용융 접합, 녹여 붙이기
직접 접합, 사실 용융 접합이 더 정확한 표현이라고 생각합니다. 주로 실리콘 기판에 대해 이루어지므로 실리콘 용융 접합(Silicon Fusion Bonding, SFB)라고도 하죠. 공정은 간단합니다. 두 장의 실리콘 웨이퍼를 기본적인 세정 절차(RCA 세정 등)에 따라 세척 후 건조를 하고 거울면을 맞닿게 하면, 표면의 수산화이온들 간의 결합을 통하여 약한 반 데르 발스 결합이 형성되면서 두 장의 실리콘 기판이 접착됩니다. 접착력은 약하여 핀셋으로 측면 방향으로 세게 밀면 결합이 끊어지면서 밀리는 정도이죠.
초기 접착된 실리콘 기판쌍을 높은 온도에서 열처리를 하게 되면, 약 섭씨 300도~700도의 온도에서는 물 분자들이 밖으로 빠져나가면서(out diffusion) 실리콘 기판이 더 가까이 맞닿을 수 있도록 탄성 변형이 일어나죠. 섭씨 700에서 1,000도까지의 온도 영역에서는 수소가 밖으로 빠져나가고 실리콘 기판들은 더욱 밀접하게 변형이 됩니다. 섭씨 1,000도가 넘으면, 계면에서의 산소들이 실리콘 내부로 확산되면서 실리콘의 변형과 함께 실리콘 산화막의 성장과 점성 흐름(viscous flow)이 이어지는 과정을 통하여 재료 연속성을 가지게 되고, 온도가 더 올라가면 실리콘 산화막이 구형화되면서 용해되고, 계면에서 실리콘의 일부 용융이 일어나며 실리콘과 실리콘 간의 재료 연속성이 이루어지면서 접합이 완성되죠. 이러한 접합 과정은 적외선 이미지나 초음파 이미지 등을 통하여 실시간 관찰이 가능하며, 접합 후에는 주사 및 투과 전자 현미경으로 접합 계면을 보다 심도있게 분석할 수가 있습니다.
이러한 실리콘 용융 접합은 극히 청정하고 반도체 친화적인 공정이므로 실리콘 MEMS의 밀봉이나 패키징 응용에 더하여, 실제로 MEMS 구조물이 만들어지는 중간 과정에서도 충분히 활용할 수 있습니다. 일례로 노바 센서에서는 하나의 실리콘 기판에 V자형 홈을 형성하고, 이를 또 다른 실리콘 기판과 용융 접합을 한 뒤, 상부 실리콘을 연마하여 두께 조절과 거울면을 만들어 다이아프램을 완성한 뒤 여기에 표준 반도체 공정으로 압력 센서와 회로를 제작하였죠. 이를 통하여 MEMS 구조 제작 후 회로를 구성하는 공정으로 제작 과정이 보다 쉬워졌으며, 더욱 다양한 회로들을 집적할 수 있었습니다. 또한 칩의 크기를 많이 줄일 수도 있었죠.
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