RU2099811C1

Movatterモバイル変換

Info

Publication number: RU2099811C1
Application number: SU914894333A
Authority: RU
Inventors: С.Энгельсберг Одри
Original assignee: Колдрен Лимитед Партпершип
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1997-12-20

Abstract

FIELD: microelectronics. SUBSTANCE: process and device for removal of undesirable surface impurities from substrate surface by high-power radiation allow undesirable surface impurities to be removed without change of molecular structure of substrate located beneath. Pulse laser can be used as source of high-power radiation. EFFECT: increased efficiency of process and device. 22 cl, 3 dwg , 2 tbl

Description

Translated fromRussian

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для удаления нежелательных примесей с поверхности. В частности, изобретение относится к удалению нежелательных примесей с поверхности подложки путем обработки ее энергией мощного источника при сохранении молекулярной структуры обрабатываемой поверхности. The present invention relates to a method and apparatus for removing unwanted impurities from a surface. In particular, the invention relates to the removal of unwanted impurities from the surface of the substrate by treating it with the energy of a powerful source while maintaining the molecular structure of the treated surface.

Поверхностные примеси включают в себя дискретные кусочки вещества, размеры которых колеблются от долей микрона до гранул, видимых невооруженным глазом. Такие нежелательные примеси могут представлять собой пыль или частицы грязи, либо нежелательные молекулы, в которые входят такие элементы, как углерод или кислород. Нежелательные примеси часто прилипают к поверхности в результате образования слабых ковалентных связей, электростатических сил, сил Ван-дер-Вальса, водородных связей, сил Кулона или взаимодействий между диполями, которые затрудняют удаление нежелательных примесей. Surface impurities include discrete pieces of matter whose sizes range from fractions of a micron to granules visible to the naked eye. Such undesirable impurities may be dust or dirt particles, or undesirable molecules that include elements such as carbon or oxygen. Undesirable impurities often adhere to the surface as a result of the formation of weak covalent bonds, electrostatic forces, Van der Waals forces, hydrogen bonds, Coulomb forces or interactions between dipoles, which make it difficult to remove unwanted impurities.

В некоторых случаях наличие поверхностных примесей делает загрязненную подложку менее эффективной или нерабочей для тех функций, для которых подложка предназначена. Например, в некоторых устройствах для точных научных измерений теряется точность, когда оптические линзы оказываются покрытыми микроскопическими нежелательными примесями. В полупроводниках поверхностные дефекты, обусловленные наличием малых молекулярных примесей, также часто делают полупроводниковые маски и кристаллы бесполезными. Даже незначительное уменьшение количества молекулярных поверхностных дефектов в кварцевой полупроводниковой маске может резко увеличить выход готовых полупроводниковых кристаллов. Удаление нежелательных молекулярных поверхностных примесей, таких как углерод или кислород, с поверхности кремниевых пластин перед нанесением схемных слоев на пластину или между нанесениями слоев существенно улучшает качество изготовляемого кристалла ЭВМ. In some cases, the presence of surface impurities makes the contaminated substrate less effective or inoperative for the functions for which the substrate is intended. For example, in some devices for accurate scientific measurements, accuracy is lost when optical lenses are coated with microscopic unwanted impurities. In semiconductors, surface defects due to the presence of small molecular impurities also often make semiconductor masks and crystals useless. Even a slight decrease in the number of molecular surface defects in a quartz semiconductor mask can dramatically increase the yield of finished semiconductor crystals. The removal of undesirable molecular surface impurities, such as carbon or oxygen, from the surface of silicon wafers before applying the circuit layers to the wafer or between the application of layers significantly improves the quality of the computer chip being manufactured.

Потребность в чистых поверхностях, не содержащих даже малейших вредных примесей, привела к созданию множества различных используемых в настоящее время методов очистки поверхности. Однако каждый из этих известных методов имеет свои серьезные недостатки. Например, для широко используемой технологии химической и механической очистки требуется использование очищающих приспособлений и веществ, которые могут внести в обрабатываемую поверхность не меньше новых вредных примесей, чем они удаляют. The need for clean surfaces that do not contain even the smallest harmful impurities has led to the creation of many different surface cleaning methods currently in use. However, each of these known methods has its serious drawbacks. For example, the widely used technology of chemical and mechanical cleaning requires the use of cleaning devices and substances that can bring into the surface to be treated no less than new harmful impurities than they remove.

Для другого используемого в настоящее время метода очистки поверхностей подложек без внешних химических веществ требуется сначала расплавить обрабатываемую поверхность для удаления примесей, а затем удалить их сверхвысоким вакуумом. Недостаток этого метода состоит в том, что обрабатываемая поверхность должна быть расплавлена на короткое время, что может быть нежелательным, например, когда полупроводниковая поверхность очищается между нанесениями схемных слоев и желательно не нарушать ранее нанесенные слои. Другим недостатком этого процесса является то, что установки сверхвысокого вакуума дороги и малопроизводительны. For the other currently used method of cleaning the surfaces of substrates without external chemicals, it is first necessary to melt the surface to be treated to remove impurities, and then remove them with an ultrahigh vacuum. The disadvantage of this method is that the surface to be treated should be melted for a short time, which may be undesirable, for example, when the semiconductor surface is cleaned between the application of the circuit layers and it is desirable not to disturb the previously applied layers. Another disadvantage of this process is that ultra-high vacuum installations are expensive and inefficient.

Аналогичными недостатками страдают и методы обработки отжигом. Когда поверхность обрабатывается методами отжига, обрабатываемая поверхность очищаемой подложки нагревается до температуры, которая обычно ниже точки расплавления обрабатываемого материала, но достаточно высока для перестройки молекулярной кристаллической структуры материала. Обрабатываемая поверхность выдерживается при этой высокой температуре в течение немалого периода времени, в течение которого молекулярная структура поверхности перестраивается и примеси удаляются сверхвысоким вакуумом. Методы отжиговой очистки нельзя использовать в тех случаях, когда желательно сохранить целостность существующей очищаемой структуры. Annealing treatment methods suffer similar disadvantages. When the surface is treated by annealing methods, the treated surface of the substrate to be cleaned is heated to a temperature that is usually below the melting point of the material being processed, but high enough to rebuild the molecular crystalline structure of the material. The surface to be treated is maintained at this high temperature for a considerable period of time during which the molecular structure of the surface is reconstructed and impurities are removed by ultra-high vacuum. Annealing treatment methods cannot be used in cases where it is desirable to maintain the integrity of the existing structure being cleaned.

Другому используемому в настоящее время методу очистки, известному как абляция, присущи свои специфические недостатки. При абляции поверхность или примеси на поверхности нагреваются до точки испарения. В зависимости от материала, подвергающемуся абляции, материал может расплавиться до испарения либо материал может сублимировать непосредственно при нагревании. При технологии очистки абляцией, если надо избежать повреждения обрабатываемой поверхности, энергия абляции должна быть нацелена на примеси, а не на поверхность, на которой лежат примеси, это трудная задача, когда примеси очень малы и хаотично расположены. Даже если энергия абляции может с успехом быть направлена на примесь, трудно ее испарить, не повредив при этом и лежащую под ней обрабатываемую поверхность. Another currently used cleaning method, known as ablation, has its own specific disadvantages. During ablation, the surface or impurities on the surface are heated to the point of evaporation. Depending on the material being ablated, the material may melt before evaporation, or the material may sublimate directly by heating. With ablation cleaning technology, if damage to the surface to be treated is to be avoided, the ablation energy should be focused on the impurities, and not on the surface on which the impurities lie, this is a difficult task when the impurities are very small and randomly located. Even if the ablation energy can be successfully directed to an impurity, it is difficult to evaporate it without damaging the surface being treated beneath it.

Очистка поверхности расплавлением, отжигом и абляцией может осуществляться при помощи источника лазерной энергии. Однако использование лазерного источника энергии для удаления примесей, с поверхности расплавлением, отжигом или абляцией не устраняет недостатков, присущих этим процессам. Например, в патенте [1] "Способ с использованием лазерного излучения производства чистых на атомном уровне поверхностей кристаллических кремния и германия" для описываемого способа лазерного отжига требуются вакуумные условия и уровни энергии, достаточные, чтобы вызвать перестройку и расплавление обрабатываемой поверхности. Для других известных методов лазерной очистки поверхностей с расплавлением или отжигом требуются такие же условия большой энергии лазера и/или вакуума (см. [2] и [3]). Техника лазерной абляции, описанная в [4] "Лазерное стирающее устройство", страдает теми же недостатками, что и другие высокоэнергетические методы абляции. Surface cleaning by melting, annealing and ablation can be carried out using a laser energy source. However, the use of a laser energy source to remove impurities from the surface by melting, annealing or ablation does not eliminate the disadvantages inherent in these processes. For example, in the patent [1], "A method using laser radiation to produce atomically clean surfaces of crystalline silicon and germanium", the described laser annealing method requires vacuum conditions and energy levels sufficient to cause the surface to undergo reconstruction and melting. For other known methods of laser cleaning of surfaces with melting or annealing, the same conditions of high laser energy and / or vacuum are required (see [2] and [3]). The laser ablation technique described in [4] “Laser Eraser” suffers from the same drawbacks as other high-energy ablation methods.

Итак, цель настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для удаления ненужных примесей с поверхности подложки, которое не изменяет молекулярную структуру обрабатываемой поверхности. So, the aim of the present invention is to provide a method and device for removing unnecessary impurities from the surface of the substrate, which does not change the molecular structure of the treated surface.

Другая цель настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для удаления ненужных примесей с обрабатываемой поверхности, которое не расплавляет и не испаряет ни одного участка обрабатываемой поверхности. Another objective of the present invention is to provide a method and device for removing unnecessary impurities from the treated surface, which does not melt and does not evaporate any part of the treated surface.

Другая цель настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для удаления ненужных примесей с поверхности подложки, которое не вносит дополнительных примесей в поверхность подложки. Another objective of the present invention is to provide a method and device for removing unnecessary impurities from the surface of the substrate, which does not introduce additional impurities into the surface of the substrate.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для очистки поверхности подложки, для которой не требуется вакуума и которую можно осуществлять экономично за очень короткий промежуток времени. Another objective of the present invention is to provide a method and device for cleaning the surface of the substrate, which does not require vacuum and which can be carried out economically in a very short period of time.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения будут частично указаны в нижеследующем описании, а частично они станут очевидными из описания либо в процессе использования изобретения. Цели и преимущества настоящего изобретения могут быть реализованы и получены способом и устройством, в особенности указанными в прилагаемой формуле изобретения. Other objectives and advantages of the present invention will be partially indicated in the following description, and partially they will become apparent from the description or in the process of using the invention. The objectives and advantages of the present invention can be realized and obtained by the method and device, in particular specified in the attached claims.

Чтобы достичь целей и в соответствии с назначением изобретения, представленным через осуществления и через широкое описание, предлагается способ и устройство для удаления ненужных примесей с поверхности подложки при сохранении молекулярной структуры обрабатываемой поверхности. Способ включает в себя операцию непрерывного пропускания газа по обрабатываемой поверхности подложки и операцию облучения подложки излучением мощного источника, характеризуемым плотностью энергии и длительностью, которая больше длительности, необходимой для высвобождения ненужных поверхностных примесей с обрабатываемой поверхности подложки, и меньше длительности, необходимой для того, чтобы изменить молекулярную структуру обрабатываемой поверхности подложки. В предпочтительном варианте мощное средство генерирования излучения представляет собой импульсный ультрафиолетовый лазер. In order to achieve the objectives and in accordance with the purpose of the invention, presented through the implementation and through the broad description, a method and device for removing unnecessary impurities from the surface of the substrate while maintaining the molecular structure of the treated surface. The method includes the operation of continuously passing gas over the treated surface of the substrate and the operation of irradiating the substrate with radiation of a powerful source, characterized by an energy density and a duration that is longer than the duration required to release unnecessary surface impurities from the treated surface of the substrate, and less than the duration required to change the molecular structure of the treated surface of the substrate. In a preferred embodiment, the powerful radiation generating means is a pulsed ultraviolet laser.

Прилагаемые чертежи, включенные в настоящее описание и составляющие его часть, иллюстрируют предпочтительные осуществления изобретения и, совместно с описанием, служат для объяснения принципов изобретения. The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the present description, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.

На фиг. 1 представлена схема удаления ненужной примеси в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 представлена схема, показывающая, как лазерное излучение направлено на одно осуществление настоящего изобретения; на фиг. 3 представлена схема, показывающая, как лазерное излучение направлено в другом осуществлении настоящего изобретения. In FIG. 1 is a diagram for removing unnecessary impurities in accordance with the present invention; in FIG. 2 is a diagram showing how laser radiation is directed to one embodiment of the present invention; in FIG. 3 is a diagram showing how laser radiation is directed in another embodiment of the present invention.

Рассмотрим подробно предпочтительное осуществление настоящего изобретения, пример которого изображен на прилагаемых чертежах. Везде на чертежах одни и те же обозначения относятся к одним и тем же элементам. Consider in detail the preferred implementation of the present invention, an example of which is shown in the accompanying drawings. Everywhere in the drawings, the same designations refer to the same elements.

Способ удаления ненужных поверхностных примесей с поверхности подложки при сохранении молекулярной структуры обрабатываемой поверхности иллюстрируется на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, узел 10 держит подложку 12, с которой надо удалить ненужные поверхностные примеси. Над поверхностью 12 непрерывно пропускается газ 18 из источника газа 16. Газ 18 инертен по отношению к подложке 12 и течет над поверхностью 12 так, что погружает подложку 12 в атмосферу инертного газа. В предпочтительном варианте газ 18 представляет собой химически инертный газ, например, гелий, азот или аргон. Оболочка 15 для удержания подложки 12 соединяется с источником газа 16 через серию трубок 21, клапанов 22 и газовый расходомер 20. A method for removing unnecessary surface impurities from the surface of a substrate while maintaining the molecular structure of the surface being treated is illustrated in FIG. 1. As shown in FIG. 1, the assembly 10 holds asubstrate 12 from which unnecessary surface impurities must be removed. Above thesurface 12,gas 18 is continuously passed from the gas source 16. Thegas 18 is inert with respect to thesubstrate 12 and flows over thesurface 12 so that it immerses thesubstrate 12 in an inert gas atmosphere. In a preferred embodiment,gas 18 is a chemically inert gas, for example, helium, nitrogen or argon. The shell 15 for holding thesubstrate 12 is connected to a gas source 16 through a series of tubes 21, valves 22 and a gas flow meter 20.

В соответствии с осуществлением изобретения, изображенным на фиг. 1, кожух 15 состоит из кюветы для проб из нержавеющей стали, снабженной противоположно расположенными входным и выходным отверстиями соответственно 23 и 25. Кожух 15 снабжен герметизированным оптическим кварцевым окном 17, через которое может проходить излучение. Входное и выходное отверстия 23 и 25 могут включать в себя, например, трубки из нержавеющей стали, снабженные клапанами. После того, как образец 12 помещен в кожух 15, последний периодически продувается и наполняется газом 18, и в нем поддерживается давление, несколько превышающее окружающее атмосферное давление, чтобы не допустить попадание других газов. Хотя кожух 15 изображен в виде сплошной камеры, можно предположить, что очищаемая поверхность может быть заключена в кожух любого типа, через который можно пропускать газ. Например, если обрабатываемая поверхность представляет собой большой неподвижный предмет, можно использовать переносный кожух, например, пластмассовый мешок. In accordance with the embodiment of FIG. 1, the casing 15 consists of a stainless steel sample cuvette provided with oppositely located inlet and outlet openings 23 and 25, respectively. The casing 15 is provided with a sealedoptical quartz window 17 through which radiation can pass. The inlet and outlet openings 23 and 25 may include, for example, stainless steel tubes provided with valves. After thesample 12 is placed in the casing 15, the latter is periodically blown and filled withgas 18, and it maintains a pressure slightly exceeding the ambient atmospheric pressure to prevent other gases from entering. Although the casing 15 is shown as a continuous chamber, it can be assumed that the surface to be cleaned can be enclosed in any type of casing through which gas can be passed. For example, if the surface to be treated is a large stationary object, you can use a portable casing, for example, a plastic bag.

Течение газа 18 можно регулировать расходомером 20, который, в предпочтительном осуществлении, представляет собой расходомер Матесон Модель 602. Клапаны 22 в предпочтительном варианте представляют собой измерительные, регулирующие или сильфонные клапана, пригодные для использования при высоких температурах и давлениях и для работы с токсичными, опасными, коррозийными или дорогостоящими газами или жидкостями, как, например, клапаны Свагелок SS 4H^TM производства компании "Свагелок", Солон, шт. Огайо. Клапаны 22 можно открывать или закрывать, изолируя кожух 15, соединяя его с источником газа 16 или соединяя его с другим веществом, например, газом для осаждения на подложку 12, поступающим из другого источника 40.The flow ofgas 18 can be controlled by a flow meter 20, which, in a preferred embodiment, is a Model 60 Model Mateson flow meter. Valves 22 are preferably measuring, control or bellows valves suitable for use at high temperatures and pressures and for handling toxic, hazardous , corrosive or expensive gases or liquids, such as, for example, Swagelock SS 4H^TM valves manufactured by Swagelock, Solon, pcs. Ohio. Valves 22 can be opened or closed, insulating the casing 15, connecting it to a gas source 16 or connecting it to another substance, for example, gas for deposition on asubstrate 12, coming from another source 40.

В соответствии со способом настоящего изобретения обрабатываемая поверхность подложки облучается мощным излучением, характеризующимся плотностью энергии и длительностью больше необходимой для высвобождения поверхностных примесей с поверхности подложки и меньше необходимой для изменения молекулярной структуры обрабатываемой поверхности подложки. В соответствии с предпочтительным осуществлением настоящего изобретения, изображенным на фиг. 1, лазер 14 генерирует лазерное излучение, которое направлено на обрабатываемую поверхность подложки 12. На фиг. 1 лазер изображен расположенным за пределами кожуха 15 и облучающим образец 12 через кварцевое окно 17. Однако допускается расположение лазера 14 внутри кожуха 15. In accordance with the method of the present invention, the treated surface of the substrate is irradiated with powerful radiation, characterized by an energy density and a duration longer than necessary to release surface impurities from the surface of the substrate and less than necessary to change the molecular structure of the processed surface of the substrate. In accordance with the preferred embodiment of the present invention depicted in FIG. 1, thelaser 14 generates laser radiation that is directed onto the treated surface of thesubstrate 12. In FIG. 1, the laser is shown located outside the casing 15 and irradiating thesample 12 through thequartz window 17. However, the location of thelaser 14 inside the casing 15 is allowed.

Поток энергии и длину волны мощного излучения желательно выбирать так, чтобы они зависели от удаляемых нежелательных поверхностных примесей. С этой целью к выходному отверстию 25 может быть подсоединен газовый анализатор 27. Анализатор 27 анализирует состав газа на выходе из кожуха 15, чтобы облегчить регулировку энергии и длины волны лазера 14. Газовый анализатор 27 может представлять собой масс-спектрометр, например, квадрупольный масс-спектрометр производства компании "Брукер Инструментс, инк. Биллерика, шт. Массачусетс, или Перкин-Эльмер компании "Иден Прейри", шт. Миннесота. The flow of energy and the wavelength of powerful radiation is desirable to choose so that they depend on the removed unwanted surface impurities. For this purpose, a gas analyzer 27 can be connected to the outlet 25. The analyzer 27 analyzes the gas composition at the outlet of the casing 15 to facilitate adjustment of the energy and wavelength of thelaser 14. The gas analyzer 27 may be a mass spectrometer, for example, a quadrupole mass Spectrometer manufactured by Brooker Instruments, Inc. Billerika, Mass., or Perkin-Elmer, Eden Prairie, Min.

Выбор мощного источника излучения для настоящего изобретения зависит от требуемой энергии излучения и от длины волны. Энергия электрон-вольт/фотон/эВ/фотон/ излучения желательно, по меньшей мере, вдвое энергии, необходимое для разрыва связей, удерживающих примеси на очищаемой поверхности. Энергии связей между нежелательными примесями, такими как углерод и кислород, и распространенными материалами подложки, такими, как кремний, титан, германий, железо, платина и алюминий, лежат в пределах от 2 до 7 В/связь, как указывается в "Справочнике по химии и физике", 68-е изд. сс. F
169 и F 177 (СРС Пресс 1987), который включен в настоящее описание в качестве опорного материала. Поэтому желательны лазеры, излучающие фотоны с энергиями в диапазоне от 4 до 14 эВ/фотон. Длина волны должна быть меньше длины волны, которая нарушает целостность поверхности подложки фотоэлектрическим эффектом, как указывается в книге Г.У.Кастеллана, Физическая химия, 2-е изд. 458-459 (Академик Пресс, 1975), которая прилагается к настоящему описанию в качестве опорного материала. Предпочтительная длина волны зависит от удаляемых типов молекул и от резонансных состояний таких молекул. Длины волн и энергии фотонов ряда лазеров, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, перечислены в табл. 1.The choice of a powerful radiation source for the present invention depends on the required radiation energy and on the wavelength. The energy of electron-volt / photon / eV / photon / radiation is desirable, at least twice the energy required to break the bonds that hold impurities on the surface being cleaned. The binding energies between undesirable impurities, such as carbon and oxygen, and common substrate materials, such as silicon, titanium, germanium, iron, platinum, and aluminum, range from 2 to 7 V / bond, as indicated in the Chemistry Handbook and Physics, 68th ed. ss F
169 and F 177 (CPC Press 1987), which is incorporated herein by reference. Therefore, lasers emitting photons with energies in the range from 4 to 14 eV / photon are desirable. The wavelength should be less than the wavelength, which violates the integrity of the substrate surface by the photoelectric effect, as indicated in the book by G.U. Castellan, Physical Chemistry, 2nd ed. 458-459 (Academic Press, 1975), which is attached to the present description as a reference material. The preferred wavelength depends on the types of molecules removed and on the resonance states of such molecules. The wavelengths and photon energies of a number of lasers that can be used in the present invention are listed in table. one.

Эти лазеры подробнее описаны в следующих источниках, которые включены в настоящее описание в качестве опорных материалов: М.Дж. Уэббер, под ред. Справочник по теории лазеров компании СРС, тт. 1-5 (1962-1987); Мицус Маэда Лазерные красители (Академик Пресс, 1984) и литература по выпускаемым лазерам, издаваемая фирмой "Ламбда Физик", 289 Грейт-роуд, Актон, шт. Массачусетс; фирмой "Кохирент, инк.", 3210 Портердрайв, Пало-Альто, шт. Калифорния, и фирмой "Спектра-физикс", 1250 Вест-Миддлфилд-роуд, Маунтин-Вью, шт. Калифорния. Следует иметь в виду, что в качестве источника излучения в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться мощные лазеры на ксеноновых или ртутных лампах или других типов, включая лазеры видимого диапазона, ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские лазеры или лазеры на свободных электронах. These lasers are described in more detail in the following sources, which are included in the present description as reference materials: M.J. Webber, ed. CPC Laser Theory Handbook, vol. 1-5 (1962-1987); Mitsus Maeda Laser dyes (Akademik Press, 1984) and literature on manufactured lasers, published by Lambda Physicist, 289 Great Road, Acton, pc. Massachusetts; Cochirent, Inc., 3210 Porterdrive, Palo Alto, pc. California, and Spectra Physics, 1250 West Middlefield Road, Mountain View, pc. California. It should be borne in mind that as a radiation source in accordance with the present invention can be used powerful lasers for xenon or mercury lamps or other types, including lasers of the visible range, ultraviolet, infrared, X-ray or free electron lasers.

В соответствии с настоящим изобретением, излучение, направленное на обрабатываемую поверхность подложки, имеет плотность энергии меньшую, чем необходимая для изменения молекулярной структуры обрабатываемой поверхности, с которой удаляются ненужные примеси. Плотность энергии излучения и длительность облучения желательно выбирать такими, чтобы передавать на поверхность подложки количество энергии, значительно меньшей энергии, необходимой для изменения структуры поверхности подложки. Предпочтительный уровень энергии зависит от состава обрабатываемой подложки. Например, для некоторых материалов подложки, таким как пластмасса, этот уровень энергии намного ниже, чем для других материалов, таких как высокопрочные углеродные стали. Теплоты формирования для различных материалов широко известны и указываются в Справочнике по химии и физике, 68-е изд. сс. 33-42 (СРС Пресс 1987), который включен в настоящее описание в качестве опорного материала. Под теплотой формирования обычно понимают количество тепла, необходимое для разрушения различных материалов; ее можно использовать в качестве критерия выбора уровня лазерного излучения и длительности облучения, при которых молекулярная структура обрабатываемой поверхности не изменяется. Теплоты формирования ряда распространенных материалов подложки приведены в табл. 2. In accordance with the present invention, the radiation directed to the treated surface of the substrate has an energy density lower than that necessary to change the molecular structure of the treated surface, from which unnecessary impurities are removed. It is desirable to choose the radiation energy density and the duration of irradiation so as to transfer to the substrate surface an amount of energy significantly less than the energy required to change the structure of the substrate surface. The preferred energy level depends on the composition of the substrate to be treated. For example, for some substrate materials, such as plastic, this energy level is much lower than for other materials, such as high-strength carbon steels. The heats of formation for various materials are widely known and are indicated in the Handbook of Chemistry and Physics, 68th ed. ss 33-42 (CPC Press 1987), which is incorporated herein by reference. Under the heat of formation is usually understood as the amount of heat necessary for the destruction of various materials; it can be used as a criterion for choosing the level of laser radiation and the duration of irradiation at which the molecular structure of the treated surface does not change. The heats of formation of a number of common substrate materials are given in table. 2.

Плотность энергии излучения и длительность облучения, используемые в настоящем изобретении, таковы, чтобы на обрабатываемой поверхности подложки теплота формирования не достигалась. Нахождение максимальной энергии, которая может быть использована для данного материала подложки, требует некоторого экспериментирования при известной теплоте формирования материала. Таким образом, не допускается отжиг, абляция и расплавление,
Когда поверхность подложки облучается так, как описано выше, связи и/или силы, удерживающие ненужные поверхностные примеси на поверхности подложки, разрываются, и инертный газ-носитель уносит примеси с поверхности подложки во время лазерного облучения. Пока очищенная подложка находится в среде инертного газа, на поверхности подложки новые примеси не будут образовываться. При необходимости к выходному отверстию 25 кожуха может быть подсоединена соответствующая система улавливания, предназначенная для улавливания и нейтрализации удаленного материала примеси.The radiation energy density and irradiation duration used in the present invention are such that heat of formation is not achieved on the surface of the substrate to be treated. Finding the maximum energy that can be used for a given substrate material requires some experimentation with the known heat of formation of the material. Thus, annealing, ablation and fusion are not allowed,
When the surface of the substrate is irradiated as described above, the bonds and / or forces holding unnecessary surface impurities on the surface of the substrate are broken, and an inert carrier gas carries away impurities from the surface of the substrate during laser irradiation. As long as the cleaned substrate is in an inert gas environment, new impurities will not form on the surface of the substrate. If necessary, an appropriate capture system can be connected to the outlet opening 25 of the casing to catch and neutralize the removed impurity material.

Обрабатываемую подложку можно избирательно обрабатывать лазерным излучением, используя различные методы. Как показано на фиг. 2, например, подложку 12 крепят на двухкоординатном столе 13, который можно избирательно перемещать относительно неподвижного луча лазерных импульсов 11, которые направляются через расщепитель луча 24 и фокусирующую линзу 28, после чего он контактирует с выбранными участками поверхности подложки 12, над которой течет инертный газ 18. The substrate to be treated can be selectively treated with laser radiation using various methods. As shown in FIG. 2, for example, thesubstrate 12 is mounted on a two-coordinate table 13, which can be selectively moved relative to a stationary beam oflaser pulses 11, which are guided through abeam splitter 24 and a focusing lens 28, after which it is in contact with selected portions of the surface of thesubstrate 12, over which an inert gas flows eighteen.

В другом варианте, как показано на фиг. 3, лазерные импульсы 11 могут расщепляться расщепителями луча 30 и 32 на две группы импульсов, которые избирательно перемещают, изменяя положение зеркал 34-37 над поверхностью подложки 12 на неподвижном столе 17. Измеритель 26 мощности лазера позволяет точно контролировать мощность лазера, направляемую на подложку. In another embodiment, as shown in FIG. 3, thelaser pulses 11 can be split bybeam splitters 30 and 32 into two groups of pulses that selectively move by changing the position of the mirrors 34-37 above the surface of thesubstrate 12 on the fixed table 17. Thelaser power meter 26 allows you to accurately control the laser power directed to the substrate.

Пример 1. Example 1

Природный окисел кремния необходим для стимулирования роста тонкой пленки на полупроводниковых поверхностях. К сожалению, когда полупроводниковые поверхности окисла кремния находятся под воздействием окружающей среды, к поверхности полупроводника слабо прилипают углеродные примеси. Присутствие этих примесей сильно уменьшает проводимость или изоляционные свойства наносимой тонкой пленки. Поэтому при производстве полупроводников принимаются большие меры предосторожности с целью сведения к минимуму воздействия среды путем использования изощренных вакуумных, химических и механических приемов. Вакуумные методы дороги, особенно, если используется высокий или почти сверхвысокий вакуум для обеспечения чистоты поверхностей между операциями обработки. Химические (смачивания и сушки) и механические методы могут повредить обрабатываемую поверхность подложки, и, если обрабатываемая подложка представляет собой обработанную интегральную схему, может повредиться лежащая ниже структура. Natural silicon oxide is necessary to stimulate the growth of a thin film on semiconductor surfaces. Unfortunately, when the semiconductor surfaces of silicon oxide are exposed to the environment, carbon impurities adhere weakly to the surface of the semiconductor. The presence of these impurities greatly reduces the conductivity or insulating properties of the applied thin film. Therefore, in the manufacture of semiconductors, great precautions are taken to minimize environmental impact through the use of sophisticated vacuum, chemical and mechanical techniques. Vacuum methods are expensive, especially if high or near ultrahigh vacuum is used to ensure surface cleanliness between machining operations. Chemical (wetting and drying) and mechanical methods can damage the treated surface of the substrate, and if the processed substrate is a processed integrated circuit, the underlying structure may be damaged.

С целью решить эти проблемы на поверхность кремниевой подложки в герметичной камере, через которую пропускали газ аргон, направляли излучение импульсного эксимерного лазера KrF, основная длина волны которого составляла 248 нм (ультрафиолетовый диапазон). Чтобы уменьшить загрязнение поверхности углеродом и уменьшить процент углерода, связанного с хемисорбированным органометалликом (триметилалюминием), являющимся предшествующим продуктом для формирования алюминиевой тонкой пленки при производстве полупроводников, поверхность подложки из окисла кремния облучали излучением эксимерного лазера KrF, с плотностью энергии 35 мДж/см² 6 тысячами вспышек с частотой следования 10 Гц. Обрабатываемые лазером поверхности омывались во время облучения непрерывным потоком газа аргона с расходом 16 л/час под давлением 1,03•10³ тор (13,732•10³ дин/см²) от регулятора противодавлением. После обработки хроматографический спектральный анализ показал, что на подложке наблюдалось существенное уменьшение поверхностного углерода до обработки поверхностный углерод занимал в среднем 30-45 процентов поверхности подложки, а после обработки поверхностный углерод занимал в среднем 19 процентов поверхности подложки. На самой поверхности подложки не наблюдалось повреждений или изменений.In order to solve these problems, the radiation of a pulsed KrF excimer laser with a main wavelength of 248 nm (ultraviolet range) was directed to the surface of a silicon substrate in a sealed chamber through which argon gas was passed. To reduce surface contamination with carbon and to reduce the percentage of carbon associated with chemisorbed organometallic (trimethylaluminium), which is the preceding product for the formation of an aluminum thin film in the manufacture of semiconductors, the surface of a silicon oxide substrate was irradiated with a KrF excimer laser with an energy density of 35 mJ / cm² 6 thousands of flashes with a repetition rate of 10 Hz. The surfaces treated by the laser were washed during irradiation with a continuous flow of argon gas with a flow rate of 16 l / h at a pressure of 1.03 • 10³ torr (13.732 • 10³ dyne / cm² ) from the back pressure regulator. After processing, chromatographic spectral analysis showed that a substantial decrease in surface carbon was observed on the substrate before processing, surface carbon occupied an average of 30-45 percent of the surface of the substrate, and after processing, surface carbon occupied an average of 19 percent of the surface of the substrate. No damage or change was observed on the surface of the substrate itself.

Хроматофотографический спектральный анализ показал, что после обработки лазерным излучением в соответствии с вышеописанным и последующей обработки потоком газа органометаллика 20,8 процента поверхности подложки была покрыта углеродом, в то время как после обработки газом органометаллика без обработки поверхности газом углеродом было покрыто 40-45 процентов поверхности подложки. После обработки лазером в соответствии с вышеописанной процедурой и до, и после обработки газом органометаллика углеродом было покрыто лишь 8,9 процента поверхности. Участки, прилегающие к участкам, подвергшимся обработке лазером, также испытали некоторый эффект лазерной очистки. Участки, соседние с обработанными участками, имели пониженный до 12,7 процента уровень углерода. Повидимому этот эффект объясняется гауссовым характером лазерного импульса. Chromatographic-photographic spectral analysis showed that after laser irradiation in accordance with the above and subsequent treatment with an organometallic gas stream, 20.8 percent of the substrate surface was coated with carbon, while after the organometallic gas treatment without surface treatment with carbon gas, 40-45 percent of the surface was coated with carbon the substrate. After laser treatment in accordance with the above procedure, only 8.9 percent of the surface was coated with carbon before the organometallic gas. The areas adjacent to the laser treated areas also experienced some laser cleaning effect. Plots adjacent to the treated plots had a carbon level reduced to 12.7 percent. Apparently, this effect is explained by the Gaussian character of the laser pulse.

Перенос платы из кюветы в хроматографический спектральный анализатор осуществлялся через наполненную аргоном перчаточную камеру. Кремниевую плату переносили в хроматофотографический спектральный анализатор через инертный транспортировочный стержень сверхвысокого вакуума. Это сводило к минимуму воздействие окружающей среды. The board was transferred from the cuvette to the chromatographic spectral analyzer through a glove chamber filled with argon. The silicon board was transferred to a chromatographic spectral analyzer through an inert ultra-high vacuum transport rod. This minimized environmental impact.

Другую плату из окисла кремния во время обработки газом аргоном в соответствии с вышеописанной процедурой обработали излучением импульсного эксимерного лазера KrF с плотностью энергии 9 мДж/см² 6 тысячами вспышек с частотой следования 10 Гц. Хроматофотографический спектральный анализ показал, что и до, и после обработки лазером углерод закрывал 40-45 процентов поверхности. Таким образом, облучение с плотностью энергии 9 мДж/см² не удаляло адсорбированный поверхностный углерод.The other silicon oxide board was treated with argon gas in accordance with the above procedure by irradiating a KrF pulsed excimer laser with an energy density of 9 mJ / cm^{2 by} 6 thousand bursts with a repetition rate of 10 Hz. Chromatographic spectral analysis showed that before and after laser treatment, carbon covered 40-45 percent of the surface. Thus, irradiation with an energy density of 9 mJ / cm² did not remove the adsorbed surface carbon.

Другую плату из окисла кремния во время обработки газом аргоном в соответствии с вышеописанной процедурой обработали излучением импульсного эксимерного лазера KrF с плотностью энергии 300 мДж/см² 6 тысячами вспышек с частотой следования 10 Гц. В конце обработки поверхность подложки имела существенные повреждения, в том числе дыру в подложке. Таким образом, излученные с плотностью энергии 300 мДж/см² изменило молекулярную структуру поверхности подложки.Another silicon oxide board was treated with argon gas in accordance with the procedure described above by radiation from a KrF pulsed excimer laser with an energy density of 300 mJ / cm^{2 and} 6 thousand bursts with a repetition rate of 10 Hz. At the end of the treatment, the surface of the substrate had significant damage, including a hole in the substrate. Thus, radiated with an energy density of 300 mJ / cm² changed the molecular structure of the surface of the substrate.

Эти примеры показывают, что лазерное облучение при соответствующем потоке энергии и соответствующей длине волны может уменьшить вредные поверхностные примеси, не повреждая расположенную ниже поверхность или соседние структуры. These examples show that laser irradiation at an appropriate energy flux and wavelength can reduce harmful surface impurities without damaging the lower surface or adjacent structures.

Можно ожидать, с учетом теплоты формирования, что воздействие на поверхность подложки из окисла кремния излучением импульсного эксимерного лазера KrF с плотностью энергии менее 100 мДж/см² 6 тысячами вспышек с частотой следования 10 Гц не изменит молекулярную структуру подложки. В то же время, излучение импульсного эксимерного лазера KrF с плотностью энергии менее 75 мДж/см² 6 тысячами вспышек с частотой следования 10 Гц, видимо, вовсе не изменит поверхность подложки из окисла кремния.It can be expected, taking into account the heat of formation, that exposure to the surface of a silicon oxide substrate by radiation from a KrF pulsed excimer laser with an energy density of less than 100 mJ / cm² 6 thousand flashes with a repetition rate of 10 Hz will not change the molecular structure of the substrate. At the same time, the radiation from a KrF pulsed excimer laser with an energy density of less than 75 mJ / cm^{2 by} 6 thousand flashes with a repetition rate of 10 Hz does not seem to change the surface of the silicon oxide substrate at all.

Пример II
Для таких областей технологии, как лазерная плавка, рентгеновская литография и оптика ультрафиолетовых эксимерных лазеров, производство высокоэнергетических оптических компонентов затруднено. Технологии лазерной плавки и рентгеновской литографии используются исключительно в "чистых" средах. Эксимерная лазерная оптика имеет малый срок службы, поскольку при нынешней технологии промышленного нанесения пленок трудно изготовлять пленки, способные выдерживать длительные мощные потоки.Example II
For areas of technology such as laser smelting, X-ray lithography and optics of ultraviolet excimer lasers, the production of high-energy optical components is difficult. Laser smelting and X-ray lithography technologies are used exclusively in "clean" environments. Excimer laser optics have a short life, because with the current technology for industrial film deposition it is difficult to produce films that can withstand long-term powerful flows.

Вечная проблема высокоэнергетической оптики оптический пробой. Это явление может быть сформулировано как "катастрофическое развитие повреждения, создаваемого в прозрачной среде в сильном лазерном поле" (И.Р.Шень, Принципы нелинейной оптики, 1-е изд. 528-540 (Уайли Интерсайенс, 1984). Это явление происходит в твердых телах, а также в газах. В случае твердого вещества, например, оптической системы большой мощности, провоцируется наличием поверхностного дефекта, например, царапинами или порами в материале. В большинстве случаев оптический пробой обусловлен поверхностным загрязнением, например, адсорбированными частицами пыли. Присутствие этих загрязнений снижает порог пробоя, который, в свою очередь, ограничивает максимальную энергию лазера, которую можно использовать от данной лазерной системы. Это является очень важным ограничением в отношении накачки среды лазера (твердотельной или газообразной) внешним источником энергии накачки. Это, в свою очередь, ограничивает мощность лазера, которую можно использовать для пропускания энергии через оптические окна, линзы и другие оптические компоненты. The eternal problem of high-energy optics is optical breakdown. This phenomenon can be formulated as “the catastrophic development of damage created in a transparent medium in a strong laser field” (I.R. Shen, Principles of Nonlinear Optics, 1st ed. 528-540 (Wiley Intersiens, 1984). solids, as well as gases. In the case of a solid, for example, a high-power optical system, it is provoked by the presence of a surface defect, for example, scratches or pores in the material. In most cases, the optical breakdown is caused by surface contamination, for example, adsorbed dust particles.The presence of these contaminants reduces the breakdown threshold, which, in turn, limits the maximum laser energy that can be used from this laser system.This is a very important limitation with respect to the pumping of the laser medium (solid or gaseous) by an external source of pump energy. in turn, limits the laser power that can be used to transmit energy through optical windows, lenses, and other optical components.

Оптическому пробою, например, в твердом теле, способствует присутствие прилипших к поверхности загрязнений, взаимодействие последовательности лазерных импульсов достаточного энергетического поперечного сечения может наложить достаточно энергии для генерирования "лавинной" ионизации на поверхности твердого тела. Это может создать поверхностную плазму, которая может разрушить твердое тело. Присутствие примесей сильно снижает эффективность лазера и снижает его применимость в возможных областях применения. Optical breakdown, for example, in a solid, is facilitated by the presence of contaminants adhering to the surface, the interaction of a sequence of laser pulses of sufficient energy cross-section can impose enough energy to generate avalanche ionization on the surface of a solid. This can create a surface plasma that can destroy a solid. The presence of impurities greatly reduces the effectiveness of the laser and reduces its applicability in possible applications.

Чтобы решить вышеуказанные проблемы, можно использовать метод удаления вредной примеси, описанной в данной заявке, с целью удаления прилипших загрязнений, например, адсорбированную пыль. Например, чтобы обработать оптический компонент, на него воздействуют непрерывным потоком газа аргона, и в это время импульсный эксимерный лазер KrF направляют на поверхность оптического компонента. Лазер настроен на соответствующий поток энергии и соответствующую длину волны, т.е. значительно ниже, чем мощный импульс, необходимый для начала ионизации и последующего возникновения плазмы в оптической системе большой мощности. Поверхность оптического компонента облучается при заданном потоке и длине волны в течение времени, достаточного для удаления адсорбированных ненужных примесей. To solve the above problems, you can use the method of removing harmful impurities described in this application, in order to remove adhering pollution, for example, adsorbed dust. For example, in order to process an optical component, it is subjected to a continuous flow of argon gas, and at this time a pulsed KrF excimer laser is directed to the surface of the optical component. The laser is tuned to the appropriate energy flux and the corresponding wavelength, i.e. significantly lower than the powerful pulse needed to start ionization and the subsequent emergence of plasma in a high power optical system. The surface of the optical component is irradiated at a given flow and wavelength for a time sufficient to remove adsorbed unnecessary impurities.

Для специалистов в данной области очевидно, что в способе и устройстве удаления ненужных поверхностных примесей в соответствии с настоящим изобретением возможны модификации и варианты. Поэтому в широком смысле изобретения не ограничивается конкретными деталями, типичными способами и устройствами и иллюстративными примерами, показанными и описанными выше. Таким образом, весь материал, содержащийся в вышеизложенном описании или показанный на прилагаемых чертежах, должен пониматься как иллюстративный, а не ограничивающий. For specialists in this field it is obvious that in the method and device for removing unnecessary surface impurities in accordance with the present invention, modifications and variations are possible. Therefore, in the broad sense of the invention, it is not limited to specific details, typical methods and devices, and illustrative examples shown and described above. Thus, all material contained in the foregoing description or shown in the accompanying drawings is to be understood as illustrative and not restrictive.