KR20090004279A - 반사판을 구비한 마이크로 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히팅 구조물의 하부에 반사판을 형성함으로써, 히팅 구조물의 하부로부터 발열된 열을 반사하여 외부로 방출시켜, 발열효율을 향상시킬 수 있는 반사판을 구비한 마이크로 히터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 반사판을 구비한 마이크로 히터는 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서, 외부에서 인가된 전압을 이용하여 열을 방출하기 위한 기판상에 형성된 히팅 구조물; 및 상기 히팅 구조물로부터 방출되는 열을 반사시키기 위하여 상기 히팅 구조물 하부에 위치한 상기 기판상에 형성한 반사판을 포함한다.
마이크로, 히터, 반사판

Description

반사판을 구비한 마이크로 히터{Micro Heater Having Reflection Thin Film}
본 발명은 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 스케일의 히터에 관한 것이다.
도 1은 종래의 MEMS 공정을 이용한 마이크로 히터의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 마이크로 브리지(micro bridge:1)와 주변부(2)로 이루어진 가운데, 마이크로 브리지(1) 내에 가열부(3)를 가지고, 마이크로 브리지(1)의 상부에 가스(gas) 감응막 등의 소정의 피측정 대상에 감응하고 전기 특성이 변화하는 기능성 얇은 막(4)을 형성 가능한 구성으로 되어 있다.
마이크로 브리지(1)가 되는 부분 및 주변부(2)는 결정면(100)의 Si 기판(5)에 형성되고, Si 기판(5) 상부에 마이크로 브리지(1)가 형성되는 부분은 후술하는 Si 이방성 에칭(etching)에 따라서 제거됨으로써, 빈틈부(6)가 형성된다.
주변부(2) 4군데에는 지지부(7)의 측방으로부터 중공상태로 지지받는 마이크로 브리지(1)가 형성된다. 또한, 마이크로 브리지(1)와 주변부(2)는 지지부(7)를 제외하고, 측방 개구부(8)로 서로 분리되어 있다.
마이크로 브리지(1)는 아래로부터 열산화 SiO2막(11), 중층 SiO2막(12), SiN 막(13), 상층 SiO2막(14)으로 구성되는 4층 절연막을 가지고 있다. 가열용 금속 배선(15)은 열산화 SiO2막(11)과 중층 SiO2막(12)의 사이에 형성된다.
기능성 얇은 막(4)은 전기적 특성을 검출하기 위한 1쌍의 전극용 금속 배선(16,17)이 SiN막(13)상에 형성되고, SiO2 막(14)의 일부에는 개구부가 형성되어 있다. 그리고 전극용 금속 배선(16,17)을 본딩하기 위한 개구부(18)가 형성되어 있다. 전극용 금속 배선(16,17)에 전압을 인가하면 가열용 금속 배선(15)을 통하여 전류가 흐른다. 가열용 금속 배선(15)은 일종의 저항체로 흐르는 전류에 저항값을 갖고 있으며, 이로 인하여 전류에 비례하여 열을 발생한다.
그러나 이러한 종래의 마이크로 히터는 히팅 구조물의 하부로부터 방출된 열이 기판으로 흡수되어 발열효율이 저하되는 단점이 있다.
본 발명은 히팅 구조물의 하부에 반사판을 형성함으로써, 히팅 구조물의 하부로부터 발열된 열을 반사하여 외부로 방출시켜, 발열효율을 향상시킬 수 있는 반사판을 구비한 마이크로 히터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 반사판을 구비한 마이크로 히터는 히팅 구조물을 형성하기 전 실리콘 기판상에 반사판을 형성한다.
본 발명의 반사판을 구비한 마이크로 히터는 히팅 구조물의 하부로부터 발열된 열을 외부로 방출시킴으로써, 발열효율이 향상되는 현저하고도 유리한 효과가 있다.
본 발명의 반사판을 구비한 마이크로 히터는 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서, 외부에서 인가된 전압을 이용하여 열을 방출하기 위한 기판상에 형성된 히팅 구조물; 및 상기 히팅 구조물로부터 방출되는 열을 반사시키기 위하여 상기 히팅 구조물 하부에 위치한 상기 기판상에 형성한 반사판을 포함한다.
본 발명의 다른 반사판을 구비한 마이크로 히터는 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서, 기판의 식각면에 형성된 반사판; 및 상기 기판과 접합되어 있으면서, 실리콘 기판을 이용하여 형성된 멤브레인 구조의 히팅 구조물을 포함한다.
본 발명의 또 다른 반사판을 구비한 마이크로 히터는 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서, 기판의 식각면에 형성된 반사판; 및 상기 반사판을 마주보고 형성된 멤브레인 구조의 히팅 구조물을 포함한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 반사판을 구비한 마이크로 히터의 공정 흐름도이다.
먼저, 실리콘 기판(210)상에 반사판(220)을 형성한다(도 2).
본 발명에 따른 반사판(220)은 후술되는 히팅 구조물에서 방사되는 열을 반 사시키기 위하여 금, 백금 및 니켈 등을 포함하는 전도성 소재를 이용하여 진공 증착법을 통하여 박막의 형태로 형성한다. 반사판(220)의 두께는 2000Å 내지 5000Å 정도가 바람직하다.
기판(210)상에 반사판(220)이 형성되면, 반사판(220) 전면에 산화막 또는 질화막 중 어느 하나 이상을 포함하는 제1절연막(230)을 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께로 형성한다. 다음으로 사진식각공정을 이용하여 반사판 중심부의 소정의 영역에만 제1절연막(230)을 형성한다(도 3).
제1절연막(230)이 형성되면, 다시 제1절연막(230) 전면에 제2절연막(240)을 형성한다(도 4).
본 발명에 따른 제2절연막(240)은 산화막 또는 질화막 중 어느 하나 이상을 포함하며, 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께로 형성한다.
제2절연막(240) 상에 전도성 소재의 히팅 구조물(250)을 형성한다. 히팅 구조물(250)은 제1절연막(230)이 위치한 영역에 대응하는 제2절연막(240) 상에 형성한다(도 5).
히팅 구조물(250)의 소재는 백금, 니켈 또는 금 등을 포함하는 전도성 소재를 사용하고, 진공증착 후, 사진식각 공정을 통하여 요철의 형태로 형성한다. 이때, 히팅 구조물(250)로부터 소정의 거리로 이격된 곳에 전극패드(260)를 형성한다(도 6).
다음으로 히팅 구조물(250)과 전극패드(260) 전면에 패시배이션층(270)을 형성한다. 패시배이션층(270)은 히팅 구조물(250)이 산소와 반응하여 발생하는 특성 의 열화를 막을 수 있다. 전극 패드(260) 상에 형성된 패시배이션층(270)은 사진식각공정을 이용하여 제거한다(도 7).
히팅 구조물(250)의 발열 효율을 향상시키기 위하여 히팅 구조물(250)에 대응하는 제2절연막(240) 상부에 금속, 탄소나노튜브 등의 전도성 소재의 방열안테나(280)를 형성한다(도 8).
그리고 패시배이션층 및 제1 및 제2 절연막을 식각하여 히팅 구조물 측면과 하부에 각각 개구부와 캐비티를 형성한다. 히팅 구조물(250) 하부에 형성되는 캐비티는 진공상태이므로 발열효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 전극패드(260)에 와이어(290)를 본딩함으로써, 반사판이 구비된 마이크로 히터를 완성한다(도 9).
이때, 캐비티의 두께는 방출되는 열의 파장대를 고려한다. 일예로서, 방출되는 열의 파장이 IR 대역으로써, 대략 λ=5㎛이면, 패비티의 두께는 파장의 1/3 내지 1/5로 하는 것이 바람직하다.
도 9에서 도시된 바와 같이 열량의 크기는 T1 >> T3 > T2 순서로 나열된다.
T1, T2 및 T3 각각은 히팅 구조물 상면, 하면 및 측면으로 방출되는 열량을 의미한다.
식각 공정을 통하여 히팅 구조물 측면에 개구부를 형성하고, 하부에 반사판을 형성할 경우, 종래와 같이 T3 와 T2의 손실을 막을 수 있어 총 발열량은 T1 + T3 + T2 가 된다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 반사판을 구비한 마이크로 히터의 단면도이다.
결정면(400)을 갖는 제1실리콘 기판(310)을 KOH를 이용한 습식식각을 한다. 식각이 완료되면, 경사면이 형성된 식각 구조물을 얻을 있고, 식각된 면에 반사판(220)을 형성한다. 반사판(220)을 형성함에 있어서, 금, 백금 또는 니켈 등을 포함하는 전도성 소재를 이용하여 진공증착공정을 통하여 박막의 형태로 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반사판(220)은 식각된 제1실리콘 기판(310)의 저면과 경사면(340) 모두에 형성하거나 식각된 기판 저면에만 형성할 수 있다. 이때, 식각으로 형성된 경사면(340)이 수직선과 이루는 각도(θ)는 제1실리콘 기판(310)이 식각된 깊이에 따라 30°내지 70°로 형성하는 것이 바람직하다.
반사판(220)이 형성된 기판이 준비되면, 멤브레인 형태의 히팅 구조물(250)을 형성한다.
본 발명의 멤브레인 히팅 구조물은 제2 실리콘 기판(320)을 이용하여 형성한다. 먼저, 제2실리콘 기판(320)을 습식식각하여 제1실리콘 기판(310)에 형성된 경사면의 각도와 동일한 각도의 경사면을 형성한다. 이때, 제2실리콘 기판(320)에 형성된 경사면(350)과 제1실리콘 기판(310)에 형성된 경사면(340)이 나란하게 일치될 수 있도록 제2실리콘 기판(320)의 식각 깊이를 조절하는 것이 바람직하다.
다음으로 식각된 제2실리콘 기판상에 산화막 또는 질화막 중 어느 하나 이상을 포함하는 절연막(330)을 형성한다.
다음으로 절연막(330) 상부에 히팅 구조물(250)을 형성함으로써, 멤브레인 형태의 히팅 구조물이 완성된다. 히팅 구조물(250)의 면적은 제1실리콘 기판(310)의 저면부와 대응하는 넓이로 형성하는 것이 바람직하다.
제2실리콘 기판(320)상에 형성된 멤브레인 형태의 히팅 구조물(250)을 제1실리콘 기판(310)과 진공 분위기에서 접합한 후 와이어를 본딩함으로써, 반사판(220)을 구비한 마이크로 히터가 완성된다. 마이크로 히터를 작동시키면, 히팅 구조물(250) 하부에서 방출되는 열은 반사판(220)에 의하여, 그리고, 히팅 구조물(250) 측면에서 방출되는 열은 제1 및 제2 실리콘 기판(310,320)의 경사면(340,350)에 반사되어 상부로 방출된다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 반사판을 구비한 마이크로 히터의 단면도로서, 요철 형태의 히팅 구조물을 반사판에 대향하여 형성할 수 있다.
결정면(400)을 갖는 제1실리콘 기판(310)에 KOH를 이용한 습식식각을 한다. 식각이 완료되면, 경사면이 형성된 식각 구조물을 얻을 수 있고, 식각된 면에 반사판(220)을 형성한다. 반사판(220)을 형성함에 있어서, 금, 백금 또는 니켈 등을 포함하는 전도성 소재를 이용하여 진공증착공정을 통하여 박막의 형태로 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반사판(220)은 식각된 제1실리콘 기판(310)의 저면과 경사면(340) 모두에 형성하거나 식각된 기판 저면에만 형성할 수 있다. 이때, 식각으로 형성된 경사면(340)이 수직선과 이루는 각도(θ)는 제1실리콘 기판(310)이 식각된 깊이에 따라 30°내지 70°로 형성하는 것이 바람직하다.
반사판(220)이 형성된 제1실리콘 기판(310)이 준비되면, 멤브레인 형태의 히팅 구조물을 형성한다.
본 발명의 멤브레인 히팅 구조물은 제2 실리콘 기판(320)을 이용하여 형성한 다. 먼저, 제2실리콘 기판(320) 전면에 산화막 또는 질화막 중 어느 하나 이상을 포함하는 절연막(330)을 형성한 금, 백금 또는 니켈을 이용하여 히팅 구조물(250)을 형성한다. 다음으로 제2실리콘 기판(320)의 후면을 KOH를 이용하여 습식식각한다. 제2실리콘 기판(320)의 식각 깊이는 식각에 따라 형성되는 경사면(350)이 제1실리콘 기판(310)에 형성된 경사면(340)과 일치할 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다.
다음으로 히팅 구조물(250)이 반사판(220)과 대향되도록 제1 및 제2실리콘 기판(310,320)을 진공중에 본딩한다. 히팅 구조물(250)의 면적은 제1실리콘 기판(310)의 저면부에 형성된 반사판(220)과 대응하는 넓이로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 마이크로 히터의 단면도,
도 2 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 반사판을 구비한 마이크로 히터의 단면도,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 반사판을 구비한 마이크로 히터의 단면도,
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 반사판을 구비한 마이크로 히터의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210 : 실리콘 기판 220 : 반사판
230 : 제1절연막 240 : 제2절연막
250 : 히팅 구조물 260 : 전극패드
270 : 패시배이션 280: 방열안테나
290 : 와이어

Claims (8)

  1. MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서,
    외부에서 인가된 전압을 이용하여 열을 방출하기 위한 기판상에 형성된 히팅 구조물;
    상기 히팅 구조물로부터 방출되는 열을 반사시키기 위하여 상기 히팅 구조물 하부에 위치한 상기 기판상에 형성한 반사판; 및
    상기 히팅 구조물에 전압을 인가하기 위한 전극 패드
    를 포함하는 반사판을 구비한 마이크로 히터.
  2. MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서,
    식각을 통하여, 경사면을 갖는 제1실리콘 기판의 식각면에 형성된 반사판;
    상기 제1실리콘 기판과 접합된 제2실리콘 기판상에 형성된 멤브레인 구조의 히팅 구조물; 및
    상기 히팅 구조물에 전압을 인가하기 위한 전극 패드
    를 포함하는 반사판을 구비한 마이크로 히터.
  3. MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터에 있어서,
    식각하여 경사면을 갖는 제1실리콘 기판의 식각면에 형성된 반사판;
    상기 제1실리콘 기판과 접합된 제2실리콘 기판상에 형성되고 상기 반사판과 대향되게 형성된 멤브레인 구조의 히팅 구조물; 및
    상기 히팅 구조물에 전압을 인가하기 위한 전극 패드
    를 포함하는 반사판을 구비한 마이크로 히터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히팅 구조물은 방열안테나를 포함하는 반사판을 구비한 마이크로 히터.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히팅 구조물 하부에는 캐비티가 형성된 반사판을 구비한 마이크로 히터.
  6. 상기 캐비티의 두께는 상기 히팅 구조물에서 방출되는 열이 갖는 파장의 1/3 내지 1/5인 파장인 반사판을 구비한 마이크로 히터.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 방열안테나는 탄소나노튜브인 반사판을 구비한 마이크로 히터.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 식각은 습식식각을 이용하는 반사판을 구비한 마이크로 히터.
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