[논문]샌드 블러스터로 건식 식각한 마이크로 소자 패키지용 유리 웨이퍼의 표면 연구

김종석; 남광우; 좌성훈; 권재홍; 주병권

doi:10.5369/jsst.2006.15.4.245

문제 정의

이를 위해 우리는 유리 웨이퍼(glass wafer)를 이용하여 그림 1과 같이 웨이퍼 레벨 진공 패키지(wafer level vacuum package)를 시행하였고 유리 웨이퍼와 구조물과의 접합은 양극접합(anodic bonding)^[3] 방식을 이용하였다. 이 논문에서는 이러한 웨이퍼 레벨 진공 패키지용 유리 웨이퍼 가공 시 발생하는 무수한 유리 파편들과 잔류하는 크랙들을 확인하고 다양한 세척 공정 및 화학적 식각 공정을 이용하여 이를 제거하기 위한 최적 조건을 찾아내었다.

제안 방법

그러므로 단순히 표면 세척뿐만 아니라 이러한 잠재적 고장의 원인들도 같이 제거해주어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 표 3과 같이 크게 4가지의 세척 및 식각 공정을 실시하였다.
이외에도 열처리 뒤 초음파 세척 등의 방법을 시도하여 보았으나 별다른 효과를 보지 못해 물리적으로 이러한 것들을 없애는 것은 힘들 것으로 보였다. 그리하여 불산(HF)를 이용한 표면 식각 실험을 진행하게 되었다.
림 4(5)에서와 같이 WLVP시 중요한 양극접합 면이 손상을 받아 표면이 거칠어지는 경우가 발생하게 된다. 이를 막기 위에서 우리는 DFR이 양극 접합면을 보호하고 있는 상태에서 불산 식각 작업을 실시하였다. DFR은 양극 접합 될 면에 밀착되어 있어 식각용액에 담그어도 일정 시간 정도는 접합면을 보호할 수 있기 때문이다.
지금까지 샌드블러스터를 이용하여 유리 웨이퍼에 비아 홀 및 캐버티를 형성하고 그 가공된 표면을 SEM으로 확인하였다. 그 결과 가공된 표면에는 소자의 동작에 치명적일 수 있는 유리 조각들과 크랙들이 산재하였다.
그 결과 가공된 표면에는 소자의 동작에 치명적일 수 있는 유리 조각들과 크랙들이 산재하였다. 이를 해결하기 위해 여러 가지 크리닝 방법을 이용하여 내부의 유리조각이나 크랙들을 없애는 작업을 실시하였다. 황산 크리닝, 초음파 세척, 열처리 후 세척, 불산 용액에 의한 식각 등의 조건으로 크리닝 작업을 실시한 결과 불산 용액을 이용한 식각 공정이 가장 유효한 것으로 나타났다.

대상 데이터

자이로 구조물을 웨이퍼 레벨 진공 페키지 하기 위한 유리 웨이퍼는 코닝사(Coming) 77 40 , 4”, 500 μm 두께의 웨이퍼를 사용하였다. 코닝사 7740 웨이퍼는 실리콘(Si)웨이퍼와의 접합(bonding)을 위한 전용 웨이퍼로 개발된 것으로 일정한 고온 영역에서 실리콘과의 열팽 창 계수(coefficient of thermal expansion)가 비슷하여 양극 접합 후 상온에서 웨이퍼의 휨 현상이 현저히 작다.
이번 실험에서 사용된 샌드블러스터 장비는 알프스(ALPS)사 타워 (tower)형 제품으로 샌드파우더 (sand powder)의 알갱이는 30 μm 짜리를 사용하였고 식각을 위한 장비의 조절(setting) 조건은 표 1에 나타내었다. 그림 3은 이 장비를 이용하여 유리 웨이퍼를 식각한 경우 노즐의 진행 회수에 따른 유리의 식각 정도를 나타내었다.
DFR은 샌드블러스터를 이용하여 유리 웨이퍼(그림 4(3)) 식각 시 유리가 식각 되지 않도록 하는 마스크(mask) 역할을 한다. DFR은 TOK사의 BF410 네가 타입 (nega-type)을 사용하였고 코팅 및 패터닝을 위한 자세한 조건은 표 2에 나타내었다. 앞면의 식각이 끝나면 전기적 배선을 위한 비아 홀을 형성하기 위해 뒷면에 다시 DFR을 코팅하여 패터닝 한 뒤 샌드 블러스터를 이용하여 식각한다(그림 4(4), (5)).

이론/모형

이러한 소자의 패키지는 단순히 외부 환경으로부터 소자가 보호되어야 할 뿐만 아니라 공기의 저항에 의한 구조물의 진동 감소로 감도가 낮아지는 것을 막아야 하며 내부의 진공도는 고온이나 저온에 노출된 이후에라도 일정하게 유지되어야만 소자의 감도나 특성 저하를 막을 수가 있다. 이를 위해 우리는 유리 웨이퍼(glass wafer)를 이용하여 그림 1과 같이 웨이퍼 레벨 진공 패키지(wafer level vacuum package)를 시행하였고 유리 웨이퍼와 구조물과의 접합은 양극접합(anodic bonding)^[3] 방식을 이용하였다. 이 논문에서는 이러한 웨이퍼 레벨 진공 패키지용 유리 웨이퍼 가공 시 발생하는 무수한 유리 파편들과 잔류하는 크랙들을 확인하고 다양한 세척 공정 및 화학적 식각 공정을 이용하여 이를 제거하기 위한 최적 조건을 찾아내었다.

성능/효과

DFR은 양극 접합 될 면에 밀착되어 있어 식각용액에 담그어도 일정 시간 정도는 접합면을 보호할 수 있기 때문이다. 실험 결과 DFR은 10:1 불산 용액에서 11분 정도 박리되지 않고 표면을 보호하고 있었다. 15분 뒤 DFR은 이미 박리가 되어 불산에 전면이 식각 되었지만 그림 11과 같이 DFR이 박리 된 양극 접합할 표면을 AFM(atomic force microscope)으로 확인한 결과 평균 거칠기(mean roughness)의 값이 40Å 정도로 매우 낮게 나왔고 실제 양극접합 시에도 문제없이 접합이 됨을 알 수 있었다.
실험 결과 DFR은 10:1 불산 용액에서 11분 정도 박리되지 않고 표면을 보호하고 있었다. 15분 뒤 DFR은 이미 박리가 되어 불산에 전면이 식각 되었지만 그림 11과 같이 DFR이 박리 된 양극 접합할 표면을 AFM(atomic force microscope)으로 확인한 결과 평균 거칠기(mean roughness)의 값이 40Å 정도로 매우 낮게 나왔고 실제 양극접합 시에도 문제없이 접합이 됨을 알 수 있었다.
이를 해결하기 위해 여러 가지 크리닝 방법을 이용하여 내부의 유리조각이나 크랙들을 없애는 작업을 실시하였다. 황산 크리닝, 초음파 세척, 열처리 후 세척, 불산 용액에 의한 식각 등의 조건으로 크리닝 작업을 실시한 결과 불산 용액을 이용한 식각 공정이 가장 유효한 것으로 나타났다. 또한 불산 용액에 5분과 15분 동안 표면 식각 작업을 실시한 결과 5분 정도만 식각하여도 표면에 남아 있는 파편들이나 크랙이 모두 제거됨을 알 수 있었다.
황산 크리닝, 초음파 세척, 열처리 후 세척, 불산 용액에 의한 식각 등의 조건으로 크리닝 작업을 실시한 결과 불산 용액을 이용한 식각 공정이 가장 유효한 것으로 나타났다. 또한 불산 용액에 5분과 15분 동안 표면 식각 작업을 실시한 결과 5분 정도만 식각하여도 표면에 남아 있는 파편들이나 크랙이 모두 제거됨을 알 수 있었다. DFR 또한 5분 정도는 양극접합 할 표면을 불산으로부터 충분히 보호하여 주는 것으로 나타났다.
또한 불산 용액에 5분과 15분 동안 표면 식각 작업을 실시한 결과 5분 정도만 식각하여도 표면에 남아 있는 파편들이나 크랙이 모두 제거됨을 알 수 있었다. DFR 또한 5분 정도는 양극접합 할 표면을 불산으로부터 충분히 보호하여 주는 것으로 나타났다. 그러므로 샌드블러스터를 이용하여 유리 웨이퍼를 MEMS 패키지용으로 가공할 경우 건식 식각된 표면은 10:1 HF를 이용하여 5분 내외로 식각하여 유리 파편과 크랙을 제거해 주는 것이 소자의 신뢰성 측면에서 반드시 필요한 것으로 보인다.

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