KR20240092222A - 기판 접합 시스템 및 기판 접합 방법 - Google Patents

기판 접합 시스템 및 기판 접합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 접합 시스템 및 기판 접합 방법으로서, 기판 표면을 친수화시키기 위한 플라즈마 공정 수행시 기판의 척킹과 디척킹 과정을 제거하여 기판 표면의 친수화가 충분히 유지되는 상태에서 탈수 반응을 통한 기판 접합을 효과적으로 수행할 수 있는 기술을 개시한다.

Description

기판 접합 시스템 및 기판 접합 방법{Substrate bonding system and substrate bonding method}
본 발명은 기판 접합 시스템 및 기판 접합 방법으로서, 보다 상세하게는 기판 표면을 친수화시키기 위한 플라즈마 공정 수행시 기판의 척킹과 디척킹 과정을 제거하여 기판 표면의 친수화가 충분히 유지되는 상태에서 탈수 반응을 통한 기판 접합을 효과적으로 수행할 수 있는 기술에 대한 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 향상 꾀하려는 경우, W2W 적층 방식이 보다 효과적인 선택일 수 있다.
일례로서, 기판 간의 접합은 플라즈마 처리를 통해 기판 표면을 친수화시키고 탈수 반응을 이용하여 기판 간을 접합시킬 수 있다. 이러한 하이브리드 본딩 방식은 접합 면의 표면 에너지를 증가시켜 계면간의 공유 결합을 유도함으로써 매우 작은 힘으로도 기판 간 접합이 가능한 이점이 있다.
하이브리드 본딩 방식은 플라즈마 처리를 통해 기판 표면을 친수화시킨 후 일정시간 내에 기판 간의 본딩 공정이 수행되어야 안정적으로 탈수 반응을 통한 기판 접합이 이루어질 수 있다.
허나 기판에 대한 척킹과 디척킹 과정에 따른 시간 소요로 인해 친수화 처리된 기판 표면의 수산기(-OH)가 일정 부분 소실될 수 있고, 그로 인해 기판 간을 안정적으로 접합시킬 수 있는 탈수 반응을 충분히 얻지 못하는 문제가 있다.
또한 기판이 평평하게 펼쳐진 상태가 유지되어야 기판 간의 전체적인 면접합이 이루어질 수 있는데, 기판이 뒤틀린 경우 기판 간의 접합이 적절히 이루어지지 않는 부위가 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 플라즈마 처리를 통한 기판 표면의 친수화 이후 빠른 시간 내에 기판 간의 본딩 공정을 수행함으로써 충분한 탈수 반응을 통해 기판 접합을 안정적으로 수행할 수 있는 방안을 제시하고 한다.
특히, 기판에 대한 척킹과 디척킹 과정에 따른 시간 소요로 인해 친수화 처리된 기판 표면의 수산기(-OH)가 일정 부분 소실될 수 있고, 그로 인해 기판 간을 안정적으로 접합시킬 수 있는 탈수 반응을 충분히 얻지 못하는 문제를 해결하고자 한다.
나아가서 기판이 평평하게 펼쳐진 상태가 유지되어야 기판 간의 전체적인 면접합이 이루어질 수 있는데, 기판이 뒤틀린 경우 기판 간의 접합이 적절하게 이루어지지 않는 부위가 발생되는 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 일실시예는, 플라즈마 처리 공간을 제공하는 공정 챔버와, 상기 플라즈마 처리 공간에 배치되며, 기판이 안착되되, 상부면과 기판 하면 간의 이격 공간이 마련된 기판 지지 유닛과, 상기 플라즈마 처리 공간에 플라즈마 발생을 유도하는 플라즈마 발생 유닛을 포함하며, 플라즈마 공정을 통해 기판 표면을 친수화시키는 메인 프로세스 장치; 및 상기 플라즈마 처리 공간과 상기 이격 공간 간에 압력을 조절하는 압력 조절 유닛을 포함하는 기판 처리 장치; 및 표면이 친수화된 기판 간을 탈수 반응을 이용하여 접합시키는 기판 접합 장치를 포함할 수 있다.
여기서 상기 기판 지지 유닛은, 정전기력을 유도하지 않고 흡착력 없이 기판을 안착 지지할 수 있다.
일례로서, 상기 압력 조절 유닛은, 상기 공정 챔버에 연결되어 상기 플라즈마 처리 공간의 진공압을 제공하는 제1 압력 조절 라인; 상기 기판 지지 유닛에 연결되어 상기 이격 공간의 진공압을 제공하는 제2 압력 조절 라인; 상기 제1 압력 조절 라인과 상기 제2 압력 조절 라인에 진공압을 제공하는 진공압 펌프; 상기 제1 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제1 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제1 압력 조절 밸브; 및 상기 제2 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제2 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제2 압력 조절 밸브를 포함하며, 상기 제1 압력 조절 밸브 및 상기 제2 압력 조절 밸브의 개폐를 제어하여 상기 플라즈마 처리 공간과 상기 이격 공간 간에 동일한 압력을 형성시키는 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
나아가서 상기 기판 처리 장치는, 상기 메인 프로세스 장치의 전단에 배치되며, 상기 메인 프로세스 장치의 공정 환경을 유지시키는 로드락 챔버와, 상기 로드락 챔버에 배치되어 상기 메인 프로세스 장치로 기판을 이송하는 기판 이송 로봇을 포함하는 로드락 장치; 및 상기 메인 프로세스 장치와 상기 로드락 챔버 간을 선택적으로 개방 및 폐쇄시키는 도어 수단을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 압력 조절 유닛은, 상기 로드락 장치의 내부 공간과 상기 메인 프로세스 장치의 플라즈마 처리 공간 간에 압력을 조절할 수 있다.
일례로서, 상기 압력 조절 유닛은, 상기 메인 프로세스 장치의 공정 챔버에 연결되어 상기 플라즈마 처리 공간의 진공압을 제공하는 제1 압력 조절 라인; 상기 로드락 챔버에 연결되어 내부 공간의 진공압을 제공하는 제3 압력 조절 라인; 상기 제1 압력 조절 라인과 상기 제3 압력 조절 라인에 진공압을 제공하는 압력 펌프; 상기 제1 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제1 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제1 압력 조절 밸브; 및 상기 제3 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제3 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제2 압력 조절 밸브를 포함하며, 상기 제1 압력 조절 밸브 및 상기 제3 압력 조절 밸브의 개폐를 제어하여 상기 로드락 챔버의 내부 공간과 상기 메인 프로세스 챔버의 플라즈마 처리 공간 간에 동일한 압력을 형성시키는 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 기판 지지 유닛은, 유전체 플레이트; 상기 유전체 플레이트를 지지한느 베이스 플레이트; 상기 유전체 플레이트의 상면에 돌출되어 안착되는 기판을 부상시켜 지지하는 복수의 지지핀; 및 상기 유전체 플레이트의 외곽 둘레에 배치되어 기판을 지지하면서 플라즈마 밀도를 조절하는 포커스 링을 포함하며, 정전기력을 유도하지 않고 흡착력 없이 상기 복수의 지지핀에 기판이 안착 지지될 수 있다.
나아가서 기판 표면을 세정하는 세정 장치; 및 상기 기판 처리 장치, 상기 기판 접합 장치 및 상기 세정 장치 간의 사이에 배치되어 기판을 이송하는 이송 모듈을 더 포함할 수 있다.
한걸음 더 나아가서 기판 간의 접합 상태를 검사하는 검사 장치를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 기판 접합 장치의 전단에 배치되어 기판을 정렬시키는 정렬 장치를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기판 접합 방법의 일실시예는, 메인 프로세스 챔버의 공정 챔버에 구비된 기판 지지 유닛에 정전기력을 이용한 척킹없이 기판을 안착시키는 기판 안착 단계; 압력 조절 유닛을 통해 상기 기판 지지 유닛과 상기 기판 사이의 이격 공간에 대한 압력을 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력에 대응시켜 조절하는 압력 조절 단계; 상기 메인 프로세스 장치를 통해 플라즈마 공정을 수행하여 상기 기판 표면을 친수화시키는 기판 처리 단계; 및 기판 접합 장치를 통해 탈수 반응을 이용하여 두 기판 간을 접합시키는 기판 접합 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 기판 처리 단계의 수행 후 세정 장치를 통해 상기 기판의 표면을 세정 처리하는 세정 단계를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 압력 조절 단계는, 제어 수단이 제1 압력 조절 라인에 배치된 제1 압력 조절 밸브를 제어하여 상기 플라즈마 처리 공간에 대한 압력을 조절하고, 제2 압력 조절 라인에 배치된 제2 압력 조절 밸브를 제어하여 상기 이격 공간에 대한 압력을 조절하여 상기 플라즈마 처리 공간과 상기 이격 공간에 대한 압력을 동일하게 형성시킬 수 있다.
일례로서, 상기 기판 처리 단계는, 제어 수단이 제1 압력 게이지를 통해 상기 플라즈마 처리 공간에 대한 압력을 감지하고 제2 압력 게이지를 통해 상기 이격 공간에 대한 압력을 감지하여, 상기 압력 조절 유닛을 통해 상기 플라즈마 처리 공간의 압력과 상기 이격 공간의 압력을 동일하게 유지시킬 수 있다.
나아가서 로드락 장치의 로드락 챔버로 기판을 이송하고, 상기 압력 조절 유닛을 통해 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력에 대응시켜 상기 로드락 챔버의 내부 공간의 압력을 조절하는 감압 환경 조성 단계; 및 상기 로드락 챔버로부터 상기 공정 챔버로 기판을 이송하는 기판 반입 단계를 더 포함할 수 있다.
한걸음 더 나아가서 상기 압력 조절 유닛을 통해 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력에 대응시켜 상기 로드락 챔버의 내부 공간의 압력을 조절하는 감압 환경 조성 단계; 및 상기 공정 챔버로부터 상기 로드락 챔버로 기판을 반출하는 기판 반출 단계를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 기판 접합 단계는, 정렬 장치를 통해 표면이 친수화 처리된 제1 기판과 제2 기판을 정렬하는 기판 정렬 단계를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 기판 접합 단계는, 기판 접합 장치를 통해 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 친수화 처리된 표면을 대향시키고 접합시는 제1 기판과 제2 기판 접합 단계를 더 포함할 수 있다.
나아가서 검사 장치를 통해 접합 기판에 대한 접합 상태를 검사하는 검사 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직한 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 일실시예는, 플라즈마 처리 공간을 제공하는 공정 챔버와, 상기 플라즈마 처리 공간에 배치되며, 정전기력을 유도하지 않고 흡착력 없이 기판을 안착 지지하고, 상부면과 기판 하면 간의 이격 공간이 마련된 기판 지지 유닛과, 상기 플라즈마 처리 공간에 플라즈마 발생을 유도하는 플라즈마 발생 유닛을 포함하며, 플라즈마 공정을 통해 기판 표면을 친수화시키는 메인 프로세스 장치; 상기 메인 프로세스 장치의 전단에 배치되며, 상기 메인 프로세스 장치의 공정 환경을 유지시키는 로드락 챔버와, 상기 로드락 챔버의 내부 공간에 배치되어 상기 메인 프로세스 장치로 기판을 이송하는 기판 이송 로봇을 포함하는 로드락 장치; 상기 메인 프로세스 장치와 상기 로드락 챔버 간을 선택적으로 개방 및 폐쇄시키는 도어 수단; 및 상기 기판 지지 유닛과 기판 사이의 이격 공간과 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간 간에 압력을 조절하고, 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간과 상기 로드락 챔버의 내부 공간 간에 압력을 조절하는 압력 조절 유닛을 포함하는 기판 처리 장치; 기판 표면을 세정하는 세정 장치; 표면이 친수화된 기판 간을 탈수 반응을 이용하여 접합시키는 기판 접합 장치; 기판 간의 접합 상태를 감사하는 검사 장치; 및 상기 기판 처리 장치, 상기 세정 장치, 상기 기판 접합 장치 및 상기 검사 장치 간에 기판을 이송하는 이송 모듈을 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 플라즈마 처리를 통한 기판 표면의 친수화 이후 빠른 시간 내에 기판 간의 본딩 공정을 수행함으로써 충분한 탈수 반응을 통해 기판 접합을 안정적으로 수행할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 정전기력 유도를 통한 척킹 과정과 정전기력 소멸을 통한 디척킹 과정을 생략함으로써 빠른 시간 내에 기판 표면의 친수화 과정과 기판 간의 본딩 과정을 수행하여 충분한 탈수 반응을 통해 안정적으로 기판 간을 접합시킬 수 있다.
나아가서 본 발명에서는 압력 조절 수단을 통해 기판과 기판 지지 유닛 사이 이격 공간의 압력을 플라즈마 공정을 수행하는 메인 프로세스 챔버 내부 공간의 압력과 동일하게 형성함으로써 압력 차이로 인해 기판 지지 유닛 상에 안착된 기판이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에서는 압력 조절 수단을 통해 메인 프로세스 챔버와 로드락 챔버 간에 압력을 동일하게 형성함으로써 기판 이송을 위해 메인 프로세스 챔버의 개방시 압력에 따른 기판의 변형을 방지할 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 기판 접합 공정에 대한 개념을 도시한다.
도 2는 플라즈마 공정을 수행하는 기판 처리 장치에서 정전기력을 이용하여 기판을 흡착 지지하는 정전척의 일례를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 일실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 기판 처리 장치에 대한 일실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 기판 처리 장치에 대한 다른 일실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 기판 접합 방법의 일실시예에 대한 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 기판 접합 방법에서 기판 표면의 친수화를 위한 플라즈마 공정에 대한 일실시예의 흐름도를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 기판 표면을 친수화시키고 탈수 반응을 통해 기판 간을 접합시키는 기판 접합 기술을 제시한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 기판 접합 공정에 대한 개념을 도시한다.
실리콘 기판의 표면에 대한 플라즈마 처리시 기판의 접합면에 대한 표면 에너지를 증가시켜 계면간의 공유 결합을 유도할 수 있다. 실리콘 기판 표면의 소수성(Hydropjobic) 특성을 플라즈마 처리를 통해 친수성(Hydrophilie)으로 바꾸어 주면 기판 표면에 수산기(-OH) 생성을 유도할 수 있다.
플라즈마 처리 후 기판 표면에 대한 린스 공정을 진행하여 수산기(-OH) 생성을 활성화시키고 불순물을 세정할 수 있다.
이러한 공정을 진행한 두 기판의 면을 대향시켜 접합하는데, 산소(O)의 공유 결합에 따른 탈수 반응을 통해 두 기판 간의 면이 접합될 수 있다.
이러한 공유 결합을 통한 접합은 약한 결합력을 갖기에 고온 가열 공정을 통해 공융(Eutectic)/TLP/확산(Diffusion)/퓨젼 본딩(Fusion bonding)을 유도하고, 금속 배선 라인의 열팽창을 통한 금속 결합으로 보다 강한 결합력을 갖게 될 수 있다.
기판 접합 공정에서 플라즈마 처리에 따라 기판 표면을 친수화시킨 후 일정시간 내에 기판 간의 본딩 공정이 수행되어야 안정적으로 탈수 반응을 통한 기판 접합이 이루어질 수 있다.
또한 기판이 평평하게 펼쳐진 상태가 유지되어야 기판 간의 면이 전체적으로 접합될 수 있는데, 기판이 뒤틀린 경우 기판 간의 접합이 적절하게 이루어지지 않는 부위가 발생하는 문제가 있다.
일례로서, 도 2는 플라즈마 공정을 수행하는 기판 처리 장치에서 정전기력을 이용하여 기판을 흡착 지지하는 정전척의 일례를 도시한다.
플라즈마 공정을 수행하는 기판 처리 장치의 경우, 일반적으로 정전척(ESC)을 통해 기판을 흡착 지지하고 있다.
정전척(ESC)는 베이스 플레이트(3), 유전체 플레이트(2), 전극층(4), DC 전원부(5) 등을 구비할 수 있다.
유전체 플레이트(2)는 베이스 플레이트(3)에 고정 지지되며, 유전체 플레이트(2)에 전극층(4)이 구비된다. 여기서 유전체 플레이트(2)는 DC 전원 인가에 따라 전기적으로 중성인 원자나 분자가 극성을 띄고 양이온과 음이온이 서로 위치적 변위를 일으키는 물질로 제작될 수 있다.
DC 전원부(5)을 통해 전극층(4)에 DC 전원을 인가하면 유전체 플레이트(2)의 분극 현상이 발생되고 이에 대응되어 기판(W) 표면에 반대 극성이 발생될 수 있다. 이와 같이 유전체 플레이트(2)의 극성과 기판(W) 표면이 서로 반대 극성을 갖게 됨에 따라 발생되는 인력으로 기판(W)을 고정시킬 수 있다.
이러한 정전척(ESC)을 적용하는 경우, 정전기력을 유도하고 극성 간의 인력을 유발시키는 척킹(Chucking) 과정을 통해 기판을 흡착 고정시킬 수 있다. 또한 정전척(ESC)에서 기판 분리시에는 반대로 정전기력을 통해 발생된 극성을 소멸시키는 디척킹(De-Chucking) 과정을 통해 기판에 대한 흡착력을 제거하여 기판을 분리할 수 잇다.
정전기력을 이용한 척킹 과정과 정전기력을 소멸시키는 디척킹 과정의 수행에 따른 상당한 시간이 소요되며, 그로 인해 친수화 처리된 기판 표면의 수산기(-OH)가 일정 부분 소실될 수 있다. 기판 표면의 수산기가 소실됨에 따라 기판 간을 안정적으로 접합시킬 수 있는 탈수 반응을 충분히 얻지 못하는 문제가 된다.
이러한 문제를 해결하고자, 본 발명에서는 정전기력 유도를 통한 척킹 과정과 정전기력 소멸을 통한 디척킹 과정을 적용하지 않고 단순히 기판 지지 유닛에 기판을 안착시킴으로써 빠른 시간 내에 기판 표면의 친수화 과정과 기판 간의 본딩 과정을 수행하여 충분한 탈수 반응을 통해 안정적으로 기판 간을 접합시킬 수 있다.
나아가서 플라즈마 공정 과정에서 기판의 온도 조절을 위해 기판 후면에 헬륨(He) 등의 온도 조절 가스를 주입하는데, 이를 위해 정전척(ESC) 상에는 기판(W)을 부상시키기 위한 지지핀이나 엠보스(Emboss)(6) 등이 마련될 수 있다. 또한 외곽에는 가스 누설을 막아주는 댐(Dam)(7) 등이 구비될 수 있다. 이외에도 외곽 부위에 플라즈마 밀도 조절을 위한 포커스 링(Focus ring) 등이 배치될 수도 있다.
이러한 정전척(ESC)의 구조를 통해 기판(W) 하면과 정전척(ESC)의 상면 간 사이에 이격 공간(S)을 마련하고 이격 공간(S)에 가스를 주입할 수 있다.
허나 정전척(ESC)과 기판(W) 사이의 이격 공간의 압력은 플라즈마 공정을 수행하는 챔버 내부 공간의 압력과 상이할 수 있으며, 압력 차이 유발로 인해 정전척(ESC)에 안착된 기판(W)이 뒤틀리는 문제가 발생된다.
또한 플라즈마 공정을 수행하는 챔버 내부와 외부 간에는 압력 차이가 존재하는데, 기판 이송을 위해 챔버 내부를 개방시 내부와 외부 간의 압력 차이로 인해 기판(W)이 뒤틀리는 문제가 발생된다.
이러한 문제를 해결하고자, 본 발명에서는 압력 조절 수단을 통해 기판과 기판 지지 유닛 사이 이격 공간의 압력을 플라즈마 공정을 수행하는 메인 프로세스 챔버 내부 공간의 압력과 동일하게 형성함으로써 압력 차이로 인한 기판의 변형을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에서는 압력 조절 수단을 통해 메인 프로세스 챔버와 로드락 챔버 간에 압력을 동일하게 형성함으로써 기판 이송을 위해 메인 프로세스 챔버의 개방시 압력 차이에 따른 기판의 변형을 방지할 수 있다.
이러한 본 발명에 대하여 실시예를 통해 자세히 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 일실시예를 도시한다.
기판 접합 시스템(10)은 기판 처리 장치(100), 기판 접합 장치(210), 세정 장치(230), 정렬 장치(250), 검사 장치(270) 등을 포함할 수 있다. 또한, 기판 접합 시스템(10)은 카세트 스테이지(30), 이송 모듈(50) 등을 포함할 수 있다.
카세트 스테이지(30)는 기판들이 저장되는 공간을 제공할 수 있다. 복수 개의 기판들을 수납할 수 있는 캐리어(C)(FOUP)는 카세트 스테이지(30)의 지지 플레이트(31) 상에 지지될 수 있다. 캐리어(C) 내에 수납된 기판들은 이송 로봇(33)에 의해 이송 모듈(50)로 이송될 수 있다.
이송 모듈(50)은 기판 처리 장치(100), 기판 접합 장치(210), 세정 장치(230), 정렬 장치(250), 검사 장치(270) 등과 연결될 수 있는 이송 영역을 포함할 수 있다. 이송 영역에 이송 로봇(55)이 배치되어 이송 로봇(55)이 이동하면서 해당 기판을 해당 장치로 이송할 수 있다.
기판 처리 장치(100)는 기판 표면에 플라즈마 처리를 통해 기판 표면을 친수화시킬 수 있다.
일례로서, 기판 처리 장치(100)는 플라즈마 공정을 수행하는 메인 프로세스 장치(110)만을 포함할 수도 있으나, 바람직하게는 기판 처리 장치(100)는 메인 프로세스 장치(110)와 연결되어 메인 프로세스 장치(110)의 공정 환경을 유지시키면서 기판을 이송하는 로드락 장치(160)를 더 포함할 수도 있다 또한 기판 처리 장치(100)는 메인 프로세스 장치(110)와 로드락 장치(160) 간을 선택적으로 개폐시켜 기판 이송 통로를 제공하는 도어 수단(170) 등을 포함할 수 있다.
기판 처리 장치(100)에 대해서는 이후 실시예를 통해 좀더 구체적으로 설명하도록 한다.
세정 장치(230)는 기판 처리 장치(100)를 통해 플라즈마 처리된 기판 표면을 세정할 수 있다. 세정 장치(230)는 스핀 코터를 이용하여 기판의 표면에 DI 워터를 코팅할 수 있다. DI 워터는 기판 표면을 세정할 뿐만 아니라 기판 표면에 수산기(-OH)가 잘 결합되도록 하여 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)을 더욱 용이하게 지원할 수 있다.
정렬 장치(250)는 기판의 플랫부(또는 노치)를 감지하여 기판 위치를 정렬시킬 수 있다. 특히 정렬 장치(250)는 기판 접합 장치(270)에서 기판 간의 본딩 공정을 수행하기에 앞서 서로 접합될 기판들을 준비하고 이를 정렬하여 기판 접합 장치(270)로 제공할 수 있다.
정렬 장치(250)와 기판 접합 장치(210) 사이에는 도어 수단(220)이 마련되어 정렬 장치(250)와 기판 접합 장치(210) 간에 기판 이송 통로가 선택적으로 제공될 수 있다.
기판 접합 장치(210)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.
일례로서, 상부 척 구조물과 하부 척 구조물 중 어느 하나 또는 이들 모두는 승하강 가능하여 제1 기판과 제2 기판을 가압하면서 접합시킬 수 있다. 일례로서, 상부 척 구조물과 하부 척 구조물에는 푸시 로드가 배치되어 푸시 로드의 승강을 통해 기판의 중심부로부터 외곽으로 제1 기판과 제2 기판 간에 본딩 공정이 이루어질 수 있다.
다른 일례로서, 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 본딩 공정이 이루어질 수도 있다.
검사 장치(270)는 접합된 기판의 접합 상태를 검사할 수 있다. 일례로서, 검사 장치(270)는 비젼을 포함하고 비젼을 통한 촬영 이미지를 분석하여 접합 기판의 접합 상태를 검사할 수 있다.
나아가서 기판 접합 시스템(10)은 접합된 기판을 열처리하기 위한 어닐링 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한 기판 접합 시스템(10)은 접합된 기판 중 어느 하나 이상의 기판 표면을 그라인딩하기 위한 그라인딩 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 기판 처리 장치에 대하여 실시예를 통해 좀더 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 기판 처리 장치에 대한 일실시예를 도시한다.
기판 처리 장치는 기판 표면에 대한 플라즈마 공정을 수행하는 메인 프로세스 장치(110)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 메인 프로세스 장치(110)는 유도 결합형 플라즈마(ICP, induced coupled plasma) 방식을 적용할 수 있다.
여기서 메인 프로세스 장치(110)는 유도 결합형 플라즈마 방식에 제한되지는 않다. 예를 들면, 용량 결합형 플라즈마 방식, 마이크로웨이브형 플라즈마 방식 등을 다양한 방식을 적용할 수 있으며, 그에 따라 구성이 적절하게 변경될 수 있다.
메인 프로세스 장치(110)는 공정 챔버(111), 기판 지지 유닛(120), 플라즈마 발생 유닛(130a, 130b), 공정 가스 공급 유닛(141), 온도 조절 가스 공급 유닛(145), 압력 조절 유닛(150), 제어 수단(180) 등을 포함할 수 있다.
공정 챔버(111)는 기판(W) 표면에 대한 플라즈마 공정을 수행하기 위한 밀폐된 플라즈마 처리 공간(115)을 제공할 수 있다. 공정 챔버(111)는 원통형 진공 챔버일 수 있다. 공정 챔버(111)는 알루미늄, 스테인리스 스틸과 같은 금속을 포함할 수 있다. 공정 챔버(111)는 상부를 덮는 커버(113)를 포함할 수 있다. 커버(113)는 공정 챔버(111)의 상부를 밀폐시킬 수 있다.
기판 지지 유닛(120)은 공정 챔버(110)의 내부 하측 영역에 설치될 수 있다. 기판 지지 유닛(120)에 기판이 안착되어 지지될 수 있다.
본 발명에서 기판 지지 유닛(120)은 정전기력을 유도하지 않고 흡착력 없이 기판을 안착시킬 수 있다. 즉, 기판 지지 유닛(120)은 정전척(ESC)의 정전기력에 따른 기판 흡착 방식을 적용하지 않을 수 있다. 기판 지지 유닛(120)은 기판을 고정 유지시키기 위한 척킹 구성이 구비되지 않을 수 있다.
일례로서, 기판 지지 유닛(120)은 정전척(ESC)을 채용하되, DC 전원을 인가하여 정전기력 유발하는 척킹 과정을 수행하지 않을 수도 있다. 물론 기판 지지 유닛(120)은 정전기력 유발을 통한 척킹 과정이 불필요하므로 기존 정전척(ESC)과는 다르게 구성될 수도 있다.
기판 지지 유닛(120)은 베이스 플레이트(121)에 유전체 플레이트(123)가 고정 지지되도록 구성될 수 있다.
유전체 플레이트(123)의 상면에는 기판(W)을 부상시키는 복수의 지지핀(127)이 구비될 수 있다. 유전체 플레이트(123)의 외곽 둘레에는 가스 누설을 방지하는 댐(Dam)이나 포커스 링(127)이 배치될 수 있다.
기판 지지 유닛(120)에 기판을 안착시킬시 지지핀(127)과 포커스링(127)을 통해 유전체 플레이트(123)의 상면과 기판(W) 하면 사이에 이격 공간(125)이 형성될 수 있다.
기판 지지 유닛(120)에는 유전체 플레이트(123)의 상면으로 가스를 공급할 수 있는 가스 공급 유로가 마련될 수 있다. 온도 조절 가스 공급 유닛(145)은 가스 공급 유로를 통해 기판의 온도를 조절하기 위한 가스를 이격 공간(125)으로 제공될 수 있다. 여기서 온도 조절 가스로는 헬륨(He) 등 다양한 불활성 가스를 이용할 수 있다.
플라즈마 발생 유닛(130a, 130b)은 상부 플라즈마 발생부(130a)와 하부 플라즈마 발생부(130b) 등을 포함할 수 있다.
상부 플라즈마 발생부(130a)는 상부 전극(131a), 소스 RF 전원(133a), 소스 RF 정합기(135a) 등을 포함할 수 있다.
상부 전극(131a)은 하부 전극(131b)과 대향하도록 공정 챔버(111) 외측 상부에 배치될 수 있다. 일례로서 상부 전극(131a)은 커버(113) 상에 배치될 수 있다. 이와 다르게, 상부 전극(131a)은 공정 챔버(111) 상부에 형성될 수도 있다.
상부 전극(131a)은 고주파(RF) 안테나를 포함할 수 있다. 상기 안테나는 평면 코일 형상을 가질 수 있다. 커버(113)는 원판 형상의 유전체 창(dielectric window)을 포함할 수 있다. 상기 유전체 창은 유전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어서, 상기 유전체 창은 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다. 상기 유전체 창은 상기 안테나로부터의 파워를 공정 챔버(111) 내부로 전달하는 기능을 가질 수 있다.
예를 들면, 상부 전극(131a)은 나선 형태 또는 동심원 형태의 코일들을 포함할 수 있다. 상기 코일은 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)에서 유도 결합된 플라즈마(inductively coupled plasma)를 발생시킬 수 있다. 여기서 상기 코일들의 개수, 배치 등은 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
상부 플라즈마 발생부(130a)는 상부 전극(131a)에 플라즈마 소스 파워를 인가할 수 있다. 예를 들면, 상부 플라즈마 발생부(130a)는 플라즈마 소스 엘리먼트들로서, 소스 RF 전원(133a) 및 소스 RF 정합기(135a) 등을 포함할 수 있다. 소스 RF 전원(133a)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 소스 RF 정합기(135a)는 소스 RF 전원(133a)에서 발생된 RF 신호의 임피던스를 매칭하여 상부 전극(131a)의 안테나 코일들을 이용하여 발생시킬 플라즈마를 제어할 수 있다.
하부 플라즈마 발생부(130b)는 하부 전극(131b), 바이어스 RF 전원(133b), 바이어스 RF 정합기(135b) 등을 포함할 수 있다.
하부 전극(131b)은 유전체 플레이트(123)의 내부에 배치될 수 있다.
하부 플라즈마 발생부(130b)는 하부 전극(131b)에 바이어스 소스 파워를 인가할 수 있다. 예를 들면, 하부 플라즈마 발생부(130b)는 바이어스 엘리먼트들로서, 바이어스 RF 전원(133b) 및 바이어스 RF 정합기(135b)를 포함할 수 있다. 하부 전극(131b)은 공정 챔버(111) 내에서 발생한 플라즈마 원자 또는 이온을 끌어당길 수 있다. 바이어스 RF 전원(133b)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 바이어스 RF 정합기(135b)는 하부 전극(131b)에 인가되는 바이어스 전압 및 바이어스 전류를 조절하여 바이어스 RF의 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 바이어스 RF 전원(133b)과 소스 RF 전원(133a)는 제어 수단(180)의 동조기를 통하여 서로 동기화되거나 비동기화될 수 있다.
제어 수단(180)은 플라즈마 발생 유닛(130a, 130b)을 제어하여 플라즈마 처리 공간(115)에 플라즈마를 선택적으로 활성화시킬 수 있다.
제어 수단(180)은 마이크로컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 프로그램 및 레시피 정보에 따라 메인 프로세스 장치(110)의 동작을 제어할 수 있다.
특히, 제어 수단(180)은, 플라즈마 처리 공간에 플라즈마를 활성화시키고 공정 가스를 공급하여 기판(W) 표면에 수산기(-OH) 생성을 제어할 수 있다.
공정 가스 공급 유닛(141)은 플라즈마 처리 공간으로 공정 가스(Process Gas)을 공급할 수 있다. 또한 고정 가스 공급 유닛(141)은 공정 가스 이외에도 캐리어 가스(Carrier Gas) 등을 공급할 수 있다. 공정 가스로는 플라즈마 처리되는 대상 기판의 특성에 따라 N2, O2 등의 가스가 선택될 수 있다. 캐리어 가스는 공정 가스와 반응하지 않고 또한 기판(W) 상면과 반응하지 않는 기체로서 Ar 등의 불활성 기체 등을 포함할 수 있다.
공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115) 상부에는 샤워 헤드(140)가 배치될 수 있다.
샤워 헤드(140)에는 가스 분사홀이 마련될 수 있다. 고정 가스 공급 유닛(141)을 통해 공급되는 가스는 샤워 헤드(140)를 통해 플라즈마 처리 공간(115)으로 확산될 수 있다.
압력 조절 유닛(150)은 기판 지지 유닛(120) 상면과 기판(W) 하면 사이에 형성된 이격 공간(125)의 압력과 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력의 압력이 동일하도록 양 공간의 압력을 조절할 수 있다.
압력 조절 유닛(150)은, 진공압 펌프(151), 제1 압력 조절 라인(152), 제1 압력 조절 밸브(153), 제2 압력 조절 라인(154), 제2 압력 조절 밸브(155) 등을 포함할 수 있다.
진공압 펌프(151)는 진공압 형성을 위한 에어를 배출 또는 흡입할 수 있다.
제1 압력 조절 라인(152)은 공정 챔버(111)에 연결되어 플라즈마 처리 공간(115)에 진공압을 제공할 수 있다.
제1 압력 조절 밸브(153)는 제1 압력 조절 라인(152)에 배치되어 제1 압력 조절 라인(152)을 통한 플라즈마 처리 공간(115)의 진공압을 조절할 수 있다.
제2 압력 조절 라인(154)은 기판 지지 유닛(120)에 연결되어 기판 지지 유닛(120) 상면과 기판(W) 하면 사이에 형성된 이격 공간(125)에 진공압을 제공할 수 있다.
일례로서, 제2 압력 조절 라인(154)은 기판 지지 유닛(120)의 유전체 플레이트(123)를 관통하여 유전체 플레이트(123)의 상면으로 연결될 수 있다.
제2 압력 조절 밸브(155)는 제2 압력 조절 라인(154)에 배치되어 제2 압력 조절 라인(154)을 통한 이격 공간(125)의 진공압을 조절할 수 있다.
제어 수단(180)은 진공압 펌프(151)의 에어 배출 및 흡입을 제어하고, 제1 압력 조절 밸브(153)와 제2 압력 조절 밸브(155)를 제어하여 기판 지지 유닛(120) 상면과 기판(W) 하면 사이에 형성된 이격 공간(125)의 압력과 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력의 압력이 동일하도록 양 공간의 압력을 조정할 수 있다.
일례로서, 공정 챔버(111)에는 플라즈마 처리 공간(115)의 압력을 측정하는 제1 압력 게이지가 구비될 수 있고, 기판 지지 유닛(120)에는 이격 공간(125)의 압력을 측정하는 제2 압력 게이지가 구비될 수 있다.
제어 수단(180)은 제1 압력 게이지와 제2 압력 게이지가 각각 측정한 압력 측정치를 기초로 진공압 펌프(151), 제1 압력 조절 밸브(153) 및 제2 압력 조절 밸브(155)를 제어하여 기판 지지 유닛(120) 상면과 기판(W) 하면 사이에 형성된 이격 공간(125)의 압력과 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력의 압력을 동일하게 유지시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 기판 처리 장치는 기판을 흡착 지지하는 척킹과 기판 흡착을 해제하는 디척킹을 적용하지 않고 단순히 기판 지지 유닛에 기판을 안착시킴으로써 빠른 시간 내에 기판 표면의 친수화 과정과 기판 간의 본딩 과정을 수행하여 충분한 탈수 반응을 통해 안정적으로 기판 간을 접합시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기판 처리 장치는 압력 조절 유닛을 구비하여 기판 지지 유닛과 기판 간의 이격 공간의 압력과 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력을 동일하게 유지시킴으로써 압력 차이로 인한 기판의 변형을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 기판 처리 장치에 대한 다른 일실시예를 도시한다.
본 실시예를 설명함에 있어서 앞서 상기 도 4의 실시예를 통해 설명한 부분과 중복되거나 유사한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하거나 간략하게 설명하도록 한다.
기판 처리 장치(100)는 메인 프로세스 장치(110)와 로드락 장치(160)를 포함할 수 있다.
메인 프로세스 장치(110)는 앞서 상기 도 4의 실시예를 통해 설명한 구조와 동일, 유사하게 구성될 수 있다.
로드락 장치(160)는 메인 프로세스 장치(110)와 접하여 배치될 수 있다. 로드락 장치(160)는 이송 모듈(50)가 메인 프로세스 장치(110) 사이에 배치될 수 있다.
로드락 장치(160)는 메인 프로세스 장치(110)의 공정 환경 분위기를 유지시키면서 메인 프로세스 장치(110)로 기판(W)을 공급하거나 메인 프로세스 장치(110)로부터 기판(W)을 인출할 수 있다.
로드락 장치(160)는 로드락 챔버(161)와 기판 이송 로봇(165) 등을 포함할 수 있다.
로드락 챔버(161)는 기판 이송을 위한 밀폐된 내부 공간(163)을 제공할 수 있다.
기판 이송 로봇(165)은 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)에 배치되어 로드락 챔버(161)와 공정 챔버(111) 간에 기판을 이송할 수 있다.
일례로서, 기판 이송 로봇(165)은 다단으로 동작하면서 기판을 파지할 수 있는 관절 로봇을 포함할 수 있다. 다단으로 동작하는 로봇을 통해 기판을 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)으로 이송하여 기판 지지 유닛(120) 상에 로딩할 수 있다. 또한 로봇을 통해 기판 지지 유닛(120)에 안착된 기판을 언로딩하여 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)으로 인출할 수 있다.
로드락 장치(160)와 메인 프로세스 장치(110) 사이에는 도어 수단(170)이 마련될 수 있다.
공정 챔버(111) 측벽과 로드락 챔버(161) 측면에는 서로 관통되어 기판(W) 출입을 위한 도어 수단(170)이 설치될 수 있다. 도어 수단(170)의 개방을 통해 기판(W)을 공정 챔버(111)와 로드락 챔버(161) 간에 이송할 수 있다.
도어 수단(170)은 도어 및 도어 구동기 등을 포함할 수 있다. 도어는 공정 챔버(111)와 로드락 챔버(161)의 외벽 일부를 이루면서 도어 구동기의 동작에 따라 개폐될 수 있다. 도어의 개폐에 따라 공정 챔버(110)의 처리 공간으로 연결되는 통로가 선택적으로 제공될 수 있다. 도어 구동기는 유공압 실린더, 모터 등을 포함하여 구성됨으로써 도어를 승강시켜 개폐를 제어할 수 있다.
제어 수단(180)은 메인 프로세스 장치(110)에 기판(W)을 로딩 및 언로딩하도록 로드락 장치(160) 및 도어 수단(170)을 제어할 수 있다.
압력 조절 유닛(150)은 앞서 상기 도 4를 통해 설명한 구성 이외에 제3 압력 조절 라인(156), 제3 압력 조절 밸브(157) 등을 더 포함할 수 있다.
제3 압력 조절 라인(156)은 로드락 챔버(161)에 연결되어 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)에 진공압을 제공할 수 있다.
제3 압력 조절 밸브(157)는 제3 압력 조절 라인(156)에 배치되어 제3 압력 조절 라인(156)을 통한 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)에 대한 진공압을 조절할 수 있다.
제어 수단(180)은 진공압 펌프(151)의 에어 배출 및 흡입을 제어하고, 제3 압력 조절 밸브(157)를 제어하여 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)에 대한 압력을 조절할 수 있다.
일례로서, 로드락 챔버(161)에는 내부 공간(163)의 압력을 측정하는 제3 압력 게이지가 구비될 수 있다.
제어 수단(180)은 제3 압력 게이지를 통해 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)에 대한 압력을 확인하고, 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)에 대한 압력을 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)에 대한 압력과 동일하게 형성할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 기판 처리 장치는 압력 조절 유닛을 구비하여 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력과 로드락 챔버의 내부 공간의 압력을 동일하게 형성함으로써 공정 챔버와 로드락 챔버 간의 개방시 압력 차이로 인한 기판의 변형을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기에서 설명한 기판 접합 시스템을 통한 기판 접합 방법을 제시하는데, 이하에서는 본 발명에 따른 기판 접합 방법에 대하여 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 기판 접합 방법은 상기의 기판 접합 시스템에서 구현되는 바, 앞서 설명한 본 발명에 따른 기판 접합 시스템의 실시예를 함께 참조하도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 기판 접합 방법의 일실시예에 대한 흐름도를 도시한다.
기판 처리 장치(100)의 메인 프로세스 장치(110)로 기판을 반입시키고 기판 지지 유닛(120)에 기판을 안착(S110)시킬 수 있다.
이때, 기판 지지 유닛(120)은 기판을 흡착하는 척킹 과정을 수행하지 않고 단순히 복수의 지지핀(127) 상부에 기판을 안착시켜 지지할 수 있다.
기판 지지 유닛(120)에 기판이 안착된 상태에서 기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 간의 이격 공간(125)에 대한 압력을 조절(S130)하여 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력과 동일하게 형성시킬 수 있다.
가령, 제어 유닛(180)은 압력 조절 유닛(150)을 제어하여 기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 간의 이격 공간(125)의 에어를 흡입하거나 이격 공간(125)으로 에어를 배출하여 이격 공간(125)의 압력을 조절할 수 있다.
기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 간의 이격 공간(125)에 대한 압력 조절을 통해 기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 간의 이격 공간(125)과 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력을 서로 동일하게 유지시킬 수 있다.
제어 유닛(180)은 공정 챔버(111)에 배치된 제1 압력 게이지를 통해 플라즈마 처리 공간(115)의 압력 변화를 파악할 수 있고, 아울러 기판 지지 유닛(120)에 배치된 제2 압력 게이지를 통해 기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 간의 이격 공간(125)의 압력 변화를 파악할 수 있다.
압력 변화가 감지되면, 제어 유닛(180)은 양 공간(115, 125)의 압력이 동일하게 유지될 수 있도록 압력 조절 유닛(150)을 통해 압력을 조절할 수 있다.
기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 간의 이격 공간(125)의 압력과 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력이 서로 동일하게 유지되는 상황에서 기판(W) 표면에 대한 플라즈마 공정을 수행(S150)할 수 있다.
제어 수단(180)은 플라즈마 발생 유닛(130a, 130b)을 제어하여 플라즈마 처리 공간(115)에 플라즈마를 활성화시키고 공정 가스 공급 유닛(141)을 제어하여 공정 가스와 캐리어 가스를 선택적으로 플라즈마 처리 공간(115)으로 공급할 수 있다.
기판(W) 표면에 대한 플라즈마 처리를 통해 기판(W) 표면의 소수성 특성을 친수성으로 변화(S170)시켜 기판(W) 표면에 수산기(-OH) 생성을 유도할 수 있다.
기판 표면에 대한 플라즈마 공정이 완료되면, 메인 프로세스 장치(110)에서 기판을 반출하는데, 이때 앞서 설명한 바와 같이 기판 지지 유닛(120)에 기판을 안착시 정전기력을 이용한 척킹 과정을 수행하지 않았으므로, 기판을 기판 지지 유닛(120)에서 분리시에 디척킹 과정이 요구되지 않는다. 따라서 기판 표면에 대한 플라즈마 공정 완료 후 시간 지체없이 곧바로 기판을 반출할 수 있다.
그리고 기판(W)을 세정 장치(230)로 이송하여 기판 표면에 대한 세정 처리(S210)를 수행할 수 있다.
세정 장치(230)는 스핀 코터를 이용하여 기판 표면에 DI 워터를 코팅할 수 있다. 이러한 세정 처리를 통해 기판 표면에 이물질을 제거하면서 기판 표면에 수산기(-OH)를 더욱 활성화시킬 수 있다.
기판 표면의 친수화로 수산기(-OH)가 충분히 마련된 상태에서 기판을 정렬 장치(250)로 이송할 수 있다.
정렬 장치(250)로는 표면이 친수화 처리되어 수산기(-OH)가 마련된 제1 기판과 제2 기판이 제공될 수 있다.
정렬 장치(250)는 제1 기판과 제2 기판을 정렬하여 기판 접합 장치(210)로 이송(S230)할 수 있다.
기판 접합 장치(210)는 수산기(-OH)가 형성된 제1 기판의 면과 제2 기판의 면을 서로 대향시키고 산소(O)의 공유 결합에 따른 탈수 반응을 통해 제1 기판과 제2 기판을 접합(S250)시킬 수 있다.
일례로서, 기판 접합 장치(210)는 상부 척 구조물을 통해 제1 기판의 수산기(-OH)가 형성된 면을 위치시키고 하부 척 구조물을 통해 제2 기판의 수산기(-OH)가 형성된 면을 대향시켜 위치시킬 수 있다.
그리고 상부 척 구조물과 하부 척 구조물 간을 서로 대응시켜 상승 또는 하강시키 제1 기판과 제2 기판을 접합시킬 수 있다.
바람직하게는 제1 기판과 제2 기판의 중심부로부터 외곽부까지 푸시 로드가 점차적으로 동작하면서 제1 기판과 제2 기판의 중심부부터 외곽부까지 점차적으로 접합이 이루어질 수 있다.
접합된 기판은 기판 접합 장치(210)에서 반출되어 검사 장치(270)로 이송될 수 있다.
검사 장치(270)는 접합 기판의 접합 상태에 대한 검사를 수행(S270)할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 기판 표면에 대한 플라즈마 공정 수행시 기판 지지 유닛에 기판의 척킹 과정과 디척킹 과정을 수행하지 않음으로써 플라즈마 처리를 통해 표면이 친수화된 기판을 시간 지체 없이 곧바로 접합시킬 수 있다.
나아가서 본 발명을 통해 압력 차이에 따른 기판의 뒤틀림 등의 기판 변형을 방지할 수 있는데, 이와 관련하여 도 7은 본 발명에 따른 기판 접합 방법에서 기판 표면의 친수화를 위한 플라즈마 공정에 대한 일실시예의 흐름도를 도시한다.
본 실시예는 상기 도 6의 실시예에서 기판 지지 유닛에 기판을 안착(S110)시키고 플라즈마 공정을 수행(S150)하여 기판 표면을 친수화(S170)는 과정에 대한 세부 과정일 수 있다.
플라즈마 처리할 기판을 기판 처리 장치(100)의 로드락 챔버(160)로 이송(S121)할 수 있다.
이송 모듈(50)을 통해 기판을 로드락 장치(160)의 로드락 챔버(161)로 이송에 따라 이송 모듈(50)의 이송 영역과 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)이 서로 개방되어 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)은 메인 프로세스 장치(110)의 공정 챔버(111) 환경과는 상이하게 변화될 수 있다.
로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)에 기판이 보관된 상태에서 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)을 이송 모듈(50)의 이송 영역으로부터 폐쇄하고, 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)을 감합 환경으로 조성(S123)할 수 있다.
메인 프로세스 장치(110)의 공정 챔버(111) 내부 환경에 맞춰서 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)의 압력을 조절하여 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)을 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115) 환경과 유사하도록 동일한 압력으로 형성(S125)할 수 있다.
로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)이 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)과 유사한 환경으로 조성된 상태에서 도어 수단(170)의 도어를 개방시키고 로드락 장치(160)의 기판 이송 로봇(165)을 통해 기판을 공정 챔버(111)로 이송(S131)할 수 있다.
로드락 장치(160)의 기판 이송 로봇(165)을 통해 기판을 메인 프로세스 장치(110)의 기판 지지 유닛(120) 상에 안착(S133)시키고 도어 수단(170)의 도어를 폐쇄하여 로드락 챔버(161)와 공정 챔버(111) 간의 개방을 차단시킬 수 있다.
기판 지지 유닛(120)에 기판(W)이 안착된 상태에서 압력 조절 유닛(150)을 통해 기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 사이에 형성된 이격 공간(125)의 압력과 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력을 조절(S135)하여 서로 동일하게 형성(S137)시킬 수 있다.
아울러 기판 지지 유닛(120)과 기판(W) 사이에 형성된 이격 공간(125)의 압력과 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력을 지속적으로 측정하면서 서로 동일한 압력이 유지될 수 있도록 압력을 조절할 수 있다.
그리고 메인 프로세스 장치(110)를 통해 기판(W) 표면에 대한 플라즈마 공정을 수행(S150)할 수 있다. 기판(W) 표면에 대한 플라즈마 처리를 통해 기판(W) 표면을 친수성으로 변화시킬 수 있다.
플라즈마 처리된 기판을 반출하기에 앞서서 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)의 압력이 공정 챔버(111) 내부 환경과 상이할 수 있으므로, 로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)의 압력을 조절하여 감압 환경으로 조성(S161)할 수 있다.
로드락 챔버(161)의 내부 공간(163)의 압력이 공정 챔버(111)의 플라즈마 처리 공간(115)의 압력과 동일하게 형성된 상태에서 도어 수단(170)의 도어를 개방시키고 로드락 챔버(161)로 기판을 이송(S163)할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 플라즈마 처리를 통해 표면이 친수화된 기판을 로드락 챔버로 이송함에 있어서 공정 챔버의 환경과 로드락 챔버의 환경이 서로 상이함에 따른 압력 차이로 기판의 뒤틀림이 발생될 수 있는데, 압력 조절 유닛을 통해 공정 챔버와 로드락 챔버의 환경을 서로 동일하게 형성시킨 상태에서 기판을 이송함으로써 기판의 변형을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 기판 접합 시스템,
30 : 카세트 스테이지,
50 : 이송 모듈,
100 : 기판 처리 장치,
100 : 기판 처리 장치,
110 : 메인 프로세스 장치,
111 : 메인 프로세스 챔버,
115 : 플라즈마 처리 공간,
120 : 기판 지지 유닛,
125 : 이격 공간,
150 : 압력 조절 유닛,
160 : 로드락 장치,
170, 220 : 도어 수단,
180 : 제어 수단,
210 : 기판 접합 장치,
230 : 세정 장치,
250 : 정렬 장치,
270 : 검사 장치.

Claims (20)

  1. 플라즈마 처리 공간을 제공하는 공정 챔버와, 상기 플라즈마 처리 공간에 배치되며, 기판이 안착되되, 상부면과 기판 하면 간의 이격 공간이 마련된 기판 지지 유닛과, 상기 플라즈마 처리 공간에 플라즈마 발생을 유도하는 플라즈마 발생 유닛을 포함하며, 플라즈마 공정을 통해 기판 표면을 친수화시키는 메인 프로세스 장치; 및
    상기 플라즈마 처리 공간과 상기 이격 공간 간에 압력을 조절하는 압력 조절 유닛을 포함하는 기판 처리 장치; 및
    표면이 친수화된 기판 간을 탈수 반응을 이용하여 접합시키는 기판 접합 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 지지 유닛은,
    정전기력을 유도하지 않고 흡착력 없이 기판을 안착 지지하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 조절 유닛은,
    상기 공정 챔버에 연결되어 상기 플라즈마 처리 공간의 진공압을 제공하는 제1 압력 조절 라인;
    상기 기판 지지 유닛에 연결되어 상기 이격 공간의 진공압을 제공하는 제2 압력 조절 라인;
    상기 제1 압력 조절 라인과 상기 제2 압력 조절 라인에 진공압을 제공하는 진공압 펌프;
    상기 제1 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제1 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제1 압력 조절 밸브; 및
    상기 제2 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제2 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제2 압력 조절 밸브를 포함하며,
    상기 제1 압력 조절 밸브 및 상기 제2 압력 조절 밸브의 개폐를 제어하여 상기 플라즈마 처리 공간과 상기 이격 공간 간에 동일한 압력을 형성시키는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 처리 장치는,
    상기 메인 프로세스 장치의 전단에 배치되며, 상기 메인 프로세스 장치의 공정 환경을 유지시키는 로드락 챔버와, 상기 로드락 챔버에 배치되어 상기 메인 프로세스 장치로 기판을 이송하는 기판 이송 로봇을 포함하는 로드락 장치; 및
    상기 메인 프로세스 장치와 상기 로드락 챔버 간을 선택적으로 개방 및 폐쇄시키는 도어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압력 조절 유닛은,
    상기 로드락 장치의 내부 공간과 상기 메인 프로세스 장치의 플라즈마 처리 공간 간에 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압력 조절 유닛은,
    상기 메인 프로세스 장치의 공정 챔버에 연결되어 상기 플라즈마 처리 공간의 진공압을 제공하는 제1 압력 조절 라인;
    상기 로드락 챔버에 연결되어 내부 공간의 진공압을 제공하는 제3 압력 조절 라인;
    상기 제1 압력 조절 라인과 상기 제3 압력 조절 라인에 진공압을 제공하는 압력 펌프;
    상기 제1 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제1 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제1 압력 조절 밸브; 및
    상기 제3 압력 조절 라인에 배치되어 상기 제3 압력 조절 라인을 통한 진공압을 조절하는 제2 압력 조절 밸브를 포함하며,
    상기 제1 압력 조절 밸브 및 상기 제3 압력 조절 밸브의 개폐를 제어하여 상기 로드락 챔버의 내부 공간과 상기 메인 프로세스 챔버의 플라즈마 처리 공간 간에 동일한 압력을 형성시키는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 지지 유닛은,
    유전체 플레이트;
    상기 유전체 플레이트를 지지한느 베이스 플레이트;
    상기 유전체 플레이트의 상면에 돌출되어 안착되는 기판을 부상시켜 지지하는 복수의 지지핀; 및
    상기 유전체 플레이트의 외곽 둘레에 배치되어 기판을 지지하면서 플라즈마 밀도를 조절하는 포커스 링을 포함하며,
    정전기력을 유도하지 않고 흡착력 없이 상기 복수의 지지핀에 기판이 안착 지지되는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    기판 표면을 세정하는 세정 장치; 및
    상기 기판 처리 장치, 상기 기판 접합 장치 및 상기 세정 장치 간의 사이에 배치되어 기판을 이송하는 이송 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    기판 간의 접합 상태를 검사하는 검사 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판 접합 장치의 전단에 배치되어 기판을 정렬시키는 정렬 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  11. 메인 프로세스 챔버의 공정 챔버에 구비된 기판 지지 유닛에 정전기력을 이용한 척킹없이 기판을 안착시키는 기판 안착 단계;
    압력 조절 유닛을 통해 상기 기판 지지 유닛과 상기 기판 사이의 이격 공간에 대한 압력을 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력에 대응시켜 조절하는 압력 조절 단계;
    상기 메인 프로세스 장치를 통해 플라즈마 공정을 수행하여 상기 기판 표면을 친수화시키는 기판 처리 단계; 및
    기판 접합 장치를 통해 탈수 반응을 이용하여 두 기판 간을 접합시키는 기판 접합 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 처리 단계의 수행 후
    세정 장치를 통해 상기 기판의 표면을 세정 처리하는 세정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 압력 조절 단계는,
    제어 수단이 제1 압력 조절 라인에 배치된 제1 압력 조절 밸브를 제어하여 상기 플라즈마 처리 공간에 대한 압력을 조절하고, 제2 압력 조절 라인에 배치된 제2 압력 조절 밸브를 제어하여 상기 이격 공간에 대한 압력을 조절하여 상기 플라즈마 처리 공간과 상기 이격 공간에 대한 압력을 동일하게 형성시키는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 처리 단계는,
    제어 수단이 제1 압력 게이지를 통해 상기 플라즈마 처리 공간에 대한 압력을 감지하고 제2 압력 게이지를 통해 상기 이격 공간에 대한 압력을 감지하여, 상기 압력 조절 유닛을 통해 상기 플라즈마 처리 공간의 압력과 상기 이격 공간의 압력을 동일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    로드락 장치의 로드락 챔버로 기판을 이송하고, 상기 압력 조절 유닛을 통해 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력에 대응시켜 상기 로드락 챔버의 내부 공간의 압력을 조절하는 감압 환경 조성 단계; 및
    상기 로드락 챔버로부터 상기 공정 챔버로 기판을 이송하는 기판 반입 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 압력 조절 유닛을 통해 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간의 압력에 대응시켜 상기 로드락 챔버의 내부 공간의 압력을 조절하는 감압 환경 조성 단계; 및
    상기 공정 챔버로부터 상기 로드락 챔버로 기판을 반출하는 기판 반출 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 접합 단계는,
    정렬 장치를 통해 표면이 친수화 처리된 제1 기판과 제2 기판을 정렬하는 기판 정렬 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 기판 접합 단계는,
    기판 접합 장치를 통해 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 친수화 처리된 표면을 대향시키고 접합시는 제1 기판과 제2 기판 접합 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    검사 장치를 통해 접합 기판에 대한 접합 상태를 검사하는 검사 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 방법.
  20. 플라즈마 처리 공간을 제공하는 공정 챔버와, 상기 플라즈마 처리 공간에 배치되며, 정전기력을 유도하지 않고 흡착력 없이 기판을 안착 지지하고, 상부면과 기판 하면 간의 이격 공간이 마련된 기판 지지 유닛과, 상기 플라즈마 처리 공간에 플라즈마 발생을 유도하는 플라즈마 발생 유닛을 포함하며, 플라즈마 공정을 통해 기판 표면을 친수화시키는 메인 프로세스 장치;
    상기 메인 프로세스 장치의 전단에 배치되며, 상기 메인 프로세스 장치의 공정 환경을 유지시키는 로드락 챔버와, 상기 로드락 챔버의 내부 공간에 배치되어 상기 메인 프로세스 장치로 기판을 이송하는 기판 이송 로봇을 포함하는 로드락 장치;
    상기 메인 프로세스 장치와 상기 로드락 챔버 간을 선택적으로 개방 및 폐쇄시키는 도어 수단; 및
    상기 기판 지지 유닛과 기판 사이의 이격 공간과 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간 간에 압력을 조절하고, 상기 공정 챔버의 플라즈마 처리 공간과 상기 로드락 챔버의 내부 공간 간에 압력을 조절하는 압력 조절 유닛을 포함하는 기판 처리 장치;
    기판 표면을 세정하는 세정 장치;
    표면이 친수화된 기판 간을 탈수 반응을 이용하여 접합시키는 기판 접합 장치;
    기판 간의 접합 상태를 검사하는 검사 장치; 및
    상기 기판 처리 장치, 상기 세정 장치, 상기 기판 접합 장치 및 상기 검사 장치 간에 기판을 이송하는 이송 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
KR1020220174052A 2022-12-13 2022-12-13 기판 접합 시스템 및 기판 접합 방법 KR20240092222A (ko)

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