KR20030077753A - 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 밀봉을 요구하는 MEMS 소자의 패키징 방법에 관한 것으로 특히, 소정 두께를 갖는 글라스 웨이퍼의 상부에 소정 두께를 갖는 실리콘 막을 증착시킨 후 마스크 공정과 식각 공정을 통해 실리콘 막을 "무빙파트"와 "고정점" 및 "밀봉본딩부"로 구분하여 잔존시키는 제 1공정과; 제 1공정을 톤해 잔존되어 있는 실리콘 막을 마스크로 사용하여 HF용액으로 글라스 웨이퍼를 식각하여 "무빙파트"로 지칭되는 실리콘 막의 잔존 영역이 릴리즈(Release)되어지도록 하는 제 2공정과; "고정점"의 중심 영역에서 수직한 방향의 후면 글라스 웨이퍼에서 샌드 블래스터(Sand Blaster)를 이용하여 구멍 가공을 수행하는 제 3공정과; "무빙파트"에 대응하는 영역을 식각하여 공동(Cavity)이 형성되어진 소정 두께의 캡 글라스의 식각 공정면을 제 1공정을 통해 잔존하는 실리콘 막에 밀봉 본딩되어지는 제 4공정; 및 제 4공정이 종료되어지면 제 3공정을 통해 가공되어진 후면 구멍의 표면에 금속막을 증착시켜 와이어 본딩을 수행할 수 있는 금속 접점을 형성하는 제 5공정으로 포함하는 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법을 제공하면, SOG 웨이퍼에 후면 가공으로 배선구멍을 형성함으로서 샌드 블러스터 가공에 의해 생기는 언더커트 현상으로 야기되는 금속배선 문제를 해결함으로서 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법{Wafer level packaging method in micro sensor}
본 발명은 진공 밀봉을 요구하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System : 이하 멤즈 소자라 한다)소자의 패키징 방법에 관한 것으로 특히, 배면 가공에 따른 금속배선 형성에 의해 웨이퍼 레벨 밀봉 패키징(Wafer-Level Hermetic Packaging)이 사용되어 다이싱(Dicing) 및 다이본딩(Die Bonding)시 발생되는 오염을 제거하고 주위의 분위기에 무감하도록 센서를 밀봉할 수 있으며 진공분위기에서 밀봉 패키징을 실현하여 저가격으로서 고성능의 소자를 만들 수 있도록 하는 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법에 관한 것이다.
일반적으로, SOG(Silicon on Glass) 기술로 멤즈 구조체를 형성하고 관성센서 등으로 응용시 구조체를 만들고 나서 와이어 본딩(Wire-Bonding)으로 케이스 패키징(Case Packaging)을 하면 센서의 다이(Die)를 다이싱(Dicing) 및 다이본딩(die-Bonding)하면서 이동 상에 오염이 발생하여 수율이 저하되고 또한 케이스 페키징으로는 저가격으로서 주위의 분위기에 민감한 관성센서를 밀봉 패키징하기가 어렵다.
따라서, 상술한 케이스 패키징을 대체하는 방법으로서 대표적인 방법으로는 진공 밀봉 기술을 예로 들 수 있는 데, 그 종류는 진공 챔버, 증착 또는 접착을 이용하는 방법이 있으며, 진공 챔버를 이용한 밀봉 기술에서는 진공 밀폐된 금속 또는 세라믹 상자에 전기적인 신호의 입출력용 피드쓰루(feedthrough)를 별도로 배치한 것을 이용한다.
상술한 진공 챔버를 이용한 밀봉 기술을 적용시 배기구가 있는 금속 또는 세라믹 상자를 만들고, 제작된 소자를 넣은 다음 진공 펌프로 배기한 후, 진공밸브로 외부와 차단한다.
이후 해당 금속 상자의 윗 부분을 유리 덮개로 제작하는 경우, 멤즈 소자의 동작 상태를 눈으로 확인할 수 있고, 또한 같은 소자에 대하여 다른 진공 압력을 만들어 줄 수 있으므로 해당 소자에 대한 동 특성 평가에 유리한 방법이다.
상술한 바와 같은 기판의 본딩 기술을 이용한 멤즈 소자의 제조 방법을 살펴보면, 첨부한 도 1은 멤즈 소자의 진공 밀봉을 위한 배치도를 나타낸다.
도 1의 배치도에 따르면, 진공 밀봉위치(13)내에 멤즈 소자(10)가 위치하고, 멤즈 소자의 양측에 가동 구조체(11)가 형성되어 있으며, 이 가동 구조체에 구조체 고정부(12)가 접속되어 있고, 이 구조체 고정부에 금속 배선(14)이 연결되어 진공밀봉 위치(13)의 외부에 형성되어 있는 구조를 가지고 있다.
상기 도 1에 도시되어 있는 멤즈 소자는 자이로 센서를 나타낸 것이며, 이는 마이크로 센서의 종류를 예시적으로 도시한 것이다.
이때, 상술한 진공 챔버를 이용한 밀봉 기술의 문제점을 첨부한 도 1의 예와 다른 마이크로 센서의 단면을 도시한 첨부 도 2를 참조하여 살펴보면, 하부의 구조체를 밀봉하는 커버글라스가 존재하며, 해당 커버 글라스는 밀봉되어진 하부의 구조체에 전기를 공급하기 위하여 샌드 블러스터 가공에 의해 밀봉 이전에 관통형 구멍을 형성하고 밀봉 동작 이후에 금속막을 증착시키는 것이다.
첨부한 도 2에서 "A"로 지칭되는 즉, 상술한 과정을 통해 금속막이 증착되어진 부분의 모습을 첨부한 도 3을 참조하여 살펴보면, 글라스를 샌드 블러스터 등으로 가공하는 경우 첨부한 도 3에서 점선으로 표시한 영역에서와 같이 언더커트 현상이 발생되며, 상기 언더커트 현상이 심하게 발생되어지면 실제적으로 금속막을 증착한다 하더라도 첨부한 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 전기적으로 연결되지 못하는 문제점이 발생되는 것이다.
즉, 상기 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 언더커트 현상은 실제적으로 샌드블러스터 가공에서는 필연적으로 발생되는 것으로, 커버 글라스를 관통하는 경우 발생되는 것이다.
따라서, 샌드 블러스터 가공에 의해 관통형의 홀이 형성되지 않는 경우는 전기적으로 연결이 불가능하며, 반면에 샌드 블러스터 가공에 따라 관통형의 홀이 형성되는 경우 언더커트 현상이 발생되기 때문에 실제 작업시 언더커트 현상을 최대한 억제하기 위해 매우 조심스러운 가공이 수행되거나 부가적인 작업을 수행하여 언더커트 현상의 발생에 따른 전기적 부 접촉을 해소하여야하는데 이러한 공정은 전체 수율의 저하 및 신뢰성의 저하를 가져오는 문제점이 발생되었다.
상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 진공 밀봉을 요구하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System : 이하 멤즈 소자라 한다)소자의 패키징 방법에 관한 것으로 특히, 배면 가공에 따른 금속배선 형성에 의해 웨이퍼 레벨 밀봉 패키징(Wafer-Level Hermetic Packaging)이 사용되어 다이싱(Dicing) 및 다이본딩(Die Bonding)시 발생되는 오염을 제거하고 주위의 분위기에 무감하도록 센서를 밀봉할 수 있으며 진공분위기에서 밀봉 패키징을 실현하여 저가격으로서 고성능의 소자를 만들 수 있도록 하는 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 멤즈 소자중 자이로 센서의 진공 밀봉을 위한 배치 예시도.
도 2는 멤즈 소자의 다른 예로서의 진공 밀봉 상태의 단면 예시도.
도 3은 언더커트 현상의 문제점을 설명하기 위한 도 2에서의 "A"확대 예시도.
도 4내지 도 10은 본 발명에 따른 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 공정의 순서도.
도 11내지 도 12는 본 발명에 따른 공정의 수행시 전기적 신호의 연결상태를 설명하기 위한 예시도.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법의 특징은, 소정 두께를 갖는 글라스 웨이퍼의 상부에 소정 두께를 갖는 실리콘 막을 증착시킨 후 마스크 공정과 식각 공정을 통해 상기 실리콘 막을 "무빙파트"와 "고정점" 및 "밀봉본딩부"로 구분하여 잔존시키는 제 1공정과; 상기 제 1공정을 톤해 잔존되어 있는 실리콘 막을 마스크로 사용하여 HF용액으로 상기 글라스 웨이퍼를 식각하여 상기 "무빙파트"로 지칭되는 실리콘 막의 잔존 영역이 릴리즈(Release)되어지도록 하는 제 2공정과; 상기 "고정점"의 중심 영역에서 수직한 방향의 후면 글라스 웨이퍼에서 샌드 블래스터(Sand Blaster)를 이용하여 구멍 가공을 수행하는 제 3공정과; 상기 "무빙파트"에 대응하는 영역을 식각하여 공동(Cavity)이 형성되어진 소정 두께의 캡 글라스의 식각 공정면을 상기 제 1공정을 통해 잔존하는 실리콘 막에 밀봉 본딩되어지는 제 4공정; 및 상기 제 4공정이 종료되어지면 상기 제 3공정을 통해 가공되어진 후면 구멍의 표면에 금속막을 증착시켜 와이어 본딩을 수행할 수 있는 금속 접점을 형성하는 제 5공정으로 포함하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법의 부가적인 특징은, 상기 제 3공정에서 후면 구멍의 가공은 "고정점" 실리콘 막을 완전히 관통하거나 혹은 "고정점" 실리콘 막을 완전히 관통하지 않는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법의 부가적인 다른 특징은, 상기 제 4공정에서 상기 캡 글라스를 식각하여 형성되는 공동(Cavity)의 깊이는 100um이상인 데 있다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부한 도 4내지 도 10은 본 발명에 따른 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 과정의 공정 순서도이며, 실제적으로 공정이 완성된 상태를 나타내는 도면은 첨부된 도 10이다.
우선, 첨부한 도 4를 참조하여 살펴보면, 소정 두께를 갖는 글라스 웨이퍼(1)의 상부에 소정두게를 갖는 실리콘 막(2)을 증착시킨다.
이후, 마스크 공정과 식각 공정을 통해 상기 도 4에 도시되어 있는 과정을 통해 증착시킨 실리콘 막(2)의 일부 영역을 제거하게 된다.
이러한 과정을 통해 일부 영역이 제거된 실리콘 막(2)의 단면 형상은 첨부한 도 5에 도시되어 있는 바와 같은 데, 실리콘 막(2)의 잔존 영역은 "무빙파트"와 "고정점" 및 "밀봉본딩부"로 구분되어진다.
이후, 상기 도 5에서와 같이 글라스 웨이퍼(1)의 상부에 잔존하는 실리콘 막(2)을 마스크로 사용하여 HF용액으로 상기 참조번호 1로 지칭되는 글라스 웨이퍼(1)를 식각하게 된다.
따라서, 첨부한 도 5에서 "무빙파트"로 지칭되는 실리콘 막(2)의 잔존 영역이 릴리즈(Release)되어지며 첨부한 도 6에서와 같은 구조물을 형성하게 된다.
이후, 첨부한 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 샌드 블래스터(Sand Blaster)를 이용하여 후면 구멍을 형성하게 되는 데, 이때 가공되는 후면 구멍은 첨부한 도 5에 도시되어 "고정점"의 중심 영역에서 수직한 방향의 후면에서 가공되어지며 관통하거나 혹은 미 관통하여도 관계없다.
단, 미 관통하는 경우 가공되는 후면 구멍은 글라스 웨이퍼(1)의 영역은 관통하고 상기 실리콘 막(2)만을 관통하지 않는 임의의 상태를 칭하는 것이다.
이후, 첨부한 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 캡 웨이퍼 프로세서가 진행되는 데, 상기 도 5에서 "무빙파트"로 지칭되는 부분이 캡 글라스(3)와 본딩 수행 이후 상기 캡 글라스(3)와 닿지 않도록 하기 위하여 상기 캡 글라스(3)의 본딩 면의 일부 영역 즉, 상기 도 5에서 "무빙파트"로 지칭되는 부분에 대응하는 영역을 식각하여 공동(Cavity)를 형성한다.
이때, 상기 도 8에서 식각 형성하는 공동의 깊이는 어노믹 본딩(Anodic Bonding)시 1000V정도의 고전압을 걸어주므로 상기 도 5에서 "무빙파트"로 지칭되는 부분이 본딩 전압에 의해 캡 글라스(3)에 들러붙지 않도록 하기 위하여 100um이상 가공하여 준다.
이후, 도 8에 도시되어 있는 바와 같은 캡 글라스(3)는 첨부한 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 후면 구멍 가공된 웨이퍼와 밀봉 본딩되어 진다.
이후, 첨부한 도 9의 과정을 통해 밀봉 본딩되어지면 첨부한 도 7의 과정을 통해 후면 가공되어진 구멍에 첨부한 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 금속막을 증착시켜 와이어 본딩(Wire-Bonding)할 수 있는 자리를 만든다.
첨부한 도 11과 도 12는 본 발명에 따라 후면 가공 모양에 따른 전기적 접속 형태를 나타내는 예시도로써, 도 11은 후면가공이 고정점 실리콘을 완전히 관통시 언더커트(undercut) 형상이 생기지만 실리콘 두께가 언더커트(undercut) 현상의 크기보다 두꺼우면 실리콘에 의해 배선이 연결되는 것을 알 수 있다.
또한, 첨부한 도 12에 도시되어 있는 바와 같이 후면가공이 고정점 실리콘을 관통시키지 못하고 멈추었을 시에는 언더커트(undercut) 현상이 생기지 않으므로 역시 실리콘에 의해 배선이 연결된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법을 제공하면, SOG 웨이퍼에 후면 가공으로 배선구멍을 형성함으로서 샌드 블러스터 가공에 의해 생기는 언더커트 현상으로 야기되는 금속배선 문제를 해결함으로서 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 소정 두께를 갖는 글라스 웨이퍼의 상부에 소정 두께를 갖는 실리콘 막을 증착시킨 후 마스크 공정과 식각 공정을 통해 상기 실리콘 막을 "무빙파트"와 "고정점" 및 "밀봉본딩부"로 구분하여 잔존시키는 실리콘 막 잔존 공정과;
    상기 실리콘 막 잔존 공정을 통해 잔존되어 있는 실리콘 막을 마스크로 사용하여 HF용액으로 상기 글라스 웨이퍼를 식각하여 상기 "무빙파트"로 지칭되는 실리콘 막의 잔존 영역이 릴리즈(Release)되어지도록 하는 릴리즈 공정과;
    상기 "고정점"의 중심 영역에서 수직한 방향의 후면 글라스 웨이퍼에서 샌드 블래스터(Sand Blaster)를 이용하여 구멍 가공을 수행하는 홀 공정과;
    상기 "무빙파트"에 대응하는 영역을 식각하여 공동(Cavity)이 형성되어진 소정 두께의 캡 글라스의 식각 공정면을 상기 릴리즈 공정을 통해 잔존하는 실리콘 막에 밀봉 본딩되어지는 본딩 공정; 및
    상기 본딩 공정이 종료되어지면 상기 홀 공정을 통해 가공되어진 후면 구멍의 표면에 금속막을 증착시켜 와이어 본딩을 수행할 수 있는 금속 접점을 형성하는 접점 공정으로 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀 공정에서 후면 구멍의 가공은 "고정점" 실리콘 막을 완전히 관통하는 것을 특징으로 하는 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀 공정에서 후면 구멍의 가공은 "고정점" 실리콘 막을 완전히 관통하지 않는 것을 특징으로 하는 마이크로 센서의 웨이퍼 레벨 패키징 방법.
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