Over the last a few decades, microelectromechanical system (MEMS) technology has established itself as a 21st century key technology thanks to the maturity of bulk and surface micromachining process. Nevertheless, packaging remains as a bottleneck to commercialization because most packaged MEMS devices have been developed individually in-house and their process cost and temperature is relatively high. For commercialization, MEMS require hermetic wafer-level packaging (WLP) with a low process temperature.
The main research objective in this thesis is the development on new hermetic packaging methods of MEMS devices at wafer-level scale with nanoporous materials. In chapter 3 and 4, the proposed packaging methods have advantages of simplicity, cost-effectiveness and a low thermal budget (<350 $^\circC$). A Cu sacrificial layer was etched away with a wet-etchant through the vertical nanopores of AAO and columnar Cr membrane to release the MEMS devices. Subsequent sealing is achieved through the deposition of PECVD SiNx over the membrane for vacuum packaging and BCB for $N_2$ atmospheric pressure packaging. The long-term hermeticity was monitored by measuring maximum central deflection change of the sealing membranes over 180 days. In addition, to determine the reliability of the package, the accelerated life time test was performed in a temperature and humidity chamber ($90 ^\circC$ and 92% RH) for 500 hours, and the results show that the lower bound of the 90% confidence interval of MTTF was estimated to 14.4 years under jungle condition ($35 ^\circC$ and 95% RH) and 603 years under office condition ($25 ^\circC$ and 40% RH).
In chapter 5, the encapsulated Ni Pirani gauges were successfully fabricated with the use of the nanoporous columnar thin film (Cr). The thickness of the sealing layer was carefully chosen considering the central deflection and stress in the cavity edge. The precise pressure of the packaged cavity (~0.7 Torr) and short-term (30 days) pressure changes inside the cavities were measured using the encapsulated Ni Pirani gauge with the use of the nanoporous columnar Cr thin film.
In chapter 6, the encapsulated Ni MEMS were successfully fabricated using the nanoporous columnar Cr and BCB sealing layer. A fabricated switch inside the proposed package was operated successfully, and showed an excellent electrical property. Also, we confirmed the reliability of the proposed package by means of an accelerated test using an autoclave.
The simplicity of this packaging method obviates the needs for any special material and equipment, which means that it can be widely used in the packaging of MEMS devices such as accelerometers, resonator and RF switches. In addition, low packaging process temperature is compatible with the CMOS back-end of line process.
지난 수 십 년간, 미소전자기계시스템(MEMS)는 전자기계의 소형화와 다기능성의 요구에 따라 발전해 왔고, 21세기의 핵심 기술로서 자리를 잡았다. 하지만, 이러한 눈부신 발전에도 불구하고, 3차원 구조체의 MEMS 소자의 패키징은 상업화를 가로 막는 커다란 방해 요인으로 작용하였다. 기존 IC 패키징과는 다르게, MEMS 패키징은 정형화된 방법이 존재하지 않고, 각각의 소자 특성에 따라 패키징이 됨에 따라서, 공정 가격과 온도가 매우 높았다. 따라서, MEMS의 상용화를 위해서는 저온 및 저가 공정이고, 밀폐성이 확보된 웨이퍼 레벨 패키징이 필요로 한다.
본 연구의 목적은, 나노 크기의 기공을 갖는 물질을 개발하고, 이를 이용하여 새로운 MEMS 소자의 웨이퍼 레벨 패키징를 개발하는 것이다. 3장과 4장에서는, 매우 간단하면서도 저가의 공정이 가능하고, 350 도 이하의 공정 온도를 갖는 새로운 패키징 방법을 제안한다. 본 연구에서 사용된 구리 희생층은 양극산화알루미늄과 원주 구조를 갖는 크롬 박막의 나노 크기의 수직 기공을 통하여 습식에칭 방법을 통하여 제거된다. 진공 패키징을 위해서는 PECVD를 이용하여 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 증착하고, 질소 상압패키징을 위해서는 질소 글로브박스 내에서 BCB를 코팅하고 열처리를 수행하였다. 진공 패키징된 샘플의 경우, 패키징 된 내부와 외부의 압력차이에 의한 밀폐층의 휨현상을 180일 이상 관찰하여 장기간의 밀폐성을 확인하였다. 또한, 패키징의 신뢰성 확보를 위하여, 항온항습기(온도 90도, 상대습도 92 %)를 이용한 500시간의 가속테스트를 수행한 결과, 정글 조건(온도 35도, 상대습도 95 %)에서 14년 이상과 일반 환경(온도 25도, 상대습도 40 %)에서는 600 년 이상의 수명이 예측되었다.
5장에서는 니켈로 제작된 피라니 압력 게이지를 직접 진공 패키징 함으로써, MEMS 소자의 패키징 가능성과 패키징 내부의 압력을 직접 측정하였다. 30 일동안 패키징 내부 압력( ~ 0.7 Torr)이 유지 됨을 확인 함으로써, 제안된 패키지 방법의 밀폐성을 보였다. 또한 6장에서는 BCB를 이용하여 니켈 MEMS 스위치의 상압 패키징를 수행하였고, 전기적 측정을 통하여 패키징된 스위치가 잘 작동함을 보임으로써, 상압 패키징의 가능성을 확보하였다. 마지막으로, 상압 패키징된 샘플의 가속테스트를 통하여 신뢰성 및 수명을 예측하였다.
제안된 나노 크기의 기공을 갖는 물질을 이용한 MEMS 소자의 웨이퍼 레벨 패키징 방법은 고가의 장비 및 재료가 필요하지 않는 간단한 방법으로 제작 가능하다. 뿐만 아니라, 350도 이하의 공정온도는 CMOS 공정과도 호환이 가능하다. 따라서, 가속도 센서, 공진기 및 스위치 등의 MEMS 소자에 적용 가능하며, 이러한 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 생각된다.
