KR102168070B1 - 반도체 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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김희재
박병국
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신재봉
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Abstract

반도체 제조 장치가 제공된다. 반도체 제조 장치는, 제1 영역에 배치된 적어도 하나의 칩을 픽업하는 픽업 유닛; 픽업된 칩을 공급받아, 제1 영역에서 제2 영역에 배치된 회로 기판 상으로 이동하는 본딩 헤드; 및 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안, 상기 회로 기판 상의 본딩 위치를 검출하는 광학 유닛을 포함한다.

Description

반도체 제조 장치 및 방법{SEMICONDUCTOR MANUFACTURING APPARATUS AND MERHOD FOR THE SAME}
본 발명은 반도체 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 패키지 공정은 웨이퍼를 절단하여 반도체 칩(또는 다이)으로 개별화하는 소잉(Sawing)공정, 개별화된 반도체 칩을 회로 기판에 본딩하는 다이 본딩 공정, 반도체 칩과 회로 기판의 접속 패드들을 전기적으로 연결하는 와이어 본딩 공정, 반도체 칩과 그 주변부를 몰딩하는 몰딩공정 및 회로 기판의 볼 패드에 외부 접속 단자를 형성하는 공정을 포함한다. 접점간 연결이 와이어 본딩을 통해 이루어지는 방식에서는 수십 um의 본딩 정밀도로 충분했지만, 접접간 직접 접촉이 이루어지는 플립칩 또는 관통전극칩의 본딩에서는 수 um의 높은 본딩 정밀도가 요구된다.
한국공개특허 제2011-0137602호는 다이 본딩 장치의 본드 헤드를 개시하고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 열변형을 최소화하고 정밀도를 높이기 위한 반도체 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 열변형을 최소화하고 정밀도를 높이기 위한 반도체 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 냉각 효율을 높이기 위한 반도체 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 제조 장치의 일 실시예는, 제1 영역에 배치된 적어도 하나의 칩을 픽업하는 픽업 유닛; 픽업된 칩을 공급받아, 제1 영역에서 제2 영역에 배치된 회로 기판 상으로 이동하는 본딩 헤드; 및 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안, 회로 기판 상의 본딩 위치를 검출하는 광학 유닛을 포함한다.
상기 광학 유닛은 상기 본딩 헤드가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 동안, 상기 회로 기판의 상부에 위치할 수 있다.
상기 본딩 헤드는 상기 제2 영역에 도달한 후, 상기 본딩 헤드가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 동안 검출된 검출된 상기 본딩 위치에 상기 칩을 본딩할 수 있다.
내부에 중공을 포함하는 갠트리 프레임(gantry frame)을 더 포함하고, 상기 본딩 헤드는 상기 중공에 이동 가능하도록 고정되고, 상기 갠트리 프레임을 따라 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동할 수 있다.
상기 갠트리 프레임은 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
상기 본딩 헤드 및 상기 광학 유닛은 상기 갠트리 프레임의 길이 방향을 따르는 동일 축선 상에 배치될 수 있다.
상기 본딩 헤드를 이동시키는 구동 모터와, 상기 본딩 헤드의 이동 위치를 나타내는 스케일을 더 포함하고, 상기 구동 모터와 상기 스케일은 서로 상기 본딩 헤드를 중심으로 반대편에 배치될 수 있다.
상기 본딩 헤드는 제1 본딩 헤드 및 제2 본딩 헤드를 포함하고, 상기 제1 본딩 헤드가 상기 칩을 가열하여 상기 본딩 위치에 본딩하는 동안 상기 제2 본딩 헤드를 냉각시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 제조 방법의 일 실시예는, 제1 영역에 배치된 적어도 하나의 칩을 픽업하고, 픽업된 칩을 본딩 헤드에 공급하고, 본딩 헤드를 제1 영역에서 제2 영역에 배치된 회로 기판 상으로 이동시키는 것을 포함하고, 본딩 헤드가 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안, 회로 기판 상의 본딩 위치를 검출한다.
상기 반도체 제조 방법은 상기 본딩 헤드가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 동안 검출된 상기 본딩 위치에 상기 칩을 본딩하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 본딩 헤드는 갠트리 프레임(gantry frame)을 따라 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 제조 장치의 다른 실시예는, 칩을 가열하는 히터를 포함하고, 칩을 회로 기판에 본딩하는 본딩 헤드; 및 히터에 인접하여 형성되고, 내부에 냉각 액체가 흐를 수 있는 냉각 블록을 포함하고, 히터가 가열되는 동안에는 냉각 블록 내의 냉각 액체를 제거하고, 히터가 냉각되는 동안에는 냉각 블록 내에 냉각 액체를 공급한다.
상기 반도체 제조 장치는 상기 냉각 액체를 상기 냉각 블록에 공급하는 냉각 장치와, 상기 냉각 장치와 상기 냉각 블록 사이에 형성된 밸브를 더 포함하고, 상기 밸브는 상기 히터가 가열되는 동안 폐쇄되고, 상기 히터가 냉각되는 동안 개방될 수 있다.
상기 반도체 제조 장치는 상기 밸브와 상기 냉각 블록 사이에 형성되고, 상기 히터가 가열되는 동안 상기 냉각 블록 내의 상기 냉각 액체를 제거하는 퍼지(purge) 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 블록에 공급된 상기 냉각 액체는 상기 냉각 장치로 회귀하여 상기 냉각 장치에 의해 재냉각될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 제조 장치의 또 다른 실시예는, 칩을 가열하는 히터를 포함하고, 칩을 회로 기판에 본딩하는 본딩 헤드; 히터에 냉각 기체를 공급하기 위한 공기 주입부; 및 냉각 기체를 본딩 헤드의 외부로 배출시키는 배출구에 형성된 브라켓을 포함하고, 브라켓은 냉각 기체의 배출 방향이 본딩 헤드의 상부를 향하게 한다.
상기 브라켓은 상기 본딩 헤드의 측면에 형성될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 제조 방법의 다른 실시예는, 제1 온도(T1)에서, 제1 영역에 배치된 적어도 하나의 칩을 픽업하여 본딩 헤드에 부착하고, 본딩 헤드를 제1 영역에서 제2 영역에 배치된 회로 기판 상으로 이동시키고, 제1 온도(T1)보다 높은 제2 온도(T2)에서 회로 기판 상의 본딩 위치에 칩을 본딩하고, 본딩 헤드를 제1 온도(T1)보다 높고 제2 온도(T2)보다 낮은 제3 온도(T3)까지 냉각시키는 것을 포함하고, 본딩 위치는 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안 검출된다.
상기 본딩 헤드는 제1 본딩 헤드 및 제2 본딩 헤드를 포함하고, 상기 본딩 위치는 제1 본딩 위치 및 제2 본딩 위치를 포함하고, 상기 제1 온도(T1)에서, 상기 제1 영역에 배치된 제1 칩을 픽업하여 상기 제1 본딩 헤드에 부착하고, 상기 제1 본딩 헤드를 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역에 배치된 회로 기판 상으로 이동시키고, 상기 제2 온도(T2)에서 상기 회로 기판 상의 제1 본딩 위치에 상기 제1 칩을 본딩하고, 상기 제1 본딩 헤드를 상기 제3 온도(T3)까지 냉각시키는 것을 포함하고, 상기 제2 본딩 헤드가 상기 제1 영역에 배치된 제2 칩을 픽업하여 상기 제2 영역에 배치된 회로 기판의 제2 본딩 위치에 본딩하는 동안, 상기 제1 본딩 헤드는 상기 제3 온도(T3)부터 상기 제1 온도(T1)까지 냉각될 수 있다.
상기 제1 본딩 위치는 상기 제1 본딩 헤드가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 동안 검출되고, 상기 제2 본딩 위치는 상기 제2 본딩 헤드가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 동안 검출될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 제1 동작예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 제2 동작예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 제3 동작예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 본딩 공정 중 본딩 헤드의 온도 변화를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5b는 단일의 본딩 헤드를 사용한 본딩 공정 중 본딩 헤드의 온도 변화를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5c는 2개의 본딩 헤드를 사용한 본딩 공정 중 본딩 헤드의 온도 변화를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치에 사용되는 본딩 헤드 지지 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치에 사용되는 냉각 블록을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. 제1 소자가 제2 소자에 "직접 연결" 또는 "직접 접속"된다는 것은, 제1 소자와 제2 소자 사이에 다른 소자가 개재되지 않음을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)는 본딩 헤드(101, 103), 광학 유닛(105) 및 픽업 유닛(301)을 포함할 수 있다.
본딩 헤드(101, 103)는 웨이퍼(201)로부터 분리된 칩(205)을 공급받아 회로 기판(203)에 본딩을 하는 장치이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)는 갠트리 프레임(111) 상에 나란히 배치된 2개의 본딩 헤드(101, 103)를 포함하지만, 본딩 헤드의 개수는 2개로 한정되는 것은 아니고, 단일의 본딩 헤드(101)로만 이루어질 수도 있다. 한편, 본딩 헤드(101, 103)는 수평 이동과 수직 이동을 할 수 있다. 구체적으로, 본딩 헤드(101, 103)는 갠트리 프레임(111)을 따라 웨이퍼(201)와 회로 기판(203) 사이를 이동하거나, 회로 기판(203)에 칩(205)을 본딩하는 작업을 수행하기 위해 수직 이동을 할 수 있다.
광학 유닛(105)은 회로 기판(203)에서 칩(205)을 본딩할 위치인 본딩 위치를 검출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도제 제조 장치(1)에서 광학 유닛(105)은 갠트리 프레임(111)상에 본딩 헤드(101, 103)와 나란히 배치되어, 갠트리 프레임(111)을 따라 수평 이동을 할 수 있다. 광학 유닛(105)은 회로 기판(103) 위로 이동하여 회로 기판(103)에 칩(205)을 본딩할 위치를 검출하게 되면, 이러한 본딩 위치 정보는 본딩 헤드(101, 103)에게 전달되어 본딩 헤드(101, 103)가 회로 기판(103) 상에 도달했을 때 정확한 본딩 위치에 칩(205)을 본딩하도록 한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도제 제조 장치(1)는 하부 광학 유닛(105')을 더 포함할 수 있다. 하부 광학 유닛(105')은 본딩 헤드(101, 103)에 부착되어 이동하는 칩(205)의 상태 정보를 광학 유닛(105)에 제공하여, 광학 유닛(105)이 본딩 위치를 정확히 검출할 수 있도록 한다.
픽업 유닛(301)은 웨이퍼(201)로부터 전기적으로 양호한 상태의 칩(205)을 선별하여, 선별된 칩(205)을 픽업하여 본딩 장치(101, 103)에 공급한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도제 제조 장치(1)의 픽업 유닛(301)은 웨이퍼(201)로부터 선별된 칩(205)을 픽업하고 플립(flip)한 후, 칩(205)을 본딩 헤드(101, 103)까지 트랜스퍼(transfer)할 필요 없이, 웨이퍼(201) 상부에 위치한 본딩 헤드(101, 103)에 칩(205)을 바로 부착하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)의 갠트리 프레임(111)은 내부에 중공(117)을 포함할 수 있고, 본딩 헤드(101, 103)와 광학 유닛(105)은 중공(117) 내에 이동 가능하도록 고정될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)의 갠트리 프레임(111)은 강성과 내열성이 높은 재질, 예를 들어 세라믹 물질을 포함한 재질로 이루어질 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 제1 동작예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 본딩 헤드(101, 103)와 광학 유닛(105)은 모두 갠트리 프레임(111) 상에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)에서, 본딩 헤드(101, 103)와 광학 유닛(105)은 갠트리 프레임(111)의 길이 방향을 따르는 동일 축선 상에 배치될 수 있다. 이와 같이, 본딩 헤드(101, 103)와 광학 유닛(105)을 동일 축선 상에 배치함으로써, 본딩 헤드(101, 103)와 광학 유닛(105) 간 기구 오차를 최소화할 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 갠트리 프레임(111) 상에 배치된 본딩 헤드(101, 103)와 광학 유닛(105)은 갠트리 프레임(111)을 따라 웨이퍼(201)와 회로 기판(203) 사이를 수평 이동할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 제2 동작예를 설명하기 위한 도면이다. 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)의 본딩 헤드(101) 및 광학 유닛(105)은 웨이퍼(201)가 제공되는 영역(이하, '제1 영역')과 칩(205)의 본딩이 이루어지는 회로 기판(203)이 제공되는 영역(이하, '제2 영역') 사이에서 칩(205)의 본딩 작업을 수행한다.
구체적으로, 도 3a를 참조하면, 칩(205)을 공급받기 위한 본딩 헤드(101)는 갠트리 프레임(111)을 따라 제1 영역의 상부로 수평 이동한다. 다음으로, 픽업 유닛(301)은 제1 영역에 배치된 적어도 하나의 칩(205)을 픽업하여, 픽업된 칩(205)을 본딩 헤드(101)에 공급한다. 픽업 유닛(301)이 칩(205)을 픽업하기 전에 미리 본딩 헤드(101)를 제1 영역의 상부로 이동시킴으로써, 픽업 유닛(301)은 픽업한 칩(205)을 별도로 트랜스퍼할 필요 없이, 제1 영역의 상부에 대기 중인 본딩 헤드(101)에 칩(205)을 바로 부착할 수 있다. 이러한 방식으로, 칩(205)을 트랜스퍼하기 위한 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 회로 기판(203)의 본딩 위치를 검출하기 위한 광학 유닛(105)은 상술한 과정이 수행되는 동안 제2 영역의 상부에 위치할 수 있다. 칩(205)을 부착한 본딩 헤드(101)이 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안, 광학 유닛(105)은 회로 기판(203) 상의 본딩 위치를 검출할 수 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 하부 광학 유닛(105')은 칩(205)을 부착한 본딩 헤드(101)이 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안 본딩 헤드(101)에 부착되어 이동하는 칩(205)의 상태 정보를 검출한 후, 이러한 상태 정보를 광학 유닛(105)에 제공하여, 광학 유닛(105)이 본딩 위치를 정확히 검출할 수 있도록 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)에서는 회로 기판(203)을 위에서 아래로 내려다보며 본딩 위치를 검출하는 플라잉 비전(flying vision) 방식의 광학 유닛(205)을 사용함으로써, 종래의 상하 동시 식별 구조의 광학계에 비해 열에 의한 변형을 최소화할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본딩 헤드(101)는 칩(205)을 부착한 본딩 헤드(101)가 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안 검출된 본딩 위치의 상부로 이동한다. 본딩 헤드(101)가 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안 광학 유닛(105)이 본딩 위치를 검출하므로, 제2 영역에 도달한 본딩 헤드(101)는 추가적인 별도의 작업을 할 필요 없이, 검출된 본딩 위치에 바로 칩(205)을 본딩할 수 있다. 따라서, 본딩 시간을 단축시키고 생산성을 향상시킬 수 있다. 다음으로, 도 3c를 참조하면, 본딩 헤드(101)는 칩(205)을 본딩하기 위해 회로 기판(203)을 향해 수직 이동을 할 수 있고, 회로 기판(203)의 본딩 위치에 칩(205)을 배치한 후, 열과 힘을 가해 칩(205)을 본딩하게 된다. 이와 같이, 칩(205)을 본딩하기 위해서는 본딩 헤드(101)가 가열되어야 하고, 가열된 본딩 헤드(101)는 다음 본딩 작업을 수행하기 위해 냉각될 필요가 있다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 제3 동작예를 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)의 본딩 헤드(101, 103)는 제1 영역과 제2 영역 사이에서 칩(205)의 본딩 작업을 번갈아 수행한다.
구체적으로, 도 4a를 참조하면, 본딩 헤드(101, 103)는 갠트리 프레임(111)을 따라 제1 영역의 상부로 수평 이동한다. 다음으로, 픽업 유닛(301)은 제1 영역에 배치된 적어도 하나의 칩(205)을 픽업하여, 픽업된 칩(205)을 본딩 헤드(101)에 공급한다. 한편, 회로 기판(203)의 본딩 위치를 검출하기 위한 광학 유닛(105)은 상술한 과정이 수행되는 동안 제2 영역의 상부에 위치할 수 있고, 본딩 헤드(101, 103)가 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안, 광학 유닛(105)은 회로 기판(203) 상의 본딩 위치를 검출할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본딩 헤드(101, 103)는 본딩 헤드(101, 103)가 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안 검출된 본딩 위치의 상부로 이동한다. 본딩 헤드(101, 103)가 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안 광학 유닛(105)이 본딩 위치를 검출하므로, 제2 영역에 도달한 칩(105)을 부착한 본딩 헤드(101)는 추가적인 별도의 작업을 할 필요 없이, 검출된 본딩 위치에 바로 칩(205)을 본딩할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 본딩 헤드(101)는 칩(205)을 본딩하기 위해 회로 기판(203)을 향해 수직 이동을 할 수 있고, 회로 기판(203)의 본딩 위치에 칩(205)을 배치한 후, 열과 힘을 가해 칩(205)을 본딩하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)의 본딩 헤드(101)는 칩(205)을 본딩하기 위해 가열된 가열 영역(211)를 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 가열 영역(211)은, 예를 들어 본딩 헤드(101) 내부에 구비된 히터에 의해 형성될 수 있다.
다음으로, 도 4d를 참조하면, 본딩 헤드(101, 103)는 갠트리 프레임(111)을 따라 제2 영역으로부터 제1 영역의 상부로 수평 이동하고, 이 때, 본딩 헤드(101)의 가열 영역(211)이 냉각된다. 그런데, 본딩 헤드(101, 103)가 제2 영역으로부터 제1 영역의 상부로 이동하는 동안 가열 영역(211)이 완전히 냉각되기 어려울 수 있다. 따라서, 본딩 헤드(101)가 하나의 칩(205)에 대한 본딩 작업을 완료한 후 곧바로 다른 칩(207)에 대한 본딩 작업을 수행하기 위해 본딩 헤드(101)는 가열 영역(211)이 모두 냉각될 때까지 기다려야 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)는 2개의 본딩 헤드(101, 103)를 구비하여, 하나의 본딩 헤드(101)가 본딩 작업을 수행하는 동안 다른 하나의 본딩 헤드(103)를 냉각시킨다.
구체적으로, 도 4e 내지 4g를 참조하면, 본딩 헤드(101)가 냉각되는 동안 본딩 헤드(103)가 칩(207)에 대한 본딩 작업을 수행한다. 즉, 본딩 헤드(101)가 냉각되는 동안, 픽업 유닛(301)은 제1 영역에 배치된 칩(207)을 픽업하여, 픽업된 칩(207)을 본딩 헤드(103)에 공급하고, 본딩 헤드(103)는 본딩 헤드(101, 103)가 제1 영역에서 제2 영역으로 이동하는 동안 광학 유닛(105)에 의해 검출된 본딩 위치의 상부로 이동한다. 다음으로, 도 4h를 참조하면, 본딩 헤드(103)는 회로 기판(203)의 본딩 위치에 칩(207)을 배치한 후, 열과 힘을 가해 칩(207)을 본딩하게 된다. 이 과정에서 본딩 헤드(103) 하부에는 가열 영역(213)이 생성된다.
이후에는, 상술한 것과 마찬가지의 방식으로, 본딩 헤드(103)가 냉각되는 동안 본딩 헤드(101)가 새로운 칩에 대한 본딩 작업을 수행할 것이다. 이와 같이 2개의 본딩 헤드(101, 103)가 본딩 작업을 번갈아 수행함에 따라, 본딩 작업 사이에 발생할 수 있는 지연을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5a는 본딩 공정 중 본딩 헤드의 온도 변화를 그래프로 나타낸 도면이고, 도 5b는 단일의 본딩 헤드를 사용한 본딩 공정 중 본딩 헤드의 온도 변화를 그래프로 나타낸 도면이고, 5c는 2개의 본딩 헤드를 사용한 본딩 공정 중 본딩 헤드의 온도 변화를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, 그래프는 하나의 칩(205)을 본딩하는 과정 동안의 본딩 헤드(101, 103)의 온도 변화를 나타낸다. 그래프의 x축은 본딩 작업이 수행되는 시간을 나타내고, y축은 작업 시간에 따른 본딩 헤드(101, 103)의 온도를 나타내며, t1에서 t1'까지의 구간은 하나의 칩(205)을 본딩하는 단위 작업의 소요 시간을 나타낸다.
구체적으로, 단위 작업이 시작되는 시점 t1에서의 본딩 헤드(101, 103)의 온도는 T1이다. 그리고 본딩 헤드(101, 103)가 칩(205)을 본딩할 본딩 위치에 도달하여 본딩을 수행하면, 본딩 헤드(101, 103)의 온도는 T2까지 상승한다. 여기서, 그래프 상의 t2는 회로 기판(203)에서 칩(205)의 본딩이 완료된 시점을 나타낸다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 본딩 헤드(101, 103)의 온도 상승 구간은 온도가 일정한 두 구간을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 온도가 일정한 첫번째 구간은 NCF 멜팅 공정(NCF Melting)을 수행하는 구간에 해당될 수 있고, 온도가 일정한 두번째 구간은 금속 결합 공정(Metal Joining)을 수행하는 구간에 해당될 수 있다. 이후, 본딩을 완료한 본딩 헤드(101, 103)의 온도는 다시 T1으로 하강하게 되며, 단일의 본딩 헤드를 사용하는 경우라면, t1'에서 새로운 본당 작업이 시작될 수 있다. 도 5b는 단일의 본딩 헤드를 사용하여 연속으로 5개의 칩을 본딩하는 경우의 본딩 헤드의 온도를 나타낸 것이다.
도 5c를 참조하면, 그래프는 칩 본딩 공정 동안의 본딩 헤드(101, 103)의 온도 변화를 나타낸다. 도 4a 내지 도 4h와 관련하여 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)의 본딩 헤드(101, 103)는 제1 영역과 제2 영역 사이에서 칩(205)의 본딩 작업을 번갈아 수행할 수 있다. 도 5a를 같이 참조하면, 도 5a에 도시된 t3는 칩 본딩 공정을 마친 본딩 헤드(101)가 냉각되면서 제2 영역으로부터 제1 영역으로 이동한 시점을 나타낸다. 즉, t3에서는 본딩 헤드(101)는 T3의 온도 상태에 있으므로 다음 본딩 공정을 아직 수행할 수 없지만, 다른 본딩 헤드(103)는 다음 본딩 공정을 바로 시작할 수 있는 시점이다. 따라서, 본딩 헤드(101)가 완전히 냉각될 때까지 기다리지 않고, t3에서 본딩 헤드(103)가 다음 본딩 공정을 바로 시작할 수 있으며, 도 5c에 도시된 ta, tb, tc, td, te, tf는 모두, 도 5a의 t3과 같이, 하나의 본딩 헤드(101)가 냉각되는 중에 다른 본딩 헤드(103)가 본딩 작업을 시작할 수 있는 시점을 나타낸다. 이와 같이 2개의 본딩 헤드(101, 103)가 본딩 작업을 번갈아 수행함에 따라, 본딩 작업 사이에 발생할 수 있는 지연을 효과적으로 방지할 수 있고, 도 5b와 도 5c로부터 알 수 있는 바와 같이, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치에 사용되는 본딩 헤드 지지 구조를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)에 사용되는 본딩 헤드(101)는 갠트리 프레임(111)의 중공(117) 내부에 지지될 수 있다. 구체적으로, 본딩 헤드(101)는 갠트리 프레임(111)의 제1 프레임 면(113) 및 제2 프레임 면(115)의 양면에 의해 지지되어, 본딩력에 의한 반도체 제조 장치 또는 기판의 변형을 최소화할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치(1)는 본딩 헤드(101)를 이동시키는 구동 모터(303)와, 본딩 헤드(101)의 이동 위치를 나타내는 스케일(311)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 구동 모터(303)와 스케일(311)은 본딩 헤드(101)를 중심으로 반대편에 배치됨으로써, 구동 모터(303)에서 발생되는 열에 의한 반도체 제조 장치 또는 기판의 변형을 최소화할 수 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 구동 모터(303)를 갠트리 프레임(111)과 연결하는 구동 모터 연결부(305)를, 예컨대, 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)을 비롯한 열변형이 작은 재질로 구성하여 구동 모터(303)에서 발생되는 열을 더욱 효과적으로 차단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치(2)는 한 쌍의 갠트리 프레임(111a, 111b)에 각각 구비된 본딩 헤드(101a, 103a, 101b, 103b), 광학 유닛(105a, 105b)를 포함할 수 있다. 2개의 갠트리 프레임(111a, 111b)를 병렬로 구성하고, 각각의 갠트리 프레임(111a, 111b)에 웨이퍼(201a, 201b)와 회로 기판(203a, 203b)을 각각 제공함으로써, 칩 본딩 작업의 생산성을 더 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 개략도이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치에 사용되는 냉각 블록을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치(3)는 본딩 헤드(401) 및 냉각 블록(403)을 포함한다.
구체적으로, 본딩 헤드(401)는 칩(605, 607, 609)을 가열할 수 있는 히터(405)를 포함하고, 칩(605, 607, 609)을 회로 기판(603)에 본딩한다. 냉각 블록(403)은 히터(405)에 인접하여 형성되고, 그 내부에 냉각 액체가 흐를 수 있도록 한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 냉각 액체는 높은 비열을 갖는 물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 9를 같이 참조하면, 냉각 블록(403)은 냉각 액체가 흐르는 통로로서 내부 유로(435)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치(3)는 냉각 액체를 냉각 블록(403)에 공급하는 냉각 장치(411)와, 냉각 장치(411)와 냉각 블록(403) 사이에 형성된 밸브(413)를 더 포함할 수 있다. 냉각 장치(411)와 냉각 블록(403)은 유로(431, 432)를 통해 연결될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치(3)는 밸브(413)와 냉각 블록(403) 사이에 형성되고, 히터(405)가 가열되는 동안 냉각 블록(403) 내의 냉각 액체를 제거하는 퍼지(purge) 유닛(423)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치(3)에서, 히터(405)가 가열되는 동안에는 냉각 블록(403) 내의 냉각 액체를 제거하고, 히터(405)가 냉각되는 동안에는 냉각 블록(403) 내에 냉각 액체를 공급한다. 예를 들어, 밸브(413)는 히터(405)가 가열되는 동안 폐쇄되고, 히터(405)가 냉각되는 동안 개방됨으로써, 냉각 블록(403)으로의 냉각 액체의 공급을 조절할 수 있다. 또한, 히터(405)가 가열되는 동안 퍼지 유닛(423)은 외부 공기 유입부(421)를 통해 외부 공기를 유입시켜 냉각 블록(403) 내의 냉각 액체를 제거할 수 있다. 한편, 냉각 블록(403)에 공급된 냉각 액체는 유로(432)를 통해 냉각 장치(411)로 회귀하여 냉각 장치(411)에 의해 재냉각된 후, 유로(431)을 통해 다시 냉각 블록(403)으로 공급될 수 있다.
이와 같이, 본딩 헤드(401)의 승온 시에는 냉각 액체의 공급을 제한하고, 본딩 헤드(401)의 냉각 시에만 냉각 액체를 공급함으로써, 높은 온도의 공정에서 냉각 액체가 기화되어 본딩 헤드(401)를 비롯한 반도체 제조 장치(3)에 압력을 가해 손상을 주는 것을 방지할 수 있다. 또한, 냉각 액체로서 비열이 큰 물을 사용함으로써 냉각 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 냉각 액체를 순환시켜 재사용함으로써 반도체 제조 장치(3)에 분진이 발생하는 것을 방지하고 공정 비용을 절약할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치(4)는 본딩 헤드(501), 공기 주입부(503) 및 브라켓(507, 509)를 포함한다.
구체적으로, 본딩 헤드(501)는 칩(605, 607, 609)을 가열할 수 있는 히터(505)를 포함하고, 칩(605, 607, 609)을 회로 기판(603)에 본딩한다. 공기 주입부(503)는 히터(505)에 냉각 기체를 공급하고, 본딩 헤드(501)는 냉각 기체를 본딩 헤드(501)의 외부로 배출시키는 배출구를 포함한다. 브라켓(507, 509)은 배출구에 형성되어 냉각 기체의 배출 방향이 본딩 헤드(501)의 상부를 향하게 한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 배출구와 브라켓(507, 509)은 본딩 헤드(501)의 측면에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본딩 헤드(501)를 냉각시키기 위한 냉각 기체를 본딩 헤드(501)의 외부로 배출할 때, 배출 방향을 본딩 헤드(501)의 상부를 향하게 함으로써, 회로 기판(603)이 오염되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 장치 및 방법에 의해, 반도체 칩을 본딩하는 공정에 소요되는 시간을 단축시키고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 반도체 칩을 본딩하는 공정 중 발생하는 열에 대한 반도체 제조 장치 및 회로 기판의 변형을 최소화하고 본딩 정밀도를 높일 수 있다. 한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 장치 및 방법에 의해, 냉각 효율을 높이고 분진 발생을 억제하여 회로 기판이 오염되는 것을 방지할 수 있을 뿐아니라, 냉각 공정의 비용을 절감할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 2, 3, 4: 반도체 제조 장치 101, 103: 본딩 헤드
105: 광학 유닛 105': 하부 광학 유닛
111: 갠트리 프레임 113: 제1 프레임 면
115: 제2 프레임 면 117: 중공
201: 웨이퍼 203: 회로 기판
205, 207: 칩 211, 213: 가열 영역
301: 픽업 유닛 303: 구동 모터
305: 구동 모터 연결부 311: 스케일
401: 본딩 헤드 403: 냉각 블록
405: 히터 411: 냉각 장치
413: 밸브 421: 외부 공기 유입부
423: 퍼지 유닛 431, 432: 유로
435: 내부 유로 501: 본딩 헤드
503: 공기 주입부 505: 히터
507, 509: 브라켓 603: 회로 기판
605, 607, 609: 칩

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  5. 칩을 가열하는 히터를 포함하고, 상기 히터를 가열하여 상기 칩을 회로 기판에 본딩하는 본딩 헤드; 및
    상기 히터에 인접하여 형성되고, 내부에 냉각 액체가 흐를 수 있는 냉각 블록을 포함하고,
    상기 히터가 가열되는 동안에는 상기 냉각 블록 내의 상기 냉각 액체를 제거하고,
    상기 히터가 냉각되는 동안에는 상기 냉각 블록 내에 상기 냉각 액체를 공급하는 반도체 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각 액체를 상기 냉각 블록에 공급하는 냉각 장치와,
    상기 냉각 장치와 상기 냉각 블록 사이에 형성된 밸브를 더 포함하고,
    상기 밸브는 상기 히터가 가열되는 동안 폐쇄되고, 상기 히터가 냉각되는 동안 개방되는 반도체 제조 장치.
  7. 칩을 가열하는 히터를 포함하고, 상기 히터를 가열하여 상기 칩을 회로 기판에 본딩하는 본딩 헤드;
    상기 히터에 냉각 기체를 공급하기 위한 공기 주입부; 및
    상기 냉각 기체를 상기 본딩 헤드의 외부로 배출시키는 배출구에 형성된 브라켓을 포함하고,
    상기 브라켓은 상기 냉각 기체의 배출 방향이 상기 본딩 헤드의 상부를 향하게 하고,
    상기 히터가 가열되는 동안에는 상기 브라켓을 통해 상기 냉각 기체를 제거하고,
    상기 히터가 냉각되는 동안에는 상기 공기 주입부를 통해 상기 냉각 기체를 공급하는 반도체 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 본딩 헤드는 제1 본딩 헤드 및 제2 본딩 헤드를 포함하고,
    상기 제1 본딩 헤드가 상기 칩을 가열하여 본딩하는 동안 상기 제2 본딩 헤드를 냉각시키는 반도체 제조 장치.
  9. 제1 온도(T1)에서, 제1 영역에 배치된 적어도 하나의 칩을 픽업하여 상기 칩을 가열하는 히터를 포함하는 본딩 헤드에 부착하고,
    상기 본딩 헤드를 상기 제1 영역에서 제2 영역에 배치된 회로 기판 상으로 이동시키고,
    상기 히터를 가열하여 상기 제1 온도(T1)보다 높은 제2 온도(T2)에서 상기 회로 기판 상의 본딩 위치에 상기 칩을 본딩하고,
    상기 히터에 인접하여 형성되고 내부에 냉각 액체가 흐를 수 있는 냉각 블록에 의해, 상기 본딩 헤드를 상기 제1 온도(T1)보다 높고 상기 제2 온도(T2)보다 낮은 제3 온도(T3)까지 냉각시키는 것을 포함하고,
    상기 본딩 위치는 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 동안 검출되고,
    상기 히터가 가열되는 동안에는 상기 냉각 블록 내의 상기 냉각 액체를 제거하고,
    상기 히터가 냉각되는 동안에는 상기 냉각 블록 내에 상기 냉각 액체를 공급하는 반도체 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 본딩 헤드는 제1 본딩 헤드 및 제2 본딩 헤드를 포함하고,
    상기 본딩 위치는 제1 본딩 위치 및 제2 본딩 위치를 포함하고,
    상기 제1 온도(T1)에서, 상기 제1 영역에 배치된 제1 칩을 픽업하여 상기 제1 본딩 헤드에 부착하고,
    상기 제1 본딩 헤드를 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역에 배치된 회로 기판 상으로 이동시키고,
    상기 제2 온도(T2)에서 상기 회로 기판 상의 제1 본딩 위치에 상기 제1 칩을 본딩하고,
    상기 제1 본딩 헤드를 상기 제3 온도(T3)까지 냉각시키는 것을 포함하고,
    상기 제2 본딩 헤드가 상기 제1 영역에 배치된 제2 칩을 픽업하여 상기 제2 영역에 배치된 회로 기판의 제2 본딩 위치에 본딩하는 동안, 상기 제1 본딩 헤드는 상기 제3 온도(T3)부터 상기 제1 온도(T1)까지 냉각되는 반도체 제조 방법.
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