KR20020035392A - 웨이퍼 세정장치 및 이 장치에 사용되는 저유량 초음파노즐 - Google Patents

Abstract

초음파 노즐을 구비하는 웨이퍼 세정장치에 있어서, 보다 적은 유량으로도 세정이 가능하고, 세정액의 유량 또는 유압 변동에 의한 초음파 노즐의 파손을 방지하여 웨이퍼의 세정 품질을 안정화하기 위한 목적으로,

내부로 진동소자를 구비하고 수로를 통해 공급된 세정액에 초음파를 인가하여 이 세정액을 분사하는 초음파 노즐과, 이 진동소자에 전류를 공급하여 초음파를 유도하는 발진장치와, 이 발진장치에서 진동소자로 공급되는 전류를 감지하여 설정값 이상으로 전류 상승시 이 전류를 차단하는 제어부와, 이 제어부와 전기적으로 연결되어 각종 정보를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 웨이퍼 세정장치 및 이 웨이퍼 세정장치에 사용되는 저유량 초음파 노즐을 제공한다.

Description

웨이퍼 세정장치 및 이 장치에 사용되는 저유량 초음파 노즐 {Apparatus for washing wafer and low flux ultrasonic nozzle using the same}

본 발명은 초음파 노즐을 구비하는 웨이퍼 세정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세정액의 유량 또는 유압 변동에 의한 초음파 노즐의 파손을 방지하여 웨이퍼의 세정 품질을 안정화할 수 있는 웨이퍼 세정장치 및 여기에 사용되는 초음파 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 웨이퍼, 자기 디스크, 광학 렌즈 및 유리 기판 등의 제조 과정에서 세정 작업은 수율과 밀접한 관계가 있다. 따라서 완벽한 세정을 위한 세정장치가 지속적으로 개발되었으며, 특히 반도체의 웨이퍼 세정에는 수백 kHz 이상의 초음파에 의해 세정액을 분사하는 초음파 노즐이 주로 사용되고 있다.

도 4는 종래 기술에 의한 초음파 노즐의 개략적인 단면도로서, 초음파 노즐(1)은 그 내부로 일종의 압전소자인 진동소자(3)를 구비하여 도시하지 않은 발진장치에서 전류를 공급받아 초음파를 발생시키고, 측면의 수로(5)를 통하여 외부로부터 세정액, 즉 순수를 공급받으며, 공급받은 세정액을 노즐팁(7)을 통해 분사하는 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 노즐팁(7)은 주로 중앙의 오리피스(7a)를 외부로 돌출시킨 깔때기 형상으로 제작되어 상기 세정액을 점진적으로 직경이 줄어드는 내부 경로를 통해 외부로 분사시키게 된다.

따라서 상기한 노즐팁(7)을 구비하는 초음파 노즐(1)은 노즐팁(7)의 길이에 의해 내부 부피가 증가하므로, 초음파 노즐(1)이 정상적으로 동작하는데 필요한 유량이 증가하며, 사용중 세정액의 유량 또는 유압이 변동할 때 그 내부에 기포가 발생하여 진동소자(3)를 쉽게 파손시키는 단점이 있다.

일례로 노즐 내경(D)이 14.4 mm이고, 노즐 길이(L)가 41.1 mm이며, 노즐 부피가 7,705 mm³인 초음파 노즐의 경우, 세정액의 유량이 적어도 600 cc/min 이상이 되어야 진동소자(3)의 진동면 전체에 세정액이 접촉하므로 정상적인 작동이 가능하다. 이로서 노즐 부피가 증가할수록 세정액을 과다 사용해야 하는 문제가 발생한다.

또한 초음파 노즐(1)을 사용하는 과정에서 공정상의 여러가지 불안정한 요인에 의해 세정액의 유량이 급격하게 감소하는 경우, 오리피스(7a)를 통해 내부로 공기가 유입되어 세정액 사이로 기포가 쉽게 발생하게 된다.

이러한 노즐 내부의 기포는 진동소자(3)의 진동면에 흡착되어 세정액과 진동면 사이에 경계면을 형성하기 때문에, 작동 과정에서 진동소자(3)가 공기층에 지속적으로 음파를 방사하여 발진장치의 출력전류가 진동소자(3)에 집중하게 된다. 따라서 진동소자(3)를 구성하는 세라믹이 큐리 온도(curie point)인 섭씨 550℃ 까지 가열되면, 자기 모멘트가 흐트러져 압전소자로서의 기능을 상실하게 된다.

이와 같이 부피가 큰 초음파 노즐에서는 세정액의 유량이 감소할 때 발생하는 공기층에 의해 진동소자(3)가 쉽게 파손되므로, 이를 방지하기 위한 기술로서 노즐에 센서를 부착하여 세정액의 유량 또는 유압을 검출하고, 문제 발생시 발진장치에서 진동소자로 공급되는 전류를 차단하는 방법이 고안되었다.

그러나 상기한 방법은 센서에 의한 가격 상승을 유발하고, 진동소자(3)의 파손을 완전히 방지할 수 없기 때문에 진동소자(3) 파손시 생산성과 세정 품질을 저하시킬 뿐, 진동소자(3)의 파손을 유발하는 기포 발생을 근본적으로 방지할 수 없는 한계가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 발진장치에서 진동소자로 공급되는 전류를 지속적으로 검출하고, 전류의 급격한 상승시 이를 차단함으로써 진동소자의 과열에 의한 파손을 방지할 수 있는 웨이퍼 세정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 웨이퍼 세정장치에 사용되는 초음파 노즐에 있어서,세정액의 유량이나 유압 변동시에도 노즐 내부에 기포가 발생하는 것을 방지하여 기포에 의한 진동소자의 파손을 최소화할 수 있는 저유량 노즐을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 웨이퍼 세정장치의 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 초음파 노즐의 단면도.

도 3은 노즐팁의 확대 단면도.

도 4는 종래 기술에 의한 초음파 노즐의 개략적인 단면도.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

내부로 진동소자를 구비하고 수로를 통해 공급된 세정액에 초음파를 인가하여 이 세정액을 분사하는 초음파 노즐과,

상기 진동소자에 전류를 공급하여 초음파를 유도하는 발진장치와,

상기 발진장치에서 진동소자로 공급되는 전류를 감지하여 설정값 이상으로 전류 상승시 이 전류를 차단하는 제어부와,

상기 제어부와 전기적으로 연결되어 각종 정보를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 웨이퍼 세정장치를 제공한다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

웨이퍼 세정장치에 사용되는 초음파 노즐에 있어서,

이 초음파 노즐이 본체와, 본체의 측면에 제공되어 노즐 내부로 세정액을 공급하는 수로와, 공급된 세정액과 진동면이 접하도록 노즐 내부에 설치되는 진동소자와, 발진장치로부터 상기 진동소자에 전류를 공급하는 전류 공급 커넥터와, 중앙에 오리피스를 형성하여 진동소자에 의해 초음파가 인가된 세정액을 외부로 분사하는 노즐팁을 포함하며,

상기 노즐팁의 최대 내부 직경(D)과 길이(L)의 비가 다음의 식을 만족하여 이루어짐을 특징으로 하는 저유량 초음파 노즐을 제공한다.

5.75 ≤ L/D ≤ 7.25

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 실시예에 의한 웨이퍼 세정장치의 개략도로서, 웨이퍼 세정장치는 세정액 분사를 위한 초음파 노즐(2)과, 이 초음파 노즐(2) 내부에 구비된 진동소자(4)에 전류를 공급하는 발진장치(6)와, 이 발진장치(6)에서 진동소자(4)로 공급되는 전류를 제어하는 제어부(8)와, 각종 정보를 표시하는 디스플레이부(10)로 구성된다.

본 실시예가 제공하는 초음파 노즐(2)은 내부 부피가 축소되어 기포 발생을 억제하는 저유량 타입으로서, 구체적인 구성과 기능은 아래에 상세하게 설명하며, 여기서는 초음파 노즐(2)의 기본적인 구성과 작동만을 설명하기로 한다.

즉, 상기 초음파 노즐(2)은 내부에 진동소자(4)를 구비하고, 측면에 설치된 수로(12)를 통해 세정액을 공급받아 이 세정액에 초음파를 인가하여 외부로 분사하는 구조로 이루어지며, 상기 진동소자(4)는 일종의 압전소자로서 압전기 효과에 의해 공급받은 전류를 진동의 기계량으로 변환시키는 기능을 한다.

이로서 상기 발진장치(6)가 진동소자(4)로 소정의 전류(이하, '출력전류'라 한다)를 공급하여 초음파 발생을 유도하며, 상기 제어부(8)는 이 출력전류를 감지하고 제어하는 기능 이외에 일종의 디지털 계기로서 디스플레이부(10)를 통하여 출력전류를 포함한 각종 정보를 모니터링하는 기능을 담당한다.

상기 디스플레이부(10)는 공지의 형광 표시관이나 액정 표시장치 등이 사용될 수 있다.

따라서 상기한 구성에 의해, 초음파 노즐(2) 내부로 세정액을 공급하면서 발진장치(6)를 가동시켜 초음파 발생을 유도하면, 진동소자(4)의 진동면과 접하는 세정액에 초음파가 전달되면서 노즐팁(14)에 형성된 오리피스(14a)를 통해 고속으로 분사되어 웨이퍼 세정이 이루어진다.

이 때, 공정상의 여러가지 요인에 의해 초음파 노즐(2)로 제공되는 세정액의 유량이나 유압이 급격하게 변화하는 경우, 특히 세정액의 유량이 급격하게 저하되는 경우, 상기한 노즐 내부로 공기가 유입되어 앞서 설명한 바와 같이 진동소자(4)의 진동면과 세정액 사이에 공기층이 형성된다.

상기한 공기층은 초음파가 세정액에 전달되는 것을 방해하므로, 발진장치(6)에서 공급되는 출력전류가 지속적으로 진동소자(4)에 집중되어 출력전류의 급격한 상승을 유발한다. 따라서 상기 제어부(8)가 설정값 이상으로 출력전류가 상승할 때, 제어 신호를 발생하여 발진장치(6)의 구동을 차단함으로써 출력전류가 진동소자(4)에 공급되는 것을 자동으로 중지시킨다.

즉, 제어부(8)에는 8비트 씨피유(CPU)와 A/D 변환기가 내장되어 있으므로, 출력전류가 상승하여 5 V가 되어지면, A/D 변환기를 통해 이를 인식하여 스위칭 전원을 차단하고 디스플레이부(10)를 통해 알람을 주게 된다.

이 때, 알람 신호는 웨이퍼 세정장치의 메인 콘트롤러 장치가 이상 신호로 인식하여 전체 설비는 동작이 정지됨으로써 세정액 등의 공급은 이루어지지 않게 된다.

이와 같이 본 실시예가 제공하는 웨이퍼 세정장치는 진동소자(4)가 전류 집중에 의해 파손되기 전, 제어부(8)에서 상승하는 출력전류 값을 검지하고 이를 자동으로 차단함으로써 진동소자(4)를 파손으로부터 보호하여 공정상의 여러가지 불안정한 요인 등에도 세정장치의 고장 발생율을 감소시키는 장점을 갖는다.

다음으로, 상기한 웨이퍼 세정장치에 사용되는 초음파 노즐에 대하여 설명한다.

도 2는 본 실시예에 의한 초음파 노즐의 단면도로서, 초음파 노즐(2)은 본체(16)와, 본체(16)의 측면에 구비되어 노즐 내부로 세정액을 공급하는 수로(12)와, 공급된 세정액과 진동면이 접하도록 노즐 내부에 고정 설치되는 진동소자(4)와, 이 진동소자(4)에 전류를 공급하는 전류 공급 커넥터들과, 세정액 분사를 위한 노즐팁(14)으로 구성된다.

상기 진동소자(4)는 주로 페라이트 성질의 세라믹이나 티탄산 바륨으로 제작되며, (+)인가용 커넥터(18)와 (-)인가용 커넥터(20)에 각각 연결되어 이들로부터 발진장치(6)에서 공급된 전류를 제공받아 세정액을 향해 초음파를 발생시킨다.

이러한 진동소자(4)의 둘레부로는 가스킷(22)이 설치되어 진동소자(4) 하단의 세정액이 다수의 전류 공급 커넥터들이 설치된 진동소자(4) 상단으로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.

그리고 상기 노즐팁(14)은 본체(16)와 연결되는 단부에서 중앙의 오리피스(14a)를 향하여 직경이 점진적으로 감소하는 깔때기 형상으로 이루어지며, 상기한 오리피스(14a)를 통하여 초음파가 인가된 세정액을 외부로 분사하게 된다.

여기서, 본 실시예는 세정액이 위치하는 노즐 내부의 부피를 축소시켜 보다 적은 유량으로도 세정을 행하면서 세정액의 유량이나 유압 변동시 노즐 내부로 유입되는 공기의 양을 최소화하기 위한 새로운 구조의 노즐팁(14)을 제공한다.

도 3은 상기 노즐팁의 확대 단면도로서, 노즐팁(14)은 본체(16)와 연결되는 상단에서 최대의 내부 직경(D)을 가지며, 본체(16)의 단부에서 오리피스(14a)에 이르는 거리를 길이(L)라 가정할 때, 상기 노즐팁(14)은 다음의 수식을 만족하도록 이루어진다.

5.75 ≤ L/D ≤ 7.25

즉, 상기 노즐팁(14)은 최대 내부 직경 D와 비교하여 오리피스(14a)에 이르는 길이 L을 5.75 ∼ 7.25 배로 한정한 형상으로 이루어진다.

다음의 표는 노즐팁(14)의 최대 내부 직경을 동일하게 유지한 상태에서 노즐팁(14)의 길이만을 변화시키고, 동일한 유량 조건에서 초음파 노즐의 동작 상태를 측정한 데이터를 나타낸 것이다.

No.	최대 직경(D, mm)	길이(L, mm)	L/D	노즐 부피(mm3)	유량(cc/min)	음압(mv/V)	동작상태
1	4	44	11	7069	350	0	동작안함
2		35	8.75	5610		0	동작안함
3		30	7.5	4808		0	동작안함
4		25	6.25	4007		24	정상동작
5		22	5.5	3205		25	정상동작
6		15	3.75	2404		0	동작안함
7		10	2.5	1602		0	동작안함

위의 표에 나타낸 바와 같이, 노즐팁(14)의 형상이 수학식 1을 만족하는 4번 및 5번 실험에서는 350 cc/min의 적은 유량에서도 초음파 노즐이 정상적으로 작동하는 반면, 노즐팁(14)이 상기한 수식을 만족하지 않는 경우에서는 정상적으로 작동하지 않음을 알 수 있다.

이는 노즐팁(14)의 형상이 수학식 1의 범위를 초과하는 1∼3번 실험에서는 노즐의 부피에 비해 세정액의 유량이 부족하기 때문에, 상기한 유량에서 정상적인 작동이 불가능한 것이며, 초기 구동시 정상적인 작동이 가능하다 할지라도 부족한 유량에 의해 노즐 내부로 공기가 유입되어 공기층에 의한 진동소자(4)의 파손을 일으킬 수 있다.

또한 노즐팁(14)의 형상이 수학식 1의 범위에 미달하는 6∼7번 실험에서는 노즐 길이가 너무 짧아져 노즐팁 내부의 초음파 에너지가 지향성을 잃고 산란이 매우 심해지므로, 에너지 손실이 크게 발생한다.

이와 같이 본 실시예에 의한 저유량 초음파 노즐(2)은 적어도 600 cc/min 이상의 유량에서 정상적으로 작동하는 기존의 초음파 노즐과 비교하여, 보다 적은 유량으로도 웨이퍼의 세정이 가능하며, 감소된 내부 부피에 따라 노즐 내부로 유입되는 공기의 양을 감소시켜 공기층에 의한 진동소자(4)의 파손을 최소화하는 장점을 갖는다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명에 의한 웨이퍼 세정장치는 발진장치와 연결된 제어부에서 출력전류를 감지하고 이 출력전류가 설정값 이상으로 상승시 이 전류 공급을 자동으로 차단하며, 이러한 웨이퍼 세정장치에 구비되는 초음파 노즐은 내부 부피가 감소된 저유량 노즐로 제공된다.

따라서 본 발명은 노즐 내부에 공기층이 발생하여 진동소자와 세정액 사이에 경계조건을 이루는 경우에도, 공기층에 의한 진동소자의 파손을 효과적으로 방지하여 세정 과정에서의 불량 발생을 최소화할 수 있다. 이로서 웨이퍼의 세정 품질을 안정화하여 웨이퍼의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한 저유량 노즐을 사용함으로써 세정액의 절수 효과가 발생하고, 노즐 내부에 유입되는 공기의 양을 최소화하여 공기층 발생에 의한 진동소자의 파손을 방지할 수 있으며, 노즐팁의 길이 단축에 의해 초기 사용시 노즐 내부의 공기층을 보다 용이하게 배출할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 내부로 진동소자를 구비하고 수로를 통해 공급된 세정액에 초음파를 인가하여 이 세정액을 분사하는 초음파 노즐과;

   상기 진동소자에 전류를 공급하여 초음파를 유도하는 발진장치와;

   상기 발진장치에서 진동소자로 공급되는 전류를 감지하여 설정값 이상으로 전류 상승시 이 전류를 차단하는 제어부와;

   상기 제어부와 전기적으로 연결되어 각종 정보를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 웨이퍼 세정장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제어부가 5 V 이상으로 출력전류 상승시, 이를 검지하여 전류의 공급을 자동으로 차단하는 웨이퍼 세정장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 디스플레이부가 형광 표시관으로 이루어지는 웨이퍼 세정장치.
4. 웨이퍼 세정장치에 사용되는 초음파 노즐에 있어서,

   이 초음파 노즐이 본체와;

   본체의 측면에 제공되어 노즐 내부로 세정액을 공급하는 수로와;

   공급된 세정액과 진동면이 접하도록 노즐 내부에 설치되는 진동소자와;

   발진장치로부터 상기 진동소자에 전류를 공급하는 전류 공급 커넥터와;

   중앙에 오리피스를 형성하여 진동소자에 의해 초음파가 인가된 세정액을 외부로 분사하는 노즐팁을 포함하며,

   상기 노즐팁의 최대 내부 직경(D)과 길이(L)의 비가 다음의 식을 만족하여 이루어짐을 특징으로 하는 저유량 초음파 노즐.

   5.75 ≤ L/D ≤ 7.25