KR102070851B1 - 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법 - Google Patents

나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 기판을 식각하여 일정 간격으로 이격된 복수의 로드 생성홀들을 생성하는 전도성 몰드 생성단계, 상기 복수의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 나노로드 생성단계, 상기 로드 생성홀 일측의 상기 전도성 몰드 테두리부에 측면전극 생성부를 마킹하는 측면전극 생성부 표시단계, 상기 나노로드와 상기 마킹된 측면전극 생성부 및 이들을 연결하는 전도성 기판 베이스를 제외하고, 나머지 전도성 몰드를 1차 식각하여 나노로드와 측면전극을 생성하는 전도성 몰드 식각단계, 상기 전도성 몰드 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재를 충진하는 절연재 충진단계, 상기 절연재의 충진에 의해 절연재로 둘러싸인 상기 나노로드 및 측면전극의 일단부가 노출되도록 2차 식각하고, 노출된 나노로드 및 측면전극의 일단부에 하부전극을 형성하는 하부전극 형성단계, 상기 하부전극이 형성된 표면에 더미기판(dummy substrate)을 접착하는 더미기판 접착단계 및 상기 나노로드와 측면전극을 연결하는 상기 전도성 기판 베이스를 제거하여 노출된 상기 나노로드와 측면전극의 타단부에 상부전극을 형성하는 상부전극 형성단계를 포함하는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에 관한 것이다.

Description

나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법{Method for the ultrasonic fingerprint sensor using semiconductor nanorods}
본 발명은 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 나노로드 구조와 금속 전극 구조를 일체형 구조로 제작하여 압전소재 (PZT)를 이용한 초음파지문센서에서 측정되는 다양한 전기적 신호를 와이어 없이 패키지 할 수 있는 플립칩 구조로 제작된 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에 관한 것이다.
보안에 대한 중요성이 강조되면서 다양한 보안 방법이 제시되고 있다. 그 중에서 지문인식 방식은 본인을 확인할 수 있는 가장 효과적인 방법 중의 하나이기 때문에 많은 분야에서 채용하고 있다.
그러나 지문을 인식하는 방식은 여러 가지가 있으며 현재까지 휴대폰에서 사용하고 있는 정전방식이 가장 일반적으로 사용하고 있으나 이러한 방식은 지문을 복사해서 사용할 수 있는 단점을 가지고 있다. 따라서 기존의 지문인식방식이 아닌 복사가 불가능한 새로운 방법의 지문 인식 방식의 필요성이 증가하고 있으며 이에 제시되고 있는 방식이 초음파지문인식 방식이다.
초음파 지문인식을 하기 위해서는 티탄산 지르콘산 연(타이타늄산 지르콘산 연) [PZT, lead zirconate titanate ]이라는 소재를 사용해서 구조를 제작해야 한다. 이러한 물질은 흔희 압전소재로 알려져 있는 물질로 기계적인 힘을 전기적인 신호로 바꾸어주는 역할을 하는 특징을 가지고 있다. 따라서 나노급으로 구성된 PZT구조에 3차원적 지문 행태가 기계적인 힘이 가해진다면 힘을 가하는 순간에 지문을 인식하게 된다. 이러한 PZT를 이용한 초음파 지문센서는 3차원으로 측정되기 때문에 지문복제가 되지 않은 특징을 가지고 있다.
이에 비해서 현재의 지문 인식방식은 2차원적으로 무늬만을 읽는 방식으로 타인의 지문을 테이프 등을 이용해서 지문 복사가 가능하기 때문에 보안에 한계가 있다.
현재 초음파지문인식 센서를 위해서는 멤스(MEMS)공정을 적용해야 한다. 이 경우 100um이상의 높이차이가 나는 공정을 진행해야 한다. 이 경우 일반 박막 공정으로 100um 이상의 단차를 극복할 수 없는 단점이 있어 새로운 구조 새로운 공정이 필요하다. 또한 제작된 초음파 지문센서를 PCB보드에 장착하는 과정에서 소자와 PCB보드 사이를 전기적으로 연결해야 하는데 크게 와이버 본딩 방식과 플립칩 본딩 방식이 있다.
초음파 지문센서의 경우 플립칩 본딩 방식이 사용환경을 고려할 때 최적이지만 소자 두께로 인해서 상부의 전극을 100um이상의 두께는 통과하여 하부로 연결하는데 어려움을 겪고 있다. 따라서 현재까지 플립칩 구조를 구현하기 위한 다양한 기술이 제시되고 있으나 아직까지 안정적인 플립칩 구조 방식으로 제작되는 초음파지문센서 기술에 대해서는 보고가 되지 않고 있다.
본 발명의 목적은 종래 초음파 지문센서의 문제점을 해결하기 위해서 플립칩 구조 구현에 어려움을 겪고 있는 상부전극의 연결을 실리콘 나노로드를 금속전극과 연결하는 플립칩 구조를 구현한 반도체 나노로드 구조를 융합한 플립칩 구조의 초음파 지문센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상부 전극을 하부의 PCB로 연결하기 위해서 상부의 금속 전극과 연결할 수 있는 전도성을 갖는 실리콘 또는 세라믹 나노로드를 일체형으로 제작하여 플립칩 구조를 구현할 수 있도록 하는 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법은 전도성 기판을 식각하여 일정 간격으로 이격된 복수의 로드 생성홀들을 생성하는 전도성 몰드 생성단계; 상기 복수의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 나노로드 생성단계; 상기 로드 생성홀 일측의 상기 전도성 몰드 테두리부에 측면전극 생성부를 마킹하는 측면전극 생성부 표시단계; 상기 나노로드와 상기 마킹된 측면전극 생성부 및 이들을 연결하는 전도성 기판 베이스를 제외하고, 나머지 전도성 몰드를 1차 식각하여 나노로드와 측면전극을 생성하는 전도성 몰드 식각단계; 상기 전도성 몰드 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재를 충진하는 절연재 충진단계; 상기 절연재의 충진에 의해 절연재로 둘러싸인 상기 나노로드 및 측면전극의 일단부가 노출되도록 2차 식각하고, 노출된 나노로드 및 측면전극의 일단부에 하부전극을 형성하는 하부전극 형성단계; 상기 하부전극이 형성된 표면에 더미기판(dummy substrate)을 접착하는 더미기판 접착단계; 및 상기 나노로드와 측면전극을 연결하는 상기 전도성 기판 베이스를 제거하여 노출된 상기 나노로드와 측면전극의 타단부에 상부전극을 형성하는 상부전극 형성단계를 포함하는 것으로 구성된다.
상기 전도성 기판 및 측면전극은 Si, GaAs, InAs, GaN, InN, Ge, ZnO 및 Ga2O3 로 이루어진 군에서 선택된 물질이 포함된 전도성 기판 및 측면전극으로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 기판 및 측면전극은 면저항이 100 Ω/sq 이하인 소재로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 기판 및 측면전극은 800 내지 1300℃의 소결 온도에서 수축률이 3 내지 5% 이하인 소재로 이루어질 수 있다.
상기 나노로드 생성단계는 상기 전도성 몰드에 분말화된 나노 압전물질을 분사하여 상기 로드 생성홀에 나노 압전물질을 충진하는 나노 압전물질 충진단계, 상기 나노 압전물질이 충진된 전도성 몰드에 접착용액을 분사하는 접착용액 분사단계, 상기 접착용액이 분사된 전도성 몰드의 로드 생성홀 부분을 가압하여 충진된 나노 압전물질을 밀집시키는 나노 압전물질 가압단계 및 상기 나노 압전물질 가압단계를 거친 상기 전도성 몰드를 소결하여 상기 나노 압전물질을 소결시키는 나노 압전물질 소결단계를 포함하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 나노 압전물질 충진단계는 상기 분말화된 나노 압전물질에 액체 상태의 나노 압전물질 및 기체 상태의 나노 압전물질을 함께 혼합하여 상기 로드 생성홀에 충진하는 것으로 수행될 수 있다.
상기 나노 압전물질은 PZT(PbZrO3)계 화합물, PST(Pb(Sc, Ta)O3계 화합물, 석영, (Pb, Sm)TiO3계 화합물, PMN(Pb(MgNb)O3-PT(PbTiO3)계 화합물, PVDF(Poly(vinylidene fluoride))계 화합물 및 PVDF-TrFe계 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 화합물일 수 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 상기 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에 의해 제조되고, 센서 어레이의 상부전극 및 하부전극을 연결하는 측면전극이 전도성 기판 몰드 전극으로 이루어지는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서를 제공한다.
본 발명에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법은 상부 전극을 하부의 PCB로 연결하기 위해서 상부의 금속 전극과 연결할 수 있는 전도성을 갖는 실리콘 또는 세라믹 나노로드를 일체형으로 제작하여 플립칩 구조를 구현함으로써, 안정적인 소자 구동과 수명까지 연장되는 장점을 가지고 있어 초음파 지문센서에 가장 적합하게 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법을 통해 센서 패키지를 제조하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법을 통해 제조된 센서 어레이의 모습을 나타낸 모식도이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법을 통해 제조된 센서 어레이의 평면 모습을 나타낸 모식도이다.
도 3은 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 4는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습과 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 비교하여 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 7는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 9는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판의 로드 생성홀들에 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 10은 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 12는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판의 로드 생성홀들에 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 모습과 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지들이다.
도 15은 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지들이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 구체적인 수치는 실시예에 불과하다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법을 통해 센서 패키지를 제조하는 과정을 나타낸 블록도가 개시되어 있고, 도 2a에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법을 통해 제조된 센서 어레이의 모습을 나타낸 모식도가 개시되어 있으며, 도 2b에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법을 통해 제조된 센서 어레이의 평면 모습을 나타낸 모식도가 개시되어 있다.
도 3에는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지가 개시되어 있고, 도 4에는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지이며, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지가 개시되어 있다.
도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습과 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 비교하여 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지가 개시되어 있고, 도 7에는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지가 개시되어 있으며, 도 8에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 9에는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판의 로드 생성홀들에 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 모습을 나타낸 모식도가 개시되어 있고, 도 10에는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지가 개시되어 있으며, 도 11에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지가 개시되어 있다.
도 12에는 종래 초음파 지문센서의 제조방법에서 몰드 기판의 로드 생성홀들에 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 모습과 몰드 기판 사이에 형성된 압전로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지가 개시되어 있고, 도 13에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 과정을 나타낸 모식도가 개시되어 있으며, 도 14에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지들이 개시되어 있다.
도 15에는 본 발명의 일실시예에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에서 전도성 기판 사이에 형성된 나노로드의 모습을 나타낸 SEM(Scanning Electron Microscope)이미지들이 개시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법은 전도성 기판을 식각하여 일정 간격으로 이격된 복수의 로드 생성홀들을 생성하는 전도성 몰드 생성단계; 상기 복수의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 나노로드 생성단계; 상기 로드 생성홀 일측의 상기 전도성 몰드 테두리부에 측면전극 생성부를 마킹하는 측면전극 생성부 표시단계; 상기 나노로드와 상기 마킹된 측면전극 생성부 및 이들을 연결하는 전도성 기판 베이스를 제외하고, 나머지 전도성 몰드를 1차 식각하여 나노로드와 측면전극을 생성하는 전도성 몰드 식각단계; 상기 전도성 몰드 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재를 충진하는 절연재 충진단계; 상기 절연재의 충진에 의해 절연재로 둘러싸인 상기 나노로드 및 측면전극의 일단부가 노출되도록 2차 식각하고, 노출된 나노로드 및 측면전극의 일단부에 하부전극을 형성하는 하부전극 형성단계; 상기 하부전극이 형성된 표면에 더미기판(dummy substrate)을 접착하는 더미기판 접착단계; 및 상기 나노로드와 측면전극을 연결하는 상기 전도성 기판 베이스를 제거하여 노출된 상기 나노로드와 측면전극의 타단부에 상부전극을 형성하는 상부전극 형성단계를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
즉 본 발명에 따른 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법은 지문센서의 센서 어레이에서 상부전극을 하부전극 또는 하부의 PCB로 연결하기 위한 측면전극을 형성하되, 이러한 측면전극을 센서 어레이의 나노로드(압전로드)를 생성하기 위해 사용되는 몰드 기판을 전도성 몰드기판으로 구성하여 전도성 몰드기판의 일부가 측면전극이 되도록 구성함으로써, 센서 어레의 제작과정에서 측면 전극을 형성하기 위해 수행되는 몰드 기판에 대한 별도의 비아홀 식각과정 및 비아홀에 대한 전도성 필러의 충진 과정 등의 공정을 생략할 수 있으므로, 플립칩 구조의 지문센서 제작 공정을 단축시키고, 생산성을 향상시키며, 수율을 개선할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이와 같이 제조된 초음파 지문센서는 안정적인 플립칩 구조의 센서 어레이를 통해 제조되므로, 안정적인 소자 구동을 담보할 수 있고, 소자의 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 전도성 기판을 식각하여 로드 생성홀들을 포함하는 전도성 몰드를 형성하는 단계는 예를 들어, 포토리소그래피(Photolithography) 방법을 통해 기판을 식각하여 몰드를 형성할 수 있다. 포토리소그래피는 원하는 회로설계를 유리판 위에 금속 패턴으로 형성된 마스크(mask)라는 원판에 빛을 조사하여 생기는 그림자를 기판 상에 전사시겨 복사하는 방법으로, 설계된 소정의 형태의 패턴을 기판 상에 형성하는 방법 중 하나이다.
한편, 상기 1차 식각 및 2차 식각 등의 식각 과정은 일반적인 습식 식각법과 건식 식각법 등을 통해 수행될 수 있다.
일반적으로 습식 식각법은 화학용액을 이용해 상기 기판 상의 포토레지스트가 제거된 부분의 표면과 화학 반응을 일으킴으로써, 기판 상에 홈을 형성할 수 있다. 이러한 습식 식각법은 일반적으로 등방성 식각(Isotropic etching)이기 때문에 언더컷이 발생하며, 정확한 패턴 형성이 어렵다. 또한 공정 제어가 어렵고, 식각할 수 있는 선폭이 제한적이며, 부가적으로 생성되는 식각 용액의 처리가 어렵다는 단점이 있다.
한편, 습식 식각법의 단점을 보완하기 위해 사용되는 건식 식각법은 반응가스를 진공 챔버에 주입시킨 후, 전력을 인가하여 플라즈마를 형성시킬 수 있다. 이를 통해 기판의 표면과 화학적 또는 물리적으로 반응시켜 기판 상의 포토레지스트가 제거된 부분을 식각할 수 있다. 상기 건식 식각법은 이방성 식각(Antisotropic etching)이 가능하며, 공정 제어가 용이하고, 정확한 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있기 때문에, 본 발명에서는 건식 식각법을 통해 식각공정을 수행할 수 있다.
상기 지문센서 내 포함되는 상기 나노로드는 압전 물질을 포함함으로써, 전압이 인가되면 초음파를 발생 및 수신할 수 있다.
구체적으로 상기 압전 물질이 진동할 수 있는 초음파 대역의 공진 주파수를 갖는 교류 전압이 상기 압전 센서 내 압전 로드에 인가되면 압전 로드가 상하, 좌우로 진동될 수 있으며, 이와 같이 상기 압전 로드가 상하, 좌우로 진동하게 되면 소정의 주파수를 갖는 초음파 신호를 생성할 수 있다.
상기 전도성 기판 및 측면전극은 Si, GaAs, InAs, GaN, InN, Ge, ZnO 및 Ga2O3 로 이루어진 군에서 선택된 물질이 포함된 전도성 기판 및 측면전극으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 지문센서의 측면전극으로 남게 되는 전도성 기판의 소재는 Si 기판 등의 반도체 기판으로 이루어질 수 있으며, 기판의 전도성을 향상시킬 수 있도록, Si 도핑된 N형 Si 웨이퍼, P형 Si 웨이퍼 등으로 구성될 수 있으며, 웨이퍼 전체적으로 doping이 균일하게 잘 이루어진 Si 웨이퍼로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전도성 기판 및 측면전극은 면저항이 100 Ω/sq 이하인 소재로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 전도성 기판 및 측면전극의 소재는 상기 원소들 이외에 탄소계열 즉 흑연(graphite)으로 이루어질 수 있으며, Al, Mg, Ti, Ni 등으로 이루어진 금속으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 전도성 기판 및 측면전극은 상기 반도체 소재와 면저항이 100 Ω/sq 이하인 소재로 등에서 선택되거나 이들 원소나 화합물을 조합하여 구성될 수 있으며, 이때 바람직하게는 800 내지 1300℃의 소결 온도에서 수축률이 3 내지 5% 이하인 소재로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에 의해 제조된 초음파 지문센서의 경우, 전도성 필러 전극, 금속 또는 실버에폭시 전극 등과 같은 종래의 전극에 비해 열처리시 발생하는 수축을 최소화 하여, 수축율이 5% 내지 3% 이하인 전극으로 구현되는 장점이 있다.
한편, 상기 나노로드 생성단계는 상기 전도성 몰드에 분말화된 나노 압전물질을 분사하여 상기 로드 생성홀에 나노 압전물질을 충진하는 나노 압전물질 충진단계; 상기 나노 압전물질이 충진된 전도성 몰드에 접착용액을 분사하는 접착용액 분사단계; 상기 접착용액이 분사된 전도성 몰드의 로드 생성홀 부분을 가압하여 충진된 나노 압전물질을 밀집시키는 나노 압전물질 가압단계; 및 상기 나노 압전물질 가압단계를 거친 상기 전도성 몰드를 소결하여 상기 나노 압전물질을 소결시키는 나노 압전물질 소결단계를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
즉, 상기 나노로드 생성단계는 상기 로드 생성홀에 나노 압전물질을 충진하는 과정에서 분말화된 나노 압전물질을 분사하여 충진함으로써, 종래의 센서 어레이 제조과정에서 벌크(bulk) 상태의 압전물질을 몰드에 단순 가압하여 충진하는 방법에 비해 몰드에 대한 압전물질의 충진 균일도를 향상시켜 소결 및 식각과정 등을 통해 생성되는 센서 어레이의 나노로드의 성능과 외형을 현저하게 개선할 수 있다.
여기서, 상기 나노 압전물질 충진단계는 상기 분말화된 나노 압전물질에 액체 상태의 나노 압전물질 및 기체 상태의 나노 압전물질을 함께 혼합하여 상기 로드 생성홀에 충진하는 것으로 수행됨으로써, 몰드에 대한 압전물질의 충진 균일도를 더욱 극대화할 수 있다.
한편, 상기 나노 압전물질은 PZT(PbZrO3)계 화합물, PST(Pb(Sc, Ta)O3계 화합물, 석영, (Pb, Sm)TiO3계 화합물, PMN(Pb(MgNb)O3-PT(PbTiO3)계 화합물, PVDF(Poly(vinylidene fluoride))계 화합물 및 PVDF-TrFe계 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에 의해 제조되고, 센서 어레이의 상부전극 및 하부전극을 연결하는 측면전극이 전도성 기판 몰드 전극으로 이루어지는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서를 제공한다.
즉, 상기 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서는 센서 어레이에서 상부전극을 하부전극 또는 하부의 PCB로 연결하기 위한 측면전극을 형성하되, 이러한 측면전극을 센서 어레이의 나노로드(압전로드)를 생성하기 위해 사용되는 몰드 기판을 전도성 몰드기판으로 구성하여 전도성 몰드기판의 일부가 측면전극이 되도록 구성됨으로써, 센서 어레의 제작과정에서 측면 전극을 형성하기 위해 수행되는 몰드 기판에 대한 별도의 비아홀 식각과정 및 비아홀에 대한 전도성 필러의 충진 과정 등의 공정을 생략할 수 있으므로, 플립칩 구조의 지문센서 제작 공정을 단축시키고, 생산성을 향상시키며, 수율을 개선할 수 있는 장점이 있다. 또한, 안정적인 플립칩 구조의 센서 어레이를 통해 제조되므로, 안정적인 소자 구동을 담보할 수 있고, 소자의 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서는 센서 어레이의 구조에서 상부전극 및 측면전극과 함께, 상기 측면전극과 압전물질로 이루어진 나노로드를 연결하여 상부전극과 연결하는 추가 금속전극을 더 포함할 수 있다. 이러한 추가전극은 상기 나노로드로부터 발생하는 신호가 상부전극을 통해 측면전극으로 더욱 원활하게 흐를 수 있도록 촉진하는 작용을 한다. 여기서, 상기 추가 금속전극은 제1 추가 금속전극과 제2 추가 금속전극으로 구성되어 상기 나노로드에 대한 신호의 발신자(emitter) 전극과 수신자 (receiver) 전극으로 각각 구현될 수 도 있다.
또한, 상기 나노로드는 플립칩 구조에서 더미기판이나 PCB 기판과 직접적으로 연결되지 않고, 측면전극 등의 별도의 전극에 의해 신호를 전송하도록 구성된다.
또한, 상기 나노로드는 상기 측면전극에 대해 폭과 높이가 동일하거나 작은 것으로 구성됨으로써, 상부전극과 하부전극 등을 포함하는 센서 어레이를 더욱 안정적으로 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 나노로드 구조를 융합한 플립칩 구조의 초음파 지문센서는 센서 소자의 신호가 흐르는 소자내 회로에서 반도체 소재 전극과 금속 전극이 순차적으로 흐르는 구조를 갖는 것으로 구성될 수 있다.
상기 반도체 소재는 Si, Ge, GaAs, InP, InAs, GaN, InGaN, AlGaN, ZnO, ITO, SnO, In2O3, Ga2O3 로 이루어진 군에서 선택된 반도체 특성을 갖는 소재를 사용할 수 있다.
상기 반도체 소재는 Ti, Au, Ag, Pt, Al, In, Sn, Zn, Cu, Mg로 이루어진 군에서 선택된 금속 중에서 하나 또는 두 개 이상의 혼합물로 이루어진 소재를 사용할 수 있다.
상기 반도체 소재 전극 구조는 직선형 구조를 가질 수 있다.
PZT를 이용한 지문센서를 제작할 때 Si 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 몰드로 사용하며 이러한 몰드 방식으로 PZT기반 지문센서를 제작할 경우 반도체 웨이퍼를 식각하는 과정이 있으며 이러한 과정에서 상부 전극과 연결된 부분을 제외하고 식각하는 선택적 식각을 통해서 금속 전극 부분과 연결된 반도체 웨이퍼를 나노로드 형태로 제작되도록 식각한다.
이 경우에 100um 이상의 두께를 갖는 PZT기반 지문센서의 전극과 반도체 기판을 사용한 나노로드 높이를 거의 동일하게 제작할 수 있어 상부 금속전극을 PCB까지 연결할 수 있어 플립칩 구조로 센서 제작이 가능하다.
따라서 반도체 웨이퍼를 이용하여 PZT 센서를 제작하는 과정에서 센서 두께 만큼 반도체 웨이퍼를 선택적으로 식각해서 상부전극과 일체형이 되도록 제작하며, 이 경우 사용될 수 있는 웨이퍼는 전도성을 갖는 것을 특징으로 한 Si, GaAs, InAs, GaN, InN, Ge, ZnO, Ga2O3 등 전도성을 갖는 세라믹계열 반도체형 웨이퍼 또는 전도성이 우수한 금속 웨이퍼도 사용 가능하다. 면저항 100 Ω/sq 이하의 소재를 몰드로 사용하는 경우에도 가능하다.
상기 반도체 특성을 갖는 웨이퍼를 이용해서 몰드를 제작하고 그 몰드 형태로 PZT를 장입하여 성형과 소결을 진행한 후에 PZT상부의 전극을 하부의 PCB에 연결하기 위한 전극 구조를 몰드 제작에 사용된 PZT 전극을 증착하고 그 전극과 연결된 반도체 웨이퍼 나노로드를 제작하여 하부의 PCB전극에 연결한다.
이 경우 상부 PZT전극에서 발생한 신호는 반도체 나노로드를 통해서 하부 PCB에 전달될 수 있으며, 이렇게 제작된 센서소자는 플립칩 구조 센서를 제조하는 과정에서 전극과 연결된 와이어가 없기 때문에 와이어 오픈 또는 와이어끼리 서로 연결되는 현상이 없어 작동 환경에 가장 최적화된 구조이다. 따라서 안정적인 소자 구동과 수명까지 연장되는 장점을 가지고 있어 초음파 지문센서에 자장 적합한 센서 구조로 구현될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 전도성 기판을 식각하여 일정 간격으로 이격된 복수의 로드 생성홀들을 생성하는 전도성 몰드 생성단계;
    상기 복수의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노로드들을 생성하는 나노로드 생성단계;
    상기 로드 생성홀 일측의 상기 전도성 몰드 테두리부에 측면전극 생성부를 마킹하는 측면전극 생성부 표시단계;
    상기 나노로드와 상기 마킹된 측면전극 생성부 및 이들을 연결하는 전도성 기판 베이스를 제외하고, 나머지 전도성 몰드를 1차 식각하여 나노로드와 측면전극을 생성하는 전도성 몰드 식각단계;
    상기 전도성 몰드 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재를 충진하는 절연재 충진단계;
    상기 절연재의 충진에 의해 절연재로 둘러싸인 상기 나노로드 및 측면전극의 일단부가 노출되도록 2차 식각하고, 노출된 나노로드 및 측면전극의 일단부에 하부전극을 형성하는 하부전극 형성단계;
    상기 하부전극이 형성된 표면에 더미기판(dummy substrate)을 접착하는 더미기판 접착단계; 및
    상기 나노로드와 측면전극을 연결하는 상기 전도성 기판 베이스를 제거하여 노출된 상기 나노로드와 측면전극의 타단부에 상부전극을 형성하는 상부전극 형성단계;
    를 포함하는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 기판 및 측면전극은 Si, GaAs, InAs, GaN, InN, Ge, ZnO 및 Ga2O3 로 이루어진 군에서 선택된 물질이 포함된 전도성 기판 및 측면전극으로 이루어지는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 기판 및 측면전극은 면저항이 100 Ω/sq 이하인 소재로 이루어진 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 기판 및 측면전극은 800 내지 1300℃의 소결 온도에서 수축률이 3 내지 5% 이하인 소재로 이루어진 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노로드 생성단계는
    상기 전도성 몰드에 분말화된 나노 압전물질을 분사하여 상기 로드 생성홀에 나노 압전물질을 충진하는 나노 압전물질 충진단계;
    상기 나노 압전물질이 충진된 전도성 몰드에 접착용액을 분사하는 접착용액 분사단계;
    상기 접착용액이 분사된 전도성 몰드의 로드 생성홀 부분을 가압하여 충진된 나노 압전물질을 밀집시키는 나노 압전물질 가압단계; 및
    상기 나노 압전물질 가압단계를 거친 상기 전도성 몰드를 소결하여 상기 나노 압전물질을 소결시키는 나노 압전물질 소결단계;
    를 포함하는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 나노 압전물질 충진단계는 상기 분말화된 나노 압전물질에 액체 상태의 나노 압전물질 및 기체 상태의 나노 압전물질을 함께 혼합하여 상기 로드 생성홀에 충진하는 것으로 수행되는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 압전물질은 PZT(PbZrO3)계 화합물, PST(Pb(Sc, Ta)O3계 화합물, 석영, (Pb, Sm)TiO3계 화합물, PMN(Pb(MgNb)O3-PT(PbTiO3)계 화합물, PVDF(Poly(vinylidene fluoride))계 화합물 및 PVDF-TrFe계 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 화합물인 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법에 의해 제조되고, 센서 어레이의 상부전극 및 하부전극을 연결하는 측면전극이 전도성 기판 몰드 전극으로 이루어지는 나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서.
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