KR20220091774A - 스핀 코터 및 이를 구비하는 기판 처리장치 - Google Patents

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KR20220091774A
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방성진
오창석
노상은
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세메스 주식회사
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Abstract

스핀 코터 및 이를 구비하는 기판처리장치를 개시한다. 스핀코터는 상면에 가공대상 기판을 고정하여 회전시키는 회전척 구조물, 다각형 외형을 갖고 기판을 둘러싸도록 배치되어 기판 주변의 공기유동을 하방으로 유도하는 보울(bowl) 및 기판의 에지와 보울 사이의 이격공간인 유동공간에 배치되도록 보울에 연결되어 유동공간을 경유하는 공기유동을 분할하는 유동제어 구조물을 포함한다. 고속운전 모드에서도 와류 및 유동정체를 방지함으로써 역류성 미세입자에 의한 코팅막의 불량을 방지할 수 있다.

Description

스핀 코터 및 이를 구비하는 기판 처리장치{Spin coater and substrate treatment apparatus having the same}
본 발명은 스핀 코터 및 이를 구비하는 기판 처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 회전하는 기판의 표면을 감광액으로 코팅하는 스핀 코터 및 이를 구비하는 기판 처리장치에 관한 것이다.
반도체 소자 및 평판 표시패널의 제조공정에서 다양한 형상과 구조의 패턴을 형성하기 위해 사진 식각(photo lithography) 공정이 널리 이용되고 있다.
일반적인 사진 식각 공정은 기판 표면에 레지스트와 같은 감광액을 도포하여 감광액을 형성하는 도포공정, 도포된 감광막을 요구되는 패턴 특성에 부합하는 광에 노출시키는 노광 공정 및 노광된 감광막을 현상하여 회로패턴을 형성하는 현상공정으로 이루어진다.
일반적으로 상기 도포공정은 회전하는 기판 상에 고점성을 갖는 감광액을 공급하여 소정의 두께를 갖는 막질을 형성하는 스핀 코팅 공정에 의해 수행된다. 상기 스핀 코팅 공정은 기판의 회전 속도를 조정함으로써 상기 감광막의 두께를 용이하게 제어할 수 있다.
그러나, 종래의 스핀 코터에 의하면, 기판의 회전속도가 증가하는 경우 회전하는 기판의 상면을 따라 퍼지는 약액의 입자가 기판의 에지를 둘러싸는 보울(bowl)의 내측벽에 강하게 부딪혀 기판으로 떨어지거나 미세한 약액 입자가 기판 에지와 보울 내측면 사이의 와류에 의해 역류되거나 정체구간을 형성하게 되어 코팅막을 오염시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 일 과제는 보울의 내측면과 기판의 에지 사이의 약액 유동을 층류 유동으로 생성하여 배출 약액의 와류와 약액 정체를 방지할 수 있는 스핀 코터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 바와 같은 스핀 코터를 구비하는 기판 처리장치를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 스핀 코터는 상면에 가공대상 기판을 고정하여 회전시키는 회전척 구조물, 다각형 외형을 갖고 상기 기판을 둘러싸도록 배치되어 상기 기판 주변의 공기유동을 하방으로 유도하는 보울(bowl), 및 상기 기판의 에지와 상기 보울 사이의 이격공간인 유동공간에 배치되도록 상기 보울에 연결되어 상기 유동공간을 경유하는 상기 공기유동을 분할하는 유동제어 구조물을 포함한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리장치는 하우징, 상기 하우징의 천정에 배치되어 상기 하우징의 내부에 하강하는 공기유동을 생성하는 유동 생성부, 상기 기판으로 약액을 공급하는 약액 공급부, 및 상기 하우징의 바닥부에 고정되어 가공대상 기판을 회전하면서 상기 약액을 상기 기판의 상면에 코팅하는 스핀 코터를 포함한다. 이때, 상기 스핀 코터는 상면에 상기 기판을 고정하여 회전시키는 회전척 구조물, 다각형 외형을 갖고 상기 기판을 둘러싸도록 배치되어 상기 기판 주변의 공기유동을 하방으로 유도하는 보울(bowl) 및 상기 기판의 에지와 상기 보울 사이의 이격공간인 유동공간에 배치되도록 상기 보울에 연결되어 상기 유동공간을 분리하는 유동제어 구조물을 구비한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 스핀 코터 및 이를 구비하는 기판 처리장치에 의하면, 기판 에지(E)와 보울의 상단부(UB) 사이의 유동공간에 유동 블레이드를 다수 배치하여 동일한 유동 단면적을 갖는 다수의 분할 유동공간으로 분할하고 보울의 외형을 다면체 형상으로 구성한다.이에 따라, 유동공간에서 공기유동의 와류와 유동정체를 억제하고 기판 에지에서의 유동속도 감소를 방지함으로써,기판 상에 형성되는 막질의 두께 균일성을 높이고 파티클에 의한 막질오염을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스핀 코터를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스핀 코터의 보울을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 보울과 종래 보울 사이의 관계를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 유동 제어 구조물을 상세하게 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 스핀 코터를 구비하는 기판 처리장치를 나타내는 구성도이다.
도 6은 도 1에 도시된 다각형 스핀 코터에 의한 미세입자 감소효과를 측정한실험 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예를 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스핀 코터를 나타내는 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 스핀 코터의 보울을 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 보울과 종래 보울 사이의 관계를 나타내는 평면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 유동 제어 구조물을 상세하게 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 1의 A 부분을 확대한 확대 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 스핀 코터(500)는 상면에 가공대상 기판(W)을 고정하는 회전척 구조물(100), 상기 기판을 둘러싸도록 배치되어 상기 기판(W) 주변의 공기유동(AF)을 하방으로 유도하고 다각형상을 갖는 보울(bowl, 200) 및 상기 기판(W)의 에지(E)와 상기 보울(200) 사이에 배치되어 상기 공기유동(AF)을 분리하여 공기유동의 층류 특성을 강화하는 유동제어 구조물(300)을 포함한다.
예를 들면, 상기 회전 척 구조물(100)은 하방에 구비된 구동부(P)에 연결되어 일정한 회전속도로 회전하는 회전 척(110)을 포함하고 회전 척(110)의 회전속도를 조절하여 기판(W)에 형성되는 막질의 두께를 결정할 수 있다.
상기 구동부(P)는 별도의 승강부재에 의해 회전 척(110)을 수직방향을 따라 상승하거나 하강할 수 있다. 회전 척(110)에 기판(W)을 로딩하는 경우 상기 회전 척(C)은 로딩위치로 상승하여 회전 척(110) 상에 기판(W)을 고정한다. 회전 척(110)에 기판이 고정되면, 회전 척(110)은 코팅공정을 수행하기 위한 상기 보울(200)내의 공정위치로 하강한다.
상기 보울(200)은 일정한 크기의 내부공간을 구비하고 상부가 개방되며 하부에는 소정의 배출 라인(210)이 구비된 다각형 컵 형상을 갖는다. 이에 따라, 상기 보울(200)의 내부공간에 기판(W)이 고정된 회전 척(C)이 수용된다. 따라서, 상기 회전 척(100)과 기판(W)은 보울(200) 내부의 상기 공정위치에서 보울(200)의 내측벽에 의해 둘러싸이도록 배치된다. 이때, 상기 보울(100)은 상기 기판을 둘러싸는 다각형상으로 구비되어 기판의 에지(E)로부터 이탈하는 약액의 유동을 방해하지 않도록 구성될 수 있다.
상기 보울(200)의 하부에는 하강하는 공기유동(AF)을 강제하기 위한 가압수단(미도시)이 구비되고 기판(W) 상으로 공급된 약액은 공기유동(AF)을 따라 보울(200) 하부에 구비된 배출라인(230)을 따라 외부로 배출된다.
즉, 보울(200)의 상부에서 유입된 공기유동(AF)은 하부에 인가된 배출압력에 의해 하부로 유도되는 하강기류를 형성하게 되고, 회전하는 기판(W)의 상면으로 공급된 약액은 기판(W)의 상면을 따라 퍼지면서 상기 하강기류를 따라 배출라인(210)으로 유도되어 외부로 배출된다.
기판(W) 상에 코팅막을 형성하고 난 잔류 액액은 상기 공기유동(AF)과 함께 외부로 배출되므로 공기유동(AF)의 특성에 따라 코팅막의 품질에 영향을 미치게 된다. 따라서, 상기 보울(200)의 상부에서 유입되어 기판의 상면을 거쳐 기판 에지(E)와 보울의 내측벽에 의해 한정되는 유동공간을 경유하여 배출라인(230)을 따라 유동하는 공기유동(AF)에 의해 약액의 유동특성이 결정되므로 상기 공기유동(AF)의 특성을 제어함으로써 코팅막의 품질을 높이고 불량을 줄일 수 있다.
특히, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 보울(200)은 중앙부에 회전척 구조물(100)이 삽입되는 중앙 개구(CO)를 구비하는 바닥부(B)로부터 다각형 형상으로 연장하는 벽체(210), 상기 벽체의 내측면으로부터 돌출되어 상기 유동공간으로 유동하는 약액 및 공기유동(AF)을 안내하는 유동 가이드(220) 및 상기 바닥부(B)에 연결되어 상기 유동공간으로 유입된 약액 및 공기를 배출하는 배출라인(230)을 구비한다.
이때, 상기 벽체(210)는 원통형상으로 제공되는 종래 보울 외측면(CB)에 접하는 다각형상으로 제공되어 기판(W) 에지(E)와 보울의 내측면 사이의 이격공간을 증가시킬 수 있다. 상기 이격공간은 기판(W)을 벗어나는 약액과 공기가 유동하는 유동공간으로 제공되므로 다각형상에 의해 유동공간을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 보울의 상부에서 공기유동(AF)의 정체현상을 줄이고, 정체된 공기유동(AF)을 따라 약액이 코팅막으로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
특히, 회전하는 기판(W)으로부터 벗어나는 공기와 약액은 에지(E)에서 일정한 선속도를 갖고 선형운동을 하므로, 종래와 같이 보울의 내측면이 원형으로 구성되는 경우 기판(W)의 모든 에지(E)로부터 벗어아는 유체는 보울의 내측면에 의해 유동저항을 받게 된다.
이와 같은 유동저항은 기판의 회전속도가 높아짐에 따라 에지(E)를 벗어나는 선속도가 증가할수록 커지게 되어 회전속도 증가와 보울 상부의 정체 및 와류 현상이 증가하게 된다.
그러나, 본 실시예와 같이 보울(200)의 형상을 다각형상으로 구성하는 경우, 기판(W)의 중심으로부터 일정한 구간에 걸쳐 내측면이 평면 형상으로 제공되므로 상기 구간에서 기판을 벗어나는 공기유동(AF)의 방향은 보울의 내측면과 평행한 방향과의 편차가 최소화 된다. 이에 따라, 상기 기판(W)을 벗어나는 공기유동(AF)에 대하여 보울(200)의 내측면에 의해 발생하는 유동저항을 최소화할 수 있다.
따라서, 보울의 내부공간 증가와 유동저항 최소화를 통해 기판을 벗어나는 약액과 공기유동이 보울의 상부에서 정체되거나 역류하는 것을 줄일 수 있다. 이에 따라, 보울 상부에서 역류하는 약액 입자에 의해 코팅막이 오염되는 것을 최소화 할 수 있다.
특히, 상기 벽체(210)의 내측면에는 상기 유동공간에 형성되는 유동방향과 동일한 방향으로 유체를 안내할 수 있는 유동 가이드(220)가 배치되어 배출라인(230)으로 유동하는 공기유동(AF)에 대한 유동저항을 최소화 할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 유동 가이드(220)는 벽체(210)의 내측면으로부터 돌출하여 반시계 방향을 따라 연장하고 상기 중앙개구와 대향하는 곡면부를 구비하는 곡면 돌기 구조물로 제공된다. 상기 곡면 돌기는 기판(W)의 에지(E)와 벽체(210) 내측면 사이의 내부공간인 유동공간에서 중앙 개구(CO)의 곡률과 실질적으로 동일한 곡률를 갖도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 유동공간에서 약액 및 공기는 유동저항이 최소화 된다.
특히, 약액 및 공기가 배출되는 배출 개구(DO)가 바닥부(B)에 배치되므로 상기 유동 가이드(220)는 유체공간을 유동하는 약액 및 공기를 상기 배출개구(DO)로 향하도록 가이드 할 수 있다.
상기 배출 개구(DO)는 보울(200)의 중심에 대하여 대칭적으로 한 쌍이 배치되므로, 보울(200)의 상부와 하부에 구비된 유동 가이드(220)는 유동방향을 따라 위치하는 배출 개구(DO)로 약액이나 공기를 가이드 할 수 있다.
상기 유동제어 구조물(300)은 상기 기판(W)의 에지(E)와 상기 보울(200) 사이에 배치되어 상기 공기유동(AF)을 다수의 유동으로 분리하여 층류 특성을 강화할 수 있다. 이에 따라, 보울(200)의 상부에서 발생하는 와류와 유동정체 현상을 방지함으로써 와류와 유동정체로 인한 파티클 불량을 방지할 수 있다.
즉, 상기 유동제어 구조물(300)은 보울(200)의 측부와 상기 기판 에지(E) 사이에 형성되는 유동공간을 통하여 보울(200)의 하부로 이동하는 공기유동(AF)의 난류특성을 억제하고 층류 특성을 강화함으로써 공기유동의 정상상태 정상유동 특성을 강화할 수 있다.
따라서, 기판(W)의 중앙부 상면으로 공급된 약액은 기판(W)의 상면을 따라 퍼지면서 코팅막(미도시)을 형성하고 에지(E)와 보울(200)의 내측면에 사이에 구비된 유동제어 구조물(300)에 의해 층류 특성을 유지하면서 공기유동(AF)과 함께 기판(W)을 벗어나 배출라인(230)으로 배출된다. 이에 따라, 기판(W)을 벗어나 배출라인(230)을 향하여 하방유동을 형성하는 약액 및 공기유동(AF)은 상방으로 역류하는 와류가 억제되고 기판의 상부에서 와류에 의해 공기유동이 정체되는 것이 억제된다.
예를 들면, 상기 유동제어 구조물(300)은 제1 단부(311)는 상기 기판(W)의 상면보다 높게 위치하고 제2 단부(312)는 상기 기판의 상면보다 낮게 위치하도록 상기 기판(W)과 경사지게 대향하는 링 형상의 유동 블레이드(310) 및 상기 유동 블레이드(310)와 상기 보울(200)의 상단부를 연결하는 연결부재(320)를 구비한다.
상기 유동 블레이드(310)은 기판 에지(E)로부터 일정한 거리만큼 이격되어 상기 기판(W)을 둘러싸는 링 타입의 구조물을 구비하고 보울 상단부(UB)에 결합된다. 이에 따라, 상기 유동 블레이드(310)는 보울 상단부(UB)와 기판 에지(E) 사이의 유동공간에 배치되어 유동공간을 통해 보울(200)의 하부로 배출되는 공기유동의 층류 특성을 강화한다.
본 실시예의 경우, 상기 유동 블레이드(330)는 상기 기판(W)과 경사지게 대향하도록 배치되는 판상 구조물로 제공된다. 예를 들면, 제1 단부(311)는 상기 기판(W)의 상면보다 높게 위치하고 상기 제1 단부(311)와 대칭적인 제2 단부(312)는 상기 기판(W)의 상면보다 낮게 위치한다.
상기 제1 단부(311)는 상기 기판 에지(E)로부터 일정한 거리만큼 이격되어 상기 유동 블레이드(310)와 기판 에지(E) 사이에 공기 및 약액이 통과할 수 있는 분할 유동공간(split flow space, SFS)을 형성한다.
따라서, 상기 기판 에지(E)와 보울 상단부(UB) 사이의 유동공간은 기판 에지(E)와 유동 블레이드(310) 사이에 구비된 하부 분할 유동공간과 유동 블레이드(310)와 보울 상단부(UB) 사이에 위치하는 상부 분할 유동공간으로 구분된다.
이때, 상기 유동 블레이드(310)의 형상을 다양하게 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 상면 및 하면이 모두 평면 형상을 구비할 수도 있고 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 곡률을 갖는 곡면 형상과 평판 형상을 모두 구비할 수도 있다. 상기 유동 제어 구조물(300)로 유입되는 공기의 층류특성을 개선할 수 있다면 상기 유동 블레이드(310)는 다양한 형상을 구비할 수 있음은 자명하다.
이때, 제1 단부(311)와 에지(E) 사이의 수직 이격거리는 제1 단부(311)와 보울 상단부(UB) 사이의 수직 이격거리와 동일하게 설정된다. 이에 따라, 상기 상부 및 하부 분할 유동공간의 유동 단면적을 서로 동일하게 설정되며 상기 유동공간으로 유입되는 공기는 유동 블레이드(310)에 의해 기판 에지(E)아 인접한 하부영역과 보울의 상단과 인접한 상부영역으로 균일하게 분리된다.
따라서, 유동 블레이드(310)를 기준으로 공기유동(AF)의 운동량 및 관성이 배분되므로 공기유동(AF)의 유동특성에 대한 조절이 용이하게 된다. 유동 블레이드(310)는 매끈한 표면을 갖도록 제공되므로 유동 블레이드(310)를 경유하는 공기유동과 약액은 유동의 난류특성이 제거되고 정상상태를 유지하면서 유동하게 된다.
따라서, 상기 유동 블레이드(310)는 기판(W)으로부터 배출라인(230)을 향하여 좌하향 하도록 배치되므로 유동 제어 구조물(300)로 진입한 공기유동(AF)이 우상향으로 유동하여 와류로 형성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 유동공간 분할에 의해 유동의 속도를 증가시킬 수 있으므로 기판 에지(E)에서 약액의 유동속도 감소에 의한 에지 비드를 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 기판 상에 형성되는 막질의 두께 균일성을 높이고 파티클에 의한 막질오염을 방지할 수 있다.
상기 유동 블레이드(310)는 필요에 따라 2 이상의 링 구조물로 제공될 수도 있다. 상기 유동 블레이드(310)가 2개의 링 구조물로 구성되는 경우, 상기 유동공간은 3개의 분할 유동공간으로 분리될 수 있고 3개의 링 구조물로 구성되는 경우 4개의 분할 유동공간으로 분리될 수 있다.
상기 유동 블레이드(310)를 구성하는 링 구조물의 개수는 유동하는 공기와 약액의 유동특성에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 분할 유동공간이 많을수록 공기유동(AF)의 층류특성은 강화될 수 있지만 유동 블레이드(310) 자체에 의한 유동저항도 증가할 수 있으므로 약액과 공기 혼합물의 유동특성을 고려하여 적절한 개수로 조절될 수 있다.
상기 유동 블레이드(310)는 연결부재(320)에 의해 보울(200)의 상단부(UB)에 결합된다.
일실시예로서, 상기 연결부재(320)는 상기 보울의 상단부(UB)와 유동 블레이드(320) 사이에서 일정한 간격으로 배치되는 다수의 연결로드(connecting rod)로 구성될 수 있다. 본 실시예이 경우, 상기 연결부재(320)는 링 형상을 갖는 유동 블레이드(310)와 보울(200)의 둘레를 따라 일정한 간격으로 정렬된 연결로드를 구비한다. 특히, 상기 연결로드(320)는 공기유동(AF)을 방해하는 유동저항으로 기능하므로 공기유동의 층류 특성을 훼손하지 않는 적절한 개수로 선택할 수 있다.
상기 연결부재(320)는 유동제어 구조물(300)과 보울(200)의 선택적 체결을 위한 체결수단으로 기능할 수도 있다. 예를 들면, 연결부재(320)의 상단부에 보울의 상단부(UB)와 결합할 수 있는 체결단을 배치하여 필요에 따라 상기 유동 제어 구조물(300)을 보울(200)의 상단에 선택적으로 배치할 수도 있다.
이에 따라, 공기유동(AF)의 층류 유동이 특히 요구되는 정밀한 고속 코팅공정의 경우 상기 유동 제어 구조물(300)을 보울의 상단부(UB)에 체결하고 상대적으로 정밀도가 낮고 저속회전이 요구되는 코팅공정의 경우에는 유동제어 구조물을 제거한 상태로 사용할 수 있다.
후술하는 바와 같이 상기 회전 척 구조물(110)이 약 3500RPM 이상의 고속으로 회전하는 경우에도 보울 상부에서 검출되는 미세입자의 농도를 허용범위 이하로 조절할 수 있다.
상술한 바와 같은 스핀 코터(500)에 의하면, 기판 에지(E)와 보울의 상단부(UB) 내측벽 사이에 공기유동의 층류 특성을 개선할 수 있는 유동제어 구조물(300)을 배치하여 고속으로 기판을 회전하는 경우에도 약액 및 공기 혼합물의 와류 및 보울 상부에서의 유동정체를 방지할 수 있다. 이에 따라, 와류 및 유동정체에 의해 미세입자가 코팅막으로 역류하여 코팅막에 코팅되는 불량을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 스핀 코터를 구비하는 기판 처리장치를 나타내는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 기판 처리장치(1000)는 스핀코터(500), 하우징(600), 유동 생성부(700), 베벨 세정기(800) 및 약액 공급부(900)로 구성된다.
본 실시예의 경우, 상기 기판 처리장치(1000)는 포토레지스트 용액을 약액으로 이용하여 상기 기판(W) 상에 포토레지스트 막을 코팅하는 장치를 예시적으로 개시한다. 그러나, 포토레지스트 용액뿐만 아니라 회전하는 기판 상에 약액을 공급하여 기판을 처리하는 공정에는 다양하게 적용될 수 있음은 자명하다.
일실시예로서, 상기 하우징(600)은 일정한 크기의 내부공간을 가지는 원통이나 직사각 형상으로 제공된다. 하우징(600)의 일측에는 처리대상 기판을 상기 하우징(600)의 내부로 로딩하거나 처리가 완료된 기판을 하우징(600)으로부터 제거하기 위한 게이트(610)가 배치된다. 상기 게이트(610)에는 게이트 도어(미도시)가 구비되어 기판(W)이 로딩되면 하우징(600)의 내부공간을 외부로부터 차단시켜 하우징(600)의 내부에 밀폐공간(CS)을 형성한다.
상기 하우징(600)의 바닥면에는 외측 배기구(620) 및 내측 배기구(630)가 배치된다. 상기 하우징(810)의 내부의 밀폐 공간(CS)에 형성된 하강 기류는 외측 및 내측 배기구(620,630)를 통해 외부로 배출된다. 내측 및 외측 배기구(620,630)는 배출 펌프와 같은 외부 배출수단(미도시)과 연결되어 상기 하우징(600)의 내부에 하강기류를 강제로 형성한다.
상기 유동 생성부(700)는 상기 하우징(600)의 천정에 배치되어 바닥면을 향하여 청정공기를 분사한다. 유동 생성부(700)에 의해 하우징(600)의 천정에서 하방으로 분사되는 공기를 내측 및 외측 배기구(620,630)를 통하여 강제 배출됨으로써 상기 밀폐 공간(CS)의 내부에는 하우징(600)의 천정에서 바닥면으로 향하는 강제 하강기류가 생성된다.
예를 들면, 상기 유동 생성부(700)는 에어 필터(710), 에어 공급 라인(720) 및 에어 팬(730)으로 구성된다. 외부의 에어 소스(미도시)로부터 제공되는 공기는 에어 공급라인(720)을 따라 하우징(600)으로 공급된다. 상기 에어 필터(710)는 에어 공급라인(720) 상에 배치되어 하우징(600)으로 공급되기 전에 공기 내에 포함된 불순물을 제거한다. 이때, 상기 에어 필터(710)는 반도체 제조공정의 표준요건에 부합하는 청정도를 갖도록 공기를 필터링 할 수 있다.
불순물이 제거된 청정공기는 상기 에어 팬(730)을 통하여 하우징(600)의 내부로 강제 유입된다. 예를 들면, 상기 에어 팬(730)은 하우징(600)의 천정 중앙부에 배치되어 하방으로 청정공기를 공급하여 밀폐공간(CS)의 내부에 하강기류를 갖는 공기유동(AF)을 형성하게 된다.
상기 유동 생성부(700)와 대향하여 하우징(600)의 바닥부에 기판(W)에 포토레지스트 막을 형성하기 위한 스핀 코터(500)가 배치된다. 상기 스핀 코터(500)는 도 1에 도시된 스핀 코터(500)와 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용한다.
상기 스핀 코터(500)는 상면에 가공대상 기판(W)을 고정하여 회전시키는 회전척 구조물(100), 상기 기판(W)을 둘러싸도록 배치되어 상기 기판 주변의 공기유동을 하방으로 유도하고 공기유동에 대한 유동저항을 최소화하도록 다각형상을 갖는 보울(bowl, 200) 및 상기 기판의 에지(E)와 상기 보울(200) 사이에 배치되고 상기 공기유동(AF)을 층류 유동으로 형성하는 유동제어 구조물(300)을 구비한다.
상기 회전척 구조물(100)은 하우징(600)의 바닥에 고정되어 상부에 고정된 기판(W)을 회전시킨다.
예를 들면, 상기 회전척 구조물(100)은 상면에 기판(W)을 고정하고 정해진 회전속도로 회전하는 회전척(110), 상기 회전 척(110)과 연결되어 구동력을 전달하는 회전축(120) 및 상기 회전축(120)으로 구동파워를 인가하는 구동기(130)를 포함한다.
상기 회전척(110)은 상기 기판(W) 보다 작은 직경을 갖는 원판으로 제공되고 상면에 기판(W)이 고정된다. 예를 들면, 상기 회전척(110)은 기판(W)을 진공 흡입하여 기판(W)을 고정하는 진공 척이나 정전기를 이용하여 기판(W)을 고정하는 정전척으로 제공될 수 있다.
상기 회전축(120)은 회전척(110)의 아래에서 하방으로 연장하는 세형 부재(slender meber)로 구성되고 구동기(130)와 연결된다. 이에 따라 구동기(130)로부터 생성된 구동파워를 상기 회전척(110)으로 전달한다. 예를 들면, 상기 회전축(120)은 길이방향을 따른 승강운동과 중심축을 중심으로 한 회전운동을 회전척(110)으로 전달할 수 있다. 상기 구동기(130)는 모터로 구성될 수 있다.
상기 보울(200)은 내부에 수용공간을 갖는 다각형 컵 형상을 갖고 상기 회전척 구조물(100)을 상기 수용공간에 수용하도록 하우징(600)의 바닥에 배치된다. 이에 따라, 상기 회전척(110)에 고정된 기판(W)은 보울(200)의 내측면에 의해 둘러싸이게 된다.
예를 들면, 상기 보울(200)은 외측 보울(210)과 내측 보울(220)로 구성된다. 외측 보울(210)은 다각형 형상을 갖는 외측벽(212)과 바닥벽(214)을 구비하고 상기 회전척 구조물(100)을 둘러싸도록 배치되고 상기 내측 보울(220)은 상기 기판(W)의 하부에 배치되어 기판 에지(E)를 향하도록 상방으로 경사진 경사측벽(222) 구비한다. 따라서, 상기 외측 보울(210)은 다수의 평면으로 구성되는 다각형 실린더 형상으로 제공된다.
상기 외측벽(212)은 회전척 구조물(100)을 감싸는 환형의 링 형상으로 제공되고, 상기 바닥벽(214)은 링 형상을 갖는 외측벽(212)과 연결되는 원판 형상으로 제공된다. 상기 바닥벽(214)은 외측벽(212)의 하단으로부터 보울(200)의 내측방향을 따라 연장되어 보울(200) 내부의 수용공간을 한정한다.
상기 바닥벽(214)에는 약액 배출라인(230) 및 내측 배기구(630)가 연결된다. 상기 약액 배출라인(230)은 기판(W) 상에 공급된 약액을 회수하여 외부의 약액 재생 시스템(미도시)으로 공급되어 재활용될 수 있다. 상기 외측 보울(210)로 유동하는 공기는 내측 배기구(630)를 통하여 외부로 배출된다.
상기 내측 보울(220)은 상기 외측벽(212)과 회전척 구조물(100) 사이에서 상기 회전축(120)과 회전척(110)을 감싸는 링 형상으로 제공된다. 이에 따라, 상기 내측 보울(220)은 외측보울(210)과 동일한 중심축을 공유하고 외측보울(210)보다 작은 직경을 갖는다. 이때, 상기 경사측벽(222)은 상기 기판(W) 하부의 바닥벽(214)으로부터 기판 에지(E)를 향하여 상방으로 경사지게 배치된다. 따라서, 상기 내측 보울(220)은 상기 바닥벽(214)과 상기 경사측벽(222)으로 구성되고 상부로 갈수록 단면이 확대되는 원뿔대의 형상을 갖게 된다.
상기 내측보울(220)은 기판 에지(E)와 인접한 경사측벽(222)의 단부와 연결되고 상기 배출라인(230)을 향하여 하방으로 경사지게 배치되는 경사부재(224)를 더 구비한다. 예를 들면, 상기 불순물 가이드 부재(224)는 내측 보울(220)의 주변부를 따라 연장하는 링 형상을 갖고 평탄한 표면을 갖는 원판 형상으로 제공된다. 이에 따라, 상기 유동제어 구조물(300)과 상기 기판 에지(E) 사이로 유동하는 공기와 약액은 상기 경사부재(224)를 따라 상기 배출라인((230)으로 공급된다.
이때, 상기 내측 배기구(630)는 상기 경사부재(224)와 경사측벽(222)에 의해 커버되도록 구성되어 내측 배기구(630)를 통하여 약액이나 불순물이 배출되는 것을 방지한다.
상기 경사측벽(222)의 내측면 상에 상기 기판 에지(E)로 세정액을 분사하여 에지비드(edge bead)를 제거하는 베벨 세정기(800)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 포토레지스트 도포 공정이 완료된 기판에지(E)로 세정액을 분사하여 에지 비드 제거(edge bead removal, EBR) 공정을 수행할 수 있다.
상기 베벨 세정기(800)는 상기 경사측벽(222)의 내측면에 수용되는 적어도 하나의 세정 노즐로 구성된다. 예를 들면, 상기 내측 보울(220)의 중심축에 대하여 서로 대칭적으로 배치되는 적어도 한 쌍의 세정 노즐이 상기 기판 에지(E)를 향하도록 배치될 수 있다.
세정 노즐에는 상기 회전축(120)과 인접한 바닥벽(214)을 관통하여 연장하는 세정라인을 통하여 세정액이 공급된다. 이에 따라, 기판 에지(E)에 형성된 약액 퇴적물(bead)을 용해하여 기판으로부터 제거한다. 예를 들면, 상기 세정액은 반 고화된 레지스트를 용해할 수 있는 유기용제를 이용할 수 있다. 베벨 세정에 의해 용해된 에지비드는 세정액과 함께 상기 유동 가이드부재(224)를 따라 배출라인(230)을 통하여 배출된다.
상기 내측보울(220)과 외측보울(210) 사이의 수용공간은 코팅공정에 사용된 약액을 회수하는 공간으로 제공된다.
기판(W)으로 약액이 공급되면 기판(W)의 회전에 따라 상면을 따라 약액이 퍼지고 기판 에지(E)에서 보울(200)을 통과하는 하강기류의 공기유동을 따라 보울 상부(UB)와 기판 에지(E) 사이의 유동공간을 통하여 보울(200)의 수용공간으로 유입된다. 수용공간으로 유입된 약액은 배출라인(230)을 통하여 수집되어 약액 재생 시스템으로 수집되고 수용공간으로 유입된 공기는 내측 배기구(630)를 통하여 외부로 배출된다.
특히, 상기 상부 보울(UB)과 기판 에지(E) 사이의 유동공간에는 유동 블레이드(310)에 의해 유동공간을 분리하여 상기 공기유동을 정상상태의 층류 유동으로 형성하는 유동제어 구조물(300)이 배치된다.
상기 유동제어 구조물(300)은 기판 에지(E)로부터 일정한 거리만큼 이격되어 상기 기판(W)을 둘러싸는 링 타입의 구조물로 제공되는 유동 블레이드(310)와 상기 유동 블레이드(310)를 보울 상단부(UB)에 결합하는 연결부재(320)로 구성된다. 상기 유동 블레이드(310)는 보울 상단부(UB)와 기판 에지(E) 사이의 유동공간을 분할 유동공간으로 분할하여 보울(200)의 하부로 배출되는 공기유동의 층류 특성을 강화한다.
이에 따라, 유동공간에서 공기유동의 와류와 유동정체를 억제하고 기판 에지(E)에서의 유동속도 감소를 방지함으로써, 기판 상에 형성되는 막질의 두께 균일성을 높이고 파티클에 의한 막질오염을 방지할 수 있다.
상기 유동제어 구조물(300)은 도 1을 참조하여 설명한 유동제어 구조물(300)과 실질적으로 동일하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 스핀 코터(500)의 상부에는 약액을 공급하기 위한 약액 공급기(900)가 배치된다. 예를 들면, 상기 약액 공급기(900)는 포토레지스트 용액을 공급하는 제1 노즐(910)과 상기 포토레지스트 용액을 희석하기 위한 희석액을 제공하는 제2 노즐(920)로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 노즐(910,920)은 각각 외부에 구비된 약액 저장조로부터 포토레지스트 용액과 희석액을 공급받을 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 다각형 스핀 코터에 의한 미세입자 감소효과를 측정한실험 결과를 나타내는 도면이다. 본 실험에서 다각형 스핀 코터는 8각 실린더형 벽체(210)를 갖고 3개의 유동 블레이드를 배치한 스핀 코터를 사용하였으며 종래의 스핀 코터는 원통 실린더형 벽체를 갖고 유동 블레이드가 배치되지 않은 스핀 코터를 비교대상 코터로 채택하였다. 실험은 회전 척을 약 1500RPM의 저속모드에서 약 5500RPM의 고속모드까지 변경하면서 보울 상부에서 미세입자의 농도를 검출하였다.
실험결과 <a>는 보울 상부에서의 미세입자 농도를 측정한 SEM 이미지이며 실험결과 <b>는 미세입자의 농도에 관한 검출값을 비교한 그래프이다.
실험결과에서 확인되는 바와 같이, 회전 척 구조물(110)의 회전속도가 2500RPM 이하인 경우에는 저속모드에서도 유동공간에서 공기유동(AF)의 와류와 유동정체 현상이 미미하기 때문에 종래 스핀 코터와 비교하여 코팅막으로 역류하는 미세입자가 검출되지 않지만, 3500RPM 이상의 고속모드에서는 다각형 보울과 유동 블레이드의 추가에 의해 코팅막으로 역류하는 미세입자의 농도를 현저하게 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
이에 따라, 약 3500RPM 내지 4500RPM으로 회전 척 구조물(110)을 회전시키는 고속모드에서 종래의 스핀 코터와 비교하여 본 발명에 의한 스핀코터에 의해 역류성 미세입자의 농도를 현저하게 줄일 수 있다.
상술한 바와 같은 기판 처리장치에 의하면, 기판 에지(E)와 보울의 상단부(UB) 사이의 유동공간에 유동 블레이드(310)를 다수 배치하여 동일한 유동 단면적을 갖는 다수의 분할 유동공간으로 분할 할 수 있다. 이에 따라, 유동공간에서 공기유동의 와류와 유동정체를 억제하고 기판 에지(E)에서의 유동속도 감소를 방지함으로써, 기판 상에 형성되는 막질의 두께 균일성을 높이고 파티클에 의한 막질오염을 방지할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 포토레지스터 막을 코팅하기 위한 스핀 코터 및 이를 구비하는 기판 처리장치에 대해 개시하였지, 포토 레지스트 뿐만 아니라 회전하는 기판에 막질을 코팅하는 장치라면 다양하게 응용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 회전 척 구조물 200: 보울
210: 벽체 220: 유동 가이드
230: 배출라인 300: 유동제어 구좀
310: 유동 블레이드 320: 연결부재
1000: 기판 처리장치

Claims (10)

  1. 상면에 가공대상 기판을 고정하여 회전시키는 회전척 구조물;
    다각형 외형을 갖고 상기 기판을 둘러싸도록 배치되어 상기 기판 주변의 공기유동을 하방으로 유도하는 보울(bowl); 및
    상기 기판의 에지와 상기 보울 사이의 이격공간인 유동공간에 배치되도록 상기 보울에 연결되어 상기 유동공간을 경유하는 상기 공기유동을 분할하는 유동제어 구조물을 포함하는 스핀 코터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유동제어 구조물은 제1 단부는 상기 기판의 상면보다 높게 위치하고 상기 제1 단부와 대칭적인 제2 단부는 상기 기판의 하면보다 낮게 위치하도록 상기 기판과 경사지게 대향하는 유동 블레이드 및 상기 유동 블레이드를 상기 보울의 상단부에 연결하는 연결부재를 포함하는 스핀 코터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유동 블레이드는 상기 기판의 에지를 따라 연속적으로 연장하고 상기 유동공간을 동일한 유동 단면적을 갖도록 분할하는 적어도 하나의 링 구조물을 포함하는 스핀 코터.
  4. 제2항 있어서, 상기 연결부재는 상기 유동 블레이드와 상기 보울 사이에 일정한 간격으로 배치되는 다수의 연결로드를 포함하는 스핀 코터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 보울은,
    중앙부에 상기 회전척 구조물이 삽입되는 중앙 개구와 주변부에 상기 공기유동을 배출하는 배출 개구를 구비하는 바닥;
    상기 바닥으로부터 상방으로 연장하고 다각형 실린더 형상을 갖는 벽체;
    상기 벽체의 내측면으로부터 상기 유동공간으로 돌출되어 상기 공기유동을 상기 배출 개구로 안내하는 유동 가이드; 및
    상기 배출 개구와 연결되어 상기 공기유동을 외부로 배출하는 배출라인을 포함하는 스핀 코터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유동 가이드는 상기 벽체의 내측면으로부터 돌출하여 반시계 방향을 따라 연장하고 상기 중앙 개구와 대향하는 곡면부를 구비하는 스핀 코터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 곡면부는 상기 중앙 개구와 동일한 곡률을 갖는 스핀 코터.
  8. 하우징;
    상기 하우징의 천정에 배치되어 상기 하우징의 내부에 하강하는 공기유동을 생성하는 유동 생성부;
    상기 기판으로 약액을 공급하는 약액 공급부; 및
    상기 하우징의 바닥부에 고정되어 가공대상 기판을 회전하면서 상기 약액을 상기 기판의 상면에 코팅하는 스핀 코터를 포함하고,
    상기 스핀 코터는,
    상면에 상기 기판을 고정하여 회전시키는 회전척 구조물;
    다각형 외형을 갖고 상기 기판을 둘러싸도록 배치되어 상기 기판 주변의 공기유동을 하방으로 유도하는 보울(bowl); 및
    상기 기판의 에지와 상기 보울 사이의 이격공간인 유동공간에 배치되도록 상기 보울에 연결되어 상기 유동공간을 분리하는 유동제어 구조물을 구비하는 기판 처리장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 보울은 중앙부에 상기 회전척 구조물이 삽입되는 중앙 개구와 주변부에 상기 공기유동을 배출하는 배출 개구를 구비하는 바닥, 상기 바닥으로부터 상방으로 연장하고 다각형 실린더 형상을 갖는 벽체 및 상기 벽체의 내측면으로부터 상기 유동공간으로 돌출되어 상기 공기유동을 상기 배출 개구로 안내하는 유동 가이드를 포함하고,
    상기 유동제어 구조물은 제1 단부는 상기 기판의 상면보다 높게 위치하고 상기 제1 단부와 대칭적인 제2 단부는 상기 기판의 하면보다 낮게 위치하도록 상기 기판과 경사지게 대향하는 유동 블레이드 및 상기 유동 블레이드를 상기 보울의 상단부에 연결하는 연결부재를 포함하는 기판 처리장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 회전 척 구조물은 3,500 RPM 내지 4,500 RPM으로 회전하는 기판 처리장치.
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