KR20110130523A - 적외선 어레이 센서 - Google Patents

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Abstract

적외선 어레이 센서는 오목부를 구비한 베이스와 상기 오목부를 덮도록 상기 베이스 상에 배치된 복수의 화소를 포함한다. 상기 화소는 제1 적외선 흡수부와 감온센서를 가진다. 박막 구조체에는 슬릿이 형성되어 박막 구조체를 복수의 캔틸레버로 분할한다. 상기 캔틸레버는 제1 방향으로 정의되는 길이 방향의 일단, 및 제2 단으로 정의되는 길이 방향의 타단을 가진다. 상기 감온센서는 상기 캔틸레버 상에 배치된다. 상기 감온센서의 온도가 변화될 때, 상기 감온센서는 온도 변화에 따른 출력 신호를 생성한다.

Description

적외선 어레이 센서 {INFRARED ARRAY SENSOR}
본 발명은 적외선 어레이 센서에 관한 것이다.
일본 공개특허공보 제2001-309122호는 종래의 적외선 어레이 센서를 개시하고 있다(이하, 일본 공개특허공보 제2001-309122호는 특허 문헌 1이라 한다). 종래에, 여러 곳에서 적외선 어레이 센서를 연구 및 개발하고 있다. 이 적외선 어레이 센서는 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 제조된다. 적외선 어레이 센서는 베이스(base)와 복수의 화소(image element)를 포함한다. 각 화소는 적외선 흡수부(infrared absorption portion)를 구비한다. 복수의 화소는 베이스의 표면에 어레이로 배열되어 있다.
도 23은 특허 문헌 1에 개시된 적외선 어레이 센서를 나타내고 있다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 적외선 어레이 센서는 베이스(1')와 복수의 화소(2')를 가진다. 도 23에는 1개의 화소만을 나타내고 있다는 것에 유의하기 바란다. 베이스(1')는 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 복수의 화소(2')는 베이스(1')의 표면에 배열되어 있다. 각 화소는 화소 형성 영역을 가진다. 이 화소 형성 영역은 십자형의 경계부(border portion)(18)에 의해, 4개의 소영역(sub-area)으로 분할되어 있고, 각 소영역은 직사각형이다. 또, 베이스(1')에는 복수의 오목부(recess)(11')가 형성되어 있다. 그리고, 화소(2')는, 각 소영역이 오목부(11') 위에 위치하도록, 베이스(1') 상에 배치되어 있다. 또, 각 소영역은 소박막 구조체(sub-thin film structural body)(3aa')를 구비한다. 그리고, 화소(2')는, 소박막 구조체(3aa')가 오목부(11')의 림(rim)의 내측에 위치하도록, 베이스(1') 상에 배치되어 있다.
소박막 구조체(3aa')는 적층 구조를 가지는 적외선 흡수부(33a')를 유지하도록 구성되어 있다. 이 적외선 흡수부(33a')는 제1 SiO2막, 감온센서, 제2 SiO2막, 및 적외선 흡수막으로 이루어진다. 구체적으로 설명하면, 감온센서는 금속 박막 저항(볼로미터(bolometer))으로 이루어진다. 이 금속 박막 저항은 제1 SiO2막 상에 배치되어 있다. 제2 SiO2막은 감온센서를 덮도록 배치되어 있다. 적외선 흡수막은 제2 SiO2막 상에 배치되어 있다. 적외선 흡수부는 2개의 브리지(3bb')에 의해 베이스(1')의 오목부의 림에 연결되어 있다.
또, 도 23에 나타낸 구조는 볼로미터로 이루어지는 감온센서를 포함한다. 화소(2')는 직렬로 접속된 4개의 감온센서로 이루어진 감온부(thermosensing portion)를 포함하고, 이로써 각 감온센서로부터 출력을 취득하는 경우에 비해 온도 변화에 대응하는 출력 변화가 커지도록 설정되어 있다. 그리고, 특허 문헌 1은 각 감온센서가 서모파일(thermopile)이나 초전소자(pyroelectric element)로 이루어질 수 있다는 것도 개시하고 있다.
또, 적외선 어레이 센서는 상기한 구조로 한정되지 않는다. M0S 트랜지스터를 구비하는 적외선 어레이 센서도 알려져 있다. M0S 트랜지스터는 감온센서의 출력을 판독하기 위한 화소 선택용 스위칭 소자로서 사용된다.
화소 형성 영역을 4개의 소영역으로 분할하는 구성에 의해, 한 개의 넓은 화소 형성 영역을 가지는 화소(2')를 포함하는 적외선 어레이 센서의 응답 속도에 비해, 화소(2')를 가지는 적외선 어레이 센서의 응답 속도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로 설명하면, 화소(2')는 4개의 소영역으로 분할된 화소 형성 영역을 포함한다. 이 구성에 의해, 한 개의 넓은 화소 형성 영역으로 구현된 화소(2')를 포함하는 적외선 어레이 센서의 적외선 흡수부의 열용량에 비해, 적외선 어레이 센서의 적외선 흡수부의 열용량이 낮아진다. 즉, 이 구성은 시정수(열 시정수)를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 응답 속도가 향상된다.
그러나, 적외선 어레이 센서의 화소(2')의 화소 형성 영역에는 그 경계부(18')에 소박막 구조체(3aa')가 형성되어 있지 않다. 따라서, 화소(2') 내에서 소박막 구조체(3aa')가 차지하는 면적은 증대한다. 이 때문에, 적외선 어레이 센서의 감도를 높이는 것이 어려웠다.
또, 도 23의 적외선 어레이 센서에서는, 적외선 흡수부(33a)의 두께를 크게 하면, 적외선 흡수부(33a')의 열용량이 증대된다. 그 결과 적외선 어레이 센서의 응답 속도가 저하된다. 이 문제에 대한 대응으로, 적외선 흡수부(33a')의 두께를 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 적외선 흡수부(33a')의 두께를 줄이면, 적외선 어레이 센서의 감도가 저하된다. 또, 적외선 흡수부(33a')의 두께를 줄이면, 소박막 구조체(3aa')의 뒤틀림(warpage) 발생이 쉬워진다. 그 결과, 적외선 흡수부(33')가 제조 시에 파손된다. 따라서, 수율(extraction rate)이 저하된다. 또, 구조의 안정성이 저하되어, 감도가 저하된다. 또, 도 23의 적외선 어레이 센서는 2개의 직선형의 브리지(3bb')에 의해 양쪽으로부터 지지받는 소박막 구조체(3aa')를 포함한다. 따라서, 베이스(1') 또는 외부(예를 들면, 적외선 어레이 센서를 실장하는 실장 기판(mounting substrate))로부터 소박막 구조체(3aa')에 응력이나 열응력이 가해지면, 소박막 구조체(3aa')가 변형될 가능성이 있다. 그 결과 적외선 어레이 센서의 감도 변화가 변화한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이다. 본 발명의 제1 목적은 구조의 안정성을 향상시킨 적외선 어레이 센서를 제조하는 것에 있다. 본 발명의 제2 목적은 응답 속도 및 감도를 향상시키는 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 베이스와 복수의 화소를 포함하는 적외선 어레이 센서를 개시한다. 상기 베이스는 표면(front surface)을 가진다. 상기 베이스의 표면에는 복수의 오목부 및 복수의 림(rim)이 형성되어 있다. 상기 림은 상기 오목부 주위에 각각 위치한다. 각 오목부는 상기 림에 의해 정의되는 내주(inner periphery)를 가진다. 상기 화소는 상기 오목부를 덮도록, 상기 베이스의 표면에 배치되어 있다. 상기 화소는 박막 구조체, 복수의 제1 적외선 흡수층, 및 복수의 감온센서(thermosensor)를 포함한다. 상기 박막 구조체에는 제1 슬릿이 형성되어 있다. 상기 제1 슬릿은 상기 박막 구조체의 배면으로부터 상기 박막 구조체의 표면까지 상기 박막 구조체를 관통한다. 그 결과, 상기 제1 슬릿은 상기 박막 구조체를 복수의 캔틸레버(cantilever)로 분할한다. 상기 캔틸레버는 림을 따라 배열된다. 상기 캔틸레버는 길이 및 폭을 가진다. 상기 캔틸레버는 제1 단으로서 정의되는 길이 방향의 일단(one lengthwise end) 및 제2 단으로 정의되는 길이 방향의 타단(remaining one lengthwise end)을 가진다. 상기 캔틸레버의 일단은 상기 림에 고정된다. 상기 제1 적외선 흡수층은 상기 캔틸레버 상에 배치되고, 이로써 상기 제1 적외선 흡수층은 상기 내주의 내측에 위치한다. 상기 제1 적외선 흡수층은, 적외선을 흡수하면 열을 발생하도록 구성된다. 상기 제1 적외선 흡수층이 열을 발생하면, 그 열은 상기 감온센서에 전달된다. 상기 감온센서는 상기 캔틸레버 상에 배치된다. 상기 감온센서는, 상기 감온센서의 온도가 변화될 때 온도 변화에 따른 출력 신호를 발생하도록 구성된다.
이 구성은 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다. 또, 이 구성은 구조의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 감온센서들은 미리 정해진 소정의 접속 관계로 서로 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 상기 소정의 접속 관계에 따라, 모든 감온센서는 온도 변화를 나타내는 출력 신호를 생성하도록 설정된다. 모든 감온센서에 의해 생성된 출력 신호는 각 감온센서에 의해 생성된 출력 신호보다 크다.
이 구성도 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다. 또, 이 구성은 구조의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 감온센서들은 소정의 접속 관계로 서로 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 이로써, 상기 감온센서의 온도가 변화될 때, 상기 감온센서들이 서로 협동하여 제2 출력 신호를 생성한다. 상기 제2 출력 신호는 상기 출력 신호보다 크다.
상기 감온센서는 서모파일로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 소정의 접속 관계는 직렬 접속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 오목부는 4면의 피라미드(four sided pyramid) 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 오목부는 상기 베이스의 배면(rear surface)으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 오목부는 내면이 요곡면(concave curve)으로 이루어지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 베이스의 배면에 개구부(opening portion)를 구비하여, 상기 개구부에 의해 오목부들을 서로 연통되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 캔틸레버는 상기 제1 단과 상기 제2 단 사이에 위치한 제2 슬릿을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제2 슬릿은 상기 캔틸레버의 배면으로부터 상기 캔틸레버의 표면까지 상기 캔틸레버를 관통하고 있다. 상기 제2 슬릿은 상기 베이스의 두께 방향으로 상기 오목부와 중첩되도록 형성된다. 상기 제1 적외선 흡수층은 상기 제2 슬릿과 상기 제2 단 사이에 위치한다. 상기 서모파일은 열전대(thermoelectric couple), 상기 열전대의 일단(one end)에 위치한 온접점(hot juction), 및 상기 열전대의 타단(remaining one end)에 위치한 냉접점(cold junction)을 포함한다. 상기 온접점은 상기 제2 단과 상기 제2 슬릿 사이에 위치한다. 상기 냉접점은 상기 제1 단과 상기 제2 슬릿 사이에 위치한다.
이 경우에, 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다. 또, 구조의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 캔틸레버는 폭 방향의 일단과 상기 제2 슬릿 사이에 브리지부(bridge)를 가진다. 이 경우, 상기 열전대는 상기 브리지부 상에 배치되는 것이 바람직하다. 이로써, 상기 온접점은 상기 브리지부 상의 열전대를 통하여 상기 냉접점과 접속된다.
상기 온접점은 상기 제1 적외선 흡수층과 상기 제2 슬릿 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 적외선 어레이 센서는 제2 적외선 흡수층을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제2 적외선 흡수층은 상기 제2 슬릿과 상기 제2 단 사이에 배치된다. 상기 온접점은 상기 제2 적외선 흡수층과 상기 제1 적외선 흡수층 사이에 위치한다.
상기 제2 슬릿은 상기 캔틸레버의 길이 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 것이 바람직하다.
상기한 것 대신에, 상기 캔틸레버, 브리지부, 유지판(holding plate), 서브 유지판(sub holding plate)를 포함하는 것도 바람직하다. 이 경우, 상기 브리지부의 제1 단은 상기 림에 장착된다. 상기 브리지부는 상기 림으로부터 상기 내주의 중심을 향해 연장된다. 그 결과, 상기 브리지부는 상기 제1 단의 반대측에 있는 제2 단을 가진다. 상기 유지판은 상기 베이스의 두께 방향으로 상기 오목부와 중첩되도록, 상기 브리지부의 제2 단에 의해 유지된다. 상기 서브 유지판은 상기 유지판으로부터 상기 캔틸레버의 제1 단을 향해 연장된다. 상기 서브 유지판은 상기 브리지부로부터 이격되어 있고, 이로써, 상기 캔틸레버는 U자형의 제2 슬릿을 가진다. 상기 제2 적외선 흡수층은 상기 서브 유지판에 의해 유지되고, 이로써, 상기 제2 적외선 흡수층은 상기 제2 슬릿과 상기 제2 단 사이에 위치한다. 상기 열전대는 상기 브리지부를 통해 연장되도록, 상기 캔틸레버 상에 배치된다.
상기 캔틸레버의 폭은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단을 향해 서서히 작아지는 것이 바람직하다.
상기 오목부는 상기 베이스의 두께 방향에 수직인 개구(opening)를 가지는 것이 바람직하다. 상기 개구는 육각형이며, 이로써, 상기 림은 6개의 변을 가진다. 각 캔틸레버의 제1 단은 상기 각 변에 장착된다. 각 캔틸레버는 개구의 중심을 향해 연장된다. 각 캔틸레버는 상기 제1 슬릿에 의해 인접하는 캔틸레버로부터 이격되어 있다.
도 1은 제1 실시예의 적외선 어레이 센서의 화소의 평면 레이아웃을 나타낸다.
도 2는 상기의 적외선 어레이 센서에서의 화소의 평면 레이아웃을 나타낸다.
도 3은 상기의 적외선 어레이 센서의 평면 레이아웃을 나타낸다.
도 4 (a)는 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 평면 레이아웃을 나타내고, (b)는 (a)의 D-D 선을 따른 개략 측단면도이다.
도 5는 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 평면 레이아웃을 나타낸다.
도 6은 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 평면 레이아웃을 나타낸다.
도 7 (a)는 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 평면 레이아웃을 나타내고, (b)는 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 개략 단면도이다.
도 8 (a)는 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 평면 레이아웃을 나타내고, (b)는 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 개략 단면도이다.
도 9는 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 개략 단면도이다.
도 10은 상기의 적외선 어레이 센서의 화소의 주요부의 개략 단면도이다.
도 11은 상기의 적외선 어레이 센서의 등가 회로를 나타낸다.
도 12는 상기의 적외선 어레이 센서의 다른 화소의 평면 레이아웃을 나타낸다.
도 13은 상기의 적외선 어레이 센서를 포함하는 적외선 모듈의 개략 단면도이다.
도 14는 상기의 적외선 어레이 센서의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15는 상기의 적외선 어레이 센서의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 16은 상기의 적외선 어레이 센서의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 17은 상기의 적외선 어레이 센서의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 18은 제2 실시예의 적외선 어레이 센서의 화소의 개략 단면도이다.
도 19는 제3 실시예의 적외선 어레이 센서의 화소의 개략 단면도이다.
도 20은 제4 실시예의 적외선 어레이 센서의 화소의 개략 단면도이다.
도 21은 제5 실시예의 적외선 어레이 센서의 화소의 평면 레이아웃을 나타낸다.
도 22는 상기의 화소의 평면 레이아웃의 주요부의 확대도이다.
도 23은 종래기술의 적외선 어레이 센서의 주요부의 개략 사시도이다.
(제1 실시예)
이하, 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 실시예의 적외선 어레이 센서를 설명한다.
본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 복수의 화소(2)(도 3에 도시됨)와 베이스(1)를 포함한다. 각 화소(2)는 열형(thermo-type) 적외선 검출부(3) 및 화소 선택용 스위칭 소자로 규정된 MOS 트랜지스터(4)를 포함한다. 복수의 화소(2)는 베이스(1)의 표면에 어레이로 배열되어 있다. 구체적으로 설명하면, 복수의 화소(2)는 베이스(1)의 표면에 2차원 어레이로 배열되어 있다. 베이스(1)는 실리콘 기판(1a)으로 만들어진다. 본 실시예에서, 베이스(1)의 표면에는 m×n개의 화소(2)가 형성되어 있다(도 3 및 도 11의 예에서는 8×8개의 화소(2)가 사용된다). 그러나, 화소(2)의 수 및 배열은 한정되지 않는다. 또, 본 실시예에서, 열형 적외선 검출부(3)는 감온부)(30)를 포함한다. 감온부(30)는 서로 직렬로 접속된 복수의 감온센서(thermosensor)(30a)(도 1에 도시됨)로 이루어진다(본 실시예에서, 6개의 감온센서(30a)가 서로 직렬로 접속되어 있다). 각 감온센서(30a)는 서모파일로 이루어진다. 도 11에서, 열형 적외선 검출부(3)의 감온부(30)의 등가 회로는 감온부(30)의 열기전력에 대응하는 전압원(Vs)으로 표현되어 있다.
상기에 더해, 도 1, 도 4 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 복수의 수직 판독선(7), 복수의 수평 신호선(6), 복수의 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9), 및 복수의 기준 바이어스선(5)을 포함한다. 각각의 수직 판독선(7)은 각 열(column)의 열형 적외선 검출부(3)의 감온부(30)의 각 일단과 MOS 트랜지스터(4)를 통하여 공통 접속되어 있다. 각각의 수평 신호선(6)은 각 행(row)의 열형 적외선 검출부(3)의 감온부(30)에 대응하는 MOS 트랜지스터(4)의 게이트 전극(46)과 공통 접속되어 있다. 각각의 그라운드선(8)은 각 행의 MOS 트랜지스터(4)의 p+형 웰 영역(41)과 공통 접속되어 있다. 각각의 기준 바이어스선(5)은 각 열의 열형 적외선 검출부(3)의 감온부(30)의 타단과 공통 접속되어 있다. 이 구성은 열형 적외선 검출부(3)의 감온부(30)의 출력을 시계열적으로 판독하게 한다. 요컨대, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 복수의 화소(2)를 가진다. 베이스(1)의 표면에는, 각각이 열형 적외선 검출부(3) 및 MOS 트랜지스터(4)를 포함하는 복수의 화소(2)가 형성되어 있다. MOS 트랜지스터(4)는 열형 적외선 검출부(3)의 출력을 판독하기 위해 제공되므로, 열형 적외선 검출부(3)에 인접하여 배치되어 있다.
MOS 트랜지스터(4)는 게이트 전극(46), 소스 전극(48), 및 드레인 전극(47)을 포함한다. 게이트 전극(46)은 수평 신호선(6)에 접속되어 있다. 소스 전극(48)은 감온부(30)을 통하여 기준 바이어스선(5)에 접속된다. 각각의 기준 바이어스선(5)은 각각의 공통 기준 바이어스선(5a)에 공통 접속되어 있다. 드레인 전극(47)은 수직 판독선(7)에 접속되어 있다. 각각의 수평 신호선(6)은 각각의 화소 선택용 패드(Vsel)에 전기적으로 접속되어 있다. 각각의 수직 판독선(7)은 각각의 출력용 패드(Vout)에 전기적으로 접속되어 있다. 공통 그라운드선(9)은 그라운드용 패드(Gnd)에 전기적으로 접속되어 있다. 공통 기준 바이어스선(5a)은 기준 바이어스용 패드(Vref)에 전기적으로 접속되어 있다. 실리콘 기판(1a)은 기판용 패드(Vdd)에 전기적으로 접속되어 있다.
따라서, MOS 트랜지스터(4)는 화소 선택용 패드(Vsel)의 전압의 제어에 따라 순차적으로 온 상태가 되도록 온된다(turned on). 그 결과, 화소(2)의 출력 전압으로 규정된 출력 신호가 순차적으로 판독된다. 예를 들면, "기준 바이어스용 패드(Vref)를 1.65V로 설정"하고, "그라운드용 패드(Gnd)를 0V로 설정"하고, "기판용 패드(Vdd)를 5V로 설정"하고, "화소 선택용 패드(Vsel)를 5V로 설정"했을 때, MOS 트랜지스터(4)가 온된다. 그 결과, 출력용 패드(Vout)로부터 화소(2)의 출력 전압이 판독된다(출력 전압은 1.65V와 감온부(30)의 출력 전압의 합이다). 화소 선택용 패드(Vsel)를 0V로 설정한 경우, MOS 트랜지스터(4)가 오프된다(turened off). 그 결과, 출력용 패드(Vout)로부터 화소(2)의 출력 전압이 판독된다. 도 3에서는, "화소 선택용 패드(Vsel)", "기준 바이어스용 패드(Vref)", "그라운드용 패드(Gnd)", 및 "출력용 패드(Vout)"를 구별하지 않고, 모든 패드는 도면부호 "80"으로 나타내고 있다.
도 13은 적외선 어레이 센서 모듈을 나타내고 있다. 이 적외선 어레이 센서 모듈은 적외선 어레이 센서(A), 신호 처리용 IC 칩(B), 및 패키지(C)를 구비한다. 신호 처리용 IC 칩(B)은 적외선 어레이 센서(A)의 출력 신호로 정의된 출력 전압에 대해 신호 처리를 수행하도록 구성된다. 패키지(C)는 적외선 어레이 센서(A) 및 신호 처리용 IC 칩(B)을 수용하도록 구성된다. 이 경우, 신호 처리용 IC 칩(B)은 복수의 패드, 증폭 회로, 및 멀티플렉서를 구비한다. 신호 처리용 IC 칩(B)의 복수의 패드는 적외선 어레이 센서(A)의 패드(80)들에 배선(bonding wire)(81)을 통하여 각각 전기적으로 접속된다. 또, 신호 처리용 IC 칩(B)의 패드 중의 일부는 적외선 어레이 센서(A)의 출력용 패드(Vout)에 접속된다(이하, 상기 신호 처리용 IC 칩(B)의 패드 중의 일부는 입력용 패드라고 한다). 증폭 회로는 입력용 패드로부터 출력되는 출력 전압을 증폭하도록 구성된다. 멀티플렉서는 입력용 패드들의 출력 전압을 선택적으로 증폭 회로에 입력하도록 구성된다. 이 구성에 의해, 적외선에 기초하여 생성된 화상(image)을 얻을 수 있다.
패키지(C)는 패키지 본체(90) 및 패키지 캡(package cap)(100)을 포함한다. 패키지 본체(90)는 다층 세라믹 기판(세라믹 패키지)으로 만들어진다. 이 다층 세라믹 기판은 직사각형 상자형으로 되어 있고, 일면에 개구가 형성되어 있다. 패키지 본체(90)는 적외선 어레이 센서(A) 및 신호 처리용 IC 칩(B)을 실장하기 위한 내부 바닥면(inside bottom)이 형성되어 있다. 패키지 캡(100)은 적외선 어레이 센서(A)에 적외선을 수속하는 렌즈(110)를 구비한다. 패키지 캡(100)은 패키지 본체(90)의 일면을 덮는 형상으로 형성된 금속 리드(lid)로 이루어진다. 패키지 본체(90)는 패키지 캡(100)과 함께 건조 질소 분위기(dry nitrogen atmosphere)의 기밀 공간을 형성한다. 패키지 캡(100)의 주변부는 패키지 본체(90)의 상기 일면 상의 직사각형 프레임형의 금속 패턴(patterned metal)에 심 용접(seam welding)에 의해 고정된다. 패키지 본체(90)는 다층 세라믹 기판에 한정되지 않는다는 것에 유의하기 바란다. 패키지 본체(90)는 유리 에폭시 수지 기판을 적층하여 이루어진 다층 기판으로 이루어질 수도 있다.
패키지 본체(90)의 내면에는 차폐용 도체 패턴(patterned conductor)(92)이 형성되어 있다. 적외선 어레이 센서(A)와 신호 처리용 IC 칩(B)은 패키지 본체(90)의 차폐용 도체 패턴(92)에 도전성의 접합 재료(예를 들면, 땜납 및 Ag 페이스트)로 이루어진 접합층(95, 95)을 통하여 접속되어 있다. 적외선 어레이 센서(A)와 패키지 본체(90)를 접합하는 접합법은 땜납과 Ag 페이스트와 같은 접합 재료를 사용한 접합법으로 한정되지 않는다는 것에 유의하기 바란다. 신호 처리용 IC 칩(B)과 패키지 본체(90)를 접합하는 접합법은 땜납과 Ag 페이스트와 같은 접합 재료를 사용한 접합법으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 상온 접합법 및 Au-Sn 공융(eutectic) 또는 Au-Si 공융을 이용한 접합법을 채용할 수도 된다. 그러나, 도전성의 접합 재료를 사용한 접합법보다, 상온 접합법과 같은 직접 접합을 확립하는 접합법을 이용하는 편이 바람직하다. 직접 접합하는 상온 접합법과 같은, 직접 접합법을 사용함으로써 적외선 어레이 센서(5)와 렌즈(110)의 거리 정밀도를 용이하게 향상시킬 수 있다.
렌즈(11O)는 적외선 투과시키는 특성이 있는 재료의 일종인 Si와 같은, 재료로 만들어진다. 이 렌즈(11O)는 LIGA 프로세스를 이용하여 제조되거나 양극 산화법을 이용한 반도체 렌즈의 제조 방법(일본 공개특허공보 제3897055호 및 제3897056)호에 개시되어 있음)을 이용하여 제조될 수 있다. 렌즈(110)는 패키지 캡(100)의 개구부(aperture)(101)의 주변부에 도전성 접착제로 접착되고, 이로써 렌즈(110)는 개구부(101)를 덮는다(접착제로는 땜납과 Ag 페이스트를 예로 들 수 있다). 또, 렌즈(110)는 패키지 본체(90)의 차폐용 도체 패턴(92)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 구성에 의해, 전술한 적외선 어레이 센서 모듈에서는, 모듈 외부로부터의 전자기 노이즈(electromagnetic noise)에 기인한 S/N비의 저하를 방지할 수 있다. 렌즈(110)에는 필요에 따라 적외선용 광학 필터를 채용할 수 있다는 것에 유의하기 바란다(적외선용 광학 필터로는 대역통과 필터와 광대역 차단 필터(broad spectrum cutoff fiter)를 예로 들 수 있다). 적외선용 광학 필터는, 굴절률이 상이하고 교대로 적층되는 다수의 상이한 유형의 박막으로 이루어진다.
또, 전술한 적외선 어레이 센서 모듈에서, 적외선 어레이 센서(A)는 직사각형 형상으로 이루어진 베이스(1)를 포함한다. 적외선 어레이 센서(A)의 모든 패드(80)는 베이스(1)의 림의 한 변에 따라 배열되어 있다. 신호 처리용 IC 칩(B)은 직사각형 형태로 만들어진다. 또, 적외선 어레이 센서(A)의 각 패드(80)는 신호 처리용 IC 칩(B)의 외주 림의 한 변에 따라 배열된 패드들에 전기적으로 접속되어 있다. 적외선 어레이 센서(A)와 신호 처리용 IC 칩(B)은, 적외선 어레이 센서(A)의 베이스(1)의 한 변이 신호 처리용 IC 칩(B)의 변 중 다른 변에 비해, 신호 처리용 IC 칩(B)의 변 중 하나에 가까운 위치에 위치되도록 배열된다. 이 구성은 적외선 어레이 센서(A)의 각 패드(80)와 신호 처리용 IC 칩(B)의 각 패드를 접속하는 배선(81)을 짧게 할 수 있다. 이로써, 외래 노이즈의 영향을 감소시킬 수 있다. 따라서, 내노이즈성(noise resistance)을 향상시킬 수 있다.
이하, 열형 적외선 검출부(3) 및 MOS 트랜지스터(4)의 구조에 대하여 설명한다. 본 실시예는 단결정 실리콘 기판으로 이루어진 실리콘 기판(1a)을 채용하는 것에 유의하기 바란다. 이 단결정 실리콘 기판은 도전형이 n형이고 (10O)면을 가진다.
실리콘 기판(1a)의 표면의 각 화소(2)는 열형 적외선 검출부(3)를 형성하기 위한 형성용 영역(A1)을 구비하고, 이로써 열형 적외선 검출부(3)는 이 형성용 영역(A1)에 형성된다. 실리콘 기판(1a)의 상기 표면의 각 화소(2)는 MOS 트랜지스터(4)를 형성하기 위한 형성 영역(A2)를 구비하고, 이로써 MOS 트랜지스터(4)는 이 형성용 영역(A2)에 형성된다.
각 화소(2)는 적외선을 흡수하도록 구성된 적외선 흡수부(33)를 구비한다. 따라서, 베이스(1)는 적외선 흡수부(33)를 베이스(1)로부터 열 절연하기 위한 복수의 오목부(11)를 구비한다. 그 결과, 도 4 (b)에 나타낸 같이, 림(15)이 오목부(11)를 둘러싼다. 그리고, 오목부는 림에 의해 정의되는 내주를 가진다. 베이스(1)의 표면에는 박막 구조체(3a)를 구비한다. 이 박막 구조체(3a)는 평면도에서 볼 때 오목부(11)의 내부에 위치되고, 이로써 박막 구조체(3a)는 오목부(11)를 덮는다. 다시 말해, 박막 구조체(3a)는 림의 내측에 위치한다. 또, 각 화소(2)에서, 박막 구조체(3a)는 복수의 선형의 제1 슬릿(13)을 구비한다. 이 제1 슬릿(13)은 박막 구조체(3a)를 배면으로부터 표면까지 관통한다. 제1 슬릿(13)은 박막 구조체를 복수의 소박막 구조체(3aa)로 분할하고; 이 소박막 구조체(3aa)들은 오목부의 주위 방향(circumferential direction)을 따라 배열된다. 소박막 구조체(3aa)는 베이스(1)의 오목부(11)의 주변부로부터 내측 방향으로 연장된다(도 1에 따르면, 6개의 소박막 구조체(3aa)가 마련된다.) (복수의 선형의 제1 슬릿(13)은 박막 구조체를 복수의 소박막 구조체(3aa)로 분할한다. 이 소박막 구조체(3aa)는 오목부(11)의 주변부를 따라 배열된다. 소박막 구조체(3aa)는 그 일단이 베이스(1)에 의해 지지된다.) 소박막 구조체(3aa)는 길이 및 폭을 각각 가진다. 각각의 소박막 구조체(3aa)는 제1 단으로 정의되는 길이 방향의 일단 및 제2 단으로 정의되는 길이 방향의 타단을 가진다. 소박막 구조체(3aa)는 그 제1 단이 베이스(1)의 림(15)에 고정된다. 그 결과, 소박막 구조체(3aa)는 캔틸레버(3aa)로서 기능한다. 각각의 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)는 감온센서(30a)를 구비한다. 또, 각 감온센서(30a)는 소정의 접속 관계로 전기적으로 접속되어 있다. 구체적으로 설명하면, 모든 감온센서(30a)가 변화가 있는 출력을 생성하도록 설정되는 접속 관계를 확립하도록 모든 감온센서(30a)는 전기적으로 접속되어 있다. 상기 출력의 변화는 온도 변화에 의존한다. 모든 감온센서로부터의 출력 변화는 각 감온센서로부터의 출력 변화보다 크다. 구체적으로 설명하면, 모든 감온센서(30a)가 서로 협동하여 각 감온센서(30a)의 출력의 합을 출력하도록 모든 감온센서(30a)는 전기적으로 접속되어 있다. 그 결과, 감온센서(30a)의 온도에 변화가 생겼을 때, 각 감온센서(30a)로부터 출력되는 제1 출력 신호는 변화한다. 모든 감온센서(30a)는 출력 변화가 커지는 소정의 접속 관계를 가지도록 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 각 감온센서(30a)에 온도 변화가 생겼을 때, 감온센서(30a)들은 서로 협동하여 제2 출력 신호를 생성한다. 이 제2 출력 신호는 제1 출력 신호보다 크다. 적외선 흡수부(33)는 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa) 각각에 대응하는 복수의 부분으로 분할된다. 이 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa) 각각에 대응하는 이 부분을 적외선 흡수부(33a)라고 한다.
박막 구조체(3a)의 모든 감온센서(30a)를 직렬 접속할 필요는 없다는 것에 유의하기 바란다.(전술한 경우에, 6개의 감온센서(30a)를 직렬 접속할 필요는 없다.) 예를 들면, 직렬 접속된 3개의 감온센서(30a)를 각각 포함하는 직렬 회로를 채용하고, 이 직렬 회로를 병렬 접속할 수도 있다. 이 구성에 의해, 6개의 모든 감온센서(30a)가 병렬 접속되어 있는 경우나 각 감온센서(30a)로부터 출력을 인출하는 경우에 비해, 감도를 향상시킬 수 있다. 이 구성에 의해, 6개의 모든 감온센서(30a)가 직렬 접속되어 있는 경우에 비해, 감온부(30)의 전기 저항을 낮출 수 있다. 따라서, 열잡음을 저감시킬 수 있다. 이로써 S/N비가 향상된다.
화소(2)에서는, 각각의 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)는 두 개의 브리지부(3bb, 3bb)를 구비한다. 그 결과, 베이스(1)와 적외선 흡수부(33a)는 브리지부(3bb)에 의해 연결된다. 브리지부(3bb)들은 오목부(11)의 주위 방향으로 배치되고, 서로 이격되어 있다. 브리지부(3bb)는 직사각형 형태로 만들어진다. 또, 각각의 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)는 오목부(11)와 연통되는 제2 슬릿(14)을 구비한다. 이 제2 슬릿은 소박막 구조체(3aa)의 배면으로부터 표면으로 관통한다. 또, 제2 슬릿(14)은 오목부(11)와 연통되어 있다. 따라서, 제2 슬릿(14)은 베이스의 두께 방향으로 오목부(11)와 중첩되어 있다. 따라서, 소박막 구조체(캔틸레버(3aa))는 브리지부(3bb), 유지판, 및 서브 유지판을 포함한다. 상기 브리지부는그 제1 단이 상기 림에 고정되어 있다. 브리지부는 상기 림으로부터 내측을 향해 연장된다. 그 결과, 브리지부는 제1 단과 반대측에 위치하는 제2 단을 가진다. 유지판은 베이스의 두께 방향으로 오목부와 중첩되도록, 브리지부의 제2 단에 의해 유지되어 있다. 서브 유지판은 유지판으로부터 캔틸레버의 제1 단을 향해 연장된다. 또, 서브 유지판은 브리지로부터 이격되어 있다. 그 결과, 캔틸레버 U자형의 제2 슬릿을 가진다. 상기에 더해, 평면도에서 베이스(1)를 보았을 때, 베이스(1)는 박막 구조체(3a)를 둘러싸고 직사각형 프레임형 형상의 부분을 가진다. 다시 말해, 베이스(1)는, 박막 구조체(3a)를 둘러싸고 베이스(1)의 두께 방향에 수직인 면을 따라 직사각형 형상의 부분을 가진다. 또, 브리지부(3bb)는 적외선 흡수부(33)에 대한 접속부 및 베이스(1)에 대한 접속부를 가지고, 접속부들 이외의 부분을 가진다. 브리지부(3bb)의 접속부들 이외의 부분은 "제1 슬릿(13) 및 제2 슬릿(14)"에 의해 "적외선 흡수부(33a) 및 베이스(1)"로부터 이격되어 있다. 즉, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)는 베이스(1)로부터의 연장 방향에 있어 길이가 93 마이크로미터이고 베이스(1)로부터의 연장 방향에 수직인 방향에 있어 폭이 75 마이크로미터이다. 각 브리지부(3bb)의 폭은 23 마이크로미터이다. 제1 슬릿(13)과 제2 슬릿(14) 각각의 폭은 5 마이크로미터이다. 그러나, 상기한 값은 일례일 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 박막 구조체(3a)는 다층부(multilayerd member)를 포함한다. 이 다층부는 실리콘 산화막(silicon dioxide film)(1b), 실리콘 질화막(silicon nitide film)(32), 감온부(30), 절연막(50), 및 패시베이션막(60)을 포함한다. 이 다층부는 패터닝된다. 실리콘 산화막(1b)은 실리콘 기판(1a)의 표면에 형성되어 있다. 실리콘 질화막(32)은 실리콘 산화막(1b) 상에 형성되어 있다. 감온부(30)는 실리콘 질화막(32) 상에 형성되어 있다. 절연막(50)은 실리콘 질화막(32)의 표면을 덮도록 형성된 BPSG막으로 이루어진다. 패시베이션막(60)은 NSG막과 적층막으로 이루어지고; PSG막은 절연막(50) 상에 형성되고; NSG막은 PSG막 상에 형성된다.
본 실시예에서는, 실리콘 질화막(32)은 박막 구조체(3a)의 브리지부(3bb, 3bb) 이외의 특정 부분을 가지고, 이 특정 부분이 적외선 흡수부(33)로서 정의된다. 그리고, 실리콘 기판(1a)은 실리콘 질화막(32), 절연막(50), 및 패시베이션막(60)과 함께 베이스를 구성한다. 또, 본 실시예에서는, 절연막(50)과 패시베이션막(60)의 적층막이 "열형 적외선 검출부(3)을 형성하기 위한 형성용 영역(A1)"으로부터 "MOS 트랜지스터(4)를 형성하기 위한 형성용 영역(A2)"까지 연장된다. 또, 열형 적외선 검출부(3)는 형성용 영역(A1) 상에 위치한 부분을 가진다. 형성용 영역(A1) 상에 위치한 열형 적외선 검출부(3)의 부분은 또한 적외선 흡수막(70)(도 4 (b)에 도시됨) 역할도 한다. 상기에 더해, "적외선 흡수막(70)의 굴절률이 n2"이고, "검출 대상의 적외선의 중심 파장이 λ"일 때, 적외선 흡수막(70)의 두께 t2는 "λ/4n2"을 충족시킨다. 이 구성에 의해 검출 대상의 파장(예를 들면, 8 내지 12 마이크로미터)의 적외선의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 고감도를 달성할 수 있다. 예를 들면, "n2가 1.4"이고, "λ가 10 마이크로미터"일 때, t2는 약 1.8 마이크로미터로 설정된다. 본 실시예는 두께 0.8 마이크로피터의 절연막(50)과 두께 1 마이크로미터의 패시베이션막(60)을 포함한다는 것에 유의하기 바란다.(PSG막의 두께는 0.5 마이크로미터이고 NSG막의 두께는 0.5 마이크로미터이다.) 또, 적외선 흡수막(70)은 전술한 구성으로 한정되지 않으며, 적외선 흡수막(70)은 실리콘 질화막으로 이루어질 수도 있다.
또, 화소(2)는 각각 서모파일로 이루어지는 감온센서(30a)들을 포함한다. 그리고, 감온센서(30a)는 직렬 접속을 확립하는 접속 관계를 가지도록 배치된다. 또, 각 화소(2)는 직사각형 형상의 내주를 가지는 오목부(11)를 가진다.
서모파일로 이루어지는 감온센서(30a)는 복수의 열전대를 포함한다. 이 열전대(도 1에 나타낸 예에서는, 9개)는 n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 및 n형 폴리실리콘층(34)의 일단과 p형 폴리실리콘층(35)의 일단을 적외선 입사면에서 전기적으로 접속하는 접속부(36)를 포함하고; 이 접속부(36)는 금속 재료(예를 들면, Al-Si)로 이루어진다. n형 폴리실리콘층(34) 및 p형 폴리실리콘층(35)은 실리콘 질화막(32) 상에 형성되고, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)로부터 베이스(1)까지 연장된다. 즉, 열전대는 브리지부를 지나 연장되도록, 캔틸레버 상에 배치된다. 상기 구성에 더해, 서모파일로 구성되는 감온센서(30a)는 "적외선 흡수부(33a) 측에 위치한 온접점(300)" 및 "베이스(1) 측에 위치한 냉접점(310)"을 포함하고; 온접점(300)은 "n형 폴리실리콘층(34)의 일단, p형 폴리실리콘층(35)의 일단, 및 접속부(36)"에 의해 정의되고; 냉접점(310)은 "n형 폴리실리콘층(34)의 타단, p형 폴리실리콘층(35)의 타단, 및 접속부(37)"에 의해 정의된다. 서모파일은 소정의 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 즉, 온접점과 냉접점 사이에 온도차가 발생한 때, 서모파일은 온도 변화에 따른 출력 신호를 생성한다.
또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 4면 피라미드 형상의 오목부(11)를 가진다. 또한, 평면도에서, 오목부(11)의 중앙의 깊이는 오목부(11) 주변부의 깊이보다 깊다. 다시 말해, 오목부(11)는 베이스(1)의 두께 방향으로 수직인 개구를 가진다. 이 개구는 개구 사이즈를 가진다. 이 개구 사이즈는 베이스(1) 표면으로부터 베이스(1)의 배면을 향해 서서히 작아진다. 화소(2) 감온센서(30a)는 박막 구조체(3a)의 중앙부에 온접점이 위치되는 평면 레이아웃을 가진다. 즉, 도 1의 상하 방향으로 중앙부의 소박막 구조체(3aa)에는, 도 1 및 도 5로부터 알 수 있듯이, 3개의 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 배열 방향으로 접속부(36)가 배치되어 있다. 한편, 상기 상하 방향의 위쪽의 2개의 소박막 구조체(3aa)에는, 도 1 및 도 6으로부터 알 수 있듯이, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 배열 방향에 있어 중앙부에서 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)에 가까운 부분에 접속부(36)가 집중하여 배치되어 있다. 상하 방향의 아래쪽의 2개의 소박막 구조체(3aa)에는, 도 1로부터 알 수 있듯이, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 배열 방향에 있어 중앙부에서 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)에 더 가까운 부분에 접속부(36)가 집중하여 배치되어 있다. 따라서, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)에서, "도 1의 상하 방향에 있어 위쪽에 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 접속부(36)를 배치하는 것"은, "도 1의 상하 방향에 있어 위쪽에 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 접속부(36)를 배치하는 것이 도 1의 상하 방향에 있어 중앙부에 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 접속부(36)를 배치하는 것과 동등한" 경우에 비해, 온접점의 온도 변화를 크게 할 수 있다. 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)에서, "도 1의 상하 방향에 있어 아래쪽에 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 접속부(36)를 배치하는 것"은, "도 1의 상하 방향에 있어 아래쪽에 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 접속부(36)를 배치하는 것이 도 1의 상하 방향에 있어 중앙부에 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 접속부(36)를 배치하는 것과 동등한" 경우에 비해, 온접점의 온도 변화를 크게 할 수 있다. 그러므로, 이 구성은 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)는 실리콘 질화막(32)의 적외선 입사면에 있어 감온센서(30a)를 형성하고 있지 않은 특정 영역을 가진다. 이 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 특정 영역에는 적외선 흡수층(39)을 구비한다. (도 1, 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이, 적외선 흡수층(39)은 제1 적외선 흡수층(39a), 제2 적외선 흡수층(39b), 제3 적외선 흡수층(39c)을 포함한다.) 이 적외선 흡수층(39)(39a, 39b, 39c)은 n형 폴리실리콘층으로 이루어진다. n형 폴리실리콘층은 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 뒤틀림(warpage)을 방지하고 적외선을 흡수한다. 구체적으로 설명하면, 제1 적외선 흡수층(39a)은 소박막 구조체(3aa)의 길이 방향의 제2 단에 배치되어 있고, 이로써 제1 적외선 흡수층(39a)은 제1 단의 반대쪽에 위치한다. (그러나, 제1 적외선 흡수층(39a)만이 제2 슬릿(14)과 제2 단 사이에 위치할 필요가 있다.) 그러므로, 온접점(300)은 제2 단과 제2 슬릿 사이에 위치한다. 또한, 온접점(300)은 제1 적외선 흡수층(39a)과 제2 슬릿(14) 사이에 위치한다. 또, 제2 적외선 흡수층(39b)은 제2 슬릿(14)과 제2 단 사이에 배치되어 있고, 이로써 제2 적외선 흡수층(39b)은 제1 적외선 흡수층(39a)으로부터 이격되어 있다. 그러므로, 제2 적외선 흡수층(39b)은 온접점(300)과 제2 슬릿(14) 사이에 위치한다. 다시 말해, 제2 적외선 흡수층(39b)은 서브 유지판에 의해 유지되고, 이로써, 상기 제2 적외선 흡수층(39b)은 제2 슬릿(14)과 제2 단 사이에 위치한다. 또, 온접점(300)은 제2 적외선 흡수층(39b)과 제1 적외선 흡수층(39a) 사이에 위치한다. 또, 제3 적외선 흡수층(39c)은 6개의 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa) 중에서, 중앙부에 있는 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)에 형성되어 있다. 제3 적외선 흡수층(39c)은 제1 적외선 흡수층(39a)과 제2 적외선 흡수층(39b) 사이에 위치한다. 또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)에서, 소박막 구조체의 연장 방향에 있어 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 선단(tip)에는 모따기부가 형성되어 있다(chamfered). 또, 소박막 구조체의 연장 방향에 있어 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 선단의 양측에도 모따기부가 형성되어 있다. 그러므로, 도 12에 나타낸 바와 같이, 모따기부가 형성되어 있지 않은 경우에 비해, 제조 시에 발생하는 파손을 감소시킬 수 있다. 또, 오목부(11)를 용이하게 형성할 수 있고, 이로써 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 설명에서는, 모따기(chamfering)를 한다. 그러나, 모따기는 상기한 것으로 한정되지 않는다. 그러므로, 둥근 모따기(round chamfering)를 할 수도 있다.
또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 고장 진단용 배선(139)을 포함한다. 이 고장 진단용 배선(139)은 각 화소(2)에 설치된다. 고장 진단용 배선(139)은 베이스(1)로부터 한쪽의 브리지부(3bb), 적외선 흡수부(33a), 및 다른 쪽의 브리지부(3bb)를 통해 베이스(1)까지 연장된다. 또, 고장 진단용 배선(139)들은 직렬 접속되어 있다. 따라서, m×n 개의 고장 진단용 배선(139)의 직렬 회로를 통전(energization)함으로써, 브리지부(3bb)의 파손(예를 들면, 꺾임) 유무를 검출할 수 있다.
적외선 흡수층(39a, 39b, 39c)과 고장 진단용 배선(139)과 n형 폴리실리콘층(34)은 같은 n형 불순물(예를 들면, 인)을 동일한 농도(예를 들면, 1018 내지 1020cm-3)로 포함한다. 그러므로, 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 고장 진단용 배선(139), 및 n형 폴리실리콘층(34)은 동시에 형성된다. 또, p형 폴리실리콘층(35)은 붕소와 같은 p형 불순물을 포함할 수 있다. 이 경우에, 불순물 농도는 예를 들면 1018 cm-3 내지 1020cm-3 범위에서 임의로 설정될 수 있다. 본 실시예에서는, n형 폴리실리콘층(34)과 p형 폴리실리콘층(35) 각각의 불순물 농도는 1018 cm-3 내지 1020cm-3 이다. 이로써, 열전대의 저항값을 줄일 수 있다. 그러므로, S/N비를 향상시킬 수 있다. 또, 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 고장 진단용 배선(139), 및 n형 폴리실리콘층(34)은 동일한 n형 불순물을 동일한 불순물 농도로 도핑하여 만들어진다. 그러나 구성은 이에 한정되지 않으며, p형 폴리실리콘층(35)의 불순물과 동일한 불순물을 도핑하는 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c)과 고장 진단용 배선(139)을 채용할 수도 있다.
그런데, "n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)의 굴절률을 n1" 설정하고, "검출 대상의 적외선의 중심 파장을 λ"로 하면, n형 폴리실리콘층(34), 각각의 p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)은 λ/4n1과 동일한 두께(t1)를 가지도록 설정된다. 그러므로, 검출 대상의 파장(예를 들면, 8 마이크로미터 내지 12 마이크로미터)을 가지는 적외선의 흡수 효율이 향상된다. 그러므로, 감도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, "n1은 3.6"이고 "λ가 10 마이크로미터"인 경우, "t1은 대략 0.69 마이크로미터와 같다".
또, 본 실시예에서는, n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)은 불순물 농도 1018 cm-3 내지 1020cm-3 의 불순물을 가진다. 그러므로, 적외선의 흡수율을 향상시킬 수 있고, 적외선의 반사를 방지할 수 있다. 그 결과, 감온부(30)의 출력의 S/N비를 높일 수 있다. 또, 이 구성에 의해 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 고장 진단용 배선(139), 및 n형 폴리실리콘층(34)을 동일 공정으로 형성할 수 있으므로, 저비용으로 제조가 가능하다.
상기에 더해, 감온부(30)의 접속부(36)와 감온부(30)의 접속부(37)는 베이스(1)의 표면에서 절연막(50)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. (이것은 도 7 및 도 8에 나타나 있다). 즉, "온접점과 같은 측의 접속부(36)"는, 절연막(50)의 접촉 구멍(50al)을 통해 폴리실리콘층(34)의 일단에 전기적으로 접속되어 있고, 또 절연막(50)의 접촉 구멍(50a1)을 통해 폴리실리콘층(35)의 일단에도 전기적으로 접속되어 있다. "냉접점과 같은 측의 접속부(37)"는, 절연막(50)의 접촉 구멍(50a3)을 통해 폴리실리콘층(34)의 타단에 전기적으로 접속되어 있고, 또 절연막(50)의 접촉 구멍(50a4)을 통해 폴리실리콘층(35)의 타단에도 전기적으로 접속되어 있다.
또, MOS 트랜지스터(4)는 실리콘 기판(1a)의 표면 상의 화소(2) 각각에서의 MOS 트랜지스터(4)의 형성용 영역(A2)에 형성되어 있다. MOS 트랜지스터(4)는, 도 4 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1a)의 표면에 p+형 웰 영역(41)이 형성되어 있다. p+형 웰 영역(41)은 n+형 드레인 영역(43)과 n+형 드레인 영역(43)으로부터 이격된 n+형 소스 영역(44)을 구비한다. 또, p+형 웰 영역(41)은 n+형 드레인 영역(43)과 n+형 소스 영역(44)을 에워싸는 p++형 채널 스토퍼 영역(42)을 구비한다. 또, p+형 웰 영역(41)은 n+형 드레인 영역(43)과 n+형 소스 영역(44) 사이에 위치하는 특정 부분을 가지고, 그 특정 부분에 게이트 절연막(45)을 통하여 게이트 전극(46)을 구비한다. 게이트 전극(46)은 n형 폴리실리콘층으로 이루어진다. 또, n+형 드레인 영역(43) 상에는 드레인 전극(47)이 형성되어 있다. (드레인 전극(47)은 Al-Si와 같은 금속 재료로 이루어진다.) 또, n+형 소스 영역(44) 상에는 소스 전극(48)이 형성되어 있다. (소스 전극(48은 Al-Si와 같은 금속 재료로 이루어진다.) 게이트 전극(46), 드레인 전극(47), 및 소스 전극(48)은 절연막(50)에 의해 서로 전기적으로 절연되어 있다. 즉, 드레인 전극(47)은 절연막(50)의 접촉 구멍(50d)을 통해 n+형 드레인 영역(43)과 전기적으로 접속된다. 소스 전극(48)은 절연막(50)의 접촉 구멍(50e)을 통해 n+형 소스 영역(44)과 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)의 각 화소(2)에 있어, MOS 트랜지스터(4)의 소스 전극(48)은 감온부(30)의 일단에 전기적으로 접속되어 있다. 감온부(30)의 타단은 기준 바이어스선(5)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)의 각 화소(2)에 있어, MOS 트랜지스터(4)의 드레인 전극(47)은 수직 판독선(7)에 전기적으로 접속되어 있다. 게이트 전극(46)은, 게이트 전극(46)과 일체로 형성된 n형 폴리실리콘 배선으로 이루어지는 수평 신호선(6)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 각각의 화소(2)는 MOS 트랜지스터(4)의 p++형 채널 스토퍼 영역(42)에 그라운드용 전극(49)을 구비한다. (그라운드용 전극(49)은 Al-Si과 같은 금속 재료로 이루어진다). 그라운드용 전극(49)은 공통 그라운드선(8)에 전기적으로 접속되어 있다. 이로써, p++형 채널 스토퍼 영역(42)은 n+형 드레인 영역(43) 및 n+형 소스 영역(44)의 전위보다 낮은 전위를 가지도록 전기적으로 바이어스된다. 그러므로, 소자들은 분리되어 있다. 그라운드용 전극(49)은 절연막(50)의 접촉 구멍(50f)을 통해 p++형 채널 스토퍼 영역(42)에 전기적으로 접속되어 있다.
이하, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)의 제조 방법에 대하여 도 14 내지 도 17을 참조하여 설명한다.
먼저, 절연층을 형성하는 절연층 형성 단계를 수행한다: 실리콘 기판(1a)의 표면에 제1 소정 두께(예를 들면, 0.3 마이크로미터)의 제1 실리콘 산화막(31)과 제2 소정 두께(예를 들면, 0.1 마이크로미터)의 실리콘 질화막(32)을 형성함으로써, 실리콘 기판(1a)의 표면에 적층막으로 이루어지는 절연층을 형성한다. 그후, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 절연층을 패터닝하는 단계를 수행한다. 이 절연층 패터닝 단계에 따라, MOS 트랜지스터(4)의 형성용 영역(A2)에 대응하는 부분을 절연층으로부터 에칭함으로써, 열형 적외선 검출부(3)의 형성용 영역(A1)의 일부를 남긴다. 그 결과, 도 14 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. 실리콘 산화막(31)은 실리콘 기판(1a)을 소정 온도(예를 들면, 1100 ℃)로 열산화하여 형성한다. 실리콘 질화막(32)은 LPCVD법을 이용하여 형성한다.
전술한 절연층 패터닝 단계에 이어서, 실리콘 기판(1a)의 표면에 p+형 웰 영역(41)을 형성하는 웰 영역 형성 단계를 수행한다. 이어서, 채널 스토퍼 영역 형성 단계를 수행하여, 실리콘 기판(1)의 표면의 p+형 웰 영역(41) 내에 p++형 채널 스토퍼 영역(42)을 형성한다. 그 결과, 도 14 (b)에 나타낸 구조를 얻는다. 웰 영역 형성 단계는 다음의 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계를 포함한다. 제1 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 표면의 노출 부분을 소정 온도로 열산화함으로써 제2 실리콘 산화막(열산화막)(51)을 선택적으로 형성하는 단계를 수행한다. 제1 단계 후, p+형 웰 영역(41)을 형성하기 위한 마스크를 이용한 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 실리콘 산화막(51)을 패터닝하는 제2 단계를 수행한다. 제2 단계에 이어서, p형 불순물(예를 들면, 붕소)의 이온을 주입하는 제3 단계를 수행하고, 그 후 드라이브단계(dirve-step)를 수행한다. 이렇게 하여, p+형 웰 영역(41)을 형성한다. 또, 채널 스토퍼 영역 형성 단계는 다음의 제1 단계, 제2 단계, 및 제3 단계를 포함한다. 제1 단계에서는, 실리콘 기판(1a)의 표면을 소정 온도로 열산화하여 제3 실리콘 산화막(열산화막)(52)을 선택적으로 형성하는 단계를 수행한다. 제1 단계에 이어서, p++형 채널 스토퍼 영역(42)을 형성하기 위한 마스크를 이용한 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 제3 실리콘 산화막(52)을 패터닝하는 제2 단계를 수행한다. 제2 단계에 이어서, p형 불순물(예를 들면, 붕소)의 이온을 주입하는 제3 단계를 수행한 후, 드라이브인(drive in)을 수행한다. 이렇게 하여, p++형 채널 스토퍼 영역(42)을 형성한다. 제1 실리콘 산화막(31), 제2 실리콘 산화막(51), 및 제3 실리콘 산화막(52)은 상기 표면 상의 실리콘 산화막(1b)으로서 정의된다.
채널 스토퍼 영역 형성 단계에 이어서, 소스 및 드레인 형성 단계를 수행한다. 소스 및 드레인 형성 단계에서는, 후술하는 제1 단계 및 제2 단계를 수행한다. 즉, 제1 단계에서는, p+형 웰 영역(41)의 형성 영역에 n형 불순물(예를 들면, 인 등)의 이온을 주입하는 단계를 수행하며; 상기 형성 영역은 n+형 드레인 영역(43) 및 n+형 소스 영역(44)이 형성될 영역으로서 정의된다. 이어서, 제2 단계에서는, 드라이브 단계를 수행한다. 이로써, n+형 드레인 영역(43) 및 n+형 소스 영역(44)을 형성하는 소스 및 드레인 형성 단계가 수행된다. 소스 및 드레인 형성 단계에 이어서, 실리콘 기판(1a)의 표면을 열산화하여 실리콘 기판(1a)의 표면에 소정 두께(예를 들면, 600 옹스트롱)의 실리콘 산화막(열산화막)으로 이루어지는 게이트 절연막(45)을 형성하는 게이트 절연막 형성 단계를 수행한다. 그후, 실리콘 기판(1a)의 표면 전체에 소정 두께(예를 들면, 0.69 마이크로미터)의 비도핑(non-doped) 폴리실리콘층을 LPCVD법에 의해 형성하는 폴리실리콘층 형성 단계를 수행하며; 상기 비도핑 폴리실리콘층은 게이트 전극(46), 수평 신호선(6)(도 1에 도시됨), n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)으로 형성될 부분(member)이다. 이어서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 상기 비도핑 폴리실리콘층에 패턴을 형성하는 폴리실리콘층 패터닝 단계를 수행하고, 이로써 게이트 전극(46), 수평 신호선(6), n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)에 대응하는 부분이 남도록 비도핑 폴리시리리콘층이 처리된다. 그 후, 비도핑 폴리실리콘층 중 "p형 폴리실리콘층(35)에 대응하는 부분"에 p형 불순물(예를 들면, 붕소)의 이온을 주입하고, 드라이브를 행하여 p형 폴리실리콘층(35)을 형성하는 p형 폴리실리콘층 형성 단계를 수행한다. 그 후, n형 폴리실리콘층(34), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 고장 진단용 배선(139), 게이트 전극(46) 및 수평 신호선(6)에 대응하는 "비도핑 폴리실리콘층의 부분"에 n형 불순물(예를 들면, 인)의 이온을 주입하고, 드라이브를 행하여 n형 폴리실리콘층(34), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 고장 진단용 배선(139), 게이트 전극(46), 및 수평 신호선(6)을 형성하는 n형 폴리실리콘층 형성 단계를 수행한다. 이로써, 도 15 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. p형 폴리실리콘층 형성 단계와 n형 폴리실리콘층 형성 단계는 역순으로 수행될 수 있다는 것에 유의하기 바란다.
p형 폴리실리콘층 형성 단계 및 n형 폴리실리콘층 형성 단계에 이어서, 실리콘 기판(1a)의 표면에 절연막(50)을 형성하는 절연막 형성 단계를 수행한다. 그 후, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 절연막(50)에 접촉 구멍(50a1, 50a2, 50a3, 50a4, 50d, 50e, 50f)(도 7, 도 8 및 도 10에 도시됨)을 형성하는 접촉 구멍 형성 단계를 수행한다. 이로서, 도 15 (b)에 나타낸 구조를 얻는다. 절연막 형성 단계에서는. 실리콘 기판(1a)의 표면에 소정 두께(예를 들면, 0.8 마이크로미터)의 BPSG막을 CVD법에 의해 형성하고, 소정 온도(예를 들면, 800 ℃)에서 평탄화하여 절연막(50)을 얻는다.
접촉 구멍 형성 단계에 이어서, 실리콘 기판(1a)의 표면 전체에 소정 두께(예를 들면, 2 마이크로미터)의 금속막(예를 들면, Al-Si막)을 형성하는 금속막 형성 단계를 수행하며; 상기한 금속막은 접속부(36, 37), 드레인 전극(47), 소스 전극(48), 기준 바이어스선(5), 수직 판독선(7), 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9) 및 패드(Vout, Vsel, Vref, Vdd, Gnd)로 형성될 부분이다. 이어서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 금속막을 패터닝함으로써, 접속부(36, 37), 드레인 전극(47), 소스 전극(48), 기준 바이어스선(5), 수직 판독선(7), 그라운드선(8), 공통 그라운드선(9) 및 패드(Vout, Vsel, Vref, Vdd, Gnd)를 형성하는 금속막 패터닝 단계를 수행한다. 이로써, 도 1 6(a)에 나타낸 구조를 얻는다. 그리고, 금속막 패터닝 단계에서의 에칭은 RIE에 의해 수행된다.
금속막 패터닝 단계에 이어서, 실리콘 기판(1a)의 표면(즉, 절연막(50)의 표면)에 패시베이션막(60)을 CVD법에 의해 형성하는 패시베이션막 형성 단계를 수행하며; 패시베이션막(6)은 소정 두께(예를 들면, O.5 마이크로미터)의 PSG막과 소정 두께(예를 들면, O.5 마이크로미터)의 NSG막을 포함하는 적층막으로 이루어진다. 이로써, 도 16 (b)에 나타낸 구조를 얻는다. 패시베이션막(60)은 PSG막과 NSG막을 포함하는 적층막으로 한정되지 않는다 것에 유의하기 바란다. 패시베이션막(60)은 실리콘 질화막으로 이루어질 수도 있다.
패시베이션막 형성 단계에 이어서, "실리콘 산화막(31)과 실리콘 질화막(32)의 적층막으로 이루어지는 열절연층", "열절연층 상에 형성된 감온부(30)", "열절연층의 표면 상의 감온부(30)를 덮는 절연막(50)", 및 "절연막(50) 상의 패시베이션막(60)"을 포함하는 다층부를 패터닝함으로써, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)를 형성하는 다층부 패터닝 단계를 수행한다. 이로써, 도 17 (a)에 나타낸 구조를 얻는다. 또, 다층부 패터닝 단계에서 제1 슬릿(13)과 제2 슬릿(14) 각각이 형성된다.
다층부 패터닝 단계에 이어서, 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술로 패드용 개구(도시되지 않음)를 형성하는 패드용 개구부 형성 단계를 수행하며; 이 패드용 개구부는 각 패드(Vout, Vsel, Vref, Vdd, Gnd)를 노출하기 위해 제공된다. 상기에 이어서, 오목부 형성 단계를 수행하며; 이 오목부 형성 단계는 "에칭액 도입공(etchant putting hole)로서 정의되는 제1 슬릿(13) 및 제2 슬릿(14)에 에칭액을 도입"하여 실리콘 기판(1a)에 오목부(11)를 형성하는 단계이다. 이로써, 도 17 (b)에 나타낸 구조의 화소(2)가 2차원 어레이로 배열된 적외선 어레이 센서(A)를 얻는다. 상기 단계에서, 패드용 개구부를 형성하는 개구부 형성 단계에서의 에칭은 RIE에 의해 수행된다. 또, 오목부 형성 단계는 소정 온도(예를 들면, 85℃)의 TMAH 용액으로 이루어진 에칭액 사용하여 수행된다. 그러나, 에칭액은 TMAH 용액에 한정되지 않는다. 에칭액으로는 다른 알칼리 용액(예를 들면, K0H 용액)을 사용할 수도 있다. 그리고, (오목부 형성 단계의) 모든 단계는 웨이퍼 레벨로 수행된다. 그러므로, 오목부 형성 단계 후에만 적외선 어레이 센서(A)를 서로 분리하는 분리 단계를 수행할 필요가 있다. 또, 전술한 설명으로부터 알 수 있듯이, 주지의 MOS 트랜지스터(4) 제조 방법을 채용한다. 즉, "열산화에 의한 열산화막의 형성", "포토리소그래피 기술 및 에칭 기술에 의한 열산화막의 패터닝", "불순물의 이온 주입", 및 "드라이브인(다시 말해, 불순물의 확산)"의 기본 단계를 반복한다. 이로써, p+형 웰 영역(41), p++형 채널 스토퍼 영역(42), n+형 드레인 영역(43), 및 n+형 소스 영역(44)이 형성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예는 베이스와 복수의 화소를 포함하는 적외선 어레이 센서(A)를 개시한다. 베이스는 표면을 가진다. 상기 베이스의 표면에는 복수의 오목부와, 이 오목부를 에워싸는 복수의 림이 형성된다. 오목부는 림에 의해 정의되는 내주를 가진다. 화소는 오목부를 덮도록, 베이스의 표면에 배치되어 있다. 화소는 박막 구조체, 복수의 제1 적외선 흡수부, 및 복수의 감온센서를 포함한다. 박막 구조체는 슬릿을 구비한다. 슬릿은 박막 구조체의 배면으로부터 박막 구조체의 표면까지 관통한다. 이로써, 슬릿은 박막 구조체를 복수의 캔틸레버로 분할한다. 캔틸레버는 림에 따라 배열되어 있다. 캔틸레버는 길이 및 폭을 가진다. 캔틸레버는 제1 단으로서 정의되는 길이 방향의 일단, 및 제2 단으로서 정의되는 길이 방향의 타단을 가진다. 제1 단은 림에 고정되어 있다. 제1 적외선 흡수부는 내주의 내측에 위치하도록, 각 캔틸레버에 의해 유지되어 있다. 감온센서는 캔틸레버 상에 배치되어 있다. 감온센서는, 감온센서의 온도가 변화되었을 때, 온도 변화에 따른 출력 신호를 발생하도록 구성되어 있다. 그러므로, 캔틸레버 상의 제1 적외선 흡수부의 열은 확실하게 감온센서에 전달된다. 제1 적외선 흡수부가 적외선을 흡수하여 발생하는 열이 변화되었을 때, 감온센서의 온도가 변화한다. 그러므로, 이 구성에 의해 감온센서는 온도 변화를 확실하게 검출할 수 있다. 또, 베이스(1) 또는 외부로부터의 응력이나 열응력에 기인한 각 소박막 구조체(30aa)의 변형을 방지할 수 있다. 그러므로, 이 구성에 의해 감온센서의 구조 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 모든 감온센서는 소정의 접속 관계로 서로 전기적으로 접속되어 있다. 소정의 접속 관계에 의해, 모든 감온센서는 각 감온센서로부터 생성되는 출력 값보다 큰 출력을 생성하도록 설정된다. 따라서, 이 구성에 의해 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 모든 감온센서는 소정의 접속 관계로 서로 전기적으로 접속되어 있다. 이로써, 감온센서의 온도가 변화될 때, 감온센서들은 서로 협동하여 제2 출력 신호를 생성한다. 이 제2 출력 신호는 각 감온센서로부터의 개별적으로 출력되는 상기 출력 신호보다 크다. 따라서, 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 감온센서는 서모파일로 이루어진다. 그러므로, 각 감온센서(30a)에 전류를 인가할 필요가 없다. 때문에, 서모파일은 자기 발열(self-heating)이 발생하지 않는다. 따라서, 감온센서(30a)를 저항 볼로미터로 구현하는 경우에 비해, 자기 발열에 기인한 각 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 뒤틀림을 방지할 수 있다. 그리고, 전력 소비의 양을 향상시킬 수 있다. 또, 온도에 관계없이 일정한 감도를 얻을 수 있어, 고정밀도를 얻을 수 있다. 각 감온센서(30a)가 서모파일로 이루어지고 직렬 접속되는 경우, 감온센서(30a)는 감온센서(30a)에서 생성된 열기전력의 합을 출력한다. 따라서, 전술한 접속 관계를 달성할 수 있으므로, 감도를 향상시킬 수 있다. 감온센서(30a)는 열형 적외선 검출 소자로 이루어질 수 있다는 것에 유의하기 바란다. 감온센서는 서모파일이나 저항 볼로미터에 한정되지 않으므로, 감온센서는 초전소자로 이루어질 수도 있다. 감온센서(30a)가 초전소자로 이루어지는 경우, 복수의 초전소자를 서로 병렬 접속하는 것이 바람직하다. 이로써, 초전소자는 초전효과에 의해 생성되는 전하의 합을 출력된다. 따라서 전술한 접속 관계를 충족시킬 수 있다. 따라서, 감도를 향상시킬 수 있다.
상기 오목부는 4면 피라미드 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 베이스(1)가 실리콘 기판으로 이루어지는 경우, 오목부(11)를 알칼리 용액을 사용한 이방성 에칭에 의해 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 상기 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)는 제1 단과 제2 단 사이에 위치한 제2 슬릿을 구비한다. 제2 슬릿은 캔틸레버의 배면으로부터 캔틸레버의 표면까지 관통하고 있다. 제2 슬릿은 오목부와 베이스의 두께 방향으로 중첩되도록 형성되어 있다. 상기 제1 적외선 흡수부는 제2 슬릿과 제2 단 사이에 위치한다. 상기 서모파일은 열전대, 열전대의 일단에 위치한 온접점, 및 상기 열전대의 타단에 위치한 냉접점을 가진다. 온접점은 제2 단과 상기 제2 슬릿 사이에 위치한다. 냉접점은 제1 단과 제2 슬릿 사이에 위치한다. 따라서, 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 온접점은 제1 적외선 흡수부와 제2 단 사이에 위치한다. 따라서, 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 적외선 어레이 센서는 제2 적외선 흡수부를 포함한다. 제2 적외선 흡수부는 제2 슬릿과 제2 단 사이에 배치되어 있다. 온접점은 제2 적외선 흡수부와 제1 적외선 흡수부 사이에 배치되어 있다. 따라서, 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 제2 슬릿은 캔틸레버의 길이 방향과 교차하는 방향으로 형성되어 있다. 따라서, 응답 속도 및 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 적외선 입사면을 구비한 실리콘 질화막(32)을 가지며, 실리콘 질화막(32)의 입사면에 n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)이 형성되어 있다. 따라서, 이 구성에 의해, n형 폴리실리콘층(34) 및 p형 폴리실리콘층(35)이 형성될 때, 실리콘 질화막(32)이 에칭되어 얇아지는 것을 방지한다. (즉, n형 폴리실리콘층(34) 및 p형 폴리실리콘층(35)을 형성하기 위해 비도핑 폴리실리콘층을 에칭하는 폴리실리콘층 패터닝 단계를 수행할 때, 실리콘 질화막(32)의 오버에칭(overetching)이 방지되어, 실리콘 질화막(32)이 얇아지는 것을 방지할 수 있다.) 또, 박막 구조체(3a)의 응력 밸런스를 균일하게 할 수 있다. 따라서, 적외선 흡수부(33)를 박막화 하면서도 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 뒤틀림을 방지할 수 있다. 따라서, 감도가 향상된다. 또, n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)는 오목부 형성 단계에서 사용된 에칭액(예를 들면, TMAH 용액)에 의해 에칭되는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 상기한 구성요소들이 제1 슬릿(13) 및 제2 슬릿(14)의 내측면에 노출되지 않도록 배치하는 설계를 채용할 필요가 있다.
또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)을 포함한다. n형 폴리실리콘층(34), p형 폴리실리콘층(35), 적외선 흡수층(39a, 39b, 39c), 및 고장 진단용 배선(139)은 서로 동일한 두께를 가진다. 따라서, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 응력 밸런스의 균일성이 향상된다. 따라서, 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 뒤틀림을 방지할 수 있다.
또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 각 화소(2)에 대한 MOS 트랜지스터(4)를 포함하고, 감온부(30)의 출력을 판독하도록 구성된다. 따라서, 출력용 패드(Vout)의 수를 줄일 수 있다. 따라서, 소형화 및 비용 절감을 달성할 수 있다.
(제2 실시예)
본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 제1 실시예의 기본 구성과 같은 구성요소를 포함한다. 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 도 18에 나타낸 바와 같이, 베이스(1)의 오목부(11)가 베이스 기판(1)의 배면으로 형성되어 있는 점이 제1 실시예와 다르다. 본 실시예에서, 제1 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 도면부호를 부여하여, 설명을 생략한다.
제1 실시예에서는, 오목부 형성 단계에서 오목부(11)를 형성할 때, 에칭액은 베이스(1)의 표면으로부터 제1 슬릿(13) 및 제2 슬릿(14)을 통해 공급된다. 따라서, 실리콘 기판(1a)의 에칭 속도의 결정면 방위 의존성을 이용한 이방성 에칭에 의해 실리콘 기판(1a)을 에칭한다. 이로써, 오목부(11)가 형성된다.
그러나, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A) 제조 방법에서는, 베이스(1)의 배면으로부터 "실리콘 기판(1a)에서의 오목부(11)의 형성 예정 영역"을 유도 결합 플라즈마(ICP)형의 드라이 에칭 장치를 사용한 이방성 에칭에 의해 형성하도록 오목부(11)를 형성하는 오목부 형성 단계를 수행한다.
본 실시예의 적외선 어레이 센서에 다르면, 박막 구조체(3a)의 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)로부터 베이스(1)로의 열전달을 방지할 수 있다. 그 결과 감도가 향상된다.
(제3 실시예)
본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 제1 실시예의 기본 구성요소와 같은 기본 구성요소를 포함한다. 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 오목부의 내면이 요곡면(concave curve) 형상으로 형성되어 있는 것이 제1 실시예와 다르다. 본 실시예에서, 제1 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 도면부호를 부여하여 설명을 생략한다.
제1 실시예에서는, 오목부(11)를 형성하는 오목부 형성 단계에서, 오목부(11)를 에칭 속도의 결정면 방위 의존성을 이용한 이방성 에칭에 의해 형성한다. 그러나, 본 실시예에서는 오목부(11)를 등방성 에칭에 의해 형성한다.
그 결과, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)에서는, 박막 구조체(3a)를 투과한 적외선을 오목부(11)의 내면에 의해 박막 구조체(3a)로 반사할 수 있다. 따라서, 적외선 흡수부(33)에서의 적외선 흡수량을 증대시킬 수 있어, 감도를 향상시킬 수 있다.
(제4 실시예)
본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는 제1 실시예의 구성요소와 동일한 구성요소를 포함한다. 도 20으로부터 알 수 있듯이, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)는, 베이스(1)의 배면에 복수의 오목부(11)와 연통하도록 구성된 개구부(12)를 구비하는 것이 제1 실시예와 다르다. 본 실시예에서, 제1 실시예 및 제3 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 도면부호를 부여하여 설명을 생략한다.
개구부(12)는 "실리콘 기판(1a)에서의 개구부(12)의 형성 예정 영역"을 ICP형의 드라이 에칭 장치를 사용한 이방성 에칭 기술에 의해 형성될 수 있다.
그 결과, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)에서는, 박막 구조체(3a)의 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)로부터 베이스(1)로의 열전달을 방지할 수 있다. 따라서, 감도를 향상시킬 수 있다.
(제5 실시예)
본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)의 기본 구성은 제1 실시예 내지 제4 실시예의 기본 구성과 같다. 도 21 및 도 22로부터 알 수 있듯이, 차이점은 평면도에 있어 화소(2)의 형상이 육각 형태(hexagonal geometry)인 점이다. 또, 화소(2)는 허니컴 형태(honeycomb geometry)로 배열되어 있다 본 실시예에서, 제1 실시예에 내지 제4 실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
도 21 및 도 22에는 나타나 있지 않지만, 본 실시예에서, 베이스(1)의 표면에는 오목부(11)를 구비한다. 오목부(11)는 베이스(1)의 두께 방향으로 수직인 육각형의 개구를 가진다. 따라서, 오목부(11)는 육각형의 림로 둘러싸인다. 이 육각형의 림은 6개의 변을 가진다. 박막 구조체(3a)는 오목부(11)를 덮도록, 베이스(1)의 표면 상에 배치되어 있다. 박막 구조체(3a)는 슬릿에 의해 6개의 캔틸레버인 소박막 구조체(3aa)로 분할된다. 각각의 소박막 구조체(3aa)의 폭은 제1 단으로부터 제2 단을 향해 서서히 작아진다.
전술한 바와 같이, 캔틸레버의 폭은 제1 단으로부터 제2 단을 향해 서서히 작아진다. 따라서, 캔틸레버의 열용량은 감소된다. 캔틸레버의 열용량이 감소됨에 따라, 적외선 흡수부(33)에서 흡수된 열이 변화할 때, 감온센서(30a)의 온도가 신속하게 변화한다. 그 결과, 감온센서(30a)의 검출 특성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시예의 적외선 어레이 센서(A)에서는, 각 소박막 구조체(캔틸레버)(3aa)의 변형이 방지된다. 또한 화소(2)의 배치 밀도를 높일 수 있다.
유의할 것은, 전술한 실시예들의 적외선 어레이 센서(A)는, 각각 MOS 트랜지스터(4)를 구비한 화소(2)들을 포함한다는 것이다. 그러나, MOS 트랜지스터(4)는 적외선 어레이 센서에 필요 불가결한 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 표면을 가지는 베이스; 및
    화소
    를 포함하고,
    상기 베이스는 표면에 복수의 오목부 및 복수의 림이 형성되고, 상기 림은 상기 오목부를 각각 둘러싸고, 각각의 상기 오목부는 각각의 상기 림에 의해 정의되는 내주를 가지며;
    상기 화소는, 상기 오목부를 덮도록 상기 베이스의 상기 표면에 배치되고, 박막 구조체, 복수의 제1 적외선 흡수층, 및 복수의 감온센서를 포함하고;
    상기 박막 구조체는, 상기 박막 구조체의 배면으로부터 상기 박막 구조체의 표면까지 상기 박막 구조체를 관통하는 제1 슬릿을 구비하고, 상기 제1 슬릿은 상기 박막 구조체를 복수의 캔틸레버로 분할하도록 구성되고, 상기 캔틸레버는 림에 따라 배열되고, 각각의 상기 캔틸레버는 길이 및 폭을 가지고, 상기 캔틸레버는 제1 단으로서 정의되는 길이 방향의 일단 및 제2 단으로서 정의되는 길이 방향의 타단을 가지고, 상기 제1 단은 상기 림에 고정되고;
    상기 제1 적외선 흡수층은 상기 내주의 내측에 위치되도록, 상기 캔틸레버에 의해 유지되고;
    상기 감온센서는 상기 캔틸레버 상에 배치되고;
    상기 감온센서의 온도가 변화될 때, 상기 감온센서는 온도 변화에 따른 출력 신호를 생성하는,
    적외선 어레이 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감온센서들은 소정의 접속 관계로 서로 전기적으로 접속되고;
    상기 소정의 접속 관계에 따라, 모든 상기 감온센서는 온도 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 출력 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 모든 감온센서의 출력 신호가 나타내는 상기 출력 변화는 각각의 상기 감온센서에 의해 생성된 출력 신호가 나타내는 출력 변화보다 큰, 적외선 어레이 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감온센서들은 소정의 접속 관계로 서로 전기적으로 접속되어, 상기 감온센서의 온도가 변화될 때, 상기 감온센서들이 서로 협동하여 제2 출력 신호를 생성하는, 적외선 어레이 센서.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 감온센서는 서모파일로 이루어지는, 적외선 어레이 센서.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 접속 관계는 직렬 접속에 의해 이루어지는, 적외선 어레이 센서.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부는 4면의 피라미드 형상으로 형성되는, 적외선 어레이 센서.
  7. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부는 상기 베이스의 배면으로 형성되는, 적외선 어레이 센서.
  8. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부는 내면이 요곡면으로 이루어지는, 적외선 어레이 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스의 나머지 면(remaining surface)에 개구부를 형성하여, 상기 개구부에 의해 상기 복수의 오목부가 서로 연통되도록 하는, 적외선 어레이 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 상기 제1 단과 상기 제2 단 사이에 위치한 제2 슬릿을 구비하고;
    상기 제2 슬릿은 상기 캔틸레버의 배면으로부터 상기 캔틸레버의 표면까지 상기 캔틸레버를 관통하는 형상으로 형성되고;
    상기 제2 슬릿은 상기 베이스의 두께 방향으로 상기 오목부와 중첩되도록 형성되고;
    상기 제1 적외선 흡수층은 상기 제2 슬릿과 상기 제2 단 사이에 배치되고;
    상기 서모파일은 열전대, 상기 열전대의 일단에 위치한 온접점, 및 상기 열전대의 타단에 위치한 냉접점을 포함하고;
    상기 온접점은 상기 제2 단과 상기 제2 슬릿 사이에 위치하고;
    상기 냉접점은 상기 제1 단과 상기 제2 슬릿 사이에 위치하는, 적외선 어레이 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 온접점은 상기 제1 적외선 흡수층과 상기 제2 슬릿 사이에 배치되는, 적외선 어레이 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 화소는 제2 적외선 흡수층을 더 포함하고, 상기 제2 적외선 흡수층은 상기 제2 슬릿과 상기 제2 단 사이에 배치되고;
    상기 온접점은 상기 제2 적외선 흡수층과 상기 제1 적외선 흡수층 사이에 배치되는, 적외선 어레이 센서.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 슬릿은 상기 캔틸레버의 길이 방향과 교차하는 방향으로 연장되는, 적외선 어레이 센서.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 폭은 상기 제1 단으로부터 상기 제2 단을 향해 서서히 작아지는, 적외선 어레이 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 오목부는 두께 방향에 수직인 개구를 가지고;
    상기 개구는 육각형이어서, 상기 림은 6개의 변을 가지고;
    상기 캔틸레버의 상기 제1 단은 상기 6개의 변에 각각 장착되고;
    상기 캔틸레버는 상기 개구의 중심을 향해 연장되고;
    각각의 상기 캔틸레버는 상기 제1 슬릿에 의해 인접하는 캔틸레버로부터 이격되어 있는, 적외선 어레이 센서.
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