KR100539395B1 - 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 티타늄 볼로미터를 이용한 2층 구조의 고흡수율 비냉각형 적외선 센서에 관한 것이다.
본 발명의 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서는 버퍼층과 반사금속층이 증착되어 있는 Si 웨이퍼로 이루어진 하부층과, 상기 하부층 상부에 형성된 적어도 한 쌍 이상의 앵커(anchor), 상기 앵커에 의해 지지되는 제 1 절연막층; 상기 제 1 절연막층 위에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 형성된 열선; 상기 열선위에 형성된 제 2 절연막층; 및 상기 제 2 절연막층 위에 형성된 금속흡수층을 포함하는 상부층으로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서는 티타늄 볼로미터를 사용하여 입사된 적외선이 에어 갭에서 공명 흡수되도록 하는 단순한 2층 구조의 적외선 센서를 제공함으로써 별도의 집광렌즈 없이도 적외선 흡수율이 좋은 고감도의 적외선 센서를 제공한다.

Description

2층 구조의 비냉각형 적외선 센서{Uncooled infrared sensor with two-layer structure}
본 발명은 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 웨이퍼를 포함하는 하부층과 티타늄 볼로미터층을 포함하는 상부층 및 상기 하부층과 상부층 사이의 에어갭층으로 이루어진 고흡수율의 비냉각형 적외선 센서에 관한 것이다.
적외선 센서는 작동 원리에 따라 크게 양자형(photon)과 열형(thermal)으로 나눌 수 있는데, 양자형은 주로 반도체 재료로서 특성은 좋으나 액체 질소 온도(-196℃)에서 작용한다는 단점이 있는 반면에, 열형 재료들은 반도체에 비해 성능은 다소 떨어지지만 상온에서 동작한다는 장점이 있다. 따라서 냉각이 필요한 양자형 재료들은 주로 군수용의 목적으로 연구되고 있으며, 비냉각형인 열형 재료들은 민수용으로 주로 사용되고 있다.
그리고 이 열형 적외선 센서는 일반적으로 볼로미터(Bolometer), 열전쌍(Thermocouple), 초전기(Pyroelectric)형의 3가지 형태로 나눌 수 있다. 초전기 센서는 검출력은 좋지만 생산량이 제한적이고, 볼로미터와 열전쌍은 초전기형보다는 검출력이 낮지만 검출기 회로와 함께 실리콘 웨이퍼 상에 모노리딕으로 제조되므로 생산성이 좋기 때문에 민수용으로 널리 개발되고 있다. 이 중에서 볼로미터형 적외선 센서는 물체에서 방사되는 적외선을 흡수하여 열에너지로 바뀔 때 그로 인한 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 측정한다. 종래의 볼로미터는 미국특허 제5,300,915호에 도시된 것과 같이 통상적으로 부상된 검출레벨과 이를 지지하는 지지레벨 및 하부레벨로 이루어져 있다. 그러나 검출레벨에 지지역할을 하는 지지레벨이 함께 형성되어 있어서 적외선을 흡수하는 전체면적이 줄어들게 되므로 최대의 흡수면적(fill factor)을 얻을 수 없었다.
이에 따라 한국공개특허 제2000-0007216호, 한국공개특허 제2000-0046517호, 한국등록특허 제10-0299642호 및 미국특허 제6,448,557호에서는 적외선 반사층이 존재하는 3층 구조의 볼로미터형 적외선 센서를 개시하였고, 미국특허 제5,367,167호에서는 큰 도전 통로를 가지는 셀 어레이를 기술하였으며, 미국특허 제6,441,374호에서는 열 분리 구조를 가지며 흡수율이 높은 적외선 센서에 대해 개시하는 등 적외선 센서의 감도 및 흡수면적을 높이기 위한 연구가 계속 진행되고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 연구들은 전기적 성질 및 열적 성질에 의존하는 적외선 센서를 제공하는 것이며 3층의 구조 또는 열 분리 구조를 가지므로 제조 공정이 까다롭다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 흡수층과 볼로미터 센서층을 포함하여 이루어진 상부층과 반사금속층과 웨이퍼를 포함하는 하부층 및 상기 상부층과 하부층 사이에서 반사된 적외선을 공명흡수하는 에어갭층으로 이루어진 단순한 2층 구조의 적외선 센서 단위 픽셀을 설계하여 고흡수율을 가지는 비냉각형 적외선 센서를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 Si 웨이퍼 상의 제 1 버퍼층; 상기 제 1 버퍼층 위에 형성된 반사금속층과 적어도 한 쌍 이상의 앵커; 상기 앵커에 의해 지지되는 제 1 절연막층; 상기 제 1 절연막층 위에 형성된 제 2 버퍼층; 상기 제 2 버퍼층 위에 형성된 열선; 상기 열선 위에 형성된 제 2 절연막층; 및 상기 제 2 절연막층 위에 형성된 금속흡수층을 포함하여 구성되는 단위 픽셀로 이루어진 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 1은 본 발명에 의한 적외선 센서의 단위 픽셀을 나타낸 개념도이다.
본 발명에 의한 적외선 센서는 8×8의 어레이를 가지는 볼로미터형의 비냉각형 적외선 센서로서, 그 단위픽셀은 도 1에 나타낸 바와 같이 하부층(100)과 상부층(200) 및 상기 하부층과 상부층 사이에 형성되는 에어갭(300)으로 이루어진다.
하부층은 Si 웨이퍼(11)와 상기 웨이퍼 상부에 응력 완화를 위해 Si3N4를 포함하는 질화물로 증착하는 제 1 버퍼층(12) 및 반사금속층(13)이 형성되어 이루어지며, 이 하부층 위에는 적어도 한 쌍 이상의 앵커(anchor)(14)가 형성된다. 여기에서 앵커는 SiO2를 포함하는 재질로 이루어지며 상부층을 지지하는 역할을 한다. 그리고, 상기의 반사금속층은 알루미늄을 포함하는 금속 또는 합금 재질로서 30nm 이상의 두께로 앵커부와 소정 간격 이격되도록 형성된다. 또는, 절연컷(iso-cut)을 형성(미도시)하여 앵커부와 반사금속층이 열절연되도록 한다. 절연컷은 앵커부 주변을 식각하여 파 줌으로써 제 1 버퍼층 상부에 형성되는 앵커부와 반사금속층이 절연될 수 있도록 형성한다.
상기 앵커에 의해 지지되는 상부층의 제일 밑면에는 SiO2로 이루어진 제 1 절연막층(21)과 제 1 절연막층 상부에 Si3N4를 포함하는 질화물로 이루어진 제 2 버퍼층(22)이 형성된다. 이 때의 제 1 절연막층과 제 2 버퍼층은 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 증착되며, 절연막층은 SiO2가 0.65±0.1㎛의 두께로, 제 2 버퍼층은 Si3N4가 0.2±0.05㎛의 두께로 증착된다.
상기 버퍼층 상부에는 티타늄(Ti) 또는 티타늄산화물인 TiOx(x=1 내지 3)을 포함하는 재질로 이루어진 열선(23)이 유효 두께로 증착되어 볼로미터 센서층이 된다. 바람직하게는 티타늄 열선의 경우에는 300 내지 1500Å, 티타늄산화물의 경우 500 내지 5000Å 두께로 형성되며, 이 열선은 도 1과 같이 흡수된 적외선을 공명 흡수할 수 있도록 가운데 부분이 오픈되도록 패터닝 한다.
그리고 상기 티타늄 열선의 비저항은 바람직하게는 7×10-5 내지 9×10-5Ωㆍ㎝, TiOx 열선의 면저항은 100Ω/sqr 내지 10kΩ/sqr인 재질로 이루어지며, 모두 티타늄을 타겟으로 하는 스퍼터링 공정으로 형성된다. 또한 티타늄과 티타늄 산화물의 저항온도계수(TCR : temperature coefficient of resistivity)는 각각 0.3±0.2%, 2±1%이다. 상기의 열선은 제 1 절연막층과 제 2 버퍼층의 상부에 형성되는데, 열선이 형성되기 전에 상기의 SiO2 절연막과 Si3N4이 응력 완화를 위해 한층 더 반복되어 형성될 수도 있다.
그 다음으로 상기 열선 위에는 SiO2로 이루어진 제 2 절연막층(24)이 형성되며, 상기 제 2 절연막층 위에 티타늄 금속흡수층(25)이 60±10Å의 두께로 형성되어 상부층을 형성한다.
상기에서 설명한 상부층과 하부층 사이에는 에어갭(300)이 형성되어 볼로미터 센서층을 통해 흡수된 적외선이 반사금속층에서 반사되고 그 다음 흡수층에서 재흡수가 일어나게 된다.
상기에서 설명된 본 발명의 적외선 센서는 최상부에 형성된 금속흡수층과 에어갭층 아래의 반사금속층간의 거리가 λ/4(λ:적외선의 파장)가 되도록 한다. 이 때 λ/4는 티타늄을 포함하는 금속흡수층과 반사금속층간의 광로를 의미하며 굴절률×박막의 두께를 의미한다.
다음, 도 2는 본 발명에 의한 적외선 센서 단위 픽셀의 다른 실시예를 나타낸 개념도로서, 상기 도 1에 나타낸 열선 패턴이 변형된 경우를 나타낸 것이다. 크게 상부층과 하부층 및 에어갭으로 형성된 구조와 각 층의 구성물질과 형성두께는 동일하며, 볼로미터 센서층을 이루는 열선의 패턴이 변형된 것으로, 역시 적외선의 공명 흡수를 위해 가운데 부분이 오픈된 구조로 패터닝된다.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
따라서, 본 발명의 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서 및 그 제조방법은 비정질 실리콘을 포함하는 재질로 이루어진 볼로미터형 2층 구조의 적외선 센서를 제공함으로써 적외선 중심 파장에서의 흡수율이 95% 이상이 되도록 하는 적외선 센서를 비교적 간단한 공정을 통해 제조할 수 있다는 장점이 있고, 산업용 검사 장비 뿐만 아니라 온도 분해능이 작은 정밀 측정 장비로도 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 적외선 센서의 단위 픽셀을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 적외선 센서 단위 픽셀의 다른 실시예를 나타낸 개념도.
((도면의 주요부분에 대한 부호의 설명))
100 : 하부층 200 : 상부층
11 : Si 웨이퍼 12 : 제 1 버퍼층
13 : 반사금속층 14 : 앵커(anchor)
21 : 제 1 절연막층 22 : 제 2 버퍼층
23 : 열선 24 : 제 2 절연막층
25 : 금속흡수층 300 : 에어갭

Claims (13)

  1. Si 웨이퍼 상의 제 1 버퍼층;
    상기 제 1 버퍼층 위에 형성된 반사금속층과 적어도 한 쌍 이상의 앵커;
    상기 앵커에 의해 지지되는 제 1 절연막층;
    상기 반사금속층과 상기 제 1 절연막층의 상이에 형성된 에어갭(air-gap)층;
    상기 제 1 절연막층 위에 형성된 제 2 버퍼층;
    상기 제 2 버퍼층 위에 형성된 열선;
    상기 열선 위에 형성된 제 2 절연막층; 및
    상기 제 2 절연막층 위에 형성된 금속흡수층
    을 포함하여 구성되는 단위 픽셀로 이루어짐을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 앵커는 SiO2로 이루어짐을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반사금속층과 제 1 절연막층 사이에는 에어갭이 형성됨을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반사금속층은 Al을 포함하는 금속 또는 합금임을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 절연막층은 SiO2로 이루어짐을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼층과 제 2 버퍼층은 Si3N4로 이루어짐을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 열선은 Ti 또는 TiOx(x=1 내지 3) 중의 어느 하나의 물질로 이루어짐을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 Ti로 이루어진 열선의 비저항은 7×10-5 내지 9×10-5Ωㆍ㎝임을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 TiOx로 이루어진 열선의 면저항은 100Ω/sqr 내지 10kΩ/sqr임을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속흡수층은 Ti로 이루어짐을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 금속흡수층의 두께는 50 내지 70Å으로 형성됨을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1절연막층 위에 형성된 제 2 버퍼층 상부에 절연막층과 버퍼층이 한번 더 반복되어 형성됨을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 금속흡수층과 반사금속층 사이의 거리는 λ/4(λ:적외선의 파장)임을 특징으로 하는 2층 구조의 비냉각형 적외선 센서.
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