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문제 정의
- 본 연구는 기존 열산화막을 채용한 SOI 기판의 직접접합법에 이미 성공적으로 채용된 선형가열법을 이용하여, 같은 방법으로 LPCVD로 제조된 Si3N4막을 절연막질로 채용한 SOI기판의 제조에서 접합강도에 중요한 역할을 할 수 있는 가접단계에서의 세정공정 의존성을 확인하기 위해 선형열원의 입열량을 변화시키며 제조하고 이들의 접합강도를 변화 확인하였다. 접합강도를 확인한 시편은 IR카메라 및 수직 단면 투과전자현미경을 활용하여 정량적인 접합면적과 접합기구를 확인하였다.
제안 방법
- 한편 한 그룹의 기판은 10% HF를 사용하여 표면의 자연산화막을 제거하여 기판표면의 소수성을 가지도록 한 새로운 기판쌍들을 준비 하였고9), 다른 한 그룹은 자연산화막을 그대로 두어 친수성을 가지도록 하였다. 두 그룹 시편들 모두 건조 후 즉시 30분내에 실온에서 실리콘연마면과 Si3N4 상부층을 마주보게 하고 접촉시켰다. 이 때 접촉된 기판의 계면은 계면의 수소결합으로 유지되어 계속 접합상태를 유지하였다.
- 1에 선형열처리장비의 개략도를 나타내었다. 반타원형의 반사경에 의해 집속된 열원은 기판쌍 표면위에 폭 1mm의 가열영역을 만들고 이때의 표면온도를 기판쌍 상부에서 열전쌍을 이용하여 표면온도를 측정하였다. 이때 열원의 이동속도는 0.
- 수직단면 투과전자현미경 관찰을 위한 단면시편은 다이아몬드 절단기로 절단하고 약 20㎛ 두께까지 트리포드(tri pod)를 이용하여 연마하고 PIPS (precision ion polishing system 정밀 이온 연삭 시스템)를 이용하여 전자빔이 투과될 정도로 얇게 가공하여 관찰하였다. 이 때 소수성 처리가 된 기판은 비교적 접합강도가 작아 절단작업중 분리가 일어나 미세구조를 확인할 수 없었다.
- 열처리가 끝난 기판쌍들의 접합강도를 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 IR Camera룔 이용하여 접합면 전체를 관찰하여 내부의 접합면적을 비파괴적으로 확인하였다10). 접합율을 확인한 시편은 Crack Opening법을 사용하여 기계적인 접합강도를 측정하였다.
- 완성된 기판쌍들의 수직 단면을 HRTEM으로 관찰하였다. 수직단면 투과전자현미경 관찰을 위한 단면시편은 다이아몬드 절단기로 절단하고 약 20㎛ 두께까지 트리포드(tri pod)를 이용하여 연마하고 PIPS (precision ion polishing system 정밀 이온 연삭 시스템)를 이용하여 전자빔이 투과될 정도로 얇게 가공하여 관찰하였다.
- 1mm/s로 고정하고 할로겐 램프의 입열량을 400, 600, 780, 1125W로 변환시키며 접합을 실시하였다. 이 때 기판쌍 하부 중심부에는 R type의 직경 1mm의 열전대 접점을 물리적으로 기판쌍 하부 표면부에 접촉시킨 후 선형열처리시 기판쌍의 최고온도를 측정하였다.
- 반타원형의 반사경에 의해 집속된 열원은 기판쌍 표면위에 폭 1mm의 가열영역을 만들고 이때의 표면온도를 기판쌍 상부에서 열전쌍을 이용하여 표면온도를 측정하였다. 이때 열원의 이동속도는 0.1mm/s로 고정하고 할로겐 램프의 입열량을 400, 600, 780, 1125W로 변환시키며 접합을 실시하였다. 이 때 기판쌍 하부 중심부에는 R type의 직경 1mm의 열전대 접점을 물리적으로 기판쌍 하부 표면부에 접촉시킨 후 선형열처리시 기판쌍의 최고온도를 측정하였다.
- 전처리공정에서 가접된 기판쌍의 접합강도를 향상시키기 위하여 선형열처리기를 사용하였다. 선형열처리기는 기판상의 표면을 일정속도로 이동하여 할로겐 램프의 열원을 표면에 집속시키는 방법으로 Fig.
- 확인하였다. 접합강도를 확인한 시편은 IR카메라 및 수직 단면 투과전자현미경을 활용하여 정량적인 접합면적과 접합기구를 확인하였다.
- 한편 일반적인 furnace를 사용한 기판상의 접합을 확인하기 위해 상기 실험방법으로 친수성 · 소수성으로 처리하고 가접한 2개 그룹의 기판쌍을 각각 900℃-2hr동안 전기로에서 열처리하였다. 이 때 로의 승온(ramp up) 조건은 10℃/min으로 하였다.
대상 데이터
- 500Å 두께의 Si3N4를 절연막질로 채용하여 선형열처리기를 이용하여 입열량 400~1175W 범위에서 조절하여 SOI기판을 제조하였다. 접합이 완성된 시편을 IR 카메라로 내부의 접합면을 확인한 결과 약 75~85%의 접합율을 보였고, 소수성 전처리가 된 기판쌍의 경우 입열량에 따른 의존성은 없었다.
- 9sccm이었고, NH4 gas flow는 100sccm이었다. 실리콘 기판과 준비된 Si3N3/Si 기판 모두 H2SO4:H2O2=3:1 인 SPM(Sulfuric Peroxide Mixture)와 초순수를 이용하여 세척하고 스핀건조기로 건조시켜 표면에 매우 얇은 산화막층이 형성되어 친수성이 되도록 조작한 시편들을 준비하였다. 한편 한 그룹의 기판은 10% HF를 사용하여 표면의 자연산화막을 제거하여 기판표면의 소수성을 가지도록 한 새로운 기판쌍들을 준비 하였고9), 다른 한 그룹은 자연산화막을 그대로 두어 친수성을 가지도록 하였다.
- 직경 10cm인 p-type(100)Si 기판을 785℃에서 Si2Cl2와 NH4 gas를 사용하여 LPCVD법으로 500Å두께의 Si3N4 막을 기판전면에 성장시켜 준비하였다. 완성된 각 박막의 두께는 ellipsometer로 확인하였다.
이론/모형
- . 접합율을 확인한 시편은 Crack Opening법을 사용하여 기계적인 접합강도를 측정하였다. 촬영된 결과물을 Image pro™ 소프트웨어로 정확한 접합면적을 계산하여 결함이 발생된 영역/전체 기판크기의 비를 백분율로 표시한 접합률로 접합의 건전성을 확인하였다.
성능/효과
- 친수성 전처리와 선형열처리를 한 기판상은 입열량에 관계없이 2000mJ/m2 이상의 접합강도를 보였는데 이는 SB기판제조에 필수적인 CMP 등의 후속공정에도 기판쌍의 접합이 유지될 수 있는 정도라고 판단되었다. 따라서 선형열처리법을 통해 Si3N4를 절연막질로 채용한 SOI 기판의 접합을 시행할 경우 친수성 전처리가 보다 유리하다고 판단되었으며 로내 열처리를 행한 경우보다도 온도는 1/2 이하의 저온에서 가능하고 작업시간도 1/10 정도에서 비슷한 품질의 Si3N4 제작이 가능하여 비교 우위가 있다고 판단되었다.
- 접합이 완성된 시편을 IR 카메라로 내부의 접합면을 확인한 결과 약 75~85%의 접합율을 보였고, 소수성 전처리가 된 기판쌍의 경우 입열량에 따른 의존성은 없었다. 완성된 시편의 접합강도를 Crack opening 법으로 측정한 결과 소수성 전처리를 한 기판쌍의 경우 입열량의 증가에 따라 1125W에서 최대 1577mJ/m2까지 선형적으로 강도가 증가하였고 자연산화막을 제거하지 않아 접합면에 약 25A 두께의 SiO2 층이 남아있는 친수성 접합의 경우 접합강도가 입열량에 관계없이 2000mJ/m2 이상으로 기존의 로내 열처리에 비해서도 온도와 에너지면에서 비교 우위에 있으며 반도체 기판으로 채용될 경우 CMP 등의 후속공정 적용이 가능하다고 판단되었다.
- 2의 IR 사진들에서 나타난 등고선 폐원부를 비접합면으로 상정하고 이미지 소프트웨어로 계산한 접합면적의 백분율 결과이다. 입열량에 따라 75%정도의 접합율을 보여 접합율의 의존성은 없다고 판단되었다. 접합율이 계면 개스가 선형열처리시 포획되는 현상에 의해 주로 결정된다고 가정하면, 내부개스의 포획량은 주어진 입열량 변화조건에서 선형 입열량에 따라 큰 차이가 없었다고 판단되었다.
- 제조하였다. 접합이 완성된 시편을 IR 카메라로 내부의 접합면을 확인한 결과 약 75~85%의 접합율을 보였고, 소수성 전처리가 된 기판쌍의 경우 입열량에 따른 의존성은 없었다. 완성된 시편의 접합강도를 Crack opening 법으로 측정한 결과 소수성 전처리를 한 기판쌍의 경우 입열량의 증가에 따라 1125W에서 최대 1577mJ/m2까지 선형적으로 강도가 증가하였고 자연산화막을 제거하지 않아 접합면에 약 25A 두께의 SiO2 층이 남아있는 친수성 접합의 경우 접합강도가 입열량에 관계없이 2000mJ/m2 이상으로 기존의 로내 열처리에 비해서도 온도와 에너지면에서 비교 우위에 있으며 반도체 기판으로 채용될 경우 CMP 등의 후속공정 적용이 가능하다고 판단되었다.
- 4에 입열량에 따른 표면최고온도를 나타내었다. 주어진 실험범위에서 입열량이 증가함에 따라 선형적으로 표면최고온도가 선형적 증가하였다. 선형열처리법에 의해 주어진 온도범위에서 실험범위내 입열량(X)에 따른 표면온도 (y, ℃)는 선형적인 관계식인 y=0.
- 접합율을 확인한 시편은 Crack Opening법을 사용하여 기계적인 접합강도를 측정하였다. 촬영된 결과물을 Image pro™ 소프트웨어로 정확한 접합면적을 계산하여 결함이 발생된 영역/전체 기판크기의 비를 백분율로 표시한 접합률로 접합의 건전성을 확인하였다.
- 소수성 전처리를 하고 선형열처리를 한 기판쌍은입열량에 따라 접합강도가 증가하여 1125w 에서는 1577mJ/m2 이상의 접합강도를 얻었다. 친수성 전처리와 선형열처리를 한 기판상은 입열량에 관계없이 2000mJ/m2 이상의 접합강도를 보였는데 이는 SB기판제조에 필수적인 CMP 등의 후속공정에도 기판쌍의 접합이 유지될 수 있는 정도라고 판단되었다. 따라서 선형열처리법을 통해 Si3N4를 절연막질로 채용한 SOI 기판의 접합을 시행할 경우 친수성 전처리가 보다 유리하다고 판단되었으며 로내 열처리를 행한 경우보다도 온도는 1/2 이하의 저온에서 가능하고 작업시간도 1/10 정도에서 비슷한 품질의 Si3N4 제작이 가능하여 비교 우위가 있다고 판단되었다.
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