KR101210138B1 - 멤스 센서의 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 멤스 센서의 밀봉 효과를 최대화하며, 상부 글라스 내에 상부 공동 전극을 형성함으로써 멤스 센서의 내부와 외부의 전기적 연결이 우수한 멤스 센서의 웨이퍼 레벨 패키지를 제공하는 기술이다.
본 발명에 따른 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법은 하부 글라스 및 상부 글라스 상부에 각각 하부 공동 전극 및 상부 공동 전극을 형성하는 단계와, 상부 글라스 내에 비아홀을 형성하는 단계와, 하부 글라스 상부에 멤스 구조물을 형성하는 단계와, 하부 글라스 상부의 가장자리에 외곽 프레임을 형성하는 단계와, 외곽 프레임 상부에 상기 상부 글라스를 본딩시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

멤스 센서의 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법{WAFER LEVEL PAKAGE OF MEMS SENSER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 멤스 센서의 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상부 공동 전극을 포함하는 멤스 센서의 웨이퍼 레벨 패키지에 관한 것이다.

일반적인 멤스 디바이스 패키지 및 그 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 기판 상에 멤스 디바이스를 실장하고, 밀봉 캡이 부착되는 위치에 지연성 광경화형 에폭시를 도포한다. 그 다음 지연성 광경화형 에폭시에 소정의 광을 조하고, 밀봉 캡을 기판 상에 부착한다. 이어서, 상온에서 지연성 광경화형 에폭시를 완전 경화시키는 공정을 진행하여 멤스 디바이스 패키지를 제조 할 수 있다.

또한, 이러한 방법 이외에도 인가되는 구동신호에 상응하는 기계 동작을 수행하는 멤스 소자와 멤스 소자로 구동신호가 전달되는 패턴이 형성된 일면에 멤스 소자가 플립칩 본딩에 의해 장착되는 베이스 기판과 멤스 소자를 외부로부터 차페시키는 박막과 베이스 기판과 박막 사이의 공간을 채우는 광경화형 씰링제를 포함하는 멤스 패키지 소자가 있다.

그러나, 상술한 종래 기술에 따른 멤스 센서 패키지는 3차원 멤스 구조물을 감싸고 있는 공동의 상부에 전극을 형성할 수 없고, 밀봉을 유지하기 위해 광경화형 에폭시를 사용하므로 공정의 비용이 비싸다. 그리고, 광경화형 에폭시를 사용하기 때문에 열변형에 의하여 밀봉 패키지의 분열 가능성이 있는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 멤스 패키지의 밀봉 효과를 최대화하며, 상부 글라스 내에 상부 공동 전극을 형성함으로써 멤스 센서의 내부와 외부의 전기적 연결이 우수한 멤스 센서의 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법은 하부 글라스 및 상부 글라스 상부에 각각 하부 공동 전극 및 상부 공동 전극을 형성하는 단계와, 상부 글라스 내에 비아홀을 형성하는 단계와, 하부 글라스 상부에 멤스 구조물을 형성하는 단계와, 하부 글라스 상부의 가장자리에 외곽 프레임을 형성하는 단계와, 외곽 프레임 상부에 상부 글라스를 본딩시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 멤스 구조물 상부에 콘택패드를 형성하는 단계를 더 포함하며, 비아홀은 멤스 구조물 상부에 형성된 콘택패드를 노출시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지는 하부 공동 전극을 포함하는 하부 글라스와, 하부 글라스 상부에 구비된 멤스 구조물과, 멤스 구조물 상부에 구비된 콘택 패드와, 하부 글라스 상부의 가장자리에 구비된 외곽 프레임과, 외곽 프레임에 의해 본딩되며, 상부 공동 전극 및 비아홀을 포함하는 상부 글라스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 비아홀에 의해 멤스 구조물 상부에 구비된 콘택 패드가 노출되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명에 따른 멤스 센서의 웨이퍼 레벨 패키지 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상부 글라스에 구비된 비아홀에 의해 상부 글라스와 멤스 구조물이 전기적으로 연결되어 금속 전극이 직접 공동의 내외부를 관통하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 금속 전극이 공동의 내외부를 직접 연결하는 과정에서 생기는 밀봉의 방해 요인을 원천적으로 차단하여 밀봉의 효과를 최대화 할 수 있다.

둘째, 멤스 구조물을 감싸고 있는 공동의 상부에 상부 공동 전극을 형성할 수 있다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 2는 본 발명에 따른 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지를 도시한 사시도이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법을 도시한 단면도들이다.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이 하부 글라스(100)에 하부 공동 전극(105)을 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 하부 글라스(100) 상부에 공동 하부 전극 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성한 후 이 감광막 패턴을 마스크로 하부 글라스를 일부 식각하여 트렌치를 형성한다. 감광막 패턴은 2 ㎛의 네가티브(Negative) 감광막을 사용하며, 감광막 패턴 형성 시 하드 베이킹(Hard Baking) 공정을 진행하지 않는다. 또한, 트렌치는 6:1 BOE 용액을 사용한 습식 식각 공정을 5 ~ 7분 정도 진행하여 200nm의 깊이로 형성하는 것이 바람직하다.

이후, 트렌치 내에 도전층을 형성하고, 습식(Wet)으로 감광막 패턴을 제거하여 하부 공동 전극(105)을 형성한다. 하부 공동 전극(105)은 전기적인 저항을 줄이기 위해 저저항 웨이퍼를 이용하거나 금속을 증착하여 형성할 수 있다. 예컨대, 도전층은 크롬(Cr) 또는 금(Au)을 사용하며, 그 두께는 각각 30 ~ 60nm와 300 ~ 400nm인 것이 바람직하다. 하부 공동 전극(105)을 형성한 후 N₂ 분위기에서 400도의 온도로 어닐링(annealing) 공정을 진행한다.

다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 상부 글라스(110)에 상부 공동 전극(115)을 형성한다. 여기서, 상부 글라스(110)에 상부 공동 전극(115)을 형성하는 방법은 상술한 하부 글라스(100) 형성 방법과 동일한 공정을 진행하여 형성하는 것이 바람직하다. 다만, 상부 공동 전극(115)은 하부 공동 전극(105)에 비해 그 선폭이 작게 형성되도록 한다. 그 다음, 도 1c를 참조하면 상부 글라스(110)를 상면과 하면이 뒤집힌 상태에서 상부 글라스(110) 내에 다수의 비아홀(120)을 형성한다. 여기서, 상부 글라스(110)에 비아홀(120)을 형성하는 이유는 기생 저항을 최소화하기 위한 것이며, 이 비아홀(120)들은 멤스 센서 외부에서 병렬 연결될 수 있다.

그 다음, 도 1d를 참조하면 하부 글라스(100) 상부에 다수의 멤스 구조물(130)을 형성하고, 하부 글라스(100)의 가장자리에는 외곽 프레임(135)을 형성한다. 멤스 구조물(130) 중 일부는 실리콘 기둥으로 형성되며, 이 실리콘 기둥은 하부 공동 전극(105)과 전기적으로 연결되어 하부 공동 전극(105)을 외부로 연결하는 역할을 한다. 즉, 멤스 구조물(130)은 하부 공동 전극(105)의 끝단과 중첩되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이후, 멤스 구조물(130) 상부에 콘택 패드(140)를 형성한다. 멤스 구조물(130)은 전극의 종류와 역할에 따라 다양한 형태로 형성할 수 있다. 이때, 콘택 패드(140)은 멤스 구조물(130) 중 일부에 형성한다.

다음으로, 도 1e를 참조하면 멤스 구조물(130)과 외곽 프레임(135) 상부에 상부 글라스(110)를 본딩 시킨다. 상부 글라스(110)는 상부 공동 전극(115)이 하부 글라스(100)의 방향을 향하도록 뒤집어서 배치한다. 상부 글라스(110)가 외곽 프레임(135)과는 접촉되지만, 멤스 구조물(130)과는 접촉되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

상부 글라스(110)를 본딩시키는 공정은 상부 글라스(110)에 700 ~ 900V의 전압을 인가하고, 접촉부위에 300 ~ 450℃의 온도를 제공하는 아노딕 본딩(anodic bonding)방식으로 이들을 양극 접합한다. 양극 접합은 실리콘인 외곽 프레임(135)과 글라스인 상부 글라스(110) 간의 밀봉 접합에서 유용하게 사용되는 방법이다. 이러한 양극 접합 시 실리콘과 하부 공동 전극(105)을 이루는 금속의 공융 온도(Eutectic Temperature) 이상의 온도를 가하여 공융 접합이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 상부 글라스(110)의 비아홀(120)에 의해 콘택 패드(140)가 노출되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상부 글라스(110)의 비아홀(120)은 멤스 구조물(130)인 실리콘 전극 기둥으로 완전히 막히도록 설계한다. 이렇게, 비아홀(120)에 의해 상부 글라스(110)와 멤스 구조물(130)이 전기적으로 연결되어 금속 전극이 직접 공동의 내외부를 관통하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 금속 전극이 공동의 내외부를 직접 연결하는 과정에서 생기는 밀봉의 망해 요인을 원천적으로 차단하여 밀봉의 효과를 최대화 할 수 있다.

상술한 1a 내지 도 1e의 방법으로 형성된 멤스 센서의 구조체를 도 2에 도시된 사시도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 이때, 도 1a 내지 도 1e와 같은 방법에 한정하지 않고, 이외의 방법으로도 형성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 하부 공동 전극(205)을 포함하는 하부 글라스(200) 상부에 다수의 멤스 구조물(230)이 구비된다. 이때, 다수의 멤스 구조물(230) 중 일부는 실리콘 기둥으로 형성되며, 이 실리콘 기둥은 하부 공동 전극(205)과 전기적으로 연결되어 하부 공동 전극(205)을 외부로 연결하는 역할을 한다. 즉, 멤스 구조물(130)은 하부 공동 전극(205)의 끝단과 중첩되도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 멤스 구조물(230) 내부에는 질량체-용수철 구조물과 전기적 연결을 위한 구조물들이 배치되도록 설계할 수 있다. 그리고, 하부 글라스(200) 가장자리를 따라 외곽 프레임(235)가 구비된다. 이 외곽 프레임(235) 구조를 설계하여 밀봉 성능을 확보할 수 있다.

마지막으로, 멤스 구조물(230) 및 외곽 프레임(235) 상부에 상부 공동 전극(215)을 포함하는 상부 글라스(210)가 구비된다. 상부 글라스(210)가 외곽 프레임(235)과는 접촉되지만, 멤스 구조물(230)과는 접촉되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 상부 글라스(210) 내에는 다수의 비아홀(220)이 포함되며, 이 비아홀(220)은 멤스 구조물(230) 상부의 콘택패드(240)가 완전히 노출되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상부 글라스(210)의 비아홀(120)은 멤스 구조물(230)인 실리콘 전극 기둥으로 완전히 막히도록 설계한다. 이렇게, 비아홀(220)에 의해 상부 글라스(210)와 멤스 구조물(230)이 전기적으로 연결되어 금속 전극이 직접 공동의 내외부를 관통하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 금속 전극이 공동의 내외부를 직접 연결하는 과정에서 생기는 밀봉의 망해 요인을 원천적으로 차단하여 밀봉의 효과를 최대화 할 수 있다.

본 발명은 상기 실시 예에만 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양하게 변형될 수 있음은 당업자에게 자명하다고 할 수 있는 바, 그러한 변형 예는 본 발명의 청구범위에 속한 것이다.

Claims (5)

1. 하부 글라스 및 상부 글라스 상부에 각각 하부 공동 전극 및 상부 공동 전극을 형성하는 단계;
   상기 상부 글라스 내에 비아홀을 형성하는 단계;
   하부 글라스 상부에 멤스 구조물을 형성하는 단계;
   상기 하부 글라스 상부의 가장자리에 외곽 프레임을 형성하는 단계; 및
   상기 외곽 프레임 상부에 상기 상부 글라스를 본딩시키는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 멤스 구조물 상부에 콘택패드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 비아홀은 상기 멤스 구조물 상부에 형성된 상기 콘택패드를 노출시키는 것을 특징으로 하는 멤스 센서 웨이퍼 레벨 패키지 제조 방법.
   
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