KR100475774B1 - 초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 방법 및장치 - Google Patents

초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 습식 식각 공정 또는 기타 반도체 공정에 있어서, 기판 표면에 생기는 기포를 초음파를 이용하여 제거하는 방법 및 장치를 개시한다.
습식 반응 조( Wet Reaction Bath ) 옆 면에 한 개 이상의 초음파 진동자를 장착하여, 반응에 의해서 기판 표면에 생기는 미세한 기포를 초음파 진동자에 의해 액체매질을 통해 전해지는 진동에 의해 제거 또는 박탈 시켜 기포에 의해서 야기되는 문제점 - 국부적인 반응 방지막 ( MicroMasking ) 형성 - 을 해결하고, 초음파에 의해 기판표면의 반응부에 국부적인 교반을 시켜줌으로써 습식 반응 결과의 재현성 및 균일도를 확보하는 기포 제거 방법 및 장치를 개시한다.

Description

초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 방법 및 장치{The Method and apparatus for Removal of Bubbles on the Substrate by Ultrasonic Waves}
화학 반응을 위한 습식 반응 조( Wet Reaction Bath )의 경우에는 반응 특성 개선을 위해서 다양한 방법들이 적용되고 있다. 반응 용액의 농도 및 온도를 유지하기 위한 중탕 방법, 순환 펌프를 통한 반응액의 순환 방법 , 마그네틱 교반기( Magnetic Stirrer )를 이용하는 방법, 기화되는 용액으로 인한 농도 변화를 줄이기 위한 응축기( Condenser )를 장착하는 방법들이다. 그러나, 이러한 방법들은 대부분 반응 특성만을 개선하는 방법이어서, 반응 중에 반응 기판 표면에 생겨서 반응 방지막으로 작용하는 기포를 제거하는 데는 제한이 따른다. 기판 표면에 흡착된 기포에는 일반적으로 표면장력( Surface Tension)과 반데르 발스 힘(Vander Waals Force)이 가장 크게 작용하고 있다. 이러한 기판 표면에 흡착된 수 ㎛ ∼ 수 십㎛ 크기의 기포를 표면에서 제거 또는 박탈시키기에는 상기의 종래의 방법만으로는 한계가 있다.
종래의 다른 한 방법은 화학 반응 시 기판 표면에 생기는 기포를 제거하여 화학 반응 균일도를 향상시키기 위해서 습식 반응 조 ( Wet Reaction Bath)하부에 초음파 발진기를 장착하여 초음파 에너지를 공급하는 방법이 이용되고 있다.
도 1a와 도 1b는 종래의 초음파를 이용하여 기판 표면에 생기는 기포 제거 장치의 개략도를 나타낸다. 도 1a는 반응기판의 방향(6)이 초음파 발진기(1(a))의 방사 방향(7)와 수직으로 배치된 경우를 나타내고, 도 1b는 반응기판의 방향이 초음파 발진기의 방사 방향과 수평으로 배치된 경우를 나타낸다. 습식 반응조(3)에 반응용액(2)과 반응기판(4)이 담겨져 있고, 초음파 발진기의 위치가 반응조의 바닥 아래에 위치하며 바닥면과 수평으로 배치되어 있다. 도 1a에서 나타내었듯이 초음파 발진기와는 상대적으로 수직으로 위치하는 반응 기판의 경우는 초음파 에너지를 받는 위치에 따라 불균일하게 에너지가 전달되는 단점이 있다. 따라서 반응기판의 표면에 존재하는 기포(5(a))는 반응기판내의 상대적인 위치에 따라 탈착되는 정도가 다르게 된다. 도 1b에서 나타내었듯이 초음파 발진기와는 상대적으로 수평으로 나란히 위치하는 반응 기판의 경우는 초음파 에너지는 반응 기판 표면에 균일하게 반응기판의 표면에 존재하는 기포(5(a))들을 기판 표면에서 탈착되지만, 탈착된 기포(5(b)는 부력에 의해 수평 방향으로 놓여진 기판에 재 흡착((5(c))된다. 따라서 상기의 방법들은 기포들이 원활하지 제거 되지 못하여, 기포가 흡착된 부분은 화학 반응이 일어나지 않는 국부적인 반응 방지막( MicroMasking )을 형성하여 화학 반응의 균일도 및 재현성 구현에 문제가 있다.
본 발명에서는 초음파 진동자를 습식 반응 조의 옆 면에 장착하여 초음파 진동의 방사 방향과 반응 기판의 방향을 직각 방향으로 유지하여 매질을 통해 기판에 균일하게 초음파 에너지가 전달되는 면적을 증가시킴과 동시에, 초음파 진동에 의해 기판 표면으로부터 떨어진 기포의 흐름을 원활히 하여, 화학 반응 시 기판 표면에 발생하는 기포에 의해서 야기되는 문제점 - 국부적인 반응 방지막 ( MicroMasking ) 형성 - 을 해결하여 균일하고, 재현성 있는 반응 결과를 얻을 수 있는 방법 및 장치를 개시한다.
또한, 본 발명에서는 진동자에서 나오는 초음파 에너지를 액체 매질을 통해 전달하여 화학 반응 시 기판 표면에 발생하는 기포를 쉽게 제거시키고, 액체 매질을 통해 전달된 초음파에 의해 기판 표면위의 반응부에 국부적인 교반을 시켜줌으로써 반응결과의 균일도 및 재현성을 개선하는 방법을 개시한다.
초음파 진동자에 의해 액체 매질을 통해 전달되는 초음파 에너지는 액체의 입자를 진동, 가속시켜서 이러한 초음파 에너지에 의해서 가속된 액체 입자에 의해 기판 표면에 흡착되어 있는 기포를 제거하게 된다.
본 발명은 반도체 제조 공정이나 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical Systems;MEMS) 제작 공정 등에 사용되고 있는 실리콘 웨이퍼의 습식 식각 공정이나, 반도체 소자 및 MEMS 소자 제작 뿐만 아니라 RF 소자 제작 공정, 칩 패키징 공정 등에 사용되고 있는 전해 도금 및 무전해 도금 공정등에 적용된다.
습식 반응조에서의 기포 생성은 아래와 같은 예에서 명확히 표현된다.
수산화 칼륨 수용액(KOH)을 이용한 실리콘 웨이퍼의 습식 식각 공정의 경우 다음과 같은 반응이 일어난다.
Si + 2H2O +2OH- →SiO2(OH)2 2- + H2
이 때, 반응 후에 생기는 수소기체(H2)가 반응 기판(실리콘 웨이퍼)의 표면에 흡착되어 반응 방지막(MicroMasking)으로 작용하여 국부적으로 반응을 방해 해서 실리콘 웨이퍼의 습식 식각의 균일도 및 재연성을 저하시키는 역할을 한다.
도 2에서 도 4에서는 본 발명에서 제공하는 초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 장치들을 도시하였다.
도 2는 본 발명에 의한 초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 장치의 한 실시 예를 나타내는 개략도이다. 초음파 진동자(1(a))를 습식 반응 조(3) 옆면에 장착하여 초음파 진동의 방사 방향(7)과 반응 기판의 방향(6)이 직각 방향이 되도록 하여 기판에 초음파 에너지가 균일하게 전달되는 면적을 증가시켜서, 반응 중에 기판 표면에 생기는 기포(5(a))를 효율적으로 탈착시켜, 탈착된 기포(5(b))가 기판 표면에 재흡착되지 않고 기판표면으로부터 제거 시키는 장치을 도시하였다.
실리콘 웨이퍼의 습식 식각 반응 시 생기는 수소 기체의 일부는 반응 용액 표면으로 따라서 용액의 표면으로 올라가고, 일부는 기판 표면에 흡착된다. 이러한 기판 표면에 흡착된 미세한 기포가 반응 방지막(MicroMasking)으로 작용한다.
초음파 진동자에 의한 초음파 에너지는 액체 매질을 통해 전달되고, 기판 표면 근처에서 액체 매질을 국부적으로 교반 시켜줌으로써, 용액과 기판간의 화학 반응이 균일하게 일어나도록 한다.
액체 매질을 통해 전달된 초음파 에너지에 의해서 기판 표면에서 떨어진 기포는 반응 조의 옆면에 장착된 초음파 진동자의 방사 방향과 수직 (반응 조와는 평행 ) 방향인 기판 표면에서 다시 반응 기판 표면에 재 흡착되지 않고 원활하게 용액 표면으로 올라가서 제거되는 것을 특징으로 한다.
도 3과 도 4에서는 서로 다른 주파수를 가지는 각기 다른 초음파 진동자(1(a),1(b),1(c))를 습식 반응 조(3) 옆면에 장착하여 초음파 진동의 방사 방향(7)과 반응기판의 방향(6)이 직각 방향이 되도록 하여 기판에 초음파 에너지가 균일하게 전달되는 면적을 증가시켜서, 반응 중에 기판 표면에 생기는 기포(5(a))를 효율적으로 탈착시켜, 탈착된 기포(5(b))가 기판 표면에 재흡착되지 않고 기판표면으로부터 제거 시키는 장치을 도시하였다.
이 경우, 매질을 통해 전달되는 초음파는 반응에 의해서 생성된 기포를 기판표면에 흡착되지 않도록 하며, 서로 다른 주파수의 순차적으로 초음파 진동을 인가함으로써 반응 응액의 국부적인 교반 기능을 향상시켜서 깊고 좁은 홈이 있는 구조를 가지는 기판에 적용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 초음파 진동자를 습식 반응 조 옆면에 장착하여 반응 기판 표면에 발생하는 기포를 액체 매질을 통해 전달되는 초음파 진동에 의해 쉽게 박탈시킴으로써 기포에 의해서 생기는 반응 방지 현상을 제거하고, 초음파 진동에 의한 기판 표면의 반응부에 국부적인 교반을 시켜줌으로써 우수한 반응 특성과, 재현성 및 균일도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.
도 1 은 기존의 초음파를 이용하여 기판 표면에 생기는 기포 제거 장치를 나타내는 개략도.
도 2 는 본 발명에 의한 초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 장치의 한 실시 예를 나타내는 개략도.
도 3 은 본 발명에 의한 초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 장치의 다른 한 실시 예를 나타내는 개략도.
도 4 는 본 발명에 의한 초음파를 이용한 기판 표면에 생기는 기포 제거 장치의 또 다른 한 실시 예를 나타내는 개략도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1(a). 초음파 진동자 Ⅰ
1(b) 초음파 진동자 Ⅱ
1(c) 초음파 진동자 Ⅲ
2. 반응 용액
3. 습식 반응 조 ( Wet Reaction Bath )
4. 반응 기판 ( Substrate )
5(a) 반응 시 기판에 흡착된 기포
5(b) 초음파 진동에 의해 기판으로부터 탈착된 기포
5(c) 재흡착된 기포
6. 반응 기판의 방향
7. 초음파 진동자의 방사 방향

Claims (7)

  1. 습식 반응 조에 초음파 진동자를 이용하여 반응 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 장치에 있어서,
    상기 습식 반응 조의 중심에 지면과 수직인 방향으로 위치하도록 구성된 반응 기판; 및
    상기 습식 반응 조의 양 옆면에 장착하여 초음파 진동의 방사방향과 상기 반응기판의 방향이 직각방향이 되도록 하여 상기 반응 기판에 서로 다른 복수의 진동주파수를 전달하는 복수의 초음파 진동자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동에 의해 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 초음파 진동자는
    상기 습식 반응 조의 양 옆면에 소정의 간격을 유지하고 일렬로 장착되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동에 의해 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 초음파 진동자는
    상기 습식 반응 조의 양 옆면에 중첩되어 장착되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동에 의해 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 장치.
  4. 습식 반응 조에 초음파 진동자를 이용하여 반응 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 방법에 있어서,
    (a)상기 습식 반응 조의 중심에 지면과 수직으로 반응 기판을 위치시키는 단계;
    (b)상기 습식 반응조의 옆면에 반응기판과 마주보도록 하고 서로 다른 복수의 진동주파수를 갖는 복수의 초음파 진동자를 부착시키는 단계; 및
    (c)상기 복수의 초음파 진동자에 의한 초음파 진동운동에 의해서 기판표면에 생기는 기포를 제거하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 초음파 진동에 의해 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 (b)단계는
    상기 복수의 초음파 진동자가 상기 습식 반응 조의 양 옆면에 소정의 간격을 유지하고 일렬로 장착되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동에 의해 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 (b)단계는
    상기 복수의 초음파 진동자가 상기 습식 반응 조의 양 옆면에 중첩되어 장착되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동에 의해 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응기판의 표면과 마주보는 복수의 초음파 진동자의 초음파 진동 주파수를 순차적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동에 의해 기판 표면에 생기는 기포를 제거하는 방법.
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