MEMS Technology
압력이 높아지면 이 본딩 미세 구조가 약간 변화된다. 전단 강도로 볼 때 본딩 강도와 본딩 압력 사이에 직접적인 상관관계가 있다. 본딩 강도가 다른 경우에도 모든 본딩 압력에서 기밀 밀봉은 달성되었다.
글: 박우태, 장진욱, 트로이 클레어(Troy Clare), 리안준 리우(Lianjun Liu)
프리스케일 반도체 / www.freescale.co.kr
머리말
관성 MEMS 센서가 처음 소개된 이래로[1], MEMS 구조를 보호하고 센서/작동장치의 작동에 적합한 일정한 가스 환경을 제공할 수 있도록 기밀 밀봉 기술이 개발되어왔다. 일반적으로 사용되는 밀봉 방식은 원자핵 융합 접촉면 또는 기밀 접착제를 사용하여 두 웨이퍼를 밀봉함으로써 두 웨이퍼를 결합하는 것이다. MEMS 본딩에 가장 널리 사용되는 접착제인 글래스 프릿 본딩은 기밀성이 있고 커다란 접촉면을 확보할 수 있으며 웨이퍼 표면에 도포하기 쉬우므로 이러한 목적에 탁월한 재료이다[2].
최근 대체 본딩 재료에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되어왔다[3]-[11]. 그 목표는 더 뛰어난 기밀성과 낮은 투과율을 제공함으로써, 밀봉 폭을 줄여 결과적으로 다이 크기와 비용을 절감할 수 있는 재료를 찾는 것이다. 이러한 조건 하에서 금속 압착 또는 금속 공정이 강력한 후보이다. 금속을 사용한 밀봉은 유리보다 100배 느린 투과율을 제공한다는 장점이 있다[12].
또한 전도성 경로를 제공하기도 한다. Budraa는 마이크로웨이브 국소 가열을 사용한 Au-Au 본딩을 예시했다[13]. 또한 Lin은 Au-Si를 사용한 국소 공융(eutectic bonding)을 통해 진공 패키징을 선보였다[14]. 위 기법은 금을 사용함으로 인해 보편적인 반도체 공정에서 일부 호환성 문제를 일으킨다.
따라서 이미 본드 패드에 사용되고 있으며 표준 CMOS 청정실 환경에서 오염 문제를 일으키지 않는 알루미늄을 사용하는 것이 센서 제품의 공정에 더 적합하다. Al-Ge는 423℃에서 공정 혼합물을 생성하므로 알루미늄과 저온 합금을 만드는 데 게르마늄이 선택되었다. 이 온도는 표면 실장 리플로우 온도보다 훨씬 높은 온도이며, 진공 캡슐화 디바이스에 필요할 경우 게터(SAES PAGE getter)를 활성화하기에 충분히 높지만 디바이스에는 악영향을 주지 않을 정도로 낮은 온도이다.
기반 구조물의 일부인 규소(Si)는 Al-Ge 공정 혼합물에 손쉽게 혼합되어 결과적으로 Al-Ge-Si 합금을 형성한다. 공정 혼합물 형성에서 본딩 온도가 주는 영향에 대한 연구와[15], 거시적 샘플을 사용하여 서로 다른 압력에서 공정 혼합물에 대한 미세 구조 분석이[16] 이전에 실행된 바 있다.
이번 연구에서는 폴리실리콘을 사용한 Al-Ge 공융(eutectic bonding)을 통해 MEMS 디바이스를 캡슐화하는 기법을 분석했다. 또한 밀봉이 파괴되는 전단력과 본딩 재료에 대한 전단 강도 분석도 제시된다. 더불어, 공정 혼합물 형성 과정과 공정 혼합물 형성 중 초기 적층에 압력이 주는 영향을 논의할 수 있도록 본딩 미세 구조를 분석했다.
실험 절차
본딩 평가에 활용할 수 있는 웨이퍼 제조 구조가 그림 1에 나와있다. 두 가지 유형의 금속 적층을 사용하여 웨이퍼 본딩을 실행했다. 그림 1(a)는 규소 디바이스 쪽의 SiO2/폴리실리콘/Ge 적층과 규소 캡 쪽의 Al/SiO2를 보여준다.
그림 1(b)는 캡 규소 쪽의 SiO2/Ge와 디바이스 쪽의 Al/폴리실리콘/SiO2 적층을 보여준다. 두 가지 경우 모두 폴리 실리콘 층이 MEMS 디바이스 층에 해당한다. 차이점은 어느 쪽에 알루미늄을 증착하는가 하는 것이다. 따라서 MEMS 디바이스의 방향은 어느 쪽에 알루미늄 본드 패드가 형성되는지에 따라 결정된다.
그림 2에 일반적인 테스트 칩 디자인의 레이아웃이 나와있다. 윤곽선은 25㎛, 50㎛, 75㎛, 100㎛ 폭의 밀봉 링으로 정의된다. 이 지오메트리를 사용하여 기계적 특성과 밀봉 효율성을 평가했다.
웨이퍼 본딩은 8인치 웨이퍼와 EVG 스마트 뷰 정렬기 및 EVG 520IS 수동 본더와 같은 상용 웨이퍼 본딩 시스템을 사용하여 실행되었다. 본딩 온도는 공융점(425℃)보다 훨씬 높았으며, 양쪽 표면 위에 자연적인 산화물이 형성되는 것을 손쉽게 억제할 수 있는 수준이었다.
40분간 10 ~ 30kN 범위의 본딩 압력이 적용되었다. 본딩 온도와 압력이 높으므로, 본딩 척과 웨이퍼 사이의 온도 불일치에 따른 충돌로 인해 웨이퍼가 손상되는 일이 없도록 본딩 조건에 주의해야 한다. 40분의 본딩 시간은 웨이퍼 전체에 걸쳐 공정 혼합물이 형성되기에 충분한 시간이다.
본딩 강도는 Dage 4000 고급 접합 테스터를 사용한 전단 응력 테스트를 통해 평가되었다. 이 장비는 관심 표본을 밀면서 압력을 증가시키고, 파단력을 기록하는 장비이다. 이 장비는 와이어본드 강도(수 그램)를 테스트하기에 충분한 감도를 제공하는 동시에, 최대 100kg의 높은 압력도 사용할 수 있다. 미세 구조 분석을 위해 본딩 샘플을 0.05㎛ 마감 상태까지 야금 방식으로 연마했다.
본딩 면적이 극히 작으므로(미크론 이하 크기), 연마된 표면을 세척하는 데 FIB(집속 이온 빔)가 사용되었다. FIB 세척을 통해 연성 재료의 얼룩이 모두 제거되었으며, 결점 없는 실제 미세 구조를 관찰할 수 있었다. 밀봉 구조의 요소 분석에는 SEM(주사 전자현미경)내에 장착된 EDX(정량정성 분석기)가 사용되었다.
결과 및 논의
본딩 미세 구조
그림 3(a)는 그림 1(a)에 나와있는 웨이퍼 박막 적층 구조를 사용한 Al-Ge 공융 미세 구조의 FIB/SEM 이미지이다. 그림 3(b)에 금속층의 상세 두께가 나와있다. 본딩 구조에서 몇 가지 형성 단계를 관찰했다. 뚜렷한 특징은 두 가지 공정 혼합물 상이 개별 층으로 형성되었다는 점이다. EDX 분석 결과, 폴리실리콘 측에 게르마늄 상(일부 규소 포함)이 존재하며, 다른 쪽에 알루미늄이 존재함이 밝혀졌다. 이러한 형태는 일반적인 공정 혼합물 박막 구조가 아니다.
박막 상 대신 층이 형성된 것은 본딩 구조의 고유 지오메트리에 기인한다. 첫째, 게르마늄과 알루미늄의 초기 두께는 각각 0.2㎛와 1㎛였다. 공융점에서 게르마늄과 알루미늄의 체적 비율은 35:65일 것으로 예상되며, 본딩 온도 근처에서 이 비율은 30:70으로 약간 낮아진다. 이는 본딩 반응 도중 알루미늄 층이 일부만 반응하고 일부가 반응하지 않은 채로 남아있음을 의미한다.
알루미늄과 게르마늄의 반응 도중, 규소도 Al-Ge 용액 내에서 어느 정도 용해성이 있으므로(게르마늄과 규소는 동일한 결정 구조이며 완전 고용체를 형성함) 일정량의 규소(폴리실리콘) 또한 용해된다. 실제로 Al-Si 시스템의 공융점도 577℃이다.
따라서 고형화 도중 게르마늄(일부 규소 포함)은 우선적으로 폴리실리콘 쪽에 결정화된다. 마찬가지로, 알루미늄도 나머지 알루미늄 표면에 결정화된다. 또한 Si-Ge 합금 내에 알루미늄 상이 존재함도 관찰되었다. 이는 공정 혼합물 고형화 도중에 형성되었을 것이다.
한 가지 독특한 특성은 이 구조에서 공정 혼합물 박막이 발견되지 않았다는 점이다. 이번 사례에서 z 방향(본딩 두께 방향)은 불과 수 미크론이었으며, 고형화 도중 이 방향을 따라 확산이 일어났다. 따라서 짧은 물리적 크기로 인해 공정 혼합물 박막이 형성될 필요가 없으며, 단순한 층 구조의 형성이 이어졌다. 이러한 형태는 주로 동일한 지오메트리 하에서 형성되는 다른 공정 혼합물 합금에서 관찰된다.
Tsai 등은 공정 혼합 Au-Sn 합금(금 80wt% 및 주석 20wt%)에 층 구조가 존재함을 보고했다[18]. 이들은 시작 층으로 Sn/Au/Ni(Cu)을 준비했으며 화학 반응이 일어나도록 280℃로 가열했다. 그 결과, 이번 실험과 유사하게 Au5Sn 금속간 화합물과 AuSn 금속간 화합물의 두 가지 공정 혼합물 상이 두 층으로 생성되었다. 공정 혼합물 박막 상은 보고되지 않았다.
그림 3(a)에 나온 것과 같은 이러한 반응 형태에서, 양 측면(알루미늄 및 폴리실리콘)의 금속 배선이 결합 반응에 부분적으로 관여하며, 나머지 금속 배선은 반응 생성물과 강력한 화학적 결합을 이룸에 주목했다. 이는 뛰어난 기밀 밀봉을 보장하는 특성이다. 반응이 불완전하다면 기밀 밀봉의 파괴가 일어난다. 그림 4(a)는 서로 다른 시작 적층(그림 1(b) 기준)을 사용한 Al-Ge 웨이퍼 본딩의 FIB 이미지이다.
이 본딩 구조는 폴리실리콘/Al 및 Ge/SiO2로 구성되며, 금속 두께가 그림 4(b)에 나와있다. 그림에 나온 것처럼 두꺼운 알루미늄 층이 알루미늄과 규소의 혼합을 막으므로 반응에 규소가 관여하는 일은 일어나지 않는다. 게르마늄과 알루미늄만이 반응하며, Ge-Al 용융액이 SiO2에 직접 접촉한다. 하지만 SiO2와 Ge-Al 용액 사이에 화학 반응이 없으므로 이는 강력한 결합을 보장하지 못한다.
더구나, 규소와 알루미늄 사이의 결합력 또한 높지 않은 것으로 보인다. 하지만 반응 도중 규소의 관여가 활발하다면 Al/Si 접촉면이 제거되고 결합력 부족 문제 또한 해결될 수 있을 것이다.
본딩 압력 또한 본딩 온도와 마찬가지로 안정적인 기밀 본딩에 핵심적인 요소이다. 본딩 압력이 너무 낮으면 화학 반응을 완료하기에 충분한 접
촉면이 확보되지 않는다. 온도가 너무 높아지면 불균형 본딩이 일어나며 디바이스의 본딩 품질이 저하된다. 본딩 압력을 10kN에서 30kN으로 변경한 결과, 본딩 압력에 해당하는 미세 구조는 유사했다. 그림 5에 압력에 따른 본딩 두께가 나와있다.
10kN에서 20kN으로 변경할 때는 본딩 두께가 감소되었다. 이는 간단히 예측 가능한 결과였다. 하지만 30kN의 압력에서는 두께 감소가 관찰되지 않았다. 이는 압력이 본딩 압력보다 커짐으로 인해 표면장력이 증가되었음을 의미한다.
그림 6에 20kN과 30kN의 본딩 미세 구조가 나와있다. 알루미늄이 풍부한 상의 경우 전체 본딩의 두께가 동일함에도 20kN보다 30kN의 두께가 얇아졌음을 발견했다. 20kN과 30kN의 본딩 압력에서 알루미늄 층의 두께는 각각 0.08㎛와 0.3㎛였다. Xu 등은 Al-Ge 이원체 상 안정성의 압력 의존도를 연구했다. 이들에 따르면 Al-Ge 시스템에 더 높은 압력을 가하면 상태도가 변화된다.
압력이 증가하면 공정 혼합물 구성이 게르마늄이 풍부한 쪽으로 변화된다. 동시에, 압력이 높아짐에 따라 알루미늄의 융점도 높아지므로 구성과 온도에서 알루미늄의 일차상 영역이 훨씬 더 넓어진다. 따라서 냉각 도중, 알루미늄이 낮은 압력일 때보다 더 일찍 고형화 되어 더 두꺼운 알루미늄 층이 형성된다.
기계적 특성
25㎛ ~ 100㎛ 범위에서 25㎛ 단위로 네 가지 다른 밀봉 폭을 실험에 사용했다. 그림 7에 본딩 폭에 따라 전단력이 증가하는 모습이 나와있다(디자인 A에서 D까지). 밀봉이 넓을수록 본딩 면적이 커지므로 이는 당연한 결과이다.
하지만 폭이 75㎛보다 넓어지면 전단력이 포화되는 경향이 있다. 파단면 또한 폭에 따라 달라지며, 디자인 A와 B(각각 폭 25 및 50㎛)는 본딩 재료를 통과하는 전단이 일어났지만 디자인 C와 D(각각 폭 25 및 50㎛)에서는 규소 다이를 통과하는 전단이 관찰되었다. 이는 디자인 C와 D에서 예상 전단력이 정확하지 않게 됨을 의미한다.
그림 8에 디자인 A와 B에 해당하는 전단 테스트 후의 일반적인 전단면이 나와있다. 이미지는 폴리실리콘/Ge의 전단과 함께 알루미늄 상의 응력 변형을 보여주면서 본딩 층을 따르는 전단을 예시한다.
그림 9에 본딩 압력이 30 kN일 때 디자인 A와 B 사이의 전단 응력 비교가 나와있다. 전단 응력은 전단력을 본딩 면적을 나누는 방법으로 구했다. 그 결과 본딩 폭이 좁을수록(디자인 A) 전단 응력이 높아짐이 관찰되었다. 이에 따라 디자인 A의 본딩 압력이 더 높은 이유가 설명된다. 동일한 본딩 온도라면, 일반적으로 본딩 압력이 높을수록 화학 반응이 더 활발해지며, 이는 전단 강도가 더 높아진다는 점과 일맥상통한다.
결론
폴리실리콘의 존재 하에 490℃에서 10 ~ 30kN의 압력으로 Al-Ge 웨이퍼 본딩이 실행되었다. 웨이퍼 본딩 후 공정 혼합물 박막이 형성되는 대신 층 구조가 관찰되었다. 이는 본딩의 고유 지오메트리로 인한 결과이다.
규소가 반응에 활발히 참여했으며 Al-Si-Ge 삼원합금이 형성되었다. 규소의 관여는 기밀 밀봉에서 중요한 역할을 한다. 본딩 압력에 따라 본딩 두께가 감소되었다. 압력을 더 높이자 본딩 두께는 크게 변하지 않았지만 미세 구조가 약간 변화되었다. 본딩 압력과 본딩의 전단 강도 사이에는 직접적인 상관 관계가 있다.
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[16] Xu R. 외, "다양한 압력에서 고형화된 공정 및 과공정 Al-Ge 합금의 미세 구조(Microstructures of the eutectic and hypereutectic Al-Ge alloys solidified under different pressures)," Materials Letters Vol. 60 783-785, 2006
[17] D. A. Porter, K. E. Eastering, 금속 및 합금의 상 변태(Phase Transformations in Metals and Alloys) (Van Nostrand Reinhold, New York) 1981, Chap. 4.
[18] J. Y. Tsai, C. W. Chang, C. E. Ho, Y. L. Lin, C. R. Kao, "구리 및 니켈 기제에서 금-주석 공정 땜납의 미세 구조 변화(Microstructure evolution of gold-tin eutectic solder on Cu and Ni substrates)," J. Electron. Mater., vol. 35., No. 1 p.65-71 (2006).
그림 제목 목록
그림 1. 테스트 웨이퍼의 구성. 두 가지 다른 박막 적층 구성의 웨이퍼가 준비되었다. (a) 규소 캡 쪽과 (b) 규소 다이 쪽에 알루미늄 패드가 있음에 주목해야 한다.
그림 2. 테스트 칩 레이아웃 설계도. 밀봉 지오메트리는 네 가지 다른 두께(25, 50, 75, 100㎛)의 정사각형이다.
그림 3. (a) 그림 1(a)의 구조를 사용한 웨이퍼 본딩 후의 FIB/SEM 이미지. (b) 금속 두께를 보여주는 설계도.
그림 4. (a) 그림 1(b)의 구조를 사용한 웨이퍼 본딩 후의 FIB/SEM 이미지. (b) 금속 두께를 보여주는 설계도.
그림 5. 압력에 따른 본딩 층 두께.
그림 6. (a) 20kN 및 (b) 30kN의 압력으로 폴리실리콘을 사용한 Al-Ge 웨이퍼 본딩의 FIB/SEM 이미지. 두 경우에서 알루미늄 층의 두께가 다른 점에 주목해야 한다.
그림 7. 다양한 밀봉 폭 디자인과 최대 전단력 비교. 밀봉 폭에 따라 전단력이 증가된다.
그림 8. 전단력에 의해 파괴된 공정 혼합물 금속 표면의 SEM 이미지. 전단 방향에 일치하는 곧은 조직을 통해 금속의 연성을 관찰할 수 있다.
그림 9. 다양한 밀봉 폭과 전단력 비교. 밀봉 링이 좁아질수록 전단력이 강해짐을 확인할 수 있다.
그림 1 웨이퍼 제조 구조
그림 2 테스트 칩 디자인 레이아웃
그림 3 Al-Ge 공융 미세 구조의 FIB/SEM
그림 4 Al-Ge 웨이퍼 본딩의 FIB
그림 5 압력에 따른 본딩 두께
그림 6 20kN과 30kN의 본딩 미세 구조
그림 7 본딩 폭에 따라 전단력이 증가
그림 8 디자인 A와 B에 해당하는 전단 테스트 후의 일반적인 전단면
그림 9 본딩 압력이 30kN일 때 디자인 A와 B 사이의 전단 응력 비교
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