KR101830205B1 - 압전 센서 제조 방법 및 이를 이용한 압전 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 센서 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 압전 센서 제조 방법은 반도체 기판을 식각하여 다수의 홈을 센서 어레이 패턴 형태의 몰드를 형성하는 단계; 상기 홈에 압전 소재를 주입하고 소결하는 단계; 상기 압전 소재가 돌출되도록 반도체 기판을 식각하여 센서 어레이 패턴 형태의 압전 라드(rod)를 형성하되, 상기 패턴의 일측면에 제1 영역이 돌출되도록 식각하는 단계; 상기 반도체 기판에 절연재를 충진하여 절연층을 형성하는 단계; 상기 압전 소재가 노출될 때까지 절연층을 평탄화하는 단계; 상기 압전 소재 및 절연층의 제1 면에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극이 형성된 반도체 기판 상에 더미 기판을 본딩하는 단계; 상기 반도체 기판의 제2면을 상기 압전 소재가 노출될 때까지 평탄화하는 단계; 상기 압전 소재의 제2 면에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 영역을 식각하여 상기 제1 전극을 노출시키는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

압전 센서 제조 방법 및 이를 이용한 압전 센서{Piezoelectric sensor manufacturing method and piezoelectric sensor using the same}
본 발명은 압전 센서 제조 방법 및 이를 이용한 압전 센서에 관한 것으로, 하부 전극과 상부 전극을 동일한 방향으로 노출하여 전극을 용이하게 인가할 수 있는 압전 센서 제조 방법 및 이를 이용해 제조된 압전 센서에 관한 것이다.
사용자 인증은 모든 금융 거래를 함에 있어 반드시 필요한 절차라 할 것이며 특히 최근에는 네트워크 및 휴대용 단말기의 발달로 모바일 금융에 대한 관심이 높아지면서 덩달아 빠르고 정확한 사용자 인증 장치, 인증 방식에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 사용자의 손가락 지문은 위와 같은 수요를 충족시킬 수 있는 인증 매개 중 하나로서 많은 사업자 및 개발자들은 사용자의 지문을 활용하여 인증을 할 수 있는 장치 및 방식을 계속하여 발전시켜 나가고 있다.
최근 들어서는 지문 인식 장치와 관련하여 종래 광학 방식으로 지문의 이미지를 인증하던 방식에서 벗어나 초음파를 발생시켜 지문의 형태를 파악하는 소위 초음파 방식에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
특히 초음파 압전 센서는 기존의 광학 방식이나 정전용량 방식에 비하여 보안성이 보다 강화되어 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
초음파 압전 센서는 압전 소재에 전압이 인가되면 압전 소재가 진동하면서 초음파가 발생되면서 지문을 감지한다.
기존의 압전 센서는 전원 인가에 필요한 2개의 전극이 1개는 압전 센서의 상부에 형성되어 있고, 다른 1개는 압전 소자의 하부에 형성되어 있다. 즉, 압전 소자는 상부 전극과 하부전극을 포함하고 있다.
종래에는 이렇게 2개의 전극이 서로 다른 방향에 형성되어 있어 전압을 인가하기에 많은 어려움이 있었다.
한국공개특허 10-2016-00831 (2016.07.12. 공개)
본 발명은 상부전극과 하부전극을 동일 방향에 배치할 수 있는 압전 센서 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상부 폴링 전극과 하부 폴링 전극을 동일 방향에 배치할 수 잇는 압전 센서 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법은 반도체 기판을 식각하여 다수의 홈을 센서 어레이 패턴 형태의 몰드를 형성하는 단계; 상기 홈에 압전 소재를 주입하고 소결하는 단계; 상기 압전 소재가 돌출되도록 반도체 기판을 식각하여 센서 어레이 패턴 형태의 압전 라드(rod)를 형성하되, 상기 패턴의 일측면에 제1 영역이 돌출되도록 식각하는 단계; 상기 반도체 기판에 절연재를 충진하여 절연층을 형성하는 단계; 상기 압전 소재가 노출될 때까지 절연층을 평탄화하는 단계; 상기 압전 소재 및 절연층의 제1 면에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극이 형성된 반도체 기판 상에 더미 기판을 본딩하는 단계; 상기 반도체 기판의 제2면을 상기 압전 소재가 노출될 때까지 평탄화하는 단계; 상기 압전 소재의 제2 면에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 영역을 식각하여 상기 제1 전극을 노출시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 압전 소재가 돌출되도록 반도체 기판을 식각하여 센서 어레이 패턴 형태의 압전 라드(rod)를 형성하되, 상기 패턴의 일측면에 제1 영역이 돌출되도록 식각하는 단계는, 상기 반도체 기판의 소정 영역에 제2 영역 및 제3 영역이 더 돌출되도록 식각하고, 상기 제1 영역을 식각하여 상기 제1 전극을 노출시키는 단계는, 상기 제2 영역 및 제3 영역을 더 식각할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는, 상기 압전 라드에 금속층을 증착하는 단계; 상기 금속층에 포토 레지스트를 도포하는 단계; 마스크 패턴에 따라 노광하여 상기 포토 레지스트의 일부 영역을 제거하는 단계; 상기 포토 레지스트가 제거된 부분의 금속층을 식각하는 단계; 상기 금속층 식각 후에는 남아 있는 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는 상기 제2 영역 및 제3 영역에 금속층을 증착하여 상기 제2 영역 및 제3 영역에 제1 폴링 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제1 전극은 상기 제1 폴링 전극과 일체로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 절연층의 제2 면의 소정 영역에 제2 폴링 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제2 전극은 상기 제2 폴링 전극과 동일 금속층일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제1 전극과 제2 전극에 폴링 전압을 인가하여 압전 소재를 활성화시키는 풀링 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 수직 방향으로 교차하도록 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 압전 라드에 금속층을 증착하는 단계; 상기 금속층에 포토 레지스트를 도포하는 단계; 마스크 패턴에 따라 노광하여 상기 포토 레지스트의 일부 영역을 제거하는 단계; 상기 포토 레지스트가 제거된 부분의 금속층을 식각하는 단계; 상기 금속층 식각 후에는 남아 있는 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 몰드를 형성하는 단계는, 포토리소그래피 공정으로 반도체 기판의 제1면에 센서 에레이가 형성될 패턴을 형성하는 단계; 반도체 기판에 형성된 포토 레지스트를 제거하고 절연막을 증착하는 단계; 및 상기 포토 레지스트가 제거된 영역을 식각하여 상기 반도체 기판에 소정 간격으로 홈을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 소결하는 단계는, 저온에서 제1 기간 동안 소결후, 고온에서 제2 기간 동안 소결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 저온은 450℃ 내지 900℃일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서 제조 방법에서, 상기 고온은 1050℃ 내지 1300℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 센서는 하부전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 기둥 형태의 압전 소재; 및 상기 압전 소재 상에 형성된 상기 하부 전극과 교차하도록 배치된 상부 전극;을 포함하고, 상기 하부 전극의 바깥 부분은 압전 소재가 형성되지 않고 상부로 노출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전 센서의 하부 전극 상부가 오픈되어 있어 압전 센서의 상부 전극과 하부 전극 모두가 동일면으로 노출되도록 할 수 있다. 따라서 전압 인가를 보다 용이하게 할 수 있고, 제조 공정을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상부 폴링 전극과 하부 폴링 전극이 모두 동일면으로 노출되도록 할 수 있다. 따라서 폴링 작업을 보다 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 센서의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 몰드 형성 단계를 상세히 나타낸 흐름도이다.
도 3은 식각 공정까지 수행된 상태의 반도체 기판의 사시도를 나타낸 것이다.
도 4는 압전 소재를 주입 및 소결 단계(S11) 중 압전 소재 주입 단계를 상세히 나타낸 것이다.
도 5는 압전 소재가 주입된 상태의 사시도를 나타낸 것이다.
도 6은 CMP 공정으로 평탄화된 반도체 기판(10)을 나타낸 것이다.
도 7은 식각 공정(S12)이 완료된 상태의 반도체 기판의 사시도를 나타낸 것이다.
도 8은 절연층(23)이 도포된 상태의 반도체 기판을 나타낸 것이다.
도 9는 CMP 공정으로 절연층(23)의 상부가 깍여져 나간 상태를 나타낸 것이다.
도 10은 제1 전극 형성 단계(S14)를 상세히 나타낸 것이다.
도 11은 제1 전극(26) 형성이 완료된 상태의 반도체 기판(10)의 사시도를 나타낸 것이다.
도 12는 더미 기판(28)이 본딩된 사시도를 나타낸 것이다.
도 13은 반도체 기판(10)에 대한 CMP 공정이 완료된 상태를 나타낸 것이다.
도 14는 제2 전극(29) 및 제2 폴링 전극(30a, 30b)이 형성된 예를 나타낸 것이다.
도 15는 제1 영역(19), 제2 영역(20), 및 제3 영역(21)이 제거된 상태를 나타낸 것이다.
도 16은 폴링 전압을 인가 방법을 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명에 따라 생성된 압전 센서를 나타낸 것이다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되거나 이용되지 않아야 할 것이다. 이 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 실시예를 포함한 설명은 다양한 응용을 갖는다는 것이 당연하다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 임의의 실시예들은 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것이며 본 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다.
도면에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 본 발명의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.
또한, 어떤 구성센서들을 포함한다는 표현은 개방형의 표현으로서 해당 구성센서들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성센서들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
나아가 어떤 구성센서가 다른 구성센서에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성센서에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성센서가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성센서를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성센서를 제외하는 것이 아니라 다른 구성센서를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 센서의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 압전 센서 제조 방법은 몰드 형성 단계(S10), 압전 소재 주입 및 소결 단계(S11), 반도체 기판 식각 단계(S12), 절연층 형성 및 평판화 단계(S13), 제1 전극 형성 단계(S14), 더미 기판 본딩 단계(S15), 제2 전극 형성 단계(S16), 제1 전극 노출 단계(S17), 폴링 단계(S18) 및 다이싱 단계(S19)를 포함한다.
각각의 세부 단계를 보다 상세히 살펴보면, 몰드 형성 단계(S10)는 도 2에 도시된 것과 같은 단계를 포함할 수 있다.
몰드 형성은 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 포토리소그래피는 원하는 회로설계를 유리판 위에 금속패턴으로 만들어 놓은 마스크(mask)라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술이며, 반도체의 제조 공정에서 설계된 패턴을 웨이퍼 상에 형성하는 가장 중요한 공정이다. 더욱 구체적으로는 웨이퍼의 표면에 감광제 조성물을 균일하게 도포하는 도포(coating)공정, 도포된 감광막으로부터 용매를 증발시켜 감광막이 웨이퍼의 표면에 부착하게 하는 소프트 베이킹(soft baking) 공정, 자외선 등의 광원을 이용하여 마스크 상의 회로패턴을 반복적, 순차적으로 축소 투영하면서 감광막을 노광시켜 마스크의 패턴을 감광막 상으로 전사하는 노광(露光, light exposure)공정, 광원에 대한 노출에 의한 감광에 따라 용해도 차와 같은 물리적 성질이 다르게 된 부분들을 현상액을 사용하여 선택적으로 제거하는 현상(現像, development)공정, 현상작업 후 웨이퍼 상에 잔류하는 감광막을 웨이퍼에 보다 긴밀하게 고착시키기 위한 하드 베이킹(hard baking) 공정, 현상된 감광막의 패턴에 따라 일정부위를 에칭하는 식각(蝕刻, etch)공정 및 상기 공정 후 불필요하게 된 감광막을 제거하는 스트립(strip) 공정 등으로 진행된다. 반도체 소자에 사용되는 물질들은 빛에 노출되어도 그 특성이 변화되지 않아, 노광공정을 통해 마스크 원판의 회로설계를 웨이퍼로 전사하기 위해서는 매개체가 필요한데 그 매개체를 감광제(photoresist, PR)라 한다. 감광제는 특정 파장의 빛을 받아 현상액에서의 용해도가 변하는 특성을 이용해 후속 현상처리 과정 중 빛을 받은 부분과 그렇지 않은 부분을 선택적으로 제거할 수 있는 물질을 말한다. 일반적으로 감광제는 현상액을 이용하여 빛에 의하여 선택적으로 변화된 부분을 제거하게 되는데, 빛을 받은 부위가 현상액에 의해 잘 녹는 경우를 파지티브 레지스트(positive resist), 그 반대를 네거티브 레지스트(negative resist)라고 한다.
도 2를 참조하여 설명하면, 먼저 준비된 반도체 기판(10)에 포토 레지스트(photo resist)를 증착한다(S21). 반도체 기판은(10)은 실리콘 단결정 기판일 수도 있지만, SOI(silicon-on-insulator) 기판, 저매늄(Ge) 기판, 갈륨-인(GaP) 기판, 갈륨-비소(GaAs) 기판 등일 수 있으며 특별히 한정되지 않는다. 또한, 반도체 기판(10)으로는 둥근 형상의 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 그리고 포토 레지스트(11)는 감광 물질로서 소정 파장의 빛을 조사함으로써 화학적 특성이 변화하는 물질을 적절히 선택하여 사용할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다. 상기 반도체 기판(10) 위에 포토레지스트(11)를 형성하는 방법은, 예를 들면, 스핀 코팅 방법, 스프레이 코팅 방법, 딥(dip) 코팅 방법에 의할 수 있는데, 여기에 한정되는 것은 아니다. 선택적으로, 스핀 코팅 등의 방법에 의하여 포토 레지스트(11)를 형성한 후에는 소위 PAB(post applied bake)라고도 불리는 베이크가 수행될 수 있다. 상기 베이크를 통하여 상기 포토레지스트(11) 내의 용매가 일부 제거되고 상기 반도체 기판(10) 위에 상기 포토레지스트(11)가 안정적으로 정착된다
다음으로, 노광/현상 공정을 통해 패턴에 따라 포토 레지스트를 제거한다. 즉, 제작하고자 하는 형상의 마스크 패턴(12)이 부착된 유리 기판(13)을 상기 반도체 기판(10) 상에 정렬하여 포토 레지스트(11)를 노광시켜 마스트 패턴이(12) 없는 영역의 포토 레지스트를 제거한다(S22).
노광/현상 공정에 의해 포토 레지스트는 사라지고 노광되지 않은 부분은 기판 상에 잔존한다(S23).
포토 레지스트(11)가 제거되면, 포토 레지스트가 제거된 영역의 반도체 기판(10)을 식각하여 홈(14)을 형성한다(S24). 상기 반도체 기판(10)을 에칭하는 식각공정은 습식 식각법과 건식 식각법으로 나눌 수 있다. 습식 식각법은 화학용액을 이용해 상기 기판(10)의 표면과 화학 반응을 일으켜 상기 기판(10)의 일부분을 제거하는 방법이다. 습식 식각법은 일반적으로 등방성 식각(Isotropic etching)이기 때문에 언더컷(undercut)이 발생하며, 정확한 패턴 형성이 어렵다. 또한, 공정 제어가 어렵고, 식각할 수 있는 선폭이 제한적이며, 부가적으로 생성되는 식각 용액의 처리 문제가 발생하는 단점을 갖는다.　 따라서, 습식 식각법의 단점을 보완할 수 있는 건식 식각법이 더 많이 사용되고 있다. 건식 식각법은 반응가스를 진공 챔버에 주입시킨 후 파워를 인가하여 플라즈마를 형성시키고, 이를 기판(10)의 표면과 화학적 또는 물리적으로 반응시켜 기판(10)의 일부분을 제거하는 공정이다. 본 실시예에서는 공정제어가 용이하고, 이방성 식각(Antisotropic ecthing)이 가능하며, 정확한 패턴을 형성할 수 있는 건식 식각법을 이용할 수 있다. 특히, 건식 식각법 중에서도 물리적 식각인 DRIE(Deep reactive ion etching) 공정을 사용할 수 있다. DRIE 공정은 반응성 개스를 진공 챔버 내에 주입한 후 에너지원에 의해 개스를 해리함으로써 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 내에서 발생한 이온을 전계에서 가속하여 상기 반도체 기판(10)의 표면 위에 충돌시켜 스퍼터링에 의해 식각해 내는 것이다.
반도체 기판(10)에 대한 식각이 완료되면 남아 있는 포토 레지스트(11)를 완전히 제거하여 몰드 형성을 완성한다(S25). 이때 화학적 방법이나 플라즈마를 이용하여 포토 레지스트를 제거할 수 있다.
도 3은 식각 공정까지 수행된 상태의 반도체 기판의 사시도를 나타낸 것이다. 다수의 센서 어레이 패턴(15)이 반도체 기판(10)에 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
몰드 형성이 완료되면, 상기 홈에 압전 소재를 주입하고 소결한다(S11).
도 4는 압전 소재를 주입 및 소결 단계(S11) 중 압전 소재 주입 단계를 상세히 나타낸 것이다.
도 4에 나타난 것과 같이, 반도체 기판에 절연막(16)을 증착한 후(S 41), 압전 소재(17)를 주입할 수 있다(S42). 상기 절연막(16)의 소재로는 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 삼산화이알루미늄(Al2O3)등이 사용될 수 있다. 절연막 증착방법으로는 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD)법 또는 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition;CVD)법으로 증착하여 형성할 수 있다. 한편, PVD 법으로 스퍼터링 또는 전자 빔 증착법(e-beam evaportion) 등을 예로 들 수 있다.
그리고 상기 압전 소재(17)로는 PZT(타이타늄산 지르콘산 연, lead zirconate titanate)가 사용될 수 있으며, 란타(La)를 추가하여 투명화할 수 있다. 압전 소재(17)의 주입 방법은 도시된 바와 같이 파우더(powder) 형태의 압전 재료를 주입하고, 위에서 평평한 누름판(18)을 사용하여 가압하여 식각된 부분에 빈틈이 생기지 않도록 주입할 수 있다. 이때 Jenoptik 사의 HEX 04와 같은 핫 엠보싱(Hot Embossing) 장비를 사용하여 압전 소재를 주입할 수 있다.
도 5는 압전 소재가 주입된 상태의 사시도를 나타낸 것으로, 반도체 기판(10) 위에 압전 소재(17)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
압전 소재 주입이 완료되면, 압전 소재를 소결시킨다(S11).
소결 방법은 저온에서 1차 소결하여 압전 소재의 재료, 예를 들어 바인더를 번 아웃(burn out)시켜 고온에서 2차 소결한다. 1차 소결은 대략 450℃ 내지 900℃에서 1시간 가량 수행하고, 2차 소결은 대략 1200℃ 내지 1500℃에서 2시간 가량 수행할 수 있다.
상기와 같이 소결 공정이 완료되면, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 평탄화한 후 반도체 기판을 식각하여 센서 어레이(array) 패턴이 돌출되도록 한다(S12). 즉, 센서의 셀이 기둥 형태의 압전 라드(PZT rod)가 형성될 수 있도록 한다. 압전 소재(17)에 의해 형성된 부분이 압전 라드이므로, 이후에서는 압전 소재와 압전 라드는 동일한 부호(17)를 사용하기로 한다.
도 6은 CMP 공정으로 평탄화된 반도체 기판(10)을 나타낸 것이다. 압전 라드(17)가 어레이 형태로 배열되어 있는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 압전 라드(17)가 사각형 형태로 형성된 것을 도시하였으나 원형으로 형성할 수도 있으며 다양한 형태로 구현 가능하다.
그리고 식각 공정시에는 반도체 기판의 특정 영역에 마스크를 형성하여 해당 부분은 식각되지 않도록 한다. 식각 공정은 앞서와 같이 건식 식각(DRIE) 공정을 사용할 수 있다.
도 7은 상기와 같은 방법으로 식각 공정(S12)이 완료된 상태의 반도체 기판의 사시도를 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 제1 영역(19), 제2 영역(20), 및 제3 영역(21)은 식각되지 않고 돌출되도록 한다. 상기 제1 영역(19)은 센서 전극 형성을 위한 영역으로 압전 라드(17) 어레이 패턴(22)의 측면 소정 영역에 형성될 수 있다.제2 영역(20)과 제3 영역(21)은 폴링 전극 형성을 위한 영역으로, 반도체 기판의 가장자리에 형성될 수 있다. 반도체 기판(10)에는 다수의 센서 어레이 패턴(22)이 형성되고 각각의 어레이(22)가 하나의 초음파 센서로 동작할 수 있다. 그리고 하나의 초음파 센서에는 다수의 셀이 기둥 형태로 형성된다. 폴링 전극 형성 및 센서 전극 형성에 대해서는 후술하기로 한다. 한편, 제1 영역(19)은 편의상 도면 번호는 하나만 표시하였으나, 도시된 바와 같이 다수의 어레이 패턴에 모두 동일하게 적용될 수 있다.
다시 도 1로 돌아가서 설명하면, 반도체 식각 공정(S12)이 완료되면 반도체 기판(10)의 식각된 부분에 절연재(23)를 주입하여 절연층을 형성한 후 평탄화 한다(S13). 절연층을 깍아내는 방법으로는 CMP 공정이 사용될 수 있다. 상기 절연제는 압전 센서 동작시 신호의 잡음 및 감응도를 최적화하기 위해 높음 초음파 신호의 감쇠 및 전기적 절연이 되는 소재가 사용될 수 있다. 예를 들어, 에폭시가 사용될 수 있다.
그리고 압전 라드(17) 및 반도체 기판의 제1, 2, 3 영역(19, 20, 21)이 나타낼 때까지 평탄화 공정을 진행한다.
도 8은 절연층(23)이 도포된 상태의 반도체 기판을 나타낸 것이고, 도 9는 CMP 공정으로 절연층(23)의 상부가 깎여져 나간 상태를 나타낸 것이다.
도 9에서, 제1영역(19), 2영역(20), 및 제3 영역(21)은 최초 반도체 기판(10)의 일부 영역이므로 반도체 재질이고 나머지 영역(23)은 절연재로 구성된 절연층이다. 그리고 셀 어레이 영역(22)은 압전 소재이다.
절연층 평탄화 공정(S15)이 완료되면, 제1 전극을 형성한다(S16).
도 10은 제1 전극 형성 단계(S14)를 상세히 나타낸 것이다.
도 10을 참조하면, 먼저 반도체 기판(10)에 금속층(24)을 증착한다(도 10의 a). 증착 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 공정이 사용될 수 있다.
다음으로 포토 레지스트(25)를 도포한 후 마스크 패턴에 따라 노광하여 포토 레지스트(25)의 일부 영역을 제거하고(도 10의 b), 포토 레지스트(25)가 제거된 부분의 금속층을 식각한다(도 10의 c). 금속층 식각 후에는 남아 있는 포토 레지스트를 모두 제거하여 전극 형성을 완료한다(도 10의 d). 식각 공정 후 최종적으로 남아 있는 금속층(24)이 제1 전극이 된다. 이때 반도체 기판(10)의 제2 영역(20) 및 제3 영역(21)에도 마스크 패턴을 형성하여 폴링용 전극이 형성될 수 있도록 한다. 폴링용 전극도 제1 전극과 마찬가지로 금속층(24)에 의해 형성된다.
도 11은 제1 전극(26) 형성이 완료된 상태의 반도체 기판(10)의 사시도를 나타낸 것이다.
상기 제1 전극은 금속과 같은 전도성 물질일 수 있으며, 필요에 따라 인쇄 공정을 통해 형성될 수도 있다. 제1 전극을 구체적으로 살펴보면, 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈, 주석, 아연 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 어느 하나 포함할 수 있다. 이는 기존의 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)을 대체할 수 있는 물질로써 가격 면에서 유리하고, 간단한 공정으로 형성할 수 있다. 또한, 더욱 우수한 전기 전도도를 나타낼 수 있어 전극 특성을 향상할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide), 구리 산화물(copper oxide), 주석 산화물(tin oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide) 등의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극은 나노와이어, 감광성 나노와이어 필름, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 전도성 폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 나노 와이어 또는 탄소나노튜브(CNT)와 같은 나노 합성체를 사용하는 경우 흑색으로 구성할 수도 있으며, 나노 파우더의 함량제어를 통해 전기전도도를 확보하면서 색과 반사율 제어가 가능한 장점이 있다. 또는 상기 제1전극은 다양한 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(200)은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo). 금(Au), 티타튬(Ti) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 다수의 제1 전극 라인(26)이 제1 폴링 전극(27a, 27b)에 일체로 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다. 제1 전극(26)과 제1 폴링 전극(27a, 27b)은 모두 금속층(24)에 의해 형성된 것이지만, 기능에 따라 다른 명칭을 부여하였다.
다음으로, 더미 기판을 반도체 기판(10) 상부에 본딩한다(S15).
도 12는 더미 기판(28)이 본딩된 사시도를 나타낸 것이다.
제1 전극 형성 후에는 상기 반도체 기판(10)을 뒤집어서 반대편에 제2 전극을 형성해야 한다. 더미 기판(28)은 이러한 후속 공정을 위해 필요하다. 상기 더미 기판(28)은 절연층(23)과 접착제에 의해 본딩될 수 있다. 접착제로는 열경화 수지, 광학 필름 또는 광학 수지 등의 다양한 접착 물질이 사용될 수 있다.
더미 기판(28)이 본딩되면, 더미 기판(28)이 아래로 향하고 반도체 기판(10)이 위로 향하도록 뒤집은 후, 상부의 반도체 기판(10)을 CMP 공정으로 평탄화한다. 이때 압전 소재(17) 및 절연층(23)이 노출될 때까지 평탄화한다.
도 13은 반도체 기판(10)에 대한 CMP 공정이 완료된 상태를 나타낸 것이다. 이 공정이 완료되면 도시된 것과 같이 더미 기판(28) 상에 절연층(23)만이 형성되어 있고 반도체 기판은 일부 영역(19, 20, 21)을 제외하고는 모두 제거되고 남아 있지 않게 된다.
반도체 기판(10)에 대한 CMP가 완료되면 제2 전극을 형성한다(S16). 제2 전극은 제1 전극의 형성과 동일한 방법으로 형성할 수 있다. 즉, 도 10에서 살펴 본 것과 같이 금속층 증착 후 포토 리소그래피 공정에 의해 패터닝 후 식각하는 방법으로 제2 전극을 형성할 수 있다. 이때 절연층(23)의 가장 자리 영역에 제2 폴링 전극을 형성할 수 있다.
도 14는 제2 전극(29) 및 제2 폴링 전극(30a, 30b)이 형성된 예를 나타낸 것이다.
압전 소재 위에 제2 전극 라인(29)이 다수 형성되어 있고, 이들 전극은 절연층(23) 상에 형성된 제2 폴링 전극(30a, 30b)에 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다.
상기 제2 전극(29)과 제2 폴링 전극은 동일한 금속층이며, 동일한 공정에 의해 형성된 것이다. 이들의 소재는 앞서 살펴본 제1 전극과 같은 다양한 소재가 사용될 수 있다.
상기 제2 전극(29)는 제1 전극(26)과 수직으로 교차하는 방향으로 형성된다.
상기 제1 전극(26)은 하부 전극일 수 있고, 제2 전극(29)은 상부 전극일 수 있다. 마찬가지로 제1 폴링 전극(27)은 상부 폴링 전극일 수 있고, 제2 폴링 전극(30)은 상부 폴링 전극일 수 있다.
제2 전극 형성이 완료되면, 상기 제1 영역(19), 제2 영역(20), 및 제3 영역(21)의 반도체 소재를 제거하여 하부에 형성되어 있는 제1 폴링전극(27)과 제1 전극(26)이 노출될 수 있도록 한다(S17). 반도체 소재를 제거하는 방법으로는 건식 식각 공정(DRIE)을 사용하여 제거할 수 있다.
도 15는 상기 제1 영역(19), 제2 영역(20), 및 제3 영역(21)이 제거된 상태를 나타낸 것이다. 이와 같이 제1 영역(19), 제2 영역(20), 및 제3 영역(21)을 제거하면 하부에 형성되어 있는 제1 전극이 노출되기 때문에 기판을 뒤집지 않고도 전압 인가를 위한 와이어를 연결할 수 있다. 즉, 상부 전극(29) 뿐만 아니라 하부 전극(26)도 상부로 노출되어 있어 전선 연결작업을 보다 용이하게 수행할 수 있다.
제1 전극(26) 및 제1 폴링 전극(27)이 노출되면, 제1 폴링 전극(27)과 제2 폴링 전극(30)에 전압을 인가하여 폴링 공정을 수행한다(S18).
도 16은 폴링 전압을 인가하는 구성을 나타낸 것이다.
폴링(poling treatment)이란 압전 소재에 고압의 전압을 가하여 압전 소재를 활성화시키는 것을 말한다. 분극처리라고도 한다. 압전 소자에 고압의 전압을 가하면 다이폴(diepole)들이 일정한 방향으로 배치되는데 이러한 과정을 폴링이라 한다. 다이폴은 크기가 같고 부호가 반대인 두 전하가 나란히 배치되는 것을 말한다.
도 16에 도시된 것과 같이, 제1 폴링 전극(27) 및 제2 폴링 전극(30)에 전압을 인가하게 되는데, 제1 폴링 전극(27) 즉, 하부 전극이 상부로 노출되어 있기 때문에 폴링 전압 인가도 용이하게 할 수 있다. 폴링 전압 인가시 실리콘 오일(31)에 기판을 담궈 폴링 공정을 진행할 수 있다.
이때 제1 전극(26)은 제1 폴링 전극(27)과 연결되어 있고 제2 전극(29)은 제2 폴링 전극(30)과 연결되어 있기 때문에, 제1 폴링 전극(27)과 제2 폴링 전극(30)에만 전압을 인가하여도 압전 라드(17) 모두에 전압을 인가할 수 있다.
폴링 공정이 완료되면 다이싱 공정을 통해 압전 라드(17) 어레이들을 분리한다(S19). 다이싱 공정으로 압전 라드가 분리되어도 각각의 압전 라드에는 불필요한 더미 기판(28)이 부착되어 있다. 더미 기판(28)은 접착물질로 본딩되었으므로 일정 온도 이상의 열을 가하면 용이하게 제거할 수 있다.
도 17은 다이싱 공정 후 완성된 압전 센서를 나타낸 것이다.
도 17을 참조하면, 하부 전극(26)의 상부가 오픈되어 있어 외부로 노출되어 있으며, 압전 소재(17)는 절연물질(23)로 분리되어 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 압전 센서는 하부전극(26), 상기 하부 전극 상에 형성된 기둥 형태의 압전 소재(17), 및 상기 압전 소재 상에 형성된 상기 하부 전극과 교차하도록 배치된 상부 전극(29)을 포함하고, 상기 하부 전극의 바깥 부분에는 압전 소재가 형성되지 않고 노출되어 있다.
상기와 같은 공정에 의해 초음파 압전 센서가 제조될 수 있으며, 이러한 방법에 의해 생성된 압전 센서는 제1 전극과 제2 전극이 모두 같은 방향으로 노출되어 있어 와이어 본딩 작업이 종래에 비해 훨씬 용이하다는 장점이 있다.
물론, 도 17에 도시된 것과 같이 제1 전극과 제2 전극은 어느 정도 단차가 있지만, 실제 이들 단차는 미세하므로 와이어 작업을 하는데 문제되지 않는다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 구별되어 이해되어서는 안 될 것이다.
10 : 반도체 기판 11 : 포토 레지스트
12 : 마스크 패턴 14 : 홈
16 : 절연막 17 : 압전 소재
19 : 제1 영역 20 : 제2 영역
21 : 제3 영역 22 : 센서 어레이 패턴
23 : 절연층 24 : 금속층
25 : 포토 레지스트 26 : 제1 전극
27 : 제1 폴링 전극 28 : 더미 기판
30 : 제2 전극 31 : 실리콘 오일

Claims (15)

  1. 반도체 기판을 식각하여 다수의 홈을 센서 어레이 패턴 형태의 몰드를 형성하는 단계;
    상기 홈에 압전 소재를 주입하고 소결하는 단계;
    상기 압전 소재가 돌출되도록 반도체 기판을 식각하여 센서 어레이 패턴 형태의 압전 라드(rod)를 형성하되, 상기 패턴의 일측면에 제1 영역이 돌출되도록 식각하는 단계;
    상기 반도체 기판에 절연재를 충진하여 절연층을 형성하는 단계;
    상기 압전 소재가 노출될 때까지 절연층을 평탄화하는 단계;
    상기 압전 소재 및 절연층의 제1 면에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극이 형성된 반도체 기판 상에 더미 기판을 본딩하는 단계;
    상기 반도체 기판의 제2면을 상기 압전 소재가 노출될 때까지 평탄화하는 단계;
    상기 압전 소재의 제2 면에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 영역을 식각하여 상기 제1 전극을 노출시키는 단계;를 포함하는 압전 센서 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소재가 돌출되도록 반도체 기판을 식각하여 센서 어레이 패턴 형태의 압전 라드(rod)를 형성하되, 상기 패턴의 일측면에 제1 영역이 돌출되도록 식각하는 단계는,
    상기 반도체 기판의 소정 영역에 제2 영역 및 제3 영역이 더 돌출되도록 식각하고,
    상기 제1 영역을 식각하여 상기 제1 전극을 노출시키는 단계는,
    상기 제2 영역 및 제3 영역을 더 식각하는 압전 센서 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극을 형성하는 단계는,
    상기 압전 라드에 금속층을 증착하는 단계;
    상기 금속층에 포토 레지스트를 도포하는 단계;
    마스크 패턴에 따라 노광하여 상기 포토 레지스트의 일부 영역을 제거하는 단계;
    상기 포토 레지스트가 제거된 부분의 금속층을 식각하는 단계;
    상기 금속층 식각 후에는 남아 있는 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 압전 센서 제조 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 전극을 형성하는 단계는 상기 제2 영역 및 제3 영역에 금속층을 증착하여 상기 제2 영역 및 제3 영역에 제1 폴링 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 센서 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제1 폴링 전극과 일체로 연결되는 압전 센서 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극을 형성하는 단계는,
    상기 절연층의 제2 면의 소정 영역에 제2 폴링 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압전 센서 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 폴링 전극과 동일 금속층인 압전 센서 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극에 폴링 전압을 인가하여 압전 소재를 활성화시키는 풀링 단계를 더 포함하는 압전 센서 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 수직 방향으로 교차하도록 형성하는 압전 센서 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극을 형성하는 단계는,
    상기 압전 라드에 금속층을 증착하는 단계;
    상기 금속층에 포토 레지스트를 도포하는 단계;
    마스크 패턴에 따라 노광하여 상기 포토 레지스트의 일부 영역을 제거하는 단계;
    상기 포토 레지스트가 제거된 부분의 금속층을 식각하는 단계;
    상기 금속층 식각 후에는 남아 있는 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 압전 센서 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 몰드를 형성하는 단계는,
    포토리소그래피 공정으로 반도체 기판의 제1면에 센서 에레이가 형성될 패턴을 형성하는 단계;
    반도체 기판에 형성된 포토 레지스트를 제거하고 절연막을 증착하는 단계; 및
    상기 포토 레지스트가 제거된 영역을 식각하여 상기 반도체 기판에 소정 간격으로 홈을 형성하는 단계;를 포함하는 압전 센서 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 소결하는 단계는,
    저온에서 제1 기간 동안 소결후, 고온에서 제2 기간 동안 소결하는 압전 센서 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 저온은 450℃ 내지 900℃인 압전 센서 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 고온은 1050℃ 내지 1300℃인 압전 센서 제조 방법.
  15. 삭제
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