KR101459601B1 - 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘층 없이 적외선 투과층만 적외선의 투과도를 높이면서, 적외선 센서를 진공 상태로 패키징한 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)가 형성된 소자 웨이퍼(10); 적외선 대역에서 투명한 적외선 투과층(24)을 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 적외선 센서 모듈은 적외선 대역에서 불투명한 실리콘층 없이 적외선 투과층만 형성되어 적외선 감지 효과가 뛰어나다.

Description

적외선 센서 모듈 및 그 제조방법 {INFRARED SENSOR MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘층 없이 적외선 투과층만 형성하여 적외선의 투과도를 높이면서, 적외선 센서를 진공 상태로 패키징한 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 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 캡 웨이퍼(4)에 적외선 대역에서 불투명한 실리콘층이 두껍게 형성됨으로써, 적외선 센서(1)의 적외선 감지 능력이 저하되는 문제점이 있다.
KR 10-2010-0040408 A (2010. 4. 20.)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 실리콘층 없이 적외선 투과층만 형성된 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈은 실리콘 기판 상에 적외선 센서가 형성된 소자 웨이퍼; 적외선 대역에서 투명한 적외선 투과층을 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 적외선 센서 모듈의 제조방법은 제1 실리콘 기판 상에 적외선 센서를 형성하여 소자 웨이퍼를 제작하는 소자 웨이퍼 제작 단계; 제2 실리콘 기판 상에 적외선 대역에서 투명한 적외선 투과층을 형성하여 캡 웨이퍼를 제작하는 원시 캡 웨이퍼 제작 단계; 상기 소자 웨이퍼 또는 상기 적외선 투과층 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.
본 발명에 따른 적외선 센서 모듈은 적외선 대역에서 불투명한 실리콘층 없이 적외선 투과층만 형성되어 적외선 감지 효과가 뛰어나다.
또한, 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 제조방법은 제조과정 중에는 적외선 투과층이 실리콘 기판에 일체로 형성됨으로써 적외선 투과층이 손상될 염려가 적고, 제조가 간편하며, 제조가 끝난 뒤에는 적외선 투과층만 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 적외선 센서 모듈의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 절단 사시도
도 4는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 소자 웨이퍼의 제작도
도 5는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈이 캡 웨이퍼의 제작도
도 6은 도 4의 소자 웨이퍼와 도 5의 캡 웨이퍼의 접합도
도 7은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 흐름도
도 8은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 또 다른 제작 방법
도 9는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 적외선 투과도 그래프
아래에서는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 적외선 센서 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 도 2는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 절단 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 소자 웨이퍼의 제작과정, 도 5는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 캡 웨이퍼의 제작과정, 도 6은 소자 웨이퍼와 캡 웨이퍼의 접합과정을 도시한 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈을 설명한다.
본 발명에 따른 적외선 센서 모듈은 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)가 형성된 소자 웨이퍼(10), 적외선 대역에서 투명한 적외선 투과층(24)을 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 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)를 형성하기 위하여, 재질이 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 적외선 대역에서 투명한 적외선 투과층(24)을 포함하여 구성되며, 반사방지층(26)을 더 포함할 수 있다.
적외선 투과층(24)의 재질로는 적외선을 통과시키면서 실리콘 기판상에 가공이 편리한 실리콘 나이트라이드(SixN1 -x), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON), 산화 알루미늄(Al2O3)이 있다.
적외선 투과층(24)의 어느 한쪽 면 또는 양쪽 면에는 반사방지층(26)이 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 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 적외선 투과층(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 적외선 투과층(24) 또는 적외선 투과층(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 형성될 수 있는데, 특히 폴리실리콘(Poly-Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), 실리콘 다이옥사이드(SiO2), 실리콘 나이트라이드(SixN1 -x), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON) 등 비금속 재질의 스페이서(30)를 금속 재질의 결합 물질(40)로 결합시키는 경우에 적합하다. 왜냐하면, 스페이서(30) 위에 형성된 금속층(32)으로 인해 결합 물질(40)이 스페이서(30) 위에 보다 쉽게 안착될 수 있기 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 적외선 센서 모듈의 제작 방법을 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 제작 방법의 흐름도이다.
본 발명에 따른 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) 상에 적외선 대역에서 투명한 적외선 투과층(24)을 형성하여 캡 웨이퍼(20)를 제작하는 단계로서, 적외선 투과층 형성 단계(S22)를 포함하여 구성되며, 적외선 투과층(24)에 반사방지층(26)을 형성하는 내부 반사방지층 형성 단계(S24)를 더 포함할 수 있다.
적외선 투과층 형성 단계(S22)는 실리콘 기판(12) 상에 실리콘 나이트라이드(SixN1 -x), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON), 산화 알루미늄(Al2O3) 등의 물질을 증착시킴으로써 적외선이 통과되는 적외선 투과층(24)을 형성하는 단계로서, 본 발명에서는 적외선 투과층(24)에 바로 스페이서(30)를 개재하여 소자 웨이퍼(10)와 결합시키지 않고, 실리콘 기판(12) 상에 적외선 투과층(24)을 형성한 후 스페이서(30)를 개재하여 소자 웨이퍼(10)와 결합시킨 후에 실리콘 기판(12)을 식각함으로써 적외선 투과층(24)만 남긴다. 본 발명에서 이러한 과정을 거치는 이유는 적외선 투과층(24)을 얇게 형성하면 결합 단계(S40)에서 결합이 용이하지 않기 때문에, 결합 단계(S40)에서 강도가 높은 실리콘 기판(12)을 이용하여 결합의 용이성을 확보하기 위함이다.
내부 반사방지층 형성 단계(S24)는 실리콘 기판(12) 상에 형성된 적외선 투과층(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 적외선 투과층(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 적외선 투과층(24) 상에 증착한 후 패터닝함으로써 이루어진다.
스페이서 형성 단계(S30)는 스페이서(30)에 금속층(32)을 형성하는 금속층 형성 단계(S32)를 더 포함할 수 있다. 이러한 금속층(32)은 결합 물질(40)이 금속 재질인 경우 결합의 강도를 높여준다.
또한, 스페이서 형성 단계(S30)는 스페이서(30)가 형성되지 않은 웨이퍼(10, 20)에 댐층(18)을 형성하는 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 적외선 투과층(24) 및 반사방지층(26)만 남기고 실리콘(Si)층을 제거하는 단계이다. 식각 단계(S50)는 캡 웨이퍼(20)의 구조에 따라 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching)에 의해 이루어진다. 가령, 캡 웨이퍼(20)에 형성된 적외선 투과층(24)이 실리콘 나이트라이드(SixN1-x)층인 경우에는 실리콘 나이트라이드(SixN1-x)가 적외선 대역에서 투명하므로, 실리콘 나이트라이드(SixN1 -x)층의 기저에 있는 실리콘(Si)층만 식각하면 된다. 이때는 캡 웨이퍼(20)의 실리콘(Si)층을 습식 식각으로 제거한다. 만약 캡 웨이퍼(20)가 SOI(Silicon on Insulator)와 같이 실리콘 다이옥사이드(SiO2)층을 포함하는 경우에는 캡 웨이퍼(20)의 실리콘(Si)층을 건식 식각으로 제거한 후에, 불화수소(HF)를 이용하여 실리콘 다이옥사이드(SiO2)층을 제거함으로써 적외선 투과층(24) 및 반사방지층(26)만 남도록 할 수 있다. 식각 단계(S50) 이후에는 적외선 투과층(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 캡 웨이퍼(20)를 식각하여 캐비티를 형성하고 캐비티 내면에 적외선 투과층(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)}, 적외선 투과층(24) 및 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) 및 8(h)는 도 7에 도시된 식각 단계(S50)에, 도 8(i)는 도 7에 도시된 외부 반사방지층 형성 단계(S60) 대응된다. 적외선 투과층(24)만 남기기 위해서는 실리콘 기판과 붕소 도핑된 실리콘 기판을 모두 제거해야 하는데, 실리콘 기판의 식각은 습식 식각{도 8(g)}에 의하여, 붕소 도핑된 실리콘 기판의 식각은 건식 식각{도 8(h)}에 의하여 이루어진다.
도 9는 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈의 적외선 투과도 그래프이다. 본 발명에 따른 적외선 센서 모듈은 적외선 투과층만 남기고 실리콘층, 실리콘 다이옥사이드 층 등의 벌크를 제거함으로써 파장이 8000 ~ 12000㎚인 적외선 대역에서 95% 이상의 투과도를 확보할 수 있음이 실험적으로 확인되었다.
지금까지 단일 적외선 센서 모듈의 경우로 설명하였으나, 본 발명에 따른 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 적외선 투과층 26 반사방지층
30 스페이서 32 금속층
40 결합 물질

Claims (13)

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  8. 제1 실리콘 기판(12) 상에 적외선 센서(14)를 형성하여 소자 웨이퍼(10)를 제작하는 소자 웨이퍼 제작 단계(S10);
    제2 실리콘 기판(22) 상에 적외선 대역에서 투명한 적외선 투과층(24)을 형성하여 캡 웨이퍼(20)를 제작하는 원시 캡 웨이퍼 제작 단계(S20);
    상기 소자 웨이퍼(10) 또는 상기 적외선 투과층(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.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 원시 캡 웨이퍼 제작 단계(S20)는 상기 적외선 투과층(24)에 반사방지층(26)을 형성하는 내부 반사방지층 형성 단계(S24)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
  10. 청구항 8에 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.
  11. 청구항 8에 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.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 식각 단계(S50) 이후에 상기 적외선 투과층(24)에 반사방지층(26)을 형성하는 외부 반사방지층 형성 단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 적외선 투과층(24)은 실리콘 나이트라이드이고,
    상기 식각 단계(S50)는 상기 캡 웨이퍼(20)의 실리콘(Si)층을 습식 식각하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 모듈 제조방법.


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