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KR102483443B1 - 기판 접합 장치 및 이를 구비하는 기판 접합 설비와 이를 이용한 기판의 접합방법 - Google Patents

기판 접합 장치 및 이를 구비하는 기판 접합 설비와 이를 이용한 기판의 접합방법 Download PDF

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KR102483443B1
KR102483443B1 KR1020180094861A KR20180094861A KR102483443B1 KR 102483443 B1 KR102483443 B1 KR 102483443B1 KR 1020180094861 A KR1020180094861 A KR 1020180094861A KR 20180094861 A KR20180094861 A KR 20180094861A KR 102483443 B1 KR102483443 B1 KR 102483443B1
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문광진
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Abstract

기판 접합 장치 및 이를 구비하는 기판 접합 설비를 개시한다. 기판 접합 장치는 하부기판을 고정하는 하부 척, 상부기판을 고정하는 상부 척, 상부기판의 중앙부를 가압하여 상부기판의 중앙부와 하부기판의 중앙부를 접착시키는 접합 개시기, 및 상부기판의 주변부가 상부 척으로부터 분리되어 하부기판의 주변부와 접착하는 접착속도를 제어하여 상부기판의 탄성복원 후 상부기판의 주변부와 하부기판의 주변부를 접착하는 접합속도 제어기를 포함한다. 접합과정에서 기판의 발생을 억제하고 정렬불량을 방지할 수 있다.

Description

기판 접합 장치 및 이를 구비하는 기판 접합 설비와 이를 이용한 기판의 접합방법 {Wafer bonding device, a wafer bonding apparatus for directly bonding wafers using the same and a method of bonding wafers in the wafer bonding apparatus}
본 발명은 기판 접합 장치, 기판 접합 설비 및 이를 이용한 기판 접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실리콘 웨이퍼를 직접 접합하는 실리콘 직접 접합(silicon direct bonding) 장치와 이를 구비하는 기판 접합 설비 및 이를 이용하여 실리콘 웨이퍼를 직접 접합하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도를 높이고 고성능을 구현하기 위해 반도체 기판을 3차원으로 적층하는 공정이 널리 이용되고 있다.
일반적인 실리콘 직접 접합공정에 의하면, 패터닝 공정을 통해 상면에 미세회로 소자가 형성된 기판을 접합 장치의 상부 척 및 하부 척에 고정하여 정렬한 후 상부 기판을 하부 기판으로 가압하여 접합시킨다.
종래의 실리콘 직접 접합공정에 의하면, 주변부에 대한 진공흡착에 의해 상부 척에 고정된 상부기판의 중앙부를 가압하여 하부기판의 중앙부와 접촉하게 되면 상부기판의 주변부에 대한 진공흡착을 제거하여 상부 기판의 주변부가 하부기판의 주변부와 접합하게 된다.
이때, 상부기판의 주변부 접합은 진공흡착의 제거에 따라 탄성 변형된 상부기판이 원래의 형상으로 복원되기 위한 진동을 수행하면서 상부기판의 하중에 따라 결정되는 접합속도로 수행된다.
종래의 실리콘 직접 접합공정에 의하면, 상기 접합속도에 따라 결정되는 기판 접합시간이 상부기판의 탄성복원에 소요되는 시간보다 훨씬 빨라서, 상부기판의 탄성복원 전에 하부기판과 접합하여 정렬불량이 발생하는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 상부기판과 하부기판의 접합속도와 접합시간을 제어하기 위해 하부기판의 형상을 상부기판으로 볼록한 곡면형상으로 배치하는 경우, 상부기판과 하부기판의 접접 사이의 공기가 기판의 주변부로 이동하면서 단열팽창에 의해 응결하면서 기포를 형성하게 된다.
따라서, 상부기판과 하부기판의 정렬불량을 방지하고 접합과정에서의 기포발생을 억제할 수 있는 새로운 실리콘 적접 접합공정이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘 직접 접합공정을 수행하는 동안 상부기판과 하부기판 사이의 이격공간으로 접합제어 가스를 공급하는 가스 방출부를 구비하는 기판 접합 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 기판 접합 장치를 구비하는 기판 접합 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 기판 접합 장치를 이용하여 기판을 접합하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 기판 접합 장치는 하부기판을 고정하는 하부 척, 상부기판을 고정하는 상부 척, 상기 상부기판의 중앙부를 가압하여 상기 상부기판의 중앙부와 상기 하부기판의 중앙부를 접착시키는 접합 개시기(bonding initiator), 및 상기 상부기판의 주변부가 상기 상부 척으로부터 분리되어 상기 하부기판의 주변부와 접착하는 접착속도를 제어하여 상기 상부기판의 탄성복원 후 상기 상부기판의 주변부와 상기 하부기판의 주변부를 접착하는 접합속도 제어기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 접합 설비는 한 쌍의 접합 대상 기판을 동일한 정렬상태를 갖도록 개별적으로 척에 고정하여 상부기판이 고정된 상부 척 및 하부기판이 고정된 하부 척을 형성하는 접합 버퍼 및 상기 접합 버퍼로부터 전송된 상기 상부 척과 상기 하부 척을 동일한 중심위치를 갖도록 정렬하고 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하여 접합기판을 생성하는 접합 장치를 포함한다. 이때, 상기 접합 장치는 상기 상부기판의 중앙부를 가압하여 상기 상부기판의 중앙부와 상기 하부기판의 중앙부를 접착시키는 접합 개시기(bonding initiator) 및 상기 상부기판의 주변부가 상기 상부 척으로부터 분리되어 상기 하부기판의 주변부와 접착하는 접착속도를 제어하여 상기 상부기판의 탄성복원 후 상기 상부기판의 주변부와 상기 하부기판의 주변부를 접착하는 접합속도 제어기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 접합 방법이 개시된다. 먼저, 상부기판이 고정된 상부 척과 하부기판이 고정된 하부 척을 정렬하고, 단부는 상기 상부 척에 고정되고 중심부는 상기 상부 척으로부터 이격되어 아래로 볼록한 곡면 형상이 되도록 상기 상부기판을 가압하여 상기 하부기판의 중심부와 접합시킨다. 이어서, 상기 상부기판의 주변부와 상기 하부기판의 주변부 사이의 기판간 이격공간을 매립하는 충진가스를 공급하고, 상기 상부 척으로부터 분리된 상기 상부기판의 주변부가 탄성복원 되어 상기 하부기판의 주변부와 접합하여 접합기판을 형성한다.
본 발명에 의한 기판 접합 장치 및 이를 이용하는 기판 접합 방법에 의하면, 부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 기판간 이격공간(IWS)으로 충진가스를 주입하여 이격공간(IWS)의 내부를 일정한 압력으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 상부기판(UW)이 하강하는 동안 표면저항을 생성할 수 있는 가스층을 생성하여 상부기판(UW)의 하강속도를 낮출 수 있다. 이에 따라, 상부 척(200)으로부터 분리된 상부기판(UW)이 충분히 탄성 복원된 후에 하부기판(LW)으로 접합함으로써 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 정렬불량을 방지할 수 있다. 또한, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 계수가 음수(-)인 불활성 가스를 충진가스로 이용함으로써 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 접합계면에서 기포발생을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 직접 접합공정에서 기포발생을 억제하고 정렬불량을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시에에 의한 기판 접합 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 하부 척을 나타내는 평면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 하부 척을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 상부 척을 나타내는 단면도이다.
도 4는 상부기판 및 하부기판 주변부 사이의 이격공간으로 충진가스를 공급하는 가스 인젝터의 배치상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2a에 도시된 하부척의 변형례를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 상부척의 변형례를 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 2a에 도시된 하부척의 다른 변형례를 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 3에 도시된 상부척의 다른 변형례를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1 내지 도 8에 도시된 기판 접합 장치를 구비하는 기판 접합 설비를 나타내는 구성도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 의한 접합대상 기판을 나타내는 단면도들이다.
도 11a 및 11b는 도 9에 도시된 접합영역에서 기판을 고정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 도 9에 도시된 기판 접합 설비를 이용하여 기판을 접합하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13a 내지는 도 13d는 도 12에 도시된 흐름도의 각 단계에 대응하는 공정 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시에에 의한 기판 접합 장치를 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 기판 접합 장치(500)는 하부기판(LW)을 고정하는 하부 척(100), 상부기판(UW)을 고정하는 상부 척(200), 상기 상부기판(UW)의 중앙부(UC)를 가압하여 상기 상부기판(UW)의 중앙부(UC)와 상기 하부기판의 중앙부(LC)를 접착시키는 접합 개시기(bonding initiator, 300) 및 상기 상부기판의 주변부(UP)가 상기 상부 척(200)으로부터 분리되어 상기 하부기판의 주변부(LP)와 접착하는 접착속도를 제어하여 상기 상부기판(UW)의 탄성복원 후 상기 상부기판의 주변부(UP)와 상기 하부기판의 주변부(LP)를 접착하는 접착속도 제어기(400)를 포함한다.
본 실시예에서 상기 상부기판(UW) 및 하부기판(LW)은 반도체 제조공정에 의해 형성된 다수의 집적회로 소자와 배선 구조물을 구비하는 가공 웨이퍼 또는 반도체 제조공정이 수행되지 않은 베어 웨이퍼를 포함할 수 있다. 그러나, 실리콘 웨이퍼는 예시적일 뿐이며 상부기판 및 하부기판은 다양한 평판 기판을 포함할 수 있다.
일실시예로서, 상기 하부 척(100)은 상기 하부기판(LW)에 대응하는 형상을 갖고 하부기판(LW)의 형상변형에 대응하는 구성을 갖는다. 본 실시예의 경우, 상기 하부기판(LW)은 상기 상부기판(UW)을 향하도록 위로 볼록한 곡면형상(concave curve)을 갖도록 상기 하부 척(100)에 고정된다. 이에 따라, 상기 하부 척(100)은 실리콘 웨이퍼에 대응하는 플랫 존을 구비하는 원형 평판으로 제공되고 하부기판(LW)을 볼록 곡면 형상으로 변형할 수 있도록 구성된다.
도 2a는 도 1에 도시된 하부 척을 나타내는 평면도이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 하부 척을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 하부 척(100)은 하부 몸체(110), 상기 하부 몸체(110)의 주변부로부터 중앙부를 향하여 높아지도록 상기 하부 몸체(110)로부터 돌출하는 다수의 서포터 핀(120) 및 상기 하부 몸체(110)를 관통하여 상기 하부기판(LW)을 상기 서포터 핀(120)에 고정하는 하부 기판 홀더(130)를 포함한다.
상기 하부 몸체(110)는 실리콘 카바이드와 같은 절연성 물질로 구성되고 상기 하부기판(LW)의 형상에 대응하는 웨이퍼 형상으로 제공된다. 이에 따라, 웨이퍼의 플랫 존에 대응하는 선형부(F)가 배치되어 하부 척(100)과 하부기판(LW)을 정렬하는 정렬기준으로 이용할 수 있다.
예를 들면, 상기 하부 몸체(110)는 단턱부(112)에 의해 상기 서포터 핀(120)이 위치하는 내측부와 상면(114)이 노출되는 외측부로 구분된다. 내측부에는 상기 서포터 핀(120)이 배치되고 외측부의 상면(114)은 접합가공이 진행되는 동안 노출되거나 부가적인 공정을 위한 여유 공간(spare area)으로 제공된다.
상기 단턱부(112)는 상기 하부 몸체(110)의 상면으로부터 소정의 높이로 돌출하여 상기 하부 몸체(110)의 주변부를 따라 연장하는 링(ring) 형상으로 제공된다.
다수의 서포터 핀(120)들은 단턱부(112)에 의해 구분되는 하부 몸체(110)의 내측부에 배치되어 상기 하부기판(LW)을 지지한다. 이때, 상기 서포터 핀(120)들은 하부 몸체(110)의 외측부로부터 내측부로 진행될수록 높이가 증가하도록 구성된다. 이에 따라, 서포터 핀(120)들은 단턱부(112)와 인접한 곳에서 가장 작은 높이를 갖고 하부 몸체(110)의 중앙부에서 가장 큰 높이를 갖는다.
본 실시예의 경우, 상기 하부 몸체(110)는 하부기판(LW)을 하부 척(100)으로 로딩하기 위한 리프트(미도시)가 관통하는 다수의 리프트 홀(lift hole, LH)이 중앙부에 배치되고 리프트 홀(LH)은 하부 몸체(110)의 상면으로 돌출하여 상기 리프트 홀(LH)을 둘러싸는 리프트 가이드(113)에 의해 한정된다.
본 실시예에서는 하부 몸체(110)의 중심으로부터 동일한 반경을 갖는 제1 원주(C1) 상에 동일한 간격으로 이격된 4개의 리프트 가이드(113)가 배치된 것을 개시하고 있지만, 상기 하부 척(100)의 구성에 따라 4개보다 더 많거나 더 적은 리트트 홀(LH) 및 리프트 가이드(113)가 제공될 수 있음은 자명하다.
상기 제1 원주(C1)에 의해 한정되는 하부 몸체(110)의 제1 영역에는 동일한 높이를 갖는 다수의 제1 핀(121)이 배치된다. 이에 따라, 상기 하부기판(LW)은 상기 제1 영역에서 동일한 상면을 갖는 제1 핀(121)에 지지되므로 실질적으로 평면 형상으로 상기 하부 척(100)에 고정된다. 실질적으로 평판형상을 갖도록 고정되는 하부기판(LW)의 영역을 하부기판의 중앙부(LC)로 정의한다.
제1 원주(C1)와 상기 리프트 홀(LH)에 의해 한정되는 하부 몸체(110)의 제2 영역에는 상기 하부몸체(110)의 중심으로 갈수록 높이가 증가하는 다수의 제2 핀(122)들이 배치된다. 즉, 상기 단턱부(112)와 인접한 제2 핀(122)들은 가장 작은 높이를 갖고 상기 리프트 가이드(113)와 인접한 제2 핀(122)들은 가장 큰 높이를 갖는다.
이에 따라, 상기 하부기판(LW)은 상기 제2 영역에서 서로 다른 높이를 갖는 제2 핀(122)에 지지되므로 소정의 곡률을 갖는 곡면 형상으로 상기 하부 척(100)에 고정된다. 곡면형상을 갖도록 고정되는 하부기판(LW)의 영역을 하부기판의 주변부(LP)로 정의한다.
이때, 상기 제2 핀(122)들의 상면 프로파일에 의해 상기 하부기판(LW)이 변형될 형상인 변형 프로파일이 결정된다. 따라서, 상기 제2 핀(122)들의 상면 프로파일은 하부기판(LW)의 형상변형 프로파일에 따라 달라질 수 있다.
상기 리프트 홀(LH)과 인접한 하부 몸체(110)의 제2 영역에는 하부기판(LW)을 고정하기 위한 진공압을 인가하는 하부 공동라인(lower void line, LVL)이 배치된다.
본 실시예의 경우, 상기 하부 기판 홀더(130)는 상기 하부 공동라인(LVL)을 통하여 하부기판(LW)의 배면으로 진공압을 인가하여 흡착하는 진공 흡착기를 포함한다.
상기 하부 공동라인(LVL)은 진공압 공급라인(132)과 연결되고 진공펌프와 같은 진공 생성기(134)에서 생성된 진공압은 상기 진공압 공급라인(132)과 하부 공동라인(LVL)을 통하여 하부 기판(LW)의 배면으로 인가된다.
이에 따라, 상기 하부기판(LW)은 상기 중심부(LP)와 인접한 제2 영역에서 인가되는 진공압에 의해 하부 척(100)에 흡착되고, 하부 몸체(110)의 상면에 정렬된 다수의 제1 및 제2 핀(121,122)에 의해 지지되어 서포터 핀(120)의 상면 프로파일을 따라 변형된다. 본 실시예의 경우, 상기 하부기판(LW)은 상부기판(UW)을 향하여 볼록하게 변형된 볼록 곡면(convex curve, CC1) 형상으로 변형된다.
본 실시예의 경우, 상기 하부기판 중앙부(LC)와 인접한 영역에서 진공압이 인가되는 것을 개시하고 있지만, 진공압의 인가 위치는 하부기판(LW)의 응력과 스트레인을 최소화 할 수 있다면 다양하게 변경될 수 있음은 자명하다. 또한, 상기 진공압의 인가위치와 상기 하부 공동라인(LVL)과 진공압 공급라인(132)의 접속위치에 따라 상기 하부 기판 홀더(130)의 구성도 다양하게 변형될 수 있음은 자명하다.
도 3은 도 1에 도시된 상부 척을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 상부 척(200)은 중앙부에 상기 접합 개시기(300)가 관통하는 관통 홀(PH)을 구비하는 상부 몸체(210) 및 상기 상부 몸체(210)를 관통하여 상기 상부기판(UW)의 주변부를 고정하는 상부 기판 홀더를 포함한다.
예를 들면, 상기 상부 몸체(210)는 하부 몸체(110)와 마찬가지로 실리콘 카바이드와 같은 절연성 물질로 구성되고 상기 상부기판(UW)의 형상에 대응하는 웨이퍼 형상으로 제공된다. 이에 따라, 도시되지는 않았지만, 하부 몸체(110)와 마찬가지로 웨이퍼의 플랫 존에 대응하는 선형부가 배치되어 상부 척(200)과 상부기판(UW)을 정렬하는 정렬기준으로 이용할 수 있다.
웨이퍼 형상을 갖는 상부 몸체(210)의 중앙부는 관통되어 접합 개시시(300)가 선택적으로 관통할 수 있는 관통 홀(PH)이 구비되어 가압 경로를 제공하고, 상부 몸체(210)의 주변부는 상부기판(UW)을 상부 몸체(210)로 고정하는 상부 기판 홀더(220)가 연결된다.
예를 들면, 상기 상부 기판 홀더(220)는 하부 기판 홀더(130)과 마찬가지로 진공 흡착기로 구성될 수 있다. 이에 따라, 진공 생성기(미도시)로부터 인가된 진공압을 상기 상부기판(UW)의 배면으로 인가하여 상부기판(UW)을 상부 몸체(210)로 흡착한다. 상기 진공 생성기는 하부 척(100)에 구비된 진공 생성기(134)를 이용할 수도 있고 상부 척(200)에만 연결되는 별도의 진공 생성기를 더 배치할 수도 있다. 진공압을 인가하는 진공라인은 상기 상부 몸체(210)의 내부에 형성된 공동라인(미도시)과 연결되고 상부 몸체(210)의 측부를 관통하여 상기 진공 생성기와 연결된다.
상기 관통 홀(PH)의 주변에는 다수의 리프트 홀(LH)이 더 배치된다. 상기 리프트 홀(LH)을 통하여 상부기판(UW)을 상부몸체(210)의 표면으로 안내하는 리프트(미도시)가 상부 몸체(210)를 관통하여 이동할 수 있다.
접합 대상 기판이 리프트에 의해 상부 몸체(210)의 표면으로 유도되면, 상부 기판 홀더(220)에 의해 상부 몸체(210)에 고정된다. 이때, 하부기판(LW)과 달리 상부기판(UW)은 평면 형상으로 흡착된다.
하부 척(100) 및 상부 척(200)이 충분히 정렬되면, 접합 개시기(300)가 하강하여 관통 홀(PH)을 통하여 상부 몸체(210)를 관통하고 상부 몸체(210)에 평탄하게 고정된 상부기판(UW)의 중심부를 가압한다. 이에 따라, 상기 상부기판(UW)의 단부는 상기 상부 기판 홀더(220)에 고정된 채 중심부가 상부 몸체(210)로부터 이격되어 하부기판(LW)을 향하여 돌출하는 오목 곡면(concave curve, CC2)으로 변형되어 하부기판(LW)의 중심부(LC)와 접착한다.
예를 들면, 상기 접합 개시기(300)는 전동모터나 유압 실린더와 같은 외부 구동부(미도시)에 의해 구동되는 실린더형 접합 로드로 구성될 수 있다.
상부기판(UW)의 중심부가 하부기판(LW)의 중심부(LC)와 접촉하는 순간, 상부기판(UW) 단부는 여전히 상부 척(200)에 고정되어 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 주변부는 볼록 곡면(CC1) 및 오목 곡면(CC2)을 이루면서 서로 이격된다. 이에 따라, 상기 상부기판과 하부기판의 주변부에는 하부기판의 중심으로부터 주변부로 갈수록 사이즈가 증가하는 기판간 이격공간(IWS)이 형성된다.
상부기판(UW)의 단부가 상부 척(200)으로부터 분리되면 변형된 상부기판(UW)의 탄성 복원력에 원래의 형상으로 복원되면서 하부기판(LW)의 주변부(LP)와 접합하게 된다. 이때, 상부기판(UW)의 주변부의 하부기판(LW) 주변부(LP)에 대한 접합속도는 접착속도 제어기(400)에 의해 제어되어 상기 상부기판(UW)의 탄성복원에 필요한 시간을 충분히 확보할 수 있다. 이에 따라, 상부기판(UW)은 변형되기 전의 형상으로 충분히 복원된 후 하부기판(LW)과 접합하므로 접합공정이 개시되기 전의 정렬조건을 충분히 만족하게 된다. 이에 따라, 상부기판(UW)과 하부기판(LW)을 충분한 정렬 정밀도를 갖도록 접합할 수 있다.
상부기판(UW) 주변부는 하중에 의해 하부기판(LW)을 향하여 하강하게 되므로, 상기 기판간 이격 공간(IWS)의 구성에 의해 상부기판(UW)의 접합속도를 제어할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 기판간 이격 공간(IWS)으로 충진가스(G)를 공급하여 충분한 밀도를 갖는 충진가스(G)로 충진한다. 이에 따라, 하강하는 상부기판(UW)의 주변부에 대한 저항을 형성하여 접합속도를 낮출 수 있다. 즉, 상부기판(UW)의 단부가 상부 척(200)으로부터 분리되어 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 주변부가 접합하기까지 소요되는 시간인 접합시간을 증가시킴으로써 변형된 상부기판(UW)이 충분히 탄성 복원될 수 있도록 한다.
본 실시예의 경우, 상기 접착속도 제어기(400)는 상기 기판간 이격공간(IWS)으로 충진가스(G)를 직접 분사하는 가스 인젝터(410)를 포함한다.
상기 가스 인젝터(410)는 접합 챔버(미도시)의 천정과 같은 고정부에 연결된 고정 와이어(미도시)를 통하여 연결되고 상기 기판간 이격공간(IWS)의 측부에 위치하도록 정렬될 수 있다.
도 4는 상부기판 및 하부기판 주변부 사이의 이격공간으로 충진가스를 공급하는 가스 인젝터의 배치상태를 나타내는 도면이다.
상기 기판간 이격공간(IWS)는 주위와 연통하는 개방공간으로 형성되고 가스 인젝터(410)는 기판간 이격공간(IWS)을 향하도록 상기 상부 척(200) 및 상기 하부 척(100)으로부터 이격되어 배치된다.
예를 들면, 다수의 가스 인젝터(410)가 상부 척(200) 및 하부 척(100)을 둘러싸는 원주를 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 90도 간격으로 배치되는 4개의 가스 인젝터(410)를 개시하고 있지만, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
이에 따라, 상기 기판간 이격공간(IWS)으로 짧은 시간에 충진가스(G)를 공급함으로써 상부기판과 하부기판의 주변부 사이에 일정한 압력을 갖는 가스층을 형성할 수 있다. 상기 가스층은 상부기판(UW)의 주변부 표면에 대하여 표면저항을 생성하여 하강 속도를 늦추게 된다.
이때, 상기 충진 가스(G)는 상기 기판간 이격공간(IWS)을 약 0.5기압 내지 1.5기압으로 설정할 수 있도록 공급량이 조절된다. 상기 기판간 이격공간(IWS)이 진공으로 형성되는 경우 상부기판(UW)의 하강속도가 너무 빨라 상부기판(UW)의 탄성복원이 충분히 이루어지기 전에 하부기판(LW)과 접착하여 정렬불량의 문제가 발생할 수 있고, 상기 기판간 이격공간(IWS)의 내부압력이 너무 큰 경우 접합속도 지연으로 기판 접합공정의 공정효율이 저해될 수 있다. 기판 접합공정의 공정효율을 저해하지 않으면서 정렬불량을 방지하기 위한 상부기판(UW)의 탄성복원에 필요한 시간을 확보할 수 있도록 상기 기판간 이격공간(IWS)의 내부압력을 대기압 부근의 압력으로 설정한다. 이에 따라, 상기 충진가스를 0.5기압 내지 1.5기압의 압력을 갖도록 설정한다.
그러나, 상기 충진가스의 압력은 탄성복원 시간을 확보하기 위한 상부기판(UW)에 대한 표면저항 생성이 목적이므로 상부기판의 표면구조와 상부기판 전체의 형상에 따라 다양하게 설정될 수 있음은 자명하다.
상기 충진가스는 공정이 완료된 기판이나 베어 기판 사이의 이격공간(IWS)으로 공급되므로 상부기판IUW) 또는 하부기판(LW)과의 반응성이 억제되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 헬륨(He)과 같은 비활성 가스나 실리콘 웨이퍼와 반응하여 절연막을 형성할 수 있는 산소(O2) 가스를 충진가스(G)로 이용할 수 있다.
특히, 상기 기판간 이격공간(IWS)은 상부기판(UW) 또는 하부기판(LW)의 중심으로부터 주변부로 진행할수록 사이즈가 확장하는 형상이므로, 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 직접 접촉에 의한 접합공정이 진행되면서 접합 경계면 사이에서 압축된 공기가 기판간 이격공간(IWS)의 주변부로 빠지면서 단열팽창하게 된다. 이에 따라, 단열팽창에 따른 온도하강에 의해 공기 중의 수분이 응축하여 기포가 발생할 수 있다. 상기 기포는 상부기판(UW) 및 하부기판(LW) 사이에 위치하여 접합 불량으로 기능한다.
상기 충진가스(G)의 줄-톰슨(Joule-Thomson) 계수가 음수(-)인 경우, 충진가스는 기판간 이격공간(IWS)에서 단열팽창에 의해 온도가 상승하게 되므로 압축공기의 단열팽창으로 인한 수분 응축을 방지할 수 있다. 예를 들면, 상기 충진가스(G)를 줄 톰슨 계수가 음수이고 불활성 가스인 헬륨가스를 이용하는 경우 기포를 방지하면서 상부기판(UW)의 접합속도도 늦추어 탄성복원을 보장할 수 있다. 이에 따라, 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 직접 접합공정에서 기포생성과 정렬불량을 동시에 방지할 수 있다.
도 5는 도 2a에 도시된 하부척의 변형례를 나타내는 단면도이며, 도 6은 도 3에 도시된 상부척의 변형례를 나타내는 단면도이다. 도 5 및 도 6에서, 충진가스를 공급하기 위한 가스 공급 홀이 배치된 것을 제외하면 도 2a 및 도 3에 도시된 하부 척 및 상부 척과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 하부기판(LW)은 에지부를 관통하는 하부 가스 공급 홀(LSH)을 더 구비하고 상부기판(UW)은 에지부를 관통하는 상부 가스 공급 홀(USH)을 더 구비할 수 있다.
이때, 상기 가스 인젝터(410)는 상부기판(UW)의 상면 및 하부기판(LW)의 배면에 고정될 수 있다. 이에 따라, 가스 인젝터(410)를 고정하기 위한 별도의 고정수단 없이 상부기판(UW) 및 하부기판(LW)에 조립할 수 있다.
접합공정이 개시되면, 가스 인젝터(410)는 유연성 공급라인에 의해 가스 저장부(미도시)로부터 충진가스를 공급받고 상기 상부 공급 홀(USH) 및 하부 공급 홀(LSH)을 통하여 기판간 이격공간(IWS)으로 충진가스를 공급할 수 있다.
특히, 하부 척(100)과 상부 척(200)의 둘레를 따라 배치되어 기판간 이격공간(IWS)으로 충진가스를 직접 분사하는 경우, 하부 척(100)과 상부 척(200)의 이격거리가 상대적으로 충분하지 않으므로 가스 인젝터(410)와 기판간 이격공간(IWS)을 정확하게 정렬되지 않아 충진가스(G)의 이격공간(IWS)으로의 분사효율이 낮을 수 있다.
그러나, 하부 공급 홀(LSH) 및 상부 공급 홀(USH)을 통하여 분사하는 경우에는 충지가스(G)가 기판간 이격공간(IWS)으로 정확히 분사되므로 분사효율을 현저하게 높일 수 있다.
본 실시예에서는 상부 척(200)과 하부 척(100)에 각각 공급 홀이 배치된 것을 개시하고 있지만, 이는 예시적인 것이며 필요에 따라 상부 척(200) 또는 하부 척(100)에만 공급 홀을 배치할 수도 있다.
도 7은 도 2a에 도시된 하부척의 다른 변형례를 나타내는 단면도이며, 도 8은 도 3에 도시된 상부척의 다른 변형례를 나타내는 단면도이다. 도 7및 도 8에서, 기판간 이격공간(IWS)을 밀폐하기 위한 구조물인 차폐벽과 차폐 리세스가 배치된 것을 제외하면 도 2a 및 도 3에 도시된 하부 척 및 상부 척과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 하부 척(100)의 에지부 상면(114)에는 상기 기판간 이격공간(IWS)을 주변부로부터 분리하기 위한 차폐벽(490)이 더 배치되고 상기 상부 척(200)의 에지부 하면에는 차폐벽(490)에 대응하는 리세스(R)가 제공된다.
이에 따라, 상기 하부 척(100)과 상부 척(200)의 정렬이 완료되면, 하부 척(100) 및 상부 척(200)의 중의 어느 하나를 이동시켜 차폐벽(490)을 리세스(R)에 결합시킨다. 따라서, 하부 척(100)과 상부 척(200) 사이의 이격공간은 모두 차폐벽(490)에 의해 둘러싸이고 외부로부터 분리된다. 상기 리세스(R)는 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 중심부가 접합할 때까지 차폐벽(500)을 수용할 수 있는 깊이(d)를 갖는다.
이때, 상기 차폐벽(490)은 가스 인젝터(410)와 연결되는 개구(미도시)를 더 포함하여 기판간 이격공간(IWS)의 둘레를 따라 배치된 가스 인젝터(410)로부터 밀폐된 이격공간(IWS)으로 충진가스를 분사할 수 있다.
특히, 상기 가스 인젝터(410)가 하부 척(100) 및/또는 상부 척(200)을 관통하는 공급 홀(USH,LSH)과 연결되도록 구성된 경우, 차페벽(490)에 의해 밀폐된 이격공간(IWS)으로 충진가스를 신속하게 공급함으로써 빠른 시간에 설정된 압력에 도달할 수 있다. 이에 따라, 충진가스 주입 효율을 현저하게 높일 수 있다.
상술한 바와 같은 기판 접합 장치(500)에 의하면, 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 기판간 이격공간(IWS)으로 충진가스를 주입하여 이격공간(IWS)의 내부를 일정한 압력으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 상부기판(UW)이 하강하는 동안 표면저항을 생성할 수 있는 가스층을 생성하여 상부기판(UW)의 하강속도를 낮출 수 있다. 이에 따라, 상부 척(200)으로부터 분리된 상부기판(UW)이 충분히 탄성 복원된 후에 하부기판(LW)으로 접합함으로써 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 정렬불량을 방지할 수 있다.
또한, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 계수가 음수(-)인 불활성 가스를 충진가스로 이용함으로써 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 접합계면에서 기포발생을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 직접 접합공정에서 기포불량과 정렬불량을 동시에 방지할 수 있다.
이하, 상술한 바와 같은 기판 접합 장치를 구비하는 기판 접합 설비에 대해 상술한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1 내지 도 8에 도시된 기판 접합 장치를 구비하는 기판 접합 설비를 나타내는 구성도이다. 본 실시예에 의한 기판 접합 설비(1000)는 도 1 내지 도 8에 도시된 기판 접합 장치를 접합 장치(950)로 이용한다. 이에 따라, 도 9의 접합 장치(950)는 도 1 내지 도 8에 도시된 기판 접합 장치(500)와 실질적으로 동일한 구성요소를 갖는다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 기판 접합 설비(1000)는 접합 대상 기판(W)을 로딩하거나 언로딩하는 로드 포트(600), 상기 기판(W)을 서로 접합하는 접합유닛(900), 상기 로드 포트(600) 및 접합유닛(900)과 서로 연결되어 로드포트(600)로부터 접합유닛(900)으로 접합대상 기판(W)을 공급하고 접합공정에 의해 형성된 접합기판(도 xx의 BW)을 상기 로드 포트(600)로 반출하는 이송유닛(700)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 기판(W)을 접합유닛(900)으로 공급하기 전에 필요에 따라 접속대상 기판(W)을 가공하는 가공유닛(800)을 더 구비할 수 있다.
일실시예로서, 상기 로드 포트(600)는 이송유닛(700)의 일측에 구비되어, 접합대상 기판(W)이 적재된 기판 이송수단(미도시)이 고정된다. 예를 들면, 다수의 접합 대상 기판(W)이 적재된 웨이퍼 카세트가 상기 로드 포트(600)에 고정될 수 있다. 로드 포트(100)에 웨이퍼 카세트가 고정되면, 이송유닛(700)에 구비된 이송 암(720)은 이미 설정된 접합공정 레서피에 따라 접합 대상 기판(W)을 개별적으로 추출하여 상기 접합유닛(900)이나 가공유닛(800)으로 공급한다.
예를 들면, 상기 기판(W)은 일련의 반도체 소자 제조공정이 수행된 제1 기판(W1) 및 반도체 소자 제조공정이 수행되지 않은 제2 기판(W2)을 포함할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 의한 접합대상 기판을 나타내는 단면도들이다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 기판(W1)은 제1 몸체(10), 일련의 반도체 제조공정에 의해 상기 제 1몸체(10) 상에 형성되는 집적회로 소자 및 배선 구조물을 포함하는 도전성 구조물(20) 및 상기 도전헝 구조물(20)을 덮는 보호막(30)을 포함한다. 예를 들면, 상기 제1 기판(W1)은 반도체 제조공정에 의해 집적회로 소자가 형성된 가공 웨이퍼로 구성될 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 기판(W2)은 제2 몸체(40)만으로 구성된 베어 웨이퍼를 포함할 수 있다. 제2 기판(W2)은 접합유닛(900)으로 이송되기 전 상기 가공유닛(800)에서 가공되어 표면 보호막(50)을 더 형성할 수 있다. 따라서, 제2 기판(W2)은 제2 몸체(40)와 표면 보호막(50)을 구비하는 베어 웨이퍼로 구성될 수 있다.
상기 이송유닛(700)은 측부에 상기 로드 포트(600), 가공유닛(800) 및 접합유닛(900)이 배치되고 내부에 일정한 크기의 이송공간(S)을 갖는 이송챔버(710)와 상기 이송 공간(S)에 배치되어 로드 포트(600)와 가공유닛(800) 및 접합유닛(900) 사이에 상기 기판(W)을 공급하는 이송 암(720)을 구비한다.
이송챔버(710)는 주변으로부터 이송 공간(TS)이 분리되는 밀폐형 입체형상을 갖고 외부충격이나 외란으로부터 이송 공간(TS)으로 추출된 접합대상 기판(W)의 오염을 방지할 수 있도록 충분한 강도와 강성을 갖는 강체(solid body)로 구성된다. 이송 암(720)은 이송챔버(710)의 바닥에 고정되어 이송공간(TS)에서 회전 운동할 수 있는 로봇 암으로 구성될 수 있다.
상기 가공유닛(800)은 접합유닛(900)에서의 접합공정을 수행하기 전에 필요에 따라 가공대상 기판(W)을 가공할 수 있다. 예를 들면, 상기 가공유닛(800)은 기판을 세정할 수 있는 세정부(810)와 상기 기판에 대해 플라즈마 처리를 수행할 수 있는 플라즈마 처리부(820)를 포함할 수 있다.
일실시예로서, 상기 제2 기판(W2)을 접합유닛(900)으로 공급하기 전에 플라즈마 처리부(820)에서 플라즈마 공정을 수행하여 상기 표면 보호막(50)을 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 기판(W1,W2)을 접합유닛(900)으로 공급하기 전에 세정부(810)를 통하여 표면 세정을 수행함으로써 접합공정에서 표면 오염물에 의한 표면 불량을 줄일 수 있다.
상기 접합유닛(900)은 이송유닛(700)을 통하여 로드 포터(600)로부터 공급된 공급대상 기판(W)을 설정된 정밀도로 정렬한 후 접합하여 접합기판(BW)을 형성한다.
예를 들면, 상기 접합유닛(900)은 이송챔버(710)와 연결되어 이송공간(TS)과 연통하는 접합공간(BS)을 구비하는 접합챔버(910), 접합대상 기판(W)이나 접합기판(BW)이 고정된 척 구조물을 지지하는 기저 평판(base plate, 920) 및 상기 기저평판(920) 상에 배치되어 일방향을 따라 연장하는 이송 레일(930) 및 상기 이송레일(930)에 결합된 접합 버퍼(940) 및 접합 장치(950)를 구비한다.
예를 들면,상기 접합챔버(910)는 이송챔버(710)와 일체로 형성되는 강재 구조물을 포함하며, 기판 접합을 위한 다양한 장치들을 구비할 수 있다. 특히, 접합 공간(BS)은 이송 공간(TS)과 연통하도록 구성되어 접합대상 기판(W)이 이송 암(720)을 통하여 접합 공간(BS)으로 공급될 수 있으며, 접합이 완료된 접합기판(BW)이 이송공간(TS)을 통하여 로드 포터(600)의 웨이퍼 카세트로 수납될 수 있다.
기저 평판(920)은 접합챔버(910)의 바닥부 및 상부에 설치되는 평판 구조물로서 표면에 이송레일(930)이 배치된다. 기저 평판(920)은 상부 척과 하부 척의 이송에 따른 진동을 흡수하고 이송 안정성을 높일 수 있는 강재 구조물로 구성되고, 이송 레일(930)은 기저 평판(920)의 표면에 설치된 한 쌍의 이송라인으로 구성될 수 있다.
상기 이송레일(930)을 포함하도록 구분되는 접합 공간(BS)의 일부 영역에는 접합대상 기판(W)을 상부 척 및 하부 척에 일정한 정렬규칙에 따라 고정하며 접합이 완료된 접합 기판(BS)을 로드 포트(600)로 이송하기 위해 대기시키는 접합 버퍼(940)가 배치되고 또 다른 일부 영역에는 기판이 고정된 상부 척 및 하부 척을 구동하여 접합대상 기판을 서로 접합하는 접합 장치(950)가 배치된다.
접합 버퍼(940) 및 접합 장치(950)는 상기 이송레일(930)에 의해 서로 연결되어 접합 버퍼(940)를 통하여 동일한 정렬기준에 따라 기판이 정렬된 상부 척 및 하부 척이 이송 레일(930)을 따라 접합 장치(950)로 각각 이송된다.
접합버퍼(940)는 이송 암(720)에 의해 이송된 접합대상 기판(W)을 각각 상부 척 및 하부 척에 개별적으로 고정한다. 로드 포트(100)로부터 추출되어 상부 척(200)에 고정되는 기판(W)을 상부기판(UW)이라 하고 하부 척(100)에 고정되는 기판을 하부기판(LW)이라 한다. 따라서, 상부기판(UW) 또는 하부기판(LW)은 각각 가공 웨이퍼와 같은 제1 기판(W1) 또는 베어 웨이퍼와 같은 제2 기판(W2)일 수 있다.
본 실시예의 경우, 가공 웨이퍼는 하부기판(LW)으로 제공되고 베어 웨이퍼는 상부기판(UW)으로 제공하는 것을 예시적으로 개시하고 있지만, 이는 예시적인 것이며 반드시 이에 한정하는 것이 아님은 자명하다. 이때, 기판(W)은 상부 척(200)과 하부 척(100)에서 동일한 정렬기준에 따라 정렬되어 상부기판(UW)과 하부기판(LW)은 척 중심만 일치하면 상기 챔버 공간(BS) 내에서 서로 겹쳐질 수 있도록 설정된다. 따라서, 상부기판(UW) 및 하부기판(LW)이 상기 접합 공간(BS) 내에서 서로 대칭적으로 배치될 수 있다.
도 11a 및 11b는 도 9에 도시된 접합영역에서 기판을 고정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 11a를 참조하면, 상기 이송 암(720)에 접합 버퍼(940)로 전송된 기판(W)은 하부 척(100) 및 상부 척(200)을 관통하여 배치되는 하부 기판 리프트(LWL) 및 상부 기판 리프트(UWL)에 각각 개별적으로 로딩된다.
전송된 기판(W)이 하부 기판 리프트(LWL)에 안착되면, 하부 기판 리프트(LWL)는 리프팅 홀(LH)을 통하여 하강하여 기판(W)과 서포터 핀(120)들이 접촉시킨다. 이후, 상기 하부 기판 홀더(130)를 통하여 기판(W)을 흡착하면 서포터 핀(120)의 상부 프로파일을 따라 곡면형상으로 변형되는 하부기판(LW)으로 하부 척(100)에 고정된다.
마찬가지로, 전송된 기판(W)이 상부 기판 리프트(UWL)에 안착되면, 상부 기판 리프트(UWL)는 리프팅 홀(LH)을 통하여 상승하여 기판(W)과 상부 몸체(210)의 표면을 접촉시킨다. 이후, 상기 상부 기판 홀더(220)를 통하여 기판(W)을 흡착하면 상부 몸체(210)의 표면에 평면 형상으로 고정되는 상부기판(UW)이 형성된다.
상기 접합 버퍼(940)에서 상부기판(UW)이 고정된 상부 척(200) 및 하부기판(LW)이 고정된 하부 척(100)이 완성되면, 상기 상부 척(200) 및 하부 척(100)은 각각 이송레일(930)을 따라 접합 장치(950)로 이송된다. 상부기판(UW) 및 하부기판(LW)은 접합 장치(950)에서 서로 접합되어 접합기판(BW)으로 형성된다.
상기 접합 장치(950)는 도 1 내지 도8을 이용하여 설명한 기판 접합장치(500)와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로, 접합 장치(950)에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략하고, 추가적인 설명이 필요한 구성요소에 대해서만 선택적으로 설명한다.
특히, 상기 접합속도 제어기(400)는 접합 챔버(910)의 상부에 배치된 기저 평판(920)으로부터 연장된 고정 와이어(미도시)에 고정되어 기판간 이격공간(IWS)을 향하여 접합 공간(BS) 상에 배치되는 다수의 가스 분사기(410)로 구성된다. 이에 따라, 상기 충진가스(G)는 상기 하부 척(100) 및 상기 상부 척(200)의 외부로부터 상기 기판간 이격공간(IWS)으로 직접 분사된다.
이와 달리, 상기 가스 인젝터(410)는 상기 하부 척(100) 및/또는 상기 상부 척(200)을 관통하는 가그 송급 홀(JSH, USH)과 연결되도록 구성되어 상기 충진가스(G)는 상기 하부 척(100) 및 상부 척(200)을 관통하여 상기 기판간 이격공간(IWS)으로 공급된다.
이때, 상기 충진가스(G)는 공정이 완료된 기판이나 베어 기판 사이의 이격공간(IWS)으로 공급되므로 상부기판IUW) 또는 하부기판(LW)과의 반응성이 억제되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 헬륨(He)과 같은 비활성 가스나 실리콘 웨이퍼와 반응하여 절연막을 형성할 수 있는 산소(O2) 가스를 충진가스(G)로 이용할 수 있다. 특히, 접합경계면으로부터 빠져나온 압축공기의 단열팽창에 의한 응축을 방지하도록 줄-톰슨 계수가 음수(-)인 헬륨을 충진가스(G)로 이용함으로써 기포불량도 동시에 줄일 수 있다.
선택적으로, 상기 기판간 이격공간(IWS)을 둘러싸서 상기 접합공간(BS)과 분리되는 밀폐공간으로 형성하는 차폐벽(490)이 하부기판(100) 및 상부기판(200) 사이에 더 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 충진가스(G)는 상기 하부 척(100), 상부 척(200) 및 상기 차폐벽(490)으로 한정되는 밀폐공간으로 분사된다. 이에 따라, 기판간 이격공간(IWS)에 대한 충진가스의 충진 효율을 높일 수 있다.
이에 따라, 줄 톰슨 계수가 음수인 불활성 가스를 기판간 이격공간(IWS)으로 주입하여 상부기판(UW)의 하강속도를 제어함으로써 상부기판(UW)이 충분히 탄성복원 된 후 하부기판(LW)과 접합할 수 있다. 이에 따라, 접합계면에서의 기포발생을 줄이고 상부기판 과 하부기판 사이의 정렬불량을 방지할 수 있다.
이하, 도 9에 도시된 기판 접합 설비(1000)를 이용하여 기판을 접합하는 방법을 상세히 설명한다. 이하에서 도 9에 도시된 기판 접합 설비와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용한다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 도 9에 도시된 기판 접합 설비를 이용하여 기판을 접합하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 13a 내지는 도 13d는 도 12에 도시된 흐름도의 각 단계에 대응하는 공정 단면도들이다.
도 12 및 도 13a를 참조하면, 먼저 상부기판IUW)이 고정된 상부 척(200)과 하부기판(LW)이 고정된 하부 척(100)을 본딩 챔버(910)로 전송하고 서로 정렬한다 (단계 S100).
예를 들면, 하부기판(LW)이 고정된 하부 척(100)을 접합 장치(950)의 바닥부에 탑재하고 상부기판(UW)이 고정된 상부 척(200)을 접합 장치(950)의 지붕부에 탑재한 후, 상기 상부 척(200)과 하부 척(100)의 위치를 조정하여 서로의 중심을 일치시킨다.
상기 접합 영역(940)에서 상부 척(200)과 하부 척(100)에는 서로 동일한 정렬기준에 따라 기판을 고정하므로, 상부 척(200)과 상부기판(UW) 및 하부 척(100)과 하부기판(LW)은 동일한 정렬기준에 따라 고정된다. 따라서, 상부 척(200)과 하부 척(100)의 중심을 서로 일치시키면 상부기판(UW)과 하부기판(LW)은 서로 대칭적인 일대일 대응이 되도록 맵핑된다. 본 실시예의 경우, 상기 하부기판(LW)은 서로 다른 높이를 갖는 서포터 핀(120)에 의해 지지되어 서포터 핀(120)의 상부 프로파일을 따라 위로 볼록한 볼록 곡면(CC1) 형상으로 하부 척(100)에 고정된다.
이때, 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 이격거리를 조절하기 위해 상부 척(200)을 하강시키거나 하부 척(100)을 상승시킬 수 있다. 이에 따라, 직접 접합공정의 공정 레시퍼에 설정된 기판간 이격거리로 설정한다. 이에 따라, 상기 기판간 이격공간(IWS)의 사이즈가 결정된다.
도 12 및 도 13b를 참조하면, 단부는 상기 상부 척(200)에 고정되고 중심부(UC)는 상기 상부 척(200)으로부터 이격되어 아래로 볼록한 곡면(CC2) 형상이 되도록 상기 상부기판(UW)을 가압하여 상기 하부기판(LW)의 중심부(LC)와 접합시킨다.
예를 들면, 상기 접합 장치(950)의 상부 기저평판(920)에 고정된 접합 개시기(300)를 하방으로 이동시켜 상부 척(200)의 관통 홀(PH)로 삽입시킨다. 상기 접합 개시기(300)는 하면이 상부 몸체(210) 보다 낮은 정지위치까지 하방으로 선형 이동한다.
이에 따라, 상부 몸체(210)의 배면과 접촉하여 평탄하게 고정된 상부기판(UW)은 단부는 상기 상부 기판 홀더(220)에 고정된 채 중심부는 상부 몸체(210)로부터 이격되어 아랫방향으로 오목하게 변형되어 오목곡면(CC2) 형상으로 변형된다.
하부 척(100)에 고정된 하부기판(LW)은 위로 볼록한 볼록 곡면(CC1)형상을 가지므로, 상부기판(UW)의 중심부(UC)와 하부기판(LW)의 중심부(LC)에서 가장 먼저 기판 접착이 이루어진다.
도 12 및 도 13c를 참조하면, 상기 상부기판(UW)의 주변부(UP)와 상기 하부기판(LW)의 주변부(LP) 사이의 기판간 이격공간(IWS)을 매립하는 충진가스를 공급한다(단계 S300).
상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 중심부가 접촉하는 순간, 상기 접합 개시기(300)의 작도을 정지하고, 접합공간(BS) 상에서 상기 기판간 이격공간(IWS)와 인접하게 위치한 가스 인젝터(410)로부터 충진가스를 직접 분사하여 기판간 이격공간(IWS)의 내부가 설정압력이 되도록 충진한다.
예를 들면, 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 헬륨(He)과 같은 비활성 가스나 실리콘 웨이퍼와 반응하여 절연막을 형성할 수 있는 산소(O2) 가스를 기판간 이격공간(IWS)으로 직접 분사할 수 있다.
특히, 상기 충진가스(G)를 줄-톰슨 계수가 음수(-)인 헬륨으로 이용함으로써 접합과정에서 발생한 압축공기의 단열팽창으로 인한 주변온도 하강을 방지할 수 있다. 이에 다라, 압축공기에 포함된 수분의 응축으로 인한 기포발생을 억제할 수 있다.
이와 달리, 상기 충진가스(G)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상부 척(200) 및/또는 하부 척(100)을 관통하는 가스 공급 홀(USH,LSH)을 통하여 주입할 수도 있다. 이때, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 상부 척(200)과 하부 척(100) 사이에 차폐벽(490)을 배치하여 충진가스(G)의 충진효율을 높일 수 있다.
도 12 및 도 13d를 참조하면, 상기 상부 척(200)으로부터 분리된 상기 상부기판(UW)의 주변부(UP)가 탄성복원 되어 상기 하부기판(LW)의 주변부(LP)와 접합하여 접합기판(BW)을 형성한다(단계 S400).
예를 들면, 상기 기판간 이격공간(IWS)의 압력이 설정압력에 도달하면, 상부 기판 홀더(220)의 작동을 정지하고 동시에 접합 개시기(300)를 상방으로 이동시킨다.
이에 따라, 상부기판(UW)의 단부는 상부 척(200)으로 분리되면서 스스로의 하중에 의해 하부기판(LW)을 향하여 하강하게 된다. 이때, 기판간 이격공간(IWS)을 충진하는 충진가스(G)에 의해 상부기판(UW)의 표면에 저항이 작용하여 설정된 접합속도로 하강하게 된다.
상기 접합속도는 상부 기판 홀더(220)와 접합 개시기(300)에 의해 오목곡선(CC2) 형상으로 변형된 상부기판(UW)이 원래의 형상으로 탄성복원하기에 충분한 시간을 허용할 수 있는 속도로 설정된다.
즉, 상부기판(UW)의 단부가 상부 척(200)으로부터 분리되어 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 주변부가 접합하기까지 소요되는 시간인 접합시간을 증가시킴으로써 변형된 상부기판(UW)이 충분히 탄성 복원될 수 있도록 한다.
상부기판(UW)과 하부기판(LW)이 접합을 완료하게 되면, 가스 인젝터(410)로부터 충진가스 공급을 정지하고 상부 척(200)을 상승시켜 하부 척(100)으로부터 분리한다. 이후, 상기 하부 척(100)으로부터 접합기판(BW)을 제거하여 열처리와 같은 추가공정을 선택적으로 수행하여 기판의 접합력을 높일 수 있다.
본 실시예에서는 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 중앙부(UC,LC) 접합 이후에 충진가스를 공급하는 것을 개시하고 있지만, 충진가스의 공급시기는 선택적이다.
예를 들면, 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 이격거리 조정이 완료되고 기판간 이격공간(IWS)의 사이즈가 특정되면 충진가스를 주입하여 상기 충진가스로 충진 상태에서 중앙부(UC, LC) 및 주변부(UP,LP)를 접합할 수도 있다.
따라서, 충진가스에 의해 상부기판(UW)의 접합속도를 적절하게 조절하여 상부기판의 탄성복원을 충분히 보장한 상태에서 하부기판과의 접합을 수행한다. 이에 따라, 상부기판과 하부기판의 정렬불량을 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 줄-톰슨 계수가 음수인 가스를 충진가스로 이용함으로써 직접 접합과정에서 발생하는 기포생성을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같은 기판 접합 장치 및 이를 이용한 기판 접합 방법에 의하면, 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 기판간 이격공간(IWS)으로 충진가스를 주입하여 이격공간(IWS)의 내부를 일정한 압력으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 상부기판(UW)이 하강하는 동안 표면저항을 생성할 수 있는 가스층을 생성하여 상부기판(UW)의 하강속도를 낮출 수 있다. 이에 따라, 상부 척(200)으로부터 분리된 상부기판(UW)이 충분히 탄성 복원된 후에 하부기판(LW)으로 접합함으로써 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 정렬불량을 방지할 수 있다. 또한, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 계수가 음수(-)인 불활성 가스를 충진가스로 이용함으로써 상부기판(UW)과 하부기판(LW) 사이의 접합계면에서 기포발생을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상부기판(UW)과 하부기판(LW)의 직접 접합공정에서 기포발생을 억제하고 정렬불량을 낮출 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 하부기판을 고정하는 하부 척;
    상부기판을 고정하는 상부 척;
    상기 상부기판의 중앙부를 가압하여 상기 상부기판의 중앙부와 상기 하부기판의 중앙부를 접착시키는 접합 개시기(bonding initiator);
    상기 상부기판의 주변부가 상기 상부 척으로부터 분리되어 상기 하부기판의 주변부와 접착하는 접합속도를 제어하여 상기 상부기판의 탄성복원 후 상기 상부기판의 주변부와 상기 하부기판의 주변부를 접착시키고, 상기 상부기판의 주변부와 상기 하부기판의 주변부 사이의 공간인 기판간 이격공간을 충진하도록 충진가스를 공급하는 가스 인젝터를 구비하는 접합속도 제어기;
    상기 하부 척 및 상기 상부 척 중 어느 하나의 에지부에 구비되며 상기 기판간 이격공간을 둘러싸서 밀폐공간으로 형성하기 위한 차폐벽; 및
    상기 하부 척 및 상기 상부 척 중 다른 하나의 에지부에 구비되며 상기 차폐벽에 대응하는 리세스를 포함하고,
    상기 상부기판은 상기 접합 개시기에 의해 상기 하부기판을 향하도록 아래로 볼록한 곡면형상으로 상기 하부기판의 중심부에 접촉되어, 상기 상부기판 주변부와 상기 하부기판의 주변부 사이의 공간인 기판간 이격공간이 상기 하부기판의 중심부로부터 주변부를 향하여 확장할 때, 상기 가스 인젝터는 상기 상부 척, 상기 하부 척 및 상기 차폐벽으로 한정되는 상기 밀폐된 기판간 이격공간을 향하도록 상기 충진가스를 분사하고,
    상기 리세스는 상기 상부기판과 상기 하부기판의 중심부가 접합할 때까지 상기 차폐벽을 수용할 수 있는 깊이를 갖는 기판 접합 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 충진 가스에 의해 상기 기판간 이격공간은 0.5기압 내지 1.5기압으로 유지되는 기판 접합 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충진가스는 아르곤(Ar), 산소(O2), 질소(N2) 및 헬륨(He) 및 이들의 합성물 중의 어느 하나를 포함하는 기판 접합 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 충진 가스는 불활성 가스를 포함하는 기판 접합 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하부기판은 상기 상부기판을 향하도록 위로 볼록한 곡면형상을 갖도록 상기 하부 척에 고정되는 기판 접합 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하부 척은 하부 몸체, 상기 하부 몸체의 주변부로부터 중앙부를 향하여 높아지도록 상기 하부 몸체로부터 돌출하는 다수의 서포터 핀 및 상기 하부 몸체를 관통하여 상기 하부기판을 상기 서포터 핀에 고정하는 하부 기판 홀더를 구비하고;
    상기 상부 척은 중앙부에 상기 접합 개시기가 관통하는 관통 홀을 구비하는 상부 몸체 및 상기 상부 몸체를 관통하여 상기 상부기판의 주변부를 고정하는 상부 기판 홀더를 구비하는 기판 접합 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 가스 인젝터는 상기 상부 척 및 상기 하부 척 중의 적어도 하나를 관통하도록 배치되어, 상기 충진가스는 상기 상부 척 및 상기 하부 척 중의 어느 하나를 관통하여 상기 기판간 이격공간으로 분사되는 기판 접합 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 상부 척 및 상기 하부 척 중의 적어도 하나는 상기 상부 몸체 및 상기 하부 몸체 중의 적어도 하나의 주변부를 관통하고 상기 가스 인젝터와 연결되는 적어도 하나의 가스 공급 홀을 구비하고, 상기 가스 인젝터는 상기 가스 공급 홀과 연결되는 기판 접합 장치.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서, 상기 차폐벽은 상기 상부 몸체의 배면 주변부와 상기 하부 몸체의 상면 주변부에 연결되어 상기 상부기판 및 하부기판을 둘러싸도록 배치되는 기판 접합 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 하부 기판 홀더 및 상기 상부 기판 홀더는 상기 하부몸체 및 상기 상부몸체를 관통하는 하부 공동 라인 및 상부 공동 라인으로 각각 진공압을 인가하여 상기 상부기판 및 상기 하부기판을 흡착하는 진공 흡착기를 포함하는 기판 접합 장치.
  14. 한 쌍의 접합 대상 기판을 동일한 정렬상태를 갖도록 개별적으로 척에 고정하여 상부기판이 고정된 상부 척 및 하부기판이 고정된 하부 척을 형성하는 접합 버퍼; 및
    상기 접합 버퍼로부터 전송된 상기 상부 척과 상기 하부 척을 동일한 중심위치를 갖도록 정렬하고 상기 상부기판과 상기 하부기판을 접합하여 접합기판을 생성하는 접합 장치를 포함하고,
    상기 접합 장치는,
    상기 상부기판의 중앙부를 가압하여 상기 상부기판의 중앙부와 상기 하부기판의 중앙부를 접착시키는 접합 개시기(bonding initiator);
    상기 상부기판의 주변부가 상기 상부 척으로부터 분리되어 상기 하부기판의 주변부와 접착하는 접합속도를 제어하여 상기 상부기판의 탄성복원 후 상기 상부기판의 주변부와 상기 하부기판의 주변부를 접착시키고, 상기 상부기판의 주변부와 상기 하부기판의 주변부 사이의 공간인 기판간 이격공간을 충진하도록 충진가스를 공급하는 가스 인젝터를 구비하는 접합속도 제어기;
    상기 하부 척 및 상기 상부 척 중 어느 하나의 에지부에 구비되며 상기 기판간 이격공간을 둘러싸서 밀폐공간으로 형성하기 위한 차폐벽; 및
    상기 하부 척 및 상기 상부 척 중 다른 하나의 에지부에 구비되며 상기 차폐벽에 대응하는 리세스를 포함하고,
    상기 리세스는 상기 상부기판과 상기 하부기판의 중심부가 접합할 때까지 상기 차폐벽을 수용할 수 있는 깊이를 가지며,
    상기 충진가스는 상기 상부 척, 상기 하부 척 및 상기 차폐벽으로 한정되는 상기 밀폐공간으로 분사되는 기판 접합 설비.
  15. 제14항에 있어서, 상기 접합 버퍼 및 상기 접합 장치를 둘러싸고 내부에 외부로부터 밀폐된 접합공간을 갖는 접합챔버, 상기 접합챔버의 내부에 구비되어 상기 접합 버퍼와 상기 접합 장치 사이에서 상기 상부 척 및 상기 하부 척을 이송하는 이송 레일 및 상기 이송레일이 배치된 기저평판을 더 포함하는 기판 접합 설비.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제14항에 있어서, 상기 가스 인젝터는 상기 상부 척 및 상기 하부 척 중의 적어도 하나를 관통하도록 배치되어, 상기 충진가스는 상기 상부 척 및 상기 하부 척 중의 어느 하나를 관통하여 상기 기판간 이격공간으로 분사되는 기판 접합 설비.
  19. 삭제
  20. 제15항에 있어서, 상기 접합 버퍼는 상기 기저 평판에 고정되어 상기 상부 척 및 상기 하부 척을 관통하도록 선형 이동하며 상기 상부기판을 상기 상부 척에 안내하고 상기 하부기판을 상기 하부 척에 안내하는 기판 리프트를 더 포함하는 기판 접합 설비.

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