KR20160138769A - 고속 유체 분사 노즐 및 이를 이용한 기판 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 처리 장치 및 이에 사용되는 고속 유체 분사 노즐에 관한 것으로, 기체의 유동 방향을 따라 단면이 점진적으로 감소하여 기체의 유속을 증대시키는 단면 감소 영역이 구비되고, 상기 단면 감소 영역으로부터 토출구까지 제3영역이 형성된 기체 공급 통로와; 상기 토출구에 근접한 제1위치에서 액체를 상기 기체 공급 통로에 합류시키는 액체 공급 통로를; 포함하여 구성되어, 가장자리 중 일부 이상에서는 액체가 고속으로 토출되고, 동시에 중심부에서는 기체가 고속으로 토출되어, 가장자리에서 토출되는 액체는 종래의 액체 분사 노즐에 비하여 보다 고속으로 처리 대상물을 높은 에너지로 타격하여 이물질의 분리 효율을 높일 수 있고, 동시에 중심부에서 토출되는 기체는 고속을 유지하여 액체의 타격에 의하여 분리된 이물질을 처리 대상물의 표면으로부터 멀어지게 이동시켜, 처리 대상물의 처리 효율을 향상시키는 기판 처리 장치 및 이에 사용되는 고속 유체 분사 노즐을 제공한다.

Description

고속 유체 분사 노즐 및 이를 이용한 기판 처리 장치 {HIGH SPEED FLUID SPRAY NOZZLE AND SUBSTRATE TREATMENT APPARATUS USING SAME}

본 발명은 기체와 액체를 함께 분사하는 고속 유체 분사 노즐 및 이를 이용한 기판 처리 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스를 제조하는 공정 중에는 CMP 공정 등과 같이 이물질이 표면에 잔류하게 하는 공정을 포함한다. 이에 따라, 웨이퍼의 표면에 부착된 입자, 유기 오염물, 금속 불순물 등을 제거하고 세정하는 장치가 사용된다. 또한, 디스플레이 장치를 제조하는 공정에 있어서도 얇은 유리 기판의 표면에 묻은 이물질을 제거한 깨끗한 유리 기판에 액상표시소자를 입히는 것이 필요하다.

이렇듯, 반도체 디바이스를 제조하는 데 사용되는 웨이퍼나 디스플레이 장치를 제조하는 데 사용되는 유리 기판 등의 기판(이하, '웨이퍼', '유리 기판' 등을 '기판'이라고 함)의 처리 공정에는 기판의 세정 공정이 반드시 수반된다.

기판의 세정 공정은 다양한 형태로 이루어지지만, 그 중 한 가지는 유체 노즐을 이용하여 세정액과 고압 기체를 혼합하여 웨이퍼 표면에 분사하는 방식이 알려져 있다. 도1은 종래의 기판 세정을 위한 기판 처리 장치(1)를 도시한 것이다.

도1에 도시된 기판 처리 장치(1)는 기판(W)을 케이싱(55) 내부의 기판 거치대(10)에 거치시키고, 기판 거치대(10)의 회전축(12)을 구동 모터로 회전 구동(10r)시키면서, 기판(W)의 표면에 노즐(20)로부터 세정액이나 헹굼액을 분사하도록 작동한다.

여기서, 노즐(20)은 고압으로 세정액을 분사하도록 구성될 수도 있지만, 세정 효율을 높이기 위하여 도3에 도시된 바와 같이 고압 기체(AIR, 91)가 공급되는 기체 통로(21p)가 마련된 제1부재(21)와, 순수(Deionized water, DI, 92)가 공급(92)되는 순수 통로(22p)가 마련된 제2부재(22)로 이루어져, 기체 통로(21p)를 통해 공급되는 고압 기체(91)와 순수 통로(22p)를 통해 공급되는 순수(92)가 혼합 영역(Mx)에서 혼합되어, 혼합 통로(23p)를 통해 혼합 유체(93)가 토출되는 고속 유체 분사 노즐로 구성될 수 있다.

그리고, 노즐(20)이 기판(W)에 대하여 반경 방향 성분으로 왕복 이동(20d)하면서 기판(W)에 정해진 경로(10s)에 혼합 유체(93)를 분사하여, 기판(W)의 전체 표면에 혼합 유체(93)가 도달하도록 한다.

이와 같이 고압의 기체(91)와 순수(92)를 혼합한 혼합 유체(93)를 기판(W)의 표면에 분사하는 것은 순수(92)만을 고압으로 분사하는 것에 비하여 유체의 분사 속도를 높일 수 있으므로 기판(W)의 세정 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

그러나, 순수(92)와 기체(91)가 균질하게 혼합되기 위해서는 분사되는 혼합 유체(93)의 단위 체적당 액체의 함유량이 높아지기 어려운 한계가 있다. 이에 따라, 단위 체적당 액체의 함유량이 낮아지면, 혼합 유체(93)가 세정 대상물을 타격할 때에 관성력이 낮아 세정 대상물에 고착된 이물질을 고착 표면으로부터 분리시키는 효율이 낮아지는 문제가 있어서, 세정 시간이 오래 소요되는 문제가 있었다.또한, 액체와 기체가 혼합되는 과정에서 발생되는 난류에 의하여 순수 통로(22p)를 통해 유입되는 순수(92)의 유입 저항이 발생되어, 액체의 유량을 높이는 데 한계가 있는 문제도 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고압 기체와 액체를 함께 분사하여 기판의 표면을 세정하거나 헹굼하는 경우에, 기체에 의한 유속 증대 효과과 유체에 의한 타격력 증대 효과를 동시에 구현할 수 있는 고속 유체 분사 노즐 및 이를 이용한 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 액체와 기체를 함께 분사하되, 분사되는 액체의 유속을 기체에 의하여 가속시키되 기체에 혼합되는 비율을 낮게 유지하여, 액체의 타격에 의하여 처리 대상물 상의 이물질에 높은 타격 에너지를 가할 수 있으면서, 처리 대상물로부터 분리된 이물질을 높은 유속의 기체에 의하여 이동시킬 수 있게 하여 처리 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 기체의 유동 방향을 따라 단면이 점진적으로 감소하여 기체의 유속을 증대시키는 단면 감소 영역이 구비되고, 상기 단면 감소 영역으로부터 토출구까지 제3영역이 형성된 기체 공급 통로와; 상기 토출구에 근접한 제1위치에서 액체를 상기 기체 공급 통로에 합류시키는 액체 공급 통로를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐을 제공한다.

이와 같이, 기체 공급 통로의 단면 감소 영역에서 기체의 유속이 증가된 상태에서, 토출구에 이르는 제3영역을 고속으로 기체가 통과하는 하류의 제1위치에서 액체 공급 통로로부터 액체가 합류함에 따라, 합류된 액체는 기체에 의해 유동 속도가 가속되어 보다 빠른 속도로 토출되면서, 동시에 합류된 액체는 기체와 혼합되는 비율을 낮아져 단위 체적당 액체의 함유량을 높일 수 있다.

이와 동시에, 단면 감소 영역에서 유속이 빨라진 기체 유동은 액체가 합류되는 제1위치의 가장자리에서는 합류된 액체를 밀어 액체를 가속시키면서, 동시에 중심부에서는 여전히 고속의 기체 상태로 토출된다.

이에 따라, 본 발명에 따른 고속 유체 분사 노즐은 가장자리 중 일부 이상에서는 액체가 고속으로 토출되고, 동시에 중심부에서는 기체가 고속으로 토출되어, 가장자리에서 토출되는 액체는 종래의 액체 분사 노즐에 비하여 보다 고속으로 처리 대상물을 높은 에너지로 타격하여 이물질의 분리 효율을 높일 수 있고, 중심부에서 토출되는 기체는 고속을 유지하여 액체의 타격에 의하여 분리된 이물질을 처리 대상물의 표면으로부터 멀어지게 이동시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 단면 감소 영역의 하류측에는 단면이 일정하게 유지되는 단면 일정 영역이 상기 단면 감소 영역과 연속하여 형성되어, 단면 감소 영역에서 가속된 기체의 유동 분포를 진행 방향에 수직한 단면에 대하여 파라볼릭(parabolic)형태로 유도하여 안정된 유동 형태로 유지할 수 있다.

그리고, 상기 제3영역은 상기 토출구에 이르기까지 상기 토출구를 향하여 단면이 점진적으로 확대되는 제3영역이 포함되고, 액체 공급 통로와 연통되는 제1위치가 제3영역에 연통된다. 이를 통해, 가속된 기체의 유동의 중앙부는 액체 공급 통로를 통해 유입되는 액체에 영향을 받지 않고 고속으로 기체 상태로 분사되면서, 액체 공급 통로와 연통되는 제1위치의 가장자리 영역에서 유입되는 액체를 고속의 기체 유동이 밀어주어 액체의 토출속도를 보다 높일 수 있다.

한편, 상기 제1위치는 상기 토출구로부터 3mm 내지 30mm 만큼 이격된 것이 바람직하다. 토출구로부터 상기 제1위치까지의 거리가 3mm보다 더 작으면, 제1위치에서 유입되는 액체를 가속된 기체 유동에 의하여 가속시키는 효과가 작고, 토출구로부터 상기 제1위치까지의 거리가 30mm보다 더 크면, 제1위치에서 유입된 액체가 기체 유동과 혼합되는 비율이 많아지면서 토출구로부터 분사되는 유체 중 액체의 타격력이 낮아지기 때문이다.

한편, 기체 공급 통로에서 가속되는 기체의 유동 경로는 직선으로 형성되어, 기체 공급 통로에서 기체 유동의 가속 효과를 높일 수 있다. 즉, 상기 기체 공급 통로의 중심축은 직선으로 형성된다.

그리고, 상기 액체 공급 통로의 중심축은 상기 기체 공급 통로의 중심축에 대하여 예각으로 배치된다. 이에 의하여, 예각인 같은 진행 방향 성분으로 배치되어, 제1위치에서 유입되는 액체가 원활하게 기체 공급 통로로 유입되면서, 액체의 유동에 따른 관성이 낮아지지 않아 토출구에서 토출되는 액체 유동 속도를 높일 수 있다.

이 때, 상기 액체 공급 통로는 상기 기체 공급 통로에 비하여 더 작은 단면으로 형성된다. 이는, 액체 공급 통로를 통해 공급되어 기체 유동과 만나는 액체의 유량이 기체에 비하여 더 많으면, 가속된 기체 유동에 의하여 액체의 유동 속도를 높이는 데 제한적이기 때문이다.

상기 토출구는 원형, 타원형, 사각형과 같이 폭과 길이가 1:2이하의 비율로 형성될 수 있지만, 폭과 길이의 비가 1:5 이상의 슬릿(slit) 형태로 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 기체는 공기일 수도 있지만, 질소 가스와 불활성 가스 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이를 통해, 토출구를 통해 토출되는 유체가 처리 대상물과 화학적으로 반응하는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 상기 액체는 순수와 세정액 중 어느 하나 이상을 포함하여, 세정 공정이나 헹굼과 같은 처리 공정에 상기 노즐이 사용될 수 있다.

상기 액체 공급 통로는 하나로 형성될 수도 있지만 2개 이상 형성될 수 있다. 무엇보다도, 상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2개의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 서로 분리된 2개의 슬릿 형태로 고속 유체가 분사되게 구성될 수 있다.

이를 통해, 노즐로부터 분사되는 유체는 서로 다른 2개의 영역에서 고속 액체로 분사되고, 이들의 사이에 기체가 고속으로 분사되어, 액체에 의한 높은 타격력에 의하여 처리 대상물의 표면에 잔류하는 이물질을 표면으로부터 떼어내고, 후속하는 기체에 의한 높은 속도로 표면으로부터 떼어낸 이물질을 불어내어 표면으로부터 멀리 이동시켜 이물질의 재부착을 방지할 수 있게 되어, 보다 짧은 시간에 처리 공정을 마칠 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

여기서 제1위치는 액체 공급 통로가 기체 공급 통로와 연통하는 위치를 지칭하며 어느 하나의 위치로 제한되지 않는 것으로 정의한다.

이와 유사하게, 상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2쌍의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 중앙부에는 기체가 분사되고 가장자리 전부에는 액체가 고속 분사되어, 처리 대상물에 인가하는 액체에 의한 타격력을 보다 높이면서, 타격에 의해 표면으로부터 떼어내진 이물질을 기체로 불어 처리 대상물의 바깥으로 신속하게 이동시켜 재부착을 방지함으로써, 세정 효율을 보다 높일 수 있다.

한편, 본 발명은, 기판을 거치시키는 거치대와; 상기 기판의 표면을 향하여 액체와 기체를 혼합하여 토출하는 상기와 같이 구성된 고속 유체 분사 노즐을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치를 제공한다.

여기서, 상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2개의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 서로 분리된 2개의 슬릿 형태로 고속 유체가 분사되게 구성될 수 있다.

이 때, 상기 기판은 처리 공정 중에 자전하고, 상기 고속 유체 노즐은 정해진 각도만큼 왕복 회전 운동을 하며, 상기 고속 유체 분사 노즐로부터 분사되는 슬릿 형태의 2개의 유체 분사면은 상기 기판의 회전 원주 방향에 대하여 경사지게 배치되어, 기판의 판면에 액체 분사 영역이 빠짐없이 전체 표면에 걸쳐 액체가 타격할 수 있게 구성될 수 있다. 이를 통해, 기판의 전체 표면에 높은 타격력의 액체가 분사됨으로써, 기판의 처리 효율을 보다 높일 수 있다.

또는, 상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2쌍의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 중앙부에는 기체가 분사되고 가장자리는 고속 유체가 분사될 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 기체 공급 통로의 단면 감소 영역에서 기체의 유속이 증가된 상태에서, 토출구에 이르는 제3영역을 고속으로 기체가 통과하는 하류의 제1위치에서 액체 공급 통로로부터 액체가 합류한 후 토출구를 통해 토출하도록 구성됨에 따라, 합류된 액체는 기체에 의해 유동 속도가 가속되어 보다 빠른 속도로 액체 상태로 토출되어 높은 타격력으로 처리 대상물에 도달하며, 동시에 기체는 액체가 거의 혼합되지 않아 고속으로 처리 대상물에 도달함으로써, 토출되는 고속 액체에 의하여 처리 대상물의 이물질을 높은 타격력으로 떼어내고, 토출되는 고속 기체에 의하여 처리 대상물로부터 분리된 이물질을 바깥으로 불어내어 재부착을 방지함으로써, 짧은 시간 내에 세정이나 헹굼 등의 처리 공정을 보다 효율적으로 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1은 종래의 기판 처리 장치의 구성을 도시한 도면,
도2는 도1의 기판 처리 장치의 노즐에 의해 기판의 표면에 혼합 유체가 도포되는 경로를 도시한 도면,
도3은 도1의 'A'부분의 확대 단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 도시한 도면,
도5는 도4의 사시도,
도6은 도4의 'B'부분의 고속 유체 분사 노즐의 종단면도,
도7은 도6의 'C'부분의 토출구 주변의 확대도,
도8a는 도6의 절단선 D-D에 따른 횡단면도,
도8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 유체 분사 노즐의 끝단부의 횡단면도,
도9는 도6의 고속 유체 분사 노즐의 작용 원리를 설명하기 위한 도면,
도10은 도6의 고속 유체 분사 노즐의 이동 방향을 설명하기 위한 평면 개략도,
도11은 대향하는 2개의 액체 분사 영역을 형성하는 고속 유체 분사 노즐로 기판의 표면에 유체를 분사하는 경우에 액체가 도달하는 영역을 도시한 도면,
도12는 대향하는 2개의 액체 분사 영역을 형성하는 고속 유체 분사 노즐의 배치 구조를 도시한 개략도,
도13은 도12의 배치로 고속 유체 분사 노즐에 의해 자전하는 기판의 표면에 유체를 분사하는 경우에 액체가 도달하는 영역을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(9) 및 이에 사용되는 고속 유체 분사 노즐(100)에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하며, 동일하거나 유사한 기능 혹은 구성에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하기로 한다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(9)는, 케이스(55) 내에서 기판을 거치시킨 상태로 회전 구동부에 의하여 회전(10r) 구동되는 기판 거치대(10)와, 기판 거치대(10)에 거치된 기판(W)의 표면에 액체와 기체로 이루어지는 유체(100x)를 분사하는 고속 유체 분사 노즐(100)을 포함하여 구성된다.

도6에 도시된 바와 같이, 고속 유체 분사 노즐(110)은 몸체부(110) 내에 직선 형태의 중심선을 따라 기체(91)가 공급되는 기체 공급 통로(P1)와, 기체 공급 통로(P2)에 대하여 예각을 이루면서 동일한 방향을 향하는 성분을 갖도록 액체(92)를 공급하는 액체 공급 통로(P2)와, 기체(91)와 액체(92)가 혼합된 혼합 유체(93)가 통과하여 배출되는 유체 배출 통로(P3)로 이루어진다.

도면에는 몸체부(110)가 하나의 부재로 형성된 구성을 예시하였지만, 액체 공급 유로(P2)의 가공과 조립의 편의상 여러개의 부재가 결합하여 이루어질 수 있다.

여기서, 기체 공급 통로(P1)는 기체(91)의 유동 방향을 따라 단면이 일정한 단면 일정 영역(S1)과, 기체(91)의 유동 방향을 따라 단면이 점진적으로 감소하는 단면 감소 영역(S2)과, 기체(91)의 유동 방향을 따라 단면이 점진적으로 증가하는 제3영역(S3)으로 이루어진다.

제3영역(S3)의 상류측에는 단면이 일정하게 유지되는 제2단면일정영역(Sx)이 형성되어, 단면 감소 영역(S2)에서 유속이 증가한 기체 유동이 유동 방향에 수직한 평면에 대하여 중심축에 대칭인 파라볼릭(parabilic) 형태로 분포되게 한다.

이에 따라, 기체(91)는 기체 공급부(Pa)로부터 고속 유체 분사 노즐(100)의 단면 일정 영역(S1)을 통과하면서(X1) 유동이 안정화되고, 단면 감소 영역(S2)을 통과하면서(X2) 압력이 점점 낮아져 기체의 유속이 빨라지며, 제3영역(S3)을 통과하면서 기체 유동 면적이 제2단면 감소 영역(Sx)에서 일정하게 유지되다가 서서히 퍼지게 된다.

이 때, 액체 공급 통로(P2)의 출구가 형성되는 제1위치(X1)는 노즐의 토출구(109)로부터 정해진 거리(L)만큼 이격된 위치에 배치된다. 여기서, 정해진 거리(L)는 토출구(109)에 근접한 제3영역(S3)의 하류측에 위치하여, 액체 공급 통로(P2)를 통해 기체 유동(91)에 합류한 액체 유동(92)이 기체(91)와 완전히 혼합되지 않고 단위 체적당 액체의 비율이 70% ~ 99%를 유지한 상태로 토출되도록 한다.

즉, 도7에 도시된 바와 같이, 토출구(109)에 근접한 제1위치(X1)에서는, 기체 공급 통로(P1)를 통해 가속된 기체 유동(91)이 상류측으로부터 토출구(109)를 향하여 유동하고 있고, 기체 공급 통로(P1)에 비하여 작은 단면의 액체 공급 통로(P2)를 통해 액체(92)가 기체 공급 통로(P1)로 유입된다.

이 때, 액체 공급 통로(P2)에서 유입되는 액체(92)는 상류측으로부터 흘러온 기체 유동(91)과 혼합되려고 하기에 앞서, 먼저 고속의 기체 유동(91)에 의하여 운동량이 전달되면서 보다 빠른 유속으로 유동하게 된다. 이와 같은 상태가 지속될 경우에는 기체(91)와 액체(92)가 서로 균질하게 혼합되는 상태에 도달하지만, 기체(91)와 액체(92)가 서로 혼합되기 이전에 토출구(109)를 통해 유체(100x)가 토출된다.

즉, 토출구(109)를 통해 토출되는 유체(100x)는 액체 공급 통로(P2)에 인접한 가장자리 벽면에서는 액체(102) 성분이 실질적으로 그대로 토출된다. 이 때, 제1위치(X1)에서 유입되는 액체(92)는 상류측으로부터 유동하는 고속의 기체 유동(91)과 만나므로, 제1위치(X1)에 유입되는 액체(92)의 유속에 비하여 토출구(109)를 통해 토출되는 액체 성분(102)의 유속이 보다 더 커진다.

따라서, 토출구(109)에서 토출되는 유체(100x)는 도8a에 도시된 바와 같이, 중심부와 가장자리 일부에는 기체(101)가 고속으로 토출되며, 액체 공급 통로(P2)가 연통되는 위치의 가장자리 일부에는 액체(102)가 고속으로 토출된다.

도8a에는 액체 공급 통로(P2)가 서로 대향하는 위치에 2개 형성되어, 토출구(109)에서 토출되는 액체 영역(Aw)이 서로 대향하는 2개로 형성되는 구성이 예시되어 있지만, 액체 공급 통로(P2)는 하나만 형성될 수도 있다. 그리고, 액체 공급 통로(P2)는 서로 대향하는 위치에 한쌍씩 90도 간격을 두고 4개(2쌍)으로 형성되어, 도8b에 도시된 바와 같이, 토출구(109)에서 토출되는 액체 영역(Aw)이 서로 대향하는 2개쌍으로 형성되어, 중심부에서만 기체(101)가 고속으로 토출되고 가장자리를 따르는 영역에는 액체(102)가 기체(101)를 감싸는 형태로 고속 토출되게 구성될 수도 있다.

여기서, 토출구(109)로부터 제1위치(X1)까지의 거리(L)는 3mm 내지 30mm로 정해지는 것이 바람직하다. 이는, 토출구(109)로부터 제1위치(X1)까지의 거리가 3mm보다 더 작으면, 제1위치(X1)에서 유입되는 액체를 상류측으로부터 이동하는 가속된 기체 유동으로 가속시키는 효과가 작고, 토출구(109)로부터 제1위치(X1)까지의 거리가 30mm보다 더 크면, 제1위치(X1)에서 유입된 액체(92)가 기체 유동(91)과 혼합되는 비율이 30% 이상으로 많아지면서 토출구로부터 분사되는 유체(100x) 중 단위 체적당 액체(102)의 함유량이 상대적으로 낮아져 처리 대상물을 타격하는 힘이 낮아지기 때문이다.

이를 통해, 노즐(100)의 토출구(109)를 통해 토출되는 유체(100x)는 토출구(109)의 가장자리에서 토출되는 액체(102)의 관성력에 의한 타격 효과를 높일 수 있으며, 기체(91)가 그대로 고속 토출되는 중심부를 포함하는 영역에서는 기체(101)가 그대로 고속 토출되면서 불어주는 효과를 높일 수 있다.

도6에 도시된 바와 같이, 액체 공급 통로(P2)의 단면은 기체 공급 통로(P1)의 단면에 비하여 작게 형성된다. 이에 따라, 액체 공급 통로(P2)가 1개 형성되는 경우에는, 액체의 공급 유량은 기체 공급 유량에 비하여 차지하는 체적이 더 작게 정해질 수 있다.

그리고, 액체 공급 통로(P2)는 기체 공급 통로(P1)의 연장 방향에 대하여 예각으로 형성되고, 액체 공급 통로(P2)를 통해 액체(92)를 공급하는 방향은 기체 공급 통로(P1)에서 기체(91)가 유동하는 방향과 같은 방향 성분을 일부 공유하는 형태로 정해진다. 이에 따라, 액체 공급 통로(P2)에서의 압력을 제1위치(X1)에 비하여 더 높게 유지하면, 공급되는 액체가 연속적으로 액체 공급 통로(P2)를 통해 원활히 제1위치(X1)까지 유입시킬 수 있다.

상기 제3영역(S3)은 단면이 점진적으로 확대되는 단면 확대 영역(S3에서 Sx를 제외한 부분)이 형성되므로, 단면 감소 영역(S2)에서 유속이 빨라진 기체(91)가 제3영역(S3)을 통과하면서 기체가 팽창하여 온도가 낮아지므로, 토출되는 유체(100x)의 온도를 낮출 수 있는 효과가 얻어진다. 따라서, 기판(W)의 표면을 타격하는 유체(100x)에 의하여 기판(W)이 냉각되므로, 기판(W)을 세정하는 동안에 열영동 효과에 의해 기판(W)으로부터 떨어져나간 미세 입자가 주변을 부유하다가 기판(W)에 재부착되는 것을 억제할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 기체 공급부(Pa)로부터 공급되는 기체(91)는 공기, 질소가스, 아르곤 가스 등의 불활성 가스 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이에 따라 처리 대상물인 기판(W)에 도달한 기체 성분(101)에 의하여 예기치못한 화학 반응이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 액체 공급부(Pw)로부터 공급되는 액체(92)는 순수, 세정액, 헹굼액 중 어느 하나 이상을 포함하여, 세정 공정이나 헹굼 공정 등의 처리 공정에 적용될 수 있다.

한편, 도면에는 제3영역(S3)의 단면 확대 영역은 토출구(109)에 인접한 영역에 형성되는 구성이 예시되어 있지만, 단면 확대 영역은 토출구(109)로부터 이격된 위치로부터 내측(상류측)에만 형성될 수도 있으며, 토출구(109)의 주변은 제3의 단면 일정 영역으로 형성될 수도 있다. 이를 통해, 토출구(109)를 통해 분사되는 유체(100x)의 액체 성분(102)이 바깥으로 퍼지지 않고 정해진 영역을 집중하여 타격하는 형태로 구성될 수도 있다.

그리고, 각 영역(S1, S2, S3)의 직경(D1, D2, D3)은 다양하게 정해질 수 있지만, 단면 일정 영역(S1)의 직경(D1)은 제3영역(S3)의 시작 지점(X3)에 비하여 대략 3배 내지 5배정도 더 크게 형성되고, 단면 감소 영역(S2)의 단면 변화율은 제3영역(S3)의 단면 변화율에 비하여 1.5배 내지 5배로 형성된다. 그리고, 제3영역(S3)의 길이는 단면 감소 영역(S2)의 길이에 비하여 2배 이상으로 형성되는 것이 좋다. 이와 같이, 제3영역(S3)에서의 단면 변화율이 낮게 유지되어, 단면 감소 영역(S2)에서 빨라진 유속의 감소가 거의 이루어지지 않으면서 기체(91)가 토출구(109)까지 도달하게 된다.

예를 들어, 직경이 300mm 정도인 웨이퍼를 세정하는 기판 처리 장치에 사용되는 고속 유체 분사 노즐(100)은 단면 일정 영역에서의 직경(D1)이 3mm 내지 10mm로 형성되고, 토출구에서의 직경(D3)이 1mm 내지 4mm로 형성될 수 있다.

한편, 도4에 도시된 바와 같이, 고속 유체 분사 노즐(100)의 토출구는 원형이나 타원형, 정사각형 등 폭(세로축)과 길이(가로축)의 비가 1:2~1:1의 범위를 갖는 형태로 형성될 수 있지만, 고속 유체 분사 노즐(100)의 토출구는 폭과 길이의 비가 1:5 이상인 긴 슬릿 형태로 형성될 수도 있다. 즉, 도6를 기준으로 지면에 수직한 방향으로 길게 연장된 형태로 고속 유체 분사 노즐(100)이 형성될 수 있다. 이와 같이 토출구가 슬릿 형태로 형성된 경우에는, 기판(W)의 세정이나 헹굼을 위하여 고속 유체 분사 노즐(100)의 왕복 이동(100d) 경로가 더 짧아지거나 왕복 이동하지 않을 수도 있으며, 기판(W)의 전체 표면에 액체 성분(102)이 타격할 수 있는 환경을 마련하는 것이 용이해진다.

이와 같이 구성된 고속 유체 분사 노즐(100)을 기판 처리 장치(9)에 적용하면, 도9에 도시된 바와 같이, 노즐(100)의 토출구(109)로부터 가장자리에 분사되는 액체(102)에 의한 강한 타격력에 의하여, 기판(W)에 고착되어 있는 이물질(88)을 타격하여 기판(W)의 표면으로부터 분리시킨다.

특히, 기판(W)에 유체를 분사할 경우에는, 기판(W)의 표면을 따라 형성되는 경계층으로 인하여, 기체나 기체와 액체가 균등하게 혼합된 유체가 통과하지 못하여 이물질(88)에 큰 힘을 도입할 수 없는 한계가 있지만, 본 발명은 고압의 액체를 기체 유동(91)에 의해 가속된 높은 속도로 토출함에 따라, 토출 유체(100x)의 액체(102) 성분이 경계층을 뚫고 이물질(88)에 큰 타격력을 집중시켜 인가할 수 있게 된다. 이에 따라, 기판(W)의 표면에 잔류하는 이물질(88)은 토출 유체(100x)의 액체 성분에 의해 표면(88)으로부터 쉽게 분리된다.

그리고 나서, 노즐(100)의 중심부와 가장자리의 일부로부터 토출되는 기체 성분(102)에 의하여, 기판(W)의 표면으로부터 분리된 이물질(88)을 기판(W)의 바깥(88d)을 향하여 밀어내어, 이물질(88)이 기판(W)에 재부착되는 것을 방지한다. 따라서, 짧은 시간 내에 높은 처리 효율로 기판(W)을 깨끗하게 세정하거나 헹구는 공정을 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 노즐(100)의 토출구(109)로부터 분사되는 유체(100x)에 2개의 액체 영역(Aw)이 형성된 경우에는, 기판(W)의 회전(10r)과 노즐(100)의 이동(100d)에 의하여, 기판(W)의 동일한 위치에 액체 영역(Aw)이 2번 지나가면서 타격하므로, 보다 높은 타격력으로 기판(W)의 이물질(88)을 표면으로부터 분리시키는 것이 용이해진다.

한편, 노즐(100)로부터 토출되는 토출 유체(100x)의 단면이 상대적으로 작고, 동시에 토출 유체(100x)의 액체 영역(Aw)이 1개 또는 대향하는 2개로 형성되는 경우에는, 액체 영역(Aw)의 폭(wa)이 길이(ha)에 비하여 더 큰 직사각형에 유사한 형태로 되므로, 도10에 도시된 형태로 노즐(100)이 정해진 경로(Vn)를 따라 이동(100d)하고 기판(W)이 회전하면, 토출 유체(100x)의 액체 영역(Aw)이 직접 도달하지 못하는 영역(도11의 빨간 원 사이의 흰색 부분)이 발생될 수 있다.

따라서, 토출구(109)의 단면이 작게 형성되고, 슬릿 형태가 아닌 직사각형, 원형, 타원형, 정사각형 등의 형태로 형성되는 경우에는, 도12에 도시된 바와 같이, 기판(W)의 회전 방향(원주 방향)에 따른 경로(Vs)에 대하여 액체 영역(Aw)의 폭이 이루는 각도(99)를 30도 내지 60도로 경사지게 배치시키는 것이 바람직하다. 이를 통해, 도13에 도시된 바와 같이, 동일한 크기의 토출구(109)에 의하여 동일한 속도로 회전하는 기판(W)의 전체 표면에 토출 유체(100x)의 액체 영역(Aw)이 직접 도달하여 높은 처리 효과를 얻을 수 있다.

다만, 토출구의 형태가 충분히 길이가 긴 슬릿 형태로 형성되거나, 가장자리의 둘레에 모두 액체 영역(Aw)이 형성되는 도8b와 같은 경우에는, 토출 유체(100x)의 액체 영역(Aw)이 기판(W)의 원주 방향에 대하여 경사지지 않게 형성되더라도 무방하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

9: 기판 처리 장치 10: 기판 거치대
100: 고속 유체 분사 노즐 P1: 기체 공급 통로
P2: 액체 공급 통로 P3: 유체 통로
S2: 단면 감소 영역 S3: 제3영역
W: 기판

Claims (16)

1. 기체의 유동 방향을 따라 단면이 점진적으로 감소하여 기체의 유속을 증대시키는 단면 감소 영역이 구비되고, 상기 단면 감소 영역으로부터 토출구까지 제3영역이 형성된 기체 공급 통로와;
   상기 토출구에 근접한 제1위치에서 액체를 상기 기체 공급 통로에 합류시키는 액체 공급 통로를;
   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 단면 감소 영역의 하류측에는 단면이 일정하게 유지되는 단면 일정 영역이 상기 단면 감소 영역과 연속하여 형성된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제3영역은 상기 토출구에 이르기까지 상기 토출구를 향하여 단면이 점진적으로 확대되는 제3영역이 포함된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제1위치는 상기 토출구로부터 3mm 내지 30mm 만큼 이격된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 기체 공급 통로의 중심축은 직선인 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 액체 공급 통로의 중심축은 상기 기체 공급 통로의 중심축에 대하여 예각으로 배치된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 액체 공급 통로는 상기 기체 공급 통로에 비하여 더 작은 단면으로 형성된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 토출구는 슬릿(slit) 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 기체는 질소 가스와 불활성 가스 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 액체는 순수와 세정액 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
    
11. 제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2개의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 서로 분리된 2개의 슬릿 형태로 고속 유체가 분사되는 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
    
12. 제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2쌍의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 중앙부에는 기체가 분사되고 가장자리는 액체가 고속 분사되는 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
    
13. 기판을 거치시키는 거치대와;
    상기 기판의 표면을 향하여 액체와 기체를 혼합하여 토출하는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 고속 유체 분사 노즐을;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2개의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 서로 분리된 2개의 슬릿 형태로 고속 유체가 분사되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
    
15. 제 14항에 있어서,
    상기 기판은 처리 공정 중에 자전하고, 상기 고속 유체 노즐은 정해진 각도만큼 왕복 회전 운동을 하며, 상기 고속 유체 분사 노즐로부터 분사되는 슬릿 형태의 2개의 유체 분사면은 상기 기판의 회전 원주 방향에 대하여 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
    
16. 제 13항에 있어서,
    상기 액체 공급 통로는 서로 대향하는 2쌍의 제1위치에서 상기 기체 공급 통로에 합류되어, 중앙부에는 기체가 분사되고 가장자리는 고속 유체가 분사되는 것을 특징으로 하는 고속 유체 분사 노즐.
    

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