KR20020064479A - 웨이퍼 건조기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 건조기에 관한 것으로, 반도체 소자의 제조 공정중 유체 처리나 습식 공정으로 웨이퍼의 표면에 존재하는 순수나 습기를 용이하게 제거하기 위하여, 본 발명은 극성유기용매의 증기와 불활성 케리어 가스가 수용되는 치환/건조 존과, 순수가 채워지는 린스 존과, 상기 치환/건조 존과 상기 린스 존의 경계 부분에서 순수를 외부로 배수시키는 오버 플로우 유닛과, 상하로 이동하며 웨이퍼를 담는 웨이퍼 케리어를 포함하는 챔버; 상기 챔버의 상부에 구비되어 극성유기용매의 증기 및 불활성 케리어 가스를 상기 치환/건조 존의 내부로 공급시키는 스프레이 존; 및 상기 챔버의 하부에 구비되어 상기 린스 존에 순수를 공급하는 하이 플로우 순수 공급기를 포함하여 구성된 웨이퍼 건조기에 관하여 기재된다..

Description

웨이퍼 건조기{Wafer dryer}
본 발명은 웨이퍼 건조기에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 제조 공정중유체 처리(fluid treatment)나 습식 공정(wet processing)으로 웨이퍼의 표면에 존재하는 순수나 습기를 제거하는 웨이퍼 건조기에 관한 것이다.
일반적으로, 웨이퍼 건조기는 반도체 제조 공정뿐만 아니라 액정 표시기(LCD) 및 웨이퍼 기판 제조 공정중 유체 처리나 습식 공정을 실시한 후에 표면에 존재하는 순수나 습기를 제거하기 위해 사용되고 있다.
반도체 제조 공정에 있어서, 웨이퍼를 건조시키기 위하여, 일반적으로 회전건조기(spin dryer)나 키몬 건조기(kimmon dryer)가 널리 사용되고 있다. 회전 건조기를 이용한 웨이퍼 건조 방법은 회전판의 회전에 의한 원심력을 이용하는데, 웨이퍼가 회전하면서 발생되는 물리적인 힘에 의해 웨이퍼가 파손될 염려가 있을 뿐만 아니라, 회전판의 회전으로 인해 기계부에서 파티클이 발생되어 웨이퍼를 오염시키는 문제가 있다. 키몬 건조기를 이용한 웨이퍼 건조 방법은 증기 발생장치를 구비시켜 극성유기용매(polar organic solvent)인 이소프로필알콜(Isopropyl Alcohol; IPA)을 약 200℃ 이상 가열하여 증기화시켜 웨이퍼의 표면에 존재하는 순수나 습기를 이소프로필알콜 증기(IPA vapor)로 치환(substitution)시키고, 가열된 질소(hot N2)를 사용하여 웨이퍼를 건조시킨다. 그런데, 키몬 건조기를 사용한 건조방법은 이소프로필알콜의 발화점이 약 22℃ 이므로 화재의 위험이 매우 클 뿐만 아니라, 고온의 증기를 이용하므로 웨이퍼 상에 포토레지스트 패턴이 존재할 경우 포토레지스트 패턴에 손상(attack)을 입히게 되며, 손상된 포토레지스트 패턴으로 인하여 건조기 자체를 오염시키는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 'CFM Technologies Research Associates' 사에서 표면을 건조시키기 위한 공정 및 장치(process and apparatus for drying surfaces)를 발표하였는데(US Patent, No. 4911761, 1990, MeConnel et al.), 이 건조 장치를 이용하는 건조 방법은 50 ~ 70℃ 의 온도에서 이소프로필알콜을 증기 화시키고, 웨이퍼의 이동 없이 물을 배수(drain)시키면서 웨이퍼의 표면에 있는 순수나 습기를 공비혼합물(Azeotropic Mixture)로 치환시키고, 물의 온도에 의해 공비혼합물을 제거하여 웨이퍼를 건조시키는데, 웨이퍼가 수면에서 건조가 되기 때문에 안정한 수표면을 유지해야하므로 물의 배수에 따른 출렁거림을 방지하기가 매우어려워 건조가 완전히 되지 않거나 파티클이 다수 발생하기가 쉽고, 키몬 건조기보다는 낮은 온도를 사용하지만 이소프로필알콜의 발화점이 약 22℃ 이므로 화재 발생의 위험성을 어느 정도 내포하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하면서 반도체 소자의 제조 공정중 유체 처리나 습식 공정으로 웨이퍼의 표면에 존재하는 순수나 습기를 용이하게 제거할 수 있는 웨이퍼 건조기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 건조기는 극성유기용매의 증기와 불활성 케리어 가스가 수용되는 치환/건조 존과, 순수가 채워지는 린스 존과, 상기 치환/건조 존과 상기 린스 존의 경계 부분에서 순수를 외부로 배수시키는 오버 플로우 유닛과, 상하로 이동하며 웨이퍼를 담는 웨이퍼 케리어를 포함하는 챔버; 상기 챔버의 상부에 구비되어 극성유기용매의 증기 및 불활성케리어 가스를 상기 치환/건조 존의 내부로 공급시키는 스프레이 존; 및 상기 챔버 의 하부에 구비되어 상기 린스 존에 순수를 공급하는 하이 플로우 순수 공급기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 건조기의 구성도로서, 도 1a는 웨이퍼 건조기를 가로로 절단한 단면도이고, 도 1b는 웨이퍼 건조기를 세로로 절단한 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 웨이퍼 건조기를 이용한 웨이퍼 건조 방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 스프레이 존 20: 챔버
21: 치환/건조 존 22: 린스 존
23: 오버 플로우 유닛 24: 웨이퍼 케리어
25: 원 웨이 스트림 모듈 26: 스프레이 노즐
30: 하이 플로우 공급기 40: 웨이퍼
50: 순수 500: 극성유기용매 층
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 건조기의 구성도로서, 도 1a는 웨이퍼 건조기를 가로로 절단한 단면도이고, 도 1b는 웨이퍼 건조기를 세로로 절단한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 웨이퍼 건조기는 스프레이 존(spray zone; 10), 챔버(chamber; 20) 및 하이 플로우 순수 공급기(high flow DIW supply; 30)로 구성된다.
스프레이 존(10)은 챔버(20)의 상부에 구비되며, 극성유기용매(polar organic solvent) 및 불활성 케리어 가스(inert carrier gas)를 챔버(20) 내부로 공급시키는 역할을 하며, 개폐가 가능하여 웨이퍼(40)를 챔버에 로딩(loading) 및 언로딩(unloading) 시킬 수 있다.
챔버(20)는 공간적으로 치환/건조 존(substitution/drying zone; 21)과 린스존(rinse zone; 22)으로 나누어진다. 치환/건조 존(21)은 스프레이 존(10)으로부터 공급되는 극성유기용매의 증기와 불활성 케리어 가스가 수용되는 부분이며, 린스 존(22)은 하이 플로우 공급기(30)로부터 공급되는 순수(DIW; 50)가 채워지는 부분이다. 치환/건조 존(21)과 린스 존(22)은 순수(50)가 챔버(20)의 외부로 하이 오버플로우(high over flow)되는 오버 플로우 유닛(over flow unit; 23)에 의해 그 경계가 이루어진다.
챔버(20)에는 웨이퍼(40)를 담아 치환/건조 존(21)과 린스 존(22)을 왕복하는 웨이퍼 케리어(wafer carrier; 24)가 구비된다. 또한, 챔버(20)에는 오버 플로우 유닛(23) 보다 아래에 위치, 즉, 린스 존(22)에 채워진 순수(50)의 수면에서 5 ~ 30mm 아래쪽의 챔버 일측벽에 위치되며, 린스 존(22)에 채워진 순수(50)를 원 웨이 스트림(one way stream)시키는 원 웨이 스트림 모듈(one way stream module; 25)이 구비된다. 원 웨이 스트림 모듈(25)은 스프레이 노즐(spray nozzle; 26)을 일정 각도로 상하 조절이 가능하도록 하여 필요에 따라 순수(50)가 수평 방향 뿐만 아니라 상하 일정 각도로 원 웨이 스트림되도록 한다.
하이 플로우 순수 공급기(30)는 챔버(20)의 하부에 구비되며, 챔버(20)의 린스 존(22)에 순수(50)를 공급하는 역할을 하며, 린스 존(22)에서 웨이퍼(40)의 린스 작용을 활성화시키기 위해 순수(50)를 30 ~ 7OL/min의 하이 플로우로 공급한다.
상기한 본 발명의 웨이퍼 건조기는 반도체 소자의 제조 공정중 유체 처리나 습식 공정이 완료된 웨이퍼(40)를 린스 존(22)에서 다시 한번 린스 시켜 웨이퍼 표면에 존재할 수 있는 파티클(particle)과 같은 오염 요인을 제거하는데, 린스 효과를 극대화시키기 위해 하이 플로우 순수 공급기(50)로부터 순수를 하이 플로우로 공급되게 하고, 오버 플로우 유닛(23)을 통해 순수(50)를 챔버(20) 외부로 배수시 켜 순수(50)의 흐름을 유발시킬 뿐만 아니라 웨이퍼(40)로부터 떨어져 나온 파티클등의 오염 물질을 제거시키고, 또한 원 웨이 스트림 모듈(25)을 장착하여웨이퍼(40)의 린스 효과를 더욱더 극대화시킨다. 린스 존(22)으로부터 이동하여 치환/건조 존(21)에 웨이퍼(40)가 위치되면서 웨이퍼(40)의 표면에 존재하는 순수나 습기가 극성유기용매의 증기로 치환되어 건조된다. 이와 같은 일련의 동작 및 건조방법을 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 웨이퍼 건조기를 이용한 웨이퍼 건조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 하이 플로우 순수 공급기(30)를 통해 챔버(20)에 순수(50)를 공급하여 린스 존(22)을 순수(50)로 채워진 상태에서, 스프레이 존(10)을 열어 웨이퍼 케리어(24)에 웨이퍼(40)를 로딩 시키고, 스프레이 존(10)을 닫는다. 웨이퍼 케리어(24)가 하강하여 웨이퍼(40)는 린스 존(22)의 순수(50)에 완전히 담겨진다. 스프레이 존(10)의 극성유기용매의 증기 및 불활성 케리어 가스가 챔버(20)의 치환/건조 존(21)으로 공급된다. 극성유기용매의 증기 및 불활성 케리어 가스는 치환/건조 존(21) 내부에서 포화상태가 되고, 린스 존(22)의 순수(50)에 녹아 들어가 수면에 극성유기용매 층(500)을 형성하게 된다. 치환/건조 존(21)이 계속 포화상태가 유지되도록 극성유기용매의 증기 및 케리어 가스는 계속 공급된다. 하이 플로우 순수 공급기(30)를 통해 순수(50)는 웨이퍼(40)의 정렬이 흐트러지지 않을 정도인 30 ~ 70L/min으로 계속 공급되면서 웨이퍼(40)의 표면에 존재하는 파티클 등의 오염 물질을 제거하게 된다. 원 웨이 스트림 모듈(25)을 통해서는 순수(50)가 약 50L/min 이하로 공급된다.
상기에서, 극성유기용매는 비등점이 90℃ 미만이며 비중이 1 이하인 전기 음성도(electro-negativity)가 큰 작용기(functional group)를 포함하는 물질, 예를 들어, 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로필알콜(isopropyl alcohol), 아세톤(acetone), 아세톤니트릴(acetonitrile), 1,1,1-트라이클로로에탄(1,1,1--trichloroetane), 등이다. 여기서, 작용기는 하이드록실기(hydroxyl group, -OH), 카르보닐기(carbonyl group; -C=O), 시안기(cyan group; -CN), 핼리드기(halide group; -F, -Cl, -Br, -I), 니트로기(nitro group; -NO2), 아지드기(azide group; -N3) 등이 있다. 극성유기용매 층(500)은 공급되는 극성유기용매의 증기가 순수보다 표면 장력이 낮아 수면 위에 형성된다.
도 2b를 참조하면, 웨이퍼(40)는 웨이퍼 케리어(24)가 상승하여 수면으로 올라오게 된다. 수면에서는 오버 플로우 유닛(23)을 통해 순수(50)가 챔버(20) 외부로 하이 오버 플로우로 배수되면서 순수(50)의 흐름이 유발될 뿐만 아니라 웨이퍼(40)로부터 떨어져 나온 파티클 등의 오염 물질이 제거되고, 또한 원 웨이 스트림 모듈(25)에서 원 웨이 스트림이 일어나 웨이퍼(40)의 표면에 존재하는 파티 클 등의 오염 물질을 최종적으로 제거시키게 된다. 웨이퍼 케리어(24)가 계속 상승함에 따라 웨이퍼(40)는 극성유기용매 층(500)을 통과하게 되는데, 이때 웨이퍼(40)의 표면에 존재하는 순수나 습기는 극성유기용매의 증기로 치환되기 시작한다. 웨이퍼(40)가 극성유기용매의 증기가 포화상태인 치환/건조 존(21)으로 들어감에 따라 웨이퍼(40)의 표면에 존재하는 순수나 습기는 극성유기용매의 증기로의 치환이 이루어진다.
상기에서, 순수(40)의 배수와 원 웨이 스트림으로 인하여 웨이퍼(40)의 린스효과를 더욱더 극대화된다.
도 2c를 참조하면, 웨이퍼 케리어(24)가 계속 상승하여 웨이퍼(40)가 치환/건조 존(21) 내에 존재하게 되며, 이때 웨이퍼(40)는 극성유기용매의 증기와 불활성 케리어 가스에 완전히 둘러싸이게 된다. 웨이퍼(40)의 표면에 존재하는 순수나 습기를 극성유기용매의 증기로 완전히 치환시키기 위하여, 스프레이 존(10)으로부터 극성유기용매의 증기가 계속 공급되며, 이때 불활성 케리어 가스도 계속 공급시켜 극성유기용매의 증기가 웨이퍼에 흡착(absorption)되고 유리(desorption)되는 것이 평형상태(equilibrium state)로 유지되게 한다. 극성유기용매의 증기와 불활성 케리어 가스는 평형상태를 이루게 하는 요소(elements)이다. 치환이 완료되기까지 치환/건조 존(21)은 극성유기용매의 증기로 항상 포화상태이며, 치환이 완료되어 극성유기용매의 증기가 흡착되어 있는 웨이퍼(40)의 주변 지역은 극성유기용매의 증기, 수증기, 이들의 공비혼합물(Azeotropic mixture)의 증기가 존재하게 된다.
도 2d를 참조하면, 극성유기용매의 증기가 웨이퍼(40)와의 흡착 및 유리 메커니즘이 평형을 이루고 있는 상태에서, 스프레이 존(10)으로부터 극성유기용매의 증기 공급을 중단하고, 불활성 케리어 가스만을 치환/건조 존(21)에 공급하여 평형 상태가 유리쪽으로 이동하여 (Le'Chatelier의 법칙) 웨이퍼(40)에 흡착된 극성유기 용매의 증기가 제거되면서 웨이퍼(40)가 완전히 건조된다. 이때, 공급되는 불활성케리어 가스의 온도가 너무 높으면 린스 존(22)의 순수(50)가 기화하여 웨이퍼(40)에 다시 응결될 수 있으므로, 불활성 케리어 가스의 온도는 80℃ 이하, 바람직하게는 20 ~ 80℃의 온도 범위가 적절하다.
이후, 건조가 완료된 웨이퍼(40)는 스프레이 존(10)을 열어 언로딩 시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 웨이퍼 건조기는 종래 스핀 건조기와 비교할때, 회전판이 존재하지 않으므로 웨이퍼가 파손될 염려나 기계에서 발생하는 파티클의 염려가 없다. 또한, 회전판을 사용하지 않으므로 해서 장비의 크기를 줄일 수 있어, 향후 300mm 크기의 웨이퍼에 대응되는 장비를 구성할 때에도 공간(space)에 대한 이슈(issue)를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 웨이퍼 건조기는 종래 키몬 건조기와 비교할 때, 약 200℃이상의 고온의 증기발생장치를 사용하지 않고 상온에서 극성유기용매의 증기를 발생시키므로, 화재의 위험성을 배제시킬 수 있으며, 극성유기용매의 증기 공급을 하부가 아닌 상부에서 이루어지게 구성하므로, 중력(gravity)에 의한 파티클의 제거가 보다 용이하게 되었다. 또한, 본 발명의 건조기는 상온의 극성유기용매의 증기를 이용하는 것이므로, 웨이퍼에 포토레지스트 패턴이 존재하는 예를 들어 BOE 습식 식각 공정에서의 적용도 가능하다.
한편, 종래 CFM사의 건조기는 웨이퍼의 이동 없이 순수를 배수시켜 웨이퍼의 표면에 있는 순수를 공비혼합물로 치환시켜야 하고, 이때 웨이퍼, 순수 및 이소프로필알콜(IPA)이 이루는 메니스커스(meniscus)가 건조 조건의 가장 중요한 요소로 작용하는데, 순수를 배수하게 되면 수면이 불안정하게 되어 이상적인 메니스커스가형성되지 않으므로, 건조가 일어나지 않을 가능성이 높다. 그런데, 본 발명의 건조기는 웨이퍼를 수면 위로 올리는 방법을 택하고 있으므로, 보다 더 안정적인 건조가 가능하다. 공비혼합물을 이용하는 건조는 공비혼합물중 순수의 비등점 보다 높은 비등점을 가지는 경우도 있으나, 본 발명은 웨이퍼 표면에 흡착되어 있는 극성유기용매의 증기를 가열법이 아닌 Le'Chatelier의 평형의 법칙을 이용하므로 보다 더 효과적으로 건조가 가능하며, 가열을 하지 않으므로 화재의 위험성이나 포토레지스트 패턴의 손상(attack)이 전혀 없다. 그리고 CFM사의 건조기는 순수가 하강하면서 드러나는 웨이퍼가 오로지 건조 증기(drying vapor)로 둘러싸이지만, 본 발명의 건조기는 웨이퍼가 상승하면서 드러나는 부분이 건조 증기, 불활성 케리어 가스및 순수의 증기가 공존하며, 이를 건조 증기가 흡착되어 있는 평형상태로 유지하기위해 스프레이 존에서 계속적으로 건조 증기를 공급해주는 차이점이 있다.

Claims (4)

  1. 극성유기용매의 증기와 불활성 케리어 가스가 수용되는 치환/건조 존과, 순수가 채워지는 린스 존과, 상기 치환/건조 존과 상기 린스 존의 경계 부분에서 순수를 외부로 배수시키는 오버 플로우 유닛과, 상하로 이동하며 웨이퍼를 담는 웨이퍼 케리어를 포함하는 챔버;
    상기 챔버의 상부에 구비되어 극성유기용매의 증기 및 불활성 케리어 가스를 상기 치환/건조 존의 내부로 공급시키는 스프레이 존; 및
    상기 챔버의 하부에 구비되어 상기 린스 존에 순수를 공급하는 하이 플로우순수 공급기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버는, 상기 린스 존에 채워진 순수의 수면에서 5 ~ 30mm 아래쪽의 챔버 일측벽에 위치되며, 상기 린스 존에 채워진 순수를 원 웨이 스트림 시키는 스프레이 노즐을 갖는 원 웨이 스트림 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼건조기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스프레이 노즐은 일정 각도로 상하 조절이 되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이 플로우 순수 공급기는 상기 린스 존에서 웨이퍼의 린스 작용을 활성화시키기 위해 순수를 30 ~ 70L/min의 하이 플로우로 공급하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조기.
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