KR20240050493A - 이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자 - Google Patents

이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자 Download PDF

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Abstract

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제1기판과, 상기 제1기판 상에 상기 제1기판과 다른 이종(異種)의 제2기판이 접합된 접합 구조체에 있어서, 상기 접합 구조체의 일부 영역에 그루브가 형성되거나, 상기 접합 구조체의 일부 영역에 관통부가 형성되거나, 상기 제2기판이 분리되어 이격부가 형성되거나, 상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 중 둘 이상이 복합적으로 형성되어, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합시 결함의 확산이 상기 그루브, 상기 관통부 또는 상기 이격부에서 제한되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 이종 기판의 접합 구조체에 결함의 영향을 제한시킬 수 있는 그루브(groove), 관통부, 이격부와 같은 구조를 형성하여, 이종 기판과의 접합시 결함의 확산이 제한되도록 하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시킨 것이다.

Description

이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자{Bonding structure of heterogeneous substrates, manufacturing method thereof, and acoustic wave device using same}
본 발명은 이종 기판이 접합된 구조체의 접합 계면에 결함이 존재하는 경우, 이의 영향을 최소화하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시킨 이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자에 관한 것이다.
압전 재료를 이용한 탄성파 소자는 탄성 표면파(Surface Acoustic Wave, SAW) 소자나 박막 공진자(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR) 등이 있다.
일반적으로 탄성파 소자는 금속 전극(Interdigital Transducers(IDTs))이 형성된 압전 기판을 포함하며, 일측의 금속 전극에 전기 신호를 인가하면 압전 기판 표면에 탄성 표면파가 발생되고, 상기 탄성 표면파가 다른 쪽 금속 전극에 도달하면 다시 전기신호로 변환되는 것으로, 전파 손실이 작고, 소형화가 가능하며, 반도체 제작 공정에서 제작될 수 있어 낮은 가격으로 제조가 가능하여, 휴대 전화 등과 같은 통신 기기에서의 대역 통과 필터로서 널리 이용되고 있다.
이러한 탄성파 소자의 고성능화를 도모하기 위한 것으로, 온도에 따른 압전 기판의 물리적 변화를 최소화하고, 주파수 변동을 줄이기 위해 압전 기판과는 다른 지지 기판을 압전 기판에 접합하는 기술이 연구되고 있다.
특히, 지지 기판은 압전 기판보다 열팽창계수가 작은 것으로, 이를 압전 기판에 접합함으로써 온도 변화에 대해 압전 기판의 물리적 변화를 최소화하고, 주파수 특성 변화를 억제시키게 된다.
이러한 압전 기판과 이종의 지지 기판을 접합함에 있어서, 접합 강도와 접합 균일도를 저해하는 미세 입자 파티클은 파티클의 크기 자체보다 훨씬 넓은 면적에 걸쳐 접합에 부정적 영향을 끼친다.
이로 인해 후속 공정에서 점점 더 접합이 떨어지는 부분이 넓어지는 현상이 발생하게 된다. 즉, 압전 기판과 지지 기판의 접합 시 그 사이에 임의의 의도하지 않은 파티클은 접합 시 접합 불량의 면적이 넓어지게 하거나 적어도 그 면적에 해당하는 만큼 접합 강도가 떨어지게 한다.
또한 접합 시 압력에 의해 파티클이 파괴되어 더 작은 파티클로 나뉘어 퍼지는 경우 더 넓은 접합 불량 면적에 걸쳐 접합 강도에 더욱 부정적인 영향을 미치게 된다. 더구나, 압력에 의해 파괴되지 않거나 넓이가 늘어나지 않는 매우 단단한 입자의 경우, 압전 기판 또는 지지 기판 자체에 결함 또는 입자를 발생시킬 수 있다.
도 1은 이종 기판 간의 접합시(예컨대, 압전 기판과 이종의 지지 기판 간의 접합) 파티클에 의한 접합 불량 상태를 나타낸 모식도로서, {입자의 높이(h)/tanθ}^2 *π에 해당하는 면적에 걸쳐 접합 불량을 발생시킬 수 있으며, 후속 공정에서의 열 또는 기계적 에너지에 의해 접합 불량 영역[{입자의 높이(h)/tanθ+α}^2 *π]이 더욱 확산되게 된다.
그러나 실질적으로는 문헌(https://doi.org/10.1002/9783527822492.ch62, Surface and Interface Science: Volume 9: Applications of Surface Science I, Volume 9 Editor(s):Klaus Wandelt, Chapter 62 Wafer Bonding, p.79)에 따르면 입자 직경의 1만배 면적에 걸쳐 접합 불량을 발생시킨다고 알려져 있다.
따라서, 파티클 농도를 낮추는 것이 바람직하지만, 이를 위한 유지 관리 비용이 많이 소요되고 있어, 이의 해결책이 필요한 실정이다.
또한 이종 재질 기판 간 접합 강도를 높이기 위해 표면 처리(Si의 경우 HF처리-승온하면서 가압)를 수행하는데, 이 과정에서 표면처리 가스(Si의 경우 HF처리했다면 수소)가 배출(아웃개싱, out gassing)되어 접합 부분에 트랩(trap)되어 접합 균일도와 강도에 악영향을 주고 있다.
더구나, 승온을 하면 열팽창계수 차이로 인해 더 늘어나는 소재의 기판은 스트레스를 받는데, 이때 접합이 약한 부분의 접합이 분리될 수 있어, 상기의 부정적인 영향이 더욱 악화될 수 있다.
한편 기존의 이종 기판 간의 접합 강도를 개선시키기 위한 다양한 선행기술들이 나와 있으며, 대한민국 특허청 공개특허공보 10-2018-0102615호, 10-2019-0133793호, 10-2021-0005738호, 10-2021-0006995호 등이 있다.
상기 종래 기술들은 이종 기판 간의 접합 강도를 개선시키기 위해, 지지 기판의 표면 거칠기를 특정하거나, 접합층의 표면 및 지지 기판의 표면에 중성화 빔을 조사하거나, 지지 기판과 접합층 사이에 비정질층을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나 상기 종래 기술들은 일반적으로 지지 기판의 표면을 활성화하는 등 접합부분의 물성을 개선하여 접합 강도를 개선시키는 것에 집중되고 있으며, 상술한 바와 같이 파티클의 존재로 인한 접합 강도를 악화시키는 부분에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다.
대한민국 특허청 공개특허공보 10-2018-0102615호, 10-2019-0133793호, 10-2021-0005738호, 10-2021-0006995호
본 발명은 이종 기판의 접합 구조체에 결함의 영향을 제한시킬 수 있는 그루브(groove), 관통부, 이격부와 같은 구조를 형성하여, 이종 기판과의 접합시 결함의 확산이 제한되도록 하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시킨 이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제1기판과, 상기 제1기판 상에 상기 제1기판과 다른 이종(異種)의 제2기판이 접합된 접합 구조체에 있어서, 상기 접합 구조체의 일부 영역에 그루브가 형성되거나, 상기 접합 구조체의 일부 영역에 관통부가 형성되거나, 상기 제2기판이 분리되어 이격부가 형성되거나, 상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 중 둘 이상이 복합적으로 형성되어, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합시 결함의 확산이 상기 그루브, 상기 관통부 또는 상기 이격부에서 제한되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 그루브 또는 상기 관통부는, 상기 제1기판 또는/및 상기 제2기판의 일부 영역에 형성될 수 있으며, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에 형성되거나, 상기 제2기판의 일부 영역에 형성되며, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면 반대면에 형성될 수도 있다.
또한, 상기 그루브는, 단일 패턴 또는 연속적인 패턴으로 규칙적 또는 불규칙적으로 형성될 수 있으며, 상기 그루브는, 상기 단일 패턴 또는 연속적인 패턴의 배열이 상기 접합 구조체의 다이싱 라인(dicing line)에 대응하여 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 그루브 또는 상기 관통부는, 상기 접합 구조체의 중심부로부터 방사형으로 형성될 수 있다
또한, 상기 그루브는, 종단면 형상이 대칭형 또는 비대칭형의 사각형 또는 삼각형으로 형성될 수 있으며, 상기 그루브는, 횡단면 형상이 다각형 또는 원형일 수도 있다.
또한, 상기 관통부는, 상기 접합 구조체의 다이싱 라인(dicing line)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합 구조체는, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 사이에 박막층이 더 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 박막층은, 상기 제1기판 상에 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배에 대응하여 양자화된 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 박막층은, SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge, Si-AlN, Si-GaP, Si-InAs, Si-InSb, Si-AlSb, Si-Ba2NaNb5O5, Si-Pb2KNb5O15, Si-PZT, Si-CIGS 중 어느 하나이거나, 둘 이상이 다층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 박막층은, 상기 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간을 정수배한 시간과 무성장 시간을 합한 총 공정 시간 동안 CVD 방법에 의해 증착될 수 있다.
또한, 상기 박막층의 일부 영역에는, 그루브, 관통부 및 이격부 중 어느 하나 이상이 형성될 수 있다.
또한, 상기 접합 구조체는, 상기 제2기판이 소정 두께로 박판화된 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에는, 접합 증진을 위한 소수성 또는 친수성 표면 처리가 이루어질 수 있다.
또한, 상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 각각에는 친수성 표면 처리 또는 대전 처리될 수도 있다.
본 발명은 이종 기판이 접합된 구조체의 접합 계면에 결함이 존재하는 경우, 이의 영향을 최소화하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시키기 위한 것이다.
특히 본 발명은 이종 기판의 접합 구조체에 결함의 영향을 제한시킬 수 있는 그루브(groove), 관통부, 이격부와 같은 구조를 형성하여, 이종 기판과의 접합시 결함의 확산이 제한되도록 하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시키고자 하는 것이다.
이와 같이 그루브에 의해 결함 영역의 확산이 제한되어 접합 구조체에 있어서 접합 강도 및 접합 균일도가 저하되지 않은 소자형성 영역이 보다 넓어지게 되는 것이다.
또한 이종 기판 간의 접합에 있어서 표면처리에 따른 아웃개싱에 의한 가스를 상기 그루브, 관통부 및 이격부에서 효과적으로 방출 또는 트랩할 수 있어서, 접합 균일도를 더욱 향상시키면서 접합 강도도 향상시킬 수 있다.
또한 이종 기판 간의 접합 후, 온도 증감시 발생하는 열팽창의 불일치로 발생하는 열팽창계수 차이에 의한 힘이 상기 그루브, 관통부 및 이격부에 의해 접합되지 않는 부분 또는 그루브, 관통부 및 이격부에 집중되어, 더 약하면서 열팽창계수가 큰 기판이 그루브, 관통부 및 이격부를 중심으로 크랙이 발생하면서 완화되어 오히려 접합 강도와 접합 균일도를 개선시킬 수 있다.
또한, 처음부터 제2기판을 분리하여 이격부를 형성하여 접합시키는 경우, 결함(파티클, 아웃개싱, 열팽창계수 차이)의 확산을 제한할 뿐만 아니라, 제2기판의 두께가 두꺼워도 접합이 용이하고, 표면의 플랫니스(flatness)에 의한 접합 강도의 부분적인 감소 현상을 일부 해결할 수 있게 된다. 이는 고온, 고압 공정으로 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1 - 이종 기판 간의 접합시 파티클에 의한 접합 불량 상태를 나타낸 모식도.
도 2 - 본 발명의 실시예 1를 나타낸 모식도.
도 3 - 본 발명의 실시예 2를 나타낸 모식도.
도 5 - 본 발명의 실시예 3을 나타낸 모식도.
도 6 - 본 발명의 실시예 4를 나타낸 모식도.
도 7 - 본 발명의 실시예 5를 나타낸 모식도.
도 8 - 본 발명의 실시예 6을 나타낸 모식도.
도 9 - 본 발명의 실시예 7을 나타낸 모식도.
도 10 - 본 발명의 실시예 8을 나타낸 모식도.
도 11 - 본 발명의 실시예 9를 나타낸 모식도.
도 12 - 본 발명의 실시예 10을 나타낸 모식도.
도 13 내지 도 16 - 본 발명의 실시예 11을 나타낸 모식도.
도 17 - 본 발명의 실시예 12를 나타낸 모식도.
도 18 - 본 발명의 실시예 13을 나타낸 모식도.
도 19 - 종래의 접합공정에 있어서 결함의 영향을 나타낸 모식도.
도 20 - 본 발명의 일실시예에 따른 접합공정에 있어서 결함의 영향을 나타낸 모식도.
도 21 - 본 발명의 일실시예에 따른 이종 기판의 접합 구조체를 이용한 탄성파 소자로, SAW(Surface Acoustic Wave) 필터 소자를 나타낸 모식도.
본 발명은 이종 기판이 접합된 구조체의 접합 계면에 결함이 존재하는 경우, 이의 영향을 최소화하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시키기 위한 것이다.
특히 본 발명은 이종 기판의 접합 구조체에 결함의 영향을 제한시킬 수 있는 그루브(groove), 관통부, 이격부와 같은 구조를 형성하여, 이종 기판과의 접합시 결함의 확산이 제한되도록 하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시키고자 하는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 실시예 1를 나타낸 모식도이고, 도 3은 본 발명의 실시예 2를 나타낸 모식도이고, 도 5는 본 발명의 실시예 3을 나타낸 모식도이고, 도 6은 본 발명의 실시예 4를 나타낸 모식도이고, 도 7은 본 발명의 실시예 5를 나타낸 모식도이고, 도 8은 본 발명의 실시예 6을 나타낸 모식도이고, 도 9는 본 발명의 실시예 7을 나타낸 모식도이고, 도 10은 본 발명의 실시예 8을 나타낸 모식도이고, 도 11은 본 발명의 실시예 9를 나타낸 모식도이고, 도 12는 본 발명의 실시예 10을 나타낸 모식도이고, 도 13 내지 도 16는 본 발명의 실시예 11을 나타낸 모식도이고, 도 17은 본 발명의 실시예 12를 나타낸 모식도이고, 도 18은 본 발명의 실시예 13을 나타낸 모식도이고, 도 19는 종래의 접합공정에 있어서 결함의 영향을 나타낸 모식도이고, 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 접합공정에 있어서 결함의 영향을 나타낸 모식도이며, 도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 이종 기판의 접합 구조체를 이용한 탄성파 소자로, SAW(Surface Acoustic Wave) 필터 소자를 나타낸 모식도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 이종 기판의 접합 구조체는, 제1기판(100)과, 상기 제1기판(100) 상에 상기 제1기판(100)과 다른 이종(異種)의 제2기판(200)이 접합된 접합 구조체에 있어서, 상기 접합 구조체의 일부 영역에 그루브(510)가 형성되거나, 상기 접합 구조체의 일부 영역에 관통부가 형성되거나, 상기 제2기판(200)이 소자 단위로 분리되어 이격부(530)가 형성되거나, 상기 그루브(510), 상기 관통부 및 상기 이격부(530) 중 둘 이상이 복합적으로 형성되어, 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200)의 접합시 결함의 확산이 상기 그루브(510), 상기 관통부 또는 상기 이격부(530)에서 제한되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서의 이종(異種) 기판은 물리적 또는 화학적 성질이 상이한 종류의 기판을 의미하며, 상호 간에 물리적 또는 화학적 성질이 상이하여 물리적 또는 화학적 효과를 상쇄시키거나 상승시키는 어떠한 기판 종류여도 무방하다.
이러한 이종 기판을 본 발명에서는 제1기판(100), 제2기판(200)으로 칭하며, 제1기판(100)과, 상기 제1기판(100) 상에 상기 제1기판(100)과 다른 이종의 제2기판(200)이 접합된 것을 접합 구조체라고 한다. 또한 이러한 접합 구조체는 제1기판(100), 제2기판(200)이 복수개로 적층될 수도 있으며, 제1기판(100)과 제2기판(200)과의 사이에 특성 개선을 위한 다른 박막층(300)이 단수층 또는 복수층으로 형성될 수도 있다. 본 발명에서는 편의상 이러한 구성을 모두 접합 구조체라고 일컫는다.
본 발명의 일실시예로 탄성 표면파(Surface Acoustic Wave, SAW) 소자에 적합한 이종 기판의 접합 구조체를 구현하기 위해서 상기 제1기판(100)으로 실리콘 기판, 상기 제2기판(200)으로 압전 기판을 사용한다. 예컨대, 압전 기판으로는 LiTaO3, LiNbO3 , InP, GaAs, Ge, AlN, GaP, InAs, InSb, AlSb, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, PZT, CIGS 등의 기판이 사용될 수 있다. 특히 LiTaO3, LiNbO3는 압전 기판으로 널리 사용되고 있으며, SAW(Surface Acoustic Wave) 필터 소자의 기판 재료로 사용되고 있다. 실리콘 기판은 편의상 실리콘 웨이퍼로 칭할 수도 있다.
여기에서 상기 압전 기판에 비해 실리콘 기판의 열팽창계수가 낮으므로, 이를 압전 기판에 접합함으로써 온도 변화에 대해 압전 기판의 물리적 변화를 최소화하고, 주파수 특성 변화를 억제시키게 된다. 따라서, 이러한 실리콘 기판을 압전 기판에 대한 지지 기판으로 일컫는다.
본 발명은 이러한 접합 구조체의 일부 영역에 그루브(groove)(510)가 형성되거나, 상기 접합 구조체의 일부 영역에 관통부가 형성되거나, 상기 제2기판(200)이 소자 단위로 분리되어 이격부(530)가 형성되거나, 상기 그루브(510), 상기 관통부 및 상기 이격부(530) 중 둘 이상이 복합적으로 형성되어, 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200)의 접합시 결함의 확산이 상기 그루브(510), 상기 관통부 또는 상기 이격부(530)에서 제한되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서의 결함은 일반적으로 임의의 의도하지 않은 파티클(particle)이 접합 계면에 존재하여 접합 불량을 야기하고 이에 따른 접합 강도의 저하나 기판의 손상을 초래하는 현상을 주로 말한다.
또한 상기 결함은 접합 과정에서 표면 처리에 따른 아웃개싱(out gassing)되는 가스가 포집되어 접합 불량을 야기하거나 기판 간의 열팽창계수 차이로 인한 접합이 분리되거나, 기판의 표면 균일도 차이에 따른 접합 불량 등 기타 접합 강도나 접합 균일도를 저하시키는 모든 현상을 포함할 수 있다.
본 발명에서의 주요 결함 발생 인자로는 파티클, 아웃개싱, 이종 기판 간의 열팽창계수 차이에 의한 것이다.
먼저 본 발명의 일실시예로, 결함의 확산을 제한하기 위해 접합 구조체의 일부 영역에 그루브(510)를 형성하게 된다.
상기 그루브(510)는 접합 구조체의 일부 영역, 예컨대 상기 제1기판(100) 및 상기 제2기판(200) 중 어느 하나, 또는 둘 다에 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200)의 접합면에 각각 또는 동시에 형성될 수 있다. 또한 상기 그루브(510)는 상기 제2기판(200)의 일부 영역에 형성되며, 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200)의 접합면의 반대면에 형성될 수 있다.
즉, 상기 그루브(510)는 상기 제1기판(100) 및 상기 제2기판(200)의 접합면 즉, 상호 접합되는 면의 표면으로부터 식각된 형상을 가지거나, 상기 제2기판(200)의 일부 영역에 형성된 경우에는 상기 접합면의 반대쪽 표면으로부터 식각된 형상으로 형성될 수 있다.
상기 그루브(510)는 접합 구조체의 일부 영역에 홈을 형성하여 결함의 전파를 억제하고, 미세한 파티클의 확산에 따른 결함의 전파를 억제하게 된다. 즉, 결함 발생 인자로 접합 계면에 파티클(P)이 존재하는 경우에 기존에는 이 파티클에 의해서 결함 발생 영역이 확대되었으나, 본 발명에서는 그루브(510)를 형성하여 파티클에 의한 결함 확산 영역을 최소화하거나 억제되도록 한 것이다.
이러한 그루브(510)는 제1기판(100) 또는/및 제2기판(200) 상에 건식 또는/및 습식 식각을 통해 소정 깊이로 형성되며, 제1기판(100) 또는/및 제2기판(200) 상에 단일개 또는 복수개의 그루브(510)를 형성할 수 있다. 또한, 필요에 따라 그루브(510)가 복수개로 형성되어 소정의 패턴으로 구현될 수 있다. 이러한 패턴은 규칙적일 수도 있고, 불규칙적일 수도 있다.
또한 상기 그루브(510)의 위치와 형상을 조절함으로써, 이종 기판 간의 접합면의 상태나 결함의 상태 및 종류에 따라, 결함의 확산 억제에 보다 효과적이도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예로는 상기 그루브(510)는, 제1기판(100) 또는 제2기판(200)의 접합면에 각각 형성되거나, 제2기판(200)의 접합면 반대면에 형성될 수 있으며, 종단면 형상이 대칭형 또는 비대칭형의 사각형 또는 삼각형으로 형성되거나, 횡단면 형상이 다각형 또는 원형, 타원형 등 다양하게 형성될 수 있다.
특히, 종단면이 삼각형으로 형성된 그루브(510)는 사각형으로 형성된 그루브(510)보다 결함 확산 방향을 특정 방향으로 유도하기가 용이하여, 효과적으로 결함의 영향력을 억제하게 된다.
예컨대, 삼각형의 밑변의 각도를 조절하여 비대칭형 삼각형으로 형성된 그루브(510)의 경우, 비대칭 방향으로의 결함에 의한 기판에의 영향을 유도하게 할 수 있도록 하는 것으로서, 접합 계면에 파티클과 같은 결함이 존재하는 경우 그루브(510)의 형상을 조절하여 그루브(510)가 파티클을 포함하면서 결함 영역이 그루브(510)를 중심으로 집중되도록 형성할 수도 있고, 그루브(510)의 약한 부분에 크랙을 유도하여 결함 영역이 확대되지 않도록 할 수도 있다.
또한 이러한 그루브(510)는 이종 기판 간의 접합면의 상태나 결함의 종류에 따라, 상기 접합면 또는 제2기판(200)의 접합면 반대면에 형성되면서, 단일 패턴으로 구현되거나, 연속적인 패턴으로 구현될 수 있으며, 또한 이들이 규칙적 또는 불규칙적으로 형성될 수 있다. 이에 의해 보다 넓은 영역에서 결함의 확산을 효과적으로 억제할 수 있도록 한다.
여기에서 상기 그루브(510)는 상기 단일 패턴 또는 연속적인 패턴의 배열이 상기 접합 구조체의 다이싱 라인(dicing line)에 대응하여 형성될 수 있다(도 4).
일반적으로 웨이퍼 레벨로 제조된 단위 소자들은 다이싱 공정을 통해 단위 소자로 분리되게 되는데, 상기 그루브(510)가 다이싱 라인을 포함하도록 형성함으로써 공정의 편의를 도모하고, 웨이퍼(기판) 활용도를 높일 수 있도록 한 것이다.
즉, 다이싱 라인을 따라 그루브(510)를 격자형으로 형성(도 4(a))함으로써 소자형성 영역의 증가로 버려지는 웨이퍼를 최소화할 수 있다. 또한, 일반적으로 기판(웨이퍼)은 원형으로 형성되므로, 상기 그루브(510)를 상기 접합 구조체의 중심부로부터 방사형으로 형성(도 4(b))하여, 접착 면적을 증가시킬 수 있어 접합 강도를 높일 수 있다. 그루브(510)에 의해 결함 영역이 제한되고 그 외의 나머지 영역은 소자형성 영역이 되며, 결함 영역이 제한되어 소자형성 영역이 보다 많아지게 된다.
이렇게 그루브(510)가 형성된 제2기판(200)은 제1기판(100) 상에 운반하여 접합되거나, 별도의 캐리어 기판(C) 상에 제2기판(200)을 안착시킨 후 상기 제1기판(100) 상에 전사하여 접합시키는 방법 등 제조 환경에 맞는 다양한 방법에 의해 접합될 수 있다. 여기에서 필요시에 캐리어 기판(C)과 제2기판(200) 사이에 임시접착층(400)을 구비할 수 있으며, 상기 지지 기판 상에 특성 개선을 위한 박막층(300)을 더 구비할 수 있다.
이와 같이 이종 기판의 접합이 완료된 후, 필요에 따라 상기 제2기판(200)을 소정 두께로 박판화할 수도 있으며, 접합 구조체를 적용하고자 하는 소자에 따라 제2기판(200)의 두께를 조절하면서 박판화를 수행한다.
예컨대, 압전 소자로 적용하는 경우, 제2기판(200)이 압전 기판 재료로 형성되고, 제1기판(100)이 지지 기판으로 형성된 것으로, 상기 제2기판(200)을 박판화하여 높은 주파수에서의 대역 통과가 가능하도록 한 것이다.
일반적으로, 통신 기기에 있어서, 5G 대역과 같이 높은 주파수에 대한 압전 기판 재료가 요구되고 있으며, 이를 위해서 보다 얇은 두께의 압전 기판이 필요하다. 이를 위해 본 발명에서는 제2기판(압전 기판)을 박판화하여 이의 적용이 가능하도록 한다. 예컨대, LiTaO3나 LiNbO3의 두께에 따른 결합계수와 공진주파수는, 압전 기판의 두께가 전극의 주기에 0.2배 이하일 때 결합계수가 커지는 것으로 알려져 있다. 즉, 손실이 작은 모드에서의 고주파 동작은 압전 기판의 두께가 얇을수록 유리하다.
또한 본 발명의 다른 실시예로, 결함의 확산을 제한하기 위해 접합 구조체의 일부 영역에 관통부가 형성되도록 한다. 본 발명의 일실시예로 지지 기판으로 사용되는 제1기판(100)보다 상기 제2기판(200)의 일부 영역에 관통부를 형성하는 것이 바람직하나, 공정 환경이나 기판의 종류, 결함의 종류 등에 따라 상기 제1기판(100)에 형성되거나, 상기 제1기판(100) 및 상기 제2기판(200)에 동시에 형성될 수도 있다.
상기 관통부는 상기 제2기판(200)의 일부 영역에서 상하로 관통하도록 형성되어 결함의 전파를 억제하고, 미세한 파티클의 확산에 따른 결함의 전파를 억제하게 된다.
이러한 관통부는 소자의 낭비를 최소화하기 위해서 상기 관통부에 다이싱 라인이 포함되도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예로 상기 관통부는 제2기판(200) 상에 건식 또는/및 습식 식각에 의해 소정의 형상 및 크기로 형성되며, 상기 제2기판(200) 상에 단일개 또는 복수개로 형성될 수 있다. 또한 상기 관통부는 상기 그루브(510)와 동일하게 소정의 패턴으로 형성될 수 있으며, 규칙적인 배열을 이룰 수도 있다.
상기 관통부에 의해 관통부가 형성된 방향으로 결함에 의한 기판에의 영향을 유도하게 하여, 관통부를 중심으로 결함 영역이 집중되도록 하거나 크랙을 유도하여 결함 영역이 확대되지 않도록 한다.
이렇게 관통부가 형성된 제2기판(200)은 제1기판(100) 상에 운반하여 접합되거나, 별도의 캐리어 기판(C) 상에 제2기판(200)을 안착시킨 후 상기 제1기판(100) 상에 전사하여 접합시키는 방법 등 제조 환경에 맞는 다양한 방법에 의해 접합될 수 있다. 여기에서 필요시에 캐리어 기판(C)과 제2기판(200) 사이에 임시접착층(400)을 구비할 수 있으며, 상기 지지 기판 상에 특성 개선을 위한 박막층(300)을 더 구비할 수 있다.
이와 같이 이종 기판의 접합이 완료된 후, 필요에 따라 상기 제2기판(200)을 소정 두께로 박판화할 수 있다. 이는 접합 구조체를 적용하고자 하는 소자에 따라 제2기판(200)의 두께를 조절하여, 상술한 바와 같이 압전 소자에 적용시 손실이 작은 고주파 모드에서의 적용이 유리하도록 한다.
또한 본 발명의 다른 실시예로, 상기 제2기판(200)이 분리되어 이격부(530)가 형성될 수도 있다. 지지 기판으로 사용되는 제1기판(100)보다 제2기판(200)을 분리하여 이격부(530)를 형성하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 제2기판(200)이 이종 기판 간의 접합면의 상태나 결함의 종류에 따라 소정의 크기로 분리되어 이격부(530)가 형성된 상태에서 상기 제1기판(100) 상에 접합되는 것으로, 이격부(530)에 의해 결함의 전파가 억제되게 된다.
이러한 이격부(530)는 소자의 낭비를 최소화하기 위해서 상기 제2기판(200)은 소자 단위로 분리되어 이격부(530)가 구현되는 것이 바람직하다. 물론 결합면의 상태나 결함의 종류에 따라 일정 크기로 분리되어 접합된 후, 소자 단위로 분리될 수도 있다.
상기 제2기판(200)을 분리하여 이격부(530)를 형성하는 것은 건식 또는/및 습식 식각에 의하거나, 다이싱 공정을 통해 구현할 수 있다. 이와 같이 이격부(530)를 형성하면 다이싱 후 필요에 의해 CMP 공정을 수행할 수도 있는데, CMP 공정 시간을 보다 단축시키는 이점이 있다.
이렇게 분리된 제2기판(200)을 상기 제1기판(100)(지지 기판)에 접합하고자 하는 경우, 픽앤플레이스(pick and place) 공정에 의해 단일 또는 동시에 제1기판(100) 상에 접합되거나, 별도의 캐리어 기판(C) 상에 이격부(530)가 형성된 제2기판(200)을 안착시킨 후 상기 제1기판(100) 상에 전사하여 접합시키는 방법 등 제조 환경에 맞는 다양한 방법에 의해 접합될 수 있다. 여기에서 필요시에 캐리어 기판(C)과 제2기판(200) 사이에 임시접착층(400)을 구비할 수 있으며, 상기 지지 기판 상에 특성 개선을 위한 박막층(300)을 더 구비할 수 있다.
이와 같이 이종 기판의 접합이 완료된 후, 필요에 따라 상기 제2기판(200)을 소정 두께로 박판화할 수 있다. 이는 접합 구조체를 적용하고자 하는 소자에 따라 제2기판(200)의 두께를 조절하여, 상술한 바와 같이 압전 소자에 적용시 손실이 작은 고주파 모드에서의 적용이 유리하도록 한다.
상기와 같이 본 발명의 실시예로 이종 기판의 접합 구조체의 일부 영역에 그루브(510)가 형성되거나, 접합 구조체의 일부 영역에 관통부가 형성되거나, 상기 제2기판(200)이 분리되어 이격부(530)를 형성하여, 이종 기판 간의 접합시 결함의 확산이 상기 그루브(510), 상기 관통부 또는 상기 이격부(530)에서 제한되도록 한다.
이러한 상기 그루브(510), 상기 관통부 및 상기 이격부(530)는 각각 따로따로 접합 구조체에 형성될 수 있으며, 필요에 따라 둘 이상이 복합적으로 형성될 수도 있다.
즉, 결함이 집중된 곳에 이격부(530)를 형성하거나, 필요에 따라 그루브(510)나 관통부를 형성하는 등 공정 환경이나 조건에 따라 다양하게 실시할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 접합 구조체는, 이종 기판과의 사이 즉, 상기 제1기판(100)과 제2기판(200) 사이에 특성 개선을 위한 박막층(300)이 더 형성될 수 있다.
상기 박막층(300)은 접합 구조체로 이루어진 소자의 특성을 개선시키기 위한 것으로, 상기 제1기판(100)(지지 기판) 상에 균일한 두께로 형성되어 표면 거칠기를 유지하여 접합 균일도를 개선시키기 위한 것이다.
이를 위해, 상기 박막층(300)은 상기 제1기판(100) 상에 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배에 대응하여 양자화된 두께로 형성하여, 접합 계면의 상태와, 결함의 상태 및 종류, 접합 기판의 상태를 고려하여 상기의 방법으로 두께 제어가 이루어지도록 한다. 이에 의해 표면 거칠기가 유지되도록 한다.
상기 박막층(300)은, 이종 기판의 종류에 따라 SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge 중 어느 하나이거나, 둘 이상이 다층으로 형성될 수 있으며, 상기 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간을 정수배한 시간과 무성장 시간을 합한 총 공정 시간 동안 CVD 방법에 의해 증착되는 것이 바람직하다. 이러한 두께 제어를 통한 균일한 두께를 유도하고 표면 거칠기를 유지하는 기술로, 본 발명자가 출원한 "나노 스케일 박막 구조 및 이의 구현 방법"(등록번호 : 10-2380306호)을 참조할 수 있다.
상기 박막층(300)은 마스크 패터닝 공정에 따른 건식 또는/및 습식 식각 공정을 포함하는 CVD 방법에 의해 구현될 수 있다.
이러한 상기 박막층(300)의 일부 영역에도, 그루브(510), 관통부 및 이격부(530) 중 어느 하나 이상이 형성될 수 있으며, 접합 계면에서의 결함의 확산을 제한시킬 수 있다. 또한, 이종 기판의 접합 후, 온도 증감 시 열팽창의 불일치로 발생하는 열팽창계수 차이에 의한 힘이 그루브(510), 관통부 및 이격부(530)에 의해 접합되지 않는 부분 또는 그루브(510), 관통부 및 이격부(530)에 집중되어, 더 약해지면서 열팽창계수가 큰 기판이 그루브(510), 관통부 및 이격부(530)를 중심으로 크랙이 발생하면서 완화되어 다른 영역에서의 접합 강도와 접합 균일도는 증가하게 된다.
한편, 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200)의 접합면에는 접합 증진을 위한 소수성 또는 친수성 처리를 수행할 수 있다. 접합하고자 하는 이종 기판의 종류에 따라 또는 이종 기판의 접합 구조체를 적용하는 소자에 따라 접합면에 소수성 표면처리 또는 친수성 표면처리를 수행할 수 있다. 상기 제1기판(100) 및 제2기판(200) 중 어느 하나, 또는 둘 다에 상기 표면 처리가 수행될 수 있다.
일반적으로 상기 표면처리는 공지된 다양한 방법에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 친수성 표면처리는 기판 상에 산화물층을 형성하거나, 산소 플라즈마 표면 처리 등을 수행하여 구현할 수 있으며, 소수성 표면처리는 소수성 물질의 코팅 또는 플라즈마 처리에 의해 구현할 수 있다.
또한, 상기 그루브(510), 상기 관통부 및 상기 이격부(530) 각각에는 친수성 표면 처리 또는 대전 처리를 수행할 수 있다.
이는 접합 공정 중에 접합 강도를 높이기 위해 표면 처리(Si의 경우 HF처리-승온하면서 가압)를 수행하는데, 이 과정에서 표면 처리 가스(Si의 경우 HF처리했다면 수소)가 배출(아웃개싱, out gassing)되어 접합 부분에 트랩(trap)되어 접합 균일도와 강도에 악영향을 주고 있다.
본 발명에서는 상기 그루브(510), 상기 관통부 및 상기 이격부(530) 각각에 친수성 표면 처리 또는 대전 처리를 수행하여, 상기 표면 처리 가스가 상기 그루브(510), 관통부 및 이격부(530)에서 트랩되거나 방출되도록 하여 접합 균일도 및 접합 강도의 상승에 기여하도록 한다.
상기 친수성 표면 처리는 패터닝 공정을 통해 상기 그루브(510), 관통부 및 이격부(530)에 산화물층을 형성하거나, 산소 플라즈마 표면 처리 등을 수행하여 구현할 수 있으며, 상기 대전 처리는 이온화 장치(ionizer)를 통해 구현할 수 있다. 즉, 상기 그루브(510), 관통부, 이격부(530)에 국부적으로 정전기를 발생시키는 것이다.
한편 본 발명의 다른 실시예로, 제1기판(100)과, 상기 제1기판(100) 상에 상기 제1기판(100)과 다른 이종(異種)의 제2기판(200)이 접합된 접합 구조체에 있어서, 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200) 사이에 박막층(300)이 형성되며, 상기 박막층(300)은 분리되어 이격부(530)가 형성되어, 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200)의 접합시 결함의 확산이 상기 이격부(530)에서 제한되는 것을 특징으로 한다.
즉, 이종 기판의 접합 구조체에 있어서, 상기 제1기판(100)과 상기 제2기판(200) 사이에 박막층(300)을 구비하고, 상기 박막층(300)은 분리되어 이격부(530)가 형성되어 결함의 확산을 제한하는 것이다.
상기 박막층(300)은, 상기 제1기판(100) 상에 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배에 대응하여 양자화된 두께로 형성될 수 있으며, 상기 박막층(300)은, SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge 중 어느 하나이거나, 둘 이상이 다층으로 형성될 수 있다.
여기에서 상기 박막층(300)은, 상기 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간을 정수배한 시간과 무성장 시간을 합한 총 공정 시간 동안 CVD 방법에 의해 증착될 수 있다.
도 2 내지 도 21은 본 발명의 다양한 실시예를 나타낸 것으로, 이하에서는 상기 도면을 중심으로 각 실시예에 대해서 구체적으로 다시 한번 정리하고 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시예 1을 나타낸 모식도로, 제1기판(100)으로 실리콘 웨이퍼(지지 기판), 제2기판(200)으로 LiTaO3(압전 기판)를 사용하였다.
먼저 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 실리콘 웨이퍼의 일부 영역 즉, 이종 기판의 접합면이 되는 표면 상에 그루브(510)를 형성하였다. 그리고, 그루브(510)가 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 LiTaO3를 접합하였다. 이때 필요에 따라 열 또는 기계적 압력을 가하여 접합할 수 있다.
도 2의 마지막 그림에서, 이종 기판의 접합 구조체 상의 접합 계면에 의도하지 않은 임의의 파티클(P)이 존재하는 경우에, 상기 그루브(510)에 의해 파티클(P)에 의한 결함 영역의 확산이 제한되는 것을 도시하였다. 만약 그루브(510)가 존재하지 않게 되면, 파티클(결함)(P)에 의해서 접합 불량 영역을 더욱 확산시키게 되며, 후속 공정에서의 열 또는 기계적 에너지에 의해 접합 불량 영역은 더욱 전파될 것이다.
이와 같이 그루브(510)에 의해 결함 영역의 확산이 제한되어 접합 구조체에 있어서 접합 강도 및 접합 균일도가 저하되지 않은 소자형성 영역이 보다 넓어지게 되는 것이다.
그루브(510)가 형성되지 않은 경우에는 파티클(P)에 의한 결함 영역이 넓어지게 되고, 후속공정 등에 의해서 결함 영역이 더욱 확산되게 되면서, 소자형성 영역의 면적이 작아지게 되어 생산성이 떨어지게 된다.
또한 이종 기판 간의 접합에 있어서 표면처리에 따른 아웃개싱에 의한 가스를 상기 그루브(510)에서 효과적으로 방출 또는 트랩할 수 있어서, 접합 균일도를 더욱 향상시키면서 접합 강도도 향상시킬 수 있다.
또한 이종 기판 간의 접합 후, 온도 증감시 발생하는 열팽창의 불일치로 발생하는 열팽창계수 차이에 의한 힘이 상기 그루브(510)에 의해 접합되지 않는 부분 또는 그루브(510)에 집중되어, 더 약하면서 열팽창계수가 큰 기판이 그루브(510)를 중심으로 크랙이 발생하면서 완화되어 오히려 접합 강도와 접합 균일도를 개선시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 2를 나타낸 모식도로, 상기 실시예 2와 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 실시예 2와 동일하게 먼저 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 실리콘 웨이퍼의 일부 영역 즉, 이종 기판의 접합면이 되는 표면 상에 그루브(510)를 형성한 후, 그루브(510)가 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 LiTaO3를 접합하였다. 마지막 단계에서 상기 제2기판(200)의 박판화를 진행하였다.
본 발명의 실시예 2에 따르면, 제2기판(200)의 박판화는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 의해 구현되며, 두께 10㎛ 이하로 형성하였다. 압전 기판의 박판화를 도모하여, 결합계수를 증가시키고, 고주파 동작에 유리하도록 하였다.
도 5는 본 발명의 실시예 3을 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 3은 캐리어 기판(C) 상에 압전 기판으로 LiTaO3을 임시접착제 등을 이용하여 접합시키고, LiTaO3 기판의 접합면의 일부 영역에 그루브(510)를 형성하였다. 그리고 실리콘 웨이퍼 상이 그루브(510)가 형성된 LiTaO3 기판을 전사 접합하였다.
도 5의 마지막 그림에서, 이종 기판의 접합 구조체 상의 접합 계면에 의도하지 않은 임의의 파티클(P)이 존재하는 경우에, 상기 그루브(510)에 의해 파티클(P)에 의한 결함 영역의 확산이 제한되는 것을 도시하였다. 이에 의해 결함이 확산되지 않은 나머지 영역(소자형성 영역)이 넓어지게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예 4를 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 4는 상기 실시예 3의 마지막 단계에서 박판화를 진행하였다.
본 발명의 실시예 4에 따르면, 제2기판(200)의 박판화는 CMP 공정에 의해 구현되며, 두께 10㎛ 이하로 형성하였다. 압전 기판의 박판화를 도모하여, 결합계수를 증가시키고, 고주파 동작에 유리하도록 하였다.
도 7은 본 발명의 실시예 5를 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 5는 상기 실시예 4에서, 실리콘 웨이퍼 상에 박막층(300)으로 SiO2를 형성하였다. 상기 박막층(300)이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 그루브(510)가 형성된 LiTaO3 기판을 전사 접합하였다. 그리고 마지막 단계에서 박판화를 진행하였다.
상기 박막층(300)은 접합 계면의 상태와, 결함의 상태 및 종류, 접합 기판의 상태를 고려하여 두께를 제어하여 표면 거칠기가 유지되도록 한 것으로, 접합 강도를 보다 높이기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 6을 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 6은 실시예 5와 동일하며, 그루브(510)의 종단면의 형상이 삼각형으로 형성된 것을 나타낸 것이다.
삼각형 형상의 그루브(510)를 형성하여 결함 확산 방향을 특정 방향으로 유도하기가 용이하여, 효과적으로 결함의 영향력을 억제할 수 있도록 한다.
이와 같이 그루브(510)의 형상을 조절하여 그루브(510)가 파티클(P)을 포함하면서 결함 영역이 그루브(510)를 중심으로 집중되도록 형성할 수도 있고, 그루브(510)의 약한 부분에 크랙을 유도하여 결함 영역이 확대되지 않도록 할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시예 7을 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 7은 제2기판(200)에 그루브(510)가 형성되는 것으로, 접합면이 아닌 접합면의 반대면에 삼각형 형상의 그루브(510) 패턴을 연속적으로 형성하였다.
접합 계면에 의도하지 않은 파티클(P)이 존재하는 경우, 상기 형상의 그루부가 파티클(P)에 의한 스트레인을 흡수하여 제2기판(200)이 그루브(510)를 중심으로 구부러지거나 절단되어 파티클(P)에 의한 결합의 확산을 제한하여 접합 불량 영역을 최소화시키게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예 8을 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 8은 실시예 7과 동일하며, 마지막 단계에서 제2기판(200)의 박판화를 도모한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예 9를 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 9는 실시예 8과 동일하되, 제1기판(100) 상에 박막층(300)을 형성하고, 제2기판(200)을 접합시킨 후, 제2기판(200)의 박판화를 먼저 수행하고, 제2기판(200)의 접합면 반대면에 그루부를 형성하여, 결함에 의한 스트레인 흡수를 증가시켰다.
도 12는 본 발명의 실시예 10을 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 10은 제1기판(100) 상에 박막층(300)을 형성하고, 상기 박막층(300)을 분리하여 이격부(530)를 형성하였다. 상기 박막층(300)의 분리는 패터닝 공정에 의한 식각 공정에 의해 구현될 수 있다. 그리고 그 상부에 제2기판(200)을 접합시켰다.
그 다음 상기 제2기판(200)을 박판화하거나, 패터닝 공정에 의한 식각 공정이나 다이싱 공정에 의해 제2기판(200)을 단위 소자 별로 분리하고 그 후 제2기판(200)을 박판화하였다.
이러한 박막층(300)의 분리공정은 결함의 확산을 제한함과 동시에 후속 PR(photoresist) 공정에서 엣지 버드(edge bird) 현상을 줄이게 되어, 결함을 최소화하게 된다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시예 11을 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 11은 캐리어 기판(C) 상에 임시접착층(400)을 매개로 제2기판(200)을 형성한 후, 이를 분리하여 이격부(530)를 형성하고, 이를 제1기판(100) 상에 전사 접합시키는 것이다.
도 13 및 도 14는 박판의 제2기판(200)을 사용하여 CMP 공정이 생략될 수 있으며, 도 15 및 도 16은 제2기판(200)에 CMP 공정을 수행하여 박판화를 도모한 것이다.
그리고 도 14 및 도 16은 제1기판(100) 상에 박막층(300)을 형성한 후, 이격부(530)가 형성된 제2기판(200)을 전사 접합시킨 것이다.
이와 같이 처음부터 제2기판(200)을 분리하여 이격부(530)를 형성하여 접합시키는 경우, 결함(파티클(P), 아웃개싱, 열팽창계수 차이)의 확산을 제한할 뿐만 아니라, 제2기판(200)의 두께가 두꺼워도 접합이 용이하고, 표면의 플랫니스(flatness)에 의한 접합 강도의 부분적인 감소 현상을 일부 해결할 수 있게 된다. 이는 고온, 고압 공정으로 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예 12를 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 12는 제1기판(100) 상에 박막층(300)을 형성하고, 분리공정을 실시하여 이격부(530)를 형성하였다. 그 후 제2기판(200)을 접합시키고, 접합면의 반대면에 종단면이 삼각형인 그루브(510)를 형성하였다. 그리고 이를 박판화하였다. 최종 제2기판(200)은 각 단위 소자 별로 분리되어 형성되었으며, 이에 대응하여 박막층(300)이 분리되어 형성되었다.
이에 의해 이종 기판의 접합 후, 온도 증감 시 발생하는 열팽창의 불일치로 발생하는 열팽창계수 차이에 의한 힘이 그루브(510) 의해 접합되지 않는 부분 또는 그루브(510)에 집중되어 더 약해지면서 열팽창계수가 큰 기판이 그루브(510)를 중심으로 크랙이 발생하면서 완화되어 접합 강도와 접합 균일도가 증가할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예 13을 나타낸 모식도로, 상기 실시예 1과 일부 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시예 13은 제1기판(100) 상에 박막층(300)을 형성하고, 분리공정을 실시하여 이격부(530)를 형성하였다. 그 후 제2기판(200)을 접합시키고, 접합면의 반대면에 종단면이 삼각형인 그루브(510)를 형성하였다. 그리고 이를 박판화하였다.
이에 의해 이종 기판의 접합 후, 온도 증감 시 발생하는 열팽창의 불일치로 발생하는 열팽창계수 차이에 의한 힘이 그루브(510) 의해 접합되지 않는 부분 또는 그루브(510)에 집중되어 더 약해지면서 열팽창계수가 큰 기판이 그루브(510)를 중심으로 크랙이 발생하면서 완화되어 접합 강도와 접합 균일도가 증가할 수 있다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 작용, 효과를 보충 설명하기 위해 나타낸 것으로, 도 19는 종래의 접합공정에 있어서 결함의 영향을 나타낸 것이고, 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 접합공정에 있어서 결함의 영향을 나타낸 것이다.
도 19의 종래의 접합공정은 제1기판 상에 박막층을 형성하고, 그 상부에 제2기판을 접합시켰다. 이 경우 접합 계면에 파티클(P)이 존재하는 경우 접합 불량 영역이 파티클(P)을 중심으로 확산되어 형성된다(세번째 그림). 그 후 후속 공정이나 열 또는 기계적 에너지가 추가로 가해지는 경우 접합 불량 영역이 전이되고 더욱 확산되게 된다(네번째 그림). 이에 의해 소자형성 영역이 줄어들게 되어 손실이 많이 발생하게 된다.
도 20은 제 1기판 상에 박막층(300)을 형성하고, 상기 박막층(300)을 분리하여 이격부(530)를 형성한 후 그 상부에 제2기판(200)을 접합시킨 것이다. 접합 계면에 파티클(P)이 존재하더라도, 상기 박막층(300)의 이격부(530)에 의해 결함의 확산이 되지 않게 되어, 소자형성 영역이 증가하게 되어 경제적인 이점이 있다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 이종 기판의 접합 구조체를 이용한 탄성파 소자로, SAW(Surface Acoustic Wave) 필터 소자를 나타낸 모식도이다.
제1기판(실리콘 웨이퍼, 지지 기판)(100) 상에 제2기판(LiTaO3, 압전 기판)(200)이 접합되어 형성되고, 그 상부에 금속 전극(Interdigital Transducers(IDTs))(E)이 형성된 것을 도시하였다.
SAW 필터 소자는 일측의 금속 전극(E)에 전기 신호를 인가하면 압전 기판 표면에 탄성 표면파가 발생되고, 상기 탄성 표면파가 다른 쪽 금속 전극(E)에 도달하면 다시 전기신호로 변환되어, 휴대 전화 등과 같은 통신 기기에서의 대역 통과 필터로 이용되게 된다.
이와 같이 본 발명은 이종 기판이 접합된 구조체의 접합 계면에 결함이 존재하는 경우, 이의 영향을 최소화하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시키기 위한 것이다.
특히 본 발명은 이종 기판의 접합 구조체에 결함의 영향을 제한시킬 수 있는 그루브(groove), 관통부, 이격부와 같은 구조를 형성하여, 이종 기판과의 접합시 결함의 확산이 제한되도록 하여 접합 강도 및 접합 균일도를 개선시키고자 하는 것이다.
이와 같이 그루브에 의해 결함 영역의 확산이 제한되어 접합 구조체에 있어서 접합 강도 및 접합 균일도가 저하되지 않은 소자형성 영역이 보다 넓어지게 되는 것이다.
또한 이종 기판 간의 접합에 있어서 표면처리에 따른 아웃개싱에 의한 가스를 상기 그루브, 관통부 및 이격부에서 효과적으로 방출 또는 트랩할 수 있어서, 접합 균일도를 더욱 향상시키면서 접합 강도도 향상시킬 수 있다.
또한 이종 기판 간의 접합 후, 온도 증감시 발생하는 열팽창의 불일치로 발생하는 열팽창계수 차이에 의한 힘이 상기 그루브, 관통부 및 이격부에 의해 접합되지 않는 부분 또는 그루브, 관통부 및 이격부에 집중되어, 더 약하면서 열팽창계수가 큰 기판이 그루브, 관통부 및 이격부를 중심으로 크랙이 발생하면서 완화되어 오히려 접합 강도와 접합 균일도를 개선시킬 수 있다.
또한, 처음부터 제2기판을 분리하여 이격부를 형성하여 접합시키는 경우, 결함(파티클, 아웃개싱, 열팽창계수 차이)의 확산을 제한할 뿐만 아니라, 제2기판의 두께가 두꺼워도 접합이 용이하고, 표면의 플랫니스(flatness)에 의한 접합 강도의 부분적인 감소 현상을 일부 해결할 수 있게 된다. 이는 고온, 고압 공정으로 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
100 : 제1기판 200 : 제2기판
300 : 박막층 400 : 임시접착층
510 : 그루브 530 : 이격부
P : 파티클
C : 캐리어 기판
E : 전극

Claims (54)

  1. 제1기판과, 상기 제1기판 상에 상기 제1기판과 다른 이종(異種)의 제2기판이 접합된 접합 구조체에 있어서,
    상기 접합 구조체의 일부 영역에 그루브가 형성되거나,
    상기 접합 구조체의 일부 영역에 관통부가 형성되거나,
    상기 제2기판이 분리되어 이격부가 형성되거나,
    상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 중 둘 이상이 복합적으로 형성되어,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합시 결함의 확산이 상기 그루브, 상기 관통부 또는 상기 이격부에서 제한되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 그루브 또는 상기 관통부는,
    상기 제1기판 또는/및 상기 제2기판의 일부 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 그루브는,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 그루브는,
    상기 제2기판의 일부 영역에 형성되며, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면 반대면에 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 그루브는,
    단일 패턴 또는 연속적인 패턴으로 규칙적 또는 불규칙적으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 그루브는,
    상기 단일 패턴 또는 연속적인 패턴의 배열이 상기 접합 구조체의 다이싱 라인(dicing line)에 대응하여 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 그루브 또는 상기 관통부는,
    상기 접합 구조체의 중심부로부터 방사형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 그루브는,
    종단면 형상이 대칭형 또는 비대칭형의 사각형 또는 삼각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 그루브는,
    횡단면 형상이 다각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 관통부는,
    상기 접합 구조체의 다이싱 라인(dicing line)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 접합 구조체는,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 사이에 박막층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 제1기판 상에 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배에 대응하여 양자화된 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 박막층은,
    SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge, Si-AlN, Si-GaP, Si-InAs, Si-InSb, Si-AlSb, Si-Ba2NaNb5O5, Si-Pb2KNb5O15, Si-PZT, Si-CIGS 중 어느 하나이거나, 둘 이상이 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간을 정수배한 시간과 무성장 시간을 합한 총 공정 시간 동안 CVD 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 박막층의 일부 영역에는,
    그루브, 관통부 및 이격부 중 어느 하나 이상이 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 접합 구조체는,
    상기 제2기판이 소정 두께로 박판화된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에는,
    접합 증진을 위한 소수성 또는 친수성 표면 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 각각에는 친수성 표면 처리 또는 대전 처리된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항의 이종 기판의 접합 구조체를 이용하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
  20. 제1기판과, 상기 제1기판 상에 상기 제1기판과 다른 이종(異種)의 제2기판이 접합된 접합 구조체에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 박막층이 형성되며,
    상기 박막층은 분리되어 이격부가 형성되어,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합시 결함의 확산이 상기 이격부에서 제한되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 제1기판 상에 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배에 대응하여 양자화된 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 박막층은,
    SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge, Si-AlN, Si-GaP, Si-InAs, Si-InSb, Si-AlSb, Si-Ba2NaNb5O5, Si-Pb2KNb5O15, Si-PZT, Si-CIGS 중 어느 하나이거나, 둘 이상이 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간을 정수배한 시간과 무성장 시간을 합한 총 공정 시간 동안 CVD 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  24. 제 20항에 있어서, 상기 접합 구조체는,
    상기 제2기판이 소정 두께로 박판화된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  25. 제 20항에 있어서, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에는,
    접합 증진을 위한 소수성 또는 친수성 표면 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  26. 제 20항에 있어서, 상기 이격부에는 친수성 표면 처리 또는 대전 처리된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  27. 제 20항 내지 제 26항 중 어느 한 항의 이종 기판의 접합 구조체를 이용하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
  28. 제1기판과, 상기 제1기판 상에 상기 제1기판과 다른 이종(異種)의 제2기판을 접합하는 접합 구조체의 제조방법에 있어서,
    상기 접합 구조체의 일부 영역에 그루브를 형성하거나,
    상기 제2기판의 일부 영역에 관통부를 형성하거나,
    상기 제2기판을 분리하여 이격부를 형성하거나,
    상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 중 둘 이상을 복합적으로 형성하여,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합시 결함의 확산이 상기 그루브, 상기 관통부 또는 상기 이격부에서 제한되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 그루브는,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에 형성되거나,
    상기 제2기판의 일부 영역에 형성되며, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면 반대면에 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 그루브는,
    단일 패턴 또는 연속적인 패턴이 규칙적 또는 불규칙적으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  31. 제 29항에 있어서, 상기 그루브는,
    상기 단일 패턴 또는 연속적인 패턴의 배열이 상기 접합 구조체의 다이싱 라인(dicing line)에 대응하여 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  32. 제 28항에 있어서, 상기 그루브는,
    상기 접합 구조체의 중심부로부터 방사형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  33. 제 28항에 있어서, 상기 그루브는,
    종단면 형상이 대칭형 또는 비대칭형의 사각형 또는 삼각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  34. 제 28항에 있어서, 상기 그루브는,
    횡단면 형상이 다각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  35. 제 28항에 있어서, 상기 관통부는,
    상기 접합 구조체의 다이싱 라인(dicing line)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  36. 제 28항에 있어서, 상기 제2기판을 소자 단위로 상기 제1기판 상에 접합하는 경우, 상기 소자 단위로 분리된 제2기판은 캐리어 기판(C)에 의해 상기 제1기판 상으로 전사되어 접합되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  37. 제 28항에 있어서, 상기 접합 구조체는,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 사이에 박막층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 제1기판 상에 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배에 대응하여 양자화된 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  39. 제 38항에 있어서, 상기 박막층은,
    SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge, Si-AlN, Si-GaP, Si-InAs, Si-InSb, Si-AlSb, Si-Ba2NaNb5O5, Si-Pb2KNb5O15, Si-PZT, Si-CIGS 중 어느 하나이거나, 둘 이상이 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간을 정수배한 시간과 무성장 시간을 합한 총 공정 시간 동안 CVD 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  41. 제 37항에 있어서, 상기 박막층의 일부 영역에는,
    그루브, 관통부 및 이격부 중 어느 하나 이상이 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  42. 제 28항에 있어서, 상기 접합 구조체는,
    상기 제2기판이 소정 두께로 박판화된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  43. 제 28항에 있어서, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에는,
    접합 증진을 위한 소수성 또는 친수성 표면 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  44. 제 28항에 있어서, 상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 각각에는 친수성 표면 처리 또는 대전 처리된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  45. 제 28항 내지 제 44항 중 어느 한 항의 이종 기판의 접합 구조체 제조방법에 의해 제조된 이종 기판을 이용하는 탄성파 소자.
  46. 제1기판과, 상기 제1기판 상에 상기 제1기판과 다른 이종(異種)의 제2기판을 접합하는 접합 구조체의 제조방법에 있어서,
    상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 이격부가 형성된 박막층을 형성하여,
    상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합시 결함의 확산이 상기 이격부에서 제한되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  47. 제 46항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 제1기판 상에 성장 방향에 대한 최소 단위 두께의 정수배에 대응하여 양자화된 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  48. 제 47항에 있어서, 상기 박막층은,
    SiO2, Si-LiNbO3, Si-LiTaO3, Si-InP, Si-GaAs, Si-Ge 중 어느 하나이거나, 둘 이상이 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  49. 제 48항에 있어서, 상기 박막층은,
    상기 최소 단위 두께에 대응하는 단위 공정 시간을 정수배한 시간과 무성장 시간을 합한 총 공정 시간 동안 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  50. 제 46항에 있어서, 상기 접합 구조체는,
    상기 제2기판이 소정 두께로 박판화된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  51. 제 46항에 있어서, 상기 제1기판과 상기 제2기판의 접합면에는,
    접합 증진을 위한 소수성 또는 친수성 표면 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체.
  52. 제 46항에 있어서, 상기 제2기판을 소자 단위로 상기 제1기판 상에 접합하는 경우, 상기 소자 단위로 분리된 제2기판은 캐리어 기판(C)에 의해 상기 제1기판 상으로 전사되어 접합되는 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  53. 제 46항에 있어서, 상기 그루브, 상기 관통부 및 상기 이격부 각각에는 친수성 표면 처리 또는 대전 처리된 것을 특징으로 하는 이종 기판의 접합 구조체 제조방법.
  54. 제 46항 내지 제 53항 중 어느 한 항의 이종 기판의 접합 구조체 제조방법에 의해 제조된 이종 기판을 이용하는 탄성파 소자.
KR1020220129469A 2022-10-11 2022-10-11 이종 기판의 접합 구조체 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 탄성파 소자 KR20240050493A (ko)

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