KR20180116802A - 약액과 초임계유체의 혼합장치 - Google Patents

약액과 초임계유체의 혼합장치

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KR20180116802A
KR20180116802A KR1020170049517A KR20170049517A KR20180116802A KR 20180116802 A KR20180116802 A KR 20180116802A KR 1020170049517 A KR1020170049517 A KR 1020170049517A KR 20170049517 A KR20170049517 A KR 20170049517A KR 20180116802 A KR20180116802 A KR 20180116802A
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신인철
강병주
김대민
김동민
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주식회사 케이씨텍
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Abstract

본 발명은 혼합장치의 챔버 내부의 오염을 방지하면서 약액과 초임계유체 간의 혼합이 신속하고 원활하게 이루어져 기판 세정 시간을 단축할 수 있도록 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명의 약액과 초임계유체의 혼합장치는, 기판을 세정하기 위한 약액과 초임계유체를 혼합하기 위한 혼합장치로서, 상기 약액과 초임계유체가 공급되어 혼합이 이루어지는 챔버; 및 상기 챔버의 외부에 구비되어 상기 챔버 내부의 약액과 초임계유체에 진동을 일으켜 혼합이 이루어지도록 하는 진동 발생부;를 포함하여 구성된다.

Description

약액과 초임계유체의 혼합장치{Mixing device for chemical and supercritical fluid}
본 발명은 약액과 초임계유체의 혼합장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혼합장치의 챔버 내부의 오염을 방지하면서 약액과 초임계유체 간의 혼합이 신속하게 이루어질 수 있도록 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치에 관한 것이다.
일반적으로 세정은 습식세정과 건식세정으로 분류되며, 그 중에서도 습식세정은 반도체 제조분야에서 널리 이용되고 있다. 습식세정은 각각의 단계마다 오염물질에 맞는 화학물질을 사용하여 연속적으로 오염물질을 제거하는 방식으로서, 산과 알칼리 용액을 다량 사용하여 기판에 잔류하는 오염물질을 제거하게 된다.
그러나, 이러한 습식세정에 이용되는 화학물질은 환경에 악영향을 끼치고 있는 것은 물론이고 공정이 복잡하여 제품의 생산 단가를 크게 상승시키는 요인일 뿐만 아니라 고집적 회로와 같이 정밀한 부분의 세정에 이용되는 경우, 계면장력으로 인해 미세구조의 패턴이 협착되어 무너짐에 따라서 오염물 제거가 효과적으로 이루어지지 못한다는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로, 최근에는 무독성이고, 불연성 물질이며, 값싸고 환경 친화적인 물질인 이산화탄소를 용매로 사용하는 건식 세정 방법이 개발되고 있다. 이산화탄소는 낮은 임계온도와 임계압력을 가지고 있어 초임계 상태에 쉽게 도달할 수 있으며, 계면장력이 제로(0)에 가깝고, 초임계 상태에서 높은 압축성으로 인하여 압력 변화에 따라 밀도 또는 용매세기를 변화시키기 용이하며, 감압에 의하여 기체 상태로 바뀌기 때문에 용질로부터 용매를 간단히 분리할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 초임계유체를 사용한 기판세정장치와 관련된 선행기술의 일례로서, 도 1은 공개특허 제10-2010-0054455호에서 종래기술로 기재되어 있는 약액과 초임계유체의 혼합장치의 구성도를 나타낸 것이다.
종래 약액과 초임계유체의 혼합장치는, 약액이 저장되는 저장탱크(50)와, 상기 저장탱크(50)에서 약액을 일정압으로 인출하도록 설치된 약액펌프(51)와, 이산화탄소 봄베(52)에서 이산화탄소를 인출하는 이산화탄소 펌프(53)와, 상기 약액펌프(51) 및 이산화탄소 펌프(53)에서 약액과 이산화탄소를 일정압으로 공급받고 이를 혼합하는 믹서(54)와, 상기 믹서(54)에서 공급된 이산화탄소와 약액의 혼합물이 공급되어 웨이퍼(W)를 세정하는 베젤(55)로 이루어져 있다.
상기 믹서(54)에는 교반기(56)가 설치되어 이산화탄소와 약액을 균일하게 혼합하게 되고, 베젤(55)은 웨이퍼(W)를 안착시켜 회전시킬 수 있게 구성되어 있으며, 믹서(54)와 베젤(55)의 사이에는 밸브(57)가 설치되어 있다. 즉, 상기 이산화탄소 봄베(52)와 약액이 저장되는 저장탱크(50)로부터 이산화탄소와 약액이 믹서(54)로 공급되어 균일하게 혼합되고, 이는 다시 베젤(55)로 공급되면서 웨이퍼(W)를 세정하게 되는 것이다.
그러나, 이와 같은 구성에 의하면, 모터에 의해 구동되는 교반기(56)가 믹서(54)를 관통하여 설치됨에 따라, 침투성이 뛰어난 초임계유체가 교반기(56)의 회전축과 믹서(54) 간에 기밀유지를 위해 설치되는 실링부재의 내부에까지 침투 및 복귀됨에 따라서 혼합장치의 믹서(54) 내부에 금속 파티클과 유분 성분이 혼입되어 오염을 초래하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 혼합장치의 챔버 내부의 오염을 방지하면서 약액과 초임계유체 간의 혼합이 신속하고 원활하게 이루어져 기판 세정 시간을 단축할 수 있도록 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 약액과 초임계유체의 혼합장치는, 기판을 세정하기 위한 약액과 초임계유체를 혼합하기 위한 혼합장치로서, 상기 약액과 초임계유체가 공급되어 혼합이 이루어지는 챔버; 및 상기 챔버의 외부에 구비되어 상기 챔버 내부의 약액과 초임계유체에 진동을 일으켜 혼합이 이루어지도록 하는 진동 발생부;를 포함하여 구성된다.
상기 진동 발생부는, 주파수를 발생시키는 발진기와, 상기 발진기에 전기적으로 연결되며 상기 챔버의 외벽에 장착되어 상기 챔버 내부의 약액과 초임계유체에 진동을 인가하는 진동자를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 발진기는 20 ~ 100kHz의 초음파를 발생시키는 것일 수 있다.
상기 발진기는 100kHz 이상의 고주파를 발생시키는 것일 수 있다.
상기 진동자는 상기 챔버의 외벽 둘레에 상하 간격을 두고 복수로 구비될 수 있다.
상기 챔버의 하부에는 회전 가능한 상태의 교반자석이 구비되고, 상기 교반자석이 위치한 상기 챔버의 외측에는 자력으로 상기 교반자석을 회전시키기 위한 모터자석과, 상기 모터자석의 회전을 위한 구동력을 제공하는 모터가 구비될 수 있다.
상기 교반자석과 모터자석은 상기 챔버를 사이에 두고 비접촉하며 회전될 수 있다.
상기 교반자석과 모터자석은 서로 마주보는 면에 N극과 S극이 반복되도록 구비될 수 있다.
상기 교반자석은 프로펠러 형태로 이루어질 수 있다.
상기 챔버의 일측에는 약액 유입관과 초임계유체 유입관이 연결되고, 상기 챔버의 타측에는 약액과 초임계유체가 혼합된 혼합유체가 기판의 세정 또는 건조가 이루어지는 베젤 측으로 공급되는 혼합유체 공급관이 연결될 수 있다.
상기 약액 유입관과 초임계유체 유입관 및 혼합유체 공급관에는 각각의 관로를 개폐하기 위한 밸브가 구비될 수 있다.
상기 약액은 이소프로필알콜(IPA) 또는 공용매이고, 상기 초임계유체는 초임계 이산화탄소일 수 있다.
본 발명에 따른 약액과 초임계유체의 혼합장치에 의하면, 챔버의 외부에 진동 발생부를 구비하여 챔버 내부로 유입된 약액과 초임계유체에 진동을 발생시켜 혼합을 촉진시킴으로써, 혼합장치의 챔버 내부의 오염을 방지하면서 약액과 초임계유체 간의 혼합이 신속하고 원활하게 이루어져 기판 세정 시간을 단축함과 아울러 세정 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 챔버의 하부에 교반자석을 구비하고, 챔버의 외부에는 교반자석과 비접촉하며 회전되는 모터자석을 구비하여 교반자석과 모터자석의 마주보는 극성 간에 인력과 척력의 반복적인 변동에 의해 교반자석을 회전시킴으로써 약액과 초임계유체 간의 혼합 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 약액과 초임계유체의 혼합장치의 구성도,
도 2는 이산화탄소의 온도와 압력에 따른 상 다이어그램(phase diagram),
도 3은 본 발명이 적용되는 기판 처리 장치의 계통도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 약액과 초임계유체의 혼합장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 약액과 초임계유체의 혼합장치의 구성도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명에 적용되는 초임계유체인 이산화탄소(CO2)의 온도와 압력에 따른 상 다이어그램을 설명한다.
일반적으로 물질은 기상(기체), 액상(액체) 및 고상(고체)의 세가지의 상태(3상)가 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 3상은 기상과 액상 사이의 경계를 나타내는 증기압 곡선, 기상과 고상 사이의 경계를 나타내는 승화 곡선, 및 고상과 액상 사이의 경계를 나타내는 용해 곡선으로 구획된다. 이들 3상이 서로 겹친 점이 삼중점(triple point)이며, 상기 삼중점으로부터 증기압 곡선이 고온측으로 연장되면, 기상과 액상이 공존하는 임계점에 도달한다. 이러한 임계점에서는 기상과 액상의 밀도가 동일하고, 기체와 액체 공존 상태의 상 계면이 소실된다. 이산화탄소(CO2)의 경우 임계 온도는 31.3℃이고, 임계 압력은 7.38MPa이다.
상기 임계점보다 고온 및 고압의 상태에서는 기체 상태와 액체 상태 사이의 구별이 없어지고, 물질은 단일상인 초임계유체가 된다. 초임계유체는 임계 온도 이상에서 고밀도로 압축된 유체이다. 초임계유체는 용매 분자의 확산력이 지배적이라는 점에서 기체와 유사하고, 분자의 응집력의 영향을 무시할 수 없는 점에서 액체와 유사한 성질을 가지며, 이에 따라 초임계유체는 여러 가지 물질을 용해하는 특성이 있다. 또한, 초임계유체는 액체보다 매우 높은 침윤성을 갖고, 미세 구조체를 용이하게 침투할 수 있는 특성이 있다. 또한, 초임계유체는 초임계 상태로부터 직접 기체 상태로 전이하고 표면장력이 없으므로, 기판의 미세 패턴을 파괴시키기 않고 미세 패턴 사이의 약액 등 이물질을 세정 및 건조시킬 수 있는 특성이 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 적용되는 기판처리장치(1)는, 액상의 초임계유체가 저장되는 초임계유체 실린더(101), 액상의 초임계유체를 기화시키는 기화기(102), 기화된 초임계유체가 저장되는 초임계유체 탱크(103), 기상의 초임계유체 내에 이물질을 여과하는 정화기(104), 초임계유체를 고압으로 압송하는 고압펌프(105), 초임계유체를 승온시키는 히터(106), 기판의 린스를 위한 약액과 초임계유체를 혼합하는 린스 혼합기(107) 또는 기판의 세정을 위한 약액과 초임계유체를 혼합하는 세정 혼합기(108)로 이루어진 약액과 초임계유체의 혼합장치(200), 약액과 혼합된 초임계유체에 의해 기판의 세정 또는 건조 처리 공정이 수행되는 베젤(300), 기판의 처리 공정이 완료된 후에 약액을 드레인하고 기상의 초임계유체를 회수하는 분리기(109), 분리기(109)를 통과한 초임계유체에 포함된 이물을 여과시켜 초임계유체를 재활용하기 위한 재생기(110)를 포함하여 구성된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 약액과 초임계유체의 혼합장치(200-1;200)는, 기판(W)을 세정하기 위한 약액과 초임계유체를 혼합하기 위한 혼합장치로서, 상기 약액과 초임계유체가 공급되어 혼합이 이루어지는 챔버(210), 및 상기 챔버(210)의 외부에 구비되어 상기 챔버(210) 내부의 약액과 초임계유체에 진동을 일으켜 혼합이 이루어지도록 하는 진동 발생부(220)를 포함하여 구성된다.
상기 진동 발생부(220)는, 주파수를 발생시키는 발진기(221)와, 상기 발진기(221)에 전기적으로 연결되며 상기 챔버(210)의 외벽에 장착되어 챔버(210) 내부의 약액과 초임계유체에 진동을 인가하는 진동자(222)를 포함하여 구성된다.
상기 발진기(221)는 20 ~ 100kHz의 초음파를 발생시키는 것이거나, 100kHz 이상의 고주파를 발생시키는 것일 수 있다.
상기 진동자(222)는 챔버(210)의 외벽 둘레에 상하 간격을 두고 복수로 구비될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 진동자(222)가 챔버(210)의 외벽 둘레에 상하 간격을 두고 3개의 층으로 구비된 경우를 예시하였으나, 그 설치 개수는 이에 제한되지 않는다.
상기 챔버(210)의 상부 일측에는 약액 유입관(230)과, 약액 유입관(230)의 관로를 개폐하는 제1밸브(231)가 구비되고, 상기 챔버(210)의 상부 타측에는 초임계유체 유입관(240)과, 초임계유체 유입관(240)의 관로를 개폐하는 제2밸브(232)가 구비된다.
상기 챔버(210)의 하부에는 약액과 초임계유체가 혼합된 혼합유체가 기판의 세정 또는 건조가 이루어지는 베젤(300) 측으로 공급되는 유로인 혼합유체 공급관(250)과, 혼합유체 공급관(250)의 유로를 개폐하는 공급밸브(251)가 구비된다.
상기 베젤(300)의 내부에는 처리대상 기판(W)이 안착되는 스테이지(310)가 구비되고, 베젤(300)의 하부에는 세정 또는 건조 처리 공정을 마친 약액과 초임계유체 및 기판(W)으로부터 제거된 이물질이 배출되는 배출관(320)과, 배출관(320)의 유로를 개폐하는 배출밸브(321)가 구비된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 약액과 초임계유체의 혼합장치(200-1;200)의 작용을 설명하면, 약액 유입관(230)과 초임계유체 유입관(240)을 통하여 챔버(210)의 내부로 유입되어 저장된 약액과 초임계유체는 진동 발생부(220)의 발진기(221)와 진동자(222)에서 가진된 초음파 또는 고주파에 의한 진동 에너지를 전달받게 되고, 이러한 물리적 진동에 의해 약액과 초임계유체는 단시간 내에 혼합될 수 있게 된다.
따라서 이와 같이 신속하게 초임계 상태로 혼합된 약액과 초임계유체의 혼합유체를 혼합유체 공급관(250)을 통하여 베젤(300)로 공급할 수 있게 됨에 따라, 기판(W)의 패턴 사이에 잔류하는 이물질을 신속하게 용해 및 제거할 수 있게 되므로, 기판 처리 공정 시간을 단축할 수 있으며, 이물질의 세정 및 건조 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 약액과 초음파유체의 혼합장치(200-2;200)의 구성 및 작용을 설명하되, 전술한 실시예와 동일한 부재에는 동일한 도면부호를 부여하고, 그에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 약액과 초음파유체의 혼합장치(200-2;200)는, 상기 챔버(210)의 하부에는 회전 가능한 상태의 교반자석(260)이 구비되고, 상기 교반자석(260)이 위치한 상기 챔버(210)의 외측에는 자력으로 상기 교반자석(260)을 회전시키기 위한 모터자석(270)과, 상기 모터자석(270)의 회전을 위한 구동력을 제공하는 모터(280)가 구비된다.
상기 교반자석(260)과 모터자석(270)은 서로 마주보는 면에 N극과 S극이 반복되도록 구비될 수 있으며, 상기 교반자석(260)은 프로펠러 형태로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 모터(280)의 회전 구동시, 상기 교반자석(260)과 모터자석(270)의 마주보는 극성 간에 인력과 척력의 반복적인 변동에 의해 교반자석(260)을 회전시킴으로써 약액과 초임계유체 간의 혼합 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 상기 교반자석(260)과 모터자석(270)은 상기 챔버(210)를 사이에 두고 비접촉하며 회전되므로, 종래기술에서의 챔버를 관통하며 구비되는 교반기의 구성과 달리 챔버(210) 내부의 오염을 방지하면서 약액과 초임계유체 간의 혼합이 신속하게 이루어질 수 있다.
상기 실시예들에서 약액은 이소프로필알콜(IPA) 또는 공용매이고, 상기 초임계유체는 초임계 이산화탄소일 수 있다. 다만, 약액과 초임계유체의 종류는 이에 제한되는 것은 아니며, 기타 유체로 대체될 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
1 : 기판처리장치 101 : 초임계유체 실린더
102 : 기화기 103 : 초임계유체 탱크
104 : 정화기 105 : 고압펌프
106 : 히터 107 : 린스 혼합기
108 : 세정 혼합기 109 : 분리기
110 : 재생기
200,200-1,200-2 : 약액과 초임계유체의 혼합장치
210 : 챔버 220 : 진동 발생부
221 : 발진기 222 : 진동자
230 : 약액 유입관 231 : 제1밸브
240 : 초임계유체 유입관 241 : 제2밸브
250 : 혼합유체 공급관 251 : 공급밸브
260 : 교반자석 270 : 모터자석
280 : 모터 300 : 베젤
310 : 스테이지 320 : 배출관
321 : 배출밸브 W : 기판

Claims (12)

  1. 기판을 세정하기 위한 약액과 초임계유체를 혼합하기 위한 혼합장치로서,
    상기 약액과 초임계유체가 공급되어 혼합이 이루어지는 챔버; 및
    상기 챔버의 외부에 구비되어 상기 챔버 내부의 약액과 초임계유체에 진동을 일으켜 혼합이 이루어지도록 하는 진동 발생부;
    를 포함하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동 발생부는, 주파수를 발생시키는 발진기와, 상기 발진기에 전기적으로 연결되며 상기 챔버의 외벽에 장착되어 상기 챔버 내부의 약액과 초임계유체에 진동을 인가하는 진동자를 포함하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발진기는 20 ~ 100kHz의 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 발진기는 100kHz 이상의 고주파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 진동자는 상기 챔버의 외벽 둘레에 상하 간격을 두고 복수로 구비된 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 하부에는 회전 가능한 상태의 교반자석이 구비되고,
    상기 교반자석이 위치한 상기 챔버의 외측에는 자력으로 상기 교반자석을 회전시키기 위한 모터자석과, 상기 모터자석의 회전을 위한 구동력을 제공하는 모터가 구비된 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 교반자석과 모터자석은 상기 챔버를 사이에 두고 비접촉하며 회전되는 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 교반자석과 모터자석은 서로 마주보는 면에 N극과 S극이 반복되도록 구비된 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교반자석은 프로펠러 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 일측에는 약액 유입관과 초임계유체 유입관이 연결되고,
    상기 챔버의 타측에는 약액과 초임계유체가 혼합된 혼합유체가 기판의 세정 또는 건조가 이루어지는 베젤 측으로 공급되는 혼합유체 공급관이 연결된 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 약액 유입관과 초임계유체 유입관 및 혼합유체 공급관에는 각각의 관로를 개폐하기 위한 밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 약액은 이소프로필알콜(IPA) 또는 공용매이고,
    상기 초임계유체는 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 약액과 초임계유체의 혼합장치.

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