KR101807492B1 - 센서 탑재 웨이퍼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체공정 모니터링을 위한 센서회로들을 내부에 탑재하는 센서 탑재 웨이퍼에 관한 것으로, 하부의 제1웨이퍼; 그리고 상기 제1웨이퍼의 상부에 본딩되는 제2웨이퍼로 구성되되, 상기 제1웨이퍼는 제1리세스(1st recess)와, 상기 제1리세스의 내측 및 상기 제1웨이퍼의 상부면에 형성되는 절연막과, 상기 제1웨이퍼의 상부면 일측에서부터 상기 제1리세스의 일측 내벽 및 바닥면의 일측에 걸쳐 형성되는 제1전극과, 상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극과 이격되면서 상기 제1웨이퍼의 상부면 타측에서부터 상기 제1리세스의 타측 내벽 및 바닥면의 타측에 걸쳐 형성되는 제2전극과, 상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전기적으로 접촉되는 제1센서회로를 포함하고, 상기 제2웨이퍼는 상기 제1센서회로를 상부에서 커버하도록 상기 제1리세스에 대향하게 형성되는 제2리세스(2nd recess)를 포함하는 것이 특징인 발명이다.

Description

센서 탑재 웨이퍼{sensor mounted wafer}
본 발명은 반도체공정 모니터링을 위한 센서회로들을 내부에 탑재하는 센서 탑재 웨이퍼에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서 웨이퍼 온도의 균일성은 재료 표면 구조, 증착이나 식각의 물성을 관리하는데 중요한 요소이다.
종래 기술에서는 반도체 제조에서 챔버 내의 온도를 간접적으로 측정하였으나 반도체 수율 향상을 위해 챔버의 내부 온도나 그 챔버에 로딩된 웨이퍼의 온도를 직접 측정하기 위한 연구가 계속되었다.
그 중 하나가 웨이퍼의 온도 센싱 기술로 SOW(Sensor On Wafer)에 기반하여 각 센서에 리드선을 연결하는 방식이 소개되었다.
상기와 같은 종래의 각 센서에 리드선을 연결하는 방식은, 테스트용 웨이퍼 상에 센서를 장착하고, 각각의 센서를 리드선으로 연결하는 구조를 가지고 있었다. 이러한 구조는 단품 생산 시에는 비용이 저렴한 장점을 가지지만 대량 생산 시에는 리드선 연결을 위한 수작업 공정이나 리드선의 전기적 절연을 위한 공정 등의 추가 고정에 의해 생산 단가가 상승하는 단점이 있었다.
일본 공개특허공보 특개2011-59132호는 집적 회로 제조 툴 기판상에서 온도를 검출하는 장치를 소개한 것이다. 그의 도 1은 종래 기술에 따른 기판 상에서 온도를 검출하는 구조를 설명하기 위한 다이어그램으로, 기판(20)에 형성되는 캐비티(28) 내에 센서(30)가 본딩되고, 센서(30)를 밀봉 화합물로 메우는 밀봉층(potting layer)(38)을 관통하여 센서 리드선(36)이 구비되는 구성이며, 센서 리드선(36)은 센싱 값을 전달하기 위한 전극에 연결되는 구성이다.
상기와 같은 종래 기술에서는 기판에 형성되는 캐비티에 센서를 본딩시키는 공정이 요구되고, 또한 센서가 본딩된 캐비티 내부 공간을 밀봉층으로 메우는 공정이 요구되며, 센서의 센싱 값을 전달하기 위한 전기적인 연결을 위해 리드선을 캐티비 외부에 구비되는 전극에 연결시켜야 하는 공정이 요구되었다. 또한, 센서를 캐비티 내부에 밀봉시켜야 하기 때문에 센서의 사이즈보다 큰 충분한 깊이의 캐비티가 요구되었다.
본 발명의 목적은 상기한 점들을 감안하여 안출한 것으로, 특히 반도체 수율을 향상시키면서도 센서와 전극 간의 전기적 연결을 위한 본딩 공정이나 센서에 리드선을 연결하는 공정이나 캐비티 내부 공간을 메우기 위한 밀봉 공정 등의 불필요한 공정 없이 제조될 수 있는 센서 탑재 웨이퍼를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 센서 탑재 웨이퍼의 특징은, 하부의 제1웨이퍼; 그리고 상기 제1웨이퍼의 상부에 본딩되는 제2웨이퍼로 구성되되, 상기 제1웨이퍼는 제1리세스(1st recess)와, 상기 제1리세스의 내측 및 상기 제1웨이퍼의 상부면에 형성되는 절연막과, 상기 제1웨이퍼의 상부면 일측에서부터 상기 제1리세스의 일측 내벽 및 바닥면의 일측에 걸쳐 형성되는 제1전극과, 상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극과 이격되면서 상기 제1웨이퍼의 상부면 타측에서부터 상기 제1리세스의 타측 내벽 및 바닥면의 타측에 걸쳐 형성되는 제2전극과, 상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전기적으로 접촉되는 제1센서회로를 포함하고, 상기 제2웨이퍼는 상기 제1센서회로를 상부에서 커버하도록 상기 제1리세스에 대향하게 형성되는 제2리세스(2nd recess)를 포함하는 것이다.
바람직하게, 상기 제1웨이퍼와 상기 제2웨이퍼는 진공분위기에서 본딩될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1리세스는 경사진 내측벽을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 제1웨이퍼는 제3리세스(3rd recess)와, 상기 제3리세스의 내측에 구비되는 제2센서회로와, 상기 제2센서회로에 전기적으로 접촉되는 제3전극을 더 포함하고, 상기 제2웨이퍼는 상기 제2전극과 상기 제3전극의 가교를 위한 브릿지 전극을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 및 2 웨이퍼는 각각 외곽측에 적어도 하나의 본딩패드를 상하로 서로 대향하게 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1센서회로는 상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 용접될 수 있다.
본 발명에 따르면, 챔버 내의 온도를 측정하기 위한 웨이퍼의 전체 구조에서 복잡도를 현저히 줄여준다.
또한, 센서의 본딩, 센서의 밀봉 및 리드선 형성을 위한 공정이 요구되지 않을 뿐만 아니라 센서를 밀봉시키기 위한 충분한 깊이의 캐비티가 요구되지 않기 때문에, 생산 단가를 현저히 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 기판 상에서 온도를 검출하는 구조를 설명하기 위한 다이어그램이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 탑재 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고,
도 3은 도 2의 실시 예에서 웨이퍼들의 본딩된 형상을 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 센서 탑재 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고,
도 5는 도 4의 실시 예에서 웨이퍼들의 본딩된 형상을 도시한 단면도이고,
도 6은 도 5에서 전극 간의 전기적 연결 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 센서 탑재 웨이퍼의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 탑재 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2의 실시 예에서 웨이퍼들의 본딩된 형상을 도시한 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 탑재 웨이퍼는 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)가 본딩되어 형성된다.
제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)는 진공 분위기에서 본딩되며, 그에 따라 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20) 사이에 형성되는 공간은 외부로부터 차폐된 진공 상태일 수 있다.
제1웨이퍼(10)는 하부 구조를 형성하며, 제2웨이퍼(20)가 제1웨이퍼(10)의 상부에 본딩된다.
제1웨이퍼(10)는 소정 깊이의 요부를 형성하는 제1리세스(1st recess)(11)를 구비한다. 제1리세스(11)는 경사진 내측벽을 가질 수 있다.
제1리세스(1st recess)(11)가 형성된 제1웨이퍼(10)는 전체 상면에 절연막(12)을 구비한다. 절연막(12)은 제1리세스(11)의 바닥면과 내측벽을 포함하는 내측과 제1웨이퍼(10)의 상부면에 형성된다. 절연막(12)은 실리콘산화막(SiO2)이나 실리콘질화막(SiNx)일 수 있다.
제1웨이퍼(10)는 제1리세스(11)가 형성된 영역에 제1전극(15)과 제2전극(16)을 구비한다. 제1전극(15)은 제1웨이퍼(10)의 상부면 일측에서부터 제1리세스(11)의 일측 내벽 및 바닥면의 일측에 걸쳐 형성된다. 제2전극(16)은 제1웨이퍼의 상부면 타측에서부터 제1리세스(11)의 타측 내벽 및 바닥면의 타측에 걸쳐 형성된다. 한편, 제1전극(15)과 제2전극(16)은 제1리세스(11)의 바닥면에서 연결되지 않고 이격되게 형성되는 것이 바람직하다.
제1웨이퍼(10)는 제1리세스(11)의 내부에 제1센서회로(18)를 구비한다
제1센서회로(18)는 제1리세스(11)의 바닥면에서 제1전극(15)과 제2전극(16)에 전기적으로 접촉된다. 제1센서회로(18)는 제1리세스(11)의 바닥면에서 제1전극(15) 및 제2전극(16)에 용접될 수 있다. 일예로, 제1웨이퍼(10)는 제1전극(15)과 제2전극(16)에 제1센서회로(18)를 전기적으로 접촉시키는 볼그리드어레이(Ball Grid Array)를 구비할 수 있다.
제1웨이퍼(10)는 외곽측에 적어도 하나의 본딩패드(13,14)를 구비할 수 있다. 본딩패드는 제1전극(15)과 제2전극(16)과 동일한 재질로 형성될 수 있으며, 그에 따라 제1전극(15) 및 제2전극(16)과 같은 공정으로 형성될 수 있다.
제1웨이퍼(10)와 본딩되는 제2웨이퍼(20)는 소정 깊이의 요부를 형성하는 제2리세스(2nd recess)(21)를 구비한다. 제2리세스(21)도 제1리세스(11)와 동일하게 경사진 내측벽을 가질 수 있다.
제2리세스(21)는 제1센서회로(18)를 상부에서 커버하기 위해 형성되며, 그를 위해 제2리세스(21)는 제1웨이퍼(10)에 형성되는 제1리세스(11)에 대향하게 형성되는 것이 바람직하다.
제1리세스(11)와 제2리세스(21)의 사이즈는 센서회로(18)의 사이즈를 고려하여 형성되는 것이 바람직하며, 일예로, 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)가 본딩됨으로써 제1리세스(11)와 제2리세스(21)에 의해 형성되는 내부 공간의 폭과 깊이는 센서회로(18)의 사이즈를 고려하여 형성될 수 있다. 한편, 제1리세스(11)는 제2리세스(21)에 비해 상대적으로 큰 깊이를 가지는 것이 바람직하다.
제2웨이퍼(20)는 외곽측에 적어도 하나의 본딩패드(23,24)를 구비할 수 있다. 그 본딩패드(23.24)는 제1웨이퍼(10)의 본딩패드(13,14)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 제1웨이퍼(10)의 본딩패드(13,14)와 제2웨이퍼(20)의 본딩패드(23,24)는 상하로 서로 대향하게 구비되며, 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)가 본딩될 시에는 제1웨이퍼(10)의 본딩패드(13,14)와 제2웨이퍼(20)의 본딩패드(23,24)가 물리적으로 결합한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 센서 탑재 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4의 실시 예에서 웨이퍼들의 본딩된 형상을 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5에서 전극 간의 전기적 연결 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4 내지 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 센서 탑재 웨이퍼는 도 2 및 3에서 설명된 센서 탑재 웨이퍼에 비해 센서회로 간의 전기적 연결을 위한 전극이 추가된 구성이다. 따라서, 도 4 내지 6의 센서 탑재 웨이퍼에 대한 설명에서는 도 2 및 3의 센서 탑재 웨이퍼와 동일한 구성에 대해 동일한 부호를 사용하며 그 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 센서 탑재 웨이퍼는 센서회로(18) 이외에 마이크로제어유닛(MCU), 무선데이터통신회로, 배터리, 무선충전회로, 메모리 등이 포함될 수 있으며, 전극이나 전극라인을 통해 그들을 전기적으로 연결시켜야 한다. 한편, 경우에 따라서는 복잡한 회로 설계로 인해 전극라인을 중첩되게 설계해야 하며, 그 중첩 부위에서의 전기적 분리를 위해서는 비어홀을 형성하여 일부 전극라인을 우회시키는 방법을 사용해야 한다.
그러나, 본 발명에서는 회로 간의 전기적 연결을 위한 전극을 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)에 분할하여 형성시키고, 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)를 본딩시킴에 따라 전극들이 연결되도록 하는 구조를 적용한다. 도 4 내지 6은 이러한 전극 간의 연결을 위한 가교 역할을 하는 브릿지 전극(25)이 사용된다.
제1웨이퍼(10)는 또다른 회로 즉, 제2센서회로(30)를 형성하기 위한 제3리세스(3rd recess)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 그에 따라, 제2센서회로(30)는 제3리세스(미도시)의 내측에 구비된다. 제2센서회로(30)의 탑재를 위해 제1웨이퍼(10)는 제3리세스(미도시)는 물론 전술된 제1전극(15)과 제2전극(15)과 동일한 구조의 전극을 구비할 수 있으며, 도 4 내지 6에 도시된 제3전극(17)이 그 중 하나이다.
제3전극(17)은 제2센서회로(30)에 전기적으로 접촉되게 제1웨이퍼(10)에 형성된다.
상기에서 제1센서회로(18)와 제2센서회로(30)가 전기적으로 연결되기 위해서는 제2전극(16)과 제3전극(17)이 물리적으로 연결되어야 하나 제1웨이퍼(10)는 그러한 물리적 연결 수단을 구비하지 않는다.
따라서, 제2웨이퍼(20)가 제2전극(16)과 제3전극(17)의 물리적 연결을 위한 브릿지 전극(25)을 구비한다.
브릿지 전극(25)은 제2전극(16)과 제3전극(17)의 가교를 위한 것으로, 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)가 본딩됨에 따라 브릿지 전극(25)의 일단이 제2전극(16)에 물리적으로 연결되고 브릿지 전극(25)의 타단이 제3전극(17)에 물리적으로 연결된다. 그에 따라, 제2전극(16)과 브릿지 전극(25)과 제3전극(17)을 통해 제1센서회로(18)와 제2센서회로(30)가 전기적으로 연결된다.
본 발명에서 제1웨이퍼(10)나 제2웨이퍼(20)는 절연성과 견고성과 열전도성 좋은 실리콘 계열 웨이퍼 또는 세라믹 계열 웨이퍼일 수 있다.
본 발명에서 전극(15,16,17,15)은 전기전도성이 좋은 금속 또는 자성체가 포함되는 금속이나 합금으로 형성될 수 있다.
이상의 본 발명에서는 제1웨이퍼(10)의 제1리세스(11) 내부에 센서회로(18,30)만을 구비하는 것으로 설명하나 그 센서회로(18,30)가 아닌 마이크로제어유닛(MCU), 센서회로에 의한 센싱데이터를 무선으로 전송하는 무선데이터통신회로, 여러 회로들에 전원을 공급하는 배터리, 그 배터리에 필요한 전원을 충전시키는 무선충전회로, 또는 센서회로에 의한 센싱데이터와 센싱이나 데이터 전송에 대한 로그 데이터 등을 저장하는 메모리 등이 될 수도 있다.
따라서, 브릿지 전극(25)의 가교 역할에 의해 회로들 간의 전기적 연결은 다양하게 변경 가능하다.
이와 같이 본 발명의 실시 예들에 따른 센서 탑재 웨이퍼는 센서회로를 전극에 연결하기 위한 리드선이 요구되지 않으며, 센서회로를 전극에 결합시키기 위한 본딩 공정에 요구되지 않는다. 단지, 센서회로를 전극에 전기적으로 결합시키는 용접을 통해 센서회로의 물리적 고정 및 전기적 연결을 동시에 실현한다. 또한, 진공 분위기에서 두 개의 웨이퍼를 본딩함으로써 내구 공간이 진공 상태를 유지할 수 있으므로 두 웨이퍼 사이의 내부 공간을 메우기 위한 밀봉 공정이 요구되지 않는다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 제1웨이퍼
11: 제1리세스
12,22: 절연막
13,14,23,24: 본딩패드
15: 제1전극
16: 제2전극
17: 제3전극
18: 센서회로
19: 용접부
20: 제2웨이퍼
21: 제2리세스
25: 브릿지 전극

Claims (6)

  1. 하부의 제1웨이퍼; 그리고
    상기 제1웨이퍼의 상부에 본딩되는 제2웨이퍼로 구성되되,
    상기 제1웨이퍼는,
    제1리세스(1st recess)와, 상기 제1리세스의 내측 및 상기 제1웨이퍼의 상부면에 형성되는 절연막과, 상기 제1웨이퍼의 상부면 일측에서부터 상기 제1리세스의 일측 내벽 및 바닥면의 일측에 걸쳐 형성되는 제1전극과, 상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극과 이격되면서 상기 제1웨이퍼의 상부면 타측에서부터 상기 제1리세스의 타측 내벽 및 바닥면의 타측에 걸쳐 형성되는 제2전극과, 상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전기적으로 접촉되는 제1센서회로, 제3리세스(3rd recess)와, 상기 제3리세스의 내측에 구비되는 제2센서회로와, 상기 제2센서회로에 전기적으로 접촉되는 제3전극을 포함하고,
    상기 제2웨이퍼는,
    상기 제1센서회로를 상부에서 커버하도록 상기 제1리세스에 대향하게 형성되는 제2리세스(2nd recess)를 포함하고, 상기 제2전극과 상기 제3전극의 가교를 위한 브릿지 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 탑재 웨이퍼.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1웨이퍼와 상기 제2웨이퍼는 진공분위기에서 본딩되는 것을 특징으로 하는 센서 탑재 웨이퍼.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1리세스는,
    경사진 내측벽을 가지는 것을 특징으로 하는 센서 탑재 웨이퍼.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 2 웨이퍼는 각각 외곽측에 적어도 하나의 본딩패드를 상하로 서로 대향하게 구비하는 것을 특징으로 하는 센서 탑재 웨이퍼.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1센서회로는,
    상기 제1리세스의 바닥면에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 용접되는 것을 특징으로 하는 센서 탑재 웨이퍼.
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