KR100565727B1 - 마이크로 볼로미터 - Google Patents

Abstract

적외선을 감지하는 마이크로 볼로미터에 관한 것으로, 기판 하부에 무반사막이 형성되고, 기판 상부의 중앙영역에 일정 공간을 두고 기판 상부에 제 1 절연막, 저항체, 제 2 절연막, 흡수체가 순차적으로 형성되고, 흡수체 양측의 기판 위에 전극 패드들이 형성된 구조로 이루어지고, 무반사막 위에 형성되고 외부와의 전기적 연결을 위한 핀들을 가지며 적외선 창을 갖는 스템과, 기판 상부를 감싸도록 스템 상부에 형성되는 캡과, 전극 패드들과 핀들을 각각 전기적으로 연결시켜주는 와이어를 더 포함하여 구성될 수도 있다. 또한, 외부와의 전기적 연결을 위한 핀들을 갖는 스템과, 스템 위에 형성되어 전극 패드들을 각각 지지해주는 지지체들과, 기판을 감싸도록 스템 상부에 형성되고 무반사막에 부착되며 적외선 창이 형성된 캡과, 지지체들과 핀들을 각각 전기적으로 연결시켜주는 와이어를 더 포함하여 구성할 수도 있다. 이와 같은 구조의 본 발명은 공정이 간단하여 공정 단가를 낮추고 수율을 높일 수 있으며, 적외선의 입사량을 최대로 높일 수 있는 구조이므로 감도를 크게 향상시킬 수 있다.

적외선 필터, 스템, 캡, 적외선 창, 전극 패드

Description

마이크로 볼로미터{micro bolometer}

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 적외선 볼로미터를 보여주는 구조단면도

도 3 및 도 4는 본 발명 제 1, 제 2 실시예에 따른 적외선 볼로미터를 보여주는 구조단면도

도 5는 본 발명에 따른 볼로미터를 이용한 적외선 검출 방법을 보여주는 회로도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2 : 절연막

5 : 저항체 6 : 전극 패드

7 : 패시베이션막 8 : 흡수체

13 : 스템 16 : 핀

17 : 무반사막 18 : 캡

19 : 직류전원 20 : 볼로미터

21,22 : 저항 23 : 차등증폭회로

본 발명은 적외선을 감지하는 마이크로 볼로미터에 관한 것이다.

최근까지 적외선을 감지하기 위한 센서로는 열전 효과를 이용한 열전대 센서(thermopile sensor), 초전 현상을 이용한 초전 센서(pyroelectric sensor), 바이어스를 걸어 유전율의 변화를 감지하는 강유전 볼로미터(ferroelectric bolometer), 그리고 온도 변화에 따른 저항의 변화를 감지하는 저항형 볼로미터 등이 있다.

이 중에서 저항형 볼로미터는 입사된 적외선을 흡수하여 변화된 감지 소자의 온도 변화에 따른 저항 변화를 이용하여 적외선을 감지하는 방식으로, 다른 방식의 센서보다 감도가 높아 특히 많은 연구가 이루어지고 있다.

온도의 변화를 감지하는 저항체로는 산화물인 바나듐 옥사이드(vanadium oxide), 티타늄 옥사이드(titanium oxide) 등이 있으며, 금속으로는 티타늄, 플래티늄(platinum) 등과 같은 물질들이 있다.

마이크로머시닝 공정을 이용하여 볼로미터를 제작하는 방법으로는 실리콘 기판의 일부를 제거하여 제작하는 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 기술과 기판 위에 박막을 증착하고 패터닝하는 공정을 이용하는 서피스 마이크로머시닝(surface micromachining) 기술로 나눌 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 볼로메터 센서들을 보여주는 구조단면도이다.

도 1은 벌크 마이크로머시닝 기술을 이용하여 제작한 것으로, 제작 방법은 다음과 같다.

먼저, 실리콘 기판(1) 위에 Si₃N₄나 SiO₂와 같은 절연막(2)을 증착하고, 절연막(2) 위에 저항체(5)를 증착한 다음 패턴닝한다.

그리고, 저항체 박막과 전기적으로 연결할 금속 박막 패드(6)를 형성하고, 그 위에 다시 패시베이션(passivation)막으로 절연막(7)을 형성한다.

절연막(7) 위에 적외선을 흡수하는 흡수체(8)를 형성한 후, 소자 아래에 있는 실리콘 기판(1)을 제거하여 열적으로 고립 효과가 높은 구조로 형성한다.

이와 같이 제작된 적외선 소자를 TO-5와 같은 금속 패키지에 내장하고, 소자의 패드(6)를 스템(stem)(13)과는 전기적으로 절연이 되어 있는 핀(pin)(16)에 와이어 본딩(wire bonding)하여 전기적으로 연결되도록 한 후, 적외선 필터를 캡(cap)(18)에 붙이고, 캡을 스템과 웰딩(welding)하여 벌크 마이크로머시닝 기술을 이용한 적외선 볼로미터를 제작한다.

이 때, 적외선 필터는 실리콘 기판(16) 위에 ARC(anti reflection coating)(17) 처리를 한 구조로 되어 있다.

도 2는 서피스 마이크로머시닝 기술을 이용하여 제작한 것으로, 제작 방법은 다음과 같다.

먼저, 실리콘 기판(1) 위에 제거가 용이한 희생층을 형성하고, 그 위에 Si₃N₄나 SiO₂와 같은 절연막(2)을 증착한 후, 절연막(2) 위에 저항체 박막(5)을 형성한다.

이어, 패시베이션막(7)으로 절연층을 증착하고, 저항체 박막(5)과 전기적으 로 연결하기 위하여 패시베이션막(7)을 패터닝한 후, 금속박막 패드(6)를 형성한다.

그리고, 패시베이션막(7) 위에 적외선을 흡수하기 위한 흡수체(8)를 형성하고, 희생층을 제거하여 적외선 센서를 제작한다.

소자를 패키징(packaging)하는 방법은 서피스 마이크로머시닝 기술과 같으므로 생략한다.

이와 같이, 적외선 볼로미터와 적외선 필터를 각각 다른 방법으로 제작하여 접적하면, 제조 공정 수가 많고, 단가가 높으며, 필터와 볼로미터의 간격을 가깝게 하기가 어렵기 때문에 볼로미터의 저항체에 조사되는 적외선의 입사량을 크게 할 수 없으므로 소자의 성능이 저하되는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 공정을 단순화하고, 적외선의 입사량을 높여 감도를 향상시킬 수 있는 마이크로 볼로미터를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 마이크로 볼로미터는 기판과, 기판 하부에 형성되는 무반사막과, 기판 상부의 중앙영역에 일정 공간을 두고 기판 상부에 형성되는 제 1 절연막과, 제 1 절연막 위에 형성되는 저항체와, 저항체 위에 형성되는 제 2 절연막과, 제 2 절연막 위에 형성되는 흡수체와, 흡수체 양측의 기판 위에 형성되는 전극 패드들로 구성된다.

그리고, 무반사막 위에 형성되고, 외부와의 전기적 연결을 위한 핀들을 갖는 스템과, 기판 상부를 감싸도록 상기 스템 상부에 형성되는 캡과, 전극 패드들과 핀들을 각각 전기적으로 연결시켜주는 와이어를 더 포함할 수도 있다.

여기서, 스템에는 무반사막의 일부가 노출되도록 창이 형성되어 있다.

또한, 본 발명은 외부와의 전기적 연결을 위한 핀들을 갖는 스템과, 스템 위에 형성되어 전극 패드들을 각각 지지해주는 지지체들과, 기판을 감싸도록 스템 상부에 형성되고 무반사막에 부착되는 캡과, 지지체들과 핀들을 각각 전기적으로 연결시켜주는 와이어를 더 포함할 수도 있다.

여기서, 캡에는 무반사막의 일부가 노출되도록 창이 형성되어 있다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명은 저항체와 적외선 필터가 집적되어 있기 때문에 공정이 간단하여 공정 단가를 낮추고 수율을 높일 수 있으며, 적외선의 입사량을 최대로 높일 수 있는 구조이므로 감도를 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3 및 도 4는 본 발명 제 1, 제 2 실시예에 따른 마이크로 볼로미터를 보여주는 구조단면도이다.

일반적으로, 볼로미터는 입사되는 적외선을 받는 소자와 적외선을 받지 않는 소자 2개로 이루어지는데, 본 발명에서는 설명을 간단히 하기 위해 적외선을 받는 부분만을 설명하도록 한다.

본 발명 제 1 실시예와 제 2 실시예는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 기판(1)과 기판(1) 하부에 형성된 무반사층(17)으로 구성된 적외선 필터와, 기판(1) 상부에 제 1 절연막(2), 저항체(5), 제 2 절연막(7) 및 흡수체(8)가 순차적으로 형성된 감지부가 일체형으로 제작된 구조이다.

그리고, 본 발명 제 1 실시예와 제 2 실시예의 차이점은 소자를 덮고 있는 캡(18)과 스템(13)의 구조이다.

본 발명 제 1 실시예는 기판(1) 하부에 형성된 무반사층(17)이 스템(stem)(13)에 부착되어 있고, 스템(13)에는 적외선 창이 뚫려 있어 적외선이 기판(1)으로 입사된다.

그리고, 스템(13)에 형성된 핀(16)과 소자의 금속 패드(6)가 도선에 의해 전기적으로 연결된다.

본 발명 제 2 실시예는 기판(1) 하부에 형성된 무반사층(17)이 캡(cap)(18)에 부착되어 있고, 캡(18)에는 적외선 창이 뚫려 있어 기판(1)으로 적외선이 입사된다.

제 2 실시예에서는 소자의 흡수체가 스템(13)을 향하여 형성되어 있고, 스템(13)과 전극 패드(6) 사이에는 소자를 지지해 줄 수 있는 지지체가 형성되어 있다.

이 지지체는 절연 포스트(post)(15) 위에 금속층(14)이 형성된 구조로 이루어지며, 스템(13)에 형성된 핀(16)과 금속층(14)이 도선에 의해 전기적으로 연결된다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 제작 과정은 다음과 같다.

본 발명 제 1 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이 먼저, 적외선 필터로 사용되는 실리콘 기판(1) 위에 습식 식각 및 건식 식각으로 제거가 용이한 희생층을 증착하고 패터닝한다.

그 다음 공정으로 희생층을 포함한 실리콘 기판(1) 전면에 Si₃N₄나 SiO₂와 같은 절연막(2)을 증착하고, 절연막(2) 위에 저항체 박막(5)을 증착한 다음, 원하는 저항값을 얻기 위하여 식각 공정을 이용하여 패터닝한다.

이어, 저항체 박막(5)을 형성한 다음, 저항체 박막(5)을 보호하기 위하여 Si₃N_4, SiO_2, 폴리이미드(polyimide) 등의 패시베이션막(7)을 증착한다.

그리고, 저항체 박막(5)과 전기적으로 연결하기 위하여 패시베이션막(7)을 패터닝하여 콘택 홀(contact hole)을 형성하고, 금속 박막을 증착 및 패터닝하여 전극 패드(6)를 형성한다.

이 후, 패시베이션막(7) 위에 적외선을 흡수하기 위한 흡수체(8)를 형성하고, 실리콘 기판(1)의 뒷면에 무반사막(17)을 코팅한 다음, 남아 있는 희생층을 제거하여 볼로미터 칩을 제작한다.

제작한 볼로미터 칩은 TO-5와 같은 금속 패키지에 내장하고, 적외선 창이 뚫려 있는 스템(13)과는 전기적으로 절연되어 있는 핀(16)과 볼로미터 칩의 전극 패드(6)를 와이어로 본딩하여 전기적으로 연결시킨다.

그리고, 캡(18)을 스템(13)과 웰딩(welding)하여 벌크 마이크로머시닝 기술 을 이용한 적외선 볼로미터를 제작한다.

이 때, 적외선은 적외선 창이 뚫려 있는 밑 부분에서 입사된다.

한편, 본 발명 제 2 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이 적외선을 패키지의 윗부분에서 입사할 수 있는 방법으로서, 제작 방법은 본 발명 제 1 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

제작한 볼로미터 칩을 TO-5와 같은 금속 패키지에 내장하는 방법은 먼저, 스템(13)과는 전기적으로 절연되고 상부에 금속층(14)이 형성된 절연 포스트(post)(15)에 볼로미터 칩의 전극 패드(6)를 도전성 페이스트(paste)로 붙이고, 금속층(14)과 스템(13)의 핀(16)을 와이어 본딩(wire bonding)하여 전기적으로 연결시킨다.

그리고, 적외선 창이 뚫려 있는 캡(cap)(18)을 스템(13)과 웰딩(welding)하여 볼로미터형 적외선 센서를 제작한다.

도 5는 본 발명에 따른 볼로미터를 이용한 적외선 검출 방법을 보여주는 회로도로서, 도 5에 도시된 바와 같이 볼로미터 소자에 인가되는 직류전원(19)과 2개의 소자가 내장된 볼로미터(20)와 저항(21,22) 2개를 연결하여 휘트스톤 브릿지(wheatstone bridge)를 구성한다.

그리고, 휘트스톤 브릿지로부터 나온 2개의 출력전압 V1과 V2를 차동 증폭하는 증폭 회로(23)로 간단히 구성된다.

따라서, 차동증폭회로를 통해 나오는 출력전압 V3는 입사되는 적외선을 받지 않는 보상소자에 의해 주위 환경 변화에 의한 영향을 상쇄한 출력을 얻게 된다.

본 발명에 따른 마이크로 볼로미터에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 저항체와 적외선 필터가 집적되어 있기 때문에 공정이 간단하여 공정 단가를 낮추고 수율을 높일 수 있으며, 적외선의 입사량을 최대로 높일 수 있는 구조이므로 감도를 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 볼로미터를 이용하여 적외선 영상 소자, 보안, 화재경보, 의료열상, 전자레인지의 자동요리, 에어컨의 인체 위치 파악 등에도 이용할 수 있어 고기능, 고부가가치의 제품을 창출할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 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 (6)

1. 기판;

   상기 기판 하부에 형성되는 무반사막;

   상기 기판 상부의 중앙영역에 일정 공간을 두고 상기 기판 상부에 형성되는 제 1 절연막;

   상기 제 1 절연막 위에 형성되는 저항체;

   상기 저항체 위에 형성되는 제 2 절연막;

   상기 제 2 절연막 위에 형성되는 흡수체; 그리고,

   상기 흡수체 양측의 기판 위에 형성되는 전극 패드들로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 무반사막 위에 형성되고, 외부와의 전기적 연결을 위한 핀들을 갖는 스템;

   상기 기판 상부를 감싸도록 상기 스템 상부에 형성되는 캡; 그리고,

   상기 전극 패드들과 상기 핀들을 각각 전기적으로 연결시켜주는 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 스템은 상기 무반사막의 일부가 노출되도록 창이 형 성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
4. 제 1 항에 있어서,

   외부와의 전기적 연결을 위한 핀들을 갖는 스템;

   상기 스템 위에 형성되어 상기 전극 패드들을 각각 지지해주는 지지체들;

   상기 기판을 감싸도록 상기 스템 상부에 형성되고, 상기 무반사막에 부착되는 캡; 그리고,

   상기 지지체들과 상기 핀들을 각각 전기적으로 연결시켜주는 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 캡은 상기 무반사막의 일부가 노출되도록 창이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 지지체의 표면 위에는 금속층이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.

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