Study of Failure Mechanisms of Wafer Level Vacuum Packaging for MEMG Gyroscope Sensor

웨이퍼 레벨 진공 패키징된 MEMS 자이로스코프 센서의 파괴 인자에 관한 연구

In this study, we carry out reliability tests and investigate the failure mechanisms of the anodically bonded wafer level vacuum packaging (WLVP) MEMS gyroscope sensor. There are three failure mechanisms of WLVP: leakage, permeation and out-gassing. The leakage is caused by small dimension of the leak channel through the bonding interface and internal defects. The larger bonding width and the use of single crystalline silicon can reduce the leak rate. Silicon and glass wafer itself generates a large amount of outgassing including $H_2O$, $C_3H_5$, $CO_2$, and organic gases. Epi-poly wafer generates 10 times larger amount of outgassing than SOI wafer. The sandblasting process in the glass increases outgassing substantially. Outgassing can be minimized by pre-baking of the wafer in the vacuum oven before bonding process. An optimum pre-baking temperature of the wafers would be between $400^{\circ}C$ and $500^{\circ}C$.

본 연구에서는 웨이퍼 레벨 진공 패키징된 MEMS자이로스코프 소자의 신뢰성 시험 및 분석을 통하여 웨이퍼 레벨 진공 패키징의 파괴 메카니즘을 연구하였다. 진공 패키징의 주된 파괴 모드는 누설, 가스투과, 그리고 outgassing이다. 누설은 접합 계면이나 재질의 결함을 통하여 주로 발생되며, 접합폭을 증가시키거나 단결정 실리콘을 사용하면 누설이 감소한다. Outgassing은 실리콘 및 유리기판의 표면 및 내부에서 발생하며 주로 $H_2O$와, $CO_2$, $C_3H_5$ 및 유기 오염물질이었다. Epi-poly의 경우 SOI 웨이퍼보다 약 10배의 outgassing을 발생시킨다. 또한 유리기판을 샌드블라스트 공정을 사용하여 가공한 경우, 약 2.5배의 outgassing 양이 증가한다. Outgassing 제거를 위해서는 접합 전에 웨이퍼를 pre-baking하는 과정이 필수적이며, outgassing의 발생을 최대로 하기 위한 최적의 pre-baking조건은 실리콘과 유리 웨이퍼를 $400^{\circ}C$와 $500^{\circ}C$ 사이에서 pre-baking하는 것이다.