KR20030012365A - 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 및 광학 소자의 평탄화시 물리적인 스트레스를 최소화하면서 처리 대상 기판의 평탄도 및 청정도를 향상시킬 수 있는 소자의 표면 평탄화 방법이 제시된다.
본 발명은 챔버 내에 처리 대상 기판을 로딩한 후, 레이저 빔 조사 장치로부터 출사되는 레이저 빔을 챔버 내의 처리 대상 기판에 조사한다. 처리 대상 기판에 레이저 빔이 조사되기 시작하면 챔버 내에 취입 가스를 유입시키면서, 챔버 내의 가스 및 부유 입자가 외부로 배출되도록 한다. 이후, 레이저 빔의 조사를 정지시키며, 소정 시간 후 취입(Blowing) 가스의 유입을 차단하고 가스의 배출을 정지한 다음 처리 대상 기판을 챔버로부터 언로딩한다.
이와 같은 표면 평탄화 방법에 의하면 소자의 평탄화 공정시 기판에 가해지는 물리적 스트레스를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 평탄화 공정과 파티클을 제거가 동시에 이루어지기 때문에 평탄화 공정에 소요되는 비용 및 시간을 단축시킬 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 및 광학 소자의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물리적인 스트레스를 최소화하면서 처리 대상 기판의 평탄도 및 청정도를 향상시킬 수 있는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법에 관한 것이다.
반도체 및 광학 소자의 제조시에는 여러 단계의 공정을 거치게 된다. 이에 의해 공정이 수행되는 기판 상에는 불필요한 박막이 생기게 되고 각종 오염물질이 부착되며, 실제로 반도체 웨이퍼의 경우 2㎛×2㎛당 1∼2Å의 RMS(Root Mean Square) 표면 거칠기를 갖고 있다. 그러므로 일정시간 대상 기판의 표면 거칠기를 제어하는 평탄화 공정이 반드시 필요하다.
현재 반도체 소자, 광학 소자 등의 표면 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 방법에 의해 진행되고 있다. CMP 방법은 평탄화가 필요한 재료를 적당한 압력을 가해 회전시키면서 화학약품, 슬러리(slurry), 순수(D.I. Water) 등을 첨가하여 표면을 연마하는 것이다.
그런데 CMP 방법은 슬러리와 유해 화학약품을 사용하기 때문에 환경 오염을 초래하게 되고, 화학약품의 재처리를 위해 필요한 오염 방지 설비에 막대한 비용이 필요하게 된다. 또한, 접촉 방식이기 때문에 대상 기판 표면에 물리적인 스트레스가 가해지고 심할 경우 기판을 손상시킬 우려가 있으며, 기판 손상을 방지하기 위해 연마율을 낮추게 되면 표면 가공의 정밀도가 저하되고 가공 시간이 지연되게 된다. 더욱이 CMP 처리 후에는 연마제 등을 제거하기 위한 세정 공정을 반드시 진행하여야 하기 때문에 공정 효율이 저하되는 단점이 있다.
한편, 현재는 반도체 기판이나 광학 소자의 정밀한 표면 가공을 위해 레이저를 이용한 표면 처리 방법이 연구되고 있다. 그러나 CMP 방법이나 레이저를 이용한 방법 모두 평탄화 공정에서는 파티클이 발생하게 되어 파티클 제거를 위한 추가적인 공정이 후속되어야 한다. 또한, 이러한 파티클을 효과적으로 제거하지 않게 되면 대상 기판으로부터 떨어져 나간 파티클이 재부착되어 소자가 오동작하는 등 공정 불량의 요인으로 작용하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 소자 및 광학 소자의 표면 평탄화 공정을 레이저 빔에 의해 처리함과 동시에 평탄화 공정시 발생하는 파티클을 제거하므로써, 평탄화 공정시 기판에 가해지는 물리적 스트레스를 최소화하고, 평탄화 공정 후 실시하는 세정 공정을 생략할 수 있도록 함으로써, 소자 생산비용을 절감시키고 공정 효율을 향상시키는 데 그 기술적 과제가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 의한 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법을 적용하기 위한 평탄화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시한 레이저 빔 조사 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의해 기판을 평탄화한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100 : 챔버 10 : 스테이지
12 : 진공 척14 : 처리 대상 기판
16 : 레이저 빔 조사 장치18 : 레이저 빔 조사구
20 : 세정가스 소스22 : 가스 분사구
24 : 흡입수단26 : 흡입구
30 : 레이저 광원32 : 빔 전달 수단
34 : 제1 미러36 : 렌즈
37 : 호모지나이저38 : 제2 미러
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법으로서, 챔버 내에 처리 대상 기판을 로딩하는 단계, 레이저 빔 조사장치로부터 출사되는 레이저 빔을 상기 챔버 내의 상기 처리 대상 기판에 조사하는 단계, 상기 챔버 내에 취입 가스를 유입시키면서, 상기 챔버 내의 가스 및 부유 입자를 외부로 배출시키는 단계, 상기 레이저 빔의 조사를 정지시키는 단계, 상기 취입 가스의 유입을 차단하고 상기 챔버 내의 가스 배출을 정지하는 단계 및 상기 처리 대상 기판을 상기 챔버로부터 언로딩하는 단계를 포함한다.
여기에서, 레이저 빔 조사 장치는 엑시머 레이저를 광원으로 하는 것이 바람직하며, 취입 가스로는 질소, 헬륨, 아르곤 등과 같은 비반응성 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 의한 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법을 적용하기 위한 평탄화 장치의 개략적인 구성도이다. 이하의 설명에서 처리 대상 기판(14)이라 함은 반도체 소자, 광학 소자 등이 설계되는 배어(bare) 기판 또는 소자 패턴이 형성된 기판을 일컫는다.
평탄화 공정을 수행하고자 하는 처리 대상 기판(14)은 챔버(100) 내의 스테이지(10) 상으로 이송된 후 진공 척(12)에 의해 고정함으로써 로딩된다(S101). 처리 대상 기판(14)을 챔버(100) 내로 로딩한 후에는 레이저 빔 조사 장치(16)를 구동하여 레이저 빔 조사 장치(16)로부터 출사되는 레이저 빔이 레이저 빔 조사구(18)를 통해 챔버(100) 내로 입사되어 처리 대상 기판(14) 표면에 조사되도록 하며(S102), 이때 스테이지(10)를 상하, 좌우로 이동하여 레이저 빔이 처리 대상 기판(14) 전체에 대하여 골고루 조사될 수 있도록 한다.
여기에서, 레이저 빔의 강도 및 펄스 수에 따라 스테이지(10)의 상하, 좌우로의 이동 속도를 조절하면 처리 대상 기판의 가공 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 레이저 빔의 파장은 가공 대상물의 광학적, 물리적, 화학적 성질에 따라 조절하여야 하고, 레이저 빔의 크기를 조절함으로써 가공 대상물의 표면을 선택적으로 가공할 수 있다.
한편, 레이저 빔은 20∼90°의 입사각으로 조사되도록 하고, 챔버(100) 내의 압력은 10∼100mT로 유지한다.
레이저 빔을 이용한 소자의 표면 평탄화 공정은 비접촉 방식이기 때문에 표면 가공하고자 하는 반도체 및 광학 소자에 물리적 스트레스가 가해지지 않게 되고 미세한 소자를 정밀하게 가공하는 데 효과적이다.
도 3은 도 2의 레이저 빔 조사 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도시된 것과 같이, 레이저 빔은 레이저 광원(30)으로부터 출사되는 빔을 빔 전달 수단(32)에 의해 집광 및 굴절함으로써 얻어진다. 빔 전달 수단(32)은 예를 들어, 제1 미러(34), 렌즈(36), 제2 미러(38) 및 호모지나이저(Homogenizer, 37) 등 광학 렌즈 및 미러의 조합으로 구성하는 것이 바람직하며, 이러한 실시는 당업자에게 주지의 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 레이저 광원으로는 엑시머 레이저, CO2레이저, Nd:YAG 레이저 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
특히, 엑시머 레이저를 이용한 초미세 가공 기술은 재료에 대해 열적인 영향보다는 광적인 반응에 의해 비접촉식으로 극소량의 물질을 미세하게 증발시키기 때문에 소재의 종류에 따라 조사되어지는 UV 레이저의 에너지를 제어하면 펄스당 수 Å ∼sub㎛의 정밀도로 가공 깊이를 제어할 수 있어 가공면의 표면 품위나 정밀도 향상에 유용한 것으로 알려져 있다. 더욱이 엑시머 레이저 빔은 제거하고자 하는 조직의 분자 결합을 직접 파괴시켜 조직을 제거하기 때문에 처리 대상물에 가해지는 손상(damage)을 최소화하는 데에도 효과적이다.
엑시머 레이저를 이용하는 경우에는 레이저 빔의 에너지를 균일하게 하기 위하여, 가우시안 분포 형태를 갖는 레이저 빔을 플랫 탑(flat top) 형태로 변환하기 위한 호모지나이저(Homogenizer)를 반드시 사용하여야 한다.
이와 같이 레이저 빔을 조사하여 표면 평탄화를 개시한 후에 취입 가스 소스(20)로부터 가스 분사구(22)를 통해 챔버(100) 내로 취입 가스를 주입함과 동시에, 흡입수단(24)을 가동시켜 흡입구(26)를 통해 챔버(100) 내의 가스가 외부로 배출되도록 한다(S103).
여기에서, 취입 가스로는 질소, 헬륨, 아르곤 등의 비반응성 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 흡입구(26)를 통해 외부로 배출되는 가스에는 처리 대상 기판(14)으로부터 떨어져 나와 챔버 내에 부유하고 있는 입자들이 포함되어 있어, 기판으로부터 떨어져 나온 파티클이 기판(14)에 재부착되는 것을 억제할 수 있다.
한편, NF3, CF4, C2F6, CH2F2, CHCl3, Cl2, N2O 등의 식각 가스 중 어느 하나를챔버 내에 더 주입할 수 있는데, 이 경우에는 반도체 기판 상의 포토레지스트막과 같은 유기물이나 금속과 같은 무기물을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, O2, O3, H2중 어느 하나를 챔버 내에 더 주입하게 되면, 레이저에 의한 파티클의 연소를 더욱 효과적으로 수행할 수 있다.
기판의 평탄화가 완료되면 레이저 빔 조사 장치(16)의 동작을 정지시키거나 셔터 등으로 차단하여 더 이상 레이저 빔이 조사되지 않도록 한다(S104). 레이저 빔의 조사를 차단(blocking)한 후에도 챔버 내에 파티클이 존재하고 있을 것이므로 취입 가스와 흡입 수단은 레이저 빔 조사 장치(16)를 정지시킨 후 소정 시간이 지난 후에 정지시키는 것이 바람직하다(S105). 이후, 챔버(100)로부터 처리 대상 기판(14)을 언로딩한다(S106).
도 4 및 도 5는 본 발명에 의해 기판을 평탄화한 실험 결과를 나타내는 도면으로, 표면 거칠기가 다른 40㎛×40㎛ 기판에 대하여 레이저 빔 조사 및 취입 가스 분사를 동시에 진행하여 기판 표면을 평탄화한 예를 나타낸다. 도 4a 및 도 5a에 도시한 기판(레이저 조사 전)의 표면 거칠기가 각각 도 4b 및 도 5b(레이저 조사 후)와 같이 제어된 것을 확인할 수 있다.
[표 1]은 도 4 및 도 5의 실험에 사용된 2㎛×2㎛ 기판의 표면 거칠기를 측정한 것이다.
| 실험 대상 기판 | Peak to Valley(Å) | RMS 거칠기(Å) | 평균 거칠기(Å) |
| 도 4a의 기판 | 15.9 | 1.16 | 0.85 |
| 도 4b의 기판 | 13.4 | 1.17 | 0.86 |
| 도 5a의 기판 | 9.09 | 0.72 | 0.52 |
| 도 5b의 기판 | 7.73 | 0.75 | 0.56 |
[표 1]에서 알 수 있는 것과 같이, 본 실험 결과에서 기판의 표면 거칠기가 40% 정도 개선된 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 정밀한 표면 가공이 필요한 거의 모든 대상물의 표면 거칠기를 물리적인 스트레스를 가하지 않고 효과적으로 제어할 수 있다. 일 예로, 반도체 웨이퍼의 경우 웨이퍼가 대형화될수록 웨이퍼 표면의 평탄도와 거칠기는 더욱 중요해지며, 본 발명의 평탄화 공정을 적용하는 경우 CMP 공정에 비하여 표면 평탄도를 40% 이상 향상시킬 수 있다.
또한, CMP 공정에서와 달리 물이나 화학 약품 등을 전혀 사용하지 않으므로 오염 방지 설비 및 재처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있고 유해 물질의 발생을방지할 수 있는 환경 친화적인 기술이며, 표면 평탄화 공정과 파티클 제거가 동시에 진행되므로 세정 공정 등의 후처리 공정을 생략할 수 있어 공정 비용 및 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, CMP 공정으로 표면 평탄화를 수행해야 하는 경우에도 CMP 공정을 실시하기 전 본 발명의 평탄화 방법에 의해 기판 표면을 어느 정도 평탄화한 후 CMP 공정을 실시하게 되면 평탄화 공정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
Claims (7)
- 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법으로서,챔버 내에 처리 대상 기판을 로딩하는 단계;레이저 빔 조사 장치로부터 출사되는 레이저 빔을 상기 챔버 내의 상기 처리 대상 기판에 조사하는 단계;상기 챔버 내에 취입 가스를 유입시키면서, 상기 챔버 내의 가스 및 부유 입자를 상기 챔버 외부로 배출시키는 단계;상기 레이저 빔의 조사를 정지시키는 단계;상기 취입 가스의 유입을 차단하고 상기 챔버 내의 가스 배출을 정지시키는 단계; 및상기 처리 대상 기판을 상기 챔버로부터 언로딩하는 단계;를 포함하는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 레이저 빔 조사 장치는 레이저 빔의 에너지를 균일하게 제어하기 위한 호모지나이저를 구비하는 엑시머 레이저 장치를 사용하는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 취입 가스는 질소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스 중 어느 하나를 사용하는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 레이저 빔은 20∼90°의 입사각으로 조사하는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 챔버 내의 압력은 10∼100mT로 설정하는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 챔버 내에 NF3, CF4, C2F6, CH2F2, CHCl3, Cl2, N2O 가스 하나 이상을 더 주입하는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 챔버 내에 O2, O3, H2중 하나 이상을 더 주입하는 반도체 및 광학 소자의 표면 평탄화 방법.
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