KR20240082993A - 실장 장치 및 실장 방법 - Google Patents

Abstract

고정밀도의 실장을 실현할 수 있는 실장장치 및 실장방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실장 장치는, 하우징과, 하우징에 비접촉 상태로 지지되고, 헤드가 마련되는 슬라이더와, 비접촉 상태의 코일과 요크를 각각을 포함하고, 코일이 하우징에 고정되고, 요크가 슬라이더에 고정되는, X축 방향으로 구동되는 두 개, Y축 방향으로 구동되는 세 개의, Z축 방향으로 구동되는 한 개의 VCM을 포함하고, 슬라이더를 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향, Tz 방향의 6축 방향으로 구동하여, 칩과 웨이퍼의 상대적인 위치 및 평행도를 조정한 상태에서, 접합시키는 본딩 액추에이터를 포함한다.

Description

실장 장치 및 실장 방법{MOUNTING DEVICE AND MOUNTING METHOD}

본 발명은 실장 장치 및 실장 방법에 관한 것이다.

소비전력을 낮추고 구동속도를 높이기 위해, 반도체 디바이스(device)의 다층화가 진행되고 있다. CoC(Chip on Chip), CoW(Chip on Wafer)와 같은 반도체칩(Chip)을 적층하는 공정, 혹은 반도체 패키지(Package)를 실장하는 공정인 칩 본딩(Chip Bonding) 공정은, 종래의 와이어 본딩(Wire Bonding)을 개재한 접점간 연결방식에서, 플립 칩(Flip Chip) 혹은 실리콘 관통전극(TSV)에 의한 연결방식으로 변화하고 있다.

기존의 와이어 본딩을 개재한 접점간 연결방식에서는, 수십 μm의 본딩(Bonding) 정밀도로도 충분했으나, 범프(Bump)와 패드(Pad)의 직접 접촉이 행해지는 플립 칩에서는 수 μm, 특히, 실리콘 관통전극에 의한 칩의 본딩에서는, 서브미크론(sub-micron)의 정밀도가 요구된다. 또한, 금속을 직접 접합하기 위해, 접합시에 고온/고압력이 요구되는 경향이 있다. 고정밀도의 칩 본딩 장치에 있어서, 기계적/열적 측면에서 구조체의 미세한 변화는, 정밀도를 저해하는 요인이 된다.

나아가, 범프를 개재하지 않는 직접 접합에 있어서는, 수백nm 이하의 접합 정밀도가 요구된다. 직접 접합에서는, 웨이퍼의 국소적인 나노미터 레벨의 요철도 접합 정밀도에 영향을 줄 수 있다. 이 때문에, 접합면 간의 거리가 균일해지도록, 면끼리의 기울기를 정렬시킬 필요가 있다.

특허문헌 1에는, 고정밀도의 칩 본딩을 목적으로 한 실장 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 1의 장치는, 본딩 스테이지(Bonding Stage)에 유지된 하측 피접합물과, 본딩 헤드(Bonding Head)에 유지된 상측 피접합물의 사이에 삽입한 상하 2시야 광학계에 의해, 하측 피접합물의 접합면 상 및 상측 피접합물의 접합면 상에 있는 얼라인먼트 마크(Alignment Mark)를 인식한다.

상하 2시야 광학계는, 상측을 인식하기 위한 카메라(Camera)와 하측을 인식하기 위한 카메라가 일체가 된 것이며, 접합 직전의 하측 피접합물과 상측 피접합물의 간극으로 옆에서부터 침입할 수 있도록, 적어도 수평면 내에 구동축을 갖는다. 상하 2시야 광학계에 의한 인식결과에 기초하여 피접합물의 위치맞춤을 행하고, 접합을 행한다. 접합을 위해 후퇴해 있던 상하 2시야 광학계를 재차 삽입하고, 접합 후의 상측 피접합물의 상면에 있는 얼라인먼트 마크를 인식한다. 접합 전후의 인식결과로부터 실장 후의 위치 어긋남을 계산하고, 다음 층을 접합할 때에는 그만큼을 뺀 위치를 목표로 하여 실장한다. 이렇게 함으로써, 실장 오차의 누적을 방지할 수 있다.

그러나, 특허문헌 1의 장치와 같은 형태에서는, 본딩 공정의 고정밀도화에 대하여 이하와 같은 과제가 남는다. 상하 2시야 광학계는, 열적/기계적 응력에 의해 시간의 흐름에 따라 변형되기 때문에, 실장 전의 인식시와 실장 후의 인식시에서 동일한 광학 파라미터(Parameter)를 이용하면 오차의 원인이 된다.

이 과제를 해결하기 위한 기술로서, 예를 들어, 특허문헌 2의 장치에서는, 본딩 스테이지 상에 기준 마크를 마련하고 있다. 특허문헌 2의 장치는, 실장결과의 인식을 행하기 전에 기준 마크를 인식함으로써, 상하 2시야 광학계의 변형(주로 열에 의한 신장)을 파악하고, 실장 결과의 인식시에 오프셋한다. 이에 따라, 광학계의 시간의 흐름에 따른 변화로 인한 오차를 억제할 수 있다.

그러나, 특허문헌 2에서는, 광학계의 오차를 억제해도 본딩 헤드가 칩의 인식시와 본딩 시에서 상이한 높이가 되기 때문에, 이동에 수반하는 오차나 이동이나 외란에 수반하는 진동 등으로, 얼라인먼트로 얻은 결과를 기초로 산출된 목표 좌표에 대하여 오차가 발생한다는 문제가 있다.

일본특허공개 2014-017471호 공보 일본특허공개 2017-183628호 공보 일본특허공개 2019-096867호 공보

이에, 보다 높은 정밀도가 요구되는 본딩 설비의 본딩 헤드에는, 예를 들어, 특허문헌 3에서 개시하는 바와 같은 정압(靜壓) 베어링이 사용될 수 있다. 정압 베어링을 사용함으로써 칩을 유지하는 가동부가 비접촉이 되고, 높은 운동 정밀도를 실현할 수 있다. 이에 따라, 높은 실장 정밀도를 실현하는 것이 가능해진다.

그러나, 정압 베어링의 수μm의 베어링 간극 내에서, 외부로부터의 진동이나 압력변동에 의해 서므미크론 이하의 흔들림이 발생하기 때문에, 앞서 서술한, 보다 정밀한 수백nm 이하의 접합 정밀도를 필요로 하는 설비에서는, 정밀도 면에서 무시할 수 없는 오차 요인이 되는 문제가 있다.

또한, 본딩 설비에는, 정압 구면(球面) 베어링을 사용한, 접합시의 칩과 웨이퍼의 표면의 평행을 확보하는 수단이 마련되는 경우가 있다. 정압 구면 베어링은, 웨이퍼 측이 되는 웨이퍼척(Wafer Chuck) 하부와, 칩 측이 되는 본딩 헤드 상부의 어느 것에 마련되어도 된다. 정압 구면 베어링을 사용한 평행확보수단에는, 칩과 웨이퍼의 표면의 평행을, 칩을 흡착하기 전에, 본딩 헤드를, 웨이퍼를 유지하는 척 등에 미리 꽉 눌러서 확보하는 수동형과, 센서 등으로 웨이퍼와 칩의 평행의 어긋남을 검출하여 피에조(piezo) 등의 구동원을 이용하여 순차 조정하는 능동형이 있다. 보다 고정밀도의 조정이 필요한 경우는, 능동형이 채용된다.

그러나, 칩과 웨이퍼의 표면의 평행을 조정할 때, 정압 구면 베어링의 가동부는, 정압에 의해 고정부로부터 수 μm 만큼 부상하고, 조정 후에 착좌하기 때문에, 착좌 이동시에 미세한 오차가 발생하는 경우가 있다.

본 발명은, 이러한 상기 문제 중 적어도 하나를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 고정밀도의 실장을 실현할 수 있는 실장 장치 및 실장 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 실장 장치는, 제1 피접합부재를 지지하는 헤드, 제2 피접합부재를 지지하는 스테이지, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재의 접합면의 위치 및 평행도의 편차를 검출하는 센서, 및 센서가 검출한 위치 및 평행도의 편차에 기초하여, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정하는 본딩 액추에이터를 포함하고, 본딩 액추에이터는, 고정부, 비접촉 상태로 고정부에 지지되고, 헤드가 마련되는 가동부, 비접촉 상태의 구동부와 이동부를 각각 구비하고, 구동부가 고정부에 고정되고, 이동부가 가동부에 고정되는, X축 방향으로 구동되는 적어도 2개의 X1축 모터, Y축 방향으로 구동되는 적어도 3개의 Y1축 모터, Z축 방향으로 구동되는 적어도 1개의 Z1축 모터, 가동부를 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향, Tz방향의 6축 방향들로 구동하여, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정한 상태에서, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재를 접합시키는 제어부를 포함하며, 수평면 내에서 서로 직교하는 두 방향을 X축 방향 및 Y축 방향으로 정의하고, 수평면에 직교하는 방향을 Z축 방향으로 정의하며, Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향은 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향 각각에 대한 회전 방향으로 정의된다.

일 실시예에 따른 실장 장치는, 가동부의 이동량을 검출 가능한, 적어도 1개의 검출기를 더 포함하고, 제어부는, 검출기가 검출한 이동량에 기초하여 가동부를 구동하여, 제1 피접합부재 및 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정할 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, 검출기는, X축 방향에 있어서 대향하도록 배치되고, Y축 방향 및 Z축 방향의 위치를 검출하는 한 쌍의 YZ축용 2차원 인코더, 및 Y축 방향에 있어서 대향하도록 배치되고, X축 방향 및 Z축 방향의 위치를 검출하는 한 쌍의 XZ축용 2차원 인코더를 포함하며, 제어부는, YZ축용 2차원 인코더와 XZ축용 2차원 인코더의 검출값을 이용하여 가동부의 자세를 파악하고, 6축 방향들에서 가동부의 자세를 제어할 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, YZ축용 2차원 인코더와 XZ축용 2차원 인코더 각각은, 가동부의 하나의 강체에 장착된 YZ축용 2차원 인코더 스케일, XZ축용 2차원 인코더 스케일, YZ축용 2차원 인코더 스케일 및 XZ축용 2차원 인코더 스케일을 판독하는 센서 헤드를 포함하며, 제어부는, 제1 피접합부재가 유지되는 위치와 센서 헤드의 위치 관계에 따라, 제1 피접합부재의 위치에 대한, X1축 모터, Y1축 모터 및 Z1축 모터의 제어량을 산출하여, X1축 모터, Y1축 모터 및 Z1축 모터를 일괄 제어할 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, 가동부는, 에어 실린더에 의해 고정부에 지지될 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, 가동부는, 이동부가 고정되는 본체부와, 본체부와 에어 실린더를 연결하는 복수의 힌지를 가질 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, 에어 실린더의 에어 챔버의 압력을 검출 가능한 압력 센서를 추가로 가질 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, X1축 모터, Y1축 모터 및 Z1축 모터 각각은, 구동부와 이동부 사이의 갭의 범위 내에서, 구동방향 이외의 축방향으로 수동적으로 이동할 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, Z1축 모터는, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정하고, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재의 접합시에 가압할 수 있다.

일 실시예에 따른 실장 장치에서, X1축 모터, Y1축 모터 및 Z1축 모터 각각은, 마그넷과 코일을 포함하고, 마그넷은 이동부에 배치되고, 코일은 구동부에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 실장 방법은, 제1 피접합부재를 헤드에 의해 지지하는 단계, 제2 피접합부재를 스테이지에 의해 지지하는 단계, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재의 접합면의 위치 및 평행도의 편차를 검출하는 단계, 고정부, 고정부에 비접촉 상태로 지지되고 헤드가 마련되는 가동부, 및 비접촉 상태의 구동부와 이동부를 각각 구비하고, 구동부가 고정부에 고정되고, 이동부가 가동부에 고정되며, X축 방향으로 구동되는 적어도 2개의 X1축 모터, Y축 방향으로 구동되는 적어도 3개의 Y1축 모터, Z축 방향으로 구동되는 적어도 1개의 Z1축 모터를 갖는 본딩 액추에이터에 의해, 검출된 접합면의 위치 및 평행도의 편차에 기초하여, 가동부를 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향 및 Tz방향의 6축 방향들로 구동하여, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정한 상태에서, 제1 피접합부재와 제2 피접합부재를 접합시키는 단계; 를 포함하고, 수평면 내에서 서로 직교하는 두 방향을 X축 방향 및 Y축 방향으로 정의하고, 수평면에 직교하는 방향을 Z축 방향으로 정의하며, Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향은 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향 각각에 대한 회전 방향으로 정의된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고정밀도의 실장을 구현할 수 있는 실장 장치 및 실장 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실장장치의 개략구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 일 실시예에 따른 실장 장치에 포함되는 본딩 헤드를 간단하게 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 일 실시예에서 슬라이더의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시한 일 실시예에서 에어실린더의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시한 일 실시예에서 VCM의 구성을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 VI-VI 방향의 단면을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시한 일 실시예에서 인코더의 구성의 일부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시한 일 실시예에서 힌지 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 9는 힌지의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 2에 도시한 일 실시예에서 인코더의 검출값을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 실장 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다. 설명의 명확화를 위해, 이하의 기재 및 도면은, 생략, 및 간략화가 이루어져 있을 수 있다. 또한, 각 도면에 있어서, 동일한 요소에는 동일한 부호가 부여될 수 있으며, 필요에 따라 중복 설명은 생략될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 반도체 칩이나, 인터포저(Interposer)와 같은 부품을 적층하여 접합하는 3차원의 실장 장치(칩 본더(Chip Bonder) 또는 다이 본더(Die Bonder))에 관한 것일 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예는 반도체 칩을 정렬하고, 본딩하기 위한 본딩 헤드에 관한 것일 수 있다.

앞서 서술한 바와 같이, 정압 베어링이나 구면 베어링을 이용하여 XY 정밀도의 재현성이나 칩과 웨이퍼의 평행을 확보하는 경우, 직접 접합에서 필요한 수백nm 이하의 XY 정밀도나, 평행성을 확보하는 것이 어려울 수 있다. 정압 베어링의 경우, 에어 갭(Air Gap) 내의 미세한 진동으로 인해, 구면 베어링의 경우는 조정/고정의 동작으로 인한 오차 등에 의해 XY 정밀도나 평행성을 확보하기가 어려울 수 있다. 직접 접합에서는, 범프 접속의 경우보다 접합면끼리의 평행성이 더 정밀하게 확보되어야 할 수 있다. 이에, 아래와 같은 실시예들을 제안한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실장장치의 개략구성을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면 실장 장치(1)는, 상하 2시야 광학계를 이용하여 상측 및 하측의 피접합물의 위치를 정렬하고 실장하는 3차원 실장 장치일 수 있다. 도 1에 도시한 일 실시예에서, 하측의 피접합물은 웨이퍼(W2)일 수 있으며, 상측의 피접합물은 칩(W1)일 수 있다. 다만, 이들 피접합물은 예시이며, 피접합물은, 웨이퍼, 다이, 인터포저 등일 수도 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 실장 장치(1)는, 본딩 헤드(10), 본딩 스테이지(20), 상하 2시야 광학계(30) 등을 포함할 수 있다. 실장 장치(1)의 각 구성은, 베이스 프레임(Base Frame)(40)에 배치될 수 있다. 베이스 프레임(40)은, 실장 장치(1)의 기준 구조체일 수 있다. 베이스 프레임(40)은, 예를 들어, 베이스(41), 상부 프레임(42) 및 측부 프레임(43)을 포함하는 직방체 형상을 가질 수 있다. 측부 프레임(43)은, 베이스(41) 상에서 상부 프레임(42)을 지지할 수 있다. 한편, 베이스 프레임(40)은, 실장 장치(1)의 각 구성을 배치시킬 수 있다면, 다른 형상으로 변형될 수도 있다.

베이스 프레임(40)의 하부에는, 액티브 아이솔레이터(Active Isolator)(50)가 설치될 수도 있다. 액티브 아이솔레이터(50)는, 실장 장치(1)의 설치 장소의 외란으로 인한 진동을 제거하는 제진(除振) 장치이다. 액티브 아이솔레이터(50)로는, 예를 들어, 가속도계, 변위센서, 액추에이터, 댐퍼 등을 구비하는 장치를 이용할 수 있다. 액티브 아이솔레이터(50)는, 비교적 고주파의 진동을 댐퍼에 의해 감쇠시킬 수 있으며, 베이스 프레임(40)의 진동을 검출하고, 액추에이터에 의해 그 진동을 상쇄하도록 베이스 프레임(40)을 이동시켜 진동을 줄이거나 제거할 수 있다.

여기서, 설명의 편의를 위해, XYZ 직교 좌표계를 가정하기로 한다. 도 1에 도시한 실시예에서는, 베이스(41)의 상면에 직교하는 방향을 Z축 방향으로 정의하고, 베이스(41)의 상면에 평행한 수평면 내에서 서로 직교하는 두 방향을, X축 방향 및 Y축 방향으로 정의할 수 있다. +Z축 방향은 상방으로 정의되고, -Z축 방향은 하방으로 정의된다. 한편, 상방 및 하방은, 실장 장치(1)의 설명의 편의를 위한 것이며, 실제로 실장 장치(1)를 사용할 때에 배치되는 방향을 한정하는 것은 아니다.

이하, 실장 장치(1)의 각 구성을 설명하기로 한다.

<본딩 헤드>

본딩 헤드(10)는, 칩(W1)을 지지하여 웨이퍼(W2)에 접합하는, 본딩 툴(Bonding Tool)로서 기능할 수 있다. 본딩 헤드(10)는, 도 1에 있어서 도시하지 않은 헤드 및 본딩 액추에이터(Bonding Actuator)를 포함할 수 있다. 헤드는, 예를 들어, 흡착 기구를 포함하고, 칩(W1)을 흡착하여 유지할 수 있다.

본딩 액추에이터는, 헤드를 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향으로 각각 평행 이동시킬 수 있다. 또한, 본딩 액추에이터는, 헤드(13)를, X축, Y축 및 Z축의 각각에 대한 회전 방향들(Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향)으로 회전 이동시킬 수 있다. 다시 말해, 본딩 액추에이터는, 헤드를 6축 방향들(X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향)로 구동할 수 있다. 이에 따라, 본딩헤드(10)는, 상측의 칩(W1) 및 하측의 웨이퍼(W2)의 상대적인 위치 및 평행도를 조정할 수 있다. 또한, 본딩 헤드(10)는, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)를 접합시킬 수 있다. 본딩 헤드(10)에 마련된 본딩 액추에이터의 구성에 대해서는, 이후에 상세히 서술하기로 한다.

<본딩 스테이지>

본딩 스테이지(20)는, 웨이퍼(W2)를 유지할 수 있다. 본딩 스테이지(20)는, 웨이퍼 척(21) 및 구동 기구(22)를 포함할 수 있다. 웨이퍼 척(21)은, 웨이퍼(W2)를 흡착하여 지지할 수 있다. 구동 기구(22)는, 베이스(41)에 고정될 수 있다. 구동 기구(22)는, 웨이퍼 척(21)을 X축 방향 및 Y축 방향으로 평행 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 본딩 스테이지(20)는, 웨이퍼(W2)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시킬 수 있다. 한편, 구동 기구(22)는, 웨이퍼 척(21)을 Z축 방향으로 평행 이동시킬 수도 있으며, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향 각각에 대한 회전 방향들인 Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향으로 회전 이동시킬 수도 있다.

<상하 2시야 광학계>

상하 2시야 광학계(30)는, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 사이에 삽입되고, 칩(W1) 및 웨이퍼(W2)를 동시에 촬영할 수 있다. 다만, 상하 2시야 광학계(30)는, 상측의 칩(W1)과 하측의 웨이퍼(W2)의 사이에 삽입되고, 상측의 칩(W1) 및 하측의 웨이퍼(W2)를 동시에 촬영하는 것으로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 좌측의 칩(W1)과 우측의 웨이퍼(W2)의 사이에 삽입되고, 좌측의 칩(W1) 및 우측의 웨이퍼(W2)를 동시에 촬영할 수도 있다. 다시 말해, 상하 2시야 광학계(30)는, 상하 뿐만 아니라, 좌우 등과 같이, 서로 반대 방향인 두 방향을 동시에 촬영할 수 있다.

상하 2시야 광학계(30)는, 광학부(31) 및 구동 기구(32)를 포함할 수 있다. 구동 기구(32)는, 베이스 프레임(40)에 고정될 수 있다. 구동 기구(32)는, 예를 들어, 상부 프레임(42)에 고정될 수 있다. 구동기구(32)는, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향 각각으로 광학부(31)를 평행 이동시킬 수 있다. 한편, 구동 기구(32)는, 광학부(31)를, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향 각각에 대한 회전 방향들인 Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향으로 회전 이동시킬 수도 있다.

상하 2시야 광학계(30)는, 칩(W1)에 형성된 제1 얼라인먼트 마크 및 웨이퍼(W2)에 형성된 제2 얼라인먼트 마크를 동시에 촬영하여, 화상을 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다. 또한, 상하 2시야 광학계(30)는, 칩(W1)의 제1 접합면과, 웨이퍼(W2)의 제2 접합면의 사이의 평행도를 검출하는 센서를 포함할 수 있다. 센서는, 예를 들어, 검출 광으로서 레이저 광을 이용하는 오토 콜리메이터일 수 있다. 본딩 헤드(10) 및 본딩 스테이지(20) 중 적어도 하나는, 이미지 센서로부터 취득한 화상 및 센서에 의해 검출된 평행도에 기초하여, 칩(W1) 및 웨이퍼(W2)의 상대적인 위치 및 평행도를 조정한 다음에, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)를 접합시킬 수 있다.

한편, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 얼라인먼트 마크의 촬영, 및, 이들의 접합면 간의 평행도를 검출할 수 있다면, 상하 2시야 광학계(30) 이외의 광학계를 채용하는 것도 가능하다.

여기서, 실장 장치(1)의 동작에 대하여 설명하기로 한다. 우선, 칩(W1)이, 예를 들어 로봇(Robot)에 의해 본딩 헤드(10)에 반송되고, 하부의 헤드에 의해 진공 클램프(Vacuum Clamp)될 수 있다. 또한, 웨이퍼(W2)가, 예를 들어 로봇에 의해 웨이퍼 척(21)에 반송되고, 진공 클램프될 수 있다. 또한 구동 기구(22)는, 웨이퍼(W2) 내의 칩(W1)을 접합하는 대상 부위가 본딩 헤드(10)의 하부에 오도록, 본딩 스테이지(20)를 이동시킬 수 있다.

칩(W1)과 웨이퍼(W2)를 각각 클램프한 후, 상하 2시야 광학계(30)가 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 얼라인먼트 마크나 패드 등에 기초하여, 본딩의 목표 위치를 산출할 수 있다. 또한, 상하 2시야 광학계(30)는, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 상대적인 기울기(접합면 간의 평행도)를 검출하고, 본딩 헤드(10)가 본딩할 때의 경사각을 산출할 수 있다. 즉, 상하 2시야 광학계(30)는, 본딩 시의 본딩 헤드(10)의 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향의 값을 연산할 수 있다.

본딩 헤드(10)는, 상하 2시야 광학계(30)에 의해 산출된 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향 및 Tz 방향의 값에 기초하여, 그 자세를 제어하고, 웨이퍼(W2)에 칩(W1)을 본딩할 수 있다. 또한, 본딩 헤드(10)는, 칩(W1)에 따라, 본딩 하중을 제어할 수 있다.

<본딩 액추에이터>

상기 본딩을 행하기 위한 본딩 헤드(10)에 마련된 본딩 액추에이터에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩헤드(10)의 개략구성을 나타내는 도면이다. 도 3은, 도 2의 슬라이더(12)를 도시한 도면이다. 도 4는, 도 2의 에어실린더(14)를 도시한 도면이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 본딩 헤드(10)는, 주된 구성으로서, 고정부가 되는 하우징(Housing)(11), 가동부가 되는 슬라이더(Slider)(12)를 포함할 수 있다. 하우징(11)은, 적어도 바닥면(-Z축 방향의 면)이 해방된 상자 형상의 부재일 수 있다. 도 2에 도시한 일 실시예에서, 하우징(11)은, 바닥면에 더하여, ±Y축 방향들의 측면들이 해방되어 있다. 즉, 하우징(11)은, ±X축 방향들의 두 개의 측면들과, 이들 두 개의 측면들을 연결하는 상측면(+Z축 방향의 면)을 구비하는 프레임체일 수 있다.

슬라이더(12)는, 하우징(11) 내에 수용될 수 있다. 슬라이더(12)의 선단에는, 칩(W1)의 흡착 기구를 구비하는 헤드(13)가 마련되어 있다. 헤드(13)는, 하우징(11)의 바닥면으로부터 돌출될 수 있다.

슬라이더(12)는, 정압 베어링인 에어 실린더(Air Cylinder)(14)를 개재하여 비접촉 상태로 부상 및 지지될 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 에어 실린더(14)는, 실린더 본체(141), 실린더 로드(Cylinder Rod)(142), 에어 베어링(143) 등을 포함하는, 에어 베어링 실린더(Air Bearing Cylinder)일 수 있다.

실린더 본체(141)는 원통형이며, 하우징(11)의 상면(+Z축 방향의 면)에 마련될 수 있다. 실린더 본체(141) 내에는, 슬라이더(12)의 상면에 마련된 실린더 로드(142)가 슬라이드 방식으로 이동 가능하게 장착될 수 있다. 에어 베어링(143)은, 실린더 본체(141)의 내측에 있어서, 실린더 로드(142)의 주위를 둘러싸도록 마련될 수 있다. 레귤레이터에 의해 에어 베어링(143)에 에어를 공급함으로써, 에어가 실린더 본체(141)와 실린더 로드(142)의 사이에 개재될 수 있다. 이에 따라, 접촉식의 에어 실린더에서 발생하는, 내부 씰에 이용되는 O링(O Ring) 등의 탄성체의 저항에 의한 추력의 편차를 배제할 수 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 에어 실린더(14)는, 상부 베이스(144) 및 하부 베이스(145)를 포함할 수 있다.

상부 베이스(144)에는, 예를 들어, 에어의 유량을 수동으로 조정하는 레귤레이터(Regulator)가 접속될 수 있다. 상부 베이스(144)는, 레귤레이터에 의해 일정압으로 제어될 수 있다. 한편, 하부 베이스(145)에는, 예를 들어, 전공(電空) 레귤레이터가 접속될 수 있다. 전공 레귤레이터는, 에어의 유량을 조정하여, 하부 베이스(145)의 압력을 조정할 수 있다.

에어 베어링(143)에 의해, 실린더 본체(141)와 실린더 로드(142)의 사이에 에어를 개재시킨 상태에서, 하부 베이스(145)의 압력을 조정함으로써, 실린더 로드(142)가 실린더 본체(141)와 접촉하지 않은 상태에서 Z축 방향으로 이동(상하로 이동)할 수 있다.

에어 실린더(14)는, 하부에 마련되는 슬라이더(12) 등의 자중에 대응하는 힘을 발생시켜, 그 자중을 캔슬하는 것이 가능하다. 또한, 에어 실린더(14)는, 칩(W1)에, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 본딩에 필요한 압력(본딩 하중)을 인가하는 것이 가능하다. 한편, 본딩 하중은, 이하에 설명하는 Z축 방향의 VCM(Voice Coil Motor, 17a)에 의해 인가하는 것도 가능하고, 에어 실린더(14)와 VCM(17a)의 양방에 의해 인가하는 것도 가능하다.

또한, 본딩 헤드(10)는, 에어 실린더(14)의 각각의 베이스의 압력을 검출하는 압력 센서(pressure sensor)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 에어 실린더(14)의 각 베이스의 압력을 모니터링할 수 있다. 한편, 에어 실린더(14)는 상기 서술한 바와 같은 복동형이어도 되고, 단동형이어도 된다. 또한, 에어 실린더(14)는, Z축 방향뿐만 아니라, Tz 방향에서도 자유도를 가질 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 에어 베어링을 이용함으로써, 비접촉식으로 구동하고, 접촉식의 에어 실린더와 같이 마찰에 의해 발생하는 힘을 방지할 수 있다. 다만 접촉점이 없기 때문에, 하중을 가했을 때에 본딩 헤드(10)의 자세가 무너지고, 탑재하는 칩(W1)의 위치가 어긋나거나, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 평행 상태가 바뀔 수 있다. 이 때문에, 본딩 하중의 제어 중에도 자세에 변화가 없도록 자세 제어를 행할 필요가 있다.

이에, 본딩 하중을 가할 때에는, 슬라이더(12)의 중량이 본딩 하중으로 작용하여 가해지도록, 전공 레귤레이터로 자중 캔슬을 행하고 있는 하부 베이스(145)의 압력을 낮출 수 있다. 이에 따라, 상부 베이스(144)의 압력을 높게 하여 하중을 제어하는 것보다, 힌지(15, 16)에 대한 부담이 적고, 본딩 헤드(10)의 자세의 유지 성능을 쉽게 확보할 수 있다.

또한, 필요한 본딩 하중에 비해 슬라이더(12)의 중량이 작은 경우는, 전공 레귤레이터로 자중 캔슬을 행하고 있는 하부 베이스(145)의 압력을 낮춤과 함께, 상부 베이스(144)의 압력을 높게 하여, 본딩 하중을 조정하는 것이 가능하다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본딩 헤드(10)는, 복수의 VCM을 포함한다. 여기서는, 여섯 개의 VCM(17a~17f)이 마련된 예가 도시될 수 있다. 한편, 도 2에 있어서, 여섯 개의 VCM(17a~17f) 중 일부는, 다른 부재에 의해 숨겨질 수 있다. VCM(17a~17f)은, 각각 비접촉 상태의 구동부가 되는 코일(171a~171f)과, 이동부가 되는 요크(172a~172f)를 포함할 수 있다. VCM(17a~17f), 코일(171a~171f)의 부호는, 요크(172a~172f)가 마련된 위치에 대응하며, 도면 중의 표기는 생략될 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 요크(172a~172f)는 슬라이더(12)측에 마련될 수 있다. 한편, 코일(171a~171f)은, 하우징(11)측에 있어서, 슬라이더(12)에 고정된 요크(172a~172f)의 각각 대응하는 위치에 마련될 수 있다. 다시 말해, 구동부인 코일(171)이 고정부인 하우징(11)에 고정되고, 이동부인 요크(172)가 가동부인 슬라이더(12)에 고정될 수 있다. 복수의 VCM(17a~17f), 복수의 코일(171a~171f), 복수의 요크(172a~172f)를 개별적으로 호칭할 필요가 없는 경우에는, 합쳐서 VCM(17), 코일(171), 요크(172)로 표기할 수 있다.

VCM(17)은, 하나의 방향으로 직동 운동을 하는 1축 모터이다. 이들 VCM(17a~17f) 중, 2개의 VCM(17c, 17e)은 X축 방향으로 구동하는 X1축 모터이고, 3개의 VCM(17b, 17d, 17f)은 Y축 방향으로 구동하는 Y1축 모터이고, 1개의 VCM(17a)은 Z축 방향으로 구동하는 Z1축 모터이다. 한편, 1축 모터는, VCM과 같은 전자력을 구동원으로 한 리니어 모터로 한정되지 않으며, 다른 구성의 직동 기구를 채용하는 것도 가능하다. 또한, 본딩 헤드(10)는, X1축 모터를 적어도 2개, Y1축 모터를 적어도 3개, Z1축 모터를 적어도 1개 포함할 수 있으며, 다만 이와 같은 구성으로 반드시 한정되지는 않는다.

도 5는, X축 방향으로 구동되는 두 개의 VCM(17c, 17e), Y축 방향으로 구동되는 세 개의 VCM(17b, 17d, 17f)의 구성을 설명하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 이들을 대표하여 VCM(17d)의 구성이 도시되어 있다. 또한, 도 6은, 도 5의 VI-VI 방향의 단면을 나타내는 도면이다.

도 5, 6에 나타내는 바와 같이, 요크(172d)는, 단면이 U자형인 부재일 수 있다. 요크(172d)는, 일반적으로 투자율이 높은 금속을 포함할 수 있다. 요크(172d)의 대향하는 두 개의 면들에는, 각각 마그넷(173d)이 자기 흡착에 의해 고정될 수 있다. 코일(171d)은 도선으로 이루어지고, 통전함으로써 전류방향에 의존하는 자장을 생성할 수 있다. 마그넷(173d)에 의해 형성되는 자기회로에서 코일(171d)이 통전됨으로써, 요크(172d가 소정의 구동방향으로 구동될 수 있다.

또한, 코일(171d)은, Z축 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, Z축 방향으로 구동되는 VCM(17a)에 의해 슬라이더(12)가 Z축 방향으로 이동한 경우에도, X축 방향 또는 Y축 방향으로의 구동력을 유지할 수 있다. Z축 방향으로 구동되는 VCM(17a)에 의한, 다른 VCM(17b~17f)의 이동 방향을 종동 방향으로 정의할 수 있다. 한편, 각각의 VCM(17)은, 비접촉이 되는 코일(171)과 요크(172)의 갭의 범위 내에서, 제어 방향 이외의 축방향으로도 수동적으로 이동하는 것도 가능하다.

이와 같이, 이동부인 요크(172)측에 마그넷(173)이 배치되는, 이른바 「무빙마그넷 방식」을 채용할 수 있다. 이 경우, 요크(172) 측으로의 전원 공급이 불필요하며, 배선을 마련할 필요가 없다. 단, 비접촉 급전이 가능한 경우에는, 본딩 액추에이터의 가동부의 질량을 억제하기 위해, 코일을 가동부측에 배치하고, 요크 및 마그넷을 고정부측에 배치할 수도 있다.

한편, 상기 서술한 바와 같이, Z축 방향으로 구동되는 VCM(17a)은, 슬라이더(12)의 위치 조정뿐만 아니라, 칩(W1)을 웨이퍼(W2)에 본딩할 때에 가압이 필요한 경우에, 칩(W1)에 압력을 인가하는 것이 가능한 추력을 가질 수 있다.

또한, 도 2와 도 3을 참조하면, 슬라이더(12)를 구성하는 본체부(19)의 중앙부에는, 인코더(18)가 마련될 수 있다. 인코더(18)는, 슬라이더(12)의 이동량을 검출 가능한 검출기일 수 있다. 한편, 인코더(18)는, 적어도 한 개가 마련될 수 있으며, 다만 실시예에 따라 복수 개가 마련될 수도 있다. 여기서는, 인코더(18)는, 슬라이더(12)에 마련된 2D(2차원) 인코더 스케일(2D Encoder Scale)을 포함하는 리니어 인코더일 수 있다. 2D 인코더 스케일은, 하우징(11)측에 마련되는 센서 헤드(Sensor Head)에 의해 판독될 수 있다.

도 7은, 도 2에 도시한 일 실시예에 따른 인코더의 구성의 일부를 설명하는 도면이다. 도 7에는, 인코더(18)를 구성하는, 2D 인코더 스케일과 센서 헤드의 레이아웃이 도시될 수 있다. 2D 인코더 스케일과 센서 헤드는, 하나의 위치 검출 센서를 제공할 수 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 인코더(18)는, 한 쌍의 XZ축용 2D 인코더 스케일(181), 한 쌍의 YZ축용 2D 인코더 스케일(182), X축 센서 헤드(183), Y축 센서 헤드(184), Z축 센서 헤드(185)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 XZ축용 2D 인코더 스케일(181), 한 쌍의 YZ축용 2D 인코더 스케일(182)은, 모두 하나의 강체에 장착될 수 있다. 도 3에 도시한 실시예에서는, 실린더 로드(142)의 길이 방향(Z축 방향)을 따라 연장되는, 사각 기둥 형상 부재(191)의 네 개의 측면들에 2D 인코더 스케일들이 각각 제공될 수 있다.

XZ축용 2D 인코더 스케일(181)은, Y축 방향에 있어서 대향하도록 배치되고, X축 방향 및 Z축 방향의 위치를 검출하기 위해 이용될 수 있다. XZ축용 2D 인코더 스케일(181)은, X축 방향의 폭 방향을 따라 배치되고, Z축 방향으로 연장되도록 설치될 수 있다. 하나의 XZ축용 2D 인코더 스케일(181)에 대하여, X축 센서 헤드(183)와 Z축 센서 헤드(185)의 두 개의 센서 헤드가 마련될 수 있다.

YZ축용 2D 인코더 스케일(182)은, X축 방향에 있어서 대향하도록 배치되고, Y축 방향 및 Z축 방향의 위치를 검출하기 위해 이용될 수 있다. YZ축용 2D 인코더 스케일(182)은, Y축 방향의 폭방향을 따라 배치되고, Z축 방향으로 연장되도록 설치될 수 있다. 하나의 YZ축용 2D 인코더 스케일(182)에 대하여, Y축 센서 헤드(184)와 Z축 센서 헤드(185)의 두 개의 센서헤드가 마련될 수 있다.

센서 헤드는, 예를 들어, 인코더 스케일(181, 182)을 각각 사이에 끼우도록 배치된 발광부와 수광부를 구비한 광센서일 수 있다. 또한, XZ축용 2D 인코더 스케일(181), YZ축용 2D 인코더 스케일(182)은, 예를 들어, 각각, X축 방향, Y축 방향으로 일정한 간격으로 반복 형성된 투과부와 차광부를 가질 수 있다. 센서 헤드에 의해 얻어지는 펄스 상의 신호의 카운트수로부터 구동량(슬라이더(12)의 상대이동량)이 검출될 수 있다.

X축 센서 헤드(183), Y축 센서 헤드(184)의 검출값으로부터, X축 방향, Y축 방향, Tz 방향의 이동량이 검출될 수 있다. Z축 센서 헤드(185)의 검출값으로부터, Z축 방향, Ty 방향 및 Tx 방향의 이동량이 검출될 수 있다.

한편, 일 실시예에서는, 인코더(18)는 슬라이더(12)의 상대적인 변위량을 검출하는 것인데, 슬라이더(12)의 이동량을 검출하는 검출기로서, 슬라이더(12)의 절대적인 위치를 검출하는 것을 이용할 수도 있다. 후술하는 제어부는, 인코더(18)에서 검출된 검출값을 이용하여, 본딩 액추에이터의 슬라이더(12)의 자세를 파악하고, 6축 방향들에서 슬라이더(12)의 자세를 제어할 수 있다.

슬라이더(12)는, 상기 서술한 실린더 로드(142), 요크(172), 인코더 스케일(181, 182)에 더하여, 힌지(15, 16), 본체부(19)를 포함할 수 있다. 본체부(19)는, 대략 프레임 형상의 부재이다. 요크(172b, 172c)는, 본체부(19)의 +X측의 외측면에 배치되고, 요크(172d, 172e, 172f)는, 본체부(19)의 -X측의 외측면에 배치될 수 있다. 또한 요크(172a)는, 본체부(19)의 상측면에 배치될 수 있다.

또한, 실린더 로드(142)와 본체부(19)의 사이에는, 힌지(15, 16)가 마련될 수 있다. 도 8은, 도 2에 도시한 일 실시예에서 힌지(15, 16)가 마련된 부분을 확대 도시한 도면이다. 또한, 도 9는, 힌지(15, 16)의 동작에 대하여 설명하기 위한 도면이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 힌지(15)는, 실린더 로드(142)의 하면에 장착될 수 있다. 힌지(15)는, 실린더 로드(142)의 길이 방향(Z축 방향)을 따라 연장되는 틸트 축을 포함하며, 틸트 축을 중심으로 회전할 수 있다. 틸트축은, 도 9에 있어서, 실린더 로드(142)를 지나는 일점쇄선으로 나타내어져 있다.

힌지(15)의 하부에는, 틸트 축을 중심으로 하는 정방형 형상의 판상 부재(192)가 마련될 수 있다. 판상 부재(192)와 본체부(19)의 상면의 사이에는, 네 개의 힌지(16)가 마련될 수 있다. 이들 힌지(16)는, 틸트 축을 중심으로 대칭으로 배치될 수 있다. 힌지(16)는, 실린더 로드(142)에 대한 본체부(19)의 평행이동을 가능하게 할 수 있다.

도 9에 도시한 바와 같이, 힌지(15, 16)는, 하방의 본체부(19) 등의, Z축 방향을 제외한 5축 방향들(X축 방향, Y축 방향, Tx 방향, Ty 방향 및 Tz방향)의 이동량에 대응하는 탄성 변형이 가능하다. 힌지(15, 16)는, 에어 실린더(14)의 자유도와 본체부(19)의 자유도의 차이를 보충하는 연결부일 수 있다.

이 연결부로서, 슬라이더(12)의 이동량이 미세한 경우에, 그 이동량에 대하여 롤링(rolling) 방향의 원주 길이가 충분히 큰 볼이나 니들을 이용한 롤링 기구를 이용하면, 윤활제가 롤링 기구의 접촉부에 공급되기 어려워져, 프레팅(Fretting)이 발생하기 쉬워질 수 있다. 또한, 이 연결부로서 미끄러짐 기구를 이용하는 경우에는, 마주보는 두 면의 사이에 정지 마찰력이나 이동 마찰력의 변화가 생겨, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 상대적인 위치나 평행도를 조정하는 것 같은 매우 높은 정밀도가 요구되는 경우에는 바람직하지 않을 수 있다. 이 때문에, 연결부로는, 앞서 서술한 바와 같이 탄성 변형이 가능한 힌지 기구를 채용하는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 힌지(15, 16)는, 에어 실린더(14)로 본딩 하중을 인가할 때나, Z축 방향으로 이동할 때의 가속도나 자중에 의한 부하에 대하여, 좌굴하지 않는 강도를 가질 수 있다. 한편, 헤드(13)에 의한 칩(W1)의 흡착에 필요한 부압(negative pressure)의 인가에는 에어 튜브(Air Tube)를 이용하고, 슬라이더(12)를 제어하는 데에 있어서, 텐션(인장 응력)을 무시할 수 있도록 한 레이아웃으로 하는 것이 가능하다. 또한, 에어 실린더(14)에 진공 포트(Vacuum Port)를 마련하고, 실린더 로드(142), 힌지(15, 16) 등의 구성 부품에 진공 경로를 마련함으로써, 외란을 배제하여 헤드(13)에 칩(W1)의 흡착을 위한 부압을 인가할 수 있다.

상기 구성을 포함하는 본딩 헤드(10)에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 원기둥 형상의 실린더 로드(142)의 중심, 힌지(15)의 틸트 축, 네 개의 힌지(16)를 Z축 방향에서 보았을 때에 이들의 배치 위치를 정점으로 하는 사각형의 중심, XZ축용 2D 인코더 스케일(181) 및 YZ축용 2D 인코더 스케일(182)이 배치되는 사각 기둥 형상의 부재의 중심, 헤드(13)의 중심은, Z축에 평행인 동일한 직선 상에 배치될 수 있다.

여기서, 도 10, 도 11 및 도 12를 참조하여, 본딩 헤드(10)에 의한 실장방법에 대하여 설명한다. 도 10은, 도 2의 인코더의 검출값을 설명하기 위해 제공되는 도면이다. 도 10의 상단에는, 도 2의 인코더 부분을 상방에서 본 도면이 도시될 수 있고, 하단에는, 인코더 부분을 X축 방향에서 본 도면이 도시될 수 있다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 간단하게 나타낸 블록도이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 실장 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

인코더(18)는, 상기 서술한 바와 같이, X축 방향, Y축 방향 및 Tz 방향을 검출하기 위한 네 개의 위치 검출 센서, Z축 방향, Tx 방향, Ty방향을 검출하기 위한 네 개의 위치 검출 센서를 포함하는, 여덟 개의 위치 검출 센서를 포함할 수 있다.

도 10에 도시한 바와 같이, 제어 대상인 슬라이더(12)의 사각 기둥 형상 부재(191)의 각 측면에는, XZ축용 2D 인코더 스케일(181), YZ축용 2D 인코더 스케일(182)이 장착될 수 있다. 사각 기둥 형상 부재(191)는 강체이며, 열의 영향을 받기 어려운, 열팽창률이 낮은 소재로 형성될 수 있다. X축 센서 헤드(183), Y축 센서 헤드(184), Z축 센서 헤드(185)도 또한, 동일하게 낮은 열팽창률의 소재로 형성될 수 있다. 이 때문에, XZ축용 2D 인코더 스케일(181) 및 YZ축용 2D 인코더 스케일(182)과, X축 센서 헤드(183), Y축 센서 헤드(184) 및 Z축 센서 헤드(185)의 위치 관계는 바뀌기 어려울 수 있다.

한편, 각 위치 검출 센서끼리의 위치관계는, 이미 알려져 있거나, 또는 사전에 측정되어 있는 것으로 가정한다. 또한, 제어 대상의 무게중심(重心) 위치와 각 스케일의 상대적인 거리도 이미 알려져 있다고 가정한다. 한편, 제어 대상이란, 요크, 인코더 스케일 등이 마련된 슬라이더(12) 전체를 가리킬 수 있다.

Y축 방향에 있어서 대향하는 두 개의 X축 센서 헤드(183)는, Sx1, Sx2의 검출값을 출력할 수 있다. 또한, X축 방향에 있어서 대향하는 두 개의 Y축 센서 헤드(184)는, Sy1, Sy2의 검출값을 출력할 수 있다. 또한, 두 개의 X축 센서 헤드(183)에 의해 각각 Sz1, Sz2의 검출값이 출력되고, 두 개의 Y축 센서 헤드(184)에 의해 각각 Sz3, Sz4의 검출값이 출력될 수 있다.

도 11에 도시한 바와 같이, 제어 대상의 6축 방향의 자세 제어를 행하는 제어부(60)는, 좌표변환부(Coordinate converter)(61), SISO(Single Input Single Output) 컨트롤러(62), 포스 컨버터(63), 좌표생성부(64), 연산부(65)를 포함할 수 있다. 이하, 도 11과 도 12를 참조하여, 실시예에 따른 실장 방법에 대하여 설명함과 함께, 제어부(60)의 구성을 설명하기로 한다.

도 12에 도시한 바와 같이, 우선, 칩(W1)을 본딩 헤드(10)에 의해 지지시키고, 웨이퍼(W2)를 본딩 스테이지(20)에 지지시키고(S11), 본딩 스테이지(20)를 이동시킴으로써, 칩(W1)을 웨이퍼(W2)의 실장영역으로 이동시킬 수 있다(S12). 한편, 상하 2시야 광학계(30)를 이용하여, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 위치 편차, 및 평행도 편차가 검출되고(S13), 칩(W1)의 목표 위치(Chip Position)가 결정될 수 있다(S14).

그 후, 상기 서술한 본딩 액추에이터에 의해, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 상대적인 위치, 및 평행도가 조정될 수 있다(S15). 구체적으로, 도 11에 나타내는 좌표변환부(61)는, 칩(W1)의 목표 위치의 좌표를, 제어 대상의 목표 무게 중심 위치(CG position)의 좌표로 변환할 수 있다. SISO 컨트롤러(62)는, PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 행하고, 제어 대상의 무게 중심이 목표 무게 중심 위치로 이동하기 위한, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향, Tz 방향의 제어신호(XCtrl, YCtrl, ZCtrl, TxCtrl, TyCtrl, TzCtrl)를 생성할 수 있다.

포스 컨버터(63)는, 제어 신호에 기초하여, VCM(17) 등의 구동부에 대한 지령 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 포스 컨버터(63)는, 제어 대상의 무게 중심 위치를 제어하는 제어 신호를, VCM(17)의 위치(VCM position)를 나타내는 지령 신호로 변환할 수 있다. 이 지령 신호는, 본딩 헤드(10)의 각 VCM(17)에 송신될 수 있다.

지령 신호에 기초하여 VCM(17)이 구동되고 제어 대상이 이동하면, 인코더(18)의 각 위치 검출 센서에 의해 검출값이 출력될 수 있다. 이들 검출값은, 좌표생성부(64)에 공급될 수 있다. 좌표생성부(64)는, 이들 검출값(인코더 위치(Encoder position)에 기초하여 제어 대상의 현재의 무게 중심 위치의 좌표(CG coordinate)를 산출할 수 있다. 연산부(65)는, 현재의 무게 중심 위치와 목표의 무게 중심 위치의 차분을 구하고, 이 차분을 적용하여, VCM(17) 등의 구동부에 대한 지령 신호를 생성하는 서보 루프(Servo Loop)를 제어할 수 있다.

한편, 제어 대상의 Z축 방향의 위치는, 센서 헤드에 대하여 가변일 수 있다. 센서 헤드에 대한 제어 대상의 무게 중심 위치가 변화하면, 칩(W1)의 목표 위치에서의 흔들림량도 변화하기 때문에, Z축 방향의 위치로부터 칩(W1)의 위치 편차를 추정하고, 제어 신호를 산출할 수 있다. 서보 루프 내에서는 복수의 VCM(17)의 제어를 각각 행하는 것이 아니라, 하나의 서보 루프 내에서 여섯 개의 VCM(17)의 지령 신호를 순차적으로 산출할 수 있다.

즉, 제어부(60)는, XZ축용 2D 인코더 스케일(181)과, X축 센서 헤드(183) 및 Z축 센서 헤드(185)의 관계, YZ축용 2D 인코더 스케일(182)과, Y축 센서 헤드(184) 및 Z축 센서 헤드(185)의 관계에 기초하여, 칩(W1)의 목표 위치로부터, 각 VCM(17)의 구동부에 대한 지령을 생성할 수 있다.

각 센서 헤드의 값만으로 6자 유도의 제어를 행하는 경우, 최종적인 칩(W1)의 목표 위치가 오프셋되어 있기 때문에, 정확한 위치의 파악이 곤란할 수 있다. 반면, 상기 서술한 본 발명의 일 실시예의 방법에 따르면, 각 VCM(17)의 위치의 간섭에 의한 발진을 필터 등으로 억제하는 것이 용이해져, 제어 성능이 향상되고, 보다 정밀도가 높은 제어를 행할 수 있다.

다시 도 12를 참조하면, 본딩 헤드(10)는, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)를 접합시킬 수 있다(S16). 구체적으로는, 예를 들어, 에어 실린더(14), 슬라이더(12)를 Z축 방향으로 구동하는 VCM(17a) 중 적어도 어느 하나에 의해, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 본딩에 필요한 압력을 인가하여, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)를 접합시킬 수 있다. 이와 같이, 칩(W1) 및 웨이퍼(W2)를 포함하는 반도체 장치를 제조할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본딩 헤드(10)에, 정압 베어링, 힌지 기구, 복수의 비접촉 구동원을 마련하고, 복수의 위치 검출 센서를 배치함으로써, 6자 유도의 위치 결정을 높은 정밀도로 실시할 수 있다. 이에 따라, 칩(W1)과 웨이퍼(W2)의 상대적인 위치, 평행도를 높은 정밀도로 조정할 수 있다.

예를 들어, 본딩 스테이지(20)로서 XYZ축 스테이지가 이용되는 경우, X축 스테이지에 Y축 스테이지가 탑재되고, Y축 스테이지에 다시 Z축 스테이지가 탑재되어 구성하도록, 다축을 분할한 구조로 하여, 각각을 기계적으로 접속함으로써 다축 제어를 행할 수 있다. 그러나, 이러한 기술은 구성이 복잡하며, 기계적인 변형이 발생하면 최종적인 가동부의 운동정밀도가 악화될 수 있다. 또한, 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 가동부를 상시 감시할 수 있도록 레이저 간섭계 등을 이용할 수 있으나, 장치 구성을 콤팩트하게 하는 것이 곤란해질 수 있다.

이에 반해, 본 발명의 실시예들에서는, 위치 검출 센서(인코더(18))와, 모터(VCM(17))가 가동부(슬라이더(12))에 장착될 수 있다. 또한, 가동부는 비접촉 구동되고, 마찰에 의한 외란도 발생하지 않을 수 있다. 이 때문에, 가동부의 제어성이 향상되고, 높은 정밀도의 실장을 실현하는 것이 가능하다. 또한, 실시예에 따른 본딩 헤드(10)는, 구조적으로 콤팩트화가 용이하고, 강성을 높이는 것도 가능하다.

본 발명은, 위에서 설명한 실시예들로 한정되지 않으며, 취지를 일탈하지 않는 적당히 변경하는 것이 가능하다. 다시 말해, 본 발명은 상술한 실시예들 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

1: 실장 장치
10: 본딩 헤드
11: 하우징
12: 슬라이더
13: 헤드
14: 에어 실린더
141: 실린더 본체
142: 실린더 로드
143: 에어 베어링
144: 상부 베이스
145: 하부 베이스
15: 힌지
16: 힌지
17: VCM
171: 코일
172: 요크
173: 마그넷
18: 인코더
181: XZ축용 2D 인코더 스케일
182: YZ축용 2D 인코더 스케일
183: X축 센서 헤드
184: Y축 센서 헤드
185: Z축 센서 헤드
19: 본체부
191: 사각 기둥 형상 부재
192: 판상 부재
20: 본딩 스테이지
21: 웨이퍼 척
22: 구동 기구
30: 상하 2시야 광학계
31: 광학부
32: 구동 기구
40: 베이스 프레임
41: 베이스
42: 상부 프레임
43: 측부 프레임
50: 액티브 아이솔레이터
51: 지지부
52: 베이스
60: 제어부
61: 좌표변환부
62: SISO 컨트롤러
63: 포스 컨버터
64: 좌표생성부
65: 연산부
W1: 칩
W2: 웨이퍼

Claims (11)

1. 제1 피접합부재를 지지하는 헤드;
   제2 피접합부재를 지지하는 스테이지;
   상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재의 접합면의 위치 및 평행도의 편차를 검출하는 센서; 및
   상기 센서가 검출한 위치 및 평행도의 편차에 기초하여, 상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정하는 본딩 액추에이터; 를 포함하고,
   상기 본딩 액추에이터는,
   고정부,
   비접촉 상태로 상기 고정부에 지지되고, 상기 헤드가 마련되는 가동부,
   비접촉 상태의 구동부와 이동부를 각각 구비하고, 상기 구동부가 상기 고정부에 고정되고, 상기 이동부가 상기 가동부에 고정되는, X축 방향으로 구동되는 적어도 2개의 X1축 모터, Y축 방향으로 구동되는 적어도 3개의 Y1축 모터, Z축 방향으로 구동되는 적어도 1개의 Z1축 모터,
   상기 가동부를 상기 X축 방향, 상기 Y축 방향, 상기 Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향, Tz 방향의 6축 방향들로 구동하여, 상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정한 상태에서, 상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재를 접합시키는 제어부를 포함하며,
   수평면 내에서 서로 직교하는 두 방향을 상기 X축 방향 및 상기 Y축 방향으로 정의하고, 상기 수평면에 직교하는 방향을 상기 Z축 방향으로 정의하며, 상기 Tx 방향, 상기 Ty 방향 및 상기 Tz 방향은 상기 X축 방향, 상기 Y축 방향 및 상기 Z축 방향 각각에 대한 회전 방향으로 정의되는, 실장 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가동부의 이동량을 검출 가능한, 적어도 1개의 검출기; 를 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 검출기가 검출한 이동량에 기초하여 상기 가동부를 구동하여, 상기 제1 피접합부재 및 상기 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정하는, 실장장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 검출기는, 상기 X축 방향에 있어서 대향하도록 배치되고, 상기 Y축 방향 및 상기 Z축 방향의 위치를 검출하는 한 쌍의 YZ축용 2차원 인코더, 및 상기 Y축 방향에 있어서 대향하도록 배치되고, 상기 X축 방향 및 상기 Z축 방향의 위치를 검출하는 한 쌍의 XZ축용 2차원 인코더를 포함하며,
   상기 제어부는, 상기 YZ축용 2차원 인코더와 상기 XZ축용 2차원 인코더의 검출값을 이용하여 상기 가동부의 자세를 파악하고, 상기 6축 방향들에서 상기 가동부의 자세를 제어하는, 실장장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 YZ축용 2차원 인코더와 상기 XZ축용 2차원 인코더 각각은, 상기 가동부의 하나의 강체에 장착된 YZ축용 2차원 인코더 스케일, XZ축용 2차원 인코더 스케일, 상기 YZ축용 2차원 인코더 스케일 및 상기 XZ축용 2차원 인코더 스케일을 판독하는 센서 헤드를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 피접합부재가 유지되는 위치와 상기 센서 헤드의 위치 관계에 따라, 상기 제1 피접합부재의 위치에 대한, 상기 X1축 모터, 상기 Y1축 모터 및 상기 Z1축 모터의 제어량을 산출하여, 상기 X1축 모터, 상기 Y1축 모터 및 상기 Z1축 모터를 일괄 제어하는, 실장장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 가동부는, 에어 실린더에 의해 상기 고정부에 지지되는, 실장장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 가동부는, 상기 이동부가 고정되는 본체부와, 상기 본체부와 상기 에어 실린더를 연결하는 복수의 힌지를 갖는, 실장장치.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 에어 실린더의 에어 챔버의 압력을 검출 가능한 압력 센서를 추가로 갖는, 실장장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 X1축 모터, 상기 Y1축 모터 및 상기 Z1축 모터 각각은, 상기 구동부와 상기 이동부 사이의 갭의 범위 내에서, 구동방향 이외의 축방향으로 수동적으로 이동하는, 실장장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 Z1축 모터는, 상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정하고, 상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재의 접합시에 가압하는, 실장장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 X1축 모터, 상기 Y1축 모터 및 상기 Z1축 모터 각각은, 마그넷과 코일을 포함하고,
    상기 마그넷은 상기 이동부에 배치되고, 상기 코일은 상기 구동부에 배치되는, 실장장치.
    
11. 제1 피접합부재를 헤드에 의해 지지하는 단계;
    제2 피접합부재를 스테이지에 의해 지지하는 단계;
    상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재의 접합면의 위치 및 평행도의 편차를 검출하는 단계;
    고정부, 상기 고정부에 비접촉 상태로 지지되고 상기 헤드가 마련되는 가동부, 및 비접촉 상태의 구동부와 이동부를 각각 구비하고, 상기 구동부가 상기 고정부에 고정되고, 상기 이동부가 상기 가동부에 고정되며, X축 방향으로 구동되는 적어도 2개의 X1축 모터, Y축 방향으로 구동되는 적어도 3개의 Y1축 모터, Z축 방향으로 구동되는 적어도 1개의 Z1축 모터를 갖는 본딩 액추에이터에 의해, 검출된 접합면의 위치 및 평행도의 편차에 기초하여, 상기 가동부를 상기 X축 방향, 상기 Y축 방향, 상기 Z축 방향, Tx 방향, Ty 방향 및 상기 Tz방향의 6축 방향들로 구동하여, 상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재의 상대적인 위치 및 평행도를 조정한 상태에서, 상기 제1 피접합부재와 상기 제2 피접합부재를 접합시키는 단계; 를 포함하고,
    수평면 내에서 서로 직교하는 두 방향을 상기 X축 방향 및 상기 Y축 방향으로 정의하고, 상기 수평면에 직교하는 방향을 상기 Z축 방향으로 정의하며, 상기 Tx 방향, 상기 Ty 방향 및 상기 Tz 방향은 상기 X축 방향, 상기 Y축 방향 및 상기 Z축 방향 각각에 대한 회전 방향으로 정의되는, 실장 방법.