KR100495348B1 - 웨이퍼 건조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼의 세정공정에서 사용되는 반도체소자의 제조장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 웨이퍼 가이드가 놓여지는 처리조와, 웨이퍼에 잔존하는 물기를 제거하기 위해 상기 처리조에 건조 가스를 분사하는 분사구들와, 상기 처리조 내부로 분사된 건조 가스와, 공정을 진행하는 동안 잔류물들의 배기위치가 변경되는 가변 배기부를 갖는 건조 장치를 제공한다.

Description

웨이퍼 건조 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR WAFER DRYING}
본 발명은 웨이퍼의 세정공정에서 사용되는 반도체소자의 제조장치에 관한 것으로, 구체적으로는 웨이퍼의 세정후 그 웨이퍼를 건조하는 웨이퍼 건조 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체소자의 고집적화에 따라 반도체 제조공정에서 웨이퍼의 세정기술은 더욱 다양화되고, 그리고 그의 중요성은 증대되어가고 있다. 특히 미세구조를 갖는 반도체소자의 제조공정에 있어서는 웨이퍼의 세정 공정후 웨이퍼에 부착된 파티클(particles)뿐만 아니라, 정전기, 워터마크(water mark), 라인성 파티클 등은 후속공정에 커다란 영향을 미치게 되기 때문에, 웨이퍼의 건조공정의 필요성이 더욱 증대된다.
반도체소자의 제조에 이용되는 웨이퍼의 건조장치는 여러 방향으로 발전하였다. 그들은 다음과 같다. 하나는 원심력을 이용하여 웨이퍼를 건조하는 스핀 건조기(a spin dryer), 다른 하나는 이소프로필 알코올(isopropyle alcohol : IPA)의 낮은 증기압을 이용하여 웨이퍼를 건조하는 건조장치(이하, IPA건조장치라 칭함)이다. 하지만, 상기 스핀 건조기, IPA 증기 건조기(vapor dryer)로는 웨이퍼 표면이나 패턴 사이의 워터 마크(water mark)을 완전히 제거할 수 없다. 그래서, 최근에는 IPA와 물의 표면 장력과 증기압의 차이를 이용한 마란고니 방식(Marangoni type)의 건조장치가 주로 사용되고 있다. 이 마란고니 방식의 건조 장치는, 물의 표면 장력과 IPA의 밀도 및 표면장력이 다른 것을 이용한 방법으로, 건조효과가 있는 IPA 층을 물 상부에 띄워 웨이퍼를 건조하는 방식이다.
이와 같은 마란고니(marangoni) 원리를 이용한 건조 공정을 간략히 살펴보면, 우선 웨이퍼를 탈이온수로 세정시킨다. 웨이퍼의 세정이 완료되면 탈이온수를 배수하면서 건조가스(IPA ,질소가스)를 처리조 내부로 분사하여 웨이퍼 표면의 물기를 제거한다. 처리조 내의 탈이온수가 완전히 배수되면, 고온의 질소가스를 분사하여 웨이퍼 표면에 미세한 입자형태로 남아있는 탈이온수를 수증기로 증발시킨다.
그러나, 이러한 마란고니(marangoni) 원리를 이용한 건조 장치는 다음과 같은 문제점은 갖고 있다.
기존에는 배기구가 처리조의 상부에 위치되어 있기 때문에, 처리조의 수위가 낮아질 경우 건조 과정에서 발생되는 잔류물들(증발된 수증기 및 파티클들을 포함)이 외부로 신속하게(원활하게) 빠져나가지 못하는 구조적인 문제점을 갖고 있다. 결국 이 잔류물들은 처리조 상부로부터 분사되는 건조가스와 함께 처리조 내부에서 불규칙한 유동흐름(난류)을 형성하게 된다. 따라서, 웨이퍼의 표면 건조가 균일하지 못하고, 특히 물기가 웨이퍼의 상단부보다 하단부에 많이 남아있는 등의 건조 불량이 발생된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 건조 공정을 진행하는 동안 수면 위에 잔존하는 잔류물들을 신속하게 배기시킬 수 있는 웨이퍼 건조 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 건조 효율을 높일 수 있는 건조 장치를 제공하는 데 있다. 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 처리조 내에서의 난류 흐름을 방지할 수 있는 건조 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여 본 발명은 웨이퍼 가이드가 놓여지는 처리조와; 웨이퍼에 잔존하는 물기를 제거하기 위해 상기 처리조에 건조 가스를 분사하는 분사구들와; 상기 처리조 내부로 분사된 건조 가스와, 공정을 진행하는 동안 잔류물들의 배기위치가 변경되는 가변 배기부를 갖는 건조 장치를 제공한다.
본 발명에서 상기 배기부는 상기 처리조의 세정액 수면 부근에서 상기 잔류물들의 배기가 이루어지도록, 상기 세정액의 수위 변화에 따라 그 배기 위치가 점진적또는 단계적으로 변경된다.
본 발명에서 상기 배기부는 상기 처리조에 일정한 높이마다 설치되는 배기구들과; 상기 배기구에 설치되는 그리고 상기 배기구를 열고 닫기 위한 도어와; 상기 세정액의 수위에 따라 적어도 하나의 배기구 개폐를 위해 도어를 작동하는 제어부를 포함한다.
본 발명에서 상기 배기구들은 상기 처리조의 적어도 하나의 측면에 설치된다.
본 발명에서 상기 배기부는 배기구를 갖는 그리고 상기 처리조에 설치되는 적어도 하나의 이동관과; 상기 이동관을 상기 세정액의 수위에 따라 승강시키기 위한 이동부재를 포함한다. 상기 배기부는 상기 세정액의 수위를 체크하기 위한 감지 센서를 더 포함한다. 상기 배기구는 슬롯 형태인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
본 발명의 다른 특징은 처리조 내부로 세정액을 공급하여 기판을 세정하는 단계; 상기 기판이 상기 세정액의 수면위로 서서히 노출되도록 상기 처리조 내의 액체를 배출하면서 건조가스를 분사하는 단계; 및 상기 건조가스와, 수증기를 포함한 잔류물들이 상기 세정액의 수위 변화에 따라 그에 상응하는 높이에서 배기가 이루어지는 단계를 포함하는 건조 방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 잔류물들의 배기 단계는 상기 세정액의 수위를 체크하는 단계; 상기 세정액의 수위 변화에 따라 잔류물들이 배기되는 배기구들의 위치를 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 잔류물들의 배기 단계는 상기 세정액의 수위를 체크하는 단계; 상기 세정액의 수위 변화에 따라 상기 세정액의 수면에 가장 근접한 적어도 하나의 배기구들을 선택적으로 개방하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨이퍼 건조 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 장치(100)는 챔버(110), 기체 분배기(130), 액체 유동 시스템 그리고 가변 배기부(180)를 포함한다.
상기 챔버(110)는 처리조(111)와 커버(116)를 갖는다. 상기 처리조(111)는 기판(W)를 침지시켜 세정하기 위한 내조(112)와 상기 내조를 둘러싸는 외조(114)로 구성된다. 상기 처리조(111)의 내조(112)는 바닥(112a) 및 측벽(112b)들을 갖으며, 이들에 의해 둘러싸여진 공간을 제공한다. 상기 처리조(111)는 상기 내조의 바닥으로부터 연장된 배출 포트(exhaust port;113)를 갖는다. 상기 처리조(111)는 상부를 향하여 개구된 형태를 갖으며, 상기 처리조(111)의 개구는 상기 커버(116)에 의해 개폐된다. 상기 커버(116)와 상기 처리조(111)의 접촉부에는 밀봉을 위한 오-링이 설치된다.
상기 처리조(111) 내의 웨이퍼(w)들은 웨이퍼 가이드(120)에 의해 지지된다. 상기 웨이퍼 가이드(120)는 상기 웨이퍼들(w)을 가로지르는 방향과 평행하게 배치된 적어도 3개의 바들(bars; 122a 및 122b)로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 웨이퍼 가이드(120)는 하나의 중심 바(122a) 및 상기 중심 바(122a)의 양 옆에 위치하는 두개의 측 바들(122b)로 구성된다. 상기 웨이퍼 가이드(120)는 상기 웨이퍼들(W)을 상승시키거나 하강시키는 리프트(lift;도시하지 않음)와 접속될 수 있다.
상기 기체 분배기(130)는 상기 커버(116)에 설치된다. 이 기체 분배기(130)는 복수의 노즐들을 포함한다. 상기 기체 분배기(130)는, IPA와, 상온 또는 가열된 질소가스 등의 불활성 가스를 상기 처리조(111)의 상부로부터 상기 처리조(111)의 내부로 균일하게 공급한다.
상기 액체 유동 시스템은 액체를 상기 처리조(111)내로 지속적으로 공급하는 수단과, 상기 액체를 상기 처리조(111)로부터 지속적으로 배출하는 수단을 갖는다. 이들 수단들에 의해 상기 처리조(111)내의 액체의 수위 및 배출이 조절된다. 상기 공급 수단은 상기 처리조(111)하단에 상기 웨이퍼 가이드(120)의 길이 방향으로 설치되는 그리고 다수의 분사공들(144)이 형성된 분배관(142)을 갖는다. 상기 분배관(142)은 액체 공급관을 통해 외부의 액체 공급원으로부터 액체를 공급받는다.
상기 배출 수단은 상기 처리조(111)의 배출포트(113)에 연결된 제 1 및 제 2 배수관(drain pipe;152a,152b)과, 제1배수관에 설치되는 개폐밸브(154a)와 제2배수관에 설치되는 개폐 및 유량조절가능한 밸브(154b)를 포함한다. 예컨대, 상기 제 2 배수관(152b)은 원하는 속도(1-2mm/s)로 배수하기 위한 장치(유량조절밸브) 또는 정량 펌프등을 포함한다. 상기 처리조(111) 내의 액체 수위 조절은 상기 밸브(154b)의 조절에 의해 이루어진다.
여기서, 상기 액체는 세척공정을 실시하는 데 사용된다. 상기 세척공정은 웨이퍼들(w)을 세정하는 공정 또는 웨이퍼들(w)을 린스시키는 공정에 해당한다. 따라서, 상기 세척공정이 세정공정에 해당하는 경우에는 상기 액체는 상기 웨이퍼들(w) 상에 잔존하는 파티클들 또는 자연산화막과 같은 오염물질을 제거하는 데 적합한 화학용액일 수 있다. 또한, 상기 세척공정이 린스공정에 해당하는 경우에는, 상기 웨이퍼들(w) 상에 남아있는 화학용액을 제거하는 데 적합한 탈이온수일 수 있다.
상기 웨이퍼 건조 장치는 상기 처리조 내부로 분사된 건조가스(IPA 및 N2) 및 건조가스에 의해 증발된 수증기를 포함한 잔류물들이 배기되는 가변 배기부(180)를 갖는다.
상기 가변 배기부(180)는 상기 세정액의 수위에 따라 상기 잔류물들의 배기 위치가 가변된다. 상기 가변 배기부(180)는 상기 잔류물들이 상기 처리조(111)의 세정액 수면 부근에서 배기될 수 있도록, 상기 세정액의 수위 변화에 따라 상기 잔류물들의 배기 위치가 가변되는 구조적인 특징을 갖는다.
도 1을 참조하면, 상기 가변 배기부(180)는 상기 내조(112)의 양측면에 각각 형성된 4개의 배기구(182)들을 갖으며, 이 배기구(182)들은 상기 내조(112)의 측면에 일정한 간격을 가지고 형성된다. 각각의 상기 배기구(182)에는 도어(184)가 설치되며, 이 도어(184)의 개폐는 제어부(186)에 의해 제어된다. 상기 가변 배기부(180)는 상기 내조(112)의 수위를 감지하는 센서(188)들을 갖으며, 상기 제어부(186)는 상기 감지 센서(188)들로부터 감지 신호를 제공받는다. 상기 제어부(186)는 상기 세정액의 수위에 따라 적어도 하나의 배기구(182) 개방을 위해 도어(184)를 작동시킨다. 예컨대, 세정액의 수면과 가장 인접한 배기구를 개방하는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 건조 장치(100)는 잔류물들이 세정액의 수면에 가장 인접한 배기구(182)를 통해 신속하게 그리고 확실하게 배기될 수 있는 것이다(잔류물들의 배기 흐름을 화살표로 표시하였음).
도 4는 도 1에 도시된 가변 배기부의 변형 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 웨이퍼 건조 장치(100a)는 도 1에 도시된 장치와 동일한 구성을 갖는다. 다만, 가변 배기부(200)의 배기구(202)에 도어를 설치하지 않고, 이 배기구(202)들 각각에 배기라인(204)을 연결하고, 배기라인(204)은 차단밸브(206)를 사용하여 개폐시키는 구조적인 특징을 갖는다. 도면부호 208은 수위 감지 센서, 도면부호 210은 제어부이다.
다음은, 도 1에 도시된 웨이퍼 건조 장치에서의 건조 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 상기 처리조(111) 내부로 상기 웨이퍼들(w)을 로딩시킨다. 상기 분배관(142)을 통하여 상기 처리조(111) 내로 탈이온수를 공급한다. 상기 탈이온수는 상기 웨이퍼들(w)을 린스시키기 위하여 상기 공급 수단 및 배출 수단을 통하여 지속적으로 공급 및 배출된다. 상기 웨이퍼들(w)의 린스공정 후, 상기 처리조(111) 내의 탈이온수 상부로 IPA와 질소가스를 공급함과 동시에 상기 처리조(111)내의 탈이온수를 상기 제 2 배수관(152b)을 통해 서서히 배출시킨다. 이에 따라, 상기 웨이퍼들(w)의 표면에 잔존하는 탈이온수를 제거하는 건조공정이 진행된다.
한편, 상기 가변 배기부(180)는 상기 처리조 내의 수위 변화에 따라 배기구(182)들을 개폐시키며, 수면과 인접한 배기구(182)가 오픈 됨으로써, 웨이퍼 건조에 사용된 가스(N2,IPA)와 퓸(fume)을 포함한 잔류물들이 상기 배기구(182)들을 통해 신속하게 배기된다. 이처럼, 처리조(111)의 수면과 가장 인접한 배기구(182)들을 통하여 상기 잔류물들이 신속하게 배기됨으로써, 상기 처리조(111)내에 난류 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 건조공정 동안 처리조(111)내부의 기체 흐름을 안정되도록 유지할 수 있다. 만일, 상기 건조공정 동안 상기 처리조 내부에 소용돌이와 같은 불안정한 공기 흐름현상이 발생하면, 고온의 N2가스 분사에 의해 웨이퍼 표면의 물 입자 건조 효과를 얻기가 어렵다. 따라서, 건조공정 동안 상기 처리조(111)내부의 기체 흐름을 안정시키고 그리고 신속하게 배기되도록 유지하는 것은 건조공정에 있어서 매우 중요하다. 결과적으로, 건조공정을 실시하는 동안, 상기 N2가스 및 상기 잔류물들이 신속하게 상기 제 1 배기관(172)을 통해서 배기됨과 아울러, 새로운 N2가스가 웨이퍼 표면으로 제공됨으로써 상기 잔류물들에 의해 웨이퍼 오염을 최소화하고, 웨이퍼 표면의 물 입자 제거 효과를 극대화시킬 수 있다.
상기 처리조(111) 내의 탈이온수 배출이 완료되면, 다음 공정으로 최종 웨이퍼 건조 공정이 이루어진다. 이 최종 웨이퍼 건조 공정은 웨이퍼 표면에 미세한 입자 형태로 남아있는 탈이온수를 가열된 질소가스를 이용하여 제거하는 공정이다.
도 5 및 도 6은 변형된 실시예에 따른 웨이퍼 건조 장치를 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 웨이퍼 건조 장치(100')는 도 1에 도시된 웨이퍼 건조장치와 동일한 구성과 기능을 갖는 챔버(110), 기체 분배기(130) 그리고 액체 유동 시스템 등을 갖으며, 이들에 대한 설명은 앞에서 상세하게 설명하였기에 본 변형예에서는 생략하기로 한다. 다만, 본 실시예에서는 세정액의 수위에 따라 승강되는 가변 배기부(190)를 갖는 구조적인 특징을 갖는다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 가변 배기부(190)는 하나의 배기구(193)를 갖는 이동관(192)을 갖는다. 이 이동관(192)은 상기 처리조(111)의 양측에 서로 대응되게 설치되며, 이 이동관(192)은 세정액의 수위 변화에 따라 이동부재(194)에 의해 이동된다. 상기 이동부재는 이동관과 연결되는 와이어(195), 와이어가 감겨져 있는 릴(reel;196) 그리고 이 릴을 회전시키기 위한 모터(197)를 포함한다. 상기 가변 배기부(190)는 상기 이동관(192)의 승강을 안내해주는 가이드 레일(198)이 처리조 내면에 설치될 수 있다. 예컨대, 잔류물들은 상기 배기구(193)를 통해 상기 이동관(192)으로 유입되고, 이동관(192)에 연결된 배기라인(199)을 통해 배기된다. 미설명부호 194는 수위 감지 센서이고, 191은 상기 모터를 제어하는 제어부이다. 경우에 따라서, 상기 릴과 상기 모터는 상기 처리조 외부에 설치될 수 있다.
상기 이동부재(194)의 다른 예로는 유압을 이용한 실린더 장치 또는 모터와 기어를 이용한 이동 장치를 사용할 수도 있다.
이상에서, 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 장치의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 건조공정을 실시하는 동안, N2가스 및 상기 잔류물들이 신속하게 배기됨으로써, 잔류물들에 의해 웨이퍼 오염을 최소화하고, 웨이퍼 표면의 물 입자 제거 효과를 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨이퍼 건조 장치를 설명하기 위한 도면;
도 2 내지 도 3은 도 1에서 처리조의 수위 변화에 따라 잔류물들이 배기되는 위치가 변경된다는 것을 보여주는 도면;
도 4는 도 1에 도시된 가변 배기부의 변형된 예를 보여준다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변형된 웨이퍼 건조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
111 : 처리조 112 : 내조
114 : 외조 116 : 커버
120 : 웨이퍼 가이드 130 : 기체 분배기
142 : 분배관 152a : 제 1 배수관
154 : 조절밸브 180,200 : 가변 배기부
182 : 배기구 184 : 도어
186 : 제어부 188 : 감지 센서

Claims (10)

  1. 웨이퍼 건조 장치에 있어서:
    웨이퍼 가이드가 놓여지는 처리조와;
    웨이퍼에 잔존하는 물기를 제거하기 위해 상기 처리조에 건조 가스를 분사하는 분사구들와;
    상기 처리조 내부로 분사된 건조 가스와, 건조가스에 의해 증발된 수증기를 포함한 잔류물들이 배기되는 배기부를 포함하되;
    상기 배기부는 공정을 진행하는 동안 잔류물들의 배기위치가 변경되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기부는
    상기 처리조의 세정액 수면 부근에서 상기 잔류물들의 배기가 이루어지도록, 상기 세정액의 수위 변화에 따라 그 배기 위치가 점진적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배기부는
    상기 처리조에 일정한 높이마다 설치되는 배기구들과;
    상기 배기구에 설치되는 그리고 상기 배기구를 열고 닫기 위한 도어와;
    상기 세정액의 수위에 따라 적어도 하나의 배기구 개폐를 위해 도어를 작동하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기구들은 상기 처리조의 적어도 하나의 측면에 설치되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 배기부는
    배기구를 갖는 그리고 상기 처리조에 설치되는 적어도 하나의 이동관과;
    상기 이동관을 상기 세정액의 수위에 따라 승강시키기 위한 이동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 배기부는
    상기 세정액의 수위를 체크하기 위한 감지 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
  7. 제 3 항 또는 제5항에 있어서,
    상기 배기구는 슬롯 형태인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 장치.
  8. 반도체기판을 건조시키는 방법에 있어서:
    처리조 내부로 세정액을 공급하여 기판을 세정하는 단계;
    상기 기판이 상기 세정액의 수면위로 서서히 노출되도록 상기 처리조 내의 액체를 배출하면서 건조가스를 분사하는 단계; 및
    상기 건조가스와, 수증기를 포함한 잔류물들이 상기 세정액의 수위 변화에 따라 그에 상응하는 높이에서 배기가 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 건조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 잔류물들의 배기 단계는
    상기 세정액의 수위를 체크하는 단계;
    상기 세정액의 수위 변화에 따라 잔류물들이 배기되는 배기구들의 위치를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 건조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 잔류물들의 배기 단계는
    상기 세정액의 수위를 체크하는 단계;
    상기 세정액의 수위 변화에 따라 상기 세정액의 수면에 가장 근접한 적어도 하나의 배기구들을 선택적으로 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 건조 방법.
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