KR100339395B1 - pile bolometer sensor and fabrication methode of the same - 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.The present invention is to make the thermal equilibrium of the device equally and to increase the degree of integration of the device by forming the infrared sensing device and the compensation device in a stacked structure on the same area using silicon micromachining technology, the center portion is etched and A substrate having an insulating thin film formed on a surface thereof, a membrane film formed on both sides of the insulating thin film formed on the substrate, a compensation device formed under the center of the membrane film to sense a temperature change, and a compensation device above the membrane film. And a reflecting film formed at the same position as reflecting infrared rays, a sensing element having a change in temperature by the detected infrared rays formed on the reflecting film, and an absorbing film formed on the sensing element to absorb infrared rays.
Description
본 발명은 적외선 감지 센서에 관한 것으로, 특히 적층형 구조를 가지는 적층형 볼로메터 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an infrared sensor, and more particularly, to a stacked bolometer sensor having a stacked structure.
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.Until recently, a sensor for detecting infrared rays includes a thermopile sensor using a thermoelectric effect, a pyroelectric sensor using a pyroelectric effect, and a ferroelectric bolometer that senses a change in dielectric constant by biasing the sensor. ) And resistive bolometers that detect resistance changes with temperature changes.
이 중에서 상기 저항형 볼로메터(간단히 볼로메터)는 입사된 적외선을 흡수하여 변화된 감지소자의 온도 변화에 따른 저항 변화를 이용하여 적외선을 감지하는 방식이다.Among them, the resistive ballometer (simply bolometer) is a method of sensing infrared rays by using a resistance change according to a temperature change of a sensing element that is absorbed by incident infrared rays.
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.Such a resistive bolometer is simpler and cheaper to manufacture than other types of sensors, and is used as a temperature sensing sensor because it is easy to adjust sensitivity and noise according to a bias change, or an array It is made of and is applied where a high sensitivity is required.
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.Applications include temperature measurement, arrays, and infrared cameras, especially in microwave ovens and thermal appliances, used to determine the status of food, or in medical equipments. Applications are getting wider.
일반적으로 볼로메터는 얇은 박막 위에 온도의 변화를 감지하는 저항부를 형성하는 구조로 되어 있으며, 이러한 볼로메터는 일괄 제작을 목적으로 실리콘 기판을 이용하여 만들어지고 있다.In general, the bolometer has a structure that forms a resistance unit for detecting a change in temperature on a thin film, such a bolometer is made using a silicon substrate for the purpose of batch production.
상기 저항부로는 산화물인 바나듐(vanadium) 산화물, 티타늄(titanium) 산화물 등이 있으며, 금속으로 티타늄, 백금(platinum) 등과 같은 물질들이 있다.Examples of the resistance part include oxide vanadium oxide and titanium oxide, and metals include materials such as titanium and platinum.
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.Among these, vanadium oxides (V 2 O 3 , VO 2 , V 2 O 5 ) have a temperature coefficient of resistance (TCR) of -2 to -4% / K, compared to metal resistive parts such as Ti and Pt. The TCR is about 10 to 20 times higher, which is advantageous in sensitivity, but has a disadvantage in that noise is greater than that of a metal resistor.
또한 실리콘 기판은 열 전도성(thermal conductivity)이 높아서 저항부에서 전달되는 열이 기판으로 전달되어 볼로메터의 효율 및 감도를 떨어지게 하는 주요 원인으로 분석되어지고 있다.In addition, the silicon substrate has a high thermal conductivity, and thus heat is transferred from the resistance unit to the substrate, which is analyzed as a major cause of deterioration of the efficiency and sensitivity of the bolometer.
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.In order to improve this problem, by using a bulk micromachining techniques, a bolometer structure is formed on a membrane type insulating film, and then the etched silicon substrate is selectively etched and removed, thereby improving the efficiency and efficiency of the bolometer. Methods to increase the sensitivity have been studied.
일반적인 멤브레인 형태의 적외선센서 구조의 단면도를 도 1 에 나타내었고, 도 2 는 도 1의 평면도를 나타내었다.A cross-sectional view of a general membrane type infrared sensor structure is shown in FIG. 1, and FIG. 2 is a plan view of FIG. 1.
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.1 and 2, a low stress Si 3 N 4 thin film having a thickness of about 1 μm or a composite thin film such as SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 is formed on the surface of the silicon substrate 1 as the membrane film 2. The infrared sensing element 3 and the compensation element 3 'for compensating for changes in the surrounding environment are formed thereon.
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.At this time, in order to accurately compensate for changes in the surrounding environment of the sensor, the infrared sensing element 3 and the compensation element 3 'are structurally symmetrical and must be formed of the same material so that the thermal balance between the two elements is equal.
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.After forming the electrode pads 4 and 4 'of the infrared sensing element 3 and the compensating element 3', respectively, passivation of the element with an insulating film 5 thereon and on the insulating film 5 After forming the absorber 6 absorbing the infrared light on the infrared sensing film, and forming the reflective film 7 reflecting the infrared light on the compensation device 3 ', the effect of thermal isolation of the device is enhanced. In order to remove the lower silicon of the membrane 2 by etching with a silicon etching solution such as KOH.
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.Such a structure can be easily made by using Si batch processing, but the use of the membrane may be made by using a low stress Si 3 N 4 thin film or SiO 2 / because the membrane must be chemically durable in a strong alkali silicon etching solution such as K0H during silicon dry etching. There is a drawback to being limited to a composite thin film such as Si 3 N 4 / SiO 2 .
또한 센서의 감도를 높이기 위해서는 기판으로의 열전달이 작을수록 좋기 때문에 멤브레인막의 열전도도가 작을수록 센서의 감도 향상에 유리하다.Also, in order to increase the sensitivity of the sensor, the smaller the heat transfer to the substrate, the better. Therefore, the smaller the thermal conductivity of the membrane, the better the sensor's sensitivity.
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.Polyimide, one of the materials that can be used as the membrane material, has a thermal conductivity of 0.4 W / mK and Si 3 N 4 (16 to 30 W / mK) or SiO 2 (1.38 W / mK). It is much lower than the thermal conductivity of), which is advantageous for improving the sensitivity of the sensor.
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.In addition, in terms of mechanical stability, the Young's modulus, which represents mechanical strength, is several GPa, and the internal stress is mechanically stable due to the tensile stress of 100 to 200 MPa. It has the advantage of not being easily broken by impact.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 적층형 볼로메터 센서 및 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.However, the laminated ballot sensor and the manufacturing method according to the prior art described above has the following problems.
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.First, if a slight error occurs in the process of exposing and developing during pattern alignment in the manufacturing process, there is a problem in that it is difficult to accurately compensate because of poor symmetry between the two devices and a poor thermal balance, and poor reproducibility.
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.Second, since two devices are planarly formed on the same membrane, the area of the membrane may be large, resulting in structural and mechanical weakness, and the size of the sensor device may increase, thereby increasing manufacturing costs.
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.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, by using a structure in which the infrared sensing element and the compensation element are stacked on the same area up and down to improve the compensation and integration degree of the accurate environmental change of the sensor It is an object of the present invention to provide a stacked bolometer infrared sensor.
도 1 은 일반적인 멤브레인(membrane) 형태의 적외선센서 구조의 단면도1 is a cross-sectional view of an infrared sensor structure in the form of a conventional membrane;
도 2 는 일반적인 멤브레인 형태의 적외선센서 구조의 평면도2 is a plan view of an infrared sensor structure in the form of a general membrane;
도 3은 본 발명에 따른 적층형으로 구성된 마이크로 볼로메터의 제조 공정도3 is a manufacturing process diagram of a microbolometer composed of a laminated type according to the present invention
도 4 는 본 발명에 따른 패키지된 적층형 볼로메터 센서의 단면도4 is a cross-sectional view of a packaged stacked bolometer sensor in accordance with the present invention.
도 5 는 보상소자가 내장된 볼로메터를 이용한 적외선 검출을 위한 구성도5 is a configuration diagram for the infrared detection using the bolometer built-in compensation element
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
8 : 기판 9 : 에치 스탑층8 substrate 9 etch stop layer
9' : 에칭용 마스크 10 : 보상소자9 ': etching mask 10: compensation element
11, 16 : 전극패드 12 : 멤브레인막11, 16 electrode pad 12: membrane membrane
13 : 반사막 14, 17 : 절연막13 reflective film 14, 17 insulating film
15 : 감지소자 18 : 흡수막15 sensing element 18 absorbing film
19 : 적외선 필터 21 : 바이어스 전원19: infrared filter 21: bias power
22 : 볼로메터 센서 23, 24 : 저항22: bolometer sensor 23, 24: resistance
25 : 차등증폭 회로25: differential amplifier circuit
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.A characteristic of the laminated ballometer sensor according to the present invention for achieving the above object is a substrate formed by etching a central portion and an insulating thin film formed on the upper and lower surfaces thereof, and a membrane formed such that both sides are exposed on the insulating thin film formed on the substrate. A film, a compensation element formed below the center of the membrane to sense a change in temperature, a reflection film formed at the same position as the compensation element on the membrane to reflect infrared rays, and formed on the reflection film and detected by infrared rays And a sensing element having a change in temperature, and an absorbing film formed on the sensing element to absorb infrared rays.
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.A feature of the method for manufacturing a stacked bolometer sensor according to the present invention for achieving the above object is to form the first and second insulating thin films on both sides of the substrate and to deposit a temperature compensation material on the first insulating thin film and both sides Forming a compensation element by patterning it to be exposed, forming a first metal layer on one side of the first insulating thin film, which is overlapped on one side of the compensation element, and a first insulation on both sides of the polyimide layer Forming a thin film and a first metal film to expose the infrared reflector on the polyimide film, forming a first insulator on the entire surface of the infrared reflector, and forming an infrared sensing element on the first insulator, the infrared sensing Overlapping one side of the device and forming a second metal film on the other side of the exposed first insulating thin film Forming a second insulator on the entire surface of the second metal film and forming an infrared absorber on the second insulator, removing the central portion of the second insulating thin film, and using the etching solution. And removing the exposed first insulating thin film to expose the substrate.
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.According to an aspect of the present invention, the infrared sensing element of the bolometer sensor and the compensating element for compensating for the change of the surrounding environment are formed in a stacked structure on the membrane so that the same infrared ray is incident at the same position, thereby compensating the temperature compensation of the sensor. More precisely, since the two devices are located in the same area, the degree of integration of the sensor can be increased, and manufacturing cost can be lowered accordingly.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
본 발명에 따른 적층형 볼로메터 센서 및 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings with respect to the preferred embodiment of the laminated ballometer sensor and the manufacturing method according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 적층형으로 구성된 마이크로 볼로메터의 제조 공정도를 나타내었다.Figure 3 shows a manufacturing process diagram of the micro-bolometer consisting of a laminate according to the present invention.
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.First, as shown in FIG. 3A, an etch stop layer 9 and a silicon etching mask 9 ′ are formed on both surfaces of the silicon substrate 8, such as Si 3 N 4 , SiO 2 , SiO x N y , or SiO 2. An insulating thin film made of / Si 3 N 4 / SiO 2 is formed.
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.A vanadium oxide (VO x ), Ti, Pt, or Ni is deposited on the etch stop layer 9 using a resistor 10, which is a temperature compensating element, by a method such as sputtering, and then patterned to form a compensation device. .
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.When the compensation element is formed of vanadium oxide, a vanadium metal thin film is deposited and patterned, and then heat-treated at a temperature of 350 to 450 degrees or argon (Ar) and in-situ at a substrate temperature of 300 to 450 degrees. Oxygen gas is used to directly deposit and pattern vanadium oxide by a reactive sputtering method.
상기의 열처리온도 또는 기판온도 범위에서 바나듐 산화물의 x 값은 1.5 < x < 2.5의 범위로 열처리온도가 증가함에 따라 x의 값은 증가한다.In the above heat treatment temperature or substrate temperature range, the x value of the vanadium oxide increases as the heat treatment temperature increases in the range of 1.5 <x <2.5.
이때 형성되는 결정상은 VO2, V3O7, V2O5가 혼재된 결정구조로 이루어져 있으며, 비저항은 열처리온도 범위에서 -2.2 ~ -3.5%/K의 값을 갖는다.At this time, the crystal phase formed is composed of a VO 2 , V 3 O 7 , V 2 O 5 mixed crystal structure, the specific resistance has a value of -2.2 ~ -3.5% / K in the heat treatment temperature range.
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.Subsequently, as illustrated in FIG. 3B, a metal film electrically connected to the resistor 10 is deposited and patterned to form an electrode pad 11 of the compensation element so as to overlap one side of the resistor 10.
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.3C, a polyimide film to be used as the membrane film 12 is applied to the entire surface of the resistor 10 and the electrode pad 11, which are compensating elements, by a method such as spin coating, and heat treated to form a membrane film.
이어 O2플라즈마(plasma)를 이용한 건식 식각방법으로 전극패드(11)의 상부 폴리이미드를 선택적으로 제거하여 외부와 전기적으로 연결할 수 있도록 한다.Subsequently, the upper polyimide of the electrode pad 11 is selectively removed by a dry etching method using an O 2 plasma so as to be electrically connected to the outside.
그리고 상기 폴리이미드막(12) 위에 외부로부터 입사되는 적외선을 반사하는 적외선 반사막(13)을 형성한다.An infrared reflecting film 13 is formed on the polyimide film 12 to reflect infrared light incident from the outside.
상기 반사막(13)으로는 적외선 반사율이 높은 Al 또는 Au 박막과 같은 적외선 반사체를 사용한다.As the reflective film 13, an infrared reflector such as an Al or Au thin film having a high infrared reflectance is used.
이어 상기 반사막(13) 전면 위에 Si3N4또는 폴리이미드와 같은 절연체를 이용하여 중간 절연막(14)을 형성한다.Next, an intermediate insulating film 14 is formed on the entire surface of the reflective film 13 using an insulator such as Si 3 N 4 or polyimide.
이에 따라 상기 절연막(14)은 상기 반사막(13)과 그 상부에 적층될 적외선 흡수소자 사이를 전기적으로 절연시킨다.Accordingly, the insulating film 14 electrically insulates the reflective film 13 from the infrared absorbing element to be stacked thereon.
그리고 도 3d와 같이 상기 중간 절연막(14) 위에 외부로부터 입사되는 적외선에 반응하는 적외선 감지소자(15)를 상기 보상소자(10)와 동일한 방법으로 형성한다.In addition, as shown in FIG. 3D, an infrared sensing element 15 is formed on the intermediate insulating layer 14 in response to infrared rays incident from the outside in the same manner as the compensation element 10.
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.Subsequently, a metal film electrically connected to the infrared sensing element 15 is deposited on the front surface and patterned to form an electrode pad 16 for the infrared sensing element so as to overlap one side of the sensing element 15.
그리고 상기 전극패드(16)에 오버랩되고 상기 감지소자 전면 위에 상부 절연막(17)을 상기 중간 절연막(14)과 같은 방법으로 형성한다.An upper insulating layer 17 is formed on the entire surface of the sensing element and overlaps the electrode pad 16 in the same manner as the intermediate insulating layer 14.
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.Subsequently, an infrared absorption film 18 such as NiCr, CrN, RuO 2, or Au-black having a high infrared absorption is formed on the upper insulating layer 17, thereby completing a front surface of the wafer.
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.3E, a portion of the silicon etching mask layer 9 ′ formed on the rear surface of the wafer is removed to form an etching window to expose the substrate 8.
이어 KOH와 같은 실리콘 식각 용액으로 상기 노출된 실리콘 기판(8)을 제거하여 상기 에치 스탑층(9)을 노출시킨다.Subsequently, the exposed silicon substrate 8 is removed with a silicon etching solution such as KOH to expose the etch stop layer 9.
따라서 에치 스탑층(9)과 폴리이미드막(12)으로 이루어진 멤브레인이 형성되도록 한다.Therefore, a membrane composed of the etch stop layer 9 and the polyimide film 12 is formed.
끝으로 도 3f와 같이 건식식각 방법으로 상기 노출된 에치 스탑층(9)을 제거하여 폴리이미드막(12)으로 만 이루어진 멤브레인을 형성한다.Finally, as shown in FIG. 3F, the exposed etch stop layer 9 is removed by a dry etching method to form a membrane formed of the polyimide film 12.
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.For example, when removing the etch stop layer 9 made of Si based dry etching using SF 6 plasma, etching is performed on the material of the resistor 10 such as polyimide 12, vanadium oxide, Ti and the metal pad 11. Since the etching selectivity is high, the etch stop layer 9 can be removed stably.
도 4 는 본 발명에 따른 패키지된 적층형 볼로메터 센서의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a packaged stacked bolometer sensor in accordance with the present invention.
도 4를 보면 적외선 필터(19)가 형성되어 있는 T0-5와 같은 금속 패키지(20)에 내장한 볼로메터형 적외선센서의 구조를 나타낸다.4 shows the structure of a bolometer-type infrared sensor embedded in a metal package 20 such as T0-5 having an infrared filter 19 formed thereon.
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.FIG. 5 is an infrared detection method using a ballometer with a built-in compensating element, and its configuration includes a bias power source 21 applied to the ballometer element, a bolometer sensor 22 with an infrared sensing element and a compensating element, and a resistor 23. 24 is connected to form a Wheatstone bridge, and is simply composed of a differential amplifier circuit 25 for differentially amplifying the two output voltages V1 and V2 from the Wheatstone bridge.
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.Accordingly, the output voltage V3 output through the differential amplifier circuit 25 is offset by the change of the surrounding environment by the compensation element 10 that does not receive incident infrared rays, that is, the output is obtained only by the incident infrared rays.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 적층형 볼로메터 센서 및 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the laminated ballot sensor and the manufacturing method according to the present invention has the following effects.
첫째, 적외선 감지소자와 보상소자를 동일면적 상에 형성하여 두 소자간에 열적 균형을 같게 함으로써 주위 환경변화에 대한 보상을 정확히 할 수 있다.First, the infrared sensing element and the compensating element are formed on the same area so that the thermal balance between the two elements can be equalized to accurately compensate for the change in the surrounding environment.
둘째, 적외선 감지소자와 보상소자가 상, 하로 적층된 구조로 되어 있어서 소자 제작의 집적도를 높여 제조 단가를 낮출 수 있다.Second, since the infrared sensing device and the compensation device are stacked up and down, the manufacturing cost can be reduced by increasing the integration degree of device fabrication.
셋째, 열전도가 낮은 폴리이미드를 멤브레인으로 사용하여 센서의 감도를 높일 수 있다.Third, the sensitivity of the sensor can be increased by using a low thermal conductivity polyimide as a membrane.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
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