KR20100073070A - 비냉각형 적외선 감지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비냉각 적외선 감지 센서에 대한 것으로서, 이 장치는 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 반사층, 상기 반사층과 소정 거리만큼 이격되어 형성되어 있는 제1 흡수층, 상기 제1 흡수층 위에 형성되어 있는 저항층, 그리고 상기 저항층 위에 형성되어 있는 제2 흡수층을 포함한다. 따라서, 중적외선 영역에서의 적외선 흡수율을 향상시켜 고성능의 마이크로 볼로미터를 형성할 수 있다.

볼로미터, 비냉각, 적외선 감지, 흡수율

Description

비냉각형 적외선 감지 센서 및 그의 제조 방법{Uncooled infrared detection sensor and the manufacturing method thereof}

본 발명은 비냉각형 적외선 감지 센서에 관한 것이다. 특히 본 발명은 이중 흡수층을 가지는 비냉각형 적외선 감지 센서에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-03, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합센서기술개발].

적외선을 감지하기 위해서는 감지하고자 하는 적외선 파장영역에 따라서 다양한 방법을 사용한다. 근적외선을 감지하기 위해서는 주로 광자형 적외선 감지소자를 사용한다. 광자형 적외선 감지소자는 반도체의 광 기전 효과를 이용하여 흡수된 적외선에 의해 야기된 광자를 검출하는 것으로써 감도가 매우 좋으며, 응답속도가 빠른 장점을 갖고 있다. 그러나 최고의 감도에서 동작하기 위해서는 극저온은 냉각시스템을 필요로 하는 단점이 있다. 이에 반하여 중, 원적외선을 감지하는 감지소자의 경우는 대체로 적외선에 의하여 생성된 열을 감지할 수 있는 소자를 주로 사용하고 있다. 열을 감지하는 적외선 감지소자는 그 감지방식에 따라서 볼로미터 형, 열전대형, 그리고 초전형으로 나뉠 수 있다. 열형 적외선 센서는 감도가 광자형에 비해서 낮고 응답속도로 상대적으로 낮으나, 극저온의 냉각장치를 필요로 하지 않으므로 소형화 및 다양한 응용에서 주목 받고 있다.

일반적으로 비냉각형 적외선 센서는 8마이크론에서 14마이크론 범위의 적외선 파장을 감지한다. 이러한 비냉각형 적외선 센서를 제작하기 위해서는 기판(10)과 일정한 높이를 갖은 다층의 막 구조가 필요하다. 다층의 막 구조를 사용할 경우 볼로미터의 성능을 향상시키기 위해서는 입사 적외선의 흡수율이 중요한 문제가 된다. 따라서 볼로미터를 설계할 경우 저항체층외에 따로 흡수층을 두어 적외선의 흡수율의 향상을 유도하고 있다.

저항체를 이용하여 적외선을 감지하는 비냉각형 볼로미터의 경우 적외선의 흡수도를 최대로 하기 위하여 다양한 종류의 흡수층을 사용하거나 각층의 배열을 달리하여 설계하고 있다. 마이크로 볼로미터의 경우 흡수층으로 사용되는 재료는 면저항값이 377 ohm/square의 값을 갖을 때 최대의 흡수가 일어난다고 알려져 있다.

현재, 마이크로 볼로미터용 구조체는 저항체층, 흡수층을 각각 1개씩 사용하고 각 층의 절연을 위하여 유전체층을 3층 사용하고 있다. 일반적으로 흡수층으로 사용되는 재료는 상부층과의 적절한 스트레스 조건을 가져야만 한다. 즉, 매우 얇은 막은 공정조건에 따라서 급격하게 그 스트레스 상태가 변화하는데, 이러한 스트레스 상태는 막의 휨을 가져와 주변부와의 열접촉에 의한 신호손실을 가져오게 된다. 따라서 흡수층으로 주로 사용되는 TiN 박막은 증착 후 가능하면 낮은 스트레스 를 갖도록 높은 공정압력과 낮은 RF 투입전력의 조건에서 증착을 진행하게 된다.

흡수층의 두께가 두꺼우면 적외선의 흡수에 유리해지나, 열적 손실이 증가하는 단점이 있어 흡수층의 두께는 377 ohm/square의 값을 만족하는 두께로 결정되는데, 이는 중적외선의 영역인 8 ~ 14 마이크로 미터의 파장대역 중에서 낮은 쪽의 파장대역의 흡수율이 떨어지는 단점이 있다.

또한 전 파장영역에서의 총 흡수율이 낮게 되어 전체적인 마이크로 볼로미터의 성능의 감소를 가져오게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 볼로미터용 막을 제작할 경우 상부 및 하부의 이중의 흡수층을 위치하게 함으로써 중적외선 영역에서의 적외선 흡수율을 향상시켜 고성능의 마이크로 볼로미터를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 비냉각형 적외선 감지 센서는 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 반사층, 상기 반사층과 소정 거리만큼 이격되어 형성되어 있는 제1 흡수층, 상기 제1 흡수층 위에 형성되어 있는 저항층, 그리고 상기 저항층 위에 형성되어 있는 제2 흡수층을 포함한다.

상기 반사층, 제1 흡수층, 저항층 및 제2 흡수층 사이에는 각 층을 전기적으로 절연하는 절연층이 형성되어 있을 수 있다.

상기 제1 흡수층 및 제2 흡수층은 동일한 물질로 형성되며, 동일한 두께로 형성되어 있을 수 있다.

상기 제2 흡수층 위에 보호층의 절연막을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 흡수층의 상하에 형성되어 있는 상기 절연층은 서로 동일한 두께를 가지며, 상기 제2 흡수층 상하에 형성되어 있는 상기 절연층은 서로 동일한 두께를 가질 수 있다.

상기 제1 흡수층 상하에 형성되어 있는 상기 절연층은 상기 제2 흡수층 상하에 형성되어 있는 상기 절연층의 2배의 두께를 가질 수 있다.

상기 반사층과 상기 제1 흡수층 하부의 상기 절연막까지의 이격 거리는 목표흡수 파장의 1/4에 해당할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 비냉각형 적외선 감지 센서의 제조 방법은 기판 위에 반사층을 증착하는 단계, 상기 반사층 위에 희생층을 형성하는 단계, 상기 희생층 위에 제1 흡수층, 저항층 및 제2 흡수층을 차례로 증착하는 단계, 그리고 상기 희생층을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 마이크로 볼로미터용 구조체의 적외선 흡수율을 증대시키기 위해서 구조체 막의 상하에 이중의 흡수층을 형성함으로써 고성능 마이크로 볼로미터의 제작이 가능하게 된다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상 세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도 1을 참고하여, 본 발명에 따른 비냉각형 적외선 감지 센서에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 비냉각형 적외선 감지 센서의 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 비냉각형 적외선 감지 센서는 기판(10) 상에 제1 절연층(20)을 두고 반사층(30)을 형성하고, 반사층(30)과 소정의 이격 거리를 가지며 형성된 제2 절연층(50) 위에 제1 흡수층(60)을 포함한다. 또한, 제1 흡수층(60) 위에 제3 절연층(70), 저항층(80), 제4 절연층(90), 및 제2 흡수층(100)이 차례로 적층되어 있는 구조를 가진다.

이와 같이, 저항층(80)의 상하부에 흡수층(60, 100)을 형성함으로써 하부의 반사층(30)으로부터의 적외선 및 외부로부터의 적외선을 각각 흡수하여 저항층(80)에 전달함으로써 고감도의 감지 센서를 형성할 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 7을 참고하여 도 1의 비냉각형 적외선 감지 센서의 제조 방법을 설명한다.

도 2 내지 도 7은 도 1의 비냉각형 적외선 감지 센서의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.

먼저, 도 2와 같이, 신호처리용 회로가 미리 구성된 실리콘 등의 기판(10) 위에 제1 절연층(20)을 형성한다. 이때, 제1 절연층(20)은 실리콘 산화막일 수 있으며, 두께는 상부층과의 충분한 절연을 위해 200 nm이상일 수 있다.

제1 절연층(20) 위에 입사된 적외선을 반사하도록 800 nm이상의 두께를 갖는 알루미늄을 반사층(30)으로 증착한다.

다음으로, 도 3과 같이 반사층(30) 위에 희생층(40)을 형성한다.

희생층(40)은 폴리이미드계 유기물을 사용할 수 있으며, 실리콘 산화막 또는 다결정 실리콘, 비결정 실리콘일 수 있다.

이와 같은 희생층(40)은 중심파장의 1/4의 두께를 갖도록 증착되어 상부의 적층막의 흡수율이 최대가 되도록 한다.

다음으로 도 4와 같이 희생층(40) 위에 제2 절연층(50) 및 제1 흡수층(60)을 증착한다.

제2 절연층(50)은 50 nm이상의 두께를 갖는 절연용 실리콘 질화막 등일 수 있으며, 이때 제2 절연층(50)의 두께는 중간에 삽입하는 제3 절연층(70)의 두께와 연동하여 막 전체의 스트레스 상태를 최소화 하도록 조절할 수 있다.

제1 흡수층(60)은 약 10 nm의 두께를 갖도록 증착하며, TiN 박막을 제1 흡수층(60)으로 사용할 수 있다. TiN를 제1 흡수층(60)으로 사용할 경우, 소자의 열적 조건을 고려할 때, 대략 10 nm가 가장 적절한 두께로 인정된다. 이때 TiN의 면저항 은 최대 377 ohm/square가 되도록 한다.

다음으로, 도 5와 같이, 제1 흡수층(60) 위에 제3 절연층(70) 및 저항층(80)을 차례로 증착한다.

제3 절연층(70)은 제2 절연층(50)과 동일한 두께를 가지고, 제2 절연층(50)과 같이 실리콘 질화막 등으로 형성할 수 있으며, 저항층(80)은 실제로 온도에 의해 저항이 변하는 저항체를 증착하여 형성한다.

다음으로, 저항층(80) 상에 도 6의 제4 절연층(90) 및 제2 흡수층(100)을 형성한다.

제4 절연층(90)은 제3 절연층(70)의 1/2 정도의 두께를 가지는 실리콘 질화막을 증착하여 형성할 수 있으며, 제 2 흡수층(100)은 TiN을 10 nm 두께로 증착하여 형성한다.

최종적으로 도 7과 같이, 제2 흡수층(100) 위에 제 2 흡수층(100)의 하부의 제4 절연층(90)과 같은 두께의 실리콘 질화막을 증착하여 보호층(110)을 형성하고, 선택적 식각하여 희생층(40)을 제거함으로써, 반사층(30)과 제2 절연층(50) 사이에 소정 거리의 공간을 형성한다. 이는 흡수하고자 하는 파장의 1/4에 해당하며, 이 공간에 의해서 입사된 적외선이 보강간섭을 일으켜 최대 흡수도를 얻을 수 있다.

이하에서는 도 8a 및 도 8b를 참고하여 도 1의 비냉각형 적외선 감지 센서의 효과를 설명한다.

도 8a는 종래의 비냉각형 적외선 감지 센서의 흡수도를 나타내는 것이고, 도 8b는 본 발명에 따른 적외선 감지 센서의 흡수도를 나타내는 것이다.

도 8a의 비냉각형 적외선 감지 센서는 알루미늄을 반사층으로 하여 2 마이크론의 간격을 가지며, 상부에 실리콘 질화막, 흡수층인 TiN 박막, 실리콘 질화막, 저항층 및 보호층으로 구성된다.

이와 같은 층구조를 갖는 적외선 감지 센서는 중적외선의 영역이 시작되는 8 마이크론의 파장의 흡수율이 약 45%이며, 파장에 따라서 흡수율은 최고 약 60%까지 증가한다. 즉, 중적외선 영역인 8 ~ 14 마이크론의 파장대역의 감지를 위하여 이러한 흡수층과 중간 공간을 가지는 구조를 갖추어도 실제 실험 및 계산에 의하면 적외선의 흡수율은 약 60 % 정도에 그친다.

반면, 본 발명에 따른 적외선 감지 센서의 경우, 저항층(80)의 상하부에 절연된 2개의 흡수층(60, 100)을 각각 형성한 구조를 가지며, 파장에 따른 흡수율은 8 마이크론의 파장대역에서 60%이상을 상회하며, 파장에 따라 최고 95%의 흡수율을 나타낸다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 비냉각형 적외선 감지 센서의 단면도이다.

도 2 내지 도 7은 도 1의 비냉각형 적외선 감지 센서의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.

도 8a는 종래의 비냉각형 적외선 감지 센서의 흡수도를 나타내는 것이고, 도 8b는 본 발명에 따른 적외선 감지 센서의 흡수도를 나타내는 것이다.

Claims (10)

1. 기판,

   상기 기판 위에 형성되어 있는 반사층,

   상기 반사층과 이격되어 형성되어 있는 제1 흡수층,

   상기 제1 흡수층 위에 형성되어 있는 저항층, 그리고

   상기 저항층 위에 형성되어 있는 제2 흡수층

   을 포함하는 비냉각형 적외선 감지 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 반사층, 제1 흡수층, 저항층 및 제2 흡수층 사이에는 각 층을 전기적으로 절연하는 절연층이 형성되어 있는

   비냉각형 적외선 감지 센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 흡수층 및 제2 흡수층은 질화티타늄으로 형성되며, 동일한 두께로 형성되어 있는

   비냉각형 적외선 감지 센서.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 흡수층 위에 보호층을 더 포함하는

   비냉각형 적외선 감지 센서.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 흡수층의 상하에 형성되어 있는 상기 절연층은 서로 동일한 두께를 가지며, 상기 제2 흡수층 상하에 형성되어 있는 상기 절연층은 서로 동일한 두께를 가지는

   비냉각형 적외선 감지 센서.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 흡수층 상하에 형성되어 있는 상기 절연층은 상기 제2 흡수층 상하에 형성되어 있는 상기 절연층의 2배의 두께를 가지는

   비냉각형 적외선 감지 센서.
7. 제6항에 있어서,

   상기 반사층과 상기 제1 흡수층 하부의 상기 절연막까지의 이격 거리는 목표흡수 파장의 1/4에 해당하는

   비냉각형 적외선 감지 센서.
8. 기판 위에 반사층을 증착하는 단계,

   상기 반사층 위에 희생층을 형성하는 단계,

   상기 희생층 위에 제1 흡수층, 저항층 및 제2 흡수층을 차례로 증착하는 단계, 그리고

   상기 희생층을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계

   를 포함하는

   비냉각형 적외선 감지 센서의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 희생층은 목표흡수 파장의 1/4에 해당하는 두께로 형성하는

   비냉각형 적외선 감지 센서의 제조 방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 희생층, 제1 흡수층, 저항층 및 제2 흡수층의 사이에 절연막을 각각 형성하는

    비냉각형 적외선 감지 센서의 제조 방법.

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