KR20130038468A - 윈도우 일체형 비냉각형 적외선 검출기 및 그 제조방법 - Google Patents

윈도우 일체형 비냉각형 적외선 검출기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 윈도우 일체형 비냉각형 적외선 검출기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 적외선 검출기 제조방법은, 웨이퍼 상에 신호취득회로를 집적하며, 상기 웨이퍼 상부에 다수의 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이를 배치 가공하는 제1공정(S10)과; 진공 상태에서 상기 어레이 상부를 밀봉하기 위하여 상기 웨이퍼에 윈도우 캡을 접합하는 제2공정(S20)과; 상기 제2공정(S20)에서 윈도우 캡 접합이 완료된 웨이퍼를 칩 단위로 다이싱하는 제3공정(S30)으로 구성되어, 소자 웨이퍼와 적외선에 투명한 윈도우 캡을 웨이퍼 레벨에서 진공 패키징하여 생산성과 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

윈도우 일체형 비냉각형 적외선 검출기 및 그 제조방법{IR window conintegrated uncooled infrared detector and manufacturing method of the same}
본 발명은 윈도우 일체형 비냉각형 적외선 검출기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 소자 웨이퍼와 적외선에 투명한 윈도우 캡을 웨이퍼 레벨에서 진공 패키징하여 제조되는 적외선 검출기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
적외선은 가시광선보다 큰 파장을 가지며 사람을 포함한 물체에서 방사된다. 물체의 온도가 높을수록 방사되는 에너지의 최대 피크 파장이 짧으며, 온도가 낮을수록 방사에너지의 최대 피크 파장은 길어진다.
태양광은 가시광선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사하며, 사람의 경우에는 적외선 영역에서 최대 피크 파장의 에너지를 방사한다.
적외선 검출기(센서)는 이와 같이 물체나 사람이 방사하는 적외선을 감지하여 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량이나 화학량을 감지하여 신호처리가 가능한 전기적 신호로 변환하는 장치이다.
적외선 검출기는 검출된 적외선의 열에너지 크기를 이용하여 물체의 유무나 물체까지의 거리 등을 측정할 수 있으며, 다양한 분야에서 응용되고 있다.
예를 들어, 자동문에서 사람의 출입에 따라 문을 자동으로 개폐하거나 조명등을 자동으로 점등하거나 보안시설에서 외부인의 출입을 검출하는 것과 같이 다양하게 이용될 수 있다. 또는 자동카메라 등에 장착되어 피사체까지의 거리를 측정하는데 이용될 수도 있다.
이와 같이 적외선 검출기에 일반적으로 사용되는 적외선 검출소자는 파이로일렉트릭(pyroelectric), 써모파일(thermopile), 볼로메터(bolometer) 등의 열 흡수형 검출소자가 있다. 이러한 적외선 검출소자들 중에 볼로메터 적외선 검출소자가 가장 성능이 우수하고 제작이 용이하며 부피가 작다. 볼로메터 적외선 검출소자는 물체에서 방사되는 적외선을 흡수할 때 그로 인한 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 측정하여 적외선을 검출하게 된다.
도 1은 종래의 볼로메터형 적외선 검출기의 제조과정(패키징)을 간략히 보여주는 도면이다.
도 1을 참고하면, 적외선 검출소자(11)가 집적된 소자 웨이퍼(10)는 다이싱(dicing) 공정을 통하여 개별 소자인 칩으로 분리된다. 개별 적외선 검출소자(11)는 적외선 검출부(11a)와 전극(11b)으로 이루어지며, 개별 적외선 검출소자(11)는 지지핀(13)를 갖는 지지부(12)와 조립되어 전극들을 연결하는 와이어 접합 공정이 이루어진다.
개별 적외선 검출소자는 진공 상태인 챔버(30) 내에서 상부면에 적외선 필터(21)가 마련된 캡부재(20)가 지지부(12)와 접합되어 적외선 검출기의 패키징 공정이 완료된다.
적외선 검출기의 패키징 공정 중에 진공 분위기에서 이루어지는 것은 캡부재 내부의 열손실을 최소화하여 적외선 검출소자의 검출 성능이 저하되는 것을 방지하기 위함이다.
그러나, 이와 같은 종래의 적외선 검출기의 패키징 공정은 적외선 검출소자가 집적된 소자 웨이퍼를 다이싱 공정을 통해 칩으로 분리하여 개별적으로 패키징이 이루어지고 있으며, 이는 생산성 향상 측면에서 상당히 불리하다.
특히, 진공 상태에서 패키징하는 과정에서 열에 의한 가스가 발생되며, 이와 같이 발생된 가스는 캡부재 내부의 진공도를 저하시킬 수가 있으므로, 발생된 가스를 제거하기 위하여 별도의 진공펌프가 패키징 공정용 설비로 추가되어야 하는 문제점이 발생한다.
예를 들어, 공개특허공보 제10-2001-0038012호(공개일자: 2001.05.15)에는 패키지의 저면 가장자리부에 관통공을 형성하여 내부공간을 불활성 가스로 채우거나 진공상태로 만든 후 관통공을 실링제로 실링하는 적외선 검출기 및 그 제조방법을 제안하고 있다. 그러나, 이러한 종래기술에서도 역시 개별 패키징 후에 패키지 내부를 불활성 가스로 채우거나 진공상태로 만든 후에 밀봉을 위한 실링 공정을 필요로 하므로 생산성이나 수율 개선에 크게 도움이 되지 못한다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 비냉각형 볼로미터 적외선 검출기를 제작함에 있어서, 웨이퍼 레벨에서의 접합(bonding) 공정을 통하여 패키징 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 적외선 윈도우(window) 일체형 비냉각형 적외선 검출기 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 적외선 검출기의 제조방법은, 웨이퍼 상에 신호취득회로를 집적하며, 상기 웨이퍼 상부에 다수의 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이를 배치 가공하는 제1공정과; 진공 상태에서 상기 어레이 상부를 밀봉하기 위하여 상기 웨이퍼에 윈도우 캡을 접합하는 제2공정과; 상기 제2공정에서 윈도우 캡 접합이 완료된 웨이퍼를 칩 단위로 다이싱하는 제3공정에 의해 달성될 수 있다.
특히, 본 발명의 제조방법에 있어서, 제2공정의 상기 윈도우 캡은, 적외선 투과 재질의 제2웨이퍼 테두리를 따라서 접합 패드용 금속을 증착하는 공정과; 상기 제2웨이퍼를 식각하는 공정과; 식각이 이루어진 상기 제2웨이퍼의 표면에 무반사 코팅층과 게터층을 증착 형성하는 공정을 포함하여 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제2공정의 상기 윈도우 캡은, 상기 웨이퍼와 상응하는 크기를 갖는 적외선 투과 재질의 제2웨이퍼에 무반사 코팅층과 게터층을 증착하여 윈도우 웨이퍼를 제조하는 공정과; 상기 윈도우 웨이퍼에 스페이서를 형성하는 공정을 포함하여 제조될 수 있다.
특히, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 무반사 코팅층은 상기 제2웨이퍼의 양면에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 적외선 검출기는, 신호취득회로가 집적되는 기판과; 상기 신호취득회로와 전기적으로 연결된 적어도 두 개 이상의 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이와; 진공의 내부 공간 내에 상기 센서 어레이가 위치하도록 상기 기판에 접합되되, 적외선에 대해 투광성을 갖는 윈도우 캡과; 상기 윈도우 캡의 양면에 코팅되는 무반사 코팅층과; 상기 윈도우 캡의 내측 면에 마련되어 가스를 흡착하는 게터와; 상기 기판에 마련되어 상기 신호취득회로와 전기적으로 연결되는 전극부에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 검출기 및 그 제조방법은 웨이퍼 레벨에서 윈도우 캡을 소자 웨이퍼와 접합하여 적외선 검출기를 제조함으로써, 생산성을 높이며 제품 수율을 높일 수가 있으며, 또한 윈도우 캡 내에 게터가 마련되어 소형이면서도 부피가 작은 센서 패키지를 구현할 수 있으며, 진공 패키징 접합에 의해 박막게터를 사용함으로써 진공도를 오랜시간 동안 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 적외선 검출기의 제조공정을 간략히 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 적외선 검출기를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 적외선 검출기에 있어서 적외선 검출소자의 바람직한 일례를 보여주는 단면 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 적외선 검출기의 제조방법을 간략히 보여주는 흐름도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 따른 적외선 검출기를 제조하기 위한 공정에 있어서, 윈도우 캡 제작방법의 바람직한 실시예들을 보여주는 도면,
도 7은 적외선 검출기의 패키지 내부 진공도에 따른 열용량과 열전도도를 보여주는 그래프.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 적외선 검출기는, 신호취득회로가 집적되는 기판(110)과; 상기 신호취득회로와 전기적으로 연결된 적어도 두 개 이상의 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이(120)와; 진공의 내부 공간 내에 상기 센서 어레이(120)가 위치하도록 상기 기판(110)에 접합되되, 해당되는 적외선 파장에 대해 투광성을 갖는 윈도우 캡(130)과; 상기 윈도우 캡의 양면에 코팅되는 무반사 코팅층(131)과; 상기 윈도우 캡의 내측 면에 마련되어 가스를 흡착하는 게터(132)와; 상기 기판(110)에 마련되어 상기 신호취득회로와 전기적으로 연결되는 전극부(140)를 포함한다.
기판(110)에는 웨이퍼 상에서 일련의 공정을 통하여 집적된 신호취득회로가 형성되며, 기판(110) 상부에는 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이(120)를 갖는다.
윈도우 캡(130)은 원하는 파장에서 80% ~ 99%의 적외선 투과도를 갖는 재질이 이용되며, 바람직하게는 Ge 또는 Si이 이용될 수가 있다. 윈도우 캡(130)의 양면에는 무반사 코팅층(Anti-reflection coating layer)이 마련된다.
또한, 윈도우 캡(130) 내측에는 (잔류)가스를 흡수하는 게터(132)가 마련되며, 게터(132)는 웨이퍼 레벨 패키징 공정 중에 발생되는 가스를 흡착, 또는 수명을 연장하기 위해 패키지 내부의 가스를 흡착하여 펌프의 역할을 한다. 즉, 완성된 웨이퍼레벨 패키지의 진공도를 높이는 기능을 한다.
센서 어레이(120) 주변으로 기판(110) 상부에는 다수의 전극부(140)가 마련되며, 이 전극부(140)는 신호취득회로와 전기적으로 연결된다.
한편, 기판(110) 상부에는 온도를 감지하기 위한 온도센서 또는 온도를 일정하게 유지시키기 위한 목적으로 전자냉각모듈(Thermo electric cooler: TEC)이 추가로 마련될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 적외선 검출기에 있어서 적외선 검출소자의 바람직한 일례를 보여주는 단면 구성도로써, 적외선 검출소자(120')는 기판(110) 상부에 마련되며, 기판(110)은 일련의 공정을 통하여 Si 웨이퍼에 집적된 신호취득회로(111)와, 절연층(112)으로 이루어진다.
기판(110) 표면에는 다수의 앵커(121)가 연직으로 고정하여 마련되며, 기판(110) 상부에는 앵커(121)에 지지되어 하부금속층(122)과 상부금속층(123)이 소정의 높이에 고정되며, 하부금속층(122)과 상부금속층(123) 사이에는 적외선을 검출하게 되는 적외선 감지층(124)이 고정된다. 적외선 감지층(124)으로는 적외선에 민감한 VOx, 또는 비정질 Si이 사용될 수 있다.
하부금속층(122) 아래의 기판(110) 표면에는 금속 박막의 반사층(125)이 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 적외선 검출기의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 4를 참고하면, 웨이퍼 상에 신호취득회로를 집적하며, 상기 웨이퍼 상부에 다수의 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이를 배치하여 소자 웨이퍼를 가공하는 제1공정(S10)과; 진공 상태에서 상기 어레이 상부를 밀봉하기 위하여 상기 웨이퍼에 윈도우 캡을 접합하는 제2공정(S20)과; 상기 제2공정에서 윈도우 캡 접합이 완료된 웨이퍼를 칩 단위로 다이싱하는 제3공정(S30)으로 구성될 수 있다.
제1공정(S10)은 웨이퍼에 신호취득회로가 집적되며, 웨이퍼 상부에 다수의 적외선 검출소자가 배치 형성되는 공정으로서, 주지의 반도체 제조 공정에 의해 이루어질 수 있다.
제2공정(S20)은 진공 상태에서 센서 어레이를 밀봉하도록 소자 웨이퍼 상부에서 윈도우 캡을 접합하는 하는 공정으로, 다양한 접합방법이 있을 수 있으나 바람직하게는 금속 접합법(metallic bonding)이 이용될 수 있다.
특히, 본 발명의 제2공정에서 진공도는 10-2 torr 이하인 것을 특징으로 한다. 도 7은 적외선 검출기의 패키지 내부 진공도에 따른 열용량과 열전도도를 보여주는 그래프로서, 10-2 torr 이상에서 열전도도가 증가하기 시작하는 것을 알 수가 있으며, 열전도도의 증가는 열시상수(thermal time constant)의 감소를 의미하며, 열전도도의 증가는 적외선 검출기의 중요 성능지수인 반응도(responsivity)와 탐지도(detectivity)에 불리하다. 따라서, 본 발명에서는 제2공정 중에 진공도는 10-2 torr 이하에서 진공 패킹이 이루어지는 것이 바람직하다.
제3공정(S30)은 윈도우 캡의 접합이 완료된 소자 웨이퍼를 칩 단위로 다이싱하여 적외선 검출기를 제작하는 공정이다.
특히, 본 발명에 있어서, 제2공정의 상기 윈도우 캡은, 적외선 투과 재질의 제2웨이퍼 테두리를 따라서 접합 패드용 금속을 증착하는 공정과; 상기 제2웨이퍼를 식각하는 공정과; 식각이 이루어진 상기 제2웨이퍼의 표면에 무반사 코팅층과 게터층을 증착 형성하는 공정을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 다른 한편으로 제2공정의 상기 윈도우 캡은, 소자 웨이퍼와 상응하는 크기를 갖는 적외선 투광성 재질의 제2웨이퍼에 무반사 코팅층과 게터층을 증착하여 윈도우 웨이퍼를 제조하는 공정과; 윈도우 웨이퍼에 스페이서를 형성하는 공정을 포함하여 제조될 수가 있다.
한편, 제2웨이퍼에 증착 형성되는 게터층은 앞서도 언급한 바와 같이 적외선 검출기의 중요 성능지수인 반응도와 탐지도를 증가시키기 위한 인자인 패키지 진공도를 10-2 torr 이하로 유지하는데 중요한 역할을 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 따른 적외선 검출기를 제조하기 위한 공정에 있어서 윈도우 캡 제조방법의 실시예들을 보여주는 도면으로, 도 5는 식각 공정에 의해 윈도우 캡을 제조하게 되는 공정을 보여주는 도면이며, 도 6은 윈도우 캡에 스페이서를 마련하여 소자 웨이퍼와 패키징되는 공정을 보여주는 도면이다.
도 5를 참고하면, 적외선 투광성을 갖는 재질의 제2웨이퍼(130'), 바람직하게는 Si 또는 Ge 웨이퍼의 테두리를 따라서 접합 패드용 금속층(151)을 증착 형성하며, DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 이용하여 윈도우 패턴(152)을 식각한다.
다음으로 제2웨이퍼(130') 양면의 유효감지영역 내에 무반사 코팅층(131)을 코팅한 후에 주변영역에 게터(132)를 증착 형성하여 윈도우 캡(130)을 제작할 수 있다.
이와 같이 제작된 윈도우 캡(130)은 센서 어레이가 배치되는 소자 웨이퍼와 진공 하에서 금속 접합한 후에 각 센서 어레이 칩별로 다이싱 공정을 통해 적외선 검출기로 제작될 수 있다. 한편, 윈도우 캡(130)과 소자 웨이퍼가 접합되는 과정에서 발생되는 가스는 윈도우 캡(130) 내에 마련된 게터(132)에 의해 흡수되어 윈도우 캡 내의 진공도를 높일 수 있다.
다른 한편으로, 도 6을 참고하면, 600 ~ 1000㎛ 두께의 Si 웨이퍼(160) 상에 마스크 패터닝을 하며, DRIE를 이용하여 500 ~ 800㎛ 식각하여 500 ~ 700㎛ 두께(D)의 바(bar) 또는 스페이서(spacer)를 마련한다.
다음으로 8 ~ 12㎛ 파장을 투과하는 무반사 코팅층과 게터가 증착되고 금속 패터닝되어 준비된 약 500㎛~ 2㎜ 두께를 갖는 윈도우 웨이퍼(170)와, 식각 공정을 거친 Si 웨이퍼(160)를 접합한 후에, 후면 연마를 거쳐서 윈도우 웨이퍼(170)에 스페이서(161)를 마련한다.
이와 같이 준비된 윈도우 웨이퍼(170)는 진공챔버(190) 내에서 소자 웨이퍼(180)와 접합된 후에 밀봉이 이루어진 각 센서 어레이 칩별로 다이싱 공정을 통하여 적외선 검출기로 제작될 수가 있다.
앞서도 설명한 바와 같이 윈도우 웨이퍼와 소자 웨이퍼를 접합한 후에 내부에서 발생하는 미세가스를 펌핑하는 박막 게터에 의해 패키지의 진공도를 높이며, 장기간(약 10년 이상) 진공도를 10-2 torr 이하로 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 적외선 검출기의 제조방법은 웨이퍼 레벨에서 소자 웨이퍼와 윈도우 캡을 진공 접합한 후에 개별 칩으로 다이싱하여 적외선 검출기를 제작하게 됨으로써, 종래의 개별 검출소자 칩으로 다이싱된 후에 패키징이 이루어지는 것과 비교하여 생산성과 수율을 높일 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 기판 120 : 센서 어레이
130 : 윈도우 캡 131 : 무반사 코팅층
132 : 게터 140 : 전극부

Claims (6)

  1. 웨이퍼 상에 신호취득회로를 집적하며, 상기 웨이퍼 상부에 다수의 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이를 배치 가공하는 제1공정과;
    진공 상태에서 상기 어레이 상부를 밀봉하기 위하여 상기 웨이퍼에 윈도우 캡을 접합하는 제2공정과;
    상기 제2공정에서 윈도우 캡 접합이 완료된 웨이퍼를 칩 단위로 다이싱하는 제3공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2공정의 상기 윈도우 캡은,
    적외선 투광성 재질의 제2웨이퍼 테두리를 따라서 접합 패드용 금속을 증착하는 공정과;
    상기 제2웨이퍼를 식각하는 공정과;
    식각이 이루어진 상기 제2웨이퍼의 표면에 무반사 코팅층과 게터층을 증착 형성하는 공정을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,상기 제2공정의 상기 윈도우 캡은,
    상기 웨이퍼와 상응하는 크기를 갖는 적외선 투과 재질의 제2웨이퍼에 무반사 코팅층과 게터층을 증착하여 윈도우 웨이퍼를 제조하는 공정과;
    상기 윈도우 웨이퍼에 스페이서를 형성하는 공정을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기의 제조방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 무반사 코팅층은 상기 제2웨이퍼의 양면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2공정에서 진공도는 10-2 torr 이하인 것을 특징으로 하는 적외선 검출기의 제조방법.
  6. 신호취득회로가 집적되는 기판과;
    상기 신호취득회로와 전기적으로 연결된 적어도 두 개 이상의 적외선 검출소자로 이루어진 센서 어레이와;
    진공의 내부 공간 내에 상기 센서 어레이가 위치하도록 상기 기판에 접합되되, 적외선에 대해 투광성을 갖는 윈도우 캡과;
    상기 윈도우 캡의 양면에 코팅되는 무반사 코팅층과;
    상기 윈도우 캡의 내측 면에 마련되어 가스를 흡착하는 게터와;
    상기 기판에 마련되어 상기 신호취득회로와 전기적으로 연결되는 전극부를 포함하는 적외선 검출기.
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