KR20170106363A - 비열 소프트 플라즈마 세정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가이드식 소프트-플라즈마 세정(Guided Soft-Plasma Cleaning : G-SPC)(30)을 포함하는 소프트 플라즈마 세정(SPC) 시스템(30, 130, 230)을 제공한다. SPC 시스템은 비열(non-thermal)이고, 저온 프로세스이며, 대기압에서, 공기 및 액체 매체 모두에서 작동할 수 있다. 일 실시 예에서, 공급원료 가스(40)가 공급되어 세정 챔버(34) 내에 방전 유체(50)를 제공한다. 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트(52)는 가공물(32) 위의 큰 어블레이션(ablation) 영역을 커버하도록 방전 유체를 가이드 및 확장시킴으로써, 이온 및 전자 충격 손상 또는 에칭을 또한 억제한다. 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트(52)는 유전체 플레이트 또는 튜브(37, 56, 58)로 형성될 수 있으며, 각각의 유전체는 개구(37a, 56a, 58a)를 갖는다. 세정 챔버 내의 전기장 및 이온 에너지는 SPC 동안 플라즈마 손상을 억제하기 위해 플로팅 전극(160, 160a)을 통해 부가적으로 제어될 수 있다

Description

비열 소프트 플라즈마 세정
본 발명은 공기 및 액체 매질 모두에서의 비열(non-thermal), 대기압 소프트 플라즈마 세정에 관한 것이다.
물리적 대상물의 표면 세정을 위한 공지된 방법은 습식 세정(이를 테면, 세제와 물로 브러싱 그리고 건조, 및 초음파 용매 세정) 및 건식 세정(이를 테면, 레이저 어블레이션(ablation), 이산화탄소 복합체 세정 및 플라즈마 세정)을 포함한다. 플라즈마 세정은 오프라인 및 인라인 세정 모두에 적합한, 신속한 원스텝 건식 공정이라는 장점이 있다.
그러나, 종래의 플라즈마 세정은 가공물에 손상을 야기한다. 이는 특히 세정 대상물이 반도체 웨이퍼, 집적 회로 컴포넌트 및 생체 조직과 같이 손상에 민감할 때 문제이다. 이러한 민감한 대상물에 대한 손상은 플라즈마 내의 이온 및 전자의 충격 및 대상물 표면상에서의 바람직하지 않은 에칭으로 인해 발생한다. 바람직하지 않게, 플라즈마 세정 공정의 온도도 높아서, 전형적으로 100℃ 이상이므로, 낮은 용융 온도로 인해 플라스틱 대상물의 세정을 불가능하게 한다. 진공 챔버가 포함될 때, 대형 기계의 풋프린트 비용 및 자본 비용이 추가된다. 또한, 플라즈마 세정에 종종 요구되는 공급원료(feedstock)는 독성 및/또는 가연성이다. 대기압 챔버가 당업계에 공지되어 있지만, 저온, 높은 플라즈마 세정 속도 및 큰 면적의 플라즈마 세정은 상업적 용도의 바람직한 특징이다. 동일 장치에서 이러한 모든 바람직한 특징을 얻는 것은 여전히 도전 과제로 남아 있다.
미국특허 제7,754,994호는 가스 월풀(whirlpool) 캐비티에서 대기 가스 방전 플라즈마를 생성하는 방법을 개시한다. 그 다음, 플라즈마가 가스 유동 내에 스프레잉되어 연속적인 방식으로 차례로 대상물을 세정한다. 이 공정은 저렴하고 간단하다. 미국특허 제8,471,171호는 생체 조직의 치료를 포함하는 저온 치료에 어셈블리의 적용을 가능하게하는 저온 및 대기압 플라즈마 마이크로 제트를 생성할 수 있는 미세-중공(micro-hollow) 캐소드 방전 어셈블리를 개시한다. 미국특허 제6,906,280호는 펄스가 방전 셀 내에서 비열 플라즈마 방전을 생성하는 고속 펄스 비열 플라즈마 반응기를 개시한다. 따라서, 비열 플라즈마 방전은 가스로부터 오염 물질을 제거하거나 가스를 보다 작은 분자로 분해하여 보다 효율적으로 연소시킬 수 있다. 미국특허 제6,329,297호는 에칭 속도 및 균일성을 향상시키기 위한 희석된(dilute) 원격 플라즈마 세정 방법 및 장치를 개시한다. 원격으로 형성된 플라즈마는 대상물 또는 챔버 자체의 내부를 세정 또는 에칭하기 위해 처리 챔버 내로 유동하기 전에 희석된다. 미국특허 제6,835,678호는 원격 플라즈마 발생기로부터의 활성종(activated species)이 처리 챔버로 전달되는 원격 플라즈마용 시스템 및 방법을 개시한다.
플라즈마 세정이 다른 많은 세정 방법보다 바람직하지만, 공정 온도를 낮추고, 대기압에서 세정 공정을 수행하고, 이온 및 전자 충격 손상의 감소시키고, 증가된 처리량과 대형 표면의 세정을 위한 고속 처리, 및 독성 또는 가연성 공급원료 가스를 사용하지 않고 세정 공정을 수행하는 개선이 요구되고 있다. 또한, 공기 또는 액체 매질에서의 플라즈마 세정이 요구된다.
본 발명은 플라즈마 손상이 억제된 소프트 플라즈마 세정(Soft Plasma Cleaning : SPC) 시스템을 제공한다. SPC 시스템은 플라즈마가 생성되어 가공물 위로 스위핑하도록 가이드되는 가이드식(Guided)-SPC(이하, G-SPC), 및 플로팅 전극이 있는 다른 SPC 시스템을 포함한다.
일 실시 예에서, SPC는 청구항 제1항에 정의된 바와 같은 대기압에서 공기 또는 가스를 함유하는 세정 챔버를 포함한다.
바람직하게, SPC 내의 플라즈마는 스위핑 방향으로 가공물에 도달한다. 이는 방전 유체를 제공하기 위해 공급 가스에 의해 도움을 받아, 어블레이션 또는 세정 영역을 증가시킨다. 바람직하게, SPC 시스템은 플라즈마 특성을 제어하기 위한 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트를 포함한다. 다른 실시 예에서, SPC 시스템은 세정 챔버 내에 배치된 플로팅 전극; 플로팅 전극 또는 플로팅 전극들은 전계 및 이온 에너지를 제어하여 가공물에 대한 플라즈마 손상을 억제하도록 제공된다.
다른 실시 예에서, SPC는 청구항 제13항에 정의된 바와 같은 염 이온 또는 화학 용액을 갖는 액체 또는 용매를 함유하는 세정 챔버를 포함한다.
제한적이지 않은 실시 예에 의하여, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 제공되는 소프트 플라즈마 세정(SPC) 및 가이드식-소프트 플라즈마 세정(G-SPC)의 프로세스를 포함하는 다양한 유형의 일반적인 플라즈마 세정 프로세스를 도시하는 블록도이고;
도 2는 공지된 플라즈마 세정 및 관련 가공 공정을 사용하여 본 발명에 따른 SPC을 위한 공정 파라미터 및 성능 파라미터에 대한 비교 차트를 제공하고;
도 3은 공지된 비열 플라즈마(non-thermal plasma : NTP) 방전 시스템의 개략도이고;
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시 예에 따른 G-SPC 시스템의 개략도이고;
도 5a는 도 5b에 도시된 G-SPC 시스템을 사용하는 테스트 파라미터의 일부를 도시한 것이고;
도 6은 G-SPC 시스템에서 플라즈마를 가이딩하기 위한 플라즈마 정렬 및 증폭 컴포넌트의 개략도이고;
도 7a는 와이어 본더 웨지(wire bonder's wedge)의 확대도이고, 도 7b는 도 7a에서 플라즈마 세정 전 와이어 본더 웨지의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope : SEM) 이미지이며, 도 7c는 오염물 시그니쳐와 함께 플라즈마 세정 전후의 웨지의 SEM 이미지를 도시하고;
도 8a는 프로브 카드의 확대도이고, 도 8b는 플라즈마 세정 전 프로브 팁의 SEM 이미지이며, 도 8c는 도 8b에서 G-SPC에 의한 플라즈마 세정 후 프로브 팁의 SEM 이미지이고;
도 9a 내지 도 9c는 단일 공급원료 가스 인렛 G-SPC를 사용하는 본 발명의 3가지의 상이한 실시 예의 개략도이고;
도 10a 내지 도 10c는 다중 공급원료 가스 인렛 G-SPC를 사용하는 본 발명의 3가지의 상이한 실시 예의 개략도이고;
도 11은 공지된 원소의 열팽창 계수를 나타내는 표이고;
도 12a는 켈빈 테스트 소켓의 캐비티 내에 구성된 상기 SPC 시스템의 개략도이고, 도 12b는 오염물 시그니쳐를 포함한 세정 전의 켈빈 테스트 소켓 핀의 SEM 이미지인 반면, 도 12c는 SPC 후의 켈빈 테스트 소켓 핀의 SEM 이미지이며, 도 12d 및 도 12e는 또한 SPC 전후의 켈빈 테스트 소켓 핀의 SEM 이미지이고;
도 13a는 다른 실시 예에 따른 플로팅 전극을 갖는 SPC 시스템의 개략도이고, 도 13b는 2개의 플로팅 전극을 갖는 SPC 시스템의 개략도이며, 도 13c는 그리드 플로팅 전극을 갖는 SPC 시스템의 개략도이고;
도 14a는 가스 유동을 이용한 도 13에 도시된 SPC 시스템의 개략도인 반면, 도 14b는 가이드식 방전 가스 유동을 갖는 다른 실시 예를 도시하며;
도 15는 또 다른 실시 예에 따른 액체 매질을 포함하는 세정 챔버로 구성된 SPC 시스템의 개략도이다.
본 발명의 하나 이상의 특정 실시 예 및 대안적인 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 세부 사항없이 실시 될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 일부 세부 사항은 발명을 모호하게 하지 않도록 상세히 설명되지 않을 수 있다. 참조를 용이하게하기 위해, 도면들에 공통인 동일하거나 유사한 특징을 언급할 때 공통의 참조 번호 또는 일련 번호가 도면 전체에 걸쳐 사용된다.
본 발명에 따르면, 소프트 플라즈마 세정(SPC)을 생성하는 시스템 및 방법이 제공된다. 이러한 SPC에는 공기 매체에서의 가이드식 소프트 플라즈마 세정(G-SPC) 및 공기 또는 액체 매체에서 사용하기 위한 SPC 시스템이 포함된다. 이러한 SPC로, 이온 에너지는 저 레벨로 제어되며, 따라서 SPC 및 G-SPC는 비열 저온 공정이고, 공기 중 대기압에서 작동하여 가공물에 대한 플라즈마 손상이 억제된다. 세정 온도가 약 65℃ 미만이므로, 외부 가열 모듈이 요구되지 않는다. 따라서, 이 프로세스는 이 플라즈마 세정 공정 동안 플라스틱을 용융시키지 않고 세정할 수 있다. 또한, 유리하게, SPC 및 G-SPC는 진공 펌프가 사용되지 않고 대기압에서 사용된다. 따라서, SPC 및 G-SPC 장치는 작은 장비 풋프린트를 가지며, 또한 예를 들어 반도체 산업에서 테스트 소켓의 캐비티에 피팅하기 위해 휴대 가능하게 될 수 있다. 또한, 유리하게, G-SPC를 위한 공급원료 유체는 환경 친화적이다. 독성, 가연성 또는 부식성 유체 또는 가스가 특정 오염 물질의 제거에 사용되는 경우, 격리된 작업 환경이 필요하다. 또한, SPC 및 G-SPC는 비파괴적이지만 매우 고속의 건식 프로세스로, 오프라인 세정, 인라인 세정 및 원격 세정을 위해 구성이 가능하다. SPC의 다른 실시 예는 유체 매체에서 작동하도록 제공된다. 본 발명의 SPC는 유기 잔류물, 무기 잔류물(금속 등) 및 분진을 포함하는 거의 모든 유형의 오염 물질을 제거하기 위해 제공된다. 반응성 플라즈마 종과 가공물 표면 사이의 화학 반응으로 인한 원치않는 부식 또는 침식은 불활성 공급원료 가스를 공급함으로써 최소화된다.
일 실시 예에서, G-SPC는 세정 챔버에서 방전 유체를 제공하기 위해 공급원료 가스를 획기적으로 사용하여, 플라즈마를 가이드하고, 어블레이션 영역을 확장시키며, 이온 및 전자 충격 손상 또는 에칭을 억제한다. 플라스마의 가이딩, 포커싱 및 증폭을 위한 플라즈마 정렬 및 증폭 컴포넌트의 사용은 또한 독특하다. 방전 유체 가이드된 플라즈마의 사용에 의해, 이온 및 전자 충격에 의해 야기되는 가공물 표면의 기계적 및 미세 구조적 손상이 최소화된다. 표면 손상은 가공물 표면 상의 이온 및 전자 충격의 주파수, 진폭 및 방향을 제어함으로써, 예를 들어 진동(oscillating) 전계를 제어하고 공급원료 가스의 방향 및 방전 유체의 방향을 조작함으로써 실질적으로 억제된다.
'소프트', '대기압' 및 '저온' 방법임에도 불구하고, G-SPC는 가공물의 표면에 단단히 접착된 것을 포함하여 거의 모든 종류의 오염 물질을 제거 할 수 있다. 세정 메커니즘은 제한되지 않고 국부적인 열팽창 및 고밀도 진동 이온, 라디컬, 플라즈마 종 및 단편화된 클러스터를 수반한다. 예를 들어, G-SPC 공정 중에, 국부적 인 열팽창으로 인한, 오염 물질과 가공물의 열팽창의 차이는 가공물 표면에서 오염 물질을 느슨하게 한다. 다른 예에서, 공급원료 가스(이를테면, 아르곤, 크립톤 및 크세논) 또는 액상 매질 내의 이온으로부터 파생된 방전 유체 중의 라디컬은 진동 에너지를 오염 물질로 전달하는 데 사용된다. 이러한 방식으로, 진동 라디컬은 가공물 표면에서, 특히 가공물 표면의 깊이 안착된 리세스에서 오염 물질을 제거한다. 세정 메커니즘은 이온 진동 방향, 전원 공급장치의 주파수 및 출력 전력, 유체의 방향, 플라즈마 종의 밀도 및 질량 등에 의해 제어된다. 다른 실시 예에서, 공급원료 가스는 가공물의 표면상에서의 화학 반응을 위한 반응성 가스(들)를 포함한다. 예를 들어, 아르곤 및 염소 가스의 혼합물이 사용될 때, 염소 라디컬은 가공물의 금속 표면과 반응한다. 따라서, 플라즈마 세정 후 가공물은 최소한의 표면 손상으로 리커버리 가능(recoverable)하다.
플라즈마는 DC, AC, RF 또는 펄스 구동 전력 생성기 또는 다른 모드로 구동되는 전원 공급장치에 의해 생성된다. 방전 유체 내의 비열 플라즈마가 생성된다. 방전 유체 내의 플라즈마는 공급원료 가스, 전극 및 주위 가스로부터의 전자, 이온, 라디컬 및 중성 종을 포함한다.
또한, 플라즈마 내의 전극 재료에서의 큰 클러스터는 초박형 플라스마 시스(sheath) 내에서 임펄시브 이온 힘(impulsive ion force)에 의해 고밀도 비평형 플라즈마로 단편화되고 원자화된다. 단편화의 정도는 초박형 플라즈마 시스를 가로지르는 전계, 공급원료 종의 질량, 전자 온도 및 전자 밀도에 비례한다. 단편화의 정도는 공급원료 종의 질량, 전자 온도 및 전자 밀도의 실시간 인시튜(in-situ) 측정을 통해 모니터링된다. 그 다음, 이러한 측정은 임펄시브 이온 힘을 특성화하기 위해 사용된다. 전극은 2차 오염을 방지하고 플라즈마 세정 중에 가공물의 표면 상태를 리커버리하기 위해 가공물과 동일한 재료일 수 있다. 원자 라디컬은 가공물 표면에 증착되거나 임베디드된 오염 물질에 진동력을 가한다. 한편, 열 전달 과정은 플라즈마와 가공물의 표면 사이에서 발생한다. 상이한 속도의 열 팽창으로 인해, 오염 물질이 표면에서 느슨하게 결합되게 된다. 원자 라디컬의 진동력은 오염 물질을 표면에서 제거하거나 방출할 수 있다. 또한, 오염 물질의 대체(replacement)는 임베디드된 오염 물질의 제거에 의해 야기되는 표면 거칠기 또는 왜곡을 감소시킨다. 따라서, 가공물과 동일한 재료로 된 전극은 가공물 표면상의 오염 물질을 대체하기 위해 원자 라디컬 소스를 제공한다. 또한, 인시튜 플라즈마 어닐링은 가공물의 표면 미세 구조를 리페어한다.
공급원료 가스는 단일 원소 또는 가스 혼합물일 수 있다. 공급원료 가스는 아르곤 및 다른 희가스와 같은 낮은 이온화 임계 에너지를 갖는 불활성 가스 성분을 포함한다. 불활성 가스의 사용은 주위 가스의 존재로 인해 가공물의 표면이 산화되거나 질화되는 것을 방지할 수 있니다.
본 발명에 따라 제공되는 프로세스(SPC)를 포함하는 다양한 유형의 일반적인 플라즈마 세정 프로세스가 도 1의 블록도에서 참조로서 도시된다. 플라즈마(10)는 진공(16) 내에서 또는 대기 조건(18) 하에서 생성된 터프(tough) 플라즈마(12) 또는 소프트 플라즈마(14)가 될 수 있다. 터프 플라즈마(12)에 대해, 전형적으로 용량성 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma : CCP)(20) 및 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma : ICP)(22)는 진공(16) 하에 있고, 열 플라즈마(24)는 대기 조건(18) 하에 있다. 소프트 플라즈마(14)에 대해, 전형적으로 용량성 결합 무전극 플라즈마(capacitively coupled electrodeless plasma : CCEP)(26) 및 원격 플라즈마(28)는 진공(16) 하에 있고, 본 발명에서 제공되는 SPC(30, 130, 230)(점선 원으로 강조된)는 대기 조건(18) 하에 있다.
도 2는 통상적으로 사용되는 다른 플라즈마 세정 프로세스와 비교하여 본 발명에 따른 G-SPC을 위한 공정 파라미터 및 성능 파라미터에 대한 차트를 제공한다. 차트에서 알 수 있듯이, G-SPC 공정은 CCP/ICP, 플라즈마 절단, 직접 유전체 장벽(Direct Dielectric Electric Barrier : DBD) 세정 및 방전 가공(Electric discharge machining : EDM)과 비교된다. 본 발명에 따른 G-SPC 공정은 대기압, 저전력 소비, 저온 및 높은 세정 속도로 작동할 수 있는 모든 장점을 가지며, 거의 모든 유형의 오염 물질을 제거할 수 있지만, 플라즈마(이온 및 전자 충격) 손상이 없거나 낮다.
도 3은 종래의 비열 플라즈마(NTP) 공정을 위한 전형적인 셋업을 도시한다. 이런 NTP에서, 전극(36)으로부터 가공물(32)로의 플라즈마 경로는 직접적이다. 이는 직접 이온 및 전자 충격을 야기하여 가공물(32) 표면에 대한 원치않는 손상을 초래한다. G-SPC 공정에 대한 셋업 실시예가 도 4a에 도시되며, 여기서 전극(36)으로부터 가공물(32)로의 플라즈마(45)의 경로는 '간접적'이고, 실질적으로 감소된 플라즈마 충격은 가공물(32)에 대한 손상을 감소시킨다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 가공물(32)은 플라즈마(45)의 직접 경로로부터 떨어져 있다. 도 4b는 공급원료 가스(40) 및 배기 가스(42)를 부가한 다른 실시 예를 도시한다. 이 실시 예에서, 생성된 플라즈마(45)의 경로는 (도 4b에 도시된 바와 같이) 수직인 반면, 공급원료 가스(40)는 실질적으로 가공물(32)을 가로질러 스위핑하는 수평 방향으로 유동한다. 플라즈마(45)가 공급원료 가스(40)와 결합함에 따라, 방전 유체(50)가 생성되며, 이는 공급원료 가스(40)와 동일한 수평 방향으로 이동하여 가공물(32)을 수평으로 스위핑한다. 이런 플라즈마(45)의 방향 변화는 가공물(32)에 대한 플라즈마 손상을 억제한다. 부가적으로, 방전 유체(50) 내에서의 플라즈마(45) 유도는 사실상 보다 큰 어블레이션 또는 세정 영역을 제공하여, 가공물(32)의 표면 상의 방전 영역을 확장시킨다. 유리하게, 보다 큰 어블레이션 영역에 기인하여, 어블레이션 또는 플라즈마 손상은 낮고 세척 속도는 더 높아진다. 따라서, 공급원료 가스(40)에 의해 플라즈마(45)의 방향을 변화시킴으로써, 직접적인 수직 충격이 방지된다. 유리하게, 공급원료 가스(40)가 불활성 가스인 경우, 이는 세정 챔버(34) 내의 주변 공기의 존재에 의해 야기된 가공물(32)의 산화 및 질화를 방지한다. 상기 실시 예들에서, 가공물(32)이 전기적 전도성 재료일 경우, 전극(36)과 가공물(32) 사이에는 전계가 인가된다. 가공물이 전기적 비전도성일 경우, 세정 챔버(34) 내의 다른 전기적 전도성 부재(도면에 미도시됨)가 전계의 생성에 사용되어, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 플라즈마(45)가 가공물에 걸쳐 스위핑 된다. 공급원료 가스(40)는 또한 질소, 수소, 압축 공기, 액체 이산화탄소 또는 액체 질소, 및 이들 가스의 조합을 포함할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 개구(37a)를 갖는 유전체 부재(37)는 전극(36)에 인접하여 배치된다. 개구(37a)에서의 집중된 전계는 공기 및 가스가 파괴되어 전자, 이온, 라디컬 및 중성 종의 혼합물을 포함하는 플라즈마(45)를 형성한다. 플라즈마(45)는 수평의 스위핑 방식으로 가공물로 유인된다. 도 4b에서, 플라즈마(45)는 공급원료 가스(40)와 결합하여 가공물(32) 상에 방전 유체(50)를 형성한다. 도 4c는 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트(52)가 추가된 G-SPC 세정 챔버의 다른 실시 예를 도시한다. 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트(52)의 실시 예는 서로 실질적으로 수직하게 배치된 2개의 유전체 부재(56, 58)에 의해 도시된다. 각 유전체에는 개구가 있다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 유전체 부재(56) 상의 개구(56a)는 플라즈마(45)를 가이드하는 반면, 유전체 부재(58) 상의 개구(58a)는 방전 유체(50)가 가공물(32)의 표면 위로 유동하도록 가이드하고, 정형(shape)하며, 유도한다. 유전체 부재(56, 58)의 효과는 도 6과 함께 다시 설명될 때 명백해질 것이다.
도 5a는 도 5b에 도시된 G-SPC 실시 예에 대한 전형적인 공정 파라미터 세트를 도시한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 전력 생성기(44)의 출력은 전력 매칭부(matcher unit)(46)에 공급된 후, 전극(36)에 인가된다. 전력 매칭부(46)는 캐패시터, 레지스터 및 인덕터로 구성되어, 전극(36)과 전력 생성기(44) 사이의 임피던스가 최대 전력 전달을 위해 매칭된다. 또한, 임피던스는 플라즈마 방전을 위한 출력 전류 및 전압을 제어하도록 조정될 수 있다. 이 실시 예에서, 전계는 예를 들어 가공물(32)이 접지(48)에 연결된 상태에서 전극(36)과 가공물(32) 사이에 인가된다. 공급원료 가스(40)로서 아르곤 가스가 인렛(38)을 통해 세정 챔버(34) 내로 통과되며, 아웃렛(42)이 인렛(38)으로부터 떨어진 거리에 제공된다. 플라즈마(45)는 전극(36)과 가공물(32) 사이에 형성되고 공급원료 가스(40)의 유동을 따라 측방향으로 어느 정도 스프레드되어 가공물(32)을 커버하는 방전 유체(50)를 형성한다. 알 수 있는 바와 같이, 플라즈마 세정은 확대된 영역을 포함한다.
플라즈마에서, 전기 플럭스 밀도 = 전계 세기 x 유전율이다. 유전체는 높은 유전율을 갖는 반면, 주변 가스 또는 공급원료 가스(40)는 훨씬 낮은 유전율을 갖는다. 도 6에 도시된 다른 실시 예에서, 플라즈마 정렬 및 증폭 컴포넌트(52)로서 구성된 유전체 부재(56, 58)는 2개의 실질적으로 평행한 유전체 플레이트(56, 58)로서 배열된다. 유전체(56, 58)가 튜브로서 형성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 유전체 부재(56)는 전극(36)에 가깝고, 유전체 부재(37)는 붚필요하다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 인가된 전계에서 생성된 플라즈마(45)는 공급원료 가스(40)와 머지(merge)되어 방전 유체(50)를 형성한다. 그 다음, 방전 유체(50)는 유전체 플레이트(56, 58)의 개구(56a, 58a)를 통과한다. 개구(56a, 58a) 내의 전계 세기는 높고, 이는 방전 유체(50)를 정형한다. 예를 들어, 개구(56a, 58a)의 적절한 크기 및 형상을 사용함으로써, 방전 유체(50) 내의 플라즈마(45)가 영역에서 집중(concentrated) 또는 확장된다. 다중의 유전체 플레이트 또는 튜브(56, 58)가 서로 적층되어 방전 유체(50)와 결합되면, 플라즈마(45)는 전극(36)으로부터 가공물(32)로의 상이한 방향으로(즉, 간접적으로) 유동하도록 가이드된다. 작은 개구(56a, 58a)를 갖는 유전체 부재(56, 58)는 플라즈마(45) 및 방전 유체(50)가 통과하도록 한다. 따라서, 이온 에너지, 플라즈마(45) 및 방전 유체(50)의 밀도가 제어된다. 전술한 바와 같이, 유전체 부재(56, 58)는 또한 방전 유체(50)가 세정 챔버(34) 내부의 가공물 표면을 포함하는 가공물(32) 표면을 커버하도록 플라즈마(45)를 가이딩하거나 유도하는 것을 보조한다.
와이어 본더 웨지의 확대된 사진 도면이 도 7a에 도시되어 있다. 도 7b는 사용으로 오염된 웨지의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 7c는 오염 물질 시그니쳐와 함께 SPC에 의한 세정 전후의 동일한 웨지의 SEM 이미지를 도시한다.
프로브-카드 팁의 확대된 사진 도면이 도 8a에 도시되어 있다. 도 8b는 사용으로 오염된 프로브 중 하나의 SEM 이미지이다. 도 8c는 SPC(30, 130)에 의한 세정 후 동일한 프로브의 SEM 이미지이다.
단일 공급원료 가스 인렛(38)을 갖는 G-SPC에 대한 몇몇 실시 예가 도 9a 내지 도 9c에 도시되어 있다. 도 9a는 동일한 수평 레벨에서 전극(36)에 더 가까운 반면 가공물(32)로부터 더 멀리 떨어져 있는 공급원료 가스 인렛(38) 및 아웃렛(42)을 도시한다. 도 9b는 동일한 수평 레벨에서 전극(36)과 가공물(32) 사이의 중심에 위치된 공급원료 가스 인렛(38) 및 아웃렛(42)을 도시한다. 도 9c는 동일한 수평 레벨에서 가공물(32)에 더 가까운 반면 전극(36)으로부터 멀리 떨어져 있는 공급원료 가스 인렛(38) 및 아웃렛(42)을 도시한다.
다중 공급원료 가스 인렛(38)를 갖는 G-SPC에 대한 몇몇 실시 예가 도 10a 내지 도 10c에 도시되어 있다. 도 10a는 한 세트의 공급원료 가스 인렛(38b) 및 아웃렛(42b)이 동일한 수평 레벨에서 전극(36)에 더 가깝고 다른 세트(38a, 42a)가 각각 가공물(32)에 더 가깝다는 것을 도시한다. 도 10b는 한 세트의 공급원료 가스 인렛(38a) 및 아웃렛(42a)이 동일한 수평 레벨에서 가공물(32)에 더 가깝고 가스 인렛(38b)로부터의 다른 공급원료 가스(40)가 이전 세트를 향해 수직으로 유도되는 것을 도시한다. 도 10c는 동일한 수평 레벨에서 가공물(32)에 더 가까운 2개의 공급원료 가스 인렛(38a, 38b)을 도시한다. 이들 도면에서의 방전 유체(50)의 유동은 블록 화살표로 표시된다.
본 발명은 전극(36) 근처에서 상이한 방향으로(적용에 따라) 제공되는 공급원료 가스(40)의 사용을 필요로 한다. 전력 생성기(44)로부터의 DC, AC, RF, 펄스 모드 등의 전력은 전극(36)이 플라즈마(45)를 생성하도록 한다. 플라즈마(45)는 재결합(recombination) 길이 내에서 공급원료 가스(40)와 머지되어 방전 유체(50)를 형성한다. 재결합 길이는 공급원료 유체(40)의 속도, 압력, 부피, 유형 및 방향에 의존한다. 일 실시 예에서, 방전 유체(50)는 플라즈마(45)를 세정을 위해 가공물(32)의 표면으로 가이드한다. 따라서, 플라즈마(45)의 경로는 공급원료 가스(40)의 방향에 따라 이동한다. 플라즈마(45)의 경로의 방향의 변화는 세정 챔버(34) 내의 공급원료 가스(40)의 경로에 따라 상이한 범위로 가공물(32)의 표면에서의 플라즈마 손상을 억제한다.
또한, 플라즈마 정렬 및 증폭 컴포넌트(52)는 플라즈마(45)의 빔을 정렬 및 가이드 하도록 설계된다. 사실상, 플라즈마 정렬 및 증폭 컴포넌트(52)는 공급 가스(40)에 의한 가이딩을 향상시키고, 플라즈마 어블레이션 영역을 넓히며, 또한 공급원료 가스(40)를 방전하는 데 필요한 전력을 낮춘다. 플라즈마 정렬 및 증폭 컴포넌트(52)는 또한 플라즈마 세정 동안 표면 손상을 감소시키는 데 도움이 된다.
세정 메커니즘은 방전 유체(50)에 의해 제공된 플라즈마 종에 의해 유도된다. 전자, 이온 및 라디컬이 교반(agitating)되면 가공물 표면의 크랙 및 리세스에 침투하고, 진동력을 표면에 단단히 접착한 오염 물질로 전달한다. 에너지의 일부는 방전 유체(50)로부터 가공물(32)의 표면으로 전달되어 온도 상승(65℃ 이하 또는 65-100℃)을 야기한다. 국부화된 가열은 표면상의 재료의 열팽창을 야기한다. 가공물(32)과 다른 열팽창 계수를 갖는 오염 물질은 진동력의 영향 하에서 표면으로부터 분리된다. 도 11은 참조를 위해 몇몇 원소들의 열팽창 계수의 공지된 값을 도시한다.
또한, 가공물(32)의 동일한 원소를 포함하는 전극(36)에서의 이온, 라디컬 및 중성 종은 오염 물질을 대체하기 위해 가공물(32)의 표면 상으로 전달된다. 이것은 표면을 재조정하고 임베디드된 오염 물질의 제거로 인한 구조적 왜곡을 리커버리한다. 국부화된 가열은 또한 표면을 인시튜 어닐링하고, 전술한 바와 같이 가공물(32)의 내부 구조를 리페어할 것이다.
유리하게, SPC 세정 장치는 소형이다. 도 12a는 SPC의 전극(36)이 핸들러(20)에 장착되고 전극(36)이 반도체 테스트를 위해 테스트 소켓(32)의 캐비티 내로 삽입되도록 구성되는 것을 도시한다. 따라서, 테스트 소켓(32)과 전극(36) 사이의 소켓 캐비티 내의 공간은 세정 챔버(34)를 형성한다. 도 12a에서, 오염 물질을 제거하기 위한 공급원료 가스(40) 인렛 및 석션은 도시되지 않는다. 도 12b는 표면 오염 물질의 분석과 함께 SPC 이전의 켈빈 테스트 소켓 내의 핀(33)에 대한 SEM 이미지를 도시한다. 도 12c는 표면 오염 물질의 분석과 함께 SPC 이후의 켈빈 테스트 소켓 핀에 대한 SEM 이미지를 도시한다. 도 12c는 SPC 시스템이 테스트 소켓 내의 핀상의 주석(tin) 오염을 제거하는 데 효과적이었음을 보여준다. 도 12d 및 12e는 또한 SPC 전후의 켈빈 핀의 SEM 이미지들이다.
도 13a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 SPC 시스템(130)의 개략도를 도시한다. 도 13a에 도시된 바와 같이, SPC 시스템(130)은 세정 챔버(34), 전력 생성기(44)에 연결된 전극(36), 플라즈마(145)를 생성하기 위해 전극(36)과 가공물(32) 사이에 배치된 플로팅 전극(160)을 포함한다. 플로팅 전극(160)은 전기적으로 절연되고 전력 생성기(44)에 대한 플로팅 전위를 갖는다. 도식적으로, 네트워크(R)(저항, 인덕터 및 캐패시터로 구성된)는 접지 또는 바이어스에 접속된 것으로 도시된다. 사용시, 플로팅 전극(160)과 세정 챔버(34) 내부의 가공물(32) 사이에서 발생된 플라즈마(145)는 낮은 이온 에너지를 갖는다. 전술한 실시 예에서와 같이, 세정 챔버는 대기압에 있다. 플라즈마(145)는 도 3에 도시된 NTP에서의 것과 다르고, 이온 충격 에너지가 낮아서 가공물에 대한 플라즈마 손상이 억제된다. 전극(36)과 플로팅 전극(160) 사이의 공간에는 임의의 플라즈마가 존재하거나 존재하지 않을 수 있다. 일 실시 예에서, 플로팅 전극(160)은 금속으로 제조된다. 다른 실시 예에서, 플로팅 전극(160)은 세라믹, 반도체 또는 전기 절연체로 제조된다. 플로팅 전극이 금속성일 때, 이는 접지에 연결되거나 저항, 인덕터 및 캐패시터의 네트워크(R)를 통해 바이어스에 튜닝될 수 있다. 이러한 방식으로, 세정 챔버 내의 전계 및 이온 에너지가 제어될 수 있다. 대면적(large area)에서 균일성을 갖는 플라즈마 방전은 플로팅 전극을 통한 전하 보상과 저항, 인덕터 및 캐패시터로 이루어진 네트워크(R)의 튜닝(tuning)을 통해 이루어진다.
도 13b는 SPC 시스템의 변형을 도시한다. 이러한 SPC 시스템(130a)은 2개의 플로팅 전극(160, 160a)이 있다는 점을 제외하면 전술한 것과 유사하다. 이러한 플로팅 전극(160, 160a)은 얇은 플랫(flat) 플레이트이다. SPC 시스템(130b)의 다른 실시 예에서, 도 13c에 도시된 바와 같이, 플로팅 전극(160, 160a)은 공급원료 가스(40)와의 사용에 유리한 천공부(perforation)를 갖는 그리드 메쉬 또는 플레이트이다.
상기 SPC 시스템(130, 130a-130b)은 핀 또는 프로브와 같은 작은 단면적을 갖는 가공물(32) 상에서의 국부화된 플라즈마 세정에 적합하다. 유리하게, 핀 또는 프로브의 팁 근처의 주변 영역도 또한 SPC 동안 세정된다. 대면적 플라즈마 세정을 위해, 공급원료 가스(40)가 도 14a의 SPC 시스템(130c)에 의해 도시된 바와 같이 세정 챔버(34) 내로 공급된다. 공급원료 가스(40)는 플라즈마 세정 공정을 향상시키고 가공물(32)의 넓은 표면에 걸쳐 플라즈마 세정이 이루어지도록 이온 및 불활성 가스 라디컬을 제공한다. 2개 이상의 공급원료 가스(40)가 세정 챔버(34)로 공급되는 것이 가능하다. 상기 실시 예에서와 같이, 공급원료 가스는 단일 원소 또는 가스 혼합물일 수 있다.
도 14b는 다른 실시 예에 따른 SPC 시스템(130d)을 도시한다. 이러한 SPC 시스템(130d)은 플라즈마(145)가 디플렉터(170)에 의해 가공물(32) 상으로 가이드되는 점을 제외하고 상기 SPC 시스템(130c)과 유사하다. 가공물로부터 이탈된 오염 물질을 제거하기 위해, 석션 노즐(180)이 가공물 근처에 제공된다.
상기 SPC 시스템(30, 130, 130a-130d)은 건식 세정 챔버(34)에 적용된다. 도 15는 액체 매질(234)을 포함하는 세정 챔버로 구성되는 SPC 시스템(230)을 도시하며, 여기서 플로팅 전극(160, 160a) 및 전극에 대한 외부 접속은 도면에서 도시되지 않는다. 도 15에 도시된 바와 같이, 플로팅 전극(160, 160a)은 전극(36)과 가공물(32) 사이의 액체 매질(234) 내에 침지된다(immersed). 세정 챔버는 물과 같은 액체 매질로 채워진다. 일 실시 예에서, 칼륨 또는 나트륨 이온과 같은 염 이온이 염을 염 이온으로 용해시킴으로써 액체 매질에 첨가된다. 이 실시 예의 이점은 플라즈마 세정 공정이 염 이온 및 물 충격을 모두 사용한다는 것이다. 이는 와이어 본더 웨지에 있는 리세스와 같은 깊은 리세스를 세정할 때 효과적이다. 다른 실시 예에서, 염 용액이 액체 매질 (234) 내로 주입된다. 또 다른 실시 예에서, 공급원료 가스(40)는 SPC 동안 액체 매질 내로 교대로 또는 추가로 주입된다. 용매 또는 화학 용액과 같은 다른 액체도 또한 사용될 수 있다.
특정 실시 예가 설명되고 예시되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 많은 변경, 수정, 변형 및 조합이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 방전 유체(50)는 아웃렛을 통과하고 튜브를 통해 노즐 또는 세정 건으로 유도되어 가공물을 원격으로 세정할 수 있다. 다른 실시 예에서, 전력 공급부는 RF 모드와 같은 다른 모드로 구동될 수 있다. 다른 실시 예에서, 세정 챔버의 설계에 따라, 본 발명의 비열 플라즈마 세정 원리에 영향을 미치지 않으면서, 공급원료 가스(40)가 세정 챔버(34)로 진입하는 차동 압력이 존재하는 한, 세정 챔버 내의 압력은 약 5bar로 증가되거나 진공 펌프에 의해 배기된다.
32 : 가공물 40 : 공급원료 가스
42 : 배기 가스 44 전력 생성기
45 : 플라즈마 46 전력 매칭부
50 : 방전 유체 34 : 세정 챔버
36 : 전극 37, 56, 58 : 유전체 부재
37a, 56a, 58a : 개구 52 : 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트

Claims (20)

  1. 소프트 플라즈마 세정 시스템으로서,
    대기압에서 공기 또는 가스를 포함하는 세정 챔버;
    상기 세정 챔버 내에 배치되며, 전력 매칭부를 통해 전력 생성기에 연결되는 전극; 및
    상기 가공물은 임의의 플라즈마 손상없이 상기 전극과 가공물 사이에서 생성되는 플라즈마에 의해 세정되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극에 인접하게 배치되는 개구를 가지는 유전체 부재를 더 포함하고, 상기 플라즈마는 상기 개구를 통과하여 상기 스위핑 방향으로 상기 가공물에 도달하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마와 결합하여 방전 유체 유동으로 되고, 상기 플라즈마를 상기 가공물로 가이드하는 공급원료 가스를 더 포함하여, 상기 플라즈마에 플라즈마 종을 부가하고 세정 영역을 확장시키는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 개구를 갖는 제2 유전체 부재를 더 포함하고, 상기 제2 유전체 부재는 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트를 구성하기 위해 (제1) 유전체 부재에 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 제2 개구를 갖는 제2 유전체 부재를 더 포함하고, 상기 제 2 유전체 부재는 플라즈마 가이딩 및 증폭 컴포넌트를 구성하기 위해 (제1) 개구가 상기 제2 개구와 일직선이 되지 않도록 (제1) 유전체 부재에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 세정 챔버 내에 배치된 플로팅 전극을 더 포함하고, 상기 플로팅 전극은 저항, 인덕터 및 캐패시터의 튜닝 네트워크에 연결되고, 상기 튜닝 네트워크는 접지 또는 바이어스에 연결되어 세정 챔버내의 전기장 및 이온 에너지를 제어하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 2개 이상의 플로팅 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 플로팅 전극은 플레이트, 천공부를 갖는 플레이트 또는 그리드 메쉬인 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세정 챔버 내의 플라즈마를 상기 가공물로 예비이온화, 가이드 또는 국한하는 디플렉터를 더 포함하는 것을 특징으로하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 가공물은 테스트 소켓이고 상기 테스트 소켓의 캐비티는 세정 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 가공물은 와이어 본더 웨지, 반도체 디바이스를 테스트하기 위한 프로브 카드의 핀, 반도체 디바이스를 테스트하기 위한 테스트 소켓의 핀 또는 플라즈마 이온 손상을 받기 쉬운 다른 디바이스인 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  12. 제3항에 있어서, 상기 공급원료 가스는 불활성 가스, 질소, 수소, 압축 공기, 액체 이산화탄소 또는 액체 질소인 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  13. 소프트 플라즈마 세정 시스템으로서,
    대기압에서 액체를 포함하는 세정 챔버;
    상기 세정 챔버 내에 배치되며, 전력 매칭부를 통해 전력 생성기에 연결되는 전극; 및
    상기 전극과 가공물 사이에 배치되는 플로팅 전극으로서, 상기 플로팅 전극이 전력 생성기에 대한 전위로 유지되어, 상기 가공물이 플라즈마 손상없이 상기 플로팅 전극과 가공물 사이에서 생성되는 플라즈마에 의해 세정되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 액체는 물, 용매 또는 화학 용액인 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 물에 용해된 염 이온을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 물 또는 용매를 염 이온 또는 화학 용액으로 세정 챔버에 주입하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 세정 챔버 내로 공급원료 가스를 주입하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 상기 플로팅 전극은 금속, 세라믹, 반도체 또는 전기 절연체로 이루어지고, 두개 이상의 플로팅 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 금속 플로팅 전극은 저항, 인덕터 및 캐패시터의 튜닝 네트워크에 연결되고, 상기 튜닝 네트워크는 접지 또는 바이어스에 연결되어 세정 챔버 내의 전기장 및 이온 에너지를 제어하는 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 금속 플로팅 전극은 플레이트, 천공부를 갖는 플레이트 또는 그리드 메쉬인 것을 특징으로 하는 소프트 플라즈마 세정 시스템.
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