KR100292682B1 - Electrostatic heat junction method of semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 기판의 정전 열 접합방법에 관한 것으로, 특히 증착속도가 빠른 전자선 증착기를 이용하여 낮은 온도와 전압에서 실리콘 기판간 또는 실리콘기판과 유리기판을 접합함으로써 전계방출표시소자의 진공실장에 적합하도록 한 반도체 기판의 정전 열 접합방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
종래에는 스퍼터링을 이용하여 실리콘기판에 유리박막을 증착하고, 정전 열 접합공정을 사용하여 그 유리박막이 증착된 실리콘 기판과 실리콘기판을 접합하였으며, 이와 같이 필드-어시스티드 본딩(field-assisted bonding) 또는 애노딕 본딩(anodic bonding)이라고 불리우는 정전열 접합기술은 직접 접합 기술에 비해 낮은 온도에서 친수화를 위한 화학약품의 처리 없이도 접합이 가능하다는 이유로 마이크로 머시닝, SOI 등 여러 분야에서 널리 응용되고 있다. 정전 열 접합은 1969년 피. 알. 말로이(P. R. MALLOIY)사의 다니엘 아이 포메란즈(Daniel I. Pomerantz)에 의해 300~600℃의 온도와 200~2000V의 전압에서 실리콘 기판과 유리기판을 접합시킴으로써 최초로 세상에 알려지게 되었다. 그 후, 1972년 브룩스(Brooks)와 도나반(Donavan)에 의해 스퍼터링으로 증착된 유리박막을 이용한 정전열 접합방법이 개발되어 유리 기판을 이용한 최초의 방법보다 더 낮은 온도와 전압 하에서 실리콘-실리콘 접합을 수행함으로써, 정전 열 접합에 대한 더 큰 가능성을 보여주게 되었다. 특히 마이크로 머시닝 분야에서 많은 연구와 응용이 이루어지게 되었다. 현재는 주로 코닝(Corning)사의 코닝 #7740 유리 타겟을 이용해 실리콘 기판위에 스퍼터링으로 박막을 증착시켜 정전 열 접합을 실행하고 있으며, 구조에 따라 코닝 #7740 유리 기판을 바로 실리콘 소자에 정전 열 접합시켜 소자의 지지대로 이용하고 있으며, 정전 열 접합을 이용한 반도체 소자의 제작에 있어서, 가능한 소자에 가해질 손상을 줄이기 위해 저온, 저압의 조건하에서 접합이 요구되고 있으며, 1972년 이후 현재까지 정전 열 접합은 스퍼터링으로 증착된 유리박막을 이용하여 실리콘-실리콘 접합을 수행하였으며, 이와 같은 종래 스퍼터링을 이용한 기판의 정전 열 접합 공정방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Conventionally, a glass thin film is deposited on a silicon substrate by sputtering, and a silicon substrate on which the glass thin film is deposited is bonded to a silicon substrate by using an electrostatic thermal bonding process. Thus, field-assisted bonding is performed. Electrothermal bonding technology, also called anodic bonding, is widely used in many fields, such as micromachining and SOI, because it can be bonded without the treatment of chemicals for hydrophilization at a lower temperature than the direct bonding technology. Electrostatic thermal bonding was avoided in 1969. egg. Daniel I. Pomerantz of P. R. MALLOIY made it known for the first time by bonding a silicon substrate and a glass substrate at a temperature of 300-600 ° C and a voltage of 200-2000V. Subsequently, a method of electrothermal bonding using glass thin films deposited by Brooks and Donnavan in 1972 was developed, and silicon-silicon bonding under lower temperature and voltage than the first method using glass substrates. By doing this, we have shown greater potential for electrostatic thermal bonding. In particular, many researches and applications have been made in the field of micromachining. Currently, Corning's Corning # 7740 glass target is used to deposit a thin film on a silicon substrate by sputtering to perform electrostatic thermal bonding. According to the structure, the Corning # 7740 glass substrate is directly electrostatically thermally bonded to a silicon device. In the manufacture of semiconductor devices using electrostatic thermal bonding, bonding is required under low temperature and low pressure conditions to reduce possible damage to the devices.Since 1972, electrostatic thermal bonding has been sputtered. Silicon-silicon bonding was performed using the deposited glass thin film, and the method of electrostatic thermal bonding of a substrate using the conventional sputtering will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 유리박막을 이용한 실리콘기판간의 정전 열 접합 메카니즘을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 실리콘기판(1)과 스퍼터링으로 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)을 접속하여 전원전압(DC)을 인가하면, 상기 유리박막에 포함된 나트륨(Na), 리듐(Li)이온이 전원전압(DC)의 양극으로 이동하고, 이에 따라 실리콘기판(2)과 유리박막 사이에는 산소이온이 남게 되어 일종의 공핍층이 형성된다. 다시 말해서, 유리박막의 재료인 PYREX유리는 상온에서도 이온화가 쉽게 되는 나트륨이나 리듐과 같은 원소들을 포함하고 있고, 특히 코닝(corning #7740)유리는 나트륨 옥사이드(Na2O)의 형태로 나트륨원소를 가지고 있으며, 열팽창계수가 실리콘과 매우 비슷하여 열을 사용하는 접합시 기판에 손상을 최소화할 수 있다. 상기 설명한 나트륨이온은 상온에서도 쉽게 이온화가 되어 정전하를 띈 이온상태로 유리박막 내부에 존재하게 된다. 이러한 나트륨이온은 일정한 온도이상의 열을 받으면 이동도가 증가하여 유리박막의 내부를 이동할 수 있는 운동에너지를 얻게된다. 이때 외부에서 전계가 인가되면 나트륨이온은 양극으로 이동하고, 산소이온은 음극에 남아 공핍층을 형성한다. 이와 같은 결과로 도1a에 도시한 바와 같이 접합면의 실리콘기판(1)측은 양전하가 분포하고, 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)측은 음전하가 분포되어있다. 이러한 전하의 분포는 실리콘기판에 증착된 유리박막에 공핍층을 형성하여 결과적으로 도1b에 도시한 바와 같이 실리콘기판(1)측에 형성된 강한 전계분포의 영향으로 발생한 정전력에 의해 실리콘기판(1)과 유리박막사이에 영구적인 접합이 일어난다.FIG. 1 is a diagram showing the electrostatic thermal bonding mechanism between silicon substrates using a glass thin film. As shown in FIG. 1, the
또한, 상기 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)을 제조하기 위해 종래에는 저온, 저압에서 아르곤 또는 산소 분위기에서 실행되는 스퍼터링을 사용하였다. 즉, 유리타겟을 이용하여 실리콘 기판위에 스퍼터링으로 유리박막을 1마이크로 미터이상으로 증착하여 사용하고 있다.In addition, in order to manufacture the
그러나, 상기와 같은 스퍼터링을 이용한 반도체 기판의 정전 열 접합방법은 실리콘기판의 상부에 스퍼터링을 이용하여 1초에 0.5
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 가스의 분위기에 영향을 받지 않으며, 증착속도를 증가시킨 반도체 기판의 정전 열 접합방법의 제공에 그 목적이 있다.In view of the above problems, the present invention is not affected by the atmosphere of the gas, and an object thereof is to provide a method of electrostatic thermal bonding of a semiconductor substrate having an increased deposition rate.
도1은 유리박막을 이용한 실리콘기판간의 정전 열 접합 메카니즘을 도시한 구성 설명도로서,1 is an explanatory diagram showing the electrostatic thermal bonding mechanism between silicon substrates using a glass thin film.
도1의 (a)는 유리박막과 실리콘기판의 접합부위에 전하분포를 도시한 그래프 도.Figure 1 (a) is a graph showing the charge distribution at the junction of the glass thin film and the silicon substrate.
도1의 (b)는 유리박막과 실리콘기판의 접합부위에 전계분포를 도시한 그래프 도.Figure 1 (b) is a graph showing the electric field distribution at the junction of the glass thin film and the silicon substrate.
도1의 (c)는 유리박막과 실리콘기판간의 접합부위에 전위차를 도시한 그래프 도.Figure 1 (c) is a graph showing the potential difference at the junction between the glass thin film and the silicon substrate.
도2는 본 발명에 의한 실리콘기판간에 전압과 열을 가하여 접합하는 정전 열 접합 장치의 구조도.2 is a structural diagram of an electrostatic thermal bonding apparatus for joining by applying voltage and heat between silicon substrates according to the present invention.
도3은 도2에 의해 접합된 실리콘기판간의 단면 주사 전자 현미경 사진.3 is a cross-sectional scanning electron micrograph of the silicon substrate bonded by FIG.
도4는 도2에 의해 접합된 실리콘기판간에 대한 적외선 투과 사진.4 is an infrared transmission photograph of the silicon substrate bonded by FIG.
도5는 도2에 있어서, 공동을 형성한 후 유리박막이 증착된 실리콘기판에 실장된 접 합 쌍의 단면 주사 전자 현미경 사진.FIG. 5 is a cross-sectional scanning electron micrograph of the bonded pair shown in FIG. 2, mounted on a silicon substrate on which a glass thin film is deposited after forming a cavity; FIG.
도6은 본 발명에 의한 실리콘기판과 유리반도체 기판에 열과 전압을 인가하여 접합 시키는 정전 열 접합장치의 구조도.6 is a structural diagram of an electrostatic thermal bonding apparatus for bonding heat and voltage to a silicon substrate and a glass semiconductor substrate according to the present invention.
도7은 도6에 의해 접합된 실리콘기판과 유리기판의 단면 주사 전자 현미경 사진.Fig. 7 is a cross-sectional scanning electron micrograph of a silicon substrate and a glass substrate bonded by Fig. 6;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1:실리콘기판 2:유리박막이 증착된 실리콘기판1: Silicon substrate 2: Silicon substrate with glass thin film deposited
3:전원공급 및 기록장치 4:가열장치3: power supply and recording device 4: heating device
5:온도제어장치 6:유리박막이 증착된 ITO코팅 유리기판5: Temperature controller 6: ITO coated glass substrate with glass thin film deposited
7:알루미늄7: Aluminum
상기와 같은 목적은 녹는점이 낮은 유리의 특성을 개선하고, 그 개선된 유리를 소스로 하는 전자선 증착방법을 사용하여 유리박막을 증착시킴으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명에 의한 반도체 기판의 정전 열 접합방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The above object is achieved by improving the properties of low melting point glass and depositing a glass thin film using an electron beam deposition method using the improved glass as a source, and thus the electrostatic thermal bonding of a semiconductor substrate according to the present invention. The method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2는 본 발명에 의한 실리콘기판간의 정전 열 접합방법을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 (100)방향의 N형 실리콘기판(1)과 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)에 전원전압을 인가하고, 그 값을 측정하는 전원공급 및 전원장치(3)와; 온도조절장치(5)의 제어에 따라 상기 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)에 열을 가하는 가열장치(4)로 구성되어 (100)방향의 N형 실리콘기판(1)과 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)에 열과 전압을 인가하여 실리콘기판(1)과 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)을 접합시키게 된다.FIG. 2 is a diagram showing a method of electrostatic thermal bonding between silicon substrates according to the present invention. As shown therein, an N-
이하, 상기 유리박막이 증착된 실리콘기판(2)을 제조하기 위한 방법을 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing the
일반적으로 유리는 녹는점이 낮기 때문에 전자선증착기로 실리콘기판위에 증착시키는 것은 불가능하다. 이를 보완하기 위해 본 발명에서는 코닝유리와 옥사이드(SiO2)를 2:1의 비율로 혼합하여 전자선 증착기의 소스 물질로 사용하며, 증착시 분위기는 230℃의 기판온도와 2×10-5torr의 진공을 사용한다. 이와 같은 전자선 증착기에 의한 유리박막의 증착은 어떠한 가스 분위기도 필요없기 때문에 상기 코닝유리와 옥사이드를 2:1로 혼합한 소스물질과 실제 실리콘기판에 증착되는 유리박막의 성분은 동일하게 된다. 이를 실험한 결과를 아래 표1에 기재하였다.Generally, because glass has a low melting point, it is impossible to deposit on a silicon substrate using an electron beam evaporator. In order to compensate for this, in the present invention, corning glass and oxide (SiO 2 ) are mixed at a ratio of 2: 1 and used as a source material of an electron beam evaporator, and the deposition atmosphere is 230 ° C. and a substrate temperature of 2 × 10 −5 torr. Use a vacuum. Since the deposition of the glass thin film by the electron beam evaporator does not require any gas atmosphere, the components of the source material in which the Corning glass and the oxide are mixed 2: 1 and the glass thin film deposited on the actual silicon substrate are the same. The experimental results are shown in Table 1 below.
상기 표1에 기재한 바와 같이 유리소스와 유리박막의 성분비의 차이는 거의 없음을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that there is almost no difference in the component ratio between the glass source and the glass thin film.
또한, 증착되는 유리박막의 표면의 단차가 심할 경우에는 정전 열 접합시에 유리박막과 실리콘기판이 부분적으로만 접합되는 경우가 발생하기 때문에 유리박막 표면의 평활도는 중요하다. 이와 같은 전자선 증착기를 사용하여 유리박막을 증착하는 경우 증착되는 유리박막의 평활도와 다른 기판들의 평활도를 아래 표2에 비교하여 기재하였다.In addition, when the level of the surface of the glass thin film to be deposited is severe, since the glass thin film and the silicon substrate are only partially bonded during the electrostatic thermal bonding, the smoothness of the surface of the glass thin film is important. When the glass thin film is deposited using the electron beam evaporator, the smoothness of the glass thin film deposited and the smoothness of other substrates are described in Table 2 below.
상기 표2에 기재한 바와 같이 유리박막 단차의 최대값은 200
그리고, 상기와 같은 코닝유리와 옥사이드를 2:1로 혼합한 소스물질로 하는 전자선 증착기를 사용하여 유리박막을 증착하는 경우에는 유리박막을 1초에 50
이와 같은 방법으로 유리박막이 증착된 다결정실리콘(2)을 제조한 후에, 상기 도1과 같은 장치를 사용하여 135~160℃의 온도와 35~55V의 전압을 10분 동안 인가하여 정전 열 접합을 시켜 제조하게 된다.After manufacturing the polycrystalline silicon (2) on which the glass thin film was deposited in this manner, by using the apparatus as shown in Figure 1, by applying a temperature of 135 ~ 160 ℃ and a voltage of 35 ~ 55V for 10 minutes To make it.
또한 도3은 접합된 실리콘기판간의 단면 주사 전자 현미경의 사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기의 방법으로 제조된 다결정실리콘, 유리박막, 다결정실리콘이 순서대로 구비되어 있고, 연마에 사용된 알루미나의 가루가 흰 점으로 표시되었다.3 is a view showing a cross-sectional scanning electron micrograph between the bonded silicon substrates. As shown therein, polycrystalline silicon, glass thin film, and polycrystalline silicon manufactured by the above method are sequentially provided and used for polishing. The alumina powder was marked with white dots.
그리고, 도4는 접합된 실리콘기판간에 대한 적외선 투과 사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 접합계면에 프린지(FRINGE)가 생긴 것을 알 수 있으며, 상단의 프린지는 접합이 이루어지지 않음을 나타내고, 하단의 검은 점은 실험시 실리콘 기판에 붙은 먼지 입자에 의해 형성된 것이다.4 is a diagram showing infrared transmission images of the bonded silicon substrates. As shown in FIG. 4, it can be seen that a fringe FRINGE is formed on the bonding interface, and the fringe at the top indicates that the bonding is not performed. The black dots at the bottom are formed by dust particles adhering to the silicon substrate during the experiment.
그리고, 도5는 공동을 형성한 후 유리박막이 증착된 실리콘 기판에 실장된 접합쌍의 단면 주사 전자 현미경 사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 습식식각을 이용하여 등방성으로 실리콘기판을 식각하여 15mm×15mm×8
또한, 도6은 본 발명에 의한 실리콘기판과 유리반도체 기판의 정전 열 접합방법을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 실리콘기판과 유리박막이 증착된 실리콘기판을 정전 열 접합시키는 장비와 동일한 장비로 실리콘기판(1)과 ITO코팅 유리기판(6)에 열과 전압을 인가하여 열 접합시키게 된다. 이때, 정전 열 접합이 일어나는 분위기는 135~160℃의 기판온도와 35~55V의 전압의 분위기로 10분간 유지한 때이며, 상기 ITO코팅 유리기판(6)에 코팅된 ITO에 의한 전압강하를 최소화 하기 위해 ITO층의 상부에 알루미늄전극(7)을 증착하여 사용한다.6 is a diagram illustrating a method of electrostatic thermal bonding of a silicon substrate and a glass semiconductor substrate according to the present invention, and as shown in FIG. 6, is the same as the equipment for electrostatic thermal bonding of the silicon substrate on which the silicon substrate and the glass thin film are deposited. The equipment is thermally bonded by applying heat and voltage to the
상기와 같은 유리기판(6)과 실리콘기판(1)의 접합을 확인하기 위해서 도7에 도시한 실리콘기판과 유리기판의 단면 주사 전자 현미경의 사진과 같이 접합된 시편을 다이아몬드 칼을 이용하여 반으로 절단한 후, 전자 현미경을 사용하여 그 접합을 확인한다.In order to confirm the bonding between the
상기한 바와 같이 본 발명에 의한 반도체 기판의 정전 열 접합방법은 전자선 증착기를 사용하여 유리박막의 증착속도를 증가시킴으로써, 실제 제품의 제조효율을 증가시키는 효과와 아울러 특정한 가스분위기를 사용하지 않게 됨으로써 증착의 소스와 실제 증착되는 유리박막의 특성이 동일하여 제품의 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.As described above, the electrostatic thermal bonding method of the semiconductor substrate according to the present invention increases the deposition rate of the glass thin film by using an electron beam evaporator, thereby increasing the production efficiency of the actual product and by not using a specific gas atmosphere to deposit it. Since the source and the characteristics of the glass thin film deposited is the same, there is an effect of improving the reliability of the product.
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US4643532A (en) * | 1985-06-24 | 1987-02-17 | At&T Bell Laboratories | Field-assisted bonding method and articles produced thereby |
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- 1997-09-03 KR KR1019970045605A patent/KR100292682B1/en not_active IP Right Cessation
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