KR100870525B1 - 기판 세정 장치 - Google Patents

Abstract

기판이 로드되는 스테이지, 상기 기판으로 세정액을 공급하는 세정액 공급부 및 상기 기판에 음파 에너지를 전달하면서 상기 기판을 세정하는 진동자를 포함하는 기판 세정 상치가 제공된다. 상기 진동자는 상기 기판에 인접하는 표면에 홈이 형성된다.

메가소닉, 반도체, 기판, 웨이퍼, 세정

Description

기판 세정 장치{Apparatus for cleaning substrate}

본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음파 에너지를 이용하여 기판을 세정하는 기판 세정 장치에 관한 것이다.

반도체 메모리 소자 또는 평판 표시 장치와 같은 전자 장치는 기판을 포함한다. 상기 기판은 실리콘 웨이퍼이거나 또는 글라스 기판이 될 수 있다. 상기 기판상에는 복수의 도전막 패턴들이 형성되며, 또한 서로 다른 복수의 도전막 패턴들 사이를 절연하는 절연막 패턴들이 형성된다. 상기 도전막 패턴들이나 절연막 패턴들은 노광, 현상 및 식각과 같은 일련의 공정들에 의하여 형성된다.

상기한 일련의 공정들에는 불순물 입자를 제거하는 공정이 포함된다. 왜냐하면, 기판 표면에 불순물 입자가 존재하는 경우 오염을 유발하여 상기 패턴 형성시 불량이 발생될 수 있기 때문이다. 기판으로부터 불순물을 제거하는 방법은 화학적인 방법과 물리적인 방법이 있다. 화학적인 방법은 약액을 사용하여 화학적으로 기판 표면을 처리하는 것이다. 물리적인 방법은 물리적인 힘을 가하여 기판상에 흡착된 불순물 입자를 제거하는 것이다.

그런데, 최근 반도체 장치의 집적도가 증가함에 따라서 반도체 메모리 소자 에서 미세 패턴의 크기가 1㎛ 이하로 감소하고 있어서, 허용 가능한 불순물의 크기도 점점 작아지고 있다. 따라서, 작은 크기의 불순물 입자는 통상적인 세정 방법으로는 용이하게 제거되지 않는다. 또한, 작은 크기의 불순물 입자를 제거하기 위하여, 강한 물리적인 힘을 가하는 경우 기판이 손상될 수 있다.

본 발명의 목적은 기판의 손상을 방지하고 세정 효율을 향상시킨 기판 세정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 기판 세정 장치는 스테이지, 세정액 공급부 및 진동자를 포함한다. 상기 스테이지에는 기판이 로드된다. 상기 세정액 공급부는 상기 기판으로 세정액을 공급한다. 상기 진동자는 상기 기판에 음파 에너지를 전달하면서 상기 기판을 세정하며, 상기 기판에 인접하는 표면에 홈이 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 세정 장치는 스테이지, 세정액 공급부, 진동자 및 진동 발생부를 포함한다. 상기 스테이지에는 기판이 로드된다. 상기 세정액 공급부는 상기 기판으로 세정액을 공급한다. 상기 진동자는 상기 기판에 음파 에너지를 전달하면서 상기 기판을 세정한다. 상기 진동 발생부는 상기 진동자의 단부에 결합되어 진동을 발생하며, 서로 마주보는 전극들 및 상기 전극들 사이에 개재되는 압전체를 갖는다. 상기 전극들 중 적어도 하나는 개구된다.

본 발명에 따르면, 기판에 영역별로 균일한 음파 에너지가 전달되어 전 영역에서 균일하게 세정이 이루어지고 세정 효율이 향상된다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 살펴보기로 한 다. 다만 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다양한 형태로 응용되어 변형될 수도 있다. 오히려 아래의 실시예들은 본 발명에 의해 개시된 기술 사상을 보다 명확히 하고 나아가 본 발명이 속하는 분야에서 평균적인 지식을 가진 당업자에게 본 발명의 기술 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다. 따라서 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 세정 장치의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판 세정 장치는 세정 용기(1), 스테이지(10), 세정액 공급부(40) 및 진동 유닛(100)을 포함한다. 세정 용기(1)는 바닥에 스테이지(10)가 설치된다. 스테이지(10)에는 공정 대상 기판(20)이 안착된다. 스테이지(10)는 기판(20)을 지지하여 고정하는 척이 될 수 있다. 상기 척은 진공 흡입 방식으로 기판(20)을 고정하거나 또는 전기력을 제공하여 기판(20)을 고정할 수 있다. 스테이지(10)는 모터와 같은 구동 수단에 결합되며, 상기 모터의 동작에 의해 회전한다. 따라서, 스테이지(10) 상부에 안착된 기판(20) 또한 세정을 하는 동안 회전하게 된다.

세정 용기(1)는 상부면이 개방되어 있고, 상기 개방된 영역으로 세정액 공급부(40)가 설치된다. 세정액 공급부(40)는 기판(20)을 향하도록 기판(20)으로부터 일정 간격 이격되게 배치된다. 세정액 공급부(40)는 분사 노즐로 구성될 수 있으며, 기판(20) 표면에 지속적으로 세정액을 공급한다. 위와 같이 지속적인 세정액 공급에 의하여, 공정이 진행되는 동안 기판(20) 표면에는 세정액층(30)이 형성된 다.

상기 세정액으로는 기판(20)에 부착된 이물질 제거 및 린스의 목적으로 초순수(deionized water; H₂O)를 사용할 수 있다. 초순수 이외에 케미컬(chemical)이 사용될 수 있다. 상기 케미컬로는, 수산화암모늄(NH₄OH)과 과산화수소(H₂O₂)와 초순수(H₂O)의 혼합액, 불산(HF)과 초순수(H₂O)의 혼합액, 불화암모늄(NH₄F)과 불산(HF)과 초순수(H₂O)의 혼합액, 인산(H₃PO₄)과 초순수(H₂O)와의 혼합액 등 세정시 조건에 따라 적절한 세정액이 선택될 수 있다. 또는, 상기한 다양한 세정액은 제거하고자 하는 이물질의 종류에 따라 이들 중 어느 하나만을 사용하거나 이들 중 일부를 혼합하거나 또는 순차적으로 사용할 수 있다.

진동 유닛(100)은 진동자(110)와 진동 발생부(120)를 포함한다. 진동 발생부(120)는 음파 에너지에 의한 진동을 발생하며, 진동자(110)는 세정액층(30)에 강력한 초음파 진동을 인가한다. 진동 발생부(120)는 진동자(110)의 단부와 결합된다. 진동 발생부(120)는 전기 에너지를 물리적인 진동에너지로 변환시키는 압전체를 포함한다.

세정 공정시, 기판(20)은 소정 방향으로 회전하고 진동 유닛(100)은 수평 방향으로 이동하면서 세정액층(30)에 음파에 의한 강한 진동을 전달한다. 세정액층(30)에 가해지는 진동에 의해 캐비테이션(cavitation) 기포가 파열하여 이물질 사이에 틈을 만들고, 그 틈으로 기포들이 침투하여 파열함으로써 완전하게 기판(20)의 표면으로부터 이물질이 분리된다. 만약, 이물질의 크기가 매우 작은 경우 에는 초음파(Megasonic)를 이용한 세정이 적합하다. 예컨대, 상기 이물질이 1㎛ 이하 정도로 매우 작은 경우에는 메가헤르쯔(MHz) 단위의 주파수를 갖는 초음파 세정이 바람직하다.

진동자(110)는 막대 형상을 가지며, 기판(20)에 대해 경사지게 배치된다. 도 1에 도시되지 않았지만, 진동자(110)는 기판(20)에 대해 수평하거나 수직하게 배치될 수도 있다. 진동자(110)는 초음파 에너지를 효과적으로 전달한다고 알려져 있는 석영(quartz)으로 만들어질 수 있다. 상기 석영은 대부분의 세정액에 대해 사용 가능하다. 다만, 불산을 포함하는 세정액에 대해서는 석영으로 된 진동자(110)가 식각될 염려가 있다. 따라서, 진동자(110)는 석영 이외에 사파이어(sapphire), 탄화규소(silicon carbide), 질화붕소(boron nitride), 탄소 유리 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.

도 2는 기판 세정 장치에서 영역에 따른 음파 에너지 분포를 나타내는 사진이다.

도 2를 참조하면, 장방형의 영역에서 위치에 따라 음파 에너지의 분포가 일정하지 않다. 즉, 상기 영역의 수직으로 이등분하였을 때, 좌측 영역의 음파 에너지가 강하며 우측 영역의 음파 에너지가 약하다. 따라서, 음파 에너지가 강한 영역에서는 음압이 크고 음파 에너지가 약한 영역에서는 음압이 작아져서, 세정이 영역별로 불균일하게 진행될 수 있다. 또한, 웨이퍼를 세정하는 경우 강한 음압이 전달된 영역에서 웨이퍼가 손상될 수도 있다.

도 3은 도 1에서 홈이 형성된 진동자 단부를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 홈에 의한 진동자의 작동 과정을 설명하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 진동자(110)는 그 단부에 홈(111)이 형성된다. 진동자(110)에서 홈(111)이 형성되는 단부는 기판(20)에 인접하는 방향이다. 홈(111)은 상기 방향의 진동자(110)의 표면에 형성되며, 그 개수는 적어도 하나 이상이다. 홈(111)의 모양은 반구형, 원뿔, 육면체 등 다양한 형상이 적용될 수 있다. 또한, 복수의 홈(111)이 형성되는 경우에 그 깊이는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 홈(111)은 음파 에너지와 관련되며, 홈(111)이 형성되는 위치는 음압이 높게 형성되는 영역이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 진동자(110)의 표면과 세정액층(30) 사이의 간격은 홈(111)이 형성 여부에 따라 달라진다. 홈(111)이 형성되지 않은 영역에서 세정액층(30)과 진동자(110) 사이의 간격을 제1 간격(h1)이라 하면, 제1 간격(h1)은 세정액층(30)과 진동자(110) 사이의 이격 거리에 해당한다. 진동자(110)는 세정액층(30)에 거의 인접하며, 제1 간격(h1)은 '0'이 될 수 있다. 한편, 홈(111)이 형성된 영역에서 세정액층(30)과 진동자(110) 사이의 간격을 제2 간격(h2)이라 하면, 제2 간격(h2)은 제1 간격(h1)보다 홈(111)의 깊이만큼 길다.

이 경우, 홈(111)이 형성되지 않은 영역에 있어서 진동 발생부(120)에서 발생된 음파의 전달 경로를 살펴보면, 상기 음파는 진동자(110)를 따라 고체 매질을 경유한 후 제1 간격(h1)의 거리만큼 기체 매질에서 이동한다. 이에 비하여, 홈(111)이 형성되지 않은 영역에 있어서 상기 음파는 제1 및 제2 간격(h1,h2)의 차이만큼 고체 매질 대신 기체 매질을 통하여 더 이동하게 된다.

그 결과, 홈(111)을 경유하여 진행하는 음파와 홈(111)을 경유하지 않는 음파는 그 에너지가 차이나며, 홈(111)을 경유하면서 기체 매질을 더 길게 이동하면서 음압이 낮아진다. 따라서, 음압이 높게 형성되는 영역에 대응되게 홈(111)을 형성한다면, 해당 영역에서 음압이 감소되면서 전체적으로 기판(20) 또는 세정액층(30)에 대하여 균일한 음압이 제공될 수 있다. 또한, 지나치게 높은 음압은 사전에 차단되기 때문에 강한 음압에 의한 기판(20)의 손상을 예방할 수 있다.

상기 실시예는 음파 에너지가 영역별로 불균일하게 발생된 음파에 대하여 이를 기판(20)에 제공하는 단계에서 보정하는 수단을 갖는 장치에 관한 것이다. 이하에서는 다른 실시예로서, 균일성을 갖는 음파 에너지를 발생하는 장치에 관한 실시예를 설명한다.

도 5는 도 1의 진동 발생부에 설치된 압전체 및 개구부가 형성된 전극의 적층 구조를 도시한 단면도이고, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 개구부에 의한 진동 발생부의 작동 과정을 설명하는 도면들이다.

도 5를 참조하면, 진동 발생부(120)는 제1 전극(130), 제2 전극(140) 및 압전체(150)를 포함한다. 제1 및 제2 전극(130,140)은 각각 음극 및 양극으로 작용하며, 외부로부터 전기 에너지가 제공된다. 상기 전기 에너지는 제1 및 제2 전극(130,140) 사이의 압전체(150)에 인가된다. 압전체(150)는 압전 효과에 의해 상기 전기 에너지로부터 음파 에너지를 발생한다. 제1 전극(130), 제2 전극(140) 및 압전체(150)는 진동자(110)의 단부에 부착되며, 상기 음파 에너지는 진동자(110)를 따라 기판(20)으로 전달된다.

제1 전극(130)에는 개구부(131)가 형성된다. 여기서, 개구부(131)가 제1 전극(130)에 형성된 실시예만을 제시하였으나, 개구부(131)는 제1 전극(130)외에 제2 전극(140)에만 형성되거나 또는 제1 및 제2 전극(130,140)에 동시에 형성될 수도 있다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 비교예로써 장방형의 단일 전극(130')이 구비된 경우, 여기서 발생되는 음파 에너지의 분포(점선 표시)는 전극(130')의 중심부와 가장자리에서 균일하지 않다. 예컨대, 도 6a에 도시된 바와 같이, 중심부에서 음파 에너지가 크고 가장 자리에서 음파 에너지가 작아진다. 이 경우, 상기 중심부에 대응하는 영역과 가장자리에 대응하는 영역에서 불균일하게 세정이 될 수 있다. 여기서, 실제 음파 에너지의 분포는 도 6a와 상이하게 형성될 수도 있다. 그러나, 도 6a와 상이한 분포를 갖는 경우에도 하기에서 설명하는 본 실시예의 작동 원리는 동일하게 적용된다.

도 6b를 참조하면, 본 실시예에서 제1 전극(130)은 개구부(131)에 의하여 복수의 서브 전극(130a)으로 분리된다. 복수의 서브 전극(130a)은 상호간에 이격되며, 동일한 형상을 갖고 매트릭스 형상으로 배열된다. 압전체(150)는 전기 에너지를 인가받아 음파 에너지로 전환하기 때문에, 상기 전기 에너지가 인가되는 영역에서만 음파 에너지가 발생된다. 즉, 제1 전극(130)이 복수의 서브 전극(130a)으로 분리된 경우, 각 서브 전극(130a)이 형성된 영역에서만 음파 에너지가 발생되고 제1 전극(130)이 제거되고 개구부(131)가 형성된 영역에서는 음파 에너지가 발생되지 않는다.

이 경우, 상기 분리된 각 서브 전극(130a)에서의 음파 에너지 분포(점선 표시)는 도 6a에 도시된 단일 전극(130')과 그 형상이 유사하다. 각 서브 전극(130a)에 있어서, 음파 에너지 분포는 균일하지 않다. 그러나, 서브 전극(130a)이 차지하는 면적이 작기 때문에 상기 음파 에너지 분포의 불균일한 정도는 단일 전극(130')에 비하여 매우 작아 진다. 이와 같이, 음파 에너지 분포의 불균일성을 각각의 작은 면적을 갖는 서브 전극(130a)으로 분배함으로써, 제1 전극(130)이 형성된 전체 면적에 대해서는 전체적으로 균일한 음파 에너지 분포를 가질 수 있다.

이상으로 진동 발생부에서 균일한 음파 에너지 분포를 갖는 두 가지 실시예들을 살펴보았다. 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 첫번째 실시예에서, 진동 발생부(100)는 진동자(110)의 표면에 홈을 형성함으로써 불균일한 세기를 갖도록 발생된 음파를 기판(20)에 제공되기 이전에 보정한다. 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한 두번째 실시예에서, 압전체(150)에 결합하는 제1 전극(130)(및/또는 제2 전극)에 개구부(131)를 형성함으로써 균일성을 갖는 음파 에너지를 발생한다. 상기 첫번째 및 두번째 실시예는 상호 결합될 수 있으며, 또한 상기 실시예들에 기초한 하기와 같은 다른 실시예들이 있다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 여러가지 실시예에 따라 다양한 홈이 형성된 진동자 단부를 도시한 도면들이다. 도 7a 내지 도 7c는 단면도들이고, 도 7d는 평면도이다.

도 7a를 참조하면, 진동자(110)의 표면에 형성된 홈(111)은 장방형의 단면 형상을 갖는다. 이 경우, 홈(111)이 형성된 영역내에서 그 깊이는 일정하며, 해당 영역에서 음파의 세기는 균일한 정도로 감소된다. 따라서, 음파 에너지의 분포가 다른 영역에 비해 강하되 해당 영역 내부에서는 균일한 강도를 갖는 경우에 장방형의 단면 형상을 갖는 홈(111)을 형성함이 바람직하다.

도 7b를 참조하면, 진동자(110)의 표면에는 반구형의 형상을 갖는 홈(111)이 형성된다. 상기 반구형의 홈(111)은 해당 영역내에서 위치별로 그 깊이가 상이하여, 음파의 세기가 감소되는 정도가 위치에 따라 상이하다. 따라서, 음파 에너지의 분포가 강해지되, 그 정도가 위치에 따라 상이하게 된 영역에 대응하여 반구형의 홈(111)을 형성함이 바람직하다. 다만, 홈(111)의 형상은 반구형에 한정되지 않으며, 굴곡지는 형태를 갖는 여러가지 형상이 포함될 수 있다.

상기 반구형 홈(111)은 서로 다른 깊이를 갖는 제1 홈(111a) 및 제2 홈(111b)을 포함한다. 만약, 음파 에너지의 분포가 영역별로 크게 차이나서 제2 홈(111b)이 형성된 영역이 제1 홈(111a)이 형성된 영역에 비하여 음압이 큰 경우, 깊이가 상이한 복수의 홈(111)을 형성함이 바람직하다.

도 7c를 참조하면, 진동자(110)의 표면에는 장방형의 단면 형상을 갖는 제1 홈(111a)과 반구형의 형상을 갖는 제2 홈(111b)이 형성된다. 음파 에너지의 분포가 다른 영역에 비해 강하되 해당 영역 내부에서는 균일한 강도를 갖는 영역과, 음파 에너지의 분포가 위치에 따라 다소 달라지는 영역이 함께 있는 경우에, 전자의 경우 제1 홈(111a)을 형성하고 후자의 경우 제2 홈(111b)을 형성한다.

도 7d를 참조하면, 진동자(110)의 표면에는 복수의 홈(111)들이 균일하게 매트릭스 형상으로 형성된다. 이는 앞서 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한 두 번째 실시예의 원리와 유사하게, 불균일한 음파 에너지의 분포를 복수의 홈(111)들에 의해 작은 영역으로 분배함으로써 전체적으로 균일한 음파 에너지가 제공되도록 한 것이다.

이상에서 살핀 바와 같이, 상기 실시예들에 따르면 기판을 균일한 압력으로 세정하여 세정 효율이 향상될 수 있다. 또한 소정 영역에서 강한 음압이 전달되어 기판이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 다만, 상기 실시예들은 예시적인 관점에서 설명된 것일 뿐으로, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 갖는 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 세정 장치의 개략적인 단면도이다.

도 2는 기판 세정 장치에서 영역에 따른 음파 에너지 분포를 나타내는 사진이다.

도 3은 도 1에서 홈이 형성된 진동자 단부를 도시한 단면도이다.

도 4는 도 3의 홈에 의한 진동자의 작동 과정을 설명하는 도면이다.

도 5는 도 1의 진동 발생부에 설치된 압전체 및 개구부가 형성된 전극의 적층 구조를 도시한 단면도이다.

도 6a 및 도 6b는 도 5의 개구부에 의한 진동 발생부의 작동 과정을 설명하는 도면들이다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 여러가지 실시예에 따라 다양한 홈이 형성된 진동자 단부를 도시한 도면들이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 세정 용기 10 : 스테이지

20 : 기판 30 : 세정액층

40 : 세정액 공급부 110 : 진동자

120 : 진동 발생부

Claims (10)

1. 삭제
2. 기판이 로드되는 스테이지;

   상기 기판으로 세정액을 공급하는 세정액 공급부; 및

   상기 기판에 음파 에너지를 전달하면서 상기 기판을 세정하며, 상기 기판에 인접하는 표면에 홈이 형성된 진동자를 포함하고,

   상기 홈은 복수로 형성되며, 각 홈은 상기 음파 에너지의 크기에 따라 서로 다른 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 세정 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 각 홈은 상기 음파 에너지가 클수록 그 깊이가 큰 것을 특징으로 하는 기판 세정 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 2항에 있어서,

   상기 진동자는 막대 형상을 가지며, 상기 기판에 대해 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 기판 세정 장치.
7. 기판이 로드되는 스테이지;

   상기 기판으로 세정액을 공급하는 세정액 공급부;

   상기 기판에 음파 에너지를 전달하면서 상기 기판을 세정하는 진동자; 및

   상기 진동자의 단부에 결합되어 진동을 발생하며, 서로 마주보는 전극들 및 상기 전극들 사이에 개재되는 압전체를 갖는 진동 발생부를 포함하고,

   상기 전극들 중 적어도 하나는 개구된 것을 특징으로 하는 기판 세정 장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 전극은 상기 개구된 영역에 의하여 상호 분리된 복수의 서브 전극들을 포함하고, 상기 서브 전극들은 매트릭스 형상으로 배열된 것을 특징으로 하는 기판 세정 장치.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 진동자는 상기 세정액에 대향하는 표면에 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 기판 세정 장치.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 홈은 복수로 형성되며, 상기 각 홈은 상기 음파 에너지의 크기에 따라 서로 다른 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 세정 장치.

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