KR100889331B1 - 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 WLP(Wafer Level Packaging) 기술을 이용한 MEMS(Micro Electro Mechanical System)용 패키지 제작시 웨이퍼 상에 가공된 비아홀의 내측면 및 웨이퍼 표면에 기능성 코팅액을 일정하게 도포시키기 위한 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치에 관한 것이다.
본 발명은 코팅 작업공간을 외부와 차단시키는 밀폐형 케이스(10)와, 웨이퍼가 올려지도록 상기 케이스 내부에 설치되는 워킹테이블(20)과, 워킹테이블 상부에 위치되어 워킹테이블에 올려진 웨이퍼의 상부에 코팅액을 분사시키는 스프레이건(30)과, 상기 케이스 하부에 설치되어 케이스 내부의 공기를 외부로 배출시키는 배기장치(40)를 구비한 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치에 있어서,
상기 케이스의 상부 전면에는 균일하게 분포된 다수의 외기흡입공(110)을 가진 외기흡입필터(100)가 수평으로 설치되고, 상기 케이스의 하부 전면에는 상기 외기흡입공들의 단면적과 동일한 단면적을 가지도록 균일하게 분포된 다수의 배기공(210)을 가진 배플필터(200)가 수평으로 설치되어, 상기 배기장치가 가동될 경우에 각 외기흡입공에 정압이 걸리면서 케이스 내부에서의 공기흐름이 연직하부를 향하는 수평상태의 층류를 형성시키도록 구성된다.
비아홀, 웨이퍼, 박막 코팅, MEMS, WLP, 스프레이

Description

웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치{micro-spray coating apparatus for wafer}
본 발명은 WLP(Wafer Level Packaging) 기술을 이용한 MEMS(Micro Electro Mechanical System)용 패키지 제작시 웨이퍼 상에 가공된 비아홀의 내측면 및 웨이퍼 표면에 기능성 코팅액을 일정하게 도포시키기 위한 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치에 관한 것이다.
WLP 기술이라 함은 웨이퍼 가공 후 하나하나 구현된 칩을 잘라내 패키징하던 기존 방식과는 달리, 웨이퍼 상의 구현된 칩 위에 절연물질을 덮고 배선연결 등의 공정을 거쳐 간단히 패키징을 완성하는 기술로서, 공정의 효율성이 높아질 뿐 아니라 초소형화된 패키지 제작에 매우 유리한 방식으로 알려져 있다.
또한 WLP 기술을 이용하게 되면 웨이퍼 상태에서 한번에 대량의 칩을 패키징할 수 있게 되므로 기존의 패키징 방식보다도 생산원가를 크게 절감할 수 있게 되는 장점이 있다.
한편, MEMS(Micro Electro Mechanical System)는 이러한 웨이퍼 레벨 패키징(WLP) 기술에 반도체 가공방법을 접목하여 크기가 수㎛ 이하의 초미세구조를 갖 는 제품을 가공하는 기술로서, 균일한 가공성과 엄청난 양산성을 갖고 있는 것이 특징이다. 게다가 MEMS를 반도체 기판상에서 구현할 경우 회로 등의 전기적 장치와 기계적 장치가 동일한 가공방법에 의해 함께 집적화돼 품질 및 비용면에서 월등한 경쟁력을 갖는 이점이 있으며, 현재 자동차 에어백의 가속도 센서나 잉크젯프린터 헤드 등에서 벗어나 무선부품, 광부품, 미세기계 분야 등 다양하게 적용되고 있다. 즉, MEMS는 예컨대 반사경이나 센서와 같은 일부 기계 장치가 아주 작은 실리콘 칩 위에 마이크로회로를 포함하여 이루어지는 것이다.
또한, 최근에는 고밀도 배선이 더욱 요구되므로 층간 선택적인 통전이 가능한 비아홀(via hole) 공법이 각광받고 있다. 따라서, 상기한 WLP 기술에 비아홀 기술을 적용시킬 경우에는 배선길이가 짧아져 동작속도가 크게 향상되고 고속의 데이터 처리가 가능해진다. 현재, 웨이퍼(wafer) 상에 비아홀을 형성키는 방법은 기계적 드릴링 공법, 플라즈마 에칭 공법, 포토비아 공법 및 레이저 공법 등이 알려져 있다. 다음은 플라즈마 에칭 공법을 이용하여 실리콘 글라스 웨이퍼 상에 비아홀을 가공하는 과정을 살펴본다.
먼저 글래스판 위에 실리콘층을 위치시킨 다음 글래스판과 실리콘층 사이에는 절연재를 채운 상태에서 접착제를 주입하여 글래스판과 실리콘층을 본딩시켜 비아홀이 가공될 웨이퍼를 제작한다.
그리고, 가공될 비아홀의 깊이를 고려하여 적정한 두께로 실리콘층 표면을 그라인딩한 다음 플라즈마 에칭처리를 통해 실리콘층에 비아홀을 형성시킨다. 통상 배선의 효율적 형성을 위하여 비아홀은 측벽이 최대한 가파르고 편평한 상태로 형 성된다. 또한, 비아홀 상부의 모서리부는 이후에 실시되는 폴리머 코팅(Polymer coating)과 포토레지스트 코팅(Photo resist coating) 공정에서 스프레이되는 코팅액의 도막 두께가 상기 모서리부에서 얇게 형성되는 것을 막기 위하여 라운드 처리된다.
이와 같이 실리콘층 표면에 비아홀이 형성되면, 실리콘층 상부에 폴리머 스프레이 코팅과 프로텍트레지스트(Protect resist) 스프레이 코팅을 실시한다. 완성된 폴리머 코팅층은 실리콘층 상부에 일정두께의 절연층을 형성시켜 전기적 쇼트(Short)를 막아주고, 프로텍트레지스트 코팅층은 폴리머 코팅층의 상부에 일정두께로 형성되어 이후의 산화에칭(Oxide etching)시 폴리머 코팅층이 손상되지 않도록 보호한다.
이후 상기 코팅층들을 건조시키는 1차 베이킹(baking) 과정을 거친 후 리도그래피(lithography) 공정을 통해 비아홀 바닥의 폴리머 코팅층과 프로텍트레지스트 코팅층을 제거하여 비아홀의 바닥을 개방시키고, 2차 베이킹 과정을 통해 리도그래피 공정시 잔류하는 솔벤트를 완전히 제거한 다음, 산화에칭을 통해 개방된 비아홀 바닥에 잔존하는 폴리머코팅층과 프로텍트레지스트 코팅층들과 같은 산화물들을 모두 제거한다. 이후 비아홀에 알루미늄 금속층을 증착시켜 배선을 형성시키게 된다
이와 같은 웨이퍼의 제작과정 중, 상기 프로텍트레지스트 코팅공정에서는 코팅액이 가파르게 경사진 비아홀의 측벽 전체에 걸쳐서 미세하고 균일한 두께로 도포되어야 하므로 평탄한 웨이퍼 표면에 코팅액을 떨어뜨린 후 웨이퍼를 고속으로 회전시켜 코팅을 수행하는 기존의 방법(스핀 코팅)으로는 비아홀이 형성된 웨이퍼의 표면을 코팅시키는데 한계가 있다.
따라서, 비아홀이 형성된 웨이퍼의 경우에는 웨이퍼 상부에서 코팅액을 스프레이 하여 도포시키는 방법이 주로 이용되고 있으며, 상기와 같은 MEMS용 웨이퍼 레벨 패키징(WLP) 구현을 위한 핵심 공정인 비아홀 박막 코팅 기술은, 현재 시급히 해결을 요하는 미 개척분야로 많은 기술적 어려움에 직면해 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 스프레이 코팅장치는 코팅 작업공간을 외부와 차단시키는 밀폐형 케이스(10)와, 웨이퍼가 올려지도록 상기 케이스(10) 내부에 설치되는 워킹테이블(20)과, 워킹테이블(20) 상부에 위치되어 워킹테이블(20)에 올려진 웨이퍼의 상부에 코팅액을 분사시키는 스프레이건(30)으로 크게 구성된다.
그리고, 상기 케이스(10)에는 외기흡입구(50)와 이 외기흡입구(50)로 유입된 공기 및 코팅액 분진들을 외부로 배출시키는 배기구(60)가 구비된다. 상기 케이스(10)의 하부에는 케이스(10) 내부의 공기를 외부로 배출시키는 배기장치(40)가 구비된다.
상기 배기장치(40)는 배기구와 연결된 덕트와 이 덕트와 연결된 배기팬으로 구성된다. 따라서, 상기 배기팬의 작동에 의해 외부로부터의 공기가 외기흡입구(50)를 통해 케이스 내부를 거쳐 배기구(60)로 빠져나오게 되고, 덕트를 거쳐 케이스(10) 외부로 배출된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 스프레이 코팅장치로는 역-피라미드 형상 구조에 더하여 마이크론 단위의 크기를 갖는 비아홀 내측면에 서브마이크론(Sub-micron) 단위의 기능성 박막코팅을 요구되는 코팅사양을 만족시킬 수 없다는 문제가 있다.
이는, 종래의 스프레이 코팅장치에서는 흡기환경과 배기환경이 크게 상이하므로 케이스(10) 내부에서 난류의 공기흐름을 형성시키기 때문이다. 이와 같이, 케이스 내부에서 난류가 발생되면, 웨이퍼 주변에서 공기흐름의 단면유속이 크게 불규칙하게 되면서 쏠림 현상이 발생하게 되므로 웨이퍼 상에 연속 배열된 역-피라미드 형상의 비아홀들 내 측벽에 서브마이크론 단위의 균일한 박막코팅 형성은 불가능해진다. 예컨대, 비아홀의 측벽 일측에만 도포되거나 일정한 두께로 도포되지 못한다.
또한, 웨이퍼에 스프레이되는 과정에서 바운딩된 잔여 코팅분진이 난류 또는 편류를 따라 이동하면서 주변을 오염시키는 주요 원인이 된다.
본 발명은 상기한 종래 문제점들을 고려하여 이루어진 것으로서, 웨이퍼 주변의 공기흐름이 연직 하부방향으로 수평의 공기흐름 층(Laminar air flow)을 형성하면서 안정적으로 이루어지게 되는 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 코팅 작업공간을 외부와 차단시키는 밀폐형 케이스와, 웨이퍼가 올려지도록 상기 케이스 내부에 설치되는 워킹테이블과, 워킹테이블 상부에 위치되어 상기 웨이퍼의 상부에 코팅액을 분사시키는 스프레이건과, 케이스 하부에 설치되어 케이스 내부의 공기를 외부로 배출시키는 배기장치를 구비한 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치에 있어서, 상기 케이스의 상부 전면에는 균일하게 분포된 다수의 외기흡입공을 가진 외기흡입필터가 수평으로 설치되고 상기 케이스의 하부 전면에는 상기 외기흡입공들의 단면적과 동일한 단면적을 가지도록 균일하게 분포된 다수의 배기공을 가진 배기압력 분산 및 포집의 역할을 수행하는 배플필터가 수평으로 설치되어, 상기 배기장치가 가동될 경우에 각 외기흡입공 및 베플필터의 배기공에 정압(定壓)이 균일하게 걸리면서 케이스 내부에서의 공기흐름이 연직하부를 향하는 일정한 유속을 갖는 층류를 형성시키도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배플필터는 격자형 단면구조로 이루어진 배기공을 가질 수 있다.
또한, 상기 배플필터의 하부에는 배플필터를 통과한 미세 코팅액 분진들이 외부로 배출되는 것을 차단하는 동시에 배기압력의 분산을 보조하는 집진필터가 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치에 의하면, 케이스 내부에서의 공기흐름이 일정한 유속을 유지하면서 나란히 연직하부를 향하는 층류의 형태를 유지하게 되므로 마이크론 단위의 미세한 역-피라미 드형태의 비아홀(Via hole) 내 측벽에 기능성 코팅액을 서브마이크론 단위까지 좌우대칭으로 균일하게 도포할 수 있으며, 웨이퍼 위에 연속 배열된 수많은 비아홀들 모두에 있어서도 각각의 비아홀에 형성된 도막의 편차를 최소화시킬 수 있다. 그 결과 전기적 특성이 우수한 양질의 웨이퍼를 생산할 수 있게 된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명함에 있어, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 명료성을 위하여 가능한 중복되지 않게 상이한 부분만을 주로 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 코팅 작업공간을 외부와 차단시키는 밀폐형 케이스(10)와, 웨이퍼가 올려지도록 상기 케이스(10) 내부에 설치되는 워킹테이블(20)과, 워킹테이블(20) 상부에 위치되어 워킹테이블(20)에 올려진 웨이퍼의 상부에 코팅액을 분사시키는 스프레이건(30)과 케이스(10) 하부에 설치되어 케이스(10) 내부의 공기를 외부로 배출시키는 배기장치(40)를 기본적으로 구비한다.
본 발명은 코팅 작업공간의 공기흐름이 일정한 유속을 유지하면서 나란한 연 직방향의 층류형태를 이루게 되면, 비아홀 내 측벽에 도포되는 기능성 코팅액은 균일한 두께로 좌우대칭을 이룰 수 있는 동시에 비아홀들에 형성된 각각의 도막들간의 편차를 최소화할 수 있다는 점에 착안한 것으로서, 상기 케이스(10) 하부 전면에 외기흡입필터(100)의 단면적과 동일한 다수의 배기공(210)을 가진 배기압력 분산(Exhaust Pressure Diffusion) 및 분진 포집의 역할을 수행하는 베플필터(Baffle Filter/Diffuser; 200)가 수평으로 설치되어, 상기 배기장치(40)가 가동될 경우에 각 외기흡입공(110) 및 베플필터(200)의 배기공(210)에 정압이 균일하게 걸리면서 케이스(10) 내부에서의 공기흐름이 연직 하부를 향하는 수평상태의 층류(Laminar Air Flow)를 형성시키도록 흡, 배기 구조를 개선한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 케이스(10)의 상부 전면에는 외기흡입필터(100)가 수평상태로 설치된다. 이 외기흡입필터(100)의 전면에는 다수의 외기흡입공(110)이 균일하게 분포 형성된다. 그리고 상기 케이스(10)의 하부 전면에는 동일 유효단면적을 갖는 배플필터(200)가 외기흡기필터와 수평상태로 대응 설치된다.
상기 베플필터(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 격자형 단면구조로 이루어진 배기공(210)을 가진 필터로서, 상기 배기공(210)은 베플구조의 특성상 일정면적에서 최대의 유효단면적을 갖게 된다. 이로 인해, 상기 베플필터(200)는 분진포집의 역할 이외에도 배기압력을 분산시키는 역할을 수행하게 되며, 배기장치(40) 가동 시 베플필터(200)의 배기공(210)에는 일정한 정압을 발생시켜 케이스(10) 내부에 층류를 형성시키는 역할을 수행한다.
도시된 바와 같이, 케이스(10)의 하부에는 예컨대 워킹테이블(20)을 지지하 기 위한 지지대와 같은 부속물이 설치된 관계로 케이스(10)의 하부단면적은 상부면보다 작을 수 밖에 없다. 따라서, 상기와 같은 부속물이 차지하는 단면적을 최소화시키는 설계가 요구되며, 배플필터(200)의 배기공(210)의 위치, 갯수 및 크기 등의 설계 또한 이러한 점을 고려하여 이루어져야 한다.
한편, 워킹테이블(20)의 상부에는 수직으로 설치된 스프레이건(30)을 제외하고는 공기흐름을 방해하는 어떠한 물리적 구조물이 존재하지 않으므로 이러한 공기흐름은 적어도 워킹테이블(20)에 놓여진 웨이퍼까지는 유지되나, 수평단면적을 크게 점유하고 있는 워킹테이블(20)이 케이스(10) 내부의 공기흐름을 방해하면서 워킹테이블(20) 하부에서의 공기흐름은 불안정해질 수도 있다. 이 경우, 워킹테이블(20) 하부에서의 공기흐름이 불안정해지더라도 워킹테이블(20) 상부에 놓여진 웨이퍼는 이미 안정된 공기흐름 내에서 코팅이 이루어진 상태이므로 워킹테이블(20) 하부에서의 공기흐름을 워킹테이블(20) 상부와 같도록 일치시킬 필요는 없다.
도시된 바와 같이, 격자형 구조로 이루어진 상기 배플필터(200)의 특성상 일정면적에서 최대의 유효단면적을 가진 배기공(210)을 형성시킬 수 있게 되므로 케이스(10) 내부에서의 압력분산은 용이하게 이루어지고 케이스(10) 내부에서의 공기흐름은 보다 안정적인 상태로 유지될 수 있다.
한편, 상기 베플필터의 하부에는 베플필터를 통과한 코팅액 분진들이 외부로 배출되는 것을 차단하면서 2차로 배기압력을 분산시켜 주는 집진필터(300)가 더 구비될 수 있다. 이 집진필터(300)는 케이스(10) 내의 난류를 최소화하고 양질의 층류를 제공하도록 도와준다.
이러한 점을 감안할 때, 상기 배플필터(200)는 흡수성과 건조성이 우수한 폴리에스터(Polyester) 재질이 적당하다. 또한, 집진필터(300)에 악취제거 기능을 위하여 카본(Carbon)과 같은 탈취성 기능물질들을 첨가시킬 수도 있다.
또한, 상기 배플필터(200)와 집진필터(300)는 웨이퍼의 코팅시 바운스백된 분진들로 인하여 배기공(210)이 막히게 되므로 일정주기로 교체가 되어야 함은 물론이다. 따라서, 상기 배플필터(200)와 집진필터(300)는 케이스(10)로부터 탈장착이 가능한 구조이어야 한다. 상기 배플필터(200)와 집진필터(300)가 케이스(10)로부터 탈장착되는 구조는 본 발명의 요지가 아니므로 여기서의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 구성된 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치는 케이스(10) 하부의 배기장치(40)를 작동시키면, 외기흡입필터(100)를 통해 외부의 공기가 케이스(10) 내부로 유입되기 시작하는데, 상기 케이스(10)의 상부 전면에는 균일하게 분포된 다수의 외기흡입공(110)을 가진 외기흡입필터(100)가 수평으로 설치되고, 상기 케이스(10)의 하부 전면에는 외기흡입필터(100)의 단면적과 동일한 다수의 배기공(210)을 가진 배기압력분산 및 분진 포집의 역할을 수행하는 베플필터(200)가 수평으로 설치되어 있으므로 외기흡입공(110)들 모두에 정압이 걸리면서 케이스(10) 내부의 공기는 일정한 유속을 유지하는 수평상태의 층류를 이루면서 연직하부 방향으로 이동하는 흐름을 보이게 된다.
이 상태에서 스프레이건(30)을 통해 코팅액이 웨이퍼의 상부로 분사되는데, 케이스(10) 내부의 공기가 일정한 유속을 유지하는 나란한 층류를 이루면서 연직 하부 방향으로 흐르고 있는 상태이므로 분사된 코팅액은 층류를 따라 웨이퍼 상부면에 균일하게 도포되고, 비어홀 내측벽을 좌우 대칭 그리고 초소의 도막편차를 유지할 수 있도록 최적화시킨다.
한편, 웨이퍼에 기능성 도포액이 스프레이되는 과정에서 바운딩된 잔여 코팅분진들은 케이스(10) 내부의 공기흐름이 수평상태의 층류를 형성하고 있기 때문에 바운딩된 코팅액들은 이러한 공기흐름에 의하여 더이상 외부로 비산되지 못한다.
워킹테이블(20)을 통과한 공기와 바운딩 된 미세분진은 베플필터(200)를 통해 배기장치(40)를 거쳐 케이스(10) 외부로 배출된다. 이때, 베플필터(200) 하부에 설치된 집진필터(300)는 공기에 포함된 잔여 코팅액을 흡수함과 동시에 2차 배기압력 분산의 역할을 수행한다. 따라서, 케이스(10) 외부로 배출되는 공기는 청정한 상태로 배출된다.
도 1은 종래의 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치의 구성을 나타내기 위한 정단면도.
도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치의 구성을 나타내기 위한 정단면도.
도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치의 구성을 나타내기 위한 케이스 내부의 횡단면도 및 정단면도.
도 4는 도 3의 일부상세도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...케이스 20...워킹테이블
30...스프레이건 40...배기장치
100...외기흡입필터 110...외기흡입공
200...배플필터 210...배기공
300...집진필터

Claims (3)

  1. 코팅 작업공간을 외부와 차단시키는 밀폐형 케이스와, 웨이퍼가 올려지도록 상기 케이스 내부에 설치되는 워킹테이블과, 워킹테이블 상부에 위치되어 상기 웨이퍼의 상부에 코팅액을 분사시키는 스프레이건과, 케이스 하부에 설치되어 케이스 내부의 공기를 외부로 배출시키는 배기장치를 구비한 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치에 있어서,
    상기 케이스의 상부 전면에는 균일하게 분포된 다수의 외기흡입공을 가진 외기흡입필터가 수평으로 설치되고 상기 케이스의 하부 전면에는 상기 외기흡입공들의 단면적과 동일한 단면적을 가지도록 균일하게 분포된 다수의 배기공을 가진 배기압력 분산 및 포집의 역할을 수행하는 배플필터가 수평으로 설치되어, 상기 배기장치가 가동될 경우에 각 외기흡입공 및 베플필터의 배기공에 정압(定壓)이 균일하게 걸리면서 케이스 내부에서의 공기흐름이 연직하부를 향하는 일정한 유속을 갖는 층류를 형성시키도록 한 것을 특징으로 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배플필터는 격자형 단면구조로 이루어진 배기공을 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배플필터의 하부에는 배플필터를 통과한 미세 코팅액 분진들이 외부로 배출되는 것을 차단하는 동시에 배기압력의 분산을 보조하는 집진필터가 더 구비된 것을 특징으로 하는 웨이퍼용 박막 스프레이 코팅장치.
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