KR100495007B1 - 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법 - Google Patents

실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극 접합이 가능하고, 접합 후에도 웨이퍼 굽힘현상이 발생하지 않는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법에 관한 것이다. 이와 같은 기판단위 진공실장방법은 특정 기능을 수행하는 소자를 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 기판단위로 가공하는 소자웨이퍼 가공단계; 소자웨이퍼와 열팽창 계수가 동일한 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 이용하여 소자를 밀봉하는 뚜껑을 가공하는 밀봉뚜껑 가공단계; 밀봉뚜껑에 소디엄(sodium, Na)을 함유하는 산화(oxide)층을 형성하는 산화층 형성단계; 및 고진공 분위기에서 소자웨이퍼와 밀봉뚜껑을 양극 접합으로 접합하는 진공실장단계;를 포함한다. 이때, 밀봉뚜껑은 레이저나 ICP RIE 가공방법을 이용하여 관통홀을 가공하는 것을 특징으로 한다.

Description

실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법{Wafer level vacuum packaging method using Si wafer}
본 발명은 실리콘 웨이퍼 상에 가공된 소자를 진공실장하는 방법에 관한 것으로서, 특히 하부의 실리콘 웨이퍼에 기판단위로 형성된 소자를 상부의 실리콘 웨이퍼에 기판단위로 형성된 뚜껑으로 진공 분위기에서 밀봉하는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법에 관한 것이다.
오늘날, 전자제품의 소형화 추세에 따라 외부 환경변화를 감지하는 센서의 소형화가 요구되고 있고, 이에 따라 반도체 가공기술을 이용하여 특정 기능을 수행하는 센서를 제조하는 방법이 널리 이용되고 있다. 그런데, 관성센서와 같이 작동부가 있는 소자의 경우에는 소자가 소형화될수록 공기의 영향이 커지게 되어 정밀한 센싱을 할 수 없게 된다. 따라서, 소자의 작동부가 진공환경에 있도록 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 작동부가 형성된 소자웨이퍼를 진공 분위기에서 뚜껑으로 밀봉하여 작동부의 진공환경을 유지하는 진공실장방법이 개발되어 사용되고 있다.
상기와 같은 진공실장방법에 의해 진공실장된 소자의 일예로서 관성센서가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하여 종래기술에 의한 기판단위 진공실장방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 일반적인 반도체 제조공정을 응용하여 웨이퍼(10)의 표면(11)에 관성센서(15)를 형성한다. 관성센서(15)는 에스오아이 웨이퍼(SOI(Silicon on Insulator) Wafer)나 샌드위치형 웨이퍼(Sandwich type Wafer)를 사용하여 기판단위로 형성된다. 이어서, 관성센서(15)를 밀봉하는 밀봉뚜껑(20)을 소디엄(sodium,Na)이 함유된 유리 웨이퍼(glass wafer)를 사용하여 별도의 공정에서 기판단위로 제작한다. 이때, 밀봉뚜껑(20)은 관성센서(15)가 동작하는 공간인 캐비티(Cavity, 21)와 관성센서(15)로 전원을 공급할 수 있는 관통홀(22)이 형성된다. 유리 웨이퍼(20)에 캐비티(21)와 관통홀(22)을 형성하기 위해서는 통상 고압의 샌드(sand)를 분사하여 홈이나 관통구멍 등을 형성하는 샌드 블라스팅(sand blasting)이라는 가공기술이 이용된다. 그런 후에 관성센서(15)가 형성된 소자웨이퍼(10)와 밀봉뚜껑이 형성된 유리 웨이퍼(20)를 진공 분위기에서 양극 접합(anodic bonding)한다. 이어서, 기판단위로 제조된 관성센서(15)들을 다이싱(dicing) 공정을 통해 절단하면 개별 관성센서가 완성된다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의한 진공실장방법에 의해 관성센서를 진공실장하는 것은 다음과 같은 문제가 있다.
첫째, 소자웨이퍼와 밀봉뚜껑을 양극 접합한 후에 유리 웨이퍼와 실리콘 웨이퍼의 열팽창 계수차에 의한 응력으로 웨이퍼 굽힘(wafer bowing)현상이 발생한다는 문제점이 있다. 이 웨이퍼 굽힘현상은 관성센서의 측정이나 개별소자로 절단된 후에 각 센서의 특성에 변화를 일으킬 수 있기 때문에 문제가 된다. 이와 같은 웨이퍼 굽힘현상을 피하기 위해 밀봉뚜껑으로 소자웨이퍼와 열팽창계수가 동일한 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것을 고려할 수 있다. 그러나 이 경우에는 양극 접합을 사용할 수 없고 양극 접합시보다 높은 접합온도가 필요한 용융 접합(fusion bonding)을 사용하여야 하나, 이 경우 이미 소자웨이퍼에 도핑(doping)된 구조층이 영향을 받게 된다는 문제가 있다. 또한, 저온에서 접합할 수 있는 에폭시 접합(epoxy bonding)공정을 고려할 수 있으나 이 공정은 진공실장에 매우 불리하다는 문제가 있다.
둘째, 샌드 블라스팅을 이용하여 가공하기 때문에 유리 웨이퍼에 형성된 캐비티와 관통홀의 정도가 불균일하고 많은 크랙(crack)을 내포한다는 문제가 있다. 샌드 블라스팅 가공법은 압축 공기등을 이용하여 고압으로 샌드(sand)를 분사하여 형상을 가공하는 것이기 때문에 가공정도가 상당히 거칠며, 가공제로 사용되는 샌드의 신뢰성에 문제가 있을 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 샌딩후에 습식식각공정을 수행할 수 있으나 정확한 형상의 관통홀의 생성에는 무리가 있고, 크기와 깊이가 균일하도록 제작할 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 양극 접합을 이용하여 접합을 할 수 있고, 양극 접합을 하여도 웨이퍼 굽힘현상이 발생하지 않으며, 밀봉뚜껑의 가공이 용이하면서 가공정도가 높은 기판단위 진공실장방법에 대한 발명의 필요성이 제기되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 양극 접합이 가능하며 웨이퍼 굽힘현상이 발생하지 않는 기판단위 진공실장방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 밀봉뚜껑을 쉽고 정도 높게 가공할 수 있는 기판단위 진공실장방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 특정 기능을 수행하는 소자를 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 기판단위로 가공하는 소자웨이퍼 가공단계; 소자웨이퍼와 열팽창 계수가 동일한 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 이용하여 소자를 밀봉하며, 상기 소자에 대응되는 복수의 관통홀을 구비하는 밀봉뚜껑을 가공하는 밀봉뚜껑 가공단계; 밀봉뚜껑에 양극 접합이 가능한 양의 소디엄(sodium, Na)을 함유하는 산화(oxide)층을 형성하는 산화층 형성단계; 및 고진공 분위기에서 소자웨이퍼와 밀봉뚜껑을 양극 접합으로 접합하는 진공실장단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법을 제공함으로써 달성된다.
이때, 상기 복수의 관통홀은 레이저를 이용하여 가공하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 레이저는 탄소(CO2) 레이저와 엑시머(Eximer) 레이저 중의 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 또한, 레이저를 이용하여 상기 밀봉뚜껑을 가공할 때, 질소가스(N2 gas)를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 기판단위 진공실장방법은 ICP RIE를 이용하여 밀봉뚜껑의 관통홀을 가공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 기판단위 진공실장방법의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 다만, 종래의 기술과 동일한 부분은 동일한 부호를 부여하여 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명에 의한 기판단위의 진공실장방법의 일실시예에 의하여 진공실장된 특정 기능을 수행하는 소자의 단면도가 도시되어 있다.
본 발명의 특징은 실리콘 웨이퍼의 표면(11)에 관성센서와 같은 특정 기능을 수행하는 소자의 작동부(15)등이 미세가공된 소자웨이퍼(10)와 실리콘 웨이퍼(35)로 가공된 후 소디엄(sodium, Na)을 함유한 산화층(oxide layer,33)이 형성된 밀봉뚜껑(30)을 고도의 진공 분위기에서 양극 접합(vacuum anodic bending)을 이용하여 접합하는 것이다. 이때, 소자웨이퍼(10)와 밀봉뚜껑(30)은 동일한 실리콘 웨이퍼를 사용하기 때문에 열팽창 계수가 동일하고, 밀봉뚜껑(30)은 그 표면에 소디엄을 함유한 산화층(33)이 형성되어 있기 때문에 양극 접합으로 소자웨이퍼(10)와 밀봉뚜껑(30)을 접합할 수 있다. 따라서, 진공 분위기에서 양극 접합으로 접합하여도 소자웨이퍼(10)와 밀봉뚜껑(30) 사이에서 웨이퍼 굽힘현상이 발생하지 않는다. 또한, 밀봉뚜껑(30)의 관통홀(32)은 레이저나 ICP RIE(Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching)에 의해 가공된다. 따라서, 관통홀(32)을 일정한 치수로 정밀하게 가공할 수 있으며, 샌딩이나 습식에칭에서 발생하는 입자오염(particle contamination)을 피할 수 있다.
이와 같은 특정 기능을 갖는 소자의 기판단위 진공실장방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 일반적인 반도체 제조공정을 응용하여 표면(11)에 관성센서와 같은 특정 기능을 수행하는 작동부(15)를 갖는 소자웨이퍼(10)를 형성한다. 이때, 특정 기능을 수행하는 소자웨이퍼(10)는 에스오아이 웨이퍼(SOI(Silicon on Insulator) Wafer)나 샌드위치형 웨이퍼(Sandwich type Wafer)를 사용하여 기판단위로 형성된다. 다만, 어떤 웨이퍼를 사용하여 소자웨이퍼(10)를 제조하는가에 관계없이 웨이퍼 표면(11)은 실리콘이 사용된다.
이어서, 소자의 작동부(15)를 밀봉하는 밀봉뚜껑(30)을 실리콘 웨이퍼(35)를 사용하여 별도의 공정에서 기판단위로 제작한다. 이때, 사용되는 실리콘 웨이퍼(35)는 소자웨이퍼(10) 표면(11)의 실리콘 재질과 동일한 열팽창 계수를 갖는 재료이어야 한다.
도 3a 내지 도 3c에는 실리콘 웨이퍼(35)를 사용하여 밀봉뚜껑(30)을 가공하는 공정의 일실시예가 단면도로 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 먼저, 실리콘 웨이퍼(35)의 일면에 소자의 작동부(도 2의 15 참조)가 움직일 수 있는 공간인 캐비티(31)를 형성한다. 이 캐비티(31)를 가공하는 일예는 다음과 같다. 우선, 마스킹(masking) 공정을 통해 실리콘 웨이퍼(35)의 일면에 캐비티(31)의 패턴을 형성한다. 그후 습식에칭(wet etching)을 통해 실리콘 웨이퍼(35) 표면으로부터 일정 깊이 식각하여 캐비티(31)를 형성한다. 이어서, 캐비티(31) 패턴을 형성했던 마스킹을 제거하면, 실리콘 웨이퍼(35)에 캐비티(31) 가공이 완료된다(도 3a 참조).
다음으로, 레이저 가공공정을 통해 캐비티(31)가 형성된 실리콘 웨이퍼(35)에 관통홀(32)을 형성한다(도 3b 참조). 이때, 레이저는 탄소(CO2) 레이저나 엑시머(Eximer) 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 또, 레이저로 관통홀(32)을 가공할 때에는 질소가스(N2 gas)를 이용하여 레이저 가공중에 발생하는 비산물질이 밀봉뚜껑(30)에 영향을 미치지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이어서, 캐비티(31)와 관통홀(32)이 형성된 실리콘 웨이퍼(35)의 전면(全面)에 산화층(33)을 형성하면, 밀봉뚜껑(30)의 가공이 완료된다(도 3c 참조). 이때, 산화층(33)은 진공 양극 접합에 의해 밀봉뚜껑(30)과 소자웨이퍼(10)를 접합할 수 있는 정도의 소디엄(sodium, Na)이 함유되어야 한다.
한편, 밀봉뚜껑(30)의 관통홀(32)은 레이저 가공외에 ICP RIE를 이용하여 가공할 수 있다. 그 가공공정이 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 먼저, 상술한 가공공정과 동일한 습식 에칭을 통해 실리콘 웨이퍼(35)에 캐비티(31)를 형성한다(도 4a 참조).
다음으로, 실리콘 웨이퍼(35)의 일면에 감광제(36)를 도포하고 노광과 현상과정을 통해 관통홀의 패턴(37)을 형성한다(도 4b 참조). 이때, 관통홀의 패턴(37)은 캐비티(31)가 형성된 면의 반대면에 형성하는 것이 바람직하다. 이어서, ICP RIE를 이용하여 관통홀(32)을 가공하고 패턴을 형성하였던 감광제(36)를 제거한다(도 4c 참조).
끝으로, 소디엄이 일정량 함유된 산화층(33)을 캐비티(31)와 관통홀(32)이 형성된 실리콘 웨이퍼(35)의 전면(全面)에 형성하면 밀봉뚜껑(30)의 가공이 완료된다(도 4d 참조). 이때, 산화층(33)의 소디엄 함량은 진공 양극 접합에 의해 밀봉뚜껑(30)과 소자웨이퍼(10)를 접합할 수 있는 정도의 양이다.
다음으로, 진공챔버와 같은 고도의 진공 분위기에서 소자가 형성된 소자웨이퍼(10)와 밀봉뚜껑(30)을 양극 접합(anodic bonding)을 이용하여 접합한다. 이때, 소자웨이퍼(10)의 표면(11) 물질은 실리콘 웨이퍼이고, 밀봉뚜껑(30)도 실리콘 웨이퍼로 양 부품의 열팽창 계수가 동일하므로 양극 접합 후에 웨이퍼가 휘어지는 웨이퍼 굽힘현상이 발생하지 않는다.
이어서, 기판단위로 진공실장된 각 소자들을 다이싱(dicing) 공정을 통해 절단하면 특정 기능을 수행하는 소자의 가공이 완료된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법에 의하면, 동일한 실리콘 웨이퍼를 사용하여 소자웨이퍼와 밀봉뚜껑을 제조하므로 접합 후 접합재료의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 웨이퍼 굽힘현상이 발생하지 않는다.
또한, 밀봉뚜껑에 소디엄을 함유한 산화층을 형성한 후 소자웨이퍼와 양극 접합을 이용하여 접합하므로, 실리콘과 실리콘의 접합시 사용하는 용융 접합(fusion bonding)시의 온도(약 1100℃)에 비해 저온(약 500℃)에서 접합이 가능하며, 에폭시 접합(epoxy bonding)으로는 곤란한 기판단위 진공실장이 가능하다.
또한, 관통홀을 레이저나 ICP RIE 가공방법을 사용하여 가공하므로 종래에 비해 정확한 형상의 관통홀을 가공할 수 있으며 가공부에 크랙(crack)이 발생하지 않게 된다.
또한, 관통홀의 크기를 일정하게 가공할 수 있으므로 공정간의 산포가 줄어 수율이 향상된다.
특히, 레이저를 이용하여 관통홀을 가공하는 경우에는 현상 및 에칭공정시 발생하는 화학잔여물이 없으므로 환경친화적이며, 공정시간이 단축되어 제조원가를 낮출 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법에 따르면, 소자웨이퍼와 밀봉뚜껑을 양극 접합을 이용하여 접합할 수 있고 접합 후에도 웨이퍼 굽힘현상이 발생하지 않는다.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저와 ICP RIE 가공방법을 이용하여 관통홀을 가공하므로 밀봉뚜껑을 쉽고 정도 높게 가공할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 종래기술에 의해 진공실장된 관성센서의 일예를 나타내 보인 단면도,
도 2는 본 발명에 의한 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법에 의해 진공실장된 소자를 나타내 보인 단면도,
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 밀봉뚜껑 가공공정의 일실시예를 나타내 보인 단면도,
도 4a 내지 도 4d는 도 2의 밀봉뚜껑 가공공정의 다른 실시예를 나타내 보인 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10; 소자웨이퍼 11; 웨이퍼 표면
15; 작동부 30; 밀봉뚜껑
31; 캐비티(cavity) 32; 관통홀
33; 산화층 35; 실리콘 웨이퍼

Claims (5)

  1. 특정 기능을 수행하는 소자를 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 기판단위로 가공하는 소자웨이퍼 가공단계;
    상기 소자웨이퍼와 열팽창 계수가 동일한 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 이용하여 상기 소자를 밀봉하며, 상기 소자에 대응되는 복수의 관통홀을 구비하는 밀봉뚜껑을 가공하는 밀봉뚜껑 가공단계;
    상기 밀봉뚜껑에 양극 접합이 가능한 양의 소디엄(sodium, Na)을 함유하는 산화(oxide)층을 형성하는 산화층 형성단계; 및
    고진공 분위기에서 상기 소자웨이퍼와 상기 밀봉뚜껑을 양극 접합으로 접합하는 진공실장단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 관통홀은 레이저를 이용하여 가공하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저는 탄소(CO2) 레이저와 엑시머(Eximer) 레이저 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 레이저를 이용하여 상기 밀봉뚜껑을 가공할 때, 질소가스(N2 gas)를 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 관통홀은 ICP RIE를 이용하여 가공하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 이용한 기판단위 진공실장방법.
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