KR101014520B1 - 매엽식 웨이퍼 세정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

매엽식 웨이퍼 세정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 웨이퍼 세정 장치는, 세정액과 세정 대상인 웨이퍼가 수용되는 세정조, 상기 세정조의 하방에 설치된 제1 메가소닉 발진기, 상기 세정조의 측면에 설치된 제2 메가소닉 발진기, 및 상기 세정조로 세정액을 공급하는 세정액 공급관을 포함하여, 웨이퍼에 서로 다른 주파수의 메가소닉 에너지를 동시에 인가하고, 복수의 세정액 공급홀을 통해 세정액을 공급함으로써, 세정효율을 더욱 높일 수 있다.

웨이퍼, 세정, 메가소닉, 주파수.

Description

매엽식 웨이퍼 세정 장치 및 방법{The apparatus and method of single wafer cleaning}

본 발명은 웨이퍼 세정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 세정조를 갖는 딥핑 방식의 매엽식 세정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼는 슬라이싱(slicing) 공정, 그라인딩(grinding) 공정, 랩핑 공정, 에칭 공정, 폴리싱(polishing) 공정 등의 일련의 공정을 거쳐 반도체 소자 제조용 웨이퍼로 생산된다. 이때, 웨이퍼는 공정이 진행되는 과정에서 각종 오염물에 의해 표면이 오염된다. 대표적인 오염물로는 미세 파티클, 유기 오염물, 금속 오염물 등을 들 수 있으며, 이러한 오염물은 반도체 소자의 생산 수율을 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 이러한 오염물들을 제거하기 위해서는 일반적으로 산 또는 알칼리 등의 에칭액이나 순수(Deionized water)를 이용하는 습식 세정공정을 거치게 된다.

웨이퍼의 습식 세정 방법은, 대표적으로 배치식 웨이퍼 세정 방법과 매엽식 웨이퍼 세정 방법으로 구분된다. 배치식 웨이퍼 세정 방법은 한번에 여러 장의 웨이퍼를 세정하기 때문에 세정시간이 짧고 높은 처리율을 갖고 있어 생산 효율이 크 다. 그러나, 웨이퍼 간의 크로스(cross) 오염으로 인해 세정 효율이 떨어지며, 다량의 세정액을 사용함으로써 비용이 많이 들고 환경 오염을 유발한다는 문제점이 있다. 한편, 공개특허 제1999-005888호에서는 밀폐된 한 개의 세정조만을 사용하여 세정액 소비를 줄일 수 있는 배치식 세정방법을 소개하고 있는데, 후술하는 매엽식 세정 방법에 비해서는 여전히 세정액 소비가 많다. 이에 반해, 매엽식 웨이퍼 세정 방법은 단일 웨이퍼에 대해 소량의 세정액을 사용하여 세정하는 방법으로써, 생산 효율이 낮은 대신 크로스 오염이 없고 고 청정도 분위기에서 세정이 진행되므로 세정 효율이 높다는 장점을 갖는다. 특히, 웨이퍼의 대구경화로 인해 배치식 세정 방법에는 한계가 있고, 고집적화되어 가는 반도체 소자에 있어서는 세정 효율이 더욱 중요하므로 매엽식 세정 방법의 이용이 점차 증가하고 있다.

이러한 매엽식 웨이퍼 세정 방법으로 대표적인 것이 스핀(spin)식 세정, 또는 회전식 세정이라 불리는 세정 방법과 딥핑(dipping) 방식의 세정이다. 딥핑 방식의 세정 방법은 배쓰(bath)라 불리는 세정조에 단일 웨이퍼를 침지시켜 세정하는 방식인 반면, 회전식 세정 방법은 공개특허 제2004-0076439호에 개시되어 있는 바와 같이 회전하는 웨이퍼의 상면에 각종 세정액을 공급하여 세정하는 방식이다.

그러나, 종래의 회전식 세정 방법은 웨이퍼의 상면에 공급된 세정액이 웨이퍼의 이면으로 돌아 들어가 하면을 오염시킬 수 있고, 강한 회전으로 인한 와류의 발생으로 인해 오염 입자가 웨이퍼 표면으로 재부착될 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 공정의 균일도를 이루기 어렵고 웨이퍼의 대구경화로 웨이퍼 회전시 웨이퍼 무게에 의해 세정 장치에 무리가 간다는 문제점도 있다.

한편, 최근에는 습식 세정공정에서 세정효율을 높이기 위해 세정공정이 진행되는 동안 웨이퍼의 표면에 메가소닉 에너지를 인가하는 기술이 이용되고 있다. 일반적으로 메가소닉의 물리적인 효과는 주파수에 따라서, 낮은 주파수 영역에서의 캐비테이션(cavitation) 효과와 높은 주파수 영역에서의 입자가속(Acoustic Streaming)에 의한 효과로 크게 구분할 수 있다. 여기서, 캐비테이션은 큰 에너지를 가지는 증기성 기포로서 웨이퍼 표면에 충돌하여 발생하는 큰 에너지가 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하는 것이다. 그리고 입자가속은 일종의 가속화된 음파의 흐름으로서, 일반적으로 주파수가 높을수록 그 속도가 증가한다. 이러한 입자가속이 증가하면 웨이퍼 표면의 경계층에서 유속이 빨라지므로 경계층의 두께가 얇아지며, 경계층의 두께가 얇아지면 웨이퍼 표면의 미세한 파티클에도 메가소닉 에너지가 미치게 되어 미세 파티클을 쉽게 제거할 수 있다.

그러나, 종래의 메가소닉을 이용한 웨이퍼 세정장치는 메가소닉 주파수를 세정목적에 따라 하나의 주파수로만 고정하여 사용하기 때문에 세정공정이 진행되는 동안에 메가소닉 주파수의 조절이 불가능하다. 또한, 웨이퍼 세정 장치의 세정조 전체에 대해 특정의 단일 주파수만을 사용하기 때문에 서로 다른 주파수 영역에서 나타나는 메가소닉의 물리적인 효과를 모두 활용하지 못하게 된다. 특히, 최근에는 패턴 손상(pattern damage) 방지 및 더욱 미세한 파티클 제거를 위해 높은 주파수의 메가소닉을 사용하고 있지만, 패턴이 없는 베어(bare) 웨이퍼의 경우에는 주파수만 올린다고 해서 미세한 파티클들이 모두 제거되지 않는다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 대구경 웨이퍼의 세정에 적합하고 세정 효율이 높은 딥핑 방식의 매엽식 웨이퍼 세정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 매엽식 웨이퍼 세정 장치는, 세정액과 세정 대상인 웨이퍼가 수용되는 세정조; 상기 세정조의 하방에 설치된 제1 메가소닉 발진기; 상기 세정조의 측면에 설치된 제2 메가소닉 발진기; 및 상기 세정조로 세정액을 공급하는 세정액 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 매엽식 웨이퍼 세정 장치를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 매엽식 웨이퍼 세정 방법은, 세정액과 웨이퍼가 수용된 단일 세정조를 갖는 매엽식 웨이퍼 세정 방법에 있어서, (S1) 상기 세정조의 하방에 설치된 제1 메가소닉 발진기가 상기 세정조에 제1 메가소닉을 인가하는 단계; 및 (S2) 상기 세정조의 측면에 설치된 제2 메가소닉 발진기가 상기 세정조에 제2 메가소닉을 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 점차 대구경화 되어가고 있는 웨이퍼의 세정에 적합하며, 기존의 세정 방법이 갖는 웨이퍼 하부면 오염이나, 웨이퍼 간의 크로스 오염, 다량의 세정액 소비와 그로 인한 환경 오염 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 또한, 복수의 메가소닉 발진기를 이용하여 서로 다른 주파수의 메가소닉 에너지를 웨이퍼 전면에 골고루 전달하고, 세정액 공급관에 다수개의 홀을 포함하여 세정조 내에서 순환하는 유체가 데드존(deadzone) 없이 일정하게 오버플로우(overflow)되도록 함으로써 세정 효율을 더욱 높일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은, 본 발명의 일실시예에 따른 딥핑 방식의 매엽식 웨이퍼 세정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1에 대한 측면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 매엽식 웨이퍼 세정장치는 세정액과 세정대상인 웨이퍼(10)가 수용되는 세정조, 세정조의 하방에 설치된 제1 메가소닉 발진기(40), 세정조의 측면에 설치된 제2 메가소닉 발진기(80), 및 세정조 로 세정액을 공급하는 세정액 공급관(70)을 포함한다.

세정조는 세정액과 웨이퍼(10)가 수용되는 내조(20)와, 내조(20)로부터 오버플로우(overflow)된 세정액이 순환되도록 하기 위한 외조(30)로 구성될 수 있다. 내조(20)의 내부에는 낱장의 웨이퍼(10)를 지지하기 위한 웨이퍼 지지대(60)가 설치되며, 초순수나 오존수와 같은 세정액이 채워진다. 외조(30)는 내조(20)의 상반부 외측에 설치되며, 내조(20)의 양측 벽을 넘어 오버플로우되는 세정액을 받을 수 있도록 구성된다. 오버플로우된 세정액은 도시하지 않은 순환 시스템에 의해 회수되어 세정액 공급관(70)을 통해 내조(20)로 재공급될 수 있다. 하지만, 오버플로우된 세정액이 재순환되지 않고 배수되거나, 나아가 별도의 외조가 설치되지 않은, 즉 내조만으로 구성된 세정조를 채택할 수도 있음은 물론이다.

한편, 웨이퍼 지지대(60)는 효과적인 세정을 위해 웨이퍼(10)를 세정조 바닥면에 수직한 방향으로 세워서 장착할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 웨이퍼 지지대(60)는 제1 메가소닉 발진기(40) 및 제2 메가소닉 발진기(80)에서 발생하는 메가소닉 에너지를 웨이퍼(10)의 전체면에 골고루 전달하기 위하여 웨이퍼(10)를 웨이퍼 원주 방향으로 회전시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 이 웨이퍼(10)를 회전시키기 위한 구체적인 회전 수단은 로울러와 같은 공지의 수단으로서 구체적인 설명과 도시는 생략한다.

제1 메가소닉 발진기(40)는 세정조의 하방에 위치하며, 메가소닉 에너지의 전달을 위해 물 등의 매체가 채워진 메가소닉 수조(50) 내에 설치된다. 그러나, 물이 채워진 별도의 메가소닉 수조(50)를 배치하지 않고, 제1 메가소닉 발진기(40) 를 세정조 하방에 직접 배치하는 구성도 가능하다. 한편, 제1 메가소닉 발진기(40)가 세정조의 하방에 설치되더라도, 상술한 바와 같이 웨이퍼 지지대(60)가 웨이퍼(10)를 회전시키는 구성을 통해, 제1 메가소닉 발진기(40)의 메가소닉 에너지를 웨이퍼(10) 전체 면에 골고루 전달할 수 있다.

제2 메가소닉 발진기(80)는 세정조의 측면에 설치되어 세정액을 통해 수평 방향으로 메가소닉 에너지를 인가한다. 바람직하게, 제2 메가소닉 발진기(80)는 바 타입의 복수의 메가소닉 발진기로 이루어져 있고, 각각 서로 다른 주파수의 메가소닉을 발생시킨다. 제2 메가소닉 발진기(80)가 웨이퍼(10) 전체에 메가소닉 에너지를 골고루 인가하기 위해서는 웨이퍼보다 큰 면적을 가져야 할 것이나, 그보다 작은 면적으로도 유사한 세정 효율을 갖기 위해 바 타입이 유용하다. 즉, 도 1을 참조하면, 제2 메가소닉 발진기의 바의 길이가 웨이퍼(10)의 반경보다 길다면 상기와 같이 웨이퍼(10)를 원주 방향으로 회전시킴으로써, 복수의 제2 메가소닉 발진기(80)에 의해 발생된 각각 서로 다른 주파수의 메가소닉 에너지를 웨이퍼(10) 전체 면에 골고루 효율적으로 전달할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 제2 메가소닉 발진기(80)가 3개로 구성된 예를 들었으나, 발진기의 수는 그에 한정되지 않고 3개 이상의 장착도 가능하다. 또한 제2 메가소닉 발진기(80) 각각의 주파수는 원하는 응용에 따라 다양하게 조합될 수 있다. 따라서, 한 번의 세정으로, 저주파 영역에서의 캐비테이션 효과로 인하여 비교적 큰 파티클을 제거함과 동시에, 고주파 영역에서의 입자가속의 효과로 미세 파티클을 제거할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 의하면, 제1 메가소닉 발진기(40)와 별도로 제2 메가소닉 발진기(80)를 구비함으로써, 수직 방향의 메가소닉 에너지와 수평 방향의 메가소닉 에너지를 동시에 인가하여, 웨이퍼의 세정 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

한편, 세정액 공급관(70)은 세정조의 내조(20)로 세정액을 공급하는 구성요소이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 세정액 공급관(70)의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 세정액 공급관(70)은 복수의 세정액 공급홀(71)을 포함하는 것이 바람직하다. 오버플로우된 세정액이 재순환하거나 배수되는 형태의 세정 장치에서는, 일반적으로 세정액 공급관(70)이 세정조의 하방에 설치되어, 세정조의 아래에서 위 방향으로 세정액이 공급된다. 이 경우 복수의 세정액 공급홀(71)을 통해 세정액이 공급된다면, 세정조 내에서 순환하는 유체가 데드존(dead-zone) 없이 일정하게 오버플로우될 수 있고, 세정 공정이 진행되는 동안 세정조 내의 세정액이 일정한 농도 구배를 가질 수 있다.

다음은 상기와 같은 구성을 가지는 본 실시예의 매엽식 웨이퍼 세정 장치를 이용한 세정 방법을 설명한다. 도 4는, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 웨이퍼 세정 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 먼저 웨이퍼에 대한 단위 공정이 종료되면 웨이퍼를 상기와 같은 구성의 웨이퍼 세정 장치의 웨이퍼 지지대에 장착한다(S41).

그런 다음, 웨이퍼 세정 장치를 작동시키면 세정조의 내조로 세정액 공급관 을 통해 세정액이 공급되고, 웨이퍼의 표면과 접촉하게 되어 웨이퍼의 세정을 시작하게 된다(S42).

이어서, 제1 메가소닉 발진기가 제1 메가소닉을 인가하여, 수조의 물을 통해 제1 메가소닉 에너지가 내조의 웨이퍼로 전달된다(S43). 또한, 제2 메가소닉 발진기가 제2 메가소닉을 인가하여, 세정액을 통하여 제2 메가소닉 에너지가 웨이퍼로 전달된다(S44). 이때, 내조 내부는 초음파에 의한 세정액의 진동과 캐비테이션이 발생하게 되고, 이러한 세정액의 진동과 웨이퍼의 표면에서 파열하는 캐비테이션에 의해 웨이퍼 표면의 오염물질은 제거된다. 한편, 제1 메가소닉 발진기가 제1 메가소닉을 인가하는 단계와 제2 메가소닉 발진기가 제2 메가소닉 인가을 인가하는 단계 중, 어느 단계를 먼저 진행하거나 또는 동시에 진행하여도 무방할 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

도 1에서 상술한 바와 같이, 제2 메가소닉 발진기는 바 타입의 복수의 메가소닉 발진기로 이루어지고, 각각 서로 다른 주파수의 메가소닉을 동시에 인가하는 것이 바람직하다. 그리하여, 낮은 주파수 영역에서의 캐비테이션 효과와 높은 주파수 영역에서의 가속화된 음파의 흐름이 세정 대상이 되는 웨이퍼에 동시에 작용하여 단일 주파수만으로 세정하던 종래보다 세정효율을 더욱 높일 수 있다.

또한, 제1 메가소닉 발진기의 제1 메가소닉 인가 또는 제2 메가소닉 발진기의 제2 메가소닉 인가는, 세정조의 바닥면에 수직한 평면에서 상기 웨이퍼를 원주 방향으로 회전시키면서 수행하는 것이 바람직하다. 이로써, 제1 메가소닉 에너지 또는 제2 메가소닉 에너지를 웨이퍼 전체 면에 골고루 전달할 수 있음은 상술한 바 와 같다.

한편, 세정 과정에서 웨이퍼로부터 분리된 오염물질을 포함하는 세정액은 외조로 오버플로우되어 배수 또는 재순환되며, 세정액 공급관을 통해 부족한 세정액이 보충된다. 바람직하게는, 복수의 세정액 공급홀을 갖는 세정액 공급관을 통해 세정액을 세정조로 공급한다. 따라서, 세정조 내에서 순환하는 유체가 데드존 없이 일정하게 오버플로우되고, 세정조 내의 세정액이 일정한 농도 구배를 가질 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은, 본 발명의 일실시예에 따른 딥핑 방식의 매엽식 웨이퍼 세정 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 2는 도 1의 매엽식 웨이퍼 세정 장치에 대한 측면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 세정액 공급관(70)의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 4는, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 웨이퍼 세정 방법을 나타내는 흐름도이다.

Claims (8)

1. 세정액과 세정 대상인 웨이퍼가 수용되는 세정조;

   상기 세정조의 하방에 설치된 제1 메가소닉 발진기;

   상기 세정조의 측면에 설치된 제2 메가소닉 발진기; 및

   상기 세정조로 세정액을 공급하는 세정액 공급관

   을 포함하되,

   상기 제2 메가소닉 발진기는 바 타입의 복수의 메가소닉 발진기로 이루어지고, 상기 복수의 메가소닉 발진기는 각각 서로 다른 주파수의 메가소닉을 발생시키며,

   상기 세정조의 내부에는 웨이퍼를 세정조의 바닥면에 수직한 방향으로 세워서 지지하는 웨이퍼 지지대가 구비되고, 상기 웨이퍼 지지대는 상기 웨이퍼를 원주 방향으로 회전시키는 회전 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 매엽식 웨이퍼 세정 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 메가소닉 발진기를 이루는 바 타입의 복수의 메가소닉 발진기는, 상기 웨이퍼와 평행하게 상기 웨이퍼의 반경 방향을 따라 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 매엽식 웨이퍼 세정 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 세정액과 웨이퍼가 수용된 단일 세정조를 갖는 매엽식 웨이퍼 세정 방법에 있어서,

   (S1) 상기 세정조의 하방에 설치된 제1 메가소닉 발진기가 상기 세정조에 제1 메가소닉을 인가하는 단계; 및

   (S2) 상기 세정조의 측면에 설치된 제2 메가소닉 발진기가 상기 세정조에 제2 메가소닉을 인가하는 단계

   를 포함하되,

   상기 제2 메가소닉 발진기는 바 타입의 복수의 메가소닉 발진기로 이루어지고, 상기 복수의 메가소닉 발진기는 각각 서로 다른 주파수의 메가소닉을 동시에 인가하며,

   상기 S1 단계 또는 상기 S2 단계는, 상기 세정조의 바닥면에 수직한 평면에서 상기 웨이퍼를 원주 방향으로 회전시키면서 수행하는 것을 특징으로 하는 매엽식 웨이퍼 세정 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 메가소닉 발진기를 이루는 바 타입의 복수의 메가소닉 발진기는, 상기 웨이퍼와 평행하게 상기 웨이퍼의 반경 방향을 따라 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 매엽식 웨이퍼 세정 방법.
7. 삭제
8. 삭제

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