직접 본딩

Direct bonding

직접 접합 또는 융접 접합은 추가 중간 층이 없는 웨이퍼 접합 프로세스를 나타냅니다.접합 프로세스는 다양한 [1]요구 사항을 충족하는 가능한 재료의 두 표면 사이의 화학적 결합을 기반으로 합니다.이러한 요구 사항은 웨이퍼 표면에 대해 충분히 깨끗하고 평평하며 매끄러운 것으로 명시되어 있습니다.그렇지 않을 경우 공백이라고 하는 접합되지 않은 영역, 즉 인터페이스 버블이 [2]발생할 수 있습니다.

웨이퍼의 직접 접합 프로세스의 절차 단계는 다음과 같이 나뉩니다.

  1. 웨이퍼 전처리,
  2. 실온에서 사전 준비 및
  3. 고온에서 소둔됩니다.

웨이퍼 본딩 기법으로 직접 접합하면 거의 모든 재료를 가공할 수 있지만 실리콘은 지금까지 가장 확립된 재료다.따라서 본딩 프로세스는 실리콘 직접 본딩 또는 실리콘 융접이라고도 합니다.실리콘 다이렉트 본딩의 응용 분야는 예를 들어 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼, [3]센서 및 액추에이터 제조 분야입니다.

개요

실리콘 직접 결합은 반데르발스 힘, 수소 결합 및 강한 공유 [2]결합을 포함한 분자 간 상호작용에 기초합니다.직접 접합의 초기 절차는 높은 공정 온도를 특징으로 했습니다.열팽창계수가 다른 사용재료 수가 증가하는 등 여러 요인에 의해 공정 온도를 낮추려는 수요가 있습니다.따라서 450°C 미만의 온도에서 안정적이고 밀폐된 직접 결합을 달성하는 것이 목적이다.따라서 플라즈마 처리나 화학기계연마(CMP) 등 웨이퍼 표면활성화 공정을 검토하여 활발히 [4]연구되고 있다.상한 450°C는 후방 CMOS 처리의 한계와 적용된 [5]재료 간의 상호작용 시작에 기초한다.

역사

매끄럽고 광택이 나는 솔리드 표면의 접착 효과는 Deaguliers(1734년)에 의해 처음 언급되었습니다.그의 발견은 두 고체 표면 사이의 마찰에 기초했다.표면이 잘 연마될수록 이들 고체 사이의 마찰력은 낮아집니다.그가 설명한 이 진술은 특정 지점까지만 유효합니다.이때부터 마찰이 일어나 고형물의 표면이 [6]서로 붙기 시작한다.성공적인 실리콘 직접 결합에 대한 첫 번째 보고서는 1986년 J. B. 래스키에 [7]의해 발표되었습니다.

종래의 다이렉트 본딩

친수성 실리콘 표면 구조
소수성 실리콘 표면의 구조

직접 결합은 대부분 실리콘과의 결합이라고 합니다.따라서 프로세스 기술은 친수성(친수성 실리콘 표면의 구성과 비교) 또는 소수성(소수성 실리콘 [6]표면의 구성과 비교) 표면의 화학적 구조에 따라 구분됩니다.

실리콘 웨이퍼의 표면 상태는 물방울 형태의 접촉 각도로 측정할 수 있습니다.친수성 표면의 경우 우수한 습윤성을 바탕으로 각도가 작으며(< 5°), 소수성 표면의 접촉각은 90°보다 크다.

친수성 실리콘 웨이퍼 접합

웨이퍼 전처리

실리콘 웨이퍼의 웨이퍼 본딩에 있어서의 본딩파의 개시와 전파의 적외선 사진(l) 웨이퍼를 에어층으로 분리해, 본딩 프로세스를 개시한다(m) 본딩파가 엣지로 이동한다(r) IR광을 [8]반사하지 않는 완전 접합 웨이퍼 쌍.

2개의 웨이퍼를 접합하기 전에 이들 2개의 고형물은 입자, 유기물 및/또는 이온 오염에 기초할 수 있는 불순물이 없어야 합니다.표면 품질을 저하시키지 않고 청결을 달성하기 위해 웨이퍼는 플라즈마 처리, UV/ozone 세척 또는 습식 화학 세척 [2]절차를 통과합니다.화학 용액의 활용은 순차적인 단계를 결합합니다.확립된 산업 표준 절차는 RCA에 의한 SC(Standard Clean) 정화입니다.두 가지 솔루션으로 구성됩니다.

  • SC1 (NH4 OH (2922 %) + HO (30 %) + 디이온화2 HO (1 : 1 : 5 ) )및
  • SC2 (HCl (37%) + HO22 (30%) + 탈이온화2 HO [1:1:6]).

SC1은 70 °C~80 °C의 온도에서 5~10분간 유기 오염 및 입자를 제거하고, SC2는 80 °C에서 10분간 [9]금속 이온을 제거하는 데 사용된다.그 후 웨이퍼를 탈이온수로 헹구거나 탈이온수에 저장한다.일반적으로 [10]웨이퍼의 기존 상호 연결 및 금속화 시스템이 있기 때문에 실제 절차는 모든 애플리케이션과 장치에 맞게 조정해야 합니다.

실온에서의 프리본딩

친수성 및 소수성 결합 웨이퍼의 표면 에너지 다이어그램

웨이퍼에 접촉하기 전에 웨이퍼를 [1]정렬해야 합니다.표면이 충분히 매끄러우면 결합파의 적외선 사진처럼 웨이퍼가 원자 접촉과 동시에 결합하기 시작한다.

웨이퍼는 물 분자로 덮여 있기 때문에 반대쪽 웨이퍼 표면에 있는 화학 흡착된 물 분자 간에 결합이 이루어집니다.그 결과 실온형성 Si-O-Si와 물속에서 상당부분의 Si-OH(실라놀)기가 중합되기 시작하여 웨이퍼 스택을 취급하기에 충분한 결합강도를 확보할 수 있다.형성된 물 분자는 [8]어닐링 중에 계면을 따라 이동하거나 확산됩니다.

공기 중 프리본딩 후 특별한 가스 분위기 또는 진공 상태에서 웨이퍼는 결합 강도를 높이기 위해 아닐 프로세스를 통과해야 합니다.따라서 아닐은 일정량의 열에너지를 제공하여 더 많은 실라놀 그룹이 서로 반응하도록 하고 새롭고 매우 안정적인 화학적 결합이 형성됩니다.직접 형성되는 결합의 종류는 전달된 에너지의 양 또는 적용된 온도에 따라 달라집니다.그 결과 아닐 온도가 [2]높아짐에 따라 접합 강도가 높아집니다.

고온에서의 아닐

실온과 110°C 사이에서 계면 에너지는 낮은 상태로 유지되며, 물 분자는 결합 계면에서 확산되어 재배열로 이어져 더 많은 수소 결합을 일으킨다.110°C~150°C의 온도에서 실라놀 그룹은 백산과 물로 중합되지만 느린 파단도 발생합니다.이 반응은 열역학 평형과 동일하며, 높은 밀도의 실라놀 그룹은 더 많은 백산과 더 높은 결합 강도를 초래합니다.

150°C와 800°C 사이의 계면에서는 모든 OH기가 중합되고 합성 강도가 일정하게 유지될 때까지 더 이상의 과정이 관찰되지 않는다.

800°C 이상에서는 산화물이 점성을 띠며 계면에서 흐르기 시작하여 접촉면의 면적이 증가합니다.따라서 계면을 따라 포획된 수소 분자의 확산이 강화되고 계면 틈새의 크기가 줄어들거나 아예 사라질 수 있습니다.어닐링 프로세스는 웨이퍼 [8]스택의 냉각에 의해 종료됩니다.

인터페이스 에너지가 2개 이상으로 증가합니다.800°C에서2 JΩm(기본 산화층 포함) 또는 1000°C에서 웨이퍼가 열산화물로 덮여 있는 경우(표면 에너지 비교도).한쪽 웨이퍼가 열산화물층을 포함하고 다른 한쪽 웨이퍼가 네이티브 산화물로 덮여 있는 경우 표면 에너지 발생은 네이티브 산화물층으로 [2]덮여 있는 웨이퍼 쌍과 유사하다.

소수성 실리콘 웨이퍼 접합

웨이퍼 전처리

플라즈마 처리 또는 불화수소(HF) 또는 불화암모늄(NHF4)을 포함한 식각용액 중 하나에 의해 원산화물층이 제거되면 소수성 표면이 생성된다.이 과정은 노출된 실리콘 원자의 Si-F 결합 형성을 강화합니다.소수성 결합의 경우 Si-F 결합은 물과 접촉하여 [1]Si-OH를 발생시키므로 헹구고 스핀 건조와 같은 재친수화를 피하는 것이 중요합니다.

실온에서의 프리본딩

결합하기 전에 표면은 수소와 불소 원자로 덮여 있다.실온에서의 결합은 대부분 수소와 불소 원자 사이의 밴더발스 힘에 기초한다.친수성 표면과의 결합에 비해 접촉 직후의 계면 에너지가 낮다.이러한 사실로 인해 접합되지 않은 영역을 방지하고 웨이퍼 간의 전면 접촉(본드 [1]파형의 적외선 사진 비교)을 위해 더 높은 표면 품질과 청결도가 요구됩니다.친수성 표면의 결합과 마찬가지로, 프리본드는 소둔 과정을 거친다.

고온에서의 아닐

실온에서 150°C까지는 중요한 계면 반응이 발생하지 않으며 표면 에너지가 안정적입니다.150°C에서 300°C 사이에 더 많은 Si-F-H-Si 결합이 형성된다.300°C 이상에서는 웨이퍼 표면에서 수소와 불소가 탈착되면 실리콘 결정 격자 또는 인터페이스를 따라 확산되는 중복 수소 원자가 발생합니다.그 결과 대향면 사이에 공유가 Si-Si 결합이 형성되기 시작한다.700°C에서 Si-Si 결합으로의 전환이 [11]완료됩니다.결합 에너지는 벌크 실리콘의 응집력에 도달합니다(표면에너지 [2]비교도).

저온 직접 접합

다이렉트 본딩은 많은 재료를 가공할 때 매우 유연하지만, 서로 다른 재료를 사용하는 CTE(열팽창 계수)의 불일치는 웨이퍼 레벨 본딩, 특히 다이렉트 [8]본딩의 높은 아닐링 온도에는 상당한 제약이 됩니다.

연구의 초점은 친수성 실리콘 표면에 있다.결합 에너지의 증가는 실라놀-(Si-OH)을 실록산-기(Si-O-Si)로 변환하는 것에 기초한다.표면의 긴밀한 접촉이 확립되기 전에 계면에서 물을 제거해야 하기 때문에 물의 확산은 제한 요인으로 언급된다.어려운 점은 물 분자가 이미 형성된 백산기(Si-O-Si)와 반응할 수 있기 때문에 전체적인 접착 에너지가 [2]약해진다는 것이다.

낮은 온도는 바람직하지 않은 변화나 부패를 방지하기 위해 사전 처리된 웨이퍼 또는 복합 재료를 접합하는 데 중요합니다.다음과 같은 다양한 전처리를 통해 필요한 아닐 온도를 낮출 수 있습니다.

  • 혈장 활성 결합
  • 표면 활성 결합
  • 초고진공(UHV)
  • 화학기계연마(CMP)에 의한 표면활성화
  • 화학적 활성화를 달성하기 위한 표면 처리:
    • 가수분해테트라알콕시실란Si(OR)4
    • 가수분해테트라메톡시실란Si(OCH3)4
    • 질화물산HNO3

또한 연구에 따르면 웨이퍼 전처리를 통해 소수성 표면의 아닐 온도를 낮출 수 있습니다.

  • 임플란트로서+
  • BH26 또는 Ar 혈장 처리
  • Si 스패터 퇴적

예

이 기법은 가속도계, 마이크로 밸브 및 마이크로 펌프와 같은 다중 웨이퍼 마이크로 구조의 제작에 사용할 수 있습니다.

기술사양

자재
  • 시
  • SiO2
  • 유리기판
  • 탄탈산리튬(LiTaO3)
  • 스테인리스강
온도
  • 표준: 1200 °C 미만
  • 저온: 200~400 °C
이점
  • 고접합 강도
  • 고온 안정성
  • 반도체 기술과의 프로세스 호환성
  • 진공 또는 다른 대기 가스에서의 결합
결점
  • 표면 기하학의 높은 기준
  • 거칠기의 높은 기준
조사.
  • 하이브리드 본딩(금속 본드와 SFB 동시)
  • T < 200 °C에서의 본딩
  • 프리 컨디셔닝을 포함한 완전 건조 공정

레퍼런스

  1. ^ a b c d J. Bagdahn (2000). Festigkeit und Lebensdauer direkt gebondeter Siliziumwafer unter mechanischer Belastung (Thesis). Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.
  2. ^ a b c d e f g h A. Plössl and G. Kräuter (1999). "Wafer direct bonding: tailoring adhesion between brittle materials". Materials Science and Engineering. 25 (1–2): 1–88. doi:10.1016/S0927-796X(98)00017-5.
  3. ^ M. Wiemer and J. Frömel and T. Gessner (2003). "Trends der Technologieentwicklung im Bereich Waferbonden". In W. Dötzel (ed.). 6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik. Vol. 6. Technische Universität Chemnitz. pp. 178–188.
  4. ^ D. Wünsch and M. Wiemer and M. Gabriel and T. Gessner (2010). "Low temperature wafer bonding for microsystems using dielectric barrer discharge". MST News. Vol. 1/10. pp. 24–25.
  5. ^ P.R. Bandaru and S. Sahni and E. Yablonovitch and J. Liu and H.-J. Kim and Y.-H. Xie (2004). "Fabrication and characterization of low temperature (< 450 °C) grown p-Ge/n-Si photodetectors for silicon based photonics". Materials Science and Engineering. 113 (1): 79–84. doi:10.1016/j.mseb.2004.07.007.
  6. ^ a b S. Mack (1997). Eine vergleichende Untersuchung der physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (Thesis). Jena, Germany: VDI Verlag / Max Planck Institute. ISBN 3-18-343602-7.
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