KR20160144667A - 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서 - Google Patents
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit)을 형성하는 단계; 상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 1 면 상에 몰드(mold)를 형성하는 단계; 상기 몰드의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체(micro structure)를 형성하는 단계; 및 엑스선(X-ray)을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터(scintillator)를 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성하는 단계;를 포함하거나, 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit)을 형성하는 단계; 상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체(micro structure)를 형성하는 단계; 및 엑스선(X-ray)을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터(scintillator)를 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성하는 단계;를 포함하는, 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 제공한다.
Description
본 발명은 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 엑스선 이미지 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 디지털 엑스선 이미지 센서에 관한 것이다.
기존의 X-ray 검출은 필름이나 마그네틱 테이프를 이용하였는데 필름은 해상도는 뛰어나지만 현상시간이나 검색에 상당한 시간이 소요되며 비용이나 환경 오염적인 문제로 인해 이를 대체할 수단이 필요하게 되었다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 디지털 X-ray 센서 방식이다. 일반적으로 X-ray는 투과력이 좋기 때문에 피사체를 통과하지만, 100% 통과하지는 않으며, 반응하는 물질의 밀도에 따라 투과하기도 하고 흡수되기도 한다. 이렇게 투과된 X-ray는 피사체를 투과하기 이전과는 다른 양을 갖게 되고 이를 디지털 반도체 센서(digital semiconductor detector)를 통해 검출해 내게 된다.
상기 디지털 X-ray 검출방식에는 X-ray와 직접 반응하여 생성된 전자-정공 쌍을 읽어내는 직접(direct) 검출방식과 X-ray를 발광체(scintillator)를 통해 빛으로 변환한 뒤 빛을 검출하여 읽어내는 간접(indirect) 검출방식으로 구분된다.
일반적으로 간접 방식을 이용하여 X-ray 영상을 취득할 경우, 발광체 및 복수의 포토다이오드가 위치하게 되고, X-ray가 발광체 내부로 비추어진 경우 발광체 내부에서 빛은 사방으로 퍼지므로 포토다이오드의 공간분해능이 떨어진다는 문제점이 있다. 또, 상기 발광체와 포토다이오드의 접합 방법은 공정비용이 많이 들고, 공정시간이 긴 문제점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 광학 모듈을 별도로 부착하지 않고서도 근접 영상 감도를 높일 수 있는 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 디지털 엑스선 이미지 센서에 관한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법이 제공된다. 상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법은 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit)을 형성하는 단계; 상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 1 면 상에 몰드(mold)를 형성하는 단계; 상기 몰드의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체(micro structure)를 형성하는 단계; 및 엑스선(X-ray)을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터(scintillator)를 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법이 제공된다. 상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법은 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit)을 형성하는 단계; 상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체(micro structure)를 형성하는 단계; 및 엑스선(X-ray)을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터(scintillator)를 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 복수개의 포토다이오드 유닛을 형성하는 단계 이후에, 상기 제 1 면 상에 배선층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 마이크로구조체를 형성하는 단계는 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용함으로써 상기 몰드 또는 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 선택적으로 식각하여 복수개의 홈을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 마이크로구조체의 철부(凸部)는 상기 신틸레이터로 입사된 상기 엑스선의 확산을 방지할 수 있는 격벽의 기능을 수행할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정 또는 에치백(etch-back) 공정을 이용하여 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 가공함으로써 상기 엑스선이 상기 기판을 통과하여 상기 포토다이오드 유닛에 의해 검출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서가 제공된다. 상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 형성된 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit); 상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 1 면 상에 형성된 몰드의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 형성된 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체; 및 상기 엑스선을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있으며, 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성된 신틸레이터(scintillator);를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서가 제공된다. 상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 형성된 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit); 상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 형성된 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체; 및 상기 엑스선을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있으며, 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성된 신틸레이터(scintillator);를 포함할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 상기 제 1 면 상에 상기 복수개의 포토다이오드 유닛을 제어할 수 있도록 형성된 배선층을 더 포함할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 상기 마이크로구조체의 요부는 적어도 상기 복수개의 포토다이오드 유닛에 대응하는 수의 홈을 포함할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 상기 복수개의 포토다이오드 유닛에 대응하는 상기 마이크로구조체의 요부는 상기 복수개의 포토다이오드 유닛에 정렬되어 상기 복수개의 포토다이오드 유닛 상에 형성될 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 상기 마이크로구조체의 요부 크기는 상기 복수개의 포토다이오드 유닛의 크기와 일치할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 광원으로부터 상기 복수개의 포토다이오드 유닛 중 최단 거리에 있는 포토다이오드 유닛으로 광이 포커싱되도록 상기 마이크로구조체의 요부는 상기 기판에 수직하게 신장될 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서에 있어서, 상기 신틸레이터는 서로 랜덤(random)하게 이격되어 배치된 복수개의 형광체(phosphor) 입자 또는 분말을 더 포함할 수 있다.
상기 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서에 있어서, 상기 신틸레이터는 상기 요부 내를 균일하게 채울 수 있는 연속적인 형태의 물질, 주상형 성장(columnar growth) 된 형태의 박막 및 입자 또는 분말의 접합된 형태의 물질 중 어느 하나의 형태를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 비용이 저렴하며, 구조가 간단하고, 일체형으로 디지털 엑스선 이미지 센서를 제조함으로써 고민감도 및 선명한 영상 신호를 얻을 수 있는 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3의 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3의 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법(S100)은 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit)을 형성하는 단계(S110), 기판 상에 구비된 입출력 패드와 전기적으로 연결되어 포토다이오드 유닛에서 나오는 전기신호를 증폭하거나 신호처리를 할 수 있도록 전자회로(electronics circuit)를 형성하는 단계(S120), 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 제 1 면 상에 몰드를 형성하는 단계(S130), 몰드의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체를 형성하는 단계(S140), 마이크로구조체의 철부 외벽에만 격벽을 형성하는 단계(S150) 및 엑스선(X-ray)을 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터(scintillator)를 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법은 신틸레이터(Scintillator)에서 방출되는 빛의 산란과 이로 인한 이미지의 흔들림과 같이 선명하지 못한 이미지를 방지하기 위해서, 신틸레이터 물질을 개별 이미지 검출 픽셀(pixel)별로 분리되도록 한다. 이를 센서어레이의 픽셀 단위와 공간적으로 일대일 대응매칭이 되도록 설계한다.
또한, 픽셀별로 분리된 신틸레이터의 개별 픽셀에서 방출된 빛이 인접한 다른 주변 픽셀로 진행하여 검출되어 이미지를 열화시키지 않도록, 광학 구조를 설계하고, 신틸레이터 물질과 센서어레이(image sensor array) 및 전자회로 기판의 결합 패키징 공정에서 발생하는 비용 및 공정시간을 절약할 수 있도록, 신틸레이터 구조의 제작을 단일 공정 즉, 일체형(monolithic) 집적방식으로 설계함으로써 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 구현할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법(S200)은 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛을 형성하는 단계(S210), 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 기판의 제 2 면 중 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철을 가지는 마이크로구조체를 형성하는 단계(S220) 및 엑스선을 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터를 마이크로구조체의 요부 내에 형성하는 단계(S230)를 포함할 수도 있다. 여기서, 상술한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법(S100, S200)에 대한 상세한 설명은 도 5a 내지 도 5f 및 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 후술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 보여주는 개략적인 평면도이고, 도 4는 도 3의 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 면(102) 및 제 2 면(104)을 포함하는 기판(110)이 제공될 수 있다. 제 1 면(102)은 기판(110)의 전면으로, 제 2 면(104)은 기판(110)의 배면으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 Ⅳ족 반도체, 예컨대 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 등을 포함하거나, Ⅲ-Ⅴ족 및 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 또는 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
센서어레이(120)는 기판(110)의 제 1 면(102) 부근 즉, 기판(110) 내에 형성될 수 있다. 센서어레이(120)는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 복수개의 포토다이오드 유닛(125, photodiode unit)을 포함할 수 있다. 복수개의 포토다이오드 유닛(125)은 예를 들어, 기판(110)의 제 1 면(102)에 불순물 이온을 주입하여 제 1 면(102) 아래에 형성할 수 있다. 예를 들어, 센서어레이(120)는 전하결합소자(charge coupled device) 또는 CMOS 이미지 센서를 포함할 수 있다.
배선층(130) 및 투광층(130a)은 센서어레이(120), 즉, 기판(110)의 제 1 면(102) 상에 형성될 수 있다. 또, 입출력 패드(135)는 배선층(130) 상에 제공될 수 있다. 입출력 패드(135)는 센서어레이(120)의 전기 신호를 외부 장치로 출력하거나 외부 장치로부터 전기 신호를 입력받기 위해 이용될 수 있다. 여기에 도시되지는 않았지만, 입출력 패드(135)와 전기적으로 연결되도록 전자회로(electronics circuit)를 형성함으로써 포토다이오드 유닛(125)에서 나오는 전기신호를 증폭하거나 신호처리를 할 수 있다. 상기 전자회로는 입사되는 광에 의해서 포토다이오드 유닛(125)에 영향을 미치지 않도록 기판의 일측면에 형성될 수 있으나, 센서의 구조에 따라 센서의 외부 즉, 센서가 몰딩된 이후의 몰딩면에 설치될 수도 있고, 또는, 기판의 하면에 배치될 수도 있다.
한편, 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 배선층(130) 상에 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체(140)가 형성된 몰드(111)를 포함할 수 있다. 마이크로구조체(140)는 기판(110)의 제 1 면(102)으로부터 제 2 면(104) 방향으로 파인 요부(145) 즉, 복수개의 홈을 포함할 수 있다. 마이크로구조체(140)는 기판(110)의 제 1 면(102) 상으로부터 요부(145)를 통해서 센서어레이(120), 즉, 복수개의 포토다이오드 유닛(125)으로 광을 인도하는 역할을 할 수 있다.
요부(145)는 복수개의 포토다이오드 유닛(125)과 적어도 일부가 중첩되도록 센서어레이(120) 상에 배치될 수 있다. 요부(145)의 수는 최소한 포토다이오드 유닛(125)과 일대일로 대응하여 포토다이오드 유닛(125)의 중심과 서로 정렬되도록 제공될 수 있다. 마이크로구조체(140)는 요부(145)를 둘러싸는 철부(142)를 포함할 수 있다.
상기와 같이 정렬된 경우, 영상 신호의 감도를 높이기 위해서 요부(145)의 크기는 복수개의 포토다이오드 유닛(125)의 크기보다 클 수 있다. 다만, 영상 신호가 포토다이오드 유닛(125)의 밖으로 나가는 것을 최소화하기 위해서 요부(145)의 크기와 포토다이오드 유닛(125)의 크기가 서로 일치할 수도 있다.
한편, 이 실시예의 변형된 예에서, 광 신호의 세기가 어느 정도 확보된 경우, 요부(145)의 크기는 포토다이오드 유닛(125)의 크기보다 작을 수도 있다. 요부(145) 주변의 철부(142)는 입사되는 광이 퍼지는 것을 막아줄 수 있다. 즉, 마이크로구조체(140)의 철부(142)는 신틸레이터(160)로 입사된 엑스선의 확산을 방지할 수 있는 격벽의 기능을 수행할 수 있다.
만약, 상용화된 CMOS 이미지 센서(미도시)를 사용할 경우, 상기 CMOS 이미지 센서(미도시)의 상부에 형성된 마이크로렌즈(micro lens)를 제거한 후 상술한 마이크로구조체(140)를 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 마이크로렌즈는 센서에 입사되는 광을 포커싱 하는 용도로 사용된 것으로, 신틸레이터(160)의 기능과 동일하므로 제거되어도 무방하다. 본 발명의 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서(1000)는 상기 마이크로렌즈를 따로 제거하는 단계를 생략할 수 있으므로 공정비용 및 공정시간을 절감할 수 있다. 또, 마이크로렌즈를 제거하지 않고 그 구조를 유지한 채 상기 마이크로렌즈의 상에 격벽 또는 요철부 구조의 몰드를 바로 생성해도 무방하다.
또한, 신틸레이터(160)는 서로 랜덤(random)하게 이격되어 배치된 복수개의 형광체(phosphor) 입자 또는 분말을 더 포함할 수 있다. 신틸레이터(160)는 상술한 요부를 균일하게 채울 수 있는 연속적인 형태의 물질, 주상형 성장(columnar growth) 된 형태의 박막, 미세입자 또는 미세분말의 접합된 형태의 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 요부 내에 균일하게 채울 수 있는 연속적인 형태, 미세입자 또는 미세분말들이 접합된 형태의 물질은 유동성을 가진 물질일 수 있다.
신틸레이터(160)의 동작을 살펴보면, 엑스선(X-ray)으로부터 유도된 광이 신틸레이터(160) 내에 구비된 복수개의 형광체(165)에 의해 가시광 또는 포토다이오드 유닛(125)에서 감지가 가능한 파장대역의 광으로 변환되고, 신틸레이터(160)에서 방출되는 광은 거울 역할을 하는 격벽(150)을 마이크로구조체(140)의 철부(142)의 측면 상에 추가함으로써 픽셀의 주변으로 광이 산란되지 않고, 포토다이오드 유닛(125)에서 검출될 수 있다. 이 경우, 격벽(150)이 없을 경우보다 격벽(150)이 있는 경우의 감도가 더 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한, 광원으로부터 방사된 광(50)이 기판(110)의 제 1 면(102) 상으로부터 마이크로구조체(140)를 통해서 센서어레이(120)에 입사될 수 있다. 이 경우, 광원으로부터 방사된 광(50)은 기판(110)과 수직한 방향으로 입사되며, 요부(145)를 그대로 통과해서 그 하부의 포토다이오드 유닛(125)으로 입사될 수 있다. 따라서, 이러한 광(50)은 마이크로구조체(140)를 지나면서 거의 손실되지 않고 포토다이오드(125)로 입사될 수 있다. 이러한 점에서, 광원으로부터 포토다이오드 유닛(125) 중 최단 거리에 있는 포토다이오드 유닛(125)로 광이 포커싱 되도록, 요부(145)는 기판(110)에 수직하게, 즉, 철부(142) 및 요부(145)는 센서어레이(120)에 수직하게 신장될 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
먼저, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제 1 면(102) 및 제 2 면(104)을 갖는 기판(110)을 준비할 수 있다. 기판(110)의 제 1 면(102) 아래에 센서어레이(120)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)의 제 1 면(102) 상에서 불순물 주입을 통해서 복수개의 포토다이오드 유닛(125)을 형성할 수 있다. 불순물 주입 후 불순물들의 활성화 및 확산을 위해서 열처리가 이어질 수도 있다.
배선층(130) 및 투광층(130a)은 센서어레이(120), 즉, 기판(110)의 제 1 면(102) 상에 형성될 수 있다. 배선층(130)은 절연물 내에 센서어레이(120)를 제어하기 위한 트랜지스터들 및 이러한 제어 트랜지스터들에 연결된 금속 배선들(미도시)을 포함할 수 있다. 또, 투광층(130a)은 후술할 신틸레이터(160, scintillator)를 통과하여 입사하는 광이 포토다이오드 유닛(125)에서 감지될 수 있도록 상기 광을 투과시킬 수 있는 절연체로서, 배선층(130)의 금속 배선들이 형성되는 상기 절연물로 이해될 수 있다. 투광층(130a)은 상기 광이 포토다이오드 유닛(125)과 일대일 대응되도록 정렬됨으로써 어레이를 형성할 수도 있다. 여기서, 배선층(130), 투광층(130a) 및 입출력 패드(135)를 형성하는 반도체 제조 공정은 공지된 기술로서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5c 및 도 5d를 참조하면, 배선층(130) 및 입출력 패드(135) 상에 몰드(111)를 형성할 수 있다. 여기서, 몰드(111)는 기판(110)과 동일한 물질, 절연체 및 입사된 광을 반사시킬 수 있는 재질 중 하나로 구성되며 기판(110)과 일체를 이룬다.
한편, 복수개의 포토다이오드 유닛(125)의 위치와 중첩되도록 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용함으로써 기판(110)의 제 1 면(102)을 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각하여 마이크로구조체(140)를 형성할 수 있다. 마이크로구조체(140)는 포토다이오드 유닛(125)으로부터 광이 입사되는 방향으로 철부(142) 및 요부(145)가 형성될 수 있다. 이 경우, 복수개의 포토다이오드 유닛(125)과 마이크로구조체(140)의 요부(145) 위치 및 크기가 동일하게 배치되므로, 별도의 정렬과정을 거치지 않아도 되므로 제조가 용이한 장점이 있다.
또한, 마이크로구조체(140)를 이루는 철부(142)와 요부(145)는 기판(110) 상에 몰드(111)를 형성하지 않고, 마스크 패턴 등과 같은 증착방법을 이용하거나 상기 배선층(130) 상에 선택된 영역에만 절연층 또는 입사된 광을 반사시킬 수 있는 재질을 직접 증착함으로써 마이크로구조체(140)를 형성할 수도 있다. 이 경우, 별도의 몰드(111) 증착 공정과 몰드(111)를 식각하는 식각 공정이 생략될 수 있으므로 공정 및 비용 절감 효과가 있다. 또, 복수개의 포토다이오드 유닛(125)과 마이크로구조체(140)의 위치 및 크기가 동일하게 배치되므로, 별도의 정렬과정을 거치지 않아도 된다.
도 5e 및 도 5f를 참조하면, 각각의 픽셀(pixel)을 구성하는 마이크로구조체(140)에 금속박막으로 이루어진 격벽(150)을 형성할 수 있다. 전기화학증착(electro chemical deposition) 방법, 물리기상증착(Physical Vapor Deposition) 방법 또는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용함으로써 마이크로구조체(140)의 철부(142) 외벽에만 격벽(150)을 증착할 수 있다. 또는, 몰드(111) 및 투광층(130a)의 전면에 격벽(150)을 코팅한 후, 불필요한 부분만을 선택적으로 식각함으로써 마이크로구조체(140)의 철부(142) 외벽에 격벽(150)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 전기화학증착(electro chemical deposition) 방법, 상기 물리기상증착 방법 또는 화학기상증착 방법 등은 공지된 기술로서 상세한 설명은 생략한다.
또한, 격벽(150)으로 둘러싸인 요부(145) 내에 신틸레이터(160, scintillator)를 형성할 수 있다. 신틸레이터(160)는 내부에 랜덤(random)하게 서로 이격되어 배치된 복수개의 형광체(165, phosphor)를 포함하며, 이후에, 스핀코팅 공정 및 신틸레이터(160)가 증착된 후 불필요한 부분을 제거하는 공정 등을 진행함으로써 신틸레이터(160)를 저비용으로 형성하여 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서(1000)를 구현할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 기판(110)의 제 2 면(104) 즉, 기판(110)의 배면을 가공함으로써 구현될 수도 있다. 먼저, 도 5a 및 도 5b에서 도시된 바와 같이, 기판(110)의 제 1 면(102) 아래에 센서어레이(120)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판(110) 내에 복수개의 포토다이오드 유닛(125)을 형성할 수 있다.
또한, 센서어레이(120) 상에 배선층(130)을 형성할 수 있으며, 배선층(130) 상에 입출력 패드(135)를 형성할 수 있다. 여기서, 센서어레이(120), 배선층(130) 및 입출력 패드(135)에 대한 상세한 설명은 도 5a 내지 도 5b를 참조하여 상술한 바와 동일하므로 생략한다. 반면, 도 5b를 참조하여 상술한 투광층(130a)은 기판(110)의 배면으로부터 광이 입사되므로, 별도의 투광층(103a)을 형성할 필요가 없다. 다만, 금속 배선층(130)을 용이하게 형성하기 위해서 절연층을 증착할 수는 있다. 기판(110)의 제 2 면(104)를 가공함으로써 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 구현하는 경우는 투광층(130a)의 설계로부터 자유로울 수 있으므로, 센서의 구조가 매우 간단해지며, 공정들이 많이 생략될 수 있으므로 많은 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
한편, 입출력 패드(135)를 덮도록 배선층 상에 보호층(154)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 보호층(154)은 탈부착이 가능한 플라스틱 테이프를 포함할 수 있다. 만약, 상용화된 CMOS 이미지 센서(미도시)를 기판(110)으로 사용할 경우, 상기 CMOS 이미지 센서에 형성된 마이크로렌즈(미도시)는 제거되어야 하나, 상술한 보호층(154) 기능을 수행할 수 있으므로 제거하지 않고 그대로 사용할 수도 있다.
이어서, 기판(110)을 뒤집어서 제 2 면(104) 상에 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용함으로써 기판(110)의 제 2 면(104)을 선택적으로 식각하여 요부(145)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)의 제 2 면(104) 상에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성할 수 있다. 이어서, 이러한 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 기판(110)을 식각하여 요부(145)를 형성할 수 있다.
또한, 기판(110)의 식각은 반응성 이온 식각(reactive ion etching; RIE) 공정을 이용할 수도 있으며, 다른 실시예로, 포토레지스터 패턴 없이 레이저 드릴링을 이용하여 요부(145)을 형성할 수도 있다.
한편, 기판(110)의 두께가 두꺼울 경우, 기판(110)의 제 2 면(104)을 가공함으로써 엑스선이 기판(110)을 통과하여 복수개의 포토다이오드 유닛(125)에 의해 검출될 수 있도록 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정 또는 에치백(etch-back) 공정을 이용함으로써 기판(110)의 제 2 면(104)을 평탄화하거나 요부(145) 및 철부(142)를 갖는 마이크로구조체(140)를 직접 형성할 수도 있다.
또한, 기판(110)의 제 2 면(104) 즉, 기판(110)의 배면을 가공하여 마이크로구조체(140)를 형성할 경우, 서로 근접하게 입사되는 광원들이 배선층(130)에 의해 간섭이 발생함으로써 센싱 감도가 떨어지는 단점을 해소할 수 있다. 또, 별도의 몰드(도 5c에 도시된 111) 없이 제조공정을 단순하게 디지털 엑스선 이미지 센서를 구현할 수 있으므로 공정비용 절감 효과 및 고감도의 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서를 구현할 수가 있다.
또한, 마이크로구조체(140)의 요부(145) 바닥면으로부터 포토다이오드 유닛(125)까지 기판(110)의 남은 두께(T1)는 광의 통과를 허용하도록 적절하게 조절될 필요가 있다. 즉, 남은 두께(T1)가 클수록 짧은 파장대역의 광이 통과하기 어렵다는 점을 감안하면, 입사된 광의 파장대역이 작을수록 남은 두께(T1)를 작게 제어할 필요가 있다.
예를 들어, 입사되는 광이 가시광선인 경우 투광 효율을 높이기 위해서 남은 두께(T1)는 가능한 작게 유지할 수 있다. 반면에, 입사되는 광이 적외선인 경우, 적외선의 높은 투광성을 고려하여 남은 두께(T1)를 어느 정도까지 허용할 수 있다. 이러한 남은 두께(T1)의 조절은 마이크로구조체(140)의 요부(145) 깊이(H1)를 조절함으로써 제어할 수 있다.
도 6c 및 도 6d를 참조하면, 포토레지스터 패턴을 제거한 후, 각각의 픽셀(pixel)을 구성하는 마이크로구조체(140) 내에 금속박막으로 이루어진 격벽(150)을 형성할 수 있다. 상기 격벽(150)으로 둘러싸인 요부(145) 내에 신틸레이터(160, scintillator)를 형성함으로써 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서(1000)를 구현할 수 있다. 여기에서, 상기 격벽(150) 및 신틸레이터(160)에 대한 상세한 설명은 도 5e 및 도 5f를 참조하여 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.
상술한 바와 같이, 간접방식(indirect conversion) 디지털 엑스선 이미지 센서는 신틸레이터(scintillator)에서 엑스선(X-ray)의 에너지를 흡수한 후 가시광선 영역의 파장대역의 빛으로 전환하여 방출하면, 이러한 가시광선을 일반적인 이미지 센서를 이용하여 이미지를 검출하는 방식인데, 직접방식(direct conversion)에 비해 이미지의 분해능(image resolution)이 많이 저하된다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명은 이미지의 분해능 저하를 방지하고자 상기 신틸레이터와 이미지 센서 소자의 구조를 단일화하고, 이에 따른 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조공정을 개선함으로써 고품질의 이미지 분해능을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서는 의료 이미징 기기시장에서, 중요한 부분을 차지하는 디지털 엑스선 센서에서, 저공정비용, 고민감도 및 고화질의 이미지 취득의 장점을 가지는 센서 구조로서, 엑스선 의료기기뿐 아니라, CT 스캔 이미징(computed tomography scan imaging) 기기에도 응용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
102 : 제 1 면
104 : 제 2 면
110 : 기판
111 : 몰드
120 : 센서어레이
125 : 포토다이오드 유닛
130 : 배선층
130a : 투광층
135 : 입출력 패드
140 : 마이크로구조체
142 : 철부
145 : 요부
150 : 격벽
154 : 보호층
160 : 신틸레이터
165 : 형광체
1000 : 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서
104 : 제 2 면
110 : 기판
111 : 몰드
120 : 센서어레이
125 : 포토다이오드 유닛
130 : 배선층
130a : 투광층
135 : 입출력 패드
140 : 마이크로구조체
142 : 철부
145 : 요부
150 : 격벽
154 : 보호층
160 : 신틸레이터
165 : 형광체
1000 : 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서
Claims (15)
- 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit)을 형성하는 단계;
상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 1 면 상에 몰드(mold)를 형성하는 단계;
상기 몰드의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체(micro structure)를 형성하는 단계; 및
엑스선(X-ray)을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터(scintillator)를 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성하는 단계;
를 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법. - 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit)을 형성하는 단계;
상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체(micro structure)를 형성하는 단계; 및
엑스선(X-ray)을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있는 신틸레이터(scintillator)를 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성하는 단계;
를 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수개의 포토다이오드 유닛을 형성하는 단계 이후에, 상기 제 1 면 상에 배선층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 마이크로구조체를 형성하는 단계는 포토리소그라피(photolithography) 방법을 이용함으로써 상기 몰드 또는 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 선택적으로 식각하여 복수개의 홈을 형성하는 단계를 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 마이크로구조체의 철부(凸部)는 상기 신틸레이터로 입사된 상기 엑스선의 확산을 방지할 수 있는 격벽의 기능을 수행할 수 있는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정 또는 에치백(etch-back) 공정을 이용하여 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 가공함으로써 상기 엑스선이 상기 기판을 통과하여 상기 포토다이오드 유닛에 의해 검출될 수 있는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법. - 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 형성된 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit);
상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 1 면 상에 형성된 몰드의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 형성된 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체; 및
상기 엑스선을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있으며, 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성된 신틸레이터(scintillator);
를 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 기판의 적어도 일부에 형성된 복수개의 포토다이오드 유닛(photodiode unit);
상기 복수개의 포토다이오드 유닛과 대응되도록 상기 제 2 면의 적어도 일부를 소정의 깊이만큼 식각함으로써 형성된 요철(凹凸)을 가지는 마이크로구조체; 및
상기 엑스선을 상기 포토다이오드 유닛에서 감지할 수 있는 파장대역으로 변환시킬 수 있으며, 상기 마이크로구조체의 요부(凹部) 내에 형성된 신틸레이터(scintillator);
를 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 면 상에 상기 복수개의 포토다이오드 유닛을 제어할 수 있도록 형성된 배선층을 더 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 마이크로구조체의 요부는 적어도 상기 복수개의 포토다이오드 유닛에 대응하는 수의 홈을 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 복수개의 포토다이오드 유닛에 대응하는 상기 마이크로구조체의 요부는 상기 복수개의 포토다이오드 유닛에 정렬되어 상기 복수개의 포토다이오드 유닛 상에 형성된,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 마이크로구조체의 요부 크기는 상기 복수개의 포토다이오드 유닛의 크기와 일치하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
광원으로부터 상기 복수개의 포토다이오드 유닛 중 최단 거리에 있는 포토다이오드 유닛으로 광이 포커싱되도록 상기 마이크로구조체의 요부는 상기 기판에 수직하게 신장된,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 신틸레이터는 서로 랜덤(random)하게 이격되어 배치된 복수개의 형광체(phosphor) 입자 또는 분말을 더 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 신틸레이터는 상기 요부 내를 균일하게 채울 수 있는 연속적인 형태의 물질, 주상형 성장(columnar growth) 된 형태의 박막 및 입자 또는 분말의 접합된 형태의 물질 중 어느 하나의 형태를 포함하는,
일체형 디지털 엑스선 이미지 센서.
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| KR1020150081095A KR101702504B1 (ko) | 2015-06-09 | 2015-06-09 | 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서의 제조방법 및 이를 이용한 일체형 디지털 엑스선 이미지 센서 |
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- 2015-06-09 KR KR1020150081095A patent/KR101702504B1/ko active IP Right Grant
- 2015-07-21 US US14/804,562 patent/US20160363673A1/en not_active Abandoned
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