본 연구에서는 실리콘 웨이퍼의 고속 직접접합 공정을 위하여 상압 플라즈마와 함께 에어로젤 형태의 초순수 분사를 이용하여 표면처리 활성화 및 결함이 없는 실리콘 직접접합 공정을 개발하였다. 플라즈마 공정의 다양한 인자, 즉 $N_2$ 가스의 유량, CDA(clean dry air)의 유량, 플라즈마 헤드와 기판 간의 간격, 플라즈마의 인가전압이 플라즈마 활성화, 즉 친수화 처리에 미치는 영향을 접촉각 측정을 통하여 관찰하였다. 또한 열처리 온도 및 열처리 시간이 접합 강도에 미치는 영향을 연구하였으며, 접합 강도의 측정은 crack opening 방법을 이용하였다. 접합 강도가 제일 높은 최적의 열처리 조건은 $400^{\circ}C$의 열처리 온도 및 2 시간의 열처리 시간이었다. 플라즈마 스캔 속도 및 스캔 횟수를 실험계획법을 이용하여 최적화한 결과, 스캔 속도는 30 mm/sec, 스캔 횟수는 4 회에서 최적의 접합 강도를 나타내고 있었다. 열처리 조건과 플라즈마 활성화 조건을 최적화 한 후 직접접합을 하여 적외선투과현미경 등을 이용하여 관찰한 결과, 접합된 웨이퍼에서 접합 공정으로 인한 공극이나 결함은 관찰되지 않았다. 접합된 웨이퍼의 접합 강도는 평균 $2.3J/m^2$의 접합 강도를 나타내고 있었다.
본 연구에서는 실리콘 웨이퍼의 고속 직접접합 공정을 위하여 상압 플라즈마와 함께 에어로젤 형태의 초순수 분사를 이용하여 표면처리 활성화 및 결함이 없는 실리콘 직접접합 공정을 개발하였다. 플라즈마 공정의 다양한 인자, 즉 $N_2$ 가스의 유량, CDA(clean dry air)의 유량, 플라즈마 헤드와 기판 간의 간격, 플라즈마의 인가전압이 플라즈마 활성화, 즉 친수화 처리에 미치는 영향을 접촉각 측정을 통하여 관찰하였다. 또한 열처리 온도 및 열처리 시간이 접합 강도에 미치는 영향을 연구하였으며, 접합 강도의 측정은 crack opening 방법을 이용하였다. 접합 강도가 제일 높은 최적의 열처리 조건은 $400^{\circ}C$의 열처리 온도 및 2 시간의 열처리 시간이었다. 플라즈마 스캔 속도 및 스캔 횟수를 실험계획법을 이용하여 최적화한 결과, 스캔 속도는 30 mm/sec, 스캔 횟수는 4 회에서 최적의 접합 강도를 나타내고 있었다. 열처리 조건과 플라즈마 활성화 조건을 최적화 한 후 직접접합을 하여 적외선투과현미경 등을 이용하여 관찰한 결과, 접합된 웨이퍼에서 접합 공정으로 인한 공극이나 결함은 관찰되지 않았다. 접합된 웨이퍼의 접합 강도는 평균 $2.3J/m^2$의 접합 강도를 나타내고 있었다.
In order to achieve a high speed and high quality silicon wafer bonding, the room-temperature direct bonding using atmospheric pressure plasma and sprayed water vapor was developed. Effects of different plasma fabrication parameters, such as flow rate of $N_2$ gas, flow rate of CDA (clear...
In order to achieve a high speed and high quality silicon wafer bonding, the room-temperature direct bonding using atmospheric pressure plasma and sprayed water vapor was developed. Effects of different plasma fabrication parameters, such as flow rate of $N_2$ gas, flow rate of CDA (clear dry air), gap between the plasma head and wafer surface, and plasma applied voltage, on plasma activation were investigated using the measurements of the contact angle. Influences of the annealing temperature and the annealing time on bonding strength were also investigated. The bonding strength of the bonded wafers was measured using a crack opening method. The optimized condition for the highest bonding strength was an annealing temperature of $400^{\circ}C$ and an annealing time of 2 hours. For the plasma activation conditions, the highest bonding strength was achieved at the plasma scan speed of 30 mm/sec and the number of plasma treatment of 4 times. After optimization of the plasma activation conditions and annealing conditions, the direct bonding of the silicon wafers was performed. The infrared transmission image and the cross sectional image of bonded interface indicated that there is no void and defects on the bonded wafers. The bonded wafer exhibited a bonding strength of average $2.3J/m^2$.
In order to achieve a high speed and high quality silicon wafer bonding, the room-temperature direct bonding using atmospheric pressure plasma and sprayed water vapor was developed. Effects of different plasma fabrication parameters, such as flow rate of $N_2$ gas, flow rate of CDA (clear dry air), gap between the plasma head and wafer surface, and plasma applied voltage, on plasma activation were investigated using the measurements of the contact angle. Influences of the annealing temperature and the annealing time on bonding strength were also investigated. The bonding strength of the bonded wafers was measured using a crack opening method. The optimized condition for the highest bonding strength was an annealing temperature of $400^{\circ}C$ and an annealing time of 2 hours. For the plasma activation conditions, the highest bonding strength was achieved at the plasma scan speed of 30 mm/sec and the number of plasma treatment of 4 times. After optimization of the plasma activation conditions and annealing conditions, the direct bonding of the silicon wafers was performed. The infrared transmission image and the cross sectional image of bonded interface indicated that there is no void and defects on the bonded wafers. The bonded wafer exhibited a bonding strength of average $2.3J/m^2$.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
200 L/min 이상에서는 접촉각이 약간 상승하고, 400 L/min 이상의 유량에서는 친수화 처리 효과가 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 N2 가스의 사용량을 최소화하기 위하여 N2의 유량을 200 L/min로 최적 조건을 설정하였다. 다음으로 플라즈마 공정의 캐리어 가스(carrier gas)로서 CDA 유량에 따른 친수화 정도를 확인하기 위한 실험을 수행하였다.
플라즈마 공정에서 플라즈마의 스캔 속도 및 스캔 횟수는 표면 처리의 정도 및 접합 강도에 직접적으로 큰 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 플라즈마의 스캔 속도, 스캔 횟수 및 기판과의 간격이 접합 강도에 미치는 영향을 파악하고, 접합 조건을 최적화하기 위하여 실험계획법을 사용하여 실험을 수행하였다. 최적화 요소로서 스캔속도, 스캔 횟수, 기판과의 간격을 설정하였으며, 3 요인 3 수준으로 DOE 설계에기준하여 실험을 하였으며 실험 조건이 Table 1에 나타나 있다.
방출된 플라즈마에 의하여 기판 표면이 활성화되기 때문에 기판과 헤드와의 간격은 플라즈마 활성화에 중요한 요소가 될 수 있다. 따라서 플라즈마 헤드와 기판과의 간격을 최적화하기 위하여 플라즈마 헤드와 기판의 거리가 플라즈마 표면 처리에 주는 영향을 검토하였다. 실험은 앞서 최적화한 실험 조건을 토대로 가스의 유량은 고정하고 즉, N2 유량을 200 L/min, CDA의 유량을 2 L/min으로 고정한 후, 간격을 1 mm에서 10 mm까지 가변하면서 표면 접촉각을 측정하였다.
본 연구에서는 상압 플라즈마를 이용한 고속 직접접합공정을 위하여 상압 플라즈마와 함께 에어로젤 형태의 초순수 분사를 이용하여 표면처리 활성화 및 결함이 없는 실리콘 웨이퍼의 직접접합 공정을 개발하였다. 또한 플라즈마 처리 및 열처리 공정에 영향을 주는 다양한 인자들을 연구하였으며, 이를 통하여 최적의 직접접합 공정을 위한 다양한 인자들의 최적화를 수행하였다. 플라즈마 활성화에 영향을 줄 수 있는 인자로서 N2 가스 유량의 경우 200 L/min 부터는 접촉각이 급격히 감소하면서 친수화 효과가 발생하였으며, 400 L/min 부터는 친수화효과가 감소하였다.
특히 초순수가플라즈마 작용에 의하여 분해되면서 발생한 H 분자는 기판 표면에 남아있는 유기물들을 효과적으로 제거하여 기판 표면을 세척하게 됨으로써, 접합 시 유기물에 의한 결함 및 공극들을 제거할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 공정 시간 단축 및 고강도의 직접접합 공정을 달성하기 위하여 플라즈마 처리 및 열처리 공정에 영향을 주는 다양한 인자들을 연구하였으며, 실험계획법(DOE, design of experiment)을 사용하여 다양한 인자들의 조건을 최적화하였다.
본 연구에서는 실리콘 웨이퍼의 직접접합 공정을 최적화하기 위하여 고 친수성 상압 플라즈마 및 열처리에 영향을 미치는 다양한 인자 및 조건들에 대한 영향도 분석을 수행하였으며, 궁극적으로 다양한 인자 및 공정 조건의 최적화를 통한 고강도의 직접접합 공정을 수행하였다
즉 고온의 열처리 공정에서 O-H 원자들은 H 원자나 물분자 상태로 기판 내로 흡수되거나 밖으로 방출되어 Si-Si 이나 Si-O-Si의 결합상태를 갖게 되면서 높은 접합 강도를 갖게 된다. 본 연구에서는 앞서 최적화한 플라즈마 처리 조건을 기준으로 높은 접합 강도를 위한 최적의 플라즈마 처리 조건 및 최적의 열처리 조건을 구하고자 실험을 진행하였다. 열처리 조건에서는 열처리 온도와 시간이 가장 중요한 변수이므로, 열처리 조건은 열처리 온도와 시간이 접합 강도에 미치는 영향을 고찰하였으며, 최적의 열처리 조건을 찾고자 하였다.
와 반응 가스에 의해 플라즈마가 발생되며, 플라즈마의 활성화 정도는 플라즈마의 파워(power), 반응 가스의 유량, 플라즈마 헤드(head)와 기판과의 간격(gap), 플라즈마의 스캔 속도 등 다양한 인자들에 의하여 영향을 받는다. 본 연구에서는 우선 고 친수성을 위한 플라즈마 처리 조건을 최적화하기 위하여 플라즈마 활성화에 영향을 줄 수 있는 인자로서 N2 가스의 유량, 캐리어 가스인 CDA (clean dry air)의 유량, 플라즈마 헤드와 기판과의 거리 및 플라즈마 파워에 대해서, 각각의 인자들이 플라즈마 활성화에 미치는 영향을 검토하였다. 플라즈마 활성화의 정도, 즉 친수화 효과는 접촉각 측정을 통하여 확인하였다.
또한 상압에서 플라즈마 처리를 할 경우 공정 시간은 단축되지만 활성화 효과가 감소될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 두 가지 단점을 극복하기 위하여 상압 플라즈마와 함께 에어로젤 형태의 초순수 분사를 접목하여 공정 시간을 단축하며, 표면처리를 극대화하였다. 즉 플라즈마 활성화 이후, 스프레이 노즐(spray nozzle)을 통해 분사되는 에어로젤 형태의 초순수를 이용하여 웨이퍼 표면을 세척함과 동시에 직접접합을 위한 OH group을 웨이퍼 표면에 형성하여 기판 표면을 활성화하였다.
본 연구에서는 앞서 최적화한 플라즈마 처리 조건을 기준으로 높은 접합 강도를 위한 최적의 플라즈마 처리 조건 및 최적의 열처리 조건을 구하고자 실험을 진행하였다. 열처리 조건에서는 열처리 온도와 시간이 가장 중요한 변수이므로, 열처리 조건은 열처리 온도와 시간이 접합 강도에 미치는 영향을 고찰하였으며, 최적의 열처리 조건을 찾고자 하였다. 열처리 조건에서 열처리 온도는 100oC, 300oC, 500oC로 하고, 열처리 시간은 1 시간, 3 시간, 5 시간으로 실험 조건은 열처리 온도와 열처리 시간에 대한 2 요인 3 수준의 실험계획법(DOE)을 이용하여 최적화하였다.
우선 N2 가스의 유량을 최적화하기 위하여 유량 변화에 따른 친수화 효과를 확인 하였다. N2는 플라즈마 공정가스로 사용되지만 비활성 가스로서 플라즈마 헤드의 냉각을 위해서도 필요하기 때문에 100 L/min 이상의 많은 양이 사용된다.
가설 설정
표면 처리가 끝난 기판을 상온에서 접촉시키면 Van der Waals 또는 수소결합(hydrogen bond)에 의해 자발적으로 접합되며(spontaneous bonding), 이를 silanol 접합이라고 한다.1) 이러한 초기접합은 접합력은 작지만, 두 기판의 위치를 고정시키기에 충분하다. 이후 고온에서 열처리(annealing) 공정을 진행하면 dehydration이 발생하여 수소는 수증기로 제거되며 siloxane (Si-O-Si)의 네트워크가 형성되면서 기판이 접합된다.
제안 방법
한편 적외선투과장비 이외에 X-ray 분석기를 이용하여 웨이퍼의 결함의 존재를 자세히 확인하였다. Xray 측정 시 전체 웨이퍼를 X-ray로 검사할 경우 정밀도가 떨어지기 때문에 웨이퍼의 여러 부분을 부분적으로 측정하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 N2 가스의 사용량을 최소화하기 위하여 N2의 유량을 200 L/min로 최적 조건을 설정하였다. 다음으로 플라즈마 공정의 캐리어 가스(carrier gas)로서 CDA 유량에 따른 친수화 정도를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. CDA 가스의 사용 목적은CDA에 포함된 O2 분자를 플라즈마에 의해 중성자 및 이온 상태로 만들어 실리콘 기판 표면의 탄소로 구성된 유기 오염 물질들을 제거하기 위함이며, CDA 가스는 플라즈마의 표면 활성화 처리 효과에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
4는 간격의 변화에 따른 플라즈마 형상을 나타낸 것으로 기판과의 간격이 증가함에 따라서 플라즈마 발생 영역이 점점 감소함을 알 수 있다. 다음으로 플라즈마 인가전압 변화에 따른 플라즈마 활성화 정도를 파악하기 위한 시험을 수행하였다. 플라즈마 인가전압은 1 kV부터 사용된 플라즈마 장비 사양의 최대치인 11 kV까지 전압을 인가하였다.
기판과의 거리 즉 간격은 2~3 mm 조건에서 진행 시 가장 높은 접합 강도를 갖는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서는 스캔 속도는 30 mm/sec, 스캔 횟수는 4 회, 기판과의 거리는 2 mm로 최적화 조건을 정하여 시험하였다. 열처리 조건과 플라즈마 활성화 조건을 최적화 한 후 직접접합을 하여 접합 강도를 측정하였다.
열처리 조건의 경우 접합 강도는 열처리 시간보다는 열처리 온도에 직접적인 영향을 받았으며, 300oC 이상부터 안정적인 접합 강도를 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 최적의 조건으로서 열처리 온도는 400oC, 열처리 시간은 2 시간으로 설정하였다. 플라즈마 스캔 속도는 30 mm/sec에서 가장 높은 접합 강도를 나타내고 있으며, 속도가 50mm/sec로 증가할 경우 플라즈마 효과가 감소함을 알 수 있었다.
또한 반도체 패키지의 접합 강도를 측정하는 표준화된 측정방법으로서 다이전단 시험기를 이용하여 웨이퍼의 접합 강도를 측정하여 blade에 의한 접합 강도 측정과 비교하였다. 측정 방법은 JIS Z3198-7 규격20)에 의거하여 측정하였다.
즉 직접접합을 위해서는 Si 표면에 O-H group을 형성시키는 산화(oxidation)공정과 hydration의 전처리과정이 필요하다. 먼저 실리콘 기판의 표면에 산화막을 형성시킨 웨이퍼를 H2O2-H2SO4 및 희석된 H2SO4 등의 용액에 넣어 표면처리를 한다. 표면 처리가 끝난 기판을 상온에서 접촉시키면 Van der Waals 또는 수소결합(hydrogen bond)에 의해 자발적으로 접합되며(spontaneous bonding), 이를 silanol 접합이라고 한다.
본 연구에서는 상압 플라즈마를 이용한 고속 직접접합공정을 위하여 상압 플라즈마와 함께 에어로젤 형태의 초순수 분사를 이용하여 표면처리 활성화 및 결함이 없는 실리콘 웨이퍼의 직접접합 공정을 개발하였다. 또한 플라즈마 처리 및 열처리 공정에 영향을 주는 다양한 인자들을 연구하였으며, 이를 통하여 최적의 직접접합 공정을 위한 다양한 인자들의 최적화를 수행하였다.
플라즈마 활성화 전에 실리콘 웨이퍼의 오염물질의 세척을 위하여 실리콘 웨이퍼는 표준 세척 공정인 RCA 공정을 사용하여 세척을 한 후, 질소(N2) 가스로 분사 시키면서 건조하여 잔여 수분을 제거하였다. 세척이 끝나면, 접합될 2 개의 웨이퍼를 적절한 위치에 정렬(align) 시켜 겹치게 한 후, 약간의 압력을 가하여 대기 상태에서 초기 접합을 진행하였다. 초기 접합의 목적은 2개의 웨이퍼 사이의 존재하는 공기를 빠져나가게 함이다.
최적화 요소로서 스캔속도, 스캔 횟수, 기판과의 간격을 설정하였으며, 3 요인 3 수준으로 DOE 설계에기준하여 실험을 하였으며 실험 조건이 Table 1에 나타나 있다. 스캔 속도는 10, 30, 50 mm, 스캔 회수는 1, 4, 7회, 그리고 기판과의 간격은 1, 2, 3 mm로 각각 설정하여 15가지 실험을 진행하였으며, 각 접합 조건에 대해서 접합강도를 측정하여, 각 인자가 접합 강도에 미치는 요인에 대해 분석하였다. Fig.
CDA 가스의 사용 목적은CDA에 포함된 O2 분자를 플라즈마에 의해 중성자 및 이온 상태로 만들어 실리콘 기판 표면의 탄소로 구성된 유기 오염 물질들을 제거하기 위함이며, CDA 가스는 플라즈마의 표면 활성화 처리 효과에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 실험은 N2와 CDA의 혼합 비율, 즉 CDA의 유량을 증가시키면서 접촉각의 변화를 측정하였으며, 실험 결과가 Fig. 2에 나타나 있다. 실험 결과, N2만 사용했을 때 보다 CDA를 함께 사용했을 때의 경우가 높은 플라즈마 처리 효과를 나타내고 있음을 알 수 있으며, CDA의 유량이 1~3 L/min 사이에서 접촉각이 3도 미만으로서 친수성에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
따라서 플라즈마 헤드와 기판과의 간격을 최적화하기 위하여 플라즈마 헤드와 기판의 거리가 플라즈마 표면 처리에 주는 영향을 검토하였다. 실험은 앞서 최적화한 실험 조건을 토대로 가스의 유량은 고정하고 즉, N2 유량을 200 L/min, CDA의 유량을 2 L/min으로 고정한 후, 간격을 1 mm에서 10 mm까지 가변하면서 표면 접촉각을 측정하였다. 실험 결과, Fig.
앞서 각 요소에 대하여 최적화한 조건을 토대로 플라즈마 처리 후 기판 표면의 친수화 정도를 확인하였다. 즉 N2 유량을 200 L/min, CDA의 유량을 2 L/min, 플라즈마 헤드와 기판과의 거리는 3 mm, 플라즈마의 인가전압을 11 kV로 하여 플라즈마 처리를 한 후 실리콘 기판의 표면 접촉각을 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 스캔 속도는 30 mm/sec, 스캔 횟수는 4 회, 기판과의 거리는 2 mm로 최적화 조건을 정하여 시험하였다. 열처리 조건과 플라즈마 활성화 조건을 최적화 한 후 직접접합을 하여 접합 강도를 측정하였다. 접합된 3 장의 웨이퍼의 접합 강도를 blade를 이용한 crack opening 방법으로 측정한 결과 평균 2.
열처리 조건에서는 열처리 온도와 시간이 가장 중요한 변수이므로, 열처리 조건은 열처리 온도와 시간이 접합 강도에 미치는 영향을 고찰하였으며, 최적의 열처리 조건을 찾고자 하였다. 열처리 조건에서 열처리 온도는 100oC, 300oC, 500oC로 하고, 열처리 시간은 1 시간, 3 시간, 5 시간으로 실험 조건은 열처리 온도와 열처리 시간에 대한 2 요인 3 수준의 실험계획법(DOE)을 이용하여 최적화하였다. 각 조건에 대해서 접합을 실시한 후, 접합 강도 측정은 blade를 이용한 crack opening 방법을 이용하여 측정하였다.
웨이퍼의 직접접합 후의 접합의 상태, 즉 공극 및 결함의 존재를 검사하기 위하여 적외선 투과장비를 이용하여 평가하였다. 접합 후 나타나는 공극은 크게 외인성 공극(extrinsic void)와 내인성 공극(intrinsic void)로 구분된다.
플라즈마 처리 후, 플라즈마 활성화의 정도는 표면자유에너지 접촉각의 측정을 통하여 관찰하였다. 접촉각 측정은 접촉각 측정기(KSV사, CAM-200)를 이용하여 웨이퍼 위에 물방울을 떨어뜨린 후, 물방울의 접촉각도(contact angle)를 측정하였다. 접합된 두 개의 웨이퍼의 접합 정도, 즉 접합 강도는 40 μm steel blade를 사용한 crack opening 시험방법16,17)을 사용하여 측정하였다.
본 연구의 접합 공정에서 사용된 실리콘 웨이퍼는 p-type의 12 inch <100>이며 두께는 775 μm이고, 비저항은 5~20 Ωcm 이었다. 접합 공정 순서는 우선 웨이퍼를 세척한 후, 접합될 웨이퍼의 플라즈마 활성화 및 스프레이 노즐을 통한 초순수 분사, 접합을 위한 초기 접합(prebonding) 및 고온의 열처리(annealing) 공정의 순으로 진행되었다. 플라즈마 활성화 전에 실리콘 웨이퍼의 오염물질의 세척을 위하여 실리콘 웨이퍼는 표준 세척 공정인 RCA 공정을 사용하여 세척을 한 후, 질소(N2) 가스로 분사 시키면서 건조하여 잔여 수분을 제거하였다.
접합된 웨이퍼를 10 × 10 mm2로 절단한 후 shear tester 장비를 이용하여 접합강도를 측정하였다.
한편 접합 강도의 비교를 위하여 반도체 패키지의 접합 강도 측정을 위해서 주로 사용되고 있는 다이 전단 시험기(die shear tester, Dage 4000HS)를 이용하여 접합 강도를 측정하여 비교하였다. 접합된 전체 웨이퍼의 결함 및 공극의 검사는 적외선 투과장비(IR transmission inspection system, KP-F/20CL) 및 X-ray 분석기(Xscan-N160DCT, Xavis) 등을 이용하여 관찰하였다.
앞서 각 요소에 대하여 최적화한 조건을 토대로 플라즈마 처리 후 기판 표면의 친수화 정도를 확인하였다. 즉 N2 유량을 200 L/min, CDA의 유량을 2 L/min, 플라즈마 헤드와 기판과의 거리는 3 mm, 플라즈마의 인가전압을 11 kV로 하여 플라즈마 처리를 한 후 실리콘 기판의 표면 접촉각을 측정하였다. 기판의 크기는 300 mm 웨이퍼를 사용하였으며, 플라즈마 처리의 균일도를 확인하기 위하여 총 37 포인트를 측정하였다.
본 연구에서는 이러한 두 가지 단점을 극복하기 위하여 상압 플라즈마와 함께 에어로젤 형태의 초순수 분사를 접목하여 공정 시간을 단축하며, 표면처리를 극대화하였다. 즉 플라즈마 활성화 이후, 스프레이 노즐(spray nozzle)을 통해 분사되는 에어로젤 형태의 초순수를 이용하여 웨이퍼 표면을 세척함과 동시에 직접접합을 위한 OH group을 웨이퍼 표면에 형성하여 기판 표면을 활성화하였다. 플라즈마 처리 후 기판 표면은 활성화 되어 친수화 특성을 가지게 된다.
따라서 본 연구에서는 플라즈마의 스캔 속도, 스캔 횟수 및 기판과의 간격이 접합 강도에 미치는 영향을 파악하고, 접합 조건을 최적화하기 위하여 실험계획법을 사용하여 실험을 수행하였다. 최적화 요소로서 스캔속도, 스캔 횟수, 기판과의 간격을 설정하였으며, 3 요인 3 수준으로 DOE 설계에기준하여 실험을 하였으며 실험 조건이 Table 1에 나타나 있다. 스캔 속도는 10, 30, 50 mm, 스캔 회수는 1, 4, 7회, 그리고 기판과의 간격은 1, 2, 3 mm로 각각 설정하여 15가지 실험을 진행하였으며, 각 접합 조건에 대해서 접합강도를 측정하여, 각 인자가 접합 강도에 미치는 요인에 대해 분석하였다.
마지막으로 접합된 웨이퍼를 퍼니스(furnace)에 넣어 질소 분위기에서 열처리 공정을 통하여 두 개의 웨이퍼를 접합시켰다. 플라즈마 처리 후, 플라즈마 활성화의 정도는 표면자유에너지 접촉각의 측정을 통하여 관찰하였다. 접촉각 측정은 접촉각 측정기(KSV사, CAM-200)를 이용하여 웨이퍼 위에 물방울을 떨어뜨린 후, 물방울의 접촉각도(contact angle)를 측정하였다.
본 연구에서는 우선 고 친수성을 위한 플라즈마 처리 조건을 최적화하기 위하여 플라즈마 활성화에 영향을 줄 수 있는 인자로서 N2 가스의 유량, 캐리어 가스인 CDA (clean dry air)의 유량, 플라즈마 헤드와 기판과의 거리 및 플라즈마 파워에 대해서, 각각의 인자들이 플라즈마 활성화에 미치는 영향을 검토하였다. 플라즈마 활성화의 정도, 즉 친수화 효과는 접촉각 측정을 통하여 확인하였다.
따라서 반도체 공정의 수준에서 공정이 진행된다면 외인성 공극의 발생도 없을 것으로 판단된다. 한편 적외선투과장비 이외에 X-ray 분석기를 이용하여 웨이퍼의 결함의 존재를 자세히 확인하였다. Xray 측정 시 전체 웨이퍼를 X-ray로 검사할 경우 정밀도가 떨어지기 때문에 웨이퍼의 여러 부분을 부분적으로 측정하였다.
Crack opening 시험 방법에서는 접합된 웨이퍼의 계면 사이에 blade를 일정한 속도로 삽입하여, 삽입된 blade에 의하여 발생한 접합 계면에서의 크랙의 길이를 측정하여 접합 강도, 즉 본딩 에너지(bonding energy)를 측정한다. 한편 접합 강도의 비교를 위하여 반도체 패키지의 접합 강도 측정을 위해서 주로 사용되고 있는 다이 전단 시험기(die shear tester, Dage 4000HS)를 이용하여 접합 강도를 측정하여 비교하였다. 접합된 전체 웨이퍼의 결함 및 공극의 검사는 적외선 투과장비(IR transmission inspection system, KP-F/20CL) 및 X-ray 분석기(Xscan-N160DCT, Xavis) 등을 이용하여 관찰하였다.
대상 데이터
즉 N2 유량을 200 L/min, CDA의 유량을 2 L/min, 플라즈마 헤드와 기판과의 거리는 3 mm, 플라즈마의 인가전압을 11 kV로 하여 플라즈마 처리를 한 후 실리콘 기판의 표면 접촉각을 측정하였다. 기판의 크기는 300 mm 웨이퍼를 사용하였으며, 플라즈마 처리의 균일도를 확인하기 위하여 총 37 포인트를 측정하였다. Fig.
본 연구의 접합 공정에서 사용된 실리콘 웨이퍼는 p-type의 12 inch 이며 두께는 775 μm이고, 비저항은 5~20 Ωcm 이었다.
이론/모형
열처리 조건에서 열처리 온도는 100oC, 300oC, 500oC로 하고, 열처리 시간은 1 시간, 3 시간, 5 시간으로 실험 조건은 열처리 온도와 열처리 시간에 대한 2 요인 3 수준의 실험계획법(DOE)을 이용하여 최적화하였다. 각 조건에 대해서 접합을 실시한 후, 접합 강도 측정은 blade를 이용한 crack opening 방법을 이용하여 측정하였다. 실험 결과, Fig.
접합된 두 개의 웨이퍼의 접합 정도, 즉 접합 강도는 40 μm steel blade를 사용한 crack opening 시험방법16,17)을 사용하여 측정하였다.
또한 반도체 패키지의 접합 강도를 측정하는 표준화된 측정방법으로서 다이전단 시험기를 이용하여 웨이퍼의 접합 강도를 측정하여 blade에 의한 접합 강도 측정과 비교하였다. 측정 방법은 JIS Z3198-7 규격20)에 의거하여 측정하였다. 접합된 웨이퍼를 10 × 10 mm2로 절단한 후 shear tester 장비를 이용하여 접합강도를 측정하였다.
성능/효과
1에 나타난 것과 같이, 플라즈마 처리 전의 실리콘 웨이퍼의 접촉각은 33도 이였으며, 플라즈마 처리 후에는 150 L/min 까지는 접촉각이 매우 크나, 200 L/min 유량부터는 접촉각이 급격히 감소하면서 친수화 효과가 발생함을 알 수 있었다. 200 L/min 이상에서는 접촉각이 약간 상승하고, 400 L/min 이상의 유량에서는 친수화 처리 효과가 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 N2 가스의 사용량을 최소화하기 위하여 N2의 유량을 200 L/min로 최적 조건을 설정하였다.
이때 shear test의 속도는 200 μm/sec 이었다. 5 개의 샘플을 측정한 결과 평균 15 MPa의 전단 강도를 보여주고 있으며, 특히 Fig. 9에서 보듯이 시험 중에 접합부가 아닌 실리콘 웨이퍼가 파괴될 정도로 높은 접합 강도를 보여주고 있다.
따라서 N2 유량의 실험 범위는 100~500L/min에서 진행하였다. Fig. 1에 나타난 것과 같이, 플라즈마 처리 전의 실리콘 웨이퍼의 접촉각은 33도 이였으며, 플라즈마 처리 후에는 150 L/min 까지는 접촉각이 매우 크나, 200 L/min 유량부터는 접촉각이 급격히 감소하면서 친수화 효과가 발생함을 알 수 있었다. 200 L/min 이상에서는 접촉각이 약간 상승하고, 400 L/min 이상의 유량에서는 친수화 처리 효과가 다소 감소하는 경향을 나타내었다.
따라서 직접접합이 잘 수행된 것을 알 수 있었다. 결론적으로 본 연구에서 수행한 상압 플라즈마 처리 공정과 열처리 공정의 최적화를 통하여 고강도의 실리콘 웨이퍼 직접접합을 이룰 수가 있었다.
스캔 횟수의 경우 4회에서 최적의 접합 강도를 나타내고 있으며, 횟수가 많아지면 오히려 플라즈마 효과가 감소함을 알 수 있었다. 기판과의 거리 즉 간격은 2~3 mm 조건에서 진행 시 가장 높은 접합 강도를 갖는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서는 스캔 속도는 30 mm/sec, 스캔 횟수는 4 회, 기판과의 거리는 2 mm로 최적화 조건을 정하여 시험하였다.
이때 미접촉 영역은 공극의 높이 편차에 따른 빛의 간섭 현상으로 인해 간섭띠 혹은 다른 색깔을 나타내고 있다. 본 연구에서 최종적으로 접합한 결과, 웨이퍼의 엣지(edge), 즉 외곽 부분에서 2 개의 외인성 공극이 나타났으며, 내인성 공극은 나타나지 않았다. 본 연구는 반도체 공정 클린룸 수준인 아닌 클래스 1,000~10,000 수준의 클린룸 수준에서 공정이 진행되었기 때문에 어느 정도 입자에 의한 오염을 피할 수는 없었다.
또한 열처리 시간이 증가함에 따라서 접합 강도도 서서히 증가함을 알 수 있다. 본 연구에서는 높은 접합강도를 위한 고속의 접합공정이 목표이기 때문에 최적의 열처리 조건은 열처리 온도는 400oC, 열처리 시간은 2 시간으로 최적화하였다. 플라즈마 공정에서 플라즈마의 스캔 속도 및 스캔 횟수는 표면 처리의 정도 및 접합 강도에 직접적으로 큰 영향을 미친다.
8의 주요인 분석에서 나타나듯이, 스캔 속도 30 mm/sec에서 가장 높은 접합 강도를 나타내고 있으며, 스캔 속도가 50 mm/sec로 빨라질 경우 플라즈마 효과가 감소함을 알 수 있었다. 스캔 횟수의 경우 4회에서 최적의 접합 강도를 나타내고 있으며, 횟수가 많아지면 오히려 플라즈마 효과가 감소함을 알 수 있었다. 기판과의 거리 즉 간격은 2~3 mm 조건에서 진행 시 가장 높은 접합 강도를 갖는 것으로 분석되었다.
실험은 앞서 최적화한 실험 조건을 토대로 가스의 유량은 고정하고 즉, N2 유량을 200 L/min, CDA의 유량을 2 L/min으로 고정한 후, 간격을 1 mm에서 10 mm까지 가변하면서 표면 접촉각을 측정하였다. 실험 결과, Fig. 3과 같이 간격이 1mm에서 가장 작은 접촉각을 나타내고 있으며, 간격이 5mm 이하에서 접촉각이 5도 이하로 나타났다. 간격이 1~5mm 범위에서는 접촉각의 변화는 크지 않다.
각 조건에 대해서 접합을 실시한 후, 접합 강도 측정은 blade를 이용한 crack opening 방법을 이용하여 측정하였다. 실험 결과, Fig. 7의 주인자 효과(main effect)에서와 같이 접합 강도는 열처리 시간보다는 열처리 온도에 직접적인 영향을 받았으며, 300oC 이상부터 안정적인 접합 강도를 나타냄을 알 수 있다. 또한 열처리 시간이 증가함에 따라서 접합 강도도 서서히 증가함을 알 수 있다.
2에 나타나 있다. 실험 결과, N2만 사용했을 때 보다 CDA를 함께 사용했을 때의 경우가 높은 플라즈마 처리 효과를 나타내고 있음을 알 수 있으며, CDA의 유량이 1~3 L/min 사이에서 접촉각이 3도 미만으로서 친수성에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. CDA의 유량이 4 L/min 이상에서는 접촉각이 다시 증가하기 시작하여 4 L/min에서는 플라즈마의 친수화 효과가 감소함을 알 수 있었다.
5는 플라즈마 인가전압에 따른 접촉각의 변화를 나타낸 그림이다. 실험 결과, 인가전압을 상승시킬수록 처리효과는 상승하였으며, 8 kV 이상부터 접촉각이다. 11 kV의 경우에 접촉각이 5도 미만으로 나타났으며 친수화 처리 효과가 충분한 것으로 판단되었다.
스캔 횟수의 경우 4 회에서 최적의 접합 강도를 나타내고 있었다. 열처리 조건과 플라즈마 활성화 조건을 최적화한 후 직접접합을 하여 접합 강도 및 공극, 결함 등을 관찰한 결과 평균 2.3 J/m2의 접합강도를 나타내고 있으며, 접합 공정으로 인한 공극이나 결함은 관찰되지 않았다.
11 kV 경우 접촉각이 5도 미만으로 나타났다. 열처리 조건의 경우 접합 강도는 열처리 시간보다는 열처리 온도에 직접적인 영향을 받았으며, 300oC 이상부터 안정적인 접합 강도를 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 최적의 조건으로서 열처리 온도는 400oC, 열처리 시간은 2 시간으로 설정하였다.
열처리 조건과 플라즈마 활성화 조건을 최적화 한 후 직접접합을 하여 접합 강도를 측정하였다. 접합된 3 장의 웨이퍼의 접합 강도를 blade를 이용한 crack opening 방법으로 측정한 결과 평균 2.3 J/m2의 접합 강도를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 이 수치는 기존의 플라즈마를 이용한 직접접합 공정의 접합 강도18,19)와 거의 유사한 접합강도이다.
11에서 밝은 부분이 웨이퍼 부분이다. 총 18 포인트를 Xray로 측정한 결과 웨이퍼 내에 공극이나 결함은 발견되지 않았다. 따라서 직접접합이 잘 수행된 것을 알 수 있었다.
따라서 최적의 조건으로서 열처리 온도는 400oC, 열처리 시간은 2 시간으로 설정하였다. 플라즈마 스캔 속도는 30 mm/sec에서 가장 높은 접합 강도를 나타내고 있으며, 속도가 50mm/sec로 증가할 경우 플라즈마 효과가 감소함을 알 수 있었다. 스캔 횟수의 경우 4 회에서 최적의 접합 강도를 나타내고 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
직접접합기술이란?
직접접합(direct bonding) 기술은 1960년도 초에 개발된 이래 많은 발전과 더불어 현재 여러 분야에서 활용되고 있다. 직접접합기술은접착제나중간삽입층(intermediatelayer)을 사용하지 않고 두 표면 사이의 접착력을 향상시켜 두 표면을 접합하는 기술로서 주로 실리콘과 실리콘을 직접 접합하는 공정이며, 퓨전 본딩(fusion bonding),웨이퍼 본딩 등으로 다양하게 불려진다.1) 직접접합이 가장 많이 사용되는 공정으로는 silicon on insulator (SOI) 웨이퍼 제작 공정이며, MEMS 소자 공정, 반도체 적층 공정 등에도 사용되고 있다.
그러나 고진공 접합 기술은 복잡한 시스템 및 장시간의 접합으로 인하여 실제적으로 활용되기 힘든 면이 있다. 따라서 플라즈마를 이용하여 표면에너지를 증가시키거나, 플라즈마의 이온 충돌(ion bombardment)에 의한 표면 거칠기의 증가를 통하여 접합 강도를 증가시키는 방법이 많이 사용되고 있다. 한편 친수성 표면을 만들기 위하여 습식 처리, 즉 화학액을 사용한 방법도 사용되고 있다.
참고문헌 (20)
M. Shimbo, K. Furukawa, K. Fukuda and K. Tanzawa, "Silicon- to-silicon Direct Bonding Method", J. Appl. Phys., 60, 2987 (1986).
Y. H. Cho, S. E. Kim and S. Kim, "Wafer Level Bonding Technology for 3D Stacked IC", J. Microelectron. Packag. Soc., 20(1), 7 (2013).
S. Kang, J. Lee, E. Kim, N. Lim, S. Kim, S. Ki and S. E. Kim, "Fabrication and Challenges of Cu-to-Cu Wafer Bonding", J. Microelectron. Packag. Soc., 19(2), 29 (2012).
V. Lehmann, K. Mitani, R. Stengl, T. Mii and U. Gosele, "Bubble-free Wafer Bonding of GaAs and InP on Silicon in a Microcleanroom", Jpn. J. Appl. Phys. Part 2, 28(12), L2141 (1989).
Z. X. Xiong and J. P. Raskin, "Low-temperature Wafer Bonding: a Study of Void Formation and Influence on Bonding Strength", J. Microelectromech. Syst., 14(2), 368 (2005).
T. Suni, K. Henttinen, I. Suni and J. Makinen, "Effects of Plasma Activation on Hydrophilic Bonding of Si and $SiO_2$ ", J. Electrochem. Soc., 149(6), G348 (2002).
Q. Y. Tong, W. J. Kim, T. H. Lee and U. Gosele, "Low Vacuum Wafer Bonding", Electrochem. Solid-State Lett., 1(1), 52 (1998).
Y. W. Bo, T. C. Ming, W. Jun, D. S. Sheng and H. G. Yu, "Effect of Medium Vacuum on Low Temperature Wafer Bonding", J. Micromech. Microeng., 15(5), 1001 (2005).
R. Malik, T. Shi, Z. Tang and S. Liu, "Effect of Ultra Violet Process and Annealing on Reliability in Low Temperature Silicon Wafer Direct Bonding", Adv. Sci. Lett., 4(3), 774 (2011).
K. Ljungberg, U. Jansson, S. Bengtsson and A. Soderbarg, "Modification of Silicon Surfaces with $H_2SO_4:H_2O_2$ :HF and $HNO_3$ :HF for Wafer Bonding Applications", J. Electrochem. Soc., 143, 1709 (1996).
G. L. Sun, J. Zhan, Q. Y. Tong, S. J. Xie, Y. M. Cai and S. J. Lu, "Cool Plasma Activated Surface in Silicon Wafer Direct Bonding Technology", Le Journal de Physique Colloques, 49(C4), 79 (1988).
M. Reiche, K. Gutjahr, D. Stolze, D. Burcyk and M. Petzold, "The Effect of Plasma Pretreatment on the Si/Si Bonding Behavior", Electrochem. Soc. Proc., 97-36, 437 (1997).
P. Amirfeiz, S. Bengtsson, M. Bergh, E. Zanghellini and L. Borjesson, "Formation of Silicon Structures by Plasma-activated Wafer Bonding", J. Electrochem. Soc. 147(7), 2693 (2000).
C. S. Tan, A. Fan, K. N. Chen and R. Rief, "Low-temperature Thermal Oxide to Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition Oxide Wafer Bonding for Thin-film Transfer Application", Appl. Phys. Lett., 82, 2649 (2003).
M. Eichler, B. Michel, M. Thomas, M. Gabriel and C.-P. Klages, "Atmospheric-pressure Plasma Pretreatment for Direct Bonding of Silicon Wafers at Low Temperatures", Surface & Coatings Technology, 203, 826 (2008).
Drago Resnik, Danilo Vrtacnik, Uros Aljancic and Slavko Amon, "Study of Low-temperature Direct Bonding of (111) and (100) Silicon Wafers under Various Ambient and Surface Conditions", Sensors and Actuators, 80, 68 (2000).
JIS Z 3198-7, "Test Methods for Lead-free Solders - Part 7: Shear Test of Soldered Joints of Chip Component", Translated and Published by Japanese Standards Association (2003).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.