KR20240083925A - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 Download PDF

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김경만
홍영표
이제희
권성철
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세메스 주식회사
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Abstract

플라즈마 처리 공간 내부의 금속 오염물을 효과적으로 제거함으로써 접합 품질을 향상시킬 수 있는 기술을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속부가 노출된 기판을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 챔버 내부의 처리 공간을 세정하기 위한 기판 처리 장치 세정 방법이 제공된다. 기판 처리 장치 세정 방법은, 제1 가스를 플라즈마 처리 공간으로 공급하여 처리 공간의 내벽에 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계; 및 상기 제1 가스와 상이한 제2 가스를 상기 처리 공간으로 상기 코팅층을 제거하는 코팅층 제거 단계를 포함한다. 이때, 제거되는 코팅층은 기판에 대한 플라즈마 처리에 의하여 발생되는 금속 오염물을 포함한다.

Description

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND SUBSTRATE PROCESSING METHOD}
본 발명은 기판 처리 장치 세정 방법을 포함하는 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 고밀도 집적화를 위해 3차원 적층 기술이 적용되고 있다. 3차원 적층 기술은 2차원적 집적화 기술에 비해 단위면적당 집적도를 비약적으로 향상시키거나 배선의 길이를 줄임으로써 칩의 성능을 향상시킬 수 있다. 아울러 이종 소자 간의 결합을 통해 새로운 특성이 발휘될 수도 있다.
3차원 적층 기술은 개략적으로 C2C(Chip to Chip), C2W(Chip to Wafer), W2W(Wafer to Wafer) 방식이 있다.
W2W 적층 방식은, 웨이퍼와 웨이퍼를 적층한 후 다이싱(Dicing) 과정을 통해 칩을 제조하는 방식이다. 본딩 공정의 수가 C2C 방식이나 C2W 방식에 비해 획기적으로 줄어듦에 따라 대량 생산에 유리한 장점을 갖는다.
종래에는 여러 기술적 제한 등의 이유로 반도체 제조 공정에서 C2C 적층 방식을 적용하여 3차원 적층 반도체를 제작하였으나, 대량 생산성 및 수율을 고려하여 점차적으로 W2W 적층 방식을 적용하는 추세로 변화되고 있다.
특히, 메모리 반도체와 같은 단순 적층을 통해 직접도 향상만을 고려하기 보다는 3차원 적층에 따른 칩 성능의 향상을 꾀하려는 경우, W2W 적층 방식이 보다 효과적인 선택일 수 있다.
일반적으로, W2W 적층 방식에는 기판에 대한 플라즈마 처리를 통해 기판의 표면(접합면)을 활성화시키는 과정을 포함하는 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)이 적용된다. 플라즈마 기판 처리를 통한 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)을 적용하는 경우, 기판 표면(접합면)에 대한 플라즈마 처리 공정 중 이온(Ion)의 영향에 의해 기판 표면에 수산기(-OH)의 생성과 파괴가 일어난다. 이 과정에서 기판에 포함된 금속(Metal) 성분에 의하여 처리 챔버 내부의 오염이 유발될 수 있다. 일 예로, 금속 성분을 포함하는 C2C(Copper to Copper) 기판의 표면 개질을 위한 플라즈마 처리 시, 기판의 표면으로부터 방출된 금속 이온(Cu 이온)에 의하여 처리 공간 내부가 오염될 수 있다. 또한, 플라즈마 처리에 의한 공정 부산물이 처리 공간 내부에 잔류할 수 있다.
플라즈마 처리 공정이 종료된 후에도 플라즈마 처리 공간 내부에 잔존하는 오염물들은 기판에 대한 파티클 이슈를 발생시킨다. 기판에 대한 파티클 이슈는 후속 공정들에 영향을 미쳐 수율 감소 및 신뢰성 감소를 초래하므로 플라즈마 상태의 가스를 이용하여 플라즈마 처리 공간을 건식 세정함으로써 플라즈마 처리 공간 내 금속 오염물들을 제거하는 방안이 제시되었다. 그러나, 종래의 처리 공간 내 금속 오염물 제거 방안은 구리 이온의 제거 능력이 미약하여 금속 오염물 제거 능력을 향상시키기 위한 방안이 요구되는 바이다.
본 발명은, 처리 공간 내부의 오염원 제거 능력이 향상된 챔버 클리닝 기술을 제공하고자 한다. 특히, C2C(Copper to Copper) 기판의 표면 개질을 위한 플라즈마 처리 공간 내 발생되는 금속 오염물을 효과적으로 제거할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속부가 노출된 기판을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 챔버 내부의 처리 공간을 세정하기 위한 기판 처리 장치 세정 방법이 제공될 수 있다. 상기 기판 처리 장치 세정 방법은, 제1 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 플라즈마 처리 챔버 내벽에 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계; 및 상기 제1 가스와 상이한 제2 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 코팅층을 제거하는 코팅층 제거 단계를 포함하고, 상기 코팅층 제거 단계에서 제거되는 코팅층은 상기 기판에 대한 플라즈마 처리에 의해 발생되는 금속 오염물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하고, 상기 제2 가스는 플루오린(F)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코팅층 형성 단계 및 상기 코팅층 제거 단계는, 상기 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 가스는 산소를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코팅층 제거 단계는, 상기 처리 공간을 소정의 시간 동안 배기하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 가스는, 상기 금속 오염물을 포함하는 상기 코팅층을 상기 챔버 내벽으로부터 탈착시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소정의 시간은, 상기 챔버 내벽으로부터 탈착된 모든 코팅층이 상기 처리 공간으로부터 완전히 제거될 때까지의 시간을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속부가 노출된 기판을 플라즈마 처리 챔버 내부의 처리 공간에서 플라즈마 처리하는 기판 처리 방법이 제공될 수 있다. 상기 기판 처리 방법은, 1 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 챔버 내벽에 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계; 상기 처리 공간 내부로 처리 대상 기판을 반입하는 기판 반입 단계; 상기 처리 대상 기판을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 단계; 상기 처리 공간으로부터 플라즈마 처리가 완료된 기판을 반출하는 기판 반출 단계; 및 상기 제1 가스와 상이한 제2 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 코팅층을 제거하는 코팅층 제거 단계를 포함하고, 상기 코팅층 제거 단계에서 제거되는 코팅층은 상기 플라즈마 처리 단계에 의해 상기 기판으로부터 발생되는 금속 오염물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속부가 노출된 기판을 플라즈마 처리하는 기판 처리 장치가 제공될 수 있다. 상기 기판 처리 장치는, 내부에 처리 공간이 형성된 챔버; 상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛; 상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛; 상기 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 유닛; 및 상기 가스 공급 유닛 및 상기 플라즈마 발생 유닛을 제어하여, 제1 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내벽에 코팅층을 형성하고, 상기 제1 가스와 상이한 제2 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 기판에 대한 플라즈마 처리에 의하여 발생되는 금속 오염물을 포함하는 코팅층을 상기 처리 공간으로부터 제거하는 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하고, 상기 제2 가스는 플루오린(F)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 가스 공급 유닛을 제어하여 상기 제1 가스를 상기 처리 공간으로 주입하고, 상기 플라즈마 발생 유닛을 제어하여 상기 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성함으로써 상기 챔버 내벽에 코팅층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 가스 공급 유닛을 제어하여 상기 제1 가스의 첨가 가스로서 산소를 상기 처리 공간으로 주입할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 가스 공급 유닛을 제어하여 상기 제2 가스를 상기 처리 공간으로 주입하고, 상기 플라즈마 발생 유닛을 제어하여 상기 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성함으로써 상기 챔버 내벽으로부터 상기 금속 오염물을 포함하는 코팅층을 탈착시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판 처리 장치는 상기 처리 공간을 배기하는 배기 유닛을 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 배기 유닛을 제어하여 상기 챔버 내벽으로부터 탈착된 상기 금속 오염물을 포함하는 코팅층을 상기 처리 공간으로부터 제거할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 금속부가 노출된 기판에 대한 플라즈마 처리가 수행되기 전 상기 챔버 내벽에 코팅층을 형성하고, 상기 금속부가 노출된 기판에 대한 플라즈마 처리가 완료된 후 상기 코팅층을 제거하도록 상기 가스 공급 유닛, 플라즈마 발생 유닛 및 배기 유닛을 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 처리 공간 내부에 잔존하는 오염원들에 대한 제거 성능이 향상된 기판 처리 장치 세정 방법이 제공될 수 있다. 특히, 금속부(금속 라인 또는 금속 패드)를 포함하는 기판의 접합면을 활성화시키기 위하여 수행되는 플라즈마 처리 공정에서, 기판에 의하여 발생하는 금속 오염물을 처리 공간으로부터 효과적으로 제거함으로써 기판의 접합 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 위에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 하이브리드 본딩의 개념을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용되는 기판 접합 시스템의 일 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 순서에 따라 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 쉽게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있고 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예를 설명하는 데 있어서, 관련된 공지 기능이나 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적 설명을 생략하고, 유사 기능 및 작용을 하는 부분은 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용하기로 한다.
명세서에서 사용되는 용어들 중 적어도 일부는 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이기에 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 그 용어에 대해서는 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서, 어떤 구성 요소를 포함한다고 하는 때, 이것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 그리고, 어떤 부분이 다른 부분과 연결(또는, 결합)된다고 하는 때, 이것은, 직접적으로 연결(또는, 결합)되는 경우뿐만 아니라, 다른 부분을 사이에 두고 간접적으로 연결(또는, 결합)되는 경우도 포함한다.
한편, 도면에서 구성 요소의 크기나 형상, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 발명은 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)을 통한 기판 접합 공정에서 플라즈마 처리로 기판 표면 상에 수산기(-OH) 생성함으로써 기판의 접합면을 활성화시키는 때 플라즈마 처리에 의하여 유발되는 플라즈마 챔버 내 오염을 효과적으로 제거할 수 있는 장치 세정 기술을 제시한다. 특히, 금속부(금속 라인 또는 금속 패드)를 포함하는 기판에 대한 플라즈마 처리에 의하여 유발되는 금속 오염물을 플라즈마 처리 공간으로부터 효과적으로 제거하기 위한 플라즈마 챔버 클리닝 기술을 제시한다.
먼저, 도 1은 본 발명이 적용되는 기판의 표면 처리 과정을 도시한다.
기판 표면에 대한 플라즈마 처리를 통해 실리콘 기판의 접합면에 대한 표면 에너지를 증가시키고 계면 간의 공유 결합을 유도할 수 있다. 플라즈마 처리를 통해 기판 표면을 활성화시키고 실리콘 기판 표면의 소수성(Hydrophobic) 특성을 플라즈마 처리를 통해 친수성(Hydrophilic)으로 바꾸어 줌으로써 기판 표면에 수산기(-OH) 생성을 유도할 수 있다.
플라즈마 처리 후에는 기판 표면에 대한 린스 공정을 진행하여 수산기(-OH) 생성을 활성화시키고 불순물을 세정할 수 있다.
이러한 공정을 진행한 두 기판의 면을 대향시켜 접합하는데, 접합 공정은 가접합 공정과 본접합 공정을 포함할 수 있다. 가접합 공정은, 수산기(-OH)가 형성된 두 기판(W)을 접촉시켜 수소 결합에 의하여 두 기판을 임시적으로 결합하는 공정이고, 본접합 공정은, 가접합 된 두 기판을 열처리함으로써 발생되는 탈수 반응에 의하여 두 기판과 산소(O) 원자 사이에 형성되는 공유 결합을 통해 두 기판 면을 접합하는 공정일 수 있다.
이러한 플라즈마 처리를 통한 기판 표면의 수산기(-OH)의 생성에 있어서, 기판 표면 전체적으로 수산기(-OH)의 고른 분포와 충분한 수산기(-OH)의 생성량은 이후 공유 결합을 통한 결합력 확보에 상당히 중요한 요인이 된다.
한편, 금속(metal) 성분을 포함하는 기판 표면에 대한 플라즈마 처리 시 기판 표면으로부터 방출되는 금속 이온에 의하여 챔버 내부의 오염이 유발되고, 이는 접합 공정의 품질 및 수율을 저하시켜 전체 접합(본딩) 공정의 스루풋을 저하시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 처리 공간 내부에 발생되는 오염 물질을 효과적으로 제거함으로써 접합 공정의 품질 및 수율을 향상시킬 수 있는 방안을 제시한다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 기판 접합 시스템의 일 예를 도시한다. 본 발명에 따른 기판 접합 시스템(1)은 금속부가 노출되어 있는 제1 기판 및 제2 기판을 금속부가 서로 연결되도록 접합시키는 기판 접합 설비를 포함할 수 있다. 금속부는 소자와 소자 또는 소자와 외부를 연결시키기 위한 금속 패드 또는 금속 라인일 수 있다. 예를 들어, 금속부는 구리, 탄탈륨 등과 같은 반도체 배선 물질을 포함할 수 있다.
기판 접합 시스템(1)은 클린 룸(20) 내에 배치되는 기판 처리 장치(100), 제어기(10), 반송 장치(40), 세정 장치(50), 정렬 장치(60) 및 기판 접합 장치(70)를 포함할 수 있다. 또한, 기판 접합 시스템(1)은 클린 룸(20)의 일측에 구비되는 카세트 스테이지(30)를 더 포함할 수 잇다.
예시적인 실시예에 있어서, 클린 룸(20)은 내부 공간을 갖는 직육면체 형태의 룸으로 이루어지며, 미세 먼지 및 이물질이 차단된 공간을 형성하여 기 설정된 범위의 청정도를 유지할 수 있다.
카세트 스테이지(30)는 기판(W)들이 저장되는 공간을 제공할 수 있다. 복수 개의 기판(W)들을 수납할 수 있는 캐리어(C, FOUP)는 카세트 스테이지(30)의 지지 플레이트(32) 상에 지지될 수 있다. 이때 기판(W)은 제1 기판 및 제2 기판을 포함하고, 카세트 스테이지(30) 상에는 제1 기판이 수납된 캐리어와 제2 기판이 수납된 캐리어가 각각 로딩될 수 있다.
반송 장치(40)는 클린 룸(20) 내부에서 기판을 반송할 수 있다. 반송 장치(40)는 기판 처리 장치(100), 세정 장치(50), 기판 접합 장치(70)와 연통되는 반송 공간 및 기판(W)을 반송하기 위해 반송 공간에 제공되는 이송 로봇(42)을 포함할 수 있다. 캐리어(C) 내에 수납된 기판(W)들은 이송 로봇(42)에 의해 클린 룸(20) 내부로 이송될 수 있다. 일 예로, 이송 로봇(42)은 복수 개 구비되고, 복수 개의 이송 로봇(42)은 제1 기판 및 제2 기판을 각각 반송할 수 있다.
정렬 장치(60)는 기판(W)의 플랫부(P)(또는 노치)를 감지하여 기판(W)을 정렬시킬 수 있다. 정렬 장치(60)에 의해 정렬된 기판(W)은 이송 로봇(42)에 의해 기판 처리 장치(100), 세정 장치(50), 기판 접합 장치(70)로 이송될 수 있다.
세정 장치(50)는 기판 처리 장치(100)에 의해 플라즈마 처리된 기판 표면을 세정할 수 있다. 세정 장치(50)는 스핀 코터를 이용하여 상기 기판의 표면에 DI 워터를 코팅할 수 있다. DI 워터는 기판의 표면을 세정할 뿐만 아니라 플라즈마 처리에 의하여 기판의 표면에 생성된 수산기(-OH)기가 서로 잘 결합되도록 기판 표면을 활성화시킬 수 있다.
기판 접합 장치(70)는 하부 척 구조물 및 상부 척 구조물을 포함할 수 있다. 상부 척 구조물은 제1 기판을 고정하고 하부 척 구조물을 제2 기판을 고정할 수 있다.
상부 척 구조물과 하부 척 구조물 중 어느 하나 또는 이들 모두는 승하강 가능하여 제1 기판과 제2 기판을 가압하면서 접합시킬 수 있다. 일 예로서, 상부 척 구조물과 하부 척 구조물에는 푸시 로드가 배치되어 푸시 로드의 승강을 통해 기판의 중심부로부터 외곽으로 제1 기판과 제2 기판 간에 접합이 이루어질 수 있다. 또는 상부 척 구조물과 하부 척 구조물에는 공기 또는 가스 주입을 통해 부풀려지는 가압 수단이 배치되어 가압 수단의 부풀림 동작을 통해 기판의 중심부로부터 외곽으로 제1 기판과 제2 기판 간에 접합이 이루어질 수도 있다.
나아가서 기판 접합 시스템(1)은 접합된 기판을 열처리하기 위한 어닐링 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한 기판 접합 시스템(1)은 접합된 기판 중 어느 하나의 기판 표면을 그라인딩하기 위한 그라인딩 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어기(10)는 기판 접합 시스템(1)을 전반적으로 제어하기 위하여 구비될 수 있다. 예를 들어, 제어기(10)는 반송 장치(40), 세정 장치(50), 정렬 장치(60), 기판 접합 장치(70), 그리고 기판 처리 장치(100)를 제어할 수 있다. 제어기(10)는 마이크로컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하여 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 프로그램 및 레시피 정보에 따라 기판 처리 장치(100)의 동작을 제어할 수 있다. 이하 제어기(10)에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 기판 접합 시스템(1)은 도 2에 도시된 바와 같은 클러스터 시스템이 아닌 인라인 시스템으로 제공될 수도 있다. 또한, 제어기(10)는 도 2에 도시된 바와 달리 클린 룸(20) 외부에 제공될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판 처리 장치(100)는 챔버(110), 기판 지지 유닛(120), 플라즈마 발생 유닛(130), 샤워 헤드 유닛(shower head unit; 140), 가스 공급 유닛(160), 월 라이너(wall liner unit; 170), 배플 유닛(baffle unit; 180) 및 상부 모듈(190)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판 처리 장치(100)는 진공 환경에서 플라즈마를 이용하여 기판(W)(예를 들어, 웨이퍼) 표면을 처리하기 위한 장치이다. 기판 처리 장치(100)는 예를 들어, 플라즈마 공정(plasma process)을 이용하여 기판(W)에 대하여 식각 공정을 수행할 수 있다.
챔버(110)는 플라즈마 공정이 수행되는 플라즈마 처리 공간을 제공하는 것이다. 이러한 챔버(110)는 내부가 밀폐될 수 있고 그 하부에 배기 유닛을 구비할 수 있다.
배기 유닛은 배기 홀(111), 펌프(112), 배기 라인(113)을 포함할 수 있다. 배기 홀(111)은 펌프(112)가 장착된 배기 라인(113)과 연결될 수 있다. 이러한 배기 홀(111)은 배기 라인(113)을 통해 플라즈마 공정 과정에서 발생된 반응 부산물과 챔버(110)의 내부에 잔여하는 가스를 챔버(110)의 외부로 배출할 수 있다. 이 경우, 챔버(110)의 내부 공간은 소정의 압력으로 감압될 수 있다. 배기 라인(113) 상에는 배기 밸브가 설치될 수 있다. 배기 유닛의 동작은 제어기(10)에 의하여 제어될 수 있다.
챔버(110)는 그 측벽에 개구부(115)가 형성될 수 있다. 개구부(115)는 챔버(110)의 내부로 기판(W)이 출입하는 통로로서 기능할 수 있다. 이러한 개구부(115)는 도어 어셈블리(116)에 의해 개폐되도록 구성될 수 있다.
도어 어셈블리(116)는 외측 도어(116a) 및 도어 구동기(116b)를 포함하여 구성될 수 있다. 외측 도어(116a)는 챔버(110)의 외벽에 제공되는 것이다. 이러한 외측 도어(116a)는 도어 구동기(116b)를 통해 상하 방향(즉, 제 3 방향(30))으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 도어 구동기(116b)는 모터, 유압 실린더, 공압 실린더 등을 이용하여 작동할 수 있다.
기판 지지 유닛(120)은 챔버(110)의 내부 하측 영역에 설치되는 것이다. 이러한 기판 지지 유닛(120)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 지지할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 기판 지지 유닛(120)은 기계적 클램핑(mechanical clamping), 진공(vacuum) 등과 같은 다양한 방식으로 기판(W)을 지지하는 것도 가능하다.
기판 지지 유닛(120)이 정전기력을 이용하여 기판(W)을 지지하는 경우, 기판 지지 유닛(120)은 베이스 부재(base component; 121)와 척킹 부재(chucking component; 122)를 포함하는 정전 척(ESC; Electro-Static Chuck)일 수 있다.
베이스 부재(121)는 척킹 부재를 지지하는 것이다. 베이스 부재(121)는 예를 들어, 알루미늄 성분을 소재로 하여 제작되어 알루미늄 베이스 플레이트(Al base plate)로 제공될 수 있다.
척킹 부재(122)는 정전기력을 이용하여 그 상부에 안착되는 기판(W)을 지지하는 것이다. 이러한 척킹 부재(122)는 세라믹 성분을 소재로 하여 제작되어 세라믹 플레이트(ceramic plate) 또는 세라믹 퍽(ceramic puck)으로 제공될 수 있으며, 베이스 부재(121) 상에 고정되도록 베이스 부재(121)와 결합될 수 있다.
베이스 부재(121)와 그 위에 형성되는 척킹 부재(122) 사이에는 접합층(bonding layer)이 형성될 수 있다.
링 어셈블리(128)는 기판 지지 유닛(120)의 가장자리 영역에 배치될 수 있다. 링 어셈블리(128)는 링 형상을 가지며, 기판 지지 유닛(120)의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 링 어셈블리(128)의 상면은 외측부가 내측부보다 높게 위치할 수 있다. 예를 들어, 링 어셈블리(128)의 상면 내측부는 척킹 부재(122)의 상면과 동일 높이에 위치될 수 있다. 링 어셈블리(128)의 상면 내측부는 척킹 부재(122)에 지지된 기판(W)의 가장자리 영역을 지지할 수 있다. 링 어셈블리(128)는 기판(W)의 전체 영역에서 플라즈마의 밀도가 균일하게 분포하도록 전기장을 제어할 수 있다. 이에 의해, 기판(W)의 전체 영역에 걸쳐 플라즈마가 균일하게 형성되어 기판(W)의 각 영역이 균일하게 식각될 수 있다.
가열 부재(124) 및 냉각 부재(125)는 챔버(110)의 내부에서 플라즈마 처리 공정이 진행되고 있을 때에 기판(W)이 공정 온도를 유지할 수 있도록 제공되는 것이다. 가열 부재(124)는 이를 위해 열선으로 제공될 수 있으며, 냉각 부재(125)는 이를 위해 냉매가 흐르는 냉각 라인으로 제공될 수 있다.
가열 부재(124) 및 냉각 부재(125)는 기판(W)이 공정 온도를 유지할 수 있도록 하기 위해 기판 지지 유닛(120)의 내부에 설치될 수 있다. 일 예로, 가열 부재(124)는 척킹 부재(122)의 내부에 설치될 수 있으며, 냉각 부재(125)는 베이스 부재(121)의 내부에 설치될 수 있다.
한편, 냉각 부재(125)는 냉각 장치(chiller; 126)를 이용하여 냉매를 공급받을 수 있다. 냉각 장치(126)는 챔버(110)의 외부에 설치될 수 있다.
플라즈마 발생 유닛(130)은 챔버(110) 내 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킬 수 있다. 플라즈마 발생 유닛(130)은 용량 결합형 플라즈마(CCP; Capacitively Coupled Plasma) 타입의 플라즈마 소스를 사용할 수 있다. CCP 타입의 플라즈마 소스가 사용되는 경우, 플라즈마 발생 유닛(130)은 상부 전극 및 하부 전극을 포함할 수 있다. 상부 전극 및 하부 전극은 처리 공간을 사이에 두고 서로 평행하게 상하로 배치될 수 있다. 일 예로, 플라즈마 발생 유닛(130)은 도 3에 도시된 바와 같이 샤워 헤드 유닛(140)을 상부 전극으로 이용하고, 기판 지지 유닛(120)을 하부 전극으로 이용할 수 있다.
한편, 플라즈마 발생 유닛(130)은 유도 결합형 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 소스를 이용하여 챔버(110) 내부의 방전 공간에 플라즈마를 발생시킬 수도 있다. 이 경우, 플라즈마 발생 유닛(130)은 상부 모듈(미도시)에 설치되는 안테나 유닛(antenna unit; 미도시)을 상부 전극으로 이용하고, 기판 지지 유닛(120)을 하부 전극으로 이용할 수 있다.
상부 전극과 하부 전극 중 적어도 하나는 RF 전원에 의해 RF 신호를 인가받아 플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 공급받을 수 있다. 양 전극 간의 공간에는 전기장이 형성되고, 이 공간으로 공급되는 공정 가스는 플라즈마 상태로 여기될 수 있다. 이 플라즈마를 이용하여 기판 처리 공정이 수행될 수 있다. 상부 전극 및 하부 전극 중 적어도 하나에 인가되는 RF 신호는 제어기(10)에 의하여 제어될 수 있다.
일 예로, 플라즈마 발생 유닛(130)은 상부 전원(131)과 하부 전원(133)을 포함하여 구성될 수 있다.
상부 전원(131)은 상부 전극으로 전력을 인가한다. 일 예로, 상부 전극은 샤워 헤드 유닛(140)일 수 있다. 이러한 상부 전원(131)은 소스 전력을 인가하기 위한 소스 전원으로서 플라즈마의 특성을 제어하도록 제공될 수 있다. 상부 전원(131)은 예를 들어, 이온 충격 에너지(ion bombardment energy)를 조절하도록 제공될 수 있다.
상부 전원(131)은 도 3에 단일 개 도시되어 있지만, 복수 개 구비되는 것도 가능하다. 상부 전원(131)이 복수 개 구비되는 경우, 기판 처리 장치(100)는 복수 개의 상부 전원과 전기적으로 연결되는 제1 매칭 네트워크(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제1 매칭 네트워크는 각각의 상부 전원으로부터 입력되는 상이한 크기의 주파수 전력들을 매칭하여 샤워 헤드 유닛(140)에 인가할 수 있다.
한편, 상부 전원(131)과 샤워 헤드 유닛(140)을 연결하는 제1 전송 선로(132) 상에는 임피던스 정합을 목적으로 제1 임피던스 정합 회로(미도시)가 마련될 수 있다.
제1 임피던스 정합 회로는 무손실 수동 회로로 작용하여 상부 전원(131)으로부터 샤워 헤드 유닛(140)으로 전기 에너지가 효과적으로(즉, 최대로) 전달되도록 할 수 있다.
하부 전원(133)은 하부 전극에 전력을 인가하는 것이다. 일 예로, 하부 전극은 기판 지지 유닛(120)일 수 있다. 이러한 하부 전원(133)은 바이어스 전력을 인가하기 위한 바이어스 전원일 수 있다.
하부 전원(133)은 도 32에 단일 개 도시되어 있지만, 상부 전원(131)과 마찬가지로 본 실시예에서 복수 개 구비되는 것도 가능하다. 하부 전원(133)이 복수 개 구비되는 경우, 복수 개의 하부 전원과 전기적으로 연결되는 제 2 매칭 네트워크(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제2 매칭 네트워크는 각각의 하부 전원으로부터 입력되는 상이한 크기의 주파수 전력들을 매칭하여 기판 지지 유닛(120)에 인가할 수 있다.
한편, 하부 전원(133)과 기판 지지 유닛(120)을 연결하는 제2 전송 선로(134) 상에는 임피던스 정합을 목적으로 제2 임피던스 정합 회로(미도시)가 마련될 수 있다.
제2 임피던스 정합 회로는 제1 임피던스 정합 회로와 마찬가지로 무손실 수동 회로로 작용하여 하부 전원(133)으로부터 기판 지지 유닛(120)으로 전기 에너지가 효과적으로(즉, 최대로) 전달되도록 할 수 있다.
플라즈마 발생 유닛(130)은 제어기(10)에 의하여 제어될 수 있다. 따라서, 상부 전극으로의 전원 공급과 하부 전극으로의 전원 공급은 제어기(10)에 의하여 제어될 수 있다.
샤워 헤드 유닛(140)은 챔버(110)의 내부에서 기판 지지 유닛(120)과 상하로 대향되도록 설치될 수 있다. 이러한 샤워 헤드 유닛(140)은 챔버(110)의 내부로 가스를 분사하기 위해 복수 개의 가스 분사 홀(gas feeding hole; 141)을 구비할 수 있으며, 기판 지지 유닛(120)보다 더 큰 직경을 가지도록 제공될 수 있다.
한편, 샤워 헤드 유닛(140)은 실리콘 성분을 소재로 하여 제작될 수 있으며, 금속 성분을 소재로 하여 제작되는 것도 가능하다.
가스 공급 유닛(160)은 챔버(110) 내부로 공정 가스를 공급할 수 있다. 이러한 가스 공급 유닛(160)은 가스 공급원(161), 가스 공급 라인(162) 및 가스 공급 노즐(163)을 포함할 수 있다.
가스 공급원(161)은 기판(W)을 처리하는 데에 이용되는 공정 가스를 가스 공급 노즐(163)로 공급할 수 있다.
가스 라인(162)은 가스 공급원(161)과 가스 공급 노즐(163)을 연결할 수 있다. 가스 라인(162)은 가스 공급원(161)으로부터 공급되는 가스를 가스 공급 노즐(163)을 이송하여, 챔버(110) 내부로 유입될 수 있도록 한다. 가스 라인(162) 상에는 밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 밸브(미도시)는 가스 라인(162)을 개폐하며, 가스 라인(162)을 통해 공급되는 공정 가스의 유량을 조절할 수 있다.
가스 공급 노즐(163)은 챔버(110)의 상면 중앙부에 설치될 수 있다. 가스 공급 노즐(163)의 저면에는 분사구가 형성될 수 있다. 분사구는 챔버(110) 샤워 헤드 유닛(140)으로 공정 가스를 공급할 수 있다.
도 3에는 가스 공급원(161)을 하나만 도시하였으나, 가스 공급원(161)은 복수 개 구비되어 복수 종류의 가스를 챔버(110)로 공급할 수 있다.
가스 공급 유닛(160)은 챔버(110) 내부로 제1 가스 및 제1 가스와 상이한 제2 가스를 공급할 수 있다. 여기서, 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하는 가스이고, 제2 가스는 플루오린(F)을 포함하는 가스일 수 있다. 일 예로, 제1 가스는 Si4H, TEOS 등을 포함하는 실란계 가스일 수 있다. 일 예로, 제2 가스는 F2, HF, CH4, NF3 중 하나를 포함할 수 있다. 제1 가스는 첨가 가스를 더 포함할 수 있고, 첨가 가스는 산소를 포함할 수 있다. 가스 공급 유닛(160)에 의하여 처리 공간으로 제1 가스 또는 제2 가스가 공급되고, 상부 전극 및 하부 전극에 전력이 공급되면 처리 공간 내부에 제1 가스 또는 제2 가스가 플라즈마 상태로 여기될 수 있다.
제1 가스는 챔버(110) 내부로 공급되어 플라즈마 상태로 여기됨에 따라 챔버 내벽에 코팅층을 형성할 수 있다. 여기서 챔버 내벽에 형성되는 코팅층은 SiO2 막이다. 제1 가스는 처리 공간 내에 처리 대상 기판이 존재하지 않는 때 처리 공간으로 공급될 수 있다. 일 예로, 제1 가스는 기판 지지 유닛(120) 상에 웨이퍼가 존재하지 않거나, 기판 지지 유닛(120) 상에 더미 웨이퍼(dummy wafer)가 존재하는 때 처리 공간으로 주입될 수 있다.
제2 가스는 챔버 내벽에 코팅층이 형성된 상태에서 챔버(110) 내부로 공급되고, 플라즈마 상태로 여기됨에 따라 챔버 내벽의 코팅층을 챔버 내벽으로부터 탈착시킬 수 있다. 이때, 챔버 내벽으로부터 탈착되는 코팅층은 기판에 대한 플라즈마 처리에 의하여 발생된 금속 오염물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 챔버 내벽으로부터 탈착되는 코팅층은 기판에 대한 플라즈마 처리에 의하여 발생된 금속 오염물이 부착된 상태의 코팅층일 수 있다. 제2 가스는 처리 공간 내에 처리 대상 기판이 존재하지 않는 때 처리 공간으로 공급될 수 있다. 일 예로, 제2 가스는 기판 지지 유닛(120) 상에 웨이퍼가 존재하지 않거나, 기판 지지 유닛(120) 상에 더미 웨이퍼(dummy wafer)가 존재하는 때 처리 공간으로 주입될 수 있다.
가스 공급 유닛(160)은 제어기(10)에 의하여 제어될 수 있다. 따라서, 제1 가스의 공급과 제2 가스의 공급은 제어기(10)에 의하여 제어될 수 있다.
한편, 샤워 헤드 유닛(140)이 센터 영역(center zone), 미들 영역(middle zone), 에지 영역(edge zone) 등으로 분할되는 경우, 가스 공급 유닛(160)은 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 공정 가스를 공급하기 위해 가스 분배기(미도시)와 가스 분배 라인(미도시)을 더 포함할 수 있다.
가스 분배기는 가스 공급원(161)으로부터 공급되는 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 분배하는 것이다. 이러한 가스 분배기는 가스 라인(161)을 통해 가스 공급원(161)과 연결될 수 있다.
가스 분배 라인은 가스 분배기와 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역을 연결하는 것이다. 가스 분배 라인은 이를 통해 가스 분배기에 의해 분배된 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 이송할 수 있다.
월 라이너 유닛(170)은 공정 가스가 여기되는 과정에서 발생되는 아크 방전, 기판 처리 공정 중에 발생되는 불순물 등으로부터 챔버(110)의 내측면을 보호하기 위한 것이다. 이러한 월 라이너 유닛(170)은 챔버(110)의 내부에 상부와 하부가 각각 개방된 원통 형상으로 제공될 수 있다. 선택적으로, 월 라이너 유닛(170)은 제공되지 않을 수 있다.
월 라이너 유닛(170)은 챔버(110)의 내측벽에 인접하도록 제공될 수 있다. 이러한 월 라이너 유닛(170)은 그 상부에 지지 링(171)을 구비할 수 있다. 지지 링(171)은 월 라이너 유닛(170)의 상부에서 외측 방향(즉, 제1 방향(10))으로 돌출 형성되며, 챔버(110)의 상단에 놓여 월 라이너 유닛(170)을 지지할 수 있다.
배플 유닛(180)은 플라즈마의 공정 부산물, 미반응 가스 등을 배기하는 역할을 한다. 이러한 배플 유닛(180)은 챔버(110)의 내측벽과 기판 지지 유닛(120) 사이에 설치될 수 있다. 배플 유닛(180)은 환형의 링 형상으로 제공될 수 있으며, 상하 방향(즉, 제3 방향(30))으로 관통되는 복수 개의 관통 홀을 구비할 수 있다. 배플 유닛(180)은 관통 홀의 개수 및 형상에 따라 공정 가스의 흐름을 제어할 수 있다.
상술한 구성에 의하여 기판 처리 장치(100)는 기판에 대한 플라즈마 처리를 통해 기판 표면에 수산기(-OH)를 생성할 수 있다. 기판 표면 전체적으로 수산기(-OH)의 고른 분포와 충분한 수산기(-OH)의 생성량은 이후 공유 결합을 통한 결합력 확보에 상당히 중요한 요인이 된다.
그러나, 금속(metal) 성분을 포함하는 기판 표면에 대한 플라즈마 처리 시 기판 표면으로부터 방출되는 금속 이온에 의하여 챔버 내부의 오염이 유발되고, 이는 접합 공정의 품질 및 수율을 저하시켜 전체 접합(본딩) 공정의 스루풋을 저하시킨다. 따라서 본 발명에서는 처리 공간 내부에 발생되는 오염 물질을 효과적으로 제거함으로써 접합 공정의 품질 및 수율을 향상시킬 수 있는 방안을 제시한다.
제어기(10)는 플라즈마 발생 유닛(130)과 가스 공급 유닛(160)을 제어하여 처리 공간 내부로 제1 가스를 공급하여 처리 공간 내부로 제2 가스를 공급하여 챔버(110) 내벽으로부터 코팅층(c)을 탈착시킬 수 있다. 제어기(10)는 기판(W)에 대한 플라즈마 처리가 수행되기 전 챔버(110) 내벽에 코팅층(c)을 형성하고, 기판(W)에 대한 플라즈마 처리 공정이 완료된 후 챔버(110) 내벽으로부터 코팅층(c)을 탈착시킬 수 있다.
구체적으로, 제어기(10)는 가스 공급 유닛(160)을 제어하여 제1 가스를 처리 공간으로 주입하고, 플라즈마 발생 유닛(130)을 제어하여 상부 전극과 하부 전극에 전력을 공급하여 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성할 수 있다. 즉, 제어기(10)는 제1 가스를 처리 공간으로 공급하고 제1 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 챔버(110) 내벽에 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 제1 가스는 첨가 가스로서 산소를 더 포함할 수 있다. 또는, 제어기가 제1 가스와 함께 산소를 주입하도록 가스 공급 유닛(160)을 제어할 수 있다. 챔버(110) 내벽에 형성되는 코팅층은 SiO2 막일 수 있다.
또한, 제어기(10)는 가스 공급 유닛(160)을 제어하여 제2 가스를 처리 공간으로 주입하고, 플라즈마 발생 유닛(130)을 제어하여 상부 전극과 하부 전극에 전력을 공급하여 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성할 수 있다. 즉, 제어기(10)는 제1 가스를 처리 공간으로 공급하고 제1 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 챔버(110) 내벽의 코팅층을 챔버(110) 내벽으로부터 탈착시킬 수 있다.
챔버(110) 내벽에 형성되었던 모든 코팅층(c)이 챔버(110) 내벽으로부터 탈착되면, 제어기(10)는 배기 유닛을 제어하여 처리 공간을 배기시킬 수 있다. 이에 따라 챔버(110) 내벽으로부터 탈착된 코팅층(c)이 처리 공간으로부터 배출되어 제거될 수 있다. 이때 제거되는 코팅층은 금속 오염물을 포함하는 오염원들이 부탁된 상태의 코팅층이다.
즉, 기판에 대한 플라즈마 처리 공정을 본 공정이라고 할 때, 제어기(10)는 플라즈마 발생 유닛(130) 및 가스 공급 유닛(160)을 제어하여 본 공정의 전처리 공정으로 챔버(110) 내벽에 코팅층(c)을 형성하는 코팅층 형성 공정을 수행하고, 본 공정의 후처리 공정으로 챔버(110) 내벽의 코팅층(c)을 처리 공간으로부터 제거하는 코팅층 제거 공정을 수행할 수 있다. 이때, 처리 공간으로부터 제거되는 코팅층(c)은 기판에 대한 플라즈마 처리에 의하여 발생되는 금속 오염물이 부착된 상태의 코팅층일 수 있다. 또한, 공정 부산물 등 처리 공간 내에 잔존하는 파티클 소스가 더 부착된 상태일 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법은, 금속부가 노출된 기판 표면을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법으로서, 기판 처리 장치 세정 방법을 포함할 수 있다. 기판 처리 세정 장치 방법은 챔버 내벽에 코팅층을 형성하는 단계와 형성된 코팅층을 제거하는 단계를 포함하며, 기판 처리 장치 세정 방법은 기판(W) 표면에 대한 플라즈마 처리 공정의 전 공정과 후 공정을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법은 코팅층 형성 단계(S100), 처리 기판 반입 단계(S200), 플라즈마 처리 단계(S300), 처리 기판 반출 단계(S400), 코팅층 제거 단계(S500)를 포함한다.
코팅층 형성 단계(S100)는 제1 가스를 처리 공간으로 공급하여 챔버(110) 내벽에 코팅층(c)을 형성하는 단계이다. 코팅층 형성 단계(S100)는 제1 가스 주입 단계(S110)와 플라즈마 형성 단계(S120)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하고, 첨가 가스로서 산소 가스를 더 포함할 수 있다.
제1 가스 주입 단계(S110)는 처리 공간으로 제1 가스를 공급하는 단계이다. 플라즈마 형성 단계(S120)는 상부 전극과 하부 전극에 전력이 공급되어 제1 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 단계이다. 일반적으로 플라즈마 형성 단계(S120)는 제1 가스 주입 단계(S110) 이후에 시작되지만, 제1 가스 주입 단계(S110) 도중에 시작되거나 제1 가스 주입 단계(S110)와 동시에 시작될 수도 있다. 또한, 상부 전극과 하부 전극 중 하나의 전극에만 전력이 공급되고, 전력이 공급되지 않는 전극은 접지될 수도 있다.
처리 공간으로 주입된 제1 가스는 플라즈마 처리 유닛(130)에 의하여 플라즈마 상태로 여기되고, 챔버(110) 내벽에 SiO2 코팅층을 형성할 수 있다. 코팅층 형성 단계(S100)는 플라즈마 처리 단계(S300)의 전처리 공정으로 수행되는 단계로, 처리 공간 내에 처리 대상 기판이 존재하지 않는 때 수행될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지 유닛(120) 상에 기판이 존재하지 않는 상태에서 수행될 수 있다. 또한, 코팅층 형성 단계(S100)는 기판 지지 유닛(120)의 손상을 방지하기 위하여, 기판 지지 유닛(120) 상에 더미 웨이퍼를 안착시킨 상태로 수행될 수 있다.
처리 기판 반입 단계(S200)는 처리 공간 내부로 처리 대상 기판을 반입하는 단계이다. 처리 기판 반입 단계(S200)는 코팅층 형성 단계(S100)가 완료된 이후에 수행될 수 있다. 즉, 처리 기판 반입 단계(S200)에서 처리 기판(W)이 반입되는 처리 공간 내벽은 코팅층(c)이 형성된 상태이다.
플라즈마 처리 단계(S300)는 처리 대상 기판을 플라즈마 처리하는 단계로, 기판 표면을 플라즈마 처리하여 기판 표면을 개질하는 단계이다. 이때, 가스 공급 유닛(160)에 의하여 처리 공간 내부로 개질 가스가 공급되고, 기판 표면을 개질하기 위하여 사용되는 개질 가스는 산소 성분을 포함하는 가스 또는 불활성 가스일 수 있다. 일 예로, 플라즈마 처리 단계(S300)에서 처리 공간 내로 공급되는 가스는 O2, O3, Ar, N2 중 하나일 수 있다.
기판 반출 단계(S400)는 플라즈마 처리가 완료된 처리 대상 기판을 처리 공간으로부터 반출하는 단계이다. 따라서, 기판 반출 단계(S400)는 플라즈마 처리 단계(S300)가 완료된 이후에 수행될 수 있다.
코팅층 제거 단계(S500)는 제1 가스와 상이한 제2 가스를 처리 공간으로 공급하여 코팅층을 제거하는 단계이다. 이때, 제거되는 코팅층은 플라즈마 처리 단계(S300)에 의하여 기판(W)의 금속부에 의하여 발생된 금속 오염물이 부착된 상태일 수 있다. 또한, 금속 오염물 뿐만 아니라, 공정 부산물 등 처리 공간 내에 잔존하는 파티클 소스 역시 부착된 상태일 수 있다.
코팅층 제거 단계(S500)는 제2 가스 주입 단계(S510), 플라즈마 형성 단계(S520), 처리 공간 배기 단계(S530)를 포함할 수 있다. 제2 가스는 플루오린(F)을 포함하는 가스일 수 있다. 일 예로, 제2 가스는 F2, HF, CH4, NF3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 가스 주입 단계(S510)는 처리 공간으로 제2 가스를 공급하는 단계이다. 플라즈마 형성 단계(S520)는 상부 전극과 하부 전극에 전력이 공급되어 제2 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 단계이다. 일반적으로 플라즈마 형성 단계(S520)는 제2 가스 주입 단계(S510) 이후에 시작되지만, 제2 가스 주입 단계(S510) 도중에 시작되거나 제2 가스 주입 단계(S510)와 동시에 시작될 수도 있다. 또한, 상부 전극과 하부 전극 중 하나의 전극에만 전력이 공급되고, 전력이 공급되지 않는 전극은 접지될 수도 있다. 처리 공간 배기 단계(S530)는 처리 공간을 배기하는 단계로 플라즈마 형성 단계(S520)가 완료된 이후에 수행될 수 있다.
처리 공간으로 주입된 제2 가스는 플라즈마 처리 유닛(130)에 의하여 플라즈마 상태로 여기되고, 챔버(110) 내벽에 코팅된 SiO2 코팅층을 챔버(110) 내벽으로부터 탈착시킬 수 있다. 챔버(110) 내벽으로부터 탈착된 코팅층은 처리 공간 배기 단계(S530)에 의하여 처리 공간으로부터 제거될 수 있다. 처리 공간 배기 단계(S530)는 챔버(110) 내벽으로부터 탈착된 모든 코팅층이 처리 공간으로부터 완전히 제거될 때까지의 시간을 포함하는 소정의 시간 동안 수행될 수 있다.
이와 같은 코팅층 제거 단계(S500)에 의하면 금속 오염물, 공정 부산물 등 처리 공간 내에 잔존하는 다양한 파티클 요소들이 코팅층(c)에 부착된 상태로 처리 공간으로부터 제거될 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 방법을 순서에 따라 나타내는 단면도들이다. 설명의 편의를 위하여 도 6 내지 도 9는 도 3에 비해 간략하게 도시하였다. 이하, 도 5 및 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 기판 표면 처리를 위한 플라즈마 처리 공정의 전처리 공정으로서 코팅층 형성 단계(S100)를 수행한다. 코팅층 형성 단계(S100)에서, 처리 공간 내부로 제1 가스가 공급될 수 있다(S110). 가스 공급 유닛(160)은 챔버(110) 내부의 처리 공간으로 제1 가스를 공급하고, 플라즈마 발생 유닛(130)은 상부 전극과 하부 전극에 전력을 인가하여 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성한다(S120). 이때, 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하는 가스이다. 일 예로, 제1 가스는 Si4H, TEOS 등을 포함하는 실란계 가스일 수 있다. 제1 가스는 첨가 가스로 산소 가스를 더 포함할 수 있다. 상부 전극은 상부 전원(131)으로부터 전력을 공급받고, 하부 전극은 하부 전원(133)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이때, 상부 전극은 샤워 헤드(140, 도 3 참조)일 수 있고, 하부 전극은 기판 지지 유닛(120)일 수 있다.
제1 가스는 처리 공간 내에 처리 대상 기판이 존재하지 않는 때 처리 공간으로 공급될 수 있다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 가스는 기판 지지 유닛(120) 상에 웨이퍼가 존재하지 않는 때 처리 공간으로 공급될 수 있다. 또는, 제1 가스는 기판 지지 유닛(120) 상에 더미 웨이퍼(dummy wafer)가 존재하는 때 처리 공간으로 주입될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 가스가 챔버(110) 내부로 공급되고 플라즈마 상태로 여기됨에 따라, 챔버 내벽에 SiO2 코팅층이 형성될 수 있다(S100). SiO2 코팅층은 챔버(110) 내벽에 대한 보호층으로 작용할 수 있다.
도 5 및 도 8을 참조하면, 챔버(110) 내벽에 코팅층(c) 형성이 완료된 후 처리 공간 내부로 처리 대상 기판(W)이 반입될 수 있다(S200). 처리 대상 기판은 금속부(금속 라인 또는 금속 패드)가 노출된 기판(W)일 수 있다. 처리 공간 내부로 처리 대상 기판(W)이 반입되어 기판(W)이 기판 지지 유닛(120) 상에 안착되면, 가스 공급 유닛(160)은 처리 공간으로 개질 가스를 공급할 수 있고, 개질 가스는 플라즈마 발생 장치(130)에 의하여 플라즈마 상태로 여기될 수 있다. 플라즈마 상태로 여기된 개질 가스는 기판 표면을 개질할 수 있다(S300). 기판 표면을 개질하기 위하여 사용되는 개질 가스는 산소 성분을 포함하는 가스 또는 불활성 가스일 수 있다. 일 예로, 개질 가스는 O2, O3, Ar, N2 중 하나일 수 있다.
한편, 기판 표면에 대한 플라즈마 처리가 수행되는 동안, 금속부가 노출된 기판(W)에 의하여 기판(W)으로부터 금속 오염물이 발생할 수 있다. 구체적으로, 개질 가스가 플라즈마 상태로 여기되고, 개질 가스 이온이 기판 표면과 충돌함에 따라 기판(W) 표면으로부터 금속 이온이 방출되어 처리 공간으로 비산될 수 있다. 이처럼 비산된 금속 이온들은 처리 공간 내에 존재하는 구성 요소의 표면에 부착될 수 있다. 이때, 금속부는 구리 성분을 포함하고, 이에 따라 기판(W)으로부터 발생하는 금속 오염물은 구리 성분을 포함할 수 있다.
코팅층 형성 단계(S100)가 플라즈마 처리 단계(S300)의 전처리 공정으로 수행됨에 따라, 처리 공간으로 비산된 금속 이온들은 챔버 내벽(110)의 코팅층(c)에 부착될 수 있다.
도 5 및 도 9를 참조하면, 기판(W) 표면에 대한 플라즈마 처리를 완료한 이후 처리 대상 기판(W)을 처리 공간으로부터 반출한다(S400).
이후, 코팅층 제거 단계(S500)를 수행한다. 코팅층 제거 단계(S500)에서, 처리 공간 내부로 제1 가스와 상이한 제2 가스가 공급될 수 있다(S510). 가스 공급 유닛(160)은 챔버(110) 내부의 처리 공간으로 제2 가스를 공급하고, 플라즈마 발생 유닛(130)은 상부 전극과 하부 전극에 전력을 인가하여 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성한다(S520). 이때, 제2 가스는 플루오린(F)을 포함하는 가스이다. 일 예로, 제2 가스는 F2, HF, CH4, NF3 중 하나를 포함할 수 있다. 상부 전극은 상부 전원(131)으로부터 전력을 공급받고, 하부 전극은 하부 전원(133)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이때, 상부 전극은 샤워 헤드(140, 도 3 참조)일 수 있고, 하부 전극은 기판 지지 유닛(120)일 수 있다.
제2 가스는 처리 공간 내에 처리 대상 기판이 존재하지 않는 때 처리 공간으로 공급될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 가스는 기판 지지 유닛(120) 상에 웨이퍼가 존재하지 않는 때 처리 공간으로 공급될 수 있다. 또는, 제2 가스는 기판 지지 유닛(120) 상에 더미 웨이퍼(dummy wafer)가 존재하는 때 처리 공간으로 주입될 수 있다.
제2 가스가 챔버(110) 내부로 공급되고 플라즈마 상태로 여기됨에 따라, 코팅층 형성 단계(S100)에 의하여 챔버(110) 내벽에 형성되었던 코팅층(c)이 챔버(110) 내벽으로부터 탈착될 수 있다. 이때 챔버(110) 내벽으로부터 탈착되는 코팅층(c)은 플라즈마 처리 단계(S300)에서 발생된 금속 오염물이 부착된 상태의 코팅층이다.
챔버(110) 내벽에 형성되었던 모든 코팅층(c)이 챔버(110) 내벽으로부터 탈착되면, 배기 유닛에 의하여 처리 공간이 배기될 수 있다(S530). 이에 따라, 챔버(110) 내벽으로부터 탈착된 코팅층(c)이 처리 공간 외부로 배출됨으로써 처리 공간으로부터 제거될 수 있다. 처리 공간 배기 단계(S530)는 챔버(110) 내벽으로부터 탈착된 모든 코팅층(c)이 처리 공간으로부터 완전히 제거될 때까지 수행될 수 있다.
이와 같은 코팅층 제거 단계(S500)에 의하면 금속 오염물, 공정 부산물 등 처리 공간 내에 잔존하는 다양한 파티클 요소들이 코팅층(c)에 부착된 상태로 처리 공간으로부터 제거될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 기판 표면에 대한 플라즈마 처리 과정에서 발생되는 공정 부산물 등과 같은 파티클 소스(Particle Source)들이 코팅층(c)에 부착된 상태로 코팅층(c)과 함께 처리 공간으로부터 제거될 수 있다. 특히, 본 발명을 금속부가 노출된 기판 표면에 대한 플라즈마 처리 공정에 적용하는 경우, 플라즈마 과정에서 발생되는 금속 오염물이 코팅층(c)과 함께 제거됨에 따라, 처리 공간 내부에는 금속 오염물이 잔존하지 않을 수 있다.
즉, 처리 공간 내 금속 오염물을 포함하는 파티클 소스들이 처리 공간으로부터 효과적으로 제거됨으로써 기판 접합면에 대한 표면 처리 품질을 보다 향상시킬 수 있고, 더 나아가 기판 접합 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 통상의 기술자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 설명한 기술적 사상은 각각 독립적으로 실시될 수도 있고 둘 이상이 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
1: 기판 접합 시스템
10: 제어기
100: 기판 처리 장치
130: 플라즈마 발생 유닛
160: 가스 공급 유닛

Claims (20)

  1. 금속부가 노출된 기판을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 챔버 내부의 처리 공간을 세정하기 위한 기판 처리 장치 세정 방법에 있어서,
    제1 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 플라즈마 처리 챔버 내벽에 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계; 및
    상기 제1 가스와 상이한 제2 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 코팅층을 제거하는 코팅층 제거 단계를 포함하고,
    상기 코팅층 제거 단계에서 제거되는 코팅층은 상기 기판에 대한 플라즈마 처리에 의해 발생되는 금속 오염물을 포함하는 기판 처리 장치 세정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하고, 상기 제2 가스는 플루오린(F)을 포함하는 기판 처리 장치 세정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층 형성 단계 및 상기 코팅층 제거 단계는,
    상기 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하는 기판 처리 장치 세정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 가스는 산소를 더 포함하는 기판 처리 장치 세정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코팅층 제거 단계는,
    상기 처리 공간을 소정의 시간 동안 배기하는 단계를 더 포함하는 기판 처리 장치 세정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 가스는,
    상기 금속 오염물을 포함하는 상기 코팅층을 상기 챔버 내벽으로부터 탈착시키는 기판 처리 장치 세정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소정의 시간은, 상기 챔버 내벽으로부터 탈착된 모든 코팅층이 상기 처리 공간으로부터 완전히 제거될 때까지의 시간인 기판 처리 장치 세정 방법.
  8. 금속부가 노출된 기판을 플라즈마 처리 챔버 내부의 처리 공간에서 플라즈마 처리하는 기판 처리 방법에 있어서,
    제1 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 챔버 내벽에 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계;
    상기 처리 공간 내부로 처리 대상 기판을 반입하는 기판 반입 단계;
    상기 처리 대상 기판을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 단계;
    상기 처리 공간으로부터 플라즈마 처리가 완료된 기판을 반출하는 기판 반출 단계; 및
    상기 제1 가스와 상이한 제2 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 코팅층을 제거하는 코팅층 제거 단계를 포함하고,
    상기 코팅층 제거 단계에서 제거되는 코팅층은 상기 플라즈마 처리 단계에 의해 상기 기판으로부터 발생되는 금속 오염물을 포함하는 기판 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하고, 상기 제2 가스는 플루오린(F)을 포함하는 기판 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코팅층 형성 단계 및 상기 코팅층 제거 단계는,
    상기 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하는 기판 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 가스는 산소를 더 포함하는 기판 처리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 코팅층 제거 단계는 상기 처리 공간을 소정의 시간 동안 배기하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 가스는 상기 금속 오염물을 포함하는 상기 코팅층을 상기 플라즈마 처리 챔버 내벽으로부터 탈착시키는 기판 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 소정의 시간은, 상기 플라즈마 처리 챔버 내벽으로부터 탈착된 모든 코팅층이 상기 처리 공간으로부터 완전히 제거될 때까지의 시간인 기판 처리 방법.
  14. 금속부가 노출된 기판을 플라즈마 처리하는 기판 처리 장치에 있어서,
    내부에 처리 공간이 형성된 챔버;
    상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 기판 지지 유닛;
    상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛;
    상기 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 유닛; 및
    상기 가스 공급 유닛 및 상기 플라즈마 발생 유닛을 제어하여, 제1 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내벽에 코팅층을 형성하고, 상기 제1 가스와 상이한 제2 가스를 상기 처리 공간으로 공급하여 상기 기판에 대한 플라즈마 처리에 의하여 발생되는 금속 오염물을 포함하는 코팅층을 상기 처리 공간으로부터 제거하는 제어기를 포함하는 기판 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 가스는 실리콘(Si)을 포함하고, 상기 제2 가스는 플루오린(F)을 포함하는 기판 처리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 가스 공급 유닛을 제어하여 상기 제1 가스를 상기 처리 공간으로 주입하고,
    상기 플라즈마 발생 유닛을 제어하여 상기 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성하여 상기 챔버 내벽에 코팅층을 형성하는 기판 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 가스 공급 유닛을 제어하여 상기 제1 가스의 첨가 가스로서 산소를 상기 처리 공간으로 주입하는 기판 처리 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 가스 공급 유닛을 제어하여 상기 제2 가스를 상기 처리 공간으로 주입하고,
    상기 플라즈마 발생 유닛을 제어하여 상기 처리 공간 내부에 플라즈마를 형성하여 상기 챔버 내벽으로부터 상기 금속 오염물을 포함하는 코팅층을 탈착시키는 기판 처리 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 처리 공간을 배기하는 배기 유닛을 더 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 배기 유닛을 제어하여 상기 챔버 내벽으로부터 탈착된 상기 금속 오염물을 포함하는 코팅층을 상기 처리 공간으로부터 제거하는 기판 처리 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 금속부가 노출된 기판에 대한 플라즈마 처리가 수행되기 전 상기 챔버 내벽에 코팅층을 형성하고,
    상기 금속부가 노출된 기판에 대한 플라즈마 처리가 완료된 후 상기 코팅층을 제거하도록 상기 가스 공급 유닛, 플라즈마 발생 유닛 및 배기 유닛을 제어하는 기판 처리 장치.
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