KR101517819B1 - 반도체 웨이퍼 제조장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼의 비아홀에 전도체 등을 채우기 위한 반도체 웨이퍼 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 비아홀이 형성된 웨이퍼의 배면을 지지고정하는 웨이퍼 척; 상기 웨이퍼 척을 회동시키는 척 회동부; 상기 웨이퍼 척에 고정된 상기 웨이퍼를 둘러싸는 챔버; 상기 챔버에 의해 둘러싸인 웨이퍼 상에 공급된 처리액을 진동시키는 진동자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치 및 그 방법을 제공한다

Description

반도체 웨이퍼 제조장치 및 그 방법{Apparatus and Method for processing semiconductor}
본 발명은 웨이퍼의 비아홀에 절연체층, 배리어층 및 전도체를 채우기 위한 반도체 웨이퍼 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전자제품이 소형화 및 대용량화로 인해, 반도체의 높은 집적도가 요구되어왔다. 이로 인해, 반도체의 직접도는 비약적인 발전을 하였으나, 최근들어 직접도만을 높이는 방법은 한계에 봉착하여, 복수개의 칩을 하나의 패키지에 적층하는 3D 패키지 방식이 개발되었다. 3D 패키징 방법으로 복수개의 칩을 적층한 후 모서리에서 와이어로 연결하는 방법이 있었다. 그러나, 이 방법은 약간의 면적이 늘어나는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 칩들 사이의 중간층이 필요하다는 단점이 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위해 칩내에 수직 전기연결부를 형성하여 적층하는 TSV(Through Silicon Via) 방법이 제시되었다. TSV 방식을 사용하기 위해서는 반도체 표면에 단순히 회로를 형성하는 것과 달리, 두께 방향으로 좁고 길게 형성된 비아홀에 전도체, 절연체 및 배리어층을 채워넣는 공정이 필요하다. 이는 표면에 도금하는 것과는 전혀 다른 문제점을 발생시킨다.
특히, 좁고 길게 형성된 비아홀에 기포 내재 등에 의해 전도체 등이 채워지지 않아, 이에 대한 효과적이고 안정적인 대책이 필요하다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 웨이퍼의 비아홀에 효과적이고 안정적으로 절연체층, 배리어층 및 전도체가 채워질 수 있도록 한 반도체 웨이퍼 제조장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 비아홀이 형성된 웨이퍼의 배면을 지지고정하는 웨이퍼 척; 상기 웨이퍼 척을 회동시키는 척 회동부; 상기 웨이퍼 척에 고정된 상기 웨이퍼를 둘러싸는 챔버; 상기 챔버에 의해 둘러싸인 웨이퍼 상에 공급된 처리액을 진동시키는 진동자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치를 제공한다.
상기 챔버의 상측에 상하 승강 가능토록 설치된 진동자 프레임을 더 포함하며; 상기 진동자는 상기 진동자 프레임의 하강시 상기 챔버 내 처리액에 접촉 가능토록 상기 진동자 프레임의 하측에 설치될 수 있다.
상기 진동자는 상기 진동자 프레임에 회전 가능토록 설치될 수 있다.
상기 진동자는 바 형상으로 형성되어 상기 진동자 프레임에 회전 가능토록 설치될 수 있다.
상기 진동자 프레임에는 상기 진동자를 회전시키며 상기 진동자의 회전 속도를 조절하는 서보모터가 설치될 수 있다.
상기 진동자는 압전효과에 의해 진동을 발생토록 압전소자를 포함할 수 있다.
상기 진동자는 복수의 진동 소자를 포함하며, 상기 진동 소자는 상기 진동자의 중심에 대해서 비대칭적으로 배치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 진동소자는 상기 진동자의 중심에서 가까운 위치보다 먼곳에서 더 촘촘하게 배치된다.
상기 처리액을 상기 챔버에 공급, 회수하는 처리액공급회수장치를 더 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼 척의 회동시 비산되는 상기 처리액을 회수하는 처리액 회수부를 더 포함하고, 상기 처리액 회수부는 내주의 일부가 원주방향으로 개구된 튜브형상으로 형성되며, 상기 웨이퍼 척의 외주를 감싸도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은 다른 카테고리로, 비아홀이 형성된 웨이퍼를 챔버에 의해 둘러싸이도록 위치시키고 상기 웨이퍼의 비아홀에 전도체를 채우기 위한 처리액을 공급하며, 상기 처리액을 진동시키는 처리액 공급단계; 상기 비아홀 처리공정단계 후, 상기 처리액을 배출시키는 처리액제거단계; 상기 처리액제거단계 후, 상기 웨이퍼를 회전시켜 상기 웨이퍼 상에 잔존하는 처리액을 제거하는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조방법를 제공한다. 상기 처리액제거단계와 상기 건조단계 사이에는 상기 웨이퍼를 상기 건조단계시보다 저속으로 회전시키며 상기 웨이퍼의 표면에 세정액을 도포한 후, 상기 세정액을 배출시키는 세정단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따르면, 처리액을 진동시킴으로써 웨이퍼의 비아홀에 처리액이 보다 용이하고 빈틈없이 채워질 수 있도록 활성화시킬 수 있다.
또한, 처리액의 진동에 따른 간접 충격에 의해 웨이퍼의 비아홀의 기포가 용이하게 제거될 수 있으며, 이러한 과정으로 인한 웨이퍼의 손상이 없다.
또한, 웨이퍼의 처리액 공급 공정과 세정, 건조를 하나의 장비로 해결할 수 있어, 효과적이다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 반도체 웨이퍼 제조장치의 개념단면도
도 2는 도 1의 'A'부분의 확대단면도.
도 3은 도 1의 진동자가 진동자 프레임에 설치된 예를 도시한 모식도.
도 4는 도 3의 진동자의 내부 평면도
도 5는 도 4의 진동자가 회동시 진동소자의 커버 영역을 도시한 모식도
도 6은 도 3의 진동자의 변형예를 도시한 내부 평면도
도 7은 도 3의 진동자의 다른 변형예를 도시한 내부 평면도
도 8은 본 발명의 일실시예의 반도체 웨이퍼 제조방법을 도시한 순서도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 반도체 웨이퍼 제조장치의 개념단면도이고, 도 2는 도 1의 'A'부분의 확대단면도이고, 도 3은 도 1의 진동자가 진동자 프레임에 설치된 예를 도시한 모식도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 반도체 웨이퍼 제조장치는 비아홀이 형성된 웨이퍼(200)의 배면을 지지고정하는 웨이퍼 척(110)과, 웨이퍼 척(110)을 회동시키는 척 회동부(120)와, 웨이퍼 척(110)에 고정된 웨이퍼(200)를 둘러싸는 챔버(100)와, 챔버(100)에 의해 둘러싸인 웨이퍼(200) 상에 공급된 처리액(210)을 진동시키는 진동자(130)를 포함한다.
웨이퍼 척(110)은 챔버(100)의 하측면에 형성된 하측 홀에 회전 가능토록 설치됨과 아울러 챔버(100)의 하측 홀을 복개할 수 있다. 웨이퍼 척(110)은 진공압 등에 의해 웨이퍼(200)를 안정적으로 고정할 수 있으며, 회동될 수 있도록 하측에 설치된 척 회동부(120)의 구동축(122)과 결합될 수 있다. 척 회동부(120)는 모터(124) 등이 될 수 있으며, 이때 모터(124)는 회전 속도 조절이 가능토록 서보모터가 적용될 수 있다.
진동자(130)는 진동파를 발생시켜 처리액(210)에 전달할 수 있다면 어떠한 방식이든 무방하며, 다만 웨이퍼(200)의 비아홀에 전도체를 채우기 위한 처리액(210)의 활성화에 보다 유리하며 웨이퍼(200)가 처리액(210)의 진동으로 인한 간접 충격에 의해 손상되지 않도록 하기 위해, 압전(piezoelectric)효과에 의해 초음파를 발생시키는 압전소자 등이 바람직할 수 있다. 진동자의 압전소자 배열은 웨이퍼(200) 형상(예컨대, 원판형 웨이퍼(200) 등에 대응하여 균일하고 고르게 처리액(210)에 진동이 발생할 수 있도록, 이러한 점을 고려하여 설계될 수 있다.
특히, 진동자(130)는 처리액(210)을 사이에 두고 간접적으로 웨이퍼(200)에 진동에 따른 충격을 줄 수 있도록 처리액(210)의 수면에 접촉토록 설치될 수 있다. 다만, 진동자(130)는 웨이퍼(200)의 로딩(loading)/언로딩(unloading) 등을 방해하지 않도록, 챔버(100)의 상측에 상하 승강 가능토록 설치된 진동자 프레임(140)에 설치되는 것이 보다 바람직할 수 있다. 즉, 진동자(130)는 진동자 프레임(140)의 하측에 위치되며 진동자 프레임(140)과 일체로 상하 승강될 수 있도록 진동자 프레임(140)에 결합될 수 있다. 진동자 프레임(140)의 상하 승강을 위한 승강장치(150)는 랙, 피니언으로 구현되거나 실린더 등 다양한 형태로 엘리베이터 등과 같이 구현될 수 있다.
또한, 진동자(130)는 처리액(210)의 활성화를 위한 진동효과를 보다 향상시키며 처리액(210)에 균일하고 고르게 진동파를 전달할 수 있도록, 원형 웨이퍼(200)에 대응하여 웨이퍼(200)와 동심을 이루며 웨이퍼(200)의 반경방향으로 긴 바(bar) 형상으로 형성되어 회전 가능토록 설치될 수 있다. 즉, 진동자(130)의 회전축(132)이 진동자 프레임(140)에 상하방향을 축으로 회전 가능토록 결합될 수 있다.
진동자(130)를 회전시키는 구성(160)은 진동자(130)의 회전축(132)과 결합되는 모터로 이루어질 수 있으며, 이 진동자(130) 회전용 모터는 진동자(130)를 회전시키면서 진동자(130)의 회전 속도를 조절할 수 있도록 서보모터방식으로 구현될 수 있다.
도 4는 도 3의 진동자의 내부 구성을 도시한 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 진동자(130)에 내부에는 복수의 진동 소자(131)가 배치되며, 상기 진동 소자(131)는 상기 진동자(130)의 중심(C)에 대해서 비대칭적으로 배치된다. 진동 소자(131)는 개별적으로 진동 가능하며, 전술한 바와 같이, 압전소자등이 사용될 수 있다. 비대칭적으로 배치함으로써, 진동자가 회전을 하게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 전영역에 고르게 진동소자(131)가 지나갈 수 있어, 고르게 진동을 가할 수 있다.
또한, 진동소자(131)는 상기 진동자의 중심(C)에서 가까운 위치보다 먼곳에서 더 촘촘하게 배치된다. 이와 같이 함으로써, 웨이퍼의 전영역에 가해지는 진동밀도(시간당 진동양)이 균일하도록 할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 3의 진동자의 변형예를 도시한 것으로서, 도 6은 십자형으로 구현된 것이며, 도 7은 3개의 가지가 뻗은 형상으로 형성된다. 이와 같이, 진동자는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명은 웨이퍼 척(110)의 회동시 비산되는 처리액(210)을 회수하는 처리액 회수부(170)를 더 포함할 수 있다. 처리액 회수부(170)는, 내주의 일부가 원주방향으로 개구된 환형 튜브형상으로 형성되며, 웨이퍼 척(110)의 외주를 감싸도록 형성된다. 따라서, 웨이퍼 척(110)이 회전하여, 웨이퍼(200) 상에 잔존하는 처리액(210)이 외부로 비산되는 것을 막아준다. 챔버(100)에는 처리액 회수부(170)로 액체가 배출될 수 있도록 배출구(미도시)가 형성된다.
처리액(210)은 웨이퍼(200)의 비아 홀에 전도체를 채우기 위한 여러 공정 중 어느 공정에 해당되는지에 따라 결정될 수 있으며, 예컨대 웨이퍼(200)의 비아홀에 절연층을 형성한 후 구리도금 등에 의해 전도체층을 형성하기 전 단계의 중간단계로서 니켈합금을 주 화학요소로 하거나, 접착제 역할을 할 수 있는 화학요소로 이루어질 수 있다.
또한, 처리액(210)은 웨이퍼(200)의 비아홀에 전도체를 채우기 위한 주 처리액(210)은 물론, 주 처리액에 의한 처리공정 후 웨이퍼(200)의 세정을 위해 후 처리액으로서 세정액이 있을 수 있다. 주 처리액(210)과 후 처리액은 화학적 특성 등에 따라 별도의 처리액공급회수장치를 통해 공급, 회수될 수 있다.
이하, 본 발명의 반도체 웨이퍼(200)의 비아홀에 전도체를 채우기 위한 처리 공정을 위한 제조방법을 기술하면서, 전술한 제조장치에 대한 동작을 함께 기술한다.
도 8은 본 발명의 일실시예의 반도체 웨이퍼(200) 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼(200) 제조방법은 크게 웨이퍼(200)의 비아홀에 전도체를 채워넣기 위한 복수 공정 중 일 공정으로서 주 처리액(210)을 채워넣기 위한 비아홀 처리공정단계와, 그 다음의 후처리단계로 이루어질 수 있다.
비아홀 처리공정단계는 다음과 같이 이루어질 수 있다.
먼저, 진동자 프레임(140)이 챔버(100) 위로 승강된 상태에서 웨이퍼 척(110)에 웨이퍼(200)를 로딩시킨 다음(S10), 챔버(100)를 하강시킨다(S20). 다음, 챔버(100) 내부에 주 처리액(210)을 노즐 등을 통해 공급한다(S30). 이때, 주 처리액(210)은 적어도 그 수면이 진동자(130)에 닿도록 소정 수위 공급한다.
그 다음, 진동자 프레임(140)을 하강시켜 진동자(130)가 웨이퍼 척(110) 상의 웨이퍼(200)와 소정 간격을 유지토록 한다(S40).
그 다음, 진동자(130)를 초음파 발생시키도록 구동함과 아울러, 진동자(130)를 회전시킨다(S50). 그러면, 진동자(130)에 의해 주 처리액(210)이 보다 활성화되어 웨이퍼(200)의 비아홀에 처리액이 용이하게 빈틈없이 충분히 채워질 수 있으며, 아울러 처리액(210)의 진동에 따른 간접 충격에 의해 웨이퍼(200)의 비아홀 등에 존재하던 기포가 제거됨으로써 웨이퍼(200)가 전체적으로 균일하고 고르게 불량없이 처리될 수 있다.
한편, 주 처리액(210)의 공급은 전술한 바와 같이, 진동자 프레임(140) 하강전에 이루어지거나, 진동자 프레임(140)의 하강 후 진동자 프레임(140)을 통해 또는 진동자 프레임(140)과 챔버(100) 사이 공간을 통해 이루어질 수도 있다.
웨이퍼(200)의 처리공정이 끝나면 진동자(130)의 구동 및 회전을 멈추고(S60), 진동자 프레임(140)을 상승시킨(S70) 후, 다음과 같이 바로 후처리단계로 넘어간다.
먼저, 노즐 등을 통해 챔버(100)에 공급된 주 처리액(210)을 챔버(100) 밖으로 배출하여 회수한다(S80). 이때, 주 처리액(210)의 회수는 전술한 바와 같이, 진동자 프레임(140)이 승강 후 이루어지는 것이 바람직하나, 진동자 프레임(140)이 하강된 상태에서 이루어질 수도 있다.
주 처리액(210)의 회수가 끝나면, 챔버(100)를 상승한다(S90)
그 다음, 웨이퍼 척(110)을 회동시키거나, 정지된 상태에서 웨이퍼(200) 상에 세정액을 도포한다(S100). 그러면, 웨이퍼(200)의 회전에 의해 세정액이 균일하고 고르게 웨이퍼(200) 상에 도포될 수 있으며, 세정액이 원심력에 의해 웨이퍼(200)를 보다 깨끗하게 세정할 수 있다. 이때, 웨이퍼 척(110)의 회전속도는 세정액에 의해 충분히 웨이퍼(200)의 세정이 이루어질 수 있도록 저속으로 설정한다.
웨이퍼(200)의 세정이 끝나면, 노즐 등을 통해 세정액을 챔버(100) 밖으로 배출하여 회수한 후(S110), 웨이퍼 척(110)을 고속으로 회동시킨다(S120). 그러면, 웨이퍼(200) 상에 잔존하던 세정액이 원심력에 의해 웨이퍼(200)로부터 비산하여 제거됨과 아울러 웨이퍼(200)의 회전 바람에 의해 웨이퍼(200)가 신속하게 건조될 수 있다.
웨이퍼(200)로부터 비산된 세정액은 액체회수부를 통해 챔버(100) 밖으로 배출될 수 있다.
웨이퍼(200)가 충분히 건조되고 나면, 웨이퍼(200)의 회전을 멈춘다(S130).
전술한 바와 같이 웨이퍼(200)는 비아홀 처리공정 및 세정, 건조 등의 후처리가 하나의 장비에 의해 연속적으로 이루어지고 나면, 웨이퍼 척(110)으로부터 언로딩한다(S140).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100; 챔버 110; 웨이퍼 척
120; 척 회동부 130; 진동자
140; 진동자 프레임 150; 승강장치
170; 처리액 회수부 200; 웨이퍼

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 비아홀이 형성된 웨이퍼의 배면을 지지고정하는 웨이퍼 척;
    상기 웨이퍼 척을 회동시키는 척 회동부;
    상기 웨이퍼 척에 고정된 상기 웨이퍼를 둘러싸는 챔버;
    상기 챔버에 의해 둘러싸인 웨이퍼 상에 공급된 처리액을 진동시키는 진동자; 및
    상기 챔버의 상측에 상하 승강 가능토록 설치된 진동자 프레임;
    을 포함하며;
    상기 진동자는 상기 진동자 프레임의 하강시 상기 챔버 내 처리액에 접촉 가능토록 상기 진동자 프레임의 하측에 설치되며,
    상기 진동자는 상기 웨이퍼와 동심을 이루며 상기 웨이퍼의 반경방향으로 긴 바형상으로 상기 진동자 프레임에 회전 가능토록 설치되며,
    상기 진동자는 복수의 진동 소자를 포함하며, 상기 진동 소자는 상기 진동자의 중심에 대해서 비대칭적으로 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 진동자 프레임에는 상기 진동자를 회전시키며 상기 진동자의 회전 속도를 조절하는 서보모터가 설치된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 진동자는 압전효과에 의해 진동을 발생토록 압전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 진동 소자는,
    상기 진동자의 중심에서 가까운 위치보다 먼곳에서 더 촘촘하게 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치.
  9. 청구항 3, 5항, 6 항 또는 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리액을 상기 챔버에 공급, 회수하는 처리액공급회수장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치.
  10. 청구항 3, 5항, 6 항 또는 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 척의 회동시 비산되는 상기 처리액을 회수하는 처리액 회수부를 더 포함하고,
    상기 처리액 회수부는 내주의 일부가 원주방향으로 개구된 튜브형상으로 형성되며, 상기 웨이퍼 척의 외주를 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 제조장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
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