KR20010105594A

KR20010105594A - 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법

Info

Publication number: KR20010105594A
Application number: KR1020000026192A
Authority: KR
Inventors: 전국진; 이병렬
Original assignee: 전국진; 이병렬
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2001-11-29

Abstract

본 발명은 표면 미세 가공 기술로 제작하는 소자의 기판단위 진공 실장 방법에 관한 것이다.

본 발명은 공진 현상을 이용하는 기계식 센서 소자를 기판단위로 진공 실장하는 경우에, 소자를 형성하는 실리콘 기판을 일괄공정으로 제작하고, 소자를 밀봉하기 위한 밀봉용 뚜껑을 유리기판 단위로 가공한후, 고진공 분위기에서 유리기판과 실리콘 기판을 양극 접합하고, 소자 별로 절삭해서 패키지에 실장하고 와이어를 접합함으로써, 일괄 공정으로 제작할 수 있으므로 생산성을 향상시키게 된다. 또한, 본 발명은 종래와 같이 SOI 웨이퍼를 사용하지 않아도 되어 설계상의 자유도를 향상시키고 제조 소자의 신뢰성을 향상시키게 된다.

Description

표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법{A wafer level vacuum packaging method for surface micro-machined device}

본 발명은 표면 미세 가공형 소자를 진공 실장하는 방법에 관한 것으로, 특히 공진 현상을 이용하는 기계식 센서 소자를 기판단위로 진공 실장하는 경우에 생산성을 향상시킴과 함께 제조 소자의 신뢰성을 향상시키도록 하는 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법에 관한 것이다.

반도체 가공기술이 발전함에 따라 종래의 기계식 센서를 반도체 미세 가공을 통하여 극소형으로 그리고 일괄 공정에 의해 저가격으로 개발하려는 시도가 활발히 진행되고 있다. 특히, 1980년대 부터 자동차용 또는 가전용 제품에 기계식 센서가 급속히 보급되면서 미세 가공 기술에 의한 부품개발 경쟁이 가속되고 있다.

도1은 이러한 미세 가공에 의해 기존의 기계식 센서를 소형화 한 대표적인 예인 자이로스코프(Gyroscope)를 도시한 것인데, 크기가 58 ×25 ×25[mm]인 매크로 스케일(Macro scale) 소자를 크기가 600 ×400 ×6[㎛]인 마이크로 스케일(Micro scale) 소자로 소형화하는 경우 해당 소자를 저가격화 함과 아울러소자의 크기를 소형화하게 된다는 장점이 있으나, 소자의 소형화에 따라 측정하려는 힘이 작아서 감도가 저하되기 때문에 공진현상을 이용하여 응답을 최대한 증폭해야 하고, 이때 공기에 의한 감쇄가 공진현상에 큰 영향을 주게 되므로 소자의 동작 분위기가 진공이 아니면 공진의 이득을 최대로 얻을 수 없다. 따라서, 미세 가공에 의한 소자, 특히 공진 현상을 이용한 기계식 센서에서는 진공 실장 기술의 중요성이 매우 커지고 있다.

진공 실장 방식에는 대별하여 두가지 종류가 있는데, 제조 과정과 연계하여 크게 소자단위의 진공 실장과 기판단위의 진공 실장으로 나눌 수 있다. 도2는 대표적인 소자단위 진공 실장 방법을 도시한 것으로, 이 경우 미세 가공으로 제조된 실리콘 웨이퍼를 소자별로 절삭하여 분리한 다음 패키지에 넣어서 진공 상태에서 뚜껑을 조립한다. 이와같은 진공 실장 방법의 경우 소자 별로 낱개로 진공 실장을 해야 하므로 일괄 공정이 불가능하며 고가의 패키지를 사용하기 때문에 가격 저하가 어렵다는 문제점이 있으며, 소자 파손이 일어나기 쉽기 때문에 전체 공정을 끝내기 전에 절삭을 하고 이후 공정을 진행해야 하므로 공정상의 난점이 존재하는 문제점이 있다.

이에, 주공정이 완료된 후 기판단위의 진공 실장을 하고 이어서 소자 별로 절삭을 한다면 전술한 문제를 해결할 수 있기 때문에 기판단위의 진공 실장에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 도3a와 도3b는 종래에 알려진 대표적인 기판단위 진공 실장 기법을 도시한 것이다. 도3a에 도시된 진공 실장 기법에서는 표면 미세 가공 기술로 제작한 소자의 상부에 박막 공정을 이용하여 밀봉시켜서 진공 실장하고있는데, 이 경우 밀봉용 박막을 형성할 때의 진공 분위기에 따라 소자 내부의 진공도가 달라지기 때문에 내부 진공도의 조절이 용이하지 않고, 박막 공정이 추가되기 때문에 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있다. 또한, 도3b는 유리기판을 밀봉용 뚜껑으로 사용하여 진공 실장하고 있는데, 진공 분위기에서 실리콘 웨이퍼와 유리기판을 양극접합 함으로써 기판단위 진공 실장을 할 수 있으나, 이 경우 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 사용해야 하기 때문에 설계상의 자유도가 줄어서 진공 실장 가능한 소자가 제한된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 공진 현상을 이용하는 기계식 센서 소자를 기판단위로 진공 실장하는 경우에 생산성을 향상시킴과 함께 설계상의 자유도를 향상시키고 제조 소자의 신뢰성을 향 상시키도록 하는 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법을 제공하는데 있다.

도1은 미세 가공 소자에서 진공 실장의 필요성을 설명하기 위한 도.

도2는 개별 소자의 진공 실장을 설명하기 위한 도.

도3은 종래의 기판단위 진공 실장 기법을 도시한 도.

도4는 본 발명에 따른 기판단위 진공 실장 개념도.

도5는 본 발명에 의한 진공 실장 방법을 적용하기 위한 소자 제작 공정도.

도6은 본 발명에 의한 진공 실장 방법을 적용하기 위한 유리 기판 제작 공정도.

도7은 본 발명에 의한 진공 실장 방법을 적용하기 위한 후공정 흐름도.

도8은 본 발명에 의한 접합 영역을 고려한 소자 제작 결과를 도시한 도.

도9는 본 발명에서의 유리 기판 가공 결과, 접합결과 및, 최종소자를 나타낸 도.

도10은 본 발명에서의 진공도에 따른 공진 특성의 변화를 도시한 도.

도11은 본 발명에서 게더링 면적에 따른 진공도의 변화를 도시한 도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 밀봉용 뚜껑 12 : 게더

13 : 캐비티 14 : 실리콘 기판

15 : 접합영역 16 : 하부전극

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 소자를 형성하는 실리콘 기판을 기판 단위로 가공하는 실리콘 기판 가공 공정과; 유리기판을 이용하여 상기 소자를 밀봉하기 위한 밀봉용 뚜껑을 가공하는 밀봉용 뚜껑 가공 공정과; 고진공 분위기에서 상기 밀봉용 뚜껑과 상기 실리콘 기판의 소자를 양극 접합하고,상기 양극 접합된 실리콘 기판의 소자를 개별로 절삭해서 패키지에 실장하고 와이어를 접합하는 실장 공정을 포함하는데 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에서는 기판단위로 진공 실장을 하도록 구성되는데, 도4에 도시된 바와같이 유리기판을 가공하여 밀봉용 뚜껑(11)을 제작하고, 소자를 형성하는 실리콘 기판(14)과 밀봉용 뚜껑(11)을 진공 상태에서 양극 접합함으로써 진공 실장한다. 이때, 밀봉용 뚜껑(11)과 접합하기 위한 실리콘 기판(14)상의 접합영역(15)은 진동 구조물을 둘러싸는 형태로 위치하고, 결선을 위한 하부전극(16)은 접합영역(15)의 아래에서 끌어내고 있다. 밀봉용 뚜껑(11)을 형성하는 유리기판에는 공진 구조물이 진동할 수 있도록 하기 위한 공간을 제공하기 위해 캐비티(13; Cavity)가 형성되어 있으며, 이 캐비티(13)에 마련된 공간의 진공을 양호하게 유지하기 위해서 게더(12; Getter)를 배치한다.

이상과 같이 기판 단위로 진공 실장하기 위한 구체적인 제작 공정을 도5 내지 도7에 도시하였는데, 실리콘 기판(14)을 가공하는 공정은 도5에 도시된 바와같이 이루어지고, 밀봉용 뚜껑(11)을 가공하는 공정은 도6에 도시된 바와같이 이루어지고, 실리콘 기판(14)과 밀봉용 뚜껑(11)을 이용하여 최종 실장하는 공정은 도7에 도시된 바와같이 이루어진다.

소자를 형성하는 실리콘 기판(14)을 가공하는 공정을 도5를 참조하여 설명한다. 먼저, 실리콘 기판(21)의 전후면에 절연층을 형성하기 위하여 1㎛ 두께의 SiO₂열산화막(22)을 형성하고, 해당 열산화막(22) 위에 3000Å 두께의 Si₃N₄질화막(23)을 증착하여 형성한다(도5a 참조). 그리고, 후면에 형성되어 있는 열산화막(22)과 질화막(23)을 제거하고(도5b 참조), 마스크 작업을 시행하여 기판 몸체에 전극을 형성하기 위한 패턴을 형성한다(도5c 참조). 그후, 저압기상법(LPCVD)으로 바닥 전극층을 형성하기 위한 5000Å 두께의 다결정 실리콘층(24)을 기판 몸체의 전후면에 증착하여 형성하며(도5d 참조), 기판 몸체의 전면에 바닥 전극을 형성하기 위한 바닥 전극 패턴 작업을 시행하여 바닥 전극을 형성한다(도5e 참조). 또한, 바닥 전극을 형성한 전면 위에 희생층을 형성하기 위한 2.5㎛ 두께의 산화막(TEOS)층(25)을 증착 형성하고, 양면 정렬키를 형성하기 위하여 기판 몸체의 후면에 대하여 마스크 작업을 시행하여 기판 몸체의 후면에 증착된 다결정 실리콘층(24)에 패턴을 형성한다(도5f 참조). 그후에, 기판 몸체의 전면에 형성된 산화막(TEOS)층(25)에 대하여 마스크 작업을 시행하여 구조부의 지지부를 형성하기 위한 앵커 패턴(Anchor Pattern)을 형성하고(도5g 참조), 앵커 패턴이 형성된 기판 몸체 전면에 구조층을 형성하기 위하여 45㎛ 두께의 다결정 실리콘(26)을 형성하되 에피텍셜 반응기(epitaxial reactor)에서 다결정 실리콘을 성장시켜 형성한다(도5h 참조). 그리고, 구조층을 형성하고 있는 다결정 실리콘(26)의 표면을 경면화시키고 단차없이 일정한 두께의 구조층을 이루기 위한 경면화 작업(CMP; chemical mechanical polishing)을 시행하고(도5i 참조), 다결정 실리콘(26)에 대하여 마스크 작업을 시행하여 구조층과 접합 영역을 형성하기 위한 구조물 패턴을 형성한다(도5j 참조).

한편, 밀봉용 뚜껑(11)을 가공하는 공정을 도6을 참조하여 설명한다. 유리기판(31)의 전면에 식각 저지층으로 작용하는 Cr(크롬)을 500Å 두께로 증착함과 아울러 Au(금)을 4500Å 두께로 증착하여 Cr/Au 층(32)을 형성하고(도6a 참조), 해당 Cr/Au 층(32)을 형성한 유리기판(31)의 양면에 식각 저지층으로 작용하는 PR(photo resist)층(33)을 10㎛ 두께로 코팅한다(도6b 참조). 그리고, 기판 몸체 전면의 PR층(33)에 대하여 마스크 작업을 시행하여 관통 호올(through hall)을 정의하기 위하여 Cr/Au층(32)에 패턴을 형성하고(도6c 참조), 불산용액(HF)으로 유리기판(31)을 400㎛ 깊이 만큼 식각하여 유리기판(31)상에 완전히 관통하지 않은 호올(hall)을 형성한다(도6d 참조). 또한, 기판 몸체 후면의 PR층(33)에 대하여 마스크 작업을 시행하여 캐비티(Cavity)를 정의하기 위하여 Cr/Au층(32)에 패턴을 형성하고(도6e 참조), 불산용액(HF)으로 유리기판(31)을 120㎛ 만큼 식각하여 유리기판(31)을 관통하는 완전한 관통 호올(HL)을 형성함과 아울러 캐비티(CVT)를 형성한다(도6f 참조). 그후, 기판 몸체 후면에 실리콘 웨이퍼로 쉐도우 마스크(34)를 만들고 이 쉐도우 마스크(34)의 틈사이로 게더링 물질(예를들어, Ti(티탄))을 증착하여 게더(35)를 형성하고(도6g 참조), 유리기판(31)의 전면에 형성되어 있는 PR층(33)과 Cr/Au층(32)을 제거한다(도6h 참조).

그리고, 실리콘 기판(14)과 밀봉용 뚜껑(11)을 이용하여 최종 실장하는 공정을 도7을 참조하여 설명한다. 먼저, 실리콘 기판(21)의 전면에 대하여 마스크 작업을 시행하여 와이어 접속용 전극을 형성하기 위해 산화막(TEOS)층(25)으로 이루어진 희생층에 패턴을 형성하고 500Å 두께의 Cr과 4500Å 두께의 Au를 PR 제거한다(도7a 참조). 그리고, 구조물을 현수시키기 위해 불산용액(HF)으로 산화막(TEOS)층(25)으로 이루어진 희생층을 습식 식각 함으로써 전극(40)을 형성하고 점착 방지를 위한 코팅을 시행한다(도7b 참조). 그후, 진공 분위기에서 가공된 유리기판(31)과 실리콘 기판을 양극 접합하되 다결정 실리콘(26)으로 이루어진 구조물의 전면을 양극 접합하고(도7c 참조), 실리콘 기판을 소자 별로 절삭하여 패키지에 부착한후 전극(40)에 와이어(41)를 접합한다(도7d 참조).

이상 설명한 바와같이, 본 발명에서는 소자를 형성하는 실리콘 기판을 기판 단위로 가공하고, 소자를 밀봉하기 위한 밀봉용 뚜껑을 유리기판 단위로 가공한후, 고진공 분위기에서 유리기판과 실리콘 기판을 양극 접합하고, 소자 별로 절삭해서 패키지에 실장하고 와이어를 접합하면 진공 실장된 소자의 제조 과정이 모두 끝나게 된다.

도8은 진동 구조물 외각에 형성한 접합면이 동시에 형성된 실리콘 기판의 가공 결과를 촬영한 사진이며, 도9a는 가공된 유리기판을 촬영한 사진이고, 도9b는 접합면을 촬영한 사진이고, 도9c는 최종 절삭후 와이어 결선 까지 마친 소자를 촬영한 사진이다.

도10은 본 발명에 의해 제작된 소자에 대한 진공도에 따른 공진특성의 변화를 관측한 결과로서, 진공도가 높아질수록 Q 팩터(Q-factor)가 커지기 때문에 이를 관측하여 실장된 내부의 진공 정도를 예측할 수 있다. 또한, 도11은 본 발명에서 게더링 면적을 달리할 때 얻을 수 있는 진공도의 변화를 도시한 결과인데, 실시한 결과에 의하면 내부 진공도는 5m Torr 에서 2 Torr 까지 가변적인 값을 얻을 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 공진 현상을 이용하는 기계식 센서 소자를 기판단위로 진공 실장하는 경우에, 소자를 형성하는 실리콘 기판을 기판 단위로 가공하고, 소자를 밀봉하기 위한 밀봉용 뚜껑을 유리기판 단위로 가공한후, 고진공 분위기에서 유리기판과 실리콘 기판을 양극 접합하고, 소자 별로 절삭해서 패키지에 실장하고 와이어를 접합함으로써, 일괄 공정으로 제작할 수 있으므로 생산성을 향상시키게 된다. 또한, 본 발명은 종래와 같이 SOI웨이퍼를 사용하지 않아도 되어 설계상의 자유도를 향상시키고 제조 소자의 신뢰성을 향상시키게 된다.

Claims

소자를 형성하는 실리콘 기판을 기판 단위로 가공하는 실리콘 기판 가공 공정과;

유리기판을 이용하여 상기 소자를 밀봉하기 위한 밀봉용 뚜껑을 가공하는 밀봉용 뚜껑 가공 공정과;

고진공 분위기에서 상기 밀봉용 뚜껑과 상기 실리콘 기판의 소자를 양극 접합하고, 상기 양극 접합된 실리콘 기판의 소자를 개별로 절삭해서 패키지에 실장하고 와이어를 접합하는 실장 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법.
제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판 가공 공정은,

실리콘 기판의 전후면에 절연층을 형성하기 위하여 소정 두께의 열산화막을 형성하고, 해당 열산화막 위에 소정 두께의 질화막을 증착하여 형성하는 공정과;

상기 실리콘 기판의 후면에 형성되어 있는 열산화막과 질화막을 제거하고, 마스크 작업을 시행하여 상기 실리콘 기판의 전면에 전극을 형성하기 위한 패턴을 형성하는 공정과;

저압기상법(LPCVD)으로 바닥 전극층을 형성하기 위한 소정 두께의 제1 다결정 실리콘층을 상기 실리콘 기판의 전후면에 증착하여 형성하고, 상기 실리콘 기판의 전면에 바닥 전극을 형성하기 위한 바닥 전극 패턴 작업을 시행하여 바닥 전극을 형성하는 공정과;

상기 바닥 전극을 형성한 전면 위에 희생층을 형성하기 위한 소정 두께의 산화막(TEOS)층을 증착 형성하고, 양면 정렬키를 형성하기 위하여 실리콘 기판의 후면에 대하여 마스크 작업을 시행하여 실리콘 기판의 후면에 증착된 제1 다결정 실리콘층에 패턴을 형성하는 공정과;

상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 산화막(TEOS)층에 대하여 마스크 작업을 시행하여 구조부의 지지부를 형성하기 위한 앵커 패턴을 형성하고, 앵커 패턴이 형성된 실리콘 기판의 전면에 구조층을 형성하기 위하여 소정 두께의 제2 다결정 실리콘을 에피텍셜 반응기에서 성장시켜 형성하는 공정과;

구조층을 형성하고 있는 제2 다결정 실리콘의 표면을 경면화시키고 단차없이 일정한 두께의 구조층을 이루기 위한 경면화 작업(CMP)을 시행하고, 제2 다결정 실리콘에 대하여 마스크 작업을 시행하여 구조층과 접합 영역을 동시에 형성하기 위한 구조물 패턴을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법.
제1항에 있어서, 상기 밀봉용 뚜껑 가공 공정은,

유리기판의 전후면에 식각 저지층으로 작용하는 Cr을 소정 두께로 증착함과 아울러 Au를 소정 두께로 증착하여 Cr/Au 층을 형성하고, 해당 Cr/Au 층을 형성한 유리기판의 전후면에 식각 저지층으로 작용하는 PR층을 소정 두께로 코팅하는 공정과;

상기 유리기판 전면의 PR층에 대하여 마스크 작업을 시행하여 관통 호올을 정의하기 위하여 상기 Cr/Au층에 패턴을 형성하고, 불산용액(HF)으로 상기 유리기판을 소정 깊이 만큼 식각하여 유리기판상에 완전히 관통되지 않은 호올을 형성하는 공정과;

상기 유리기판 후면의 PR층에 대하여 마스크 작업을 시행하여 캐비티를 정의하기 위하여 상기 Cr/Au층에 패턴을 형성하고, 불산용액(HF)으로 유리기판을 소정 깊이 만큼 식각하여 유리기판을 완전히 관통하는 관통 호올을 형성함과 아울러 캐비티(CVT)를 형성하는 공정과;

상기 유리기판 후면에 실리콘 웨이퍼로 쉐도우 마스크를 만들고 이 쉐도우 마스크의 틈사이로 게더링 물질을 증착하여 게더를 형성하고, 상기 유리기판의 전면에 형성되어 있는 상기 PR층과 Cr/Au층을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 실장 공정은,

상기 실리콘 기판의 전면에 대하여 마스크 작업을 시행하여 와이어 접속용 전극을 형성하기 위해 산화막(TEOS)층으로 이루어진 희생층에 패턴을 형성하고 소정 두께의 Cr과 소정 두께의 Au를 형성하는 공정과;

구조물을 현수시키기 위해 산화막(TEOS)층으로 이루어진 희생층을 불산용액(HF)으로 습식 식각 함으로써 구조물을 형성하고 점착 방지를 위한 코팅을 시행하는 공정과;

진공 분위기에서 상기 가공된 유리기판과 실리콘 기판을 양극 접합하되 상기 제2 다결정 실리콘으로 이루어진 구조물의 전면을 양극 접합하고, 실리콘 기판을 소자 별로 절삭하여 패키지에 부착한후 전극에 와이어를 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법.
제4항에 있어서, 상기 전극은 유리기판과 실리콘 기판을 양극 접합한 접합면의 하부에서 인출되는 것을 특징으로 하는 표면 미세 가공형 소자용 기판단위 진공 실장 방법.