KR100661350B1

KR100661350B1 - Ｍｅｍｓ 소자 패키지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100661350B1
Application number: KR1020040112699A
Authority: KR
Inventors: 박윤권; 윤석출; 남광우; 송인상; 김종석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-12-27
Also published as: US20060141650A1; KR20060074075A; JP4353939B2; JP2006186362A; US7772026B2

Abstract

본 발명에 의한 MEMS 소자 패키지는, MEMS 활성소자가 상면에 형성되어 있는 소자용 기판; MEMS 활성소자가 위치하는 공간 및 MEMS 활성소자의 전기적 경로를 제공하는 것으로, MEMS 활성소자의 양측에 배치되며, 제 1 패드 및 제 2 패드가 일정간격을 두고 대향된 구조의 내부전극패드; 내부전극패드의 외곽에 배치되는 실링패드; 실링패드를 통하여 소자용 기판과 결합되며, 내부전극패드의 간격이 위치하는 부분에 비아홀이 형성된 덮개용 기판; 일단이 내부전극패드와 접촉하도록 비아홀의 내측면에 형성된 연결부재; 및 연결부재의 타단과 접촉하도록 덮개용 기판의 상면에 형성된 외부전극패드;를 포함한다.

MEMS, 소자, 패키지, 웨이퍼, 기판, 비아홀, Au, 전극, 실링

Description

ＭＥＭＳ 소자 패키지 및 그 제조방법{MEMS DEVICES PACKAGE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

도 1은 일반적인 MEMS 소자 패키지의 개략적인 구조도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 소자 패키지의 개략적인 구조도, 그리고,

도 3a 내지 3i는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 소자 패키지의 제조공정도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10;소자용 기판 11;MEMS 활성소자

20;내부전극패드 21,23;제 1 및 제 2 패드

22;간격 30;실링패드

40;덮개용 기판 41;비아홀

42;연결부재 50;외부전극패드

본 발명은 MEMS 소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

MEMS(Micro ElectroMechanical System)란 반도체 가공기술을 이용하여 센서, 마이크로 엑추에이터, 자이로스코프, 그리고, 정밀기계부품 등을 가공하는 기술분야를 말한다. 따라서, 반도체 기술이 갖는 정밀 가공성, 제품간 균일성, 우수한 생산성 등이 적용되어 성능을 향상시키고 가격을 낮추는 기술로 인정되고 있다.

MEMS 소자들, 예를 들면 가속도센서나 각속도센서 또는 공진형 자이로스코프 등과 같은 소자는 보호 및/또는 감도를 높일 목적으로 패키징된다. MEMS 소자 제조기술의 급속한 발전으로 고밀도 및 소형화가 실현됨으로써 패키지도 이에 따른 소형화가 요구된다. 이를 위하여 소자가 있는 웨이퍼 상태에서 패키지를 실시하는 웨이퍼 스케일 패키지(WSP:Wafer Scale Package)가 많이 시도되고 있다.

도 1은 일반적인 MEMS 소자 패키지의 한 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도시된 바와 같이, 소자용 기판(1)에는 MEMS 활성소자(2)가 마련되어 있고, 이 MEMS 활성소자(2)를 보호하기 위한 덮개용 유리기판(3)이 상기 소자용 기판(1)에 결합되어 있다. 상기 MEMS 활성소자(2)는 일반적으로 스프링 구조물 및 이에 의해 지지되는 스테이지 등을 구비한다.

또한, 상기 소자용 기판(1)의 양측에는 상기 MEMS 활성소자(2)와 전기적으로 연결되는 내부전극패드(5)가 형성되어 있다. 또한, 상기 덮개용 유리기판(3)에는 상기 MEMS 활성소자(2)가 위치하는 공간을 제공하는 공동(cavity)부(4)가 형성되어 있으며, 이 덮개용 유리기판(3)과 상기 소자용 기판(1)은 양극 본딩(anodic bonding)되어 있다.

또한, 상기 덮개용 유리기판(3)의 양측에는 비아홀(6)이 형성되어 있으며, 이 비아홀(6)을 통하여 상기 내부전극패드(5)와 연결되는 외부전극패드(7)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 비아홀(6)은 샌드 블라스터(sand blaster) 공정에 의해 형성되며, 상기 외부전극패드(7)는 스퍼터(suptter) 공정에 의해 금속(통상 Al)이 비아홀(6)에 충진되는 것에 의해 형성된다. 이 외부전극패드(7)는 도시되지 않은 회로기판의 시그널 라인과 와이어 또는 범프 등에 의해 연결된다.

그러나, 상기한 바와 같은 일반적인 MEMS 소자 패키지는 유리 계열의 덮개용 기판(3)과 실리콘 계열의 소자용 기판(1)을 양극 본딩하여 결합하는 구조 및 제조공정상 덮개용 유리기판(3)의 두께가 두꺼워 질 수밖에 없으며, 유리기판(3)에 형성되는 큰 비아홀(6)로 인해 사이즈를 줄이는데 한계가 있다. 즉, 일반적인 MEMS 소자 패키지는 그 크기가 크고 높이도 높기 때문에, 이를 적용하는 장치에서 큰 용적을 차지함으로써 장치의 소형화를 저해하는 결과를 초래한다.

또한, 일반적인 MEMS 소자 패키지는 유리재질의 덮개용 기판(3)을 사용함으로써 전극 배선을 위한 비아홀(6)을 형성하는데 공정이 까다로운 샌드 블라스터 공정을 이용해야 하고 또 비아홀의 깊이가 깊어 외부전극패드(7)를 형성하는 증착 공정도 많은 시간이 소요되는 등 수율저하 및 생산성 저하의 문제도 안고 있다.

또한, 일반적인 MEMS 소자 패키지는 양극 본딩시의 높은 온도(통상 460℃)에 의해 MEMS 활성소자(2)가 변형되거나 손상될 우려가 있으며, 덮개용 유리기판(3)과 소자용 실리콘기판(1)간의 열팽창계수 차이에 의한 기본 스트레스(stress)를 내재한다고 하는 문제가 있다.

또한, 실리콘 재질의 내부전극패드(5)와 금속 재질의 외부전극패드(7)에 의 한 회로결선은 접촉부에서의 전기적 접촉저항과 고주파의 RF에 대해 매우 높은 인덕턴스를 발생시킴으로써 큰 신호손실을 유발시키므로 소자의 신뢰성 문제가 제기될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 소자용 기판과 동일한 재질의 덮개용 기판을 사용함으로써 열팽창계수 차이에 의한 스트레스를 줄이고, 제조 공정이 간단하며, 크기를 줄일 수 있는 MEMS 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 소자용 기판과 덮개용 기판을 Au-Au 다이렉트 본딩함으로써 안정적인 MEMS 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 동일 재질 또는 전도도가 높은 금속끼리의 접촉으로 이루어지는 회로결선 구조를 채용함으로써 신호손실을 최소화 할 수 있는 MEMS 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 수율과 생산성은 향상시키고 제조비용은 절감시킬 수 있는 MEMS 소자 패키지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 MEMS 소자 패키지는, MEMS 활성소자가 상면에 형성되어 있는 소자용 기판; 상기 MEMS 활성소자가 위치하는 공간 및 MEMS 활성소자의 전기적 경로를 제공하는 것으로, MEMS 활성소자의 양측에 배치되며, 제 1 패드 및 제 2 패드가 일정간격을 두고 대향된 구조의 내부전극패드; 상 기 내부전극패드의 외곽에 배치되는 실링패드; 상기 실링패드를 통하여 상기 소자용 기판과 결합되며, 상기 내부전극패드의 간격이 위치하는 부분에 비아홀이 형성된 덮개용 기판; 일단이 상기 내부전극패드와 접촉하도록 상기 비아홀의 내측면에 형성된 연결부재; 및 상기 연결부재의 타단과 접촉하도록 상기 덮개용 기판의 상면에 형성된 외부전극패드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 내부전극패드, 실링패드, 연결부재 및 외부전극패드는 모두 Au으로 형성되며, 상기 소자용 기판과 상기 덮개용 기판은 Au-Au 다이렉트 본딩된다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 MEMS 소자 패키지 제조방법은, a) 덮개용 기판에 소정 깊이의 비아홀을 수개 형성하는 단계; b) 비아홀이 형성된 상기 덮개용 기판의 전체면에 시드메탈층을 형성하는 단계; c) 상기 시드메탈층 위에 내부전극패드 및 실링패드를 형성하는 단계; d) 내부전극패드 및 실링패드가 형성된 상기 덮개용 기판과 상면 중앙부에 MEMS 활성소자가 형성되어 있는 소자용 기판을 상기 실링패드를 이용하여 본딩하는 단계; e) 상기 덮개용 기판을 소정 두께로 연마하여 상기 비아홀 및 이 비아홀의 측면에 형성된 시드메탈층을 노출시키는 단계; 및 f) 상기 덮개용 기판의 상면에 상기 비아홀의 시드메탈층과 접속되는 외부전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 a) 단계는, 상기 덮개용 기판의 상면에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하는 단계; 및 ICP 에칭하고 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함한다.

상기 b) 단계는, Au을 스퍼터링하는 것이 좋다.

상기 c) 단계는, c1) 상기 시드메탈층 위에 포토리소그라피 공정을 통하여 내부전극패드 형성부 및 실링패드 형성부를 가지는 도금틀을 형성하는 단계; c2) 상기 도금틀에 Au을 전기 도금하는 단계; 및 c3) 상기 도금틀 및 도금틀 하부의 시드메탈층을 제거하는 단계;를 포함한다.

상기 d) 단계는, Au-Au 다이렉트 본딩을 이용한다. 상기 Au-Au 다이렉트 본딩은 대략 320℃의 온도로 대략 20분 정도 수행하는 것이 좋다.

상기 e) 단계는 Au을 스퍼터링하는 것이 좋다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 소자 패키지의 개략적인 구조도이다. 도시된 바와 같이, 소자용 기판(10)의 상면 중앙부분에는 MEMS 활성소자(11)가 형성되어 있다. 상기 MEMS 활성소자(11)는 일반적으로 스프링 요소와 이에 의해 지지되는 스테이지, 그리고 스테이지에 대해 구동력을 제공하거나 스테이지의 변위를 검지하는 전극을 포함한다. 이러한 MEMS 활성소자(11)는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다.

또한, 상기 소자용 기판(10)의 상기 MEMS 활성소자(11)의 양측에는 MEMS 활성소자(11)가 위치하는 공간을 제공함과 아울러 MEMS 활성소자(11)의 전기적인 경로를 제공하는 내부전극패드(20)가 배치되어 있다. 상기 내부전극패드(20)는 제 1 및 제 2 패드(21)(23)가 일정간격(22)을 두고 대향된 구조로 되어 있다. 이 내부전극패드(20)는 Au으로 형성되어 있다.

또한, 상기 내부전극패드(20)의 외곽에는 이 내부전극패드(20)와 같은 Au으 로 형성된 내부전극패드(20)와 같은 높이의 실링패드(30)가 배치되어 있다.

덮개용 기판(40)은 상기한 실링패드(30)를 통하여 상기 소자용 기판(10)과 결합되어 있다. 상기 내부전극패드(20) 및 실링패드(30)의 상하부 즉, 소자용 기판(10)과 덮개용 기판(40)과의 경계면에는 후술되는 시드메탈층에 의해 형성되는 Au층이 개재되어 있다.

따라서, 소자용 기판(10)과 덮개용 기판(40)은 Au-Au 다이렉트 본딩되므로, 종래 실리콘 기판과 유리기판을 양극 본딩하는 방법에 비하여 보다 낮은 온도에서 짧은 시간내에 본딩이 가능하다. 여기서, 본딩온도는 대략 320℃ 정도이며, 본딩시간은 20분 정도이다. 이는 본딩시 소자의 변형이나 손상을 종래에 비하여 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 발명은 소자용 기판(10)과 덮개용 기판(40)이 같은 재질로 이루어지기 때문에, 종래와 같은 열팽창 계수 차이에 의한 스트레스를 제거할 수 있다.

또한, 상기 덮개용 기판(40)에는 상기 내부전극패드(20)의 간격(22)이 위치하는 부분에 비아홀(41)이 형성되어 있으며, 이 비아홀(41)의 내주면에는 일단이 상기 내부전극패드(20)의 제 1 및 제 2 패드(21)(23)에 접촉하는 연결부재(42)가 형성되어 있다.

또한, 상기 연결부재(42)의 타단부와 접촉하는 외부전극패드(50)가 상기 덮개용 기판(40)의 상면에 형성되어 있다. 상기 외부전극패드(50)는 Au을 스퍼터링하는 등의 공정으로 간단히 형성할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 MEMS 소자 패키지는 소자용 기판(10)과 같은 재질의 덮 개용 기판(40)을 채용함으로써 경박단소형화를 이룰 수 있으며, 내부저항이 낮게 유지되는 전기적 신호경로를 가지므로 신호손실을 줄일 수 있다. 또한, 덮개용 기판(40)의 표면에 외부전극패드(50)가 형성되어 있으므로 다이렉트 본딩 방식으로 회로기판에 실장될 수 있으며, 여러개의 패키지를 용이하게 적층할 수도 있다.

이하, 본 발명에 따른 MEMS 소자 패키지의 제조방법에 대하여 도 3a 내지 3i를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 MEMS 소자 패키지의 제조방법은 일반적인 적층, 패터닝 등의 방법이 적용되므로 구체적인 가공법에 대해서는 설명되지 않는다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 덮개용 기판(40)의 전체면에 비아홀 형성을 위한 포토레지스트 패턴(110)을 형성한다. 그런 다음 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 ICP 에칭을 진행하여 덮개용 기판(40)의 해당 위치에 소정 깊이의 비아홀(41)을 형성한다.

그런 다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 비아홀(41)이 형성된 덮개용 기판(40)의 전체면에 Au을 스퍼터링하여 일정두께의 시드메탈층(120)을 형성한다. 이 시드메탈층(120)은 후술되는 내부전극패드(20)와 외부전극패드(50)를 연결시키는 연결부재(42)를 구성한다.

이후, 도 3d에서 보는 바와 같이, 상기 시드메탈층(120) 위에 포토리소그라피 공정 등을 통하여 도금틀(130)을 형성한다. 이 도금틀(130)은 내부전극패드(20)와 실링패드(30) 형성을 위한 것이다.

그런 다음, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 도금틀(130)에 Au(140)을 전기 도금한 후 도금틀을 제거하고 노출된 시드메탈층을 제거한다.

이와 같은 공정을 통하여 도 3f에 도시된 바와 같은 덮개용 기판(40)에 내부전극패드(20)와 실링패드(30)가 형성된 구조물을 준비한다. 여기서, 부호 42는 상기 시드메탈층(120)을 부분적으로 에칭하여 제거함으로써 구성된 연결부재를 의미한다.

이후, 도 3g에 도시된 바와 같이 미리 준비된 MEMS 활성소자(11)를 갖춘 소자용 기판(10)과 상기 덮개용 기판(40)을 실링패드(30)를 이용하여 본딩한다. 이 때, MEMS 활성소자(11)는 상기 내부전극패드(20)에 의해 마련된 공간에 위치하며, 내부전극패드(20)와 실링패드(30)는 각각 소자용 기판(10)에 형성되어 있는 Au층(31a,31b)과 접촉한다. 즉 Au-Au 다이렉트 본딩방식 소자용 기판(10)과 덮개용 기판(40)이 본딩이므로 종래의 양극 본딩에 비하여 본딩온도를 낮출 수 있고 본딩시간도 단축시킬 수 있다. 상기 본딩온도는 대략 320℃ 이며, 본딩시간은 20분 내외로 가능하다. 따라서, 본딩시 소자가 변형되거나 손상될 우려가 종래에 비하여 감소될 수 있다.

또한, 종래의 유리 기판대 실리콘 기판의 본딩이 아니라 같은 재질의 기판을 본딩하므로, 재질이 달라 열팽창 계수가 차이남으로써 발생되었던 종래와 같은 스트레스 발생을 제거할 수 있어 보다 안정적인 MEMS 소자 패키지를 제공할 수 있다.

상기와 같이, 소자용 기판(10)과 덮개용 기판(40)을 본딩한 다음에는 도 3h에 도시된 바와 같이, 덮개용 기판(40)을 일정두께로 연마하여 비아홀(41) 및 이 비아홀(41)에 형성된 시드메탈층에 의해 구성되는 연결부재(42)를 노출시킨다. 여 기서, 일정두께는 대략 40㎛ 정도이다. 이러한 연마는 그라인딩, 래핑 및 화학적 기계연마의 순서로 진행되는 통상의 공정에 의한다.

이후, 도 3i에 도시된 바와 같이, 일단이 상기 내부전극패드(20)에 접촉된 상태로 상기 비아홀(41)의 내측에 형성된 연결부재(42)의 타단에 접촉하도록 외부전극패드(50)를 상기 덮개용 기판(40)의 상면에 형성한다. 이러한 공정은 Au을 스퍼터링 등의 방법으로 덮개용 기판(40)에 도포하는 것에 의해 형성된다.

따라서, MEMS 활성소자(11)의 전기적인 신호경로가 Au 단일의 재질로 구성되기 때문에, 서로 다른 재질로 구성됨으로써 야기되는 종래와 같은 접촉저항이 커지는 문제 및 인덕턴스가 높아지는 문제를 해소할 수 있다.

본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며 한정의 의미로 이해되어서는 안될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들면 본 발명에 따른 패키지는 MEMS 소자 뿐만 아니라 그 외의 고집적 소자의 패키지에도 적용될 수 있다. 따라서, 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구항의 범주 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 경박단소형의 패키지를 제공할 수 있으므로 이 패키지가 적용되는 장치를 소형화시킬 수 있다.

또한, 동작이 안정적이고 고신뢰성의 패키지를 제공할 수 있으므로 이 패키지가 사용되는 장치의 신뢰성 및 품질 향상을 도모할 수 있다.

또한, 안정적이면서도 간단한 공정으로 패키지를 제조할 수 있으므로 수율을 향상시킬 수 있고, 비용 절감을 도모할 수 있다.

Claims

MEMS 활성소자가 상면에 형성되어 있는 소자용 기판;

상기 MEMS 활성소자가 위치하는 공간 및 MEMS 활성소자의 전기적 경로를 제공하는 것으로, MEMS 활성소자의 양측에 배치되며, 제 1 패드 및 제 2 패드가 일정간격을 두고 대향된 구조의 내부전극패드;

상기 내부전극패드의 외곽에 배치되는 실링패드;

상기 실링패드를 통하여 상기 소자용 기판과 결합되며, 상기 내부전극패드의 간격이 위치하는 부분에 비아홀이 형성된 덮개용 기판;

일단이 상기 내부전극패드와 접촉하도록 상기 비아홀의 내측면에 형성된 연결부재; 및

상기 연결부재의 타단과 접촉하도록 상기 덮개용 기판의 상면에 형성된 외부전극패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지.
제 1 항에 있어서,

상기 내부전극패드, 실링패드, 연결부재 및 외부전극패드는 모두 Au으로 형성되며, 상기 소자용 기판과 상기 덮개용 기판은 Au-Au 다이렉트 본딩된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지.
a) 덮개용 기판에 소정 깊이의 비아홀을 수개 형성하는 단계;

b) 비아홀이 형성된 상기 덮개용 기판의 전체면에 시드메탈층을 형성하는 단계;

c) 상기 시드메탈층 위에 내부전극패드 및 실링패드를 형성하는 단계;

d) 내부전극패드 및 실링패드가 형성된 상기 덮개용 기판과 상면 중앙부에 MEMS 활성소자가 형성되어 있는 소자용 기판을 상기 실링패드를 이용하여 본딩하는 단계;

e) 상기 덮개용 기판을 소정 두께로 연마하여 상기 비아홀 및 이 비아홀의 측면에 형성된 시드메탈층을 노출시키는 단계; 및

f) 상기 덮개용 기판의 상면에 상기 비아홀의 시드메탈층과 접속되는 외부전극패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 a) 단계는,

상기 덮개용 기판의 상면에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하는 단계; 및

ICP 에칭하고 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 b) 단계는,

Au을 스퍼터링하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 c) 단계는,

c1) 상기 시드메탈층 위에 포토리소그라피 공정을 통하여 내부전극패드 형성부 및 실링패드 형성부를 가지는 도금틀을 형성하는 단계;

c2) 상기 도금틀에 Au을 전기 도금하는 단계; 및

c3) 상기 도금틀 및 도금틀 하부의 시드메탈층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 d) 단계는,

Au-Au 다이렉트 본딩을 이용하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지 제조방법.
삭제
제 3 항에 있어서,

상기 e) 단계는 Au을 스퍼터링하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자 패키지 제조방법.