KR940010493B1 - 실리콘기판의 용융접합방법 및 장치 - Google Patents
실리콘기판의 용융접합방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 발명 용융접합장치의 전체 구조를 보인 정면도.
제 2 도는 제 1 도의 용융접합장치에서 캐리어를 분리하여 도시한 것으로, (a)도는 두 기판의 분리상태를 보인 것이고, (b)도는 두 기판의 접촉된 상태를 보인 것임.
제 3 도는 실리콘기판의 접합부에 대한 초음파영상으로, (a)도는 상온안정화처리후의 접합계면이고, (b)도는 열처리후의 접합계면임.
제 4 도는 열처리분위기 가스에 따른 미세틈새의 변화거동을 보인 그래프.
제 5 도는 열처리분위기 및 시간에 따른 접합강도의 변화거동을 보인 그래프로서, (a)도는 A영역에 대한 것이고, (b)도는 B영역에 대한 것.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 석영관 2 : 가스배출구
3 : 캡 4 : 가스유입관
5 : 웨이트 6 : 캐리어
7 : 이동간 8, 9 : 히터
10 : 플라스크 W1, W2: 기판
본 발명은 실리콘 기판의 용융접합(silicon fusion bonding : SFB)에 관한 것으로, 특히 실리콘기판의 전처리후에 다량의 산화제를 흡착시키는 안정화 과정과 산화제 분위기에서의 고온열처리공정을 통하여 접합계면의 미세틈세에 습식산화막을 성장시켜 단시간내에 미세틈새의 제거 및 접합강도의 강화가 이루어지도록 한 실리콘기판의 용융접합방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근, 3차원 반도체소자의 제작용으로 절연막상의 실리콘(silicon on insualor : SOI)구조나 실리콘센서용 미세기계구조를 형성하는 실리콘 용융접합방법이 개발되어 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이와같이 실리콘기판과 실리콘기판을 상호 접합시키는 실리콘기판의 용융접합방법에 대한 일반적인 공정은 다음과 같다.
먼저, 접합할 실리콘기판의 표면을 RCA 세척방법과 같은 웨이퍼의 표준세정방법을 통해 청결하게 세척한 다음 OH-이온들이 함유된 알칼리용액중에 담그어 접합될 웨이퍼의 표면에 OH-이온들이 다량존재하는 층(hydrophilic layer)을 형성한 후, 건조과정을 거쳐 두장의 웨이퍼 표면을 서로 맞닿게 함으로써 OH-이온들간의 결합(수소결합)에 의해 웨이퍼간의 일차적인 접합이 이루어지도록 한다.
다음으로, 상기 공정을 통하여 접합된 웨이퍼를 대략 1000℃이상의 고온에서 약 1시간가량 열처리를 수행함으로써 접합강도의 향상을 도모하고 접합계면에 존재하는 비접합영역을 제거하게 된다.
이와같은 종래의 실리콘 용융접합방법에 있어서 OH-이온들간의 결합에 의한 웨이퍼의 접합강도는 약 5-10㎏/cm2으로서 비교적 약한 편이고 접합계면에 비접촉영역들이 존재하는 경우도 있게 되나 이후의 고온열처리 과정을 통하여 접합계면에서 기판의 성형변형(elastic/plastic deformation)과 실리콘이나 산소원자의 고체상태확산(solid state diffusion)등의 반응이 진행되어 결국 "Si-OH-OH-Si"형 접합을 "Si-Si"형 접합으로 전환시키는 과정에 의해서 접합강도가 150㎏/cm2이상으로까지 강화되며 비접촉영역의 제거도 이루어지게 된다.
그러나, 상기 종래의 실리콘기판의 용융접합방법에서는 실리콘기판의 성형변형과 고체상태확산을 유도하기 위하여 1000℃이상의 고온에서 1시간이상의 장기간에 걸쳐 열처리를 수행하는 과정에서 실리콘기판 내부나 기판표면상에 이미 형성되어 있는 불순물형상(doping profile)이 변화하게 되어 이후의 공정으로서의 전기화학적 식각정지방법에 의한 박판화(thinning)공정이나 여타 반도체 공정의 수행시 공정오차를 초래하게 되는 등의 문제점을 지니고 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 실리콘 용융접합방법이 고온에서 장시간 열처리를 수행함에 따라 수반되는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 OH-이온흡착층이 형성된 실리콘기판을 상온-산화제 분위기중에서 안정화시켜 실리콘기판간의 일차적인 접합이 용이하게 이루어지도록 함과 아울러 다량의 산화제가 존재하는 분위기내에서 고온열처리공정을 수행하여 비접촉영역의 미세틈새에서 습식산화막을 성장시키는 이른 바, "계면산화막의 성장에 의한 미세틈새의 메꿈효과(filling-up offect of micro-gap by interfacial oxide growing)"에 의해서 미세틈새 제거에 소요되는 열처리시간을 크게 단축시킬 수 있는 실리콘기판의 용융접합 및 그 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
실리콘기판의 융용접합공정에 있어 계면에 존재하는 틈새(gap)제거를 위한 종래의 기술 내지는 대부분의 연구형태는, 일차적으로 접합된 기판을 1000℃이상의 고온에서 열처리하여 틈새내에 존재하는 산화제와 기판표면의 OH-이온들에 의해 실리콘기판의 열산화가 일어나도록 함으로써 가스의 펌핑(pumping)작용에 의해 틈새 내부가 국부적인 진공상태(partial vacuum)로 되고, 이에따라 발생하는 기판의 성형변형과 이에 뒤따르는 Si이나 O원자의 고체확산을 통하여 접합계면의 틈새제거 및 접합강도를 향상시키는 방식을 취함에 따라 열처리공정에서 열처리 분위기와는 무관하게 열처리온도 (1000℃ 이상) 및 시간(1시간 이상)만이 틈새제거 및 접합강도 향상에 영향을 미치는 주요 변수로 간주되어 왔다.
그런데, 본 발명자들은 실리콘센서에의 용융을 위해 실리콘 용융접합공정을 수행하던 중에 실리콘기판간의 불완전한 접합의 대부분이 폭 0.1㎛이내의 미새틈새(miccro-gap)에 의해 형성되며 이같은 미새틈새를 단시간내에 고온열처리를 통해 제거함에 있어서는 열처리분위기가 매우 중요한 변수로 작용함을 인식하게 되었고, 또한 이같은 목적에 부합되는 분위기가스로는 습식산소(wet O2)가 적합하다는 사실을 발견하기에 이르렀다.
이에 따라 본 발명의 실리콘기판 용융접합공정에서는 습식산소의 분위기중에서 고온열처리를 수행하게 되는데, 산화제(oxidant)로서의 습식산소는 종래의 용융접합시 분위기가스로 사용되던 건식산소(dry O2)나 질소(N2)에 비해 산화막내에서의 용해도가 약 600배 정도 크다는 특성에 기인하여 열처리 초기에 기판의 계면간에 존재하는 미세채널을 통하여 실리콘산화물(silicon oxide)과 실리콘 사이의 계면으로 공급되어 계면산화막을 성정시키게 되는데 이와 같은 계면산화막의 성장에 의해서 미세틈새의 메꿈이 단시간내에 이루어짐과 동시에 접합강도의 강화가 이루어지게 된다.
본 발명의 실리콘 기판의 용융접합공정은, 먼저 접합될 기판의 RCA표준세척→ 수산기(OH-)이온흡착층형성→ 세척 및 건조로 이루어지는 일련의 전처리공정을 거친 실리콘기판의 표면이나 표면 산화박막에 습식산소 분위기중에서 많은 산화제를 흡착용해시키는 안정화처리를 행한 다음 두 실리콘기판을 맞대어 수소결합에 의한 일차적인 접합이 이루어지도록 하고, 이어서 습식산소분위기하의 열처리공정을 통하여 접합계면에 존재하는 미세틈새를 계면산화막의 성장을 통하여 단시간내에 제거함과 아울러 접합강도를 향상시킴으로써 완료된다.
이와 같은 본 발명 실리콘기판의 용융접합방법에 대하여 동방법의 수행에 적합한 용융접합장치의 일실시예로 도시된 제 1 도에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 1 도는 본 발명 실리콘기판의 용융접합장치의 일실시예에 대한 전체구조를 개략적으로 보인 정면도로서, 도시된 바와 같이, 일측단부로는 가스배출구(2)가 구비된 캡(3)이 결합되고 타단부에는 가스유입관(4)이 이어진 수평원통형의 석영관(1) 내부에 접합될 실리콘기판(W1)(W2)과 웨이트(5)가 탑재되는 캐리어(6)가 이동간(7)의 조정에 의해 좌우이동가능하게 설치되고, 석영관(1)이 외주연부 일측단부상에 가열용 히터(8)가 장착되는 한편 상기 가스유입관(4)이 외측단부로는 바닥부에 히터(9)가 구비된 플라스크(10)가 결합되어 이루어져 있다.
도면 중 미설명 부호 11은 가스주입관, 12은 온도계, 13은 95℃ 이상의 끓는 비전해물(d.i.water)이고, 14은 버블(bubble)이다.
이와 같은 구조로 이루어진 용융접합장치를 이용한 실리콘기판의 접합과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 제 2 도는 제 1 도의 캐리어(6)에 대한 확대도로서, 제 2 도의 (a)도에 도시된 바와 같이 전처리공정이 완료된 기판(W1)(W2)들은 석영스페이서(S)를 사이에 두고 일정간격을 유지한 채 캐리어(6)상에 탑재된 상태에서 플라스크(10)로부터 석영관(1) 내부로 유입되는 산화제(습식산소)에 의해 안정화처리가 수행되며, 안정화가 완료된 후에는 석영스페이서(S)를 제거함에 따라 제 2 도의 (b)도에서와 같이 두 기판(W1)(W2)이 접촉함으로써 기판(W1)(W2) 표면에 존재하는 OH-이온들간의 수소결합에 의해 대략 5-10초간에 걸쳐 기판(W1)(W2)의 일차적인 결합이 이루어지게 된다.
다음, 기판(W1)(W2)간의 일차적인 접합이 확인되면 이동간(7)을 외측으로 당기어 캐리어(6)를 석영관(1)의 히터(8) 장착부내로 이동시킨 상태에서 고온열처리를 수행함으로써 상기 일차접합시에 접합계면상에 남아 있는 미세틈새의 제거 및 접합강도의 강화를 가져오게 된다.
이때, 미세틈새가 제거되는 메카니즘으로는 종래의 용융접합방식에서와 같은 기판의 성형변형 및 실리콘원자의 고체상태 확산이외에 석영관(1)내부로 다량 공급되는 습식산소에 의한 산화제분위기 유지에 의한 계면산화막 성장으로 이루어지는 바, 특히, 계면산화막의 성장에 의한 미세틈새 메꿈은 고온열처리 초기의 2내지 10분 사이의 단시간내에 수행되어 미세틈새 제거는 물론 접합강도의 향상을 가져오게 된다.
이상과 같은 본 발명 실리콘기판의 용융접합방법은 다음의 실시예를 통하여 보다 명확하게 설명될 것이다.
[실시예]
접합용 실리콘기판으로서 직경 4인치, 두께 525-530㎛, 저항율 4.5-5.5Ω㎝인 n형 및 p형(100)웨이퍼로서 표면평탄도를 나타내는 TIR(Total Indicator Reading)의 평균치가 각각 1.435 및 1.553㎛인 기판을 사용하였다.
이들 기판들에 대해 표준 RCA세척방법으로 세척한 다음 60℃의 6부(part) H2O+ 1부 H2O₂+ 4부 NH4OH 용액중에서 3분간 담그어 OH-이온흡착층을 형성한 후 수세→ 버블링→ 스핀건조(spian drying)로 이어지는 일련의 사전처리공정을 수행하였다.
다음, 전처리공정이 완료된 기판을 석영관내의 캐리어상에 석영스페이서로 서로 분리시킨 채 탑재한 상태에서 열처리시에 사용될 분위기하에서 30초간 안정화처리를 하고, 이어서 석영스페이서를 제거하여 상하기판을 접촉시켜 OH-이온들간의 수소결합으로 기판의 일차적인 접합이 이루어지도록 하였다.
상기 수소결합을 통한 기판의 접합에는 대략 5-10초가량 소요되었으며, 이와 같은 접합을 확인한 다음 캐리어를 히터가 장착된 석영관의 고온부로 이동시켜 1100℃의 일정분위기하에서 열처리를 행하였다.
이때 상온안정화처리 및 고온(1100℃) 열처리시의 분위기 가스로는 습식산소(95℃ H2O버블링), 건식산소(dry O2) 및 N2를 사용하였으며 열처리 시간은 10초에서 10시간까지 변화시켰다.
이같은 실시예의 용융접합을 통해 접합된 실리콘기판 접합체에 대하여 측정한 미세틈새 제거효과와 접합 강도 강화효과는 다음과 같다.
먼저, 제 3 도는 실리콘기판의 접합계면에 대한 초음파 영상으로서 (a)도는 습식산소분위기하에서 상온안정화처리후 일차적으로 접합된 접합계면에 대한 영상이고, (b)도는 (a)도의 계면에 대해 습식산소분위기중의 1100℃에서 10분간 열처리했을때의 접합계면에 대한 영상으로서, 이에 나타난 바와 같이, 일차접합시 기판의 계면에 존재하는 미세틈새(A영역)는 단시간의 열처리를 통해 거의 제거됨을 알 수 있다.
제 4 도는 열처리시 분위기가스로 습식산소(wet O2), 건식산소(dry O2) 및 질소(N2)를 각각 사용하였을 때 나타나는 미세틈새의 변화거동을 나타낸 그래프로서 일차접합시 전체 접합계면영역에 대해 미세틈새가 15-20%존재하는 경우를 1로하고, 열처리에 의해 미세틈새가 1% 이내로 감소된 경우를 0으로 규준화하여 열처리분위기 및 시간에 따라 미세틈새가 감소하는 정도를 나타낸 것이다.
제 4 도의 그래프를 통하여 알 수 있듯이 습식산소분위기하에서는 약 2분간의 열처리에 의해 미세틈새 영역이 1%정도로 감소함에 비해 건식산소나 질소분위기에서는 1시간 이상의 열처리를 하여야만이 1%정도로 감소하게 된다.
이와같이, 열처리분위기가스로 건식산소나 질소를 사용하는 것에 비해 습식산소를 사용하는 것이 미세틈새 제거에 우세한 효과를 나타내는 이유는 실리콘 산화물내의 용해도면에 있어서 건식산소등에 비해 600배정도 큰 습식산소가 열처리 초기에 기판의 접합계면에 존재하는 미세채널을 통하여 미세틈새로 용이하게 공급되어 대략 0.1㎛이내의 폭을 갖는 미세틈새에 계면산화막을 성정시키게 되고, 이같은 계면산화막의 성장으로 틈새의 메꿈이 일어나게 되기 때문이다.
다시말하면, 건식산소나 질소분위기하의 열처리시에는 어느정도의 시간의 경과후에 비로서 진행되는 성형변형과 실리콘원자의 고체상태확산이라는 메카니즘을 통하여 미세틈새가 제거되어지나, 본 발명의 습식산소를 분위기가스로 이용하여 열처리하는 경우에는 위의 성형변형과 고체상태확산발생이전의 열처리초기에 단시간에 걸쳐 계면산화막의 성장에 의한 미세틈새의 메꿈이 일어나서 미세틈새가 제거되어진다.
다음, 제 5 도는 열처리 분위기 및 시간에 따른 접합강도의 변화를 보인 것으로 (a)도는 제 3 도의 미세틈새영역(A영역)에 대한 것이고 (b)도는 제 3 도의 접합영역(B영역)에 대한 것이다.
제 4 도의 (a)도로부터 습식산소분위기에서 미세틈새영역이 1%정도로 감소하는 시점인 2분정도의 열처리 시간에서 기판간의 접합강도는 약 110㎏/cm2에 이르며 강도의 증가가 둔화되는 과도영역으로서의 2분-10분이 지나면 다시 증가하기 시작하여 1시간에 이르면 약 180㎏/cm2로 포함됨을 알 수 있고, 건식산소나 질소분위기의 경우 과도영역 없이 1시간이 지나면 급격히 강도가 증가하여 약 180㎏/cm2정도의 접합강도로 포화됨을 알 수 있다.
한편, 제 5 도의 (b)도로부터 접합초기에 미세틈새의 영향없이 완전한 접합이 이루어진 경우 열처리분위기와는 무관하게 시간에만 지수적으로 의존하여 접합강도가 증가됨을 알 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 기판의 용융접합시 산화제(습식산소)를 이용한 안정화처리 및 계면산화막의 성장에 의한 미세틈새 제거 및 접합강도 강화를 통하여 종래의 기판용융방법에서 미세틈새 제거에 소요되는 열처리 시간을 약 1/10 ∼1/20정도로 감소시킴에 따라 고온열처리 시간의 감소로 SOI 구조나 실리콘센서용 미세기계구조를 제작함에 있어 종래 기술의 문제점인 고온-장시간 열처리에 의해서 기판상의 불순물 형상이 변화하게 되어 이후의 박판화 공정시 공정오차가 초래되는 등의 바람직하지 못한 현상으로부터 벗어난 효과가 있다.
Claims (3)
- 전처리공정을 거친 실리콘기판을 습식산소로 유지된 산화제 분위기중에서 상온안정화 처리하여 일차접합을 행한 다음 습식산소로 유지된 산화제 분위기중에서 고온열처리하여 접합계면의 미세틈새를 제거함을 특징으로 하는 실리콘기판의 용융접합방법.
- 제 1 항에 있어서, 고온열처리는 1000℃∼1100℃의 온도에서 2분 내지 10분간에 걸쳐 행해짐을 특징으로 하는 실리콘기판의 용융접합방법.
- 일측 단부에 가스배출구(2)가 구비된 캡(3)이 결합되고 타측단부로는 산화제 공급용 플라스크(10)로부터 연장된 가스유입관(4)이 이어진 수평원통형의 석영관(1)내부에 접합용 웨이퍼(W1)(W2)와 석영스페이서(S) 및 웨이트(5)가 탑재되는 캐리어(6)가 이동가능하게 설치되고, 상기 석영관(1)의 외측으로 가열용 히터(8)가 장착되어 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘기판의 용융접합장치.
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