KR100847094B1 - 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 wet cleaning 공정의 최종 rinse 직후 웨이퍼 상에 남아있는 액체상태의 water를 고체상태의 ice로 동결한 후 low pressure vacuum 상태에서 승화시켜 건조하기 위한 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 급속 동결 진공 건조 방법에 있어서, (1) wet cleaning 공정의 최종 린스 직후 웨이퍼 상에 남아있는 액체 상태의 water를 상압에서 별도의 급속 동결 장치를 이용하거나 low pressure vacuum 상태의 단열 팽창에 의한 자연 동결 현상을 이용하여 고체상태의 ice로 동결하는 과정; 및 (2) 상기 water가 ice로 동결되면 삼중점 온도, 압력 이하의 조건에서 동결된 ice를 승화시켜 웨이퍼를 건조시키는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
반도체, 웨이퍼, 급속, 동결, 진공, 건조

Description

반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RAPID FREEZING VACUUM DRYING A SEMICONDUCTOR WAFER}
도 1은 본 발명에 따른 클리닝(cleaning), 동결(freezing), 진공 건조(vacuum drying) 공정을 동시에 수행할 수 있는 일체형 챔버의 단면도이고,
도 2는 도1의 평면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 매엽식 동결 진공 건조(freezing, vacuum drying) 공정을 수행하는 챔버의 단면도이고,
도 4는 도 3의 셔터(shutter) 및 엘리베이터 구동부에 대한 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 고속 동결 진공 건조공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이고,
도 6은 본 발명에 따른 고속 동결 진공 건조공정의 다른 실시예를 설명하기 위한 공정 흐름도이며,
도 7은 water의 압력과 온도에 따른 고체, 액체, 기체 상태의 3-phase 다이어그램을 도시한 도면이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ***
100, 200 : 내부(inner) 챔버
102, 202 : 외부(outer) 챔버
103, 203 : 냉각 가스 공급부
105, 205 : 진공펌프
108, 208 : 고온 가스 공급부
본 발명은 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치에 관한 것이다.
보다 상세하게는, wet cleaning 공정의 최종 rinse 직후 웨이퍼상에 남아있는 액체상태의 water를 고체상태의 ice로 동결한 후 low pressure vacuum 상태에서 승화시켜 건조하기 위한 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치에 관한 것이다.
Integrated circuits(IC) 반도체 제조공정은 디자인 룰(design rule)이 작아지고 집적도가 증가함에 따라 웨이퍼 제조공정의 공정(step) 수 또한 증가하여 제품이 완성되기까지 500~600공정을 진행하게 된다.
이런 제조공정 중 웨이퍼 cleaning 공정의 수는 전체의 20% 수준인 100~120공정에 달하며, 상기 웨이퍼 cleaning 공정은 웨이퍼표면에 존재하는 각종 오염 물질, 파티클(particle), 금속성 이온(ion), 유기물, 분자성 이온(ion), 자연 산화막 등을 제거하기 위하여 적절한 케미컬(chemicals) 또는 초순수 만을 사용하여 제거하는 공정으로 케미컬 솔루션(chemical solution) 처리 후 잔존 케미컬(chemicals)을 제거하기 위하여 초순수 린스(rinse) 및 건조(drying) 공정을 실시한다.
초순수 린스(rinse) 후 건조(drying) 공정은 스핀 건조(spin drying), 휘발성 유기 솔벤트(solvent), 일예로 isopropyl alcohol(IPA) vapor drying, IPA spray drying, Marangoni drying, low pressure drying 공정 등을 통해 웨이퍼 표면의 잔존 water를 제거한다.
상기 스핀 건조(Spin drying) 공정은 원심력에 의해 웨이퍼 표면의 water을 밖으로 밀어내어 제거하는 공정이며, IPA vapor drying 공정 및 IPA spray drying공정은 밀폐된 건조 챔버(drying chamber) 내에 고온 IPA vapor가 웨이퍼 표면의 water와 치환되고 휘발성이 뛰어난 IPA는 제거되도록 하는 공정이다.
상기 Marangoni drying 공정은 IPA 액층과 웨이퍼 액층의 표면장력 차이에 의해 형성되는 Marangoni force에 의해 웨이퍼가 water bath에서 서서히 빠져 나오거나 water가 drain 될 때 웨이퍼 표면의 water가 웨이퍼로 부터 제거되도록 하는 공정이다.
상기 Low pressure drying 공정은 건조 챔버(drying chamber) 내부의 압력을 낮추어 줌으로써 웨이퍼표면의 water의 boiling point를 낮추어 vaporizing 효과를 높여 건조(drying) 효과를 높여준다.
상술한 바와 같이 기존의 건조(drying) 방법들은 공정 조건 설정에 따라서 정도의 차이는 있겠지만 개념적, 근본적으로 여러 가지 문제점들을 발생시킨다.
즉, 웨이퍼 표면의 미세한 단차 pattern 의존성 및 소수성 막질과 친수성 막질의 혼재에 따라 형성되는 water drop의 건조 불충분의 결과로 water marks가 형성된다는 문제점이 있다.
그리고, 고집적 소자(device)의 단차비(aspect ratio)가 큰 캐패시터(capacitor) 구조의 폴리 스토리지 노드(poly storage node)사이의 water가 증발되어 water volume이 줄어들고 water의 표면장력이 인접한 노드(node)들을 끌어당겨 붙게 되는 문제점이 있다.
그리고, IPA와 같은 고온의 휘발성 유기 솔벤트(solvent)를 건조(drying) 공정에 적용할시 조건의 최적화가 보증되지 않는 경우는 이들 솔벤트(solvent)의 condensation이 일어나게 되고 웨이퍼 표면에 겔(gel)성 이물질(defect)을 형성할 수도 있다는 문제점이 있다.
그리고, 소자(device)가 고집적화 되어 지고, contact hole의 단차비(aspect ratio)도 점차 커짐에 따라 contact 내부에 존재하는 water의 건조 시간(drying time)이 증가함에 따라 watermarks 또는 산화막을 형성시켜 contact 저항을 증가시켜 심각한 소자 특성 저하를 유발한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 wet cleaning 공정의 최종 rinse 직후 웨이퍼상에 남아있는 액체상태의 water를 고체상태의 ice로 동결한 후 low pressure vacuum 상태에서 승화시 켜 건조하기 위한 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치를 제공함에 있다.
즉, 본 발명의 목적은 기존의 건조(drying)방식이 여러 가지 고온의 gases 또는 heating tool을 사용하여 vaporizing하여 웨이퍼 표면의 water를 액체상태에서 기체상태로 건조시키는 방식과는 달리 wet cleaning 공정의 초순수 린스(rinse) 공정이 끝난 웨이퍼표면의 최종 린스(rinse) 액체, 특별히 water를 급속 냉각하여 액체상태의 water를 고체상태로 동결시킨 후 최종 린스(rinse) 액체, 특별히 water의 삼중점(Triple point) 이하의 조건(일 예로 순수 water의 경우 4.58torr이하 압력과 0.009℃ 온도 이하)에서 고체상태의 water ice를 기체상태로 승화시킴으로써 건조(drying) 되도록 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 어떤 종류의 휘발성 유기 솔벤트(solvent)도 사용하지 않아 환경 친화적이며 안전성 측면에서 유익할 뿐만 아니라, 급속 동결 진공 방식을 적용하는 경우 린스(rinse) 후 웨이퍼 표면에 잔존하는 액체상태의 water 내로 분위기 중의 산소(O2)가 용존해 들어가서 웨이퍼 표면에서O2(g)+Si(s)+H2O(l)→H2SiO3(l)→SiO2(s)+H2O(g)↑와 같은 반응을 미연에 제거함으로써 웨이퍼 상에 watermarks가 형성되는 것을 미연에 방지할 수 있으며, 특히 고단차비(high aspect ratio)의 contact 내의 water가 건조(drying)되는 경우에도 산화막이 형성되는 것을 억제하여 contact 저항이 상승되는 것을 미연에 방지할 수 있 도록 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 건조(drying)시 웨이퍼 표면의 액체 상태의 water가 기체 상태로 증발되면서 생길 수 있는 고단차비(high aspect ratio) 캐패시터(capacitor)의 구조상 poly storage node들이 상호간에 bridging되는 문제를 미연에 방지할 수 있도록 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 고온 IPA와 같은 휘발성 유기 솔벤트(solvent)를 사용하지 않음으로써 부적절한 조건하에서의 고온 IPA 사용에 의한 유기오염 및 겔(gel)성 이물질(defect)이 형성되는 것을 미연에 방지하기 위한 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 일 실시예는, 급속 동결 진공 건조 방법에 있어서, (1) wet cleaning 공정의 최종 린스 직후 웨이퍼 상에 남아있는 액체 상태의 water를 상압에서 별도의 급속 동결 장치를 이용하거나 low pressure vacuum 상태의 단열 팽창에 의한 자연 동결 현상을 이용하여 고체상태의 ice로 동결하는 과정; 및 (2) 상기 water가 ice로 동결되면 삼중점 온도, 압력 이하의 조건에서 동결된 ice를 승화시켜 웨이퍼를 건조시키는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예는, 클리닝(Cleaning), 동결(Freezing), 진공 건조(vacuum drying) 공정을 동시에 수행할 수 있는 일체형 Batch type 챔버를 통해 이루어지는 급속 동결 진공 건조 방법에 있어서, (1) 웨이퍼가 내부(inner) 챔버의 웨이퍼 홀더에 로딩되는 단계; (2) 웨이퍼를 클리닝 용액(cleaning solution)을 가지고 웨이퍼 표면의 오염을 클리닝(cleaning)하고 웨이퍼 표면에 남아있는 클리닝 용액(cleaning solution)의 케미컬(chemicals) 성분들을 초순수를 사용하여 린스(rinsing)하는 단계; (3) 배수 밸브를 오픈시켜 내부 챔버에 공급된 최종 세척액(rinse soltion) 및 초순수를 배수(drain)시키는 단계; (4) 배수 밸브를 클로즈(close)시키는 단계; (5) 온도유지수단에 냉매제를 공급하는 단계; (6) 냉각 가스 공급수단을 통해 생성된 냉각 가스를 내부(inner) 챔버 내부로 로딩된 웨이퍼에 분사되도록 공급하는 단계; (7) 내부(inner) 챔버로 공급되던 냉매제와 냉각가스(cooling gas)의 공급을 중단시키는 단계; (8) 내부(inner) 챔버에 연결된 압력 조절 밸브(pressure regulating valve)를 오픈시키는 단계; (9) 진공펌프가 펌핑되도록 구동시켜 내부(inner) 챔버의 실내 압력이 상압 이하가 되도록 감소시키는 단계; (10) 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 히팅 램프를 턴온시키고 고온 가스 공급부에 의해 생성되는 고온의 불활성 기체인 가스가 배관을 통해 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버를 상온화시키는 단계; (11) 내부(inner) 챔버가 상온화되면 히팅 램프를 턴오프시키고 고온의 불활성 기체인 가스가 내부(inner) 챔버로 공급되던 것을 중지시키는 단계; 및 (12) 웨 이퍼가 내부(inner) 챔버의 웨이퍼 홀더로부터 언로딩되도록 하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 매엽식 동결(Freezing), 진공 건조(vacuum drying) 공정을 수행하는 챔버를 통해 이루어지는 급속 동결 진공 건조 방법에 있어서, (1) 웨이퍼가 내부(inner) 챔버의 웨이퍼 홀더에 로딩되는 단계; (2) 온도유지수단에 냉매제를 공급하는 단계; (3) 냉각 가스 공급수단을 통해 생성된 냉각 가스를 내부(inner) 챔버 내부로 로딩된 웨이퍼에 분사되도록 공급하는 단계; (4) 내부(inner) 챔버로 공급되던 냉매제와 냉각가스(cooling gas)의 공급을 중단시키는 단계; (5) 내부(inner) 챔버에 연결된 압력 조절 밸브(pressure regulating valve)를 오픈시키는 단계; (6) 진공펌프가 펌핑되도록 구동시켜 내부(inner) 챔버의 실내 압력이 상압 이하가 되도록 감소시키는 단계; (7) 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 히팅 램프를 턴온시키고 고온 가스 공급부에 의해 생성되는 고온의 불활성 기체인 가스가 배관을 통해 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버를 상온화시키는 단계; (8) 내부(inner) 챔버가 상온화되면 히팅 램프를 턴오프시키고 고온의 불활성 기체인 가스가 내부(inner) 챔버로 공급되던 것을 중지시키는 단계; 및 (9) 웨이퍼가 내부(inner) 챔버로부터 언로딩되도록 하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예는, 급속 동결 진공 건조 장치에 있어서, (1) wet cleaning 공정의 최종 린스 직후 웨이퍼 상에 남아있는 액체 상태의 water 를 상압에서 별도의 급속 동결 장치를 이용하거나 low pressure vacuum 상태의 단열 팽창에 의한 자연 동결 현상을 이용하여 고체상태의 ice로 동결하는 과정; 및 (2) 상기 water가 ice로 동결되면 삼중점 온도, 압력 이하의 조건에서 동결된 ice를 승화시켜 웨이퍼를 건조시키는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예는, 내부 챔버(inner chamber)와 외부 챔버(outer chamber)로 이루어져 있으며, 웨이퍼를 웨이퍼 홀더에 로딩(loading)/언로딩(unloading)시 실린더(cylinder)를 이용하여 온/오프 되도록 하는 챔버 상단 덮개 개폐장치와, 내부에 석영과 같은 투명한 내부 윈도우(inner window)가 구비되어 있는 챔버 상단덮개를 구비하고 있는 동결 진공 건조 챔버에 있어서, 상기 내부 챔버(inner chamber)와 외부 챔버(outer chamber) 사이 형성되어 있으며, 내부에 냉매제를 함유하고 있어 상기 내부 챔버의 내부 온도를 섭씨 영하온도로 유지시키는 온도유지부; 불활성 기체를 함유하고 있으며, 상기 내부 챔버(inner chamber)로 상기 불활성 기체를 공급하여 웨이퍼의 표면에 존재하는 물 또는 불순물을 함유한 물이 급속 냉각되도록 하는 냉각가스 공급수단; 배기관을 통해 내부 챔버로 연결되어 있는 압력 조절 밸브를 통해 내부 챔버의 압력을 상압 이하의 진공상태로 형성시키는 진공펌프; 상기 진공펌프에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 배관을 통해 고온의 불활성 기체를 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버를 상온화시켜 상기 내부(inner) 챔버의 압력이 상압으로 복귀되도록 하는 고온 가스 공급수단; 내부(inner) 챔버에서 클리닝 공정과 건 조공정이 동시에 수행되는 경우 액상 조절 밸브를 오픈하여 배관을 통해 세정액 및 초순수를 공급하여 클리닝(cleaning) 공정과 린스(rinse) 공정이 이루어질 수 있도록 하는 세척액 공급수단; 및 상기 내부(inner) 챔버에서 클리닝(cleaning) 공정과 린스(rinse) 공정이 종료되는 경우 배관을 통해 내부(inner) 챔버 내부의 세척액 및 초순수를 배수시키기 위한 배수 밸브(Drain valve)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예는, 내부 챔버(inner chamber)와 외부 챔버(outer chamber)로 이루어져 있으며, 웨이퍼를 웨이퍼 홀더에 로딩(loading)/언로딩(unloading)시 실린더(cylinder)를 이용하여 온/오프 되도록 하는 챔버 상단 덮개 개폐장치와, 내부에 석영과 같은 투명한 내부 윈도우(inner window)가 구비되어 있는 챔버 상단덮개를 구비하고 있는 동결 진공 건조 챔버에 있어서, 클리닝(Cleaning)공정 및 린스(rinse) 공정이 종료된 웨이퍼가 수평으로 내부(inner) 챔버에 로딩(loading)되면 상하 구동 엘리베이터에 의해 구동되어 내부(inner) 챔버를 실링(sealing)시키는 웨이퍼 전송 게이트(transfer gate)의 셔터(shutter); 불활성 기체(inert gas)를 냉각시켜 배관을 통해 상기 내부 챔버로 공급하여 상기 내부 챔버내에 로딩된 웨이퍼 또는 불순물을 함유한 수용액을 급속 냉각시키는 냉각 가스 공급부; 배기관을 통해 내부 챔버로 연결되어 있는 압력 조절 밸브를 통해 내부 챔버의 압력을 상압 이하의 진공상태로 형성시키는 진공펌프; 및 상기 진공펌프에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 배관을 통해 고온의 불활성 기체를 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버 를 상온화시켜 상기 내부(inner) 챔버의 압력이 상압으로 복귀되도록 하는 고온 가스 공급부으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치에 대해 상세하게 설명한다.
(실시예1)
도 1은 클리닝(cleaning), 동결(freezing), 진공 건조(vacuum drying) 공정을 동시에 수행할 수 있는 일체형 Batch type 챔버의 단면도이고, 도 2는 도1의 평면도이다.
동결 진공 건조(drying) 챔버는 첨부 도면 도 1에 도시된 바와 같이 내부(inner) 챔버(100)와 외부(outer) 챔버(102)로 이루어진 이중 챔버 구조를 가지며, 상기 내부(inner) 챔버(100)와 외부(outer) 챔버(102) 사이에는 액상 니트로겐(liquid nitrogen)과 같은 냉매제를 주입할 수 있는 공간인 온도유지부(101)가 형성되어 있으며, 상기 온도유지부(101)는 상기 내부(inner) 챔버(100)의 내부 온도를 섭씨 영하 이하로 유지시킨다.
그리고, 동결 진공 건조 챔버는 니트로겐(Nitrogen) 등과 같은 불활성 기체(inert gas)를 냉각시켜 배관(104)을 통해 상기 내부 챔버(100)로 공급하여 상기 내부 챔버(100) 내에 로딩된 웨이퍼 또는 불순물을 함유한 수용액을 급속 냉각시키는 냉각 가스 공급부(103)와, 배기관(106)을 통해 내부 챔버(100)로 연결되어 있는 압력 조절 밸브(107)를 통해 내부 챔버(100)의 압력을 상압 이하의 진공상태로 형성시키는 진공펌프(105)와, 상기 진공펌프(105)에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 배관(109)을 통해 고온의 불활성 기체를 상기 내부(inner) 챔버(100)로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버(100)를 상온화시켜 상기 내부(inner) 챔버(100)의 압력이 상압으로 복귀되도록 하는 고온 가스 공급부(108)와, 내부(inner) 챔버(100)에서 클리닝 공정과 건조공정이 동시에 수행되는 경우 액상 조절 밸브(111)를 오픈하여 배관(112)을 통해 세정액(cleaning solution) 및 초순수를 공급하여 클리닝(cleaning) 공정과 린스(rinse) 공정이 이루어질 수 있도록 하는 세척액 공급부(110)와, 내부(inner) 챔버(100)에서 클리닝(cleaning) 공정과 린스(rinse) 공정이 종료되는 경우 배관(114)을 통해 내부(inner) 챔버(100) 내부의 세척액 및 초순수를 배수시키기 위한 배수 밸브(Drain valve, 113)와, 웨이퍼를 웨이퍼 홀더(117)에 로딩(loading)/언로딩(unloading)시 실린더(cylinder)를 이용하여 온/오프 되도록 하는 챔버 상단 덮개 개폐장치(115)와, 내부에 석영과 같은 투명한 내부 윈도우(inner window, 119)가 구비되어 있는 챔버 상단덮개(116)와, 상기 챔버 상단덮개(116) 상부에 구비되며, 건조공정이 종료된 웨이퍼와 내부(inner) 챔버(100)를 상온화시키는 히팅 램프(118)로 구성되어 있다.
상기 진공펌프(105)에 의해 조절된 상기 내부 챔버(100)의 압력은 4.58torr 이하의 진공상태이며, 상기 내부 챔버(100)의 압력이 4.58torr 이하의 진공상태로 변화되는 경우 웨이퍼 표면에 동결되어 있는 water를 고체 상태에서 직접 기체 상태로 승화된다.
상기 고온 가스 공급부(108)는 웨이퍼가 언로딩(unloading)시 대기 상태로 노출되었을 때 대기 중의 수증기(water vapor)와 냉각된 웨이퍼 표면이 반응하여 웨이퍼 표면에 water가 응결되지 않도록 방지한다.
이에, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치의 건조방법의 일실시예에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 고속 동결 진공 건조공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
첨부 도면 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고속 동결 진공 건조공정은 먼저 웨이퍼(W)가 내부(inner) 챔버(100)의 웨이퍼 홀더(117)에 로딩(S301)되면 웨이퍼를 케미컬 용액 등과 같은 클리닝 용액(cleaning solution)을 가지고 웨이퍼 표면의 각종 오염을 클리닝(cleaning)하고 웨이퍼 표면에 남아있는 클리닝 용액(cleaning solution)의 케미컬(chemicals) 성분들을 초순수를 사용하여 린스(rinsing) 한(S302) 후, 배수 밸브(113)를 오픈시켜 내부 챔버(100)에 공급된 최종 세척액(rinse soltion) 및 초순수를 완전히 배수(drain)시킨(S303) 후 배수 밸브(113)를 클로즈(close)시킨다(S304).
그리고, 내부(inner) 챔버(100)와 외부(outer) 챔버(102) 사이에 형성된 공간인 온도유지부(101)에 액상 니트로겐(liquid nitrogen, -196℃) 등과 같은 냉매제를 공급하여(S305) 채워 넣으므로써 내부(inner) 챔버(100)의 실내온도가 섭씨 영하 이하로 유지되도록 한다.
그리고, 냉각 가스 공급부(cooling gas supplier, 103)를 통해 생성된 니트로겐(nitrogen)과 같은 불활성 가스인 냉각 가스를 내부(inner) 챔버(100) 내부로 로딩된 웨이퍼에 분사되도록 공급(S306)하여 린스(rinse) 후 웨이퍼 표면에 잔존할 수 있는 수용액(water solution)을 급속 동결시킨다. 그리고 내부(inner) 챔버(100)로 공급되던 냉매제와 냉각가스(cooling gas)의 공급을 중단시킨다(S307).
그리고, 내부(inner) 챔버(100)에 연결된 압력 조절 밸브(pressure regulating valve, 107)를 오픈시키고(S308), 진공펌프(105)가 펌핑되도록 구동시켜 내부(inner) 챔버(100)의 실내 압력이 상압 이하가 되도록 감소시킨다(S309). 특히 상기 내부(inner) 챔버(100)의 실내 압력이 4.58torr 이하의 고 진공으로 형성되도록 한 후 내부(inner) 챔버(100)의 실내 압력이 조절된 압력의 진공 상태를 유지할 수 있도록 한다.
상기와 같은 공정이 수행되면서 웨이퍼표면에 동결되어 있는 water를 고체 상태에서 직접 가스상태로의 승화 작용이 일어나 웨이퍼 표면에 얼려진 water를 건조시키게 된다.
그리고, 상기 진공펌프(105)에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 진공펌프(105)의 구동을 정지시키고 압력 조절 밸브(107)를 클로우즈(S310)한 후 히팅 램프(118)를 턴온시키고 고온 가스 공급부(108)에 의해 생성되는 고온의 불활성 기체인 가스가 배관(109)을 통해 상기 내부(inner) 챔버(100)로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버(100)를 상온화(S311)시켜 상기 내부(inner) 챔버(100)의 압력이 상압으로 복귀되도록 하여 웨이퍼가 언로 딩(unloading)시 대기 상태로 노출되었을 때 대기 중의 수증기(water vapor)와 냉각된 웨이퍼 표면이 반응하여 웨이퍼 표면에 water가 응결되지 않도록 한다.
그리고, 내부(inner) 챔버(100)가 상온화되면 히팅 램프(118)를 턴오프시키고 니트로겐과 같은 고온의 불활성 기체인 가스가 내부(inner) 챔버(100)로 공급되던 것을 중지시킨다(S312)
그리고, 웨이퍼가 내부(inner) 챔버(100)의 웨이퍼 홀더(117)로부터 언로딩되도록 한다(S313).
첨부 도면 도 7은 water의 압력과 온도에 따른 고체, 액체, 기체 상태의 3-phase 다이어그램을 도시한 도면이다.
첨부 도면 도 7에 도시된 바와 같이 순수 수(water)의 경우는 압력 4.58torr 이하, 온도 0.009℃이하의 조건에서는 고체 상태에서 기체 상태로의 승화 현상이 일어나 웨이퍼 표면에 동결되어 있는 얼음(water ice)이 기화 되면서 건조(drying) 되어 진다.
상기와 같은 승화 건조(drying) 현상은 웨이퍼 표면에 잔존하는 water에 포함된 불순물의 종류 및 농도에 따라 승화 조건이 달라지므로 최종 세척액(rinse solution) 및 조건에 따라서 동결 진공 건조(freezing vacuum drying) 조건을 최적화하여 사용 해야만 한다.
(실시예2)
첨부 도면 도 3은 첨부 도면 도 1과 같은 웨이퍼 건조방식이 적용된 매엽식 동결 진공 건조(freezing, vacuum drying) 공정을 수행하는 챔버의 단면도이고, 도 4는 도 3의 셔터(shutter) 및 엘리베이터 구동부에 대한 단면도이다.
상기 건조 챔버의 다른 실시예는 첨부 도면 도 2에 도시된 바와 같이 도 1의 건조 챔버와 같이 내부(inner) 챔버(200)와 외부(outer) 챔버(202)로 이루어진 이중 챔버 구조를 가지며, 상기 내부(inner) 챔버(200)와 외부(outer) 챔버(202) 사이에는 액상 니트로겐(liquid nitrogen, -196℃)과 같은 냉매제를 주입할 수 있는 공간인 온도유지부(201)가 형성되어 있으며, 상기 온도유지부(201)는 상기 내부(inner) 챔버(200)의 내부 온도를 섭씨 영하 이하로 유지시킨다.
클리닝(Cleaning)공정 및 린스(rinse) 공정이 종료된 웨이퍼가 수평으로 내부(inner) 챔버(200)에 로딩(loading)되면 상하 구동 엘리베이터(212)에 의해 구동되어 내부(inner) 챔버(200)를 실링(sealing)시키는 웨이퍼 전송 게이트(transfer gate)의 셔터(shutter, 213)와, 니트로겐(Nitrogen) 등과 같은 불활성 기체(inert gas)를 냉각시켜 배관(204)을 통해 상기 내부 챔버(200)로 공급하여 상기 내부 챔버(200) 내에 로딩된 웨이퍼 또는 불순물을 함유한 수용액을 급속 냉각시키는 냉각 가스 공급부(203)와, 배기관(206)을 통해 내부 챔버(200)로 연결되어 있는 압력 조절 밸브(207)를 통해 내부 챔버(200)의 압력을 상압 이하의 진공상태로 형성시키는 진공펌프(205)와, 상기 진공펌프(205)에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 배관(209)을 통해 고온의 불활성 기체를 상기 내부(inner) 챔버(200)로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버(200)를 상온화시켜 상기 내부(inner) 챔버(200)의 압력이 상압으로 복귀되도록 하는 고온 가스 공급부(208)와, 건조공정 이 종료된 웨이퍼와 내부(inner) 챔버(200)를 상온화시키는 히팅 램프(210)로 구성되어 있다.
상기 진공펌프(205)에 의해 조절된 상기 내부 챔버(200)의 압력은 4.58torr 이하의 진공상태이며, 상기 내부 챔버(200)의 압력이 4.58torr 이하의 진공상태로 변화되는 경우 웨이퍼 표면에 동결되어 있는 water를 고체 상태에서 직접 기체 상태로 승화된다.
상기 고온 가스 공급부(208)는 웨이퍼가 언로딩(unloading)시 대기 상태로 노출되었을 때 대기 중의 수증기(water vapor)와 냉각된 웨이퍼 표면이 반응하여 웨이퍼 표면에 water가 응결되지 않도록 방지한다.
도 6은 본 발명에 따른 고속 동결 진공 건조공정의 다른 실시예를 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
첨부 도면 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고속 동결 진공 건조공정의 다른 실시예에 대해 설명하면, 먼저 클리닝(cleaning) 공정 및 린스(rinse) 공정이 종료된 웨이퍼(W)가 수평으로 내부(inner) 챔버(200)에 로딩(S401)되고 상호 구동 엘리베이터(212)가 구동되어 웨이퍼 전송 게이트(transfer gate)의 셔터(213)가 닫혀져 내부(inner) 챔버(200)를 실링(sealing)시킨다.
그리고 외부(outer) 챔버(202) 사이에 형성된 공간인 온도유지부(201)에 액상 니트로겐(liquid nitrogen, -196℃) 등과 같은 냉매제를 공급하여(S402) 채워 넣으므로써 내부(inner) 챔버(200)의 실내온도가 섭씨 영하 이하로 유지되도록 한 다.
그리고, 냉각 가스 공급부(cooling gas supplier, 203)를 통해 생성된 니트로겐(nitrogen)과 같은 불활성 가스인 냉각 가스를 배관(204)을 통하여 내부(inner) 챔버(200) 내부로 로딩된 웨이퍼에 분사되도록 공급(S403)하므로써 린스(rinse) 후 웨이퍼 표면에 잔존할 수 있는 수용액(water solution)을 급속 동결시킨다. 그리고 내부(inner) 챔버(200)로 공급되던 냉매제와 냉각가스(cooling gas)의 공급을 중단시킨다(S404).
그리고, 내부(inner) 챔버(200)에 연결된 압력 조절 밸브(pressure regulating valve, 207)를 오픈시키고(S405), 진공펌프(205)가 펌핑되도록 구동시켜 내부(inner) 챔버(200)의 실내 압력이 상압 이하가 되도록 감소시킨다(S406). 특히 상기 내부(inner) 챔버(200)의 실내 압력이 4.58torr 이하의 고 진공으로 형성되도록 한 후 내부(inner) 챔버(200)의 실내 압력이 조절된 압력의 진공 상태를 유지할 수 있도록 한다.
상기와 같은 공정이 수행되면서 웨이퍼표면에 동결되어 있는 water를 고체 상태에서 직접 가스 상태로의 승화 작용이 일어나 웨이퍼 표면에 얼려진 water를 건조시키게 된다.
그리고, 상기 진공펌프(205)에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 진공펌프(205)의 구동을 정지시키고 압력 조절 밸브(207)를 클로우즈(S407)한 후 히팅 램프(118)를 턴온시키고 고온 가스 공급부(208)에 의해 생성되는 고온의 불활성 기체인 가스가 배관(209)을 통해 상기 내부(inner) 챔버(200)로 공급되도록 하여 냉 각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버(200)를 상온화(S408)시켜 상기 내부(inner) 챔버(200)의 압력이 상압으로 복귀되도록 하여 웨이퍼가 언로딩(unloading)시 대기 상태로 노출되었을 때 대기 중의 수증기(water vapor)와 냉각된 웨이퍼 표면이 반응하여 웨이퍼 표면에 water가 응결되지 않도록 한다.
그리고, 내부(inner) 챔버(200)가 상온화되면 히팅 램프(210)를 턴오프시키고 니트로겐과 같은 고온의 불활성 기체인 가스가 내부(inner) 챔버(200)로 공급되던 것을 중지시킨다(S409).
그리고, 웨이퍼가 내부(inner) 챔버(200)로부터 언로딩되도록 한다(S410).
이상의 본 발명은 상기 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 포함되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명은 린스(rinse) 직후 웨이퍼에 대해 건조공정을 실시하기 전에 웨이퍼에 잔존하여 남아있는 액체 상태의 water를 급속 동결하여 고체화시킴으로써 웨이퍼 표면 막질과 웨이퍼에 잔존한 water와의 어떤 반응도 발생하지 않도록 하여 웨이퍼 표면에 남아있는 water를 기존의 건조(drying) 방식인 스핀 건조(spin drying) 방식, IPA 건조(drying) 방식, Marangoni 건조(drying) 방식, LPD(low pressure drying) 방식 등을 적용하는 경우 발생되는 각종 문제들인 워터마크(watermarks) 발생, 고단차 캐패시터(capacitor) 구조의 폴리 스토리지 노드(poly storage node)의 붙음 현상, IPA와 같은 휘발성 유기 솔벤트(solvent) 잔존에 의한 유기 오염 및 겔(gel)성 defect의 형성, deep contact의 건조시간(drying time) 증가에 따른 contact내 산화막 형성과 그로 인한 contact 저항 증가 등과 같은 문제점을 근본적으로 개선할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 Bath-type cleaning/drying 설비와 Single-type cleaning/drying 설비 모두에도 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 반도체 웨이퍼 공정뿐만 아니라 마스크 기판, glass LCD 기판 등과 같은 다른 분야에도 적용시킬 수 있다는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 클리닝(Cleaning), 동결(Freezing), 진공 건조(vacuum drying) 공정을 동시에 수행할 수 있는 일체형 챔버를 통해 이루어지는 급속 동결 진공 건조 방법에 있어서,
    (1) 웨이퍼가 내부(inner) 챔버의 웨이퍼 홀더에 로딩되는 단계;
    (2) 웨이퍼를 클리닝 용액(cleaning solution)을 가지고 웨이퍼 표면의 오염 을 클리닝(cleaning)하고 웨이퍼 표면에 남아있는 클리닝 용액(cleaning solution)의 케미컬(chemicals) 성분들을 초순수를 사용하여 린스(rinsing)하는 단계;
    (3) 배수 밸브를 오픈시켜 내부 챔버에 공급된 최종 세척액(rinse soltion) 및 초순수를 배수(drain)시키는 단계;
    (4) 배수 밸브를 클로즈(close)시키는 단계;
    (5) 온도유지수단에 냉매제를 공급하는 단계;
    (6) 냉각 가스 공급수단을 통해 생성된 냉각 가스를 내부(inner) 챔버 내부로 로딩된 웨이퍼에 분사되도록 공급하는 단계;
    (7) 내부(inner) 챔버로 공급되던 냉매제와 냉각가스(cooling gas)의 공급을 중단시키는 단계;
    (8) 내부(inner) 챔버에 연결된 압력 조절 밸브(pressure regulating valve)를 오픈시키는 단계;
    (9) 진공펌프가 펌핑되도록 구동시켜 내부(inner) 챔버의 실내 압력이 진공상태가 되도록 감소시키는 단계;
    (10) 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 히팅 램프를 턴온시키고 고온 가스 공급부에 의해 생성되는 고온의 불활성 기체인 가스가 배관을 통해 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버를 상온화시키는 단계;
    (11) 내부(inner) 챔버가 상온화되면 히팅 램프를 턴오프시키고 고온의 불활성 기체인 가스가 내부(inner) 챔버로 공급되던 것을 중지시키는 단계; 및
    (12) 웨이퍼가 내부(inner) 챔버의 웨이퍼 홀더로부터 언로딩되도록 하는 단계
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법.
  4. 매엽식 동결(Freezing), 진공 건조(vacuum drying) 공정을 수행하는 챔버를 통해 이루어지는 급속 동결 진공 건조 방법에 있어서,
    (1) 웨이퍼가 내부(inner) 챔버의 웨이퍼 홀더에 로딩되는 단계;
    (2) 온도유지수단에 냉매제를 공급하는 단계;
    (3) 냉각 가스 공급수단을 통해 생성된 냉각 가스를 내부(inner) 챔버 내부로 로딩된 웨이퍼에 분사되도록 공급하는 단계;
    (4) 내부(inner) 챔버로 공급되던 냉매제와 냉각가스(cooling gas)의 공급을 중단시키는 단계;
    (5) 내부(inner) 챔버에 연결된 압력 조절 밸브(pressure regulating valve)를 오픈시키는 단계;
    (6) 진공펌프가 펌핑되도록 구동시켜 내부(inner) 챔버의 실내 압력이 진공상태가 되도록 감소시키는 단계;
    (7) 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 히팅 램프를 턴온시키고 고온 가스 공급부에 의해 생성되는 고온의 불활성 기체인 가스가 배관을 통해 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버를 상온 화시키는 단계;
    (8) 내부(inner) 챔버가 상온화되면 히팅 램프를 턴오프시키고 고온의 불활성 기체인 가스가 내부(inner) 챔버로 공급되던 것을 중지시키는 단계; 및
    (9) 웨이퍼가 내부(inner) 챔버로부터 언로딩되도록 하는 단계
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 (9) 단계 또는 상기 (6) 단계에서 상기 내부(inner) 챔버의 실내 압력이 4.58 Torr 이하가 되도록 진공펌프가 펌핑 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 (5) 단계 또는 상기 (2) 단계에서 상기 냉매제는,
    액상 니트로겐(Liquid Nitrogen)인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 내부(inner) 챔버의 실내온도가 상기 냉매제에 의해 0.009℃ 이하로 떨어지도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 냉각가스 공급수단에 의해 생성되는 냉각가스는,
    니트로겐(Nitrogen) 또는 아르곤(Argon)과 같은 불활성 gas인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 내부 챔버(inner chamber)와 외부 챔버(outer chamber)로 이루어져 있으며, 웨이퍼를 웨이퍼 홀더에 로딩(loading)/언로딩(unloading)시 실린더(cylinder)를 이용하여 온/오프 되도록 하는 챔버 상단 덮개 개폐장치와, 내부에 석영과 같은 투명한 내부 윈도우(inner window)가 구비되어 있는 챔버 상단덮개를 구비하고 있는 동결 진공 건조 챔버에 있어서,
    상기 내부 챔버(inner chamber)와 외부 챔버(outer chamber) 사이 형성되어 있으며, 내부에 냉매제를 함유하고 있어 상기 내부 챔버의 내부 온도를 섭씨 영하온도로 유지시키는 온도유지부;
    불활성 기체를 함유하고 있으며, 상기 내부 챔버(inner chamber)로 상기 불활성 기체를 공급하여 웨이퍼의 표면에 존재하는 물 또는 불순물을 함유한 물이 급속 냉각되도록 하는 냉각가스 공급수단;
    배기관을 통해 내부 챔버로 연결되어 있는 압력 조절 밸브를 통해 내부 챔버의 압력을 상압 이하의 진공상태로 형성시키는 진공펌프;
    상기 진공펌프에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 배관)을 통해 고온의 불활성 기체를 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버를 상온화시켜 상기 내부(inner) 챔버의 압력이 상압으로 복귀되도록 하는 고온 가스 공급수단;
    내부(inner) 챔버에서 클리닝 공정과 건조공정이 동시에 수행되는 경우 액상 조절 밸브를 오픈하여 배관을 통해 세정액 및 초순수를 공급하여 클리닝(cleaning) 공정과 린스(rinse) 공정이 이루어질 수 있도록 하는 세척액 공급수단; 및
    상기 내부(inner) 챔버에서 클리닝(cleaning) 공정과 린스(rinse) 공정이 종료되는 경우 배관을 통해 내부(inner) 챔버 내부의 세척액 및 초순수를 배수시키기 위한 배수 밸브(Drain valve)
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
  12. 내부 챔버(inner chamber)와 외부 챔버(outer chamber)로 이루어져 있으며, 웨이퍼를 웨이퍼 홀더에 로딩(loading)/언로딩(unloading)시 실린더(cylinder)를 이용하여 온/오프 되도록 하는 챔버 상단 덮개 개폐장치와, 내부에 석영과 같은 투명한 내부 윈도우(inner window)가 구비되어 있는 챔버 상단덮개를 구비하고 있는 동결 진공 건조 챔버에 있어서,
    클리닝(Cleaning)공정 및 린스(rinse) 공정이 종료된 웨이퍼가 수평으로 내부(inner) 챔버에 로딩(loading)되면 상하 구동 엘리베이터에 의해 구동되어 내부(inner) 챔버를 실링(sealing)시키는 웨이퍼 전송 게이트(transfer gate)의 셔터(shutter);
    불활성 기체(inert gas)를 냉각시켜 배관을 통해 상기 내부 챔버로 공급하여 상기 내부 챔버내에 로딩된 웨이퍼 또는 불순물을 함유한 수용액을 급속 냉각시키 는 냉각 가스 공급부;
    배기관을 통해 내부 챔버로 연결되어 있는 압력 조절 밸브를 통해 내부 챔버의 압력을 상압 이하의 진공상태로 형성시키는 진공펌프; 및
    상기 진공펌프에 의해 동결 진공 건조공정이 종료된 경우 배관을 통해 고온의 불활성 기체를 상기 내부(inner) 챔버로 공급되도록 하여 냉각된 웨이퍼와 상기 내부(inner) 챔버를 상온화시켜 상기 내부(inner) 챔버의 압력이 상압으로 복귀되도록 하는 고온 가스 공급부
    으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 챔버 상단덮개 상부에 복수개 구비되며, 건조공정이 종료된 웨이퍼와 내부(inner) 챔버를 상온화시키는 히팅 램프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    건조공정이 종료된 웨이퍼와 내부(inner) 챔버를 상온화시키는 히팅 램프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 진공 펌프는,
    상기 내부(inner) 챔버의 실내 압력이 4.58 Torr이하가 되도록 펌핑 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
  16. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 온도 유지부로 공급되는 냉매제는,
    액상 니트로겐(Liquid Nitrogen)인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 온도 유지부는,
    상기 내부(inner) 챔버의 실내온도가 0.009℃ 이하로 떨어지도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
  18. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 냉각가스 공급수단에 의해 생성되는 냉각가스는,
    니트로겐(Nitrogen) 또는 아르곤(Argon)과 같은 불활성 gas인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 급속 동결 진공 건조 장치.
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