KR100435808B1 - 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법 및 그 방법에 적합한 장치 - Google Patents

마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법 및 그 방법에 적합한 장치 Download PDF

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Abstract

마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법이 개시된다. 웨이퍼를 건조 챔버 내의 세정액에 담그는 단계, 건조 챔버 내에 유기 액체의 증기를 상대적 다량으로 공급하여 세정액 표면에 일정 농도 이상으로 유기 액체의 층을 형성하는 단계 및 건조 챔버 내에 유기 액체의 증기를 상대적 소량으로 공급하면서 웨이퍼를 세정액 및 유기 액체의 층에서 드러나도록 하는 단계를 구비하여 이루어진다. 이때, 유기 액체 증기의 양은 건조 챔버 내의 유기 액체 증기의 분압을 통해 조절할 수 있다. 유기 액체는 바람직하게는 IPA(IsoProphyl Alcohol)로 한다.

Description

마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법 및 그 방법에 적합한 장치{METHOD OF DRYING WAFER AND APPARATUS FOR THE SAME}
본 발명은 웨이퍼 건조 방법 및 그에 적합한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마란고니(Marangoni) 방식을 이용하여 웨이퍼를 건조하는 방법 및 그에 적합한 웨이퍼 건조 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조를 위해 웨이퍼를 가공할 때 가장 중요한 문제의 하나가 웨이퍼 표면에 파티클이 접촉하지 않도록 하는 것이다. 미세한 파티클이라도 반도체 소자 형성과 동작에 큰 영향을 줄 수 있으므로 청정 환경의 유지와 웨이퍼 각 단계에서의 세정이 중요하다.
웨이퍼 세정에서 대표적인 것이 세정액을 이용한 습식 세정이다. 공정의 특성에 따라 세정액도 차이가 있을 수 있으나, 탈이온수(DIW:deionized water)라 불리는 순수로 웨이퍼의 화학물질이나 파티클을 세정하는 것은 웨이퍼 가공 공정에서 일반화된 것이다.
웨이퍼 세정 후에 표면에 영향을 미치지 않으면서 즉시 건조하는 것이 필요하다. 웨이퍼에 습기가 존재하면서 오랜 시간이 경과하면 기판 표면의 물질 변성이 일어나고, 조그만 변성도 고집적 반도체 장치에서는 큰 문제를 야기할 수 있다. 웨이퍼 건조 방법으로 스핀 건조가 있다. 스핀 건조는 웨이퍼에서 물기를 제거하기 용이하나 파티클이 재부착하기 쉬운 결점이 있다.
근래에 많이 사용되는 웨이퍼 건조 방법으로 액체의 표면장력을 이용한 마란고니 방식(Marangoni method)을 예시할 수 있다. 마란고니 방식의 건조 방법에서는 첫 단계에서 도1과 같이 웨이퍼(60)를 건조 챔버(10)에 있는 액조(20)에서 순수(40)에 담그고, 순수 표면과 주변에 IPA(Iso Prophyl Alcohol) 증기(70)와 같은 유기 액체의 증기를 증기 배관(50)을 통해 공급하게 된다. 그리고, 두번째 단계에서 도2와 같이 유기 액체의 증기를 계속 공급하면서 순수(40)에 잠겨있는웨이퍼(60)를 순수(40)를 드레인 배관(80)의 드레인 밸브(85)를 통해 배출시켜 순수(40) 밖으로 드러나게 한다. 순수를 드레인시키는 대신에 웨이퍼를 순수 표면 위로 이동시키는 방법을 사용할 수도 있다.
이때, 유기 액체의 증기는 순수(40) 표면에 응축되거나 용해되어 하나의 액층을 형성한다. 그리고, 가령, IPA층(30)과 순수(40) 계면에 작용하는 두 액층의 표면장력의 차이가 이 계면을 지나는 웨이퍼(60)의 표면에서 입자의 재부착을 방지하면서 웨이퍼(60) 표면에 수분을 제거하는 힘으로 작용한다. 유기 액체로는 IPA 외에 디아세톤 알콜, 1메톡시2프로판올 등이 사용될 수 있다.
웨이퍼가 순수에 담기고, 처음 유기 액체 증기가 공급될 때 순수 표층에는 유기 액체의 농도를 일정 수준으로 높이기 위해 증기의 공급량이 많거나, 증기의 공급시간이 충분해야 한다. 그리고, 웨이퍼를 올리거나 드레인으로 수면을 낮추어 웨이퍼 표면을 탈수하는 과정에서 표층의 유기 액체 농도 및 챔버의 유기 액체 증기의 분압이 안정화되도록 증기의 공급은 일정 수준으로 줄어드는 것이 바람직하다. 저속 드레인 과정에서 유기 액체 증기의 분압이 높으면 수면 위로 드러난 웨이퍼 표면 일부 개소에서 유기 액체의 응축이 이루어진다. 그리고, 후속 질소 건조 과정을 통해 응축된 유기 액체가 제거되면서 그 자리에 파티클이 증가된다.
도3은 이러한 문제를 나타내기 위한 실험의 결과 그래프이다. "pre"라고 표시된 부분은 건조 전에 측정된 테스트 웨이퍼에 있는 단위 면적당 파티클 수를, "after"라고 표시된 부분은 IPA 증기를 이용한 종래의 마란고니 방식의 건조 처리후에 측정된 파티클 수를 의미하며, "diff"는 건조 처리 전후의 파티클 갯수의 차이를 의미한다.
도4는 유기 액체 증기를 버블링 방식에 의해 공급하는 종래의 웨이퍼 건조 장치를 나타낸 것이다. 이러한 마란고니 방식 웨이퍼 건조장치에서는 유기 액체 증기의 공급이 하나의 버블링 가스 공급 배관(120)의 버블링 가스 소오스 압력에 의해 고정되어 있다. 따라서, 버블링 가스의 압력이 높아 단위 시간당 증기의 공급량이 많을 경우, 웨이퍼 건조를 위한 첫 단계를 진행하는 시간이 단축될 수 있다. 그러나, 두번째 단계에서 증기의 공급에 따른 유기 액체의 농도가 높아지므로 파티클이 증가하고 웨이퍼에 재부착할 가능성이 커진다는 문제가 있다.
반대로 버블링 가스 압력을 낮출 경우, 웨이퍼 건조를 위한 첫 단계에서 순수 표층에 유기 액체의 농도를 일정 수준으로 높이기 위해 증기의 공급시간이 길어지게 된다. 따라서 공정 시간이 증가하고, 기판에 형성된 메탈층 등의 부식, 변성 등이 이루어지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 마란고니 방식 웨이퍼 건조 장치의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 웨이퍼 건조를 위한 공정 시간을 단축시킬 수 있는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법 및 그에 적합한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 웨이퍼 건조 과정에서 유기 액체 공급 과다로 인한 파티클의 다량 발생과 웨이퍼로의 재부착을 방지할 수 있는 마란고니 방식 웨이퍼 건조방법 및 그에 적합한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1 및 도2는 일반적인 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법을 나타내는 개략적 설명도,
도3은 저속 배수시 IPA 증기가 과다하여 발생하는 파티클 문제를 나타내기 위한 실험의 결과 그래프,
도4는 IPA증기를 버블링 방식에 의해 공급하는 종래의 웨이퍼 건조 장치를 나타내는 개략적 구성도,
도5 및 도6은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따라 웨이퍼 건조 장치를 나타내는 개략적 구성도들,
도7은 본 발명 방법에 의해 저속 배수시 IPA 증기를 줄일 때 파티클 증가가 줄어든 것을 나타내기 위한 실험의 결과 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법은, 웨이퍼를 건조 챔버 내의 세정액에 담그는 단계, 건조 챔버 내에 유기 액체의 증기를 상대적 다량으로 공급하여 세정액 표면에 일정 농도 이상으로 유기 액체의 층을 형성하는 단계 및 건조 챔버 내에 유기 액체의 증기를 상대적 소량으로 공급하면서 웨이퍼를 세정액 및 유기 액체의 층에서 드러나도록 하는 단계를 구비하여 이루어진다. 이때, 유기 액체 증기의 양은 건조 챔버 내의 유기 액체 증기의 분압을 통해 조절할 수 있다.
웨이퍼가 완전히 세정액에서 드러나게 되면 질소 가스를 불어 웨이퍼를 건조시키는 단계가 통상 따르며, 이로써 웨이퍼는 완전히 건조된다. 유기 액체는 바람직하게는 IPA(IsoProphyl Alcohol)로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 장치는, 세정액이 채워지는 웨이퍼 액조, 세정액 표면을 통하여 세정액에 담긴 웨이퍼를 연속적으로 드러낼 수 있는 수단, 웨이퍼 액조를 포함하며 밀폐 가능한 건조 챔버, 적어도 두 단계로 양을 조절하면서 유기 액체의 증기를 발생시키는 증기 발생 수단, 증기 발생 수단에서 발생한 상기 유기 액체의 증기를 상기 건조 챔버에 공급하는 유기 액체 증기 공급관을 구비하여 이루어진다.
이때, 증기 발생 수단은 유기 액체 증기를 발생시키는 버블링 챔버와 버블링 가스 공급 배관을 구비하여 이루어질 수 있다. 버블링 가스 공급 배관은 버블링 가스 소오스, 버블링 챔버 내의 유기 액체에 버블을 발생시키도록 버블링 챔버 내에 위치하는 출력단, 버블링 가스 소오스와 연결되는 입력단, 입력단에서 소오스로부터 유입되는 버블링 가스의 개폐 및 압력을 조절할 수단을 구비할 수 있다.
버블링 가스 공급기는 입력단이 복수로 분기되고 각 입력단에 서로 다른 압력의 버블링 가스 소오스가 개폐 가능하게 설치될 수 있다. 가령, 입력단은 2개의 가지로 분기되어 각 입력단에는 고압 및 저압의 버블링가스 소오스가 설치될 수 있다. 입력단에는 각각 밸브가 연결되고 대체적으로 작동될 수 있다.
또는, 입력단은 분기되지 않고 하나의 고압 버블링 가스 소오스에 연결되며, 가스 소오스와 연결되는 입력단에 설치되는 밸브가 개폐뿐 아니라 가스 소오스의 압력 범위 내에서 압력조절의 기능을 담당할 수 있다.
버블링 챔버 내의 유기 액체에 버블을 발생시키기 위해 버블링 가스 공급 배관의 출력단은 버블링 챔버 내에서 유기 액체의 액면 이하에 놓이도록 버블링 챔버 아래쪽에 설치하는 것이 바람직하다.
버블링 챔버에는 유기 액체를 공급할 수 있는 공급관과 유기 액체의 수위를 측정할 수 있는 레벨 센서가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 웨이퍼 건조 장치에서 유기 액체 증기 공급관에는 유기 액체 증기를 건조 챔버로 보내는 것을 돕도록 캐리어 가스관이 합류될 수 있다.
본 발명에서 웨이퍼를 액조의 세정액 표면을 통과시키면서 드러내는 수단은 통상 액조의 세정액을 배수시키는 드레인 배관 및 드레인 배관에 설치된 개폐밸브로 이루어지거나, 웨이퍼를 액조의 액면 위로 올려주는 리프팅 장치로 이루어질 수있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
(실시예1)
도5는 본 발명의 웨이퍼 건조 장치의 일 실시예를 개념적으로 표현하는 구성도이다.
도5를 참조하면, 웨이퍼 건조 장치는 건조 챔버(10)와 버블링 챔버(110), 이들 챔버를 연결하는 유기 액체 증기 배관(50), 버블링 가스 공급 배관(200)을 구비한다. 버블링 가스 공급 배관(200)은 입력단(211, 212)이 2개로 분기되어 있다. 분기된 각 입력단(212,211)은 서로 다른 압력의 버블링 가스 소오스와 연결된다. 가스 소오스 가운데 하나는 2kg/cm2의 저압을 가지는 질소 배관(222)이며, 다른 하나는 6kg/cm2의 고압을 가지는 질소 배관(221)이다. 각 입력단(211,212)에는 질량 흐름 조절기(MFC:Mass Flow Controller:231,232)) 및 개폐 밸브(241,242)가 설치된다. 버블링 가스 공급 배관(200)의 다른 단부(250)는 버블링 챔버(110)의 하단부에 위치한다. 버블링 챔버(110)의 상단에는 IPA를 공급하기 위한 배관(140)이 연결된다. 버블링 챔버(110)의 상단부와 하단부에는 각각 수준 측정기의 센서(111,113)가 설치된다. 상단부의 센서(111)가 IPA를 감지하면 버블링 챔버(110)에 IPA를 공급하는 배관의 밸브(145)를 잠궈 IPA의 공급을 중단시킨다. 하단부의 센서(113)가 IPA를 감지하면 버블링 챔버(110)에 IPA를 공급하는 배관(140)의 밸브(145)가 열려IPA 공급이 시작된다.
건조 챔버(10)는 밀폐 가능하도록 형성된다. 내부에는 웨이퍼(60)가 건조를 위해 담기는 액조(20)가 형성된다. 액조(20)의 하단 및 건조 챔버(10)의 하부 벽체를 통과하는 드레인 배관(80) 및 드레인 밸브(85)가 설치된다. 액조(20)에 순수를 공급할 수 있는 장치도 구비된다.
건조 챔버(10)의 벽체를 통과하여 유기 액체 증기를 공급하는 배관(50)이 인입된다. 유기 액체 증기 배관(50)의 출구는 액조(20)의 순수(40) 액면 주변에 설치되는 것이 바람직하다. 유기 액체 증기 배관(50)에는 운반 가스용 캐리어 가스관(130)이 연결되어 있다. 일정 압력으로 질소가 유입되면서 우기 액체 증기 배관(50) 중의 유기 액체 증기를 건조 챔버(10)로 운반한다.
이런 건조 장치에서 이루어지는 작용을 살펴보면, 건조 챔버(10)의 액조(20)에 순수(40)가 채워진다. 건조 챔버(10) 일부가 열리면서 웨이퍼가 액조(20)에 담궈진다(dipping). 건조 챔버(10)는 밀폐되고, 버블링 가스 공급 배관(200)의 고압측 입력단(211)의 밸브(241)가 열리면서 버블링 챔버(110)에 채워진 IPA(150)에서 버블과 함께 IPA 증기가 발생한다. 압력차에 의해 IPA 증기는 유기 액체 증기 배관(50)을 통해 웨이퍼(60)가 담긴 액조(20)가 있는 건조 챔버(10)로 수송된다. 수송을 위해 유기 액제 증기 배관(50)에 연결된 캐리어 가스관(130)에서 질소 가스가 더 공급될 수 있다. 버블링 가스 공급 배관(200)의 고압측 입력단(211) 에는 고압 질소 배관(221)이 연결되어 건조 챔버(10)로 공급되는 IPA 증기의 양이 높은 수준을 유지한다. 건조 챔버(10) 내의 IPA 증기(70) 분압도 높은 수준이 되고,액조(20)의 순수(40) 표면에서 순수에 녹아들어가는 IPA 양도 높은 수준이 된다. 따라서, 단시간 내에 액조(20)의 순수(40) 표층에서 IPA층(30) 혹은 일정 이상의 IPA 농도층을 형성할 수 있다. 높은 분압을 가지고 IPA 증기(70)가 건조 챔버(10)에 작용하는 단계를 이후 편의상 제1 단계로 부를 수 있다.
일단 액조(20)의 순수(40) 표층에 IPA 농도가 일정 이상인 IPA층(30)이 형성되면 액조(20)의 하단과 연결된 드레인 배관(80)의 드레인 밸브(85)가 열리고, 순수(40) 표면이 하강한다. 이때, 버블링 가스 공급 배관(200)의 고압측 입력단(211)의 밸브(241)는 닫히고, 저압측 입력단(212)의 밸브(242)는 열려 버블링 챔버(110)에서 발생하는 IPA 증기량이 저하된다. 건조 챔버(10)에 공급되는 IPA 증기량이 감소하면서 건조 챔버(10) 내의 IPA 증기(70) 분압도 하강한다. 낮은 IPA 분압이 건조 챔버(10)에 작용하는 단계는 제2 단계로 부를 수 있다. 순수(40)와 IPA층(30)의 계면이 웨이퍼(60) 표면을 쓸면서 지나간다. 이 과정에서 웨이퍼(60) 표면과, 순수(40) 및 IPA층(30)이 만나는 경계에서 마란고니 방식에 의해 웨이퍼 표면의 물기가 제거된다.
IPA층(30)의 IPA 농도 및 건조 챔버(10) 내의 IPA 증기(70) 분압이 과다하지 않도록 일정하게 유지되므로 웨이퍼(60)가 순수(40) 위로 노출된 부분에서도 IPA 증기(70)가 웨이퍼(60)면에서 응축되는 현상을 일으키지 않게 된다. 따라서, IPA 건조에 따른 파티클 증가량도 줄어들게 된다. 순수(40) 위로 웨이퍼(60)가 완전히 드러나면 동일한 장소에서 혹은 장소를 바꾸어 질소 등의 가스를 불어 웨이퍼 표층에 있는 IPA를 모두 제거한다.
(실시예2)
도6은 실시예1의 건조 장치에서 버블링 가스 공급 배관(300)을 구성하는 버블링 가스 소오스인 질소 배관을 단일 압력 질소 배관(320)으로 바꾼 형태를 나타내고 있다.
도6을 참조하면, 본 실시예의 버블링 가스 공급 배관(300)은 입력단(310))이 단일하게 형성된다. 단일 입력단(310)에는 고압의 질소 배관(320)이 연결되어 있다. 연결부에는 개폐 밸브(340)가 설치되고, 개폐 밸브(340) 후단에는 감압을 하지 않는 상태와 감압을 하는 상태의 두가지 상태로 전환될 수 있는 압력조절 밸브(341)가 추가로 설치된다. 따라서, 실시예 2에서는 실시예 1에서 분기된 버블링 가스 공급 배관의 입력단에서 개폐 밸브가 조작되던 것을 압력조절 밸브(341)의 전환으로 대체할 수 있다.
본 실시예에서의 기타 작용은 실시예 1과 유사하게 이루어질 수 있다.
이외에도 본 발명 장치에서 IPA 증기 공급 장치를 버블링 챔버와 버블링 가스 공급기로 하는 대신, 열이나 초음파를 이용하는 IPA 증기 발생기로 대체할 수 있다. 이때는 버블링 가스 공급기의 공급 가스 압력을 조절하는 대신 전원이나 열원을 조절하는 방법을 사용할 수 있다.
도7은 도3과의 비교를 위해 본 발명의 방법을 채택한 경우의 웨이퍼 건조 전후의 측정된 파티클 갯수 및 증가량을 나타내는 그래프이다. 이 그래프는 종래의 액조에서 세정액을 배출하는 동안에도 고압의 IPA 증기가 건조 챔버에 공급되는 방식에 비해 본 발명의 방식을 사용한 경우, 파티클이 현저하게 줄어들었음을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 마란고니 방식의 웨이퍼 건조를 실시할 때 웨이퍼가 액조에 담겨 있는 시간을 줄일 수 있다. 동시에, 웨이퍼 표면이 액조의 순수 및 유기 액체층 계면을 통과할 때 유기 액체층의 농도나 유기 액체 증기의 분압을 일정한 범위내로 조절하여 유기 액체 방울이 웨이퍼 표면에 응축되고 웨이퍼 표면에 파티클이 증가하는 현상을 방지할 수 있다.

Claims (10)

  1. 웨이퍼를 건조 챔버 내의 세정액에 담그는 단계,
    상기 건조 챔버 내에 유기 액체의 증기를 상대적 다량으로 공급하여 상기 세정액 표면에 일정 농도 이상으로 상기 유기 액체의 층을 형성하는 단계 및
    상기 건조 챔버 내에 상기 유기 액체의 증기를 상대적 소량으로 공급하면서 상기 웨이퍼를 상기 세정액 및 상기 유기 액체의 층에서 드러나도록 하는 단계를 구비하여 이루어지는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 액체는 IPA(Iso Prophyl Alcohol)이고,
    상기 세정액은 이온제거수(deionized water)인 것을 특징으로 하는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 상기 세정액 및 상기 유기 액체의 층에서 드러내는 단계에 이어서
    상기 웨이퍼에 비활성 가스를 불어 웨이퍼를 건조시키는 단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 액체의 증기의 양은 공급되는 증기의 상기 건조 챔버 내에서의 분압을 통해 조절하는 것을 특징으로 하는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 방법.
  5. 세정액이 채워지는 웨이퍼 액조,
    상기 세정액 표면을 통하여 상기 세정액에 담긴 웨이퍼를 연속적으로 드러낼 수 있는 수단,
    상기 웨이퍼 액조를 포함하며 밀폐 가능한 건조 챔버,
    적어도 두 단계로 양을 조절하면서 유기 액체의 증기를 발생시키는 증기 발생 수단,
    상기 증기 발생 수단에서 발생한 상기 유기 액체의 증기를 상기 건조 챔버에 공급하는 유기 액체 증기 공급관을 구비하여 이루어지는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 증기 발생 수단은
    상기 유기 액체를 구비하는 버블링 챔버와,
    상기 버블링 챔버 내의 하부에 그 일단이 설치되고, 다른 일단은 분기되어 서로 다른 압력의 버블링 가스 소오스와 연결되며 그 연결부에 각각 개폐 밸브를 가지는 버블링 가스 공급 배관을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 증기 발생 수단은
    상기 유기 액체를 구비하는 버블링 챔버와,
    상기 버블링 챔버 내의 하부에 그 일단이 설치되고, 다른 일단은 일정 압력의 버블링 가스 소오스와 연결되며 그 연결부에 개폐 밸브 및 압력 전환 밸브를 가지는 버블링 가스 공급 배관을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마란고니 방식 웨이퍼 건조 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 유기 액체 증기 공급관에는 상기 유기 액체의 증기를 운반하는 작용을 하는 캐리어 가스를 공급하는 배관이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 마란고니 방식의 웨이퍼 건조 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 상기 액조의 상기 세정액 표면에서 연속적으로 드러낼 수단은 상기 액조의 하부에 형성되어 상기 세정액을 배출시키는 드레인 배관 및 상기 드레인 배관에 설치되는 개폐밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마란고니 방식의 웨이퍼 건조 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 증기 발생 수단은 출력을 조절할 수 있는 초음파 증기 발생기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마란고니 방식의 웨이퍼 건조 장치.
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