KR101909189B1 - 세정액 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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세메스 주식회사
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Abstract

본 발명은 기판을 세정하는 세정액을 제조하는 세정액 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세정액 제조 방법은, 제 1 온도에서 계면활성제 약액 및 순수를 혼합하고, 이 후에 계면활성제 및 순수를 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키면서 혼합하는 단계; 및 계면활성제 및 순수가 상기 제 2 온도에서 설정된 시간 동안 냉각되어 혼합된 후, 계면활성제 및 순수를 상기 제 2 온도보다 높은 제 3 온도로 가열하는 단계;를 포함한다.

Description

세정액 제조 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING CLEANING SOLUTION}
본 발명은 기판을 세정하는 세정액을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
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 세정액을 이용하여 기판상에 잔류하는 금속 이물질, 유기 물질, 또는 파티클 등을 제거하는 세정액 처리 공정, 순수를 이용하여 기판상에 잔류하는 세정액을 제거하는 린스 공정, 그리고 유기 용제, 초임계 유체, 또는 질소 가스 등을 이용하여 기판을 건조하는 건조 공정을 포함한다.
상술한 세정 처리 공정에서 사용되는 세정액은 계면활성제가 포함된 약액을 순수와 혼합하여 제조된다. 이러한 계면활성제 약액을 순수와 혼합하여 세정액을 제조하는 경우 세정액에는 입자가 형성된다. 생성된 입자는 기판 세정 시 파티클 제거를 용이하게 한다.
본 발명은 온도 제어에 의해 기판에 잔류하는 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있는 세정액 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 세정액 내의 입자를 세정에 적합한 크기와 형태로 형성할 수 있는 세정액 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 세정액 내에 판상형 입자를 효율적으로 증가시킬 수 있는 세정액 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 세정액 제조 시간을 단축시킬 수 있는 세정액 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 세정액 제조 방법은 기판을 세정하기 위한 세정액을 제조하는 방법에 있어서, 제 1 온도에서 계면활성제 약액 및 순수를 혼합하고, 이 후에 상기 계면활성제 및 순수를 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키면서 혼합하는 단계; 및 상기 계면활성제 및 순수가 상기 제 2 온도에서 설정된 시간 동안 냉각되어 혼합된 후, 상기 계면활성제 및 순수를 상기 제 2 온도보다 높은 제 3 온도로 가열하는 단계;를 포함한다.
상기 제 1 온도는 상온보다 높고 30℃ 보다 낮은 온도일 수 있다.
상기 제 2 온도는 16℃ 초과, 20℃ 미만의 온도일 수 있다.
상기 제 3 온도는 20℃ 이상, 30℃ 이하의 온도일 수 있다.
상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도보다 5 ~ 10℃ 낮을 수 있다.
상기 제 3 온도는 상기 제 2 온도보다 5 ~ 10℃ 높을 수 있다.
상기 제 1 온도는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도이고, 상기 제 2 온도는 17℃보다 높고 19℃보다 낮은 온도이고, 상기 제 3 온도는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도일 수 있다.
상기 세정액 내에 형성되는 입자의 직경은 30㎛ 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 세정액을 제조하기 위한 장치에 있어서, 내부에 액 혼합 공간을 가지는 약액 탱크; 상기 약액 탱크 내로 계면활성제 약액을 공급하는 제 1 공급 부재; 상기 약액 탱크 내로 순수를 공급하는 제 2 공급 부재; 상기 약액 탱크 내에 공급된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수를 혼합시키는 혼합 유닛; 상기 약액 탱크 내에 공급된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수의 온도를 조절하는 온도 조절 부재; 및 상기 제 1 공급 부재, 상기 제 2 공급 부재, 상기 혼합 유닛 및 상기 온도 조절 부재를 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는, 상기 액 혼합 공간 내에 공급된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수를 제 1 온도에서 혼합하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에서 혼합된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수를 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키는 제 2 단계와, 상기 계면활성제 및 순수가 상기 제 2 온도에서 설정된 시간 동안 냉각되어 혼합된 후, 상기 계면활성제 및 순수를 상기 제 2 온도보다 높은 제 3 온도로 가열하여 상기 세정액을 단계를 제조하는 제 3 단계를 수행하도록 상기 제 1 공급 부재, 상기 제 2 공급 부재, 상기 혼합 유닛 및 상기 온도 조절 부재를 제어하는 세정액 제조 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 온도 제어에 의해 기판에 잔류하는 오염물질의 제거 효율을 높일 수 있는 세정액 제조 장치 및 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 세정액 내의 입자를 세정에 적합한 크기와 형태로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 세정액 내에 판상형 입자를 효율적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 세정액 제조 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세정액을 사용하는 기판 처리 설비의 일 예를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 공정 챔버에 제공된 기판 처리 장치의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정액 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정액 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 계면활성제 약액 및 순수를 냉각시킴에 따른 계면활성제 입자의 크기 및 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 계면활성제 약액과 순수의 공정 초기 온도에 따른 입자 크기의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 세정액의 냉각 온도에 따른 오염물질 제거 성능(PRE; Particle removal efficiency)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 냉각 후 가열된 세정액의 계면활성제 입자를 광학 현미경으로 촬영한 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 계면활성제 약액 및 순수를 냉각한 후 가열시 오염물질 제거 성능(PRE; Particle removal efficiency)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 계면활성제의 형태학적 변화를 나타낸 개념도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명의 실시예에서는 기판을 세정하는 공정을 수행하는 기판 처리 장치 및 세정액을 제조하는 세정액 제조 장치의 일 예에 대해서 설명한다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 세정액을 사용하여 기판을 세정하는 다양한 종류의 장치에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세정액을 사용하는 기판 처리 설비의 일 예를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 1을 참조하면, 기판처리설비(1)는 인덱스모듈(10)과 공정처리모듈(20)을 포함한다. 인덱스모듈(10)은 로드포트(120) 및 이송프레임(140)을 포함한다. 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(120)에는 기판이 수납된 캐리어(18)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(18)에는 기판의 가장자리를 지지하도록 제공된 슬롯이 형성된다. 슬롯은 제3방향(16)을 따라 복수 개가 제공되고, 기판은 제3방향(16)을 따라 서로 이격된 상태로 적층되게 캐리어(18) 내에 위치된다. 캐리어(18)로는 전면 개방 일체형 포드(Front Opening Unified Pod;FOUP)가 사용될 수 있다.
공정처리모듈(20)은 버퍼유닛(220), 이송챔버(240), 그리고 공정챔버(260)를 가진다. 이송챔버(240)는 그 길이 방향이 제1방향(12)과 평행하게 배치된다. 제2방향(14)을 따라 이송챔버(240)의 일측 및 타측에는 각각 공정챔버들(260)이 배치된다. 이송챔버(240)의 일측에 위치한 공정챔버들(260)과 이송챔버(240)의 타측에 위치한 공정챔버들(260)은 이송챔버(240)를 기준으로 서로 대칭이 되도록 제공된다. 공정챔버(260)들 중 일부는 이송챔버(240)의 길이 방향을 따라 배치된다. 또한, 공정챔버(260)들 중 일부는 서로 적층되게 배치된다. 즉, 이송챔버(240)의 일측에는 공정챔버(260)들이 A X B(A와 B는 각각 1이상의 자연수)의 배열로 배치될 수 있다. 여기서 A는 제1방향(12)을 따라 일렬로 제공된 공정챔버(260)의 수이고, B는 제3방향(16)을 따라 일렬로 제공된 공정챔버(260)의 수이다. 이송챔버(240)의 일측에 공정 챔버(260)가 4개 또는 6개 제공되는 경우, 공정챔버(260)들은 2 X 2 또는 3 X 2의 배열로 배치될 수 있다. 공정챔버(260)의 개수는 증가하거나 감소할 수도 있다. 상술한 바와 달리, 공정챔버(260)는 이송챔버(240)의 일측에만 제공될 수 있다. 또한, 상술한 바와 달리, 공정챔버(260)는 이송챔버(240)의 일측 및 양측에 단층으로 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, 슬롯들은 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(18)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(18)로 기판을 반송할 때 사용되고, 다른 일부는 캐리어(18)에서 공정처리모듈(20)로 기판을 반송할 때 사용될 수 있다. 이는 인덱스로봇(144)이 기판을 반입 및 반출하는 과정에서 공정 처리 전의 기판으로부터 발생된 파티클이 공정 처리 후의 기판에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
이송챔버(240)는 버퍼유닛(220)과 공정챔버(260) 간에, 그리고 공정챔버(260)들 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)로 기판(W)을 반송할 때 사용되는 메인암(244c)과 공정챔버(260)에서 버퍼유닛(220)으로 기판(W)을 반송할 때 사용되는 메인암(244c)은 서로 상이할 수 있다.
도 2는 도 1의 공정 챔버에 제공된 기판 처리 장치의 일 예를 보여주는 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 공정챔버(260) 내에는 기판(W)에 대해 세정 공정을 수행하는 기판 처리 장치(300)가 제공된다. 각각의 공정챔버(260) 내에 제공된 기판 처리 장치(300)는 수행하는 세정 공정의 종류에 따라 상이한 구조를 가질 수 있다. 선택적으로 각각의 공정챔버(260) 내의 기판 처리 장치(300)는 동일한 구조를 가질 수 있다. 선택적으로 공정챔버(260)들은 복수 개의 그룹으로 구분되어, 동일한 그룹에 속하는 공정챔버(260)에 제공된 기판 처리 장치(300)들은 서로 동일한 구조를 가지고, 상이한 그룹에 속하는 공정챔버(260)에 제공된 기판 처리 장치(300)들은 서로 상이한 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 공정챔버(260)가 2개의 그룹으로 나누어지는 경우, 이송챔버(240)의 일측에는 제1그룹의 공정챔버들(260)이 제공되고, 이송챔버(240)의 타측에는 제2그룹의 공정 챔버들(260)이 제공될 수 있다. 선택적으로 이송챔버(240)의 일측 및 타측 각각에서 하층에는 제1그룹의 공정챔버(260)들이 제공되고, 상층에는 제2그룹의 공정챔버(260)들이 제공될 수 있다. 제1그룹의 공정챔버(260)와 제2그룹의 공정챔버(260)는 각각 사용되는 케미컬의 종류나, 세정 방식의 종류에 따라 구분될 수 있다.
기판 처리 장치(300)는 하우징(320), 지지 유닛, 승강유닛(360), 분사 부재(380)를 포함한다.
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.
지지 유닛은 하우징 내에 제공된다. 지지 유닛에는 기판(W)이 놓인다. 지지 유닛은 스핀헤드(340)로 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스핀헤드(340)는 하우징(320) 내에 배치된다. 스핀헤드(340)는 공정 진행 중 기판(W)을 지지하고 기판(W)을 회전시킨다. 스핀헤드(340)는 몸체(342), 지지 핀(334), 척 핀(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. 지지 핀(334)은 복수 개 제공된다. 지지 핀(334)은 몸체(342)의 상부면의 가장자리부에 소정 간격으로 이격되게 배치되고 몸체(342)에서 상부로 돌출된다. 지지 핀들(334)은 서로 간에 조합에 의해 전체적으로 환형의 링 형상을 가지도록 배치된다. 지지 핀(334)은 몸체(342)의 상부면으로부터 기판(W)이 일정거리 이격되도록 기판(W)의 후면 가장자리를 지지한다. 척 핀(346)은 복수 개 제공된다. 척 핀(346)은 몸체(342)의 중심에서 지지 핀(334)보다 멀리 떨어지게 배치된다. 척 핀(346)은 몸체(342)에서 상부로 돌출되도록 제공된다. 척 핀(346)은 스핀 헤드(340)가 회전될 때 기판(W)이 정 위치에서 측 방향으로 이탈되지 않도록 기판(W)의 측부를 지지한다. 척 핀(346)은 몸체(342)의 반경 방향을 따라 대기 위치와 지지 위치 간에 직선 이동 가능하도록 제공된다. 대기 위치는 지지 위치에 비해 몸체(342)의 중심으로부터 멀리 떨어진 위치이다. 기판(W)이 스핀 헤드(340)에 로딩 또는 언 로딩시에는 척 핀(346)은 대기 위치에 위치되고, 기판(W)에 대해 공정 수행시에는 척 핀(346)은 지지 위치에 위치된다. 지지 위치에서 척 핀(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, 기판에 서로 상이한 제1처리액, 제2처리액 및 제3처리액이 공급되는 경우, 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 스핀 헤드(340)를 상하 방향으로 이동시킬 수 있다.
분사부재(380)는 기판처리공정 시 기판(W)으로 액을 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, 서로 상이한 액들을 분사할 수 있다.
노즐(384)은 스핀 헤드(340)에 놓인 기판(W)에 기판 처리 장치(300)에서 사용되는 처리액 중 하나인 세정액을 공급한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 세정액은 계면활성제가 포함된 계면활성제 약액 및 순수를 혼합하여 제조된다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 세정액 제조 장치를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정액 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 세정액 제조 장치(400)는 기판을 세정하기 위한 세정액을 제조한다. 세정액 제조 장치(400)는 약액 탱크(410), 제 1 공급 부재(420), 제 2 공급 부재(430), 혼합 유닛(440), 온도 조절 부재(450) 및 제어기(460)를 포함한다.
약액 탱크(410)는 내부에 공급된 액들이 서로 혼합되는 액 혼합 공간을 가진다. 액 혼합 공간 내에 공급된 액의 온도 조절이 용이하도록 외부와의 열교환을 최소화하기 위해 약액 탱크(410)의 벽은 단열처리될 수 있다. 약액 탱크(410)에는 액 혼합 공간 내의 액의 온도를 측정하는 온도 센서가 제공될 수 있다. 온도 센서에서 측정된 액의 온도는 제어기(460)로 전달된다.
제 1 공급 부재(420)는 액 혼합 공간 내로 계면활성제 약액을 공급한다. 제 2 공급 부재(430)는 액 혼합 공간 내로 순수를 공급한다.
혼합 유닛(440)은 액 혼합 공간 내에 공급된 계면활성제 약액 및 순수를 혼합한다. 일 실시예에 따르면, 혼합 유닛(440)은 순환 라인(441) 및 펌프(442)를 포함한다.
순환 라인(441)은 양 끝단이 액 혼합 공간에 연결되고, 내부로 액 혼합 공간에 공급된 액이 흐르도록 제공된다. 순환 라인(441)은 내부와 외부 간의 열교환을 최소화하도록 단열 처리되어 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 순환 라인(441)에는 노즐(384)에 연결된 공급 라인(470)이 연결된다. 순환 라인(441)에는 개폐 밸브(471)가 제공된다.
펌프(442)는 순환 라인(441) 내로 액 혼합 공간 내의 액이 순환되도록 동력을 제공한다. 혼합 유닛(440)은 액 혼합 공간 내로 공급된 계면활성제 약액 및 순수를 순환 라인(441)을 지나 다시 액 혼합 공간 내로 순환시킴으로써 혼합시킨다.
온도 조절 부재(450)는 액 혼합 공간에 공급된 계면활성제 약액 및 순수의 온도를 조절한다. 일 실시예에 따르면, 온도 조절 부재(450)는 약액 탱크(410)의 외부에 제공될 수 있다. 예를 들면, 온도 조절 부재(450)는 순환 라인(441) 내를 흐르는 액의 온도를 조절할 수 있도록 순환 라인(441)에 연결되어 제공될 수 있다. 이와 달리, 온도 조절 부재(450)는 약액 탱크(410)에 설치되어 액 혼합 공간 내에 머무는 액의 온도를 직접적으로 조절하도록 제공될 수도 있다.
온도 조절 부재(450)는 액 혼합 공간에 공급된 계면활성제 약액 및 순수를 가열하고, 냉각시킬 수 있는 다양한 종류의 부재를 포함할 수 있다. 예를 들면, 온도 조절 부재(450)는 계면활성제 약액 및 순수를 가열하기 위해 공급된 전류에 의해 열을 발생시키는 열선 또는 열 유체가 흐르는 열유체 유로를 포함할 수 있다. 또한, 온도 조절 부재(450)는 계면활성제 약액 및 순수를 냉각시키기 위해 열전소자 또는 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로를 포함할 수 있다. 온도 조절 부재(450)에는 내부를 지나는 계면활성제 약액 및 순수의 온도를 측정하는 온도 센서가 제공될 수 있다. 온도 센서에서 측정된 온도는 제어기(460)로 전달된다.
제어기(460)는 이하 설명될 세정액 제조 방법에 따라 세정액을 제조하도록 제 1 공급 부재(420), 제 2 공급 부재(430), 혼합 유닛(440), 온도 조절 부재(450) 및 개폐 밸브(471)를 제어한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 세정액 제조 방법을 도 3의 세정액 제조 장치(400)를 이용하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정액 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 세정액 제조 방법은 제 1 단계(S10), 제 2 단계(S20) 및 제 3 단계(S30)를 포함한다.
제 1 단계(S10)에서는 제 1 온도에서 계면활성제 약액 및 순수를 혼합한다. 일 실시예에 따르면, 제 1 단계(S10)에서 제어기(460)는 약액 탱크(410)의 액 혼합 공간 내에 공급된 계면활성제 약액 및 순수를 제 1 온도에서 혼합시키도록 제 1 공급 부재(420), 제 2 공급 부재(430), 혼합 유닛(440) 및 온도 조절 부재(450)를 제어한다. 제 1 온도는 상온보다 높고 30℃보다 낮은 온도일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 1 온도는 바람직하게는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도이다. 예를 들면, 제 1 온도는 26.5℃이다. 계면활성제 약액 및 순수를 상온보다 높은 온도에서 혼합함으로써 상온에서 혼합하는 방법에 비해 세정액 내에서 형성되는 입자의 크기를 더 크게 형성시킬 수 있다. 30℃보다 높은 온도에서 계면활성제 약액과 순수를 혼합하는 경우 입자가 용해될 수 있으므로, 제 1 온도를 30℃ 이하로 관리할 필요가 있다. 이 온도 범위에서, 계면활성제 입자는 활발하게 핵(nuclei)을 형성한 후 뭉쳐진다(Agglomeration).
일 실시예에 따르면, 제 1 단계(S10)는 순수 공급 단계(S11), 순수 가열 단계(S12), 계면활성제 약액 공급 단계(S13) 및 혼합 단계(S14)를 포함한다.
순수 공급 단계(S11)에서, 제어기(460)는 약액 탱크(410)의 액 혼합 공간에 순수를 공급하도록 제 2 공급 부재(430)를 제어한다.
이 후, 순수 가열 단계(S12)가 수행된다. 순수 가열 단계(S12)에서는 액 혼합 공간에 공급된 순수를 상기 제 1 온도로 가열한다. 제 1 온도는 미리 결정된 특정 온도 또는 온도 범위일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 순수 가열 단계(S12)에서, 제어기(460)는 액 혼합 공간에 공급된 순수가 순환 라인(441) 내로 순환되면서 제 1 온도로 가열되도록 펌프(442) 및 온도 조절 부재(450)를 제어한다.
이 후, 계면활성제 약액 공급 단계(S13)가 수행된다. 계면활성제 약액 공급 단계(S13)에서는 하우징(410)의 액 혼합 공간에 계면활성제 약액을 공급한다. 일 실시예에 따르면, 계면활성제 약액 공급 단계(S13)에서, 제어기(460)는 하우징(410)의 액 혼합 공간에 계면활성제 약액을 공급하도록 제 1 공급 부재(420)를 제어한다. 순수가 액 혼합 공간에 공급되는 동안, 제어기(460)는 약액 탱크(410)의 계면활성제 약액 및 순수가 제 1 온도로 유지되면서 순환 라인(441) 내에서 순환되도록 온도 조절 부재(450) 및 펌프(442)를 제어한다.
이 후, 혼합 단계(S14)가 수행된다. 혼합 단계(S14)에서는 약액 탱크(410)의 액 혼합 공간에 공급된 계면활성제 약액 및 순수를 제 1 온도를 유지하면서 혼합시킨다. 일 실시예에 따르면, 혼합 단계(S14)에서, 제어기(460)는 액 혼합 공간 내의 계면활성제 약액 및 순수가 제 1 온도로 유지되면서 순환 라인(441) 내를 순환하도록 온도 조절 부재(450) 및 펌프(442)를 제어한다. 계면활성제 약액 및 순수는 순환 라인(441) 내를 순환함으로써 서로 혼합된다. 혼합 단계(S14)는 일정 시간 동안 수행된다. 일 실시예에 따르면, 혼합 단계(S14)는 25분보다 길고 35분보다 짧은 시간 동안 수행될 수 있다.
제 2 단계(S20)에서는 제 1 단계에서 혼합된 계면활성제 약액 및 순수를 제 2 온도로 냉각시키면서 혼합한다. 제 2 온도는 미리 설정된 특정 온도 또는 온도 범위일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 2 단계(S20)에서 제어기(460)는, 제 1 단계(S10)에서 혼합된 계면활성제 약액 및 순수가 상온보다 낮은 제 2 온도로 냉각되면서 순환 라인(441) 내로 순환되도록 온도 조절 부재(450) 및 펌프(442)를 제어한다. 일 실시예에 따르면, 제 2 온도는 바람직하게는 17℃보다 높고 19℃보다 낮은 온도이다. 예를 들면, 제 2 온도는 18℃이다.
제 1 단계에서 응집된 입자는 제 2 단계(냉각 조건)에서 용해도 저하로 인한 결정화 유도에 의해 30 ~ 40㎛ 크기의 단결정 입자로 변형된다. 이에 따라 80% 이상의 초기 PRE(Particle removal efficiency) 성능을 가지는 세정액을 얻을 수 있다. 냉각에 의한 결정화 유도 효과를 극대화하기 위하여, 제 2 온도는 바람직하게는 제 1 온도보다 5 ~ 10℃ 낮을 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 계면활성제 약액 및 순수를 냉각시킴에 따른 계면활성제 입자의 크기 및 전도도 변화를 보여주는 그래프이다. 실험에 사용된 계면활성제 약액은 "동우화인켐(주)"사의 "SAP 1.0" 약액이다. 계면활성제 약액 및 순수를 제 1 온도(예를 들면, 26.5℃)에서 제 2 온도(예를 들면, 18℃)로 냉각함에 따라 계면활성제 입자의 크기는 증가하고, 전도도는 감소한다.
이러한 작용은 냉각에 의해 계면활성제 입자의 용해도가 감소하여 결정화가 유도되고, 세정액 내에 판상형 라멜라 결정 구조 입자(lamellar crystalline structured particle)의 생성이 가속화되기 때문인 것으로 생각된다. 냉각 과정(S20)을 거치지 않은 경우, 계면활성제 입자를 90% 이상의 오염물질 제거 성능을 얻기 위해 요구되는 적정 크기(예를 들면, 30 ㎛ 이상)로 증가시키는데 대략 1시간 이상의 시간이 소요되지만, 냉각 과정(S20)을 수행하는 경우, 계면활성제 입자의 크기를 증가시키는데 소요되는 시간을 대략 40분 이하로 단축할 수 있다.
도 6은 계면활성제 약액과 순수의 공정 초기 온도(제 1 온도)에 따른 입자 크기의 변화를 보여주는 그래프이다. 계면활성제 약액과 순수를 26.5 ~ 29.5℃ 온도에서 혼합한 후, 18℃로 냉각한 경우, 20㎛ 이상의 크기를 가지는 계면활성제 입자가 생성됨을 알 수 있다. 특히, 계면활성제 약액과 순수를 26.5℃ 온도로 혼합한 후, 18℃로 냉각한 경우에는 20㎛ 이상의 크기를 가지는 계면활성제 입자가 생성된다. 반면, 계면활성제 약액과 순수를 18℃ 온도에서 혼합한 후 26.5℃로 온도를 변화시킨 경우, 계면활성제 입자의 크기가 대략 5㎛로 감소되었다.
즉, 계면활성제 약액 및 순수를 상온보다 높은 온도에서 혼합한 후 냉각하는 방법에 의하면, 상온에서 혼합하는 방법에 비해 세정액 내에서 형성되는 입자의 크기를 더 크게 형성시킬 수 있다. 30℃보다 높은 온도에서 계면활성제 약액과 순수를 혼합하는 경우 입자가 용해될 수 있으므로, 계면활성제 약액 및 순수가 혼합되는 공정 초기 온도(제 1 온도)를 30℃ 이하로 관리할 필요가 있다.
도 7은 세정액의 냉각 온도에 따른 오염물질 제거 성능(PRE; Particle removal efficiency)의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7에는 계면활성제 약액과 순수를 26.5℃ 온도로 혼합한 후 다양한 온도(16℃, 18℃, 20℃)로 냉각하여 제조한 세정액의 PRE 성능 변화가 나타나 있다. 도 7을 참조하면, 계면활성제 입자의 크기를 성장시키기 위한 냉각 온도를 20℃로 한 경우, 냉각 온도를 18℃로 한 경우에 비해 입자 생성 속도가 늦고 오염물질 제거 성능의 감소폭 또한 큰 것을 알 수 있다. 또한, 냉각 온도를 16℃로 한 경우 역시 냉각 온도를 18℃로 한 경우에 비해 초기 오염물질 제거 성능이 낮고 그 감소폭 또한 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 판상형 계면활성제 입자의 크기를 성장시키고 오염물질 제거 성능을 극대화하기 위하여, 세정액의 냉각 온도(제 2 온도)를 16℃ 초과 20℃ 미만, 보다 바람직하게는 17℃ 내지 19℃로 설정할 수 있다. 세정액의 냉각 과정은 10 ~ 500분, 바람직하게는 20 ~ 400분, 보다 바람직하게는 30 ~ 360분 이하의 시간 동안 유지될 수 있다.
제 2 단계(S20)가 완료된 후, 세정액 토출 개시시점까지 대기하는 동안, 세정액 내의 입자에 변형이 생기고, 시간의 경과에 따라 세정액의 오염물질 제거 성능(PRE)가 서서히 감소하게 된다. 계면활성제 입자는 열역학적으로 안정한 형태를 위한 방향으로 성장하는데, 라멜라(Lamellar) 구조를 거친 입자는 최종적으로는 제일 안정한 상태인 구상형(spherulites)으로 변형되며, 변형되는 과정에서 입자의 표면 위에 소용돌이(spiral) 형태 등으로 비정형 입자가 성장되기 때문이다. 변형되는 입자가 많아질수록 웨이퍼 세정 효과는 감소하게 된다.
상술한 바와 같은 세정 성능의 감소 현상을 방지하기 위하여, 냉각 단계(S20) 이후, 계면활성제 약액과 순수의 혼합액(세정액)을 제 3 온도로 가열하는 단계(S30)가 수행된다. 세정액을 냉각 후 가열함에 따라, 구상형 또는 비정형적으로 변형된 입자는 판상형의 라멜라 결정 구조로 복원된다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 냉각 후 가열된 세정액의 계면활성제 입자를 광학 현미경으로 촬영한 이미지이다. 도 8의 도시와 같이, 냉각 후 가열된 세정액은 대부분의 입자가 판상형의 라멜라 결정구조 입자로 복원된 것을 알 수 있다.
제 3 온도는 제 2 온도보다 높고 30℃보다 낮은 온도일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 3 온도는 바람직하게는 20℃보다 높고 30℃ 이하의 온도이다. 제 3 온도는 바람직하게는 제 2 온도보다 5 ~ 10℃ 높을 수 있다. 제 3 온도는 제 1 온도와 같을 수 있다. 30℃보다 높은 온도로 세정액을 가열하는 경우, 세정액 내의 입자가 용해될 수 있으므로, 제 3 온도를 30℃ 이하로 관리할 필요가 있다. 일 실시예에 따르면, 제 3 온도는 바람직하게는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도이다. 예를 들면, 제 3 온도는 26.5℃이다. 세정액의 냉각 후 가열 과정은 5분 이상, 바람직하게는 10분 이상, 보다 바람직하게는 20분 이상의 시간 동안 유지될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 계면활성제 약액 및 순수를 냉각한 후 가열시 오염물질 제거 성능(PRE; Particle removal efficiency)의 변화를 보여주는 그래프이다. 계면활성제 약액 및 순수를 18℃ 온도로 냉각하여 제조한 세정액은 시간이 지남에 따라 PRE 성능이 저하되는 것을 알 수 있다. 제 2 온도로 360분 간 냉각을 유지한 후, 세정액의 온도를 26.5℃로 높임에 따라 세정액의 PRE 성능이 3% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 계면활성제의 형태학적 변화를 나타낸 개념도이다. 도 10에서, I/II 단계는 계면활성제 입자가 구형, 가지형 등의 미셀(micelles) 구조인 것을 나타내고, III/IV 단계는 계면활성제 입자가 라멜라(lamellar) 구조인 것을 나타내고, V 단계는 계면활성제 입자가 구상형(spherulites) 구조인 것을 나타낸다. 제 2 온도로 냉각된 상태에서 계면활성제 입자는 열역학적으로 안정한 V 단계로 변화하려고 하고, 외부 환경(온도, 압력, 유속 등)에 의해 쉽게 영향 받는 준안정(metastable) 상태이다.
계면활성제 입자는 III과 IV 단계의 라멜라 구조를 가지는 것이 기판 세정에 효과적이나, 지속된 탱크 순환 과정을 통해 V 단계로의 형태적 변화가 관찰된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 냉각 후 세정액을 가열함으로써 V 단계의 계면활성제 입자 형태를 III 또는 IV 단계의 라멜라 입자 형태로 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 세정액의 세정 성능을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 제 1 온도에서 계면활성제 입자와 순수를 혼합한 후, 제 2 온도로 냉각하여 혼합을 수행하고, 이후 제 3 온도로 가열하여 세정액을 제조함으로써, 세정액 내의 입자의 크기가 크게 형성되고, 세정에 효과적인 판상형 라멜라 구조의 입자가 증가한다. 또한, 세정액 내의 입자가 동일한 크기로 형성되기까지의 시간 또한 단축된다. 예를 들면, 본 발명의 장치 및 방법에 의해 세정액 내의 입자는 길이가 30㎛ 이상으로 형성될 수 있다. 즉, 입자가 사각 판 형상으로 제공되는 경우, 긴 변의 평균 길이가 30 ㎛ 이상으로 제공될 수 있다. 또한, 세정액을 냉각한 후, 가열함으로써 높은 세정 성능(PRE)을 유지할 수 있다.
400: 세정액 제조 장치 410: 약액 탱크
420: 제 1 공급 부재 430: 제 2 공급 부재
440: 혼합 유닛 441: 순환 라인
442: 펌프 450: 온도 조절 부재
460: 제어기 470: 공급 라인
471: 개폐 밸브

Claims (15)

  1. 기판을 세정하기 위한 세정액을 제조하는 방법에 있어서,
    제 1 온도에서 계면활성제 약액 및 순수를 혼합하고, 이 후에 상기 계면활성제 및 순수를 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키면서 혼합하는 단계; 및
    상기 계면활성제 및 순수가 상기 제 2 온도에서 설정된 시간 동안 냉각되어 혼합된 후, 상기 계면활성제 및 순수를 상기 제 2 온도보다 높은 제 3 온도로 가열하는 단계;를 포함하되,
    상기 제 1 온도는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도이고,
    상기 제 2 온도는 17℃보다 높고 19℃보다 낮은 온도이고,
    상기 제 3 온도는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도인 세정액 제조 방법.
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  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정액 내에 형성되는 입자의 직경은 30㎛ 이상인 세정액 제조 방법.
  9. 세정액을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    내부에 액 혼합 공간을 가지는 약액 탱크;
    상기 약액 탱크 내로 계면활성제 약액을 공급하는 제 1 공급 부재;
    상기 약액 탱크 내로 순수를 공급하는 제 2 공급 부재;
    상기 약액 탱크 내에 공급된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수를 혼합시키는 혼합 유닛;
    상기 약액 탱크 내에 공급된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수의 온도를 조절하는 온도 조절 부재; 및
    상기 제 1 공급 부재, 상기 제 2 공급 부재, 상기 혼합 유닛 및 상기 온도 조절 부재를 제어하는 제어기를 포함하되,
    상기 제어기는, 상기 액 혼합 공간 내에 공급된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수를 제 1 온도에서 혼합하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에서 혼합된 상기 계면활성제 약액 및 상기 순수를 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키는 제 2 단계와, 상기 계면활성제 및 순수가 상기 제 2 온도에서 설정된 시간 동안 냉각되어 혼합된 후, 상기 계면활성제 및 순수를 상기 제 2 온도보다 높은 제 3 온도로 가열하여 상기 세정액을 단계를 제조하는 제 3 단계를 수행하도록 상기 제 1 공급 부재, 상기 제 2 공급 부재, 상기 혼합 유닛 및 상기 온도 조절 부재를 제어하며,
    상기 제 1 온도는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도이고,
    상기 제 2 온도는 17℃보다 높고 19℃보다 낮은 온도이고,
    상기 제 3 온도는 25℃보다 높고 27℃보다 낮은 온도인 세정액 제조 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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