KR20010074878A - 멤브레인 제조 방법 및 이를 이용한 멤브레인 구조물 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 얇은 멤브레인을 만드는 방법은,
제 1 기판(10)의 한쪽 표면(12) 및 제 2 기판(20)의 한쪽 표면(22)에 가스 종들을 각각 주입하고, 미소공동(11,21)과 주입면 사이에 존재하는 박층(13,23)의 범위를 결정짓는 상기 미소공동을 형성하고, 상기 미소공동을 이용하여 상기 박층을 상기 기판으로부터 분리시키는 단계;
주입면이 서로 접촉되도록 제 1 기판(10)을 제 2 기판(20)에 결합시키는 단계; 및
각 박층 (13, 23)을 각 기판 (10, 20)으로부터 분리시키고, 분리된 상기 박층들은 함께 결합되어 상기 얇은 멤브레인을 구성하는 단계;로 구성되어 있다.
본 발명은 상기 방법을 이용하여 얻어진 얇은 멤브레인에 관한 것이다.
Description
FR-A-2 681 472는 반도체 재료로 박막을 제조하는 방법을 설명하고 있다. 여기에서는, 불활성 가스 또는 수소를 반도체 물질의 기판에 주입시켜, 주입된 이온의 평균 침투 깊이 근처에 플레이틀릿(platelets)이라 불리는 미소공동 또는 미소기포를 만들 수 있다는 것을 공개하고 있다. 본 기판은 상술한 주입표면을 경유하여 보강재와 충분히 연결되어 있고 충분한 온도에서 열처리가 행해지면, 미소공동들 또는 플레이틀릿들 간에 상호작용이 일어나 반도체 기판이 두 부분으로 분리된다: 첫번째는 보강재와 부착되어 있는 반도체 박막이고, 두번째는 이 반도체 판의 잔여 부분이다. 이러한 분리는 미소공동들 또는 플레이틀릿들이 존재하는 곳에서 일어난다. 열처리에서는 주입과정을 통해 생성된 미소공동들 또는 플레이틀릿들 간의 상호작용이 일어나 기판이 박막부와 비박막부로 분리된다. 그러므로, 박막은 최초 기판으로부터 박막의 지지 역할을 하는 보강재로의 박막 전이(transfer)가 일어난다.
본 방법은 반도체 재료(도체 또는 유전체)이외에 고체물질에, 결정구조 여부에 상관없이, 박막 제조에 적용될 수 있다.
상기 인용된 FR-A-2 681 472(대응 미국 특허 5 374 564)와 FR-A-2 767 416에 따르면, 균질물로부터 만들어진 박막 혹은 다층(균질 또는 비균질)구조로부터 만들어진 박막을 보강재라 불리는 기계적 지지체에 전이시키는 것이 가능하다. 이러한 전이 과정은 열처리를 이용하여 유리하게 달성된다. 그러나, 이 열처리는, 예를들어 인장력 및/또는 전단력(shearing forces) 및/또는 굴곡력을 분리하여 또는 결합하여 적용함으로써 기계적 분할을 수반하거나 유발한다. 이러한 과정은 FR-A-2 748 851에 설명되어 있다.
FR-A-2 748 851에서는, 주입된 이온들이, 주입면에 기포를 형성하지 않은 상태로 기판에 파면(fracture)을 형성하는 충분한 깊이에 이온들이 주입되는 경우에는, 보강재 없이 사용될 수 있다는 것도 개시하고 있다. 이 부분에서는, FR-A-2 738 671(대응 미국 특허 5 714 395)를 참조한다. 이 경우에, 미소공동 영역은 주입면에 대한 최소의 깊이에 존재하여야 박막이 충분히 강성을 띠고, 파면이 얻어진다. 이러한 강성은 파면을 지닌 박면에 증착된 하나 또는 그 이상의 층을 사용하여 얻어진다.
상기 인용문들은 박층을 얻는 방법을 설명하고 있다. 이 박층은 균질이거나, 마이크로 전자공학 또는 광전자공학 구성부분의 전부 혹은 일부를 포함하거나, 비균질이어도 된다. 여기에서 비균질이란 각 구성 요소의 윗면이 적층된 여러개의 요소들로 이루어진 것을 의미한다. 이러한 적층 구조 층들은 에피택시 성장(epitaxial growth)을 통해 얻어진다. 에피택시 성장에서는 각 층간의 양립성이 문제점으로 대두된다. 이 양립성 문제는 다양한 메쉬 파라미터(mesh parameter)와 관련되기 때문에, 적어도 하나의 층에서 단층이 유발될 수 있다. 이러한 이유로 인해 몇몇 구조물들은 얻기가 불가능하다.
또한, 상기 인용된 FR-A-2 738 671에 의하면, 주입은 박막이 강성을 띠게 되는 최소 깊이와 최소한 동치의 이온 침투 깊이를 갖는 에너지에서 이루어져야 한다. 실리콘의 경우, 최소 침투 깊이는 5㎛ 심지어 4㎛의 오더(order)에 있게 된다. 주입 에너지(implantation energy)는 대략 500 keV이다. 실리콘보다 큰 강성을 갖는 규소탄화물의 경우에는, 박막의 최소 가능 두께는 1 ㎛의 오더에 있다. 상기 인용에 소개된 방법을 이용하면, 박층에 어느 일정 한도의 강성을 부여하는 최소 두께보다 큰 두께를 가지는 박막들 또는 층들을 얻는 것이 가능해진다. 강성을 지닌 박층이란, 박층의 기계적 성질이 두번째 단계(열 및/또는 기계적 처리 단계)동안 스웰링(swelling)의 발생 시작, 플레이틀릿의 발생 시작 혹은 플레이틀릿버스트(platelet burst)의 발생 시작을 피할 정도로 충분하여 상기 단계(두번째 단계)를 적용했을 때 표면 분리가 충분히 얻어지는 층을 의미한다. 그러나, 이 방법은, 얻고자 하는 막의 기계적인 성질에 따라서, 통상 사용하는 최대 200 keV의 주입 에너지를 갖는 주입기(implanter)를 사용하여 자기 지지성을 가지는 박막을 얻기가 어렵게 된다. 예를 들어, 상기 에너지의 주입기를 통해서는 두께 4㎛의 실리콘 박막을 얻기가 불가능하다.
형체를 유지하는 충분한 강성을 갖지 못하는 통상의 지지체에 박막을 전이시키기 위해서 통상의 주입기(200 keV이하의)를 사용하면 또다른 문제가 발생한다. 예를 들어, 단결정 실리콘 막을 플라스틱 지지체와 같은 가변성 지지체 위에 전이시킬 때에는, FR-A-2 725 074에서 공개된 핸들-타입의 중간 지지체를 사용하지 않으면 전이 자체가 불가능해진다. 그러나, 이러한 핸들-타입의 지지체를 사용하지 않고 박막을 최종 지지체에 곧바로 전이시키는 방법이 있다면 이는 유용할 것이다.
본 발명은 얇은 멤브레인(thin membrane) 제조 방법 및 이를 이용하여 얻어진 멤브레인 구조물에 관한 것이다. 멤브레인은 하나 또는 그 이상의 재료들, 특히 단결정 재료들로 구성되어 있다. 본 발명을 이용하여 얻어진 멤브레인은 자기 지지성(self supporting)을 갖거나, 지지판에 고정된다.
본 유형의 멤브레인은 다양한 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 멤브레인은 연판(compliant substrate) 또는 박막이 요구되는 다른 응용 예(글래스 또는 플라스틱 판에 입혀지는 실리콘 막)에 사용된다. 연판이란 부착되어 있는 구조물질에 인해 생기는 응력을 흡수할 수 있는 구조물로서, 비균질 에피택시 성장(heteroepitaxy)을 통해 기판의 표면에 증착시킨 층이 그 예이다.
첨부된 도면의 실제적인 다음의 설명으로부터 본 발명이 보다 용이하게 이해되고 본 발명의 다른 이점 및 특징들이 명백하게 파악될 것이다.
- 도 1 내지 4는 자기 지지성을 가지는 멤브레인을 얻기 위한 본 발명의 여러 단계를 도시한 도이다.
- 도 5는 본 발명의 얇은 멤브레인을 지니는 지지체를 포함하는 첫번째 구조물을 도시한 도이다.
- 도 6은 본 발명의 얇은 멤브레인을 지니는 지지체를 포함하는 두번째 구조물을 도시한 도이다.
본 발명은 상술한 문제들에 대한 해답을 제공한다. 두 기판을 주입 면이 서로 접촉되도록 고정시키며, 주입 과정을 통해 기판의 분열현상(cleavage phenomenon)은 주입영역에서 일어나게 된다. 두 박층을 연결함으로써 하나의 멤브레인을 얻는 것도 가능하다. 이 멤브레인은, 멤브레인과 지지체간의 부착력(강한 부착력 또는 약한 부착력)에 관하여 아무런 조건 없이 임의의 종류의 지지체(반도체, 금속, 플라스틱, 세라믹) 위에 전이될 수 있다.
따라서, 본 발명의 요지는 얇은 멤브레인을 제조하는 방법이다. 이 멤브레인의 제조 방법은 다음 단계:
- 가스 종들(gas species)을 제 1 기판의 한쪽 표면과 제 2 기판의 한쪽 표면에 각각 통과시켜 주입한다. 본 주입과정을 통해 주입된 각 기판들에는, 미소공동들이 만들어지고 이로써 이들 미소공동들과 주입 면사이의 박층의 범위가 정해진다. 주입과정을 통하여 만들어진 미소공동들은 박층을 기판으로부터 이탈시켜 주는 단계;
- 첫번째 판을 두번째 판 위에 조립시켜 주입 면을 서로 접촉시키는 단계; 및
- 각 박층을 각 기판으로부터 제거, 박층들이 서로 결합하여 상술한 얇은 멤브레인을 형성하는 단계;를 포함하고 있다.
여러 가스 종(gas species)이란, 예를 들어 수소 또는 희귀 가스, 원자 형태의 원소(예를 들어, H), 분자 형태의 원소(예를 들어, H2), 이온 형태의 원소(예를 들어, H+, H+ 2...), 동위원소 형태의 원소(예를 들어, 중수소) 또는 동위원소 형태이면서 이온의 형태인 원소를 의미한다.
또한, 주입(implantation)이란 이온타격(ion bombardment), 확산(diffusion) 중 각자 혹은 결합된 형태로 상술한 가스 종들을 삽입시키는 것을 의미한다.
첫번째 변형예는 다음과 같은 단계:
- 첫번째 판과 두번째 판을 각각 주입하는 단계;
- 주입면을 접촉시켜 첫번째 판과 두번째 판을 결합하는 단계; 및
- 각 박층을 동시에 또는 연속적으로 분리하는 단계;를 포함하고 있다.
두번째 변형예는 다음과 같은 단계:
- 첫번째 판을 주입하는 단계:
- 연이은 주입에 대비하여, 첫번째 판의 주입면을 두번째 판의 한쪽 표면에 결합하는 단계; 및
- 박층을 첫번째 판으로부터 제거하고, 이 박층은 두번째 판에 결합된 채로 두는 단계;
- 첫번째 층으로부터 분리된 박층이 두번째 판과 결합되어 있는 부분을 주입하는 단계; 및
- 박층을 두번째 층으로부터 분리, 이 박층은 첫번째 판의 박층에 결합되어 상술한 얇은 멤브레인을 형성시키는 단계;를 포함하고 있다.
양 기판에서, 주입 과정 및 두 기판의 결합 과정 이전에 예비 과정이 제공될 수 있다. 이 예비과정은 주입될 판 내에 하나의 함유층을 만드는 것으로, 기판에 형성될 박층의 필요 두께에 따라 결정되며, 가스 종들의 주입을 위한 트랩을 만드는 상기 예비과정인 함유는 이온 주입(ion implantation) 또는 확산(diffusion)이 그 예이다. 함유층은 막증착기술(film depositing technique)을 이용하여 형성될 수 있으며, 선로들(lines)을 형성하거나 그레인 조인트(grain joints)를 생성함으로써 만들어진다.
단결정 구조물질의 판에서, 가스 종의 평균 주입깊이는 주입 방향에 대한 단결정 구조의 결정구조의 배열에 의하여 결정된다. 소정의 에너지 하에서, 이온의 채널링(channelling) 방법 또는 주입된 가스 종들의 채널링 방법이 사용되면, 보다 확대된 평균 침투 깊이가 얻어진다. 이 때문에, 결정구조 방향 또는 결정 구조 면(단결정 물질의 경우에만)에 평행한 주입을 수행하여야 한다. 반대로, 경사진 주입(inclined implantation)을 행하면 주어진 에너지에서 주입 깊이를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 물질의 결정축은, 물질 내에서 이온의 우선 방향(preferential direction)이 생기지 않도록 맞춘다.
또한, 주입 과정은 첫번째 판 및/또는 두번째 판의 한쪽 표면을 통하여 행해지며, 이들 판상에 전자공학적 구성요소 및/또는 광전자공학적 구성요소 및/또는 광 구성요소 및/또는 마이크로 시스템 중 적어도 하나의 전부 또는 일부가 형성된다. 주입(implantation)은 마스크 된 부분(masked area)에까지도 영향을 미친다.
또다른 실시형태에 따르면, 첫번째 박막 분리가 이루어진 뒤에, 각 박층의 분리가 이어서 행해지면, 전자공학적 구성요소 및/또는 광전자공학적 구성요소 및/또는 광 구성요소 및/또는 마이크로 시스템 중 적어도 하나의 전부 또는 일부가 첫번째 분리에 의해서 노출되는 박층 위에 만들어진다. 예를 들면, 하나의 박층에 만들어진 구성요소로 DRAM 메모리를 들 수 있다. 표면 국소해부학을 적용하여, 이 면은 접촉시키기 전에 평면화된다.
첫번째 판의 두번째 판에의 결합은, 분자 부착(molecular adhesion)에 의한 결합(bonding)방법, 부착 물질의 사용에 의한 결합방법 그리고 중간 혼합물의 사용방법 중에 선택하여 행해진다.
첫번째 판의 두번째 판에의 결합은 중간층을 삽입함으로써 이루어지기도 한다. 중간층의 존재는 멤브레인의 강성을 변화시킬 수 있고 전이 조건을 강화해주게 된다. 특히, 이것은 어닐링 조건(annealing condition) 및/또는 기계적 파열 조건(mechanical fracture condition)을 변화시킨다.
상술한 박층들의 분리는 열처리 및/또는 기계적인 힘을 가함으로써 이루어진다. 모든 경우에, 전이 조건들은 주입 조건들(선량, 에너지, 웨이퍼에 공급된 열 스케줄(heat schedule)) 및 주입부 위의 구조물로 인해 생기는 응력들에 의존한다. 기계적인 힘들이란 인장력 및/또는 전단응력 및/또는 굴곡력을 포함한다. 기계적인 힘들은 층들로 이루어지는 면에 수직하게 그리고/또는 평행하게 가해진다. 이들은 한 점(one point) 또는 한 영역에 제한되거나 대칭 또는 비대칭한 다른 영역들에 적용된다. 예를 들어, 가해지는 열 에너지는 레이저빔을 사용하여 공급될 수 있다. 가해지는 기계적인 에너지는 초음파를 이용하기도 한다.
박층의 분리가 열처리 과정을 포함한다면, 열처리는 제어된 압력(예를 들어 하나의 가스 또는 기계적인 압력) 하에서 행해진다. 열처리 또는 분리(separation) 당시의 압력 강하는 분리(separation)를 촉진시킬 수도 있다. 이러한 방식으로, 주입 가스 및/또는 로우어 열처리(lower heat treatment)의 보다 낮은 선량에서 분리가 얻어질 수 있다. 로우어 열처리란 보다 낮은 온도 및/또는 보다 짧은 시간 동안 이루어진 어닐링을 의미한다. 만일 압력이 증가된다면, 분리가 일어나는 시간에서의 파열조건(fracturing condition)이 바뀌게 되고 분리는 지연된다. 이 지연은 파열 후에 보다 적은 표면 조도를 유발한다는 점에서는 유익하지만, 대기압에서 어닐링을 할때 플레이틀릿(platelet)형성이 일어나는 조건에서 파열을 일으키게 한다.
응용된 실시형태로, 적어도 하나의 판으로부터의 분리가 이루어진 후에는 얇은 멤브레인은 최종 또는 임시 지지체에 고정될 수 있다.
발명의 또다른 목적은 상술한 방법을 사용하여 얻은 얇은 멤브레인 구조물이다. 이러한 구조물은 상술한 멤브레인을 지니는 지지물로서, 반도체 물질, 플라스틱 물질, 세라믹 물질 그리고 투명한 물질들 중에서 선택된 물질로 구성된 것이다.
예를 들면, 박층들 중 하나는 실리콘으로 구성되고 다른 것은 GaAs같은 3족-5족 반도체재료(Ⅲ-Ⅴ semiconductor material)로 구성되어 있다.
상술한 멤브레인은 두 박층 사이에 삽입된 중간층을 포함하기도 한다. 예를 들어, 두개의 박층은 실리콘으로 구성되고 중간층은 SiO2, Si3N4또는 몇몇 물질 및/또는 다층(multilayers)의 결합으로 구성되어 있다. 또다른 예로 생각해볼 수 있는 것은, 두개의 박층이 반도체 물질로 구성되고 중간층은 팔라듐(palladium)같은 도체물질로 구성된 경우이다.
또 다른 변형예에 따르면, 층들 중 한층은 Si으로 구성되며, 다른 층은 Ge으로 구성되고, 얇은 층은 도핑처리되어 이 멤브레인 구조물이 광전지 셀을 형성한다.
상술한 박층들을 제조하기 위해 사용되는 기판들은 고형물 또는 에피택시 성장을 통해 적층된 하나 이상의 박층들을 포함하고 있다.
각 기판에 대하여, 가스 종들의 주입은 다른 에너지 및 다른 선량 값으로 이루어진다. 사용되는 가스 종이 달라도 된다.
기판들을 서로 결합시키고자 할 때는, 다양한 기능을 가진 중간층을 선택적으로 택하여 분자결합을 통해 결합시킨다. 이는 전자공학적 및/또는 광학적 및/또는 기계적 및/또는 열적인 성질에 따라 선택된다. 판들의 결합은 절연적인 또는 도체적인 성질을 가져도 된다. 구조물을 경화하고 필요한 두께를 감소시키기 위하여 결합의 기계적 성질이 선택된다.
기판으로부터 박층들을 분리하는 것은 동시에 또는 연속해서 행해진다. 분리(separation) 과정은 열처리에 의해 및/또는 열처리와 동시에 또는 열처리 후에 기계적인 힘을 가하여 이루어진다. 분리하는 것이 열처리의 목적이라면, 어닐링에 앞서 행하는 모든 다른 열처리(주입, 결합,...)에 관한 열스케줄(heatschedule)을 고려하여야 한다. 분리 과정이 기계적인 힘을 사용하는 경우, 웨이퍼(wafer)가 주입과정에서 충분히 약해지면 열처리 과정은 적게 행하거나 없어도 된다. 예를 들면, 기계적인 분리는 인장력, 전단응력 또는 굴곡력의 분리된 형태 또는 서로 결합된 형태로 이루어진다.
한 변형 방법은, 전체 분리 과정(다시 말해, 두 기판의 분리 과정) 또는 부분 분리 과정(다시 말해, 한 기판의 분리 과정)후에, 박층들 중 한층을 멤브레인을 운반할 지지체와 접속시키는 과정을 생각해 볼 수 있다. 이러한 지지체는 구성요소(component) 형성과정의 수행을 가능하게 해주는 중간 지지체이거나 최종 지지체이다. 중간 지지체의 사용은 이들 과정을 수행할 표면을 선택할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 다음에 요약되는 많은 이점들을 제공한다.
200 keV 오더의 주입 에너지에서 작동하는 통상의 주입기를 사용한 이온 주입과정을 통해 자기 지지성을 갖는 멤브레인을 얻을 수 있다.
두개의 기판을 고정하기 전에 주입하는 경우에, 소정의 멤브레인 두께에 대하여 이들 두 개의 주입된 기판을 사용함으로써 주입 깊이를 2분의 1로 줄일 수 있으며 이에 의해 주입에 필요한 에너지를 감소시킬 수 있다. 이러한 에너지 감소는 박층의 전이에 필요한 최소 선량을 변화시킨다. 주입 에너지가 증가할 때 전이를 가능케 해주는 최소 선량은 증가하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 수소 이온에서 에너지 90keV의 경우에는, 전이에 필요한 선량은 3.5×1016H+/cm2의 오더인 반면, 이 선량값은 400keV(주입전류, 열 접촉, 선택적 냉각 등의 조건을 고정시켰을 때, 하나의 동일 주입기에 나타나는 선량값)에서는 4.5×1016H+/cm2오더이다. 간단히 말해, 두번의 주입과정이 반드시 2배의 선량이 되는 것은 아니다.
다른 재질들로 구성된 적어도 두개의 층으로 구성된 얇은 멤브레인을 얻을 수 있다. 이를 위해 필요한 과정은, 두가지 타입의 주입된 재료들을 접촉시켜 놓는 것이다. 이때의 접촉은 다른 수단들(분자결합에 의한 결합, 중간 화합물의 사용, 또는 접착제의 사용)을 통해 이루어진다. 상기 중간 화합물 중에서, 금속 화합물, 절연 혼합물 및/또는 다른 재질의 층들을 결합할 때 생기는 구조물 내의 응력을 제어하는 혼합물들이 그러한 예이다. 이러한 방법을 통하여, 절연막 또는 도체막의 한 표면에 선택적으로 위치할 적어도 두개의 단결정 층을 가지는 다른 구조물들을 생산할 수 있다.
각 경우에 따라 달라질 주입 깊이를 선택하고, 이 선택에 따라 소정의 구조물을 얻을 수 있다. 즉, 비대칭 멤브레인을 얻을 수 있다. 단, 분리에 필요한 최소 선량은 주입 에너지 및 재질에 관계되어 있음을 유의하여야 한다.
파열에 의해서 기판의 분리를 유발하는 미소공동들을 포함하는 두개의 영역이 존재하므로(각 기판에 하나의 영역이 존재), 하나의 파열 영역은 다른 파열 영역과 함께 제어될 수 있다. 기판 주입이 각 기판에 따라 다른 조건하에서 행해지면, 하나의 기판으로부터 하나의 층을 먼저 분리해 내고, 반면에 다른 층은 여전히 기판에 붙은 형태로 남아 있게 할 수 있다. 이러한 방법을 통해 두 개의 박층들이한 기판에 일체(integral)화된 멤브레인을 만들 수 있다. 분리과정을 통해 노출된 면에 하나 이상의 부품의 일부 또는 전부를 만들 수 있다. 특히, 열처리가 행해질 수 있다. 따라서, 노출된 면은 지지체에 결합될 수 있고, 기계적인 힘 및/또는 열처리를 이용하여 다른 박층을 기판으로부터 분리해 낼 수 있다.
극히 얇은 멤브레인을 얻는 이점은, 멤브레인과 지지체 간에 존재하는 강하게 결합되지 않는 임의의 지지체 위에 이를 증착할 수 있다는 데에 있다. 따라서 연성 기판에 사용하는 경우 및 열팽창계수에 따른 큰 변화를 보이는 기판에 전이시키는 경우에 특히 유용한 자기 지지성 멤브레인을 얻는 것이 가능하다.
다른 방법에 의해, 파열될 선택 영역에 가스 종들이 삽입되거나 위치된다. 예를 들어, 이온 타격에 의한 이온 주입(플라즈마 침지와 동일) 또는 확산과 함유(inclusion)에 의한 트래핑에 기초한 방법들을 생각해 볼 수 있다.
도 1 내지 4는, 동일 방법으로 주입된 두개의 실리콘 기판을 사용하여, 어떻게 자기 지지성 멤브레인을 본 발명의 방법을 통하여 얻을 수 있는지를 보여주는 단면도이다.
주입을 에너지 200 keV에서 7×1016H+cm2의 선량의 수소이온을 이용하여 행한 결과가 도 1 및 2에 도시되어 있다. 도 1은 박층(13)에 의해서 주입면(12)로부터 분리된 미소공동(11)이 연속적으로 실장된 제 1 기판(10)을 도시하고 있다. 도 2는 박층(23)에 의해서 주입면(22)으로부터 분리된 미소공극(21)이 연속적으로 실장된 제 2 기판(20)을 보여주고 있다.
기판(10), (20)은 분자결합 기술에 의해서 주입면(12), (22)를 통하여 서로 결합되어 있다. 도 3에 이렇게 얻어진 구조를 도시하고 있다.
대략 500℃의 온도에서 30분간 또는 400℃의 온도에서 1시간 정도 이 구조물을 어닐링하게 되면 미소공동 영역에서 기판이 파열을 일으키게 된다. 예를 들어, 선량 등의 주입 조건이 변경되면, 열스케쥴(heat schedule)은 낮아진다. 기판의 파열 후, 두 박층이 결합되어 대략 3.5㎛의 두께를 가지는 하나의 멤브레인이 존재한다.
두 기판들 중 적어도 하나를 제거한 후에, 준비된 멤브레인을 수동적으로 회복시키거나(이 경우는 자기 지지성을 갖게 된다), 멤브레인을 지지체에 부착시키거나(예를 들어, 반도체 웨이퍼), 또는 가변성 플라스틱 막에 멤브레인을 결합시키게 된다.
도 4는 두개의 박층(13), (23)으로 구성된 자기 지지성 멤브레인(1)을 도시하고 있다.
도 5는 멤브레인(1)과 결합된 지지체(2)(예를 들어, 유리)를 포함하는 구조물이다. 지지체(2)는 상기 멤브레인과 다른 열팽창계수를 갖는다. 지지체(2)의 예로는 순수한 실리카를 들 수 있다.
어떤 응용예에서는, 멤브레인 내에 산화층을 갖는 것이 유리하다. 이를 위해서, 기판들 중 하나(또는 둘다)가 산화층으로 덮이게 된다. 이 경우 하나의 멤브레인은 두개의 실리콘 박막층 사이에 산화층을 가진 형태로 형성된다. 이 멤브레인은 임의의 지지체에 전이될 수 있다. 도 6은 지지체(3)(예를 들면 유리)에멤브레인(40)이 결합된 구조물을 보여주고 있다. 이 멤브레인(40)은 지지체(3) 위에 놓인 첫번째 실리콘 층(41), 산화층(42) 및 두번째 실리콘 층(43)으로 구성되어 있다.
다른 응용예로서, 멤브레인의 두 층간에 전기적인 접촉을 위해, 중간 금속(예를 들면 팔라듐)층을 사용한다.
본 발명의 방법을 통하여, 다음에 설명할 기판에 GaAs층과 실리콘 층을 포함하는 멤브레인을 얻을 수 있다. 예를 들어, GaAs 기판은 200keV에서 8×1016H+/cm2의 선량으로 주입되며, 실리콘 기판은 200 keV에서 1017H+/cm2의 선량으로 주입된다. 이들 두 기판은, 세정 과정 후, 두 기판의 주입면을 분자결합시켜 접합시킨다. 얻어진 구조물을 250℃의 오븐에서 30분간 어닐링시킨다. 이러한 열처리는 GaAs기판에서 주입면의 길이만큼 파열을 유발한다. 이 과정에서, GaAs 층을 이미 주입된 실리콘 기판에 전이시킨다. 얻어진 구조물을 350℃에서 1시간 정도 어닐링하면 파열의 길이가 실리콘 기판에 주입된 영역의 길이만큼 얻어진다. 실리콘 박층과 GaAs박층으로 구성된 하나의 얇은 멤브레인이 얻어지면, 이것은 새로운 물질층을 형성하기 위한 성장 기판으로 사용한다.
이러한 방법을 통해, GaAs로 이루어진 두 기판을 이용하여 GaAs만으로 구성된 하나의 멤브레인을 얻을 수 있다. 본 발명의 방법을 통하여, 이 멤브레인은 어떠한 타입의 지지체에도 전이시킬 수 있으며, 심지어 지지체의 표면조건이 분자결합에 적합하지 않은 경우에도 전이시킬 수 있다. 또는 구조물의 다른 재질 간의 열팽창 계수의 커다란 차이로 인하여 이미 형성된 구조물의 어닐링 과정에서 강한 열응력이 생기는 경우에도 상술한 멤브레인을 전이시킬 수 있다. 이 방법을 이용하면, 단순한 접착제(adhesive) 또는 솔더링(soldering) 또는 접합(brazing)을 통하여 멤브레인을 지지체에 간단히 결합시킬 수 있다.
본 발명의 방법을 이용하여, 박층에서 가시광선 스펙트럼의 대부분을 흡수하게 하기 위해서, 두 재료(Si와 Ge)로 구성된 광전지 셀을 만들 수 있다. 이러한 목적하에서, 하나의 실리콘 기판이 1.8 ㎛ 두께의 박층을 얻기 위해 7×1016H+/cm2, 200 keV 에너지의 선량에 주입되게 된다. 하나의 게르마늄 기판은 1.6 ㎛ 두께의 박층을 얻기 위해 7×1016H+/cm2의 선량과, 200 keV 에너지에 주입된다. 필요하다면, 실리콘(Si) 기판과 게르마늄(Ge) 기판의 각 표면을 강하게 도핑시켜 멤브레인의 터널 접합점(tunnel junction)을 만들게 된다. 이때 각 기판들은 주입면에서의 강한 분자결합에 의해서 결합되어 있다. 이들 결합은 도체 층 및/또는 투명 층의 매개부분(예를 들면 두께 10 nm의 Pd 또는 AlTi 막)에서 이루어진다.
500℃에서 30분간 어닐링하면, 실리콘 기판에 파열이 생성되어 박층이 생성된다. 실리콘 기판의 잔여 부분은 제거된다. 실리콘에 의한 광자 흡수를 증진시키기 위해서, 에피택시 과정은 실리콘 박층 위에 선택적으로 행하여진다. 이 에피택시 과정은 액체 상(phase) 또는 기체 상(phase)에서 행하여진다.
실리콘 부분의 위에 있는 셀 부분이 온도 937℃ 미만에서 형성되고, 구조물의 실리콘 부분이 유리 지지체에 결합된다.
인장력과 같은 기계적인 힘을 이용하여, 게르마늄 박층이 기판으로부터 분리되어 하나의 멤브레인을 형성한다. 하나의 금속 막은 게르마늄의 박층 위에 증착되어, 캡슐에 싸이게 되는 셀의 후면 전극을 형성한다.
높은 에너지(예를 들어, 400 keV 이상)에서 수소 주입을 행함으로써, 보다 두꺼운 실리콘층 및 게르마늄층이 얻어지고, 보다 큰 광자 흡수가 얻어진다.
본 예에서는, 두 물질로 구성된 멤브레인에 있어서, 200 keV의 주입 에너지를 사용하여 얻어지는 두께들보다 큰 두께를 가진 멤브레인을 만드는 데에 그 장점이 있다.
Claims (24)
- 제 1 기판(10)의 한쪽 표면(12) 및 제 2 기판(20)의 한쪽 표면(22)에 가스 종들을 각각 주입하고, 상기 기판에 미소 공극(11, 21)과 주입면 사이에 존재하는 박층(13, 23)의 범위를 결정하는 미소공동을 형성하고, 상기 미소 공극을 이용하여 상기 박층을 상기 기판으로부터 분리시키는 단계;상기 제 1 기판(10)을 상기 제 2 기판(20)에 결합시켜 상기 주입면(12, 22)이 서로 면해 있는 단계; 및상기 박층(13, 23) 각각을 기판으로부터 분리하며, 상기 박층을 함께 결합시켜 얇은 멤브레인(1, 40)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인(1, 40)의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 기판(10) 및 상기 제 2 기판(20)의 주입단계;상기 주입면(12, 22)을 통하여 상기 제 2 기판(20)위에 상기 제 1 기판(10)을 조립하는 단계; 및상기 박층(13, 23)을 동시에 또는 연속적으로 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 기판의 주입과정;상기 제 1 기판의 주입면을 상기 제 2 기판의 연속적인 주입을 위한 표면 위에 결합하는 단계;상기 제 1 기판에서 분리된 박층을 상기 제 2 기판에 결합시킨 상태로 두는 단계;상기 제 1 기판에서 분리된 상기 박층을 통해 상기 제 2 기판을 주입하는 단계;상기 제 2 기판에서 분리된 박층을 상기 제 1 기판의 박층에 결합시킨 상태로 두어서, 상기 얇은 멤브레인을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 단계 이전에 행해지는 예비 단계는, 주입될 기판에 형성되는 박층의 요구 두께에 대응하는 깊이에서 하나의 함유층(layer of inclusions)을 만드는 단계로 이루어지며, 상기 함유층은 연속적으로 주입될 가스 종들의 트랩(traps)을 형성하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서, 단결정 물질의 기판에서, 상기 가스 종들의 평균 주입 깊이는 주입 방향에 대한 단결정 물질의 결정 구조 배열에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 과정은 상기 제 1기판 및/또는 상기 제 2 기판의 한쪽 표면에 행해지며, 이들 기판 표면에 적어도 하나의 전자공학적 및/또는 광전자공학적 및/또는 광학적 및/또는 마이크로 시스템의 전부 또는 일부가 형성되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 박층 각각의 분리가 연이어 행해지며, 박층의 첫번째 분리가 행해진 후에, 적어도 하나의 전자공학적 및/또는 광전자공학적 및/또는 광학적 및/또는 마이크로 시스템의 전부 또는 일부가 상기 첫번째 분리에 의해서 노출되는 박층상에 형성되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 기판(20) 위에 상기 제 1 기판(10)의 결합은, 분자 접합에 의한 결합 방법, 접착성 기판에 의한 결합방법 또는 중간 혼합물의 사용방법 중 하나를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 기판위에 상기 제 1 기판의 결합은 중간층(42)의 삽입을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 박층(13, 23)들의 분리는 열처리 실시 및/또는 기계적인 힘의 부가에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상술한 기계적인 힘들은 인장력 및/또는 전단응력 및/또는 굴곡력을 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 분리 과정은 레이저 빔을 사용하여 상기 미소 공극에 열에너지는 제공하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 분리 과정은 초음파를 사용하여 상기 미소 공극에 기계적 에너지를 제공하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 분리 과정은 제어된 압력 하에서 행해지는 열처리 실시를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1항 내지 제 14항 중의 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 기판으로부터 분리된 후, 상기 얇은 멤브레인은 최종 또는 임시 지지체에 고정되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1항 내지 제 15항 중의 어느 한 항에 기재된 멤브레인의 제조방법에 따라서 얻는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인(1, 40)의 구조물.
- 제 16항에 있어서, 상기 멤브레인(1, 40)을 지닌 지지체(2, 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인 구조물.
- 제 17항에 있어서, 상기 지지체는 반도체 재료, 플라스틱 재료, 세라믹 재료 및 투명성 재료 중에서 선택된 하나의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인 구조물.
- 제 16항 내지 제 18항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나의 박막은 실리콘으로 구성되어 있고, 다른 박막은 Ⅲ족 - Ⅴ족 반도체 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인 구조물.
- 제 16항 내지 제 18항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(40)은 두 박층(41, 43) 사이에 위치한 중간층(42)을 더 포함하는 것을 특징으로 얇은 멤브레인 구조물.
- 제 20항에 있어서, 상기 두개의 박층은 실리콘으로 구성되고, 중간층은SiO2, Si3N4또는 복수 개의 재료의 조합 및/또는 다층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인 구조물.
- 제 20항에 있어서, 상기 두개의 박층은 반도체 물질로 구성되고, 상기 중간층은 도전체 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인 구조물.
- 제 22항에 있어서, 상기 중간층이 팔라듐으로 구성되는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인 구조물.
- 제 17항에 있어서, 상기 두 개의 박층 중의 하나는 실리콘(Si)으로 구성되고, 다른 층은 게르마늄(Ge)으로 구성되며, 상기 박층들을 도핑하여 상기 멤브레인 구조물로 광전지 셀을 형성하는 것을 특징으로 하는 얇은 멤브레인 구조물.
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