KR100986587B1 - 침식 방지용 초음파 세정 장치 - Google Patents

침식 방지용 초음파 세정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 세정 등에 사용되는 침식 방지용 초음파 세정 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 진동자에서 발생되는 초음파의 주파수를 조절하여 초음파 발생 표면 위치에서 캐비테이션 현상이 발생하지 않도록 함으로써, 초음파 발생 표면에서의 캐비테이션 현상에 의한 침식을 최대한 방지하는, 침식 방지용 초음파 세정 장치를 제공함에 있다.
본 발명에 의한 침식 방지용 초음파 세정 장치는, 세정액이 수용되어 세정이 필요한 기판이 담겨지는 수조(120); 및 상기 수조(120) 내의 세정액으로 초음파 진동을 인가하도록, 상기 수조(120)의 옆면 상의 서로 마주보는 위치에 각각 구비되는 제1진동자(111) 및 제2진동자(112)로 이루어지는 적어도 한 쌍의 진동자(110); 를 포함하여 이루어지는 초음파 세정 장치(100)에 있어서, 상기 진동자(110)는 상기 제1진동자(111)에서 발생되는 초음파와 상기 제2진동자(112)에서 발생되는 초음파들이 초음파 발생 표면에서 서로 반대의 위상을 가짐으로써 서로 상쇄되도록 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

Description

침식 방지용 초음파 세정 장치 {Ultrasonic Cleaning Apparatus for Preventing Erosion}
본 발명은 침식 방지용 초음파 세정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판을 제조하는 공정은 증착, 리소그래피, 식각, 화학적/기계적 연마, 세정, 건조 등과 같은 단위 공정들의 반복적 수행으로 이루어지게 된다. 이러한 단위 공정들 중에서 세정 공정은, 각각의 단위 공정을 수행하는 동안 반도체 기판의 표면에 부착되는 이물질이나 불필요한 막 등을 제거하는 공정이다. 최근 반도체 기판 상에 형성되는 패턴이 미세화되고 패턴의 종횡비(aspect ratio)가 커짐에 따라, 점차 세정 공정의 중요도가 커지고 있다.
초기에는 기판을 세정하기 위해서 세정액에 기판을 담갔다 꺼내는 방식이 많이 사용되었으나, 상술한 바와 같이 세정 공정의 중요도가 커짐에 따라 세정 장치의 구조에도 많은 발전이 이루어졌다. 현재에는 세정액에 기판을 담근 채 세정액에 수백 kHz 이상의 초음파 진동을 인가함으로써 세정 효율을 증대시키는 구조의 기판 세정 장치가 주로 사용되고 있다.
초음파를 이용한 세정은 주로 입자 가속도와 초음파의 캐비테이션(cavitation) 현상에 의해 이루어진다. 캐비테이션 현상은 초음파의 에너지가 용액 중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해 미세 기포가 생성되고 소멸되는 현상으로, 매우 큰 압력과 고온을 동반한다. 이 충격파에 의해 용액 중에 담겨 있는 피세정물의 내부 깊숙한 보이지 않는 곳까지 단시간 내에 세정이 가능해진다.
상술한 바와 같이 기판 세정 장치에 사용되는 초음파 세정 장치의 일실시예의 간략한 구조가 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시되어 있는 초음파 세정 장치(100)는, 세정액이 수용되어 세정이 필요한 기판이 담겨지는 수조(120)와, 상기 수조(120) 내의 세정액으로 초음파 진동을 인가하도록, 상기 수조(120)의 옆면 상의 서로 마주보는 위치에 각각 구비되는 제1진동자(111) 및 제2진동자(112)로 이루어지는 적어도 한 쌍의 진동자(110)를 포함하여 이루어진다. 상기 진동자(110)는 도 1(A)에 도시된 바와 같이 상기 수조(120) 외부에 배치될 수도 있고, 또는 도 1(B)에 도시된 바와 같이 상기 수조(120) 내부에 배치될 수도 있다. 이 때 상기 진동자(110)는, 일반적으로 압전 소자로 이루어져 전기 신호에 따라 형상 변형을 일으킴으로써 상기 수조(120) 내의 세정액으로 초음파 진동을 인가하게 된다.
한편, 초음파 세정 장치(100)는 상술한 바와 같이 주로 캐비테이션 현상을 이용하여 기판의 세정이 원활하게 이루어지도록 한다. 그런데, 상기 진동자(110)에서 발생되는 압력 변화에 따라 세정액 내로 초음파 진동이 전달되는 바, 이러한 캐비테이션 현상은 초음파 발생 표면 부분, 즉 상기 진동자(110)가 부착된 위치의 상기 수조(120) 내벽 표면(도 1(A)의 경우) 또는 상기 진동자(110)의 표면(도 1(B)의 경우)에서 가장 크게 발생하게 될 것이라는 점을 알 수 있다.
이에 따라, 초음파 발생 표면 부분에서는 다른 부분에 비하여 훨씬 빠른 침식(erosion)이 발생하게 된다는 문제점이 있다. 이에 따라 초음파 세정 장치(100)의 내구성이 저하되거나, 또는 상기 진동자(110)의 작동 효율이 저하되는 등의 문제점이 발생하였으며, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 초음파 세정 장치에 대한 요구가 당업자들 사이에 꾸준히 있어 왔다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 진동자에서 발생되는 초음파의 주파수를 조절하여 초음파 발생 표면 위치에서 캐비테이션 현상이 발생하지 않도록 함으로써, 초음파 발생 표면에서의 캐비테이션 현상에 의한 침식을 최대한 방지하는, 침식 방지용 초음파 세정 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 침식 방지용 초음파 세정 장치는, 세정액이 수용되어 세정이 필요한 기판이 담겨지는 수조(120); 및 상기 수조(120) 내의 세정액으로 초음파 진동을 인가하도록, 상기 수조(120)의 옆면 상의 서로 마주보는 위치에 각각 구비되는 제1진동자(111) 및 제2진동자(112)로 이루어지는 적어도 한 쌍의 진동자(110); 를 포함하여 이루어지는 초음파 세정 장치(100)에 있어서, 상기 진동자(110)는 상기 제1진동자(111)에서 발생되는 초음파와 상기 제2진동자(112)에서 발생되는 초음파들이 초음파 발생 표면에서 서로 반대의 위상을 가짐으로써 서로 상쇄되도록 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 진동자(110)는 상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파의 주파수(f2)가 상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파의 주파수(f1)의 정수 배수로 이루어지거나, 또는 상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파의 주파수(f1)가 상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파의 주파수(f2)의 정수 배수로 이루어지도록 초음파 진동을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진동자(110)는 상기 수조(120)의 내부 또는 외부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진동자(110)는 압전 소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
서로 마주보는 위치에 배치된 한 쌍의 진동자가 세정액으로 초음파 진동을 인가함으로써 기판 세정 효율을 높일 수 있도록 하는 종래의 초음파 세정 장치의 경우, 기판 세정에 유리한 캐비테이션 현상이 실질적으로 초음파 발생 표면에서 가장 크게 일어남으로써 장치 내구성이 크게 저하되는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 진동자에서 발생되는 초음파의 주파수를 조절하여 초음파 발생 표면 위치에서의 압력 변화가 없도록 함으로써, 초음파 발생 표면에서 발생되는 캐비테이션 현상을 최대한 억제하는 큰 효과가 있다. 물론 이에 따라 본 발명에 의하면, 초음파 발생 표면에서의 캐비테이션 현상에 의한 침식이 종래의 장치에 비하여 비약적으로 저감되는 큰 효과가 있다.
도 1은 기판 세정 장치에 사용되는 종래의 초음파 세정 장치의 일실시예.
도 2는 본 발명에 의한 초음파 세정 장치.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 침식 방지용 초음파 세정 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 초음파 세정 장치의 구조를 간략히 도시한 것이다. 또한 도 2(A) 및 도 2(B)에서, 가는 점선으로 표시된 그래프는 상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파를, 가는 실선으로 표시된 그래프는 상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파를 각각 나타낸다. 또한, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파와 상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파의 합성파를 나타낸다.
본 발명에 의한 초음파 세정 장치(100)는 종래의 초음파 세정 장치와 유사하게 세정액이 수용되어 세정이 필요한 기판이 담겨지는 수조(120); 및 상기 수조(120) 내의 세정액으로 초음파 진동을 인가하도록, 상기 수조(120)의 옆면 상의 서로 마주보는 위치에 각각 구비되는 제1진동자(111) 및 제2진동자(112)로 이루어지는 적어도 한 쌍의 진동자(110); 를 포함하여 이루어진다. 도 2에는 상기 진동자(110)가 상기 수조(120)의 외부에 배치되는 것으로 도시되었으나, 물론 상기 진동자(110)는 상기 수조(120)의 내부 또는 외부 어디에든 배치될 수 있다. 또한 상기 진동자(110)는, 일반적인 진동자에 널리 사용되는 부품인 압전 소자를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이 때 본 발명의 초음파 세정 장치(100)는, 종래의 초음파 세정 장치와는 달리, 상기 진동자(110)는 상기 제1진동자(111)에서 발생되는 초음파와 상기 제2진동자(112)에서 발생되는 초음파들이 초음파 발생 표면에서 서로 반대의 위상을 가짐으로써 서로 상쇄되도록 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 여기에서 초음파 발생 표면이란, 상기 진동자(110)가 상기 수조(120)의 외부에 구비되는 경우(도 2 또는 도 1(A)와 같은 경우)에는 상기 진동자(110)가 부착되어 있는 위치의 상기 수조(120)의 내벽을 가리키며, 상기 진동자가 상기 수조(120)의 내부에 구비되는 경우(도 1(B)와 같은 경우)에는 상기 진동자(110)의 표면을 가리킨다.
상기 진동자(110)에서 초음파가 발생되기 때문에, 당연히 초음파 발생 표면에서는 발생되는 초음파 크기가 가장 크게 형성되게 된다. 이 때, 종래의 초음파 진동 장치의 경우 이 초음파 출력에 대한 고려를 하지 않았기 때문에, 초음파 발생 표면에서의 유체 압력 변화가 가장 크게 일어났으므로, 캐비테이션 현상에 대한 영향이 초음파 발생 표면에서 가장 크게 발생하게 되었다. 따라서 종래에는 초음파 발생 표면에서 빠르게 침식이 진행되게 되는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제를 제거하기 위하여, 서로 마주보는 위치에 배치되는 한 쌍의 상기 진동자(110)(즉 상기 제1진동자(111) 및 상기 제2진동자(112))가 각각 발생시키는 초음파가 초음파 발생 표면 위치에서 서로 상쇄됨으로써, 초음파 발생 표면 위치에서의 합성파 크기가 0이 되도록 상기 진동자(110)의 초음파 발생을 제어하게 하였다. 이 때, 상기 수조(120)의 내부 영역에서는 상기 제1진동자(111) 및 상기 제2진동자(112)에 의해 각각 발생되는 초음파들의 합성파에 의하여 세정액의 진동이 존재하며, 이에 따라 상기 수조(120) 내부에 담겨지는 기판은 활발한 캐비테이션 현상을 통해 빠른 세정이 이루어질 수 있다. 반면, 초음파 발생 표면에서는 합성파의 크기가 0인 바 캐비테이션 현상이 일어나지 않아, (종래에 캐비테이션 현상으로 인하여 발생되었던) 초음파 발생 표면에서의 침식을 원천적으로 방지할 수 있게 되는 것이다.
상기 제1진동자(111) 및 상기 제2진동자(112)에서 발생되는 초음파가 초음파 발생 표면에서 서로 상쇄되도록 하기 위해서는, 가장 쉬운 예로는 각각의 진동자(111)(112)에서 발생되는 초음파의 출력과 주파수가 동일하되 서로 위상이 반대가 되도록 하면 되나, 이와 같이 할 경우 전체적으로 완전히 상쇄가 이루어져 버려 세정액 내에서의 초음파 진동이 발생하지 않게 된다. 따라서 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 각각의 진동자(111)(112)에서 발생되는 초음파의 출력은 동일하되, 서로 위상이 반대가 됨과 동시에 한 쪽 진동자에서 발생되는 초음파의 주파수가 다른 쪽 진동자에서 발생되는 초음파의 주파수의 정수 배수가 되도록 할 경우 상술한 바와 같은 조건(각각의 진동자(111)(112)에서 발생된 초음파가 초음파 발생 표면에서 서로 상쇄될 조건)을 가장 쉽게 만족시킬 수 있게 된다.
보다 상세히 설명하자면, 상기 진동자(110)는 상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파의 주파수(f2)가 상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파의 주파수(f1)의 정수 배수로 이루어지거나, 또는 상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파의 주파수(f1)가 상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파의 주파수(f2)의 정수 배수로 이루어지도록 초음파 진동을 발생시키도록 하는 것이 바람직하다.
물론 이는 하나의 예시일 뿐으로, 합성파의 크기가 초음파 발생 표면에서 0이 되도록만 한다면, 다른 어떤 방식으로 초음파를 발생시켜도 무방하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 초음파 세정 장치
110: 진동자
111: 제1진동자
112: 제2진동자
120: 수조

Claims (4)

  1. 세정액이 수용되어 세정이 필요한 기판이 담겨지는 수조(120); 및 상기 수조(120) 내의 세정액으로 초음파 진동을 인가하도록, 상기 수조(120)의 옆면 상의 서로 마주보는 위치에 각각 구비되는 제1진동자(111) 및 제2진동자(112)로 이루어지는 적어도 한 쌍의 진동자(110); 를 포함하여 이루어지는 초음파 세정 장치(100)에 있어서,
    상기 진동자(110)는 상기 제1진동자(111)에서 발생되는 초음파와 상기 제2진동자(112)에서 발생되는 초음파들이 초음파 발생 표면에서 서로 반대의 위상을 가짐으로써 서로 상쇄되도록 초음파를 발생시키되,
    상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파의 주파수(f2)가 상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파의 주파수(f1)의 정수 배수로 이루어지거나, 또는
    상기 제1진동자(111)가 발생시키는 초음파의 주파수(f1)가 상기 제2진동자(112)가 발생시키는 초음파의 주파수(f2)의 정수 배수로 이루어지도록 초음파 진동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 침식 방지용 초음파 세정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 진동자(110)는
    상기 수조(120)의 내부 또는 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 침식 방지용 초음파 세정 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 진동자(110)는
    압전 소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 침식 방지용 초음파 세정 장치.
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