KR102306763B1 - 친수성 계측 장치, 친수성 계측 방법, 본딩 장치 및 본딩 방법 - Google Patents

친수성 계측 장치, 친수성 계측 방법, 본딩 장치 및 본딩 방법 Download PDF

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Abstract

대상체의 친수성을 효율적으로 계측할 수 있는 친수성 계측 장치 및 이를 구비한 본딩 장치, 그리고 친수성 계측 방법 및 본딩 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 방법은 대상체의 상부로부터 하방으로 상기 대상체 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 단계; 상기 도포 영상에서 상기 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 단계; 및 상기 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 상기 대상체의 친수성을 계측하는 단계를 포함한다.

Description

친수성 계측 장치, 친수성 계측 방법, 본딩 장치 및 본딩 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING HYDROPHILICITY, BONDING APPARATUS AND BONDING METHOD}
본 발명은 친수성을 계측하는 장치 및 방법, 기판 상에 다이 등의 접합 대상을 접합하는 접합 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 등의 대상체 상부에 설치된 수직 광학계에 의해 대상체 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상(spread image)을 획득하고, 도포 영상을 기반으로 대상체의 친수성을 계측하는 친수성 계측 장치 및 친수성 계측 방법, 본딩 장치 및 본딩 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판, 발수성 유리 등의 다양한 검사 대상체의 친수성(hydrophilicity), 소수성(hydrophobicity)을 측정하기 위한 방법으로, 이미지 분석 방법이 사용되고 있다. 도 1은 종래의 친수성 계측 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 친수성 계측 방법은 검사 대상체(S) 상에 액적(DR)을 도포하고, 검사 대상체(S) 상에 액적(DR)이 도포된 상태를 측방에서 촬영한 후, 촬영된 영상에서 검사 대상체(S)에 대한 액적(DR)의 접촉각(θ)을 측정하는 방식으로 검사 대상체(S)의 친수성을 계측한다. 즉, 액적(DR)의 접촉각(θ)이 작을수록 친수성이 높은 것으로 판정하고, 접촉각(θ)이 클수록 소수성(발수성)이 높은 것으로 판정한다.
그러나, 종래의 친수성 계측 방법은 카메라의 촬영 방향에 따라, 액적(DR)의 접촉각(θ)이 다르게 측정되고, 촬영 방향에 따라 검사 대상체(S)의 친수성 측정값이 변화하게 되는 문제가 있다. 또한, 검사 대상체(S)에 대한 친수화 또는 발수 처리 방식에 따라, 검사 대상체(S) 상의 영역 별로 친수성 또는 소수성이 변화하는 경우가 있는데, 종래의 친수성 계측 방법으로는 액적(DR)의 주변 둘레 방향을 따라 검사 대상체(S)의 친수성을 한번에 측정할 수 없다. 액적(DR)의 주변 둘레 방향을 따라 검사 대상체(S)의 친수성을 정밀하게 계측하기 위해서는 액적(DR)의 둘레를 따라 카메라를 이동시키면서 여러 각도에서 액적(DR)을 촬상하고, 촬상된 영상들에서 각각 액적(DR)의 접촉각(θ)을 측정해야 한다. 또한, 종래의 친수성 계측 방법은 검사 대상체(S) 상에 반도체 소자 등의 부품이 집적되어 액적(DR)을 가리게 될 경우, 카메라에 의해 액적(DR)이 검사 대상체(S)에 닿는 부분을 촬영하지 못하게 되어 액적(DR)의 접촉각(θ)을 측정하지 못하게 되기도 한다.
한편, 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 다른 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.
본 발명은 대상체(예를 들어, 기판 또는 다이)의 친수성을 효율적으로 계측할 수 있는 친수성 계측 장치 및 이를 구비한 본딩 장치, 그리고 친수성 계측 방법 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 대상체의 영역별로 친수성을 빠르고 정확하게 계측할 수 있는 친수성 계측 장치 및 이를 구비한 본딩 장치, 그리고 친수성 계측 방법 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 기판 상에 접합 대상을 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 기판과 접합 대상의 접합 공정(가접합 공정 및 본접합 공정)에 소요되는 공정 시간을 단축시킬 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 친수성 계측 방법은 대상체의 상부로부터 하방으로 상기 대상체 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 단계; 상기 도포 영상에서 상기 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 상기 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 단계; 및 상기 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 상기 대상체의 친수성을 계측하는 단계를 포함한다.
상기 대상체의 친수성을 계측하는 단계는 상기 액적의 면적이 클수록 상기 대상체의 친수성이 높은 것으로 판단할 수 있다.
상기 대상체의 친수성을 계측하는 단계는 상기 액적의 밝기가 밝을수록 상기 대상체의 친수성이 높은 것으로 판단할 수 있다.
상기 퍼짐 상태를 측정하는 단계는 상기 액적의 엣지 부분의 그레이 레벨을 측정하여 상기 액적의 밝기를 측정할 수 있다.
상기 퍼짐 상태를 측정하는 단계는 상기 액적의 중심 부분의 그레이 레벨과, 상기 액적의 엣지 부분의 그레이 레벨 간의 밝기 차이값을 측정하고, 상기 대상체의 친수성을 계측하는 단계는 상기 밝기 차이값이 클수록 상기 대상체의 친수성이 낮은 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 방법은 상기 액적의 둘레를 따라 상기 밝기 차이값을 측정하여 상기 친수성을 계측하고, 상기 밝기 차이값이 기준값을 초과하는 영역을 친수 처리 대상 영역으로 결정할 수 있다.
상기 퍼짐 상태를 측정하는 단계는, 상기 도포 영상을 파장대역별로 필터링하여 복수개의 상이한 파장대역들을 가지는 도포 영상들을 생성하는 단계; 및 상기 도포 영상들에 대해 액적의 밝기들을 측정하여 상기 액적의 밝기들을 통계 처리하여 상기 액적의 밝기를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 계측 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 대상체의 상부로부터 하방으로 상기 대상체 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 촬상부; 상기 도포 영상에서 상기 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 상기 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 측정부; 및 상기 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 상기 대상체의 친수성을 계측하는 친수성 계측부를 포함하는 친수성 계측 장치가 제공된다.
상기 친수성 계측부는 상기 액적의 면적이 클수록 상기 대상체의 친수성이 높은 것으로 판단할 수 있다.
상기 친수성 계측부는 상기 액적의 밝기가 밝을수록 상기 대상체의 친수성이 높은 것으로 판단할 수 있다.
상기 측정부는 상기 액적의 엣지 부분의 그레이 레벨을 측정하여 상기 액적의 밝기를 측정할 수 있다.
상기 측정부는 상기 액적의 중심 부분의 그레이 레벨과, 상기 액적의 엣지 부분의 그레이 레벨 간의 밝기 차이값을 측정하고, 상기 친수성 계측부는 상기 밝기 차이값이 클수록 상기 대상체의 친수성이 낮은 것으로 판단할 수 있다.
상기 측정부는 상기 액적의 둘레를 따라 상기 밝기 차이값을 측정하고, 상기 친수성 계측부는 상기 밝기 차이값이 기준값을 초과하는 영역을 친수 처리 대상 영역으로 결정할 수 있다.
상기 측정부는, 상기 도포 영상을 파장대역별로 필터링하여 복수개의 상이한 파장대역들을 가지는 도포 영상들을 생성하는 필터링부; 및 상기 도포 영상들에 대해 액적의 밝기들을 측정하는 복수개의 밝기 측정부를 포함하고, 상기 친수성 계측부는 상기 액적의 밝기들을 통계 처리하여 상기 액적의 밝기를 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기판 상의 접합 영역에 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서, 상기 기판 상의 접합 영역을 친수화 처리하는 단계; 상기 기판 상의 접합 영역에 액적을 도포하는 단계; 상기 기판의 상부에서 상기 기판 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 단계; 상기 도포 영상에서 상기 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 상기 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 단계; 상기 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하는 단계; 및 상기 친수성이 허용 범위를 만족하는 경우, 상기 액적에 의해 형성된 상기 기판 상의 액막에 상기 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함하는 본딩 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은 상기 기판 상의 접합 영역에 접합될 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 상기 접합면을 친수화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기판 상에 접합 대상을 접합하기 위한 본딩 장치에 있어서, 상기 기판을 지지하는 본딩 스테이지; 상기 기판 상의 접합 영역을 친수화 처리하는 친수화 처리부; 상기 기판 상의 접합 영역에 액적을 도포하는 액적 도포부; 및 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하는 친수성 계측 장치를 포함하고, 상기 친수성 계측 장치는, 상기 기판의 상부에서 상기 기판 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 촬상부; 상기 도포 영상에서 상기 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 상기 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 측정부; 및 상기 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하는 친수성 계측부를 포함하는 본딩 장치가 제공된다.
상기 친수화 처리부는 하나 또는 복수개의 플라즈마 장치를 포함하고, 상기 플라즈마 장치는 플라즈마 팁으로부터 상기 기판 상의 접합 영역에 플라즈마를 발생시켜 상기 접합 영역을 친수화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 장치는 지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 픽업하여 상기 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 기판의 상부 영역으로 이송하는 본딩 헤드; 및 상기 지지 유닛과 상기 본딩 스테이지 사이의 상기 접합 대상의 이송 경로에 설치되고, 상기 접합 대상의 이동 중에 상기 본딩 헤드에 픽업된 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화하는 하나 또는 복수개의 플라즈마 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 대상체(예를 들어, 기판 또는 다이)의 친수성을 효율적으로 계측할 수 있는 친수성 계측 장치 및 이를 구비한 본딩 장치, 그리고 친수성 계측 방법 및 본딩 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 대상체의 영역별로 친수성을 빠르고 정확하게 계측할 수 있는 친수성 계측 장치 및 이를 구비한 본딩 장치, 그리고 친수성 계측 방법 및 본딩 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 기판 상에 접합 대상을 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 기판과 접합 대상의 접합 공정(가접합 공정 및 본접합 공정)에 소요되는 공정 시간을 단축시킬 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법이 제공된다.
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 1은 종래의 친수성 계측 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2 내지 도 4는 종래의 다이 본딩 공정을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 장치를 구성하는 분석부의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 방법의 흐름도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 촬상된 도포 영상들의 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 도포 영상에서 액적의 면적을 산출하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 도포 영상에서 액적의 밝기를 산출하여 대상체의 친수성을 계측하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 R, G, B 영상들로부터 대상체의 친수성을 계측하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법의 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 지지 유닛과 대기압 플라즈마 장치 및 본딩 스테이지의 배열을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치 및 친수성 계측 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 다수의 다이가 가접합된 것을 예시한 도면이다.
도 26 내지 도 30은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다.
도 32는 도 31의 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다.
도 34는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치를 보여주는 도면이다.
도 35는 도 34에 도시된 플라즈마 장치의 동작을 보여주는 도면이다.
도 36은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다.
도 37 및 도 38은 도 36의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다.
도 39는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다.
도 40은 도 39의 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 친수성 계측 방법은 대상체의 상부로부터 하방으로 대상체 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상(spread image)을 획득하고, 도포 영상에서 액적의 면적 및/또는 밝기를 포함하는 액적의 퍼짐 상태를 측정한다. 대상체의 친수성이 높을수록 액적이 퍼지는 면적 및 액적의 밝기(예를 들어, 그레이 레벨)는 증가하고, 특히 대상체의 친수성에 따라 액적의 엣지 부분의 밝기가 크게 변화하므로, 도포 영상에서 액적의 퍼짐 상태(액적의 면적 및/또는 밝기)를 기반으로 대상체의 친수성을 계측한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 수직 광학계에 의해 촬상된 도포 영상으로부터 액적의 퍼짐 상태(액적이 퍼진 면적이나, 액적의 엣지 부분 밝기 등)를 기반으로 대상체의 친수성을 계측하므로, 대상체의 액적 주변에 돌출 구조(예를 들어, 주변 3차원 적층 반도체 소자들)가 있더라도 액적을 촬상하여 대상체의 액적 도포 영역에 대해 친수성을 계측할 수 있다. 또한, 액적의 2차원 면적 산출을 통해 대상체의 친수성을 정확하게 계측할 수 있다. 또한, 하나의 도포 영상만으로, 액적의 둘레를 따라 전 방향으로 대상체의 영역 별 친수성 분포를 효율적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은 하부 기판 상에 접합 대상(다이 또는 상부 기판)을 접합하는 방법으로서, 기판 상의 접합 영역을 친수화 처리하는 단계와, 기판 상의 접합 영역에 액적을 도포하는 단계와, 기판의 상부에서 기판 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 단계와, 도포 영상에서 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 단계와, 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하는 단계 및 액적에 의해 형성된 기판 상의 액막에 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법에 의하면, 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 기판과 다이(예를 들어, TSV 다이), 또는 기판들 간을 접합할 수 있다. 따라서, 미세 I/O 피치의 반도체 제작시 솔더 범프의 스윕(sweep), 합선 등의 불량을 방지할 수 있다. 또한, 다이들을 접합할 때마다 본접합 공정을 거치지 않고, 기판 단위로 본접합 공정을 수행할 수 있어 본딩 공정 소요 시간을 줄일 수 있다.
또한, 친수성 계측에 의해, 기판 상의 접합 영역에 도포된 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하여, 친수성이 허용 범위를 만족하는 경우에 기판 상에 접합 대상을 가접합하고, 친수성이 허용 범위를 만족하지 않는 경우에는 추가로 플라즈마 처리 등의 친수화 처리에 의해 친수성을 확보한 후 접합 대상을 가접합함으로써, 기판과 접합 대상의 가접합력을 확보할 수 있으며, 기판 상에서 접합 대상의 위치를 일정하게 유지한 상태로 열처리에 의해 본접합 공정을 하여 최종적으로 기판 상에 접합 대상을 견고하게 접합할 수 있게 된다.
이하에서, 먼저 도 5 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 장치 및 친수성 계측 방법에 대해 설명하고, 본 발명의 실시예에 따른 본딩 장치 및 본딩 방법은 도 14 내지 도 40을 참조하여 후술한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 장치의 구성도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 장치를 구성하는 분석부의 구성도이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 친수성 계측 방법의 흐름도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 친수성 계측 장치(10)는 대상체(S)의 친수성을 계측하기 위한 것으로, 촬상부(20) 및 분석부(30)를 포함한다. 촬상부(20)는 대상체(S)의 상부에 설치된다. 대상체(S)는 반도체 기판, 유리 기판 등의 기판일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 촬상부(20)는 대상체(S)의 상부로부터 하방으로 대상체(S) 상에 도포된 액적(DR)을 촬상하여 도포 영상(spread image)을 획득한다(S1). 촬상부(20)는 예를 들어, CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 카메라, CCD(Charge-Coupled Device), 컬러(Color) 카메라 등의 카메라로 제공될 수 있다. 촬상부(20)는 대상체(S)의 상부에 고정식 또는 이동식 구조로 설치될 수 있다. 실시예에서, 대상체(S)의 영역 별로 도포 영상을 획득하기 위하여, 촬상부(20)는 대상체(S) 상에서 수평 방향으로 이동 가능하게 제공될 수 있다. 또한, 촬상부(20)는 대상체(S) 와의 거리 조절을 위해 상하 방향으로 이동 가능하게 제공될 수도 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 촬상된 도포 영상들의 예시도이다. 도 8 및 도 9는 친수성이 낮은 대상체 상에 액적이 도포된 것을 촬상한 것이고, 도 10은 친수성이 높은 대상체 상에 액적이 도포된 것을 촬상한 것이다. 대상체의 친수성이 낮은 경우(소수성이 큰 경우), 대상체 상에서 액적은 넓게 퍼지지 않고, 도 8에 도시된 바와 같이 좁게 뭉쳐져 있으며, 이로 인해 도포 영상에서 액적의 밝기가 어둡게 나타나며(그레이 레벨이 낮아짐), 특히 액적의 높은 접촉각으로 인해 액적의 엣지 부분에서의 밝기가 어두워지는 것을 알 수 있다. 반대로, 대상체의 친수성이 높은 경우(소수성이 낮은 경우), 대상체 상에서 액적은 낮은 접촉각을 이루면서 도 10에 도시된 바와 같이 넓게 퍼지게 되고, 도포 영상에서 액적의 밝기가 밝아지고(높은 그레이 레벨), 특히 액적의 낮은 접촉각으로 인해 액적의 엣지 부분에서의 밝기가 밝아지는 것을 알 수 있다. 본 발명은 이와 같이 대상체의 친수성에 따라 도포 영상에서 액적의 밝기 및 면적이 변화하는 점에 착안하여, 도포 영상에서의 액적의 퍼짐 상태로부터 대상체의 친수성을 계측하는 것이다.
다시 도 5 내지 도 7을 참조하면, 촬상부(20)에 의해 획득된 도포 영상은 분석부(30)로 제공된다. 분석부(30)는 메모리(memory) 및 프로세서(processor)에 의해 도포 영상을 이미지 프로세싱(image processing)하여 대상체(S)의 친수성을 계측한다. 분석부(30)는 측정부(32, 34, 36)와 친수성 계측부(38)를 포함할 수 있다. 측정부(32, 34, 36)는 도포 영상에서 액적(DR)의 퍼짐 상태를 측정한다(S2 내지 S4). 액적의 퍼짐 상태는 도포 영상에서 액적(DR)의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 친수성 계측부(38)는 측정부(32, 34, 36)에 의해 측정된 액적(DR)의 퍼짐 상태를 기반으로, 대상체(S)의 친수성을 계측한다(S5).
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 도포 영상에서 액적의 면적을 산출하는 방법을 보여주는 도면이다. 도 5 내지 도 7, 도 11을 참조하면, 측정부(32, 34, 36)는 면적 측정부(32), 필터링부(34) 및 밝기 측정부(36)를 포함할 수 있다. 면적 측정부(32)는 도포 영상(IM)에서 액적(DR)의 면적(SA)을 측정한다. 면적 측정부(32)는 도포 영상(IM)에서 화소별 화소값(픽셀값)을 기반으로 액적(DR)에 해당하는 객체를 추출하고, 액적(DR)이 차지하는 화소들(픽셀들)의 개수를 산출하여 액적(DR)의 면적(SA)을 산출할 수 있다. 대상체(S)의 친수성이 높을수록 액적(DR)이 대상체(S) 상에 넓게 퍼지기 때문에, 친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 면적(SA)이 클수록 대상체(S)의 친수성이 높은 것으로 판단한다.
실시예에서, 친수성 계측부(38)는 액적(DR) 별로 측정된 면적(SA)을 기반으로 액적(DR)이 도포된 대상체(S)의 영역에 대한 친수성 레벨을 산출할 수 있다. 다른 실시예로, 친수성 계측부(38)는 액적(DR)이 도포된 영역을 다수개의 서브 영역들로 나누어 각 서브 영역별로 친수성 레벨을 산출할 수도 있다. 예를 들어, 면적 측정부(32)는 하나의 액적(DR)이 중심(액적의 도포 위치)으로부터 여러 방향(예를 들어, 상/하/좌/우 방향)으로, 퍼져 나간 면적들을 각각 측정할 수 있다. 구형의 액적이 대상체(S) 상에 도포되었을 때, 대상체(S) 상의 친수성이 균일한 경우, 액적(DR)은 대상체(S) 상에서 둥근 모양으로 퍼지게 된다. 그러나, 대상체(S)의 영역별로 친수성이 다를 경우, 액적(DR)은 친수성이 높은 영역으로 더 많이 퍼져 나가게 된다. 친수성 계측부(38)는 대상체(S)의 서브 영역들 중 액적(DR)이 퍼져 나가는 면적이 큰 서브 영역(방향)에 대해 친수성이 높은 것으로 판단하고, 액적(DR)이 퍼져 나가는 면적이 작은 서브 영역(방향)에 대해서는 친수성이 낮은 것으로 판단할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 도포 영상에서 액적의 밝기를 산출하여 대상체의 친수성을 계측하는 방법을 보여주는 도면이다. 도 5 내지 도 7, 도 12를 참조하면, 밝기 측정부(36)는 도포 영상(IM)에서 액적(DR)의 밝기를 측정한다. 밝기 측정부(36)는 도포 영상(IM)에서 액적(DR)의 화소(픽셀)별 또는 하나 이상의 화소를 포함하는 영역별로 그레이 레벨(Gray level)을 산출할 수 있다. 대상체(S)의 친수성이 높을수록 액적(DR)이 대상체(S) 상에 넓게 퍼져서 도포 영상(IM)에서 액적(DR)이 밝게 나타나므로, 친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 밝기가 밝을수록 대상체(S)의 친수성이 높은 것으로 판단한다. 친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 평균 밝기값 또는 일부 영역에 대한 밝기값에 따라 대상체(S)의 친수성을 계측할 수 있다.
대상체(S)의 친수성에 따라 액적(DR)의 둘레 영역의 접촉각이 크게 변동되어, 도포 영상(IM)에서 액적(DR)의 중심 부분(G1) 보다 엣지 부분(G2, G3)의 밝기가 크게 변화한다. 이에, 밝기 측정부(36)는 액적(DR)의 중심 부분(G1)과 엣지 부분(G2, G3)의 그레이 레벨을 측정하여 액적(DR)의 밝기를 측정할 수 있다. 실시예에서, 밝기 측정부(36)는 액적(DR)의 중심 부분(G1)의 그레이 레벨과, 액적(DR)의 엣지 부분(G2, G3)의 그레이 레벨 간의 밝기 차이값을 측정할 수 있다. 밝기 측정부(36)는 액적(DR)의 둘레를 따라 밝기 차이값을 측정할 수 있다. 친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 중심 부분(G1)과 엣지 부분(G2, G3) 간의 밝기 차이값이 클수록 대상체(S)의 친수성이 낮은 것으로 판단할 수 있다.
액적(DR)의 중심 부분(G1)과 엣지 부분(G2, G3) 간의 밝기 차이값을 기반으로 대상체(S)의 친수성을 계측하면, 액적(DR)의 종류 및 성분 변화에 따른 밝기 변화로 인해 대상체(S)의 친수성이 다르게 계측될 수 있는 문제를 방지할 수 있다. 친수성 계측부(38)는 밝기 차이값이 기준값을 초과하는 영역을 친수 처리대상 영역(A1)으로 결정할 수 있다. 즉, 액적(DR)의 중심 부분(G1)에 비해 밝기가 어두운 엣지 부분(G3)은 대상체(S)의 친수성이 낮아 접촉각이 큰 것을 의미하므로, 해당 엣지 부분(G3)을 친수 처리대상 영역(A1)으로 결정하고, 친수 처리대상 영역(A1)에 대하여는 플라즈마 등의 친수화 처리를 추가로 수행하는 등의 조치를 취할 수 있다. 또한, 친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 중심 부분(G1)과 엣지 부분(G2, G3) 간의 밝기 차이가 작은 영역(밝기 차이값이 기준값 이상인 영역)을 발수 처리대상 영역으로 결정할 수도 있다.
친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 면적 및 밝기를 모두 고려하여 대상체(S)의 친수성을 측정할 수 있다. 실시예에서, 친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 면적을 기반으로 산출된 제1 친수성 값과, 액적(DR)의 밝기 또는 밝기차를 기반으로 산출된 제2 친수성 값을 통계 처리(예를 들어, 평균값 또는 가중 평균값 산출 등)하여 대상체(S)의 친수성을 측정할 수 있다. 또는, 친수성 계측부(38)는 액적(DR)의 면적 및 밝기가 설정 조건을 모두 만족하는 경우, 대상체(S)의 친수성이 허용 범위를 만족하는 것으로 판정할 수도 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 R, G, B 영상들로부터 대상체의 친수성을 계측하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5 내지 도 7, 도 13을 참조하면, 필터링부(34)는 도포 영상을 파장대역(예를 들어, 적색/녹색/청색 파장 대역)별로 필터링하여 적색(R)/녹색(G)/청색(B) 파장대역의 도포 영상들을 생성할 수 있다. 밝기 측정부(36)는 서로 다른 파장대역의 도포 영상들로부터 밝기를 측정하는 제1 내지 제3 밝기 측정부(36a, 36b, 36c)를 포함할 수 있다. 제1 밝기 측정부(36a)는 적색(R) 파장대역의 도포 영상에서 액적(DR)의 밝기를 측정하고, 제2 밝기 측정부(36b)는 녹색(G) 파장대역의 도포 영상에서 액적(DR)의 밝기를 측정하고, 제3 밝기 측정부(36c)는 청색(B) 파장대역의 도포 영상에서 액적(DR)의 밝기를 측정한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 밝기 측정부(36)는 액적의 종류(L1, L2, L3) 별로, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 파장대역의 도포 영상들에서의 액적(DR)의 밝기들의 반영 비율을 포함하는 테이블을 저장부에 저장하고 있다. 밝기 측정부(36)는 액적의 종류(L1, L2, L3)에 따라 적색/녹색/청색 파장대역에서 산출된 액적(DR)의 밝기들의 반영 비율을 조절하여, 최종적으로 액적(DR)의 밝기를 산출할 수 있다. 이에 따라, 액적(DR)의 고유 색상에 따른 편차를 고려하여 액적(DR)의 밝기를 산출하여 대상체(S)의 친수성을 정확하게 계측할 수 있다.
이하에서는 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 설명한다. 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 대상(예를 들어, 다이)의 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 14는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법의 흐름도이다. 도 14를 참조하여 설명하면, 먼저 기판 상의 접합 영역과 다이의 접합면을 각각 친수화하는 단계(S10, S20)가 수행된다. 실시예에서, 다이가 접합될 기판 상의 접합 영역을 플라즈마 처리하여 친수화하고(S10), 기판 상의 접합 영역에 접합될 다이의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있다(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(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 진공(저압) 플라즈마 장치 또는 대기압(상압) 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 처리에 의해 친수화될 수도 있다.
기판 및 다이에 대한 플라즈마 처리 후, 필요에 따라 기판 및/또는 다이는 린스 처리될 수 있다(S30). 즉, 기판 상의 친수화된 접합 영역 및/또는 다이의 친수화된 접합면에 물을 포함하는 액체(액적)를 분무하여 수막(액막)을 형성할 수 있다. 수막 형성을 위해 기판 또는 다이로 공급되는 액체는 예를 들어 순수(DIW; Deionized Water)일 수 있다.
기판 상의 접합 영역 또는 다이의 접합면에 액적이 도포되면, 앞서 도 5 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 기판 및/또는 다이를 포함하는 대상체의 친수성을 계측한다(S40). 즉, 친수성 계측 장치의 촬상부가 기판 또는 다이의 상부 영역으로 이동되고, 액적을 촬상하여 도포 영상(spread image)을 획득한다. 이어서 도포 영상에서 액적의 면적 및/또는 밝기를 포함하는 액적의 퍼짐 상태를 측정하고, 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 기판 및/또는 다이의 친수성을 계측한다.
기판 및/또는 다이가 친수성 기준을 만족하는 경우, 다이를 픽업한 본딩 헤드는 본딩 스테이지의 상부 영역으로 이동한 후, 다이를 하강시켜 다이의 접합면을 기판 상의 접합 영역에 접촉시킨다. 다이의 접합면이 기판 상의 접합 영역에 접촉되면, 다이를 가압하거나 승온하지 않더라도, 다이의 친수화된 접합면과 액막 간의 접합력(수소 결합력)에 의해 다이가 기판 상에 가접합(pre bonding)된다(S50). 필요에 따라, 본딩 헤드에 의해 다이를 적정 압력(예를 들어, 1 ~ 2 bar)으로 기판 상에 가압할 수도 있다.
본딩 헤드는 다시 다이싱된 반도체 웨이퍼 측으로 복귀하여 후속으로 접합할 새로운 다이를 픽업하여 상기와 같은 과정을 반복하게 된다. 기판 상에 다이들이 가접합되면, 다이들이 가접합된 기판을 열처리(annealing)하여 기판 단위로 다이들을 동시에 본접합(post bonding)한다(S60). 본접합을 위한 열처리는 기판을 지지하고 있는 본딩 스테이지 상에서 열처리 유닛에 의해 수행될 수도 있고, 별도의 열처리 챔버에 마련된 열처리 유닛에 의해 수행될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 기판 및/또는 다이에 대한 린스 처리(액적 도포) 후 친수성을 계측하여 가접합 공정 여부를 결정하고, 친수성 기준을 만족하지 않는 경우, 기판 및/또는 다이에 대하여 플라즈마 처리 등의 추가적인 친수화 처리를 한 후 다이를 가접합함으로써, 친수성이 기준을 만족하지 않는 상태에서 기판과 다이의 가접합 공정이 수행되어 접합력이 저하되거나 다이가 정위치에서 이탈하는 등의 문제를 방지할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이다. 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치(100)는 지지 유닛(110), 본딩 스테이지(120), 본딩 헤드(140), 플라즈마 장치(170), 웨팅 장치(180), 친수성 계측 장치(10) 및 열처리 유닛(도시 생략)을 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 17은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 지지 유닛과 플라즈마 장치 및 본딩 스테이지의 배열을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 17 내지 도 19를 참조하면, 플라즈마 장치(170)는 다이(D)의 이송 경로(DP) 상에서, 지지 유닛(110)과 본딩 스테이지(120)의 사이에 설치될 수 있다. 플라즈마 장치(170)는 다이를 플라즈마 처리하여 친수화 처리하기 위한 것으로, 본딩 헤드(140)에 의해 이송 중인 다이의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화할 수 있다.
본 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 장치(170)는 대기압(상압) 플라즈마 장치로 제공될 수 있다. 또는, 플라즈마 장치(170)는 진공(저압) 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, 질소/아르곤 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 형성되고, 개구(172b)에 의해 형성되는 플라즈마 팁(plasma tip)으로부터 플라즈마에 의해 친수기(친수화 라디컬)가 발생된다. 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 20은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 17 내지 도 20을 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 21 내지 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치 및 친수성 계측 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 21은 웨팅(wetting) 장치(180)가 후퇴 영역에 위치한 상태를 나타내고, 도 22는 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 15, 도 16, 도 21 내지 도 24를 참조하면, 웨팅 장치(180)는 기판(MW) 상에 액적을 도포하는 액적 도포부에 해당하는 것으로, 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 영역(도 22 참조)과 본딩 스테이지(120)로부터 멀어지는 후퇴 영역(도 21 참조) 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.
웨팅 장치(180)에 의해 기판(MW) 상에 액적이 도포되면, 도 23에 도시된 바와 같이, 친수성 계측 장치(10)의 촬상부(20)가 기판(MW)의 상부 위치로 이동된다. 도시된 예에서, 친수성 계측 장치(10)는 웨팅 장치(180)에 고정되어 웨팅 장치(180)와 함께 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있으나, 웨팅 장치(180)와 분리되어 별개로 구동될 수도 있다. 도 5 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같이, 친수성 계측 장치(10)는 기판(MW) 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상(spread image)을 획득하고, 도포 영상에서 액적의 면적 및/또는 밝기를 측정하여 기판(MW)의 친수성을 측정한다. 만약, 기판(MW)의 친수성이 허용 범위를 만족하는 경우, 기판(MW) 상에 다이(D)를 가접합하는 후속 공정이 수행된다.
친수성 계측 장치(10)에 의해 계측된 기판(MW)의 친수성이 허용 범위를 만족하지 않는 경우, 기판(MW)에 대해 추가적으로 친수화 처리가 수행될 수 있다. 예를 들어, 웨팅 장치(180)는 접합 영역(BA) 전체에 대하여 한번에 액적을 도포하여 수막을 형성하지 않고, 접합 영역(BA) 중 일부 영역들에 액적들을 일정 간격으로 도포할 수 있다. 친수성 계측 장치(10)는 접합 영역(BA) 내의 영역별로 친수성을 계측하고, 친수성이 기준 범위를 만족하지 않는 접합 영역(BA) 내의 영역을 판정할 수 있다. 이후, 친수성이 기준 범위를 만족하지 않는 영역에 대해 친수화 처리가 수행되고 나면, 다시 친수성 계측 장치(10)에 의해 친수성을 계측할 수 있다. 접합 영역(BA) 내의 모든 영역들에서 친수성이 기준 범위를 만족하게 되면, 가접합 공정이 수행될 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 24에 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 상태(진공 흡착)를 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.
다시 도 15 및 도 16을 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 25는 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, 다수의 다이(D)가 가접합된 기판(MW)은 기판 반송 장치(도시 생략)에 의해 열처리 유닛(도시 생략)으로 이송된다. 열처리 유닛은 기판(MW)과 다이(D) 간에 전압을 인가하여, 다이(D)가 가접합된 기판(MW)을 열처리하여 다수의 다이(D)를 동시에 기판(MW) 상에 본접합할 수 있다.
도 26 내지 도 30은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 먼저 도 26을 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 27을 참조하면, 플라즈마에 의해 친수화 처리된 기판(MW)의 접합 영역 위에 순수 등의 액체를 공급하는 웨팅 처리를 행하여 액막(DL)을 형성한다. 도 28을 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. 기판(MW) 위에 다이(D)를 가접합한 후 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 30은 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 다수의 다이가 적층되어 접합된 것을 예시한 도면이다. 도 30을 참조하면, 기판(MW) 상에 다수의 다이(D)를 순차적으로 적층 및 가접합한 후, 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 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 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다. 도 32는 도 31의 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 31 및 도 32를 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 31 및 도 32의 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 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다. 도 33을 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 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 34는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치를 보여주는 도면이다. 도 35는 도 34에 도시된 플라즈마 장치의 동작을 보여주는 도면이다. 도 34 및 도 35를 참조하면, 플라즈마 장치(220)는 기판(MW)의 접합 영역을 플라즈마 처리하여 친수화하는 친수화 처리부로서, 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 35에 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.
도 36은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다. 도 37 및 도 38은 도 36의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다. 도 36 내지 도 38을 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 36 내지 도 38의 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 36에 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 37에 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 38에 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.
도시되지 않았으나, 본딩 헤드의 회전에 의해 다이(D)의 접합면이 상부로 향하는 상태에서 다이(D)의 접합면에 액적 도포부(도시 생략) 또는 웨팅 장치(180)로부터 액적을 도포하고, 다이(D)의 접합면에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득한 후, 도포 영상에서 액적의 면적 및/또는 밝기를 측정하여 다이(D)의 접합면의 친수성을 계측할 수도 있다. 만약, 다이(D)의 접합면의 친수성이 요구 조건을 만족하지 않는 경우, 본딩 헤드에 의해 다이(D)를 다시 플라즈마 장치(241)에 의해 추가적으로 다이(D)의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수성 조건을 만족시킨 후, 가접합 공정을 후속 처리할 수 있다.
도 39는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다. 도 40은 도 39의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다. 도 39 및 도 40을 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 39 및 도 40의 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 39에 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 40에 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.
10: 친수성 계측 장치 20: 촬상부
30: 분석부 32: 면적 측정부
34: 필터링부 36: 밝기 측정부
38: 친수성 계측부 36a: 제1 밝기 측정부
36b: 제2 밝기 측정부 36c: 제3 밝기 측정부
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: 제1 플라즈마 장치 221a, 222a: 플라즈마 팁
222: 제2 플라즈마 장치 240, 250: 플라즈마 처리부
241a, 251a: 플라즈마 팁 S: 대상체
DR: 액적 IM: 도포 영상
W: 반도체 웨이퍼 D: 다이
MW: 기판 BA: 접합 영역
P: 플라즈마 영역 P2: 플라즈마 처리 구간

Claims (28)

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  16. 기판 상의 접합 영역에 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서,
    상기 기판 상의 접합 영역을 친수화 처리하는 단계;
    상기 기판 상의 접합 영역에 액적을 도포하는 단계;
    상기 기판의 상부에서 상기 기판 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 단계;
    상기 도포 영상에서 상기 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 상기 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 단계;
    상기 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하는 단계; 및
    상기 친수성이 허용 범위를 만족하는 경우, 상기 액적에 의해 형성된 상기 기판 상의 액막에 상기 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함하고,
    상기 퍼짐 상태를 측정하는 단계는,
    상기 액적의 중심 부분의 그레이 레벨과, 상기 액적의 엣지 부분의 그레이 레벨 간의 밝기 차이값을 측정하고,
    상기 친수성을 계측하는 단계는,
    상기 밝기 차이값이 클수록 친수성이 낮은 것으로 판단하고,
    상기 방법은,
    상기 액적의 둘레를 따라 상기 밝기 차이값을 측정하여 친수성을 계측하고, 상기 밝기 차이값이 기준값을 초과하는 영역을 친수 처리 대상 영역으로 결정하고, 플라즈마 팁을 이용하여 상기 친수 처리 대상 영역을 친수 처리하는 단계를 더 포함하는 본딩 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 친수성을 계측하는 단계는, 상기 액적의 면적이 클수록 친수성이 높은 것으로 판단하고, 상기 액적의 밝기가 밝을수록 친수성이 높은 것으로 판단하는 본딩 방법.
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  19. 삭제
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  21. 제16항에 있어서,
    상기 기판 상의 접합 영역에 접합될 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 상기 접합면을 친수화하는 단계를 더 포함하는 본딩 방법.
  22. 기판 상에 접합 대상을 접합하기 위한 본딩 장치에 있어서,
    상기 기판을 지지하는 본딩 스테이지;
    상기 기판 상의 접합 영역을 친수화 처리하는 플라즈마 팁을 가지는 친수화 처리부;
    상기 기판 상의 접합 영역에 액적을 도포하는 액적 도포부; 및
    상기 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하는 친수성 계측 장치를 포함하고,
    상기 친수성 계측 장치는,
    상기 기판의 상부에서 상기 기판 상에 도포된 액적을 촬상하여 도포 영상을 획득하는 촬상부;
    상기 도포 영상에서 상기 액적의 면적 및 밝기 중의 적어도 하나를 포함하는 상기 액적의 퍼짐 상태를 측정하는 측정부; 및
    상기 액적의 퍼짐 상태를 기반으로 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성을 계측하는 친수성 계측부를 포함하고,
    상기 측정부는,
    상기 액적의 중심 부분의 그레이 레벨과, 상기 액적의 엣지 부분의 그레이 레벨 간의 밝기 차이값을 측정하고,
    상기 친수성 계측부는,
    상기 밝기 차이값이 클수록 친수성이 낮은 것으로 판단하고,
    상기 측정부는,
    상기 액적의 둘레를 따라 상기 밝기 차이값을 측정하고, 상기 친수성 계측부는 상기 밝기 차이값이 기준값을 초과하는 영역을 친수 처리 대상 영역으로 결정하고,
    상기 플라즈마 팁은,
    상기 친수 처리 대상 영역을 친수 처리하는 본딩 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 친수성 계측부는, 상기 액적의 면적이 클수록 친수성이 높은 것으로 판단하고, 상기 액적의 밝기가 밝을수록 친수성이 높은 것으로 판단하는 본딩 장치.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 제22항에 있어서,
    상기 친수화 처리부는 하나 또는 복수개의 플라즈마 장치를 포함하고, 상기 플라즈마 장치는 상기 플라즈마 팁으로부터 상기 기판 상의 접합 영역에 플라즈마를 발생시켜 상기 접합 영역을 친수화하는 본딩 장치.
  28. 제22항에 있어서,
    지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 픽업하여 상기 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 기판의 상부 영역으로 이송하는 본딩 헤드; 및
    상기 지지 유닛과 상기 본딩 스테이지 사이의 상기 접합 대상의 이송 경로에 설치되고, 상기 접합 대상의 이동 중에 상기 본딩 헤드에 픽업된 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화하는 하나 또는 복수개의 플라즈마 장치를 더 포함하는 본딩 장치.
KR1020180143219A 2018-11-20 2018-11-20 친수성 계측 장치, 친수성 계측 방법, 본딩 장치 및 본딩 방법 KR102306763B1 (ko)

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