77 연구논문 Spin-on Glass 를이용한실리콘과유리의저온접합공정 이재학 * 유중돈 * * 한국과학기술원기계공학과 Low Temperature Bonding Process of Silicon and Glass using Spin-on Glass Jae-Hak Lee* and Choong-Don Yoo* *Dept. of Mech. Eng, KAIST, Daejon, 305-701 Korea Abstract Low temperature bonding of the silicon and glass using the Spin-on Glass (SOG) has been conducted experimentally to figure out the effects of the SOG solution composition and process variables on bond strength using the Design of Experiment method. In order to achieve the high quality bond interface without crack, sufficient reaction time of the optimal SOG solution composition is needed along with proper pressure and annealing temperature. The shear strength under the optimal SOG solution composition and process condition was higher than that of conventional anodic bonding and similar to that of wafer direct bonding. * Corresponding author : plle3angel@kaist.ac.kr (Received August 15, 2 2005) Key Words : Spin on-glass, Design of experiment method, Direct wafer bonding, Low temperature bonding, Si and glass bonding 1. 서론 실리콘과유리를직접접합하기위해양극접합 (anodic bonding) 과웨이퍼직접접합 (direct wafer bonding) 방법이주로사용되고있지만, 접합시깨끗하고평편한표면상태와높은온도가요구되고, 이종재료접합시열팽창계수차이에의해발생하는열응력이크다. 저온에서동종또는이종재료를접합하기위해접착제 (adhesive) 를사용할수있지만, 접합부가고온안정성이낮고완전밀봉 (hermetic sealing) 이어려운단점이있다. SOG(Spin on Glass) 를이용한접합방법은저온에서솔-젤반응 (Sol-Gel process) 를이용하는방법으로가수분해와물응축반응에의해다음과같이실록산결합 (siloxane bond= Si-O-Si) 을형성한다 1,2). nsi(or) 4 +2nH 2 O nsio 2 +4nROH 여기서 R은알킬기 (C n H 2n+1 ) 을나타낸다. SOG를이 용한접합은저온에서솔-젤반응을이용하므로 400 이하의낮은온도에서접합할수있는장점이있으며, SOG 를중간층으로갖기때문에표면의청결도에의한영향이적다. 또한중간층이응력완화층역할을하므로이종재료접합시두기판의열팽창계수차이에의한열응력의발생이적고, 접합부가매우치밀한실리카로이루어지므로고온안정성과완전밀봉도가능하다. 따라서 SOG 를이용한접합방법은 3차원 MEMS 구조물, 마이크로센서, 마이크로채널, SOI (silicon on insulator) 웨이퍼및디스플레이제작공정과같은다양한분야에적용가능하다. Lin 3) 은 siloxane SOG 를이용해 400 에서 GaAs- GaAs 를접합하고, 압력에따른접합층의두께를측정하여압력과접합강도와의관계를개략적으로설명하였다. Alexe 4) 등은 SOG 를이용해표면을친수성표면으로활성화하여 GaAs-Si 이종재료의웨이퍼직접접합을수행하고온도에따른표면에너지변화를측정하였다. Gomez 5) 등은 SOG를이용해 200 에서 Sipyrex 를접합하여 DNA 칩을제작함으로써 Si-pyrex 이 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 573
78 이재학 유중돈 종재료접합가능성을보여주었다. 이외에도 SOG 를이용한접합에대한연구가보고되고있지만, SOG 의조성이접합강도에미치는영향과공정변수최적화에관한연구가미흡하였다 6). 본연구에서는 SOG 용액을제조하여 Si-Si, pyrexpyrex, Si-pyrex 접합을수행하여저온에서동종재료및이종재료접합가능성을확인하였다. 이종재료접합시두재료의열팽창계수차이에의한열응력을줄이기위해서실리콘과열팽창계수가비슷한 pyrex (7740) 을실험에사용하였다. 실험계획법 (Design of Experiment) 을이용해각성분이접합강도에미치는영향을분석하여접합공정에적합한 SOG 용액의조성을얻고공정변수를최적화하였다. 접합부는광학현미경과 SEM 으로관찰하여접합부의특징과완전밀봉가능성을확인하였다. 2. 실험 2.1 실험방법 SOG 를이용한접합공정개요는 Fig. 1과같다. 먼저상온에서교반기를이용하여충분히반응시켜 SOG 용액을제조하고시편의표면을활성화시키기위해서 RCA1 세정을이용하여표면처리를하였다. 그리고스핀코팅기를이용하여 SOG 용액을도포후압력을주어두시편을접합하고대기분위기로에넣고경화한다. SOG 용액제조시반응시간에따른특징을알아보기위해서상온 25 에서 1일과 4일간교반기로혼합한 SOG 용액을준비하고접합강도를측정하였다. 실리콘과 pyrex 표면은 RCA1 세정을통해오염물제거및표면의실라놀기 (Si-OH) 의밀도를높여표면을활성화시키고표면의활성화정도를알아보기위해서접촉각을측정하였다. 그리고 SOG 용액은스핀코팅기를이용하여도포한후에도액체의솔 (sol) 상태로남아 있어야기판에젖어양호한접합부를형성하므로예비실험을통하여접합에적절한회전속도 1000rpm, 회전시간 9초로고정하였다. SOG 를이용한접합공정의변수는용액조성선정변수인 MTES, 이소프로판올, 물, 염산의농도와접합공정변수인온도, 압력으로나눌수있다. 모든조건에대해실험을하려면실험횟수가매우많아지게되고각변수가접합강도에미치는영향을분석하기가어렵다. 이러한어려움을해결하기위해실험계획법을이용하여실험횟수를줄이고, 접합강도에대한각변수의영향을분석하였다. 조성선정변수는화학적반응에의하여서로간에교호작용이존재하지만접합공정변수는서로간의교호작용이작기때문에두변수를나누어실험하는것이각변수의영향을분석하는데유리하다. 따라서본연구에서는 SOG 조성을선정하기위한실험과이를이용하여최적의공정조건을선정하기위한실험으로나누어진행하였다. 접합강도는인장시험기를이용하여전단강도를측정하였다. 시편은두께가 1mm인 p type (100) 실리콘과 pyrex(7740) 를이용하였고, 상부와하부기판을각각 10mm 10mm 와 14mm 14mm 로다이싱 (dicing) 하여접합면적이 1cm 2 가되도록 Fig. 2와같은전단시험시편을제작하였다. 2.2 SOG 조성을선정하기위한접합실험실리콘과 pyrex 접합에적합한 SOG 조성을선정하기위해 Si-Si, pyrex-pyrex 에관한접합실험을수행하였다. SOG 용액은 TEOS(tetraethylorthosilicate, Si (OC 2H 5) 4), MTES(methyltriethylorthosilicate, CH 3Si (a) Si-Si (b) pyrex-pyrex (c) Si-pyrex Fig. 1 Overview of SOG bonding process Fig. 2 Shear test specimens 574 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005
Spin-on Glass 를이용한실리콘과유리의저온접합공정 79 (OC 2H 5) 3), 이소프로판올, 물 (DI water), 염산을이용하여제조하였다. MTES 는 SOG 용액의수축을감소시켜균열을방지하는역할을하며, TEOS 와 MTES 가물과혼합되지않으므로이소프로판올을용매 (solvent) 로사용하여균일한반응이발생하도록한다. 또한이소프로판올은휘발성이강하지않으므로스핀코팅후접합시충분한시간을확보할수있다. 염산은가수분해와물응축반응의촉매제로사용되었다. Ph는 SOG 내부입자 (primary particle) 및조직내부의기공의크기에도영향을주어접합부의기계적강도에영향을준다. 본연구에서는솔-젤공정을제어하기쉽고, 치밀한접합부를얻을수있는 Ph<2(isoelectric point) 이하의산조건에서실험을수행하였다 1,2). TEOS 의양은 4ml로고정하고, 공정변수인온도와압력은 SOG 용액의조성을선정하기위해서각각 150 와 49kPa 로고정하였다. 이때사용된온도사이클은급격한온도변화에의한균열발생을줄이기위해 2 단계를사용하였다. 80 에서 2시간동안유지하여 SOG 내부에존재하는용매를증발시키고, 150 까지가열하여 3시간동안유지하여노냉하였다. TEOS 의양이고정되었으므로 SOG 조성의제어인자는 MTES, 이소프로판올, 물, 염산의농도의 4개이고각제어인자들사이에교호작용이없다고가정하여 MINITAB 14를이용해 L 9(3 4 ) 직교배열표를작성하고, 다구찌기법을이용하여각인자가접합강도에미치는영향을분석하였다 7,8). 실험에사용된직교배열표는 Table 1과같다. 각제어인자에관한수준을 3 수준으로하고 9번의실험을수행하여 Si-Si, pyrexpyrex 접합시편의전단력을측정하였다. 각수준은 TEOS에대한몰비를뜻하고, 염산은추가적으로넣어주지않고물에희석하여사용하였다. 2.3 공정변수최적화를위한접합실험앞실험에서선정한실리콘과 pyrex 접합에적합한최적의조성을이용하여 Si-Si, Si-pyrex, pyrexpyrex 접합에관한공정변수 ( 온도, 압력 ) 에대한최적화실험을수행하였다. 시편의표면처리, 스핀코팅기회전속도및회전시간은앞실험과동일한조건을사용하였기때문에제어인자는접합온도와압력 2개이다. 두인자간의교호작용이없다고가정하여 L 9(3 4 ) 직교배열표를작성하고, 다구찌기법을이용하여각인자가접합강도에미치는영향을분석하였다 8). 실험에사용된직교배열표는 Table 2와같다. 각제어인자에관한수준을 3수준으로하고 9번의실험을수행하여 Si-Si, Si-pyrex, pyrex-pyrex 접합시편의전단력을측정하였다. Table 1 Design of Experiment for selection of optimal SOG solution compositions Experiment No. MTES Iso-propanol Water HCl 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 Level 1 0.5 Level 2 1.0 Level 3 1.5 1.0 2.0 3.0 8 10 12 0.05N 0.1N 0.15N Table 2 Design of Experiment for selection of optimal bonding process conditions Experiment No. Pressure Temperature 1 1 1 2 1 2 3 1 3 4 2 1 5 2 2 6 2 3 7 3 1 8 3 2 9 3 3 Level 1 29.4kPa 150 Level 2 39.2kPa 175 Level 3 49.0kPa 200 3. 결과및고찰 3.1 RCA1 세정과반응시간의영향 RCA1 세정을하면실리콘과 pyrex 표면이산화되어불안정한실리카를형성하게되고, 물과반응하여실라놀기 (silanol group) 를형성한다. 또한표면이산화되면서표면조도가커지므로실라놀기를형성할수있는면적이증가한다. 이러한효과는접합을이루는실록산결합을증가시키므로접합강도를증가시키는역할을한다. 실라놀기는수산화기를지니고있어수소결합에의해서친수성을띄게되고, 실라놀기의밀도가 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 575
80 이재학 유중돈 (a) (b) (c) Fig. 3 Contact angle variation of surfaces of silicon and pyrex after surface treatment: (a) before RCA1 cleaing, (b) after RCA1 cleaning, (c) 6 hours after RCA1 cleaning 증가할수록접촉각이감소하게된다. Fig. 3은 RCA1 세정이실리콘과 pyrex 기판의접촉각에미치는영향을나타낸다. 접촉각측정결과 RCA1 세정후실리콘과 pyrex 표면모두실라놀기밀도가높아져접촉각이감소하는것을확인할수있다 9). 또한 RCA1 세정전에는실리콘이 pyrex 에비해표면에실라놀기가적어접촉각이크지만 RCA1 세정후실라놀기밀도가높아져접촉각이더작아진다. 화학적으로안정한 pyrex 표면의실리카와비교하여 RCA1 세정후실리콘표면에형성된불안정한실리카가물과쉽게반응하여더많은실라놀기를형성하기때문이다. 실리콘표면은실라놀기밀도가높아표면에너지가크기때문에오염물이쉽게부착되므로 Fig. 3(c) 에서보듯이대기중에서 6시간경과후실리콘표면의접촉각이 pyrex 에비해더커진다. 그러므로 RCA1 세정직후에접합하는것이바람직하다. Fig. 4(a) 는 SOG 용액을반응시간 1일과 4일로다르게준비하여접합압력과온도를각각 49kPa 과 150 로고정하고, Table 1의직교배열표의실험번호에따라서 Si-Si 접합을수행한후접합강도를비교한그래프이다. 4일간충분히반응시킨 SOG 용액의경우각성분이균일하게혼합되어 TEOS와 MTES의가수분해가완결되므로결합을형성하는실라놀기의수가증가하여물응축반응에의해형성되는실록산결합이많아진다. 따라서 4일간반응시킨 SOG 용액이 1일간반응시킨 SOG 용액에비해높은접합강도를갖는다. Fig. 4(b) 와 Fig. 4(c) 는 Fig. 4(a) 의실험번호 9번과동일조건으로접합한 Si-Si 접합시편의 peel test (a) (b) (c) Fig. 4 Variation of shear strength and fractured surface of Si Si bonding specimen with respect to reaction time of SOG solution: (a) shear strength variation, (b) fractured surface of specimen with 1days reaction time by peel test, (c) fractured surface of specimen with 4days reaction time by peel test 576 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005
Spin-on Glass 를이용한실리콘과유리의저온접합공정 81 후의파단부사진이다. 반응시간이 1일인경우각성분이균일하게혼합되지않고실라놀기가충분히형성되지않아서 Fig. 4(b) 와같이시편중심에는큰기공이형성되고접합부가불균일하며균열이존재한다. 그러나반응시간이 4일인경우 Fig. 4(c) 와같이 SOG 접합부가균일하게형성되고균열이없는양호한접합부를갖는것을확인할수있다. 그러므로향후접합실험은시편을 RCA1 세정직후에 4일동안혼합한 SOG 용액을이용하여수행하였다. 3.2 SOG 조성을선정하기위한접합실험결과 Fig. 5는공정변수인접합압력과접합온도를각각 49kPa과 150 로고정하고다구찌기법을이용하여각제어인자 MTES, 이소프로판올, 물, 염산의농도가 Si-Si 와 pyrex-pyrex 접합강도에미치는영향을분석한결과이다. SN비 (signal to noise ratio) 는잡음인자 ( 환경의변화, 온도의변화등 ) 에대한제어인자의영향을나타내며단위는데시벨 (db) 이다. 측정하는데이터가전단강도이고, 이값은클수록좋은망대특성문제이므로접합강도가증가할수록증가하는값이다 8). MTES 를 SOG 용액에첨가해준이유는 MTES 의비반응기인메틸기 (CH 3 ) 가공유결합만으로이루어진실록산결합의일부를대체하여수축에의한균열의저항성을높여접합강도를증가시키는데있다 1,10,11). 실험결과 MTES:TEOS 의몰비가 1.5 이하인구간에서 Fig. 5(a) 와같이 MTES 의첨가량이증가할수록균열발생이감소하여접합강도가증가하므로 3수준에서가장높은접합강도를갖는다. 그러나 MTES 가필요이상으로많으면오히려실록산결합을감소시켜접합강도는감소한다 1). 그러므로 MTES 양은적정수준에서선정해야균열을방지하면서동시에접합강도도유지할수있다. 이소프로판올은 Fig. 5(b) 와같이이소프로판올 : TEOS 의몰비가 3몰이하인구간에서수준이증가할수록접합강도가증가하여 3수준에서가장높은접합강도를갖는다. 스핀코팅기를이용하여 SOG 용액을시편에도포하는데이소프로판올의양이증가할수록 SOG 용액의젤화를지연시켜시편에젖음이좋고, SOG 접합층이균일하고치밀하게형성되어접합강도가증가한다. 또한이소프로판올은 SOG 용액의균질성과보관수명 (a) (b) (c) Fig. 5 Effects of factors on bonding strength in experiment for selection of optimal SOG compositions: (a) MTES, (b) iso propanol, (c) water, (d) HCl concentration (d) 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 577
82 이재학 유중돈 에도영향을주므로용매의양이적게되면각성분들이균일하게혼합되지않아 SOG 용액제조시반응시간이길어지고, 보관시쉽게젤화되어점도가높아져사용할수없게된다. 그러나이소프로판올의양이필요이상으로많으면용매의증발에의한수축량이증가하여균열을유발시키고, 접합시두기판사이의좁은영역을통하여많은양의용매증기가증발되어야하므로증기압에의해서접합부내부에기공과균열이발생한다 1,2). 따라서이소프로판올의양을적절히선정해주어야만 SOG 용액의균질성과보관수명을유지하면서균열과기공의발생을줄여충분한접합강도를유지할수있다. 물은 Fig. 5(c) 에서와같이물 :TEOS 의몰비가 12 몰이하인구간에서물의수준이 1수준에서 2수준으로증가하면서접합강도가증가하고, 3수준으로증가하면서접합강도가감소한다. 물의수준이 1수준에서 2수준으로증가하면서가수분해가활발해져 SOG 용액내의실라놀기가증가하여물응축반응에의해서시편의표면에더많은실록산결합을형성하므로접합강도가증가한다. 그러나 3수준으로증가하면서물의양이과도하여물응축반응의역반응이진행되므로실록산결합이분해되어접합강도가감소한다. 염산의농도는 0.05~0.15N 구간에서 Fig. 5(d) 에서와같이수준이증가할수록접합강도가감소한다. 염산은솔-젤반응에서촉매역할을하는데농도가높으면가수분해와물응축반응이가속화되어젤화가빠르게진행되고, 접합시시편의젖음이나빠져접합강도가감소한다. 또한젤화가빠르게진행되면시편표면의 SOG 접합층이불균일하고치밀하지못하여접합강도가감소한다. 각인자에대한주효과해석결과 Si-Si, pyrexpyrex 접합모두각제어인자에대한유사한경향성을보임을알수있고, MTES 3수준, 이소프로판올 3 수준, 물 2수준, 염산농도 1수준일때가장높은접합강도를갖을것으로추정된다. 따라서구간내에서최적의 SOG 용액의조성은 TEOS:MTES: 이소프로판올 : 물의몰비가 1:1.5:3:10 이고, 염산의농도가 0.05N ( 노르말농도 ) 일때최대접합강도를갖을것으로추정된다. Fig. 6은 Table 1의실험번호에따라 Si-Si 와 pyrexpyrex 접합시편의접합강도를비교한그래프이다. Fig. 3의접촉각측정결과에서예측할수있듯이 RCA1 세정후실리콘표면에실라놀기밀도가증가하여실리콘표면과더많은실록산결합 (siloxane bond) 을형성하므로 pyrex-pyrex 접합에비해접합강도가더높 Fig. 6 Comparison of shear strengths between Si- Si and pyrex-pyrex bonding specimens in experiment for selection of optimal SOG composition 다. 실험번호 9번이가장높은접합강도를갖고, 이조성은위에서추정한구간내에서최적의조성을갖는 SOG 용액임을알수있다. Si-Si 와 pyrex-pyrex 접합은각각최대전단강도 5.04MPa 와 3.40MPa 이다. 3.3 공정변수최적화를위한접합실험결과 앞실험에서선정한최적조성의 SOG 용액을이용하여 Table 2의직교배열표에따라서공정변수인압력과온도의최적화를위한접합실험을수행하였다. Fig. 7은다구찌기법을이용하여제어인자가접합강도에미치는영향을분석한그래프이다. 압력이증가할수록 Fig. 7(a) 와같이 Si-Si, Si-pyrex, pyrexpyrex 접합시편모두접합강도가다소증가하는경향을보인다. 압력이증가할수록스핀코팅기에의해도포된 SOG 용액이시편과긴밀한접촉을유지하게되어실록산결합을형성하기쉽고, 접합초기에형성된기공을제거하여주기때문에접합강도가증가한다. 또한시편표면의매우작은돌출부 (asperity) 에 SOG 용액의침투가용이해져기계적결합 (mechanical interlocking) 및실록산결합을형성하는면적을증가시켜접합강도가증가한다 3,9). 접합온도가증가할수록 Fig. 7(b) 와같이 Si-Si, Sipyrex, pyrex-pyrex 접합시편모두접합강도가감소한다. Si-Si, pyrex-pyrex 접합과같은동종재료접합의경우시편사이의열팽창계수차이가없어온도가증가할수록물응축반응이완결되어접합강도가증가할것으로예측된다. 그러나실험결과온도가증가할수록 SOG 의수축증가, SOG 와시편사이의열팽창계수차이및용매의증기압상승으로인해 Si-pyrex 접합에비해적지만 Fig. 8과같이소수의균열이발생하 578 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005
Spin-on Glass 를이용한실리콘과유리의저온접합공정 83 (a) (a) (b) (b) Fig. 7 Effects of factors on bonding strength in experiment for selection of optimal process condition: (a) pressure, (b) temperature (c) Fig. 9 Bonding surface of Si-pyrex bonding specimen with respect to bonding temperature through optical microscope: (a) 150, (b) 175, (c) 200 Fig. 8 Fractured surface of Si-Si bonding specimens at 200 여접합강도가감소하였다 2). Si-pyrex 접합과같은이종재료접합의경우온도가증가할수록시편의열팽창계수차이에의해열응력이증가하여접합부에균열이형성되어접합강도가감소한다. Table 2의공정조건내에서압력과온도에의한접합강도의변화를비교해보면접합강도는접합온도에의해민감하게변화함을알수있다. Fig. 9는접합압력이 3수준 49kPa 일때접합온도에따라 Si-pyrex 접합시편의접합부를광학현미경을이용하여관찰한사진이다. 접합온도가 1수준 150 에서는균열이보이지않지만 2수준 175 에서균열이발생되기시작하여 3수준 200 일때상당수의균열 이생성됨을확인하였다. 접합온도에의한접합강도의영향이압력에비해크므로압력을 3수준 49kPa 로고정하고, 온도에따른접합강도의변화를추가적으로실험한결과를 Fig. 10에나타내었다. 접합온도 150 까지는접합온도가증가할수록물응축반응이활발해져실록산결합을많이형성하므로접합강도가증가하지만 150 이상에서는온도가증가할수록 Si와 pyrex 및 SOG 접합층과시편사이의열팽창계수차이에의한열응력증가, 용매의증발에의한증기압상승, 그리고 SOG 용액의수축에의한잔류응력증가로인해접합강도가감소한다. 2) 그러므로 Si-Si, Si-pyrex, pyrex-pyrex 접합모두구간내에서압력 3수준 49.0kPa, 접합온도 1 수준 150 일때가장높은접합강도를갖을것으로추정된다. 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 579
84 이재학 유중돈 Fig. 10 Result of additional experiment to investigate the effect of bonding temperature on bon ding strength 증가로인해접합강도가감소한다. 그리고, 접합강도는공정압력에비해온도에의해민감하게변화하므로각시편모두접합온도가 200 인실험번호 3,6,9 번에서가장낮은접합강도를보인다. 실험결과실험번호 7번에서가장높은접합강도를갖고, 이조건은위에서추정한구간내에서최적의공정조건임을알수있다. Si-Si 접합시편의최대전단강도는 5.04 MPa, Si-pyrex 접합시편의최대전단강도는 2.5 MPa, pyrex-pyrex 접합시편의최대전단강도는 3.4 MPa이다. 이와같은접합부의접합강도는 Si-pyrex 양극접합의인장강도 0.5MPa 12) 에비하여높고, 플라즈마처리하여 400 에서 Si-Si 웨이퍼직접접합한시편의인장강도 10MPa 13) 과비슷하다. Fig. 12는압력 49.0kPa, 접합온도 150 에서접합한시편단면의 SEM 사진이다. SOG 접합부가균열없이수백나노미터로균일하고치밀하게형성되어있 Fig. 11 Comparison of shear strengths among Si- Si, Si-pyrex and pyrex-pyrex bonding specimens in experiment for selection of optimal process condition (a) Fig. 11은 Table 2의실험번호에따라 Si-Si, Sipyrex, pyrex-pyrex 접합시편의접합강도를비교한그래프이다. 모든조건에서 Si-Si 접합시편이가장높은전단강도를갖고, 다음은 pyrex-pyrex 접합, Sipyrex 접합시편순으로접합강도를갖는다. Fig. 3 의접촉각측정결과에서예측할수있듯이 RCA1 세정후 Si 표면의실라놀기가 pyrex 표면보다많기때문에 Si-Si 동종재료접합이 pyrex-pyrex 접합에비해높은접합강도를갖는다. 실리콘과 pyrex 의열팽창계수는각각 2.6 10-6 /K과 3.3 10-6 /K이다. 따라서 Si-pyrex 이종재료접합의경우시편의열팽창계수차이에의한열응력때문에접합부에잔류응력이존재하고결함이발생하여접합강도가가장낮다. 세시편모두공정온도가 150 이상이되면온도가증가하면서 Si와 pyrex, SOG 접합층과시편사이의열팽창계수차이에의한열응력증가와용매의증발에의한증기압상승및 SOG 용액의수축에의한잔류응력 (b) (c) Fig. 12 Cross section SEM image of SOG bonding specimens: (a) S-Si bonding, (b) Si-pyrex bonding, (c) pyrex-pyrex bonding 580 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005
Spin-on Glass 를이용한실리콘과유리의저온접합공정 85 는것을확인할수있다. 완전밀봉가능성을실험하기위해접합시편에대한잉크침투시험을하였으며, 기공과균열이없는시편의경우치밀한접합층에의해완전밀봉이가능함을확인하였다. 접합층의두께는압력에의해결정되므로세시편모두비슷한두께를지녀야하지만압력을주어접합할때 SOG 용액이솔상태의액체로존재하므로핸들링과정에서 Si-pyrex 접합시편의접합층두께가얇아진것으로보인다. Fig. 13은압력 49kPa, 접합온도 150 의최적조건에서접합한 Si-Si 접합시편의전단실험후파단면을관찰한사진이다. Si-Si, Si-pyrex, pyrex-pyrex 접합시편모두접합강도가높아기판이깨지는현상이일어났으며접합부는균열없이균일하게 SOG 가형성되어있음을알수있다. Fig. 14는 200 에서 Si-pyrex 접합시형성된기공과그주위에형성된균열의광학현미경사진이다. Suhir 의모델에의하면이종재료접합시발생하는열응력은시편의끝단에집중되고 14), 기공은압력에의해끝단으로이동하므로대부분의균열과기공은시편의끝단에서발생하였다. 기공의생성원인은 SOG 용액을스핀코팅후압력을주어두기판을접촉시킬때공기가갖혀서형성되거나, 경화시발생하는용매와물의증기에의해형성된다. 대부분의기공은전자에의해서가장많이형성되므로두기판을접촉시킬때시편끝단에서부터접촉이일어나도록하여압력을주면기공을제거할수있다. 또다른방법으로는로 (furnace) 내의분위기를진공이나질소분위기로만들 어주면용매의방출이용이하여기공의형성을줄일수있을것으로보인다. 기공주위에형성된균열은경화시온도가상승하면서기공에갖힌증기가팽창하여형성된것으로보인다. 4. 결론 1) 실험계획법 (Design of Experiment) 을이용하여 SOG 용액의조성이접합강도에미치는영향을분석하였으며실리콘과 pyrex 의접합에적합한조성을얻었다. 이때조성은 TEOS:MTES: 이소프로판올 : 물의몰비가 1:1.5:3:10 이고, 염산의농도가 0.05N 이다. 또한균일한 SOG 접합층을형성하기위해서 SOG 용액제조시상온에서 4일이상의충분한반응시간이필요하다. 2) 공정변수로서접합온도와압력이접합강도에미치는영향을분석하여최적의공정조건을선정하였다. 압력이증가할수록기계적결합 (mechanical interlocking) 의증가, 기공의제거및 SOG 용액과기판사이의긴밀한접촉을유지하여반응을용이하게하므로접합강도가증가한다. 온도는 150 이상되면균열이발생하여접합강도가감소하였다. 인자에대한영향성분석결과온도가압력에비해접합강도에민감한영향을주는것을알수있었다. 3) 최적조건인압력 49.0kPa, 접합온도 150 의저온에서 Si-Si 접합시편은최대전단강도 5.04MPa, Si-pyrex 접합시편의최대전단강도는 2.50MPa, pyrex-pyrex 접합시편의최대전단강도는 3.40MPa 을얻어저온에서이종재료접합가능성을확인하였다. 4) 시편의단면 SEM 사진결과수백나노미터의균일하고치밀한 SOG 접합층을얻을수있었고완전밀봉 (hermetic sealing) 가능성을확인하였다. 참고문헌 Fig. 13 Fractured surface of specimens bonded at 150 Fig. 14 Bonding surface of Si-pyrex bonding specimen with crack and void 1. C. J. Brinker and G. W. Scherer: Sol-Gel processing), Academic press, 1990 2. A. C. Pierre: Introduction to Sol-Gel processing, Kluwer academic publishers, 1998 3. H. C. Lin et al.: Low temperature wafer bonding by spin on glass, American Vacuum Society, 20-2 (2002), 752-754 4. M. Alexe et al.: Low temperature Ga/Si direct wafer bonding, Electronics Letters, 36-7(2000), 677-678 (in English) 5. R. Gomez et al.: Microfluidic biochip for impedance spectroscopy of biological species, Biomedical Microdevices, 2001, 201-209 6. D.Goustouridis et al.: Low temperature wafer bonding 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 581
86 이재학 유중돈 for thin silicon film transfer, Sensors and Actuators A, 110(2004), 401-406 7. N. N. Toan et al.: Preparation of spin-on glass material using experimental design method, Proceedings of the third International Workshop on Material Science, 1999 8. 이상복 : 알기쉬운다구찌기법, 상조사, 2003 (in Korean) 9. Q.-Y. Tong et al.: Semiconductor wafer bonding (Science and technology), John wiley & Sons, Inc., 1999 10. H.J.Qenzer et al.: Anodic-bonding on glass layers prepared by a spin-on glass process (preparation process and experimental results), The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, 2001 11. S.H. Kim et al.: Organosilicate spin-on glass (Ⅰ.Effect of chemical modification on mechanical properties), Journal of The Electrochemical Society, 2004, F37-F44 12. S. W. Choi et al.: The analysis of oxygen plasma pretreatment for improving anodic bonding, Journal of the Electrochemical Society, 149-1(2002), G8-G11 13. M.Wiegand et al.: Wafer bonding of silicon wafers covered with various surface layers, Sensors and Actuators, 2000, 91-95 14. M. Y. Tsai et al.: A note on Suhir s solution of thermal stresses for a die-substrate assembly, Journal of Electronic Packaging, 126(2004), 115-119 582 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005