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KR100594642B1 - 웨이퍼 접합 장치, 시스템, 그리고, 방법 - Google Patents

웨이퍼 접합 장치, 시스템, 그리고, 방법 Download PDF

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KR100594642B1
KR100594642B1 KR1020050067359A KR20050067359A KR100594642B1 KR 100594642 B1 KR100594642 B1 KR 100594642B1 KR 1020050067359 A KR1020050067359 A KR 1020050067359A KR 20050067359 A KR20050067359 A KR 20050067359A KR 100594642 B1 KR100594642 B1 KR 100594642B1
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KR
South Korea
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wafer
wafers
bonding
wafer bonding
working chamber
Prior art date
Application number
KR1020050067359A
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English (en)
Inventor
송준엽
지원호
김원경
Original Assignee
한국기계연구원
지원호
주식회사 나온테크
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 웨이퍼 접합장치에 관한 것으로서, 웨이퍼의 접합 중에 웨이퍼(특히, 디바이스 웨이퍼)의 파손을 방지할 수 있는 웨이퍼 접합장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 웨이퍼 접합장치는, 베이스부 및 그 베이스부를 덮는 덮개부를 구비하며, 그 베이스부와 덮개부 사이에 웨이퍼의 접합 작업이 이루어지는 작업챔버가 형성되는 챔버유닛과; 서로 접합될 웨이퍼들을 가압하기 위한 가압판 및 그 가압판을 작업챔버 내에 유지시키는 신축부재를 구비하되, 상기 신축부재 내에는 상기 작업챔버로부터 격리된 가압챔버가 구획 형성되는 가압유닛과; 상기 가압챔버와 상기 작업챔버 사이에 압력차이를 발생시켜, 상기 신축부재를 신축시키는 가압판 구동유닛을 포함한다.
반도체, 웨이퍼, 접합장치, 정렬장치, 진공, 신축부재, 작업챔버, 가압챔버, 가압판

Description

웨이퍼 접합 장치, 시스템, 그리고, 방법{WAFER BONDING APPARATUS, SYSTEM AND METHOD}
도 1은 종래의 가역 웨이퍼 접합기술을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 접합시스템을 개략적으로 도시한 모식도.
도 3은 도 2에 도시된 웨이퍼 접합시스템의 웨이퍼 정렬장치를 도시한 사시도.
도 4는 도 2에 도시된 웨이퍼 접합시스템의 접합제 도포장치를 도시한 사시도.
도 5는 도 2에 도시된 웨이퍼 접합시스템의 웨이퍼 접합장치를 도시한 부분 단면도.
도 6은 도 5에 도시된 웨이퍼 접합장치의 온도조절유닛을 개략적으로 도시한 사시도.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 접합장치의 작용을 설명하기 위한 도면들.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 접합방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10: 카세트 20: 웨이퍼 정렬장치.
30: 접합제 도포장치 40: 웨이퍼 접합장치.
50: 로봇팔 42: 챔버유닛
43: 온도조절유닛 44: 가압유닛
46: 제 1 진공형성수단 47: 제 2 진공형성수단
422: 베이스부 423: 작업챔버
424: 덮개부 432: 받침판
434: 히터 436: 냉각관로
442: 신축부재 443: 가압챔버
444: 가압판
본 발명은 반도체 제조공정에서, 웨이퍼, 특히, 반도체 디바이스 웨이퍼를 보호하기 위해 디바이스 웨이퍼의 일면에 캐리어 웨이퍼를 접합하기 위한 장치, 시스템, 그리고 방법에 관한 것이다.
화합물 반도체는 고성능성, 저전력성, 고내열성의 우수한 장점 덕분에 LED, 반도체 레이저, 태양전지, FET(Field Effect Transistor), 고주파 소자 등에 널리 이용되고 있다. 그러나 화합물 반도체는, 미세한 충격에도 매우 깨지기 쉬운 취성 (brittleness)을 가지므로, 충격이 요구되는 공정을 적용하는데 큰 한계를 보여왔다.
이에 대한 해결책의 하나로 가역적 웨이퍼 접합기술이 공지된 바 있다. 가역적 웨이퍼 접합기술은, 반도체 제조공정의 편의성, 그리고 반도체 디바이스 웨이퍼(이하, '디바이스 웨이퍼'로 칭함)의 보호를 위해 제안된 것으로, 디바이스 웨이퍼를 캐리어 웨이퍼 위에 접합하고, 반도체 제조공정이 끝나면 캐리어 웨이퍼를 다시 분리하여 제거하는 기술을 의미한다.
도 1은 종래의 가역적 웨이퍼 접합기술을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 가역적 웨이퍼 접합기술은, 웨이퍼 지지부(2) 위에 캐리어 웨이퍼(3), 폴리머(4), 디바이스 웨이퍼(5)를 순서대로 올려놓고, 그 위에 설치된 공압 액추에이터(6)로 캐리어 웨이퍼(3)와 디바이스 웨이퍼(5)를 서로 접합하는 방식으로 이루어진다. 이때, 상기 지지부(2)에는 폴리머(4)를 가열하기 위한 수단이 마련된다.
위와 같은 종래의 기술은 웨이퍼 접합 공정시에 발생한 가압력 및 열응력에 의해 디바이스 웨이퍼(5)가 파손되는 문제점을 야기하며, 이러한 디바이스 웨이퍼(5)의 파손은 결국 화합물 반도체의 생산 수율을 떨어뜨리는 문제로 귀착된다. 또한, 상기한 종래의 기술은 공압 액추에이터(6) 등에 의해 웨이퍼 상에 강한 가압력이 가해지므로 화합물 반도체의 내부 전자회로가 쉽게 파손될 수 있다.
또한, 상기한 종래의 기술은 웨이퍼 접합이 대기압에서 행해지므로 디바이스 웨이퍼와 캐리어 웨이퍼 사이에 기포가 발생하는 문제점이 있다. 이러한 기포는 식 각 또는 후면 연마 공정 등에서 내부 전자회로를 파괴시키는 주된 요인이 된다. 특히, 화합물 반도체 웨이퍼의 가격은 통상 실리콘 웨이퍼 가격의 100배 정도로 고가이므로 상기한 종래의 기술은 화합물 반도체 제조시 심각한 비용 상승을 초래하는 문제점을 안고 있다.
또한, 상기한 종래의 기술은, 웨이퍼 접합 공정에서 웨이퍼를 가열한 후 상온까지 냉각이 필요한데, 이러한 냉각이 자연 냉각에만 의존하는 이유로 공정 시간이 길어지는 문제점을 갖는다.
따라서, 본 발명은, 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 웨이퍼의 접합 중에 웨이퍼(특히, 디바이스 웨이퍼)의 파손을 방지할 수 있는 웨이퍼 접합장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 필요한 만큼의 접합력으로 웨이퍼 접합을 구현하면서도 웨이퍼(특히, 디바이스 웨이퍼)에 가해지는 가압력과 웨이퍼에 발생하는 열응력을 최대한으로 줄일 수 있는 웨이퍼 접합장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 진공 조건 하에서 웨이퍼 접합을 수행하여 서로 접합되는 두 웨이퍼 사이의 기포 발생을 억제할 수 있는 웨이퍼 접합장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 전술한 웨이퍼 접합장치를 포함하여 웨이퍼의 파손 및 웨이퍼들 사이의 기포 발생을 억제할 수 있되, 서로 접합되는 웨이퍼의 중심 맞춤을 효율적으로 수행한 후 상기 웨이퍼 접합장치에서 웨이퍼 접합을 수 행할 수 있는 웨이퍼 접합시스템 및 이를 이용한 웨이퍼 접합방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 웨이퍼 접합장치는, 베이스부 및 그 베이스부를 덮는 덮개부를 구비하며, 그 베이스부와 덮개부 사이에 웨이퍼의 접합 작업이 이루어지는 작업챔버가 형성되는 챔버유닛과; 서로 접합될 웨이퍼들을 가압하기 위한 가압판 및 그 가압판을 작업챔버 내에 유지시키는 신축부재를 구비하되, 상기 신축부재 내에는 상기 작업챔버로부터 격리된 가압챔버가 구획 형성되는 가압유닛과; 상기 가압챔버와 상기 작업챔버 사이에 압력차이를 발생시켜 상기 신축부재를 신축시키는 가압판 구동유닛을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 가압판 구동유닛은 상기 가압챔버와 상기 작업챔버 중 적어도 하나의 챔버에 진공을 형성시켜 가압챔버와 작업챔버 사이에 압력 차이를 발생시키는 진공형성수단인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 진공형성수단이 상기 작업챔버와 가압챔버에 진공을 형성시키는 제 1 및 제 2 진공형성수단인 것이 바람직하다. 상기 진공형성수단에는 압력조절수단이 연결되는 것이 바람직한데, 이는 사용자가 상기한 압력 차이 및 이에 따른 가압판의 가압력을 미세하게 제어할 수 있도록 해주어, 웨이퍼 파손을 최대한으로 억제하는데 기여한다. 그리고, 상기 작업챔버가 진공형성수단에 의해 진공상태가 되면, 서로 접합되는 두 웨이퍼 사이의 기포를 막아줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 따른 웨이퍼 접합장치는, 접합제의 접합성능을 향상시키거나 및/또는 웨이퍼에 가해지는 열응력을 최소화하기 위해, 온도조절유닛을 포함하는 것이 바람직하며, 이 온도조절유닛은 접합되는 웨이퍼들의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다. 이때, 상기 온도조절유닛은, 상기 베이스부 상에 배치된 채 웨이퍼들을 받쳐주는 받침판, 상기 받침판에 내장되어 웨이퍼를 선택적으로 가열하는 히터 및/또는 상기 받침판 내에 형성된 채 냉각유체의 흐름을 허용하는 냉각파이프를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼로 이루어진 웨이퍼들의 상호 접합을 위해, 전술한 웨이퍼 접합장치를 포함하는 웨이퍼 접합시스템을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 웨이퍼 접합시스템은, 상기 웨이퍼들 각각의 중심을 미리 맞추도록 마련되어, 상기 웨이퍼들이 전술한 웨이퍼 접합장치 내에서 중심이 맞추어진 상태로 접합될 수 있게 하는 웨이퍼 정렬장치와; 상기 웨이퍼 정렬장치에서 중심이 맞추어진 웨이퍼들 각각을 운반하는 로봇팔과; 상기 웨이퍼 접합장치 내에서의 웨이퍼 접합을 위해, 웨이퍼들 중 하나의 웨이퍼에 접합제를 미리 도포하는 접합제 도포장치를 포함한다.
이때, 상기 웨이퍼 정렬장치는, 제 1 및 제 2 웨이퍼로 이루어진 웨이퍼들 각각을 받쳐주도록 마련된 받침블록과, 제 1 및 제 2 웨이퍼의 직경에 대응되는 반원형의 제 1 및 제 2 정렬면을 일체로 갖는 한 쌍의 정렬척과, 상기 받침블록 상에 놓이는 제 1 및 제 2 웨이퍼에 대하여 상기 한 쌍의 정렬척을 이동시켜, 웨이퍼에 대한 중심 맞춤을 가능케 하는 척구동수단을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합제 도포장치는, 웨이퍼가 놓이며 임의의 구동수단에 의해 회 전하는 회전판과, 회전판 위에 놓인 웨이퍼를 측면방향에서 둘러싸도록 형성된 도포컵과, 접합제를 회전판 상의 웨이퍼 위에 토출하는 토출부를 구비하되, 상기 토출부가 도포컵 위쪽에서 그 도포컵을 가로질러 이동되도록 마련된 접합제 도포유닛을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼를 접합하는 웨이퍼 접합장치 및 웨이퍼의 운반, 웨이퍼에 대한 접합제 도포, 웨이퍼의 정렬을 행하는 장치들을 포함하는 웨이퍼 접합시스템을 이용하여 제 1 및 제 2 웨이퍼를 접합하는 웨이퍼 접합방법을 개시한다. 이 웨이퍼 접합방법은, 제 1 웨이퍼를 중심 맞춤하고, 그 중심 맞춤된 제 1 웨이퍼를 웨이퍼 접합장치 내로 운반하고, 상기 제 2 웨이퍼를 중심 맞춤하고, 그 중심 맞춤된 제 2 웨이퍼의 접합면에 접합제를 도포하고, 상기 접합제가 도포된 제 2 웨이퍼를 반전한 후 웨이퍼 접합장치 내로 운반하여, 상기 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼를 서로 접합되는 위치로 위치시키고, 상기 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼가 위치된 웨이퍼 접합장치의 작업챔버를 닫은 후 상기 작업챔버 내에 위치된 가압판으로 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼를 가압하여 두 웨이퍼를 접합하는 것을; 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
<실시예>
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 접합시스템을 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 웨이퍼 접합시스템(1)은, 웨이퍼 (4, 5; 도 5 참조)를 보관하기 위한 카세트(10)와, 서로 접합될 웨이퍼(4, 5)의 중심 맞춤을 위해 각각의 웨이퍼(4 또는 5)를 정렬하는 웨이퍼 정렬장치(20)와, 웨이퍼, 특히, 디바이스 웨이퍼(5)의 일면에 접합제를 도포하기 위한 접합제 도포장치(30)와, 접합제가 도포된 디바이스 웨이퍼(5)와 그 디바이스 웨이퍼(5)의 보호를 위한 캐리어 웨이퍼(4)를 접합하기 위한 웨이퍼 접합장치(40)와, 임의의 제어수단(미도시됨)에 의해 제어되어 상기한 각 장치(10, 20, 30, 40)들로 웨이퍼(4, 5)를 운반하는 로봇팔(50)을 포함한다.
이때, 상기 웨이퍼 접합시스템(1)은 웨이퍼 접합장치(40)의 외측에서 웨이퍼를 미리 가열하기 위한 가열장치(60)를 더 포함할 수 있는데, 이 가열장치(60)는 이하 기술되는 웨이퍼 접합장치(40) 내의 온도조절 유닛으로 인해 생략가능하다. 또한, 전술한 로봇팔(50)은, 임의의 제어수단(미도시됨)에 의해 웨이퍼(4, 5)를 운반하거나 반전시킬 수 있도록, 다수의 축, 관절, 핑거 등을 포함하는데, 이는 본 발명과 직접적인 관련성이 적으므로 그 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 정렬장치(20)를 도시한 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 정렬장치(20)는, 웨이퍼들(4, 5; 도 5 참조), 즉, 디바이스 웨이퍼(5)와 캐리어 웨이퍼(4)로 이루어진 웨이퍼들(4, 5) 각각을 받쳐줄 수 있는 받침블록(22)을 포함한다. 그리고, 상기 웨이퍼 정렬장치(20)는 그 받침블록(22)의 좌, 우에 마련된 채 척구동수단(24)에 의해 구동하여 웨이퍼 정렬을 수행하는 한 쌍의 정렬척(26a, 26b)을 포함한다. 상기 정렬척(26a, 26b)은 각각 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)의 외경에 대응되는 반원형의 제 1 및 제 2 정렬면(262, 264)을 일체로 구비한다. 이하 실시예의 설명에서, 캐리어 웨이퍼(4) 위에 디바이스 웨이퍼(5)를 올려놓고 두 웨이퍼(5)를 접합하고, 이를 위해, 캐리어 웨이퍼(4)를 디바이스 웨이퍼(5)보다 먼저 운반하는 것으로 설명되지만, 이는 하나의 실시예이며, 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)의 운반순서 및 접합 위치는 가변될 수 있는 것이다.
한편, 척구동수단(24)에 의해 한 쌍의 정렬척(26a, 26b)이 서로를 향해 전진 구동되면, 웨이퍼의 종류, 즉, 캐리어 웨이퍼(4)인지 디바이스 웨이퍼(5)인지 여부에 따라 제 1 정렬면(262) 또는 제 2 정렬면(264)이 대응되는 웨이퍼(4 또는 5)의 외주면에 접하면서 웨이퍼(4 또는 5)에 대한 중심 맞춤 정렬을 수행한다. 본 실시예에서는, 서로 마주하는 두 정렬척(26a, 26b)의 제 1 정렬면(262)이 캐리어 웨이퍼(4)의 중심 맞춤에 이용되고, 서로 마주하는 두 정렬척(26a, 26b)의 제 2 정렬면(264)이 디바이스 웨이퍼(5)의 중심 맞춤에 이용된다. 이때, 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)에 대한 중심 맞춤은 각각 개별적으로 수행되며, 개별적으로 중심 맞춤된 웨이퍼(4, 5)들이 웨이퍼 접합장치(40)에서 상호 접합을 위해 만날 때, 서로 중심이 맞추어진 상태로 놓일 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 척구동수단(24)이 공압식 실린더블록(242)과 그 실린더블록(242)으로부터 전진/또는 후퇴하는 피스톤로드(244)로 구성된 공압 액추에이터이지만, 상기 척구동수단이 유압식 또는 전동식 액추에이터로 대체될 수 있음은 물론이다.
도 4는 웨이퍼 일면에 접합제를 도포하는 접합제 도포장치(30)를 도시한 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 접합제 도포장치(30)는, 디바이 스 웨이퍼(5)가 놓이는 회전판(32)과, 그 회전판(32) 위에 놓인 디바이스 웨이퍼(5)를 측면방향에서 둘러싸도록 형성된 도포컵(34)과, 접합제를 회전판(32) 위로 토출하기 위한 접합제 도포유닛(36)을 포함한다.
회전판(32)은, 전술한 바와 같이 디바이스 웨이퍼(5)를 받친 채 아래쪽에 위치된 임의의 구동수단(미도시됨)에 의해 회전되는 부분으로서, 접합제 도포유닛(36)에 의한 접합제 도포시에, 접합제가 디바이스 웨이퍼(5)의 접합면 전체에 걸쳐 균일한 두께로 도포될 수 있도록 해준다. 또한, 상기 도포컵(34)은 회전판(32)의 회전에 의해 접합제가 비산되는 것을 막고 또한 접합제가 와류현상을 일으키면서 디바이스 웨이퍼(5)에 도포되는 것을 최소화한다. 그리고, 접합제 도포유닛(36)은 도포컵(34) 위에서 이동되면서 접합제를 디바이스 웨이퍼(5)에 토출하는 토출부(362)를 포함하는 것으로 그 구체적인 기술적 구성은 다음과 같다.
상기 접합제 도포유닛(36)은 상기 토출부(362)를 지지하는 지지봉(364)과, 그 지지봉(364)이 결합되는 슬라이드 블록(366)과, 상기 슬라이드 블록(366)을 슬라이드 구동시키는 구동수단(368)을 포함한다. 상기 구동수단(368)은 모터(368a)와 그 모터(368a)에 의해 회전하는 이송 스크류(368b)를 포함하며, 상기 이송 스크류(368b)는 전술한 슬라이드 블록(366)에 이송 나사식으로 결합된다. 따라서, 상기 모터(368a)의 구동에 의해, 슬라이드 블록(366)은 이송 스크류(368b)를 따라 좌, 우 양방향으로 슬라이드 될 수 있다. 이때, 토출부(362)는 상기 지지봉(364) 및 이와 결합된 슬라이드 블록(366)을 따라 도포컵(34)의 위쪽에서 좌, 우 양방향으로 왕복 이동될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 토출부(362)는 접합제를 토출시키기 위 해 질소(N2) 가압을 이용하며, 전술한 지지봉(364)을 따라 그 위치가 조절되거나 그 지지봉(364)으로부터 분리되어질 수 있다.
추가로, 본 실시예에 따른 접합제 도포장치(36)는 접합제 도포 전 또는 도포 후에 웨이퍼의 중심 맞춤을 수행하는 한 쌍의 정렬척(369a, 369b)을 포함하는 웨이퍼 정렬수단을 더 포함할 수 있으며, 도시되어 있지는 않지만, 상기 접합체 도포유닛(36)은 도포컵(34) 아래쪽에 위치된 채 도포 후 버려지는 접합제를 수집하는 접합제 수집기구(미도시됨)를 더 포함할 수 있다.
도 5는 웨이퍼 정렬장치(20) 및/또는 접합제 도포장치(30)를 거친 웨이퍼(4, 5)들을 서로 접합시키는 웨이퍼 접합장치(40)를 도시한 부분 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 웨이퍼 접합장치(40)는 크게 챔버유닛(42), 가압유닛(44), 그리고, 가압판 구동유닛을 포함한다.
상기 챔버유닛(42)은 전술한 웨이퍼 접합시스템(1; 도 2 참조)의 테이블 일부를 이루는 베이스부(422)와, 그 베이스부(422)를 덮는 덮개부(424)를 포함한다. 상기 베이스부(422)와 덮개부(424) 사이에는 웨이퍼들(4, 5), 즉, 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)의 접합이 이루어지는 작업챔버(423)가 형성된다. 상기 베이스부(422) 상에는 웨이퍼(4, 5)의 온도를 조절하는 온도조절유닛(43)이 설치되는데, 그 온도조절유닛(43)의 일부를 이루는 받침판(432)이 베이스부(422)의 대략 중앙에 위치한 채 캐리어 웨이퍼(4) 및 그 위의 디바이스 웨이퍼(5)를 받쳐주는 역할을 한다. 덮개부(424)는 액추에이터(425), 더욱 바람직하게는, 공압 액추에이터 에 의해 상, 하로 승강되어, 덮개부(424)와 베이스부(422) 사이의 작업챔버(423)를 선택적으로 개폐시킬 수 있다. 이때, 상기 액추에이터(425)는 전술한 베이스부(422)와 일체로 연결된 프레임(421)에 지지된다.
전술한 작업챔버(423)는 베이스부(422)와 덮개부(424)의 만남에 의해 외부로부터 거의 완벽하게 밀폐된다. 위와 같이, 밀폐된 작업챔버(423)는 진공펌프(462)와 그 진공펌프(462)로부터 상기 작업챔버 내로 통해 있는 진공관로(464)로 이루어진 제 1 진공형성수단(46)에 의해 대기압 이하의 진공상태로 변화될 수 있다.
상기 덮개부(424)에는 신축부재(442), 더욱 바람직하게는, 신축성의 주름관(442)이 고정된 채 아래쪽으로 연장되며, 그 주름관(442)의 하단에는 실질적으로 웨이퍼(4, 5)의 접합에 관여하는 경량 소재의 가압판(444)이 결합된다. 상기 주름관(442)과 그 주름관(442) 하단의 가압판(444)은 제 1 진공형성수단(46) 및/또는 제 2 진공형성수단(47)으로 구성된 가압판 구동유닛에 의해 작동되어 웨이퍼(4, 5)의 접합을 행하는 가압유닛(44)을 구성한다.
상기 주름관(442)의 내부는 작업챔버(423)와 격리된 밀폐공간, 즉 가압챔버(443)로 구획형성되며, 위와 같이, 작업챔버(423)와 가압챔버(443)가 서로 격리되어 있으므로, 상기 가압판 구동유닛에 의해 작업챔버(423) 내의 압력이 변화되면, 작업챔버(423)와 가압챔버(443) 사이에는 소정의 압력 차이가 발생한다.
예를 들어, 작업챔버(423)의 압력이 대기압으로부터 대기압 이하의 진공압력으로 변화되어, 가압챔버(443)의 압력이 작업챔버(423)의 압력보다 커지게 되면 가압챔버(443)를 둘러싸는 주름관(442)은 아래쪽으로 신장된다. 이와 같이, 주름관 (442)이 신장되면, 그 하단에 결합된 가압판(444) 또한 아래쪽으로 하강되며, 이와 같이 하강되는 가압판(444)은 그 아래쪽에 위치하는 디바이스 웨이퍼(5)를 캐리어 웨이퍼(4)를 향해 눌러 두 웨이퍼(4, 5) 간의 접합이 이루어진다. 반대로, 가압판(444)이 하강된 상태에서 작업챔버(423) 내의 압력이 상승하면, 작업챔버(423)와 가압챔버(443) 사이의 압력 차이는 소실되며, 이는 주름관(442)의 수축을 허용하여 가압판(444)이 다시 상승한 후 제자리에 복귀하는 것을 가능케 한다.
위에서 언급된 제 2 진공형성수단(47)은, 가압챔버(433)에 진공을 형성시켜주는 수단으로 제 1 진공형성수단(46)과 함께, 또는, 독자적으로 전술한 가압판(444)을 승강시키는 가압판 구동유닛의 기능을 할 수 있다. 즉, 제 2 진공형성수단(47)에 의해 가압챔버(433) 내의 압력이 감소되면 주름관(442) 하단의 가압판(444)가 상승하고, 반대로, 가압챔버(433) 내의 압력이 증가하면, 주름관(422) 하단의 가압판(444)이 하강하여 가압판(444)에 의한 웨이퍼 접합이 가능해진다.
이 때, 가압판 구동유닛을 구성하는 제 1 및 제 2 진공형성수단(46, 47)은 독자적으로 또는 함께 가압판(444)의 구동에 이용될 수 있으며, 각각, 압력조절수단(460, 470)에 연결되며, 이 압력조절수단(460, 470)은 가압챔버(443) 및/또는 작업챔버(423) 내의 압력(또는, 진공도) 및 이에 따른 가압판(444)의 가압력을 미세하게 조절해준다.
보다 구체적으로, 상기 압력조절수단(460, 470)은 가압챔버(443) 및/또는 작업챔버(423) 내부의 압력을 대기압 이하의 압력으로 낮출 수 있는 한편 그 가압챔버(443) 및/또는 작업챔버(423) 내의 진공도를 조절하여 가압챔버(443)와 작업챔버 (423) 사이의 압력차이 및 이에 따른 가압판(444)의 이동속도(특히, 하강속도)를 미세하게 조절할 수 있다. 위와 같은 압력조절수단(460, 470)에 의해 상기 웨이퍼 접합장치(40)는 작업자가 원하는 가압력으로 가압판(444)을 하강시키면서 가압판(444)의 가압력에 의한 웨이퍼(4, 5)의 파손을 더욱 엄격하게 막아줄 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 실시예의 웨이퍼 접합장치(40)는 접합 전후로 웨이퍼의 온도를 조절하는 온도조절유닛(43)을 더 포함한다. 상기 온도조절유닛(43)은 베이스부(422) 중앙에 배치된 받침판(432)을 포함한다. 도 6은 상기 온도조절유닛(43)을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 도면으로서, 도 6을 참조하면, 상기 온도조절유닛(43)은 받침판(432)에 내장되어 웨이퍼(4, 5)를 가열하는 히터(434)와 받침판(432) 내부에 다수의 동심원을 갖도록 형성되어 접합을 위해 가열된 웨이퍼(4, 5)를 냉각시키는 냉각관로(436)를 포함한다. 이때, 상기 냉각관로(436) 내에는 냉각유체, 더욱 바람직하게는, 냉각공기가 흐르게 되며, 이 냉각공기의 흐름에 의해 접합이 완료된 웨이퍼(4, 5)들이 신속하고 냉각될 수 있다.
도 7 내지 9는 전술한 웨이퍼 접합장치의 작용을 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)가 받침판(432) 위에 안착된 직후를 도시한 도면으로서, 도 7을 참조하면, 받침판(432)에 웨이퍼(4, 5)들을 안착할 수 있도록 하기 위해, 덮개부(424)가 베이스부(422)에 대해 상승되어 있으며, 이에 의해, 작업챔버(423; 도 5 참조)는 개방되어 있다. 이 위치에서, 덮개부(424) 위쪽의 액추에이터(425)가 구동되면, 덮개부(424)가 도 7의 화살표 방향으로 하강 하여 도 8에 도시된 바와 같이 작업챔버(423)가 닫혀진다.
도 8에 도시된 위치에서, 가압판 구동유닛(제 1 진공형성수단 및/또는 제 2 진공형성수단)이 구동되며, 이 가압판 구동유닛의 구동에 의해 작업챔버(423) 내의 압력이 대기압 미만의 진공압력으로 떨어지고, 또한, 작업챔버(423)와 가압챔버(443) 사이에는 압력차이가 발생된다. 상기 압력차이에 의해, 신축부재, 즉 주름관(442)이 아래쪽의 신장되며, 이에 의해, 주름관(442) 하단의 가압판(444)은 도 7의 화살표 방향으로 하강된다. 이때, 압력조절수단(460 및/또는 470)을 이용하여 가압챔버(443)와 작업챔버(423) 사이의 압력 차이를 미세하게 조절할 수 있다. 예컨대, 가압판(444)의 하강속도, 즉 가압판(444)의 가압력이 크면, 가압챔버(443)의 압력을 낮추어주거나 작업챔버(423)의 압력을 높여줄 수 있으며, 이를 통해, 가압챔버(443)와 작업챔버(423)의 압력 차이가 상대적으로 작아지고, 따라서, 가압판(444)은 상대적으로 낮은 속도로 하강한 후 낮은 가압력으로써 웨이퍼(4, 5)의 접합을 수행할 수 있다.
도 9는 가압판(444)이 받침판(432) 위에 놓인 웨이퍼(4, 5)들을 가압하여 두 웨이퍼(4, 5)들을 서로 접합시키는 위치를 도시한다. 이 위치에서, 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)는 두 부분 사이에 존재하는 접합제에 의해 그리고 가압판(444)의 가압력에 의해 서로 접합되어진다. 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)가 서로 접합되기 전에는 받침판(432)에 내장된 히터(434; 도 6 참조)가 발열하여 디바이스 웨이퍼(5) 상의 접합제를 점착성 있는 상태로 유지시키게 되며, 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)의 접합이 이루어진 후에는 받침판(432)에 형성 된 냉각관로(436; 도 6 참)를 통해 흐르는 냉각유체(특히, 냉각공기)가 서로 접합된 웨이퍼들(4, 5)을 냉각시키게 된다. 또한, 두 웨이퍼(4, 5) 간의 접합이 이루어진 후, 작업챔버(423)와 가압챔버(443) 사이의 압력 차이는 소실되며, 이에 의해, 가압판(444)은 주름관(442)의 수축에 따라 도 9의 화살표 방향으로 상승한다. 전술한 웨이퍼 접합장치(40)에서 접합이 완료된 접합 웨이퍼는 앞서 언급된 로봇팔(50)에 의해 카세트(10)로 다시 운반되어 접합 웨이퍼의 수납 공간 내로 수납된다.
추가로, 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 웨이퍼 정렬장치(1)는 웨이퍼 접합 중에 웨이퍼의 중심 맞춤을 계속적으로 유지시키기 위한 수단을 중심 맞춤 유지수단(48, 49)을 더 포함한다. 이 중심 맞춤 유지수단은 캐리어 웨이퍼(4)의 외경에 대응되는 내경을 갖는 제 1 중심 맞춤부(48)와 디바이스 웨이퍼(5)의 외경에 대응되는 내경을 갖는 제 2 중심 맞춤부(49)로 구성되며, 그 제 1 중심 맞춤부(48)와 제 2 중심 맞춤부(49)는 각각 챔버유닛(42)의 베이스부(422) 및 덮개부(424)에 일체로 결합되어 있다. 이때, 제 1 중심 맞춤부(48)와 제 2 중심 맞춤부(49)는 웨이퍼 접합시 서로 경사면을 사이에 대면되며, 그 안쪽의 수직면에서는 각각 캐리어 웨이퍼(4) 및 디바이스 웨이퍼(5)와 대면한다.
도 10은 전술한 본 실시예에 따른 웨이퍼 접합시스템을 이용하여 캐리어 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼를 접합하는 방법을 순서도로 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 먼저, 캐리어 웨이퍼(4)가 웨이퍼 정렬장치(20)로 운반되어 그 웨이퍼 정렬장치(20)에서 중심 맞춤된다. 그 후, 그 중심 맞춤된 캐리어 웨이퍼(4)는 웨이퍼 접합장치(40) 내로 운반되어, 도 5에 잘 도시된 받침판(432) 상에 위치한다.
그 후, 디바이스 웨이퍼(5)가 웨이퍼 정렬장치(20)에 운반되어, 그 웨이퍼 정렬장치(20)에서 중심 맞춤되며, 그 중심 맞춤된 디바이스 웨이퍼(5)는 접합제 도포장치(30)로 운반되어 캐리어 웨이퍼(4)와 접합될 면 전체에 접합제가 도포된다. 그 후, 디바이스 웨이퍼(5)는 접합면이 캐리어 웨이퍼(4)에 면할 수 있도록 반전되고, 그 후, 웨이퍼 접합장치(40) 내로 운반되어 캐리어 웨이퍼(4) 위에 올려진다.
그 후, 상기 캐리어 웨이퍼(4)와 디바이스 웨이퍼(5)가 위치된 웨이퍼 접합장치(40)의 작업챔버(423)가 닫혀지고, 상기 작업챔버(423) 내에 위치된 가압판(444)이 작업챔버(423)와 가압챔버(443)의 압력차이 및 이에 따른 주름관(442)의 신장에 의해 하강하여 디바이스 웨이퍼(5)와 캐리어 웨이퍼(4)를 가압하며, 이를 통해, 디바이스 웨이퍼(5)와 캐리어 웨이퍼(4)는 서로 접합된다. 웨이퍼(4, 5)의 접합이 완료되면, 가압판(444)이 상승하고 작업챔버(423)가 개방된다. 이와 같이, 작업챔버(423)가 개방된 상태에서 접합이 완료된 접합 웨이퍼는 웨이퍼 접합장치(40)로부터 꺼내져서 카세트(10)로 운반된다.
이때, 웨이퍼를 운반, 반전하는 역할은 로봇팔에 의해 자동으로 이루어지게 되며, 웨이퍼의 접합 전에는 웨이퍼를 가열하여 그 웨이퍼 상의 접합제를 점착성 있게 하는 과정이 이루어지며, 웨이퍼의 접합이 이루어진 후에는 웨이퍼 접합장치 내에서 접합된 웨이퍼를 열전도 방식으로 냉각하는 과정이 이루어진다.
이상 실시예의 설명에서, 디바이스 웨이퍼가 캐리어 웨이퍼 위해 올려져 접합되는 것으로 설명되었지만, 그 반대의 경우도 가능함은 물론이다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예들을 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 필요한 만큼의 접합력으로 웨이퍼 접합을 구현하면서도 웨이퍼(특히, 디바이스 웨이퍼)에 가해지는 가압력 및/또는 웨이퍼에 발생하는 열응력을 최대한으로 줄일 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명은, 웨이퍼의 접합에 필요한 가압력을 미세하게 조절할 수 있어, 작업자가 원하는 가압력으로 웨이퍼 접합을 수행할 수 있으므로, 웨이퍼 접합시 발생하는 가압력에 의한 파손이 최대한으로 억제될 수 있다.
또한, 본 발명은 진공 조건 하에서 웨이퍼 접합을 수행하여 서로 접합되는 두 웨이퍼 사이에 발생하여 식각 또는 후면 연마 공정 등에서 내부 전자회로를 파괴시키는 주된 요인이 되는 기포 발생을 억제하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 웨이퍼의 파손 및 웨이퍼들 사이의 기포 발생을 억제할 수 있되, 웨이퍼 정렬장치에서 서로 접합되는 웨이퍼의 중심 맞춤을 효율적으로 미리 수행할 수 있고 웨이퍼에 대한 접착제 도포를 용이하고 쉽게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 베이스부 및 그 베이스부를 덮는 덮개부를 구비하며, 그 베이스부와 덮개부 사이에 웨이퍼의 접합 작업이 이루어지는 작업챔버가 형성되는 챔버유닛;
    서로 접합될 웨이퍼들을 가압하기 위한 가압판 및 그 가압판을 작업챔버 내에 유지시키는 신축부재를 구비하되, 상기 신축부재 내에는 상기 작업챔버로부터 밀폐, 격리된 가압챔버가 구획 형성되는 가압유닛; 및
    상기 가압챔버와 상기 작업챔버 사이에 압력차이를 발생시켜, 상기 신축부재를 신축시키는 가압판 구동유닛을 포함하는 웨이퍼 접합장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가압판 구동유닛은 상기 가압챔버와 상기 작업챔버 중 적어도 하나의 챔버에 진공을 형성시켜 상기 가압챔버와 작업챔버 사이에 압력 차이를 발생시키는 진공형성수단인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 진공형성수단은, 상기 가압챔버에 진공을 형성시키는 제 1 진공형성수단과, 상기 작업챔버에 진공을 형성시키는 제 2 진공형성수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 진공형성수단에는 압력조절수단이 연결된 것을 특 징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 웨이퍼들의 온도를 조절하는 온도조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 온도조절유닛은,
    상기 베이스부 상에 배치된 채 웨이퍼들을 받쳐주는 받침판과,
    상기 받침판에 내장되어 웨이퍼를 선택적으로 가열하는 히터를,
    포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 온도조절유닛은,
    상기 베이스 상에 배치된 채 웨이퍼들을 받쳐주는 받침판과,
    상기 받침판 내에 형성된 채 냉각유체의 흐름을 허용하는 냉각파이프를,
    포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 온도조절유닛은,
    상기 베이스부 상에 배치된 채 웨이퍼들을 받쳐주는 받침판과,
    상기 받침판에 내장되어 웨이퍼를 선택적으로 가열하는 히터와,
    상기 받침판 내에 형성된 채 냉각유체의 흐름을 허용하는 냉각파이프를,
    포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 베이스부 및 받침부에 각각 일체로 마련된 채 서로 접합될 서로 다른 외경의 웨이퍼에 대면하는 제 1 중심 맞춤부 및 제 2 중심 맞춤부 구성된 중심 맞춤 유지 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 베이스부에 대해 상기 덮개부를 승강시켜 상기 작업챔버를 자동개폐하는 액츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 신축부재는 신축성을 갖는 주름관인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합장치.
  12. 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼로 이루어진 웨이퍼들의 상호 접합을 위해, 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 웨이퍼 접합장치를 포함하는 웨이퍼 접합시스템으로서,
    상기 웨이퍼들 각각의 중심을 미리 맞추도록 마련되어, 상기 웨이퍼들이 상기 웨이퍼 접합장치 내에서 중심이 맞추어진 상태로 접합될 수 있게 하는 웨이퍼 정렬장치;
    상기 웨이퍼 정렬장치에서 중심이 맞추어진 웨이퍼들 각각을 운반하는 로봇 팔; 및
    상기 웨이퍼 접합장치 내에서의 웨이퍼 접합을 위해, 웨이퍼들 중 하나의 웨이퍼에 접합제를 미리 도포하는 접합제 도포장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제 1 웨이퍼, 상기 제 2 웨이퍼, 그리고, 상기 웨이퍼 접합장치에서 접합이 이루어진 접합 웨이퍼를 각각 보관하는 보관함을 구비한 웨이퍼 카세트를 더 포함하며, 상기 웨이퍼 카세트로의 웨이퍼 반출 및 반입은 상기 로봇팔에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합시스템.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 웨이퍼 정렬장치는,
    상기 제 1 웨이퍼 및 상기 제 2 웨이퍼로 이루어진 웨이퍼들 각각을 받쳐주도록 마련된 받침블록;
    상기 제1 웨이퍼 및 상기 제 2 웨이퍼의 직경에 대응되는 반원형의 제 1 및 제 2 정렬면을 일체로 갖는 한 쌍의 정렬척과;
    상기 받침블록 상에 놓이는 제 1 웨이퍼 또는 제 2 웨이퍼에 대하여 상기 한 쌍의 정렬척을 이동시켜, 웨이퍼에 대한 중심 맞춤을 가능케 하는 척구동수단을;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합시스템.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 접합제 도포장치는,
    웨이퍼가 놓이며 임의의 구동수단에 의해 회전하는 회전판과,
    회전판 위에 놓인 웨이퍼를 측면방향에서 둘러싸도록 형성된 도포컵과,
    접합제를 회전판 상의 웨이퍼 위에 토출하는 토출부를 구비하되, 상기 토출부가 도포컵 위쪽에서 그 도포컵을 가로질러 이동되도록 마련된 접합제 도포유닛을
    포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 접합제 도포장치가 웨이퍼의 중심 맞춤을 위해 한 쌍의 정렬척을 포함하는 웨이퍼 정렬수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합시스템.
  17. 청구항 13에 있어서, 상기 로봇팔은,
    제 1 웨이퍼를 상기 카세트로부터 반출하여 상기 웨이퍼 정렬장치로 먼저 운반하고,
    상기 웨이퍼 정렬장치에서 중심 맞춤된 제 1 웨이퍼를 상기 웨이퍼 접합장치 내로 운반하고,
    상기 카세트로부터 제 2 웨이퍼를 반출하여 상기 웨이퍼 정렬장치로 운반하고,
    상기 웨이퍼 정렬장치에서 중심 맞춤된 제 2 웨이퍼를 상기 접합제 도포장치로 운반하고,
    상기 접합제 도포장치에서 접합제가 도포된 제 2 웨이퍼를 반전한 후, 상기 웨이퍼 접합장치 내로 운반하여, 상기 제 1 웨이퍼와 상기 제 2 웨이퍼를 서로 접합되는 위치로 위치시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합시스템.
  18. 청구항 12에 있어서, 상기 웨이퍼가 상기 웨이퍼 접합장치로 운반되기 전에 그 웨이퍼를 소정 온도로 가열하는 가열유닛이 더 포함된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합시스템.
  19. 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼를 접합하는 웨이퍼 접합장치 및 웨이퍼의 운반, 웨이퍼에 대한 접합제 도포, 웨이퍼의 정렬을 행하는 장치들을 포함하는 웨이퍼 접합시스템을 이용하여 제 1 및 제 2 웨이퍼를 접합하는 웨이퍼 접합방법으로서,
    제 1 웨이퍼를 중심 맞춤하고,
    그 중심 맞춤된 제 1 웨이퍼를 웨이퍼 접합장치 내로 운반하고,
    상기 제 2 웨이퍼를 중심 맞춤하고,
    그 중심 맞춤된 제 2 웨이퍼의 접합면에 접합제를 도포하고,
    상기 접합제가 도포된 제 2 웨이퍼를 반전한 후 웨이퍼 접합장치 내로 운반하여, 상기 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼를 서로 접합되는 위치로 위치시키고,
    상기 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼가 위치된 웨이퍼 접합장치의 작업챔버를 닫은 후 상기 작업챔버 내에 위치된 가압판으로 제 1 웨이퍼와 제 2 웨이퍼를 가압하여 두 웨이퍼를 접합하는 것을;
    포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 가압판은 작업챔버와 격리된 가압챔버를 구획하는 신축부재에 의해 작업챔버 내에 지지된 채 상기 가압챔버와 작업챔버 간의 압력 차이에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합방법
  21. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서, 상기 웨이퍼 접합장치에서의 웨이퍼 접합 전에 상기 제 1 및 제 2 웨이퍼 중 적어도 하나를 가열하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합방법.
  22. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서, 상기 웨이퍼 접합장치 내에서 상호 접합된 웨이퍼들을 냉각시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합방법.
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