KR100455059B1 - 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치 - Google Patents

레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용하여 작업대상물 표면의 오염물질을 효과적으로 제거하는 건식 표면 클리닝 장치에 관한 것으로, 공간적으로 불균일한 에너지 분포의 레이저빔 직접 조사에 의한 표면 클리닝시 발생되는 작업대상물 표면의 국부적 손상을 방지하고, 레이저빔의 모든 에너지를 통한 보다 효율적 클리닝을 위하여, 레이저빔 진행 경로상에 레이저빔 에너지 균일화 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 반도체와 같은 민감한 작업대상물 표면에서 발생할 수 있는 국부적 손상이 방지되고, 레이저빔의 모든 에너지가 클리닝에 사용되어 빠른 작업속도를 확보할 수 있으며, 배열렌즈에 의해 만들어지는 직사각형 레이저빔 형태에 의해 클리닝 공정을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치{DRY SURFACE-CLEANING APPARATUS USING A LASER}
본 발명은 레이저를 이용하여 작업대상물 표면의 오염물질을 효과적으로 제거하는 건식 표면 클리닝 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 공간적으로 불균일한 에너지 분포의 레이저빔 직접 조사에 의한 표면 클리닝시 발생되는 작업대상물 표면의 국부적 손상을 방지하고, 레이저빔의 모든 에너지를 통한 보다 효율적 클리닝을 위하여, 레이저빔 진행 경로상에 레이저빔 에너지 균일화 수단을 구비하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 반도체 및 정밀 부품 클리닝 방법으로는 화학적용매(chemical solvents)를 사용하는 습식방법(wet cleaning)이 주로 이용되어 왔다.
이때, 사용되는 용매들로는 황산(H2SO4), 염산(HCl), 암모니아(NH4OH), 과산화수소(H2O2), 불화수소(HF) 등으로 물과 혼합되어 사용되며, 초음파(ultrasonic 또는 megasonic) 발생장치와 함께 사용되었다.
그러나, 이러한 습식 클리닝 방법은 상당량의 화학약품을 사용함에 따라 환경오염 문제, 느린 작업속도, 거대 세정장비 필요, 복잡하고 열악한 작업환경 등의 문제가 있어, 이를 대체하기 위한 건식 클리닝(dry cleaning) 방법에 대한 연구가 활발히 진행되었다.
현재까지 제시된 건식 클리닝 방법으로는 레이저(laser) 또는 자외선(ultraviolet)빔을 표면에 직접 조사하여 오염물질을 제거하는 방법(ultraviolet radiation cleaning, laser cleaning 또는 excimer lamp cleaning), 진공에서 플라즈마(plasma)를 발생시켜 라디칼(radical)을 이용해 오염물질과 반응시켜 제거하는 플라즈마 클리닝(plasma cleaning) 방법, 이산화탄소(CO2) 스노우(snow)를 만들어 이를 강하게 분사시켜 표면을 클리닝하는 이산화탄소 스노우 클리닝(CO2snow cleaning) 방법 등이 있다.
그러나, 이러한 종래의 건식 클리닝 방법중, 플라즈마 클리닝 방법은 부가적으로 진공장비가 필요되고, 진공상에서 이루어지기 때문에 큰 대상물의 클리닝은 어렵다는 문제점이 있으며, 이산화탄소 스노우 클리닝 방법은 스노우 입자들의 충돌에 따른 작업대상물의 기계적인 손상 가능성이 크고, 공정제어가 어렵다는 단점이 있다.
반면, 레이저 클리닝 방법은 에너지원으로 빛을 사용하기 때문에 어떠한 화학용재도 사용하지 않고, 오폐수 문제도 발생하지 않는 청정 클리닝 공정이라는 장점이 있으나, 작은 레이저 스폿(spot) 크기로 인한 느린 작업속도, 표면에 레이저의 직접 조사에 따른 높은 작업대상물 손상 가능성 등의 문제가 있다.
이와 같은 레이저 클리닝시의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 방법으로 본 발명자에 의해 "레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 방법 및 장치"가 제시된 바 있으며, 관련 특허로서, ① 대한민국 등록특허번호 10-0376398(건식 표면 클리닝 방법 및 장치), ② 10-0348701(건식 표면 클리닝 장치), ③ 10-0328620(충격파를 이용한 건식 표면 클리닝 장치), ④ 출원번호 10-2000-0073391(건식 표면 클리닝 방법), ⑤ 10-2001-0027462(충격파를 이용한 건식 표면 클리닝 장치), ⑥ 10-2001-0027463(건식 표면 클리닝 방법 및 장치), ⑦ 미합중국 출원번호 10/094610(레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치; Dry surface cleaning apparatus using a laser), ⑧ 10/136529(건식 표면 클리닝 장치; Dry surface cleaning apparatus) 등이 있다.
이들중 ①과 ⑥의 특허를 도 1을 참조로 살펴보면, 작업대상물(10) 표면의 오염물질(11)을 보다 효과적으로 제거하기 위해 레이저 발진기(1)로부터 조사된 레이저빔(2)을 집속용 초점렌즈(7)를 통해 대기중에 강력한 플라즈마 충격파(9)를 발생시킴과 동시에, 주파수 변조에 의해 만들어진 단파장 레이저빔(5)을작업대상물(10) 표면에 동시에 조사함으로써, 표면의 유기 또는 무기물질 등의 다양한 오염물질(11)을 제거할 수 있고, 그 제거 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
그러나, 주파수 변조기(4)에 의해 만들어진 단파장 레이저빔(5)이 작업대상물(10) 표면에 직접 조사되게 됨으로써 여전히 작업대상물(10) 표면의 손상 가능성의 문제가 제기된다.
특히, 주파수 변조에 의해 만들어진 단파장 레이저빔(5)의 경우에는 레이저빔(5)의 에너지 분포가 공간적으로 불균일하여 레이저빔(5)이 조사되는 영역에 에너지의 인입 차이가 발생되어, 이에 따른 국부적 작업대상물(10) 손상이 유발되게 된다.
도 2는 레이저 발진기(1) 또는 주파수 변조기(4)를 통해 방출되는 전형적인 펄스(pulse)파 레이저빔의 공간적 에너지 분포를 나타내는데, 레이저 발진기(1) 또는 이후 주파수 변조기(4)를 통과하여 방출되는 레이저빔(2, 5)의 에너지 분포(14)는 (a)와 같이 방출 레이저빔(2, 5) 단면 영역(13)에서 에너지 크기의 변화가 보통 20% 내외로 매우 불균일하다. 따라서, 이렇게 공간적으로 불균일한 레이저빔(2, 5)을 반도체 웨이퍼(wafer) 등과 같은 매우 민감한 표면에 조사할 경우, 조사 영역에서 에너지 분포의 불균일에 의한 국부적 표면 손상이 발생하게 되는 것이다.
도면에서, "니어 필드(near field)"란 레이저 발진기(1) 또는 이후 주파수 변조기(4)를 지나 초점렌즈(7)에 이르기 전까지의 범위를 의미한다.
한편, 니어 필드의 레이저빔(2, 5)을 높은 에너지를 얻기 위해 초점렌즈(7)를 이용하여 집속시키면, 공간적인 레이저빔(2, 5)의 에너지 분포(14)는 도 2의(b)와 같이, 가우시안(Gaussian) 분포로 변화하게 되며, 여기서 초점렌즈(7)를 지난 범위를 "파 필드(far field)"라 한다.
이러한 가우시안 분포를 가진 레이저빔(2, 5)을 작업대상물(10) 표면에 조사할 경우에는 조사된 레이저빔(2, 5) 영역중 가운데 부분에서 에너지가 매우 높아 가운데 영역에 해당하는 작업대상물(10)의 표면에 국부적 손상이 쉽게 발생하게 된다.
따라서, 종래에는 레이저빔(2, 5)의 에너지 분포 문제로 인한 작업대상물(10) 손상 가능성 때문에 클리닝이 잘 일어나는 최적의 에너지가 아닌 이보다 훨씬 작은 에너지를 이용하여 클리닝을 수행하였으며, 이에 따라 안정되고 빠른 클리닝을 수행하는데 어려움이 많았다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로써, 초점렌즈 후방의 레이저빔 진행 경로상에 레이저빔의 공간적 에너지 분포를 균일하게 하는 레이저빔 에너지 균일화 수단을 구비함으로써, 불균일한 에너지 분포를 가진 레이저빔의 조사에 의해 발생되는 작업대상물 표면의 국부적 손상을 방지하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 작업대상물 근처로 유도된 레이저빔을 초점렌즈로 집속하여 상기 작업대상물의 표면에 조사함으로써 그 표면상의 오염물질을 제거하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치에 있어서, 상기 레이저빔이 상기 초점렌즈까지 도달하는 경로상에 상기 레이저빔의 공간적 에너지 분포를균일화시키는 레이저빔 에너지 균일화 수단을 포함하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치를 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래의 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치에 대한 개략도,
도 2는 종래의 레이저 클리닝시 레이저빔의 공간적 에너지 분포를 보여주는 것으로, (a)는 니어 필드(near field), (b)는 파 필드(far field)에서의 레이저빔에 대한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔 에너지 균일화 수단을 구비하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치를 보여주는 개략도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저빔 에너지 균일화 수단을 구비하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치를 보여주는 개략도,
도 5는 종래와 본 발명에 따른 레이저빔의 에너지 분포를 설명하는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 레이저 발진기 2 : 방출 레이저빔(laser beam)
3 : 스위칭 미러(switching mirror) 또는 빔분리기(beam splitter)
4 : 주파수 변조기(frequency harmonic generator)
5 : 단파장 레이저빔 6 : 반사 미러
7 : 초점렌즈 8 : 레이저 초점
9 : 레이저 유기 충격파 10 : 작업대상물
11 : 오염물질 12 : 작업대
13 : 레이저빔 단면 형상 14 : 레이저빔 에너지 분포
21 : 레이저빔 발생 수단 22 : 레이저빔 에너지 균일화 수단
23 : 레이저빔 확대 수단 24 : 오목렌즈
25 : 볼록렌즈 26 : 배열렌즈
27 : 레이저빔 조사 영역 28 : 광섬유
29 : 광섬유 번들(bundle) 30 : 배열렌즈 초점 위치
31 : 레이저빔 클리닝 영역
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔 에너지 균일화 수단을 구비하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치를 보여준다.
본 발명에 따르면, 레이저빔 발생 수단(21)에서 방출되어 작업대상물(10) 표면에 조사되는 레이저빔(2)의 에너지 분포를 균일화하기 위한 광학장치인 레이저빔 에너지 균일화 수단(22)이 초점렌즈(7) 후방의 전송되는 레이저빔(2) 경로상에 구비된다.
레이저빔(2)의 에너지 분포 균일화를 위하여 레이저빔(2)의 공간 분할(division) 및 재결합(recombination) 현상이 이용되며, 이를 위해 레이저빔 에너지 균일화 수단(22)은 오목렌즈(24)와 볼록렌즈(25)로 구성된 레이저빔 확대수단(23)과 확대된 레이저빔(2)의 공간 분할을 위한 배열렌즈(26)를 포함하여 구성되며, 한편 초점렌즈(7)는 분할된 레이저빔(2)을 다시 재결합시키는 역할을 하게 된다.
만일, 레이저 발진기(1)에서 기본 파장이 1,064㎚인 Nd:YAG 레이저빔(2)을 발생시킨 후, 주파수 변조기(4)를 이용하여 2차 조화파(파장 532㎚), 3차 조화파(파장 355㎚) 또는 4차 조화파(파장 266㎚) 레이저빔(2)을 만들어 반사 미러(6)를 통해 작업대상물(10)쪽으로 전송시켜 그 표면에 직접 조사시킴으로써 클리닝을 수행한다고 가정해 보자.
레이저빔 발생 수단(21)에서 방출된 조화파 레이저빔(2)은 공간적 에너지 분포가 불균일한 레이저빔이다.(도 2 참조)
이러한 레이저빔(2)의 직경은 레이저 종류에 따라 다르나 보통 2~12㎜의 직경을 가지고 있으므로, 효과적인 에너지 분포의 균일화를 위해서는 이러한 작은 크기의 레이저빔(2)을 최대한 확대시켜야 하는데, 이를 위해 오목렌즈(24)와 볼록렌즈(25)의 조합을 이용한 레이저빔 확대 수단(23)이 이용된다.
여기서, 레이저빔(2)의 확대 배율은 1.5~10배 정도가 바람직하다.
이렇게 확대된 레이저빔(2)은 공간적 에너지 분할을 위해 배열렌즈(26)에 통과된다.
여기서, 배열렌즈(26)는 확대된 레이저빔(2)의 직경보다 크기가 커야 하며, 직사각형 또는 정사각형 형태의 렌즈 배열을 이루고, 배열수는 많을수록 보다 균일한 에너지 분포의 레이저빔(2)을 얻을 수 있는데, 보통 64개(=8×8) 이상의 배열수를 가진 것이 적합하다.
다음으로, 배열렌즈(26)에 의해 분할된 레이저빔(2)은 이후 초점렌즈(7)를 통해 다시 재결합되어 작업대상물(10)에 조사됨으로써 공간적 에너지 분포가 균일한 레이저빔(2)에 의한 클리닝이 수행되게 된다.
이때, 초점렌즈(7)는 보통 배열렌즈(26)와 배열렌즈(26)의 초점 위치(30) 사이에 위치되어야 하며, 바람직하게 배열렌즈(26) 후방 10㎝ 이내에 위치된다.
그리고, 최소 5㎝ 이상, 최대 1m 이하의 초점 길이를 가지는 초점렌즈(7)가 사용됨이 바람직하다.
최종적으로 작업대상물(10) 표면에 조사되는 레이저빔(2)의 형태는 배열렌즈(26)의 형태에 따라 직사각형 또는 정사각형 형태로 조사되게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저빔 에너지 균일화 수단을 구비하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치를 보여준다.
본 실시예는 레이저빔 발생 수단(21)에서 방출된 레이저빔(2)이 광섬유(28)를 통해 작업대상물(10)쪽으로 전송되는 경우에 대한 것으로, 광섬유 번들(bundle)(29)에서 방출되는 레이저빔(2)은 자연적으로 확대 현상이 발생되므로, 볼록렌즈(25)만으로도 레이저빔(2) 확대가 가능하다.
또한, 레이저빔(2) 균일화의 핵심적인 역할을 하는 배열렌즈(26)의 경우에는 전술한 도 3에서와 달리, 2개를 한꺼번에 사용하는 경우를 보여주는데, 이와 같이 2개를 한꺼번에 사용하면 레이저빔(2)의 균일화 정도를 크게 높일 수 있어, 매우 균일한 레이저빔(2)의 사용이 요구되는 반도체 또는 매우 민감한 작업대상물(10) 표면의 클리닝시 유용하게 사용될 수 있다.
2개 이상의 배열렌즈(26) 사용시에는 렌즈간의 위치 선정이 중요한데, 다음 배열렌즈(26)는 반드시 앞 배열렌즈의 초점 위치(30a)에서 벗어난비초점(defocusing) 위치에 놓여져야 한다. 그렇지 않고, 초점 위치(30a) 근방에 놓이게 되면 집중된 에너지에 의해 다음 배열렌즈의 표면에 손상이 발생할 가능성이 높아져 바람직하지 않다.
상기한 레이저빔 에너지 균일화 수단(22)은 모듈(module) 형태로 간단히 제작될 수 있으며, 레이저빔 발생 수단(21) 다음에 바로 장착하여 처음부터 에너지가 균일화된 레이저빔(2)이 방출되도록 할 수도 있다.
도 5는 종래와 본 발명에 따른 레이저빔의 에너지 분포를 설명하는 그래프이다.
레이저빔(2)의 에너지는 표면 클리닝을 위한 최소 임계값(cleaning threshold energy)보다 커야 하고, 작업대상물(10)의 손상 임계값(substrate damage threshold energy)보다는 작아야 하는데, 그 사이 영역을 최적 클리닝 영역(optimum cleaning region)이라고 한다.
종래의 레이저빔(2, 5) 형태는 가우시안(Gaussian) 분포를 가지며, 따라서 레이저빔 에너지가 최적 클리닝 영역에 해당되는 에너지 분포(14)의 영역만큼만 클리닝이 이루어지므로, 클리닝되는 영역은 레이저빔(2, 5)의 조사 영역(27)보다 휠씬 작은 영역(31)에서 이루어지게 된다.
반면, 본 발명에 따라 레이저빔 에너지 균일화 수단(22)을 통과한 레이저빔(2)은 공간적 에너지 분포가 균일하여 레이저빔 조사 영역(27) 모두에서 클리닝이 이루어지는 클리닝 영역(31)이 되는 것이다.
따라서, 동일한 레이저 에너지 출력에서 본 발명에 의하면 작업대상물(10)의손상없이 클리닝이 이루어지는 영역이 종래와 비교하여 약 4배 정도 크다고 할 수 있다. 이는 클리닝 속도 또한 약 4배 이상 빠르다는 것으로, 빔의 형태가 직사각형 형태이기 때문에 클리닝 공정의 제어 또한 훨씬 용이하다는 장점을 가진다.
덧붙여, 본 발명에 따른 레이저빔 에너지 균일화 수단을 구비하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치는 다음과 같은 분야에 구체적으로 적용될 수 있다.
1. 반도체 제조공정중 반도체 웨이퍼(wafer) 표면의 건식세정(dry cleaning).
2. 평판 디스플레이(예컨대, LCD, TFT, PDP, OLED, ELD 등) 제조공정중 표면 클리닝 및 리페어(repair).
3. 반도체 및 미소 전기전자부품 생산에 필요한 각종 정밀 금형의 표면 클리닝.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
본 발명에 따르면, 반도체와 같은 민감한 작업대상물 표면에서 발생할 수 있는 국부적 손상이 방지되고, 레이저빔의 모든 에너지가 클리닝에 사용되어 빠른 작업속도를 확보할 수 있으며, 배열렌즈에 의해 만들어지는 직사각형 레이저빔 형태에 의해 클리닝 공정을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 작업대상물(10) 근처로 유도된 레이저빔(2)을 초점렌즈(7)로 집속하여 상기 작업대상물(10)의 표면에 조사함으로써 그 표면상의 오염물질(11)을 제거하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치에 있어서,
    입사되는 작은 직경의 상기 레이저빔(2)을 확대시키는 레이저빔 확대수단(23)과;
    확대된 상기 레이저빔(2)의 공간적 에너지 분포를 균일화시키도록 상기 레이저빔(2)을 분할시키는 적어도 하나이상의 배열렌즈(26)로 이루어진 레이저빔 에너지 균일화 수단(22)을 상기 레이저빔(2)이 상기 초점렌즈(7)까지 도달하는 경로상에 포함하고,
    상기 배열렌즈(26)를 통해 분할된 상기 레이저빔(2)은 상기 초점렌즈(7)를 통과하면서 재결합되어, 상기 작업대상물(10) 표면에 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저빔 확대 수단(23)은,
    오목렌즈(24)와 블록렌즈(25)의 조합인 것을 특징으로 하는 레이저를 건식 표면 클리닝 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 초점렌즈(7)는,
    상기 배열렌즈(26)와 상기 배열렌즈(26)의 초점 위치(30) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배열렌즈(26)가 2개 이상 이용되는 경우,
    다음 배열렌즈(26)의 위치는 앞 배열렌즈(26)의 초점 위치(30a)에서 벗어난 비초점(defocusing) 위치에 놓여지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치.
  6. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저빔 확대 수단(23)은,
    1.5~10배의 확대 배율을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치.
  7. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점렌즈(7)는,
    최소 5㎝ 이상, 최대 1m 이하의 초점 길이를 가지는 것이 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치.
  8. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 배열렌즈(26)는,
    배열수가 총 64개 이상인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치.
  9. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 배열렌즈(26)는,
    직사각형 또는 정사각형 형태중 선택된 어느 한 형태의 렌즈 배열로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 건식 표면 클리닝 장치.
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