KR100936778B1 - 웨이퍼 본딩방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상압 플라즈마와 세정액을 이용하여 웨이퍼를 세정하면서 표면처리하여 공정 수율 및 본딩특성을 향상시킬 수 있는 웨이퍼 본딩방법에 관한 것이다.
본 발명의 웨이퍼 본딩방법은 제1 공정챔버에 제1웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 상기 제1웨이퍼를 장입하는 제1웨이퍼 장입단계, 상기 제1웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제1웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계, 상기 제1웨이퍼를 상기 제1 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 장입하는 제1웨이퍼 인출장입단계, 상기 제3 공정챔버에 제2웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 상기 제2웨이퍼를 장입하는 제2웨이퍼 장입단계, 상기 제2웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제2웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계, 상기 제2웨이퍼를 상기 제3 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 상기 제2웨이퍼의 접합면이 상기 제1웨이퍼의 접합면과 서로 대향하도록 장입하는 제2웨이퍼 인출장입단계 및 상기 제1웨이퍼의 접합면과 제2웨이퍼의 접합면을 본딩하는 웨이퍼 본딩단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
웨이퍼 본딩, 상압 플라즈마, 세정액,

Description

웨이퍼 본딩방법{Wafer bonding Method}
본 발명은 상압 플라즈마와 세정액을 이용하여 웨이퍼를 세정하면서 표면처리하여 공정 수율 및 본딩특성을 향상시킬 수 있는 웨이퍼 본딩방법에 관한 것이다.
반도체의 고집적화를 위하여 SOI(Silicon On Insulator)를 제조하거나, P 타입 웨이퍼와 N 타입 웨이퍼를 결합시켜 P-N 정션(junction)을 형성하는 방법 등에 있어서, 유/무기 접착제를 사용하여 접착하거나, 접착제를 사용하지 않고 웨이퍼 간에 직접적인 본드가 형성되도록 하는 방법(Direct Bonding of Wafers)이 알려져 있다.
상기 유/무기 접착제를 이용하는 방법은 웨이퍼 본딩을 저온에서 형성시킬 수 있기는 하지만, 계면응력의 문제가 있고, 접착층이 열적 또는 화학적으로 불안정할 염려가 있기 때문에 널리 사용되고 있지 않다.
한편, 미국 등록특허공보 제4,939,101호에는 웨이퍼와 웨이퍼를 접촉시킨 후, 약 1,000 내지 15,000psi의 압력하에서 1,100℃ 이상의 온도로 열처리를 하여 웨이퍼와 웨이퍼 간에 직접적인 본딩이 이루어지도록 하는 방법이 개시되어 있으 나, 상기 온도가 너무 높기 때문에 접합되는 물질이 상기 온도를 견디지 못하는 경우에는 사용할 수 없으며, 접착되는 재료가 서로 상이한 경우에는 열적 부정합을 일으킬 수 있는 등의 문제가 있다.
한편, 상기의 웨이퍼 본딩방법은 웨이퍼를 본딩시키기 전에 본딩 결함을 줄이기 위하여 웨이퍼 표면의 평탄화 공정을 수행하는 것이 일반적인데, 이러한 평탄화 방법으로서 통상적으로 사용되는 것이 화학적 기계적 연마 공정(Chemical Mechanical Polishing:CMP)이다. 이러한 CMP 공정을 수행하려면 별개의 CMP 공정 설비에서 연마를 수행한 후에 웨이퍼 본딩공정을 수행해야 하기 때문에 공정이 별개로 진행되어야 하고 이에 따라 공정효율이 떨어지며, CMP 공정시 사용되는 슬러리에 의한 오염문제가 발생할 뿐만 아니라, 연마 완료 후에도 여전히 표면 단차가 존재하기 때문에 최종 웨이퍼 본딩시 본딩결함이 발생한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상압 플라즈마와 세정액을 이용하여 단일 공정에서 웨이퍼를 세정하면서 표면처리하여 웨이퍼 본딩과정에서 공정 수율 및 본딩특성을 향상시킬 수 있는 웨이퍼 본딩방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 평탄화 공정과 웨이퍼 본딩공정을 인시츄(in-situ)로 수행할 수 있는 웨이퍼 본딩방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 웨이퍼 본딩방법은 제1 공정챔버에 제1웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 상기 제1웨이퍼를 장입하는 제1웨이퍼 장입단계와, 상기 제1웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제1웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계와, 상기 제1웨이퍼를 상기 제1 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 장입하는 제1웨이퍼 인출장입단계와, 상기 제3 공정챔버에 제2웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 상기 제2웨이퍼를 장입하는 제2웨이퍼 장입단계와, 상기 제2웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제2웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계와, 상기 제2웨이퍼를 상기 제3 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 상기 제2웨이퍼의 접합면이 상기 제1웨이퍼의 접합면과 서로 대향하도록 장입하는 제2웨이퍼 인출장입단계 및 상기 제1웨이퍼의 접합면과 제2웨이퍼의 접합면을 본딩하는 웨이퍼 본딩단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1 공정챔버와 제3 공정챔버는 상압 플라즈마와 세정액을 함께 공급할 수 있도록 형성되며, 상기 제2 공정챔버는 진공 챔버로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 공정챔버와 제3 공정챔버는 동일한 공정챔버로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 상압 플라즈마를 형성하기 위한 활성 가스는 질소, 산소, 아르곤(Ar) 및 헬륨(He)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 가스 또는 이들의 혼합가스로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 세정액은 탈이온수 또는 H2O2-NH4OH-H2O(SC-1)용액으로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 상압 플라즈마와 세정액은 동시에 또는 순차적으로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 세정액은 가열, 초음파에 의하여 증기 형태의 입자상으로 공급될 수 있다. 또한, 상기 세정액은 노즐 분사에 의하여 입자상으로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 또는 상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리 단계는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼를 회전시키면서 상기 상압 플라즈마와 세정액이 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼에 공급되도록 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 또는 상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리 단계는 상기 상압 플라즈마와 세정액이 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 접합면에 상기 접합면의 일측에서 타측으로 순차적으로 공급되도록 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 또는 상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 후에는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼를 건조하는 건조 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 건조 단계는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼를 회전시켜 건조하는 스핀 건조 방법 또는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 접합면에 불활성 가스를 블로잉하여 건조하는 블로잉 건조방법으로 이루어질 수 있다.
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본 발명의 웨이퍼 본딩방법에 따르면 단일 공정에서 상압 플라즈마와 세정액을 공급하면서 웨이퍼의 표면처리와 세정을 수행하여 본딩특성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 웨이퍼 본딩방법에 따르면 웨이퍼의 표면처리와 세정을 단일 공정에서 수행하게 되므로 공정 수율, 생산성 및 본딩특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 웨이퍼 본딩방법에 따르면 평탄화 공정과 웨이퍼 본딩공정을 인시츄로 수행하여 웨이퍼 표면이 오염되는 것을 방지하여 본딩특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 본딩방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 본딩방법을 위한 시스템을 개략적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 본딩방법을 위한 시스템의 개략도이다. 다만, 이하에서 설명하는 시스템은 상기 웨이퍼 본딩방법을 설명하기 위하여 필요한 정도에서 개략적으로 설명된다.
상기 웨이퍼 본딩방법을 위한 시스템은, 도 1을 참조하면, 제1 공정챔버(10)와 제2 공정챔버(20) 및 제3 공정챔버(30)를 포함하여 이루어진다. 상기 제1 공정챔버(10)와 제 3공정챔버(30)는 장입되는 웨이퍼(1,2)의 표면을 세정 및 표면처리하는 챔버이다. 상기 제1 공정챔버(10)와 제3 공정챔버(30)는 웨이퍼(1,2)의 표면에 세정액과 상압 플라즈마를 함께 공급할 수 있도록 형성된다. 즉, 상기 제1 공정챔버(10)와 제3 공정챔버(30)는 상압 플라즈마 형성 장치와 세정액 공급 장치(12,32)를 함께 구비하게 된다. 또한, 상기 제1 공정챔버(10)와 제3 공정챔버(30)는 웨이퍼(1,2)를 고정하기 위한 진공 척(14,34)이 구비된다. 한편, 상기 제1 공정챔버와 제 3공정챔버는 하나의 챔버로 구성될 수 있다.
상기 제2 공정챔버(20)는 세정 및 표면처리되어 장입되는 웨이퍼(3,4)를 본딩하는 챔버이다. 상기 제2 공정챔버(20)는 진공의 형성이 가능한 챔버이며, 가열수단이 추가로 구비될 수 있다. 또한, 상기 제2 공정챔버는 장입된 웨이퍼(3,4)를 고정하는 진공 척(24a, 24b)가 구비된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 본딩방법에 대한 공정 순서도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 본딩방법은, 도 2를 참조하면, 제1웨이퍼 장입단계(S10)와 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)와, 제1웨이퍼 인출장입단계(S30)와 제2웨이퍼 장입단계(S40)와 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S50)와 제2웨이퍼 인출장입단계(S60) 및 웨이퍼 본딩단계(S70)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 웨이퍼 본딩방법은 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)후에 제1웨이퍼 건조단계(S25)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼 본딩방법은 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S50)후에 제2웨이퍼 건조단계(S55)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 웨이퍼 본딩방법은 단일 공정에서 웨이퍼 표면을 세정하면서 표면처리하여 웨이퍼 본딩과정에서 본딩 결합이 감소시키게 된다. 즉, 상기 웨이퍼 본딩방법은 하나의 공정챔버에서 웨이퍼의 표면에 상압 플라즈마와 세정액을 동시에 또는 순차적으로 공급하여 웨이퍼 표면을 세정하면서 표면처리하게 된다. 따라서, 상기 웨이퍼 본딩방법은 웨이퍼의 본딩공정에 대한 공정 효율과 생산성을 향상시키게 된다.
또한, 상기 웨이퍼 본딩방법은 하나의 장비에서 인시츄(in-situ)공정으로 이루어지는 질 수 있다. 즉, 상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20) 및 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S50), 웨이퍼 본딩단계(S70)는 각각 하나의 장비에 구비되는 별도의 공정 챔버 내에서 이루어질 수 있다. 상기 인시츄 공정은 웨이퍼 본딩의 제반 공정이 하나의 장비에서 이루어지므로 공정이 보다 효율적으로 진행되어 생산성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 인시츄 공정은 웨이퍼 본딩과정에서 웨이퍼의 표면이 추가적으로 오염되는 것을 방지하게 되므로 웨이퍼의 본딩 불량을 최소화시키게 된다.
상기 제1웨이퍼 장입단계(S10)는 제1 공정챔버에 제1웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 상기 제1웨이퍼를 장입하는 단계이다. 여기서, 상기 제1웨이퍼의 접합면은 웨이퍼의 양면 중에서 다른 웨이퍼와 본딩되는 일면을 의미한다. 상기 제1 공정챔버는 본딩되는 웨이퍼가 장입되어 안착되며, 상압 플라즈마와 세정액이 함께 공급되는 공정챔버이다. 상기 제1 웨이퍼는 제1 공정챔버의 내부에 접합면이 상부를 향하도록 장입되며, 정전 척 또는 진공 척 등의 고정수단에 의하여 고정된다. 상기 제1웨이퍼의 접합면은 단결정 실리콘에 실리콘 산화막이 일정 두께로 형성된 상태일 수 있다. 또한, 상기 제1웨이퍼의 접합면은 단결정 실리콘에 SiO2의 자연산화막이 형성된 상태일 수 있다.
상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)는 제1웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제1웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 단계이다. 상기 제1 공정챔버는 상기에서 설명한 바와 같이 상압 플라즈마와 세정액을 함께 공급할 수 있는 공정챔버이다. 상기 제1웨이퍼가 제1 공정챔버의 내부에 장입되어 안착되면, 제1 공정챔버는 제1웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하게 된다. 따라서, 상기 세정액은 제1웨이퍼의 표면에 존재하는 유기물, 지문과 같은 오염물을 제거하게 된다. 또한, 상기 상압 플라즈마는 제1웨이퍼의 접합면을 세정하면서 표면처리를 하게 된다. 상기 상압 플라즈마는 제1웨이퍼의 접합면에 존재하는 실리콘 산화막에서 Si-O 결합을 끊어서 제1접합면의 표면에 Si기가 노출되 도록 한다. 또한, 상기 상압 플라즈마는 세정액에 존재하는 수분(H2O)의 결합을 끊어서 O-H기로 분리하게 된다. 따라서, 상기 제1웨이퍼의 표면에 존재하는 Si기는 O-H기와 결합된 상태를 유지하게 된다.
상기 상압 플라즈마와 세정액은 동시에 또는 순차적으로 공급될 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 상압 플라즈마와 세정액이 동시에 제1웨이퍼의 접합면에 공급될 수 있다. 또한, 상기 상압 플라즈마와 세정액은 교대로 공급될 수 있다. 즉, 먼저 상기 세정액이 제1웨이퍼의 접합면에 공급되고, 다시 상압 플라즈마가 제1웨이퍼에 공급된다. 또한, 상기 세정액과 상압 플라즈마는 각각 2회 이상 교대로 공급될 수 있다.
상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)는 상압 플라즈마와 세정액이 제1 공정챔버에서 진행되는 단일 공정에서 공급되므로 세정과 표면처리 공정이 보다 효율적으로 진행될 수 있다. 또한, 상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)는 제1웨이퍼가 세정액에 의하여 세정되면서 표면처리가 동시에 진행되므로 보다 효율적으로 세정 및 표면처리를 진행할 수 있다. 또한, 상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)는 제1웨이퍼의 오염 정도에 따라 공정시간을 조절할 수 있으므로 생산성이 향상될 수 있다.
상기 상압 플라즈마를 형성하기 위한 가스는 질소, 산소, 아르곤(Ar) 및 헬륨(He)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 가스 또는 이들의 혼합가스가 사용될 수 있다. 다만, 여기서 상압 플라즈마를 형성하기 위한 가스는 상기의 가스 들에 한정되지 않으며, 상압 플라즈마의 형성이 가능한 다양한 가스가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 세정액은 탈이온수 또는 H2O2-NH4OH-H2O(SC-1)용액이 사용될 수 있다. 상기 세정액은 제1웨이퍼의 접합면에 존재하는 유기물, 먼지 기타 오염원을 제거하게 된다. 상기 세정액은 상압 플라즈마와 함께 제1웨이퍼의 접합면에 대한 세정 작용을 하게 되므로 보다 효율적으로 제1웨이퍼 표면을 세정하게 된다. 한편, 상기 세정액은 제1웨이퍼의 표면에서 웨이퍼의 접합면에 존재하는 Si 이온과 결합되는 O-H이온을 공급하게 된다. 상기 세정액은 반도체 공정에서 사용될 수 있는 다양한 세정액이 사용될 수 있다.
상기 세정액은 가열, 초음파에 의하여 증기 형태의 입자상으로 공급될 수 있다. 또한, 상기 세정액은 노즐 분사에 의하여 입자상으로 공급될 수 있다. 상기 세정액은 증기 또는 미스트와 같은 입자상으로 제1웨이퍼의 접합면에 공급되므로 제1웨이퍼의 접합면에 보다 균일하게 공급될 수 있다. 또한, 상기 세정액은 입자상으로 전체적으로 균일하게 공급되므로 상압 플라즈마의 형성에 영향을 주지않게 된다.
상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)는 제1웨이퍼를 회전시키면서 세정액을 공급하도록 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 제1웨이퍼는 세정액과 상압 플라즈마가 균일하게 공급되어, 세정과 표면처리가 전체적으로 균일하게 이루어질 수 있다.
상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S20)는 세정액과 상압 플라즈마를 제1웨이퍼의 일측에서 타측으로 순차적으로 공급되도록 이루어질 수 있다. 즉, 상기 세정액과 상압 플라즈마를 공급하는 부분이 제1웨이퍼의 일측에서 타측으로 스캔하면서 공급되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 제1웨이퍼는 세정액과 상압 플라즈마가 균일하게 공급되어, 세정과 표면처리가 전체적으로 균일하게 이루어질 수 있다.
상기 제1웨이퍼 건조단계(S25)는 제1웨이퍼의 접합면에 존재하는 세정액을 제거하여 건조하는 단계이다. 상기 제1웨이퍼의 접합면은 세정을 위하여 공급되었던 세정액이 존재하게 된다. 따라서, 상기 제1웨이퍼는 다른 웨이퍼와의 접합을 위하여 접합면에 존재하는 세정액이 제거되어야 한다. 한편, 상기 제1웨이퍼는 제2웨이퍼와 접합된 후에 어닐링 과정을 거치게 되면서 세정액이 제거되므로 제1웨이퍼의 접합면에 존재하는 세정액이 완벽하게 제거될 필요는 없다. 다만, 상기 제1웨이퍼의 접합면에 세정액이 많이 존재하게 되면 접합에 방해가 되므로 제거해 주는 것이 바람직하다.
상기 제1웨이퍼 건조단계(S25)는 제1웨이퍼를 회전시켜 건조하는 스핀 건조 방법 또는 제1웨이퍼의 접합면에 질소와 같은 불활성 가스를 블로잉하여 건조하는 블로잉 건조방법으로 수행될 수 있다. 상기 제1웨이퍼의 표면에 잔존하는 세정액은 상기에서 설명한 바와 같이 완벽하게 제거할 필요 없게 되므로 스핀 건조 방법 또는 블로잉 건조방법에 의한 건조가 가능하게 된다.
상기 제1웨이퍼 인출장입단계(S30)는 제1웨이퍼를 제1 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 장입하는 단계이다. 상기 제1 공정챔버는 상기에서 설명한 바와 같이 상압 플라즈마와 세정액의 공급이 가능한 공정 챔버이다. 상기 제2 공정챔버는 진공의 형성이 가능한 공정 챔버이다. 또한, 상기 제2 공정챔버는 필요한 경우에 내부를 가열할 수 있는 가열수단을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 제1웨이퍼는 세정과 표면처리가 완료된 후에 제1 공정챔버로부터 인출되어 다른 웨이퍼와 본딩을 위하여 제2 공정챔버로 장입된다. 이때, 상기 제1웨이퍼는 접합면이 상부를 향하도록 장입될 수 있다.
상기 제2웨이퍼 장입단계(S40)는 제3 공정챔버에 제2웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 제2웨이퍼를 장입하는 단계이다. 상기 제2웨이퍼 장입단계(S40)는 제3 공정챔버에 제2웨이퍼를 장입하는 점을 제외하고는 제1웨이퍼 장입단계(S10)과 동일하므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 제3 공정챔버는 제1 공정챔버와 동일하게 세정액과 상압 플라즈마를 함께 공급할 수 있는 공정챔버이다. 상기 제2웨이퍼가 제1 공정챔버와 별도의 공정챔버인 제3 공정챔버에서 세정 및 표면처리되는 경우에, 웨이퍼의 본딩에 소요되는 공정시간을 줄일 수 있게 된다.
한편, 상기 제2웨이퍼 장입단계(S40)는 제1웨이퍼의 세정 및 표면처리가 진행되는 제1 공정챔버에서 진행될 수 있다. 즉, 상기 제3 공정챔버는 제1 공정챔버와 동일한 공정챔버일 수 있다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼가 동일한 공정챔버에 서 세정및 표면처리되는 경우에 공정시간이 상대적으로 길어질 수 있다. 그러나, 상기 웨이퍼를 본딩하는 장비의 구조가 보다 간단해 질 수 있다.
상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S50)는 제2웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제2웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 단계이다. 상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S50)는 제3공정챔버에서 제2웨이퍼가 세정 및 표면처리되는 점을 제외하고는 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계(S2)와 동일 또는 유사하므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 제2웨이퍼 건조단계(S55)는 제2웨이퍼의 접합면에 존재하는 세정액을 제거하여 건조하는 단계이다. 상기 제2웨이퍼 건조단계(S55)는 제3공정챔버에서 제2웨이퍼가 건조되는 점을 제외하고는 제1웨이퍼 건조단계(S25)와 동일 또는 유사하므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 제2웨이퍼 인출장입단계(S60)는 제2웨이퍼를 제3 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 제2웨이퍼의 접합면이 상기 제1웨이퍼의 접합면과 서로 대향하도록 장입하는 단계이다. 상기 제2웨이퍼 인출장입단계(S60)는 제1웨이퍼 인출장입단계(S30)와 동일 유사하므로 여기서 상세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 제2웨이퍼의 접합면은 제2 공정챔버에서 제1웨이퍼의 접합면과 서로 대향하도록 장입된다. 또한, 상기 제2웨이퍼의 접합면은 제1웨이퍼의 접합면과 이격되도록 장입된다. 상 기 제2웨이퍼와 제1웨이퍼는 외측에 설치되는 이격 플레이트에 의하여 이격될 수 있다.
상기 웨이퍼 본딩단계(S70)는 제2 공정챔버에서 제1웨이퍼의 접합면과 제2웨이퍼의 접합면을 본딩하는 단계이다. 상기 제1웨이퍼의 접합면과 제2웨이퍼의 접합면이 서로 접촉된 후 상부에서 가압수단에 의하여 일정한 압력이 가해지면서 가압된다. 따라서, 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 서로 접촉된 상태에서 접합된다. 또한, 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 가압되어 접촉된 후에 어닐링을 통하여 세정액이 완전히 제거되면서 완전하게 접합된다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 제1웨이퍼의 접합면과 제2웨이퍼의 접합면이 가압되어 접합되면, 제1웨이퍼와 접합면에 존재하는 Si-O-H기와 제2웨이퍼와 접합면에 존재하는 Si-O-H기가 결합된다. 이때, 상기 제1웨이퍼의 접합면에 존재하는 O-H기는 제2웨이퍼의 접합면에 존재하는 O-H기와 반데르발스 결합을 하게 된다. 한편, 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼의 접합면 사이에 수분(H2O)이 존재하게 된다. 상기 접합된 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 어닐링 과정을 통하여 제1웨이퍼의 S-O-H기와 제2웨이퍼의 S-O-H기의 결합에서 H2O가 분리되면서 Si-O-Si 결합에 의하여 완전하게 접합된다 또한, 제1웨이퍼의 접합면과 제2웨이퍼의 접합면 사이에 존재하는 수분은 어닐링 과정을 통하여 완전히 제거된다.
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다음은 보다 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 웨이퍼 본딩방법에 대하여 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 4a 와 도 4b는 실시예 1에 따른 세정과 표면처리 전후의 웨이퍼 표면의 사진을 나타낸다.
8인치 제1웨이퍼(RMA 약 1nm)와 제2웨이퍼를 A-type이며 파워가 1000W인 상압 플라즈마 장치의 공정챔버의 척에 안착시켰다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 필요에 따라 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정에 의하여 평탄화될 수 있다. 상기 세정 및 표면처리 단계에서 웨이퍼의 세정 정도를 평가하기 위하여 제1웨이퍼의 접합면에 임의로 지문 자국을 형성하였다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 상압 하에서 질소를 300 liter/min로 공급되는 상압 플라즈마와 탈이온수의 가열에 의한 수증기를 함께 상기 웨이퍼의 접합면에 공급하여 표면처리와 세정공정을 수행하였다. 이때, 상기 상압 플라즈마와 수증기는 동시에 공급되었으며, 스캔 방식에 의하여 상압 플라즈마와 수증기를 웨이퍼의 접합면에 공급하였다. 상기 수증기는 탈이온수를 가열하여 증기 형태의 입자상으로 공급하였다. 이때, 상기 수증기는 질소와 함께 공급되었으며, 질소의 공급량은 5 liter/min으로 하였다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 세정과 표면처리가 완료된 후에 스핀 건조과정에 의하여 접합면이 건조되었다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 순차적으로 진공챔버로 이송하여 얼라인 한 후에 가압하여 본딩하고 어닐링하였다.
도 4a에서 보는 바와 같이, 세정 및 표면처리 전에 제1웨이퍼의 접합면에 지문자국이 형성되어 있음을 알 수 있었다. 그러나, 도 4b에서 보는 바와 같이, 세정 및 표면처리가 완료된 후에 제1웨이퍼의 접합면에서 지문 자국이 제거되었음을 알 수 있다. 따라서, 상기 세정 및 표면처리 단계에서 제1웨이퍼의 접합면에 대한 세정 및 표면처리가 완전하게 수행되었음을 알 수 있었다.
또한, 실시예 1에 따라 본딩된 웨이퍼들은 양호한 본딩상태를 갖음을 알 수 있었다. 먼저 상기 제2 진공챔버에서 접합한 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 접합강도가 220mJ/㎡보다 큰 값으로 측정되었다. 상기 접합된 웨이퍼들을 300도에서 어닐링 한 후 접합강도는 2300mJ/㎡보다 큰 값으로 측정되었다. 따라서, 본 발명의 실시예 1 에 따라 본딩된 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 양호한 접합강도를 나타내고 있었다.
실시예 2
도 5a와 도 5b는 실시예 2에 따른 세정과 표면처리 전후의 웨이퍼 표면의 사진을 나타낸다.
실시예 2는 수증기를 노즐 분사에 의한 방법으로 공급한 것을 제외하고, 다른 사항은 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 제1웨이퍼의 세정 전에는, 도 5a에서 보는 바와 같이, 제1웨이퍼의 표면에 지문 자국이 있음을 알 수 있다. 그러나, 상기 제1웨이퍼의 세정 후에는, 도 5b에서 보는 바와 같이, 웨이퍼의 표면에서 지문 자국이 제거되었음을 알 수 있다. 따라서, 상기 세정 및 표면처리 단계에서 제1웨이퍼의 접합면에 대한 세정 및 표면처리가 완전하게 수행되었음을 알 수 있었다.
실시예 2에 따라 본딩된 웨이퍼는 역시 양호한 본딩상태를 유지함을 알 수 있었다. 어닐링 전의 접합된 웨이퍼의 접합강도는 220mJ/㎡보다 큰 값으로 측정되었다. 상기 본딩된 웨이퍼들을 300도에서 어닐링 한 후 접합강도는 2300mJ/㎡보다 큰 값으로 측정되었다. 따라서, 본 발명의 실시예 2에 따라 본딩된 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 양호한 접합강도를 나타내고 있었다.
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비교예 1
도 6a 와 도 6b는 비교예 1에 따른 세정과 표면처리 전후의 웨이퍼 표면의 사진을 나타낸다.
8인치 제1웨이퍼(RMA 약 1nm)와 제2웨이퍼를 A-type이며 파워가 1000W인 상압 플라즈마 장치의 공정챔버의 척에 안착시켰다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 필요에 따라 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정에 의하여 평탄화될 수 있다. 비교예 1에 따른 세정 및 표며처리 과정에서 웨이퍼의 세정 정도를 평가하기 위하여 제1웨이퍼의 접합면에 임의로 지문 자국을 형성하였다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 상압 하에서 질소를 300 liter/min로 공급되는 상압 플라즈마를 상기 웨이퍼의 접합면에 공급하여 표면처리와 세정공정을 수행하였다. 이때, 비교예 1에서는 실시예 1과 달리 수증기는 공급되지 않았다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 순차적 으로 진공챔버로 이송하여 얼라인 한 후에 가압하여 본딩하고 어닐링하였다.
도 6a에서 보는 바와 같이, 세정 및 표면처리 전에 제1웨이퍼의 접합면에 지문자국이 형성되어 있음을 알 수 있었다. 또한, 도 6b에서 보는 바와 같이, 세정 및 표면처리가 완료된 후에도 제1웨이퍼의 접합면에서 지문 자국이 존재하고 있다. 따라서, 비교에 1에 따른 상기 세정 및 표면처리 과정에서 제1웨이퍼의 접합면에 대한 세정 및 표면처리가 완전하게 수행되지 않았다.
또한, 비교예 1에 따라 처리된 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 별도의 진공 챔버에서 웨이퍼 본딩한 결과 본딩이 불완전하게 되었으며, 상대적으로 접합강도가 매우 낮게 측정되었다.
비교예 2
도 7은 비교예 2에 따른 세정 후의 웨이퍼 표면의 사진을 나타낸다.
8인치 제1웨이퍼(RMA 약 1nm)와 제2웨이퍼를 공정챔버의 진공 척에 순차적으로 안착시켰다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 필요에 따라 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정에 의하여 평탄화될 수 있다. 비교예 2에 따른 세정 과정에서 웨이퍼의 세정 정도를 평가하기 위하여 제1웨이퍼의 접합면에 임의로 지문 자국을 형성하였다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 탈이온수의 가열에 의한 수증기를 함께 상기 웨이퍼의 접합면에 공급하여 세정을 수행하였다. 이때, 비교예 2에서는 실시예 1과 달리 상압 플라즈마는 공급되지 않았다. 상기 수증기는 질소와 함께 공급되었으며, 질소의 공급량은 5 liter/min으로 하였다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨 이퍼는 세정이 완료된 후에 스핀 건조과정에 의하여 접합면이 건조되었다. 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 별도의 공정챔버로 이송하여 순차적으로 상압 플라즈마에 의하여 표면처리를 실시하였다. 또한, 상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 별도의 진공챔버로 이송하여 얼라인 한 후에 가압하여 본딩하고 어닐링하였다.
도 7에서 보는 바와 같이, 세정이 완료된 후에도 제1웨이퍼의 접합면에서 지문 자국이 존재하고 있음을 알 수 있었다. 따라서, 비교에 2에 따른 상기 세정 단계에서 제1웨이퍼의 접합면에 대한 세정이 완전하게 수행되지 않았다.
또한, 비교예 2에 따라 처리된 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 별도로 상압 플라즈마에 의하여 표면처리 한 후에 웨이퍼 본딩을 실시한 결과 본딩이 불완전하게 되었으며 상대적으로 접합강도가 매우 낮게 측정되었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 본딩 방법을 위한 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 본딩방법의 순서도를 나타낸다.
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도 4a와 도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따른 세정 및 표면처리 전후의 웨이퍼 접합면의 상태를 나타낸다.
도 5a와 도 5b는 실시예 2에 따른 세정 및 표면처리 전후의 웨이퍼 접합면의 표면 상태를 나타낸다.
도 6a와 도 6b는 비교예 1에 따른 세정 및 표면처리 전후의 웨이퍼 접합면의 표면 상태를 나타낸다.
도 7은 비교예 2에 따른 세정 후의 웨이퍼 접합면의 표면 상태를 나타낸다.

Claims (17)

  1. 제1 공정챔버에 제1웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 상기 제1웨이퍼를 장입하는 제1웨이퍼 장입단계;
    상기 제1웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제1웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 제1웨이퍼 세정 및 표면처리단계;
    상기 제1웨이퍼를 상기 제1 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 장입하는 제1웨이퍼 인출장입단계;
    상기 제3 공정챔버에 제2웨이퍼의 접합면이 상부를 향하도록 상기 제2웨이퍼를 장입하는 제2웨이퍼 장입단계;
    상기 제2웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 공급하여 제2웨이퍼의 접합면을 세정 및 표면처리하는 제2웨이퍼 세정 및 표면처리단계;
    상기 제2웨이퍼를 상기 제3 공정챔버에서 인출하여 제2 공정챔버에 상기 제2웨이퍼의 접합면이 상기 제1웨이퍼의 접합면과 서로 대향하도록 장입하는 제2웨이퍼 인출장입단계; 및
    상기 제1웨이퍼의 접합면과 제2웨이퍼의 접합면을 본딩하는 웨이퍼 본딩단계를 포함하며,
    상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 또는 상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 후에는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼를 건조하는 건조 단계를 더 포함하며,
    상기 건조 단계는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼를 회전시켜 건조하는 스핀 건조 방법 또는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 접합면에 불활성 가스를 블로잉하여 건조하는 블로잉 건조방법으로 이루어지며,
    상기 제1 공정챔버와 제3 공정챔버는 각각 상기 제1웨이퍼의 접합면과 상기 제2웨이퍼의 접합면에 상압 플라즈마와 세정액을 함께 공급할 수 있도록 형성되고 상기 제2 공정챔버는 진공 챔버이며,
    상기 상압 플라즈마와 세정액은 동시에 또는 순차적으로 공급되며,
    상기 세정액은 초음파에 의하여 증기 형태의 입자상으로 공급되어 노즐 분사에 의하여 입자상으로 공급되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩방법.
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  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 공정챔버와 제3 공정챔버는 동일한 공정챔버인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 상압 플라즈마를 형성하기 위한 활성 가스는 질소, 산소, 아르곤(Ar) 및 헬륨(He)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 가스 또는 이들의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 세정액은 탈이온수 또는 H2O2-NH4OH-H2O(SC-1)용액인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩방법.
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  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 또는 상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리 단계는 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼를 회전시키면서 상기 상압 플라즈마와 세정액이 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼에 공급되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1웨이퍼 세정 및 표면처리 단계 또는 상기 제2웨이퍼 세정 및 표면처리 단계는 상기 상압 플라즈마와 세정액이 상기 제1웨이퍼 또는 제2웨이퍼의 접합면에, 상기 접합면의 일측에서 타측으로 순차적으로 공급되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩방법.
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