KR100468841B1 - 웨이퍼 레벨 패키징이 가능한 ｍｅｍｓ 소자 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

웨이퍼 레벨 패키징이 가능한 MEMS 소자 및 그 제조방법에 관해 기술된다. MEMS 소자는 MEMS 활성소자가 그 상면에 형성되어 있는 하부 기판과; 상기 MEMS 활성소자가 위치하는 공간을 제공하는 소정 용적의 공동부가 그 저면에 형성되어 있고, 상기 하부기판과 하나로 결합되는 상부 기판과; 상기 하부 기판에 형성되어 상기 MEMS 활성 소자에 전기적으로 연결되는 복수의 내부 패드와; 상기 내부 패드의 각각에 대응하여 상기 상부 기판의 저면으로 부터 그 상면으로 관통하는 다수의 콘택트홀과; 상기 콘택트홀의 내벽에 형성되며, 그 하부는 상기 내부패드에 전기적으로 접촉되는 콘택트층과; 상기 상부 기판의 상면에 형성되며, 상기 각 콘택트홀의 콘택트층과 전기적으로 접촉되는 다수의 외부패드를; 구비한다. 이러한 MEMS 소자는 상부 기판의 두께가 매우 얇게 형성되고, 따라서 구조적으로 매우 단축된 전기적 신호 경로를 가지며, 따라서 내부 저항이 매우 낮게 유지된다. 또한, 상부 기판의 표면에 외부 패드가 형성되어 있으므로 와이어 본딩이 아닌 솔더 볼등에 의한 다이렉트 본딩방식으로 회로기판에 실장될 수 있다.

Description

웨이퍼 레벨 패키징이 가능한 ＭＥＭＳ 소자 및 그 제작방법{Micro Electromechanical System Device which can be packaged in the state of wafer level and Fablication method thereof}

본 발명은 웨이퍼 레벨 패키징이 가능한 MEMS(Micro Electromechanical System) 소자 및 그 제작방법에 관한 것이다.

MEMS 구조물의 제작 공정으로 가장 많이 이용되고 있는 표면 마이크로머시닝(Surface Micromachining)의 경우 구조층으로 폴리(Poly Silicon)을 이용하고 있다. 이러한 경우에는 폴리 실리콘에 존재하는 잔류 응력(Residual Stress)가 완성된 MEMS 구조에 악 영향을 끼친다. 또한, 공정 상 일반적인 폴리 실리콘로 부터는 10㎛ 이상의 두께를 가지는 구조물을 만들기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 SOI나 40㎛ 정도의 단결정 실리콘(Single crystalline Silicon)을 유리 등에 접착(bonding)하여 이를 구조층으로 적용하는 공정이 있다. 그러나, 이런 공정은 두껍고 잔류 응력이 없는 구조를 만들 수 있지만, 그 구조층 수를 1개 이상으로 구성하기 어려워 복잡한 구조물을 만들 수 없다. 또, 단결정의 이방성 식각을 이용하여 MEMS구조물을 형성하는 벌크 머시닝(Bulk Micromachining)의 경우 이방성 식각의 특성상 고 단면비(High Aspect Ratio)를 가지는 구조물 을 형성하기 힘들다.

MEMS 구조물 중에 공진형 자이로스코프의 경우, 공진 중에 Q-팩터(factor)가 주변의 진공도에 민감한 영향을 받게 된다. 이러한 이유로 제작되어진 MEMS구조물을 진공 상태로 패키징해야 함으로써 복잡한 후 공정을 수반해야 했다. 또한, MEMS 구조를 가진 칩(chip)은 일반적인 IC/ASIC에 사용되는 팩키징 공정을 적용하는데 어려움이 있어 자동화에 큰 어려움이 있다.

도 1은 웨이퍼 레벨 패키징이 가능한 종래 MEMS 소자의 개략적 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 MEMS 소자는 실링층(4)에 의해 두개의 상하 기판(2, 3)이 결합되어 있고, 상기 상하 기판(2,3)의 사이의 밀폐된 공간에는 활성소자(8)가 마련된다. 활성소자(Active Element, 8)는 일반적으로 스프링 구조물 및 이에 의해 지지되는 스테이지 등을 구비한다. 상기 하부 기판(3)에는 외부로 인출되는 리드 라인(5)이 형성되어 있고, 이 리드 라인(5)은 내부적으로 상기 활성소자(8)에 전기적으로 연결되어 있고, 외부적으로는 본딩 와이어(9)등에 의해 회로 기판(7)의 시그널라인(6)에 연결된다.

상기와 같은 종래 MEMS 소자는 구조적으로 회로기판에 설치된 상태에서 별도의 와이어 본딩에 의해 회로기판에 연결되는 구조를 가지기 때문에, 표면 실장(surface mount)를 위한 별도의 패키지가 요구된다. 또한 이러한 종래 MEMS 소자는 그 크기가 상당히 크고 높이도 높다. 따라서 이를 적용하는 장치에서 큰 용적을 차지함으로써 장치의 소형화를 저해하는 결과가 초래된다. 또한 상기한 바와 같이 별도의 와이어 본딩에 의한 회로결선은 접촉부에서의 전기적 접촉저항과, 고주파의 RF(Radio Frequency)에 대해 매우 높은 인덕턴스에 의해 큰 신호손실을 유발한다.

본 발명의 제1의 목적은 용이하게 진동 구조물을 형성할 수 있는 MEMS 소자 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 웨이퍼 레벨에서 패키징이 가능한 MEMS 소자 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제3의 목적은 자체에 패드를 가짐으로써 회로 기판에 실장이 가능한 MEMS 소자 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제4의 목적은 낮은 접촉저항과 짧은 결선구조를 가짐으로써 내부 신호손실을 효과적으로 저감할 수 있는 MEMS 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 웨이퍼 레벨 패키징이 가능한 종래 MEMS 소자의 개략적 구조도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MEMS 소자의 개략적 구조도.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 MEMS 소자의 제작공정도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 MEMS 소자는:

MEMS 활성소자가 그 상면에 형성되어 있는 하부 기판과;

상기 MEMS 활성소자가 위치하는 공간을 제공하는 소정 용적의 공동부가 그 저면에 형성되어 있고, 상기 하부기판과 하나로 결합되는 상부 기판과,

상기 하부 기판에 형성되어 상기 MEMS 활성 소자에 전기적으로 연결되는 복수의 내부 패드와;

상기 내부 패드의 각각에 대응하여 상기 상부 기판의 저면으로 부터 그 상면으로 관통하는 다수의 콘택트홀과;

상기 콘택트홀의 내벽에 형성되며, 그 하부는 상기 내부패드에 전기적으로 접촉되는 콘택트층과;

상기 상부 기판의 상면에 형성되며, 상기 각 콘택트홀의 콘택트층과 전기적으로 접촉되는 다수의 외부패드를; 구비한다.

상기 본 발명의 MEMS 소자의 실시예에 따르면, 상기 콘택트층 및 외부패드 중 적어도 어느 하나가 다중 적층구조를 가지며, 상기 외부 패드는 Cr/Au, UBM 구조, Ai/Ni/Au, Cr/Cr-Cr/Cu 적층구조 중의 어느 하나의 구조를 가진다. 또한, 상기 콘택트층은 Cr/Au 또는 Cr/솔더 물질로 된 적층구조를 가진다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 MEMS 소자의 제작방법은:

하부 기판 상에 MEMS 활성 소자 및 MEMS 활성소자에 전기적으로 접속되는 내부 패드를 형성하여 완성된 하부 기판을 준비하는 단계;

상기 MEMS 활성소자가 위치하는 소정 용적의 공동부를 상부기판의 저면에 형성하는 단계;

상기 상부기판의 저면에 상기 내부 패드에 대응하는 콘택트홀을 상기 공동부의 보다 깊게 형성하는 단계와;

상기 상부 기판의 콘택트홀의 내벽에, 상기 내부 패드에 대응하는 접촉부를 가지는 콘택트층을 형성하는 단계;

상기 공동부에 상기 활성소자가 위치하고 상기 콘택트층의 접촉부가 상기 내부패드에 접촉되도록 상기 상부기판과 하부기판을 하나로 결합하는 단계;

상기 상부 기판의 상면을 소정깊이로 연마하여 상기 콘택트홀의 콘택트층을 상기 상부 기판의 표면으로 노출시키는 단계;

상기 상부 기판의 표면에 상기 콘택트층에 전기적으로 접촉되는 외부 패드를 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 본 발명의 제작방법에 따르면, 상기 콘택트층을 형성하는 단계는: 증착 및 패터닝에 의해 제1층을 형성하는 단계와; 상기 제1층의 위에 Au 또는 솔더 물질로 된 제2층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 특히 상기 콘택트층의 제2층을 형성하는 단계는 스크린 프린팅, HASL 프로세스(Hot Air Solder Level Process), 도금법 등에 의해 수행된다. 또한, 상기 외부 패드를 형성하는 단계는 상기 상부 기판에 제1층을 형성하는 단계와, 상기 제1층 상에 제2층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2층은 금속의 증착 및 패터닝 또는 용융된 솔더의 금속이 수용된 배스(bath)에 담궜다가 꺼내는 과정(HASL 프로세스)에 의해 얻어진다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 MEMS 소자와 그 제작방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저 도 2를 참조하면서, 본 발명에 따른 MEMS 소자에 대해 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 공동부(80)가 그 저면에 소정깊이와 용적을 가지도록 형성된 상부 기판(120)과 하부 기판(60)이 하나로 결합되어 있다. 상기 공동부(80)내에는 상기 하부 기판(60)의 상면 중앙부분에 형성된 MEMS 활성 소자(70)가 위치한다. 상기 MEMS 활성 소자(70)는 일반적으로 스프링 요소와 이에 의해 지지되는 스테이지, 그리고 스테이지에 대해 구동력을 제공하거나, 스테이지의 변위를 검지하는 전극이 배치된다. 이러한 MEMS 활성소자(70)는 본 발명의 기술적 범위를 제한 하지 않는다.

상기 하부 기판(60)의 상면 양측에는 상기 MEMS 활성소자(70)에 전기적으로 연결되는 내부 패드(80)가 형성되어 있다. 그러나, 도 2에서는 구조의 복잡성을 피하기 위하여 내부 패드(80)가 활성 소자(70)와 분리되어 있는 것으로 도시되어 있다.

상기 내부 패드(80)는 상기 상부 기판(160)의 콘택트홀(121)에 형성되어 있는 콘택트층(100)의 하부 접촉부(스커트)에 접촉되어 있다. 상기 콘택층(100)은 Cr로 된 제1층(110)과 Au로 된 제2층(111)으로 된 적층구조를 가진다. 이러한 적층구조의 콘택트층(100)는 PbSn 등의 솔더에 대해 접착성이 좋은 일반적인 UBM(Under Bump Metalization) 구조 또는 Ai/Ni/Au 의 적층구조 또는 Cr/Cr-Cr/Cu 의 적층구조를 가질 수 있다.

그리고, 상기 콘택트홀(121)의 상부는 개방되어 있고, 여기에 상기 콘택트층(100)의 상단부가 노출되어 있다. 상기 상부기판(120)의 표면으로 노출된 상기 콘택트층(100)의 상단부는 상기 상부기판(120)의 상면에 형성된 외부패드(130)에 접촉되어 있다. 상기 외부 패드(130)는 Cr로 된 제1층(132)과 Au로 된 제2층(131)을 구비한다. 이러한 적층구조의 외부패드(130)는 상기한 바 있는 UBM(Under Bump Metalization) 구조 또는 Ai/Ni/Au 의 적층구조 또는 Cr/Cr-Cr/Cu 의 적층구조를 가질 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 MEMS 소자는 구조적으로 매우 단축된 전기적 신호 경로를 가지며, 따라서 내부 저항이 매우 낮게 유지된다. 또한, 상부 기판(160)의 표면에 외부 패드(130)가 형성되어 있으므로 와이어 본딩이 아닌 솔더 볼등에 의한 다이렉트 본딩방식으로 회로기판에 실장될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 MEMS 소자의 제작방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명하다. 본 발명에 따른 MEMS 소자의 제작방법은 일반적인 적층, 패터닝 등의 방법이 적용되므로 구체적인 가공법에 대해서는 설명되지 않는다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 상부 기판(120)의 저면 중앙에 공동부(80)을 소정깊이로 형성한다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 공동부(80)의 양측에 공동부(80)보다 깊게 상기 콘택트홀(122)을 소정 깊이의 우물형태로 형성하고, 이 우물의 벽 및 우물의 개구부 둘레로 노출되는 접촉부(111')를 가지는 제1층(111)을 Cr/Au 로 형성한다. 여기에서 제1층(111)은 증착 및 패터닝 과정에 의해 얻어질 수 있다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제1층(111)의 위에 일반적인 솔더 물질로 된 제2층(110)을 형성하여 두개의 적층에 의한 콘택트층(110)을 얻는다. 여기에서는 스크린 프린팅, HASL 프로세스(Hot Air Solder Level Process), 도금법 등이 적절히 적용될 수 있다.

도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 콘택트층(110)과 공동부(80)에 대응하여 설계되고 제작된 하부 기판(60)의 상기 상부 기판(120)과 결합한다. 상기 하부기판(60)은 전술한 바와 같이, MEMS 활성 소자 및 MEMS 활성소자에 전기적으로 접속되는 내부 패드를 갖춘다.

도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 상부 기판(120)을 연마하여, 상기 콘택트홀(122)이 상부기판(120)의 상부로 개방되고 이에 따라 콘택트홀(122)의 내벽에 형성된 콘택트층(100)이 상부 기판(120)의 표면으로 노출되게 한다. 여기에서 상부 기판(120)의 연마는 일반적인 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing)에 의해 이루어 진다.

도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 상부 기판(120)의 표면에서 상기 콘택층(100)의 노출부분에 외부패드(130)를 형성하여 목적하는 MEMS 소자를 얻는다. 상기 외부 패드(130)는 두개의 적층을 가지며, Cr/Au 또는 UBM 구조 또는 Ti/Ni/Au 의 적층구조 또는 Cr/Cr-Cr/Cu 의 적층구조를 가질 수 있다. 이러한 외부 패드(130)의 금속의 전면증착 및 패터닝과정에 의해 형성되며, 각 층이 증착이 개별적으로 패터닝 되거나, 모든 층이 전면 증착된 후, 패터닝 될 수 있다. 또한 여기에서 상기 외부 패드(130)의 제2층(131)은 제1층(132)이 형성된 상부 기판(120)을 용융된 솔더가 수용된 배스(bath)에 담궜다가 꺼내는 과정을 통해서도 얻을 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 MEMS 소자의 제조방법은, 각종 전자소자나 MEMS소자의 전기적, 구조적 패시베이션(passivation)과 외부로의 전기적 접속(interconnection)을 웨이퍼 레벨에서 일괄적으로 처리하는 새로운 웨이퍼 레벨 패키징 방법을 제공한다. 이러한 본 발명의 방법은 반도체 공정기술과 미세 가공기술을 활용하여 실링(sealing)과 내부접속(interconnection)구조를 형성한 상부기판과 전자 소자나 MEMS 소자가 수십내지 수천개 일괄적으로 제작된 하부기판을 웨이퍼 레벨에서 솔더본딩(solder bonding)기술로 접합하고 최종적으로 다이싱(dicing)을 하므로서 개별적으로 독립된 소자를 칩사이즈(chip size)로 패키징할 수 있도록 한다.

이상과 같은 본 발명의 MEMS 소자는 상부 기판의 두께가 종래에 비해 매우 얇아지고 따라서 구조적으로 매우 단축된 전기적 신호 경로를 가지며, 따라서 내부 저항이 매우 낮게 유지된다. 또한, 상부 기판의 표면에 외부 패드가 형성되어 있으므로 와이어 본딩이 아닌 솔더 볼등에 의한 다이렉트 본딩방식으로 회로기판에 실장될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면, 이로 부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. MEMS 활성소자가 그 상면에 형성되어 있는 하부 기판과;

   상기 MEMS 활성소자가 위치하는 공간을 제공하는 소정 용적의 공동부가 그 저면에 형성되어 있고, 상기 하부기판과 하나로 결합되는 상부 기판과,

   상기 하부 기판에 형성되어 상기 MEMS 활성 소자에 전기적으로 연결되는 복수의 내부 패드와;

   상기 내부 패드의 각각에 대응하여 상기 상부 기판의 저면으로 부터 그 상면으로 관통하는 다수의 콘택트홀과;

   상기 콘택트홀의 내벽에 형성되며, 그 하부는 상기 내부패드에 전기적으로 접촉되는 콘택트층과;

   상기 상부 기판의 상면에 형성되며, 상기 각 콘택트홀의 콘택트층과 전기적으로 접촉되는 다수의 외부패드를; 구비하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 콘택트층 및 외부패드 중 적어도 어느 하나가 다중 적층구조를 가지는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 외부 패드는 Cr/Au, UBM 구조, Ti/Ni/Au, Cr/Cr-Cr/Cu 적층구조 중의 어느 하나의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 콘택트층은 Cr/Au 또는 Cr/솔더 물질로된 적층구조를 가지는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
5. 제3항에 있어서,

   상기 콘택트층은 Cr/Au 또는 Cr/솔더 물질로된 적층구조를 가지는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
6. 하부 기판 상에 MEMS 활성 소자 및 MEMS 활성소자에 전기적으로 접속되는 내부 패드를 형성하여 완성된 하부 기판을 준비하는 단계;

   상기 MEMS 활성소자가 위치하는 소정 용적의 공동부를 상부기판의 저면에 형성하는 단계;

   상기 상부기판의 저면에 상기 내부 패드에 대응하는 콘택트홀을 상기 공동부의 보다 깊게 형성하는 단계와;

   상기 상부 기판의 콘택트홀의 내벽에, 상기 내부 패드에 대응하는 접촉부를 가지는 콘택트층을 형성하는 단계;

   상기 공동부에 상기 활성소자가 위치하고 상기 콘택트층의 접촉부가 상기 내부패드에 접촉되도록 상기 상부기판과 하부기판을 하나로 결합하는 단계;

   상기 상부 기판을 상면을 소정깊이로 연마하는 상기 콘택트홀의 콘택트층을 상기 상부 기판의 표면으로 노출시키는 단계;

   상기 상부 기판의 표면에 상기 콘택트층에 전기적으로 접촉되는 외부 패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자의 제작방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 콘택트층을 형성하는 단계는: 스크린 프린팅 또는 증착 및 패터닝에 의해 제1층을 형성하는 단계와;

   상기 제1층의 위에 Au 또는 솔더 물질로 된 제2층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자의 제작방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 콘택트층의 제2층을 형성하는 단계는 스크린 프린팅, HASL 프로세스(Hot Air Solder Level Process), 도금법 등에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자의 제작방법.
9. 제6항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 외부 패드를 형성하는 단계는 상기 상부 기판에 제1층을 형성하는 단계와, 상기 제1층 상에 제2층을 형성하는 단계를 더 포함하며,

   상기 제2층은 금속의 증착 및 패터닝 또는 용융된 솔더의 금속이 수용된 배스(bath)에 담궜다가 꺼내는 과정에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자의 제작방법.