KR102637014B1 - 적외선 감지 센서 모듈 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 의한 적외선 감지 센서 모듈은 하부층; 상기 하부층 위에 어레이 형태로 배열된 복수의 적외선 감지 센서; 상기 복수의 적외선 감지 센서 상에 복수의 캐비티(cavity)가 형성된 상부층; 상기 하부층과 상기 상부층을 접합시키는 접합층; 및 상기 상부층 상에 형성되는 집광 렌즈를 포함하고, 상기 접합층은 상기 복수의 적외선 감지 센서들 사이 및 상기 복수의 적외선 감지 센서 가장 자리에 배치될 수 있다.
Description
실시 예는 적외선 감지 센서 모듈에 관한 것이다.
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, 사람의 경우에는 적외선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사한다.
적외선 센서는 이러한 물체가 방사하고 있는 적외선을 감지하여 그 적외선이 갖는 복사 에너지의 크기를 이용하여 물체의 유무 또는 물체까지의 거리 등을 측정하는 센서이다.
이러한 적외선 센서는 다양한 곳에 응용되고 있다. 예를 들어 자동문에서 사람이 다가오는 것을 알고 문을 자동으로 열고 조명등을 자동으로 켜거나 한밤중에 건물 내에 외부인의 침입을 확인하는 보안장치를 비롯하여 화재가 발생하였을 때 연기로 인하여 인명 구조활동이 불가능한 상황에서 열을 감지하여 영상화 시켜주는 열화상 카메라 등 다양한 방면에서 이용되고 있다.
일반적으로 적외선을 이용하여 인체의 존재 및 움직임을 감지하는 적외선 센서는 볼로미터(Bolometer)를 사용하고 있다. 일반적으로 볼로미터는 적외선에 의하여 변화된 소자의 온도를 저항의 변화를 이용하여 감지하는 방식의 소자를 말한다. 이러한 볼로미터는 복사를 받으면 온도가 높아지고 이로 인하여 전기저항이 변화하는 성질의 금속이나 반도체를 검출체로 사용한다. 최근 볼로미터는 영상처리기술에도 널리 사용되고 있으며, 보다 우수한 해상도를 갖는 마이크로 볼로미터(Micro Bolometer)를 구현하기 위해서는 단위 면적에 보다 많은 볼로미터들이 고집적 되어야 하고, 이를 구현하기 위해서는 각 마이크로 볼로미터 중 광이 입사되는 수광부의 면적을 감소시켜야 한다.
최근, 높은 해상도를 획득하기 위하여 픽셀 어레이(pixel array)의 수를 계속 늘림에 따라 커지는 모듈의 면적을 해소하기 위해 픽셀 피치(pixel pitch)를 50㎛ 내지 17 ㎛로 줄여가고 있는 추세이다. 또한, 적외선 감지 센서의 성능을 개선시키고 외부 환경으로부터 소자를 보호하기 위하여 적외선 감지 센서 패키징 기술이 사용된다. 적외선 감지 센서는 진공에서 동작할 때 우수한 성능을 보이기 때문에 진공 패키징 기술을 적용하여 적외선 감지 센서가 진공 상태에 놓이도록 한다. 이때, 제작 비용 절감 내지 수율을 높이기 위하여 웨이퍼 레벨(wafer level)에서 모듈을 제작하고 있다. 이러한 적외선 감지 센서 모듈의 일례를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 일반적인 적외선 감지 센서 모듈의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 적외선 감지 센서 모듈(100)은 어레이 형태로 배열된 복수의 적외선 감지 센서(110)가 배치된 소자 웨이퍼(120), 캐비티(cavity)가 형성된 상부 웨이퍼(130) 및 소자 웨이퍼(120)와 상부 웨이퍼(130)를 접합하는 금속 솔더층(140)으로 구성되고, 소자 웨이퍼(120)와 상부 웨이퍼(130)로 둘러싸인 공간은 진공 상태로 되어 있다.
이러한 일반적인 진공 패키징 적외선 감지 센서 모듈(100)은 복수의 적외선 감지 센서(110)를 포함하는 픽셀 어레이 단위로 렌즈(150)를 설계하고 있으나, 이와 같이 픽셀 어레이 단위로 렌즈를 설계할 경우 픽셀 피치의 사이즈가 소형화 될수록 입사광에 대한 감도가 현저히 저하되는 문제점이 있다.
실시 예는 고가의 고진공 장비를 사용하지 않고도 적외선 감지 센서 모듈을 제공하기 위한 것이다.
실시 예는 복수의 적외선 감지 센서를 포함하는 픽셀 어레이 단위가 아닌, 픽셀 단위 패키지 별로 개별 렌즈를 형성하여 픽셀 면적당 집광하는 적외선의 광량을 증가시키고, 입사광에 대한 감도가 향상될 수 있는 적외선 감지 센서 모듈을 제공하기 위한 것이다.
실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예는 하부층; 상기 하부층 위에 어레이 형태로 배열된 복수의 적외선 감지 센서; 상기 복수의 적외선 감지 센서 상에 복수의 캐비티(cavity)가 형성된 상부층; 상기 하부층과 상기 상부층을 접합시키는 접합층; 및 상기 상부층 상에 형성되는 집광 렌즈를 포함하고, 상기 접합층은 상기 복수의 적외선 감지 센서들 사이 및 상기 복수의 적외선 감지 센서 가장 자리에 배치되는, 적외선 감지 센서 모듈을 제공한다.
이때, 상기 집광 렌즈는, 상기 복수의 적외선 감지 센서 각각과 대응되는 부분에 복수 개로 형성될 수 있다.
또한, 적외선 감지 센서 모듈은 상기 복수의 집광 렌즈를 둘러싸는 렌즈 수용부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 상부층은, 상기 복수의 적외선 감지 센서 간의 경계를 정의하는 오목부를 더 포함하고, 상기 렌즈 수용부, 상기 오목부 및 상기 접합층은, 수직 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
그리고 상기 복수의 집광 렌즈 각각의 탑면은 상기 렌즈 수용부의 상부면보다 더 높을 수 있다.
또한, 상기 복수의 집광 렌즈 각각의 측부 중 적어도 일부는 상기 렌즈 수용부와 접하는 접합면을 포함하고, 상기 렌즈 수용부의 상부면의 높이는 상기 접합면의 높이보다 더 클 수 있다.
또한, 적외선 감지 센서 모듈은 상기 복수의 적외선 감지 센서 아래에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반사층은 상기 복수의 적외선 감지 센서 각각과 대응되는 부분에 복수 개로 형성될 수 있고, 상기 반사층, 상기 적외선 감지 센서 및 상기 집광 렌즈는, 수직 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈은 고가의 고진공 장비를 사용하지 않고도 적외선 감지 센서 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈은 복수의 적외선 감지 센서를 포함하는 픽셀 어레이 단위가 아닌, 픽셀 단위 패키지 별로 개별 렌즈를 형성하여 단위 픽셀 면적당 집광하는 적외선의 광량을 증가시키고, 서로 인접하는 적외선 감지 센서 간의 경계에 렌즈 수용부를 형성하여 입사되는 적외선 간의 간섭을 방지하여 입사광에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 적외선 감지 센서 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 픽셀 단위 패키지(PLP)를 구체적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복수의 캐비티를 포함하는 렌즈 수용부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 픽셀 단위 패키지(PLP)를 구체적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복수의 캐비티를 포함하는 렌즈 수용부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예를 상세히 설명한다. 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시 예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시 예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시 예에 의한 적외선 감지 센서 모듈을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈(200)은 하부층(210), 상부층(230), 적외선 감지 센서(220), 솔더층(240) 및 렌즈(250)를 포함하여 구성될 수 있다.
하부층(210) 및 상부층(230) 각각은 웨이퍼로 구현될 수 있다.
하부층(210)은 실리콘(Si) 기판을 포함할 수 있고, 실리콘 기판에는 적외선 감지체(222)를 구동하기 위한 판독집적회로(ROIC)가 형성될 수 있으며, 저항값의 변화에 따른 전기적인 신호는 하부층(210)에 실장된 판독집적회로(ROIC)에 입력된다.
또한, 하부층(210)은 실리콘 기판 위에 후속 공정으로부터 실리콘 기판의 손상을 방지하거나 소자와의 쇼트를 방지하기 위한 보호층으로 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx) 등의 절연층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
하부층(210) 위에는 M x N (M≥2, N≥1, 정수)개의 어레이로 형태로 배열된 복수의 적외선 감지 센서(220)가 배치된다.
복수의 적외선 감지 센서(220)는 적외선 복사 에너지를 전기적 신호로 바꾸어 주는 기능을 수행할 수 있다. 적외선이 복수의 적외선 감지 센서(220) 중 특정 적외선 감지 센서에 입사하게 되면, 특정 적외선 감지 센서는 적외선이 갖고 있는 복사 에너지를 흡수하게 되어 전기 저항이 작아지게 되며, 이와 같이 변화된 저항의 값에 대응하는 신호를 처리함으로써 공간상의 물체의 존재 및 움직임을 감지하게 된다.
상부층(230)은 하부층(210) 위에 배치된 복수의 적외선 감지 센서(220) 각각을 수용할 수 있도록 이면에 복수의 제1 캐비티(cavity; C1)가 형성될 수 있다. 그리고, 상부층(230)은 표면에 적외선 필터(미도시)를 포함할 수 있다. 적외선 필터(미도시)는 렌즈(250)에서 집광되는 적외선 중에서 선택된 특정 파장-가령, 인체에서 방출되는 파장-을 갖는 적외선만을 필터링하여 통과시키는 기능을 수행한다. 예를 들어 사람은 전 파장에 걸쳐 에너지를 방출하지만 8~12㎛ 파장에서 가장 많은 에너지를 방출하기 때문에 해당 파장을 투과시킴으로써 사람의 존재여부 및 움직임 등을 파악할 수 있다. 그러나 상기한 파장은 본 발명의 일 예시이며 이러한 원리를 이용하여 특정 물체를 감지하고자 하는 경우에는 해당 물체가 가장 많은 에너지를 방출하는 파장만을 통과시키는 적외선 필터를 적용함이 바람직하다.
비록 도시되지는 않았지만, 복수의 제1 캐비티(C1)가 형성된 내부 각각에 적어도 하나의 게터(getter)(미도시)가 형성될 수 있다. 게터는 하부층(210)과 상부층(230)을 픽셀 단위 패키지(PLP; Pixel Level Package)로 접합하여 패키징하는 과정에서 발생되는 가스를 흡수함으로써 픽셀 단위 패키지(PLP) 내부의 진공도를 높이는 기능을 수행한다.
또한, 상부층(230)은 픽셀 레벨 패키징(pixel level packaging)을 위하여, 복수의 적외선 감지 센서(220) 간의 경계를 정의할 수 있다. 바람직하게는, 상부층(230)은 복수의 적외선 감지 센서(220) 간의 경계를 정의하는 리세스 단면 형상의 오목부(R)를 포함할 수 있다.
접합층(240) 각각은 복수의 적외선 감지 센서(220) 간의 경계에 배치되며, 하부층(210)과 상부층(230)을 접합한다. 예를 들어, 접합층(240)은 하부층(210) 및 상부층(230) 중 적어도 하나의 상부에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 하부층(210) 중 상부층(230)의 리세스 단면 형상의 오목부(R)와 대응되는 영역에 배치될 수 있다.
하부층(210)과 상부층(230)은 접합층(240)에 의해 접합될 수 있고, 이때, 서로 인접하는 접합층(240), 하부층(210) 및 상부층(230)으로 인해 정의되는 공간에 개별 적외선 감지 센서(220)가 패키징 될 수 있다. 개별 적외선 감지 센서(220)는 하나의 픽셀에 대응될 수 있으므로, 이러한 패키징 형태를 픽셀 레벨 패키징(pixel level packaging)이라 칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀 레벨 패키징(pixel level packaging)은 접합층(240)을 이용하여 하부층(210)과 상부층(230)을 픽셀 단위 패키지(PLP; Pixel Level Package) 별로 접합(bonding)함으로써 구현될 수 있다. 여기서, 픽셀 레벨 패키징은 진공 상태에서 형성될 수 있고, 픽셀 단위 패키지(PLP)의 내부는 대략 0.01mbar의 진공도로 유지될 수 있다.
픽셀 단위 패키지(PLP)는 하나의 적외선 감지 센서(220)를 사이에 두고 서로 인접하는 접합층(240), 하부층(210) 및 상부층(230)에 의해 정의될 수 있고, 여기서 상기 접합층(240)은 복수 개로 형성될 수 있다. 따라서, 복수의 픽셀 단위 패키지(PLP)의 내부 각각은 진공 상태로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 1에 도시된 일반적인 적외선 감지 센서 모듈(100)은 복수의 적외선 감지 센서(110)를 포함하는 픽셀 어레이(pixel array) 단위-또는 웨이퍼 레벨(wafer level)-로 진공 패키징이 수행된다. 구체적으로, 복수의 적외선 감지 센서(110)가 배치된 소자 웨이퍼(120)와 복수의 적외선 감지 센서(110)를 모두 감싸도록 형성된 상부 웨이퍼(130) 사이의 대면적을 진공 상태에 놓이도록 하기 위해, 고진공 bonding 장비를 이용하여 픽셀 어레이(pixel array) 단위-또는 웨이퍼 레벨(wafer level)-에서 진공 패키징이 수행되므로, 패키징 비용이 증가하는 문제가 있다.
반면에, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈(200)은 각각의 적외선 감지 센서(220) 별로 픽셀 단위(pixel level)의 진공 패키징이 수행될 수 있다. 이와 같이, 픽셀 레벨 패키징(pixel level packaging)은 개별 진공 패키징 효과를 가져올 수 있고, 진공 면적이 감소됨에 따라 고가의 고진공 장비를 사용하지 않고도 진공 패키징이 가능하므로, 종래 대비 패키징 비용을 50% 이상 절감할 수 있다.
한편, 접합층(240)은 다양한 금속 접합법(metallic bonding)을 이용하여 하부층(210)과 상부층(230)을 접합할 수 있다. 예를 들어, 금속 접합법으로는 열압착 본딩(thermocompression bonding), 유테틱 본딩(eutectic bonding) 등을 이용할 수 있다. 여기서, 하부층(210)과 상부층(230)은 진공 챔버 내에서 접합하는 공정을 통해 제작될 수 있다.
이러한 접합층(240)은 접합 금속으로서 Au, AuSn, Sn, Cu, Ag 등의 물질을 포함할 수 있으나, 이외에도 전기적 특성과 접합 특성을 가지는 물질이라면 접합층(240)의 재료로 사용될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
상부층(230) 상에는 적어도 하나의 렌즈(250)가 형성될 수 있다. 여기서, 렌즈(250)는 복수의 적외선 감지 센서(220)를 포함하는 픽셀 어레이(pixel array) 단위로 형성될 수 있다.
렌즈(250)는 외부로부터 적외선을 집광하는 기능을 수행하는 것으로서 공간상에 존재하는 물체로부터 방출되는 적외선을 수집하여 초점면에 집광시키는 기능을 수행할 수 있다. 특히, 공간상에서 방출되는 적외선은 렌즈(250)를 통해 집광되어 적외선 감지 센서(220)에 입사된다. 이러한 렌즈(250)는 예를 들어 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 볼록 렌즈로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 적외선 감지 센서 모듈에 은 픽셀 어레이 단위(pixel array)가 아닌 픽셀(pixel) 단위로 렌즈를 형성할 수도 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀 단위 패키지(PLP) 상에 렌즈 수용부(미도시)와 복수의 렌즈(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이에 대한 설명은 도 3을 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 3에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230) 및 접합층(240)은 도 2에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230) 및 접합층(240)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였다. 또한, 설명의 편의를 위해, 상술한 도 2에 도시된 실시 예와 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈(300)은 렌즈 수용부(310) 및 복수의 렌즈(320)를 더 포함할 수 있다.
렌즈 수용부(310)는 복수의 렌즈(320)를 수용하기 위한 복수의 홀(H) 또는 복수의 제2 캐비티(미도시)를 포함할 수 있고, 상부층(230) 중 복수의 적외선 감지 센서(220) 간의 경계-즉, 리세스 단면 형상의 오목부(R)- 위에 배치될 수 있다.
바람직하게는 렌즈 수용부(310), 오목부(R) 및 접합층(240)은 수직 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
여기서, 렌즈 수용부(310)는 서로 인접하는 복수의 적외선 감지 센서(220)로 입사될 수 있는 적외선 간의 간섭을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 만일, 렌즈 수용부(310)가 형성하지 아니할 경우, 서로 인접하는 복수의 픽셀 단위 패키지(PLP) 중 어느 하나의 픽셀 단위 패키지로 입사된 적외선이 다른 하나의 픽셀 단위 패키지로 전달되어 적외선 간의 간섭이 발생할 수 있고, 이러한 간섭으로 인하여 감도가 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 미연에 방지하기 위하여, 각각의 픽셀 단위 패키지(PLP)가 독립적으로 입사광을 흡수할 수 있도록 렌즈 수용부(310)가 형성될 수 있다.
렌즈 수용부(310)의 형상에 관한 구체적인 설명은 도 4 내지 도 5를 참조하여 후술하기로 하고, 이하에서는 복수의 렌즈(320)를 설명한다.
렌즈(320)는 외부로부터 적외선을 집광하는 기능을 수행하는 것으로서 공간상에 존재하는 물체로부터 방출되는 적외선을 수집하여 초점면에 집광시키는 기능을 수행한다. 특히 공간상에서 방출되는 적외선은 렌즈(320)를 통해 집광되어 적외선 감지 센서(220)에 입사된다.
이러한 렌즈(320)는 예를 들어 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 볼록 렌즈로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른, 복수의 렌즈(320)는 렌즈 수용부(310)의 복수의 홀(H) 또는 복수의 제2 캐비티(미도시) 위에 고온에서 액상화된 물질을 몰딩하여 형성될 수 있다. 한편, 복수의 제2 캐비티(미도시) 위에 복수의 렌즈(320)가 형성되는 구조는 도 5에서 후술하기로 한다.
복수의 렌즈(320)는 성형이 용이하고, 적외선 투과율이 높은 ZBLAN 또는 칼코지나이드(Chalcogenide) 계열의 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 복수의 렌즈(320)는 렌즈 수용부(310)의 복수의 홀(H) 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 대략 300℃의 열을 가하여 칼코지나이드 계열의 물질을 액상화하여 복수의 홀(H) 위에 증착하고, 상온에서 결정화 또는 경화 공정을 거치면 표면 장력에 의해 돔(dome) 형상의 렌즈를 형성할 수 있다.
이때, 렌즈 수용부(310)를 형성하기 전에 상부층(230) 표면에 친 칼코지나이드성 물질을 도포하는 코팅 처리가 선행될 수 있다. 예를 들어, 상부층(230)의 표면을 친 칼코지나이드성 물질로 도포하여 코팅층(미도시)을 형성하고, 코팅층(미도시) 위에 폴리이미드 계열의 물질-가령, 광 경화성 폴리이미드(Photosensitive Polymide; PSPI)-을 증착한 후, 포토리소그래피 공정을 이용해 복수의 렌즈 영역(A)을 패터닝하여 복수의 홀(H)을 형성할 수 있다.
이후, 칼코지나이드 계열의 물질을 고온에서 액상화하여 증착하면, 패터닝되지 아니한 렌즈 수용부(310)의 표면은 칼코지나이드 계열의 물질을 복수의 홀(H)로 밀어내고, 친 칼코지나이드성 물질을 포함하는 코팅층(미도시)이 노출된 복수의 홀(H)은 분자 간의 강한 인력-즉, 표면 장력-으로 칼코지나이드 계열의 물질을 끌어 당기므로 돔 형상의 렌즈가 형성될 수 있다. 여기서, 복수의 홀(H)을 포함하는 렌즈 수용부(310)는 렌즈(320)의 형상을 유지하기 위한 거푸집(틀) 역할을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 열 리플로우(Thermal Reflow) 공정을 통한 렌즈 제조 방법은 제작 공정이 단순하며, 생산 단가가 낮고, 수 마이크로미터부터 수십 마이크로미터의 크기로 광학기기에 적합한 표면 조도를 갖게 제작될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 금형 등과 같은 별도의 렌즈 공정 장비가 필요하지 않으므로 비용이 절감되는 효과가 있다.
이하에서는, 도 3에 도시된 픽셀 단위 패키지(PLP)를 확대하여 도시한 도 3을 참조하여 적외선 감지 센서(220) 및 렌즈 수용부(310)를 구체적으로 설명하고, 렌즈 수용부(310) 및 렌즈(320) 간의 폭 또는 높이의 대소 관계를 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 픽셀 단위 패키지(PLP)를 구체적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 픽셀 단위 패키지(PLP; 400)는 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230), 접합층(240), 렌즈 수용부(310) 및 렌즈(320)를 포함하고, 적외선 감지 센서(220)는 감지체(222), 레그(410) 및 반사층(420)을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230), 접합층(240), 렌즈 수용부(310) 및 렌즈(320)는 도 3에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230), 접합층(240), 렌즈 수용부(310) 및 렌즈(320)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
감지체(222)는 적외선을 흡수할 때 전기 저항 값이 감소하는 특성을 가질 수 있는데, 예를 들어, 적외선이 흡수되는 경우 흡수되는 적외선의 에너지에 의해 온도가 상승하고, 이 온도 변화에 의하여 전기 저항 값이 감소할 수 있다. 따라서, 감소되는 전기저항의 양은 흡수되는 적외선의 양에 따라 변하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 감지체(222)는 적외선을 감지할 수 있게 된다.
감지체(222)에 사용되는 물질은 높은 저항 온도 계수(temperature coefficient of resistence, TCR), 낮은 비저항(resistivity), 집적회로(integrated circuit, IC) 공정과의 연계성, 제조공정의 저렴화 및 단순화, 높은 재현성 등이 요구된다. 특히, 감지체(222)에는 미세한 온도 증가에도 예민하게 반응하는 반도체, 음(-)의 저항 온도 계수가 높은 물질 또는 흡수되는 적외선 정도에 따라서 저항이 가변되는 물질이 사용될 수 있으며, 감지되는 적외선을 흡수하여 감지체(222)의 온도가 변화함에 따라 저항이 변화한다.
예를 들어, 감지체(222)는 티타늄(Titanium, Ti)과 같은 금속, 비정질 실리콘(a-Si), 금속 산화막의 일종인 산화바나듐(VOx), 산화물 저항 박막 등을 포함할 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 구체적인 감지체(222)의 물질은 이에 한정되지 아니함은 통상의 기술자에게 자명하다.
레그(410)는 감지체(222)와 하부층(210)를 전기적으로 연결하는 역할을 수행한다. 감지체(222)가 적외선 복사 에너지를 흡수해서 발생하는 열은 수 나노와트(nW) 정도로 매우 작기 때문에 상기 열이 효과적으로 전기적 신호로 변환되기 위해서는 외부로 빠져나가는 열 손실을 최대한 억제하기 위하여 레그(410)는 폭이 좁고 길이가 길게 형성될 수 있다.
여기서, 레그(410)의 길이는 감지체(222)의 길이 보다 길 수 있고, 바람직하게는 적어도 1.1배 이상의 길이일 수 있다.
또한, 레그(410)의 폭은 감지체(222)의 폭 보다 좁을 수 있고, 바람직하게는 적어도 0.7배 이하일 수 있다.
반사층(420)은 감지체(222)가 적외선 복사 에너지를 재흡수할 수 있도록 적외선을 반사시키는 기능을 수행한다. 적외선 감지 센서(220)는 발생하는 열의 손실을 최소화하기 위하여 반사층(420)과 감지체(222) 사이가 일정 거리만큼 이격되도록 형성될 수 있다.
효율적으로 적외선을 반사시키기 위하여 반사층(420)의 면적은 감지체(222)의 면적 보다 클 수 있고, 바람직하게는 1.1배 이상일 수 있다. 또한, 공정상 효율을 높이기 위하여 반사층(420)의 면적은 픽셀 단위 패키지(PLP)의 면적 보다 작을 수 있다.
그리고 반사층(420), 적외선 감지 센서(220) 및 렌즈(320)는, 수직 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 바람직하게는 반사층(420), 감지체(222) 및 렌즈(320)는 수직 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 의한 렌즈 수용부(310)는 상부층(230) 표면에 폴리이미드 계열의 물질-가령, 광 경화성 폴리이미드(Photosensitive Polymide; PSPI)-을 증착하고, 포토마스크를 이용하여 마스킹한 후 복수의 렌즈 영역(A)을 패터닝하여 형성된 복수의 홀(hole; H)을 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 홀(H) 각각은 상부층(230)의 표면이 노출된 상태로 복수의 렌즈(320) 각각을 수용할 수 있다. 이로 인하여, 렌즈(320)가 상부층(230) 상에 형성될 수 있으므로 광의 왜곡을 줄일 수 있고, 집광 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이때, 바람직하게는 렌즈 수용부(310)에 복수의 홀(H)을 형성하고, 렌즈(320)와 상부층(230) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 노출된 상부층(230) 표면 위에 투명 접착층(미도시)을 형성할 수 있다.
이하에서는, 픽셀 단위 패키지(PLP; 400)를 구성하는 렌즈 수용부(310) 및 렌즈(320) 간의 폭 또는 높이를 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 렌즈(320) 각각의 직경(w1)은 적외선 감지 센서(220)에 실장된 감지체(222)의 폭(w2) 보다 더 크게 형성될 수 있다. 렌즈(320)가 돔 형상의 볼록 렌즈로 구현될 경우, 외부로부터 적외선을 집광하는 렌즈(320)의 직경(w1)이 집광된 적외선을 감지하는 감지체(222)의 폭(w2) 보다 작으면, 적외선 감지 센서(220)가 흡수 또는 감지하는 적외선의 복사 에너지량이 감소될 수 있기 때문이다.
또한, 복수의 렌즈(320) 각각의 탑면의 높이(t1)는 렌즈 수용부(310)의 상부면의 높이(t2) 보다 더 클 수 있다. 물론, 이러한 상대적 높이 관계는 예시적인 것으로, 다른 실시예에 의하면, 이와 상이한 높이 관계를 가질 수도 있다. 예를 들어, 복수의 렌즈(320) 각각의 탑면의 높이(t1)는 렌즈 수용부(310) 각각의 상부면의 높이(t2) 보다 작을 수도 있고, 두 높이(t1, t2)가 동일할 수도 있다. 바람직하게는, 탑면의 높이(t1)는 렌즈 수용부(310)의 상부면의 높이(t2) 보다 더 크게 형성함으로 인해 외부 적외선을 효율적으로 집광 시킬 수 있다.
그리고, 렌즈(320)의 측부 중 적어도 일부는 렌즈 수용부(310)와 접하는 접합면을 포함하고, 렌즈 수용부(310)의 상부면의 높이(t2)는 접합면의 높이(t3)보다 더 클 수 있다. 이는 렌즈(320)의 집광 효율을 향상시키기 위함이다. 다만, 이러한 상대적 높이 관계는 예시적인 것으로, 다른 실시예에 의하면, 이와 상이한 높이 관계를 가질 수도 있다. 예를 들어, 렌즈 수용부(310)의 상부면의 높이(t2)는 접합면의 높이(t3) 보다 작을 수도 있고, 두 높이(t2, t3)가 동일할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈(300)는 상술한 바와 같이 픽셀 어레이 단위가 아닌, 픽셀 단위 패키지(PLP) 별로 개별 렌즈(320)를 형성하므로 픽셀 면적 당 집광하는 적외선의 광량이 증가하고, 입사광에 대한 감도가 향상될 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 렌즈 수용부를 설명한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복수의 캐비티를 포함하는 렌즈 수용부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230) 및 접합층(240)은 도 4에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230) 및 접합층(240)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
본 발명의 다른 실시 예에 다른, 렌즈 수용부(510)는 상부층(230) 표면에 폴리이미드 계열의 물질-가령, 광 경화성 폴리이미드(Photosensitive Polymide; PSPI)-을 증착하고, 복수의 렌즈 영역(A') 중 적어도 일부를 식각하여 형성된 복수의 제2 캐비티(cavity; C2)를 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 제2 캐비티(C2) 각각의 하면은 상부층(230)의 표면이 노출되지 아니한 상태로 복수의 렌즈(520) 각각을 수용할 수 있다. 다시 말해서, 렌즈(520)는 상부층(260)이 아닌, 렌즈 수용부(510)의 제2 캐비티(C2) 상에 형성될 수 있다.
이때, 렌즈(520)와 렌즈 수용부(510)의 제2 캐비티(C2) 사이에는 투명 접착층을 생략하더라도 렌즈(520)의 탈착을 방지할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 본 발명의 또 다른 실시 예에 의하면, 접착력을 향상시키기 위하여 렌즈(520)와 렌즈 수용부(510)의 제2 캐비티(C2) 사이에 투명 접착층(미도시)을 형성할 수도 있다.
이하에서는 도 6a 내지 6f를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 감지 센서 모듈을 제조하는 방법을 설명한다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6f에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230), 접합층(240), 렌즈 수용부(310) 및 렌즈(320)는 도 3에 도시된 하부층(210), 적외선 감지 센서(220), 상부층(230), 접합층(240), 렌즈 수용부(310) 및 렌즈(320)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
또한, 설명의 편의를 위해 이하에서는 렌즈 수용부(310)의 복수의 홀(H) 위에 복수의 렌즈(320)가 형성되는 공정을 설명하고 있으나, 도 5에 도시된 복수의 제2 캐비티(C2) 위에 복수의 렌즈(520)가 형성되는 공정도 이하에서 설명하는 내용과 동일하므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
먼저 도 6a를 참조하면, 하부층(210) 위에 M x N (M≥2, N≥1, 정수)개의 어레이로 형태로 배열된 복수의 적외선 감지 센서(220)를 형성한다.
이후, 도 6b와 같이 복수의 적외선 감지 센서(220) 사이(또는 경계)와 M x N 개의 어레이의 가장 자리에 접합층(240)을 형성한다.
상기 접합층(240)은 복수의 적외선 감지 센서(220) 사이(또는 경계)와 M x N 개의 어레이의 가장 자리에 복수 개로 형성될 수 있다.
접합층(240)을 형성한 이후, 도 6c와 같이 픽셀 단위 패키지(PLP) 별로 하부층(210)과 상부층(230)을 진공 상태에서 접합(bonding)한다.
여기서, 상부층(230)은 하부층(210) 위에 복수의 적외선 감지 센서(220) 각각을 수용할 수 있도록 이면에 복수의 제1 캐비티(C1)가 형성되고, 복수의 적외선 감지 센서(220) 간의 경계를 정의하는 리세스 단면 형상의 오목부(R)가 형성될 수 있다.
상기 오목부(R)를 형성함으로 인해 하부층(210)과 상부층(230)의 접합 시 Align mark를 별도로 형성하지 않아도 되는 이점이 있다. 또한, 진공을 만들어야 하는 공간을 줄일 수 있어 진공 패키징시 공정 및/또는 비용 등을 절감할 수 있다.
이와 같이, 접합층(240)을 이용하여 픽셀 단위 패키지(PLP) 별로 하부층(210)과 상부층(230)을 접합(bonding)함으로써 픽셀 레벨 패키징이 구현될 수 있다.
여기서, 픽셀 단위 패키지(PLP)는 하나의 적외선 감지 센서(220), 하나의 적외선 감지 센서(220)를 사이에 두고 서로 인접하는 접합층(240), 하부층(210) 및 상부층(230)에 의해 정의될 수 있고, 여기서 상기 접합층(240)은 복수 개로 형성될 수 있다. 따라서, 복수의 픽셀 단위 패키지(PLP)의 내부 각각은 진공 상태로 형성될 수 있다.
이후, 도 2에 도시된 바와 같이 상부층(230) 상에 픽셀 어레이(pixel array) 단위로 하나의 렌즈를 형성할 수도 있고, 도 6d 이하에 도시된 바와 같이 각각의 픽셀 단위 패키지(PLP) 상에 픽셀(pixel) 단위로 복수의 렌즈를 형성할 수도 있다.
이하에서는, 픽셀 단위 패키지(PLP) 상에 픽셀(pixel) 단위로 복수의 렌즈를 형성하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6d에 도시된 바와 같이, 상부층(230) 표면에 친 칼코지나이드성 물질을 도포하여 코팅층(coating)(610)을 형성하고, 코팅층(610) 위에 폴리이미드 계열의 물질-가령, 광 경화성 폴리이미드(Photosensitive Polymide; PSPI)-층(620)을 증착한다.
폴리이미드 계열의 물질층(620)를 형성한 이후, 도 6e와 같이 포토마스크를 이용하여 마스킹한 후 복수의 렌즈 영역(A)을 패터닝하여 복수의 홀(H)을 포함하는 렌즈 수용부(310)를 형성한다.
이후, 도 6f와 같이 칼코지나이드 계열의 물질을 고온에서 액상화하여 증착하고, 상온에서 표면 장력에 의한 몰딩 공정을 거쳐 복수의 렌즈(320)를 형성한다.
여기서, 렌즈(320)의 몰딩 공정은 대략 300℃의 열을 가하여 칼코지나이드 계열의 물질을 액상화하여 복수의 홀(H) 위에 증착하고, 상온에서 결정화 또는 경화 공정을 거쳐 돔(dome) 형상으로 제조한다.
도 6d에서 설명한 바와 같이, 렌즈 수용부(310)를 형성하기 전에 코팅층(610)을 먼저 형성할 경우, 패터닝되지 아니한 렌즈 수용부(310)의 표면은 칼코지나이드 계열의 물질을 복수의 홀(H)로 밀어내고, 코팅층(610)이 노출된 복수의 렌즈 홀(H)은 분자 간의 강한 인력-즉, 표면 장력-으로 칼코지나이드 계열의 물질을 끌어 당기므로 돔 형상의 렌즈가 형성될 수 있다.
실시 예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시 예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 전술한 실시 예에 의한 적외선 감지 센서 모듈을 이용하여 광학 기기를 구현할 수 있다. 여기서, 광학 기기는 적외선 감지 신호를 가공하거나 분석할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 광학 기기의 예로는 카메라/비디오 장치, 망원경 장치 등이 있을 수 있다.
또한, 광학 기기는 자동문에서 사람이 다가오는 것을 알고 문을 자동으로 열고 조명등을 자동으로 켜거나 한밤중에 건물 내에 외부인의 침입을 확인하는 보안장치를 비롯하여 화재가 발생하였을 때 연기로 인하여 인명 구조활동이 불가능한 상황에서 열을 감지하여 영상화 시켜주는 열화상 카메라 등의 장치로 구현될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
Claims (10)
- 하부층;
상기 하부층 위에 어레이 형태로 배열된 복수의 적외선 감지 센서;
상기 복수의 적외선 감지 센서 상에 복수의 오목부에 의해 정의되는 경계를 갖는 복수의 캐비티(cavity)가 형성된 상부층;
상기 하부층과 상기 상부층을 접합시키는 접합층; 및
상기 상부층 상에 상기 복수의 적외선 감지 센서 각각과 대응되도록 형성되는 복수 개의 집광 렌즈를 포함하고,
상기 접합층은, 상기 복수의 적외선 감지 센서들 사이 및 상기 복수의 적외선 감지 센서 가장 자리에 배치되어 픽셀 단위 패키지별로 상기 하부층과 상기 상부층을 접합시키는, 적외선 감지 센서 모듈. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 집광 렌즈를 둘러싸는 렌즈 수용부를 더 포함하는, 적외선 감지 센서 모듈. - 제2 항에 있어서,
상기 렌즈 수용부, 상기 오목부 및 상기 접합층은, 수직 방향으로 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치되는, 적외선 감지 센서 모듈. - 제2 항에 있어서,
상기 복수의 집광 렌즈 각각의 탑면은 상기 렌즈 수용부의 상부면보다 높은, 적외선 감지 센서 모듈. - 제2 항에 있어서,
상기 복수의 적외선 감지 센서 아래에 각각 형성된 반사층을 더 포함하는, 적외선 감지 센서 모듈.
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