KR20120112504A - 개선된 초음파 클리닝 유체, 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

분산된 가스를 포함하는 클리닝 유체는 용해된 가스를 포함하는 액체를 버블 머신에서 압력 감소의 영향에 두어, 공동현상을 유도하는 데 초음파 에너지를 이용하는 것을 회피한다. 클리닝 유체는 홀더 및 초음파 또는 메가소닉 에너지를 물품에 공급하기 위한 바이브레이터를 포함하는 디바이스를 이용하여 반도체 웨이퍼들과 같은 물품들을 클리닝하는 데 이용될 수 있다.

Description

개선된 초음파 클리닝 유체, 방법 및 장치{IMPROVED ULTRASONIC CLEANING FLUID, METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 기판 표면들의 초음파 클리닝에 사용되는, 버블을 포함하는 유체들의 분야에 관한 것이다.
반도체 기판으로부터 미립자 오염물질들을 제거하는 것은 초음파 클리닝에 의해 달성된다. 종종 초음파 분쇄기 (sonicator) 라고 지칭되는 초음파 클리너는, 섬세한 아이템들을 클리닝하는 데 적절한 세척액과 초음파 (통상, 150-1,500 kHz) 를 이용하는 클리닝 디바이스이다. 초음파의 주파수가 1,000 kHz (1 MHz) 에 가깝거나 그보다 클 때, 그것은, 흔히 "메가헤르츠"라고 지칭된다. 초음파는 세척액을 이용하지 않는 경우에는 효과적이지 않지만, 클리닝될 아이템 및 소일링 (soiling) 에 적절한 용액의 영향을 강화한다.
초음파 클리너에서, 클리닝될 대상은 적합한 용액 (애플리케이션에 따라, 수용성 화합물 또는 유기 화합물) 을 포함하는 챔버에 배치된다. 수용성 클리너들에서는, 워터 베이스의 표면 장력을 파괴하도록 계면활성제가 추가될 수도 있다. 챔버 내에 구성되거나 또는 유체의 영향력 아래에 오게 되는 초음파 생성 트랜스듀서는 초음파 주파수에서 발진하는 전기 신호와 협력하여 사이즈를 변경함으로써 유체에 초음파들을 생성한다. 이것은 탱크의 유체에 충분히 강력한 압축 파들을 생성하는데, 이는 유체를 "분열"시켜 수백만 개의 미세한 '공극들' 또는 '부분 진공 버블들' (공동현상) 을 남긴다. 이러한 버블들은 막대한 에너지로 붕괴된다: 10,000 K 의 온도 및 350 10^6 Pa 의 압력이 보고되었다. 그러나, 버블들은 그들이 단지 표면의 먼지 및 오염물질들을 클리닝하고 제거하는 것에 불과할 정도로 매우 작다. 주파수가 높을수록, 공동현상 포인트들 사이의 노드들은 작아져서, 더 복잡한 세부사항의 클리닝을 허용한다.
반도체 웨이퍼 클리닝에서, 어쿠스틱 공동현상의 핵형성은 핵형성의 시작 (onset) 을 달성하기 위해 종종 유체의 적절한 사전-처리 및 높은 어쿠스틱 압력들을 요구한다. 또한, 이 핵형성은 사이즈 분포와 관련된 작은 부분만이 클리닝 시에 활성 상태가 되도록 하는 제한적 핵형성 밀도들을 가져온다. 일반적으로, 높은 어쿠스틱 압력은 버블 진동들을 더 강력한 체제 (일시적 공동현상) 로 몰고 가며, 이는 통상적으로 손상을 야기한다. 따라서, 초음파 클리닝 프로세스는 종종 그의 미세한 효과들 (버블 활성화의 결과들) 을 위해서가 아니라 핵형성을 위해서 튜닝되어, 예컨대 기판 상에 존재하는 손상되기 쉬운 구조들에 대한 임의의 구조적 손상을 회피시키도록 요구된다.
따라서, 기판에 최소의 손상을 주면서 효과적으로 프로세싱하거나 또는 클리닝하는 처리 및 클리닝 기술들이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래 기술의 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는 물품들을 처리하는 방법 및 디바이스를 생성하는 것이다.
본 발명은, 부분적으로, 물품을 처리하는 디바이스로서, 물품을 보유하기 위한 홀더, 물품에 초음파 또는 메가소닉 에너지를 공급하기 위한 바이브레이터, 바람직하게는 물품이 처리되는 압력보다 큰 적어도 약 1 bar 의 압력에서 가스가 용해된 처리 유체를 생성하기 위한 생성기, 및 처리 유체를 물품에 공급하기 위한 유체 공급기를 포함하며, 처리 유체는 압력이 감소할 때 처리 유체에 가스 분산물 (dispersion) 을 생성하는 가스 함유 유체인, 물품을 처리하는 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은, 부분적으로, 물품을 처리하는 방법으로서, 압력이 감소할 때 처리 유체에 가스 분산물을 생성하는 가스 함유 유체가 되도록, 물품이 처리되는 압력보다 큰 적어도 약 1 bar 의 압력에서 가스가 용해된 처리 유체를 생성하는 단계, 처리 유체를 물품에 공급하는 단계, 및 초음파 또는 메가소닉 에너지를 물품에 공급하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 부분적으로, 약 99 vol.-% 를 초과하는 액체 및 약 0.001 vol.-% 를 초과하는 가스를 포함하는 분산물로부터 형성되는 처리 유체로서, 가스는 버블들 중 90% 가 버블 직경 d 의 범위에 있는 버블 사이즈 분포를 갖는 버블 사이즈로 처리 유체에서 분산되며, d
Figure pct00001
1.2 * ds 및 d
Figure pct00002
0.8 * ds 이고, ds 는 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 의 범위에서 선택된 수인 처리 유체에 관한 것이다.
상기의 전반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 양측 모두는 예시적이고 설명적이며, 청구되는 대로 본 발명의 추가 설명을 제공하고자 하지만, 첨부한 청구범위에 의해 제공되는 보호의 범주를 국한하고자 하는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다.
첨부한 도면들은 본 발명의 추가 이해를 제공하도록 제공된다. 도면들은 본 발명의 실시형태들을 예시하며, 설명과 함께, 본 발명의 실시형태들의 원리를 설명하는 데 더욱 충분히 이용된다.
도 1a 는 본 발명의 일 실시형태에 다른 버블 머신의 우측 입면도를 도시한다.
도 1b 는 도 1 의 버블 머신의 단면도를 도시한다.
도 2 는 버블 머신 바디의 대안의 디자인을 도시한다.
도 3 은 버블 머신 바디의 다른 대안의 원통형 디자인을 도시한다.
도 4 는 다수의 주입 오리피스들을 갖는 버블 머신을 도시한다.
도 5a 는 슬릿 및 오리피스들을 갖는 슬릿 및 오리피스들을 갖는 버블 머신을 도시한다.
도 5b 는 주입 슬릿 및 배출 슬릿을 갖는 버블 머신을 도시한다.
도 6a 는 상이한 오리피스 사이즈들을 갖는 버블 머신을 도시한다.
도 6b 는 주입 슬릿 및 배출 오리피스들을 갖는 버블 머신을 도시한다.
도 6c 는 주입 슬릿의 상세도이다.
도 7 은 습식 처리 장치를 도시한다.
도 8 은 대안의 습식 처리 장치를 도시한다.
도 9 는 다른 대안의 습식 처리 장치를 도시한다.
도 10 은 근접 헤드를 갖는 습식 처리 장치를 도시한다.
도 11a 는 근접 헤드를 갖는 습식 처리 장치의 동작을 도시한다.
도 11b 는 근접 헤드를 갖는 습식 처리 장치의 주입 오리피스에서의 동작을 도시한다.
도 11c 는 사운드가 턴 온될 때 근접 헤드를 갖는 습식 처리 장치의 주입 오리피스에서의 동작을 도시한다.
도 12 는 외부 매체 공급 유닛의 개략도이다.
도 13a 는 노드들 및 안티노드들에서 응집하는 큰 버블들 및 작은 버블들의 다이어그램을 도시한다.
도 13b 는 노드들 및 안티노드들에서 응집하는 큰 버블들 및 작은 버블들의 사진을 도시한다.
도 14 는 약 300 ㎚ 직경의 입자들로 오염된 유리 슬라이드들의 클리닝을 도시한다.
도 15 는 상이한 트랜스듀서들에 대한 클리닝 수의 비교를 도시한다.
도 16 은 클리닝된 슬라이드들 및 형광 사진들을 도시한다.
처리 또는 클리닝 프로세스는, 음장 (sound field) 의 주파수가 MHz-주파수-범위에서 선택될 때 종종 "메가소닉 클리닝"이라고 지칭되는, 물리적으로 강화된 화학적 프로세스이며, 이에 의해 기판은 초음파에 노출되는 수성 또는 화학적 유체에 침지되거나 그로 코팅된다. 음파는 유체와 상호 작용하여 특정 버블 사이즈 개체군을 갖는 공간 및 시간에 특정 버블 분포를 생성하여, 그들의 진동 및/또는 붕괴 특성들을 통해 (이 예시적인 경우에 있어서는, 반도체 기판의 클리닝을 목적으로 하는) 미세한 효과들을 중재한다.
프로세스의 일 양태는 클리닝에 더 우수하게 적응되는 유체를 생성하는 것이다. 이 강화된 유체는 바람직하게는 높은 가스 함량 및/또는 동반 가스 버블들의 수를 갖는다. 본 발명에 따른 유체의 가스 함량 또는 그것의 실질적인 부분은 이 분야의 종래에서와 같이 초음파 진동에 의해서 생성되는 것이 아니라, 가스 버블들로 하여금 용액으로부터 나오게 하도록, 용해된 가스의 제어된 함량을 갖는 액체를 압력 감소의 영향을 받게 하여, 초음파 분쇄기와는 무관하게 생성된다. 용해된 가스를 포함하는 액체의 초과 압력은 바람직하게는 분위기 압력보다 큰 약 1 bar 일 수 있다. 결과는 포화 상태에 달하는 높은 용해된 가스 함량을 갖는 액체이며, 심지어 과포화된 용액일 수 있다. 높은 레벨의 용해된 가스 외에도, 가스 버블들은 또한 액체에도 동반될 수 있다. 동반된 가스 버블들이 미세하게 분할되므로, 동반된 가스는 상대적으로 안정한 분산물로서 존재할 수 있다.
그 결과, 클리닝 유체가 초음파 처리 (sonification) 될 때, 더 낮은 에너지 지출 및 더 적은 파괴적 부작용들을 갖는, 초음파 처리 버블들을 이동시키고 붕괴시키는 초음파 처리 효과가 얻어진다. 또한, 가스 버블들이 초음파 분쇄기와는 독립적으로 생성되기 때문에, 초음파 에너지는, 유체에 버블들을 생성하는 데 이용되는 것이 아니라, 기판에서 유체의 클리닝 효과를 최적화하기 위해 튜닝될 수 있다.
이 효과는 고전력 음장들에 의해 버블들의 핵형성을 우회하거나 변조하는 "버블 머신"의 도움으로 생성된다. 버블 머신은 더 많은 양의 버블들을 활성 클리닝 영역에 직접 제공한다.
연관된 이점들을 하기의 것을 포함한다:
1) 이들 버블들은 약한 음장에 의해 용이하게 포지셔닝되고 활성화될 수 있고, 약한 음장은 클리닝 활성화를 시작하는 바로 그 에너지를 전달하지만 임의의 과도기적 공동현상을 회피시킬 수 있다.
2) 이들 버블들은 강한 어쿠스틱 음장에 삽입되어, 전체적인 과도기적 버블 개체군 밀도 및 안정한 어쿠스틱 공동현상 구조들의 생성을 강화할 수 있다.
그 결과, 여기에서 설명되는 바와 같은 버블 머신의 이용도는 미립자 오염 대 손상의 제거를 제어하는 데 필요한 유도된 미세한 효과들의 우수한 튜닝 및 프로세스 시간의 감소를 허용한다.
버블 머신은 활성 음장에 많은 양의 버블들을 직접 주입하고, 그에 따라 높은 버블 개체군 밀도들을 생성하며, 임의의 버블 핵형성 임계를 회피하여 더 짧은 프로세스 시간 및 필요하다면 더 낮은 동작 어쿠스틱 전력을 허용한다.
어쿠스틱 공동현상의 영향은, 또한 이 액체의 온도 및 압력을 조절함으로써 제어될 수 있는, 프로세스 액체의 전체적인 가스화 레벨을 증가시키고 최적화함으로써 인식되고 자극 받았다.
계속해서 (더 큰 버블 사이즈를 향해) 탈기화 프로세스를 겪는 활성 버블들의 짧은 수명은, 바람직하게는 직접적으로 피처리 기판 상에서 어쿠스틱 음장 내의 국부적인 다수의 주입 포인트들을 요구한다. 본 발명에 있어서, 프로세스 액체 (예를 들어, UPW - ultrapure water - 또는 다른 용제들) 의 일부만이 탈기될 수 있고, 다수의 오리피스들에 의해 임의의 화학적이고 국부적인 음장 내로 주입될 수 있으며, 이 음장에서는 버블들이 후속으로 압축에 의해 생성될 것이다.
버블 머신은 개별적인 버블 구조를 형성하도록 매질에서의 현재 음경 (soundscape) 과 상호 작용하는, 계속적인 버블 공급을 생성한다. 버블 구조의 특성 및 이해 중 일 양태는, 예를 들어, 표준 초음파 파면 (wave field) 내에서의 개별적인 버블들의 이동 행위이다. 그 결과, 특정 버블 궤적을 갖는 3 개 그룹의 버블들이 구별될 수 있다: 노드로 가는 "큰" 버블들; 안티노드로 가는 "작은" 버블들; 및 안티노드와 노드사이의 평형상태 포지션들을 갖는 "중간" 버블들.
또한, "이동 중인" 버블들이라고 지칭되었던, 병진적으로 불안정한 버블들이 존재한다. 이들 후자는 어떠한 평행상태 공간 포지션도 갖지 않으며, 안티노드와 노드 사이의 병진적 왕복 진동을 실행해야 한다. 상이한 버블 궤적들에 대한 임계치들 및 버블에 의해 유도된 불안정성 면에서의 미세한 효과들은 음장의 실행 압력 진폭, 버블 사이즈, 및 어쿠스틱 필드 내에서의 버블의 포지션에 의존할 것이다. 이들 임계치들은 일반적으로, 다양한 표면 불안정성의 파라미터 영역들을 표기한 상태도, 및 표준 파면에 존재하는 개별적인 버블들에 대해 작은, 중간, 이동 중인, 및 큰 버블의 파라미터 영역들을 표기한 변환도 (translation diagram) 에 도시될 수 있다.
결과로서, 버블 머신의 도입은, 미립자 오염 대 손상의 제거를 제어하는 데 필요한 유도된 미세한 효과들의 더 우수한 튜닝 및 프로세스 시간의 감소를 허용한다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1a 및 도 1b 는 본 발명에 따른 장치의 제 1 예시적 실시형태를 도시한다. 이 우측 입면도에는, 하나의 유입 개구 (110) 를 갖는 메인 바디 하우징 (100) 이 도시된다. 이 유입 개구 (110) 는 약 1 ㎜ 내지 약 20 ㎜ 의 내경을 갖고, 외부 매질 공급 유닛에 접속되며, 도 1b 에 도시된 바와 같은 버블 머신의 내부 챔버 (141) 에 압축되고 기화된 매질을 제공한다. 주입 오리피스들 (120, 121) 은 경사진 표면상에 포지셔닝된다. 5 개의 주입 오리피스들이 도시되지만, 100 ㎟ 당 약 1 내지 약 30 개의 범위에 있는 광범위한 주입 오리피스들, 바람직하게는 100 ㎟ 당 약 16 개의 주입 오리피스들이 존재할 수 있다. 주입 오리피스들 (120) 은 약 50 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 의 직경을 갖지만, 바람직하게는 200 내지 350 ㎛ 사이의 직경을 가지며, 버블 머신이 침지되는 주변 매질 (130) 과 내부 챔버 (141) 사이의 매질에서 압력 강하를 생성하도록 디자인된다. 이 주변 매질 (130) 은 공급된 매질과는 상이할 수 있다. 압력 강하는 공급된 매질 내의 용해된 가스가 배출되기 시작하는 범위에서 선택될 수 있다. 가스 배출 결과로서, 많은 작은 버블들이 생성되어 주변 매질 (130) 에 주입될 것이다.
메인 바디 하우징 (100, 101) 의 침지 깊이는 주입 오리피스들 (120) 이 주변 매질 (130) 에 깊이 잠기어 탱크에서의 침지에 대해 약 0.5 ㎜ 와 약 350 ㎜ 사이에서 또는 2 개의 평행 플레이트들 사이에서의 침지에 대해 약 0.3 ㎜ 와 약 10 ㎜ 사이에 설정되도록 선택되어야 한다. 대안으로, 메인 바디 하우징 (100, 101) 은 전적으로 주변 매질 (130) 에 잠길 수 있다.
도 2 는 버블 머신 바디의 대안의 디자인을 도시한다. 유입 개구 (210) 에 접속된 바디 하우징 (200) 은 이번에는 주입 슬릿 (220) 에 피트된다. 주입 슬릿 (220) 은 경사진 표면의 최대 전체 길이를 커버할 수 있고, 약 50 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 의 폭을 갖지만, 바람직하게는 약 200 내지 약 350 ㎛ 사이의 폭을 갖는다 (도 6c 참조). 주입 슬릿 (220) 은 버블 머신이 부분적으로 또는 전체적으로 잠기는 주변 매질 (230) 과 내부 챔버 사이의 매질에서 압력 강하를 발생시키도록 디자인된다.
도 3 은 버블 머신의 바디의 대안의 디자인을 도시한다. 메인 바디 하우징 (320) 에는 외부 매질 공급원에 접속된 하나의 유입 개구 (300) 및 둥근 형상의 바디를 따라서 일렬로 포지셔닝된 다수의 주입 오리피스들 (310) 이 있다. 이 버블 머신은 부분적으로 또는 전체적으로 주변 액체에 잠길 수 있다.
도 4 는 버블 머신 바디의 대안의 디자인을 도시한다. 메인 바디 하우징 (400) 에는, 외부 매질 공급원에 접속된 하나의 유입 개구 (410) 및 직사각형 형상의 바디를 따라서 일렬로 포지셔닝된 복수의 주입 오리피스들 (420) 이 있다. 이 버블 머신은 부분적으로 또는 전체적으로 주변 매질에 잠길 수 있다.
일부 애플리케이션들의 경우, 주입 오리피스들 또는 주입 슬릿에 의해 제공되는 매질 흐름은 약 0.1 내지 약 20.0 ㎜ 의 거리를 갖는 2 개의 평행 플레이트들 사이의 에어 갭을 매질로 채우거나 또는 주변 매질의 필요한 레벨을 유지시키는 데 충분하지 않다. 따라서, 추가 출구들을 갖는 배열이 버블 머신에게로 제공되어야 한다. 추가의 예시적인 실시형태들이 도 5 내지 도 6 에 도시된다.
도 5a 및 도 5b 에서는, 버블들이 주변 매질 (550, 551) 내에 효율적으로 주입될 수 있도록, 주변 매질 (550, 551) 을 공급하는 배출 슬릿 (520, 521) 의 형태로 추가의 출구가 메인 바디 하우징 (500, 501) 에 추가된다. 주변 매질 유입 개구 (540, 541) 는 유입 개구 (510, 511) 와는 상이하고 이로부터 분리되며, 예를 들어 도 5a 및 도 5b 에 도시된 바와 같은 메인 바디 하우징의 상측에서와 같이, 메인 바디 하우징 (500, 501) 의 측벽들 중 하나에 추가될 수 있다. 배출 슬릿 (520, 521) 은 주입 오리피스들 (530) 또는 주입 슬릿 (531) 위에 배치될 수 있다.
도 6a 및 도 6b 는 버블 머신의 대안의 디자인들을 도시한다. 추가의 배출 오리피스들 (620, 621) 은, 버블들이 주변 매질 (650, 651) 에 효율적으로 주입될 수 있도록, 이 장치에 주변 매질 (650, 651) 을 공급한다. 배출 오리피스들 (620, 621) 은 일련의 더 큰 홀들이며, 이들은 약 50 ㎛ 내지 약 2000 ㎛ 의 직경을 갖는다. 주변 매질 유입 개구 (640, 641) 는 유입 개구 (610, 611) 와는 상이하고 이로부터 분리되며, 예를 들어 도 6a 및 도 6b 에 도시된 바와 같은 메인 바디 하우징의 상측에서와 같이, 메인 바디 하우징 (600, 601) 의 측벽들 중 하나에 추가될 수 있다. 배출 오리피스들 (620, 621) 은 주입 오리피스들 (630) 또는 주입 슬릿 (631) 위에 배치될 수 있다.
도 6c 는 주입 슬릿의 세부 도면을 도시한다. 슬릿은 상부 및 하부를 갖는다. 이 2 개의 부분들 사이의 작은 갭을 변화시키기 위해, 이들 중 적어도 하나가 이동 가능할 수 있다.
도 7 내지 도 9 는 본 발명에 따른 초음파 클리닝 분야 (field) 에서의 다양한 습식 처리 장치들을 도시한다. 회전하는 (R) 워크피스 (work piece) W 의 상측에서, 버블 머신 (710, 810, 910) 은, 주입 오리피스들이 트랜스듀서 플레이트 (720, 920) 또는 트랜스듀서 로드 (rod) (820)와 워크피스 사이에 또는 그의 근접부에 버블형 액체를 제공하는 방식으로 장착된다. 트랜스듀서 플레이트들 (720, 920) 및 트랜스듀서 로드 (820) 양측 모두는 워크피스 W 에 대해 침지되는 액체 내에서 트랜스듀서 (720, 820, 920) 와 접촉하여 어쿠스틱 음장 (acoustic sound field) 을 생성한다.
버블 머신의 출구는 초음파 에너지의 소스에 인접해야 하는데, 다시 말해, 버블 머신의 출구는 초음파 분쇄기와 접촉하거나 그에 가까운 근접부, 예컨대 초음파 에너지의 소스까지의 방전 거리가 바람직하게는 최대 50 ㎜ 를 넘지 않는다.
본 출원에서 워크피스은 웨이퍼 또는 마스크이며, 이들은 양측 모두가 반도체 칩 제조 시에 이용된다. 웨이퍼는 플레이트 또는 디스크와 같이 성형된다. 그러나, 본 발명은 반도체 타입 대상물들로 국한되지 않는다.
워크피스 표면과 트랜스듀서 표면 사이의 갭은 0.5 ㎜ 내지 10 ㎜ 사이에서 변화한다. 트랜스듀서는, 석영, 사파이어, 또는 TEFLON (폴리테트라플루오로에틸렌) 코팅 알루미늄으로 제조될 수 있는 메인 바디, 및 압전 부품 (725, 925) 으로 구성된다. 압전 부품 (725, 925) 은 트랜스포머라고 지칭된다. 이 트랜스포머는 플레이트의 저부 측에 접착될 수 있다. 추가의 주면 매질이 변환 노즐 (930) 에 의해 워크피스에게로 공급될 수 있다.
도 10 은 본 발명에 따른 습식 처리 장치의 일 실시형태를 도시한다. 움직이는 M 워크피스 W 의 일 측면에, 메인 바디 하우징 (1000) 이 배치된다. 버블 머신 (1010) 은 트랜스듀서 플레이트 (1020) 옆에 장착된다. 이 실시형태는 US2004/0069319A1에서 기술된 바와 같은 근접부 헤드에 기초한다. 액체는 액체 노즐들의 내부 어레이 (1040) 를 통해 도입되고, 진공 소스 (비도시) 에 접속된 진공 노즐들의 외부 어레이 (1030) 를 통해 근접부 헤드로부터 배출된다.
도 11a 내지 도 11c 는 트랜스듀서 (1120) 에 의해 생성된 어쿠스틱 음장과 결합하여 워크피스 W 를 클리닝하도록 하는 버블 머신 (1110) 의 동작을 설명한다. 도 11b 에 상세히 도시된 바와 같이, 주입 오리피스 (1113) 은, 버블 머신이 침지되는, 내부 챔버와 주변 매질 사이의 매질에서 압력 강하를 생성하도록 디자인된다. 압력 강하는 공급된 매질에서 용해된 가스가 배기되기 시작하는 범위에서 선택될 수 있다. 배기 결과로서, 많은 작은 가스 버블들 (1133) 이 생성되어, 트랜스듀서와 워크피스 W 사이의 액체에 주입될 것이다.
도 11c 는, 음장 (1123) 이 턴 온될 때, 트랜스듀서 (1120) 와 워크피스 W 사이에서 액체에 특정 음경 (soundscape) 이 생성되는 것을 보여 준다. 이것은 벌크 액체 내에서 워크피스 W 의 표면에 특정 버블 사이즈 개체군들을 갖는 공간 및 시간에 특정 버블 분포 (1134) 를 발생시킨다. 이들 어쿠스틱하게 활성화된 버블들의 진동 및/또는 붕괴 특성들을 통해 중재되는, 이들 버블들의 미세한 효과들은 워크피스 W 의 표면의 클리닝을 가져온다.
도 12 는 외부 매질 공급 유닛의 개략도를 도시한다. 액체 (1220) 는 제 1 단계에서 진공 (1205) 하에 멤브레인 접촉기 (1225) 에 의해 탈기 (degas) 되고, 다음 단계에서, 히터 (1215) 는 약 20-90 ℃ 의 범위에서 액체의 온도 제어를 허용한다. 가열 유닛 다음에는 가스화 유닛 (1230) 이 오며, 가스 (1210) 를 물에 용해시킨다. 용해되는 가스의 양은 사용된 멤브레인, 부분 가스 압력, 수압, 수류, 및 수온에 좌우된다. 이들 파라미터들은 제어될 수 있고, 그에 따라 가스화 레벨이 제어될 수 있다. 이어서, 버블 머신 (1235) 은 감압에 의해 음장 내의 다수의 포인트들에서 버블액을 생성하는데, 이는 도 11c에서 설명된 바와 같은 워크피스의 표면 처리를 허용한다.
클리닝 유체 및 버블 머신의 최적화된 성능에 관한 파라미터들 중 일부는 하기의 것을 포함한다:
? 압력
? 감압 밸브들의 포지션
? 홀들의 사이즈 및 개수
? 혼합 전 액체의 압력 및 흐름
? 혼합 전 가스의 압력 및 흐름
? 혼합 후 혼합물의 압력 및 흐름
? 초음파 인가 방식
? 온도
압력에 관하여, 버블 머신에 대한 유입 압력은 약 1 내지 약 10 bar, 바람직하게는 약 3.5 bar 이다.
홀들 또는 오리피스들은 약 50 ㎛ 내지 약 350 ㎛, 바람직하게는 약 200 ㎛ 내지 약 350 ㎛ 사이의 직경을 갖는다. 홀들 또는 오리피스들은 일반적으로 둥근 형상이지만, 이 형상으로 국한되지는 않는다. 타원형, 정사각형, 삼각형, 평행육면체, 다각형 등과 같은 다른 형상들도 이용될 수 있다.
1 차원 경우 (서로의 옆에 있는 열의 모든 홀들) 에는, 바람직하게는 10 ㎜ 길이 당 약 200 ㎛ 내지 약 350 ㎛ 의 직경을 갖는 약 4 개의 홀들이 존재한다. 그러나, 적어도 1 내지 20 개의 다른 개수의 홀들이 존재할 수 있다.
2 차원 경우에 있어서, 모든 홀들은 직사각형 장 내에 배열될 수 있고, 약 200 ㎛ 내지 약 350 ㎛ 직경의 적어도 하나의 홀은 100 ㎟ 의 각각의 장 내에 있다. 바람직하게는, 100 ㎟ 당 16 개의 홀들이 존재한다. 그러나, 적어도 1 개 내지 30 개의 다른 개수의 홀들이 존재할 수 있다.
액체의 온도는 바람직하게는 약 20 내지 약 90 ℃ 사이에 있다. 액체는 물 또는 수계 (aqueous system) 일 수 있다. 계면활성제 (비이온, 양이온 또는 음이온) 가 물에 추가될 수 있다. 액체는 HF 에 기초한 응집형 수용성 기반 에천트계일 수 있고, 또는 RCA 클리닝될 수 있다. 또한, 반응계들, 즉 산화성 산 (예를 들어, HNO3, 오존, 과산화수소, 과요오드 산, 세릭 산 등) 으로 채워지는 (charge) 수계 또는 비수계들이 이용될 수 있다.
비수용매들은 C1-C10 의 직선 분지쇄형 (straight and branched) 알콜, 아세톤, 톨루엔, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, EGMEA (에틸렌 글리콜 모노에틸에테르 아세테이트), PGMEA (프로필렌 글리콜 모노에틸에테르 아세테이트) 등을 포함할 수 있다.
혼합 전의 액체의 압력 및 흐름에 관하여, 유입 압력은 약 1 내지 약 10 bar, 바람직하게는 약 3.5 bar 이다. 흐름은 약 300 ㎛ 의 홀 당 약 10 ㎖/min 내지 300 ㎛ 의 홀 당 약 200 ㎖/min 일 수 있다. 즉, 약 300 ㎛ 및 약 3.5 bar 에서 약 5 개의 홀들에 대해, 흐름은 약 370 ㎖/min 이다. 바람직한 일 실시형태에서, 가스는 약 n
Figure pct00003
0.2 ㎟ 의 노즐 사이즈를 통해 적어도 약 2 bar 의 압력으로 액체에 도입된다.
혼합 전의 가스의 압력 및 흐름에 관하여, 가스 (N2 또는 O2) 의 유입 압력은 약 0 내지 약 10 bar 이다. 바람직하게는, 압력 및 흐름은 (가스 교환 유닛의 유형 및 시스템에 설치된 유닛의 양에 따라서) 370 ㎖/min 에서 약 0.02 와 약 0.7 bar 사이일 수도 있다. 혼합 후, 그것이 여전히 순수 액체 (한 가지 상태) 이기 때문에, 압력 및 흐름은 혼합 전과 동일할 수도 있다.
가스 흐름은 바람직하게는 약 0.1 slpm (standard liter per minute) 내지 약 10 slpm 일 수 있다.
N2 또는 O2 가 바람직한 가스들이지만, 공기, Ar, Xe, Ne, CO2, NO, NO2 등과 같은 다른 가스들도 이용될 수 있다.
한 가지 흥미로운 경우는 탄산 (CO2) 의 것이다. 물은 압력 증가에 따라 더 많은 양의 탄산을 흡수한다. 물에서 탄산의 양은 압력에 비례하여 증가한다. 약 1 bar 의 압력에서, 물은 자신의 볼륨을 흡수할 것이고; 약 2 bar 의 압력에서, 자신의 볼륨을 2 배 흡수할 것이며; 약 3 bar 에서, 자신의 볼륨을 3 배 흡수할 것이고; 그 뒤로, 약 37.2 bar 에서 탄산 가스 자체가 액체가 될 때까지 그러할 것이다.
물론, 적당한 조건들 하에서 액체들에서의 가스들의 용해도는, 용액의 용질 중 H = pa/xa = bar/mole 부분 (fraction) 이라는 헨리의 법칙에 좌우된다. 많은 가스들의 경우, 헨리의 법칙은 용질 가스의 부분 압력이 약 1 bar 보다 작을 때 매우 잘 유지된다. H 는 용질 가스의 부분 압력에는 거의 독립적이지 않다. 이들 경우들에 있어서, H 는 부분 압력에 따라 변하며, H 의 소정 값은 좁은 범위의 압력들에서만 이용될 수 있다. Perry's Handbook of Chemical Engineering 5 th Ed., page 14-3 (1973) 을 참조한다. 예를 들어, 공기는 20 ℃ 에서 약 6.64 인 10-4 x H 를 가지며, N2 는 20 ㅀC에서 약 8.04 인 10-4 x H 를 갖는다.
그러나, 본 발명에 있어서, 헨리의 법칙은 분위기에서 적어도 약 1 bar 의 높은 압력에서 붕괴하는 것으로 보이고, 액체에 존재하는 가스의 양은 포화 및 심지어 과포화 상태로 되어 생성 액체가 분산과 평행 상태인 것으로 또는 버블들의 동반 분산을 갖는 것으로 간주될 수 있게 한다. 결과는, 특히 버블 머신이 이용될 때, 공동현상을 유도하는 데 어떠한 초음파 에너지도 요구되지 않으며, 버블 머신에 의해 생성되고 상대적으로 약한 초음파 에너지에 의해 지시되는 버블들의 액션은 종래의 초음파의 고 에너지 적용에 의해 야기된 것에 비해 손상을 예상치 않게 감소시킨다.
소리 에너지가 트랜스듀서 시스템 (석영, 사파이어 또는 코팅된 알루미늄의 매칭된 캐리어에 접착된 압전 엘리먼트) 에 의해 물에 커플링된 경우에 초음파 (ultra/megasonic) 에너지가 적용된다. 전기적 파라미터들은 약 10 khz 내지 약 3 Mhz 의 주파수 및 약 0.01 Watts/㎠ 내지 약 100 Watts/㎠ 의 전력일 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 처리 유체는 약 99 vol.-% 초과량 내지 약 99.999 vol.-% 의 액체 및 약 0.001 vol.-% 초과량 내지 약 1 vol.1% 의 가스를 포함하는 수성 분산물이며, 여기서 가스는 버블들의 90% 의 버블 사이즈 분산이 버블 직경 d 의 범위에 있는 버블 사이즈로 유체에 분산되고, d
Figure pct00004
1.2 * ds 및 d
Figure pct00005
0.8 * ds 이고, ds 가 약 0.5㎛ 내지 약 10 ㎛ (바람직하게는 약 < 5 ㎛) 의 범위에서의 선택된 수이다.
버블 직경 ds 는 파장 λ/500 의 함수이다. 예를 들어, 1 mHz 는 λ = 1.48 ㎜를 가져 오며, 이는 약 3 ㎛ 인 ds = λ/500 를 가져온다.
실험 결과들은 본 발명의 이점을 확인한다.
버블 머신을 이용하여 생성된 처리 유체로의 초음파 인가에 있어서, 도 13a 에 도시된 바와 같이, 큰 버블들은 노드들에 응집하고, 작은 버블들은 안티노드들에 응집한다. 이 버블 사이즈 구분의 사진 검증은 도 13b 에 도시되며, 여기에서는 38 kHz 트랜스듀서가 사용된다.
초음파를 이용한 오염된 유리 슬라이드들의 클리닝은 버블 머신을 이용한 경우와 이용하지 않은 경우 양측 모두가 비교되었다. 입자 혼합물은 피펫으로 각각의 슬라이드에 적용되었고, 초과량이 분리되었다. 약 300 ㎚ 직경의 입자들을 이용한 오염된 유리 슬라이드들의 클리닝은 도 14 에 도시되며, 여기에서는 상이한 트랜스듀서 기하학 구조들이 사용되었다. 결과는, 가스/액체 분산을 생성하도록 하는 버블 머신의 이용도가, 초음파가 단독으로 이용되었을 때에 비해 클리닝 개수를 증가시켰다는 것이었다. 상이한 트랜스듀서 기하학 구조들에 대한 버블 머신을 이용한 클리닝과 그를 이용하지 않은 클리닝의 비교가 도 15 에 도시된다. 점선은, 어떠한 버블 머신도 사용되지 않았을 때를 나타내고, 실선은 버블 머신이 사용되었을 때를 나타낸다. 여기에서, 버블 머신을 이용한 클리닝 개수의 유리한 증가는 명백하다.
슬라이드들의 형광 이미징이 도 16 에 도시된다. 다크 슬라이드들은 클리닝된 슬라이드들이다. 일부 경우들에 있어서, 버블 머신 및 초음파 처리 양측 모두가 이용되었을 때 어떠한 입자들도 발견되지 않았다.
여기에서 도시된 상기 설명 및 특정 실시형태들은 오로지 본 발명의 최적 양식 및 그의 원리들을 예시하는 것이며, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나는 일 없이 당업자에 의해 변형 및 추가가 용이하게 이루어질 수도 있어, 그에 따라 첨부한 특허청구범위의 범주에 의해서만 제한되는 것으로 이해된다.

Claims (15)

  1. 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스로서,
    - 미리 정해진 배향으로 물품을 포지셔닝하도록 구성된 홀더;
    - 상기 물품에 인접한 유체 매질을 선택된 파장으로 진동시키도록 포지셔닝된 초음파 또는 메가소닉 에너지의 소스; 및
    - 제 1 압력으로 용해 가스를 갖는 액체를 수용하고, 상기 제 1 압력보다 낮은 제 2 압력으로 상기 초음파 또는 메가소닉 에너지의 소스에 인접하게 처리 유체를 배출하여, 상기 액체에 이전에 용해된 가스가 버블들의 형태로 용액으로부터 나오도록 구성된, 처리 유체의 발생기를 포함하는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 유체의 발생기는:
    - 유입 개구가 제공되는 메인 바디 하우징;
    - 상기 메인 바디 하우징에 제공된 복수의 주입 오리피스들 또는 주입 슬릿; 및
    - 상기 유입 개구에 접속된 외부 액체 매질 공급 유닛을 포함하는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유입 개구는 약 1 ㎜ 내지 약 20 ㎜ 의 내경을 갖고, 상기 주입 오리피스들은 약 50 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 의 직경을 갖는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 주입 오리피스들 또는 상기 주입 슬릿은 상기 메인 바디 하우징의 경사진 표면에 포지셔닝되는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 바디 하우징은 상기 주입 오리피스들보다 작은 직경을 갖는 배출 오리피스들을 추가로 가지며,
    상기 배출 오리피스들은 약 50 ㎛ 내지 약 2000 ㎛ 의 직경을 갖는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 물품의 에지를 맞물리게 하는 그리핑 (gripping) 엘리먼트들을 포함하는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 또는 메가소닉 에너지의 소스는, 약 0.2 ㎜ 내지 약 3 ㎜ 의 폭 W 를 갖는 갭이 형성되도록, 상기 물품에 의해 점유될 공간에 인접하게 포지셔닝되는 공진기를 포함하는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 유체는 약 99 vol.-% 를 초과하는 액체 및 약 0.001 vol.-% 를 초과하는 가스를 포함하는 분산물 (dispersion) 이고,
    상기 가스는 상기 버블들 중 90 % 가 버블 직경 d 의 범위에 있는 버블 사이즈 분포를 갖는 버블 사이즈로 상기 유체에서 분산되며,
    d
    Figure pct00006
    1.2 * ds 및 d
    Figure pct00007
    0.8 * ds 이고,
    ds 는 약 0.5 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 의 범위에서 선택된 수인, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스는 반도체 웨이퍼들을 처리하기 위한 단일 웨이퍼 습식 프로세싱 스테이션인, 유체로 물품의 표면을 처리하는 디바이스.
  10. 유체로 물품의 표면을 처리하는 방법으로서,
    - 가스 분산물로서 처리 유체를 형성하도록, 가스 버블들이 용액으로부터 나올 때까지 가스가 용해되는 액체의 압력을 감소시킴으로써 상기 처리 유체를 생성하는 단계;
    - 상기 물품에 상기 처리 유체를 공급하는 단계; 및
    - 미리 정해진 파장으로 상기 물품에 인접한 상기 처리 유체에 초음파 또는 메가소닉 에너지를 공급하는 단계를 포함하는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리 유체는 약 99 vol.-% 를 초과하는 액체 및 약 0.001 vol.-% 를 초과하는 가스를 포함하는 분산물이고,
    상기 가스는 상기 가스 버블들의 90% 가 버블 직경 d 의 범위에 있는 버블 사이즈 분포를 갖는 버블 사이즈로 상기 처리 유체에서 분산되며,
    d
    Figure pct00008
    1.2 * ds 및 d
    Figure pct00009
    0.8 * ds 이고,
    ds 는 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 의 범위에서 선택된 수인, 유체로 물품의 표면을 처리하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 물품은 반도체 웨이퍼이고,
    상기 처리는 클리닝인, 유체로 물품의 표면을 처리하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    - 유입 개구가 제공된 메인 바디 하우징;
    - 상기 메인 바디 하우징에 제공된 복수의 주입 오리피스들 또는 주입 슬릿; 및
    - 상기 유입 개구에 접속된 외부 액체 매질 공급 유닛
    을 포함하는 디바이스에 의해 상기 처리 유체가 생성되는, 유체로 물품의 표면을 처리하는 방법.
  14. 물품들의 초음파 또는 메가소닉 처리를 위한 처리 유체로서,
    - 약 99 vol.-% 를 초과하는 액체 및 약 0.001 vol.-% 를 초과하는 가스를 포함하는 분산물을 포함하고,
    상기 가스는 버블들의 90% 가 버블 직경 d 의 범위에 있는 버블 사이즈 분포를 갖는 버블 사이즈로 처리 유체에서 분산되며,
    d
    Figure pct00010
    1.2 * ds 및 d
    Figure pct00011
    0.8 * ds 이고,
    ds 는 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 의 범위에서 선택된 수인, 물품들의 초음파 또는 메가소닉 처리를 위한 처리 유체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스는 상기 액체의 압력 감소에 의해 발생하는, 물품들의 초음파 또는 메가소닉 처리를 위한 처리 유체.
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