KR20160009592A - 중간-파장 적외선 방사선 애블레이션을 사용한 웨이퍼 결합 해제 - Google Patents

중간-파장 적외선 방사선 애블레이션을 사용한 웨이퍼 결합 해제 Download PDF

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Abstract

중간 파장 적외선 방사선을 사용하여 레이저-애블레이션이 가능하게 한 하나 또는 그 이상의 해제 가능 층들을 포함하는 결합 구조들을 사용하여 핸들러 웨이퍼들을 디바이스 웨이퍼들에 일시적으로 결합시키는 구조들 및 방법들이 제공된다.

Description

중간-파장 적외선 방사선 애블레이션을 사용한 웨이퍼 결합 해제{WAFER DEBONDING USING MID-WAVELENGTH INFRARED RADIATION ABLATION}
본 발명은 일반적으로 웨이퍼 처리 기술에 관한 것이며, 특히, 중간 파장 적외선 방사선을 사용하여 레이저-애블레이션이 가능하게 한 하나 또는 그 이상의 해제 가능 층들을 포함하는 결합 구조들을 사용하여 핸들러 웨이퍼들을 디바이스 웨이퍼들에 일시적으로 결합시키는 구조들 및 방법들에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 처리 분야에서, 대규모 집적, 고밀도 실리콘 패키지들에 대한 증가하는 요구들은 반도체 다이들(dies)을 매우 얇게 만드는 결과를 초래하였다. 예를 들어, 일부 어플리케이션들에서, 실리콘(Si) 웨이퍼들은 배면 접지(backside ground)이며 두께는 50μm 또는 그보다 더 얇게 연마된다(polished down). 단결정 Si는 매우 높은 기계적 강도를 갖지만, Si웨이퍼들 및/또는 칩들은 그들이 얇게 되면 부서지기 쉽게(fragile) 될 수 있다. 쓰루-실리콘 비아(TSV) 처리, 연마, 및 다이싱과 같은 처리 단계들에 의해서도 결함들이 도입될 수 있는데, 이 결함들도 또한 얇아진 웨이퍼 또는 칩의 기계적 강도를 감소시킨다. 그러므로, 얇아진 Si 웨이퍼들을 처리하는 일은 대부분의 자동화 설비에 대해 심각한 도전을 제공한다.
디바이스 웨이퍼의 처리를 용이하게 하기 위해서, 보통으로 기계적 핸들러 웨이퍼(또는 캐리어 웨이퍼)가 디바이스 웨이퍼에 부착되는데, 이는 처리 동안 디바이스 웨이퍼의 기계적 무결성을 향상시키기 위함이다. 디바이스 웨이퍼의 처리가 완료되면, 핸들러 웨이퍼는 디바이스 웨이퍼로부터 해제될 필요가 있다. 디바이스 웨이퍼를 처리하는 대부분의 일반적인 방법은 핸들러 웨이퍼를 특수 개발한 접착제들을 사용하여 디바이스 웨이퍼에 라미네이트(laminate)하는 것이다. 얇은 디바이스 웨이퍼를 기계적 핸들러 웨이퍼로부터 결합해제(debond) 또는 분리(separate)시키기 위해, 처리의 단계들, 제품의 요건들, 및 접착제의 종류에 따라서 다양한 기술들이 사용되거나 또는 제안되었는데, 이에는 열 해제, 화학적 용해, 기계적 해제 및 레이저 애블레이션 기술들이 포함된다.
전형적인 레이저-지원 결합해제 프로세스(a typical laser-assisted debonding process)에서는 디바이스 웨이퍼를 UV 투명 유리 핸들러 웨이퍼에 결합시키기 위해 폴리머 접착제(이는 자외선(UV) 스펙트럼에서 에너지의 충분한 흡수가 가능함)를 사용한다. 레이저 애블레이션 프로세스는 폴리머 접착제를 제거하여 유리 핸들러 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼 사이에 결합해제를 달성하기 위해 수행된다. UV 레이저 애블레이션 프로세스에서 유리 핸들러 웨이퍼를 사용할 때 몇 가지 결점들이 있는데, 이에는 낮은 열전도율, 특정 반도체 처리 설비와의 비호환성, 그리고 높은 비용이 포함된다. Si 웨이퍼 핸들러들을 사용하면 이들 결점들은 극복될 수 있지만, 실리콘은 UV 스펙트럼에 대해 투명하지 않으며, 따라서 이전에 개발된 UV 레이저 해제 기술과는 호환될 수 없다.
일반적으로, 본 발명의 실시 예들은 중간 파장 적외선 방사선을 사용하여 레이저-제거 가능한 하나 또는 그 이상의 해제가능 층들을 포함하는 결합 구조들을 사용하여 핸들러 웨이퍼들을 디바이스 웨이퍼들에 일시적으로 결합시키는 구조들 및 방법들을 포함한다.
한 실시 예에서, 디바이스 웨이퍼, 핸들러 웨이퍼, 및 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼를 함께 결합시키는 결합 구조 ― 상기 결합 구조는 전도성 재료로 형성된 해제 층을 포함함 ― 를 포함하는 스택 구조를 제공함에 의해서 디바이스 웨이퍼를 처리하기 위한 방법이 제공된다. 상기 결합 구조는 핸들러 웨이퍼를 통해 적외선 에너지로 피폭되는데(irradiated), 이는 상기 해제 층을 실질적으로 또는 완전히 증발시켜 상기 해제 층의 실질적 또는 완전한 증발의 직접적인 결과로서 상기 디바이스 웨이퍼가 상기 핸들러 웨이퍼로부터 해제되게 한다. 상기 적외선 에너지 파장은 약 1.12μm에서 약 5μm 범위 내이다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 스택 구조(a stack structure)는 디바이스 웨이퍼; 핸들러 웨이퍼; 및 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼 사이에 배치된 결합 구조를 포함하되, 상기 결합 구조는 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼를 함께 결합시킨다. 상기 결합구조는 전도성 재료로 형성된 해제 층을 포함하며, 상기 해제 층은 상기 핸들러 웨이퍼를 통과하는 적외선 레이저 에너지에 노출되었을 때 적외선 애블레이션에 의해서 실질적으로 또는 완전히 증발되어 상기 해제 층의 실질적 또는 완전한 증발의 직접적인 결과로서 상기 디바이스 웨이퍼가 상기 핸들러 웨이퍼로부터 해제되도록 한다.
본 발명의 이들 및 다른 실시 예들은, 첨부된 도면들을 참조하여, 아래에서 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른, 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법의 플로 다이어그램이다.
도 2는 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다.
도 3은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다.
도 4는 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다.
도 5는 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다.
도 6은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다.
도 7은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다.
도 8은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키기 위해 사용되어서, 적외선 레이저 애블레이션 해제 기술들을 가능케 하는, 접착 재료를 형성하는, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 방법을 도시한다.
도 9는 중간-파장 적외선 에너지를 사용하여 디바이스 웨이퍼와 핸들러 웨이퍼를 해제시키기 위해 레이저 결합해제 프로세스를 수행하는, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 장치를 개념적으로 묘사한다.
도 10a 및 10b는 레이저 결합해제 프로세스를 수행하는 도 9의 장치에서 구현될 수 있는, 본 발명의 실시 예들에 따른, 레이저 스캔 패턴들을 도시한다.
도 11은 해제 층을 효과적으로 제거하기 위해 IR 레이저 스캔 프로세스 동안 펄스로된 레이저 빔 스팟들을 효과적으로 중첩시키는, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 방법을 도시한다.
지금부터 본 발명의 실시 예들이 적외선 방사선 애블레이션에 의한 웨이퍼 결합 해제를 달성하기 위해 중간 파장 적외선 방사선("Mid-IR radiation")을 흡수하는 하나 또는 그 이상의 해제 가능 층들을 포함하는 결합 구조들을 사용하여 핸들러 웨이퍼들을 디바이스 웨이퍼들에 일시적으로 결합시키는 구조들 및 방법들에 관하여 더 상세히 설명될 것이다. 예를 들어, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른, 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법을 도시하는 플로 다이어그램이다. 도 1을 참조하면, 상기 방법은 해제 층을 포함하는 결합구조를 사용하여 핸들러 웨이퍼(기판)를 디바이스 웨이퍼에 결합시킴으로써 웨이퍼 결합 프로세스를 수행하는 단계를 포함한다(단계 10). 본 발명의 일 실시 예에서, 상기 핸들러 웨이퍼는 Si 핸들러 웨이퍼(기판)이고 이는 Si 디바이스 웨이퍼에 결합되는데, 기계적 Si 핸들러 웨이퍼를 사용함으로써 표준 CMOS 실리콘 웨이퍼 처리 기술들과 호환될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예들에서, 상기 핸들러 웨이퍼는 IR 레이저 애블레이션에 사용되는 적외선(IR) 스펙트럼 내 특정 파장들에 투명하거나 또는 반-투명한(예를 들어, 적어도 50% 투명) 유리 또는 기타 적합한 재료들로 형성될 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예들에 따른 해제 층들은 얇은 금속 층들 및/또는 금속 입자들로 형성된 접착 층들을 포함하는데, 이들은 상기 디바이스와 핸들러 웨이퍼들을 결합해제하기 위해 저-전력 중간-IR 방사선을 사용해서 실질적으로 또는 완전히 제거될 수 있는(증발될 수 있는) 해제 가능한 층들로서 기능한다. 특히, 한 실시 예에서, 핸들러 웨이퍼를 디바이스 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조는 하나 또는 그 이상의 해제 층들(예를 들어, 금속 입자들로 접착되는, 얇은 금속 필름)로 형성되고 이들은 펄스로된 IR 레이저로부터 방출되는 중간-IR 에너지를 강력히 흡수하도록 구성되며, 핸들러 웨이퍼들이 디바이스 웨이퍼들로부터 신속하게 해제될 수 있게 하기 위해 낮은 애블레이션 에너지로 높은 애블레이션 효율을 제공한다. 실제로, 이들 결합 구조들 때문에, IR-레이저로부터의 초단 펄스의 중간-IR에너지(an ultra-short pulse of Mid-IR energy)는 해제 층(들)에 의해서 쉽게 흡수될 수 있고(결합 구조 내 매우 얕은 깊이에 집중될 수 있고) 이에 의해서 결합 구조와 핸들러 웨이퍼의 경계 면에서 해제 층의 적어도 일부분은 신속하게 효율적으로 증발되며, 따라서 핸들러 웨이퍼는 디바이스 웨이퍼로부터 해제된다. 핸들러 웨이퍼들을 디바이스 웨이퍼들에 결합시키는 다양한 구조들과 방법들이 도 2~8을 참조하여 아래에서 더 자세하게 설명될 것이다.
도 1을 다시 참조하면, 일단 웨이퍼 결합 프로세스가 완료되면, 표준 웨이퍼 처리 단계들이 디바이스 웨이퍼에 부탁된 핸들러 웨이퍼에 대해 수행될 수 있다(단계 11). 예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에서, 핸들러 웨이퍼는 디바이스 웨이퍼의 활성 표면(an active surface) 상에 형성된 BEOL(back-end-of-line) 구조에 결합된다. 이 예에서, 디바이스 웨이퍼를 얇게 하기 위해 디바이스 웨이퍼의 배면(비활성) 표면을 연삭/연마하는 것과 같은 표준 웨이퍼 처리 단계들이 수행될 수 있다. 기타 웨이퍼 처리 단계들은 디바이스 웨이퍼의 활성 면 상에 형성된 집적회로에 대해 디바이스 웨이퍼의 배면을 관통하는 쓰루-실리콘-비아들을 형성하는 단계를 포함한다. 실리콘 기판 및/또는 핸들러 웨이퍼 상의 압축 또는 인장력에 의해서, 실리콘 활성 웨이퍼 및/또는 결합된 비평면성(또는 휨)(bonded pair non-planarity (or warp))을 최소화하도록 돕는 얇은 필름들(예를 들어, SiO2 및/또는 Si3N4, 그러나 이에 한정되지 않음)을 배치하기 위해 추가의 처리 단계들이 채용될 수 있다.
다른 실시 예들에서, 디바이스 웨이퍼(표면상에 다이싱 테이프를 갖는)는 핸들러 웨이퍼가 부착된 채로 웨이퍼 다이싱 프로세스에 넘겨질 수 있는데, 그 결과 다이들이 기판 또는 다른 완전 두께 다이(another full thickness die)에 조립되었다가 포스트 어셈블리(post assembly) 또는 포스트 언드필(post underfill)과 같은 후속 처리에서 해제되는 다이 어셈블리 또는 기타 프로세스들 동안 개별 다이 또는 다수의 다이들이 일시적인 핸들러 웨이퍼에 의해서 고정될 수 있다. 이들 처리 단계들 동안, 핸들러 웨이퍼는, 당업자들이 이해하듯이, 디바이스 웨이퍼에 대해 어느 정도 구조적 강도와 안정성을 줄 것이다.
도 1에서 다음 단계는 핸들러 웨이퍼로부터 디바이스 웨이퍼를 해제하기 위해 레이저 애블레이션 웨이퍼 결합 해제 프로세스를 수행하는 단계를 포함한다(단계 12). 한 실시 예에서, 이 프로세스는 결합 구조의 해제 층을 레이저 애블레이트하여 디바이스 웨이퍼를 해제하기 위해 중간-파장 IR 에너지를 사용하여 핸들러 웨이퍼를 통하여 결합 구조를 피폭하는 단계를 포함한다. 더 구체적으로, 한 실시 예에서, 이 프로세스는 결합구조의 해제 층을 레이저 애블레이트하기 위해 펄스로된 중간-IR 레이저 빔을 핸들러 웨이퍼에 조사하는 단계(directing), 및 미리 정해진 스캔 패턴에 따라 펄스로된 중간-IR 레이저 빔을 스캔하는 단계(scanning)를 포함한다. 해제 층의 레이저 애블레이션은, 핸들러 웨이퍼로부터 디바이스 웨이퍼의 해제를 가능하게 하기 위해, 해제 층과 디바이스 웨이퍼 사이의 경계 면에서 해제 층(예를 들어, 얇은 금속 층 및/또는 금속 입자들을 갖는 접착 층)의 적어도 일 부분을 실질적으로 또는 완전히 증발시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 한 실시 예에서, 중간-IR 레이저 애블레이션 프로세스는 약 1.12μm에서 약 5μm 범위, 그리고 더 바람직하게는 약 1.12μm에서 약 3μm 범위 내의 파장을 갖는 중간-IR 방사선을 방출하는 적외선 레이저를 사용하여 구현된다. 중간-IR 레이저 애블레이션 프로세스의 다양한 실시 예들이 도 9~11을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
다시 도 1을 참조하면, 일단 중간-IR 레이저 애블레이션 프로세스가 완료되고 디바이스 웨이퍼가 핸들러 웨이퍼로부터 해제되면, 포스트 결합해제 세정 프로세스가 수행되어 디바이스 웨이퍼로부터 모든 남아있는 접착재료 또는 기타 잔류물(결합 구조의 애블레이션으로부터 발생되는)을 제거할 수 있다(단계 13). 예를 들어, 접착 재료에 기초한 모든 폴리머를 제거하기 위한 세정 프로세스는 화학 세정 프로세스 또는 습식 세정 프로세스를 사용하여 구현될 수 있다. 애블레이트된 결합 구조의 잔류물을 제거하기 위해, 당업자들에게 잘 알려져 있는, 기타 적합한 세정 방법들이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 레이저 애블레이션 프로세스를 수행하기 위해 중간-IR 방사선을 사용하는 것은 레이저 애블레이션을 위해 고-IR 방사선(Far-IR radiation)(5 마이크론보다 더 높은)을 사용하는 것과 비교하여 많은 장점들을 제공한다. 예를 들어, 중간-IR 방사선을 사용하는 레이저 애블레이션 프로세스는 Si 및 유리 핸들러들 그리고 중간-IR 방사선에 대해 투명한 재료들로 형성되는 기타 핸들러들 모두와 호환 가능하다(compatible). 이에 반하여, 유리 핸들러들은 고-IR 스펙트럼에서는 투명하지 못하고, 그 결과, 고-IR 레이저 애블레이션 기술들을 이용할 수 없다. 더 나아가서, 중간-IR 방사선을 사용하는 레이저 애블레이션 프로세스는 반도체 처리 단계들 동안 얇은 핸들러 웨이퍼들의 비틀림(warping)을 방지하기 위해 얇은 핸들러 웨이퍼들 상에 형성된 스트레스 보상 층들(예를 들어, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 층들)과도 호환 가능하다. 더 나아가서, 고-IR 방사선과 비교하여, 중간-IR 방사선의 더 짧은 파장은 얇은 해제 층들에서 더 높은 흡수율들을 가능하게 하고, 따라서 해제 층들의 효과적인 애블레이션(증발 또는 제거)을 달성하기 위해 훨씬 더 낮은 애블레이션 스레시홀드(예를 들어, 10배 더 낮은 에너지)를 요구한다. 고-IR 방사선과 비교하여, 애블레이션을 위해 중간-IR 방사선을 사용하는 것의 다른 장점은 상업적으로 이용 가능한 다이싱 테이프 제품들(dicing tape products)이 중간-IR 방사선에 대해 투명하다는 것이다. 따라서, 레이저 애블레이선 프로세스 동안, 다이싱 테이프의 층이 디바이스 웨이퍼의 표면 상에 배치되었을 때, 다이싱 테이프는 중간-IR 레이저 애블레이션 프로세스 동안 열 손상을 입지 않는다.
도 2는 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키기 위한 결합구조를 포함하는, 본 발명의 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한 것이다. 더 구체적으로, 도 2는 디바이스 웨이퍼(21), 핸들러 웨이퍼(22) 및 결합 구조(23)을 포함하는 스택 구조(20)의 측면도이다. 결합 구조(23)은 접착 층(24), 및 해제 층(25)를 포함한다. 도 2는 또한 해제 층(25)의 부분을 피폭하여, 레이저-애블레이트된 영역(16)을 생성하기 위해, 핸들러 웨이퍼(22)에 IR 레이저 빔을 방출하는 중간-IR 레이저(14)도 도시한다.
본 발명의 한 실시 예에서, 중간-IR 레이저(14)는 펄스로된 적외선 레이저 빔을 방출하여 해제 층(25)를 레이저 애블레이트 하는데, 이 때 중간-IR 레이저(14)는, 약 1.12μm에서 약 5μm 범위, 더 바람직하게는 약 1.12μm에서 약 3μm 범위의 파장을 갖는, 중간 파장 적외선 레이저 빔을 방출한다. 핸들러 웨이퍼(22)는 실리콘 웨이퍼 또는 유리 웨이퍼가 될 수 있는데, 실리콘 및 유리는 모두 약 1.12μm에서 약 3μm 범위의 IR 방사선 파장들에 대해서 적어도 대략 50% 정도 투명하다. 따라서, 상기 IR 레이저 빔은 핸들러 웨이퍼(22)를 통하여 해제 층(25)를 피폭한다(irradiate).
본 발명의 한 실시 예에서, 해제 층(25)는 반응적이고(불활성이 아닌), 부드러운 성질들을 갖는, 그리고 상대적으로 낮은 용융점을 갖는 금속성 재료들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 해제 층(25)는 알루미늄(Al), 주석(Sn) 또는 아연(Zn)과 같은 금속성 재료들로 형성될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 해제 층(25)는, 예를 들어, 탄소 나노튜브들 및 그래핀(graphene)과 같은 탄소 재료들로 형성될 수 있다. 해제 층(25)를 위해 사용되는 재료에 따라서, 해제 층(25)는 약 5nm에서 400 nm의 범위의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 해제 층(25)가 알루미늄과 같은 금속 재료로 형성되는 한 실시 예에서, 해제 층(25)는 약 5nm에서 200nm의 범위의 두께로 형성될 수 있다. 해제 층(25)가 탄소 재료로 형성되는 한 실시 예에서, 해제 층(25)는 400nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
해제 층(25)를 증발시키기 위한 중간-IR 레이저 방사선의 애블레이션 스레시홀드(노출 수준과 노출 시간)는 얇은 해제 층(25)를 형성하는 재료의 두께와 종류에 따라 달라진다. 모든 경우들에서, 얇은 해제 층(25)는 중간-IR 레이저 에너지를 실질적으로 흡수하여(반사되거나 또는 통과되지 않음), 얇은 해제 층(25)의 애블레이션을 일으킨다.
한 실시 예에서, 접착 층(24)는 IR 레이저(14)로부터 중간-IR 에너지 출력을 충분하게 흡수할 수도 또는 흡수할 수 있지 않을 수도 있는 모든 적합한 폴리머 접착 재료로 형성될 수 있다. 접착 층(24)의 IR 흡수 능력에 상관없이, 본 발명의 한 실시 예에서, 해제 층(25)는 중간-IR 에너지를 강력하게 흡수해서 결합 구조(23)가, IR 레이저 에너지에 의해서 애블레이트되어, 1차 해제 가능 층으로서 기능을 수행할 수 있도록 (재료의 조성물 및 두께에서) 구성된다. 해제 층(25)는 레이저 애블레이션 효율을 개선하고, 따라서 결합 구조(23)의 애블레이션 스레시홀드를 감소시킨다(접착 층을 단독으로 사용하는 결합 구조와 비교해서). 본 발명의 한 실시 예에서, 해제 층(25)는 중간-IR 에너지에 노출되는 해제 층(25)의 부분을 완전하게 증발시킬(애블레이트할) 만큼, 또는 핸들러 웨이퍼(22)와 해제 층(25) 사이의 경계 면에서 해제 층(25)의 재료를 적어도 완전히 증발시켜서 핸들러 웨이퍼(22)가 해제되도록 할 만큼 충분한 적외선 에너지로 피폭된다.
더 나아가서, 본 발명의 다른 실시 예에서, 결합 구조(23)은, 접착 층(24)와 피폭되고 애블레이트되는 해제 층(25)의 부분 사이의 경계 면에서 접착 층(24)의 적어도 일부분을 증발시키거나, 변성시키거나 탄소화하거나, 또는 달리 애블레이트할 뿐만 아니라, 중간-IR 에너지에 노출되는 얇은 해제 층(25)의 적어도 일부분을 완전하게 증발시킬 만큼 충분한 중간-IR 에너지로 피폭된다. 다시 말하면, 도 2에서 도시한 결합 구조(23)에서, 중간-IR 레이저(14)에 의해서 피폭되는 해제 층(25)의 부분은 가열되어 증발되며, 얇은 해제 층(25)의 이 가열과 애블레이션은 (피폭된 해제 층(25)와 접착 층(24) 사이의 경계 면에서) 접착 층(24)의 주변 재료의 가열로 이어져서, 접착 층(24)의 애블레이션을 일으키게 한다. 이에 더하여, 접착 층(24)를 형성하기 위해 사용된 재료의 IR 흡수 성질들에 따라서, 접착 층(24)의 애블레이션은 접착 층(24)에 의한 중간-IR 에너지의 흡수에 기인하는 추가의 가열에 의해서 더 달성된다.
본 발명의 한 실시 예에서, 스택 구조(20)은 다음과 같이 조립될 수 있다. 초기에, 해제 층(25)는 핸들러 웨이퍼(22)의 표면 상에 형성된다. 예를 들어, 해제 층(25)는 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 또는 원자 층 증착(ALD)과 같은 표준 기술을 사용하여 금속성 재료(예를 들어, Al)의 층을 증착함으로써 형성될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 해제 층(25)는 공지의 기술들을 사용하여 핸들러 웨이퍼(22)의 표면 상에 탄소 재료(예를 들어, 탄소 나노튜브들, 그래핀 층, 등)의 층을 성장시키거나, 혹은 달리 배치함으로써 형성될 수 있다.
다음 단계는 접착 층(24)를 해제 층(25) 상에 형성하는 단계를 포함한다. 접착 층(24)는 공지의 재료들 및 증착 기술들을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 접착 층(24)는 모든 적합한 폴리머 접착 재료, 고-온 열가소성 폴리이미드들(high-temperature thermoplastic polyimides), BCB, 아크릴(acryics), 에폭시(epoxies), 또는 주어진 응용에 적합한 기타 결합 접착 재료들로 형성될 수 있다. 접착 층(24)는 상기 접착 재료를 해제 층 (25) 상에 스핀 코팅함으로써 그리고 접착 층(24)를 형성하기 위해 상기 접착 재료를 열로 베이킹함으로써 형성될 수 있다. 그 후에, 표준 결합 프로세스가 실시되어 (결합 구조(23)으로) 핸들러 웨이퍼(22)를 디바이스 웨이퍼(21)에 결합시킨다.
도 3은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다. 도 3은 도 2의 스택 구조(20)과 유사한 스택 구조(30)의 개념적 측면도이다. 다만, 도 3에서는 도 2와 달리, 보호 층(32)이 결합 구조(23)과 디바이스 웨이퍼(21) 사이에 배치되어 있다. 도 3에 도시한 접착 층(24)와 해제 층(25)는 도 2를 참조하여 위에서 논의한 것과 동일 또는 유사한 재료들로 형성될 수 있다.
도 3의 실시 예에서, 보호 층(32)는 레이저 애블레이션 프로세스 동안 중간-IR 레이저(14)로부터 방출된 적외선 에너지로 피폭되는 것으로부터 디바이스 웨이퍼(21)을 보호하는 기능을 수행한다. 더 구체적으로는, 보호 층(32)는 입사 중간-IR 에너지를 디바이스 웨이퍼(21)로부터 반사하여 해제 층(25)로 되돌려 주도록 (재료의 조성과 두께에서) 구성된다. 본 발명의 한 실시 예에서, 보호 층(32)는 티타늄(titanium), 크롬(chromium), 금(gold) 또는 구리(copper)와 같은 불활성 금속 재료로, 그리고 중간-IR 에너지를 반사하기에 충분한 두께로(주어진 중간-IR 레이저 파장에서 보호 층(32)의 표피 깊이보다 더 두꺼운) 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호 층(32)는 약 50nm에서 약 500nm 범위의 두께를 갖는 Ti와 같은 금속 재료로 형성될 수 있다. 도 3의 실시 예에서, 레이저-애블레이트된 영역(16)에서 해제 층(25)(및 접착 재료)의 피폭된 부분의 애블레이션 효율은, 도 3에서 개념적으로 묘사한, 보호 층(32)로부터 반사된 추가적인 중간-IR 방사선에 의해서 더 향상된다.
본 발명의 한 실시 예에서, 스택 구조(30)은 도 2를 참조하여 위에서 논의한 유사한 방법들을 사용하여 조립될 수 있다. 초기에, 해제 층(25)는 핸들러 웨이퍼(22)의 표면 상에 형성되고, 그 다음에 도 2를 참조하여 위에서 논의한 재료들 및 기술들을 사용하여, 해제 층(25) 상에 접착 층(24)를 형성한다. 그 다음, 보호 층(32)가 적합한 금속 재료들 및 공지의 증착 기술들을 사용하여 디바이스 웨이퍼(21)의 표면 상에 형성된다. 그 후에, 표준 결합 프로세스가 실시되어 (결합 구조(23)으로) 핸들러 웨이퍼(22)를 (보호 층(32)를 갖는) 디바이스 웨이퍼(21)에 결합시켜서 도 3에 도시한 최종 스택 구조를 형성한다.
도 4는 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다. 더 구체적으로, 도 4는 도 2의 스택 구조(20)과 유사한 스택 구조(40)의 개념적 측면도이다. 다만, 도 4에서는 도 2와 달리, 스트레스 보상 층(42)이 핸들러 웨이퍼(22)의 표면 상에 형성되어 결합 구조(23)과 핸들러 웨이퍼(22) 사이에 배치되어 있다. 도 4에 도시한 접착 층(24)와 해제 층(25)는 도 2를 참조하여 위에서 논의한 것과 동일 또는 유사한 재료들로 형성될 수 있다. 도 4의 실시 예에서, 스트레스 보상 층(42)는 스택 구조(40)의 비틀림을 방지하는 기능을 수행하며, 스택 구조(40)의 비틀림은 스택 구조(40)을 형성 및/또는 핸들러 웨이퍼에 부착된 채로 디바이스 웨이퍼(21)을 처리하기 위해 수행되는 반도체 조립 처리 단계들 동안 스택 구조(40)의 다른 층들에 인가되는 측면 스트레스들로 인하여 발생될 수 있다.
이 실시 예에서, 스트레스 보상 층(42)는 스택 구조(40)의 층들에 달리 인가되어 잠재적으로 스택 구조(40)을 비틀리게 할 수 있는 스트레스 힘들을 상쇄하도록(counteract) (재료 조성과 두께에서) 구성된다. 이에 더하여, 스트레스 보상 층(42)는 레이저 애블레이션 프로세스에서 사용되는 중간-IR 레이저 방사선의 파장에 투명하여 중간-IR 에너지가 스트레스 보상 층(42)를 통하여 해제 층(25)를 피폭할 수 있도록 (재료 조성과 두께에서) 구성된다.
본 발명의 한 실시 예에서, 스트레스 보상 층(42)는, 예를 들어, 실리콘 산화물 재료(예를 들어, SiO2) 또는 실리콘 질화물 재료(예를 들어, Si3N4)로 형성될 수 있다. 스트레스 보상 층(42)는 약 100nm에서 약 5000nm 범위의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 두께는 사용되는 재료와 주어진 응용에서 스택 구조(40)의 비틀림을 방지하는데 필요한 스트레스 상쇄력의 양에 따라 달라진다. 일반적으로, 실리콘 기판들이 상대적으로 강하고 통상적으로 비틀림이 일어나지 않지만, 상대적으로 얇은 실리콘 기판들(예를 들어, 얇게 된 실리콘 디바이스 웨이퍼)은 비틀림에 취약할 수 있다. 또 한편으로, 유리 또는 기타 재료들로 만들어진 핸들러 웨이퍼들은 실리콘 핸들러 만큼 강하지도 않아서, 비틀림에 더 취약할 수 있다. 따라서, 보상 층(42)의 구성과 조성은, 예를 들어 핸들러 웨이퍼(22) 및 디바이스 웨이퍼(21)의 재료 구성과 두께, 및 스택 구조(40)을 형성하고 주어진 응용에서 디바이스 웨이퍼(21)을 처리하기 위해 사용되는 반도체 처리 단계들의 특성과 같은 팩터들에 따라 달라진다.
본 발명의 한 실시 예에서, 스택 구조(40)은 도 2를 참조하여 위에서 논의한 유사한 방법들을 사용하여 조립될 수 있다. 초기에, 스트레스 보상 층(42)는 핸들러 웨이퍼(22)의 표면 상에 형성되고, 그 다음에 순차적으로 해제 층(25) 및 접착 층(24)를 스트레스 보상 층(42) 상에 형성한다. 이들 층들(42, 25, 및 24)는, 위에서 논의한, 적합한 재료들 및 공지의 기술들을 사용하여 형성된다. 그 후에, 표준 결합 프로세스가 실시되어 (결합 구조(23)과 스트레스 보상 층(42)으로) 핸들러 웨이퍼(22)를 디바이스 웨이퍼(21)에 결합시켜서 도 4에 도시한 최종 스택 구조를 형성한다.
도 5는 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다. 더 구체적으로, 도 5는 도 4의 스택 구조(40)과 유사한 스택 구조(50)의 개념적 측면도이다. 다만, 도 5에서는 도 4와 달리, 스트레스 보상 층(42)이 결합 구조(23)이 형성된 핸들러 웨이퍼(22)의 반대편 핸들러 웨이퍼(22)의 표면 상에 형성되어 있다. 도 5에 도시한 접착 층(24)와 해제 층(25)는 도 4를 참조하여 위에서 논의한 것과 동일 또는 유사한 재료들로 형성될 수 있다. 그러나, 스택 구조(50)을 조립할 때, 스트레스 보상 층(42)는 초기에 핸들러 웨이퍼(22)의 표면 상에 형성되고, 그 다음에 핸들러 웨이퍼(22)의 반대편 표면 상에 결합 구조(23)이 형성된다.
도 6은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다. 더 구체적으로, 도 6은 도 2의 스택 구조(20)과 유사한 스택 구조(60)의 개념적 측면도이다. 다만, 도 6에서는 도 2와 달리, 반사 접착 층(62)가 결합 구조(23)에서 사용된다. 더 구체적으로, 도 6의 실시 예에서, 반사 접착 층(62)는, 예를 들어, IR 반사 입자들로 미리 혼합된, 폴리머 접착 재료로 형성된다. 상기 IR 반사 입자들은, 입사하는 중간-IR 방사선을 차단하거나 또는 달리 반사하는 기능을 수행하는, 금속 입자들(Al, Cu, 등), 또는 세라믹 스피어들(ceramic spheres), 및/또는 알루미나(alumina), 붕소 질화물(boron nitride), 실리카(silica), 등과 같은 기타 종류의 나노입자들을 포함할 수 있다.
여기서, 반사 접착 층(62)는 도 3의 스택 구조(30)의 실시 예에서의 반사 층(32)와 유사한 기능들을 수행한다. 특히, 반사 접착 층(62)는 디바이스 웨이퍼(21)을 IR 방사선으로부터 보호하는 기능을 수행한다. 이에 더하여, 반사 접착 층(62)는 레이저-애블레이트된 영역(16)에서 해제 층(25)의 애블레이션 효율을 향상시키는 기능을 수행하는데, 이는 반사 접착 층(62)로부터 반사되어 해제 층(25)에 돌아오는 추가적인 중간-IR 방사선으로 인함이며, 이에 의해서 해제 층(25)의 애블레이션 스레시홀드가 감소된다.
더 나아가서, 반사 접착 층(62)가 금속 입자들, 또는 기타 열적으로 전도성인 재료들로 형성될 때, 접착 층(62)의 열 전도성이 증가된다. 열적으로 전도성인 접착 층(62)는 스택 구조(60)을 조립할 때 그리고 디바이스 웨이퍼(21)을 처리할 때 다양한 처리 단계들 동안 스택 구조(60)에서 열을 확산하고 분산시키는데 바람직한 기능을 수행하며, 이에 의해서 핸들러 웨이퍼(22)에 결합된 채로 디바이스 웨이퍼(21)의 고-전력 테스트가 가능하게 된다. 반사 접착 층(62)는, 예를 들어, 도 8을 참조하여 아래에서 논의되는 방법들을 사용하여 형성될 수 있다.
도 7은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키는 결합 구조를 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 스택 구조를 개념적으로 묘사한다. 더 구체적으로, 도 7은, IR 흡수 접착 층(72)를 사용하여 함께 결합된, 디바이스 웨이퍼(21) 및 핸들러 웨이퍼(22)를 포함하는 스택 구조(70)의 개념적 측면도이다. 도 7의 실시 예에서, 흡수 접착 층(72)는 접착 재료의 IR 흡수를 개선하는 금속 나노입자들로 미리 혼합된 폴리머 접착 재료로 형성된다. 예를 들어, 상기 나노입자들은 Sn, Zn, Al, 탄소 나노튜브들 또는 그래핀 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. IR 흡수 접착 층(72)는 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅, 또는 선행 기술에서 알려진 기타 다른 형태의 증착 코팅과 같은, 증착 코팅 프로세스에 의해서 형성될 수 있고, 이때 미리 혼합된 금속 나노 입자들을 갖는 접착 재료는 디바이스 웨이퍼(21)에 결합되기 전에 핸들어 웨이퍼(22)의 표면상에 증착 코팅된다.
도 7의 실시 예에서, IR 흡수 접착 층(72)는, 도 7에서 도시한 바와 같이, 접착 층(72)의 적외선 애블레이션에 의해서 해제 가능한 층으로서 기능을 수행한다. 더 나아가서, 흡수 접착 층(72)는 열적으로 전도성인 재료들로 형성되었기 때문에, 접착 층(72)의 열 전도성은 증가되고 이는 전술한 바와 같이 바람직한 것이다. 다른 실시 예들에서, 도 6 및 7에 도시한 접착 층들(62 및 72)는 도 2, 3, 4, 및 5에 묘사된 접착 층들 대신에 이용될 수 있다.
도 8은 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 일시적으로 결합시키기 위해 사용될 수 있고, 레이저 애블레이션 해제 기술들을 지원하는, 본 발명의 실시 예들에 따른, 접착 재료를 형성하는 방법을 도시한다. 접착 재료를 형성하는 초기 단계는 필러 입자들(filling particles)(금속 및/또는 비-금속 입자들)을 계면활성제(또는 커플러), 및 용제와 균일하게 분산된 혼합물이 얻어질 때까지 혼합하는 단계를 포함한다(블록 80). 혼합하는 방법들에는 팁 소니케이션(tip sonication), 배쓰 소니케이션(bath sonication), 쓰리-롤 믹싱(three-roll mixing) 및 선행기술에서 알려진 기타 적합한 혼합 기술들이 포함된다. 계면활성제/커플러 및 용제 재료들은 필러 입자들이 잘 분산되고, 안정된 서스펜션(a stable suspension) 및 균일 경화 성질(uniform cured properties)을 얻는데 도움을 줄 수 있어야 한다.
사용되는 필러 입자들의 종류는 상기 일시적으로 결합시키는 접착 층이 반사 접착 층(예를 들어, 도6의 층 62)으로 사용될 것인지 또는 해제 가능 층(예를 들어, 도 7의 흡수 접착 층, 72)로서 사용될 것인지에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 반사 층으로서 사용될 때, 상기 접착 재료에 포함될 입자들은 알루미나, 붕소 질화물, 실리카, 세라믹 스피어들, 또는 기타 유사한 재료들과 같은 입자들 또는 나노입자들을 포함한다. IR 흡수 층으로서 사용될 때, 상기 접착 재료에 포함될 필러 입자들은, 예를 들어, 탄소 나노입자들, 알루미늄 나노입자들, 및/또는 기타 금속 또는 전도성 나노입자들을 포함한다. 더 나아가서, 사용되는 커플러/계면활성제 재료들의 종류는 필러 입자들, 용제 재료들, 및 사용되는 결합 접착 재료들의 종류에 따라 달라진다. 예를 들어, 사용되는 용제는 사용되는 결합 접착 재료(폴리머 매트릭스)를 용해할 수 있어야 한다.
다음 단계는 결합 접착 재료를 필러 입자들의 분산된 혼합물에 추가하는 단계를 포함한다(블록 82). 상기 결합 접착 재료는 모든 상업적으로 이용 가능한 결합 접착 재료(또는 매트릭스 재료)가 될 수 있는데, 이 재료는 레이저-애블레이트 가능하거나(제거 가능하거나), 열 전도성을 향상시켰거나 또는 IR 반사 층으로서 기능을 수행할 수 있는 일시적인 결합 접착제의 형성을 가능하게 하는 필러 입자들을 포함하기 위해 여기서 기술한 기술들을 사용하여 재포뮬레이트 (reformulate)될 수 있다. 그러한 결합 접착 재료들은 고온의 열가소성 폴리이미드들, BCB, 아크릴, 에폭시, 및 기타 적합한 접착 재료들을 포함한다.
상기 필러 입자들의 결합 접착 재료 및 분산 혼합물은 그 다음 스핀 코팅을 위한 바람직한 점도가 얻어질 때까지 진공 혼합된다(블록 84). 이 프로세스(블록 80, 82, 84)는 결합 접착 재료와 필러 입자들의 균일한 혼합물을 생산한다. 스핀 코팅 적용을 위해서, 상기 일시적인 결합 접착 재료의 목표 점도는, 예를 들어 약 103Pa-s에서 약 105Pa-s 범위이다. 그 후, 최종 일시적인 결합 접착 재료는 해제 층(25)(도 6) 상에 스핀 코팅되거나 또는 핸들러(22)(도 7)의 표면 상에 직접적으로 스핀 코팅될 수 있고, 그 다음 모든 용제 재료가 베이크 아웃되고(bake out) 폴리머 재료가 가교결합될(cross-linked) 될 때까지 열적으로 경화된다(cured)(블록 86).
예로서, 본 발명의 한 실시 예에 따른 접착 재료는 약 1%에서 약 35% 범위, 또는 더 바람직하게는, 약 5%에서 약 35% 범위의 볼류메트릭 로딩(volumetric loading)에서 열가소성 폴리이미드에 부가된 알루미늄 나노입자들(예를 들어, 70nm 이하)을 포함한다. 상기 로딩 범위는 상기 접착 재료 내 특정 재료의 퍼컬레이션 스레시홀드(percolation threshold)에 종속된다. 더 구체적으로, 한 예시적 실시 예에서, 10g의 70 nm 알루미늄 입자들, 1mg의 TritonX-100(상업적으로 이용 가능한 용제), 및 10g의 PGMEA(상업적으로 이용 가능한 계면활성제)는 균일 분산이 얻어질 때까지 소니케이트된다(sonicated). 20g의 HD 3007(상업적으로 이용 가능한 접착(매트릭스) 재료)가 상기 혼합물에 부가되어 하이 시어 믹서(high shear mixer)에서 카울즈 블레이드(a cowls blade)로 혼합된다. 균일 혼합물이 얻어진 후, 상기 혼합물은 진공 믹서로 옮겨져서 PGMEA가 증발되고 10000 Pa-s의 원하는 점도가 얻어질 때가지 혼합된다.
도 8의 방법은 일시적으로 핸들러 웨이퍼를 디바이스 웨이퍼에 결합시키기 위해 사용될 수 있고, 또한 그 자체로서(도 7) 또는 다른 해제 층과 함께 해제 층으로서 사용될 수 있는 열 전도성 결합 접착 재료를 생성하는데 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 2, 3, 4, 및 5에서 묘사한 상기 접착 층들은 IR 흡수 필러 입자들로 열 전도성 결합 접착 재료(도 8을 참조하여 위에서 논의된 방법들을 사용하여 형성되고 증착되는)가 될 수 있고, 금속 또는 탄소 재료들로 만들어진 얇은 전도성 해제 층과 함께 해제 층으로서 사용될 수 있다.
더 나아가서, 핸들러 웨이퍼를 디바이스 웨이퍼에 일시적으로 결합시키기 위해 열 전도성 결합 접착 재료를 사용하는 것은 또한 디바이스 웨이퍼를 핸들러 웨이퍼에 결합된 채로 디바이스 웨이퍼의 칩들(다이들)의 고전력 테스팅(high power testing)에 대한 지원을 제공하는 것이다. 더 구체적으로, 예를 들어, 도 2, 3, 4, 5, 6, 또는 7에서 도시한 스택 구조는, 열 전도성 접착 층을 결합 구조의 일부로서 가져서, 디바이스 웨이퍼 상의 칩들의 고출력 테스팅 동안 디바이스 웨이퍼로부터의 열을 핸들러 웨이퍼로 전달하는 열 전도성 층으로서 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 주어진 스택 구조에 대해 향상된 전기 테스트가 실시 될 수 있는데, 이때 얇은 반도체 디바이스 웨이퍼는 웨이퍼 레벨 테스트 프로브들을 사용하여 테스트되고, 열은 디바이스 웨이퍼로부터 제거되어 결합 구조 및 핸들러 웨이퍼를 통해서 핸들러 웨이퍼에 열적으로 결합된 냉판(cold plate) 또는 열 씽크(heat sink)에 전달된다. 상기 스택 구조는 빌트인 셀프-테스트(BIST) 절차들에 대해 지원하고, 또한 칩의 주파수(속도) 대 전압, 및 기타 전기적 테스트 평가들을 위해 활성 칩 회로들을 전기적으로 테스트하기 위해 테스트 프로브들을 사용하여 전 전력 및 접지 딜리버리(full power and ground delivery)를 제공할 할 수 있다. 동시에, 열 전도성 접착 층을 갖는 상기 스택 구조는 얇은 디바이스 웨이퍼의 반대 면(alternate side)을 통해서 향상된 냉각 능력을 제공하는데, 열 전도성 접착 층 및 핸들러 웨이퍼를 통해 제거된/확산된 열을 상기 핸들러 웨이퍼에 열적으로 결합된 냉판 또는 열 씽크에 전달한다.
도 9는 중간-파장 적외선 에너지를 사용하여 디바이스 웨이퍼와 핸들러 웨이퍼를 해제하기 위해 레이저 결합 해제 프로세스를 수행하기 위한, 본 발명의 한 실시 예에 따른, 장치를 개념적으로 묘사한다. 특히, 도 9는, 여기서 논의한 레이저-애블레이션 가능한(제거 가능한) 해제 층을 갖는 예시적 결합 구조들 중 하나를 사용하여 일시적으로 결합된, 핸들러 웨이퍼(102) 및 디바이스 웨이퍼(104)를 포함하는 스택 구조(100)을 레이저 스캔하기 위한 장치(90)를 개념적으로 도시한다. 일반적으로, 장치(90)은 중간-IR 레이저 소스(92), 빔 쉐이퍼(94), 거울들(96-1, 96-2)를 포함하는 빔 라스터 디바이스(96), 및 진공 척(98)을 포함한다. 장치(90)의 컴포넌트들(92, 94, 및 96)은 특정 스캔 패턴을 사용하여 핸들러 웨이퍼(102)의 표면 위에 펄스로된 IR 레이저 빔을 스캔하도록 구성되는 레이저 스캔 시스템의 일부이다. 상기 적외선 레이저 스캔 시스템은, 스택 구조(100) 내의 결합 구조의 해제 층을 효과적으로 애블레이트 하기에 충분한 방식으로, 예를 들어, 전력(에너지 밀도 빔), 스캔 속도, 및 펄스 주파수(pulse rate)를 제어함으로써 레이저 애블레이션 스캔 프로세스를 제어한다. 상기 IR 레이저 스캔의 파라미터들은 상기 결합 구조 프레임웍에 따라서 달라질 수 있다.
더 구체적으로, 레이저 빔 소스(92)는 약 1.12μm에서 약 5μm 범위, 그리고 더 바람직하게는 약 1.12μm에서 약 3μm 범위의 파장을 갖는 펄스로된 IR 레이저 빔을 방출한다. 빔 쉐이퍼(94)는 레이저 소스(92)로부터 방출되는 중간-IR 레이저 빔의 초점을 맞춘다(focus). 초점이 맞추어진 레이저 빔은 빔 라스터 디바이스(96)으로 보내지고, 빔 라스터 디바이스(96)에는 복수의 이동가능(회전가능) 거울들(96-1 및 96-2)이 공지의 기술들을 사용하여 제어가능하게 작동되는데, 이는 펄스로된 중간-IR 레이저 빔을 스택 구조(100)에 보내서 복수의 적합한 스캔 패턴들 중 하나를 사용하여 신속하게(예를 들어, 20초 내에) 핸들러 웨이퍼(102)의 전체 표면을 상기 레이저 빔으로 스캔하기 위함이다.
예를 들어, 도 10a 및 10b는 레이저 결합 해제 프로세스를 수행하기 위해 도 9의 장치에서 구현될 수 있는, 본 발명의 한 실시 예에 따른, 레이저 스캔 패턴들을 도시한다. 도 10a는 스파이럴 스캔(spiral scan)을 도시하는데, 여기서 스캔은 핸들러 웨이퍼의 엣지(edge)에서 시작하여 핸들러 웨이퍼의 주변에서 다수의 스캔 패스들(multiple scan passes)로 채용될 수 있고 그 다음 핸들러 웨이퍼(102) 내부 중심을 향하여 스파이럴 방향으로 이동한다. 이는 회로 웨이퍼에 높은 국부 압력 또는 손상을 일으키지 않고 모든 증발 부산물(vapor product)이 핸들러 웨이퍼의 경계 면으로부터 소멸되게 한다. 또한, 도 10b는 뱀 모양의 스캔 패턴을 도시하는데, 여기서 레이저 빔은 다시 웨이퍼의 주변에서 스캔될 수 있고 그 다음 핸들러 웨이퍼(102)의 한쪽 면으로부터 출발하여 핸들러 웨이퍼(102)의 반대편 면을 향해서 핸들러 웨이퍼(102)의 표면을 가로질러 전 후로(back and forth) 스캔된다. 도 10a 및 10b에서 도시한 레이저 빔 스캔 패턴들은 핸들러 웨이퍼(102)의 이전에 스캔된 표면 영역이 아래에 활성 회로들을 갖는 영역들에 대해서 한번 이상 스캔되는 일이 없도록 핸들러 웨이퍼(102)의 전체 표면이 레이저 스캔되게 한다.
다시 말하면, 도 10a 및 10b에 도시한 스캔 패턴들은 이전에 레이저 스캔된 영역이 다시 스캔되는 일이 없게 하는데, 그 이유는 레이저 빔이 해제 층(들)이 이미 증발된 영역들에 보내졌을 때 동일 영역의 반복된 스캔이 디바이스 웨이퍼에 대하여 손상을 초래할 수 있기 때문이다. (활성 회로들이 아래에 없는) 웨이퍼의 주변에 대해서는, 레이저의 앵글 및 모든 엣지 효과들 또는 엣지 효과로 인한 비효율, 해제 층에 대한 빔 접촉에서 반사 또는 손실들에 따라서, 한번 또는 그 이상의 레이저 빔 패스들이 요구될 수 있다. 이와 달리, 만일 레이저 결합 해제의 한번 이상 패스가 해제를 위해 필요하다면, 활성 회로들에 대한 손상을 피하기 위해 보호 층이 이 출원에서 전술한 바와 같이 채용될 수 있다.
도 11은 레이저 결합 해제 프로세스를 수행할 때 효과적으로 해제 층을 애블레이트하기 위해 IR 레이저 스캔 프로세스 동안 펄스로된 레이저 빔 스판들을 효과적으로 중첩시키기 위한, 본 발명의 한 실시 예에 따른, 방법을 도시한다. 도 11에서 도시한 바와 같이, 연속 레이저 빔 스팟들 L1 및 L2가 화살 S로 표시한 바와 같이 주어진 스캔 방향으로 일부 중첩될 때 더 효율적인 레이저 스캔 애블레이션이 얻어진다. 도 11에서 개념적으로 도시하였듯이, 펄스로된 레이저 빔 스캔으로, 연속 레이저 빔 스팟들 L1 및 L2의 효과적인 중첩을 얻기 위해, 레이저의 스캔 속도는 펄스 주파수 곱하기 스팟 직경 D의 2분의 1과 같거나 적어야 한다. 이를 수식으로 표시하면 다음과 같다.
스캔 속도 ≤
Figure pct00001
그렇지 않고, 만일 레이저 빔 스팟들 L1 및 L2의 중첩이 충분하지 않다면, 적절하게 피폭되지 않고, 따라서, 잠재적으로 충분히 애블레이트되지 않은 해제 가능 층의 영역들이 있을 수 있다.
도 9로 다시 돌아가면, 레이저 스캔 프로세스 동안, 스택 구조(100)은 진공 척(98) 상의 위치에 유지되는데, 이 때문에 진공 시스템은 진공 흡인력을 진공 척(98)을 통해서 인가하여 스택 구조(100)을 진공 척(98)과 접촉하는 디바이스 웨이퍼(102)와 함께 그 자리에 고정시킨다. 본 발명의 한 실시 예에서, 진공 척(98)은 디바이스 웨이퍼(104)로부터 핸들러 웨이퍼(102)의 해제를 돕도록 레이저 스캔 동안 및/또는 레이저 스캔 후 진동력을 인가하기 위해 초음파 또는 메가쏘닉 에너지로 진동하도록 구성된다. IR 레이저 스캔이 완료된 후, 상기 진공 시스템은 제2 진공 척(도시되지 않음)이 핸들러 웨이퍼(102)와 접촉하도록 배치하고, 제2 진공 척(120)을 통해서 진공 흡인력을 인가한다. 상기 제2 진공 척은 해제된 핸들러 웨이퍼(102)를 디바이스 웨이퍼(104)로부터 떼어내기 위해 리프팅 디바이스로 들어올려진다. 디바이스 웨이퍼(104)로부터 핸들러 웨이퍼(102)를 떼어내기 위해 요구되는 힘은 최소로 하는데, 이는 해제 층이 실질적으로 또는 완전히 증발되었기 때문이며, 이 증발은 레이저 스캔 애블레이션 프로세스에 의한 디바이스 웨이퍼(104)로부터 핸들러 웨이퍼(102)의 해제를 효과적으로 달성한다.
그 후, 디바이스 웨이퍼(104)는 화학 스테이션으로 이송되어 결합 해제 프로세스 후 디바이스 웨이퍼(104)의 표면상에 남아있는 잔류 일시적인 접착 층 또는 기타 결합 구조 재료들을 식각 하거나 또는 달리 제거할 수 있게 된다. 도 9에서는 도시되지 않았지만, 장치(90)은 잔류물을 제거하는 처리를 하기 위해서 그리고 결합 해제 프로세스 동안 생성된 여분의 개스들을 소진하기 위해서 에어 핸들러, 여과/응축 시스템 또는 소진 시스템을 더 포함할 수 있다. 도 9는, 여기서 논의한, IR 레이저 애블레이션 및 웨이퍼 결합 해제를 수행하기 위해 구현되거나 또는 개량될 수 있는 표준 웨이퍼-처리 장치의 일반적인, 고-수준의 구조를 묘사한 것으로 이해되어야 한다.
실시 예들이 도시의 목적으로 첨부된 도면들을 참조하여 여기서 기술되었지만, 본 발명은 이들 상세한 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 다양한 기타 변경들과 수정들이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해서 만들어 질 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 디바이스 웨이퍼(a device wafer)를 처리하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    디바이스 웨이퍼, 핸들러 웨이퍼(a handler wafer), 및 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼를 함께 결합시키는 결합 구조(a bonding structure) ― 상기 결합 구조는 전도성 재료로 형성된 해제 층(a release layer)을 포함함 ― 를 포함하는 스택 구조(a stack structure)를 제공하는 단계(providing);
    상기 핸들러 웨이퍼를 통해 적외선 에너지로 상기 결합구조를 피폭시키는 단계(irradiating) ― 상기 피폭하는 단계는 상기 해제 층을 실질적으로 또는 완전히 증발시켜 상기 해제 층의 실질적 또는 완전한 증발의 직접적인 결과로서 상기 디바이스 웨이퍼가 상기 핸들러 웨이퍼로부터 해제되게 하고, 상기 적외선 에너지 파장은 약 1.12μm에서 약 5μm 범위 내임 ― 를 포함하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합구조를 피폭하는 단계는:
    상기 핸들러 웨이퍼의 표면에 펄스로된 적외선 레이저 빔(a pulsed infrared laser beam)을 조사하는 단계(directing); 및
    상기 결합구조의 해제 층을 실질적으로 또는 완전히 증발시키기 위해 상기 핸들러 웨이퍼의 표면을 가로질러 상기 펄스로된 적외선 레이저 빔을 스캔하는 단계(scaning)를 포함하는
    방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 해제 층은 금속 재료를 포함하는
    방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 해제 층은 탄소 재료 또는 탄소 구조를 포함하는
    방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 해제 층은 약 5nm에서 약 400nm 범위의 두께를 갖는
    방법.
  6. 스택 구조(a stack structure)에 있어서, 상기 스택 구조는:
    디바이스 웨이퍼;
    핸들러 웨이퍼; 및
    상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼 사이에 배치된 결합 구조 ― 상기 결합 구조는 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼를 함께 결합시키고, 상기 결합구조는 전도성 재료로 형성된 해제 층을 포함하며, 상기 해제 층은 상기 핸들러 웨이퍼를 통해 적외선 레이저 에너지에 노출되었을 때 적외선 애블레이션(ablation)에 의해서 실질적으로 또는 완전히 증발되어 상기 해제 층의 실질적 또는 완전한 증발의 직접적인 결과로서 상기 디바이스 웨이퍼가 상기 핸들러 웨이퍼로부터 해제되도록 구성되고, 상기 적외선 에너지 파장은 약 1.12μm에서 약 5μm 범위 내임 ― 를 포함하는
    스택 구조.
  7. 제6항에 있어서, 상기 해제 층은 금속 재료를 포함하는
    스택 구조.
  8. 제6항에 있어서, 상기 해제 층은 탄소 재료 또는 탄소 구조를 포함하는
    스택 구조.
  9. 제6항에 있어서, 상기 해제 층은 약 5nm에서 약 400nm 범위의 두께를 갖는
    스택 구조.
  10. 제6항에 있어서, 상기 해제 층은 상기 핸들러 웨이퍼의 표면상에 직접적으로 형성되는
    스택 구조.
  11. 제6항에 있어서, 상기 결합 구조는 접착 층(an adhesive layer)을 더 포함하는
    스택 구조.
  12. 제11항에 있어서, 상기 접착 층은 상기 적외선 에너지를 반사하도록 구성되는 필러 입자들(filler particles)을 포함하는
    스택 구조.
  13. 제6항에 있어서, 상기 스택 구조는 상기 결합구조와 상기 디바이스 웨이퍼 사이에 배치된 반사 층(a reflective layer) ― 상기 반사 층은 상기 디바이스 웨이퍼로부터 상기 적외선 에너지를 반사하여 상기 디바이스 웨이퍼가 상기 적외선 에너지로 피폭되는 것으로부터 보호하기 위한 것임 ― 을 더 포함하는
    스택 구조.
  14. 제6항에 있어서, 상기 스택 구조는 상기 핸들러 웨이퍼 표면상에 형성된 스트레스 보상 층(a stress compensation layer) ― 상기 스트레스 보상 층은 상기 핸들러의 비틀림(warping)을 완화하도록 구성됨 ― 을 더 포함하는
    스택 구조.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스트레스 보상 층은 (i) 상기 결합 구조 및 상기 핸들러 웨이퍼 사이에 배치되는 것과 (ii) 상기 결합 구조가 형성되는 표면에 반대되는(opposite) 상기 핸들러 웨이퍼의 표면 상에 형성되는 것 중 적어도 하나인
    스택 구조.
  16. 제6항의 상기 스택 구조를 테스트하는 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 핸들러 웨이퍼에 열 씽크(heat sink) 또는 냉판(cold plate)을 열적으로 결합시키는 단계 및 상기 디바이스 웨이퍼 상의 활성 회로들(active circuitry)을 전기적으로 테스트하기 위해 웨이퍼 레벨 테스트 프로브들(wafer level test probes)을 사용하여 상기 디바이스 웨이퍼를 테스트하는 단계를 포함하는
    스택 구조 테스트 방법.
  17. 디바이스 웨이퍼, 핸들러 웨이퍼, 및 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼 사이에 배치된 결합 구조 ― 상기 결합 구조는 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 핸들러 웨이퍼를 함께 결합시키고, 상기 결합구조는 전도성 재료로 형성된 해제 층을 포함함 ― 를 포함하는 스택 구조를 처리하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:
    제1 진공 척(vacuum chuck) 및 제2 진공 척을 포함하는 진공 시스템; 및
    적외선 레이저 스캔 시스템을 포함하되,
    상기 진공 시스템은 상기 제1 진공 척과 접촉하는 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 스택 구조가 제 위치를 유지하도록 상기 제1 진공 척을 통해서 흡인력을 인가하도록 구성되고,
    상기 적외선 레이저 스캔 시스템은 상기 해제 층을 약 1.12μm에서 약 5μm 범위의 파장을 갖는 적외선 에너지로 피폭하여 적외선 레이저 애블레이션에 의해서 상기 해제 층을 실질적으로 또는 완전히 증발시키고, 이에 의해서, 상기 해제 층의 적외선 레이저 애블레이션의 직접적인 결과로서 상기 핸들러 웨이퍼로부터 상기 디바이스 웨이퍼가 해제 되도록 상기 핸들러 웨이퍼의 배면(backside)에 펄스로된 적외선 레이저 빔을 인가하도록 구성되며,
    상기 진공 시스템은 상기 결합구조의 적외선 애블레이션 후에 상기 핸들러 웨이퍼와 접촉하게 상기 제2 진공 척을 배치하여 상기 제2 진공 척을 통해 진공 흡인력을 인가하여 상기 핸들러 웨이퍼가 상기 디바이스 웨이퍼로부터 떨어지도록(pull awy) 구성되는
    장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적외선 레이저 스캔 시스템은 스파이럴 스캔 패턴으로(in a spiral scan patten) 상기 핸들러 웨이퍼의 배면에 펄스로된 적외선 레이저 빔을 인가하는
    장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 적외선 레이저 스캔 시스템은 상기 핸들러 웨이퍼의 뒷면을 가로질러 전 후로 움직이는 뱀 모양의 패턴으로(in back and forth serpentine patten) 상기 핸들러 웨이퍼의 배면에 펄스로된 적외선 레이저 빔을 인가하는
    장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 적외선 레이저 스캔 시스템은 중첩하는 펄스로된 레이저 빔 스팟들로(with overlapping pulsed laser beam spots) 펄스로된 적외선 레이저 빔을 인가하는
    장치.
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