KR20220025882A - 표면으로부터 입자를 제거하기 위한 레이저 에너지 사용 방법 - Google Patents

Abstract

선택적으로 표면에 융삭을 유발하지 않으면서, 다공성 표면과 같은 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 레이저 에너지를 사용하는 방법이 기재된다.

Description

표면으로부터 입자를 제거하기 위한 레이저 에너지 사용 방법

하기 설명은 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 레이저 에너지를 사용하는 방법에 관한 것이다.

표면의 입자 오염, 즉 표면에서의 원치 않거나 잠재적으로 유해한 고체인, 소규모 입자의 존재는 많은 분야에서 발생한다. 많은 방법이 개발되었으며 통상적으로 표면으로부터 입자를 제거하는 데 사용된다. 한 가지 통상적인 방법은 초음파 세척에 의한 것이다

반도체 및 마이크로전자 장치 가공 분야에서, 입자 및 다른 유형의 오염물질이 없도록 설계된 깨끗한 가공 환경에서의 입자 오염은 제품 수율을 감소시킨다. 가능한 한 입자 오염이 없어야 하는 진공 챔버에서와 같은 깨끗한 가공 환경에서 반도체 및 마이크로전자 장치 기판을 가공하기 위해 다양한 방법, 장비 및 시스템이 사용된다.

진공 챔버에서 수행되는 공정의 예는 다음을 포함한다: 기판의 표면을 화학적으로 개질시키도록[예를 들어, 불순물을 주입하여 표면을 "도핑(dope)"하는 것]; 또는 표면 상에 물질 층을 침착시키도록(예를 들어, 화학 기상 증착에 의해); 또는 제어된 진공 플라즈마를 사용하는 플라즈마 처리에 의해서와 같이 기판의 표면의 일부 또는 전부를 변경(예를 들어, 에칭에 의해 제거)시키도록 설계된 공정. 진공 챔버는, 특히 이온 주입 장치, 증착 또는 화학 기상 증착(CVD) 시스템 또는 플라즈마 챔버와 같은 더 큰 시스템의 일부이다.

반도체 및 마이크로전자 장치 제조를 위한 다른 공정은 반도체 가공 도구를 사용하여 반도체 또는 마이크로전자 장치 기판에 대해 박막 재료를 침착, 처리 또는 제거하는 것을 포함할 수 있다. 예시적인 도구는 특히 박막 침착 도구에 적합화된 도구, 기판 표면의 세척 또는 에칭에 적합화된 도구를 포함한다.

깨끗한 가공 공간은 공간을 한정하거나 공간 내에서 존재하고 기능하는 다양한 물리적 구성요소로 한정된다. 이들 구조는 특히 챔버의 내부 벽 위의 라이너(liner), 유동 구조, 개구, 장벽, 지지 구조와 같은 보호 구조를 포함한다. 이러한 상이한 구조는 불활성이고 안정하며 깨끗한 공간 내에서 바람직하지 않은 입자 오염물질의 공급원이 되지 않도록 선택된 물질로 제조된다. 그럼에도 불구하고, 이들 구조에 대해 공지된 물질은 전형적으로, 특히 가공을 위한 시스템 및 깨끗한 공간을 준비하는 "시동(start-up)" 기간 동안 챔버의 공간으로 아주 작은 입자를 방출한다. 시스템 내에서의 가공 동안, 입자 오염물질은 가공되고 있는 기판의 표면 상에 오염 물질로 남아서 기판 상에 생산되는 장치의 수율에 악영향을 미칠 수 있다.

깨끗한 공간을 한정하거나 깨끗한 공간에서 사용되는 많은 물리적 구조는 이러한 목적을 위해 특별히 제작된다. 이들 구조는 때때로 "성형 부품(shaped part)"이라고 지칭될 수 있는데, 이는 부품이 일반적으로 높은 정밀도로 특정 크기 및 형상 요건으로 제조되기 때문이다. 성형 부품은 종종 성형 조각을 생산하기 위해 더 큰 조각("블록")에서 물질을 제거하는 기계가공 방법으로 제작된다.

기계가공 공정은 더 큰 조각에서 물질을 제거하기 위해 절단, 마찰 또는 융삭을 사용하며, 공정 중에 성형 부품의 표면에 남아 있을 수 있는 매우 미세한 입자(예를 들어, "분진")가 많이 생산된다. 이들 입자의 대부분은 기계가공 중에 진공을 통해 부품으로부터 멀리 운반될 수 있다. 그러나 입자의 일부가 성형 부품의 표면의 세공이나 다른 구조 내로 밀착되어 이들 입자를 제거하기 매우 어려울 수 있다.

성형 부품은 일반적으로, 휘발성 물질을 함유하지 않고 비-반응성인, 예를 들어 진공 챔버와 같은 깨끗한 공간에 존재하는 가공 물질에 대해 상대적으로 불활성인 안정한 물질로 제조된다. 표면에서의 물질 또는 일반적으로 물질은 다공성일 수 있다. 반도체 및 마이크로전자 가공 시스템의 성형 부품에 종종 사용되는 물질의 예로는 탄소 및 흑연과 같은 탄소질 물질을 포함한다. 흑연은 이온 주입 시스템의 진공 챔버 내의 많은 물품에 사용되는데, 이는 흑연이 5 백만분율(5ppm) 미만으로 금속을 제거하도록 정제될 수 있기 때문이다. 흑연의 단점은, 언급된 바와 같이, 초음파 세척과 같은 전형적인 세척 공정에 의해서는 제거될 수 없는 내장된 기계가공 분진을 비롯한 성형 부품의 제작 동안 생산된 분진 입자를 방출할 수 있다는 것이다.

계측 장치가 개선되고 입자 오염물질이 없도록 설계된 청정 공간 내에서 더 작은 입자가 검출될 수 있게 됨에 따라 개선된 입자 제거 방법의 필요성이 증가되었는데, 이는 입자 수가 크기의 감소에 따라 기하급수적으로 증가하기 때문이다. 반도체 및 마이크로전자 장치 가공에 사용되는 표면을 포함하여 표면으로부터 다양한 유형의 잔류 입자를 제거하는 방법이 존재하지만, 현재의 방법은 원하는 만큼 효과적이지 않다.

한 측면에서, 본 발명은 입자 함유 표면으로부터 입자를 제거하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 레이저 에너지의 양이 표면으로부터 입자의 분리를 유발하기에 충분하도록 입자를 포함하는 표면 위치에서 레이저 에너지를 적용하는 단계를 포함한다. 표면은 다공성 표면이고 탄소질 또는 세라믹이다.

다른 측면에서, 본 발명은 입자 함유 표면의 입자가 포함된 위치에서 레이저 에너지를 적용하는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 표면에 관한 것이다. 레이저 에너지는 표면으로부터 입자의 분리를 유발하기에 충분한 양으로 적용된다. 표면은 다공성이고 탄소질 또는 세라믹 중 어느 하나이다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 표면에 레이저 에너지를 적용함으로써 표면으로부터 입자를 제거하는 방법에 의해 제조된, 기재된 바와 같은 표면을 포함하는 성형 부품에 관한 것이다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 표면 또는 기재된 바와 같이 표면에 레이저 에너지를 적용함으로써 표면으로부터 입자를 제거하는 방법에 의해 제조된 표면을 갖는 성형 부품을 포함하는 관련 시스템 또는 진공 챔버 또는 반도체 제조 도구와 같은 장비에 관한 것이다.

도 1은 기재된 바와 같은 예시적인 방법의 특징을 도시한다.
도 2는 레이저 에너지를 사용하여 예시적인 흑연 표면으로부터 입자를 제거하는 본 발명의 방법의 결과를 보여준다.
도 3a, 3b 및 3c는 표면 및 표면 입자의 사진이다.

본 발명은 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 레이저 에너지를 사용하여 물품의 표면을 가공하는 방법에 관한 것이다. 표면은 표면에서 입자를 끌어당기거나 보유하는 다공성이고 거친 표면, 또는 그렇지 않더라도 텍스쳐화된 표면의 형태일 수 있다. 입자는 표면에 위치한다. 입자는 매우 작은, 심지어 "분진 입자"와 같은 미시적 규모의 입자일 수 있다.

표면은 표면과 접촉하고 있으며 바람직하게 제거될 수 있는 입자를 포함하는 임의의 표면일 수 있다. 표면은 "다공성"일 수 있으며, 이는 본원에서 사용되는 바와 같이 미시적 규모의 세공 또는 다른 비-평면 표면 특징부[즉, "토포그래피(topography)"], 예를 들어 마이크론 규모 또는 나노미터 규모의 비-평면 표면 특징부(국소 규모의 비-평면 표면 편차)을 포함하는 표면을 지칭한다. 일부 형태의 "세공"은 표면의 물질의 두께를 통해 분포될 수 있는 반면, 다른 형태의 "세공"은 물질의 표면에 존재하고 표면 아래에는 존재하지 않을 수 있다. 토포그래피는 특히 유사한 규모 또는 더 작은 규모의 입자가 비-평면 표면 특징부에 또는 그 안에 부착하고 모이는 것을 허용하거나 유발하는 특징을 포함한다. "다공성"이라는 용어의 일반적인 의미 내에서 표면의 예는 표면에서 입자를 끌어당기거나 보유하는 거칠거나, 텍스쳐화되거나, 고르지 않거나, 구조화된 특징과 같은 토포그래피를 마이크로 규모 또는 나노 규모로 포함하는 표면을 포함하며; 예는 다공성 물질의 세공(둥근 개방형 또는 폐쇄형 "셀"), 표면에 존재하고 표면 아래로 연장되는 개구부(예컨대, 3차원 개구, 채널, 홈 또는 웰); 돌출부; 균열; 뿐만 아니라 초음파 세척과 같은 공지된 입자 제거 기술에 의해 입자를 끌어당기고 입자의 제거를 방해하거나 방지하는 다른 유사한 마이크로 규모 또는 나노 규모 구조를 포함한다.

기재된 방법에 따르면, 레이저 에너지는 입자가 표면으로부터 분리되도록 하는 방식으로 입자의 위치에서 표면에 적용된다. 레이저 에너지는 입자가 표면으로부터 분리되도록 하기에 충분하지만, 또한 표면의 물질의 융삭에 의해 표면에 원하지 않는 손상을 피하기에 충분히 낮은 조사량(총 에너지 수준)으로 적용될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "융삭"은 물질을 파괴하여 물질이 표면으로부터 제거되도록 표면에 레이저 에너지를 조사함으로써 고체(비-액체) 물질로 제조된 표면으로부터 물질이 제거되도록 하는 것을 지칭한다. 낮은 레이저 플럭스에서 물질은 흡수된 레이저 에너지에 의해 가열되고 증발 또는 승화에 의해 제거된다. 높은 레이저 플럭스에서 물질은 전형적으로 플라즈마로 전환된다.

특정 예에 따르면, 본 발명의 방법은 탄소질 또는 세라믹 물질로 제조된 표면, 예를 들어 표면에 세공을 갖는 탄소질 또는 세라믹 물질(여기서 입자 또한 탄소질 또는 세라믹 물질로 제조된다)로부터 미세 입자를 제거하는 데 특히 효과적일 수 있다. 입자의 탄소질 또는 세라믹 물질은 표면을 구성하는 동일한 탄소질 또는 세라믹 물질일 수 있고 또는 상이한 탄소질 또는 세라믹 물질일 수 있다. 종종 입자가 표면을 기계가공 또는 형성하는 이전 공정 동안 생산된 분진 입자인 경우, 입자를 구성하는 물질은 표면의 것과 동일한 탄소질 또는 세라믹 물질이다.

특정 응용 분야에서, 표면은 이온 주입 시스템, 플라즈마 처리 시스템, 또는 침착 챔버(예를 들어, 화학 기상 증착용)의 진공 챔버 내와 같은 반도체 또는 마이크로전자 장치 가공 시스템 내부에서 사용되는 구성요소[일명 "부품" 또는 "성형 부품"]의 표면일 수 있다. 다른 응용 분야에서, 표면은 반도체 가공 도구의 내부에 존재하는 구성요소일 수 있다. 진공 챔버 또는 반도체 공정 도구의 내부는 극도로 깨끗하게 유지되고 가능한 한 입자 오염이 없는 깨끗한 공간이다. 따라서, 이들 구조 중 하나의 내부에 사용되는 성형 부품은 입자 오염의 공급원이 되어서는 안 된다.

이들 부품("성형 부품")은 통상적으로 매우 정밀한 물리적 형태, 물리적 치수 또는 다른 정밀한 특징을 나타내도록 형성된다. 고정밀 부품을 형성하기 위한 예시적인 방법은 높은 수준의 정밀도와 부품 간 및 부품 내 균일성을 제공하는 다양한 기계가공 기술을 포함한다. 이 방법은 물질의 블록으로 시작하여 기계가공, 연삭, 절단 또는 또 다른 제거 기술에 의해 원래 물질의 일부를 제거하여 원하는 고정밀 형태 및 크기를 갖는 최종 성형 부품을 생산한다. 예시 기술(집합적으로 "기계가공" 기술이라고 함)은 정밀 연삭, 밀링, 선반가공, 절단, 래핑, 호닝, 초음파 기계가공, 워터 제트 또는 연마 제트 기계가공, 레이저 기계가공, 방전 가공, 이온-빔 가공, 전자-빔 가공, 화학적 가공, 전기화학적 가공 등을 포함한다.

기계가공 공정 동안, 성형 부품의 표면을 형성하기 위해 제거되는 물질은, 물질이 제거될 때, 블록의 물질의 작은 입자를 생산한다. 입자는 종종 미세한(미시적) 분진 입자의 형태이다. 진공 챔버 또는 다른 깨끗한 공간에 부품이 설치되어 사용될 때 부품의 표면에 입자가 남아 있는 경우, 입자가 표면으로부터 방출되어 입자 오염물질로서 진공 챔버 또는 깨끗한 공간 내부에 배치될 수 있다.

기계가공에 의한 표면의 성형 동안 생산된 대부분의 입자는 성형 공정 동안, 예를 들어 진공에 의해, 표면으로부터 수집 및 운반 제거될 수 있다. 그러나 일부 양의 입자는 표면에서 보유될 수 있는데, 특히 표면이 입자가 물리적으로 수집되고 진공에 의해 제거되는 것에 저항성이 되는 경향이 있는 토포그래피를 포함하고 있는 경우에 그렇다. 표면에 남아있는 입자의 양의 일부는 표면이 완전히 형성된 후 용제 세척 또는 초음파 세척과 같은 세척 또는 입자 제거 기술에 의해 제거될 수 있다. 그러나 이들 입자의 일부는 표면에 더 강하게 끌어당겨지거나 또는 표면에 (기계적으로) 더 견고하게 포획될 수 있다(예를 들어, 세공 또는 다른 토포그래피에 의해 표면에 고정됨). 이러한 입자는 제거하기가 더 어려우며 용제 세척, 진공 또는 초음파 세척과 같은 기존의 기술이 완전히 효과적이지는 않다.

본 설명에 따라 레이저 에너지로 처리될 표면은 용제 세척, 진공 또는 초음파 세척 기술에 의해 입자를 제거하기 어렵게 만드는 토포그래피에 위치하는 입자를 포함하여, 본원에 기재된 것들과 같은, 표면에서의 입자를 포함한다. 입자는 임의의 공급원으로부터의 것일 수 있으며 탄소, 세라믹(예를 들어, 알루미나), 금속, 금속 산화물 등과 같은 임의의 물질로 제조될 수 있다. 표면 상의 예시적인 입자는 표면을 형성하기 위한 기계가공 중 표면의 형성 동안 생산되는 입자이지만, 이 방법은 임의의 공급원으로부터 유래되거나 어떤 방식으로든 표면에 위치된 입자를 제거하는 데 효과적일 수 있다. 입자의 일부 또는 전부는 세공 내부 또는 표면 상의 다른 토포그래피에 위치할 수 있으며, 이는 용제 세척 또는 초음파 세척과 같은 이전의 입자 제거 기술에 의해서는 입자를 제거하기 어렵게 만든다.

표면을 생성하는 데 사용되는 기계가공 중에 형성되든지 또는 또 다른 방식으로 형성되는 입자는 기계가공 중에 형성되는 분진 입자의 크기와 같이 일반적으로 작다. 입자는 마이크론 규모, 예를 들어 1 밀리미터(1,000 마이크론) 미만, 또는 500 마이크론 또는 100 마이크론 미만, 또는 50, 25, 10, 1, 또는 0.1 마이크론 미만의 크기를 가질 수 있다.

기재된 바와 같이 레이저 에너지의 적용에 의해 표면으로부터 제거될 수 있는 화학적 구성(조성) 또는 입자의 공급원은 제한되지 않는다. 기계가공에 의해 형성된 성형 부품의 표면으로부터 입자를 제거하기 위한 방법의 한 예시적인 사용에 따르면, 표면에 위치하고 제거될 입자는 전형적으로 표면의 물질과 동일한 물질로 제조될 것이며, 또한 성형 동안 표면으로부터 제거된 물질과 동일하다. 탄소질 또는 세라믹 물질을 기계가공하여 제조된 성형 부품 및 표면의 경우, 제거될 표면의 입자는 표면을 구성하는 동일한 탄소질 또는 세라믹 물질로 제조될 수 있다. 그러나, 기재된 방법은 또한 금속, 금속 합금, 고체 유기 물질, 플라스틱 등으로 제조된 입자와 같이, 표면으로부터 다른 유형의 입자를 제거하는 데에도 효과적일 수 있다.

표면에 입자를 함유하는 성형 부품은 기계가공 방법으로 성형 부품을 제조하는 데 사용되는 것으로 공지된(현재 또는 미래에) 임의의 다양한 고체 재료(이에 국한되지 않음)와 같은 임의의 물질로 제조될 수 있다. 반도체 또는 마이크로전자 장치 가공 시스템의 진공 챔버의 내부에서 사용하기 위한 성형 부품을 제조하기 위해 유용한 물질은 이러한 유형의 가공 시스템에 존재하는 다양한 가공 물질 및 조건(예를 들어, 승온)에 대해 상대적으로 불활성인 물질을 포함한다. 유용한 물질은 또한 진공에 노출될 때 탈기될 수 있는 휘발성 물질을 매우 낮은 함량으로 가질 수 있으며, 표면에 세공, 텍스쳐, 조도 또는 표면에 접촉하는 입자를 끌어당길 수 있거나 보유할 수 있는 다른 유형의 토포그래피를 가질 수 있다.

반도체 또는 마이크로전자 장치 가공 시스템의 내부 구성요소 또는 반도체 가공 도구의 내부에서 유용한 것으로 알려진 물질의 일부 구체적 예는 세라믹 및 탄소질 물질을 포함한다. 특정 구체적 예는 흑연, 무기 탄소질 물질 및 탄화규소를 포함한다.

"무기 탄소질 물질"(본원에서 줄여서 "탄소질 물질"이라고도 함)은 다량의 탄소로 이루어지거나, 실질적으로 또는 주로 탄소로 제조된 비-유기 형태의 고체 물질을 지칭한다. 무기 탄소질 물질은 예를 들어, 적어도 50 중량%의 탄소, 또는 적어도 60, 70, 80, 90, 95, 또는 99 중량%의 탄소를 함유할 수 있다. 무기 탄소질 물질은 수소, 산소 또는 질소 원자에 공유 결합된 탄소 원자로 이루어진 유기 화합물을 적거나 미미한 양(예를 들어, 5, 1, 0.5 또는 0.1 중량% 미만)으로 함유한다.

무기 탄소질 물질의 일부 예는 주로 무정형 또는 결정질(예를 들어, 흑연) 중 어느 하나의 형태의 탄소 원자로 제조될 수 있다. 예를 들어 무정형 또는 결정형 중 어느 하나의 형태로 적어도 90, 95, 98, 99 원자 퍼센트의 탄소를 함유할 수 있다.

무기 탄소질 물질의 다른 예는, 통상적으로 탄화규소(SiC)로 지칭되는 물질을 포함하여 주로 탄소 및 규소 원자를 함유할 수 있다. 유용하거나 바람직한 탄화규소 물질은 총량의 80, 90, 95, 98 또는 99 원자 퍼센트 이상의 규소 및 탄소를 함유할 수 있으며, 바람직하게는 산소 또는 수소와 같은 다른 물질을 소량 또는 미미한 양 이하(예를 들어, 총 산소 및 수소의 5, 3, 1 또는 0.5 원자 퍼센트 미만)로 함유할 수 있다. 탄화규소의 예시적인 형태는 결정질 형태뿐만 아니라 무정형인 형태를 포함한다. 탄화규소 물질의 예는 40 내지 90원자 퍼센트의 탄소, 10 내지 60원자 퍼센트의 규소 및 2 또는 1원자 퍼센트 이하의 다른 물질, 예를 들어 0.5원자 퍼센트 이하의 산소, 수소 또는 산소와 질소의 조합을 함유할 수 있다. 다공성 탄화규소 물질은 흑연을 탄화규소로 전환하는 공지된 방법을 포함하는 임의의 방법에 의해 제조될 수 있다.

세라믹 물질의 예는 알루미나이다.

표면은 표면으로부터 입자를 제거하기 어렵게 만드는 방식으로, 표면에 입자를 끌어당기거나 보유하는 조도, 세공 또는 다른 토포그래피를 가진다. 예를 들어, 다양한 형태의 탄화규소, 흑연 및 무정형 탄소질 물질은 물질의 표면에 세공을 가질 수 있을 뿐만 아니라 표면 아래에 (선택적으로) 존재하는 세공을 가질 수 있다. 세공 내에 위치하게 되는 입자는 세공에 의해 제자리에 고정되고 세공 구조에 의해 표면에 보유될 수 있다. 표면의(또는 성형된 조각의 두께 전체에 걸친) 세공은 임의의 효과적인 형태일 수 있다. 예를 들어 흑연, 탄화규소, 및 다른 세라믹 및 탄소질 물질에 존재하는 예시적인 세공은, 표면의 구조를 한정하는 고체 물질(예를 들어, 성형 부품)로 구성된 측벽(예를 들어, "매트릭스")에 의해 및 측벽들 사이에 한정된 일반적으로 둥근 또는 만곡된 셀 구조를 갖는 개구("세공" 또는 "셀")의 형태일 수 있다.

표면의 세공의 크기는 표면 및 표면을 포함하는 구조의 설계 및 용도에 따라 달라질 수 있다. 10 마이크론보다 큰 평균 세공 크기를 갖는 표면은 때때로 거대다공성으로 지칭되는 반면, 10 마이크론 미만의 평균 세공 크기를 갖는 표면 또는 고체는 때때로 미세다공성으로 지칭된다.

본 발명의 방법은 입자를 함유하는 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 레이저 에너지를 사용한다. 이 방법은 표면이 레이저 에너지로 처리되기 전에 표면 상에 원래 존재하는 입자 양의 상당 부분을 효과적으로 제거하기 위해 수행될 수 있다. 이 방법은 융삭에 의해 표면에 최소량의 손상만을 유발하거나 식별가능한 손상을 유발하지 않는 방식으로 유리하게 수행될 수 있다. 이 방법은 다공성 또는 세공-함유 표면의 세공 구조 내에 위치한 입자를 포함하여, 입자를 끌어당기거나 보유하며 입자를 제거하기 어렵게 만드는 표면의 구조(토포그래피)에 위치하는 상당 부분의 입자를 효과적으로 제거하는 데 특히 유용할 수 있다.

본 발명의 방법은 표면 또는 입자의 융삭을 필요로 하지 않으면서, 바람직하게는 표면 또는 입자의 임의의 유의한 양의 융삭을 유발하지 않고 레이저 에너지로 표면을 가열함으로써 표면으로부터 입자의 분리를 유발하는 것으로 여겨진다. 표면에서의 가열은 표면 또는 표면 근처에 위치한 가스의 팽창 또는 표면 상에 흡수된 물질의 가열 및 팽창을 유발하는 것으로 여겨진다. 이러한 가열은 노출된 표면의 가스 또는 흡수된 물질에 영향을 줄 수 있지만 또한 세공 내부 또는 입자를 끌어당기거나 보유하는 임의의 다른 유형의 토포그래피에 위치한 표면의 가스 또는 흡수된 물질에도 영향을 미칠 수 있다. 팽창하는 가스 또는 팽창된 흡수된 물질은 팽창 위치에서 입자의 이동을 유발하여 입자를 표면에서 밀어내고 표면으로부터 입자를 분리할 수 있다. 팽창하는 가스는 표면 물질의 융삭 또는 제거되는 입자를 융삭할 필요 없이 표면으로부터 멀리 입자를 운반하는 기체상 유체의 표면으로부터 멀어지는 흐름을 생성한다.

레이저 에너지는 표면으로부터 입자를 분리하기에 충분한 에너지를 공급하는 임의의 방법이나 기술에 의해 표면에 적용될 수 있다. 예시적인 기술에 의해, 레이저 에너지는 입자가 표면에서 분리되도록 하는 데 효과적인 비율과 시간으로 표면을 통과하는, 유용한 영역(스팟 크기)을 갖는 레이저 빔의 형태일 수 있다. 전체 표면에 레이저 에너지의 총량을 균일하게 적용하기 위해 레이저 파장 및 표면에서의 총 노출 시간의 조합(스팟 크기 및 스캔 속도에 기초함)이 선택될 수 있다. 레이저 에너지의 총량은 바람직하게는 표면을 손상시키지 않으면서, 즉 표면의 미미한 양 이상의 융삭을 유발하지 않으면서 표면으로부터 입자의 분리를 유발하는 데 효과적일 수 있다.

일부 표면에는 어느 정도의 융삭이 허용될 수 있지만, 많은 유형의 기계 부품이 물리적 형태 및 크기 특징에 대한 고정밀 요구 조건으로 제작된다. 본 방법은 유리하게는, 예를 들어 디지털 광학 현미경을 사용하여 표면에서 광학적으로 제거된 물질의 양으로 측정할 때 융삭으로 인한 사소하거나 미미한 수준을 초과하는 손상을 유발하지 않으면서 표면으로부터 입자를 효과적으로 제거할 수 있다[예를 들어, 다른 방법으로는 제거하기 어려운(표면의 토포그래피로 인해) 입자의 상당 부분("테이프 테스트(tape test)"에 의해 측정됨)을 제거함]. 유용하거나 바람직한 방법은 디지털 광학 현미경을 사용하여 측정할 때 표면으로부터 50 마이크론의 물질을 제거할 수준 미만인 레이저 에너지의 총량으로 레이저 에너지를 표면에 적용할 수 있다. 다른 예시적인 방법에 의해, 레이저 에너지의 총량은 디지털 광학 현미경을 사용하여 측정할 때 표면으로부터 25, 10, 또는 5 마이크론의 물질을 제거하는 수준 미만이다.

표면의 영역에 적용되는 총 레이저 에너지는 레이저 에너지의 형태 또는 공급원(예를 들어, 파장), 적용된 레이저 에너지의 영역(예를 들어, 레이저 빔의 스팟 크기), 그리고 레이저 에너지가 적용되는 시간의 길이(스캔 속도)를 포함하는 인자의 조합에 의해 결정된다.

방법은, 그 자체가 입자의 양이 적거나 매우 적은 양(농도)을 함유하는 대기와 같이 표면으로부터 인접 대기로의 입자의 분리를 용이하게 하는 대기에서 수행될 수 있다. 일례로 ISO 클래스 10000 또는 ISO 클래스 1000 또는 더 우수한 클린룸과 같은 클린룸 환경이 있다. 레이저 에너지는 표면의 전체 영역에 걸쳐 원하는 총량의 레이저 에너지의 완전하고 균일한 적용을 제공하기 위해, 선택적으로 컴퓨터 제어를 사용하여 자동화된 방식으로 전체 표면을 덮도록 스캔될 수 있다. 바람직한 예는 표면의 모든 위치에서 대략 동일한 횟수의 통과 또는 노출 시간을 적용함으로써 입자가 제거되는 전체 표면에 걸쳐 레이저 빔을 자동으로 균일하게 스위핑할 수 있다. 선택적으로, 표면에서 분리된 입자를 수집하기 위해 레이저 에너지를 적용할 때 진공 공급원이 표면에 적용될 수 있다. 일부 예시적인 방법에서, 표면의 성질 및 제거되는 입자의 유형과 양에 따라, 표면에 레이저 에너지를 적용하는 것은 입자가 표면으로부터 분리될 때 입자의 구름 형태로 가시적인 양의 분진이 생성될 수 있다.

레이저 에너지는 임의의 유용한 형태일 수 있으며 펄스형 또는 비-펄스형일 수 있다. 유용한 레이저 파장의 예는 특히 100 내지 1200 나노미터(nm) 범위, 예를 들어 약 100 내지 최대1064 nm 또는 1100 nm, 또는 150 또는 193 나노미터 내지 최대 514, 532, 또는 600 nm 범위일 수 있다. 더 높은 에너지를 갖는 더 짧은 파장은 필요하지 않을 수 있는데, 이는 제거되는 입자 및 표면의 융삭을 유발하기 위해(및 바람직하게는 피하기 위해) 레이저 에너지가 요구되지 않기 때문이다. 예시적인 레이저는 네오디뮴 도핑된 YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 결정과 같은 임의의 레이저 공급원 구조를 기초로 할 수 있다.

선택적으로, 방법은 레이저 에너지 적용 전에 또는 레이저 에너지 적용 뒤에 하나 이상의 추가 공정을 포함할 수 있다. 예시적인 표면은 입자가 표면에 존재하게 하는 방식으로 기계가공에 의해 이전에(예를 들어, 직전에) 가공된, 본원에 기재된 바와 같은 성형 부품의 표면일 수 있다. 표면에 레이저 에너지를 적용하는 공정에 선행할 수 있는 선택적 공정은 진공, 초음파 세척 또는 압축 공기를 사용하는 것과 같이 상대적으로 느슨하거나 용이하게 제거되는 표면 입자를 제거하여 표면을 제조하는 공정일 수 있다. 방법의 다른 선택적 공정은 레이저 에너지 적용의 적용에 의해 표면으로부터 입자의 분리를 용이하게 하기 위해 표면을 제조하는 하나 이상의 다른 모드를 포함할 수 있다. 흑연 물질의 한 예는 흑연으로부터 불순물을 제거하기 위해 할로겐-함유 가스의 존재 하에 흑연 물질을 승온에 가함으로써 흑연 물질을 정제하는 것이다. 미국 특허 제3,848,739 호를 참조하고, 그 전문은 본원에 참고로 도입된다.

표면에 레이저 에너지를 적용한 후 수행할 수 있는 선택적 공정은 초음파 기술(일명 "초음파 세척")에 의한 입자 제거일 수 있다. 일부 경우에, 초음파 입자 제거는 레이저 에너지를 적용한 후 표면에 남아 있을 수 있는 입자를 제거할 수 있다. 초음파 세척 방법 및 장비는 일반적으로, 표면이 수성 매질에 침지되는 동안 입자 함유 표면을 20 내지 200 킬로헤르츠 범위의 고주파 음파에 노출시키는 것을 포함한다. 초음파 세척을 위한 방법 및 장비는 공지되어 있고 상업적으로 이용 가능하다.

특정 선택적 공정 방법을 포함하여, 기재된 바와 같은 방법의 예시적인 특징을 도 1에 도시하였다. 공정의 첫 번째 부분은 표면을 갖는 부품을 형성하는 것일 수 있다. 이것은 기계 가공에 의해 성형 부품을 형성하는 것으로 예시적으로 도시되어 있다(10). 부품은, 예를 들어 표면의 세공 내부에 위치한 입자를 포함하여, 표면의 입자 파편을 포함한다. 예시적인 표면 및 입자는 세라믹 또는 탄소질 물질로 제조될 수 있다. 그 다음, 성형 부품은 레이저 에너지의 적용(30)을 위한 표면을 제조하기 위해 가공될 수 있다(20). 레이저 에너지를 적용하는 동안(30), 입자는 레이저 에너지를 적용함으로써 표면으로부터 분리되며, 이는 표면 또는 제거되는 입자의 융삭을 유발하지 않고 표면 및 표면의 임의의 물질을 가열할 수 있다. 레이저 에너지를 적용한 후, 표면을 초음파 세척으로 세척하여 임의의 남아 있는 입자를 제거(40)한 다음, 성형 부품을 패키징, 운송 또는 사용하여 성형 부품을 추가로 가공할 수 있다(60). 선택적으로, 부품의 표면을 테스트하여(50) 입자 제거 후 표면에서의 입자의 존재 및 양을 검출할 수 있다.

본 방법은 초음파 입자 제거 기술 및 용제 세척과 같은 다른 일반적인 입자 제거 기술로 제거하기 어렵거나 불가능한 입자를 제거하는 것을 포함하여 표면으로부터 입자를 제거하는 데 매우 효과적일 수 있다. 본 입자 제거 방법의 유효성은 표면에서 "분진" 입자와 같은 입자의 존재를 측정하기 위한 공지된 방법에 의해 평가될 수 있다.

테이프 테스트 방법을 사용함으로써, 선택적으로 후속 초음파 세척과 조합하여, 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 레이저 에너지를 사용하는 방법의 유효성이 초음파 세척만 하는 것과 같은 대체 입자 제거 기술과 비교하여 개선된 것으로 나타날 수 있다. 각 테스트에 대해 공통 대조군 샘플을 사용한 이러한 비교에 따르면, 레이저 에너지를 적용함으로써 입자를 제거하는 방법(초음파 세척 없이 단독으로)은 초음파 세척 기술로 제거하는 것보다 현저하게 더 많은 양의 입자를 제거할 수 있다.

예시적인 테스트는 투명 테이프의 접착면을 제어되고 균일한 압력을 사용하여 표면(입자를 함유함)에 적용한 다음 제어된 방식으로 표면에서 테이프를 제거하는 테이프 테스트 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 테이프 상의 접착제는 표면에서 제거된, 테이프에 부착된 입자를 함유한다. 테이프는 투명 유리 슬라이드 상에 놓일 수 있고, 표면으로부터 제거된 부착된 입자를 함유하는 테이프의 영역에서 테이프의 불투명도를 측정하기 위해 밀도계가 사용될 수 있다. 불투명도 수준은 표면에서 제거되어 테이프로 옮겨진 입자의 양과 관련이 있다. 더 높은 불투명도는 더 낮은 불투명도에 비해 더 많은 입자가 표면 상에 존재함(표면으로부터 제거됨)을 나타낸다.

이러한 "테이프 테스트" 방법 및 새로 기계가공된 다공성 흑연 표면("대조군" 표면)인 샘플 입자 함유 표면을 사용하여 측정하면, 레이저 에너지를 적용하여 표면으로부터 제거된 입자의 양은 표면을 세척하기 전에 대조군 표면에 존재하는 입자의 양의 50 퍼센트 이상일 수 있다(또한 동일한 "테이프 테스트"에 의해 측정됨). 바람직한 방법은 대조군 표면에서 초기에 존재하는(즉, 레이저 에너지를 적용하기 전에 존재하는) 입자 양의 적어도 60, 70, 80, 또는 90 또는 95 퍼센트를 제거하는 것으로 나타날 수 있다; 즉, 레이저-가공된 표면에 접촉되고 그로부터 제거된 테이프의 불투명도는, 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 레이저 에너지가 표면에 적용되기 전에 원래의 표면 샘플(대조군)에 접촉되고 그로부터 제거된 테이프의 불투명도에 비해 적어도 50 퍼센트 더 낮고, 바람직하게는 적어도 60, 70, 80, 90 또는 95 퍼센트 더 낮다.

방법은 제거될 입자를 포함하는 임의의 표면에서 입자를 효과적으로 제거하는 데 사용될 수 있으며, 반도체 또는 마이크로전자 장치 기판 또는 그의 전구체 또는 유도체를 포함하는 작업편을 가공하는 데 사용되는 진공 챔버와 같은 깨끗한 공간에서, 또는 클린룸에서, 또는 클린룸 환경에 있는 반도체 도구에서, 또는 매우 낮은 수준의 입자 오염이 유용하거나 요구되는 다른 임의의 환경에서 사용될 표면으로부터 입자를 제거하는 데 특히 유용할 수 있다. 예시적인 진공 챔버는 이온 주입 시스템, 증착 챔버(예를 들어, 화학 기상 증착 챔버) 또는 플라즈마 챔버와 같은 더 큰 시스템의 일부일 수 있다.

본원에서 사용된 바와 같이, "마이크로전자 장치"는 전기 회로 및 그 위에 형성된 매우 작은(예를 들어, 마이크론 규모 이하) 치수의 관련 구조를 포함하는 장치이다. 예시적인 마이크로전자 장치는 평판 디스플레이, 집적 회로, 메모리 장치, 태양 전지판, 광전지, 및 마이크로전자 장치 기판(MEMS)을 포함한다. 마이크로전자 장치 기판은 최종 마이크로전자 장치를 형성하기 위해 제조된 상태에서, 하나 이상의 마이크로전자 장치 또는 그의 전구체를 포함하는 웨이퍼(예를 들어, 반도체 웨이퍼)와 같은 구조이다.

진공 챔버(예를 들어, 이온 주입 시스템의 진공 챔버)에서 유용한 예시적인 부품의 예는, 원하는 치수(정밀한 길이, 폭 또는 높이 중 하나 이상)로 기계가공하여 성형되고, 선택적으로 O-링 밀봉부를 수용하기 위한 홈, 볼트 홀, 가스 분산 홀 또는 통로, 개구(예를 들어, 렌즈로서 효과적인), 보스, 플랜지 등과 같은 표면 특징부를 그 위에 포함하는 세라믹 및 탄소질 부품을 포함한다. 표면은 특히 챔버 측벽의 내부 벽 위에 배치되는 라이너(보호 라이너)로 지칭되는 진공 챔버 내부의 구조, 또는 유동 구조, 장벽, 지지 구조일 수 있다.

"라이너"라는 용어는, 마주보는 두 표면 사이에 두께 치수를 가지며 각각 길이 및 폭 방향 둘 다로 연장되는 두 개의 마주보는 주 표면을 갖는, 실질적으로 2 차원 시트 또는 막(예를 들어, 편평하고 평면인)을 지칭한다. 두께 치수의 크기는 길이와 폭 모두보다 실질적으로 작다. 라이너는 라이너의 물질의 유형 및 두께와 같은 라이너의 물리적 특징과 같은 인자에 따라 가요성 또는 강성일 수 있다.

실시예

테이프 테스트(Tape Test)

예시적인 흑연 표면은 본원에 기재된 바와 같은 레이저 에너지를 사용하고, 비교를 위한 다른 방법을 사용하여 입자 제거를 위해 가공되었다.

도 2를 참조하면, 샘플 1(174497)은 초음파 세척 방법을 사용하여 처리된 흑연 표면 상의 입자의 존재를 평가하는 데 사용되는 "테이프 테스트(tape test)" 동안 제조된 슬라이드 표면을 보여준다. "얼룩 보임(mottling visible)"이라고 표지된 슬라이드 표면은 초음파 방법으로 세척된 흑연 표면으로부터 제조되었다. 슬라이드는 초음파 세척된 표면으로부터 제거된 입자의 존재로 인한 음영을 나타내며 음영은 초음파 세척된 흑연 표면의 전형적인 "얼룩"(불균일)을 포함한다.

샘플 2(174498)는 파이로실링된(pyrosealed) 흑연 표면인 비교 흑연 표면의 테스트를 보여준다. "파이로실링된" 또는 "파이로카본(pyrocarbon)" 흑연 표면은 표면 입자를 덮고 캡슐화하는 조밀한 열분해 탄소 코팅으로 밀봉되므로, 테이프 테스트는 파이로카본 코팅된 표면에서 제거된 입자가 없음을 보여준다. 표면으로부터 제조된 슬라이드의 불투명도는 매우 낮으며, 즉 0.01 이며, 샘플 표면 상에 존재하는 입자의 양이 매우 적음을 나타낸다.

샘플 3(174499)은 입자를 제거하기 위해 레이저 에너지로 처리된 흑연 표면의 테스트를 보여준다. 이 테스트를 위해 고운 사포로 표면을 문질러 반사 표면을 생성하여 의도적으로 표면에 충격을 가함으로써, "연마된 흑연" 입자 함유 흑연 표면이 테스트용으로 제조되었고, 이는 표면에 존재하는 많은 수의 입자를 가지는 샘플 흑연 표면을 생산하였다. 이 초기(미-처리, "비-레이저") 표면은 테이프 테스트를 사용하여 테스트되었으며 0.20 의 불투명도 값이 측정되었다. 그 다음, 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 본 특허 출원에 기재된 바와 같이 표면을 레이저 에너지로 처리하였다. 레이저 처리된 표면["레이저(Laser)"]은 테이프 테스트를 사용하여 테스트되었으며 0.02 의 불투명도 값이 측정되었다.

주사 전자 현미경

입자를 제거하기 위해 레이저 에너지를 적용하기 전과 후에 표면에 있는 입자의 양은 또한 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 광학적으로 평가될 수 있다.

도 3a는 입자를 제거하기 위해 초음파 세척 또는 레이저 에너지에 의해 처리되지 않은 입자 함유 흑연 표면의 SEM 이미지이다. 다공성 표면에서 많은 밀착된 미세한 입자가 관찰될 수 있다.

도 3b는 표면이 초음파 세척으로 처리된 후의 유사한 표면을 보여준다. 다공성 표면에서 입자가 식별될 수 있다(화살표 참조).

도 3c는 입자를 제거하기 위해 표면이 레이저 에너지로 처리된 후의 유사한 표면을 보여준다. 이 표면에는 어떤 식별 가능한 입자도 없다.

Claims (16)

1. 적용된 레이저 에너지의 양이 표면으로부터 입자의 분리를 유발하기에 충분하도록 입자를 포함하는 위치에서 표면에 레이저 에너지를 적용하는 단계를 포함하며, 여기서 표면은 다공성이고 탄소질 또는 세라믹 중 어느 하나인, 표면으로부터 입자를 제거하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 입자가 표면의 실질적인 융삭을 유발하지 않으면서 표면으로부터 분리되는 것인 방법.
3. 제1항에 있어서, 적용된 레이저 에너지가, 테이프 테스트(tape test) 방법으로 측정할 때, 레이저 에너지를 적용하기 전의 표면과 비교하여 표면의 입자 양을 나타내는 측정값을 50% 이상 감소시키는 데 효과적인 것인 방법.
4. 제1항에 있어서, 적용된 레이저 에너지는 디지털 광학 현미경을 사용하여 측정할 때 표면으로부터 10 마이크론의 물질을 제거하는 수준 미만인 것인 방법.
5. 제1항에 있어서, 표면이 세공을 한정하는 고체 매트릭스를 포함하고 입자가 고체 매트릭스의 물질로부터 유래된 것인 방법.
6. 제1항에 있어서, 표면이 다공성 흑연을 포함하는 것인 방법.
7. 제1항에 있어서, 표면이 다공성 알루미나를 포함하는 것인 방법.
8. 제1항에 있어서, 레이저 에너지가 1200 나노미터 미만의 파장을 갖는 것인 방법.
9. 제1항에 있어서, 표면이 진공 챔버 내부의 구성요소의 표면인 방법.
10. 제1항에 있어서, 레이저 에너지를 적용한 후, 초음파 세척을 사용하여 표면을 세척하는 단계를 포함하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 기계가공 공정에 의해 표면을 형성하는 단계를 포함하고, 입자가 기계가공 공정에 의해 생성되는 것인 방법.
12. 제1항에 있어서, 입자가 탄소질 물질 또는 세라믹을 포함하는 것인 방법.
13. 제1항에 있어서, 입자가 흑연을 포함하는 것인 방법.
14. 적용된 레이저 에너지의 양이 표면으로부터 입자의 분리를 유발하기에 충분하도록 입자를 포함하는 위치에서 입자 함유 표면에 레이저 에너지를 적용하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되며, 다공성이고 탄소질 또는 세라믹 중 어느 하나인 표면.
15. 적용된 레이저 에너지의 양이 표면으로부터 입자의 분리를 유발하기에 충분하도록 입자를 포함하는 위치에서 입자 함유 표면에 레이저 에너지를 적용하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 표면을 포함하며, 여기서 표면은 다공성이고 탄소질 또는 세라믹 중 어느 하나인 반도체 제조 도구.
16. 제15항에 있어서, 가공 도구가
    마이크로전자 장치 기판 상에 박막을 침착할 수 있는 박막 침착 도구, 또는
    마이크로전자 장치 기판의 표면을 에칭할 수 있는 에칭 도구인 반도체 제조 도구.

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