KR20210072814A - Mems 패키징 구조 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Mems 패키징 구조 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

MEMS 패키징 구조 및 이의 제조 방법에 있어서, 여기서 MEMS 패키징 구조는 MEMS 칩(200) 및 소자 웨이퍼(100)를 포함하되, 소자 웨이퍼(100)에는 제어 유닛 및 상호 연결 구조(300)가 설치되고, 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)에는 제1 접촉 패드(410) 및 입출력 연결 부재(420)가 설치되며, MEMS 칩(200)은 접합층(500)을 통해 제1 접합면(100a)에 병렬로 배열되고, MEMS 칩(200)은 마이크로 캐비티(210) 및 제2 접촉 패드(220)를 구비하며, MEMS 칩(200)의 마이크로 캐비티(210)는 외부와 연통되는 통공(210a)을 구비하고, 여기서 제1 접촉 패드(410)는 대응하는 제2 접촉 패드(220)와 전기적으로 연결되며, 접합층(500)에는 입출력 연결 부재(420)를 노출시키는 개구(510)가 구비된다. MEMS 패키징 구조는 종래의 통합 방법에 비해 패키징 구조의 사이즈를 축소시킬 수 있고, 또한 동일한 소자 웨이퍼에 다양한 MEMS 칩을 통합할 수 있어, 동시에 패키징 구조의 기능 통합 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

MEMS 패키징 구조 및 이의 제조 방법
본 발명은 반도체 분야에 관한 것으로, 특히 MEMS 패키징 구조 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
대규모 집적 회로의 개발 추세에 따라, 집적 회로의 특징 사이즈는 지속적으로 감소되고 있으며, 이에 따라 집적 회로 패키징 기술에 대한 사람들의 요구도 끊임없이 증가하고 있다. 센서 MEMS 패키징 구조 시장에서, 마이크로 전기 기계 시스템(micro-electromechanical system, MEMS) 칩은 스마트폰, 피트니스 팔찌, 프린터, 자동차, 드론 및 VR/AR 헤드마운트 기기와 같은 제품 분야에서 널리 사용된다. 일반적으로 사용되는 MEMS 칩은 압력 센서, 가속도계, 자이로스코프, MEMS 마이크, 광 센서, 촉매 센서 등이다. MEMS 칩과 기타 칩은 일반적으로 패키지 내 시스템(system in package, SIP)과 통합되어 마이크로 전기 기계 장치를 형성한다. 구체적으로, 일반적으로 하나의 웨이퍼에서 MEMS 칩이 제조되고 다른 하나의 웨이퍼에서 제어 회로가 제조된 다음 통합된다. 현재 일반적으로 사용되는 통합 방법은 주로 2가지 있는데, 하나는, MEMS 칩 웨이퍼 및 제어 회로 웨이퍼를 동일한 패키징 기판에 각각 접합시키고, 리드 와이어를 사용하여 MEMS 칩 웨이퍼 및 제어 회로 웨이퍼를 패키징 기판의 패드에 본딩함으로써 제어 회로와 MEMS 칩이 전기적으로 연결되도록 하는 것이며; 다른 하나는 MEMS 칩 웨이퍼 및 제어 회로 웨이퍼가 접합되도록 직접 제조하여, 이들에 대응되는 패드가 전기적 연결을 형성하도록 함으로써 제어 회로와 MEMS 칩이 전기적으로 연결되도록 하는 것이다.
그러나, 상기 전자의 통합 방법으로 제조된 마이크로 전자 기계 장치의 경우, 패키징 기판에 패드 영역을 남겨야 하는데, 일반적으로 사이즈가 상대적으로 커 전체 장치의 축소에 불리하다. 이밖에, 상이한 기능(또는 구조)의 MEMS 칩 제조 공법의 차이가 비교적 크므로, 동일한 웨이퍼에서 일반적으로 한 가지 기능(또는 구조)의 MEMS 칩만 제조할 수 있고, 상기 후자의 통합 방법으로는, 동일한 웨이퍼에 반도체 공법을 사용하여 다양한 기능의 MEMS 칩을 형성하기 어려우며, 기능이 상이한 MEMS 칩 웨이퍼를 여러 회 나누어 상이한 제어 웨이퍼에 통합한 후 다시 서로 연결하면 절차가 복잡하고 비용이 높으며, 또한 획득한 마이크로 전자 기계 장치 사이즈가 여전히 크다. 따라서, 종래의 MEMS 칩을 통합하는 방법과 이에 따라 획득된 MEMS 패키징 구조는 실제 응용에서 사이즈 및 기능 통합 성능에 대한 요구 사항을 여전히 충족시킬 수 없다.
MEMS 패키징 구조의 사이즈를 축소하기 위해, 본 발명은 MEMS 패키징 구조 및 이의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 다른 목적은 MEMS 패키징 구조의 기능 통합 성능을 향상시키는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면,
제1 접합면을 구비하고, 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조가 설치된 소자 웨이퍼; 상기 제1 접합면에 설치되고, 상기 상호 연결 구조와 전기적으로 연결되는 제1 접촉 패드; 상기 제1 접합면에 접합되고, 각각 마이크로 캐비티, 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드 및 상기 제1 접합면에 대향하는 제2 접합면을 구비하되, 상기 마이크로 캐비티는 외부와 연통되는 통공을 구비하며, 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드가 전기적으로 연결되는 MEMS 칩; 상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 위치하여 상기 소자 웨이퍼 및 상기 MEMS 칩을 접합시키고, 개구가 구비된 접합층; 및 상기 제1 접합면에 설치되고, 상기 개구에 의해 노출되는 입출력 연결 부재를 포함하는 MEMS 패키징 구조를 제공한다.
선택 가능하게, 복수의 상기 MEMS 칩은 상기 제1 표면에 접합되고, 복수의 상기 MEMS 칩은 제조 공법에 따라 동일하거나 상이한 카테고리에 속하는 것으로 구분된다.
선택 가능하게, 복수의 상기 MEMS 칩은 상기 제1 표면에 접합되고, 복수의 상기 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 모두 외부와 연통되는 통공을 구비하거나 적어도 하나의 상기 MEMS 칩은 폐쇄된 마이크로 캐비티를 구비한다.
선택 가능하게, 상기 폐쇄된 마이크로 캐비티는 댐핑 가스로 채워지거나 진공 상태이다.
선택 가능하게, 복수의 상기 MEMS 칩은 상기 제1 표면에 접합되고, 상기 복수의 MEMS 칩은 자이로스코프, 가속도계, 관성 센서, 압력 센서, 변위 센서, 습도 센서, 광학 센서, 가스 센서, 촉매 센서, 마이크로파 필터, DNA 증폭 마이크로 시스템, MEMS 마이크 및 마이크로 액추에이터 중 적어도 2가지를 포함한다.
선택 가능하게, 상기 제어 유닛은 하나 또는 복수의 MOS 트랜지스터를 포함한다.
선택 가능하게, 상기 상호 연결 구조는, 적어도 일부 두께의 상기 소자 웨이퍼를 관통하여 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 접촉 패드와 전기적으로 연결되는 전도성 플러그를 포함한다.
선택 가능하게, 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드는 전기적 연결 블록을 통해 전기적으로 연결되고, 상기 전기적 연결 블록은 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이의 영역에 위치하며, 상기 개구는 상기 전기적 연결 블록을 노출시킨다.
선택 가능하게, 상기 MEMS 패키징 구조는,
상기 제1 접합면에 위치하고, 상기 MEMS 칩을 덮어 상기 개구를 충진하며, 상기 입출력 연결 부재 및 상기 통공을 노출시키는 패키징층을 더 포함한다.
선택 가능하게, 상기 접합층은 접착 재료를 포함한다.
선택 가능하게, 상기 접착 재료는 건조 필름을 포함한다.
선택 가능하게, 상기 통공은 상기 제2 접합면으로부터 멀어지는 방향을 향한다.
선택 가능하게, 상기 입출력 연결 부재는 상기 제1 접촉 패드에 대응되어 전기적으로 연결된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면,
MEMS 칩 및 상기 MEMS 칩을 제어하기 위한 소자 웨이퍼를 제공하는 단계; 상기 제1 접합면에 제1 접촉 패드 및 입출력 연결 부재를 형성하는 단계; 접합층을 사용하여 상기 MEMS 칩과 상기 소자 웨이퍼를 접합시키는 단계; 및 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이에 전기적 연결을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 소자 웨이퍼는 제1 접합면을 구비하고, 상기 소자 웨이퍼에는 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조가 형성되며; 상기 제1 접촉 패드는 상기 상호 연결 구조와 전기적으로 연결되고, 상기 MEMS 칩은 마이크로 캐비티, 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드 및 폐쇄된 제2 접합면을 구비하며, 상기 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 외부와 연통되는 통공을 구비하고; 상기 접합층은 상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 위치하며, 상기 접합층에는 개구가 구비되고, 상기 개구는 상기 제1 접촉 패드, 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 및 상기 입출력 연결 부재를 노출시키는 MEMS 패키징 구조의 제조 방법을 제공한다.
선택 가능하게, 상기 상호 연결 구조는, 적어도 일부 두께의 상기 소자 웨이퍼를 관통하여 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 전도성 플러그를 포함하고, 상기 제1 접촉 패드는 대응하는 상기 전도성 플러그와 전기적으로 연결된다.
선택 가능하게, 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이에 전기적 연결을 형성하는 단계는, 무전해 도금 공법을 사용하여 상기 개구 중 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이의 영역에 전기적 연결 블록을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 개구는 상기 전기적 연결 블록을 노출시킨다.
선택 가능하게, 상기 접합층을 사용하여 상기 MEMS 칩과 상기 소자 웨이퍼를 접합시킨 후, 상기 개구에 상기 전기적 연결을 형성하는 단계 이전에, 상기 MEMS 패키징 구조의 제조 방법은,
상기 통공을 덮는 희생층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
선택 가능하게, 상기 전기적 연결 블록을 형성한 후, 상기 MEMS 패키징 구조의 제조 방법은,
상기 MEMS 칩을 덮어 상기 개구를 충진하는 패키징층을 상기 제1 접합면에 형성하는 단계; 및 상기 통공 및 상기 입출력 연결 부재를 노출시키기 위해 일부 패키징층 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에서 제공된 MEMS 패키징 구조에 있어서, 소자 웨이퍼에는 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조가 설치되고, 소자 웨이퍼의 제1 접합면에는 제1 접촉 패드 및 입출력 연결 부재가 설치되며, MEMS 칩은 마이크로 캐비티, 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드 및 상기 제1 접합면에 대향하는 제2 접합면을 구비하고, 상기 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 외부와 연통되는 통공을 구비하며, 접합층은 상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 위치하여 상기 소자 웨이퍼 및 상기 MEMS 칩을 접합시키고, 상기 제1 접촉 패드는 대응하는 상기 제2 접촉 패드와 전기적으로 연결되며, 상기 접합층에는 입출력 연결 부재를 노출시키는 개구가 구비된다. 상기 MEMS 패키징 구조는 MEMS 칩과 소자 웨이퍼의 전기적 상호 연결을 구현하고, 종래의 통합 방법에 비해 패키징 구조의 사이즈를 축소시킬 수 있다. 여기서 입출력 연결 부재는 외부 신호와 연결하는데 사용될 수 있다. 또한, 상기 MEMS 패키징 구조는 동일하거나 상이한 기능 및 구조를 갖는 복수의 상기 MEMS 칩을 포함할 수 있으며, 이로써 사이즈를 축소하는 동시에 상기 MEMS 패키징 구조의 기능 통합 성능을 향상시키는데 유리하다.
본 발명에서 제공된 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 있어서, 소자 웨이퍼의 제1 접합면에 제1 접촉 패드 및 입출력 연결 부재를 형성하되, 상기 제1 접촉 패드는 소자 웨이퍼 중 상호 연결 구조와 전기적으로 연결되고, MEMS 칩은 마이크로 캐비티, 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드 및 제2 접합면을 구비하며, 상기 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 외부와 연통되는 통공을 구비하고, 접합층을 사용하여 상기 MEMS 칩과 상기 소자 웨이퍼를 접합시키며, 상기 접합층에는 상기 제1 접촉 패드 및 대응하는 상기 제2 접촉 패드 및 상기 입출력 연결 부재를 노출시키는 개구가 구비되고, 다음 노출된 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이에 전기적 연결을 형성한다. 이로써, MEMS 칩과 소자 웨이퍼의 전기적 상호 연결을 구현하고, 종래의 통합 방법에 비해 패키징 구조의 사이즈를 축소시킬 수 있다. 이밖에, 동일하거나 상이한 기능 및 구조를 갖는 복수의 상기 MEMS 칩을 동일한 소자 웨이퍼와 패키징 통합하여, 사이즈를 축소시키는 동시에 상기 MEMS 패키징 구조의 기능 통합 성능을 향상시키는데 유리해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에서 제공된 소자 웨이퍼 및 복수의 MEMS 칩의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 제1 접합면에 복수의 제1 접촉 패드 및 복수의 입출력 연결 부재를 형성한 후의 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 접합층을 사용하여 복수의 MEMS 칩과 소자 웨이퍼를 접합시킨 후의 단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 희생층을 형성한 후의 단면 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 전기적 연결 블록을 형성한 후의 단면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 패키징층을 형성한 후의 단면 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 마이크로 캐비티의 통공을 노출시킨 후의 단면 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 단면 모식도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 단면 모식도이다.
아래에 도면과 구체적인 실시예를 결부하여 본 발명의 MEMS 패키징 구조 및 이의 제조 방법에 대해 더 상세하게 설명한다. 아래 설명에 따르면, 본 발명의 장점 및 특징은 보다 명확해질 것이다. 설명해야 할 것은, 도면은 모두 매우 간단한 형태를 사용하고 부정확한 비율을 사용하는 바, 이는 단지 본 발명의 실시예의 목적을 간편하고 명확하게 보조 설명하기 위한 것이다.
아래에서, 용어 “제1”, “제2” 등은 유사한 요소 사이에서 구분하기 위한 것일 뿐, 특정된 순서 또는 시간 순서를 설명하려는 것이 아닐 수 있다. 이해해야 할 것은, 적절한 경우, 이렇게 사용되는 이러한 용어는 교체할 수 있으며, 예를 들어 본문에서 서술한 본 발명의 실시예가 본문에서 서술하거나 도시된 다른 순서와 달리 작동될 수 있도록 한다. 유사하게, 본문에서 서술한 방법이 일련의 단계를 포함하면, 본문에서 개시된 이러한 단계의 순서가 반드시 이러한 단계가 수행될 수 있는 유일한 순서는 아니며, 일부 서술된 단계는 생략되거나 및/또는 일부 본문에서 서술되지 않은 다른 단계는 상기 방법에 추가될 수 있다. 특정 도면의 구성 요소가 다른 도면의 구성 요소와 동일한 경우, 모든 도면에서 이러한 구성 요소를 쉽게 식별할 수 있지만 도면의 설명을 보다 명확하게 하기 위해 본 명세서에서는 모든 동일한 구성 요소의 표기 부호를 각 도면에 표기하지 않을 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조는 MEMS 칩(200) 및 소자 웨이퍼(100)를 포함하되, 소자 웨이퍼(100)는 제1 접합면(100a)을 구비하고, 상기 소자 웨이퍼(100)에는 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조(300)가 설치되며, 제1 접합면(100a)에는 제1 접촉 패드(410) 및 입출력 연결 부재(420)가 설치되고, 상기 제1 접촉 패드(410)는 상기 상호 연결 구조(300)와 전기적으로 연결되어 제어 유닛의 전기 신호를 유도하며, 복수의 입출력 연결 부재(420)는 MEMS 패키징 구조와 외부 신호 또는 장치와의 연결에 사용되어 입출력 연결 부재(420)에 의해 연결된 회로 신호에 대해 처리하거나 제어한다. 예시로서, 상기 입출력 연결 부재(420)는 상기 제1 접촉 패드(410)와 대응되고 전기적으로 연결되며, 이로써 상기 입출력 연결 부재(420)는 제1 접촉 패드(410) 부분의 전기 신호에 대해 처리하거나 제어할 수 있다.
상기 MEMS 패키징 구조는 복수의 상기 MEMS 칩(200)을 포함할 수 있고, 소자 웨이퍼(100)는 상기 복수의 MEMS 칩(200)을 제어하는데 사용되며, 여기서 복수의 MEMS 칩(200)을 대응되게 제어하는 복수의 제어 유닛을 설치하여, 이의 제1 접합면(100a)에 접합된 복수의 MEMS 칩(200)이 작동하도록 각각 구동한다. 소자 웨이퍼(100)는 일반적인 반도체 공법에 의해 형성될 수 있는 바, 예를 들어, 하나의 베이스(101)(예를 들어, 실리콘 베이스)에서 상기 복수의 제어 유닛을 제조하여 소자 웨이퍼(100)를 형성할 수 있다. 상기 베이스(101)는 예를 들어 실리콘 베이스 또는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 베이스 등이고, 상기 베이스(101)의 재료는 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 실리콘 카바이드, 갈륨 비소, 인듐 갈륨 또는 기타 Ⅲ, Ⅴ족 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 베이스(101)는 바람직하게 반도체 공법 처리 또는 통합을 수행하기 쉬운 베이스이다. 상기 복수의 제어 유닛은 베이스(101)를 기반으로 형성될 수 있다.
각각의 상기 제어 유닛은 하나 또는 복수의 MOS 트랜지스터를 포함할 수 있고, 인접한 MOS 트랜지스터는 소자 웨이퍼(100)(또는 베이스(101))에 설치된 격리 구조(102) 및 베이스(101)를 덮은 절연 재료에 의해 격리될 수 있으며, 상기 격리 구조(102)는 예를 들어 얕은 트랜치 격리 구조(STI) 및/또는 깊은 트랜치 격리 구조(DTI)이다. 예시로서, 제어 유닛은 그 중 하나의 MOS 트랜지스터의 하나의 소스/드레인 전극을 통해 제어 전기 신호를 출력하여 대응되는 MEMS 칩(200)을 제어한다. 본 실시예에서, 소자 웨이퍼(100)는 베이스(101)의 일측 표면에 형성된 제1 유전체층(103)을 더 포함하고, 제어 유닛의 제어 전기 신호를 출력하기 위한 MOS 트랜지스터의 하나의 소스/드레인 전극(전기 연결 단부로 사용됨)은 제1 유전체층(103)에 설치되며, 베이스(101)의 타측 표면에는 제2 유전체층(104)이 형성되고, 제1 유전체층(103) 및 제2 유전체층(104)의 재료는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드 및 실리콘 옥시나이트라이드 등 절연 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 제1 유전체층(103)에서 베이스(101)로부터 멀리 떨어진 표면을 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)으로 사용할 수 있다.
MEMS 칩(200)과 소자 웨이퍼(100) 중 제어 유닛의 전기적 상호 연결을 형성하기 위해, 본 실시예에서, 소자 웨이퍼(100)에 제1 접합면(100a)의 제1 접촉 패드(410) 및 소자 웨이퍼(100) 중 제어 유닛과 모두 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조(300)를 설치한다. 구체적으로, 도 7을 참조하면, 상기 상호 연결 구조(300)는 적어도 일부 두께의 상기 소자 웨이퍼(100)를 관통하여 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 전도성 플러그(310)를 포함할 수 있고, 제1 접합면(100a)의 제1 접촉 패드(410)는 대응하는 상기 전도성 플러그(310)와 전기적으로 연결된다.
복수의 MEMS 칩(200)은 동일하거나 상이한 기능, 용도 및 구조를 갖는 MEMS 칩으로부터 선택될 수 있고, 각각 본 기술분야의 공지된 MEMS 칩의 제조 공법을 사용하여 상이한 베이스(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)에서 자이로스코프, 가속도계, 관성 센서, 압력 센서, 습도 센서, 변위 센서, 가스 센서, 촉매 센서, 마이크로파 필터, 광학 센서(예를 들어, MEMS 스캐닝 미러, ToF 이미지 센서, 광전 검출기, 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL), 회절 광학 소자(DOE)), DNA 증폭 마이크로 시스템, MEMS 마이크, 마이크로 액추에이터(예를 들어, 마이크로 모터, 마이크로 공진기, 마이크로 릴레이, 마이크로 광학/RF 스위치, 광학 프로젝션 디스플레이, 스마트 스킨, 마이크로 펌프/밸브)와 같은 MEMS 소자를 제조할 수 있으며, 다음 별도의 칩 결정립을 분할하고 적어도 2가지를 선택하여 본 실시예에서의 MEMS 칩(200)으로 사용한다. 구체적으로 실시할 경우, 설계 및 용도의 수요에 따라, 일정한 개수 또는 다양한 MEMS 칩(200)을 선택하여 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)에 설치할 수 있다. 예를 들어, 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)에 하나 또는 다수의 센싱 성능을 가진 MEMS 칩을 접합시킬 수 있다. 이해할 수 있는 것은, 본 실시예에서 중점적으로 설명하려는 것은 소자 웨이퍼(100) 및 이의 제1 접합면(100a)에 MEMS 칩(200)이 설치된 MEMS 패키징 구조를 포함하는 것이지만, 본 실시예의 MEMS 패키징 구조가 단지 상기 부재만 포함하는 것을 나타내지 않으며, 소자 웨이퍼(100)에 다른 칩(예를 들어, 메모리 칩, 통신 칩, 프로세서 칩 등)이 설치/접합되거나, 다른 소자(예를 들어, 전력 소자, 바이폴러 소자, 저항, 커패시터 등)가 설치될 수도 있고, 본 기술분야의 공지된 소자 및 연결 관계는 이에 포함될 수 있다. 또한, 소자 웨이퍼(100)에 접합된 MEMS 칩은 하나에 한정되지 않고, 2개 또는 3개 이상일 수 있으며, 이러한 MEMS 칩의 구조 및/또는 종류는 수요에 따라 상응하게 변화될 수도 있다. 이밖에, 본 실시예에서 설명된 제1 접촉 패드(410) 및 제2 접촉 패드(220)는 용접 패드일 수 있고, 전기 연결 효과를 일으키는 다른 연결 부재일 수도 있다. MEMS 패키징 구조의 기능 통합 성능을 향상시키기 위해, 바람직하게는, 복수의 MEMS 칩은 제조 공법에 따라 동일하거나 상이한 카테고리에 속하는 것으로 구분되고, 여기서 두 가지 MEMS 칩의 제조 공법은 완전히 동일한 것은 아니며 또는 기능(용도)은 완전히 동일한 것이 아니다.
본 실시예에서, 복수의 MEMS 칩(200)은 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)에 병렬로 배열되고, 각각의 MEMS 칩(200)은 모두 마이크로 캐비티(210), 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드(220) 및 상기 제1 접합면(100a)에 대향하는 제2 접합면(200a)을 구비할 수 있으며, 여기서, 적어도 하나의 상기 MEMS 칩(200)의 마이크로 캐비티(210)는 외부와 연통되는 공기 유입형 MEMS 칩(air inlet MEMS)과 같은 통공(210a)을 구비한다. 복수의 MEMS 칩(200)은 모두 외부와 연통되는 개구를 구비할 수 있거나, 적어도 하나의 상기 MEMS 칩(200)은 폐쇄된 마이크로 캐비티(210)를 구비하고, 폐쇄된 마이크로 캐비티(210)는 댐핑 가스(damping gas)로 채워지거나 진공 상태일 수 있다. 예시로서, 도 7에 도시된 2개의 MEMS 칩(200)은 각각 자이로스코프 및 공기 유입형 MEMS 칩일 수 있고, 여기서 공기 유입형 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 대기와 연통되는 통공(210a)을 구비한다. 또 다른 실시예에서, 복수의 MEMS 칩은 자이로스코프, 가속도계, 관성 센서, 압력 센서, 변위 센서, 습도 센서, 광학 센서, 가스 센서, 촉매 센서, 마이크로파 필터, DNA 증폭 마이크로 시스템, MEMS 마이크, 마이크로 액추에이터 중 적어도 2가지를 포함할 수 있다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 다른 실시예에서, 공기 유입형 MEMS 칩은 구체적으로 압력 센서(도 8에 도시된 바와 같음) 또는 광학 센서(도 9에 도시된 바와 같음)일 수 있고, 여기서 압력 센서는 하나의 폐쇄된 마이크로 캐비티 및 외부와 연통되는 통공을 구비한 하나의 마이크로 캐비티를 포함할 수 있으며, 광학 센서의 경우, 외부 광신호를 수신하기 위해 마이크로 캐비티에 설치된 투명 부재를 더 포함한다.
상기 MEMS 칩(200)은 접합층(500)을 통해 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)(복수의 MEMS 칩(200)이면, 복수의 MEMS 칩(200)은 상기 제1 접합면(100a)에서 병렬로 배열됨)에 접합되고, 또한 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)의 제1 접촉 패드(410)는 대응하는 MEMS 칩(200)의 제2 접촉 패드(220)와 전기적으로 연결되고, 예를 들어, 상기 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 상기 제2 접촉 패드(220) 사이의 영역에 위치한 전기적 연결 블록(600)을 통해 연결된다. 전기적 연결 블록(600)은 복수일 수 있고, 각각의 MEMS 칩(200)의 제2 접촉 패드(220) 및 소자 웨이퍼(100)의 대응되는 제1 접촉 패드(410)를 연결한다.
접합층(500)은 상기 복수의 MEMS 칩(200)과 소자 웨이퍼(100)를 접합시켜 고정하는데 사용된다. 구체적으로, 접합층(500)은 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)과 MEMS 칩(200)의 제2 접합면(200a) 사이에 위치하고, 상기 접합층(500)에는 상기 전기적 연결 블록(600) 및 입출력 연결 부재(420)를 노출시키는 개구(510)가 구비된다.
접합층(500)의 재료는 산화물 또는 다른 적절한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 접합층(500)은 본딩 재료일 수 있고, 용융 본딩(fusing bonding) 또는 진공 본딩 등 방식을 통해 상기 복수의 MEMS 칩(200)의 제2 접합면(200a)과 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)을 본딩한다. 접합층(500)은 접착 재료를 더 포함할 수 있는 바, 예를 들어 다이어태치 필름(Die Attach Film, DAF) 또는 건조 필름(dry film)을 포함하여, 접착 방식을 통해 상기 복수의 MEMS 칩과 소자 웨이퍼(100)를 접합시킨다. 본 실시예에서 접합층(500)은 바람직하게 건조 필름을 사용하고, 건조 필름은 점성을 가진 포토레지스트 필름으로서, 자외선에 의해 조사된 후 중합 반응이 발생하여 안정적인 물질을 형성하여 접착면에 부착되며, 전기 도금 및 에칭을 차단하는 장점을 가지고, 건조 필름을 먼저 MEMS 칩(200)의 제2 접합면(200a)에 부착시켜 제2 접촉 패드(220)를 건조 필름 외부로 노출시킴으로써 후속의 제2 접촉 패드(220)와 소자 웨이퍼(100)의 대응하는 제1 접촉 패드(410)의 전기적 연결이 편이해질 수 있도록 한다. MEMS 칩(200)의 제2 접촉 패드(220)는 대응되는 MEMS 칩의 제2 접합면(200a)에 위치할 수 있고, 예를 들어 상기 제2 접합면(200a)에 가까운 가장자리에 위치할 수 있음으로써, 접합층(500)은 MEMS 칩(200)의 가장자리의 영역 또는 복수의 MEMS 칩(200) 사이의 영역에 개구(510)를 형성하여 제2 접촉 패드(220)를 노출시킬 수 있다.
본 실시예의 MEMS 패키징 구조는 소자 웨이퍼(100)에 접합된 MEMS 칩(200) 및 상기 접합층(500)을 덮고, 제1 접합면(100a)의 입출력 연결 부재(420) 및 MEMS 칩(200)의 마이크로 캐비티(210)가 외부와 연통되는 통공(210a)을 노출시키는 패키징층(501)을 더 포함할 수 있다. 패키징층(501)은 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a) 일측에 설치되어 상기 MEMS 칩(200)이 소자 웨이퍼(100)에서 보다 더 견고해지며, 상기 MEMS 칩이 외부에 의한 손상을 받는 것을 방지하도록 한다. 상기 패키징층(501)은 예를 들어 플라스틱 밀봉 재료층으로, 예를 들어 사출 성형 공법을 통해 복수의 MEMS 칩 사이의 간격을 채우고 또한 상기 복수의 MEMS 칩을 접합층(500)에 고정시킬 수 있다. 상기 패키징층(501)은 성형 과정에서 연화 또는 유동할 수 있는 재료, 즉 가소성을 갖는 재료를 사용하여 일정한 형상으로 제조할 수 있고, 상기 패키징층(501)의 재료는 또한 화학 반응이 발생하여 가교 및 경화될 수 있으며, 예시로서, 상기 패키징층(501)의 재료는 페놀알데히드 수지, 요소-포름알데히드 수지, 포름알데히드 수지, 에폭시 수지, 불포화 수지, 폴리우레탄, 폴리이미드와 같은 열경화성 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 여기서 에폭시 수지를 패키징층(501)의 재료로 사용하는 것이 비교적 바람직하며, 에폭시 수지는 충진재를 포함할 수 있고, 다양한 첨가제(예를 들어, 경화제, 개질제, 이형제, 감온 변색제, 난연제 등)를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 페놀알데히드 수지를 경화제로 사용하고, 마이크로실리카의 고체 입자를 충진재로 사용한다.
상기 MEMS 패키징 구조는 MEMS 칩(200)과 소자 웨이퍼(100)의 전기적 상호 연결을 구현하고, 종래의 통합 방법에 비해 패키징 구조의 사이즈를 축소시킬 수 있다. 이밖에, 동일한 소자 웨이퍼(100)에 복수의 MEMS 칩(200)을 통합할 수 있고, 복수의 MEMS 칩(200)은 동일하거나 상이한 기능(용도) 및 구조에 대응될 수 있으며, 사이즈를 축소시키는 동시에 MEMS 패키징 구조의 기능 통합 성능을 향상시키는데 유리하다.
본 실시예는 상기 MEMS 패키징 구조를 제조하는데 사용될 수 있는 MEMS 패키징 구조의 제조 방법을 더 포함한다. 상기 MEMS 패키징 구조의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
제1 단계에서, MEMS 칩 및 상기 MEMS 칩을 제어하기 위한 소자 웨이퍼를 제공하되, 상기 소자 웨이퍼는 제1 접합면을 구비하고, 상기 소자 웨이퍼에는 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조가 형성되며;
제2 단계에서, 상기 제1 접합면에 제1 접촉 패드 및 입출력 연결 부재를 형성하되, 상기 제1 접촉 패드는 상기 상호 연결 구조와 전기적으로 연결되고, 상기 MEMS 칩은 마이크로 캐비티, 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드 및 폐쇄된 제2 접합면을 구비하며, 상기 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 외부와 연통되는 통공을 구비하고;
제3 단계에서, 접합층을 사용하여 상기 MEMS 칩과 상기 소자 웨이퍼를 접합시키되, 상기 접합층은 상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 위치하고, 상기 접합층에는 상기 제1 접촉 패드, 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 및 상기 복수의 입출력 연결 부재를 노출시키는 개구가 구비되며;
제4 단계에서, 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이에 전기적 연결을 형성한다.
아래에 도 1 내지 도 7을 결부하여 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에서 제공된 소자 웨이퍼 및 복수의 MEMS 칩의 단면 모식도이다. 도 1을 참조하면, 우선 MEMS 칩(200) 및 상기 MEMS 칩(200)을 제어하기 위한 소자 웨이퍼(100)를 제공하는 제1 단계를 수행하되, 상기 소자 웨이퍼(100)는 제1 접합면(100a)을 구비하고, 상기 소자 웨이퍼(100)에는 복수의 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조(300)가 형성되며, 여기서 상기 MEMS 칩(200)은 마이크로 캐비티(210), 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드(220) 및 폐쇄된 제2 접합면(200a)을 구비하고, 상기 MEMS 칩(200)의 마이크로 캐비티(210)는 외부와 연통되는 통공(210a)을 구비한다. 여기서 제1 접합면(100a) 및 제2 접합면(200a)은 각각 소자 웨이퍼(100) 및 MEMS 칩(200)의 서로 접합하기 위한 표면이다.
구체적으로, 본 실시예의 소자 웨이퍼(100)는 베이스(101)를 포함할 수 있고, 상기 베이스(101)는 예를 들어 실리콘 베이스 또는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 베이스 등이다. 본 실시예에서, 동일한 소자 웨이퍼(100)에 통합될 MEMS 칩은 하나 이상일 수 있고, 대응되는 소자 웨이퍼(100) 중 제어 유닛도 하나 이상일 수 있다. 후속에 복수의 MEMS 칩을 용이하게 제어하기 위해 성숙된 반도체 제조 과정을 사용할 수 있고, 베이스(101)를 기반으로 복수의 제어 유닛을 형성한다. 각각의 상기 제어 유닛은 하나의 CMOS 제어 회로 세트일 수 있고, 예를 들어 각각의 제어 유닛은 하나 또는 복수의 MOS 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 인접한 MOS 트랜지스터는 베이스(101)(또는 소자 웨이퍼(100))에 설치된 격리 구조(102) 및 베이스(101)에 덮여있는 절연 재료를 통해 격리될 수 있고, 상기 격리 구조(102)는 예를 들어 얕은 트랜치 격리 구조(STI) 및/또는 깊은 트랜치 격리 구조(DTI)이다. 소자 웨이퍼(100)는 베이스(101)의 일측 표면에 형성된 제1 유전체층(103) 및 베이스(101)의 타측 표면에 형성된 제2 유전체층(104)을 더 포함할 수 있고, 각각의 제어 유닛의 제어 전기 신호를 출력하기 위한 연결 단부는 제1 유전체층(103)에 설치될 수 있으며, 본 실시예에서, 제1 유전체층(103)에서 상기 베이스(101)로부터 멀리 떨어진 표면을 소자 웨이퍼(100)의 접합면(100a)으로 사용하고, 다른 실시예에서, 또한 제2 유전체층(104)에서 상기 베이스(101)로부터 멀리 떨어진 표면을 소자 웨이퍼(100)의 접합면(100a)으로 사용할 수 있다. 소자 웨이퍼(100)는 본 기술분야에서 개시된 방법으로 제조될 수 있다.
상호 연결 구조(300)는 소자 웨이퍼(100)에 형성된 하나 이상의 전기 접촉, 전기 연결 부재 및 이들 사이에 형성된 전기 연결선을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 소자 웨이퍼(100) 중 상호 연결 구조(300)는 적어도 일부 두께의 상기 소자 웨이퍼(100)를 관통하여 소자 웨이퍼(100) 중 대응되는 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 전도성 플러그(310)를 포함한다. 복수의 MEMS 칩을 통합할 경우, 소자 웨이퍼(100)에 복수의 전도성 플러그(310)를 대응되게 형성할 수 있다. 전도성 플러그(310)의 재료는 코발트, 몰리브덴, 알루미늄, 구리 및 텅스텐 등 원소를 함유한 금속 또는 합금을 선택할 수 있고, 상기 전도성 재료는 또한 금속 실리사이드(예를 들어, 티타늄 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 코발트 실리사이드 등), 금속 질화물(예를 들어, 티타늄 질화물) 또는 도핑된 폴리실리콘 등을 선택할 수 있다.
복수의 MEMS 칩(200)은 동일하거나 상이한 기능, 용도 및 구조를 갖는 MEMS 칩으로부터 선택된 것일 수 있고, 본 실시예에서, MEMS 패키징 구조가 다양한 용도 또는 기능을 구비하도록 하기 위해, 통합될 복수의 MEMS 칩(200)은 2가지 또는 2가지 이상의 카테고리로부터 선택되는 것이 바람직하며, 또한 예를 들어 복수의 MEMS 칩(200)은 자이로스코프, 가속도계, 관성 센서, 압력 센서, 유량 센서, 변위 센서, 습도 센서, 광학 센서, 가스 센서, 촉매 센서, 마이크로파 필터, DNA 증폭 마이크로 시스템, MEMS 마이크, 마이크로 액추에이터 중 적어도 2가지로부터 선택될 수 있다. 본 실시예에서, 각각의 MEMS 칩(200)은 별도의 칩(또는 결정립)일 수 있고, 센싱 부재로 사용되는 마이크로 캐비티(210) 및 외부 전기 신호(MEMS 칩이 작동하도록 제어함)를 연결하기 위한 제2 접촉 패드(220)를 구비한다. MEMS 칩(200)의 마이크로 캐비티(210)는 전부가 외부(예를 들어, 대기)와 연통될 수 있고, 일부 MEMS 칩의 마이크로 캐비티가 칩 외부와 연통되며 일부 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 폐쇄된 것일 수 있고(도 1의 2개의 MEMS 칩의 마이크로 캐비티 중 하나는 폐쇄된 것이고, 다른 하나는 칩 외부와 연통된 것임), 여기서 폐쇄된 마이크로 캐비티(210)는 높은 진공 또는 낮은 진공의 환경일 수 있거나 댐핑 가스(damping gas)로 채워질 수도 있다. 외부와 연통되는 마이크로 캐비티(210)는 외부와 연통되는 통공(210a)을 구비한다. 제2 접촉 패드(220)는 대응되는 MEMS 칩 표면에 의해 노출된다. 상기 제2 접촉 패드(220)는 대응되는 MEMS 칩(200)의 제2 접합면(200a)에 위치할 수 있고, 예를 들어 상기 제2 접합면(200a)에 가까운 가장자리에 위치할 수 있음으로써, 후속의 접합층(500)이 복수의 MEMS 칩 사이의 영역에 개구(510)를 형성하여 제2 접촉 패드(220)를 노출시키는데 편이하도록 하지만, 이에 한정되지 않고, MEMS 칩의 회로 상황에 따라 제2 접촉 패드(220)는 또한 MEMS 칩 표면의 다른 영역에 형성될 수도 있다. 마이크로 캐비티(210)의 외부와 연통하기 위한 통공(210a)은 후속의 마이크로 캐비티(210)가 외부와 편이하게 연통되도록, 상기 제2 접합면(200a)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 것이 바람직하다. MEMS 칩은 본 기술분야의 개시된 방법으로 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 제1 접합면에 복수의 제1 접촉 패드 및 복수의 입출력 연결 부재를 형성한 후의 단면 모식도이다. 도 2를 참조하면, 상기 제1 접합면(100a)에 제1 접촉 패드(410) 및 입출력 연결 부재(420)를 형성하는 제2 단계를 수행하되, 상기 제1 접촉 패드(410)는 소자 웨이퍼(100) 중 상호 연결 구조(300)와 전기적으로 연결된다.
제1 접촉 패드(410) 및 입출력 연결 부재(420)는 동일한 필름 형성 및 패턴화 공법을 이용하여 형성될 수 있으며, 그 형성 과정은 예를 들어 먼저 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)에 금속층을 증착시키는 것이고, 금속층은 전도성 플러그(310)와 동일한 재료를 사용할 수 있으며, 또한 물리 기상 증착(PVD) 공법, 원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD) 공법으로 형성될 수 있고, 다음 패턴화 처리를 수행하여 제1 접촉 패드(410) 및 입출력 연결 부재(420)를 형성한다. 상기 제1 접촉 패드(410)는 상기 상호 연결 구조(300)와 전기적으로 연결되어 제어 유닛의 전기 신호를 유도하며, 입출력 연결 부재(420)는 MEMS 패키징 구조의 외부 신호 또는 장치와의 연결 사용되어 이와 연결된 회로 신호에 대해 처리하거나 제어한다. 예시로서, 복수의 입출력 연결 부재(420)는 복수의 제1 접촉 패드(410)와 일일이 대응되고 전기적으로 연결되어, 복수의 입출력 연결 부재(420)를 통해 복수의 제1 접촉 패드(410) 부분의 전기 신호에 대해 처리하거나 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 접합층을 사용하여 상기 복수의 MEMS 칩과 상기 소자 웨이퍼를 접합시킨 후의 단면 모식도이다. 도 3을 참조하면, 접합층(500)을 사용하여 상기 MEMS 칩(200)과 상기 소자 웨이퍼(100)를 접합시키는 제3 단계를 수행하되, 상기 접합층(500)은 상기 제1 접합면(100a)과 상기 제2 접합면(200a) 사이에 위치하고, 상기 접합층(500)에는 상기 제1 접촉 패드(410), 상기 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 상기 제2 접촉 패드(220) 및 상기 입출력 연결 부재(420)를 노출시키는 개구(510)가 구비된다.
선택 가능한 실시형태에서, 용융 본딩, 진공 본딩 방법과 같은 본딩 방식을 사용하여 소자 웨이퍼(100)가 상기 복수의 MEMS 칩(200)과 본딩될 수 있도록 하며, 여기서 상기 접합층(500)의 재료는 본딩 재료(예를 들어, 실리콘 산화물)이고; 다른 실시형태에서, 접합 및 광(또는 열) 경화의 방식을 사용하여 소자 웨이퍼(100)와 상기 복수의 MEMS 칩(200)이 접착될 수 있도록 하며, 여기서 상기 접합층(500)은 접착 재료를 포함할 수 있고, 구체적으로 다이어태치 필름 또는 건조 필름을 선택할 수 있다. 복수의 MEMS 칩은 하나씩 접합될 수 있고, 일부 또는 전부가 먼저 하나의 캐리어판(carrier plate)에 부착된 다음 여러 회로 나누어 또는 동시에 소자 웨이퍼(100)와 접합될 수도 있다.
선택 가능한 실시형태에서, 각각의 MEMS 칩(200)을 소자 웨이퍼(100)에 접합시킬 때에 단지 일부 영역에만 접합 재료를 형성하는 방법을 통해 제1 접촉 패드(410) 및 대응하는 제2 접촉 패드(220) 및 상기 복수의 입출력 연결 부재(420)를 노출시킬 수 있으며, 이로써 접합층(500)에 개구(510)를 형성한다. 다른 실시형태에서, 각각의 MEMS 칩(200)을 소자 웨이퍼(100)에 접합시킬 경우, 접합 재료는 제1 접합면(100a) 및 제2 접합면(200a)을 덮을 수 있고, 다음 예를 들어 건식 에칭 공법을 통해 개구(510)를 형성하여 제1 접촉 패드(410) 및 대응하는 제1 접촉 패드(410) 및 상기 복수의 입출력 연결 부재(420)를 노출시킨다. 접합층(500)에 개구(510)를 형성하는 목적은, 소자 웨이퍼(100)에 연결된 제어 유닛의 제1 접촉 패드(410) 및 MEMS 칩(200)의 제2 접촉 패드(220)를 제1 접합면(100a)과 제2 접합면(200a) 사이에서 연결시키는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 희생층을 형성한 후의 단면 모식도이다. 도 4를 참조하면, 후속의 공법이 외부와 연통되는 마이크로 캐비티(210)에 미치는 영향을 방지하기 위해, 상기 MEMS 칩(200)을 소자 웨이퍼(100)의 제1 접합면(100a)에 접합시킨 후, 마이크로 캐비티(210)의 통공(210a)에 희생층(230)을 형성하여 마이크로 캐비티(210)를 보호하는 것이 바람직하다. 희생층(230)의 재료는 포토레지스트, 실리콘 카바이드 및 비결정성 탄소 중 하나 또는 다수를 포함할 수 있다. 희생층(230)은 화학 기상 증착 공법으로 필름을 형성하고 포토마스크 공법 및 에칭 공법으로 제조될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 전기적 연결 블록을 형성한 후의 단면 모식도이다. 도 5를 참조하면, 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 상기 제2 접촉 패드(220) 사이에 전기적 연결을 형성하는 제4 단계를 수행한다.
본 실시예에서, 접합층(500) 중 개구(510)는 상기 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 제2 접촉 패드(220)를 노출시킴으로써, 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 제2 접촉 패드(220) 사이의 영역에 전기적 연결 블록(600)을 형성하여 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 제2 접촉 패드(220)를 연결시킬 수 있으며, 상기 개구(510)의 다른 부분은 여전히 채워지지 않은 상태이고, 상기 개구(510)는 상기 전기적 연결 블록(600)을 노출시킨다.
전기적 연결 블록(600)은 무전해 도금 공법으로 형성될 수 있고, 상기 무전해 도금 공법은 예를 들어 하기와 같은 과정을 포함한다. 즉 복수의 MEMS 칩(200)이 접합되고 접합층(500)에 개구(510)가 형성된 소자 웨이퍼(100)를 금속 이온이 함유된 용액(예를 들어, 무전해 은 도금, 니켈 도금, 구리 도금 등 용액)에 안착시키고, 강환원제를 사용하여 상기 금속 이온이 금속으로 환원되어 개구(510)에 의해 노출된 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 상기 제2 접촉 패드(220)에 증착되도록 하며, 일정한 반응 시간이 지난 후, 금속 재료는 제1 접촉 패드(410)와 대응하는 상기 제2 접촉 패드(220)를 연결시켜, 전기적 연결 블록(600)을 형성한다. 전기적 연결 블록(600)의 재료는 구리, 니켈, 아연, 주석, 은, 금, 텅스텐 및 마그네슘 중 하나 또는 다수를 포함한다. 상기 무전해 도금 공법은 상기 금속 이온이 함유된 용액에 안착하기 이전에, 먼저 개구(510)에 전기적 연결 블록(600)을 형성하는 영역에 종자층(seed layer)을 증착시키는 단계를 포함할 수도 있다.
제1 접합면(100a)과 제2 접합면(200a) 사이에 전기적 연결 블록(600)을 형성하는 방법은 리드 와이어 본딩이 필요없이 제1 접촉 패드(410)를 대응하는 상기 제2 접촉 패드(220)와 전기적으로 연결시켜, 패키징 구조의 사이즈를 축소하는데 유리하며, 또한 소자 웨이퍼(100) 내부에 영향을 미치지 않아 MEMS 패키징 구조의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 패키징층을 형성한 후의 단면 모식도이다. 도 6을 참조하면, 소자 웨이퍼(100)에 접합된 MEMS 칩(200)이 외부 요인(예를 들어, 수증기, 산소, 진동, 충격 등)의 영향을 받는 것을 방지하고, MEMS 칩(200)이 보다 견고해지도록 하기 위해, 상기 전기적 연결 블록(600)을 형성한 후, 본 실시예의 MEMS 패키징 구조의 제조 방법은 상기 MEMS 칩(200)을 덮어 상기 개구(510)를 충진하는 패키징층(501)을 상기 제1 접합면에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
패키징층(501)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드 및 실리콘 옥시나이트라이드 등과 같은 무기 절연 재료를 포함할 수 있고, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리페닐렌옥시드(Polyphenylene oxide), 폴리아미드(polyamide), 폴리에테르이미드(Polyetherimide), 메타그릴산 수지 또는 시클로폴리올레핀(cyclopolyolefin) 수지 등과 같은 열가소성 수지를 포함할 수도 있으며, 에폭시 수지, 페놀알데히드 수지, 요소-포름알데히드 수지, 포름알데히드 수지, 폴리우레탄, 아크릴 수지, 비닐에스테르 수지, 이미드 수지, 요소 수지 또는 멜라민 수지 등과 같은 열경화성 수지를 포함할 수도 있고, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 등과 같은 유기 절연 재료를 포함할 수도 있다. 패키징층(501)은 예를 들어 화학 기상 증착 공법 또는 사출 성형 공법에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 패키징층(501)의 제조 과정에서, 소자 웨이퍼(100)에서 상기 접합층(500)이 형성된 일측에서 평탄화 처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이로써 통공(210a)을 덮은 희생층(223)이 패키징층(501)으로부터 노출되도록 하여, 후속에 희생층(223)을 직접 제거함으로써 덮혀진 마이크로 캐비티(210)의 통공(210a)을 개방하는데 편이하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 패키징 구조의 제조 방법에 따라 마이크로 캐비티의 통공을 노출시킨 후의 단면 모식도이다. 도 7을 참조하면, 패키징층(501)을 형성한 후, 본 실시예의 MEMS 패키징 구조의 제조 방법은 상기 통공(210a) 및 상기 복수의 입출력 연결 부재(420)를 노출시키기 위해 일부 패키징층(501) 및 상기 희생층(230)을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로 예를 들어 건식 에칭 공법을 사용하여 일부 패키징층(501) 및 상기 희생층(230)을 제거할 수 있다. 희생층(230)을 제거한 후, 외부와 연통되는 마이크로 캐비티(210)의 통공(210a)이 노출됨으로써(또는 개방됨), MEMS 칩(200)에 대응되는 마이크로 캐비티(210)가 칩 외부와 연통되어 상기 칩이 정상적으로 작동하는데 편이하도록 한다. 상기 단계를 통해, 소자 웨이퍼(100)에 위치한 제1 접합면(100a)의 입출력 연결 부재(420)도 노출됨으로써 MEMS 패키징 구조 외부의 제어/처리 신호와의 연결에 사용될 수 있다.
상기 단계를 통해, 형성된 MEMS 패키징 구조는 도 7에 도시된 바와 같다. 유사한 제조 방법을 사용하여, 소자 웨이퍼에 다른 MEMS 칩(200)을 통합하고 패키징할 수도 있으며, 이로써 예를 들어 도 8 및 도 9에 도시된 MEMS 패키징 구조를 획득할 수 있고, 여기서 더이상 서술하지 않는다.
상기 MEMS 패키징 구조의 제조 방법을 통해, MEMS 칩(200)과 소자 웨이퍼(100)의 전기적 상호 연결을 구현하고, 종래의 통합 방법에 비해 MEMS 패키징 구조의 사이즈를 축소시킬 수 있다. 이밖에, 동일하거나 상이한 기능(용도) 및 구조를 갖는 복수의 상기 MEMS 칩과 동일한 소자 웨이퍼를 패키징 통합하여, 사이즈를 축소시키는 동시에 상기 MEMS 패키징 구조의 기능 통합 성능을 향상시키는데 유리해질 수 있다.
상기 설명은 단지 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 대한 설명일 뿐, 본 발명의 청구보호범위에 대한 어떠한 한정도 아니며, 본 기술분야의 통상의 기술을 가진 자라면, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 모두 상기 개시된 방법과 기술 내용을 사용하여 본 발명의 기술적 해결수단에 대해 가능한 변경 및 수정을 진행할 수 있고, 따라서 본 발명의 기술적 해결수단의 내용을 벗어나지 않고, 본 발명의 기술적 본질에 따라 이상 실시예에 대해 진행한 임의의 간단한 수정, 등가 변화 및 수식은 모두 본 발명의 기술적 해결수단의 보호 범위에 속한다.
100; 소자 웨이퍼;
100a; 제1 접합면;
101; 베이스;
102; 격리 구조;
103; 제1 유전체층;
104; 제2 유전체층;
200; MEMS 칩;
210; 마이크로 캐비티;
210a; 통공;
220; 제2 접촉 패드;
230; 희생층;
300; 상호 연결 구조;
310; 전도성 플러그;
410; 제1 접촉 패드;
420; 입출력 연결 부재;
500; 접합층;
510; 개구;
501; 패키징층;
600; 전기적 연결 블록.

Claims (18)

  1. MEMS 패키징 구조로서,
    제1 접합면을 구비하고, 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조가 설치되는 소자 웨이퍼;
    상기 제1 접합면에 설치되고, 상기 상호 연결 구조와 전기적으로 연결되는 제1 접촉 패드;
    상기 제1 접합면에 접합되고, 각각 마이크로 캐비티, 외부 전기 신호를 연결하기 위한 제2 접촉 패드 및 상기 제1 접합면에 대향하는 제2 접합면을 구비하되, 상기 마이크로 캐비티는 외부와 연통되는 통공을 구비하며, 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드가 전기적으로 연결되는 MEMS 칩;
    상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 위치하여 상기 소자 웨이퍼 및 상기 MEMS 칩을 접합시키고, 개구가 구비되는 접합층; 및
    상기 제1 접합면에 설치되고, 상기 개구에 의해 노출되는 입출력 연결 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 MEMS 칩은 상기 제1 표면에 접합되고, 복수의 상기 MEMS 칩은 제조 공법에 따라 동일하거나 상이한 카테고리에 속하는 것으로 구분되는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 MEMS 칩은 상기 제1 표면에 접합되고, 복수의 상기 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 모두 외부와 연통되는 통공을 구비하거나 적어도 하나의 상기 MEMS 칩은 폐쇄된 마이크로 캐비티를 구비하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐쇄된 마이크로 캐비티는 댐핑 가스로 채워지거나 진공 상태인 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 MEMS 칩은 상기 제1 표면에 접합되고, 복수의 상기 MEMS 칩은 자이로스코프, 가속도계, 관성 센서, 압력 센서, 변위 센서, 습도 센서, 광학 센서, 가스 센서, 촉매 센서, 마이크로파 필터, DNA 증폭 마이크로 시스템, MEMS 마이크 및 마이크로 액추에이터 중 적어도 2가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 하나 또는 복수의 MOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상호 연결 구조는, 적어도 일부 두께의 상기 소자 웨이퍼를 관통하여 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 접촉 패드와 전기적으로 연결되는 전도성 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드는 전기적 연결 블록을 통해 전기적으로 연결되고, 상기 전기적 연결 블록은 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이의 영역에 위치하며, 상기 개구는 상기 전기적 연결 블록을 노출시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접합면에 위치하고, 상기 MEMS 칩을 덮어 상기 개구를 충진하며, 상기 입출력 연결 부재 및 상기 통공을 노출시키는 패키징층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 접합층은 접착 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접착 재료는 건조 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 통공은 상기 제2 접합면으로부터 멀리 떨어지는 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 입출력 연결 부재는 상기 제1 접촉 패드에 대응되어 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조.
  14. MEMS 패키징 구조의 제조 방법으로서,
    MEMS 칩 및 상기 MEMS 칩을 제어하기 위한 소자 웨이퍼를 제공하는 단계;
    상기 소자 웨이퍼에 구비되는 제1 접합면에 제1 접촉 패드 및 입출력 연결 부재를 형성하는 단계;
    접합층을 사용하여 상기 MEMS 칩과 상기 소자 웨이퍼를 접합시키는 단계; 및
    상기 제1 접촉 패드와 대응하는 제2 접촉 패드 사이에 전기적 연결을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 소자 웨이퍼에는 제어 유닛 및 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 상호 연결 구조가 형성되며;
    상기 제1 접촉 패드는 상기 상호 연결 구조와 전기적으로 연결되고, 상기 MEMS 칩은 마이크로 캐비티, 외부 전기 신호를 연결하기 위한 상기 제2 접촉 패드 및 폐쇄된 제2 접합면을 구비하며, 상기 MEMS 칩의 마이크로 캐비티는 외부와 연통되는 통공을 구비하고;
    상기 접합층은 상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 위치하며, 상기 접합층에는 개구가 구비되고, 상기 개구는 상기 제1 접촉 패드, 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 및 상기 입출력 연결 부재를 노출시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상호 연결 구조는, 적어도 일부 두께의 상기 소자 웨이퍼를 관통하여 상기 제어 유닛과 전기적으로 연결되는 전도성 플러그를 포함하고, 상기 제1 접촉 패드는 대응하는 상기 전도성 플러그와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이에 전기적 연결을 형성하는 단계는, 무전해 도금 공법을 사용하여 상기 개구 중 상기 제1 접촉 패드와 대응하는 상기 제2 접촉 패드 사이의 영역에 전기적 연결 블록을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 개구는 상기 전기적 연결 블록을 노출시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 접합층을 사용하여 상기 MEMS 칩과 상기 소자 웨이퍼를 접합시킨 후, 상기 개구에 상기 전기적 연결을 형성하는 단계 이전에,
    상기 통공을 덮는 희생층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전기적 연결 블록을 형성하는 단계 이후에,
    상기 MEMS 칩을 덮어 상기 개구를 충진하는 패키징층을 상기 제1 접합면에 형성하는 단계; 및
    상기 통공 및 상기 입출력 연결 부재를 노출시키기 위해 일부 패키징층 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 패키징 구조의 제조 방법.
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