KR101448296B1 - 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 적외선 윈도우를 얇게 형성하여 적외선의 투과도를 높이면서, 적외선 센서를 진공 상태로 패키징한 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)가 형성된 소자 웨이퍼(10); 붕소(Boron) 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24)를 포함하는 캡 웨이퍼(20); 상기 소자 웨이퍼(10)와 상기 캡 웨이퍼(20) 사이에 개재되는 스페이서(30); 및 상기 소자 웨이퍼(10)와 상기 캡 웨이퍼(20)를 결합시키는 결합 물질(40)을 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다. 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈은 실리콘 적외선 윈도우가 얇은 두께로 형성되어 적외선 감지 효과가 뛰어나다.
Description
본 발명은 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 적외선 윈도우를 얇게 형성하여 적외선의 투과도를 높이면서, 적외선 센서를 진공 상태로 패키징한 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 MEMS(Microelectromechanical System) 소자의 성능을 개선시키고 외부 환경으로부터 소자를 보호하기 위하여 MEMS 소자 패키징 기술이 사용된다. 특히, 관성 센서, 적외선 센서 등의 MEMS 소자는 진공에서 동작할 때 우수한 성능을 보이기 때문에 진공 패키징 기술을 적용하여 MEMS 소자가 진공 상태에 놓이도록 한다. 이때, 제작비용의 절감, 신뢰성의 향상과 동시에 수율을 높이기 위해서 웨이퍼 레벨에서 모듈을 제작하는 것이 바람직하다.
종래의 진공 패키징된 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법이 ‘특허문헌 1’에 게재되어 있다. 도 1은 종래의 진공 패키징된 적외선 센서 모듈을 도시한 것으로, 종래의 진공 패키징된 적외선 센서 모듈은 적외선 센서(1)가 형성된 소자 웨이퍼(2), 캐비티(3)가 형성된 캡 웨이퍼(4) 및 소자 웨이퍼(2)와 캡 웨이퍼(4)를 접합하는 금속솔더층(5)으로 구성되고, 소자 웨이퍼(2)와 캡 웨이퍼(4)로 둘러싸인 공간은 진공 상태로 되어 있다.
이러한 종래의 진공 패키징된 적외선 센서 모듈은 소자 웨이퍼(2)에 적외선 센서(1)를 형성시키는 공정, 캡 웨이퍼(4)를 식각하여 캐비티(3)를 형성하는 공정, 소자 웨이퍼(2)와 캡 웨이퍼(4)를 진공챔버 내에서 접합하는 공정을 통해 제작된다.
그러나 종래의 진공 패키징된 적외선 센서 모듈은 구조적, 제조방법적 한계로 인하여 적외선 센서(1)가 감지하는 적외선이 통과하는 윈도우 역할을 하는 캡 웨이퍼(4)의 두께를 얇게 만들기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 실리콘 적외선 윈도우가 얇게 형성된 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈은 실리콘 기판 상에 적외선 센서가 형성된 소자 웨이퍼; 붕소 도핑된 실리콘 적외선 윈도우를 포함하는 캡 웨이퍼; 상기 소자 웨이퍼와 상기 캡 웨이퍼 사이에 개재되는 스페이서; 및 상기 소자 웨이퍼와 상기 캡 웨이퍼를 결합시키는 결합 물질을 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 제조방법은 제1 실리콘 기판 상에 적외선 센서를 형성하여 소자 웨이퍼를 제작하는 소자 웨이퍼 제작 단계; 제2 실리콘 기판에 붕소를 주입하여 붕소 도핑된 실리콘 적외선 윈도우를 포함하는 캡 웨이퍼를 제작하는 원시 캡 웨이퍼 제작 단계; 상기 소자 웨이퍼 또는 상기 실리콘 적외선 윈도우 상에 스페이서를 폐곡선 모양으로 형성하는 스페이서 형성 단계; 진공 상태에서 상기 소자 웨이퍼와 상기 캡 웨이퍼를 결합시키는 결합 단계; 및 상기 캡 웨이퍼에서 실리콘층을 제거하는 식각 단계를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 또 다른 제조방법은 실리콘 기판 상에 적외선 센서를 형성하여 소자 웨이퍼를 제작하는 소자 웨이퍼 제작 단계; SOI 기판의 소자층에 캐비티를 형성하여 SOI 캡 웨이퍼를 제작하는 SOI 캡 웨이퍼 제작 단계; 진공 상태에서 상기 소자 웨이퍼와 상기 SOI 캡 웨이퍼를 결합시키는 결합 단계; 및 상기 SOI 캡 웨이퍼에서 실리콘 다이옥사이드층 및 실리콘 기판층을 제거하는 식각 단계를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈은 실리콘 적외선 윈도우가 얇은 두께로 형성되어 적외선 감지 효과가 뛰어나다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 제조방법은 제조과정 중에는 붕소가 주입된 실리콘 적외선 윈도우가 실리콘 기판에 일체로 형성됨으로써 실리콘 적외선 윈도우가 손상될 염려가 적고, 실리콘 적외선 윈도우가 식각 방지층 역할을 하므로 실리콘층만 제거하기가 용이하며, 제조가 끝난 뒤에는 실리콘 적외선 윈도우만 적외선 센서 모듈에 남김으로써 효율이 좋은 적외선 센서 모듈의 제작이 가능하다.
도 1은 종래의 진공 패키징된 적외선 센서 모듈의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 절단 사시도
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 소자 웨이퍼의 제작도
도 5는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈이 캡 웨이퍼의 제작도
도 6은 도 4의 소자 웨이퍼와 도 5의 캡 웨이퍼의 접합도
도 7은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 흐름도
도 8은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 또 다른 제작 방법
도 9는 SOI 기판의 단면도
도 10은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태의 흐름도
도 11은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태에 따른 적외선 센서 모듈의 제작도
도 12는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태에 따라 제작되는 적외선 센서 모듈의 절단 사시도
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 절단 사시도
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 소자 웨이퍼의 제작도
도 5는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈이 캡 웨이퍼의 제작도
도 6은 도 4의 소자 웨이퍼와 도 5의 캡 웨이퍼의 접합도
도 7은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 흐름도
도 8은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 또 다른 제작 방법
도 9는 SOI 기판의 단면도
도 10은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태의 흐름도
도 11은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태에 따른 적외선 센서 모듈의 제작도
도 12는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태에 따라 제작되는 적외선 센서 모듈의 절단 사시도
아래에서는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 도 2는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 절단 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 소자 기판의 제작과정, 도 5는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 캡 웨이퍼의 제작과정, 도 6은 소자 기판과 캡 웨이퍼의 접합과정을 도시한 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈을 설명한다.
본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈은 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)가 형성된 소자 웨이퍼(10), 붕소(Boron) 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24)를 포함하는 캡 웨이퍼(20), 소자 웨이퍼(10)와 캡 웨이퍼(20) 사이에 개재되는 스페이서(30) 및 소자 웨이퍼(10)와 캡 웨이퍼(20)를 결합시키는 결합 물질(40)로 구성된다. 본 발명에 따른 적외선 모듈은 캐비티가 형성되지 않아 플레이트 형상인 캡 웨이퍼(20)에 스페이서(30)가 증착되고, 기압 10mTorr 이하의 진공 환경에서 결합 물질(40)을 이용하여 소자 웨이퍼(10)를 캡 웨이퍼(20)의 스페이서(30)에 결합시킴으로써 적외선 센서(14)가 진공 패키징되도록 한다. 이때, 스페이서(30)가 캡 웨이퍼(20) 대신 소자 웨이퍼(10)에 형성되고, 결합 물질(40)에 의하여 캡 웨이퍼(20)가 소자 웨이퍼(10)의 스페이서(30)에 결합되도록 할 수 있다. 또는, 스페이서(30)를 별도로 형성하여, 캡 웨이퍼(20)와 스페이서(30), 소자 웨이퍼(10)와 스페이서(30)가 각각 결합 물질(40)에 의해 결합되도록 할 수도 있다. 아래에서는 스페이서(30)가 캡 웨이퍼(20)에 형성된 실시형태에 따라 각 구성요소에 대하여 상세히 설명한다.
소자 웨이퍼(10)는 일면에 적외선 센서(14)가 형성되고, 적외선 센서(14)의 주변에는 적외선 센서(14)에 필요한 회로(미도시)가 형성되어 있으며, 재질은 실리콘(Si)인 것이 바람직하다.
소자 웨이퍼(10)의 적외선 센서(14) 주변의 신호회로가 형성된 면에는 절연층(16)이 형성될 수 있으며, 소자 웨이퍼(10)를 스페이서(30)와 결합시켜 적외선 센서 모듈을 형성할 때 결합 물질(40)이 퍼져나가지 않도록 하기 위하여 소자 웨이퍼(10)에는 적외선 센서(14)를 둘러싸는 형상으로 댐층(dam layer, 18)이 더 형성될 수 있다. 댐층(18)의 재질로는 경량이면서 고강도, 고내식성인 티타늄(Ti)이 적합하다.
캡 웨이퍼(20)는 붕소가 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24)를 포함하여 구성되며, 반사방지층(26)을 더 포함할 수 있다.
이때, 실리콘 적외선 윈도우(24)의 어느 한쪽 면 또는 양쪽 면에는 반사방지층(26)이 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 효율이 좋으려면, 적외선이 가급적 적외선 센서에 많이 도달해야 하는데, 전자기파는 굴절률이 서로 다른 매질을 통과할 때 일부는 투과되고 일부는 반사되므로, 반사되는 적외선의 양을 줄여야만 적외선 센서 모듈의 전체적인 효율이 높아진다. 이러한 반사를 막기 위하여 박막형태의 반사방지층(26)을 실리콘 적외선 윈도우(24)에 형성하는데, 반사방지층(26)의 입사면에서 반사되는 적외선과 반사방지층(26)의 출사면에서 반사되는 적외선이 서로 상쇄 간섭되도록(위상이 정반대가 되도록) 반사방지층(26)의 굴절률 및 두께를 설정해야 하며, 반사방지층(26)은 복수의 서브 반사방지층이 적층된 구조일 수도 있다. 반사방지층(26) 또는 서브 반사방지층의 재질로는 이산화니켈(NiO2), 불화마그네슘(MgF2), 불화알루미늄나트륨(Na3AlO3), 산화지르코늄(ZrO2) 등이 있다.
스페이서(30)는 실리콘 적외선 윈도우(24) 또는 실리콘 적외선 윈도우(24)에 형성된 반사방지층(26)에 일정 높이로 폐곡선 형상으로 형성된다. 스페이서(30)의 재질로는 폴리실리콘(Poly-Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), 실리콘 다이옥사이드(SiO2), 실리콘 나이트라이드(SixN1 -x), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등이 있다. 스페이서(30) 위에는 금속층(32)이 적층될 수 있는데, 이는 결합 물질(40)이 금속 재질인 경우 금속층(32)에 의하여 결합 물질(40)이 스페이서(30)에 보다 쉽게 결합되기 때문이다.
결합 물질(40)은 스페이서(30)와 소자 웨이퍼(10)를 긴밀하게 결합시켜 소자 웨이퍼(10)와 캡 웨이퍼(20) 사이에 형성된 진공이 유지될 수 있도록 하는 구성요소로서, AuSn, CuSn과 같은 금속 합금, 인듐(In)과 같은 금속, 또는 에폭시(epoxy)나 폴리머(polymer) 재질일 수 있으며, 스페이서(30)와 소자 웨이퍼(10)를 결합시키는 환경이나 요구되는 결합 강도에 따라 적절히 채택될 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법을 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 흐름도이다.
본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법은 소자 웨이퍼 제작 단계(S10), 원시 캡 웨이퍼 제작 단계(S20); 스페이서 형성 단계(S30); 결합 단계(S40) 및 식각 단계(S50)로 구성된다.
소자 웨이퍼 제작 단계(S10)는 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)를 형성하고 필요한 회로를 형성하여 소자 웨이퍼(10)를 제작하는 단계로서, 일반적인 웨이퍼 레벨의 제조 공정에 따라 수행된다.
원시 캡 웨이퍼 제작 단계(S20)는 실리콘 기판(22)에 붕소를 주입하여 실리콘 적외선 윈도우(24)를 형성하여 캡 웨이퍼(20)를 제작하는 단계로서, 붕소 주입 단계(S22)를 포함하여 구성되며, 실리콘 적외선 윈도우(24)에 반사방지층(26)을 형성하는 내부 반사방지층 형성 단계(S24)를 더 포함할 수 있다.
붕소 주입 단계(S22)는 실리콘 기판(22)에 붕소를 주입하여 붕소 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24)를 형성하는 단계로서, 붕소의 주입은 붕소를 이온 상태로 만들어 고전압으로 가속시켜 실리콘 기판(22)에 주입시키는 이온 주입법(Ion implantation) 또는 고온의 전기로에 실리콘 기판(22)을 위치시킨 후 붕소가 포함된 가스를 투입하여 붕소가 실리콘 기판(22)으로 확산되도록 하는 확산법(Diffusion) 등에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명에서는 실리콘 적외선 윈도우(24)에 바로 스페이서(30)를 개재하여 캡 웨이퍼(20)와 결합시키지 않고, 실리콘 기판(22)에 붕소를 주입하여 얇은 실리콘 적외선 윈도우(24)를 형성한 후 스페이서(30)를 개재하여 캡 웨이퍼(20)와 결합시킨 후에 실리콘 기판(22)을 식각함으로써 실리콘 적외선 윈도우(24)만 남긴다. 본 발명에서 이러한 과정을 거치는 이유는 실리콘 적외선 윈도우(24)의 얇은 두께 때문에 결합 단계(S40)에서 결합이 용이하지 않기 때문에, 결합 단계(S40)에서 강도가 높은 실리콘 기판(22)을 이용하여 결합의 용이성을 확보하기 위함이다.
내부 반사방지층 형성 단계(S24)는 실리콘 적외선 윈도우(24)의 소자 웨이퍼(10)와 대향되는 면에 반사방지층(26)을 소정의 두께로 형성하는 단계이다. 반사방지층(26)의 두께는 적외선 파장 대역, 반사방지층(26)을 구성하는 물질의 굴절률에 따라 달라지는데, 반사방지층(26)의 입사면에서 반사되는 적외선과 반사방지층(26)의 출사면에서 반사되는 적외선이 서로 상쇄 간섭되도록 하는 두께로 결정된다.
스페이서 형성 단계(S30)는 소자 웨이퍼(10) 또는 실리콘 적외선 윈도우(24) 상에 스페이서(30)를 폐곡선 모양으로 형성하는 단계이다. 스페이서 형성 단계(S30)는 폴리실리콘(Poly-Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), 실리콘 다이옥사이드(SiO2), 실리콘 나이트라이드(SixN1 -x), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등의 스페이서 물질을 소자 웨이퍼(10) 또는 실리콘 적외선 윈도우(24) 상에 증착한 후 패터닝함으로써 이루어진다.
스페이서 형성 단계(S30) 이후에 스페이서(30)에 금속층(32)을 형성하는 금속층 형성 단계(S32)가 더 수행될 수 있다. 이러한 금속층(32)은 결합 물질(40)이 금속 재질인 경우 결합의 강도를 높여준다.
또한, 스페이서 형성 단계(S30)는 댐층 형성 단계(S34)를 더 포함할 수 있다. 댐층(18)은 스페이서(30)에 도포된 결합 물질(40)이 퍼져나가는 것을 방지하기 위하여 스페이서(30)와 대응되어 형성된다. 즉, 스페이서(30)가 소자 웨이퍼(10)에 형성되는 경우 댐층(18)은 캡 웨이퍼(20)에 형성되고, 스페이서(30)가 캡 웨이퍼(20)에 형성되는 경우 댐층(18)은 소자 웨이퍼(10)에 형성된다.
결합 단계(S40)는 스페이서(30) 또는 스페이서(30)에 금속층(32) 형성된 경우에는 금속층(32)에 결합 물질(40)을 도포하여, 진공 상태에서 소자 웨이퍼(10)와 캡 웨이퍼(20)를 결합시키는 단계이다. 댐층(18)이 형성된 경우에는 결합 물질(40)이 댐층(18)에 의해 퍼져나가지 않고, 주로 댐층(18) 위에 존재하게 된다.
식각 단계(S50)는 캡 웨이퍼(20)에서 실리콘 적외선 윈도우(24) 및 반사방지층(26)만 남기고 실리콘(Si)층을 제거하는 단계이다. 예를 들면, 식각 단계(S50)는 비등방성 식각 용액인 수산화칼륨(KOH), EDP(Ethylendiaminepyrocatechol) 또는 TMAH(Tetramethylammonium Hydroxide)를 이용한 습식 식각에 의해 이루어질 수 있다. 붕소가 주입된 실리콘 적외선 윈도우(24)는 비등방성 식각 용액에 의해 식각되는 속도가 실리콘(Si)에 비하여 현저하게 느려 식각 저항층으로 작용하므로, 식각 단계(S50)를 통해 실리콘만 제거함으로써 실리콘 적외선 윈도우(24)와 반사방지층(26)만 남길 수 있게 된다.
식각 단계(S50) 이후에는 실리콘 적외선 윈도우(24)에 반사방지층(26)을 형성하는 외부 반사방지층 형성 단계(S60)가 더 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 또 다른 제작 방법은 원시 캡 웨이퍼 제작 단계(S20)에서 실리콘 기판(22)을 식각하여 캐비티를 형성하고 캐비티 내면에 붕소 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24) 및 반사방지층(26)을 형성함으로써, 캡 웨이퍼(20)의 식각되지 않은 벌크 부분이 스페이서(30) 역할을 하도록 하는 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 또 다른 제작 방법을 도시한 것이다.
본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 또 다른 제작 방법은 캡 웨이퍼(20)를 식각하여 스페이서(30)를 형성하는 단계{도 8(a)}, 식각에 의해 형성된 캐비티에 붕소를 도핑하는 단계{도 8(b)}, 반사방지층(26)을 형성하는 단계{도 8(c)} 및 스페이서(30)에 금속층(32)을 형성하는 단계{도 8(d)}를 포함하여 구성되며, 도 8(e)은 도 7에 도시된 소자 웨이퍼 제작 단계(S10)에, 도 8(f)는 도 7에 도시된 결합 단계(S40)에, 도 8(g)는 도 7에 도시된 식각 단계(S50)에, 도 8(h)는 도 7에 도시된 외부 반사방지층 형성 단계(S60)와 동일하다. 도 8(g)에 도시된 식각 단계(S50)는 습식 식각에 의하여 이루어진다.
본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태는 완제품으로 판매되는 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 이용하는 것이다.
본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈은 적외선 투과를 위해 실리콘 적외선 윈도우를 얇게 형성하는 것에 특징이 있는데, 수십 ㎛의 두께로 형성된 SOI 캡 웨이퍼의 소자층(Device Layer)을 식각함으로써 균일하고 얇은 두께의 실리콘 적외선 윈도우(24)를 쉽게 형성할 수 있다.
도 9는 SOI 캡 웨이퍼의 재료인 SOI 기판의 단면도이다. 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법에 사용되는 SOI 캡 웨이퍼(50)는 수십 ㎛ 두께의 소자층(52), 수 내지 수십 ㎛ 두께의 실리콘 다이옥사이드층(54) 및 수백 ㎛ 두께의 실리콘 기판층(56)으로 구성되는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태의 흐름도, 도 11은 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태에 따른 적외선 센서 모듈의 제작도, 도 12는 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태에 따라 제작되는 적외선 센서 모듈의 절단 사시도이다.
본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 또 다른 실시형태는 소자 웨이퍼 제작 단계(S110), SOI 캡 웨이퍼 제작 단계(S120); 결합 단계(S130) 및 식각 단계(S140)로 구성된다.
소자 웨이퍼 제작 단계(S110)는 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)를 형성하고 필요한 회로를 형성하여 소자 웨이퍼(10)를 제작하는 단계이다.
SOI 캡 웨이퍼 제작 단계(S120)는 SOI 기판의 소자층(52)을 식각하여 캐비티(58)를 형성하여 SOI 캡 웨이퍼(50)를 제작하는 단계로서, 캐비티 형성 단계(S122)를 포함하여 구성되며, 캐비티(58) 내면에 반사방지층(59)을 형성하는 내부 반사방지층 형성 단계(S124)를 더 포함할 수 있다.
캐비티 형성 단계(S122)는 소자층(52)에 절연층(53)을 형성한 후 패터닝하여 마스크를 만들고, 건식 또는 습식 식각하여 이루어진다. 이때, 건식 또는 습식 식각되는 깊이가 과도하여 실리콘 다이옥사이드층(54)까지 식각되지 않도록 식각 시간을 잘 조절해야 한다. 식각 후에 남은 소자층(52)이 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈의 적외선 윈도우가 된다.
내부 반사방지층 형성 단계(S124)는 캐비티(58)의 내면, 즉 식각 후 남은 소자층(52)에 반사방지층(59)을 소정의 두께로 형성하는 단계이다. 반사방지층(59)의 두께는 반사방지층(59)의 입사면에서 반사되는 적외선과 반사방지층(59)의 출사면에서 반사되는 적외선이 서로 상쇄 간섭되도록 하는 두께로 결정된다.
결합 단계(S130)는 진공 상태에서 소자 웨이퍼(10)와 SOI 캡 웨이퍼(50)를 결합시키는 단계이다. 이때, 소자 웨이퍼(10) 및 SOI 캡 웨이퍼(50) 중 어느 하나 이상에 댐층(18)이 형성될 수 있으며, 이러한 경우에는 결합 물질(40)이 댐층(18)에 의해 퍼져나가지 않고, 주로 댐층(18) 위에 존재하게 된다. 만약 결합 물질(40)이 금속 재질인 경우에는 결합 강도를 높이기 위하여 댐층(18) 상에 적합한 재질의 금속층(32)이 형성될 수 있다.
식각 단계(S140)는 SOI 캡 웨이퍼(50)에서 실리콘 다이옥사이드층(54) 및 실리콘 기판층(56)을 제거하는 단계로서, 실리콘 기판층 제거 단계(S142) 및 실리콘 다이옥사이드층 제거 단계(S144)로 구성된다. 실리콘 기판층 제거 단계(S142)는 일반적으로 알려진 건식 식각법으로, 실리콘 다이옥사이드층 제거 단계(S144)는 불화수소(HF)를 이용한 건식 식각법으로 수행될 수 있다. 식각 단계(S140)가 종료되면 얇은 두께의 소자층(52)만 남게 되며, 이후 소자층(52)에 반사방지층(26)을 형성하는 외부 반사방지층 형성 단계(S150)가 더 수행될 수 있다.
지금까지 단일 적외선 센서 모듈의 경우로 설명하였으나, 본 발명에 따른 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법은 적외선 센서가 640×480 초점면 배열과 같이 어레이 형태로 배열된 경우에도 적용 가능하다.
10 소자 웨이퍼 12, 22 실리콘 기판
14 적외선 센서 16 절연층
18 댐층 20 캡 웨이퍼
24 실리콘 적외선 윈도우 26, 59 반사방지층
30 스페이서 32 금속층
40 결합 물질 50 SOI 캡 웨이퍼
52 소자층 54 실리콘 다이옥사이드층
56 실리콘 기판층 58 캐비티
14 적외선 센서 16 절연층
18 댐층 20 캡 웨이퍼
24 실리콘 적외선 윈도우 26, 59 반사방지층
30 스페이서 32 금속층
40 결합 물질 50 SOI 캡 웨이퍼
52 소자층 54 실리콘 다이옥사이드층
56 실리콘 기판층 58 캐비티
Claims (15)
- 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)가 형성된 소자 웨이퍼(10);
붕소 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24)를 포함하는 캡 웨이퍼(20);
상기 소자 웨이퍼(10)와 상기 캡 웨이퍼(20) 사이에 개재되는 스페이서(30) 및
상기 소자 웨이퍼(10)와 상기 캡 웨이퍼(20)를 결합시키는 결합 물질(40)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈.
- 청구항 1에 있어서,
상기 소자 웨이퍼(10)에는 상기 적외선 센서(14)를 둘러싸는 형상으로 댐층(18)이 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈.
- 청구항 1에 있어서,
상기 캡 웨이퍼(20)는 상기 실리콘 적외선 윈도우(24)의 어느 한쪽 면 또는 양쪽 면에 형성되는 반사방지층(26)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스페이서(30)는 상기 붕소 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24)에 일정 높이로 폐곡선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스페이서(30) 위에 금속층(32)이 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 적외선 윈도우를 구비하는 적외선 센서 모듈.
- 제1 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)를 형성하여 소자 웨이퍼(10)를 제작하는 소자 웨이퍼 제작 단계(S10);
제2 실리콘 기판(22)에 붕소를 주입하여 붕소 도핑된 실리콘 적외선 윈도우(24)를 포함하는 캡 웨이퍼(20)를 제작하는 원시 캡 웨이퍼 제작 단계(S20);
상기 소자 웨이퍼(10) 또는 상기 실리콘 적외선 윈도우(24) 상에 스페이서(30)를 폐곡선 모양으로 형성하는 스페이서 형성 단계(S30);
진공 상태에서 상기 소자 웨이퍼(10)와 상기 캡 웨이퍼(20)를 결합시키는 결합 단계(S40) 및
상기 캡 웨이퍼(20)에서 실리콘층을 제거하는 식각 단계(S50)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 원시 캡 웨이퍼 제작 단계(S20)는 상기 실리콘 적외선 윈도우(24)에 반사방지층(26)을 형성하는 내부 반사방지층 형성 단계(S24)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 스페이서 형성 단계(S30)는 상기 스페이서(30)에 금속층(32)을 형성하는 금속층 형성 단계(S32)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 스페이서 형성 단계(S30)는 상기 스페이서(30)가 형성되지 않은 웨이퍼(10, 20)에 댐층(18)을 형성하는 댐층 형성 단계(S34)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 식각 단계(S50) 이후에 상기 실리콘 적외선 윈도우(24)에 반사방지층(26)을 형성하는 외부 반사방지층 형성 단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 식각 단계(S50)는 수산화칼륨, EDP 또는 TMAH 중 어느 하나를 이용한 습식 식각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
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