KR20100026137A - 웨이퍼 건조 방법 - Google Patents

Abstract

물반점(water mark)과 파티클(particle)이 발생하지 아니하도록 건조 효율을 향상시킨 웨이퍼 건조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법의 일 구성은 웨이퍼 세정 및 린스 후 진행되는 마란고니(Marangoni) 건조 단계를 포함하며, 상기 웨이퍼 린스시 오존수를 사용하여 상기 웨이퍼 표면을 친수화한 후 마란고니 건조 단계를 실시하는 것이 특징이다. 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법의 다른 구성은 상부로 상승하는 웨이퍼 상부에서는 IPA 가스가 분사되고, 상기 웨이퍼의 하부에서는 오존수가 공급되어 상기 웨이퍼 표면을 친수화하면서 상기 웨이퍼가 건조되도록 하는 것이다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 웨이퍼 표면을 친수성 표면으로 바꿈으로써 마란고니 효과를 증대하여 물반점 발생 가능성을 줄인다. 뿐만 아니라, 사용되는 초순수 또는 오존수의 온도를 저온화하면 계면에서의 표면장력을 낮춤으로써 마란고니 효과를 극대화할 수 있으며 파티클 부착이 적다.

웨이퍼 건조, 초순수, 오존수

Description

웨이퍼 건조 방법 {Method for drying wafer}

본 발명은 웨이퍼 세정 후에 진행하는 웨이퍼 건조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물반점(water mark)과 파티클(particle)이 발생하지 아니하도록 건조 효율을 향상시킨 마란고니(Marangoni) 웨이퍼 건조 방법에 관한 것이다.

웨이퍼 제조 공정의 각 공정마다 파티클, 금속성 불순물(metallic impurity), 자연 산화물(native oxide)과 같은 오염물들이 발생하는데, 이러한 오염물들은 최종 생산된 제품의 수율에 직접적인 영향을 미치게 된다. 물론, 웨이퍼 공정 중 모든 오염물들을 완벽하게 제거하는 것이 가장 이상적인 목표이지만 현실적으로는 거의 불가능하기에 세정 공정을 각각의 제조 공정 전후에 실시하여 기하급수적으로 증가하는 오염물을 최소한의 비율로 감소시키는 것을 그 주된 목적으로 하고 있다. 따라서, 웨이퍼 세정 공정은 모든 제조 공정 전후에 반드시 행해져야 하는 중요한 부분이라 하겠다.

일반적인 세정 공정은 습식 세정으로, 웨이퍼 표면에 존재하는 오염물들을 제거하기 위해 각각의 목적에 맞는 화학 약액을 세정조에 채운 후에 웨이퍼를 담가 이들 오염물을 먼저 제거한 다음, 초순수 등을 이용하여 린스(rinse)시키는 공정 순으로 진행된다. 이러한 세정 공정을 거친 후 건조 공정을 수행하게 되는데, 이 건조 공정 과정에서 물반점이나 파티클이 잔류할 수 있다. 웨이퍼가 대구경화됨에 따라 웨이퍼 건조시 웨이퍼 외측면에 물반점 또는 파티클이 발생하지 않도록 하는 것은 더욱 중요하게 인식되고 있다. 뿐만 아니라, 최근 세정 공정에서 더욱 미세한 오염원들의 제어가 요구됨에 따라 세정 공정에서의 마지막 단계인 건조 공정의 중요성이 크게 대두되고 있다.

습식 세정에서 수행하는 건조 방법으로 종래에는 웨이퍼를 일정 회전수(rpm)로 회전시켜 웨이퍼 표면의 초순수를 물리적인 힘으로 제거하는 스핀 건조기(spin dryer)가 사용되었다. 하지만, 스핀 건조기는 고속 회전에 의한 정전기 발생 및 진동에 의해 파티클이 발생되는 문제가 있다. 또한 스핀 건조기는 물반점 발생 등의 문제가 있다.

웨이퍼 표면의 초순수에 증기(vapor) 상태의 이소프로필알코올(isopropyl alcohol : IPA)을 치환시켜 웨이퍼로부터 초순수를 제거하는 건조 방법도 있다. 이 방법은 스핀 건조 방법 대비 건조 효율성이 높으나 IPA 내 수분 함량 증가시 물반점 발생 가능성이 있어 관리 포인트의 설정이 중요하다. 특히 증기 영역의 관리가 중요하며, 건조 챔버(chamber)내 증기화 균일도를 위한 장치의 정밀도 유지가 필요하다.

IPA를 이용한 다른 건조 방법 중의 하나로 최근에는 IPA의 낮은 표면장력을 이용하여 웨이퍼를 건조하는 마란고니 건조 방법이 있다. 이 방법에서는 건조 챔버에 있는 초순수가 담긴 액조에 웨이퍼를 담그고, 초순수 표면과 주변에 IPA 증기를 공급하게 된다. IPA 증기를 계속 공급하면서 초순수에 잠겨있는 웨이퍼를 천천히 끌어올려 초순수 밖으로 드러나게 하면 IPA 증기는 초순수 표면에 응축되거나 용해되어 하나의 액층을 형성한다. 이 액층과 초순수는 표면장력이 서로 다른 영역이어서, 마란고니 효과에 의해 상대적으로 표면장력이 작은 영역(IPA가 응축된 액층)으로부터 표면장력이 큰 영역(초순수)으로 액체가 흐르게 된다. 따라서, 웨이퍼 표면에 남아있는 수분을 제거하여 웨이퍼를 건조할 수 있다.

하지만 웨이퍼 표면 상태가 소수성(hydrophobic)일 경우, IPA 단독 사용으로는 웨이퍼 표면장력을 충분히 낮추어 주지 못해 IPA가 응축된 액층과 초순수 계면에서의 마란고니 효과를 기대하기 어렵다. 그리고 초순수에 잠겨있던 웨이퍼를 끌어올릴 때, 하단 부분으로 갈수록 마란고니 효과가 제대로 발생하지 못하여 건조가 잘 이루어지지 않는 문제가 있다.

한편, 한국공개특허 제2003-0056205호는 웨이퍼의 습식 세정 공정 후 초순수의 온도를 변화시켜 마란고니 효과를 극대화시킴으로써 웨이퍼의 미세 컨택홀에 수막이 형성되지 않도록 하는 웨이퍼 건조 방법을 개시하고 있다. 상기 공개특허에서는 상부로 상승하는 다수의 웨이퍼 상부에서는 IPA/N₂ 가스가 분사되고 상기 웨이퍼의 하부에서는 대략 25~40℃ 정도의 초순수가 공급되어 표면장력을 낮춤으로써 상기 웨이퍼에 수막이 형성되지 않는 동시에 건조되도록 하는 구성에 따라, 웨이퍼의 미세 컨택홀에 수막이 잔존하지 않고 건조 시간을 단축하는 장점이 있다고 한다.

그런데, 아래의 표 1에서 보는 것과 같이 25℃에서의 초순수 표면장력과 40 ℃에서의 초순수 표면장력 차이는 불과 3%이며, 온도에 의한 표면장력 차이로 마란고니 효과를 크게 기대할 수 없다.

또한, 초순수의 온도를 너무 높이게 되면 수면에서 발생하는 증기로 인하여 물반점 발생 가능성이 높아지게 된다. 그리고 온도가 높을수록 초순수의 점도가 감소하는데, 점도가 감소하면 상부로 상승하는 웨이퍼 아래로 작용하는 마란고니 효과가 감소하여 미세 파티클 제거에 효과적이지 못하다. 또한, 초순수의 온도가 높을수록 초순수 내에 부유하고 있는 미세 입자의 운동에너지(활성도)도 증가하므로, 건조시 웨이퍼 표면으로 부착되는 파티클 수가 증가하여 건조 효율이 낮아지게 된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 웨이퍼 제조 공정에서의 패턴이 없는 베어(bare) 웨이퍼 세정 후 건조에 있어 마란고니 효과를 충분히 발휘하여 물반점과 파티클 발생이 없는 웨이퍼 건조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법의 일 구성은 웨이퍼 세정 및 린스 후 진행되는 마란고니 건조 단계를 포함하며, 상기 웨이퍼 린스시 오존수를 사용하여 상기 웨이퍼 표면을 친수화한 후 마란고니 건조 단계를 실시하는 것이 특징이다. 이 때, 상기 마란고니 건조 단계는, 상부로 상승하는 웨이퍼 상부에서는 IPA 가스가 분사되고, 상기 웨이퍼의 하부에서는 5℃~25℃의 초순수 또는 오존수가 공급되어 표면장력을 낮춤으로써, 상기 웨이퍼가 건조되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법의 다른 구성은 상부로 상승하는 웨이퍼 상부에서는 IPA 가스가 분사되고, 상기 웨이퍼의 하부에서는 공급되어 상기 웨이퍼 표면을 친수화하면서 상기 웨이퍼가 건조되도록 하는 것이다. 상기 오존수의 온도를 5℃~25℃로 낮추면 표면장력을 낮추어 마란고니 효과를 극대화할 수 있다.

본 발명에서는 건조 전 마지막 린스 단계에서 오존수를 적용하여 웨이퍼 표면에 산화막을 형성함으로써 친수성 상태로 만든 후 건조 단계에 투입하거나, 마란고니 건조 단계시 초순수 대신 오존수를 사용하기 때문에 건조 공정이 진행되는 동안 웨이퍼 표면에 산화막이 형성되어 안정된 친수성 표면을 가지게 된다. 친수성 웨이퍼는 계면에서의 표면장력이 낮기 때문에 마란고니 효과의 증대를 가져오며, 이로 인하여 물반점 발생 가능성을 줄일 수 있다. 또한, 웨이퍼 표면에 형성된 안 정한 산화막은 2차 오염원으로부터 웨이퍼를 보호하는 장점이 있다.

뿐만 아니라, 건조시 초순수 또는 오존수의 온도를 5℃~25℃의 저온으로 변화시켜 마란고니 효과를 극대화시킴으로써 건조 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법을 적용할 수 있는 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼를 포함하여, LCD, PDP, LED는 물론, 논리회로나 데이터 기억소자를 갖춘 메커니즘 또는 IC 칩과 같은 소자용 베어 웨이퍼에 모두 적용될 수 있으며, 이하 본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼를 예로 들어 설명한다. 그리고, 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법은 웨이퍼 제조 공정 사이사이에 행해질 수 있지만, 완성된 웨이퍼를 이용한 소자 제조 공정 사이사이, 즉 패턴이 형성된 웨이퍼에 대해서도 행해질 수도 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법의 순서도들이다. 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법에서는 웨이퍼 표면을 친수성 처리하여 건조함이 특징이다.

도 1을 참조하면, 통상의 세정 단계(S1) 진행 후 건조 전 마지막 린스 단 계(S2)에서 오존수를 사용한다.

오존은 다음의 예와 같이 분해되어 강산화제로 작용할 수 있는 활성 원자단(active radical)을 발생시킨다.

O₃ + OH^- → O₂ ^- + HO₂ ^* (1)

O₃ + HO₂ ^* → 2O₂ + OH^* (2)

O₃ + OH^* → O₂ + HO₂ ^* (3)

2H₂O^* → O₃ + H₂O (4)

HO₂ ^* + OH^* → O₂ + H₂O (5)

이와 같이 발생된 활성 원자단들은 웨이퍼 표면 상에 혹시라도 잔류할 수 있는 유기물과 반응하여 C-H 결합, C-C 결합, C=O 결합을 파괴시킨다. 이에 따라, 유기물은 쉽게 제거되고 웨이퍼 표면은 산화된다.

또한, 오존은 위와 같은 분해없이도 다음과 같은 오존 자체의 반응 기구에 의해 유기물을 제거하고 웨이퍼 표면을 산화시킬 수도 있다.

O₃ + 유기물(예를 들어, 폴리머) → CO₂ + H₂O (1)

O₃ + M(Surface) → MO_X + O₂ (2)

따라서, 린스시 오존수 사용에 따라 웨이퍼 표면에는 산화막이 형성되어 친 수화된다. 너무 낮은 오존 농도는 웨이퍼 표면을 친수화시키지 못하기 때문에 5ppm 이상인 것이 바람직하다. 즉, 여기서 사용하는 오존수는 5ppm 이상의 오존을 포함하는 초순수인 것이 좋다. 이를테면, 오존수는 5 내지 150 ppm 정도의 오존을 포함한다.

그런 다음, 초순수 또는 오존수를 이용한 마란고니 건조 단계(S3)를 실시한다. 건조 단계(S3)에서도 오존수를 사용하는 경우에는 린스 단계(S2) 및 건조 단계(S3)에서 모두 웨이퍼 표면이 친수화된다.

건조 단계(S3)에서는 초순수 또는 오존수의 온도를 변화시켜 건조 효율을 더욱 증대시킬 수 있다. 초순수 또는 오존수의 온도는 저온, 바람직하기로는 5℃~25℃로 한다. 5℃보다 낮은 온도를 유지하는 경우의 실익보다는 비용 손실이 더 크기 때문에 5℃보다 낮게 할 필요가 없고, 25℃보다 높게 하는 경우에는 점도 감소로 마란고니 효과가 떨어지므로 25℃ 이하로 한다. 초순수 또는 오존수의 온도를 낮추면 점도가 증가하므로 상부로 상승하는 웨이퍼 아래로 더 높은 마란고니 효과가 작용한다. 그리고 초순수 또는 오존수 내 부유하는 미세 입자들의 활성도가 감소함으로써 웨이퍼 표면으로 부착되는 파티클 수가 현저히 감소한다.

도 2를 참조하면, 통상의 세정(S11) 및 린스 단계(S12) 진행 후, 오존수를 이용한 마란고니 건조 단계(S13)를 실시한다. 이것은 건조 단계(S13)에서 오존수를 적용하여 웨이퍼 표면을 친수화시키는 것이다. 이 때 건조 단계(S3)에서는 오존수의 온도를 저온, 즉 5℃~25℃로 변화시켜 건조 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

도 3은 이상과 같은 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법을 수행하기 위한 건조 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 3에 도시한 웨이퍼 건조 장치의 기본적인 구성은 마란고니 건조기로 구성되는 것으로 이해될 수 있다.

웨이퍼(10)는 웨이퍼 지지대(20)에 지지되어 건조 장치의 내조(80)에 장착된다. 이 때 내조(80)에는 5℃~25℃로 냉각된 초순수 또는 오존수가 공급관(50)을 통해 공급될 수 있다. 오존수 공급 장치(100)는 오존 발생장치(미도시)가 장착된 초순수 공급 장치로서, 오존 발생장치 작동시에는 오존이 포함된 초순수, 즉 오존수를, 오존 발생장치가 작동하지 않을 때에는 초순수를 냉각장치(200)로 보낸다. 오존 발생장치는 전기분해 방식의 것이거나 오존 가스를 탈이온수에 용해시키는 것일 수 있다. 냉각장치(200)는 오존수 또는 초순수를 5℃~25℃로 냉각하여 내조(80)로 공급하게 된다. 웨이퍼 건조 장치의 내조(80) 상에는 챔버(30)가 씌워지는데, 분사 노즐(40)을 통해 이러한 챔버(30) 내에 IPA 가스가 공급되게 된다.

도 1 및 도 2의 건조 단계(S3, S13) 실시시, 내조(80)에 웨이퍼(10) 장착 후 초순수 또는 오존수를 공급하여 내조(80)가 초순수 또는 오존수(11)로 완전히 채워진 다음, 내조(80)에 IPA 가스가 공급된다. IPA 가스는 질소(N₂)와 같은 캐리어 가스의 도움을 받아 공급될 수도 있다. 건조 공정은 내조(80)에 장착되어 있는 웨이퍼(10)를 상부로 인상하면서 진행된다. 웨이퍼(10)의 인상은 미도시의 웨이퍼 승강기를 이용하여 웨이퍼(10)를 초순수(11)의 표면에서 서서히 상승시키도록 한다. 이 때, IPA 가스는 초순수 또는 오존수(11)와의 계면에서 마란고니 효과에 의한 건조 작용이 일어나도록 유도하며, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 웨이 퍼(10) 표면에 안정한 산화막이 형성됨에 따라 그 표면이 친수화되어 건조 공정이 진행된다. 건조 공정의 수행 후, 내조(80)의 초순수 및 오존수(11)는 배출관(60)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

도 4는 웨이퍼 표면이 소수성일 때와 친수성일 때의 건조 메커니즘(mechanism)을 나타낸 것이다.

먼저 도 4의 (a)에서 보는 것과 같이, 웨이퍼(10)가 산화막이 없는 소수성 표면일 경우, 계면에서의 초순수(11)는 표면장력이 매우 커지게 된다. 따라서 건조시 초순수(11)에 잠겨있던 웨이퍼(10)를 끌어올릴 때, 마란고니 효과를 크게 기대하기 어렵다. 또한 웨이퍼(10) 표면이 소수성일 경우, 파티클 재흡착에 의해 웨이퍼(10)가 오염될 우려가 있으며, 물반점 발생 가능성 또한 커지게 된다.

도 4의 (b)는 본 발명과 같이 웨이퍼(10)에 산화막(12)이 있어 그 표면이 친수성일 때의 건조 메커니즘을 나타낸 것이다. 도 4의 (b)에서 보는 것과 같이, 본 발명에 따라 건조 전 마지막 린스 단계에서 오존수를 적용하여 건조 단계에 투입하거나, 건조 단계시 오존수를 사용하는 경우, 웨이퍼(10) 표면에 산화막(12)이 존재하는 친수성 표면이 된다. 이러한 친수성 표면일 경우, 계면에서의 초순수 또는 오존수(11)는 표면장력이 상당히 낮아지게 된다. 따라서 건조시 초순수 또는 오존수(11)에 잠겨있던 웨이퍼(10)를 끌어올릴 때, 마란고니 효과를 크게 기대할 수 있으며 또한 미세 파티클 제거가 가능하게 된다.

도 5는 초순수 온도에 따른 마란고니 효과 및 초순수 내 부유하는 입자들의 활성도를 나타낸 것이다.

도 5의 (a)는 종래와 같은 고온(25℃~40℃)에서의 마란고니 효과 및 초순수(11) 내 부유하는 입자(90)들의 활성도를 대략적으로 나타낸 것이고, 도 5의 (b)는 본 발명에 따른 저온(5℃~25℃)에서의 마란고니 효과 및 초순수(11) 내 부유하는 입자(90')들의 활성도를 대략적으로 나타낸 것이다. 본 발명에서와 같이 초순수(11)의 온도를 낮추면 점도가 증가하므로 상부로 상승하는 웨이퍼(10) 아래로 더 높은 마란고니 효과가 작용하며, 또한 초순수(11) 내 부유하는 미세 입자(90')들의 활성도가 감소함으로써 웨이퍼(10) 표면으로 부착되는 파티클 수가 현저히 감소한다. 따라서, 건조시 온도를 낮춤으로써 더 높은 건조 효율을 기대할 수 있다.

한편, 본 발명 실시예에서는 웨이퍼 표면의 친수성 처리를 위하여 오존수를 이용한 산화막 형성의 예를 들었으나, 웨이퍼 표면에 산화막을 형성할 수 있으면서 린스 및 마란고니 건조에 이상적인 약액이라면 반드시 오존수가 아니더라도 된다. 따라서, 오존수 이외의 다른 약액을 사용하여 웨이퍼 표면을 친수성 처리하여 건조 효율을 극대화하는 구성이라면 본 발명의 변형예에 속한다 할 것이다. 이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법의 순서도들이다.

도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 건조 방법을 수행하기 위한 건조 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4는 웨이퍼 표면이 소수성일 때와 친수성일 때의 건조 메커니즘(mechanism)을 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 건조 효율을 나타낸 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...웨이퍼 11...초순수 12...산화막

20...웨이퍼 지지대 30...챔버 40...분사 노즐

50...공급관 60...배출관 70...외조

80...내조

Claims (5)

1. 웨이퍼 세정 및 린스 후 진행되는 마란고니 건조 단계를 포함하며,

   상기 웨이퍼 린스시 오존수를 사용하여 상기 웨이퍼 표면을 친수화한 후 마란고니 건조 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마란고니 건조 단계는,

   상부로 상승하는 웨이퍼 상부에서는 IPA(isopropyl alcohol) 가스가 분사되고, 상기 웨이퍼의 하부에서는 5℃~25℃의 초순수 또는 오존수가 공급되어 표면장력을 낮춤으로써, 상기 웨이퍼가 건조되도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 마란고니 건조 단계는,

   상부로 상승하는 웨이퍼 상부에서는 IPA 가스가 분사되고, 상기 웨이퍼의 하부에서는 오존수가 공급되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 방법.
4. 상부로 상승하는 웨이퍼 상부에서는 IPA 가스가 분사되고, 상기 웨이퍼의 하부에서는 오존수가 공급되어 상기 웨이퍼 표면을 친수화하면서 상기 웨이퍼가 건조되도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 오존수의 온도는 5℃~25℃인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 건조 방법.

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