KR102082009B1 - 아연 금속과 아연 과산화물의 반응성 결합으로 형성된 층상 결합 구조물 - Google Patents
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Abstract
아연 금속과 아연 과산화물 사이의 반응성 결합으로 형성된 층상 결합 구조물을 위한 시스템, 방법 그리고 장치가 기재된다. 특히, 본 발명은 두 구조물이 아연 산화물을 포함하는 층과 함께 결합한 층상 결합 구조물을 개시한다. 아연 산화물은 두 구조물들 중 하나 또는 둘 다에서 아연 과산화물 및 아연 금속의 반응을 촉진시키기 위하여 두 구조물들을 가압 하에 접촉하도록 처리하고 그리고 두 구조물들에 열을 공유하는 것을 포함하는 방법을 통해 형성된다.
Description
본 발명은 아연 산화물을 형성하기 위해 아연 과산화물과 아연 금속의 반응성 결합물을 이용하는 결합재에 관한 것이다.
본 발명의 한 면에 따르면, 아연 금속과 아연 과산화물의 반응성 결합으로 형성된 층상 결합 구조물(layered bonded structure)에 관한 방법, 시스템 그리고 장치가 제공된다. 하나 이상의 구현예에서, 본 발명은 제 1 구조물 및 제 2 구조물을 제공하고, 제 1 및 제 2 구조물 중 하나 이상에서 아연 금속과 아연 과산화물을 갖는 층을 형성하고, 아연 금속의 산화가 일어나도록 제 1 및 제 2 구조물을 처리하고, 그리고 제 1 및 제 2 구조물 사이에 아연 산화물을 갖는 또 다른 층을 형성하는 것을 포함하는 층상 구조물을 형성하는 방법을 개시한다. 적어도 하나의 구현예에서, 아연 산화물은 아연 금속의 산화 그리고 아연 과산화물의 환원으로부터 형성된다. 추가 구현예에서, 산화는 주위의 산소뿐만 아니라 아연 과산화물에 의해 제공된 산소에 의해 일어난다고 명시되어 있다.
유리하기는, 접촉된 층을 처리하는 것은 접촉된 층에 약 100-400℃의 온도로 열을 공급하는 것을 포함한다.
유리하기는, 접촉된 층을 처리하는 것은 약 5-80 psi의 압력을 공급하는 것을 포함한다.
유리하기는, 아연 산화물은 아연 금속의 산화를 통해 형성된다.
바람직하기는, 아연 산화물은 아연 과산화물의 열 변환 반응을 통해 형성된다.
유리하기는, 산화는 아연 과산화물에서 제공된 산소에 의해 일어난다. 바람직하기는, 산화는 접촉된 층으로 제공된 산소 가스에 의해 일어난다.
유리하기는, 제 1 및 제 2 구조물 중 적어도 하나는 웨이퍼를 포함한다.
유리하기는, 제 1 및 제 2 구조물 중 적어도 하나는 반도체를 포함한다.
유리하기는, 제 1 및 제 2 구조물 중 적어도 하나는 태양 전지를 포함한다.
선택적으로, 제 1 및 제 2 구조물 중 적어도 하나는 갈륨 비소화물을 포함한다.
본 발명의 추가의 면에 따르면, 층상 결합 구조물은 제 1 및 제 2 구조물 및 제 1 및 제 2 구조물 사이에서 아연 산화물을 포함하는 층을 포함하고, 여기서 아연 산화물은 제 1 및 제 2 구조물 중 하나 이상 위에서 아연 금속의 산화로부터 형성된다. 하나 이상의 구현예에서, 아연 산화물은 제 1 및 제 2 구조물 중 적어도 하나에서 아연 과산화물의 환원에 의해 형성된다.
유리하기는, 아연 산화물은 제 1 및 제 2 구조물을 약 100~400℃의 범위의 온도에 노출시켜 형성된다.
유리하기는, 아연 산화물은 제 1 및 제2 구조물을 약 5~80 psi의 범위의 압력을 적용하여 접촉시켜 형성된다.
유리하기는, 아연 산화물은 제 1 및 제 2 구조물 중 하나 이상에서 아연 과산화물로부터 형성된다.
유리하기는, 아연 산화물은 제 1 및 제 2 구조물에 제공된 산소 기체로부터 형성된다.
유리하기는, 제1 및 제2 구조물 중 하나 이상은 웨이퍼를 포함한다.
유리하기는, 제 1 및 제 2 구조물 중 하나 이상은 반도체를 포함한다.
유리하기는, 제 1 및 제 2 구조물 중 하나 이상은 태양 전지를 포함한다.
유리하기는, 제 1 및 제 2 구조물 중 하나 이상은 갈륨 비소화물을 포함한다.
상기 특징, 기능 그리고 이점은 본 발명의 다양한 구현에서 독립적으로 달성할 수 있고 또는 또 다른 구현예와 결합할 수 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 특징, 측면, 이점들은 다음의 설명, 첨부된 청구 범위 그리고 첨부 도면과 관련하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 층상 결합 구조물을 형성하기 위한 두 구조물 사이의 결합 과정 그림을 나타낸다; 그리고
도 2는 층상 결합 구조물을 형성하는 방법을 나타낸다.
도 1은 층상 결합 구조물을 형성하기 위한 두 구조물 사이의 결합 과정 그림을 나타낸다; 그리고
도 2는 층상 결합 구조물을 형성하는 방법을 나타낸다.
본 명세서에 기재된 방법과 장치는 응용에 있어서, 특히 반도체에서의 층상 웨이퍼 및 층상 세라믹, 층상 금속, 층상 복합체와 같은 다른 재료들에 사용되는 응용에서, 층상 구조물을 결합시키기 위한 시스템을 제공한다. 구체적으로, 이 시스템은 구조물들을 함께 결합시키는 아연 산화물 층을 형성함으로써 층상 구조물들 사이의 결합을 제공한다.
아연 산화물은 아연 금속과 아연 과산화물 사이에서 발생하는 반응에 의해 생성되고, 여기서 아연 금속과 아연 과산화물은 구조물 위에 층으로 제공된다. 특정 처리 기술은 층상 재료를 층들 사이에 아연 산화물과 같은 고-투명성 그리고 고 전도성의 매질로 결합시키는 것을 필요로 한다. 이전의 방법에서, 결합 과정은: 1) 얇은 금속 접촉면 층; 2)얇은 폴리퍼 필름; 3)직접적 산화 결합 메카니즘의 투명한 전도성의 산화물; 4)고농도 도핑된 III-V 접촉면 층; 그리고 5)투명한 탄소 나노튜브 필름과 같은 물질을 이용했다. 그러나, 이러한 재료들을 이용하는 방법은 다양한 한계를 보여준다. 예를 들어, 층들은 매우 광택이 나야 하고 처리에 있어 높은 수준의 에너지를 필요로 한다. 층들을 결합하는데 있어서 이러한 한계를 최소화하기 위해, 본 방법은 아연 금속에서 산소 결합을 개시하고 아연 금속을 아연 산화물로 변환하는데 아연의 낮은 녹는점을 이용한다. 아연 산화물 형성에 필요한 산소는 아연 과산화물로부터 나오고, 필요하다면 추가된 산소 기체로부터 나온다. 아연 금속의 사용은 결합 이전에 주 층상 재료의 표면 포토그래피에서 유연성과 높은 내구성을 허용하고, 따라서 이 접근법은 고-수율의 통합 체계를 보여준다.
다음 설명에서, 많은 상세한 설명이 본 시스템의 보다 철저한 설명을 제공하기 위해 기재되었다. 그러나, 당업자에게 있어서 기재된 시스템이 이러한 구체적 설명 없이 수행될 것이라는 점이 명백하다. 다른 예로서는, 잘 알려진 특징은 시스템을 불필요하게 불분명하게 하지 않기 위하여 상세히 기술하지 않았다.
본 발명은 아연 금속과 아연 과산화물의 산화와 반응성 결합을 통해 생성된 투명한 전도성 아연 산화물을 사용하는 층상 재료를 결합하여 층상 재료와 아연 산화물로부터 결합된 구조물을 형성하는 처리 시스템 및 방법이다.
도 1은 제 1 구조물(10) 및 제 2 구조물(20) 사이에 제안된 혼성 아연 산화물 결합 접근법을 설명하는 개략도이다. 설명된 구현예에서, 제공된 제 1 및 제 2 구조물(10, 20)은 제1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)이다. 다른 구현예에서, 제 1 및 제 2 구조물은 층상 단위의 특정한 장치 또는 핸들 중 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 추가 구현예에서, 두 구조물 중 하나 또는 둘 다는 광전지일 수 있고 및/또는 태양 전지를 포함한다.
제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)는 실리콘, 결정성 규산염, 갈륨 비소화물, 인듐 인화물, 갈륨 인화물, 알루미늄 갈륨 비소화물 그리고 인듐 갈륨 비소화물과 같은 재료를 포함할 수 있다. 아래 상세히 설명된 것처럼, 아연 과산화물의 층이 제 1 및 제 2 웨이퍼 (10, 20)위에 놓이기 때문에, 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)를 형성하는 재료의 양립성은 영향력이 적으며, 이것은 이들 재료들이 결합 과정 동안에 반드시 접촉하지는 않기 때문이다. 이러한 점에서, 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)에서 넓은 범위의 재료를 포함시키기 위한 융통성이 크다.
결합 과정을 보다 설명하기 위해, 아연 과산화물이 함유된 재료가 설명된 구현예에서 나타낸 바와 같이, 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)에 놓여 아연 과산화물 층(30)을 형성한다. 아연 과산화물 층(30)은 투명하고 및/또는 전도성이 있다. 선택적인 구현예에서, 아연 과산화물 층(30)은 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20) 중 오직 하나에만 놓인다. 아연 과산화물 층(30)은 대기압 하에 놓이고 그러므로 다른 웨이퍼-결합 적용에서처럼, 진공 시스템이나 다른 압력-변경 시스템을 필요로 하지 않는다. 또한, 아연 과산화물 층(30)은 플라즈마-강화 도구나 본 분야에서 통상적으로 사용되는 다른 도구를 사용해 놓여진다.
아연 과산화물 층(30)의 적용에 있에서, 아연 금속 층(40)이 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20) 중의 하나 또는 둘 다위에 형성된다. 설명된 구현예에서, 아연 금속 층(40)은 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20) 둘 다에서 아연 과산화물 층(30) 위에 걸쳐 놓인다. 선택적인 구현예에서, 아연 금속 층(40)은 그 위에 놓인 아연 과산화물 층(30)을 갖지 않은 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20) 중 하나에 걸쳐 놓인다. 아연 금속 층(40)은 10-100 nm 또는 그 이상 범위의 두께를 갖는다. 아연 과산화물 층(30)을 갖기 때문에, 아연 금속 층(40)은 플라즈마-강화 도구 또는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 다른 도구를 사용하여 대기압 하에 놓일 수 있다.
아연 금속 층(40)이 제 1 및/또는 제 2 웨이퍼(10, 20)에 놓여진 후에, 산소와 함께 아연 금속의 결합 과정인 아연 금속의 산화 과정이 시작된다. 이 과정을 진행하기 위해, 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)를 함께 누르기 위해 압력이 제공된다. 결과적으로, 아연 과산화물과 아연 금속 층(30, 40)이 함께 눌려진다. 제공된 압력의 양은 5~80 psi 범위이며 주 재료(10, 20)들이 견뎌낼 수 있을 만큼 높을 수 있다. 제 1 및 제 2 웨이퍼(10. 20)에 압력을 제공하는 것 이외에도, 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)는 100~400℃ 범위의 온도에 노출된다. 온도는 아연 금속을 연화시킬 정도로 충분한 수준이어야 한다. 비록 더 높은 온도가 제공될 경우라도, 다른 웨이퍼 생산 방법의 관점에서 이것은 낮은 온도 범위로 간주될 것이다. 그러나 이 방법은 아연 금속의 용해 및 결합이 발생할 수 있는 낮은 온도를 이용하며, 본 결합 과정은 다른 재료와 관련된 것보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 낮은 온도 범위에서 과정을 수행하는 능력은 처리에 연관된 에너지뿐만 아니라 결합 재료에 있어서의 열적 스트레스를 감소시킨다.
긴 시간이 좋은 결과를 얻는데 필요하지만 열과 압력의 제공은 30분-3시간 범위에서 발생한다. 열과 압력은 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)에 적용되는 동안, 추가의 산소 기체가 또한 아연 금속의 추가 산화를 촉진시키기 위해 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20) 주위에 분배될 수 있다.
설명된 열과 압력의 적용은 아래 반응을 초래한다.
(1) 2 Zn + 2 O →2 ZnO
(2) 2 ZnO2 →2 ZnO + 2 O
(3) Zn + ZnO2 →2 ZnO
특히, 산소의 존재 시, 아연 금속 층(40)으로의 열과 압력의 제공은 아연 금속의 용해를 일으키고 추가로 등식(1)에서 나타낸 바와 같이, 아연 산화물을 형성하기 위해 아연 금속의 열적 산화를 일으킨다. 산화율은 등식(2)에서 나타낸 바와 같이, 아연 과산화물 층(30)에서 열적 변환 반응 ZnO2-to-ZnO로부터의 산소 종 생산에 의해 증가될 수 있다. 아연과 산소의 열역학에 기초한 이상 다이어그램(thermodynamic-based binary phase diagram)(도시하지 않음)은 또한 기재된 온도에서 ZnO2-to-ZnO변환 반응을 지지한다. 반응 (1)과 (2)로부터의 순(net) 결과는 등식(3)에서 나타낸 바와 같이, 아연 산화물 결합이다. 아연 산화물 결합 과정은 아연 과산화물의 대부분 또는 전부가 아연 산화물로 이어지는 반응을 할 때까지 수행될 것이다. 남아 있는 아연 과산화물의 양은 제 1, 및 제 2 웨이퍼(10, 20)의 제공과 기능에 따라 줄어들거나 없어질 수 있다. 아연 산화물 결합이 발생된 정도를 입증하기 위해, 제 1 및 제 2 웨이퍼 (10. 20) 사이의 아연 산화물의 양을 엑스레이 회절과 2차 이온 질량 분광계와 같은 공지의 검출 과정을 통해 측정한다. 테스트는 또한 특정 파장에서 아연 산화물의 저항 및 광학적 투명성을 아연 산화물의 공지의 매개변수와 비교하여 수행될 수 있다. 따라서, 아연 산화물 결합 과정은 아연 산화물(50)층을 가져오고 이것은 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)를 함께 결합시켜 하나의 층상 구조물(60)을 형성한다. 아연 산화물 결합 과정은 하나의 층 구조의 결합물(60)을 형성하면서 제 1 및 제 2 웨이퍼(10, 20)을 결합시키는 아연 산화물(50)층을 발생시킨다. 아연 금속 필름의 완전 산화는 높은 광학적 투명성을 요구하지 않는 경우에 필수적이지 않는다는 것을 주목해야 한다.
과정의 요약 내용을 도 2에 나타내었다. 이 과정은 우선 시작되고(단계 100), 제 1 구조물(10)과 제 2 구조물(20)이 제공된다(단계 110). 아연 과산화물 층(30)은 제 1 및 제 2 구조물(10, 20) 중 하나 이상의 위에 형성된다(단계 120). 그 다음, 아연 금속 층(40)이 제 1 및 제 2 구조물(10, 20) 중 하나 이상의 위에 형성된다(단계 130). 제 1 및 제 2 구조물(10, 20)은 접촉되고 아연 금속의 산화를 일으키기 위해 압력과 열로 처리된다.(단계 140). 아연 산화물 층(50)이 제 1 및 제 2 구조물 사이에서 형성되어 제 1 및 제 2 구조물(10, 20)을 함께 결합시킨다(단계 150). 그 다음 이 과정은 종료될 수 있다(단계 160).
명백히, 아연 산화 변환 반응을 위한 결합법은 다른 종류의 결합에서 요구되는 표면 거칠기 요건을 완화시켜 준다. 구체적으로, 추가 재료가 웨이퍼 위에 놓이지 않은 직접 웨이퍼 결합과 같은 다른 종류의 결합 과정은 결합 표면이 표면 불규칙성이 최소로 매우 부드러워야 한다는 것을 필요로 한다. 이것은 결합 과정에 앞서 화학적-기계적 광택 처리를 통해 표면 불규칙성의 원하는 감소를 얻기 위해 결합 표면을 처리하는 데 쓰이는 상당한 생산 시간 및/또는 결합 과정에 앞서 다른 표면 치료 단계를 필요로 할 수 있다. 이 결합 과정은 또한 높은 수율을 제공한다. 특히, 아연 과산화물을 포함해 투명한 전도성의 아연 산화 결합 재료는 다양한 재료에 부착하여, 결합을 위해 다양한 재료의 조합을 가능하게 한다. 게다가, 결합된 아연 산화물은 감소된 전기적 저항과 함께 증가된 기계적 강도를 제공한다.
아연 산화물은 또한 특정 파장에서 광학적 투명성을 제공한다. 본 결합 과정이 이용될 수 있는 특정한 한 분야는 태양 전지 기술, 또는 반도체-결합 기술로, 이것은 높은 공간 전지 효율로 태양 전지를 생산해 왔다. 이 기술에서는, 높은 셀 효율은 갈륨 비소화물-기재 태양 전지와 인듐 인화물-기재 태양 전지의 결합 품질에 크게 의존한다. 본 과정은 다른 과정들에 내재된 표면 준비와 재료 양립성에 필요한 요구사항을 감소시키기 때문에, 반도체-결합 태양 전지 설계는 추가의 자유도, 좀 더 다양한 재료 그리고 높은 효율성으로 생산될 수 있다. 예를 들어, 광전지 모듈 단계에서, 태양 전지는 금속 또는 세라믹 또는 경량 핸들에 결합될 수 있다. 이에 더하여, 결정성 규산염, 구리 인듐 셀렌화물, 그리고 인듐 갈륨 질화물과 같은 다양한 다른 테양 전지 재료를 수용하는 능력은 고-효율 태양 전지 설계에 재료와 통합 비용의 감소를 허용한다. 설명된 결합 과정은 또한 투명한 전도성 결합을 요구하는 다른 기술에 이용된다.
특정의 설명적 구현예 및 방법이 본 명세서에 기재되어 있지만, 앞서 말한 게시물부터 이러한 구현예 및 방법의 다양함 그리고 변경 및 변형이 기재된 분야의 진실한 정신과 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다는 것은 본 분야의 당업자에게 명백하다. 오직 상세한 설명에서만 서로 다른 개시된 분야의 많은 다른 예시들이 있다. 따라서, 기재된 분야는 첨부된 청구범위 그리고 적용 가능한 법의 규칙 및 원칙에 의해 요구된 범위까지만 제한되어야 한다.
Claims (13)
- 제 1 구조물(10) 및 제 2 구조물(20)을 형성하는 단계;
제 1 및 제 2 구조물(10, 20) 중 하나 이상에서 아연 과산화물(30)을 포함하는 제 1의 층을 형성하는 단계;
제 1 및 제 2 구조물(10, 20) 중 하나 이상에서 아연 금속(40)을 포함하는 제 2의 층을 형성하는 단계;
제 1 및 제 2 구조물 사이에서 제 1의 층이 제 2의 층과 접촉하도록 제 1 및 제 2 구조물(10, 20)을 접촉시키는 단계;
접촉된 제 1 구조물과 제 2 구조물을 아연 금속(40)의 산화가 일어나도록 처리하는 단계; 및
접촉된 제 1 구조물과 제 2 구조물 사이에서 아연 산화물(50)을 포함하는 제 3의 층을 형성하는 단계를 포함하는, 층상 결합(bonded layered) 구조물(60)의 형성 방법. - 제 1항에 있어서, 접촉된 층을 상기 처리하는 단계는 접촉된 층에 100-400 ℃ 범위의 온도로 열을 제공하는 단계를 포함하는, 층상 결합 구조물(60)의 형성 방법.
- 제 1항에 있어서, 접촉된 층을 상기 처리하는 단계는 5-80 psi의 범위의 압력을 적용하는 단계를 포함하는, 층상 결합 구조물(60)의 형성 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 아연 산화물은 상기 아연 금속의 산화 또는 아연 과산화물의 열적 변환 반응으로부터 형성되는, 층상 결합 구조물(60)의 형성 방법
- 제 4항에 있어서, 상기 산화는 상기 아연 과산화물에서 제공된 산소로부터 기인하는, 층상 결합 구조물(60)의 형성 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 산화는 접촉된 층에 제공된 산소 기체로부터 기인하는, 층상 결합 구조물(60)의 형성 방법.
- 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 및 제 2 구조물 중 하나 이상은 웨이퍼를 포함하는, 층상 결합 구조물(60)의 형성 방법.
- 제 1 구조물(10)과 제 2 구조물(20); 및
상기 제 1 및 제 2 구조물(10, 20) 사이에 제 1 및 제 2 구조물 둘 다에 접촉하는 아연 산화물(50)을 포함하는 층을 포함하되,
제 1항의 층상 결합 구조물(60)의 형성 방법에 따라 형성된 층상 결합 구조물(60)로서,
상기 아연 산화물(50)은 제 1 및 제 2 구조물(10, 20) 중 하나 이상에서의 아연 금속(40)의 산화로부터 형성되는, 층상 결합 구조물(60). - 제 8항에 있어서, 상기 아연 산화물(50)은 100-400℃범위의 온도로 상기 제 1 구조물(10)과 제 2 구조물(20)을 노출시켜 형성되는, 층상 결합 구조물(60).
- 제 9항에 있어서, 상기 아연 산화물(50)은 5-80 psi의 범위의 압력을 적용시켜 상기 제 1 구조물(10)과 제 2 구조물(20)을 접촉하여 형성되는, 층상 결합 구조물(60).
- 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연 산화물(50)은 상기 제 1 및 제 2 구조물(10, 20) 중 하나 이상에서의 아연 과산화물(30)으로부터 형성되는, 층상 결합 구조물(60).
- 제 8항에 있어서, 상기 아연 산화물(50)은 상기 제 1 구조물(10) 및 제 2 구조물(20)에 제공된 산소 기체로부터 형성되는, 층상 결합 구조물(60).
- 제 8항에 있어서, 상기 제 1 구조물(10) 및 제 2 구조물(20) 중 하나 이상은 웨이퍼, 반도체 또는 태양 전지를 포함하는, 층상 결합 구조물(60).
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