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KR102603528B1 - 기판 처리 장치 및 이를 포함한 기판 처리 시스템 - Google Patents

기판 처리 장치 및 이를 포함한 기판 처리 시스템 Download PDF

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KR102603528B1
KR102603528B1 KR1020160182849A KR20160182849A KR102603528B1 KR 102603528 B1 KR102603528 B1 KR 102603528B1 KR 1020160182849 A KR1020160182849 A KR 1020160182849A KR 20160182849 A KR20160182849 A KR 20160182849A KR 102603528 B1 KR102603528 B1 KR 102603528B1
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김우영
배정용
이현정
박세진
고용선
한동균
심우관
김붕
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삼성전자주식회사
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Abstract

기판 처리 장치는 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내에 배치되며 상기 기판이 상기 챔버 내로 로딩될 때 상기 기판을 지지하기 위한 제1 기판 지지부, 상기 챔버 내에 배치되며, 상기 기판이 상기 챔버 내에서 처리될 때 상기 제1 기판 지지부에 의해 지지되는 높이보다 더 높은 위치에서 상기 기판을 지지하기 위한 제2 기판 지지부, 상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 하부에 위치하는 공간으로 초임계 유체를 공급하기 위한 제1 공급 포트, 상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 상부에 위치하는 공간으로 상기 초임계 유체를 공급하기 위한 제2 공급 포트, 및 상기 챔버로부터 상기 초임계 유체를 배출하기 위한 배기 포트를 포함한다.

Description

기판 처리 장치 및 이를 포함한 기판 처리 시스템{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND SUBSTRATE PROCESSING SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 기판 처리 장치 및 이를 포함한 기판 처리 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 초임계 유체를 이용한 기판 처리 장치 및 이를 포함한 기판 처리 시스템에 관한 것이다.
집적회로 소자의 디자인 룰(design rule)이 감소함에 따라 반도체 소자의 임계 치수(critical dimension)가 약 20nm 내지 30nm 또는 그 미만으로 감소하게 되고, 그에 따라 약 5 이상의 비교적 큰 종횡비(aspect ratio)를 갖는 깊고 좁은 패턴을 형성하기 위한 공정 및 이에 수반되는 세정 및 건조 공정들이 요구되고 있다. 이와 같이 큰 종횡비를 갖는 구조물이 형성된 기판에 대하여 소정의 처리 공정, 예를 들면 식각, 세정, 건조 등의 처리 공정을 행하는 데 있어서, 초임계 유체를 이용하는 방법들이 제안되었다.
그러나, 이러한 초임계 유체를 이용하는 기판 처리 장치에 있어서, 기판을 지지하기 위한 기판 지지부는 상기 기판의 가장자리 영역만을 접촉 지지하므로, 액상 용매의 무게에 의해 상기 기판의 중앙 부분이 아래로 휘어져 건조 불량을 야기할 수 있다. 또한, 고온 고압의 초임계 상태를 유지하면서 상기 기판을 처리하기 위하여, 많은 양의 초임계 유체를 사용하여야 하므로 기판 처리 시간 역시 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 효율적인 초임계 유체 공정을 수행할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 기판 처리 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 기판 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치는 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내에 배치되며 상기 기판이 상기 챔버 내로 로딩될 때 상기 기판을 지지하기 위한 제1 기판 지지부, 상기 챔버 내에 배치되며, 상기 기판이 상기 챔버 내에서 처리될 때 상기 제1 기판 지지부에 의해 지지되는 높이보다 더 높은 위치에서 상기 기판을 지지하기 위한 제2 기판 지지부, 상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 하부에 위치하는 공간으로 초임계 유체를 공급하기 위한 제1 공급 포트, 상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 상부에 위치하는 공간으로 상기 초임계 유체를 공급하기 위한 제2 공급 포트, 및 상기 챔버로부터 상기 초임계 유체를 배출하기 위한 배기 포트를 포함한다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치는 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하며 상기 공간을 밀폐시키는 폐쇄 위치와 상기 공간을 개방시키는 개방 위치 사이를 전환 가능하도록 서로 맞물려 결합하는 상부 챔버 및 하부 챔버를 갖는 챔버, 상기 챔버 내에 배치되며 상기 개방 위치에서 상기 기판이 상기 챔버 내로 로딩될 때 상기 기판을 지지하기 위한 제1 기판 지지부; 상기 챔버 내에 배치되며 상기 폐쇄 위치에서 상기 기판이 상기 챔버 내에서 처리될 때 상기 기판을 지지하기 위한 제2 기판 지지부, 상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 하부에 위치하는 공간으로 초임계 유체를 공급하기 위한 제1 공급 포트, 상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 상부에 위치하는 공간으로 상기 초임계 유체를 공급하기 위한 제2 공급 포트, 및 상기 챔버로부터 상기 초임계 유체를 배출하기 위한 배기 포트를 포함한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 시스템은 기판을 지지하고 초임계 유체를 이용하는 초임계 공정에 의해 상기 기판을 처리하기 위한 기판 처리 장치, 상기 초임계 유체를 상기 기판 처리 장치로 공급하여 상기 공정 챔버 내의 압력을 증가시키되, 상기 공정 챔버 내의 상기 기판 상의 액상의 용매와 상기 초임계 유체의 임계점 이전과 이후로 상기 초임계 유체의 공급양을 조절하기 위한 유체 공급부, 및 상기 공정 챔버 내로부터 상기 초임계 유체를 배출시키기 위한 유체 배출부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치는 챔버 내로 로딩되는 기판을 지지하기 위한 제1 기판 지지부 및 초임계 건조 공정이 수행되는 기판을 지지하기 위한 제2 기판 지지부를 포함할 수 있다. 상기 챔버가 폐쇄된 상태에서, 상기 제2 기판 지지부는 상기 제1 기판 지지부가 지지하는 높이보다 더 높은 위치에서 상기 기판을 지지할 수 있다. 따라서, 상기 제2 기판 지지부는 액상 용매의 무게의 의해 상기 기판이 휘어지는 것을 방지함으로써, 효율적인 초임계 건조 공정을 수행할 수 있다.
또한, 기판 처리 시스템은, 상기 챔버 내의 초임계 유체의 임계점 이전과 이후에 가압 속도를 변화시켜 총 가압 시간을 단축할 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 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 시스템의 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 기판 처리 장치의 챔버가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2의 기판 처리 장치의 제1 기판 지지부 및 제2 기판 지지부를 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 2의 기판 처리 장치의 챔버가 밀폐된 상태에서 기판을 지지하는 제2 기판 지지부의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내부의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치를 단면도이다.
도 8은 도 7의 기판 처리 장치의 제2 기판 지지부가 하강한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 7의 기판 처리 장치의 챔버가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 기판 처리 시스템의 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 2의 기판 처리 장치의 챔버가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 2의 기판 처리 장치의 제1 기판 지지부 및 제2 기판 지지부를 나타내는 평면도이다. 도 5는 도 2의 기판 처리 장치의 챔버가 밀폐된 상태에서 기판을 지지하는 제2 기판 지지부의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 기판 처리 시스템(10)은 웨이퍼(W)와 같은 기판을 지지하고 초임계 유체를 이용하는 초임계 공정에 의해 상기 기판을 처리하기 위한 기판 처리 장치(100), 상기 초임계 유체를 생성하는 초임계 유체 생성기(200), 초임계 유체 생성기(200)로부터 상기 초임계 유체를 공정 챔버(100)로 공급하기 위한 유체 공급부(300), 및 공정 챔버(100) 내로부터 상기 초임계 유체를 배출시키기 위한 유체 배출부(400)를 포함할 수 있다.
상기 초임계 공정은 초임계 유체를 이용한 세정 공정, 건조 공정, 식각 공정 등을 포함할 수 있다. 상기 초임계 유체(supercritical fluid)는 기체와 같은 확산성과 점도 및 표면장력을 가지며 액체와 같은 용해성을 갖는 임계점 이상의 온도 및 압력을 갖는 물질일 수 있다. 예를 들면, 초임계 유체는 이산화탄소(CO2),물(H2O),메탄(CH4),에탄(C2H6),프로판(C3H8),에틸렌(C2H4),프로필렌(C2H2),메탄올(C2H3OH),에탄올(C2H5OH),육불화황(SF6),아세톤(C3H8O)등을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판 처리 장치(100)는 챔버, 제1 기판 지지부(130), 제2 기판 지지부(150), 제1 공급 포트(122), 제2 공급 포트(112) 및 배기 포트(124)를 포함할 수 있다. 기판 처리 장치(100)는 초임계 유체를 이용하여 린스 공정이 완료된 기판(W)을 건조할 수 있다. 상기 초임계 유체는 초임계 상태의 이산화탄소(CO2)가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 챔버는 기판을 건조하기 위한 공간을 제공할 수 있다. 상기 공간은 공정 영역(102) 및 버퍼 영역(104)을 포함할 수 있다. 공정 영역(102)은 기판(W) 상의 액상 용매(S)를 포함하는 영역이고, 버퍼 영역(104)은 기판(W) 하부에 있는 영역일 수 있다.
상기 챔버는 상부 챔버(110) 및 하부 챔버(120)를 포함할 수 있다. 상부 챔버(110)는 상부벽 및 제1 측벽을 포함할 수 있다. 상부 챔버(110)의 상기 상부벽은 상기 챔버의 상부벽으로 제공될 수 있다. 상부 챔버(110)의 상기 제1 측벽은 상기 챔버의 측벽 일부로 제공될 수 있다. 하부 챔버(120)는 하부벽 및 제2 측벽을 포함할 수 있다. 하부 챔버(120)의 상기 하부벽은 상기 챔버의 하부벽으로 제공될 수 있다. 하부 챔버(120)의 상기 제2 측벽은 상기 챔버의 측벽 일부로 제공될 수 있다.
상부 챔버(110) 및 하부 챔버(120)는 구동 메커니즘(160)에 의해 상대적으로 이동함으로써, 상기 챔버를 밀폐시키는 폐쇄 위치와 상기 챔버를 개방시키는 개방 위치 사이를 전환 가능하도록 서로 맞물려 결합할 수 있다. 예를 들면, 상부 챔버(110) 및 하부 챔버(120) 중에서 적어도 어느 하나는 승강 로드(162)를 따라 상하 이동하여 서로 결합되거나 분리될 수 있다. 상기 챔버의 개방 위치에서, 기판(W)이 상기 챔버 내부로/로부터 로딩/언로딩될 수 있다. 상기 챔버의 폐쇄 위치에서, 기판(W)의 초임계 건조 공정이 수행될 수 있다.
제1 기판 지지부(130)는 상기 챔버 내에 배치되며 기판(W)이 상기 챔버 내로 로딩될 때 기판(W)을 지지할 수 있다. 제1 기판 지지부(130)는 더 3에 도시된 바와 같이, 상기 챔버의 개방 위치에서 기판(W)이 상기 챔버 내로 로딩/언로딩될 때 기판(W)을 지지할 수 있다. 제2 기판 지지부(150)는 상기 챔버 내에 배치되며 기판(W)이 상기 챔버 내에서 처리될 때 기판(W)을 지지할 수 있다. 제2 기판 지지부(150)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 챔버의 폐쇄 위치에서 기판(W) 상에 초임계 유체 공정을 수행할 때 기판(W)을 지지할 수 있다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 기판 지지부(130)는 상부 챔버(110)의 상기 상부벽으로부터 연장하여 상기 상부벽으로부터 제1 거리만큼 이격된 위치에서 기판(W)를 지지하기 위한 제1 지지 부재를 포함할 수 있다. 상기 제1 지지 부재는 상기 챔버의 밀폐 위치에서 하부 챔버(120)의 상기 하부벽으로부터 제1 높이(H1)에서 기판(W)을 지지할 수 있다.
상기 제1 지지 부재는 상부 챔버(110)의 상기 상부벽으로부터 하부로 연장하는 제1 수직 로드(132) 및 제1 수직 로드(132)의 일단부로부터 수평 방향으로 연장하는 제1 수평 로드(134)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 지지 부재는 제1 수평 로드(134) 상에서 돌출하며 기판(W)의 가장자리 영역과 접촉 지지하는 적어도 하나의 제1 지지 돌출부(136)를 포함할 수 있다. 2개의 수직 로드들(132)은 기판(W)의 직경에 대응하는 거리만큼 서로 이격 배치되고, 2개의 제2 수평 로드들(134)은 수직 로드들(132)의 일단부들에 각각 결합될 수 있다. 따라서, 상기 제1 지지 부재는 기판(W)의 가장자리 영역을 지지할 수 있다.
상기 챔버의 개방 위치에서 상기 챔버내로/로부터 로딩/언로딩되는 기판(W)은 제1 기판 지지부(130)에 의해 일시적으로 지지될 수 있다. 제1 기판 지지부(130)에 의해 지지되는 기판(W)은, 기판(W)의 상부면이 상부 챔버(110)의 상기 상부벽을 향하고 기판(W)의 하부면은 하부 챔버(120)의 상기 하부면을 향하도록 지지될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판 처리 장치(100)는 하부 챔버(120)의 상기 하부벽 및 제1 기판 지지부(130) 사이에 배치되는 차단 플레이트(140)를 포함할 수 있다. 차단 플레이트(140)는 하부 챔버(120)의 상기 하부벽으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되도록 설치될 수 있다. 차단 플레이트(140)는 지지 로드(142)에 의해 하부 챔버(120)의 상기 하부벽 상에 고정될 수 있다. 차단 플레이트(140)는 버퍼 영역(104) 내에서 소정의 공간을 차지하는 소정 두께의 플레이트를 포함할 수 있다. 차단 플레이트(140)는 제1 공급 포트(122)로부터의 상기 초임계 유체가 기판(W)의 후면에 직접 분사되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 버퍼 영역(104)의 부피는 차단 플레이트(140)에 의해 감소될 수 있다. 버퍼 영역(104)의 부피는 공정 영역(102)의 부피보다 더 작을 수 있다. 따라서, 상대적으로 기판(W) 하부의 버퍼 영역(104)에 존재하는 초임계 유체의 양은 기판(W) 상부의 공정 영역(102)에 존재하는 초임계 유체의 양보다 더 적을 수 있다. 차단 플레이트(140)는 건조 공정에 사용되는 초임계 유체의 양을 감소시키면서도 공정 성능을 유지하기 위해 기판(W) 하부의 버퍼 공간 내에 구조물을 배치함으로써 상기 버퍼 공간을 감소시킴으로써 공정 시간을 감소시킬 수 있다.
제2 기판 지지부(150)는 상부 챔버(110)의 상기 상부벽으로부터 제2 거리만큼 이격된 위치에서 기판(W)를 지지하기 위한 제2 지지 부재를 포함할 수 있다. 상기 제2 지지 부재는 상기 챔버의 밀폐 위치에서 하부 챔버(120)의 상기 하부벽으로부터 제1 높이(H1)보다 더 큰 제2 높이(H2)에서 기판(W)을 지지할 수 있다.
상기 제2 지지 부재는 차단 플레이트(140) 상에 배치되며 기판(W)을 지지할 수 있다. 상기 제2 지지 부재는 차단 플레이트(140)의 상면으로부터 상부로 연장하는 복수 개의 재2 지지 돌출부들(152)을 포함할 수 있다. 상기 제2 지지 돌출부들은 차단 플레이트(140) 상에서 상부로 연장하며 기판(W)의 중심 영역과 접촉 지지할 수 있다. 따라서, 상기 제2 지지 부재는 기판(W)의 가장자리 영역을 지지할 수 있다.
상기 제2 지지 부재는 차단 플레이트(140) 상에 배치되었지만, 이에 제한되지 않고, 상기 제2 지지 부재는 하부 챔버(120)의 상기 하부벽으로부터 기 설정된 높이를 갖도록 설치될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 챔버의 폐쇄 위치에서, 제2 기판 지지부(150)는 제1 기판 지지부(130)에 의해 지지되는 높이보다 더 높은 위치에서 기판(W)을 지지할 수 있다. 제1 기판 지지부(130)의 상기 제1 지지 부재는 상기 챔버의 하부벽으로부터 제1 높이(H1)에서 기판(W)을 지지하고, 제2 기판 지지부(150)의 상기 제2 지지 부재는 상기 챔버의 하부벽으로부터 제1 높이(H1)보다 더 큰 제2 높이(H2)에서 기판(W)을 지지할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하부 챔버(120)가 하강하여 상기 챔버가 개방될 때, 제2 기판 지지부(150)의 제2 지지 돌출부들(152)은 하부 챔버(120)와 함께 하강할 수 있다. 이어서, 기판(W)은 상기 챔버 내부로 로딩되어 제1 기판 지지부(130)의 제1 지지 돌출부들(136) 상에 안착될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 챔버(120)가 상승하여 상기 챔버가 폐쇄될 때, 제2 기판 지지부(150)의 제2 지지 돌출부들(152)은 하부 챔버(120)와 함께 상승할 수 있다. 상기 챔버의 폐쇄 위치에서 제2 기판 지지부(150)의 제2 지지 돌출부들(152)은 제1 기판 지지부(130)의 제1 지지 돌출부들(136)보다 더 큰 높이(H2)를 가지므로, 기판(W)은 상승하는 제2 기판 지지부(150)의 제2 지지 돌출부들(152) 상에 안착될 수 있다. 이어서, 제2 기판 지지부(150)에 의해 지지된 기판(W) 상에 초임계 건조 공정을 수행할 수 있다.
이와 다르게, 상기 챔버의 폐쇄 위치에서, 제2 기판 지지부(150)는 제1 기판 지지부(130)에 의해 지지되는 높이와 동일한 위치에서 제1 기판 지지부(130)와 함께 기판(W)을 지지할 수 있다. 제1 및 제2 기판 지지부들(130, 150)에 의해 지지된 기판(W) 상에 초임계 건조 공정을 수행할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 챔버의 폐쇄 위치에서, 제1 기판 지지부(130)는 기판(W)의 가장자리 영역을 지지하고, 제2 기판 지지부(150)는 기판(W)의 중심 영역을 지지할 수 있다.
제1 공급 포트(122)는 하부 챔버(120)에 설치될 수 있다. 제1 공급 포트(122)는 하부 챔버(120)의 상기 하부벽의 중심 영역에 위치할 수 있다. 초임계 유체는 제1 공급 포트(122)를 통해 기판(W)의 하부에 위치하는 버퍼 영역(104)으로 공급될 수 있다.
제2 공급 포트(112)는 상부 챔버(110)에 설치될 수 있다. 제2 공급 포트(112)는 상부 챔버(110)의 상기 상부벽의 중심 영역에 위치할 수 있다. 초임계 유체는 제2 공급 포트(112)를 통해 기판(W)의 상부에 위치하는 공정 영역(102)으로 공급될 수 있다.
배기 포트(124)는 하부 챔버(120)에 설치될 수 있다. 배기 포트(124)는 제1 공급 포트(122)와 인접하게 하부 챔버(120)의 상기 하부벽의 중심 영역에 위치할 수 있다. 배기 포트(124)는 초임계 유체 공정에서 이용된 유체를 상기 챔버로부터 배출할 수 있다. 상기 배출된 유체는 유기 용제가 용해된 초임계 유체를 포함할 수 있다. 배기 포트(124)로부터 배출된 유체는 재생 장치(500)로 공급되어 초임계 유체와 유기 용제로 분리될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판 처리 장치(100)는 상기 챔버의 상기 상부벽, 상기 측벽 및 상기 하부벽 중 적어도 어느 하나에 구비되는 히터를 포함할 수 있다. 상기 히터는 상기 챔버 내부에 공급된 초임계 유체가 임계 온도 이상으로 유지되도록 상기 챔버 내부를 가열할 수 있다. 예를 들면, 상기 히터는 상부 챔버(110)에 구비된 제1 히터(116)를 포함하고 하부 챔버(120)에 구비된 제2 히터(126)을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 기판 처리 장치(100)는 상기 챔버 내로 로딩되는 기판(W)을 지지하기 위한 제1 기판 지지부(130) 및 초임계 건조 공정이 수행되는 기판(W)을 지지하기 위한 제2 기판 지지부(150)를 포함할 수 있다. 상기 챔버가 폐쇄된 상태에서, 제2 기판 지지부(150)는 제1 기판 지지부(130)가 지지하는 높이보다 더 높은 위치에서 기판(W)을 지지할 수 있다. 제2 기판 지지부(150)는 기판(W)의 후면의 중심 영역과 접촉 지지하는 지지 부재를 포함할 수 있다.
기판(W)의 가장자리 영역만을 지지할 경우, 액상 용매(S)의 무게에 의해 기판(W)의 중앙 부분이 아래로 휘어지게 되고, 기판(W)의 가장자리 부분의 액상 용매(S)의 액막 두께가 얇아질 수 있다. 제1 공급 포트(122)를 통해 기판(W)의 후면 또는 측면에 초임계 유체를 공급할 때, 상기 초임계 유체가 초암계 압력(Pc)에 도달하기 전에 기판(W)의 가장자리 부분의 액상 용매(S)가 건조되어 건조 불량을 야기할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치(100)의 제2 기판 지지부(150)는 액상 용매의 무게의 의해 기판(W)이 휘어지는 것을 방지함으로써, 상기 액상 용매를 초임계상의 용매로 효율적으로 치환할 수 있다.
이하에서는, 도 1의 기판 처리 시스템 및 이를 이용하여 기판을 건조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 6은 도 1의 기판 처리 장치의 챔버 내부의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 먼저, 기판(W)을 건조시키기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 하부 챔버(120)가 하강하여 상기 챔버를 개방시킨 후, 기판(W)은 상기 챔버 내로 로딩되어 제1 기판 지지부(130)의 제1 지지 돌출부들(136) 상에 안착될 수 있다.
이후, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 챔버(120)가 상승하여 상기 챔버를 폐쇄될 때, 제2 기판 지지부(150)의 제2 지지 돌출부들(152)은 하부 챔버(120)와 함께 상승하여 기판(W)의 중심 영역을 접촉 지지할 수 있다.
이어서, 상기 챔버 내에서 초임계 유체를 이용한 건조 공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 건조 공정 이전의 공정(예를 들면, 린스 공정)에서 남아있는 액상의 용매(S)를 초임계 상으로 혼합(치환)하고, 혼합된 초임계 유체를 배출함으로써, 하여 상기 용매(S)가 제거된 기판을 얻는 순서로 진행될 수 있다.
구체적으로, 상기 건조 공정에 있어서, 고온 고압의 초임계 상태를 만들기 위해 고압으로 가압하는 가압 단계(I), 혼합된 액상의 용매를 제거하기 위한 치환 단계, 즉, 건조 단계(II), 및 다시 상압으로 감압하는 감압 단계(III)로 이루어져 있을 수 있다. 가압 단계(I)는 고속 승압 단계(I-A) 및 저속 승압 단계(I-B)를 포함할 수 있다. 감압 단계(III)는 저속 감압 단계(III-A) 및 고속 감압 단계(III-B)를 포함할 수 있다. 기판 처리 장치(100)의 상기 챔버 내부의 압력은 승압 단계(I), 치환 단계(II) 및 배기 단계(III)에 따라 시간에 따라 변화되도록 제어될 수 있다.
유체 공급부(300)는 상기 챔버 내로 초임계 유체를 공급하여 상기 챔버 내의 압력을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 유체 공급부(300)는 상기 챔버 내의 기판(W) 상의 액상의 용매(S)와 상기 초임계 유체의 혼합물의 상거동(상변화)을 고려하여 상기 혼합물의 임계점(임계온도와 임계압력) 이전과 이후로 상기 초임계 유체의 공급양(또는 공급 속도)을 조절할 수 있다. 유체 공급부(300)는 상기 혼합물의 임계 압력을 기준으로 하여 임계 압력(Pc)을 초과하기 전과 후에 가압 속도를 변화시켜 총 가압 시간을 단축할 수 있다.
유체 배출부(400)는 상기 챔버 내로부터 상기 초임계 유체를 배출시킬 수 있다. 유체 배출부(400)는 상기 챔버 내의 상기 초임계 유체의 상거동을 고려하여 상기 챔버 내의 온도가 상기 초임계 유체의 임계온도보다 높게 유지되도록 상기 초임계 유체의 배출양을 조절할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 가압 단계(I)에서, 상기 챔버 내의 상거동을 고려하여 가압 속도를 다변화해 가압에 소요되는 시간을 단축할 수 있으며, 이전 공정에서 유입된 액상 용매(S)와 초임계 유체로 사용되는 용매가 단일 상을 이루지 못하는 압력까지 빠른 속도로 가압한 후(고속 가압 단계(I-A)), 단일 상을 이룰 수 있는 온도와 압력부터 가압 속도를 낮춰(저속 감압 단계(I-B)), 유동에 의한 패턴 붕괴(Pattern Collapse) 현상을 방지하면서 가압 단계의 시간을 단축할 수 있다.
예를 들면, 상기 가압 속도는 유체 공급부(300)의 복수 개의 제1 조절 밸브들(320a, 320b, 320c)이 각각 설치된 제1 조절 라인들(302a, 302b, 302c), 즉, 3 단계로 조정되어 있는 조절 라인들 중 어느 하나의 조절 라인을 선택함으로 별도의 유량제어장치 없이 조절할 수 있으며, 초기 가압 시 2단계 혹은 그 이상의 단계로 속도를 변화시키면서 가압하여 초기 가압 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.
고속 가압 단계(I-A)에서는 제1 공급 라인(L12) 및 제1 공급 포트(122)를 통해 기판(W)의 하부 또는 측면에서 기체 상의 치환 용매(초임계 유체)를 제1 속도로 공급할 수 있다. 액상의 용매(S)와 단일 상을 이루거나 압력에 따른 밀도 변화가 적은 압력, 예를 들면, 액상 용매(S)와 상기 초임계 유체의 혼합물의 임계점(임계온도와 임계압력) 이후부터는, 저속 가압 단계(I-B)를 수행할 수 있다. 저속 가압 단계(I-B)에서는, 제2 공급 라인(L11) 및 제2 공급 포트(112)를 통해 기판(W) 표면에 초임계 유체를 상기 제1 속도보다 낮은 제2 속도로 직접 공급하여 액상의 용매(S)와 초임계 상의 혼합 효율에 도움을 주어 치환에 필요한 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
유체 공급부(300)는, 액상의 용매와 상기 초임계 유체의 혼합물의 상거동(상변화)을 고려하여 상기 혼합물의 임계점(임계온도와 임계압력) 이전까지는 상기 초임계 유체를 상기 챔버 내로 빠르게 공급하여 가압하고, 상기 혼합물의 임계점 이후부터는 상기 초임계 유체를 상기 챔버 내로 느리게 공급할 수 있다. 상기 혼합물의 임계점 이하의 구간에서는 액상과 초임계 혹은 기체 용매가 상분리되어 있으므로, 액상의 용매(S)가 상기 기판 상의 패턴을 커버하여 빠르게 가압되는 기체 혹은 초임계 유체로부터 상기 패턴을 보호하여 패턴의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 기판(W) 표면 상의 액상 용매(S)와 주입되는 초임계 유체의 부피 비율은 기 설정된 비율값 또는 그보다 큰 값을 가질 수 있다. 상기 비율값이 클수록 치환에 유리하며, 온도와 압력에 따라 최소 비율은 변경될 수 있고, 상기 최소 비율은 해당 온도와 압력에서 초임계 유체의 용해도와 용해 거동 등을 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 기판(W) 표면 상의 액상 용매(S)와 주입되는 초임계 유체가 상분리없이 단시간에 초임계 상을 이루기 위해서 기판(W) 상단의 공간(102)의 부피가 클수록 유리할 수 있다. 기판(W) 표면과 고압의 상기 챔버의 상기 상부벽 간의 간격(공정 영역(102))에 따라 액상 용매(S)와 초임계 건조 용매간의 비율이 정해지며, 상기 공정 영역이 넓을수록 치환에는 효과적이나 부피가 커질수록 많은 양의 초임계 용매가 필요하므로 가압에도 많은 시간이 소모될 수 있다. 따라서, 상기 간격을 최적화하는 것이 중요하며, 액상 용매(S)와 초임계 용매의 비율이 약 10 내지 30을 가질 경우에 최적의 치환 효율을 나타내며, 10 이하의 경우 기판에 파손 또는 패턴의 변형을 유발할 수 있다.
기판(W) 상부의 액상 용매(S)를 초임계 유체로 치환하여 제거하여야 하므로, 기판(W) 하부보다 액상 용매(S)와 직접 접촉하고 있는 공정 영역(102)에 있는 초임계 유체의 양이 중요하며, 상대적으로 기판(W) 하부의 버퍼 영역(104)에 존재하는 초임계 유체는 수 내지 수십 분 정도의 시간이 걸리는 건조 공정 중에서 액상 용매의 치환에 직접적으로 관여하지 않는다. 따라서, 상기 건조 공정에 사용되는 초임계 유체의 양을 감소하면서도 공정 성능을 유지하기 위해 기판(W) 하부 공간(104)을 채우는 플레이트 구조물(140)을 사용하여 공정 시간을 감소 할 수 있다.
또한, 플레이트 구조물(140)과 하부 챔버(120)의 상기 하부벽 사이에 공간을 두어 상기 고압 챔버 내부의 유체의 흐름의 방향을 조절해 액상 용매(S)를 효율적으로 치환할 수 있다.
또한, 초임계 용매가 초임계 유체 생성기(200) 내에서 높은 압력으로 저장되어 있다가, 유체 공급부(300)의 배관들(L1, L11, L12) 및 밸브들(310, 320a, 320b, 320c, 330, 332)을 거치면서 건조 공정 챔버로 도입되는 과정 중 상기 밸브 및 배관 연결 부위에서 압력 저하로 인한 냉각 현상이 발생하고, 이 과정 중 액화 혹은 고체화되어 기판에 입자상의 오염으로 남거나 타 불순물들이 고체화를 유발할 수 있어 온도를 임계점 이상으로 유지해 주는 것이 중요하며, 가압 속도가 증가될 경우 단순 배관의 온도를 유지하는 것만으로는 기체 혹은 초임계 상의 용매에 충분한 열전달이 부족해 추가적인 열교환기(350, 352, 354)(또는 온도 조절 재킷)를 통해 초임계 유체 생성기(200)에서 건조 공정 챔버(100)로 이동 중에 상변화를 최소화하고 온도에 의한 밀도 변화를 감소시켜 가압 및 감압 시간 제어를 용이하게 할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 치환 단계(II)에서 제1 압력(P1)과 제2 압력(P2)과의 사이에서 감압 공정 및 승압 공정을 교번적으로 반복하는 플러싱(flushing) 공정을 수행할 수 있다. 제2 공급 라인(L11) 및 제2 공급 포트(112)를 통해 상기 챔버 내에 압력 제어용 유체를 소정량 공급하는 공정과, 배기 포트(124)를 통해 상기 공정의 처리 영역(102) 내에 있는 가스를 배출하는 공정을 교번적으로 반복할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 감압 단계(III)에서 초임계 유체가 액상이 되지 않도록 상기 챔버 내의 온도가 상기 초임계 유체의 임계온도보다 높게 유지되도록 상기 초임계 유체의 배출 속도, 즉, 감압 속도를 조절할 수 있고, 이에 따라, 공정 시간을 단축할 수 있다.
구체적으로, 감압 단계(III)에서, 상기 챔버의 처리 영역(102) 내의 압력을 제3 압력(P3)으로 강압하는 저속 배기 공정(저속 감압 단계(III-A)) 및 상기 챔버의 처리 영역(102) 내의 압력을 대기압과 유사한 초기 압력(P0)으로 강압하는 고속 배기 공정(고속 감압 단계(III-B))을 순차적으로 수행할 수 있다.
예를 들면, 상기 배기 속도는 유체 배출부(400)의 복수 개의 제2 조절 밸브들(420a, 420b, 420c)이 각각 설치된 제2 조절 라인들(402a, 402b, 402c), 즉, 3 단계로 조정되어 있는 조절 라인들 중 어느 하나의 조절 라인을 선택함으로 별도의 유량제어장치 없이 조절할 수 있으며, 초기 감압 시 2단계 혹은 그 이상의 단계로 속도를 변화시키면서 감압하여 감압 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.
초임계상 용매가 임계 압력 이하에서 냉각 효과에 의해 액상과 기상으로 분리될 경우 입자상 오염 혹은 표면 장력에 의한 패턴 붕괴가 발생할 수 있다. 구체적으로, 임계점 이상의 높은 압력 영역에서의 급격한 단열 팽창에 의해 온도가 임계점 이하로 떨어질 경우 단일 상을 이루고 있던 액상 용매가 액상으로 응결되어 기판에 건조 불량을 야기할 수 있으며, 기판의 패턴 붕괴 또한 유발될 수 있다. 따라서, 상변화를 고려해 감압 속도가 고려되어야 하며, 냉각 효과를 고려해 임계온도 대비 높은 온도에서 감압 단계를 진행해 속도를 개선할 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치를 단면도이다. 도 8은 도 7의 기판 처리 장치의 제2 기판 지지부가 하강한 상태를 나타내는 단면도이다. 도 9는 도 7의 기판 처리 장치의 챔버가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다. 상기 기판 처리 장치는 제2 기판 지지부의 구성요소를 제외하고는 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 기판 처리 장치와 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 기판 처리 장치(101)의 제2 기판 지지부(150)는 하부 챔버(120)의 하부벽으로부터 원하는 높이에서 기판(W)를 지지하기 위한 제2 지지 부재를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 지지 부재는 차단 플레이트(140) 상에 승하강 가능하도록 설치된 복수 개의 리프트 핀들(153)을 포함할 수 있다. 리프트 핀들(152)은 차단 플레이트(140) 상에서 상부로 연장하며 기판(W)의 중심 영역과 접촉 지지할 수 있다. 리프트 핀들(153)이 승하강함으로써 상기 리프트 핀들의 최상단의 높이를 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 기판 지지부(150)는 조정 가능한 높이에서 기판(W)을 지지할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 챔버의 폐쇄 위치에서, 제2 기판 지지부(150)는 제1 기판 지지부(130)에 의해 지지되는 높이보다 더 높은 위치에서 기판(W)을 지지할 수 있다. 제1 기판 지지부(130)의 제1 지지 부재는 상기 챔버의 하부벽으로부터 제1 높이에서 기판(W)을 지지하고, 제2 기판 지지부(150)의 리프트 핀들(153)은 상기 챔버의 하부벽으로부터 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이에서 기판(W)을 지지할 수 있다. 제2 기판 지지부(150)의 리프트 핀들(153)에 의해 지지된 기판(W) 상에 초임계 유체 공정을 수행할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 초임계 유체 공정이 완료된 후에, 상기 챔버의 폐쇄 위치에서, 리프트 핀들(153)이 아래로 하강함으로써, 기판(W)은 제1 기판 지지부(130)의 상기 제1 지지 부재, 즉, 제1 지지 돌출부들(136) 상에 안착될 수 있다. 이어서, 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 챔버(120)가 하강하여 상기 챔버가 개방되고, 기판(W)은 상기 챔버로부터 언로딩될 수 있다.
이와 반대로, 도 9에서와 같이 상기 챔버가 개방된 상태에서, 기판(W)은 상기 챔버 내의 제1 기판 지지부(130) 상으로 로딩될 수 있다. 이어서, 도 8에서와 같이 하부 챔버(120)가 상승하여 상기 챔버가 폐쇄될 수 있다. 이 때, 리프트 핀들(153)은 하부 챔버(120)와 함께 상승하지만, 기판(W)은 제1 기판 지지부(130)의 제1 지지 돌출부들(136) 상에서 지지될 수 있다. 이후, 도 7에서와 같이, 리프트 핀들(153)이 승강하여 기판(W)의 중심 영역을 접촉 지지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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.
10: 기판 처리 시스템 100, 101: 기판 처리 장치
102: 처리 영역 104: 버퍼 영역
110: 상부 챔버 112: 제2 공급 포트
116: 제1 히터 120: 하부 챔버
122: 제1 공급 포트 124: 배기 포트
126: 제2 히터 130: 제1 기판 지지부
132: 제1 수직 로드 134: 제1 수평 로드
136: 제1 지지 돌출부 140: 차단 플레이트
142: 지지 로드 150: 제2 기판 지지부
152: 제2 지지 돌출부 153: 리프트 핀
140: 구동 메커니즘 162: 승강 로드
200: 초임계 유체 생성기 300: 유체 공급부
302a, 302b, 302c: 제1 조절 라인
320a, 320b, 320c: 제1 조절 밸브
350, 352, 354: 열 교환기 400: 유체 배출부
402a, 402b, 402c: 제2 조절 라인
420a, 420b, 420c: 제2 조절 밸브
500: 재생 장치

Claims (10)

  1. 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하고, 서로 상대적으로 이동 가능하여 상기 공간을 밀폐시키는 폐쇄 위치와 상기 공간을 개방시키는 개방 위치 사이를 전환 가능하도록 서로 맞물려 결합하는 상부 챔버 및 하부 챔버를 갖는 챔버;
    상기 챔버 내에 배치되며, 상기 챔버의 개방 위치에서 상기 기판이 상기 챔버 내로 로딩될 때 상기 기판을 지지하기 위한 제1 지지 부재를 구비하는 제1 기판 지지부;
    상기 챔버 내에 배치되며, 상기 챔버의 폐쇄 위치에서 상기 기판이 상기 챔버 내에서 처리될 때, 상기 챔버의 개방 위치에서 상기 제1 기판 지지부에 의해 지지되는 제1 위치보다 상대적으로 더 높은 제2 위치에서 상기 기판을 지지하기 위한 제2 지지 부재를 구비하는 제2 기판 지지부;
    상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 하부에 위치하는 공간으로 초임계 유체를 공급하기 위한 제1 공급 포트;
    상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 상부에 위치하는 공간으로 상기 초임계 유체를 공급하기 위한 제2 공급 포트; 및
    상기 챔버로부터 상기 초임계 유체를 배출하기 위한 배기 포트를 포함하고,
    상기 제1 지지 부재는 상기 상부 챔버의 상부벽으로부터 제1 거리만큼 이격된 위치에 고정 설치되고, 상기 제2 지지 부재는 상기 하부 챔버의 하부벽으로부터 제2 거리만큼 이격된 위치에 고정 설치되고,
    상기 하부 챔버가 상기 상부 챔버에 대하여 상대적으로 상승하여 상기 챔버가 폐쇄될 때, 상기 제2 지지 부재는 상기 하부 챔버와 함께 상기 제1 지지 부재가 상기 기판을 지지하는 상기 제1 위치보다 상대적으로 더 높은 위치로 상승하여 상기 기판을 상기 제2 위치에서 접촉 지지하고,
    상기 하부 챔버가 상기 상부 챔버에 대하여 상대적으로 하강하여 상기 챔버가 개방될 때, 상기 제2 지지 부재는 상기 하부 챔버와 함께 상기 제1 지지 부재가 상기 기판을 지지하는 상기 제1 위치보다 상대적으로 더 낮은 위치로 하강하여 상기 기판을 상기 제1 지지 부재가 접촉 지지하도록 상기 제1 지지 부재 상으로 전달하는 기판 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 지지 부재는 상기 챔버의 하부벽으로부터 제1 높이에서 상기 기판을 지지하고, 상기 제2 지지 부재는 상기 챔버의 하부벽으로부터 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이에서 상기 기판을 지지하는 기판 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 지지 부재는 상기 기판의 가장자리 영역을 지지하고, 상기 제2 지지 부재는 상기 기판의 중심 영역을 지지하는 기판 처리 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 지지 부재는 상기 제1 지지 부재보다 내측에 배치되는 기판 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 지지 부재는 상기 챔버의 상부벽으로부터 하부로 연장하는 제1 수직 로드 및 상기 제1 수직 로드의 일단부로부터 수평으로 연장하는 제1 수평 로드를 포함하는 기판 처리 장치.
  6. 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버 내에 배치되며, 상기 챔버의 개방 위치에서 상기 기판이 상기 챔버 내로 로딩될 때 상기 기판을 지지하기 위한 제1 기판 지지부;
    상기 챔버 내에 배치되며, 상기 챔버의 폐쇄 위치에서 상기 기판이 상기 챔버 내에서 처리될 때, 상기 챔버의 개방 위치에서 상기 제1 기판 지지부에 의해 지지되는 제1 위치보다 상대적으로 더 높은 제2 위치에서 상기 기판을 지지하기 위한 제2 기판 지지부;
    상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 하부에 위치하는 공간으로 초임계 유체를 공급하기 위한 제1 공급 포트;
    상기 챔버의 상기 공간 중에서 상기 기판의 상부에 위치하는 공간으로 상기 초임계 유체를 공급하기 위한 제2 공급 포트;
    상기 챔버로부터 상기 초임계 유체를 배출하기 위한 배기 포트; 및
    상기 제1 공급 포트 및 상기 제1 기판 지지부 사이에 배치되며 상기 제1 공급 포트로부터의 상기 초임계 유체가 상기 기판에 직접 분사되는 것을 차단하기 위한 차단 플레이트를 포함하는 기판 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 기판 지지부는 상기 차단 플레이트 상에 배치되며 상기 기판을 지지하는 제2 지지 부재를 포함하는 기판 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제2 지지 부재는 상기 차단 플레이트의 상면으로부터 상부로 연장하는 복수 개의 지지 돌출부들을 포함하는 기판 처리 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제2 지지 부재는 상기 차단 플레이트 상에 승하강 가능하도록 설치된 복수 개의 리프트 핀들을 포함하는 기판 처리 장치.
  10. 삭제
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