KR100402974B1 - 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼의 관성 센서 패키징 방법 - Google Patents

Abstract

파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼의 관성 센서 패키징 방법에 있어서, 파이렉스 유리 일면에 금/크롬 금속패턴(metal pattern)을 형성하여 전극으로 이용하여 실리콘 웨이퍼와 파이렉스 유리를 금속패턴의 금속선을 따라 전체 영역에 걸쳐 고루 양극접합하며, 양극접합 후 그물망 금속패턴의 금속선에 의하여 구획되어지는 각각의 셀에서, 금/크롬 금속패턴의 금속선 즉 셀의 가장자리는 양극접합 되고 중앙은 접합되지 않고 위로 볼록한 캡이 형성되므로 이 셀을 관성 센서로 디자인하면 실리콘 웨이퍼 위에 구성되어있는 기계적인 실리콘 메스 부분이 유동할 수 있는 공간이 중앙에 형성되어 기계적인 실리콘 메스 부분과 유리전극이 접합 시 달라붙는 스티킹(sticking) 현상이 해결되며, 셀의 중앙에 집중되는 스트레스를 열처리를 통하여 풀어줌으로 센서의 내구성을 높이고 금/크롬 금속패턴의 금속선이 제단선으로 이용된다.

Description

파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼의 관성 센서 패키징 방법 {A packaging method of inertial sensor using pyrex glass and silicon wafer}

본 발명은 실리콘 웨이퍼와 파이렉스 유리의 양극접합(anodic bonding)을 이용한 관성 센서 패키징(pakaging) 방법으로서, 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 접합하는 종래의 기술은, 접합하고자하는 파이렉스 유리 위에 얇은 더미(dummy) 유리나 더미 실리콘을 놓아 면전극으로 이용하는 방법과, 직접 금속 프로브(probe)를 놓아 점전극으로 이용하는 방법이 있다. 이 방법에서 이용되는 양극접합(anodic bonding)은, 접합하고자하는 파이렉스 유리 기판의 전극에 마이너스 전압을 걸고 실리콘 웨이퍼에 플러스 전압을 걸어주면, 온도와 정전기력에 의해 파이렉스 유리의 마이너스 전극쪽에는 알카리 이온이, 실리콘과의 경계면에는 산소 이온이 정렬되고, 실리콘은 규소 이온이 파이렉스 유리와의 경계면에 정렬되어 산소 이온과 규소 이온이 양극 산화되어 파이렉스 유리와 실리콘이 접합되는 원리에 그 기초를 두고 있다. 한편, 이 기술들은 4인치 웨이퍼와 같은 넓은 면적을 접합하고자 할 때, 대상의 전 영역을 골고루 접합시키기 위해 높은 인가 전압을 필요로 하며, 이로 인해 기계적인 실리콘 메스 부분과 유리전극이 접합시 달라붙는 스티킹(sticking) 현상을 유발 시킨다. 그리고, 일정하게 분포되지 않는 정전기력에 의해 웨이퍼의 가장자리의 일부가 잘 붙지 않아 결국 센서의 수률을 떨어뜨리는 결과를 가져온다. 그리고, 유리위를 전부 금속으로 증착해 접합을 한 경우는 접합된 영역 내에 버블(bubble)이 발생하는 결점을 가져온다. 그리고 양극 접합에 의해 제작되어진 센서는 접합시의 온도와 인가 전압에 의한 정전기력에 의해 접합 후에 잔류 스트레스를 가지게 되어 내구성이 떨어지게된다.

본 발명은 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리를 실리콘 웨이퍼와 양극접합 방법을 이용하여 접합함으로 상기의 스티킹 현상과 가장자리가 잘 붙지 않는 현상을 개선하여 수률을 높이고, 양극접합 후에 생긴 유리의 스트레스를 열처리 과정을 통하여 풀어줌으로 내구성을 높이는 데 목적이 있다.

도 1은 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리 평면도

도 2는 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리의 금속선을 전극으로 이용하여 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 양극접합한 평면도

도 3은 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리의 금속선을 전극으로 이용하여 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 양극접합한 평면도의 부분 상세도

도 4는 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리의 금속선을 전극으로 이용하여 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 양극접합한 것의 열처리전의 부분 단면도

도 5는 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리의 금속선을 전극으로 이용하여 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 양극접합 것의 열처리한 후의 부분 단면도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 파이렉스 유리

2: 금/크롬 금속패턴

3: 파이렉스 유리와 실리콘이 접합되지 않은 영역

4: 파이렉스 유리와 실리콘이 접합되어진 영역

5: 간섭 원호

6: 실리콘 메스

7: 실리콘

8: 셀

기계적인 실리콘 메스 부분이 형성되어있는 실리콘 웨이퍼에 파이렉스 유리를 양극접합 공정을 이용하여 접합하는 마이크로머신의 관성 센서의 패키징 방법에 있어서, 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 접합하는 종래의 기술은 접합하고자하는 유리와 실리콘의 위에 얇은 더미 유리나 더미 실리콘을 놓아 면전극으로 이용하는 방법과 직접 금속 프로브(probe)를 이용하는 점전극의 두가지 기술이 있다. 이 기술에서 이용되는 양극접합(anodic bonding)은 접합하고자하는 파이렉스 유리 기판에 마이너스 전압을 걸고 실리콘 웨이퍼에 플러스 전압을 걸면, 온도와 정전기력에 의해 파이렉스 유리내에서 마이너스 전극으로 알카리 이온이, 플러스 전극으로는 산소 이온이 이동되고, 분리된 산소 이온과 실리콘의 표면에 여기된 규소 이온이 양극 산화되어 파이렉스 유리와 실리콘이 접합되는 원리에 그 기초를 두고 있다. 한편, 이 기술들은 4인치 웨이퍼와 같은 넓은 면적을 접합하고자 할 때, 대상의 전 영역을 골고루 접합시키기 위해 높은 인가 전압(300∼1000V)을 필요로 하며, 이로 인해 기계적인 실리콘 메스 부분과 유리전극이 접합 시 달라붙는 스티킹(sticking) 현상등을 유발 시킨다. 그리고, 일정하게 분포되지 않는 정전기력에 의해 웨이퍼의 가장자리가 잘 붙지 않아 결국 센서의 수률을 떨어뜨리는 결과를 가져온다. 그리고, 양극 접합에 의해 제작되어진 센서는 열과 정전기력에 의해 접합 후에 잔류 스트레스를 가지게 되어 내구성이 떨어지게 된다.

스티킹 현상은 종래의 양극접합 시 상기의 면전극이나 점전극에 가해주는 300 볼트에서 1000 볼트 정도의 높은 인가 전압에 의해 일어나는 현상으로 이를 해결하기 위하여 그물망 구조의 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리를 실리콘 웨이퍼와 양극접합 되는 유리기판으로 사용함으로 100 볼트 이하의 낮은 인가 전압에서도 좋은 접합의 결과를 얻고, 정전기력이 금/크롬 금속패턴을 따라 고르게 분포되어, 실리콘 웨이퍼와 유리기판이 그물망 구조의 금/크롬 금속패턴의 금속선을 따라 여러개의 작은 단위로 구획되는 데 이를 편의상 셀이라 지칭하면, 금/크롬 금속패턴의 금속선 부분 즉 셀의 가장자리는 양극접합 되고 중앙은 접합되지 않고 위로 볼록한 캡이 되므로 이 셀을 관성 센서로 디자인하면 실리콘 웨이퍼 위에 구성되어있는 기계적인 실리콘 메스 부분이 유동할 수 있는 공간이 중앙에 형성되어 기계적인 실리콘 메스 부분과 유리전극이 접합 시 달라붙는 스티킹(sticking) 현상이 해결되며, 센서를 셀 단위로 구성함으로 수률을 극대화할수 있다.

파이렉스 유리의 일면에 열증착기(thermal evaporator)를 사용하여 크롬(Cr)을 500Å 두께로 증착하고 그 위에 금(Au)을 2000Å 두께로 이중 증착하여 유리에 금이 바로 증착되었을 경우 접착력이 약하여 들뜨는 것을 막고, 상기의 금/크롬이 이중으로 증착되어있는 파이렉스 유리면에 AZ 5214 포토레지스터를 1.3㎛ 두께로 회전도포한 후, 핫 플레이트(hot plate) 위에 놓고, 90℃에서 100초간 열처리하고, 그물망 구조의 패턴을 마스크(Mask)에 형성한 후 광원과 파이렉스 유리 사이에 개재하여 UV광에 10초간 노광하여, AZ 300 MIF 현상액에 1분간 파이렉스 유리를 현상한 후, 100℃에서 100초간 열처리고, KI 4g + I2 1g + H2O 40ml인 금 에칭액에 담그고, 후에 K3Fe(CN)6 15g + NaOH(또는 KOH) 2.5g + H2O 50ml인 크롬 에칭액에 담가 그물망 구조의 금/크롬 금속패턴을 남기고 에칭함으로 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리 기판을 만든다.

이 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 진한 황산과 31% 농도의 과산화수소수를 3대 1의 비로 혼합한 용액속에 20분간 담가 세척한다. 세척과정을 거친 후, 금/크롬 금속패턴이 형성된 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 진공 양극접합장치에서 파이렉스 유리의 금/크롬 금속패턴을 음극으로 실리콘 웨이퍼를 양극으로하여 내부온도 300℃, 압력 1mTorr, 인가전압 75V, 본딩지속시간 30분으로하여 실리콘 웨이퍼와 파이렉스 유리를 양극접합 한다.

상기와 같은 방법으로 양극접합하면, 금/크롬 금속패턴이 금속 전극으로 이용되어 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼의 양극접합 시에 가하는 전압에 의한 정전기력이 금/크롬 금속패턴을 따라 고르게 분포되고, 그물망 구조의 금/크롬 금속패턴의 선을 따라 여러 개의 작은 셀 단위로 양극접합되어, 금/크롬 금속패턴의 금속선 부분 즉 셀의 가장자리는 양극접합되고 중앙은 접합되지않고 위로 볼록한 캡의 모양이되어 실리콘 웨이퍼 위에 구성되어있는 기계적인 실리콘 메스 부분이 유동할 수 있는 공간이된다.

일반적으로 실리콘 프로세서에서 유리와 실리콘 메스를 띄울 갭(gap)은 높은 커패시턴스값을 얻기위해 실리콘을 아주 작은 범위에서(예를 들면 3,5 um) 에칭을 해 두고 본딩을 한다. 갭의 범위는 셀계에 따라 다르다. 따라서 양극접합 후 유리는 굴곡 없이 평탄한 것이 검출 데이터의 오차도 줄여지고 가장 좋다. 따라서 실리콘에 있는 갭의 범위 안에서 실리콘 메스는 움직이게 되는 셈이다.

그러므로 검출 데이터의 오차도 줄이고, 굴곡에 따른 유리 각 부분의 서로 다른 잔류 스트레스를 풀어주어 강도와 내구성을 높이기 위해 양극접합 후 위로 볼록한 캡의 모양을 이루는 유리면의 굴곡을 원래의 평탄한 면과 같이 되게 하려는 열처리 과정이 필요하다.

상기의 접합된 파이렉스 유리와 실리콘 웨이퍼를 질소분위기의 노에 넣고 3℃/분의 속도로 350℃까지 온도를 올리고, 이 온도를 2시간 동안 유지한 후 0.5℃/분의 속도로 온도를 내리며, 직경 4인치의 노의 분위기 질소는 1L/분의 속도로 흘리는 방법으로 열처리한다.

상기의 방법으로 열처리를 하면 중앙이 필요 이상으로 위로 볼록한 상태로 접합되어있던 유리의 굴곡이 원래의 평탄한 면과 같이 된다. 간섭원호가 열처리 공정을 통하여 현저히 없어지는 것을 볼 수 있다.

실시 예로서, 각각의 셀 단위가 독립적으로 작동하는 센서로 디자인되며, 금/크롬 금속패턴의 금속선이 개개의 센서로 자를 때 기준선이 된다.

양극접합을 할 때 종래의 방법인 더미 실리콘 웨이퍼를 사용한 경우의 접합될 면에 버블이 생겨 골고루 접합되지 않는 문제점과 기계적인 실리콘 메스부분과유리가 달라붙는 스티킹(sticking) 현상을 파이렉스 유리 위에 금/크롬 금속패턴을 형성하여 해결할 수 있으며, 셀단위로 센서를 디자인하여 수률을 높이고, 열처리 공정을 통해 신뢰성과 내구성을 향상시킨다.

Claims (4)

1. 실리콘 웨이퍼와 파이렉스 유리(1)의 양극접합 공정을 이용한 관성 센서의 패키징 방법에 있어서, 상기 파이렉스 유리(1) 위에 그물망 구조로 금/크롬 금속패턴(2)을 형성하되, 상기 파이렉스 유리위에 상기 크롬과 금을 이중증착하며, 포토레지스터를 일정 두께로 회전도포한 후 핫 플레이트(ho plate)위에 놓고 열처리하고, 금/크롬 금속패턴이 형성되어있는 마스크를 광원과 상기의 포토레지스터를 도포한 파이렉스 유리(1) 사이에 개재하여 UV광에 노광한후, 상기의 노광된 파이렉스 유리(1)를 현상액에 담가 현상을 한 후, 열처리하여 금과 크롬 에칭액에 담가 에칭하여 파이렉스 유리(1) 위에 금/크롬 금속패턴(2)을 형성하는 제1단계와, 양극 접합 시 진공양극접합장치에서 금/크롬 금속패턴(2)을 전극으로 이용하여 실리콘 웨이퍼와 금/크롬 금속패턴(2)이 형성된 파이렉스 유리(1)를 양극 접합하는 제2단계와, 양극접 후 위로 볼록한 캡의 모양을 이루는 유리면의 굴곡을 원래의 평탄한 면과 같이 되게 하도록 질소분위기의 노에서 열처리하는 제3단계로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 파이렉스 유리(1)와 실리콘 웨이퍼의 관성 센서 패키징 방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 파이렉스 유리(1) 위에 열증착기를 사용하여 크롬과 금을 이중 증착한 후 포토레지스터를 1.3㎛ 두께로 회전도포한 후 핫 플레이트(hot plate)위에 놓고 90℃에서 100초간 열처리하고, 금/크롬 금속패턴이 형성되어있는 마스크를 광원과 상기의 포토레지스터를 도포한 파이렉스 유리(1) 사이에 개재하여 UV광에 10초간 노광한 후, 상기의 노광된 파이렉스 유리(1)를 현상액에 1분간 담가 현상을 하고, 100℃에서 100초간 열처리하여 금과 크롬 에칭액에 담가 에칭하여 파이렉스 유리(1) 위에 금/크롬 금속패턴(2)을 형성하는 것을 특징으로하는 파이렉스 유리(1)와 실리콘 웨이퍼의 관성 센서 패키징 방법
3. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼와 금/크롬 금속패턴(2)이 형성된 파이렉스 유리(1)를 진공 양극 접합장치에서 내부온도 300℃, 압력 1mTorr, 인가전압 75V, 지속시간 30분으로 하여 양극접합하는 것을 특징으로 하는 파이렉스 유리(1)와 실리콘 웨이퍼의 관성 센서 패키징 방법
4. 제 1항에 있어서, 상기 금/크롬 금속패턴(2)이 형성된 파이렉스 유리(1)와 실리콘 웨이퍼를 양극접합한 후, 질소분위기의 노에 넣고 3℃/분의 속도로 350℃까지 온도를 올리고, 이 온도를 2시간 동안 유지한 후 0.5℃/의 속도로 온도를 내리며, 노의 분위기 질소는 1L/분의 속도로 흘리며 열처리하는 것을 특징으로하는 파이렉스 유리(1)와 실리콘 웨이퍼의 관성 센서 패키징 방법