KR20200060558A - 본딩 장치 및 본딩 방법 - Google Patents

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Abstract

접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 기판에 다이를 접합하거나 기판들을 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은 기판 상에 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서, 상기 접합 대상이 접합될 상기 기판 상의 접합 영역을 친수화하는 단계; 상기 기판 상에 접합될 상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 단계; 웨팅 장치에 의해 물을 포함하는 액적들을 소정 간격으로 상기 기판 상의 접합 영역에 토출하여 수막을 형성하는 단계; 및 상기 접합 대상의 친수화된 접합면과 상기 수막 간의 접합력에 의해 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함한다.

Description

본딩 장치 및 본딩 방법{BONDING APPARATUS AND BONDING METHOD}
본 발명은 본딩 장치 및 본딩 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)를 포함하는 접합 매개체를 이용하지 않고 기판에 다이 등의 접합 대상을 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법에 관한 것이다.
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 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 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 기판 상에 다이 등의 접합 대상을 접합할 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 기판 상의 접합 영역에 액적들을 소정 간격으로 정량 토출하여, 기판 상에 얇고 공극이 없는 수막을 형성함으로써, 접합 대상의 가접합력을 높일 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 기판과 접합 대상 간의 가접합 공정 및 본접합 공정에 소요되는 공정 시간을 단축시킬 수 있는 본딩 장치 및 본딩 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 본딩 방법은 기판 상에 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서, 상기 접합 대상이 접합될 상기 기판 상의 접합 영역을 친수화하는 단계; 상기 기판 상에 접합될 상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 단계; 웨팅 장치에 의해 물을 포함하는 액적들을 소정 간격으로 상기 기판 상의 접합 영역에 토출하여 수막을 형성하는 단계; 및 상기 접합 대상의 친수화된 접합면과 상기 수막 간의 접합력에 의해 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함한다.
상기 웨팅 장치는 상기 액적들을 정량 토출하는 잉크젯 장치를 포함할 수 있다.
상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 잉크젯 장치로부터 토출되는 액적의 직경보다 큰 토출 간격으로 상기 액적들을 토출하는 동시에, 상기 기판 상에 적하된 인접한 액적들끼리 응집을 일으키는 토출 간격으로 상기 액적들을 토출할 수 있다.
상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 액적이 상기 기판 상에 적하되어 퍼지는 너비만큼 상기 잉크젯 장치를 이동시키면서 상기 액적들을 토출할 수 있다.
상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성에 따라 상기 액적들의 토출 간격을 조절하되, 상기 친수성이 높을수록 상기 액적들의 토출 간격을 증가시킬 수 있다.
상기 기판 상의 접합 영역을 친수화하는 단계는 플라즈마 처리에 의해 상기 접합 영역을 친수화할 수 있다.
상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 단계는 플라즈마 장치에 의한 플라즈마 처리에 의해 상기 접합면을 친수화할 수 있다.
상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 플라즈마 장치의 플라즈마 처리 시간 및 상기 플라즈마 장치에 의해 발생되는 친수기의 종류에 따라 상기 액적들의 토출 간격을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은 상기 기판과 상기 접합 대상이 가접합된 상태로 열처리하여 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 본접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 방법은 본딩 헤드에 의해 지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 픽업하여 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 기판의 상부 영역으로 이송하는 단계를 더 포함하고, 상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 단계는 상기 접합 대상의 이송 경로에 설치된 플라즈마 장치의 플라즈마 처리 구간에서 상기 접합 대상을 이동시키면서 상기 접합면을 친수화할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 접합 대상을 접합하기 위한 본딩 장치에 있어서, 상기 접합 대상을 지지하는 지지 유닛; 상기 기판을 지지하는 본딩 스테이지; 상기 지지 유닛과 상기 본딩 스테이지 사이에 이동 가능하게 제공되고, 상기 접합 대상을 픽업하여 상기 기판 상의 접합 영역으로 이송하는 본딩 헤드; 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 가접합하기 위해, 상기 기판 상의 접합 영역 및 접합 대상의 접합면을 친수화하는 친수화 처리부; 및 액적들을 소정 간격으로 상기 기판 상의 접합 영역에 토출하여 상기 접합 대상의 가접합을 위한 수막을 형성하는 웨팅 장치를 포함하는 본딩 장치가 제공된다.
상기 웨팅 장치는 상기 액적들을 정량 토출하는 잉크젯 장치를 포함할 수 있다. 상기 웨팅 장치는 상기 잉크젯 장치로부터 토출되는 액적의 직경보다 큰 토출 간격으로 상기 액적들을 토출하는 동시에, 상기 기판 상에 적하된 인접한 액적들끼리 응집을 일으키는 토출 간격으로 상기 액적들을 토출할 수 있다. 상기 웨팅 장치는 상기 액적이 상기 기판 상에 적하되어 퍼지는 너비만큼 상기 잉크젯 장치를 이동시키면서 상기 액적들을 토출할 수 있다. 상기 웨팅 장치는 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성에 따라 상기 액적들의 토출 간격을 조절하되, 상기 친수성이 높을수록 상기 액적들의 토출 간격을 증가시킬 수 있다.
상기 친수화 처리부는 플라즈마 처리에 의해 상기 접합면을 친수화하는 플라즈마 장치를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 장치는 상기 지지 유닛과 상기 본딩 스테이지 사이의 상기 접합 대상의 이송 경로에 설치되고, 상기 기판 상의 접합 영역 및 상기 접합 대상의 접합면 중 적어도 하나를 플라즈마 처리할 수 있다.
상기 웨팅 장치는 상기 플라즈마 장치의 플라즈마 처리 시간 및 상기 플라즈마 장치에 의해 발생되는 친수기의 종류에 따라 상기 액적들의 토출 간격을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 본딩 장치는 상기 기판과 상기 접합 대상이 가접합된 상태로 열처리하여 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 본접합하는 열처리 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 접합 필름(adhesion film)과 솔더 범프(solder bump)와 같은 접합 매개체를 이용하지 않고 기판에 다이 등의 접합 대상을 접합할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 기판 상의 접합 영역에 액적들을 소정 간격으로 정량 토출하여, 기판 상에 얇고 공극이 없는 수막을 형성함으로써 접합 대상의 가접합력을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 기판과 접합 대상 간의 가접합 공정 및 본접합 공정에 소요되는 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
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 1 내지 도 3은 종래의 다이 본딩 공정을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 지지 유닛과 대기압 플라즈마 장치 및 본딩 스테이지의 배열을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 웨팅 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 다수의 다이가 가접합된 것을 예시한 도면이다.
도 19 내지 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다.
도 25는 도 24의 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치를 보여주는 도면이다.
도 28은 도 27에 도시된 플라즈마 장치의 동작을 보여주는 도면이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다.
도 30 및 도 31은 도 29의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다.
도 32는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다.
도 33은 도 32의 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 본딩 방법은 기판(제1 기판) 상의 접합 영역에 접합 대상(다이 또는 제2 기판)을 접합하는 방법으로서, 기판 상의 접합 영역에 접합 대상을 가접합하는 가접합 공정과, 기판과 접합 대상이 가접합된 상태로 열처리하여 기판 상에 접합 대상을 본접합하는 본접합 공정을 포함한다. 가접합 공정은 기판의 접합 영역과 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리 등에 의해 친수화하는 단계와, 웨팅 장치에 의해 기판 상의 접합 영역에 액적들을 소정 간격으로 토출하여 수막을 형성하는 단계와, 접합 대상의 친수화된 접합면과 상기 수막 간의 접합력에 의해 기판 상에 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함한다.
웨팅 장치는 기판 상의 접합 영역에 액적들을 소정 간격으로 정량 토출하여 얇고 공극이 없는 수막을 형성하는 드랍 온 디맨드(DOD; Drop On Demand) 방식의 잉크젯 장치를 포함할 수 있다. 웨팅 장치는 잉크젯 장치로부터 토출되는 액적의 직경보다 큰 토출 간격으로 액적들을 토출하는 동시에, 기판 상에 적하된 인접한 액적들끼리 응집을 일으키는 토출 간격으로 액적들을 토출할 수 있다. 액적들의 토출 간격은 기판 상의 접합 영역의 친수성, 플라즈마 처리 시간, 친수기(친수화 라디컬) 종류 등에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예에 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, 본 발명의 실시예에 의하면, 얇은 두께를 가지면서도 기판 상에 도포된 액적들 간에 공극이 없는 넓은 표면적의 수막을 형성하여, 수막을 매개로 기판과 접합 대상의 가접합력을 극대화할 수 있다.
이하에서 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 설명하지만, 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 대상의 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 4는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법의 흐름도이다. 도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 기판과 다이를 각각 플라즈마 처리 등에 의해 친수화하는 단계(S10, S20)가 수행된다. 즉, 다이가 접합될 기판 상의 접합 영역을 플라즈마 처리하여 친수화하고(S10), 기판 상의 접합 영역에 접합될 다이의 접합면을 플라즈마 처리하여 친수화한다(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 플라즈마 장치 또는 대기압 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, 기판 상의 접합 영역은 린스 처리될 수 있다(S30). 즉, 기판(제1 기판) 상의 친수화된 접합 영역에 물을 포함하는 액체를 분무하여 수막(액막)을 형성할 수 있다. 수막 형성을 위해 기판 또는 다이로 공급되는 액체는 예를 들어 순수(DIW; Deionized Water)일 수 있다.
다이를 픽업한 본딩 헤드는 본딩 스테이지의 상부 영역으로 이동한 후, 다이의 접합면이 기판 상의 접합 영역에 접촉되도록 다이를 하강시킨다. 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(S40). 필요에 따라 다이를 적정 압력(예를 들어, 1 ~ 2 bar)으로 기판 상에 가압하고 가열할 수 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(S50). 열처리는 기판을 지지하고 있는 본딩 스테이지 상에서 열처리 유닛에 의해 수행될 수도 있고, 별도의 열처리 챔버에 마련된 열처리 유닛에 의해 수행될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 측면도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 5 및 도 6을 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) 및 열처리 유닛(도시 생략)를 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 7은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 지지 유닛과 플라즈마 장치 및 본딩 스테이지의 배열을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 대기압 플라즈마 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7 내지 도 9를 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 친수화하기 위한 플라즈마 처리부에 해당하는 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 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 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 형성된다. 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 10은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 7 내지 도 10을 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 11은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 웨팅 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 11 내지 도 14를 참조하면, 웨팅 장치(180)는 토출 노즐(181)을 통해 액적(DR)들을 순차적으로 토출하도록 이루어지는 잉크젯 장치로 제공될 수 있다.
웨팅 장치(180)는 DOD(Drop On Demand) 방식의 잉크젯 장치로 제공될 수 있다. 웨팅 장치(180)는 액적(DR)을 토출하는 토출 노즐(181)이 하면에 형성된 본체(183)와, 본체(183) 내에 마련되어 액체를 토출 노즐(181)로 공급하는 액체 통로(184)와, 액체 통로(184)에 마련되어 액체 통로(184) 내의 액체에 가해지는 압력을 제어하여 토출 노즐(181)을 통해 액적(DR)을 정량 토출시키는 다이어프램(185)과, 다이어프램(185)을 제어하기 위한 피에조 구동부(186)를 포함할 수 있다. 피에조 구동부(186)에 의해 다이어프램(185)이 구동되면, 토출 노즐(181)을 통해 액적(DR)이 정량으로 토출된다. 피에조 구동부(186)의 제어 신호에 의해 액적(DR)의 토출 간격을 제어할 수 있다.
웨팅 장치(180)는 잉크젯 장치의 토출 노즐(181)로부터 토출되는 액적(DR)의 직경보다 큰 토출 간격으로 액적들을 토출하는 동시에, 기판(MW) 상에 적하된 인접한 액적(DIW)들끼리 응집을 일으키는 토출 간격으로 액적들을 토출할 수 있다. 기판(MW) 상의 접합 영역은 플라즈마 처리 등에 의해 친수화되어 있기 때문에, 기판(MW) 상에 적하된 액적(DIW)은 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 낮은 접촉각을 가지도록 기판(MW) 상에 넓게 퍼지게 되고, 토출 노즐(181)로부터 토출되는 액적(DR)의 직경보다 기판(MW) 상에 적하된 액적(DIW)의 너비가 커지게 된다.
따라서, 웨팅 장치(180)는 토출 노즐(181)로부터 토출되는 액적(DR)의 직경보다 큰 간격(D1)으로 액적들을 순차적으로 토출하되, 기판(MW) 상에 적하된 인접한 액적(DIW)들끼리 응집을 일으켜 공극이 없는 수막(DL)을 형성하게 되는 토출 간격으로 액적들을 토출할 수 있다. 이에 따라, 수막(DL)의 두께(W1)를 최대한 얇게 형성할 수 있어, 기판(MW)과 다이의 가접합력을 높일 수 있는 동시에, 수막(DL)에 공극이 형성되는 것을 방지하여 공극으로 인해 가접합력이 저하하는 것을 방지할 수 있다.
기판(MW)의 친수성이 낮은 경우, 기판(MW) 상에서 액적(DIW)의 퍼지는 너비가 작기 때문에, 도 14에 도시된 바와 같이, 액적(DR)들의 토출 간격(D2)이 기판(MW) 상에서 액적(DIW)의 퍼지는 너비보다 큰 경우, 기판(MW) 상에 적하된 액적(DIW)들 간에 응집이 일어지지 못해 공극이 생길 수 있다. 이를 방지하기 위해, 웨팅 장치(180)는 액적(DIW)이 기판(MW) 상에 적하되어 퍼지는 너비 또는 그보다 작은 간격 만큼 잉크젯 장치를 이동시키면서 액적들을 토출할 수 있다. 실시예에서, 웨팅 장치(180)는 기판(MW) 상의 접합 영역의 친수성에 따라 액적(DR)들의 토출 간격(D1)을 조절할 수 있다. 즉, 기판(MW)의 친수성이 높을수록 액적(DR)들의 토출 간격(D1)을 증가시킬 수 있다.
기판(MW)의 친수성이 높을수록 기판(MW) 상에서 액적(DIW)이 퍼지는 너비가 증가하므로, 액적(DR)들의 토출 간격(D1)을 증가시키더라도 액적(DIW)들의 응집에 의해 공극이 없는 수막(DL)의 형성이 가능하다. 따라서, 기판(MW)의 친수성이 높을수록, 액적(DR)들의 토출 간격(D1)을 증가시켜 수막(DL)의 두께(W1)를 최대한 얇게 형성할 수 있다. 기판(MW)의 친수성은 플라즈마 처리 시간, 플라즈마 처리에 의해 발생되는 친수기(친수화 라디컬)에 따라 변화되므로, 웨팅 장치(180)는 플라즈마 처리 시간 및/또는 반응 가스 등에 의해 플라즈마 장치에 의해 발생되는 친수기(예를 들어, 수산화기, 수소기 등)의 종류에 따라 액적(DR)들의 토출 간격을 조절할 수 있다.
예를 들어, 플라즈마 처리 시간이 길어질수록, 기판(MW) 상의 접합 영역에 부착되는 친수기가 증가하여 친수성이 높아지고, 기판(MW) 상의 접합 영역에 도포된 액적(DIW)들이 넓게 퍼지게 된다. 따라서, 플라즈마 처리 시간에 비례하여, 웨팅 장치(180)로부터 토출되는 액적(DR)들의 토출 간격을 증가시킴으로써, 기판(MW) 상에 도포된 액적(DIW)들의 응집에 의해 형성되는 수막(DL)의 두께를 최대한 얇게 할 수 있다. 또한, 높은 친수성을 가지는 친수기(예를 들어, 수산화기)에 의해 기판(MW)을 친수화하는 경우, 상대적으로 낮은 친수성을 가지는 다른 친수기를 발생시키는 경우보다 웨팅 장치(180)로부터 토출되는 액적(DR)들의 토출 간격을 증가시켜, 기판(MW) 상에 도포된 액적(DIW)들의 응집에 의해 형성되는 수막(DL)의 두께를 얇게할 수 있다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 웨팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 15는 웨팅(wetting) 장치(180)가 후퇴 영역에 위치한 상태를 나타내고, 도 16은 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 5, 도 6, 도 15 내지 도 17을 참조하면, 웨팅 장치(180)는 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 영역과 본딩 스테이지(120)로부터 멀어지는 후퇴 영역 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, 정량의 액적들(예를 들어, 순수)을 정위치에 토출하여 접합 영역(BA)에 액막을 형성하기 위하여, 웨팅 장치(180)는 피에조(piezo)를 적용한 DOD 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.
다이(D)가 본딩 스테이지(120)로 이송되는 동안 웨팅 장치(180)에 의해 기판(MW) 상의 접합 영역에 액막(DL)이 형성되면, 도 16에 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 상태를 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 5 및 도 6을 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 18은 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 19 내지 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 다이 본딩 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 먼저 도 19를 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 20을 참조하면, 플라즈마에 의해 친수화 처리된 기판(MW)의 접합 영역 위에 순수 등의 액체를 공급하는 웨팅 처리를 행하여 액막(DL)을 형성한다. 도 21을 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. 도 19 내지 도 22를 참조하면, 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 23은 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 다수의 다이가 적층되어 접합된 것을 예시한 도면이다. 도 23을 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 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다. 도 25는 도 24의 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 24 및 도 25를 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 24 및 도 25의 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 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치의 개략적인 측면도이다. 도 26을 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.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 장치를 보여주는 도면이다. 도 28은 도 27에 도시된 플라즈마 장치의 동작을 보여주는 도면이다. 도 27 및 도 28을 참조하면, 플라즈마 장치(220)는 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 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 28에 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 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다. 도 30 및 도 31은 도 29의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다. 도 29 내지 도 31을 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 29 내지 도 31의 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 29에 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 30에 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 31에 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.
도 32는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이 본딩 장치를 구성하는 플라즈마 처리부의 측면도이다. 도 33은 도 32의 실시예에 따른 플라즈마 처리부의 동작을 보여주는 도면이다. 도 32 및 도 33을 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 32 및 도 33의 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 32에 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 33에 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.
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
181: 토출 노즐 182: 이동 유닛
183: 본체 184: 액체 통로
185: 다이어프램 186: 피에조 구동부
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 W: 반도체 웨이퍼
D: 다이 MW: 기판
DR: 액적 BA: 접합 영역
P: 플라즈마 영역 P2: 플라즈마 처리 구간

Claims (19)

  1. 기판 상에 접합 대상을 접합하는 본딩 방법에 있어서,
    상기 접합 대상이 접합될 상기 기판 상의 접합 영역을 친수화하는 단계;
    상기 기판 상에 접합될 상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 단계;
    웨팅 장치에 의해 물을 포함하는 액적들을 소정 간격으로 상기 기판 상의 접합 영역에 토출하여 수막을 형성하는 단계; 및
    상기 접합 대상의 친수화된 접합면과 상기 수막 간의 접합력에 의해 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 가접합하는 단계를 포함하는 본딩 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웨팅 장치는 상기 액적들을 정량 토출하는 잉크젯 장치를 포함하는 본딩 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 잉크젯 장치로부터 토출되는 액적의 직경보다 큰 토출 간격으로 상기 액적들을 토출하는 동시에, 상기 기판 상에 적하된 인접한 액적들끼리 응집을 일으키는 토출 간격으로 상기 액적들을 토출하는 본딩 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 액적이 상기 기판 상에 적하되어 퍼지는 너비만큼 상기 잉크젯 장치를 이동시키면서 상기 액적들을 토출하는 본딩 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성에 따라 상기 액적들의 토출 간격을 조절하되, 상기 친수성이 높을수록 상기 잉크젯 장치로부터 토출되는 상기 액적들의 토출 간격을 증가시키는 본딩 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상의 접합 영역을 친수화하는 단계는 플라즈마 처리에 의해 상기 접합 영역을 친수화하는 본딩 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 단계는 플라즈마 장치에 의한 플라즈마 처리에 의해 상기 접합면을 친수화하는 본딩 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수막을 형성하는 단계에서, 상기 플라즈마 장치의 플라즈마 처리 시간 및 상기 플라즈마 장치에 의해 발생되는 친수기의 종류에 따라 상기 액적들의 토출 간격을 조절하는 본딩 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 접합 대상이 가접합된 상태로 열처리하여 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 본접합하는 단계를 더 포함하는 본딩 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    본딩 헤드에 의해 지지 유닛 상에 지지된 상기 접합 대상을 픽업하여 본딩 스테이지 상에 지지된 상기 기판의 상부 영역으로 이송하는 단계를 더 포함하고,
    상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 단계는 상기 접합 대상의 이송 경로에 설치된 플라즈마 장치의 플라즈마 처리 구간에서 상기 접합 대상을 이동시키면서 상기 접합면을 친수화하는 본딩 방법.
  11. 기판 상에 접합 대상을 접합하기 위한 본딩 장치에 있어서,
    상기 접합 대상을 지지하는 지지 유닛;
    상기 기판을 지지하는 본딩 스테이지;
    상기 지지 유닛과 상기 본딩 스테이지 사이에 이동 가능하게 제공되고, 상기 접합 대상을 픽업하여 상기 기판 상의 접합 영역으로 이송하는 본딩 헤드;
    상기 기판 상에 상기 접합 대상을 가접합하기 위해, 상기 기판 상의 접합 영역 및 접합 대상의 접합면을 친수화하는 친수화 처리부; 및
    액적들을 소정 간격으로 상기 기판 상의 접합 영역에 토출하여 상기 접합 대상의 가접합을 위한 수막을 형성하는 웨팅 장치를 포함하는 본딩 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 웨팅 장치는 상기 액적들을 정량 토출하는 잉크젯 장치를 포함하는 본딩 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 웨팅 장치는 상기 잉크젯 장치로부터 토출되는 액적의 직경보다 큰 토출 간격으로 상기 액적들을 토출하고, 상기 기판 상에 적하된 인접한 액적들끼리 응집을 일으키는 토출 간격으로 상기 액적들을 토출하는 본딩 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 웨팅 장치는 상기 액적이 상기 기판 상에 적하되어 퍼지는 너비만큼 상기 잉크젯 장치를 이동시키면서 상기 액적들을 토출하는 본딩 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 웨팅 장치는 상기 기판 상의 접합 영역의 친수성에 따라 상기 액적들의 토출 간격을 조절하되, 상기 친수성이 높을수록 상기 액적들의 토출 간격을 증가시키는 본딩 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 친수화 처리부는 플라즈마 처리에 의해 상기 접합 대상의 접합면을 친수화하는 플라즈마 장치를 포함하는 본딩 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 플라즈마 장치는 상기 지지 유닛과 상기 본딩 스테이지 사이의 상기 접합 대상의 이송 경로에 설치되고, 상기 접합 대상의 접합면을 플라즈마 처리하는 본딩 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 웨팅 장치는 상기 플라즈마 장치의 플라즈마 처리 시간 및 상기 플라즈마 장치에 의해 발생되는 친수기의 종류에 따라 상기 잉크젯 장치로부터 토출되는 상기 액적들의 토출 간격을 조절하는 본딩 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 기판과 상기 접합 대상이 가접합된 상태로 열처리하여 상기 기판 상에 상기 접합 대상을 본접합하는 열처리 유닛을 더 포함하는 본딩 장치.
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