이 글에 제시된 디바이스 수준의 패키징 기법을 활용하면 모든 MEMS 디바이스를 개별 다이가 아니라 하나의 웨이퍼에서 동시에 패키징함으로써 전체 패키징 공정 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 이 기법은 CMOS와 호환되며, 결과물인 MEMS 디바이스가 진공 또는 기밀 공동으로 둘러싸이므로 이후 일반적인 저렴한 회로 패키지에 통합할 수 있다.
글: M. Shahriar Rahmana, Murali Chitteboyinaa, Zeynep Celik-Butlera , Donald P. Butlera , Sergio Pachecob, Ronald McBeanb
zbutler@uta.edu / 프리스케일 반도체(www.freescale.com)
MEMS 제품이 상용 시장에서 꾸준히 점유율을 늘려가고 있지만, 일반적으로 MEMS 디바이스의 패키징이 사례별로 개발된다는 사실이 현재의 상용화 진로에 아직 중대한 걸림돌로 작용하고 있다. 동작하는 디바이스의 민감하고 부서지기 쉬운 본질 때문에 패키징 비용이 MEMS 제품 가격의 최대 70~80%에 이르는 많은 부분을 차지하기도 한다.
이 글에 제시된 디바이스 수준의 패키징 기법을 활용하면 모든 MEMS 디바이스를 개별 다이가 아니라 하나의 웨이퍼에서 동시에 패키징함으로써 전체 패키징 공정 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 이 기법은 CMOS와 호환되며, 결과물인 MEMS 디바이스가 진공 또는 기밀 공동으로 둘러싸이므로 이후 일반적인 저렴한 회로 패키지에 통합할 수 있다. 공진기의 Q 계수는 패키지 내 압력의 함수이므로 시제품 MEMS 공진기가 진공 패키지로 제작되었다. 이러한 디바이스를 통해 패키징 완료된 디바이스 자체를 사용하여 진공 밀봉의 무결성을 구축 및 테스트할 수 있다. 공진기는 특정 주파수에서 또는 경우에 따라 좁은 주파수 범위에서 작동하도록 설계되므로, 대다수의 MEMS 공진기가 공기 댐핑 현상을 줄이기 위해 진공 환경에서 작동된다. 패키지의 품질과 신뢰성을 판정하고자 셀프 패키지 방식 MEMS 공진기의 공진 주파수 fr과 Q 계수가 평가되었다. 장기 및 가속 수명 테스트 결과 캡슐화된 MEMS 공진기에서 눈에 띄는 품질 저하가 발견되지 않았다.
먼저, MEMS 공진기를 집적하기 전에 공정 문제를 식별할 수 있도록 공진기 없이 진공 공동(vacuum-cavity) 패키지를 제조했다. 그 다음, MEMS 공진기를 제조하고 대기압과 진공 상태에서 특성을 분석했다. 최종 단계로 위 두 공정을 통합하여 진공 패키지 형태의 MEMS 공진기를 만들었다.
진공 공동 제조 공정의 흐름은 순수한 웨이퍼에 600nm의 실리콘 이산화물 절연층을 증착(deposition)한 후에 HD 마이크로시스템즈(HD Micro systems)의 5.0μm 폴리아미드 PI2737 희생층(sacrificial layer)을 스핀 코팅하는 순서였다. 폴리아미드는 3시간 동안 300°C에서 경화되어 2.5μm의 두께가 되었다.
다음으로 0.8μm 두께의 알루미늄 산화물(Al2O3) 층[1]이 RF 스퍼터링(RF sputtering)으로 증착되었다. 희생층을 손쉽게 분리할 수 있도록 알루미늄 산화물 층에 트렌치컷(trench cut)을 적용했다. 그 다음 산소계 플라즈마 회화기(plasma asher)를 사용하여 희생층을 분리하고, 3.5μm 두께의 알루미늄 산화물 밀봉층을 5mTorr 압력의 RF 스퍼터링으로 증착하여 공동을 밀봉했다. 증착이 저압 환경에서 이루어지므로 패키지는 기본적으로 진공 패키지가 된다. 그림 1 (a)에 밀봉된 패키지의 SEM 이미지가 나와있다. 그림 1 (b)는 FIB(집속 이온빔)을 사용하여 밀봉된 패키지 내부와 트렌치컷의 단면을 절단함으로써 진공 공동의 존재를 보여주는 이미지이다. 제조된 진공 공동 패키지는 오버 몰딩 공정을 위해 프리스케일 반도체로 발송되었다. 그림 2에 오버 몰딩 공정 후의 여섯 가지 다른 진공 공동 패키지가 나와있다. 단면도를 보면 패키지가 온전하며 오버 몰딩 공정을 잘 통과했음을 알 수 있다.
MEMS 공진기는 프리스케일 반도체에서 양단 고정보(fixed-fixed beam) 기법[2]을 사용하여 설계한 것이다. MEMS 공진기 제조[3, 4]는 절연층 역할을 하는 순수한 실리콘 웨이퍼에 실리콘 이산화물을 증착한 후, 표준 리프트오프(lift-off) 기법을 사용하여 65nm 두께의 티타늄 및 금 합금층으로 전극, 앵커, 도체를 형성하는 것으로 시작된다. 그 다음 320nm 두께의 PI2737 희생층을 스핀 코팅하고, 300℃에서 3시간 동안 경화하여 공진기 보와 구동 전극 사이에 절대적인 공극 높이 200nm를 구현한다. 공진기 보는 두께 1.3μm에 박막 금속층과 저응력 알루미늄 산화물 층으로 구성되며, 이후 RF 스퍼터링으로 증착되고 리프트오프 기법으로 패턴이 생성된다. 마지막으로 산소계 플라즈마 회화기로 희생층을 제거한다.
그 이후에는 앞서 설명한 진공 공동 제조 절차를 사용하여 공진기를 패키징한다. 그림 3에 본드 패드가 노출된 상태의 완전히 밀봉된 공진기의 SEM 이미지가 나와 있으며, 본드 패드는 49% 희석 HF를 사용하여 노출되었다. 본드 패드를 노출한 후에도 패키지는 손상되지 않았다. 그림 4에서 공진기 보 또는 밀봉층 아래에 폴리아미드의 흔적이 없으며, 공진기를 횡단하는 FIB 절단이 이루어진 후에 밀봉층 내부에 보가 온전히 남아있음을 볼 수 있다. 그림 5에 본드 패드가 노출된 성공적인 패키지의 광학 이미지 평면도가 나와 있다. 알루미나는 투명하므로 현미경을 통해 밀봉된 패키지 내부의 디바이스를 육안으로 검사할 수 있는 장점이 있다. 일부 패키징된 공진기는 패키징된 공진기의 밀봉층을 고의로 제거하여 내부 디바이스의 무결성을 판단할 수 있도록 한다. SEM 검사 결과, 그림 6에 나온 것처럼 패키지 내부의 공진기가 온전하며, 트렌치컷을 통해 공진기로 분사된 알루미나가 확연히 분포하지 않음이 밝혀졌다.
패키징되지 않은 공진기는 주문 생산형 진공 챔버에서 특성이 분석된 반면, 진공 밀봉된 공진기는 프로브 스테이션에서 대기압 상태로 특성이 분석되었다. 밀봉의 품질을 평가하기 위해 결과가 비교되었다. 그림 7에 실험 기간 동안 지속적으로 바이어스를 적용한 6.75MHz 공진기의 120시간 연장 특성 분석 결과가 나와있다. 공진 주파수 fr 또는 Q 계수(여기에 표시되지 않음)의 변화는 관찰되지 않았다. 그림 8 (a)는 패키징 전후의 4MHz 공진기 특성을 비교한 결과이다. 예상한 대로, 패키징되지 않은 공진기의 경우 대기압 상태에서 공진이 관찰되지 않았으며, 진공 챔버에서 순수한 공진기만 검사했을 때와 동일한 공진기를 진공 밀봉 후 대기압에서 검사했을 때 특성이 변하지 않고 유지되었다.
그림 8 (b)은 진공 챔버의 압력을 변경해도 패키징된 공진기의 fr에 변화가 없음을 보여준다. 그림 9에 HTSL(고온 방치 시험)과 TC(온도 순환 시험) 데이터가 나와 있다. 패키징된 공진기를 110℃의 오븐 내에 1000시간 동안 유지하면서 250시간마다 측정을 수행했다. TC의 경우 오븐 내의 온도를 27℃에서 120℃까지 변경했으며 각 사이클은 12시간으로 구성했다. 측정은 매 25사이클마다 이루어졌다.
HTOL(고온 동작 시험)의 경우, 프로브 스테이션에서 대기압 상태, 핫 척(hot chuck) 온도 105°C로 RF 특성 분석이 이루어졌다. 그림 10에 나온 것처럼 상승된 온도에서도 공진 주파수의 변화가 관찰되지 않았다.
공진 주파수의 사소한 변화(2% 미만)는 알루미나 보 강성의 변화로 인한 것일 수 있다. 하지만 105°C에서 계속 동작시키더라도 RF 특성에 변화는 발생되지 않았다. 온도를 실온으로 되돌리자 RF 특성 또한 실온 특성으로 복귀되었다. 이는 패키지가 이러한 고온에서 일체의 품질 저하 없이 동작할 수 있음을 나타낸다.
실온과 상승된 온도 사이의 공진 주파수 차이는 양단 고정보 형태 공진기의 기본 모드 공진 주파수를 구하는 아래 방정식으로 설명할 수 있다[2].
여기서 Kr는 보 강성, mr은 보의 질량, Ey는 탄성계수(Young's modulus), ρ는 보의 재질 밀도, h 및 Lr은 각각 보의 두께와 길이이다.
온도 변화에 따른 공진 주파수의 하락은 공진기 보 길이의 변화와 연결하여 설명할 수 있다. 이 실험에 사용한 공진기의 보 길이는 24.22μm였다. 알루미나의 선형 열팽창 계수인 α = 3x10-6 in/in°F를 사용하면 다음과 같은 방정식을 통해 27℃에서 105℃로 온도가 상승함에 따른 보 길이 변화를 계산할 수 있다.
여기서 ΔL은 온도 상승으로 인한 보 길이 변화이며, L은 원래 보 길이, FΔ는 화씨 단위의 온도 변화이다. 위 방정식을 사용하면 실온과 105°C 사이의 보 길이 변화를 0.011μm로 계산할 수 있다. 이제 두 가지 다른 온도에 방정식 (1)을 적용하고 실온 공진 주파수를 6.98MHz로 가정하면(그림 10 참조), 상승된 온도의 공진 주파수는 6.91MHz로 계산할 수 있다. 이는 105°C에서 6.9MHz라는 실험 결과와 아주 근접한 결과이다. 여기서 알루미나와 티타늄 사이의 선형 열팽창 계수는 차이가 적으므로 열적 불일치로 인한 주파수 동요는 무시되었다. (티타늄의 열팽창 계수: α = 4. 8x10-6 in/in°F).
패키징은 MEMS 제품의 상용화에 중대한 역할을 한다. RF MEMS의 성능상 장점이 커다란 매력을 발휘하는 대량 시장에서 가장 근본적인 장애물은 안정적인 패키징 비용이다. RF MEMS 패키징은 비교적 새로운 분야이며, 광범위한 기술 및 비용 제한 요소 사이에 균형을 맞추려고 폭넓은 접근 방식이 동시에 시도되고 있다. 여기에 예시한 셀프 패키징 기법은 디바이스 제조 공정 도중 진공 또는 밀봉 캡슐화를 적용함으로써 RF MEMS 디바이스를 진공 또는 밀봉 패키징하는 방법을 설명한 것이다. MEMS 디바이스가 웨이퍼 수준에서 효율적으로 밀봉되므로, 일반적인 대량 패키징 방식으로 디바이스를 제조할 수 있다.
/저자에 대해서
1. A. Mahmood 외, IEEE Sensor Journal, 7, 1012-1019페이지, 2007년.
2. K. Wang 외, IEEE J. MEMS, 9, 347-360페이지, 2000년.
3. A. De Silva 외, IEEE MEMS 컨퍼런스 회보, 22-24페이지, 2001년.
4. S. Young 외, J. Micromech. Microrngg., 15, 1824-1830페이지, 2005년.
그림 1. (a) 공진기 없는 진공 공동 패키지의 트렌치컷 밀봉 후 SEM 이미지. (b) 진공 공동의 존재를 보여주는 진공 패키지의 FIB 절단면
그림 2. (a) 오버 몰딩 공정 후 회로기판을 제거한 상태의 여섯 가지 다른 진공 공동 패키지. 적색 선은 (b)에 나온 SEM 이미지의 단면 절단 위치를 나타낸다. (b) 단면도를 보면 패키지가 오버 몰딩 공정을 잘 통과했음을 알 수 있다. 화살표는 단면 중 패키지 공동을 가리킨다. 두 화살표 셋트 사이에 밀봉된 트렌치컷이 있다.
그림 3. 본드 패드를 노출한 후의 완전히 밀봉된 공진기 SEM 이미지
그림 4. (a) 패키징된 공진기에 FIB 절단이 가해짐. (b) 공진기 보 또는 밀봉층 아래에서 폴리아미드의 흔적을 찾을 수 없음
그림 5. 본드 패드 노출 상태의 패키징된 공진기를 보여주는 광학 현미경 사진. 알루미나는 투명함.
그림 6. 최상층을 고의로 제거한 진공 패키징 공진기의 SEM 이미지. SEM 검사 결과 패키지 내부의 공진기가 온전함이 밝혀졌음. 더불어, 공진기 쪽에 트렌치컷을 통해 패키지를 밀봉하는 데 사용된 분사 알루미나가 확연히 분포하지 않음.
그림 7. 프로브 스테이션에서 120시간 연장 측정 후에 공진 주파수와 Q 계수에 변동이 없음을 보여주는 데이터
그림 8. (a) RF MEMS 공진기의 패키징 전후 비교. 패키징된 공진기는 진공 밀봉되었고 대기압에서 실험되었다. 테스트 결과를 대기압과 진공 챔버 내에서 30mT로 측정한 패키징되지 않은 공진기와 비교했다. (b) 챔버 압력 변화에도 공진 주파수 변동이 없음을 보여주는 완전 밀봉 RF MEMS 공진기. 전이 상태를 선명하게 나타내도록 디바이스를 약간 오버드라이브했다.
그림 9. (위) 완전히 패키징된 공진기의 110°C에서 1000시간 HTSL(고온 방치 시험) 측정 결과. (아래) 27°C ~ 120°C TC(온도 순환 시험)의 RF 특성 변화. 각 사이클은 12시간이며, 총 100 사이클 동안 매 25 사이클마다 측정이 실행되었다.
그림 10. 완전히 패키징된 공진기의 105°C에서 150시간 HTOL(고온 동작 시험) 결과. 공진기는 상승된 온도를 견뎌냈다. 공진 주파수의 사소한 변동은 보의 강성 변화로 인한 것일 수 있다.
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