KR20150131895A - 웨이퍼 범프 리플로우 방법 및 장비 - Google Patents

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Abstract

고효율 저비용 급속 웨이퍼 범프 리플로우 방법 및 장비를 제공한다. 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 방법은 플라즈마 히팅을 이용한 리플로우 단계를 포함하고, 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비는 싱글 스테이지, 플라즈마 히팅을 이용하며 싱글 챔버 또는 멀티 챔버 시스템으로 구현된다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 히팅을 이용해 단시간 내에 많은 양의 웨이퍼에 대한 범프 리플로우 공정을 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비는 풋프린트가 작으며, 플럭스와 포름산 등 범프를 구성하는 금속 표면의 산화막 제거를 위한 별도의 화학물질을 사용하지 않는다. 따라서, 환경유해 물질의 배출이 없고 세정을 위한 공정 및 장비, 시간이 필요하지 않다. 뿐만 아니라 CO2 저감 효과가 뛰어나고, 각 단계별 공정시간을 임의로 조절할 수 있다.

Description

웨이퍼 범프 리플로우 방법 및 장비 {Method and apparatus for wafer bump reflow}
본 발명은 범프 리플로우 방법 및 이 방법에 이용되는 범프 리플로우 장비에 관한 것으로, 더 구체적으로 웨이퍼 레벨 범프 리플로우 방법 및 장비에 관한 것이다.
기존에 칩 패키지 분야에서는 수백 마이크로미터(㎛) 크기의 솔더 볼을 리플로우함으로써 범프를 형성하는 방법을 이용하였다. 메모리 및 로직 IC 분야에서 2D 집적화의 한계에 도달해 플립 칩(flip chip) 및 적층 구조의 3D IC를 구현할 필요가 생겨나면서 솔더 볼을 이용하는 형태가 아니라 웨이퍼 상에 수십 ㎛ 크기의 솔더 범프를 직접 형성해 리플로우해야 하는 필요성이 대두되고 있다. 뿐만 아니라 환경적인 규제로 인해 솔더 물질은 Pb/Pb 합금에서 SnAg로 변경되었다.
도 1은 SnAg 솔더 범프 리플로우 공정의 단계별 모식도이다.
도 1의 (a)를 참조하면 패시베이션막(5)으로 피복되되 Al 패드(3)가 오픈된 웨이퍼(1)에 폴리이미드(polyimide)(7)를 도포하여 Al 패드(3) 오픈 부위가 노출되도록 패터닝한다.
(b)를 참조하면, 스퍼터링으로 Cu/Ti UBM(Under Bump Metallurgy)층(9)을 웨이퍼(1) 상면에 형성한다. 그런 다음, UBM층(9) 위에 Al 패드(3)와 대응되는 위치에 개구부(A)를 가진 포토레지스트 패턴(11)을 형성한다.
(c)는 전기 도금(electroplating)을 실시하여 개구부(A) 안을 SnAg층(13)으로 채운 후의 모습이다.
다음으로, 포토레지스트 패턴(11)을 스트리핑(stripping)으로 제거하여 (d)에서와 같이 SnAg 패턴(13a)을 형성하고, (e)를 참조하여 SnAg 패턴(13a) 아래에만 UBM층(9a)이 남아 있도록 UBM층(9) 식각 공정을 진행한다. 다음, (f)에서와 같은 구형의 범프(13b)를 제조하기 위하여 리플로우 공정을 수행한다.
그동안 웨이퍼 레벨이 아닌 일반 범프 리플로우는 플럭스를 사용한 벨트 퍼니스(belt furnace)에서 주로 이루어져 왔으며, 벨트 퍼니스는 SMD 솔더링에 주로 사용되던 장비이다.
도 2는 종래 벨트 퍼니스를 사용한 경우의 리플로우 공정을 보이는 그래프이다. t1 시간 동안 용융점(melting point) 아래 임의 온도로 프리 히팅을 실시한다. t2 시간 동안 그 온도에서 유지하며 소킹(soaking)을 한다. t3 시간 동안 용융점 이상의 리플로우 온도로 올린다. t4 시간동안 그 온도에서 리플로우를 실시한다. t5 시간 동안 냉각한다.
벨트 퍼니스는 히터 아래에 콘베이어 벨트가 지나면서 웨이퍼가 히터의 여러 존(zone)을 지나게 되는 구성이다. 벨트 퍼니스의 각 존은 다른 온도를 가지고 있고 웨이퍼는 벨트에 의해 등속도로 이동하게 된다. 각 구간에서의 공정 시간은 해당 구간의 길이로 조정하여 각 단계를 진행한다. 여기서 프리 히팅은 주로 히터를 이용한 복사(radiation) 및 대류(convection)에 의하기 때문에 각 존에서의 히팅이 긴 문제가 있다. 이 장비를 이용한 리플로우 공정에서는 표면의 산화막 때문에 범프 표면이 찌그러지는 것을 방지하기 위해 플럭스를 사용하므로 리플로우 전후로 플럭스 코팅과 세정이 필요하다. 냉각은 대류에 의하므로 t5도 길다. 이 장비는 길이가 수십미터에 달해, 차지하는 면적, 즉 풋프린트(foot print)가 클 뿐 아니라 플럭스를 사용하여 배기 가스가 발생하고 개방형 장비이므로 내부가 N2 분위기라도 청정룸에 사용하기에는 적절치 않다.
현재는 환경 문제 등을 이유로 무플럭스(flux-less) 리플로우가 주종을 이루고 있다. 종래에는 싱글 스테이지(single stage)를 구비한 진공 리플로우 장비의 사용이 고려되었다. 이 장비는 핫 플레이트(hot plate)의 온도를 단계별로 올렸다가 내려 도 2에 도시한 것과 같은 온도 프로파일의 리플로우를 실현하며 포름산을 산화막 제거용으로 사용한다. 종래 벨트 퍼니스를 사용한 경우에 비하여 보이드(void) 발생이 억제되기는 하나 생산량(throughput)이 지극히 낮아 시간당 웨이퍼 4매 정도에 불과하다. 그리고, 포름산을 이용해 산화막을 제거하면서 CO2를 발생시키므로 환경문제가 있고 장비 유지보수(maintenance)가 번거로우며 잔류 포름산 등으로 인해 챔버 세정이 필수적이다.
현재 대부분의 무플럭스 리플로우는 멀티 스테이지(multi stage)를 구비한 진공 리플로우 장비에서 수행되고 있다. 이 장비는 로드락(load lock)과 연결된 챔버 안에 트랜스퍼 스테이지, 프리 히팅용 스테이지, 소킹용 스테이지, 리플로우용 스테이지, 프리 쿨링 스테이지 및 쿨링 스테이지를 구비한다.
종래 멀티 스테이지 리플로우 장비를 사용하여 리플로우하는 경우 공정 순서를 보면, 먼저 챔버 퍼지 후 챔버-로드락간 도어가 열리고 로드락으로부터 웨이퍼가 트랜스퍼 스테이지로 들어온 후 챔버-로드락간 도어가 닫히고 챔버 내 기압을 잡아준 후 수소 분위기를 다시 만들고 웨이퍼를 다음 프리 히팅 스테이지로 이동한다. 이 때, 웨이퍼가 다음 스테이지로 이동할 때 핫 플레이트로부터 들려야 하고, 챔버 내부가 저압 상태이기는 하나 이동중 냉각되므로 열효율이 떨어진다. 또한, 챔버-로드락간 도어가 열릴 때마다 기압 상승과 함께 웨이퍼 온도 강하가 발생하는 문제가 있다.
도 3은 종래 멀티 스테이지 리플로우 장비를 사용한 경우의 리플로우 공정을 보이는 그래프이다.
도 3을 참조하면, t1' 시간 동안 웨이퍼를 프리 히팅용 스테이지에 두어 용융점 아래 임의 온도로 프리 히팅을 실시한다. 소킹용 스테이지로 웨이퍼를 이동시킨 후 t2' 시간 동안 소킹용 스테이지에서 웨이퍼를 유지하며 소킹을 한다. 리플로우용 스테이지로 웨이퍼를 이동시킨 후 t3' 시간 동안 리플로우를 실시한다. 이 때 포름산의 분무가 이루어진다. 다음, 프리 쿨링 스테이지로 웨이퍼를 이동시킨 후 t4' 시간 동안 프리 쿨링을 실시하고, 쿨링 스테이지로 웨이퍼를 이동시킨 후 t5' 시간 동안 쿨링을 실시한다.
멀티 스테이지 리플로우 장비를 사용하면 도 2에 도시한 것과 같은 벨트 퍼니스 또는 싱글 스테이지 리플로우 장비에 비하여 단계별 공정시간은 줄일 수 있다. 그런데 각 스테이지별 공정 시간이 같아야 하므로(즉, t1'=t2'=t3'=t4'=t5') 필요 이상의 스테이지 체류가 발생되어 총 공정시간이 낭비되는 문제가 있다. 제일 큰 문제는 포름산을 사용하기 때문에 포름산 코팅과 리플로우 후 세정이 필요하다는 것이고, 챔버 안에 스테이지가 적어도 6개가 필요하여 풋프린트가 크다. 또한, 챔버 내에서 포름산을 분무함에 따라 챔버내 구성물의 부식을 방지하기 위한 잦은 챔버 클리닝이 필요하다.
도 4의 (a)는 도 1의 (e)까지 진행한 후의 SEM 사진이다. 도 1의 (e)까지 진행한 후의 SnAg 패턴은 보이는 바와 같이 표면이 매우 불균일하다. 이러한 상태를 바로 리플로우하게 되면 구형이면서 표면이 매끈한 범프를 얻기가 매우 힘들다. 따라서, 리플로우 전에 멀티 스테이지 리플로우 장비 안의 프리 히팅과 리플로우 스테이지 사이에 포름산을 분무하는 과정이 필요하다. 포름산을 분무하여 리플로우한 후의 SEM 사진은 도 4의 (b)와 같다. 포름산을 사용하면 이와 같이 표면이 매끈한 구형의 범프를 형성할 수 있지만 리플로우 후에 별도의 세정 공정과 장비, 시간이 필요하여 전체 공정을 고비용, 저효율로 만드는 문제가 있다.
한편, 종래의 리플로우 장비들은 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 급속한 가열과 냉각이 이루어지지 못하여 시간에 따른 온도 기울기가 작고 고온 온도 구간은 비교적 넓은 햇(hat) 타입 온도 프로파일로 구현이 된다. 급속한 가열과 냉각이 이루어지고 고온 온도 구간이 상대적으로 짧은 앵글(angle) 타입 온도 프로파일을 구현하면 단시간 동안에 리플로우를 완성할 수 있으며 소자의 데미지(damage)가 작은 장점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고효율 저비용 급속 웨이퍼 범프 리플로우 방법 및 장비를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 방법은 플라즈마 히팅을 이용한 리플로우 단계를 포함한다.
상기 리플로우 단계 전에 핫 플레이트 상에 웨이퍼를 탑재하여 가열하는 프리 히팅 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 리플로우 단계에서는 상기 핫 플레이트로부터 상기 웨이퍼를 이격시켜 열차단(thermal isolation)을 실시하는 것이 바람직하다.
상기 리플로우 단계 시작과 동시에 플라즈마를 온(on)하고 종료와 동시에 플라즈마를 오프(off)한다. 그리고, 상기 리플로우 단계 후에 핫 플레이트 상에 웨이퍼를 탑재하고 백사이드 냉각 가스를 공급하는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 리플로우 단계시 고밀도 플라즈마를 구현한 후 저밀도 플라즈마를 구현하는 것이 바람직하다. 상기 리플로우 단계시 상기 웨이퍼측에 음의 바이어스가 걸리도록 할 수 있다.
상기 플라즈마는 H2, He 또는 그 조합으로부터 형성할 수 있고, 플라즈마 발생을 위한 가스 유량이 수백 　sccm, 플라즈마 히팅 리플로우하는 공간의 압력이 수십 ~ 수백 mT, 플라즈마 발생을 위한 파워가 수백 ~ 수천 W인 조건에서 발생시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 플라즈마는 플라즈마 발생을 위한 H2 또는 He 가스 유량이 250sccm, 플라즈마 히팅 리플로우하는 공간의 압력이 30mT, 플라즈마 발생을 위한 파워가 2500W인 조건에서 발생시킨다.
본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비는 내부에 진공분위기로 형성시킬 수 있는 챔버, 상기 챔버 내에 설치되고 웨이퍼를 탑재하는 탑재면을 갖는 핫 플레이트, 상기 핫 플레이트에 탑재된 웨이퍼를 승강할 수 있도록 핫 플레이트를 관통하여 승강되는 리프트 핀, 상기 챔버에 가스를 공급하는 가스 공급계, 상기 챔버에 공급되는 가스를 플라즈마화시키기 위한 플라즈마 발생장치, 상기 챔버내의 가스를 배기하는 배기계, 및 상기 플라즈마 발생장치에 의한 플라즈마 온(on)시 상기 핫 플레이트와 웨이퍼가 이격되고 상기 플라즈마 발생장치에 의한 플라즈마 오프(off)시 상기 핫 플레이트에 웨이퍼가 탑재되도록 하는 상기 리프트 핀에 관한 제어가 시간에 따라 이루어지도록 하는 제어 장치를 포함한다.
이러한 웨이퍼 범프 리플로우 장비는 트랜스퍼 챔버를 더 포함하여, 상기 트랜스퍼 챔버의 적어도 두 면에 상기 챔버를 각각 하나씩 연결하여 멀티 챔버 시스템으로 구현될 수도 있다.
본 발명에서는 이러한 웨이퍼 범프 리플로우 장비를 이용한 웨이퍼 범프 리플로우 방법도 제시한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 히팅을 이용해 단시간 내에 많은 양의 웨이퍼에 대한 범프 리플로우 공정을 수행할 수 있다. 플라즈마 히팅은 복사와 대류의 시너지 효과에 의해 전도보다 빠른 열전달을 달성할 수 있어 온도 프로파일 구현에 있어 종래 햇 타입이 아닌 앵글 타입이 가능해진다. 급속한 가열과 냉각이 이루어지고 고온 온도 구간이 상대적으로 짧으므로 단시간 동안에 리플로우를 완성할 수 있으며 소자의 데미지가 작다.
특히 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비는 매우 단순한 구조의 싱글 챔버를 기본으로 하는 장비에서 리플로우에 필요한 히트 사이클을 효과적으로 이룰 수 있다. 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비는 풋프린트가 작으며, 플럭스와 포름산을 사용하지 않는다. 따라서, 환경유해 물질의 배출이 없고 세정을 위한 공정 및 장비, 탈이온수, 시간이 필요하지 않다. 뿐만 아니라 CO2 저감 효과가 뛰어나고, 각 단계별 공정시간을 임의로 조절할 수 있다. 신속한 프리 히팅과 냉각이 가능하다. 포름산 등을 사용하지 않으므로 장비의 유지보수가 번거롭지 않고 잔류 포름산 등으로 매 5000장 정도마다 실시하는 챔버 세정 주기를 증가시키거나 생략할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 풋프린트가 작고 가격을 현저히 낮춘 고효율 저비용 급속 웨이퍼 범프 리플로우 장비를 제공할 수 있고, 높은 생산량을 낼 수 있다.
도 1은 솔더 범프 리플로우 공정의 단계별 모식도이다.
도 2는 종래 벨트 퍼니스 또는 싱글 스테이지 리플로우 장비를 사용한 경우의 리플로우 공정을 보이는 시간에 따른 온도 그래프이다.
도 3은 종래 멀티 스테이지 리플로우 장비를 사용한 경우의 리플로우 공정을 보이는 시간에 따른 온도 그래프이다.
도 4의 (a)는 포름산을 사용하기 전의 SnAg 패턴 상태, (b)는 포름산을 사용하여 리플로우한 후의 범프 상태에 해당하는 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 공정을 보이는 시간에 따른 온도 그래프이다.
도 6은 종 농도(species concentration)에 따라 저밀도 플라즈마와 고밀도 플라즈마를 구분하는 것을 보이는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리플로우 방법을 수행하는 데에 따른 각 단계별 장비 상태의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 공정을 보이는 시간에 따른 온도 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 방법을 수행하는 데에 따른 각 단계별 장비 상태의 모식도이다.
도 11은 웨이퍼 범프 리플로우 프로세스 윈도우를 보이는 그래프이다.
도 12와 도 13은 본 발명 일 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 방법에 의해 형성한 웨이퍼 범프의 SEM 사진이다.
도 14는 본 발명에 따른 다른 웨이퍼 범프 리플로우 장비의 개략적인 상면도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하는 도면에 있어서, 어떤 구성요소의 크기나 배치 등은 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것으로, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 공정을 보이는 시간에 따른 온도 그래프이다. 본 발명은 RPR(Rapid Plasma Reflow) 방식이라고 명명할 수 있다.
T1 시간 동안 용융점 아래 임의 온도로 프리 히팅을 실시한다. 이 때에는 전도에 의한 빠른 프리 히팅이 가능하도록 핫 플레이트와 같은 열적 접촉 수단에 웨이퍼를 탑재하도록 한다. 다음, T2 시간 동안 그 온도에서 유지하며 소킹을 한다. 플라즈마를 "온(on)"시킨다. 플라즈마는 He, H2 또는 그 조합으로 가능하다. 핫 플레이트와 같은 열적 접촉 수단으로부터 웨이퍼를 들어올려 플라즈마 히팅 중에는 열적 접촉 수단과 웨이퍼를 분리하는 열차단(thermal isolation)을 실시한다. 플라즈마 히팅에 의해 매우 짧은 T3 시간 동안 용융점 이상의 리플로우 온도로 올리며 열적 접촉 수단과 웨이퍼가 분리된 상태에서 그대로 리플로우를 실시한다. 이 때의 리플로우는 종래의 가열 방식이 아닌 플라즈마 히팅에 의한 매우 급속한 리플로우이다. 다음, 플라즈마를 "오프(off)"시키고 웨이퍼를 열적 접촉 수단에 다시 탑재해 백사이드 He 가스와 같은 백사이드 냉각 가스를 흘려주는 냉각 방식에 의해 T4 시간 동안 프리 히팅 온도까지 냉각한다.
리플로우 단계에서 열적 접촉 수단에 의한 가열이 아니라 플라즈마 히팅이므로 급속한 가열이 가능하고, 백사이드 He 가스 등을 흘려주는 냉각 방식이므로 급냉이 가능하다. 그리고, 기본적으로 싱글 챔버의 싱글 스테이지이므로 스테이지간 웨이퍼 이동이 없어 각 단계별 시간을 얼마든지 짧게 임의로 조절할 수 있다. 플라즈마가 온되는 T3은 약 20초 정도면 충분하고, T1~T4의 한 사이클은 약 60초 정도면 완료가 될 수 있다. 이렇게 단계별 공정시간을 종래 기술 대비 획기적으로 줄일 수 있으므로 생산성이 증대된다.
뿐만 아니라 플라즈마는 SnAg와 같은 솔더 물질 표면의 산화막을 직접적으로 제거하거나 산소의 용해도를 높여 산화막이 형성되지 않도록 하는 상태에서 솔더 물질을 융해해 리플로우시키는 것이므로, 본 발명에 따르면 플럭스나 포름산을 사용하지 않아도 구형의 매끈한 범프 형성이 가능하다. 따라서, 플럭스나 포름산을 처리하는 공정/장비, 플럭스나 포름산을 세정하는 공정/장비가 필요없어져 고효율 저비용으로 범프 리플로우를 수행할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 바와 같이 플라즈마 히팅에 의해 포름산이나 플럭스를 사용하지 않는 리플로우가 가능한 이유는 다음과 같다.
먼저 플라즈마 이온에 의한 충격(bombardment)은 금속 표면의 산화막을 제거하므로 포름산을 사용하지 않아도 된다. 저압에서 고밀도 플라즈마를 구현하면 He 이온 충격에 의해 금속 산화막을 스퍼터해내는 효과가 있으므로 물리적 산화막 제거가 가능하다. 고압에서 저밀도 플라즈마를 구현하면 활성 수소에 의해 금속 산화막이 환원되는 효과가 있으므로 화학적 산화막 제거가 가능하다.
플라즈마 이온을 웨이퍼측으로 효과적으로 끌어오기 위해, 웨이퍼가 탑재되는 부분을 챔버의 음극으로 한다. 즉, 웨이퍼측에 음의 바이어스가 걸리도록 한다. 저압 조건과 고압 조건을 순차적으로 사용함이 바람직한데 먼저 저압 조건으로 하여 금속 표면의 산화막을 제거한 이후 고압 조건을 이용해 신속한 어닐(anneal)을 달성하는 것이다.
이와 같이 본 발명은 저밀도 플라즈마와 고밀도 플라즈마의 하이브리드 타입으로도 구현할 수 있으며, 저밀도 플라즈마와 고밀도 플라즈마는 공정 변수나 종 농도(species concentration)에 따른 분류가 가능하다.
먼저 공정 변수에 따른 분류 개념으로, 저밀도 플라즈마와 고밀도 플라즈마를 구분하는 것은 표 1에 나타낸 바와 같을 수 있다.
Figure pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이 고밀도 플라즈마는 이온 에너지가 더 낮은 것이 특징이다.
종 농도에 따른 분류 개념으로, 저밀도 플라즈마와 고밀도 플라즈마를 구분하는 것은 도 6에 나타낸 바와 같을 수 있다. 농도 단위는 cm-3이다. 저밀도 플라즈마를 구현하는 수단은 MERIE, SF-CCP일 수 있고, 고밀도 플라즈마를 구현하는 수단은 ICP, UHF-CCP, DF-CCP, ECR일 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비의 내부구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100)는 그 내부를 진공분위기로 형성시킬 수 있는 챔버(110)와, 상기 챔버(110) 내에 설치되고, 웨이퍼(112)를 탑재하는 탑재면을 갖는 핫 플레이트(120)와, 상기 핫 플레이트(120)에 탑재된 웨이퍼(112)를 승강할 수 있도록 핫 플레이트(120)를 관통하여 승강되는 리프트 핀(130)과, 상기 챔버(110)에 가스를 공급하는 가스 공급계(140)와, 공급되는 가스를 플라즈마화시키기 위한 플라즈마 발생장치(150)와, 범프 리플로우 후 처리가스를 배출하거나 상기 챔버(110) 내부를 진공분위기로 형성시키기 위한 배기계(160)를 포함하여 이루어져 있다. 핫 플레이트(120)는 웨이퍼(112) 지지 수단인 척(미도시)의 일부를 구성할 수 있다.
가스 공급계(140)는 가스 봄베와 가스분사수단, 예컨대 샤워헤드 혹은 가스분사노즐,을 모두 포함하는 개념이다. 플라즈마 발생장치(150)는 공지의 다양한 방식으로 가스를 이온화시킴으로써 플라즈마를 발생·유지시켜준다. 앞에서 언급한 바와 같이 플라즈마 발생장치(150)는 저밀도 플라즈마와 고밀도 플라즈마를 모두 구현할 수 있도록 공정 변수 조절이 용이한 장치이거나 하이브리드 타입일 수 있다.
플라즈마 발생장치(150)를 통해 플라즈마에 의해 에너지를 얻고 부분적으로 해리된 가스의 원자, 분자 및/또는 이온들은 웨이퍼(112)로 분사되며, 이를 통해 웨이퍼(112)를 플라즈마 히팅해 웨이퍼 범프 리플로우를 가능하게 한다. 플라즈마 발생장치(150)는 챔버(110) 바깥에서 플라즈마를 발생시켜 플라즈마화된 가스를 챔버(110) 내부로 인입시키는 리모트 방식, 챔버(110) 내부에서 플라즈마를 발생시키는 다이렉트 방식 모두 가능하다.
먼저, 상기 챔버(110)는 처리실 내부를 외부와 차단시켜서 처리실 내의 분위기를 진공으로 형성시킬 수 있는 구조를 가진다. 그리고 챔버(110) 내부에는 웨이퍼(112)에 소정의 처리를 실시하기 위한 여러 가지 구성요소가 구비된다.
상기 챔버(110) 내부 중 하부에는 웨이퍼(112)가 탑재되는 핫 플레이트(120)가 구비되는데, 상기 핫 플레이트(120)의 상부면에는 웨이퍼(112)와 접촉되는 탑재면이 형성된다. 그 탑재면에는 그 가장자리 영역에 일정 간격으로 하나 이상의 리프트 핀(130)이 구비된다.
즉, 핫 플레이트(120)에 탑재된 웨이퍼(112)의 가장자리를 지지하도록 상기 핫 플레이트(120)를 두께 방향으로 관통하여 형성된 다수개의 관통공을 통과하도록 다수개의 리프트 핀(130)을 구비시킴으로써, 리프트 핀(130)이 그 관통공을 따라 승강하면서 웨이퍼(112)를 들어올리거나 핫 플레이트(120)에 위치시키는 역할을 하게 된다.
상기한 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100)에 웨이퍼(112)를 반입하는 경우에는, 챔버(110) 외부에 마련되어 있는 로드락 안의 웨이퍼 반송장치(미도시됨)에 의하여 웨이퍼(112)가 핫 플레이트(120) 상부로 반송되면, 상기 리프트 핀(130)이 상승하여 웨이퍼 반송장치에 놓여 있는 웨이퍼(112)를 들어올리고, 자유로워진 웨이퍼 반송장치가 챔버(110) 밖으로 퇴피하면, 상기 리프트 핀(130)이 하강하면서 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120) 중 웨이퍼(112)가 위치될 탑재면에 위치시킨다.
그리고, 웨이퍼(112)를 반출하는 경우에는, 먼저 리프트 핀(130)을 상승시켜서 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120)로부터 소정 높이만큼 들어올린다. 그리고 나서 챔버(110) 외부에 마련되어 있는 웨이퍼 반송장치가 웨이퍼(112) 하부로 들어오면 리프트 핀(130)을 하강시켜서 웨이퍼(112)를 웨이퍼 반송장치로 넘겨준다. 그러면 웨이퍼(112)를 넘겨 받은 웨이퍼 반송장치가 웨이퍼를 챔버(110) 외부로 반출하게 된다.
특히, 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100)는 플라즈마 발생장치(150)에 의한 플라즈마 온시 핫 플레이트(120)와 웨이퍼(112)가 이격되고 플라즈마 발생장치(150)에 의한 플라즈마 오프시 핫 플레이트(120)에 웨이퍼(112)가 탑재되도록 하는 리프트 핀(130)에 관한 제어가 시간에 따라 이루어지도록 하는 제어 장치(미도시)를 포함한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 방법을 수행하는 데에 따른 각 단계별 장비 상태의 모식도이다.
도 8을 참조하면, (a)는 도 7에 도시한 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100)의 리프트 핀(130)이 상승하여 웨이퍼 반송장치로부터 반입되는 웨이퍼를 받아들일 준비가 되어 있는 상태이다. 플라즈마 히팅 리플로우하는 공간, 즉 챔버(110) 내부는 예컨대 압력을 30mT로 유지하고 H2를 250sccm으로 공급하는 상태이다.
(b)는 웨이퍼 반송장치로부터 웨이퍼(112)가 로딩된 직후의 상태도이다.
(c)는 리프트 핀(130)이 하강하면서 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120) 중 웨이퍼(112)가 위치될 탑재면에 위치시킨 상태의 도면이다. 이 단계에서 용융점 이하의 온도로 미리 가열된 핫 플레이트(120)와 웨이퍼(112)가 접촉하여 웨이퍼(112)에 대한 프리 히팅이 이루어진다. 이후, (d)에서와 같이 리프트 핀(130)이 상승하여 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120)로부터 이격하도록 하면서 플라즈마를 "온"시켜 리플로우를 실시한다. 플라즈마 파워는 예컨대 2500W로 한다.
다음에 플라즈마를 "오프"하고 (e)와 같이 리프트 핀(130)을 하강시켜 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120) 중 웨이퍼(112)가 위치될 탑재면에 위치시키는 동시에 백사이드 He 가스와 같은 냉각 가스를 공급하여 냉각을 시킨다. 이후 (f)를 참조하여 백사이드 He 가스 공급을 중단하고 리프트 핀(130)을 상승시켜서 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120)로부터 소정 높이만큼 들어올린다. 그리고 나서 챔버(110) 외부에 마련되어 있는 웨이퍼 반송장치가 웨이퍼(112) 하부로 들어오면 리프트 핀(130)을 하강시켜서 웨이퍼(112)를 웨이퍼 반송장치로 넘겨준다. 그러면 웨이퍼(112)를 넘겨 받은 웨이퍼 반송장치가 웨이퍼(112)를 챔버(110) 외부, 로드락으로 반출하게 된다. 이와 같은 (a) 내지 (f)가 하나의 공정 사이클을 이룬다. 추가로 로드락에서 최종 냉각(final cooling)을 더 수행할 수 있다. 이러한 일련의 공정 사이클에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100) 각 구성요소의 시간에 따른 동작과 상태에 대한 내용은 컴퓨터 프로그램화되어 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100)를 컨트롤하는 제어 장치에 탑재되어 이용될 수 있다.
특히 리플로우 상태에서 쿨링이 빠를수록 좋은데 액상 분자들은 냉각되는 과정에서 고체화되는 데에 에너지를 낮추는 방향으로 정렬하려는 경향이 있어 쿨링이 늦으면 액상 분자들이 정렬함에 따라 최종적인 고체 범프의 모양이 각진 형상이 될 수 있기 때문이다. 본 발명에 의하면 리플로우시 핫 플레이트와 웨이퍼가 이격된 상태이고 플라즈마가 오프되어 리플로우가 종료됨과 동시에 웨이퍼가 다시 하강하여 프리 히팅, 즉 용융점 이하 온도로 급속 냉각되어 구형 범프 형성이 용이하다.
공정 조건은 H2 + He 　flow = 수백 　sccm (H2 100% ~ He 100%), 압력 = 수십 ~ 수백 mT, 플라즈마 RF Power = 수백 ~ 수천 W로 할 수 있다. 플라즈마는 H2 뿐 아니라 H2 + He, 심지어는 H2 없이 He 플라즈마만으로 리플로우가 가능하다는 결과를 얻었다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 공정을 보이는 시간에 따른 온도 그래프이다. 도 9를 참조하면, 도 5에 도시한 온도 프로파일과 비교시 프리 히팅과 소킹 단계가 생략된다.
웨이퍼를 챔버 안에 로딩 후 바로 플라즈마를 "온"시키며 플라즈마 히팅한다. 플라즈마 히팅에 의해 매우 짧은 T1' 시간 동안 용융점 이상의 리플로우 온도로 가열이 되며 핫 플레이트와 같은 열적 접촉 수단과 웨이퍼가 분리된 상태에서 리플로우가 실시된다. 다음, 플라즈마를 "오프"시키고 웨이퍼를 열적 접촉 수단에 탑재해 백사이드 He 가스와 같은 냉각 가스를 흘려주면서 T2' 시간 동안 냉각한다.
플라즈마 히팅과 냉각 가스에 의한 냉각에 의하므로 급속한 가열과 냉각이 가능하여 도 9에 도시한 것과 같은 앵글 타입 온도 프로파일이 구현된다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 방법을 수행하는 데에 따른 각 단계별 장비 상태의 모식도이다.
도 10을 참조하면, (a)는 도 7의 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100)의 리프트 핀(130)이 상승하여 웨이퍼 반송장치로부터 반입되는 웨이퍼를 받아들일 준비가 되어 있는 상태이다.
(b)는 웨이퍼 반송장치로부터 웨이퍼(112)가 로딩된 직후의 상태도이다. 핫 플레이트(120)는 예컨대 상온으로 유지되는 상태이고 본 실시예는 프리 히팅과 소킹 단계 없이 진행되므로 이 단계에서 웨이퍼(112)와 핫 플레이트(120)의 열적인 접촉은 이루어지지 않는다.
(c)는 웨이퍼(112)가 핫 플레이트(120)로부터 이격된 상태에서 플라즈마를 "온"시켜서 리플로우되는 동안의 상태를 나타낸다.
다음에 (d)와 같이 리프트 핀(130)을 하강시켜 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120) 중 웨이퍼(112)가 위치될 탑재면에 위치시키는 동시에 백사이드 He 가스를 공급하여 냉각을 시킨다. 이후 (e)를 참조하여 백사이드 He 가스 공급을 중단하고 리프트 핀(130)을 상승시켜서 웨이퍼(112)를 핫 플레이트(120)로부터 소정 높이만큼 들어올린다. 그리고 나서 챔버(110) 외부에 마련되어 있는 웨이퍼 반송장치가 웨이퍼(112) 하부로 들어오면 리프트 핀(130)을 하강시켜서 웨이퍼(112)를 웨이퍼 반송장치로 넘겨준다. 그러면 웨이퍼(112)를 넘겨 받은 웨이퍼 반송장치가 웨이퍼를(112) 챔버(110) 외부, 로드락으로 반출하게 된다. 이와 같은 (a) 내지 (e)가 하나의 공정 사이클을 이룬다.
도 5 및 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 앵글 타입 온도 프로파일 구현이 가능하다. 도 11은 웨이퍼 범프 리플로우 프로세스 윈도우를 보이는 그래프이다.
도 11을 참조하면 TS까지 소킹한 후 TP 내지 TL에서 리플로우하고 냉각하는 온도 프로파일이 도시되어 있다. 종래 리플로우 방법과 장비에 따르면 점선으로 표시한 바와 같이 햇 타입 온도 프로파일이 구현된다. 본 발명 방법 및 장비에 따르면 굵은 파선으로 표시한 바와 같이 앵글 타입 온도 프로파일이 구현된다. 이것은 리플로우 단계에서의 가열 방식 및 냉각 방식 차이에 따른 것으로, 종래 리플로우 시간에 비하여 본 발명에 따르면 최소 리플로우 시간 안에 리플로우 공정을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
도 12와 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 방법에 의해 형성한 웨이퍼 범프의 SEM 사진이다.
도 12는 웨이퍼 위에 리프트 오프 방법으로 AuSn 패턴을 형성한 후에 리플로우를 실시한 것이다. (a)를 참조하면 웨이퍼 위에 주기적으로 형성한 금속 패턴의 위치 그대로 범프가 금속구(metal sphere)로서 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다. (b)를 참조하면 플럭스나 포름산의 도움없이도 표면이 매끈한 완전 구형의 범프를 제조할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 직경은 수십um, 피치는 100um 이내의 범프를 구현한 예이다.
도 13은 웨이퍼 위에 0.7um 두께의 SnAu막을 형성하고 패터닝없이 본 발명 일 실시예에 따른 리플로우 공정을 실시한 결과물이다. 크고 작은 크기의 완벽한 구형의 범프가 형성된 것을 확인할 수 있다.
표 2에 종래 기술과 본 발명의 차이점을 정리하였다.
Figure pat00002
표 2를 참조하면, 앞에서 설명한 바와 같이, 종래 싱글 스테이지 리플로우 장비의 경우 핫 플레이트 온도가 변해야 하므로 생산량이 매우 낮으며 온도 프로파일은 햇 타입이다. 산화막 제거에 포름산을 사용하므로, 리플로우 후 탈이온수를 사용한 세정이 필수적이다. 리플로우는 핫 플레이트를 사용하므로 전도 방식이고 냉각도 핫 플레이트의 온도를 내려야 가능하다.
종래 멀티 스테이지 리플로우 장비는 싱글 스테이지 리플로우 장비 대비 생산량은 높으나 각 스테이지에서의 체류 시간이 같아야 하므로 필요 이상의 시간 낭비가 발생하는 문제가 있다. 온도 프로파일은 햇 타입이다. 산화막 제거에 포름산을 사용한다. 리플로우는 핫 플레이트를 사용하므로 전도 방식이고 냉각은 프리 쿨링 및 쿨링 스테이지로 이동해서 실시한다. 포름산을 사용하므로 리플로우 후 탈이온수를 사용한 세정이 필수적이다.
본 발명에 의하면, 각 공정 단계별 시간을 임의 조정 가능하므로 생산량이 매우 높다. 리플로우는 플라즈마에 의하는데 이 때 복사 및 대류의 시너지 효과가 일어나므로 급격한 가열이 가능해 온도 프로파일은 앵글 타입으로 구현할 수 있다. 산화막 제거제가 필요하지 않아 리플로우 후 세정 공정이 필요하지 않다. 리플로우는 플라즈마를 이용하고, 플라즈마 오프 후 전도 냉각을 한다.
표 3은 멀티 스테이지 리플로우 장비와 본 발명에 따른 RPR 장비를 보다 상세히 비교한 표이다.
Figure pat00003
표 3을 참조하면, 멀티 스테이지 리플로우 장비의 경우 로트(lot)당 오버헤드 시간(overhead time)이 발생하며 특히 로트 장수가 작을수록 오버헤드 시간 비중이 커진다. 특히 본 발명의 경우 종래와 동일한 리플로우 시간 60초를 가져도 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이 프리 히팅과 소킹은 생략할 수가 있고 냉각 시간과 웨이퍼 이송 시간은 단축할 수 있어 웨이퍼당 총 소요시간이 본 발명의 경우가 훨씬 단축된다.
한편, 본 발명에 따른 웨이퍼 범프 리플로우 장비는 도 14에 도시한 바와 같이 멀티 챔버 시스템으로도 구현이 가능하다. 도 14는 본 발명에 따른 다른 웨이퍼 범프 리플로우 장비의 개략적인 상면도이다.
예를 들어, 웨이퍼 범프 리플로우 장비(100')는 트랜스퍼 챔버(TM)를 구비해 적어도 두 면, 도면에서는 3면에 리플로우 챔버(110)를 각각 하나씩 연결하고 반입/반출을 위한 로드락 챔버(L/L)를 트랜스퍼 챔버(TM) 2면에 연결하도록 구성될 수 있다. 한 챔버(110)의 생산량이 시간당 40장일 경우 시간당 120장 생산량을 낼 수 있는 장비로 구현이 될 수 있다. 트랜스퍼 챔버(TM)를 더욱 다면화하여 연결되는 챔버(110) 수를 더 늘리면 생산량을 더욱 증가시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.
100, 100'...웨이퍼 범프 리플로우 장비 110...챔버
112...웨이퍼 120...핫 플레이트
130...리프트 핀 140...가스 공급계
150...플라즈마 발생장치 160...배기계

Claims (19)

  1. 플라즈마 히팅을 이용한 리플로우 단계를 포함하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리플로우 단계 전에 핫 플레이트 상에 웨이퍼를 탑재하여 가열하는 프리 히팅 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 리플로우 단계에서 상기 핫 플레이트로부터 상기 웨이퍼를 이격시켜 열차단(thermal isolation)을 실시하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리플로우 단계 시작과 동시에 플라즈마를 온(on)하고 종료와 동시에 플라즈마를 오프(off)하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 리플로우 단계 후에 핫 플레이트 상에 웨이퍼를 탑재하고 백사이드 냉각 가스를 공급하는 냉각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 리플로우 단계시 고밀도 플라즈마를 구현한 후 저밀도 플라즈마를 구현하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 리플로우 단계시 상기 웨이퍼측에 음의 바이어스가 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 H2, He 또는 그 조합으로부터 형성하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 플라즈마 발생을 위한 가스 유량이 수백 　sccm, 플라즈마 히팅 리플로우하는 공간의 압력이 수십 ~ 수백 mT, 플라즈마 발생을 위한 파워가 수백 ~ 수천 W인 조건에서 발생시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 플라즈마 발생을 위한 H2 또는 He 가스 유량이 250sccm, 플라즈마 히팅 리플로우하는 공간의 압력이 30mT, 플라즈마 발생을 위한 파워가 2500W인 조건에서 발생시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  11. 내부에 진공분위기로 형성시킬 수 있는 챔버;
    상기 챔버 내에 설치되고 웨이퍼를 탑재하는 탑재면을 갖는 핫 플레이트;
    상기 핫 플레이트에 탑재된 웨이퍼를 승강할 수 있도록 핫 플레이트를 관통하여 승강되는 리프트 핀;
    상기 챔버에 가스를 공급하는 가스 공급계;
    상기 챔버에 공급되는 가스를 플라즈마화시키기 위한 플라즈마 발생장치;
    상기 챔버내의 가스를 배기하는 배기계; 및
    상기 플라즈마 발생장치에 의한 플라즈마 온(on)시 상기 핫 플레이트와 웨이퍼가 이격되고 상기 플라즈마 발생장치에 의한 플라즈마 오프(off)시 상기 핫 플레이트에 웨이퍼가 탑재되도록 하는 상기 리프트 핀에 관한 제어가 시간에 따라 이루어지도록 하는 제어 장치를 포함하는 웨이퍼 범프 리플로우 장비.
  12. 제11항에 있어서, 트랜스퍼 챔버를 더 포함하여, 상기 트랜스퍼 챔버의 적어도 두 면에 상기 챔버를 각각 하나씩 연결하여 멀티 챔버 시스템으로 구현한 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 장비.
  13. 제11항에 기재된 웨이퍼 범프 리플로우 장비를 이용한 웨이퍼 범프 리플로우 방법으로서,
    리프트 핀을 상승시켜 상기 웨이퍼를 핫 플레이트로부터 이격하면서 플라즈마를 온시켜 플라즈마 히팅에 의한 리플로우를 실시하는 단계; 및
    플라즈마를 오프하고 상기 리프트핀을 하강시켜 상기 웨이퍼를 상기 핫 플레이트에 탑재한 후 백사이드 냉각 가스를 공급하여 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 리플로우를 실시하기 전에 상기 웨이퍼를 핫 플레이트에 탑재시켜 프리 히팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 리플로우를 실시하는 단계시 고밀도 플라즈마를 구현한 후 저밀도 플라즈마를 구현하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 리플로우를 실시하는 단계시 상기 웨이퍼측에 음의 바이어스가 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 플라즈마는 H2, He 또는 그 조합으로부터 형성하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 플라즈마는 플라즈마 발생을 위한 가스 유량이 수백 　sccm, 상기 챔버의 압력이 수십 ~ 수백 mT, 플라즈마 발생을 위한 파워가 수백 ~ 수천 W인 조건에서 발생시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 플라즈마는 플라즈마 발생을 위한 H2 또는 He 가스 유량이 250sccm, 상기 챔버의 압력이 30mT, 플라즈마 발생을 위한 파워가 2500W인 조건에서 발생시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 범프 리플로우 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023042804A1 (ja) * 2021-09-14 2023-03-23 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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