KR19980032449A - 초음파 세정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

반도체 웨이퍼 세정용 장치는 세정액이 채워져 있는 세정조를 구비한다. 초음파가 세정액에 적용되어 반도체 웨이퍼의 파티클을 제거한다. 세정액은 세정액 생성수단에서 미리 결정된 농도의 질소 가스를 탈가스순수로 용해시킴으로써 얻어진다. 세정액의 질소 가스는 세정액에서의 정재파 생성 방지에 효과적이어서, 반도체 웨이퍼에서 일단 제거된 파티클은 정재파에 의해 구속되지 않으므로, 반도체 웨이퍼를 거의 재오염시키지 않는다.

Description

초음파 세정 장치 및 방법

제1도는 본 발명의 바람직한 실시예의 따른 초음파 세정 장치의 개략도,

제2도는 세정액 생성수단의 확대 단면도,

제3도는 세정액 생성수단에 포함된 섬유중 하나의 확대 단면도,

제4도는 세정액의 질소 가스 농도 및 음압센서에 의해 감지되는 세정액에서 전파하는 초음파 음압 레벨과의 관계를 도시하는 그래프,

제5도는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 초음파 세정 장치의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 세정조2 : 진동판

3 : 세정액4 : 초음파 진동자

5 : 고주파 발진기6 : 오버플로 억셉터 채널

7 : 배수관13 : 반도체 웨이퍼

21 : 탈가스순수 공급원22 : 질소 가스 공급원

90 : 세정액 생성수단91 : 원통형 하우징

FB : 다수의 평행 섬유F : 섬유 다발

본 발명은 초음파가 적용되는 세정액을 구비하는 피세정물 세정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 피세정물은 액정 디스플레이(liquid-crystal display, LCD) 장치용 유리 기판, 반도체 웨이퍼, 데이터 저장 등을 위한 자기 디스크일 수 있다.

초음파 세정은 주로 액정 디스플레이(LCD) 장치용 유리 기판, 반도체 웨이퍼, 데이터 저장 등을 위한 자기 디스크 같은 피세정물을 세정하거나 헹구는 데 사용된다. 통상적인 초음파 세정 시스템에서, 피세정물은 초음파 진동자에 의해 활성화되는 진동판으로부터 초음파가 적용되는 세정액을 포함하는 세정조로 도입된다. 세정액의 초음파는 진동 에너지를 피세정물상의 파티클에 적용시켜서 파티클 및 다른 오염 물질이 피세정물에서 효과적으로 제거될 수 있게 한다.

초음파 세정 시스템용 세정액은 순수 장치(탈이온화기 또는 탈염기(demineralizer))에 탈기화기를 부가시켜 순수 장치로부터 얻은 순수(純水)(탈이온화수 또는 탈염화수)로부터 금속 이온 및 파티클 뿐 아니라 용존 가스 또한 제거함으로써 얻어진다. 피세정물이 반도체 웨이퍼일 경우, 순수의 산소 제거는 반도체 웨이퍼상의 산소막의 성장 방지를 위해 요구된다. 산소 제거는 또한 액체 공급관내의 박테리아 증식을 막는데 효과적이다. 반면에, 이산화탄소를 포함하는 순수는 순수 장치내에 제공된 이온 교환 수지를 열화시키는 상대적으로 높은 전기 저항성을 가지며, 따라서 이산화탄소의 제거 또한 순수 장치의 작동 부담 감소를 위해 요구된다.

그러나, 탈가스순수(degassed pure water)가 세정액으로 사용시, 초음파의 진동모드는 세정액에서 변화하며, 피세정물은 세정 과정의 목적에 반하여 자주 재오염된다.

본 발명은 피세정물 세정용 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 본 장치는 a) 피세정물을 수용할 수 있는 세정조; b) 미리 결정된 농도로 용해된 가스를 함유하는 세정액을 세정조로 인도하기 위한 수단; c) 세정조내의 피세정물을 둘러싸는 세정액으로의 초음파 적용 수단을 구비한다.

바람직하기로는 세정액은 가스를 탈가스순수로 용해함으로써 얻어지고, 가스는 최소한 하나의 불활성 가스를 포함할 수 있다.

세정액에서 미리 정해진 농도로 용해된 가스는 초음파의 진동 모드 변화를 억제하는데 효과적이며, 이것에 의하여 피세정물의 재오염이 방지된다. 용해된 가스의 구체적인 기능은 뒤에 설명될 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 초음파가 적용될 세정액내에서 세정되는 피세정물의 재오염을 막기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 그 이외의 목적, 특징 및 잇점들은 첨부 도면과 함께 다음의 자세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

구조

제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 세정 장치(100)를 도시한 것이다. 세정 장치(100)는 바닥에 진동판(2)이 제공된 세정조(1)를 구비한다. 세정조(1)는 세정액(3)으로 채워져 있다. 초음파 진동자(4)는 진동판(2)의 하부면에 부착되어 있다. 초음파 진동자(4)는 고주파 전기 신호를 발생시키는 고주파 발진기(5)에 연결되어 있다. 초음파 진동자(4)는 고주파 발진기(5)로부터 고주파 전기 신호를 수신하고, 진동판(2)을 통하여 세정액(3)으로 초음파를 방출한다. 오버플로 억셉터 채널(6)(overflow acceptor channel)이 넘치는 세정액(3)을 수용하기 위해 세정조(1)의 외부를 둘러싸고 있다. 배수관(7)은 배수 경로(미도시)에 흘러 넘치는 세정액을 배수하기 위해 오버플로 억셉터 채널(6)의 바닥부에 열려 있다.

세정 장치(100)는 세정액 생성용 세정액 생성수단(90)을 더 구비한다. 세정액 생성수단(90)은

1) 워터 공급관(8)을 통한 탈가스순수 공급원(21)(degassed pure water supply)으로부터의 탈가스순수와,

2) 가스 공급관(10)을 통한 질소 가스 공급원(22)(nitrogen gas supply)으로부터의 질소 가스를 제공받으며, 뒤에 설명될 탈가스순수에서 질소 가스 용해에 의해 세정액을 생성한다. 탈가스순수는 순수에 용해된 가스(예컨대, 산소 가스 및 이산화 탄소 가스)를 제거함으로써 이전에 획득된다. 탈가스순수 및 질소 가스 모두 압력하에 제공된다. 탈가스순수 공급원(21) 및 질소 가스 공급원(22)은 각각 공장 설비에서 순수 공급원 및 가스 공급원일 수 있다.

세정 가스 생성수단(90)에서 얻어진 세정액은 세정액 공급관(12)을 통하여 세정조(1)로 공급된다.

제2도는 세정액 생성수단(90)의 확대 단면도이고, 제3도는 세정액 생성수단(90)내에 포함된 섬유중 하나의 확대 단면도이다. 제2도에서 세정액 생성수단(90)은 원통형 하우징(91)을 구비한다. 다수의 평행 섬유(FB)로 구성된 섬유 다발(F)은 하우징(91)에 의해 규정되는 내부 공간에서 한 쌍의 지지 부재(92, 93)에 의해 지지된다. 제3도에 도시된 바와 같이, 각각의 섬유(FB)는 터널(96)을 형성하는 폴리테트라플루오르에틸렌으로 만들어진 섬유벽(94)을 가지는 중공(中空) 섬유이다. 다수의 미세구멍(95)이 형성되어 섬유벽(94)을 통하여 분포된다.

4개의 구멍(P1~P4)(제2도)은 하우징(91)을 통하여 형성된다. 하우징(91)의 바닥부에 제공된 제1구멍(P1)은 워터 공급관(8)의 단부에 연결되어 있어서 탈가스순수를 섬유(FB) 각각의 터널(96)(제3도)로 도입한다.

하우징(91)의 측면 벽의 하부 위치에 제공된 제2구멍(P2)은 가스 공급관(10)의 단부에 연결되어 있다. 질소 가스는 제2구멍(P2)을 통하여 섬유(FB) 각각의 주위공간에 도입된다. 탈가스순수가 섬유(FB)의 터널(96)내에서 상향하여 흐를 때, 미세구멍(95)(제3도)을 통하여 관통하는 질소 가스가 탈가스순수에 용해되어 섬유(FB)의 정상에서 세정액을 얻는다. 질소 가스는 세정액을 생성하기 위한 소스 가스로서 사용된다.

제3구멍(P3)(제2도)은 하우징(91)의 상부를 통하여 제공되며, 세정액 공급관(12)에 연결되어 있다. 각각의 섬유(FB)의 상단부로부터 나오는 세정액은 세정액 공급관(12)으로 흘러 세정조(1)(제1도)로 전달된다.

제4구멍(P4)은 하우징(91)의 측면 벽의 상부 위치에 제공되며, 배기관(11)의 단부에 연결되어 있다. 탈가스순수에 용해되지 않은 질소 가스의 일부는 배기관(11)을 통하여 배기된다.

세정액은 순수에 용해된 일정 농도의 질소 가스를 포함한다. 탈가스순수가 세정액을 생성하는데 사용되므로, 질소 이외의 가스는 세정액에서 실질적으로 배제되어 왔다.

바람직하게는, 탈가스순수에 용해된 가스 및 따라서 세정액 용존 농도는 5ppm 이상이며, 더 바람직하게는 10ppm이상이다. 질소의 바람직한 농도가 지정되었다면, 세정액에서 다음과 같은 방법으로 획득되어도 된다: 장치(100)의 실질적인 작동이전에, 세정액 생성수단(90)에 첨가된 탈가스순수 및 질소 가스의 각각의 압력은 세정액 생성수단(90)에 의해 얻어진 세정액의 농도를 감지하면서 변화될 것이다. 본 실험을 통해, 지정된 농도를 얻기 위한 일정한 압력이 결정된다. 본 장치(100)가 반도체 웨이퍼(13) 세정용으로 사용시, 결정된 압력이 세정액 생성수단(90)내의 탈가스순수 및 질소 가스에 적용되며, 이것에 의하여 세정액내의 지정된 질소 농도를 얻을 수 있다.

세정액내의 가스의 기능

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 세정 장치(100)의 작동 이전에, 세정액에 용해된 질소 가스가 초음파 세정 향상에 효과적인 이유가 무엇인지 검토될 것이다.

배경 기술에 따른 탈가스순수가 세정액으로서 직접 사용된다면, 초음파 전파는 세정액에서 아주 빠르다. 이것은 실질적으로 세정액에서 초음파 전파를 방해하는 어떠한 가스 요소도 존재하지 않기 때문이며, 따라서 초음파의 감쇠 요인 즉, 감쇠 상수가 감소된다. 예컨대, 초음파가 세정조의 바닥면으로부터 적용될 때, 초음파는 세정조위의 대기와 세정액 사이의 경계면에서 반사되며, 진행파(propagating wave) 및 정재파(standing wave) 모드 세정액에서 발생된다. 정재파는 세정액의 음압 분포에서 피크(음복, sound antinode) 및 밸리(음절, sound node)를 야기한다. 반도체 웨이퍼에서 제거된 파티클은 음압이 상대적으로 낮은 음절에 집중된다. 메가 헤르쯔 단위의 초음파가 25℃ 물에 적용될 때, 물에서의 초음파 반파장(λ/2)은 0.75mm이며 파티클은 0.75mm마다 집중된다. 정재파는 파티클이 고음압 지역으로 이동하는 것을 막아주어서, 파티클이 저음압 지역에 갇혀 떠돌게 한다. 정재파에 의해 갇힌 파티클은 넘치는 세정액으로는 세정조에서 거의 제거되지 않는다. 정재파에 의해 발생된 음절은 전 세정조에 걸쳐 주기적으로 분포되며, 정재파에 갇힌 파티클은 세정 과정 동안 반도체 웨이퍼를 재오염한다.

반면에, 바람직한 실시예에 따른 장치(100)에 사용되는 세정액은 농도가 세정액 생성수단(90)에서 조절되는 가스요소를 포함한다. 세정액에 적용된 초음파는 세정액에 용해된 가스에 의해 상당하게 감소된다. 초음파가 세정액과 대기사이의 경계면에 도달할 때 초음파가 충분히 감소되므로, 경계면에서의 초음파 반사는 경미하여 초음파는 경계면 근처내에서 실질적으로 정지한다.

제4도는 세정액의 질소 가스 농도 및 음압센서에 의해 감지되는 세정액에서 전파하는 초음파 음압 레벨과의 관계를 도시하는 그래프이다. 제4도에서 알 수 있듯이, 질소의 농도가 증가함에 따라 음압이 감소한다. 특히 질소 농도가 10ppm이나 그 이상일때, 초음파는 세정액에서 정재파없이 전파한다. 그 결과로써, 반도체 웨이퍼는 전진 진행요소로만 이뤄진 초음파에 구속된다. 반도체 웨이퍼에서 일단 제거된 파티클은 세정액의 오버플로와 함께 배수되며, 반도체 웨이퍼를 거의 재오염하지 않게 된다.

장치의 작동

이제 전술한 원칙을 고찰하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치(100)의 작동에 관해 설명할 것이다.

세정될 피세정물, 예컨대 카세트내에 포함된 반도체 웨이퍼(13)(제1도)는 세정조(1)에 채워진 세정액에 침지되어 있다. 탈가스순수는 세정액 생성수단(90)에서 탈가스순수 공급원(21)으로부터 섬유(FB) 각각으로 공급된다. 동시에, 압력하의 질소가스는 질소 가스 공급원(22)으로부터 섬유(FB)의 평행 다발(F) 주위의 공간으로 공급된 후, 배기관(11)으로 배기된다. 질소 가스 일부는 섬유(FB) 각각의 미세 구멍(95)을 통하여 탈가스순수에 용해되어서, 미리 결정된 농도(바람직하게는 5ppm 또는 10ppm 이상의 농도)의 질소 가스를 포함하는 세정액을 얻을 수 있다. 세정액은 세정액 공급관(12)을 통하여 세정조(1)로 전달된다. 세정액의 공급은 유지되며, 따라서 세정액(3)은 세정조(1)의 정상 단부로부터 오버플로 억셉터 채널(6)로 넘쳐 흐른 후, 배수관(7)을 통하여 배수된다.

세정조(1)가 세정액(3)으로 채워진 후, 고주파 발진기(5)는 고주파 전기 신호를 발생하여 초음파 진동자(4)로 이것을 전송한다. 초음파 진동자(4)는 진동판(2)을 진동시키며, 이로 인하여 0.7MHz에서 5.0MHz사이의 진동 범위내의 주파수를 가지는 초음파를 발생시킨다. 초음파는 세정조(1)에 채워진 세정액(3)으로 진행한다. 세정액(3)에 용해된 질소 가스는 초음파를 감쇠시키는데 효과적이다. 초음파가 세정액(3)과 세정조(1)위의 대기 사이의 경계면에 도달시, 이것은 상당하게 감쇠되며, 어떠한 정재파도 세정액(3)에서 발생되지 않는다.

그러므로, 실질적으로 진행요소만을 가지는 초음파는 반도체 웨이퍼(13) 주위에서 세정액(3)을 진동시키고, 이로 인하여 반도체 웨이퍼가 세정된다. 초음파에 의해 반도체 웨이퍼(13)에서 분리된 파티클은 초음파의 진행력으로 세정액 표면에 이송된 후, 오버플로 억셉터 채널(6)에서 배수관(7)으로 배수 경로를 따라 세정액(3)의 오버플로와 함께 배수된다.

반도체 웨이퍼(13)는 세정액(3)에서 세정되며, 미리 결정된 시간 간격후 반도체 웨이퍼(13)는 세정조(1)에서 꺼내지고 다음 과정으로 이송된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세정 장치(100)는 세정액(3)의 초음파에서 어떠한 정재파도 실질적으로 발생하지 않으므로, 반도체 웨이퍼(13)의 재오염없이 정밀하게 세정하는데 효과적이다.

다른 바람직한 실시예

제5도는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 초음파 세정 장치(200)를 도시한 것이다. 탈가스순수로부터의 세정액 생성용 구조는 장치(100)(제1도)의 구조와 동일하다. 제1도의 요소(10,11,12,21,22,90) 또한 제5도의 장치(200)에 제공된다. 반면에, 장치(200)는 내부 세정조(1A) 및 외부 세정조(1B)를 가지는 이중 세정조 구조의 세정조를 구비한다. 내부 세정조(1A) 및 외부 세정조(1B)에 삽입되어 있으며, 지지부재(미도시)에 의해 지지되어서 내부 세정조(1A) 및 외부 세정조(1B) 사이의 갭 공간이 규정된다. 내부 세정조(1A)의 상측부는 외부 세정조(1B)로부터 노출되어 있다.

제1도의 바람직한 실시예와 마찬가지로, 오버플로 억셉터 채널(6A)이 내부 세정조(1A)의 외부를 둘러싸고 있어서, 넘치는 세정액(3)을 수용한다. 배수관(7A)은 넘친 세정액을 배수 경로(미도시)로 배수하기 위해 오버플로 억셉터 채널(6A)의 바닥부에 열려져 있다.

진동판(2)은 초음파 진동자(4)가 부착된 외부 세정조(1B)의 바닥부에 제공되어 있다. 초음파 진동자(4)는 고주파 발진기(5)로부터의 고주파 전기 신호를 수신하여 진동판(2)을 통하여 초음파를 방출한다. 초음파 전파용 전파액(30)이 외부 세정조(1B)에 채워지는 반면, 세정액(3)은 내부 세정조(1A)에 채워진다. 진동판(2)으로부터 발산된 초음파는 전파액(30)에서 전파한 후, 내부 세정조(1A)의 바닥부 및 벽을 통하여 세정액(3)으로 진입한다. 세정액(3)내에 침지되어 있는 반도체 웨이퍼(3)는 세정액(3) 및 초음파에 의해 세정된다.

제1도의 장치(100)에서와 같이, 장치(200)에서 세정액(3)은 질소 가스를 함유하는 물이다. 반면에, 전파액(30)은 반도체 웨이퍼(13)와 접촉하지 않으므로 탈가스순수 또는 다른 액체이어도 된다.

본 발명의 각각의 바람직한 실시예에서, 가스 용해에 의한 세정액 생성용 기본액은 탈가스순수 대신에 수용성 암모니아 및 과산화수소 용액의 혼합 용액, 염산 및 과산화수소 용액의 혼합 용액 또는 다른 화학액이어도 된다.

질소 가스 이외의 다른 가스 또한 세정액 생성용으로도 사용가능하다. 바람직하게는, 세정액에 용해된 가스는 불활성 기체이며 질소, 아르곤, 헬륨 및 네온으로 구성되는 그룹에서 선택 가능하다. 불활성 기체(질소, 아르곤, 헬륨, 네온)중 둘 또는 그 이상을 포함하는 혼합 가스 또한 사용 가능하다.

본 발명은 피세정물이 초음파가 적용될 세정액을 사용하는 세정 과정에서 세정될 때, 재오염이 거의 되지 않는다는 점에서 잇점이 있다. 따라서, 본 발명은 여러가지 형태의 피세정물 세정이 가능하다.

특히 본 발명은 액정 디스플레이(LSD) 장치용 유리 기판, 반도체 웨이퍼, 데이터 저장 등을 위한 자기 디스크 같은 전기 장치용 기판을 세정하는데 유리하다.

본 발명이 자세한 설명과 도시로 나타내었으나, 전술한 설명은 예시의 목적일뿐 이에 한정되는 것이 아니다. 따라서 본 발명의 범위내에서 여러가지 변형과 응용이 가능함은 물론이다.

Claims (13)

1. a) 피세정물을 수용할 수 있는 세정조;

   b) 미리 결정된 농도로 용해된 가스를 함유하는 세정액을 상기 세정조로 인도하기 위한 수단;

   c) 상기 세정조내의 상기 피세정물을 둘러싸는 상기 세정액으로의 초음파 적용 수단

   을 구비하는 피세정물 초음파 세정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 세정액은 상기 가스를 탈가스순수(degassed pure water)로 용해함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 초음파 세정 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 가스가 최소한 하나의 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 가스의 농도가 5ppm이상인 것을 특징으로 하는 초음파 세정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 가스의 농도가 10ppm이상인 것을 특징으로 하는 초음파 세정 장치.
6. a) 피세정물을 수용할 수 있는 세정조;

   b) 미리 결정된 농도로 용해된 가스를 함유하는 세정액 생성용 세정액 생성수단;

   c) 상기 세정조로의 상기 세정액 인도 수단;

   d) 상기 세정조내의 상기 피세정물을 둘러싸는 상기 세정액으로의 초음파 적용 수단

   을 구비하는 피세정물 세정용 초음파 세정 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 세정액 생성수단은

   b-1) 미세 구멍이 형성되어 있는 원통형 벽을 각각 구비하고 있는 중공(中空)섬유;

   b-2) 중공 섬유 각각의 상기 워통형 벽에 의해 규정되는 터널에서의 탈가스순수 흐름 수단;

   b-3) 상기 미세 구멍을 통하여 소스 가스 일부가 관통하여 상기 터널에 흐르는 탈가스순수에 용해되어 상기 세정액을 얻을 수 있게 하는, 상기 중공 섬유 주위로의 소스 가스 공급 수단

   을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 소스 가스가 최소한 하나의 불활성 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정 장치.
9. 초음파 세정 방법에 있어서,

   a) 미리 결정된 농도로 가스가 용해되어 있는 세정액 생성 단계;

   b) 세정조에의 상기 세정액 공급 단계;

   c) 상기 세정액으로의 상기 피세정물 침지 단계;

   d) 상기 세정액으로의 초음파 적용 단계

   를 구비하는 세정 방법.
10. 제9항에 있어서, a) 단계가

    a-1) 상기 세정액을 얻기 위하여 소스 가스를 탈가스순수로 용해시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 가스가 최소한 하나의 불활성 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 세정 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 가스의 농도가 5ppm이상인 것을 특징으로 하는 세정 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 가스의 농도가 10ppm이상인 것을 특징으로 하는 세정 방법.