KR100239494B1 - 써모파일 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

써모파일 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판 위에 다이아프레임 막을 형성하고, 다이아프레임 막 위의 소정영역에 열전쌍을 형성한 후, 열전쌍 위에 보호막을 형성한다. 그리고, 보호막 위에 포토레지스트 형성하고 소정영역의 포토레지스트를 제거한 다음, 포토레지스트를 포함한 전면에 스퍼터링 방법으로 흑체를 형성하고 남아 있는 포토레지스트 및 그 포토레지스트 위에 형성된 흑체를 제거한 후에 기판 밑면의 소정영역을 제거하여 다이아프레임 막을 노출시킴으로써, 기존의 반도체 공정(CMOS 공정)과 호환이 가능하여 양산성을 향상시키고, 흑체 형성시 발생하던 다이아 프레임 막의 손상을 방지할 수 있으며, 흑체막 특성을 일정하게 제어할 수 있다. 또한, 접착력이 뛰어난 흑체를 용이하게 형성할 수 있어 수율을 크게 향상시킬 수 있으므로 전체적으로 써모파일 센서의 제조 단가를 낮출 수 있다

Description

써모파일 센서 및 그 제조방법

본 발명은 적외선 센서에 관한 것으로, 특히 써모파일 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 온도를 측정하는 것은 냉온방이나 조리 등과 같이 우리의 생활과 밀접한 관계를 가지고 있다.

물론 민생용이나 산업용에서의 필요성은 두말 할 필요도 없다.

한편, 온도 측정 방법으로는 접촉식(contact type)과 비접촉식(non-contact type)으로 분류할 수 있다.

그러나, 일반적으로 온도를 측정한다고 하는 것은 대부분이 접촉식으로 하는 것이고 비접촉식은 접촉이 불가능한 경우의 보조수단에 지나지 않는다.

예를 들어, 비접촉식은 회전하는 측정대상물, 이동하는 측정대상물, 매우 고온이어서 접촉할 수 없는 측정대상물 등의 경우에만 한정하여 사용되어 왔다.

그리고, 비접촉식은 값이 비싸고 취급이 어렵기 때문에 비접촉식보다 접촉식이 널리 사용되고 있다.

그러나, 최근에는 비접촉식의 수요가 증가하고 있으며, 특히 0∼300℃ 정도의 비교적 저온영역의 측정에 있어서는 간단하고 저가인 방사온도계에 대한 요구가 커지고 있다.

이러한 비접촉식인 방사온도계는 회로 구성을 간단히 할 수 있고 방사온도계에 사용되는 적외선 센서(IR sensor)를 종래보다 값싸게 구입할 수 있게 되어 경우에 따라서는 접촉식보다 더 경제적으로 되었다.

현재, 방사 에너지를 감지하는 센서로는 광기전력 효과(photovoltaic effect)나 광전도 효과(photoconductive effect)를 이용한 양자형(photonic type) 센서와 볼로미터(bolometer), 초전 센서(pyroelectric sensor), 써모파일 센서(thermopile sensor)와 같은 열형(thermal type) 센서가 있다.

양자형 센서는 입사파(incident radiation)가 전자를 여기(excite)시켜 센서의 전기적 특성을 변화시키는 것을 이용하는 것으로서, 일반적으로 선택된 파장범위에서 감지성능이 매우 뛰어나고 빠른 응답 특성(responsivity)를 나타내고 있다.

그러나, 아직 관련 제조 기술(process technology)이 확립되어 있지 못하고 가격이 비싸며 소정의 적외선 감도를 얻기 위해서는 액체질소(liquid-N₂)온도 이하에서 동작시켜야 하는 단점이 있다.

따라서, 상업적 및 산업적으로 적외선 센서를 이용하기 위해서는 냉각이 필요없고 값이 싸며 신뢰성 있는 소자가 필요하게 되었다.

최근 이러한 특징을 만족시킬 수 있는 열형 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이런 연구 결과로, 가시 이미지(visible image)로는 알 수 없는 물체에 대한 유용한 정보를 제공함으로써 생산 시험(production examination), 공정 모니터링(process monitoring), 비접촉 및 비파괴 시험(non-contact & non-destructive testing) 등과 같은 분야에 사용할 수 있는 소자가 개발되었다.

이러한 소자들 중 현재까지 가장 뛰어난 재료로는 (Hg,Cd)Te 이 있지만, 대량생산을 위한 제조기술이 아직 성숙되어 있지 못할 뿐만 아니라 기판의 가격과 균일도가 문제로 되고 있다.

따라서, 상기의 문제들을 만족시키면서 확립되어 있는 반도체 공정으로 제작이 가능한 써모파일 센서가 활발하게 연구되고 있다.

이 써모파일 센서란 두가지 서로 다른 물질을 한쪽은 접점(junction)을 만들고 다른쪽은 떼어놓는(open) 구조로 형성하여 이 접점부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 이 온도차의 크기에 비례하여 기전력(thermoelectric power)이 발생한다는 제백효과(Seebeck effect)를 이용함으로써 온도를 감지하는 센서를 말한다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 써모파일 센서를 보여주는 평면도 및 단면도로서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 그 구조를 살펴보면, 먼저 열전쌍(therocouple)들이 직렬로 연결되고, 이 열전쌍의 각 구성물질들(elements)은 큰 열기전력(thermoelectric power)을 가지며, 또한 열전쌍의 각 구성물질들은 열기전력이 반대의 극성(polarity)을 갖는 서로 다른 물질로 구성된다.

그리고 열전쌍들은 온 영역(hot region)과 냉 영역(cold region)에 교차하여 위치하며, 온 접점(hot junction)과 냉 접점(cold junction)은 열적으로 분리(thermal isolation)되어 있다.

일반적으로 냉 접점은 효율적인 힛 싱크(heat sink)를 위하여 실리콘 기판 위에 위치하고, 온 접점 부분에는 적외선을 흡수하는 흑체(black body)를 형성한다.

즉, 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열용량(thermal capacitance)을 갖는 얇은 다이아프레임(diaphragm) 위에 두 개의 서로 다른 열전 물질(thermoelectric material)을 직렬로 위치시킨 것이다.

이러한 써모파일 센서는 직류방사(DC radiation)에 대하여 안정된 응답특성을 나타내며 넓은 적외선 스펙트럼에 응답하고 바이어스 전압이나 바이어스 전류가 필요없는 장점을 가지고 있다.

도 2a 내지 2f는 종래 기술에 따른 써모파일 센서 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(1)으로는 결정 방향이 (100)인 실리콘 기판을 선택한다.

그 이유는 후공정인 기판 뒷면(back-side) 식각을 고려해야 하기 때문이다.

그리고, 기판(1) 양면에 열산화(thermal oxidation) 방법으로 제 1 산화막(2)을 약 2000Å 증착하고, 제 1 산화막(2) 위에는 저압화학증착법(LPCVD)으로 질화막(3)을 3000Å 증착한다.

여기서, 질화막(3)은 기판(1)을 식각할 때, 식각 마스크로 사용되고 식각을 멈추기 위한 식각정지층(etch stop layer)으로 사용된다.

이어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 질화막(3) 위에 저압화학증착법으로 제 2 산화막(4)을 약 7000Å 증착한다.

이와 같이 산화막/질화막/산화막(ONO ; oxide/nitride/oxide)구조로 형성하는 것은 다이아프레임이 형성되었을 때, 각 막들의 내부 잔류 응력(residual stress)을 서로 보상(compensation)하여 줌으로써 기계적으로 안정된 다이아프레임 막을 얻을 수 있도록 하기 위함이다.

즉, 일반적인 산화막은 압축 응력(compress stress)를 가지고, LPCVD 질화막은 인장 응력(tensile stress)를 가지기 때문에 서로 스트레스를 보상할 수 있는 구조가 되는 것이다.

이와 같이 다이아프레임 막을 형성한 후, 도 2c에 도시된 바와 같이, 기판(1) 윗면의 제 2 산화막(4) 위에 제 1, 제 2 열전쌍 물질(5)을 차례로 증착하고 패턴을 형성한다.

이때, 열전쌍 물질(5)로는 상호간의 제벡계수(Seebeck Coefficient)가 큰 물질들로 구성해야 센서 특성이 좋게 된다.

그리고 도 2d에 도시된 바와 같이, 열전쌍 물질(5)을 포함한 전면에 센서 소자를 외부환경으로부터 보호하기 위하여 보호막(6)을 형성하고, 센서로부터 나오는 출력을 외부회로와 연결되게 하기 위하여 패드(7)를 열전쌍 물질에 접촉되도록 형성한다.

이어, 도 2e에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1) 아랫면을 식각하여 다이아 프레임 막을 노출시킨다.

여기서, 사용되는 식각 용액은 수산화 칼륨(KOH, potassium hydroxide)수용액으로, 이것은 실리콘의 결정 방향에 대하여 (111)방향으로는 식각이 거의 되지 않으므로 결국 기판(1) 밑면에서 54.74。 기울어진 방향으로 식각이 진행된다.

또한, 수산화 칼륨 수용액에서 실리콘 질화막(3)은 거의 식각이 되지 않기 때문에 식각 마스크로 사용될 뿐만 아니라, 식각 종료시 기판(1) 전체가 동시에 식각되지 않는 식각면 불균일 문제를 해결하기 위한 식각정지층(etch stop layer)으로도 이용된다.

그리고, 도 2f에 도시된 바와 같이, 보호막(6) 위에 흑체(8)를 형성한다.

이때, 흑체(8)로 사용되는 물질로는 알루미늄 블랙(Al black), 골드 블랙(Au black), 카본 블랙(Carbon black) 등이 있는데, 이것들은 접착력이 매우 좋지 않으며, 또한 화학 약품에 대해서도 쉽게 반응하는 단점이 있다.

그러므로, 기존의 CMOS 공정으로는 상기와 같은 물질로 이루어진 흑체를 형성할 수 없다.

결국 이와 같은 이유로 종래의 써모파일 센서 제조에 있어서는 흑체를 기존의 CMOS 공정이 모두 끝난 맨 마지막 공정으로 진행해야만 한다.

이와 같이 다이아프레임이 형성된 후에 흑체를 형성하면, 다이아프레임 막의 두께가 약 1㎛ 정도로 매우 얇기 때문에 흑체를 형성하는 과정에서 다이아프레임이 손상되므로 상당히 조심해야 한다.

즉, 종래 기술에 따른 써모파일 센서에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

마지막 공정에서 흑체를 형성하기 때문에 다이아프레임 막이 손상되기 쉽고, 흑체를 이루는 물질들이 접착력이 좋지 않고 화학 약품에 쉽게 반응하므로 CMOS 공정으로 흑체를 형성하는데에는 한계가 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 흑체의 물질 및 공정 방법을 달리하여 기존의 반도체 공정과 호환이 가능한 써모파일 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 안정된 흑체를 형성할 수 있는 써모파일 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 얇은 다이아프레임 막의 손상을 방지할 수 있는 써모파일 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 써모파일 센서를 보여주는 평면도 및 단면도

도 2a 내지 2f는 종래 기술에 따른 써모파일 센서 제조공정을 보여주는 공정단면도

도 3a 내지 3h는 본 발명에 따른 써모파일 센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도

도 4는 종래와 본 발명에 따른 흑체 물질의 흡수 특성을 보여주는 그래프

도 5는 본 발명에 따른 흑체 물질의 두께에 대한 응답 특성을 보여주는 그래프

도 6은 본 발명에 따른 흑체 물질의 증착 조건에 대한 응답 특성을 보여주는 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 기판 12 : 제 1 산화막

13 : 질화막 14 : 제 2 산화막

15 : 열전쌍 물질 16 : 보호막

17 : 패드 18 : 포토레지스트

19 : 흑체

본 발명에 따른 써모파일 센서의 주요 특징은 Ru, Ir, RuO_X, IrO_X중 어느 하나로 이루어진 흑체를 스퍼터링법으로 증착하고, 리프트-오프 방법으로 흑체 패턴을 형성한 후에 기판 뒷면을 식각하여 다이아프레임을 형성하는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 기판과, 기판 위에 형성되는 다이아프레임과, 다이아프레임 위의 소정영역에 형성되어 온도를 감지하는 열전쌍과, 열전쌍 상부에 형성되고 Ru, Ir, RuO_X, IrO_X중 어느 하나로 이루어진 흑체로 구성되는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 기판 위에 다이아프레임 막을 형성하는 단계와, 다이아프레임 막 위의 소정영역에 열전쌍을 형성하는 단계와, 열전쌍 상부에 흑체를 형성하는 단계와, 기판 밑면의 소정영역을 제거하여 다이아프레임 막을 노출시키는 단계로 이루어지는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 기판 위에 다이아프레임 막을 형성하는 단계와, 다이아프레임 막 위의 소정영역에 열전쌍을 형성하는 단계와, 열전쌍 위에 보호막을 형성하는 단계와, 보호막 위에 포토레지스트 형성하고 소정영역의 포토레지스트를 제거하는 단계와, 포토레지스트를 포함한 전면에 흑체를 형성하고 남아 있는 포토레지스트 및 그 포토레지스트 위에 형성된 흑체를 제거하는 단계와, 기판 밑면의 소정영역을 제거하여 다이아프레임 막을 노출시키는 단계로 이루어지는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 써모파일 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 개념은 기판 뒷면을 식각하여 다이아프레임을 형성하는 공정 전에 흑체를 형성하고 그 흑체를 Ru, Ir, RuO_X, IrO_X중 어느 하나를 사용하여 스퍼터링법 및 리프트-오프 방법으로 형성함으로써, 반도체 공정(CMOS 공정)과 호환이 가능하고 다이아프레임 막의 손상을 방지하며 흑체막의 특성을 일정하게 제어하고 접착력이 뛰어난 흑체막을 형성하는데 있다.

도 3a 내지 3h는 본 발명에 따른 써모파일 센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 도 3a 내지 도 3d 공정은 종래 기술의 도 2a 내지 도 2d의 공정과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3e에 도시된 바와 같이, 보호막(16)을 포함한 전면에 포토레지스트(18)를 코팅하고, 포토레지스트 현상 공정(photoresist developing process)를 통하여 흑체를 형성하고자 하는 부분의 포토레지스트(18)를 제거한다.

그리고, 도 3f에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 공정으로 남아 있는 포토레지스트(18)를 포함한 전면에 흑체(19)를 약 500∼600Å의 두께로 형성한다.

스퍼터링 공정시, 흑체 형성을 위한 타겟 물질은 Ru(Ruthenium), Ir(Iridium) 등과 같은 금속이나, 또는 RuO_X(Ruthenium Oxide), IrO_X(Iridium Oxide)와 같은 산화물을 사용한다.

이때, Ru, Ir 등과 같은 금속 자체만으로 흑체를 형성하게 되면 반사율이 커지게 되므로 스퍼터링시에 공정 가스인 아르곤과 함께 산소 가스를 동시에 넣어 주어야 한다.

여기서, 아르곤과 산소의 주입 비율은 50∼70% 가 적합하다.

본 발명에서는 흑체 증착을 위한 타겟으로 Ru 금속과 Ir 금속을 사용하고, 증착 과정에서 산소를 주입하여 RuO_X, IrO_X인 조성을 갖는 흑체를 형성한다.

이어, 도 3g에 도시된 바와 같이, 리프트-오프(lift-off)공정으로 남아 있는 포토레지스트(18) 및 포토레지스트(18) 위의 흑체(19)를 제거한다.

그리고, 도 3h에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(11) 아랫면을 식각하여 다이아 프레임 막을 노출시킴으로써, 써모파일 센서를 제조한다.

도 4는 상기와 같은 공정으로 형성한 흑체(RuO_X, IrO_X)와 종래의 방법으로 형성된 알루미늄 블랙(Al black)의 흡수 특성을 비교한 결과이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 세가지 적외선 흡수물질 모두 0.7∼25㎛의 파장 범위에서 거의 90%의 매우 양호한 흡수 특성을 나타내었다.

도 5는 Ru와 O₂를 동시 스퍼터링(co-sputtering)하여 증착한 RuO_X막의 두께를 변화시켰을 때, 써모파일 센서의 응답 특성을 비교한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 써모파일 센서의 응답 특성은 RuO_X막의 두께가 300∼800Å일 때 양호한 흡수 특성을 나타내며, 이 값을 전후로 해서 낮아지는 경향을 보이는데 이는 RuO_X막의 두께가 300Å 이하로 되면 흑체의 투과율이 커지게 되며, 또한 800Å 이상으로 되면 금속 박막 특유의 반사율이 커지게 되어 흡수율이 작아지게 되는 것이다.

도 6은 Ru와 O₂를 동시 스퍼터링하여 증착할 때, 주입하는 O₂의 량을 변화시켰을 때, 써모파일 센서의 응답 특성을 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, O₂의 량이 많을수록 써모파일 센서의 응답 특성이 좋아지게 되지만, 70% 이상으로 O₂가 주입되면 흑체의 접착성이 나빠져서 후속 공정 중에 흑체가 손상된다.

따라서, 흑체를 동시 스퍼터링할 때의 조건은 O₂의 량을 60∼70% 로 제어하는 것이 가장 적합한 공정 조건이 된다.

본 발명에 따른 써모파일 센서 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

흑체를 스퍼터링 공정 및 리프트-오프 방법으로 형성함으로써, 기존의 반도체 공정(CMOS 공정)과 호환이 가능하여 양산성을 향상시키고, 흑체 형성시 발생하던 다이아 프레임 막의 손상을 방지할 수 있으며, 흑체막 특성을 일정하게 제어할 수 있다.

또한, 접착력이 뛰어난 흑체를 용이하게 형성할 수 있어 수율을 크게 향상시킬 수 있으므로 전체적으로 써모파일 센서의 제조 단가를 낮출 수 있다.

Claims (9)

1. 기판;

   상기 기판 위에 형성되는 다이아프레임;

   상기 다이아프레임 위의 소정영역에 형성되어 온도를 감지하는 열전쌍;

   상기 열전쌍 상부에 형성되고, Ru, Ir, RuO_X, IrO_X중 어느 하나로 이루어진 흑체로 구성됨을 특징으로 하는 써모파일 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 흑체의 두께는 300∼800Å임을 특징으로 하는 써모파일 센서.
3. 기판 위에 다이아프레임 막을 형성하는 제 1 스텝;

   상기 다이아프레임 막 위의 소정영역에 열전쌍을 형성하는 제 2 스텝;

   상기 열전쌍 상부에 흑체를 형성하는 제 3 스텝;

   상기 기판 밑면의 소정영역을 제거하여 상기 다이아프레임 막을 노출시키는 제 4 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 써모파일 센서 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 흑체는 Ru, Ir, RuO_X, IrO_X중 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 써모파일 센서 제조방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 스텝은

   상기 다이아프레임 위에 보호막을 형성하는 스텝;

   상기 보호막 위에 포토레지스트 형성하고 소정영역의 포토레지스트를 제거하는 스텝;

   상기 포토레지스트를 포함한 전면에 흑체를 형성하고 남아 있는 포토레지스트 및 그 포토레지스트 위에 형성된 흑체를 제거하는 스텝을 더 포함함을 특징으로 하는 써모파일 센서 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 남아 있는 포토레지스트 및 그 포토레지스트 위에 형성된 흑체 제거시, 리프트-오프(lift-off) 방법으로 제거함을 특징으로 하는 써모파일 센서 제조방법.
7. 기판 위에 다이아프레임 막을 형성하는 제 1 스텝;

   상기 다이아프레임 막 위의 소정영역에 열전쌍을 형성하는 제 2 스텝;

   상기 열전쌍 위에 보호막을 형성하는 제 3 스텝;

   상기 보호막 위에 포토레지스트 형성하고 소정영역의 포토레지스트를 제거하는 제 4 스텝;

   상기 포토레지스트를 포함한 전면에 흑체를 형성하고 남아 있는 포토레지스트 및 그 포토레지스트 위에 형성된 흑체를 제거하는 제 5 스텝;

   상기 기판 밑면의 소정영역을 제거하여 상기 다이아프레임 막을 노출시키는 제 6 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 써모파일 센서 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 흑체는 Ru, Ir, RuO_X, IrO_X중 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 써모파일 센서 제조방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 흑체 형성시, 아르곤과 산소의 주입 비율을 50∼70%로 제어함을 특징으로 하는 써모파일 센서 제조방법.