[논문]TSV를 이용한 3D 패키징 공정 및 장비 기술

송준엽; 이재학; 하태호; 이창우; 유중돈

문제 정의

또한 본딩 공정 요소 기술로 thin wafer handler 및 bonding head 개발에 대해 소개하고자 한다.
본 논문에서는 TSV stacking 공정의 본딩 방법과 C₂W/C₂C bonding 의 공정 시간을 줄이기 위한 pre-bonding 방법에 대해 간단히 소개하고 특히 Direct Oxide boning 의 C₂W/C₂C bonding 에 적용 가능한 친수성 (hydrophilic) 표면의 자가정렬 (selfassembly) 을 이용한 pre-bonding 기술에 대해 설명한다. 또한 본딩 공정 요소 기술로 thin wafer handler 및 bonding head 개발에 대해 소개하고자 한다.
본 논문에서는 TSV stacking 공정의 본딩 방법에 대해 간략히 소개하였고 C₂W/C₂C 접합의 공정시간을 줄이기 위한 pre-bonding 방법에 대해 소개하였다. 특히 Direct Oxide boning 에 적용 가능한 친수성 (hydrophilic) 표면의 자가정렬 (self-assembly) 을이 용한 pre-bonding 방법의 성능을 평가하였으며 기존의 진공 플라즈마 대신 대기 플라즈마를 이용하여 Direct Oxide bonding 을 수행하고 접 합부 특성을 관찰하였다.
본 논문에서는 기존의 진공 방식을 그대로 사용하되 thin wafer 의 변형과 파손을 방지하기 위해 개발한 다공질 picker 기술에 대해 간단히 소개한다.
접합 시 압력이 칩이나 혹은 웨이퍼에 수직으로 균일하게 인가되지 않으면 국부적으로 칩에 높은 하중이 인가되어 칩이 파괴되거나 칩 전체가 균일하게 접합이 일어나지 않는다. 본 논문에서는 볼 조인트와 공기 챔버를 이용하여 본딩 공정 시 수직으로 균일 압력을 유지 할 수 있는 bonding head 를 설계 하고 평 가하였다.
또한 일반적으로 Direct Oxide bonding 의 경우 진공 플라즈마를 이용하여 실리콘 표면을 친수화시키지만 플라즈마 처리 시 진공 환경이 요구되므로 본딩 공정 시간이 길어지는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위하여 대기 플라즈마를 이용하여 Direct Oxide bonding 을 수행하고 접합부의 특성을 관찰하였다.

제안 방법

볼조인트의 하부는 4 각뿔 형상으로 가공하여 초기에 Z 축 방향으로의 회전을 구속시켰다. 가압 시 볼조인트는 공기 챔버 내부에서 공압 베어링 형태가 되어 무 마찰 상태로 자유롭게 회전이 가능해 칩 혹은 웨이퍼의 수직 방향으로 균일한 압력을 인가할 수 있도록 설계하였다.
C 접합을 수행하였다. 공정 순서는 먼저 실리콘 칩과 웨이퍼를 Piranha 용액(H₂SO₄:H₂O₂=2:1)을 이용하여 크린닝하고 N₂ 대기 플라즈마를 이용하여 웨이퍼 및 칩의 표면을 친수화 시킨 후 자가 정렬을 위해 DI water 를 떨어뜨린 후 칩을 자가 정렬시켰다. 자가정렬 후 오븐에서 35℃로 가열하여 DI water 를 증발시켜 pre-bonding 하였다.
12(b)의 금속 입자 소결 방법으로 제작하였다. 기계 가공 방법에 의해 제작한 다공질 picker 는 직경 0.7mm, 피치 1.4mm 로 홀을 가공하였고 금속 입자 소결 방법에 의해 제작한 다공질 picker 는 Cu 입자를 소결시켜 제작하였다. Cu 입자를 소결 시켜 만든 다공질 picker 는 가격이 저렴하지만 기공 형성이 임의로 형성되는 단점이 있다.
실험 결과 친수성 표면의 정렬 오차는 5 ㎛이하임을 확인하였고 대기 플라즈마를이용하여 기공이 없는 양호한 접합부를 얻을 수 있었다. 또한 thin wafer 본딩 공정 요소 기술로 thin wafer handler 및 bonding head 를 개 발하고 성 능을 평가하였다. 해석 및 실험결과 다공질 픽커의경우 thin wafer 의 변형 이 기존 픽커에 비해 매우 작음을 확인할 수 있었으며 볼조인트와 공기 챔버를 이용한 균일 가압헤드는 가압 시 칩의 수직 방향으로 균일한 압력을 유지시켜 줄 수 있었다.
Pre-bonding 시 가열 온도가 50℃ 이상인 경우 과도한 증기압에 의해 pre-bonding 되지 않고 칩이 분리되는 문제가 발생하였고 따라서 pre-bonding 온도가 50℃ 이하가 되도록 하였다. 마지막으로 pre-bonding 된 시편을 260℃로 가열하여 Direct Oxide bonding 을 수행하였으며 940nm 파장의 IR 조명을 이용하여 접합부를 관찰하였다.
먼저 플라즈마 표면 처리 조건을 찾기 위해 n2 대기 플라즈마와 02 대기 플라즈마의 표면 처리조건에 따른 실리콘 표면의 젖음성 변화를 접촉각 측정기(KRUSS DSA 100)를 이용하여 측정하였으며 친수성 표면의 자가 정렬 성능을 평가하기 위하여 1000A 두께의 thermal Oxide 가 형성된 Si 칩을 lOmmxlOmm 크기 로 준비하여 오차를 즉정하였다.
본 논문에서는 TSV 를 이용한 3D 적층 C₂W/C₂C 본딩 방법으로 플라즈마를 이용한 Direct Oxide bonding 방법에 관한 연구와 플라즈마를 이용하여 실리콘의 소수성 표면을 친수성 표면으로 처리하고 친수성 표면의 자가정렬 및 pre-bonding 성능을 평가하였다. 또한 일반적으로 Direct Oxide bonding 의 경우 진공 플라즈마를 이용하여 실리콘 표면을 친수화시키지만 플라즈마 처리 시 진공 환경이 요구되므로 본딩 공정 시간이 길어지는 단점이 있다.
친수성 표면의 자가정렬을 이용한 Direct Oxide bonding 방법을 평가하기 위하여 실제로 SiC)2-SiO₂ 의 C₂C 접합을 수행하였다. 공정 순서는 먼저 실리콘 칩과 웨이퍼를 Piranha 용액(H₂SO₄:H₂O₂=2:1)을 이용하여 크린닝하고 N₂ 대기 플라즈마를 이용하여 웨이퍼 및 칩의 표면을 친수화 시킨 후 자가 정렬을 위해 DI water 를 떨어뜨린 후 칩을 자가 정렬시켰다.
특히 Direct Oxide boning 에 적용 가능한 친수성 (hydrophilic) 표면의 자가정렬 (self-assembly) 을이 용한 pre-bonding 방법의 성능을 평가하였으며 기존의 진공 플라즈마 대신 대기 플라즈마를 이용하여 Direct Oxide bonding 을 수행하고 접 합부 특성을 관찰하였다. 실험 결과 친수성 표면의 정렬 오차는 5 ㎛이하임을 확인하였고 대기 플라즈마를이용하여 기공이 없는 양호한 접합부를 얻을 수 있었다.

성능/효과

하나의 chamber 로 구성된 경우에는 웨이퍼와 picker 가 정렬이 잘못되거나 웨이퍼가 외부 외란에 의해 틈이 발생할 경우 외부공기가 흡입되어 진공도가 급격히 떨어지고 웨이퍼 부착력이 급격히 감소한다. 그러나 본 연구에서 제안한 것처럼 내부를 몇 개의 chamber S. 구성하면 웨이퍼가 픽커로부터 일정 거리 이 하로 이 탈되 더 라도 chamber 내부의 급격한 진공도 감소를 줄일 수 있다.
기존의 groove 형태의 진공 picker 와 본 연구에서 제안한 다공질 picker 의 변형을 계산한 결과 Fig. 13과 같이 groove 형태의 picker 는 groove 주위에 국부적으로 진공압이 집중되어 변형이 큰 것을 알 수 있으며 다공질 picker 의 경우는 진공압이 다공질 홀에 균일하게 분배되어 변형이 상대적으로 매우 작음을 확인할 수 있다.
따라서 적층 시 고속 정렬에 대한 문제가 해결되면 W2W 접합에 비해 양산에 적용이 유리할 것으로 판단된다
하지만 균일 가압 헤드의 경우에는 실험 횟수에 따라 하중의 반복능이 매우 좋고 다른 두 위치에서 작용하는 하중이 동일하므로 수직으로 균일한 하중이 인가되는 것을 확인할 수 있다. 또한 기존 bonding head 의 경우 본딩 하중을 조절하기어 렵지만 본 연구에서 제안한 bonding head 는 공압을 이용하여 쉽게 조절이 가능한 장점이 있다.
특히 Direct Oxide boning 에 적용 가능한 친수성 (hydrophilic) 표면의 자가정렬 (self-assembly) 을이 용한 pre-bonding 방법의 성능을 평가하였으며 기존의 진공 플라즈마 대신 대기 플라즈마를 이용하여 Direct Oxide bonding 을 수행하고 접 합부 특성을 관찰하였다. 실험 결과 친수성 표면의 정렬 오차는 5 ㎛이하임을 확인하였고 대기 플라즈마를이용하여 기공이 없는 양호한 접합부를 얻을 수 있었다. 또한 thin wafer 본딩 공정 요소 기술로 thin wafer handler 및 bonding head 를 개 발하고 성 능을 평가하였다.
또한 thin wafer 본딩 공정 요소 기술로 thin wafer handler 및 bonding head 를 개 발하고 성 능을 평가하였다. 해석 및 실험결과 다공질 픽커의경우 thin wafer 의 변형 이 기존 픽커에 비해 매우 작음을 확인할 수 있었으며 볼조인트와 공기 챔버를 이용한 균일 가압헤드는 가압 시 칩의 수직 방향으로 균일한 압력을 유지시켜 줄 수 있었다.

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