KR20000004122A - Infrared ray absorbing bolometer having 3-layer structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적외선 흡수 볼로메터에 관한 것으로서, 특히, 지지교각과 흡수레벨이 동일상에 형성되어 있지 않고, 흡수레벨의 아래에 지지교각이 형성되어 있음으로서 흡수레벨 전체가 적외선 흡수작용을 할 수 있는 3층 구조의 적외선 흡수 볼로메터에 관한 것이다.The present invention relates to an infrared absorption bolometer, and in particular, the support bridge and the absorption level is not formed on the same phase, the support bridge is formed below the absorption level, so that the entire absorption level can act as the infrared absorption. It relates to an infrared absorption bolometer of a three-layer structure.
볼로메터는 방사열의 변화에 따라 저항값이 변하는 재료(소위 볼로메터 요소)의 특성에 바탕을 둔 에너지 검출기중의 하나이다. 상기 볼로메터 요소는 금속과 반도체 재료를 이용하여 만들어진다. 금속에서, 온도가 올라갈수록 저항값이 높아지는 전형적인 저항값의 변화는 근본적으로 전자의 유동성의 변화에 기인하는 것이다. 금속재료 볼로메터 요소 또는 높은 저항의 반도체 재료 볼로메터 요소에 의해서 온도변화에 따른 저항변화의 큰 민감성을 얻을 수 있으나, 반도체 재료는 박막형 제조가 어려우며, 균일성이 좋지 않고, 잡음지수가 큰 것이 문제점으로 남아있다.Volometers are one of the energy detectors based on the properties of materials (so-called bolometer elements) whose resistance changes with changes in radiant heat. The bolometer element is made using metal and semiconductor materials. In metals, the typical change in resistance, the higher the temperature, is due to the change in electron flow. High sensitivity of resistance change according to temperature change can be obtained by metal material bolometer element or high resistance semiconductor material bolometer element, but semiconductor material is difficult to manufacture thin film type, uniformity is not good and noise figure is big. Remains.
도 1은 2층 구조의 볼로메터(10)을 설명하는 단면도이고, 도 2는 2층 구조의 볼로메터(10)을 보여주는 사시도로서, 상기 2층 구조의 볼로메터(10)는 "THERMAL SENSOR"라는 명칭으로 미합중국 특허 No.5,300,915에 공개되어 있는데, 상기 2층 구조의 볼로메터(10)는 부상된 검출레벨(11)과 하부레벨(12)로 이루어져 있다. 상기 하부레벨(12)은 단결정 실리콘 기판과 같은 상부가 평평한 반도성 기판(13)을 가지고 있다. 상기 반도체 기판(13)의 상부표면(14) 위에는 다이오드, X-버스라인, Y-버스라인, 접속단자, X-버스라인의 끝에 위치하는 접촉패드등의 집적회로(15)의 구성요소들이 널리 통용되는 실리콘 집적회로 제조기술을 이용하여 제조되어 있다. 상기 집적회로(15)는 실리콘 질화막(16)으로 만들어진 보호층으로 코팅되어 있다. 선형으로 패인 도랑(17)은 부상된 검출레벨(11)에 의해 덮여져 있지 않다.1 is a cross-sectional view illustrating a two-layer ballometer 10, Figure 2 is a perspective view showing a two-layer ballometer 10, the two-layer ballometer 10 is a "THERMAL SENSOR" It is disclosed in US Patent No. 5,300, 915 under the name, and the two-layer ballometer 10 is composed of the floating detection level 11 and the lower level 12. The lower level 12 has a semiconductive substrate 13 having a flat top surface, such as a single crystal silicon substrate. On the upper surface 14 of the semiconductor substrate 13, components of the integrated circuit 15 such as diodes, X-bus lines, Y-bus lines, connection terminals, and contact pads positioned at the ends of the X-bus lines are widely used. It is manufactured using conventional silicon integrated circuit manufacturing technology. The integrated circuit 15 is coated with a protective layer made of silicon nitride film 16. The trench 17 linearly recessed is not covered by the floating detection level 11.
부상된 검출레벨(11)은 실리콘 질화막층(20), 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 저항 노선(21), 실리콘 질화막층(20)과 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 저항노선(21) 위에 형성된 또다른 실리콘 질화막층(22), 실리콘 질화막층(22) 위에 형성된 적외선 흡수코팅(23) 등으로 이루어져 있다. 아래쪽으로 뻗어있는 실리콘 질화막층(20')(22')은 상기 부상된 검출레벨(11)을 지지하는 기울어진 네 개의 다리를 만드는 동안 동시에 만들어진다. 상기 다리는 네 개보다 적을수도 많을수도 있다. 두 레벨사이에는 빈공간(26)이 형성되어 서로 이격되어 있다. 제조공정동안, 상기 빈공간(26)은 실리콘 질화막층(20)(20')(22)(22')이 증착될 때까지 용해성 유리나 용해성 재료로 제거되기 쉬운 재료로 증착되어 채워져 있다가 용해성유리나 용해성재료가 제거되어 빈공간으로 남게된다.The floating detection level 11 is formed on the silicon nitride film layer 20, the resistance line 21 formed in the continuous 'L' shape, and the resistance line 21 formed in the continuous 'L' shape with the silicon nitride film layer 20. Another silicon nitride film layer 22 formed, infrared absorption coating 23 formed on the silicon nitride film layer 22, and the like. The silicon nitride film layers 20 'and 22' extending downward are made simultaneously while making four inclined legs supporting the injured detection level 11. The legs may be less than four or more. An empty space 26 is formed between the two levels so as to be spaced apart from each other. During the manufacturing process, the void 26 is deposited and filled with a material that is easily removed by soluble glass or a soluble material until the silicon nitride film layers 20, 20 ', 22, and 22' are deposited. The soluble material is removed and left empty.
도 3은 도 1에 도시된 부상된 검출레벨(11)을 보여주는 평면도이다. 이 도면에서는 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 저항노선(21)이 나타날 수 있도록 상부에 위치한 흡수코팅(23)과 상부의 실리콘 질화막층(22)을 투시하여 도시되어 있다. 상기 저항노선(21)의 끝부분(21a)(21b)은 하부레벨(12)의 패드(31)(32)에 전기적으로 접속되도록 기울어진 영역(30)을 따라 계속적으로 연장된다. 또한 검출레벨의 실리콘 질화막층(20)(22)을 개방시켜 아래의 용해성 유리를 제거할 수 있는 통로를 제공하기 위해 형성되는 질화막 윈도우-컷(35)(36)(37)이 도시되어 있다. 제거할 수 있는 통로를 제공하는 상기 질화막 윈도우-컷(35)(36)(37)은 흡수면적(Fill Factor)과 검출하기 위해 이용할 수 있는 영역을 최대화면서 매우 좁고 각각이 픽셀 단위로 분할되도록 형성한다. 지지역활을 하는 상기 네 개의 다리는 적당한 지지력과 단열을 제공하도록 필요에 의해서 길거나 짧을수 있다.3 is a plan view showing the injured detection level 11 shown in FIG. In this figure, the resistance coating 21 formed in a continuous 'd' shape is shown through the absorption coating 23 located above and the silicon nitride layer 22 on the top. End portions 21a and 21b of the resistance line 21 continuously extend along the inclined region 30 to be electrically connected to the pads 31 and 32 of the lower level 12. Also shown are nitride window-cuts 35, 36 and 37 formed to open the silicon nitride film layers 20 and 22 at the detection level to provide a passage through which the soluble glass below can be removed. The nitride window-cuts 35, 36 and 37, which provide a removable passageway, are very narrow and each is divided into pixels while maximizing the fill factor and the area available for detection. do. The four legs with local bows can be long or short as necessary to provide adequate support and insulation.
상기 기술된 볼로메터에 있는 하나의 결점은, 도 2에 도시된 바와 같이, 부상된 검출레벨(11)에 지지역활을 하는 다리가 함께 형성되어 있어서 적외선을 흡수하는 전체면적이 줄어들기 때문에 최대의 흡수면적(Fill Factor)을 얻을 수 없다.One drawback in the above-described bolometer is that, as shown in Fig. 2, the limbs that support the local area at the injured detection level 11 are formed together so that the total area absorbing infrared rays is reduced. Fill factor cannot be obtained.
본 발명의 목적은 3층 구조의 적외선 흡수 볼로메터를 제공하는 것으로서, 상기 각각의 적외선 흡수 볼로메터는 증가된 흡수면적(Fill Factor)을 갖도록 한 볼로메터를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an infrared absorbing bolometer having a three-layer structure, wherein each of the infrared absorbing bolometers has a boilometer having an increased fill factor.
본 발명의 목적에 일치하여 증가된 흡수면적을 갖는 3층 구조의 적외선 흡수 볼로메터의 구성은 기판과 기판 위에 형성된 적어도 한쌍 이상의 접속단자, 기판을 덮는 보호층등을 갖는 구동기판레벨과, 한쪽 끝이 대응하는 하나의 접속단자에 전기적으로 연결되어 있는 전도선이 상부에 형성되어 있는 지지대가 적어도 한쌍 이상이 형성되어 있는 지지레벨과, 흡수대에 의해 둘러쌓인 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 볼로메터요소를 갖는 흡수레벨과, 절연물질에 의해 둘러쌓여 있으면서 상부끝이 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 볼로메터 요소에 전기적으로 연결되어 있고 하부끝이 지지교각의 전도선에 전기적으로 연결되어 있는 전관이 형성되어 있고 지지교각과 흡수레벨 사이에 위치하는 적어도 한쌍 이상의 포스트로 구성된다.In accordance with the object of the present invention, the structure of the three-layer infrared absorption bolometer having an increased absorption area includes a driving substrate level having at least one pair of connection terminals formed on the substrate and the substrate, a protective layer covering the substrate, and one end. A support level in which at least one pair of supports are formed on top of a conductive line electrically connected to one corresponding connection terminal, and a bolometer element formed in a continuous 'L' shape surrounded by an absorption band. An absorption tube having an absorption level and an electric field surrounded by an insulating material, the upper end of which is electrically connected to a continuous bolmer element formed in a continuous 'L' shape, and the lower end of which is electrically connected to a conducting wire of a support piers. And at least one pair of posts positioned between the support piers and the absorption level.
도 1은 종래의 2층 구조의 볼로메터를 설명하는 단면도,1 is a cross-sectional view illustrating a conventional two-layer bolometer;
도 2는 도 1에 나타난 2층 구조 볼로메터를 보여주는 사시도,FIG. 2 is a perspective view showing a two-layered bolometer shown in FIG.
도 3은 도 1에 나타난 2층 구조 볼로메터의 부상된 검출레벨을 보여주는 평면도,3 is a plan view showing the injured detection level of the two-layer bolometer shown in FIG.
도 4는 본 발명과 일치하는 3층 구조 적외선 흡수 볼로메터를 나타내는 사시도,4 is a perspective view showing a three-layer infrared absorbing bolometer in accordance with the present invention,
도 5는 도 4의 I-I 선을 따라 본 발명에 따른 3층 구조의 적외선 흡수 볼로메터를 설명하는 단면도.5 is a cross-sectional view illustrating an infrared absorption bolometer of the three-layer structure according to the present invention along the line I-I of FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
210 : 구동기판레벨 220 : 지지레벨 230 : 흡수레벨210: driving substrate level 220: support level 230: absorption level
212 : 기판 216 : 보호층 214 : 접속단자212 substrate 216 protective layer 214 connection terminal
240 : 지지교각 252 : 비아홀 265 : 전도선240: support pier 252: via hole 265: conduction line
270 : 포스트270: Post
285 : 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 볼로메터 요소285: Volometer elements formed in successive 'ㄹ' shapes
295 : 흡수대 297 : 적외선 흡수코팅295 absorption band 297 infrared absorption coating
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 3층 구조의 적외선 흡수 볼로메터(201)를 나타내는 사시도, 도 4의 I-I 선을 따라 본 발명의 3층 구조의 적외선 흡수 볼로메터(201)를 설명하는 단면도를 공급한다. 도 4와 도 5에 나타난 동일한 참조번호는 동일한 부분을 나타낸다.4 and 5 are perspective views showing the infrared absorption bolometer 201 of the three-layer structure according to the present invention, and a cross-sectional view illustrating the infrared absorption bolometer 201 of the three-layer structure of the present invention along the line II of FIG. To supply. The same reference numerals shown in FIGS. 4 and 5 denote the same parts.
도 4와 도 5에서 나타나는 발명적인 볼로메터(201)의 구성은 구동기판레벨(210), 지지레벨(220), 적어도 한쌍 이상의 포스트(270), 흡수레벨(230)으로 구성된다.The configuration of the inventive ballometer 201 shown in FIGS. 4 and 5 includes a driving substrate level 210, a support level 220, at least one pair of posts 270, and an absorption level 230.
상기 구동기판레벨(210)은 집적회로(도시되지 않음)가 형성되어 있는 기판(212)과 한쌍의 접속단자(214), 그리고 보호층(216)을 포함한다. 금속으로 만들어진 상기 각각의 접속단자(214)는 기판(212)의 상부에 형성되어 있고 기판의 집적회로에 전기적으로 접속되어 적외선 방사에너지 흡수작용에 의한 볼로메터(201)의 저항변화를 집적회로에 전달한다. 상기 보호층(216)은 잔류응력이 보상되고 절연성이 우수한 재료 즉, 실리콘 질화막으로 만들어져 있으면서 기판(212)을 덮고 있도록 형성되어 공정중에 기판에 손상(212)이 가지않도록 한다.The driving substrate level 210 includes a substrate 212 on which an integrated circuit (not shown) is formed, a pair of connection terminals 214, and a protective layer 216. Each of the connection terminals 214 made of metal is formed on the substrate 212 and is electrically connected to the integrated circuit of the substrate so that the resistance change of the bolometer 201 due to the absorption of infrared radiation energy is transmitted to the integrated circuit. To pass. The protective layer 216 is formed to cover the substrate 212 while being made of a material having excellent insulation and excellent insulation, that is, a silicon nitride film, to prevent damage 212 to the substrate during the process.
상기 지지레벨(220)은 실리콘 질화막으로 만들어진 한쌍의 지지교각(240)을 포함하는데, 상기 지지교각(240)의 상부에는 티탄늄(Ti) 같은 금속으로 만들어진 전도선(265)이 형성되어 있다. 상기 각각의 지지교각(240)은 앵커부분(242), 다리부분(244), 부상된 부분(246)으로 나누어지고 앵커부분에서는 비어홀(252)이 형성되어 있어서 전도선(265)의 한끝이 접속단자에 전기적으로 연결되어 있고, 다리부분(244)은 부상된 부분(246)을 지지하는 역활을 한다.The support level 220 includes a pair of support bridges 240 made of silicon nitride, and a conductive line 265 made of metal such as titanium (Ti) is formed on the support bridges 240. Each support pier 240 is divided into an anchor portion 242, a leg portion 244, a floating portion 246, and a via hole 252 is formed at the anchor portion so that one end of the conductive line 265 is connected. It is electrically connected to the terminal, and the leg portion 244 serves to support the injured portion 246.
상기 흡수레벨(230)은 잔류응력이 보상되고 절연성이 우수한 재료 즉, 실리콘 질화막으로 만들어진 흡수대(295)와 상기 흡수대(295)에 의해 둘러쌓여진 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 볼로메터요소(285)를 포함한다. 상기 흡수대(295)의 상부에는 일반적인 적외선 흡수코팅(297)이 형성되어 있다. 볼로메터 요소(285)에 적합한 재료를 선택하는데 있어서 제조공정과 재료의 특성을 고려하는 것이 중요한데, 볼로메터의 작동의 효율을 향샹시키기 위해서는 볼로메터 요소(285)는 온도에 따른 저항계수의 변화가 크고 잡음지수가 적은 재료로 선택되어야 한다. 이런 이유로, 전도선(265)과 볼로메터 요소(285)에 사용하는 재료로 티탄늄(Ti)이 선택되었다.The absorption level 230 is a bolometer element 285 formed in a continuous 'L' shape surrounded by the absorption band 295 and the absorption band 295 made of a material having excellent insulation, that is, an excellent insulating property, that is, a silicon nitride film. It includes. A general infrared absorption coating 297 is formed on the absorption band 295. It is important to consider the manufacturing process and the characteristics of the material in selecting a suitable material for the bolometer element 285. In order to improve the efficiency of the operation of the bolometer, the bolometer element 285 has a change in resistance coefficient with temperature. It should be chosen as a material with large and low noise figure. For this reason, titanium (Ti) was selected as the material for the conductive line 265 and the bolometer element 285.
상기 각각의 포스트(270)은 흡수레벨(230)과 지지레벨(220)의 사이에 위치한다. 상기 각각의 포스트(270)는 실리콘 질화막 같은 절연물질(274)에 의해서 둘러쌓여져 있고 티탄늄(Ti) 같은 금속으로 만들어진 전관(272)를 포함하는데, 상기 전관(272)의 상부끝은 상기 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 볼로메터 요소(285)의 한쪽 끝에 전기적으로 연결되어 있고, 하부끝은 상기 지지교각(240)의 전도선(265)에 전기적으로 연결되어 있음으로서 상기 흡수레벨(230)의 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 볼로메터 요소(285)의 양끝은 전관(272), 전도선(265), 접속단자(214)를 통하여 상기 구동기판레벨(210)의 집적회로에 전기적으로 연결되어 있다. 적외선 에너지가 흡수되었을 때, 연속적인 'ㄹ'자형으로 형성된 볼로메터 요소(285)의 저항값이 바뀌고, 바뀐 저항값에 의하여 전압, 또는 전류가 변화한다. 변화된 전류나 전압은 집적회로에 입력시켜 증폭되어 출력되고, 증폭된 전류나 전압은 검출회로(도시되지 않음)에 의해 읽혀져 적외선 센싱이 된다.Each post 270 is positioned between an absorption level 230 and a support level 220. Each post 270 is surrounded by an insulating material 274, such as a silicon nitride film, and comprises an electric conduit 272 made of a metal such as titanium (Ti), the upper end of the electric conduit 272 being the continuous One end of the ballot element 285 formed in a 'd' shape is electrically connected to the lower end thereof, and the lower end thereof is electrically connected to the conductive line 265 of the support piers 240. Both ends of the bolometer element 285 formed in a continuous '-' shape are electrically connected to the integrated circuit of the driving substrate level 210 through an electric conduit 272, a conductive line 265, and a connection terminal 214. have. When the infrared energy is absorbed, the resistance value of the bolometer element 285 formed in the continuous 'd' shape changes, and the voltage or current changes according to the changed resistance value. The changed current or voltage is input to the integrated circuit, amplified and output, and the amplified current or voltage is read by a detection circuit (not shown) to be infrared sensing.
본 발명의 3층 구조의 적외선 흡수 볼로메터(201)은 지지교각(240)와 흡수레벨(230)이 동일상에 형성되어 있지 않고, 상기 흡수레벨(230)의 아래에 지지교각(240)이 형성되어 있음으로서, 흡수레벨(230)은 전체가 적외선 흡수 작용을 할 수 있고 따라서, 적외선 흡수 볼로메터(201)의 전체적인 흡수면적(Fill Factor)을 증가시킬 수 있다.In the infrared absorption bolometer 201 of the three-layer structure of the present invention, the support piers 240 and the absorption level 230 are not formed on the same phase, and the support piers 240 are disposed below the absorption level 230. By being formed, the absorption level 230 may function as an entire infrared absorption, and thus increase the overall fill factor of the infrared absorption bolometer 201.
상술한 바와 같이 본 발명은 바람직한 예를 중심으로 설명 및 도시되었으나, 본 기술 분야의 숙련자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양하게 변형 실시 할 수 있음을 알 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described and illustrated with reference to a preferred example, but it will be understood by those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
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