KR100523940B1

KR100523940B1 - direct bonding method of sodalime glass wafer through mechanical polishing process

Info

Publication number: KR100523940B1
Application number: KR10-2003-0043968A
Authority: KR
Inventors: 정세채; 최준례; 박명일
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-10-26
Also published as: KR20050003252A

Abstract

본 발명에서는, 유리 기판의 직접 접합 방법에 있어서, 미세패턴이 가공되거나 또는 가공되지 않은, 세정액에 의한 세정, 세척 및 건조 과정을 거치거나 또는 거치지 않은, 유리 기판(10)을, 연마제(50)를 사용하거나 또는 사용하지 않고, 기계적으로 연마하여 표면 경면화 처리하는 단계(S10); 및 상기 유리 기판(10) 2개를 유리 기판(10) 표면에 존재하는 수화기 그룹간의 공유 결합에 의해 직접 접합하는 단계(S20-1, S20-2);를 포함하는 기계적 연마 공정을 통한 유리 기판의 직접 접합 방법을 개시한다. 본 발명에 따라 기존의 유리 접합법에서와 같은 특수 공정 환경마련 등의 선행조건의 제약을 탈피하게 되었고, 이에 따라 생산성을 향상시키고 생산 단가등을 크게 감소할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 접합시 사용하였던 실리콘이나 접합 고분자 중간층에 의한 부가반응등의 단점을 개선하게 되고, 또한 유리 기판의 접합 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 특히 마이크로 전계 시스템, 미세 유동체등의 분야등에서의 응용이 확대될 수 있는 효과를 달성하게 된다.In the present invention, in the direct bonding method of the glass substrate, the glass substrate 10, whether or not subjected to the cleaning, washing and drying process with a cleaning liquid with or without a micropattern processed, the abrasive 50 Using or without, mechanically polishing to surface-mirror treatment (S10); And directly bonding the two glass substrates 10 by covalent bonding between groups of the handset present on the surface of the glass substrate 10 (S20-1, S20-2). A direct bonding method of is disclosed. According to the present invention, the constraints of the prerequisites, such as the preparation of a special process environment as in the conventional glass bonding method, have been avoided, thereby improving productivity and greatly reducing the production cost, and also used in the existing bonding. It is not only to improve the disadvantages of addition reaction due to the silicon or bonded polymer intermediate layer, but also to improve the bonding precision of glass substrates, and to expand the application in the fields such as micro electric field systems and microfluidics. Will be achieved.

Description

Direct bonding method of sodalime glass wafer through mechanical polishing process

본 발명은 기계적 연마 공정을 통한 유리 기판의 직접 접합 방법에 관한 것으로, 상세하게는 간단한 기계적 연마 과정을 채택함으로써, 기존 석영유리 및 타 유리 접합과정에서 필수적이었던 중간층 삽입, 특수 표면 처리된 유리 기판 및 청정실과 같은 고가의 공정 환경 구축등의 부가적 생산 단가 발생 요인을 제거하고, 일반적 실험실 조건에서 다양한 유리 기판 가공 및 생산이 가능하도록 하는 한편, 나아가 열처리 과정에서, 유리 기판에 접촉하는 가압기로서 내열특성이 높은 가압기를 사용하여 유리 기판의 접합 정밀도를 높이도록 한 기계적 연마 공정을 통한 유리 기판의 직접 접합 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a direct bonding method of a glass substrate through a mechanical polishing process, and in particular, by adopting a simple mechanical polishing process, interlayer insertion, special surface treated glass substrate and Eliminates additional production cost factors such as the construction of expensive process environments such as clean rooms, and enables processing and production of various glass substrates under general laboratory conditions, and furthermore, heat resistance as a pressurizer in contact with the glass substrate during heat treatment. The present invention relates to a direct bonding method of a glass substrate through a mechanical polishing step in which the high pressurizer is used to increase the bonding accuracy of the glass substrate.

본 발명에 있어서, 표면 경면화란 표면의 거칠기를 조정하도록 표면의 미세 요철을 제거하는 것을 의미한다.In the present invention, surface mirroring means removing fine irregularities on the surface to adjust the roughness of the surface.

종래에 유리 기판 접합 방법으로는 양극 접합 방법, 열 혹은 광유발 접합 고분자 재료 이용법등이 있었고, 또한 특수 표면 처리된 유리 기판의 직접 접합 방법이 있었다.Conventionally, glass substrate bonding methods include an anode bonding method, a thermal or photo-induced bonding polymer material usage method, and a direct surface bonding method of a glass substrate with a special surface treatment.

상기 양극 접합(Anodic Bonding)은, 실리콘과 알칼리 유리등을 가열하고 이에 고압을 가하여 전하 이동 현상을 유발하고 이에 따라 계면에서의 전하 결합을 일으켜 접합하는 방법으로, 실리콘 기판과 유리 기판의 접합에 있어서 매우 높은 전기장을 가하게 되므로 소자의 전기적 충격에 의한 오작동을 일으킬 수 있으며, 한편, 유리와 유리 기판 사이의 직접 접합에는 그 접합 원리상 애초에 적용이 불가능하다는 문제점이 있었다. Anodic bonding is a method of heating silicon and alkali glass and applying a high pressure thereto to induce a charge transfer phenomenon, thereby causing charge bonding at an interface, thereby bonding a silicon substrate to a glass substrate. Since a very high electric field is applied, a malfunction may be caused by an electric shock of the device. On the other hand, there is a problem in that the direct bonding between the glass and the glass substrate is not applicable in the first place due to its bonding principle.

따라서 유리 기판들간의 접합시에는 실리콘 중간층을 유리 기판사이에 증착하는 것이 필수적으로 선행되어야 했고, 이에 따라 공정이 복잡해지고, 삽입된 중간층이 생화학적인 반응을 유발하는 등, 그 사용에 있어 매우 제한적이라는 문제점이 있었다.Therefore, when bonding between glass substrates, the deposition of a silicon interlayer between glass substrates must be essentially preceded, and thus the process is complicated and the interlayer intercalation causes a biochemical reaction, which is very limited in its use. There was a problem.

상기 열 혹은 광유발 접합 고분자 재료 이용법의 경우도, 유리 기판들의 직접 접합시에는 유리 기판 사이에 고분자등 화학물질로 중간층을 정밀 코팅하여야 하는 등 부가적 공정이 개입되어 결국 전체 공정이 복잡해지며, 또한 삽입된 중간층에 의해 생화학적인 반응이 유발되는 등의 문제점이 있었던 한편, 미세 패턴이 가공된 유리 기판의 경우에는 삽입된 중간층에 의하여 미세패턴의 구조적 변형이 발생함에 따라 설계시 예측한 성능이 발현되지 않는 등의 문제점이 있어 역시 그 사용에 있어서 제한적이라는 문제점이 있었다.In the case of using the thermal or photo-induced bonding polymer material, additional processes are involved in the direct bonding of the glass substrates, such as the need to precisely coat the intermediate layer with a chemical such as a polymer between the glass substrates. In the case of a glass substrate processed with a fine pattern, structural deformation of the micropattern occurs due to the inserted intermediate layer, and thus the performance predicted at design may not be expressed. There was a problem such as not having a problem in that it is also limited in use.

상기 직접 접합 방법은, ULSI의 SOI나 MEMS 분야에서 널리 사용하고 있는 접합 방법인 웨이퍼 직접 접합 방법(wafer direct bonding)을 이용한 것으로, 클래스(Class) 10의 청정실(Clean room)에서 웨이퍼 세척을 하면 물질의 종류에 무관하게 계면의 반데르발스힘에 의한 기판 접합이 이루어진다는 원리를 이용하는 방법이며, 실제 응용할 수 있는 접합 강도를 얻기 위해서는 열처리에 의한 공유결합 형성 과정이 추가되어야 한다. 이때 열처리 조건과 방법이 계면상의 기포 등 결함을 없애는 변수로 작용하기 때문에 열처리 공정의 선택이 접합 강도를 결정하는 중요한 요소가 된다. The direct bonding method uses wafer direct bonding, which is a bonding method widely used in the SOI and MEMS fields of ULSI, and when the wafer is cleaned in a clean room of class 10, It is a method using the principle that the substrate is bonded by the van der Waals force of the interface irrespective of the type of, and in order to obtain a bonding strength that can be applied in practice, a covalent bond formation process by heat treatment should be added. At this time, since the heat treatment conditions and methods act as a variable for eliminating defects such as bubbles on the interface, the selection of the heat treatment process is an important factor in determining the bonding strength.

이와 같은 직접 접합 방법은, 기판의 표면 상태가 중요하므로 코닝(corning) #7740과 같이 특수 처리된 기판을 사용하여야만 하며, 직접 접합시 공정 환경으로서 클래스 10의 청정실이 필수적으로 요구되었던 바, 따라서 접합공정의 단가가 증가하는 문제점이 있었고, 또한 직접 접합 방법에 추가되는 종래 열처리 공정에서는 가압시 가압기의 내열강도가 떨어져 가압기가 열에 의해 기계적 변형됨에 따라 유리 기판의 접합 정밀도가 저하되는 문제점이 있었으며, 특히 가공 전 기판의 표면 거칠기가 우수한 경우에도 레이저 미세 가공시 발생되는 손상된 표면의 문제점으로 인하여 직접 접합시 결합강도가 약화된다는 단점이 있었다.In this direct bonding method, since the surface condition of the substrate is important, it is necessary to use a specially treated substrate such as Corning # 7740, and a class 10 clean room is required as a process environment for direct bonding. In addition, there is a problem that the unit cost of the process increases, and in the conventional heat treatment process added to the direct bonding method, there is a problem in that the bonding precision of the glass substrate is degraded as the pressurizer is mechanically deformed by heat, because the heat resistance of the pressurizer is lowered during pressurization. Even when the surface roughness of the substrate is excellent before processing, there is a disadvantage that the bonding strength is weakened at the time of direct bonding due to the problem of damaged surface generated during laser micromachining.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, Therefore, the present invention has been made to solve the above problems,

본 발명의 목적은 유리 기판의 직접 접합 방법에 있어서, 종래 양극 접합 방법이나 열 혹은 광유발 접합 고분자 재료 이용법등과는 달리, 공정 증가, 생화학적 반응 및 미세패턴의 구조적 변형등의 사용 제한을 야기하는 중간층 삽입을 배제하면서도, 종래의 직접 접합법과는 달리, 특수 처리된 유리 기판을 사용하여야 하거나 청정실등 소정 공정 환경을 반드시 채택하여야 하는 등의 제약을 배제하여 결국 제조 단가를 절감하는 한편, 마이크로 전계 시스템(micro electro-mechanical system)이나 미세 유동체(microfluidics) 분야등에 있어서 공정중 표면이 부분적으로 손상된 경우에도 유리 기판을 접합할 수 있게 되어 결과적으로 그 응용범위를 확장할 수 있게 되는, 기계적 연마 공정을 통한 유리 기판의 직접 접합 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is that in the direct bonding method of a glass substrate, unlike the conventional anode bonding method or the use of thermal or photo-induced bonding polymer materials, etc., the use of the process increases, biochemical reactions and structural deformation of the micropattern, etc. While eliminating the interlayer insertion, unlike conventional direct bonding methods, it is possible to reduce manufacturing costs by eliminating constraints such as using a specially processed glass substrate or adopting a predetermined process environment such as a clean room. In the field of micro electro-mechanical systems and microfluidics, the mechanical polishing process enables the glass substrates to be bonded even when the surface is partially damaged during the process, thereby extending the scope of application. It is to provide a direct bonding method of a glass substrate.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 유리 기판의 직접 접합 방법에 있어서, 유리 기판(10)의 표면을 기계적으로 연마하여 표면 경면화 처리하는 단계(S10)와; 초순수 증류수로 상기 유리 기판(10)을 세척하는 단계(S31)와; 세정액으로 세정하는 단계(S32)와; 초순수 증류수로 다시 상기 유리 기판(10)을 세척 및 건조하는 단계(S33)와; 상기 유리 기판(10) 두개를, 유리 기판(10) 표면에 존재하는 수화기 그룹간의 공유결합에 의해 1차 접합하는 단계(S20-1); 및 상기 접합된 유리 기판(20)을 열처리를 통하여 2차 접합하는 단계(S20-2);를 포함하는 기계적 연마 공정을 통한 유리 기판의 직접 접합 방법에 의해 달성된다. 이때 상기 S20-2 단계는, 내열강도가 큰 가압기를 통해, 접합된 유리 기판을 가압하여 열처리하는 것이 바람직하고, 특히, 상기 S20-2 단계는, 상기 가압기로 인코넬 가압기(30)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.The object of the present invention as described above, in the direct bonding method of the glass substrate, the surface of the glass substrate (10) by mechanically polishing the surface mirror surface treatment step (S10); Washing the glass substrate 10 with ultrapure distilled water (S31); Washing with a cleaning liquid (S32); Washing and drying the glass substrate 10 again with ultrapure distilled water (S33); Primary bonding of the two glass substrates (10) by covalent bonding between groups of the hydroxyl groups present on the surface of the glass substrate (S20-1); And secondary bonding the bonded glass substrate 20 through heat treatment (S20-2). The method is achieved by a direct bonding method of a glass substrate through a mechanical polishing process. At this time, in the step S20-2, it is preferable to pressurize and heat-treat the bonded glass substrate through a pressurizer having a high heat resistance, and in particular, the step S20-2 may use the Inconel pressurizer 30 as the pressurizer. More preferred.

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이하 본 발명에 따른 기계적 연마 공정을 통한 유리 기판의 직접 접합 방법에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the direct bonding method of the glass substrate through the mechanical polishing process according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 기계적 연마 공정을 통한 유리 기판의 직접 접합 방법은, 종래와 달리, 가장 최소한의 구성으로, 유리 기판의 직접 접합 방법에 있어서, 직접 접합 이전에, 미세패턴이 가공되거나 또는 가공되지 않은, 세정액에 의해 세정, 세척 및 건조 과정을 거치거나 또는 거치지 않은, 유리 기판을, 연마제를 사용하거나 또는 사용하지 않고, 기계적으로 연마하여 그 표면을 경면화 처리하도록 하는 공정을 포함하도록 하여, 특수 처리된 기판의 사용 및 소정 청정실의 사용등이 없이도, 만족할 만한 유리 기판의 접합특성을 얻을 수 있다는 기술적 사상을 바탕으로 하며, 나아가, 유리 기판의 직접 접합 방법중 열처리 공정에 있어서, 접합된 유리 기판에 가압기가 접촉하여 가압시 내열강도가 강한 가압기를 사용하여 가압하도록 하는 공정을 포함함에 따라, 접합된 유리 기판의 접합 정밀도를 높일 수 있다는 기술적 사상을 바탕으로 한다.The direct bonding method of the glass substrate through the mechanical polishing process according to the present invention, unlike the prior art, in the minimal configuration, in the direct bonding method of the glass substrate, before the direct bonding, the fine pattern is processed or not processed And a step of mechanically polishing the surface of the glass substrate, with or without abrasive, with or without the cleaning, washing and drying with a cleaning liquid, to mirror the surface thereof. It is based on the technical idea that satisfactory bonding characteristics of a glass substrate can be obtained without the use of a bonded substrate and a predetermined clean room, and furthermore, in the heat treatment step of the direct bonding method of the glass substrate, And pressurizing the pressurizer using a pressurizer with strong heat resistance when pressurizing the pressurizer. Therefore, it is based on the technical idea that the joining precision of the laminated glass substrate can be improved.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유리 기판의 직접 접합 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.1 is a flow chart schematically showing a direct bonding method of a glass substrate according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 유리 기판을 준비한다(S0). 이때 유리 기판은 상용 유리 기판을 사용하는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 1, first, a glass substrate is prepared (S0). At this time, it is preferable to use a commercially available glass substrate for a glass substrate.

상기 유리 기판은 미세 패턴이 가공된 것일 수도 있고, 가공되지 않은 것일 수도 있으며, 도 1에 도시되지 않았으나 세정액에 의한 세정, 세척 및 건조과정을 거친 것일 수도 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 하기할 표면 경면화 처리 과정의 이 후에 세정액에 의한 세정, 세척 및 건조 과정을 거치게 되는 것일 수도 있다.The glass substrate may be a fine pattern may be processed, may not be processed, but may not be shown in Figure 1, but may be subjected to the cleaning, washing and drying process using a cleaning solution, as shown in Figure 1, After the surface mirror hardening treatment, the cleaning liquid may be subjected to washing, washing, and drying.

이후, 도 1에 도시된 바와 같이, 준비된 유리 기판을 기계적으로 연마하는 과정을 거치도록 한다(S10). Thereafter, as shown in Figure 1, to go through the process of mechanically polishing the prepared glass substrate (S10).

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기계적 연마에 의한 유리 기판(10)의 표면 경면화 처리를 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing the surface mirror surface treatment of the glass substrate 10 by mechanical polishing according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 기계적 연마 과정은, 바람직하게는 유리 기판(10)에 대하여 수직하는 방향을 축방향으로 하여 회전하는 연마기(40)가, 유리 기판(10)과 접촉하여 회전함에 따라, 이후 접합 과정에서 접합하게 될 부위인 유리 기판(10)의 소정 부위 즉 연마부(60)를 기계적으로 연마하게 된다. As shown in FIG. 2, the mechanical polishing process is preferably performed as the polishing machine 40 rotating in the axial direction perpendicular to the glass substrate 10 rotates in contact with the glass substrate 10. After that, the predetermined portion of the glass substrate 10, that is, the portion to be bonded in the bonding process, is polished mechanically.

이때 상기 연마기는 대략 500~1000rpm으로 회전하여 연마를 수행하게 되며, 연마 작업시에는 작업대의 수평을 유지하고 진동을 배제하도록 한다.At this time, the polishing machine is rotated at approximately 500 ~ 1000rpm to perform the polishing, during the polishing operation to keep the workbench horizontal and exclude vibration.

한편, 연마시 연마 특성의 향상을 위하여, 연마제(polishing agent)(50)를 사용하도록 하는 것이 바람직한데, 이와 같이 연마제(50)를 사용함으로써 연마제 내의 미세한 알갱이들이 울퉁불퉁한 요철 형태의 표면을 평탄하게 연마하게 된다.On the other hand, in order to improve the polishing properties when polishing, it is preferable to use a polishing agent (polishing agent) 50, by using the abrasive 50 as described above, fine grains in the abrasive to smooth the uneven surface of the irregular shape Polishing

상기 연마제(50)로서는, 폴리크리스탈라인 다이아몬드 현탁액(polycrystalline diamond suspension)이나 알루미나와 같은 세라믹 재질의 연마제등을 사용하는데, 비록 폴리크리스탈라인 다이아몬드 현탁액의 가격이 알루미나와 같은 세라믹 제품의 가격에 비하여 고가이나, 알루미나와 같은 세라믹 제품은 다이아몬드에 비하여 강도가 떨어지고 그 크기가 일정하지 않아 그 사용이 제한적이므로, 특히 표면 거칠기를 미세하게 조절하는 경우에는, 폴리크리스탈라인 다이아몬드 현탁액의 사용이 바람직하다.As the abrasive 50, a polycrystalline diamond suspension or an abrasive of a ceramic material such as alumina is used, although the price of the polycrystalline diamond suspension is higher than that of a ceramic product such as alumina. Since ceramic products, such as alumina, are inferior in strength to diamond and their size is not constant, their use is limited, and therefore, in the case of finely controlling the surface roughness, the use of polycrystalline diamond suspension is preferable.

이와 같이 연마 과정을 거침에 따라 유리 기판은 용이하게 표면 경면화 처리되며, 표면의 화학적 변화없이, 연마 후의 거칠기(Ra, roughness average) 값이 대략 10Å 이하가 된다.As the polishing process proceeds, the glass substrate is easily surface-mirrorized, and the roughness average (Ra, roughness average) value after polishing is approximately 10 kPa or less without chemically changing the surface.

이와 같이 도 2의 개시를 참조하는 연마 과정이 기술되었으나, 이러한 기재는 본 발명의 기술적 사상을 제한하기 위하여 의도된 것이 아니며, 단지 예시로서 기능하는 것이고, 본 발명의 기술적 사상을 포함하는 한 그 변형이 가능한 것임이 당업자에게 이해되어질 것이다. As such, the polishing process referring to the disclosure of FIG. 2 has been described, but this description is not intended to limit the technical spirit of the present invention, but merely serves as an example, and variations thereof, including the technical spirit of the present invention. It will be understood by those skilled in the art that this is possible.

다음으로, 표면 경면화 처리된 유리 기판(10)을 세정액으로 세정하는 과정과 이를 세척하여 건조하는 과정을 거치게 할 수 있다.Next, the surface mirror-treated glass substrate 10 may be subjected to a process of cleaning with a cleaning liquid and a process of washing and drying the glass substrate 10.

세정용액으로는 황산과 과산화수소가 2:1의 비율로 혼합된 세정용액을 사용하며, 대략 120℃에서 약 20여분간 세정을 행하는 것이 바람직하다. 세척시에는 초순수 증류수(deionized water)로 세척하고, 건조는 예를 들어 회전 건조기를 사용하도록 한다.As a washing solution, a washing solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide are mixed at a ratio of 2: 1 is used, and washing is preferably performed at about 120 ° C. for about 20 minutes. When washing, it is washed with ultra pure deionized water, and drying is performed using, for example, a rotary dryer.

이와 같은 세정, 세척 및 건조 과정을 거치기 전, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 초순수 증류수로 상기 유리 기판(10)을 세척하도록 한 후(S31), 다음으로 세정액으로 세정(S32)하고, 이어 초순수 증류수로 다시 상기 유리 기판(10)을 세척 및 건조(S33)하도록 하는 과정을 수행할 수도 있다.Before going through the cleaning, washing and drying process, as shown in FIG. 1, first, the glass substrate 10 is washed with ultrapure distilled water (S31), and then, the cleaning solution (S32), and then The process of washing and drying the glass substrate 10 again with ultrapure distilled water may be performed.

다음으로, 상기 유리 기판의 접합 과정을 거치도록 한다. Next, to go through the bonding process of the glass substrate.

접합 과정은, 우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 초기 접합 즉 1차 접합 과정을 거치도록 한다(S20-1). First, the bonding process, as shown in Figure 1, to undergo an initial bonding, that is, a primary bonding process (S20-1).

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 접합전 유리 기판(10) 및 접합후 유리 기판(20)을 나타내는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing a glass substrate 10 before bonding and a glass substrate 20 after bonding according to an embodiment of the present invention.

접합전 유리 기판(10) 두개를 접합하여, 접합후 유리 기판(20)을 제조하는며, 도 3에는 접합전 유리 기판(10)으로서, 미세패턴이 가공되지 않은 유리 기판(11)을 상측에 배치하고, 미세패턴이 가공된 유리 기판(12)을 하측에 배치하였다. Two glass substrates 10 are bonded to each other to prepare a glass substrate 20 after bonding. In FIG. 3, a glass substrate 11 having no micropatterns is formed thereon as a glass substrate 10 before bonding. It arrange | positioned and arrange | positioned the glass substrate 12 in which the micropattern was processed below.

상기한 바와 같이, 이미 표면 경면화 처리를 하였기 때문에, 청정실등의 별도의 공정 환경이 없이도 접합이 가능하며, 따라서 그 접합은 상온 대기중에서 행할 수 있고, 이에 의해 공정을 단순화할 수 있게 된다.As described above, since the surface mirroring treatment has already been performed, the bonding can be performed without a separate process environment such as a clean room, and thus the bonding can be performed in an ambient temperature atmosphere, thereby simplifying the process.

도 4는 본 발명에 따른 유리 기판 표면에 존재하는 수화기 그룹간의 화학반응에 따라 발생하는 공유결합을 나타내는 구조식, 도 5는 본 발명에 따른 유리 기판 표면에 존재하는 수화기 그룹간의 약한 수소결합으로 인하여 일정한 압력과 온도를 가할 경우 가수분해 반응으로 발생하는 부분적 공유결합을 나타내는 구조식, 도 6은 본 발명에 따른 접합된 유리 기판 표면의 공유결합을 나타내는 구조식이다.Figure 4 is a structural formula showing a covalent bond generated by the chemical reaction between the groups of the hydroxyl groups present on the surface of the glass substrate according to the invention, Figure 5 is a constant due to the weak hydrogen bonds between the groups of hydroxyl groups on the surface of the glass substrate according to the present invention Structural formula showing a partial covalent bond generated by the hydrolysis reaction when pressure and temperature are applied, Figure 6 is a structural formula showing a covalent bond of the surface of the bonded glass substrate according to the present invention.

상온 대기중에서 반데르 발스 힘에 의한 초기 접합을 실시하게 되는데, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유리 기판 표면에 존재하는 수화기(OH) 그룹간의 화학반응으로 발생하는 공유결합이 유리 기판의 직접 접합을 가능하게 한다. Initial bonding is performed by van der Waals forces in a room temperature atmosphere. As shown in FIGS. 4 to 6, covalent bonds generated by a chemical reaction between hydroxyl groups (OH) present on the surface of the glass substrate are glass substrates. Enables direct bonding of.

즉, 친수성기인 기판 표면에 존재하는 수화기 그룹간의 약한 수소결합으로 인하여, 상온에서 두 기판을 외부의 압력이나 온도의 변화없이 합착시키면, 약한 접합이 발생하게 된다. That is, due to the weak hydrogen bonding between the groups of the hydroxyl groups present on the surface of the substrate, which is a hydrophilic group, when the two substrates are bonded together at room temperature without a change in external pressure or temperature, weak bonding occurs.

다음으로, 접합 강도를 증가시키기 위해 열처리 공정을 거치게 되는데(S20-2), 열처리 공정을 통해 일정한 압력과 온도를 가하면 가수 분해 반응을 일으킨 후 공유결합이 발생하여 결합의 강도가 매우 커지게 된다. Next, a heat treatment process is performed to increase the bonding strength (S20-2). If a constant pressure and temperature are applied through the heat treatment process, a covalent bond occurs after the hydrolysis reaction, and the strength of the bond becomes very large.

이때 열처리 온도는 약 600℃인 것이 바람직하고, 열처리 시간은 약 6시간이 바람직한데, 이는 약 600℃이하, 약 6시간 이하의 조건에서 열처리를 하는 경우 본딩이 실패할 우려가 있고, 그 이상의 조건에서는 시간과 비용이 늘어나기 때문이다. At this time, the heat treatment temperature is preferably about 600 ℃, the heat treatment time is preferably about 6 hours, which may cause the bonding failure when the heat treatment under the condition of about 600 ℃ or less, about 6 hours or less, and more conditions This is because time and money increase.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인코넬 가압기(30)가 유리 기판(10)에 접촉하여 유리 기판(10)을 가압하는 것을 나타내는 개략도이고, 도 8은 도 7의 인코넬 가압기(30) 및 유리 기판(10)을 입체적으로 나타내는 개략도이다.7 is a schematic view showing that the Inconel presser 30 according to an embodiment of the present invention to press the glass substrate 10 in contact with the glass substrate 10, Figure 8 is an Inconel presser 30 of FIG. It is a schematic diagram which shows the glass substrate 10 in three dimensions.

열처리 과정에서 통상적으로, 열처리 시간을 줄이기 위해 유리 기판에 가압기가 접촉하여 대략 2.1MPa의 압력을 가하게 되는데, 기존의 내열강도가 약한 재료로 제작된 가압기의 경우에 유리 기판에 직접 접합시 열에 의한 기계적 변형에 의하여 유리 기판의 접합 정밀도가 떨어지게 되므로, 유리 기판에 직접 접합하는 가압기의 내열특성을 상승하도록 하면, 결국 유리 기판의 접합 정밀도가 상승될 수 있다. In the heat treatment process, in order to reduce the heat treatment time, the pressurizer comes into contact with the glass substrate to apply a pressure of approximately 2.1 MPa. Since the deformation | transformation precision of a glass substrate falls by deformation, when it raises the heat resistance characteristic of the presser bonded directly to a glass substrate, the bonding precision of a glass substrate may eventually raise.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 인코넬 가압기(30)가, 상측 유리기판(11)의 상측에서 상기 상측 유리기판(10)에 접촉하여 있고, 하측 유리기판(12)의 하측에서 상기 하측 유리기판(12)에 접촉하여 있다. 이와 같이 내열특성이 상승된 가압기로서 예를 들어 니켈 합금인 인코넬로 제작된 가압기(30)를 사용하는데, 인코넬 가압기(30)는 높은 온도에서도 변형과 부식이 일어나지 않는 등 내열특성이 우수하여, 이를 사용할 경우, 접합후 유리 기판(20)의 접합 정밀도를 상승시킬 수 있게 된다.As shown in FIG. 7 and FIG. 8, the Inconel presser 30 is in contact with the upper glass substrate 10 from the upper side of the upper glass substrate 11, and the lower side from the lower side of the lower glass substrate 12. It is in contact with the glass substrate 12. As such a pressurizer with increased heat resistance, for example, a pressurizer 30 made of Inconel, which is a nickel alloy, is used. The Inconel pressurizer 30 has excellent heat resistance, such as deformation and corrosion, even at a high temperature. When used, the joining precision of the glass substrate 20 after joining can be raised.

이 후 접합된 유리 기판(20)은 추가적으로 세정, 세척, 건조 과정을 거치도록 할 수도 있다.After that, the bonded glass substrate 20 may be further subjected to a cleaning, washing, and drying process.

도 9는 본 발명에 따른 기계적 연마를 통하여 표면 경면화 처리후 직접 접합된 상용 소다라임 유리기판을 나타내는 사진이고, 도 10은 표면경면화처리 없이 직접 접합된 상용 소다라임 유리 기판을 나타내는 사진이다.FIG. 9 is a photograph showing a commercially available soda lime glass substrate bonded directly after surface hardening through mechanical polishing according to the present invention, and FIG. 10 is a photograph showing a commercially available soda lime glass substrate directly bonded without surface mirroring treatment.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 기계적 연마를 통하여 표면 경면화 처리된 후 직접 접합 과정을 거치는 경우, 접합 정밀도등 접합 특성이 상승된다.As shown in Figure 9 and Figure 10, when subjected to the direct bonding process after the surface mirrored through mechanical polishing according to the present invention, the bonding characteristics such as bonding accuracy is increased.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니라 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있으며, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by explaining preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples, and various forms of embodiments can be implemented within the scope of the appended claims, and the following examples are only common to those skilled in the art to complete the present disclosure. It is intended to facilitate the implementation of the invention to those with knowledge.

[실시예]EXAMPLE

본 실시예에서는 미세패턴이 가공된 76mm×26mm 유리 기판을 준비한 후, 폴리크리스탈라인 다이아몬드 현탁액의 연마제 재료를 도포하고, 회전 연마기를 회전시켜, 약 20분간 표면 경면화 처리를 한다. In this embodiment, after preparing a 76 mm x 26 mm glass substrate processed with a fine pattern, an abrasive material of a polycrystal diamond suspension is applied, and a rotary polishing machine is rotated to perform surface mirroring treatment for about 20 minutes.

황산 및 과산화수소가 2:1 비율로 혼합된 세정 용액으로 120℃에서 20분간 세정한 후 초순수 증류수로 세척한 후 건조한다.After washing for 20 minutes at 120 ° C. with a cleaning solution mixed with sulfuric acid and hydrogen peroxide in a 2: 1 ratio, the mixture is washed with ultrapure distilled water and dried.

이 후 두개의 유리 기판을 상온 대기 중에서 반데르발스 힘에 의해 초기 접합을 실시한다.Thereafter, the two glass substrates are initially bonded by van der Waals forces in an ambient temperature atmosphere.

접합강도를 증가시키기 위해, 600℃에서 6시간동안 열처리를 하게 한다.In order to increase the bond strength, heat treatment was performed at 600 ° C. for 6 hours.

열처리가 끝나면 접합된 시편을 초순수 증류수에서 세정을 하고 이 후 공정이 완료된다.After the heat treatment, the bonded specimens are washed in ultrapure distilled water, and then the process is completed.

본 발명에 따라 기존의 유리 접합법에서와 같은 특수 처리 유리 기판의 사용 및 청정실 사용의 특수 공정 환경마련 등의 선행조건의 제약을 탈피하게 되었고, 이에 따라 생물 및 정밀화학등 최근 각광받는 다양한 산업분야에서 필수적으로 사용되는 특히 미세패턴이 가공된 유리 기판을 이용한 장치 및 관련 제품을 생산함에 있어, 그 생산성을 향상시키고 생산 단가등을 크게 감소할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 접합시 사용하였던 실리콘이나 접합 고분자 중간층에 의한 부가반응등의 단점을 개선하게 되고, 또한 유리 기판의 접합 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 특히 마이크로 전계 시스템, 미세 유동체등의 분야에서 공정 진행중 발생할 수 있는 부분적 표면 손상을 갖는 유리 기판을 접합시킬 수 있기 때문에, 반도체 공정 이외에 타 공정 기술분야에서도 그 응용이 확대될 수 있는 효과를 달성하게 된다.According to the present invention, it is possible to escape the limitations of the prerequisites such as the use of a specially processed glass substrate as in the conventional glass bonding method and the preparation of a special process environment for the use of a clean room, and thus, in various industrial fields such as biological and fine chemicals. In the production of devices and related products using glass substrates processed with micropatterns, which are indispensable, not only can improve the productivity and greatly reduce the production cost, but also the silicon or bonded polymer used in the conventional bonding. Not only can improve the disadvantages such as addition reaction by the intermediate layer, and also improve the bonding accuracy of the glass substrate, but also have a glass substrate having partial surface damage that can occur during the process in particular in the field of micro electric field systems, microfluidics, etc. Can be bonded to other processes in addition to the semiconductor process Thereby achieving the effect that its application could be extended in the field of surgery.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다. Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유리 기판의 직접 접합 방법을 개략적으로 나타내는 순서도, 1 is a flow chart schematically showing a direct bonding method of a glass substrate according to an embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기계적 연마에 의한 표면 경면화 처리를 나타내는 개략도, 2 is a schematic view showing a surface mirroring treatment by mechanical polishing according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 접합전 유리 기판 및 접합후 유리 기판을 나타내는 개략도,3 is a schematic view showing a glass substrate before bonding and a glass substrate after bonding according to one embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 유리 기판 표면에 존재하는 수화기 그룹간의 화학반응에 따라 발생하는 공유결합을 나타내는 구조식,4 is a structural formula showing a covalent bond occurring due to a chemical reaction between groups of hydroxyl groups present on the surface of a glass substrate according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 유리 기판 표면에 존재하는 수화기 그룹간의 약한 수소결합으로 인하여 일정한 압력과 온도를 가할 경우 가수분해 반응으로 발생하는 부분적 공유결합을 나타내는 구조식,5 is a structural formula showing partial covalent bonds generated by a hydrolysis reaction when a constant pressure and temperature are applied due to weak hydrogen bonding between groups of hydroxyl groups present on the surface of a glass substrate according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 접합된 유리 기판 표면의 공유결합을 나타내는 구조식, 6 is a structural formula representing a covalent bond of the surface of the bonded glass substrate according to the present invention,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인코넬 가압기가 유리 기판에 접촉하여 유리 기판을 가압하는 것을 나타내는 개략도, 7 is a schematic view showing that the Inconel pressurizer in accordance with an embodiment of the present invention to press the glass substrate in contact with the glass substrate,

도 8은 도 7의 인코넬 가압기 및 유리 기판을 입체적으로 나타내는 개략도이다. FIG. 8 is a schematic diagram three-dimensionally showing the Inconel pressurizer and the glass substrate of FIG. 7.

도 9는 본 발명에 따른 기계적 연마를 통하여 표면 경면화 처리후 직접 접합된 상용 소다라임 유리기판을 나타내는 사진, 9 is a photograph showing a commercially available soda lime glass substrate directly bonded after the surface mirroring treatment through mechanical polishing according to the present invention,

도 10은 표면경면화처리 없이 직접 접합된 상용 소다라임 유리 기판을 나타내는 사진이다. 10 is a photograph showing a commercially available soda-lime glass substrate bonded directly without surface hardening.

* 주요 도면 부호의 설명 *Explanation of the Main References

10:접합전 유리 기판 11:접합전 상부 유리 기판10: glass substrate before bonding 11: upper glass substrate before bonding

12:접합전 하부 유리 기판 20:접합후 유리 기판12: lower glass substrate before bonding 20: glass substrate after bonding

30:인코넬 가압기 40:회전 연마기30: Inconel pressurizer 40: rotary grinding machine

50:연마제 60:연마부50: polishing agent 60: polishing part

Claims

In the direct bonding method of a glass substrate,

Mechanically polishing the surface of the glass substrate 10 to perform a surface mirror treatment (S10);

Washing the glass substrate 10 with ultrapure distilled water (S31);

Washing with a cleaning liquid (S32);

Washing and drying the glass substrate 10 again with ultrapure distilled water (S33);

Primary bonding of the two glass substrates (10) by covalent bonding between groups of the hydroxyl groups present on the surface of the glass substrate (S20-1); And

Directly bonding the bonded glass substrate 20 through heat treatment (S20-2); Direct bonding method of the glass substrate through a mechanical polishing process, characterized in that consisting of.

delete

The method of claim 1, wherein the step S10,

A method of directly bonding a glass substrate through a mechanical polishing process, characterized in that a polycrystalline diamond suspension is used as the abrasive (50).

delete

The method of claim 1, wherein the step S20-2,

A direct bonding method of a glass substrate through a mechanical polishing process, characterized in that the heat-treated by pressing the bonded glass substrate through a pressurizer having a high heat resistance.

The method of claim 5, wherein the step S20-2,

Direct bonding method of the glass substrate through the mechanical polishing process, characterized in that using the Inconel pressurizer (30) as the pressurizer.