KR100386954B1 - 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 웨이퍼 세척과 저온 열처리를 이용한 유리와 단결정 실리콘 기판의 저온 직접접합방법에 관한 것으로서, 거울면을 가진 유리와 단결정 실리콘을 1차 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 단계와, 상기의 1차 세정한 유리와 실리콘을 2차 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 단계와, 상기의 2차 세정한 유리의 거울면 전면과 실리콘을 클래스 100 이상의 클린룸에서 직접접합하는 단계와, 상기의 접합된 유리와 실리콘 기판을 열처리하는 단계로 구성되는 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법을 제공함으로써, 여러 이종재료의 접합에 응용할 수 있을 뿐만 아니라, SOI를 기반한 ULSI 소자로의 적용, Display에서의 FPD 응용, 그리고 MEMS 개발과 같은 여러 영역에서 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법에 관한 것으로써, 특히 웨이퍼 세척과 저온 열처리를 이용한 유리와 단결정 실리콘 기판의 저온 직접접합방법에 관한 것이다.
마이크로 장치(Micro Devices) 연구가 고집적화와 고효율성의 흐름으로 급속히 발전해감에 따라 웨이퍼의 특성 향상 문제가 대두되었다. ULSI(Ultra Large Scale Integrated) CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 및 FPD(Flat Panel Display)의 LCD(Liquid Crystal Display) 등의 분야에서 특히 많은 연구가 진행되었으며, 웨이퍼 접합을 통한 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼나 유리(Glass)와 단결정 실리콘(Single crystal silicon)의 접합이 이에 해당된다.
최근에 다결정 실리콘(Poly-crystal Silicon)을 이용한 LCD 시장이 차츰 고해상도의 단결정 실리콘 방식으로 전환되어 가고 있으며 이에 따른 유리와 단결정 실리콘의 접합에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한, MEMS(Micro-electro -mechanical-systems)의 3-D 집적기술 등에 있어서 이종재료 접합에 대한 관심이 증대되고 있는 추세이다.
현재까지 단결정 실리콘과 유리의 접합방식은 주로 양극접합(Anodic Bonding)방법을 사용하여 왔다. 양극접합방법은 실리콘과 알칼리 유리와의 가열 및 고압에 의한 전하 이동 현상을 이용하여 계면에서의 전하 결합을 통해 접합하는 기술로서 450℃에서 가열 처리를 한다.
구체적인 예로 일본공개특허 제 JP4072679A2호는 유리와 실리콘과의 양극접합방법에 관한 것으로 접합과정 중에 실리콘 웨이퍼와 유리의 표면상태를 확인하기 위해서 광학장치를 사용하여 확인하는 방법에 관하여 개시되어 있다.
그러나 상기한 양극접합방법은 가열 및 고압에 따른 공정 비용이 높고 유리의 금속이온이 실리콘층으로 이동됨에 따른 고전압이라는 비효율적 측면과 이온성물질을 포함한 유리로 인한 실리콘층의 품질 저하 문제가 응용의 한계를 가져오고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 종래의 양극접합에 작용되는 고전압 및 과부하등의 문제가 없는 웨이퍼직접접합(Wafer Direct Bonding ; WDB)방법을 유리와 실리콘의 접합에 최적화하여 고품질의 LCD용 기판을 제작할 수 있는 기술을 개발할 뿐만 아니라, MEMS 분야에서의 새로운 이종재료 접합 방법, 즉 SPM 세정 및 이에 연속되는 RCA 세정공정을 갖는 새로운 이종재료 접합방법으로써 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법을 제공하는 것이다.
도 1는 세척 종류에 따른 유리-실리콘 상온 직접접합상태를 비교한 사진.
도 2는 세정용액에 의한 유리 기판의 단계별 계면 변화반응을 나타내는 모식도.
도 3에 세정용액의 종류에 대한 유리 표면 거칠기 정도를 나타내는 그래프.
도 4은 열처리 온도 및 유지시간에 따른 접합강도를 나타낸 그래프.
도 5은 열처리 공정에 따른 접합률을 비교한 사진.
도 6는 크랙오픈법을 나타내는 사진.
도 7는 유리와실리콘 기판의 직접접합공정 단계별에 따른 계면 변화반응을 나타내는 모식도.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 거울면을 가진 유리와 단결정 실리콘을 1차 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 단계와, 상기의 1차 세정한 유리와 실리콘을 2차 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 단계와, 상기의 2차 세정한 유리의 거울면 전면과 실리콘을 클래스 100 이상의 클린룸에서 직접접합하는 단계와, 상기의 접합된 유리와 실리콘 기판을 열처리하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법을 제공하는 것이다.
웨이퍼직접접합방법(WDB)은 이미 ULSI의 SOI나 MEMS 분야에서 널리 사용하고 있는 접합 방법이다. WDB 방법은 Class 10 Clean room에서 웨이퍼 세척을 하면 물질의 종류에 관계없이 계면의 반데르발스힘에 의한 기판 접합이 이루어진다는 원리를 이용한 방법으로 실제 응용할 수 있는 접합 강도를 얻기 위해서는 열처리에 의한 공유결합 형성 과정이 추가되어야 한다. 특히, 열처리 방법이 계면에 남아 있는 기포 등의 결함을 없애는 변수로 작용하기 때문에 어떠한 원리로 열처리 하느냐가 접합 강도를 결정하는 중요한 요소이다.
본 발명은 WDB 방법을 이종재료인 유리와 실리콘의 접합에 응용한 것으로 웨이퍼 세척방법에서 유리계면의 이온적 경향을 최소화하기 위하여 단계별 혼합 세정방법을 적용하였고, 유리와 실리콘과의 열팽창계수 차이를 고려해서 최소의 열변형력(Thermal Stress)을 나타내는 온도 범위에서 열처리함으로써 유리와 실리콘의 접합을 최적화하였다.
이하, 본 발명의 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법을 단계별로 상세히 살펴보고자 한다.
첫 번째 단계는 거울면을 가진 유리와 단결정 실리콘을 1차 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 단계로서, 황산과 과산화수소수가 4:1의 비율로 혼합된 120℃의 SPM(Sulfuric-Perooxide-Mixture) 세정용액으로 10분간 세정한 후 초순수로 세척 및 건조한다. 이 단계에서는 반응식 1에 의하여 유기물, 금속등의 불순물이 제거되며 다량의 수소이온(H+)의 작용에 의해 1차 표면 친수화가(Hydrophilization) 형성된다. 황산이온이 잔존해 있기 때문에 직접 접합하기에 적합하지 않은 상태이다.
두 번째 단계는 1차 세정한 유리와 실리콘을 2차 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 단계로서 암모니아와 과산화수소수 및 물이 1:1:5의 비율로 혼합된 80℃의 RCA(Trademark) 세정용액을 사용하여 20분간 세정한 후 초순수로 세척 및 건조한다. 이 단계에서는 반응식 2에 의하여 유기물, 금속 및 입자등의 불순물이 제거되며 다량의 수산화이온(OH-) 작용에 의한 2차 표면 친수화(Hydrophilization)가 형성된다. 첫 번째 단계에서 잔존한 황산이온 잔유물이 암모니아이온에 의해 제거됨으로써 세척 효과가 극대화된다. 이 때, RCA에 의한 표면 거칠기 영향은 잔존 황산이온의 제거 효과에 의해 완화된다.
도 1는 세정용액의 종류에 따른 500㎛ 4″7740 파이렉스 유리 웨이퍼와 525㎛ 4″(100) p-type Epi-실리콘 웨이퍼의 직접 접합 상태를 비교한 것으로, 도 1a는 유리기판과 실리콘 기판을 각각 RCA로 처리한 경우이고, 도 1b 유리기판은 RCA, 실리콘 기판은 SPM으로 처리한 경우이고, 도 1c는 유리기판은 SPM으로 처리한 후RCA로 처리하고 실리콘 기판은 SPM으로 처리한 경우이며, 도 1d는 유리기판과 실리콘 기판을 SPM으로 처리한 후 RCA로 처리한 경우이다. 도 1a, 도 1b의 경우와 같이단일 세정용액에 의한 처리한 웨이퍼의 경우는 접합률이 60% 미만으로 나타나는데 반해, 한쪽 웨이퍼만이라도 혼합 세정용액을 사용할 경우에는 도 1c와 같이 접합률이 향상되며, 특히, 양쪽 웨이퍼 모두 혼합 세정 처리한 도 1d의 경우는 거의 100%에 가까운 접합률을 나타내었다.
도 2에 세정용액에 의한 유리 기판의 단계별 계면 변화반응을 나타내었다. 도 2와 같이 각 단계별로 세정용액의 종류에 따른 웨이퍼 계면 반응이 서로 다르게 진행되어 가며, SPM 처리한 후 RCA 처리한 경우, 유리 기판의 세정 효과가 가장 효과적일 수 있다.
도 3에 세정용액의 종류에 대한 표면 거칠기 정도를 그래프로 나타내었다. 실제 측정에서도 SPM 처리한 후 RCA 처리한 경우가 가장 우수한 세정효과로 확인되었다.
세 번째 단계는 상기의 2차 세정한 유리의 거울면 전면과 실리콘을 상온의 대기중에서 직접접합하는 단계로서 클래스(Class) 100 이상의 클린룸(Clean room) 에서 수행하며, 하단에 세정한 유리 웨이퍼를 고정시키고, 상단에 수평영역(Flat zone)을 일치시킨 실리콘 웨이퍼를 충분한 압력으로 수직 균일하게 접합시켜서 상온 접합시킨다. 이때 가압 방향은 중앙으로부터 방사형으로 나타나도록 한다.
네 번째 단계는 상기의 접합된 유리와 실리콘 기판을 열처리하는 단계로서 열처리 온도와 유지시간을 공정 변수로 제어하여, 각 차이로부터 야기되는 접합 강도를 통하여 직접 접합 반응의 최적화 조건을 정립하였다. 도 4a에 열처리 온도에 따른 접합강도와 도 4b에 열처리 유지 시간에 따른 접합강도를 나타내었다. 도 4a과 도 4b의 결과로부터 400℃, 28시간에서 최대 접합강도를 얻을 수 있다. 접합강도는 크랙오픈법(Crack opening method)에 의한 표면에너지 산출로부터 측정되었다.
도 5은 승온 비율 2도/분 이하의 열처리 공정에 따른 접합률을 비교한 사진으로서 도 5a는 열처리 공정전의 상온 직접접합 상태를 나타내며, 도 5b는 열처리 공정후의 상온 직접접합 상태를 나타낸다. 도 4의 결과와 같이 승온 비율을 2도/분 이하로 할 경우 접합률을 증가시킨다는 사실을 확인할 수 있는데, 승온 비율이 높을 경우에는 열처리에 따른 이종재료간의 열팽창계수 차이로 인한 응력 발생으로 접합률 증가효과를 최대화시킬 수 없었다.
크랙오픈법은 도 6와 같은 방법으로 실시하는 것으로서, 도 6a는 크랙형성전의 경우이고, 도 6b는 크랙형성전의 경우이다. 열처리과정을 마친 웨이퍼쌍에 대하여 접합계면에 면도날로 크랙을 형성시켜서 이 때 나타난 크랙 성장 길이를 아래와 같은 수학식 1에 넣어 표면에너지를 구하는 방법이다.
gamma, {}gamma_1 ,{}gamma_2 : 계면에너지, t_1 ,{}t_2 : 기판의 두께, E_1 ,{}E_2 : Young's modulus,
t_b : 칼날의 두께, L_2 : Crack의 형성 길이
상기한 각 단계는 최대한 신속히 진행하여 공정 중간과정에서 유발될 수 있는 결함(Defects) 요인을 최소화한다. 또한, 열처리 공정을 제외한 모든 공정들을 청정도 Class 100이하에서 실시하여 공정 각각에 대한 신뢰성을 확보한다.
도 7에 유리와 실리콘 적접 접합의 각 단계에서의 유리와 실리콘의 계면 변화 반응을 나타내었다. 도 7와 같이 각 단계별로 웨이퍼 계면 반응이 서서히 진행되어 가며, 유리와 실리콘과 같은 이종재료 접합에서는 최적 열처리 조건의 경우 마지막 단계까지 반응할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 종래의 양극접합이 갖는 공정 비효율성을 개선하고, 기판 특성을 안정적으로 보존할 수 있다. 또한 본 발명의 유리와 실리콘 기판의 직접 접합 방법을 여러 이종재료의 접합에 응용할 수 있을 뿐만 아니라, SOI를 기반한 ULSI 소자로의 적용, Display에서의 FPD 응용, 그리고 MEMS 개발과 같은 여러 영역에 폭넓게 응용할 수 있다.
Claims (4)
- 거울면을 가진 유리와 단결정 실리콘을 황산과 과산화수소수를 포함하는 SPM 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 1차 세정단계와,상기 1차 세정단계에서 1차 세정된 유리와 실리콘을 암모니아와 과산화수소수를 포함하는 RCA 세정용액으로 세정한 후 초순수로 세척하여 건조시키는 2차 세정단계와,상기 2차 세정단계에서 세정된 유리의 거울면 전면과 실리콘을 건조된 상태로 유지한 채 클래스 100 이상의 무진실에서 직접접합하는 단계와,상기의 접합된 유리와 실리콘 기판을 열처리하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 1차 세정단계는 120℃의 황산과 과산화수소수가 4:1의 비율로 혼합된 SPM 세정용액을 사용하여 10분간 세정하는 하는 것을 특징으로 하는 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 2차 세정단계는 80℃의 암모니아와 과산화수소수 및 물이 1:1:5의 비율로 혼합된 RCA 세정용액을 사용하여 20분간 세정하는 하는 것을 특징으로 하는 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법.
- 제 1항에 있어서,열처리 단계는 승온 비율을 2도/분 이하로 하여 400℃에서 28시간 열처리하는 것을 특징으로 하는 유리와 실리콘 기판의 저온 직접접합방법.
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