WO2026019155A1 - 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법 및 반도체용 다층 유리기판 - Google Patents

반도체용 다층 유리기판의 제조 방법 및 반도체용 다층 유리기판

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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a glass substrate, and more particularly, to a method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors in which two or more glass substrates are laminated and bonded, and a multilayer glass substrate for semiconductors.
  • This Back-End (BE) process includes the packaging (Multi-Chip Package) process, which assembles multiple semiconductors produced in wafer form into a bundle suitable for device integration.
  • Semiconductor technology is advancing in diverse forms, including sub-micron nanometer line widths, cell counts exceeding 10 million, high-speed operation, and high heat dissipation.
  • the technology to perfectly package these devices remains relatively lacking. Consequently, the electrical performance of semiconductors is often determined more by packaging technology and the resulting electrical connections than by the semiconductor technology itself.
  • Ceramic or resin is typically used as the packaging substrate material.
  • ceramic substrates have high resistance and dielectric constants, making it difficult to mount high-performance, high-frequency semiconductor devices on them.
  • Resin substrates, while relatively easy to mount high-performance, high-frequency semiconductor devices on, have limitations in reducing wiring pitch, and their uneven surface makes them particularly unsuitable for use in high-performance semiconductor packaging, which is undergoing continuous miniaturization.
  • silicon packaging substrates have a high coefficient of thermal expansion (CTE), making them unsuitable for use in die packaging applications with high-density micro-sized bumps, such as those used in high-bandwidth memory (HBM).
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • Glass substrates are recently gaining attention as a potential replacement for silicon substrates. Glass substrates are more cost-effective than silicon substrates and can be designed and manufactured on larger surfaces, enabling the production of a greater number of chips. Furthermore, the extremely smooth and flat surface of glass allows for precise circuit design, making them advantageous for implementing high-performance, high-density circuits.
  • interlayer bonding is not easy when manufacturing in the form of a multilayer glass substrate using two or more layers, and when general bonding materials are used for interlayer bonding of glass substrates, interlayer separation occurs due to differences in coefficients of thermal expansion between the bonding material and the glass, causing problems with bonding reliability.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors and a multilayer glass substrate for semiconductors that can resolve the problem of interlayer separation due to a difference in thermal expansion coefficient between a bonding material and glass during the manufacturing of a multilayer glass substrate.
  • a method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors including a step of sealing and bonding two glass cores arranged in a laminate by performing secondary sintering (main-sintering) of the bonding glass layer in a vacuum atmosphere.
  • the bonding glass layer may include glass frit having a melting point lower than that of the glass core.
  • the glass core may be an oxide-reinforced glass having a thickness of 20 to 30 ⁇ m and high strength, corrosion resistance, transparency, and hardness at room temperature.
  • the glass core may be borosilicate glass or aluminosilicate glass.
  • the glass frit paste can be applied to the surface of the glass core at a uniform thickness using screen printing.
  • a method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors according to one aspect of the present invention also comprises:
  • the method may further include a step of forming a trench electrode in the glass core prior to the step (a).
  • the step (a') of the method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors may include the steps of (a'-1) forming a trench in the glass core through etching, (a'-2) forming a brazing adhesive layer with a specific thickness on an inner wall surface of the trench using a brazing alloy having a lower melting point than the glass core, (a'-3) filling the trench in which the brazing adhesive layer is formed with a conductive metal having a higher melting point than the brazing alloy to form an electrode, and (a'-4) performing a heat treatment under specific conditions so that the brazing adhesive layer mediates mutual bonding between the glass core and the electrode.
  • heat treatment may be performed in a reducing atmosphere or nitrogen atmosphere maintained at a first temperature range that is higher than the eutectic point of the brazing alloy and lower than the melting point of the glass core.
  • the first temperature range may be 577°C or more and less than 600°C.
  • the brazing alloy may be an aluminum-silicon (Al-Si) alloy in which the silicon (Si) content is 12.5 to 12.6 parts by weight (%) based on 100 parts by weight (%) of the total alloy and the remainder is aluminum.
  • Al-Si aluminum-silicon
  • the above bonding glass layer provides a multilayer glass substrate for semiconductors, which includes a glass frit having a lower melting point than the glass core.
  • the glass core may include a trench electrode.
  • a brazing bonding layer made of a brazing alloy is formed with a specific thickness between the inner wall surface of a trench constituting the trench electrode and a conductive metal, and the brazing bonding layer can form a fusion brazing interface that mediates mutual bonding between the inner wall surface of the trench and the conductive metal during heat treatment.
  • the brazing alloy is an aluminum-silicon (Al-Si) alloy in which the silicon (Si) content is 12.5 to 12.6 parts by weight (%) and the remainder is aluminum, based on 100 parts by weight (%) of the total alloy, and the conductive metal may be copper (Cu).
  • the fusion brazing interface can be formed by heat treatment performed in a reducing atmosphere or nitrogen atmosphere maintained at a first temperature range that is higher than the eutectic point of the brazing alloy and lower than the melting point of the glass core, and at this time, the first temperature range can be 577°C or more and less than 600°C.
  • the glass core may be an oxide-reinforced glass having a thickness of 20 to 30 ⁇ m and having high strength, corrosion resistance, transparency, and hardness at room temperature.
  • the glass core may be borosilicate glass or aluminosilicate glass.
  • the bonding glass layer can be formed by pre-sintering performed after applying glass frit paste to the surface of a glass core.
  • a glass material having a lower melting point than the glass core, which is the core substrate is used to implement multilayer bonding, thereby enabling the coefficients of thermal expansion (CTE) of the glass core and the bonding layer to be matched.
  • CTE coefficients of thermal expansion
  • the fusion brazing interface caused by the phase change (solid -> liquid) of the brazing adhesive layer occurring during the heat treatment process can mediate a strong bond between the glass core and the electrode, thereby significantly improving or enhancing the adhesive strength (bonding strength) and adhesive properties of the electrode.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a process schematic diagram schematically illustrating the overall manufacturing process of a multilayer glass substrate for semiconductors according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a flowchart sequentially illustrating the process of forming a trench electrode in a glass core.
  • Figure 4 is a process schematic diagram schematically illustrating the trench electrode formation process of Figure 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional configuration diagram of a multilayer glass substrate for semiconductors manufactured by a method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the main part of the multilayer glass substrate for semiconductors illustrated in FIG. 5, and is an enlarged view of the main part of the present invention, showing part 'A' of FIG. 5 in an enlarged manner.
  • Fig. 7 is a cross-sectional view showing another preferred embodiment of a multilayer glass substrate for semiconductors.
  • Fig. 8 is a cross-sectional view showing another preferred embodiment of a multilayer glass substrate for semiconductors.
  • FIG. 1 is a flowchart for explaining a method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a process schematic diagram schematically illustrating the entire manufacturing process of a multilayer glass substrate for semiconductors according to an embodiment of the present invention.
  • a manufacturing method is a method for manufacturing a semiconductor multilayer glass substrate that can significantly improve interlayer bonding when manufacturing a multilayer glass substrate, including a step of forming a bonding glass layer on a surface of a glass core (S200), a step of stacking and arranging another glass core on a glass core on which a bonding glass layer has been formed (S300), and a step of sealing and bonding the two stacked glass cores (S300).
  • step (S100) of forming a bonding glass layer on the surface of the glass core glass frit paste is applied to the surface (upper surface or lower surface or upper surface and lower surface) of the glass core (10). Afterwards, a bonding glass layer (20) can be formed by performing a first pre-sintering.
  • the bonding glass layer (20) includes glass frit having a melting point about 100°C lower than that of the glass core (10).
  • the glass frit paste can be formed with a uniform film thickness on the surface of the glass core (10). If the film thickness of the glass frit paste applied to the surface of the glass core (10) is not uniform, when a pair of glass cores (10a, 10b) are overlapped, the contact uniformity between the bonding glass layer (20) and the glass cores (10a, 10b) may deteriorate, and the bonding quality between the glass cores (10a, 10b) may be significantly deteriorated.
  • the step (S100) of forming a bonding glass layer on the surface of the glass core when applying the glass frit paste to the surface of the glass core (10), it is important and required to apply the glass frit paste so that it has a uniform film thickness on the glass core (10).
  • the uniform film thickness application of the glass frit paste can be achieved, for example, by screen printing.
  • the glass frit paste applied to the glass core (10) may have a composition that includes glass frit having a melting point about 100°C lower than the melting point of the glass core (10) as a main substrate and an organic solvent and a binder, and the bonding glass layer (20) may be formed by removing the organic solvent or binder included in the glass frit paste during the first pre-sintering process.
  • Glass frit can be, for example, a mixture of silica sand, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and calcium carbonate (CaCO 3 ) in a specific ratio, melted at a high temperature, then rapidly cooled and ground into a fine powder.
  • the organic solvent can be, for example, butyl acetate or terpineol, or a combination thereof, and an acrylic binder or a nitrocellulose binder can be used as a binder.
  • the binder may remain within the bonding glass layer (20), which may result in poor bonding performance or easy cracking. Therefore, during the first pre-sintering process, it is preferable to perform the pre-sintering under temperature and pressure conditions that can sufficiently heat the glass frit paste while preventing deterioration of the glass core (10).
  • a drying step may be added after the first preliminary sintering step to dry the glass frit paste.
  • any organic solvent remaining within the glass frit paste can be more reliably removed.
  • step (S200) of stacking and arranging glass cores two glass cores (10a, 10b) of the same material are arranged in a stacked structure so that they face each other and come into contact with each other with a bonding glass layer (20) therebetween.
  • a dedicated stacking device including a sensor, an alignment unit, a jig, etc. to enable accurate and precise stacking.
  • a process of implementing laminated bonding can be performed through secondary sintering (main-sinter) of the bonding glass layer (20).
  • the sealing and bonding of the glass cores (10a, 10b) can be implemented by heating and compressing the bonding glass layer (20) while exhausting the gas between the two laminated glass cores (10a, 10b) in a vacuum atmosphere.
  • the secondary sintering (main sinter) of heating and pressing the bonding glass layer (20)
  • sintering can be performed at a temperature lower than the melting point and higher than the softening point of the glass frit, which is the main material of the bonding glass layer (20).
  • the secondary sintering temperature for implementing a sealing bond of the glass cores (10a, 10b) may vary depending on the composition of the glass frit, but may be between about 500°C and 700°C.
  • the glass core (10) that is the main material may be oxide-tempered glass.
  • the glass core (10) that is the main material may be tempered glass whose main component is oxide, having a thickness of 20 to 30 ⁇ m, and having high strength and corrosion resistance at room temperature, as well as transparency and hardness.
  • the glass core (10) that is the main material in the method for manufacturing a semiconductor multilayer glass substrate according to the embodiment may be borosilicate glass, which is a glass that mainly contains boric acid instead of silicic acid, contains at least 5% of boric acid, has chemical acid resistance and weather resistance due to a low coefficient of expansion, and has excellent thermal shock resistance.
  • borosilicate glass which is a glass that mainly contains boric acid instead of silicic acid, contains at least 5% of boric acid, has chemical acid resistance and weather resistance due to a low coefficient of expansion, and has excellent thermal shock resistance.
  • the glass core (10) that is the main material in the method for manufacturing a semiconductor multilayer glass substrate according to the embodiment may be an aluminosilicate glass that is made of alumina and boron oxide and has similar properties to borosilicate glass, but has superior heat resistance and high chemical resistance compared to borosilicate glass.
  • the method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors may further include a step (S100) of forming a trench electrode in a glass core (10) before the step S200 described above.
  • the trench electrode (30) may be formed by etching the glass core (10) to form a trench (Trench, 32) in a desired pattern and filling it with a conductive metal, for example, copper (Cu).
  • the term 'trench' used in describing the electrode formation process hereafter refers to a microscopic hole (Via) or groove formed in the glass core through an etching process to form an electrode.
  • the trench electrode forming step (100) includes a step (S102) of forming a trench (32) in a glass core (10) through an etching process, a step (S104) of forming a brazing adhesive layer (34) with a specific thickness on the inner wall surface of the trench (32) using a brazing alloy having a lower melting point than the glass core (10), a step (S106) of filling the trench (32) in which the brazing adhesive layer (34) is formed with a conductive metal (36) to form an electrode, and a step (S108) of performing heat treatment for brazing.
  • a pattern is formed on the glass core (10) using a photoresist through a known photolithography process for drawing a semiconductor circuit on a wafer, and an etching process is performed using the patterned photoresist as a mask to form a trench (32). Dry etching using plasma or a laser or wet etching using an etchant can be applied as the etching process for forming the trench.
  • the step (S104) of forming a brazing adhesive layer (34) is a step of forming a brazing adhesive layer (34) on the inner wall surface of the trench (32) using a brazing alloy.
  • the brazing adhesive layer (34) is a portion that mediates a strong bond between the glass core (10) and the conductive metal (36), and can be formed by depositing a brazing alloy to a specific thickness in the trench (32) formed in the glass core (10).
  • the brazing alloy constituting the brazing bonding layer (34) may be an alloy having a lower melting point than the glass core (10).
  • the brazing alloy constituting the brazing bonding layer (34) may preferably be an aluminum-silicon (Al-Si) alloy having a silicon (Si) content of 12.5 to 12.6 parts by weight (%) based on 100 parts by weight (%) of the total alloy and the remainder being aluminum.
  • Aluminum-silicon (Al-Si) alloys are characterized by their light weight, high ductility, and high malleability. They also possess a low melting point and shrinkage, excellent corrosion resistance, and good fluidity in a molten state. Therefore, they readily melt at relatively low temperatures, forming a fusion brazing interface that mediates a strong bond between glass and metal.
  • the brazing adhesive layer (34) can be formed to a specific thickness in the trench of the glass core (10) through vacuum deposition.
  • the brazing adhesive layer (34) can be formed to a specific thickness (t1) in the trench of the glass core (10) through a sputtering process, which is a type of vacuum deposition method.
  • the brazing adhesive layer (34) may be formed on the inner wall surface of the trench to a thickness of 25 to 100 nm. If the thickness of the brazing adhesive layer (34) is too thin, less than 25 nm, it cannot properly function as an adhesive. In addition, if the thickness of the brazing adhesive layer (34) exceeds 100 nm, an increase in cost may occur due to the input of unnecessary materials, and the electrode formation space may be reduced.
  • the electrode may be composed of a conductive metal (36) having a higher melting point than the brazing alloy constituting the brazing adhesive layer (34).
  • the electrode may be formed by filling a trench (32) on the inner wall of which a brazing adhesive layer (34) is formed with a conductive metal (36) through an electroplating process or a sputtering process, which is a type of vacuum deposition.
  • the conductive metal (36) constituting the electrode may be, for example, copper (Cu).
  • the conductive metal (36) constituting the electrode may be a conductive material other than copper.
  • the conductive metal constituting the electrode (36) may be, for example, one of aluminum (Al), titanium (Ti), and tungsten (W).
  • the heat treatment step (S108) is the final step of the trench electrode formation process, and is a step of brazing and joining the electrode by heat treating the glass core (10) on which the electrode is formed under predetermined conditions.
  • the heat treatment is performed at a temperature higher than the melting point of the aforementioned brazing alloy and lower than the melting point of the glass core (10), thereby allowing the brazing adhesive layer (34) to mediate a strong bond between the glass core (10) and the electrode composed of the conductive metal (36).
  • the heat treatment may be performed in a reducing atmosphere or nitrogen atmosphere maintained at a first temperature range that is higher than the eutectic point of the brazing alloy and lower than the melting point of the glass core (10).
  • the first temperature range is preferably 577°C or more and less than 600°C, considering that the eutectic temperature of an aluminum-silicon alloy having a silicon (Si) content of 12.5% is 577°C.
  • the phase change (solid -> liquid) of the brazing adhesive layer (34) occurs by the above heat treatment performed above the eutectic point of the brazing alloy, and a fusion brazing interface that mediates a strong bond between the glass core (10) and the electrode is formed according to the phase change of the brazing adhesive layer (34), so that the electrode made of the conductive metal (36) and the trench (32) formed in the glass core (10) can form a strong bond with each other.
  • a bonding glass layer (20) on the surface of the glass core (10) e.g., the upper surface, lower surface, or both surfaces of the glass core (10)
  • a glass material having a lower melting point than the glass core, which is the core substrate can be used to achieve multilayer bonding, thereby matching the coefficients of thermal expansion (CTE) of the glass core and the bonding layer. Accordingly, the problem of interlayer separation due to differences in thermal expansion coefficients can be clearly resolved, and a highly reliable multilayer glass substrate with improved interlayer bonding characteristics between glass cores (glass substrates) can be provided.
  • CTE coefficients of thermal expansion
  • the fusion brazing interface caused by the phase change (solid -> liquid) of the brazing adhesive layer occurring during the heat treatment process can mediate a strong bond between the glass core and the electrode, thereby significantly improving or enhancing the adhesive strength (bonding strength) and adhesive properties of the electrode.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a multilayer glass substrate for semiconductors manufactured by the method for manufacturing a multilayer glass substrate for semiconductors described above
  • FIG. 6 is an enlarged view of the main part of the multilayer glass substrate for semiconductors shown in FIG. 5, and is an enlarged view of the main part of the present invention showing part 'A' of FIG. 5.
  • a multilayer glass substrate (1) for semiconductors includes two or more glass cores (10a, 10b) arranged in a stacked manner and a bonding glass layer (20) that mediates a sealing bond between two adjacent glass cores (10a, 10b).
  • a trench electrode (30) may be formed in the glass cores (10a, 10b), and the bonding glass layer (20) may be formed on at least one of the upper and lower surfaces of the glass cores (10a, 10b) for sealing the bonding between the glass cores (10a, 10b).
  • the glass core (10) may be tempered glass having a thickness of 20 to 30 ⁇ m.
  • the glass core (10) may be tempered glass whose main component is oxide, having high strength, corrosion resistance, transparency, and hardness at room temperature.
  • the glass core (10) may be borosilicate tempered glass. Depending on the embodiment, it may also be aluminosilicate tempered glass.
  • Borosilicate tempered glass is a glass that uses boric acid as its main ingredient instead of silica, and contains at least 5% boric acid. It has a low coefficient of expansion, chemical resistance to acid and weather resistance, and excellent thermal shock resistance, making it suitable for semiconductor glass substrates.
  • Aluminum silicate tempered glass is made of alumina and boron oxide, and has similar properties to borosilicate glass, but has superior heat resistance and high chemical resistance compared to borosilicate glass, making it suitable for semiconductor glass substrates.
  • a trench electrode (30) can be formed by filling a trench (32) formed in the shape of a groove or hole in a glass core (10) through an etching process with a conductive metal (36).
  • a brazing adhesive layer (34) made of a brazing alloy can be formed with a specific thickness (t1) between the inner wall surface of the trench (32) and the conductive metal (36).
  • the brazing adhesive layer (34) can preferably be formed with a thickness of 25 to 100 nm.
  • the brazing adhesive layer (34) can form a fusion brazing interface that mediates a strong bond between the inner wall surface of the trench (32) formed in the glass core (10) during heat treatment for brazing bonding and the conductive metal (36) filled in the trench (32).
  • the brazing adhesive layer (34) can be formed on the inner wall surface of the trench, for example, through a sputtering process, which is a type of vacuum deposition method.
  • the brazing alloy constituting the brazing bonding layer (34) may be an alloy having a lower melting point than the glass core (10).
  • the brazing alloy constituting the brazing bonding layer (34) may preferably be an aluminum-silicon (Al-Si) alloy having a silicon (Si) content of 12.5 to 12.6 parts by weight (%) based on 100 parts by weight (%) of the total alloy and the remainder being aluminum (Al), but is not limited thereto.
  • Aluminum-silicon (Al-Si) alloys are characterized by their light weight, high ductility, and high malleability. They also possess a low melting point and shrinkage, excellent corrosion resistance, and good fluidity in a molten state. Therefore, they readily melt at relatively low temperatures, forming a fusion brazing interface that mediates a strong bond between glass and metal.
  • the fusion brazing interface can be formed by performing a heat treatment in a reducing atmosphere or nitrogen atmosphere maintained at a first temperature range that is higher than the eutectic point of the brazing alloy and lower than the melting point of the glass core (10).
  • the first temperature range may be 577°C or more and less than 600°C, considering that the eutectic temperature of an aluminum-silicon alloy having a silicon (Si) content of 12.5% is 577°C.
  • the conductive metal (36) constituting the trench electrode (30) may be a conductive material having a higher melting point than the glass core (10).
  • the conductive metal (36) constituting the trench electrode (30) may preferably be copper (Cu).
  • the conductive metal (36) constituting the trench electrode (30) may be a conductive material other than copper.
  • aluminum (Al), titanium (Ti), tungsten (W), etc. may be used as the conductive metal constituting the trench electrode (30).
  • the bonding glass layer (20) can be formed on the surface (upper surface, lower surface, or upper surface and lower surface) of the glass core (10) by applying glass frit paste and then pre-sintering.
  • the bonding glass layer (20) includes glass frit having a melting point about 100°C lower than that of the glass core (10), and can be formed with a uniform film thickness on the surface of the glass core (10). For example, it can be formed with a uniform film thickness on the surface of the glass core (10) through screen printing.
  • the glass frit paste applied to the glass core (10) to form the bonding glass layer (20) may be composed of the glass frit having a melting point about 100°C lower than the melting point of the glass core (10) as a main substrate and containing an organic solvent and a binder, etc., and the bonding glass layer (20) may be formed by removing the organic solvent or binder included in the glass frit paste during the pre-sintering process.
  • Glass frit can be, for example, a mixture of silica sand, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and calcium carbonate (CaCO 3 ) in a specific ratio, melted at a high temperature, then rapidly cooled and ground into a fine powder.
  • the organic solvent can be, for example, butyl acetate or terpineol, or a combination thereof, and an acrylic binder or a nitrocellulose binder can be used as a binder.
  • the electrode may be formed in a relief shape on one or both sides of the glass core, in addition to the trench electrode shape described above.
  • it may be formed in relief on the upper surface of the glass core (10').
  • the relief protruding electrode (30') may be formed by a method such as brazing a metal foil to the upper surface of the glass core (10') and then removing unnecessary metal foil portions through an etching process or the like.
  • the bonding glass layer (20') can be formed with a predetermined thickness on the upper surface of the glass core (10') in a form that covers both the upper surface of the glass core (10') and the protruding electrode (30'), as shown in FIG. 7.
  • the bonding glass layer (20) may be formed with a predetermined thickness only in the area excluding the electrode (through electrode, 30a') formed in the micro-hole.
  • a bonding glass layer (20") may be first formed on the upper surface of a glass core (10"), and an electrode may be formed in the form of a raised protruding electrode (30") on the bonding glass layer (20").
  • the raised protruding electrode (30") may be formed, for example, by brazing a metal foil to the upper surface of the bonding glass layer (20"), and then removing an unnecessary portion of the metal foil through an etching process or the like.
  • the glass-based bonding layer having a lower melting point than the glass core, which is the core substrate mediates bonding between the two glass cores to be bonded, thereby matching the coefficients of thermal expansion (CTE) of the glass core and the bonding layer. Accordingly, the problem of interlayer separation due to differences in thermal expansion coefficients can be clearly resolved, and the bonding reliability between glass cores (glass substrates) can be further improved.
  • CTE coefficients of thermal expansion

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Abstract

반도체용 다층 유리기판의 제조 방법 및 반도체용 다층 유리기판이 개시된다. 개시된 반도체용 다층 유리기판 제조 방법은, 글라스 프릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 글라스 코어의 표면에 도포한 후 1차 예비 소결(Pre-sinter)하여 본딩 유리층을 형성시키는 단계, 본딩 유리층을 사이에 두고 대면하도록 글라스 코어의 상부에 다른 글라스 코어를 배치하는 단계 및 진공분위기에서 본딩 유리층을 2차 소결(Main-sinter)하여 적층 배열된 두 글라스 코어를 밀봉 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체용 다층 유리기판의 제조 방법 및 반도체용 다층 유리기판
본 발명은 유리기판의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 둘 이상의 유리기판이 적층 접합된 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법 및 반도체용 다층 유리기판(Manufacturing method of multilayer glass substrate for semiconductors and multilayer glass substrate for semiconductors)에 관한 것이다.
전자부품을 제작하는데 있어 반도체 웨이퍼에 회로를 구현하는 것을 전 공정 (FE: Front-End)이라 한다. 그리고 웨이퍼를 실제 제품에서 사용할 수 있는 상태로 조립하는 것을 후 공정(BE: Back-End)이라 한다. 이러한 후 공정(BE) 중에 웨이퍼 형태로 생산된 여러 개의 반도체를 기기 탑재에 유리한 묶음 형태로 조립하는 패키징(Multi Chip Package) 공정이 포함된다.
반도체 기술은 마이크로 이하 나노 단위의 선폭, 천만 개 이상의 셀(Cell), 고속 동작, 많은 열 방출 등 다양한 형태로 발전하고 있으나, 상대적으로 이를 완벽하게 패키징하는 기술이 뒷받침되지 못한 실정이다. 때문에 반도체의 전기적 성능이 반도체 기술 자체의 성능보다는 패키징 기술 및 그에 따른 전기적 접속에 의해 결정되기도 한다.
패키징 기판의 소재로는 일반적으로 세라믹 또는 수지가 사용된다. 그런데 세라믹 기판의 경우, 저항값이 높거나 유전율이 높아 고성능 고주파의 반도체 소자 탑재가 쉽지 않고, 수지 기판의 경우 상대적으로 고성능 고주파의 반도체 소자 탑재가 용이한 장점은 있으나, 배선의 피치 축소에 한계가 있고, 특히 고르지 못한 표면 때문에 미세화를 거듭하는 고성능 반도체 패키징용으로는 한계가 있다.
대체 패키징 기판으로서 표면이 매끈한 실리콘을 패키징 기판으로 사용하는 방식이 개발되었으나, 이 방식은 원가가 비싸고, 대면적 제조가 어렵다는 단점이 있다. 특히 실리콘 패키징 기판은 고대역폭 메모리(HBM, High Bandwidth Memory)와 같이 마이크로 사이즈의 범프(Bump)가 고밀도로 형성된 다이 패키징용으로 사용하기에는 CTE(Coefficient of Thermal Expansion)가 높다는 단점이 있다.
실리콘 기판을 대체할 수 있는 기술로서 최근 각광받고 있는 기술이 유리기판이다. 유리기판은 실리콘 기판보다 비용 측면에서 효율적이며, 더 큰 면적으로 설계 및 제조가 가능하므로 다수의 칩을 생산할 수 있다는 장점이 있다. 또한 유리의 특성상 표면이 매우 매끄럽고 평평하여 세밀한 회로 설계가 가능하기 때문에 고성능, 고밀도 회로 구현에 있어 유리하다는 장점이 있다.
다만, 유리기판의 경우 재질 특성상 둘 이상을 적층하여 사용하는 다층(Multilayer) 유리기판 형태로 제조 시 층간 접합이 쉽지 않다는 단점이 있고, 유리기판 층간 접합에 일반적인 본딩 재료를 사용할 경우, 본딩 재료와 유리 사이의 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion) 차이로 인하여 층간 분리가 발생하는 등 접합 신뢰성 문제가 야기되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다층(Multilayer) 유리기판 제조 시 본딩 재료와 유리 사이의 열팽창 계수 차이에 따른 층간 분리 문제를 해소할 수 있는 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법 및 반도체용 다층 유리기판을 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면,
(a) 글라스 프릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 글라스 코어의 표면에 도포한 후 1차 예비 소결(Pre-sinter)하여 본딩 유리층을 형성시키는 단계;
(b) 본딩 유리층을 사이에 두고 대면하도록 상기 글라스 코어의 상부에 다른 글라스 코어를 배치하는 단계; 및
(c) 진공분위기에서 상기 본딩 유리층을 2차 소결(Main-sinter)하여 적층 배열된 두 글라스 코어를 밀봉 접합하는 단계;를 포함하는 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판 제조 방법에서 상기 본딩 유리층은 융점이 글라스 코어보다 융점이 낮은 글라스 프릿을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판 제조 방법에서 상기 글라스 코어는, 두께 20 ~ 30㎛ 이며, 상온에서 높은 강도와 내식성, 투명성, 경도를 갖는 산화물 강화유리일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판 제조 방법에서 상기 글라스 코어는, 붕규산 강화유리(Borosilicate glass) 또는 규산 알루미늄 강화유리(Aluminosilicate glass)일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판 제조 방법의 상기 (a) 단계에서는, 스크린 프린팅(Screen Printing)을 이용하여 상기 글라스 코어의 표면에 상기 글라스 프릿 페이스트를 균일한 두께로 도포할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판 제조 방법은 또한,
(a') 상기 (a) 단계 이전에 상기 글라스 코어에 트렌치 전극(Trench electrode)을 형성시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판 제조 방법의 상기 (a') 단계는, (a'-1) 식각을 통해 상기 글라스 코어에 트렌치를 형성시키는 단계와, (a'-2) 상기 글라스 코어보다 융점이 낮은 브레이징 합금을 이용하여 상기 트렌치의 내벽면에 특정 두께로 브레이징 접착층을 형성시키는 단계와, (a'-3) 브레이징 접착층이 형성된 상기 트렌치에 상기 브레이징 합금보다 융점이 높은 전도성 메탈을 채워 전극을 형성시키는 단계 및 (a'-4) 상기 브레이징 접착층이 상기 글라스 코어와 상기 전극 사이에서 상호 결합을 매개하도록 특정 조건에 열처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법에서 상기 (a'-4)에서는, 브레이징 합금의 공융점(Eutectic point)보다 높고 상기 글라스 코어의 융점보다는 낮은 제1 온도범위로 유지되는 환원 분위기 또는 질소 분위기에서 열처리가 행해질 수 있다.
여기서, 상기 제1 온도범위는 577℃ 이상 600℃ 미만일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법에서 상기 브레이징 합금은, 합금 전체 100 중량부(%)를 기준으로, 규소(Si) 함량이 12.5 ~ 12.6 중량부(%)이고 나머지가 알루미늄으로 이루어진 알루미늄-규소(Al-Si) 합금일 수 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,
적층 배열되는 둘 이상의 글라스 코어(Glass core); 및
이웃하는 두 글라스 코어 사이에서 글라스 코어 간 밀봉적인 접합을 매개하는 본딩 유리층;을 포함하며,
상기 본딩 유리층은 상기 글라스 코어보다 융점이 낮은 글라스 프릿을 포함하는, 반도체용 다층 유리기판을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 반도체용 다층 유기리판에서 상기 글라스 코어는 트렌치 전극(Trench electrode)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 반도체용 다층 유기리판에서 상기 트렌치 전극을 구성하는 트렌치의 내벽면과 전도성 메탈 사이에 브레이징 합금으로 이루어진 브레이징 접착층이 특정 두께로 형성되되, 상기 브레이징 접착층은 열처리 시 트렌치의 내벽면과 상기 전도성 메탈 사이에서 상호 결합을 매개하는 융착 브레이징 계면을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 반도체용 다층 유기리판에서 상기 브레이징 합금은, 합금 전체 100 중량부(%)를 기준으로, 규소(Si) 함량이 12.5 ~ 12.6 중량부(%)이고 나머지가 알루미늄인 알루미늄-규소(Al-Si) 합금이고, 상기 전도성 메탈은 구리(Cu)일 수 있다.
여기서, 상기 브레이징 합금의 공융점(Eutectic point)보다 높고 상기 글라스 코어의 융점보다는 낮은 제1 온도범위로 유지되는 환원 분위기 또는 질소 분위기에서 행해지는 열처리에 의하여 상기 융착 브레이징 계면이 형성될 수 있으며, 이때 상기 제1 온도범위는 577℃ 이상 600℃ 미만일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판에서 상기 글라스 코어는, 두께 20 ~ 30㎛ 이며, 상온에서 높은 강도와 내식성, 투명성, 경도를 갖는 산화물 강화유리일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판에서 상기 글라스 코어는, 붕규산 강화유리(Borosilicate glass) 또는 알루미노 규산염 강화유리(Aluminosilicate glass)일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 반도체용 다층 유리기판에서 상기 본딩 유리층은, 글라스 프릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 글라스 코어의 표면에 도포한 후 행해지는 예비 소결(Pre-sinter)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다층 유리기판 제조 시 코어 기판인 글라스 코어보다 융점이 낮은 유리 재료를 사용하여 다층 접합을 구현함으로써, 글라스 코어와 본딩층의 열팽창 계수(CTE)를 매칭시킬 수 있다. 그 결과, 열팽창 계수 차이에 의한 층간 분리 문제가 명확히 해소될 수 있고, 글라스 코어(유리기판) 간 접합 신뢰성이 일층 향상된 신뢰도 높은 다층 유리기판을 제공할 수 있다.
또한, 글라스 코어의 트렌치에 브레이징 접착층을 형성하고 전도성 메탈을 채워 전극을 형성한 후 특정 조건에서 열처리를 수행함에 따라, 열처리 과정에서 일어나는 브레이징 접착층의 상변화(고체->액체)에 의한 융착 브레이징 계면이 글라스 코어와 전극 사이에서 이들의 강력한 결합을 매개할 수 있어서 전극의 부착력(결합력) 및 부착 특성을 크게 향상 혹은 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체용 다층 유리기판의 전체적인 제조 공정을 개략적으로 도시한 공정 개략도이다.
도 3은 글라스 코어에 트렌치 전극을 형성시키는 과정을 순서대로 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 트렌치 전극 형성 과정을 개략적으로 도시한 공정 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법에 의해 제조된 반도체용 다층 유리기판의 단면 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 반도체용 다층 유리기판의 주요부를 확대 도시한 도면으로서, 도 5의 'A'부분을 확대 도시한 본 발명의 요부 확대도이다.
도 7은 반도체용 다층 유리기판의 바람직한 다른 실시 예를 나타낸 단면도.
도 8은 반도체용 다층 유리기판의 바람직한 또 다른 실시 예를 나타낸 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다. 또한, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에도 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이 해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것임을 밝혀 둔다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소 들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 사용되는 "포함하다", "구비하다", "가지다" 등의 용어는 발명의 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 다른 구성 요소와 바로 접하여 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 배치되는 것뿐만 아니라 그 중간에 또 다 른 구성 요소가 배치되는 경우도 포함한다.
도면은 본 발명의 사상을 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 도면에 의해서 본 발명의 범위가 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한 도면에서 상대적인 두께, 길이나 상대적인 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장되어 표현될 수 있음을 밝힌다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체용 다층 유리기판의 전체적인 제조 공정을 개략적으로 도시한 공정 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 제조 방법은, 다층(Multilayer) 유리기판 제조 시 층간 접합성을 크게 향상시킬 수 있는 반도체용 다층 유리기판을 제조하는 방법으로서, 글라스 코어의 표면에 본딩 유리층을 형성시키는 단계(S200), 본딩 유리층이 형성된 글라스 코어 위에 다른 글라스 코어를 적층 배열하는 단계(S300) 및 적층 배열된 두 글라스 코어를 밀봉 접합하는 단계(S300)를 포함한다.
글라스 코어의 표면에 본딩 유리층을 형성시키는 단계(S100)에서는 글라스 프릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 글라스 코어(10)의 표면(상면이나 하면 또는 상면과 하면)에 도포한다. 이후 1차 예비 소결(Pre-sinter)함으로써 본딩 유리층(20)을 형성시킬 수 있다. 글라스 코어의 표면에 본딩 유리층을 형성시키는 단계(S100)에서 본딩 유리층(20)은 글라스 코어(10)보다 융점이 약 100℃가량 낮은 글라스 프릿을 포함한다.
글라스 코어의 표면에 본딩 유리층을 형성시키는 단계(S100)에서 글라스 프릿 페이스트는 글라스 코어(10)의 표면에 균일한 막 두께로 형성될 수 있다. 글라스 코어(10)의 표면에 도포되는 글라스 프릿 페이스트의 막 두께가 균일하지 않으면 한 쌍의 글라스 코어(10a, 10b)를 겹쳤을 때 본딩 유리층(20)과 글라스 코어(10a, 10b) 간 접촉 균일도가 떨어져 글라스 코어(10a, 10b) 간 접합 품질이 크게 저하될 수 있다.
때문에 글라스 코어의 표면에 본딩 유리층을 형성시키는 단계(S100)에서 글라스 프릿 페이스트를 글라스 코어(10)의 표면에 도포함에 있어서는, 글라스 프릿 페이스트가 글라스 코어(10) 상에서 균일한 막 두께를 가지도록 도포하는 것이 중요하고 또 요구된다. 글라스 프릿 페이스트의 균일한 막 두께 도포는 예를 들어, 스크린 프린팅(Screen Printing)에 의해 구현될 수 있다.
글라스 코어의 표면에 본딩 유리층을 형성시키는 단계(S100)에서 글라스 코어(10)에 도포되는 글라스 프릿 페이스트는, 융점이 글라스 코어(10)의 융점보다 약 100℃가량 낮은 글라스 프릿을 주요 기재로 하며, 여기에 유기 용매와 바인더 등이 포함될 구성일 수 있으며, 1차 예비 소결(Pre-sinter)과정에서 글라스 프릿 페이스트에 포함된 유기 용매나 바인더 등이 제거됨으로써 본딩 유리층(20)이 형성될 수 있다.
글라스 프릿은 예를 들어, 규사(Silica sand), 산화 알루미늄(Al2O3), 탄산칼슘(CaCO3)을 특정 비율로 혼합하고 고온에서 융해한 후 빠르게 냉각시켜 미세한 분말 형태로 분쇄한 것일 수 있다. 그리고 유기 용매는 예를 들어, 부틸아세테이트이나 테르피네올, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있으며, 바인더로는 아크릴계 결합제나 니트로 셀룰로오스계 결합제가 사용될 수 있다.
1차 예비 소결(Pre-sinter)과정에서 글라스 프릿 페이스트의 가열이 충분하지 않으면 본딩 유리층(20) 내에 바인더가 잔존하여 접합 성능이 떨어지거나 쉽게 금이 갈 수 있다. 따라서 1차 예비 소결(Pre-sinter)과정에서는 글라스 프릿 페이스트를 충분히 가열하면서도 글라스 코어(10)의 열화를 방지할 수 있는 온도와 압력 조건에서 예비 소결을 수행하는 것이 바람직하다.
1차 예비 소결 이후 글라스 프릿 페이스트를 건조 처리하는 건조 단계(도시 생략)가 추가될 수 있다. 1차 예비 소결 후 추가적으로 건조 처리를 수행하면, 글라스 프릿 페이스트 내에 잔존하는 유기 용매가 보다 확실히 제거될 수 있다. 건조 단계에서는 유기 용매를 기화시켜 제거할 수 있으면서도 고온의 글라스 프릿 페이스트를 서서히 냉각시킬 수 있는 온도와 시간으로 건조 처리를 수행함이 바람직하다.
글라스 코어를 적층 배열하는 단계(S200)에서는 본딩 유리층(20)을 사이에 두고 서로 대면하여 접하도록 동일한 재질의 두 글라스 코어(10a, 10b)를 적층 구조로 배치한다. 적층 과정에서 글라스 코어(10a, 10b)의 적층 방향 정렬상태가 이후 밀봉 접합단계에서 접합 품질에 미치는 영향이 크다는 점을 고려하면, 센서와 정렬유닛, 그리고 지그 등을 포함하는 전용 적층장치를 이용하여 정확하고 정밀한 적층을 구현될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
적층 배열된 글라스 코어를 밀봉 접합하는 단계(S300)에서는 본딩 유리층(20)에 대한 2차 소결(Main-sinter)을 통해 적층 접합을 구현하는 처리가 행해질 수 있다. 적층 배열된 글라스 코어를 밀봉 접합하는 단계(S300)에서는 바람직하게, 적층 배열된 두 글라스 코어(10a, 10b) 사이의 가스를 진공분위기에서 배기시키면서 본딩 유리층(20)을 가열 압착함으로써 글라스 코어(10a, 10b)의 밀봉 접합을 구현할 수 있다.
본딩 유리층(20)을 가열 압착하는 2차 소결(Main-sinter)에서는, 본딩 유리층(20)의 주요 기재인 글라스 프릿의 융점(Melting point)보다는 낮고 연화점(Softening point)보다는 높은 온도에서 소결이 행해질 수 있다. 실시 예에서 글라스 코어(10a, 10b)의 밀봉 접합을 구현하기 위한 2차 소결 온도는 글라스 프릿의 조성에 따라 달라질 수 있으나 약 500℃에서 700℃ 사이일 수 있다.
실시 예에 따른 반도체 다층 유리기판 제조 방법에서 주요 기재가 되는 글라스 코어(10)는 산화물 강화유리일 수 있다. 실시 예에 따른 반도체 다층 유리기판 제조 방법에서 주요 기재가 되는 글라스 코어(10)는, 두께가 20 ~ 30㎛ 이며, 상온에서 높은 강도와 내식성, 그리고 투명성과 경도를 갖는 주성분이 산화물인 강화유리일 수 있다.
바람직한 일례로서, 실시 예에 따른 반도체 다층 유리기판 제조 방법에서 주요 기재가 되는 글라스 코어(10)는, 규산(Silicic acid) 대신에 붕산(Boric acid)을 주체로 하는 유리로서, 붕산을 적어도 5% 이상 함유하며, 낮은 팽창계수로 화학적 내산성, 내후성을 지니며, 내열충격성이 우수한 붕규산 강화유리(Borosilicate glass)일 수 있다.
바람직한 다른 예로서, 실시 예에 따른 반도체 다층 유리기판 제조 방법에서 주요 기재가 되는 글라스 코어(10)는, 알루미나(Alumina)와 산화 붕소(Boron Oxide)로 이루어져 붕규산 유리와 비슷한 특성을 지니면서도, 붕규산 유리에 비해 우수한 내열성과 높은 화학적 저항성을 갖는 규산 알루미늄 강화유리(Aluminosilicate glass)일 수도 있다.
실시 예에 따른 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법은, 전술한 S200 단계 이전에 글라스 코어(10)에 트렌치 전극(Trench electrode)을 형성시키는 단계(S100)를 더 포함할 수 있다. 글라스 코어에 트렌치 전극을 형성하는 단계(S100)에서 트렌치 전극(30)은, 글라스 코어(10)를 식각하여 원하는 패턴으로 트렌치(Trench, 32)를 형성하고, 여기에 전도성 메탈, 예컨대 구리(Cu)를 채움으로써 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 글라스 코어에 전극을 형성시키는 과정에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3은 글라스 코어에 트렌치 전극을 형성시키는 과정을 순서대로 도시한 흐름도이고, 도 4는 도 3의 트렌치 전극 형성 과정을 개략적으로 도시한 공정 개략도이다.
참고로, 이후 전극 형성 과정을 설명함에 있어 사용되는 '트렌치'라는 용어는 전극을 형성시키기 위해 글라스 코어에 식각 공정을 통해 형성되는 미세한 구멍(Via)이나 홈을 의미한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 트렌치 전극 형성 단계(100)는, 식각(Etching) 공정을 통해 글라스 코어(10)에 트렌치(32)를 형성하는 단계(S102), 글라스 코어(10)보다 융점이 낮은 브레이징 합금을 이용하여 트렌치(32)의 내벽면에 특정 두께로 브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계(S104), 브레이징 접착층(34)이 형성된 트렌치(32)에 전도성 메탈(36)을 채워 전극을 형성시키는 단계(S106) 및 브레이징을 위한 열처리를 수행하는 단계(S108)를 포함한다.
글라스 코어에 트렌치를 형성하는 단계(S102)에서는, 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 공지의 포토리소그래피 공정을 통해 글라스 코어(10) 상에 감광제로 패턴을 형성하고, 패턴이 형성된 감광제를 마스크로 하여 식각(etching) 공정을 수행함으로써 트렌치(32)를 형성할 수 있다. 트렌치 형성을 위한 식각 공정에는 플라즈마나 레이저를 이용하는 건식 식각이나 식각액을 이용하는 습식 식각이 적용될 수 있다.
브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계(S104)는 브레이징 합금을 이용하여 트렌치(32)의 내벽면에 브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계이다. 브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계(S104)에서 브레이징 접착층(34)은 글라스 코어(10)와 전도성 메탈(36) 간 강력한 결합을 매개하는 부분으로서, 글라스 코어(10)에 형성된 트렌치(32)에 브레이징 합금을 특정 두께로 증착시킴으로써 형성될 수 있다.
브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계(S104)에서 브레이징 접착층(34)을 구성하는 브레이징 합금은 글라스 코어(10)보다 융점이 낮은 합금일 수 있다. 브레이징 접착층(34)을 구성하는 브레이징 합금은 바람직하게, 합금 전체 100 중량부(%)를 기준으로, 규소(Si) 함량이 12.5 ~ 12.6 중량부(%)이고 나머지가 알루미늄으로 이루어진 알루미늄-규소(Al-Si) 합금일 수 있다.
알루미늄-규소(Al-Si) 합금의 특징은 가볍고, 연성과 전성이 모두 크다. 알루미늄-규소(Al-Si) 합금은 또한, 융점 및 수축율이 낮고, 내부식성이 강하며, 용융 상태에서 유동성이 좋은 특징을 지닌다. 때문에 비교적 낮은 온도에서 쉽게 용융 상태가 되어 유리와 금속 중간에서 이들의 강력한 결합을 매개하는 융착 브레이징 계면을 형성할 수 있다.
브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계(S104)에서 브레이징 접착층(34)은 진공 증착을 통해 글라스 코어(10)의 트렌치에 특정 두께로 형성될 수 있다. 브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계(S104)에서 브레이징 접착층(34)은 진공 증착법의 일종인 스퍼터링(Sputtering) 공정을 통해 글라스 코어(10)의 트렌치에 특정 두께(t1)로 형성될 수 있다.
브레이징 접착층(34)을 형성시키는 단계(S104)에서 브레이징 접착층(34)은 트렌치의 내벽면에 25 ~ 100㎚ 두께로 형성될 수 있다. 브레이징 접착층(34)의 두께가 25㎚ 미만으로 너무 얇으면 접착제로서의 기능을 제대로 수행할 수 없다. 그리고 브레이징 접착층(34)의 두께가 100㎚를 초과하면 필요 이상의 소재 투입으로 원가 상승이 초래될 수 있고, 전극 형성 공간이 줄어 들게 된다.
전극을 형성시키는 단계(S106)에서 전극은 브레이징 접착층(34)을 구성하는 브레이징 합금보다 융점이 높은 전도성 메탈(36)로 구성될 수 있다. 전극을 형성시키는 단계(S106)에서는 내벽면에 브레이징 접착층(34)이 형성된 트렌치(32)에 전해 도금(Electroplating)이나 진공 증착의 일종인 스퍼터링(Sputtering) 공정을 통해 전도성 메탈(36)을 채움으로써 전극을 형성시킬 수 있다.
전극을 형성시키는 단계(S106)에서 전극을 구성하는 전도성 메탈(36)은 예컨대, 구리(Cu)일 수 있다. 전극을 형성시키는 단계(S106)에서 전극을 구성하는 전도성 메탈(36)은 구리 외에 다른 전도성 물질일 수도 있다. 전극을 형성시키는 단계(S106)에서 전극(36)을 구성하는 전도성 메탈은 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 중 하나일 수도 있다.
열처리 단계(S108)는 트렌치 전극 형성 공정의 마지막 단계로서, 전극이 형성된 글라스 코어(10)를 소정의 조건에서 열처리함으로써 전극을 브레이징 접합하는 단계이다. 열처리 단계(S108)에서는 전술한 브레이징 합금의 융점보다는 높고 글라스 코어(10)의 융점보다는 낮은 온도조건에서 열처리를 수행함으로써, 브레이징 접착층(34)이 글라스 코어(10)와 전도성 메탈(36)로 구성된 전극 사이에서 이들의 강력한 결합을 매개하도록 한다.
브레이징을 위한 열처리 단계(S108)에서는 브레이징 합금의 공융점(Eutectic point)보다는 높고 글라스 코어(10)의 융점보다는 낮은 제1 온도범위로 유지되는 환원 분위기 또는 질소 분위기에서 열처리를 수행할 수 있다. 실시 예에서 제1 온도범위는 규소(Si) 함량이 12.5%인 알루미늄-규소 합금의 공융온도가 577℃인 점을 고려했을 때, 577℃ 이상 600℃ 미만이 바람직하다.
브레이징 합금의 공융점 이상에서 행해지는 위와 같은 열처리에 의해 브레이징 접착층(34)의 상변화(고체->액체)가 일어나고, 브레이징 접착층(34)의 상변화에 따라 글라스 코어(10)와 전극 사이에 이들의 강력한 결합을 매개하는 융착 브레이징 계면이 형성됨으로써, 전도성 메탈(36)로 이루어진 전극과 글라스 코어(10)에 형성되는 트렌치(32)는 상호 강력한 결합을 이룰 수 있다.
한편, 트렌치 전극(30)을 갖는 글라스 코어(10)의 경우 해당 글라스 코어(10)의 표면(예컨대, 글라스 코어(10)의 상면이나 하면 또는 양면)에 전술한 S200 단계에서 본딩 유리층(20)을 형성함에 있어서는, 트렌치 전극(30) 중 미세한 구멍에 형성되는 트렌치 전극(관통 전극, 30a)이 글라스 코어(10) 접합 시 층간 전기적 접속을 매개하도록, 상기 미세한 구멍이 형성된 트렌치 전극(30a) 부분을 제외한 영역에만 본딩 유리층(20)을 형성하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 제조 방법에 따르면, 다층 유리기판 제조 시 코어 기판인 글라스 코어보다 융점이 낮은 유리 재료를 사용하여 다층 접합을 구현함으로써, 글라스 코어와 본딩층의 열팽창 계수(CTE)를 매칭시킬 수 있다. 이에 따라, 열팽창 계수 차이에 따른 종래 층간 분리 문제가 명확히 해소될 수 있고, 글라스 코어(유리기판) 사이의 층간 접합 특성이 일층 개선된 신뢰도 높은 다층 유리기판을 제공할 수 있다.
또한, 글라스 코어의 트렌치에 브레이징 접착층을 형성하고 전도성 메탈을 채워 전극을 형성한 후 특정 조건에서 열처리를 수행함에 따라, 열처리 과정에서 일어나는 브레이징 접착층의 상변화(고체->액체)에 의한 융착 브레이징 계면이 글라스 코어와 전극 사이에서 이들의 강력한 결합을 매개할 수 있어서 전극의 부착력(결합력) 및 부착 특성을 크게 향상 혹은 개선시킬 수 있다.
도 5는 전술한 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법에 의해 제조된 반도체용 다층 유리기판의 단면 구성도이며, 도 6은 도 5에 도시된 반도체용 다층 유리기판의 주요부를 확대 도시한 도면으로서, 도 5의 'A'부분을 확대 도시한 본 발명의 요부 확대도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 반도체용 다층 유리기판(1)은 적층 배열되는 둘 이상의 글라스 코어(10a, 10b) 및 이웃하는 두 글라스 코어(10a, 10b) 사이에서 이들 글라스 코어(10a, 10b) 간 밀봉적인 접합을 매개하는 본딩 유리층(20)을 포함한다. 글라스 코어(10a, 10b)에는 트렌치 전극(30)이 형성될 수 있으며, 본딩 유리층(20)은 글라스 코어(10a, 10b) 간 밀봉적인 접합을 위해 글라스 코어(10a, 10b)의 상면과 하면 중 적어도 한 면에 형성될 수 있다.
글라스 코어(10)는 20 ~ 30㎛ 두께의 강화유리일 수 있다. 실시 예에서 글라스 코어(10)는 상온에서 높은 강도와 내식성, 투명성 및 경도를 갖는 주성분이 산화물인 강화유리일 수 있다. 바람직한 예로서, 글라스 코어(10)는 붕규산 강화유리(Borosilicate glass)일 수 있다. 실시 예에 따라서는 규산 알루미늄 강화유리(Aluminosilicate glass)일 수도 있다.
붕규산 강화유리는 규산 대신에 붕산을 주체로 하는 유리로서, 붕산을 적어도 5% 이상 함유하며, 낮은 팽창계수로 화학적 내산성, 내후성을 지니며, 내열충격성이 우수하여 반도체 유리기판으로 적합하며, 규산 알루미늄 강화유리는 알루미나와 산화 붕소로 이루어져 붕규산 유리와 비슷한 특성을 지니면서도, 붕규산 유리에 비하여 우수한 내열성과 높은 화학적 저항성을 가져 반도체 유리기판에 적합하다.
트렌치 전극(30)은 식각 공정을 통해 글라스 코어(10)에 홈 또는 구멍 형태로 형성되는 트렌치(32)에 전도성 메탈(36)을 채움으로써 구성될 수 있다. 트렌치(32)와 전도성(36) 메탈 간 강력한 접합을 위해 트렌치(32)의 내벽면과 전도성 메탈(36) 사이에는 브레이징 합금으로 이루어진 브레이징 접착층(34)이 특정 두께(t1)로 형성될 수 있다. 브레이징 접착층(34)은 바람직하게, 25 ~ 100㎚ 두께로 형성될 수 있다.
브레이징 접착층(34)은 브레이징 접합을 위한 열처리 시 글라스 코어(10)에 형성되는 트렌치(32)의 내벽면과 트렌치(32)에 채워지는 전도성 메탈(36) 사이에서 상호 강력한 결합을 매개하는 융착 브레이징 계면을 형성할 수 있다. 브레이징 접착층(34)은 예를 들어, 진공 증착법의 일종인 스퍼터링(Sputtering) 공정을 통해 트렌치의 내벽면에 형성될 수 있다.
브레이징 접착층(34)을 구성하는 브레이징 합금은 글라스 코어(10)보다 융점이 낮은 합금일 수 있다. 브레이징 접착층(34)을 구성하는 브레이징 합금은 바람직하게, 합금 전체 100 중량부(%)를 기준으로, 규소(Si) 함량이 12.5 ~ 12.6 중량부(%)이고 나머지가 알루미늄(Al)으로 이루어진 알루미늄-규소(Al-Si) 합금일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
알루미늄-규소(Al-Si) 합금의 특징은 가볍고, 연성과 전성이 모두 크다. 알루미늄-규소(Al-Si) 합금은 또한, 융점 및 수축율이 낮고, 내부식성이 강하며, 용융 상태에서 유동성이 좋은 특징을 지닌다. 때문에 비교적 낮은 온도에서 쉽게 용융 상태가 되어 유리와 금속 중간에서 이들의 강력한 결합을 매개하는 융착 브레이징 계면을 형성할 수 있다.
융착 브레이징 계면은 브레이징 합금의 공융점(Eutectic point)보다 높고 상기 글라스 코어(10)의 융점보다는 낮은 제1 온도범위로 유지되는 환원 분위기 또는 질소 분위기에서 열처리를 수행함으로써 형성될 수 있다. 실시 예에서 제1 온도범위는 규소(Si) 함량이 12.5%인 알루미늄-규소 합금의 공융온도가 577℃인 점을 고려했을 때, 577℃ 이상 600℃ 미만일 수 있다.
트렌치 전극(30)을 구성하는 전도성 메탈(36)은 글라스 코어(10)보다 융점이 높은 전도성 소재일 수 있다. 트렌치 전극(30)을 구성하는 전도성 메탈(36)은 바람직하게, 구리(Cu)일 수 있다. 트렌치 전극(30)을 구성하는 전도성 메탈(36)은 구리 외에 다른 전도성 물질일 수도 있다. 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 트렌치 전극(30)을 구성하는 전도성 메탈로 사용될 수 있다.
본딩 유리층(20)은 글라스 프릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 도포한 후 예비 소결(Pre-sinter)함으로써 글라스 코어(10)의 표면(상면이나 하면 또는 상면과 하면)에 형성될 수 있다. 본딩 유리층(20)은 글라스 코어(10)보다 융점이 100℃가량 낮은 글라스 프릿을 포함하며, 글라스 코어(10)의 표면에 균일한 막 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 스크린 프린팅을 통해 글라스 코어(10)의 표면에 균일한 막 두께로 형성될 수 있다.
본딩 유리층(20) 형성을 위해 글라스 코어(10)에 도포되는 글라스 프릿 페이스트는, 융점이 글라스 코어(10)의 융점보다 약 100℃가량 낮은 상기 글라스 프릿을 주요 기재로 하며, 여기에 유기 용매와 바인더 등이 포함된 구성일 수 있으며, 예비 소결(Pre-sinter)과정에서 글라스 프릿 페이스트에 포함된 유기 용매나 바인더 등이 제거됨으로써 상기 본딩 유리층(20)이 형성될 수 있다.
글라스 프릿은 예를 들어, 규사(Silica sand), 산화 알루미늄(Al2O3), 탄산칼슘(CaCO3)을 특정 비율로 혼합하고 고온에서 융해한 후 빠르게 냉각시켜 미세한 분말 형태로 분쇄한 것일 수 있다. 그리고 유기 용매는 예를 들어, 부틸아세테이트이나 테르피네올, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있으며, 바인더로는 아크릴계 결합제나 니트로 셀룰로오스계 결합제가 사용될 수 있다.
한편, 전극은 앞서 설명한 트렌치 전극 형태뿐만 아니라 글라스 코어의 일면 또는 양면에 양각 형태로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 다른 실시 예와 같이, 글라스 코어(10')의 상면에 양각으로 형성될 수 있다. 양각의 돌출 전극(30')은 글라스 코어(10')의 상면에 금속박을 브레이징 접합하고, 이후 불필요한 금속박 부분을 식각 공정 등을 통해 제거하는 방법 등에 의해 형성될 수 있다.
글라스 코어(10')의 상면에 돌출 전극(30')을 형성하는 경우 본딩 유리층(20')은, 도 7과 같이 글라스 코어(10')의 상면과 해당 돌출 전극(30')을 모두 덮는 형태로 글라스 코어(10')의 상면에 소정의 두께로 형성될 수 있다.
다만, 이 경우 글라스 코어 접합 시 두 글라스 코어(10a', 10b') 간 전기적 접속을 위하여, 미세한 구멍에 형성된 전극(관통 전극, 30a') 부분을 제외한 영역에만 본딩 유리층(20)이 소정의 두께로 형성될 수 있다.
경우에 따라서는, 도 8의 또 다른 실시 예와 같이, 글라스 코어(10")의 상면에 본딩 유리층(20")을 먼저 형성하고, 본딩 유리층(20") 위에 양각의 돌출 전극(30") 형태로 전극을 구성할 수도 있다. 이 경우, 양각의 돌출 전극(30")은 예를 들어, 본딩 유리층(20")의 상면에 금속박을 브레이징 접합하고, 이후 불필요한 금속박 부분을 식각 공정 등을 통해 제거하는 방식으로 형성될 수 있다.
이상의 실시 예에 따른 반도체용 다층 유리기판에 의하면, 코어 기판인 글라스 코어보다 융점이 낮은 유리 계열의 본딩층이 접합 대상 두 글라스 코어 사이의 접합을 매개함으로써, 글라스 코어와 본딩층의 열팽창 계수(CTE)를 매칭시킬 수 있다. 이에 따라, 열팽창 계수 차이에 따른 층간 분리 문제가 명확히 해소될 수 있고, 글라스 코어(유리기판) 간 접합 신뢰성을 일층 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (19)

  1. (a) 글라스 프릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 글라스 코어의 표면에 도포한 후 1차 예비 소결(Pre-sinter)하여 본딩 유리층을 형성시키는 단계;
    (b) 본딩 유리층을 사이에 두고 대면하도록 상기 글라스 코어의 상부에 다른 글라스 코어를 배치하는 단계; 및
    (c) 진공분위기에서 상기 본딩 유리층을 2차 소결(Main-sinter)하여 적층 배열된 두 글라스 코어를 밀봉 접합하는 단계;를 포함하는, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩 유리층은 글라스 코어보다 융점이 낮은 글라스 프릿을 포함하는, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 글라스 코어는,
    두께 20 ~ 30㎛ 이며, 상온에서 높은 강도와 내식성, 투명성, 경도를 갖는 산화물 강화유리인, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 글라스 코어는,
    붕규산 강화유리(Borosilicate glass) 또는 규산 알루미늄 강화유리(Aluminosilicate glass)인, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서는,
    스크린 프린팅(Screen Printing)으로 상기 글라스 코어의 표면에 상기 글라스 프릿 페이스트를 균일한 두께로 도포하는, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    (a') 상기 (a) 단계 이전에 상기 글라스 코어에 트렌치 전극을 형성시키는 단계;를 더 포함하는, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (a') 단계는,
    (a'-1) 식각을 통해 상기 글라스 코어에 트렌치를 형성시키는 단계;
    (a'-2) 상기 글라스 코어보다 융점이 낮은 브레이징 합금을 이용하여 상기 트렌치의 내벽면에 특정 두께로 브레이징 접착층을 형성시키는 단계;
    (a'-3) 브레이징 접착층이 형성된 상기 트렌치에 상기 브레이징 합금보다 융점이 높은 전도성 메탈을 채워 전극을 형성시키는 단계; 및
    (a'-4) 상기 브레이징 접착층이 상기 글라스 코어와 상기 전극 사이에서 상호 결합을 매개하도록 특정 조건에 열처리를 수행하는 단계;를 포함하는, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (a'-4) 단계에서는,
    상기 브레이징 합금의 공융점(Eutectic point)보다 높고 상기 글라스 코어의 융점보다는 낮은 제1 온도범위로 유지되는 환원 분위기 또는 질소 분위기에서 열처리를 수행하는, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 온도범위는 577℃ 이상 600℃ 미만인, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 브레이징 합금은 합금 전체 100 중량부(%)를 기준으로, 규소(Si) 함량이 12.5 ~ 12.6 중량부(%)이고 나머지가 알루미늄으로 이루어진 알루미늄-규소(Al-Si) 합금인, 반도체용 다층 유리기판의 제조 방법.
  11. 적층 배열되는 둘 이상의 글라스 코어(Glass core); 및
    이웃하는 두 글라스 코어 사이에서 글라스 코어 간 밀봉적인 접합을 매개하는 본딩 유리층;을 포함하며,
    상기 본딩 유리층은 상기 글라스 코어보다 융점이 낮은 글라스 프릿을 포함하는, 반도체용 다층 유리기판.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 글라스 코어는 트렌치 전극(Trench electrode)을 포함하는, 반도체용 다층 유리기판.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 트렌치 전극을 구성하는 트렌치의 내벽면과 전도성 메탈 사이에 브레이징 합금으로 이루어진 브레이징 접착층이 특정 두께로 형성되되,
    상기 브레이징 접착층은 열처리 시 상기 트렌치의 내벽면과 상기 전도성 메탈 사이에서 상호 결합을 매개하는 융착 브레이징 계면을 형성하는, 반도체용 다층 유리기판.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 브레이징 합금은 합금 전체 100 중량부(%)를 기준으로, 규소(Si) 함량이 12.5 ~ 12.6 중량부(%)이고 나머지가 알루미늄인 알루미늄-규소(Al-Si) 합금이고, 상기 전도성 메탈은 구리(Cu)인, 반도체용 다층 유리기판.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 브레이징 합금의 공융점(Eutectic point)보다 높고 상기 글라스 코어의 융점보다는 낮은 제1 온도범위로 유지되는 환원 분위기 또는 질소 분위기에서 행해지는 열처리에 의해 상기 융착 브레이징 계면이 형성되는, 반도체용 다층 유리기판.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 온도범위는 577℃ 이상 600℃ 미만인, 반도체용 다층 유리기판.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 글라스 코어는,
    두께 20 ~ 30㎛ 이며, 상온에서 높은 강도와 내식성, 투명성, 경도를 갖는 산화물 강화유리인, 반도체용 유리기판.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 글라스 코어는,
    붕규산 강화유리(Borosilicate glass) 또는 알루미노 규산염 강화유리(Aluminosilicate glass)인, 반도체용 다층 유리기판.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 본딩 유리층은,
    글라스 프릿 페이스트(Glass Frit Paste)를 글라스 코어의 표면에 도포한 후 예비 소결(Pre-sinter)하여 형성되는, 반도체용 다층 유리기판.
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