KR20120126752A - 적외선 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20120126752A
KR20120126752A KR1020110044790A KR20110044790A KR20120126752A KR 20120126752 A KR20120126752 A KR 20120126752A KR 1020110044790 A KR1020110044790 A KR 1020110044790A KR 20110044790 A KR20110044790 A KR 20110044790A KR 20120126752 A KR20120126752 A KR 20120126752A
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공성호
최주찬
박중희
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일실시예는 적외선 센서에 관한 발명으로서, 검출회로기판과 다수의 픽셀을 포함하는 적외선 센서에 있어서, 상기 픽셀은 상기 검출회로기판 상부에 형성되고 적외선을 흡수하는 볼로미터, 상기 볼로미터 상부에 픽셀단위로 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 포함하고, 상기 실리콘기판층은 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈을 형성시키는 표면 각각에 반사판을 포함한다. 본 발명의 일실시예는 적외선 센서를 제조하는 방법에 관한 발명으로서, 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 형성하는 단계, 상기 실리콘기판층의 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈 표면 각각에 반사판을 형성하는 단계 및 전극에 의해서 연결된 검출회로기판과 볼로미터를 상기 반사판이 형성된 상기 실리콘기판층과 연결하는 단계를 포함한다.

Description

적외선 센서 및 그 제조방법{Infrared detector and method for producing the same}
본 발명의 일실시예는 적외선 센서 및 그 제조방법에 대한 것이다.
적외선은 인간의 눈으로 감지가 거의 불가능하고 육체의 감각기관으로만 일부를 느낄 수 있기 때문에 이를 감지하기 위해서는 적외선 감지기를 이용한다. 적외선 검출을 위한 소자는 적외선 감지 방식에 따라 크게 양자형 감지기와 열형 감지기로 나눌 수 있다. 양자형 감지기는 열형 감지기에 비해 감지도가 높고, 응답 속도도 빠른 반면 파장이 제한적이다. 그리고 액체 질소 온도 근처까지 냉각을 해주어야하므로 가격이 높은 단점이 있다. 열형 감지기는 광자형보다 감지도는 떨어지지만 상온 동작이 가능하므로 냉각 시스템이 필요 없어 저가로 구현이 가능하며, 1~100㎛의 넓은 파장대에서 사용이 가능하다. 열형 감지기는 초전형 감지기, 열전대형 감지기, 마이크로 볼로미터로 나뉜다. 이 중 볼로미터는 입사된 적외선이 물질의 온도를 변화시키고 그에 따라 저항값이 변화하는 특성을 이용한 것이다. 일정한 전류 바이어스를 걸어준 상태에서 변조된 IR Source에 의해 옴의 법칙에 따른 시변화 신호를 얻게 된다. 이러한 온도에 따른 저항 변화를 이용한 볼로미터는 표면 마이크로머시닝 (Surface micromaching) 기술을 이용하여 제작하면 효율적인 열 차단 구조를 형성할 수 있고, 표준 실리콘 공정으로 제작이 가능하여 회로와의 집적이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 또 온도에 따른 저항 변화 자체를 이용한 것으로 기계적인 초퍼와 같은 추가적인 장치가 필요로 하지 않다.
다만 볼로미터를 이용한 적외선 센서는 볼로미터에 입사하는 적외선의 민감도를 향상시키기 위해서 볼로미터와 감지회로사이에 공동을 형성하게 된다.
도1은 종래기술인 적외선 센서 단위픽셀의 사시도이다.
도1에 도시된 적외선 센서의 단위 픽셀은 볼로미터(10), 감지회로가 포함된 하부기판(12), x메탈(13), y 메탈(14)을 포함하고 있다.
도1에 도시된 바와 같이 볼로미터와 감지회로가 서로 이격 배치되어 있어 볼로미터와 감지회로 사이에 공동이 형성되도록 한다. 공동이 형성됨으로서 적외선 흡수율을 높일 수 있다. 그러나 공동이 형성되어 있다 하더라도 입사하는 적외선의 량이 제한적인 상황은 계속되며, 더욱 민감도를 높이기 위해서는 입사하는 적외선을 포집하여 볼로미터에 입사하는 적외선 량을 증가시킬 필요가 있다.
본 발명의 일실시예는 적외선 센서에 입사하는 적외선 입사량을 증가시켜 적외선 센서의 민감도를 향상시키는 적외선 센서 또는 그 제조방법이 제공된다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예는 검출회로기판과 다수의 픽셀을 포함하는 적외선 센서이다. 여기서 상기 픽셀은 상기 검출회로기판 상부에 형성되고 적외선을 흡수하는 볼로미터, 상기 볼로미터 상부에 픽셀단위로 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 포함하고, 상기 실리콘기판층은 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈을 형성시키는 표면 각각에 반사판을 포함한다.
실시예로서, 상기 볼로미터는 적외선에 의해 저항이 변하는 감지물질층을 포함하고, 상기 감지물질층을 감싸고 있는 절연물질층을 포함하며, 상기 절연물질층은 실리콘디옥사이드(SiO2) 또는 실리콘나이트라이드(SixNY)일 수 있다.
실시예로서, 상기 검출회로기판과 상기 볼로미터 사이에 공동이 형성될 수 있으며, 상기 픽셀의 가장자리에 형성되고, 상기 검출회로기판과 상기 볼로미터를 연결하며 공동이 형성되도록 상기 볼로미터를 지지하는 금속전극을 더 포함한다.
실시예로서, 상기 반사판은 알루미늄(Al)일 수 있으며, 상기 검출회로기판 상부에 금속판이 더 포함되어 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 검출회로기판과 다수의 픽셀을 포함하는 적외선 센서를 제조하는 방법은 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 형성하는 단계, 상기 실리콘기판층의 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈 표면 각각에 반사판을 형성하는 단계 및 전극에 의해서 연결된 검출회로기판과 볼로미터를 상기 반사판이 형성된 상기 실리콘기판층과 연결하는 단계를 포함한다.
실시예로서, 상기 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 형성하는 단계는 포토레지스트에 의해서 패턴이 형성된 기판의 표면을 TMAH 에칭 처리하는 단계를 포함한다.
실시예로서, 상기 실리콘기판층의 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈 표면 각각에 반사판을 형성하는 단계는 물리기상증착법(PVD) 또는 화학기상증착법(CVD)에 의해서 반사판을 형성할 수 있다.
실시예로서, 상기 전극에 의해서 연결된 검출회로기판과 볼로미터를 상기 반사판이 형성된 상기 실리콘기판층과 연결하는 단계는 실리콘-실리콘 접합 또는 에폭시 접합에 의해서 연결하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 효과는 다음과 같다.
첫째, 적외선 센서에 입사하는 적외선의 손실(loss)을 줄여 볼로미터에 의한 적외선 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 간단한 공정을 이용하여 성능이 향상된 적외선 센서가 제공된다.
도1은 종래기술인 적외선 센서 단위픽셀의 사시도이다.
도2는 본 발명의 일실시예인 적외선센서의 단위픽셀 사시도이다.
도3은 본 발명의 일실시예인 적외선센서의 분해 단면도이다.
도4는 본 발명의 일실시예인 적외선센서의 픽셀의 크기를 비교한 단면도이다.
도5는 실리콘 기판층의 두께에 따른 적외선 센서 어레이의 상측면도이다.
도6은 본 발명의 일실시예인 적외선 센서를 제조하는 방법의 순서도이다.
도7은 실리콘 기판층을 형성하는 개략적인 단면 흐름도이다.
도8는 본 발명의 일실시예에 의한 방법으로 제조된 실리콘 기판층을 볼로미터, 검출회로기판층과 결합한 단면도이다.
실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 구체화될 수 있고, 여기에서 설명되는 양태들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 상기 양태들은 실시예들을 더욱 철저하고 완전하게 되도록 해주며, 당업자에게 실시예들의 영역을 충분히 전달할 수 있도록 해준다.
이하 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일실시예인 적외선센서의 단위픽셀 사시도이다.
도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예인 적외선 센서의 단위픽셀은 가운데 부분이 상광하협(上廣下狹) 모양으로 움푹 들어간 홈 형태이다. 상광하협(上廣下狹) 모양을 형성하는 벽면에는 반사판(200)이 설치되어 있고, 중심부에 볼로미터(100)가 형성되어 있어 입사하는 적외선을 수광한다. 일반적으로 중심에 볼로미터(100)가 형성되어 있는 적외선 센서의 픽셀은 가장자리에 금속전극(미도시)을 포함하고 있다. 금속전극은 적외선 반응물질이 포함되어 있지 않고, 단지 볼로미터(100)에서의 적외선 반응에 의한 전기신호를 검출회로기판(미도시)에 전달한다.
적외선 센서의 단위픽셀에서 전극이 차지하는 면적은 볼로미터(100)의 크기와 비교해 상당하고, 전극으로 입사하는 적외선은 적외선 센서에 영향을 미치지 않아 손실이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 보완하고자 본 발명의 일실시예는 집광구조의 픽셀로 이루어진 적외선 센서를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 적외선센서의 상단에서 입사하는 적외선(화살표)이 볼로미터(100)의 외곽에 위치하고 있는 반사판에 입사하게 되고, 반사판(200)에 의해 반사되어 다시 볼로미터(100)로 향하게 된다.
도3은 본 발명의 일실시예인 적외선센서의 분해 단면도이다.
본 발명의 일실시예는 검출회로기판(500)과 다수의 픽셀을 포함하는 적외선 센서에서 각각의 픽셀이 검출회로기판(500) 상부에 형성되고 적외선을 흡수하는 볼로미터(100)와 볼로미터(100) 상부에 픽셀단위로 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층(300)을 포함한다. 이 때 실리콘기판층(300)은 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈을 형성시키는 표면 각각에 반사판(200)을 포함한다.
이하 본 발명의 일실시예인 적외선센서의 픽셀 각 부분에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예인 적외선 센서는 360×280픽셀의 어레이를 가질 수 있으며, 별도의 블라인드 셀을 포함하지 않을 수 있다. 각 픽셀은 도2에 도시된 형상으로 되어 있으며, 각 픽셀은 볼로미터(100), 반사판(200), 전극(400), 검출회로기판(500)을 포함하고 있다.
볼로미터(100)는 적외선이 입사하여 반응하는 곳으로서 입사하는 적외선을 흡수하여 열에너지로 변환할 때 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 감지한다. 볼로미터(100)는 적외선에 의해 저항이 변하는 감지물질층(110)을 포함하고 있다. 이러한 감지물질층(110)은 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 또는 백금(Pt) 중 어느 하나로 이루어진 감지물질을 포함할 수 있다.
볼로미터(100)는 또한 감지물질층(110)을 감싸고 있는 절연물질층(120)을 포함한다.
절연물질층(120)은 실리콘디옥사이드(SiO2), 또는 실리콘나이트라이드(SixNY)로 이루어진 절연물질을 포함할 수 있다.
각 픽셀에 포함되어 있는 전극(400)은 볼로미터(100)와 검출회로기판(500)을 연결시켜준다.
검출회로기판(500)은 적외선의 세기에 다른 전기적인 신호를 처리하는 집적회로가 실장되어 있다. 검출회로기판(500)의 상부에는 금속판(600)이 포함되어 있어 적외선을 반사한다. 금속판은 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 또는 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금일 수 있다.
볼로미터(100)의 상부에 픽셀단위로 상광하협(上廣下狹)모양의 관통 에칭된 실리콘 기판층(300)이 형성되고 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈을 형성시키는 표면에 반사판(200)이 설치된다. 반사판은 알루미늄 또는 티타늄일 수 있으며, 전극방향으로 입사하는 적외선을 반사시켜 볼로미터(100)로 집광시킨다. 도3에 도시된 바와 같이 실리콘 기판층의 단면형상에서 상광하협(上廣下狹) 모양의 기판층은 54.74°의 경사각을 갖는 직삼각형 형상을 하고 있다.
도4는 본 발명의 일실시예인 적외선센서의 픽셀의 크기를 비교한 단면도이다.
도4에 도시된 바와 같이 실리콘 기판층의 두께가 750㎛인 경우에 경사각을 54.74°이상을 유지할 수 있도록 실리콘 기판층을 식각한다. 이 때 볼로미터의 한변의 길이가 770㎛이고, 반사판이 놓이게 되는 실리콘 기판층의 하부면 길이는 530㎛로서 양쪽면을 전체 합한 길이는 볼로미터의 한변 길이 보다 크게 된다. 이러한 경우 종래와 같이 반사판이 증착되지 않은 경우 입사하는 적외선의 손실이 많이 발생하게 된다. 실리콘 기판층의 두께가 400㎛, 200㎛로 작아질수록 실리콘 기판층의 하부면 길이는 각각 282㎛, 141㎛로 작아지게 되어 적외선의 손실은 줄어들 수 있다. 다만 전극의 크기가 제한되어 있어 실리콘 기판층의 두께를 더욱 작게 형성하는 것은 사실상 불가능하다.
앞서와 같은 경우 적외선 손실(loss)이 발생할 수 밖에 없었으나 반사판이 설치되어 손실이 발생하는 면에 입사하는 적외선을 볼로미터에 집광시켜 그만큼 적외선 센서의 효율이 증가하게 된다.
도5는 실리콘 기판층의 두께에 따른 적외선 센서 어레이의 상측면도이다.
도5에 도시된 바와 같이 실리콘 기판층의 두께를 점점 줄여가면 그만큼 픽셀의 크기가 줄어들게 된다. 다만 실리콘 기판층의 두께가 750㎛로 비교적 두껍더라도 반사판이 설치되어 있어 적외선이 집광되고 적외선 센서의 효율은 향상된다.
이하 본 발명의 또 다른 실시예인 적외선 센서를 제조하는 방법에 대해서 살펴본다.
도6은 본 발명의 일실시예인 적외선 센서를 제조하는 방법의 순서도이다.
도6에 도시된 바와 같이 적외선 센서를 제조하는 방법은 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 형성하는 단계(S1000), 실리콘기판층의 상광하협(上廣下狹) 모양의 픽셀단위 관통 홈 표면 각각에 반사판을 형성하는 단계(S2000) 및 전극에 의해서 연결된 검출회로기판과 볼로미터를 반사판이 형성된 실리콘기판층과 연결하는 단계(S3000)를 포함한다.
상광하협(上廣下狹) 모양의 관통 에칭된 실리콘 기판층을 형성하는 단계(S1000)는 도7을 참조하여 설명한다.
도7은 실리콘 기판층을 형성하는 개략적인 단면 흐름도이다.
상광하협(上廣下狹) 모양의 관통 에칭된 실리콘 기판층을 형성하는 단계는 먼저 ⅰ) 산화막(310)이 형성된 실리콘 기판(300)에 패턴이 형성된 포토레지스트(320)층을 형성한다. 포토레지스트(320) 층에 패턴을 형성하는 것은 포토레지스트(320) 층 위에 마스크를 입히고 빛을 노광시키는 포토리소그래피 공정을 통해서 가능하다.
패턴이 형성된 포토레지스트 층(320)을 산화막(310)의 상층에 형성한 후에 ⅱ) 산화막(310)을 에칭한다. 포토레지스트층(320)이 쌓이지 않은 산화막은 에칭액에 의해서 제거되고 패턴과 같은 형태의 산화막(310)이 포토레지스트 층(320)과 함께 남게 된다. 이후 ⅲ) 산화막 위에 형성되어 있는 포토레지스트 층(320)을 제거하고 패턴이 형성된 산화막(310)을 남긴다.
이후 ⅳ) 실리콘 기판층(300)에 TMAH 식각을 실시한다. TMAH(Tetramethyl ammonium Hydroxide((CH3)4NOH)))용액에 식각 특성이 54.7°인 경사각으로 이루어지는 Si웨이퍼의 결정방향에 따른 이방성 식각을 실시한다. 개방형 Si구조물을 형성하기 위하여 약 12시간 이상 과도식각을 수행하여 완전히 Si웨이퍼 뒷면을 개방(기판하부 산화막 제외)한다. 또한 뒷면에 형성된 산화막이 도출될 경우에는 ⅴ) 산화막을 식각한다. ⅵ) 삼각형 모양의 단면을 갖는 실리콘 기판층에 알루미늄 또는 티탄 증착을 수행하여 반사판을 형성한다.
전극에 의해서 연결된 검출회로기판과 볼로미터를 반사판이 형성된 실리콘기판층과 연결하는 단계는 도8을 참고하여 설명한다.
도8는 본 발명의 일실시예에 의한 방법으로 제조된 실리콘 기판층을 볼로미터, 검출회로기판층과 결합한 단면도이다.
적외선 감지소자인 볼로미터(100)가 형성되어 있고 그 하부에 검출회로기판(500)이 형성되어 있는 소자를 실리콘-실리콘 접합 또는 에폭시 접합에 의해서 반사판(200)이 형성된 실리콘 기판층(300)과 연결한다. 이와 같이 제조된 적외선 센서 장치는 집광구조가 적용되어 열 고립구조를 형성함으로써 손실되어진 적외선 흡수 영역 부분에 입사되어 들어오는 적외선까지도 중앙의 센싱영역인 볼로미터 부분으로 반사시켜 모아줌으로써 광 흡수 효율을 극대화 할 수 있다. 또한 적외선을 집광시켜 줌으로서 보다 작은 영역의 센싱 면적 만으로도 픽셀내에 센싱면적을 최대한으로 키운 상태의 적외선 흡수효율과 거의 동일한 효과를 나타낼 수 있기 때문에 적외선 흡수율을 높이기 위해 센싱 면적을 높임으로서 나타나는 감지막 영역의 노이즈 증가와 열고립 효율성 저하에 관한 문제점도 극복이 가능하다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 볼로미터 110 감지물질층
120 절연물질층 200 반사판
300 실리콘기판층 400 전극
500 검출회로기판

Claims (11)

  1. 검출회로기판과 다수의 픽셀을 포함하는 적외선 센서에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 검출회로기판 상부에 형성되고 적외선을 흡수하는 볼로미터;
    상기 볼로미터 상부에 픽셀단위로 상광하협(上廣下狹) 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 포함하고,
    상기 실리콘기판층은 상광하협 모양의 픽셀단위 관통 홈을 형성시키는 표면 각각에 반사판을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 볼로미터는 적외선에 의해 저항이 변하는 감지물질층을 포함하고, 상기 감지물질층을 감싸고 있는 절연물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연물질층은 실리콘디옥사이드(SiO2) 또는 실리콘나이트라이드(SixNY)인 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 검출회로기판과 상기 볼로미터 사이에 공동이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 픽셀의 가장자리에 형성되고, 상기 검출회로기판과 상기 볼로미터를 연결하며 공동이 형성되도록 상기 볼로미터를 지지하는 금속전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사판은 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 검출회로기판 상부에 금속판이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  8. 검출회로기판과 다수의 픽셀을 포함하는 적외선 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 상광하협 모양으로 관통 에칭된 실리콘기판층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 실리콘기판층의 상광하협 모양의 픽셀단위 관통 홈 표면 각각에 반사판을 형성하는 단계;및
    (c) 전극에 의해서 연결된 검출회로기판과 볼로미터를 상기 반사판이 형성된 상기 실리콘기판층과 연결하는 단계를 포함하는 적외선 센서 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a)단계는 포토레지스트에 의해서 패턴이 형성된 기판의 표면을 TMAH 에칭 처리하는 단계를 포함하는 적외선 센서 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (b)단계는 물리기상증착법(PVD) 또는 화학기상증착법(CVD)에 의해서 반사판을 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (c)단계는 실리콘-실리콘 접합 또는 에폭시 접합에 의해서 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 제조방법.
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