KR20090032926A - 마이크로 히터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 히터배선의 하부 구조를 식각하여 히터배선 부분만 기판으로부터 격리되어 떠있도록 제작된 마이크로 히터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 민더 타입의 배선을 그리드 타입으로 제조함으로써, 제작공정과 열방사 효율을 향상시키고, 히터배선을 지지하는 하부의 지지기둥을 완전히 열산화시켜 열고립구조를 개선한 마이크로 히터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 마이크로 히터 및 그 제조 방법은 기판상에 절연막을 증착한 후, 사진식각 공정을 이용하여 히터배선과 전극패드를 패터닝하는 제1단계; 패터닝된 상기 기판의 전면을 식각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계; 상기 컬럼구조물을 식각하여 지지기둥과 전극패드를 제외한 부분이 상기 기판으로부터 릴리즈된 구조물을 형성하는 제3단계; 및 릴리즈된 상기 구조물을 포함한 상기 실리콘 기판 전면에 금속층 또는 열저항체층을 증착해 히터배선 및 전극패드를 형성하는 제4단계를 포함하는 마이크로 히터의 제조방법에 그 기술적 특징이 있다.

MEMS, 마이크로 히터, 반사막, 민더(Meander)타입, 그리드(Grid)타입, 열고립

Description

마이크로 히터 및 그 제조방법{A micro heater and manufacturing method of the same}

본 발명은 MEMS 공정을 이용하여 형성한 마이크로 히터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 히터배선의 하부 구조를 식각하여 히터배선 부분만 기판으로부터 격리되어 떠있도록 제작된 마이크로 히터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 민더 타입의 배선을 그리드 타입으로 제조함으로써, 제작공정과 열방사 효율을 향상시키고, 히터배선을 지지하는 하부의 지지기둥을 완전히 열산화시켜 열고립구조를 개선한 마이크로 히터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

MEMS를 이용한 마이크로 히터는 열저항 물질을 평면 실리콘 기판에 증착하여 히터배선을 만들고 여기에 전류를 흘러줌으로써 열을 발생시키는 원리를 사용한다.

일반적으로 히터배선의 재료로는 Pt, NiCr, SnO₂:Sb, 폴리 실리콘 등을 사용 하고 있으며, 절연막은 저응력의 SiN 박막을 두껍게 증착하여 이용하고 있다. 열선이 박막 부분 위에 놓여져야 하므로 공정 순서는 실리콘 기판에 박막을 미리 형성시키고 그 위에 배선으로 사용될 물질을 증착한 후 패턴을 제작함으로써, 배선을 형성시킨다.

그 후 열적 고립구조를 얻기 위해 배선이 형성된 박막 하부 부분을 기판의 뒷면에서 기판 몸통 미세 가공을 통해 제거하여 히터를 완성시킨다. 열저항체인 배선을 타고 흐르는 전류에 의해 열이 발생하게 되고 박막 전체가 가열되는 원리로 마이크로 히터로 동작하게 된다. 박막의 열전도로 인한 손실과 박막의 상하부 양쪽으로 열이 방사된다. 히터부로 동작하는 배선과 박막의 열팽창률 차이 및 점착력 차이로 인해 고온 동작시 박막이 파괴되어 소자가 손상을 입는 문제점이 많기 때문에 배선의 재질, 모양 및 배치를 적절히 개선함으로써 이를 개선하는 방법들이 보고되었다.

도 1은 종래의 방법으로 형성한 마이크로 히터를 나타낸 구조도이다.

열전도에 의한 손실을 줄이기 위해 주로 기판(10)의 뒷면을 MEMS 가공하여 공동(cavity;30)을 형성한다. 그리고 상기 기판(10) 전면에는 절연막(20)을 형성한 후, 그 위에 도전성 박막을 증착한다. 증착된 도전성 박막은 사진식각공정에 의하여 복수의 열선(40)으로 형성되고, 이로써 열고립 구조의 마이크로 히터가 완성된다. 열선(40)의 양단은 전압을 인가할 수 있는 전극패드(50)가 형성되어 있다.

이와 같은 마이크로 히터는 외부에서 인가된 전압에 의하여 열저항체인 상기 히터배선(40)에 전류가 흐르면, 열이 발생하게 되고 박막 전체가 가열된다.

상기와 같은 종래의 마이크로 히터는 상기 절연막(20)과 상기 히터배선(40)의 열팽창계수 및 점착력 차이로 인해 고온 동작시 절연막이 휘게 되며 이로 인해 상기 히터배선(40)이 파괴되어 소자가 손상되는 문제점이 있다.

또한, 상기 히터배선(40)이 형성되는 부분의 열 고립 구조를 얻기 위해 상기 기판(10)의 후면에 상기 공동(30)을 형성해야함으로, 이를 위해 기판의 하부를 가공하는 공정이 추가로 수반되어 히터의 제조 공정이 번거로워진다. 그리고 상기 공동(30)을 형성시키기 위해 주로 KOH 등을 이용한 습식식각을 이용하는데, 이 때문에 절연막의 재질로 후막의 SiN 만을 사용해야 한다는 단점이 있다.

그리고 상기 절연막(20)의 기계적 안정성을 획득해야 하므로 일정 두께 이상의 두꺼운 박막으로 형성하는데, 이는 열전도 손실을 크게 하는 단점으로 작용한다.

따라서, 상기와 같은 종래의 마이크로 히터는 지지기둥에서 일정 간격 떨어진 곳에 고온이 발생할 수 있는 구조적인 개선이 필요하고, 발열부에서 균일한 열을 방사하는 열선 구조가 필요하다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 MEMS 가공 기술로 마이크로 히터를 제조하여 마이크로 히터를 이용한 적외선 광원의 성능을 개선하는 효과가 있는 마이크로 히터 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 한 장의 포토마스크를 사용하여 히터배선부분만 기판으로부터 떠있도록 제작함으로써, 제작공정의 효율을 향상시키고 열적 고립 효과를 극대화시킨다. 이로 인해 소모전력을 낮추면서도 고온의 발열을 발생시켜 성능이 우수한 적외선광원으로 이용되는 마이크로 히터 및 그 제조방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 히터배선의 하부에 형성된 지지기둥을 완전히 열산화시킴으로써 지지기둥의 열전도에 의한 손실을 낮추고 열적 고립 효과를 극대화하는 마이크로 히터 및 그 제조방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 민더 타입의 배선을 그리드 타입으로 제조하고, 히터배선 하부에 증착된 오목한 어레이 금속층을 열반사막으로 사용함으로써, 상기 히터배선에서 균일한 열을 방사하여 열방사 효율을 향상시킬 수 있는 마이크로 히터 및 그 제조방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 기판으로부터 이격되어 형성된 히터배선; 상기 히터배선의 양 끝단에 전압을 인가하는 전극패드; 및 상기 히터배선을 지지하기 위해 형성된 지지기둥을 포함하는 마이크로 히터에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 상기 히터배선은 상기 기판과 전기적으로 절연시키기 위한 절연막; 및 상기 절연막상에 증착되고, 전류를 흐르게 하기 위한 금속층으로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 금속층은 열저항체층이고, 니켈크롬, 백금, 산화주석안티몬 합금 및 폴리실리콘 중 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 금속층 상에는 튜브 또는 파티클 형태의 탄소 소재층, 금속층 및 절연제층 중 선택되는 어느 하나의 물질이 더 포함되어 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 히터배선은 민더 타입 또는 그리드 타입으로 형성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 히터배선의 패턴 굵기는 일정하지 않게 형성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 지지기둥은 히터배선이 넓은 부분에 형성되고, 개수는 0 또는 한 개 이상으로 구성됨이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적은 기판상에 절연막을 증착한 후, 사진식각 공정을 이용하여 히터배선과 전극패드를 패터닝하는 제1단계; 패터닝된 상기 기판의 전면을 식 각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계; 상기 컬럼구조물을 식각하여 지지기둥과 전극패드를 제외한 부분이 상기 기판으로부터 릴리즈된 구조물을 형성하는 제3단계; 및 릴리즈된 상기 구조물을 포함한 상기 실리콘 기판 전면에 금속층 또는 열저항체층을 증착해 히터배선 및 전극패드를 형성하는 제4단계를 포함하는 마이크로 히터의 제조방법에 의해 달성된다.

또한, 상기 제4단계 이전에, 상기 지지기둥에 열산화공정으로 열산화막을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 금속층은 기판 전면에 증착되어 히터배선에서 방출되는 열을 반사시키기 위한 반사층으로 작용하여 구성됨이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 목적은 기판상에 절연막과 금속층을 순차적으로 증착한 후, 사진식각공정을 이용하여 히터배선과 전극패드를 패터닝하는 제1단계; 패터닝된 상기 기판을 식각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계; 및 상기 컬럼구조물을 식각하여 지지기둥과 전극패드를 제외한 부분이 상기 실리콘 기판으로부터 릴리즈된 히터배선 및 전극패드를 형성하는 제3단계를 포함하는 마이크로 히터의 제조방법에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 상기 제2단계의 식각은 깊은반응성 이온식각(DRIE)을 포함하는 건식 비등방식각을 이용함이 바람직하다.

또한, 본발명의 상기 제3단계의 식각은 KOH 또는 TMAH를 이용하는 습식 비등방식각을 이용함이 바람직하다.

또한, 상기 히터배선은 민더 타입 또는 그리드 타입으로 형성됨이 바람직하 다.

또한, 상기 히터배선의 하부에 남아 있는 실리콘을 XeF2 또는 XeF2 + Ar을 이용한 등방성 식각으로 제거하여 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 지지기둥은 히터배선이 넓은 부분에 형성되고, 개수는 0 또는 한 개 이상으로 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 전극패드는 외부 배선을 위한 와이어링을 위해 별도로 Au를 증착하는 단계를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 전극패드와 히터배선은 상부에 Au를 증착하는 단계; 및 상기 히터배선의 발열을 통해 히터배선 상부의 Au만 제거하여 저항구조를 형성시키는 단계를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 금속층은 열저항체층이고, 니켈크롬, 백금, 산화주석안티몬 합금 및 폴리실리콘 중 어느 하나의 물질로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 금속층 상에는 튜브 또는 파티클 형태의 탄소 소재층, 금속층 및 절연제층 중 어느 하나를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 히터배선의 열저항체의 발열로 인한 적외선 방사는 상기 기판 상부 또는 하부에 오목 반사경을 패키징해 설치하여 상부 또는 하부 중 일방으로만 이루어짐이 바람직하다.

따라서, 본 발명은 히터배선의 하부 구조를 식각하여 히터배선부분만 기판으 로부터 떠있도록 제작함으로써, 열적 고립 효과를 극대화시켜 소모전력을 낮추면서도 고온의 발열을 발생시켜 성능이 우수한 적외선광원으로 이용되는 현저하고도 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 한 장의 포토마스크를 사용하여 MEMS 가공 기술로 마이크로 히터를 제조함으로써 제조공정이 간단하고, 히터배선 하부에 지지기둥을 형성함으로써 기계적 안정성이 향상되는 현저하고도 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상기 히터배선의 하부에 형성된 지지기둥을 완전히 열산화시킴으로써 지지기둥의 열전도에 의한 손실을 낮춰 열고립 구조를 개선하여 열적 고립 효과를 극대화하는 현저하고도 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 민더 타입의 배선을 그리드 타입으로 제조하고, 히터배선 하부에 증착된 오목한 어레이 금속층을 열반사막으로 사용함으로써, 상기 히터배선에서 균일한 열을 방사하여 열방사 효율을 향상시키는 현저하고도 유리한 효과가 있다.

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.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 기판으로부터 이격되어 있는 히터배선 구조를 갖는 마이크로 히터를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 히터배선 구조의 상면도이다. 상기 마이크로 히터의 기판(110) 상부면에는 적외선 광원을 반사하는 반사막 역할을 하는 금속층 또는 열저항체층(120)이 형성되어 있고, 히터배선(130), 전극패드(140) 및 지지기둥(150)을 포함한다.

상기 기판(110)은 실리콘 기판인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 단결정 실리콘 기판 중 비등방성 식각 특성이 나타나는 기판을 사용한다. 또한, (111)방향의 실리콘 기판처럼 비등방 식각 특성을 이용하여 제조하는 것도 가능하다.

상기 히터배선(130)의 하부에는 상기 히터배선(130)의 기계적 변형 내지는 파괴를 억제하는 지지대 역할을 하는 상기 지지기둥(150)이 형성된다. 상기 지지기둥(150)은 상기 히터배선(130)의 넓이에 따라 의도한 곳에 필요한 만큼 형성시킬 수 있다. 또한, 상기 지지기둥(150)이 없이 상기 전극패드(140)에 의해서만 히터배선(130)이 지지되어 떠 있도록 구성할 수도 있다.

상기 금속층(120)은 열저항체층이 될 수 있고, 니켈크롬, 백금, 산화주석안티몬 합금 및 폴리실리콘 등 고온발열체로 내구력있는 저항재료를 증착하는 것이 바람직하다. 상기 실리콘 기판(310)의 상부 전면에 증착된 상기 금속층(330)은 오목한 어레이 반사막으로써, 적외선 광원을 반사시켜 열방사 효율을 좋게 하는 역할을 한다.

본 발명의 마이크로 히터는 고온으로 인하여 히터배선(130)의 열팽창이 발생하더라도 종래의 절연체박막 상부에 형성된 히터 구조에 비해 히터 배선의 두께가 현저히 두꺼운 실리콘으로 이루어져있고, 자유도가 높은 떠있는 구조이기 때문에 기존의 공동(cavity)이 형성된 기판 위에 놓인 배선구조에 비해 기계적 안정성이 뛰어나다.

도 4는 상기 도 2 및 도 3의 A-A´절단면의 단면도로서, 히터배선(130)은 실리콘 기판(131)에 SiNx 또는 SiOx 절연막(132)과 금속층(133)을 순차적으로 증착한 후, 식각해 실리콘 기판(131)으로부터 떠 있는 구조를 갖게 된다. 증착된 금속층(133)은 미리 형성되어 있는 절연막(132)에 의해 기판(131)과 절연된다.

증착과정에서 상기 금속층(133)은 히터배선(130) 상부뿐만 아니라 배선 사이를 통과하여 식각되고 남은 실리콘 기판(131') 사이에도 증착된다. 증착된 상기 금속층(133)은 히터배선(130)에서 발산되는 열을 반사시키는 반사막 역할을 하게 되므로 히터배선(130)의 상부 방향으로 방출되는 열의 열방사 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 금속층(133)은 도 2의 금속층(120)과 동일한 것이다.

상기 히터배선(130) 하부에 남아 있는 실리콘 기판(131)은 필요에 따라 XeF2 또는 XeF2 + Ar을 이용한 등방성 식각으로 제거할 수도 있다. 히터의 열질량을 높이거나 기계적 안정성 확보를 위해 열선에 실리콘을 남겨둘 필요가 있을 경우, 공 정의 안정성을 위한 방법으로 습식식각을 이용하여 히터배선(130) 부분을 기판(110)으로부터 격리시키는 방법을 사용할 수 있다.

기존의 방법과는 달리 히터배선(130)의 하부 부분만을 기판(110)으로부터 격리시킴으로써, 상기 히터배선(130)이 상기 기판(110)과 접한 영역에서 축적된 열을 최소화할 수 있어서 동일한 소비전력으로 보다 높은 온도의 방출효과를 얻을 수 있다.

그리고 히터배선(130)의 패턴을 형성시키기 위해 마스크 한 장을 이용한 단일 사진식각공정을 이용하여 기판(110)으로부터 열적 격리구조를 갖는 마이크로 히터를 제조할 수 있어서 공정이 간단하다.

도 5 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 바닥면에 반사막이 형성된 적외선 광원 마이크로 히터의 제조 공정도이다.

도 5는 절연막(320)이 증착된 기판(410)을 나타낸다.

도 6은 절연막(320)이 증착된 실리콘 기판(310)을 사진식각 공정을 이용하여 히터배선과 전극패드를 패터닝하는 제1단계와, 상기 패터닝된 기판을 건식식각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계를 나타낸다. 상기 건식식각은 깊은반응성 이온식각(DRIE) 등을 포함하는 비등방성 건식식각을 사용함이 바람직하다.

도 7 및 도 8은 상기 컬럼구조물을 습식식각하여 전극패드와 지지기둥을 제외한 부분이 상기 실리콘 기판(310)으로부터 릴리즈된 히터배선을 형성하는 제3단계를 나타낸다. 습식식각을 할 경우 실리콘의 결정방향에 따른 식각률 차이가 있어, 지지기둥의 일정 부분, 일예로서 가운데 부분이 우선적으로 식각되어 도 7에 나타난 것과 같이 잘록한 형상이 된다. 식각이 더 진행되면 지지기둥의 가운데 부분이 도 8과 같이 완전히 제거되어 기판(310)으로부터 릴리즈된 히터배선을 형성하게 되는 것이다.

여기서, 상기 습식식각은 KOH 또는 TMAH 등의 식각용액을 사용해 상기 지지기둥을 포함한 기판(310)을 이방성 식각을 하는 것이 바람직하다. 이 때, 모두 식각을 하지 않고 히터배선을 지지하기 위한 몇 개의 지지기둥을 남겨둔다.

지지기둥을 형성하기 위한 소정의 영역은 제1단계에서 패턴을 형성할 때 다른 영역보다 패턴의 폭을 더욱 넓게 형성하여 2차례에 걸친 식각 후에도 상기 지지기둥이 남아 있을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 9는 릴리즈된 상기 히터배선(340)을 포함한 상기 실리콘 기판(310) 상부 전면에 금속층 또는 열저항체층(330)을 증착하여 히터배선(340)과 전극패드를 형성하는 제4단계를 나타낸다. 증착과정에서 금속층 또는 열저항체층(330)은 히터배선(340) 상부뿐만 아니라 배선 사이를 통과하여 식각되고 하부에 남은 지지기둥 사이와 기판에도 증착된다.

상기 실리콘 기판(310)의 상부 전면에 증착된 상기 금속층(330)은 오목한 어레이 반사막으로써, 상기 히터배선(340)에서 발산되는 열을 반사시켜 열방사 효율을 좋게 하는 역할을 한다. 상기 금속층(330)은 열저항체이며, 니켈크롬, 백금, 산화주석안티몬 합금 및 폴리실리콘 중 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 이루어짐이 바람직하다.

도 10은 상기 도 5 내지 도 9의 제조 공정을 통해 형성된 본 발명의 제1실시 예에 따른 마이크로 히터를 나타낸 구조도이고, 기판(310)으로부터 이격되어 있는 히터배선(340)을 구조를 갖는다. 상기 히터배선(340) 하부의 일부에는 상기 히터배선(350)이 늘어지는 것을 방지하는 몇 개의 지지기둥(360)이 형성되어 있다.

또한, 외부 배선을 위한 와이어링을 위해 세도우 마스크를 이용하여 상기 전극패드(350) 부분에만 선택적으로 Au(370)를 추가로 증착한다.

상기와 같은 제조방법에 의해 만들어진 본 발명의 마이크로 히터는 외부에서 상기 전극패드(350)에 인가된 전압에 의하여 열저항체인 상기 히터배선(340)에 전류가 흐르면, 열이 발생하게 되고 박막 전체가 가열되어 히터로 작동하게 된다.

본 발명에 따르면 금속층(330)을 증착하여 히터배선(340)을 형성한 후, 히터배선(340) 상부에 추가로 열의 방출에 따른 적외선의 방사효율을 높일 수 있는 튜브 또는 파티클 형태의 탄소 소재층, 금속층 또는 절연체층 등을 형성할 수 있다.

도 11은 상기 도 5 내지 도 9의 제조 공정을 통해 형성된 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로 히터를 나타낸 구조도이다. 외부배선을 위해 세도우 마스크 없이 상기 히터배선(340)과 전극패드(350)에 모두 Au(370)를 증착한다. 그 후, 히터를 동작시켜 상기 히터배선(340)의 고온발열을 이용하여 상기 히터배선(340)의 상부에 증착된 Au만 선택적으로 제거하여 상기 전극패드(350)에만 Au를 형성시킨다.

도 12 내지 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 바닥면에 반사막이 없는 적외선 광원 마이크로 히터의 제조 공정도이다.

도 12는 실리콘 기판(410) 상에 절연막(420)과 금속층(430)을 순차적으로 증착한 후, 사진식각공정을 이용하여 상기 실리콘 기판(410)에 히터배선(440)과 전극 패드(450)를 패터닝하는 제1단계와 상기 실리콘 기판(410)을 건식식각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계를 나타낸다. 도 13 내지 도 14는 컬럼구조물이 형성된 상기 실리콘 기판(410)을 습식식각하여 상기 전극패드(450) 부분을 제외한 부분이 상기 실리콘 기판으로부터 릴리즈된 상기 히터배선(440)을 형성하는 제3단계를 나타낸다.

도 15는 상기 도 12 내지 도 14의 제조 공정을 통해 형성된 제3실시예에 따른 바닥면에 반사막이 없는 적외선 광원 마이크로 히터를 나타낸 구조도이다. 실리콘 기판(410), 히터배선(440), 전극패드(450) 및 지지기둥(460)을 포함하고, 상기 실리콘 기판(410) 상부에 반사막이 형성되지 않은 구조이다. 상기 히터배선(450) 하부에는 상기 히터배선(450)이 늘어지는 것을 방지하는 지지기둥(460)이 형성된다.

도 16 내지 도 19는 본 발명의 제4실시예에 따른 열산화막 지지기둥을 갖는 열고립 성능이 향상된 적외선 광원 마이크로 히터의 제조 공정도이다.

도 16은 절연막(520)이 증착된 실리콘 기판(510)을 사진식각 공정을 이용하여 히터배선과 전극패드를 패터닝하는 제1단계와, 상기 패터닝된 기판을 건식식각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계를 나타낸다. 도 17은 상기 컬럼구조물을 습식식각하여 전극패드와 지지기둥을 제외한 부분이 상기 실리콘 기판(510)으로부터 릴리즈된 히터배선(540)을 형성하는 제3단계를 나타낸다. 이후, 도 18은 릴리즈된 상기 히터배선(550)의 하부에 형성된 지지기둥을 완전히 열산화시켜 바깥면에 열산화막(570)을 형성시킨다. 이에 의해 지지기둥의 열전도에 의한 손실을 낮춰 열고립 구조를 개선하여 열적 고립 효과를 극대화할 수 있다. 상기 열산화막의 열전도율은 실리콘에 비해 100배 가량 낮다.

도 19는 릴리즈된 히터배선(540)을 포함한 상기 실리콘 기판(510) 상부 전면에 금속층(530)을 증착하여 히터배선(540)과 전극패드(550)를 형성하는 제4단계를 나타낸다. 실리콘 기판(510)의 바닥면에 증착된 상기 금속층(530)은 적외선 광원을 반사시켜 열방사 효율을 좋게 하는 역할을 한다.

도 20은 도 16 내지 도 19의 제조 공정을 통해 형성된 본 발명의 제4실시예에 따른 열산화막 지지기둥을 갖는 열고립 성능이 향상된 적외선 광원 마이크로 히터를 나타낸 구조도이다.

열산화공정으로 상기 열산화막(570)이 형성된 지지기둥(560)을 갖는 마이크로 히터의 구조도로서, 히터 배선(540), 전극패드(550) 및 바깥면에 열산화막(530)이 형성된 지지기둥(560)을 포함한다.

도 21은 본 발명에 따른 지지기둥에 의해 떠있는 민더(meander) 타입의 마이크로 히터의 배선을 나타낸 구조도이다. 민터타입으로 형성된 히터배선(620)과 상기 히터배선(620)을 지지하는 지지기둥을 포함한다.

도 22는 본 발명에 따라 만들어진 마이크로 히터가 형성된 실리콘 기판 상부에 적외선 오목 반사경을 설치한 것으로, 상기 실리콘 기판의 하부 방향으로만 적외선을 방사하게 된다. 또한, 상기 실리콘 기판은 특정 파장에 대해서 투과율이 높으므로 필터 역할을 한다.

도 23은 본 발명에 따른 그리드(grid) 타입으로 형성된 마이크로 히터의 배 선 구조도로, 그리드 타입의 히터배선(820), 지지기둥(830) 및 전극패드(810)을 포함한다. 그리드(Grid) 타입의 배선구조는 민더(meander) 타입의 배선에 비해 저항선의 유효길이를 짧게 할 수 있고, 히터배선 면적을 키울 수 있어서 저항값을 낮출 수 있으므로 구동 전압을 낮출 수 있다. 또한, 유효 발열 면적을 극대화할 수 있고, 열전도에 의한 손실을 막을 수 있어서 히터의 효율을 극대화할 수 있다.

그리드(grid) 타입의 히터배선(820) 하부의 지지기둥(830)은 상기 히터배선(820)의 구조적 안정성을 해치지 않는 범위안에서 최소한으로 줄일 수 있고, 상기 지지기둥(830)이 없이 상기 전극패드(810)에 의해서만 히터배선(820)이 지지되어 떠 있도록 구성할 수도 있다. 그리드 타입의 히터 배선(820) 하부에 지지기둥이 없을 경우 열전도에 의한 손실은 전극패드를 통해서만 발생하므로, 히터 내부에 고른 열분포를 기대할 수 있고, 이에 따라 열고립 효과를 극대화할 수 있다.

상기 히터배선(820)에서 양 옆의 삐죽 튀어나온 패턴은 습식 비등방 식각시 코너 보상 패턴을 나타낸다. 즉, 가운데 겹치는 부분과 동일하게 식각 특성이 나타나도록 최외각 부분에도 히터 배선에 기여하지 않는 dummy 패턴이 삽입된 것이다.

한편, 도 21과 같은 민더 타입일 경우에는 습식 비등방 식각시 코너 보상 패턴이 유익할 경우가 많다. 즉, 'ㄱ'자로 꺽여있는 부분의 습식 식각이 빨라 이 부분의 패턴형태를 더 넓게 잡아주어야 라인 중간의 하부가 습식되어 떠있는 구조에 이를 때까지 코너의 실리콘이 견뎌준다. 더 크게 할 경우에는 지지기둥의 형태로 남아있게 되는 것이다.

도 24는 본 발명에 따른 마이크로 히터의 사진 결과물이다. 지지기둥으로부 터 떠있는 마이크로 히터의 구조를 나타낸 도면으로서, 히터 배선 하부에 릴리즈된 지지기둥을 나타낸다.

도 25는 본 발명에 따른 마이크로 히터의 동작 모습을 나타내는 사진이다. 지지기둥이 존재하는 부분은 열전도에 의한 손실 때문에 발열부에 비해 온도가 낮아 어둡게 보이는 부분이다. 보다 균일한 발열부를 얻기 위해서는 지지기둥의 열전도율을 낮추고 지지기둥을 기계적 안정성을 해치지 않는 범위에서 최소화하는 구조가 요구된다.

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 종래 기술에 따른 마이크로 히터

도 2는 본 발명에 따른 기판으로부터 이격되어 있는 히터배선 구조를 갖는 마이크로 히터

도 3은 본 발명에 따른 히터배선 구조의 상면도

도 4는 상기 도 2의 A-A´절단면의 단면도

도 5 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 바닥면에 반사막이 형성된 적외선 광원 마이크로 히터의 제조 공정도

도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 히터를 나타낸 구조도

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로 히터를 나타낸 구조도

도 12 내지 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 바닥면에 반사막이 없는 적외선 광원 마이크로 히터의 제조 공정도

도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로 히터를 나타낸 구조도

도 16 내지 도 19는 본 발명의 제4실시예에 따른 열산화막 지지기둥을 갖는 열고립 성능이 향상된 적외선 광원 마이크로 히터의 제조 공정도

도 20은 본 발명의 제4실시예에 따른 마이크로 히터를 나타낸 구조도

도 21은 본 발명에 따른 지지기둥에 의해 떠있는 민더(meander) 타입의 마이크로 히터의 히터배선을 나타낸 구조도

도 22는 본 발명에 따른 마이크로 히터가 형성된 기판이 적외선 오목 반사경과 패키징된 패키지 구조도

도 23은 본 발명에 따른 그리드(grid) 타입으로 형성된 마이크로 히터의 배선 구조도

도 24는 본 발명에 따른 마이크로 히터의 사진 결과물

도 25는 본 발명에 따른 마이크로 히터의 동작 모습을 나타내는 사진

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 실리콘 기판 120, 133 : 금속층

130 : 히터배선 131 : 식각되고 남은 실리콘기판

132 : 절연층 140 : 전극패드

150 : 지지기둥

Claims (21)

1. 기판으로부터 이격되어 형성된 히터배선;

   상기 히터배선의 양 끝단에 전압을 인가하는 전극패드; 및

   상기 히터배선을 지지하기 위해 형성된 지지기둥

   을 포함하는 마이크로 히터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 히터배선은

   상기 기판과 전기적으로 절연시키기 위한 절연막; 및

   상기 절연막상에 증착되고, 전류를 흐르게 하기 위한 금속층

   을 포함하는 마이크로 히터.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 금속층은 열저항체층이고, 니켈크롬, 백금, 산화주석안티몬 합금 및 폴리실리콘 중 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는 마이크로 히터.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 금속층 상에는 튜브 또는 파티클 형태의 탄소 소재층, 금속층 및 절연제층 중 선택되는 어느 하나의 물질이 더 포함되는 마이크로 히터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 히터배선은 민더 타입 또는 그리드 타입으로 형성하는 마이크로 히터.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 히터배선의 패턴 굵기는 일정하지 않은 마이크로 히터.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 지지기둥은 히터배선이 넓은 부분의 하부에 형성되고, 개수는 0 또는 한 개 이상인 MEMS 히터.
8. 기판상에 절연막을 증착한 후, 사진식각 공정을 이용하여 히터배선과 전극패드를 패터닝하는 제1단계;

   패터닝된 상기 기판의 전면을 식각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계;

   상기 컬럼구조물을 식각하여 지지기둥과 전극패드를 제외한 부분이 상기 기판으로부터 릴리즈된 구조물을 형성하는 제3단계; 및

   릴리즈된 상기 구조물을 포함한 상기 실리콘 기판 전면에 금속층을 증착해 히터배선 및 전극패드를 형성하는 제4단계

   를 포함하는 MEMS 히터의 제조방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 제4단계 이전에, 상기 지지기둥에 열산화공정으로 열산화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 MEMS 히터의 제조방법.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 금속층은 기판 전면에 증착되어 히터배선에서 방출되는 열을 반사시키기 위한 반사층으로 작용하는 마이크로 히터의 제조방법.
11. 기판상에 절연막과 금속층을 순차적으로 증착한 후, 사진식각공정을 이용하여 히터배선과 전극패드를 패터닝하는 제1단계;

    패터닝된 상기 기판을 식각하여 컬럼구조물을 형성하는 제2단계; 및

    상기 컬럼구조물을 식각하여 지지기둥과 전극패드를 제외한 부분이 상기 실리콘 기판으로부터 릴리즈된 히터배선 및 전극패드를 형성하는 제3단계

    를 포함하는 마이크로 히터의 제조방법.
12. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 제2단계의 식각은 깊은반응성 이온식각(DRIE)을 포함하는 건식 비등방식각을 이용하는 마이크로 히터의 제조방법.
13. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 제3단계의 식각은 KOH 또는 TMAH를 이용하는 습식 비등방식각인 마이크로 히터의 제조방법.
14. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 히터배선은 민더 타입 또는 그리드 타입으로 형성하는 마이크로 히터의 제조방법.
15. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 히터배선의 하부에 남아 있는 실리콘을 XeF2 또는 XeF2 + Ar을 이용한 등방성 식각으로 제거하는 마이크로 히터의 제조방법.
16. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 지지기둥은 히터배선이 넓은 부분에 형성되고, 개수는 0 또는 한 개 이상인 마이크로 히터의 제조방법.
17. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 전극패드는 외부 배선을 위한 와이어링을 위해 별도로 Au를 증착하는 단계를 더 포함하여 형성되는 마이크로 히터의 제조방법.
18. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 전극패드와 히터배선은 상부에 Au를 증착하는 단계; 및

    상기 히터배선의 발열을 통해 히터배선 상부의 Au만 제거하여 저항구조를 형성시키는 단계를 더 포함하는 마이크로 히터의 제조방법.
19. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 금속층은 열저항체층이고, 니켈크롬, 백금, 산화주석안티몬 합금 및 폴리실리콘 중 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는 마이크로 히터의 제조방법.
20. 제 8항 또는 제 11항에 있어서,

    상기 금속층 상에는 튜브 또는 파티클 형태의 탄소 소재층, 금속층 및 절연제층 중 어느 하나를 더 포함하는 마이크로 히터의 제조방법.
21. 제 11항에 있어서,

    상기 히터배선의 열저항체의 발열로 인한 적외선 방사는 상기 기판 상부 또는 하부에 오목 반사경을 패키징해 설치하여 상부 또는 하부 중 일방으로만 이루어지는 마이크로 히터의 제조방법.

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