KR101603010B1 - 구조물 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 구조물 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 제 1 센서 영역과 제 2 센서 영역을 포함하고, 표면 상에 미세 구조물이 형성된 미세 구조 기판을 준비하는 단계; 상기 미세 구조 기판과 대향하는 면 위에 형성되고, 상기 미세 구조 기판의 일부와 결합되어, 상기 미세 구조 기판을 밀봉 실장하는 범프; 및 상기 범프보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 범프의 공융(eutectic) 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 1 본딩 반응 지지층;을 포함하는, 캡 기판을 준비하는 단계; 상기 제 1 센서 영역과 상기 제 2 센서 영역이 모두 제 1 압력인 상태에서, 상기 범프의 공융 반응을 이용하여, 상기 미세 구조 기판과 상기 캡 기판을 결합하여, 상기 미세 구조 기판의 상기 제 1 센서 영역을 밀봉 실장하는 단계; 및 상기 제 2 센서 영역이 제 2 압력인 상태에서, 상기 제 1 본딩 반응 지지층이 상기 미세 구조 기판과 결합하는 단계;를 포함하는, 구조물 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 구조물 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 구조물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 종래 기술인 Cu/Ni/Au 범프 구조의 경우 Au-Si 공융 접합면에서의 습기 취약성이 발견되고, 구리가 존재하던 영역의 일부가 신뢰성 테스트 과정에서 습기로 인해 보이드(void) 형태로 존재하여 신뢰성에 문제가 발생하며, 또한 종래 기술인 Au 범프 구조의 경우 미세 구조물 기판과 캡 기판 간의 적정한 간격 제어가 불가능하여, 캐비티 형성 공정을 추가로 포함하여야 하는 문제가 발생하였으나, 본 발명은 이와 같은 문제점들을 원천적으로 해결하는 것이 가능하며, 나아가 동일한 공정으로 하나의 웨이퍼 상에 복합 센서, 예를 들어 자이로 센서와 가속도 센서를 제조하는 것이 가능한 구조물 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 구조물에 관한 것이다.
최근, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술은 향후 모바일 및 자동차 분야를 중심으로 다양한 기술 분야를 주도할 혁신적인 시스템 소형화 분야로 시장이 확대되고 있다. MEMS 기술은 기존 반도체의 다양한 기술에 MEMS만의 특수한 실리콘 기술을 이용하여 시스템의 특정 부위를 마이크로 또는 나노미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판 등의 기판상에 집적하여 형성하는 기술이다.
MEMS 기술을 사용하여 제작된 장치의 대부분은 움직이는 미세 구조물이 존재하므로 외부환경, 상세하게는 온도, 습도, 미세 먼지, 진동 및 충격 등의 외부 환경에 민감하게 반응하고, 이에 의하여 동작을 수행하지 못하거나 또는 동작 중에 오류(error)가 빈번히 발생한다는 문제점이 있었다.
따라서, MEMS 소자가 위치한 센서 기판의 상부에 캡기판을 설치함으로써 밀봉 실장된 MEMS 패키지를 형성하여, MEMS 소자를 외부 환경으로부터 차폐시키는 기판 수준 밀봉 실장(wafer-level hermetic packaging)이 필요하다.
이와 같은 기판 수준 밀봉 실장(wafer-level hermetic packaging)은 다양한 방법이 있으나, 본 발명에서 다루는 Au-Si 용융 접합은 아래와 같은 다양한 장점이 있다.
첫째, 미세 구조물 기판에 접합을 위한 레이어(layer)를 추가로 제작할 필요가 없으므로 미세 구조물 기판의 제작 공정을 단순화할 수 있다. 둘째, 다양한 기판의 사용이 가능하고 밀봉 특성이 양호하므로 진공 패키지를 요구하는 자이로센서 등에 적용이 가능하다. 셋째, 미세 구조물 기판과 캡 기판이 전기적으로 연결되므로 캡 기판을 통해 전원 연결이 가능한 구조를 제작할 수 있다. 넷째, 향후 캡 웨이퍼에 신호처리장치를 집적할 경우 제조단가 및 패키지 사이즈를 크게 줄일 수 있다. 다섯째, 미세구조물 기판과 캡 기판 사이 간격을 갭 센싱이 가능한 수준으로 제어할 수 있는 큰 장점들이 있다.
이와 같은 Au-Si 용융 접합을 위한 다양한 캡 기판의 구조가 있으나 범프를 형성하는 구조가 기존에 상용화된 안정화된 장치 및 기술에 적용되어 상품화 하기에 좋은 장점을 가지고 있었다.
일반적으로 상용화된 범프구조는 Cu/Ni/Au 범프와 Au 범프가 있다. 먼저, Cu/Ni/Au 범프 기술을 살펴보면 Cu/Ni/Au 범프 구조로 제작된 캡 기판으로 Au-Si 공융 접합을 진행한 결과, 습기에 취약한 본딩층을 형성함으로써 신뢰성 평가(HAST(High Accelerated Stress Test), PCT(Pressure Cooker Test))를 진행할 경우 MEMS 소자의 성능에 영향이 발생하여 양/불 수율이 저하되는 문제가 발생하였다.
이 때문에 Cu 성분을 대체하는 물질로 시드 및 범프를 형성해야 하므로 기존 반도체 표준공정을 사용할 수 없는 문제가 있었다. 또한 본딩 과정 중 Ni-Si 화합물이 형성되어 본딩력을 약화시키는 문제로 본딩 안정화를 위해 특수한 관리가 필요하며 미세구조물 기판과 캡기판 사이 간격을 갭 센싱이 가능한 수준으로 제어하기 어려운 한계가 있었다.
한편, 범프를 Au 범프 구조로 제작할 경우 미세 구조물 기판과 캡 기판 사이의 적정한 간격을 유지하기 위한 캐비티(cavity) 형성 공정이 추가되어야 한다. 캐비티 형성 공정은 기존 반도체 표준공정이 아니므로 공정 관리의 어려움과 제조단가 상승, 다양한 공정 문제의 발생이 따르게 되었다.
한편, 진공 상태로 구현되어야 하는 자이로 센서와, 진공 상태가 아닌 대기압 상태 등으로 구현되어야 하는 가속도 센서를 하나의 웨이퍼에 구현한 복합 센서의 경우, 제조 공정 상 여러가지 기술적 애로 사항을 가지고 있었으며, 이를 해결하고자 하는 노력이 있어왔다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명은 종래 기술인 Cu/Ni/Au 범프 구조의 경우 Au-Si 공융 접합면에서의 습기 취약성이 발견되고, 구리가 존재하던 영역의 일부가 신뢰성 테스트 과정에서 습기로 인해 보이드(void) 형태로 존재하여 신뢰성에 문제가 발생하며, 또한 종래 기술인 Au 범프 구조의 경우 미세 구조물 기판과 캡 기판 간의 적정한 간격 제어가 불가능하여, 캐비티 형성 공정을 추가로 포함하여야 하는 문제가 발생하였으나, 본 발명은 이와 같은 문제점들을 원천적으로 해결하는 것이 가능하며, 나아가 동일한 공정으로 하나의 웨이퍼 상에 복합 센서, 예를 들어 자이로 센서와 가속도 센서를 제조하는 것이 가능한 구조물 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구조물 제조 방법은, 제 1 센서 영역과 제 2 센서 영역을 포함하고, 표면 상에 미세 구조물이 형성된 미세 구조 기판을 준비하는 단계; 상기 미세 구조 기판과 대향하는 면 위에 형성되고, 상기 미세 구조 기판의 일부와 결합되어, 상기 미세 구조 기판을 밀봉 실장하는 범프; 및 상기 범프보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 범프의 공융(eutectic) 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 1 본딩 반응 지지층;을 포함하는, 캡 기판을 준비하는 단계; 상기 제 1 센서 영역과 상기 제 2 센서 영역이 모두 제 1 압력인 상태에서, 상기 범프의 공융 반응을 이용하여, 상기 미세 구조 기판과 상기 캡 기판을 결합하여, 상기 미세 구조 기판의 상기 제 1 센서 영역을 밀봉 실장하는 단계; 및 상기 제 2 센서 영역이 제 2 압력인 상태에서, 상기 제 1 본딩 반응 지지층이 상기 미세 구조 기판과 결합하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구조물 제조 방법은, 제 1 센서 영역과 제 2 센서 영역을 포함하고, 표면 상에 미세 구조물이 형성된 미세 구조 기판을 준비하는 단계; 상기 미세 구조 기판의 상기 제 1 센서 영역을 밀봉 실장하기 위하여, 상기 미세 구조 기판에 대향하는 캡 기판 상에 제 1 본딩 반응 지지층을 형성하는 단계; 상기 미세 구조 기판과 공융 접합되는 범프를 상기 미세 구조 기판에 대향하는 캡 기판 상에 형성하는 단계; 상기 제 1 센서 영역과 상기 제 2 센서 영역이 모두 제 1 압력인 상태에서, 상기 범프의 공융 반응을 이용하여, 상기 미세 구조 기판과 상기 캡 기판을 결합하여, 상기 미세 구조 기판의 상기 제 1 센서 영역을 밀봉 실장하는 단계; 및 상기 제 2 센서 영역이 제 2 압력인 상태에서, 상기 제 1 본딩 반응 지지층이 상기 미세 구조 기판과 결합하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 범프의 공융 반응은, 상기 미세 구조 기판과 상기 범프의 밀착을 위하여, 상기 범프의 용융점 이상이면서 상기 제 1 본딩 반응 지지층의 용융점 이하인 온도로 가열하여 공융 반응시키는 단계이다.
또한, 상기 범프를 형성하는 단계 이전에, 상기 미세 구조 기판 상에 실리콘층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 범프는, Au, Au/Si, Au/Ge, Al/Si, 또는 Al/Ge 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 단층 또는 다층으로 이루어지고, 상기 미세 구조 기판과 상기 캡 기판은 Si 또는 Ge로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 본딩 반응 지지층은, 상기 미세 구조 기판의 공융 온도보다 높은 용융점 및 공융점을 가지고, 상기 시드층과 접합력이 좋은 단층 또는 2층 이상의 도금물질로서, Ni, Ti, Cr, V, Al, Cu, Pd로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어진다.
또한, 상기 제 1 본딩 반응 지지층은, 상기 범프보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 범프의 공융 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 상기 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만든다.
또한, 상기 제 1 센서 영역에는 자이로 센서가 형성되며, 상기 제 2 센서 영역에는 가속도 센서가 형성되며, 상기 제 1 압력은 진공 상태이며, 상기 제 2 압력은 대기압으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 본딩 반응 지지층보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 제 1 본딩 반응 지지층의 용융 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 2 본딩 반응 지지층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 본딩 반응 지지층의 용융점 및 공융점은, 제 1 본딩 반응 지지층이 상기 미세 구조 기판과 결합하는 단계에서 적용하는 온도보다 높은 온도이다.
한편, 본 발명에 따른 구조물은 상기 제 1 실시예에 따른 구조물 제조 방법및 상기 제 2 실시예에 다른 구조물 제조 방법에 따라 제조된다.
본 발명에 따른 구조물 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 구조물에 의하면,
첫째, 종래 반도체 장비 및 기술을 그대로 활용하는 것이 가능하다. 즉, 기존에 반도체 상용화를 위해 셋업된 장치 및 기술로 안정적으로 제작할 수 있으며, Au 범프가 형성된 캡 기판과 미세 구조 기판을 Au-Si 공융 접합(eutectic bonding) 한 결과, 8인치 웨이퍼 전면에 본딩이 문제없이 형성됨을 확인하였다. 이를 통해 공정단계 단순화, 본딩 제어 용이, Au 소모량 감소, 진공 밀봉(Vacuum sealing), 상/하판 웨이퍼 사이 간격 조정 용이 등의 많은 장점을 얻을 수 있다.
둘째, 센서 칩 또는 반도체 칩 등과 같은 미세 구조물이 형성된 미세구조물 기판을 캡 기판에 결합하여 밀봉 실장하는 기술에 있어서, 캐비티 없이 범프 구조를 Au로 제작하여 진공 밀봉 본딩을 진행하는 것이 가능하다.
셋째, 종래 기술상의 문제점을 모두 해결하였다. 즉, 종래 기술인 Cu/Ni/Au 범프 구조의 경우 Au-Si 공융 접합면에서의 습기 취약성이 발견되고, 구리가 존재하던 영역의 일부가 신뢰성 테스트 과정에서 습기로 인해 보이드(void) 형태로 존재하여 신뢰성에 문제가 발생하며, 또한 종래 기술인 Au 범프 구조의 경우 미세 구조물 기판과 캡 기판 간의 적정한 간격 제어가 불가능하여, 캐비티 형성 공정을 추가로 포함하여야 하는 문제가 발생하였으나, 본 발명은 이와 같은 문제점들을 원천적으로 해결하는 것이 가능하다.
넷째, 종래 진공 상태로 구현되어야 하는 자이로 센서와, 진공 상태가 아닌 대기압 상태 등으로 구현되어야 하는 가속도 센서를 하나의 웨이퍼에 구현한 복합 센서의 경우, 제조 공정 상 여러 가지 기술적 애로 사항을 가지고 있었으나, 본 발명에 따르면 서로 상이한 압력 상태를 요구하는 복합 센서를 동일한 반도체 공정으로 손쉽게 제조하는 것이 가능하게 된다.
다섯째, 휴대폰 등에서 널리 요구되고 있는 기술인 복합 센서 기술을, 본 발명과 같은 제조 방법으로 제조할 경우, 제조 비용이 절감되어, 국내 복합 센서 산업의 제조 경쟁력 강화를 도모 할 수 있다.
도 1은 기존의 Cu/Ni/Au 범프 구조를 사용하여 밀봉 실장하기 직전 미세 구조 기판(12) 및 캡 기판(11)의 구조물을 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 구조물을 공융 접합 완료한 후, 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 구조물에 대해 신뢰성 평가(HAST(High Accelerated Stress Test))를 진행한 후 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 구조물에 대해 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)을 칼로 분리한 후 촬영한 사진,
도 5는 도 1의 Cu/Ni/Au 범프 구조의 본딩력 및 신뢰성의 문제를 개선하기 위해 Au 범프(21)를 이용한 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도,
도 6은 도 5에 도시된 구조물을 Au-Si 공융 접합 완료한 후 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도,
도 7은 도 6에서 발생하는 공융 고상(17)이 수십 마이크로미터 이상 이동하여 불량을 발생하는 문제를 개선하기 위해, 본딩 반응 지지층(22)을 이용한 본 발명에 따른 미세 구조물기판(12)과 캡기판(11)의 단면상태를 도시한 단면도,
도 8은 도 7에 도시된 구조물을 Au-Si 공융 접합 완료한 후, 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 듀얼 프레셔 결합(dual-pressure bonding)을 이용한 복합 센서 제조 방법을 설명하기 위한 첫번째 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 듀얼 프레셔 결합(dual-pressure bonding)을 이용한 복합 센서 제조 방법을 설명하기 위한 두번째 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 듀얼 프레셔 결합(dual-pressure bonding)을 이용한 복합 센서 제조 방법을 설명하기 위한 세번째 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 구조물을 공융 접합 완료한 후, 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 구조물에 대해 신뢰성 평가(HAST(High Accelerated Stress Test))를 진행한 후 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 구조물에 대해 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)을 칼로 분리한 후 촬영한 사진,
도 5는 도 1의 Cu/Ni/Au 범프 구조의 본딩력 및 신뢰성의 문제를 개선하기 위해 Au 범프(21)를 이용한 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도,
도 6은 도 5에 도시된 구조물을 Au-Si 공융 접합 완료한 후 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도,
도 7은 도 6에서 발생하는 공융 고상(17)이 수십 마이크로미터 이상 이동하여 불량을 발생하는 문제를 개선하기 위해, 본딩 반응 지지층(22)을 이용한 본 발명에 따른 미세 구조물기판(12)과 캡기판(11)의 단면상태를 도시한 단면도,
도 8은 도 7에 도시된 구조물을 Au-Si 공융 접합 완료한 후, 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 듀얼 프레셔 결합(dual-pressure bonding)을 이용한 복합 센서 제조 방법을 설명하기 위한 첫번째 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 듀얼 프레셔 결합(dual-pressure bonding)을 이용한 복합 센서 제조 방법을 설명하기 위한 두번째 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 듀얼 프레셔 결합(dual-pressure bonding)을 이용한 복합 센서 제조 방법을 설명하기 위한 세번째 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서, 본 출원인이 본 발명을 하게 된 문제의식에 대해서 먼저 논의하고, 본 발명에 대해서 설명하기로 한다. 도 1 내지 도 5를 참조하여 종래 기술의 문제점에 대해서 검토하는 것을 통해서, 본 발명을 하게 된 문제 의식을 살펴본다. 다음으로 도 6 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 대해서 설명한다.
도 1은 기존의 Cu/Ni/Au 범프 구조를 사용하여 밀봉 실장하기 직전, 미세 구조 기판(12) 및 캡 기판(11)의 구조물을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 구조물의 하부에는 미세 구조 기판(12)이 위치한다. 미세 구조 기판(12)은 제조방법 및 소자의 종류에 따라 실리콘(Si) 또는 SOI(Si on Insulator) 웨이퍼로 구성된다. 미세 구조 기판(12)의 상부에는 캡 기판(cap substrate)(11)이 위치하며, 미세 구조 기판(12)의 위에 캡 기판(11)이 덮개와 같이 씌워져 밀봉 실장된다. 여기서, 미세 구조 기판은 기판 수준 밀봉 실장(wafer-level hermetic packaging)이 필요한 미세 소자로 이루어진 기판을 말하며, MEMS 소자가 위치한 센서 기판 등일 수 있다.
캡 기판(11)에는 전기적 입력 및 출력을 위한 배선 공정이 선행하여 진행되어 있을 수 있다. 범프는 Cu를 시드(seed)로 사용하고, Cu(14), Ni(15), Au(16) 순으로 도금하여 제작하며, Au(16)과 미세 구조 기판의 표면 간의 Au-Si 공융 접합을 통해 기판 수준 밀봉 실장(wafer-level hermetic packaging) 및 두 기판(미세 구조 기판(12) 및 캡 기판(11))을 서로 전기적으로 연결하는 역할을 한다.
도 2는 도 1에 도시된 구조물을 공융 접합 완료한 후, 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다. 공융 접합 과정은 첫째, Au층(16)과 미세 구조 기판의 표면에서 공융 반응 발생 및 영역이 확대되는 단계; 둘째, 공융 반응으로 형성된 액상이 미세 구조 기판의 표면과 범프 측면을 따라 Ni(15), Cu(14)로 흐르는 단계; 셋째, 공융 반응으로 형성된 액상으로 Cu의 일부가 확산됨과 함께 Ni과 Si의 화합물(30)이 형성되는 단계; 넷째, 공융 반응으로 형성된 액상이 고상(17)으로 상 변태되는 과정에서 Cu 물질(18)이 미세 구조 기판 표면과 공융 고상(17)의 계면 상에 형성되는 단계로 나눌 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 구조물에 대해 신뢰성 평가(HAST(High Accelerated Stress Test))를 진행한 후 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 구조물에 대해 신뢰성 평가(HAST(High Accelerated Stress Test))를 진행한 결과, 미세 구조 기판 표면과 공융 고상(17)의 계면 상에 형성된 Cu 물질(18)이 고온의 습기에 의해 산화되고 제거됨으로써 미세 구조 기판 표면과 공융 고상(17) 사이의 결합력이 낮아지게 된다.
또한 Cu 물질(18)의 제거된 공간을 통해 습기가 침투함으로써 미세 구조 내부로 습기가 침투하여 하게 됨에 따라 MEMS 소자 등의 미세 구조의 성능에 영향이 발생하여 양/불 수율이 저하되는 문제가 발생하였다. 또한 전기적인 연결 측면에서도 저항이 증가하는 문제가 발생하였다.
도 4는 도 3의 구조물에 대해 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)을 칼로 분리한 후 촬영한 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같이, Ni(15)와 Ni와 Si의 화합물(30) 경계에서 넓은 영역이 분리되는 현상을 볼 수 있으며 본딩 조건에 따라 Ni(15)와 Ni와 Si의 화합물(30) 경계 부분 본딩력이 달라짐을 볼 수 있다. 이러한 현상은 향후 양산 진행 시 수율저하 및 신뢰성에 악영향을 줄 수 있는 요인이 된다.
도 5는 도 1의 Cu/Ni/Au 범프 구조의 본딩력 및 신뢰성의 문제를 개선하기 위해 Au 범프(21)를 이용한 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다. Au 범프구조는 단층 또는 다층으로 형성할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 구조물을 Au-Si 공융 접합 완료한 후 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다.
도 4에서 나타난 Ni(15)와 Ni와 Si의 화합물(30) 경계 부분에서 본딩력의 저하 문제는 발생하지 않고 미세구조물기판(12)의 표면이 파손될 정도의 강한 본딩력이 확인되었다. 또한 도 3에서와 같은 신뢰성 이슈도 개선될 것으로 판단된다.
그러나, 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11) 사이 간격 제어가 어려운 문제로 인해 공융 고상(17)이 수십 마이크로미터 이상 이동하여 전기적 쇼트를 발생하는 문제가 발생하였다.
이와 같이, 종래 기술인 Cu/Ni/Au 범프 구조의 경우 Au-Si 공융 접합면에서의 습기 취약성이 발견되고, 구리가 보이드(void) 형태로 존재하여 신뢰성에 문제가 발생하며, 또한 종래 기술인 Au 범프 구조의 경우 미세 구조물 기판과 캡 기판 간의 적정한 간격 제어가 불가능하여, 캐비티 형성 공정을 추가로 포함하여야 하는 문제가 발생하였다. 본 출원인은 이와 같이 종래 기술이 가지고 있는 문제점을 인식하는 한편, 이를 해결하기 위해서 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 본딩 반응 지지층(22)을 추가함으로써 종래 기술의 문제점을 원천적으로 해결하였다.
도 7은 도 6에서 발생하는 공융 고상(17)이 수십 마이크로미터 이상 이동하여 불량을 발생하는 문제를 개선하기 위해, 본딩 반응 지지층(22)을 이용한 본 발명에 따른 미세 구조물기판(12)과 캡기판(11)의 단면상태를 도시한 단면도이다.
미세 구조 기판(12)은 표면 상에 미세 구조물이 형성된 기판으로서, Si 또는 Ge로 이루어지는 것이 일반적이다.
캡 기판(11)은 미세 구조 기판(12)을 밀봉 실장하기 위해 이용되는 기판으로서, 캡 기판(11) 상에 형성되고, 미세 구조 기판(12)의 일부와 결합되어, 상기 미세 구조 기판(12)을 밀봉 실장하는 Au 범프(21)과, Au 범프(21)보다 낮은 두께로 형성되어, Au 범프(21)의 공융(eutectic) 반응을 제어하여 미세 구조 기판(12)과의 결합 후 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11) 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 1 본딩 반응 지지층(22)을 포함한다. 여기서 설명을 위해서 편의상 범프(21)를 Au 범프로 하여 설명하는 것으로, 범프는 Au, Au/Si, Au/Ge, Al/Si, 또는 Al/Ge 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
여기서, 미세 구조 기판(12)은 기판 수준 밀봉 실장(wafer-level hermetic packaging)이 필요한 미세 소자로 이루어진다.
또한, 미세 구조 기판(12)의 본딩되는 영역 표면은 Si 또는 Ge, Au/Si, Au/Ge, Al/Ge 등으로 이루어진 그룹 중 어느 하나 이상으로 이루질 수 있다.
또한, 미세 구조 기판(12)과 대향하는 캡 기판(11)의 면의 일부와 Au 범프(21)를 전기적으로 연결하는 시드층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 본딩 반응 지지층(22)는 Au 범프(21)보다 작은 두께로 형성됨을 특징으로 하며, Au 범프(21)의 Au-Si 공융 온도(eutectic temperature) 보다 높은 용융점을 가지며, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해서, 가압 및 가열하여도, 제 1 본딩 반응 지지층(22)의 용융점이 Au 범프(21)의 Au-Si 공융 온도(eutectic temperature) 보다 높은 용융점을 가져서, 공융 고상(17)은 본딩 반응 지지층(22)의 두께에 의해서 간격 제어가 가능하게 된다.
또한, 제 1 본딩 반응 지지층(22) 및 Au 범프(21)은 도금 공정을 주로 사용하지만, Evaporator, Sputter 등의 증착 등의 방법으로도 형성할 수 있다. 또한, Au 범프의 표면은, Au, Au/Si, 또는 Au/Ge 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 8은 도 7에 도시된 구조물을 Au-Si 공융 접합 완료한 후, 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11)의 단면 상태를 도시한 단면도이다.
Au 범프(21)가 공융반응으로 액상이 되는 가운데도 제 1 본딩 반응 지지층(22)이 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11) 사이에 적당한 간격을 유지할 수 있음을 볼 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 듀얼 프레셔 결합(dual-pressure bonding)을 이용한 복합 센서 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9 내지 도 11을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구조물 제조 방법은, 제 1 센서 영역(24)과 제 2 센서 영역(13)을 포함하고, 표면 상에 미세 구조물이 형성된 미세 구조 기판(12)을 준비하는 단계; 상기 미세 구조 기판(12)과 대향하는 면 위에 형성되고, 상기 미세 구조 기판(12)의 일부와 결합되어, 상기 미세 구조 기판(12)을 밀봉 실장하는 Au 범프(21); 및 상기 Au 범프(21)보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 Au 범프(21)의 공융(eutectic) 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판(12)과의 결합 후 상기 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11) 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 1 본딩 반응 지지층(22);을 포함하는, 캡 기판(11)을 준비하는 단계; 상기 제 1 센서 영역(24)과 상기 제 2 센서 영역(13)이 모두 제 1 압력인 상태에서, 상기 Au 범프(21)의 공융 반응을 이용하여 상기 미세 구조 기판(12)과 상기 캡 기판(11)을 결합하여, 상기 미세 구조 기판(12)의 상기 제 1 센서 영역(24)을 밀봉 실장하는 단계; 및 상기 제 2 센서 영역(13)이 제 2 압력인 상태에서, 상기 제 1 본딩 반응 지지층(22)이 상기 미세 구조 기판(12)과 결합하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구조물 제조 방법은, 제 1 센서 영역(24)과 제 2 센서 영역(13)을 포함하고, 표면 상에 미세 구조물이 형성된 미세 구조 기판(12)을 준비하는 단계; 상기 미세 구조 기판(12)의 제 1 센서 영역(24)을 밀봉 실장하기 위한 상기 미세 구조 기판(12)에 대향하는 캡 기판(11)의 면 상에 시드층을 형성하는 단계; 상기 시드층 상에, 제 1 본딩 반응 지지층(22)을 형성하는 단계; 상기 미세 구조 기판(12)과 공융 접합되는 Au 범프(21)를 형성하는 단계; 상기 Au 범프(21)가 형성된 영역 이외 영역의 시드층을 제거하는 단계; 상기 제 1 센서 영역(24)과 상기 제 2 센서 영역(13)이 모두 제 1 압력인 상태에서, 상기 Au 범프(21)의 공융 반응을 이용하여, 상기 미세 구조 기판(12)과 상기 캡 기판(11)을 결합하여, 상기 미세 구조 기판(12)의 상기 제 1 센서 영역(24)을 밀봉 실장하는 단계; 및 상기 제 2 센서 영역(13)이 제 2 압력인 상태에서, 상기 제 1 본딩 반응 지지층(22)이 상기 미세 구조 기판과 결합하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 Au 범프(21)의 공융 반응하는 단계는, 상기 미세 구조 기판(12)과 상기 Au 범프(21)의 밀착을 위하여, Au의 용융점 이상이면서 상기 제 1 본딩 반응 지지층(22)의 용융점 이하인 온도로 가열하여 공융 반응시키는 단계이다.
또한, 상기 Au 범프(21)를 형성하는 단계 이전에, 상기 미세 구조 기판(12) 상에 실리콘층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Au 범프(21)는, Au, Au/Si, Au/Ge, Al/Si, 또는 Al/Ge 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 단층 또는 다층으로 이루어지고, 상기 미세 구조 기판(12)과 상기 캡 기판(11)은 Si 또는 Ge로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 본딩 반응 지지층(22)은, 상기 미세 구조 기판(12)의 공융 온도보다 높은 용융점 및 공융점을 가지고, 상기 시드층과 접합력이 좋은 단층 또는 2층 이상의 도금물질로서, Ni, Ti, Cr, V, Al, Cu, Pd로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지진다.
또한, 상기 제 1 본딩 반응 지지층(22)은, 상기 Au 범프(21)보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 Au 범프(21)의 공융 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판(12)과의 결합 후 상기 미세 구조 기판(12)과 상기 캡 기판(11) 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만든다.
즉, 상술한 구성을 통해서, 가압 및 가열하여도, 제 1 본딩 반응 지지층(22)의 용융점이 Au 범프(21)의 Au-Si 공융 온도(eutectic temperature) 보다 높은 용융점을 가져서, 공융 고상(17)은 본딩 반응 지지층(22)의 두께에 의해서 간격 제어가 가능하게 된다.
또한, 상기 제 1 센서 영역(24)에는 자이로 센서가 형성되며, 상기 제 2 센서 영역(13)에는 가속도 센서가 형성되며, 상기 제 1 압력은 진공 상태이며, 상기 제 2 압력은 진공 상태가 아닌 압력으로서, 대기압 등일 수 있다.
또한, 상기 제 1 본딩 반응 지지층(22)보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 제 1 본딩 반응 지지층(22)의 용융 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판(12)과의 결합 후 상기 미세 구조 기판(12)과 캡 기판(11) 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 2 본딩 반응 지지층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 본딩 반응 지지층의 용융점 및 공융점은, 제 1 본딩 반응 지지층이 상기 미세 구조 기판과 결합하는 단계에서 적용하는 온도보다 높은 온도이다.
즉, 상술한 구성을 통해서, 가압 및 가열하여도, 제 2 본딩 반응 지지층(미도시)의 용융점이 제 1 본딩 반응 지지층(22)의 용융점보다 높은 용융점을 가져서, 제 1 본딩 반응 지지층의 용융 고상(23)은 제 2 본딩 반응 지지층(미도시)의 두께에 의해서 간격 제어가 가능하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 구조물은, 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명한, 상기 제 1 실시예에 따른 구조물 제조 방법 및 상기 제 2 실시예에 다른 구조물 제조 방법에 따라 제조된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
11...캡 기판
12...미세 구조 기판
13...제 2 센서 영역
21...Au 범프
22...본딩 반응 지지층
24...제 1 센서 영역
12...미세 구조 기판
13...제 2 센서 영역
21...Au 범프
22...본딩 반응 지지층
24...제 1 센서 영역
Claims (11)
- 제 1 센서 영역과 제 2 센서 영역을 포함하고, 표면 상에 기판 수준 밀봉 실장(wafer-level hermetic packaging)이 필요한 미세 구조물이 형성된 미세 구조 기판을 준비하는 단계;
Au, Au/Si, Au/Ge, Al/Si, 또는 Al/Ge 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 단층 또는 다층으로 이루어지고, 상기 미세 구조 기판과 대향하는 면 위에 형성되고, 상기 미세 구조 기판의 일부와 결합되어, 상기 미세 구조 기판을 밀봉 실장하는 범프; 상기 범프보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 범프의 공융(eutectic) 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 1 본딩 반응 지지층; 및 상기 제 1 본딩 반응 지지층보다 낮은 두께로 형성되어, 상기 제 1 본딩 반응 지지층의 용융 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 제 2 본딩 반응 지지층; 및 전기적 입력 및 출력을 위한 배선;을 포함하는, 캡 기판을 준비하는 단계;
상기 제 1 센서 영역과 상기 제 2 센서 영역이 모두 제 1 압력인 상태에서, 상기 범프의 공융 반응을 이용하여, 상기 미세 구조 기판과 상기 캡 기판을 결합하여, 상기 미세 구조 기판의 상기 제 1 센서 영역을 밀봉 실장하되, 상기 제 1 본딩 반응 지지층이 상기 범프보다 낮은 두께로 형성되고, 상기 범프의 공융 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 상기 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 단계; 및
상기 제 2 센서 영역이 제 2 압력인 상태에서, 상기 제 1 본딩 반응 지지층이 상기 미세 구조 기판과 결합하되, 상기 제 2 본딩 반응 지지층에 의해서 상기 제 1 본딩 반응 지지층의 용융 반응을 제어하여 상기 미세 구조 기판과의 결합 후 상기 미세 구조 기판과 캡 기판 사이의 간격을 일정 간격으로 유지하도록 만드는 단계;를 포함하며,
상기 범프의 공융 반응은,
상기 미세 구조 기판과 상기 범프의 밀착을 위하여, 상기 범프의 용융점 이상이면서 상기 제 1 본딩 반응 지지층의 용융점 이하인 온도로 가열하여 공융 반응시키고,
상기 제 1 본딩 반응 지지층과 상기 미세 구조 기판과의 결합 반응은,
상기 제 1 본딩 반응 지지층의 용융점 이상이면서 상기 제 2 본딩 반응 지지층의 용융점 및 공융점 이하의 온도에서 이루어지고,
상기 제 1 본딩 반응 지지층은, 상기 미세 구조 기판의 공융 온도보다 높은 용융점 및 공융점을 가지고, 시드층과 접합력이 좋은 단층 또는 2층 이상의 도금물질로서, Ni, Ti, Cr, V, Al, Cu, Pd로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로 이루어지는,
구조물 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 범프를 형성하는 단계 이전에,
상기 미세 구조 기판 상에 실리콘층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
구조물 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 센서 영역에는 자이로 센서가 형성되며, 상기 제 2 센서 영역에는 가속도 센서가 형성되며,
상기 제 1 압력은 진공 상태이며, 상기 제 2 압력은 대기압인,
구조물 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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