KR20200032361A - Mems 디바이스 - Google Patents

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KR20200032361A
KR20200032361A KR1020180111289A KR20180111289A KR20200032361A KR 20200032361 A KR20200032361 A KR 20200032361A KR 1020180111289 A KR1020180111289 A KR 1020180111289A KR 20180111289 A KR20180111289 A KR 20180111289A KR 20200032361 A KR20200032361 A KR 20200032361A
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김광수
김태윤
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Abstract

기판과, 기판의 일면에 배치되는 MEMS 소자부와, 상기 MEMS 소자부에 대향 배치되는 캐비티가 형성되는 캡 및 상기 캡부재의 적어도 일부에 형성되는 확산방지층을 포함하며, 상기 캡과 상기 기판 중 적어도 하나에는 상기 캐비티의 외측에 배치되는 접합층을 구비하며, 상기 캡에는 상기 접합층과 상기 캐비티 사이에 배치되며 단면이 'V'자 형상을 가지는 퍼짐방지부가 형성되는 MEMS 디바이스가 개시된다.

Description

MEMS 디바이스{MEMS device}
본 발명은 MEMS 디바이스에 관한 것이다.
MEMS 디바이스의 제작 시, 일예로서 웨이퍼 레벨 본딩이 필요한 MEMS 디바이스의 제작 시 허메틱 실(hermetic seal)을 위해 일반적으로 금속 본딩(Metal Bonding)을 사용한다.
그런데, 솔더(Solder), 즉 접합재의 퍼짐에 의해 허메틱 실(hermetic seal)이 깨지고 불량이 발생되는 문제가 있다. 자세히는 접합재가 캐비티 내부로 퍼지는 것을 방지하기 위해 만들어진 퍼짐 방지구조에 접합재가 흘러 들어가서 실리콘 기판과 상호작용에 의해 확산되어 허메틱 실이 깨지게 된다.
따라서, 허메틱 실(hermetic seal)이 깨지고 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있는 구조의 개발이 필요한 실정이다.
국내 공개특허공보 제2017-0073080호
허메틱 실(hermetic seal)이 깨짐으로써 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있는 MEMS 디바이스가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스는 기판과, 기판의 일면에 배치되는 MEMS 소자부와, 상기 MEMS 소자부에 대향 배치되는 캐비티가 형성되는 캡 및 상기 캡부재의 적어도 일부에 형성되는 확산방지층을 포함하며, 상기 캡과 상기 기판 중 적어도 하나에는 상기 캐비티의 외측에 배치되는 접합층을 구비하며, 상기 캡에는 상기 접합층과 상기 캐비티 사이에 배치되며 단면이 'V'자 형상을 가지는 퍼짐방지부가 형성될 수 있다.
허메틱 실(hermetic seal)이 깨짐으로써 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 분해 단면도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스에 구비되는 캡의 제1 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 8 내지 도 10는 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스에 구비되는 캡의 제2 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스를 나타내는 개략 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 분해 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스(100)는 일예로서, 기판(120), MEMS 소자부(140), 캡(160) 및 확산방지층(180)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판(120)은 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(120)으로는 실리콘 웨이퍼가 이용되거나, SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판이 이용될 수 있다. 한편, 기판(120)의 가장자리에는 후술할 캡(160)의 제2 접합층(162)에 대응되는 제1 접합층(122)이 구비될 수 있다. 그리고, 제1 접합층(122)은 MEMS 소자부(140)를 감싸도록 배치될 수 있다.
한편, 제1 접합층(122)은 후술할 캡(160)의 제2 접합층(162)과 본딩된다. 그리고, 제1 접합층(122)은 제2 접합층(162)과 함께 접합층을 구성한다. 일예로서, 제1 접합층(122)은 금(Au), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 티탄(Ti), 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 함유하는 재질로 이루어질 수 있다.
MEMS 소자부(140)는 기판(120)의 일면에 형성된다. 일예로서, MEMS 소자부(140)는 기판(120)의 저면에 형성될 수 있다. 한편, MEMS 소자부(140)는 기판(120)의 접합층(122)의 내측에 배치되며, 보다 상세하게는 후술할 캡(160)의 캐비티(C) 하부에 배치될 수 있다. MEMS 소자부(140)는 일예로서, BAW(Bulk Acoustic Wave) 공진기, SAW(Surface Acoustic Wave) 공진기, 가속도 센서, 각속도 센서 등일 수 있다.
캡(160)은 MEMS 소자부(140)에 대향 배치되는 캐비티(C)가 형성되며, 캐비티(C)의 외측에 배치되는 제2 접합층(162)을 구비한다. 한편, 캡(160)에는 제2 접합층(162)과 캐비티(C) 사이에 배치되며 단면이 'V'자 형상을 가지는 퍼짐방지부(164)가 형성된다. 퍼짐방지부(164)는 홈으로 이루어질 수 있다. 이러한 'V'자 형상을 갖는 퍼짐방지부(164)를 형성함으로써 후속공정에서 단차에 의한 공정의 어려움 없이 후속 공정인 접합층[즉, 제2 접합층(162)] 형성 및 캐비티(C) 형성을 진행할 수 있다.
한편, 캡(160)은 실리콘(Si)을 함유하는 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 퍼짐방지부(164)는 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide, N(CH3)4OH) 등의 이방성 식각용액으로 캡(160)에 습식 식각(wet etch)을 수행하여 형성된다. 이러한 경우, 실리콘(Si)의 결정성 때문에 결정면 (111)에 의하여 54.74°의 경사각을 가지도록 퍼짐방지부(164)가 형성될 수 있다. 상기한 경사각은 50° ~ 60°의 범위 내로 형성될 수 있을 것이다.
그리고, 제2 접합층(162)은 제1 접합층(122)과 함께 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)의 내측 영역을 밀폐하며, 기판(120)과 캡(160)을 접합하는 역할을 수행한다. 제2 접합층(162)은 금(Au), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 티탄(Ti), 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 함유하는 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 제2 접합층(162)은 제1 접합층(122)은 일예로서, SLID 본딩(Solid Liquid Inter-Diffusion bonding), 금속 접합 등에 의해 접합될 수 있다. 이와 같이, 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)의 접합 시 퍼짐방지부(164)는 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)을 수용하는 역할을 수행하며, 퍼짐방지부(164)에 의해 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)이 캐비티(C)의 내로 유동되는 것을 방지한다.
또한, 캡(160)의 캐비티(C)는 단면이 사각형, 예를 들어 사다리꼴 형상을 가질 수 있다.
확산방지층(180)은 캡(160)의 적어도 일부에 형성된다. 일예로서, 확산방지층(180)은 캡(160)의 캐비티(C) 내를 제외한 캡(160)의 외부면 전체에 형성될 수 있다. 또한, 확산방지층(180)은 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)이 캡(160)의 실리콘(Si)을 향하여 확산되어 허메틱 실(hermetic seal)이 깨지게 되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
일예로서, 확산방지층(180)은 산화막으로 이루어질 수 있다. 한편, 확산방지층(180)이 퍼짐방지부(164) 내에 형성되므로 퍼짐방지부(164) 내로 유입된 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)이 캡(160)에 함유된 실리콘(Si) 측으로 확산이 일어나면서 본딩 계면에 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 확산방지층(180)이 접합층(162)의 주위 영역에 미적층 영역 없이 형성될 수 있으므로, 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)이 캡(160)에 함유된 실리콘(Si) 측으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 허메틱 실(hermetic seal)이 깨지게 되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
다시 말해, 확산방지층(180)의 미적층 영역이 발생되는 경우 확산방지층(180)이 형성되지 않은 영역에서 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)이 캡(160)에 함유된 실리콘(Si) 측으로 확산되면서 본딩 계면에 박리가 발생되어 허메틱 실이 깨지고 불량이 발생될 수 있다. 하지만, 퍼짐방지부(164)의 단면이 'V'자 형상을 가지므로 퍼짐방지부(164) 내부면 및 제2 접합층(162)의 주위 영역에 확산방지층(180)의 미적층 영역이 발생되지 않을 수 있다. 이에 따라, 허메틱 실(hermetic seal)이 깨지게 되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
상기한 바와 같이, 퍼짐방지부(164)를 통해 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)의 접합 시 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)이 캐비티(C) 측으로 유동되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 퍼짐방지부(164)의 단면이 'V'자 형상을 가지므로, 확산방지층(180)이 퍼짐방지부(164)의 내부면 및 제2 접합층(162)의 주위에 미적층 영역 없이 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 접합층(162)과 제1 접합층(122)이 캡(160)에 함유된 실리콘(Si) 쪽으로 확산이 일어나면서 본딩 계면에 박리가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 허메틱 실(hermetic seal)이 깨지게 되는 것을 방지할 수 있으며 결국 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스에 구비되는 캡의 제1 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 캡(160)에 퍼짐방지부(164)를 형성한다. 퍼짐방지부(164)는 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide, N(CH3)4OH) 등의 이방성 식각용액으로 캡(160)에 습식 식각(wet etch)을 수행하여 형성된다. 이러한 경우, 실리콘(Si)의 결정성 때문에 결정면 (111)에 의하여 54.74°의 경사각을 가지도록 퍼짐방지부(164)가 형성될 수 있다. 즉, 퍼짐방지부(164)의 단면이 'V'자 형상을 가질 수 있다.
이후, 도 4에 도시된 바와 같이, 캡(160)의 외부면에 확산방지층(180)을 형성한다. 확산방지층(180)은 열산화(Thermal Oxidation) 공정에 의해 캡(160)의 외부면에 형성된다. 이에 따라, 퍼짐방지부(164) 내에도 확산방지층(180)이 형성된다. 그리고, 퍼짐방지부(164)의 단면이 'V'자 형상을 가지므로 확산방지층(180)이 퍼짐방지부(164) 내에 미적층 영역 없이 형성될 수 있다.
이후, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 접합층(162)이 캡(160)의 상면에 형성된다. 제2 접합층(162)은 퍼짐방지부(164)의 외측에 배치된다. 제2 접합층(162)은 퍼짐방지부(164)를 감싸도록 배치될 수 있다. 일예로서, 제2 접합층(162)은 금(Au), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 티탄(Ti), 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 함유하는 재질로 이루어질 수 있다.
이후, 도 6에 도시된 바와 같이, 확산방지층(180)의 일부를 제거한다. 이때, 확산방지층(180)은 패터닝에 의해 제거할 수 있다.
이후, 도 7에 도시된 바와 같이, 캡(160)에 식각에 의해 캐비티(C)를 형성한다. 캐비티(C)는 건식 또는 습식 식각을 통해 형성될 수 있으며, 퍼짐방지부(164)의 내측에 배치되도록 형성될 수 있다. 일예로서, 캐비티(C)는 단면이 사각형, 예를 들어 사다리꼴 형상을 가질 수 있다.
상기한 바와 같이, 캐비티(C) 내를 제외한 캡(160)의 상면에 미 적층 영역 없이 확산방지층(180)이 형성될 수 있다. 또한, 확산방지층(180)이 간단한 공정을 통해 형성될 수 있으므로 제조비용을 절감시킬 수 있으며 제조수율을 향상시킬 수 있다.
도 8 내지 도 10는 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 디바이스에 구비되는 캡의 제2 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 캡(160)에 캐비티(C) 및 퍼짐방지부(164)를 형성한다. 캐비티(C)와 퍼짐방지부(164)는 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide, N(CH3)4OH) 등의 이방성 식각용액으로 캡(160)에 습식 식각(wet etch)을 수행하여 형성된다. 이러한 경우, 실리콘(Si)의 결정성 때문에 결정면 (111)에 의하여 54.74°의 경사각을 가지도록 캐비티(C) 및 퍼짐방지부(164)가 형성될 수 있다. 즉, 캐비티(C)는 단면이 사각형, 예를 들어 사다리꼴 형상을 가질 수 있으며 퍼짐방지부(164)의 단면이 'V'자 형상을 가질 수 있다.
이후, 도 9에 도시된 바와 같이, 캡(160)의 외부면에 확산방지층(180)을 형성한다. 확산방지층(180)은 열산화(Thermal Oxidation) 공정에 의해 캡(160)의 외부면에 형성된다. 이에 따라, 캐비티(C) 및 퍼짐방지부(164) 내에도 확산방지층(180)이 형성된다. 그리고, 퍼짐방지부(164)의 단면이 'V'자 형상을 가지므로 확산방지층(180)이 퍼짐방지부(164) 내에 미적층 영역 없이 형성될 수 있다.
이후, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 접합층(162)이 캡(160)의 상면에 형성된다. 제2 접합층(162)은 퍼짐방지부(164)의 외측에 배치된다. 제2 접합층(162)은 퍼짐방지부(164)를 감싸도록 배치될 수 있다. 일예로서, 제2 접합층(162)은 금(Au), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 티탄(Ti), 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 함유하는 재질로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이, 캡(160)의 상면에 미 적층 영역 없이 확산방지층(180)이 형성될 수 있다. 또한, 확산방지층(180)이 간단한 공정을 통해 형성될 수 있으므로 제조비용을 절감시킬 수 있으며 제조수율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100 : MEMS 디바이스
120 : 기판
140 : MEMS 소자부
160 : 캡
180 : 확산방지층

Claims (10)

  1. 기판;
    기판의 일면에 배치되는 MEMS 소자부;
    상기 MEMS 소자부에 대향 배치되는 캐비티가 형성되는 캡; 및
    상기 캡부재의 적어도 일부에 형성되는 확산방지층;
    을 포함하며,
    상기 캡과 상기 기판 중 적어도 하나에는 상기 캐비티의 외측에 배치되는 접합층을 구비하며,
    상기 캡에는 상기 접합층과 상기 캐비티 사이에 배치되며 단면이 'V'자 형상을 가지는 퍼짐방지부가 형성되는 MEMS 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확산방지층은 적어도 상기 퍼짐방지부 내부 및 상기 접합층의 주위에 형성되는 MEMS 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡은 실리콘을 함유하는 재질로 이루어지며, 상기 접합층은 금속 재질로 이루어지는 MEMS 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 접합층은 금(Au), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 티탄(Ti), 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 함유하는 재질로 이루어지는 MEMS 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 확산방지층은 산화막으로 이루어지는 MEMS 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 퍼짐방지부는 결정면 (111)에 의하여 50° ~ 60°의 각도를 가지는 경사면을 가지는 MEMS 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 퍼짐방지부는 결정면 (111)에 의하여 54.74°의 각도를 가지는 경사면을 가지는 MEMS 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 확산방지층은 상기 캐비티 내를 제외한 부분에 형성되는 MEMS 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 퍼짐방지부는 상기 캐비티의 형상에 대응되는 띠 형상을 가지는 MEMS 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 단면이 사각형 형상을 가지는 MEMS 디바이스.
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