KR20220038811A - 반도체 공작물의 재생 및 재활용 - Google Patents

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KR20220038811A
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앤드류 비어스
로날드 맥클린
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에이비엠 컨설팅, 엘.엘.씨.
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Abstract

반도체 공작물의 재생 또는 재활용에는 열 제거보다 직접적인 이온 기화를 통해 결정질 기판에 대해 최소한으로 허용 가능한 손상으로 기판 내에 또는 상에 증착, 주입 또는 형성된 구조체 및 재료를 기화시키는 단계가 포함된다. 따라서 기판의 순도는 중금속 표면 오염이 실질적으로 없고 화학적 기계적 연마 또는 래핑 공정을 사용하여 미러과 같은 피니쉬로 다시 연마될 수 있는 표면 거칠기를 갖는다. 이 공정은 기판 표면 내에 또는 상에 형성된 물질의 직접적인 이온 기화를 미리 결정된 침투 깊이까지 유발하는 미리 결정된 파장, 파워, 펄스 폭 및 펄스 속도 또는 단위 면적당 펄스 수로 기판 표면에 가간섭광을 집속시키는 단계를 포함한다. 유리하게는, 패턴닝된 이전에 사용된 테스트 및 사양을 벗어난 웨이퍼는 지적 재산의 의도하지 않은 공개 위험 없이 재사용을 위해 재생되거나 재활용될 수 있다.

Description

반도체 공작물의 재생 및 재활용
본 발명은 지적 재산의 공개를 방지하고 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 가능하게 하기 위해 반도체 또는 유전체 기판으로부터 다층 패턴화된 금속, 유전체 및 반도체 재료를 제거하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조은 최신 집적 회로를 제조하는 데 사용되는 복잡한 공정을 말한다. 공정 단계는 다양하지만 1) 연마된 반도체 웨이퍼 기판을 생산하는 출발 물질 공정, 2) 웨이퍼 기판으로부터 물질의 증착 또는 제거를 가이드하는 패터닝 공정, 3) 웨이퍼 기판 상에 반도체 물질을 배치하는 증착 또는 성장 공정, 및 4) 웨이퍼 기판으로부터 물질을 선택적으로 제거하거나 웨이퍼 기판에 물질을 추가하는 식각, 화학적 기계적 연마 또는 마스킹 공정의 4가지 일반적인 범주로 그룹화할 수 있다.
도 1은 반도체 제조에 사용하기 위한 반도체 웨이퍼 기판의 제조를 위한 종래의 공정(100)을 도시한다. 반도체 웨이퍼는 제조 공정 중에 기판 내부 및 상부에 구축될 디바이스의 기판으로서 사용되는 얇은 반도체 재료이다. 반도체 웨이퍼는 직경으로 특정되며 일반적으로 25.4mm와 450mm 사이의 범위이며, 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 직경은 200mm 내지 300mm이다. 웨이퍼의 직경은 부분적으로, 주어진 웨이퍼에 제조될 수 있는 반도체 디바이스의 수를 결정한다. 반도체 웨이퍼 제조을 위한 출발 물질은 일반적으로 단결정 실리콘이지만 갈륨 비소, 실리콘 카바이드, 석영, 사파이어, 게르마늄 또는 기타 주기율표 Ⅲ-Ⅴ족 반도체가 사용될 수도 있다. 설명을 위해, 가장 일반적인 기판 재료로 실리콘을 사용하는 웨이퍼 제조 공정은 불순물을 제거하기 위해 원시(raw) 실리카를 정제하는 것으로 시작하여 다결정 실리콘 재료를 생성한다. 쵸크랄스키(Czochralski) 방법(105)은 샤프트의 한쪽 끝에 특정 결정 방향의 단결정 시드를 놓고 용융 다결정 실리콘을 통해 천천히 회전하여 단결정 잉곳(ingot)을 성장시키는 데 사용되는 가장 일반적인 방법이다. 시드 계면에서 실리콘의 용융 및 재동결은 시드의 결정 구조에 따라 결정이 형성되도록 한다. 용융된 다결정 실리콘의 단결정 실리콘으로의 전환은 시드가 용융물에서 천천히 제거됨에 따라 계속된다. 결정 성장 후에, 결과적인 실리콘 잉곳은 결정 성장 배향 축과 평행한 평면 또는 노치를 생성하기 위해 크롭(cropped), 노치(notched), 및 연마(ground)(110)된다. 그 다음 잉곳은 다이아몬드 와이어 톱으로 웨이퍼에 따라 달라지는 500 미크론과 1000 미크론 사이의 범위, 300mm 웨이퍼에 대해서 일반적으로 사용되는 750-775 미크론의 두께를 갖는 개별 웨이퍼로 슬라이싱된다. 결정 상태의 실리콘은 부서지기 쉬우며, 후속 처리 단계 동안 박편 또는 기타 불량 모드를 방지하기 위해 가장자리를 프로파일링하거나 둥글게 처리(120)해야 한다. 그 다음, 슬라이싱된 웨이퍼는 전면부 또는 후면부에 레이저 마킹(125)되어 웨이퍼 및 제조 공정이 공정 중에 추적될 수 있다. 웨이퍼는 그 다음 슬라이싱에 의해 야기된 임의의 손상 또는 불규칙성을 제거하기 위해 랩핑(lapped)(130)된다. 그 다음 웨이퍼는 화학적으로 식각(135)되고, 연마(140)되고, 세정(145)되어 광학 품질 및 결함성에 있어서 미러과 같은 표면을 생성한다. 에피택셜 증착(150) 동안, 에피택셜 필름 또는 층이 결정질 기판 상에 증착되거나 성장될 수 있다. 그 다음 웨이퍼는 수많은 전기적, 화학적, 기계적 및 표면 사양을 충족하는지 확인하기 위해 검사(155)된다. 사양을 충족하는 완성된 웨이퍼는 반도체 제조 공정에 사용하기 위해 일반적으로 팹(fab)이라고 하고 때로는 파운드리라고도 하는 반도체 제조 공장으로 전달하기 위해 웨이퍼 카세트(160)에 배치된다.
단지 예시의 목적으로, 도 2는 반도체 웨이퍼를 사용하는 반도체 제조를 위한 종래의 프로세스(200)를 도시한다. 제조 공정은 일반적으로 프론트 엔드 오브 라인(front-end-of-line), 백 엔드 오브 라인(back-end-of-line) 및 백 엔드(back-end) 패키징 프로세스로 분할된다. 프론드 엔드 오브 라인은 기판 내부 또는 상부에 분리된(isolated) p형(또는 붕소 도핑) 또는 n형(또는 인 도핑) 금속 산화물 반도체("MOS") 또는 상보형 MOS("CMOS") 구조체를 형성하는 공정을 포함한다. 백 엔드 오브 라인은 구조체와 디바이스 사이에 내부 금속 상호 연결을 형성하는 공정을 포함한다. 백 엔드 패키징은 웨이퍼 테스트, 웨이퍼 백 연삭(grinding), 다이 싱귤레이션(die singulation), 집적 회로 패키징 및 최종 테스트를 포함한 다양한 포스트-팹(post-fab) 공정을 포함한다. 프론트 엔드 오브 라인 공정 동안, 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물 및 포토레지스트의 얇은 층이 연마된(polished) 반도체 웨이퍼의 표면에 적용(205)될 수 있다. 패터닝 및 포토리소그래피(210) 동안, 반도체 웨이퍼 상에 패턴을 투영하기 위해 레티클(reticle) 또는 마스크를 통해 광이 집속(focusing)될 수 있다. 현상 후 노출된 포토레지스트는 제거(215)되고, 노출된 영역은 피쳐 식각(220)된다. 이온 주입(225) 동안, 이온은 디바이스 제조에 필요한 대로 웨이퍼 기판 상의 전도성을 선택적으로 도핑하거나 변형하기 위해 식각되거나 패턴화된 영역 상에 샤워된다. 추가 포토레지스트가 웨이퍼 상으로 회전될 수 있고 패터닝(210), 포토레지스트 제거(215), 식각(220), 및 화학적 기계적 처리 단계가 원하는 구조체를 형성하기 위해 필요에 따라 반복될 수 있다. 백 엔드 오브 라인 공정 동안, 유사한 공정(미도시)이 구조체와 디바이스 사이의 금속 상호 연결부를 형성하는 복수의 금속층(230)을 적용하는데 사용될 수 있다. 백 엔드 패키징 동안, 웨이퍼는 다이싱되어 개별 집적 회로를 분리한 다음 전자 장치에 사용하기 위해 범프(bumped) 또는 볼링(balled)(미도시)될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 일 측면에 따르면, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법은 반도체 기판의 표면 상에 가간섭광(coherent light)을 집속하는 단계를 포함한다. 가간섭광은 미리 결정된 파장, 파워, 펄스 폭 및 펄스 속도 또는 단위 면적당 펄스 수를 가지므로 기판 표면의 내부 또는 상부에 형성된 물질을 미리 결정된 침투 깊이까지 직접 이온 기화시킨다. 상기 방법은 퍼지 가스로 기판의 표면을 퍼지하는 단계 및 기판의 표면을 배기하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 일 측면에 따르면, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 위한 시스템은 미리 결정된 파장, 파워, 펄스 폭 및 펄스 속도 또는 단위 면적당 펄스 수를 가지며 반도체 기판의 표면 상에 또는 내부에 형성된 물질을 미리 결정된 침투 깊이까지 직접 이온 기화시키는 가간섭광을 생성하는 가간섭 광원, 기판 표면 상에 가간섭광을 집속시키는 렌즈 또는 미러, 기판 표면을 퍼지하는 가스 퍼지 시스템, 및 기판을 배기하는 배기 시스템을 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 하기 설명 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 반도체 웨이퍼 기판의 제조를 위한 종래의 공정을 나타낸다.
도 2는 반도체 웨이퍼를 사용하는 반도체 제조를 위한 종래의 공정을 나타낸다.
도 3은 제조된 반도체 웨이퍼 기판 상의 예시적인 집적 회로의 일부의 단면을 나타낸다.
도 4는 상업적으로 입수 가능한 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷 3차 고조파 레이저에 대한 예시적인 사양을 나타낸다.
도 5는 상업적으로 입수 가능한 티타늄-사파이어(Ti-sapphire) 레이저에 대한 예시적인 사양을 나타낸다.
도 6은 상업적으로 입수 가능한 이산화탄소 레이저에 대한 예시적인 사양을 나타낸다.
도 7은 재료의 재침착 또는 용융 없이 깨끗한 절제의 원하는 영역을 나타낸다.
도 8은 실리콘에서 절제 임계값 플루언스를 달성하는 780nm 원형 스폿 티타늄-사파이어 레이저를 나타낸다.
도 9는 절제될 타겟 기판의 재료 특성에 의존하는 레이저 펄스 파라미터를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판과 관련된 레이저 절제의 2-온도 모델 열광학 모델을 나타낸다.
도 11a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판의 표면에 충돌하는 레이저의 광학적 침투 지점의 깊이를 나타낸다.
도 11b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판의 표면에 충돌하는 레이저의 열적 침투 지점의 깊이를 나타낸다.
도 11c는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판 상의 피코초 레이저의 결합된 광학적 및 열적 침투 지점의 깊이를 나타낸다.
도 12a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판으로의 펨토초 펄스 레이저의 2-온도 모델 열광학 모델을 나타낸다.
도 12b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판으로의 펨토초 레이저 펄스의 수학적 결과를 나타낸다.
도 12c는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 펨토초 레이저 펄스를 사용한 최종 세정 절제 결과를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 웨이퍼 기판에 충돌하는 원형 또는 타원형 (스폿) 레이저를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 웨이퍼 기판에 충돌하는 라인-기반 레이저를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 위한 시스템의 단면을 나타낸다.
도 16a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 절제 이전의 패턴화된 웨이퍼 기판의 상면 사시도를 나타낸다.
도 16b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 절제 후에 후처리된 웨이퍼 기판의 상면 사시도를 나타낸다.
도 17a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 패턴화된 기판의 3차원 특징부의 평면 투시 예시적인 현미경도를 나타낸다.
도 17b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 절제 후에 웨이퍼 표면의 평면 투시 예시적인 원자력(atomic force) 현미경도를 나타낸다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 일관성을 위해, 다양한 도면에서 유사한 요소는 유사한 참조 번호로 표시된다. 본 발명의 다음의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 세부사항이 제시된다. 다른 경우에, 당업자에게 잘 알려진 특징은 본 발명의 설명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 설명되지 않는다.
도 3은 때때로 반도체 완성품으로 지칭되는, 제조된 반도체 웨이퍼 기판 상의 예시적인 집적 회로의 일부의 단면(300)을 도시한다. 위에서 논의된 바와 같이, 반도체 제조 공정은 단면에 있어서 기판(305) 내에 부분적으로 배치되고 기판(305) 상에 부분적으로 배치된 프론트 엔드 오브 라인("FEOL") 부분(310), FEOL 및 기판 상에 배치된 백 엔드 오브 라인("BEOL") 부분(330), 및 BEOL(330), FEOL(310) 및 기판(305) 상에 배치된 백 엔드 패키징 부분(미도시)을 갖는 제조된 반도체 웨이퍼를 생성한다. 이러한 방식으로, 기판(305)은 다양한 구조가 구성되는 베이스를 형성한다. 기판(305)은 일반적으로 사용되는 300mm 웨이퍼에 대해 보통 750-775 미크론(microns) 두께이며, 후면 및 전면 양쪽에서 100 미크론 미만의 표면 거칠기 Ra로 거칠게 연마되거나 2 미크론 미만의 표면 거칠기 Ra를 갖는 미러과 같은 피니쉬로 미세 연마된다. 그런 다음 구조체와 디바이스가 베이스 전면 표면의 가장 얇은 층 또는 게이트에서 층별로 구축되어 집적 회로를 만드는 데 사용되는 기본 장치인 트랜지스터, 저항기 및 커패시터를 형성한다.
FEOL 부분(310)은 기판(305) 내에 또는 기판(305) 상에 형성된 구조체 또는 디바이스(예를 들어, n-p-n MOS 트랜지스터(315) 또는 p-n-p MOS 트랜지스터(320))의 모든 것을 포함할 수 있지만, 금속 상호 연결층(예를 들어, 금속층(335, 340, 345, 350, 355))은 포함하지 않는다. FEOL(310)을 포함하는 구조체 또는 디바이스(예를 들어, n-p-n MOS 트랜지스터(315) 또는 p-n-p MOS 트랜지스터(320))는 일반적으로 매우 얇고 좁으며, 특히 게이트, 스위치 및 주변 유전체를 포함하지만, 일측 상의 수십 미크론만큼 큰 구조를 포함할 수 있다. 두께는 용도에 따라 다를 수 있지만, FEOL(310)은 일반적으로 이온 주입 및 기판 도핑 전기적 특성 변형 및 얕은 트렌치 전기 절연을 위해 기판 내부에 5 내지 10미크론 범위의 두께를 가지며 게이트/스위치 부분을 통과하는 표면에서 1 내지 수 미크론의 두께를 갖는다. BEOL 부분(330)은 구조체 또는 디바이스에 대한 금속 상호 연결부로서 작용하는, 예를 들어 금속층(335), 금속층(340), 금속층(345), 금속층(350), 및 금속층(355)과 같은 복수의 금속 상호 연결층을 포함할 수 있다. 금속 상호 연결층의 수 및 BEOL(330)의 두께는 용도에 따라 다를 수 있지만, BEOL(330)은 일반적으로 BEOL 상호 연결부에 대해 1 내지 100 미크론 범위의 두께를 갖는다. 그 중 하나가 부분적으로 도시되어 있는 노출된 금속(360)의 복수의 패드는 패키징 동안 디바이스를 범프 또는 볼링하기 위해 BEOL(330) 상에 배치된다. 패드(360)는 일반적으로 크기가 40 미크론×40 미크론이며, 패드의 경우 두께가 1 내지 2 미크론이고 상부 표면 전기 절연 유전체(미도시)의 경우 최대 10 미크론이다. 종합하면, 백 엔드 패키징의 기여를 제외한 구축된(built-up) 구조체의 두께는 기판으로 확장되는 FEOL 부분을 포함하여 BEOL을 통한 FEOL의 두께로 표시된다. 이와 같이, 제조된 반도체 웨이퍼의 구축 두께는 2 내지 20의 범위에 있을 수 있고 기판의 공칭(nominal) 표면 아래로 최대 10 미크론까지 확장될 수 있다.
상술한 내용 외에도, 일부 완성된 반도체 제품에는 기판의 구축 부분의 분해 구조에 추가적인 복잡성을 도입하는 더 복잡한 설계들이 포함되어 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 예를 들어, 일부 디바이스는 BEOL 구조 내부에 두께가 1 미크론 미만인 얇은 반도체 필름으로 구성된 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다. 고급 메모리 장치는 기판 상에 계단처럼 만들어진 128개의 패턴화된 레벨을 포함할 수 있다. 또한, 금속 복합체가 전도성 금속에 대한 계면 또는 확산 장벽으로 사용될 수 있다. 이러한 금속은 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 텅스텐, 텅스텐 실리사이드, 루테늄, 코발트 또는 코발트 실리사이드 또는 희토류 원소("REE; rare Earth elements")의 기타 금속간 결합을 포함할 수 있다. 더욱이, 유전체는 일반적으로 질화규소 및 이산화규소를 비롯한 실리콘의 질화물 및 산화물이며, 많은 산화물은 웨이퍼 기판 내의 게이트 레벨 아래에 사용되는 도펀트의 경우 인, 붕소, 비소, 탄소, 게르마늄 또는 산소로 도핑된다. 이들 원소의 대부분은 매우 높은 기화점 및/또는 녹는점을 가지며, 금속화 층의 벌크에서 발견되는 구리 및 알루미늄의 상대적으로 낮은 기화점/녹는점에 비해 연삭(grinding) 휠이나 연마(polishing) 디스크 또는 패드와 같은 다이아몬드 그릿(grit) 도구를 사용해도 기판에서 제거하기가 매우 어렵다. 이와 같이 완성된 반도체 제품에는 패턴화, 식각, 화학적으로 기계 연마된 반도체 웨이퍼를 포함하며, 제거에 복잡성을 더하는 집적 회로를 형성하는 다양한 요소들로 구성된 구조체와 디바이스의 복잡한 상호 연결을 형성하도록 구축된다.
이전에 논의된 바와 같이, 반도체 웨이퍼는 단결정 실리콘, 갈륨 비소, 실리콘 카바이드, 석영, 사파이어, 게르마늄 또는 기타 주기율표 Ⅲ-Ⅴ족 반도체로 구성된 기판이다. 일반적으로 알루미늄, 구리 또는 금으로 만들어진 여러 층의 박막이 위에 패턴화되어 게이트 또는 스위치용 알루미늄, 다결정 실리콘, 텅스텐, 티타늄, 루테늄 또는 코발트 상호 연결에 전기적으로 연결된다. 이러한 상호 연결은 복잡한 집적 회로에서 로직, 메모리 또는 수직 통합 커패시터 역할을 하는 트랜지스터를 형성하는 일반적으로 티타늄, 질화 티타늄, 텅스텐, 구리 또는 알루미늄으로 만들어진 저항성 전기 콘택을 형성하는 복잡한 얇은 확산 장벽 라이너 필름을 사용한다. 이에 제한되진 않지만, 이는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 동적 랜덤 액세스 메모리("DRAM"), 정적 랜덤 액세스 메모리("SRAM"), 자기 랜덤 액세스 메모리("MRAM"), 비휘발성 랜덤 액세스 메모리("NVRAM"), 전자적으로 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리("EPROM'), 전자적으로 지울 수 있는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리("EEPROM"), 사이리스터(thyristors), 파워 트랜지스터 및 카메라에 사용되는 전하 결합 디바이스("CCD")와 같은 센서를 포함한다. 이러한 디바이스에서 제조된 구조체는 수 옹스트롬에서 수 미크론 두께까지 다양하고 폭이 한 자릿수 나노미터만큼 작을 수 있는 수천 또는 수백만 개의 패턴화된 특징부(features)를 포함하는 것으로 알려져 있다. 각각의 집적 회로는 기판에 걸쳐 배치된 수십억 개의 그러한 구조체를 포함할 수 있고 제조된 반도체 웨이퍼 또는 기판 당 수백 개 이상의 집적 회로가 있을 수 있다.
반도체 웨이퍼는 일반적으로 이러한 논의 범위를 벗어나는 여러 복잡한 사양 및 허용 기준에 따라 등급이 매겨진다. 그럼에도 불구하고 프라임 생산 웨이퍼는 최고 등급의 웨이퍼로 간주되며 일반적으로 모든 사양 및 허용 기준을 충족하거나 초과하는 웨이퍼를 말한다. 프라임 생산 웨이퍼는 집적 회로의 상업적 생산에 선호되는 웨이퍼로 간주된다. 반도체 제조 공정과 관련된 복잡성과 상당한 비용 때문에 팹과 파운드리는 일반적으로 테스트 웨이퍼라고 하는 것을 사용하여 공정을 제어하기 위해 지속적으로 공정을 평가하고 있다. 프라임 테스트 웨이퍼는 프라임 생산 웨이퍼보다 낮은 등급으로 간주되며 일반적으로 하나 이상의 사양이나 허용 기준을 통과하지 못한 웨이퍼를 의미하며, 집적 회로의 상업적 생산에 사용할 수 없다. 예를 들어, 테스트 웨이퍼는 평탄도 또는 결함성 사양을 갖지 않거나 충족하지 않으며 일반적으로 광택 또는 화학적 식각 및 일반적인 결함성 및 평탄도 사양을 제외한 후면 사양이 거의 없다. 테스트 웨이퍼는 생산 가치가 없을 수 있지만 팹이나 파운드리에서 관련된 다양한 프로세스를 테스트, 검증 및 제어하기 위해 사용하기 때문에 반도체 제조 공정에서 여전히 중요한 역할을 한다. 테스트 웨이퍼 범주 내에서 가장 높은 등급의 테스트 웨이퍼를 프라임 테스트 웨이퍼라고 한다. 프라임 테스트 웨이퍼는 일반적으로 최고 품질의 테스트 웨이퍼를 말하며 대부분 생산용으로 적합하지만 사양 또는 허용 기준 중 하나 이상(일반적으로 소수)을 충족하지 못하는 경우 테스트 웨이퍼로 사용하도록 강등된다. 비용 때문에 거의 사용되지 않지만, 웨이퍼의 품질이 제어되는 공정의 평가와 관련이 있는 경우 프라임 테스트 웨이퍼를 사용할 수 있다. 업계에서 일반적으로 사용되는 프라임 테스트 웨이퍼의 다소 완화된 정의는 생산 사용을 위한 결함성 또는 전기 저항 특성 요구 사항을 충족하지 못하지만 실질적으로 깨끗하고 평평하며 광택이 있고 고도로 제어된 원형 가장자리를 갖는 테스트 웨이퍼이다.
집적 회로의 발명 이후 팹 또는 파운드리는 다양한 제조 공정을 테스트, 적격성 평가 및 제어하기 위해 재료를 스크리닝하고 장비를 평가하기 위해 이러한 저렴한 테스트 웨이퍼를 사용했다. 따라서 본질적으로 테스트 웨이퍼는 정밀도 및 예측 가능성에 대한 다양한 공정을 평가하고 궁극적으로 제어하고 완성된 다이 수율 및 기능성을 최적화하기 위해 제조 공정의 적어도 일부를 거치는 비수율 생산 반도체 웨이퍼로 생각될 수 있다. 예를 들어, 팹 및 파운드리는 테스트 웨이퍼를 사용하여 필름 증착(예를 들어, 성장률, 응력, 균일성, 두께 및 결함성), 확산 또는 이온 주입을 통한 기판 도핑, 플라즈마 식각, 화학적 기계 연마, 표면 입자 결함 제어를 위한 다양한 층의 리소그래피 패터닝을 위한 공정을 측정, 최적화, 검증 및 제어하고, 공정 중에 필름을 제거하여 상호 연결을 형성하고 웨이퍼를 평평하고 평면 상태로 유지하거나 특정 공정에 대한 생산 웨이퍼를 투입 하기 전에 공정 장치 내부 환경을 조절한다.
세계에서 가장 큰 5개 팹 및 파운드리의 최근 보고서에 따르면 매월 총 1천만 개 이상의 200mm 웨이퍼 등가물을 처리할 수 있는 용량을 보고하며, 이는 전체 글로벌 용량의 50%를 약간 넘는 수준이다. 이는 총 글로벌 용량이 월간 거의 2000만 200mm 웨이퍼 등가물 또는 연간 2억 4000만 200mm 웨이퍼 등가물임을 의미한다. 웨이퍼 시작에 대한 보수적인 추정치를 사용하여 실제 처리된 웨이퍼 수를 추정하더라도 매년 최소 수백만 개의 웨이퍼가 처리된다. 반도체 제조 공정에 사용되는 기판의 약 10 내지 20%가 검증 및 제어 목적을 위해 개별 공정을 평가하기 위한 테스트 웨이퍼로만 사용되는 것으로 추정된다. 이와 같이, 전반적으로 반도체 산업은 상당한 비용을 들여 상당한 수의 테스트 웨이퍼를 매년 적어도 수십만 개, 심지어 수백만 개까지 생산하고 있다. 일부 대형 팹 또는 파운드리는 테스트 웨이퍼에만 매달 200만 달러 이상을 지출하는 것으로 알려져 있다. 테스트 웨이퍼 외에도 생산용으로 처리되고 패턴화된 많은 웨이퍼는 공정 중 몇몇 지점에서 사양이나 규정 준수 기준을 충족하지 않는다. 이러한 웨이퍼는 생산에 사용할 수 없기 때문에, 팹이나 파운드리는 이들의 손실을 차단하고 다이싱 및 패키징을 위해 보내지 않는다. 따라서, 반도체 산업은 상당한 수의 테스트 웨이퍼를 필요로 하며, 매년 상당한 비용을 들여 처리된 테스트 웨이퍼 및 비사양 웨이퍼(통칭하여 불량 웨이퍼라고 함)를 동등하게 상당한 수로 생산한다. 또한 테스트 웨이퍼에 대한 지속적인 필요성은 때때로 수요를 충족할 수 없는 공급망에 부담을 주며, 팹 및 파운드리는 테스트, 검증 및 제어 목적으로 생산용으로 의도된 고가의 프라임 웨이퍼를 사용해야 한다.
이러한 문제를 고려하여, 파운드리는 웨이퍼 불량과 관련된 막대한 비용을 줄이기 위해 내부 및 외부 공정을 모두 고려하였다. 일반적으로 재생(reclamation)은 생산 용도에 적합하지 않은 반도체 웨이퍼를 최소한 BEOL에 사용되는 테스트 웨이퍼로 사용하기에 충분한 품질로 재마감하는 것을 목표로 하는 공정을 말한다. 기존의 재생 공정에는 강한 산성 화학 물질로 웨이퍼를 벗겨내고, 래핑(lapping)을 통해 웨이퍼를 연마 및 세척한 다음, 기판을 얇게 하는 화학적 기계적 연마를 수행하는 단계가 포함된다. 따라서 재생 웨이퍼는 생산 웨이퍼보다 얇고 테스트 웨이퍼로만 사용하기에 적합하며, 최소 사양 두께가 충족되는 동안 테스트 웨이퍼로만 사용하기에 적합한다. 또한, 재생 공정은 노동 집약적이고, 시간 소모적이며, 수행하는 데 비용이 많이 들고, 요구되는 강한 산 및 화학 물질로 인해 환경 친화적이지 않다. 재활용(recycling)은 일반적으로 더 이상 테스트 웨이퍼로 사용되지 않거나 손상, 깨짐(chipped) 또는 기타 파손된 반도체 웨이퍼의 용도 변경을 목표로 하는 프로세스를 의미한다는 점에서 재생과 구별될 수 있다.
내부 팹 또는 파운드리 테스트 웨이퍼 재활용 공정이 고갈된 후 현재까지 다양한 이유로 기존의 재생 및 재활용 공정이 일반적으로 팹 또는 파운드리 외부에서 수행된다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 팹과 파운드리는 테스트 웨이퍼로 재생 및 최종 재사용을 위해 불량 웨이퍼를 보내거나 재활용을 위해 패턴화된 생산 웨이퍼 또는 패턴화된 테스트 웨이퍼를 보낸다. 그럼에도 불구하고 이것은 불량 웨이퍼에 의해 나타나는 지적 재산을 다른 사람, 특히 경쟁 업체에게 공개하고 싶지 않은 팹, 파운드리 및 고객에게 잠재적으로 문제가 될 수 있다. 문제는 숙련된 경쟁자의 손에서 제조된 웨이퍼가 해체 처리될 수 있고 그 안에 포함된 지적 재산이 제조 공정 또는 설계의 레이아웃이나 기능을 이해하도록 역설계될 수 있다는 것이다. 제한된 진행 옵션에 직면하여 팹과 파운드리는 불량 웨이퍼를 재생 또는 재활용을 위해 보낼지 여부와 그렇다면 고객의 지적 재산은 물론 자신의 지적 재산을 보호하는 방법을 결정해야 한다. 이러한 상황에 비추어, 일부 파운드리에는 내부 재생 또는 재활용 프로그램이 있다. 재생과 관련하여, 일부 파운드리는 팹의 다른 부분에서 테스트 웨이퍼를 있는 그대로의 상태로 단순히 재사용한다. 예를 들어, 제조 공정 초기에 사용된 테스트 웨이퍼는 반도체의 전기적 특성을 확산시키거나 오염시킬 수 있는 특정 도펀트 및 금속에 의해 오염되지 않은 상태로 유지되어야 한다. 예를 들어 구리는 베어(bare) 반도체 웨이퍼와 FEOL 반도체 장비에서 가장 두려운 오염 물질이다. 노출 후, 테스트 웨이퍼는 팹의 다른 부분에서 다른 공정을 제어하는 데만 사용할 수 있다. 유사하게, 희토류 금속에 노출된 테스트 웨이퍼는 베어 기판의 잠재적 중금속 오염을 방지하기 위해 BEOL에 남아 있어야 한다. 중금속 오염에 대한 매우 엄격한 사양은 새 웨이퍼뿐만 아니라 외부 재생 테스트 웨이퍼에도 적용된다. 이러한 내부 재생 프로그램은 테스트 웨이퍼의 사용 수명을 연장할 수 있지만, 그렇게 하는 능력은 다소 제한적이다. 다양한 이유로 테스트 웨이퍼의 사용 수명이 다하면, 팹과 파운드리는 일반적으로 새로운 태양열 웨이퍼를 제조하는 데 사용되는 잉곳(ingots)을 생산하기 위해 태양광 산업에 웨이퍼를 재활용한다. 다시 말하지만, 팹과 파운드리에는 테스트 웨이퍼를 재활용하기 위한 내부 프로그램이 있지만 불량 패턴화된 생산 웨이퍼 또는 불량 패턴화된 테스트 웨이퍼는 내보내져야 하므로 다시 한 번 고객의 지적 재산이 공개될 가능성이 있다.
재활용 프로그램은 일반적으로 다른 제품의 제조에 사용하기 위해 반도체 웨이퍼의 용도를 변경한다. 때때로 웨이퍼 팹, 파운드리 또는 고객(일반적으로 타사 중개업체(broker) 또는 스크래퍼(scrapper))은 불화수소 또는 질산과 같은 강한 화학 물질, 건식 플라즈마 스트리핑, 또는 연삭 및 연마을 사용하여 웨이퍼를 스트립한 다음 태양광 웨이퍼 제조에 사용되는 새로운 용융물 및 잉곳에 일반적으로 사용되는 베이스 실리콘을 산산조각낸다. 이러한 공정은 많은 양의 유해 폐기물을 생성하고 종종 미국의 산업안전보건청("OSHA") 규정을 위반하는 강한 화학 물질에 환경뿐 아니라 스크래퍼까지 모두 노출되기 때문에, 일반적으로 해외의 스크래퍼에 의해 수행된다. 청구된 발명의 개념 이전에 반도체 산업은 팹, 파운드리 또는 고객의 지적 재산권을 보호하는 친환경 방식으로 제조된 기판을 안전하고 비용 효율적으로 재생하거나 재활용하는 능력이 부족했다는 점에 유의하는 것이 중요한다.
상술한 관점에서 볼 때, 이전에 폐기된 웨이퍼를 테스트 웨이퍼로 복구 및 재사용하도록 동기를 부여하는 몇 가지 요소가 있다. 1) 안전하고 효과적인 재생 또는 재활용 공정의 후보인, 테스트 웨이퍼 및 비사양 웨이퍼를 포함하는 다수의 불량 웨이퍼가 존재한다. 2) 이러한 웨이퍼 중 일부는, 특히 사양에서 벗어난 웨이퍼로, 테스트 웨이퍼로 사용할 수 있는 우수한 후보인 프라임 웨이퍼로서 수명을 시작한 고품질 웨이퍼이다. 3) 수요가 많은 기간에는, 테스트 웨이퍼가 부족하기 때문에 파운드리에서 프라임 테스트 웨이퍼 대신 프라임 생산 웨이퍼가 사용되야 하는 경우가 많다. 4) 희토류 원소 또한 공급이 부족하며, 전세계 전자제품 공급망에 걸쳐 더 많은 이국적 금속 및 원소가 사용됨에 따라 가격이 계속 상승하고 있으며, 중국이 이러한 많은 재료에 대한 접근을 통제한다는 사실로 인해 문제가 악화되고 있다. 5) 웨이퍼를 재생 또는 재활용하는 팹 또는 파운드리에서는 스크래퍼의 건강 및 안전과 환경에 상당한 위험을 초래하는 많은 양의 유해 폐기물을 생산하는 공정을 사용하는 해외 스크래퍼를 종종 이용하며, 이는 종종 스크래퍼 또는 환경을 보호하기 위한 충분한 조치를 취하지 않는 국가에서도 마찬가지이다. 6) 팹, 파운드리 및 그 고객은 그들의 지적 재산이 경쟁업체에 부주의하게 공개되는 위험을 감수하지 않으려고 한다. 이러한 이유 및 다른 이유들로, 선진 첨단 파운드리는 지적 재산의 손실 위험을 감수하기보다 단순히 불량 웨이퍼를 파괴하거나 장기간 보관한다. 따라서, 팹, 파운드리 및 그 고객의 지적 재산을 보호하는 불량 웨이퍼의 안전하고 효과적인 재생 및 재활용 방법을 제공해야 하는 업계의 오랜 필요성이 있지만 해결되지 않은 요구가 존재한다.
따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은, 미러과 같은 피니쉬로 다시 연마되어 테스트 웨이퍼로 재사용되거나 지적 재산권이 의도하지 않게 공개될 위험 없이 태양광 산업에서 사용하기 위해 폐기되거나 재활용된 캐리어 웨이퍼로서 안전하게 판매될 수 있도록 충분한 두께와 순도의 베이스 기판을 남기는 방식으로 기판으로부터 패턴과 재료를 완전히 제거하는 안전하고, 위험하지 않으며, 친환경적인 공정을 통해 실질적으로 전체 두께 패턴화된 웨이퍼의 재사용 또는 재활용을 가능하게 한다. 유리하게는, 테스트 웨이퍼 뿐만 아니라 규격 외 웨이퍼를 포함하는 불량 웨이퍼는 테스트 웨이퍼로 사용하기 위해 재생될 수 있어 테스트 웨이퍼에 대한 대규모 수요를 충족시킬 뿐만 아니라 반도체 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한 불량 웨이퍼의 지적 재산을 완전히 제거할 수 있으므로 가장 엄격한 통제를 받는 조직도 비용을 절감하는 재생 또는 재활용 프로그램에 참여할 수 있다. 처음으로, 반도체 산업은 지적 재산이 기판에서 완전히 제거되었다는 높은 확신을 가지고 안전하고 효과적이며 친환경적인 방식으로 패턴화된 웨이퍼를 재생하거나 재활용하는 공정을 갖게 되었다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 스폿(spot) 또는 라인(line) 형태의 충돌하는 시준된(collimated) 레이저 또는 광의 시준된 빔(저주파 파장)은 대기에서 웨이퍼 상으로 향하거나 진공 상태의 감소된 대기 조건에서 적절한 투명 투과창을 통해 지향될 수 있다. 웨이퍼 또는 광원은 기계적으로 래스터링(rastered)되거나 갈바노미터(galvanometry)를 통해 스캔되거나 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 기계적으로 스캔되어 열 절제(ablation)보다는 이온 기화를 통해 결정질 기판에 최소한으로 허용 가능한 손상으로 기판 내에 또는 기판 상에 증착, 주입 또는 형성된 구조체 및 재료를 선택적으로 완전히 제거할 수 있다. 따라서 기판의 순도는 중금속 표면 오염이 없고 잘 알려진 화학적 기계적 연마 또는 래핑 공정을 사용하여 미러과 같은 피니쉬로 다시 연마될 수 있는 충분한 표면 거칠기를 갖는다. 광원의 초점은 광원의 마지막 미러 위치를 조정하거나 광원 높이를 조정하여 수직 z축의 광원 초점을 조정함으로써, 또는 수직으로 이동 및 조정 가능한 스테이지로 z축에서 기판 높이를 조정함으로써 디바이스 층 아래 기판의 반사 표면에 집속될 수 있다. 스테이지 및/또는 레이저 스폿 또는 라인은 광원 스폿 또는 라인이 스테이지 또는 광원의 수평 x- 및 y-, 또는 회전 r-세타 축 이동에서 기판을 가로질러 이동하도록 이동될 수 있다.
불량 웨이퍼 내부 및 위에 형성된 구조를 이온적으로 순간적으로 직접 기화하려면 다양한 유형 또는 종류의 금속, 금속간 물질, 유전체 및 기화 에너지를 고려해야 한다. 기존의 불량 웨이퍼에는 반도체 금속, 유전체, 순수 금속 및 금속간 복합 금속이 포함될 수 있다. 또한, 상당한 기판 결정 손상 또는 확산에 의한 중금속 오염 없이 증발을 완료하는 데 필요한 에너지 수준 및 레이저의 유형 또는 종류를 고려해야 한다. 용융, 밀링 및 이온화의 세 가지 제거 메커니즘이 있지만, 용융 및 밀링으로 인해 허용할 수 없는 물질 슬래그(slag)가 기판에 재침착되어 표면에 연마로 제거할 재료가 너무 많이 생성되고 불순물이 기판 속으로 너무 깊이 확산되어 회수할 수 없을 정도로 오염되기 때문에 기판에 심각한 손상 없이 이온 제거를 달성하려면 이온화-기화 임계값에 신속하게 도달해야 한다. 기판은 명목상 640-680 미크론 범위의 유용한 두께까지 반복되는 주기에서만 복구할 수 있다. 이 지점을 넘어서면 일반적으로 200mm 및 300mm 기판이 태양 전지 제조에 재활용하기 위해 폐기된다. 특정 실시예에서, 자외선("UV") 파장(예를 들어, 약 157nm 내지 380nm), 가시광선 파장(예를 들어, 약 380nm 내지 750nm), 및 근적외선 파장(예를 들어, 약 808nm 내지 2000nm)으로부터의 가간섭광 레이저 소스가 스폿의 경우 직경 또는 라인의 경우 폭이 일반적으로 1 내지 5 미크론이고, 약 0.2 Joules/cm2 및 그 이상, 최대 약 2.5 J/cm2(기판 재료에 따라 다름)의 절제/기화 재료 임계값에 도달하고 유지하는 한 사용할 수 있다.
금속 절제에 사용되는 상업적으로 이용 가능한 레이저는 235nm에서 355nm 범위의 파장에서 집속된다. 도 4는 상업적으로 이용 가능한 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷("Nd:YAG") 3차 고조파 레이저에 대한 예시적인 사양을 도시하고, 도 5는 235nm 내지 355nm 범위 내에서 레이저 광을 생성하는 상업적으로 입수 가능한 티타늄-사파이어("Ti-sapphire") 레이저에 대한 예시적인 사양을 도시한다. Nd:YAG 레이저의 기본 주파수는 964nm 내지 1064nm 범위에서 사용될 수 있지만 기판에 대한 결정 손상을 최소화하면서 최상의 결과를 얻으려면 UV 주파수가 선호된다. UV 주파수는 반도체, 금속 및 산화물의 가장 광범위한 유형 또는 종류에 걸쳐 최상의 결과를 제공한다. 또한, 다양한 파워 다이오드 펌핑 고체 상태("DPSS") 및 광섬유 다이오드 레이저가 3 와트에서 300 와트 및 1에서 500 펨토초의 허용 가능한 펄스 속도 주파수에서 충분한 파워 출력으로 상업적으로 이용 가능하다. 헬륨-네온(He-Ne), 아르곤(Ar) 및 이산화탄소(CO2)를 기반으로 하는 것과 같이 최저 비용으로 와트당 최대 출력을 생성하는 연속파 가스 소스 레이저가 있지만 광에 의한 기판의 용융 및 가열로 인해 기판에 과도한 손상을 야기하고 기판이 오염된다. 5 미크론에서 10.6 미크론 주파수 범위의 CO2 레이저와 같은 중적외선 레이저의 경우, 초점을 맞추고 기판 표면 전체에 초점을 유지하기가 매우 어렵고, 더 나쁜 것은 절제된 물질이 가열 및 용융 메커니즘에 의해 제거되자마자 반도체 표면이 이러한 주파수에서 보이지 않는다는 것이다. 도 6은 상업적으로 이용 가능한 CO2 레이저에 대한 예시적인 사양을 보여준다. 따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 사용될 수 있는 UV 주파수 범위의 파장을 갖는 상업적으로 입수 가능한 레이저가 존재한다.
기판 내부 또는 기판 상에 형성된 구조체 또는 디바이스를 완전히 제거하려면, 절제(ablation)로 인해 기판 내로 약 5 내지 10 미크론의 손상이 발생하도록 광이 자연적으로 반사 표면이 되는 원래 기판 표면에서 초점 깊이를 유지해야 한다. 그렇게 함으로써, 불순물과 기판 내부 및 기판 상에 형성된 구조체가 향후 사용을 위해 재생 및 연마할 기판의 최대량을 남기고 제거된다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 이러한 결과를 달성하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 파월(Powell) 렌즈 시스템을 사용하는 것으로 믿어진다. 캐리지 및 스테핑 모터 및 벨트를 통한 기계적 방법으로 x-, y- 또는 r-세타 래스터링 모션에서 원형 가우시안 또는 플랫 탑 레이저 파면을 수동으로 스캔하거나 움직이는 미러를 통한 갈바노미터(galvanometry)에 의한 스캔 여부에 관계없이, 두 가지 방법 모두 광의 파면이 기판의 상부 표면에 초점을 유지하고 이온 절제 임계값을 달성하는 한 사용될 수 있다.
다양한 파장의 광에 대한 연마된 반도체 기판의 반응은 잘 알려져 있다. 가장 낮은 파장은 가장 얕은 흡수 계수를 가지며 레이저 광에 가장 많이 반사되므로 절제 목표에 반해 기판에 대한 손상이 가장 적다. 약 380nm의 파장 이상에서는 극적인 증가를 볼 수 있으며, 1400nm 파장의 광 이상에서는 10분의 1 미크론에서 수백 미크론으로 꾸준히 증가한다. 예를 들어, 연마된 실리콘 기판의 최대 반사율은 300nm 바로 아래, 275nm에서 280nm 사이의 파장을 갖는 광에서 발생하는 것으로 잘 알려져 있다. 알루미늄, 코발트, 구리, 금, 루테늄 또는 텅스텐과 같은 주어진 금속, 실리콘, 갈륨-비소, 인듐-갈륨-비소, 실리콘-카바이드, 인듐-주석 등과 같은 반도체, 이산화규소 및 질화규소와 같은 유전체에 대한 절제 임계값에 도달하기 위해, 레이저는 비정질화, 용융, 재결정화, 핵 생성 기화/비등(boiling), 최종 절제와 같은 4가지 물리적 공정 시퀀스를 탐색해야 한다. 고체에서 증기로의 광 여기(photo excitation)의 이러한 물리적 공정은 고도로 가속된 절제된 물질의 플룸(plume)을 생성하는 절제 임계값 플루언스를 통과함으로서 달성될 수 있다. 도 7은 증가하는 레이저 플루언스가 물질(슬래그)의 재침착 또는 용융 없이 깨끗한 절제를 달성하는 방법을 나타낸다. 고체에서 증기로의 이온 광 여기의 물리적 공정은 고도로 가속된 절제된 물질의 플룸을 생성하며, 비정질화 상태에 진입하기 위해 변형 임계값(710)을 지나고, 어닐링 상태에 진입하기 위해 결정화 임계값(720)을 지나며, 깨끗한 절제 상태(740)에 진입하기 위해 절제 임계값(730)을 지나 레이저 플루언스를 증가시킴으로써 달성된다. 실리콘으로의 780nm의 티타늄-사파이어 레이저의 주어진 단일 130 펨토초 펄스에 대해, 절제 임계값은 도 8에 도시된 바와 같이 대략 0.4 Joules/cm2에서 달성될 수 있으며, 810은 표면 변형을 나타내고 820은 재결정을 나타낸다. 이러한 레이저의 다중 펄스는 완전히 깨끗한 기화 또는 절제 전에 컬럼(750), 기포(bubbles, 760) 및 리플(ripples, 770)이 나타날 때 실리콘의 다양한 메커니즘을 보여준다. 이와 같이 광파의 여기 에너지, 단파장, 주파수 및 펄스 수에 따라, 열적 가열은 부적절한 출구 속도 및 열적 가열로 인해 용융 및 바람직하지 않은 컬럼, 기포, 리플 및 재결정화를 초래한다. 하나 이상의 실시예에서, 열적 가열을 피하는 것이 바람직하고, 기판 표면 내부 및 표면 상에 형성된 물질을 증기 상태로 직접 깨끗하게 절제함으로써 물질 플럼이 표면을 빠져나가 기판의 깨끗하고 최소한으로 손상된 표면으로부터 배출되거나 진공으로 제거될 수 있다. 따라서, 광은 기판에 심각한 손상을 일으키지 않고 구조체를 깨끗하게 절제하기 위해 증기 상태로 바로 가는 방식으로 선택하고 제어해야 한다.
순수한 금속은 녹는점을 넘어 증기 상태로 순수한 금속을 여기시키는 데 필요한 필수 에너지가 순수한 금속의 상대적으로 낮은 녹는점/기화점으로 인해 훨씬 쉽기 때문에 확산의 2-온도 모델("TTM")을 따르는 경향이 있다. 전자 드리프트(drift) 또는 전자분리(eletromigration)는 적용된 에너지가 금속 격자에서 사용 가능한 전자 수를 초과할 때 금속이 물리적으로 찢어지게 할 수 있다. 반도체 금속은 광을 흡수하고 광자 여기에 의해 반도체 기판의 "밴드 갭" 또는 에너지 여기 준위를 통과한 다음 반도체 밴드 갭이 초과되고 에너지 준위가 이완됨에 따라 빛의 광자가 방출된다. 전자-정공 쌍은 도펀트 유형(예를 들어, 실리콘 반도체 기판의 경우 도핑된 n형/인-비소 도핑 또는 p형/붕소 도핑)에 따라 이러한 프로세스 동안 전기적으로 전파된다. 이러한 복잡한 여기 및 이완 메커니즘은 유사한 TTM 확산 방정식 모델을 따르지만 더 복잡한 2차 및 3차 메커니즘을 갖는다. 따라서, 빛의 주파수는 반도체 절제를 위해 더 짧게 유지되어야 하며, 반사 최대값인 280nm UV에 가깝고 최소 플루언스에 도달할 수 있을 만큼 충분히 높은 파워에서 최적화된 펄스 폭과 반복 속도로 특정 기판에 대한 중금속 확산 온도보다 낮게 열 효과를 최소화하는 깨끗한 결과를 얻을 수 있다. 이것은 더 긴 1064nm IR 파장에서 최소한의 손상으로 효과적으로 절제되는 순수 금속과 비교된다. 유전체는 더 높은 녹는점과 기화점 및 더 높은 광자 에너지를 필요로 하는 더 큰 밴드갭을 가지고 있으며, 더 넓은 밴드 갭에 걸쳐 자유 캐리어 생성을 촉진하기 위해 다중 광자 전이가 필요하다. 궁극적으로, 반도체 디바이스는 순수한 금속, 금속간 금속 합금/실리사이드로 만들어지며, 반도체 금속과 결합하여 상부에 위치한 유전체에 의해 캡슐화된 금속간 장벽이 있다. 이와 같이, 기판에 대한 확산에 의한 용융 금속 또는 재침착 금속의 열 가열로 인한 잔류 중금속 확산 오염이 없고, 기판 손상을 최소화하면서 깨끗히 절제된 표면을 달성하는 것은 매우 어렵다.
도 9는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 절제될 타겟 기판의 재료 특성에 의존하는 TTM의 레이저 펄스 파라미터의 범위를 나타낸다. 이전에 논의된 바와 같이, 펄스 지속 시간 τL은, 일반적으로 초 단위로 측정되며 10-15와 10-7 사이의 범위에 있을 수 있다. 플루언스 F는 Joules/cm2 단위로 측정할 수 있으며 a는 0.1에서 100 사이의 범위에 있을 수 있다. 빔 스폿 크기(rb)는 미터로 측정될 수 있고 10-3(밀리미터)에서 10-7(미크론의 10분의 1) 사이의 범위에 있을 수 있다. 레이저 광 펄스가 타겟 기판으로 통과할 수 있는 주변 매질은 웨이퍼 기판으로부터 절제된 증기를 운반하여 오염 재침착을 충분히 최소화할 목적으로 공기, 진공 또는 비반응성 불활성 기체 또는 액체일 것이다. 이러한 메커니즘은 TTM 열광학 모델의 허용된 사용으로 이해된다. 펨토초 펄스와 레이저-기판 물질의 상호 작용, 여기서 τL에 의해 표시되는 펄스 지속 시간은 τe에 의해 표시되는 전자 냉각 시간보다 훨씬 짧다. 여기에 설명된 메커니즘은 하전 입자가 다른 하전 입자, 일반적으로 원자핵에 의해 전자에 의해 편향될 때 복사를 차단하는 역 제동 복사(Bremsstrahlung) 감속의 함수에 따른다. 레이저 빔 에너지는 재료로부터의 자유 전자에 의해 흡착되고 전자 자체가 진동하는 열화(열 평형에 도달하는 이완)가 뒤따른다.
도 10은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판과 관련된 레이저 절제의 TTM 열광학 모델을 도시한다. TTM 열광학 모델의 첫 번째 미분 방정식은 다음과 같이 표현되는 전자-광자 결합 효과이다.
Figure pct00001
(1)
그리고 두 번째 방정식은 다음과 같이 표현되는 격자 결합 열 효과이다.
Figure pct00002
(2)
첫 번째 방정식에서 용어 C e 는 절제되는 고체의 전자 체적 열용량이며, 여기서 T e 는 시간 t 및 부피 z에 따라 미분된 전자 온도이다. 용어 ke는 전자 열전도율이다. 전자 열전도율과 전자 온도 Te의 시간 및 부피에 따른 미분이 곱해진 값에서 전자-격자 에너지 전달 계수 Γe-p를 전자 온도 Te와 격자 온도 TL의 뺄셈과 곱한 값을 빼고, 여기에 1에서 타겟 반사율 R을 뺀 표면 투과율에 타겟 감쇠 계수 α, 시간 t의 함수로서의 레이저 세기 I, 타겟 감쇠 계수 α와 부피 z를 곱한 값의 음의 거듭제곱이 곱해진다. 두 번째 TTM 방정식에서 시간에 따라 미분된 타겟 물질의 격자 체적 열용량 C는 전자-격자 에너지 전달 계수에 전자 온도 T e 및 격자 온도 T L 의 차이를 곱한 것과 같다.
도 11a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 타겟 감쇠 계수의 함수로서 기판 표면에 입사하는 레이저 또는 광 빔의 강도
Figure pct00003
의 광학적 흡착 깊이를 나타낸다. 타겟 감쇠 계수 α의 함수로서의 레이저 강도
Figure pct00004
는
Figure pct00005
와 같다. 계속해서, 도 11b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 격자 온도 및 침투 깊이의 함수로서 기판 상에 입사/수직으로 입사하는 레이저 또는 광 빔의 열 효과를 나타낸다. 열 확산도 D T 및 펄스 지속 시간 τL 함수로서의 열 레이저 강도
Figure pct00006
는
Figure pct00007
과 동일하며, 여기서 D T 는
Figure pct00008
과 동일하며, k는 열전도율,
Figure pct00009
은 밀도,
Figure pct00010
은 기판 재료 밀도 체적 열용량이다. 계속해서, 도 11c는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 임계 플루언스(절제 지점)를 나타낸다. 펄스 폭 지속 시간
Figure pct00011
은 피코초 레이저 펄스 폭 소스의 경우 10-12초, 펨토초 레이저 펄스 폭 소스의 경우 10-15초 이하이고 플루언스 임계값 F th 는
Figure pct00012
과 같고, H υ 는 절제되는 재료의 기화열이다.
도 12a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 웨이퍼 기판으로의 펨토초 펄스 레이저의 TTM 열광학 모델을 나타낸다. 펨토초 소스에서와 같이 펄스 지속 시간이 전자 냉각 시간보다 훨씬 짧은 펄스 폭 지속 시간을 사용하면, 도 12b에 나타낸 바와 같이 전자 냉각 시간 τe보다 훨씬 짧은 펄스 폭 지속 시간 τL로 인한 플루언스 기화를 유발하는 전자로의 이온 광 흡착으로 인해 가장 깨끗한 절제가 야기되며, 일정한 레이저 세기와 일정한 타겟 반사율 R을 기반으로 하는 임의의 절제 지점에 대하여 도 12c에 도시된 바와 같은 최종 절제 결과로 종료된다. 이러한 조건에서 첫 번째 이온 제거 방정식은 다음과 같이 축약될 수 있다.
Figure pct00013
(3)
펄스 지속 시간이 가정으로 표현되는 전자 냉각 시간보다 훨씬 짧은 펨토초 레이저 조건의 경우:
Figure pct00014
(4)
여기서, 전자 온도 메커니즘은 다음의 식에 의해 지배된다.
Figure pct00015
(5)
여기서 격자 온도 가열 효과는 절제 임계값에 도달한 후 격자 냉각이 발생하는 펨토초 펄스로 인해 무시되며 다음과 같이 근사될 수 있다.
Figure pct00016
(6)
계속해서, 절제된 재료 깊이 또는 높이의 양 Δh는 전자 플루언스 F α 임계값을 격자 가열 F th 의 임계 플루언스로 나눈 비율의 자연 로그(이온 전자 우세로 인해 무효화됨)에 1을 타겟 물질 감쇠 계수 α로 나눈 값을 곱한 것, 또는 다음의 식과 같아진다.
Figure pct00017
(7)
펨토초 공정 영역에서 절제 공정 동안 훨씬 적은 열이 흡수되기 때문에, 원자 수준의 외부 쉘에서 전자가 제거되어 기화된 물질의 탈출 속도가 더 빨라지고 기판 격자로의 열 흡착 손상이 훨씬 적다. 더 깨끗한 절제가 발생하여 피코초 및 더 느린 레이저 펄스에서 볼 수 있는 절제된 재료의 용융, 슬래그 또는 재침착의 부정적인 영향을 제거하여 중금속이 대상 기판으로 열 확산될 가능성을 낮춘다. 펄스 수와 펄스 주파수 시간은 헤르츠(Hertz) 주파수(Hz)로 측정되며, 이는 직접 이온 절제의 깊이를 결정한다. 타겟 기판의 밀링 또는 딥(deep) 미세가공 및 절단을 통해 과도한 양의 기판을 제거하는 것은 바람직하지 않으며 이는 단위 면적(제곱 센티미터) 당 펄스 수 및 시간에 따른 펄스 주파수의 제어에 더하여 초당 미터 단위로 기판을 가로질러 레이저를 이동함으로써 방지된다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 스캐닝은 x- 및 y- 운동 또는 회전, 세타 r- 운동 및 패턴의 수평면에서의 스테이지 및/또는 레이저 빔 기계 작용에 의해 기계적으로 원형 또는 타원형의 집속된 레이저 광 스폿 펄스 또는 길고 넓은 라인 레이저 펄스의 움직임에 의해 수행된다. 이러한 기계적 래스터링(rastering) 중첩은 기계적 스테이지에서의 기판의 이동, 또는 스테퍼(stepper) 모터에 의한 기계적 마지막 레이저 미러 또는 광섬유 광학소자 또는 집속 렌즈의 이동, 또는 렌즈를 통한 갈바노미터 미러 스캐닝, 또는 파월 렌즈 광학소자의 사용에 의해, 최소 절제 플루언스 임계값에 도달하기 위한 충분한 균일도, 세기 및 레이저 펄스 파워의 평평한 라인을 생성하기 위해 x- 및 y- 또는 세타 r- 이동으로 스캔하며, 제거할 각 재료에 대해 도달하는 최소 절제 플루언스 임계값은 균일성, 속도 및 비용에 대해 최적의 모션으로 처리되어야 하며 결과적인 기판의 표면 거칠기를 최적화하고 최소화해야 한다. 불활성 가스 또는 비반응성 가스 퍼지에 의해 절제된 기판의 청결 유지, 대기압에서 근접 진공처리(vacuuming)에 의한 기판 표면의 배기, 또는 절제가 진공 상태의 대기 이하 조건에서 이러한 가스의 연속적인 표면 퍼지에 의해 수행되는 경우 재침착된 고형물이 없는 대형 기판이 유지된다. 추가로, 레이저 빔은 저항이 매우 높은 탈이온수 또는 불활성 액체의 액체 매질을 통과할 수 있다. 절제된 물질의 가스 퍼지 및 진공처리 또는 대기압 이하의 진공 또는 비반응성 순수 액체의 대기에서의 기판 처리의 각 경우에, 생성된 증기 및 이러한 증기의 절제된 고형물은 희토류 원료의 재사용, 환경, 인간과 동물의 안전을 위한 분리 및 재생을 목적으로 적절한 필터링 매체에 의해 포집되어야 한다. 기판의 기계적 무결성과 안정성뿐만 아니라 평탄도 및 위치 정확도를 유지하려면 기판 온도 자체를 낮은 온도로 유지해야 한다. 이것이 기판 스테이징 시스템 자체의 상부에 있는 도 16에 도시된 바와 같은 기판 홀더의 목적이다.
TTM 모델을 계속 따르는 동안 피코초 및 더 짧은 나노초 및 더 낮은 레이저 펄스는 절제 과정에서 절제 탈출 속도가 느려지고, 바람직하지 않은 표면 구축인 기화 물질(슬래그), 용융(리플, 기포 또는 컬럼)이 재침착되는 경향으로 인해 기판 격자에 의해 너무 많은 열이 흡수되는 결과를 초래한다. 또한 열은 열 흡착 효과로 인해 기판에 깊은 결정 손상을 일으키며 여기에서는 다루지 않을 것이다. 심지어 절제가 일어나는 더 짧은 레이저 펄스나 연속파 레이저도 광 파장과 열적 가열로 인해 결정질 기판의 깊은 손상을 유발하는 광 파장 및 열적 가열로 인해 기판 내부까지 손상과 광학적 흡수를 야기하며, 원하지 않는 중금속 불순물을 기판 내로 유도하는 미세 열-폭발을 나타냄으로써 회복할 수 없고 기계적으로 약해져서 연말할 수 없으며 향후 테스트 웨이퍼나 캐리어 웨이퍼로 사용하기 위해 재생될 수 없게 된다.
도 13은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 반도체 웨이퍼 기판에 충돌하는 원형 또는 타원형 (스팟) 레이저를 도시한다. 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법은 기판 홀더(1310) 상에 기판(305)을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 처리 준비에서, 기판(305)은 깨끗하고 매우 평평하게 유지되어야 하는 기판 홀더(1310)에 배치 및 제거될 때 주의해서 다루어야 한다. 기판(305)의 후면의 청정도를 유지하기 위해, 기판 홀더(1310)는 순수한 석영으로 구성될 수 있다. 블레이드 진공 처리를 통해 리프팅 핀 또는 자동 로봇 기판 처리를 사용할 수 있다. 기판 홀더(1310)는 기판(305)을 스테이징하는 것을 용이하게 하는 기판 스테이징 시스템(예를 들어, 도 15의 1510) 상에 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(305)은 기판(305)의 하나 이상의 표면이 가간섭 광원(1320)에 노출되도록 이동할 수 있다. 이동은 x- 또는 y-축 방향으로 이루어질 수 있고 스테이징 시스템(예를 들어, 도 15의 1510)은 가간섭 광원(1320)이 집속하는 것을 돕기 위해 z-축 방향으로 이동할 수 있다. 도 14에 도시된 것과 같은 다른 실시예에서, 기판 스테이징 시스템(예를 들어, 도 15의 1510)은 기판을 회전시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 기판(305)의 스테이징 시스템(1410) 회전과 함께 사용될 때 기판(305)의 하나 이상의 표면이 가간섭 광원(1320)에 노출되고, 잠재적으로 스폿 레이저 어플리케이션보다 더 빠를 수 있는 라인을 형성하기 위해 파월 렌즈(1430)를 통해 지향될 수 있다.
특정 실시예에서, 기판(305)은 가간섭광에 노출되는 동안 진공 챔버(독립적으로 미도시) 내에 배치될 수 있으며 방법은 기판(305)의 환경을 미리 결정된 압력으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 결정된 압력은 1과 2 기압 사이의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 미리 결정된 압력은 1 밀리토르와 1 기압 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 압력은 10-7 토르와 1 밀리토르 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 가스 퍼지 시스템(독립적으로 미도시)은 기판(305)의 표면을 퍼지하기 위해 사용될 수 있고 배기 시스템(예를 들어, 도 15의 1540)은 노광 동안 기판(305)의 표면을 배기하기 위해 사용될 수 있다. 진공 챔버 실시예에서, 가스 퍼징 시스템은 챔버 배기 공정 후에 진공 펌핑 및 입자 필터링과 조합하여 사용될 수 있다. 대기 실시예에서, 가스 퍼지 시스템은 기판(305)의 표면을 배기하는 임의의 유형 또는 종류의 배기 시스템과 조합하여 사용될 수 있다.
가간섭 광원(1320)에 의해 생성된 가간섭광은 반도체 기판(305)의 표면에 집속될 수 있다. 특정 실시예에서, 가간섭광의 초점은 기판(305)을 이동함으로써 조정될 수 있다. 다른 실시예에서, 가간섭광의 초점은 가간섭 광원(1320)을 이동함으로써 조정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 초점은 기판(305)의 표면 내에서 미리 결정된 깊이 목표를 향할 수 있다. 미리 결정된 깊이 목표는 기판(305) 내부 및 기판(305) 상에 형성된 모든 재료의 제거를 보장하기 위해 제거되어야 하는 패턴, 필름 및 재료의 범위를 나타내는 공칭 기판(305) 표면 아래의 깊이일 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 깊이 목표는 5 미크론과 30 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다.
가간섭광은 미리 결정된 파장, 파워, 펄스 폭, 및 펄스 속도(pulse rate) 또는 단위 면적당 펄스 수를 가질 수 있으며 기판(305)의 표면 내부 또는 상부에 형성된 물질을 미리 결정된 침투 깊이까지 직접 이온 기화시킨다. 특정 실시예에서, 가간섭 광원(1320)에 의해 생성된 가간섭광은 잠재적으로 파월(Powell) 렌즈 또는 미러를 포함하는 렌즈(예를 들어, 도 14의 1410)를 통해 지향될 수 있다. 특정 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 자외선 레이저일 수 있다. 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 가시광선 레이저일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 적외선 레이저일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 엑시머 레이저일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 극자외선 소스일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 광 빔일 수 있다.
특정 실시예에서, 미리 결정된 파장은 13.5 나노미터와 355 나노미터 사이의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 300 나노미터와 800 나노미터 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 700 나노미터와 1.4 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 900 나노미터와 5 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 5 미크론과 500 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 파워은 1 와트와 1,000 와트 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 펄스 폭은 10-6 초와 10-18 초 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 펄스 속도는 1 헤르츠와 50,000 헤르츠 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 침투 깊이는 1 미크론과 30 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 가이딩 파라미터 뿐만 아니라 가간섭 광원(1320)의 선택이 타겟 기판(305), 그 조성, 및 기판(305) 상의 재료의 조성에 기초하여 변할 수 있음을 이해할 것이다.
특정 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 기판(305)의 표면에 집속되는 가간섭광을 생성할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 기판(305)은 기판(305)의 하나 이상의 표면이 가간섭광에 노출되도록 하기 위해 이동하거나 회전하거나 가간섭 광원(1320)이 이동한다. 가스 퍼지 시스템은 배기 시스템(예를 들어, 도 15의 1540)이 기판(305)의 표면을 배기하는 동안 기판(305)의 표면을 퍼지하여, 공정 동안 중금속 오염 또는 재침착이 없음을 보장한다. 제거 공정 완료 시, 기판(305)은 거칠기, 최종 두께, 기판(305)의 하나 이상의 표면에 대한 성공적인 절제 사양의 준수에 대해 검사될 수 있다. 검사에 이어서, 기판(305)이 연마될 수 있고, 연마된 기판(305)이 검사될 수 있고, 연마되고 검사된 기판(예를 들어, 도 16의 1610)이 테스트 웨이퍼로서 서비스를 위해 반환되거나 그렇지 않으면 기판(305)으로부터 모든 지적 재산이 제거된 채로 배치될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 기판(305)의 휨, 파손 손상 및 전체 온도는 기판(305)의 표면 온도를 특정 기판 재료의 결정 손상 임계값 및 불순물에 대한 확산 임계값 미만으로 유지함으로써 제어될 수 있다. 반도체 기판의 제조에서 기판 온도 제어 분야의 당업자는 정적 결합, 후면 냉각 및/또는 도 13 내지 도 15에 도시된 기판 홀더에서 기판의 정확한 포지셔닝을 위한 포켓과의 조합을 사용한 이러한 벌크 웨이퍼 온도 제어 방법에 숙달되어 있다. 레이저 빔은 펨토초 레이저 펄스 및 레이저 광의 시간 압축 버스트(bursts)로 기판(305) 표면에 집속되어 광선 초점에 대한 직접적인 이온 기화를 유지 및 최적화하고 기판(305)의 표면 및 유전체, 금속 및 반도체 층이 물질 외부 전자 껍질에서 전자를 즉시 제거하고 고체에서 기체 상태로 직접 변환하여 이온 기화 주파수에 도달하도록 한다. 중적외선에서 원적외선 파장을 사용하여 이러한 재료를 제거할 수도 있지만 표면 재료와의 열역학적 폭발 반응으로 인해 기판 가열 및 깊은 손상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 깊은 자국(pits)이 생성되고 기판이 약해지며 열 확산에 의해 표면 내부로 불순물이 유입될 수 있다. 이러한 깊은 자국은 기판을 복구할 수 없도록 하며 성공적인 결과를 얻기 위해 피해야만 한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 기판 온도는 후면 냉각(예를 들어, 정적 클램핑, 헬륨 후면 냉각) 또는 불활성 액체(예를 들어, 탈이온수)에서의 기판 담금에 의한 공정 동안 제어될 수 있으며, 기판의 표면 청결도는 기체 또는 불활성 기체(예를 들어, 아르곤, 헬륨, 또는 질소)로 레이저 노출 영역 바로 주변의 영역을 퍼지하고 절제된 재료를 진공처리함으로써 제어될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판 표면으로부터 절제된 재료를 쓸어내는 블로우 오프(blow off) 가스를 사용한 나이프 에지 퍼지(knife edge purge)가 사용될 수 있다. 진공 챔버에서, 노즐 퍼지 및 유동 역학을 제어해야 한다. 절제된 재료를 제거하기 위해 진공 배기 장치를 사용할 수 있다. 비진공 챔버 실시예에서, 배기 시스템은 기판의 표면을 배기하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 재료 재침착을 방지하기 위한 현장(in-situ) 세정은 진공 순환 핵형성("VCN; vacuum cyclic nucleation") 세정 또는 절제 공정 동안 기판 표면을 가로질러 동시에 탈이온수 또는 용매의 부드러운 흐름으로 재료를 쓸어내림으로써 달성될 수 있다.
도 14는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 웨이퍼 기판에 충돌하는 라인 기반 레이저를 도시한다. 특정 실시예에서, 기판 스테이징 시스템(예를 들어, 도 15의 1510)은 가간섭광의 충돌 라인이 기판의 전체 표면에 집속되도록 기판(305)을 회전시키는 데 사용될 수 있다. 그러한 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 스폿 빔을 라인으로 변환하기 위해 예를 들어 파월 렌즈(1410)와 같은 렌즈를 통해 가간섭성 광을 지향할 수 있다. 기판(305)이 회전함에 따라 기판의 전면이 노출될 수 있다.
도 15는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 위한 시스템(1500)의 단면을 나타낸다. 시스템(1510)은 이전에 논의된 바와 같이 기판 스테이징 시스템(1510) 상에 배치된 기판 홀더(1310)에 배치된 기판(305)을 포함할 수 있다. 기판 스테이징 시스템(1510)은 기판(305)을 이동시키거나 회전시킬 수 있고, 가간섭 광원(예를 들어, 도 13 또는 도 14의 1320)이 이동할 수 있거나, 기판(305)과 가간섭 광원의 조합이 이동하거나 회전하여 기판(305)의 하나 이상의 표면이 가간섭광에 노출되도록 할 수 있다. 가간섭 광원(예를 들어, 도 13 또는 도 14의 1320)은 미리 결정된 파장, 파워, 펄스 폭, 펄스 속도 또는 단위 면적당 펄스 수를 가지며, 반도체 기판(305)의 표면 내에 또는 상부에 형성된 물질의 직접적인 이온 기화를 유발할 수 있는 가간섭광을 생성할 수 있다. 렌즈(예를 들어, 도 14의 1410) 또는 미러가 기판(305)의 표면 상에 가간섭광을 집속하는 데 사용될 수 있다. 가스 퍼지 시스템(독립적으로 미도시)은 가간섭광이 기판에 집속됨에 따라 기판의 표면을 퍼지할 수 있다. 배기 시스템(1540)은 가간섭 광원이 기판(305)에 충돌(1520)할 때 증기 및 미립자 물질(1530)을 배기할 수 있다.
특정 실시예에서, 기판(305)은 가간섭광에 노출되는 동안 진공 챔버(독립적으로 미도시 내에 배치될 수 있으며 방법은 기판(305)의 환경을 미리 결정된 압력으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 결정된 압력은 1과 2 기압 사이의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 미리 결정된 압력은 1 밀리토르와 1 기압 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 압력은 10-7 토르와 1 밀리토르 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 가스 퍼지 시스템(독립적으로 미도시)은 기판(305)의 표면을 퍼지하기 위해 사용될 수 있고 배기 시스템(예를 들어, 도 15의 1540)은 노광 동안 기판(305)의 표면을 배기하기 위해 사용될 수 있다. 진공 챔버 실시예에서, 가스 퍼징 시스템은 챔버 배기 공정 후에 진공 펌핑 및 습식 입자 필터링과 조합하여 사용될 수 있다. 대기 실시예에서, 가스 퍼지 시스템은 기판의 표면을 배기하는 임의의 유형 또는 종류의 배기 시스템과 조합하여 사용될 수 있다.
가간섭 광원(1320)에 의해 생성된 가간섭광은 반도체 기판(305)의 표면에 집속될 수 있다. 특정 실시예에서, 가간섭광의 초점은 기판(305)을 이동함으로써 조정될 수 있다. 다른 실시예에서, 가간섭광의 초점은 가간섭 광원(1320)을 이동함으로써 조정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 초점은 기판(305)의 표면 내에서 미리 결정된 절제 임계값을 향할 수 있다. 미리 결정된 절제 임계값은 기판(305) 내부 및 기판(305) 상에 형성된 모든 재료의 제거를 보장하기 위해 제거되어야 하는 패턴, 필름 및 재료의 범위를 나타내는 공칭 기판(305) 표면 아래의 깊이일 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 절제 임계값은 1 미크론과 30 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다.
가간섭광은 미리 결정된 파장, 파워, 펄스 폭, 및 펄스 속도 또는 단위 면적당 펄스 수를 가지므로 기판(305)의 표면 내부 또는 상부에 형성된 물질을 미리 결정된 침투 깊이까지 직접 이온 기화시킨다. 특정 실시예에서, 가간섭 광원(1320)에 의해 생성된 가간섭광은 잠재적으로 파월(Powell) 렌즈 또는 미러를 포함하는 렌즈(예를 들어, 도 14의 1410)를 통해 지향될 수 있다. 특정 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 자외선 레이저일 수 있다. 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 가시광선 레이저일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 적외선 레이저일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 엑시머 레이저일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 극자외선 소스일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 광 빔일 수 있다.
특정 실시예에서, 미리 결정된 파장은 13.5 나노미터와 355 나노미터 사이의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 300 나노미터와 800 나노미터 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 700 나노미터와 1.4 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 900 나노미터와 5 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 파장은 5 미크론과 500 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 파워은 1 와트와 1,000 와트 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 펄스 폭은 10-6 초와 10-18 초 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 펄스 속도는 1 헤르츠와 50,000 헤르츠 사이의 범위에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 미리 결정된 침투 깊이는 1 미크론과 30 미크론 사이의 범위에 있을 수 있다. 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 가이딩 파라미터 뿐만 아니라 가간섭 광원(1320)의 선택이 타겟 기판(305), 그 조성, 및 기판(305) 상의 재료의 조성에 기초하여 변할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 실리콘 기판을 사용하는 특정 실시예에서, 펨토초 펄스 속도를 갖는 280 나노미터 파장 300 와트 레이저 광의 사용은 기판 내부 또는 상부에 형성된 물질을 미리 결정된 침투 깊이까지 깨끗하게 증발시키는 데 효과적인 것으로 입증되었다.
특정 실시예에서, 가간섭 광원(1320)은 기판(305)의 표면에 집속되는 가간섭광을 생성할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 기판(305)은 기판(305)의 하나 이상의 표면이 가간섭광에 노출되도록 하기 위해 이동하거나 회전하거나 가간섭 광원(1320)이 이동한다. 가스 퍼지 시스템은 배기 시스템(예를 들어, 도 15의 1540)이 기판(305)의 표면을 배기하는 동안 기판(305)의 표면을 퍼지하여, 공정 동안 중금속 오염 또는 재침착이 없음을 보장한다. 제거 공정 완료 시, 기판(305)은 거칠기, 최종 두께, 기판(305)의 하나 이상의 표면에 대한 성공적인 절제 사양의 준수에 대해 검사될 수 있다. 검사에 이어서, 기판(305)이 연마될 수 있고, 연마된 기판(305)이 검사될 수 있고, 연마되고 검사된 기판(예를 들어, 도 16의 1610)이 테스트 웨이퍼로서 표면에 반환되거나 그렇지 않으면 기판(305)으로부터 모든 지적 재산이 제거된 채로 배치될 수 있다.
도 16a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 절제 이전의 패턴화된 웨이퍼 기판(305)의 상면 사시도를 나타낸다. 계속해서, 도 16b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 절제 후에 후처리된 웨이퍼 기판(1610)의 상면 사시도를 나타낸다. 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은 기판 내부 또는 상부에 형성된 모든 구조체 또는 디바이스를 효과적으로 제거했으며, 이제 의도하지 않은 지적 재산의 공개의 위험 없이 재생 또는 안전한 재활용을 위해 준비되었다.
도 17a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 패턴화된 웨이퍼 기판 상의 3차원 특징부, 구조체 또는 디바이스의 예시적인 현미경도(1700)의 평면 사시도를 나타낸다. 비교를 위해 계속해서, 도 17b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 절제 후 이전에 패턴화된 웨이퍼 기판 표면의 예시적인 원자력(atomic force) 현미경도(1700)를 나타낸다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 이점은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은, 미러과 같은 피니쉬로 다시 연마되어 테스트 웨이퍼로 재사용되거나 지적 재산권이 의도하지 않게 공개될 위험 없이 태양광 산업에서 사용하기 위해 폐기되거나 재활용된 캐리어 웨이퍼로서 판매될 수 있도록 충분한 두께와 순도의 베이스 기판을 남기는 방식으로 기판으로부터 패턴을 완전히 제거하는 안전하고, 위험하지 않으며, 친환경적인 공정을 통해 실질적으로 전체 두께 패턴화된 웨이퍼의 재사용 또는 재활용을 가능하게 한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은 직접적이고 즉각적인 이온 기화를 사용하여 결정질 기판에 최소한의 손상으로 기판 내에 또는 상부에 증착, 주입 또는 형성된 구조 및 재료를 완전히 제거한다. 기판의 순도는 중금속 표면 오염 사양을 만족하고 잘 알려진 연마 또는 래핑 공정을 사용하여 미러와 같은 피니쉬로 다시 연마될 수 있는 충분한 표면 거칠기를 갖는다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 위한 방법 및 시스템은, 강한 산 또는 화학 물질을 사용하지 않고 안전하고 경제적이며 환경 친화적인 방식으로, 높은 신뢰도로 기판 표면으로부터 팹, 파운드리 또는 그 고객의 지적 재산을 제거할 수 있다. 웨이퍼를 재생하거나 단순히 재활용하려는 의도와 상관없이 지적 재산은 기판 표면에서 깨끗하게 기화될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은 사양 외 웨이퍼, 테스트 웨이퍼 및 패턴화된 웨이퍼가 테스트 웨이퍼로 재사용을 위해 재생되도록 하여 테스트 웨이퍼에 대한 수요뿐 아니라 비용도 절감한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은 사양 외 웨이퍼, 테스트 웨이퍼 및 패턴화된 웨이퍼가 모든 지적 재산이 기판이 표면으로부터 제거되었다는 높은 신뢰도로 재활용될 수 있도록 한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 위한 방법 및 시스템은 반도체 산업에서 처음으로 지적 재산이 기판으로부터 완전히 제거되었다는 높은 수준의 확신을 가지고 안전하고 효과적이며 환경 친화적인 패턴화된 웨이퍼를 재생하거나 재활용하는 공정을 가능하게 한다.
본 발명의 하나 이상의 실시에에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은 용융, 컬럼, 기포 또는 리플의 형성, 재결정화 및 중금속 오염을 포함하는 열 작용을 감소 또는 제거하기 위해 즉각적인 이온 기화로 직접 수행된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은 기계적 연삭 또는 연마 및 습식 또는 건식 식각 공정을 사용하여 제거하기 어려운 블랭킷(blanket) 필름의 제거를 가능하게 한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 위한 방법 및 시스템은 기판으로부터 패턴화된 구조체 또는 디바이스를 제거하기 위해 강한 산성 화학 물질의 사용을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법 및 시스템은 미리 결정된 침투 깊이까지 기판에 대한 열 손상 또는 오염 없이 기판의 표면 내부 또는 상부에 형성된 물질의 직접적이고 즉각적인 기온 기화를 유발하는 미리 결정된 파워, 펄스 폭 및 펄스 속도 또는 단위 면적 당 펄스 수로 기판 표면 상에 미리 결정된 파장을 갖는 가간섭 광원을 집속시킨다.
본 발명이 위에서 언급된 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시예들이 고안될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (62)

  1. 반도체 공작물의 재생 또는 재활용 방법으로서,
    가간섭광을 반도체 기판의 표면에 집속시키는 단계로서, 가간섭광은 미리 결정된 파장, 파워, 펄스 폭 및 펄스 속도 또는 단위 면적당 펄스 수를 가지며, 미리 결정된 침투 깊이까지 상기 기판의 상기 표면 내에 또는 상기 표면 상에 형성된 물질의 직접적인 이온 기화를 유발하는, 단계;
    퍼지 가스로 상기 기판의 상기 표면을 퍼지하는 단계; 및
    상기 기판의 상기 표면을 배기하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    기판 홀더 상에 상기 기판을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    기판 스테이징 시스템 상에 상기 기판 홀더를 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 환경을 미리 결정된 압력으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가간섭 광원에 의해 생성된 상기 가간섭광을 렌즈 또는 미러을 통해 지향시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 하나 이상의 표면이 상기 가간섭 광원에 노출되도록 상기 기판을 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 하나 이상의 표면이 상기 가간섭 광원에 노출되도록 상기 기판을 회전시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 하나 이상의 표면이 상기 가간섭 광원에 노출되도록 상기 가간섭 광원을 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    규정 준수(compliance)를 위해 상기 기판의 하나 이상의 표면의 거칠기를 검사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    규정 준수를 위해 상기 기판의 최종 두께를 검사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    규정 준수를 위해 상기 기판의 이온 절제된 표면을 검사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상기 이온 절제된 표면을 연마(polishing)하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    재사용을 위해 상기 연마된 기판을 검사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기판은 진공 챔버 내에 배치되는, 방법
  15. 제1항에 있어서, 초첨이 상기 기판을 이동시킴으로써 조절되는, 방법.
  16. 제1항에 있어서, 초점이 상기 가간섭 광원을 이동시킴으로서 조절되는, 방법.
  17. 제1항에 있어서, 초점은 상기 기판의 상기 표면 내의 미리 결정된 절제 임계값으로 지향되는, 방법.
  18. 제4항에 있어서, 상기 미리 결정된 압력은 1 기압 내지 2 기압인, 방법.
  19. 제4항에 있어서, 상기 미리 결정된 압력은 1 밀리토르 내지 1기압인, 방법.
  20. 제4항에 있어서, 미리 결정된 압력은 10-7 토르 내지 1 밀리토르인, 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 자외선 레이저를 포함하는, 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 가시광선 레이저를 포함하는, 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 적외선 레이저를 포함하는, 방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 엑시머 레이저를 포함하는, 방법.
  25. 제1항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 극자외선 소스를 포함하는, 방법.
  26. 제1항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 광 빔을 포함하는, 방법.
  27. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 13.5 내지 355 나노미터인, 방법.
  28. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 300 내지 800 나노미터인, 방법.
  29. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 700 나노미터 내지 1.4 미크론인, 방법.
  30. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 900 나노미터 내지 5 미크론인, 방법.
  31. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 5 미크론 내지 500 미크론인, 방법.
  32. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 파워는 1 내지 1,000 와트인, 방법.
  33. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 펄스 폭은 10-6 초 내지 10-18 초인, 방법.
  34. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 펄스 속도는 1 내지 50,000 헤르츠인, 방법.
  35. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 침투 깊이는 1 내지 30 미크론인, 방법.
  36. 반도체 공작물의 재생 또는 재활용을 위한 시스템으로서,
    반도체 기판의 표면 상에 또는 표면 내에 형성된 물질을 미리 결정된 침투 깊이까지 직접 이온 기화시키는 미리 정해진 파장, 파워, 펄스 폭, 펄스 속도 또는 단위 면적당 펄스 수를 갖는 가간섭광을 발생시키는 가간섭 광원;
    상기 기판의 상기 표면 상에 가간섭광을 집속시키는 렌즈 또는 미러;
    상기 기판의 상기 표면을 퍼지하는 가스 퍼지 시스템; 및
    상기 기판을 배기하는 배기 시스템을 포함하는, 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 기판을 고정하는 기판 홀더를 더 포함하는, 시스템.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 기판 홀더를 스테이징하는 기판 스테이징 시스템을 더 포함하는, 시스템.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 기판의 압력 환경을 제어하는 진공 챔버를 더 포함하는, 시스템.
  40. 제36항에 있어서, 상기 기판의 하나 이상의 표면이 상기 가간섭 광원에 노출되도록 상기 기판이 이동되는, 시스템.
  41. 제36항에 있어서, 상기 기판의 하나 이상의 표면이 상기 가간섭 광원에 노출되도록 상기 기판이 회전되는, 시스템.
  42. 제36항에 있어서, 상기 기판의 하나 이상의 표면이 상기 가간섭 광원에 노출되도록 상기 가간섭 광원이 이동되는, 시스템.
  43. 제36항에 있어서, 초점이 상기 기판을 이동시킴으로써 조절되는, 시스템.
  44. 제36항에 있어서, 초점이 상기 가간섭 광원을 이동시킴으로써 조절되는, 시스템.
  45. 제39항에 있어서, 상기 미리 결정된 압력은 1 기압 내지 2 기압인, 시스템.
  46. 제39항에 있어서, 상기 미리 결정된 압력은 1 밀리토르 내지 1 기압인, 시스템.
  47. 제39항에 있어서, 미리 결정된 압력은 10-7 토르 내지 1 밀리토르인, 시스템.
  48. 제36항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 자외선 레이저를 포함하는, 시스템.
  49. 제36항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 가시광선 레이저를 포함하는, 시스템.
  50. 제36항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 적외선 레이저를 포함하는, 시스템.
  51. 제36항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 엑시머 레이저를 포함하는, 시스템.
  52. 제36항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 극자외선 소스를 포함하는, 시스템.
  53. 제36항에 있어서, 상기 가간섭 광원은 광 빔을 포함하는, 시스템.
  54. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 13.5 내지 355 나노미터인, 시스템.
  55. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 300 내지 800 나노미터인, 시스템.
  56. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 700 나노미터 내지 1.4 미크론인, 시스템.
  57. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 900 나노미터 내지 5 미크론인, 시스템.
  58. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 파장은 5 미크론 내지 500 미크론인, 시스템.
  59. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 파워은 1 내지 1,000 와트인, 시스템.
  60. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 펄스 폭은 10-6 초 내지 10-18 초인, 시스템.
  61. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 펄스 속도는 1 내지 50,000 헤르츠인, 시스템.
  62. 제36항에 있어서, 상기 미리 결정된 침투 깊이는 1 내지 30 미크론인, 방법.
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