제조 공정과 패키징

웨이퍼 한 장이 센서가 되기까지

이미지 센서는 지름 300 mm, 두께 775 µm의 실리콘 웨이퍼 위에서 수백 단계의 공정을 거쳐 만들어진다. 로직 칩과 같은 장비를 쓰지만 순서가 독특하다. 3장에서 본 후면 조사형(BSI) 구조를 만들려면 웨이퍼를 뒤집어 다른 웨이퍼에 붙이고, 원래 웨이퍼의 99 % 이상을 갈아 없앤 다음, 드러난 뒷면에 다시 공정을 해야 한다. 큰 흐름은 아홉 단계다.

용어부터 정리하자. 실리콘 안에 트랜지스터와 포토다이오드를 만드는 앞 단계를 FEOL(Front End of Line), 그 위에 금속 배선과 절연막을 쌓는 뒤 단계를 BEOL(Back End of Line)이라 한다. 이 순서의 핵심은 열 예산(Thermal Budget)이다.

• 주입한 도펀트를 활성화하려면 약 1000 °C의 어닐링이 필요하다. 이 공정은 금속이 올라가기 전에 끝나야 한다.
• 구리 배선과 저유전율 절연막은 400 °C 안팎을 넘기면 확산과 변형이 생긴다. 그래서 배선 뒤에 오는 본딩, 후면 DTI, 후면 패시베이션은 모두 이 온도 아래에서 해야 한다.
• 컬러 필터와 마이크로렌즈는 유기물이다. 약 250 °C를 넘기면 색이 바래거나 형상이 무너진다. 그래서 맨 마지막에 온다.

아래 표는 각 단계가 무엇을 만들고 어떤 변수를 관리하는지를 요약한 것이다. 이 장의 나머지는 이 표를 한 줄씩 풀어 쓴 것이다.

에피 웨이퍼와 이온 주입

출발점은 에피 웨이퍼(Epitaxial Wafer)다. 고농도 p⁺ 기판 위에 결정 방향을 그대로 이어 받아 저농도 p⁻ 실리콘을 기상 성장시킨 것이다. 포토다이오드와 트랜지스터는 모두 이 에피층 안에 만들어진다. 기판 자체에는 결정 성장 때 들어간 산소와 미세 결함이 많지만, 에피층은 깨끗하고 농도를 정밀하게 정할 수 있다.

• 두께: 대략 수 µm에서 10 µm 안팎. BSI에서는 박막화 뒤 남는 실리콘이 전부 에피층이므로 에피 두께가 최종 실리콘 두께의 상한이 된다. 근적외선 감도를 높이려는 센서는 더 두꺼운 에피를 쓴다.
• 농도: 대략 10¹⁴~10¹⁵ cm⁻³. 농도가 낮을수록 공핍층이 깊이 퍼져 전자를 전계로 끌어모으기 쉽다(2장). 깊이에 따라 농도를 조금씩 바꿔 전자를 포토다이오드 쪽으로 미는 완만한 전계를 심어 두기도 한다.
• 청정도: 금속 불순물과 결정 결함은 곧바로 암전류가 된다. 이 절 뒤쪽에서 다시 본다.

이온 주입: 에너지가 깊이를, 도즈가 양을 정한다

핀드 포토다이오드(2장)의 n 영역, 표면의 p⁺ 피닝층, 전송 게이트 아래의 채널은 모두 이온 주입(Ion Implantation)으로 만든다. 붕소(B), 인(P), 비소(As) 같은 도펀트를 이온으로 만들어 수 keV에서 수 MeV로 가속해 실리콘에 쏘아 넣는다. 감광막(포토레지스트)으로 가린 곳에는 들어가지 않으므로 위치는 마스크가, 깊이는 에너지가, 양은 빔 전류와 시간이 정한다.

이온은 실리콘 원자와 수없이 충돌하며 에너지를 잃고 멈춘다. 멈추는 깊이는 통계적으로 흩어지며, 그 분포는 가우시안으로 근사할 수 있다.

같은 에너지라면 가벼운 이온이 더 깊이 들어간다. 100 keV에서 붕소는 약 0.3 µm, 인은 약 0.12 µm, 비소는 약 0.06 µm에 멈춘다. 그래서 얕고 날카로운 층에는 무거운 이온을, 깊은 층에는 가벼운 이온이나 높은 에너지를 쓴다.

포토다이오드는 주입 한 번으로 만들어지지 않는다. 얕은 고농도 p⁺ 층, 그 아래의 n 영역, 깊은 곳의 전자를 끌어올리는 깊은 n 영역을 따로 주입해 겹친다. 깊이에 따른 순 농도(도너 − 억셉터)의 부호가 바뀌는 곳이 접합이다. 도즈에는 직관적인 의미가 있다. 10¹² cm⁻²는 1 µm²당 도펀트 원자 1만 개다. 핀드 포토다이오드는 n 영역이 완전히 비워지는 구조이므로, n 영역의 순 도즈가 곧 단위 면적당 담을 수 있는 전자 수의 눈금이 된다. 도즈가 몇 % 흔들리면 풀웰과 피닝 전압이 그만큼 흔들린다.

어닐링과 결함

주입된 이온은 실리콘 원자를 격자 자리에서 튕겨 내며 지나간다. 주입 직후의 실리콘은 손상투성이이고 도펀트는 격자 사이에 끼어 있어 전기적으로 동작하지 않는다. 약 1000 °C에서 수 초에서 수십 초 동안 가열하는 급속 열처리(RTA, Rapid Thermal Annealing)가 격자를 복구하고 도펀트를 격자 자리에 넣는다. 온도가 높고 시간이 길수록 복구는 잘되지만 도펀트가 확산해 애써 만든 프로파일이 뭉개진다. 시뮬레이터의 '어닐링 확산 길이'가 이 절충이다.

복구되지 않고 남은 결함, 그리고 공정 중에 들어온 금속 원자는 밴드갭 한가운데에 에너지 준위를 만든다. 7장에서 본 것처럼 이 준위는 열로 전자–정공 쌍을 만드는 디딤돌이 된다. 공핍 영역의 부피를 \(V\), 생성 수명을 \(\tau_g\)라 하면 초당 생성되는 암전자 수는

이 예에서 놀라운 점은 농도 10¹¹ cm⁻³가 1 µm³ 안에 원자 0.1개라는 사실이다. 평균은 0.1개이지만 원자는 쪼개지지 않으므로, 대부분의 픽셀에는 하나도 없고 열 개 중 하나꼴로 한 개가 들어 있다. 그 픽셀은 이 준위만으로 약 50 e⁻/s, 평균의 10배를 내고 나머지 픽셀에는 이 성분이 아예 없다. 8장에서 본 암전류 분포의 긴 꼬리, 즉 화이트 픽셀(White Pixel)은 이렇게 원자 한두 개의 문제다. 실리콘 원자가 1 cm³에 5×10²² 개 있으니, 10¹¹ cm⁻³는 5천억 분의 1의 순도를 요구하는 셈이다.

로직 공정과 무엇이 다른가

이미지 센서 공정은 로직 공정을 바탕으로 하지만, 디지털 회로라면 아무 문제가 되지 않을 것들이 화질을 망친다. 트랜지스터는 0과 1만 구분하면 되지만 픽셀은 전자 한 개 수준의 누설까지 영상에 드러내기 때문이다. 그래서 센서 공장은 기본 공정에 센서 전용 모듈을 더하고 관리 기준을 따로 둔다.

금속 오염

철, 구리, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴, 금 같은 금속은 실리콘 밴드갭 깊숙이 준위를 만든다. 앞 절의 계산대로 극미량으로도 화이트 픽셀이 생긴다. 오염원은 곳곳에 있다. 이온 주입기의 금속 부품에서 튕겨 나온 원자가 빔에 섞여 들어가고, 식각·증착 챔버의 벽, 세정액, 웨이퍼를 잡는 로봇 팔에서도 옮겨 온다. 금속마다 확산 속도가 달라 증상도 다르다. 빨리 확산하는 금속은 웨이퍼 전체에 퍼지고, 느리게 확산하는 무거운 금속은 들어온 자리에 남아 장비의 흔적 모양 그대로 화이트 픽셀 무늬를 만든다.

대책은 오염을 넣지 않는 것과 가두는 것 두 갈래다. 주입기의 빔 경로 부품을 실리콘이나 흑연으로 바꾸고, 센서 전용 장비를 지정해 다른 제품과 섞이지 않게 한다. 고농도 p⁺ 기판은 금속을 끌어당겨 붙잡는 게터링(Gettering) 역할을 해 에피층을 깨끗하게 유지한다. 재미있게도 이미지 센서는 그 자체가 가장 민감한 오염 측정기다. 수천만 픽셀의 암전류 분포를 고온에서 찍어 보면 어떤 화학 분석보다 먼저 오염이 드러난다.

플라즈마 손상

건식 식각과 플라즈마 증착은 이온, 전자, 자외선을 웨이퍼에 쏟아붓는다. 세 가지 경로로 손상이 생긴다.

• 이온 충돌: 실리콘 표면 수 nm의 격자를 깨뜨린다. 포토다이오드 표면이 직접 노출되면 그대로 생성 중심이 된다.
• 전하 축적: 금속 배선이 안테나처럼 전하를 모아 게이트 산화막에 과전압을 건다. 산화막에 트랩이 생기고 소스 팔로워의 1/f 노이즈와 RTS(8장)가 늘어난다.
• 자외선: 산화막을 뚫고 들어가 실리콘–산화막 계면의 결합을 끊는다.

그래서 포토다이오드 위는 주입 직후부터 보호 산화막으로 덮어 두고, 그 위에서 멈추는 식각만 허용한다. 게이트 측벽 스페이서를 깎는 식각처럼 피할 수 없는 공정은 이온 에너지를 낮추고, 마지막 수 nm는 습식 식각으로 마무리하기도 한다.

수소 패시베이션

실리콘과 산화막이 만나는 계면에는 짝을 잃은 결합손(Dangling Bond)이 남는다. 결합손은 계면 준위(Interface State)를 만들어 암전류의 원천이 된다. 이를 메우는 가장 오래되고 효과적인 방법이 수소다. 수소 원자가 결합손에 붙어 Si–H 결합을 만들면 그 준위는 밴드갭 밖으로 밀려나 전기적으로 사라진다.

수소는 배선 공정 끝에 수소를 섞은 질소 분위기에서 400 °C 안팎으로 가열하는 열처리(Forming Gas Anneal)로 넣거나, 수소를 많이 품은 실리콘 질화막을 올려 두고 열로 내보내게 한다. 계면 준위 밀도는 한두 자릿수 줄어든다. 문제는 수소가 가야 할 길이다. 수소는 작아서 산화막은 잘 통과하지만 치밀한 질화막과 금속에는 막힌다. 배선 구조에 따라 어떤 픽셀에는 수소가 닿고 어떤 픽셀에는 덜 닿으면 암전류가 배선 패턴을 따라 무늬를 그린다. 또 Si–H 결합은 영구적이지 않다. 이후 공정의 열이나 자외선, 방사선(16장)으로 수소가 떨어져 나가면 암전류가 되돌아온다.

BSI 공정 흐름: 뒤집고, 붙이고, 갈아 낸다

BSI가 무엇이고 왜 좋은지는 3장에서 보았다. 여기서는 만드는 순서를 따라간다. 배선까지 끝낸 픽셀 웨이퍼의 표면을 산화막으로 덮고 화학 기계 연마(CMP, Chemical Mechanical Polishing)로 평탄하게 만든다. 이 면을 다른 웨이퍼와 마주 붙인다. 상대 웨이퍼는 단순히 기계적 지지만 하는 캐리어 웨이퍼(Carrier Wafer)일 수도 있고, 적층형 센서(12장)라면 회로가 들어 있는 로직 웨이퍼다.

웨이퍼 본딩

접착제는 쓰지 않는다. 충분히 평탄하고 깨끗한 두 산화막 표면은 맞대기만 해도 달라붙는다. 플라즈마로 표면을 활성화하고 물로 씻어 수산기(–OH)를 입히면 상온에서 수소 결합으로 붙고, 이후 수백 °C의 열처리에서 물이 빠져나가며 Si–O–Si 공유 결합으로 바뀐다. 이를 직접 본딩(Direct / Fusion Bonding)이라 한다. 조건은 까다롭다.

• 거칠기: 표면 거칠기가 nm 이하여야 한다. CMP가 본딩의 성패를 정한다.
• 파티클: 두 웨이퍼 사이에 낀 1 µm짜리 입자 하나가 웨이퍼를 들어 올려 지름 수 mm 이상의 미접합 영역(Void)을 만든다. 그 자리의 다이는 박막화 때 부서진다.
• 웨이퍼 휨: 두 웨이퍼의 휨이 다르면 붙는 순간 한쪽이 늘어나 위치가 틀어진다. 적층형에서는 이것이 정렬 오차가 된다.

박막화

붙인 뒤에는 픽셀 웨이퍼의 뒷면을 775 µm에서 수 µm까지 줄인다. 한 가지 방법으로는 불가능하므로 거친 방법에서 고운 방법으로 넘어간다.

p⁺ 기판과 p⁻ 에피의 경계는 저절로 식각 정지층(Etch Stop) 역할을 한다. 연삭만으로는 300 mm 웨이퍼 전체에서 두께를 µm 이하로 맞출 수 없지만, 식각이 경계에서 스스로 느려지면 처음의 에피 두께 균일도가 그대로 최종 두께 균일도가 된다. 매립 산화막이 있는 SOI 웨이퍼를 써서 산화막을 정지층으로 삼는 방법도 있다. 연삭 전에는 웨이퍼 가장자리를 미리 깎아 내(Edge Trimming) 얇아진 가장자리가 칼날처럼 깨져 나가는 것을 막는다.

두께 편차가 색을 바꾼다

웨이퍼 안에서 가장 두꺼운 곳과 얇은 곳의 차이를 TTV(Total Thickness Variation)라 한다. BSI에서 실리콘 두께 \(d\)는 곧 빛이 흡수될 수 있는 경로 길이다. 흡수 길이가 \(L(\lambda)\)인 빛이 한 번 통과하며 흡수되는 비율과, 두께 변화 \(\Delta d\)에 대한 상대 변화는

청색은 표면 근처에서 다 흡수되므로 두께와 무관하다. 적색은 3 µm로는 다 흡수되지 않으므로 두께가 달라지는 만큼 감도가 따라 변한다. 결과는 단순한 밝기 차이가 아니라 색 비율의 변화다. 웨이퍼 중심의 다이와 가장자리의 다이가 서로 다른 화이트 밸런스와 색 보정 행렬을 필요로 하게 되고, 한 다이 안에서 두께가 기울면 화면 한쪽이 붉어지는 색 쉐이딩이 된다.

후면 패시베이션

갈아 낸 뒷면은 새로 생긴 실리콘 표면이다. 결합손이 가득하고, 하필 청색광이 흡수되는 바로 그 자리다. 전면에서는 고온 산화와 p⁺ 주입, 어닐링으로 표면을 다스렸지만 후면에서는 이미 배선이 있어 400 °C 안팎을 넘길 수 없다. 주입한 붕소를 활성화할 온도를 쓸 수 없다는 뜻이다. 해법은 두 가지다.

• 고정 음전하막: 3장에서 소개한 대로, 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)으로 산화알루미늄이나 산화하프늄 같은 막을 수~수십 nm 입힌다. 막 안의 음의 고정 전하가 실리콘 표면에 정공을 끌어모아 주입 없이 피닝층을 만든다. 저온 공정이고 손상이 없어 현재의 표준이다. 관리 변수는 고정 전하 밀도와 그 아래 계면 산화막의 품질이다.
• 후면 주입 + 레이저 어닐링: 얕게 붕소를 주입한 뒤 수백 ns 이하의 레이저 펄스로 표면 수백 nm만 순간적으로 녹였다 굳힌다. 열이 배선층까지 전달되기 전에 끝난다.

이 위에 반사방지막을 올린다. 반사방지막의 원리는 2장에서 다루었다. 공정에서 중요한 것은 막 두께의 균일도다. 두께가 수 nm만 달라져도 반사율이 최소가 되는 파장이 이동해 TTV와 비슷한 색 편차를 만든다.

DTI 형성: 깊고 좁은 도랑을 파고 메우기

DTI가 빛과 전자를 어떻게 가두는지는 3장에서 보았다. 만드는 쪽에서 보면 DTI는 폭 약 0.1 µm, 깊이 수 µm의 도랑이다. 깊이를 폭으로 나눈 종횡비(Aspect Ratio)가 20~40에 이른다.

공정은 세 단계다.

1. 식각: 고종횡비 식각은 깎는 단계와 측벽을 보호막으로 덮는 단계를 번갈아 하거나, 두 작용이 동시에 일어나도록 가스를 섞어 진행한다. 측벽이 수직에서 1°만 기울어도 3 µm 아래에서는 폭이 0.1 µm 달라지므로 트렌치가 닫히거나 벌어진다. 깊이가 깊어질수록 식각 가스가 바닥까지 닿기 어려워 속도가 떨어지고, 넓은 트렌치가 좁은 트렌치보다 깊게 파이는 현상도 생긴다. 트렌치가 교차하는 십자 지점은 열린 면적이 넓어 더 깊이 파인다.
2. 측벽 패시베이션: 식각으로 드러난 측벽은 손상된 실리콘 표면이다. 픽셀 하나의 측벽 면적은 윗면보다 훨씬 넓다. 0.7 µm 픽셀에 깊이 3 µm이면 측벽이 4 × 0.7 × 3 = 8.4 µm²로, 윗면 0.49 µm²의 17배다. 이 면을 다스리지 못하면 DTI는 크로스토크를 줄이는 대신 암전류를 키운다. 방법은 뒤에서 볼 공정 순서에 따라 달라진다.
3. 충전: 좁고 깊은 틈을 빈틈없이 메워야 한다. 입구가 먼저 막히면 안에 공동(Void)이 남는다. 원자층 증착처럼 표면을 따라 한 층씩 자라는 방법이 필요하다. 채우는 물질은 산화물, 폴리실리콘, 금속(텅스텐 등)이 쓰인다. 산화물은 굴절률이 낮아 빛을 반사로 되돌리고 흡수가 없다. 금속은 빛을 완전히 막지만 일부를 흡수해 감도를 깎는다. 전도성 물질을 넣으면 전압을 걸어 측벽에 정공을 모으는 데 쓸 수 있다.

BDTI는 기존 BSI 공정 뒤에 덧붙이면 되어 도입이 쉬웠고, FDTI는 공정 전체를 다시 짜야 하지만 픽셀을 완전히 분리한다. 구조적 장단점은 3장의 표를 참고하자. 공정 관점의 요점은 하나다. 같은 모양의 도랑이라도 언제 파느냐에 따라 전혀 다른 공정이 된다.

하이브리드 본딩: 나노미터를 다루는 접합

적층형 센서에서 픽셀 웨이퍼와 로직 웨이퍼를 구리 패드로 직접 잇는 구조와 그 이점은 12장에서 다루었다. 여기서는 그 접합이 성립하기 위한 공정 조건을 본다. 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)은 앞 절의 산화막 직접 본딩에 금속 접합을 더한 것이다. 한 표면에 산화막과 구리가 함께 드러나 있고, 산화막끼리와 구리끼리가 동시에 붙어야 한다.

CMP 디싱: 수 nm의 창

CMP에서 무른 구리는 단단한 산화막보다 빨리 깎여 패드 가운데가 접시처럼 파인다. 이를 디싱(Dishing)이라 한다. 하이브리드 본딩은 이 디싱을 없애는 것이 아니라 정해진 양만큼 남기는 공정이다.

• 구리가 산화막보다 튀어나오면: 구리가 먼저 닿아 주변 산화막이 붙지 못한다. 패드 둘레에 미접합 고리가 생긴다.
• 구리가 너무 깊이 들어가 있으면: 열처리로 팽창해도 서로 닿지 못해 전기적으로 끊긴다(오픈).

얼마나 들어가 있어도 되는지는 열팽창이 정한다. 구리의 열팽창 계수는 약 17 ppm/K, 산화막은 약 0.5 ppm/K다. 깊이 \(h\)인 패드가 \(\Delta T\)만큼 가열될 때 산화막 표면 대비 구리가 솟는 높이는 대략

300 mm 웨이퍼 전체, 수억 개의 패드에서 디싱을 수 nm 안에 맞춰야 한다는 뜻이다. 패드가 크면 디싱이 깊어지고, 패드가 빽빽한 곳과 성긴 곳에서 연마 속도가 다르다. 그래서 설계 단계에서 패드 크기를 통일하고, 신호가 없는 자리에도 더미 패드를 깔아 밀도를 고르게 한다.

표면 활성화와 어닐링

CMP 뒤에는 플라즈마로 산화막 표면을 활성화하고 세정한 다음 두 웨이퍼를 정렬해 가운데부터 접촉시킨다. 접합면이 가운데에서 가장자리로 퍼져 나가며 공기를 밀어낸다. 이후 200~400 °C에서 열처리하면 산화막 결합이 강해지고 구리가 팽창해 맞닿는다. 맞닿은 구리는 확산과 결정립 성장으로 경계가 사라지며 하나가 된다. 온도는 이미 만들어진 배선과 소자가 견디는 한도 안이어야 하므로, 더 낮은 온도에서 잘 붙도록 구리의 결정 방향과 결정립 크기를 조절하는 연구가 이어지고 있다.

오버레이와 패드 피치

두 웨이퍼의 패턴이 어긋난 정도를 오버레이(Overlay)라 한다. 한 변이 \(a\)인 정사각 패드 두 개가 x, y 방향으로 각각 \(\delta_x, \delta_y\)만큼 어긋나면 겹치는 면적 비율은

접촉 면적이 줄면 접촉 저항이 커지고 전류가 좁은 곳에 몰려 신뢰성이 나빠진다. 간격이 줄면 이웃 패드와의 누설이나 단락 위험이 커진다. 피치를 절반으로 줄이려면 오버레이도 절반으로 줄여야 한다. 오버레이는 정렬 장비의 정밀도만으로 정해지지 않는다. 두 웨이퍼가 서로 다른 공정을 거치며 다르게 휘고 늘어나 있기 때문에, 중심에서 맞춰도 가장자리에서 어긋난다. 300 mm 웨이퍼에서 배율이 1 ppm만 달라도 가장자리에서는 150 nm가 어긋난다. 한쪽 패드를 크게, 반대쪽을 작게 만들어 어긋나도 접촉 면적이 유지되게 하는 설계도 쓰인다.

컬러 필터와 마이크로렌즈 공정

후면 패시베이션과 금속 그리드까지 끝나면 마지막으로 유기물 광학층을 올린다. 재질과 광학적 역할은 3장과 4장에서 다루었으므로 여기서는 만드는 방법만 본다.

컬러 필터: 색마다 한 번씩 포토 공정

컬러 필터 재료는 안료를 분산시킨 감광성 수지다. 재료 자체가 포토레지스트이므로 식각 없이 노광과 현상만으로 패턴이 남는다. 빛을 받은 부분이 굳어 남는 네거티브형이 일반적이다.

1. 웨이퍼에 한 가지 색의 수지를 회전 도포한다. 두께는 회전 속도와 점도로 정한다.
2. 그 색이 남아야 할 픽셀에만 자외선을 쬔다. 주로 i선(365 nm) 노광기를 쓴다.
3. 현상액으로 빛을 받지 않은 부분을 씻어 내고, 열로 굳힌다.
4. 다음 색으로 1~3을 반복한다. 베이어 배열이면 세 번이다.

어려움은 재료의 모순에서 온다. 색을 내려면 안료가 빛을 흡수해야 하는데, 패턴을 새기려면 노광 빛이 막 바닥까지 닿아야 한다. 안료 농도를 올려 막을 얇게 만들수록 노광이 어려워지고 패턴 모서리가 둥글어진다. 픽셀이 1 µm 아래로 내려가면 이 해상도 한계가 드러난다. 먼저 만든 색의 가장자리에 다음 색이 겹치거나 틈이 생기면 그 부분은 색이 섞이거나 필터 없는 빛이 샌다. 대응은 여러 가지다. 격자 모양의 낮은 굴절률 벽이나 금속 그리드를 먼저 세우고 그 칸 안에 필터를 채워 경계를 그리드가 정하게 하는 방법, 필터 막을 도포한 뒤 건식 식각으로 패턴을 새기는 방법이 쓰인다. 같은 색이 2×2로 모인 쿼드 베이어 배열(4장)은 필터 패턴 하나의 크기가 두 배이므로 공정 쪽에서는 한결 수월하다.

관리 변수는 색별 막 두께와 그 균일도다. 필터의 투과율은 두께에 지수적으로 의존하므로, 회전 도포에서 생기는 중심과 가장자리의 두께 차이가 그대로 색 편차가 된다. 아래에 이미 요철(그리드, 앞서 만든 색)이 있으면 도포한 수지가 그 주변에서 두껍게 고여 줄무늬를 만든다.

마이크로렌즈: 표면 장력으로 만드는 렌즈

지름 1 µm짜리 렌즈를 깎아 만들 수는 없다. 대신 액체의 표면 장력이 구면을 만들게 한다.

리플로우(Thermal Reflow) 방식은 섬 모양 감광막을 유리 전이 온도 위로 가열한다. 수지가 흐르면서 표면적을 최소로 하려는 표면 장력이 구면을 만든다. 렌즈의 모양은 처음 감광막의 부피가 정한다. 바닥 반지름 \(r\), 높이 \(h\)인 구면 캡의 부피와 곡률 반지름은

리플로우의 약점은 틈이다. 녹은 수지가 이웃과 닿으면 물방울처럼 하나로 합쳐지므로 렌즈 사이에 간격을 남겨야 한다. 그 틈으로 들어온 빛은 모이지 않는다. 픽셀이 작아질수록 틈이 차지하는 비율이 커진다. 에치백(Etch-back) 방식은 리플로우로 만든 렌즈를 마스크 삼아 건식 식각으로 아래층을 깎는다. 깎는 동안 렌즈 가장자리가 넓어지도록 조건을 잡으면 이웃 렌즈가 서로 맞닿아 갭리스 렌즈(Gapless Microlens)가 된다. 아래층을 무기물로 하면 열과 자외선에 강한 렌즈도 만들 수 있다. 농담이 있는 마스크로 감광막의 높이를 직접 조각하는 방법도 쓰인다.

오버레이: 의도한 이동과 의도하지 않은 이동

5장에서 본 대로 화면 가장자리의 마이크로렌즈와 컬러 필터는 주광선각에 맞춰 일부러 광축 쪽으로 밀어 배치한다. 이것은 마스크에 그려 넣은 설계값이다. 공정의 오버레이 오차는 여기에 더해지는 의도하지 않은 이동이다. 피치 0.7 µm 픽셀에서 50 nm의 오차는 피치의 7 %다. 렌즈가 한쪽으로 치우치면 초점이 픽셀 중심을 벗어나 감도가 떨어지고 이웃 픽셀로 새는 빛이 늘어난다. 한 렌즈 아래 여러 포토다이오드를 두는 위상차 검출 픽셀(12장)에서는 좌우 신호의 균형이 깨지므로 영향이 더 크다. 후면의 구조물은 실리콘 반대편에 있는 전면의 포토다이오드에 맞춰 정렬해야 한다는 점도 BSI 특유의 어려움이다. 실리콘을 투과하는 적외선으로 전면의 정렬 표식을 보거나, 표식을 후면에서 보이도록 미리 만들어 둔다.

웨이퍼 테스트와 수율

공정이 끝난 웨이퍼는 자르기 전에 다이마다 검사한다. 바늘이 촘촘히 박힌 프로브 카드(Probe Card)를 다이의 패드에 눌러 전원과 신호를 연결하고 실제로 영상을 찍는다. 이미지 센서의 프로브 테스트가 다른 칩과 다른 점은 빛이 필요하다는 것이다. 프로브 카드 가운데에 창을 내고 그 위에 균일한 조명을 둔다. 조명의 색온도, 밝기, 입사각 분포가 판정을 좌우하므로 광원 자체가 교정 대상이다.

측정 방법 자체는 8장의 특성 평가와 같다. 다른 점은 다이 하나에 쓸 수 있는 시간이 수 초뿐이라는 것이다. 그래서 정밀한 값을 재기보다 기준을 넘는지 여부를 빨리 가린다.

결함 픽셀: 버리는 것과 고쳐 쓰는 것

수천만 픽셀이 모두 완벽한 다이는 사실상 없다. 그래서 센서는 결함 픽셀을 몇 개까지, 어떤 모양까지 허용할지를 사양으로 정한다. 홀로 떨어진 결함 픽셀은 주변 같은 색 픽셀의 값으로 채워 넣으면 눈에 띄지 않는다(10장). 반면 같은 색 픽셀 두세 개가 붙어 있는 클러스터 결함(Cluster Defect)은 채워 넣을 이웃이 없어 영상에 흔적이 남고, 행이나 열 전체가 죽은 줄 결함은 대개 허용되지 않는다. 테스트에서 찾은 결함 픽셀의 좌표, 즉 결함 픽셀 맵은 센서 안의 일회성 기록 메모리(OTP)에 써 두었다가 사용할 때 보정에 쓴다.

화이트 픽셀 기준은 수율과 직접 맞바꾸는 값이다. 기준을 엄격하게 잡으면 화질은 좋아지지만 버리는 다이가 늘어난다. 차량용처럼 고온에서 동작하는 센서(15장)는 고온에서의 화이트 픽셀 수로 판정하므로 같은 웨이퍼라도 수율이 낮게 나온다. 등급을 나눠 용도별로 파는 것도 흔한 방법이다.

수율 모델

18장에서는 다이 크기가 웨이퍼 한 장에서 나오는 다이 개수를 어떻게 정하는지 보았다. 여기서는 그 가운데 몇 개가 양품인지를 본다. 다이를 죽이는 결함이 웨이퍼 위에 단위 면적당 평균 \(D_0\)개의 밀도로 무작위로 흩어져 있다면, 면적 \(A\)인 다이에 결함이 하나도 없을 확률은 포아송 분포의 0번째 항이다.

두 가지를 읽어 낼 수 있다. 첫째, 수율은 다이 면적에 지수적으로 떨어진다. 36 × 24 mm 풀프레임 센서(8.64 cm²)는 \(D_0\) = 0.1 cm⁻²에서도 포아송 수율이 42 %다. 같은 결함 밀도에서 0.5 cm² 모바일 센서는 95 %다. 큰 센서가 면적 비례보다 훨씬 비싼 이유다. 둘째, 결함이 뭉쳐 있으면 같은 평균 결함 밀도에서도 수율이 높다. 결함 스무 개가 한 다이에 몰리면 다이 하나만 죽지만, 고르게 흩어지면 스무 개가 죽는다. 다이가 클수록 이 차이가 벌어진다.

이미지 센서에는 로직 칩과 다른 사정이 두 가지 더 있다. 하나는 픽셀 어레이 안에서 픽셀 하나만 죽이는 결함은 보정으로 살릴 수 있다는 점이다. 다이를 죽이는 결함 밀도 \(D_0\)에는 줄 결함이나 클러스터를 만드는 결함과 주변 회로의 결함만 들어간다. 다른 하나는 로직 칩이라면 아무 문제 없을 표면의 이물과 얼룩이 센서에서는 불량이 된다는 점이다. 화이트 픽셀 기준에 의한 탈락은 결함 하나의 유무가 아니라 다이 전체의 통계로 정해지므로 위 식과 별도로 곱해진다.

다이싱과 패키징

테스트가 끝난 웨이퍼는 낱개 다이로 자르고(Dicing), 전기 연결과 보호를 위한 패키지에 넣는다. 다른 칩은 검은 수지로 통째로 덮으면 되지만 이미지 센서는 그럴 수 없다. 빛이 들어갈 창이 있어야 하고, 마이크로렌즈 위에는 공기층이 있어야 한다. 마이크로렌즈는 굴절률이 약 1.6인 재료가 굴절률 1인 공기와 만나는 면에서 빛을 꺾는다. 그 위를 굴절률 1.5의 수지나 접착제로 채우면 굴절률 차이가 사라져 렌즈가 거의 동작하지 않는다. 그래서 센서 패키지는 대개 픽셀 위에 빈 공간(Cavity)을 두고 유리로 덮는다.

다이싱

회전하는 다이아몬드 날로 자르는 방법은 물을 뿌려 가며 진행하고 실리콘 가루가 생긴다. 마이크로렌즈가 드러난 센서에서는 그 가루가 곧 불량이다. 그래서 자르기 전에 보호막을 입히거나, 레이저로 웨이퍼 내부에 개질층을 만든 뒤 테이프를 늘려 쪼개는 건식 방법을 쓴다. 뒤에 나올 웨이퍼 레벨 패키지는 유리를 먼저 붙인 다음 자르므로 이 문제에서 자유롭다.

여기서 TSV는 12장에서 본 적층 웨이퍼 사이의 연결과는 목적이 다르다. 패키지의 TSV는 다이 윗면의 패드를 뒷면으로 끌어내 솔더 볼에 잇는 통로다. 윗면이 유리로 덮여 있어 와이어를 걸 수 없기 때문이다.

파티클: 먼지 한 알의 그림자

센서 표면이나 커버 글라스에 붙은 입자는 영상에 어두운 점으로 나타난다. 입자가 픽셀에서 얼마나 떨어져 있느냐가 그림자의 진하기를 정한다. 픽셀 한 점에는 렌즈에서 원뿔 모양으로 빛이 모이므로, 픽셀면에서 높이 \(H\)에 있는 평면에서 그 원뿔의 지름은 약 \(H/N\)이다(\(N\): 렌즈의 F-넘버). 지름 \(d_p\)인 입자가 그 원뿔의 일부만 가리면 밝기 저하는 면적 비다.

유리가 픽셀에 가까운 CSP에서 유리 표면의 이물이 문제가 되고, 유리가 먼 COB가 고화소 센서에서 선호되는 이유가 이 식에 있다. 반대로 COB는 다이 표면이 드러난 채로 조립하므로 그 사이에 떨어진 입자는 가장 나쁜 조건(\(H \approx 0\))이 된다. 그래서 조립 라인의 청정도, 접착제에서 나오는 가스, 움직이는 부품에서 떨어지는 입자까지 관리한다.

열과 응력

실리콘의 열팽창 계수는 약 2.6 ppm/K, 유기 기판은 15 ppm/K 안팎이다. 접착제를 굳히는 온도에서 상온으로 식으면 기판이 더 많이 줄어들어 다이가 휜다. 얇게 갈아 낸 다이일수록 잘 휜다. 센서가 수 µm만 휘어도 화면 중심과 가장자리의 초점면이 어긋나므로, 대형 센서와 밝은 렌즈를 쓰는 모듈에서는 다이 휨이 사양에 들어간다. 접착제의 두께와 탄성, 기판 재질, 다이 두께가 조절 변수다.

열은 화질과 직결된다. 7장에서 본 대로 암전류는 약 6~8 °C마다 두 배가 된다. 소비 전력 \(P\)와 패키지의 열 저항 \(\theta\)가 다이 온도 상승을 정한다.

패키지된 센서는 이제 렌즈, 액추에이터, 필터와 만나 카메라 모듈이 된다. 커버 글라스와 IR 컷 필터의 광학적 역할은 5장에서 다루었고, 렌즈와 센서를 맞추는 조립 공정은 14장 카메라 모듈에서 이어진다.