KR102164930B1 - 반사판 구조의 블라인드 셀, 이를 포함하는 마이크로 볼로미터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조방법은, 기판 상에 금속층 및 제1 반사층을 형성하는 단계, 금속층 및 제1 반사층이 형성된 기판에 희생층 및 제1 보호층을 순차적으로 형성하는 단계, 희생층 및 제1 보호층의 일부 영역을 제거한 뒤 앵커를 형성하는 단계, 앵커를 통하여 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 전극층을 형성하는 단계, 제1 보호층 상에 상기 전극층과 접촉하도록 센서층을 형성하는 단계, 센서층 상에 제2 보호층, 적외선 흡수층 및 제2 반사층을 순차적으로 형성하는 단계, 제2 반사층을 패터닝하여 일부 영역에만 상기 제2 반사층을 잔존시키는 단계 및 희생층을 제거하는 단계를 포함한다. 이에 의하여, 원하지 않는 신호가 블라인드 셀(기준 셀 및/또는 스키밍 셀)에 입사되어 기능 저하를 일으키지 않도록 기판과의 열적 고립을 높일 수 있게 된다.
Description
본 발명은 반사판 구조의 블라인드 셀, 이를 포함하는 마이크로 볼로미터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 흡수층 상에 반사층을 형성하여 블라인드 셀(기준 셀 및/또는 스키밍 셀)의 적외선 신호를 완전히 차폐시킬 수 있는 구조를 갖는 반사판 구조의 블라인드 셀, 상기 블라인드 셀을 포함하는 마이크로 볼로미터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
적외선 센서는 대상체로부터 방출되는 적외선을 감지하는 장치로, 이 중에서 특히 적외선 열영상 센서는 대상체로부터 방출되는 적외선을 감지한 후, 디스플레이 장치를 통해 인간의 눈이 인식할 수 있는 가시광 영역으로 영상화하는 장치이다.
적외선 센서는 일반적으로 원적외선 복사에 응답하는 광기반 센서와 열기반 센서로 나뉜다. 열기반 센서는 열감지 센서 어레이를 이용하여 대상 물체의 온도 이미지를 생성한다. 이와 같이 피사체에서 방출되는 흑체 복사 에너지를 모아 온도 이미지를 획득하는 장치를 원적외선 열영상 시스템(Far-Infrared Thermal Imaging System)이라 한다.
열기반 센서는 볼로미터(bolometer), 마이크로 볼로미터(microbolometer), 초전기 및 열전대열을 포함한다. 물체에서 흑체 복사하는 소정 대역의 원적외선이 렌즈에 의해 마이크로 볼로미터상에 집속되면, 마이크로 볼로미터의 온도가 상승하거나 하강하게 되어, 마이크로 볼로미터의 전기적 저항이 변화한다. 이를 이용해, 마이크로 볼로미터에 구비된 감지셀, 즉, 마이크로 볼로미터 어레이(microbolometer array)의 전기 저항값을 측정함으로써, 피사체의 온도 분포를 원격으로 이미징할 수 있게 된다.
마이크로 볼로미터 어레이를 이용한 열영상 센서는 수천 내지 수십만 개의 픽셀 배열을 마이크로 진공 패키징하여 제조되기 때문에 제조 수율이 매우 낮을 뿐만 아니라, 고정패턴 잡음(FPN, fixed pattern noise)도 매우 높다는 문제점이 있다.
마이크로 볼로미터 어레이의 최소 신호 레벨은 온도 분해능(NETD, Noise Equivalent Temperature Difference)으로 표시되는데, 이는 고정패턴 잡음보다 매우 작기 때문에(대략 1/10,000의 크기) 높은 반응도와 넓은 동적 범위를 동시에 만족시키기가 매우 어렵다. 이를 해소하기 위해서는, 매우 복잡한 시험과 보정과정이 필요하며, 하드웨어/소프트웨어적 요소, 열전 냉각기, 셔터 등의 추가 설비를 필요로 하기 때문에, 크기, 전력소모는 물론 비용적으로 큰 부담이 되므로, 구조를 간소화할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원하지 않는 신호가 블라인드 셀에 입사되어 기능 저하를 일으키지 않도록 기판과의 열적 고립을 높일 수 있는 반사판 구조의 블라인드 셀, 상기 블라인드 셀을 포함하는 마이크로 볼로미터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조방법은, 기판 상에 금속층 및 제1 반사층을 형성하는 단계; 상기 금속층 및 제1 반사층이 형성된 기판에 희생층 및 제1 보호층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 희생층 및 제1 보호층의 일부 영역을 제거한 뒤 앵커를 형성하는 단계; 상기 앵커를 통하여 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 전극층을 형성하는 단계; 상기 제1 보호층 상에 상기 전극층과 접촉하도록 센서층을 형성하는 단계; 상기 센서층 상에 제2 보호층, 적외선 흡수층 및 제2 반사층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제2 반사층을 패터닝하여 일부 영역에만 상기 제2 반사층을 잔존시키는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 희생층을 제거하는 단계 이전에, 상기 희생층 위에 형성된 복수의 층을 수직으로 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 캐비티가 형성된 윈도우 기판을 상기 기판에 대면시켜 정렬한 후 양 기판을 본딩하는 단계; 및 상기 양 기판이 결합된 상태에서 윈도우 기판 및 상기 기판을 순차적으로 다이싱하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2 반사층은 텅스텐(W) 또는 텅스텐실리사이드(WSix)로 이루어지고, 상기 제2 반사층의 패터닝은 SF6 가스, CF4 가스 또는 이들의 혼합 가스를 이용한 건식 식각에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNx), 알루미늄 산화물(AlOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 하프늄 산화물(HfOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 티타늄 산화물(TiOx) 또는 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어지고, 상기 적외선 흡수층은 산화티타늄(TiOx), 이규화몰리브데넘(MoSi2), 규화텅스텐(WSix), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNx) 및 질화티탄(TiN) 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법은, 기판 상에 금속층 및 제1 반사층을 형성하는 단계; 상기 금속층 및 제1 반사층이 형성된 기판에 제1 희생층을 형성하는 단계; 상기 제1 희생층의 일부 영역을 제거한 뒤 상기 금속층과 접촉하도록 앵커를 형성하는 단계; 상기 제1 희생층 상에 제1 흡수층을 적층하는 단계; 상기 제1 흡수층 상에 센서층을 형성하는 단계; 상기 제1 흡수층의 일부 영역을 제거한 뒤, 일단이 상기 앵커와 연결되고 타단이 상기 센서층과 연결되는 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층과 상기 센서층이 위치하는 평면 상에 제2 흡수층을 형성하는 단계; 상기 제1 흡수층과 상기 제2 흡수층을 식각하여 관통구를 형성한 뒤 제2 희생층을 증착하는 단계; 상기 기판 상에 적층된 각 층을 수직으로 관통하는 개구를 형성하고, 상기 개구에 삽입되는 동시에 복수의 센서층 중 일부 센서층만을 커버하는 제2 반사층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 희생층 및 제2 희생층을 제거하는 단계;를 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 블라인드 셀은 기판 상에 형성된 ROIC 전극과 전기적으로 연결된 금속층; 전극층 및 앵커를 통하여 상기 금속층과 연결된 센서층; 상기 센서층의 하면에 형성된 제1 보호층; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 제1 보호층의 수직 하부에 배치되는 제1 반사층; 상기 센서층의 상면에 형성된 제2 보호층; 상기 제2 보호층의 상면에 형성된 적외선 흡수층; 및 상기 흡수층의 상면에 형성된 제2 반사층;을 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터는, 원격 적외선 신호를 감지하는 마이크로 볼로미터로서, 적외선 신호를 흡수하여 감지 신호를 출력하는 복수의 액티브 셀; 상기 적외선 신호에 반응하지 않으며, 기준 신호를 출력하는 복수의 기준 셀; 및 상기 복수의 액티브 셀 및 상기 복수의 블라인드 셀과 공통적으로 연결되어, 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호의 DC 성분을 공통적으로 제거하는 스키밍 셀을 포함하고, 상기 기준 셀 또는 스키밍 셀은, 기판 상에 형성된 ROIC 전극과 전기적으로 연결된 금속층; 전극층 및 앵커를 통하여 상기 금속층과 연결된 센서층; 상기 센서층의 하면에 형성된 제1 보호층; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 제1 보호층의 수직 하부에 소정의 이격거리를 갖고 배치되는 제1 반사층; 상기 센서층의 상면에 형성된 제2 보호층; 상기 제2 보호층의 상면에 형성된 적외선 흡수층; 및 상기 흡수층의 상면에 형성된 제2 반사층;을 포함한다.
그리고, 상기 액티브 셀은, 기판 상에 형성된 ROIC 전극과 전기적으로 연결된 금속층; 상기 전극층과 연결된 센서층; 상기 센서층의 하면에 형성된 제1 보호층; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 제1 보호층의 수직 하부에 소정의 이격거리를 갖고 배치되는 제1 반사층; 상기 센서층의 상면에 형성된 제2 보호층; 및 상기 제2 보호층의 상면에 형성된 적외선 흡수층;을 포함한다.
또한, 상기 기준 셀의 면적은 상기 액티브 셀의 면적보다 작을 수 있다.
본 발명에 따른 반사판 구조의 블라인드 셀, 상기 블라인드 셀을 포함하는 마이크로 볼로미터 및 그 제조방법은 아래의 기술적 효과를 도모한다.
1. 원하지 않는 신호가 블라인드 셀에 입사되는 것을 방지한다.
2. 물리적인 셔터를 제거하는 것이 가능하다.
3. 전원잡음에 강인하며, 오프셋 및 이득 에러에 대한 디지털 보정이 매우 간단해진다.
4. 열간 감지 회로 부정합에 의한 고정 패턴 잡음을 감축시킬 수 있다.
5. 블라인드 셀을 다중(복수 개의 블라인드 셀) 평균 블라인드 기준셀로 적용함으로써 고정패턴 및 랜덤 잡음을 줄일 수 있다.
6. 칩 전체 평균 기준셀 값을 바이어스 신호 제어를 위한 기준 신호로 사용함으로써, 아날로그 보정 및 열전 냉각기 제거가 용이해진다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터의 기본 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터에 포함되는 각 셀의 배치 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터(Micro Bolometer Array) 기판을 도시한다.
도 4a 내지 4m은 도 3에 도시된 마이크로 볼로미터 기판을 제조하는 제조 공정을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터(Micro Bolometer Array) 기판을 도시한다.
도 6a 내지 6k는 도 5에 도시된 마이크로 볼로미터 기판을 제조하는 제조 공정을 도시한다.
도 7a는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 액티브 셀의 수직 구조를 도시한다.
도 7b는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 액티브 셀의 상면도이다.
도 8a는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 블라인드 셀의 수직 구조를 도시한다.
도 8b는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 블라인드 셀의 상면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터에 포함되는 각 셀의 배치 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터(Micro Bolometer Array) 기판을 도시한다.
도 4a 내지 4m은 도 3에 도시된 마이크로 볼로미터 기판을 제조하는 제조 공정을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터(Micro Bolometer Array) 기판을 도시한다.
도 6a 내지 6k는 도 5에 도시된 마이크로 볼로미터 기판을 제조하는 제조 공정을 도시한다.
도 7a는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 액티브 셀의 수직 구조를 도시한다.
도 7b는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 액티브 셀의 상면도이다.
도 8a는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 블라인드 셀의 수직 구조를 도시한다.
도 8b는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 블라인드 셀의 상면도이다.
본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하기에 충분하도록 상세히 설명된다. 특정 실시예 이외의 다른 실시예는 서로 상이하지만 상호배타적일 필요는 없다. 아울러, 후술의 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대한 상세한 설명은, 그에 수반하는 도면들과 연관하여 읽히게 되며, 도면은 전체 발명의 설명에 대한 일부로 간주된다. 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도를 갖지 않는다.
구체적으로, "아래, 위, 수평, 수직, 상측, 하측, 상향, 하향, 상부, 하부" 등의 위치를 나타내는 용어나, 이들의 파생어(예를 들어, "수평으로, 아래쪽으로, 위쪽으로" 등)는, 설명되고 있는 도면과 관련 설명을 모두 참조하여 이해되어야 한다. 특히, 이러한 상대어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 장치가 특정 방향으로 구성되거나 동작해야 함을 요구하지는 않는다.
또한, "장착된, 부착된, 연결된, 이어진, 상호 연결된" 등의 구성 간의 상호 결합 관계를 나타내는 용어는, 별도의 언급이 없는 한, 개별 구성들이 직접적 혹은 간접적으로 부착 혹은 연결되거나 고정된 상태를 의미할 수 있고, 이는 이동 가능하게 부착, 연결, 고정된 상태뿐만 아니라, 이동 불가능한 상태까지 아우르는 용어로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터의 회로도이고, 도 2는 이에 포함되는 액티브 셀(100), 기준 셀(200) 및 스키밍 셀(300)의 배치 구조를 나타내는 개략도이다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터는 복수의 액티브 셀(100-1,100-2,…,100-N), 복수의 기준 셀(200-1,200-2,…200-n) 및 스키밍 셀(300)을 포함한다. 이때, 상기 기준 셀(200) 및/또는 스키밍 셀(300)은 적외선 신호를 흡수하지 않는 블라인드 셀(blind cell)로 이루어질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터는 높은 민감도와 넓은 동적 범위를 만족시키기 위해서 불필요한 DC 신호를 제거하는 스키밍 회로를 이용한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스키밍 회로는 액티브 셀(active cell)(100-1,100-2,…,100-N), 복수의 기준 셀(200-1,200-2,…200-n)로 구성된 감지회로(Ca)와 스키밍 셀(skimming cell)(300)로 구성된 스키밍 회로(Cb)에 흐르는 전류의 차이를 CTIA(Charge Transfer Impedance Amplifier)(Cc)를 이용해서 적분한 뒤, 출력 전압 신호(Vout)를 획득한다.
원격 적외선 신호에 따라서 변화하는 감지회로(Ca)의 전류(Ia)와 스키밍 회로(Cb)에 흐르는 스키밍 전류(Ir)의 차이, Ir-Ia는 CTIA(Cc)로 전달된다. 이때, 스키밍 회로(Cb)에 흐르는 스키밍 전류(Ir)는 원격 적외선 신호와는 무관한 값이다.
CTIA(Cc)에서 출력되는 출력 전압 신호(Vout)는 적외선 검출이 이루어지는 감지 시간(Tsense)동안 초기 전압으로부터 점진적으로 상승하다가 적분이 끝나는 시간에서 최대 전압 신호(Vout)를 출력하고, 다시 초기 전압으로 방전한다. 여기서, 출력 전압 신호(Vout)는 아래의 수학식(1)에 의해 산출될 수 있다.
여기서, VBUS는 CTIA(Cc)에 구비된 오피앰프(OP AMP)의 양단자에 입력되는 전압값, CINT는 CTIA에 구비된 커패시터의 커패시턴스, tsense는 감지시간이며, Ia는 적외선 신호에 반응하는 감지회로에 흐르는 전류이고, Ir은 스키밍 회로(Cb)에 흐르는 전류로서 적외선 신호에는 전혀 반응하지 않고, 단지 Vout의 DC 성분, 즉 오프셋을 조절하는 기능을 갖는다.
결과적으로 감지회로(Ca)의 이득은 VFID로, Vout의 DC 성분, 즉 오프셋은 GSK-VSKIM으로 각각 조절한다. 스키밍 셀(300)로서는 통상 자기 가열 효과가 없는 콜드셀을 사용할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
회로의 동작과 관련하여 더욱 상세하게 설명하면, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터의 감지회로(Ca)에는 각 열(column)마다 복수의 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n)이 구비된다. 복수의 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n)은 위에서 설명한 대로 블라인드 셀로 구성되어 적외선 입사가 차단된다.
여기서, 스키밍 셀(300)은 액티브 셀(100)이나 기준 셀(200)에 공통적으로 연결되어 출력 DC 레벨을 조절하기 위한 셀로서, 동일한 열에 연결된 모든 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n) 및 액티브 셀(100-1,100-2,…,100-N)이 공유한다. 복수의 스키밍 셀(300)도 위에서 설명한 대로 블라인드 셀로 구성되어 적외선 입사가 차단된다.
먼저, 제1열에 구비된 액티브 셀(100-1,100-2,…,100-N)과 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n)의 출력 신호를 읽는 순서는 다음과 같다.
우선 제1행에 존재하는 단위 기준 셀(200-1)의 출력 신호를 읽고, 그 다음 제2 행에 존재하는 단위 기준 셀(200-2)의 출력 신호를 읽는 방법으로, n행에 존재하는 단위 기준 셀(200-n)까지 출력 신호를 순차적으로 읽는다.
다음으로, 제1행에 있는 액티브 셀(100-1)의 감지 전류 신호를 읽고, 제2행에 있는 액티브 셀(100-2)의 감지 전류 신호를 읽는 방법으로, N행에 존재하는 액티브 셀(100-N)까지 순차적으로 감지 전류 신호를 읽는다.
이때, n개의 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n)에서 읽어들인 출력 신호의 평균값을 산출하여 이를 기준셀값으로 삼고, N개의 각 액티브 셀(100-1,100-2,…,100-N)에서 읽어낸 신호에서 위 기준셀값을 뺀 후, 이 값을 원격 적외선 검출을 위한 각 액티브 셀값으로 사용한다. 여기서, n 및 N은 1이상의 자연수이다.
상술한 액티브 셀(100-1,100-2,…,100-N)의 출력값 결정 과정이, 제2열 내지 제M열(M은 1이상의 자연수)에 대해서도 동일하게 이루어진다.
이렇게 액티브 셀과 기준 셀에 대한 평균 검출값의 차이로 적외선 신호를 검출하는 것을 이중 표본화 기법이라고 부르며, 이는 다음과 같은 여러 장점을 제공한다.
우선 여러 가지 고정패턴잡음을 제거할 수 있다. 즉, 각 열에서 사용하는 스키밍셀 간에 생기는 부정합이나, CTIA 등 검출 회로 간의 부정합도 제거할 수 있다는 효과를 갖는다. 아울러 기준셀 검출시와 감지셀 검출시 사이에 큰 변화가 없는 아주 느리게 변화하는 전원 잡음도 능히 제거가 가능하며, 특히, 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n)과 액티브 셀(100-1,100-2,…,100-N)이 동일한 가열과 냉각 과정을 거치므로, 자기 가열 효과를 상쇄시킬 수 있는 장점을 갖는다.
그 다음으로 셔터를 제거할 수 있다. 종래의 셔터리스 방법은 보정파라미터 추출 시 오프셋 전압 값을 매우 정교한 기판 온도의 함수로 측정해야 하며, 보정을 위해서는 기판 온도도 매우 정확하게 측정되어야 한다. 그러나 실제 사용시에는 기판 온도의 정확한 측정이 어려울 뿐만 아니라, 동적 범위를 조절하기 위해 어느 특정 온도에서 VSK 값을 바꿔줄 경우 오프셋 값의 불연속으로 인해 정교한 보정을 어렵게 만든다.
이에 비해 본 발명의 경우 적외선 신호가 있는 액티브 셀의 출력값과 적외선 신호가 없는 기준 셀(블라인드 셀)의 출력 값의 차이를 검출 값으로 사용하기 때문에, 보정 파라미터 추출시 얻어진 오프셋 커브를 굳이 측정, 저장 및 보간하여 사용할 필요가 없다. 이런 면에서 본 발명은 물리적인 셔터를 사용하는 것과 동일한 효과를 가져다 준다.
여기에, 하나의 기준셀 값을 이용하는 것이 아니고, 다수의 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n)의 측정값을 평균하여 하나의 기준셀 값으로 사용하는 다중 상관 이중 표본화 기술은 고정패턴잡음은 물론, 열 및 1/f와 같은 랜덤 잡음의 크기 또한 1/sqrt(n)으로 줄일 수 있다.
예를 들어, 16개의 기준셀을 사용한 경우, 고정패턴 및 랜덤 잡음이 각각 1/4로 줄어들게 되므로 그 만큼의 NETD가 개선된다.
기존의 셔터를 이용한 적외선 검출시에는 열잡음과 같은 랜덤잡음을 제거할 방안이 없었다. 반면, 본 발명을 이용하는 경우 최대 sqrt(2)=1.4 배의 온도분해능(NETD) 개선 효과를 얻을 수 있다.
한편, 각 칩에 존재하는 m×n 개의 블라인드 셀이 출력한 기준 신호의 칩 전체 평균값을, 열전 냉각 제거용 액티브 셀과 스키밍 셀의 바이어스 제어 신호를 생성하기 위한 기준 신호로 이용할 수 있다.
기존에는 출력 신호의 평균을 구해서 그 값을 GSK를 조절하기 위한 제어 신호로 사용하였다. 그러나 출력 적외선 열영상 신호는 시간에 따라 매우 다이나믹하게 변화므로 최적 GSK 제어신호를 생성하기 위한 기준 신호로 사용하기에 적합하지 않다. 그러나 본 발명에서 얻어진 칩 전체에 대한 평균 블라인드 셀 검출값은 오로지 기판 온도에만 의존하고 적외선 영상 신호와는 무관하기 때문에 GSK 제어를 위한 안정된 기준 신호로 사용하기에 아주 적합하다.
또, m×n개의 기준 셀(200-1,200-2,…,200-n)이 출력한 기준 신호의 칩 전체 평균값이 전원 전압의 중간값을 갖도록, 스키밍 셀(300)의 바이어스 제어 신호를 조절하는 과정이 더 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터(Micro Bolometer Array) 기판을 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 기판은 ROIC(Read Out Integrated Circuits)가 형성된 기판(1) 상에 반도체 제조 공법을 이용하여, 대상체의 IR(Infrared)에 응답하는 액티브 셀(active cell)(100)과 IR에 응답하지 않는 기준 셀(200)을 형성한다. 그 외에 와이어 본딩과 소자측정을 위한 패드(P) 등이 형성될 수 있다. 기준 셀(200)은 블라인드 셀로 형성된다. 블라인드 셀은 보호층(protection layer) 코팅, 금속 증착 및 패터닝 기술을 활용하여 IR 입사를 차단시키는데, 구체적인 제조 공정은 도 4a 내지 4m을 참조하면서 설명하기로 한다.
먼저, ROIC 회로가 형성된 기판(1) 상에 금속층(3) 및 제1 반사층(4)을 적층한다. 기판(1)은 판독회로를 포함하는 ROIC(Read Out Integrated Circuit)일 수 있으며, 전자소자로 구성된다. 이는 위에서 설명한 스키밍 회로의 일부분에 속할 수 있다. 이후, 기판(1)에 형성된 ROIC 전극에 접촉하도록 금속층(3)이 형성되고, 금속층(3) 사이에 제1 반사층(4)을 형성한다. 금속층(3)은 앵커(금속)의 하부에 위치할 수 있도록 기판(1) 상의 필요한 영역에 패터닝되어 형성될 수 있다. 금속층(3)은 실질적으로 전류가 흐를 수 있는 도전성 물질로 이루어진다.
제1 반사층(4)은 스퍼터링 공정, 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층 공정, 진공 증착 공정, 프린팅(printing) 공정 중 어느 하나의 공정에 의하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에서는 블라인드 셀과 비-블라인드 셀을 동시에 제조하므로, 2개의 제1 반사층(4)이 소정의 이격 거리를 갖고 배치되고, 각 반사층(4)마다 소정 거리 이격된 2개의 금속층(3)이 배치된다. 제1 반사층(4)이 사각 형상을 갖는 경우, 각 금속층(3)은 사각 형상의 제1 반사층(4)의 대각선 모서리에 인접하도록 배치될 수 있다.
금속층(3) 및 제1 반사층(4)이 형성된 뒤, 그 위에 제1 희생층(sacrificial layer)(5)을 형성(적층)한다(도 4a). 제1 희생층(5)은 화학 기상 증착 공정, 열산화 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 제1 희생층(5)은 추후에 제거되는 물질이기 때문에 제거가 용이한 유기물로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 희생층(5)은 스핀 온 카본(Spin On Carbon; SOC), 스핀 온 글라스(Spin On Glass; SOG), 폴리이미드(polyimide) 등의 물질 또는 이들의 혼합 물질로 이루어질 수 있다.
다음, 제1 희생층(5)의 일부 영역을 제거한 뒤 금속층(3)과 접촉하도록 앵커를 형성한다. 즉, 금속층(3)이 위치하는 영역에 앵커(6)가 수직으로 형성된다(도 4b). 앵커(6)의 형성 후 제1 희생층(5) 상에 제1 흡수층(7)이 적층된다(도 4c).
제1 흡수층(7)은 다양한 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 적외선을 흡수하는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 흡수층(7)은 산화티타늄(TiOx), 이규화몰리브데넘(MoSi2), 규화텅스텐(WSix) 또는 질화티탄(TiN) 중 어느 하나, 혹은 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
제1 흡수층(7)이 형성되면 일정 크기의 센서층(8)을 형성시킨다(도 4d). 센서층(8)은 제1 반사층(4)의 수직 상부 영역에 상기 제1 반사층(4)와 소정 거리 이격되어 형성된다.
센서층(8)은 화학 기상 증착 공정, 열산화 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 온도에 따라 저항이 변화되는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 센서층(8)은 오산화바나듐(V2O5), 비결정질 규소(a-Si), 산화티타늄(TiOx), VWOx 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이후, 제1 흡수층(7)의 일부 영역을 제거(식각)한 뒤, 일단이 앵커(6)와 연결되고, 타단이 센서층(8)과 연결되는 전극층(10)을 형성한다. 전극층(10)은 금속층(3)과 센서층(8) 사이를 전기적으로 연결시킨다. 전극층(10)이 형성되면, 전극층(10)과 센서층(8)이 위치하는 평면 상에 제2 흡수층(11)을 형성한다(도 4g).
제2 흡수층(11)은 다양한 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 적외선을 흡수하는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 흡수층(11)은 산화티타늄(TiOx), 이규화몰리브데넘(MoSi2), 규화텅스텐(WSix) 또는 질화티탄(TiN) 중 어느 하나, 혹은 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이후, 제1 흡수층(7)과 제2 흡수층(11)을 식각하여 관통구(12)를 형성한다(도 4h). 그 다음, 제2 희생층(13)을 제2 흡수층(11) 상에 증착시킨다(도 4i). 제2 희생층(13)은 화학 기상 증착 공정, 열산화 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 제1 희생층(5)은 추후에 제거되는 물질이기 때문에 제거가 용이한 유기물로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 희생층(5)은 스핀 온 카본(Spin On Carbon; SOC), 스핀 온 글라스(Spin On Glass; SOG), 폴리이미드(polyimide) 등의 물질 또는 이들의 혼합 물질로 이루어질 수 있다.
제2 희생층(13)이 형성되면, 제2 반사층(IR블록층(IR block layer))이 위치하게 될 개구(14)를 형성한다. 기판 상에 적층된 모든(혹은 일부의) 층을 수직으로 관통하는 개구(14)의 형성은 패터닝 공정을 통하여 이루어질 수 있다(도 4j). 개구(14)는 위에서 설명한 각 층을 수직으로 관통하는 방향으로 형성되며, 개구(14)가 형성되면 제2 반사층(15)이 해당 개구(14) 내에 형성(삽입)된다.
도 4k에 도시된 바와 같이, 제2 반사층(15)의 일단은 개구(14)에 삽입되고, 타단은 일부 영역만을 커버하도록, 다시 말해, 하나의 센서층(8)을 커버하도록 형성된다. 도 4k에서는 명확하게 도시되지 않았으나, 제2 반사층(15)의 타단도 절곡되어 'ㄷ'자 형상을 이룰 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 센서층(8)의 상면 및 측면을 전체적으로 커버하도록 형성될 수 있다.
이때, 제2 반사층(15)은 복수의 센서층 중 일부 센서층만을 커버한다. 도면에서는 2개의 센서층(8) 중 하나의 센서층만을 커버한다. 즉, 기판 상에는 서로 이격된 2개의 센서층(8)이 존재하고, 각 센서층(8) 사이에 개구(14)가 형성되며, 상기 개구에 제2 반사층(15)의 일단이 수직으로 형성(삽입)된 뒤 절곡되어 2개의 센서층(8) 중 어느 하나를 커버하도록 형성된다.
제2 반사층(15)에 의하여 커버되는 센서층은 기준 셀(200) 혹은 스키밍 셀(300)이 되는 블라인드 셀로 정의되고, 제2 반사층(15)에 의하여 커버되지 않은 센서층은 액티브 셀(100)로 정의된다.
이후, 제2 반사층(15)의 일부 영역을 패터닝하여 릴리즈 홀(release hole)을 형성하고(도 4l), 마지막으로 제1 및 제2 희생층(5,13)을 제거한다(도 4m).
이때, 기판 상에 적층된 복수의 층을 수직으로 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에 의하여 기준 셀을 형성하는 경우, 기준 셀과 액티브 셀은 전기적인 특성과 열적인 특성이 동일하거나, 최대한 비슷한 성질을 갖도록 하는 것이 바람직하므로, 기준 셀과 액티브 셀은 크기와 형상을 같게 형성하여 열적인 특성을 동일하게 또는 최대한 비슷하게 형성하는 것이 바람직하다. 위에서 열적인 특성은 열용량을 의미한다.
상술한 공정을 거쳐서 제조된 마이크로 볼로미터는 반사판(Reflector metal)을 구성하는 일반적인 금속과의 전기적인 접촉 또는 기계적인 접착이 매우 우수하다는 장점이 있으며, 볼로미터층의 전기적인 연결 통로의 역할과 IR 흡수층과의 전기적인 접촉 또는 기계적인 접착 또한 매우 우수한 특성을 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터(Micro Bolometer Array) 기판을 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 기판은 ROIC(Read Out Integrated Circuits)가 형성된 기판(1) 상에 반도체 제조 공법을 이용하여, 대상체의 IR(Infrared)에 응답하는 액티브 셀(active cell)(100)과 IR에 응답하지 않는 블라인드 셀(blind cell)을 형성한다. 기준 셀(200)과 스키밍 셀(300)은 블라인드 셀로 이루어진다. 그 외에 와이어 본딩과 소자측정을 위한 패드(P) 등이 형성될 수 있다. 구체적인 제조 공정은 도 6a 내지 6m을 참조하면서 설명하기로 한다.
먼저, 기판(101)을 제공한다(도 6a). 기판(101)은 판독회로를 포함하는 ROIC(Read Out Integrated Circuit)일 수 있으며, 전자소자로 구성된다. 이는 위에서 설명한 스키밍 회로의 일부분에 속할 수 있다. 이후, ROIC 전극(102)에 접촉하도록 금속층(103)을 형성하고, 금속층(103) 사이에 제1 반사층(104)을 형성한다(도 6b). 금속층(103)은 앵커(금속)의 하부에 위치할 수 있도록 기판(101) 상의 필요한 영역에 패터닝되어 형성될 수 있다. 금속층(403)은 실질적으로 전류가 흐를 수 있는 도전성 물질로 이루어진다.
제1 반사층(104)은 스퍼터링 공정, 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층 공정, 진공 증착 공정, 프린팅(printing) 공정 중 어느 하나의 공정에 의하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 2개의 제1 반사층(104)이 소정의 이격 거리를 갖고 배치되고, 각 제1 반사층(104)마다 소정 거리 이격된 위치에 2개의 금속층(103)이 배치된다. 일례로, 제1 반사층(104)이 사각 형상을 갖는 경우, 각 금속층(103)은 사각 형상의 제1 반사층(104)의 대각선 모서리에 인접하도록 배치될 수 있다.
금속층(103) 및 제1 반사층(104)이 형성된 후, 희생층(105) 및 제1 보호층(106)이 순차적으로 형성된다(도 6c). 희생층(105)은 화학 기상 증착 공정, 열산화 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정 중 어느 하나에 의하여 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 희생층(105)은 추후에 제거되는 물질이기 때문에 제거가 용이한 유기물로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 희생층(105)은 스핀 온 카본(Spin On Carbon; SOC), 스핀 온 글라스(Spin On Glass; SOG), 폴리이미드(polyimide) 등의 물질 또는 이들의 혼합 물질로 이루어질 수 있다. 제1 보호층(106)은 전류를 실질적으로 차단하는 절연성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 보호층(106)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNx), 알루미늄 산화물(AlOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 하프늄 산화물(HfOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 티타늄 산화물(TiOx) 또는 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.
이후, 희생층(105)과 제1 보호층(106)을 수직으로 관통하는 개구(컨택홀 또는 비아)가 패터닝되고, 해당 개구에 앵커(107)가 형성(삽입)된다(도 6d). 앵커(107)는 전기적 도통이 가능한 물질(금속 등)로 이루어진다. 상기 개구는 금속층(103)이 위치하는 영역에 형성되며, 개구에 형성되는 앵커(107)의 일단은 금속층(103)과 접촉한다.
이후, 앵커(107)이 타단에 접촉하도록 전극층(108)이 형성된다(도 6e). 전극층(108)은 앵커(107)를 통하여 금속층(103)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이후, 제1 보호층(106) 상에 센서층(109)을 형성하되, 센서층(109)은 상기 전극층(108)과 물리적으로 접촉하도록 배치된다. 이에 따라, 기판(101) 상에 위치하는 금속층(103), 앵커(107), 전극층(108) 및 센서층(109)의 전기적 연결이 이루어진다.
센서층(109)은 화학 기상 증착 공정, 열산화 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 온도에 따라 저항이 변화되는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 센서층(109)은 오산화바나듐(V2O5), 비결정질 규소(a-Si), 산화티타늄(TiOx), VWOx 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
다음, 상기 센서층(109) 및 전극층(108)을 전체적으로 커버하도록 제2 보호층(110)을 형성한다(도 6g). 제2 보호층(110)은 다양한 증착 방식에 의하여 이루어질 수 있고, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNx), 알루미늄 산화물(AlOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 하프늄 산화물(HfOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 티타늄 산화물(TiOx) 또는 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.
제2 보호층(110)의 증착이 완료되면, 그 위에 적외선 흡수층(111) 및 제2 반사층(112)을 순차적으로 형성한다(도 6h).
적외선 흡수층(111)은 다양한 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 적외선을 흡수하는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 적외선 흡수층(111)은 산화티타늄(TiOx), 이규화몰리브데넘(MoSi2), 규화텅스텐(WSix), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNx) 및 질화티탄(TiN) 중 어느 하나, 혹은 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이후, 제2 반사층(112)을 패터닝하되, 일부 영역에만 제2 반사층(112)을 잔존시킨다(도 6i). 제2 반사층(112)은 SF6 가스나 CF4 가스 기반의 건식식각을 통하여 패터닝 될 수 있도록, 텅스텐(W) 및 텅스텐실리사이드(WSix) 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로, 기판 상에 존재하는 2개의 센서층(109) 중 어느 하나만을 커버하도록 제2 반사층(112)을 제거한다. 도 6i에 도시된 바와 같이, 제2 반사층(112)이 잔존하는 영역은 블라인드 셀인 기준 셀(200) 또는 스키밍 셀(300)이 되고, 제2 반사층(112)이 제거된 영역은 액티브 셀(100)이 된다. 블라인드 셀의 영역에는 제2 반사층(112)이 잔존하므로, 제2 반사층(112) 아래에 위치하는 센서층에 입사되는 적외선에 반응하지 않는다.
제2 반사층(112)의 제거는, 위에서 설명한 바와 같이, SF6나 CF4 가스를 사용하여 수행될 수 있으며, 앵커(107)의 적외선 흡수층(111)에 대한 선택식각비가 높기 때문에 적외선 흡수층(111)의 식각이 최소화될 수 있다.
이후, 상기 블라인드 셀의 영역과 비-블라인드 셀의 영역을 구분하기 위하여, 다시 말해, 블라인드 셀(기준셀(200)/스키밍 셀(300))과 액티브 셀(100)의 영역을 구분하기 위하여 식각 공정을 진행하여 개구(113)를 형성하고, 희생층(105) 위에 형성된 다수의 층을 식각하여 캔틸레버 구조를 형성한다(도 6j).
도 6a 내지 도 6j의 공정이 완료되면, 블라인드 셀(기준셀(200)/스키밍 셀(300))의 면적은 액티브 셀(100)의 면적보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
블라인드 셀(기준셀(200)/스키밍 셀(300))과 액티브 셀(100)은 전기적인 특성과 열적인 특성이 동일하거나 최대한 비슷한 성질을 갖도록 하는 것이 중요하다. 다만, 본 실시예에서 블라인드 셀(기준셀(200)/스키밍 셀(300))은 전기적인 특성에서 차이가 없으나, 센서층(109)과 물리적으로 접촉된 제2반사층(112)을 부가적으로 구비하고 있기 때문에 열적인 특성(예를 들어, 열용량)에서 액티브 셀(100)과 차이가 생긴다. 이러한 열적인 특성 차이를 보상하기 위하여, 블라인드 셀(기준셀(200)/스키밍 셀(300))의 면적을 액티브 셀(100)의 면적보다 작게 형성함으로써 열적인 특성을 동일 또는 유사하게 만들 수 있다. 즉, 도 7b에 도시된 액티브 셀(100)의 면적보다 도 8b에 도시된 기준 셀(블라인드 셀)(100)의 면적이 작은 것이 바람직하다.
블라인드 셀(기준셀(200)/스키밍 셀(300))과 액티브 셀(100)의 면적은 증착 단계나 식각 단계에서 대상 영역을 선택적으로 조절함으로써 이룰 수 있을 것이다.
캔틸레버 구조는 마이크로 볼로미터의 열적 고립을 이룬다. 캔틸레버 식각 공정은 희생층(105) 위에 형성된 복수의 막들을 식각함으로써 형성될 수 있다. 이때, 습식 식각 또는 건식 식각을 이용할 수 있다.
캔틸레버 형성을 위하여 식각되는 구성은 블라인드 셀(기준 셀(200)/스키밍 셀(300))과 액티브 셀(100)에서 차이가 있다. 즉, 블라인드 셀(기준 셀(200)/스키밍 셀(300))에 대해서는 제1 보호층(106), 제2 보호층(110), 적외선 흡수층(111) 및 제2 반사층(112)을 수직으로 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하는 반면, 액티브 셀(100)에는 제2 반사층(112)이 존재하지 않기 때문에, 제1 보호층(106), 제2 보호층(110) 및 적외선 흡수층(111)을 수직으로 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하게 된다.
마지막으로, 희생층(105)을 제거하여(도 6k), 제1 반사층(104)과 센서층(109) 사이에 공동(cavity)을 형성한다. 이때, 희생층(105)은 제1 보호층(105), 제2 보호층(110) 및 적외선 흡수층(111)의 일부가 제거된 개구(도 6j의 113)를 통하여 제거될 수 있다. 앵커(107)의 캔틸레버 구조가 완성된 상태의 상면도는 도 7b 및 8b에 도시되어 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 공정이 모두 이루어진 후 캐비티가 형성된 윈도우 기판을 상기 기판에 대면시켜 정렬한 후 양 기판을 본딩하는 단계 및 상기 양 기판이 결합된 상태에서 윈도우 기판 및 상기 기판을 순차적으로 다이싱하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 의하여, 단위 마이크로 볼로미터가 제조될 수 있다.
도 7a는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 액티브 셀(100)의 수직 구조를 도시하고, 도 7b는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 액티브 셀(100)의 상면도이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 액티브 셀(100)은 기판(101) 상에 형성된 금속층(103) 및 제1 반사층(104)을 포함한다. 금속층(103) 위에는 앵커(107)가 수직으로 형성된다. 센서층(109)과 접촉하는 전극층(108)은 동일 평면상에 위치하며, 전극층(108)은 앵커(107)와 접촉한다.
센서층(109)의 하면에는 제1 보호층(106)이 접촉하고 있고, 제1 보호층(106))과 수직 하부에 제1 반사층(104)이 위치한다. 제1 반사층(104)은 기판(101) 상에 형성되어 있되, 제1 보호층(106)과 소정 거리 이격된다.
센서층(109)의 상면에는 제2 보호층(110)이 형성되고, 제2 보호층(110)의 상면에는 적외선 흡수층(111)이 형성된다.
도 7b에 도시된 상면도를 보면, 도 6j 단계에서 패터닝된 캔틸레버 구조를 확인할 수 있다. 각 캔틸레버의 말단에는 앵커(107)가 위치하게 된다.
도 8a는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 블라인드 셀(기준 셀(200)/스키밍 셀(300))의 수직 구조를 도시하고, 도 8b는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 블라인드 셀(기준 셀(200)/스키밍 셀(300))의 상면도이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터 제조 방법에 의하여 제조된 블라인드 셀(기준 셀(200)/스키밍 셀(300))은 기판(101) 상에 형성된 금속층(103) 및 제1 반사층(104)을 포함하고, 금속층(103) 위에 앵커(107)가 수직으로 적층된다. 센서층(109)과 접촉하는 전극층(108)은 동일 평면상에 위치하는 것이 바람직하며, 전극층(108)은 앵커(107)와 접촉한다. 앵커(107)의 연장 방향과 금속층(103)의 연장 방향은 수직을 이룰 수 있다.
센서층(109)의 하면에는 제1 보호층(106)이 접촉하고 있고, 제1 보호층(106))과 수직 하부에 제1 반사층(104)이 위치한다. 제1 반사층(104)은 기판(101) 상에 형성되어 있되, 제1 보호층(106)과 소정 거리 이격된다.
센서층(109)의 상면에는 제2 보호층(110)이 형성되고, 제2 보호층(110)의 상면에는 적외선 흡수층(111)이 형성된다. 액티브 셀(100)과 다른 점은, 적외선 흡수층(111) 상에 제2 반사층(112)이 형성된다는 점이다. 이는, 도 6i에서 이루어진 제2 반사층(112)의 패터닝 결과로, 제2 반사층(112)에 의하여 IR을 반사시킴으로써 블라인드 셀(기준 셀(200)/스키밍 셀(300))로 동작하게 된다. 도 8b에 도시된 상면도를 보면, 도 6j 단계에서 패터닝된 캔틸레버 구조를 확인할 수 있다. 각 캔틸레버의 말단에는 앵커(107)가 위치하게 된다
본 발명에 따른 반사판 구조의 블라인드 셀, 상기 블라인드 셀을 포함하는 마이크로 볼로미터는 기판과의 열적 고립을 높여 원하지 않는 신호가 블라인드 셀에 입사되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 액티브 셀
200: 기준 셀
300: 스키밍 셀
200: 기준 셀
300: 스키밍 셀
Claims (10)
- 기판 상에 금속층 및 제1 반사층을 형성하는 단계;
상기 금속층 및 제1 반사층이 형성된 기판에 희생층 및 제1 보호층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 희생층 및 제1 보호층의 일부 영역을 제거한 뒤 앵커를 형성하는 단계;
상기 앵커를 통하여 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 전극층을 형성하는 단계;
상기 제1 보호층 상에 상기 전극층과 접촉하도록 센서층을 형성하는 단계;
상기 센서층 상에 제2 보호층, 적외선 흡수층 및 제2 반사층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 제2 반사층을 패터닝하여 일부 영역에만 상기 제2 반사층을 잔존시키는 단계; 및
상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함하고,
순차적으로 적층된 상기 센서층, 제2 보호층, 적외선 흡수층 및 제2 반사층에 있어서 인접하는 층은 물리적으로 접촉하고,
상기 제2 반사층이 잔존하는 영역의 면적은 상기 제2 반사층이 잔존하지 않는 영역의 면적보다 작은 마이크로 볼로미터 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 희생층을 제거하는 단계 이전에, 상기 희생층 위에 형성된 복수의 층을 수직으로 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하는 단계;를 더 포함하는 마이크로 볼로미터 제조방법. - 제2항에 있어서,
캐비티가 형성된 윈도우 기판을 상기 기판에 대면시켜 정렬한 후 양 기판을 본딩하는 단계; 및
상기 양 기판이 결합된 상태에서 윈도우 기판 및 상기 기판을 순차적으로 다이싱하는 단계;를 더 포함하는 마이크로 볼로미터 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 반사층은 텅스텐(W) 또는 텅스텐실리사이드(WSix)로 이루어지고, 상기 제2 반사층의 패터닝은 SF6 가스, CF4 가스 또는 이들의 혼합 가스를 이용한 건식 식각에 의하여 이루어지는 마이크로 볼로미터 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNx), 알루미늄 산화물(AlOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 하프늄 산화물(HfOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 티타늄 산화물(TiOx) 또는 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어지고,
상기 적외선 흡수층은 산화티타늄(TiOx), 이규화몰리브데넘(MoSi2), 규화텅스텐(WSix), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNx) 및 질화티탄(TiN) 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 마이크로 볼로미터 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 원격 적외선 신호를 감지하는 마이크로 볼로미터로서,
적외선 신호를 흡수하여 감지 신호를 출력하는 복수의 액티브 셀;
상기 적외선 신호에 반응하지 않으며, 기준 신호를 출력하는 복수의 기준 셀; 및
상기 복수의 액티브 셀 및 상기 복수의 블라인드 셀과 공통적으로 연결되어, 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호의 DC 성분을 공통적으로 제거하는 스키밍 셀을 포함하고,
상기 기준 셀 또는 스키밍 셀은,
기판 상에 형성된 ROIC 전극과 전기적으로 연결된 금속층;
전극층 및 앵커를 통하여 상기 금속층과 연결된 센서층;
상기 센서층의 하면에 형성된 제1 보호층;
상기 기판 상에 형성되며, 상기 제1 보호층의 수직 하부에 소정의 이격거리를 갖고 배치되는 제1 반사층;
상기 센서층의 상면에 형성된 제2 보호층;
상기 제2 보호층의 상면에 형성된 적외선 흡수층; 및
상기 흡수층의 상면에 형성된 제2 반사층;을 포함하고,
순차적으로 적층된 상기 센서층, 제2 보호층, 적외선 흡수층 및 제2 반사층에 있어서 인접하는 층은 물리적으로 접촉하고,
상기 기준 셀 또는 스키밍 셀의 면적은 상기 액티브 셀의 면적보다 작은 마이크로 볼로미터. - 제8항에 있어서,
상기 액티브 셀은,
기판 상에 형성된 ROIC 전극과 전기적으로 연결된 금속층;
상기 전극층과 연결된 센서층;
상기 센서층의 하면에 형성된 제1 보호층;
상기 기판 상에 형성되며, 상기 제1 보호층의 수직 하부에 소정의 이격거리를 갖고 배치되는 제1 반사층;
상기 센서층의 상면에 형성된 제2 보호층; 및
상기 제2 보호층의 상면에 형성된 적외선 흡수층;을 포함하는 마이크로 볼로미터. - 삭제
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2023111000A1 (en) | 2021-12-15 | 2023-06-22 | Trinamix Gmbh | Photodetector for measuring optical radiation |
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2020
- 2020-04-07 KR KR1020200042398A patent/KR102164930B1/ko active IP Right Grant
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