 있는 기능 제어기(514)에 전기적으로 접속된다. 기능 제어기(514)와 각각의 양의 DC 전압원 및 음의 DC 전압 원 사이에는 각각 양의 DC 전압원 및 음의 DC 전압원과 연통하는 양의 펄스 발생기(520) 및 음의 펄스 발생기(522)가 있다. 펄스 발생기(520 및 522)는 사실상 스위치이다. 각각의 펄스 발생기가 기능 제어기(514)로부터 펄스 신호(예를 들어 0 내지 5 V의 저전압 펄스 신호)를 받으면, 상응하는 고전압 펄스(예를 들어 0 V 내지 설정 DC 전압)가 생성될 것이고, 상응하는 고전압원을 공급한다. 기능 제어기(514)는 이중 출력부를 가진다. 하나의 출력부가 상응하는 펄스 생성기에 접속되어 있는 경우, 다른 출력부는 다른 펄스 발생기와의 접속이 끊어짐으로써 기능을 변경시킨다. 전형적으로, 기능 제어기의 펄스 신호에는 2 개의 조정가능한 변수가 존재한다: 펄스화 주파수 및 전압의 온/오프 비.
실시하는 동안, 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물이 표적 영역을 통과하는 경우, 기능 제어기(514)는 음의 펄스 발생기(522)와 협력하여 음으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화하여 전도성 팁의 열을 에너자이징함으로써 표적 영역 내에서 전자를 발생시키는데, 여기서 전자의 적어도 일부는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착함으로써 음으로 하전된 환원성 기체를 형성하고, 이어서 그 음으로 하전된 환원성 기체는 처리 표면과 접촉하여 기판의 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시킨다. 이어서, 기능 제어기(514)는 양의 펄스 발생기(520)와 협력하여 음으로 바이어스된 DC 전압원을 탈활성화하고 전도성 팁의 나머지 세트 열을 에너자이징하여 처리 표면으로부터의 과잉의 전자를 회수한다. 바람직하게도, 음으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁의 열 및 양으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁의 열은 동시에 에너자이징되지 않는다. 실시하는 동 안, 기능 제어기(514)는 고주파수 펄수에서 음 내지 양으로 바이어스된 DC 전압을 변경할 수 있다. 바람직한 구체예예서, 전압 펄스화 주파수는 바람직하게도 약 0 내지 약 50 kHz, 더욱 바람직하게는 약 10 kHz 내지 약 30 kHz이다. 전압 펄스의 크기는 바람직하게는 약 1 kV 내지 약 3kV이다.
도 11 내지 도 14에 예시된 구체예에는 몇 가지 이점이 존재한다. 먼저, 이러한 구체예는 예를 들어 세라믹 기판과 같은 절연 기판 위의 예를 들어 산화구리와 같은 금속 산화물의 저온 환원을 허용한다. 절연 기판의 예로는 예를 들어 인쇄 회로판에 사용되는 경질 에폭시 유리 적층 기판, 가요성 회로에 사용된 가요성 중합체 필름(예를 들어, 폴리이미드) 기판, 집적 회로 상호접속 구성에 사용된 절연 기판, 중합체 기제 BGA(Ball Grid Array)의 고밀도 인터컨넥트와 같은 고밀도 인터컨넥트, 3-D 또는 적층 집적 회로 또는 3-D 또는 적층 패키징 기술에 사용된 절연 기판이 포함된다. 다음으로, 도 11 내지 도 14에 예시된 구체예는 각각의 전도성 팁 위의 전기장을 강화시킴으로써 인접하는 대향 전위의 팁 사이에 아킹(arcing) 없이 팁들 사이에 균일하게 전자를 방출하기 위한 임계 전압을 크게 감소시킬 수 있는 구조 및 전기적 배열을 제공한다. 본원에 개시된 방법 및 장치의 추가의 이점은 금속 대신 석영 또는 세라믹과 같은 절연 물질이 사용되는 경우 전극판의 열 팽창을 크게 감소시켜 고온, 이를 테면 300℃에서 전극의 열 편향을 제거할 수 있다는 것이다. 추가의 이점은 손상되거나 파손된 경우 전극판으로부터 전도성 핀을 제거하고 교체할 수 있다는 것이다.
도 15에 도시된 또 다른 구체예에서, 전극 조립체는 전도성 와이어(도시되어 있지 않음)에 의해 전기적으로 접속된 돌출 전도성 팁(605)의 배열을 가진 에너자이징 전극(600), 및 접지 전위를 가진 베이스 전극(606)을 포함한다. 에너자이징 전극(600)은 베이스 전극(606)에 가까이 위치한다. 챔버 내로 흐르는 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물이 전도성 팁(605) 중 적어도 일부로부터 표적 영역(609)에 존재하는 처리될 표면 또는 처리 표면(608)을 가진 기판(607)을 포함하는 표적 영역(609)으로 주입될 수 있도록, 돌출 전도성 팁(605)의 배열 중 적어도 일부는 챔버(601)의 내부 용적(602)과 유체 연통하는 내부 통로(도 15에 도시되어 있지 않음)를 가진다. 특정 구체예에서, 베이스 전극(606) 및 에너자이징 전극(600)의 베이스 판(604)은 약 0.5 cm 내지 약 5.0 cm의 거리를 두고 서로 떨어져 있거나, 다르게는 1.0 cm의 거리를 두고 서로 떨어져 있다.
도 15를 참조하면, 에너자이징 전극(600)은 내부 용적(602)을 가진 챔버(601), 상기 내부 용적(602)과 유체 연통하는 기체 주입구(603) 및 도 15에 도시된 것과 같은 전기적으로 절연된 베이스 판(604)을 포함한다. 절연 베이스 판(604)의 단면은 원형으로 도시되어 있지만, 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 이들의 조합과 같으나 이들에 한정되지 않는 다른 단면이 사용될 수 있음이 구상된다. 절연 베이스 판(604)은 예를 들어 석영, 세라믹 물질, 중합체 및 이들의 혼합물과 같은 절연 물질 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있다. 하나의 특정 구체예에서, 절연 베이스 판(604)은 석영을 포함한다. 또 다른 특정 구체예에서, 절연 베이스 판은 세라믹 물질을 포함한다. 다시 도 15를 참조하면, 에너자이징 전극(600)은 돌출 전도성 팁(605)의 배열을 추가로 가지는데, 여기서 각각의 전도성 팁(605)은 챔버 내 로 흐르는 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물이 전도성 팁(605)의 적어도 일부로부터 표적 영역(609)으로 주입될 수 있도록 챔버(601)의 내부 용적(602)과 유체 연통하는 내부 통로(도 15에 도시되어 있지 않음)를 가진다. 전도성 팁(605)은 금속과 같으나 이들에 한정되지 않는 물질, 예를 들어 황동, 스테인리스 스틸, 니켈-크롬 합금, 및 흑연, 탄소, 탄소 나노뉴브와 같으나 이들에 한정되지 않는 비교적 낮은 전자-방출 에너지를 가진 다른 물질과 같이 전자를 전달하는 물질로 구성될 수 있다.
도 16은 전도성 팁(605)의 하나의 구체예의 측면도를 제공한다. 도 16에 예시된 바와 같이, 전도성 팁(605)은 챔버(601)의 내부 용적(602)(도 15에 도시됨)과 유체 연통하는 내부 통로(611)(점선으로 도시됨) 및 처리할 영역(609)를 포함하는 본체부(610)를 가진다. 작동시, 환원성 기체의 적어도 일부는 내부 통로(611)을 통해 에너자이징 전극(601)의 내부 챔버(602)를 거쳐 처리할 영역 또는 표적 영역(609)을 통과할 수 있다. 도 16에 도시된 구체예에서, 전도성 팁(605)은, 챔버(601)의 절연판(604)(도 15에 도시됨) 위에 설치되도록, 전도성 팁(605)의 본체부(610) 외경의 직경 보다 큰 직경을 가진 플랜지 단부(613)를 추가로 포함한다. 도 16에 도시된 구체예에서, 전도성 팁(605)은 또한 플랜지 단부(flanged end)(613)의 반대편에 경사 팁(angled tip)(612)를 가진다. 무딘 단부, 뾰족한 단부, 피라미드형 단부 또는 원추형 단부와 같으나 이들에 한정되지 않은, 전도성 팁(605)의 경사 팁(612)의 다른 기하 구조가 또한 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
대안적인 구체예에서, 전도성 팁(605)은 절연 물질, 전도성 물질 또는 이들의 조합으로 제조된 튜브 내로 삽입되는 전도성 와이어일 수 있는데, 여기서 환원성 기체의 일부는 튜브의 내부 용적을 거쳐 표적 영역으로 통과한다.
특정의 구체예에서, 전자가 각각의 전도성 바늘 팁으로부터 발생되고, 상기 전자의 적어도 일부가 각각의 전도성 팁에서 흘러나오는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착하여 음으로 하전된 환원성 기체를 형성할 수 있도록, 전도성 팁(605)은 모두 전도성 와이어에 의해 함께 전기적으로 접속된 다음 음으로 바이어스된 DC 전압원에 접속된다. 이어서, 처리 표면을 음으로 하전된 환원성 기체와 접촉하게 하여 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시킨다. 본 구체예 또는 다른 구체예에서, 음으로 하전된 전자가 기판으로부터 접지로 배출될 수 있도록 기판은 전기 전도성이며 접지된다.
다른 구체예에서, 에너자이징 전극 조립체는 제1 전기접속군 및 제2 전기접속군으로 분리되는 전도성 팁(605)을 가지며, 여기서 전도성 팁의 제1 또는 제2 전기접속군 중 적어도 하나는 챔버(601) 내로 흐르는 환원성 기체를 포함하는 환원성 기체 혼합물이 각각의 전도성 팁(605)으로부터 주입될 수 있도록 챔버(601)의 내부 용적(602)과 연통하게 내부 통로를 가진 전도성 팁으로 제조되고, 전도성 팁(605) 중 적어도 하나의 군은 음으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되며 제1 또는 제2 전기접속군의 나머지 군은 양으로 바이어스된 DC 전압원에 연결되고, 음으로 바이어스된 DC 전압원과 양으로 바이어스된 DC 전압원은 음으로 바이어스된 DC 전압원과 양으로 바이어스된 DC 전압원 사이에서 에너지의 공급을 변경시킬 수 있는 기능 제 어기에 전기적으로 접속되어 있다. 이어, 환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물이 챔버(601) 및 내부 통로(611)를 가진 각각의 전도성 팁(605)에 흐르고, 전도성 팁(605) 중 적어도 한 군이 음으로 바이어스된 DC 전압원을 통해 활성화되어 전자가 각각의 전도성 팁(605)으로부터 발생될 수 있도록 하고, 전자의 적어도 일부가 전도성 팁(605)으로부터 나오는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착하여 음으로 하전된 환원성 기체를 형성한다. 본 구체예 또는 다른 구체예에서, 돌출 전도성 팁의 배열은 내부 통로를 가진 전도성 팁과 내부 통로가 없는 전도성 팁의 혼합물일 수 있다. 전도성 팁 중 후자 또는 내부 통로가 없는 것들은 과잉 전자의 적어도 일부를 회수하는데 사용될 수 있다. 이어서, 전도성 팁(605)의 다른 군은 양으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화되어 에너자이징됨으로써 기판(606)의 처리 표면으로부터 과잉의 전자를 회수하는데, 여기서 음으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁(605)의 적어도 하나의 군 및 양으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁(605) 중 나머지 군은 동시에 에너자이징되지 않는다.
특정 구체예에서, 환원성 기체 혼합물의 적어도 일부는 전도성 팁(605)의 내부 통로(611)를 거쳐 표적 영역(609) 또는 이들의 조합에 직접 흐를 수 있다. 이어서, 음으로 하전된 환원성 기체가 기판(607)의 처리 표면(608)과 접촉하여 기판(607)의 처리 표면(608) 위 금속 산화물을 환원시킨다. 본 구체예 또는 다른 구체예에서, 환원성 기체의 일부는 내부 통로를 가진 전도성 팁(605)에 흐를 수 있고, 환원성 기체 혼합물의 나머지 부분 또는 그의 성분, 이를 테면 N2는 표적 영 역(609)에 직접 흘러 원위치에서 환원성 기체 혼합물을 형성할 수 있다.
본원에 기술된 전극 조립체의 또 다른 구체예가 도 17에 도시되어 있다. 도 17은 내부 용적(702)을 가진 챔버(701), 기체 주입구(703), 절연판(704), 전도성 팁(706)을 가진 전도성 핀 플레이트(705) 및 슬롯(707)을 포함하는 에너자이징 전극 조립체(700)의 아이소메트릭 도면을 제공한다. 도 17에 도시된 구체예에서 절연판(704)은 챔버(701)로부터 전도성 핀 플레이트(705)를 분리하도록 작용하여, 환원성 기체, 불활성 기체, 캐리어 기체 및 이들의 조합물을 포함하는 기체가 내부 용적(702)을 거쳐 표적 영역(도시되어 있지 않음)으로 흐르도록 한다. 에너자이징 전극(700)은 하나의 조립체일 수 있거나 다르게는 간단히 부품 교체, 기체 분포 제어 등을 할 수 있도록 연속적으로 배열된 다수의 모듈 조립체일 수 있다. 챔버(701)에 대한 보다 상세한 도면이 각각 측면도 및 평면도로서 제공되는 도 18(a) 및 도 18(b)에 제공된다. 전도성 핀 플레이트(705)의 보다 상세한 도면이 각각 측면도 및 평면도로서 제공되는 도 19(a) 및 도 19(b)에 제공된다.
도 18(a) 및 도 18(b)를 참조하면, 에너자이징 전극(700)은 홀(708)의 배열을 더 포함하는 챔버(701)를 추가로 포함하는데, 이로써 절연판(704) 및 전도성 핀 플레이트(705)에서 종방향 슬롯(707)(도시되어 있지 않음)을 통과하기 전에 기체 주입구(703)을 통과할 수 있다. 기체의 나머지를 챔버(701)로 제공하는 한 쌍의 기체 주입구를 가진 것으로서 기체 분포 블록(701)이 도 16, 17(a) 및 18(b)에 도시되어 있다. 홀(708)은 기체 주입구(703) 및 종방향 슬롯(707)과 유체 연통하게 되어 있다. 측면도 18(a)에서, 홀(708)은 모서리를 깎아낸 형상 또는 "깔때기 형상" 으로 도시되어 있다. 그러나, 기체의 흐름을 챔버(701)를 거쳐 홀(708)로 및 종방향 슬롯(707)(도시되어 있지 않음)을 거쳐 표적 영역(도시되어 있지 않음)으로 최적화할 수 있는 홀(708)의 다른 형상도 사용될 수 있다. 측면도 18(b)에서, 홀(708)을 위에서 본 모양은 정사각형으로 도시되어 있다. 그러나, 홀(708)의 다른 형상, 이를 테면 예를 들어 원형, 타원형, 삼각형 또는 다른 형상이 사용될 수 있다. 홀(708)의 배열은 기체 주입구(703)를 거쳐 챔버(701)의 내부 용적(702)으로, 절연층(704)을 거쳐 종방향 슬롯(707)로의 기체의 흐름을 최적화하도록 선택될 수 있다.
도 19(a) 및 19(b)는 전도성 핀 플레이트(705)의 추가의 일면의 측면도 및 평면도를 제공한다. 도 19(a)는 전도성 핀 플레이트(705) 위의 다수의 전도성 팁(706)의 배열을 나타낸다. 챔버(701)의 내부 용적(702) 또는 이들의 조합과 유체 연통하게 내부 통로를 가진 전도성 팁(706)의 적어도 일부는 고체일 수 있다. 도 19(b)는 전도성 팁(706)의 두 열 사이에 존재하는 것으로 도시된 슬롯(707)을 추가로 예시하는 전도성 핀 플레이트(705)의 평면도이다. 전도성 핀 플레이트(705)는 중앙 처리 유닛에 전기적으로 접속되어 전도성 팁(706)의 배열로의 에너지의 흐름을 제어하는 하나 이상의 전원 컨넥터(709)를 추가로 포함한다. 반응성 기체, 캐리어 기체, 불활성 기체 및 이들의 조합과 같은 기체는 종방향 슬롯(709)를 거쳐 표적 영역(도시되어 있지 않음)으로 흐를 수 있다. 전도성 핀 플레이트(603)를 거친 기체 흐름은 챔버(701)의 차폐 시스템(baffling system)에 의해(도 18(a) 및 18(b) 참조) 제어될 수도 있고, 전원 컨넥터(709)를 통해 기체 분포 블록과 전기적으로 접속된 유량계 또는 질량 유량 제어기를 통해 제어될 수 있다. 절연판(704), 전도성 핀 플레이트(705) 위의 종방향 슬롯(704)의 치수 및 기류 개구의 치수는 컴퓨터 모델링 또는 기체 분포 모델링을 통해 최적의 기류 파라미터를 달성하도록 결정될 수 있다. 본 구체예 또는 다른 구체예에서, 하나 이상의 보충 기체는 기체 혼합물에 첨가될 수 있거나 기체 혼합물과 교대될 수 있고, 리플로우 로에서 통상적으로 보여지는 표준 기체 플레이트 또는 반응성 기체 또는 활성화 화학종을 희석시키지 않는 다른 방법를 통해 표적 영역(도시되어 있지 않음)으로 도입될 수 있다.
본원에 개시된 방법 및 장치는 다음의 실시예를 참고로 하여 더욱 상세히 설명될 것이나, 본 발명의 방법 및 장치가 이들로 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
실시예
실시예 1
제1 실험은 실험실 규모의 로를 사용하여 수행하였다. 사용된 샘플은 접지된 구리판(양극) 위에 존재하는 무플럭스 주석-납 땜납의 예비 성형체(융점 183℃)로서, 이를 로 내부에 부하하고 N2 중 5% H2의 기류하에 250℃ 이하로 가열하였다. 샘플 온도가 평형에 이르렀을 때, 음의 전극(음극) 및 접지된 샘플(양극) 사이에 DC 전압을 인가하고, 0.3 mA의 전류로 약 -2kV까지 점진적으로 증가시켰다. 상기 두 전극 사이의 간격은 약 1 ㎝였다. 압력은 주위 압력인 대기압이었다. 땜납이 구리 표면 위에 잘 습윤화되었는지를 관찰하였다. 전압을 인가하지 않으면, 구리 표면 위에 무플럭스 땜납의 양호한 습윤은 순수한 H2에서 조차 낮은 온도에서는 절대로 실현되지 않았는데, 그 이유는 주석계 땜납 위의 주석-산화물을 제거하기 위한, 순수한 H2의 효율적인 온도가 350℃ 이상이기 때문이다. 따라서, 이러한 결과는 전자 부착 방법이 H2 무플럭스 땜납을 촉진시키는 데 효율적이라는 것을 확인시켜 주는 것이다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 장치를 사용하고 전계 방출 메카니즘을 이용하여 전자-부착 보조 수소 무플럭스 땜납에 대하여 몇 가지 음극 재료를 조사하였다. 조사 결과를 아래 표 I에 나타내었다.
표 I에 나타낸 바와 같이, 가장 우수한 결과는 Ni/Cr의 음극을 사용했을 때 얻어졌는데, 플럭스 효율이 가장 높았고, 습윤화 시간이 가장 짧았다. 이는 Ni/Cr 음극이 다른 음극 재료에 비해 비교적 대량의 전자를 발생시켰으며 전자의 에너지 준위가 적당한 것으로 판단된다.
표 I: 250℃ 및 20% H2에서 습윤 시간에 대한 음극 재료의 효과
예리한 팁을 갖는 음극 막대의 재료 (지름 = 1/16") 습윤화 완료 시간
황동 1분 55초
구리 1분 44초
니켈 크롬 39초
알루미늄 1분 28초
스테인리스 스틸 1분
텅스텐 1분 54초
실시예 3
본 실시예는 전자 발생에 대한 열-전계 방출법의 효율을 조사하기 위하여 수행하였다. 표면으로부터 돌출된 길이 1 mm의 기계가공된 다수의 팁을 갖춘 직경 3 mm의 흑연 막대가 음극로서 작용하였으며, 도 2(i)에 도시된 것과 유사한 기하 구조를 가졌다. 기계가공된 돌출하는 팁 각각의 팁 각도는 25도였다. 흑연 막대를, AC 전원을 사용하는 저항가열에 의해 5% H2 및 95% N2의 기체 혼합물 중에서 약 400 내지 500℃로 가열하였다. 흑연 음극과, 갭 간격이 1.5 ㎝인 양극로서 작용하는 구리판 사이에 5 kV의 DC 전압원을 인가하였다. 흑연 막대 위의 모든 팁을 조사한 결과, 흑연 막대 위에 분포되어 있는 팁으로부터 전자가 균일하게 발생될 수 있었음을 나타내었다. 흑연 막대를 가열하지 않으면, 음극로부터 전자가 발생하지 않았거나, 상기 팁들 중 어느 하나와 양극판 사이에 아킹(arcing)도 일어나지 않았다. 이는 다수의 팁을 갖는 음극와 고온의 병용법 즉, 열-전계 방출 방법이 통합된 방출 시스템으로부터 균일하게 전자를 발생시키는데 효과적이라는 것을 입증하는 것이다.
실시예 4
본 실시예는 도 4에 도시된 전극과 같은, 기계가공된 2 개의 Al2O3 내열판 사이에 수평으로 클램핑 고정된 직경 0.04"의 니켈-크롬 합금의 가열 와이어를 사용하여 수행하였다. 니켈-크롬 가열 와이어로부터 수직으로 돌출한 예리한 팁(12.5도)을 와이어의 한쪽 단부에 각각 설치한 일련의 5 개의 니켈-크롬 합금 방출 와이 어를, AC 전원을 사용하여 5% H2 및 95% N2의 기체 혼합물 중에서 약 870℃로 가열하였다. 음극과, 양극으로서 작용하고 두 전극 사이에 6 mm의 간격을 갖는 구리판과의 사이에 2.6 kV의 DC 전압을 인가하였다. 5 개의 팁 모두를 조사하였으며, 이때의 총 전류 방출량은 2.4 mA에 이르렀다. 상기 와이어를 가열하지 않으면, 음극로부터 전자가 방출되지 않았거나, 상기 팁들 중 어느 하나와 양극판 사이에 아킹도 일어나지 않았다. 실시예 3과 마찬가지로, 실시예 4는 열-보조 전계 방출이 전자를 균일하게 방출한다는 사실을 입증하는 것이다. 또한, 방출 전극의 온도가 더 높기 때문에, 소정의 전위에서의 전자 방출량도 증가하였다.
실시예 5
본 실시예는 두 전극 사이의 전압 펄스가 음극 방출에 미치는 효과를 설명하기 위해 수행하였다. 단일 팁 니켈-크롬 합금 와이어를 방출 전극으로서 사용하고, 접지된 구리판은 베이스 전극으로서 작용하였다. 구리판을 방출 전극의 팁에서 3 mm 아래에 위치시켰다. 주석/납 땜납 예비 성형체를 구리판 위에 배치하였다. 니켈-크롬 와이어, 예비 성형체 및 구리판을 상온의 로 내에서 4% H2 및 나머지 N2의 기체 혼합물 중에 유지시켰다. 다양한 주파수 및 다양한 크기의 일방향성 전압 펄스를 두 전극 사이에 인가하였다. 이에 관하여, 방출 전극의 전위를 접지된 베이스 전극에 대하여 음에서 0으로 변화시켰고, 이로써 팁 전극으로부터 전자가 발생되었다. 결과를 표 II에 제공하였다.
표 II의 결과는 더 큰 펄스화 주파수 및 크기의 전압 펄스를 인가하였을 때 방출 전극으로부터 다량의 전자가 발생된다는 것을 나타낸다.
표 II: 일방향성 전압 펄스
펄스화 주파수(Hz) 0 250 500 1000 2500
3.4 kV에서 방출 전류 펄스화 크기(mA) 0 0.3 0.4 0.5 0.6
1.0 kV에서 방출 전류 펄스화 크기(mA) 0 0.1 0.1 0.2 0.2
실시예 6
본 실시예는 실시예 5와 동일한 장치를 사용하고 두 전극의 극성을 변화시킴으로써 표면 방전을 설명하기 위하여 수행하였다.
총 펄스화 크기가 3.4 kV(예컨대, +1.7 kV 내지 -1.7 kV)인 쌍방향성 전압 펄스를 두 전극 간에 인가하였다. 쌍방향성 전압 펄스 동안, 두 전극의 극성을 변화시켰다. 바꾸어 말하면, 방출 전극의 팁을 접지한 베이스 전극에 대하여 양에서 음으로 전기 바이어스를 변화시켜, 전자를 팁 전극으로부터 발생시키고 이를 회수하였다.
표 III은 극성 변화의 각 주파수에 대한 베이스 전극으로부터의 누설 전류를 제공한다. 표 III에 설명된 바와 같이, 극성 변화의 주파수가 클수록, 구리 베이스 전극을 통하여 나오는 누설 전류를 관찰한 바 더 낮은 전하가 축적되었다.
표 III: 쌍방향성 전압 펄스
펄스화 주파수(Hz) 250 500 1000 2500
누설 전류(mA) 0.00069 0.00054 0.00015 0.00015
실시예 7
본 실시예는 추가 전극을 사용함으로써 원격 표면 방전을 설명하기 위하여 수행하였다. 융점이 305℃인 90 Pb/10 Sn 땜납 예비 성형체를, 전기적으로 절연된 웨이퍼 위에 배치한 구리 기판의 소형 시편 위에 설치하였다. 접지된 구리판은 웨이퍼 아래에 배치하였으며, 베이스 전극으로서 작용하였다. 하나는 음의 전압이고, 다른 하나는 양의 전압인 2 개의 단일 팁 니켈-크롬 와이어를 땜납 예비 성형체를 가진 베이스 전극 1 cm 위에 설치하였다. 2 개의 단일 팁 전극 간의 거리는 1.5 cm였다. 이것을 N2 중 4% H2를 함유하는 기체 혼합물 내에서 실온 내지 땜납의 융점 보다 높은 소정의 리플로우 온도로 가열하였다. 리플로우 온도가 평형에 도달하면, 2 개의 단일 팁 전극에 양전압과 음전압을 인가하여 전자 부착을 개시하고, 땜납 예비 성형체가 구형 볼을 형성하는데 소요되는 시간을 기록하였다. 구형 땜납 볼의 형성은 산화물이 없는 땜납 표면을 나타내는 것이다. 표 IV에 나타낸 바와 같이, 표면 탈산소화는 땜납의 융점보다 단지 5 내지 15℃ 높은 310 내지 330℃의 온도 범위에서 상당히 효과적이다.
표 IV:
등온 리플로우 온도(℃) 310 320 330
볼 형성 시간(초) 20, 18, 20, 24 17, 13, 16 14, 12
평균 볼 형성 시간(초) 20.5 15.3 13
실시예 8
석영판 기반 전극을 로 내에 설치하였다. 석영판 위 금속 핀 사이의 간격은 0.5 cm였다. 기판은 세라믹 기판 위의 구리판으로 하였고, 이를 접지 전극(즉, 베 이스 전극) 위에 배치하였다. 구리 표면과 석영판 위 금속 핀의 팁 사이의 간격은 1 cm였다. 5% H2 및 나머지 N2로 로를 깨끗하게 하였다. 펄스화 주파수 10 kHz, 0 내지 -3.12 kV 범위의 펄스 전압을 석영 전극에 인가하였다. 방출 핀 모두로부터 균일한 전자 방출이 관찰되었다. 각각의 방출 핀으로부터의 평균 방출 전류는 약 0.3 mA였다. 유의하게도, 방출 팁 사이의 간격이 0.5 cm로 작았던 본 구체예에서는 아킹이 전혀 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 석영판 기반 전극으로부터 균일한 전자 방출을 위한 임계 전압이 기체 이온화의 것보다 매우 낮은 수준으로 크게 감소된다는 것을 입증한다.
실시예 9
석영판 기반 전극을 로 내에 설치하였다. 석영판 위 금속 핀 사이의 간격은 1.0 cm였다. 처리할 기판은 공기중에서 150℃로 2 시간동안 예비산화시킨 구리판이었는데. 이 구리판의 색은 원래 구리판에 비해 더 진해졌다. 산화물 두께는 오거(Auger) 분석법에 의해 약 400Å로 추정되었다. 예비산화된 구리판을 세라믹 기판 위에 배치한 다음 접지 전극 위에 위치시켰다. 예비 산화된 구리판의 표면과 석영판 위 금속 핀의 팁 사이이의 간격은 1 cm였다. 5% H2 및 나머지 N2로 로를 깨끗하게 하고 200℃로 가열하였다. 각각 +1.2kV 및 -1.2kV의 크기의 양 및 음의 전압을 금속 핀의 서로 다른 두 군에 교대로 인가하였다. 교번 주파수는 15 KHz이었다. 균일한 전자 방출이 관찰되었다. 상기한 조건하에서 이와 같이 전자 부착 처리하고 15 분후, 구리판을 로에서 꺼냈다. 처리한 구리 표면의 색이 원래 구리판 색으로 변한 것으로 관찰되었다. 본원에 개시된 전자 부착 공정을 적용하지 않은 경우, 예비 산화된 구리 표면 위에서의 산화물 감소는 동일한 열 공정에서 비효율적임을 알 수 있었다.
실시예 10
내부 용적을 가진 파이렉스 유리 챔버, 상기 내부 용적과 유체 연통하는 기체 주입구, 및 각각 상기 내부 용적과 유체 연통하는 내부 통로를 가진 다수의 전도성 팁이 구비된 세라믹 베이스의 절연 베이스를 포함하는 에너자이징 전극을 다음과 같이 제조하였다. 유리 챔버는 그 형태가 원통형이었고, 직경이 6.0 cm, 높이가 8.0 cm였다. 홀간 간격이 5 mm이고 직경이 0.65 mm인 97 개의 홀 배열이 되도록 세라믹 베이스 판을 드릴링하였다. 각각의 전도성 팁은 챔버의 내부 용적과 유체 연통하며 외경 0.64, 내경 0.32의 내부 통로를 가지며, 팁은 12도 각도로 경사진 단부 및 외경 0.9 mm의 플랜지 단부를 가진다. 97 개의 전도성 팁 모두를 세라믹 베이스 판에 삽입하고 소정 위치에서 플랜지 단부로 고정하였다. 고온 땜납을 사용하는 땜납 공정에 의해 97 개의 전도성 팁 모두를 직경 0.0035 인치의 니켈 크롬 와이어를 사용하여 전기적으로 접속하였다. 조립 에너자이징 전극을 실험실 규모의 로 내에 설치하였다. 융점 183℃, 직경 2 mm, 높이 1 mm의 무플럭스 주석-납 땜납 예비 성형체 5 개를 베이스 전극으로서 작용하는 10 cm×10 cm 정사각형 모양의 접지된 구리판의 상이한 위치에 배치하였다. 그의 상면에 땜납 예비 성형체를 가진 구리판을 로 내측의 에너자이징 전극의 전도성 팁의 단부 1 cm 아래에 배치하였다. 가열하는 동안 5% H2와 95% N2의 환원성 기체 혼합물을 로 내에 도입하였다. 평형 온도 220℃에 도달했을 때, 펄스화 주파수 10 kHz, 0 내지 -3 kV 범위의 펄스 전압을 에너자이징 전극에 인가하였다. 모든 바늘 팁으로부터 균일한 전자 방출이 관찰되었다. 각각의 바늘 팁으로부터의 평균 방출 전류는 약 0.3 mA였다. 전자 방출 30 분후, 실험을 중단시키고 로를 냉각시킨 후 퍼니스에서 샘플을 꺼냈다. 모든 땜납 예비 성형체가 구리판 위에 잘 습윤화되었음을 알 수 있었다.
비교로서, 유사한 방출 전극 조립체를 동일한 로에 배치하였는데, 단 유리 챔버의 내부 용적과 유체 연통하는 내부 통로를 가진 전도성 팁은 동일하지는 않았다. 내부 통로를 가진 이들 전도성 팁을 사용하지 않는 경우, 퍼니스 온도가 250℃ 이상이고 방출 시간이 1 분 이상이 아니면 에리어 어레이 방출 팁 아래 동일한 땜납 습윤화는 수득될 수 없었다. 이와 같은 비교는 수소-함유 환원성 기체가 흐르게 되는 내부 용적과 연통하게 내부 통로를 구비한 전도성 팁을 가진 내부 용적을 포함하는 에너자이징 전극을 사용하면 전자 부착 공정의 효율이 개선된다는 것을 입증하는 것이다.
본 발명은 절연 기판을 비롯한 기판의 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 무플럭스 방법 및 장치를 제공함으로써, 땜납 범핑된 웨이퍼를 비교적 저온에서 무플럭스 리플로우 처리하여 열에너지를 경제적이고 효율적으로 감소시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 방출 및 베이스 전극에서의 전압 펄스를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2i는 전자의 방출 및/또는 회수에 적합한 다양한 전극의 기하구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 다수의 팁을 사용하는 전자의 방출 및/또는 회수에 적합한 전극의 하나의 구체예의 예를 제공한 것이다.
도 4는 구획된 조립체를 가진 전자의 방출 및/또는 회수에 적합한 전극의 하나의 구체예의 예를 제공한 것이다.
도 5는 웨이퍼 범핑 용도에서 표면 금속 산화물의 제거를 예시하는 본원에 기술된 방법의 하나의 구체예의 예를 제공한 것이다.
도 6은 웨이퍼 범프의 리플로우 동안 전극의 극성을 변화시킴으로써 기판 표면 상의 음으로 하전된 이온을 제거하기 위한 본원에 기술된 방법의 특정 구체예를 예시한다.
도 7a 및 도 7b는 두 전극의 극성이 변화될 때 두 전극 사이에서 하전된 화학종의 수송을 예시한 것이다.
도 8은 베이스 전극에 대해 양의 바이어스를 가진 추가의 전극을 사용하여 기판 표면 상의 전자를 제거하기 위한 본원에 기술된 방법의 특정 구체예를 예시한 것이다.
도 9a 내지 도 9e는 기판에 대해 적어도 하나의 전극의 이동을 이용하는 본 원에 기술된 방법 및 장치의 특정 구체예를 다양하게 예시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 일방향 전압 펄스 및 쌍방향 전압 펄스를 예시한 것이다.
도 11은 본 발명의 전극 조립체의 구체예를 예시한 것이다.
도 12(a) 및 도 12(b)는 도 11의 구체예의 특정 특성을 예시한 것이다.
도 13은 도 11의 구체예에서 사용된 전도성 팁을 예시한 것이다.
도 14는 도 11의 구체예에서 사용된 전도성 팁의 전기적 배열의 도면이다.
도 15는 본원에 개시된 에너자이징 전극 조립체의 구체예를 예시한 것이다.
도 16은 경사 팁 및 플랜지 단부를 통과하는 내부 통로를 가진 전도성 팁의 구체예를 예시한 것이다.
도 17은 본원에 개시된 전극 조립체의 다른 구체예의 아이소메트릭 도면을 제공한 것이다.
도 18(a) 및 도 18(b)는 각각 도 17의 전극 조립체의 특정 특성의 측면도 및 평면도를 제공한 것이다.
도 19(a) 및 도 19(b)는 각각 도 17의 전극 조립체의 특정 특성의 측면도 및 평면도를 제공한 것이다.

Claims (26)

  1. 기판의 처리 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 방법으로서,
    접지 전위를 가진 베이스 전극에 가까이 위치하며, 금속 산화물을 포함한 처리 표면을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
    베이스 전극 및 기판에 가까이 위치하는 에너자이징 전극을 제공하는 단계로서, 처리 표면의 적어도 일부는 에너자이징 전극에 노출되고, 베이스 전극 및 에너자이징 전극 및 기판은 표적 영역 내에 존재하며, 에너자이징 전극은 돌출 전도성 팁의 배열을 포함하는 절연판에 의해 한정되고, 전도성 팁은 전도성 와이어에 의해 전기적으로 접속되며, 배열의 일부는 제1 전기접속군 및 제2 전기접속군으로 분리되고, 제1 또는 제2 전기접속군 중 하나는 양으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되며, 제1 또는 제2 전기접속군 중 나머지는 음으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되고, 양으로 바이어스된 DC 전압원 및 음으로 바이어스된 DC 전압원은 음으로 바이어스된 DC 전압원과 양으로 바이어스된 DC 전압원 사이에서 에너지의 공급을 변경할 수 있는 기능 제어기(functional controller)에 전기적으로 접속되는 것인 단계;
    환원성 기체를 포함하는 기체 혼합물을 표적 영역으로 통과시키는 단계;
    음으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화하여 전도성 팁의 열(row)을 에너자이징함으로써 표적 영역 내에서 전자를 발생시키는 단계로서, 전자의 적어도 일부는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착함으로써 음으로 하전된 환원성 기체를 형성하는 것인 단계;
    처리 표면을 음으로 하전된 환원성 기체와 접촉시켜 기판의 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시키는 단계; 및
    양으로 바이어스된 DC 전압원을 활성화하여 전도성 팁의 열을 에너자이징함으로써 처리 표면으로부터 과잉의 전자를 회수하는 단계로서, 음으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁의 열 및 양으로 바이어스된 DC 전압원에 전기적으로 접속된 전도성 팁의 열은 동시에 에너자이징되지 않는 것인 단계
    를 포함하는 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 에너자이징 전극은 내부 용적 및 이 내부 용적과 유체 연통하는 기체 주입구를 추가로 포함하고, 상기 전도성 팁의 적어도 일부는 내부 용적과 유체 연통하는 내부 통로를 가지며, 상기 환원성 기체의 적어도 일부는 기체 주입구를 거쳐 내부 용적으로 그리고 내부 통로를 거쳐 표적 영역으로 통과하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 절연판은 내부 용적과 유체 연통하는 슬롯(slot)을 추가로 포함하며, 상기 환원성 기체의 적어도 일부는 슬롯을 거쳐 표적 영역으로 통과하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 환원성 기체가 H2, CO, SiH4, Si2H6, CF4, SF6, CF2Cl2, HCl, BF3, WF6, UF6, SiF3, NF3, CClF3, HF, NH3, H2S, 선형, 분지형 또는 환형 C1 내지 C10 탄화수소, 포름산, 알코올, 하기 일반식 (III)을 갖는 산성 증기, 하기 일반식 (V)을 갖는 유기 증기 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 기체인 방법:
    Figure 112009028783135-PAT00003
    Figure 112009028783135-PAT00004
    상기 식 (III) 및 (IV)에서, 치환기 R은 알킬기, 치환된 알킬기, 아릴기 또는 치환된 아릴기이다.
  5. 제4항에 있어서, 상기 환원성 기체는 H2를 포함하는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 환원성 기체 중 수소의 농도가 0.1 내지 100 부피%인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기체 혼합물은 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 캐리어 기체를 추가로 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전도성 팁은 약 2 mm 내지 10 mm의 간격을 두고 서로 떨어져 있는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전도성 팁은 약 5 mm 내지 약 8 mm의 간격을 두고 서로 떨어져 있는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전도성 팁은 약 5 mm의 간격을 두고 서로 떨어져 있는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 베이스 전극 및 에너자이징 전극은 약 0.5 cm 내지 약 5.0 cm의 간격을 두고 서로 떨어져 있는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 베이스 전극 및 에너자이징 전극은 1.0 cm의 간격을 두고 서로 떨어져 있는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전압의 범위가 0.1 kV 내지 30 kV인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 주파수가 0 kHz 내지 30 kHz인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 기판의 온도 범위가 100℃ 내지 400℃인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 전압은 아킹(arcing)을 방지하기 위해 0 kHz 내지 50 kHz의 주파수에서 펄스화되는 것인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 절연판은 석영, 세라믹 물질, 중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 물질을 포함하는 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 절연판이 석영판인 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 절연판은 중합체를 포함하는 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 중합체가 에폭시 중합체인 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 처리 표면은 땜납 범프(solder bump)를 추가로 포함하는 것인 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 기판이 경질 에폭시 유리 적층 기판, 가요성 중합체 기판, 집적 회로 상호접속 구성(interconnection scheme)에 사용된 기판, 고밀도 인터컨넥트(interconnect), 적층 집적 회로에 사용된 기판 및 적층 패키지에 사용된 기판으로 이루어진 군 중에서 선택되는 절연 기판인 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 돌출 전도성 팁은 상기 절연판에 제거가능하게 부착되는 것인 방법.
  24. 표적 영역에 존재하는 기판의 처리 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 장치로서,
    접지 전위를 가진 베이스 전극; 및
    베이스 전극, 및 전도성 팁의 배열을 포함한 절연판을 포함하는 기판에 가까이 위치하는 에너자이징 전극으로서, 전도성 팁은 전도성 와이어에 의해 전기적으로 접속되고, 배열의 일부는 제1 전기접속군 및 제2 전기접속군으로 분리되고, 제1 또는 제2 전기접속군 중 하나는 양으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되며, 제1 또는 제2 전기접속군 중 나머지는 음으로 바이어스된 DC 전압원에 접속되고, 양으로 바이어스된 DC 전압원 및 음으로 바이어스된 DC 전압원은 음으로 바이어스된 DC 전압원과 양으로 바이어스된 DC 전압원 사이에서 에너지의 공급을 변경할 수 있는 기능 제어기에 전기적으로 접속되어 있는 것인 에너자이징 전극
    을 포함하고,
    전도성 팁의 적어도 일부는 음으로 바이어스된 DC 전압원에 의해 활성화되어 표적 영역 내에서 전자를 발생시키고, 전자의 적어도 일부는 표적 영역 내에 존재 하는 환원성 기체의 적어도 일부에 부착함으로써 음으로 하전된 환원성 기체를 형성하며, 음으로 하전된 환원성 기체는 처리 표면과 접촉하여 기판의 처리 표면 상의 금속 산화물을 환원시키는 것인 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 에너자이징 전극은 내부 용적 및 이 내부 용적과 유체 연통하는 기체 주입구를 추가로 포함하고, 상기 전도성 팁의 적어도 일부는 내부 용적과 유체 연통하는 내부 통로를 가지며, 상기 환원성 기체의 적어도 일부는 기체 주입구를 거쳐 내부 용적으로 그리고 내부 통로를 거쳐 표적 영역으로 통과하는 것인 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 절연판은 내부 용적과 유체 연통하는 슬롯을 추가로 포함하며, 상기 환원성 기체의 적어도 일부는 슬롯을 거쳐 표적 영역으로 통과하는 것인 장치.
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