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문제 정의
- 본 연구에서는 Si 기판의 에어 캐비티 형성이 불필요한 MEMS 소자의 웨이퍼-레벨 capping 공정을 개발하기 위한 방안으로서, 전기도금에 의한 Ni 캡 구조물의 형성공정과 rim 본딩공정 및 SnBi 솔더층을 사용하여 상부기판을 Ni 캡 구조물로부터 분리하는 debonding 공정에 대한 연구를 수행하였다.
- 따라서 MEMS 캡의 솔더 본딩시에 플럭스의 세척이 어렵기 때문에 플럭스의 사용이 제한을 받게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 Sn 솔더 대신에 에폭시를 사용하여 MEMS 캡의 rim 본딩을 이루고자 하였다. 에폭시 본딩의 경우 플럭스에 의한 MEMS 구조물의 오염을 방지할 수 있을 것이며, 또한 연화점이 150℃ 이상인 에폭시를 선택함으로써 SnBi debonding 공정중에 Ni/에폭시/Cu rim 본딩부위의 접합강도를 유지할수 있을 것이다.
제안 방법
- (1) 4인치 Si 웨이퍼를 상부기판으로 사용하여 Ni 캡을전기도금으로 형성하고 Ni 캡 rim을 Si 하부기판의 Cu rim에 에폭시 본딩한 후, SnBi debonding 층을 이용하여 상부기판을 Ni 캡으로부터 debonding 하는 웨이퍼-레벨 MEMS capping 공정을 수립하였다.
- 4인치 Si 웨이퍼에 Si과 접착력이 우수한 Ti를 0.1 µm 두께로 스퍼터링 하였으며 그 위에 2 µm 두께의 Cu를 스퍼터링하여 Ti/Cu 전기도금 씨앗층을 형성하였다.
- SnBi debonding 층 위에 AZ9260 포토레지스트를 사용하여 1 mm×1 mm 크기의 정사각형 형상의 Ni 캡 플레이트를 전기도금하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성하였다.
- SnBi debonding 층 위에 Ni 캡 구조를 형성한 시편을 150℃에서 유지하며 유지시간에 따른 SnBi debonding 층의 미세구조를 관찰하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내 었다. 본 실험에서는 SnBi 층을 5 µm 두께로 증착하였다.
- 석영관의 카본 코팅을 위해 석영관 내에 아세톤을 넣은 뒤 다시 따라내고 석영관 내벽에 묻은 잔류 아세톤을 산소-아세틸렌 토치로 태우는 방법을 사용하였다. Sn과 Bi가 장입된 석영관을 rocking furnace에 넣고 13.3℃/min의 승온속도로 400℃에서 교반하면서 1시간 유지한 후, 석영관을 rocking furnace에서 꺼내어 25oC의 물에 넣어 급냉하여 SnBi 합금을 제작하였다.
- Ti/Cu 전기도금 씨앗층 위에 debonding 층으로 사용하기 위한 5 µm 두께의 SnBi 층을 진공증착 하였다.
- 1 µm 두께의 Ti를 순차적 으로 스퍼터링 하여 Ti/Cu/Ti 다층구조의 metallization을 형성하였다. Ti/Cu/Ti 다층구조에 상부 Ni 캡의 Ni rim과 동일 형상의 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 5% HF를 사용하여 포토레지스트 패턴 내에 노출된 Ti/Cu/Ti metallization의 표면 Ti 층을 에칭하여 제거함으로써 Cu rim을 형성하였다.
- 상부 기판의 Ni 캡 구조물과 에폭시 본딩을 하기 위한 하부 기판을 제작하기 위해 4인치 Si 웨이퍼에 0.1 µm 두께의 Ti, 2 µm 두께의 Cu 및 0.1 µm 두께의 Ti를 순차적 으로 스퍼터링 하여 Ti/Cu/Ti 다층구조의 metallization을 형성하였다.
- 99%인 Sn과 Bi를 각기 21 g 29 g을 칭량하여 내부를 카본 코팅한 석영관에 넣고 진공봉입 하였다. 석영관의 카본 코팅을 위해 석영관 내에 아세톤을 넣은 뒤 다시 따라내고 석영관 내벽에 묻은 잔류 아세톤을 산소-아세틸렌 토치로 태우는 방법을 사용하였다. Sn과 Bi가 장입된 석영관을 rocking furnace에 넣고 13.
- 에폭시가 도포된 상부 기판의 Ni rim과 하부 기판의 Cu rim을 배열한 후, Ni/에폭시/Cu rim 본딩을 이루었다. 이와 같은 시편을 150℃에서 1분간 유지하며 핀셋으로 상부 기판에 힘을 가해주어 Ni 캡으로부터 분리시킨 후, SnBi debonding 층에 의한 기판/캡 사이의 debonding 거동을 관찰하였다.
- 에폭시가 도포된 상부 기판의 Ni rim과 하부 기판의 Cu rim을 배열한 후, Ni/에폭시/Cu rim 본딩을 이루었다. 이와 같은 시편을 150℃에서 1분간 유지하며 핀셋으로 상부 기판에 힘을 가해주어 Ni 캡으로부터 분리시킨 후, SnBi debonding 층에 의한 기판/캡 사이의 debonding 거동을 관찰하였다.
- 이와 같은 시편을 Ni 도금액에 장입하고 10 mA/cm2의 전류밀도를 1.5시간 인가하여 약 30 µm 높이의 Ni 캡 플레이트를 전기도금하였다.
- 0×10-6 torr까지 유지한 후, voltage controller로 전압을 증가시켜 텅스텐 보트를 가열하여 SnBi를 5 µm 높이로 진공증착 하였다. 진공증착된 SnBi debonding 층의 조성을 EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)로 분석하였다.
- 진공증착장치의 챔버내 진공도를 6.0×10-6 torr까지 유지한 후, voltage controller로 전압을 증가시켜 텅스텐 보트를 가열하여 SnBi를 5 µm 높이로 진공증착 하였다.
- 플립칩 공정에 사용하는 비전도성 접착제 (NCA: NonConductive Adhesive)를 폭 100 µm의 Ni rim에 도포하고 150℃에서 약 1분간 유지하여 Ni/NCA/Cu rim 본딩을 이룬 후, Si 상부 기판을 옆으로 밀어주어 Ni 캡 구조물로부터 SnBi debonding 공정을 수행하였다.
대상 데이터
- Ni/에폭시/Cu rim 본딩 후에 상부 Si 기판을 Ni 캡으로부터 분리 제거하기 위한 SnBi debonding 층의 진공증착 source용 합금으로 융점이 139℃인 공정(eutectic) 조성의 42 wt% Sn-58 wt% Bi 합금을 제작하였다. SnBi 합금 50 g을 제작하기 위해 순도가 99.
- SnBi 합금 50 g을 제작하기 위해 순도가 99.99%인 Sn과 Bi를 각기 21 g 29 g을 칭량하여 내부를 카본 코팅한 석영관에 넣고 진공봉입 하였다.
- 본 실험에서는 SnBi 층을 5 µm 두께로 증착하였다.
성능/효과
- (2) 플립칩 공정용 비전도성 접착제 (NCA)를 폭 100 µm 의 Ni rim에 도포한 후 150℃에서 약 1분간 유지하여 Ni/ NCA/Cu rim 본딩 및 SnBi debonding 공정을 수행한 결과, 4인치 Si 웨이퍼의 모든 Ni 캡에서 SnBi의 용융에 의해 상부 Si 기판과 캡 사이의 debonding을 이룰 수 있었다.
- (3) 진공증착법으로 형성한 SnBi debonding 층은 Bi와 Sn 사이의 심한 증기압 차이에 의해 증기압이 훨씬 높은 Bi가 먼저 증발되고 난 후에 증기압이 낮은 Sn이 증발되기 때문에 Bi/Sn의 2층 구조로 이루어져 있었다. SnBi 증착 층을 150℃에서 15초 이상 유지시에는 Sn과 Bi 사이의 상호 확산에 의해 eutectic 상과 Bi-rich β상으로 이루어진 SnBi 합금이 형성되었다.
- 1) MEMS 기술의 장점으로는 반도체 공정을 기반으로 하므로 웨이퍼 공정에 의한 소형화와 저가격화가 가능하며, 한 개의 소자에 복수 개의 기능을 집적할 수 있어 집적화와 고성능화가 가능하다는 것이다. 지금까지 MEMS 소자는 하드 디스크 헤드, 잉크젯프린터 헤드, 압력센서, 가속도 센서, 광 스위치, 관성 센서, 유체관련 부품 등에 주로 적용되었으며, 향후 군사, 항공우주, 자동차, 정보통신, 바이오, 의료, 가전, 엔터테인먼트, 환경, 산업 프로세스 등 광범위한 응용 분야에 적용하기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
- 15) Eutectic 상과 Bi-rich한 β상이 공존하는 미세 구조로부터 SnBi debonding 층의 조성이 eutectic 조성에 비해 Bi-rich한 조성임을 알 수 있다.
- 48 wt% Sn-52 wt% Bi 공정조성에 맞추기 위해 Sn 21 g 과 Bi 29 g을 용융시켜 제작한 50 g SnBi 합금의 조성을 EDS로 분석한 결과 46.4 wt% Sn-53.6% Bi로 분석되었다. 이와 같은 조성을 갖는 SnBi 합금의 액상선은 Fig.
- 플립칩 공정에 사용하는 비전도성 접착제 (NCA: NonConductive Adhesive)를 폭 100 µm의 Ni rim에 도포하고 150℃에서 약 1분간 유지하여 Ni/NCA/Cu rim 본딩을 이룬 후, Si 상부 기판을 옆으로 밀어주어 Ni 캡 구조물로부터 SnBi debonding 공정을 수행하였다. 그 결과 4인치 Si 웨이퍼의 모든 Ni 캡에서 예외 없이 SnBi 층이 debonding 되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 공정온도를 올려줄수록 Ni/NCA/Cu rim 본딩과 SnBi debonding이 빨리 진행되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 그 결과 4인치 Si 웨이퍼의 모든 Ni 캡에서 예외 없이 SnBi 층이 debonding 되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 공정온도를 올려줄수록 Ni/NCA/Cu rim 본딩과 SnBi debonding이 빨리 진행되는 것을 관찰할 수 있었다. Fig.
- 이 사진에서와 같이 Ni rim의 일부에서는 도포된 에폭시의 폭이 48 µm을 유지하였으나, 많은 부위에서 도포된 에폭시의 폭이 80 µm 정도에 이르는 것을 관찰할 수 있었다.
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