KR102455415B1 - 기판 접합 장치 및 이를 이용한 기판의 접합 방법 - Google Patents

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Abstract

기판 접합장치 및 이를 이용한 기판 접합 방법이 제공된다. 기판 접합 장치는 하면에 위치하는 제1 기판이 아래로 볼록한 제1 곡면 형상을 갖도록 고정하는 상부 척 구조물, 상기 상부 척 구조물의 하부에 배치되고 상면에 위치하는 제2 기판을 위로 볼록한 제2 곡면 형상을 갖도록 고정하며 선형이동 및 회전이동에 의해 상기 상부 척 구조물에 대한 상대위치를 조절하는 하부 척 구조물, 및 상기 상부 및 하부 척 구조물에 고정된 상기 제1 및 제2 기판의 수평방향 변형인 제1 및 제2 척 스케일(scale)의 차이를 상기 제2 곡면의 형상특성으로 설정하는 척 제어부를 포함한다. 곡면성분의 수평방향 변형을 접합공정의 레서피로 반영함으로서 접합후의 수평오차를 감소시켜 접합 정밀도를 높일 수 있다.

Description

기판 접합 장치 및 이를 이용한 기판의 접합 방법 {Substrate bonding apparatus and method of bonding a pair of substrates using the same}
본 발명은 기판 접합 장치 및 이를 이용한 기판의 접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 반도체 집적회로가 형성된 반도체 기판과 반도체 기판을 접합하여 적층 반도체 소자를 제조하는 반도체 기판 접합 장치 및 이를 이용한 반도체 기판의 접합방법을 제공하는 것이다.
반도체 소자 및 평판 표시패널의 집적도를 높이고 고성능을 구현하기 위해 기판을 3차원으로 적층하는 공정이 널리 이용되고 있다.
일반적인 기판 접합공정에 의하면, 패터닝 공정을 통해 상면에 미세회로소자가 형성된 기판을 포함하는 한 쌍의 접합 대상기판을 접합 장치의 상부 척 및 하부 척에 고정한 후 상부 척을 하부 척에 접합시킨다.
이때, 하부 척은 척의 상면에 위치하는 기판의 전면(whole)으로 척의 하부에서 균일하게 음압(suction pressure)을 인가하여 기판을 고정(chucking)한다. 이에 따라, 하부 척에 고정되는 하부기판은 기판의 전면을 통하여 하방으로 흡착되어 하부 척의 상면에서 평탄한 표면을 갖는 평면형상으로 고정된다. 이와 달리, 상부 척은 척의 하면에 위치하는 기판의 주변부에 척의 상방으로 음압을 인가하여 기판을 고정한다. 이에 따라, 상부 척에 고정되는 상부기판은 기판의 중앙부로부터 주변부로 갈수록 연속적으로 하방 처짐이 발생하여 곡면형상으로 고정된다.
상술한 바와 같은 형상변형에도 불구하고 종래의 기판 접합 장치는 상부기판과 하부기판의 중심위치만 일치하도록 정렬한 후 상부 기판을 하부 기판으로 접합시킴으로써, 상부기판의 수직방향 처짐이 접합공정이 진행되는 동안 수평방향 변형에 미치는 영향이 고려되어 있지 않다.
이에 따라, 상부기판과 하부기판의 중심위치가 정확하게 정렬되었다 할지라도 접합이 진행되는 동안 상기 수직방향 처짐에 의해 상부기판의 수평방향 변형이 추가적으로 생성되고, 접합 완료 후 상부기판과 하부기판의 주변부는 일정한 편차(기판의 수평오차)를 갖게 된다.
접합 후 상부 기판 및 하부 기판 주변부의 편차는 기판의 중심부로부터 누적적으로 생성된 수평변형의 결과이므로, 상부 및 하부 기판의 표면상에 배치된 접합패드는 기판의 중심부로부터 주변부로 향할수록 정렬불량이 증가하게 된다.
최근 적층 반도체 소자에 대한 고집적도 및 고성능의 요구가 증가함에 따라 상부 기판 및 하부 기판을 전기적으로 연결하는 접촉패드의 수도 증가하는 경향이다. 이에 따라, 접합 후 기판의 수평오차에 의해 접합패드 사이의 정렬불량은 더욱 빈번하게 발생하고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 곡면형상을 갖는 상부 및 하부기판을 접합하여 기판 수평오차를 최소화하는 기판 접합 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 기판 접합 장치를 이용하여 높은 정밀도로 상부 및 하부기판을 접착하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 기판 접착 장치는 하면에 위치하는 제1 기판이 아래로 볼록한 제1 곡면 형상을 갖도록 고정하는 상부 척 구조, 상기 상부 척 구조물의 하부에 배치되고 상면에 위치하는 제2 기판을 위로 볼록한 제2 곡면 형상을 갖도록 고정하며 선형이동 및 회전이동에 의해 상기 상부 척 구조물에 대한 상대위치를 조절하는 하부 척 구조물 및 상기 상부 및 하부 척 구조물에 고정된 상기 제1 및 제2 기판의 수평방향 변형인 제1 및 제2 척 스케일(scale)의 차이를 상기 제2 곡면의 형상특성으로 설정하는 척 제어부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기한 바와 같은 기판 접착장치를 이용한 기판 접착 방법을 개시한다. 먼저, 아래로 볼록한 제1 곡면 형상을 갖도록 상부 척 구조물에 고정된 제1 기판 및 평면 형상을 갖도록 하부 척 구조물의 돌출부에 고정한 제2 기판의 중심위치가 일치하도록 정렬한다. 상기 제1 및 제2 기판의 수평방향 변형인 제1 및 제2 척 스케일과 상기 제1 기판의 최대 하방 처짐을 수득하고, 상기 제2 기판을 상기 평면형상으로부터 상기 제1 및 제2 척 스케일의 편차를 포함하는 형상특성을 구비하고 위로 볼록한 제2 곡면 형상으로 변형한다. 상기 상부 및 하부 척 구조물 사이의 간격을 상기 형상 특성과 상기 최대 하방 처짐을 수용하는 최소 이격거리인 본딩 갭으로 설정하고, 상기 제1 곡면 형상을 갖는 제1 기판을 상기 제2 곡면 형상을 갖는 제2 기판으로 가압하여 접합한다.
본 발명에 의한 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 접착방법에 의하면, 상부 및 하부 척 구조물에 고정된 상태에서의 제1 및 제2 기판의 최종 수평변위 성분인 척 스케일의 편차에 대응하는 높이를 갖는 제2 곡면형상으로 제2 기판의 형상을 변형시킴으로써 곡면과 평면을 접합하던 종래의 기판 접합공정을 최종 척 스케일 편차를 반영한 곡면과 곡면의 접합공정으로 개선한다.
이에 따라, 곡면성분의 평면성분으로의 전환과정에서 발생하는 수평변위를 공정조건으로 반영함으로써 접합 후 제1 및 제2 기판 사이의 오차인 수평오차를 현저하게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 기판 접착 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상부 척 구조물의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1에 도시된 하부 척 구조물을 나타내는 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 하부 척 구조물을 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3c는 도 3b에 도시된 돌출부를 하부 스테이지로부터 돌출시킨 하부 척 구조물을 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 하부 척 구조물을 나타내는 평면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 하부 척 구조물을 II-II'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4c는 도 4b에 도시된 연성부재의 부피를 팽창시킨 경우의 하부 척 구조물을 나타내는 도면이다.
도 5a는 도 4a에 도시된 하부 척 구조물의 변형 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 5b는 예시적으로 도 5a에 도시된 제1 분할 링의 높이편차를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 연성부재의 변형 실시예를 III-III' 방향을 따라 절단한 단면도를 나타내는 도면이다.
도 6a는 제1 기판(S1)의 척 스케일(ST)을 검출하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 6b는 제2 기판(S2)의 척 스케일(SB)을 검출하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 7 내지 도 10은 도 1에 도시된 기판 접합 장치를 이용하여 기판을 접하는 공정단계를 나타내는 도면들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 기판 접착 장치를 나타내는 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 상부 척 구조물의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1에 도시된 하부 척 구조물을 나타내는 평면도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 하부 척 구조물을 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다. 도 3c는 도 3b에 도시된 돌출부를 하부 스테이지로부터 돌출시킨 하부 척 구조물을 나타내는 도면이다
도 1 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 기판 접합 장치(1000)는 하면에 위치하는 제1 기판(S1)이 아래로 볼록한 제1 곡면(C1) 형상을 갖도록 고정하는 상부 척 구조물(200), 상기 상부 척 구조물(200)의 하부에 배치되고 상면에 위치하는 제2 기판(S2)을 위로 볼록한 제2 곡면(C2) 형상을 갖도록 고정하며 선형이동 및 회전이동에 의해 상기 상부 척 구조물(200)에 대한 상대위치를 조절하는 하부 척 구조물(300), 상부 및 하부 척 구조물에 고정된 상기 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 수평방향 변형인 제1 및 제2 척 스케일(scale, ST, SB)의 차이를 상기 제2 곡면(C2)의 형상특성으로 설정하는 척 제어부(400) 및 상기 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 위치를 검출하는 수평위치 검출기(510)와 상기 제1 기판(S1)의 하방 처짐(Z)을 검출하는 수직위치 검출기(520)를 구비하는 검출부(500)를 포함한다.
일실시예로서, 상기 기판 접합 장치(1000)는 일정한 크기의 챔버공간을 갖는 챔버100)의 내부에 상부 및 하부 척 구조물(200,300)이 배치되어 기판 접합 공정을 수행한다.
예를 들면, 상기 챔버(100)는 일정한 강도와 강성을 갖는 사각형상 또는 실린더 형상의 벽체로 구성되고 접합공정이 진행되는 동안 상기 챔버공간을 외부와 분리하여 밀폐시키는 게이트(110)를 구비한다. 게이트(110)는 개방하거나 밀폐할 수 있는 도어 구조를 구비하여 챔버(100) 내부로 접합 대상 기판을 공급하는 경우에는 개방되고 접합공정이 진행되는 동안에는 밀폐되어 상기 챔버공간을 외부와 단절시킨다.
일실시예로서, 상기 챔버(100)의 상부에는 제1 기판(S1)을 고정하는 상부 척 구조물(200)이 배치되고 하부에는 제2 기판(S2)을 고정하는 하부 척 구조물(300)이 배치된다. 제1 및 제2 기판(S1,S2)은 접합 대상 기판으로서 반도체 소자를 형성하기 위한 실리콘 웨이퍼나 평판표시 장치를 형성하기 위한 유리기판을 포함할 수 있다.
상기 상부 척 구조물(200)은 제1 기판(S1)을 아래로 볼록한 제1 곡면(C1)을 형상을 갖도록 고정한다.
예를 들면, 상기 상부 척 구조물(200)은 상기 제1 기판(S1)보다 큰 직경을 갖는 원판 형상의 상부 스테이지(210), 상기 상부 스테이지(210)의 주변부를 따라 일정한 간격으로 관통하고 상기 제1 기판(S1)의 주변부로 흡착압력을 인가하는 다수의 가압 구조물(220)을 포함한다.
상기 상부 스테이지(210)는 일정한 두께를 갖고 하면(210b)에 상기 제1 기판(S1)을 수용할 수 있을 정도로 충분한 사이즈를 갖는 평판형상을 갖는다. 예를 들면, 실리콘 웨이퍼를 접합하는 경우에는 원판 형상을 가질 수 있고 액정표시 패널용 유리기판을 접합하는 경우에는 사각형상을 가질 수도 있다. 상면(210a)은 상기 챔버(100)의 천정을 향하고 하면(210b)은 챔버(100)의 바닥을 향하도록 배치된다. 상기 제1 기판(S1)은 상기 가압 구조물(220)을 통하여 인가되는 흡착력에 의해 상부 스테이지(210)의 하면(210b)에 고정된다.
상기 가압 구조물(220)은 상부 스테이지(210)의 주변부를 따라 일정한 간격으로 배치되고 상부 스테이지(210)를 관통하여 수직방향을 따라 이동할 수 있다. 예를 들면, 상기 가압 구조물(220)은 상부 스테이지(210)의 주변부를 따라 일정하게 관통하는 가압 실린더(222) 및 상기 상부 스테이지(210)의 하부에서 상기 가압 실린더(222)의 단부와 결합되어 제1 기판(S1)을 흡착하는 흡착패드(224)로 구성된다.
가압 실린더(222)는 상부의 고정용 베이스(230)에 고정되어 상하방향을 따라 이동한다. 예를 들면, 상기 고정용 베이스(230)의 내부에 래크와 피니언 구조를 구비하여 피니언의 회전에 따라 상기 가압 실린더(222)를 상하방향으로 이동가능하게 구성할 수 있다. 특히, 상기 가압 실린더(222)는 제1 파워소스(P1)로부터 인가되는 흡입압력을 단부까지 전송한다.
상부 스테이지(210)를 관통하는 가압 실린더(222)의 단부에는 흡착패드(224)가 구비되어 상기 흡입압력으로 제1 기판(S1)을 흡착하다. 제1 기판(S1)을 로딩하는 경우에는 로딩암(미도시)이 게이트(110)를 통하여 상부 스테이지(210)의 하부까지 연장되고 상기 가압 구조물(220)은 로딩암까지 하강하여 제1 기판(S1)을 흡착한다. 이어서, 로딩암은 챔버(100)의 외부로 복귀하고 흡착패드(224)에 의해 흡착된 제1 기판(S1)을 구비하는 가압 실린더(222)는 흡착패드(224)가 상부 스테이지(210)에 고정되도록 상승한다. 이에 따라, 상기 제1 기판(S1)은 상부 스테이지(210)에 고정된다.
상기 가압 구조물(220)은 상부 스테이지(210)의 주변부를 따라 일정한 간격으로 배치되며, 상기 흡착패드(224)는 제1 기판(S1)의 주변부를 따라 배치된다. 이에 따라, 상기 제1 기판(S1)은 상부 스테이지(210)의 하면주변부에서 챔버(100)의 상방으로 작용하는 흡착압력에 의해 고정된다. 이에 따라, 제1 기판(S1)은 하중에 의한 처짐이 발생하여 아래로 볼록한 제1 곡면(C1) 형상으로 고정된다.
하중에 의한 처짐은 제1 기판(S1)의 중심에서 가장 크게 발생하므로, 기판 중심의 최대 처짐(ΔZ)을 중심으로 주변부로 갈수록 처짐량이 점차 감소하게 된다. 충분히 많은 가압 구조물(220)이 배치된 경우, 기판의 중심을 관통하는 제1 곡면(C1)은 절단면은 기판의 중심에서 최대점을 갖는 포물선 형상을 갖게 된다.
본 실시예의 경우, 상기 상부 스테이지(210)의 주변부를 따라 4개의 가압 실린더(222)가 배치된다. 그러나, 배치되는 가압 실린더(222)의 수는 기판 접합 장치(1000)의 장치특성에 따라 다양하게 구비될 수 있다.
상기 제1 기판(S1)을 하방으로 압박하여 상부 스테이지(210)에 고정된 제1 기판(S1)을 하방으로 가압하는 푸시로드(240)가 구비된다. 상기 푸시로드(240)는 제1 파워소스(P1)에 접속되고 상부 스테이지(210)의 중앙부를 관통하도록 배치된다. 접합공정이 개시되면, 제1 파워소스(P1)에 의해 가압되어 하부로 이동하고 이에 따라 상부 스테이지(210)의 하면에 고정된 제1 기판(S1)이 제2 기판(S2)과 접합하게 된다.
상기 제1 파워소스(P1)는 상기 척 제어부(500)에 의해 제어되어 제1 기판(S1)을 상부 척 구조물(200)에 고정하고 본딩 공정이 개시되면 제1 기판(S1)을 제2 기판(S2)을 향하여 가압할 수 있다.
상기 하부 척 구조물(300)은 챔버(100)의 바닥부에 배치되어 상부 척 구조물(200)과 대향하도록 배치된다.
예를 들면, 상기 하부 척 구조물(300)은 원판 형상의 하부 스테이지(310), 상기 하부 스테이지(310)의 상면에 정렬되어 상기 제2 기판(S2)을 지지하는 다수의 돌출부(320), 상기 돌출부(320)를 관통하여 상기 제2 기판(S2)을 고정하는 흡착압력을 인가하는 흡착 제어기(330) 및 상기 돌출부(320)의 상면 레벨(SL)을 조절하는 레벨 제어기(340)를 포함한다.
하부 스테이지(310)는 제2 기판(S2)을 포함할 수 있을 정도로 충분한 사이즈를 갖는 평판으로 제공된다. 상부 스테이지(210)와 같이 접합 대상 기판에 따라 원판이나 사각평판 형상을 가질 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 하부 스테이지(310)는 상부 스테이지(210)와 같이 실리콘 웨이퍼보다 큰 직경을 갖는 원판 형상으로 제공된다.
본 실시예의 경우, 상기 돌출부(320)는 상기 하부 스테이지(310)의 상부에 상기 제2 기판(S2)의 중심을 공통중심으로 하는 다수의 동심원 형상으로 정렬되며, 상기 하부 스테이지(310)의 내부로 삽입되어 배치된다. 상기 돌출부(320)는 하부에 배치되는 레벨 제어기(340)에 연결되어 각 동심원 별로 서로 다른 돌출 높이(PH)를 갖도록 조절할 수 있다.
예를 들면, 상기 돌출부(320)를 상방으로 밀어 올릴 수 있는 구동부재를 구비하고 레벨 제어기(340)로부터 전송되는 돌출높이(PH)에 관한 정보에 따라 상기 돌출부(320)를 하부 스테이지(310)의 표면으로부터 돌출 시킬 수 있다. 이때, 동일한 직경을 갖는 동심원 상에 배치되는 돌출부(320)들은 동일한 돌출높이(PH)만큼 돌출되도록 구성한다. 예시적으로, 상기 하부 스테이지(310)의 중심부에서 제3 돌출높이(PH3)를 갖도록 돌출하고 주변부로 갈수록 점차 낮아지는 제2 및 제1 돌출높이(PH2, PH1)를 갖도록 구성할 수 있다.
상기 흡착 제어기(330)는 각 돌출부(320)를 관통하여 상기 제2 기판(S2)으로 흡착압력을 인가하는 다수의 흡착라인(332) 및 상기 다수의 흡착라인(332)과 공통으로 연결되어 각 돌출부(320)로 동시에 흡착압력을 인가하는 압력 조절기(334)를 구비한다.
상기 압력 조절기(334)는 외부의 제2 파워소스(P2)와 연결되어 기판을 흡착하기 위한 압력이 공급되면 각 돌출부(320)로 압력을 분배하여 공급한다.
상기 흡착라인(332)의 단부에는 돌출부(320)의 상면을 구성하는 미세 흡착패드(미도시)와 연결되고 제2 기판(S2)은 흡착라인(332)에 의해 공급되는 흡착압력에 의해 상기 흡착패드에 흡착된다. 이에 따라, 제2 기판(S2)은 흡착압력에 의해 상기 돌출부(320)의 상면에 고정된다. 이때, 상기 흡착압력은 각 동심원을 따라 균일하게 인가되고, 상기 제2 기판(S2)은 하면의 주변부 및 중심부에 걸쳐서 동일한 압력으로 상기 돌출부(320)에 흡착될 수 있다.
상기 레벨 제어기(340)는 상기 돌출부(320)를 하부 스테이지(310)의 상면으로부터 돌출하도록 구동하는 구동파워를 전송하는 파워 공급부(342) 및 상기 동심원 별로 서로 다른 돌출높이를 갖도록 상기 구동파워를 조절하여 상기 돌출부(320)의 상면 레벨을 동심원별로 서로 다르게 설정하는 레벨 설정부(344)를 포함한다. 예를 들면, 상기 파워 공급부(342)는 공압을 전송하는 에어라인을 포함할 수 있다.
상기 흡착라인(332) 및 파워 공급부(342)는 하부 스테이지(310)를 관통하여 하방으로 연장되고 각각 상기 압력 조절기(334) 및 레벨 설정부(344)와 연결된다. 상기 압력 조절기(334) 및 레벨 설정부(344)는 하부 스테이지(310)를 지지하는 하부 지지대(350)의 내부에 배치되어 외부의 제2 파워소스(P2)와 연결된다.
상기 하부 지지대(350)는 하부 스테이지(310)를 지지하고 수직 및 수평방향을 따라 이동가능하게 배치된다. 뿐만 아니라, 수직방향을 회전축으로 하는 회전운동도 가능하도록 구성된다.
따라서, 상기 제2 기판(S2)은 돌출부(320)에 의해 지지되어 하부 척 구조물(300) 상에 고정되고, 상기 돌출부(320)의 돌출높이(PH)를 개별적으로 조절함으로써 상면 레벨을 상기 동심원 별로 서로 다르게 설정할 수 있다. 이에 따라, 상기 돌출부(320)에 의해 흡착되는 제2 기판(S2)을 곡면형상으로 변형할 수 있다.
본 실시예에서는 돌출부의 돌출 높이(PH)를 개별적으로 조절함으로써 제2 기판(S2)의 형상을 변형하는 것을 개시하고 있지만, 하부 스테이지(310)의 상면 높이를 영역별로 다르게 설정함으로써 상기 돌출부의 상면 레벨(SL)을 서로 다르게 설정할 수도 있다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 하부 척 구조물을 나타내는 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 하부 척 구조물을 II-II'선을 따라 절단한 단면도이다. 도 4c는 도 4b에 도시된 연성부재의 부피를 팽창시킨 경우의 하부 척 구조물을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 하부 척 구조물(301)은 하부 스테이지(310)에 고정되고 상면에 제2 기판(S2)을 흡착하는 돌출부(320)가 정렬되며 상기 하부 스테이지(310)의 반경방향을 따라 서로 다른 높이(H)를 갖도록 변형할 수 있는 연성부재(flexible member, 360)를 구비한다.
예를 들면, 상기 연성부재(360)는 하부 스테이지(310)의 상부 전면(whole surface)을 덮도록 내부에 제어공간(control space, CS)을 갖는 탄성체로 구성된다. 이때, 상기 제어공간(CS)으로 소정의 압력이 인가되면 상기 연성부재(360)의 부피가 팽창하여 하부 스테이지(310)의 상방을 따라 연성부재(360)의 높이를 변화시킨다. 이에 따라, 연성부재(360)의 상면에 정렬된 돌출부(320)들의 상면 레벨(SL)을 변화시킨다. 본 실시예의 경우, 상기 파워 공급부(342)은 제어공간(CS)으로 공압(pneumatic pressure)을 공급하기 위한 에어 라인으로 구성할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 연성부재(360)는 하부 스테이지(310)와 별개의 부재로 제공되는 탄성체로 개시되지만, 상기 하부 스테이지(310) 자체를 충분한 유연성을 갖는 물질로 구성하여 연성부재(360)와 하부 스테이지를 일체로 제공할 수도 있음은 자명하다.
특히, 상기 연성부재(360)는 상기 하부 스테이지(310)의 상면에 수직한 방향을 따라 부피 팽창이 이루어지도록 구성한다. 따라서, 제어압력이 인가되는 경우 상기 연성부재(360)는 하부 스테이지(310)의 수직방향을 따라 팽창되고 연성부재(360)의 상부에 고정된 돌출부(320)도 하부 스테이지(310)의 수직방향을 따라 상승하게 되어, 상기 연성부재(360)의 높이 변화(height variation)에 대응하는 상면 레벨을 갖게 된다.
이때, 상기 연성부재(360)는 하부 스테이지(310)를 덮는 원판 형상으로 제공되고 중심부의 센터 디스크(362)와 상기 센터 디스크(362)를 둘러싸는 분할 링(364)으로 구성된다. 예를 들면, 상기 분할 링(364)은 상기 센터 디스크(362)로부터 차례대로 배치되는 제1 내지 제4 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)으로 구성될 수 있다.
상기 센터 디스크(362)와 각 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)은 서로 독립적으로 제어되어 하부 스테이지(310)의 상면으로부터 서로 다른 높이를 갖도록 팽창할 수 있다. 예를 들면, 레벨 설정부(344)에 의해 상기 센터 디스크(362) 및 제1 내지 제4 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)으로 인가되는 공압의 크기를 결정하고 상기 파워 공급부(342)을 통하여 센터 디스크(362)와 각 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)으로 대응하는 크기의 공압을 인가한다.
이에 따라, 센터 디스크(362)와 각 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)은 인가되는 공압의 크기에 따라 서로 다른 높이를 갖도록 팽창하고, 상기 센터 디스크(362)와 제1` 내지 제4 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d) 상에 고정된 돌출부(329)는 서로 다른 높이를 갖도록 정렬된다.
이때, 상기 돌출부(329)에는 흡착라인(332)를 통하여 일정한 흡착압력이 인가되어, 돌출부(329)에 의해 지지되는 제2 기판(S2)을 흡착한다. 따라서, 상기 제2 기판(S2)은 상기 돌출부(320)의 상면 레벨(SL)을 따라 표면형상이 변형된다. 즉, 상기 제2 기판(S2)은 돌출부(320)들의 상단 프로파일을 따라 표면 형상이 변형된다.
본 실시예의 경우, 상기 제1 내지 제4 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)들은 연성부재(360)의 중심으로부터 주변부로 진행할수록 작아지는 제1 내지 제4 폭(w1,w2,w3,w4)을 갖도록 설정한다. 즉, 원판 형상을 갖는 연성부재(360)의 중심부는 성글게 분할하고 주변부는 세밀하게 분할한다. 따라서, 상기 연성부재(360)의 중앙부를 구성하는 센터 디스크(362) 및 이와 인접한 제1 분할 링(364a)은 상대적으로 넓은 면적을 갖고 연성부재(360)의 주변부를 구성하는 제2 내지 제4 분할 링(364b, 364c, 364d)는 상대적으로 좁은 면적을 갖는다.
따라서, 상기 연성부재(360)는 중심부보다는 주변부에서 더욱 세밀하게 부피팽창을 수행하여, 상기 돌출부(329)도 연성부재(360)의 주변부로 갈수록 더욱 세밀하게 높이를 조절할 수 있다. 이에 따라, 돌출부(329)에 흡착되는 제2 기판(S2)도 중심부에서 주변부로 갈수록 더욱 세밀하게 형상을 변형할 수 있다.
제2 기판(S2)의 수평오차는 중심부로부터 주변부로 갈수록 누적적으로 발행되므로 제2 기판(S2)의 중심부보다는 주변부에서 더욱 세밀하게 형상변형을 제어하게 된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 레벨 설정부(344)에 의해 센터 디스크(362) 및 각 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)에 대응하는 공압의 크기가 설정되면, 상기 파워 공급부(342)을 통하여 센터 디스크(362) 및 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)의 제어공간(CS)으로 개별적으로 제어압력이 인가된다.
본 실시예의 경우, 상기 센터 디스크(362)를 가장 크게 팽창시키고 제1 분할 링(364a)로부터 제4 분할 링(364d)으로 갈수록 팽창 사이즈를 줄임으로써 연성부재(360)의 중앙부로부터 주변부로 갈수록 높이(H)가 감소하도록 제어된다. 이에 따라, 상기 연성부재(360)의 상부에 정렬된 돌출부(320)의 상면 레벨(SL)은 중앙부에서 가장 높고 주변부로 갈수록 낮아지게 된다.
따라서, 상기 돌출부(329)에 의해 흡착되는 제2 기판(S2)도 상기 돌출부(329)들의 상면 레벨(S)을 따라 위로 볼록한 곡면 형상으로 변형될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 연성부재(360)는 상기 센터 디스크(362)를 중심으로 동심원 상으로 배치되는 제1 내지 제4 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)들을 예시적으로 개시하고 있지만, 분할 링의 사이즈와 개수는 제2 기판(S2)에 대한 형상변형의 정밀도를 고려하여 조절될 수 있음은 자명하다.
도 3b에 도시된 돌출부(320)는 각 돌출부들을 개별적으로 제어하여 제2 기판(S2)에 대한 형상변형의 정밀도는 높일 수는 있지만, 다수의 돌출부(320)를 동시에 개별적으로 제어하기 위한 제어 시스템의 복잡도를 높이게 된다. 그러나, 본 실시예의 경우, 센터 디스크(362) 및 각 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)에 정렬된 다수의 돌출부(320)를 그룹으로 취급하여 동시에 다수 돌출부(320)의 상면 레벨(SL)을 조절함으로써 상기 제어 시스템의 복잡도를 현저하게 감소시킬 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 연성부재(360)는 반경 방향(radial direction, r)을 따라 서로 다른 높이(H)를 갖도록 제어되는 것을 개시하고 있지만, 원주 방향(angular direction,θ)을 따라서도 서로 다른 높이를 갖도록 변형될 수 있다.
도 5a는 도 4a에 도시된 하부 척 구조물의 변형 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 5b는 예시적으로 도 5a에 도시된 제1 분할 링의 높이편차를 나타내는 그래프이다. 도 5c는 도 5a에 도시된 연성부재의 변형 실시예를 III-III' 방향을 따라 절단한 단면도를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 하부 척 구조물(302)은 상기 센터 디스크(362) 및/또는 각 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)이 개별적으로 제어되는 다수의 각분할 편자(angular separating piece, ASP)로 구성되는 연성부재(369)를 포함한다.
일실시예로서, 상기 센터 디스크(362) 및/또는 각 분할 링(364a, 364b, 364c, 364d)은 상기 하부 스테이지(310)의 중심을 기준으로 반시계 방향을 따라 회전하는 원주방향(θ)을 따라 일정한 각도만큼 분할되어 다수의 각 분할편자(ASP)로 구성될 수 있다. 상기 각 분할편자(ASP)는 원주방향(θ)을 따라 독립적으로 제어되어 개별적인 높이를 갖도록 설정될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 분할 링(364a)은 원주 방향을 따라 임의의 각도로 분할된 제1 내지 제 8 분할 편자(a 내지 h)로 분리되어 배치될 수 있다. 제1 내지 제8 분할편자(a 내지 h)는 제1 분할 링(364a)과 연결되는 파워 공급부(342)으로부터 분기하는 다수의 분기라인(346)과 각각 연결되고 각 분기라인(346)으로 공급되는 구동파워의 압력은 상기 레벨 설정부(344)에 의해 개별적으로 제어된다.
본 실시예의 경우, 상기 각 분할편자(ASP) 및 상기 분기라인(364)과 관련한 변형을 제외하고는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 하부 척 구조물(301)과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 하부 척 구조물(301)의 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
이에 따라, 제1 분할 링(364a)은 원주 방향을 따라 서로 다른 높이를 갖도록 설정되어 도 5b에 도시된 바와 같이 다양한 높이편차를 가질 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 제1 내지 제3 분할편자(a, b, c)의 높이(h)는 각각 제1 레벨로부터 제3 레벨(h1, h2, h3)로 단계적으로 높아지도록 설정되고, 제4 및 제5 분할편자(d, e)의 높이(h)는 제2 레벨(h2)과 동일한 레벨을 갖도록 설정된다. 또한, 제6 내지 제8분할편자(f, g, h)의 높이(h)는 각각 제3 레벨(h3)로부터 제1 레벨(h1)까지 단계적으로 감소하도록 설정된다.
이때, 제1 내지 제8 분할편자(a 내지 h)의 높이(h)는 제1 분할 링(364a)에 대응하는 제2 기판(S2)의 특성에 따라 개별적으로 설정된다. 제1 분할 링(364a)에 대응하는 제2 기판(S2)이 균일한 특성을 갖는 경우, 제1 분할 링(364a)에 배치된 돌출부(329)로 인가되는 흡착압력에 대응하는 제2 기판(S2)의 변형특성도 균일하므로, 제1 내지 제8 분할편자(a 내지 h)는 동일한 상면 레벨로 설정된다.
그러나, 제2 기판(S2)에 형성된 내부 구조물의 물성 및 형상특성에 따라 기판 특성이 불균일한 경우 상기 흡착압력에 대응하는 제2 기판(S2)의 변형특성도 불균일하게 된다. 이때, 변형특성의 불균일성을 고려하여 상기 분할편자(a 내지 h)의 높이를 개별적으로 조정함으로써 제2 기판(S2)의 변형특성을 균일하게 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 제1 내지 제8 분할편자(a 내지 h)를 예시적으로 개시하고 있지만, 상기 제2 기판(S2)의 특성에 따라 더 많은 개수의 분할편자를 형성할 수도 있고 분할편자의 각 위치를 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.
상술한 바와 같은 각분할 편자(ASP)는 제1 분할 링(364a)뿐만 아니라 제2 내지 제4 분할링(364b, 364c, 364d)와 센터 디스크(362)의 전부 또는 일부에 선택적으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 기판(S2)의 특성 불균일성을 고려하여 연성부재(360)의 높이를 더욱 정밀하게 조정할 수 있다. 연성부재(360)의 높이제어에 대한 정밀도 향상은 제2 기판(S2)을 곡면 형상을 갖도록 변형하기 위한 변형 정밀도를 높이게 된다.상기 하부 척 구조물(300)은 상술한 바와 같은 다양한 실시예로 변형될 수 있지만, 이하에서는 도 3a에 도시된 하부 척 구조물(300)을 중심으로 설명한다. 그러나, 상술한 바와 같은 다른 실시예에 의한 하부 척 구조물(301,302)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있음은 자명하다.
제2 기판(S2)이 상기 챔버(100)로 로딩되는 시점에서 상기 돌출부(320)는 동일한 상면 레벨(SL)을 갖도록 설정된다. 제2 기판(S2)이 돌출부(320) 상에 탑재되면 균일한 흡착압력이 흡착 제어기(330)에 의해 인가되어 제2 기판(S2)은 평탄하게 하부 척 구조물(300)에 고정된다.
즉, 제1 기판(S1)은 기판의 주변부로만 흡착압력이 인가되어 소정의 처짐을 갖는 제1 곡면(C1) 형상을 갖도록 고정되지만, 제2 기판은 중앙부로부터 주변부에 걸쳐서 실질적으로 동일한 흡착압력이 인가되어 평탄하게 고정된다.
제1 및 제2 기판(S1,S2)이 상부 및 하부 척 구조물(200,300)에 고정되면, 검출부(400)를 통하여 양 기판의 중심위치가 일치하도록 정렬한다.
예를 들면, 상기 검출부(400)는 상부 척 구조물(200) 상에 고정된 상기 제1 기판(S1)의 위치 및 상기 하부 척 구조물(300) 상에 고정된 상기 제2 기판의(S2) 위치를 검출하여 상기 척 제어부(500)로 전송하는 수평위치 검출기(410) 및 상기 제1 기판(S1)의 하방 처짐을 검출하는 수직위치 검출기(420)를 구비한다.
본 실시예의 경우, 상기 수평위치 검출기(410)는 상부 스테이지(210) 및 하부 스테이지(310)의 측부에 구비된 위치검출용 광학 카메라로 구성되고 상기 수직 위치 검출기(420)는 챔버(100)에 고정된 갭 센서로 구성된다. 그러나, 이는 예시적인 것이며 다양한 위치 및 처짐 검출 수단이 제공될 수 있음은 자명하다.
상기 하부 스테이지(310)에 구비된 광학 카메라를 이용하여 제1 기판(S1)의 중심위치를 검출하고 상부 스테이지(210)에 구비된 광학 카메라를 이용하여 제2 기판(S2)의 중심위치를 검출한다.
검출된 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 중심위치를 상기 척 제어부(500)로 전송하여 중심위치 오차를 생성하고, 상기 하부 지지대(350)를 수평방향의 선형이동 및 회전 이동시켜 상부 스테이지(310)의 위치를 중심위치 오차만큼 보정한다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 기판(S1,S2)은 챔버(100)의 내부에서 중심위치가 일치하도록 챔버의 상부 및 하부에 정렬된다.
한편, 상기 갭 센서를 통하여 제1 기판(S1)의 최대 처짐량(ΔZ)을 검출한다. 예를 들면, 제1 기판(S1)의 주변부와 중심부의 수직방향 거리차이를 상기 최대 처짐량(ΔZ)으로 검출한다.
상기 척 제어부(500)는 상술한 바와 같은 제1 및 제2 기판(S1,S2)을 중심위치가 일치하도록 정렬시키는 정렬유닛(510), 정렬된 상기 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 스케일을 각각 제1 및 제2 척 스케일(ST, SB)로 검출하는 스케일 검출유닛(520), 상기 제1 및 제2 스케일로(ST,SB)부터 상기 제2 곡면(C2)의 형상특성을 설정하는 형상특성 설정유닛(530), 상기 제2 곡면(C2)의 상기 형상특성과 상기 제1 곡면(C1)의 상기 하방 처짐(ΔZ)으로부터 상기 상부 및 하부 척 구조물(200,300)의 최소 이격거리인 본딩 갭(G)을 설정하는 갭 설정유닛(540)을 포함한다. 상기 정렬유닛(510), 스케일 검출유닛(520), 형상특성 설정유닛(530) 및 갭 설정유닛(540)은 중앙제어유닛(550)에 의해 제어되어 기판 접합 장치(1000)의 구동단계에 따라 유기적으로 작동한다.
상부 및 하부 척 구조물(200,300)에 제1 및 제2 기판(S1,S2)이 각각 고정되면 상기 검출부(400)를 이용하여 척 스케일을 수득하고 중심위치를 일치시키는 위치정렬을 수행하게 된다.
상기 정렬유닛(510)은 상기 검출부(400)를 구동하여 각 기판의 중심위치와 제1 기판(S1)의 하부처짐(ΔZ)을 검출하여 중심위치 오차를 수득한다. 이어서, 상기 하부 지지대(350)를 구동하여 제2 기판(S2)의 중심위치를 상기 중심위치 오차만큼 보정한다. 이에 따라, 상기 챔버(100) 내에서 상부 및 하부 척 구조물(200,300)에 고정된 제1 및 제2 기판(S1,S2)이 동일한 중심위치를 갖도록 정렬한다.
중심위치를 정렬하기 전에 상기 스케일 검출유닛(520)은 상기 수평위치 검출기(410)를 이용하여 제1 및 제2 기판(S12,S2)의 수평변형을 측정하여 각각 제1 및 제2 척 스케일(ST, SB)로 수득한다.
도 6a는 제1 기판(S1)의 척 스케일(ST)을 검출하는 과정을 나타내는 개념도이며, 도 6b는 제2 기판(S2)의 척 스케일(SB)을 검출하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 중심위치 정렬과정을 통하여 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 중심위치가 일치하도록 정렬되면, 상기 스케일 검출유닛(520)은 하부 스테이지(310)에 구비된 제2 카메라(412)를 통하여 상부에 위치하는 제1 기판(S1)의 단부를 검출한다.
이때, 제2 카메라(412)가 구비된 하부 스테이지(310)를 이동시켜 검출할 수도 있고, 하부 스테이지(310)는 고정 시킨 후 제2 카메라(412)만 하부 스테이지(310)에 대하여 상대적으로 이동시킨 후 검출할 수도 있다.
제1 기판(S1)의 중심위치는 특정되어 있으므로, 제1 기판(S1)의 단부 위치를 검출함으로써 제1 기판(S1)의 중심부와 단부 사이의 거리를 검출할 수 있다.
제1 기판(S1)은 기판 접합 공정에 로딩되기 이전 공정에 의해 가공전 벌크 상태의 원시 기판과 비교하여 소정의 형상 변형을 수반하게 된다. 이에 따라, 제2 카메라(412)에 의해 검출된 검출거리(반경)와 제1 기판(S1)의 가공 전 원시기판 상태의 초기거리(반경)의 차이는 제1 기판(S1)에 대한 이전공정에 의해 수평방향의 변형 정도를 나타낸다. 이와 같은 수평방향 변위를 제1 기판(S1)의 수평방향 변위인 제1 척 스케일(ST)로 수득하고 스케일 검출유닛(520)에 저장한다.
이어서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 스케일 검출유닛(520)은 상부 스테이지(210)에 구비된 제1 카메라(411)를 이용하여 하부에 위치하는 제2 기판(S2)의 단부를 검출한다. 이때, 제2 카메라(412)와 마찬가지로, 상기 제1 카메라(411)가 구비된 상부 스테이지(210)를 이동시켜 검출할 수도 있고, 상부 스테이지(210)는 고정 시킨 후 제1 카메라(411)만 상부 스테이지(210)에 대하여 상대적으로 이동시킨 후 검출할 수도 있다.
제2 기판(S2)의 중심위치도 이미 특정되어 있으므로, 제2 기판(S2)의 단부 위치를 검출함으로써 제2 기판(S2)의 중심부와 단부 사이의 거리를 검출할 수 있다.
제1 기판(S1)과 마찬가지로 이전공정에 의한 제2 기판(S2)의 수평방향 변위를 제2 척 스케일(SB)로 수득하고 스케일 검출유닛(520)에 저장한다.
상기 형상 특성유닛(530)은 평면상태로 고정된 제2 기판(S2)의 형상을 곡면형태로 변형하도록 형상특성을 설정한다.
제1 기판(S1)은 상부 척 구조물(200)에 곡면형상을 갖도록 고정되고 제2 기판(S2)은 하부 척 구조물(300)에 평면형상으로 고정되는 경우, 곡면과 평면의 접합에 의해 기판 접합공정이 수행되므로 제1 기판(S1)의 곡면 특성에 의해 접합후 제1 및 제2 기판(S1,S2) 사이의 수평방향 변위가 일치하지 않아 수평오차가 발생하게 된다.
이러한 수평오차는 기판의 중심부로부터 주변부로 갈수록 누적적으로 발생하므로 제1 및 제2 기판(S1,S2)에 구비된 접합패드의 정렬불량은 주변부로 갈수록 증가하게 된다. 이에 따라, 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 위치정렬은 정확히 수행되었지만, 접합패드의 정렬불량은 해소되지 않는다.
상기 형상 특성유닛(530)은 곡면과 평면의 접합을 곡면과 곡면의 접합으로 전환하도록 제2 기판(S2)의 형상을 곡면으로 형성한다. 이때, 곡면의 형상특성은 제1 및 제2 척 스케일(ST,SB) 사이의 편차를 반영할 수 있도록 한다.
본 실시예의 경우, 상기 제1 기판(S1)을 구성하는 제1 곡면(C1)은 최대 처짐(ΔZ)을 꼭지점으로 갖는 포물선으로 제공되므로, 상기 제2 기판(S2)도 소정의 높이를 꼭지점으로 갖는 포물선 형상의 제2 곡면(C2)을 형성하도록 형상특성을 설정한다.
이에 따라, 상기 형상 특성유닛(530)은 제1 및 제2 척 스케일(ST, SB)의 편차를 반영하는 높이(H)를 아래와 같은 식(1)에 의해 수득하고 상기 높이(H)를 최대값으로 갖는 포물선 형상이 되도록 상기 제2 기판(S2)을 변형한다.
Figure 112017126153718-pat00001
--- (1) (단, H는 제2 곡면의 최대높이, ST는 상기 제1 척 스케일, SB는 상기 제2 척 스케일, C1은 비례상수)
이때, 비례상수 C1은 제2 기판(S1)의 선형특성의 정도에 따라 실험적으로 결정된다. 선형특성이 강한 경우에는 제1 및 제2 척 스케일의 편차만큼 접합 후에 수형방향으로 변위가 증가할 것이지만, 선형특성이 약한 경우에는 제1 및 제2 척 스케일의 편차의 일부만 접합 후의 수평방향 변위로 증가하게 된다. 이를 고려하여 상기 높이(H)를 결정할 때 적정한 비례상수를 통하여 접합 후 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 수평오차를 최소화 할 수 있도록 설정할 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 비례상수 C1은 약 0.5 내지 3의 범위를 가질 수 있으며, 바람직하게는 1의 값으로 설정될 수 있다.
형상 특성유닛(530)에 의해 제2 기판의 형상특성으로서 포물선 높이가 결정되면 돌출부 구동신호 생성기(532)에 의해 상기 가변높이 돌출부(320)들의 높이를 단계적으로 설정하도록 돌출부 구동신호를 생성한다. 상기 중앙제어 유닛(550)은 돌출부 구동신호를 제2 파워소스(P2) 및 레벨 설정부(344)를 인가하여 상기 돌출부(320)의 높이를 동심원에 따라 단계적으로 구별되도록 제어한다.
이에 따라, 제2 기판(S2)의 중심에 위치하는 돌출부(320)의 돌출높이는 상기 형상특성 높이(H)만큼 설정되고 중심부에서 주변부로 갈수록 돌출높이는 상기 형상특성 높이(H)로부터 일정한 비율로 감소하도록 설정된다.
돌출높이는 달라지지만 상기 돌출부(320)를 통하여 인가되는 흡착압력은 동일하게 유지되므로, 상기 제2 기판(S2)은 하부 스테이지(310)의 전면을 통하여 위로 볼록한 형상을 갖는 제2 곡면(C2) 형상으로 변형된다.
즉, 상기 제2 곡면(C2)은 제2 기판(S2)의 중심에서 형상특성 높이(H)를 최대점으로 갖는 포물선 형상으로 형성된다. 이에 따라, 제1 기판(S1)은 최대처짐(ΔZ)을 갖는 포물선 형상을 갖고 제2 기판(S2)은 형상특성 높이(H)를 갖는 포물선 형상을 갖게 된다.
상기 제1 및 제2 척 스케일(ST,SB)은 상술한 바와 같이 검출부(400)를 이용하여 직접 검출할 수도 있지만, 제1 및 제2 기판(S1,S2)에 대한 접합전의 기판 가공공정에서 발생된 변형특성으로부터 연산을 통해 수득할 수도 있다.
상기 제1 기판(S1)의 하방처짐(ΔZ)은 제1 기판에 대한 가공에 의해 생성되는 수직방향 변형인 제1 와피지(warpage)와 제1 기판(S1)에 굽힘응력을 유발하는 흡착압력의 크기에 따라 결정되며, 제1 기판의 수평방향 변형은 제1 기판의 가공에 의해 생성되는 수평방향 변형인 제1 스케일과 굽힘 스트레인(strain)에 따라 결정된다. 이에 따라, 상기 제1 스케일과 제1 와피지(warpage) 및 흡착압력에 따라 제1 척 스케일의 크기는 달라질 수 있다.
상기 제1 스케일과 제1 와피지(warpage) 및 흡착압력과 제1 척 스케일 사이의 실제 데이터를 통계처리 하거나 조건을 달리하는 반복적인 실험에 의해 제1 스케일과 제1 와피지(warpage) 및 흡착압력과 제1 척 스케일 사이의 관계를 일의적으로 결정해주는 함수를 식(2)와 같이 수득할 수 있다.
Figure 112017126153718-pat00002
--- (2) (단, S1은 제1 스케일, W1은 제1 와피지, P는 흡착압력의 크기)
제2 척 스케일(SB)은 실질적으로 균일한 흡착압력이 인가되므로 흡착압력에 의한 수직 및 수평방향 변위는 무시할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 척 스케일(SB)은 제2 기판(S2)에 대한 접합이전 가공에 의한 수평변위인 제2 스케일 및 수직변위인 제2 와피지에 의해 결정된다. 제1 척 스케일(ST)과 동일한 방식으로 통계처리 및 반복 실험을 통하여 식(3)과 같은 함수관례를 수득할 수 있다.
Figure 112017126153718-pat00003
--- (3)
(단, S2는 제2 스케일, W1은 제1 와피지, C0는 비례상수)
특히, 제2 척 스케일(SB)은 흡착압력의 영향을 무시할 수 있으므로 적정한 비례상수를 도입하여 1차식으로 근사화 할 수 있다.
이와 같이 이전 가공에 의해 발생된 스케일과 와피지를 이용하여 제1 및 제2 척 스케일(ST,SB)을 결정하기 위해 상기 척 제어부(500)는 이전가공 변형특성을 설정하는 설정부와 저장부 및 사용자 인터페이스를 더 구비할 수도 있음은 자명하다.
상기 갭 설정유닛(540)은 제2 곡면(C2)의 형상특성 높이(H)와 제1 곡면(C1)의 상기 하방 처짐(ΔZ)으로부터 상기 상부 및 하부 척 구조물(200,300)의 최소 이격거리를 설정한다.
제1 및 제2 곡면(C1,C2) 형상을 갖는 상기 제1 및 제2 기판(S1,S2)은 접합을 통해 동일한 평면을 갖는 접합체로 형성된다. 이에 따라, 상기 형상 특성높이(H) 및 하방 처짐(ΔZ)이 상기 제1 및 제2 척 스케일(ST,SB)의 편차에 대응하도록 수평변위에 반영되기 위해서는 곡면이 평면으로 변환되는 과정에서의 비선형 특성이 최소화 될 것이 요구된다.
상기 제1 및 제2 곡면(C1,C2)이 중첩하는 경우에는 중첩영역과 비중첩영역의 수평변위 특성이 달라 각 곡면의 수평변형에 대한 비선형 특성이 증가한다. 또한, 제1 및 제2 곡면(C1,C2)가 너무 멀리 이격되면 제1 기판(S1)이 푸시로드(240)에 의해 가압되는 경우 제1 기판(S1)의 주변부 인장이 증가하여 제1 곡면(C1)의 수평변형에 대한 비선형 특성이 증가하게 된다.
이에 따라, 각 곡면(C1,C2)의 수평변형에 대한 비선형 특성을 최소화 할 수 있는 상부 및 하부 스테이지(210,310)의 이격거리인 본딩 갭(G)은 아래의 식(4)와 같이 설정된다.
Figure 112017126153718-pat00004
---- (4)
(단, G는 본딩 갭, H는 제2 기판의 최대높이, ΔZ는 제1 기판의 하방 처짐, C2는 비례상수)
갭 설정유닛(540)에 의해 상부 및 하부 스테이지(210,310) 사이의 본딩 갭(G)이 결정되면, 하부 척 구동신호 생성기(532)에 의해 상기 하부 스테이지(310)가 상부 스테이지(210)로부터 본딩 갭(G)만큼 이격되도록 상기 하부 스테이지(310)를 구동하는 하부 척 구동신호를 생성한다. 상기 중앙제어 유닛(550)은 하부 척 구동신호를 제2 파워소스(P2)에 인가하여 하부 지지대(350)를 상승 또는 하강 시킨다.
이에 따라, 상기 상부 척 구조물(200)과 하부 척 구조물(300)은 본딩 갭(G)만큼 이격되도록 배치되어 접합공정을 개시할 준비를 완료한다.
상술한 바와 같은 기판 접합 장치에 의하면, 상부 및 하부 척 구조물에 고정된 상태에서의 제1 및 제2 기판의 최종 수평변위 성분인 척 스케일의 편차에 대응하는 높이를 갖는 제2 곡면형상으로 제2 기판의 형상을 변형시킴으로써 곡면과 평면을 접합하던 종래의 기판 접합공정을 최종 척 스케일 편차를 반영한 곡면과 곡면의 접합공정으로 개선한다.
이에 따라, 곡면성분의 평면성분으로의 전환과정에서 발생하는 수평변위를 공정조건으로 반영함으로써 접합 후 제1 및 제2 기판 사이의 오차인 수평오차를 현저하게 줄일 수 있다.
곡면과 평면형상의 종래의 접합공정에 의하면 수평오차가 약 7~10ppm 정도로 발생하였으나 본 발명과 같이 곡면과 곡면에 의한 접합공정으로 개선하는 경우 수평오차는 약 1ppm 이하로 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
상기한 바와 같은 기판 접합 장치를 이용하여 기판을 접합하는 공정은 다음과 같이 수행할 수 있다.
도 7 내지 도 10은 도 1에 도시된 기판 접합 장치를 이용하여 기판을 접하는 공정단계를 나타내는 도면들이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 아래로 볼록한 제1 곡면(C1) 형상을 갖도록 상부 척 구조물(200)에 고정된 제1 기판(S1) 및 평면 형상을 갖도록 하부 척 구조물(300)의 가변높이 돌출부(320)에 고정한 제2 기판(S2)의 중심위치가 일치하도록 정렬한다.
상기 검출부(400)의 제1 및 제2 광학 카메라(411,412))를 구동하여 중심위치를 검출하고 동시에 각 기판의 단부위치를 측정한다. 또한, 수직위치 검출기(420)를 통하여 제1 기판(S1)의 하방 처짐(ΔZ)을 검출한다.
이에 따라, 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 중심위치를 일치하도록 정렬하면서 제1 및 제2 기판(S1,S2)의 가공전 원시기판의 사이즈와 비교하여 척 구조물에 고정된 제1 및 제2 기판의 수평변위인 제1 및 제2 척 스케일(ST, SB)을 검출한다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 상기 제2 기판(S2)을 상기 평면형상으로부터 상기 제1 및 제2 척 스케일(ST,SB)의 편차를 포함하는 형상특성 높이(H)를 구비하고 위로 볼록한 제2 곡면(C2) 형상으로 변형한다.
상기 형상특성 유닛(530)은 돌출부 구동신호 생성기(532)에 의해 상기 가변높이 돌출부(320)들의 높이를 단계적으로 설정하도록 돌출부 구동신호를 생성한다. 상기 중앙제어 유닛(550)은 돌출부 구동신호를 제2 파워소스(P2) 및 레벨 설정부(344)로 인가하여 상기 돌출부(320)의 돌출높이(PH)를 동심원에 따라 단계적으로 구별되도록 제어한다.
이에 따라, 제2 기판(S2)의 중심에 위치하는 돌출부(320)의 돌출높이(도3c의 PH)는 상기 형상특성 높이(H)만큼 설정되고 중심부에서 주변부로 갈수록 돌출높이는 상기 형상특성 높이(H)로부터 일정한 비율로 감소하도록 설정된다. 이에 따라, 상기 돌출부(320)의 상면 레벨(SL)도 중심부에서 주변부로 갈수록 일정한 비율로 감소하여, 상기 제2 곡면(C2)은 제2 기판(S2)의 중심에서 형상특성 높이(H)를 최대점으로 갖는 포물선 형상으로 형성된다. 이에 따라, 제1 기판(S1)은 최대처짐(ΔZ)을 갖는 포물선 형상을 갖고 제2 기판(S2)은 형상특성 높이(H)를 갖는 포물선 형상을 갖게 된다.
본 실시예에서는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 하부 척 구조물(300)을 이용하여 상기 돌출부(320)의 돌출높이를 개별적으로 제어하여 제2 기판(S2)의 형상을 제2 곡면(C2)으로 변형하는 것을 개시하지만, 도 4a 내지 도 5c에 도시된 하부 척 구조물(301,302)을 이용하여 연성부재(360,369)의 높이를 개별저긍로 제어하여 제2 곡면(C2)으로 변형할 수도 있다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 상기 상부 및 하부 척 구조물(200,300) 사이의 간격을 상기 형상 특성높이(H)와 상기 하방 처짐(ΔZ)을 수용하는 최소 이격거리인 본딩 갭(G)으로 설정한다.
갭 설정유닛(540)에 의해 상부 및 하부 스테이지(210,310) 사이의 본딩 갭(G)이 결정되면, 하부 척 구동신호 생성기(532)에 의해 상기 하부 스테이지(310)가 상부 스테이지(210)로부터 본딩 갭(G)만큼 이격되도록 상기 하부 스테이지(310)를 구동하는 하부 척 구동신호를 생성한다. 상기 중앙제어 유닛(550)은 하부 척 구동신호를 제2 파워소스(P2)에 인가하여 하부 지지대(350)를 상승시킨다. 이에 따라, 하부 스테이지(310)가 상부 스테이지(210)로부터 본딩 갭만큼 이격되도록 위치한다.
도 1 및 도 10을 참조하면, 상기 제1 곡면 형상(C1)을 갖는 제1 기판(S1)을 상기 제2 곡면(C2) 형상을 갖는 제2 기판(S2)으로 가압하여 접합한다.
이때, 상기 상부 스테이지(210)을 관통하는 푸시로드(240)가 제1 파워소스(P1)에 의해 구동되어 하강하면서 제1 기판(S1)을 하방으로 압착한다. 이에 따라, 제1 및 제2 기판(S1,S2)이 서로 접합하게 된다.
상술한 바와 같은 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 접착방법에 의하면, 상부 및 하부 척 구조물에 고정된 상태에서의 제1 및 제2 기판의 최종 수평변위 성분인 척 스케일의 편차에 대응하는 높이를 갖는 제2 곡면형상으로 제2 기판의 형상을 변형시킴으로써 곡면과 평면을 접합하던 종래의 기판 접합공정을 최종 척 스케일 편차를 반영한 곡면과 곡면의 접합공정으로 개선한다.
이에 따라, 곡면성분의 평면성분으로의 전환과정에서 발생하는 수평변위를 공정조건으로 반영함으로써 접합 후 제1 및 제2 기판 사이의 오차인 수평오차를 현저하게 줄일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 하면에 위치하는 제1 기판이 아래로 볼록한 제1 곡면 형상을 갖도록 고정하는 상부 척 구조물;
    상기 상부 척 구조물의 하부에 배치되고 상면에 위치하는 제2 기판을 위로 볼록한 제2 곡면 형상을 갖도록 고정하며 선형이동 및 회전이동에 의해 상기 상부 척 구조물에 대한 상대위치를 조절하는 하부 척 구조물; 및
    상기 상부 및 하부 척 구조물에 고정된 상기 제1 및 제2 기판의 수평방향 변형인 제1 및 제2 척 스케일(scale)의 차이를 상기 제2 곡면의 형상특성으로 설정하는 척 제어부를 포함하고,
    상기 척 제어부는,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 중심위치를 일치시키는 정렬유닛;
    상기 제1 척 스케일 및 상기 제2 척 스케일을 검출하는 스케일 검출유닛;
    상기 제1 척 스케일 및 상기 제2 척 스케일로부터 상기 제2 곡면의 상기 형상특성을 설정하는 형상특성 설정유닛; 및
    상기 제2 곡면의 상기 형상특성과 상기 제1 기판의 하방 처짐으로부터 상기 상부 및 하부 척 구조물의 최소 이격거리인 본딩 갭을 설정하는 갭 설정유닛을 포함하는 기판 접합 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 척 구조물은 평판 형상의 하부 스테이지, 상기 하부 스테이지와 연결되어 상기 제2 기판을 지지하는 다수의 돌출부, 상기 돌출부를 관통하여 상기 제2 기판을 고정하는 흡착압력을 인가하는 흡착 제어기 및 상기 돌출부의 상면 레벨을 조절하는 레벨 제어기를 포함하는 기판 접합 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 돌출부들은 상기 하부 스테이지의 상면에 삽입되어 상기 제2 기판의 중심을 공통중심으로 하는 다수의 동심원 형상으로 배치되고, 상기 레벨 제어기에 의해 상기 제2 기판의 중심부에서 주변부로 갈수록 상기 하부 스테이지로부터의 돌출 높이가 감소하도록 개별적으로 조절하여 상기 제2 곡면의 수직단면은 위로 볼록한 포물선 프로파일을 갖는 기판 접합 장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 레벨 제어기는 상기 하부 스테이지의 상면으로부터 돌출하도록 상기 돌출부를 구동하는 구동파워를 전송하는 파워 공급부 및 상기 돌출부가 상기 동심원 별로 서로 다른 높이를 갖도록 상기 구동파워를 조절하는 레벨 설정부를 포함하는 기판 접합 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 하부 척 구조물은 상기 하부 스테이지에 고정되고 상면에 상기 돌출부가 정렬되며 상기 하부 스테이지의 반경방향을 따라 서로 다른 높이를 갖도록 변형할 수 있는 연성부재를 더 포함하는 기판 접합장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연성부재는 상기 하부 스테이지의 중심부를 덮는 원판 형상을 갖는 센터 디스크 및 상기 센터 디스크를 둘러싸도록 상기 하부 스테이지의 반경방향을 따라 차례대로 배치되는 다수의 분할 링을 포함하는 기판 접합장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다수의 분할 링들은 상기 하부 스테이지의 중심으로부터 주변부로 진행할수록 폭이 작아져서, 상기 센터 디스크와 인접한 분할 링은 상대적으로 넓은 면적을 갖고 상기 센터 디스크와 이격된 분할 링은 상대적으로 좁은 면적을 갖는 기판 접합장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 레벨 제어기는 개별적으로 상기 센터 디스크 및 상기 분할 링으로 제어압력을 인가하여 상기 센터 디스크 및 상기 분할 링을 서로 독립적으로 팽창시키는 파워 공급부 및 상기 센터 디스크 및 상기 각 분할 링으로 인가되는 제어압력의 크기를 제어하여 상기 센터 디스크 및 상기 분할 링의 높이를 다르게 설정하는 레벨 설정부를 포함하는 기판 접합 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 센터 디스크 및 상기 다수의 분할 링의 적어도 하나는 원주 방향을 따라 일정한 각도만큼 분할되는 다수의 분할편자(ASP)를 더 포함하는 기판 접합 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 레벨 제어기는 상기 파워 공급부로부터 분기하여 상기 분할편자의 각각으로 독립적으로 상기 제어압력을 제공하는 다수의 분기라인을 더 포함하는 기판 접합장치.
  12. 제2항에 있어서, 상기 상부 척 구조물 상에 고정된 상기 제1 기판의 위치 및 상기 하부 척 구조물 상에 고정된 상기 제2 기판의 위치를 검출하여 상기 척 제어부로 전송하는 수평위치 검출기 및 상기 제1 기판의 상기 하방 처짐을 검출하는 수직위치 검출기를 구비하는 검출부를 더 포함하는 기판 접합 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 수평위치 검출기는 상기 상부 척 구조물 및 하부 척 구조물의 측부에 각각 배치된 광학 카메라를 포함하고 상기 수직위치 검출기는 갭 센서를 포함하는 기판 접합 장치.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 형상특성은 하기의 식(1)에 의해 수득되는 상기 제2 곡면의 최대높이를 포함하는 기판 접합 장치.
    H = C1(ST-SB) --- (1)
    (단, H는 제2 곡면의 최대높이, ST는 상기 제1 척 스케일, SB는 상기 제2 척 스케일, C1은 비례상수)
  16. 제15항에 있어서, 상기 본딩 갭은 하기의 식(3)에 의해 수득되는 기판 접합 장치.
    G = H+C2ΔZ ---- (3)
    (단, G는 본딩 갭, H는 제2 기판의 최대높이, ΔZ는 제1 기판의 하방 처짐, C2는 비례상수)
  17. 아래로 볼록한 제1 곡면 형상을 갖도록 상부 척 구조물에 고정된 제1 기판 및 평면 형상을 갖도록 하부 척 구조물의 돌출부에 고정한 제2 기판의 중심위치가 일치하도록 정렬하고;
    상기 제1 및 제2 기판의 수평방향 변형인 제1 및 제2 척 스케일과 상기 제1 기판의 최대 하방 처짐을 수득하고;
    상기 제2 기판을 상기 평면형상으로부터 상기 제1 및 제2 척 스케일의 편차를 포함하는 형상특성을 구비하고 위로 볼록한 제2 곡면 형상으로 변형하고;
    상기 상부 및 하부 척 구조물 사이의 간격을 상기 형상 특성과 상기 최대 하방 처짐을 수용하는 최소 이격거리인 본딩 갭으로 설정하고; 그리고
    상기 제1 곡면 형상을 갖는 제1 기판을 상기 제2 곡면 형상을 갖는 제2 기판으로 가압하여 접합하며,
    상기 제2 척 스케일은 상기 제2 기판의 이전 공정에 의해 생성된 상기 제2 기판의 수평방향 변형인 제2 스케일과 수직방향의 변형인 제2 와피지를 이용하여 아래의 식(2)에 의해 수득하는 기판 접합 방법.
    SB=S2+C0W2 --- (2)
    (단, S2는 제2 기판의 스케일, W2는 제2 기판의 와피지(warpage)).
  18. 제17항 있어서, 상기 제1 및 제2 척 스케일은 상기 제1 및 제2 기판의 중심위치를 검출하는 광학 카메라를 이용하여 수평방향 길이를 비교하여 검출하고 상기 최대 하방 처짐은 갭 센서에 의해 검출하는 기판 접합 방법.
  19. 제17항 있어서, 상기 제2 기판을 상기 제2 곡면형상으로 변형하는 것은,
    상기 제1 및 제2 척 스케일의 편차를 상기 제2 기판의 수직방향 형상특성 인자인 최대높이로 수득하고; 그리고
    상기 제2 기판의 중심부에서 상기 최대높이에 대응하는 중심부 높이를 갖고 상기 제2 기판의 주변부로 갈수록 낮아지도록 상기 돌출부의 높이를 조절하여 상기 제2 기판은 중심부에서 상기 최대높이를 갖고 수직단면이 위로 볼록한 포물선 프로파일이 되도록 형성하는 기판 접합 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 상부 및 하부 척 구조물 사이의 간격을 상기 본딩 갭으로 설정하는 것은,
    상기 제1 기판의 최대 하방 처짐과 상기 제2 기판의 최대높이를 수용하도록 상기 본딩 갭을 수득하고; 그리고
    상기 하부 척 구조물과 상기 상부 척 구조물 사이의 이격거리가 상기 본딩 갭에 대응하도록 상기 하부 척 구조물을 상승하는 기판 접합 방법.
  21. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 척 스케일은 상기 수평위치 검출기에 의해 검출된 상기 제1 및 제2 기판의 실제 사이즈와 가공 전의 원시 기판 사이즈의 차이로 설정되는 기판 접합 장치.
  22. 제15항에 있어서, 상기 제2 척 스케일은 상기 제2 기판에 대한 가공에 의해 생성된 상기 제2 기판의 수평변형인 스케일 및 수직변형인 와피지(warpage)를 이용하여 식(2)에 의해 수득되는 기판 접합 장치.
    SB=S2+C0W2 --- (2)
    (단, S2는 제2 기판의 스케일, W2는 제2 기판의 와피지(warpage).
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