A study on pre-bonding of Si wafer direct bonding at HF pre-treatment

HF 전처리시 Si기판 직접접합의 초기접합에 관한 연구

Si wafer direct bonding(SDB) technology is very attractive for both Si-on-insulator(SOI) electronic devices and MEMS applications. This paper presents on pre-bonding according to HF pre-treatment conditions in Si wafer direct bonding. The characteristics of bonded sample were measured under different bonding conditions of HF concentration and applied pressure. The bonding strength was evaluated by tensile strength method. A bond characteristic on the interface was analyzed by using FT-IR, and surface roughness according to HF concentration was analyzed by AFM. Si-F bonds on Si surface after HF pre-treatment are replaced by Si-OH during a DI water rinse. Consequently, hydrophobic wafer was bonded by hydrogen bonding of Si-OH$\cdots$(HOH$\cdots$HOH$\cdots$HOH)$\cdots$OH-Si. The pre-bonding strength depends on the HF pre-treatment condition before pre-bonding. (Min : $2.4kgf/cm^2{\sim}$Max : $14.9kgf/cm^2$)

Si기판 직접접합기술은 전자소자 및 MEMS에의 응용에 있어 대단히 매력적인 기술이다. 본 논문에서는 Si기판 직접접합에 있어서 HF 전처리 조건에 따른 초기접합에 관하여 서술한다. 접합된 시료들의 특성은 HF 농도, 인가하중과 같이 각각의 접합조건하에서 분석하였으며, 접합력은 인장강도측정법에 의해 평가하였다. 계면상의 결합성분과 표면의 거칠기는 FT-IR과 AFM을 사용하여 평가하였다. HF 전처리 후 Si기판 표면상의 Si-F결합은 DI water에 세정하는 동안 Si-OH로 재배열되며, 결과적으로 hydrophobic 기판은 Si-OH$\cdots$(HOH$\cdots$HOH$\cdots$HOH)$\cdots$OH-S의 수소결합되어 hydrophilic화된다. 초기접합력은 초기접합전의 HF 전처리 조건에 의존한다. (최소 : $2.4kgf/cm^2{\sim}$최대 : $14.9kgf/cm^2$)