KR100467977B1 - 충격파를 이용한 건식 표면 클리닝 장치 - Google Patents

충격파를 이용한 건식 표면 클리닝 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모재 표면의 오염물질을 효과적으로 제거하기 위한 건식 클리닝 장치에 관한 것이다. 본 발명은 대기 상에서 발생시킨 레이저 유기 충격파를 이용한 표면 클리닝 수행 시 작업물의 회전, 레이저 노즐에서 가스의 취입을 특징으로 한다. 이는 일반적인 레이저 클리닝(conventional laser cleaning) 방법과 비교해 클리닝 속도 및 효율이 향상되고, 안정된 클리닝을 수행할 수 있으며, 작업거리가 짧아져 효율적 작업공간 관리할 수 있는 등의 효과를 제공한다. 특히 본 발명은 반도체 웨이퍼 등과 같은 초청정도 표면을 요구하는 건식 세정공정으로의 효과적인 실제 응용을 목적으로 한다.

Description

충격파를 이용한 건식 표면 클리닝 장치 {APPARATUS FOR DRY SURFACE-CLEANING OF MATERIALS USING SHOCK WAVE}
본 발명은 건식 표면 클리닝 장치에 관한 것으로, 레이저 유기 충격파를 이용하여 작업물 표면의 오염물질을 효과적으로 제거하기 위한 클리닝 장치에 관한 것이다.
기존의 반도체 표면 클리닝 방법으로 화학적 용매(chemical solvents)를 이용한 습식 방법(wet cleaning)이 사용된다. 보통 사용되는 용매들로는 황산(H2SO4), 염산(HCl), 암모니아(NH4OH), 과산화 수소(H2O2), 불화수소(HF) 등이 물과 혼합되어 사용되며, 이런 용매들과 함께 초음파(ultrasonic 또는 megasonic) 발생 장치를 함께 한 클리닝 방법이 이용되고 있다. 이러한 습식 클리닝 방법은 상당량의 화학약품 사용에 따른 환경 오염문제, 느린 작업속도, 거대한 세정장비의 필요, 복잡하고 열악한 작업환경 등의 문제가 제기되어, 이의 대체를 위한 건식 클리닝(dry cleaning) 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재까지 제시된 건식 클리닝 방법에는 레이저(laser) 또는 램프를 이용해 자외선(ultraviolet)빔을 표면에직접 조사시켜 오염물질을 제거하는 자외선 클리닝(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), 이산화탄소(CO2) 스노우(snow)를 만들어 강하게 분사시켜 표면을 클리닝하는 이산화탄소 스노우 클리닝(CO2snow cleaning) 등이 있다.
그러나 이러한 종래의 건식 클리닝 방법 중, 레이저 클리닝 방법은 작은 레이저 스폿 크기로 인한 느린 작업속도, 표면에 레이저의 직접조사에 따른 높은 모재 손상 가능성 등이 있으며, 플라즈마 클리닝 방법은 부가적인 진공장비가 필요하며 진공상에서 이루어지기 때문에 큰 대상물의 클리닝이 어렵다는 문제점이 있으며, 이산화탄소 스노우 클리닝 방법은 스노우 입자들의 충돌에 따른 모재의 기계적인 손상 가능성이 높고 공정제어가 어렵다는 단점이 있다. 이와 같은 건식 클리닝의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 방법으로 "건식 표면 클리닝 방법"이 본 발명자에 의해 출원되었다(특허출원번호: 2000-73391 ; 2000년 12월 5일).
상기 출원된 내용에 따르면, 레이저로부터 조사된 레이저빔을 포커스 렌즈를 통해 대기 중에 또는 희생층 표면에 또는 모재 뒷면에 조사시켜 강력한 플라즈마를 발생시키고, 이때 발생하여 사방으로 전파되는 플라즈마 충격파를 이용하여 모재 표면의 오염물질을 제거하는 것으로, 클리닝 속도 및 효율이 향상되고, 시스템의 가격을 낮출 수 있으며, 모재의 손상을 방지할 수 있고, 부가적인 진공장비가 필요없으며, 모재의 크기에 제약을 받지 않게 되는 등의 효과를 얻을 수 있다.
그러나 이와 같은 종래의 건식 표면 클리닝 방법은 작업물을 전면적으로 클리닝하기 위해서는 작업물 크기 영역만큼 두방향으로 스캐닝해야 하므로 작업이 비효율적인 단점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 단점을 해소하기 위한 것으로, 작업물을 회전시켜 원심력에 의한 효과적인 입자날림을 수행할 수 있으며, 레이저의 이동을 최소화하여 안정적인 클리닝을 수행할 수 있으며, 초점렌즈 끝단에 노즐을 장착하여 레이저 빔과 가스를 함께 분사함으로써 충격파에 의해 탈착된 입자들을 효과적으로 제거할 수 있는 충격파를 이용한 건식 표면 클리닝 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와같은 목적을 실시하기 위한 본 발명은 레이저로부터 조사된 짧은 펄스파(1∼100 nanosecond 이하)의 고에너지 레이저빔(0.1 ∼ 10 J/pulse)을 초점 렌즈를 통해 대기 중에 집속시켜 레이저 초점에서 사방으로 전파되는 플라즈마 충격파를 발생시키고, 이때 발생되는 플라즈마 충격파를 작업물 표면에 충돌시켜 작업물 표면의 오염물질을 제거하는 건식 표면 클리닝 장치에 있어서, 레이저 충격파를 발생시키는 레이저 충격파 발생장치와, 작업물을 단단히 고정하는 작업대와, 작업대를 회전 및 좌우 직진 운동시키기 위한 이동장치와, 충격파에 의해 탈착된 입자들을 이탈 및 영구제거를 위한 분사장치 및 입자흡입장치로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제1실시예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제2실시예를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제3실시예를 도시한 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 레이저빔 발생장치 2: 레이저빔(laser beam)
3: 초점렌즈(focussing lens) 4: 레이저 초점(laser focus)
5: 플라즈마 충격파(plasma shock wave) 6: 작업물(workpiece)
7: 표면 오염물(surface contaminants) 8: 이동장치
9: 진공척(vacuum chuck) 10: 가스분사장치
11: 구동모터 12: 동력전달 부재
13: 슬라이딩 이송기구 14: 베어링(bearing)
15: 회전피팅(rotary fitting) 16: 가스튜브
17: 진공펌프 18: 부착장치
19: 입자흡입장치
21: 가스노즐(gas nozzle)
22: 레이저빔 가이딩 튜브(laser beam guiding tube)
이와 같은 본 발명의 특징적인 구성 및 이에 따른 작용효과는 첨부된 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해 질 것이다.
기본적으로 모든 클리닝 공정에 있어서 레이저를 이용한 충격파의 발생은 본 발명자에 의해 출원된, 특허출원번호: 2000-73391호, "건식 표면 클리닝 방법"에 잘 설명되어 있으며, 이를 기본 전제로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제 1 실시예를 도시한 개략도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치는 레이저 유기 충격파를 발생시키는 레이저빔 발생장치(1)와, 웨이퍼 등과 같은 작업물(6)을 단단히 고정시키는 부착장치(18), 작업물(6)를 회전 및 좌우 직진운동시키기 위한 이동장치(8) 및 충격파에 의해 탈착된 입자들을 이탈 제거하기 위한 가스분사장치(10)와 이탈된 입자들의 영구제거를 위한 입자흡입장치(19)로 이루어진다.
부착장치(18)는 작업물(6)이 안착되는 진공척(9)과 진공을 만들기 위한 진공펌프(17), 진공척과 진공펌프를 연결하는 회전피팅(15)과 가스튜브(16)로 구성된다.
이동장치(8)는 진공척(9)를 기준으로 작업물(6)이 고정되는 반대방향에 설치되며, 작업물(6)을 회전시키기 위한 베어링(14), 구동모터(11) 및 동력전달부재(12)와, 작업물(6)를 직선운동시키기 위한 슬라이딩 이송기구(13)로이루어진다.
이와 같이, 제 1 실시예에 따른 건식 표면 클리닝 장치는 레이저(1)로부터 조사된 레이저빔(2)을 초점 렌즈(3)를 통해 작업물 위 대기 중에 집속시켜 레이저 초점(4)에서 플라즈마 충격파(plasma shock wave)(5)를 발생시킨다.
발생된 충격파는 작업물(6) 표면의 표면오염물(7)을 표면으로부터 떨어지게 한다. 이때 구동모터(11)의 구동에 의해 작업물(6)을 회전시키면, 원심력에 의해 표면오염물질(7)이 효과적으로 떨어져 나간다. 슬라이딩 이송장치(13)는 좌우방향으로 직선운동하여 회전되는 작업물(6)이 전면적으로 클리닝될 수 있도록 한다.
이와 같은 방법은 레이저의 많은 이동이 필요치 않아 안정적인 클리닝을 수행할 수 있으며, 작업물의 회전은 빠른 속도의 클리닝 및 원심력에 의한 효과적인 입자 날림(blowing)을 수행할 수 있으며, 전면적 클리닝을 위해 작업물(6) 크기의 1/2만을 한 방향으로만 움직이면 돼, 기존의 작업물(6) 크기 영역만큼의 두방향 스캐닝 방법에 비해 시간적 공간적으로 작업이 효율적이라는 장점이 있다. 제 1 실시예에서 보여지듯 외부에서 가스분사장치(10)를 통해 가스(보통 불활성 가스: Ar, N2등)를 클리닝되는 표면에 분사함으로써 충격파에 의해 탈착된 입자들의 효과적인 이탈 제거를 수행할 수 있다. 또한 작업물(6) 근방에 입자흡입장치(19)를 설치함으로써 충격파와 분사가스에 의해 이탈된 입자들의 표면 재오염을 막고 오염입자들의 영구제거를 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제2실시예를 도식화한 것이다. 도 1에서는 클리닝하고자 하는 작업물(6)의 표면이 윗방향을 향하고 있으나 도 2에서 보는 바와 같이 작업물(6) 상면을 기준으로 90도, 180도 등과 같이 클리닝 하고자 하는 작업물(6) 표면의 방향을 바꿀 수 있다. 90도 이상의 경우 충격파에 의해 탈착된 입자들이 중력에 의한 표면 재부착 영향이 줄어들어 효과적으로 작업물(6) 표면으로부터 제거될 수 있다는 효과가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치의 제3실시예를 도식한 것이다. 도 1에서 레이저 유기 충격파에 의한 표면 클리닝시 보다 효과적인 입자제거를 위해 외부에서 취입가스를 불어 넣어 주었다. 즉, 도 3은 플라즈마 충격파를 발생시키기 위한 레이저 초점렌즈(3) 끝단에 가스 노즐(gas nozzle)(21)을 장착하고 이 가스 노즐(21) 안으로 가스를 취입함으로써 레이저빔(2)과 가스를 함께 분사하게 된다. 이때 가스는 레이저빔(2)의 진행방향과 같은 방향이므로 충격파에 의해 탈착된 입자들의 효과적인 제거를 수행할 수 있다. 또한 불활성가스(보통 Ar, N2, Ne등)의 취입시 레이저 초점(4)에서 플라즈마를 보다 쉽게 발생할 수 있어 보다 강력한 충격파를 만들 수 있다는 특징도 가지고 있다. 노즐(21)을 사용한 가스의 사용은 레이저 초점(4)에서 발생하는 플라즈마 충격파로부터 초점렌즈(3)를 보호할 수 있다는 장점도 가지고 있다.
본 발명에 따른 건식 표면 클리닝 장치는 다음과 같은 분야에 구체적으로 응용하여 실시할 수 있다.
1. 반도체 제조공정 중 반도체 웨이퍼 표면의 건식 세정(dry cleaning) 공정.
2. 평판 디스플레이(예로 LCD, TFT, PDP, OLED, ELD 등) 제조공정 중 표면 세정 공정.
3. 미소전자부품 혹은 정밀 가공 렌즈 등의 제조 시 표면 클리닝 혹은 repair 공정.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명인 충격파를 이용한 건식 표면 클리닝 장치는 반도체 웨이퍼 및 평판 디스플레이 제조 공정중 표면 클리닝 공정으로의 적용이 가능하다. 이는 종래 세정 방법인 습식 클리닝 방법이 가지고 있는 환경적 문제, 대규모 장치에 따는 공간적 문제, 긴세정시간에 의한 생선성 문제, 열악한 작업환경 등의 문제들을 극복할 수 있는 청정 클리닝 방법이라는 특징을 가지고 있으며, 향후 고집적화, 웨이퍼크기의 대형화에 따른 단일 웨이퍼 처리방식(single wafer processing)에 있어 빠른 클리닝 속도 및 높은 효율을 얻을수 있다는 효과를 제공한다.

Claims (7)

  1. 플라즈마 충격파를 작업물 표면에 충돌시켜 작업물 표면의 오염물질을 제거하는 건식 표면 클리닝 장치에 있어서,
    상기 작업물 표면의 오염물질이 탈착되도록, 레이저로부터 조사된 짧은 펄스파의 고에너지 레이저빔을 초점 렌즈를 통해 대기 중에 집속시켜 레이저 초점에서 사방으로 전파되는 플라즈마 충격파를 발생시키는 레이저 충격파 발생장치와,
    내부에 취입하는 가스를 상기 레이저빔과 같은 진행방향으로 함께 분사하고자 상기 초점렌즈 끝단에 장착되는 가스 노즐과,
    상기 작업물을 진공 고정하는 부착장치와,
    상기 작업물들을 회전및 좌우 직진 운동시키기 위한 이동장치와,
    상기 레이저 충격파에의해 탈착된 입자들을 이탈 제거하기 위한 가스분사자치와,
    이탈된 오염입자들의 영구제거를 위한 입자흡입장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동장치는 상기 작업물을 회전시키기 위한 베어링, 구동모터 및 동력전달부재와, 상기 작업믈을 직선운동시키기 위한 슬라이딩 이송기구로 이루어지는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부착장치는 진공척, 진공펌프, 회전피팅 및 가스튜브를 이용해 작업물을 부착하는 것을 특징으로 하는 건식표면 클리닝 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저로부터 조사된 짧은 펄스파는 1 내지 100 나노초(nanosecond)를 가진 0.1 내지 10 J의 고 에너지 레이저인 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 부착장치는 충격파에 의해 탈착된 오염입자들이 상기 클리닝하고자 하는 작업물 표면에 재부착하지 않도록 상기 작업물 표면의 방향을 바꿀수 있는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
  7. 제 1 항에 있이서,
    상기 노즐가스에 취입되어 분사되는 가스및 상기 가스분사장치의 분사가스는 불활성 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 건식 표면 클리닝 장치.
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