KR19990087765A - 에어로졸을 사용하여 물체를 건조 및 세척하는방법 및 장치 - Google Patents

에어로졸을 사용하여 물체를 건조 및 세척하는방법 및 장치 Download PDF

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KR19990087765A
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효프 에스. 리이
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Abstract

제조공정에서 젖거나 오염될 수 있는 물체(13A, 13B, 13C)를 건조하고 세척하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 물체는 폐쇄 챔버(11)내의 세척액(27)내에 담그어지고, 선택 액체(37)로부터 나온 에어로졸 입자(39)는 챔버로의 세척액 표면(29)위에 들어가서 이 표면상에 얇은 막(30)을 형성한다. 세척액은 서서히 배출되면, 약간의 에어로졸 입자는 물체의 노출 표면(14A, 14B, 14C)상에 가라안고 "화학적 고무걸레질" 효과에 의해서 노출 표면으로부터 나온 세척액 잔류물을 이동시켜 제거한다. 또한 이 공정에 의해서 표면 오염물을 제거한다. 챔버압력을 세척액이 챔버로부터 배출될 때 외부 주변 압력에 또는 이에 가까운 압력에 유지한다.

Description

에어로졸을 사용하여 물체를 건조 및 세척하는 방법 및 장치
액체 및 유체를 적용하는 가공공정을 사용하여 제조된 물체들은 제조공정을 계속 진행하기 전에 물체들을 철저하게 건조시킬 필요가 있다. 예를들어, 집적회로의 제조시 도핑, 포토마스킹, 에칭 및 부동태화 공정(passivation processes)에서는 하나의 단계에서 특정 액체를 적용해야 하고 다음 단계를 진행하기 전에 그 액체 잔류물들을 제거해야 할 필요가 있다. 이들 액체 잔류물의 건조 및 제거는 완벽해야 하며, 상기 건조공정은 건조공정을 보완하기 위한 화학약품과 에너지를 최소로 소비하면서 수행하는 것이 이상적이다.
집적회로를 포함한 부품들을 가열 또는 과열 가스를 사용하여 건조하는 방법이 여러 문헌에 공지되어 있다. 맥코넬 등에 허여된 미국 특허 제 5,577,650호, 4,633,983호, 4,738,272호, 4,778,532호, 4,856,844호, 4,899,767호, 4,911,761호, 4,917,123호, 및 4,984,597호에는 웨이퍼 가공처리 공정의 일부분으로서 베셀내에서 건조될 웨이퍼를 통과하도록 가열 증기 또는 액체를 유동시킴으로써 반도체 웨이퍼를 건조하는 방법이 기술되어 있다. 양호한 건조 증기로는 웨이퍼에 최소의 비등 공비 혼합물(azeotrope)을 형성하고 웨이퍼 표면으로부터 물을 추출해내는 것으로 여겨지며 증기가 한 단부에서 베셀내측으로 유동시키는 동시에 타단부에서 베셀외부로 유동시키는 과열된 이소프로파놀이다.
토마스 등에 허여된 미국 특허 제 5,383,484호에는 엇갈리게 위치된 복수의 메가소닉 비임 변환기를 웨이퍼 세척용으로 사용하는 방법이 기술되어 있다. 각각의 변환기는 특정화되지 않은(매우 높은) 주파수를 갖는 임의의 메가소닉 비임을 일정한 방향으로 방출하며, 변환기의 위치는 집광 비임을 비춤으로써 웨이퍼의 배열과 무관하게 챔버내의 모든 웨이퍼 표면을 세척하도록 선택된다.
반도체 웨이퍼, 의료기구 및 기타 물체로부터 오염물과 원치않는 재료층의 제거를 위해 화학 세척욕에 초음파 변환기를 사용하는 방법이 에릭슨 등에게 허여된 미국 특허 제 5,178,173호, 와타나베 등에게 허여된 미국 특허 제 5,203,798호, 다마키 등에 허여된 미국 특허 제 5,227,001호, 에반스 등에 허여된 미국 특허 제 5,248,456호, 스미쓰 등에 허여된 미국 특허 제 5,337,446호, 꼬렛스키 등에게 허여된 미국 특허 제 5,368,054호, 스테인하우저 등에 허여된 미국 특허 제 5,380,369호, 시바노에게 허여된 미국 특허 제 5,447,171호, 아바드에게 허여된 미국 특허 제 5,464,477호, 가토에게 허여된 미국 특허 제 5,467,791호, 티지테에게 허여된 미국 특허 제 5,468,302호 및 캠프벨에게 허여된 미국 특허 제 5,472,005호에 기술되어 있다.
소정의 재료를 물체 표면에 코팅, 분무, 증착 또는 기타 다른 방법의 적용을 위해 초음파 변환기를 사용하는 방법이 바크맨에게 허여된 미국 특허 제 5,387,444호, 에릭슨 등에게 허여된 미국 특허 제 5,409,163호 및 버스티그 등에게 허여된 미국 특허 제 5,451,260호에 기술되어 있다. 초음파 분무화장치는 멍크에게 허여된 미국 특허 제 5,454,518호에 기술되어 있다.
상기 방법들은 물체 표면을 건조시키기 위해서 가열 또는 과열 가스나 직접 비임 방사법을 사용거나, 오염물을 물체 표면으로부터 제거하거나 소정의 재료를 물체 표면에 도포하는데 초음파 비임 및 활성 화학욕에 의한 협력 작용을 이용한다. 상기 방법들은 복잡하며, 보통 고온에서의 작동을 필요로 하며, 수분의 가공처리 시간을 요하며, 상기 가공처리 챔버용으로 특정한 저항성을 갖는 챔버의 사용을 필요로 한다.
종래기술에 있어서 필요한 것은 주요 잔류물들을 포함함이 없이 실온에서도 잘 작동하고 극히 단순하며, 1분 정도의 짧은 시간내에서 작동할 수 있으며, 챔버벽의 재료와 무관하게 모든 챔버내에서 수행될 수 있으며, 최소의 에너지(특히, 열에너지) 소비와 함께 극소량의 건조제 사용만을 필요로하는, 제조공정중에 있는 물체를 건조 및 세척하기 위한 방법 및 그와 관련된 장치이다. 바람직하게, 상기 방법은 광범위한 온도범위에서 작동할 수 있어야 하며 어떠한 크기의 표면에 대해서 용이하게 이용할 수 있어야 한다.
발명의 개요
전술한 종래기술에 있어서의 요구는 재순환수와 소량의 저 표면장력 액체 및 (선택적인)재순환 세척제를 사용하여 물체를 건조하는 본 발명에 따른 방법과 그의 관련 장치에 의해 달성된다.
일 실시예에서, 건조될 물체는 챔버내의 물과 같은 세척액내에 담궈진다. 세척액표면은 선택된 액체의 소량 스트림을 음파 또는 초음파 진동에 의해 형성한 에어로졸로 제조되는 이소프로필 알콜("IPA")과 같은 낮은 표면 장력을 갖는 액체로 된 매우 얇은 막으로 덮인다. 다른 적합한 액체로는 에틸 알콜, 메틸 알콜, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 퍼플루오로헥산, 헥산 및 에테르가 있다. 상기 박막은 필요에 따라 계속해서 공급되며, 건조할 물체를 덮고 있는 세척액은 천천히 배출된다. 세척액과 박막이 배출되면, 선택된 액체가 물체의 표면과 잠시 접촉하고 후술하는 "화학적 스퀴징" 공정에 의해서 물 잔류물을 제거한다. 선택적으로, 상기 물체들은 챔버가 배출된 후에 건조 N2CO 또는 CO2가스과 같은 가열 또는 주위온도로 가열된 세척액을 사용하여 추가의 챔버 정화 또는 건조 공정이 수행되어야 한다. 선택적으로, 챔버압력은 세척액가 챔버로부터 배출될 때 외측 주변압력과 가깝게 또는 그 이상으로 유지된다.
상기 공정을 제어하는데 변화될 수 있는 공정변수는 선택된 액체로부터 에어로졸 입자를 형성하기 위한 진동 주파수, 각각의 에어로졸 입자 직경, 선택된 액체의 배분율, 에어로졸 입자를 형성하기 위해 선택된 액체가 배분되는 압력과 온도, (있다면)사용된 건조액의 온도, 및 선택된 액체 및 (있다면)사용된 건조액에 대한 선택도 등이다.
본 발명은 10내지 20 리터의 용량을 갖는 챔버내에서 물체를 건조시키는데에는 1 내지 2 밀리미터(ml)정도로 적은, 또는 필요에 따라 그보다 적거나 많을 수 있는 양의 선택된 액체를 필요로 한다. 이러한 본 발명의 방법은 여러 장점을 부여한다. 첫째, 본 발명의 방법은 적은 에너지 소비로도 실온 또는 실온 근처에서 수행되며, 건조를 위한 가열 또는 과열 액체 가스의 사용이 필요치 않다. 둘째, 본 발명의 방법은 다량의 세척액(10 내지 20리터)에 극소량의 선택된 액체만을 사용하므로, 해로운 물질에 필요한 특별한 처리공정이 필요없이도 세척액과 선택된 액체의 혼합물이 정상적으로 배분될 수 있다. 셋째, 다양하고 저렴한 선택된 액체를 사용할 수 있다. 넷째, 선택된 액체의 피복막을 사용함으로써 배출후에 남아있는 세척액으로부터 증발을 최소화할 수 있다. 다섯째, 상기 방법은 장치의 실질적인 변경없이도 크기를 용이하게 증가시키거나 줄일 수 있다. 여섯째, 상기 방법은 물체의 표면에 화학적으로 부착되지 않은 대직경의 오염물을 제거할 수 있다.
본 발명은 전자부품을 포함한 여러 제조물들을 음파 또는 초음파 수단에 의해 형성된 에어로졸을 사용하여 건조 및 세척하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 챔버내의 세척액내에 물체가 잠겨있는, 본 발명을 수행하기 위한 장치의 일 실시예를 도시하는 도면이며,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 적합하게 사용될 수 있는 에어로졸 형성 진동노즐의 개략적인 도면이며,
도 3은 챔버에서 부분 배출된 세척액를 갖는 도 1 장치를 도시하는 도면이며,
도 4는 본 발명의 방법의 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
도 1은 본 발명을 수행하는데 유용한 장치(10)의 일 실시예를 도시한다. 상기 장치에 내장된 챔버(11)는 하우징(12)에 의해 한정되어 있으며 건조될 물체(13A,13B,13C 등)를 유지하기 위한 (선택적인)랙이 제공되어 있다. 상기 물체(13A,13B,13C)들은 하우징(12)의 일부인 활주식, 힌지식 또는 다른 작동가능한 출입구(15)를 통해서 챔버(11)내에 놓여지거나 챔버로부터 제거된다. 상기 출입구(15)가 폐쇄되거나 결합되면, 상기 챔버는 바람직하게 기밀형태로 밀봉되며 챔버내의 어떤 잔류가스도 선택적으로 제거될 수 있다. 제 1 포트(21)와 관련 제 1 밸브(23)는 하우징(12)에 부착되며 물체(13A,13B,13C)가 내부에 잠겨져 있는 물 또는 다른 적합한 세척액(27)의 공급원(25)에 연결된다.
제 2 포트(31)와 이와 관련된 제 2 밸브(33)는 하우징(12)에 부착되어 있고 물체(13A, 13B, 13C)를 주로 건조하는 선택된 건조 액체 또는 유체(37)("선택 액체")의 압력 5- 50psi에서 유지된 가압 탱크와 같은 선택 액체원(35)에 연결되어 있다.
제 1 포트(21)와 제 1 밸브(23)와 일치할 수 있는 제 3 포트(41)와 이와 관련된 제 3 밸브(43)는 하우징(12)에 부착되어 있고 세척액(27)을 수용해서 배출하는 다른 적합한 제 1 배출 어셉터(45) 또는 제 1 액체 또는 유체 탱크에 연결되고 챔버(11)로부터 나온 선택 액체(37)를 흡수한다. 제 2 포트(31)와 제 2 밸브(33)와 일치할 수 있는 제 4 포트(51)와 이와 관련된 제 4 밸브(53)는 하우징(12)에 부착되어 있고 선택 액체(37)를 수용해서 배출하는 다른 적합한 제 2 배출 어셉터(55) 또는 제 2 액체 또는 유체 탱크에 연결되고, 챔버(11)로부터 나온 선택 액체(37)의 에어로졸 방울(39)에 연결되어 있다.
초기에, 물체(13A, 13B, 13C)는 랙 또는 카세트(도시 생략)내의 챔버(11)내에 놓여있다. 입구 통로(15)는 폐쇄되어 있거나 결합되어 있고, 챔버는 비워있고, 세척액(27)은 물체가 완전히 세척액에 잠기도록 제 1 포트(21)와 제 2 밸브(23)를 통해서 챔버로 들어간다. 그리고 나서 제 1 밸브(23)는 폐쇄된다. 변경적으로, 물체(13A, 13B, 13C)는 이들 물체의 표면의 일부가 세척액의 노출면위에 노출되도록 세척액(27)내에 부분적으로 잠길수 있다.
그 다음에 선택 액체(37)의 작은 스트림은 제 2 포트(31)와 제 2 밸브(33)를 통과하고 압전구동식 헤드(61)와 10kHz ≤ f ≤ 1000kHz 범위, 더 바람직하게 20kHz ≤ f ≤ 100kHz의 좁은 범위의 선택 주파수 f에서 진동하는 음속 또는 초음속 노즐(62)에 의해 수용된다. 구동식 헤드(61)는 적합하게 챔버(11)외측에 놓여있고 상술한 범위내에 진동 주파수 f의 선택을 허용하는 주파수 발생기(64)에 연결 구동된다. 선택 액체(37)가 진동 노즐(63)에 놓이고 노즐이 진동하면, 선택 액체는 챔버(11)로 이동하여 아직 세척액(27)에 의해 채워지지않고 물체(13A, 13B, 13C)가 잠겨있는 챔버의 상부(11U)를 대부분 점령하는 다수의 에어로졸 방울(39)로 변환된다.
도 2a는 도 1에 도시한 장치에 사용할 수 있는 적합한 구동 헤드(61A)와 진동 노즐(63A)을 도시한다. 진동 노즐(63A)은 적합하게 직경 d(col) ≒ 200㎛을 가지고 여기에 형성된 중공 컬럼(65A)을 가지며, 상기 중공 칼럼을 통해서 선택 액체(37)(단면 해칭)이 흐른다. 그리고 나서 진동 노즐은 선택 액체(37)의 소형 방울(39)를 떠어내고(shake off), 거친 원통형 형상의 에어로졸 방울을 형성하여 세척액위의 챔버(11)의 일부분으로 이동한다.
도 2b는 선택 액체(37)가 흐르는 얇은 중공 칼럼(65B)을 포함하는 진동 노즐(63B)와 다른 적합한 구동 헤드(61B)를 도시한다. 하우징(67B)은 노즐(63B)을 에워싸고 에어로졸 방울(39)을 향해 고온 또는 냉각 불활성 가스(69B)의 링을 안내하며, 상기 에어로졸 방울(39)은 챔버를 통해서 에어로졸 방울의 보강된 분포를 위해서 원추형 또는 다른 소망의 패턴으로 챔버로 이동한다.
발명자는 보다 높은 주파수 f를 사용하면 보다 소형인 평균 직경 d(평균)을 가진 에어로졸 방울(39)을 생성할 수 있다는 것을 발견했다. 20kHz ≤ f ≤ 100kHz 범위의 진동 주파수 f에서, 평균 에어로졸 방울의 직경은 10㎛ ≤ d(평균) ≤ 50㎛이다. 평균 방울 직경을 박막 구멍(66)의 직경 d(평균)을 변경하고 진동 노즐(63A 또는 63B)의 주파수 f를 변경함으로서 변경할 수 있다.
선택 액체(37)는 물체(13A, 13B, 13C)와 챔버(11)의 벽에 반응하지 않고 세척액의 표면장력보다 낮은 표면장력을 가진다. 적합한 선택 액체는 이소프로필 알콜, 에틸 알콜, 메틸 알콜, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 퍼플루오로핵산, 핵산과 에테르 뿐만 아니라 다양한 저표면 장력의 액체와 유체를 포함한다. 선택 액체로서 이들 물체중 어느것을 사용해도 특별히 저항성있는 재료로 만든 챔버벽을 갖출필요가 없다.
선택 액체(37)는 전달을 용이하게 하고 자연적으로 일어나고 있는 선택 액체의 약간의 휘발을 억제하도록 대기압위의 5 - 50psi의 압력에서 선택된 액체원(35)내에 유지될 수 있다. 적합한 세척액, 탈이온수는 T ≒20℃에서 표면장력 σ= 73dynes/cm이고, 메틸 알콜, 에틸 알콜, 이소프로필 알콜, n-핵산과 에테르와 같은 유기분자는 T ≒20℃에서 표면장력 17dynes/cm ≤σ≤ 23dynes/cm을 가지므로, 실온에서 σ(선택 액체) << σ(세척액)이다.
실온 또는 실온 근처에서 선택 액체(37)를 사용하는 것이 여기서 바람직하다. 상승온도에서 선택 액체(37)를 사용하면 선택 액체(37)의 표면장력에 대해서, 세척액(27)의 표면장력을 감소할 수 있고, 그러므로, 이 공정에 의존된 화학적 고무걸레 효과를 방해할 수 있다.
에어로졸 입자는 기체형태로 상변태를 받지 않고 선택 액체(37)의 분자의 수집체 또는 클러스터이다. 그러므로, 진동 노즐에 의해 제공된, 선택 액체(37)의 일 그램을 에어로졸 방울(39)로 변환하는데 필요한 에너지 E(에어로졸)(통상적인 음속 헤드에 대해 1.6와트, 또는 2ml/min의 유속에서 100 Joules/gm)는 선택 액체(37)의 일 그램을 기체 형태로 가열해서 변환하는데 필요한 증발 에너지 E(기체)보다 휠씬적다. E(에어로졸)/E(기체)의 비는 2%보다 적다. 에어로졸 입자는 실온 또는 실온 근처에서 생성될 수 있으며, T = 60 - 200℃와 같은, 매우 높은 온도는 이 공정에서 필요없거나 양호하지 못하다. 더욱이, 1- 5 ml와 같은 아주 적은 소량의 선택 액체(37)만이 챔버(11)내의 몇 개의 물체(13A, 13B, 13C)를 건조하는데 필요하다.
에어로졸 방울(39)은 챔버(11)로 이동하고, 많은 이들 방울은 변경 두께 h(에어로졸)를 가진 얇은 막(30)과 같은 세척액(27)의 노출면(29)에 놓여진다(적합하게 가라않는다). 얇은 막(30)을 형성하는데 필요한 시간은 40 - 60초이다. 막(30)과 결합하는 에어로졸 방울(39)의 일부분은 세척액(27)으로 확산하므로, 상기 막이 추가의 에어로졸 방울로 보충되지 않으면, 막(30)은 신속히 거의 살아질 것이다. 적합하게, 진동 노즐(63)으로의 선택 액체(37)의 체적 유속 r(sel)은 에어로졸 방울(39)이 막(30)과 결합하는 속도가 막에 대한 선택 두께 h(에어로졸)를 유지하거나 증가시키기에 충분하도록 조정된다. 막 두께 h(에어로졸)의 적합한 범위는 0.5mm ≤ h(에어로졸) ≤ 5mm이지만, 이 두께는 체적 유속 r(sel)을 증가함으로서 보다 크게 할 수 있다. 약 900cm2의 면적을 가지는 세척액(27)에 대한 노출면(상부면)을 가지는 챔버(11)에 대해서, 선택 액체(37)의 분당 체적 유속 r(sel) = r2 = 1-5ml은 충분하다. 대개, 체적 유속 r2= 1- 2ml/min으로 충분하다. 5mm/초의 배출 속도에서 챔버의 배출에 필요한 시간은 약 10- 20cm 직경의 반도체 웨이퍼인 경우 약 20 -40초이다. 그러므로, 막의 설정과 챔버의 배출에 필요한 시간 간격(60- 100초)중에는 매우 적은 양의 선택 액체(37)가 세척액(27)으로 흡수되거나 확산된다.
본 공정에서 너무 적은 선택 액체(37)가 사용되기 때문에, 선택된 액체원(35)은 20 -25 ml로 적은, 아주 적은 체적을 가질 수 있으며, 선택된 액체원(35)은 챔버(11)로부터 1 - 4 메터와 같은 상당한 거리에 위치될 수 있다. 이것은 선택 액체가 사용되는 경우에 낮은 인화점을 가지거나 폭발을 시작할 수 있는 공정에서 안정성을 강화한다.
매우 소량의 선택 액체(37)는 선택 액체의 평형 기압계수를 근거로, 공정온도, 양호하게는 실온에서 자연적으로 기화할 것이다. 기화된 부분은 실온에서 폐쇄 챔버(11)내에서 상당히 적고, 선택 액체(37)의 기화 부분은 선택 액체(37)의 액체막과 에어로졸부분과 빠르게 평형을 유지하게 될 것이다. 실온보다 매우 높은 공정온도를 사용하면 적당하게 보다 높은 평형 기압 계수를 가지고 선택 액체로부터 동시에 일어나는 보다 많은량의 기체를 가진 선택 액체(37)를 생성한다. 소량의 선택 액체(37)의 자연 기화는 건조공정의 이용부분으로서 간주되지 않는다.
에어로졸 방울의 막(30)이 40 -60초를 필요로 할 수 있는, 세척액(27)의 표면(29)상에 설정된 후, 세척액(27)은 배출 탱크(45)로 제 3 포트(41)과 제 3 밸브(43)를 통해서 챔버(11)로부터 서서히 배출된다. 세척액(27)의 배출은 10 -20리터의 세척액(27)을 유지하는 챔버에 20 -40초를 필요로 한다. 배출속도 r(배출)의 범위는 3 -10mm/초이고 챔버(11)내의 세척액(27)의 높이를 감소하고, r(배출) = 5mm/초는 이 고정에서 적합한 배출 속도이다. 배출은 세척액의 다른 방법으로- 노출된 표면(29)에서 선택 액체(37)의 얇은 막(30)을 보호하기 위해서 서서히 일어난다. 세척액(27)의 배출이 진행되면, 에어로졸 방울(39)은 계속해서 진동 노즐(63)을 통해서 선택 액체(37)의 소량의 스트림의 흐름에 의해 생성된다. 선택 액체(37)의 체적 유속 r(sel)는 세척액(27)( 및 흡수된 에어로졸 입자(39))의 배출이 진행되면 보다 높거나 낮은 값을 향해 조정될 수 있다.
세척액(27)이 챔버(11)로부터 배출하면, 물체(13A, 13B, 13C)의 표면(14A, 14B, 14C)은 노출 세척액 표면(29)와 겹침 막(30)위에 점증적으로 노출되고, 챔버(11U)의 상부내의 에어로졸 방울(39)은 도 3에 도시한 바와 같이, 이들 노출 표면(14A, 14B, 14C)에 가라안는다. 또한, 선택 액체(37)의 일부분의 막(30)은 제 3 포트(41)를 향해 세척액(27)과 이동하기 보다는, 물체 표면(14A, 14B, 14C)의 노출 부분상에 놓여질 것이다. 선택 액체(37)는 세척액(27)의 표면장력 σ(린스)보다 휠씬 더 작은 표면장력 σ(sel)을 가지도록 선택된다. 세척액(27)이 물이면, 관련 표면장력은 실온에서 σ(린스) = 73dynes/cm이다. 이 경우에, 선택 액체(37)는 이소플로필 알코("IPA") 또는 에틸 알콜 또는 메틸 알콜이며, 이들 각각의 표면장력은 실온에서, σ = 21.7dynes/cm, σ = 22.6dynes/cm, σ = 22.8dynes/cm이다. 선택 액체(37)는 또한 공정 온도가 무엇에 사용되든지 세척액을 이동할 수 있는 성능에 맞게 선택된다. 실내 온도(T=20℃), 그리고 심지어 이보다 낮은 온도가 여기에 사용될 수 있다. 물론, 이 공정은 더 높은 온도에서도 만족스럽게 작동한다.
물체 표면의 노출된 부분(14A, 14B, 14C)이 선택된 액체(37)의 에어졸 방울(39)을 수용하면서, 에어졸 방울(39) 또는 선택된 액체(37)의 새로운 필름(16A, 16B, 16C)이 상기 노출된 부분 상에 형성된다. 챔버(11)로부터 세척액(27)의 배출이 진행함에 따라, 배출이 완료된 후에는 필름(16A, 16B, 16C) 내의 선택된 액체(37)가 물체 표면의 노출된 부분 상에 남아 있던 세척액(27)의 대부분을 치환하는데, 이는 대개 선택된 액체(37)의 표면장력 σ(sel)이 세척액(27)의 표면장력 σ(rinse) 보다 더 작기 때문이다. 선택된 액체(37)에 의해 치환된 세척액은 물체(13A, 13B, 13C)의 노출된 부분(14A, 14B, 14C)에서 흘러내리고 챔버 내에 세척액의 벌크와 함께 배출된다. 물체(13A, 13B, 13C)의 상기 표면(14A, 14B, 14C) 상에 필름을 형성하는 선택된 액체(37)도 또한 이들 표면에서 흘러내려 세척액(27)의 벌크와 함께 배출된다. 이리하여, 선택된 액체(37)의 필름(16A, 16B, 16C)은 세척액(27)와 선택된 액체(37)를 물체(13A, 13B, 13C)의 노출된 표면(14A, 14B, 14C)으로부터 제거함에 있어서 "화학적 스퀴지(squeegee:고무걸레)"의 역할을 한다.
물체의 노출된 표면(14A, 14B, 14C)의 이러한 화학적 스퀴징은 다른 장점을 가진다. 이 공정은 물체의 표면을 건조시킬 뿐만 아니라, 만일 오염물질 입자가 이들 주표면(host surface)에 화학적으로 결합되어 있지는 않다면 이들 표면으로부터 상당히 큰 오염물질 입자의 대부분을 제거하도록 한다. 실험결과에 따르면, 화학적 스퀴징 공정이 인가되기 전의 어떤 노출된 실리콘 표면 상에서는 표 1의 (2)행에 나타낸 바와 같이, 적어도 0.3㎛의 직경을 가진 오염물질 입자가 상당 수가 발견되었다. 화학적 스퀴징 공정(chemical squeegeeing process)을 인가시키는 것을 완료한 후에 동일한 표면에 대하여 다시 실험한 결과에 따르면, 표 1의 (3)행에 나타낸 바와 같이, 화학적 스퀴징 공정이 완료된 후에는 오염물질 입자의 수가 감소됨을 알 수 있었다. 이들 실험 결과는 크기에 따라 화학적 스퀴징 단독으로도 0.3㎛ 이상의 직경을 가진 오염물질 입자의 12 내지 100 퍼센트를 제거할 수 있다.
큰 오염물질 입자의 화학적 스퀴징 제거
입자 크기(㎛) 화학적 스퀴지 화학적 스퀴지
0.329 - 0.517 8 7
0.518 - 0.810 7 2
0.811 - 1.270 7 2
1.271 - 1.990 3 1
1.991 - 3.130 6 1
3.131 - 4.910 6 0
세척액(27)이 챔버(11)로부터 완전히 배출되고 물체(13A, 13B, 13C)의 표면(14A, 14B, 14C)이 완전히 노출되는 시점에 즈음하여, 제 2포트(31)와 제 2밸브(33)가 폐쇄되고, 진동 노즐(63)이 작동 중지되고, 그리고 제 4포트(51) 및 제 4밸브(53)는 개방된다. 그런 다음, 남아 있는 선택된 액체(37)와, 에어로졸 방울(39)과, 세척액(27)와, 그리고 세척액 및 선택된 액체로부터의 어떤 증기가 제 4포트(51)를 통하여 챔버(11)로부터 제거된다. 공정은 이 부분에서 또 다시 10 내지 20초의 시간이 요구되나, 필름(16A, 16B, 16C)과 챔버(11)로부터 남아 있는 선택된 액체 및 얼마간 남아 있는 세척액을 완전하게 제거하기 위하여, 만일 필요하다면 이 보다 더 긴 시간 간격 동안 지속될 수 있다. 이제 물체(13A, 13B, 13C)의 건조가 대체로 완료되게 된다.
선택적으로, 챔버의 퍼지(purge) 및/또는 노출된 표면(14A, 14B, 14C)으로부터의 얼마간 남아 있는 물질의 세정을 위하여, 고온 또는 실온의 건조 질소(N2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 또는 다른 불활성 기체가 제 5포트(71) 및 관련된 제 5밸브(73)를 통하여 챔버(11)내로 첨가될 수 있다. 고온 퍼지 가스는 퍼지 가스 탱크(75)로부터 챔버(11)에 의해 수용되고, 그리고 상기 제 5포트(71) 및 제 5밸브(73)와 각각 대응하는 제 6포트(81) 및 관련된 제 6밸브(83)를 통하여 제거된다. 고온 퍼지 가스는 재생, 처리, 또는 폐기를 위하여 챔버(11)로부터 사용후의 잔여 퍼지 가스 탱크(85)로 수용된다. 만일 이 부분이 공정에 포함된다면, 공정의 이 부분에서 또 다시 30 내지 60초가 소요될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에서 수행되는 공정 단계를 나타내는 흐름도이다. 단계(91)에서는, 건조 및/또는 세정된 물체(13A, 13B, 13C)(도 1 및 도 3 참조)이 챔버 내에 놓여지고 챔버가 닫혀진다. 단계(93)에서는, 물체가 부분적으로 또는 (바람직하게는) 완전히 잠기도록 챔버 내로 세척액(27)가 첨가된다. 단계(95)에서는, 선택된 액체(37)의 에어로졸 방울이 챔버 내에서 형성되고, 그리고 선택된 액체의 필름이 세척액의 노출된 표면 상에 형성되고 유지된다. 단계(97)에서는, 세척액(27) 및 얼마간의 흡수된 선택된 액체(37)가 챔버로부터 천천히 배출되고, 마침내 물체의 표면을 에어로졸 방울에 노출시키고 선택된 액체의 필름이 물체 표면에 형성되는 것이 가능하도록 한다; 임의적으로, 챔버 압력이 외부 환경 압력 근처 또는 이상으로 유지된다. 단계(99)에서는, 물체 표면 상의 선택된 액체의 필름은 얼마간의 남아 있는 세척액 및 남아 있는 선택된 액체 그리고 오염물질을 물체의 표면으로부터 제거하기 위한 화학적 스퀴징을 수행한다. 단계(101)(임의적임)에서는, 얼마간 남아 있는 선택된 액체(37) 및 세척액(27)가 챔버로부터 제거된다. 단계(103)(임의적임)에서는, 얼마간 남아 있는 가스 및/또는 액체 입자를 챔버로부터 제거하기 위하여 퍼지 가스가 챔버를 통과하게 된다. 이제 건조 및/또는 세정된 물체가 챔버로부터 제거될 수 있고, 챔버에서 계속하여 더 처리될 수 있다.
배출 유량(r1)이 어떻게 선택된다고 할지라도, 챔버(11)로부터 세척액(27)의 제거는 챔버 내부에 진공을 생성할 것이고, 이는 드라이브 헤드(61) 및 진동 노즐(63)로부터 작은 양의 선택된 액체를 챔버 내부로 수용함에 의해 완전하게 경감되지는 않는다. 만일 챔버(11)가 충분하게 공기로 꽉 채워져 있다면, 이런 진공의 생성에 대응하여 외부 환경으로부터 가스가 챔버로 거의 들어갈 수 없을 것이다. 그러나, 많은 수의 챔버가 충분하게 공기로 꽉 채워지지는 않으며, 그리고 이와 같은 경우에는 외부 환경으로부터 감지 가능한 양의 가스가 아마도 이 가스와 함께 선택된 물체(13A, 13B, 13C)의 노출된 표면(14A, 14B, 14C) 상에 침전될 수 있는 하나 또는 그 이상의 오염물질 입자를 운반할 것이다. 이러한 것이 여기에 개시된 공정 및 장치의 시험 중에서 전부는 아니지만 일부에서 관찰되었다.
도 3을 참조하면, 질소(N2), 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)와 같은 대체로 활성이 없는 치환 가스(122)의 저장용기(121)가 선택적으로 제공되고, 이것은 챔버(11)와 유통하고 있다. 이 저장용기(121) 내의 불활성 가스(122)는 챔버(11) 내로 들어기기 위하여 포트(123) 및 관련된 밸브 및 압력 제어 장치(125)를 통과한다. 이 밸브 및 압력 제어 장치(125)는 세척액(27)이 상기 포트(41) 및 밸브(43)을 이용하여 챔버(11)로부터 배출되는 동안 챔버(11) 내부에 생성되는 증가하는 부압(負壓; negative pressure)을 감지한다. 이러한 부압의 증가에 따라, 상기 밸브 및 압력 제어 장치(125)가 불활성 가스 저장용기(121)로부터 충분한 불활성 가스(122)가 챔버로 들어는 것을 허용하고, 이로써 챔버 압력(p)은 p(external)이 챔버 외부의 지역 압력과 동일한 곳에서 p≒p(external)인 상태를 유지하거나, 또는 보다 고압인 상태를 유지한다. 여기에서 챔버 압력(p)이 지역 외부 압력(p(external)) 보다 얼마 정도 더 높은 것이 바람직하고, 따라서 일부 불활성 가스(122)가 챔버(11)로부터 외부 환경으로 나가는 경향을 가질 것이고 또한, 만일 챔버가 충분하게 공기로 채워지지 않은 경우, 외부 환경으로부터의 가스의 유입을 방해할 것이다. 이와 달리 선택적으로, 챔버(11) 내부에서 유지되는 압력(p)이 대략 0.8 p(external)이 되도록 하여 p(external) 보다 어느 정도 더 작을 수 있으며, 그리고 여전하게 외부 환경으로부터 챔버로의 가스 유입을 방해한다. 세척액(27)가 챔버(11)로부터 완전하게 배출되고 선택된 물체(13A, 13B, 13C)의 표면(14A, 14B, 14C)이 완전하게 건조 및/또는 세정된 후에는, 선택된 물체를 처리하는 다음 단계가 수행되기 전에 불활성 가스(122)가 챔버로부터 불활성 가스 저장용기(121)로 제거될 수 있다.
이와 달리, 챔버(11)로부터 세척액(27)의 배출 속도(r1)가 충분히 제어된다면, 상기 밸브 및 압력 제어 장치(125)가 챔버(11)의 내부 압력을 감지할 필요가 없다. 이러한 접근법에 있어서, 상기 밸브 및 압력 제어 장치(125)는 불활성 가스 저장용기(121)로부터 프로그램된 체적 유량(r3)으로 불활성 가스(122)를 수용하고, 여기에서 상기 유량(r3)은 세척액(27)가 챔버로부터 배출되는 동안에 챔버(11)의 내부에서 내부 압력을 p≒p(external) 또는 더 크게 유지할 수 있는 충분한 속도이다.
불활성 가스(122)의 온도는 바람직하기로 통상적으로 실내 온도 또는 이 보다 약간 차거나 약간 더운 온도이다. 또한 퍼지 가스 저장용기(75)가 밸브 및 압력 제어 장치(125)를 포함한 채, 불활성 가스 저장용기(121)로서 기능할 수도 있다.

Claims (26)

  1. 물체를 건조하는 장치에 있어서,
    건조될 선택된 물체를 수용하여 포함하고, 개방식 유입통로, 제 1 구멍 및 제 2 구멍을 구비하는 페쇄 챔버와,
    상기 폐쇄 챔버와 유체 연통하며, 세척액의 표면 장력보다 거의 낮은 표면장력을 구비한 선택된 액체를 수용하는 제 3의 구멍을 구비한 진동형 헤드를 포함하고,
    상기 폐쇄 챔버의 개방식 유입통로는 선택된 물체를 폐쇄 챔버내로 위치설정시키고 그리고 상기 챔버로부터 제거시킬수 있으며, 상기 제 1 구멍은 세척액에서 선택된 물질을 완전히 또는 일부 침수시키키 위해 선택된 표면장력을 갖는 세척액을 폐쇄챔버속으로 전달시키는 세척액 공급원과 유체 연통되어 있으며, 제 2 구멍은 제 1 선택된 체적의 유동영역 상태에 있는 체적의 유량(r1)으로 폐쇄 챔버로부터 세척액을 배출시키고,
    상기 진동형 헤드는 제 2 선택된 체적의 유동영역 상태에 있는 체적의 유량(r2)으로 선택된 액체를 수용하고, 선택된 액체로부터 페쇄 챔버속의 에어로졸 방울을 형성하도록 진동되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항 있어서, 상기 진동헤드는 적어도 하나의 주파수(f)가 10 k㎐ ≤ f ≤ 1000 k㎐의 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 주파수는 적어도 하나의 에어로졸 미립자가 10㎛≤d≤ 50 ㎛의 영역을 갖는 직경(d)을 구비하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 선택 액체는 이소프로필 알콜, 에틸 알콜, 메틸 알콜, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 퍼플루오로핵산, 핵산과 에테르로 구성되는 거의 비반응성 액체들로부터 이루어지는 것을 특징으로 하는장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 선택영역에서의 상기 유량(r1)은 폐쇄챔버속의 세척액의 깊이가 3㎜/sec 내지 10㎜/sec사이의 유량으로 감소되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 유량(r2)은 1 ㎖/min ≤r1≤ 5 ㎖/min의 영역상태에 놓이는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 폐쇄 챔버속에 위치되며 상기 진동 헤드에 인접한 방울 분산 수단은 에어로졸 방울이 상기 진동 헤드로부터 멀리 이동되듯이, 페쇄 챔버속의 에어로졸 방울을 분산시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 분산 수단은 20℃≤ T ≤100℃영역의 온도(T)를 유지하기 위해 가압가스의 공급원을 포함하고, 가스 방향설정 수단은 상기 에어로졸 방울이 진동 노줄로부터 멀리 이동되듯이 에어로졸 방울이 방향을 변화하도록 가압가스를 방향설정시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 거의 모든 에어로졸 미립자가 상기 선택 액체상태에서 변화없이 폐쇄 챔버내에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 에어로졸 미립자는 초당 2 주울(Joule)이하의 에너지 소비와 함께 폐쇄 챔버내에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 물체를 건조하는 방법에 있어서,
    폐쇄 챔버에서 건조될 선택 물체를 위치시키는 단계와,
    선택물체가 세척액에서 완전히 또는 부분적으로 침수되도록 선택된 표면장력을 갖는 세척액의 충분한 량을 폐쇄 챔버속으로 유동시키는 단계와,
    세척액의 표면장력보다 거의 낮은 표면장력을 갖는 선택 액체를, 선택된 체적의 유량범위에 놓인 체적 유량(r2)으로 페쇄챔버속으로 유동시키는 단계와,
    폐쇄 챔버내의 선택 액체의 에어로졸 방울을 형성하는 단계와,
    에어로졸 방울의 일부로 세척액의 노출 표면상에 선택 액체의 막을 형성시키는 단계와,
    선택된 체적의 유량범위에 놓인 체적 유량(r1)으로 페쇄챔버로부터 세척액을 배수시키고, 선택된 물체의 노출표면상에 선택 액체의 막을 형성시키는 단계와,
    상기 선택액체의 막이 선택 물체의 노출 표면상에 세척액을 변위시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 10 k㎐ ≤ f ≤ 1000 k㎐의 영역에 놓인 선택 주파수(f)로 진동되는 진동노즐을 통해 상기 선택 액체를 통과시키는 단계로 구성된 에어로졸 방울을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 적어도 하나의 에어로졸 방울의 직경(d)이 10㎛≤d≤ 50㎛의 영역에 놓이도록 상기 주파수(f)를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 이소프로필 알콜, 에틸 알콜, 메틸 알콜, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 퍼플루오로핵산, 핵산과 에테르로 구성되는 거의 비반응성 액체 들로부터 상기 선택 액체를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 폐쇄챔버속의 세척액의 깊이가 3㎜/sec 내지 10㎜/sec사이의 유량으로 감소되도록 상기 유량(r1)을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 유량(r2)이 1 ㎖/min ≤r2≤ 5㎖/min의 선택 영역상태에 놓이도록 상기 유량(r2)을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 선택 액체상태에서 변화없이 폐쇄 챔버내 거의 모든 에어로졸 미립자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 11항에 있어서, 초당 2 주울(Joule)이하의 에너지 소비와 함께 폐쇄 챔버내 상기 에어로졸 미립자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 11항에 있어서, 상기 세척액이 페쇄 챔버로부터 배수 될 때, 폐쇄챔버속으로 선택된 배수가스를 유동시키는 단계와,
    상기 세척액이 페쇄 챔버로부터 배수되는 동안에, 상기 폐쇄 챔버내의 전체 가스 압력이 외부 환경의 압력보다 크거나 비슷하도록 폐쇄 챔버속으로 선택된 배수 가스의 유동비를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 물체의 표면으로부터 거의 0.3㎛의 직경을 갖는 오염물질을 제거하는 방법에 있어서,
    폐쇄 챔버에서 세척될 선택 물체를 위치시키는 단계와,
    선택물체가 세척액에서 완전히 또는 부분적으로 침수되도록 선택된 표면장력을 갖는 세척액의 충분한 량을 폐쇄 챔버속으로 유동시키는 단계와,
    세척액의 표면장력보다 거의 낮은 표면장력을 갖는 선택 액체를, 선택된 체적의 유량범위에 놓인 체적 유량(r2)으로 페쇄챔버속으로 유동시키는 단계와,
    폐쇄 챔버내의 선택 액체의 에어로졸 방울을 형성하는 단계와,
    에어로졸 방울의 일부가 세척액의 노출 표면상에 선택 액체의 막을 형성시키는 단계와,
    선택된 체적의 유량범위에 놓인 체적 유량(r1)으로 페쇄챔버로부터 세척액을 배수시키고, 선택된 물체의 노출표면상에 선택 액체의 막을 형성시키는 단계와,
    상기 선택액체의 막이 선택 물체의 노출 표면상에 세척액을 변위시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 이소프로필 알콜, 에틸 알콜, 메틸 알콜, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 퍼플루오로핵산, 핵산과 에테르로 구성되는 거의 비반응성 액체 들로부터 상기 선택 액체를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20항에 있어서, 폐쇄챔버속의 세척액의 깊이가 3㎜/sec 내지 10㎜/sec사이의 유량으로 감소되도록 상기 유량(r1)을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 유량(r2)이 1 ㎖/min ≤r2≤ 5㎖/min의 선택 영역상태에 놓이도록 상기 유량(r2)을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 20 항에 있어서, 상기 선택 액체상태에서 변화없이 폐쇄 챔버내 거의 모든 에어로졸 미립자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 20항에 있어서, 초당 2 주울(Joule)이하의 에너지 소비와 함께 폐쇄 챔버내 상기 에어로졸 미립자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 20항에 있어서, 상기 세척액이 페쇄 챔버로부터 배수 될 때, 폐쇄챔버속으로 선택된 배수가스를 유동시키는 단계와,
    상기 세척액이 페쇄 챔버로부터 배수되는 동안에, 상기 폐쇄 챔버내의 전체 가스 압력이 외부 환경의 압력보다 크거나 비슷하도록 폐쇄 챔버속으로 선택된 배수 가스의 유동비를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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