KR20020032042A

KR20020032042A - 기판 접합장치의 조절형 원뿔탐침 스페이서

Info

Publication number: KR20020032042A
Application number: KR1020000062916A
Authority: KR
Inventors: 주병권; 최우범; 최승우; 김종국; 신홍수
Original assignee: 최우범; 김종국; 주식회사 서울베큠테크
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-03

Abstract

본 발명은 실리콘 기판과 실리콘 기판 또는 실리콘 기판과 유리 기판을 접합하는 원뿔형 탐침을 구비한 기판 접합장치에 관한 것이다.

종래, 접합장치는 스페이서가 면형으로 이루어져 접합시 두 기판의 간격을 크게 할 수 없기 때문에 고진공 실장이 필요한 소자에는 적용할 수 없는 문제점이 있었고, 일정한 크기의 기판만을 접합할 수 있어 정해진 크기 이외의 기판을 접합하기 위해서는 새로운 접합장치를 제작하여야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 스페이서의 끝단을 원뿔형 탐침 구조로 하는 한편, 스페이서를 전후방으로 동작해주는 몸체와, 이 몸체의 상단에 스페이서를 고정하는 결합부를 갖는 연결부재로 구성하고, 접합될 기판의 크기에 따라 스페이서의 위치를 임의로 조절할 수 있도록 이루어져, 다양한 크기의 두 기판을 접합할 수 있고, 원뿔형 탐침을 채택함으로 초기 두 기판 사이의 거리를 크게 할 수 있어 진공 접합시에 가스 배출이 용이함과 아울러 두 기판의 초기 정렬을 그대로 유지할 수 있으며, 기판과 스페이서의 접촉을 점접촉으로 최소화시킬 수 있어 스페이서와의 접촉에 의한 기판의 오염 및 손상을 예방할 수 있도록 된 발명임.

Description

기판 접합장치의 조절형 원뿔탐침 스페이서{Adjustable cone-type probe of wafer bonding chuck}

본 발명은 실리콘 기판과 실리콘 기판 또는 실리콘 기판과 유리 기판을 접합할 수 있는 접합장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 기판을 접합할 때 접합 가능 조건에 도달하기 전까지 두 기판간에 접촉이 이루어지지 않도록 두 기판을 일정한 간격으로 유지시켜주는 스페이서를 다양한 크기의 기판에 사용할 수 있도록 위치조절이 가능하게 하는 기판 접합장치의 조절형 원뿔탐침 스페이서에 관한 것이다.

두 장의 기판을 접합하는 공정 기술은 마이크로 센서 및 액튜에이터를 비롯한 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 구조물의 제작과 고속·고전압 반도체 소자용 SOI(Silicon-on-Insulator) 기판 제작 등 반도체 소자의 접합과 실장 분야에 해당하는 기술이다. 접합 메커니즘에 의해 분류하여 볼 때 전계와 열을 이용한 정전 열 접합(Electrostatic Bonding)과 화학적 표면처리와 열처리 공정으로 접합을 수행하는 실리콘 직접 접합(Silicon Direct Bonding : SDB)이 기판 접합 공정 분야에서 가장 널리 이용되고 있으며 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 첫째, 접합 공정이 고체 상태에서 이루어지기 때문에 기체 오염원의 발생 및 구조의 변형을 방지할 수 있다. 둘째, 진공 분위기에서도 접합이 가능하여 소자의 진공 실장에 이용할 수 있다. 셋째, 두 기판간의 접합은 원자 결합을 통해 이루어지기 때문에 강하고 안정적인 접합이 가능하다. 넷째, 기존 반도체 공정과의 호환성이 있어 반도체 소자 제작에 적용이 용이하다.

일반적으로 기판 접합장치는 접합이 이루어지기 위한 온도 및 진공도와 같은 접합 가능 조건에 도달하기 전까지 두 기판간에 접촉이 이루어지지 않도록 하기 위해 두 기판을 일정한 간격으로 유지시켜주는 스페이서(Spacer)를 사용한다. 도 1에는 스페이서를 사용한 접합장치의 일례에 대한 측면개요도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 접합장치는 하부 기판(2)을 지지해주는 접합장치 몸체(5)와, 상부 기판(1)과 하부 기판(2)을 일정한 간격으로 유지시켜 주는 스페이서(3)와, 상기 스페이서(3)의 고정 및 동작을 위한 스페이서 몸체(4)와, 상부 기판(1)에 압력을 인가해 상부 기판(1)과 하부 기판(2)이 접촉될 수 있도록 하는 압력인가장치(8)로 구성되어 있다. 여기서, 상부기판(1)과 하부기판(2)은 실리콘 또는 유리로 이루어진 것이다.

상기와 같이 구성된 접합장치는 면형(Plane-type) 스페이서(3)를 사용하여 초기에 상부 기판(1)과 하부 기판(2)을 일정한 간격으로 유지시켜준 후, 접합이 가능한 온도와 진공도에 도달했을 때 압력인가장치(8)가 상부 기판(1)에 압력을 가하게 되고, 이때 스페이서(3)가 상부 기판(1)과 하부 기판(2) 밖으로 빠지면서 접촉이 일어나게 되며, 정전 열 접합의 경우 접촉된 두 기판(1,2)에 대한 전압인가를 통해 정전력을 발생시켜 완전한 접합이 일어나게 하거나, 직접 접합의 경우 두 기판(1,2)의 표면이 활성화되어 있어 접촉만으로도 완전한 접합이 일어나게 된다.

상기 구성에 의해 진공 접합 공정에 있어서 스페이서(3)로 유지되는 일정한 공간을 통해 상부 기판(1)과 하부 기판(2) 사이에 존재하는 공기의 배기가 용이하여 두 기판(1,2) 사이의 진공도를 향상시킬 수 있으며, 접합이 상부 기판(1)과 하부 기판(2)의 중앙에서 시작하여 가장자리로 진행되도록 할 수 있어 두 기판(1,2) 사이에 존재하는 공기 입자를 효과적으로 두 기판(1,2) 밖으로 밀어낼 수 있어 공기 입자가 두 기판(1,2)의 접합계면에 잡혀 발생할 수 있는 비접합영역(Void)을 효과적으로 제거할 수 있다.

그런데, 상기 접합장치의 면형 스페이서(3)는 상부 기판(1) 및 하부 기판(2)과 면 접촉을 하게되며, 면 접촉한 상태에서 두 기판(1,2) 밖으로 빠지게 되어 스페이서(3)와 접촉한 기판(1,2) 면은 오염되어 접합이 이루어지지 못한다. 특히 스페이서(3)가 두 기판(1,2) 밖으로 빠져나오는 동작에 있어서 면 형태의 스페이서(3)는 일정한 면이 두 기판(1,2)과 계속적으로 접촉하다가 빠지게 되어 기판(1,2) 표면이 크게 손상되는 것 이외에도 스페이서(3)가 빠지는 순간 두 기판(1,2)의 간격이 갑자기 줄어들게 되어 두 기판(1,2)의 정렬이 흐트러질 수 있는 문제점이 있다. 또한 진공 접합 공정에 있어서 스페이서(3)의 두께가 클수록 상부 기판(1)과 하부 기판(2) 사이에 존재하는 공기의 배기가 용이하여 고진공 실장이 가능한 반면, 스페이서(3)가 두 기판(1,2) 밖으로 빠지는 순간 두 기판(1,2)의 간격이 갑자기 줄어들게 되어 두 기판(1,2)의 정렬이 크게 흐트러질 수 있어 상부 기판(1)과 하부 기판(2)의 간격을 크게 할 수 없기 때문에 고진공 실장이 필요한 소자에는 적용할 수 없는 문제점이 있다. 아울러, 일정한 크기의 기판(1,2)만을 접합할 수 있어 정해진 크기 이외의 기판(1,2)을 접합하기 위해서는 새로운 접합장치를 제작하여야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 원뿔형(Cone-type) 탐침 구조의 스페이서를 갖는 기판 접합장치를 통해 스페이서와 두 기판간에 점접촉이 이루어지도록 하여 스페이서에 의한 오염을 최대한 방지할 수 있으며, 또한 스페이서가 빠지는 동작에 있어 두 기판 사이의 간격이 연속적으로 감소하다가 접하게 되어 초기 두 기판간의 정렬이 정확히 유지되며, 스페이서의 위치를 임의로 조정하여 다양한 크기의 기판을 접합할 수 있는 기판 접합장치의 조절형 원뿔탐침 스페이서를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 스페이서를 사용한 접합장치의 일례에 대한 측면개요도,

도 2는 본 발명에 따른 기판접합장치의 측면개요도,

도 3은 본 발명에 따른 스페이서와 스페이서 몸체간의 결합상태를 설명하기 위한 도면,

도 4는 원뿔형 탐침 구조 스페이서가 장착된 접합장치의 사시도,

도 5a 내지 도 5c도는 원뿔형 탐침 구조 스페이서의 위치 변화에 따른 기판간의 접촉이 일어나는 과정을 나타내는 순서도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 -- 상부 기판 2 -- 하부 기판

3 -- 면형 스페이서 4 -- 스페이서 몸체

5 -- 접합장치 몸체 6 -- 원뿔형 탐침 구조 스페이서

7 -- 스페이서 위치 조절나사 8 -- 압력인가장치

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스페이서의 끝단을 원뿔형 탐침 구조로 하는 한편, 스페이서를 전후방으로 동작해주는 몸체와, 이 몸체의 상단에 스페이서를 고정하는 결합부를 갖는 연결부재로 구성하고, 접합될 기판의 크기에 따라 스페이서의 위치를 임으로 조절할 수 있도록 하는 수단을 제공한다.

본 발명은, 상기 구성에 의해 기판의 크기에 따라 스페이서의 위치를 선택적으로 위치하도록 함으로써 다양한 크기의 두 기판을 접합할 수 있으며, 원뿔형 탐침을 채택함으로 초기 두 기판 사이의 간격을 크게 할 수 있어 진공 접합시에 가스 배출이 용이하며, 기판간의 거리를 순차적으로 줄여나가다 최종적으로 원뿔형 탐침이 두 기판 밖으로 빠져나오는 순간 최소의 거리에서 접촉이 일어나도록 함으로써 두 기판의 초기 정렬을 그대로 유지할 수 있으며, 기판과 스페이서의 접촉을 점접촉으로 최소화시킬 수 있어 스페이서와의 접촉에 의한 기판의 오염 및 손상을 예방하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 원뿔형 탐침 구조 스페이서를 갖는 접합장치의 측면개요도를 도시한 것으로서, 접합장치는 하부 기판(2)을 지지해주는 몸체(5)와, 상부 기판(1) 및 하부 기판(2)과 점접촉을 통해 일정한 간격으로 유지시켜 주는 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)와, 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)를 고정 및 동작하기 위한 스페이서 몸체(4)와, 이 스페이서 몸체(4)의 상단에 기판의 크기에 따라 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6) 위치를 임으로 조정한 후 고정할 수 있도록 하는 결합부인 스페이서 위치조절나사(7)와, 상부 기판(1)에 압력을 인가해 상부 기판(1)과 하부 기판(2)이 접촉될 수 있도록 하는 압력인가장치(8)로 구성된다.

도 3은 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)와 스페이서 몸체(4)의 연결구조를 나타낸다. 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)에는 기판(1,2)과 점접촉을 이루기 위한 원뿔형 탐침 부분(6a)과 기판(1,2)의 크기에 따라 스페이서(6)의 위치를 앞뒤로 조정한 후 스페이서(6)를 스페이서 몸체(4)에 고정할 수 있도록 하는 장방형 홈(6b)이 형성되어 있다. 따라서 상기 기판(1,2)의 크기에 따라 장방형 홈(6b)을 통해 스페이서(6)의 위치를 조정한후 나사(7)를 이용해 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)를 스페이서 몸체(4)에 고정시키도록 이루어져 있다.

도 4는 상기한 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6) 3개가 접합장치의 원을 중심으로 120도 간격으로 대칭적 배열을 통해 상부 기판(1)과 하부 기판(2)을 일정한 간격으로 유지 및 정렬하여 중앙에 위치시킨 접합장치를 나타낸다.

접합장치 몸체(5)의 중앙에는 기판장착홈(9)이 형성되어 있다. 상기 기판장착홈(9)에는 스페이서(6)를 내측으로 이동시키기 전에 하부 기판(2)을 올려 놓고 스페이서(6)를 내측으로 이동시킨 다음에 스페이서(6)의 탐침 부분(6a) 위에 상부 기판(1)을 올려 놓도록 이루어져 있다. 도면에는 도시되어 있지 않지만 상부 기판(1)의 위에는 추가로 상부 기판(1)과 대응되는 유리판을 올려 놓은후 클램프(10)로 고정시키도록 이루어져 있다.

위와 같이 배열된후 접합이 가능한 온도와 진공도에 도달했을 때 압력인가장치(8)가 도시되지 않은 유리판을 통해 상부 기판(1)에 압력을 가하게 되고, 이때 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6) 3개가 동시에 같은 속도로 상부 기판(1)과 하부 기판(2) 밖으로 빠지면서 두 기판(1,2)간에 중앙부위부터 접촉이 일어나게 된다. 대칭적으로 배열된 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6) 3개에 의해 두 기판(1,2)이 안정적으로 지지되고 있어 상부 기판(1)에 가해지는 압력은 상부 기판(1)에 대해 어느 한부분에 편중됨이 없이 전체적으로 고르게 인가된다.

도 5a 내지 도 5c는 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)의 위치 변화에 따라 기판(1,2)간의 접촉이 일어나는 과정을 나타내는 순서도이다.

도 5a와 같이 압력인가장치(8)에 의해 상부 기판(1)에 압력이 인가되기 시작하면 상부 기판(1)은 만곡되어 하부 기판(2)의 중심에서부터 접촉이 일어나기 시작한다. 두 기판(1,2)과 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)는 기판(1,2)의 가장자리 부분에서만 점접촉을 통해 서로 접하도록 되어있어 스페이서(6)와 기판(1,2)간의 접촉에 의한 오염을 방지해주고 있다.

도 5b와 같이 상부 기판(1)에 압력이 계속적으로 인가되면 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)는 접합장치의 바깥쪽 방향으로 밀리게 되면서 상부 기판(1)과 하부 기판(2) 사이의 간격이 점차적으로 줄어들게 되면서 접촉부분이 기판(1,2)의 중심에서 가장자리로 확대되어 나아가게 된다.

도 5c와 같이 두 기판(1,2) 사이의 간격이 원뿔형 탐침 구조 스페이서(6)의 기울기를 따라 연속적으로 감소하다가 스페이서(6)가 완전히 빠지는 순간 두 기판(1,2)이 완전히 접촉하게 되어, 초기 두 기판(1,2)간의 정렬이 정확하게 유지되면서 접촉이 중앙에서 시작하여 가장자리에서 끝나게 된다.

상기한 실시예에서는 3개의 스페이서(6)를 120도 간격으로 배열하여 설치한 구조에 대하여 설명하였으나, 4개의 스페이서를 90도 간격으로 배열하여도 거의 동일한 작용효과를 나타내게 됨은 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 명백하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 원뿔형 탐침 구조를 갖는 스페이서를 채택함으로 초기 두 기판 사이의 간격을 크게 할 수 있어 진공 접합시에 가스 배출이 용이하며, 기판간의 거리를 순차적으로 줄여나가다 최종적으로 원뿔형 탐침이 두 기판 밖으로 빠져나오는 순간 최소의 거리에서 접촉이 일어나도록 함으로써 두 기판의 초기 정렬을 그대로 유지할 수 있으며, 기판과 스페이서의 접촉을 점접촉으로 최소화시킬 수 있어 스페이서와의 접촉에 의한 기판의 오염 및 손상을 예방하며, 기판의 크기에 따라 스페이서의 위치를 선택적으로 위치할 수 있어 다양한 크기의 두 기판을 접합할 수 있는 효과가 있다.

Claims

스페이서 몸체에 고정된 스페이서에 의해 두 기판을 일정한 간격으로 유지한 후 접합이 가능한 조건에서 상부 기판에 압력을 인가해 스페이서 몸체를 이동시키면서 두 기판을 접촉시키도록 된 접합장치에 있어서, 상기 스페이서의 끝단을 원뿔형 탐침 구조로 형성하고, 상기 원뿔형 탐침구조 스페이서에 장방형 홈을 형성하며, 기판의 크기에 따라 위치조정한 후 나사를 통해 스페이서 몸체에 고정하도록 결합하여, 상부 기판과 하부 기판 사이의 간격이 원뿔형 탐침 구조 스페이서의 기울기를 따라 연속적으로 감소하다가 스페이서가 완전히 빠지는 순간 두 기판이 완전히 접촉하게 되어, 초기 두 기판간의 정렬이 정확하게 유지되면서 접촉이 중앙에서 시작하여 가장자리에서 끝나게 되는 것을 특징으로 원뿔형 탐침을 구비한 기판 접합장치.
제1항에 있어서, 상기 원뿔형 탐침 구조 스페이서는 상부 기판과 하부 기판 사이에서 3개가 120도 간격으로 대칭적으로 배열설치되어 상부기판에 가해진 압력이 상부 기판에 대해 어느 한 부분에 편중됨이 없이 전체적으로 고르게 인가될 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 원뿔형 탐침을 구비한 기판 접합장치.
제1항에 있어서, 상기 원뿔형 탐침 구조 스페이서는 상부 기판과 하부 기판 사이에서 4개가 90도 간격으로 대칭적으로 배열설치되어 상부기판에 가해진 압력이 상부 기판에 대해 어느 한 부분에 편중됨이 없이 전체적으로 고르게 인가될 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 원뿔형 탐침을 구비한 기판 접합장치.