KR20010039618A - 기판처리장치 및 그 작동법 - Google Patents

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KR20010039618A
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시노자키히로유키
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마에다 시게루
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Abstract

본 발명에 따른 기판처리장치는 처리될 기판(1)을 지지하는 기판지지기구; 기판지지기구에 의해 지지된 기판(1)의 표면에 면하도록 위치된 회전임펠러(4); 및 회전임펠러의 대략 중심부에 제공된 하나 이상의 노즐을 포함하여 이루어지고, 회전임펠러의 회전은, 노즐을 통과하여 흐르고 임펠러의 중심부로부터 임펠러의 외주를 향해 흐르는 가스흐름을 발생시키고, 이로 인해 기판지지기구에 의해 지지된 기판의 표면을 건조시키는 것을 특징으로 한다.

Description

기판처리장치 및 그 작동법{SUBSTRATE TREATING APPARATUS AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은 낮은 기계적 강도를 구비한 기판, 예를 들어 유리기판과 반도체웨이퍼를 세정 및 건조하는데 적당한 기판처리장치와, 이 기판처리장치의 작동법에 관한 것이다.
반도체웨이퍼와 광학디스크등의 세정공정후에 수행되는 건조기술은 일반적으로 다음과 같이 두 가지 형태로 분류된다. 제 1형태는 화학물질, 예를 들어 IPA(이소프로필 알콜)을 채용하는 기술이고, 제 2형태는 건조될 대상물이 고속으로 회전되어 원심력하에서 물방울을 불어 날리는 기술이다. 추가적으로, 진공기술이 제 1기술이나 제 2기술과 조합된 기술도 채용된다. 그러나, 이러한 기술은 다음과 같은 문제점을 안고 있다.
화학물질, 예를 들어 IPA를 사용하는 건조방법은 가연성 화학물질이 채용되기 때문에 안전을 보장하기 위해 고비용이 발생된다. 더욱이, 이 방법은 환경오염을 일으기키 쉽다.
고속회전을 이용하는 건조방법에 있어서, 건조될 대상물이 고속으로 회전되기 때문에, 대상물에 원심력이 작용하고, 또한 회전의 가속이나 감속시에 비틀림응력이 작용하여, 대상물의 모재(base material)가 손상을 입게 된다. 이는 생산량의 감소로 이어진다. 추가적으로, 건조공정동안, 처리될 기판의 모재가 기판과 물방울 사이의 접촉면내로 용리(熔離)되어 환형돌출형상의 자국, 즉 물자국(water mark)을 형성한다.
도 1에 도시된 장치를 이용하여 기판을 건조시키는 것이 제안되었었다. 처리될 기판(즉, 건조될 대상물; 101)이 고정된 상태로 위치되고, 회전임펠러(102)가 기판(101)의 표면에 면하도록 설치되며, 회전임펠러(102)의 회전에 의해 기판(101)의 표면이 건조된다. 그러나, 이 제안은 다음의 이유때문에 실용화되지 않았다. 즉, 임펠러(102)의 표면상에 발생하는 외향공기흐름이 회전임펠러(102)의 중심부에 부압(negative pressure)을 발생시킨다. 결과적으로, 기판(101)의 표면상에 화살표(A)에 의해 표시된 2차흐름이 발생한다. 결과적으로, 물방울(103)이 기판(101)의 표면의 중심에 잔류하기 쉽다.
추가적으로, 회전임펠러(102)를 회전시키는 모터(104)의 회전샤프트(105)는 구름베어링(106, 107)에 의해 지지된다. 따라서, 만약 청정환경에서 사용 가능한 그리스(grease)에 의해 윤활이 행해지면, DN값[베어링직경(mm) ×회전속도(rpm)]에 대한 상한값이 낮아, 중공샤프트형태의 회전샤프트(105)를 채용하기가 어렵다.
상기된 사실의 측면에서, 본 발명의 목적은 기판의 모재의 손상없이, 또한 기판의 표면상에 물자국을 형성하는 일 없이 처리될 기판의 표면을 급속하게 세정 및 건조시킬 수 있고, 미립자등을 발생시키지 않아 청정조건을 유지시킬 수 있는 기판처리장치를 제공하고, 또한 이 기판처리장치의 작동법을 제공하는 것이다.
상기된 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 제 1실시형태에 따르면, 처리될 기판을 지지하는 기판지지기구와; 이 기판지지기구에 의해 지지된 기판의 표면에 면하도록 위치된 회전임펠러를 포함하여 이루어지는 기판처리장치가 제공된다. 회전임펠러의 대략 중심부에 하나 이상의 노즐이 제공된다. 회전임펠러의 회전은, 노즐을 통과하여 흐르고 임펠러의 중심부로부터 외주를 향해 흐르는 가스의 흐름을 발생시켜, 기판지지기구에 의해 고정상태로 지지된 기판의 표면을 건조시킨다.
상기된 바와 같이, 회전임펠러의 회전은 회전임펠러의 중심부내에 제공된 노즐을 통해 분출된 가스흐름이 기판지지기구에 의해 고정상태로 지지된 기판의 표면을 따라 흐르도록 한다. 이로 인해, 가스는 기판의 외주를 향해 흘러, 기판표면이 효율적으로 건조되도록 한다. 더욱이, 회전임펠러의 회전은 가스가 노즐을 통해 회전임펠러와 기판 사이의 갭(gap)내로 흐르도록 한다. 따라서, 임펠러의 중심부에 부압이 발생되지 않는다. 따라서, 기판의 표면의 중심부상에 물방울이 잔류하지 않고, 기판표면이 급속하게 건조될 수 있다. 추가적으로, 기판이 고정적으로 홀딩(holding)되기 때문에, 응력이 기판상에 작용하지 않는다.
본 발명의 제 2실시형태에 따르면, 제 1실시형태에 따른 기판처리장치에 있어서, 회전임펠러가 중공의 회전샤프트에 고정된다. 중공샤프트의 중공부는 노즐과 연통한다. 중공부에는 순수를 공급하는 순수공급포트와 세정가스를 공급하는 세정가스공급포트, 또는 이중 하나가 제공된다.
회전샤프트의 중공부내에 순수공급포트와 세정가스공급포트, 또는 이중 하나가 제공되기 때문에, 상기된 바와 같이, 순수 및/또는 세정가스가 노즐을 통해 기판의 중심부로 공급될 수 있다. 이러한 구성은 다음에 상세하게 설명되는 바와 같이 기판을 세정 및 건조하는데 적합하다.
본 발명의 제 3실시형태에 따르면, 제 1실시형태 또는 제 2실시형태에 따른 기판처리장치에 있어서, 회전임펠러가 구동모터의 회전샤프트에 연결된다. 구동모터의 회전샤프트는 자기베어링에 의해 지지된다.
상기된 바와 같이, 구동모터의 회전샤프트가 자기베어링에 의해 자기부양방식으로 지지되기 때문에, 미립자가 발생될 가능성이 없다. 이로 인해, 장치는 청정환경에서 사용될 수 있다.
본 발명의 제 4실시형태에 따르면, 제 1실시형태 내지 제 3실시형태중 어느 하나에 따른 기판처리장치에 있어서, 기판에 면하는 회전임펠러의 표면이 편평한 면이다.
상기된 바와 같이, 만약 기판에 면하는 회전임펠러의 표면이 편평하다면, 비록 블레이효율이 어느 정도 감소되지만, 기판에 면하는 회전임펠러의 표면이 가능한한 기판에 근접될 수 있고, 기판의 표면에 아주 근접한 위치에 외향가스흐름이 발생될 수 있다. 따라서, 기판표면이 효율적으로 건조될 수 있다.
본 발명의 제 5실시형태에 따르면, 제 1실시형태 내지 제 4실시형태중 어느 하나에 따른 기판처리장치에 있어서, 회전임펠러가 중심으로부터 기판 외주의 약간 외측의 위치로 연장되는 편평한 표면을 구비하고, 기판표면의 외측에 블레이드구조를 더욱 구비한다.
상기된 바와 같이, 만약 회전임펠러가 중심으로부터 기판 외주의 약간 외측의 위치로 연장되는 편평한 면을 구비하고, 기판표면의 외측에 블레이드구조를 더욱 구비하면, 편평한 표면이 기판에 근접하여 위치될 수 있다. 임펠러의 중심부의 노즐로부터의 가스는 편평한 표면 외측의 블레이드구조내로 흡입되도록, 중심부로부터 기판의 표면에 근접한 외주를 향해 흐른다. 따라서, 기판은 증가된 가스흐름에 의해 더욱 효율적으로 건조될 수 있다.
본 발명의 제 6실시형태에 따르면, 처리될 기판을 지지하는 기판지지기구와; 중공의 회전샤프트에 고정되고, 기판지지기구에 의해 지지된 기판의 표면에 면하도록 위치된 회전임펠러를 포함하여 이루어지는 기판처리장치를 작동하는 방법이 제공된다. 회전샤프트의 중공부와 연통하도록 회전임펠러의 중심부 근처에 하나 이상의 노즐이 제공된다. 회전샤프트의 중공부내에, 순수를 공급하는 순수공급포트와 세정가스를 공급하는 세정가스공급포트가 제공된다. 기판처리장치의 작동법은 회전임펠러와 기판 사이의 갭내로 순수를 채워 순수층(pure water layer)을 형성하고, 노즐을 통해 순수공급포트로부터 순수를 연속적으로 공급하여, 기판상에 기판의 중심으로부터 기판의 외주를 향해 흐르는 순수의 흐름을 형성하는 단계를 포함한다. 작동법은 또한 소정의 회전속도로 회전임펠러를 회전시켜 순수층의 순수를 바깥쪽으로 비산시키고, 노즐을 통해 기판의 중심부에 순수를 연속적으로 공급하는 단계를 더욱 포함한다. 또한, 작동법은 소정의 회전속도보다 높은 회전속도로 회전임펠러를 회진시키고, 순수의 공급을 중단하면서 노즐을 통해 세정가스공급포트로부터 세정가스를 공급하는 단계를 더욱 포함한다.
상기된 바와 같이, 회전임펠러와 기판 사이에 순수층이 형성된 후, 회전임펠러가 회전된다. 결과적으로, 순수가 바깥쪽으로 비산된다. 그러나, 순수가 노즐을 통해 연속적으로 공급되기 때문에, 깨끗한 순수가 기판표면에 연속적으로 공급된다. 따라서, 기판으로부터 순수내로 용리되거나 용해된 물질의 순수내의 농도는 극히 낮다. 추가적으로, 회전임펠러가 고속으로 회전되고, 세정가스가 공급되며, 이와 동시에, 순수의 공급이 중단된다. 결과적으로, 기판표면상의 순수층이 급속하게 불어 날려질 수 있다. 결과적으로, 기판표면이 급속하게 건조되고, 기판으로부터 용리된 물질의 순수내의 농도가 극히 낮다. 따라서, 물자국이 나타나지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 예시적으로 도시된, 첨부된 도면을 참조하여, 다음의 상세한 설명으로부터 본 발명의 상기된 또는 다른 목적, 특징 및 장점이 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 종래의 기판처리장치의 구조예를 나타내는 다이어그램,
도 2는 본 발명에 따른 기판처리장치의 최초형상을 나타내는 다어어그램으로서, 도 2a는 기판처리장치의 단면도, 도 2b는 도 2a의 선 B-B에 따른 단면도, 및 도 2c는 도 2b와 유사하지만 회전임펠러의 바람직한 형상을 나타내는 도,
도 3은 본 발명에 따른 기판처리장치의 구조의 예를 개략적으로 나타내는 다이어그램,
도 4는 본 발명에 따른 기판처리장치내의 회전임펠러의 구조예를 나타내는 다이어그램으로서, 도 4a는 단면도, 도 4b는 기판측면으로부터 본 회전임펠러를 나타내는 도,
도 5는 본 발명에 따른 기판처리장치내의 회전임펠러의 다른 구조예를 나타내는 다이어그램으로서, 도 5a는 단면도, 도 5b는 기판의 측면으로부터 본 회전임펠러를 나타내는 도,
도 6은 본 발명에 따른 기판처리장치내의 회전임펠러의 또 다른 구조예를 나타내는 다이어그램으로서, 도 6a는 단면도, 도 6b는 회전임펠러의 상부면으로부터 본 회전임펠러를 나타내는 도,
도 7은 본 발명에 따른 기판처리장치의 회전임펠러의 또 다른 구조예를 나타내는 다이어그램으로서, 도 7a는 단면도, 도 7b는 저면도, 및 도 7c는 부분측면도,
도 8은 본 발명에 따른 기판처리장치의 회전임펠러의 또 다른 구조예를 나타내는 다이어그램으로서, 도 8a는 단면도, 도 8b는 저면도, 및 도 8c는 부분측면도,
도 9는 본 발명에 따른 기판처리장치의 구조의 다른 예를 나타내는 다이어그램,
도 10은 물방울(waterdrop) 직경에 대해, 회전에 의한 점착응력경향과 계면전단응력(interfacial shearing stress)의 계산결과를 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 기판처리장치와 비교되는 기판처리장치의 구조예를 나타내는 다이어그램,
도 12는 본 발명에 따른 기판처리장치의 구조의 다른 예를 나타내는 다이어그램, 및
도 13은 본 발명에 따른 실시형태의 다른 구조예를 나타내는 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태가 설명된다.
상기된 문제점을 해결하기 위해, 종래의 기판처리장치에 있어서, 발명자는 도 2에 도시된 것과 같은 구성을 구상하였다. 노즐(108)이 방사 블레이드(radial blade)형태의 회전임펠러(102)의 중심에 마련되고, 회전샤프트(105)의 중심부는 중공(hollow; 105a)으로 형성된다. 회전임펠러(102)가 회전되면, 중공(105a)내로 공급된 가스가 노즐(108)을 통과하여 흘러, 회전임펠러(102)의 중심부에서 발생하는 부압을 상쇄한다. 그러나, 이러한 구성은 고정상태로 위치된 기판(101)으로부터 물방울을 제거하도록 건조를 행하는데에는 만족할 만하지 못하다.
그 이유는 다음과 같다. 일반적으로, 가스유량을 증가시키기 위해서 블레이드(102a)의 높이(h)를 증가시키는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 그러나, 만약 블레이드의 높이(h)가 소정값보다 크게 설정되면, 즉 블레이드(102a)의 높이(h)가 블레이드(102a)의 말단부(distal end)와 기판(101)의 표면 사이의 갭(w)보다 크게 설정되면, 도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(101)과 회전임펠러(102) 사이의 공간이 과도하게 넓어지게 된다. 결과적으로, 회전임펠러(102)의 표면에 발생하는 경계층흐름(boundary layer flow) 또는 가장 빠른 흐름이 기판(101)으로부터 멀어져 바람직하지 못하다.
추가적으로, 고정측상의 기판(101)의 표면상에 회전샤프트(105)의 중심을 향하는 내향흐름(inward flow)이나 가스흐름이 바람직하지 못하게 발생되고, 이로 인해 기판(101)의 중심부상에 물방울이 잔류하게 된다. 회전샤프트(105)의 중심을 향하는 내향흐름의 발생원인은 다음과 같이 설명된다. 내향흐름은 증가된 외향가스흐름에 대응하는 보충류(replenishing flow)로서 기판의 중심부에 발생한다. 보충은 노즐(108)을 통해 가스를 제공함으로써 부분적으로 행해진다. 그러나, 보충에 대한 흐름저항의 측면에서, 기판(101)의 표면측에 더 큰 흐름경로단면적(flow path sectional area)이 존재한다. 따라서, 기판(101)의 표면상에 내향흐름(2차흐름)이 발생하기 쉽다.
따라서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 방사 블레이드형태의 회전임펠러(102)를 사용하는 경우에도, h ≤w 인 구조가 적합하다. 기판(101)의 표면에 면하는 블레이드(102a)의 높이(h)의 과도한 증가는 결국 악영향이 된다.
도 3은 본 발명에 따른 기판처리장치의 구조예를 개략적으로 도시하는 다이어그램이다. 도 3에 있어서, 처리될 기판(1), 예를 들어 유리기판은 측면테이블(2)상에 제공된 척기구(chuck mechanism; 3), 예를 들어 진공척기구에 의해 홀딩된다. 회전임펠러(4)는 기판(1)의 상부면(처리될 면)에 면하도록 위치된다. 회전임펠러(4)는 회전샤프트(5)의 하단에 고정된다. 측면테이블(2)로서, 기판처리동안 편심회전 또는 미끄럼운동을 행하는 테이블이 사정에 따라 적당하게 선택된다.
회전샤프트(5)는 두 개의(상부와 하부) 레이디얼 자기베어링(6, 7)과 축 자기베어링(8)에 의한 자기부양방식에 의해 지지된다. 구동모터(9)가 회전임펠러(4)를 회전하도록 구동시킨다. 회전샤프트(5)는 고정된 고정자(10)의 중심을 통과하여 연장된다. 레이디얼 자기베어링(6, 7)의 베어링타겟(bearing target; 6a, 7a)이 회전샤프트(5)의 외주에 고정된다. 구동모터(9)의 모터회전자(9a)가 또한 회전샤프트(5)의 외주에 고정된다. 또한, 축 자기베어링(8)의 베어링타겟(8a)이 회전샤프트(5)의 외주에 고정된다.
레이디얼 자기베어링(6, 7)의 전자석(6b, 7b)은 베어링타겟(6a, 7a)에 면하는 고정자(10)의 표면부에 각각 고정된다. 모터 고정자(9b)는 모터 회전자(9a)에 면하는 고정자(10)의 표면부에 고정된다. 또한, 축 자기베어링(8)의 한 쌍의(상부와 하부) 전자석(8b, 8c)은 베어링타겟(8a)에 면하는 고정자(10)의 표면부에 각각 고정된다. 축변위센서(11)에 의해 회전샤프트(5)의 축변위가 검출된다. 회전샤프트(5)의 방사상 변위는 고정자(10)의 상부와 하부에 각각 제공된 방사상 변위센서(12, 13)에 의해 검출된다.
상기된 변위센서의 각 출력은 제어회로(미도시됨)에 입력된다. 제어회로는 레이디얼 자기베어링(6, 7)의 전자석(6b, 7b)과, 축 자기베어링(8)의 전자석(8b, 8c)에 공급된 전류를 제어하여, 회전샤프트(5)를 소정위치로 부양시킨다.
회전샤프트(5)의 중공(5a)은 파이프형태이다. 회전임펠러(4)는 그 중심에 마련된 노즐(14)을 구비한다. 비록 도면에는 하나의 노즐(14)만이 도시되었지만, 노즐의 갯수는 하나로 제한되지 않는다. 회전임펠러(4)에 복수의 노즐, 즉 하나 이상의 노즐이 제공될 수도 있다. 노즐(14)의 직경은 적당하게 설정된다. 노즐(14)은 회전샤프트(5)의 중공부(5a)와 연통한다. 회전임펠러(4)가 회전되면, 중공부(5a)내로 공급된 가스(예를 들어, 건조공기)는 노즐(14)을 통과하여 흐르는 가스흐름을 형성하고, 회전임펠러(4)의 중심부로부터 화살표(B)로 도시된 바와 같이 기판(1)의 표면을 따라 임펠러(4)의 외주를 향해 흐른다. 이 실시형태에 있어서, 회전임펠러[즉, 기판(1)에 면하는 임펠러; 4]의 하부면은 편평한 면이다. 회전임펠러(4)의 하부면이 편평하다 하더라도, 임펠러(4)의 회전은 외향가스흐름(B)을 생성시킬 수 있다.
도 4는 회전임펠러(4)의 바람직한 구조예를 도시하는 다이어그램이다. 도 4a는 단면도이고, 도 4b는 기판측면으로부터 본 회전임펠러(4)의 도이다. 회전임펠러(4)는 소정의 일정 간격으로 외주부상에 마련된 복수의 블레이드(4a)를 구비한다. 블레이드(4a) 내측의 회전임펠러(4)의 부분은 편평한 디스크형상의 구성을 형성한다. 기판(1)과 회전임펠러(4) 사이의 관계는, D1이 기판(1)의 외경이고, D2가 회전임펠러(4)의 내경, 즉 블레이드(4a)의 내부단에 의해 형성되는 원의 직경일 때, D1＜D2의 조건을 만족하도록 설정된다. 상기된 구조를 구비한 회전임펠러(4)가 회전되면, 회전샤프트(5)의 중공부(5a)내로 공급된 가스는 화살표(B)에 의해 표시된 것과 같이 흐른다. 즉, 가스는 중심에 마련된 노즐(14)을 통과하여 흐르고, 회전블레이드(4a)에 의해 흡입되도록 회전임펠러(4)와 기판(1) 사이의 외주를 향해 흐른다. 이로 인해, 가스는 회전임펠러(4)의 중심부에 부압을 발생시키지 않으면서 더 효율적으로 기판(1)의 표면을 건조시킨다.
회전샤프트(5)는 구름베어링에 의해 지지될 수도 있다. 그러나, 중공 회전샤프트(5)의 사용은 베어링부의 직경의 증가로 이어진다. 결과적으로, 작동수명의 감소와 윤활제에 의한 기판(1)의 오염같은 문제가 발생하기 쉽다. 따라서, 자기베어링이 사용하기에 더 적합하다.
자기베어링의 사용은 또한 DN값의 측면에서도 바람직하다. 예를 들어, 기판(1)의 외경이 300mm이고, 회전임펠러(4)의 직경이 300mm + α일 때 회전샤프트(5)의 직경이 약 100mm인 경우, 즉 회전샤프트(5)의 직경이 회전임펠러(4)의 직경의 1/3인 경우, 회전속도가 12,000rpm이면 DN값은 1,200,000이다. 그러나, 구름베어링이 고성능 가스터빈용 윤활기구를 구비한 경우에도, DN값은 1,000,000으로 제한된다. 따라서, 본 발명에 있어서 자기베어링이 사용하기에 더 적합하다.
도 5는 회전임펠러(4)의 다른 구조예를 도시하는 다이어그램이다. 도 5a는 단면도이고, 도 5b는 기판측면으로부터 본 회전임펠러(4)의 도이다. 회전임펠러(4)는 소정의 일정 간격으로 바닥면의 외주부상에 제공된 복수의 블레이드 요홈부(groove; 4b)를 구비한다. 기판(1)과 회전임펠러(4) 사이의 관계는, D1이 기판(1)의 외경이고, D2가 회전임펠러(4)의 내경, 즉 블레이드 요홈부(4b)의 내부단에 의해 형성되는 원의 직경일 때, D1＜D2의 조건을 만족하도록 설정된다. 상기된 구조를 구비한 회전임펠러(4)가 회전되면, 회전샤프트(5)의 중공부(5a)내로 공급된 가스가 화살표(B)에 의해 도시된 것과 같이 흐른다. 즉, 가스는 중심에 마련된 노즐(14)을 통과하여 흐르고, 회전블레이드 요홈부(4b)내로 흡입되도록 기판(1)의 표면을 따라 외주를 향해 흐른다. 따라서, 가스는 회전임펠러(4)의 중심부에 부압을 발생시키지 않으면서 기판(1)의 표면에 가깝게 흐른다. 이로 인해, 기판(1)의 표면이 효율적으로 건조된다.
도 6은 회전임펠러(4)의 다른 구조예를 도시하는 다이어그램이다. 도 6a는 단면도이고, 도 6b는 상부측으로부터 본 회전임펠러(4)의 도이다. 회전임펠러(4)는 소정의 일정 간격으로 최상면의 외주부상에 제공된 복수의 요홈부(4c)를 구비한다. 회전임펠러(4)가 회전되면, 회전임펠러(4)의 최상면상의 요홈부(4c)에 의해 화살표(C)에 의해 표시된 가스흐름이 생성된다. 즉, 가스는 회전샤프트(5)의 근처로부터 최상면을 따라 회전임펠러(4)의 외주를 향해 흐른다. 추가적으로, 회전임펠러(4)의 회전은 회전샤프트(5)의 중공부(5a)내로 공급된 가스가 화살표(B)에 의해 표시된 것과 같이 흐르게 한다. 즉, 가스는 회전임펠러(4)의 중심에 제공된 노즐(14)을 통해 흐르고, 회전임펠러(4)의 바닥면을 따라 외주를 향해 흐른다. 화살표(C)에 의해 표시된 가스흐름은 화살표(B)에 의해 표시된, 회전임펠러(4)의 바닥면을 따라 가스가 흐르는 것을 돕도록 작용한다. 따라서, 기판(1)의 표면은 화살표(B)에 의해 표시된 가스흐름에 의해 효과적으로 건조된다.
회전임펠러(4)의 구성은 상기된 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 회전임펠러(4)의 바닥면이 방사상 U형상의 요홈부(4d)를 구비하도록 형성될 수도 있다. 도 7a는 단면도이고, 도 7b는 저면도이며, 도 7c는 부분 측면도이다. 또한, 이 경우에 있어서, 노즐(14)의 수가 하나로 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 회전임펠러(4)에 복수의 노즐[도시된 예에서는 9개; 14]이 제공될 수도 있다. 도 8a는 단면도이고, 도 8b는 저면도이고, 도 8c는 부분 측면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 기판처리장치의 구조의 다른 실시형태를 도시하는 다이어그램이다. 이 기판처리장치는, 회전샤프트(5)의 중공부(5a)내에 순수를 공급하는 순수공급포트(15)와 세정가스, 예를 들어 N2가스를 공급하는 세정가스공급포트(16)가 제공되고, 회전임펠러(4)와 기판(1) 사이의 갭내로 순수를 채우는 순수공급노즐(17)이 더욱 제공된다는 점에서 도 3에 도시된 바와 같이 구성된 기판처리장치와 다르다.
다음에, 상기된 바와 같이 구성된 기판처리장치의 작동법이 설명된다. 척기구(3)에 의해 처리될 기판(1)이 측면테이블(2)상에 홀딩된 후, 기판(1)은 회전임펠러(4)의 바로 아래에 위치된다. 이 상태에서, 순수공급포트(15)와 순수고급노즐(17)의 양쪽 또는 어느 한쪽으로부터 순수가 공급되어, 기판(1)과 회전임펠러(4) 사이의 갭을 순수로 채운다. 따라서, 표면장력에 의해 갭내에 순수층이 형성된다.
노즐(14)을 통해 기판(1)과 회전임펠러(4) 사이의 갭에 순수를 계속 공급하도록 순수공급포트(15)로부터 순수가 연속적으로 공급된다. 이로 인해, 순수가 중심으로부터 외주를 향해 흐르는 순수의 흐름이 기판(1)의 표면상에 형성된다. 이 상태에서, 회전임펠러(4)의 회전이 시작된다. 회전임펠러(4)의 회전은 기판(1)과 회전임펠러(4) 사이의 순수가 바깥쪽으로 흐르도록 한다. 따라서, 기판(1)과 회전임펠러(4) 사이의 순수를 보충하도록 순수공급포트(15)로부터 순수가 더욱 공급된다. 이로 인해, 깨끗한 순수가 기판(1)의 표면에 연속적으로 공급된다. 결과적으로, 기판(1)의 표면으로부터 순수내로 용리되는 물질[처리될 기판(1)이 실리콘웨이퍼인 경우 Si]의 순수내의 농도가 항상 극히 낮은 수준으로 유지된다.
소정의 회전속도(예를 들어, 30rpm 내지 3,000rpm) 또는 상당히 높은 회전속도(예를 들어 10,000rpm)에서의 작동동안, 세정가스공급포트(16)로부터 세정가스의 공급이 시작되고, 순수공급포트(15)로부터의 순수의 공급이 중단된다. 만약 약간 낮은 회전속도에서의 회전임펠러(4)의 작동동안 상기된 제어가 수행되면, 순수의 공급이 세정가스의 공급으로 전환되는 것과 거의 동시에 회전임펠러(4)의 회전속도가 증가된다. 순수의 공급이 세정가스의 공급으로 전환될 때의 회전임펠러(4)의 회전속도는 순수의 소비의 문제와 처리효과등의 관점에서 선택될 수 있다. 그러나, 회전임펠러(4)의 회전에 의해 회전임펠러(4)와 기판(1) 사이의 순수의 흐름이 충분히 증대된 후에만 순수의 공급으로부터 세정가스의 공급으로 전환하는 것이 중요하다.
세정가스가 기판(1)의 표면에 도달하면, 기판(1)의 표면상의 순수가 충분히 높은 흐름속도(즉, 충분히 높은 회전속도)에 도달한다. 따라서, 순수층이 급속하게 불어 날려버려질 수 있다. 결과적으로, 기판(1)의 표면이 급속하게 건조된다. 추가적으로, 기판(1)으로부터 순수내로 용리된 물질의 농도는 극히 낮다. 따라서, 건조공정동안 물방울이 기판(1)과 접촉하는 부분에 환형돌출형상의 자국(물자국)이 남지 않는다.
도 9에 도시된 기판처리장치로 상기된 작동을 수행함으로써, 기판(1)을 회전시키지 않고 물자국의 염려없는 세정[린싱(rinsing)]과 건조처리가 수행될 수 있다. 즉, 기판(1)상에 어떤 악영향없이, 세정과 건조처리를 행하는 것이 가능하다. 추가적으로, 건조공정에 가연성 화학물질, 예를 들어 이소프로필 알콜이 사용되지 않기 때문에, 본 장치는 폭발방지구조를 구비할 필요가 없다. 또한, 회전임펠러가 정지상태로부터 급격하게 가속되지 않기 때문에, 상기된 작동법은 최소한의 모터출력을 요구한다. 따라서, 기판처리장치는 크기면에서 컴팩트(compact)하게 만들어질 수 있고, 비용감소가 실현될 수 있다.
기판회전형 세정 및 건조장치에 있어서 현재 해결해야할 문제는 수㎛와 수 1/10㎛직경의 물자국을 어떻게 제거하느냐라는 것이다. 소정의 가정에 기초하여 물방울 직경측면에서 기판의 회전에 의해 물방울상에 작용하는 힘과, 물방울의 점착력을 통계학적으로 분석함으로써 상기의 문제를 해결하는 차세대 기판회전형 세정 및 건조장치를 상세히 알아보자. 그 다음, 기판회전형 세정 및 건조장치와 관련된 다른 문제를 골라, 기판이 고정적으로 홀딩되는 본 발명에 따른 기판처리(세정 및 건조)장치가 우수함을 보이도록 한다.
기판이 회전되면서 세정 및 건조처리되는 기판회전형 시스템은 물방울상에 작용하는 원심력에 의해 물방울이 불어 날려지는 원리하에 작동한다. 기판의 중심부에 점착된 물방울은 기판의 회전에 의해 기판에 평행하게 발생된 가스흐름의 유체력(fluid force)하에 소정의 방사상위치로 이동된다. 그후, 물방울은 원심력에 의해 불어 날려진다. 이 때, 물방울과 미립자가 가스흐름하에 기판에 재점착되는 것을 방지하도록 가스흐름을 제어하는 것이 필요하다. 이로 인해, 건조한 질소가스공급과 배출이 함께 이용되는 가스흐름제어방법이 이용될 수 있다.
도 10은 물방울직경에 대해, 회전에 의한 점착응력경향과 계면전단응력의 계산결과를 나타내는 그래프이다. 기판의 회전중심으로부터 방사상 위치(r=150mm)의 물방울상에서 계산이 수행된다. 도 10에 있어서, 세로축은 (각 계산된 힘을 반구의 물방울의 베이스면적으로 나눔으로써 얻어진)계면전단응력을 나타내고, 가로축은 물방울직경을 나타낸다. 회전시 물방울상에 작용하는 힘은 원심력과 유체력을 포함하여 이루어진다. 도 10에 있어서, τp는 유체력에 의한 계면전단응력을 나타내고(τp=Fp/S, Fp는 유체력, S는 물방울 점착면적), τc는 원심력하의 계면전단응력을 나타낸다(τc=Fc/S, Fc는 원심력). 여기서 물방울은 반구형으로 가정된다.
실험에 의해 얻어진 측정결과의 통계학적 분석은 제거되야할 두 종류의 물자국의 문제그룹이 있다는 것을 보여준다. 제 1그룹은 약 20㎛의 직경을 구비하는 물자국으로 이루어진다. 제 2그룹은 약 0.7㎛의 직경을 구비하는 물자국으로 이루어진다. 유체력하의 계면전단응력(τp)은 물방울직경에 무관하게 일정하게 유지된다. 물방울직경이 작아짐에 따라 점착응력은 증가한다. 제 2그룹내의 물방울, 즉 0.7㎛의 직경의 물방울을 불어 날리기 위해 장치에 요구되는 회전속도를 상세히 살펴보면, 기존의 기판회전형 건조장치의 원리에 기초하여, 약 40,000rpm이상의 회전속도, 즉 도 10의 점 A위의 회전속도가 요구된다. 주로 유체력에 의해 물방울을 불어 날리기 위해, 약 12,000rpm이상의 회전속도가 요구된다.
처리될 기판이 기존의 배치식(batch-wise) 기판회전형 건조장치내에서 건조를 위해 회전될 때, 만약 회전속도가 순식간에 4000rpm이상으로 올라가면, 기판이 손상을 입게 된다. 단일기판처리형의 회전건조장치에 있어서도, 12인치 웨이퍼의 외주속도는 약 630m/sec이다. 따라서, 응력의 관점에서 원하는 건조를 행하는 것이 어렵다. 유체력이 주(主) 작동력으로서 사용될 때에도, 12인치 웨이퍼의 외주속도는 약 190m/sec이다. 따라서, 웨이퍼가 파괴되기 쉽다. 따라서, 처리될 기판이 회전되지 않는 형식의 기판세정 및 건조장치를 채용하는 것이 중요하다.
또한, 처리될 기판이 고정상태에서 건조되는 장치로서, 도 11에 도시된 구성을 생각할 수 있다. 처리될 기판(1)이 측면테이블(2)상에 고정적으로 홀딩되고, 편평노즐(18)로부터 기판(1)에 세정가스가 균일하게 공급되어 기판(1)을 건조시킨다. 편평노즐(18)은 가스공급통로(18a)와 배기통로(18b)를 구비한다. 가스공급통로(18a)를 통해 가스가 공급되어, 가스공급통로(18a)의 말단부로부터 기판(1)상에 불어진다. 기판(1)상에 불어진 가스는 즉시 배기통로(18b)의 단부로부터 흡입되어, 배기통로(18b)를 통해 배출된다. 도 11a는 평면도이고, 도 11b는 측면도이다.
편평노즐(18)은 화살표(A)에 의해 도시된 바와 같이, 처리될 기판(1)의 직경방향으로 이동하도록 적용된다.
그러나, 상기된 바와 같이 구성된 건조장치를 이용하여 기판(1)이 건조될 때, 수직성분을 구비하는 유체력이 기판(1)의 표면상에 작용한다. 즉, 기판(1)상에 충격가압력이 작용한다. 추가적으로, 물방울과 미립자의 점착을 방지하는 설계를 고안하는 것이 필요하다.
설명된 장치와 대조적으로, 본 발명에 따른 기판처리장치에 있어서, 기판(1)에 면하도록 위치된 회전임펠러(4)의 회전에 의해 물방울과 미립자가 불어 날려지기 때문에, 물방울이나 미립자가 기판(1)에 재점착될 가능성이 극히 낮다.
도 11에 도시된 바와 같이 구성된 건조장치에 있어서, 기판(1)의 전체표면을 급속하게 건조시키는 것이 어렵다. 대조적으로, 본 발명에 따른 기판처리장치는,상기된 장치와 공통적으로 기판상에 세정가스를 불어넣음으로써 처리될 기판이 건조되는 특징을 구비하기는 하지만, 달성 가능한 처리성능면에서 더 우수하다.
본 발명에 따른 기판처리장치는 단일기판처리형태로 제한되지 않고, 도 12에 도시된 바와 같이 복수기판처리형태로 구성될 수도 있다. 즉, 측면테이블(2)의 상부면상에 복수의 처리될 기판(1)이 적재되고, 회전임펠러(4)가 기판(1)에 면하도록 위치된다. 이러한 구성에 의해, 장치는 상기된 바와 같이 세정 및 건조처리를 하도록 작동되어, 복수의 기판(1)을 동시에 처리한다. 또한, 이 경우에 있어서, 장치는 도 9에 도시된 바와 같이 구성될 수도 있다. 즉, 회전샤프트(5)의 중공(15a)내에 순수공급포트(15)와 세정가스공급포트(16)가 제공되고, 회전임펠러(4)와 기판(1) 사이의 갭내로 순수를 채우도록 순수공급노즐(17)이 더욱 제공된다. 이러한 구성에 의해, 도 9에 도시된 기판처리장치에 대해 상기된 바와 같은 작동법을 행함으로써 장치가 작동된다. 도 12a는 기판처리장치의 구조예를 도시하는 단면도이고, 도 12b는 측면테이블(2)의 일부분을 나타내는 부분 평면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시형태이다. 이 실시형태에 있어서, 기판(1)의 처리될 표면이 측면테이블(2)의 상부면과 거의 높이가 같도록 측면테이블(2)내에 형성된 오목부(recess)내에 기판(1)이 수용되고, 척기구(진공척기구; 3)에 의해 기판이 정위치에 홀딩된다. 이 실시형태에 있어서, 도시된 바와 같이, 측면테이블(2)의 외경(D3)은 회전임펠러(4)의 외경(D2)보다 크다(D2≤D3). 기판(1)에 대향하는 회전임펠러(4)의 표면은 편평하다.
상기된 바와 같이, 기판(1)의 처리될 표면을 측면테이블(2)의 상부면과 거의 같은 높이고 만들고, 측면테이블의 외경(D3)을 회전임펠러(4)의 외경(D2)보다 크게 만들어(D2 ≤D3), 회전샤프트(5)를 통해 회전임펠러(4)가 회전될 때, 회전임펠러(4)와 측면테이블(2) 사이에 발생된 가스흐름이 균일하게 되고, 따라서 기판(1)의 표면의 균일한 처리가 얻어질 수 있다.
비록 앞의 실시예에서 처리될 기판(1)이 디스크형상으로, 즉 반도체웨이퍼로 추정되었지만, 본 발명에 따른 기판처리장치에 의해 건조되는 기판이 디스크형상의 기판으로 제한되지 않는다. 노즐(14)을 통해 공급되는 가스로서, 건조공기에 추가하여, 비활성가스, 예를 들어 Ar, N2또는 He을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 회전샤프트(5)의 중공부(5a)의 상부에 세정유체공급포트를 제공하여 세정유체, 예를 들어 화학적 세정유체를 공급함으로써, 세정과 건조를 연속적으로 수행하는 장치를 구성하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 제 1실시형태에 따르면, 회전임펠러의 회전은 회전임펠러의 중심부에 제공된 노즐을 통해 흐르는 가스가, 기판지지기구에 의해 고정상태로 지지되는 기판의 표면을 따라 흐르는 가스흐름을 형성하도록 한다. 이로 인해, 가스흐름은 기판의 외주를 향한다. 따라서, 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다.
(1) 기판의 표면이 가스흐름에 의해 효율적으로 건조된다. 또한, 회전임펠러의 회전은 가스가 노즐을 통해 회전임펠러와 기판 사이의 갭내로 흐르게 한다. 따라서, 임펠러의 중심부에 부압이 발생되지 않는다. 따라서, 기판의 표면의 중심부에 물방울이 잔류하지 않고, 이로 인해 기판표면이 급속하게 건조될 수 있다.
(2) 기판이 고정적으로 홀딩되기 때문에, 기판상에 응력이 작용하지 않는다. 또한, 기판의 모재가 손상될 가능성도 없다.
본 발명의 제 2실시형태에 따르면, 회전샤프트의 중공부내에 순수공급포트와 세정가스공급포트, 또는 이중 하나가 제공된다. 따라서, 순수 또는/및 세정가스가 노즐을 통해 기판의 중심부에 공급될 수 있다. 따라서, 기판이 적당하게 세정 및 건조될 수 있다.
본 발명의 제 3실시형태에 따르면, 구동모터의 회전샤프트가 자기베어링에 의해 자기부양방식으로 지지된다. 따라서, 미립자가 발생될 가능성이 없다. 이로 인해, 장치가 청정환경에서 사용될 수 있다.
본 발명의 제 4실시형태에 따르면, 기판에 면하는 회전임펠러의 표면이 편평하다. 따라서, 비록 블레이드효율이 다소 감소되지만, 기판에 면하는 회전임펠러의 표면이 가능한한 기판에 근접될 수 있고, 기판의 표면에 아주 근접한 위치에 가스흐름이 발생될 수 있다. 따라서, 기판표면이 효율적으로 건조될 수 있다.
본 발명의 제 5실시형태에 따르면, 회전임펠러는 중심으로부터 기판 외주의 약간 외측의 위치로 연장되는 편평한 표면을 구비하고, 이 편평한 표면 외측에 블레이드구조를 더욱 구비한다. 따라서, 가스는 편평한 표면 외측의 블레이드구조내로 흡입되도록 높은 흐름속도로 기판의 표면을 따라 흐른다. 따라서, 기판의 표면이 더욱 효율적으로 건조될 수 있다.
본 발명의 제 6실시형태에 따르면, 회전임펠러와 기판 사이에 순수층이 형성된 후, 회전임펠러가 회전된다. 따라서, 비록 순수가 바깥쪽으로 비산되더라도, 순수가 노즐을 통해 연속적으로 공급되기 때문에, 깨끗한 순수가 기판표면에 연속적으로 공급되고, 기판으로부터 순수내로 용리된 물질의 농도가 아주 낮은 값으로 유지된다. 그 다음, 회전임펠러가 고속으로 회전되고, 세정가스가 공급되며, 동시에, 순수의 공급이 중단된다. 결과적으로, 기판표면상의 순수층이 급속하게 불어 날려질 수 있다. 결과적으로, 기판표면이 급속하게 건조되고, 기판으로부터 용리된 물질의 순수내의 농도가 극히 낮다. 따라서, 물자국이 생기지 않는다.

Claims (11)

  1. 기판처리장치에 있어서,
    처리될 기판을 고정상태로 지지하는 기판지지기구;
    상기 기판지지기구에 의해 지지된 상기 기판의 표면에 면하도록 위치되는 회전임펠러; 및
    상기 회전임펠러의 대략 중심부에 제공된 하나 이상의 노즐을 포함하여 이루어지고,
    상기 회전임펠러의 회전은, 상기 노즐을 통과하여 흐르고 상기 임펠러의 중심부로부터 상기 임펠러의 외주를 향해 흐르는 가스흐름을 발생시키고, 이로 인해 상기 기판지지기구에 의해 지지된 상기 기판의 표면을 건조시키는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전임펠러가 중공의 회전샤프트에 고정되고, 상기 회전샤프트는 상기 노즐과 연통하는 중공부를 구비하며, 상기 중공부에 순수를 공급하는 순수공급포트와 세정가스를 공급하는 세정가스공급포트중 하나 이상이 제공되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회전임펠러가 구동모터의 회전샤프트에 연결되고, 상기 구동모터의 상기 회전샤프트는 자기베어링에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 면하는 상기 회전임펠러의 표면은 편평한 표면인 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 면하는 상기 회전임펠러의 표면은, 상기 회전임펠러와 상기 기판의 표면 사이의 갭보다 작은 높이의 방사 블레이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전임펠러는 상기 기판에 면하는 바닥면상에 방사상 요홈부를 구비하도록 형성된 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  7. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전임펠러는 중심으로부터 상기 기판 외주의 약간 외측의 위치로 연장되는 편평한 표면을 구비하고, 상기 편평한 표면 외측에 블레이드구조를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 블레이드구조는 소정의 간격으로 상기 임펠러의 바닥면의 외주부상에 제공된 복수의 블레이드 또는 요홈부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 블레이드구조는 소정의 간격으로 상기 임펠러의 최상면의 외주부상에 제공된 복수의 요홈부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 단일기판처리형태 또는 복수기판처리형태인 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  11. 처리될 기판을 고정상태로 지지하는 기판지지기구;
    중공의 회전샤프트에 고정되고, 상기 기판지지기구에 의해 지지된 상기 기판의 표면에 면하도록 위치되는 회전임펠러;
    상기 회전샤프트의 중공부와 연통하도록 상기 회전임펠러의 대략 중심부에 제공된 하나 이상의 노즐; 및
    상기 회전샤프트의 상기 중공부내에 제공되는, 순수를 공급하는 순수공급포트와 세정가스를 공급하는 세정가스공급포트를 포함하여 이루어지는 기판처리장치의 작동법으로서,
    상기 회전임펠러와 상기 기판의 표면 사이의 갭내로 순수를 채워 순수층을 형성하고, 상기 노즐을 통해 상기 순수공급포트로부터 순수를 연속적으로 공급하여, 상기 기판의 표면상에 상기 기판의 중심으로부터 상기 기판의 외주를 향해 흐르는 순수의 흐름을 형성하는 단계;
    소정의 회전속도로 상기 회전임펠러를 회전시켜 상기 순수층을 바깥쪽으로 비산시키고, 상기 노즐을 통해 상기 기판의 중심부에 순수를 연속적으로 공급하는 단계; 및
    상기 소정의 회전속도보다 높은 회전속도로 상기 회전임펠러를 회전시키고, 상기 순수의 공급을 중단하면서 상기 노즐을 통해 상기 세정가스공급포트로부터 세정가스를 공급하여, 상기 기판지지구조에 의해 지지된 상기 기판의 표면을 건조시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 작동법.
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