KR20070116703A

KR20070116703A - 비냉각형 적외선 센서

Info

Publication number: KR20070116703A
Application number: KR1020060050624A
Authority: KR
Inventors: 임용근
Original assignee: 임용근
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2007-12-11

Abstract

본 발명은 적외선 흡수 효율을 증진시킴과 동시에 존슨 노이즈 및 지지교각의 열전도도가 적고 온도 분해능이 좋은 볼로미터에 대한 발명으로, 이를 위하여 상기 볼로미터의 에어갭 하단에 위치한 거울 박막에서부터 캔틸레버의 최상부에 매우 얇은 금속 전극 박막과의 광로가 적외선 중심 파장의 1/4 이 되며, 상기 얇은 금속 전극간 간격이 최소 선폭이고, 2층 구조의 지지교각을 가진다.

볼로미터, 비냉각형, 적외선 센서, MEMS, 초소형 정밀 기계

Description

비냉각형 적외선 센서{Uncooled infrared sensor}

도 1은 종래의 비냉각형 적외선 센서의 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 비냉각형 적외선 센서의 사시도,

도 3은 도2의 AA' 를 자른 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : 구동 기판 레벨 102 : 보호막

103 : 접속 단자 201 : 반사 거울

300 : 제1 지지 교각 301 : 버퍼층

302 : 전도선 304 : 앵커

400 : 캔틸레버

401 : 비정질 실리콘층 402 : 적외선 흡수 금속층

403 : 포스트 404 : 제2 지지 교각

본 발명은 적외선을 흡수하여 검출하는 감도가 우수한 비냉각형 적외선 센서에 관한 것이다. 상세하게는, 상온 근처의 물체에서 발산하는 적외선 중심 파장(10μm)에 대하여 최대의 적외선 흡수율을 가지고 필팩터 (Fill factor) 가 크며, 저항이 작고 열고립(Thermal isolation) 이 잘되는 비냉각식 적외선 볼로미터에 대한 발명이다.

종래의 비냉각형 볼로미터 센서는 프랑스의 ULIS 사 및 미국의 Raytheon 사의 비정질 실리콘형 센서, 캐나다의 INO 사의 산화 바나듐형 센서가 있다. 대표적인 비정질 실리콘형 비냉각형 센서는 도면 1과 같이 2층 구조로 최상부에 얇은 금속층과 볼로미터 하단에 반사 거울층으로 이루어지며, 그 사이의 광로가 적외선 중심 파장에 대하여 1/4 파장을 가진 공명흡수 구조이다. 캐나다의 INO 사의 산화 바나듐형 센서도 2층 구조로 이루어져 있다. 도1은 종래의 2층 구조의 비냉각형 볼로미터 센서이다. 상기 종래의 비냉각형 볼로미터 센서는 구조를 단순하게 하고 생산 원가가 절감되는 2층 구조이며, 지지교각(2)을 캔틸레버의 가장자리에 두어서 적외선이 중앙으로 입사되도록 하고 입사 면적 또는 필팩터를 크게 하고 열 고립이 잘되도록 지지 교각의 폭이 좁고 그 길이가 긴 구조이다.

ULIS 사의 볼로미터 센서의 적외선 감지 물질인 비정질 실리콘 박막은 같은 값의 온도 저항 계수(Temperature Coefficient of Resistivity) 에서 산화 바나듐에 비해서 비저항값이 훨씬 크다. 예를 들면 온도 저항 계수는 -2%/K 이다. 적외선 이미지 센서로 쓰는 Raytheon 사의 160×120 어레이 중 단위 픽셀 50μm × 50μm 크기의 비정질형 볼로미터 센서는 30M~40M 옴 정도의 저항이고, ULIS 사의 비정질 형 볼로미터 센서는 500 kohm 정도이다. INO 사의 산화 바나듐형 볼로미터 센서는 5k~20kohm 정도로 비정질 실리콘에 비해서 같은 온도 저항 계수 값 (예를 들면 -2%/K) 일 때 저항값이 훨씬 적다. 도2와 같이 ULIS 사의 볼로미터 센서는 도핑 농도를 캔틸레버 상부의 적외선 흡수층을 동시에 전극으로 사용하였다. 상기 비정질 실리콘형 캔틸레버 상부의 전극 간 간격은 도 2와 같이 최소 선폭 근처로 하여야 저항이 최소가 되어 존슨 노이즈를 줄일 수 있다. 온도 저항 계수가 최대가 되도록 비정질 실리콘 박막을 형성시 N 또는 P 도핑 물질의 농도를 조절하며, 상기 도핑 물질이 산화물이 아니므로 몰비율이 안정되고 비정질층이므로 잔류 응력이 작고 견고하여 얇은 비정질 박막 한 층으로도 안정된 구조를 가지므로 집적화에 유리하다.

그러나, 상기 종래의 볼로미터 센서는 2층의 단순한 구조를 택할 때, 최대의 필팩터를 가지고 열적 고립이 잘 되게 하려면 지지 교각의 폭 및 길이가 한계에 이르게 된다. 한정된 크기의 단위 픽셀 면적으로 인하여 지지 교각의 길이를 길게 하면 할수록 2차원 평면 내에서 그 길이를 꼬이게 할 필요가 있으며 적외선이 입사되는 면적 또는 필팩터가이 줄어들게 되는 단점이 있다. 또한 저항이 최소가 되도록 하기 위해서는, 비저항이 작은 산화 바나듐을 선택하거나 비정질 실리콘의 경우 도2와 같이 상부의 전극간 간격을 최소 선폭으로 하여야 한다. 표면 마이크로머시닝 방법으로 제작되는 종래의 볼로미터 센서의 최소 선폭의 크기는 주로 포토리쏘그래피 공정인 g-line 을 사용하며 약 0.5 μm 정도이다. 종래의 표면 마이크로머시닝법으로 저항을 더 이상 낮출 수가 없게 된다. 종래의 포토리쏘그래피 공정으로 보다 적은 선폭을 구현하려는 보다 적은 파장대의 광원을 가진 장비를 선택하여야 하므로 보다 정밀한 공정이고 고가의 공정 장비를 사용하여야 하므로 생산 단가가 올라가는 단점이 있다. 비저항이 작은 산화 바나듐의 경우 잔류 응력이 커서 캔틸레버의 변형이 쉽게 일어나므로 예를 들면 SiNx 버퍼층을 두고, 잔류응력을 최소화하기 위하여 샌드위치 구조를 택하게 되며 박막의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.

따라서, 상기 종래의 비냉각형 적외선 센서의 지지 교각의 폭 및 길이의 한계를 극복함과 동시에 동일한 온도 저항계수에서 단위 픽셀 저항이 작은 볼로미터에 대한 발명이 본 발명에서 이루고자 하는 과제이다.

본 발명에서 이루고자 하는 첫 번째 과제는 열고립이 잘 되도록 지지 교각을 2층으로 두고 그 길이가 길고 적외선 흡수효율이 높은 공명 흡수 구조를 가지고 입사되는 종래의 볼로미터와 거의 동일한 적외선의 흡수면적을 가지면서 온도 분해능이 더 좋은 비냉각형 적외선 센서에 관한 발명이다. 열고립이 잘 되려면 볼로미터와 앵커를 연결하는 지지 교각의 길이가 길고 그 두께가 작아야 한다. 여기서 좋은 열고립을 위하여 같은 2차원 평면 내에서 지지 교각의 길이를 길게 하면 할수록 적외선의 흡수면적은 줄어들어 흡수효율이 줄어들게 됨을 알 수 있다. 그러므로 본 발명세서는 지지 교각을 볼로미터의 가장 자리에 두고 2층으로 하는 구조를 택함과 동시에 적외선 적외선 흡수 효율도 좋은 볼로미터에 대한 구조를 택하는 것이다.

또한, 본 발명에서는 이루고자 하는 두 번째 과제는 볼로미터 상부의 전극이면서 동시에 적외선 흡수층인 매우 얇은 금속 박막의 양단간 선폭을 종래의 포토리 쏘그래피법에 의한 선폭을 극복하여 훨씬 적은 선폭을 구현하면서 생산 단가를 절감할 수 있는 공정을 도입하는 것이다.

본 발명은 내부회로와 전기적으로 연결되는 M×N 어레이의 접속단자(103)를 갖고 구동 기판(101) 상에 일대일 대응되어 연결되는 M×N 어레이의 픽셀의 적외선 흡수 볼로미터에 대한 것으로, 상기 구동 기판 위에 반사 거울(201)이 있고, 상기 반사 거울과 볼로미터 사이의 에어갭을 포함하여 비정질 실리콘층(401) 표면의 금속 흡수층(402)과의 광로가 적외선 중심파장의 1/4 이고, 상기 M×N 어레이의 접속단자를 금속 앵커(304)로 제 1층인 제1 지지교각(300)으로 연결되고, 상기 제1 지지교각은 포스트(403)를 통하여 캔틸레버(400)의 제2 지지교각(404)과 연결되고, 상기 캔틸레버는 적외선 감응 매질(401)과 적외선 흡수 금속층(402)이 아래로부터 차례로 적층되어 있고, 상기 적외선 흡수 금속층은 동시에 전극이 되며 볼로미터의 저항이 최소가 되도록 최소 선폭으로 분리되어 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 M×N 어레이의 비냉각형 적외선 볼로미터 중 2×2 어레이이 구조를 도시한 사시도이다.

볼로미터의 상부에 위치한 캔틸레버(400)는 비정질 실리콘층(401)과 그 위에는 상부 전극이면서 동시에 적외선 흡수층인 상부 금속층(402)으로 이루어져 있다. 캔틸레버의 한 면의 길이는 20μm ~ 300μm 이다. 상부 금속층은 볼로미터의 존슨 노이즈를 줄이기 위하여 상기 볼로미터의 저항이 최소가 되도록 상부 금속층의 양단 거리는 w의 최소 선폭으로 이격 거리를 두었다. 예를 들면 이격 거리는 0.03~3μm 이다. 여기서 이격 거리 선폭은 일반적인 포토리쏘그래피 또는 나노 임프린트 공정으로 제작된다.

캔틸레버(400)의 상부의 매우 얇은 적외선 흡수층은 TiN 또는 W 금속층이며 박막 광학 원리상 적외선을 최대로 흡수하는 두께이며 각각 50~100 옹스트롬이다. 입사된 적외선의 일부는 이 흡수 금속층에서 흡수되고 일부는 캔틸레버를 통과하여 에어갭 하부의 Al 또는 Au 박막으로 이루어진 반사 금속층(201)에서 반사한 후 캔틸레버 상부의 흡수 금속층(402)에서 상쇄 간섭이 일어나 최대의 흡수가 일어난다. 반사 금속층과 흡수 금속층간의 광로는 입사 적외선 중심파장 10μm 의 1/4이다. 여기서 반사 금속층은 박막 광학 원리상 반사가 최대가 되는 두께이며 500 옹스트롬 이상이다.

볼로미터의 성능인 온도 분해능을 좋게 하기 위해서는 식(1), 식(2) 와 같이 적외선 흡수율(ε) 및 적외선 흡수 면적(A_ab)이 커야 함을 알 수가 있다.

........................ 식(1)

..............식(2)

식(2)의 NETD (Noise Equivalent Temperature Difference)는 출력신호의 잡 읍수준과 동일한 피사체의 온도 변화이며 ΔT_sub 는 기판의 온도 안정도를 나타낸다. ΔT_s는 피사체의 온도 변화, ΔT_c는 피사체의 온도 변화에 대응하는 캔틸레버의 온도 변화량, F 는 광학계의 F-number, G_leg 은 지지교각의 열전도도, G_rad 은 캔틸레버의 열복사에 의한 열전도도이다. A_ab 는 캔틸레버의 적외선 흡수 면적, ε은 캔틸레버의 적외선 흡수율, τ₀는 광학계의 투과율, dP/dT_t 는 상온 근처인 300K 의 피사체에 의해서 방출되는 복사에너지의 변화율이다.

식(1), 식(2) 와 같이 지지 교각의 열전도도가 적을수록 온도 분해능은 작아짐을 나타낸다. 캔틸레버의 열흐름은 제1지지교각(300)과 제2지지교각(404)의 2층으로 꼬인 구조가 되게 하여 열전도도를 작게 하였다. 즉, 지지교각의 길이를 길게하여 열전도도를 작게 한 구조인 상기 2층 구조의 제1 지지교각과 제2 지지교각을 두어 볼로미터의 온도 분해능을 좋게 하였다.

도 3은 도 2의 AA´을 자른 단면도이다.

반도체 구동 기판 회로가 있는 구동기판 레벨(101) 위에 보호막 층(102) 박막은 SiO2 또는 SiNx 박막으로 이루어져 있으며 그 두께는 500~4000 옹스트롬이다.보호막 층(102) 위에 반사용 거울(201)은 Al 또는 Au 박막으로 이루어져 있으며 그 두께는 500 옹스트롬 이상이다. 제1지지 교각(300) 위에 한 쌍의 캔틸레버(400)가 놓여진 상태이며 전기적으로 서로 분리되어 있다. 제1지지 교각 위의 상기 한 쌍의 볼로미터는 전도선 박막층(302)에 의하여 전기적으로 서로 분리된 상태이며, 그 두 께는 200~3,000 옹스트롬이다. 제1지지 교각의 두께는 1,000~4,000 옹스트롬이고 선폭은 5μm ~ 10μm다. 상기 제1지지 교각은 캔틸레버(400)의 중앙으로 적외선이 입사되도록 단위 픽셀의 가장자리에 위치한다. 캔틸레버를 지지하는 제1 지지교각(300)이 거울 박막(210) 위에 에어갭을 두고 위치하며 앵커(304) 에 의해 구동기판레벨(101)과 부착되어 있다. 앵커는 전기적으로 전류가 통하는 금속으로 이루어져 있으며, 예를 들면 300 옹스트롬 두께의 Ti 와 5000 옹스트롬 두께의 Au 가 차례로 적층된 상태이다. 상기 앵커(304)는 전도선 박막층과 연결되어 포스트(403)에 의해 캔틸레버(400)와 전기적으로 연결됨과 동시에 지지층으로서의 역할을 한다. 캔틸레버(400)는 도면 3 에는 명시되어 있지는 않지만 도면 2와 같이 비정질 실리콘 박막(401) 및 그 상부에 적외선 흡수 금속층(102)으로 이루어져 있으며 전기적으로 저항이 최소가 되도록 적외선 흡수 금속층에 의해 최소 선폭에 의해 전기적으로 분리되어 있다. 예를 들면 최소 선폭의 이격거리가 0.05μm, 즉 50nm 의 선폭의 이격 거리는 나노 임프린트 공정으로 제작된다. 다음의 관계식에서와 같이 볼로미터의 저항이 작으면 존슨 노이즈도 감소가 된다.

.................식(3)

여기서 V_J는 존슨 노이즈, k는 볼츠만 상수, T는 볼로미터의 온도, R은 볼로미터의 저항, BW는 입력 신호의 주파수 폭이다.

볼로미터가 적외선 흡수 금속층(102)에서 적외선을 흡수하여 캔틸레버(400)의 온도가 올라가고 구동기판 레벨(101)을 통하여 다시 열이 빠져나간다. 여기서 열시상수는 볼로미터가 일정한 온도로 올라간 후 온도 증가폭의 1/e (약 37%) 까지 떨어지는데 걸리는 시간이며, 동영상이 30Hz 의 주파수로 구현되므로 33.3msec 이내이다. 열시상수값은 다음과 같다.

............식(4)

여기서 τ는 열시상수, R 은 열저항, C는 열용량이다.

상기와 같이 본 발명은 볼로미터의 지지교각을 2층으로 하여 열전도를 낮추며 적외선 흡수 금속층이면서 동시에 전극인 상부 금속층의 이격거리를 최소 선폭으로 하여 존슨 노이즈가 최소가 되는 볼로미터에 대한 발명으로, 볼로미터의 감지 성능을 높일 수가 있다.

본 발명을 통하여 볼로미터의 지지 교각을 2층으로 하여 지지교각의 열전도도를 낮추게 되고 캔틸레버의 온도 분해능을 높이게 하는 효과가 있다. 상기 지지 교각의 길이가 길어지면 입사된 적외선 복사열에 의하여 캔틸레버의 온도를 다소 높은 상태를 유지할 수가 있기 때문에 온도 분해능이 높아지는 효과가 있다. 상기 지지 교각을 픽셀의 가장자리에 위치하여 입사되는 적외선을 볼로미터의 중앙으로 집중하여 흡수 효율을 높이게 한다. 또한, 본 발명을 통하여 적외선 흡수 볼로미터의 캔틸레버 상부에 얇은 적외선 흡수 금속층은 볼로미터의 에어갭 하부에 위치한 금속층으로부터 적외선 중심파장에 대하여 1/4 파장에 위치하게 되어 적외선 흡수 율이 최대가 되게 할 뿐만 아니라 얇은 적외선 흡수 금속층은 전극으로서 최소의 이격 거리를 두어 저항이 최소가 되며 존슨 노이즈가 최소가 되고 출력 신호가 커지는 효과가 있다. 상기 이격 거리는 나노 임프린트 공정으로 제조 원가를 낮추는 효과가 있어서 대량 생산 비용이 절감된다.

Claims

내부회로와 전기적으로 연결되는 M×N 어레이의 접속단자(103)를 갖는 구동 기판(101);

상기 구동기판과 일대일 대응되어 연결되는 M×N 어레이의 픽셀의 적외선 흡수 볼로미터;

상기 구동 기판 위의 반사 거울(201);

상기 반사 거울과 볼로미터 사이의 에어갭을 포함하여 비정질 실리콘층 표면의 금속 흡수층과의 광로가 적외선 중심파장의 1/4 이고;

상기 M×N 어레이의 접속단자를 제1 금속 앵커로 제1층인 제1 지지교각이 연결되고;

상기 제1 지지교각은 포스트를 통하여 캔틸레버가 연결되고, 상기 캔틸레버는 도핑된 비정질 실리콘과 적외선 흡수 금속층이 아래로부터 차례로 적층되어 있고, 상기 적외선 흡수 금속층은 동시에 전극이 되며 비정질 실리콘의 저항이 최소가 되도록 최소 선폭으로 분리되어 있다.
제 1항에 있어서 상기 적외선 흡수 금속층의 분리는 나노임프린트 공정으로 제작된다.