KR101395225B1 - 기판처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초임계유체 및 불활성기체를 이용하여 기판의 건조공정을 수행하는 기판처리장치, 이를 갖는 기판처리설비 및 이를 이용한 기판처리방법이다. 상기 기판을 건조하는 방법에 있어서, 챔버 내에 초임계유체를 공급하여 기판을 건조시키는 제1건조단계, 챔버 내에 불활성기체를 공급하여 챔버 내에 초임계유체를 공급하여 챔버 내에 불활성기체를 배출시키는 제3건조단계, 그리고 챔버 내에 초임계유체를 공급하여 챔버 내에 기판을 건조하는 제4건조단계를 포함한다.

Description

기판처리방법{Method for treating substrate}

본 발명은 반도체 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 기판을 세정하는 기판 처리 장치, 기판처리설비, 그리고 기판처리방법에 관한 것입니다.

기판 표면에 잔류하는 파티클(Particle), 유기 오염물, 그리고 금속 오염물 등의 오염 물질은 반도체 소자의 특성과 생산 수율에 많은 영향을 미친다. 이 때문에 기판 표면에 부착된 각종 오염 물질을 제거하는 세정 공정이 반도체 제조 공정에서 매우 중요하며, 반도체를 제조하는 각 단위 공정의 전후 단계에서 기판을 세정 처리하는 공정이 실시되고 있다. 일반적으로 기판의 세정은 케미칼을 이용하여 기판 상에 잔류하는 금속 이물질, 유기 물질, 또는 파티클 등을 제거하는 케미컬 처리 공정, 순수를 이용하여 기판 상에 잔류하는 케미칼을 제거하는 린스 공정, 그리고 건조 가스 등을 이용하여 기판을 건조하는 건조 공정을 포함한다.

최근에는 기판 상에 형성된 패턴이 높은 종횡비(aspect ratio)를 가짐에 따라 패턴 무너짐이 문제가 된다. 이러한 패턴 무너짐은 패턴 내 기체와 액체의 계면에서 발생되는 표면장력으로 인한 것이며, 이를 해소하기 위해서 최근에는 초임계 유체를 이용하여 기판을 건조하는 방법이 사용되고 있다. 초임계유체란 임계온도 및 임계압력 이상의 온도와 압력하에 있는 가스이다. 초임계유체는 액체에 가까운 용해력을 갖지만, 장력과 점성은 기체에 가까운 성질을 가진다. 초임계유체는 기체와 액체의 계면을 형성하지 않기 때문에 표면장력은 거의 제로이며, 따라서 초임계 상태에서 기판 건조시 패턴 무너짐을 최소화할 수 있다. 초임계유체로는 일반적으로 낮은 임계점(7.3MPa. 31˚C)을 갖고 있는 동시에 화학적으로 안정된 이산화탄소가 사용된다.

상술한 초임계유체로 기판 건조시 건조가 이루어지는 처리실 내부가 임계 압력 이상으로 유지해야 한다. 그러나 건조 초기에 처리실로 초임계 유체를 공급시 처리실 내부가 임계 압력에 도달하는 데까지 많은 시간이 소요되고, 그동안 초임계가 다량 소모된다. 또한, 처리실 내 내부 압력이 충분히 높지 않은 상태에서 기판의 패턴면을 향해 초임계 유체가 고압으로 분사되면, 초임계 유체에 의해 패턴이 손상될 수 있다. 또한, 기판의 패턴 사이에 순수가 아닌 이소프로필 알코올이 잔류하고 있는 경우, 초임계 유체로 기판 건조시 이소프로필 알코올은 잘 제거되지 않는다.

본 발명은 기판의 세정 효율을 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초임계 유체로 기판 건조시 기판 상의 패턴들 사이에 잔류하는 이소프로필알코올을 효율적으로 제거할 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초임계 유체의 사용량을 절감할 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초임계 유체에 의해 기판의 패턴이 손상되는 것을 방지할 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초임계유체를 이용하여 기판을 건조시, 공정시간을 단축할 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명은 기판처리장치를 제공한다. 본 발명에 있어서, 기판처리장치는 기판을 처리하는 공간을 제공하는 챔버와; 상기 챔버 내에 위치하여 상기 기판을 지지하는 기판지지부재와; 상기 챔버 내에 초임계유체를 공급하는 유체공급관과; 상기 챔버에 연결되어 상기 챔버 내에 불활성기체를 공급하는 기체공급관과; 상기 챔버에 연결되어 상기 챔버 내에 유체를 배출하는 배출관을 포함한다.

상기 유체공급관은, 상기 챔버의 상부에 연결된 상부유체공급관과; 상기 챔버의 하부에 연결된 하부유체공급관을 포함할 수 있다.

상기 배출관은, 상기 챔버의 상부에 연결된 상부배출관과; 상기 챔버의 하부에 연결된 하부배출관을 포함할 수 있다.

상기 기체공급관은 상기 챔버의 상부에 연결될 수 있다.

또한 본 발명은 기판처리설비를 제공한다. 본 발명에 있어서, 기판처리설비는 제1공정챔버와; 제2공정챔버와; 상기 제1공정챔버와 제2공정챔버 간에 기판을 이송시키는 메인로봇을 포함하되; 상기 제1공정챔버는, 상부가 개방된 하우징과; 상기 하우징 내에 위치하여 상기 기판을 지지 및 회전시키는 스핀헤드와; 상기 기판으로 순수를 공급하는 제2노즐과; 상기 기판으로 유기용제를 공급하는 제3노즐을 포함하고, 상기 제2공정챔버는, 상기 기판을 처리하는 공간을 제공하는 챔버와; 상기 챔버 내에 위치하여 상기 기판을 지지하는 기판지지부재와; 상기 챔버 내에 초임계유체를 공급하는 유체공급관과; 상기 챔버에 연결되어 상기 챔버 내로 불활성기체를 공급하는 기체공급관과; 상기 챔버에 연결되어 상기 챔버 내에 유체를 배출시키는 배출관을 포함한다.

상기 유체공급관은, 상기 챔버의 상부에 연결된 상부유체공급관과; 상기 챔버의 하부에 연결된 하부유체공급관을 포함할 수 있다.

상기 배출관은, 상기 챔버의 상부에 연결된 상부배출관과; 상기 챔버의 하부에 연결된 하부배출관을 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 기판을 건조시키는 기판처리방법을 제공한다. 본 발명에 있어서, 기판처리방법은 챔버 내에 초임계유체를 공급하여 상기 기판을 건조시키는 제1건조단계와; 상기 챔버 내에 불활성기체를 공급하여 상기 챔버 내에 상기 초임계유체를 배출시키는 제2건조단계와; 상기 챔버 내에 상기 초임계유체를 공급하여 상기 챔버 내에 상기 불활성기체를 배출시키는 제3건조단계와; 상기 챔버 내에 상기 초임계유체를 공급하여 상기 챔버 내에 기판을 건조하는 제4건조단계를 포함한다.

상기 제1건조단계 전에, 상기 챔버 내에 상기 불활성기체를 공급하여 상기 챔버의 내부압력을 증가시키는 제1분위기형성단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제1건조단계와 상기 제1분위기형성단계의 사이에, 상기 챔버 내에 상기 초임계유체를 공급하여 상기 챔버 내에 상기 불활성기체를 배출하고, 상기 챔버의 내부를 초임계유체 분위기로 형성하는 제2분위기형성 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 기판은 이소프로필알코올에 의해 건조되어 상기 챔버 내에 공급될 수 있다.

상기 불활성기체는 헬륨일 수 있다.

상기 제2건조단계에서 상기 초임계유체는 상기 챔버의 하부에 연결된 배출관을 통해 배출되고, 상기 제3건조단계에서 상기 불활성기체는 상기 챔버의 상부에 연결된 배출관을 통해 배출될 수 있다.

본 발명은 챔버 내에 초임계유체가 공급되기 전, 챔버 내에 불활성가스를 공급하여 챔버의 내부압력을 초임계유체의 임계압력 이상으로 높힘으로써, 공정시간을 단축시킬 수 있다.

또한 공정 초기에 초임계유체를 챔버의 하부로부터 공급하여 기판의 패턴들에 발생되는 타력을 최소화할 수 있다.

또한 상기 패턴 간에 잔류된 이소프로필알코올은 불활성기체를 공급함으로써, 보다 신속하게 이소프로필알코올을 제거할 수 있다.

또한 본 발명은 초임계유체를 배출 시 챔버 내에 불활성기체를 공급하여 챔버의 내부압력을 일정하게 유지시킬 수 있다.

도1은 본 발명의 기판처리설비를 개략적으로 보여주는 평면도이다.
도2는 도1의 제1공정챔버에서 기판(W)을 세정하는 기판처리장치를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도3은 본 발명의 일 예에 따른 유체의 압력-온도(PT)선도를 도시한 그래프이다.
도4는 본 발명의 일 예에 따라 초임계유체를 이용한 기판처리장치를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도5은 본 발명에 따른 기판건조과정을 보여주는 순서도이다.
도6a 내지 도6h는 도5의 기판건조과정을 순차적으로 보여주는 도면들이다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이다.

본 발명은 도1 내지 도6h를 참조하여 본 발명의 일 예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 기판처리설비(1)를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도1을 참조하면, 기판처리설비(1)는 인덱스모듈(10)과 공정처리모듈(20)을 가지고, 인덱스모듈(10)은 로드포트(120) 및 이송프레임(140)을 가진다. 로드포트(120), 이송프레임(140), 그리고 공정처리모듈(20)은 순차적으로 일렬로 배열된다. 이하, 로드포트(120), 이송프레임(140), 그리고 공정처리모듈(20)이 배열된 방향을 제1방향(12)이라 하고, 상부에서 바라볼 때, 제1방향(12)과 수직한 방향을 제2방향(14)이라 하며, 제1방향(12)과 제2방향(14)을 포함한 평면에 수직인 방향을 제3방향(16)이라 칭한다.

도1을 참조하면, 기판처리설비(1)는 인덱스모듈(10)과 공정처리모듈(20)을 가지고, 인덱스모듈(10)은 로드포트(120) 및 이송프레임(140)을 가진다. 로드포트(120), 이송프레임(140), 그리고 공정처리모듈(20)은 순차적으로 일렬로 배열된다. 이하, 로드포트(120), 이송프레임(140), 그리고 공정처리모듈(20)이 배열된 방향을 제1방향(12)이라 한다. 그리고 상부에서 바라볼 때 제1방향(12)과 수직한 방향을 제2방향(14)이라 하고, 제1방향(12)과 제2방향(14)을 포함한 평면에 수직인 방향을 제3방향(16)이라 한다.

로드포트(140)에는 기판(W)이 수납된 캐리어(130)가 안착된다. 로드포트(120)는 복수 개가 제공되며 이들은 제2방향(14)을 따라 일렬로 배치된다. 도 1에서는 네 개의 로드포트(120)가 제공된 것으로 도시하였다. 그러나 로드포트(120)의 개수는 공정처리모듈(20)의 공정효율 및 풋 프린트 등의 조건에 따라 증가하거나 감소할 수도 있다. 캐리어(130)에는 기판의 가장자리를 지지하도록 제공된 슬롯(도시되지 않음)이 형성된다. 슬롯은 제3방향(16)을 복수 개가 제공되고, 기판은 제3방향(16)을 따라 서로 이격된 상태로 적층되게 캐리어 내에 위치된다. 캐리어(130)로는 전면 개방 일체형 포드(Front Opening Unified Pod;FOUP)가 사용될 수 있다.

공정처리모듈(20)은 버퍼유닛(220), 이송챔버(240), 제1공정챔버(260), 그리고 제2공정챔버(280)를 가진다. 이송챔버(240)는 그 길이 방향이 제1방향(12)과 평행하게 배치된다. 제2방향(14)를 따라 이송챔버(240)의 일측에는 제1공정챔버들(260)이 배치되고, 이송챔버(240)의 타측에는 제2공정챔버들(280)이 배치된다. 제1공정챔버들(260)과 제2공정챔버들(280)은 이송챔버(240)를 기준으로 서로 대칭이 되도록 제공될 수 있다. 제1공정챔버(260)들 중 일부는 이송챔버(240)의 길이 방향을 따라 배치된다. 또한, 제1공정챔버(260)들 중 일부는 서로 적층되게 배치된다. 즉, 이송챔버(240)의 일측에는 제1공정챔버(260)들이 A X B(A와 B는 각각 1이상의 자연수)의 배열로 배치될 수 있다. 여기서 A는 제1방향(12)을 따라 일렬로 제공된 제1공정챔버(260)의 수이고, B는 제3방향(16)을 따라 일렬로 제공된 제2공정챔버(260)의 수이다. 이송챔버(240)의 일측에 제1공정 챔버(260)가 4개 또는 6개 제공되는 경우, 제1공정챔버들(260)은 2 X 2 또는 3 X 2의 배열로 배치될 수 있다. 제1공정챔버(260)의 개수는 증가하거나 감소할 수도 있다. 제2공정챔버들(280)도 제1공정챔버들(260)과 유사하게 M X N(M과 N은 각각 1 이상의 자연수)의 배열로 배치될 수 있다. 여기에서 M, N은 각각 A, B와 동일한 수일 수 있다. 상술한 바와 달리, 제1공정챔버(260)와 제2공정챔버(280)은 모두 이송챔버(240)의 일측에만 제공될 수 있다. 또한, 상술한 바와 달리, 제1공정챔버(260)와 제2공정챔버(280)은 각각 이송챔버(240)의 일측 및 타측에 단층으로 제공될 수 있다. 선택적으로, 이송챔버(240)의 일측 또는/및 타측에 제1공정챔버(260)와 제2공정챔버(280)는 서로 간에 적층되도록 제공될 수 있다. 또한, 제1공정챔버(260)와 제2공정챔버(280)는 상술한 바와 달리 다양한 배치로 제공될 수 있다.

버퍼유닛(220)은 이송프레임(140)과 이송챔버(240) 사이에 배치된다. 버퍼 유닛(220)은 이송챔버(240)와 이송프레임(140) 간에 기판(W)이 반송되기 전에 기판(W)이 머무르는 공간을 제공한다. 버퍼유닛(220)은 그 내부에 기판(W)이 놓이는 슬롯(미도시)이 제공되며, 슬롯(미도시)들은 서로 간에 제3방향(16)을 따라 이격되도록 복수 개 제공된다. 버퍼유닛(220)에서 이송프레임(140)과 마주보는 면과 이송챔버(240)와 마주보는 면 각각이 개방된다.

이송프레임(140)은 로드포트(120)에 안착된 캐리어(130)와 버퍼유닛(220) 간에 기판(W)을 반송한다. 이송프레임(140)에는 인덱스레일(142)과 인덱스로봇(144)이 제공된다. 인덱스레일(142)은 그 길이 방향이 제2방향(14)과 나란하게 제공된다. 인덱스로봇(144)은 인덱스레일(142) 상에 설치되며, 인덱스레일(142)을 따라 제2방향(14)으로 직선 이동된다. 인덱스로봇(144)은 베이스(144a), 몸체(144b), 그리고 인덱스암(144c)을 가진다. 베이스(144a)는 인덱스레일(142)을 따라 이동 가능하도록 설치된다. 몸체(144b)는 베이스(144a)에 결합된다. 몸체(144b)는 베이스(144a) 상에서 제3방향(16)을 따라 이동 가능하도록 제공된다. 또한, 몸체(144b)는 베이스(144a) 상에서 회전 가능하도록 제공된다. 인덱스암(144c)은 몸체(144b)에 결합되고, 몸체(144b)에 대해 전진 및 후진 이동 가능하도록 제공된다. 인덱스암(144c)은 복수 개 제공되어 각각 개별 구동되도록 제공된다. 인덱스암(144c)들은 제3방향(16)을 따라 서로 이격된 상태로 적층되게 배치된다. 인덱스암(144c)들 중 일부는 공정처리모듈(20)에서 캐리어(130)로 기판(W)을 반송할 때 사용되고, 다른 일부는 캐리어(130)에서 공정처리모듈(20)로 기판(W)을 반송할 때 사용될 수 있다. 이는 인덱스로봇(144)이 기판(W)을 반입 및 반출하는 과정에서 공정 처리 전의 기판(W)으로부터 발생된 파티클이 공정 처리 후의 기판(W)에 부착되는 것을 방지할 수 있다.

이송챔버(240)는 버퍼유닛(220), 제1공정챔버(260), 그리고 제2공정챔버(280) 간에 기판(W)을 반송한다. 이송챔버(240)에는 가이드레일(242)과 메인로봇(244)이 제공된다. 가이드레일(242)은 그 길이 방향이 제1방향(12)과 나란하도록 배치된다. 메인로봇(244)은 가이드레일(242) 상에 설치되고, 가이드레일(242) 상에서 제1방향(12)을 따라 직선 이동된다. 메인로봇(244)은 베이스(244a), 몸체(244b), 그리고 메인암(244c)을 가진다. 베이스(244a)는 가이드레일(242)을 따라 이동 가능하도록 설치된다. 몸체(244b)는 베이스(244a)에 결합된다. 몸체(244b)는 베이스(244a) 상에서 제3방향(16)을 따라 이동 가능하도록 제공된다. 또한, 몸체(244b)는 베이스(244a) 상에서 회전 가능하도록 제공된다. 메인암(244c)은 몸체(244b)에 결합되고, 이는 몸체(244b)에 대해 전진 및 후진 이동 가능하도록 제공된다. 메인암(244c)은 복수 개 제공되어 각각 개별 구동되도록 제공된다. 메인암(244c)들은 제3방향(16)을 따라 서로 이격된 상태로 적층되게 배치된다. 버퍼유닛(220)에서 공정챔버(260, 280)로 기판(W)을 반송할 때 사용되는 메인암(244c)과 공정챔버(260, 280)에서 버퍼유닛(220)으로 기판(W)을 반송할 때 사용되는 메인암(244c)은 서로 상이할 수 있다. 또한, 제1공정챔버(260)에서 제2공정챔버(280)로 기판(W)을 반송할 때 사용되는 메인암(244c)과 제2공정챔버(280)에서 버퍼유닛(220)으로 기판을 반송할 때 사용되는 메인암(244c)은 서로 상이할 수 있다.

제1공정챔버(260)와 제2공정챔버(280)는 하나의 기판(W)에 대해 순차적으로 공정을 수행하도록 제공될 수 있다. 예컨대, 기판(W)은 제1공정챔버(260)에서 케미컬처리공정, 린스공정, 그리고 1차건조공정이 수행되고, 제2공정챔버(260)에서 2차건조공정이 수행될 수 있다. 이 경우, 1차건조공정은 유기용제에 의해 이루어지고, 2차건조공정은 초임계유체에 의해 이루어질 수 있다. 유기용제로는 이소프로필 알코올 증기 또는 이소프로필 알코올 액이 사용되고, 초임계유체로는 이산화탄소가 사용될 수 있다. 이와 달리 제1공정챔버(260)에서 1차건조공정은 생략될 수 있다.

아래에서는 제1공정챔버(260)에 제공된 기판처리장치(300)에 대해 설명한다. 도2는 도1의 제1공정챔버(260)에서 기판(W)을 세정하는 기판처리장치(300)를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도2를 참조하면, 기판처리장치(300)는 하우징(320), 스핀헤드(340), 승강유닛(360), 그리고 분사부재(380)를 가진다. 하우징(320)은 기판처리공정이 수행되는 공간을 제공하며, 그 상부는 개방된다. 하우징(320)은 내부회수통(322), 중간회수통(324), 그리고 외부회수통(326)을 가진다. 각각의 회수통(322,324,326)은 공정에 사용된 처리액 중 서로 상이한 처리액을 회수한다. 내부회수통(322)은 스핀헤드(340)를 감싸는 환형의 링 형상으로 제공되고, 중간회수통(324)은 내부회수통(322)을 감싸는 환형의 링 형상으로 제공되고, 외부회수통(326)은 중간회수통(324)을 감싸는 환형의 링 형상으로 제공된다. 내부회수통(322)의 내측공간(322a), 내부회수통(322)과 중간회수통(324)의 사이 공간(324a) 그리고 중간회수통(324)과 외부회수통(326)의 사이 공간(326a)은 각각 내부회수통(322), 중간회수통(324), 그리고 외부회수통(326)으로 처리액이 유입되는 유입구로서 기능한다. 각각의 회수통(322,324,326)에는 그 저면 아래 방향으로 수직하게 연장되는 회수라인(322b,324b,326b)이 연결된다. 각각의 회수라인(322b,324b,326b)은 각각의 회수통(322,324,326)을 통해 유입된 처리액을 배출한다. 배출된 처리액은 외부의 처리액 재생 시스템(미도시)을 통해 재사용될 수 있다.

스핀헤드(340)는 하우징(320) 내에 배치된다. 스핀헤드(340)은 공정 진행 중 기판(W)을 지지하고 기판(W)을 회전시킨다. 스핀헤드(340)는 몸체(342), 지지핀(334), 척핀(346), 그리고 지지축(348)을 가진다. 몸체(342)는 상부에서 바라볼 때 대체로 원형으로 제공되는 상부면을 가진다. 몸체(342)의 저면에는 모터(349)에 의해 회전가능한 지지축(348)이 고정결합된다. 지지핀(334)은 복수 개 제공된다. 지지핀(334)은 몸체(342)의 상부면의 가장자리부에 소정 간격으로 이격되게 배치되고 몸체(342)에서 상부로 돌출된다. 지지핀들(334)은 서로 간에 조합에 의해 전체적으로 환형의 링 형상을 가지도록 배치된다. 지지핀(334)은 몸체(342)의 상부면으로부터 기판(W)이 일정거리 이격되도록 기판의 후면 가장자리를 지지한다. 척핀(346)은 복수 개 제공된다. 척핀(346)은 몸체(342)의 중심에서 지지핀(334)보다 멀리 떨어지게 배치된다. 척핀(346)은 몸체(342)에서 상부로 돌출되도록 제공된다. 척핀(346)은 스핀헤드(340)가 회전될 때 기판(W)이 정 위치에서 측 방향으로 이탈되지 않도록 기판(W)의 측부를 지지한다. 척핀(346)은 몸체(342)의 반경 방향을 따라 대기위치와 지지위치 간에 직선 이동 가능하도록 제공된다. 대기위치는 지지위치에 비해 몸체(342)의 중심으로부터 멀리 떨어진 위치이다. 기판(W)이 스핀헤드(340)에 로딩 또는 언 로딩시에는 척핀(346)은 대기위치에 위치되고, 기판(W)에 대해 공정 수행시에는 척핀(346)은 지지위치에 위치된다. 지지위치에서 척핀(346)은 기판(W)의 측부와 접촉된다.

승강유닛(360)은 하우징(320)을 상하 방향으로 직선 이동시킨다. 하우징(320)이 상하로 이동됨에 따라 스핀헤드(340)에 대한 하우징(320)의 상대 높이가 변경된다. 승강유닛(360)은 브라켓(362), 이동축(364), 그리고 구동기(366)를 가진다. 브라켓(362)은 하우징(320)의 외벽에 고정설치되고, 브라켓(362)에는 구동기(366)에 의해 상하 방향으로 이동되는 이동축(364)이 고정결합된다. 기판(W)이 스핀헤드(340)에 놓이거나, 스핀헤드(340)로부터 들어올려 질 때 스핀헤드(340)가 하우징(320)의 상부로 돌출되도록 하우징(320)은 하강된다. 또한, 공정이 진행될 시에는 기판(W)에 공급된 처리액의 종류에 따라 처리액이 기설정된 회수통(360)으로 유입될 수 있도록 하우징(320)의 높이가 조절한다. 예컨대, 제1처리액으로 기판(W)을 처리하고 있는 동안에 기판(W)은 내부회수통(322)의 내측공간(322a)과 대응되는 높이에 위치된다. 또한, 제2처리액, 그리고 제3처리액으로 기판(W)을 처리하는 동안에 각각 기판(W)은 내부회수통(322)과 중간회수통(324)의 사이 공간(324a), 그리고 중간회수통(324)과 외부회수통(326)의 사이 공간(326a)에 대응되는 높이에 위치될 수 있다. 상술한 바와 달리 승강유닛(360)은 하우징(320) 대신 스핀헤드(340)를 상하 방향으로 이동시킬 수 있다.

분사부재(380)는 기판처리공정 시 기판(W)으로 처리액을 공급한다. 분사부재(380)는 노즐 지지대(382), 노즐(384), 지지축(386), 그리고 구동기(388)를 가진다. 지지축(386)은 그 길이 방향이 제3방향(16)을 따라 제공되고, 지지축(386)의 하단에는 구동기(388)가 결합된다. 구동기(388)는 지지축(386)을 회전 및 승강 운동한다. 노즐지지대(382)는 구동기(388)와 결합된 지지축(386)의 끝단 반대편과 수직하게 결합된다. 노즐(384)은 노즐지지대(382)의 끝단 저면에 설치된다. 노즐(384)은 구동기(388)에 의해 공정 위치와 대기 위치로 이동된다. 공정 위치는 노즐(384)이 하우징(320)의 수직 상부에 배치된 위치이고, 대기 위치는 노즐(384)이 하우징(320)의 수직 상부로부터 벗어난 위치이다. 분사부재(380)는 하나 또는 복수 개가 제공될 수 있다. 분사부재(380)가 복수 개 제공되는 경우, 케미칼, 린스액, 또는 유기용제는 서로 상이한 분사부재(380)를 통해 제공될 수 있다. 린스액은 순수일 수 있고, 유기용제는 이소프로필 알코올 증기와 비활성 가스의 혼합물이거나 이소프로필 알코올 액일 수 있다.

다음에는 제2공정챔버(280)에 제공된 기판처리장치(400)에 대해 상세히 설명한다. 도3은 유체의 압력-온도(PT)선도를 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 초임계유체는 임계온도(Tc) 및 임계압력(Pc) 이상의 영역에 있는 유체다. 초임계유체는 액체에 가까운 용해력을 갖지만, 장력과 점성은 기체에 가까운 성질을 가진다. 초임계유체는 기체와 액체의 계면을 형성하지 않기 때문에 표면장력은 거의 제로이다.

도4는 기판처리장치(400)를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 기판처리장치(400)는 제2공정챔버(280)의 내부에 제공되거나, 기판처리장치(400)가 그 자체로 제2공정챔버(280)로써 제공될 수 있다. 도4를 참조하면, 제2공정챔버(280)는 하우징(410), 히터(420), 기판지지부재(430), 유체공급관(440), 기체공급관(450), 그리고 배출관(460)을 가진다.

하우징(410)은 외부로부터 밀폐되고, 기판(W)을 건조하는 공간(401)을 제공한다. 하우징(410)은 고압에 충분히 견딜 수 있는 정도의 강한 재질로 이루어진다. 하우징(410)의 외벽과 내벽 사이에는 히터(420)가 제공 하우징(410)의 내부를 가열한다. 히터(420)의 위치는 이와 상이하게 제공될 수 있다. 기판지지부재(430)는 기판(W)을 지지하기 위해 제공되며, 하우징(410) 내에 고정 설치된다. 이와 달리 기판지지부재(430)는 기판(W)을 회전시키도록 제공될 수 있다.

유체공급관(440)은 하우징(410)의 내에 초임계유체를 공급한다. 유체공급관(440)은 상부유체공급관(442) 및 하부유체공급관(446)을 가진다. 상부유체공급관(442)의 일단은 초임계유체를 공급하는 유체공급원(449)과 연결되고, 상부유체공급관(442)의 타단은 하우징(410)의 상부에 연결된다. 상부유체공급관(442) 상에는 상부유체공급관(442)으로부터 공급되는 초임계유체의 유량을 조절할 수 있는 제1밸브(444)가 설치된다. 하부유체공급관(446)은 상부유체공급관(442)으로부터 분기되어 하우징(410)의 하부에 연결된다. 하부유체공급관(446) 상에는 하부유체공급관(446)으로부터 공급되는 초임계유체의 유량을 조절할 수 있는 제2밸브(448)가 설치된다. 초임계유체로는 이산화탄소(CO₂)가 사용될 수 있다. 상술한 바와 달리 상부유체공급관(442) 및 하부유체공급관(446)은 서로 상이한 유체공급원에 각각 연결될 수 있다. 초임계 유체는 공정 진행 단계에 따라 상부유체공급관(442)과 하부유체공급관(446) 중 선택된 어느 하나 또는 전체를 통해 하우징(410) 내로 공급될 수 있다.

기체공급관(450)은 하우징(410) 내에 불활성기체를 공급한다. 기체공급관(450)의 일단은 불활성기체를 공급하는 기체공급원(459)과 연결되고, 기체공급관(450)의 타단은 하우징(410)의 상부에 연결된다. 기체공급관(450) 상에는 제3밸브(454)가 설치된다. 불활성기체로는 헬륨(He)이 사용될 수 있다.

배출관(460)은 하우징(410) 내의 유체를 외부로 배출시킨다. 배출관(460)은 상부배출관(462)과 하부배출관(466)을 가진다. 상부배출관(462)은 하우징(410)의 상부에 연결되어 하우징(410) 내의 유체를 배출시킨다. 상부배출관(462) 상에는 제4밸브(464)가 설치된다. 하부배출관(466)은 하우징(410)의 하부에 연결된다. 하부배출관(466) 상에는 제5밸브(468)가 설치된다. 상술한 제1밸브 내지 제5밸브(444, 448, 454, 464, 468) 각각은 유량조절밸브 또는 개폐밸브일 수 있다. 하우징(410) 내 유체는 공정 진행 단계에 따라 상부배출관(462)과 하부배출관(466) 중 선택된 어느 하나 또는 전체를 통해 하우징(410)으로부터 배출될 수 있다.

상술한 예와 달리 유체 공급관은 상부유체공급관(442)과 하부유체공급관(446) 중 어느 하나만을 구비할 수 있다. 또한, 상술한 예와 달리 배출관은 상부배출관(462)과 하부배출관(466) 중 어느 하나만을 구비할 수 있다. 유체 공급관과 배출관이 각각 하나씩 제공되는 경우, 유체공급관 또는 배출관은 하우징(410)의 측부에 제공될 수 있다. 또한, 기체공급관(450)은 하우징(410)의 상부 대신 측부나 하부에 연결될 수 있다.

도5는 제2공정챔버(280)에서 기판을 건조하는 과정을 보여주는 순서도이고, 도6a 내지 도6h는 도5의 기판 건조 과정을 순차적으로 보여주는 도면들이다. 도6a 내지 도6e에서 실선으로 표시된 유체의 흐름은 초임계유체의 흐름을 나타내고, 점선으로 표시된 유체의 흐름은 불활성기체의 흐름을 나타낸다. 도 5, 그리고 도 6a 내지 도6e를 참조하면, 먼저 기판(W)이 기판지지부재(430)에 로딩된다(S10). 히터(420)는 하우징(410)의 내부를 초임계유체의 임계온도 이상으로 가열한다. 가열은 기판(W)이 기판지지부재(430)에 로딩된 후에 이루어지거나, 로딩 전부터 이루어질 수 있다. 먼저 하우징(410) 내부를 초임계유체 분위기로 형성하고, 다음에 하우징(410) 내 기판(W)을 초임계유체로 건조한다. 제3밸브(454)를 열고, 제1밸브(444), 제2밸브(448), 제4밸브(464), 그리고 제5밸브(468)을 닫아(S30), 하우징(410) 내로 헬륨 가스를 공급한다. 하우징(410) 내부는 헬륨가스로 채워지고, 하우징 내부는 임계 압력 이상으로 증가한다. 이후, 제1밸브(444), 제3밸브(454), 그리고 제5밸브(468)를 닫고, 제2밸브(448)와 제4밸브(464)를 닫는다. 초임계 유체가 하우징(410)의 아래로부터 하부유체공급관(446)을 통해 공급되고, 하우징 내(410)의 헬륨이 하우징(410)의 상부에 연결된 상부배출관(462)를 통해 배출된다. 초임계유체가 공급될 때, 헬륨은 매우 가벼운 기체이므로 하우징(410) 내부는 초임계 유체와 헬륨 간에 층분리가 이루어진다. 즉, 하우징(410) 내 상부에는 주로 헬륨이 존재하고, 하우징(410) 내 하부에는 주로 초임계 유체가 존재한다. 시간이 경과 됨에 따라 헬륨이 상부배출관(462)을 통해 하우징(410) 외부로 배출되고, 하우징(410)의 아래에서 초임계유체가 계속적으로 공급되로 하우징(410) 내에서 헬륨과 초임계 유체 간의 층경계는 점진적으로 위로 올라간다. 이로 인해 하우징(410) 내부는 빠르게 초임계 유체 분위기로 형성된다.

하우징(410) 내부가 초임계유체 분위기로 형성되면, 제2밸브(448) 및 제4밸브(464)를 닫아 하우징(410)의 하부로부터 공급되는 초임계유체의 공급을 중단시킨다. 이후, 제1밸브(444)를 열어 하우징(410)의 상부에 연결된 상부유체공급관(442)으로부터 하우징(410) 내로 초임계유체를 공급하여 기판(W)을 건조시킨다(S40). 하우징(410) 내부가 이미 임계 압력 이상으로 가압되어 있으므로 하우징(410) 내부가 낮은 압력 상태인 경우에 비해 초임계 유체가 직접 기판(W)을 향해 고속으로 분사되더라도 기판의 패턴 손상이 상대적으로 작다.

이후, 제1밸브(444)를 닫고, 제3밸브(454) 및 제5밸브(468)를 열어 하우징(410) 내에 불활성기체를 공급하고, 하우징(410) 내에 초임계유체는 하우징(410)의 하부에 연결된 하부배출관(466)을 통해 배출된다(S50). 헬륨가스가 공급될 때, 하우징(410) 내부는 초임계유체와 헬륨 간에 층분리가 이루어진다. 즉, 하우징(410) 내 상부에는 주로 헬륨이 존재하고, 하우징(410) 내 하부에는 주로 초임계유체가 존재한다. 시간이 경과 됨에 따라 초임계유체가 하부배출관(466)을 통해 하우징(410) 외부로 배출되고, 하우징(410)의 상부에서 헬륨이 계속적으로 공급되로 하우징(410) 내에서 헬륨과 초임계유체 간의 층경계는 점진적으로 아래로 올라간다. 이로 인해 하우징(410) 내부는 빠르게 헬륨 가스 분위기로 형성된다.

이후, 제3밸브(454) 및 제5밸브(468)를 닫고, 제1밸브(444) 및 제4밸브(464)를 연다. 이로 인해 하우징(410)의 상부로부터 하우징(410) 내에 초임계유체가 공급되고, 하우징(410) 내에 불활성기체는 하우징(410)의 상부에 연결된 상부배출관(462)으로 배출된다(S60). 하우징(410) 내에 불활성기체가 배출되면, 제4밸브(464)를 닫고, 하우징(410) 내에 초임계유체를 공급하여 기판(W)을 다시 건조한다(S70). 상술한 상부유체공급관(442)을 통한 초임계유체의 공급(S70) 및 헬륨가스의 공급(S50)은 필요에 따라 1회 또는 복수 회 반복될 수 있다. 이후, 하우징(410)의 내부압력을 서서히 감소시켜 기판(W)을 언로딩한다.(S70)

실험에 의하면, 초임계유체를 계속적으로 하우징(410) 내로 공급하여 기판(W)을 건조하는 경우, 기판(W)의 패턴 내 이소프로필 알코올은 잘 제거되지 않았다. 그러나 초임계유체의 공급 도중에 헬륨가스를 공급하는 과정을 추가하는 경우, 패턴 내 이소프로필 알코올의 제거 효율을 크게 증가하였다.

본 실시예에서 불활성기체로 헬륨 대신 아르곤(Ar)이나 질소(N₂)가 사용될 수 있다. 그러나 아래와 같은 이유로 불활성 기체로 헬륨 사용 시 다른 가스를 사용하는 경우에 비해 더욱 효과가 있다. 헬륨은 다른 불활성기체들에 비해 가벼우므로 상대적으로 초임계유체와 혼합되지 않는다. 따라서 헬륨이 채워진 하우징(410) 내에 하우징(410)의 하부로부터 초임계유체를 공급할 경우 도6b와 같이 하우징(410) 내에 상부영역은 주로 헬륨이 존재하고, 하우징(410) 내에 하부영역은 주로 초임계유체가 존재한다. 이로 인해 하우징(410) 내에 헬륨을 상부배출관(462)으로 배출 시 초임계유체의 배출량은 매우 작고, 주로 헬륨만이 하우징(410)의 외부로 배출된다. 따라서 배출되는 초임계유체의 사용량이 절감되므로 헬륨을 신속하게 배출할 수 있다.

그러나 헬륨에 대비하여 불활성기체로 아르곤 또는 질소가스가 사용될 경우, 아르곤 및 질소는 헬륨에 비해 상대적으로 초임계유체와 잘 혼합된다. 따라서 아르곤 및 질소가스가 채워진 하우징(410) 내에 하우징(410)의 하부로부터 초임계유체를 공급할 경우, 하우징(410) 내 전체 영역에는 초임계유체와 아르곤 또는 질소가 혼합된 채로 존재하므로, 유체들 간에 층분리가 잘 되지 않는다. 이로 인해, 아르곤 또는 질소가스를 배출 시 초임계유체는 아르곤 및 질소에 혼합되어 다량 배출되므로, 초임계 유체의 사용량이 증가될 뿐 아니라 배출시간도 많이 소요된다. 이는 하우징(410) 내 초임계 유체를 불활성 가스를 이용하여 배출할 때에도 동일하다.

다음에는 도1의 기판처리설비(1)에 의해 기판(W)을 세정 및 건조과정을 순차적으로 설명한다. 로드포트(120)에 안착되어 풉(FOUP)에 수납된 기판(W)은 인덱스로봇(144)에 의해 버퍼부(220)로 이송한다. 메인로봇(244)은 버퍼부(220)에 적재된 기판(W)을 제1공정챔버(280)로 이송한다. 제1공정챔버(280)에서 기판(W)은 케미컬에 의해 식각되고, 순수에 의해 세정된다. 이후, 이소프로필알코올과 질소가스가 혼합된 혼합가스 또는 이소프로필알코올에 의해 추가적으로 건조공정이 수행된다. 제1공정챔버(260)에서 공정이 완료된 기판(W)은 메인로봇(244)에 의해 제2공정챔버(280)로 이송된다. 제2공정챔버(280)에서 기판(W)은 초임계유체에 의해 건조공정이 수행된다. 건조공정이 완료된 기판(W)은 메인로봇(244)에 의해 버퍼부(220)로 적재되고, 적재된 기판(W)은 인덱스로봇(144)에 의해 풉(FOUP)으로 반송된다.

제1공정챔버: 260 제2공정챔버: 280
기판처리장치: 300, 400 챔버 : 410
히터: 420 유체공급관: 440
기체공급관: 450 배출관: 460

Claims (13)

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8. 기판을 건조시키는 기판처리방법에 있어서,
   챔버 내에 초임계유체를 공급하여 상기 기판을 건조시키는 제1건조단계와;
   상기 챔버 내에 불활성기체를 공급하여 상기 챔버 내의 상기 초임계유체를 배출시키는 제2건조단계와;
   상기 챔버 내에 상기 초임계유체를 공급하여 상기 챔버 내의 상기 불활성기체를 배출시키는 제3건조단계와;
   상기 챔버 내에 상기 초임계유체를 공급하여 상기 챔버 내에 기판을 건조하는 제4건조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1건조단계 전에,
   상기 챔버 내에 상기 불활성기체를 공급하여 상기 챔버의 내부압력을 증가시키는 제1분위기형성단계를 더 포함하는 기판처리방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1건조단계와 상기 제1분위기형성단계의 사이에,
    상기 챔버 내에 상기 초임계유체를 공급하여 상기 챔버 내의 상기 불활성기체를 배출하고, 상기 챔버의 내부를 초임계유체 분위기로 형성하는 제2분위기형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법.
11. 제8항에 있어서,
    상기 기판은 이소프로필알코올에 의해 건조되어 상기 챔버 내에 공급된 기판인 것을 특징으로 하는 기판처리방법.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불활성기체는 헬륨인 것을 특징으로 하는 기판처리방법.
13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2건조단계에서 상기 초임계유체는 상기 챔버의 하부에 연결된 배출관을 통해 배출되고,
    상기 제3건조단계에서 상기 불활성기체는 상기 챔버의 상부에 연결된 배출관을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 기판처리방법.

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