KR102136129B1 - 본딩 장치 및 본딩 방법 - Google Patents

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이항림
김민영
김도연
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Abstract

기판과 접합 대상(다이 또는 기판)을 접합시 기판과 접합 대상간 접합 계면의 가스 트랩 현상을 방지하면서 양극 본딩에 의해 기판과 접합 대상을 효율적으로 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은 제1 기판 상에 다이 또는 제2 기판을 포함하는 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서, 하나 또는 복수개의 플라즈마 장치의 각 플라즈마 팁으로부터 상기 접합 대상이 접합될 상기 제1 기판 상의 접합 영역에 플라즈마를 발생시켜 상기 접합 영역을 친수화하는 단계; 상기 제1 기판 상의 친수화된 접합 영역 상에 상기 접합 대상을 배치하고, 상기 접합 대상의 상면에 상기 플라즈마 팁을 접촉시키는 단계; 및 상기 제1 기판의 하면에 접촉된 제1 전극과, 상기 플라즈마 팁에 구비된 제2 전극 사이에 전압을 인가하는 양극 본딩 열처리에 의해, 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 접합하는 단계를 포함한다.

Description

본딩 장치 및 본딩 방법{BONDING APPARATUS AND BONDING METHOD}
본 발명은 본딩 장치 및 본딩 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)를 포함하는 접합 매개체를 이용하지 않고 기판에 다이를 접합하거나 기판들을 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자들의 집적도 향상이 한계에 도달함에 따라 반도체 소자들을 3차원적으로 적층하는 3D 패키지 기술이 주목받고 있다. 대표적으로, 실리콘 관통 전극(TSV; Through Silicon Via)을 이용하여 3차원 집적회로를 상용화하는 기술이 연구되고 있다. 3차원 반도체는 TSV 다이들을 적층하여 접합하는 다이 본딩 공정을 통해 제조될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 다이 본딩 공정을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, TSV 다이(die)(3)를 마스터 웨이퍼(master wafer)(1) 상에 접합하기 위하여, TSV 칩(3a)의 하부 접합면에는 접합 매개체인 접합 필름(adhesion film)(3b)과 솔더 범프(solder bump)(3c)가 마련된다. 접합 필름(3b)과 솔더 범프(3c)가 마련된 TSV 다이(3)는 본딩 헤드(4)에 의해 마스터 웨이퍼(1)의 상부로 이송되어 접합 위치에 정렬된 후, 마스터 웨이퍼(1)의 상면 또는 마스터 웨이퍼(1) 상에 접합된 TSV 다이(2)의 상면에 놓여진다.
TSV 다이(3)의 접합 공정은 가접합(pre bonding) 공정과, 본접합(post bonding) 공정을 포함한다. 도 2를 참조하면, 본딩 헤드(4)에 의해 TSV 다이(3)를 마스터 웨이퍼(1) 상에 가압 및 승온하는 가접합 공정을 통해, TSV 다이(3)는 마스터 웨이퍼(1) 상에 1차 접합된다. TSV 다이(3)의 가접합을 위해, 본딩 헤드(4)는 TSV 다이(3)를 마스터 웨이퍼(1) 상에 가압 및 승온하기 위한 수단을 구비한다. TSV 다이(3)가 마스터 웨이퍼(1) 상에 가접합되면, TSV 다이(3)를 고온으로 열처리하고 가압하여 접합 필름(3b)과 솔더 범프(3c)을 경화시키는 본접합 공정이 수행되고, 접합 필름(3b)과 솔더 범프(3c)를 매개로 하는 열압착에 의해 TSV 다이(3)는 마스터 웨이퍼(1) 상에 완전히 접합된다.
도 3을 참조하면, TSV 다이들(2, 3, 4)은 하나씩 순차적으로 적층, 가접합 및 본접합 과정을 거침으로써, 마스터 웨이퍼(1) 상에 하나씩 접합된다. 종래의 다이 본딩 방법은 다이들을 하나씩 접합할 때마다 본딩 헤드(4)를 이용하여 다이를 가압 및 가열하고, 고온 열처리에 의해 다이를 열융착시키는 본접합 공정을 거쳐야 한다. 따라서, 마스터 웨이퍼(1)에 접합되는 다이들의 개수에 비례하여 본접합 공정에 소요되는 시간이 증가하게 된다.
또한, TSV들 간의 간격인 I/O 피치(pitch)가 점차 미세화되면서, 적층된 TSV 다이들을 완전 접합시키기 위해 고온/고하중 본딩을 하면 솔더 범프가 스윕(sweep)되고 주변의 솔더 범프와 연결되어 합선을 일으키는 불량이 발생할 수 있다. 이에 따라 접합 매개체를 사용하기 어려워지고 있다. 이를 방지하기 위해 솔더 범프의 크기를 점차 작게 제작해야 하는데, 이는 물리적인 한계가 있어 완전한 대응방안이될 수 없다. 또한, 종래의 다이 본딩 방법은 마스터 웨이퍼와 TSV 칩이 박막화될수록, 고온/고하중의 본접합 공정 과정에서 TSV 칩과 마스터 웨이퍼에 크랙 등의 손상이 발생할 수 있다.
다이를 본접합하는 공정은 고온 어닐링(annealing) 방법, 양극 본딩(anodic bonding) 방법 등이 적용될 수 있다. 양극 본딩 방법은 2차원 평면 형태의 전극을 사용하여 압력을 가하면서 접합 대상(다이 또는 기판)에 전압을 인가하여 본접합을 하는 방식이다. 양극 본딩 방법은 기판과 접합 대상 간의 접합 계면 중 접합 대상의 에지 부분이 먼저 밀봉되어 기판과 접합 대상의 접합 계면에 가스가 갇히게 되는 가스 트랩(gas-trapping) 현상이 발생하게 된다. 이러한 가스 트랩 현상은 접합 계면의 결합력을 저하시키고, 반도체 불량의 원인이 될 수 있다. 또한, 양극 본딩 공정을 상압 조건에서 수행할 경우 심각한 가스 트랩 현상이 발생할 수 있으므로, 양극 본딩 공정을 진공(또는 저압) 조건에서 해야 하고, 이를 위해 진공 챔버를 구비해야 하는 등의 제약 사항이 발생한다.
본 발명은 기판과 접합 대상(다이 또는 기판)을 접합시 기판과 접합 대상간 접합 계면의 가스 트랩 현상을 방지하면서 양극 본딩에 의해 기판과 접합 대상을 효율적으로 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 진공 챔버를 사용할 필요 없이, 상온 및 상압에서 플라즈마 팁을 사용하여 비접촉(non-contact) 방식으로 기판과 접합 대상을 양극 본딩할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 기판에 다이를 접합하거나 기판들을 균일한 접합력으로 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 기판 및/또는 접합 대상을 친수화하는 가접합 공정과, 가접합 후 양극 본딩에 의한 본접합 공정시에 플라즈마 팁을 겸용으로 활용할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 플라즈마 팁에 의한 양극 본딩에 의해 효율적으로 다이 접합이 가능한 동시에, 플라즈마 팁을 이동 경로를 따라 이동시키면서 대면적 기판도 효과적으로 양극 본딩할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 본딩 방법은 제1 기판 상에 다이 또는 제2 기판을 포함하는 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서, 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키는 단계; 및 상기 제1 기판과 상기 접합 대상 간에 전압을 형성하는 양극 본딩에 의해 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 접합하는 단계를 포함한다. 상기 접합 대상을 접합하는 단계는, 플라즈마 토출이 가능한 플라즈마 장치의 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 상부에 위치시키는 단계; 및 상기 플라즈마 팁에 상기 양극 본딩을 위한 전위를 인가하여, 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 양극 본딩하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은, 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키기 전에, 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 플라즈마 처리에 의해 친수화하는 단계; 및 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키기 전에, 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나에 액체를 분무하여 수막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키는 단계는, 상기 제1 기판과 상기 접합 대상 사이에 형성된 수막의 접합력에 의해 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 친수화하는 단계는, 상기 플라즈마 팁을 통해 플라즈마를 발생시켜 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 친수화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접합 대상을 접합하는 단계는, 상기 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 상면으로부터 소정 거리 이격시킨 상태에서 상기 플라즈마 팁에 상기 전위를 형성하여 비접합식으로 상기 접합 대상과 상기 제1 기판 간에 상기 양극 본딩을 위한 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소정 거리는 0 mm 초과, 1 cm 미만일 수 있다.
상기 양극 본딩을 위한 전압을 인가하는 단계는, 상기 제1 기판의 하면에 접촉된 제1 전극과, 상기 플라즈마 팁에 구비된 제2 전극 사이에 상기 양극 본딩을 위한 전위차를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 양극 본딩은 상온 및 상압에서 수행되고, 상기 전위차는 100 V 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은, 지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 본딩 헤드로 픽업하여 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 제1 기판의 상부 영역으로 이송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 친수화하는 단계는, 상기 접합 대상의 이송 중에 상기 플라즈마 팁에 의해 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있다.
상기 접합 대상을 접합하는 단계는, 상기 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 접합면과 평행한 X축 및 상기 X축에 수직한 Y축 방향으로 이동시키면서 상기 양극 본딩을 수행하여, 대면적 기판으로 제공되는 상기 접합 대상을 상기 제1 기판 상에 접합하거나, 대면적 기판으로 제공되는 상기 제1 기판 상에 하나 이상의 상기 접합 대상을 접합할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 기판 상에 다이 또는 제2 기판을 포함하는 접합 대상을 접합하는 본딩 장치에 있어서, 플라즈마 토출이 가능한 플라즈마 팁을 구비하는 플라즈마 장치; 및 상기 제1 기판과, 상기 제1 기판 상에 배치되는 상기 접합 대상 간에 양극 본딩을 위한 전압을 형성하는 전압 형성부를 포함하고,상기 전압 형성부는 상기 접합 대상의 상부에 위치하는 상기 플라즈마 팁에 상기 양극 본딩을 위한 전위를 인가하도록 구성되는 본딩 장치가 제공된다.
상기 전압 형성부는, 상기 제1 기판의 하면에 접촉된 제1 전극과, 상기 플라즈마 팁에 구비된 제2 전극 사이에 상기 양극 본딩을 위한 전위차를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 장치는 상기 플라즈마 장치를 수평 방향 및 상하 방향으로 이동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 본딩 장치는, 상기 구동부에 의해 상기 플라즈마 팁을 상기 수평 방향 및 상기 상하 방향으로 이동시키면서 상기 양극 본딩을 수행하여, 대면적 기판으로 제공되는 상기 접합 대상을 상기 제1 기판 상에 접합하거나, 대면적 기판으로 제공되는 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 접합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 장치는, 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 플라즈마 처리에 의해 친수화하는 플라즈마 처리부; 및 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나에 액체를 분무하여 수막을 형성하는 웨팅 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 처리부는, 상기 플라즈마 팁을 통해 플라즈마를 발생시켜 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 친수화하도록 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 장치는, 상기 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 상면으로부터 소정 거리 이격시킨 상태에서 상기 플라즈마 팁에 상기 전위를 형성하여 비접합식으로 상기 접합 대상과 상기 제1 기판 간에 상기 양극 본딩을 위한 전압을 인가하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 장치는, 상기 제1 기판을 지지하는 본딩 스테이지; 및 지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 픽업하여 상기 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 제1 기판의 상부 영역으로 이송하는 본딩 헤드를 더 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 장치는 상기 접합 대상의 이송 중에 상기 플라즈마 팁에 의해 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 기판 상에 다이 또는 제2 기판을 포함하는 접합 대상을 접합하기 위한 본딩 장치에 있어서, 플라즈마 토출이 가능한 플라즈마 팁을 구비하는 플라즈마 장치를 포함하고, 상기 플라즈마 팁은 상기 제1 기판과 상기 접합 대상 간에 양극 본딩을 위한 전압을 형성하기 위한 전극을 구비하고, 상기 전극에 인가되는 전위에 의해 상기 제1 기판과 상기 접합 대상 간에 양극 본딩을 위한 전압을 형성하여 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 접합하도록 구성되는 본딩 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 기판과 접합 대상(다이 또는 기판)을 접합시 기판과 접합 대상간 접합 계면의 가스 트랩 현상을 방지하면서 양극 본딩에 의해 기판과 접합 대상을 효율적으로 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 진공 챔버를 사용할 필요 없이, 상온 및 상압에서 플라즈마 팁을 사용하여 비접촉(non-contact) 방식으로 기판과 접합 대상을 양극 본딩할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 균일한 접합력으로 기판에 다이를 접합하거나 기판들을 접합할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 기판 및/또는 접합 대상을 친수화하는 가접합 공정과, 가접합 후 양극 본딩에 의한 본접합 공정시에 플라즈마 팁을 겸용으로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 플라즈마 팁에 의한 양극 본딩에 의해 효율적으로 다이 접합이 가능함과 동시에, 플라즈마 팁을 이동 경로를 따라 이동시키면서 대면적 기판도 효과적으로 양극 본딩할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 3은 종래의 다이 본딩 공정을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 지지 유닛과 대기압 플라즈마 장치 및 본딩 스테이지의 배열을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 다수의 다이가 가접합된 것을 예시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치를 보여주는 도면이다.
도 16은 도 15에 도시된 플라즈마 장치의 동작을 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 본딩 방법의 흐름도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 19는 도 18에 도시된 플라즈마 처리부의 예시도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 21은 도 20에 도시된 플라즈마 처리부를 구성하는 제2 플라즈마 장치의 예시도이다.
도 22 내지 도 26는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다.
도 28은 도 27의 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다.
도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다.
도 31 및 도 32는 도 30의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다.
도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다.
도 34는 도 33의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은 제1 기판 상에 접합 대상(다이 또는 제2 기판)을 양극 본딩에 의해 접합하는 방법으로서, 접합 대상의 상부에 플라즈마 팁을 위치시키고, 플라즈마 팁에 양극 본딩을 위한 전위를 인가하여, 제1 기판 상에 접합 대상을 양극 본딩한다. 플라즈마 팁은 2차원 평면 형태의 전극 보다 좁은 단면적을 가지므로, 제1 기판과 접합 대상의 접합 계면에 가스가 갇히게 되는 가스 트랩 현상을 방지할 수 있다. 또한, 플라즈마 팁을 접합 대상의 상면으로부터 수 mm 이격시킨 상태로 양극 본딩을 위한 전압을 형성하여 비접촉식으로 제1 기판과 접합 대상을 양극 본딩함으로써, 접합 대상에 압력이 가해지지 않은 상태로 본접합 공정을 수행하여 가스 트랩 현상을 방지함과 동시에, 제1 기판과 접합 대상 간의 접합력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 가스 트랩 문제를 고려하여 양극 본딩을 진공, 저압 챔버에서 해야 하는 제약사항을 극복할 수 있으며, 양극 본딩을 상온, 상압에서 수행하여 설비 및 공정 비용을 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 가접합 공정시 플라즈마 팁으로부터 제1 기판 및/또는 접합 대상에 플라즈마를 발생시켜, 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 균일한 접합력으로 기판과 접합 대상을 접합할 수 있으며, 플라즈마 팁을 가접합 공정 및 가접합 후의 양극 본딩 본접합 공정에 겸용으로 활용할 수 있다. 따라서, 미세 I/O 피치의 반도체 제작시 솔더 범프의 스윕(sweep), 합선 등의 불량을 방지할 수 있으며, 다이들을 접합할 때마다 본접합 공정을 거치지 않고 기판 단위로 본접합 공정을 수행할 수 있어 본딩 공정 소요 시간을 줄일 수 있다.
이하에서 기판(예를 들어, 반도체 기판 또는 유리 기판 등) 상에 다이(예를 들어, 반도체 칩 등)를 접합하는 다이 본딩 방법 및 다이 본딩 장치를 예로 들어 본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법 및 본딩 장치를 설명하지만, 본 발명의 본딩 장치 및 본딩 방법은 기판(제1 기판) 상에 다이를 접합하는 것으로 제한되지 않고, 기판들(제1 기판과 제2 기판)을 접합하는 것도 포함하는 것임을 미리 밝혀둔다.
본 발명의 명세서에서 '기판 상'에 접합 대상을 접합하는 것은, 기판의 상면에 직접 접합 대상을 접합하는 것 뿐 아니라, 기판에 가접합되어 있는 접합 대상의 상면에 다른 접합 대상을 접합하거나, 또는 기판에 복수층으로 적층되어 가접합된 접합 대상들 중 가장 상층부에 적층된 접합 대상의 상면에 새로운 접합 대상을 접합하는 것을 포함한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법의 흐름도이다. 도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 기판과 다이를 각각 플라즈마 처리하여 친수화하는 단계(S10, S20)가 수행된다. 즉, 다이가 접합될 기판 상의 접합 영역을 플라즈마 처리하여 친수화하고(S10), 기판 상의 접합 영역에 접합될 다이의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화한다(S20).
지지 유닛 상에 지지된 반도체 웨이퍼 상에 제작된 다이들을 분리하는 다이싱(dicing) 공정이 완료되면, 다이들은 순차적으로 본딩 헤드(bonding head)에 의해 픽업되어 기판(예를 들어, 마스터 웨이퍼)이 지지된 본딩 스테이지(bonding stage) 측으로 이송된다. 실시예에서, 다이에 대한 플라즈마 처리는 다이가 본딩 헤드에 의해 본딩 스테이지를 향해 이동하는 중에 수행될 수 있다. 다른 실시예로, 별도의 플라즈마 처리 챔버로 다이를 이송하여 플라즈마 처리를 할 수도 있다.
기판에 대한 플라즈마 처리는 본딩 스테이지 상에 기판이 지지된 상태에서 수행될 수도 있고, 별도의 플라즈마 처리 챔버에서 플라즈마 처리를 한 후 기판 반송 장치에 의해 본딩 스테이지 상으로 이동될 수도 있다. 기판에 대한 플라즈마 처리와, 다이에 대한 플라즈마 처리는 복수개의 플라즈마 장치에 의해 동시에 병렬적으로 수행될 수도 있고, 하나의 플라즈마 장치에 의해 순차적으로 수행될 수도 있다.
기판 및/또는 다이에 대한 플라즈마 처리는 대기압(상압) 플라즈마 장치 또는 진공(저압) 플라즈마 장치에 의해 수행될 수 있다. 기판 및/또는 다이는 단일 플라즈마 처리에 의해 친수화될 수도 있고, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 플라즈마 처리 후 표면 활성화(Surface Activation) 플라즈마 처리하는 순차적 플라즈마 처리 등에 의해 친수화될 수도 있다.
기판 및 다이에 대한 플라즈마 처리 후, 필요에 따라 기판 및/또는 다이는 린스 처리될 수 있다(S30). 즉, 기판(제1 기판) 상의 친수화된 접합 영역 및/또는 다이의 친수화된 접합면에 물을 포함하는 액체를 분무하여 수막(액막)을 형성할 수 있다. 수막 형성을 위해 기판 또는 다이로 공급되는 액체는 예를 들어 순수(DIW; Deionized Water)일 수 있다. 제1 기판 및 접합 대상(다이 또는 제2 기판)의 접합 계면 물질(반도체, 금속, 유리 등), 플라즈마 처리 유형, 본접합 공정 방법 등에 따라, 플라즈마 처리만으로도 충분한 접합력을 얻을 수 있는 경우 또는 플라즈마 처리와 플라즈마 팁을 이용한 양극 본딩 열처리에 의해 원하는 접합력을 얻을 수 있는 경우에는 린스 처리 및/또는 친수화 처리는 생략될 수도 있다.
다이를 픽업한 본딩 헤드는 본딩 스테이지의 상부 영역으로 이동한 후, 다이의 접합면이 기판 상의 접합 영역에 접촉되도록 다이를 하강시킨다. 다이의 접합면이 기판 상의 접합 영역에 접촉되는 상태로 배치되면, 다이를 가압하거나 승온하지 않더라도, 다이의 친수화된 접합면과 액막 간의 접합력(수소 결합력)에 의해 다이가 기판 상에 가접합(pre bonding)될 수 있다(S40). 이때 필요에 따라 다이를 적정 압력(예를 들어, 1 ~ 2 bar)으로 기판 상에 가압하고 가열할 수도 있다.
본딩 헤드는 다시 다이싱된 반도체 웨이퍼 측으로 복귀하여 후속으로 접합할 새로운 다이를 픽업하여 상기와 같은 과정(S10 내지 S40)을 반복하게 된다. 기판 상에 다이들이 가접합되면, 다이들이 가접합된 기판을 양극 본딩 열처리(Anodic bonding annealing)하여 기판 단위로 다이들을 동시에 본접합(post bonding)할 수 있다(S50).
실시예에서, 양극 본딩 열처리는 상온 또는 200℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 양극 본딩 열처리를 위해, 기판과 다이 간에 100 V ~ 1 kV 전압, 또는 1 kV 를 초과하는 전압이 인가될 수 있다. 본접합을 위한 양극 본딩 열처리는 기판을 지지하고 있는 본딩 스테이지 상에서 열처리 유닛에 의해 수행될 수도 있고, 별도의 열처리 챔버에 마련된 열처리 유닛에 의해 수행될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치(100)는 지지 유닛(110), 본딩 스테이지(120), 본딩 헤드(140), 플라즈마 처리부(170), 웨팅 장치(180) 및 플라즈마 장치(220)를 포함한다.
지지 유닛(110)은 다이들이 다이싱된 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다. 본딩 스테이지(120)는 기판(MW)을 지지한다. 지지 유닛(110)과 본딩 스테이지(120)는 반도체 웨이퍼(W)와 기판(MW)을 지지하기 위한 척(chuck)(예를 들어, 정전척)을 구비할 수 있다. 본딩 헤드(140)는 지지 유닛(110) 상에 지지된 다이를 픽업하여 기판(MW) 상의 접합 영역으로 이송하기 위해 제공된다.
본딩 헤드(140)는 이송 레일(132)을 따라 지지 유닛(110)의 상부 영역과 본딩 스테이지(120)의 상부 영역 사이를 왕복 이동할 수 있다. 이송 레일(132)은 지지부(134)들에 의해 지지된 프레임(130)에 마련될 수 있다. 이하에서, 지지 유닛(110)으로부터 본딩 스테이지(120)를 향하는 방향을 제1 방향(X)이라 하고, 반도체 웨이퍼(W) 및 기판(MW)과 나란한 평면 상에서 제1 방향(Y)과 수직인 방향을 제2 방향(Y)이라 하고, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)에 모두 수직인 상하 방향을 제3 방향(Z)이라 하여 설명한다.
이송 레일(132)은 제1 방향(X)을 따라 배열된다. 본딩 헤드(140)는 이송 레일(132)에 이동 가능하게 결합된 캐리지(142)에 의해 제1 방향(X)으로 이동될 수 있다. 프레임(130)에는 본딩 헤드(140)의 이송을 위한 통로(136)가 형성되어 있다. 본딩 헤드(140)는 프레임(130)에 형성된 통로(136)의 양측에 마련된 한 쌍의 이송 레일(132)에 의해 지지되어 안정적으로 제1 방향(X)을 따라 이동될 수 있다.
본딩 헤드(140)는 캐리지(142)에 장착된 승강 유닛(140a)에 의해 제3 방향(Z)으로 승강 구동될 수 있다. 본딩 헤드(140)는 하단부에 접지판(144)을 구비한다. 본딩 헤드(140)는 진공 석션 등의 방식으로 반도체 웨이퍼(W) 상에서 다이를 픽업할 수 있다. 본딩 헤드(140)가 다이를 픽업하면, 프레임(130)에 설치된 검사부(150)는 본딩 헤드(140)에 의해 픽업된 다이에 대하여 위치 검사를 수행한다. 다. 검사부(150)는 비젼(vision) 기반으로 다이의 위치를 검사할 수 있다.
프레임(130)에 설치된 세정 유닛(160)은 본딩 헤드(140)에 의해 픽업된 다이의 하면(접합면)을 세정한다. 세정 유닛(160)은 지지 유닛(110)과 플라즈마 장치(170)의 사이에 설치될 수 있다. 세정 유닛(160)은 에어분사 유닛, 진공석션 유닛 및 이오나이져(ionizer)가 복합된 세정 장치일 수 있다. 공정 속도를 향상시키기 위하여, 세정 유닛(160)은 본딩 헤드(140)에 의해 픽업된 다이가 이동 중인 상태에서 세정 처리를 진행한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 지지 유닛과 플라즈마 장치 및 본딩 스테이지의 배열을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 플라즈마 처리부(170)는 다이(D)의 이송 경로(DP) 상에서, 지지 유닛(110)과 본딩 스테이지(120)의 사이에 설치될 수 있다. 플라즈마 처리부(170)는 다이를 플라즈마 처리하여 친수화하기 위한 것으로, 본딩 헤드(140)에 의해 이송 중인 다이의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 본딩 헤드(140)에 의해 다이(D)를 본딩 스테이지(120)로 이송하는 동안 플라잉 타입(flying type)으로 다이(D)의 하면(접합면)을 대기압 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있고, 다이(D)를 친수화하기 위해 다이(D)의 이송 속도를 늦출 필요가 없어 가접합 공정 시간을 단축할 수 있다.
실시예에서, 플라즈마 처리부(170)는 대기압(상압) 플라즈마 장치로 제공될 수 있다. 대안적으로, 플라즈마 장치(170)는 진공 플라즈마 장치로 제공될 수도 있다. 플라즈마 장치(170)는 상부에 친수성 라디컬을 포함하는 플라즈마 영역(P)을 형성한다. 플라즈마 영역(P)은 다이(D)의 이송 경로(DP)와 중첩되게 형성될 수 있다.
다이(D)의 접합면은 본딩 스테이지(120) 측으로 이송하는 동안 플라즈마 장치(170)에 의해 형성되는 친수성 라디컬에 의해 친수화될 수 있다. 친수성 라디컬은 수소 또는 수산화 라디컬 등을 포함할 수 있다. 플라즈마 장치(170)는 예를 들어, 대기압 산소/아르곤 플라즈마 장치, 대기압 수증기 플라즈마 장치 등으로 제공될 수 있다.
플라즈마 장치(170)는 본체(172)와, 본체(172) 내에 공정 가스를 도입하기 위한 가스 공급부(174)와, 공정 가스를 여기시켜 플라즈마를 형성하기 위한 RF 전원 인가부(176)를 포함할 수 있다. 본체(172) 내에는 가스 공급부(174)로부터 공급된 공정 가스를 상부로 이송하기 위한 이송 통로(172a)가 형성된다. RF 전원 공급부(176b)에서 공급되는 RF 전원은 RF 전원 인가부(176)를 통해, 절연체(178)에 의해 절연된 전극(176a)으로 인가된다.
본체(172)의 상부에는 RF 전원에 의해 여기된 플라즈마 가스를 플라즈마 영역(P)에 형성하기 위한 개구(172b)가 형성된다. 본체(172)의 상부에 형성된 개구(172b)는 플라즈마 팁(plasma tip)에 해당한다. 다이(D)의 제2 방향(Y)으로의 전체 너비에 걸쳐서 친수화 처리가 행해지도록, 개구(172b)는 다이(D)의 제2 방향(Y)으로의 너비와 같거나 그보다 큰 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 플라즈마 장치(170)는 감지부(178a)와 제어부(178b)에 의해 작동 상태가 제어될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 7 내지 도 10을 참조하면, 감지부(178a)는 다이(D)가 플라즈마 장치(170)의 플라즈마 처리 구간(P2) 내에 위치하는지 여부를 감지한다. 제어부(178b)는 다이(D)가 플라즈마 처리 구간(P2)에 진입하기 전의 구간(P1) 또는 플라즈마 처리 구간(P2)을 지난 구간(P3)에 위치해 있는 경우 플라즈마 장치(170)의 작동을 중지하고, 다이(D)가 플라즈마 처리 구간(P2) 내에 위치하는 경우 플라즈마 장치(170)의 RF 전원 공급부(176b)와 가스 공급부(174)를 작동시켜 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
다이(D)가 플라즈마 처리 구간(P2)의 플라즈마 개시 위치(P21)로 진입하는 경우, 제어부(178b)에 의해 플라즈마 장치(170)의 작동이 개시되어 다이(D)의 이송 경로 상에 플라즈마 영역(P)이 형성될 수 있다. 다이(D)가 플라즈마 처리 구간(P2)의 플라즈마 종료 위치(P22)를 지나게 되면, 플라즈마 장치(170)의 작동이 중단된다.
다이(D)의 하면(접합면)이 플라즈마 영역(P)을 통과하도록 하기 위해, 다이(D)와 플라즈마 장치(170) 간의 상하 간격(G)이 플라즈마 장치(170)의 상부로 노출된 플라즈마 영역(P)의 두께(T)보다 작도록, 다이(D)의 이송 높이와 플라즈마 장치(170)의 위치(상면 높이)가 결정될 수 있다. 플라즈마 영역(P)은 수 mm 두께로 형성될 수 있으며, 이 경우 다이(D)와 플라즈마 장치(170) 간의 상하 간격(G)은 플라즈마 영역(P)의 두께보다 작은 수 mm 거리로 설계될 수 있다.
플라즈마 개시 위치(P21)와 플라즈마 종료 위치(P22)는 플라즈마에 의해 본딩 헤드(140)에 아크 방전이 일어나지 않으며, 다이(D)의 접합면이 전체적으로 친수화될 수 있도록 설정될 수 있다. 플라즈마 처리 구간(P2)이 지나치게 넓게 설정되면, 본딩 헤드(140)에 아크 방전이 발생할 위험이 커지고, 플라즈마 장치(170)의 작동 시간이 필요 이상으로 길어져 공정 비용이 증가하게 된다. 또한, 플라즈마 처리 구간(P2)이 과도하게 좁게 설정되면, 다이(D)의 접합면의 전,후단 모서리부가 부분적으로 친수화되지 않거나, 다이(D)의 접합면 친수화 상태가 제1 방향(X)으로 불균일해질 수 있다.
실시예에서, 플라즈마 개시 위치(P21)와 플라즈마 종료 위치(P22)는 각각 접지판(144)의 전단부가 플라즈마 영역(P)으로 진입하기 시작하는 위치와, 접지판(144)의 후단부가 플라즈마 영역(P)으로부터 벗어나기 시작하는 위치로 설정될 수 있다. 플라즈마 처리 구간(P2)에서의 다이(D)의 이송 속도는 플라즈마 처리 구간(P2) 전, 후에서의 다이(D)의 이송 속도와 같거나 그보다 느리게 설정될 수 있다.
플라즈마 처리 구간(P2)에서 다이(D)의 이송 속도를 늦추지 않더라도 다이(D)의 접합면을 충분히 친수화할 수 있는 경우에는 생산성 향상을 위해 플라즈마 처리 구간(P2)에서 속도 변화 없이 다이(D)를 이송할 수 있다. 플라즈마 처리 구간(P2)에서 다이(D)의 이송 속도를 늦추지 않을 경우 다이(D)의 접합면에 충분한 친수화 효과를 얻을 수 없는 경우에는 플라즈마 처리 구간(P2)에서 본딩 헤드(140)의 이동 속도를 감속할 수 있다. 다이(D)의 이송 속도를 늦추는 경우에는, 플라즈마 처리 구간(P2)과 동기화하여 본딩 헤드(140)의 이동 속도를 제어할 수도 있고, 다이(D)가 플라즈마 처리 구간(P2)에 진입하기 이전에 설정 거리만큼 미리 본딩 헤드(140)의 이송 속도를 감속하는 것도 가능하다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 웨팅(wetting) 장치(180)가 후퇴 영역에 위치한 상태를 나타내고, 도 12는 웨팅 장치(180)가 기판(MW) 상의 접합 영역(BA)에 웨팅 처리를 하기 위해 접합 영역(BA)의 상부 영역에 위치한 상태를 나타낸다.
도 5, 도 6, 도 11 내지 도 13을 참조하면, 웨팅 장치(180)는 후퇴 위치로부터 본딩 스테이지(120)의 상부 영역으로 이동하여 본딩 스테이지(120) 상에 지지된 기판(MW) 상의 다이(D)와 접합될 접합 영역(BA)에 물을 포함하는 액체(DIW)를 공급하여 접합 영역(BA) 상에 액막(수막)을 형성한다. 본 명세서에서 '기판 상'에 순수 등의 액체를 분사하여 액막을 형성하는 것은, 기판의 상면에 직접 액막을 형성하거나, 기판에 적층되어 있는 하나 또는 복수층의 다이의 상면에 액막을 형성하는 것을 포함한다.
웨팅 장치(180)는 이송 레일(132)을 따라 본딩 스테이지(120)의 상부 영역과 본딩 스테이지(120)로부터 멀어지는 후퇴 영역 사이에서 이송될 수 있다. 웨팅 장치(180)는 이송 레일(132)에 이동 가능하게 결합된 이동 유닛(182)에 의해 제1 방향(X)을 따라 이동될 수 있다. 웨팅 장치(180)는 이동 유닛(182)에 장착된 승강부(180a)에 의해 제3 방향(Z)으로 승강 구동될 수 있다.
실시예에서, 웨팅 장치(180)는 순수를 분무하여 접합 영역(BA)에 액막을 형성하는 피에조(piezo)를 적용한 젯팅(jetting) 방식의 패터닝(patterning) 장치로 제공될 수 있다. 웨팅 장치(180)는 다이(D)가 지지 유닛(110)으로부터 본딩 스테이지(120)로 이송되는 동안, 기판(MW) 상의 접합 영역(BA)에 국부적으로 수막을 형성하는 웨팅 처리를 할 수 있다.
다이(D)가 본딩 스테이지(120)로 이송되는 동안 웨팅 장치(180)에 의해 기판(MW) 상의 접합 영역에 액막(DL)이 형성되면, 도 13에 도시된 바와 같이, 본딩 헤드(140)가 기판(MW) 상의 접합 영역으로 진입할 수 있도록, 웨팅 장치(180)는 본딩 스테이지(120)의 상부 영역으로부터 이동하여 대기 위치(후퇴 위치)로 후퇴한다.
웨팅 장치(180)가 후퇴 영역으로 이동하면, 본딩 헤드(140)는 기판(MW)의 상부로 이동한 후 다이(D)를 하강시켜 기판(MW) 상의 접합 영역(BA)에 접촉시킨다. 다이(D)의 접합면이 접합 영역(BA) 상에 접촉된 상태에서 본딩 헤드(140)가 다이(D)의 픽업 상태를 해제하면, 기판(MW) 상에 다이(D)가 적층되고, 다이(D)의 친수화된 접합면과 액막(DL) 간의 접합력(수소 결합력)에 의해 다이(D)가 가접합된다.
다른 실시예로, 웨팅 장치(180)는 다이(D)의 접합면에 순수를 분사할 수도 있다. 예를 들어, 웨팅 장치(180)는 상부를 향하도록 설치된 분사 노즐을 통해 상방으로 순수를 분사할 수 있다. 다이(D)의 접합면은 플라즈마 처리에 의해 친수화되어 있기 때문에, 다이(D)의 친수화된 접합면에 순수가 맺혀 수막이 형성될 수 있다. 또한, 하나 또는 복수개의 웨팅 장치(180)를 이용하여, 기판(MW) 상의 접합 영역과 다이(D)의 접합면에 각각 수막을 형성할 수도 있다.
기판(MW) 및 다이(D)의 플라즈마 처리만으로도 충분한 가접합력을 얻을 수 있는 경우 린스 공정은 생략될 수 있다. 린스 공정이 생략되는 경우, 다이(D)의 친수화된 접합면과 기판(MW) 상의 친수화된 접합 영역 간의 접합력에 의해 기판(MW) 상에 다이(D)가 가접합된다.
다시 도 5 및 도 6을 참조하면, 정렬 검사부(190)는 다이(D)와 기판(MW)의 정렬을 위해 비젼(vision) 기반으로 다이(D)와 기판(MW)의 위치를 인식하고, 기판(MW) 상의 접합 영역을 결정한다. 정렬 검사부(190)는 이송 레일(132)을 따라 제1 방향(X)으로 이동 가능하게 제공될 수도 있고, 프레임(130)에 고정적으로 설치될 수도 있다. 다이(D)와 기판(MW)의 위치를 기반으로, 웨팅 장치(180)의 순수 도포 위치와 다이(D) 및 기판(MW)의 정렬 위치가 제어될 수 있다. 본딩 스테이지(120)는 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 가이드레일(122)을 따라 이동 가능하게 제공될 수 있다. 기판(MW)의 위치는 본딩 스테이지(120)에 의해 좌우 방향(제2 방향)으로 조절가능하다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 다수의 다이가 가접합된 것을 예시한 도면이다. 상술한 바와 같은 과정을 다수의 다이(D)에 대해 순차적으로 반복 수행하여 기판(MW) 상에 다수의 다이(D)가 가접합되면, 기판(MW)과 다이(D) 간에 전압을 인가하여 양극 본딩 열처리에 의해 다이(D)를 기판(MW) 상에 본접합할 수 있다. 양극 본딩 열처리는 기판 반송 장치(도시 생략)에 의해 기판(MW)을 열처리 유닛(도시 생략)으로 이송하여 수행될 수도 있고, 본딩 스테이지(120) 상에서 수행될 수도 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치를 보여주는 도면이다. 도 16은 도 15에 도시된 플라즈마 장치의 동작을 보여주는 도면이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 플라즈마 장치(220)는 기판(MW)의 접합 영역을 순차적 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있다. 플라즈마 장치(220)는 제1 플라즈마 장치(221), 제2 플라즈마 장치(222)를 포함할 수 있다.
제1 플라즈마 장치(221)는 반응성 이온 식각 플라즈마 장치일 수 있다. 제1 플라즈마 장치(221)는 플라즈마 팁(221a)으로 플라즈마를 발생시켜 고주파(RF) RIE 플라즈마 처리에 의해 기판(MW)의 접합 영역을 식각하여 평활화하고, 오염물을 제거하고 표면을 산화시킬 수 있다. 제2 플라즈마 장치(222)는 친수성 라디칼을 기판(MW)의 접합 영역에 부착시켜 화학 반응성 및 가접합력을 높이는 표면 활성화 플라즈마 장치일 수 있다.
제1 플라즈마 장치(221)와 제2 플라즈마 장치(222)는 구동부(223 ~ 228)에 의해 제1 방향(X), 제2 방향(Y) 및 제3 방향(Z)으로 이동될 수 있다. 실시예에서, 제1 플라즈마 장치(221)와 제2 플라즈마 장치(222)는 이송레일(228)에 결합된 이동몸체(227)에 의해 제1 방향(X)으로 이동될 수 있고, 이동몸체(227)의 제1 구동부(226)에 의해 구동되는 상부몸체(225)와 결합되어 제2 방향(X)으로 이동 가능하다. 또한, 제1 플라즈마 장치(221)와 제2 플라즈마 장치(222)는 상부몸체(225)의 제2 구동부(224)에 의해 구동되는 하부몸체(223)에 결합되어 제3 방향(X)으로 승강될 수 있다.
제1 플라즈마 장치(221)와 제2 플라즈마 장치(222)는 하부몸체(223)의 하부에 나란하게 배열될 수 있다. 제1 플라즈마 장치(221)와 제2 플라즈마 장치(222)는 도 16에 도시된 바와 같이 기판(MW)의 평면 방향으로 이동하면서 기판(MW)의 상면을 순차적으로 플라즈마 처리할 수 있다. 기판(MW)은 먼저 제1 플라즈마 장치(221)에 의해 RIE 플라즈마 처리된 후, 이어서 제2 플라즈마 장치(222)에 의해 표면 활성화 플라즈마 처리될 수 있다.
본접합 단계에서, 제1 플라즈마 장치(221) 및/또는 제2 플라즈마 장치(222)는 구동부에 의해 플라즈마 팁(221a, 222a)을 기판(MW)과 접합 대상(다이 또는 기판) 간의 접합면과 평행한 X축 및 Y축 방향으로 이동시키면서 양극 본딩 열처리를 수행하여, 플라즈마 팁(221a, 222a) 보다 훨씬 넓은 면적을 가지는 대면적 기판으로 제공되는 기판(MW) 또는 대면적 기판으로 제공되는 접합 대상(대면적 다이 또는 기판)에 대해서도 적용이 가능하다. 양극 본딩 열처리에 의해 기판(MW)과 다이(D) 간의 접합 계면이 가열 및 경화되어, 기판(MW) 상에 다이(D)가 본접합된다. 양극 본딩 열처리는 상온 ~ 300℃ 온도로 수행될 수 있다. 양극 본딩 열처리를 위해, 기판(MW)의 전극과 플라즈마 팁(221a, 222a)의 전극 간에는 100 V ~ 수 kV 전압(직류 또는 교류 전압)이 인가될 수 있다.
플라즈마 팁(221a, 222a)은 2차원 평면 형태의 전극 보다 좁은 단면적을 가지므로, 제1 기판과 접합 대상의 접합 계면에 가스가 갇히게 되는 가스 트랩 현상을 방지할 수 있다. 또한, 플라즈마 팁(221a, 222a)을 접합 대상의 상면으로부터 수 mm 이격시킨 상태로 양극 본딩을 위한 전압을 형성하여 비접촉식으로 제1 기판과 접합 대상을 양극 본딩함으로써, 접합 대상에 압력이 가해지지 않은 상태로 본접합 공정을 수행하여 가스 트랩 현상을 방지함과 동시에, 제1 기판과 접합 대상 간의 접합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 비접촉 방식으로 양극 본딩 공정이 수행되므로, 양극 본딩 전극의 접촉으로 인해 접합 대상의 표면이 오염되거나 불순물, 이물질이 부착하는 것을 방지할 수 있으며, 반도체 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 가스 트랩 문제를 고려하여 양극 본딩을 진공, 저압 챔버에서 해야 하는 제약사항을 극복할 수 있으며, 양극 본딩을 상온, 상압에서 수행하여 설비 및 공정 비용을 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 가접합 공정시에는 플라즈마 팁으로부터 제1 기판 및/또는 접합 대상에 플라즈마를 발생시키고, 가접합 후의 본접합 공정시에는 플라즈마 팁을 이용하여 양극 본딩을 수행함으로써, 플라즈마 팁을 가접합 공정 및 양극 본딩 본접합 공정에 겸용으로 활용할 수 있으며, 플라즈마 장치의 활용도를 높일 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법의 흐름도이다. 도 17을 참조하면, 본딩 방법은 기판(제1 기판)으로 접합 대상(다이 또는 제2 기판)을 이송하는 단계(S100), 플라즈마 팁(plasma tip)을 이용하여 기판 및 접합 대상을 순차적 플라즈마 처리하는 단계(S200), 기판 및 접합 대상 중 적어도 하나를 린스 처리하는 단계(S300), 기판 상에 접합 대상을 가압/가열하는 단계(S500) 및 플라즈마 팁에 전압을 가하여 기판 및 접합 대상을 양극 본딩 열처리하는 본접합 단계(S600)를 포함할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 도 19는 도 18에 도시된 플라즈마 처리부의 예시도이다. 도 18 및 도 19를 참조하면, 플라즈마 처리부는 하나의 플라즈마 장치(260)에 의해 순차적 플라즈마 처리를 하도록 구성된다.
플라즈마 장치(260)는 본체(261)와, 본체(261) 내에 형성된 플라즈마를 기판의 접합 영역 및/또는 접합 대상의 접합면에 국부적으로 인가하기 위한 플라즈마 팁(262)과, 본체(261) 내에 공정 가스들(예를 들어, 질소/아르곤 가스)을 도입하기 위한 가스 공급부들(263, 264)와, 공정 가스들을 여기시켜 플라즈마를 형성하기 위한 수 GHz의 RF 전원을 인가하는 RF 전원 인가부(265)를 포함할 수 있다. 미설명부호 124, 266, 267은 각각 기판 온도 제어를 위한 히터, RF 전원의 분포 제어를 위한 유리판, 균일한 플라즈마 형성을 위한 이온 트랩판이다.
기판(MW)은 제1 전극(270) 상에 배치되고, 접합 대상(W)은 기판(MW) 상에 배치된다. 본접합 공정에서 양극 본딩 열처리를 위한 제1 전극(양전극)(270)은 본딩 스테이지(120) 상에 마련될 수 있다. 본접합 공정시에 플라즈마 장치(260)는 플라즈마 팁(262)의 하부 둘레 부분에 양극 본딩 열처리를 위한 제2 전극(음전극)(280)이 형성된다. 제2 전극(280)은 하부로 갈수록 좁아지는 단면적을 가지도록 제공될 수 있다. 제2 전극(280)의 하단부 직경(폭)은 수 mm 내지 수 cm 일 수 있다. 제2 전극(280)은 본체(261)에 직접 결합되거나, 절연체 등을 매개로 결합될 수 있다.
본접합 공정시 전압 형성부(282)는 제2 전극(280)으로 양극 본딩 열처리를 위한 전압을 인가할 수 있다. 플라즈마 장치(260)가 가접합 공정시 기판(MW) 및/또는 접합 대상(W)의 친수화 처리를 위해 겸용으로 활용되는 경우, 전압 형성부(282)는 가접합 공정 동안에는 제2 전극(280)에 접지 전원을 인가하고, 본접합 공정 시에는 제2 전극(280)에 양극 본딩 전압 형성을 위한 전위를 인가할 수 있다.
플라즈마 장치(260)는 구동부(도시 생략)에 의해 상하, 전/후/좌우 방향(수평 방향)으로 이동 가능하게 제공될 수 있다. 본접합 공정시, 플라즈마 장치(260)는 구동부에 의해 기판(MW)과 접합 대상(W) 측으로 하강한다. 플라즈마 장치(260)의 하강에 의해, 플라즈마 팁(262)의 하부 둘레 부분에 형성된 제2 전극(280)이 접합 대상(W)의 상면으로부터 소정 거리(D1)만큼 이격되게 위치되면, 전압 형성부(282)는 제1 전극(270)과 제2 전극(280) 간에 양극 본딩 열처리를 위한 전압을 형성한다.
기판(MW)과 접합 대상(W) 간에 양극 본딩 전압이 형성될 수 있도록, 플라즈마 팁(262)과 접합 대상(W) 간의 이격 거리(D1)는 1 cm 미만(수 mm)인 것이 바람직하다. 대안적으로, 플라즈마 팁(262)을 접합 대상(W)에 접촉시킨 상태로, 양극 본딩 열처리하여 접합 대상(W)을 기판(MW) 상에 본접합할 수도 있다. 본접합 공정 시에, 기판 및 접합 대상의 전체 면적에 대해 양극 본딩 열처리를 하기 위하여, 플라즈마 장치(260)를 수평 방향으로 이동시켜 접합 대상(W)의 위치를 변화시키면서 양극 본딩 열처리를 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 플라즈마 장치(260)로 공급되는 RF 전력, 공정 가스의 종류 등을 순차적으로 제어하여, 하나의 플라즈마 장치(260)에 의해 RIE 플라즈마 처리, 표면 활성화 플라즈마 처리를 순차적으로 수행할 수 있다. 또한, 플라즈마 장치(260)에 마련된 제2 전극(280)을 본접합 공정에서 양극 본딩 열처리를 위한 음전극으로 활용함으로써, 플라즈마 장치(260)를 본접합 공정에도 활용하여 접합 공정 비용을 절감할 수 있다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 도 21은 도 20에 도시된 플라즈마 처리부를 구성하는 제2 플라즈마 장치의 예시도이다. 도 20 및 도 21을 참조하면, 플라즈마 처리부는 두 개 이상의 플라즈마 장치(260, 290)에 의해 순차적 플라즈마 처리를 하도록 구성된다.
제1 플라즈마 장치(260)는 도 19에 도시된 구조로 제공될 수 있다. 제2 플라즈마 장치(290)는 본체(291)와, 본체(291) 내에 형성된 플라즈마를 기판의 접합 영역 및/또는 접합 대상의 접합면에 국부적으로 인가하기 위한 플라즈마 팁(292)과, 본체(291) 내에 공정 가스들(예를 들어, 산소/아르곤 가스)을 도입하기 위한 가스 공급부들(293, 294)을 포함할 수 있다. 미설명부호 297은 이온 트랩판이다.
제1 및 제2 플라즈마 장치(260, 290)는 본접합 공정에 활용될 수 있다. 제2 플라즈마 장치(290)는 플라즈마 팁(292)의 하부 둘레 부분에 양극 본딩 열처리를 위한 제2 전극(음전극)(300)이 형성된다. 전압 형성부(302)는 제2 전극(300)으로 양극 본딩 열처리를 위한 전압을 인가한다.
제1 플라즈마 장치(260)와 마찬가지로, 제2 플라즈마 장치(290)는 구동부(도시 생략)에 의해 상하, 전/후/좌우 방향(수평 방향)으로 이동 가능하게 제공될 수 있다. 본접합 공정시, 제1 플라즈마 장치(260)와 마찬가지로, 제2 플라즈마 장치(290)는 구동부에 의해 기판(MW)과 접합 대상(W) 측으로 하강한다. 제2 플라즈마 장치(290)의 하강에 의해, 플라즈마 팁(292)의 하부 둘레 부분에 형성된 제2 전극(300)이 접합 대상(W)의 상면으로부터 상부에 소정 거리만큼 이격된 위치에 배치되면, 전압 형성부(302)는 제1 전극(270)과 제2 전극(300) 간에 양극 본딩 열처리를 위한 전압을 형성한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 순차적 플라즈마 처리를 위한 제1 및 제2 플라즈마 장치(260, 290)의 플라즈마 팁(262, 292) 부분에 양극 본딩 열처리를 위한 제2 전극(음전극)(280)을 형성하여, 제1 및 제2 플라즈마 장치(260, 290)의 플라즈마 팁(262, 292) 부분을 본접합 공정에서 양극 본딩 열처리를 위한 음전극으로 활용함으로써, 기판 및 접합 대상의 다양한 물질 종류, 계면 특성, 접합 계면 크기 변화에 대응하여 강한 결합력을 확보할 수 있으며, 플라즈마 장치(260, 290)를 본접합 공정에도 활용하여 접합 공정 비용을 절감할 수 있다.
도 22 내지 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 먼저 도 22를 참조하면, 기판(MW)의 상면에 플라즈마 영역(P)을 형성하여 기판(MW)의 상면을 친수면(PS1)으로 형성한다. 플라즈마 처리에 의해 친수면(PS)을 가지는 기판(MW)은 기판 반송 유닛(도시 생략)에 의해 본딩 스테이지(120)로 이송될 수 있다. 실시예에서, 기판(MW)은 실리콘 기재(14)에 관통 전극(16)이 형성되고, 관통 전극(16)을 제외한 상면과, 하면에 절연막(12, 18)을 가지는 TSV 기판일 수 있다.
도 23을 참조하면, 플라즈마에 의해 친수화 처리된 기판(MW)의 접합 영역 위에 순수 등의 액체를 공급하는 웨팅 처리를 행하여 액막(DL)을 형성한다. 도 24를 참조하면, 플라즈마 장치에 의해 하면이 친수표면(PS2)으로 형성된 다이(D)를 기판(MW)의 접합 영역 상에 적층한다. 다이(D)는 실리콘 기재(24)에 관통 전극(26)이 형성되고, 관통 전극(26)을 제외한 상면에 하면에 절연막(22, 28)을 가지는 TSV 다이일 수 있다.
도 22 내지 도 25를 참조하면, 기판(MW) 위에 다이(D)를 가접합한 후 양극 본딩 열처리함에 따라, 기판(MW)과 다이(D)의 계면에 형성된 친수면(PS1), 액막(DL), 친수표면(PS2)이 가열, 경화되어 접합 계면(BL)을 통해 기판(MW) 상에 다이(D)가 완전히 접합된다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 다수의 다이가 적층되어 접합된 것을 예시한 도면이다. 도 26을 참조하면, 기판(MW) 상에 다수의 다이(D)를 순차적으로 적층 및 가접합한 후, 양극 본딩 열처리에 의해 기판(MW)과 다이(D)간 또는 다이들 간의 접합 계면을 효과적으로 경화시켜 기판(MW)과 다수의 다이(D)를 한번에 본접합하여 3차원 반도체를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 플라즈마 처리에 의한 가접합 공정 및 양극 본딩 열처리에 의한 본접합 공정을 통해, TSV 다이들을 접합 필름이나 솔더 범프와 같은 별도의 접합 매개체를 사용하지 않고 접합할 수 있다. 따라서, 솔더 범프에 의한 스윕이나, 주변 솔더 범프와 연결로 인한 합선, 통전 불량 등의 문제가 없어 반도체의 품질을 향상시킬 수 있으며, I/O 피치가 미세화되는 것과 관계없이 TSV 다이를 접합할 수 있다. 또한, 다이의 이송을 중단하지 않은 채로 다이의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있고, 동시에 다이의 이송 중에 기판 상의 접합 영역에 순수를 적하하는 웨팅 처리를 행할 수 있어, 가접합 공정을 매우 빠르게 처리할 수 있다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다. 도 28은 도 27의 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 27 및 도 28을 참조하면, 다이 본딩 장치(100)는 플라즈마 장치(170)를 다이(D)의 이송 방향(제1 방향, X)으로 배열된 레일(200)을 따라 이동시키는 이송 장치(210)를 더 포함할 수 있다.
이송 장치(210)는 다이(D)가 플라즈마 처리 구간에서 이동하는 동안 다이(D)의 이송 속도(또는 본딩 헤드의 이동 속도)와 같거나, 다이(D)의 이송 속도(V1)보다 낮은 속도로 플라즈마 장치(170)를 이동시킬 수 있다. 본딩 헤드(140)의 이동 속도(V1)와 플라즈마 장치(170)의 이동 속도(V2)가 같을 경우, 다이(D)와 플라즈마 장치(170)의 상대 속도는 0이 되고, 다이(D)가 본딩 스테이지(120) 측으로 이동 중이면서도 다이(D)가 정지된 상태에서 플라즈마 처리를 하는 것과 같은 높은 친수화 효과를 얻을 수 있다.
플라즈마 장치(170)를 다이(D)의 이송 속도(V1)보다 낮은 속도로 이동시키는 경우에는 다이(D)를 빠르게 이송시키면서도, 다이(D)가 실제 이송 속도(V1)보다 느린 속도(V1-V2)로 플라즈마 장치(170)의 플라즈마 영역(P)을 통과하는 것과 같은 친수화 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 도 27 및 도 28의 실시예에 의하면, 다이(D)를 고속으로 이송하면서도 플라즈마 장치(170)에 의해 다이(D)의 접합면에 충분한 친수화 처리를 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본딩 스테이지(120), 본딩 헤드(140), 웨팅 장치(180), 정렬 검사부(190), 이송 장치(210) 등의 구동원으로는 예를 들어 구동 모터, 유압 실린더, 공압 실린더 등의 다양한 구동 수단이 사용될 수 있다. 또한, 구동 방식에 있어서도 도시된 바에 의해 제한되지 않고, 이송 벨트, 랙/피니언 기어, 스크류 기어 등의 다양한 구동 매커니즘이 사용될 수 있다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다. 도 29를 참조하면, 플라즈마 처리부는 제1 플라즈마 장치(170a)와, 제2 플라즈마 장치(170b)를 포함하는 복수개의 플라즈마 장치(170)로 제공될 수 있다. 제1 플라즈마 장치(170a)는 다이(D)의 접합면을 반응성 이온 식각(RIE; Reactive Ion Etching) 플라즈마 처리하는 RIE 플라즈마 장치일 수 있다. 제2 플라즈마 장치(170b)는 다이(D)의 접합면을 표면 활성화(Surface Activation) 플라즈마 처리하는 친수화 플라즈마 장치일 수 있다.
다이(D)의 이송 중에 다이(D)의 접합면에 반응성 이온 식각 플라즈마 처리 및 표면 활성화 플라즈마 처리를 순차적으로 수행하기 위하여, 제1 플라즈마 장치(170a) 및 제2 플라즈마 장치(170b)는 지지 유닛(110)과 본딩 스테이지(120) 사이의 다이(D)의 직선 상의 이송 경로를 따라 순차적으로 배치될 수 있다.
다이(D)는 본딩 헤드(140)에 의해 제1 플라즈마 장치(170a)의 상부를 통과하면서 반응성 이온 식각 처리된 후, 제2 플라즈마 장치(170b)의 상부를 통과하면서 표면 활성화 플라즈마 처리에 의해 친수화된다. 제1 플라즈마 장치(170a)는 고주파(RF) RIE 플라즈마 처리에 의해 다이(D)의 접합면을 식각하여 평활화하고, 오염물을 제거하고 표면을 산화시킬 수 있다. 제2 플라즈마 장치(170b)는 친수성 라디칼을 다이(D)의 접합면에 부착시켜 화학 반응성 및 가접합력을 높일 수 있다.
실시예에서, 제1 플라즈마 장치(170a)는 저온 및 저압(예컨대, 상온, 60 ~ 100 Pa)에서 50 ~ 300 W 전력으로 작동하는 산소 RIE 플라즈마 장치일 수 있다. 제2 플라즈마 장치(170b)는 저온 및 저압(예컨대, 상온, 60 ~ 100 Pa)에서 2000 ~ 300 W 전력으로 작동하는 질소 라디칼 플라즈마 장치일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 순차적 플라즈마 처리에 의해 다이(D)의 접합면을 친수화하여, 기판(MW)과 다이(D)의 가접합시 기판(MW)과 다이(D) 간의 계면에 공동(cavity)이 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 공동에 형성된 가스로 인한 접합력 저하, 반도체 특성 변화 및 구조 변형 등을 방지할 수 있다. 또한, 다이와 기판을 순차적 플라즈마 처리 후 본접합 공정에서 양극 본딩 열처리함으로써, 다이와 기판의 종류(반도체, 유리, 부도체 등)나, 접합 계면 물질의 종류(Si, Ge, C, 유리, 고분자 물질 등)에 관계 없이 높은 접합력을 얻을 수 있다.
도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다. 도 31 및 도 32는 도 30의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다. 도 30 내지 도 32를 참조하면, 플라즈마 처리부(240)는 플라즈마 장치(241), 본체(242), 승강구동부(243), 이동몸체(244) 및 이송레일(245)을 포함한다. 플라즈마 장치(241)는 플라즈마 팁(241a)을 통해 플라즈마를 발생하여 기판(MW)을 친수화한다.
플라즈마 장치(241)는 이동몸체(244)의 승강구동부(243)에 의해 구동되는 본체(242)와 결합되어 승강구동부(243)에 의해 제3 방향(X)으로 이동 가능하고, 이동몸체(244)에 의해 제1 방향(X)으로 이동 가능하다. 또한, 플라즈마 장치(241)는 제2 방향(Y)으로도 이동할 수 있게 제공될 수 있다. 도 30 내지 도 32의 실시예에 의하면, 하나의 플라즈마 장치(241)로 기판(MW)과 다이(D)를 순차적으로 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있다.
먼저, 플라즈마 장치(241)는 도 30에 도시된 바와 같이 기판(MW) 측으로 하강한 상태에서, 기판(MW) 상의 접합 영역에 플라즈마를 발생시켜 접합 영역을 친수화한다. 플라즈마 팁(241a)을 통해 기판(MW) 상의 접합 영역에 플라즈마를 집중시킬 수 있으며, 플라즈마 처리를 효율적으로 하는 동시에, 플라즈마 처리 비용을 절감할 수 있다. 기판(MW)에 대한 플라즈마 처리는 다이(D)가 본딩 스테이지(120)로 이동하는 동안 수행될 수 있다.
기판(MW)에 대해 플라즈마 처리가 완료되면, 플라즈마 장치(241)를 상부로 이동시킨 다음, 도 31에 도시된 바와 같이, 플라즈마 장치(241)를 본딩 헤드(140)를 향해 이동시킨다. 이와 동시에, 본딩 헤드(140)가 캐리지(142)를 중심으로 180° 회전하면, 다이(D)의 접합면이 플라즈마 장치(241)의 플라즈마 팁(241a) 하부에 위치하게 된다.
플라즈마 장치(241)는 플라즈마 팁(241a)을 통해 다이(D)의 접합면에 플라즈마를 발생시켜 다이(D)의 접합면을 친수화할 수 있다. 이때에도 플라즈마 팁(241a)을 통해 다이(D)의 접합면에 플라즈마를 집중시킬 수 있어, 플라즈마 처리를 효율적으로 할 수 있으며, 플라즈마 처리 비용을 절감할 수 있다. 플라즈마 장치(241)에 의한 플라즈마 처리는 본딩 헤드(140)의 이동 중에 수행될 수 있다. 이때, 플라즈마 팁(241a)에서 발생하는 플라즈마의 접촉 시간을 증가시키기 위해, 플라즈마 장치(241)를 본딩 헤드(140)의 이동 방향으로 이동시키면서, 다이(D)의 접합면을 플라즈마 처리하는 것도 가능하다.
플라즈마 장치(241)에 의해 다이(D)의 접합면을 플라즈마 처리하는 동안, 웨팅 장치(180)에 의해 기판(MW) 상의 접합 영역에 린스 처리(수막 형성)를 하면, 가접합 공정 시간을 보다 단축시킬 수 있다. 다이(D)의 접합면에 대한 플라즈마 처리가 끝나면, 도 32에 도시된 바와 같이 웨팅 장치(180)를 후퇴시키고, 본딩 헤드(140)를 다시 180° 아래로 회전시킨 후, 본딩 헤드(140)를 하강시켜 다이(D)를 기판(MW) 위에 가접합한다.
플라즈마 장치(241)는 대기압(상압) 플라즈마 장치로 제공될 수도 있고, 순차적 플라즈마 장치로 제공될 수도 있다. 본 실시예에 의하면, 플라즈마 장치(241)를 이용하여 기판(MW)과 다이(D)의 플라즈마 처리를 순차적으로 행하여 플라즈마 처리를 위한 공정 비용을 줄일 수 있으며, 가접합 공정 시간도 단축할 수 있다.
도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다. 도 34는 도 33의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다. 도 33 및 도 34를 참조하면, 플라즈마 처리부(250)는 플라즈마 장치(251), 본체(252), 승강구동부(253), 이동몸체(254) 및 이송레일(255)을 포함한다.
플라즈마 장치(251)는 플라즈마 팁(251a)을 통해 플라즈마를 발생하여 기판(MW)을 친수화한다. 플라즈마 장치(251)는 이동몸체(254)의 승강구동부(253)에 의해 구동되는 본체(252)와 결합되어 승강구동부(253)에 의해 제3 방향(X)으로 이동 가능하고, 이동몸체(254)에 의해 제1 방향(X)으로 이동 가능하다. 또한, 플라즈마 장치(251)는 제2 방향(Y)으로도 이동할 수 있게 제공될 수 있다.
플라즈마 장치(251)는 본체(252)에 구비된 회동부(도시생략)에 의해 상하 방향으로 회동 가능하게 제공될 수 있다. 도 33 및 도 34의 실시예에 의하면, 하나의 플라즈마 장치(251)로 기판(MW)과 다이(D)를 순차적으로 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있다.
먼저, 플라즈마 장치(251)는 도 33에 도시된 바와 같이 기판(MW) 상의 접합 영역에 플라즈마를 발생시켜 접합 영역을 친수화한다. 플라즈마 장치(251)는 플라즈마 팁(251a)을 통해 기판(MW) 상의 접합 영역에 플라즈마를 집중시킬 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리를 효율적으로 할 수 있고, 플라즈마 처리 비용을 절감할 수 있다. 기판(MW)에 대한 플라즈마 처리는 다이(D)가 본딩 스테이지(120)로 이동하는 동안 수행될 수 있다.
기판(MW)에 대해 플라즈마 처리가 완료되면, 도 34에 도시된 바와 같이, 플라즈마 장치(251)를 본딩 헤드(140)를 향해 이동시키고, 본체(252)를 하부로 이동시킨 다음, 플라즈마 장치(251)를 본체(252)를 중심으로 180° 상부로 회전시켜, 플라즈마 장치(251)의 플라즈마 팁(251a)을 다이(D)의 접합면 하부에 위치시킨다. 플라즈마 장치(251)는 플라즈마 팁(251a)을 통해 다이(D)의 접합면에 플라즈마를 발생시켜 다이(D)의 접합면을 친수화할 수 있다.
플라즈마 장치(251)에 의한 플라즈마 처리는 본딩 헤드(140)의 이동 중에 수행될 수 있다. 이때, 플라즈마 팁(251a)에서 발생하는 플라즈마의 접촉 시간을 증가시키기 위해, 플라즈마 장치(251)를 본딩 헤드(140)의 이동 방향으로 이동시키면서, 다이(D)의 접합면을 플라즈마 처리하는 것도 가능하다. 다이(D)의 접합면에 대한 플라즈마 처리가 끝나면, 본딩 헤드(140)에 의해 다이(D)를 기판(MW) 상에 배치시켜 가접합한다. 플라즈마 장치(251)는 대기압(상압) 플라즈마 장치로 제공될 수도 있고, 순차적 플라즈마 장치로 제공될 수도 있다. 본 실시예에 의하면, 플라즈마 장치(251)를 이용하여 기판(MW)과 다이(D)의 플라즈마 처리를 순차적으로 행하여 플라즈마 처리를 위한 공정 비용을 줄일 수 있으며, 가접합 공정 시간도 단축할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 다이 본딩 장치 110: 지지 유닛
120: 본딩 스테이지 130: 프레임
132: 이송 레일 134: 지지부
136: 통로 140: 본딩 헤드
142: 캐리지 144: 접지판
150: 검사부 160: 세정 유닛
170: 플라즈마 장치 170a: 제1 플라즈마 장치
170b: 제2 플라즈마 장치 180: 웨팅 장치
190: 정렬 검사부 200: 레일
210: 이송 장치 220, 241, 251: 플라즈마 장치
221, 260: 제1 플라즈마 장치 221a, 222a: 플라즈마 팁
222, 290: 제2 플라즈마 장치 230: 열처리 유닛
231: 열처리 챔버 232, 270: 제1 전극
233, 280, 300: 제2 전극 234, 282, 302: 전압 형성부
235: 승강부 240, 250: 플라즈마 처리부
241a, 251a, 262, 292: 플라즈마 팁 W: 반도체 웨이퍼
D: 다이 MW: 기판
BA: 접합 영역 P: 플라즈마 영역
P2: 플라즈마 처리 구간

Claims (20)

  1. 제1 기판 상에 다이 또는 제2 기판을 포함하는 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서,
    상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키는 단계; 및
    상기 제1 기판과 상기 접합 대상 간에 전압을 형성하는 양극 본딩에 의해 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 접합 대상을 접합하는 단계는,
    플라즈마 토출이 가능한 플라즈마 장치의 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 상부에 위치시키는 단계; 및
    상기 플라즈마 팁에 상기 양극 본딩을 위한 전위를 인가하여, 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 양극 본딩하는 단계를 포함하는 본딩 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키기 전에, 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 플라즈마 처리에 의해 친수화하는 단계; 및
    상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키기 전에, 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나에 액체를 분무하여 수막을 형성하는 단계를 더 포함하는 본딩 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 배치시키는 단계는,
    상기 제1 기판과 상기 접합 대상 사이에 형성된 수막의 접합력에 의해 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함하는 본딩 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 친수화하는 단계는,
    상기 플라즈마 팁을 통해 플라즈마를 발생시켜 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 친수화하는 단계를 포함하는 본딩 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접합 대상을 접합하는 단계는,
    상기 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 상면으로부터 소정 거리 이격시킨 상태에서 상기 플라즈마 팁에 상기 전위를 형성하여 비접합식으로 상기 접합 대상과 상기 제1 기판 간에 상기 양극 본딩을 위한 전압을 인가하는 단계를 포함하는 본딩 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소정 거리는 0 mm 초과, 1 cm 미만인 본딩 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 양극 본딩을 위한 전압을 인가하는 단계는,
    상기 제1 기판의 하면에 접촉된 제1 전극과, 상기 플라즈마 팁에 구비된 제2 전극 사이에 상기 양극 본딩을 위한 전위차를 형성하는 단계를 포함하는 본딩 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 양극 본딩은 상온 및 상압에서 수행되고, 상기 전위차는 100 V 이상인 본딩 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 본딩 헤드로 픽업하여 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 제1 기판의 상부 영역으로 이송하는 단계를 더 포함하고,
    상기 친수화하는 단계는, 상기 접합 대상의 이송 중에 상기 플라즈마 팁에 의해 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화하는 본딩 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 접합 대상을 접합하는 단계는,
    상기 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 접합면과 평행한 X축 및 상기 X축에 수직한 Y축 방향으로 이동시키면서 상기 양극 본딩을 수행하여, 대면적 기판으로 제공되는 상기 접합 대상을 상기 제1 기판 상에 접합하거나, 대면적 기판으로 제공되는 상기 제1 기판 상에 하나 이상의 상기 접합 대상을 접합하는 본딩 방법.
  11. 제1 기판 상에 다이 또는 제2 기판을 포함하는 접합 대상을 접합하는 본딩 장치에 있어서,
    플라즈마 토출이 가능한 플라즈마 팁을 구비하는 플라즈마 장치; 및
    상기 제1 기판과, 상기 제1 기판 상에 배치되는 상기 접합 대상 간에 양극 본딩을 위한 전압을 형성하는 전압 형성부를 포함하고,
    상기 전압 형성부는 상기 접합 대상의 상부에 위치하는 상기 플라즈마 팁에 상기 양극 본딩을 위한 전위를 인가하도록 구성되는 본딩 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전압 형성부는, 상기 제1 기판의 하면에 접촉된 제1 전극과, 상기 플라즈마 팁에 구비된 제2 전극 사이에 상기 양극 본딩을 위한 전위차를 형성하는 본딩 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 장치를 수평 방향 및 상하 방향으로 이동시키는 구동부를 더 포함하는 본딩 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 구동부에 의해 상기 플라즈마 팁을 상기 수평 방향 및 상기 상하 방향으로 이동시키면서 상기 양극 본딩을 수행하여, 대면적 기판으로 제공되는 상기 접합 대상을 상기 제1 기판 상에 접합하거나, 대면적 기판으로 제공되는 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 접합하는 본딩 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 플라즈마 처리에 의해 친수화하는 플라즈마 처리부; 및
    상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나에 액체를 분무하여 수막을 형성하는 웨팅 장치를 더 포함하는 본딩 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리부는, 상기 플라즈마 팁을 통해 플라즈마를 발생시켜 상기 제1 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 친수화하도록 구성되는 본딩 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 장치는, 상기 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 상면으로부터 소정 거리 이격시킨 상태에서 상기 플라즈마 팁에 상기 전위를 형성하여 비접합식으로 상기 접합 대상과 상기 제1 기판 간에 상기 양극 본딩을 위한 전압을 인가하도록 구성되는 본딩 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제1 기판을 지지하는 본딩 스테이지; 및
    지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 픽업하여 상기 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 제1 기판의 상부 영역으로 이송하는 본딩 헤드를 더 포함하고,
    상기 플라즈마 장치는 상기 접합 대상의 이송 중에 상기 플라즈마 팁에 의해 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화하도록 구성되는 본딩 장치.
  19. 제1 기판 상에 다이 또는 제2 기판을 포함하는 접합 대상을 접합하기 위한 본딩 장치에 있어서,
    플라즈마 토출이 가능한 플라즈마 팁을 구비하는 플라즈마 장치를 포함하고,
    상기 플라즈마 팁은 상기 제1 기판과 상기 접합 대상 간에 양극 본딩을 위한 전압을 형성하기 위한 전극을 구비하고,
    상기 전극에 인가되는 전위에 의해 상기 제1 기판과 상기 접합 대상 간에 양극 본딩을 위한 전압을 형성하여 상기 제1 기판 상에 상기 접합 대상을 접합하도록 구성되는 본딩 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 플라즈마 팁을 상하 방향 및 수평 방향으로 이동시키는 구동부를 더 포함하고,
    상기 구동부는, 상기 양극 본딩을 위해 상기 플라즈마 팁을 상기 접합 대상의 상면으로부터 소정 거리 이격시킨 위치로 이동시키도록 구성되는 본딩 장치.
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