KR20200088513A - 통합 디바이스를 갖는 다층 광 정의형 유리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 고유한 수직 통합 디바이스 또는 시스템 레벨 구조체를 생성하기 위해 전자장치, 광자장치, 또는 MEMS 디바이스를 함유할 수 있는, 다층 및 단일 층 광-정의형 구조체를 가능하게 하는 금속화 동안 온도 및 시간 처리의 함수로서 광-정의형 유리에서 유도된 기계적 왜곡을 제거하거나 극적으로 감소시키는 것에 관한 것이다.

Description

통합 디바이스를 갖는 다층 광 정의형 유리{MULTI-LAYER PHOTO DEFINABLE GLASS WITH INTEGRATED DEVICES}
광-정의형 유리-세라믹(photo-definable glass-ceramic)은 온도 및 시간의 함수로서 처리 동안 기계적 왜곡(mechanical distortion)을 갖는다. 본 발명은, 전자장치, 광자장치, 또는 MEMS 디바이스를 함유하여 금속화(metallization)로부터 비롯된 기계적 왜곡을 사실상 제거하는 고유한 수직 통합 디바이스(vertically integrated device) 또는 시스템 레벨 구조체를 생성할 수 있는, 다층 및 단일 층 광-정의형 구조체의 생성에 관한 것이다.
감광성 유리 구조체(photosensitive glass structures)는 평면 구조체(planer structure) 상에서 다른 소자 시스템 또는 서브시스템과 함께 통합 전자 광자장치(integrated electronic photonics) 및 MEMS 디바이스와 같은 다수의 미세 기계가공(micromachining) 및 미세제조(microfabrication) 공정에 사용되고 있다. 지난 몇 년에 걸쳐, 보다 높은 성능 및 팩킹 밀도(packing density)를 달성하기 위해, 포장 업계(packaging industry)는 열 및/또는 UV 경화 공정과 함께 금속 충진 비아(via), 에폭시 및 기타 소자들을 통해 연결된 여러 층의 실리콘 디바이스들을 통합시키고 있다. 지금까지, 모든 광-정의형 유리는, 제어되지 않으면, 유리에 사전에 생성된 디바이스 구조체를 무작위로 이동시키는 기능 온도 사이클링(function temperature cycling)으로서 피처 이전(feature migration)을 갖는다.
광-정의형 유리 세라믹(APEX®) 또는 반도체용 신규 기판 재료로서의 기타 광 정의형 유리, RF 전자장치, 마이크로파 전자장치, 전자 부품 및/또는 광학 소자. 일반적으로, 광 정의형 유리는 1세대 반도체 장비를 간단한 3단계 공정에서 사용하여 처리되며, 최종 재료는 유리 또는 세라믹으로 제조될 수 있거나 유리 및 세라믹 둘 다로 이루어진 영역을 함유할 수 있다. 광 정의형 유리 세라믹은 현재 재료에 비해, 용이하게 제조된 고밀도 비아, 입증된 마이크로유체 디바이스 성능(microfluidic device capability), 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 어레이(array), 변압기(transformer), 인덕터(inductor), 전송 라인(transmission lines), 및 기타 여러 디바이스를 포함하는 여러 이점들을 갖고 있다. 감광성 유리는 광범위한 마이크로시스템 부재들의 제조시 여러 이점이 있다. 통상의 반도체 또는 PC 보드 처리 장비(PC board processing equipment)를 사용하여, 미세구조체(microstructures)는 이들 유리에 의해 비교적 저렴하게 제조되고 있다. 일반적으로, 유리는 고온 안정성, 우수한 기계적 및 전기적 특성을 갖고, 플라스틱 및 다수의 금속들보다 내약품성이 우수하다. 또 다른 형태의 감광성 유리로는 쇼트 코포레이션(Schott Corporation)에서 제작한 FOTURAN®가 있다. FOTURAN®은, 미량의 은 이온 + 다른 미량 성분, 구체적으로는 산화규소(SiO2) 75 내지 85중량%, 산화리튬(Li2O) 7 내지 11중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 3 내지 6중량%, 산화나트륨(Na2O) 1 내지 2중량%, 삼산화안티몬(Sb2O3) 또는 산화비소(AS2O3) 0.2 내지 0.5중량%, 산화은(Ag2O) 0.05 내지 0.15중량%, 및 산화세륨(CeO2) 0.01 내지 0.04중량%를 함유하는 리튬-알루미늄-규산염 유리를 포함한다. 광-정의형 유리가 고온, 유리 전이 온도(예를 들면, FOTURAN®의 경우 공기 중에서 465℃가 넘는 온도)로 사이클링됨에 따라, 이는 투명에서 황색으로 색 이동(color shift)된다. 이 측정 가능한 색 이동은 시간 및 온도와 직접 관련된다. 온도가 높고 시간이 길수록 색 이동이 커진다. 색 이동은 완전히 가공된 광-정의형 유리의 열 사이클(thermal cycle) 이력을 측정하는 쉬운 방법이다.
산화세륨의 흡광 대역 내에서 UV-광에 노출될 때, 산화세륨은 감광제(sensitizer)로서 작용하여 광자(photon)를 흡수하여 전자를 잃으며, 이는 이웃하는 산화은을 환원시켜 은 원자를 형성하는 것으로서, 예를 들면 다음과 같다.
Ce3+ + Ag+ = Ce4+ + Ag0
은 원자들은 베이킹 공정 동안에 은 나노클러스터로 합쳐지고, 주변 유리의 결정화를 위한 핵형성 부위(nucleation sites)를 유도한다. 마스크를 통해 UV-광에 노출되면, 유리의 노광 영역만이 후속 열처리 동안 결정화될 것이다.
이 열처리는 유리 전이 온도 부근의 온도(예를 들면, FOTURAN®의 경우 공기 중에서 465℃가 넘는 온도)에서 수행되어야 한다. 결정질 상(phase)은 노광되지 않은 유리질의 비결정질 영역보다 불화수소산(HF)과 같은 에천트에 더 잘 용해된다. 특히, FOTURAN®의 결정질 영역은 10% HF에서 비결정질 영역보다 약 20배 빠르게 에칭되어, 노광된 영역이 제거될 때 약 20:1의 벽 경사 비(wall slopes ratio)를 갖는 미세구조체를 가능하게 한다. 본원에 인용되어 포함된 문헌[T. R. Dietrich et al, "Fabrication technologies for microsystems utilizing photo-sensitive glass", Microelectronic Engineering 30, 497 (1996)]을 참조한다.
광 정의형 유리를 유리 전이 온도 부근의 온도(예를 들면, FOTURAN®의 경우 공기 중에서 465℃가 넘는 온도)로 전환시키는 작용은, 기판에서 영구적인 기계적 왜곡을 유도하기 위한 복잡한 삼차원 구조의 형성 및 에칭을 용이하게 한다. 이들 무작위적인 왜곡은 400㎛만큼 커질 수 있다. 수십 마이크론 이상의 왜곡은 비아(via), 본딩 패드(bonding pad), 인터커넥트(interconnect), 섬유 정렬(fiber alignments), 센서(sensor) 및 기타 통합 디바이스를 포함하는 통합 전자 소자(integral electronic element)의 정렬을 방해하여, 상기 디바이스는 다른 패키징 소자(packaging element)와 성공적으로 통합하는 것이 사실상 불가능해진다. 유리 전이 온도 부근에서 광 정의형 유리를 처리하여 생성된 왜곡은 APEX® 유리에 의해 입증된 조성에 의해 성공적으로 제어될 수 있다. APEX® 유리로부터의 조성 변화조차도 구리 페이스트(paste) 금속화와 관련된 기계적 왜곡을 방지할 수는 없다.
다양한 형태의 금속 페이스트가 유리, 세라믹 또는 다른 기판의 금속화에 사용될 수 있다. 이들 금속 페이스트는 은, 금 및 구리를 포함한다. 비록 모든 금속 페이스트가 적용을 위해 작동할지라도, 구리 페이스트 금속화는 비용과 성능 그리고 이력 패키징 및 처리 기술(historical packaging and processing technology)로 인해 산업 표준이 되었다. 불행하게도, 구리 페이스트 금속화는 최대 600℃에서 최대 1시간 동안의 온도 처리 범위와 시간 프로파일을 갖는다. 이들 시간 및 온도는 각각의 유리 기판의 물리적 치수의 무작위 이동을 유도하여, 구조를 정렬하거나 또는 다른 유리 층들, 본딩 패드들 또는 다른 포장 소자들 사이에서 구조를 생성시킬 수 없게 된다. 그 결과, 구리 페이스트 금속화를 갖는 유리 기판을 포장하는 능력은 불가능하다. 그러나, 다수의 열 사이클은 무작위 열 크리프(thermal creep)를 악화시키고, 모든 광-정의형 유리, 심지어 구성적으로 안정화된 광-정의형 유리의 투과(transmission)의 광학적 변화를 유도한다. 본 발명은 구리 페이스트 금속화된 광-정의형 유리를 광-정의형 유리 구조체의 단일 층 또는 다층으로서 제조하여 열 크리프를 최소화 및/또는 제거함으로써, 신뢰성 있는 단일/다수 레벨(single/multi-level) 수직 인터커넥트 및 모놀리스 디바이스 및 구리 페이스트 금속화를 가능하게 하는 비용 효율적인 방법을 제공한다. 기계적 왜곡은, 별도의 광-정의형 유리 층에 함유된 디바이스의 하나 이상의 부분을 갖는 다수 레벨의 디바이스 구조를 가능하게 할 수 있다.
본 발명은 구리 금속화를 갖는 전자장치, 광자장치, 또는 MEMS를 함유할 수 있는 다층 및 단일 층 광-정의형 구조체의 제조 방법을 포함한다. 다층 구조체는, 디바이스의 일부가 각각의 유리 층에 함유되어 있는 신뢰성 있는 다수 레벨 수직 인터커넥트 및 모놀리스 디바이스를 갖춘 2개 이상의 광-정의형 유리 웨이퍼들의 인터페이스를 가능하게 한다.
하나 이상의 전자장치, 광자장치, 또는 MEMS 디바이스로 이루어진 구리 페이스트 금속화를 갖춘 각각의 층 위에 복수의 디바이스를 갖는 단일 층 또는 다층 광-정의형 유리 구조체를 제조하는 방법. 25℃로부터 600℃까지 10℃/min의 열 램프 속도(thermal ramp rate), 600℃에서 10분 유지 및 600℃로부터 25℃까지의 램프 다운(ramp down)을 요구하는 금속화 공정은 금속 페이스트를 사용한다. 이러한 대략 35분의 어닐링 사이클(annealing cycle)은 모두 질소에서 이루어져, 구리의 산화를 방지한다. 일반적으로, 금속화 열 사이클은 광-정의형 유리 구조체에서의 영구적인 무작위 물리적 왜곡 및 광학적 투과 변화(optical transmission change)를 유도한다. 유리를 장기간의 시간 및 온도 사이클에 노출시키지 않는 한편 어닐링 사이클을 위한 시간과 온도를 최소화하여 구리 페이스트를 용융시키고 고형 금속 구조로 치밀화(densification)시키는 공정 흐름이 요구된다.
광-정의형 유리는 전자기 스펙트럼의 여러 부분에서 투명하다. 광-정의형 유리의 투명한 전자기 스펙트럼의 여러 부분은 구리 및 구리 페이스트에 의해 흡수된다. 금속에 의해 흡수되고 광-정의형 유리에 대해 명목상으로(nominally) 투명한 전자기 스펙트럼은 전통적인 유리 또는 광 정의형 유리 기판의 구리 페이스트 금속화의 용융 및 치밀화를 가능하게 한다. 유리 기판 상에서 구리 페이스트의 용융 및 치밀화를 달성할 수 있는 전자기 스펙트럼은 유도형, 마이크로파 또는 고강도 램프에 의해 생성될 수 있는 마이크로파 주파수, 가시광, 근적외광 및 중적외광(mid infra-red) 스펙트럼을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 특징과 장점을 보다 완전하게 이해하기 위해 본 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조한다:
도 1은 구리에 대한 흡수 스펙트럼의 그래프를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 APEX® 유리에 대한 흡수 스펙트럼의 그래프를 도시한다.
도 3은 상이한 열 사이클링 및 UV 노광 후의 APEX® 유리에 대한 광학 스펙트럼의 그래프를 도시한다.
도 4는 급속 열 어닐링 공급원(thermal annealing source)에 대한 실리콘 기판에 대한 온도 사이클의 그래프를 도시한다.
도 5는 급속 열 어닐링 공급원에 대한 광학 스펙트럼의 그래프를 도시한다.
본 발명의 다양한 양태들의 제조 및 사용이 하기에 상세히 논의되지만, 본 발명은 다양한 특정 상황들에서 구현될 수 있는 많은 적용 가능한 독창적 개념을 제공함을 이해해야 한다. 본 명세서에서 논의된 특정 양태들은 단지 본 발명을 제조하고 사용하기 위한 특정 방법들을 예시할 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 구리에 대한 흡수 스펙트럼의 그래프를 도시한다. 도 2a 및 도 2b는 APEX® 유리에 대한 흡수 스펙트럼의 그래프를 도시한다. 도 3은 상이한 열 사이클링 및 UV 노광 후의 APEX® 유리에 대한 광학 스펙트럼의 그래프를 도시한다. 도 4는 급속 열 어닐링 공급원에 대한 실리콘 기판에 대한 온도 사이클의 그래프를 도시한다. 도 5는 급속 열 어닐링 공급원에 대한 광학 스펙트럼의 그래프를 도시한다.
금속에 의해 흡수되고 광-정의형 유리에 대해 명목상으로 투명한 전자기 스펙트럼의 공급원은 전통적인 유리 상에서 페이스트 침착 공정으로부터 침착된 금속의 가열, 용융 및 치밀화를 가능하게 하거나 또는 광 정의형 유리 기판은 바람직하게는 고강도 텅스텐 필라멘트 램프(high intensity tungsten filament lamp)이다. 고강도 텅스텐 필라멘트 램프는 급속 열 어닐링(rapid thermal annealing)(RTA) 또는 급속 열 처리(rapid thermal processing)(RTP)에서 사용되는 가열 공급원(heating source)이다. 온도에서의 시간은 기판 상의 피처(feature)의 위치를 20㎛가 넘게 변화시키지 않으며 유리의 색 이동은 75nm 미만인 시간이다. 실험 결과, 시간은 700℃에서 10분 미만이거나 온도 시간 비는 70℃/min 미만일 필요가 있는 것으로 나타났다. RTA는 반도체 디바이스 제조시에 사용되는 공정으로서, 상기 공정은 하나의 유리 기판 또는 유리 기판들 더미 상에서 단일 금속을 우선적으로 가열하는 것으로 이루어진다.
전통적인 RTA 공정은 램프 기반 가열(lamp based heating), 핫 척(hot chuck), 또는 기판인 핫 플레이트(hot plate)를 사용하여 수행될 수 있다. 핫 척 또는 핫 플레이트 RTA는 유리 기판에 추가하여 기판을 가열할 것이다. 램프 기반 가열 RTA 공정은 금속을 주변 유리 기판보다 상당히 더 가열하여, 유리 기판에서의 영구적인 기계적 왜곡 또는 광학적 변화를 유도하지 않고도 금속이 가열-치밀화되게 할 것이다.
유리 기판 상의 구리 페이스트의 용융 및 치밀화를 달성할 수 있는 전자기 스펙트럼은 유도형, 마이크로파 또는 고강도 램프에 의해 생성될 수 있는 마이크로파 주파수, 가시광, 근적외광 및 중적외광(mid infra-red) 스펙트럼을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 다수의 용어들이 하기에 정의된다. 본원에 정의된 용어들은 본 발명과 관련된 분야의 통상의 당업자들에 의해 일반적으로 이해되는 의미들을 갖는다. 정관사 및 부정관사("a", "an" 및 "the")와 같은 용어들은 단일 개체만을 지칭하려는 것이 아니라 예시를 위해 구체적인 예가 사용될 수 있는 일반적인 클래스를 포함한다. 본 명세서의 용어는 본 발명의 특정 양태들을 설명하기 위해 사용되지만 그 사용은 청구범위에서 설명된 것을 제외하고는 본 발명을 한정하지 않는다.
본 발명 및 이의 이점이 상세하게 기재되지만, 다양한 변화, 대체 및 변형이 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않으면서 본원에서 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 방법, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 본원에 기재된 단계의 특정한 양태로 제한하는 것으로 의도하지 않으며 단지 청구범위에 의해서만 제한된다. 당업자는 실질적으로 동일한 기능을 수행하며 현재 존재하거나 추후 개발될 본 발명의 설명, 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계로부터 용이하게 이해하거나, 본 발명에 따라 이용될 수 있는 본원에 기재된 상응하는 양태들과 실질적으로 동일한 결과를 달성할 것이다. 따라서, 청구범위를, 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계와 같은 이의 범주내에 포함하고자 한다.

Claims (9)

  1. 완전히 치밀한 금속화된 유리 기판(fully dense metallized glass substrate)의 제조 방법으로서, 상기 금속이 우선적으로 가열되고/되거나 상기 유리 기판에 대해 치밀화되며, 이때
    A. 구조체의 위치에서 20㎛ 미만으로 변하고,
    B. 상기 유리 기판의 색은 75nm를 초과하여 이동하지 않고,
    C. 온도 시간 비는 70℃/min를 초과하지 않는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속이 구리, 은, 백금, 금, 또는 이들의 조합인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유리가 광-정의형(photo-definable)인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유리 기판이 전자장치, 광자장치, 또는 MEMS 디바이스를 함유하는, 방법.
  5. 2개 이상의 유리 기판을 통합하는 방법으로서, 상기 금속 구조체가 우선적으로 가열되고/되거나 상기 유리 기판에 대해 치밀화되며 이는 상기 유리 기판의 색을 크게 변화시키지 않고도 구조체의 위치에서 20㎛ 미만의 변화를 유도하고, 이때 A. 구조체의 위치에서 20㎛ 미만으로 변하고, B. 상기 유리 기판의 색은 75nm를 초과하여 이동하지 않고, C. 온도 시간 비는 70℃/min를 초과하지 않는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 금속이 구리, 은, 백금, 금, 또는 이들의 조합인, 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유리가 광-정의형인, 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 유리 기판이 전자장치, 광자장치, 또는 MEMS 디바이스를 함유하는, 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 금속이 유리-세라믹 재료 또는 이들의 조합에 부분적으로, 전체에 걸쳐, 그 사이에, 또는 그 최상부 위에 존재할 수 있는, 방법.
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