[논문]Deep cavity를 가진 Cap Wafer와 MEMS 소자의 Polymer Wafer bonding

이현기; 박태준; 윤상기; 박남수; 박형재; 민종환; 이영규

Deep cavity를 가진 Cap Wafer와 MEMS 소자의 Polymer Wafer bonding
Polymer Wafer bonding of MEMS device and Cap Wafer with deep cavity 원문보기

이현기 (삼성전기(주) 공법개발그룹(MicroFAB)) , 박태준 (삼성전기(주) 공법개발그룹(MicroFAB)) , 윤상기 (삼성전기(주) 공법개발그룹(MicroFAB)) , 박남수 (삼성전기(주) 공법개발그룹(MicroFAB)) , 박형재 (삼성전기(주) 공법개발그룹(MicroFAB)) , 민종환 (삼성전기(주) 공법개발그룹(MicroFAB)) , 이영규 (삼성전기(주) 공법개발그룹(MicroFAB))

MEMS 소자의 Wafer level Package 관련하여 Deep cavity를 가진 Cap Wafer와 Polymer bonding 중 cavity 단차로 인한 Polymer Patterning 및 접합 불량의 어려움을 극복할 수 있는 새로운 공정 flow를 제안하였다. Cavity를 형성할 때 사용하는 Si deep etching Mask인 기존의 Photoresist를 접합용 감광성 Polymer로 대체하고, cavity 형성 후, 별도의 추가 공정 없이 이 Polymer를 이용해 Wafer bonding을 진행하였다. 이를 통해 cavity 단차에 따른 문제를 해결함과 동시에 공정이 단순하고 제작 비용이 저렴하며, 신뢰성 있는 Wafer level Package를 구현하였다.

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문제 정의

이때 Mass 질량체의 보호를 위해서는 cavity를 가진 cap을 이용한 capping이 필요하며 이러한 capping은 미세한 align과 공정 효율, 제작 비용 등을 고려하여 Cap Wafer와 소자 Wafer간의 Wafer bonding을 이용한 Wafer level Package가 적용된다. 본 논문에서는 최근 Wafer level Package에 많이 활용되는 Polymer Wafer bonding 관련하여 Cap Wafer bonding 시 발생하는 문제점을 검토하고 그 해결 방안을 제시하였다.

제안 방법

Etching 후 Polymer의 두께는 약 15um로 감소하였으나 접합에는 문제가 없는 두께이며, 추가 공정 없이 바로 bonding을 진행하였다. Cap Wafer의 접합 상태를 top view로 확인하기 위해 device Wafer 대신 glass Wafer를 접합하여 현미경으로 관찰하였다. Bonding Process sequence는 <그림 4>와 같고 주요 공정 변수로는 공정시간, 온도, bonding Pressure 등이 있다.
이 Polymer를 etching Mask로 이용하여 (b)와 같이 Si bare Wafer의 cavity를 형성한다. Cavity의 깊이는 약 100um이고 STS의 Pegasus etching 설비를 이용하여 SF6 gas로 Deep Reactive Ion etching 공정으로 구현하였다. Etching 후 Polymer의 두께는 약 15um로 감소하였으나 접합에는 문제가 없는 두께이며, 추가 공정 없이 바로 bonding을 진행하였다.
MEMS 소자와 Cap Wafer의 Polymer bonding 관련하여 깊은 cavity 단차로 인한 Polymer Patterning 문제 및 접합 불량의 어려움을 극복하기 위하여, 한 번의 Polymer patterning으로 Cavity를 형성하고 추가 공정 없이 이 Polymer를 이용해 bonding 하는 공정 flow로 cavity 단차에 따른 문제를 해결함과 동시에 공정이 단순하고 제작 비 용이 저렴하며, 신뢰성 있는 Wafer level Package를 구현하였다.
제안된 방법에 따른 접합상태를 확인하기 위해 dicing을 한 후 용액의 침투 여부를 파악하였다. <그림 5>는 bonding 된 glass 표면을 통해 현미경으로 단계별 top view를 확인한 것으로 (a)는 Polymer patterning 후 사진이며 (b)는 polymer를 이용해 약 100um 깊이의 cavity를 DRIE 공정으로 etching한 결과이다.
위에서 검토한 것과 같이 깊은 cavity 위에 Polymer를 coating하고 bonding하는 방식은 cavity 단차에 따른 Polymer 두께 차와 그에 따른 접합 불량을 극복하기 힘들며, <그림 3>과 같은 새로운 공정 flow를 구상하였다. 제안된 방식은 접합용 Polymer가 Cap Wafer의 cavity를 제작할 때 etching Mask로 사용되는 Photoresist를 대체할 수 있을 것으로 기대하여, bare Wafer에 Polymer를 patterning하고 그 Polymer를 etching Mask로 이용하여 cavity를 형성한 후, 바로 Wafer bonding을 수행하는 방법이다. Polymer는 Shinetsu Chemical의 SINR 제품을 사용하였고 세부적인 공정 조건은 다음과 같다.
현미경으로 관찰하여 용액의 침투가 없고 접합 불량 영역이 없는 것을 양호한 샘플로 판단하고, <표 1>의 bonding 조건에 따른 양호한 샘플의 비율(수율)을 <그림 6>에 나타내었다.

대상 데이터

제안된 방식은 접합용 Polymer가 Cap Wafer의 cavity를 제작할 때 etching Mask로 사용되는 Photoresist를 대체할 수 있을 것으로 기대하여, bare Wafer에 Polymer를 patterning하고 그 Polymer를 etching Mask로 이용하여 cavity를 형성한 후, 바로 Wafer bonding을 수행하는 방법이다. Polymer는 Shinetsu Chemical의 SINR 제품을 사용하였고 세부적인 공정 조건은 다음과 같다. 우선 6inch Bare Si Wafer에 감광성 Polymer를 2000rpm으로 Spin coating을 하고 110℃에서 Hot plate를 이용하여 5분간 baking을 한다.

성능/효과

160℃에서 6000mbar의 bonding pressure로 30min간 bonding한 샘플 에서 수율 22%의 저조한 결과가 나왔으며, 온도와 시간을 증가시킨 샘플 에서 수율 100%를 얻어 온도와 시간이 중요한 변수임을 알 수 있다.
샘플 <B>의 공정 시간 단축을 위해 샘플 <D>에서는 온도를 200℃로 높이고 Pressure를 8000mbar로 증가시킨 후 공정 시간을 30min으로 단축시킨 실험에서도 bonding 수율 100%가 얻어져, 온도와 Pressure의 증가를 통한 시간의 단축이 가능함을 알 수 있다. 결과적으로 접합용 Polymer를 이용하여 한 번의 Polymer patterning을 통한 cavity의 etching 및 bonding의 Process flow가 가능함을 알 수 있으며, 이에 따른 cavity 단차 문제 해결과 공정 비용 절약 및 공정 단순화, 접합 안정성에 따른 신뢰성 향상 등의 효과를 기대할 수 있다.
샘플 와 는 Polymer Spin coating 특성 상 반드시 발생하는 edge bead를 제거하기 위해 Edge Bead Remover 공정을 적용하였으며, EBR의 효과를 알아보기 위해 EBR 공정을 제거하고, Pressure 6000mbar, 60min간 공정한 샘플 에서는 61%의 수율이 나타나 Polymer bonding시 EBR 공정이 반드시 필요함을 알 수 있다.

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