KR102638226B1 - 적외선 감지 센서 및 이 센서를 포함하는 열화상 카메라 모듈 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 의한 적외선 감지 센서는, 상부 구조체 및 상기 상부 구조체와 전기적으로 연결되는 하부 구조체를 포함하고, 상기 상부 구조체는, 상부층; 상기 상부층의 아래에 배치된 적어도 하나의 적외선 감지부; 상기 상부층의 아래에서 상기 적외선 감지부의 가장 자리에 배치되되, 서로 대각선 방향으로 마주하는 복수의 전극 패드; 및 각각의 일측은 상기 적외선 감지부와 전기적으로 접속되고, 각각의 타측은 상기 전극 패드와 연결되는 복수의 전극 배선을 포함하고, 상기 하부 구조체는, 하부층; 및 상기 하부층 위에 형성되며, 상기 복수의 전극 패드와 열압착 접합된 복수의 앵커부를 포함할 수 있다.

Description

적외선 감지 센서 및 이 센서를 포함하는 열화상 카메라 모듈{INFRARED DETECTION SENSOR AND THERMAL IMAGING CAMERA MODULE INCLUDING THE SENSOR}
실시 예는 적외선 감지 센서 및 이 센서를 포함하는 열화상 카메라 모듈에 관한 것이다.
적외선은 파장이 가시광선보다 긴 전자파의 일종으로서 사람을 포함한 모든 자연계에 존재하는 물체에서 방사된다. 물체의 온도가 높을수록 방사되는 에너지의 최대 피크 파장이 짧아지고 온도가 낮을수록 방사되는 에너지의 최대 피크 파장이 길어진다. 예컨대, 온도가 높은 태양은 가시광선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사하며, 사람의 경우에는 적외선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사한다.
적외선 센서는 이러한 물체가 방사하고 있는 적외선을 감지하여 그 적외선이 갖는 복사 에너지의 크기를 이용하여 물체의 유무 또는 물체까지의 거리 등을 측정하는 센서이다.
이러한 적외선 센서는 다양한 곳에 응용되고 있다. 예를 들어 자동문에서 사람이 다가오는 것을 알고 문을 자동으로 열고 조명등을 자동으로 켜거나 한밤중에 건물 내에 외부인의 침입을 확인하는 보안장치를 비롯하여 화재가 발생하였을 때 연기로 인하여 인명 구조활동이 불가능한 상황에서 열을 감지하여 영상화 시켜주는 열화상 카메라 등 다양한 방면에서 이용되고 있다.
일반적으로 적외선을 이용하여 인체의 존재 및 움직임을 감지하는 적외선 센서는 볼로미터(Bolometer)를 사용하고 있다. 볼로미터는 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.
다만, 지금까지 제안된 볼로미터는 제조 시, 증착되는 감지체의 변형을 방지하기 위하여 희생층을 형성하고, 적외선 복사 에너지를 흡수해서 발생하는 열을 고립시킬 수 있는 공진 구조를 형성하기 위하여 희생층을 제거하는 공정을 필요로 하므로 제조 공정이 복잡하고 효율성을 저하시킨다는 한계가 있다. 이에 제조 공정을 단순화하고 비용을 절감시키기 위해 희생층의 형성 및 제거 공정을 생략할 수 있는 적외선 감지 센서를 설계할 필요성이 대두되고 있다.
실시 예는 상부 구조체와 하부 구조체를 열 압착으로 접합시킴으로써 공정상 별도의 희생층을 형성 및 제거하는 공정이 생략될 수 있는 적외선 감지 센서 및 이 센서를 포함하는 열화상 카메라 모듈을 제공하기 위한 것이다.
실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시 예에 의한 적외선 감지 센서는, 상부 구조체 및 상기 상부 구조체와 전기적으로 연결되는 하부 구조체를 포함하고, 상기 상부 구조체는, 상부층; 상기 상부층의 아래에 배치된 적어도 하나의 적외선 감지부; 상기 상부층의 아래에서 상기 적외선 감지부의 가장 자리에 배치되되, 서로 대각선 방향으로 마주하는 복수의 전극 패드; 및 각각의 일측은 상기 적외선 감지부와 전기적으로 접속되고, 각각의 타측은 상기 전극 패드와 연결되는 복수의 전극 배선을 포함하고, 상기 하부 구조체는, 하부층; 및 상기 하부층 위에 형성되며, 상기 복수의 전극 패드와 열압착 접합된 복수의 앵커부를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 의한 열화상 카메라 모듈은, 물체에서 방출되는 적외선을 집광하는 렌즈부; 상부 구조체 및 상기 상부 구조체와 전기적으로 연결되는 하부 구조체를 포함하는 적외선 감지 센서; 상기 적외선 감지 센서를 구동하는 구동 회로부; 및 상기 적외선 감지 센서에서 감지한 적외선에 대한 감지 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 적외선 감지 센서는, 상기 렌즈부를 통해 집광되는 적외선 중 8㎛ 내지 12 ㎛ 파장(λ) 대역을 갖는 적외선을 선택적으로 투과 및 감지하고, 상기 상부 구조체는, 상부층; 상기 상부층의 아래에 배치된 적어도 하나의 적외선 감지부; 상기 상부층의 아래에서 상기 적외선 감지부의 가장 자리에 배치되되, 서로 대각선 방향으로 마주하는 복수의 전극 패드; 및 각각의 일측은 상기 적외선 감지부와 전기적으로 접속되고, 각각의 타측은 상기 전극 패드와 연결되는 복수의 전극 배선을 포함하고, 상기 하부 구조체는, 하부층; 및 상기 하부층 위에 형성되며, 상기 복수의 전극 패드와 열압착 접합된 복수의 앵커부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 적외선 감지 센서 및 이 센서를 포함하는 열화상 카메라 모듈은 상부 구조체와 하부 구조체를 열 압착을 통해 접합시키므로, 별도의 희생층을 형성 및 제거하는 공정이 생략될 수 있다. 이와 같이 제조 공정이 감소됨에 따라 전극 얼라인(align) 수율이 향상되고, 희생층을 증착하고 제거하는 별도의 장비가 필요하지 아니하므로 비용이 현저히 절감될 수 있다.
또한, 본 실시 예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 M x N 개의 어레이로 배열된 적어도 하나의 적외선 감지부를 포함하는 적외선 감지 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단위 셀의 적외선 감지부를 포함하는 적외선 감지 센서를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 배선의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 구조체의 전극 패드와 하부 구조체의 앵커부가 솔더 볼(solder ball)에 의해 접합되는 공정을, 도 5는 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 구조체의 전극 패드와 하부 구조체의 앵커부가 도금층에 의해 접합되는 공정을 각각 나타내고, 도 2의 1-1'에서 바라본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하부층 상에 전도성 금속층을 형성하는 과정을, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속층을 패터닝하여 비아 홀을 형성하는 과정을 각각 나타내는 평면도이다.
도 8의 (a) 내지 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 구조체의 제조 공정을, 도 8의 (c) 내지 (e)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하부 구조체의 제조 공정을 각각 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화상 카메라 모듈의 개략적인 구성도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서의 효과를 비교 설명하기 위한 일반적인 적외선 감지 센서의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예를 상세히 설명한다. 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시 예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시 예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시 예에 의한 적외선 감지 센서 및 이 센서를 포함하는 열화상 카메라 모듈을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 M x N 개의 어레이로 배열된 적어도 하나의 적외선 감지부를 포함하는 적외선 감지 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 적외선 감지 센서(100)는 선택된 특정 파장을 갖는 적외선만을 통과(또는 투과)시키는 상부층(110), 선택적으로 통과한 특정 파장의 적외선을 수신하여 이를 감지하는 M x N 개의 어레이로 배열된 적어도 하나의 적외선 감지부(120), 판독집적회로(ROIC; Readout Integrated Circuit)를 포함하는 하부층(130), 적어도 하나의 감지부(120)에서 생성된 소정의 신호를 하부층(130)에 전달하는 적어도 하나의 앵커부(140) 및 적어도 하나의 적외선 감지부(120)가 적외선 복사 에너지를 재흡수할 수 있도록 적외선을 반사시키는 적어도 하나의 반사층(150)을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 적외선 감지 센서(120)는 상부층(110) 아래의 평면 상에서 서로 이격되어 어레이(array) 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서는 적외선 감지부(120)가 2 x 2 어레이 형태(120A, 120B, 120C, 120D)로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로 실시 예에 따른 적외선 감지 센서(120)의 배열 형태는 이에 한정되지 아니한다.
이하에서는, 적외선 감지 센서(100)를 구성하는 요소를 보다 상세히 설명하기 위하여, M x N 어레이 형태의 적외선 감지부(120) 중 하나의 적외선 감지부가 도시된 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단위 셀의 적외선 감지부를 포함하는 적외선 감지 센서를 설명하는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서(200)는 상부 구조체(210)는 상부층(212), 적외선 감지부(214), 전극 배선(216) 및 전극 패드(218)를 포함하고, 상부 구조체(210)와 전기적으로 접속되는 하부 구조체(220)는 하부층(222), 앵커부(224) 및 반사층(226)을 포함할 수 있다.
설명의 편의를 위하여 상부층(212)과 적외선 감지부(214), 전극 배선(216) 및 전극 패드(218)를 이격하여 도시하였지만, 바람직하게는 상부층(212) 아래에 적외선 감지부(214)가 기밀하게 밀착되고, 전극 배선(216) 및 전극 패드(218)는 상부층(212)의 아래 표면에서 증착되어 형성될 수 있다.
상부층(212)은 렌즈부(미도시)에 의해 집광되는 적외선 중에서 선택된 특정 파장을 갖는 적외선만을 통과시키는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 바람직하게는 8~12㎛ 파장의 적외선을 통과시킨다. 예를 들어 사람은 전 파장에 걸쳐 에너지를 방출하지만 8~12㎛ 파장에서 가장 많은 에너지를 방출하기 때문에 해당 파장을 투과시킴으로써 사람의 존재여부 및 움직임 등을 파악할 수 있다. 그러나 상기한 파장은 본 발명의 일 예시이며 이러한 원리를 이용하여 특정 물체를 감지하고자 하는 경우에는 해당 물체가 가장 많은 에너지를 방출하는 파장만을 통과시키는 상부층을 적용함이 바람직하다.
상부층(212)은 저항소자, 열전소자 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 PVDF 필름을 포함할 수 있으나, 상부층(212)의 재료는 예시적인 것이며 이에 한정되지 아니함은 통상의 기술자에게 자명하다.
적외선 감지부(214)는 상부층(212)를 선택적으로 통과한 특정 파장의 적외선을 수신하여 이를 감지하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 적외선 감지부(214)는 바람직하게는 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
적외선 감지부(214)는 적외선을 흡수할 때 전기 저항 값이 감소하는 특성을 가질 수 있는데, 예를 들어, 적외선이 흡수되는 경우 흡수되는 적외선의 에너지에 의해 온도가 상승하고, 이 온도 변화에 의하여 전기 저항 값이 감소할 수 있다. 따라서, 감소되는 전기저항의 양은 흡수되는 적외선의 양에 따라 변하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 적외선 감지부(214)는 적외선을 감지할 수 있게 된다.
적외선 감지부(214)에 사용되는 물질은 높은 저항 온도 계수(temperature coefficient of resistence, TCR), 낮은 비저항(resistivity), 집적회로(integrated circuit, IC) 공정과의 연계성, 제조공정의 저렴화 및 단순화, 높은 재현성 등이 요구된다. 특히, 적외선 감지부(214)에는 미세한 온도 증가에도 예민하게 반응하는 반도체, 음(-)의 저항 온도 계수가 높은 물질 또는 흡수되는 적외선 정도에 따라서 저항이 가변되는 물질이 사용될 수 있으며, 감지되는 적외선을 흡수하여 적외선 감지부(214)의 온도가 변화함에 따라 저항이 변화한다.
예를 들어, 적외선 감지부(214)는 티타늄(Titanium, Ti)과 같은 금속, 비정질 실리콘(a-Si), 금속 산화막의 일종인 산화바나듐(VOx), 산화물 저항 박막 등을 포함할 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 구체적인 적외선 감지부(214)의 물질은 이에 한정되지 아니함은 통상의 기술자에게 자명하다.
저항 온도 계수란 온도 상승에 따라 저항 값이 변화하는 비율을 말하며, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 물질은 음(-)의 저항 온도 계수를, 전기 저항이 증가하는 물질은 양(+)의 저항 온도 계수를 가진다. 적외선 복사 에너지를 흡수한 상부층(212)은 온도가 올라가며, 상부층(212)의 하부에 배치된 적외선 감지부(214)의 온도도 상승할 수 있다. 이로 인한 적외선 감지부(214)의 전기 저항 감소는 출력 전압의 증가로 이어지고, 증가된 전압은 전극 배선(216)을 통해 하부 구조체(220)에 전류를 흐르게 한다. 여기서, 음(-)의 저항 온도 계수가 높은 산화 바나듐(VOx)은 온도 증가에 따른 전기 저항의 감소 비율이 커서 피사체의 온도 차이를 쉽게 구별할 수 있게 할 수 있다.
전극 배선(216)은 금속을 포함하고, 적외선 감지부(214)에서 흡수한 적외선의 의하여 저항 값의 변화에 따른 전기적인 신호를 앵커부(224)를 통하여 하부 구조체(220)로 전달한다.
적외선 감지 센서(200)의 적외선 감지부(214)는 적외선 복사 에너지를 흡수하고 그에 반응하여 온도도 상승하여야 하지만, 적외선 감지부(214)가 적외선 복사 에너지를 흡수해서 발생하는 열은 수 나노와트(nW) 정도로 매우 작기 때문에 상기 열이 효과적으로 전기적 신호로 변환되기 위해서는 외부로 빠져나가는 열 손실을 최대한 억제할 필요가 있다.
다시 말해서, 적외선 감지부(214)는 외부와의 열전도를 최소화하고 열 손실을 억제하기 위한 열 고립 구조가 요구되고, 열 고립 구조의 성능을 향상하기 위하여 적외선 감지부(212)와 하부 구조체(220)를 전기적으로 연결하는 전극 배선(216)은 단면적이 작고, 길게 형성되며 열 전도율이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 열 고립 구조의 향상을 위한 전극 배선(216)의 구조는 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
전극 패드(218)는 적외선 감지부(214)로부터 감지 신호를 하부층(222)에 전달하는 것으로서, 사각형 모양을 가지는 적외선 감지부(214)의 대각선 모서리의 패드 영역에 배치되는 전도성 금속에 해당한다. 한편, 적외선 감지부(214)의 형상은 이에 한정되지 아니하고, 원형, 삼각형, 사다리꼴 등의 모양을 포함할 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
한편, 하부 구조체(220)는 하부층(222), 소정의 전기적 신호를 하부층(222)으로 전달하기 위한 앵커부(224) 및 적외선 흡수 효율을 높이는데 기여하는 반사층(226)을 포함할 수 있다.
하부층(222)은 실리콘 기판을 포함할 수 있고, 상기 실리콘 기판에는 적외선 감지부(214)를 구동하기 위한 판독집적회로(ROIC)가 형성될 수 있다. 저항값의 변화에 따른 전기적인 신호는 하부층(222)에 내장된 판독집적회로(ROIC)에 입력된다.
비록 도시되지는 않았지만, 하부층(222)은 실리콘 기판 위에 후속 공정으로부터 실리콘 기판의 손상을 방지하거나 소자와의 쇼트를 방지하기 위한 보호층으로 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx) 등의 절연층(미도시)을 포함할 수도 있다.
하부층(222)의 표면에는 도시된 바와 같이 상부 구조체(210)와 전기적으로 연결된 알루미늄(Al)과 같은 앵커부(224)와 반사층(226)이 배치될 수 있다.
앵커부(224)는 소정의 전기적 신호를 하부층(222)로 전달하거나 상부 구조체(210)로부터 전달받을 수 있고, 상부 구조체(210)를 구조적으로 지지하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 상부 구조체(210)와 하부 구조체(220)의 판독집적회로(ROIC)가 서로 구조적으로 연결되어 적외선 감지 센서(200)를 구성할 수 있다.
다시 말해서, 앵커부(224)는 하부층(222)의 판독집적회로(ROIC)를 상부 구조체(210)와 전기적으로 연결하는 플러그로 이용될 수 있고, 소정의 전기적 신호는 하부층(222)에 전달되어 판독집적회로(ROIC)에 전류를 흐르게 한다.
한편, 앵커부(224)는 비아 홀들을 포함할 수 있고, 앵커부(224)의 제조 방법은 이하에서 도 6 내지 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하부층 상에 전도성 금속층을 형성하는 과정을, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속층을 패터닝하여 비아 홀을 형성하는 과정을 각각 나타내는 평면도이다.
도 6을 참조하면, 노출된 하부층(222) 상에 스퍼터링, 열증착, CVD 또는 MOCVD 등의 공정을 통하여 전도성 금속층을 형성하고, 이를 패터닝함으로써 앵커부(224)을 형성할 수 있다. 이러한 금속층으로는 예컨대, Sn, Cu, Sn/Bi, Sn/In, Au/Sn, Sn/Ag/Cu 및 텅스텐(W) 등을 포함할 수 있으나, 이외에도 전기적 특성을 가지는 물질이라면 금속층의 재료로 사용될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
도 7을 참조하면, 포토리소그래피 공정에 의하여 금속층을 패터닝하여 비아 홀들(710)을 갖는 앵커부(224)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 비아 홀들(710)은 포토리소그래피를 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 식각 보호막으로 하여 앵커부(224)을 식각하여 형성할 수 있다. 비아 홀들(710)은 하부층(222)의 판독집적회로(ROIC)를 노출하도록 형성될 수 있고, 이후 상부 구조체(210)의 전극 패드(218)와 하부 구조체(220)의 앵커부(224)가 기밀하게 접합되면 희생층 역할을 할 수 있는 공간(720)으로 이용될 수 있다.
다시 도 2로 돌아와서, 적외선 감지 센서(200)는 적외선의 입사로 인해 발생하는 열의 손실을 최소화하기 위하여 반사층(226)과 적외선 감지부(214) 사이는 일정 거리만큼 이격된 빈공간(230)이 형성될 수 있다.
이러한 빈 공간(230)은 적외선이 반사층(226)을 통해서 반사하여 다시 적외선 감지부(214)로 입사되게 함으로써, 적외선 흡수 효율을 높이는데 기여할 수 있다.
이하에서는 열 고립 구조의 향상을 위한 전극 배선(216)의 구조를 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 배선의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 3에 도시된 적외선 감지부(214), 전극 배선(216) 및 전극 패드(218)는 도 2에 도시된 적외선 감지부(214), 전극 배선(216) 및 전극 패드(218)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 전극 배선(216)은 적외선 감지부(214)의 일측 에지를 따라 형성되며, 일측은 적외선 감지부(214)에 전기적으로 접속되고 일측과 대향하는 타측은 전극 패드(218)와 접속할 수 있다.
상술한 바와 같이, 적외선 감지부(214)는 외부와의 열전도를 최소화하고 열 손실을 억제하기 위한 열 고립 구조가 요구되고, 열 고립 구조의 성능을 향상하기 위하여 적외선 감지부(212)와 하부 구조체(220)를 전기적으로 연결하는 전극 배선(216)을 필요로 한다. 이때, 전극 배선(216)은 열 전도율이 낮은 물질로 이루어지되, 단면적이 작고 길게 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지부(214)와 전극 패드(218)를 전기적으로 연결하는 전극 배선(216)은 폭이 좁고 길이가 긴 직선 형태로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전극 배선(216')은 적외선 감지부(216)와 전극 패드(218) 사이의 경로(path)를 길게 형성할 수 있도록 서펜타인(serpentine) 패턴-예를 들어, 구불구불한 또는 지그재그 패턴의 형상- 형태로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전극 배선은 웨이브(wave) 패턴 형태의 형상을 포함할 수도 있다.
전극 배선(216)이 직선 형태가 아닌 서펜타인 패턴 형태로 형성될 경우, 적외선 감지부(214)가 흡수한 열이 외부로 방출될 수 있는 경로가 증가하므로 열 손실이 효과적으로 억제될 수 있다.
이하에서는, 상부 구조체(210)와 하부 구조체(220)가 공진 구조를 형성하며 접합되는 과정을 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 구조체의 전극 패드와 하부 구조체의 앵커부가 솔더 볼에 의해 접합되는 공정을, 도 5는 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 구조체의 전극 패드와 하부 구조체의 앵커부가 도금층에 의해 접합되는 공정을 각각 나타내고, 도 2의 1-1'에서 바라본 단면도이다.
도 4 내지 도 5에 도시된 상부층(212), 적외선 감지부(214), 하부층(222) 및 반사층(226)은 도 2에 도시된 상부층(212), 적외선 감지부(214), 하부층(222) 및 반사층(226)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 상부 구조체(210)의 전극 패드(218A)와 하부 구조체(220)의 앵커부(224A)는 솔더 볼(410)에 의해 접합될 수 있다.
솔더 볼(410)은 칩과 기판 간의 전기 및 기계적 연결을 하는 전용 땜납 부속품으로, 최종 칩과 회로 기판 사이의 전기적 신호 전달을 가능하게 작은 구슬 형태의 초정밀 납땜 재료이며, 칩의 소형화에 따라 솔더 볼도 소형화되고 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 솔더 볼(410)에 의한 열 압착 접합 방법은 하부 구조체(220)의 앵커부(224A) 상에 솔더 볼(410)을 부착하고, 열 처리한 이후 전극 패드(218A)를 하부 방향으로 가압하여 상부 구조체(210)와 접합시킬 수 있다.
비록 도시하지는 않았지만, 앵커부(224A) 상에 솔더 페이스트(미도시)를 도포하고, 솔더 페이스트(미도시) 상에 솔더 볼(410)을 탑재하여 임시로 고정시킨 상태에서 전극 패드(218A)와 접합시킬 수 도 있다.
이때, 도 5에 도시된 바와 같이(붉은색 점선 표시) 솔더 볼(410)이 용융됨에 따라 전극 패드(218A)와 앵커부(224A)의 양측면에 솔더 볼(410)이 돌출될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상부 구조체(210)는 전극 패드(218B) 아래에 도금층(510)을 포함할 수 있다. 여기서, 도금층(510)은 구리(Cu), 주석(Sn), Ag 및 Au 중 적어도 하나의 전도성 금속을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전극 패드(218B) 아래에 형성된 도금층(510)을 용융시키고, 하부 방향으로 가압하는 열 압착 방식에 의하여 상부 구조체(210)의 전극 패드(218B)는 앵커부(224B)와 접합될 수 있다.
한편, 상부 구조체(210)의 전극 패드(218A, 218B)와 하부 구조체(220)의 앵커부(224A, 224B)가 솔더 볼(410) 또는 도금층(510)에 의해 접합되는 경우, 반사층(226)과 적외선 감지부(214) 사이에는 빈 공간(air gap; 230)이 형성될 수 있다.
여기서, 빈 공간(230)의 간격(d)은 반사층(226)과 적외선 감지부(214) 사이의 이격 거리로 정의될 수 있고, λ/4(여기서, λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 바람직하게는 8-12 ㎛임)로 조절될 수 있다. 빈 공간(230)의 간격(d)이 λ/4일 경우, 상부층(212)을 통과한 적외선이 반사층(224)에서 반사된 후 다시 적외선 감지부(214)에 도달하고, 입사된 적외선의 대부분이 적외선 감지부(214)에 흡수될 수 있다.
이하에서는 일반적인 적외선 감지 센서와 비교하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서(200)의 효과를 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서의 효과를 비교 설명하기 위한 일반적인 적외선 감지 센서의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 먼저 판독집적회로(ROIC)를 포함하는 기판(10) 위에 패드전극(20)을 형성한다(도 10의 (a)).
다음으로, 기판(10) 및 패드전극(20)을 모두 덮으며, 소정 두께의 희생층(30)을 형성한다(도 10의 (b)). 희생층(30)은 폴리이미드계 유기물이 주로 사용되며 필요에 따라 실리콘 산화막이나 다결정 실리콘 또는 비결정 실리콘막이 사용될 수도 있다.
패드전극(20)이 노출(40)되도록 패터닝한 이후, 희생층(30)의 전면에 버퍼층(50)을 증착한다(도 10의 (c)). 하부 흡수층(50)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막일 수 있다.
버퍼층(50)을 증착한 후, 버퍼층(50) 위에 감지체(60)를 형성하고, 감지체(70)와 판독집적회로(10)와의 전기적 배선을 위한 레그(70)를 노출된 패드전극(20) 위에 형성한다(도 10의 (d)).
이후, 보호층(50) 및 감지체(70)의 전면에 흡수층(80)을 형성하고(도 10의 (e)), 희생층(30)을 제거한다(도 10의 (f)).
상술한 바와 같이, 일반적인 적외선 감지 센서는 증착되는 감지체(60)의 변형을 방지하기 위하여 희생층(30)을 형성하지만(도 10의 (b)), 적외선 복사 에너지를 흡수해서 발생하는 열을 고립시킬 수 있는 공진 구조를 형성하기 위하여 희생층(30)을 제거하는 공정을 필요로 한다(도 10의 (f)).
반면에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 감지 센서(200)는 상부 구조체(210)와 하부 구조체(220)를 열 압착을 통해 접합시키므로, 별도의 희생층을 형성 및 제거하는 공정이 생략될 수 있다. 이와 같이 제조 공정이 감소됨에 따라 전극 얼라인(align) 수율이 향상되고, 희생층을 증착하고 제거하는 별도의 장비가 필요하지 아니하므로 비용이 현저히 절감될 수 있다.
이하에서는, 상부 구조체(210)와 하부 구조체(220) 각각의 제조 방법을 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8의 (a) 내지 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 구조체의 제조 공정을, 도 8의 (c) 내지 (e)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하부 구조체의 제조 공정을 각각 나타내는 도면이다.
먼저, 판독집적회로(ROIC)가 형성된 실리콘 기판을 포함하는 하부층(222)을 형성하고, 노출된 하부층(222) 표면에 전도성 금속층을 패터닝한 비아 홀을 포함하는 적어도 하나의 앵커부(224)를 형성한다(도 8의 (a)).
그리고, 적어도 하나의 앵커부(224) 사이의 노출된 하부층(222) 표면에 반사층(226)을 증착하여, 상부 구조체(210)를 형성한다(도 8의 (b)).
이후, PVDF 필름을 포함하는 상부층(212) 위에 적외선 감지부(214)를 형성한다(도 8의 (c)).
그리고, 상부층(212) 위에 일단이 적외선 감지부(214)와 전기적으로 접속하기 위한 전극 배선(미도시)을 증착시킨다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 배선(216')은 외부로의 열 손실을 억제하기 위해 폭이 좁고 길이가 길게 형성될 수 있도록 지그재그 형태로 형성할 수 있다. 한편, 전극 배선(미도시)는 스퍼터링, 열증착, CVD 또는 MOCVD 등의 공정을 통하여 상부층(212) 위에 증착시킬 수 있다.
전극 배선(미도시)이 증착되면, 상부층(212) 위에 전극 배선(216)의 타단과 전기적으로 접속될 수 있도록 전극 패드(218)를 형성함으로써, 상부 구조체(210)를 제조할 수 있다(도 8의 (d)).
여기서, 전극 패드(218)는 앵커부(224)와 열 접착하기 용이하도록, 앵커부(224)에 대응하는 크기 또는 형상으로 형성될 수 있다.
이후, 제조된 상부 구조체(210)를 반대 방향으로 뒤집어서 하부 구조체(220)와 접합한다(도 8의 (e)).
이하에서는, 도 9를 참조하여 도 1에 도시된 적외선 감지 센서(100)를 이용한 열화상 카메라 모듈(900)를 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화상 카메라 모듈의 개략적인 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화상 카메라 모듈(900)는 외부에서 방출되는 적외선을 집광하는 렌즈부(910), 렌즈부(910)에 의해 집광된 적외선 중 선택된 특정 파장을 갖는 적외선만을 투과 및 감지하는 적외선 감지 센서(100), 적외선 감지 센서(100)를 구동시키는 구동 회로부(920) 및 적외선 감지 센서(100)에서 감지된 적외선에 따른 감지신호를 처리하는 신호 처리부(930)를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 적외선 감지 센서(100)은 도 1에 도시된 적외선 감지 센서(100)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
렌즈부(910)는 외부로부터 적외선을 집광하는 기능을 수행하는 것으로서 공간상에 존재하는 물체로부터 방출되는 적외선을 수집하여 초점면에 집광시키는 기능을 수행한다. 이러한 렌즈부(910)는 예를 들어 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 볼록 렌즈로 구현될 수 있다. 특히 공간상에서 방출되는 적외선은 렌즈부(910)를 통해 집광되어 적외선 감지 센서(920)에 입사된다.
적외선 감지 센서(100)는 렌즈부(910)에 의해 집광되는 적외선 중에서 선택된 특정 파장을 갖는 적외선만을 통과시키고, 선택적으로 통과한 특정 파장의 적외선을 수신하여 이를 감지하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 바람직하게는 8~12㎛ 파장의 적외선을 통과시킨다. 예를 들어 사람은 전 파장에 걸쳐 에너지를 방출하지만 8~12㎛ 파장에서 가장 많은 에너지를 방출하기 때문에 해당 파장을 투과시킴으로써 사람의 존재여부 및 움직임 등을 파악할 수 있다. 그러나 상기한 파장은 본 발명의 일 예시이며 이러한 원리를 이용하여 특정 물체를 감지하고자 하는 경우에는 해당 물체가 가장 많은 에너지를 방출하는 파장만을 통과시키는 적외선 감지 센서를 적용함이 바람직하다. 한편, 적외선 감지 센서(100)는 선택적으로 통과한 특정 파장의 적외선을 수신하여 이를 감지하는 M x N 개의 어레이로 배열된 적어도 하나의 적외선 감지부를 포함한다.
또한, 적외선 감지 센서(100)는 적외선 복사 에너지를 전기적 신호로 바꾸어 주는 기능을 수행할 수 있다. 적외선이 적외선 감지 센서(100)에 포함된 적어도 하나의 적외선 감지부 중 특정 적외선 감지부에 입사하게 되면, 특정 적외선 감지부는 적외선이 갖고 있는 복사 에너지를 흡수하게 되어 전기 저항이 작아지게 되며, 이와 같이 변화된 저항의 값에 대응하는 신호를 구동회로부(920)에서 처리함으로써 공간상의 물체의 존재 및 움직임을 감지하게 된다.
구동 회로부(920)는 적외선 감지 센서(100)가 동작할 수 있도록 적외선 감지 센서(100)를 구동하는 기능을 수행한다. 특히 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 회로부(920)는 적외선 감지 센서(100)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급하고 적외선 감지 센서(100)에서의 감지신호를 신호 처리부(930)로 전달하도록 제어한다.
이를 위하여 본 발명에 일 실시 예에 따른 구동 회로부(920)는 적외선 감지 센서(100)를 투과한 적외선이 M x N 개의 어레이로 배열된 적어도 하나의 적외선 감지부에 입사되면, 변화된 적외선 감지부의 저항값을 감지하고 해당 값에 대응하는 소정의 신호를 생성한다. 이러한 신호는 예를 들어 물체의 유무, 위치, 이동 및 해당 물체의 공간 등을 감지할 수 있는 값으로 출력될 수 있다.
신호 처리부(930)는 적외선 감지 센서(920)에서 감지한 적외선 감지 신호를 연산 처리하여 그 결과를 출력하는 기능을 수행한다. 특히, 신호 처리부(930)는 적외선 감지신호를 보정하는 기능을 수행한다. 즉 신호 처리부(930)는 적외선 감지 센서(920)에 포함된 적어도 하나의 적외선 감지부(미도시) 간에 검출신호의 옵셋(offset)값과 이득(gain)값을 보정함으로써 동일한 물체에 대하여 각 적외선 감지부(미도시) 간 검출신호의 편차를 줄일 수 있도록 한다. 이러한 옵셋값 및 이득값 조정은 다양한 방법으로 구현할 수 있으며, 이는 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (10)

  1. 상부 구조체 및 상기 상부 구조체와 전기적으로 연결되는 하부 구조체를 포함하는 적외선 감지 센서에 있어서,
    상기 상부 구조체는,
    상부층;
    상기 상부층의 아래에 배치된 적어도 하나의 적외선 감지부;
    상기 상부층의 아래에서 상기 적외선 감지부의 가장 자리에 배치되되, 서로 대각선 방향으로 마주하는 복수의 전극 패드; 및
    각각의 일측은 상기 적외선 감지부와 전기적으로 접속되고, 각각의 타측은 상기 전극 패드와 연결되는 복수의 전극 배선을 포함하고,
    상기 하부 구조체는,
    하부층; 및
    상기 하부층 위에 형성되며, 상기 복수의 전극 패드와 솔더 볼에 의해 열압착 접합된 복수의 앵커부를 포함하는, 적외선 감지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하부층은, 판독집적회로(ROIC)가 형성된 기판을 포함하는, 적외선 감지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 구조체는,
    상기 하부층 위에서 상기 적외선 감지부와 대향하여 배치된 반사층을 포함하고,
    상기 복수의 앵커부는 상기 반사층의 가장 자리에 서로 이격되어 배치된, 적외선 감지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 상부층은 8㎛ 내지 12 ㎛ 파장(λ) 대역을 갖는 적외선을 선택적으로 투과시키는, 적외선 감지 센서.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 적외선 감지부는 λ/4만큼 이격되어 배치되는, 적외선 감지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 배선은 서펜타인 패턴 형태로 형성되는, 적외선 감지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 구조체는,
    상기 앵커부와 상기 전극 패드 사이에 배치된 도금층을 더 포함하는, 적외선 감지 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 구조체는,
    상기 앵커부와 상기 전극 패드 사이에 배치된 솔더 볼을 더 포함하는, 적외선 감지 센서.
  9. 물체에서 방출되는 적외선을 집광하는 렌즈부;
    상부 구조체 및 상기 상부 구조체와 전기적으로 연결되는 하부 구조체를 포함하는 적외선 감지 센서;
    상기 적외선 감지 센서를 구동하는 구동 회로부; 및
    상기 적외선 감지 센서에서 감지한 적외선에 대한 감지 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 적외선 감지 센서는,
    상기 렌즈부를 통해 집광되는 적외선 중 8㎛ 내지 12 ㎛ 파장(λ) 대역을 갖는 적외선을 선택적으로 투과 및 감지하고,
    상기 상부 구조체는,
    상부층;
    상기 상부층의 아래에 배치된 적어도 하나의 적외선 감지부;
    상기 상부층의 아래에서 상기 적외선 감지부의 가장 자리에 배치되되, 서로 대각선 방향으로 마주하는 복수의 전극 패드; 및
    각각의 일측은 상기 적외선 감지부와 전기적으로 접속되고, 각각의 타측은 상기 전극 패드와 연결되는 복수의 전극 배선을 포함하고,
    상기 하부 구조체는,
    하부층; 및
    상기 하부층 위에 형성되며, 상기 복수의 전극 패드와 솔더 볼에 의해 열압착 접합된 복수의 앵커부를 포함하는, 열화상 카메라 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전극 배선은 서펜타인 패턴 형태로 형성되는, 열화상 카메라 모듈.
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