KR100812087B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제 1 영역과 제 2 영역으로 패터닝 되어 형성되며 제 2 영역의 상부면이 제 1 영역의 상부면에 비하여 돌출되어 형성된 평탄화층과, 제 1 영역에 형성된 제 1 마이크로 렌즈와 제 2 영역에 형성된 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 친수성층과, 친수성층 위에 제 1 영역과 제 2 영역으로 패터닝 되어 형성되며 제 1 영역은 친수성층이 노출되도록 형성되고 제 2 영역은 친수성층이 노출되지 않도록 형성된 평탄화층과, 제 1 영역에 형성된 제 1 마이크로 렌즈와 제 2 영역에 형성된 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법은, 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분되어 패터닝 되고 제 2 영역의 상부면이 제 1 영역의 상부면에 비하여 돌출되는 평탄화층을 형성하는 단계와, 제 1 영역에 제 1 마이크로 렌즈를 형성하고 제 2 영역에 제 2 마이크로 렌즈를 형성하여 제 1 마이크로 렌즈와 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
Description
도 1은 종래 이미지 센서 제조방법에 의하여 마이크로 렌즈를 제조하는 경우에 발생되는 렌즈 브리지 현상을 나타낸 도면.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법의 다른 예를 개략적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 23... 평탄화층 13, 25... 제 1 감광성막
13a, 25a... 제 1 마이크로 렌즈 15, 27... 제 2 감광성막
15a, 27a... 제 2 마이크로 렌즈 21... 친수성층
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이, 씨모스(Complementary MOS; 이하 CMOS라 함) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이미지 센서(Image Sensor)의 성능을 좌우하는 가장 중요한 공정 중 하나로서 컬러필터 어레이(CFA:Color Filter Array)와 마이크로 렌즈(ML:Micro Lens) 형성 공정이 있다.
ML 형성 공정에서 이미지 소자의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 인접한 ML 사이 형성되는 렌즈의 갭(gap)으로, 갭이 작아질수록 소자의 광 감도가 10-15% 이상 비약적으로 향상됨은 이미 여러 연구 결과 및 시뮬레이션(simulation)에서 입증된 바 있다.
이는 ML 사이의 갭이 작을수록 (1) 집광되는 빛의 플럭스(flux) 양이 많아지며 소자의 광 다이오드 등 하단부에 전달되는 빛의 광학 효율이 높아지고, (2) 금속 배선이 픽셀(pixel) 지역 내에 배치되는 CMOS 형 소자인 경우 상층부에서 하단부까지 빛이 지나가는 경로를 피해 배열되는 금속 배선에 집광되지 않은 빛이 지나가며 산란될 확률이 낮아지기 때문이다.
종래의 대표적인 ML 형성 공정은 열 에너지에 의해 써멀 리플로우(thermal reflow)가 가능한 포토 레지스트(PR:Photo Resist) 형태의 유기 물질을 렌즈가 배 치될 위치에 리소그래피(lithography) 방법으로 패턴(pattern)을 형성한 후 열을 가해 리플로우(reflow) 시켜 구형의 곡면을 형성하고 냉각시킴으로써 렌즈를 제작한다.
이와 같은 방법으로 ML을 형성하는 경우 (1) ML 갭의 너비가 리플로우 시키기 전 포토리소그래피를 통해 형성하는 패턴의 갭에 의해 결정되므로 리소그래피 해상도 한계에 따라 최소 갭 선폭이 ~50nm 수준으로 제한되고 (2) 리플로우를 과도하게 하여 ML 갭을 ~50nm 이하로 좁힐 경우 리플로우 공정 중 인접 렌즈 끼리 서로 합쳐지며 렌즈 브리지(lens bridge)가 발생할 확률이 매우 높아진다는 점 때문에 완전한 제로 갭(zero-gap)을 형성하는 것이 사실상 불가능하게 된다.
이러한 렌즈 브리지 현상은 물리학적으로 소수성(hydrophobic)인 렌즈 형성용 PR이 인접한 렌즈와 유체 상태에서 닿을 경우 소수성 물질끼리 닿을 때 발생하는 믹싱(mixing) 현상 때문으로 유리창 위에서 두 개의 물방울이 서로 닿을 때 하나의 물방울로 합쳐지는 것과 같은 현상이다. 렌즈 형성용 PR의 경우 유체 상태에서 일정 정도의 점도를 갖기 때문에 보통의 경우 도 1에 나타낸 바와 같이 완만한 굴곡을 형성하며 렌즈 브리지를 발생시킨다.
본 발명은 마이크로 렌즈의 인접한 픽셀 간에 렌즈 브리지(lens bridge)가 발생되는 것을 방지하고 소자 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제 1 영역과 제 2 영역으로 패터닝 되어 형성되며, 상기 제 2 영역의 상부면이 상기 제 1 영역의 상부면에 비하여 돌출되어 형성된 평탄화층; 상기 제 1 영역에 형성된 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 영역에 형성된 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈; 를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 친수성층; 상기 친수성층 위에 제 1 영역과 제 2 영역으로 패터닝 되어 형성되며, 상기 제 1 영역은 상기 친수성층이 노출되도록 형성되고, 상기 제 2 영역은 상기 친수성층이 노출되지 않도록 형성된 평탄화층; 상기 제 1 영역에 형성된 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 영역에 형성된 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈; 를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서에 의하면, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 감광성막으로 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서에 의하면, 상기 평탄화층 하부에, 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물과 상기 하부구조물 위에 형성된 컬러필터 어레이를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서에 의하면, 상기 친수성층 하부에, 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물과 상기 하부구조물 위에 형성된 컬러필터 어레이를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서에 의하면, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 소수성 물질로 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서에 의하면, 상기 친수성층은 LTO(Low Temperature Oxide) 물질로 형성될 수 있으며, 하나의 예로서 TEOS 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서에 의하면, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 서로 교대로 형성되어 체커 보드(checker board) 형태로 배치된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법은, 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분되어 패터닝 되고, 상기 제 2 영역의 상부면이 상기 제 1 영역의 상부면에 비하여 돌출되는 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 제 1 영역에 제 1 마이크로 렌즈를 형성하고, 상기 제 2 영역에 제 2 마이크로 렌즈를 형성하여, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법은, 친수성층을 형성하는 단계; 상기 친수성층 위에 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분되어 패터닝 되고, 상기 제 1 영역은 상기 친수성층이 노출되고, 상기 제 2 영역은 상기 친수성층이 노출되지 않도록 하는 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 제 1 영역에 제 1 마이크로 렌즈를 형성하고, 상기 제 2 영역에 제 2 마이크로 렌즈를 형성하여, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 감광성막으로 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 상기 평탄화층 하부에, 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물을 형성하는 단계와 상기 하부구조물 위에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 상기 친수성층 하부에, 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물을 형성하는 단계와 상기 하부구조물 위에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 소수성 물질로 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 상기 친수성층은 LTO(Low Temperature Oxide) 물질로 형성될 수 있으며, 하나의 예로서 TEOS 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 서로 교대로 형성되어 체커 보드(checker board) 형태로 배치된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 마이크로 렌즈의 인접한 픽셀 간에 렌즈 브리지(lens bridge)가 발생되는 것을 방지하고 소자 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위"에 또는 "아래"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 그 의미는 각 층(막), 영역, 패드, 패턴 또는 구 조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들에 접촉되어 형성되는 경우로 해석될 수도 있으며, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패드, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 그 사이에 추가적으로 형성되는 경우로 해석될 수도 있다. 따라서, 그 의미는 발명의 기술적 사상에 의하여 판단되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 도 2에 나타낸 바와 같이 평탄화층(11)을 형성한다.
상기 평탄화층(11)은 감광성 물질로서 포토리소그래피 공정을 통하여 패턴 형성이 가능한 물질로 형성되도록 할 수 있다. 상기 평탄화층(11)은 일반적인 이미지 센서의 경우 컬러필터 어레이 상부에 형성될 수 있다. 한편 컬러필터 어레이를 구비하지 않는 이미지 센서의 경우에 상기 평탄화층(11)은 보호층 위에 형성될 수 있다.
상기 평탄화층(11)을 형성하는 물질은 가시광선 파장의 빛이 잘 투과할 수 있는 물질이어야 하므로 허수 굴절율(imaginary Refractive Index) k~0 이어야 한다. 이와 같은 평탄화층(11) 형성 공정은 컬러필터 어레이가 소자 상부에 형성되는 모자이크 방식의 이미지 센서에서 뿐만 아니라 마이크로 렌즈를 보호층 위에 컬러필터 어레이 없이 직접 형성하는 것이 가능한 특수한 구조의 이미지 센서에도 똑같이 적용될 수 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 평탄화층(11)에 대하여 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분되어 패터닝 되고, 상기 제 2 영역의 상부면이 상기 제 1 영역의 상부면에 비하여 돌출될 수 있도록 패터닝 하는 과정을 수행한다.
이는 하나의 예로서 포토 리소그래피 공정을 통하여 수행될 수 있다.
상기 패터닝되는 제 1 영역과 제 2 영역은 체커 보드(checker board) 형태로 배치된 픽셀 피치(pixel pitch) 크기의 정사각형 패턴으로 형성될 수 있다.
이어서 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 패터닝된 평탄화층(11)의 제 1 영역에는 마이크로 렌즈 형성을 위한 제 1 감광성막(13)을 형성하고, 제 2 영역에는 마이크로 렌즈 형성을 위한 제 2 감광성막(15)을 형성한다. 상기 제 1 감광성막(13)과 상기 제 2 감광성막(15)은 소수성 물질로 형성될 수 있다.
이후, 상기 결과물에 대한 써멀 리플로우(thermal reflow)와 같은 열처리를 수행하여 도 5에 나타낸 바와 같은 마이크로 렌즈를 형성한다.
즉, 상기 제 1 영역에 제 1 마이크로 렌즈(13a)를 형성하고, 상기 제 2 영역에 제 2 마이크로 렌즈(15a)를 형성함으로서, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성할 수 있게 된다.
이때, 주목할 점은 인접한 픽셀(pixel)의 마이크로 렌즈 사이 하부에 요철이 형성되어 있으므로 써멀 리플로우 공정 시에 렌즈 브리지(lens bridge)가 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다. 그리고, 상기 제 1 마이크로 렌즈(13a)와 상기 제 2 마 이크로 렌즈(15a)는 소수성 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 1 마이크로 렌즈(13a)와 상기 제 2 마이크로 렌즈(15a)는 서로 교대로 형성되어 체커 보드(checker board) 형태로 배치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로 렌즈를 제작함에 있어 마이크로 렌즈 하부 층에 감광성 재질로 이루어지는 평탄화층을 이용하여 픽셀(pixel) 주기로 반복되는 요철을 형성함으로써 써멀 리플로우 공정시에 발생하기 쉬운 렌즈 브리지(lens bridge)를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
한편 본 발명의 실시 예에 의하면, 상기 평탄화층 하부에 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물을 형성하는 단계와, 상기 하부구조물 위에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법의 다른 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 제조방법의 다른 예는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 먼저 친수성층(21)을 형성한다.
상기 친수성층(21)은 LTO(Low Temperature Oxide) 물질로 형성될 수 있다. 하나의 예로서 상기 친수성층(21)은 TEOS 물질로 형성될 수 있다.
상기 친수성층(21) 하부에, 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물을 형성하는 단계와, 상기 하부구조물 위에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이어서, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 친수성층(21) 위에 평탄화 층(23)을 형성하고, 상기 평탄화층(23)에 대하여 패터닝 공정을 수행한다.
이에 따라, 상기 평탄화층(23)은 상기 친수성층(21) 위에 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분되어 패터닝 되고, 상기 제 1 영역은 상기 친수성층(21)이 노출되고, 상기 제 2 영역은 상기 친수성층(21)이 노출되지 않도록 형성될 수 있게 된다
이어서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 친수성층(21)이 노출된 제 1 영역에는 상기 친수성층(21) 위에 마이크로 렌즈 형성을 위한 제 1 감광성막(25)을 형성하고, 상기 친수성층(21)이 노출되지 않은 상기 제 2 영역에는 마이크로 렌즈 형성을 위한 제 2 감광성막(27)을 형성한다. 상기 제 1 감광성막(25)과 상기 제 2 감광성막(27)은 소수성 물질로 형성될 수 있다.
이후, 상기 결과물에 대한 써멀 리플로우(thermal reflow)와 같은 열처리를 수행하여 도 10에 나타낸 바와 같은 마이크로 렌즈를 형성한다.
즉, 상기 제 1 영역에 제 1 마이크로 렌즈(25a)를 형성하고, 상기 제 2 영역에 제 2 마이크로 렌즈(27a)를 형성함으로서, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성할 수 있게 된다.
이때, 주목할 점은 인접한 픽셀(pixel)의 마이크로 렌즈 사이 하부에 요철이 형성되어 있으므로 써멀 리플로우 공정 시에 렌즈 브리지(lens bridge)가 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다. 그리고, 상기 제 1 마이크로 렌즈(25a)와 상기 제 2 마이크로 렌즈(27a)는 소수성 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 1 마이크로 렌즈(25a)와 상기 제 2 마이크로 렌즈(27a)는 서로 교대로 형성되어 체커 보드(checker board) 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 상기 평탄화층(23) 하부에 상기 친수성층(21)을 형성함으로써, 요철의 파인 부분은 상기 친수성층(21)의 친수성 물성을 나타내고, 돌출된 부분은 상기 평탄화층(23)의 소수성 물성을 나타내게 된다. 이에 따라 소수성 표면이 형성되어 결과적으로 마이크로 렌즈를 형성할 때에 한 픽셀(pixel) 건너 하나씩 친수성/소수성 표면이 반복되므로 보통 소수성 물질인 감광성막을 써멀 리플로우(thermal reflow) 시킬 때 하부에 형성된 요철은 리플로우(reflow) 되려는 힘을, 친수성/소수성 표면은 표면장력을 조절하므로 보다 확실하게 렌즈 브리지가 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 마이크로 렌즈의 인접한 픽셀 간에 렌즈 브리지(lens bridge)가 발생되는 것을 방지하고 소자 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
Claims (18)
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- 친수성층;상기 친수성층 위에 제 1 영역과 제 2 영역으로 패터닝 되어 형성되며, 상기 제 1 영역은 상기 친수성층이 노출되도록 형성되고, 상기 제 2 영역은 상기 친수성층이 노출되지 않도록 형성된 평탄화층;상기 제 1 영역에 형성된 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 영역에 형성된 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 감광성막으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제 2항에 있어서,상기 친수성층 하부에, 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물과 상기 하부구조물 위에 형성된 컬러필터 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 소수성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 친수성층은 LTO(Low Temperature Oxide) 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 친수성층은 TEOS 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 서로 교대로 형성되어 체커 보드(checker board) 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
- 친수성층을 형성하는 단계;상기 친수성층 위에 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분되어 패터닝 되고, 상기 제 1 영역은 상기 친수성층이 노출되고, 상기 제 2 영역은 상기 친수성층이 노출되지 않도록 하는 평탄화층을 형성하는 단계;상기 제 1 영역에 제 1 마이크로 렌즈를 형성하고, 상기 제 2 영역에 제 2 마이크로 렌즈를 형성하여, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 감광성막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 삭제
- 제 11항에 있어서,상기 친수성층 하부에, 포토 다이오드를 구비하는 하부구조물을 형성하는 단계와 상기 하부구조물 위에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 소수성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 친수성층은 LTO(Low Temperature Oxide) 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 친수성층은 TEOS 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈는 서로 교대로 형성되어 체커 보드(checker board) 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
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