KR101408905B1

KR101408905B1 - 고 응답 멤스 디바이스 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101408905B1
Application number: KR1020130045874A
Authority: KR
Inventors: 임성규; 김영수; 김한흥; 임부택; 김태현; 김경태; 황욱중
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-06-19

Abstract

본 발명은 픽셀의 구부러짐을 유발하지 않고 저항 균일도도 동등하게 유지하면서 열고립이 되는 고 응답 멤스 디바이스 및 그 제조방법을 위하여, 판독집적회로를 포함하는 하부 구조체, 상기 하부 구조체와 서로 이격되고, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부를 구비하는, 상부 구조체 및 상기 적외선 감지부와 상기 판독집적회로를 전기적으로 연결하기 위한 레그부를 포함하고, 상기 레그부는, 열시상수 및 응답도를 조절하기 위하여, 적어도 하나 이상의 관통홀을 구비하는 멤스 디바이스 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

고 응답 멤스 디바이스 및 그 제조방법{Method for fabricating MEMS devices with high response}

본 발명은 높은 응답의 멤스 디바이스에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고 응답 멤스 디바이스 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 볼로미터(Bolometer)는 적외선에 의하여 변화된 소자의 온도를 저항의 변화를 이용하여 감지하는 방식의 소자를 말한다. 복사를 받으면 온도가 높아지고 이로 인하여 전기저항이 변화하는 성질의 금속이나 반도체를 검출체로 사용한다. 최근 볼로미터는 영상처리기술에도 널리 사용되고 있으며, 보다 우수한 해상도를 갖는 마이크로 볼로미터를 구현하기 위해서는 단위 면적에 보다 많은 마이크로 볼로미터들이 고집적 되어야 하고, 이를 구현하기 위해서는 각 마이크로 볼로미터에 포함된 배선 또는 마이크로 볼로미터 중 광이 입사되는 수광부의 면적 중 어느 하나를 감소시켜야한다.

그러나 고 응답 멤스 디바이스는 높은 해상도를 위하여 픽셀 어레이(Pixel array) 수를 계속 늘림에 따라 커지는 칩 면적을 해소하기 위해 픽셀 피치(Pixel pitch)를 50㎛ 내지 17㎛로 줄여 가고 있는 추세이다. 픽셀 피치가 줄어들면 열고립 구조의 성능 향상을 위해서 다리의 폭도 비례적으로 줄어야 하나, 이럴 경우 픽셀의 구부러짐 및 저항 균일도의 하락을 유발하므로 일정폭 이하로 줄이는 것이 불가능하다. 그러므로 다리의 폭은 일정하게 유지하면서 다리의 길이를 길게 하는 방법으로 구현하게 되는데, 이 경우는 픽셀의 필 팩터(fill factor)를 감소하게 되므로 전제 성능이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 픽셀의 구부러짐을 유발하지 않고, 저항 균일도를 동등하게 유지하면서, 열고립이 되는 고 응답 멤스 디바이스 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 판독집적회로(ROIC)를 포함하는 하부 구조체, 상기 하부 구조체와 서로 이격되고, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부를 구비하는 상부 구조체 및 상기 적외선 감지부와 상기 판독집적회로를 전기적으로 연결하기 위한 레그부를 포함하고, 상기 레그부는, 열시상수 및 응답도를 조절하기 위하여, 적어도 하나 이상의 관통홀을 구비하는 멤스 디바이스가 제공된다.

상기 레그부는 서로 이격된 복수의 관통홀들을 포함함으로써 메시 구조를 형성할 수 있다.

상기 레그부는 상기 적외선 감지부의 양측에 동일한 레벨로 평행하게 연장되어 형성될 수 있다.

상기 레그부는 금속을 포함할 수 있다.

상기 레그부의 일측과 연결되어 상기 판독집적회로와 전기적으로 연결되고, 상기 상부 구조체를 구조적으로 지지하는, 앵커부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 판독집적회로를 포함하는 하부 구조체를 형성하는 단계, 상기 하부 구조체와 서로 이격되고, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부를 구비하는 상부 구조체를 형성하는 단계 및 상기 적외선 감지부와 상기 판독집적회로를 전기적으로 연결하기 위한 레그부를 형성하는 단계, 열시상수 및 응답도를 조절하기 위하여, 상기 레그부에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계를 포함하는 멤스 디바이스의 제조방법 이 제공된다.

상기 상부 구조체를 형성하는 단계는 상기 하부 구조체 상에 희생층으로서 비정질 탄소막을 형성하는 단계, 상기 비정질 탄소막 상에 절연지지층을 형성하는 단계, 상기 절연지지층 상에 식각 보호막을 형성하고 상기 절연지지층 및 상기 비정질 탄소막을 한 번에 식각하여, 상기 절연지지층 및 상기 비정질 탄소막을 관통하여 상기 하부 구조체를 노출하는 비어홀들을 형성하는 단계, 상기 절연지지층 상에 적외선 감지부를 포함하는 상부 구조체를 형성하는 단계, 상기 절연지지층을 관통하는 적어도 하나의 제거홀을 형성하는 단계 및 상기 하부 구조체와 상기 상부 구조체가 서로 이격되어 배치되도록, 상기 제거홀들을 통해서 상기 비정질 탄소막을 모두 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 비어홀들을 형성하는 단계 후, 상기 비어홀들을 통해서 상기 판독집적회로와 연결되도록 상기 판독집적회로 상에 금속 앵커들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다리 면적의 일정 부분을 메시(mesh) 구조로 만들어 픽셀의 구부러짐을 유발하지 않고, 저항 균일도를 동등하게 유지하면서, 열고립이 되는 고 응답 멤스 디바이스 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 주요구성을 개요적으로 도시한 개념도이다.
도 3a 내지 3e는 본 발명의 실시예들에 따른 멤스 디바이스의 레그부를 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 제조방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스와 비교예의 적외선으로 인한 저항 변화 부분을 비교한 측정 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스와 비교예의 픽셀 피치별 필 팩터를 나타낸 도표이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 열분포를 나타낸 도면이다.

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 일실시예에 따른 멤스 디바이스를 도시하는 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 주요구성을 개요적으로 도시한 개념도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 멤스 디바이스는 판독집적회로(ROIC)(14b)를 구비하는 하부 구조체(12)와 적어도 하나 이상의 관통홀(42)이 형성된 레그부(41) 및 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부(23)를 구비하는 상부 구조체(24)를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 멤스 디바이스는 판독집적회로(14b)를 포함하는 하부구조체(12), 하부구조체(12)와 서로 이격되고, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부(23)를 구비하는 상부 구조체(24) 및 적외선 감지부(23)와 판독집적회로(14b)를 전기적으로 연결하기 위한 레그부(41)를 포함하고, 레그부(41)는 열시상수 및 응답도를 조절하기 위하여, 적어도 하나 이상의 관통홀이 형성될 수 있다.

상부 구조체(24)는 멤스(MEMS) 구조에 이용되는 다양한 센서를 포함할 수 있으며, 예컨대 적외선 센서, 자외선 센서, 엑스선 센서, 레이저 센서 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적외선 센서의 경우, 저항소자, 열전소자 등과 같은 적외선 감지부(23)를 포함할 수 있다. 저항소자를 포함하는 볼로미터(bolometer)의 경우, 흡수되는 적외선 정도에 따라서 저항이 가변되는 물질, 예컨대 비정질 실리콘, 또는 바나듐 산화물 등을 포함할 수 있다.

적외선 감지부(23)는 적외선을 흡수할 때 전기저항값이 감소하는 특성을 가질 수 있는데, 예를 들어, 적외선이 흡수되는 경우 흡수되는 적외선의 에너지에 의해 온도가 상승하고, 이 온도 변화에 의하여 전기저항값이 감소할 수 있다. 따라서, 감소되는 전기저항의 양은 흡수되는 적외선의 양에 따라 변하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 적외선 감지부(23)는 적외선을 감지할 수 있게 된다.

레그부(41)는 금속을 포함하고, 적어도 하나 이상의 관통홀이 형성되며, 적외선 감지부(23)의 양측에 동일한 레벨로 평행하게 연장되어 형성될 수 있다. 레그부(41)는 적외선 감지부(23)에서 흡수한 적외선의 의하여 저항값의 변화에 따른 전기적인 신호를 앵커부(21)를 통하여 하부 구조체(12)로 전달한다.

앵커부(21)는 레그부(41)의 일측과 연결되어 판독집적회로(14b)와 전기적으로 연결되고, 상부 구조체(24)를 구조적으로 지지하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 상부 구조체(24)와 하부 구조체(12)의 판독집적회로(14b)가 서로 구조적으로 연결되어 멤스 디바이스를 구성할 수 있다. 저항값의 변화에 따른 전기적인 신호는 하부 구조체(12)에 내장된 판독집적회로(14b)에 입력된다.

도 3a 내지 3e는 본 발명의 실시예들에 따른 멤스 디바이스의 레그부를 개략적으로 도시하는 단면도들이다.

레그부(41)는 서로 이격된 복수의 관통홀들(42)을 포함함으로써 메시(mesh) 구조를 형성하며, 관통홀(42)은 레그부(41)의 내측 및/또는 가장자리와 연결되게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 도 3a와 같이 적어도 하나 이상의 관통홀(42)이 레그부(41)의 내측에 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수개의 관통홀들(42)이 레그부(41)의 내측에 서로 이격되게 형성될 수 있다. 도 3b와 같이 적어도 하나 이상의 관통홀(42)이 레그부(41)의 가장자리와 연결되게 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수개의 관통홀들(42)이 서로 이격되어 레그부(41)의 가장자리와 연결되게 형성될 수 있다. 그리고 도 3c와 같이 관통홀(42)들이 레그부(41)의 내측 및 가장자리에 연결되게 혼합되어 형성 될 수 있다. 또한, 관통홀(42)은 도 3d와 같이 복수개의 사각형이 일렬로 어레이 되게 형성될 수 있으며, 도 3e와 같이 복수개의 사각형이 둘 이상의 열로 어레이되어 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 레그부(41)는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 레그부(41)는 판형뿐만 아니라 절곡된 판형 등으로 형성될 수 있으며, 레그부(41)에 포함되는 관통홀(42)은 원형, 삼각형, 마름모형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 멤스 디바이스는, 상술한 레그부(41)의 관통홀(42)이 레그부(41)의 내측 및/또는 가장자리에 연결되게 형성됨으로써, 레그부(41) 면적의 일정 부분을 관통홀(42)을 메시 구조로 만들어, 레그부(41)의 폭은 일정하게 유지하면서 레그부(41)의 길이를 길게 하는 방법으로 구현하는 멤스 디바이스보다 픽셀의 구부러짐을 유발하지 않고, 저항 균일도를 동등하게 유지하면서 열고립이 되는 구조를 구현할 수 있으며, 전체적인 적외선에 대한 응답도가 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 관통홀(42)의 크기 및 개수를 조절하여 전체적인 필 팩터(Fill factor)를 동일하게 유지하면서 열시상수 및 적외선 응답도를 원하는 방향으로 다양하게 조정할 수 있다.

열시상수는 열이 빠져나가는 시간을 나타내며, 그 값이 너무 크면 영상 딜레이가 생기고, 너무 작으면 민감도가 낮아지기 때문에 적절한 값으로의 설정이 필요하다. 볼로미터 소재의 경우, 열시상수는 10 근처 일때 가장 효율이 증대된다.

필 팩터는 볼로미터의 수광부의 면적과 볼로미터의 픽셀(pixel)의 면적의 비로 정의된다. 기본적으로 소자의 크기가 크면 나오는 출력 신호는 크다. 그러나 영상을 목적으로 하는 2차원 배열의 경우 해상도에 따라서 픽셀의 크기에 제한이 있고 가능하면 고해상도를 구현하기 위해 픽셀의 크기를 줄이려고 한다. 이런 경우 픽셀의 크기보다 중요해지는 것은 픽셀에서 실제로 적외선을 감지하는데 쓰이는 면적이 픽셀에서 차지하는 비율이다. 따라서 2차원 배열 영상소자에서는 하기와 같이 필 팩터를 정의하여 소자의 성능을 나타내는 척도로 사용한다.

응답도는 입사한 적외선의 변화에 비해서 출력 신호가 변하는 정도를 나타낸 것으로써, 하기와 같이 정의 할 수 있다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 제조방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.

본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 제조방법은, 판독집적회로(14b)를 포함하는 하부 구조체(12)를 형성하는 단계, 하부 구조체(12)와 서로 이격되고, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부(23)를 구비하는 상부 구조체(24)를 형성하는 단계 및 적외선 감지부(23)와 판독집적회로(14b)를 전기적으로 연결하기 위한 레그부(41)를 형성하는 단계, 열시상수 및 응답도를 조절하기 위하여, 레그부(41)에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계를 포함한다.

도 4를 참조하면, 하부 구조체(12)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 하부 구조체(12)는 적절한 로직회로, 예컨대 판독집적회로(14b)를 포함할 수 있다. 판독집적회로는 기판 상에 CMOS 소자를 형성하여 제조할 수 있다. 나아가, 하부 구조체(12)는 기판 상의 절연층(15) 및 절연층(15) 상의 판독집적회로(14b) 및 반사층(14c)을 더 포함할 수 있다.

판독집적회로(14b)는 적외선 감지부(40)와 전기적으로 연결하는 데 이용될 수 있다. 판독집적회로(14b)는 절연층(15) 상에 돌출되게 형성하거나 또는 절연층(15) 내에 트렌치 패턴을 형성한 후 이를 금속층으로 매립하여 형성할 수 있다. 반사층(14c)은 하부 구조체(12)에 입사되는 빛을 반사시키는 데 이용될 수 있다. 특히, 절연층(15) 내에 트렌치 패턴을 형성한 후에 이를 금속층으로 매립하여 판독집적회로(14b) 및 반사층(14c)을 구현하는 다마신 방법을 사용하는 경우, 후술할 비정질탄소막을 화학기상증착법에 의하여 형성할 때 평탄화 측면에서 매우 유리할 수 있다.

도 5를 참조하면, 하부 구조체(12) 상에 희생층(16)을 형성할 수 있다. 희생층(16)은 하부 구조체(12) 상에 후술하는 상부 구조체(24)를 지지하는 데 이용되나 최종적으로는 적어도 일부 또는 전부가 제거될 수 있다. 예를 들어, 희생층(16)은 비정질 탄소막을 포함할 수 있다.

예를 들어, 이러한 희생층(16)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 이용하여 형성할 수 있다. 비정질탄소막(16)은 여러 가지 기술에 의해 증착될 수 있지만, 비용 효율성 및 막 특성 조정 가능성으로 인해 예를 들어, 플라즈마 강화 화학기상증착(plasma enhanced CVD; PECVD)법을 사용할 수 있다. 플라즈마 강화 화학기상증착법은 캐리어 가스(carrier gas) 내에 액상 또는 기상의 탄화수소를 포함하는 물질과 플라즈마 개시 가스로서 헬륨 및 아르곤 등을 챔버 내에 도입할 수 있다. 플라즈마는 챔버 내에 전해져서 여기된 CH-라디칼을 생성하고, 여기된 CH-라디칼은 챔버 내에 위치하는 기판의 표면에 화학적으로 구속되어 기판의 표면상에 a-C:H 막을 형성할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 상술한 것처럼, 절연층(15) 내에 트렌치 패턴을 형성한 후에 이를 금속층으로 매립하여 하부 전극(14b) 및 반사층(14c)을 구현하는 다마신 방법을 사용할 수 있으며, 이 경우, 비정질 탄소막으로 구성된 희생층(16)은 CMP와 같은 별도의 평탄화 공정을 수행하지 않아도 된다. 만약, 평탄하지 않은 하부 금속 구조물 상에 비정질 탄소막을 증착하고 CMP를 통하여 비정질 탄소막을 평탄화하면 금속과 비정질 탄소막 간의 접착력이 좋지 않기 때문에 필링(peeling)이 발생할 수 있다.

따라서, 이러한 희생층(16)의 형성 공정은 반도체 소자의 금속 배선 공정 등과 같은 후공정(back-end process)과 양립 가능하게 수행할 수 있다. 즉, 희생층(16)은 멤스 공정이 아닌 기존 반도체 소자 제조 시 이용되는 후공정을 이용하여 형성할 수 있다. 따라서, 하부 구조체(12)의 형성에 이어서 기존 반도체 후공정에서 사용하는 대부분의 공정 기술들을 그대로 적용하여 희생층(16) 및 이후 금속 공정을 진행할 수 있게 되어 제조 단가를 낮출 수 있고 대량 생산이 용이해진다.

반면, 폴리이미드와 같은 재료를 사용하여 희생층(16)을 형성하는 경우, 수분 재흡수 등의 문제로 후속 금속 증착 공정에서 고온 공정을 적용하기 용이하지 않으므로 CVD 방식이 아닌 리프트 오프(Lift off) 방식을 사용하여 금속을 증착하여야 한다. 이 경우, 스텝 커버리지가 좋지 않고 금속의 내부에 불순물이 많이 남는다는 단점이 있었다.

하지만, 이 실시예에서 희생층(16)은 중온 범위, 약 200℃ 내지 600℃에서 CVD법을 사용하여 비정질탄소막으로 형성할 수 있다. 이 경우, 이후 CVD법을 이용하여 금속 증착 공정을 수행할 수 있게 된다. CVD법은 스텝 커버리지(Step Coverage)가 우수하고, 배선의 모양이나 전기적 특성 면에서 우수하여, 금속 증착 공정의 신뢰성을 높일 수 있다.

한편, 희생층(16)의 두께는 하부 구조체(12)와 상부 구조체(24)의 이격거리와 이후 제거 부담을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 이 실시예와 같은 멤스 구조에서 희생층(16)의 두께는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위에서 선택될 수 있다. 다만, 다른 실시예에서 희생층(16)의 두께는 이러한 범위에 국한되지 않고 선택될 수도 있다.

선택적으로, 희생층(16) 상에 절연지지층(17)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 절연지지층(17)은 CVD법을 이용하여 산화막으로 형성할 수 있다.

도 6을 참조하면, 절연지지층(17) 및 희생층(16)을 한 번의 포토리소그래피 공정에 의하여 패터닝하여 비어홀들(19)을 갖는 희생층(16d) 및 절연지지층(17a)을 동시에 형성할 수 있다. 예를 들어, 비어홀들(19)은 포토리소그래피를 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 식각 보호막으로 하여 절연지지층(17) 및 희생층(16)을 동시에 식각하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 비어홀들(19)은 판독집적회로(14b)를 노출하도록 형성될 수 있고, 이후 판독집적회로(14b)를 상부 구조체(24)와 연결하는 통로로 이용될 수 있다. 만약, 희생층(16)이 유기물인 폴리이미드로 구성된다면, 비어홀들(19)을 형성하기 위하여, 희생층(16)을 제1 포토리소그래피 공정에 의하여 식각한 후에, 절연지지층(17)은 제2 포토리소그래피 공정에 의하여 별도로 식각되어야 한다. 이는 상기 제1 포토리소그래피 공정에 의하여 노출된 폴리이미드에서 아웃개싱(outgassing)이 발생되므로, 폴리이미드가 노출된 부분을 덮어주는 별도의 공정이, 상기 제2 포토리소그래피 공정 이전에 추가로 필요하기 때문이다. 하지만, 본원의 실시예들에서는, 희생층(16)이 비정질 탄소막으로 구성되므로 상술한 아웃개싱의 문제가 발생되지 않고, 따라서, 식각 공정에서 비정질 탄소막의 노출을 방지할 필요성이 없으므로, 한 번의 포토리소그래피 공정에 의하여 절연지지층(17)과 희생층(16)을 한 번에, 즉 동시에, 식각할 수 있다. 발명자는 희생층(16)을 폴리이미드에서 비정질 탄소막으로 대체함으로써, 상술한 수분 재흡수, 불량한 스텝 커버리지, 후속 공정에서의 불순물 등과 같은 문제점을 방지할 뿐만 아니라, 나아가, 비정질 탄소막의 특성을 이용하여 비어홀들(19)을 형성하는 공정에서 포토리소그래피 공정의 횟수를 2회에서 1회로 단순화하여 제조비용을 획기적으로 절감할 수 있는 제조방법을 제공한다.

도 7을 참조하면, 비어홀들(19)을 통해서 판독집적회로(14b)와 연결되도록 금속 앵커들(21)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 비어홀들(19)에 의해서 노출된 판독집적회로(14b) 상에 CVD법을 이용하여 금속층을 형성하고, 이를 패터닝함으로써 금속 앵커들(21)을 형성할 수 있다. 이러한 금속층으로는 예컨대, 텅스텐(W)층을 들 수 있다. 이러한 금속 앵커들(21)은 판독집적회로(14b을 상부 구조체(24)와 전기적으로 연결하는 비어 플러그들로 이용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 희생층(16d) 상에 상부 구조체(24)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 금속 앵커들(21)이 형성된 결과물 상에 흡수층(22)을 형성하고 흡수층(22) 상에 적외선 감지부(23)를 형성할 수 있다. 적외선 감지부(40)의 양측에는 레그부(41)를 형성할 수 있으며, 레그부(41)의 내측에는 적어도 하나 이상의 관통홀(42)이 형성될 수 있다. 관통홀(42)의 크기 및 개수는 열시상수 및 적외선 응답도를 고려하여 하나 또는 그 이상의 범위에서 적절하게 선택될 수 있다. 관통홀(42)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.

흡수층(22)은 복수의 홀들을 포함하도록 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 흡수층(22)은 적외선을 흡수할 수 있는 금속을 포함할 수 있다.

적외선 감지부(23)는 멤스 구조에 이용되는 다양한 센서를 포함할 수 있으며, 예컨대 적외선 센서, 자외선 센서, 엑스선 센서, 레이저 센서 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적외선 센서의 경우, 저항소자, 열전소자 등을 포함할 수 있다. 저항소자를 포함하는 볼로미터(bolometer)의 경우, 흡수되는 적외선 정도에 따라서 저항이 가변되는 물질, 예컨대 비정질 실리콘, 바나듐 산화물 등을 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 적외선 감지부(23) 상에 제2절연지지층(25)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2절연지지층(25)은 산화막을 포함할 수 있다.

이어서, 제2절연지지층(25), 적외선 감지부(23), 흡수층(22) 및 절연지지층(17a)을 관통하는 제거홀들(27)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제거홀들(27)은 포토리소그래피 기술을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 식각 보호막으로 하여 제2절연지지층(25), 적외선 감지부(23), 흡수층(22) 및 절연지지층(17a)을 식각하여 형성할 수 있다. 제거홀들(27)의 개수는 희생층(16d)의 식각 속도를 고려하여 하나 또는 그 이상의 범위에서 적절하게 선택될 수 있다. 제거홀들(27)의 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 제거홀들(27)에 의해서 캔틸레버(cantilever) 패턴이 구현될 수 있다.

이어서, 이러한 제거홀들(27)을 통해서 희생층(16d)을 제거하여 빈공간(C)을 한정할 수 있다. 이러한 빈공간(C)은 적외선이 반사층(14c)을 통해서 반사하여 다시 적외선 감지부(23)로 입사되게 함으로써, 적외선 흡수효율을 높이는 데 기여할 수 있다.

예를 들어, 희생층(16d)이 비정질 탄소막인 경우, 습식 식각 또는 건식 식각을 이용하여 희생층(16d)을 식각할 수 있다. 다만, 습식 식각을 이용한 경우 스틱션(stiction)이 발생할 수 있으나, 건식 식각의 경우에는 이러한 문제로부터 자유로울 수 있다. 예를 들어, 건식 식각은 산소(O2) 플라즈마(Plasma)를 이용하여 수행할 수 있다.

이와 같이 형성된 멤스 디바이스는 하부 구조체(12)와 적외선 감지부(23) 및 레그부(41)를 포함하는 상부 구조체(24)를 포함할 수 있다. 하부 구조체(12)와 적외선 감지부(23) 사이에는 희생층(16, 16d)이 제거된 빈공간(C)이 한정될 수 있다. 적외선 감지부(23)는 레그부(41) 및 금속 앵커들(21)을 통해서 판독집적회로(14b)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 적외선 감지부(23)와 하부 구조체(12)의 로직회로, 예컨대 판독집적회로가 서로 구조적으로 연결되어 멤스 디바이스를 구성할 수 있다. 이러한 멤스 디바이스는 다양한 센서 구조를 포함할 수 있으며, 예컨대 적외선 센서, 자외선 센서, 엑스선 센서, 레이저 센서 등을 포함할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 멤스 디바이스는, 높은 해상도를 위하여 픽셀 어레이(Pixel array) 수를 계속 늘림에 따라 커지는 칩 면적을 해소하기 위해 픽셀 피치(Pixel pitch)를 50㎛ 내지 17㎛로 줄여 가고 있는 추세이다. 픽셀 피치가 줄어들면 열고립 구조의 성능 향상을 위해서 레그부(41)의 폭도 비례적으로 줄어야 하나, 이럴 경우 픽셀의 구부러짐 및 저항 균일도의 하락을 유발하므로 일정폭(1㎛) 이하로 줄이는 것이 불가능하다. 그러므로 레그부(41)의 폭은 일정하게 유지하면서 레그부(41)의 길이를 길게 하는 방법으로 구현하게 되는데, 이 경우는 픽셀의 필 팩터(fill factor)를 감소하게 되므로 전체 성능이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

그러나 본 발명의 실시예들에 따른 멤스 디바이스는, 예를 들어, 레그부(41) 면적의 일정 부분을 메시 구조로 만들어 픽셀의 구브러짐을 유발하지 않고, 저항 균일도를 동등하게 유지하면서 열고립이 되는 구조를 구현할 수 있으며, 전체적인 적외선에 대한 응답도가 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 관통홀(42)의 크기 및 개수를 조절하여 전체적인 필 팩터(Fill factor)를 동일하게 유지하면서 열시상수 및 적외선 응답도를 원하는 방향으로 다양하게 조정할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스와 비교예의 적외선으로 인한 저항 변화 부분을 비교한 측정 그래프이다.

도 9를 참조하면, 동일한 픽셀 구조에서 비교예와 본 실시예에 동일한 적외선을 인가한 경우, 적외선으로 인한 저항 변화 부분을 비교해 보면, 비교예는 37nA, 본 실시예는 214nA 값을 얻은 것을 확인할 수 있었다. 이는 비교예보다 본 발명의 실시예가 적외선에 대한 응답 특성에 대해 5배 이상 응답 특성이 향상 된 것을 알 수 있었다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 픽셀 피치별 필 팩터를 나타낸 도표이다.

도 10을 참조하면, 동일한 열시상수를 갖는 픽셀의 비교예와 본 발명의 실시예 간의 필 팩터를 모의실험한 결과 픽셀 피치가 작아질수록 본 발명의 실시예의 효과가 더 커짐을 알 수 있었다. 픽셀 피치가 35㎛일 때, 비교예의 필 팩터는 70%, 본 발명의 실시예의 필 팩터는 73%이고, 픽셀 피치가 25㎛일 때, 비교예의 필 팩터는 64%, 본 발명의 실시예의 필 팩터는 68%였으며, 픽셀 피치가 17㎛일 때, 비교예의 필 팩터는 54%, 본 발명의 실시예의 필 팩터는 62%였다. 이러한 결과를 통해서 픽셀 피치가 작아질수록 본 발명의 실시예가 비교예보다 더 효과가 우수함을 알 수 있었다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 열분포를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 디바이스의 전체적인 열분포를 모의실험한 결과, 열분포가 적외선 감지부(40)부터 레그부(41) 및 앵커(21)에 이르기까지 고온을 나타내는 적색에서 저온을 나타내는 청색으로 고르게 변화하며, 분포되어 있음을 확인 할 수 있었다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 디바이스는 저항 균일도를 동등하게 유지하면서, 열고립이 되는 구조로 구현되었음을 의미한다.

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.

12: 하부 구조체 14: 판도집적회로
16, 16b, 16c, 16d: 희생층 17, 25: 절연지지층
21: 금속 앵커 22: 흡수층
23: 적외선 감지부 24: 상부 구조체
27: 제거홀 41: 레그부
42: 관통홀

Claims

판독집적회로(ROIC)를 포함하는 하부 구조체;
상기 하부 구조체와 서로 이격되고, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부를 구비하는, 상부 구조체; 및
상기 적외선 감지부와 상기 판독집적회로를 전기적으로 연결하기 위한 레그부;를 포함하고,
상기 레그부는, 열시상수 및 응답도를 조절하기 위하여, 적어도 하나 이상의 관통홀을 구비하고,
상기 레그부는 서로 이격된 복수의 관통홀들을 포함함으로써 메시 구조를 형성하는, 멤스 디바이스.
삭제
제1항에 있어서,
상기 레그부는 상기 적외선 감지부의 양측에 동일한 레벨로 평행하게 연장되어 형성된, 멤스 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 레그부는 금속을 포함하는, 멤스 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 레그부의 일측과 연결되어 상기 판독집적회로와 전기적으로 연결되고, 상기 상부 구조체를 구조적으로 지지하는, 앵커부를 더 포함하는, 멤스 디바이스.
판독집적회로를 포함하는 하부 구조체를 형성하는 단계;
상기 하부 구조체와 서로 이격되고, 적외선을 흡수하면 전기저항이 변화하는 적외선 감지부를 구비하는, 상부 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 적외선 감지부와 상기 판독집적회로를 전기적으로 연결하기 위한 레그부를 형성하는 단계;
열시상수 및 응답도를 조절하기 위하여, 상기 레그부에 적어도 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 레그부는 서로 이격된 복수의 관통홀들을 포함함으로써 메시 구조를 형성하는, 멤스 디바이스의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 상부 구조체를 형성하는 단계;는
상기 하부 구조체 상에 희생층으로서 비정질 탄소막을 형성하는 단계;
상기 비정질 탄소막 상에 절연지지층을 형성하는 단계;
상기 절연지지층 상에 식각 보호막을 형성하고 상기 절연지지층 및 상기 비정질 탄소막을 한 번에 식각하여, 상기 절연지지층 및 상기 비정질 탄소막을 관통하여 상기 하부 구조체를 노출하는 비어홀들을 형성하는 단계;
상기 절연지지층 상에 적외선 감지부를 포함하는 상부 구조체를 형성하는 단계;
상기 절연지지층을 관통하는 적어도 하나의 제거홀을 형성하는 단계; 및
상기 하부 구조체와 상기 상부 구조체가 서로 이격되어 배치되도록, 상기 제거홀들을 통해서 상기 비정질 탄소막을 모두 제거하는 단계;를 포함하는, 멤스 디바이스의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 비어홀들을 형성하는 단계 후, 상기 비어홀들을 통해서 상기 판독집적회로와 연결되도록 상기 판독집적회로 상에 금속 앵커들을 형성하는 단계를 더 포함하는, 멤스 디바이스 제조 방법.