KR20000060191A - 열영상 검출용 초전 소자 제조방법 - Google Patents

Abstract

유전막의 표면 손상을 최소화하고, 공정 단순화를 이룰 수 있도록 한 열영상 검출용 초전 소자 제조방법이 개시된다. 250 ~ 350㎛의 두께를 가지도록 연마된 유전막을 준비한 후, 레이저 빔이 도달되는 중앙부는 석영판으로 구성되고 그 이외의 나머지 부분은 테플론 재질로 구성되며 내부에는 수용액이 담겨져 있는 박스 형상의 셀 내에, 식각하고자 하는 면(프론트면)이 상기 석영판 바로 뒷면에 위치하도록 상기 유전막을 장착한 다음, 상기 셀의 석영판 상으로 레이저 빔을 조사하여 유전막의 프론트 면쪽에 복수의 홈을 형성한다. 상기 셀로부터 식각 공정이 완료된 유전막을 꺼낸 후, 습식 세정 공정을 이용하여 상기 홈을 원하는 깊이와 폭을 가지도록 만들고, 상기 홈 내부에만 선택적으로 평탄화된 에치스토퍼막을 형성한 다음, 그 전면에 "제 1 금속 전극/적외선 흡수막/반투과성막" 적층 구조의 박막을 형성한다. 접착제를 매개체로 이용하여 상기 박막 상에 글래스를 부착하고, 에치스토퍼막이 노출되도록 유전막의 백면을 소정 두께 폴리싱하여 유전막 패턴을 형성한 다음, 유전막 패턴의 백면에만 선택적으로 제 2 금속 전극을 형성하고, 상기 홈 내의 에치스토퍼막을 제거한다. 그 결과, 보호막 증착 공정없이도 유전막의 표면 손상을 종래보다 현격하게 줄일 수 있게 되므로 유전막의 표면 손상 억제 및 공정 단순화 효과를 동시에 얻을 수 있게 된다.

Description

열영상 검출용 초전 소자 제조방법{Method for fabricating pyroele device for detecting thermal image}

본 발명은 열영상 검출용 초전 소자 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 식각시 발생되는 유전막의 표면(프론트면) 손상을 최소화하고 공정 단순화를 이룰 수 있도록 한 열영상 검출용 초전 소자 제조방법에 관한 것이다.

최근들어, 전기석, 주석산 또는 자당등의 결정체의 일부를 가열하여 생기는 표면의 유전분극에 의한 전하를 이용하는 초전기에 대한 연구 개발이 매우 활발하게 이루어지고 있다. 초전형 열전소자는 이러한 초전기를 이용한 소자의 하나로서 별도로 제조된 단결정 구조의 집적소자와 모듈 형태로 재조합되어 열영상 검출용 초전 소자로 사용되고 있다.

상기 초전형 열전소자는 통상, 각 단위 픽셀간을 열적으로 고립시키기 위하여 레이저 식각법이나 이온 밀링법을 이용하여 각 단위 픽셀들 간을 분리하고 있는데, 이중 레이저 식각법은 높은 레이저 파워(power) 때문에 초전 소자를 이루는 강유전체 재질의 유전막 표면에 열적 손상을 가져다 주기 쉽다는 단점을 갖는다. 이러한 손상은 초전형 재료인 유전막의 특성(예컨대, 유전 및 초전 계수) 저하를 가져올 뿐 아니라 완성된 소자의 누설전류를 증가시키는 원인이 되므로, 레이저 식각법을 이용하여 초전형 열전소자를 제조하고자 할 경우에는 열적 손상이 최소화되도록 공정을 진행하는 것이 무엇보다도 중요하다.

따라서, 최근에는 초전형 열전소자와 단결정 구조의 집적소자가 조합된 열영상 검출용 초전 소자 제조시, 유전막의 표면 손상을 줄일 목적으로 유전막 상에 절연막이나 금속막 재질의 보호막을 별도로 더 형성해 준 상태에서 레이저 식각을 진행해 주는 방식으로 소자 제조가 이루어지고 있다.

도 1a 내지 도 1i에는 이와 관련된 종래의 열영상 검출용 초전 소자 제조방법을 도시한 공정수순도가 제시되어 있다. 상기 공정수순도를 참조하여 그 제조방법을 제 11 단계로 구분하여 살펴보면 다음과 같다.

제 1 단계로서, 도 1a에 도시된 바와 같이 250 ~ 350㎛의 두께를 가지도록 연마된 유전막(10)의 프론트면에 절연막 재질의 보호막(12)을 형성한다. 이때, 유전막(10)은 유전체의 자발 분극에 의해 초전 전류가 발생하는 강유전체 물질(예컨대, BST(BaSrTiO₃), PZT(PbZrTiO₃), BT(BaTiO₃), PST(PbScTaO₃) 등)로 형성되며, 보호막(12)은 절연막외에 금속막 재질의 것도 사용 가능하다.

제 2 단계로서, 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 보호막(12)과 유전막(10)의 일부를 소정 부분 선택적으로 레이저 식각하여 상기 유전막(10) 내에 복수의 홈(g)을 형성한다. 이와 같이 보호막(12)이 형성된 상태에서 레이저 식각을 진행한 것은 레이저 식각시 발생되는 열로부터 유전막이 손상되는 것을 막기 위함이다.

제 3 단계로서, 도 1c에 도시된 바와 같이 상기 보호막(12)을 제거한다.

제 4 단계로서, 도 1d에 도시된 바와 같이 레이저 식각시 생성된 슬래그를 제거하고, 초전 소자 형성에 적합한 깊이의 홈을 만들기 위하여 통상의 사진식각공정을 이용하여 유전막(10)의 프론트면중, 홈(g) 형성이 이루어지지 않은 부분에만 선택적으로 감광막 패턴(미 도시)을 형성한 다음, 이를 마스크로 이용하여 습식 세정 공정을 실시한다. 그 결과, 도시된 형태의 홈(g')이 만들어지게 된다.

제 5 단계로서, 도 1e에 도시된 바와 같이 상기 홈(g')을 포함한 유전막(10)의 프론트면에 PIRL 재질의 에치스토퍼막(14)을 형성하고, 유전막(10) 표면이 노출될 때까지 이를 폴리싱하여 상기 홈(g') 내에만 에치스토퍼막(14)을 남긴다.

제 6 단계로서, 도 1f에 도시된 바와 같이 에치스토퍼막(14)을 포함한 유전막(10)의 프론트면에 공통 전극으로 사용되어질 제 1 금속 전극(16)과 적외선 흡수막(이하, IR 흡수막이라 한다)(18) 및 반투과성막(20)을 순차적으로 형성하여 "제 1 금속 전극(16)/IR 흡수막(18)/반투과성막(20)" 적층 구조의 박막을 형성한다.

제 7 단계로서, 도 1g에 도시된 바와 같이 에폭시(epoxy)나 왁스(wax) 재질의 접착제(22)를 사용하여 상기 박막을 이루는 반투과성막(20) 상에 글래스(24)를 부착한다.

제 8 단계로서, 도 1h에 도시된 바와 같이 제 7 단계에서 제조된 결과물을 뒤집어 유전막(10)의 백면이 위로 올라오도록 위치 정렬한 다음, 에치스토퍼막(14)의 표면이 노출될 때까지 유전막(10)의 백면을 소정 두께 폴리싱하여 에치스토퍼막(14) 사이 사이에 유전막 패턴(10a)이 놓여지도록 한 후, 유전막 패턴(10a)의 백면 상에만 선택적으로 "In/Au/TiW/NiCr" 적층 구조의 제 2 금속 전극(26)을 형성한다.

제 9 단계로서, 도 1i에 도시된 바와 같이 각 유전막 패턴 간을 분리하기 위하여 습식이나 건식식각 공정을 이용하여 상기 홈(g') 내의 에치스토퍼막(14)을 제거한다.

제 10 단계로서, 도 1j에 도시된 바와 같이 메사 형상의 아이솔레이션 절연막(52)과 제 3 금속 전극(54)이 구비된 반도체 칩을 준비한다.

제 11 단계로서, 도 1k에 도시된 바와 같이 인듐 범프(70)를 매개체로 이용하여 반도체 칩(50) 상의 제 3 금속 전극(54)과 유전막 패턴(10a) 백면의 제 2 금속 전극(26) 간을 플립 칩 본딩한 뒤 반투과성막(20)으로부터 글래스(24)를 분리해 주므로써, 본 공정 진행을 완료한다.

그러나, 상기에 언급된 일련의 공정수순에 의거하여 열영상 검출용 초전 소자를 제조할 경우에는 공정 진행 과정에서 다음과 같은 문제가 발생된다.

유전막 상에 보호막을 형성한 상태에서 레이저 식각 공정을 진행할 경우, 유전막 표면에 가해지는 열적 손상을 어느 정도 줄일 수 있기는 하나 이로 인해 공정 진행상의 복잡함이 뒤따르게 되고, 유전막 표면에 가해지는 열적 손상을 어느 한도 이상으로 줄일 수 없다는 문제가 발생된다.

이에 본 발명의 목적은, 레이저 식각법을 이용하여 강유전체 재질의 유전막을 식각할 때, 상기 유전막이 공기중이 아닌 수용액 속에서 식각이 이루어지도록 공정을 변경해 주므로써, 레이저 식각시 발생되는 유전막의 표면(프론트면) 손상을 종래보다 최소화하면서도 공정 단순화를 이룰 수 있도록 한 열영상 검출용 초전 소자 제조방법에 관한 것이다.

도 1a 내지 도 1k는 종래의 열영상 검출용 초전 소자 제조방법을 도시한 공정수순도,

도 2a 내지 도 2j는 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전 소자 제조방법을 도시한 공정수순도,

도 3은 도 2b의 공정 진행시 이용되는 레이저 식각법의 구체적인 방법을 도시한 공정단면도,

도 4는 도 3에 제시된 Ⅰ 부분의 정면 구조를 확대 도시한 사시도,

도 5a 및 도 5b는 유전막의 표면 손상 정도를 비교 도시한 SEM 사진을 나타낸 것으로,

도 5a는 KOH 수용액 속에서 레이저 식각을 진행한 경우에 있어서의 유전막 표면 상태를 찍은 광학현미경 사진,

도 5b는 표면에 보호막을 형성한 상태에서 공기중에서 레이저 식각을 진행한 경우에 있어서의 유전막의 표면 상태를 찍은 광학현미경 사진이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 250 ~ 350㎛의 두께를 가지도록 연마된 유전막을 준비하는 단계와; 레이저 빔이 도달되는 중앙부는 석영판으로 구성되고 그 이외의 나머지 부분은 테플론 재질로 구성되며 내부에는 수용액이 담겨져 있는 박스 형상의 셀 내에, 식각하고자 하는 면(프론트면)이 상기 석영판 바로 뒷면에 위치하도록 상기 유전막을 장착한 다음, 상기 셀의 석영판 상으로 레이저 빔을 조사하여 상기 유전막의 프론트 면쪽에 복수의 홈을 형성하는 단계와; 상기 셀로부터 식각 공정이 완료된 상기 유전막을 꺼낸 후, 습식 세정 공정을 이용하여 상기 홈을 원하는 깊이와 폭을 가지도록 만드는 단계와; 상기 홈 내부에만 선택적으로 평탄화된 에치스토퍼막을 형성하는 단계와; 상기 에치스토퍼막을 포함한 상기 유전막의 프론트면 상에 "제 1 금속 전극/적외선 흡수막/반투과성막" 적층 구조의 박막을 형성하는 단계와; 접착제를 매개체로 이용하여 상기 박막 상에 글래스를 부착하는 단계와; 상기 에치스토퍼막이 노출되도록 상기 유전막의 백면을 소정 두께 폴리싱하여 유전막 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 유전막 패턴의 백면에만 선택적으로 제 2 금속 전극을 형성하고, 상기 홈 내의 상기 에치스토퍼막을 제거하는 단계를 포함하는 열영상 검출용 초전 소자 제조방법이 제공된다.

이때, 상기 수용액은 "1 ~ 10mol 농도의 KOH", "5 ~ 15mol% 농도의 HCl", "물" 중에서 선택된 어느 하나가 사용되고, 상기 레이저 빔은 "Ar 이온 레이저 빔", "Cu-vapor 레이저 빔", "Nd-Yag 레이저 빔" 중에서 선택된 어느 하나가 사용된다.

상기 공정 결과, 보호막 증착 공정없이도 유전막의 표면 손상을 종래보다 현격하게 줄일 수 있게 되고, 이로 인해 초전 소자 제조시 공정을 단순화할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2j는 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전 소자 제조방법을 도시한 공정수순도를 나타내고, 도 3은 도 2b의 공정 진행시 이용되는 레이저 식각법의 구체적인 방법을 도시한 공정단면도를 나타내며, 도 4는 도 3에 제시된 Ⅰ 부분의 정면 구조를 확대 도시한 사시도를 나타낸다.

상기 도면들을 참조하여 본 발명에서 제안된 열영상 검출용 초전 소자의 제조방법을 제 9 단계로 구분하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 여기서는 편의상, 종래 기술과 동일하게 진행되는 부분은 간략하게만 언급하고 차별화되는 부분을 중심으로 살펴본다.

제 1 단계로서, 도 2a에 도시된 바와 같이 250 ~ 350㎛의 두께로 연마된 강유전체(예컨대, BST(BaSrTiO₃), PZT(PbZrTiO₃), BT(BaTiO₃), PST(PbScTaO₃), PT(PbTiO₃), PLZT(Pb_1-XLa_x(Zr_1-yTi_Y)_1-X/4O₃), PScT(PbSc_1/2Ta_1/2O₃), PMN(PbMg_1/3Nb_2/3O₃), PZ(PbZrO₃) 등) 재질의 유전막(10)을 준비한다.

제 2 단계로서, 도 2b와 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 정면(124d) 중앙부는 레이저 빔이 잘 투과할 수 있는 석영판(126)으로 구성되고, 그 이외의 나머지 부분은 테플론 재질로 구성되며, 내부에는 수용액(128)이 담겨져 있는 박스 형상의 셀(124) 내에, 유전막(10)의 프론트면이 상기 석영판(126)의 바로 뒷면에 위치하도록 유전막(10)을 장착한다. 이때, 유전막(10)은 상기 셀(124)의 상면(124a) 안쪽에 부착되어 있는 지지대(124b)의 끝단부쪽에서 나사(124c)에 의해 고정된 상태로 수용액(128) 속에 담구어지므로, 공정 진행상의 어려움없이도 석영판(126) 바로 뒤쪽에 유전막(10)을 장착할 수 있게 된다. 상기 셀(124) 내의 수용액(128)으로는 1 ~ 10 mol 농도의 KOH 수용액이나 5 ~ 15mol% 농도의 HCl 수용액 혹은 물이 사용된다. 이어, 수용액(128)이 담겨진 상기 셀(124)을 X-Y-θ-Φ 조절이 가능하도록 설계된 시편 홀더(120) 상에 고정시키고, 레이저(100)로부터 조사되는 레이저 빔(100a)과 상기 유전막(10)의 프론트면이 수직 상태를 유지할 수 있도록 펄스널 컴퓨터를 통해 레이저 빔의 방향을 정확하게 조절한 다음, 파워(power)가 약 150mW/cm²이고, 스캔 속도(scan speed)가 500 ~ 1000㎛/sec인 조건으로 상기 셀(124)의 석영판(126) 상에 레이저 빔을 연속적으로 조사한다. 그 결과, 유전막(10)의 프론트면쪽에 복수의 홈(g)이 만들어지게 된다. 도 3에서 참조부호 110은 레이저(100)로부터 조사된 빔(100a)을 포커싱(focusing)시켜 주는 역할을 하는 렌즈를 나타낸다.

레이저 식각법을 이용하되, 상기와 같이 유전막(10)을 수용액 속에 담군 상태하에서 식각 공정을 진행할 경우, 레이저 식각시 슬래그가 거의 발생되지 않을 뿐 아니라 발생되더라도 이것이 곧바로 수용액 속에 녹아 들어가므로 식각 공정이 완료된 상태하에서는 홈(g) 내부에 슬래그가 잔존되지 않게 된다. 뿐만 아니라 레이저 빔(100a)이 유전막(10)의 프론트면 상에 직접 조사되지 않고 수용액(128)을 매개체로하여 간접 조사되므로, 레이저 식각시 발생되는 열로 인해 유전막(10)의 표면이 손상되는 것을 최소화할 수 있게 된다.

일 실험 예로서, 도 5a 및 도 5b에는 2mol 농도의 KOH를 수용액으로 이용하여 본 발명에서 제안된 방식으로 유전막의 프론트면을 식각한 경우(도 5a)와, 종래와 같이 절연막이나 금속막 재질의 보호막을 형성한 상태에서 레이저 식각법으로 유전막을 식각한 후, 상기 보호막을 제거해 주는 방식으로 공정을 진행한 경우(도 5b)에 있어서의 유전막(10)의 표면 손상 정도를 비교 도시한 광학현미경 사진이 도시되어 있다.

상기 광학현미경 사진을 참조하면, 종래와 같이 레이저 식각 공정을 진행하였을 경우에도 유전막(10)의 표면 손상을 어느 정도 줄일 수 있기는 하나, 본 발명의 경우에는 표면 손상이 거의 나타나지 않는 것으로 보아, 본 발명의 경우가 종래보다 훨씬 더 양호한 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

제 3 단계로서, 도 2c에 도시된 바와 같이 수용액(128)이 담긴 상기 셀(124)로부터 식각 공정이 완료된 유전막(10)을 꺼낸 다음, 상기 홈(g)을 원하는 사이즈의 깊이와 폭을 가지도록 만들기 위하여 유전막(10)의 프론트면 중에서 홈(g)이 형성되어 있지 않은 부분에만 선택적으로 감광막 패턴(미 도시)을 형성하고, 이를 마스크로 이용하여 소정 시간 동안 습식 세정 공정을 실시한다. 그 결과, 도시된 형태의 홈(g')이 만들어지게 된다.

제 4 단계로서, 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 홈(g')을 포함한 유전막(10)의 프론트면에 PIRL 재질의 에치스토퍼막(14)을 형성하고, 유전막(10) 표면이 노출될 때까지 이를 폴리싱하여 상기 홈(g') 내에만 에치스토퍼막(14)을 남긴다.

제 5 단계로서, 도 2e에 도시된 바와 같이 에치스토퍼막(14)을 포함한 유전막(10)의 프론트면에 공통 전극으로 사용되어질 NiCr이나 TiW 재질의 제 1 금속 전극(16)과 parylene 재질의 IR 흡수막(18) 및 NiCr이나 TiW 재질의 반투과성막(20)을 순차적으로 형성하여, "제 1 금속 전극(16)/IR 흡수막(18)/반투과성막(20)" 적층 구조의 박막을 형성한다.

제 6 단계로서, 도 2f에 도시된 바와 같이 접착제(22)를 사용하여 상기 박막을 이루는 반투과성막(20) 상에 글래스(24)를 부착한다.

제 7 단계로서, 도 2g에 도시된 바와 같이 제 6 단계에서 제조된 결과물을 뒤집어 유전막(10)의 백면이 위로 올라오도록 위치 정렬한 다음, 에치스토퍼막(14)의 표면이 노출될 때까지 유전막(10)의 백면을 소정 두께 폴리싱하여 에치스토퍼막(14) 사이 사이에 유전막 패턴(10a)이 놓여지도록 한 후, 유전막 패턴(10a)의 백면 상에만 선택적으로 "In/Au/TiW/NiCr" 적층 구조의 제 2 금속 전극(26)을 형성한다.

제 8 단계로서, 도 2h에 도시된 바와 같이 습식식각이나 건식식각 공정을 이용하여 상기 홈(g') 내의 에치스토퍼막(14)을 제거해 주어, 각 유전막 패턴(10a) 간을 분리시켜 준다.

제 9 단계로서, 도 2i에 도시된 바와 같이 신호처리를 위한 회로가 집적된 반도체 칩(50)을 준비하고, 그 위에 메사 형상을 갖는 폴리이미드 재질의 아이솔레이션 절연막(52)을 형성한 다음, 상기 아이솔레이션 절연막(52)의 상면과 그 일 측면 및 반도체 칩(50) 상의 소정 부분에 걸쳐 제 3 금속 전극(154)을 형성한다.

제 10 단계로서, 도 2j에 도시된 바와 같이 유전막 패턴(10a)과 아이솔레이션 절연막(52)이 상·하측부에서 각각 일대일 대응되도록 위치 정렬한 다음, 인듐 범프(70)를 매개체로 이용하여 반도체 칩(50) 상의 제 3 금속 전극(54)과 유전막 패턴(10a) 백면의 제 2 금속 전극(26) 간을 플립 칩 본딩하고, 반투과성막(20)으로부터 글래스(24)를 분리시켜 주므로써, 본 공정 진행을 완료한다.

이와 같이 공정을 진행할 경우, 유전막(10)이 수용액 속에 담구어진 상태하에서 복수의 홈(g)을 형성하기 위한 레이저 식각이 진행되므로, 레이저 열로부터 유전막(10)의 표면을 보호할 수 있게 되어 보호막 증착 공정없이도 유전막(10)의 표면 손상을 종래보다 줄일 수 있게 되고, 이로 인해 공정 진행 또한 단순화할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 보호막 증착 공정없이도 유전막의 표면 손상을 종래보다 현격하게 줄일 수 있게 되므로 유전막의 표면 손상 억제 및 공정 단순화 효과를 동시에 얻을 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 250 ~ 350㎛의 두께를 가지도록 연마된 유전막을 준비하는 단계와;

   레이저 빔이 도달되는 중앙부는 석영판으로 구성되고 그 이외의 나머지 부분은 테플론 재질로 구성되며 내부에는 수용액이 담겨져 있는 박스 형상의 셀 내에, 식각하고자 하는 면(프론트면)이 상기 석영판 바로 뒷면에 위치하도록 상기 유전막을 장착한 다음, 상기 셀의 석영판 상으로 레이저 빔을 조사하여 상기 유전막의 프론트 면쪽에 복수의 홈을 형성하는 단계와;

   상기 셀로부터 식각 공정이 완료된 상기 유전막을 꺼낸 후, 습식 세정 공정을 이용하여 상기 홈을 원하는 깊이와 폭을 가지도록 만드는 단계와;

   상기 홈 내부에만 선택적으로 평탄화된 에치스토퍼막을 형성하는 단계와;

   상기 에치스토퍼막을 포함한 상기 유전막의 프론트면 상에 "제 1 금속 전극/적외선 흡수막/반투과성막" 적층 구조의 박막을 형성하는 단계와;

   접착제를 매개체로 이용하여 상기 박막 상에 글래스를 부착하는 단계와;

   상기 에치스토퍼막이 노출되도록 상기 유전막의 백면을 소정 두께 폴리싱하여 유전막 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 유전막 패턴의 백면에만 선택적으로 제 2 금속 전극을 형성하고, 상기 홈 내의 상기 에치스토퍼막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전 소자 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 수용액은 "1 ~ 10mol 농도의 KOH", "11 ~ 13mol% 농도의 HCl", "물" 중에서 선택된 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전 소자 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 빔은 "Ar 이온 레이저 빔", "Cu-vapor 레이저 빔", "Nd-Yag 레이저 빔" 중에서 선택된 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전 소자 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 유전막은 BST, PZT, BT, PST, PT, PLZT, PScT, PMN, PZ 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전 소자 제조방법.