칩 가열장치, 이를 구비한 플립 칩 본더 및 이를 이용한플립 칩 본딩 방법 document_id A220623046072

본 발명은 반도체 칩을 기판 상에 본딩하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 레이저 빔을 이용하여 반도체 칩을 가열하는 칩 가열장치, 이를 구비한 플립 칩 본더 및 이를 이용한 플립 칩 본딩 방법에 관한 것이다. 최근 들어 전자제품이 소형화 및 고기능화됨에 따라 전자제품의 핵심부분을 이루고 있는 반도체 칩도 고집적화 및 고성능화되고 있는 추세에 있다. 그리고, 이러한 반도체 칩을 먼지나 습기 또는 전기적, 기계적 부하 등의 각종 외부환경으로부터 보호해주는 반도체 패키지(package)의 제조에 있어서도 이와 같은 추세를 수용하기 위하여 경박단소화 및 다핀화되고 있다. 이에, 반도체 패키지의 방식도 기존의 와이어 본딩(wire bonding) 방식만으로는 경박단소화 및 다핀화되고 있는 추세에 대응하기 힘들다고 판단되어 이를 해결할 수 있는 새로운 방식들이 다양하게 모색되고 있으며, 그 중 한 방식이 솔더범프(solder bump) 방식이다. 즉, 솔더범프 방식이란, 반도체 칩의 입출력 단자인 패드(pad) 위에 별도의 솔더범프를 형성시킨 다음 이 반도체 칩을 뒤집에서 캐리어 기판(carrier substrate)이나 서킷 테이프(circuit tape)의 회로패턴(pattern)에 직접 붙이는 방식으로, 반도체 칩이 뒤집혀진 상태로 본딩되기 때문에 ''플립 칩 본딩(flip chip bonding)'' 이라고도 지칭되고 있다. 한편, 플립 칩 본딩 방식은 크게 열압착 방식과 레이저(laser)압착 방식으로 구분된다. 열압착 방식은 칩의 솔더범프들이 캐리어 기판의 지정된 솔더범프와 대향되도록 본드 포지션(bond position)으로 이동한 후에 칩의 솔더범프와 기판의 솔더범프 사이에 배열된 본딩물질을 녹는점까지 가열하면서 가압함으로써 양 솔더범프 사이를 본딩하는 방식으로, 일본 공개특허 2002-141376호에 개시된 바 있다. 하지만, 이러한 열압착 방식은 반도체 칩을 가열할 때 나타나는 열전달 부위에서의 높은 열손실로 인하여 장시간 동안 반도체 칩을 가열해야 한다. 그 결과, 솔더범프의 본딩온도에 도달하는 시간이 길게 되면서 생산성 저하를 초래할 뿐만 아니라 고온에 민감한 재질에 대해서는 적용이 불가능한 단점이 있다. 또한, 열압착 방식은 반도체 칩과 캐리어 기판의 열적팽창계수 차이로 인하여 본딩위치가 조금씩 틀어지게 되는 본딩 정밀도 문제가 발생될 뿐 아니라 냉각 후 반도체 칩과 기판의 수축으로 인해 조금씩 틀어진 부분에서 크랙(crack)과 같은 본딩부위 손상이 발생되어지는 문제점이 있다. 레이저압착 방식은 칩의 솔더범프들이 캐리어 기판의 지정된 솔더범프와 대향되도록 본드 포지션으로 이동한 후에 칩의 후면으로부터 레이저를 이용하여 칩을 가열하면서 가압함으로써 양 솔더범프 사이를 본딩하는 방식으로, 한국 공개특허 2001-0108103호에 개시된 바 있다. 이러한 레이저압착 방식은 반도체 칩을 가열하는 열원으로 레이저를 이용하기 때문에 짧은 시간에 높은 생산성과 낮은 열적팽창계수를 얻을 수 있다는 장점이 있어 널리 이용되고 있다. 도 1은 종래 플립 칩 본더의 본딩 헤드부의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 일 예에 따른 플립 칩 본더는 내부에 진공통로(12)가 형성된 본딩 헤드(10)를 구비한다. 상기 진공통로(12)에는 도시되지 않은 진공압 발생기에 의해 진공압이 제공된다. 따라서, 상기 본딩 헤드(10)는 진공통로(12)로 제공되는 진공압을 이용하여 반도체 칩(80)을 픽업하고, 이를 본드 포지션으로 이송하여 본딩한다. 또한, 상기 진공통로(12)의 내부에는 반도체 칩(80)으로 레이저 빔을 전달하기 위한 광 섬유(11)가 배치된다. 상기 광 섬유(11)는 레이저 발생기에서 조사하는 레이저 빔을 상기 반도체 칩(80)으로 전달하여 반도체 칩(80)이 빠른시간 내에 본딩온도까지 가열되도록 한다. 따라서, 종래 플립 칩 본더는 진공통로(12)로 제공되는 진공압을 이용하여 반도체 칩(80)을 픽업하고 이를 본드 포지션으로 이송한 다음, 상기 광 섬유(11)를 통한 레이저 빔의 조사로 반도체 칩(80)을 본딩온도까지 가열하여 이를 기판 상에 본딩한다. 하지만, 종래 플립 칩 본더의 경우, 반도체 칩(80)을 본딩온도까지 가열하는 레이저 빔이 별도의 매개물 없이 광 섬유(11)를 통하여 직접 반도체 칩(80)으로 조사되어지기 때문에, 상기 레이저 빔은 반도체 칩(80)의 전체면에 대하여 균일한 강도로 조사되지 못하고 도 2에 도시된 바와 같이 반도체 칩의 중심부에만 강한 강도로 조사되어지게 된다. 그 결과, 레이저 빔에 의한 반도체 칩 내의 에너지 분포는 매우 불균일해지며, 이는 결국 반도체 칩의 소손이나 본딩 품질의 저하 등의 여러가지 문제를 유발한다. 다시 말하면, 광 섬유(11)를 통한 레이저 빔이 별도의 매개물 없이 바로 반도체 칩(80)으로 조사될 경우, 반도체 칩(80) 내의 레이저 빔 강도 크기는 도 2에 도시된 바와 같은 가우시안 프로파일(gaussian profile)을 가지게 된다. 그 결과, 빔 강도 크기에 비례하는 에너지의 경우, 조사 중심부는 높게 되고 그 주변부는 낮게 된다. 따라서, 플립 칩 본딩시, 조사 중심부의 에너지를 기준으로 레이저 빔의 강도 및 빔량 등을 조절하면 주변부의 에너지는 부족하게 되어 본딩 품질의 저하 등을 유발하게 되고, 그 주변부의 에너지를 기준으로 레이저 빔의 강도 및 빔량 등을 조절하면 중심부의 에너지는 지나치게 높아지게 되어 반도체 칩(80)의 소손 등을 유발하게 된다. 따라서, 최근에는 이상과 같은 문제점을 해소하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같은 플립 칩 본더가 사용되고 있다. 도 3은 종래 플립 칩 본더의 본딩 헤드부의 다른 예를 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 종래의 다른 예에 따른 플립 칩 본더는 일 예에 따른 플립 칩 본더의 여러 구성요소들 외에 레이저 빔을 분배하기 위한 레이저 광학계(16)를 더 구비한다. 상기 레이저 광학계(16)는 진공압에 의해 반도체 칩(80)이 흡착되는 본딩 헤드(15)의 하단과 반도체 칩(80)으로 레이저 빔을 전달하기 위한 광 섬유(11)의 사이에 배치되며, 상기 광 섬유(11)를 통해 전달되는 레이저 빔을 광 섬유(11)에 대향되는 반도체 칩(80)의 일면 각 부분에 분배하는 역할을 한다. 따라서, 플립 칩 본딩될 반도체 칩(80)이 이송되면, 종래 다른 예에 따른 플립 칩 본더는 진공통로(12)로 제공되는 진공압을 이용하여 반도체 칩(80)을 픽업하고 이를 본드 포지션으로 이송한 다음, 상기 광 섬유(11)를 통한 레이저 빔의 조사와 함께 상기 레이저 광학계(16)를 이용한 레이저 빔의 각 부분 분배를 통해 반도체 칩(80)을 본딩온도까지 가열하고, 또 이를 기판 상에 본딩한다. 하지만, 이상과 같은 구성을 갖는 플립 칩 본더의 경우에도, 반도체 칩(80) 내의 레이저 빔 강도 분포는 도 4에 도시된 바와 같은 가우시안 프로파일을 가지게 된다. 그 결과, 빔 강도 크기에 비례하는 에너지의 경우, 조사 중심부는 높게 되고 그 주변부는 낮게 된다. 따라서, 플립 칩 본딩시, 조사 중심부의 에너지를 기준으로 레이저 빔의 강도 및 빔량 등을 조절하면 주변부의 에너지는 부족하게 되어 본딩 품질의 저하 등을 유발하게 되고, 그 주변부의 에너지를 기준으로 레이저 빔의 강도 및 빔량 등을 조절하면 중심부의 에너지는 지나치게 높아지게 되어 반도체 칩(80)의 소손 등을 유발하게 된다.