KR20180082745A - 노즐 유닛 및 이를 구비한 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 노즐 유닛 및 이를 구비한 기판 처리 장치에 관한 것으로, 노즐 유닛은, 혼합 챔버가 형성된 노즐 바디와, 혼합 챔버에 제1방향으로 기체를 공급하는 기체공급유로와, 혼합 챔버에 제1방향에 교차하는 제2방향으로 액체를 공급하는 복수개의 액체공급통로를 구비하는 액체공급유로와, 혼합 챔버에 연통되며 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체를 상기 노즐 바디의 외부로 배출하는 배출유로를 포함하는 것에 의하여, 기체와 액체의 혼합 균일도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

노즐 유닛 및 이를 구비한 기판 처리 장치{NOZZLE UNIT AND SUBSTRATE PROCESING APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 노즐 유닛 및 이를 구비한 기판 처리 장치에 관한 것으로, 기체와 액체의 혼합 균일도를 향상시킬 수 있으며, 분사 특성을 향상시킬 수 있는 노즐 유닛 및 이를 구비한 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.
도 1은 종래의 기판 세정을 위한 기판 처리 장치(1)를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 노즐에 의해 기판의 표면에 혼합 유체가 도포되는 경로를 도시한 평면도이다.
도 1에 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 도 3에 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 혼합 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 것에 의하여 기판(W)의 세정 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
그러나, 종래의 기판 처리 장치(1)에 사용되는 노즐(20)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 고압 기체(91)와 순수(22)가 혼합되지만, 혼합 영역(Mx)에서 충분히 혼합되지 않아 기판(W)에 도달하는 혼합 유체(93)의 균질성(혼합 균일도)이 낮은 문제가 있었다.
특히, 종래에는 혼합 영역(Mx)에서 고압 기체(91)와 순수(22)가 균일하게 혼합되기 어려워, 기판에 도달하는 혼합 유체(93)가 독립적으로 분리된 층(기체층, 순수층)을 이루는 형태로 분사됨에 따라 세정 및 헹굼 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 이종 유체(예를 들어, 기체 및 액체)의 혼합 균일도를 향상시키기 위한 다양한 검토가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이종 유체의 혼합 균일도를 향상시킬 수 있으며, 분사 특성을 향상시킬 수 있는 노즐 유닛 및 이를 구비한 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 기체와 액체를 소용돌이 형태로 균일하게 혼합하여 분사할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기체와 혼합되는 액체가 노즐 유닛의 내부 벽면을 따라 흘러내리는 것을 최소화하고, 기체 상에 분포될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 혼합 유체가 균일한 분사 입자 크기로 분사될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 기판의 세정 및 헹굼 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 노즐 유닛은, 혼합 챔버가 형성된 노즐 바디와, 혼합 챔버에 제1방향으로 기체를 공급하는 기체공급유로와, 혼합 챔버에 제1방향에 교차하는 제2방향으로 액체를 공급하는 복수개의 액체공급통로를 구비하는 액체공급유로와, 혼합 챔버에 연통되며 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체를 노즐 바디의 외부로 배출하는 배출유로를 포함한다.
이는, 서로 다른 이종 유체(기체와 액체)를 균일하게 혼합한 상태로 분사하기 위함이다.
특히, 본 발명은 혼합 챔버에 기체가 공급되는 제1방향에 교차하는 제2방향으로 복수의 위치에서 혼합 챔버에 액체를 공급하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에서의 기체와 액체 간의 혼합 균일도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 기존에는 혼합 챔버에 국부적으로 액체가 공급(기체 유동의 둘레의 특정 일 영역에만 공급)됨에 따라 혼합 챔버 내에서 기체와 액체가 충분하게 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 복수개의 액체공급통로를 통해 혼합 챔버 내에서 수직한 방향으로 공급되는 기체 유동의 둘레에 방사상으로 균일하게 액체가 공급되도록 하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에서 기체와 액체가 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 현상을 최소화할 수 있으며, 혼합 챔버 내에서 기체와 유체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 복수개의 액체공급통로는 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 이격되게 배치된다.
또한, 복수개의 액체공급통로와 연통되는 액체공급챔버를 포함하고, 액체는 액체공급챔버를 거쳐 복수개의 액체공급통로로 공급된다. 이때, 노즐 바디의 벽면에는 액체공급유로와 연통되는 액체공급홀이 형성되며, 액체공급홀으로 공급된 액체는 먼저 액체공급챔버에 채워진 후, 복수개의 액체공급통로를 통해 혼합 챔버의 내부로 공급된다.
이와 같이, 액체가 액체공급챔버를 거친 후 복수개의 액체공급통로를 통해 혼합 챔버의 내부로 공급되도록 하는 것에 의하여, 복수개의 액체공급통로로부터 공급되는 액체의 공급 압력 및 공급량을 균일하게 유지하여, 혼합 챔버의 내부에서 기체와 액체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 노즐 바디의 내부에는 인서트 수용부가 형성되고, 인서트 수용부에는 노즐 인서트가 수용되되, 노즐 인서트에는 혼합 챔버와, 기체공급유로와, 액체공급유로가 형성된다.
이와 같이, 노즐 바디의 내부에 수용되는 노즐 인서트를 매개로 혼합 챔버와, 기체공급유로와, 액체공급유로가 형성되도록 하는 것에 의하여, 노즐 유닛 가공의 용이함을 제공할 수 있으며, 노즐에 가해지는 압력을 분산시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는, 노즐 바디 자체에 혼합 챔버, 기체공급유로, 액체공급유로를 직접 형성하는 것도 가능하다.
일 예로, 노즐 인서트는, 기체공급유로가 형성된 제1인서트부재와, 내부에는 혼합 챔버가 형성되고 벽면에는 액체공급유로가 형성되며 제1인서트부재의 하부에 배치되는 제2인서트부재를 포함한다.
바람직하게, 제1인서트부재의 하부에는 혼합 챔버의 내부에 배치되는 연장 인서트부가 돌출 형성되며, 기체는 연장인서트부를 통해 혼합 챔버의 내부에 공급된다.
더욱 바람직하게, 연장인서트부의 하단부 외면에는 경사안내면이 형성되고, 액체공급유로를 따라 공급된 액체는 경사안내면을 따라 혼합 챔버로 안내된다.
이와 같이, 혼합 챔버의 내부에 돌출되게 배치된 연장인서트부를 통해 혼합 챔버의 대략 중간 높이에서 기체를 공급하고, 액체공급유로를 따라 공급된 액체가 경사안내면을 따라 혼합 챔버의 내부에 하향 경사진 방향으로 안내되도록 하는 것에 의하여, 혼합 유체의 역류 현상 및 유속 저하를 방지하면서, 혼합 챔버 내에서 기체와 액체 간의 혼합 균일도를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
배출유로는 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체를 배출 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다.
바람직하게, 배출유로는, 혼합 챔버에 연통되는 제1배출통로와, 제1배출통로에 연통되며 제1배출통로보다 확장된 단면적으로 갖도록 형성되는 제2배출통로를 포함한다.
이와 같이, 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체(기체+액체)가 제1배출통로를 통과한 후, 제1배출통로보다 확장된 단면적(예를 들어, 직경)을 갖는 제2배출통로를 통해 배출되도록 하는 것에 의하여, 노즐 유닛으로부터 분사되는 혼합 유체의 분사 입자 크기(drop size)를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 제1배출통로는 혼합 챔버보다 축소된 단면적을 갖도록 형성되고, 제2배출통로는 혼합 챔버보다 축소된 단면적으로 갖도록 형성된다.
따라서, 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체는 혼합 챔버보다 축소된 단면적으로 갖는 제1배출통로를 거친 후, 제1배출통로보다 확장된 제2배출통로를 통해 노즐 유닛의 외부로 분사된다.
이와 같이, 혼합 유체가 배출되는 배출 유로의 단면적을 줄였다가 넓어지는 형태(제1배출통로 → 제2배출통로)로 형성하는 것에 의하여, 분사되는 혼합 유체의 입자 균일도(Relative Span Factor)를 높일 수 있고, 입자 크기(drop size)를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 혼합 유체가 서로 다른 단면적을 갖는 통로(혼합 챔버 → 제1배출통로 → 제2배출통로)를 통과하는 동안, 부피 및 압력 변화가 발생하면서 기체에 분포된 액체가 분산될 수 있으므로, 분사되는 혼합 유체의 입자 균일도를 높일 수 있고, 입자 크기를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 혼합 챔버 내에서 액체와 기체의 혼합을 강제적으로 유도하는 혼합 유도부를 포함한다.
여기서, 혼합 유도부가 혼합 챔버 내에서 액체와 기체의 혼합을 강제적으로 유도한다 함은, 혼합 유도부가 혼합 챔버 내에서 액체와 기체 중 적어도 어느 하나에 의한 와류를 강제적으로 형성하는 것으로 정의된다.
이와 같이, 혼합 유도부가 혼합 챔버 내에서 강제적인 와류를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버에 공급된 액체가 혼합 챔버의 벽면을 타고 흘러내리지 않고, 기체 중에 분포(혼합)될 수 있게 함으로써, 기체와 액체의 혼합 균일도를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
혼합 유도부는 혼합 챔버 내에서 강제적으로 와류를 형성할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 혼합 유도부는, 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 돌출부와, 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 함몰부 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 바람직하게, 돌출부와 함몰부는 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 연속적으로 파형(waveform)을 이루도록 혼합 챔버의 내주면에 반복적으로 형성된다.
이와 같이, 혼합 챔버의 내벽면에 돌출부와 함몰부를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에 공급된 기체와 액체가 돌출부와 함몰부를 통해 불규칙하게 튕겨져 나오면서 강제적으로 와류를 형성할 수 있으므로, 혼합 챔버 내에서 기체와 액체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 혼합 챔버의 내벽면이 매끈한 경우에는, 복수개의 액체공급통로를 통해 액체를 공급하더라도 기체와 액체가 완전하게 혼합되기 어려워 기체에 충분하게 혼합되지 못한 액체가 혼합 챔버 및 배출유로의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 혼합 챔버의 내벽면에 돌출부와 함몰부를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에서 강제적으로 와류를 유도할 수 있으므로, 액체의 흘러내림(액체가 혼합 챔버 및 배출유로의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상) 없이 기체 상에 액체를 충분하게 혼합하여 배출(분사)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 기체공급유로는 단 하나의 기체공급통로로 구성될 수 있으나, 경우에 따라서는 기체공급유로가 이격되게 배치되는 복수개의 기체공급통로를 포함하는 것도 가능하다.
이때, 복수개의 기체공급통로는 정배열(예를 들어, 사각형 정배열) 또는 비정배열(비규칙적인 배열)을 이루도록 배치될 수 있으며, 기체공급통로의 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 복수개의 기체공급통로를 정배열로 배치하는 것이, 비정배열로 배치하는 것보다, 혼합 챔버의 내부로 공급되는 기체의 공급 조건을 전체적으로 균일하게 유지하는데 유리한 효과가 있다.
본 발명의 다른 분야에 따르면, 기판 처리 장치는, 피거치물이 거치되는 거치대와; 혼합 챔버가 형성된 노즐 바디와, 혼합 챔버에 제1방향으로 기체를 공급하는 기체공급유로와, 혼합 챔버에 제1방향에 교차하는 제2방향으로 액체를 공급하는 복수개의 액체공급통로를 구비하는 액체공급유로와, 혼합 챔버에 연통되며 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체를 노즐 바디의 외부로 배출하는 배출유로를 구비하며, 피거치물의 표면을 향해 혼합 유체를 분사하는 노즐 유닛을; 포함한다.
이와 같이, 혼합 챔버에 기체가 공급되는 제1방향에 교차하는 제2방향으로 복수의 위치에서 혼합 챔버에 액체를 공급하는 것에 의하여, 혼합 챔버에서 기체와 액체를 충분하게 혼합한 상태로 기판에 분사할 수 있으므로, 기판의 세정 및 헹굼 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 혼합 챔버 내에서 액체와 기체의 혼합을 강제적으로 유도(혼합을 위한 와류를 강제적으로 형성)하는 혼합 유도부를 포함한다. 즉, 혼합 유도부는 혼합 챔버 내에서 액체와 기체 중 적어도 어느 하나에 의한 와류를 강제적으로 형성한다.
이와 같이, 혼합 유도부가 혼합 챔버 내에서 강제적인 와류를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버에 공급된 액체가 혼합 챔버의 벽면을 타고 흘러내리지 않고, 기체 중에 분포(혼합)될 수 있게 함으로써, 기체와 액체의 혼합 균일도를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
혼합 유도부는 혼합 챔버 내에서 강제적으로 와류를 형성할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 혼합 유도부는, 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 돌출부와, 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 함몰부 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 바람직하게, 돌출부와 함몰부는 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 연속적으로 파형(waveform)을 이루도록 혼합 챔버의 내주면에 반복적으로 형성된다.
이와 같이, 혼합 챔버의 내벽면에 돌출부와 함몰부를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에 공급된 기체와 액체가 돌출부와 함몰부를 통해 불규칙하게 튕겨져 나오면서 강제적으로 와류를 형성할 수 있으므로, 혼합 챔버 내에서 기체와 액체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 혼합 챔버의 내벽면이 매끈한 경우에는, 복수개의 액체공급통로를 통해 액체를 공급하더라도 기체와 액체가 완전하게 혼합되기 어려워 기체에 충분하게 혼합되지 못한 액체가 혼합 챔버 및 배출유로의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 혼합 챔버의 내벽면에 돌출부와 함몰부를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에서 강제적으로 와류를 유도할 수 있으므로, 액체의 흘러내림(액체가 혼합 챔버 및 배출유로의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상) 없이 기체 상에 액체를 충분하게 혼합하여 배출(분사)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
복수개의 액체공급통로는 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 이격되게 배치된다.
또한, 복수개의 액체공급통로와 연통되는 액체공급챔버를 포함하고, 액체는 액체공급챔버를 거쳐 복수개의 액체공급통로로 공급된다. 이때, 노즐 바디의 벽면에는 액체공급유로와 연통되는 액체공급홀이 형성되며, 액체공급홀으로 공급된 액체는 먼저 액체공급챔버에 채워진 후, 복수개의 액체공급통로를 통해 혼합 챔버의 내부로 공급된다.
바람직하게, 노즐 바디의 내부에는 인서트 수용부가 형성되고, 인서트 수용부에는 노즐 인서트가 수용되되, 노즐 인서트에는 혼합 챔버와, 기체공급유로와, 액체공급유로가 형성된다. 일 예로, 노즐 인서트는, 기체공급유로가 형성된 제1인서트부재와, 내부에는 혼합 챔버가 형성되고 벽면에는 액체공급유로가 형성되며 제1인서트부재의 하부에 배치되는 제2인서트부재를 포함한다.
바람직하게, 제1인서트부재의 하부에는 혼합 챔버의 내부에 배치되는 연장 인서트부가 돌출 형성되며, 기체는 연장인서트부를 통해 혼합 챔버의 내부에 공급된다. 더욱 바람직하게, 연장인서트부의 하단부 외면에는 경사안내면이 형성되고, 액체공급유로를 따라 공급된 액체는 경사안내면을 따라 혼합 챔버로 안내된다.
배출유로는 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체를 배출 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다. 바람직하게, 배출유로는, 혼합 챔버에 연통되는 제1배출통로와, 제1배출통로에 연통되며 제1배출통로보다 확장된 단면적으로 갖도록 형성되는 제2배출통로를 포함한다. 더욱 바람직하게, 제1배출통로는 혼합 챔버보다 축소된 단면적을 갖도록 형성되고, 제2배출통로는 혼합 챔버보다 축소된 단면적으로 갖도록 형성된다. 경우에 따라서는 배출유로가 입구부터 출구까지 동일한 단면적 크기를 갖도록 형성되는 것도 가능하다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '거치대'는, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판을 거치하거나, 세정 공정 중에 기판을 거치하는 거치 수단을 모두 포함하는 것으로 정의된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기체와 액체의 혼합 균일도를 향상시킬 수 있으며, 분사 특성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 혼합 챔버에 기체가 공급되는 제1방향에 교차하는 제2방향으로 복수의 위치에서 혼합 챔버에 액체를 공급하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에서의 기체와 액체 간의 혼합 균일도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 기존에는 혼합 챔버에 국부적으로 액체가 공급(기체 유동의 둘레의 특정 일 영역에만 공급)됨에 따라 혼합 챔버 내에서 기체와 액체가 충분하게 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에서는 복수개의 액체공급통로를 통해 혼합 챔버 내에서 수직한 방향으로 공급되는 기체 유동의 둘레에 방사상으로 균일하게 액체가 공급되도록 하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에서 기체와 액체가 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 현상(예를 들어, 기체의 주변에 액체가 도넛 형태로 쏠림)을 최소화할 수 있으며, 혼합 챔버 내에서 기체와 유체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 액체가 액체공급챔버를 거친 후 복수개의 액체공급통로를 통해 혼합 챔버의 내부로 공급되도록 하는 것에 의하여, 복수개의 액체공급통로로부터 공급되는 액체의 공급 압력 및 공급량을 균일하게 유지하여, 혼합 챔버의 내부에서 기체와 액체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 노즐 바디의 내부에 수용되는 노즐 인서트를 매개로 혼합 챔버와, 기체공급유로와, 액체공급유로가 형성되도록 하는 것에 의하여, 노즐 유닛 가공의 용이함을 제공할 수 있으며, 노즐에 가해지는 압력을 분산시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 혼합 유체가 배출되는 배출 유로의 단면적을 줄였다가 넓어지는 형태(제1배출통로 → 제2배출통로)로 형성하는 것에 의하여, 분사되는 혼합 유체의 입자 균일도(Relative Span Factor)를 높일 수 있고, 입자 크기(drop size)를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 혼합 유체가 서로 다른 단면적을 갖는 통로(혼합 챔버 → 제1배출통로 → 제2배출통로)를 통과하는 동안, 부피 및 압력 변화가 발생하면서 기체에 분포된 액체가 분산될 수 있으므로, 분사되는 혼합 유체의 입자 균일도를 높일 수 있고, 입자 크기를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 혼합 유도부(돌출부와 함몰부)가 혼합 챔버 내에서 강제적인 와류를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에 공급된 기체와 액체가 돌출부와 함몰부를 통해 불규칙하게 튕겨져 나오면서 강제적으로 와류를 형성할 수 있으므로, 혼합 챔버 내에서 기체와 액체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 혼합 챔버의 내벽면이 매끈한 경우에는, 복수개의 액체공급통로를 통해 액체를 공급하더라도 기체와 액체가 완전하게 혼합되기 어려워 기체에 충분하게 혼합되지 못한 액체가 혼합 챔버 및 배출유로의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 혼합 챔버의 내벽면에 돌출부와 함몰부를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버 내에서 강제적으로 와류를 유도할 수 있으므로, 액체의 흘러내림(액체가 혼합 챔버 및 배출유로의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상) 없이 기체 상에 액체를 충분하게 혼합하여 배출(분사)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 기판 세정 및 헹굼 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 기판의 불량률을 최소화할 수 있고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 기판 처리 장치의 구성을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 노즐에 의해 기판의 표면에 혼합 유체가 도포되는 경로를 도시한 평면도,
도 3은 도 1의 절단선 A-A에 따른 확대 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 도시한 도면,
도 5는 도 4의 노즐 유닛을 설명하기 위한 종단면도,
도 6은 도 5의 'A'의 확대도,
도 7은 도 5의 절단선 Ⅰ-Ⅰ에 따른 확대 단면도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 유닛을 설명하기 위한 종단면도,
도 9는 도 8의 'B'의 확대도,
도 10은 도 8의 절단선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 확대 단면도,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐 유닛을 설명하기 위한 종단면도,
도 12는 도 11의 'C'의 확대도,
도 13은 도 1의 절단선 Ⅲ-Ⅲ에 따른 확대 단면도,
도 14는 본 발명에 따른 노즐 유닛으로서, 제1인서트부재의 변형예를 설명하기 위한 도면,
도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 노즐 유닛의 다른 사용예를 설명하기 위한 도면,
도 17은 기존 노즐 유닛에 의한 분사 입자 균일도를 설명하기 위한 그래프,
도 18은 본 발명에 따른 노즐 유닛에 의한 분사 입자 균일도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 19는 기존 노즐 유닛에 의한 이종 유체간 간섭 현상을 나타낸 도면,
도 20은 본 발명에 따른 노즐 유닛에 의한 이종 유체의 혼합 상태를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 노즐 유닛을 설명하기 위한 종단면도이다. 또한, 도 6은 도 5의 'A'의 확대도이고, 도 7은 도 5의 절단선 Ⅰ-Ⅰ에 따른 확대 단면도이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 기판 처리 장치는, 기판(10)이 거치되는 거치대(100)와, 기판(10)의 표면을 향해 혼합 유체를 분사하는 노즐 유닛(300)을 포함한다.
거치대(100)는 화학 기계적 연마장치에서 기판(10)을 거치하기 위해 마련된다.
참고로, 본 발명에서 거치대(100)라 함은, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판(10)을 거치하거나, 세정 공정 중에 기판(10)을 거치하는 거치 수단을 모두 포함하는 것으로 정의된다.
일 예로, 거치대(100)는 화학 기계적 연마 공정이 완료된 기판(10)을 세정하는 세정 파트에 구비된다.
거치대(100)는 회전축(221)을 중심으로 회전 가능하게 구비되며, 기판(10)거치부(220)의 상면에는 기판(10)의 저면이 거치되는 거치핀(120)이 형성될 수 있다. 기판(10)거치부(220)를 형성하는 스핀 지그 플레이트(미도시)의 상면에는 소정 간격을 두고 이격되게 복수개의 거치핀(120)이 형성될 수 있으며, 기판(10)의 저면은 거치핀(120)의 상단에 거치될 수 있다. 거치핀(120)의 갯수 및 배치구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 거치대(100)는 기판(10)의 가장자리가 거치되는 가장자리 거치부(110)를 포함할 수 있다. 일 예로, 가장자리 거치부(110)는 스핀 지그 플레이트에 연결되어 기판(10)의 가장자리를 지지할 수 있다. 바람직하게, 고속 회전중에 기판(10)이 요동하는 것을 방지할 수 있도록 가장자리 거치부(110)에는 기판(10)의 외주 끝단을 수용 지지하기 위한 요입부(미도시)가 형성될 수 있다.
경우에 따라서는 거치대가 거치핀이나 가장자리 거치부를 배제한 단순한 플레이트 형태로 형성되는 것도 가능하며, 거치대(100)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
노즐 유닛(300)은 거치대(100)에 거치된 기판(10)을 세정 또는 헹굼하기 위한 유체를 기판(10)의 표면에 분사하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 노즐 유닛(300)은, 혼합 챔버(312)가 형성된 노즐 바디(310)와, 혼합 챔버(312)에 제1방향으로 기체를 공급하는 기체공급유로(320)와, 혼합 챔버(312)에 제1방향에 교차하는 제2방향으로 액체를 공급하는 복수개의 액체공급통로(331)를 구비하는 액체공급유로(330)와, 혼합 챔버(312)에 연통되며 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체를 노즐 바디(310)의 외부로 배출하는 배출유로(340)를 포함한다.
노즐 바디(310)는 소정 길이를 갖도록 형성되며, 노즐 바디(310)의 상단 내부에는 서로 다른 유체(기체 및 액체)가 혼합되기 위한 혼합 챔버(312)가 형성된다.
기체공급유로(320)는 혼합 챔버(312)에 제1방향(노즐 바디(310)의 길이 방향)으로 기체(예를 들어, 질소)를 공급하도록 혼합 챔버(312)와 연통되게 형성된다. 구체적으로, 기체공급유로(320)는 혼합 챔버(312)의 상부에 수직한 방향을 따라 형성되며, 혼합 챔버(312)의 내부에는 상부에서 하부 방향으로 기체가 공급된다.
액체공급유로(330)는 혼합 챔버(312)에 제1방향에 교차하는 제2방향으로 액체(예를 들어, DIW)를 공급하도록 마련되되, 제1방향에 교차하는 제2방향으로 혼합 챔버(312)에 액체를 공급하는 복수개의 액체공급통로(331)를 포함한다. 구체적으로, 복수개의 액체공급통로(331)는 혼합 챔버(312)의 측부에 수평한 방향을 따라 형성되며, 혼합 챔버(312)의 내부에는 측부에서 중심 방향으로 유체가 공급된다. 경우에 따라서는 복수개의 액체공급통로가 경사지게 형성되어 혼합 챔버의 내부에 경사지게 유체를 공급하는 것도 가능하다.
바람직하게, 복수개의 액체공급통로(331)는 혼합 챔버(312)의 원주 방향을 따라 등간격으로 이격되게 배치된다. 이하에서는 혼합 챔버(312)에 6개의 액체공급통로(331)가 혼합 챔버(312)의 원주 방향을 따라 등간격으로 이격되게 배치된 예를 들어 설명하기로 한다. 경우에 따라서는 액체공급유로가 5개 이하의 액체공급통로로 구성되거나, 7개 이상의 액체공급통로를 포함하는 것도 가능하다.
배출유로(340)는 혼합 챔버(312)에 연통되며 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체를 노즐 바디(310)의 외부로 배출하도록 형성된다.
구체적으로, 배출유로(340)는 혼합 챔버(312)의 하부에 노즐 바디(310)의 길이 방향(제1방향)을 따라 형성되며, 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체(기체+액체)는 배출유로(340)를 따라 노즐 바디(310)의 외부로 배출된다.
이와 같이, 본 발명은 혼합 챔버(312)에 제1방향으로 기체를 공급하고, 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 복수의 지점(복수개의 액체공급통로)에서 액체를 공급하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체를 소용돌이 형태로 혼합할 수 있으므로, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 혼합 챔버(312) 내에서 수직한 방향으로 공급되는 기체 유동의 둘레에 방사상으로 균일하게 액체가 공급되도록 하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체가 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 현상(도 19 참조)을 최소화할 수 있으며, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 복수개의 액체공급통로(331)는 액체공급챔버(332)에 연통되며, 액체는 액체공급챔버(332)를 거쳐 복수개의 액체공급통로(331)로 공급된다.
즉, 액체공급챔버(332)는 링 형태를 갖도록 혼합 챔버(312)의 둘레에 배치되며, 복수개의 액체공급통로(331)는 액체공급챔버(332)로부터 분기된다.
이때, 노즐 바디(310)의 벽면에는 액체공급유로(330)와 연통되는 액체공급홀(314)이 형성되며, 액체공급홀(314)으로 공급된 액체는 먼저 액체공급챔버(332)에 채워진 후, 복수개의 액체공급통로(331)를 통해 혼합 챔버(312)의 내부로 공급된다.
이와 같이, 액체가 액체공급챔버(332)를 거친 후 복수개의 액체공급통로(331)를 통해 혼합 챔버(312)의 내부로 공급되도록 하는 것에 의하여, 복수개의 액체공급통로(331)로부터 공급되는 액체의 공급 압력 및 공급량을 균일하게 유지하여, 혼합 챔버(312)의 내부에서 기체와 액체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 노즐 바디(310)의 내부에는 인서트 수용부(310a)가 형성되고, 인서트 수용부(310a)에는 노즐 인서트(350)가 수용되되, 노즐 인서트(350)에는 혼합 챔버(312)와, 기체공급유로(320)와, 액체공급유로(330)가 형성된다.
이와 같이, 노즐 바디(310)의 내부에 수용되는 노즐 인서트(350)를 매개로 혼합 챔버(312)와, 기체공급유로(320)와, 액체공급유로(330)가 형성되도록 하는 것에 의하여, 노즐 유닛(300) 가공의 용이함을 제공할 수 있으며, 노즐에 가해지는 압력을 분산시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는, 노즐 바디 자체에 혼합 챔버, 기체공급유로, 액체공급유로를 직접 형성하는 것도 가능하다.
일 예로, 노즐 인서트(350)는, 기체공급유로(320)가 형성된 제1인서트부재(352)와, 내부에는 혼합 챔버(312)가 형성되고 벽면에는 액체공급유로(330)가 형성되며 제1인서트부재(352)의 하부에 배치되는 제2인서트부재(354)를 포함한다. 경우에 따라서는 노즐 인서트가 하나의 부재로 형성되는 것도 가능하다.
제1인서트부재(352)는 원기둥 블럭 형태로 형성되며, 인서트 수용부(310a)의 상부에 수용된다. 제1인서트부재(352)에 형성되는 기체공급유로(320)는 하나 또는 복수개의 기체공급통로(321)를 포함할 수 있으며, 기체공급유로(320)를 구성하는 기체공급통로(321)의 개수 및 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제2인서트부재(354)의 중공의 원기둥 블럭 형태로 형성되며, 제1인서트부재(352)의 하부에 배치되도록 인서트 수용부(310a)의 하부에 수용된다. 제2인서트부재(354)의 내부 공간은 혼합 챔버(312)를 형성하고, 제2인서트부재(354)의 측벽면에는 복수개의 액체공급통로(331)가 관통 형성된다.
그리고, 액체공급챔버(332)는 제2인서트부재(354)의 외벽면에 개방된 링형 홈 형태로 함몰 형성되며, 제2인서트부재(354)가 인서트 수용부(310a)의 내부에 수용됨에 따라, 액체공급챔버(332)의 개구부는 인서트 수용부(310a)의 내벽면에 의해 막혀진다.
바람직하게, 제1인서트부재(352)의 하부에는 혼합 챔버(312)의 내부에 배치되는 연장 인서트부가 돌출 형성되며, 기체는 연장인서트부(352a)를 통해 혼합 챔버(312)의 내부에 공급된다. 일 예로, 연장 인서트부의 출구단은 혼합 챔버(312)의 대략 중간 높이에서 배치될 수 있다.
이때, 제2인서트부재(354)의 측벽면에 형성되는 액체공급통로(331)는 연장 인서트부의 출구단보다 높은 높이에서 혼합 챔버(312)의 내부에 액체를 공급하도록 구성된다.
더욱 바람직하게, 연장인서트부(352a)의 하단부 외면에는 경사안내면(352b)이 형성되고, 액체공급유로(330)를 따라 공급된 액체는 경사안내면(352b)을 따라 혼합 챔버(312)로 안내된다.
이와 같이, 혼합 챔버(312)의 내부에 돌출되게 배치된 연장인서트부(352a)를 통해 혼합 챔버(312)의 대략 중간 높이에서 기체를 공급하고, 액체공급유로(330)를 따라 공급된 액체가 경사안내면(352b)을 따라 혼합 챔버(312)의 내부에 하향 경사진 방향으로 안내되도록 하는 것에 의하여, 혼합 유체의 역류 현상 및 유속 저하를 방지하면서, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체 간의 혼합 균일도를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
배출유로(340)는 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체를 노즐 바디(310)의 외부로 배출하기 위해 형성되며, 혼합 챔버(312)의 하단에 연통되게 노즐 바디(310)의 길이 방향을 따라 형성된다.
바람직하게, 배출유로(340)는, 혼합 챔버(312)에 연통되는 제1배출통로(342)와, 제1배출통로(342)에 연통되며 제1배출통로(342)보다 확장된 단면적으로 갖도록 형성되는 제2배출통로(344)를 포함한다.
이와 같이, 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체(기체+액체)가 제1배출통로(342)를 통과한 후, 제1배출통로(342)보다 확장된 단면적(예를 들어, 직경)을 갖는 제2배출통로(344)를 통해 배출되도록 하는 것에 의하여, 노즐 유닛(300)으로부터 분사되는 혼합 유체의 분사 입자 크기(drop size)를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 제1배출통로(342)는 혼합 챔버(312)보다 축소된 단면적을 갖도록 형성되고, 제2배출통로(344)는 혼합 챔버(312)보다 축소된 단면적으로 갖도록 형성된다.
따라서, 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체는 혼합 챔버(312)보다 축소된 단면적으로 갖는 제1배출통로(342)를 거친 후, 제1배출통로(342)보다 확장된 제2배출통로(344)를 통해 노즐 유닛(300)의 외부로 분사된다.
이와 같이, 혼합 유체가 배출되는 배출 유로의 단면적을 줄였다가 넓어지는 형태(제1배출통로 → 제2배출통로)로 형성하는 것에 의하여, 분사되는 혼합 유체의 입자 균일도(Relative Span Factor)를 높일 수 있고, 입자 크기(drop size)를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 혼합 유체가 서로 다른 단면적을 갖는 통로(혼합 챔버 → 제1배출통로 → 제2배출통로)를 통과하는 동안, 부피 및 압력 변화가 발생하면서 기체에 분포된 액체가 분산될 수 있으므로, 분사되는 혼합 유체의 입자 균일도를 높일 수 있고, 입자 크기를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 노즐 유닛(300)은 혼합 챔버(312) 내에서 액체와 기체의 혼합을 강제적으로 유도하는 혼합 유도부(360)를 포함한다.
여기서, 혼합 유도부(360)가 혼합 챔버(312) 내에서 액체와 기체의 혼합을 강제적으로 유도한다 함은, 혼합 유도부(360)가 혼합 챔버(312) 내에서 액체와 기체 중 적어도 어느 하나에 의한 와류를 강제적으로 형성하는 것으로 정의된다.
이와 같이, 혼합 유도부(360)가 혼합 챔버(312) 내에서 강제적인 와류를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312)에 공급된 액체가 혼합 챔버(312)의 벽면을 타고 흘러내리지 않고, 기체 중에 분포(혼합)될 수 있게 함으로써, 기체와 액체의 혼합 균일도를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
혼합 유도부(360)는 혼합 챔버(312) 내에서 강제적으로 와류를 형성할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 혼합 유도부(360)는, 혼합 챔버(312)의 내벽면에 형성되는 돌출부(362)와, 혼합 챔버(312)의 내벽면에 형성되는 함몰부(364) 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 바람직하게, 돌출부(362)와 함몰부(364)는 혼합 챔버(312)의 원주 방향을 따라 연속적으로 파형(waveform)을 이루도록 혼합 챔버(312)의 내주면에 반복적으로 형성된다.
보다 구체적으로, 돌출부(362)와 함몰부(364)는 제2인서트부재(354)의 원주 방향을 따라 제2인서트부재(354)의 내부에 형성된 혼합 챔버(312)의 내벽면에 교호적으로 해바라기 형태를 이루도록 형성된다. 바람직하게, 복수개의 돌출부(362)는 서로 동일한 형태 및 크기로 형성되고, 복수개의 함몰부(364)는 서로 동일한 형태 및 크기로 형성된다. 경우에 따라서는 복수개의 돌출부를 서로 다른 형태 및 크기로 형성하고, 복수개의 함몰부를 서로 다른 형태 및 크기로 형성하는 것도 가능하다.
이때, 혼합 챔버(312)에 액체를 공급하는 액체공급통로(331)는 돌출부(362)를 관통하도록 형성된다. 경우에 따라서는 액체공급통로가 돌출부가 아닌 함몰부를 관통하도록 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 혼합 챔버(312)의 내벽면에 돌출부(362)와 함몰부(364)를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에 공급된 기체와 액체가 돌출부(362)와 함몰부(364)를 통해 불규칙하게 튕겨져 나오면서 강제적으로 와류를 형성할 수 있으므로, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 혼합 챔버(312)의 내벽면이 매끈한 경우에는, 복수개의 액체공급통로(331)를 통해 액체를 공급하더라도 기체와 액체가 완전하게 혼합되기 어려워 기체에 충분하게 혼합되지 못한 액체가 혼합 챔버(312) 및 배출유로(340)의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 혼합 챔버(312)의 내벽면에 돌출부(362)와 함몰부(364)를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 강제적으로 와류를 유도할 수 있으므로, 액체의 흘러내림(액체가 혼합 챔버(312) 및 배출유로(340)의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상) 없이 기체 상에 액체를 충분하게 혼합하여 배출(분사)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 유닛(300)을 설명하기 위한 종단면도이고, 도 9는 도 8의 'B'의 확대도이며, 도 10은 도 8의 절단선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 확대 단면도이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 노즐 인서트(350)가 분리된 제1인서트부재(352) 및 제2인서트부재(354)로 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 노즐 인서트를 통합된 하나의 부재로 형성하는 것도 가능하다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 노즐 바디(310)의 내부에는 인서트 수용부(310a)가 형성되고, 인서트 수용부(310a)에는 단일 부재로 이루어진 노즐 인서트(350)가 수용되되, 노즐 인서트(350)에는 혼합 챔버(312)와, 기체공급유로(320)와, 액체공급유로(330)가 형성된다.
구체적으로, 원기둥 블럭 형태의 단일 부재로 이루어진 노즐 인서트(350)의 내부에는 혼합 챔버(312)가 형성되고, 노즐 인서트(350)의 상단에는 혼합 챔버(312)와 연통되게 기체공급유로(320)가 형성되며, 노즐 인서트(350)의 측벽면에는 혼합 챔버(312)와 연통되게 복수개의 액체공급통로(331)가 관통 형성된다.
그리고, 노즐 인서트(350)의 외벽면에는 복수개의 액체공급통로(331)와 연통된 링형 홈 형태의 액체공급챔버(332)가 함몰 형성되고, 노즐 인서트(350)가 인서트 수용부(310a)의 내부에 수용됨에 따라, 액체공급챔버(332)의 개구부는 인서트 수용부(310a)의 내벽면에 의해 막혀진다.
또한, 혼합 챔버(312)의 하단에는 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체를 노즐 바디(310)의 외부로 배출하는 배출유로(340)가 형성된다. 일 예로, 배출유로(340)는 입구부터 출구까지 동일한 단면적 크기를 갖도록 형성된다. 경우에 따라서는 배출유로가 단면적이 변화하는 복수개의 배출통로(도 5의 제1배출통로 및 제2배출통로 참조)를 포함하여 구성되는 것도 가능하다.
이와 같이, 혼합 챔버(312)에 제1방향으로 기체를 공급하고, 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 복수의 지점(복수개의 액체공급통로)에서 액체를 공급하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체를 소용돌이 형태로 혼합할 수 있으므로, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 혼합 챔버(312) 내에서 수직한 방향으로 공급되는 기체 유동의 둘레에 방사상으로 균일하게 액체가 공급되도록 하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체가 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 현상을 최소화할 수 있으며, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐 유닛(300)을 설명하기 위한 종단면도이고, 도 12는 도 11의 'C'의 확대도이며, 도 13은 도 1의 절단선 Ⅲ-Ⅲ에 따른 확대 단면도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 노즐 유닛(300)은 노즐 바디(310)와, 노즐 인서트(350)를 포함하되, 노즐 인서트(350)는 기체공급유로(320)가 형성된 제1인서트부재(352)와, 내부에는 혼합 챔버(312)가 형성되고 벽면에는 액체공급유로(330)가 형성되며 제1인서트부재(352)의 하부에 배치되는 제2인서트부재(354)를 포함한다.
제1인서트부재(352)는 원기둥 블럭 형태로 형성되며, 인서트 수용부(310a)의 상부에 수용된다. 제1인서트부재(352)에 형성되는 기체공급유로(320)는 하나 또는 복수개의 기체공급통로(321)를 포함할 수 있으며, 기체공급유로(320)를 구성하는 기체공급통로(321)의 개수 및 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제2인서트부재(354)의 중공의 원기둥 블럭 형태로 형성되며, 제1인서트부재(352)의 하부에 배치되도록 인서트 수용부(310a)의 하부에 수용된다. 제2인서트부재(354)의 내부 공간은 혼합 챔버(312)를 형성하고, 제2인서트부재(354)의 측벽면에는 복수개의 액체공급통로(331)가 관통 형성된다.
그리고, 액체공급챔버(332)는 제2인서트부재(354)의 외벽면에 개방된 링형 홈 형태로 함몰 형성되며, 제2인서트부재(354)가 인서트 수용부(310a)의 내부에 수용됨에 따라, 액체공급챔버(332)의 개구부는 인서트 수용부(310a)의 내벽면에 의해 막혀진다.
또한, 혼합 챔버(312)의 하단에는 혼합 챔버(312)에서 혼합된 혼합 유체를 노즐 바디(310)의 외부로 배출하는 배출유로(340)가 형성된다. 일 예로, 배출유로(340)는 입구부터 출구까지 동일한 단면적 크기를 갖도록 형성된다. 경우에 따라서는 배출유로가 단면적이 변화하는 복수개의 배출통로(도 5의 제1배출통로 및 제2배출통로 참조)를 포함하여 구성되는 것도 가능하다.
이와 같이, 혼합 챔버(312)에 제1방향으로 기체를 공급하고, 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 복수의 지점(복수개의 액체공급통로)에서 액체를 공급하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체를 소용돌이 형태로 혼합할 수 있으므로, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 혼합 챔버(312) 내에서 수직한 방향으로 공급되는 기체 유동의 둘레에 방사상으로 균일하게 액체가 공급되도록 하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체가 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 현상을 최소화할 수 있으며, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 노즐 유닛(300)은 혼합 챔버(312) 내에서 액체와 기체의 혼합을 강제적으로 유도하는 혼합 유도부(360)를 포함한다. 일 예로, 혼합 유도부(360)는, 혼합 챔버(312)의 내벽면에 형성되는 돌출부(362)와, 혼합 챔버(312)의 내벽면에 형성되는 함몰부(364) 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 바람직하게, 돌출부(362)와 함몰부(364)는 혼합 챔버(312)의 원주 방향을 따라 연속적으로 파형(waveform)을 이루도록 혼합 챔버(312)의 내주면에 반복적으로 형성된다.
보다 구체적으로, 돌출부(362)와 함몰부(364)는 제2인서트부재(354)의 원주 방향을 따라 제2인서트부재(354)의 내부에 형성된 혼합 챔버(312)의 내벽면에 교호적으로 해바라기 형태를 이루도록 형성된다. 이때, 혼합 챔버(312)에 액체를 공급하는 액체공급통로(331)는 돌출부(362)를 관통하도록 형성된다. 경우에 따라서는 액체공급통로가 돌출부가 아닌 함몰부를 관통하도록 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 혼합 챔버(312)의 내벽면에 돌출부(362)와 함몰부(364)를 형성하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에 공급된 기체와 액체가 돌출부(362)와 함몰부(364)를 통해 불규칙하게 튕겨져 나오면서 강제적으로 와류를 형성할 수 있으므로, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체의 혼합 균일도를 높일 수 있으며, 액체의 흘러내림(액체가 혼합 챔버(312) 및 배출유로(340)의 내벽면을 타고 흘러내리는 현상) 없이 기체 상에 액체를 충분하게 혼합하여 배출(분사)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 도 14는 본 발명에 따른 노즐 유닛(300)으로서, 제1인서트부재(352)의 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 14를 참조하면, 제1인서트부재(352)에 형성되는 기체안내유로는 복수개의 기체공급통로(321)를 포함할 수 있다.
일 예로, 도 14의 (a)를 참조하면, 제1인서트부재(352)에는 4개의 기체공급통로(321)가 정배열(예를 들어, 사각형 정배열)을 이루도록 형성될 수 있다. 이때, 제1인서트부재(352)에 형성되는 기체공급통로(321)의 갯수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
이와 같이, 제1인서트부재(352)에 복수개의 기체공급통로(321)를 형성하고, 복수개의 기체공급통로(321)를 통해 각각 기체가 공급되도록 하는 것에 의하여, 기체 공급량을 증가시킬 수 있다.
바람직하게, 제1인서트부재(352)에 형성되는 복수개의 기체공급통로(321)는 노즐 바디(310)의 길이 방향(제1방향)에 각각 경사지게(대칭적으로 경사지게) 형성될 수 있다. 이와 같이, 기체공급통로(321)를 경사지게 형성하고, 각 기체공급통로(321)를 통해 혼합 챔버(312)의 내부에 공급된 기체가 서로 부딪힐 수 있도록 하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312)의 내부에서 강제적인 와류를 발생시켜 기체와 액체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
경우에 따라서는 제1인서트부재에 형성되는 복수개의 기체공급통로를 노즐 바디의 길이 방향을 따라 수직하게 형성하는 것도 가능하다. 다르게는, 복수개의 기체공급통로 중 일부만 경사지게 형성하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 14의 (b) 및 (c)와 같이, 제1인서트부재(352)에 형성되는 복수개의 기체공급통로(321)는 비정배열 형태(비규칙적인 배열 형태)로 배치되는 것이 가능하다.
다만, 복수개의 기체공급통로(321)를 정배열로 배치하는 것이, 비정배열로 배치하는 것보다, 혼합 챔버(312)의 내부로 공급되는 기체의 공급 조건을 전체적으로 균일하게 유지하는데 유리한 효과가 있다. 가령, 복수개의 기체공급통로(321)를 정배열로 배치하면, 혼합 챔버(312)의 중심을 기준으로 평면 투영시 혼합 챔버(312)의 1사분면 영역과, 2사분면 영역과, 3사분면 영역과, 4사분면 영역에 각각 균일하게 기체가 공급될 수 있으므로, 각 영역에서의 기체와 액체의 혼합 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 노즐 유닛(300)의 다른 사용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 유닛(도 5 내지 도 14의 300 참조)은, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 연마파트의 거치대(100)(예를 들어, 연마정반)에 거치된 기판(10)을 세정하기 위해 사용될 수 있다. 다르게는 노즐 유닛(300)이 거치대(100)에 배치된 다른 피거치물(예를 들어, 연마 패드)를 세정하는 용도로도 사용될 수 있으며, 피거치물의 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 유닛(도 5 내지 도 14의 300 참조)은, 화학 기계적 연마 공정이 완료된 기판(10)을 세정하는 세정 파트의 거치대(100)에 거치된 기판(10) 또는 브러쉬(200)를 세정하는 용도로 사용되는 것도 가능하다.
도 17은 기존 노즐 유닛(300)에 의한 분사 입자 균일도를 설명하기 위한 그래프이고, 도 18은 본 발명에 따른 노즐 유닛(300)에 의한 분사 입자 균일도를 설명하기 위한 그래프이다. 또한, 도 19는 기존 노즐 유닛(300)에 의한 이종 유체간 간섭 현상을 나타낸 도면, 도 20은 본 발명에 따른 노즐 유닛(300)에 의한 이종 유체의 혼합 상태를 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 기존에는 혼합 유체가 일정한 단면적으로 형성된 단일 배출 통로를 통해 배출(압력 및 부피 변화없이 배출)됨에 따라, 분사 입자의 입자 균일도가 저하되는 문제점이 있다. 특히, 기존에는 혼합 유체의 전체 분사 입자 중 대부분이 50㎛보다 큰 입자 크기를 가짐을 확인할 수 있고, 대략 200~1000㎛ 정도의 큰 입자 크기를 갖는 분사 입자까지도 발생(도 17의 토출단 꼬리 현상 부위)됨을 확인할 수 있다.
반면, 도 18을 참조하면, 본 발명에서는 혼합 유체가 서로 다른 단면적을 갖는 통로(혼합 챔버 → 제1배출통로 → 제2배출통로)를 통과하여 배출되도록 하는 것에 의하여, 혼합 유체가 배출되는 동안 부피 및 압력 변화가 발생하면서 기체에 분포된 액체가 분산될 수 있으므로, 혼합 유체의 분사 입자 균일도(Relative Span Factor)를 높일 수 있고, 입자 크기(drop size)를 균일하게 유도하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 특히, 기존과 달리 혼합 유체의 분사 입자가 대부분 50㎛보다 작은 입자 크기를 가짐을 확인할 수 있고, 기존과 달리 대략 200~1000㎛ 정도의 큰 입자 크기를 갖는 분사 입자가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
또한, 도 19를 참조하면, 기존에는 혼합 챔버(312)에 국부적으로 액체가 공급(기체 유동의 둘레의 특정 일 영역에만 공급)됨에 따라 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체가 충분하게 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 문제점이 있다. 특히, 혼합 유체 중 액체가 도넛 형태로 분사되거나, 기체와 다른 영역의 층을 이루면서 분사되는 문제점이 있다.
반면, 도 20을 참조하면, 본 발명에서는 복수개의 액체공급통로(331)를 통해 혼합 챔버(312) 내에서 수직한 방향으로 공급되는 기체 유동의 둘레에 방사상으로 균일하게 액체가 공급되도록 하는 것에 의하여, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 액체가 혼합되지 않은 상태로 특정 영역으로 쏠려지는 현상을 최소화할 수 있으며, 혼합 챔버(312) 내에서 기체와 유체를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 거치대 300 : 노즐 유닛
310 : 노즐 바디 310a : 인서트 수용부
312 : 혼합챔버 320 : 기체공급유로
321 : 기체공급통로 330 : 액체공급유로
331 : 액체공급통로 332 : 액체공급챔버
340 : 배출유로 342 : 제1배출통로
344 : 제2배출통로 350 : 노즐 인서트
352 : 제1인서트부재 352a : 연장인서트부
352b : 경사안내면 354 : 제2인서트부재
360 : 혼합 유도부 362 : 돌출부
364 : 함몰부

Claims (30)

  1. 노즐 유닛으로서,
    혼합 챔버가 형성된 노즐 바디와;
    상기 혼합 챔버에 제1방향으로 기체를 공급하는 기체공급유로와;
    상기 혼합 챔버에 상기 제1방향에 교차하는 제2방향으로 액체를 공급하는 복수개의 액체공급통로를 구비하는 액체공급유로와;
    상기 혼합 챔버에 연통되며, 상기 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체를 상기 노즐 바디의 외부로 배출하는 배출유로를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 액체공급통로는 상기 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 액체공급통로와 연통되는 액체공급챔버를 더 포함하고,
    상기 액체는 상기 액체공급챔버를 거쳐 상기 복수개의 액체공급통로로 공급되는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 바디의 내부에는 인서트 수용부가 형성되고, 상기 인서트 수용부에는 노즐 인서트가 수용되며,
    상기 노즐 인서트에는 상기 혼합 챔버와, 상기 기체공급유로와, 상기 액체공급유로가 형성된 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 노즐 인서트는,
    상기 기체공급유로가 형성된 제1인서트부재와;
    내부에는 상기 혼합 챔버가 형성되고, 벽면에는 상기 액체공급유로가 형성되며, 상기 제1인서트부재의 하부에 배치되는 제2인서트부재를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1인서트부재의 하부에 돌출되며, 상기 혼합 챔버의 내부에 배치되는 연장인서트부를 포함하고,
    상기 기체는 상기 연장인서트부를 통해 상기 혼합 챔버의 내부에 공급되는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연장인서트부의 하단부 외면에는 경사안내면이 형성되고,
    상기 액체공급유로를 따라 공급된 상기 액체는 상기 경사안내면을 따라 상기 혼합 챔버로 안내되는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 노즐 바디의 벽면에는 상기 액체공급유로와 연통되는 액체공급홀이 형성된 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출유로는,
    상기 혼합 챔버에 연통되는 제1배출통로와;
    상기 제1배출통로에 연통되며, 상기 제1배출통로보다 확장된 단면적으로 갖도록 형성되는 제2배출통로를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1배출통로는 상기 혼합 챔버보다 축소된 단면적을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2배출통로는 상기 혼합 챔버보다 축소된 단면적으로 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 챔버 내에서 상기 액체와 상기 기체의 혼합을 강제적으로 유도하는 혼합 유도부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 혼합 유도부는 상기 혼합 챔버 내에서 상기 액체와 상기 기체 중 적어도 어느 하나에 의한 와류를 강제적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 혼합 유도부는,
    상기 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 돌출부와;
    상기 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 함몰부;
    중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 함몰부는 상기 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 연속적으로 파형(waveform)을 이루도록 반복적으로 형성된 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체공급유로는 이격되게 배치되는 복수개의 기체공급통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수개의 기체공급통로는 정배열을 이루도록 배치된 것을 특징으로 하는 노즐 유닛.
  18. 기판 처리 장치로서,
    기판이 거치되는 거치대와;
    혼합 챔버가 형성된 노즐 바디와, 상기 혼합 챔버에 제1방향으로 기체를 공급하는 기체공급유로와, 상기 혼합 챔버에 상기 제1방향에 교차하는 제2방향으로 액체를 공급하는 복수개의 액체공급통로를 구비하는 액체공급유로와, 상기 혼합 챔버에 연통되며 상기 혼합 챔버에서 혼합된 혼합 유체를 상기 노즐 바디의 외부로 배출하는 배출유로를 구비하며, 상기 기판의 표면을 향해 혼합 유체를 분사하는 노즐 유닛을;
    포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수개의 액체공급통로는 상기 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 등간격으로 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 복수개의 액체공급통로와 연통되는 액체공급챔버를 더 포함하고,
    상기 액체는 상기 액체공급챔버를 거쳐 상기 복수개의 액체공급통로로 공급되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 노즐 바디의 내부에는 인서트 수용부가 형성되고, 상기 인서트 수용부에는 노즐 인서트가 수용되며,
    상기 노즐 인서트에는 상기 혼합 챔버와, 상기 기체공급유로와, 상기 액체공급유로가 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 노즐 인서트는,
    상기 기체공급유로가 형성된 제1인서트부재와;
    내부에는 상기 혼합 챔버가 형성되고, 벽면에는 상기 액체공급유로가 형성되며, 상기 제1인서트부재의 하부에 배치되는 제2인서트부재를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1인서트부재의 하부에 돌출되며, 상기 혼합 챔버의 내부에 배치되는 연장인서트부를 포함하고,
    상기 기체는 상기 연장인서트부를 통해 상기 혼합 챔버의 내부에 공급되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 연장인서트부의 하단부 외면에는 경사안내면이 형성되고,
    상기 액체공급유로를 따라 공급된 상기 액체는 상기 경사안내면을 따라 상기 혼합 챔버로 안내되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 노즐 바디의 벽면에는 상기 액체공급유로와 연통되는 액체공급홀이 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  26. 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출유로는,
    상기 혼합 챔버에 연통되는 제1배출통로와;
    상기 제1배출통로에 연통되며, 상기 제1배출통로보다 확장된 단면적으로 갖도록 형성되는 제2배출통로를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1배출통로는 상기 혼합 챔버보다 축소된 단면적을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  28. 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 챔버 내에서 상기 액체와 상기 기체의 혼합을 강제적으로 유도하는 혼합 유도부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 혼합 유도부는,
    상기 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 돌출부와;
    상기 혼합 챔버의 내벽면에 형성되는 함몰부;
    중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 함몰부는 상기 혼합 챔버의 원주 방향을 따라 연속적으로 파형(waveform)을 이루도록 반복적으로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
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