KR100339395B1 - 적층형 볼로메터 센서 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 미세가공 기술을 이용하여 적외선 감지소자와 보상소자를 동일 면적상에 적층구조로 형성함으로써 소자의 열 평형을 동일하게 하고 소자의 집적도를 높이기 위한 것으로서, 중앙 부분이 식각되고 상/하부 면에 절연박막이 형성된 기판과, 상기 기판 상부에 형성된 절연박막 위에 양측면이 노출되도록 형성된 멤브레인막과, 상기 멤브레인막 중앙 하부에 형성되어 온도변화를 감지하는 보상소자와, 상기 멤브레인막 위로 상기 보상소자와 동일위치에 형성되어 적외선을 반사하는 반사막과, 상기 반사막 위에 형성되어 감지된 적외선에 의해 온도의 변화를 갖는 감지소자와, 상기 감지소자 위에 형성되어 적외선을 흡수하는 흡수막을 포함하여 구성되는데 있다.
Description
본 발명은 적외선 감지 센서에 관한 것으로, 특히 적층형 구조를 가지는 적층형 볼로메터 센서에 관한 것이다.
최근까지 적외선을 감지하기 위한 센서로서는 열전효과를 이용한 열전대 센서(thermopile sensor)와, 초전현상을 이용한 초전 센서(pyroelectric sensor)와, 센서에 바이어스를 걸어 유전율의 변화를 감지하는 강유전 볼로메터(ferroelectric bolometer)와, 그리고 온도변화에 따른 저항 변화를 감지하는 저항형 볼로메터 등이 사용되어 왔다.
이 중에서 상기 저항형 볼로메터(간단히 볼로메터)는 입사된 적외선을 흡수하여 변화된 감지소자의 온도 변화에 따른 저항 변화를 이용하여 적외선을 감지하는 방식이다.
이와 같은 저항형 볼로메터는 다른 방식의 센서보다 그 제작이 간단하고 가격이 저렴하며, 바이어스 변화에 따른 감도의 조절과 노이즈의 조절 등이 용이하여 온도 감지용 센서로 사용되거나, 또는 어레이(array)로 만들어져 높은 감도를 요구하는 곳에 응용되고 있다.
응용분야를 보면 온도 측정용이나, 어레이로 만들어져 적외선 카메라에 사용되며, 특히 요즘에는 전자레인지와 열 가전제품에 사용되어 음식물의 상태를 파악하는데 사용되거나, 의학 장비(medical equipments)에 사용되는 등 그 응용분야가 점점 넓어지고 있다.
일반적으로 볼로메터는 얇은 박막 위에 온도의 변화를 감지하는 저항부를 형성하는 구조로 되어 있으며, 이러한 볼로메터는 일괄 제작을 목적으로 실리콘 기판을 이용하여 만들어지고 있다.
상기 저항부로는 산화물인 바나듐(vanadium) 산화물, 티타늄(titanium) 산화물 등이 있으며, 금속으로 티타늄, 백금(platinum) 등과 같은 물질들이 있다.
이 중 바나듐 산화물(V2O3, VO2, V2O5)은 온도저항계수(Temperature Coefficient of Resistance : TCR)가 -2 ~ -4 %/K 로 Ti, Pt와 같은 금속 저항부에 비해 상기 TCR이 10 ~ 20 배정도 높아 감도에 유리하나 잡음이 금속 저항부에 비해 큰 단점이 있다.
또한 실리콘 기판은 열 전도성(thermal conductivity)이 높아서 저항부에서 전달되는 열이 기판으로 전달되어 볼로메터의 효율 및 감도를 떨어지게 하는 주요 원인으로 분석되어지고 있다.
이를 개선하기 위하여 최근에 실리콘을 식각하는 기술(bulk micromachining techniques)을 이용하여 볼로메터의 구조물을 멤브레인 타입의 절연막 위에 형성한 후 상기 사용된 실리콘 기판을 선택적으로 식각하여 제거함으로써, 볼로메터의 효율 및 감도를 높일 수 있는 방법이 연구되고 있다.
일반적인 멤브레인 형태의 적외선센서 구조의 단면도를 도 1 에 나타내었고, 도 2 는 도 1의 평면도를 나타내었다.
도 1과 도 2를 보면 실리콘 기판(1) 표면에 두께 1㎛ 정도의 저응력 Si3N4박막이나 SiO2/Si3N4/SiO2와 같은 복합 박막을 멤브레인막(2)으로 형성하고 그 위에 적외선 감지소자(3)와 주위 환경 변화를 보상하기 위한 보상소자(3')를 형성한다.
이때 센서의 주위 환경 변화를 정확히 보상하기 위해서는 적외선 감지소자(3)와 보상소자(3')는 구조적으로 대칭이며 동일한 재료로 형성하여 두 소자간의 열적 균형을 같도록 하여야 한다.
상기 적외선 감지소자(3)와 보상소자(3')의 전극패드(4)(4')를 각각 형성한 후, 그 위에 절연막(5)으로 소자를 패시베이션(passivation) 하고 상기 절연막(5) 위에 적외선 감지막의 상부에서 적외선을 흡수하는 흡수체(6)를 형성하고, 보상소자(3')의 상부에는 적외선을 반사하는 반사막(7)을 형성한 후, 소자의 열적고립(thermal isolation) 효과를 높이기 위하여 상기 멤브레인막(2)의 하부 실리콘을 KOH와 같은 실리콘 식각용액으로 식각하여 제거한다.
이러한 구조는 Si 일괄 처리를 이용하여 용이하게 만들 수 있지만 실리콘 건식 식각시 K0H와 같은 강알칼리 실리콘 에칭용액에 멤브레인막이 화학적으로 내구성이 있어야 하기 때문에 멤브레인막의 사용이 저응력 Si3N4박막이나 SiO2/Si3N4/SiO2와 같은 복합 박막으로 제한되는 단점이 있다.
또한 센서의 감도를 높이기 위해서는 기판으로의 열전달이 작을수록 좋기 때문에 멤브레인막의 열전도도가 작을수록 센서의 감도 향상에 유리하다.
상기 멤브레인 재료로 사용될 수 있는 재료중의 하나인 폴리이미드(polyimide)는 열전도도(thermal conductivity)가 0.4 W/mK로Si3N4(16~30 W/mK)나 SiO2(1.38 W/mK)의 열전도도보다 크게 낮아 센서의 감도 향상에 유리하다.
또한 기계적인 안정성 면에서도 기계적 강도를 나타내는 신장 탄성률(young's modulus)이 수 GPa로 크고 내부응력은 100~200 MPa의 인장응력을 갖고 있어 기계적으로 안정하고, 유기물의 특정상 연성을 갖기 때문에 멤브레인이 외부 충격에 쉽게 깨지지 않는 장점을 가지고 있다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 적층형 볼로메터 센서 및 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 제조 공정에서 패턴 정열시 노광하고 현상하는 공정에서 약간의 오차가 발생하면 상기 두 소자간에 대칭이 어긋나 열적 균형이 정확히 맞지 않아 정확한 보상을 하기가 곤란하며 재현성이 떨어지는 문제가 있다.
둘째, 동일 멤브레인 상에 두 소자를 평면적으로 형성하기 때문에 멤브레인의 면적이 크게되어 구조적, 기계적으로 취약해 질 수 있으며, 센서 소자의 크기가 커지게 되어 제조 단가가 높아지는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 적외선 감지소자와 보상소자를 동일 면적상에 상, 하로 적층시킨 구조를 이용하여 센서의 정확한 주위환경 변화에 대한 보상과 집적도를 향상시킨 적층형 볼로메터 적외선 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 일반적인 멤브레인(membrane) 형태의 적외선센서 구조의 단면도
도 2 는 일반적인 멤브레인 형태의 적외선센서 구조의 평면도
도 3은 본 발명에 따른 적층형으로 구성된 마이크로 볼로메터의 제조 공정도
도 4 는 본 발명에 따른 패키지된 적층형 볼로메터 센서의 단면도
도 5 는 보상소자가 내장된 볼로메터를 이용한 적외선 검출을 위한 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
8 : 기판 9 : 에치 스탑층
9' : 에칭용 마스크 10 : 보상소자
11, 16 : 전극패드 12 : 멤브레인막
13 : 반사막 14, 17 : 절연막
15 : 감지소자 18 : 흡수막
19 : 적외선 필터 21 : 바이어스 전원
22 : 볼로메터 센서 23, 24 : 저항
25 : 차등증폭 회로
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층형 볼로메터 센서의 특징은 중앙 부분이 식각되고 상/하부 면에 절연박막이 형성된 기판과, 상기 기판 상부에 형성된 절연박막 위에 양측면이 노출되도록 형성된 멤브레인막과, 상기 멤브레인막 중앙 하부에 형성되어 온도변화를 감지하는 보상소자와, 상기 멤브레인막 위로 상기 보상소자와 동일위치에 형성되어 적외선을 반사하는 반사막과, 상기 반사막 위에 형성되어 감지된 적외선에 의해 온도의 변화를 갖는 감지소자와, 상기 감지소자 위에 형성되어 적외선을 흡수하는 흡수막을 포함하여 구성되는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층형 볼로메터 센서 제조 방법의 특징은 기판의 양면에 제 1, 2 절연박막을 형성하고 상기 제 1 절연박막 위에 온도 보상용 물질을 증착하고 양 측면이 노출되도록 패터닝하여 보상소자를 형성하는 공정, 상기 보상소자 한쪽측면에 오버랩(overlap)되고 상기 노출된 제 1 절연박막 한쪽면 위로 제 1 금속막을 형성하는 공정, 전면에 폴리이미드막을 양측의 제 1 절연박막과 제 1 금속막이 노출되도록 형성하고 상기 폴리이미드막 위에 적외선 반사체를 형성하는 공정, 상기 적외선 반사체 전표면 위에 제 1 절연체를 형성하고 상기 제 1 절연체 위에 적외선 감지소자를 형성하는 공정, 상기 적외선 감지소자 한쪽측면에 오버랩(overlap)되고 상기 노출된 제 1 절연박막의 다른 쪽면 위로 제 2 금속막을 형성하는 공정, 상기 제 2 금속막 전표면 위에 제 2 절연체를 형성하고 상기 제 2 절연체 위에 적외선 흡수체를 형성하는 공정, 상기 제 2 절연박막의 중앙부분을 제거하고 식각 용액을 이용하여 상기 제 1 절연박막이 노출되도록 상기 기판을 제거하는 공정, 상기 노출된 제 1 절연박막을 제거하는 공정을 포함하여 이루어지는데 있다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 볼로메터 센서의 적외선 감지소자와 주변 환경 변화를 보상하기 위한 보상소자를 멤브레인 상에 상하의 적층구조로 구성함으로써, 동일한 위치에서 동일한 적외선이 입사되기 때문에 센서의 온도 보상을 보다 정확히 할 수 있고, 또한 상기 두 소자가 동일 면적에 위치하게 되기 때문에 센서의 집적도를 높일 수 있고 그에 따라 제조단가를 낮출 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 적층형 볼로메터 센서 및 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 적층형으로 구성된 마이크로 볼로메터의 제조 공정도를 나타내었다.
먼저, 도 3a 와 같이 실리콘 기판(8)의 양면에 에치 스탑(etch stop)층(9)과 실리콘 에칭용 마스크(9')로 Si3N4, SiO2, SiOxNy, 또는 SiO2/Si3N4/SiO2로 이루어진 절연 박막을 형성한다.
그리고 상기 에치 스탑층(9) 위에 온도보상용 소자인 저항체(10)로 바나듐 산화물(vanadium oxide : VOx), Ti, Pt 또는 Ni을 스퍼터링과 같은 방법으로 증착한 후 패터닝하여 보상소자를 형성한다.
상기 바나듐 산화물로 보상소자를 형성할 경우에는 바나듐 금속 박막을 증착하고 패터닝한 후 350~450도의 온도에서 열처리를 하거나, 기판온도 300~450도에서 인시튜(in-situ)로 아르곤(Ar)과 산소 가스를 이용하여 반응성 스퍼터링 방법으로 바나듐 산화물을 직접 증착한 후 패터닝한다.
상기의 열처리온도 또는 기판온도 범위에서 바나듐 산화물의 x 값은 1.5 < x < 2.5의 범위로 열처리온도가 증가함에 따라 x의 값은 증가한다.
이때 형성되는 결정상은 VO2, V3O7, V2O5가 혼재된 결정구조로 이루어져 있으며, 비저항은 열처리온도 범위에서 -2.2 ~ -3.5%/K의 값을 갖는다.
이어 도 3b와 같이 상기 저항체(10)와 전기적으로 연결할 금속막을 증착하고 패터닝하여 상기 저항체(10)의 한쪽측면에 오버랩(overlap)되도록 보상소자의 전극패드(11)를 형성한다.
그리고 도 3c와 같이 멤브레인막(12)으로 사용할 폴리이미드막을 스핀 코팅(spin coating)과 같은 방법으로 보상소자인 저항체(10)와 전극패드(11) 전면에 도포하고 열처리하여 멤브레인막을 형성한다.
이어 O2플라즈마(plasma)를 이용한 건식 식각방법으로 전극패드(11)의 상부 폴리이미드를 선택적으로 제거하여 외부와 전기적으로 연결할 수 있도록 한다.
그리고 상기 폴리이미드막(12) 위에 외부로부터 입사되는 적외선을 반사하는 적외선 반사막(13)을 형성한다.
상기 반사막(13)으로는 적외선 반사율이 높은 Al 또는 Au 박막과 같은 적외선 반사체를 사용한다.
이어 상기 반사막(13) 전면 위에 Si3N4또는 폴리이미드와 같은 절연체를 이용하여 중간 절연막(14)을 형성한다.
이에 따라 상기 절연막(14)은 상기 반사막(13)과 그 상부에 적층될 적외선 흡수소자 사이를 전기적으로 절연시킨다.
그리고 도 3d와 같이 상기 중간 절연막(14) 위에 외부로부터 입사되는 적외선에 반응하는 적외선 감지소자(15)를 상기 보상소자(10)와 동일한 방법으로 형성한다.
이어 전면에 적외선 감지소자(15)와 전기적으로 연결할 금속막을 증착하고 패터닝하여 상기 감지소자(15)의 한쪽 측면에 오버랩 되도록 적외선 감지소자용 전극패드(16)를 형성한다.
그리고 상기 전극패드(16)에 오버랩되고 상기 감지소자 전면 위에 상부 절연막(17)을 상기 중간 절연막(14)과 같은 방법으로 형성한다.
이어 상기 상부 절연막(17) 위에 적외선 흡수율이 높은 NiCr, CrN, RuO2또는 Au-블랙(black)과 같은 적외선 흡수막(18)을 형성하여 웨이퍼(wafer)의 전면 공정을 마친다.
그리고 도 3e와 같이 상기 웨이퍼의 이면에 형성되어 있는 실리콘 에칭 마스크막(9')을 일정부분 제거하여 기판(8)이 노출되도록 식각창(etching window)을 형성한다.
이어 KOH와 같은 실리콘 식각 용액으로 상기 노출된 실리콘 기판(8)을 제거하여 상기 에치 스탑층(9)을 노출시킨다.
따라서 에치 스탑층(9)과 폴리이미드막(12)으로 이루어진 멤브레인이 형성되도록 한다.
끝으로 도 3f와 같이 건식식각 방법으로 상기 노출된 에치 스탑층(9)을 제거하여 폴리이미드막(12)으로 만 이루어진 멤브레인을 형성한다.
실 예로 SF6프라즈마를 이용한 건식 식각방법으로 Si 계로 이루어진 에치 스탑층(9)의 제거 시, 폴리이미드(12), 바나듐 산화물, Ti와 같은 저항체(10)와 금속패드(11)물질에 대해 에칭선택비(etching selectivity)가 높기 때문에 안정하게 에치 스탑층(9)을 제거할 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 패키지된 적층형 볼로메터 센서의 단면도이다.
도 4를 보면 적외선 필터(19)가 형성되어 있는 T0-5와 같은 금속 패키지(20)에 내장한 볼로메터형 적외선센서의 구조를 나타낸다.
도 5 는 보상소자가 내장된 볼로메터를 이용한 적외선 검출방법으로 그 구성은 볼로메터 소자에 인가되는 바이어스전원(21)과 적외선 감지소자와 보상소자가 내장된 볼로메터 센서(22)와 저항(23)(24) 2 개를 연결하여 휘트스톤 브릿지(wheatstone bridge)를 구성하고, 상기 휘트스톤 브릿지로부터 나온 2개의 출력전압 V1과 V2를 차등 증폭하는 차등증폭회로(25)로 간단히 구성된다.
따라서 상기 차등증폭회로(25)를 통해 나오는 출력전압 V3은 입사되는 적외선을 받지 않는 보상소자(10)에 의해 주위 환경변화에 의한 영향이 상쇄된 즉, 입사된 적외선만에 의한 출력을 얻게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 적층형 볼로메터 센서 및 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 적외선 감지소자와 보상소자를 동일면적 상에 형성하여 두 소자간에 열적 균형을 같게 함으로써 주위 환경변화에 대한 보상을 정확히 할 수 있다.
둘째, 적외선 감지소자와 보상소자가 상, 하로 적층된 구조로 되어 있어서 소자 제작의 집적도를 높여 제조 단가를 낮출 수 있다.
셋째, 열전도가 낮은 폴리이미드를 멤브레인으로 사용하여 센서의 감도를 높일 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (9)
- 중앙 부분이 식각되고 상/하부 면에 절연박막이 형성된 기판과,상기 기판 상부에 형성된 멤브레인막과,상기 멤브레인막 중앙 하부에 형성되어 온도변화를 감지하는 보상소자와,상기 멤브레인막 위로 상기 보상소자와 동일위치에 형성되어 적외선을 반사하는 반사막과,상기 반사막 위에 형성되어 감지된 적외선에 의해 온도의 변화를 갖는 감지소자와,상기 감지소자 위에 형성되어 적외선을 흡수하는 흡수막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인막 하부로 상기 보상소자 한쪽 측면에 오버랩되어 상기 노출된 기판상부 절연박막의 한쪽면 위로 형성된 제 1 전극패드와,상기 감지소자 한쪽 측면에 오버랩되어 상기 노출된 기판상부 절연박막의 다른 한쪽면 위로 형성된 제 2 전극패드를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사막 전표면 위에 형성된 제 1 절연막과,상기 감지소자 전표면 위에 형성된 제 2 절연막을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서.
- 기판의 양면에 제 1, 2 절연막을 형성하고 상기 제 1 절연막 위에 소정의 형태로 보상소자를 형성하는 공정,상기 보상소자 한 쪽측면에 오버랩(overlap)되도록 제 1 전극 패드를 형성하는 공정,상기 보상소자와 제 1 금속막 일부 영역상에 멤브레인막과 적외선 반사막을 순차적으로 형성하는 공정상기 반사막 위에 적외선 감지막을 형성하는 공정,상기 적외선 감지소자 한쪽측면에 오버랩(overlap)되고 상기 노출된 제 1 절연막 위로 제 2 전극 패드를 형성하는 공정,상기 제 2 전극 패드 일부 영역 및 전외선 감지막 표면에 적외선 흡수체를 형성하는 공정,상기 멤브레인막의 중앙 하부가 드러나도록 기판 일부를 식각하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 적외선 반사막과 감지막 사이와, 제 2 전극 패드와 적외선 흡수체 사이에 각각 절연막을 형성하는 공정이 더 포함하여 이루어지는 것을 특지으로 하는 적층형 볼로메터 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1, 2 절연박막은 Si3N4, SiO2, SiOxNy, 또는 SiO2/Si3N4/SiO2중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 보상 소자는 바나듐 산화물(vanadium oxide : VOx), Ti, Pt 또는 Ni 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 적외선 감지소자는 Al 또는 Au 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 적외선 흡수체는 NiCr, CrN, RuO2또는 Au-블랙(black) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층형 볼로메터 센서의 제조방법.
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