정전 열 접합, 전기장으로 붙이기
먼저, 정전 열 접합(electrostatic bonding)을 살펴보죠. 이는 1969년에 '발견'되었다고 표현하는데, '발견'이라 함은 체계적인 연구 과정을 통하여 개발하기보다는 무언가 실험을 하는 과정에서 다소 우연히 획득하게 된 현상을 뜻합니다. 탄소 나노 튜브에서도 전자 현미경 분석 중, 관찰된 나노 구조로서 '발견'되었다는 표현을 쓰기도 하죠. 정전 열 접합은 전기가 통하는 도체 기판과 나트륨 이온의 함량이 높은 유리 기판간에서 일어나는 현상입니다.
두 기판을 서로 포갠 상태에서 온도를 대략 섭씨 350~450도 정도로 올리면 유리 안에 있는 나트륨 이온들의 움직임이 가능해지죠. 이 상태에서 대략 400~700V 정도의 전압을 도체(반도체 혹은 실리콘)를 양극, 유리 기판을 음극으로 하여 인가하게 되면 유리 안에서 나트륨 양이온들이 음극, 즉 유리 기판의 뒤쪽으로 이동하게 됩니다. 따라서 유리와 실리콘의 접촉 영역에서는 나트륨 양이온들의 결핍이 발생하며, 약 1마이크론 두께의 음이온 결핍 영역, 즉 산소 음이온 영역이 형성되면서 도체와의 좁은 갭에 7MV/m 정도에 이르는 강한 전기장을 형성합니다. 이 전기장은 유리 기판과 도체 사이에 강한 정전력을 만들고, 이로 인해 두 기판이 서로 끌어당겨지면서 강한 접착이 형성되죠. 이 과정에서 열과 전기장, 그리고 강한 접착력으로 인하여 계면 사이에 화학적 반응이 발생, 얇은 산화막이 만들어지면서 두 기판을 재료적으로 강한 연속성을 갖도록 한다는 연구가 보고된 바 있습니다. 유리 내의 이온 결핍을 통하여 양극인 도체와의 접합이 이루어진다는 의미에서 양극 접합(anodic bonding)이라고도 불리죠.
도체로서 실리콘 웨이퍼를 이용할 경우, 공정 온도 범위에서 실리콘과 열 팽창 계수가 유사한 코닝 #7740이나 #7070 파이렉스 유리를 사용하며, 표면은 평탄하고 청결하여야 합니다. 두 기판을 맞닿게 하고 온도는 섭씨 400도, 전압은 약 1,000V까지 직류로 인가하며 이러한 조건은 유리 내의 나트륨 이온들의 대부분을 유리 기판의 뒤쪽, 즉 음극 쪽으로 이동하도록 하며, 실리콘에 가까운 유리 계면 영역에는 산소 음이온들이 남게 되죠. 그리고 실리콘 기판과의 좁은 틈 사이에 강한 정전력이 발생하여 두 기판을 완전히 끌어당겨 서로의 형상을 따라갈 수 있을 정도로까지 강한 접착이 발생합니다. 유리 내의 산소 음이온들과 실리콘 원자들이 화학 반응을 수반하면서 두 기판은 영구적으로 접합이 이루어지죠.
실험실 수준에서 정전 열 접합 기구의 설치는 비교적 간단합니다. 온도를 올릴 수 있는 가열판(hot plate)과 전압을 인가할 수 있는 전극과 직류 전원과 전압-전류계 정도만 있으면 되죠. 전류계는 정전 열 접합의 진행 과정에서 나트륨 이온들의 이동과 이동이 끝난 후, 그리고 접합이 완료된 시점을 알기 위하여 필요합니다. 먼저 온도를 올리고, 전압을 인가하고, 전류 파형을 관찰, 피크에서 전류값이 감소되어 제로에 이르면 전압은 인가한 상태에서 온도를 상온으로 내리고 끝으로 전원을 끄는 순서로 진행하죠. 접합은 전극 부분을 중심으로 확장되어가며, 유리 쪽에서 보면 실리콘의 옅은 회색이 접합이 이루어지면서 짙은 회색으로 바뀌어 가는 모양을 볼 수 있습니다. 된 접합된 유리와 실리콘은 재료적인 연속성을 충분히 유지하고 있으며, 유리의 파괴 강도보다도 강한 접합력을 가지게 됩니다.
이러한 정전 열 접합은 MEMS 가공된 실리콘 구조물이나 움직임이 있는 소자를 밀봉하고, 용량형 실리콘 압력 센서 등에서는 금속 박막을 코팅하여 대향 전극을 형성하기도 합니다. 또한 유리를 캡슐이나 박스 형태로 가공하여 MEMS 소자의 구동 환경을 제공하거나 밀봉된 공간을 진공이나 혹은 비활성 기체로 채워주어 소자나 구조물들이 안정적으로 작동하도록 돕는 역할도 하게 되죠. 실리콘 압력 센서에서는 얇은 다이아프램 구조와 패키지용 헤드 간의 응력을 완화하기 위한 버퍼 구조로서의 역할도 할 수 있습니다.
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