KR20090053461A - 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개인 휴대용 단말기 및 이동통신 단말기등과 같은 휴대용 기기에 내장하기 위한 카메라 모듈용 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 목적은 기판 전면에 형성되어 빛을 전기적 신호로 변환하기 위한 이미지 센서; 상기 이미지 센서에서 변환된 전기 신호를 출력하기 위하여 상기 기판상에 형성된 전극 패드; 상기 전극 패드를 보호하기 위한 보호층; 상기 전극 패드로부터 출력된 전기 신호를 상기 기판 후면으로 연결하기 위한 마이크로 비아홀 형성; 및 상기 마이크로 비아홀 연결 전극에 형성된 범프를 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 실리콘 웨이퍼 기판상에 이미지 센서와 전극패드를 형성하는 단계; 상기 전극패드상에 패터닝된 보호층을 형성하는 단계; 상기 기판 전면에 PR/DFR을 도포하는 단계; 상기 기판 후면을 연마하는 단계; 상기 기판 후면에 비아홀을 형성하여 상기 전극패드를 노출시키는 단계; 상기 기판 후면에 절연층을 형성하는 단계; 상기 전극패드상에 형성된 상기 절연층을 식각하는 단계; 및 범프를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조방법에 의해 달성된다.
비아, 홀, 관통, 전극, 보호층, 이미지, 센서
Description
본 발명은 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 커버 글라스를 사용하지 않음으로써, 이미지 센서의 광 손실을 줄이고, 두께를 더욱 박막화한 카메라 모듈용 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
CCD 및 CMOS와 같은 실리콘 이미지 센서는 휴대폰, 개인 휴대단말기(PDA)용 카메라로 널리 사용되고 있다. 최근 휴대폰은 전체 두께를 획기적으로 줄여 휴대하기에 편리하도록 개발 생산되고 있다. 휴대폰이 두께가 얇아지면서 다수의 부품들이 소형, 박형으로 요구되고 있다. 휴대폰용 카메라 모듈은 전체 높이를 가능한 한 낮게, 가로×세로사이즈도 가능한 한 센서 칩 사이즈로 제조하는 것이 요구된다.
이러한 이미지 센서 칩의 패키지 공정의 마지막은 인쇄회로기판 상부에 본딩을 함으로써, 패키징된 이미지 센서를 카메라 모듈화 하는 것이다.
모듈화 하는 방법으로는 와이어 본딩, ACF를 이용한 본딩 그리고 웨이퍼 레벨 CSP(Chip Scale Package)가 있다.
그러나 이미지 센서는 이미지 센싱 창과 센싱 창에서 출력된 전기적 신호를 입/출력하기 위한 전극 패드가 동일면에 형성되어 있어 일반적인 방법으로는 이미지 센서의 모듈화하기가 어렵다. 따라서, PCB상에 다이(Die)를 접착 후, 와이어 본딩(wire bonding) 방법 등을 통하여 카메라를 모듈화 하는 공정이 필요하다. 그러나 이러한 공정은 카메라 모듈의 사이즈와 높이가 증가하여 점점 더욱 두께가 얇아지고 소형화되어가는 휴대용 기기에 내장하기가 어렵다는 단점이 있다.
이러한 사이즈 문제를 해결하는 다른 모듈화 방법은 웨이퍼 레벨(Wafer level)의 칩 스케일 패키지(CSP:Chip Scale Package)이다.
이미지 센서의 WL-CSP(Wafer Level - Chip Scale Package) 방식은 이방성 전도성 필름을 이용하여 센서 칩과 플렉서블 PCB를 본딩하는 것으로서, 웨이퍼 레벨에서 센서 칩에 형성된 전극 패드에 스터드 범프를 형성한다.
다음으로, 센서 칩에 형성된 센싱부에 대응하는 크기로 이방성 전도성 필름과 플레서블 PCB에 구멍을 형성하여 센서 칩, 이방성 전도성 필름 그리고 플렉서블 PCB를 적층한 후, 열과 압력을 가하여 본딩하여 최종적으로 카메라 모듈로 형성한다.
그러나 이방성 전도성 필름을 이용한 본딩 방법으로는 센서 표면에 형성된 스터드 범프 패드(stud bump Pad)에 이방성 전도성 필름을 이용하여 접착하므로 FPCB 제작시에 미세 배선이 필요하고, FPCB에 구멍을 내어 창을 형성할 때 발생한 파편이 잔류하여 모듈의 조립 수율을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 특히, ACF에 창을 형성하는 것과 이를 이용하여 이미지 센서와 FPCB를 프리본딩(Pre-bonding)하는 과정은 자동화 공정이 어려워 작업자가 직접 공정에 참여함으로써, 생산효율을 저하하는 단점이 있다.
도 1은 종래의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지징 처리된 이미지 센서의 단면을 도시한 것이다.
실리콘 웨이퍼(110) 전면에 전극 패드(120)와 마이크로 렌즈(미도시)가 형성된 이미지 센서(130)가 형성되어 있고, 상부에는 커버 글라스(140)가 부착되어 있다. 실리콘 웨이퍼(110) 후면은 소정의 두께로 연마한 후, 식각하여 실리콘 기판(110)의 전면에 형성된 전극 패드(120)가 노출될 때까지 비아홀(170)을 형성한다. 비아홀(170) 내부는 도금을 이용하여 금속을 채워 넣고 솔더볼(150)을 형성하고 다이싱(160)함으로써, 패키징된 이미지 센서가 완성된다.
이러한 이미지 센서의 경우, 그러나 전극 패드(120)가 위치한 곳의 실리콘 웨이퍼(110) 후면에 정확하게 비아홀(170)을 형성하는 것이 어렵고 파티클로부터 센서를 보호 및 제조 공정의 용이함을 위하여 커버 글라스를 부착함에 따른 광 손실이 발생하는 단점이 있다.
특히, 2 ~ 5 Mega 화소 급에 사용되는 이미지 센서의 화소 크기는 종래의3.5 ~ 2.5㎛에서 1.75 ~ 1.4㎛로 소형화되고 있다. 이렇게 소형화되고 있는 화소에 있어서, 커버 글라스의 사용에 따른 광 손실은 이미지 센서의 감도를 저하시키는 단점으로 작용한다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 이미지 센서 표면에 형성된 전극 패드 전면에 열경화성 고분자 소재의 보호 층을 사용함으로써, 커버 글라스에 의한 광 손실을 배제하고, 전면의 전극패드를 웨이퍼배면에서 마이크로 비아홀을 형성하여 배면으로 유도함으로서 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법을 용이하게 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 기판 전면에 형성되어 빛을 전기적 신호로 변환하기 위한 이미지 센서; 상기 이미지 센서에서 변환된 전기 신호를 출력하기 위하여 상기 기판상에 형성된 전극 패드; 상기 전극 패드를 보호하기 위한 보호층; 상기 전극 패드로부터 출력된 전기 신호를 상기 기판 후면으로 연결하기 위한 마이크로 비아홀 형성; 및 상기 마이크로 비아홀 연결 전극에 형성된 범프를 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 실리콘 웨이퍼 기판상에 이미지 센서와 전극패드를 형성하는 단계; 상기 전극패드상에 패터닝된 보호층을 형성하는 단계; 상기 기판 전면에 PR/DFR을 도포하는 단계; 상기 기판 후면을 연마하는 단계; 상기 기판 후면에 비아홀을 형성하여 상기 전극패드를 노출시키는 단계; 상기 기판 후면에 절연층을 형성하는 단계; 상기 전극패드상에 형성된 상기 절연층을 식각하는 단계; 및 범프를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명의 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법은 커버 글라스를 사용하지 않음에 따라 커버글라스 사용에 따른 광 손실을 피할 수 있어 화질 저하를 방지하고, 이미지 센서의 가격을 낮출 수 있는 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기 로 한다.
도 2 내지 도 11은 본 발명에 따른 이미지 센서의 공정 흐름도이다.
먼저 실리콘 웨이퍼기판(210) 상부에 에피층을 성장시키고 유기물 소재의 마이크로 렌즈(220)가 형성된 CMOS 이미지 센서와 전극패드(230)를 다수 형성한다(도 2).
다음으로, 후 공정 중 비아홀 형성 시, 전극패드(230)의 보호를 위하여 웨이퍼기판(210) 전면에 보호 층(240)을 형성하고 패터닝을 한다(도 3).
본 발명에 따른 보호 층(240)은 감광성 폴리이미드, 감광성 열경화성 폴리머 필름, 및 건식필름 형 솔더 레지스트(DFSR) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
보호 층(240)이 형성되면, 웨이퍼 전면에 PR/DFR(250)을 30㎛ 이상으로 도포한 후, 열처리(bake)하고, 기판(210) 후면을 소정의 두께만큼 연마한다(도 4). 이때, 실리콘 기판(210)의 연마두께는, 웨이퍼 두께의 25% ~ 45% 범위로 연마한다.
일예로서, 700㎛ 두께의 웨이퍼일 경우, 200 ~ 300㎛ 범위의 두께로 연마한다. 그리고 본 발명에 따르면, 연마 공정의 안정성을 위하여 PR/DFR(250) 상부에 더미기판(270)을 부착한 후 연마할 수 있다.
기판(210) 후면의 연마가 완료되면, 비아홀(260)을 형성하여 전극패드(230)의 밑면을 노출시킨다(도 5). 비아홀(260)은 이방성 습식식각 또는 반응성 이온 에칭(RIE)을 이용하여 형성한다. 형성된 비아홀(260)의 면적은 원래의 전극패드(230)보다 작게 설정함으로써, 마스크 정렬과정에서 발생할 수 있는 오차에 따른 공정의 불량을 방지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예로서, 전극패드의 크기가 66㎛×66㎛ 일때, 비아홀의 크 기는 50㎛×50㎛로 형성할 수 있다.
전극패드(230) 상에 형성된 영구적인 보호 층(240)은 비아홀(260) 형성 시 발생할 수 있는 전극패드(230)의 박리 및 손상을 막는 역할을 한다.
비아홀(260)이 형성되면, 연마된 기판 후면에 산화 막 또는 질화 막을 포함하는 절연 층(280)을 형성한다(도 6). 본 발명에 따르면, 저온 PECVD를 이용하여 실리콘 산화 막을 형성할 수 있다. 이때, PR/DFR(250) 상부에 부착된 더미기판(270)은 제거할 수 있다.
절연 층(280)이 형성되면, PR(290)을 코팅하고 패터닝하여 전극패드(230) 밑면을 노출시킨다. 비아홀(260) 내부의 전극패드(230)의 밑면은 앞선 공정에서 절연 층(280)으로 덮여있다. 따라서, 건식식각을 이용하여 절연 층(280)을 제거하여 전극패드(230)를 노출시킨다(도 7). 그리고 PR(290)을 제거하고, 비아홀(260) 내부에 금속을 채우기 위한 전기도금 씨드(seed) 층(291)으로 구리 층을 증착한 후(도 8) PR(300)을 코팅하고 패턴닝 한다(도 9). 전기도금에 의해 비아홀(260)을 구리로 채운다(도 10).
다음으로 PR(300)을 제거하고 구리 씨드 층(291)을 에칭 한다(도 11).
본 발명에 따른 범프는 스터드 범프와 솔더 범프를 형성할 수 있다.
도 12 내지 도 17은 본 발명에 따른 스터드 범프의 공정 흐름도이다.
도 11은 마이크로 비아홀을 구리로 채워 웨이퍼 표면의 전극패드를 웨이퍼 기판 후면으로 유도한 결과이다.
먼저, 도 12에 도시된 바와 같이 DFSR(310)을 도포한 후, 사진공정을 이용하여 스터드 범프가 형성될 범프패드 영역(310)을 형성한다(도 13).
도 13은 전극패드, 비아홀 및 스터드 범프패드의 마스크 면적을 나타낸 것이다. 비아홀(260)의 면적은 전극패드(230)보다 작고, 범프패드의 면적은 전극패드(230)보다 크게 확장한다(310).
PR(310)을 패터닝한 후, 스퍼터링를 포함한 박막형성공정을 이용하여 기판(210) 후면에 BLM(barrier layer metallurgy) 금속 층(320)을 증착한다(도 14).
본 발명에서는 스퍼터링을 이용하여 BLM 층을 증착하였지만, 다양한 박막형성 공정을 이용하여 BLM 전극 층을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, BLM 층으로 Cr/Cu 또는 Ti/W/Cu 층을 형성할 수 있다. BLM 층(320)을 형성한 후, 리프트 오프(lift off) 공정에 의해 PR(320)을 제거한다(도 15).
다음으로, DFSR(330)을 코팅하고 패터닝하여 경화시킨 후(도 16, 도 17) 스퍼터링에 의해 구리 층(340)을 증착한다(도 18). 다음으로 PR(350)을 코팅하고 패터닝한 다음(도 19) 구리 도금과 금(Au)층(도시 안됨)을 1 ~ 2㎛로 추가로 형성한다(도 20) 다음으로 PR(350)을 제거하고 구리 씨드 층(340)을 에칭하여 제거한다(도 21)
마지막으로 다이싱 라인(점선)을 따라 절단하여(도 22 ), 칩스케일 패키지 된 낱개의 이미지 센서로 완성한다(도 23).
도 24 내지 도 30은 본 발명에 따른 솔더 범프를 이용한 이미지 센서의 공정 흐름도이다.
도 13으로부터 솔더 범프의 패드(360)가 형성될 위치의 재정렬을 위하여 DFSR(360) 코팅한 후(도 24), 사진공정을 이용하여 스터드 범프패드(360)가 형성될 곳을 패터닝하고, 경화(cure)한다(도 25).
다음으로 두꺼운 PR(370)을 페터닝하고(도 26) 내부에 솔더 범프를 형성하기위한 솔더 페이스트(380)을 스크린 인쇄 한다(도 27). 프린팅된 솔더 페이스트(380)를 리플로우(도 28) 한 후 PR(370)을 제거한다. 다음으로 더미기판을 떼어내고 기판 전면에 형성된 PR/DFR(250)을 제거하고(도 29), 마지막으로 다이싱 라인(점선)을 따라 절단하여 이미지 센서를 완성한다(도 30).
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키된 이미지 센서의 단면도,
도 2 내지 도 11은 본 발명에 따른 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 공정 흐름도,
도 12 내지 도 23은 본 발명에 따른 스터드 범프를 이용한 이미지 센서의 공정 흐름도,
도 24 내지 도 30은 본 발명에 따른 솔더 범프를 이용한 이미지 센서의 공정 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
210: 기판 230: 전극 패드
240: 보호 층 260: 비아홀
270: 더미기판 280: 절연 막
330,360: DFSR
Claims (12)
- 기판 전면에 형성되어 빛을 전기적 신호로 변환하기 위한 이미지 센서;상기 이미지 센서에서 변환된 전기 신호를 출력하기 위하여 상기 기판상에 형성된 전극 패드;상기 전극 패드를 보호하기 위한 보호층;상기 전극 패드로부터 출력된 전기 신호를 상기 기판 후면으로 연결하기 위한 마이크로 비아홀 형성; 및상기 마이크로 비아홀 연결 전극에 형성된 범프를 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제1항에 있어서,상기 보호층은 DFSR, 감광성 폴리이미드 및 감광성 열경화성 폴리머 필름 중 어느 하나인 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제1항에 있어서,상기 범프는 스터드 또는 솔더 범프인 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제3항에 있어서,상기 솔더 범프와 상기 마이크로 비아홀 연결 전극 사이에는 BLM 층이 형성된 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제1항에 있어서,상기 이미지 센서 기판 상의 전극패드의 하부에 형성된 비아홀에 전도성 물질을 충진하여 형성된 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제5항에 있어서,상기 전극 과 상기 비아홀 벽 사이는 절연층/Ti/W/Cu 또는 절연층/Cr/Cu로 이루어진 복수의 박막층을 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 실리콘 웨이퍼 기판상에 이미지 센서와 전극패드를 형성하는 단계;상기 전극패드상에 패터닝된 보호층을 형성하는 단계;상기 기판 전면에 PR/DFR을 도포하는 단계;상기 기판 후면을 연마하는 단계;상기 기판 후면에 비아홀을 형성하여 상기 전극패드를 노출시키는 단계;상기 기판 후면에 절연층을 형성하는 단계;상기 전극패드상에 형성된 상기 절연층을 식각하는 단계; 및범프를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 보호층은 30 이상 형성한 후, 노광, 현상 및 열처리하는 단계를 더 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 기판 후면을 연마하는 단계는,상기 PR/DFR 전면에 더미기판을 부착하는 단계를 더 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 기판 후면의 연마 비율은 상기 기판 두께의 25% 내지 45%인 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 범프를 형성하는 단계는,상기 기판 후면에 패터닝된 DFR을 형성하는 단계;금속 층을 형성하는 단계;상기 금속 층 전면에 비아홀이 노출된 PR층을 형성하는 단계;상기 비아홀 내부에 도금공정을 이용하여 전도성 물질을 채워넣는 단계; 및및 상기 PR을 제거하는 단계를 더 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 비아홀 내부를 전도성 물질을 채워넣는 단계는,상기 비아홀 내부에 Cr/Cu 또는 Ti/W/Cu의 적층박막을 형성하는 단계를 더 포함하는 마이크로 비아 홀 연결에 의한 실리콘 이미지 센서의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
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