KR20060021981A - 에스오아이 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서및 그의 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하부실리콘산화막과 하부실리콘층과 중앙실리콘산화막과 상부실리콘층과 상부실리콘산화막을 포함한 SOI 실리콘 기판 위에 고온부와 저온부를 포함하는 써모파일 적외선 센서를 제작하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법은 고온부가 형성될 부분의 하부실리콘산화막을 패터닝하여 제거하고, 하부실리콘산화막을 마스크로 하여 하부실리콘층을 식각하는 제 1 단계와; 고온부의 흑체가 형성될 부분의 상부실리콘산화막을 패터닝하여 제거하고, 상부실리콘산화막을 마스크로 하여 상부실리콘층을 식각하는 제 2 단계와; 저온부가 형성될 부분의 상부실리콘층을 제거한 후 상부실리콘층과 연결되는 알루미늄전극을 형성하여 열전쌍을 형성하는 제 3 단계와; 고온부가 형성될 부분의 상부실리콘층 위에 상부절연막과 금속박막을 순차적으로 적층하는 제 4 단계와; 알루미늄전극 위에 금속패드와 와이어를 연결하고 에폭시로 채우는 제 5 단계와; 금속박막을 처리하여 흑체를 형성하는 제 6 단계를 포함한다.
멤브레인, 써모파일, 적외선 센서, 열전쌍, 제백효과, SOI웨이퍼
Description
21; 제1실리콘산화막 22; 하부실리콘층
23; 제2실리콘산화막 24; 실리콘전극
25; 알루미늄전극 26; 금속패드
27; 에폭시 28; 와이어
29; 상부절연막 30; 흑체
본 발명은 써모파일 적외선 센서 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SOI(silicon on insulator) 실리콘 기판을 이용한 신뢰성 높은 써모파일 적외선 센서 및 그의 제작방법에 관한 것이다.
써모파일 적외선 센서는 서로 다른 두 개의 전도체 또는 반도체에 대해 한 쪽을 접촉시키고 다른 한 쪽을 개방시킨 구조로 형성하고, 접촉부분과 개방부분에 온도차가 발생하면 그 온도차에 비례하여 열기전력(Themoelectric Power)이 발생한다는 제백효과(seebeck effect)를 기본으로 하는 감지 소자이다.
써모파일 적외선 센서는 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열 커패시턴스(thermal capacitance)를 갖는 얇은 다이어프램(diaphragm) 위에 2개의 서로 다른 열전 재료(thermoelectric material)를 위치시킨다. 실리콘부는 기판 구조물에 연결되어 주위 온도와 동일한 온도를 유지하는 저온부(cold junction)를 이루며, 다이어프램 멤브레인부는 열적 고립을 위하여 최대한 얇게 제작되고 입력 적외선을 잘 흡수하기 위한 흑체(black body)를 포함하여 고온부(hot junction)를 이룬다. 적외선이 써모파일 적외선 센서의 고온부에 입사되면, 고온부에 형성된 흑체는 입사된 적외선을 흡수하고 저온부 부위의 온도 성분은 실리콘을 통하여 힛싱크(heat sink)되어 고온부와 저온부의 온도차에 의하여 기전력이 여기된다.
결국, 써모파일 적외선 센서에 일정한 적외선 복사에너지가 입력될 때 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 나타나게 되며, 이는 입력되는 복사에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하느냐에 달려있다. 따라서, 되도록 많은 양의 복사에너지를 흡수해야 하며, 일단 흡수된 복사에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 써모파일 적외선 센서의 감도를 향상시키는 핵심문제이다. 이를 구현하기 위하여, 복사에너지를 받는 부분은 열적 고립을 위해 최대한 낮은 열전도도를 갖도록 매우 얇은 박막, 즉 멤브레인(membrane)으로 구성한다.
종래의 써모파일 적외선 센서는 상부에 적외선 흡수층까지의 모든 상부 구조물을 형성한 후에, 실리콘 구조물 하부에서 뒷면 식각을 통해서 얇은 상부 구조물을 형성하여, 얇은 멤브레인 구조를 만들기 때문에 상부 구조물이 함몰하는 경우가 종종 발생하는 문제점이 있다. 또한, 상부 구조물이 뒷면 식각에 의한 과식각이 일어나면 상부 열전쌍의 동작 특성이 방해되는 문제점이 있다. 또한, 반도체 공정에서 뒷면 구멍 형성을 위한 상부 열전쌍들 제작 공정이 전체 구조에 영향을 주어 어긋난 패턴 형성을 야기할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, SOI 구조의 실리콘 기판을 이용하여 먼저 하부 실리콘을 얇게 만들고, 이 SOI 구조의 실리콘 기판 상부에 센서 구조물을 형성함으로써, 공정의 재현성과 안정된 센서 특성을 얻을 수 있는 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법은, 하부실리콘산화막과 하부실리콘층과 중앙실리콘산화막과 상부실리콘층과 상부실리콘산화막을 포함한 SOI 실리콘 기판 위에 고온부와 저온부를 포함하는 써모파일 적외선 센서를 제작하는 방법에 있어서,
상기 고온부가 형성될 부분의 상기 하부실리콘산화막을 패터닝하여 제거하고, 상기 하부실리콘산화막을 마스크로 하여 상기 하부실리콘층을 식각하는 제 1 단계와;
상기 고온부의 흑체가 형성될 부분의 상기 상부실리콘산화막을 패터닝하여 제거하고, 상기 상부실리콘산화막을 마스크로 하여 상기 상부실리콘층을 식각하는 제 2 단계와;
상기 저온부가 형성될 부분의 상기 상부실리콘층을 제거한 후 상기 상부실리콘층과 연결되는 알루미늄전극을 형성하여 열전쌍을 형성하는 제 3 단계와;
상기 고온부가 형성될 부분의 상기 상부실리콘층 위에 상부절연막과 금속박막을 순차적으로 적층하는 제 4 단계와;
상기 알루미늄전극 위에 금속패드와 와이어를 연결하고 에폭시로 채우는 제 5 단계와;
상기 금속박막을 처리하여 흑체를 형성하는 제 6 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 써모파일 적외선 센서의 평면도이다.
이 써모파일 적외선 센서는 SOI 실리콘 기판(11)에 상부 실리콘층과 알루미늄으로 이루어진 열전쌍(12)을 포함하며, 이 열전쌍(12)은 외부의 전선에 연결될 패드에 연결된다. 이 열전쌍(12)들은 직렬로 연결되고 고온부(13)와 저온부(14)로 구성된다. 고온부(13)는 일반적으로 흑체로 구성된 흡수체(15)를 포함하여 적외선 방사에너지가 흡수되며, 두께가 얇은 멤브레인(16) 구조로 형성하여 승온이 쉽도록 한다. 각각의 열전쌍(12)은 기전력을 여기하는데, 이 기전력의 여기는 고온부가 적외선 방사에너지를 충분히 흡수하고, 고온부에서 흡수된 방사에너지가 저온부로 열전달되지 않을 때 최대가 된다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 써모파일 적외선 센서의 단면도이다.
이 써모파일 적외선 센서는 SOI 실리콘 기판 상에 배치되는데, 이 SOI 실리콘 기판은 제1실리콘산화막(21)과 하부실리콘층(22)과 제2실리콘산화막(23)으로 이루어진다. 고온부는 제1실리콘산화막(21)과 하부실리콘층(22)이 식각되어 멤브레인 구조를 이룬다. 하부실리콘층(22)은 제2실리콘산화막(23)에 의해 식각이 저지된다. 제2실리콘산화막(23)의 상부에는 실리콘전극(24)과 알루미늄전극(25)이 연결되는데, 이 실리콘전극(24)과 알루미늄전극(25)이 열전쌍을 이룬다. 알루미늄전극(25)의 상부에는 금속패드(26)가 장착되고, 이 금속패드(26)를 외부로 인출하는 와이어(28)가 연결된다. 이 금속패드(26)와 와이어(28)는 에폭시(27)에 의해 밀봉된다. 실리콘전극(24)의 상부에는 상부절연막(29)이 형성되고, 고온부의 상부절연막(29) 상부에는 흑체(30)가 형성된다. 이 흑체는 흡수체 금속을 산화 처리 또는 염화 처리를 하여 얻어진다.
이 써모파일 적외선 센서에 적외선 복사에너지가 입력되면, 흑체는 입력되는 복사에너지를 흡수하여 고온부의 온도가 상승하여 고온부와 저온부 간에 온도 차이가 발생한다. 그러면, 직렬 배치된 열전쌍들에 의하여 고온부와 저온부 사이에 여기 전압이 발생한다.
도 3a 내지 도 3o는 본 발명의 한 실시예에 따른 써모파일 적외선 센서를 제작하는 공정을 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 써모파일 적외선 센서를 제작하기 위한 기본적인 구조물인 SOI 실리콘 기판의 단면도이다. 이 SOI 실리콘 기판은 제1실리콘산화막(21)과 하부실리콘층(22)과 제2실리콘산화막(23)과 상부실리콘활성층(31)과 제3실리콘산화막(32)이 순차적으로 적층되어 구성된다. 상부상부실리콘층(31)의 두께는 약 2.49um 정도이고 제2실리콘산화막(23)의 두께는 0.38um 정도이며, 하부실리콘층(22)의 두께는 540um 정도이다.
다음, 도 3b에 도시된 바와 같이 제3실리콘산화막(32)과 상부상부실리콘층(31)의 일부를 습식산화시켜서, 상부상부실리콘층(31)을 1um 내외가 되도록 한다.
다음, 도 3c에 도시된 바와 같이 고온부가 형성되는 제1실리콘산화막(21)의 일부분을 제거하여 패터닝하고, 상부상부실리콘층(31) 상부에 제4실리콘산화막(33)을 형성한다.
다음, 도 3d에 도시된 바와 같이 제1실리콘산화막(21)을 마스크로 하여 하부실리콘층(22)을 화학적식각방법으로 식각한다. 하부실리콘층(22)의 식각은 제2실리콘산화막(23)에 의해 저지되기 때문에, 하부실리콘층(22)의 과식각이 방지된다.
다음, 도 3e에 도시된 바와 같이 고온부 중 흑체가 형성되는 제4실리콘산화막(33)의 일부분을 제거하여 패터닝한다.
다음, 도 3f에 도시된 바와 같이 제4실리콘산화막(33)을 마스크로 하여 상부상부실리콘층(31)을 식각한 후 제4실리콘산화막(33)을 제거한다. 이 상부상부실리콘층(31)이 실리콘전극(24)이 되며, 추후 단계에서는 실리콘전극(24)으로 기술한다.
다음, 도 3g에 도시된 바와 같이 실리콘전극(24)의 양쪽 끝을 식각하여 제거 한 후 그 실리콘전극(24)의 양쪽 끝에 실리콘전극(24)과 연결되는 알루미늄금속(25)을 형성하여 열전쌍을 형성한다. 이때 알루미늄금속(25)의 두께를 0.2 내지 1.0um로 형성하여 실리콘전극(24)과 알루미늄전극(25)이 끊어지지 않고 충분히 연결될 수 있도록 한다. 열전쌍의 전극 배치는 교차형으로서, 실리콘기판 위에 알루미늄전극이 연속적으로 연결되는 구조이며, 실리콘전극의 식각 구조에 따라 알루미늄전극의 두께는 0.2 내지 1.0 um이다.
다음, 도 3h에 도시된 바와 같이 실리콘전극(24)과 알루미늄전극(25)이 연결되어 열전쌍이 형성된 후 도 3g의 결과물 위에 상부절연막(29)을 형성한다.
다음, 도 3i에 도시된 바와 같이 상부절연막(29) 위에 금속박막(34)을 형성한다. 이 금속박막(34)은 추후 흑체로 완성된다.
다음, 도 3j에 도시된 바와 같이 알루미늄전극(25)이 형성된 부분의 금속박막(34)을 패터닝하여 제거하고, 도 3k에 도시된 바와 같이 알루미늄전극(25)이 형성된 부분의 상부절연막(29)을 제거한다.
다음, 도 3l에 도시된 바와 같이 알루미늄전극(25) 위에 금속배선을 위한 금속패드(26)를 형성하고, 금속패드(26)에 와이어(28)를 연결한다.
다음, 도 3m에 도시된 바와 같이 금속패드(26)와 와이어(28)에 에폭시(27)를 채우고, 도 3n에 도시된 바와 같이 흑체가 될 부분을 제외한 금속박막(34)을 패터닝하여 제거한다.
다음, 도 3o에 도시된 바와 같이 금속박막(34)을 염화처리 또는 산화처리하여 흑체(30)를 형성한다.
이로써, SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서를 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법은, 고온부 형성을 위해 하부실리콘층을 식각할 때 실리콘 내부에 형성된 실리콘절연막이 과식각을 저지하기 때문에 상부에 형성될 센서들에 영향을 미치지 않아서 공정의 재현성과 안정된 센서 특성을 얻을 수 있는 잇점이 있다.
Claims (4)
- 하부실리콘산화막과 하부실리콘층과 중앙실리콘산화막과 상부실리콘층과 상부실리콘산화막을 포함한 SOI 실리콘 기판 위에 고온부와 저온부를 포함하는 써모파일 적외선 센서를 제작하는 방법에 있어서,상기 고온부가 형성될 부분의 상기 하부실리콘산화막을 패터닝하여 제거하고, 상기 하부실리콘산화막을 마스크로 하여 상기 하부실리콘층을 식각하는 제 1 단계와;상기 고온부의 흑체가 형성될 부분의 상기 상부실리콘산화막을 패터닝하여 제거하고, 상기 상부실리콘산화막을 마스크로 하여 상기 상부실리콘층을 식각하는 제 2 단계와;상기 저온부가 형성될 부분의 상기 상부실리콘층을 제거한 후 상기 상부실리콘층과 연결되는 알루미늄전극을 형성하여 열전쌍을 형성하는 제 3 단계와;상기 고온부가 형성될 부분의 상기 상부실리콘층 위에 상부절연막과 금속박막을 순차적으로 적층하는 제 4 단계와;상기 알루미늄전극 위에 금속패드와 와이어를 연결하고 에폭시로 채우는 제 5 단계와;상기 금속박막을 처리하여 흑체를 형성하는 제 6 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는 상기 상부실리콘층의 두께가 약 1um 정도가 되도록 하고, 상기 고온부의 흑체가 형성될 부분의 상기 상부실리콘산화막을 패터닝하여 제거하고, 상기 상부실리콘산화막을 마스크로 하여 상기 상부실리콘층을 식각하는 것을 특징으로 하는 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄전극의 두께는 0.2 내지 1.0um인 것을 특징으로 하는 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 6 단계는 상기 금속박막을 염화처리 또는 산화처리하여 흑체를 형성하는 것을 특징으로 하는 SOI 실리콘 기판을 이용한 써모파일 적외선 센서의 제작방법.
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