KR101333288B1 - 디스크상 기판의 습식처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

초음파 에너지를 이용한 평판상 기판의 습식 처리장치 및 이 처리장치에 관련된 습식 처리방법에 개시된다.

평판상, 기판, 웨이퍼, 습식, 처리, 트랜스듀서, 진동

Description

디스크상 기판의 습식처리 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR WET TREATING DISC-LIKE SUBSTRATES}

본 발명은 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이 또는 콤팩트 디스크와 같은 평평한 디스크상 기판의 습식처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 이하에서 사용된 웨이퍼라는 용어는 상기 디스크상 기판을 의미한다. 특히, 본 발명은 초음파 에너지를 이용한 습식처리 장치에 관한 것이다. 이하에서 사용된 초음파라는 용어는 특수형태의 초음파, 예로써 1MHz 이상의 초음파인 메가소닉파(megasonic)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

US 4401131 Al에는 웨이퍼를 진공 스핀척으로 홀딩하여 회전시키는 웨이퍼 세정장치가 개시되어 있다. 동시에, 세정액은 트랜스듀서 플레이트 및 웨이퍼 사이에 공급된다. 상기 트랜스듀서 플레이트는 압전소자에 의해 교반된다. 액체는 트랜스듀서 플레이트의 중앙에 형성된 개구를 통해 웨이퍼와 트랜스듀서 사이에 공급된다. 초음파는 웨이퍼의 전체에 공급된다. 이 장치는 일 회에 웨이퍼의 일면만 처리할 수 있고, 웨이퍼의 타면은 스핀척에 기계적으로 접촉되어 있다는 단점을 가지고 있다.

US 5979475 A1에는 2개의 평행배열의 플레이트를 포함하고, 상기 양 플레이 트 사이에 개재시킨 웨이퍼의 양면을 처리하기 위한 초음판 진동장치를 선택사항으로 구비하는 웨이퍼 세정장치가 개시되어 있다. 상기 웨이퍼는 각 플레이트의 중앙개구를 통해 도입된 액체에 의해 형성된 액체 쿠션에 의해 부유(float)된다. 상기 웨이퍼는 다른 요소에 의해서는 홀딩되어 있지 않으므로 자유로운 회전이 가능하다. 이 장치는 상기 2개의 플레이트 사이에 부유상태로 개재된 웨이퍼는 제어가 극히 어렵고, 따라서 대부분의 시간 동안 극히 불안정 시스템이 된다는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 안정한 처리상황을 달성하기 위해 제어가 용이한 장치를 이용하여 웨이퍼의 양면을 동시에 액체로 처리하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 초음파 에너지를 세정에는 충분한 양으로 그러나 국부적 고 집중은 방지하도록 웨이퍼에 공급하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 환경문제 및 비용절감을 고려하여 극소량의 액체를 이용하여 웨이퍼를 처리하는 것이다.

상기 목적에 부합하는 본 발명의 평판상 기판의 습식 처리장치는,

- 제1플레이트,

- 상기 제1플레이트에 실질적으로 평행한 제2플레이트,

- 상기 제1플레이트 및 제2플레이트 사이에서 상기 양 플레이트에 대해 실질적으로 평행한 자세로 웨이퍼를 홀딩하는 홀딩 수단,

- 상기 제1플레이트와 처리중인 웨이퍼 사이의 제1틈새 내에 액체를 도입하기 위한 제1분주 수단, 상기 제2플레이트와 처리중인 웨이퍼 사이의 제2틈새 내에 액체를 도입하기 위한 제2분주 수단,

- 적어도 상기 제2플레이트에 음향적으로 연결되는 적어도 하나의 진동소자,

- 상기 제2플레이트에 대해 실질적으로 수직인 축선을 중심으로 상기 홀딩 수단 및 제2플레이트를 상호 회전시키는 회전수단을 구비한다.

제1플레이트 및 제2플레이트는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(예, Teflon^TM)과 같은 중합체 재료, 코팅 표면을 가지는 금속, 또는 사용되는 처리 액체에 대해 불활성이거나 적절한 코팅을 구비하는 임의의 다른 물질로 제작할 수 있다. 플레이트는 플레이트의 기능을 하는 평평한 표면을 가지는 모든 형상의 물체를 포함한다. 상기 물체는 원추형, 원추대형, 원통형, 원형의 디스크 등으로 구성할 수 있다.

상기 적어도 하나의 진동소자는 압전 트랜스듀서로 구성할 수 있다. 상기 압전 트랜스듀서는 통상 수정(quartz), 스텐레스강, 알루미늄, 유리 또는 사파이어와 같은 강체 재료로 제작된 적절한 공진기(resonator)에 접착시켜야 한다. 상기 플레이트의 재료가 강체 재료가 아니면, 공진기는 물과 같은 중간 매질을 통해 상기 플레이트에 연결되지 못한다.

본 발명의 이점은 진동소자가 부착된 제2플레이트가 처리대상의 웨이퍼에 근접함으로써 초음파 음향 에너지가 웨이퍼에 정확하게 가해질 수 있는 것이다.

동시에 상기 제1플레이트는 웨이퍼를 통과한 초음파 에너지를 흡수할 수 있다. 따라서, 반사된 초음파와 1차 초음파 사이의 불필요한 간섭을 예방할 수 있다. 상기와 같은 초음파 에너지 드레인(energy-drain)을 향상시키기 위해 제1플레이트에 감쇄 요소(damping elements)를 부착시킬 수 있다.

본 발명의 다른 이점은 웨이퍼를 초음파 에너지장 내에서 이동시킴으로써 웨이퍼에 균일하게 초음파가 가해지게 되는 것이다.

바람직한 실시예에 있어서 필요한 것은 아니지만 상기 플레이트들을 실질적으로 수평으로 배열시킴으로써 웨이퍼를 더 용이하게 장치에 장입할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 2개의 플레이트 중의 적어도 하나를 회전시키기 위한 수단이 제공된다. 상기 회전수단은 제1플레이트 또는 제2플레이트를 회전시킬 수 있도록 구성할 수 있다.

상기 회전수단이 제1플레이트를 회전시키기 위한 것일 경우, 홀딩수단이 제1플레이트에 부착되어 있을 때, 상기 제2플레이트에 실질적으로 수직인 축선을 중심으로 상기 홀딩수단과 제2플레이트를 동시에 상호 상대회전시키는 수단으로 구성할 수 있다. 이 경우, 홀딩수단은 상기 회전이 가능한 플레이트와 함께 회전될 수 있다.

상기 회전수단이 제2플레이트를 회전시키기 위한 것일 경우, 홀딩수단이 제2플레이트에 부착되어 있지 않을 때, 상기 제2플레이트에 실질적으로 수직인 축선을 중심으로 상기 홀딩수단과 제2플레이트를 동시에 상호 상대회전시키는 수단으로 구성할 수 있다. 이 경우, 홀딩수단은 상기 회전이 가능한 플레이트와 함께 회전될 수 없다.

상기 홀딩수단과 제1플레이트를 결합하여 홀딩유닛을 형성하면 홀딩수단의 구성을 제1플레이트 내에 수용시킬 수 있는 이점이 얻어진다.

홀딩수단이 웨이퍼를 단단히 그리핑(gripping)하기 위한 그리핑수단을 구비하면, 웨이퍼는 마찰력에 의해서만 홀딩되지 않는다.

제2플레이트를 회전 불가능하게 구성하면, 진동소자가 설치된 플레이트는 회전시킬 필요가 없는 이점이 있는데, 이것은 압전 트랜스듀서와 같은 진동소자에 부착되거나 접속된 전자기기에 있어서 바람직한 구조이다.

다른 실시예는 액체 수집기를 더 포함한다. 이 액체 수집기는 액체에 의해 처리중인 웨이퍼로부터 흘러나오는 액체를 수집하기 위해 상기 홀딩수단의 외주부를 둘러싸고 있다. 상기 액체 수집기는 또한 컵 또는 스플래시가드(splashguard)라고도 한다.

일 실시예에 있어서, 제2플레이트는 상기 액체 수집기에 대해 시일되어 있으므로 진동소자 및 그 전자기기가 젖는 것이 방지된다. 이와 같은 시일구조는 제2플레이트를 액체 수집기에 영구적으로 용접시키거나 이들 2부재를 일체로 형성함으로써 달성할 수 있다.

본 장치는 상기 제1, 2플레이트의 사이에 웨이퍼를 삽입하거나 그로부터 웨이퍼를 취출해 내기 위해 상기 양 플레이트 사이의 간격을 변화시키는 수단을 더 포함한다. 상기 간격을 변화시키는 수단은 예를 들면 유체 요소, 기압 요소 또는 전자기 요소(예, 벨트 드라이브, 볼 스핀들)로 구성할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 처리중인 웨이퍼와 제1플레이트 사이의 틈새를 0.1 mm 내지 10 mm, 바람직하게는 0.5 mm 내지 5 mm 로 형성하도록 제1플레이트와 홀딩수단을 소정의 거리로 유지하기 위한 제1스페이서 수단이 설치된다. 제1스페이서 수단은 복수의 그리핑 핀(gripping pins)으로 구성할 수 있다. 틈새를 작게 하면 웨이퍼의 처리에 필요한 액체의 양을 매우 소량으로 줄일 수 있는 이점이 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 처리중인 웨이퍼와 제2플레이트 사이의 틈새를 0.1 mm 내지 10 mm, 바람직하게는 0.5 mm 내지 5 mm 로 형성하도록 제2플레이트와 홀딩수단을 소정의 거리로 유지하기 위한 제2스페이서 수단이 설치된다. 상기 제2스페이서 수단은 동시에 제1플레이트와 제2플레이트의 간격을 변화시키는 수단이 될 수도 있다.

상기 적어도 하나의 진동소자 중의 적어도 하나는, 웨이퍼에 대해 제공된 평면에 대해 85°내지 60°의 각도(α')를 취한 상태에서 처리될 때 초음파가 실질적으로 웨이퍼에 조사되도록, 웨이퍼에 대면하는 제2플레이트의 표면에 대해 배열된다.

이와 같은 구성은 예를 들면 상기 적어도 하나의 진동소자 중의 적어도 하나를 웨이퍼에 대해 형성된 평면에 대해 5 내지 30°도의 각도(α)로 경사진 경사면에 배열시킴으로써 얻을 수 있다. 다른 구성예로서, 복수의 진동소자를 설치하고 있는 플레이트는 경사면의 적어도 일부를 포함하는 웨이퍼에 대면하는 일 표면을 구비한다. 이와 같은 구성은 플래피드(flapped) 디스크 또는 원추형 표면과 유사한 (웨이퍼에 대면하는) 일 표면을 구비하고, 웨이퍼에 대해 제공된 평면과 플레이트의 중앙부 사이의 거리가 웨이퍼에 대해 제공된 평면과 플레이트의 가장자리부 사이의 거리에 비해 큰 거리를 가지는 플레이트에 의해 실시될 수 있다.

5 내지 30°의 각(α)은 특정의 소망의 양의 캐비테이션을 발생하고 이로 인해 세정 효율이 향상되는 이점이 있다. 28°의 각, 950 MHz의 주파수에서 200 mm의 실리콘 웨이퍼는 초음파에 대해 투과성이 있다(이 각도 효과에 대해서는 1999년 하와이에서 개최된 전기화학회(ECS)에서 A. Tomozawa가 발표한 "The Visual Observation and the Simulation of Ultrasonic Transmission through Silicon in Mega-sonic Single Wafer Cleaning System" 에 더욱 상세히 설명되어 있다). 초음파에 대해 투과성이 있는 웨이퍼를 초음파로 처리하면 웨이퍼의 일면에 초음파를 조사하는 것만으로도 웨이퍼의 양면을 세정시킬 수 있는 가능성이 있으므로 유리하고, 또한, 초음파로 처리되는 반도체 재료에 손상을 입힐 수 있는 정상파(standing wave)의 발생을 방지할 수 있다(상세한 설명은 US2003/0024547A1 참조).

초음파가 제1매질을 통해 평행한 주평면(main plane)을 구비하는 플레이트의 주표면(main surface)에 연결되면, 전반사가 회피되어야 하는 것을 고려해야한다. 상기 제1매질이 물이고, 상기 플레이트가 알루미늄으로 제작된 것이면, 상기 평면에 대해 경사를 이루는 진동소자의 경사각은 14°이하로 해야 한다.

상기 제1 및 제2틈새 중의 적어도 하나에는 습식 처리의 직후에 웨이퍼를 건조시키기 위해 각각의 틈새로부터 액체를 배출시키기 위한 추가의 기체 분주기가 설치될 수 있다. 상기 제1플레이트 및 제2플레이트의 양자에 대해 기체 분주기를 설치할 수도 있다.

상기 제1플레이트 및 제2플레이트 중의 적어도 하나에 형성된 개구가 회전중심을 포함하고 있지 않으면, 액체는 상기 플레이트와 웨이퍼 사이의 회전중심의 상측으로 수직방향으로 이동한다. 이로 인해 데드볼륨(dead volume) 영역이 발생할 가능성이 방지된다.

적어도 하나의 진동소자를 상기 회전축선의 영역을 커버하도록 배열하면, 웨이퍼 전체 표면에 초음파가 도달할 수 있다.

다른 실시예는 웨이퍼의 처리 중에 상기 홀딩수단의 홀딩 요소들을 개폐시키는 수단을 더 포함한다. 상기 개폐수단은 편심이동이 가능한 복수의 핀을 구동하는 투스기어를 서보모터로 요동시키거나 각 핀을 자기스위치 또는 압전스위치로 구동시킴으로써 얻을 수 있다.

적어도 하나의 플레이트는 적어도 부분적으로 물의 특정 음향 전파 속도(specific sound-propagation velocity)에 비해 20% 이하로 지연된 특정 음향 전파 속도를 가지는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 이것은 플레이트의 표면 경계에서 액체 내로 반사되는 초음파의 양을 감소시킨다.

본 발명의 다른 관점은 단일 웨이퍼의 습식 처리방법에 있다. 상기 처리방법은 다음의 특징을 포함한다.

- 평면(B)에 단일 웨이퍼를 홀딩하는 단계. 평면(B)는 상기 웨이퍼의 주표면(main surfaces)에 평행한 웨이퍼의 대칭면으로서 규정된다.

- 상기 웨이퍼에 대면하는 평면(A)을 가지는 제1플레이트를 제공함으로써 거리가 d1인 제1틈새를 형성하는 단계.

- 상기 웨이퍼에 대면하는 평면(C)을 가지는 제2플레이트를 제공함으로써 거리가 d2인 제1틈새를 형성하는 단계.

- 상기 제1틈새 내에 제1액체를 도입함으로써 상기 제1틈새를 실질적으로 완전히 충만시키는 단계.

- 상기 제2틈새 내에 제2액체를 도입함으로써 상기 제2틈새를 실질적으로 완전히 충만시키는 단계.

- 상기 제2플레이트에 초음파 에너지를 가하는 한편 상기 제1플레이트에는 상기 제2플레이트에 가해진 초음파 에너지의 10% 이하의 에너지를 가하는 단계.

- 상기 웨이퍼의 주 표면에 실질적으로 수직인 회전축선을 중심으로 상기 웨이퍼와 제2플레이트를 상호 상대회전시키는 단계.

이 방법의 이점은 초음파 에너지의 드레이닝(draining) 및 흡수, 그리고 경계층 상에서의 초음파의 반사를 방지함으로써 제1초음파 및 제2초음파(반사된 초음파) 사이의 불필요한 간섭을 방지하는 것에 있다.

일 실시예에 있어서, 웨이퍼는 회전하고, 그 결과 웨이퍼와 인접 플레이트 사이에 추가의 전단속도(shear rate)가 발생됨으로써 세정효율이 향상된다. 그러나, 상기 제2플레이트를 회전시킬 수도 있다.

처리 기간 중에 실질적으로 상기 제2플레이트는 적어도 일시적으로 웨이퍼의 일측의 모든 부분을 커버한다.

상기 제2액체는 회전축선으로부터 벗어난 위치의 개구를 통해 상기 제2틈새 내에 도입된다.

본 발명의 또 다른 관점은 하기를 포함하는 웨이퍼의 습식 처리장치에 있다.

- 제1플레이트.

- 상기 제1플레이트에 실질적으로 평행한 특정 거리 내에서 웨이퍼를 홀딩하기 위한 홀딩 수단.

- 상기 제1플레이트와 처리중인 웨이퍼 사이의 제1틈새 내에 액체를 도입하기 위한 제1분주수단.

- 상기 제1플레이트에 음향적으로 연결된 적어도 하나의 진동소자.

- 상기 제2플레이트에 실질적으로 수직인 축선을 중심으로 상기 홀딩수단과 제1플레이트를 상호 회전시키기 위한 회전수단.

- 초음파를 처리중인 웨이퍼에 대해 89°이하(바람직하게는 85°이하)의 각도로 조사시키기 위해 제공되는 복수의 조절요소.

초음파를 89°의 각(α')으로 웨이퍼에 조사시키면 정상파(standing wave)의 발생을 예방할 수 있다. 이 효과는 각(α')이 85°이하일 때 더 향상된다.

본 발명의 장치에서, 상기 조절요소는 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 중의 적어도 하나가 설치되는 경사면 또는 복수의 경사면을 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 경사면에 설치되는 상기 적어도 하나의 트랜스듀서는 중간 액체 쳄버에 음향적으로 연결되고, 또 상기 중간 액체 쳄버는 상기 제1플레이트에 음향적으로 연결된다. 상기 쳄버 내의 액체는 멤브레인을 개재하여 웨이퍼 처리액으로부터 분리시킬 수 있다. 상기 멤브레인은 플라스틱(예, 폴리테트라플로오로에텐(poly tetra fluor ethene)), 금속(예, 스텐레스강) 또는 초음파 에너지를 전송할 수 있는 임의의 다른 물질로 제작할 수 있다.

상기 중간 액체 쳄버를 냉각 회로에 연결하면, 쳄버 내에는 액체가 항구적으로 재충만되고, 그 결과 상기 중간 액체 쳄버의 냉각이 가능해지므로 웨이퍼에 열이 과도하게 축적되는 것을 방지할 수 있다.

다른 실시예에 있어서 상기 조절요소는 복수의 트랜스듀서로 구성된 어레이(array)를 포함한다. 이 트랜스듀서 어레이는 이 트랜스듀서 어레이로부터 조사되는 초음파의 조사각이 89°이하(바람직하게는 85°이하)의 각(α')이 되도록 위상 변위되도록 상기 복수의 트랜스듀서를 별도로 요동시키기 위한 적어도 하나의 초음파 생성기를 구비한다. 이것은 파면이 1°이상(바람직하게는 5°이상)의 각도(α)만큼 경사를 이루는 것을 의미한다. 파면은 20°내지 45°, 더욱 바람직하게는 25°내지 40°의 각(α)만큼 경사를 이루는 것이 바람직하다.

상기 조절요소가 복수의 트랜스듀서 어레이를 포함하면, 상기 어레이는 처리중인 웨이퍼에 대해 제공되는 평면에 평행하게 배치시킬 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 트랜스듀서 어레이는 2차원 배열된 복수의 트랜스듀서(예, 최소 5개×5개)로 구성한다.

제1플레이트와 이 제1플레이트에 대면하는 웨이퍼 표면 사이의 거리(a) 및 트랜스듀스 배열 중의 2개의 인접하는 트랜드듀서의 중심간 평균거리(d)의 비가 5보다 크면(a/d > 5), 양호한 성능을 달성할 수 있다.

소망의 초음파 파장(l)과 트랜스듀서 어레이 중의 2개의 인접하는 트랜스듀서의 중심간 평균거리(d)의 비가 1보다 큰 것(l/d > 1)이 바람직하다. 환원하면, 트랜스듀서 어레이 중의 인접하는 트랜스듀서의 중심간 평균거리(d)는 파장(l)보다 크지 않은 것(l > d)이 바람직하다. 상기 거리(d)는 소망의 파장(l)의 1/2보다 크지 않은 것이 바람직하다. 상기 트랜스듀서 및 초음파 발생기가 1 MHz(= 10⁶ 1/s)의 특정 파장에 대해 설계되고, 상기 흡식 처리장치가 1500 m/s의 음향 전파 속도를 가지는 수용액에 대해 구성된 것이면, 소망의 파장은 1.5 mm이 된다. 평균거리(d)는 2 mm 미만, 바람직하게는 0.5 mm 미만이 된다.

바람직한 실시예에 있어서, 트랜스듀서 어레이의 폭(D)은 제1플레이트와 이 제1플레이트에 대면하는 웨이퍼 사이의 거리(d1)의 적어도 3배(D ≥ 3*dl)로 한다.

바람직한 처리장치는 상기 제1플레이트에 실질적으로 평행한 제2플레이트를 포함한다. 상기 제2플레이트는 이 제2플레이트 및 처리중인 웨이퍼 사이의 제2틈새 내에 액체를 도입하기 위한 제2분주 수단을 구비한다. 이와 같은 구조에 의해 웨이퍼의 양면을 동시에 세정시킬 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 하기의 단계를 포함하는 단일 웨이퍼를 습식처리하는 방법에 있다.

- 평면(B) 내에 단일 웨이퍼를 홀딩하는 단계.

- 상기 웨이퍼에 대면하는 평면(A)을 구비하는 제1플레이트를 제공하고, 이것에 의해 거리가 d1인 제1틈새를 형성하는 단계.

- 상기 제1틈새 내에 제1액체를 도입하여 상기 제1틈새를 실질적으로 완전히 충만시키는 단계.

- 초음파 에너지가 상기 평면(B)에 89°이하(85°이하)의 각도(α)로 가해지도록 상기 제1플레이트에 초음파 에너지를 가하는 단계.

- 상기 웨이퍼의 주표면에 실질적으로 수직인 회전축을 중심으로 웨이퍼와 제2플레이트를 상대회전시키는 단계.

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단일 웨이퍼의 다른 습식 처리방법은 하기의 단계를 더 포함한다.

- 상기 웨이퍼에 대면하는 평면(C)을 구비하는 제2플레이트를 제공하고, 이것에 의해 거리가 d2인 제2틈새를 형성하는 단계.

- 상기 제2틈새 내에 제2액체를 도입하여 상기 제2틈새를 실질적으로 완전히 충만시키는 단계.

처리기간 중에 웨이퍼의 일측면의 실질적으로 모든 부분은 적어도 일시적으로 제2플레이트에 의해 커버시키는 것이 바람직하다.

청구항 33의 방법에 있어서, 초음파 에너지가 상기 평면(B)에 89°이하(바람직하게는 85°이하)의 각도(α')로 가해지도록 상기 제1플레이트에 가해지는 초음파 에너지는 89°이하(바람직하게는 85°이하)의 각도(α')로 상기 트랜스듀서 어레이로부터 조사되는 초음파를 발생시키기 위해 상기 복수의 트랜스듀서를 위상 변위되도록 별도로 요동시키는 적어도 하나의 초음파 발생기를 구비하는 복수의 트랜스듀서로 구성된 어레이에 의해 발생된다.

바람직한 처리방법에 있어서, 각(α')은 액체에 의한 웨이퍼의 처리중에 변경된다. 이 경우, 트랜스듀서를 예를 들면 서보모터로 이동시키거나 복수의 트랜스듀서로 이루어지는 어레이의 경우 위상변위를 변경시킨다.

이하, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 보다 상세한 내용과 이점에 대해 설명한다.

도 1은 웨이퍼의 습식처리 중인 본 발명의 제1실시예의 도식적인 횡단면도이다.

도 2는 웨이퍼를 장착하기 위해 개방 상태에 있는 본 발명의 제1실시예의 도식적인 횡단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예의 도식적인 횡단면도이다.

도 4는 본 발명의 제3실시예의 도식적인 횡단면도이다.

도 5는 본 발명의 제4실시예의 도식적인 횡단면도이다.

도 6은 본 발명의 제5실시예의 도식적인 부분 측사시도이다.

도 7은 본 발명의 제6실시예의 도식적인 부분 측사시도이다.

도 8은 2차원 트랜스듀서 어레이의 확대도이다.

도 9는 1차원 트랜스듀서 어레이의 확대도이다.

도 10은 트랜스듀서 어레이의 상변위를 설명하는 도식적 측면도이다.

도 1은 본 발명에 따른 습식처리 장치(1)를 도시한 것이다. 중앙 개구(42)를 구비하는 수평 장착 플레이트(41) 상에는 연직축선(A)을 구비하는 샤프트 모터(8) 가 장착되어 있다. 상기 중공 샤프트 모터는 스테이터(8s), 로우터(8r) 및 상기 로우터(8r)에 고정된 중공 회전 샤프트(23)를 구비하고 있다.

중공 샤프트(23)의 하단부는 제1장착 플레이트(41)의 중앙개구를 관통하여 상기 중공 샤프트(23)에 대해 수직인 제1플레이트(31)에 연결되어 있다. 상기 제1플레이트(31)는 원형의 디스크 형태를 구비하고, 중공 샤프트(23)의 중심축선(A)은 상기 제1플레이트(31)의 중앙을 관통한다. 상기 제1플레이트(31)는 그리핑 장치(gripping device/스핀척)의 일부이고, 그리핑 장치는 편심방향으로 이동할 수 있는 복수의 그리핑 핀(35)을 더 구비한다. 상기 복수의 핀(35)은 예로써 US 4903717에 기재된 바와 같은 투스 기어(tooth gear; 도시생략)를 통해 편심 이동된다. 다른 핀 운동기구는 US 5788453 또는 US 5156174에 기재되어 있다. 도시된 실시예는 6개의 핀을 구비한다. 또는 3개의 핀만을 사용할 수 있으며, 이들 중 웨이퍼를 확실히 홀딩하기 위해 하나의 핀만 편심 이동할 수 있게 되어 있다. 다른 그리핑(클램핑) 요소를 사용하면, 핀의 수는 2개(하나는 이동요소)로 줄일 수 있다. 상기 제1플레이트(31)는 하향배치되어 있고, 따라서 핀(35)은 제1플레이트(31)의 하면에 웨이퍼(W)를 홀딩하기 위해 하향돌출되어 있다. 상기 그리핑 장치의 회전 중에 상기 핀들을 개방시키는 것이 가능하면(예를 들면, 투스 기어가 서모 모터에 의해 요동되거나 각 핀이 마그네틱 스위치에 의해 요동되면), 웨이퍼는 2개의 액체 쿠션 사이에서 자유로운 부유상태로 유지될 수 있다.

상기 제1플레이트(31)의 하측에는 이 제1플레이트와 실질적으로 평행하게 제2플레이트가 설치되어 있다. 상기 제2플레이트(32)는 원형의 디스크 형태를 구비하 고, 중공 샤프트(23)의 중심축선(A)은 상기 제2플레이트(32)의 중앙을 관통한다. 상기 제2플레이트(32)의 외주부에는 컵보울(cup bowl) 또는 스플레시가드(splashguard)라고도 부르는 환형 액체 수집기(10)가 설치되어 있다. 제2플레이트(32)는 액체 수집기에 대해 O링 시일(도시생략)로 시일시키거나, 상기 제2플레이트(32)를 액체 수집기의 일부로서 형성한다. 상기 액체 수집기는 액체를 수집하기 위한 환형 덕트(14)를 구비한다. 상기 환형 덕트(14) 내에는 웨이퍼의 습식 처리 중에 웨이퍼로부터 비산된 액체가 수용되고, 이 액체는 상기 환형 덕트(14)의 바닥부의 부근에 형성된 개구(도시생략)를 통해 배출된다. 상기 액체 수집기의 상기 환형 덕트(14)의 상측에는 습식 처리시 생성된 가스 및 증기를 수용하기 위해 내향 배치한 환형 가스흡입 노즐이 더 구비되어 있다. 상기 제1플레이트와 액체 수집기의 사이에 0.2-5.0 mm의 틈새가 형성되도록 상기 제1플레이트를 액체 수집기 내에 삽입할 수 있도록, 상기 액체 수집기(10)의 상부의 내경은 제1플레이트(31)의 외경에 비해 약간만 크게 형성되어 있다. 상기 틈새는 처리중에 대기로부터 웨이퍼를 시일하는데 충분할 정도로 작아야 하며, 그러나 제1플레이트의 회전중에 제1플레이트(31)와 액체 수집기(10) 사이의 마찰이 발생하지 않을 정도로 충분히 커야 한다.

상기 액체 수집기(10)는 제2장착 플레이트(43)에 연결되어 있다. 상기 제2장착 플레이트(43)는 승강수단(45)을 통해 제1장착 플레이트(41)에 연결되어 있다. 상기 승강수단은 상기 2개의 장착 플레이트(41 및 43)의 상대적인 수직위치를 변경하기 위한 것이다. 상기 제2장착 플레이트(43)를 기계 프레임(도시생략)에 연결시키면, 상기 승강수단(45)은 그리핑 수단(35) 및 제1플레이트(31)를 포함하는 스핀 척과 함께 상기 제1장착 플레이트(41)를 승강시킬 수 있다. 상기 제1장착 플레이트(41)를 기계 프레임에 연결시키면, 상기 승강수단(45)은 상기 액체 수집기(10) 및 제2플레이트(32)와 함께 제2장착 플레이트(43)를 승강시킬 수 있다. 상기 수직운동은 화살표(Z)로 표시하였다.

상기 제2플레이트(32)의 상기 제1플레이트(31)에 대해 반대측인 면 상에는 복수의 초음파 진동소자(4)가 음향적으로 부착되어 있다. 상기 진동소자(4)는 제2플레이트(32)의 습식처리 중에 웨이퍼를 덮는 부분의 직경을 실질적으로 완전히 덮도록 배열되거나, 제2플레이트의 전체에 분산 배열되어 있다. 상기 진동소자(4)는 압전 트랜스듀서로 구성할 수 있다.
제1플레이트(31)의 회전중심인 회전축선(A)에 대한 편심위치에서 로워 디스펜서(lower dispenser; 6)는 제2플레이트(32)에 부착됨과 동시에 제1플레이트(31) 및 제2플레이트(32) 사이의 공간에 개방되어 있다. 상기 로워 디스펜서(6)는 제2플레이트(32) 및 웨이퍼(W) 사이의 틈새(G2)를 완전히 충만시키도록 웨이퍼(W)의 하면에 액체 또는 기체를 분주(dispense)하도록 그 형상이 결정되어 있다. 상기 충만된 틈새를 경유하여 진동소자(4)에 의해 발생된 초음파는 웨이퍼(W)에 연결된다. 상기 로워 디스펜서(6)의 개구는 진동소자가 웨이퍼의 중심 부근에 근접배치될 수 있도록 회전축선(A)으로부터 편심되어 있다. 따라서, 웨이퍼 전체 영역에 초음파가 도달할 수 있다. 상기 로워 디스펜서(6)는 적어도 하나의 액체 공급원 및 적어도 하나의 기체 공급원에 연결되는 멀티포트(multiport) 밸브(도시생략)에 연결되어 있다. 따라서, 복수의 다른 액체(세정제) 및 기체(예, 질소)를 선택적으로 공급할 수 있다. 상기 멀티포트 밸브는 일련의 싱글 솔레노이드 밸브로 구성할 수 있다.

상기 어퍼 디스펜스(upper dispense) 시스템은 상기 중공 샤프트(23)을 관통연장하는 2개의 동축관(21 및 22)을 구비하고, 그 선단부는 제1플레이트(31)에 부착됨과 동시에 제1플레이트(31) 및 제2플레이트(32) 사이의 공간에 개방되어 있다. 내측관(21)은 액체 분주용이고, 내관(21)과 외관(22) 사이의 공간은 기체 분주용이다. 내외관(21, 22)은 상기 중공 샤프트(23)와 함께 회전가능하다. 상기 내관(21)에 액체를 도입하기 위한 액체용 회전접속부(5)가 설치되어 있다. 기체는 기체용 회전접속부(7)을 통해 내관(21) 및 외관(22) 사이의 공간에 공급된다.

도 1에 도시된 장치는 제1플레이트가 로워 플레이트가 되고, 제2플레이트가 어퍼 플레이트가 되도록 상하를 뒤집어 배열해도 된다.

도 2는 본 발명의 제1실시예의 개방상태를 도시한 것이다.

제1실시예에 따른 장치는 도 1 및 도 2를 참조하여 작동시킬 수 있다.

상기 승강수단(45)에 의해 제2장착 플레이트(43)는 액체 수집기(10) 및 제2플레이트(32)와 함께 하강되어 있다(도 2). 웨이퍼(W)는 로봇 엔드 이펙터(robot end effector; 도시생략)에 의해 제1플레이트(31)의 하면에 근접 배치되는 상태(예, 거리 d1 = 0.5 mm)로 장치 내에 삽입된다. 복수의 그리핑 핀(gripping pins; 35)은 웨이퍼를 단단히 홀딩하기 위해 닫혀진다. 제2장착 플레이트(43)는 액체 수집기(10) 및 제2플레이트(32)와 함께 제2플레이트(32)의 상면과 웨이퍼(W) 사이의 틈새(G2)가 필요한 거리 d2 (d2 0.2-3.0 mm)로 될 때까지 승강된다(도 1). d2는 초음파의 파장 및 강도, 액체의 유동속도, 웨이퍼의 회전속도 또는 액체의 특정한 음 향 전파 속도(sound-propagation velocity)와 같은 세정 파라메터에 의존하여 선택된다.

상기 웨이퍼를 회전시킴과 동시에, 제1액체(11)(예, 탈이온화 수)를 관(21)을 통해 제1플레이트(31) 및 웨이퍼(W) 사이의 틈새(G1)에 분주함으로써 웨이퍼의 상면을 웨팅시킴과 동시에 상기 틈새(G1)를 완전 충만시킨다. 다음에 제2액체(12)를 로워 디스펜서(6)를 통해 제2플레이트(32)와 웨이퍼(W) 사이의 틈새(G2)에 공급함으로써 웨이퍼의 하면을 웨팅시킴과 동시에 틈새(G2)를 완전 충만시킨다. 그러나, 틈새(G2)를 틈새(G1)이 충만되기 전에 먼저 충만시킬 수도 있다.

상기 양 틈새(G1 및 G2)를 실질적으로 완전히 충만시킨 후, 진동소자(4)에 의해 제2플레이트(32)에 초음파 음향 에너지를 가한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 진동소자는 각각의 소자(4)가 웨이퍼의 회전시 웨이퍼의 표면을 링 형상으로 덮도록 배열되어 있다. 이들 복수의 링 각각은 상호 중첩되므로 실질적으로 웨이퍼의 전체 면을 덮는다.

세정 효율을 최적화하기 위해, 습식처리 중에 승강수단(45)을 이용하여 d2를조절할 수 있다. 초음파 처리 중에, 웨이퍼가 이 웨이퍼에 접촉하는 임의의 요소들에 의해 충격을 받거나 감쇄됨이 없이 초음파에 의해 자유롭게 요동할 수 있도록 그리핑 요소(35)를 개방시킨다. 상기 그리핑 요소(35)가 개방되어 있는 동안, 웨이퍼는 회전하는 제1플레이트(31)에 의해 회전되는 틈새(G1) 내의 액체를 통해서만 회전된다. 거리 d1 및 d2가 동일하면, 웨이퍼는 제1플레이트(31)의 회전 속도의 약 1/2의 회전 속도로 회전한다. 거리 d1 및 d2가 작을수록 웨이퍼 및 플레이트 사이 의 전단 속도는 커져서 세정 효율을 더욱 향상시킨다.

초음파 처리후, 상기 그리핑 요소들은 (열려져 있는 경우에) 다시 닫혀지고, 상기 틈새(Gl 및 G2) 내에 기체를 도입하여 액체를 배출시킨다. 웨이퍼 표면으로부터의 액체의 배출을 촉진하기 위해, 이소프로필 알콜 증기(isopropyl alcohol vapor; IPA-vapor)와 같은 표면장력 감소제를 기체 내에 첨가할 수 있다. 잔류 액체를 비산 제거(spin off)하기 위해 회전속도를 3000 rpm까지 상승시킨다. 마지막으로, 상기 장치를 다시 개방하고(도 2), 로봇 엔드 이펙터로 웨이퍼를 집어낸다.

도 3은 본 발명의 제2실시예를 도시한 것으로서, 이 실시예는 다음과 같이 제1실시예와 다르다. 상호 이격되어 있는 1플레이트(31) 및 그리핑 수단(35)은 승강수단 및 회전수단을 분리시키기 위해 연결된다. 따라서, 웨이퍼(W)는 그리핑 수단(35)에 의해 단단히 홀딩되면 제1플레이트(31)에 대해 회전이 가능하다. 제2플레이트(32)는 독립적으로 회전 및 승강시킬 수 있고, 액체 수집기(10)에 연결되지 않는다. 본 실시예에 있어서, 제1플레이트 및 제2플레이트(31 및 32)에는 초음파 진동소자(4)가 구비되어 있다. 제1플레이트(31) 및 제2플레이트의 복수의 진동소자는 양 플레이트의 진동소자가 웨이퍼에 초음파 에너지를 가할 때 발생할 수 있는 불필요한 간섭을 회피하기 위해 상호 교대로 요동시킬 수 있다.

도 4에 따른 제3실시예는 제2실시예에 비해 액체 도입 위치가 상이하다. 제1플레이트(31) 및 제2플레이트(31)의 액체 도입용 개구는 축선(A)으로부터 벗어나 있다.

도 5는 제1실시예(도 1 및 도 2)를 변경한 제4실시예의 일부의 도식적인 횡 단면도이다. 도 5에 도시되지 않은 모든 부분은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 같다. 상기 제2플레이트(32)에는 복수의 진동소자(4)가 부착되어 있고, 이들 진동소자는 웨이퍼에 의해 제공되는 평면 Ew에 대해 약 12°의 각도(α)로 경사를 이루는 평면 Er 내에 배치되어 있다. 이들 진동소자(4)는 플레이트(32)에 음향적으로 연결된다. 상기 음향적 연결은 상기 플레이트에 진동자의 공명기를 접착 또는 용접하는 직접적인 방법이나 오일이나 물과 같은 중간 매질을 이용하는 간접적인 방법으로 실행할 수 있다.

상기 복수의 진동소자가 플레이트(32)에 간접적으로 연결되어 있고, 중간 매질의 음향 전파속도가 처리액의 것과 동일하면, 초음파면(wave front)의 웨이퍼에 대한 각도(α₂)에 대한 트랜스듀서의 필요 경사각(α₁)은 동일하다(α₁=α₂). 플레이트(32)에 중간 매질과 처리액을 분리하는 멤브레인이 구비되어 있으면, 상기 플레이트를 통한 굴절 영향 및/또는 반사 영향은 무시할 수 있다.

복수의 진동소자가 플레이트(32)에 직접 연결되어 있으면, 초음파면의 웨이퍼에 대한 각도(α₂)에 대한 트랜스듀서의 필요 경사각(α₁)은 플레이트(32) 자체(예, 알루미늄; c₁ = 6000 m/s) 및 처리액(예, 희석 수용액; c₂ = 1500 m/s)의 음향 전달속도에 따라 달라진다. 상기 상관관계는 sinα₁/sinα₂ = c₁/c₂의 식으로 계산할 수 있다. 따라서, 12.5°의 α₂에 대해서 트랜서듀서 플레이트(또는 진동자 공명기)의 평면은 60°의 경사를 이루어야 한다. 트랜스듀서 플레이트의 경사각도가 30° 이면, 웨이퍼에 대한 초음파의 조사각(α')은 82,8°가 된다(α = 7.2°). 도 5의 예에 있어서, α = α₁ = 12°이고, 따라서 α₂ = 3°가 된다.

또는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 진동소자를 구비하는 제2플레이트(32)는 웨이퍼에 대향하는 복수의 경사면(32s) 부분을 포함하는 표면을 구비할 수 있다. 상기 플레이트는 플랩피드 디스크(flapped disc)와 유사한 표면을 구비한다. 상기 복수의 진동소자(4)는 상기 복수의 경사면(32s)에 평행하다. 도면에는 2개의 진동소자(4)만을 도시하였으나 다른 부분에도 추가의 진동소자를 설치할 수 있다.

도 7에 도시된 제5실시예는 제4실시예의 플레이트를 기초로 하고 있다. 상기 플레이트의 상면은 멤브레인(50)으로 피복되고, 측벽은 측벽 링(51)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 멤브레인(50)과 측벽 링(51)은 상호 용접되어있고, 트랜스듀서 플레이트(32) 상에 접착되어 있다. 따라서, 각 경사면(32s) 상에 중간 쳄버(52)가 형성된다. 상기 중간 쳄버(52) 내에는 고체, 액체의 겔(예, 오일 또는 물)로 구성할 수 있는 음향 전파 매질(초음파 전달 매질)이 충만되어 있다. 따라서, 진동소자(4)(트랜스듀서)에 의해 발생된 초음파 에너지는 상기 멤브레인(50)에 간접 연결되고 또 세정액을 통해 웨이퍼에 전달된다. 쳄버를 액체로 충만시키면, 충만된 액체는 냉각회로(도시생략)를 통해 순환될 수 있다. 상기 냉각액(냉각제)은 유입구(55)를 통해 중간 쳄버(52) 내로 진입하고, 배출구(56)를 통해 배출된다. 어떤 경우에도, 중간 쳄버(52)는 상호 연통상태로 구성하거나 분리된 상태로 구성할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 관점에 사용되는 64개의 트랜스듀서의 2차원 배열(트랜 스듀서(81A 내지 88H) 매트릭스)을 확대 도시한 것이다. 인접하는 2개의 트랜스듀서의 중심간 평균 거리(d)는 1mm 이고, 트랜스듀서 어레이의 폭(D)은 약 7.5 mm 이다.

상기 트랜스듀서 어레이는 트랜스듀서의 각 라인(81 내지 88)을 상이하게 요동시키기 위해 적어도 8개의 체널을 가지는 초음파 발생기로 요동시킨다. 모든 트랜스듀서 라인은 동일 주파수 및 동일 진폭으로 그러나 상이한 위상으로 요동된다. 여기서 위상 변위 φ = 1은 360°의 위상 변위각으로서 정의된다. 도 10은 위상변위가 경사진 파면(F)으로 유도되는 방법을 도시한 것이다. 제1신호에 의해 상기 트랜스듀서 라인(88)이 요동되고, 위상 변위φ에 의해 트랜스듀서 라인(87)이 요동되고, 다음에 라인(86)이 요동되는 등의 요동이 발생한다. 트랜스듀서 플레이트에 대한 파면의 경사각(α)은 파장(λ), 인접하는 2개의 트랜스듀서의 중심간 평균 거리(d), 및 인접하는 2개의 트랜스듀서 사이의 위상 변위(φ)의 함수로서, 다음 식에 의해 계산할 수 있다:

sinα = φ × λ/d

따라서 소망의 각도에 대한 필요 위상 변위는 다음 식에 의해 계산된다.

φ = (d × sinα)/λ

파장(λ)는 음향전파속도(c) 및 주파수(f)의 함수(λ = c/f)이다. 메가소닉(예로써, 실온(25℃)의 물속에서 f = 1.5 MHz이고, c = 1.5 km/s인 경우)에 대한 파장은 1mm 이다. 이 파장(λ = 1 mm)에 대해, 거리 d = 0.5 및 소망의 각도 α = 30°를 구비하는 트랜스듀서 어레이의 위상 변위는 φ = 0.25 (위상 변위각 = 90°) 이다. 동일한 매질 및 소망의 각도에 대해 거리 d = 1 mm인 경우에는 위상 변위 φ = 0.5 (위상 변위각 = 180°)가 필요하다. 그러나, 이 경우 제2의 경사 파면이 α = -30°의 각도를 가지고 나타난다. 상기 제2의 경사 파면을 방지하려면 거리(d)를 파장의 1/2 이하로 선택해야 한다.

도 9는 본 발명의 일관점에 이용되는 장방향 트랜스듀서(91 내지 98)의 1차원 배열의 확대도이다. 상기 장방형 트랜스듀서 어레이는 도 8에 도시된 배열과 동일한 영역을 덮는다. 이 경우, 초음파 발생기의 각 체널은 배열 상의 하나의 트랜스듀서만을 요동시킨다.

어떤 트랜스듀서 어레이를 이용하건 간에 웨이퍼의 습식 처리장치의 트랜스듀서 플레이트 내에 또는 플레이트 상에 많은 수의 트랜스듀서 어레이를 배열시킬 수 있다.

도 10은 α의 각도로 경사진 파면 평면(F)을 생성하는 위상 변위된 복수의 파면을 보여주는 트랜스듀서 어레이의 도식적인 측면도이다.

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32. 단일 웨이퍼의 습식 처리방법에 있어서,

    평면(B) 내에 단일 웨이퍼를 홀딩하는 단계,

    상기 웨이퍼에 대면하는 평면(A)을 구비하는 제1플레이트를 제공하고, 이것에 의해 거리가 d1인 제1틈새를 형성하는 단계,

    상기 제1틈새 내에 제1액체를 도입하여 상기 제1틈새를 완전히 충만시키는 단계,

    초음파 에너지가 상기 평면(B)에 89°이하의 각도(α')로 가해지도록 상기 제1플레이트에 초음파 에너지를 가하는 단계,

    상기 웨이퍼의 주 표면에 수직인 회전축선을 중심으로 웨이퍼 및 제2플레이트를 상호 상대회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 웨이퍼의 습식 처리방법.
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34. 제32항에 있어서,

    상기 웨이퍼에 대면하는 평면(C)을 구비하는 제2플레이트를 제공하고, 이것에 의해 거리가 d2인 제2틈새를 형성하는 단계,

    상기 제2틈새 내에 제2액체를 도입하여 상기 제2틈새를 완전히 충만시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 웨이퍼의 습식 처리방법.
35. 제32항에 있어서, 처리기간 중 웨이퍼의 일측의 모든 부분들은 적어도 일시적으로 제2플레이트에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 단일 웨이퍼 습식 처리방법.
36. 제32항에 있어서, 초음파 에너지가 상기 평면(B)에 89°이하의 각도(α')로 가해지도록 상기 제1플레이트에 가해지는 초음파 에너지는 89°이하의 각도(α')로 트랜스듀서 어레이로부터 조사되는 초음파를 발생시키기 위해 복수의 트랜스듀서를 위상 변위되도록 별도로 요동시키는 적어도 하나의 초음파 발생기를 구비하는 복수의 트랜스듀서 어레이에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 단일 웨이퍼 습식 처리방법.
37. 제32항에 있어서, 각(α')은 상기 웨이퍼가 액체에 의해 처리되는 동안에 변경되는 것을 특징으로 하는 단일 웨이퍼 습식 처리방법.
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