KR20080093165A - 높은 흡수율을 갖는 볼로미터 어레이용 광대역 픽셀 - Google Patents

Abstract

마이크로볼로미터(microbolometer) 어레이는, 금속 흡수층 및 기판 반사체를 사용한 공진 갭을 갖는 실리콘 다이옥사이드로 이루어진 얇은 플랫폼을 갖는 픽셀을 포함한다. 바나듐 옥사이드로 이루어진 픽셀 저항은, 반대편 에지에 금속 접촉을 통해 낮은 전체 저항값을 갖는다.

볼로미터, 마이크로볼로미터, 픽셀, 적외선, 적외선 감지기, 흡수율

Description

높은 흡수율을 갖는 볼로미터 어레이용 광대역 픽셀{HIGH-ABSORPTION WIDE-BAND PIXEL FOR BOLOMETER ARRAY}

본 발명은 열 영상(thermal imaging)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선된 볼로미터(bolometer)의 어레이(array)용 픽셀 또는 셀에 관한 것이다.

야간 투시 및 관련 응용분야는, 전기출력신호를 시각적인 영상으로 변환시키는 기타 감지기의 어레이에서 열을 갖는 물체에 의해 생성되는 적외선 방출을 수신하여 인식될 수 있다. 셀, 엘리먼트 또는 픽셀이라고 불리는 개별 감지기는 매우 작다. 또한, 상기 감지기는 적외선 스펙트럼의 넓은 대역에서 적외선 방출에 민감해야 하며, 주위 온도에서 최소 잡음을 가져야 하며, 높은 민감도로서 작동해야 하며, 제조하는데 저렴해야 한다.

반도체 기판상의 냉각되지 않은 볼로미터 어레이는 룸 온도 적외선 이미지에 접근할 가능성을 제공한다. 이런 어레이는 여러 단점을 갖는다. 예를 들어, 광대역폭에 도달하기가 어렵고, 개개 픽셀들의 구조 및 물질에 있어서, 다수의 상호 작용 요소에 민감하다. 상기 어레이가 극저온 온도로 냉각되지 않았을 때, 유용한 신호들은 노이즈에 파묻힌다. 분 온도차의 양호한 감도는 입사 적외선의 높은 흡수율을 요구하고, 이는 종종 다른 설계 목표들에 유해하다. 상기 볼로미터 어레이의 구축을 위하여 나노기술을 적용할 때, 가동 목표에 도달하기 위해서는 특히 큰 값의 개개 이미지 요소 또는 픽셀들을 갖는 어레이를 구축하는 경우, 높은 제조 비용과 낮은 수율이 발생할 수 있다.

본 발명은 이러한 관련 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예는 적외선 스펙트럼의 넓은 대역에서 적외선 방출에 민감하고, 주위 온도에서 최소 잡음을 가지며, 높은 민감도로서 작동하며, 제조하는데 저렴한 감지기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이들 또는 다른 목적들은 미리 결정된 간격만큼 기판으로부터 떨어진 흡수물질의 고 절연 플랫폼 구조를 구비한 얇은 볼로미터 픽셀들의 냉각되지 않은 어레이로부터 달성된다. 반사층은 효율 및 대역폭을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 어레이는 매우 작은 온도차와 함께 높은 저항 변화를 얻을 수 있는 반면에 상대적으로 낮은 총 저항을 갖는 물질의 소정 형상을 갖는 저항체를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 볼로미터의 어레이는 적외선 스펙트럼에 있어서 광대역폭을 갖게 되어, 이미지에 도움이 되는 온도범위를 증가시킨다. 상기 볼로미터 어레이는 높은 흡수율을 높여 온도차에 대한 감도를 증가시킨다. 볼로미터 어레이의 구조, 물질 및 제조 밸런스는 제조비를 절감시키도록 경쟁 요소간에 균형을 이룬다.

도 1은 본 발명에 따른 대표적인 적외선 영상 감지기(100)의 분해도이다. 화살표(110)는 열을 갖는 물체에 의해 생성되고 일반적인 설계에 의한 적외선 영상 렌즈(120)에 투과되는 적외선 방출을 나타낸다. 패키지 커버(130)는 전달되는 방출(110)의 적외선 파장을 투과시키는 윈도우 영역(131)을 갖는다. 민감도 및 내부 픽셀의 격리도를 향상시키고 오염 및 성능저하를 감소시키기 위해 밀봉 패키지(130)와 상기 밀봉 패키지에 의한 진공은 많은 실시형태에서 바람직하다.

패키지(130) 내의 직사각 볼로미터 어레이(bolometer array)(140)는 실리콘 또는 적절한 전기적, 미세가공(micromachining)적 특성을 갖는 유사 물질로 이루어진 기판(141) 상에 형성된다. 일반적인 어레이는 한 측면이 약 5 내지 15㎜이다. 야간 투시 이미지출력기와 같은 많은 실시형태에서 어레이(140)는 주위 온도, 예를 들면 -40℃ 내지 +100℃의 범위에서 작동한다. 그러나, 상기 어레이를 냉각시키거나 약 2K 내지 20K 미만과 같이 매우 낮은 온도에서 상기 어레이를 강제 작동시킴으로써, 상기 어레이를 약 2K 내지 20K 미만과 같이 매우 낮은 온도에서 작동시키는 것은 가능하다. 행과 열으로부터의 결선(wiring)(142)은 도면부호 200과 같은 각각의 개별 픽셀의 온도를 나타내는 전기적 신호를 읽어 들이고, 또한 시간 다중 픽셀 신호에 대한 스캐닝(scanning) 신호를 전달한다.

감지회로(150)는 상기 픽셀 신호를 증폭하고 분리하는 것과 같은 기능을 수행하여 상기 감지기(140)로부터 전달되는 이미지신호를 처리한다. 영상 디스플레이 유닛(160)은 상기 처리된 신호를 수신하고 사용자에게 시각적인 이미지를 제공한다. 다른 실시형태에서, 영상 디스플레이 유닛(160)은 기록기 또는 하나 이상의 연속적인 영상을 나타내는 신호를 저장하거나 상기 신호를 달리 처리하는 다른 장치로 대체되거나 추가될 수 있다. 그러므로, "디스플레이"라는 용어는 상기의 기능들 의 일부 또는 전부를 포함하는 것으로 폭넓게 사용될 것이다. 스캔 회로(170)는 상기 픽셀 신호의 다중화 및/또는 상기 영상 디스플레이 유닛(160) 상에서 영상의 디스플레이 또는 처리의 제어를 위해 포함된다. 본 시스템(100)은 본 발명을 설명하기 위한 일례로서 다른 형태도 가능하다.

도 2는, 도 1의 어레이(140)의 기판(141) 상에 설치된 하나의 볼로미터 픽셀(200)을 상세하게 도시하고 있다. 도 3은 도 2의 직선 3-3'을 따라 절개된 단면을 도시하고 있다.(용이한 설명을 위해, 직선 3-3'의 단면상의 요소들만 도시한다.) 상기 픽셀은 마이크로볼로미터로 불릴 수 있다. 일반적으로 약 50㎛ 이하의 작은 사이즈의 픽셀은, 120×160 픽셀 또는 그 이상의 픽셀로 이루어진 초점면(focal-plane) 영상 어레이에 사용되기에 적합하고, 초당 30 프레임(frame)이상의 비율로 실시간 영상을 생성하는데 적합한 빠른 반응 시간을 제공한다. 상기 픽셀의 전체 어레이는 일반적으로 실리콘 또는 다른 적절한 물질로 이루어진 웨이퍼의 연속 미세가공에 의해 제조된다.

플랫폼(210)은 감지될 수 있는 온도 변화를 일으키는 우발적 적외선 방출(110)을 흡수한다.(본 기술분야에서, "픽셀"이라는 용어는 하나의 상기 플랫폼이라는 뜻으로 사용된다. 이러한 용어의 사용은 본 명세서에서는 사용되지 않을 것이다.)플랫폼(210)은 기판(141)과 인접한 픽셀로부터 가능한 열적 격리된다. 어레이(140)에서 픽셀이 함께 밀접하게 타일형태를 이룰 수 있도록 중심영역 또는 중심부(211)는 실질적으로 직사각형의 형태를 갖는다. 이러한 플랫폼의 형태는 가장 일반적인 것이므로, "직사각"이라는 용어는 정사각형, 평행사변형, 사다리꼴 및 육각 형과 같은 타일 형태를 이룰 수 있는 다른 형상을 포함하는 광범위한 뜻으로 사용될 수 있다. 기판(141) 및 인접 픽셀로부터 열적 격리를 증가시킬 수 있도록, 기계적인 지지를 위해 사용될 수 있을 만큼 길고 가는 암(arm)(212)을 포함한다. 상기 어레이의 충전 팩터(fill factor)를 향상시키기 위해 인접한 픽셀이 보다 근접하여 이격되도록 상기 암은 접힌다.

볼로미터의 중심부는 흡수체(absorber)를 포함한다. 상기 볼로미터의 중심부의 가장 중요한 작용은 감지될 수 있는 온도변화를 생성하는 것이기 때문이다. 상기 중심부(211)는 하층(211A)과 상층(211B)으로 이루어진 두 개의 분리된 층을 포함한다. 도 2에서 일부분만이 도시된 상기 상층(211B)은 실리콘 다이옥사이드 물질로 이루어지고, 약 0.2㎛이 두께를 갖는다. 매우 낮은 도전율 및 낮은 굴절율을 가지므로 실리콘 다이옥사이드는 바람직한 물질이다. 하층(211A)은 덜 중요하다. 따라서, 상기 하층(211A)은 0.1㎛대의 두께를 갖는 실리콘 다이옥사이드 또는 실리콘 니트라이드일 수 있다. 중심부(211)는 약 0.5㎛ 미만의 매우 작은 전체두께를 가지며, 보다 바람직하게는 약 0.3㎛ 미만 또는 본 기술분야에서 가능한 작은 두께이다. 이와 같이, 얇은 흡수체 플랫폼은, 작은 전체 부피 및 중량을 통해 실시간 영상을 위한 반응 시간을 감소시키는 반면, 입사 적외선에 대한 반응 영역을 확대시킴으로써 효율을 향상시킨다. 그러나, 실리콘 다이옥사이드(실리콘 니트라이드)는 좋은 흡수체이지만, 이러한 얇은 두께는 적외선을 흡수하기 위한 플랫폼의 용량을 감소시킨다. 상기 플랫폼(210)의 하부면이 되는 하부층(211A) 하부에 금속층(213)을 형성하는 것은, 상당한 두께의 증가 없이 이러한 용량을 복구한다. 즉, 얇은 플 랫폼의 장점을 유지한다. 상기 금속층(213)은, 금속이 광범위한 흡수 특성을 갖는다는 점에서 더욱 장점이 있다. 상기 금속층의 두께는 사용되는 특정 금속에 따라 변동된다. 니켈크롬(Ni:Cr, Nichrome)인 경우에, 100Å의 두께가 적절한 특성을 가지며 전체 플랫폼 두께의 단지 수 %만을 더하게 된다. 이러한 금속층의 열적 특성은, 상기 금속층의 면저항(sheet resistance)에 의해 특성화 될 수 있음이 알려져 있다. 약 360±200Ω/square의 막이 바람직하다. 실제로, 중심부(211)에서 흡수는, 상기 중심부의 바닥에 위치한 상기 금속층에서 주로 발생한다.(하기 감지기 물질(222)은 일반적으로 무시할 수 있는 흡수율을 갖는다.)

상기 금속층(213)이 존재하더라도, 입사 적외선의 일부는 플랫폼(210)을 통과하여 기판(141)에 도달한다. 상기 기판에 도달하는 입사 적외선의 일부를 가능한 많이 중심부(211)로 반사시키기 위해 일반적으로 500Å 두께의 Ni:Cr으로 이루어진 반사층(214)이 기판(141)의 상면에 형성된다. 이어, 반사되는 열의 대부분은 흡수되고, 픽셀의 전체적인 효율이 증가한다. 흡수는 상기 반사층(214)을 직접 마주하고 있는 플랫폼(210) 하면에 형성된 상기 금속층(213)의 설치에 의해 이루어진다.

상기 기판으로부터 플랫폼의 적절한 간격은, 원하는 파장 대역에 대한 흡수를 증가시킴으로써 픽셀의 효율을 더욱 증가시킨다. 플랫폼과 기판(실제로는 반사층(214)) 사이의 간격(215)이 원하는 파장에 따라 선택되어지면, 상기 중심부(211) 내에서 상기 흡수층(214)으로부터 반사되는 적외선의 흡수를 증가시키도록 상기 원하는 파장 대역 내의 적외선은 상기 간격(215)에서 공진한다. 8 내지 12㎛ 대역을 갖는 감지기의 예에서, 상기 간격(215)은 1.8±0.3㎛의 범위의 길이를 갖는다. 다 른 예에서는, 다른 파장 대역이 8 내지 12㎛의 범위로 상기 갭에 적용될 수 있다.

픽셀(200)의 두 반대편 구석의 기둥(216)은 암(212)과 같은 수단으로서 플랫폼(210)에 대한 기계적인 지지를 제공한다.

볼로미터의 감지기로 불리는 저항체(220)는, 플랫폼(210)에 의해 흡수되는 적외선이 상기 저항체를 가열하고, 온도에 비례하여 그 저항값을 변동시키도록 플랫폼(210) 상에 형성된다. 상기 저항체(220)는 입사 적외선의 밝기 변동에 대한 신호 변화를 최대화하도록 온도에 대한 높은 변화율(온도 계수)을 갖는다. 온도 계수는 사용되는 물질에 따라 변동된다. 바나듐(vanadium) 옥사이드가 바람직한 물질이다. 전체 저항값은 물질의 종류 및 저항체의 형태에 따라 변동된다. 더 낮은 전체 저항값을 인식하고, 플랫폼 본체의 온도에 가능한 많은 용적을 노출시켜 양호한 열적 접촉을 위해 저항체의 본체(221)는 상기 플랫폼 본체(211)와 매칭되는 직사각형 형태를 갖는다. 낮은 저항값은 얇은 구조에 손상을 입히지 않거나 고전압 CMOS 회로를 필요로 할 만큼 충분히 낮은 전압을 갖는 충분히 큰 판독 전류를 생성한다. 또한, 낮은 저항값은, 저항체 내의 1/f 노이즈의 밀도를 맞추는 큰 저항체 부피를 갖게 한다. 또한, 이러한 형상은, 그 광학 특성을 개선하도록 얇은 층을 갖는 바람직한 낮은 저항값을 가능하게 한다. 즉, 저항체 물질이 적외선을 충분히 흡수하지 않기 때문에, 상기 플랫폼 본체(210)의 나머지 부분이 입사 적외선을 가능한 충분히 흡수하도록 가능한 투명해야 한다. 50 내지 100㎚의 두께에서 혼합된 바나듐 옥사이드(VO_x)는 약 50 내지 400㏀/square의 면저항을 갖고, 약 100㏀의 저항값을 갖 는 도 3에 도시된 일 실시예에서 저항체 본체(221)의 전체 저항은 동일한 범위에 있다.

저항체 암(222)은 플랫폼 암(212)의 형태를 따른다. 접촉부(223 및 224)는 상기 저항체(220)를 적절한 시간에 도전체(230)에 연결한다. 본 실시예에서, 접촉부(231)는 연속적으로 전압을 공급하기 위해 상기 저항체(220)의 일단에 연결된다. 접촉부(224)는 다른 단에서 기판 내에 형성된 FET(미도시) 및 어드레스(address) 라인(233)에 연결된다. 픽셀 어레이(140)의 각 열은 연속적으로 도전체 상의 전압에 의해 어드레스 지정될 때, 신호 라인(234)을 모든 저항체(220)에 연결하여 기판 내에 형성된 열 내의 모든 FET는 온(on)된다. 상기 열 내의 각 저항체의 온도에 의해 결정되는 전류는, 신호 도전체(234)를 통해 도 1의 감지회로(150)로 흐른다. 상기 전류는, 픽셀(200)을 따라 기판(141)내에도 형성될 수 있다.

도 4는 다른 픽셀의 실시형태(400)의 평면도이다. 픽셀(400)은 이하 설명되는 부분을 제외하고는 상기에 설명한 픽셀(200)과 특징 및 특성을 공유한다.

도면부호 140과 같은 이미징 어레이에서, 어레이의 충전 팩터를 최대화하는 것이 중요하다. 즉, 흡수체 플랫폼의 영역은 가능한 많은 전체 픽셀 영역을 차지해야 한다. 입사 적외선의 가능한 많은 흡수는 상기 어레이를 보다 민감하게 한다. 이러한 목적을 위해 플랫폼 본체(411)의 반대편 구석은 필요한 기둥의 체적을 수용하기 위해 제거된다. 플랫폼 본체(411)의 형태가 실질적으로 직사각형을 유지하면, 각 픽셀의 흡수면(416)의 전체 영역의 확연한 감소 없이 상기 어레이의 충전 팩터는 증가된다. 보다 높은 충전 팩터를 얻기 위해 일부 기술들이 기둥을 형성하는데 사용된다.

저항체(420)는 상술한 상기 저항체(220)의 바람직한 특성을 증가시키는 형태를 갖는다. 길고 가는 암(222)의 형태는 불필요한 높은 저항을 갖게 한다. 그러나, 상기 암은 높은 저항값 또는 온도 의존성을 가질 필요가 없기 때문에, 암(422)은 금속 또는 니켈 크롬(Ni:Cr)과 같은 다른 보다 낮은 저항값을 갖는 물질로 제조된다. 낮은 전체 저항값을 유지하기 위해, 상기 저항체 본체가 높은 저항을 갖는 물질이라고 할지라도, 저항체 본체(421)의 반대측을 따라 저항체 접촉부(423)를 형성하도록 낮은 저항값을 갖는 물질로 이루어진 상기 암(422)이 플랫폼 본체(411) 상으로 확장된다. 도 4에 도시된 바와 같이 두 개의 반대측면이 다른 측면보다 더 길면, 가장 긴 측면을 따라 형성된 접촉부(423)는 저항 본체(421)의 전체 저항값을 최소화한다.

도 5는 넓은 범위의 적외선 파장에 대해 도 2-4에서 도시한 볼로미터 픽셀의 상대적인 반응(510)을 도시한 그래프(500)이다. 그래프(500)는 약 6 내지 18㎛의 파장에 대한 최대 출력에 상대적인 전기 출력 신호에 의해 측정된 것이다. 동물이나 일반적인 구조물을 영상화하는데 유용한 파장은 가시광선 내지 원적외선의 범위이다. 그러므로, 보다 적외선 감지기의 대역이 넓을수록, 영상은 보다 충실해진다.

곡선(510)은 열 방출(300K)이 피크일 때, 픽셀(200)이 8 내지 12의 기준 대역에 대해 96%를 초과하는 상대 반응율을 가짐을 나타낸다. 이 반응은 7㎛ 내지 8㎛를 초과하는 범위에서 90%를 초과하는 값을 유지한다. 전체 범위에서의 변동이 작고, 짧은 파장으로 갈수록 반응이 부드럽게 떨어지다. 20㎛를 초과하는 파장에서 의 반응을 일반적으로 문제가 되지 않는다. 원하는 경우, 상기 간격(215) 크기를 조절하여, 다른 파장에서의 반응을 강조할 수 있다.

곡선(520)은 약 0.8㎛의 일반적인 두께를 갖는 실리콘 니트라이드 플랫폼을 갖는 기준선 픽셀을 나타낸 것이다. 이 픽셀은 78%의 흡수율을 갖는 8 내지 12㎛의 일반적인 파장범위에 한정된다. 반응은 8㎛ 아래에서 급격하게 감소하고, 날카로운 피크를 형성하며, 12㎛를 초과하는 범위에서 폭넓게 변화한다. 곡선(530)은 기준선픽셀보다 작은 두께를 갖는 픽셀을 도시한 것이나, 상기 곡선(520)과 유사하다. 흡수율이 보다 양호하지만, 대역은 끝인 8㎛에서 보다 급격히 감소하고, 여전히 피크는 날카롭게 형성된다. 곡선(540)은 실리콘 니트라이드 플랫폼 본체 및 최저 500Ω 흡수체를 갖는 얇은 픽셀의 반응을 도시한 것이다. 흡수율은 같은 대역에서 92%로 증가하며, 보다 짧은 파장으로 갈수록 멀리 확장된다. 그러나 심각한 피크는 여전히 존재한다.

본 발명에 따른 볼로미터의 어레이는 적외선 스펙트럼에 있어서 광대역폭을 갖게 되어, 이미지에 도움이 되는 온도범위를 증가시킨다. 상기 볼로미터 어레이는 높은 흡수율을 높여 온도차에 대한 감도를 증가시킨다. 볼로미터 어레이의 구조, 물질 및 제조 밸런스는 제조비를 절감시키도록 경쟁 요소간에 균형을 이룬다.

도 1은 본 발명에 따른 픽셀을 갖는 적외선 이미지를 나타낸다.

도 2는 도 1의 한 픽셀의 등축도이다.

도 3은 도 2의 3-3' 라인의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 다른 픽셀의 평면도이다.

도 5는 종래 픽셀의 전형적인 응답에 따른 도 2~4의 픽셀의 파장 응답 그래프이다.

Claims (12)

1. 기판;

   흡수를 증가시키는 금속층을 포함하며, 0.5㎛ 이하의 두께를 갖는 플랫폼 본체;

   상기 플랫폼 본체 상의 두 개의 반대측면을 갖는 실질적으로 직사각형의 온도감응형 저항체;

   상기 기판 상에 상기 플랫폼 본체를 이격하여 상기 기판과 상기 플랫폼 사이에 갭을 형성하는 두 개의 암; 및

   상기 두 개의 반대 측면의 실질적으로 모든 길이를 따라 연장하는 낮은 저항값을 갖는 두 개의 전기 접촉부;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저항체는 반대측면을 더 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
3. 제2항에 있어서,

   상기 두 개의 반대측면은 상기 반대측면보다 더 긴 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전기 접촉부는 금속층인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전기 접촉부는 니켈 크롬인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
6. 제5항에 있어서,

   흡수를 증가시키는 상기 금속층은 니켈 그롬인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
7. 제4항에 있어서,

   상기 기판은 상기 플랫폼 바디 하부에서 상기 기판 상에 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
8. 제7항에 있어서,

   상기 반사층은 니켈 크롬인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
9. 제4항에 있어서,

   상기 전기 접촉부를 형성하는 상기 금속층은 상기 암의 실질적으로 모든 길이 전체에 대하여 연장하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
10. 제1항에 있어서,

    상기 저항체는 바나듐 옥사이드인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
11. 제10항에 있어서,

    상기 저항체의 전체 저항값은 50 내지 400㏀의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.
12. 제11항에 있어서,

    상기 저항체의 전체 저항값은 100㏀인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터 픽셀.

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