KR20070078239A - 실리사이드 접합을 이용한 미소기계소자의 진공 실장방법 - Google Patents

실리사이드 접합을 이용한 미소기계소자의 진공 실장방법 Download PDF

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Abstract

상하부 기판 사이에 실리사이드 접합을 이용하여 진공상태에서 미소기계소자의 진공 실장방법이 개시된다. 본 발명의 미소기계소자의 진공 실장 방법은 실리콘, 산화막, 실리콘이 차례대로 적층된 하부 실리콘 기판 상에 하부 실리콘 기판 상에 금속층, 비정질 실리콘막, 및 접착층을 형성한다. 접착층, 비정질 실리콘막, 및 금속층을 선택적으로 식각하여 하부 실리콘 기판을 노출시키고, 하부 실리콘 기판 내에 미소기계소자를 형성한다. 미소기계소자가 형성된 하부 실리콘 기판 상에 동공이 형성된 상부 글라스 기판을 진공챔버 내에서 정렬하고, 상하부 기판을 열처리하여, 금속층과 하부 실리콘 기판과 반응하여 제1 실리사이드를 형성하고, 금속층과 비정질 실리콘막이 반응하여 제2 실리사이드를 형성하여 진공상태에서 상하부 기판이 접착한다.
미소기계소자, 실리사이드, 진공챔버, 진공

Description

실리사이드 접합을 이용한 미소기계소자의 진공 실장방법{METHOD OF PACKAGING OF MEMS DEVICE AT THE VACUUM STATE USING A SILICIDE BONDING}
도 1은 종래기술에 따른 진동형 MEMS 자이로스코프 센서의 구조를 나타내는 단면도이다
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 미소기계소자의 진공실장방법을 나타내는 단면도들이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
125 : 하부 실리콘 기판 130 : 상부 글라스 기판
140 : 금속층 142 : 제1 실리사이드
143 : 제2 실리사이드 145 : 비정질 실리콘막
150 : 접착층
본 발명은 실리사이드 접합을 이용한 미소기계(MEMS) 소자의 진공 실장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상하부 기판 사이에 실리사이드 접합을 이용하여 진공상태에서 미소기계소자의 진공 실장방법에 관한 것이다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)가 차세대 전자부품 소자를 주도할 혁신적인 시스템 소형화 기술로서 소개된 지금, 세계적으로 상용화된 제품으로는 가속도계, 압력센서, 잉크제트 헤드(ink jet head), 하드디스크용 헤드 등이 있다. 마이크로 자이로스코프는 시제품 생산 및 양산화에 돌입하였으며, 최근에는 광통신 기술의 발전과 더불어 더욱 고성능이 요구되는 스위치, 감쇠기, 및 필터, OXC 스위치 등 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 광 통신용 부품 기술이 MEMS 기술의 새로운 도전분야로 개발이 이루어지고 있다.
MEMS 기술을 이용한 제품의 대표적인 것으로는 MEMS 자이로스코프 센서(gyroscope sensor)가 있다. 실리콘 진동형 자이로스코프의 원리는 정전기적인 힘에 의해 구조물을 특정 방향으로 진동 시킨 상태에서 외부에서 검출하고자 하는 각회전(또는 각속도)이 주어지면, 진동의 직각 방향에 나타나는 코리올리 힘(Coriolis force)이 작용하게 된다. 이때 코리올리 힘에 의하여 작용된 진동을 관성체와 전극 사이의 정전 용량 변화를 통해 외부에서 가해진 각회전의 정도를 측정하는 것이다.
마이크로 자이로스코프의 응용분야는 초소형 저가 GPS(global position systems) 및 관성 항법 장치에의 응용, 차량의 능동 제어, 능동 현가 장치 등의 주행 안전 장치 등을 포함한 자동차 산업에의 응용, 가상 현실 및 3차원 마우스, 카메라의 손떨림 장치 장치등의 가전 제품에의 응용, 세대 무기 체계, 미사일 유도 장치 및 지능형 탄약 등의 군사 용용, 기계 제어, 진동 제어 및 로보틱스 등의 산업용에 이르기까지 매우 다양하다.
진동형 자이로스코프의 감도를 향상시키기 위해서는 가진 방향의 고유진동수와 측정 방향의 고유진동수를 일치시키고 댐핑이 적어야 한다. 즉, 구조물이 동작하게 되면 구조물 주위의 공기 유동 및 점성에 의한 댐핑 효과, 또는 공기 감쇄 현상으로 의하여 구조물이 저항을 받게 되고, Q 값(또는 quality factor)이 감소하기 때문에 구조물을 진공 상태에서 작동시켜야 하며, 이를 위하여 고진공 패키징을 하여야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 진동형 MEMS 자이로스코프 센서의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, MEMS 자이로스코프의 구조물은 실리콘(1), 산화막(5), 실리콘(10)이 차례대로 적층된 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 이용하여 제작한다. SOI 웨이퍼 전체 두께는 500μm 정도이고 절연층(insulator)으로 사용된 산화막(5)의 두께는 3μm 정도이다. 산화막(5) 위의 구조물층으로 사용된 실리콘층(10)은 P형의 <100> 방향이며, 두께가 40μm 정도이며, 비저항 값은 0.01~0.02Ωㆍcm이다. 웨이퍼를 초기 세정하고 감광제(photo-resistor)를 이용하여 자이로스코프 구조물 패턴을 형성한 다음, 감광제가 탄화되지 않도록 충분하게 베이킹(baking)을 한 뒤 ICP-RIE를 이용하여 실리콘막(10)을 바닥의 희생층인 산화막(5)까지 수직하게 완전히 식각한다. 그 후 건식 애싱 장비를 이용하여 감광제를 제거하고 HF 용액에 담구어 자이로스코프 구조물(20)이 완전히 릴리즈(release) 되도록 한다.
자이로스코프 구조물(20)이 형성된 하부 기판(25)의 패키징을 위한 상부 기판은 실리콘과 열팽창 계수 차이가 상대적으로 적은 Corning Pyrex 7740 유리 (glass, 30)를 사용하며 두께는 350μm 정도이다. 상기 유리기판(30)은 우선 자이로스코프 구조물(20)을 보호하고 진공상태로 만들기 위하여 도면과 같이 안쪽에는 동공(cavity, 35)을 형성시키고, 자이로스코프 구조물(20)과 외부에 전기적 배선을 연결하기 위한 통로로 상부 기판(30)의 윗면에는 배선 구멍(via hole, 37)을 형성한다. 유리 상부기판(30)의 동공(35) 및 배선 구멍(37)은 샌드블라스팅(sandblasting) 공정을 이용하여 가공한다.
이와같이 제작되어진 자이로스코프 구조물(20)이 형성된 하부기판(25)과 동공(35)이 형성된 상부기판(30)을 정렬(align)한 후 진공챔버 내로 인입한다. 챔버 내의 진공도를 5×10-5 Torr 정도로 한 후 양극접합(anodic bonding)을 실시한다. 양극 접합을 위하여 상하부기판에 온도를 올리면서 전압을 가한다. 접합이 완료된 후에는 상하부기판을 진공챔버에서 꺼내어, 우리 상부기판 위에 알루미늄(Al)을 증착하여 전기적 배선(40)을 형성하였다. 접합 후에는 접합된 상하부기판을 다이싱 공정을 통하여 각각의 개별 칩으로 분리한다.
상술한 웨이퍼 레벨 진공 패키지 방법으로 제작된 MEMS 자이로스코프 센서의 경우 여러 환경 조건 및 시간의 경과에 따른 패키지 내부의 진공도 변화에 따른 패키지 내부의 진공도 변화에 대한 신뢰성 문제에 대해서는 아직 해결되지 않은 문제로 남아있다.
자이로스코프를 사용하면서 Q 값이 변하게 되는데, 사용 환경 중에 Q 값 또는 주파수가 변하게 되면 자이로스코프의 성능 인자인 감도 및 정밀도에 직접적인 영향을 미친다. 자이로스코프를 사용하면서 Q 값이 감소하는 것은 자이로스코프 패키지 내부의 진공도가 변하였음을 의미한다. 즉 동공 내부의 압력이 초기 압력보다 높아져서 공기의 댐핑이 증가하고 이에 따라 Q 값이 감소한 것이다.
동공 내부의 압력이 높아진 원인은 크게 동공 내부에서 발생한 가스방출(outgassing)과 누설(leakage)에 의한 영향으로 나눌 수 있다.
누설 현상은 접합이 완료된 후에 접합 계면의 기공(hole)이나 마이크로 크랙, 또는 재질 내부의 결함을 통하여 발생된다.
가스방출(outgassing)은 접합 공정 중에, 혹은 접합 후에 동공 내에서 발생되는 가스를 의미한다. 접합 시 높은 전압이 가해지게 되면 유리 내부 및 접합 계면으로부터 방출된 산소 이온 및 패키지 내부 표면의 오염물 또는 재료 표면으로부터 자체에 함유된 가스가 동공 내부에서 온도가 증가함에 따라 계속적으로 가스방출(outgassing)되는 것을 의미한다.
SOI 와 유리 웨이퍼 자체에서 어느 정도의 가스방출이 발생되는 지를 살펴보면, 웨이퍼에서 발생된 가스방출의 성분은 주로 H2O이였으며, CO2, C3H5 및 기타 유기 오염 물질이다. SOI 웨이퍼에 비하여 유리 웨이퍼가 약 10배 정도 가스방출이 많아서, 유리 웨이퍼가 동공 내의 가스방출의 주요원인이다. 유리 웨이퍼에서는 H2O가 매우 많이 발생하였는데, 특히 웨이퍼를 샌드블라스트 공정을 사용하여 가공한 경우, 가공 전보다 약 2.5배의 가스방출량이 증가했음을 실험적으로 알 수 있었다.
결국, 자이로스코프, 가속도계 등의 미소기계 소자의 진공패키징에서 동공의 누설현상과 동공 내로의 가스방출의 문제를 해결하는 진공 실장방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 저온에서 본딩을 실시하여 누설이 발생하지 않는 실리사이드 접합을 이용한 미소기계소자의 진공 실장방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 미소기계소자의 진공 실장 방법은 실리콘, 산화막, 실리콘이 차례대로 적층된 하부 실리콘 기판 상에 하부 실리콘 기판 상에 금속층, 비정질 실리콘막, 및 접착층을 형성한다. 접착층, 비정질 실리콘막, 및 금속층을 선택적으로 식각하여 하부 실리콘 기판을 노출시키고, 하부 실리콘 기판 내에 미소기계소자를 형성한다. 미소기계소자가 형성된 하부 실리콘 기판 상에 동공이 형성된 상부 글라스 기판을 진공챔버 내에서 정렬하고, 상하부 기판을 열처리하여, 금속층과 하부 실리콘 기판과 반응하여 제1 실리사이드를 형성하고, 금속층과 비정질 실리콘막이 반응하여 제2 실리사이드를 형성하여 진공상태에서 상하부 기판이 접착한다.
본 발명에 있어서, 금속층은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), Pt(백금), Hf(하프늄), Pd(팔라듐)의 금속 중에서 선택된 어느 하나의 금속일 수 있으며, 열처리의 최고온도는 180℃ 내지 300℃의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 미소기계 소자는 자이로스코프, 가속도계, 광스위치, RF 스위치, 압력 센서 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 각 층 및 물질들의 모양 및 두께는 설명의 편의를 위하여 과장 또는 개략화된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 부재를 지칭한다.
본 발명의 실시예에서는 동공이 형성된 상부 글라스 기판과 미소기계소자가 형성된 하부 실리콘 기판을 접착하기 위하여 진공챔버 내에서 실리사이드 접착을 이용하여 상하부 기판을 접착한다. 이와 같은 본 발명은 종래의 양극 접합 공정과 비교하여 온도가 상대적으로 낮으며, 짧은 시간에 상하부 기판을 접착할 수 있으므로 가스방출(outgassing)이 발생하지 않으며 공정이 현저하게 간단하며 경제적이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 미소기계소자의 진공실장방법을 나타내는 단면도들이다. 미소기계소자 소자는 자이로스코프, 가속도계, 압력센서, 광스위치, RF 스위치 등의 다양한 미소기계소자의 진공실장에 이용할 수 있으며, 바람직하게는 진동형 미소기계소자 소자의 진공실장에 이용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 실리콘(100), 산화막(105), 실리콘(110)이 차례대로 적층된 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼인 하부 실리콘 기판(125)을 준비한다.
도 3을 참조하면, 하부 실리콘 기판(125) 상에 금속층(140), 비정질 실리콘 막(145) 및 접착층(150)을 차례대로 적층한다. 접착층(140)은 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr)으로 통상의 증착방법을 사용하여 두께 200~500Å으로 형성할 수 있다. 금속층(145)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), Pt(백금), Hf(하프늄), Pd(팔라듐)의 금속 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 저온에서 실리사이드막을 형성할 수 있는 구리 또는 니켈이 바람직하다. 비정질 실리콘막(150)은 2,000~3,000Å으로 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 접착층(150) 상에 통상의 방법으로 감광막 패턴(165)을 형성하고, 감광막 패턴(165)을 식각마스크로 사용하여 접착층(150), 비정질 실리콘막(145) 및 금속층(140)을 하부 실리콘 기판(125)이 노출될 때까지 차례대로 식각한다.
도 5를 참조하면, 감광막 패턴(165)을 제거하고 새로운 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 감광막 패턴을 이용하여 미소기계소자 구조물 패턴을 형성한 다음, 감광막 패턴이 탄화되지 않도록 충분하게 베이킹(baking)을 한 뒤 ICP-RIE를 이용하여 실리콘막(110)을 바닥의 희생층인 산화막(105)까지 수직하게 완전히 식각한다. 그 후 건식 애싱 장비를 이용하여 감광막 패턴을 제거하고 HF 용액에 담구어 미소기계소자 구조물(120)이 완전히 릴리즈(release) 되도록 한다.
도 6을 참조하면, 상하부 기판(125, 130)을 진공챔버(미도시) 내에 위치시키고, 챔버에 설치된 펌프를 가동시켜 초고진공상태 확보를 위한 배기작업을 실시한다. 상부 글라스 기판(130)에는 샌드 블라스터 방법 또는 습식 또는 건식으로 식각하여 상부 글라스 기판(130) 내에 동공(135)이 형성되어 있다.
도 7을 참조하면, 상하부기판(125, 130)을 가열하는 열처리 공정을 하게 되면, 금속층(140)은 그 하부의 실리콘(110)과 반응하여 제1 실리사이드(142)을 형성하게 되며, 그 상부의 비정질 실리콘막(145)과 반응하여 제2 실리사이드(143)을 형성하게 된다. 즉, 상하부기판은 그 사이에 개재된 실리사이드막에 의하여 진공상태에서 접합하게 된다.
상하부기판(125, 130)의 가열은 일정한 온도로 올린 후에 바로 냉각하는 방법을 사용한다. 즉, 일정한 온도에서 일정한 시간을 유지하는 것이 아니라 바로 냉각하여 높은 온도에서 가스방출이 발생하는 현상을 사전에 예방한다. 열처리의 최대온도는 180℃ 내지 300℃의 범위에서 실시하여 동공으로의 가스방출을 예방할 수 있다. 바람직하게는 최대 온도는 구리의 경우에는 180℃ 내지 200℃의 저온에서, 니켈의 경우에는 290℃ 정도를 유지하여 저온에서 실리사이드 반응이 일어나게 하여 가스방출이 발생하지 않도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어진 본 발명은, 상부기판 및 하부기판의 접착이 용이하면서도 공정이 간단하게 미소기계소자를 진공 실장할 수 있다.
또한, 본 발명은 신뢰성 시험 항목인 기계적 스트레스(충격과 진동), 환경적 인 스트레스(온도 및 습도, 열충격)와 동작 수명 등의 신뢰성과 내구성이 우수한 진공실장된 미소기계소자를 제조할 수 있다.
또한, 동공으로의 누설과 동공 내로 가스방출이 없는 신뢰성이 있는 미세기계소자의 진공실장방법을 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 실리콘, 산화막, 실리콘이 차례대로 적층된 하부 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 하부 실리콘 기판 상에 금속층, 비정질 실리콘막, 및 접착층을 형성하는 단계;
    상기 접착층, 비정질 실리콘막, 및 금속층을 선택적으로 식각하여 상기 하부 실리콘 기판을 노출시키는 단계;
    상기 하부 실리콘 기판 내에 미소기계소자를 형성하는 단계;
    상기 미소기계소자가 형성된 하부 실리콘 기판 상에 동공이 형성된 상부 글라스 기판을 진공챔버 내에서 정렬하는 단계; 및
    상기 상하부 기판을 열처리하여, 상기 금속층과 하부 실리콘 기판과 반응하여 제1 실리사이드를 형성하고, 상기 금속층과 비정질 실리콘막이 반응하여 제2 실리사이드를 형성하여 진공상태에서 상기 상하부 기판이 접착하는 단계를 포함하는 미소기계소자의 진공 실장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), Pt(백금), Hf(하프늄), Pd(팔라듐)의 금속 중에서 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 미소기계소자의 진공 실장 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 180℃ 내지 300℃의 범위에서 실시하는 것을 특징으로 하는 미소기계소자의 진공 실장 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미소기계 소자는 자이로스코프, 가속도계, 광스위치, RF 스위치, 압력 센서 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미소기계소자의 진공 실장방법.
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KR1020060008320A KR20070078239A (ko) 2006-01-26 2006-01-26 실리사이드 접합을 이용한 미소기계소자의 진공 실장방법

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102145874B (zh) * 2010-02-09 2014-02-19 立积电子股份有限公司 微机电装置及其制造方法
CN104062059A (zh) * 2014-06-13 2014-09-24 浙江工业大学 一种mems压阻式压力传感器及其制造方法
CN112265956A (zh) * 2020-09-25 2021-01-26 华东光电集成器件研究所 一种不同真空度封装的mems圆片级真空封装方法

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