KR102107575B1 - 웨이퍼 스택 조립 - Google Patents

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KR102107575B1
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하트머트 루드만
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헵타곤 마이크로 옵틱스 피티이. 리미티드
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Abstract

웨이퍼 스택의 형성 방법은 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼를 포함하는 서브-스택을 제공하는 단계를 포함한다. 서브-스택은 제1 웨이퍼의 상부 면과 제2 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 제1 열경화성 접착제를 포함한다. 제3 웨이퍼는 제2 웨이퍼의 상부 면상에 배치된다. 제2 열경화성 접착제가 제2 웨이퍼의 상부 면과 제3 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 존재한다. 이산 위치들에서 제3 웨이퍼를 서브-스택에 접합시키기 위해 자외선(UV) 조사가 제3 웨이퍼의 상부 면 방향으로 제공되어, 제2 웨이퍼의 개구부들에 존재하며 제3 웨이퍼의 일부들과 접촉하는 UV-경화성 접착제를 경화시킨다. 이후에, 제3 웨이퍼 및 서브-스택을 가열하여 제1 및 제2 열경화성 접착제를 경화시킨다.

Description

웨이퍼 스택 조립{ASSEMBLY OF WAFER STACKS}
본 발명은, 예를 들어 광전 모듈들(opto-electronic modules)을 제조하기 위해 사용된 것들과 같은, 웨이퍼 스택들의 제조 및 조립에 관한 것이다.
카메라 및 내장형 카메라 광학 장치와 같은 광학 장치들은 때로는 특히 휴대폰 및 컴퓨터와 같은 전자 장치에 내장된다. 웨이퍼 규모로 상기 장치용 능동 및 수동 광소자 및 전자 소자를 제조하는 것이 더욱 관심을 끌고 있다. 한 가지 이유는 상기 장치들의 원가를 감소시키기 위한 계속되는 경향이다.
따라서, 일부 응용에서, 각종 소자들은 웨이퍼 규모로 제조 및 조립된다. 웨이퍼 규모 패키지 또는 웨이퍼 스택은 최소 웨이퍼 치수(즉, 축 방향)를 따라 적층되고 서로 부착된 복수의 웨이퍼를 포함할 수 있다. 웨이퍼 스택은 나란히 배열된 실질적으로 동일한 광소자 또는 광전 소자를 포함할 수 있다. 상기 웨이퍼-규모 조립 공정에서, 각종 개별 소자들은 서로 정렬될 필요가 있을 수 있으며, 필요한 임의의 정렬은 수득된 장치들이 적절히 작동하도록 조립 공정 동안 유지될 필요가 있을 수 있다.
UV-경화 재료뿐만 아니라 열 경화 재료를 이용하여 웨이퍼들이 서로 부착된 웨이퍼들의 스택을 형성하는 기술을 설명한다. 하나 이상의 구현들의 상세 사항이 첨부 도면 및 하기 설명에서 서술된다.
한 양태에서, 본 발명은 웨이퍼들의 스택을 형성하는 방법을 설명한다. 방법은 각각의 상부 면 및 하부 면을 각각 갖는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼를 포함하는 서브-스택(sub-stack)을 제공하는 단계를 포함한다. 서브-스택은 제1 웨이퍼의 상부 면과 제2 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 제1 열경화성 접착제를 포함한다. 방법은 상부 면 및 하부 면을 갖는 제3 웨이퍼를 제2 웨이퍼의 상부 면 상에 배치하는 단계를 포함한다. 제2 웨이퍼의 상부 면과 제3 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 제2 열경화성 접착제가 존재한다. 방법은, 이산 위치(discrete locations)들에서 제3 웨이퍼를 서브-스택에 접합시키기 위해, 제3 웨이퍼의 상부 면 방향으로 자외선(UV) 조사를 제공하여, 제2 웨이퍼의 개구부들에 존재하고 제3 웨이퍼의 일부들과 접촉하는 UV-경화성 접착제를 경화시키는 단계를 추가로 포함한다. 이후에, 제3 웨이퍼 및 서브-스택을 가열하여 제1 및 제2 열경화성 접착제를 경화시킨다.
다른 양태에 따라, 웨이퍼 스택은 각각의 상부 면 및 하부 면을 각각 갖는, 제1, 제2 및 제3 웨이퍼를 포함한다. 제1 열경화성 접착제가 제1 웨이퍼의 상부 면과 제2 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 존재하고, 제2 열경화성 접착제가 제2 웨이퍼의 상부 면과 제3 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 존재한다. UV-경화성 접착제가 제2 웨이퍼의 주변부 근처의 이산 위치들에서 제2 웨이퍼에 배치되고 제2 및 제3 웨이퍼의 일부들과 접촉한다.
일부 구현에서, 한 위치(예를 들어, 마스크 얼라이너(mask aligner))로부터 웨이퍼 스택을 제거하기 전에 웨이퍼들의 표면 위에 분포된 선택된 위치들에서 UV-경화성 접착제 재료를 예비-경화시킴으로써, 예를 들어 열 경화를 위해 스택이 이후에 제2 위치(예를 들어, 오븐)로 이송될 경우 웨이퍼들 간에 오정렬이 발생할 가능성을 감소시킬 수 있다. 일부 구현에서, 웨이퍼 스택을 형성하기 위한 개시된 기술들은 본드 얼라이너(bond aligner)를 이용하여 웨이퍼 스택을 형성하는 것보다 더 신속할 수 있고, 더 정확할 수 있으며 비용이 더 저렴할 수 있다.
본 발명은 또한 광전 모듈들을 제조하기 위한 웨이퍼-레벨 방법을 설명한다.
다른 양태들, 특징들 및 장점들이 상세설명 및 도면들, 및 청구항들로부터 명백할 것이다.
도 1은 복수의 모듈을 제조하기 위한 웨이퍼 스택을 형성하기 위한 웨이퍼들의 단면도이다.
도 2는 복수의 모듈을 제조하기 위한 웨이퍼 스택의 단면도이다.
도 3은 광전 모듈의 단면도이다.
도 4는 웨이퍼 스택을 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 5는 접촉 계면들에 열경화성 접착제를 갖는, 서로 겹쳐 있는 한 쌍의 웨이퍼를 예시한다.
도 6은 접촉 계면들에 열경화성 접착제를 갖는, 서로 겹쳐 있는 3개의 웨이퍼를 예시한다.
도 7은 UV-투과 창들(UV-transparent windows)의 위치를 나타내는 웨이퍼의 평면도를 예시한다.
도 8, 9, 10 및 11은 첫 번째 국소 UV 경화 기술을 이용하여 웨이퍼 스택을 형성하는 단계들을 예시하는 단면도이다.
도 12, 13 및 14는 두 번째 국소 UV 경화 기술을 이용하여 웨이퍼 스택을 형성하는 단계들을 예시하는 단면도이다.
도 15, 16, 17 및 18은 국소 UV 경화 기술을 이용하여 다른 웨이퍼 스택을 형성하는 단계들을 예시하는 단면도이다.
도 1은 도 2에 도시된 바와 같은 웨이퍼 스택(10)을 형성하기 위한 웨이퍼들의 개략적 단면도를 도시한다. 적층된 웨이퍼는 이후에 개별 마이크로-광학 구조체들로 분할될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 수직 파선으로 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 스택(10)을 형성한 후에 스택을 복수의 모듈(12)로 다이싱할 수 있으며, 그 예를 도 3에 도시한다. 후속하는 단락에서, 예시된 모듈(12)의 추가 상세사항을 설명한다. 하지만, 본 명세서에 설명된 것과 같은 웨이퍼 스택을 형성하는 기술을 사용하여 다른 종류의 모듈들을 위한 웨이퍼 스택들도 또한 형성할 수 있다.
도 3의 예에 예시된 바와 같이, 모듈(12)은 적어도 하나의 능동 광소자 및 적어도 하나의 수동 광소자를 포함한다. 능동 광소자의 예는 포토다이오드, 이미지 센서, LED, OLED 또는 레이저 칩과 같은 광 감지 또는 광 방출 소자를 포함한다. 수동 광소자의 예는 렌즈, 프리즘, 미러 또는 광학 시스템(예를 들어, 구경 조리개, 이미지 스크린 또는 홀더와 같은 기계적 부재들을 포함할 수 있는 수동 광소자들의 집합체)과 같은, 굴절 및/또는 회절 및/또는 반사에 의해 광을 방향전환시키는 광소자를 포함한다.
모듈(12)은 종 방향(즉, 도 1의 z 방향)으로 서로 겹쳐서 적층된 여러 개의 구성요소들(P,S,O)을 포함한다. 종(z) 방향에 수직인 x-y 면(도 2 참조)의 방향을 횡 방향으로 지칭할 수 있다. 모듈(12)은 서로 겹쳐서 적층된, 기판(P), 분리 부재(S) 및 광학 부재(O)를 포함한다. 일부 구현은 또한 광학 부재 위에 배플(baffle) 부재를 포함할 수도 있다. 기판(P)은, 예를 들어 인쇄 회로 기판 조립체이다. PCB 조립체의 인쇄 회로 기판(PCB)은 인터포저로 지칭될 수 있다. PCB 상에는, 광 방출을 위한 방출 부재(E)(예컨대, 예를 들어, 적외선 또는 근적외선을 방출하기 위한 발광 다이오드를 포함하는 광 송신기 다이), 및 방출 부재(E)에 의해 방출된 주파수/파장(또는 주파수/파장 범위)의 광을 검출하기 위한 검출 부재(D)(예컨대, 예를 들어, 적외선 또는 근적외선을 검출하기 위한 포토다이오드를 포함하는 광 수신기 다이)가 탑재된다. 일반적으로, 광은 전자기 조사를 지칭하며, 예를 들어 전자기 스펙트럼의 적외선, 가시광선 또는 자외선(UV) 부분의 전자기 조사를 포함할 수 있다.
방출 부재(E) 및 검출 부재(D)의 전기적 접촉부는 땜납 볼(17)들이 부착된 모듈(12) 외부에 전기적으로 연결된다. 일부 구현은, 2개는 방출 부재(E)용이고 2개는 검출 부재(D)용인 4개의 전기적 접촉부를 포함한다. 땜납 볼(17)들을 제공하는 대신, 일부 구현은 차후에 땜납 볼들이 제공될 수 있는 PCB 상의 접촉 패드들을 포함한다. 따라서, 모듈(12)은, 예를 들어 표면 실장 기술(SMT)을 이용하여 다른 전자 소자들에 이웃하여, 인쇄 회로 기판(19)상에 탑재될 수 있다. 인쇄 회로 기판(19)은 휴대용 통신 또는 다른 컴퓨팅 장치(예를 들어, 스마트폰 또는 다른 휴대폰)와 같은 전자 장치의 구성요소일 수 있다.
분리 부재(S)는 2개의 개구부(14)를 가지며, 그 중 하나에 방출 부재(E)가 배치되고 다른 하나에 검출 부재(D)가 배치된다. 이 방식으로, 방출 부재(E) 및 검출 부재(D)는 분리 부재(S)에 의해 횡 방향으로 둘러싸인다. 비록 개구부들은 실질적으로 원형인 것으로 도시되지만, 일부 구현에서는 다른 형태를 가질 수 있다.
분리 부재(S)는 여러 가지 임무를 수행할 수 있다. 이는 기판(P)과 광학 부재(O) 간에 명확한(well-defined) 거리를 보장할 수 있고(그의 종 방향 연장을 통해), 이는 광학 부재(O)를 통해 방출 부재(E)로부터, 및 광학 부재(O)를 통해 모듈(12) 외부로부터 검출 부재(D) 상으로의 명확한 광 경로를 달성하는 것을 돕는다. 분리 부재(S)는 또한, 검출 부재(D)에 의해 일반적으로 검출가능한 광에 실질적으로 불투명함으로써 및 모듈(12) 외벽들의 일부를 형성함으로써, 검출 부재(D)에 의해 검출되지 않아야 하는 광으로부터 검출 부재(D)를 보호할 수 있다. 분리 부재(S)는 또한, 검출 부재(D)에 의해 일반적으로 검출가능한 광에 실질적으로 불투명함으로써 및 방출 부재(E)와 검출 부재(D) 사이에 벽을 형성함으로써, 방출 부재(E)와 검출 부재(D) 간의 광학 크로스토크를 감소시키도록, 검출 부재(D)에 도달하지 않아야 하는, 방출 부재(E)에 의해 방출된 광으로부터 검출 부재(D)를 보호할 수 있다. 상기 방식으로, 모듈(12) 내부에서 반사된 광 및 방출 부재(E)로부터 유래한 미광(stray light)이 검출 부재(D)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 일부 구현에서, 분리 부재(S)는, 예를 들어 에폭시 수지와 같은 경화 가능한(예를 들어, 경화성) 중합체 재료인 중합체 재료로 제조된다. 분리 부재는, 예를 들어 카본 블랙 또는 다른 안료를 포함하는 에폭시로 제조될 수 있다.
최대 감도 및 검출 범위를 달성하기 위해, 방출 부재(예를 들어, LED)(E)와 검출 부재(예를 들어, 포토다이오드)(D) 간의 근접한 거리가 중요할 수 있다. 하지만, 내부 크로스토크로 인한 잘못된 센서 반응 및 감소된 동적 범위를 방지하기 위해, 수신기(receiver)에 가까이 위치한 방사기(emitter)는 분리 벽 또는 커버에 의한 IR-유효 광학 절연을 필요로 한다. 예시된 예에서, 분리 부재(S)는 방출 부재(E)와 검출 부재(D)를 서로 분리시키는 수직 벽 분할 부분을 가지며, 이는 내부 광학 크로스토크를 감소시키는 것을 돕는다.
모듈(12)의 능동 전자 소자(예를 들어, 도 1의 예의 방출 부재(E) 및 검출 부재(D))는 패키징 또는 비-패키징 전자 소자일 수 있다. 기판(P)과 접촉하기 위해, 종래의 쓰루-홀(through-hole) 기술이 사용될 수 있는 것과 같이, 와이어-본딩 또는 플립 칩 기술 또는 임의의 다른 공지된 표면 실장 기술과 같은 기술을 사용할 수 있다.
광학 부재(O)는 차단 부(b), 및 2개의 투명 부(t)를 포함하며, 2개의 투명 부(t) 중 하나는 방출 부재(E)에 의해 방출된 광이 모듈(12)을 나가는 것을 가능하도록 하고, 다른 하나는 광이 모듈(12) 외부에서 모듈(12)로 들어와 검출 부재(D)에 도달하는 것을 가능하도록 한다. 차단 부(b)는, 예를 들어 적절한 (중합체) 재료로 제조됨으로써, 검출 부재(D)에 의해 일반적으로 검출가능한 광에 대해 실질적으로 불투명하다. 투명 부(t)는 수동 광소자(L)를 포함하거나, 더욱 구체적으로 및 예로서, 광 가이드를 위해 각각 렌즈 부재(L)를 포함한다. 렌즈 부재(L)는, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 투명 요소(16)에 가까이 접촉한 2개의 렌즈 요소(15)를 포함할 수 있다. 투명 요소(16)는, 투명 요소(16)와 함께 차단 부(b)를 형성하는 곳의 광학 부재(O)가 (완벽에 가까운) 솔리드 플레이트(solid plate) 형태를 나타내도록, 차단 부(b)를 형성하는 곳의 광학 부재(O)와 동일한 종 방향 치수를 가질 수 있다. 렌즈 요소(15)(도 1 참조)는 굴절 및/또는 회절에 의해 광을 방향전환시킨다. 예를 들어, 렌즈 요소는 모두 대체적으로 볼록한 형태(도 1에 도시된 바와 같이)일 수 있지만, 하나 이상의 렌즈 요소(15)는, 예를 들어 대체적으로 또는 부분적으로 오목한, 상이한 형태일 수 있다.
일부 구현에서, 모듈(12)은 근접 센서로서 사용될 수 있다. 근접 센서 모듈은, 예를 들어, 휴대폰의 디스플레이가 사용되지 않을 경우 디스플레이가 자동으로 어두워지거나 비활성화될 수 있어서 휴대폰 배터리 수명을 연장할 수 있도록 휴대폰이 사용자의 귀 또는 얼굴에 인접해 있는지를 검출하기 위해, 휴대폰에 내장될 수 있다.
다시 도 1 및 2에 있어서, 스택(10)은 제1, 제2 및 제3 웨이퍼(PW, SW, OW)를 포함한다. 예시된 예에서, 제1 웨이퍼(PW)는 기판 웨이퍼이고, 제2 웨이퍼(SW)는 스페이서 웨이퍼이며, 제3 웨이퍼(OW)는 광학 웨이퍼이다. 다른 구현에서, 웨이퍼 스택(10)은 겨우 2개의 웨이퍼를 포함할 수 있거나, 3개 초과의 웨이퍼를 포함할 수 있다. 또한, 웨이퍼는 예시된 예의 웨이퍼들과 다른 종류일 수 있다.
일반적으로, 웨이퍼는 실질적으로 디스크형 또는 플레이트형 아이템을 지칭하고, 그의 한 방향(z-방향 또는 종 방향)의 연장 부는 그의 다른 두 방향(x- 및 y-방향 또는 횡 방향)의 연장 부에 비해 작다. (비어있지 않은) 웨이퍼 상에, 복수의 유사한 구조체 또는 아이템이 배치될 수 있거나, 예를 들어 직사각형 그리드 상에 복수의 유사한 구조체 또는 아이템이 그 안에 제공될 수 있다. 웨이퍼는 개구부들 또는 홀들을 가질 수 있으며, 일부 경우에 웨이퍼는 그의 횡 방향 영역의 많은 부분에 재료가 없을 수 있다. 구현에 따라, 웨이퍼는 예를 들어 반도체 재료, 중합체 재료, 금속 및 중합체 또는 중합체 및 유리 재료를 포함하는 복합 재료로 제조될 수 있다. 웨이퍼는 열 또는 자외선(UV) 경화성 중합체와 같은 경화 가능한 재료를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 웨이퍼의 직경은 5 cm와 40 cm 사이이고, 예를 들어 10 cm와 31 cm 사이일 수 있다. 웨이퍼는 직경이 예를 들어 2, 4, 6, 8 또는 12 인치(1인치는 약 2.54 cm임)인 원통형일 수 있다. 웨이퍼 두께는, 예를 들어 0.2 mm와 10 mm 사이일 수 있으며, 일부 경우에 0.4 mm와 6 mm 사이이다.
비록 도 1 및 2의 웨이퍼 스택(10)은 3개의 모듈(12)이 제공된 것을 도시하지만, 일부 구현에서는, 하나의 웨이퍼 스택에 각 횡 방향에 적어도 10개의 모듈이 제공될 수 있고, 일부 경우에는 각 횡 방향에 적어도 30개 또는 심지어 50개 이상의 모듈이 제공될 수 있다. 각 웨이퍼의 치수의 예는: 횡 방향으로 적어도 5 cm 또는 10 cm이고, 최대 30 cm 또는 40 cm 또는 심지어 50 cm이고; 종 방향으로는(기판 웨이퍼(PW) 상에 소자들이 배열되지 않은 채 측정) 적어도 0.2 mm 또는 0.4 mm 또는 심지어 1 mm이고, 최대 6 mm 또는 10 mm 또는 심지어 20 mm이다.
도 1 및 2의 예시된 예에서, 각 웨이퍼(PW, SW, OW)는 그의 표면(들)을 가로질러 실질적으로 동일한 복수의 부재들을 포함한다. 예를 들어, 광학 웨이퍼(OW)는, 예를 들어 이후의 분리 단계를 용이하게 하기 위해 서로 약간 떨어져 직사각형 격자 상에 배치될 수 있는, 렌즈 요소(15) 및 렌즈 부재(L)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 부재들은 예를 들어 복제 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
기판 웨이퍼(PW)는, 예를 들어, 한 측 상에 땜납 볼(17)들이 제공되고 다른 측에는 능동 광소자(예를 들어, 상술한 부재들(E 및 D))들이 땜납된, 표준 PCB 재료의 PCB를 포함하는 PCB 조립체일 수 있다. 능동 광소자는, 예를 들어 표준 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 기계를 이용하여 픽-앤드-플레이스에 의해 기판 웨이퍼(PW) 상에 배치될 수 있다.
스페이서 웨이퍼(SW)는 기판 웨이퍼(PW)와 광학 웨이퍼(OW)가 서로 실질적으로 일정한 거리로 유지되는 것을 도울 수 있다. 따라서, 스페이서 웨이퍼(SW)를 웨이퍼 스택에 포함시킴으로써 더 높은 영상 성능 및 복잡도(complexity)를 가능하게 할 수 있다.
바람직하지 않은 광이 검출되지 않도록 최대한의 보호를 제공하기 위해, 각 웨이퍼(PW, SW, OW)는 투명하도록 특별히 설계된 영역(예를 들어, 투명 부(t) 및 투명 영역(3))을 제외하고는 검출 부재(D)에 의해 검출가능한 광에 대해 실질적으로 불투명한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 그럼에도, 본 발명에 설명된 기술은 투명 웨이퍼도 또한 이용하여 사용될 수 있다.
웨이퍼 스택(10)을 형성하기 위해, 웨이퍼(PW, SW 및 OW)를 함께 정렬하고 접합한다. 각 능동 광소자(예를 들어, 기판 웨이퍼(PW) 상의 검출 부재(D) 및 방출 부재(E))는 상응하는 수동 광소자(예를 들어, 광학 웨이퍼(OW)의 렌즈 부재(L))와 정확하게 정렬되어야 한다. 일부 구현에서, 압력 형성(build-up)을 해소시키기 위해 리플로우 공정 동안 배기를 제공하도록 기판 웨이퍼(PW)에 홀이 형성될 수 있으며, 상기에서 홀은 기판 웨이퍼(PW)의 두께를 통해 연장된다. 홀은 드릴링(drilling) 또는 식각 공정을 통해 기판 웨이퍼(PW)에 형성될 수 있다. 후속하는 단락은 웨이퍼 스택(10)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 정렬 및 접합 공정의 추가 상세사항을 설명한다.
처음에, 웨이퍼 스택(10)을 형성하기 위한 2개의 웨이퍼를 서로 겹쳐서 배치하여 서브-스택을 형성한다(도 4, 블록 202). 예를 들어, 한 구현에서, 기판 웨이퍼(PW) 상의 능동 광소자(예를 들어, 부재 E 및 D)들이 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(14)들 내에 배치되도록 스페이서 웨이퍼(SW)를 기판 웨이퍼(PW) 상에 배치한다. 도 5에 예시된 바와 같이, 스페이서 웨이퍼(SW)와 기판 웨이퍼(PW) 간의 계면의 접촉 면 중 하나 또는 둘 모두 상에 열경화성 접착제(102)가 존재한다.
예시된 예에서, 열경화성 접착제(102)는 스페이서 웨이퍼(SW)의 하부 측을 실질적으로 덮는 얇은 층으로서 제공된다. 하지만, 일부 구현에서, 접착제(102)는 스페이서 웨이퍼(SW)의 하부 면 및/또는 기판 웨이퍼(PW)의 상부 면에 부착된 소적(droplet)으로서 제공될 수 있다.
접착제 재료(102)는, 예를 들어, 표면 위를 스캔하고 접착제가 도포되어야 하는 곳들에 소적을 분출하는 제트 헤드에 의해 소적이 도포되는 제트 인쇄 또는 제트 분무 공정에 의해 도포될 수 있다. 소적의 집합체가 스페이서 웨이퍼(SW) 또는 기판 웨이퍼(PW)의 전체 표면 부분을 덮을 필요는 없지만, 스페이서 웨이퍼(SW)와 기판 웨이퍼(PW)를 함께 모을 경우 모세관력 때문에 서로에게로 흐르는 이산 소적을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 접착제 재료(102)는 스크린 인쇄형 공정, 리소그래피 공정, 다른 인쇄 공정 또는 다른 수단(예를 들어, 스퀴지(squeegee))에 의해 도포될 수 있다.
스택(10)을 형성하기 위해, 제3 웨이퍼(예를 들어, 광학 웨이퍼(OW))를 서브-스택과 정렬하고(블록 204), 그의 하부 면이 스페이서 웨이퍼(SW)의 상부 면상에 존재하도록 서브 스택 상에 배치한다(블록 206). 여기서도 또한, 스페이서 웨이퍼(SW)와 광학 웨이퍼(OW) 간의 계면의 접촉 면 중 하나 또는 둘 모두 상에 열경화성 접착제(104)가 배치된다(도 6 참조).
일부 구현에서, 제3 웨이퍼(예를 들어, 광학 웨이퍼(OW))와 서브-스택의 정렬은 광학 웨이퍼(OW)와 기판 웨이퍼(PW)의 정렬을 수반하며, 예를 들어 마스크 얼라이너를 이용하여 수행될 수 있다. 일부 구현에서, 마스크 얼라이너는 웨이퍼들 상의 정렬 마크들을 정렬하기 위해 사용될 수 있는 복수의(예를 들어, 4개의) 캘리브레이트된 현미경을 갖는다. 예를 들어, 기판 웨이퍼(PW) 및 광학 웨이퍼(OW)는 각각 복수의(예를 들어, 2개의) 정렬 마크를 가질 수 있다.
일부 구현에서, 제1 및 제2 웨이퍼(예를 들어, 기판 웨이퍼(PW) 및 스페이서 웨이퍼(SW))는 마스크 얼라이너 외부에서 서로 겹쳐서 배치되어 서브-스택을 형성하고, 이어서 이를 예를 들어 제1 척(chuck) 상에 유지되는 마스크 얼라이너에 적재한다. 이어서, 제3 웨이퍼(예를 들어, 광학 웨이퍼(OW))를 제2 척에 의해 유지되는 마스크 얼라이너에 적재한다. 상기 구현들에서, 도 4의 블록 204 및 206은 마스크 얼라이너에서 수행된다. 일부 경우에, 마스크 얼라이너는 대략 1-2 마이크론의 정확도로 웨이퍼들 상의 정렬 마크들 간에 정렬을 제공할 수 있다. 일부 구현에서, 제1 및 제2 웨이퍼(예를 들어, 기판 웨이퍼(PW) 및 스페이서 웨이퍼(SW))를 서로 겹쳐서 배치하는 것(도 4의 블록 202)도 또한 마스크 얼라이너에서 수행된다.
웨이퍼들을 마스크 얼라이너에 적재하기 전에 웨이퍼의 표면들 상에 열경화성 접착제(102, 104)를 제공할 수 있다. 제2 및 제3 웨이퍼 간 계면의 열경화성 접착제(104)는 제1 및 제2 웨이퍼 간 계면의 열경화성 접착제(102)와 동일할 수 있거나 상이할 수 있다. 유사하게, 열경화성 접착제(104)는 열경화성 접착제(102)를 도포하기 위해 사용된 기술과 동일하거나 상이한 기술을 이용하여 웨이퍼 표면(들)에 도포될 수 있다. 접착제(102, 104)는 이들이 도포되는 웨이퍼의 표면들에 양호한 접착력을 제공하도록 선택되어야 하며, 검출 부재(D)에 의해 검출가능한 광에 실질적으로 불투명해야 하는 것이 바람직하다.
웨이퍼(PW, SW, OW)를 함께 접합하기 위해 UV-경화성 접착제 대신에 열경화성 접착제를 사용하는 한 가지 이유는, 상술한 바와 같이, 일부 구현에서는 UV 광을 포함하는, 검출 부재(D)에 의해 검출가능한 조사에 실질적으로 불투명한 재료로 웨이퍼들이 주로 구성되는 것이 바람직하기 때문이다. 따라서, 다수의 경우에, 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 웨이퍼의 표면들 상에 접착제(102, 104)가 배치된 경우 스택(10)의 웨이퍼들을 접합하기 위해 UV 경화 기술을 선뜻 사용할 수 없다. 한편, 하기 설명한 바와 같이, 접착제(102, 104)를 열적으로 경화하기 위해, 웨이퍼 스택(10)은 상승 온도에서 가열될 필요가 있다. 상기 열 경화를 달성하는 한 방식은 웨이퍼 스택(10)을 마스크 얼라이너에서 오븐으로 이송하고(블록 212) 오븐에서 열경화를 수행하는 것이다(블록 214). 하지만, 추가 예방책이 없을 경우, 접착제(102, 104)를 경화하기 전에 스택(10)을 이송하면 웨이퍼들이 서로에 대해 오정렬되는 것을 유발할 수 있다. 예를 들어, 광학 웨이퍼(OW)가 스페이서 웨이퍼(SW) 및/또는 기판 웨이퍼(PW)에 대해 오정렬될 수 있다.
예를 들어 접착제(102, 104)를 경화하기 위해 스택(10)을 오븐으로 이송할 경우 웨이퍼가 오정렬될 가능성을 감소시키기 위해, 웨이퍼들의 주변부에서 또는 그 근처에서 국소(예를 들어, 스폿) UV-경화 기술을 이용하여 광학 웨이퍼(OW) 및 스페이서 웨이퍼(SW)를 처음에 서로 접합시킬 수 있다(블록 210). 국소 UV-경화는, 열경화를 위해 오븐으로 이동되기 전에(즉, 도 4의 블록 212 및 214 이전에), 예를 들어, 웨이퍼 스택(10)이 마스크 얼라이너에 있는 동안 수행될 수 있다. 하기에 더욱 상세히 설명한 바와 같이, 국소 UV-경화를 달성하기 위해 각종 접근법을 사용할 수 있다.
광학 웨이퍼(OW) 및 스페이서 웨이퍼(SW)의 국소 접합을 용이하게 하기 위해, 광학 웨이퍼(OW)는 그의 주변부 근처에 UV-투과 창(120)들을 포함한다. 특정 구현에서(도 7 참조), 광학 웨이퍼(OW)는 웨이퍼의 주변부 근처에서 서로 실질적으로 동일하게 이격된 8개의 투명 창(120)을 가지며, 각 창(120)은 직경이 2-4 mm 사이(예를 들어, 약 3 mm)이다. 다른 구현에서는 상이한 수의 창을 사용할 수 있으며, 각 창은 상기 예시된 구현과 상이한 형태 또는 크기를 가질 수 있다. 일부 구현에서, 창(120)은 광학 웨이퍼(OW)의 전면에서 배면까지 연장된 쓰루-홀이다. 다른 구현에서, 창(120)은 부분적으로 또는 완전히 UV-투과 재료로 충진된다.
스페이서 웨이퍼(SW)는 광학 웨이퍼(OW)의 창(120)들 위치에 상응하는 개구부(122)(도 8 참조)들을 포함한다. 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(122)들은, 예를 들어, 스페이서 웨이퍼의 전면에서 배면까지 연장되는 쓰루-홀로서 형성될 수 있다. 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(122)들은 광학 웨이퍼(OW)의 창(120)들의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 갖는 것이 바람직하다.
첫 번째 구현에 따라, 광학 웨이퍼(OW)는 부분적으로 또는 완전히 UV-투과 재료로 충진된 창(120)들을 포함하는 것으로 추정된다. 광학 웨이퍼(OW)를 스페이서 웨이퍼(SW)와 접촉시키기 전에, 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(122)들은 UV-경화성 접착제, 에폭시 또는 다른 접착제와 같은 UV-경화성 접착제 재료(124)로 실질적으로 충진된다(도 9 참조). 이어서, 광학 웨이퍼(OW)를 기판 웨이퍼(PW)와 정렬하고(도 4, 블록 204), 도 10에 도시된 바와 같이 광학 웨이퍼(OW)를 스페이서 웨이퍼(SW) 상에 배치한다(도 4, 블록 206). 이어서, 도 11에 도시된 바와 같이, 접착제 재료(124)를 경화하고 웨이퍼를 서로 국소 접합시키도록, 광학 웨이퍼(OW)의 창(120)들을 통해 UV 조사(예를 들어, UV 광)를 향하게 한다(도 4, 블록 210). UV-경화성 접착제 재료(124)를 제공하는 단계를 포함하는 전술한 공정들을, 예를 들어 마스크 얼라이너에서 수행할 수 있다. UV-경화성 접착제 재료(124)를 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(122)들에 토출하는 것을 용이하게 하기 위해, 마스크 얼라이너에서 광학 웨이퍼(OW)를 지지하는 진공 척은 개구부(122)들의 위치에 상응하는 위치에 배치된 홀들을 포함할 수 있다. 국소 UV 경화에 후속하여, 웨이퍼 스택(10)을 마스크 얼라이너에서 오븐으로 이동시키고(블록 212), 동시에 열경화성 접착제 재료(102, 104)를 경화하도록 스택을 가열한다. 오븐에서 제거한 후, 웨이퍼 스택(10)을 개별 모듈(12)로 분리(예를 들어, 다이싱)할 수 있다.
두 번째 구현에 따라, 광학 웨이퍼(OW)의 창(120)들은 광학 웨이퍼의 전면에서 배면까지 연장된 쓰루-홀들인 것으로 추정된다. 본 구현에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 광학 웨이퍼(OW)를 서브-스택과 정렬하고 스페이서 웨이퍼(SW) 상에 배치한다(도 4, 블록 204, 206). 이어서, 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(122)들 및 쓰루-홀(120)들은 UV-경화성 접착제, 에폭시 또는 다른 접착제와 같은 UV-경화성 접착제 재료(124)로 실질적으로 충진된다(도 13 참조). 이어서, 도 14에 도시된 바와 같이, 접착제 재료(124)를 경화하고 웨이퍼들을 서로 국소 접합시키도록, 광학 웨이퍼(OW)의 쓰루-홀(120)들 및 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(122)들의 접착제 재료(124)에 UV 조사를 향하게 한다(도 4, 블록 210). UV-경화성 재료(124)의 토출을 포함하는 전술한 공정들은 예를 들어 마스크 얼라이너에서 수행될 수 있다. 국소 UV 경화에 후속하여, 웨이퍼 스택(10)을 마스크 얼라이너에서 오븐으로 이송시키고(블록 212) 열경화성 접착제 재료(102, 104)를 경화하도록 스택을 가열한다. 오븐에서 제거한 후에, 웨이퍼 스택(10)을 개별 모듈(12)로 분리(예를 들어, 다이싱)할 수 있다.
2개 이상의 웨이퍼의 기 형성된 서브-스택에 추가 웨이퍼들을 접합시키기 위해 국소(예를 들어, 스폿) UV-경화 접합 기술을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스페이서 웨이퍼(SW) 및 기판 웨이퍼(PW)의 서브-스택에 제3 웨이퍼(예를 들어, 광학 웨이퍼(OW))를 추가한 후에, 광학 웨이퍼(OW), 스페이서 웨이퍼(SW) 및 기판 웨이퍼(PW)를 포함하는 서브-스택의 상부 상에 제4 웨이퍼(예를 들어, 배플 웨이퍼)를 추가할 수 있다. 필요할 경우, 공정을 반복하여 추가 웨이퍼들을 추가할 수 있다. 또한, 추가 웨이퍼(들)를 정렬하고 적층하는 단계뿐만 아니라, UV-경화성 접착제 재료를 토출하는 단계 및 UV-경화 공정을 수행하는 단계는 열 경화 공정을 위해 스택을 오븐으로 이송시키는 단계 전에 마스크 얼라이너에서 달성될 수 있다. 웨이퍼 스택을 마스크 얼라이너에서 제거하기 전에 웨이퍼들의 표면 위에 분포된 선택된 위치들의 접착제 재료(124)를 예비-경화함으로써, 예를 들어 열 경화를 위해 스택을 오븐으로 이후에 이송시킬 경우에 웨이퍼들 간의 오정렬이 발생할 가능성이 감소한다. 웨이퍼 스택을 형성하기 위한 개시된 기술은, 일부 구현에서, 본드 얼라이너(bond aligner)를 이용하여 웨이퍼 스택을 형성하는 것보다 더 신속하고, 더 정확하며, 더 저렴할 수 있다.
웨이퍼 스택을 형성하는 전술한 예들에서, 기판 웨이퍼(PW) 및 스페이서 웨이퍼(SW)로 구성된 서브-스택을 형성하고, 서브-스택 상에 광학 웨이퍼(OW)를 배치한다. 다른 구현에서는, 광학 웨이퍼(OW) 및 스페이서 웨이퍼(SW)로 구성된 서브-스택을 형성하고, 이후에 서브-스택 상에 기판 웨이퍼(PW)를 배치한다. 두 경우 모두, 서브-스택과 다른 웨이퍼 간의 정렬뿐만 아니라 국소 UV-경화 단계는 열 경화 공정을 위해 웨이퍼 스택을 오븐으로 이송시키기 전에 마스크 얼라이너에서 수행될 수 있다. 하지만, 후자의 경우, 광학 웨이퍼(OW) 대신 기판 웨이퍼(PW)에 UV-투과 창들(예를 들어, 일부 경우에 부분적으로 또는 완전히 UV-투과 재료로 충진될 수 있는 쓰루-홀들)이 제공된다.
도 15-18은 광학 웨이퍼(OW) 및 스페이서 웨이퍼(SW)로 구성된 서브-스택 상에 기판 웨이퍼(PW)가 배치된 웨이퍼 스택의 형성 단계들의 예를 예시한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 스페이서 웨이퍼(SW)를 광학 웨이퍼(OW) 상에 배치하여 서브-스택을 형성한다. 접촉 계면들에 열경화성 접착제(104)가 존재한다. 전술한 예들에서 설명한 바와 같이, 스페이서 웨이퍼(SW)는 그의 주변부 근처에 개구부들(예를 들어, 쓰루-홀들)(122)를 포함한다. 이어서, 스페이서 웨이퍼(SW)의 개구부(122)들은 UV-경화성 접착제, 에폭시 또는 다른 접착제와 같은 UV-경화성 접착제 재료(124)로 실질적으로 충진된다(도 16). 이어서, 기판 웨이퍼(PW)를 광학 웨이퍼(OW)와 정렬하고, 도 17에 도시된 바와 같이 기판 웨이퍼(PW)를 스페이서 웨이퍼(SW) 상에 배치한다. 이 예에서, 기판 웨이퍼(PW)는 부분적으로 또는 완전히 UV-투과 재료로 충진된 UV-투과 창(130)들을 포함한다. 이어서, 도 18에 도시된 바와 같이, 접착제 재료(124)를 경화하고 웨이퍼들을 서로 국소 접합시키도록 기판 웨이퍼(PW)의 창(130)들을 통해 UV 조사(예를 들어, UV 광)를 향하게 한다. 국소 UV 경화에 후속하여, 열경화성 접착제 재료(102, 104)를 경화하도록 웨이퍼 스택(10)을 오븐으로 이송시킬 수 있다. 오븐에서 제거한 후에, 웨이퍼 스택(10)을 개별 모듈(12)로 분리(예를 들어, 다이싱)할 수 있다.
일부 구현에서, 기판 웨이퍼(PW) 주변부 근처의 UV-투과 창(130)들은 기판 웨이퍼(PW)의 한 면에서 그의 반대 면까지 연장된 쓰루-홀들이다. 그 경우, 스페이서 웨이퍼(SW) 주변부의 개구부(122)들 및 기판 웨이퍼(PW) 주변부 근처의 상응하는 창(130)들은 기판 웨이퍼(PW)가 정렬되고 서브-스택 상에 배치된 후에 UV-경화성 재료(124)로 실질적으로 충진될 수 있다. 전술한 예에서와 같이, 이어서, 접착제 재료(124)를 경화하고 웨이퍼들을 서로 국소 접합시키도록 UV 조사(예를 들어, UV 광)가 기판 웨이퍼(PW)의 표면을 향하게 한다. 국소 UV 경화에 후속하여, 열경화성 접착제 재료(102, 104)를 경화하도록 웨이퍼 스택(10)을 오븐으로 이송시킬 수 있다. 오븐에서 제거한 후에, 웨이퍼 스택(10)을 개별 모듈(12)로 분리(예를 들어, 다이싱)할 수 있다.
웨이퍼 레벨에서 다수의 정렬 단계를 수행하는 사실에 의해 비교적 간단하고 신속한 방식으로 양호한 정렬(특히 부재 L에 대한 부재 D 및 E의 정렬)을 달성하는 것이 가능해진다. 따라서, 전체적인 제조 공정이 매우 신속하고 정확할 수 있다. 웨이퍼-규모 제조로 인해, 복수의 모듈(12)을 제조하기 위해 작은 수의 제조 단계만이 요구된다.
다수의 구현들을 설명하였다. 그럼에도, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 각종 변형이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 다른 구현들은 청구항들의 범위 이내이다.

Claims (36)

  1. 웨이퍼들의 스택을 형성하는 방법으로서,
    각각의 상부 면 및 하부 면을 각각 갖는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼를 포함하는 서브-스택을 제공하는 단계 - 상기 서브-스택은 상기 제1 웨이퍼의 상부 면과 상기 제2 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 제1 열경화성 접착제를 포함함 -;
    상부 면 및 하부 면을 갖는 제3 웨이퍼를 상기 제2 웨이퍼의 상부 면 상에 배치하는 단계 - 상기 제2 웨이퍼의 상부 면과 상기 제3 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 제2 열경화성 접착제가 존재함 -;
    이산 위치들에서 상기 제3 웨이퍼를 상기 서브-스택에 접합시키기 위해, 상기 제3 웨이퍼의 상부 면 방향으로 자외선(UV) 조사를 제공하여, 상기 제2 웨이퍼의 개구부들에 존재하며 상기 제3 웨이퍼의 일부들과 접촉하는 UV-경화성 접착제를 경화시키는 단계; 및
    이후에 상기 제3 웨이퍼 및 상기 서브-스택을 가열하여 상기 제1 및 제2 열경화성 접착제를 경화시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 웨이퍼의 개구부들은 상기 제2 웨이퍼의 주변부 근처에 배치되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 웨이퍼의 개구부들 각각은 상기 제2 웨이퍼의 상부 면에서 그의 하부 면까지 연장되는 쓰루-홀이고, 상기 UV-경화성 접착제가 상기 개구부들을 충진하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 UV 조사는 상기 제3 웨이퍼의 UV-투과 창들을 통과함으로써 상기 UV-경화성 접착제에 도달하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 웨이퍼를 상기 제2 웨이퍼의 상부 면 상에 배치하기 전에, 상기 UV-경화성 접착제를 상기 제2 웨이퍼의 개구부들에 토출하는 단계;
    이후에 상기 제3 웨이퍼를 상기 제2 웨이퍼의 상부 면 상으로 이동시키는 단계 - 상기 제3 웨이퍼의 UV-투과 창들은 상기 UV-경화성 접착제를 포함하는 상기 제2 웨이퍼의 개구부들 위에 정렬됨 -; 및
    상기 제3 웨이퍼를 상기 제2 웨이퍼의 상부 면상으로 이동시킨 후에 상기 UV 조사를 상기 제3 웨이퍼의 상기 UV-투과 창들을 통해 제공하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제3 웨이퍼는 상기 제3 웨이퍼의 상부 면에서 그의 하부 면까지 연장되는 쓰루-홀들을 포함하고, 상기 방법은:
    상기 제3 웨이퍼를 상기 제2 웨이퍼의 상부 면 상에 이동시킨 후, 상기 UV-경화성 접착제를 상기 제3 웨이퍼의 쓰루-홀들을 통해 상기 제2 웨이퍼의 개구부들에 토출하는 단계; 및
    이후에 상기 UV 조사를 상기 제3 웨이퍼의 쓰루-홀들을 통해 제공하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제3 웨이퍼를 상기 제2 웨이퍼의 상부 면 상에 이동시키는 단계 및 상기 UV 조사를 제공하여 상기 UV-경화성 접착제를 경화시키는 단계는 마스크 얼라이너에서 수행되는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 UV 조사를 제공하여 상기 UV-경화성 접착제를 경화시키는 단계 후에 상기 서브-스택에 부착된 상기 제3 웨이퍼를 상기 마스크 얼라이너로부터 제거하는 단계, 및 상기 마스크 얼라이너 이외의 위치에서 상기 서브-스택에 부착된 상기 제3 웨이퍼를 가열하여 상기 제1 및 제2 열경화성 접착제를 경화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼들의 스택을, 각각 상기 제1, 제2 및 제3 웨이퍼의 일부를 포함하는 개별 모듈로 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼들은 UV-조사에 불투명한 재료들로 제조되는 방법.
  11. 웨이퍼 스택으로서,
    상부 면 및 하부 면을 갖는 제1 웨이퍼;
    상부 면 및 하부 면을 갖는 제2 웨이퍼;
    상기 제1 웨이퍼의 상부 면과 상기 제2 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 있는 제1 열경화성 접착제;
    상부 면 및 하부 면을 갖는 제3 웨이퍼;
    상기 제2 웨이퍼의 상부 면과 상기 제3 웨이퍼의 하부 면 간의 계면에 있는 제2 열경화성 접착제;
    상기 제2 웨이퍼에 배치되고 상기 제2 및 제3 웨이퍼의 일부들과 접촉하는 UV-경화성 접착제 - 상기 UV-경화성 접착제는 상기 제2 웨이퍼의 주변부 근처의 이산 위치들에 배치됨 -
    를 포함하는 웨이퍼 스택.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제3 웨이퍼는, 상기 UV-경화성 접착제를 포함하는 상기 제2 웨이퍼의 위치들 중 각각의 한 위치와 각각 정렬된 UV-투과 창들을 포함하는 웨이퍼 스택.
  13. 제11항에 있어서, 상기 UV-경화성 접착제는 또한, 상기 UV-경화성 접착제를 포함하는 상기 제2 웨이퍼의 위치들 중 각각의 한 위치와 각각 정렬된 위치들에 상기 제3 웨이퍼에 배치된 웨이퍼 스택.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제2 웨이퍼의 주변부 근처의 이산 위치들은 각각 상기 이산 위치들 중 인접한 위치들로부터 동일하게 이격된 웨이퍼 스택.
  15. 제11항에 있어서, 상기 웨이퍼들은 UV-조사에 불투명한 재료들로 제조된 웨이퍼 스택.
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