KR20220133870A - 복합 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

붙임 후의 열처리에 의한 파손을 억제할 수 있는 복합 기판의 제조 방법, 그리고 당해 제조 방법에 의해 제조된 복합 기판을 제공한다. 본 발명에 관한 복합 기판의 제조 방법은 탄탈산리튬 웨이퍼 혹은 니오브산리튬 웨이퍼인 압전체 웨이퍼와 지지 웨이퍼가 붙여진 복합 기판을 제조하는 방법이다. 이 제조 방법은 압전체 웨이퍼와 지지 웨이퍼를 붙이는 공정과, 붙이는 공정에서 붙여진 웨이퍼에 대해, 압전체 웨이퍼의 비붙임면이 경면으로 된 상태에서 열처리를 행하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 기판 및 그 제조 방법

본 발명은 탄성 표면파 디바이스의 재료 등으로서 사용하는 복합 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

근년, 스마트폰으로 대표되는 이동통신 시장에 있어서 통신량이 급격하게 증대하고 있다. 이 문제에 대응하기 위해 필요한 밴드 수를 늘리는 중에 필연적으로 각종 부품의 소형화, 고성능화가 필수로 되어 오고 있다. 일반적인 압전 재료인 탄탈산리튬(Lithium Tantalate： LT)이나 니오브산리튬(Lithium Niobate： LN)은 표면 탄성파(SAW) 디바이스의 재료로서 널리 사용되고 있다. 그러나, 이들 재료는 큰 전기기계 결합 계수를 가지고 광대역화가 가능한 반면, 온도 안정성이 낮아 온도 변화에 의해 대응할 수 있는 주파수가 쉬프트(shift)해 버린다고 하는 문제점을 가진다. 이것은 탄탈산리튬이나 니오브산리튬이 매우 높은 열팽창 계수를 가지는 것에 기인한다.

이 문제를 저감하기 위해, 탄탈산리튬(LT)이나 니오브산리튬(LN)에 팽창 계수가 작은 재료를 붙이고, LT 혹은 LN 측을 연삭 등으로 수㎛~수십㎛로 박화하여 복합 기판(복합 웨이퍼)을 얻는 방법이 제안되어 있다(비특허문헌 1). 또, LT 또는 LN 웨이퍼에 미리 수소 등의 이온 주입을 행하여 이온 주입 계면에서 박리를 할 수 있도록 하고 나서, 저팽창 계수 재료(사파이어, 실리콘 등)로 이루어지는 지지 웨이퍼를 붙이고, 접합 강도를 높인 후에 이온 주입 계면에서 박리를 행하여, 저열팽창 웨이퍼 상에 박막의 LT나 LN을 적층하는 방법 등도 제안되어 있다. 이와 같이 하여 제조된 복합 웨이퍼는 LT의 열팽창을 억제하여 온도 특성을 개선하는 것이 가능하게 된다. 참고로 각종 재료의 열팽창 계수를 그래프화한 것을 도 1에 나타낸다.

전파 신문 하이테크놀로지 2012년 11월 8일 「스마트폰의 RF 프론트 엔드에 사용되는 SAW-Duplexer의 온도 보상 기술」

그러나, 상기의 방법에는 제조상의 문제가 있다. 일반적으로 LT 혹은 LN 웨이퍼를, 지지 웨이퍼로 되는 저열팽창 계수를 가지는 웨이퍼에 붙인 후, 접합 강도를 높이기 위해 어느 정도의 열처리가 필요하게 된다. 이때 양 웨이퍼의 팽창 계수의 차로부터 LT 혹은 LN 웨이퍼에 크랙(crack)이 들어가, 붙인 복합 웨이퍼 전체가 파손해 버린다고 하는 문제이다.

이러한 문제를 감안하여 본 발명은 붙임 후의 열처리에 의한 파손을 억제할 수 있는 복합 기판의 제조 방법, 및 당해 제조 방법에 의해 제조된 복합 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시형태에 관한 복합 기판의 제조 방법은 탄탈산리튬 웨이퍼 혹은 니오브산리튬 웨이퍼인 압전체 웨이퍼와 지지 웨이퍼가 붙여진 복합 기판을 제조하는 방법이다. 이 제조 방법은 압전체 웨이퍼와 지지 웨이퍼를 붙이는 공정과, 붙이는 공정에서 붙여진 웨이퍼에 대해, 압전체 웨이퍼의 비(非)붙임면이 경면으로 된 상태에서 열처리를 행하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 압전체 웨이퍼에 있어서의 비붙임면을, 붙이는 공정보다 전에 경면화하는 공정을 더 구비하면 좋다. 혹은 압전체 웨이퍼에 있어서의 비붙임면을, 붙이는 공정보다 후에 경면화하는 공정을 더 포함해도 좋다.

본 발명에서는 열처리를 행하는 공정이 실시될 때의 압전체 웨이퍼의 비붙임면의 거칠기가 산술평균거칠기 Ra로 12nm 이하이면 좋다.

본 발명에 관한 제조 방법은 열처리를 행하는 공정보다 후에 압전체 웨이퍼를 박화하는 공정을 더 구비하면 좋다.

본 발명에 관한 제조 방법은 붙이는 공정보다 전에, 압전체 웨이퍼의 붙임면으로부터, 박리 계면으로 되는 깊이에 이온을 주입하는 공정을 더 구비하면 좋다. 이온을 주입하는 공정에 있어서 주입하는 이온종은 H^＋ 또는 H₂ ^＋로 하면 좋다.

본 발명에서는 박화하는 공정이 연삭 및/또는 연마에 의해 이루어지면 좋다. 혹은 박화하는 공정이 이온 주입 박리에 의해 이루어져도 좋다.

본 발명에 관한 제조 방법은 붙이는 공정보다 전에, 압전체 웨이퍼의 붙임면에 개재층을 설치하는 공정을 더 구비하면 좋다. 개재층의 종류는 SiO₂, SiON, SiN, 아모퍼스(amorphous) Si의 어느 것으로 하면 좋다. 또, 압전체 웨이퍼의 붙임면에 설치한 개재층 표면의 거칠기는 산술평균거칠기 Ra로 12nm 이하로 하면 좋다.

본 발명에 관한 제조 방법은 붙이는 공정보다 전에, 압전체 웨이퍼 및/또는 지지 웨이퍼에 표면 활성화 처리를 하는 공정을 더 구비하면 좋다. 표면 활성화 처리는 플라즈마 활성화, 진공 이온빔 활성화, 오존수 처리에 의한 활성화, UV 오존 처리의 어느 것을 포함하면 좋다.

본 발명에서는 지지 웨이퍼는 실리콘, 산화막 부착 실리콘, 사파이어, 유리, 석영, 및 알루미나로부터 선택되면 좋다.

본 발명에 관한 복합 기판은 상기 어느 것인가의 제조 방법에 의해 제작되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관한 복합 기판은 탄탈산리튬 웨이퍼 혹은 니오브산리튬 웨이퍼인 압전체 웨이퍼와 지지 웨이퍼가 붙여진 복합 기판으로서, 압전체 웨이퍼의 비붙임면이 경면화되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 각종 재료의 열팽창 계수를 대비하여 나타내는 그래프이다.
도 2는 LT 웨이퍼의 표면을 연삭으로 마무리한 것의 단면 TEM 사진이다.
도 3은 랩(lap) 처리를 한 LT 웨이퍼의 표면 근방의 단면 TEM 사진이다.
도 4는 각 웨이퍼의 표면·이면의 정의를 나타내는 도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 상세히 설명하지만 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 먼저, 실시형태에 앞서 종래부터 일반적으로 실시되고 있는 복합 기판의 제조 방법에 대해 설명한다.

통상, 압전체 웨이퍼(LT 웨이퍼 혹은 LN 웨이퍼)의 이면은 거칠어져 있는 것이 일반적이고, 경면화 처리가 되어 있지 않다. 이것은 최첨단 실리콘 CMOS 회로와 같은 수십nm라는 미세한 패턴을 구축할 필요가 있는 웨이퍼에서는 표면의 요철을 극한까지 저감할 필요가 있고, 그 때문에 이면도 경면화한 DSP(Double side polished: 양면 연마) 웨이퍼가 사용되는 데 반해, LT나 LN 등을 사용한 SAW 디바이스에서는 패턴은 수㎛~서브㎛ 정도이기 때문에 이면을 경면화해도 비용이 상승할 뿐 얻어지는 이점은 적은 것이 이유이다.

또 이면을 경면화하면 투명체인 LN이나 LN을 제조 장치가 인식할 수 없다(카메라 등을 사용하여 얻은 영상으로 웨이퍼의 위치를 특정할 수 없다). 이것을 방지하여 제조 장치가 웨이퍼를 인식하기 쉽게 하기 위해 이면을 거칠게 하여 불투명화(즉, 흐림 처리)하는 요청이 있는 것도 양면 연마품이 대부분 사용되지 않는 이유이다.

따라서, 일반적으로 압전체 웨이퍼는 그 이면에 대해 연삭, 랩, 에칭, 샌드블래스트(sandblast) 등의 처리를 한 채 경면화하지 않고 사용되는 것이 일반적이다. 일례로서 LT 표면을 연삭으로 마무리한 것의 단면 TEM 사진을 도 2에 나타낸다. 도 2는 4000번의 연삭 숫돌(입도 3~6㎛ 정도)로 연삭한 후의 LT의 단면 TEM 사진이다. 도 2로부터 연삭면에는 무수한 크랙이 존재하는 것을 알 수 있다. 이들 크랙이 기점(起點)으로 되어 열처리 시에 웨이퍼에 파손이 생겨 수율을 크게 저하시킨다. 또 도 3은 2500번의 탄화규소의 연마 입자로 랩 처리를 한 후의 표면 근방의 단면 TEM 사진이다. 도 2의 경우와 달리 크랙은 보이지 않지만 표면에 요철이 형성되어 있어 응력이 가해졌을 때에는 요철부에 응력이 집중하여 용이하게 파손된다고 생각된다.

이에 반해 본 실시형태에서는 압전체 웨이퍼의 이면(즉, 비붙임면)이 경면화된 상태에서 붙임 후의 열처리를 실시한다. 이와 같이 함으로써 붙임 후의 열처리에의 내성이 큰 폭으로 향상된다. 이것은 붙임 후의 열처리에 의해 기판이 변형해도 갈라짐의 기점으로 될 수 있는 크랙이나 요철이 없기 때문에, 파괴가 생기는 온도를 높일 수 있는 것에 의한다. 압전체 웨이퍼는 미리 이면이 경면화된 압전체 웨이퍼를 사용해도 좋고, 혹은 붙임 후에 압전체 웨이퍼의 이면을 경면해도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는 도 4에 나타낸 것처럼, 붙임면을 표면, 붙임면이 아닌 쪽의 면을 이면으로 정의하였다.

실시예

〔실시예 1〕

직경 100mm, 두께 0.55mm의 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 온도 1000℃에서 열산화막(SiO₂)을 480nm 정도 성장시켰다. 사용한 탄탈산리튬 웨이퍼(LT)는 42^о Y 커트품으로 두께 0.35mm의 것이다. 압전체 웨이퍼로 되는 LT 웨이퍼와 지지 웨이퍼로 되는 실리콘 웨이퍼의 표면거칠기(붙임면)는 RMS로 0.3nm 이하인 것이 확인되었다. LT 웨이퍼를 3종류 준비하였다. 각각의 이면(비붙임면)의 산술평균거칠기 Ra는 0.45nm, 15.2nm, 178.7nm였다(AFM으로 10㎛×10㎛의 범위에서 측정).

이들 웨이퍼에 플라즈마 활성화 처리를 하여 표면 활성화를 행하고 붙임을 행하였다. 다음에 이 붙임 웨이퍼에 열처리를 하였다. 열처리에 있어서는 90℃부터 10℃씩 단계적으로 승온하였다. 각 온도에는 6시간 체류하였다. 각 온도를 거친 후의 파손 상황을 표 1에 나타냈다. 표 1로부터 이면의 거칠기가 적을수록 파손이 생기는 온도가 높은 것이 판명되었다. 마찬가지 실험을 니오브산리튬 웨이퍼(LN)에서도 행했지만 결과는 동일하였다.

〔실시예 2〕

직경 100mm, 두께 0.55mm의 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 온도 1000℃에서 열산화막(SiO₂)을 480nm 정도 성장시켰다. 사용한 탄탈산리튬 웨이퍼(LT)는 42^о Y 커트품으로 두께 0.35mm의 것이다. 압전체 웨이퍼로 되는 LT 웨이퍼와 지지 웨이퍼로 되는 실리콘 웨이퍼의 표면거칠기(붙임면)는 RMS로 0.3nm 이하인 것이 확인되었다. LT 웨이퍼를 복수 준비하고, 각각의 이면(비붙임면)의 산술평균거칠기 Ra를 0.27nm(연마로 달성할 수 있는 가장 낮은 수치)~23.36nm까지 변화시켰다.

이들 웨이퍼에 플라즈마 활성화 처리를 하여 표면 활성화를 행하고 붙임을 행하였다. 다음에 이 붙임 웨이퍼를 90℃부터 승온하고 최고 160℃의 열처리를 하였다. LT 웨이퍼의 이면의 산술평균거칠기 Ra에 따른 파손 상황을 표 2에 나타냈다. 표 2로부터 이면의 거칠기가 Ra=12nm 이하이면 경면(Ra=0.27nm)과 동등한 내성이 있는 것이 판명되었다. 마찬가지 실험을 니오브산리튬 웨이퍼(LN)에서도 행했지만 결과는 동일하였다.

〔실시예 3〕

직경 100mm, 두께 0.55mm의 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 온도 1000℃에서 열산화막(SiO₂)을 480nm 정도 성장시켰다. 압전체 웨이퍼로 되는 탄탈산리튬 웨이퍼(LT)와 지지 웨이퍼로 되는 실리콘 웨이퍼 쌍방의 표면거칠기는 RMS로 0.3nm 이하인 것이 확인되었다. LT 웨이퍼에는 미리 수소 분자 이온(H₂ ^＋)을 100KeV의 에너지로 도스량이 8×10¹⁶/cm²로 되도록 주입해 두었다. 이때의 주입 깊이는 표면으로부터 보아 약 620nm이다. 이 주입 깊이가 박리 시의 박리 계면으로 된다.

이들 웨이퍼에 대해 붙임 전에 플라즈마 활성화 처리를 하여 표면 활성화를 행하였다. 붙임 후에 실시예 1과 마찬가지의 열처리를 행하였다. LT 웨이퍼의 이면의 산술평균거칠기 Ra마다 각 온도를 거친 후의 파손 상황을 표 3에 나타낸다. 표 3으로부터, 이온 주입을 한 LT 웨이퍼를 사용해도 실시예 1과 경향은 변하지 않고, 이면을 경면화한 것(Ra=0.45nm품)은 박리 가능하게 되는 온도(130~140℃)까지 웨이퍼를 파손시키지 않고 승온할 수가 있었다. 마찬가지 실험을 니오브산리튬 웨이퍼(LN)에서도 행했지만 결과는 동일하였다. 또, LT 웨이퍼 또는 LN 웨이퍼에 수소 이온(H^＋)을 동일 깊이까지 주입한 경우에도 마찬가지 결과가 얻어졌다.

〔실시예 4〕

실시예 1~3에 있어서, LT 혹은 LN의 표면(붙임면)에 개재층으로서 SiO₂를 PVD법(Physical vapor deposition： 물리 증착법)으로 300nm 성막하고, 연마를 한 후에 마찬가지 처리를 행하였다. 결과는 실시예 1~3과 동일하였다. 이 결과로부터 개재층의 유무는 본 발명에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있었다. LT 대신에 LN을 사용해도 결과는 동일하였다.

〔실시예 5〕

실시예 4의 실험에 있어서 개재층을 CVD법으로 성막한 SiO₂나, SiN, SiON, 아모퍼스 Si 등으로 변경했지만 결과는 실시예 4와 동일하였다. 이 결과로부터 개재층의 종류는 본 발명에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있었다. LT 대신에 LN을 사용해도 결과는 동일하였다.

〔실시예 6〕

실시예 3에 있어서의 접합 시의 표면 활성화 처리를 진공 이온빔 활성화, 오존수 처리에 의한 활성화, 또는 UV 오존 처리에 의한 활성화로 바꾸어 마찬가지 시험을 시도하였다. 결과는 실시예 3과 동일하였다. 이 결과로부터 본 발명은 접합 방법에는 좌우되지 않는 것이 판명되었다.

〔실시예 7〕

실시예 1~3과 마찬가지의 실험을 행하였다. 다만, LT의 붙임면 측(표면)을 거칠게 하여, 산술평균거칠기 Ra로 130nm 정도로 하였다. 이 LT 웨이퍼에 CVD법으로 SiO₂를 5㎛ 정도 성막하고, 2㎛ 정도까지 연마하고 경면화하였다. 이때의 SiO₂ 표면의 면거칠기는 산술평균거칠기 Ra로 0.25nm였다. 나머지 조건은 실시예 1~3과 동일하게 했는데 결과도 실시예 1~3과 동일하였다. 이 결과로부터 적절한 개재층이 있으면 LT의 표면 측(붙임면 측)의 거칠기는 본 발명에 영향을 주지 않는 것이 판명되었다.

〔실시예 8〕

직경 100mm, 두께 0.55mm의 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 온도 1000℃에서 열산화막(SiO₂)을 480nm 정도 성장시켰다. 사용한 탄탈산리튬 웨이퍼(LT)는 42^о Y 커트품으로 두께 0.35mm의 것이다. 압전체 웨이퍼로 되는 LT 웨이퍼와 지지 웨이퍼로 되는 실리콘 웨이퍼의 표면거칠기(붙임면)가 RMS로 0.3nm 이하인 것을 확인하였다. LT 웨이퍼의 이면(비붙임면)의 Ra는 178.7nm였다(AFM으로 10㎛×10㎛의 범위에서 측정).

이들 웨이퍼에 플라즈마 활성화 처리를 하여 표면 활성화를 행하고 붙임을 행하였다. 다음에 이 붙임 웨이퍼에 열처리를 하였다. 90℃에서 100℃까지의 열처리를 한 후에 거칠어진 LT의 이면을 연마로 경면화하고 다시 110℃부터 승온하였다. 이때 160℃에서 처음으로 파괴가 생겼다. LT 웨이퍼의 이면은 붙이기 전에 경면화해도 붙인 후에 경면화해도 결과는 동일하다는 것이 판명되었다.

〔실시예 9〕

실시예 1~3과 마찬가지의 실험을 행함에 즈음하여, 지지 웨이퍼에 산화막 없는 실리콘, 사파이어, 알루미나, 유리, 또는 석영을 사용하였다. 결과는 실시예 1~3과 거의 동일하여 지지 웨이퍼의 종류에는 크게 의존하지 않는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터 파괴는 지지 웨이퍼로부터라기보다는 LT 혹은 LN 웨이퍼의 이면으로부터 발생하는 것을 추측할 수 있다.

이상에서 설명한 실시형태 및 각 실시예에 의하면, 본 발명에 관한 제조 방법에 의해 붙임 후의 열처리에 의한 파손을 억제할 수 있는 복합 기판을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

상기 실시형태 및 실시예는 예시이고, 본 발명의 청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고 마찬가지 작용 효과를 가져오는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (16)

1. 탄탈산리튬 웨이퍼 혹은 니오브산리튬 웨이퍼인 압전체 웨이퍼와 지지 웨이퍼가 붙여진 복합 기판을 제조하는 방법으로서,
   상기 압전체 웨이퍼와 상기 지지 웨이퍼를 붙이는 공정과,
   상기 붙이는 공정에서 붙여진 웨이퍼에 대해, 상기 압전체 웨이퍼의 비(非)붙임면이 경면으로 된 상태에서 열처리를 행하는 공정을 구비하는 복합 기판의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압전체 웨이퍼에 있어서의 비붙임면을, 상기 붙이는 공정보다 전에 경면화하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 압전체 웨이퍼에 있어서의 비붙임면을, 상기 붙이는 공정보다 후에 경면화하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열처리를 행하는 공정이 실시될 때의 상기 압전체 웨이퍼의 비붙임면의 거칠기가 산술평균거칠기 Ra로 12nm 이하인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열처리를 행하는 공정보다 후에 상기 압전체 웨이퍼를 박화하는 공정을 더 구비하는 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 붙이는 공정보다 전에, 상기 압전체 웨이퍼의 붙임면으로부터, 박리 계면으로 되는 깊이에 이온을 주입하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 이온을 주입하는 공정에 있어서 주입하는 이온종이 H^＋ 또는 H₂ ^＋인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
8. 제5항에 있어서,
   상기 박화하는 공정이 연삭 및/또는 연마에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 붙이는 공정보다 전에, 상기 압전체 웨이퍼의 붙임면에 개재층을 설치하는 공정을 더 구비하는 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,
    개재층의 종류가 SiO₂, SiON, SiN, 아모퍼스 Si의 어느 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 압전체 웨이퍼의 붙임면에 설치한 상기 개재층 표면의 거칠기가 산술평균거칠기 Ra로 12nm 이하인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 붙이는 공정보다 전에, 상기 압전체 웨이퍼 및/또는 지지 웨이퍼에 표면 활성화 처리를 하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 표면 활성화 처리가 플라즈마 활성화, 진공 이온빔 활성화, 오존수 처리에 의한 활성화, UV 오존 처리의 어느 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 웨이퍼가 실리콘, 산화막 부착 실리콘, 사파이어, 유리, 석영, 및 알루미나로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제작된 복합 기판.
16. 탄탈산리튬 웨이퍼 혹은 니오브산리튬 웨이퍼인 압전체 웨이퍼와 지지 웨이퍼가 붙여진 복합 기판으로서, 상기 압전체 웨이퍼의 비붙임면이 경면화되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기판.

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