KR101017361B1 - 기판 접합 시스템 및 이에 사용되는 이동형 챔버 - Google Patents

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이종상
박건우
정승희
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Abstract

본 발명은 기판 접합 시스템에 관한 것으로서, 정렬된 한 쌍의 기판을 수용하는 이동형 챔버; 상기 이동형 챔버를 연속적으로 이동시키는 컨베이어 이동장치; 및 정렬된 상기 한 쌍의 기판이 상기 이동형 챔버 내에서 접합되는 히팅공정을 수행하는 히팅장치를 포함하며, 상기 컨베이어 이동장치는, 상기 히팅장치를 통과하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 따른 기판 접합 시스템을 사용함으로써, 접합의 정확도가 높아지고, 챔버의 크기를 소형화할 수 있기 때문에 공간 활용이 용이하며, 컨베이어 이송장치를 사용하여 접합공정을 연속적으로 진행할 수 있기 때문에, 공정 시간이 단축된다.

Description

기판 접합 시스템 및 이에 사용되는 이동형 챔버{SUBSTRATE BONDING SYSTEM AND PORTABLE CHAMBER THEREFOR}
본 발명은 기판 접합 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시간당 접합된 기판의 생산량을 증대시킬 수 있는 기판 접합 시스템에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에는 경우에 따라 2가지 이상의 소자를 접합하는 공정이 요구된다. SOI(silicon On Insulator) 기판을 제조하거나, 집적도 향상을 위하여 적층형 반도체 소자를 형성하는 경우 등이 그것이다. 이를 위하여 2개의 기판을 결합하는 공정이 요구되는데, 접착제를 사용하여 기판의 양면을 결합하거나, 접착제의 사용없이 기판 상에 형성된 금속층 간의 상호 확산에 의한 공융(Eutectic)특성을 이용하여 기판 간에 직접적인 결합을 형성하는 방법 등이 사용된다. 접착제를 사용하여 기판을 결합하는 방법은 유기계 또는 무기계의 접착제층을 기판의 일면에 형성한 후 접착제의 접착력에 의하여 양 기판을 접합하는 것이고, 직접적인 결합방법은 두 기판의 공융점(Eutectic Point) 이상의 온도에서 기판에 압력을 가하여 양 기판을 접합하는 것이다.
상기 접합 방법 중 후자의 경우, 종래에는 도 1a에 도시된 바와 같이, 로봇(R)을 이용하여 카세트(C1, C2, C3, Cn)에서 기판을 꺼낸 뒤, 프리-얼라인 장치(P.A)에서 접합할 기판을 예비 정렬하고, 그 후, 챔버(CH1, CH2, CH3, CHn) 내에서 한 쌍의 기판을 정밀하게 정렬시킨 후 공융점 이상의 온도에서 기판에 압력을 가하여 한 쌍의 기판을 접합하였다. 그러나 상기와 같이, 각각의 챔버(CH1, CH2, CH3, CHn) 안에서 독립적으로 기판을 접합할 경우, 단속적으로 접합 공정이 수행되기 때문에, 시간당 여러장의 기판을 접합하는데 오랜 시간이 소요된다는 문제점이 있었다. 또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 여러 쌍의 기판을 하나의 챔버(CH)로 이동하여 동시에 접합 공정을 진행할 경우, 시간이 어느 정도 단축되기는 하지만, 챔버(CH) 내에서 진행되는 접합 공정의 정확도가 크게 저하된다. 또한, 기판 접합 공정의 정확도를 높이기 위하여 챔버(CH)의 크기를 키울 경우, 접합된 기판의 제조 효율에 비하여 챔버 설치공간 및 이에 따른 설치 및 유지 비용이 크게 증가하다는 문제점이 존재하였다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는, 한정된 공간에서 여러 쌍의 기판을 연속적으로 접합하여 생산량을 높일 수 있는 기판 접합 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는, 상기 기판 접합 시스템에 적합한 이동형 챔버를 제공하는 것이다.
상기 첫번째 과제를 해결하기 위하여, 정렬된 한 쌍의 기판을 수용하는 이동형 챔버;
상기 이동형 챔버를 연속적으로 이동시키는 컨베이어 이동장치; 및
정렬된 상기 한 쌍의 기판이 상기 이동형 챔버 내에서 접합되는 히팅공정을 수행하는 히팅장치를 포함하며,
상기 컨베이어 이동장치는, 상기 히팅장치를 통과하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이동형 챔버에는 전원이 인가될 시에 상기 기판에 열을 공급하는 가열기가 장착되어 있고,
상기 히팅장치에는, 그 내부를 통과하는 상기 이동형 챔버에 전원을 인가하는 전원공급기가 설치될 수 있다.
또한, 상기 히팅장치는, 그 내부에 위치하는 상기 이동형 챔버에 열을 가하는 구조일 수 있다.
또, 상기 컨베이어 이동장치에는, 상기 이동형 챔버의 위치를 가이드하는 안내부가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 컨베이어 이동장치에는, 상기 이동형 챔버의 진공포트에 연결되어 상기 이동형 챔버의 내부를 진공화하는 진공생성기가 설치될 수 있다.
본 발명의 두번째 과제를 해결하기 위하여, 상기 기판 접합 시스템에 사용되며,
정렬된 한 쌍의 기판이 안착되는 하부 챔버부;
상기 하부 챔버부와 결합되어 상기 한 쌍의 기판이 수용되는 수용부를 형성하는 상부 챔버부; 및
상기 상부 챔버부에 장착되어 상기 한 쌍의 기판을 가압하는 가압기를 포함하는 이동형 챔버를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 챔버부 또는 상기 하부 챔버부에는 상기 수용부를 진공화하기 위한 진공포트가 구비될 수 있다.
이때, 상기 상부 챔버부 및 상기 하부 챔버부에는 가열수단이 내장될 수 있다. 게다가, 상기 한 쌍의 기판을 가열하는 가열부와 외부로부터 인가받은 전원을 상기 가열부로 전달하는 전원부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이동형 챔버의 일측에는 상기 상부 챔버부와 상기 하부 챔버부를 개폐하는 체결수단이 더 구비될수 있다.
또, 상기 하부 챔버부에는 상기 정렬된 한 쌍의 기판의 정렬 상태를 유지시키는 가이더가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 컨베이어 이송장치를 사용하여 접합공정을 연속적으로 진행할 수 있기 때문에, 접합 공정의 생산 효율성을 획기적으로 증대시킬 수 있다. 또한 접합 공정이 수행되는 챔버를 소형화하여 공간 활용이 용이할 뿐만 아니라 제조 비용도 절감된다.
도 1은 종래의 기판 접합 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 접합 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이동형 챔버의 개략도이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 기판 접합 시스템은, 정렬된 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 수용하는 이동형 챔버(120);
상기 이동형 챔버(120)를 연속적으로 이동시키는 컨베이어 이동장치(130); 및
정렬된 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 상기 이동형 챔버(120) 내에서 접합되는 히팅공정을 수행하는 히팅장치(140)를 포함하며,
상기 컨베이어 이동장치(130)는, 상기 히팅장치(140)를 통과하도록 배열되어 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
바람직한 실시예에 있어서, 당업계에 이미 알려진 구성이나 그 기능, 동작 등에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 접합 시스템의 개략도가 도시되어 있다.
상기 이동형 챔버(120)에는 후술할 바와 같이 정렬된 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 공급될 수 있다. 도 2를 참조하면, 기판정렬장치(110)에 먼저 제1기판(10a)이 로딩되고, 제1기판(10a)의 외측에서 스페이서(s)가 제1기판(10a)의 안쪽방향으로 이동한다. 이동된 스페이서(s)는 제1기판(10a)의 끝단과 일부가 중첩되는 위치에 수직방향으로 위치한다. 이어서, 제2기판(10b)이 제1기판(10a)의 상부에 이격된 채로 로딩된다. 제2기판(10b)은 스페이서(s)의 상부면에 제2기판(10b)의 모서리가 접촉하도록 로딩되어 제1기판(10a)과 소정의 간격으로 이격된 상태로 위치한다. 이 때, 제1기판(10a)과 제2기판(10b)의 외측에 위치하던 얼라이너(A)가 기판의 안쪽으로 이동하며 기판의 측면을 눌러 기판들을 정렬시킨다. 이 후, 스페이서(s)와 얼라이너(A)를 후퇴시키면 자중에 의해서 상기 제2기판(10b)이 상기 제1기판(10a)의 상부에 안착된다. 이때, 정렬상태를 유지시키기 위해 포인터(P)가 제2기판(10b)에 배치될 수 있다. 이렇게 정렬된 한 쌍의 기판(10a, 10b)은 상기 이동형 챔버(120) 내에 위치하게 되고, 상기 이동형 챔버(120)는 상기 컨베이어 이동장치(130)를 따라 히팅장치(140) 내부를 통과하게 된다.
한 쌍의 기판(10a, 10b)이 접합되기 위해서는 상기 이동형 챔버(120)의 내부를 진공상태로 만들고, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 가압하고, 열을 가하는 과정이 필요하다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 기판 접합 시스템의 상기 컨베이어 이동장치(130)에는, 상기 이동형 챔버(120)의 진공포트(124b)에 연결되어 상기 이동형 챔버(120)의 내부를 진공화하는 진공생성기(150)가 설치될 수 있다. 즉, 상기 컨베이어 이동장치(130)를 따라 상기 이동형 챔버(120)가 위치 이동하면서, 상기 진공생성기(150)에 도달하게 되고, 상기 진공생성기(150)가 상기 이동형 챔버(120)의 진공포트(124b)에 연결되면서, 상기 이동형 챔버(120)의 내부가 진공상태가 되도록 하는 것이다. 상기 진공생성기(150)는, 상기 컨베이어 이동장치(130)의 진행방향으로 볼 때, 상기 히팅장치(140)보다 앞쪽에 위치하게 함으로써, 상기 이동형 챔버(120)가 먼저 진공상태가 된 이후에 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 히팅되는 순서로 공정이 진행되도록 할 수 있다.
상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 접합하는 히팅 공정은 여러가지 방법으로 진행될 수 있다.
첫째로, 상기 이동형 챔버(120)에 전원이 인가될 시에 상기 기판에 열을 공급하는 가열기를 장착하고, 상기 히팅장치(140)에, 그 내부를 통과하는 상기 이동형 챔버(120)에 전원을 인가하는 전원공급기를 설치하여, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 접합하는 히팅공정을 수행할 수 있다. 즉, 상기 히팅장치(140)에서는 열이 발생되지 않고 상기 이동형 챔버(120)에 전원을 인가하는 역할만 수행하는 것이다. 따라서, 상기 이동형 챔버(120)는 상기 히팅장치(140)로부터 인가받은 전원을 통하여 그 내부에 위치한 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 직접 가열하게 된다.
둘째로, 상기 히팅장치(140)를 그 내부에 위치하는 상기 이동형 챔버(120)에 열을 가하는 구조로 형성하여, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 접합하는 히팅공정을 수행할 수 있다. 즉, 상기 이동형 챔버(120)에는 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 가열하기 위한 장치가 형성되어 있지 않고, 상기 히팅장치(140)에 열을 공급할 수 있는 장치가 구비되어서, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 간접적으로 가열되도록 할 수 있는 것이다.
상기 이동형 챔버(120)가 상기 컨베이어 이동장치(130) 위에 안착될 때, 상기 이동형 챔버(120) 측면의 수평방향 위치가 일정한 것이 바람직하다. 즉, 상기 진공생성기(150)를 결합하여 이동형 챔버(120) 내부를 진공 상태를 만들거나, 상기 히팅장치(140)를 통과하면서, 전원을 인가받거나 열을 직접 전달받을 때, 상기 이동형 챔버(120)의 수평방향 위치가 일정하게 되면, 상기 복수개의 이동형 챔버(120)가 각각 일정한 접합 공정을 거칠 수 있기 때문에, 상기 기판이 접합되는 상태가 일치하도록 할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 컨베이어 이동장치(130)에는, 상기 이동형 챔버(120)의 위치를 가이드하는 안내부(135)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 챔버의 개략도가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 이동형 챔버(120)는, 상기 기판 접합 시스템에 사용되며,
정렬된 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 안착되는 하부 챔버부(122);
상기 하부 챔버부(122)와 결합되어 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 수용되는 수용부(124d)를 형성하는 상부 챔버부(124); 및
상기 상부 챔버부(124)에 장착되어 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 가압하는 가압기(124c)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 또, 상기 하부 챔버부(122)에는 상기 정렬된 한 쌍의 기판(10a, 10b)의 정렬 상태를 유지시키는 가이더(122b)가 더 구비될 수 있다. 즉, 기판정렬장치(110)를 통해 1차로 정렬된 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 상기 하부 챔버부(122)에 안착될 때, 정렬된 상태를 유지하면서 안착되도록 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)의 측면 위치를 제한하는 가이더(122b)가 더 구비되는 것이다.
또한, 상기 이동형 챔버(120)의 일측에는 상기 상부 챔버부(124)와 상기 하부 챔버부(122)를 개폐하는 체결수단(129)이 더 구비될 수 있다. 상기 체결수단(129)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 이동형 챔버(120)의 일측에 결합되어 상기 상부 챔버부(124)와 하부챔버부를 개폐 가능하도록 할 수도 있고, 상기 상부 챔버부(124)와 하부챔버부를 관통하는 장치를 구비하여 상기 이동형 챔버(120)의 개폐를 조절할 수도 있다. 그러나, 상기 이동형 챔버(120)의 개폐방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 이동형 챔버(120)의 내부를 밀폐시킬 수 있는 장치라면 어떠한 것도 사용 가능하다.
상기 이동형 챔버(120)에는 상기 수용부(124d)를 진공화하기 위한 진공포트(124b)가 구비될 수 있다. 상기 진공포트(124b)는 상기 컨베이어 이동장치(130)에 구비된 상기 진공생성기(150)와 결합하여, 상기 이동형 챔버(120)의 내부를 진공상태로 만든다.
상기 이동형 챔버(120)가 상기 히팅장치(140)로부터 전원을 인가받아서, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 직접 가열할 경우, 상기 상부 챔버부(124) 및 상기 하부 챔버부(122)에는 가열수단이 내장될 수 있다. 이때, 상기 가열수단은 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 가열하는 가열부(122e, 124e)와 외부로부터 인가받은 전원을 상기 가열부(122e, 124e)로 전달하는 전원부(122a, 124a)를 포함한다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 상부 챔버부(124)와 상기 하부 챔버부(122) 각각에 전원부(122a, 124a)와, 가열부(122e, 124e)가 구비되는 것이다. 여기서, 상기 가열수단은, 상기 상부 챔버부(124)와 하부 챔버부(122) 모두에 구비될 수도 있고, 상기 상부 챔버부(124)나 하부 챔버부(122) 둘 중 하나에만 구비될 수도 있다.
여기서 가압기(124c)의 가압원리는, 예를 들면 벨로우즈에 공기를 유출입시켜 구현하거나, 스프링의 복원력, 또는 모터를 이용할 수 있다.
상기 이동형 챔버(120)를 통하여 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 접합되는 방법은 아래와 같다.
먼저, 상기 이동형 챔버(120)의 상부 챔버부(124)와 상기 하부챔버부가 상기 체결수단(129)에 의해 개방되면, 기판정렬장치(110)를 통해 정렬된 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 상기 하부 챔버부(122)에 안착된다. 상기 가이더(122b)에 의해 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)은 정렬된 상태를 유지하게 된다. 상기 체결수단(129)에 의해 상기 상부 챔버부(124)와 상기 하부 챔버부(122)가 서로 결합하면서, 상기 이동형 챔버(120)가 밀폐된다. 상기 이동형 챔버(120)가 밀폐되면, 상기 진공포트(124b)를 통하여, 상기 수용부(124d)가 진공상태가 된다. 상기 수용부(124d)가 진공상태가 된 이후에, 상기 상부 챔버부(124)에 구비된 가압기(124c)로 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 가압한다. 상기 가압기(124c)로 가압한 이후, 상기 상부 챔버부(124)에 위치한 전원부(124a)와 상기 하부 챔버부(122)에 위치한 전원부(122a)에 전원이 인가되면, 상기 전원부(122a, 124a)와 전기적으로 결합되어 있는 상기 상부 챔버부(124)의 가열부(124e)와 상기 하부 챔버부(122)의 가열부(122e)에 열이 가해지게 되고, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 서로 접합하게 되는 것이다. 상기 가열부(122e, 124e)가 히팅되는 온도는 사용자의 목적에 따라 조절할 수 있지만, 상기 제1기판(10a)과 제2기판(10b)의 공융점(共融點, eutectic point)인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1기판(10a) 및 제2기판(10b)은 서로 접합되는 대향면에 금과 실리콘, 또는 금과 주석 등 공융현상을 일으키는 모든 금속이 증착되어 형성될 수 있는데, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)에 각각 금과 실리콘이 증착된 경우, 상기 가열부(122e, 124e)는 상기 금과 실리콘의 접합 부분이 동시에 용융되면서 서로 혼합되어 일체형으로 접합할 수 있는 온도로 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)을 히팅하는 것이다.
상기 가열부(122e, 124e)가 장착되는 위치는 한정되지 않지만, 상기 한 쌍의 기판(10a, 10b)이 안착되는 위치와, 상기 가압기(124c)에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10a: 제1기판 10b: 제2기판
110: 기판정렬장치 120: 이동형 챔버
122: 하부 챔버부 122a, 124a: 전원부
122b: 가이더 122e. 124e: 가열부
124: 상부 챔버부 124b: 진공포트
124c: 가압기 124d: 수용부
129: 체결수단 130: 컨베이어 이동장치
135: 안내부 140: 히팅장치
150: 진공생성기 S: 스페이서

Claims (11)

  1. 정렬된 한 쌍의 기판을 수용하는 이동형 챔버;
    상기 이동형 챔버를 연속적으로 이동시키며, 상기 이동형 챔버의 진공포트에 연결되어 상기 이동형 챔버의 내부를 진공화하는 진공생성기가 설치되어 있는 컨베이어 이동장치; 및
    정렬된 상기 한 쌍의 기판이 상기 이동형 챔버 내에서 접합되는 히팅공정을 수행하는 히팅장치를 포함하며,
    상기 컨베이어 이동장치는, 상기 히팅장치를 통과하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동형 챔버에는 전원이 인가될 시에 상기 기판에 열을 공급하는 가열기가 장착되어 있고,
    상기 히팅장치에는, 그 내부를 통과하는 상기 이동형 챔버에 전원을 인가하는 전원공급기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히팅장치는, 그 내부에 위치하는 상기 이동형 챔버에 열을 가하는 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨베이어 이동장치에는, 상기 이동형 챔버의 위치를 가이드하는 안내부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 기판 접합 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 기판 접합 시스템에 사용되며,
    정렬된 한 쌍의 기판이 안착되는 하부 챔버부;
    상기 하부 챔버부와 결합되어 상기 한 쌍의 기판이 수용되는 수용부를 형성하는 상부 챔버부; 및
    상기 상부 챔버부에 장착되어 상기 한 쌍의 기판을 가압하는 가압기를 포함하고,
    상기 상부 챔버부 또는 상기 하부 챔버부에는, 상기 수용부를 진공화하기 위한 진공포트가 구비되는 것을 특징으로 하는 이동형 챔버.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상부 챔버부 및 상기 하부 챔버부에는 가열수단이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이동형 챔버.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가열수단은 상기 한 쌍의 기판을 가열하는 가열부와, 외부로부터 인가받은 전원을 상기 가열부로 전달하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 챔버.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 이동형 챔버의 일측에는 상기 상부 챔버부와 상기 하부 챔버부를 개폐하는 체결수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이동형 챔버.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 하부 챔버부에는 상기 정렬된 한 쌍의 기판의 정렬 상태를 유지시키는 가이더가 더 구비된 것을 특징으로 하는 이동형 챔버.
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