[논문]실리콘 웨이퍼 직접 접합에서 기포형 접합 결합에 관한 연구

문도민; 홍진균; 유학도; 정해도

실리콘 웨이퍼 직접 접합에서 기포형 접합 결합에 관한 연구
A study on Bubble-like Defects in Silicon Wafer Direct Bonding 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.11 no.3, 2001년, pp.159 - 163

문도민 (LG 실트론 연구소) , 홍진균 (LG 실트론 연구소) , 유학도 (LG 실트론 연구소) , 정해도 (부산대학교 기계공학부)

초록
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실리콘 웨이퍼 직접 접합을 성공하기 위해서는 양호한 접합면을 구성하여야 하며, 이를 위해 접합면에서 발생하는 주요 결함 중 하나인 기포형 접합 결함을 억제하여야 한다. 본 연구에서는 접합면에서 발생하는 기포형 결함의 상온 접합 및 열처리 과정에서의 거동을 관찰하여 내부의 압력이 증가함을 직접 관찰할 수 있었다. 또한, 대기압 하의 열처리에서 결함이 발생하지 않는 $SiO_2$-$SiO_2$ 접합 웨이퍼가 진공에서의 열처리에서 결함이 발생하는 현상을 통해 기포형 결함의 내부 압력과 성장과의 관계를 실험을 통하여 증명할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The success of SDB (silicon wafer direct bonding) technology can be estabilished by bonding on the bonded interface with no defects and Preventing temperature dependent bubbles. In this research, we observed the behavior of the intrinsic bubbles by transmitting the infrared light and the increase of the bubble pressure was found. And, the $SiO_2$-$SiO_2$ bonded wafer was achieved, which generates no intrinsic bubbles in the annealing under the atmospheric pressure. The intrinsic bubbles in the $SiO_2$-$SiO_2$ bonded wafer were generated in the annealing in the ultra high vacuum. This experimental result shows the relation between the bubble growth and the pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 접합면에서 발생하는 기포형 결함의 상온접합 및 열처리 과정에서의 거동을 관찰하여 내부의 압력이 증가함을 직접 관찰할 수 있었다. 또한, 대기압 하의 열처리에서 결함이 발생하지 않는 SiO₂-SiO₂ 접합 웨이퍼가 진공에서의 열처리에서 결함이 발생하는 현상을 통해 기포형 결함의 내부 압력과 성장과의 관계를 실험을 통하여 증명할수 있었다.

가설 설정

벗겨지는 박리 현상 및 그림 2(b) 와같은 핀홀 형태의 HF 결함은 접합공정에 의해 발생하는 SOI 웨이퍼 결함이다.
버블의 성장을 위한 임계 반경 r_crit 을 계산하기 위해 버블내부와 외부의 압력차 Δp를 포함하는 자유에너지 변화량 ΔG를 이용하며, 버블의 체적 V_bubble 은 반지름 r을 가지며 높이가 2h인 타원형의 단면 형상으로 가정하고 1/2~1/3 의 값을 가지는 기하학적 형상계수 a를 고려하면 아래와 같다.

제안 방법

접합 및 열처리 후, 접합 계면의 상태는 적외선의 실리콘에 대한 투과성을 이용하여 적외선 램프 및 적외선 카메라로 구성된 검사 장치를 이용하여 검사하였다(그림 4). 그리고, 내인성 버블의 압력과 성장 조건에 따른 관계룔 실험적으로 규명하기 위해서 상압의 열처리에서 내인성 버블이 발생하지 않도록 SiO₂- SiO₂ 접합 웨이퍼를 이용하였다. 일부 웨이퍼는 1X10^-6 torr의 고진공에서 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 복사열을 이용한 열처리를 시행하며, 이후 대기압에 질소가스 분위기로 600-1000°C 온도의 열처리하였다.
모든 접합 웨이퍼는 류브형 열처리로에서 질소가스 분위기로 600〜1000의 온도로 열처리하였다. 접합 및 열처리 후, 접합 계면의 상태는 적외선의 실리콘에 대한 투과성을 이용하여 적외선 램프 및 적외선 카메라로 구성된 검사 장치를 이용하여 검사하였다(그림 4).
그리고, 내인성 버블의 압력과 성장 조건에 따른 관계룔 실험적으로 규명하기 위해서 상압의 열처리에서 내인성 버블이 발생하지 않도록 SiO₂- SiO₂ 접합 웨이퍼를 이용하였다. 일부 웨이퍼는 1X10^-6 torr의 고진공에서 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 복사열을 이용한 열처리를 시행하며, 이후 대기압에 질소가스 분위기로 600-1000°C 온도의 열처리하였다. 진공 열처리 상태에서 접합면에서의 확산현상을 확인하기 위해 RGA (Residual Gas Analyzer)를 이용하였다 (그림 5).
600〜1000의 온도로 열처리하였다. 접합 및 열처리 후, 접합 계면의 상태는 적외선의 실리콘에 대한 투과성을 이용하여 적외선 램프 및 적외선 카메라로 구성된 검사 장치를 이용하여 검사하였다(그림 4). 그리고, 내인성 버블의 압력과 성장 조건에 따른 관계룔 실험적으로 규명하기 위해서 상압의 열처리에서 내인성 버블이 발생하지 않도록 SiO₂- SiO₂ 접합 웨이퍼를 이용하였다.
접합 웨이퍼의 진공 열처리에서 접합면에서의 확산 현상을 RGA룔 이용하여 관찰하였다. 그림 7은 진공에서 열처리 시간에 따른 변화를 나타낸 것이다.

대상 데이터

본 연구에서는 (100) 결정 방향을 가지는 P형의 경면 웨이퍼와 위에 1200Å의 열산화막을 성장시킨 산화막 웨이퍼를 사용하였다. 1차로 황산 (H₂SO₄) 과 과산화수소수(H₂O₂) 의 부피비로 4대 1 의 혼합액에 12분간 습식 세정한 후, 초순수 (deionized water) 로 표면의 세정 용액을 충분히 제거하였다.

이론/모형

일부 웨이퍼는 1X10^-6 torr의 고진공에서 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 복사열을 이용한 열처리를 시행하며, 이후 대기압에 질소가스 분위기로 600-1000°C 온도의 열처리하였다. 진공 열처리 상태에서 접합면에서의 확산현상을 확인하기 위해 RGA (Residual Gas Analyzer)를 이용하였다 (그림 5).

성능/효과

직접 관찰할 수 있었다. 또한, 대기압 하의 열처리에서 결함이 발생하지 않는 SiO₂-SiO₂ 접합 웨이퍼가 진공에서의 열처리에서 결함이 발생하는 현상을 통해 기포형 결함의 내부 압력과 성장과의 관계를 실험을 통하여 증명할수 있었다.
형태로 나눌 수 있었다. 버블에서 적외선 간섭에 의해 발생한 줄무늬 2개 이상의 상대적으로 크기가 큰 버블은 Si-Si 및 Si-SiO₂ 접합에서 600℃ 및 진공 열처리에서 먼저 발생하였으며, 추가 열처리 시 줄무늬의 증가를 관찰할수 있었다 (그림 6). 상대적으로 작은 크기의 버블은 900℃ 이상의 열처리에서는 모두 소멸하였다.
열처리 과정에서 발생하는 내인성 버블은 온도가 올라가면 내부의 압력이 증가하는 것을 적외선 간섭에 의한 줄무늬가 증가하는 현상올 통하여 알 수 있었다. 진공 열처리실험을 통해 접합면으로부터 확산을 확인할 수 있었으며, 기포형 결함이 없는 접합 실리콘 웨이퍼를 이용하여 진공 열처리와 대기압 하에서의 열처리 실험 결과를 통해 외부압력 latm의 변화에도 성장이 가능한 낮은 내부 압력 상태에서 성장이 시작됨을 알 수 있었다.
초기의 이러한 급격한 변화는 접합면에서 확산뿐만 아니라, 웨이퍼 표면에 흡착되어 있는 분자들이 탈착하면서 큰 변화를 보인 것으로 사료되어진다. 이후, 시간이 경과함에 따라 표면에서의 탈착 효과는 무시되어지며, 순수한 접합면에서의 확산은 초기보다는 조금 감소하지만 계속 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 앞에서 언급한 실험조건으로 접합한 SiO₂-SiO₂ 접합에서는 이러한 버블은 상압, 600〜900°C의 열처리에서 전혀 발생하지 않았다.
증가하는 현상올 통하여 알 수 있었다. 진공 열처리실험을 통해 접합면으로부터 확산을 확인할 수 있었으며, 기포형 결함이 없는 접합 실리콘 웨이퍼를 이용하여 진공 열처리와 대기압 하에서의 열처리 실험 결과를 통해 외부압력 latm의 변화에도 성장이 가능한 낮은 내부 압력 상태에서 성장이 시작됨을 알 수 있었다.
그림 7은 진공에서 열처리 시간에 따른 변화를 나타낸 것이다. 초기 상태에서 열처리 시작 시, 급격하게 수소와 물분자가 배출되는 것을 확인할 수 있었다. 초기의 이러한 급격한 변화는 접합면에서 확산뿐만 아니라, 웨이퍼 표면에 흡착되어 있는 분자들이 탈착하면서 큰 변화를 보인 것으로 사료되어진다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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K. Mitani, Volker Lehmann, R. Stengl, D. Feijoo, U. M. Gosele, H.Z. Massoud, 'Cause and Prevention of Temperature-Dependent Bubbles in Silicon Wafer Bonding', Jpn. J. Appl. Phys, Vol. 30, 4 (1991)

상세보기
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Q. Y. Tong, G. Kaido, L. Tong, M. Feiche, F. Shi, J. Steinkircchner, T.Y. Tan, U. Gosele, 'A Simple Chemical Treatment for Preventing Thermal Bubbles in Silicon Wafer Bonding', J. Electrochem. Soc. vol. 142, 10 (1995)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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