KR101068042B1 - Micro infrared sensor for human detection and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
초소형화된 인체 감지용 적외선 센서 및 그의 제조방법이 개시된다.Disclosed is a miniaturized human infrared sensor and a method of manufacturing the same.
본 발명에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서는,The ultra-small human body infrared sensor according to the present invention,
시모스(CMOS) 공정을 통해 신호처리부가 집적된 하부기판; 상기 하부기판 상에 형성되고 상기 신호처리부와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 적외선 감지소자; 일면에 캐비티(cavity)가 형성되고 상기 적외선 감지소자가 상기 캐비티 내에 포함되도록 상기 하부기판 상에 웨이퍼 레벨에서 접합된 상부기판; 상기 상부기판의 적어도 일면에 형성된 적외선 필터; 상기 캐비티 내에 형성되어 상기 접합시 방출되는 가스를 흡수하는 게터; 상기 상부기판 및 하부기판을 접합하기 위한 금속솔더층; 및 상기 하부기판 상에 형성되어 상기 신호처리부를 외부 전극과 전기적으로 연결하기 위한 전극패드; 를 포함하고, A lower substrate in which a signal processing unit is integrated through a CMOS process; At least one infrared sensing element formed on the lower substrate and electrically connected to the signal processor; An upper substrate having a cavity formed on one surface thereof and bonded at a wafer level on the lower substrate such that the infrared sensing element is included in the cavity; An infrared filter formed on at least one surface of the upper substrate; A getter formed in the cavity to absorb the gas released during the bonding; A metal solder layer for bonding the upper substrate and the lower substrate; An electrode pad formed on the lower substrate to electrically connect the signal processor with an external electrode; Including,
이때, 상기 접합된 상부기판 및 하부기판의 내부는 진공상태인 것을 특징으로 한다.At this time, the inside of the bonded upper substrate and the lower substrate is characterized in that the vacuum state.
적외선 센서, 캐비티, 웨이퍼 레벨, 진공 패키지 Infrared sensor, cavity, wafer level, vacuum package
Description
본 발명은 인체 감지용 적외선 센서에 관한 것으로서, 특히 적외선 감지소자와 신호처리부를 모놀리식(monolithic)하게 형성한 소자 웨이퍼와, 적외선 필터가 형성된 캡 웨이퍼를 웨이퍼 레벨에서 진공상태로 패키징하여 단일 칩(SoC:System on a Chip)으로 형성함으로써 전체 칩 사이즈를 획기적으로 줄인 초소형 인체 감지용 적외선 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared sensor for detecting a human body, and in particular, a device chip in which an infrared sensing element and a signal processing unit are formed monolithically, and a cap wafer on which an infrared filter is formed is packaged in a vacuum at a wafer level to provide a single chip. The present invention relates to an ultra-small infrared sensor for detecting a human body and a method of manufacturing the same, which are dramatically reduced in overall chip size by forming a (SoC: System on a Chip).
적외선은 파장이 가시광선보다 긴 전자파의 일종으로서 사람을 포함한 모든 자연계에 존재하는 물체에서 방사된다. 물체의 온도가 높을수록 방사되는 에너지의 최대 피크 파장이 짧아지고 온도가 낮을수록 방사되는 에너지의 최대 피크 파장이 길어진다. 예컨대, 온도가 높은 태양은 가시광선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사하며, 사람은 적외선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사한다.Infrared radiation is a type of electromagnetic wave whose wavelength is longer than visible light, and is emitted from objects in all natural systems including humans. The higher the temperature of the object, the shorter the maximum peak wavelength of the radiated energy, and the lower the temperature, the longer the maximum peak wavelength of the radiated energy. For example, the sun at high temperatures emits energy at the maximum peak wavelength in the visible region, and humans emit energy at the maximum peak wavelength in the infrared region.
적외선 센서는 물체가 방사하는 적외선을 감지하고 그 적외선이 갖는 열에너지의 크기를 이용하여 물체의 유무 또는 물체까지의 거리 등을 측정하는 센서이다. 이러한 적외선 센서는 다양한 분야에 응용되고 있다. 예컨대 자동문에서 사람의 유무를 감지하여 문을 자동으로 개폐하거나 조명등을 자동으로 온/오프할 수 있고, 한밤중에 건물 내에 외부인의 침입을 확인하는 보안장치나 인체의 유무 및 위치를 감지하여 풍향과 풍속을 조절하도록 하는 에어컨디셔너 등에 응용될 수 있다.An infrared sensor is a sensor that detects infrared rays emitted by an object and measures the presence or absence of an object or a distance to the object using the magnitude of thermal energy of the infrared ray. Such infrared sensors are applied to various fields. For example, the automatic door can detect the presence of a person to automatically open or close the door or automatically turn on / off the lights, and the security device to check the intrusion of outsiders in the building or the presence and location of the human body in the middle of the night to detect the wind direction and wind speed. It can be applied to air conditioners and the like to adjust the.
한편, 1992년 미국에서 시작된 에너지 스타 프로그램은 컴퓨터 및 모니터의 라벨링을 시작으로 다양한 제품으로 확대되고 있다. 이러한 에너지 스타 프로그램은 전자제품의 에너지 효율을 개선시키고, 대기 소비전력을 감소시켜 전체 에너지 소비를 효율적으로 관리하는 프로그램이다. 이에 각 기업들은 에너지 스타 프로그램의 권고 기준에 맞게 에너지 효율이 높고 친환경적인 제품을 개발함으로써 그린 테크놀로지(Green Technology)를 실현하기 위해 노력하고 있다.The Energy Star program, launched in the United States in 1992, has expanded into a variety of products, starting with the labeling of computers and monitors. The Energy Star program improves the energy efficiency of electronic products and reduces the standby power consumption to efficiently manage the overall energy consumption. Each company is working to realize Green Technology by developing energy-efficient and eco-friendly products that meet the recommendations of the Energy Star program.
에너지 절약을 위한 노력 중의 하나로 인체 감지용 적외선 센서를 응용하는 기술을 들 수 있다. 인체 감지용 적외선 센서를 사용하여 인체의 유무에 따라 사용 전력의 양을 조절함으로써 낭비되는 에너지를 최소화하고 전체 에너지 효율을 높이고 있다. 이러한 인체 감지용 적외선 센서를 제품에 응용하여 소비 에너지를 효율적으로 관리하는 기술은 배터리를 이용하는 휴대폰, 개인정보기기(PDA), 휴대폰 등의 제품에서는 더욱 필요하다. 특히, 휴대폰처럼 소형화되는 제품에 응용하기 위해 서는 센서의 크기가 매우 작아야 한다. One of the efforts to save energy is the application of infrared sensors for human body detection. By using infrared sensor for detecting the human body, the amount of power used is adjusted according to the presence or absence of the human body to minimize the wasted energy and increase the overall energy efficiency. The technology to efficiently manage the energy consumption by applying the infrared sensor for detecting the human body to the product is more necessary in products such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), and mobile phones using batteries. In particular, the sensor size must be very small in order to be applied to the miniaturized products such as mobile phones.
종래에 이러한 적외선 센서에 통상적으로 사용되는 적외선 감지소자로는 파이로일렉트릭(pyroelectric), 써모파일(thermopile), 볼로메터(bolometer) 등의 열 흡수형 감지소자가 있다. 이들 적외선 감지소자들 중 성능이 가장 뛰어나고 제작이 쉬우며 부피가 작은 것이 볼로메터(bolometer)이다. 이러한 볼로메터는 인체에서 방사되는 적외선을 흡수할 때 그로 인한 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 측정하여 적외선을 검출한다. 다른 감지소자들은 107~108 ㎝㎐1/2W-1 정도의 낮은 적외선 감지도를 나타내는 반면에, 볼로메터의 적외선 감지도는 108~109 ㎝㎐1/2W-1 정도이다. 볼로메터 물질은 높은 TCR(Temperature Coefficient of Resistance)값, 낮은 소자저항, IC 공정과의 연계성 등이 요구된다. Conventionally, infrared sensing elements commonly used in such infrared sensors include heat absorbing sensing elements such as pyroelectric, thermopile, and bolometer. Among these infrared sensors, the bolometer is the most powerful, easy to manufacture and small in volume. When the bolometer absorbs infrared rays emitted from the human body, the infrared rays are detected by measuring the change in electrical resistance due to the temperature rise. Other sensing devices exhibit low infrared sensitivity of 10 7 to 10 8 cm 1/2 W -1 , while infrared sensitivity of the bolometer is 10 8 to 10 9 cm㎐ 1/2 W -1 . . Volometer materials require high TCR (Temperature Coefficient of Resistance) values, low device resistance, and connectivity to IC processes.
도 1은 종래의 볼로메터형 적외선 센서의 제조과정을 보이는 개략도이다.1 is a schematic view showing a manufacturing process of a conventional bolometer-type infrared sensor.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 볼로메터를 이용한 적외선 센서(10)는 적외선 감지소자가 집적된 소자 웨이퍼(11)를 칩(chip)(12)별로 다이싱한다. 다이싱된 각각의 칩(12)은 기판(12a)과, 기판(12a) 상에 형성된 적외선 감지부(12b) 및 신호전극(12c)을 포함한다. 이러한 칩(12)을 지지다리(13)가 형성된 지지부(14)에 탑재한 후 신호전극(12c)을 외부전극과 연결하기 위하여 와이어 본딩한다(15). As shown in FIG. 1, an
이후에 내부가 진공상태인 진공챔버(16) 내에서 상부면에 적외선 필터(18)가 형성된 캡(17)을 지지부(14)에 접합(bonding)함으로써 적외선 센서의 진공 패키징이 완료된다. 이와 같이, 적외선 센서의 패키지 내부를 진공처리함으로써 패키지 내부의 열손실을 최소화하여 적외선 감지부의 성능저하를 방지하도록 한다. 이로써 외부로부터 적외선이 적외선 필터(18)를 통해 입사되면 칩(12)에 형성된 볼로메터형 적외선 감지소자에서 이를 흡수하고, 외부의 PCB 등에 연결되어 적외선 흡수에 따른 저항변화를 통해 적외선 센서로서 인체의 유무를 판단할 수 있게 된다. Subsequently, the vacuum packaging of the infrared sensor is completed by bonding the
그런데, 이러한 종래의 적외선 센서(10)는 적외선 감지소자가 웨이퍼(11)에서 칩(12)으로 제작되어 다이싱을 통해 개별 칩(12)으로 분리한 후 진공챔버(16) 내에서 개별적으로 패키징한다. 이때, 진공 패키징 공정은 적외선 센서(10)의 성능유지를 위해 필요한 공정이지만, MEMS 소자의 전체 비용 중 상당 부분을 차지할 정도로 많은 비용이 요구되는 문제점이 있다. 또한, 진공챔버(16) 내에서 캡(17) 접합시 열에 의한 가스 발생이 불가피하고 이로 인해 패키지 내부의 진공도가 높아지는 문제점이 있다. 이와 같이 발생된 가스를 제거하기 위해 진공펌프를 사용하지만 이러한 진공펌프는 고가이므로 제조비용의 증가를 초래하는 문제점을 안고 있다. 나아가, 진공 패키지 제작시 내부가 진공상태를 유지할 수 있는 캡 형태를 제작하기 위해서는 상용화된 금형을 사용하지 못하고 별도의 금형을 제작해야 하는 번거로움이 있다.However, in the conventional
또한, 이러한 종래의 적외선 센서에 사용되는 지지부(14) 및 캡(17)은 그 자 체가 차지하는 크기로 인해 적외선 센서를 소형화하는데 상당한 걸림돌이 된다. 특히 이러한 적외선 센서를 소형 제품, 예컨대 휴대폰, 개인정보통신장치(PDA), MP3 플레이어, 노트북 등과 같은 소형 휴대용 제품에 적용함에 있어 그 사용이 제한되어 제품의 소형화에 한계가 있다는 문제점이 있다. 이에 더하여, 캡 형태의 패키지로 구현되는 적외선 센서는 캡의 진공 패키징을 위해 부수적인 장치가 필요하고 각각의 개별 칩마다 진공 패키징을 수행해야 하므로 센서의 일괄제작이 불가능하다는 단점이 있다.In addition, the
따라서, 해당 기술분야에서는 적외선 센서를 저비용으로 대량으로 일괄 생산할 수 있으며, 특히 적외선 센서의 크기를 초소형으로 제조할 있는 기술의 개발이 요구되어 오고 있다.Therefore, in the technical field, it is possible to mass-produce an infrared sensor at a low cost in a large quantity, and in particular, the development of a technology for manufacturing the size of the infrared sensor in a very small size has been required.
본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)을 통해 적외선 센서를 진공 패키징함으로써 초소형화된 인체 감지용 적외선 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an ultra-miniature infrared sensor for detecting a human body and a method of manufacturing the same by vacuum packaging an infrared sensor through wafer level packaging (WLP).
또한, 본 발명은 적외선 센서의 패키지 내부를 신뢰성 있는 고진공도로 구현하여 고감도의 성능을 갖는 초소형 인체 감지용 적외선 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide an ultra-small infrared sensor for detecting a human body and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 적외선 센서의 패키징 과정에서 소자의 깨짐이 없어 수율이 높고 대량으로 일괄 제작이 가능하며, 제작단가를 낮출 수 있는 초소형 인체 감지용 적외선 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention is to provide an ultra-compact infrared sensor for detecting the human body and a method of manufacturing the same that can be produced in a high yield and a large amount of batch production without the breakage of the device in the packaging process of the infrared sensor, and lowering the manufacturing cost. have.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,
시모스(CMOS) 공정을 통해 신호처리부가 집적된 하부기판;A lower substrate in which a signal processing unit is integrated through a CMOS process;
상기 하부기판 상에 형성되고 상기 신호처리부와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 적외선 감지소자;At least one infrared sensing element formed on the lower substrate and electrically connected to the signal processor;
일면에 캐비티(cavity)가 형성되고 상기 적외선 감지소자가 상기 캐비티 내에 포함되도록 상기 하부기판 상에 웨이퍼 레벨에서 접합된 상부기판;An upper substrate having a cavity formed on one surface thereof and bonded at a wafer level on the lower substrate such that the infrared sensing element is included in the cavity;
상기 상부기판의 적어도 일면에 형성된 적외선 필터;An infrared filter formed on at least one surface of the upper substrate;
상기 캐비티 내에 형성되어 상기 접합시 방출되는 가스를 흡수하는 게터;A getter formed in the cavity to absorb the gas released during the bonding;
상기 상부기판 및 하부기판을 접합하기 위한 금속솔더층; 및A metal solder layer for bonding the upper substrate and the lower substrate; And
상기 하부기판 상에 형성되어 상기 신호처리부를 외부 전극과 전기적으로 연결하기 위한 전극패드; 를 포함하고,An electrode pad formed on the lower substrate to electrically connect the signal processor with an external electrode; Including,
상기 접합된 상부기판 및 하부기판의 내부는 진공상태인 것을 특징으로 하는 초소형 인체 감지용 적외선 센서에 관한 것이다.The inside of the bonded upper substrate and the lower substrate relates to an ultra-small human body sensing infrared sensor, characterized in that the vacuum state.
본 발명에서, 상기 각 적외선 감지소자는, In the present invention, each of the infrared sensing element,
상기 하부기판 상에 형성된 반사층; 상기 반사층 상부의 공간상에 형성된 감지층; 상기 감지층을 받치도록 상기 감지층 하면에 형성된 지지층; 상기 감지층 상면에 형성된 보호층; 및 상기 감지층이 상기 공간상에 부양된 구조를 갖도록 상기 감지층을 지지하는 지지부; 를 포함하는 것이 바람직하다.A reflective layer formed on the lower substrate; A sensing layer formed on a space above the reflective layer; A support layer formed on a lower surface of the sensing layer to support the sensing layer; A protective layer formed on an upper surface of the sensing layer; And a support for supporting the sensing layer such that the sensing layer has a structure supported on the space. It is preferable to include.
이때, 상기 본 발명의 적외선 센서는 가로 및 세로의 길이가 각각 0.5~2.0mm의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다. At this time, the infrared sensor of the present invention is characterized in that the length of the horizontal and vertical has a range of 0.5 ~ 2.0mm respectively.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,In addition, the present invention for achieving the above object,
소자 웨이퍼 및 캡 웨이퍼를 각각 마련하는 공정;Providing a device wafer and a cap wafer, respectively;
상기 소자 웨이퍼 및 캡 웨이퍼를 진공 분위기에서 웨이퍼 레벨에서 접합하여 패키지를 형성하는 공정; 및Bonding the device wafer and the cap wafer at a wafer level in a vacuum atmosphere to form a package; And
상기 패키지를 개별 칩으로 다이싱하는 공정; 을 포함하고Dicing the package into individual chips; Including
상기 소자 웨이퍼를 마련하는 공정은,The process of preparing the device wafer,
시모스(CMOS) 공정을 통해 소정의 신호처리부를 하부기판에 집적하는 공정;Integrating a predetermined signal processor on the lower substrate through a CMOS process;
상기 하부기판의 양단부에 상기 신호처리부와 전기적으로 연결된 전극패드를 형성하는 공정;Forming electrode pads electrically connected to the signal processor at both ends of the lower substrate;
상기 하부기판상에 상기 신호처리부와 모놀리식(monolithic)하게 SoC(System on a Chip)으로 인체 감지를 위한 적어도 하나의 적외선 소자를 형성하는 공정; 및Forming at least one infrared element for sensing a human body using a system on a chip (SoC) monolithically with the signal processor on the lower substrate; And
상기 하부기판의 소정 위치에 금속솔더층을 형성하는 공정; 을 포함하고,Forming a metal solder layer at a predetermined position of the lower substrate; Including,
상기 캡 웨이퍼를 마련하는 공정은,The process of preparing the cap wafer,
일면에 캐비티(cavity)가 형성된 상부기판을 마련하는 공정;Providing an upper substrate having a cavity formed on one surface thereof;
상기 상부기판의 적어도 일면에 적외선 필터를 형성하는 공정;Forming an infrared filter on at least one surface of the upper substrate;
상기 캐비티가 형성된 상부기판의 내면에 게터를 형성하는 공정; 및Forming a getter on an inner surface of the upper substrate on which the cavity is formed; And
상기 상부기판의 소정 위치에 금속솔더층을 형성하는 공정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 제조방법에 관한 것이다.Forming a metal solder layer at a predetermined position of the upper substrate; It relates to a method of manufacturing an ultra-small human body detection infrared sensor comprising a.
본 발명에서, 상기 적외선 감지소자를 형성하는 공정은,In the present invention, the process of forming the infrared sensing element,
상기 하부기판 상의 적어도 하나의 위치에 반사층을 형성하는 공정; 상기 반사층을 포함하도록 상기 하부기판 상에 희생층을 형성하는 공정; 상기 반사층의 양측에 상기 신호처리부의 일부가 개방되도록 상기 희생층 및 하부기판을 제거한 후 상기 신호처리부와 연결되도록 지지부를 형성하는 공정; 상기 지지부 및 희생층 상 에 지지층을 형성하는 공정; 상기 반사층이 형성된 위치의 지지층 상에 상기 지지부와 연결되도록 감지층을 형성하는 공정; 상기 감지층 상에 보호층을 형성하는 공정; 상기 전극패드가 개방되도록 상기 희생층을 제거하는 공정; 및 상기 감지층이 상기 반사층 상부의 공간에서 상기 지지부에 의해 부양된 구조를 갖도록 상기 희생층을 제거하는 공정; 을 포함하는 것이 바람직하다.Forming a reflective layer at at least one position on the lower substrate; Forming a sacrificial layer on the lower substrate to include the reflective layer; Removing the sacrificial layer and the lower substrate so that a part of the signal processor is opened on both sides of the reflective layer, and then forming a support part to be connected to the signal processor; Forming a support layer on the support and the sacrificial layer; Forming a sensing layer on the support layer at a position where the reflective layer is formed to be connected to the support part; Forming a protective layer on the sensing layer; Removing the sacrificial layer to open the electrode pad; And removing the sacrificial layer so that the sensing layer has a structure supported by the support in the space above the reflective layer. It is preferable to include.
본 발명에서는 시모스(CMOS) 공정으로 신호처리회로가 집적된 소자 웨이퍼와 모놀리식(monolithic)하게 멤스(MEMS) 기술로 제작된 적외선 감지부를 SoC(System on a Chip)으로 구현하고, 양면에 적외선 필터가 형성된 캡 웨이퍼를 그 소자 웨이퍼와 웨이퍼 레벨에서 진공상태에서 접합하여 패키징함으로써 전체 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 초소형 적외선 센서를 구현할 수 있다.In the present invention, a device wafer in which a signal processing circuit is integrated in a CMOS process and an infrared sensing unit made of MEMS technology in a monolithic manner are implemented using a system on a chip (SoC), and infrared rays on both sides The capped wafer formed with a filter is bonded and packaged in a vacuum at the device wafer and wafer level to realize an ultra-small infrared sensor that can significantly reduce the overall size.
또한, 본 발명에서는 인체 감지용 적외선 센서가 초소형으로 구현됨으로써 소비전력을 저감할 수 있고 이를 효율적으로 관리할 수 있다.In addition, in the present invention, since the infrared sensor for detecting a human body is implemented in a very small size, power consumption may be reduced and it may be efficiently managed.
또한, 본 발명의 인체 감지용 적외선 센서가 초소형이므로 센서가 차지하는 공간이 매우 미미하여 휴대폰, 노트북 등과 같이 내부 공간이 한정된 소형 제품에 그 활용도가 매우 크다는 장점이 있다.In addition, since the infrared sensor for detecting a human body of the present invention is very small, the space occupied by the sensor is very insignificant, and thus its utilization is very large in small products having limited internal space such as mobile phones and laptops.
또한, 본 발명에 따르면, 인체를 감지하는 적외선 감지소자와, 그 적외선 감지소자의 구동회로를 단일 칩(SoC)에 집적화함으로써 칩의 크기를 혁신적으로 줄일 수 있고 이들 구성이 하나의 웨이퍼 상에서 모놀리식(monolithic)하게 제작되기 때 문에 칩의 생산단가와 제작 시간을 현저히 줄일 수 있다.In addition, according to the present invention, by integrating an infrared sensing element for detecting a human body and a driving circuit of the infrared sensing element into a single chip (SoC), the size of the chip can be innovatively reduced and these configurations are monolithic on a single wafer. Due to the monolithic fabrication, the production cost and manufacturing time of chips can be significantly reduced.
또한, 본 발명에 따르면 웨이퍼 레벨에서의 진공 패키징을 통해 진공 상태에서 본딩하기 때문에 적외선 감지소자의 열손실이 적어 고감도의 적외선 센서를 구현할 수 있다. In addition, according to the present invention, since the vacuum bonding at the wafer level bonds in a vacuum state, a heat sensitivity of the infrared sensing element is low, and thus a high sensitivity infrared sensor can be realized.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인체 감지용 적외선 센서를 개략적으로 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view schematically showing an infrared sensor for detecting a human body according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 인체 감지용 적외선 센서(100)는 크게 소자 웨이퍼(110)와 캡 웨이퍼(120)를 포함하여 구성된다. 즉, 소자 웨이퍼(110)와 캡 웨이퍼(120)가 웨이퍼 레벨에서 진공 분위기에서 서로 접합되어 개별 적외선 센서(100) 패키지를 구성하게 된다.As shown in FIG. 2, the
이러한 소자 웨이퍼(110)는 신호처리부(미도시)가 집적된 하부기판(111)의 상부에 형성된 적어도 하나의 적외선 감지소자(113), 지지부(115) 및 전극층(117)을 포함한다. 이러한 적외선 감지소자(113)는 적외선을 감지하는 역할을 하고, 지지부(115)는 각 적외선 감지소자(113)가 하부기판(111)의 상부 공간에 부양된 구조를 갖도록 지지하는 역할을 함과 동시에, 각 적외선 감지소자(113)에서의 적외선 감지신호를 신호처리부로 전달하는 역할을 한다. 또한, 신호처리부는 적외선 감지 소자(113)에서의 감지신호를 소정의 절차에 따라 신호처리하여 인체의 유무를 감지토록 한다. 바람직하게는 적외선 감지소자(113)는 M×N으로 배열된다. 여기서, M,N은 1 이상의 정수이다. 또한, 소자 웨이퍼(110)에 접합되는 상부의 캡 웨이퍼(120)는 일면에 캐비티(cavity)(123)가 형성되고 적어도 일면에 적외선 필터(125)가 형성된 상부기판(121)을 포함한다.The
도면에서 전극(115)은 일례로서 외부의 전극과 와이어 본딩을 통해 연결될 수 있도록 외부로 개방되어 있으나, 다른 예에서는 전극(115)이 하부기판(111)에 형성된 관통홀(미도시)을 통해 그 하부로 연결될 수도 있다.In the drawing, the
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 감지용 적외선 센서의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of an infrared sensor for detecting a human body according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적외선 센서(200)는 크게 소자 웨이퍼(210)와 캡 웨이퍼(220)로 구성된다. 도면에 도시된 바와 같이 하부의 소자 웨이퍼(210)와 상부의 캡 웨이퍼(220)를 웨이퍼 레벨에서 접합(bonding)하여 패키징함으로써 적외선 감지소자(200)를 구현하게 된다. 이때, 적외선 감지소자의 웨이퍼 레벨 패키징은 진공 분위기에서 이루어진다. 따라서, 적외선 감지소자 패키지의 내부는 진공 상태로 되어 있다. As shown in FIG. 3, the
본 발명에 따른 소자 웨이퍼(210)는 신호처리부(212)가 소정의 회로패턴으로 집적된 하부기판(211), 하부기판(211) 상에 형성된 적외선 감지소자(213), 외부의 신호전극(미도시)과 연결된 전극패드(214)를 포함하여 구성된다. 하부기판(211)은 실리콘 기판을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 신호처리부(212)는 바람직하게는 공지의 반도체 기술인 시모스(CMOS:Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정을 통해 하부기판(211)에 집적된다. 또한, 적외선 감지소자(213)는 신호처리부(212)가 집적된 하부기판(211)과 모놀리식(monolithic)하게 멤스(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems) 기술로 제작된다. 여기서, 신호처리부(212)와 적외선 감지소자(213)는 하부기판(211)에서 SoC(System on a Chip)으로 구현됨에 특징이 있다. The
적외선 감지소자(213)는 하부기판(211) 상에 형성된 반사층(215)과, 이러한 반사층(215) 상부의 공간(216)상에 형성된 감지층(217)과, 감지층(217)을 상부의 공간(216)상에 지지하는 지지부(218)를 포함한다. 이러한 지지부(218)는 상기한 바와 같이 반사층(215)의 상부공간(216)상에 감지층(217)을 지지하는 역할을 함과 동시에, 감지층(217)과 신호처리부(212)를 전기적으로 연결하는 역할을 수행한다. 지지부(218)는 도전성 물질을 이용함이 바람직하다. The
또한, 감지층(217)은 적외선을 감지하는 역할을 하며 반사층(215)의 상부 공간(216)상에 떠 있는 부양구조를 갖는다. 이러한 감지층(217)은 바람직하게는 마이크로머시닝(Micromachining)기술을 이용하여 신호처리부(212)와 모놀리식하게 제작된다. 감지층(217)의 감지물질로는 VOx, a-Si, V-W-OX 등의 물질을 이용함이 바람직 하다. 특히 바나듐-텅스텐 옥사이드(V-W-OX)를 이용하는 경우 RF 스퍼터에서 바나듐-텅스텐 금속 박막을 코팅하고 300℃ 정도의 온도에서 바나듐-텅스텐을 산화시킨다. 산화시간에 따라 저항의 크기를 조절할 수 있고, 또한 100㏀ 이하의 낮은 저항에서 3% 이상의 높은 TCR 값을 얻을 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 V-W-OX 에서 0.5≤x≤2를 만족하는 것이 바람직하다. 더 나아가, 본 발명의 다른 실시 예에서 감지물질로 바나듐을 증착하여 열처리한 바나듐 옥사이드(V0x)도 가능하다. In addition, the
또한, 반사층(215)은 하부기판(211) 상에서 적외선 반사에 의한 공진 효과를 도모하기 위한 것으로서 금속 박막으로 형성된다. 예컨대, 대략 2000~3000Å 두께로 증착된 알루미늄 또는 크롬/금으로 형성됨이 바람직하다. In addition, the
여기서, 반사층(215)과 감지층(217) 간에 형성된 공간(216)은 감지층(217)이 그 공간(216)상에 부양된 구조를 갖도록 함으로써 적외선 감지소자(200)가 열적 고립구조를 갖도록 하기 위함이다. 이로써 적외선 입사로 인해 발생되는 열의 손실을 최소화함으로써 적외선 센서의 성능을 향상시킬 수 있도록 한다. Here, the
한편, 본 발명의 다른 실시 예에서, 선택적으로 감지층(217)의 하부면에 그 감지층(217)을 공중에 받치고 있는 지지층(219a)과, 감지층(217)의 상부에 적외선 감지소자(213)를 전체적으로 보호하는 보호층(219b)을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 지지층(219a) 및 보호층(219b)은 각각 대략 2000Å 두께의 실리콘 질화막임이 바람직하다. 또한, 감지층(217)과 지지부(218)는 서로 직접 연결될 수도 있고 다른 도전성 물질을 통해 연결될 수도 있다.Meanwhile, in another embodiment of the present invention, a
하부기판(211) 상에 형성된 전극패드(214)는 신호처리부(212)를 외부의 신호전극(미도시)과 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 이러한 전극패드(214)는 금속박막의 형태로서 신호처리부(212)와 연결되어 신호처리부(212)에서 처리된 신호를 외부의 신호전극에 전달하는 역할을 한다. 본 발명의 일례에서는 선택적으로 이러한 전극패드(214)는 와이어 본딩을 통해 외부의 신호전극과 연결될 수 있다. 다른 예에서는 선택적으로 하부기판(211)에 관통홀이 형성되고 그 관통홀의 내면에 전극패드(214)와 연결되는 관통전극을 형성함으로써 외부의 신호전극과 연결되도록 할 수도 있다.The
또한, 본 발명에 따른 캡 웨이퍼(220)는 내부에 캐비티(cavity)(222)가 형성되며 하부기판(211)과 접합된 상부기판(221)과, 상부기판(221)의 내면 및 외면 중 적어도 일면에 형성된 적외선 필터(223)와, 상부기판(221)의 내면에 형성된 적어도 하나의 게터(getter)(224)와, 두 기판(211,221)의 접합을 위한 금속솔더층(225)을 포함한다. 여기서, 금속솔더층(225)은 하부기판(211) 및 상부기판(221) 중 선택적으로 적어도 하나의 기판의 상부에 형성될 수 있다. 이러한 금속솔더층(225)을 이 용하여 상부기판(211) 및 하부기판(221)을 접합(bonding)함으로써 웨이퍼 레벨에서 적외선 센서(200)가 패키지 형태로 완성된다. In addition, the
이러한 상부기판(221)의 내면에 형성된 캐비티(222)는 하부기판(221) 상에 형성된 적외선 감지소자(213)를 포함할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 상부기판(221)의 내면 및 외면 중 적어도 일면에는 적외선 필터(223)가 각각 형성되어 있다. 이러한 적외선 필터(223)는 감지하고자 하는 인체에서 방출되는 파장을 필터링하여 투과시키는 역할을 한다. 예컨대, 사람은 전 파장에 걸쳐 에너지를 방출하지만 8~14㎛ 파장에서 가장 많은 에너지를 방출하기 때문에 해당 파장을 투과시키도록 한다. 그리고, 캐비티(222)가 형성된 내면에 하나 이상의 게터(getter)(224)가 형성된다. 이러한 게터(224)는 하부기판(211)과 상부기판(221)을 웨이퍼 레벨에서 접합하여 패키징하는 과정에서 발생되는 가스를 흡수함으로써 패키지 내부의 진공도를 높이는 기능을 한다.The
이때, 하부기판(211)과 상부기판(221)은 대략 10-6torr의 진공 분위기에서 다양한 금속 접합법(metallic bonding)을 이용하여 접합된다. 이러한 금속 접합법으로는 열압착 본딩(thermocompression bonding), 유테틱 본딩(eutectic bonding) 등을 이용할 수 있다. 이와 같이, 진공 분위기에서 두 기판(211,221)을 접합함으로써 적외선 감지소자(213)가 진공상태의 패키지 내부에 위치할 수 있고, 다수의 적 외선 감지소자(213)를 구성하여 적외선 센서를 구현하는 경우 상부기판(221)으로 보호된 개별 적외선 감지소자(213)들이 후속 공정인 다이싱 공정에서 소자의 깨짐 없이 진행될 수 있다.At this time, the
상술한 바와 같이, 본 발명의 적외선 센서(200)는 소자 웨이퍼(210)와 캡 웨이퍼(220)를 웨이퍼 레벨에서 접합함으로써 패키지 형태로 구현되며, 그 패키지 내부는 진공상태를 유지한다. 또한, 소자 웨이퍼(210) 상에 지지부(218)에 의해 공중에 부양된 적외선 감지소자(213)를 캡 웨이퍼(220)가 포함하도록 상부에서 소자 웨이퍼(210)와 접합함으로써 적외선 센서(200)의 전체 크기를 매우 줄일 수 있게 된다. 본 발명의 실시 예에서는 이러한 웨이퍼 레벨 패키징 공정을 통해 적외선 센서(200)를 가로 및 세로가 각각 0.5~2.0㎜인 초소형으로 제작할 수 있다. 또한, 종래와는 달리 캡 하우징을 사용하지 않고 웨이퍼를 이용하여 상부에 접합되므로 적외선 센서(200)의 높이를 대략 1cm 정도로 초소형으로 제작할 수 있다. As described above, the
도 4는 이러한 적외선 센서의 웨이퍼 레벨 패키징을 나타낸 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating wafer level packaging of such an infrared sensor.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적외선 센서(200)를 웨이퍼 레벨 패키징하기 위하여, 각각 웨이퍼 레벨에서 별도의 공정을 통해 필요한 소자들을 탑재하여 소자 웨이퍼(210) 및 캡 웨이퍼(220)를 제작한다. 이어서, 웨이퍼 본딩을 통해 두 웨이퍼(210,220)를 진공 분위기에서 서로 접합하여 패키징 처리한다. 예컨대, 진공챔버 내에서 접합하여 패키징함이 바람직하다. 이로써 패키지 내부에는 진 공상태가 유지된다. 이와 같이 본딩된 두 웨이퍼(210,220)를 웨이퍼 레벨 상태에서 다이싱함으로써 적외선 센서(200)가 완성된다.As shown in FIG. 4, in order to wafer-level package the
이와 같이, 본 발명에서는 소정의 반도체 공정을 통해 웨이퍼 레벨에서 웨이퍼의 제작, 본딩, 다이싱 등을 수행함으로써 적외선 센서(200)를 완성할 수 있다.As described above, in the present invention, the
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an ultra-small human body detecting infrared sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 8.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 소자 웨이퍼 제조방법을 나타낸 개략도이다.5 and 6 are schematic diagrams showing a device wafer manufacturing method of the ultra-small human body sensing infrared sensor according to an embodiment of the present invention.
도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 적외선 센서의 소자 웨이퍼(310)를 제조하기 위해, 먼저 시모스(CMOS)공정으로 신호처리부(312)가 집적된 하부기판(311)을 마련한다. 이러한 하부기판(311)은 바람직하게는 일반적인 반도체 제조공정을 통해 제작된 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 반도체 소자이다. 이때, 이러한 시모스 공정시 신호처리부(312)와 내부에서 연결된 전극패드(313)가 하부기판(311)의 상부에 형성된다. 전극패드(313)는 신호처리부(312)에서의 신호를 외부의 신호전극으로 전달하기 위한 것이다. As shown in FIG. 5A, in order to manufacture an
다음으로, 본 발명에서는 도 5(b)와 같이, 하부기판(311) 상부의 소정 위치에 반사층(314)을 패터닝하여 형성한다. 반사층(314)은 하부기판(311) 상에서 적외 선 반사에 의한 공진 효과를 위해 형성시킨다. 이러한 반사층(314)은 통상의 사진식각 공정이나 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 하부기판(311) 상에 금속박막을 증착한 후 패터닝함으로써 형성시킬 수 있다.Next, in the present invention, as shown in Figure 5 (b), it is formed by patterning the
이어, 본 발명에서는 도 5(c)와 같이, 하부기판(311) 상에 반사층(314)을 포함하여 희생층(315)을 형성한다. 이러한 희생층(315)은 후술하는 감지층(318)의 공중 부양구조를 위한 것으로서 폴리이미드(polyimide) 물질을 스핀 코팅하여 열처리함으로써 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. Subsequently, as illustrated in FIG. 5C, the
다음으로, 본 발명에서는 도 5(d) 및 도 5(e)와 같이, 신호처리부(312)의 일부가 개방되도록 그 신호처리부(312)의 일부가 있는 위치의 희생층(315) 및 하부기판(311)에 홀(301)을 형성하고, 그 홀(301)의 내부를 포함하여 희생층(315) 상에 지지층(316)을 증착한다. 지지층(316)은 감지층(318)의 하면에서 그 감지층(318)을 공중에 떠 받치는 역할을 한다. 이러한 지지층(316)은 저압화학증기증착(LPCVD:Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법, 플라즈마 화학증기증착(PECVD:Plasma Enhenced Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 저응력의 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.Next, in the present invention, as shown in FIGS. 5 (d) and 5 (e), the
다음으로, 본 발명에서는 도 5(f)와 같이, 홀(301)의 내부에 지지부(317)를 형성한다. 지지부(317)는 이후의 공정에서 희생층(315)이 제거되어 감지층(318)이 공중에 부양된 구조를 갖도록 그 감지층(318)을 공중에 지지함과 동시에, 신호처리부(312)와 감지층(318)을 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 이러한 지지부(317)는 도전성 물질을 홀(301)에 증착하거나 그 홀(301)에 도전성 물질을 채움으로써 형성됨이 바람직하다. Next, in the present invention, as shown in Fig. 5 (f), the
다음으로, 본 발명에서는 도 5(g)와 같이, 반사층(314)이 형성된 위치의 지지층(316) 상에 감지층(318)을 형성한다. 이러한 감지층(318)의 감지물질로서 VOx, a-Si, V-W-OX 등의 물질을 사용함이 바람직하다. 그리고, 이러한 감지층(318)은 지지층(316) 상에 통상의 사진식각 공정을 통해 제조될 수 있다. 이로써 감지층(318)은 지지부(317)에 의해 공중에 부양된 구조를 갖게 되며, 나아가 더 안전한 구조를 위하여 그 하면에서 지지층(316)이 공중에 떠 받치는 구조를 갖게 된다.Next, in the present invention, as illustrated in FIG. 5G, the
계속해서, 본 발명에 따른 소자 웨이퍼 제조방법은 도 6(a)에 나타난 바와 같이, 감지층(318)을 포함하여 지지층(316) 상에 적외선 감지소자를 전체적으로 보호하기 위한 보호층(319)를 형성한다. 특히 이러한 보호층(319)은 감지층(318) 및 지지부(317)를 보호하기 위해 형성된다.Subsequently, the device wafer manufacturing method according to the present invention includes a
다음으로, 본 발명에서는 도 6(b)와 같이, 지지층(316) 및 보호층(319)을 패터닝한다. 즉, 지지층(316) 및 보호층(319)이 증착된 후 적외선 감지소자의 구조에 맞게 이를 패터닝한다. 이로써 적외선 감지소자를 제외한 나머지 부분은 제거된다.Next, in the present invention, as shown in Fig. 6 (b), the
이어서, 본 발명에서는 도 6(c)와 같이, 하부기판(311) 상에 형성된 전극패드(313)가 개방되도록 그 전극패드(313)가 형성된 하부기판(311) 상의 희생층(315)을 제거한다. 이러한 희생층(315)의 제거과정은 선택적으로 와이어 본딩을 통해 전극패드(313)를 외부 신호전극과 연결하기 위해 전극패드(313)를 개방시킴과 동시에 하기기판(311) 상에 웨이퍼 본딩을 위한 금속솔더층(325)을 형성하기 위함이다.Next, in the present invention, as shown in FIG. 6C, the
이어, 본 발명에서는 도 6(d)와 같이, 하부기판(311) 상에 금속솔더층(325)을 형성한다. 금속솔더층(325)은 하부기판(311)과 상부기판(321)을 서로 접합시키기 위해 형성하는 것이다. 이때, 금속솔더층(325)은 하부기판(311) 및 상부기판(321) 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 이러한 금속솔더층(325)은 접합 금속으로서 Au, AuSn, Sn, Cu, Ag 등의 물질을 사용함이 바람직하다.Subsequently, in the present invention, as shown in FIG. 6 (d), the
다음으로, 본 발명에서는 도 6(e)와 같이, 감지층(318)이 공중에 부양된 구조를 갖도록 하기 위해 희생층(315)을 제거한다. 이때, 이러한 희생층(315) 제거시 적외선 감지소자의 마찰(stiction)을 방지하도록 산소 플라즈마(O2 plasma)를 이용하여 제거함이 바람직하다.Next, in the present invention, as shown in FIG. At this time, when removing the
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 소자 웨이퍼(310)에서는 반사층(314), 보호츠(316), 지지부(317), 감지층(318) 및 보호층(319)를 포함하는 적외선 감지소자가 열 손실을 최소화하기 위해 공간에 부양된 구조를 갖는다. 이를 위하여 본 발명에 따른 적외선 감지소자는 마이크로머시닝(Micromachining) 기술을 이용하여 소자 웨이퍼(310) 상에 신호처리부(312)와 모놀로식하게 제작된다. As described above, in the
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 캡 웨이퍼 제조방법을 나타낸 개략도이다.7 is a schematic view showing a cap wafer manufacturing method of the ultra-small human body sensing infrared sensor according to an embodiment of the present invention.
도 7(a)에서와 같이, 본 발명에 따른 적외선 센서의 캡 웨이퍼(320)를 제조하기 위해, 먼저 양면 폴리싱된 상부기판(321)을 마련한 후, 상부기판(321)의 일면을 벌크 에칭하여 캐비티(cavity)(322)를 형성한다. 상부기판(321)으로는 실리콘 기판을 이용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 캐비티(322)는 상기한 소자 웨이퍼(310) 상에 형성된 각종 구성요소를 포함할 수 있도록 적절한 높이로 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시 예에서 캐비티(322)는 수십 ㎛의 높이로 형성함이 바람직하며, 공지의 사진식각 공정 후 KOH 또는 ICP-RIE(Reactive Ion Etching) 등으로 에칭함이 바람직하다. As shown in FIG. 7A, in order to manufacture the
이어, 본 발명에서는 도 7(b)와 같이, 캐비티(322)에 형성된 상부기판(321)의 양면에 특정 적외선의 투과를 위한 적외선 필터(323)를 형성한다. 이러한 적외선 필터(323)는 Ge, ZnS 등의 물질을 사용함이 바람직하다. 적외선 필터(323)는 상 부기판(321)의 외면 및 내면 중 적어도 일면에 감지하고자 하는 적외선 파장을 선택적으로 투과시키는 역할을 수행한다. 예컨대, 인체 감지를 위해서는 바람직하게는 8~14㎛의 적외선 파장을 선택투과시킨다. Subsequently, as shown in FIG. 7B, an
다음으로, 본 발명에서는 도 7(c)와 같이, 상부기판(321)의 캐비티(322)에 형성된 적외선 필터(323) 상에 게터(getter)(324)를 형성 및 패터닝한다. 이러한 게터(324)는 적외선 감지소자를 패키지로 형성하기 위해 상,하부 기판(311,321)을 서로 접합(bonding)시 발생하는 가스를 흡착하여 패키징 내부의 진공도를 유지시키기 위해 형성되는 것으로서, Ti 등의 금속물질을 대략 수십 ㎚의 얇은 박막형태로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 패키징 내부를 1mtorr 정도의 진공도를 유지함이 바람직하다.Next, in the present invention, as shown in FIG. 7C, a
계속하여, 본 발명에서는 도 7(d)와 같이, 상술한 하부기판(311)과의 접합을 위한 금속솔더층(325)을 형성 및 패터닝한다. 이러한 금속솔더층(325)은 소자 웨이퍼(310)과 캡 웨이퍼(320)를 웨이퍼 레벨에서 접합하여 적외선 감지소자로 패키징하기 위해 패턴으로 형성된다. 금속솔더층(325)은 접합 금속으로서 Au, AuSn, Sn, Cu, Ag 등의 물질을 사용함이 바람직하다. 더 바람직하게는 Au 및 Sn을 포함하는 물질을 사용함이 좋다. 보다 더 바람직하게는 본 발명의 일례에서 이러한 금속솔더층(325)은 Au 80wt% + Sn 20wt%을 포함할 수 있고, 다른 일례에서 Au 10wt% + Sn 90wt%를 포함할 수 있다. 여기서, Au와 Sn을 다층 박막 형태로 증착할 수도 있고, Au와 Sn의 합금을 박막 형태로 증착할 수도 있다. Au와 Sn의 다층 박막으로 된 금속솔더층(325)은 조성비에 따라 그 두께를 달리할 수 있으며, Au와 Sn 합금 박막의 경우는 3~5㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시 예에서, 이러한 금속솔더층(325)은 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용함이 바람직하다. Subsequently, in the present invention, as shown in FIG. 7D, the
상술한 바와 같이, 상부기판(321)의 일면에 캐비티(322)를 형성한 후 그 양면에 적외선 필터(323)를 형성하고, 캐비티(322)에 형성된 적외선 필터(323) 상에 하나 이상의 게터(324) 및 금속솔더층(325)을 형성함으로써 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨에서 캡 웨이퍼(320)가 제작된다.As described above, the
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 소자 웨이퍼 및 캡 웨이퍼의 접합공정을 나타낸 개략도이다.8 is a schematic diagram illustrating a bonding process between an element wafer and a cap wafer of an ultra-small human body detecting infrared sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 적외선 센서는 도 5 내지 도 7에서 제조된 소자 웨이퍼(310)와 캡 웨이퍼(320)를 진공챔버(81) 내에서 다양한 금속 접합법을 이용하여 접합시킨다. 일례로 이러한 금속 접합법으로 열압착 본딩, 유테틱 본딩 등을 이용할 수 있다. 예컨대 금속솔더층(325)의 종류에 따라 Au-Au 열압착 본딩(Au-Au thermocompression bonding)과 Au-Sn 유테닉 본딩(Gold-Tin eutectic bonding) 등을 이용하여 본딩할 수 있다. 상기한 예에서, Au-Au 열압착 본딩은 가압하여 Au의 영구변형(plastic deformation)을 이용하여 본딩할 수 있다. 또한, Au_Au 금속솔더층(325)을 제작하는 경우 Au를 전자빔증착(electron-beam evaporator)법으로 증착하는 것이 바람직하나, 전기도금법과 무전해 도금법으로 증착할 수도 있다. 또한, Au_Au 열압착 본딩을 위한 Au 금속솔더층(325)의 두께는 3~5㎛의 얇은 박막으로 함이 바람직하다. 이때, 열압착을 위한 금속솔더층(325)은 Au_Al, Cu_Cu, Au_Al 등 다양한 금속의 조성이 사용 가능하다. 또한, Au 80 wt% + Sn 20 wt% 를 이용한 Au-Sn 유테틱 본딩은 유테틱 온도인 280℃의 비교적 낮은 온도에서 압력을 가하여 본딩할 수도 있다. 유테틱 본딩으로 가능한 금속솔더층(325)은 Au_Si, Au_Ag 등 다양한 금속의 조성이 사용 가능하다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서 Au 금속솔더층의 제조단가가 낮고 열압착을 위한 제조공정이 간편하여 공정상 유리하다는 측면에서 Au_Au 열압착 본딩을 이용함이 바람직하다. Referring to FIG. 8, the infrared sensor according to the present invention bonds the
도면에는 본 발명의 실시 예로서, 소자 웨이퍼(310)를 핫 플레이트(82) 상에 적치하고 그 상부에 캡 웨이퍼(320)를 배치시킨 후 프레스(83)를 이용하여 캡 웨이퍼(320)를 상부에서부터 일정한 압력으로 가압함으로써 소자 웨이퍼(310)와 캡 웨이퍼(320)를 접합시킨다. 이때, 두 웨이퍼(310,320)는 금속솔더층(325)에 의해 접합된다.In the drawing, as an embodiment of the present invention, the
이때, 웨이퍼 접합(bonding) 중 열과 압력은 금속원자의 확산과 금속의 영구변형(plastic deformation)으로 일으키며, 두 요소는 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있으므로, 접합 면적과 금속솔더층의 모양 등 접합 환경에 따라 최적화된 조건으로 한다. 접합을 위한 리플로우(reflow) 온도는 300℃ 이하, 압력은 수 MPa로 함이 바람직하다.At this time, heat and pressure during wafer bonding are caused by the diffusion of metal atoms and plastic deformation of the metal, and since the two elements are in a trade-off relationship, the bonding area and the shape of the metal solder layer, etc. The conditions are optimized according to the bonding environment. The reflow temperature for the joining is preferably 300 ° C. or lower, and the pressure is several MPa.
이와 같이 웨이퍼 본딩으로 패키징된 적외선 센서를 칩별로 다이싱함으로써 개별화한다. 즉, 각각의 칩별로 외부 PCB 등과 전기적인 연결을 위해 적외선 센서의 출력단자를 형성한 후, 다이싱 쏘우(dicing saw) 등을 이용하여 칩을 다이싱한다. 이러한 출력단자는 예컨대, 와이어 본딩으로 연결하기 위한 전극패드를 개방하는 방법과 소자 웨이퍼의 뒷면에 플립칩(flip chip) 형태로 범프를 형성하는 방법이 있다. 이를 도 8을 참조하여 하기에서 상세하게 설명한다.The infrared sensor packaged by wafer bonding as described above is individualized by dicing chip by chip. That is, after forming the output terminal of the infrared sensor for electrical connection to the external PCB and the like for each chip, the chip is diced using a dicing saw or the like. Such output terminals include, for example, a method of opening electrode pads for connection by wire bonding and a method of forming bumps in the form of flip chips on the back side of the device wafer. This will be described in detail below with reference to FIG. 8.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 신호전극 형성방법을 나타낸 개략도이다.9 is a schematic diagram illustrating a signal electrode forming method of an ultra-small human body detecting infrared sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적외선 감지소자의 신호전극 형성방법은 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 도 9(a)에 나타난 바와 같이, 소자 웨이퍼(310)와 캡 웨이퍼(320)의 웨이퍼 접합 후 다이싱 쏘우(91)를 이용하여 패키지를 개별 칩별로 각각 다이싱한 후 각 칩의 양단부에 형성된 전극패드(313)에 와이어 본딩(92)을 통해 외부의 신호전극과 연결한다.As shown in FIG. 9, there are two methods for forming a signal electrode of the infrared sensing element according to the present invention. In the first method, as shown in FIG. 9 (a), after dicing the wafers of the
두 번째 방법은 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 소자 웨이퍼(310)와 캡 웨이퍼(320)의 웨이퍼 접합 후 다이싱 쏘우(91)를 이용하여 패키지를 개별 칩별로 다이싱한 후 소자 웨이퍼(310)의 뒷면부터 전극패드(313)까지 관통홀(via hole)(93)을 형성한다. 이런 관통홀(93)은 감광액을 이용하여 패터닝한 후 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 이용하여 형성할 수 있다. 일례로서 관통홀(93)의 내부에는 전기 도금, 무전해 도금 등의 도금방법을 이용하여 관통전극(94)이 형성될 수 있다. 다른 일례로서 관통전극(94)은 관통홀(93)의 내면에 금속물질을 채움으로써 형성될 수도 있다. 이러한 관통전극(94)은 상부에는 전극패드(313)과 연결되고 하부에는 솔더범프(95)가 형성된 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 솔더범프(95)는 하부의 외부 PCB 등의 기판과 전기적으로 연결될 수 있어 도 9(a)와 같은 와이어 본딩을 위한 공간을 줄일 수 있어 제품의 소형화에 더욱 적합하다. 이러한 관통전극(94)은 Au, Cu, Ni, NiCr 등을 사용할 수 있지만, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.In the second method, as shown in FIG. 8 (b), after the wafer bonding between the
상술한 제조공정으로 제조된 본 발명의 적외선 감지소자는 MEMS 공정을 이용함으로써 그 제조가 간단하며 일괄 생산이 가능하고 재현성이 높고 대량생산이 가능하다. 또한, 고수율로 적외선 감지소자를 대량으로 생산이 가능하므로 제조 원가가 저렴해지는 효과가 있다. The infrared sensing device of the present invention manufactured by the above-described manufacturing process is easy to manufacture, batch production, high reproducibility, and mass production by using the MEMS process. In addition, since it is possible to produce a large amount of infrared sensing element in high yield, there is an effect that the manufacturing cost is low.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명은 실시 예를 근거하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 첨부된 특허청구범위에 속하는 기술적 범위 내에서 당업자에게 다양한 개조 및 변형이 가능하며, 이러한 개조 등이 특허청구범위의 기술적 범위 내라면 모두 본 발명의 권리범위에 속함은 이해되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited thereto. Various modifications and variations are possible to those skilled in the art within the technical scope of the appended claims, and it should be understood that all such modifications are within the scope of the present invention if they are within the technical scope of the claims.
최근 널리 보급되어 있는 휴대폰, PDA, MP3 플레이어 등의 휴대용 제품이 소형화, 경량화되면서 이들 제품에 탑재되는 소자들도 소형화되고 있는 추세이다. 이러한 추세에 맞춰 인체 감지용 적외선 센서를 초소형으로 제조하기 위한 노력들이 시도되고 있다. As portable products such as mobile phones, PDAs, and MP3 players, which are widely used in recent years, have become smaller and lighter, devices mounted on these products are also becoming smaller. In line with this trend, efforts have been made to manufacture a miniature infrared sensor for human body detection.
이러한 관점에서 볼 때, 본 발명에 따른 적외선 센서의 경우, 적외선 감지소자와 신호처리부가 SoC으로 구현되고, 웨이퍼 레벨에서 진공 접합하여 패키징함으로써 그 크기를 최소화할 수 있고, 나아가 외부 신호전극과 전기적으로 연결하기 위한 출력단자가 플립 칩 형태의 솔더범프로 형성되므로 가로, 세로 2mm 이하의 초소형으로 제작이 가능하다. From this point of view, in the infrared sensor according to the present invention, the infrared sensing element and the signal processing unit are implemented as SoC, and the size of the infrared sensor can be minimized by vacuum bonding at the wafer level. Since the output terminal for connection is formed of solder chip of flip chip type, it can be manufactured in the small size of less than 2mm in width and length.
또한, 본 발명의 적외선 센서는 기판상에 신호처리부와 MEMS로 제작된 적외선 감지소자, 적외선 필터를 포함하여 이들 구성이 모두 웨이퍼 레벨로 이루어지기 때문에 적외선 센서의 생산비용 중 상당 부분을 차지하는 패키징의 비용을 혁신적으로 줄여 센서의 생산 단가를 대폭 감소시킬 수 있고 대량 생산에 적합하다. In addition, the infrared sensor of the present invention includes a signal processing unit, an infrared sensing element made of MEMS, and an infrared filter on a substrate, and since these components are all made at the wafer level, the cost of packaging that takes up a large part of the production cost of the infrared sensor is increased. This breakthrough significantly reduces the production cost of the sensor and is suitable for high volume production.
이러한 적외선 센서는 그 크기가 매우 작기 때문에 응용 공 간에 제약이 거의 없고, MEMS 소자의 특성상 소비 전력이 매우 적으며, 인체 감지 후 인체의 유/무를 판단해 전체 시스템의 전력 소비를 효율적으로 관리할 수 있는 수단으로 이용되어 전체 시스템의 소비 전력을 아낄 수 있는 기반을 제시할 수 있다.Since the infrared sensor is very small in size, there is almost no limitation in application space, the power consumption is very low due to the characteristics of the MEMS device, and after detecting the human body, it is possible to efficiently manage the power consumption of the entire system. It can be used as a means to save the power of the whole system.
이러한 장점 및 특징들로 인해 본 발명에 따른 인체 감지용 적외선 센서는 다양한 산업분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다.Due to these advantages and features, the infrared sensor for detecting a human body according to the present invention can be very usefully applied to various industrial fields.
도 1은 종래의 볼로메터형 적외선 센서의 제조과정을 보이는 개략도이다.1 is a schematic view showing a manufacturing process of a conventional bolometer-type infrared sensor.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인체 감지용 적외선 센서를 개략적으로 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view schematically showing an infrared sensor for detecting a human body according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인체 감지용 적외선 센서의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of an infrared sensor for detecting a human body according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 이러한 적외선 센서의 웨이퍼 레벨 패키징을 나타낸 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating wafer level packaging of such an infrared sensor.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 소자 웨이퍼 제조방법을 나타낸 개략도이다.5 is a schematic diagram illustrating a device wafer manufacturing method of the ultra-small human body sensing infrared sensor according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 캡 웨이퍼 제조방법을 나타낸 개략도이다.Figure 6 is a schematic diagram showing a cap wafer manufacturing method of the ultra-small human body sensing infrared sensor according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 소자 웨이퍼 및 캡 웨이퍼의 접합공정을 나타낸 개략도이다.7 is a schematic diagram illustrating a bonding process between an element wafer and a cap wafer of an ultra-small human body detecting infrared sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초소형 인체 감지용 적외선 센서의 신호전극 형성방법을 나타낸 개략도이다.8 is a schematic diagram illustrating a signal electrode forming method of an ultra-small human body sensing infrared sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings
110,210,310 : 소자 웨이퍼 120,220,320 : 캡 웨이퍼110,210,310: device wafer 120,220,320: cap wafer
111,211,311 : 하부기판 121,221,321 : 상부기판111,211,311: Lower board 121,221,321: Upper board
212,312 : 신호처리부 214,313 : 전극패드212,312: signal processor 214,313: electrode pad
215,314 : 반사층 217,317 : 감지층215,314 Reflective layer 217,317 Sensing layer
218,319 : 지지부 225,325 : 금속솔더층218,319 Support portion 225,325 Metal solder layer
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