In this study, we investigated various photo-patternable materials for the selective adhesive wafer bonding for the encapsulation of MEMS motion sensors. Commercially available photo-patternable materials which have different base resins and photolithography mechanisms were selected. Curing behavior for each photo-patternable material was analyzed using Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy to obtain the low bonding temperature conditions with a sufficient degree of cure and wafer bonding conditions were optimized. Selective adhesive wafer bonding using the photo-patternable materials was successfully demonstrated without any critical void and defects except the phenol-based resin. Also, mechanical properties, such as bonding strength and residual stress, and reliability were evaluated in order to eventually select the promising materials which meet the requirements for the piezoresistive MEMS motion sensors. The bonded wafers were strong enough to endure the dicing process. Bonding strength was measured quantitatively by a tensile test. The epoxy-based resin showed the best result with the bonding strength up to 42.9MPa. Residual stress in the adhesive layer was evaluated using a wafer curvature measurement. The silicone-based resin showed the lowest residual stress of 3MPa with low young`s modulus. Five different reliability tests were performed to evaluate the reliability of the photo-patternable materials. The silicone-based resin showed excellent high reliability. As a result of this study, optimized processing conditions and promising materials were presented for the MEMS motion sensor wafer bonding.
근래 MEMS기술을 이용한 가속도센서와 관성센서가 자동차부품, 모바일, 디지털카메라, 네비게이션 등에 널리 사용되고있다. 이러한 MEMS모션센서는 움직이는 구조체를 포함하고 있으며, 이러한 구조체의 보호와 센서의 성능특성을 향상하기 위해 웨이퍼본딩 기술을 사용하여 밀봉되어진다.
일반적인 MEMS 웨이퍼본딩 기술에는 anodic 본딩, glass frit 본딩과 접착제를 사용한 본딩 등이 있다. 그러나 anodic 본딩과 glass frit 본딩은 고온공정과 높은 전압인가을 요구하여 센서의 특성저하 및 공정상의 제약을 야기할 수 있다. 반면, 접착제를 사용한 웨이퍼본딩은 250도 이하의 공정온도와 더불어 여러가지 장점을 가진다. 또한, UV노광공정을 통해 패턴을 형성을 할 수 있는 감광특성의 부여가 가능하여 MEMS 모션센서의 밀봉을 위한 웨이퍼 본딩에 매우 적합하다.
본 연구에서는 다양한 기본레진과 감광메카니즘을 가진 상용 재료들을 선정하여 적합성을 평가하고 공정조건을 최적화하였으며, 레진의 종류와 공정조건이 본딩특성에 미치는 영향성을 평가하였다. Epoxy레진, PHS+epoxy레진, silicone레진, acrylic 레진, phenol레진의 다섯가지 감광성 접합재료들이 선정되었다. MEMS 모션센서 웨이퍼 본딩을 위한 감광성재료는 아래의 요구사항들을 만족해야한다.
첫번째, 250도 이하의 저온 본딩이 요구된다.
두번째, 신뢰성있는 본딩과 디바이스의 보호를 위해 높은 접합강도가 요구된다.
세번째, 본딩 후 센싱 특성저하를 야기할 수 있는 잔류스트레스가 적어야 한다.
마지막으로, MEMS모션센서는 최종적으로 패키징되어 기판에 표면실장되므로, 표면실장패키지의 신뢰성레벨을 만족해야 한다.
본 연구에서는 각 재료의 FT-IR분석을 통해 경화거동과 각각의 본딩온도에 따른 경화도를 분석하여 저온본딩을 위한 최적 공정조건를 도출하였다. 이를 바탕으로 노광공정을 거쳐 밀봉을 위한 패턴을 형성하고 웨이퍼 본딩을 실시하여 접합특성을 평가 하였다. Phenol레진을 제외한 모든 재료의 본딩이 보이드와 같은 결점없이 성공적으로 수행되었다. Phenol레진의 경우는 본딩 시 보이드를 유발할 수 있는 질소가스생성을 예방하기위해 본딩전 추가경화공정을 적용하였는데, 그로 인한 패턴의 변형과 경화도증가가 미접합영역을 다수 발생시켰다. 접합강도는 본딩 온도조건별, 압력조건별로 본딩 후 인장시험을 통해 정량적으로 측정하였다. Epoxy레진이 42.9MPa의 가장 높은 접합강도를 보였다. 잔류응력은 접착제 도포전후의 웨이퍼 곡면을 측정함으로써 계산되어졌고, silicone레진의 경화이후의 잔류응력이 가장 낮았다. 이는 silicone레진의 화학구조와 낮은 모듈러스값에 기인하다. 또한 고온저장시험, 열충격시험, 항온항습시험, PCT, precondition 시험이 신뢰성을 평가하기 위해 적용되었고, 본딩된 샘플의 신뢰성 시험 후 접합강도를 측정하여 평가하였다. Epoxy레진과 acrylic레진의 경우 흡습에 매우 취약한 결과를 보였으며, 습도환경의 신뢰성 시험에서 모두 박리와 접합강도 저하를 나타내었다.
본연구을 통해 다양한 감광성 재료의 웨이퍼 본딩이 성공적으로 수행되었으며, 공정조건들이 최적화 되었다. 뿐만 아니라 접합강도와 잔류응력과 같은 기계적물성의 평가와 신뢰성특성 평가을 통해 MEMS모션 센서 웨이퍼 본딩에 적합한 재료를 선정하였다. 공정성, 기계적물성, 신뢰성 등을 고려할 때 silicone레진이 가장 적합한 재료로 예상되었다.
