KR101331996B1 - 써모파일 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

써모파일 센서 및 그 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 관점에 따른 써모파일 센서는, 기판과 상기 기판 상에 제공되고 서로 전기적으로 연결된 n형 열전필라 및 p형 열전필라를 각각 포함하는 적어도 하나의 필라형 써모파일을 포함한다. 적외선 흡수층은 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 상에 절연되게 배치된다.

Description

써모파일 센서 및 그 제조방법{Thermopile sensor and method of fabricating the same}
본 발명은 전자 센서에 관한 것으로서, 특히 열전소자를 이용한 써모파일 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 써모파일 센서는 열전소자 내 온도차를 이용하여 전력을 발생시키거나 또는 열전소자에 전력을 인가하여 히트싱크 역할을 하는 장치로, 각종 전자제품에 다양한 방식으로 이용된다. 예를 들어, 써모파일 센서는 발전기, 적외선 센서, 적외선 영상장치, 온도측정기, 쿨러 등 다양한 용도로 사용될 수 있다. 최근 전자제품의 소형화 경향에 따라 이러한 전자제품에 이용되는 써모파일 센서 역시 그 크기가 작아질 필요가 있다.
하지만, 종래와 같은 평면 배치 타입의 써모파일 센서는 그 집적도가 낮아서 소형화에 어려움이 있다. 또한, 유사한 용도로 사용되는 볼로미터(bolometer)는 소형화에는 유리하지만 저항이 커서 노이즈가 크고 자가발열(self-heating)에 의해서 열감지 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 자가발열이 적으면서 소형화에 유리한 써모파일 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 써모파일 센서가 제공된다. 기판이 제공되고, 적어도 하나의 필라형 써모파일은 상기 기판 상에 제공되고, 서로 전기적으로 연결된 n형 열전필라 및 p형 열전필라를 각각 포함한다. 적외선 흡수층은 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 상에 절연되게 배치된다.
상기 써모파일 센서는, 상기 적외선 흡수층 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 사이에 개재된 상부 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 써모파일 센서는, 적어도 상기 n형 열전필라 및 상기 p형 열전필라 사이를 채우는 갭필 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 써모파일 센서에 있어서, 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일은 서로 직렬로 연결된 복수의 필라형 써모파일들을 포함하고, 상기 갭필 절연층은 적어도 상기 복수의 필라형 써모파일들의 사이를 더 채울 수 있다. 나아가, 상기 갭필 절연층은 상기 복수의 필라형 써모파일들의 최외측벽을 노출하거나 또는 상기 복수의 필라형 써모파일들을 둘러싸도록 제공될 수 있다.
상기 써모파일 센서는, 각 필라형 써모파일 내의 상기 n형 열전필라와 상기 p형 열전필라의 일단들을 서로 연결하는 도전성 제 1 연결층, 및 상기 복수의 필라형 써모파일들 내의 인접한 필라형 써모파일들의 상기 n형 열전필라와 상기 p형 열전필라의 타단들을 서로 연결하는 도전성 제 2 연결층을 더 포함할 수 있다.
상기 써모파일 센서에 있어서, 상기 기판은 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일에 연결된 판독집적회로(ROIC)를 포함할 수 있다.
상기 써모파일 센서는, 상기 기판 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 사이에 개재된 인터포저를 더 포함하고, 상기 판독집적회로(ROIC) 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일은 상기 인터포저를 관통하는 관통 비어를 통해서 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 써모파일 센서의 제조방법이 제공된다. 기판 상에 갭필 절연층을 형성한다. 상기 갭필 절연층을 관통하는 적어도 한 쌍의 홀들을 형성한다. 상기 적어도 한 쌍의 홀들을 채우는 n형 열전필라 및 p형 열전필라를 포함하는 적어도 하나의 필라형 써모파일을 형성한다. 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 상에 절연되게 적외선 흡수층을 형성한다. 상기 갭필 절연층의 적어도 일부를 제거한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 갭필 절연층의 적어도 일부를 제거하는 단계는, 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일의 최외측벽을 노출하도록 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서에 따르면, 필라형 써모파일들을 이용함으로써 소형화가 가능하고, 열전소자들을 이용함으로써 자가발열 문제로부터 자유로울 수 있다. 이러한 효과는 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써모파일 센서를 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 써모파일 센서들을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 써모파일 센서들의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 필라형(pillar-type) 써모파일들(130)이 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 기판(100)은 반도체 웨이퍼, 유리 기판, 플렉서블 기판 등 다양한 형상의 다양한 물질을 포함할 수 있다. 필라형 써모파일들(130)은 기판(100) 상에 평면형으로 배치되기 보다는 기판(100) 상에 필라 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 필라형 써모파일들(130)은 기판(100) 상에 수직 구조로 배치될 수 있다.
각 필라형 써모파일(130)은 서로 전기적으로 연결된 p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)를 포함할 수 있다. p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)는 열에너지와 전기에너지를 변환하는 반도체 소자로 이용될 수 있다. 예를 들어, p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)는 양단부에 온도차가 발생되면 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 이러한 전기에너지는 발전에 사용될 수도 있고, 온도 측정에 사용될 수도 있다. 또한, 이러한 전기에너지의 분포를 이용하여 이미지를 구현할 수도 있다.
예를 들어, p형 열전필라(132)는 안티모니텔루라이드(Sb2Te3), 비스무스 도핑 안티모니텔루라이드 (Bix2-xSb2-xTe3, x=0~1), p-도핑 실리콘(p-doped Si), p-도핑 게르마늄(p-doped Ge) 및 p-도핑 실리콘게르마늄(p-doped SiGe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. n형 열전필라(134)는 비스무스텔루라이드(Bi2Te3), 셀렌 도핑 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3-xSex, x=0.2~0.4), 리드텔루라이드(PbTe), n 도핑 실리콘(n-doped Si), n 도핑 게르마늄(n-doped Ge) 및 n 도핑 실리콘게르마늄(n-doped SiGe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)는 기판(100) 상에 평면 형태로 배치되지 않고 수직 구조로 배치될 수 있다. 이와 같이, p형 열전필라(132)와 n형 열전필라(134)가 수직 구조로 배치됨에 따라, 이들이 기판(100) 상에 조밀하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 필라형 써모파일(130)이 기판(100) 상에서 차지하는 면적이 작아지고, 전체 센서의 소형화가 가능해진다.
한편, p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)는 전기에너지를 증폭하기 위해서 서로 직렬 연결되어 써모파일(130)을 구성할 수 있다. 예를 들어, p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)는 도전성 제 1 연결층(142)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제 1 연결층(142)은 p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)의 일단, 예컨대 상단들을 연결하도록 제공될 수 있다. 이 실시예의 변형된 예에서, 도 1과 달리, 제 1 연결층(142)이 p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)의 하단들을 연결하도록 변형될 수도 있다. 이 실시예의 다른 변형된 예에서, p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)는 제 1 연결층(142) 없이 직접 연결될 수도 있다.
전기에너지를 보다 증폭하기 위해서 복수의 필라형 써모파일들(130)이 기판(100) 상에서 직렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 필라형 써모파일(130) 내의 p형 열전필라(132)는 인접한 다른 필라형 써모파일(130) 내의 n형 열전필라(134)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 전체 센서 구조에서 n형 열전필라(134)와 p형 열전필라(132)가 교대로 연결될 수 있다. 도 1에서 써모파일들(130)은 2개가 도시되었지만, 이는 예시적인 것이고 써모파일들(130)의 수는 증폭하고자 하는 기전력 값에 따라서 적절하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 써모파일들(130)은 도전성 제 2 연결층(144)을 통해서 연결될 수 있다. 예컨대, 제 2 연결층(144)은 p형 및 n형 열전필라들(132, 134)의 타단, 예컨대 하단들을 연결하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 연결층(142) 및 제 2 연결층(144)은 적절한 도전체, 예컨대 도전성 금속, 도전성 세라믹, 도전성 폴리머 등을 포함할 수 있다.
이 실시예의 변형된 예에서, 도 1과 달리, 제 1 연결층(142)이 p형 열전필라(132) 및 n형 열전필라(134)의 하단들을 연결하도록 변형된 경우, 제 2 연결층(144)은 이들의 상단들을 연경하도록 변형될 수도 있다. 즉, 제 1 연결층(142)과 제 2 연결층(144)은 임의의 순서로 상단과 하단을 번갈아 가며 배치될 수 있다.
적외선 흡수층(155)은 써모파일(130) 상에 배치될 수 있다. 적외선 흡수층(155)은 적외선을 흡수율이 높은 재질을 포함할 수 있고, 예컨대 페인트, 폴리머, 블랙 골드(black gold), 블랙 카본(black carbon), 카본나노튜브(carbon nano-tube), 금속 산화막 또는 금속 질화막 등을 이용하여 형성된 흑색층을 포함할 수 있다. 부가적으로, 상부 절연층(150)은 써모파일(130)과 적외선 흡수층(155)을 절연시키기 위해서 둘 사이에 개재될 수 있다. 상부 절연층(150)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 폴리이미드와 같은 다양한 절연물을 포함할 수 있다.
전술한 써모파일 센서에 의하면, 외부의 적외선이 적외선 흡수층(155)을 통해서 써모파일들(130)에 전달되어 써모파일들(130)의 상단부가 가열될 수 있다. 이에 따라, 써모파일들(130)의 상단부가 상대적으로 고온부가 되고, 그 하단부가 저온부가 될 수 있다. 이에 따라, 제벡(seebeck) 효과에 의해서, 써모파일들(130) 내에 기전력이 발생될 수 있다. 제벡 계수는 실리콘의 경우 p/n형에 따라 대략 ㅁ400uV/K이고 비스무스텔루라이드는 대략 -200uV/K, 안티모니텔루라이드는 대략 185uV/K이다.
보다 구체적으로 보면, 제벡 효과에 의해서 p형 열전필라들(132)의 상단이 +극이 되고 하단이 -극이 되고, n형 열전필라들(134)의 상단이 -극이 되고 하단이 +극이 된다. 이에 따라, p형 열전필라(132)와 n형 열전필라(134)를 교대로 연결하면 기전력이 직렬 연결되어 증폭될 수 있다. 도 1에서 제 1 전극(102)은 +극이 되고, 제 2 전극(104)은 -극이 될 수 있다.
이러한 써모파일 센서를 이용하면 적외선, 특히 8 ~ 14 ㎛ 파장의 원적외선(FIR)을 감지하여 전기 신호를 만들어 낼 수 있다. 이러한 전기 신호는 발전, 온도 측정, 이미지 생성 등 다양한 용도로 이용될 수 있다. 아울러, 이러한 써모파일 센서는 필라형 써모파일들(130)을 이용함으로써 소형화가 가능하고, 열전소자들(132, 134)을 이용함으로써 볼로미터와 달리 자가발열을 없앨 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써모파일 센서를 보여주는 개략적인 단면도들이다. 이 실시예에 따른 써모파일 센서는 도 1의 써모파일 센서에 일부 구성을 더 부가한 것이고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 2를 참조하면, 기판(100)은 판독집적회로(read out integrated circuit; ROIC, 105)를 포함할 수 있다. 이러한 판독집적회로(105)를 포함하는 기판(100)은 ROIC 칩으로 불릴 수도 있다. 판독집적회로(105)는 적어도 제 1 전극(102) 및 제 2 전극(104)을 통해서 써모파일들(130)에 연결될 수 있다. 따라서, 판독집적회로(105)는 써모파일들(130)에서 생성된 기전력을 처리하도록 제공되거나 또는 써모파일들(130)을 제어하기 위해서 제공될 수 있다.
부가적으로, 인터포저(110)가 기판(100) 및 써모파일들(130) 사이에 개재될 수 있다. 판독집적회로(ROIC) 및 써모파일들(130)은 인터포저(110)를 관통하여 신장하는 관통 비어들(115)을 통해서 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 인터포저(110)는 관통 비어들(115) 및 이를 연결하는 배선 라인들을 포함하는 인쇄회로기판일 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 써모파일 센서들을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 갭필 절연층(120a)이 n형 열전필라들(134) 및 p형 열전필라들(132)의 사이를 채우도록 제공될 수 있다. 예컨대, 갭필 절연층(120a)은 써모파일들(130)의 사이를 채우고, 써모파일들(130)의 최외측벽을 노출하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 갭필 절연층(120a)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 폴리이미드와 같은 절연물을 포함할 수 있다. 예컨대, 실리콘 산화물은 화학기상증착(CVD)법으로 형성하거나 또는 스핀-온-글래스(SOG)계 물질을 스핀 코팅하여 형성할 수도 있다. 이러한 갭필 절연층(120a)은 필라 구조로 형성된 써모파일들(130)을 안정적으로 지지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 갭필 절연층(120a)은 써모파일들(130)의 측벽들을 전체적으로 둘러싸도록 제공될 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 써모파일 센서들의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 5를 참조하면, 기판(100) 상에 인터포저(110)를 결합하고, 이어서 그 위에 갭필 절연층(120)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 인터포저(110) 상에는 제 2 연결층들(144)이 배선 라인으로 미리 형성되거나 또는 기판(100)과 결합 후에 형성될 수 있다.
이어서, 갭필 절연층(120)을 포토리소그래피 기술을 이용하여 선택적으로 식각하여 갭필 절연층(120)을 관통하는 홀들(122)을 형성할 수 있다. 홀들(122)은 제 2 연결층들(144)의 적어도 일부를 노출하도록 정렬될 수 있다.
도 6을 참조하면, 홀들(122)을 매립하도록 p형 열전필라들(132) 및 n형 열전필라들(134)을 형성할 수 있다. 이어서, 제 2 연결층들(144)과 교대로 배치되게 p형 열전필라들(132) 및 n형 열전필라들(134)의 상단들을 연결하도록 제 1 연결층들(142)을 형성하여 써모파일들(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 연결층들(142)은 도전층 형성 및 패터닝 공정을 통해서 형성할 수 있다.
이 실시예의 변형된 예에서, p형 열전필라들(132) 및 n형 열전필라들(134)을 분리해서 형성할 수 있고, 이 경우 홀들(122)도 두 번에 나누어서 형성할 수 있다. 예를 들어, 홀들(122)의 일부를 형성한 후 이를 매립하는 p형 열전필라들(132)을 형성하고, 다시 홀들(122)의 나머지를 형성한 후 이를 매립하는 n형 열전필라들(134)을 형성할 수 있다. 반대로, n형 열전필라들(134)을 먼저 형성하고, p형 열전필라들(132)을 형성하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인터포저(110) 상에 p형 열전필라들(132) 및 n형 열전필라들(134)을 먼저 형성하고, 이어서 이들을 덮도록 갭필 절연층(120)을 형성할 수도 있다. 갭필 절연층(120)은 p형 열전필라들(132) 및 n형 열전필라들(134)의 상단을 노출하도록 평탄화 되고, 이어서 제 1 연결층들(142)이 그 위에 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 써모파일들(130) 상에 상부 절연층(150)을 형성하고, 상부 절연층(150) 상에 적외선 흡수층(155)을 형성할 수 있다.
선택적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 갭필 절연층(120a)은 써모파일들(130)의 최외곽을 노출하도록 형성될 수 있다. 예를 듣어, 도 7의 갭필 절연층(120)의 외측을 식각하여, 써모파일들(130) 내부를 채우고 최외곽을 노출하는 갭필 절연층(120a)을 형성할 수 있다. 부가적으로, 이 실시예의 변형된 예에서, 갭필 절연층(120a)을 모두 제거할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인터포저(110) 상에 p형 열전필라들(132) 및 n형 열전필라들(134)을 먼저 형성하고, 이어서 이들을 덮도록 갭필 절연층(120)을 형성할 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 기판 102, 104: 전극
105: 판독집적회로 110: 인터포저
115: 관통 비어 120, 120a: 갭필 절연층
130: 써모파일 132: p형 열전필라
134: n형 열전필라 142, 144: 연결층
150: 상부 절연층 155: 적외선 흡수층

Claims (12)

  1. 기판;
    서로 전기적으로 연결된 n형 열전필라 및 p형 열전필라를 각각 포함하는, 상기 기판 상의 적어도 하나의 필라형 써모파일; 및
    상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 상에 절연되게 배치된 적외선 흡수층;
    을 포함하고,
    상기 기판은 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일에 연결된 판독집적회로(ROIC)를 포함하고,
    상기 기판 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 사이에 개재된 인터포저를 더 포함하고,
    상기 판독집적회로(ROIC) 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일은 상기 인터포저를 관통하는 관통 비어를 통해서 전기적으로 연결되는, 써모파일 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 흡수층 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 사이에 개재된 상부 절연층을 더 포함하는, 써모파일 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 적어도 상기 n형 열전필라 및 상기 p형 열전필라 사이를 채우는 갭필 절연층을 더 포함하는, 써모파일 센서.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일은 서로 직렬로 연결된 복수의 필라형 써모파일들을 포함하고,
    상기 갭필 절연층은 적어도 상기 복수의 필라형 써모파일들의 사이를 더 채우는, 써모파일 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 갭필 절연층은 상기 복수의 필라형 써모파일들의 최외측벽을 노출하는, 써모파일 센서.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 갭필 절연층은 상기 복수의 필라형 써모파일들을 둘러싸는, 써모파일 센서.
  7. 제 4 항에 있어서, 각 필라형 써모파일 내의 상기 n형 열전필라와 상기 p형 열전필라의 일단들을 서로 연결하는 도전성 제 1 연결층; 및
    상기 복수의 필라형 써모파일들 내의 인접한 필라형 써모파일들의 상기 n형 열전필라와 상기 p형 열전필라의 타단들을 서로 연결하는 도전성 제 2 연결층을 더 포함하는, 써모파일 센서.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 갭필 절연층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 폴리이미드를 포함하는, 써모파일 센서.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 기판 상에 갭필 절연층을 형성하는 단계;
    상기 갭필 절연층을 관통하는 적어도 한 쌍의 홀들을 형성하는 단계;
    상기 적어도 한 쌍의 홀들을 채우는 n형 열전필라 및 p형 열전필라를 포함하는 적어도 하나의 필라형 써모파일을 형성하는 단계;
    상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 상에 절연되게 적외선 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 갭필 절연층의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 기판은 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일에 연결된 판독집적회로(ROIC)를 포함하고,
    상기 기판 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일 사이에 개재된 인터포저를 더 포함하고,
    상기 판독집적회로(ROIC) 및 상기 적어도 하나의 필라형 써모파일은 상기 인터포저를 관통하는 관통 비어를 통해서 전기적으로 연결되는, 써모파일 센서의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 갭필 절연층의 적어도 일부를 제거하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 필라형 써모파일의 최외측벽을 노출하도록 수행하는, 써모파일 센서의 제조방법.
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