KR102576705B1 - 기판 본딩 장치 및 기판의 본딩 방법 - Google Patents

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Abstract

제 1 기판을 하방에서 지지하는 기판 서셉터; 상기 기판 서셉터의 상방에 배치되고 제 2 기판을 홀딩하도록 구성된 기판 홀더; 및 상기 기판 서셉터 및 상기 기판 홀더를 수용하는 챔버 하우징을 포함하고, 상기 기판 홀더는 개별적으로 동작 가능한 복수개의 홀딩 핑거들을 포함하는 기판 본딩 장치가 제공된다.

Description

기판 본딩 장치 및 기판의 본딩 방법 {Apparatus for bonding substrates and method of bonding substrates}
본 발명은 기판 본딩 장치 및 기판의 본딩 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 반도체 소자를 저렴하면서도 보다 향상된 정밀도로 제조할 수 있는 기판 본딩 장치 및 기판의 본딩 방법에 관한 것이다.
3차원 연결 구조를 갖는 반도체의 개발에서 두 개의 반도체 웨이퍼를 정밀하게 본딩할 것이 요구되고 있다. 두 개의 반도체 웨이퍼를 극히 정밀하게 본딩할 수 있다면 보다 우수한 성능을 가지면서 보다 작은 크기를 갖는 반도체 장치를 보다 높은 신뢰도로 더 싼 가격에 제조할 수 있다. 두 개의 반도체 웨이퍼를 본딩할 수 있는 다양한 방법들이 개발되고 있지만 정밀도 측면에서 더 개선할 여지가 있다.
본 발명의 첫 번째 기술적 과제는 반도체 소자를 저렴하면서도 보다 향상된 정밀도로 제조할 수 있는 기판 본딩 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 기술적 과제는 반도체 소자를 저렴하면서도 보다 향상된 정밀도로 제조할 수 있는 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 제 1 기판을 하방에서 지지하는 기판 서셉터; 상기 기판 서셉터의 상방에 배치되고 제 2 기판을 홀딩하도록 구성된 기판 홀더; 및 상기 기판 서셉터 및 상기 기판 홀더를 수용하는 챔버 하우징을 포함하고, 상기 기판 홀더는 개별적으로 동작 가능한 복수개의 홀딩 핑거들을 포함하는 기판 본딩 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 태양은 제 1 기판을 하방에서 지지하는 기판 서셉터; 상기 기판 서셉터의 상방에 배치되고 제 2 기판을 홀딩하도록 구성된 기판 홀더; 및 상기 제 2 기판의 중심에 대응되는 위치에 상기 제 1 기판을 향하여 상기 제 2 기판을 가압하도록 구성된 가압 핑거를 포함하고, 상기 기판 홀더는, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 자발적 본딩 전개(bonding propagation)가 충분히 진행되고 상기 제 2 기판의 가장자리가 상기 제 1 기판의 가장자리에 접근한 후, 상기 제 2 기판의 홀딩을 해제하도록 구성된 기판 본딩 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 제 1 기판이 배치된 기판 서셉터 위에, 제 2 기판을 홀딩하는 기판 홀더를 정렬하는 단계; 상기 제 2 기판의 중심을 상기 제 1 기판에 접촉시키는 단계; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 자발적 본딩 전개(bonding propagation)가 충분히 진행되는 것을 허용하는 단계; 상기 제 2 기판의 홀딩을 유지하면서 상기 제 2 기판을 상기 제 1 기판에 근접시키는 단계; 및 상기 제 2 기판의 홀딩을 해제하는 단계를 포함하는 기판의 본딩 방법을 제공한다.
본 발명의 기판 본딩 장치 및 기판의 본딩 방법은 기판의 본딩의 정밀도를 높일 수 있기 때문에 반도체 소자를 보다 높은 정밀도로 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한 높아진 정밀도로부터 제품의 수율이 개선되기 때문에 제조 비용도 저렴해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 본딩 장치를 나타낸 측면도이다.
도 2는 기판 홀더를 하부에서 바라본 저면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 기판과 제 2 기판의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 기판과 제 2 기판의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 기판과 제 2 기판의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 기판과 제 2 기판의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다.
도 7은 제 2 기판의 가장자리를 홀딩 핑거에 의하여 제 1 기판에 접근시키지 않고 홀딩을 해제하였을 때, 기판에 변형(distortion)이 발생하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 기판과 제 2 기판의 정렬 방법을 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀딩 핑거를 나타낸 측면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀딩 핑거를 나타낸 측면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 홀딩 핑거를 나타낸 측면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 본딩 장치를 나타낸 측면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 본딩된 제 1 기판 및 제 2 기판을 나타낸 개략도이다.
도 14는 도 13의 XII 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 본딩 장치(100)를 나타낸 측면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 기판 본딩 장치(100)는 기판 서셉터(120), 상기 기판 서셉터(120)의 상방에 배치되는 기판 홀더(110), 및 상기 기판 서셉터(120) 및 상기 기판 홀더(110)를 수용하는 챔버 하우징(130)을 포함할 수 있다.
상기 챔버 하우징(130)은 상기 기판 서셉터(120) 및 기판 홀더(110)를 둘러쌀 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 챔버 하우징(130)의 내부에는 진공 압력(vacuum pressure) 또는 대기압(atmospheric pressure)가 형성될 수 있다. 상기 기판 서셉터(120)와 기판 홀더(110)에 의하여 각각 지지 또는 홀딩되는 제 1 기판(W1) 및 제 2 기판(W2)은 상기 챔버 하우징(130)에 의하여 외부로부터 보호될 수 있다.
상기 챔버 하우징(130)은 벽체(132) 및 개구부(134)를 가질 수 있다. 기판들(W1, W2)은 상기 개구부(134)를 통하여 상기 챔버 하우징(130)으로 반입 또는 반출될 수 있다. 상기 챔버 하우징(130)의 내부를 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 상기 개구부(134)는 필요에 따라 밀폐 또는 밀봉될 수 있다.
상기 기판 서셉터(120)는 그 위에 안착되는 제 1 기판(W1)을 지지할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 기판(W1)은 단결정 기판일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 기판(W1)은 실리콘(silicon) 웨이퍼일 수 있다.
상기 기판 서셉터(120)는 서셉터 몸체(122) 및 제 1 기판 고정부(124)를 포함할 수 있다. 상기 기판 서셉터(120)는, 예를 들면, 진공 또는 정전기 힘을 이용하여 상기 제 1 기판(W1)을 고정하도록 구성될 수 있다. 상기 기판 서셉터(120)가 진공을 이용하여 상기 제 1 기판(W1)을 고정하는 경우, 상기 제 1 기판 고정부(124)는 상기 제 1 기판(W1)의 하방에 주변 압력보다 낮은 압력을 인가하도록 구성될 수 있다. 상기 기판 서셉터(120)가 정전기 힘을 이용하여 상기 제 1 기판(W1)을 고정하는 경우, 상기 제 1 기판 고정부(124)는 상기 제 1 기판(W1)이 고정되도록 하는 정전기 힘을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 기판 홀더(110)는 상기 기판 서셉터(120)와 마주보도록 제공될 수 있다. 상기 기판 홀더(110)는 제 2 기판(W2)을 홀딩할 수 있다. 상기 기판 홀더(110)는 상기 제 2 기판(W2)을 상부에서 홀딩할 수 있다. 바꾸어 말하면, 상기 기판 홀더(110)는 상기 제 2 기판(W2)의 상부 표면과 접촉하여 이를 홀딩할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 기판(W2)은 단결정 기판일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 기판(W2)은 실리콘(silicon) 웨이퍼일 수 있다.
도 2는 상기 기판 홀더(110)를 하부에서 바라본 저면도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 상기 기판 홀더 몸체(112)의 외주는 대체로 원형일 수 있다. 상기 기판 홀더 몸체(112)의 외주를 따라 복수의 홀딩 핑거들(114)이 실질적으로 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 이웃하는 임의의 두 홀딩 핑거(114)들이 상기 기판 홀더(110)의 중심과 이루는 각도(θ)는 실질적으로 일정할 수 있다.
상기 기판 홀더(110)는 네 개 보다 많은 홀딩 핑거(114)들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판 홀더(110)는 여덟(8)개의 홀딩 핑거(114)들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판 홀더(110)는 홀수 개의, 예컨대 다섯 개, 일곱 개, 아홉 개, 열한 개, 열세 개, 또는 열 다섯 개의 홀딩 핑거(114)들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 홀딩 핑거(114)들의 수는 30 이하일 수 있다.
상기 홀딩 핑거(114)들은 상기 제 2 기판(W2)에 대하여 실질적으로 수직인 방향(즉, z 방향)으로 왕복 운동이 가능하도록 구성될 수 있다. 상기 홀딩 핑거(114)들의 왕복 운동은 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)에 의하여 실현될 수 있다. 상기 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)의 동작은 콘트롤러(140)에 의하여 제어될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 각 액츄에이터(114a)들은 각각 개별적으로 상기 콘트롤러(140)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 콘트롤러(140)에 의하여 각각 개별적으로 제어될 수 있다. 즉, 상기 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)의 움직임에 따른 홀딩 핑거(114)들 각각의 움직임은 서로 독립적일 수 있으며, 이에 대해서는 뒤에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)로서, 예를 들면, 적층형 압전 구동기(multilayer piezoelectric actuator), 보이스 코일 모터(voice coil motor, VCM), 모터와 결합된 랙 앤 피니언(lag and pinion) 등이 사용될 수 있으나, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판 홀더(110)의 중심에는 상기 제 2 기판(W2)을 가압하기 위한 가압 핑거(116)가 제공될 수 있다. 상기 가압 핑거(116)는 상기 제 2 기판(W2)에 대하여 실질적으로 수직인 방향(즉, z 방향)으로 왕복 운동이 가능하도록 구성될 수 있다. 상기 가압 핑거(116)의 왕복 운동은 가압 핑거 액츄에이터(116a)에 의하여 실현될 수 있다. 상기 가압 핑거 액츄에이터(116a)의 동작은 콘트롤러(140)에 의하여 제어될 수 있다.
상기 가압 핑거 액츄에이터(116a)로서, 예를 들면, 적층형 압전 구동기, VCM, 모터와 결합된 랙 앤 피니언 등이 사용될 수 있으나, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 상대적인 거리는 거리 센서(150)에 의하여 감지될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 거리 센서(150)는 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 이미지를 인식하여 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 거리 센서(150)는 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)에 전자기파를 조사한 후 그로부터 반사되는 전자기파를 분석함으로써 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 상기 거리 센서(150)가 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 상대적인 거리를 인식하는 방법은 다양하며, 위에서 설명된 예들에 한정되지 않는다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)는 아암(arm)의 형태를 가질 수 있다. 상기 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)가 아암의 형태를 갖는 경우 상기 아암의 일 측에 홀딩 핑거(114)가 결합되고 상기 아암이 동작함으로써 상기 홀딩 핑거(114)가 z 방향으로 운동 가능하도록 구성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다.
도 3a를 참조하면, 제 2 기판(W2)을 홀딩한 기판 홀더(110)를 제 1 기판(W1)이 배치된 기판 서셉터(120) 위에 정렬할 수 있다.
상기 기판 홀더(110)는 상기 정렬을 위하여 x-y 평면 상에서 이동될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 정렬을 위하여 상기 제 1 기판(W1) 및/또는 제 2 기판(W2) 상에 정렬 마크(alignment mark)가 마킹되어 있을 수 있다.
또한, 상기 기판 홀더(110)는 상기 정렬을 위하여 z 축 방향으로 이동될 수 있다. 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리(d1)은 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛일 수 있다. 본 정렬 단계에서 상기 거리(d1)이 너무 크면 추후 설명하는 본딩 전개(bonding propagation)가 미흡하게 전개될 수 있다. 반대로 상기 거리(d1)이 너무 작으면 추후 설명하는 본딩 전개가 과도하여 본딩 전개된 부분에 보이드가 발생할 우려가 있다.
상기 기판 홀더(110)와 상기 기판 서셉터(120) 사이의 정렬은 거리 센서(150)를 포함한 센서 시스템에 의하여 피드백 제어될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 가압 핑거(116)를 써서 상기 제 1 기판(W1)을 향하여 상기 제 2 기판(W2)을 가압할 수 있다. 이 때, 기판 홀더(110)의 홀딩 핑거들(114)은 상기 제 2 기판(W2)을 계속 홀딩하고 있을 수 있다. 상기 가압 핑거(116)가 상기 제 2 기판(W2)을 가압함으로써 상기 제 2 기판(W2)의 중심은 상기 제 1 기판(W1)과 접촉할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2) 사이의 자발적인 본딩 전개가 충분히 진행되는 것을 허용할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2)의 서로 마주보는 표면들은 플라스마 처리가 되어 있을 수 있다. 이 경우 두 기판들(W1, W2)의 표면들 사이에는 서로에 대한 인력이 발생하여 본딩 전개가 일어날 수 있다. 상기 두 기판들(W1, W2)의 표면들은 상기 본딩 전개에 의하여 특별한 외력의 인가 없이도 최초 접촉 지점으로부터 점진적으로 서로 본딩될 수 있다. 이 때, 상기 두 기판들(W1, W2)의 표면들이 서로 본딩된 부분(도 3c의 O와 BF 사이)과 아직 본딩되지 않은 부분(도 3c의 BF보다 바깥쪽 부분) 사이의 경계를 본딩 전선(bonding front)이라고 지칭할 수 있다.
만일 상기 홀딩 핑거(114)가 제 2 기판(W2)을 홀딩하지 않고, 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리가 자유 낙하하여 상기 제 1 기판(W1)의 가장자리와 만나도록 허용된다면 상기 본딩 전선은 상기 제 1 기판(W1)(또는 제 2 기판(W2))의 가장자리까지 전개될 수 있다.
하지만, 도 3c에서는 상기 홀딩 핑거(114)가 제 2 기판(W2)을 홀딩하고 있으므로 상기 본딩 전선(BF)가 상기 제 1 기판(W1)(또는 제 2 기판(W2))의 가장자리까지 전개될 수 없다. 상기 본딩 전선(BF)은 두 기판들(W1, W2)의 표면들 사이의 서로에 대한 인력과 제 2 기판(W2)이 갖는 탄성 복원력이 균형을 이루는 지점까지만 전개될 수 있다.
만일 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리와 상기 제 1 기판(W1)의 가장자리 사이의 거리가 증가한다면, 중심(O)과 본딩 전선(BF) 사이의 거리(d2)는 감소할 것이다. 만일 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리와 상기 제 1 기판(W1)의 가장자리 사이의 거리가 감소한다면, 중심(O)과 본딩 전선(BF) 사이의 거리(d2)는 증가할 것이다.
도 3d를 참조하면, 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리가 상기 제 1 기판(W1)의 가장자리에 본딩되도록 상기 홀딩 핑거(114)들이 상기 제 1 기판(W1)을 향하여 하강할 수 있다. 그 결과 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 완전히 본딩될 수 있다.
이 때, 상기 홀딩 핑거(114)들은 모두 동일한 속도로 움직이지 않을 수 있다. 나아가 상기 홀딩 핑거(114)들은 모두 동일한 변위만큼 이동하는 것도 아닐 수 있다. 바꾸어 말하면, 상기 홀딩 핑거(114)의 각각은 모두 독립적으로 제어되며 독립적으로 동작할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 1 기판(W1) 및 상기 제 2 기판(W2)의 주위에는 둘 이상의 거리 센서들(150)이 배치될 수 있다. 상기 둘 이상의 거리 센서들(150)은 자신이 위치한 곳에서의 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리를 측정하여 콘트롤러(140, 도 1 참조)로 송신한다.
상기 콘트롤러(140)는 각 거리 센서들(150)에서 측정된 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리 정보를 이용하여 각 홀딩 핑거(114)의 위치에서의 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리를 산출할 수 있다. 각 홀딩 핑거(114)의 위치에서의 기판간 거리는, 예를 들면, 각 거리 센서들(150)의 위치에서의 기판간 거리로부터 내삽(interpolation)을 통해 계산될 수 있다. 그러나 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 콘트롤러(140)는 상기 각 홀딩 핑거(114)의 위치에서의 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 산출된 거리에 근거하여 다음 순간에서 각 홀딩 핑거(114)의 목표 위치를, 예를 들면, 각 홀딩 핑거(114)가 z 방향으로 어느 정도의 거리를 어떤 속도로 움직여야 하는지를 산출할 수 있다. 그런 다음, 상기 콘트롤러(140)는 각 홀딩 핑거(114)가 산출된 바에 따라 목표 위치로 이동시키기 위한 신호를 홀딩 핑거 액츄에이터(114a, 도 1 참조)로 송신할 수 있다.
바꾸어 말하면, 상기 콘트롤러(140)는 각 홀딩 핑거(114)의 위치에서의 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리를 실시간으로 계산하고 그에 근거하여 홀딩 핑거(114)의 목표 포지션과 동작 속도를 실시간으로 제어하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 각 홀딩 핑거들(114)은 상이한 속도로 상기 제 1 기판(W1)을 향하여 하강할 수 있다. 예를 들면, 8개의 홀딩 핑거들(114) 중 직교하는 두 방향에 위치하는 4개의 홀딩 핑거들(114)은 일정한 속도로 하강하고, 이들 이외의 나머지 4개의 홀딩 핑거들(114)은 이보다 더 느린 속도로 하강할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 각 홀딩 핑거들(114)은 서로 높이 차이를 두고 상기 제 1 기판(W1)을 향하여 하강할 수 있다. 예를 들면, 8개의 홀딩 핑거들(114) 중 직교하는 두 방향에 위치하는 4개의 홀딩 핑거들(114)은 하강하는 임의의 순간에 제 1 기판(W1)과 H의 거리를 가질 수 있고, 이들 이외의 나머지 나머지 4개의 홀딩 핑거들(114)은 제 1 기판(W1)과 (H+δH)의 거리를 가질 수 있다. 즉, 8개의 홀딩 핑거들(114)이 하강하는 동안 4개의 홀딩 핑거들(114)과 나머지 4개의 홀딩 핑거들(114) 사이의 높이 차이 δH가 일정하게 유지될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 상기 홀딩 핑거(114)로 하여금 상기 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩을 해제하도록 할 수 있다. 상기 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩을 해제하는 방법은 상기 제 2 기판(W2)을 홀딩하는 수단에 따라 달라질 수 있다. 만일, 상기 홀딩 핑거(114)에 석션부(suction unit)이 제공되고 그에 의하여 상기 제 2 기판(W2)이 홀딩되고 있었다면 석션부 내부의 압력을 외부와 동일화(equalize)함으로써 홀딩을 해제할 수 있다. 만일 상기 홀딩 핑거(114)에 공급된 전원이 정전기 힘을 생성하고 그에 의하여 제 2 기판(W2)이 홀딩되고 있었다면 상기 홀딩 핑거(114)에 공급되던 전원을 차단함으로써 홀딩을 해제할 수 있을 것이다.
홀딩이 해제된 홀딩 핑거(114)는 상기 제 1 기판(W1)으로부터 멀어지는 방향으로 이동될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다. 본 실시예의 본딩 방법은 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명한 위의 실시예와 도 3a 내지 도 3c에 도시한 단계들이 공통되기 때문에 그 이후의 단계부터 설명한다.
도 4a를 참조하면, 상기 홀딩 핑거(114)는 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리와 상기 제 1 기판(W1)의 가장자리 사이의 거리(d3)가 약 1 ㎛ 내지 50 ㎛가 될 때까지 상기 제 1 기판(W1)을 향하여 이동할 수 있다.
상기 홀딩 핑거(114)들이 상기 제 1 기판(W1)을 향하여 움직이는 것은 도 3d를 참조하여 설명한 바와 같이 거리 센서(150), 콘트롤러(140), 및 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)의 협력에 의하여 이루어질 수 있다. 그 동안 본딩 전선(BF)은 도 3c에 비하여 더욱 상기 제 1 기판(W1)의 가장자리 쪽으로 가까워질 수 있다. 또한 중심(O)과 본딩 전선(BF) 사이의 거리(d4) 역시 도 3c에 도시한 거리(d2)에 비하여 더 증가할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 비록 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리가 상기 제 1 기판(W1)의 가장자리와 이격된 상태이지만 상기 홀딩 핑거(114)로 하여금 상기 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩을 해제하도록 할 수 있다. 상기 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩을 해제하는 방법은 도 3e를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.
상기 제 2 기판(W2)에 대한 상기 홀딩 핑거(114)의 홀딩이 해제되면, 제 2 기판(W2)의 가장자리는 본딩 전선(BF)이 제 1 기판(W1)의 가장자리 방향으로 전진하면서 종국적으로는 제 2 기판(W2)의 가장자리가 제 1 기판(W1)의 가장자리에 본딩될 수 있다.
만일, 가압 핑거(116)로 제 2 기판(W2)의 중심을 가압하여 제 1 기판(W1)에 접촉시키고 본딩 전선만 형성한 후, 제 2 기판(W2)의 가장자리를 홀딩 핑거(114)에 의하여 제 1 기판(W1)에 접근시키지 않고 홀딩을 해제한다면 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 접합이 충분히 우수하지 못함을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다.
도 5a를 참조하면, 제 1 기판(W1)을 홀딩한 기판 서셉터(120a) 위에 제 2 기판(W2)을 홀딩한 기판 홀더(110a)가 정렬될 수 있다.
상기 기판 서셉터(120a)는 상기 제 1 기판(W1)을 홀딩하기 위하여 서셉터 홀딩 핑거들(114s)을 가질 수 있다. 또한 상기 기판 서셉터(120a)는 상기 제 1 기판(W1)을 가압하기 위한 서셉터 가압 핑거(116s)를 포함할 수 있다.
상기 서셉터 홀딩 핑거들(114s) 및 상기 서셉터 가압 핑거(116s)는 상기 기판 홀더(110a)의 홀딩 핑거들(114) 및 가압 핑거(116)와 대응되는 위치에 정렬될 수 있다. 즉, 상기 서셉터 홀딩 핑거들(114s)의 수는 상기 홀딩 핑거들(114)의 수와 동일할 수 있다.
상기 기판 홀더(110a)와 상기 기판 서셉터(120a)는 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)을 정렬시키기 위하여, 및/또는 상기 서셉터 홀딩 핑거들(114s)과 상기 홀딩 핑거들(114)을 정렬시키기 위하여 x-y 평면 상에서 상대적으로 이동될 수 있다.
또한, 상기 기판 홀더(110a)와 상기 기판 서셉터(120a)는 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리(d5)를 조절하기 위하여 z 축 방향으로 상대적으로 이동될 수 있다. 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리(d5)은 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛일 수 있다. 상기 거리(d5)가 너무 크면 추후 설명하는 본딩 전개(bonding propagation)가 미흡하게 전개될 수 있다. 반대로 상기 거리(d5)가 너무 작으면 추후 설명하는 본딩 전개가 과도하여 본딩 전개된 부분에 보이드가 발생할 우려가 있다.
상기 기판 홀더(110a)와 상기 기판 서셉터(120a) 사이의 정렬 및 거리 조절은 거리 센서(150)를 포함한 센서 시스템과 연결된 콘트롤러(140)에 의하여 피드백 제어될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 기판 홀더(110a)와 상기 기판 서셉터(120a)의 가압 핑거들(116, 116s)을 서로 접근시킴으로써 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)을 서로를 향하여 가압할 수 있다. 즉, 상기 기판 홀더(110a)의 가압 핑거(116)를 써서 제 1 기판(W1)을 향하여 상기 제 2 기판(W2)을 가압할 수 있다. 또한 상기 기판 서셉터(120a)의 서셉터 가압 핑거(116s)를 써서 제 2 기판(W2)을 향하여 상기 제 1 기판(W1)을 가압할 수 있다. 상기 가압에 의하여 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 각 중심부가 서로 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가압 핑거들(116, 116s)이 각각 움직이는 거리는 두 기판들(W1, W2) 사이의 거리(d5)의 절반씩일 수 있다. 하지만 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니며 가압 핑거(116)가 하방으로 움직이는 거리가 서셉터 가압 핑거(116s)가 상방으로 움직이는 거리보다 더 클 수 있다. 반대로 다른 실시예에서 가압 핑거(116)가 하방으로 움직이는 거리가 서셉터 가압 핑거(116s)가 상방으로 움직이는 거리보다 더 작을 수도 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2) 사이의 자발적인 본딩 전개가 충분히 진행되는 것을 허용할 수 있다. 예컨대 상기 본딩 전개는 기판들(W1, W2)의 중심과 본딩 전선(BF) 사이의 거리가 d6가 될 때까지 진행될 수 있다. 이에 대해서는 도 3c를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
도 5d를 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리가 서로 본딩되도록 상기 홀딩 핑거(114)와 상기 서셉터 홀딩 핑거(114s)를 근접시킬 수 있다. 이 때, 상기 홀딩 핑거(114)와 상기 서셉터 홀딩 핑거(114s)의 움직임은 콘트롤러(140)에 의하여 제어될 수 있다. 상기 콘트롤러(140)의 제어 스킴(scheme)에 대해서는 도 3d를 참조하여 상세하게 설명하였으므로 이에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.
상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리가 서로 본딩될 때까지 상기 홀딩 핑거(114)와 상기 서셉터 홀딩 핑거(114s)는 각각 상기 제 2 기판(W2)와 상기 제 1 기판(W1)의 홀딩을 유지할 수 있다.
도 5e를 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2)의 본딩이 완료된 후, 상기 홀딩 핑거(114)는 상기 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩을 해제할 수 있다. 이에 대해서는 도 3e를 참조하여 상세하게 설명하였으므로 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
홀딩이 해제된 홀딩 핑거(114)는 상기 제 1 기판(W1)으로부터 멀어지는 방향으로 이동될 수 있다.
도 5a 내지 도 5e에 예시된 실시예는 가압 핑거들(116, 116s)에 의하여 기판들(W1, W2)이 변형되는 양이 적기 때문에 보다 정밀한 본딩이 가능하다. 또한, 제 2 기판(W2)을 홀딩하는 홀딩 핑거들(114) 뿐만 아니라 제 1 기판(W1)을 홀딩하는 서셉터 홀딩 핑거들(114s)도 능동적으로 제어되기 때문에 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 더욱 정밀하게 본딩될 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 본딩 방법을 나타낸 개념도들이다.
도 6a를 참조하면, 제 1 기판(W1)을 홀딩한 기판 서셉터(120b) 위에 제 2 기판(W2)을 홀딩한 기판 홀더(110a)가 거리 d7를 두고 정렬될 수 있다. 구체적인 구성은 도 5a를 참조하여 설명한 실시예와 동일하므로 여기서는 추가적인 설명을 생략한다.
도 6b를 참조하면, 기판 서셉터(120b)의 서셉터 가압 핑거(116s)는 제 1 기판(W1)을 상방으로 실질적으로 가압하지 않으면서 상기 제 1 기판(W1)과 접촉될 수 있다. 이는 추후 설명하는 바와 같이 제 2 기판(W2)의 가압을 하방에서 지지하기 위한 것이다.
한편 기판 홀더(110a)의 가압 핑거(116)는 제 2 기판(W2)를 하방으로 가압할 수 있다. 상기 제 2 기판(W2)은 상기 제 1 기판(W1)과 접촉될 때까지 가압 핑거(116)에 의하여 하방으로 가압될 수 있다. 상기 제 1 기판(W1)은 서셉터 가압 핑거(116s)에 의하여 지지되므로 상기 가압 핑거(116)의 압력이 가해지더라도 상기 제 1 기판(W1)은 실질적으로 변형되지 않을 수 있다.
도 6c를 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2) 사이의 자발적인 본딩 전개가 충분히 진행되는 것을 허용할 수 있다. 예컨대 상기 본딩 전개는 기판들(W1, W2)의 중심과 본딩 전선(BF) 사이의 거리가 d8이 될 때까지 진행될 수 있다. 이에 대해서는 도 3c를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
도 6d를 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리가 서로 본딩되도록 상기 홀딩 핑거(114)를 서셉터 홀딩 핑거(114s) 쪽으로 근접시킬 수 있다. 이 때 상기 홀딩 핑거(114)의 움직임은 콘트롤러(140)에 의하여 제어될 수 있다. 상기 콘트롤러(140)의 제어 스킴에 대해서는 도 3d를 참조하여 상세하게 설명하였으므로 이에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.
상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2)의 가장자리가 서로 본딩될 때까지 상기 홀딩 핑거(114)는 상기 제 2 기판(W2)의 홀딩을 유지할 수 있다.
도 6e를 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)과 상기 제 2 기판(W2)의 본딩이 완료된 후, 상기 홀딩 핑거(114)는 상기 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩을 해제할 수 있다. 이에 대해서는 도 3e를 참조하여 상세하게 설명하였으므로 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
홀딩이 해제된 홀딩 핑거(114)는 상기 제 1 기판(W1)으로부터 멀어지는 방향으로 이동될 수 있다.
도 7은 이와 같이 본딩 전선을 형성한 후 제 2 기판(W2)의 가장자리를 홀딩 핑거(114)에 의하여 제 1 기판(W1)에 접근시키지 않고 홀딩을 해제하였을 때, 기판에 변형(distortion)이 발생하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 7에 도시한 바와 같이 기판 전체에 걸쳐 변형이 일어나며, 특히 특정한 방향성을 지니면서 (+)자 형태로 변형되는 것을 알 수 있다. 이는 기판이 갖는 결정 구조 때문이며 실리콘 기판과 같은 단결정 기판을 사용하는 경우에 발생할 수 있다. 구체적으로, [100] 또는 [010] 결정 방향은 [110]의 결정 방향으로부터 45도(ㅀ)의 방향으로 배치될 수 있다. [110]의 결정 방향의 변형력은 [100] 및 [010]의 결정 방향의 변형력보다 작을 수 있다. 따라서, [110]의 결정 방향은 [100] 및 [010]의 결정 방향에 비해 작게 변형될 수 있다.
반면, 본 발명에서와 같이 본딩 전선을 형성한 후 제 2 기판(W2)의 가장자리를 홀딩 핑거(114)에 의하여 제 1 기판(W1)에 접근시킨 후 홀딩을 해제하면 이러한 (+)자 형태의 변형이 상당히 완화될 수 있다.
나아가, 홀딩 핑거(114)의 수를 4개보다 많게 구성하면 결정 방향에 따른 영향을 감소시킬 수 있기 때문에 (+)자 형태로 변형이 발생하는 것을 완화하는 데 기여할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 홀딩 핑거(114)의 수를 8, 12, 16과 같이 4의 배수로 구성하면 방위각 방향(azimuthal direction)의 편차를 줄일 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 홀딩 핑거(114)의 수를 5, 7, 9와 같이 홀수로 구성하면 기판의 중심을 가로질러 대칭적으로 발생하는 변형이 발생하는 경향을 완화할 수 있기 때문에 유리할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)의 정렬 방법을 나타낸 개략도이다.
도 8을 참조하면, 제 1 기판(W1) 위에 제 2 기판(W2)이 배치되어 있으며, 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)은 서로 평행하지 않다. 이 경우 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)을 서로 본딩하기 위해서는 우선 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)을 평행하게 정렬하는 것이 필요할 수 있다. 즉, 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)을 본딩시키기 위하여 이들을 접촉시키기에 앞서 우선 이들을 이하에서 설명하는 방법에 의하여 평행하게 정렬할 수 있다.
제 1 기판(W1)의 주위에 둘 이상의 거리 센서(150)들이 배치될 수 있다. 도 8에서는 세 개의 거리 센서(150)이 배치된 것으로 도시되었지만, 넷 이상의 거리 센서들(150)이 배치될 수 있다.
앞서 도 3d를 참조하여 설명한 바와 같이 거리 센서(150)는 자신이 위치한 쪽의 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 서로 평행하지 않으므로 각 거리 센서(150)에서 측정되는 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리는 서로 상이할 수 있다. 콘트롤러(140)는 각 거리 센서(150)로부터 측정된 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리로부터 각 홀딩 핑거(114)의 위치에서의 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 거리를 추산할 수 있다.
또한, 콘트롤러(140)는 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2) 사이의 추산된 상기 거리를 이용하여 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 평행하게 정렬되기 위하여 각 홀딩 핑거(114)가 z 방향으로 어느 정도 움직여야 하는지 계산할 수 있다. 상기 콘트롤러(140)는 각 홀딩 핑거(114)의 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)에 계산된 값을 각각 송신하고 홀딩 핑거 액츄에이터(114a)는 그에 따라 동작함으로써 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 평행하게 정렬될 수 있다.
도 8에서 홀딩 핑거(114)의 옆에 도시한 화살표는 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 평행하게 정렬되기 위하여 각 홀딩 핑거(114)가 동작하여야 할 예시적인 거리를 나타내었다. 더 큰 화살표는 더 긴 거리를 움직여야 함을 비례적으로 나타내었다.
도 8에서는 제 2 기판(W2)의 배향이 조절된 것으로 도시되었으나, 통상의 기술자는 제 1 기판(W1)의 배향, 또는 제 1 기판(W1) 및 제 2 기판(W2)의 배향이 조절됨으로써 동일한 결과를 가져올 수 있음을 이해할 것이다.
종래 기술에 따른 기판 본딩 장치를 사용하는 경우 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 서로 평행이 아닐 때 이를 평행하게 만들어 주는 별도의 유닛이 필요하였다. 하지만, 본 발명의 실시예들에 따른 기판 본딩 장치를 이용하면 복수의 홀딩 핑거들(114)에 의하여 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)을 서로 평행하게 만들 수 있기 때문에 그러한 별도의 유닛이 불필요하고 기판 본딩 장치가 간단하게 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀딩 핑거(114v)를 나타낸 측면도이다.
도 9를 참조하면, 상기 홀딩 핑거(114v)는 내부에 단부(114t)와 연통되는 유체 통로(114h)를 가질 수 있다. 상기 단부(114t)가 제 2 기판(W2)과 접촉하면 상기 유체 통로(114h)는 상기 홀딩 핑거(114v)의 외부와 격리될 수 있다. 상기 유체 통로(114h) 내의 압력을 상기 홀딩 핑거(114v)의 외부의 압력보다 낮게 하면 그 압력 차이에 비례하는 강도로 제 2 기판(W2)이 상기 홀딩 핑거(114v)에 부착될 수 있다.
상기 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩을 해제하고자 하는 경우에는 상기 유체 통로(114h) 내부의 압력이 상기 홀딩 핑거(114v)의 외부의 압력과 동일하거나 거의 동일하게 되도록 하면 홀딩이 해제될 수 있다. 이를 위하여 상기 유체 통로(114h)에 별도의 통로를 통하여 유체를 공급할 수 있다.
상기 단부(114t)는 홀딩 핑거(114v)와 제 2 기판(W2)이 보다 더 잘 밀착되고 그에 의하여 더욱 타이트하게 부착될 수 있도록 탄성 소재로 될 수 있다. 예를 들면, 상기 단부(114t)는 탄성을 갖는 임의의 폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 상기 단부(114t)를 탄성 소재로 구성하면, 제 2 기판(W2)의 손상도 감소시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀딩 핑거(114e)를 나타낸 측면도이다.
도 10을 참조하면, 상기 홀딩 핑거(114e)는 자신의 단부(114t) 근처에 정전기 힘(electrostatic force)을 생성할 수 있는 정전 장치(114es)를 포함할 수 있다. 상기 정전 장치(114es)는 전원을 인가함으로써 정전기 힘을 생성할 수 있고, 상기 정전기 힘에 의하여 제 2 기판(W2)이 상기 홀딩 핑거(114v)에 부착될 수 있다. 따라서, 상기 정전 장치(114es)에 공급되는 전원을 차단하면 제 2 기판(W2)에 대한 홀딩은 즉시 해제될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 홀딩 핑거(114f)를 나타낸 측면도이다.
도 11을 참조하면, 상기 홀딩 핑거(114f)는 제 2 기판(W2)의 주표면에 대하여 수직인 방향으로 연장되는 제 1 부분(114_1) 및 상기 제 2 기판(W2)의 주표면에 대하여 평행인 방향으로 연장되는 제 2 부분(114_2)을 포함할 수 있다.
상기 제 2 부분(114_2)은 상기 홀딩 핑거(114f)의 단부(114t)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 제 2 부분(114_2)이 제 2 기판(W2)와 직접 접촉할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 홀딩 핑거(114f)의 내부에는 도 9를 참조하여 설명한 바와 같은 유체 통로(114h)가 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 부분(114_2)의 바닥면에는 복수의 관통 개구부들이 제공될 수 있고, 이들은 상기 유체 통로(114h)와 연통될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 홀딩 핑거(114f)의 내부에는 도 10을 참조하여 설명한 바와 같은 정전 장치(114es)가 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 정전 장치(114es)는 상기 제 2 부분(114_2) 내에 제공될 수 있다.
상기 홀딩 핑거(114f)의 제 2 부분(114_2)이 수평 방향(즉, 제 2 기판(W2)의 주표면과 평행한 방향)으로 연장되기 때문에 제 2 기판(W2)과의 접촉 면적을 증가시킬 수 있고 보다 균등한 압력으로 홀딩하는 것이 가능하다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 본딩 장치(100h)를 나타낸 측면도이다. 도 12의 기판 본딩 장치(100h)는 가압 핑거(116h)가 홀딩 핑거(114)와 동일하게 된 점을 제외하면 도 1에 도시한 기판 본딩 장치(100)와 동일하다. 따라서, 이하에서는 동일한 부분에 대한 중복되는 설명을 생략하고, 이러한 차이점을 중심으로 설명한다.
도 12를 참조하면, 상기 가압 핑거(116h)도 제 2 기판(W2)을 홀딩하도록 구성될 수 있다. 상기 가압 핑거(116h)가 제 2 기판(W2)을 홀딩하는 원리는 홀딩 핑거(114)와 동일할 수 있다.
최근 기판들이 대면적화되고 얇아짐에 따라 기판의 가장자리만을 홀딩하면 기판 자체의 하중에 의하여 기판의 중심 부분이 하방으로 처질 수 있다. 이는 제 2 기판(W2)을 취급하는 과정에서 기판의 파손 등을 유발할 수 있다. 따라서 상기 제 2 기판(W2)의 중심 근처에 위치하는 가압 핑거(116h)가 상기 제 2 기판(W2)의 중심부를 홀딩하면 기판 취급에서의 이러한 부정적인 요소를 크게 감소시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 본딩된 제 1 기판(W1) 및 제 2 기판(W2)을 나타낸 개략도이다.
도 14는 도 13의 XII 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 13을 참조하면, 상기 제 1 기판(W1)은 일측 표면 상에 제 1 반도체 소자들(20)을 포함하고, 상기 제 2 기판(W2)은 일측 표면 상에 제 2 반도체 소자들(30)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 반도체 소자들(20)과 상기 제 2 반도체 소자들(30)은 서로 본딩됨으로써 일체화된 하나의 반도체 소자, 예컨대 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor, CIS)를 구성할 수 있다.
도 14를 참조하면, 제 1 반도체 소자(20)는 단결정 실리콘과 같은 반도체 기판(201) 상에 게이트 전극(255) 및 소스/드레인 영역들(251)을 갖는 트랜지스터(Tr)을 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극(255)은 제 1 매립 배선(259)을 통하여 상부층과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제 1 매립 배선(259)은 제 1 배리어 금속막(259a) 및 제 1 금속막(259b)을 포함할 수 있으며, 제 1 층간절연막(257)에 의하여 절연될 수 있다.
다른 중간 배선층들도 배리어 금속막 및 금속막을 포함하는 매립 배선들(265, 268)과 이들을 둘러싸서 절연시키는 층간 절연막(263, 266)을 포함할 수 있다. 각 배선층들은 각 층의 매립 배선들이 서로 접촉하는 부분을 제외하면 확산 방지막(261, 281, 266)에 의하여 서로 분리될 수 있다.
제 2 반도체 소자(30)는 단결정 실리콘과 같은 반도체 기판(301) 상에 게이트 전극(327) 및 소스/드레인 영역들(323)을 갖는 트랜지스터(Tr)을 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극(327)은 제 2 매립 배선(331)을 통하여 하부층과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제 2 매립 배선(331)은 제 2 배리어 금속막(331a) 및 제 2 금속막(331b)을 포함할 수 있으며, 제 2 층간절연막(329)에 의하여 절연될 수 있다.
다른 중간 배선층도 배리어 금속막 및 금속막을 포함하는 매립 배선들(338)과 이들을 둘러싸서 절연시키는 층간 절연막(335)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 기판(301) 내에는 광전변환부(321)가 제공될 수 있다.
도 14에서 보는 바와 같이 제 1 반도체 소자(20)와 제 2 반도체 소자(30)는 제 1 반도체 소자(20)의 매립 배선(268)과 제 2 반도체 소자(30)의 매립 배선(338)이 서로 마주하여 접속되도록 상기 제 1 기판(W1)과 제 2 기판(W2)이 본딩될 수 있다.
최근 반도체 장치들의 소형화 추세로 인하여 매립 배선들의 선폭은 매우 가늘어 졌으며, 이들을 적절한 전기적 특성을 갖도록 본딩하기 위해서는 수십 나노미터 이내, 바람직하게는 40 nm 이내의 정밀도를 갖는 것이 필요하다.
도 1 내지 도 4b, 도 8, 및 도 12를 참조하여 설명한 기판 본딩 장치 및 기판의 본딩 방법을 이용하면 보다 높은 정밀도로 반도체 장치를 제조하는 것이 가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
100, 100h: 기판 본딩 장치 110: 기판 홀더
112: 기판 홀더 몸체 114: 홀딩 핑거
114a: 홀딩 핑거 액츄에이터 116, 116h: 가압 핑거
116a: 가압 핑거 액츄에이터 120: 기판 서셉터
122: 서셉터 몸체 124: 제 1 기판 고정부
130: 챔버 하우징 140: 콘트롤러
150: 거리 센서

Claims (20)

  1. 제 1 기판을 하방에서 지지하는 기판 서셉터;
    상기 기판 서셉터의 상방에 배치되고, 제 2 기판을 홀딩하도록 구성된 복수의 홀딩 핑거들을 포함하는 기판 홀더;
    상기 기판 서셉터 및 상기 기판 홀더를 수용하는 챔버 하우징;
    상기 제 1 기판의 가장자리와 상기 제 2 기판의 가장자리 사이의 거리를 측정하는 거리 센서;
    상기 거리 센서에서 감지된 거리에 근거하여 상기 복수의 홀딩 핑거들의 각각의 운동을 제어할 수 있는 콘트롤러; 및
    상기 콘트롤러의 제어에 따라 상기 홀딩 핑거들을 포지셔닝하도록 구성된 홀딩 핑거 액츄에이터;
    를 포함하고,
    상기 복수의 홀딩 핑거들은 개별적으로 동작 가능한 기판 본딩 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판은 실리콘 웨이퍼이고,
    상기 기판 홀더는 적어도 8개의 홀딩 핑거들을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 홀딩 핑거들의 동작은 상기 제 2 기판의 주표면에 대하여 실질적으로 수직 방향으로 각각 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘트롤러는 상기 거리 센서에서 감지된 거리를 입력받아 상기 복수의 홀딩 핑거들의 각각의 목표 위치를 산출하고, 상기 홀딩 핑거들의 각각을 목표 위치로 이동시키기 위한 신호를 상기 홀딩 핑거 액츄에이터로 송신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀딩 핑거는 상기 홀딩 핑거의 단부에 형성된 인력에 의하여 상기 제 2 기판이 상기 단부에 홀딩되도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 중심에 대응되는 위치에 상기 제 1 기판을 향하여 상기 제 2 기판을 가압하도록 구성된 가압 핑거를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가압 핑거는 제 1 시기(first phase)에 상기 홀딩 핑거들이 상기 제 2 기판을 홀딩하는 동안 상기 제 2 기판을 가압하여 상기 제 1 기판과 접촉시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 상기 제 1 시기에 후속되는 제 2 시기에 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 자발적 본딩 전개(bonding propagation)가 충분히 진행되는 것을 허용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  10. 제 1 기판을 하방에서 지지하는 기판 서셉터;
    상기 기판 서셉터의 상방에 배치되고, 제 2 기판을 홀딩하도록 구성되고 개별적으로 동작 가능한 복수의 홀딩 핑거들을 포함하는 기판 홀더;
    상기 제 2 기판의 중심에 대응되는 위치에 상기 제 1 기판을 향하여 상기 제 2 기판을 가압하도록 구성된 가압 핑거; 및
    상기 기판 서셉터 및 상기 기판 홀더를 수용하는 챔버 하우징;
    을 포함하고,
    상기 가압 핑거는 제 1 시기(first phase)에 상기 홀딩 핑거들이 상기 제 2 기판을 홀딩하는 동안 상기 제 2 기판을 가압하여 상기 제 1 기판과 접촉시키도록 구성되고,
    상기 기판 홀더는 상기 제 1 시기에 후속되는 제 2 시기에 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 자발적 본딩 전개(bonding propagation)가 충분히 진행되는 것을 허용하도록 구성되고,
    상기 홀딩 핑거들은 상기 제 2 시기에 후속되는 제 3 시기에 상기 제 2 기판의 가장자리가 상기 제 1 기판의 가장자리에 본딩되기 위하여 상기 제 1 기판을 향하여 하강하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 홀딩 핑거들은 상기 제 2 시기에 후속되는 제 3 시기에 상기 제 2 기판의 가장자리가 상기 제 1 기판의 가장자리에 본딩되기 위하여 상기 제 1 기판을 향하여 하강하도록 구성되고,
    상기 홀딩 핑거들은 상기 제 3 시기에 후속되는 제 4 시기에 상기 제 2 기판의 홀딩을 해제하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판 서셉터는,
    개별적으로 동작 가능하고 상기 홀딩 핑거들에 대응되는 위치에 복수의 서셉터 홀딩 핑거들; 및
    상기 제 1 기판의 중심에 대응되는 위치에 상기 제 2 기판을 향하여 상기 제 1 기판을 가압하도록 구성된 서셉터 가압 핑거;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 서셉터 가압 핑거는 제 1 시기에, 상기 서셉터 홀딩 핑거들이 상기 제 1 기판을 홀딩하는 동안, 상기 제 1 기판을 가압하여 상기 제 2 기판과 접촉시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀딩 핑거의 상기 제 2 기판과 접촉되는 단부에는 탄성 부재가 제공된 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀딩 핑거는 상기 제 2 기판의 주표면에 대하여 수직 방향으로 연장되는 제 1 부분 및 상기 제 2 기판의 주표면에 대하여 평행 방향으로 연장되는 제 2 부분을 포함하고,
    상기 제 2 부분이 상기 홀딩 핑거의 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 본딩 장치.
  16. 제 1 기판을 하방에서 지지하는 기판 서셉터; 및
    상기 기판 서셉터의 상방에 배치되고 제 2 기판을 홀딩하도록 구성된 기판 홀더;
    를 포함하고,
    상기 기판 홀더는,
    상기 제 2 기판을 홀딩하도록 구성되고 개별적으로 동작 가능한 복수의 홀딩 핑거들; 및
    상기 제 2 기판의 중심에 대응되는 위치에 상기 제 1 기판을 향하여 상기 제 2 기판을 가압하도록 구성된 가압 핑거;
    를 포함하고,
    상기 기판 서셉터는,
    상기 제 1 기판을 홀딩하도록 구성되고 개별적으로 동작 가능한 복수의 서셉터 홀딩 핑거들; 및
    상기 제 1 기판의 중심에 대응되는 위치에 상기 제 2 기판을 향하여 상기 제 1 기판을 가압하도록 구성된 서셉터 가압 핑거;
    를 포함하고,
    상기 기판 홀더는, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 자발적 본딩 전개(bonding propagation)가 충분히 진행되고 상기 제 2 기판의 가장자리가 상기 제 1 기판의 가장자리에 접근한 후, 상기 제 2 기판의 홀딩을 해제하도록 구성된 기판 본딩 장치.
  17. 제 1 기판이 배치된 기판 서셉터 위에, 제 2 기판을 홀딩하는 기판 홀더를 정렬하는 단계;
    상기 제 2 기판의 중심을 상기 제 1 기판에 접촉시키는 단계;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 자발적 본딩 전개(bonding propagation)가 충분히 진행되는 것을 허용하는 단계;
    상기 제 2 기판의 홀딩을 유지하면서 상기 제 2 기판을 상기 제 1 기판에 근접시키는 단계; 및
    상기 제 2 기판의 홀딩을 해제하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제 2 기판은 적어도 8개의 홀딩 핑거들에 의하여 상기 기판 홀더에 홀딩되고,
    상기 제 2 기판을 상기 제 1 기판에 근접시키는 단계는 상기 적어도 8개의 홀딩 핑거들의 각각이 독립적으로 상기 제 1 기판을 향하여 이동하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 기판의 본딩 방법.
  18. 삭제
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 중심을 상기 제 1 기판에 접촉시키는 단계에 앞서, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판이 평행하도록 상기 제 2 기판의 배향을 조절하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 2 기판의 배향은 상기 홀딩 핑거들의 각각을 독립적으로 조작함으로써 상기 제 1 기판에 평행하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 기판의 본딩 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판이 단결정질의 기판인 것을 특징으로 하는 기판의 본딩 방법.
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