KR100658114B1 - 적외선 흡수층 구조와 형성 방법 및 이를 이용한 비냉각형적외선 감지소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적외선 흡수, 감지, 열적고립구조를 위한 지지층이 일체화된 적외선 흡수 구조를 갖는 비냉각형 적외선 감지소자에 대한 것이다. 비냉각형 적외선 감지소자의 특성을 향상시키기 위해서는 입사되는 적외선을 고효율로 흡수하는 적외선 흡수층이 필수적이다. 본 발명의 일체화된 흡수층을 갖는 적외선 감지소자는 흡수구조에 적외선 감지막, 감지막 보호층, 열적 고립구조를 위한 지지층, 유전체층 등이 포함된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 특징으로 인해 기존의 금속/유전체/금속 구조의 흡수층보다 훨씬 작은 열질량으로 고효율의 적외선 흡수가 가능하며 air cavity λ/4 구조보다 공정상의 오류로 인해 생기는 floating 구조의 왜곡에 상관없이 고효율의 적외선 흡수가 가능하다.
적외선 흡수층, 비냉각형 적외선 소자, 실리콘, λ/4
Description
도 1은 본 발명에서 제안한 흡수층, 감지층, 지지층이 일체화된 λ/4 흡수 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 기존의 폴리이미드를 이용한 적외선 흡수층을 갖는 몸체 미세 가공된(bulk micromachined) 적외선 소자 구조의 모식도이다.
도 3은 실리콘을 포함한 일체화된 낮은 열질량의 적외선 흡수구조를 갖는 몸체 미세 가공된(bulk micromachined) 적외선 소자 구조의 모식도이다.
도 4는 λ/4 air cavity 흡수층 구조를 갖는 표면 미세 가공된(surface micromachined) 적외선 소자 구조의 모식도이다.
도 5는 희생층 제거 후에 생길 수 있는 floating structure의 왜곡으로 인한 λ/4 air cavity 흡수층 구조의 변형을 보여주는 모식도이다.
도 6은 희생층 제거 후의 floating structure의 왜곡에 상관없이 고효율의 적외선 흡수율을 보여주는 실리콘을 포함한 일체화된 적외선 흡수 구조를 갖는 표면 미세 가공된(surface micromachined) 적외선 소자의 모식도이다.
<발명의 주요부호의 설명>
100 : 반사층 110 : 지지층
120 : 감지층 130 : 보호층
140 : 유전체층 150 : 반투과막
150 : λ/4 구조
본 발명은 비냉각 적외선 감지소자의 특성을 향상시킬 수 있는 낮은 열질량을 가지며 고효율의 적외선 흡수율을 갖는 흡수층이 일체화된 적외선 감지소자의 구조 및 이를 이용한 비냉각형 적외선 감지소자에 대한 것이다.
비냉각형 적외선 감지소자로 응용되고 있는 파이로일렉트릭(pyroelectric), 볼로메타(bolometer), 써모파일(thermopile) 등은 열형 감지소자(thermal detector)로서 입사하는 적외선의 열에너지(thermal energy)에 의해 물질의 물리적 특성 변화를 전기적 신호화 하여 적외선을 감지한다. 따라서 높은 적외선 감도를 갖는 소자를 제작하기 위해서는 입사하는 적외선의 흡수율을 높여 감지물질의 물리적 특성변화를 크게 하는 것이 필수적이다.
현재까지 개발된 적외선 흡수 방법은 골드블랙(gold black), 플래티늄 블랙(platinum black) 등의 적외선 흡수물질을 이용하는 방법과 λ/4 옵티컬뎁스(optical depth)를 이용하여 적외선을 공진시켜 흡수하는 방법이 사용되고 있다. 메탈 블랙 (metal black)을 사용하는 방법은 90%이상의 높은 적외선 흡수율을 얻을 수 있으나, 흡수층의 두께가 수 내지 수십 마이크로미터도 두꺼우며 따라서 물질의 특성상 패턴닝 등의 문제점등으로 인해 실제 소자 및 적외선 영상 소자를 위한 FPA(focal plane array) 적용에 어려움이 있다.
λ/4의 공진구조를 이용하는 방법 중의 하나는 도 2와 같이 금속 반투과막/폴리이미드/반사막 구조의 흡수층 구조를 적외선 감지부의 윗단에 형성시켜 적외선을 흡수하는 것으로 몸체 미세 가공(bulk micromachining) 방법에 의해 제조되는 적외선 소자에 일반적으로 적용되어 왔다. 이때 유전체로는 폴리이미드 또는 굴절률이 큰 실리콘, 게르마늄을 사용하는 방법이 일본특허공개 평13-116616, 일본특허공개 평13-153722 및 일본특허공개 평14-054995에 개시되어 있다. 그러나 이러한 흡수층 구조는 metal black 흡수층에 가까운 90% 이상의 적외선 흡수율을 갖지만, 폴리이미드의 경우 두께가 약 1.6 마이크로미터 정도로 두꺼우며 폴리이미드의 specific heat capacity도 약 1100 J/K/㎏ 으로 높은 편으로 매우 큰 열질량(thermal mass)의 증가를 초래하며 이러한 열질량의 증가는 적외선 소자의 특성 향상을 저해하는 요소로 작용한다. 굴절률이 큰 실리콘 또는 게르마늄을 사용하는 경우도 비록 폴리이미드보다 두께는 감소시킬 수 있지만 역시 실리콘 또는 게르마늄의 사용으로 인한 열질량의 증가를 최소화하는 것이 필요하다.
λ/4의 공진구조를 이용하는 다른 방법은 도 4와 같이 표면미세 가공(surface micromachining) 방법을 이용하여 열적고립구조를 위한 플로팅(floating) 높이를 검출하고자 하는 10㎛ 파장의 λ/4 인 2.5㎛로 하여 λ/4 에어캐비티(air cavity)를 형 성하여 적외선을 흡수하는 방법이다. 이 방법은 특별한 흡수층의 형성없이 플로팅 구조 자체를 이용하여 적외선을 흡수하므로 어떤 열질량의 증가 없이도 적외선의 흡수율을 향상시킬 수 있는 방법이지만 표면미세 가공에서 희생층 제거후 자주 발생하는 플로팅 구조의 왜곡으로 인해 적외선 흡수율의 감소를 초래할 수 있으며 이런 방법은 소자 제조공정의 재현성, 유니포머티(uniformity) 등에 크게 의존하며 FPA 적용시 개별 소자의 특성저하로 인한 소자 전체의 유니포머티 문제 등을 초래할 수 있다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기존 개발되어 몸체미세가공 기술방법으로 제작되는 소자에 적외선 흡수층으로 사용되는 금속/유전체/금속 흡수층 구조의 문제점인 높은 열질량의 증가 문제를 해결함과 동시에 90% 이상의 높은 적외선 흡수율을 갖는 새로운 흡수 구조를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 표면미세가공법에 의해 제조되는 λ/4 에어캐비티(air cavity)의 흡수층 구조에서 발생되는 플로팅(floating) 구조의 왜곡으로 인한 적외선 흡수율의 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 구조의 비냉각형 적외선 감지소자용 고효율 적외선 흡수구조를 갖는 적외선 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 대하여 그 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 흡수층 구조는 도 1과 같이 반사층(100)과, 열적 고립구조를 위한 지지층(110), 적외선 감지를 위한 감지층(120), 소자의 보호를 위한 보호층(130)이 유전체층(140)과 함께 λ/4 구조(160)에 일체화된 것을 특징으로 한다.
흡수층 구조의 형성방법은 다음과 같다.
먼저 적외선 반사를 위한 금속 반사층(100)을 형성시킨 후 열적고립구조를 위한 지지층(110)을 증착한다. 이때 지지층(110)은 실리콘 질화막이나 산화막 또는 산화질화막(SiOxNy)등이 사용될 수 있으며, 열적 고립구조를 위한 벌크에칭 또는 희생층 제거공정에서 발생할 수 있는 금속 반사층의 열화를 방지하기 위해 반사층 증착전에 보호막을 형성시킬 수 있다.
다음에 금속 접촉을 위한 금속박막이 증착되고 패턴닝되며, 적외선 감지층(120)이 증착된 후 패턴닝된다. 이때 증착되는 적외선 감지층(120)은 파이로일렉트릭 (pyroelectric), 볼로메타(bolometer), 써모파일(thermopile) 등의 물질이 사용될 수 있으며 감지층(120)의 패턴닝 공정시 특성저하를 방지하기 위해 얇은 보호막을 형성시킨 후 패턴닝 공정을 진행할 수 있다.
다음으로 소자 보호를 위한 보호층(130)이 증착된후 지지층(100)과 함께 패턴닝 되며, 유전체층(140)을 증착한 후 금속 반투과막(150)이 증착되어 유전체층(140)과 함께 패턴닝된다. 이때 증착되는 유전체층(140)은 실리콘으로 하여 적외선 소자가 제작되는 공정 온도등을 고려하여 LPCVD, PECVD등으로 증착된 다결정 실리콘이나 스퍼터링, 저온 PECVD등로 증착 가능한 비정질 실리콘이 사용될 수 있으며 열적고립구조를 위한 벌크 에칭 또는 희생층 제거 공정에서 발생할 수 있는 금속 반투과막의 열화방지를 위한 매우 얇은 보호막을 금속반투과막 위에 형성시킬 수 있다.
이와같이 지지층(110), 감지층(120), 보호층(130) 및 유전체층(140)이 일체화된 흡수구조를 형성시킨 후 소자 제작공정에 따라 몸체미세가공기술을 사용하는 경우는 벌크 에칭을 통해 표면미세가공기술을 사용하는 경우는 희생층 제거를 통해 열적고립구조와 높은 적외선 흡수율을 갖는 비냉각형 적외선 감지소자의 제조가 가능하다.
도 3은 이러한 일체화된 흡수 구조를 몸체미세가공기술에 의해 제작된 비냉각형 적외선 감지소자에 적용된 모식도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 비냉각형 적외선 감지소자는 실리콘(300)상에 형성된 열적고립구조(310)의 상측에 반사층(100), 지지층(110), 감지층(120), 보호층(130), 유전체층(140), 반투과막(140)의 순으로 형성되고, 상기 지지층(110), 감지층(120), 보호층(130) 및 유전체층(140)을 일체화 한 λ/4 구조로 된 본 발명의 적외선 흡수층 구조가 형성되는 구성이다.
상기 본 발명과 같이 지지층, 흡수층, 보호층을 흡수구조에 포함시킨 구조를 사용함으로써 도 2의 종래의 구조보다 흡수층의 두께를 크게 감소시킬 수 있으며 흡수층으로 인한 열질량의 증가도 최소화할 수 있다.
여기에서 유전체층(140)에 사용되는 실리콘은 그 두께가 0.7㎛ 보다 작고, 678 J/K/㎏의 저 열질량의 특성을 나타낸다.
도 4는 표면미세가공기술에 의해 제작된 기존의 λ/4 2.5 ㎛ 에어캐비티(air cavity) 흡수구조를 나타낸 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 실리콘기판(450)의 상측에 반사층(400)이 형성되고, 상기 반사층(400)으로부터 최장 높이가 2.5㎛ 인 열적고립구조와 λ/4 에어캐비티(440)가 형성되고, λ/4 에어캐비티(440)를 둘러싸며 형성되는 보호층(420)과 보호층(420) 내에 형성되는 감지층(410)으로 구성된 것이다.
도 5는 상기 도 4의 흡수구조에서 희생층 제거시 발생할 수 있는 구조의 왜곡으로 인해 적외선 흡수율의 감소를 초래할 수 있음을 나타내 주고 있다.
도 6은 본 발명의 일체화된 흡수구조를 표면미세가공기술에 의해 제작된 비냉각형 적외선 감지소자에 적용한 모식도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 표면미세가공기술에 의해 제작된 비냉각형 적외선 감지소자는 실리콘기판(680)과, 상기 실리콘기판(680)의 상측에 보호막으로 둘러싸인 열적고립구조(670)와, 상기 실리콘기판(680)과 대향되는 열적고립구조(670)의 상측에 형성되는 반사층(600), 상기 반사층(600)의 상측에 형성되는 지지층(610), 상기 지지층(610)의 상측에 형성되는 감지층(620), 상기 감지층(620)의 상측에 형성되는 보호층(630), 상기 보호층(630)의 상측에 형성되는 유전체층(640) 및 상기 유전체층(640)의 상측에 형성되는 반투과막(650)으로 구성되고, 상기 지지층(610), 감지층(620), 보호층(630) 및 유전체층(640)을 일체화 한 λ/4 구조로 된 본 발명의 적외선 흡수구조가 형성되는 구성이다.
이와 같은 본 발명의 흡수구조는 에어캐비티(air cavity)의 높이에 상관없이 적외선 흡수가 이루어지므로 공정상의 변수에 무관하게 높은 적외선흡수율을 높은 재현성 및 FPA 적용시 좋은 유니포머티(uniformity)를 갖는 소자의 제작이 가능하다. 이 구조에서 에어캐비티(air cavity)는 단지 열적고립구조의 기능을 수행한다.
비냉각형 적외선 감지소자에 본 발명의 흡수층 구조를 적용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 흡수층 구조에 지지층, 적외선 감지층, 보호층 및 유전체층을 일체화 시킨 구조를 사용함으로써 전체 흡수층의 두께 및 열질량의 증가를 최소화시킬 수 있으며,
둘째, 기존에 λ/4 air cavity에서 floating 구조의 왜곡으로 인해 생기는 적외선 흡수율의 저하와 이로 인한 소자의 특성저하 문제가 생기지 않으며,
셋째, 본 구조의 흡수층은 몸체 미세가공, 또는 표면미세 가공법 등 어떤 소자 제조방법에도 적용 가능하다는 장점이 있다. 또한 이러한 흡수층 및 흡수층 구조를 비냉각 적외선 감지소자에 이용함으로써 향상된 감지도(detectivity)를 갖는 비냉각형 적외선 감지소자의 제조가 가능하다.
Claims (16)
- 적외선 흡수층 구조에 있어서,상기 흡수층은 지지층과,상기 지지층의 상측에 형성되는 감지층과,상기 감지층의 상측에 형성되는 소자를 보호하기 위한 보호층과,상기 보호층의 상측에 형성되는 유전체층을 구비하고,상기 지지층, 감지층, 보호층 및 유전체층이 일체화된 λ/4 구조이고,상기 지지층의 하부에는 적외선 반사층이 형성되어 있고, 상기 유전체층의 상측에는 반투과막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조.
- 청구항 1에 있어서,상기 유전체층은 실리콘으로 형성되고,상기 실리콘은 적용되는 소자 제조 방법에 따라 저온 제조공정에서는 비정질 실리콘, 고온 제조공정에서는 다결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조.
- 청구항 2에 있어서,상기 실리콘은 굴절률이 3 이상이고, 열질량이 678J/K/Kg인 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조.
- ( 삭 제 )
- 청구항 1에 있어서,상기 반투과막 및 반사층에 얇은 보호막이 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조.
- 적외선 흡수층을 포함하는 비냉각형 적외선 소자에 있어서,상기 흡수층은 지지층과,상기 지지층의 상측에 형성되는 감지층과,상기 감지층의 상측에 형성되는 소자를 보호하기 위한 보호층과,상기 보호층의 상측에 형성되는 유전체층을 구비하고,상기 지지층, 감지층, 보호층 및 유전체층이 일체화된 λ/4 구조인 것을 특징으로 하는 비냉각형 적외선 소자.
- 청구항 6에 있어서,상기 유전체층은 실리콘으로 형성되고,상기 실리콘은 적용되는 소자 제조 방법에 따라 저온 제조공정에서는 비정질 실리콘, 고온 제조공정에서는 다결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 비냉각형 적외선 소자.
- 청구항 7에 있어서,상기 실리콘은 굴절률이 3 이상이고, 열질량이 678J/K/Kg인 것을 특징으로 하는 비냉각형 적외선 소자.
- 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지층의 하부에 적외선 반사층이 형성되고,상기 유전체층의 상측에 반투과막이 형성되는 것을 특징으로 하는 비냉각형 적외선 소자.
- 청구항 9에 있어서,상기 반투과막 및 반사층에 얇은 보호막이 형성되는 것을 특징으로 하는 비냉각형 적외선 소자.
- 적외선 흡수층 구조의 형성방법에 있어서,적외선 반사를 위한 금속 반사층을 형성시키는 단계와,상기 형성된 반사층 상측에 열적고립구조를 위한 지지층을 증착하는 단계와,금속 접촉을 위한 금속박막이 증착되고 패턴닝되고 적외선 감지층을 증착하는 단계와,상기 적외선 감지층의 상측에 소자의 보호를 위한 보호층을 형성하는 단계와,상기 보호층의 상측에 유전체층을 형성하는 단계와,상기 유전체층의 상측에 금속 반투과막을 형성하는 단계를 포함하고,상기 지지층, 감지층, 보호층 및 유전체층이 λ/4 구조에 일체화되도록 하는 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조의 형성방법.
- 청구항 11에 있어서,상기 유전체층은 실리콘으로 형성하고,상기 실리콘은 적외선 소자가 제작되는 공정이 고온일 경우 다결정 실리콘이나 스퍼터링을, 저온일 경우 비정질 실리콘이 사용되는 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조의 형성방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 실리콘은 굴절률이 3 이상이고, 열질량이 678J/K/Kg인 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조의 형성방법.
- 청구항 11에 있어서,열적 고립구조를 위한 에어캐비티(air cavity) 제작시 사용하는 벌크 에칭 또는 희생층 제거 공정에서 발생할 수 있는 상기 금속 반투과막의 열화방지를 위한 보 호막을 금속반투과막 위에 형성하는 단계를 더 포함하는 적외선 흡수층 구조의 형성방법.
- 청구항 11에 있어서,상시 지지층은 실리콘 질화막이나 산화막 또는 산화질화막(SiOxNy)이 사용될 수 있으며,열적 고립구조를 위한 에어캐비티(air cavity) 제작시 사용하는 벌크에칭 또는 희생층 제거공정에서 발생할 수 있는 금속 반사막의 열화를 방지하기 위해 반사막 증착전에 보호막을 형성시키는 단계를 더 포함하는 적외선 흡수층 구조의 형성방법.
- 청구항 11에 있어서,상기 적외선 감지층은 파이로일렉트릭 (pyroelectric), 볼로메타(bolometer) 또는 써모파일(thermopile) 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 적외선 흡수층 구조의 형성방법.
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