KR20130039654A - 적외선 열상 감지기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

적외선 열상 감지기 및 이를 제조하는 방법이 개시된다. 적외선 열상 감지기는, 기판과, 기판으로부터 이격되어 있으며 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하며 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 마련된 검지부를 포함한다. 열상 다리는 검지부로부터의 신호를 기판으로 전달한다.

Description

적외선 열상 감지기 및 그 제조 방법{Infrared thermal detector and method for manufacturing the same}
적외선 열상 감지기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도가 있는 물체에서 방사되는 적외선을 수광하여 이를 감지하는 적외선 열상 감지기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
임의의 온도(T)를 갖고 있는 물체는 흑체복사에 의해 특정파장에서 최대치를 나타내는 넓은 대역의 빛을 방사한다. 주위에 존재하는 상온의 물체에서 방사된 빛은 대략 10μm의 파장대역에서 최대치를 보이는 적외선을 방사하게 된다. 이와 같이 방사된 적외선이 주위와 열상 다리(thermal leg)로 연결된 열질량(thermal mass)에 입사하게 되면 온도가 증가하게 된다. 이러한 적외선 입사로 인한 온도변화로 재료의 성질에 따라 저항변화, 극성 변화, 기전력 변화, 휨 변화와 같은 특성을 얻을 수 있으며, 이를 이미지 어레이(image array)화하여 열상 이미지를 얻게 된다. 특히, 재료의 저항변화를 이용한 열상 이미지 구현방식을 볼로미터(bolometer)라 한다.
픽셀의 온도변화량을 결정하는 주요 인자는 주어진 파장대역에서의 픽셀의 평균 광흡수율과 픽셀 면적의 곱에 비례하는 입사 에너지량과 픽셀의 열질량(thermal mass) 및 열전도도(thermal conductance)가 있다.
고해상도의 높은 온도 정밀도를 갖는 열상 카메라 구현을 위해 픽셀의 소형화를 통한 VGA급 이상의 포맷(format)을 갖는 어레이가 개발되고 있다. 그러나, 이와 같은 픽셀 크기의 소형화는 픽셀 면적의 감소로 인해 입사 에너지량이 감소 및 열상 다리의 길이 감소로 인한 열전도도 증가로 인해 온도 변화량이 감소된다. 따라서, 온도 잡음지수가 증가하게 되어 현재에는 사용 파장 (~10um)의 회절한계보다 큰 크기를 갖는 픽셀이 한계로 여겨지고 있다.
국부적인 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으킬 수 있는 구조를 통해 작은 면적에 광을 집속함으로써 동일한 입사 에너지량 하에 작은 열질량 및 열전도도를 확보하여 초소형/고감도 특성을 갖는 적외선 열상 감지기 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기는, 기판과; 상기 기판으로부터 이격되어 있으며, 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하며, 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 마련된 검지부와; 상기 검지부로부터의 신호를 상기 기판으로 전달하는 열상 다리;를 포함한다.
상기 검지부는, 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하도록 패터닝된 구조를 가지는 금속층과, 금속층 하부측에 흡수된 적외선에 의한 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질을 포함하도록 마련된 열전재료층을 포함할 수 있다.
상기 검지부는, 디스크형, 고리형, 막대기형 및 막대기형을 조합한 형태를 가지도록 패터닝될 수 있다.
상기 열상 다리는 상기 열전재료층과 동일 재료로 일체로 형성될 수 있다.상기 열전재료층은 상기 금속층에 대응하는 구조로 패터닝될 수 있다.
상기 열전재료층은 평판 구조로 형성될 수 있다.
상기 열전재료층은 아몰포스 실리콘, 바나듐옥사이드 및 니켈옥사이드와 같이 온도 변화에 따라 저항치가 변하는 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속층은 금, 알루미늄, 구리, 티타늄, 백금, 은을 포함하는 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 검지부는 금속층과 열전재료층 사이에 유전체층을 더 포함할 수 있다.
상기 열상 다리는 전기적 연결이 가능한 재료로 상기 검지부와 별도로 형성될 수 있다.
상기 기판과 검지부 사이에 공기층이 존재할 수 있다.
상기 기판과 검지부 사이에 열전도를 차단하는 물질층이 존재할 수 있다.
상기 검지부나 상기 열상 다리 아래쪽 기판상에는 광이 투과하지 못하도록 하는 금속반사층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기 제조 방법은 기판을 준비하는 단계와; 열상 다리의 양단과 전기적인 연결이 이루어지는 기판 상의 금속 배선 부분에 개구를 가지는 희생층을 상기 기판 상에 형성하는 단계와; 상기 개구 및 희생층 상에 전기적 연결이 가능한 재료를 적층하고 이를 패터닝하여 금속 배선에 그 양단만이 전기적으로 연결되고, 나머지 부분은 상기 기판으로부터 이격된 열상 다리를 형성하는 단계와; 상기 열상 다리와 전기적으로 연결되게, 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하며, 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 마련된 검지부를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 열전재료층은 상기 열상 다리와 동일 재료로 상기 열상 다리 형성시 상기 열상 다리와 일체로 제조될 수 있다.
상기 희생층을 제거하여, 상기 기판과 열상 다리 사이에 공기층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 희생층은 열전도를 차단하는 물질로 형성되어, 상기 열상 다리와 기판 사이의 열전도를 차단하도록 형성될 수 있다.
상기 검지부나 상기 열상 다리 아래쪽에 해당하는 기판 상에 광이 투과하지 못하도록 형성된 금속반사층을 더 포함하며, 상기 금속반사층 형성후에 상기 희생층을 형성할 수 있다.
상기 금속반사층은 상기 금속 배선 형성시 동시에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기 및 이를 제조하는 방법에 따르면, 국부적인 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으킬 수 있는 구조를 통해 작은 면적에 광을 집속함으로써 동일한 입사 에너지량 하에 작은 열질량 및 열전도도를 확보하여 초소형/고감도 특성을 갖는 적외선 열상 감지기를 실현할 수 있다.
도 1은 적외선 열상 감지기의 개념도를 개략적으로 보여준다.
도 2는 보통의 구조인 경우와 열상 다리의 길이를 두배 증가시켰을 때의 온도 변화(△T) 차이를 비교하여 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광흡수 기술을 적용한 적외선 열상 감지기를 개략적으로 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 5는 도 3 및 도 4의 검지부를 확대하여 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기에서의 검지부의 다른 예를 개략적으로 보여준다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 열상 감지기의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 8 내지 도 13은 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기를 제조하는 방법을 보여준다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 열상 감지기의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 1은 적외선 열상 감지기의 개념도를 개략적으로 보여준다. 방사된 적외선광이 주위와 열상 다리(thermal leg:3)로 연결된 열질량(thermal mass:1) 즉, 검지부에 입사하게 되면 열질량의 온도가 증가하게 된다. 이 온도 변화(△T)는 평형상태에서 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, ε은 광흡수율, Φ0는 입사되는 적외선광 방사 플럭스, Ad는 열질량(1)의 검지면적, Gth는 열상 다리(3)의 열전도도, ω는 검지기에서 신호를 받아들이는 주파수, Cth는 열질량(1)의 열용량을 나타낸다.
수학식 1로부터 적외선 열상 감지 효율을 좋게 하기 위해서는, 열상 다리의 열전도도(Gth) 및 열질량의 열용량(Cth)을 작게 하고 입사 에너지량(Φ0) 및 검지부 면적(Ad)을 크게 하는 것이 필요함을 알 수 있다.
도 2는 보통의 구조인 경우와 열상 다리의 길이를 두배 증가시켰을 때의 온도 변화(△T) 차이를 비교하여 보여준다. 도 2에서 가로축은 픽셀 크기(단위 μm), 세로축은 온도 변화(△T)를 보여준다. 도 2에서 가로축과 세로축의 수치값은 절대적인 의미가 있는 것으로 한정되지는 않는다. 동일 픽셀 크기 하에서, 열상 다리의 길이를 두 배 증가시켰을 때가, 온도 변화(△T)가 더 큼을 알 수 있다. 아울러, 픽셀 크기가 커질수록 온도 변화(△T)가 커지게 됨을 알 수 있다.
그런데, 고해상도의 높은 온도 정밀도를 갖는 열상 카메라 등을 구현하기 위해 픽셀을 소형화하면, 픽셀 면적 감소로 인해 입사에너지량이 감소할 뿐만 아니라, 열상 다리 길이의 감소로 인해 열전도도도 증가하게 되어, 온도 변화량의 감소로 이어지게 된다. 따라서, 온도 잡음지수가 증가하게 되어 사용파장 대략 10μm 정도의 회절 한계(diffraction limit)보다 큰 크기를 갖는 픽셀 예를 들어, 약 17μm 정도의 크기를 갖는 픽셀이 한계로 여겨지고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기에 따르면, 국부적인 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance:LSPR) 현상을 일으킬 수 있는 구조를 통해, 작은 면적에 광을 집속함으로써 동일한 입사에너지량 하에서 작은 열질량 및 열전도도를 확보하여 초소형/고감도 특성을 가지는 적외선 열상 감지기를 구현할 수 있다.
국부적인 표면 플라즈몬 공명을 이용한 소자들은 나노 광학(nano optics) 분야에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 국부적인 표면 플라즈몬 공면 현상을 이용한 완벽에 가까운 흡수 현상은, 패터닝된 금속층/열전재료층/패터닝된 금속층 또는 평평한 금속층 형태로 적층 구조를 형성하면서, 사용하는 금속의 재료 및 형태 조절을 통해 입사광과의 전기적인 커플링(electric coupling)을 조절하고, 열전재료층 재료의 종류 및 두께 조절 등을 통해 입사광과의 자기적인 커플링(magnetic coupling)을 조절함으로써, 입사광의 투과 및 반사를 최대로 억제하여 구현할 수 있다. 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광흡수의 경우, 광학적인 크로스 단면적이 넓어, 작은 구조물에서 넓은 영역의 광을 흡수하는 것이 가능하며, 국부적인 표면 플라즈몬 공명 현상을 통한 입사광과 금속 구조물과의 커플링이 발생하게 되면, 매우 좁은 영역에 광이 집중 되므로, 열질량을 기존 대비 크게 줄일 수 있다. 예를 들어, 열질량을 기존대비 대략 1/5 이하로 줄일 수 있다. 이에 따라 열상 다리를 길게 제작할 수 있는 물리적 공간을 확보할 수 있으므로, 열전도도를 예를 들어, 대략 1/5 이하로 줄일 수 있는 구조를 확보할 수 있다.
이러한 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 이용한 흡수 기술을 적용하면, 적외선 열상 감지기에서 현재의 최소 픽셀을 갖는 기술 대비 예컨대, 대략 50% 이하의 픽셀 크기에서 동일한 온도 변화량을 확보할 수 있으며, 기존과 동일한 픽셀 크기에서는 예를 들어, 대략 3배 이상의 온도 변화량을 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광흡수 기술을 적용한 적외선 열상 감지기를 개략적으로 보여준다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기의 단면도를 개략적으로 보여준다. 도 3에서는 도시의 명확성을 위해 편의상 기판의 도시를 생략하였다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기(10)는, 기판(20)과, 검지부(30)와, 열상 다리(50)를 포함한다. 검지부(30)는 기판(20)으로부터 이격되어 있으며, 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하며, 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 마련된다. 상기 열상 다리(50)는 검지부(30)로부터의 온도 변화로부터 얻어지는 신호를 기판(20)으로 전달하도록 마련된다.
상기 기판(20)에는 판독 회로(read-out IC:미도시)가 마련될 수 있다. 이 기판(20)에는 열상 다리(50)와 기판(20)의 판독 회로와의 전기적인 연결을 위한 금속 배선(21)이 형성될 수 있다.
도 5는 도 3 및 도 4의 검지부(30)를 확대하여 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 검지부(30)는 입사되는 적외선광(IR)을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하도록 패터닝된 구조를 가지는 금속층(31) 및 그 하부측에 마련된 열전재료층(35)을 포함하는 층구조를 가진다. 입사되는 적외선광(IR)에 의해 금속층(31)을 포함하는 구조물에서 국부적인 표면 플라즈몬 공명이 일어나고 이에 의해 적외선광(IR)이 흡수되게 된다. 열전재료층(35)은 적외선광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명에 의해 흡수함에 따른 검지부의 온도 변화를 저항 변화로 나타내도록 마련된다. 즉, 열전재료층(35)은 흡수된 적외선에 의한 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질을 포함하도록 형성될 수 있다.상기 금속층(31)은, 금, 알루미늄, 구리, 티타늄, 백금, 은을 포함하는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 금속층(31)은 입사되는 적외선광(IR)에 의해 국부적인 표면 플라즈몬 공명이 일어나, 적외선광을 흡수하도록 패터닝된 구조를 가진다. 이러한 국부적인 표면 플라즈몬 공명에 의해 적외선광을 흡수하도록, 공명이 발생하는 금속층(31) 구조물의 길이 혹은 폭은 입사되는 적외선광의 파장 에 대해, 대략적으로 λ/2 이하의 크기를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 열전재료층(35)은 흡수된 적외선에 의한 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질을 포함하도록 형성될 수 있다. 즉, 열전재료층(35)은 서미스터 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 열전재료층(35)은 아몰포스 실리콘, 바나듐 옥사이드 및 니켈 옥사이드등과 같이 온도 변화에 따라 저항치가 변하는 재료를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 이와 같이 열전재료층(35)을 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질로 형성하는 경우, 금속층(31) 에서 입사되는 적외선광(IR)을 국부적인 표면 플라즈몬 공명에 의해 흡수하여 얻어지는 온도 변화가 열전재료층(35)에서 저항 변화로 나타난다. 이러한 저항 변화에 따른 신호는 열상 다리(50)를 통해 기판(20)에 마련된 판독 회로로 전달되게 된다.
한편, 상기 검지부(30)는 디스크형, 고리형, 막대기형 및 막대기형을 조합한 형태를 가지도록 패터닝될 수 있다.
즉, 금속층(31)은 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 입사되는 적외선 광을 흡수하도록 패터닝된 구조를 가지며, 열전재료층(35)은 금속층(31)에 대응되는 구조로 패터닝될 수 있다. 여기서, 열전재료층(35)은 금속층과 동일한 구조이면서, 그 크기는 동일하거나 다를 수 있다.
예를 들어, 도 3 내지 도 5에서와 같이, 검지부(30)는 고리형 구조로 형성될 수 있다. 즉, 금속층(31)은 고리형 구조로 형성되고, 열전재료층(35)도 이에 대응되는 고려형 구조로 형성될 수 있다. 도 3 내지 도 5에서는 열전재료층(35)이 금속층(31)보다 넓은 형태의 고리형 구조를 가지는 경우를 보여주는데, 열전재료층(35)은 금속층(31)과 동일 크기로 형성되거나 작게 형성될 수도 있다.
검지부(30)는 도 6에서와 같이 막대기형 구조나, 막대기형 구조의 조합으로 형성될 수도 있다.
검지부(30)는 디스크형으로 형성될 수도 있다. 또한, 검지부(30)는 금속층(31)을 고리형이나 막대기형, 막대기형을 조합한 형태로 형성되고, 열전재료층(35)을 디스크형 등의 평판 구조로 형성될 수도 있다. 도 14는 검지부(30)의 금속층(31)을 고리형으로 형성하고, 열전재료층(35)은 디스크형 등의 평판 구조로 형성한 예를 보여준다.
여기서, 검지부(30)는 금속층(31)과 열전재료층(35) 사이에 도 15에서와 같이 유전체층(135)을 더 구비할 수도 있다. 도 15에서와 같이 유전체층(135)을 더 포함하는 경우, 금속층(31)과 유전체층(135) 사이의 계면(133)에서도 표면 플라즈몬 공명에 의해 흡수가 일어나게 된다. 도 15에서는 유전체층(135)을 더 구비하는 검지부(30)가 고리형인 예를 보여준다. 검지부(30)가 유전체층(135)을 더 구비하는 경우에도, 전술한 바와 같이 검지부(30)는 다양한 형태를 가질 수 있다.
한편, 상기 열상 다리(50)는 검지부(30)로부터의 저항 변화에 따른 신호를 기판(20)의 판독 회로로 전달하는 역할을 하는 동시에, 검지부(30)의 열이 열상 다리(50)를 통해 기판(20)으로 전달되지 않으면서 검지부(30)에 남아 있는 열을 빠른 시간 내에 충분히 제거할 수 있도록 마련된다. 도 3 및 도 4에서와 같이, 열상 다리(50)는 정해진 면적내에서 열상 다리(50)의 길이를 최대화하도록 패터닝된 형태로 형성될 수 있다.
열상 다리(50)는 정해진 면적내에서 그 길이가 최대화되도록 예를 들어, 도 3에 보여진 바와 같이, 중심으로부터 거리가 다른 복수의 반고리(51)와, 반고리(51) 사이를 연결하는 제1연결부(53)를 포함하는 구조를 가지며, 반고리(51) 및 제1연결부(53)를 포함하는 구조 한쌍이 검지부(30)를 중심으로 서로 대향되게 배치되도록 마련될 수 있다. 검지부(30)의 열전재료층(35)과 열상 다리(50)의 최내측의 반고리는 제2연결부(55)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 열상 다리(50)는 패터닝에 의해 제1 및 제2연결부(53)(55)와 반고리(51)를 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 최외측의 반고리는 포스트(23)에 전기적으로 연결되도록 연장되는 구조로 패터닝될 수 있다.
상기 열상 다리(50)의 양단과 기판(20)에 형성된 금속 배선(21)을 전기적으로 연결하는 부분은, 열상 다리(50)를 기판(20)에 대해 이격되게 지지하도록 포스트(23) 형태로 형성될 수 있다. 이 포스트(23)는 열상 다리(50)와 동일 재질로 열상 다리(50) 형성 단계에서 형성될 수 있다. 또한, 이 포스트(23)는 열상 다리(50)와 다른 재질로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 열상 다리(50)는 상기 열전재료층(35)과 동일 재료로 일체로 형성될 수 있다. 즉, 열상 다리(50) 및 열전재료층(35)는 동일 공정 단계에서 동일 재료로 형성될 수 있다.
다른 예로서, 상기 열상 다리(50)는 전기적 연결이 가능한 재료로 상기 검지부(30)와 별도로 형성될 수 있다. 즉, 열상 다리(50)는 열전재료층(35)과 다른 재료로 다른 공정 단계에서, 열전재료층(35)과 전기적으로 연결되게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 열상 다리(50)는 상기 열전재료층(35)과 적층되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기(10)는 상기와 같은 검지부(30) 및 열상 다리(50)가 형성된 구조의 2차원 어레이를 구비하여, 2차원 픽셀 배열을 갖는 적외선 열상 감지기 예컨대, 적외선 열상 카메라로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기(10)에 따르면, 검지부(30)의 크기를 작게 하는 것이 가능하므로, 정해진 크기의 한 픽셀 면적내에서 기존에 비해 열상 다리(50)가 차지하는 면적을 보다 크게 할 수 있어, 열상 다리(50)의 길이를 길게 할 수 있다.
따라서, 검지부(30)는, 금속층(31)을 포함하는 구조에 의해 입사되는 적외선광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명에 의해 흡수하므로, 검지부(30)의 크기를 적외선 파장 보다 최소한 몇 배 더 작은 크기로 형성할 수 있어, 열상 다리(50)를 보다 길게 형성하면서도 픽셀 크기는 작게 하는 것이 가능하게 된다. 이와 같이, 검지부(30)의 크기를 작게 함으로써, 열질량(thermal mass)을 작게 할 수 있으며, 열상 다리(50)를 보다 길게 함으로써 열전도도도 작게 할 수 있어, 동일한 입사 에너지량 하에서 작은 열질량 및 열전도도를 확보하여, 초소형/고감도 특성을 가지는 적외선 열상 감지기를 실현할 수 있다. 이때, 픽셀 크기를 기존에 비해 크게 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기(10)는 도 4에서와 같이, 검지부(30)에서 흡수된 적외선에 의해 발생된 열이 기판(20)으로 바로 전달되는 것을 차단하도록, 기판(20)과 검지부(30) 사이에 공기층(60)이 존재하도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기(10)는 도 7에서와 같이, 기판(20)과 검지부(30) 사이에 열전도를 차단하는 물질층(70)이 존재하도록 구성될 수도 있다. 이 물질층(70)은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기 제조방법에서의 희생층에 해당할 수 있다. 즉, 도 4는 희생층을 제거한 구조에 해당할 수 있으며, 도 7은 희생층을 남겨준 구조에 해당할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기(10)는 검지부(30)나 열상 다리(50) 아래쪽 기판(20) 상에 광이 투과하지 못하도록 하는 금속 반사층(25)을 더 포함 할 수 있다. 기판(20)에는 열상 다리(50)와 기판(20)에 마련된 판독 회로를 전기적으로 연결하기 위한 금속 배선(21)이 형성되는데, 금속 반사층(25)은 금속 배선(21) 형성시 금속 배선(21)과 동일 재질로 동시에 형성될 수 있다. 또한, 금속 반사층(25)은 금속 배선(21)과는 다른 재질로 형성될 수도 있다. 금속 반사층(25)은 패턴된 형태로 형성될 수도 있다.
이하에서는, 도 8 내지 도 13을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열상 감지기(10)를 제조하는 방법을 설명한다.
먼저, 기판(20)을 준비한다. 그리고 이 준비된 기판(20) 상에 이 기판(20)으로부터 이격되며 그 양단만이 기판(20)에 전기적으로 연결되는 구조로 열상 다리(50)를 형성한다. 그리고 형성된 열상 다리(50)에 전기적으로 연결되게 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하며, 흡수된 적외선에 의한 온도 변환에 따라 저항값이 변하도록 마련된 검지부(30)를 형성한다.
도 8을 참조하면, 기판(20)에는 판독 회로(미도시)와 열상 다리(50)와의 전기적인 연결을 위한 금속 배선(21)이 마련되고 검지부(30)나 열상 다리(50) 아래에 해당하는 부분에 금속 반사층(25)이 마련될 수 있다. 금속 배선(21)과 금속 반사층(25)은 동일 재질 또는 서로 다른 재질로 형성될 수 있다. 상기 금속 반사층(25)은 검지부(30)나 열상 다리(50) 아래쪽에 해당하는 기판(20) 상에 광이 투과하지 못하도록 형성된다. 이 금속 반사층(25)은 평평한 구조이거나 패터닝된 구조로 형성될 수 있다. 상기 금속 반사층(25)은 금속 배선(21) 형성시 동시에 형성될 수도 있다.
기판(20)으로부터 이격되며 그 양단만이 기판(20) 상의 금속 배선(21)에 전기적으로 연결되는 구조로 열상 다리(50)를 형성하기 위하여, 먼저, 도 9에서와 같이, 준비된 기판(20) 상의 금속 배선(21)과 열상 다리(50)의 연결 부분에 개구(100a)를 가지는 희생층(100)을 형성한다. 금속 반사층(25)을 구비하는 구조인 경우, 금속 반사층(25) 형성 이후에 희생층(100)을 형성할 수 있다. 이 희생층(100)은 검지부(30) 형성후에 제거될 수 있다. 이 경우, 기판(20)과 열상 다리(50) 사이에 공기층(60)이 존재하게 된다. 다른 예로서, 희생층(100)을 열전도를 차단하는 물질로 형성하여 이 희생층(100)이 도 7에서의 열상 다리(50)와 기판(20) 사이의 열전도를 차단하는 물질층(70)으로 사용되도록 할 수 있다. 여기서는 희생층(100)을 제거하는 경우를 예를 들어 설명한다.
다음으로, 도 10에서와 같이, 개구(100a) 및 희생층(100) 상에 전기적 연결이 가능한 재료로 된 층(200) 즉, 열상 다리(50)를 구성하는 층을 적층한다.
그런 다음, 도 11 및 도 12에서와 같이, 상기 층(200)을 패터닝하여 금속 배선(21)에 그 양단만이 전기적으로 연결되고, 나머지 부분은 기판(20)으로부터 이격된 열상 다리(50)를 형성한다.
도 11 및 도 12에서는, 열전재료층(35)을 열상 다리(50)와 동일 재료로 일체로 열상 다리(50) 형성시 동일 공정 단계에서 열상 다리(50)와 일체로 형성하는 예를 보여준다. 또한, 도 11 및 도 12에서는 상기 층(200) 상에 검지부(30)의 패터닝된 금속층(31)을 먼저 형성하고, 이 금속층(31)을 기준으로 금속층 하부측의 열전재료층(35) 및 열상 다리(50)를 동일 재료로 일체로 된 구성으로 형성하는 예를 보여준다. 열전재료층(35) 및 열상 다리(50)를 먼저 패터닝하여 형성한 후, 열전재료층(35) 상의 적정 위치상에 금속층(31)을 형성할 수도 있다. 검지부(30)는 금속층(31)과 열전재료층(35)을 포함하며, 금속층(31)은 입사되는 적외선광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하도록 패터닝된 구조로 형성될 수 있다. 상기 금속층(31)은 금, 알루미늄, 구리, 티타늄, 백금, 은을 포함하는 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 열전재료층(35)은 흡수된 적외선에 의한 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 열전재료층(35)은 아몰포스 실리콘, 바나듐옥사이드, 니켈옥사이드 등과 같이 온도 변화에 따라 저항치가 변하는 재료 중 적어도 하나를 포함하도록 형성될 수 있다. 이러한 열전재료층(35)을 이루는 재질은 전기적 연결이 가능한 재료로서 또한 열상 다리(50)를 구성한다. 따라서, 이러한 재질을 사용하여 열전재료층(35)과 열상 다리를 동일 공정 단계에서 일체로 형성할 수 있다. 상기 열전재료층(35)은 금속층(31)에 대응하는 구조로 패터닝될 수 있다. 다른 예로서, 상기 열전재료층(35)은 도 14에서와 같이 평판 구조로 형성될 수도 있다.
여기서는 검지부(30)가 고리형으로 형성된 예를 보여주는데, 이 검지부(30)는 전술한 바와 같이, 디스크형, 고리형, 막대기형 및 막대기형을 조합한 형태로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 층(200)이 희생층(100)의 개구(100a)를 채우는 부분이 전술한 포스트(23)에 해당한다. 포스트(23)는 그 상단의 열상 다리(50)와 같은 높이에 형성된 두께 부분까지도 포함하는 것으로 간주될 수 있다.
다음으로, 도 13에서와 같이, 희생층(100)을 제거하여, 기판(20)과 열상 다리(50) 사이에 공기층(60)이 존재하도록 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 희생층(100)을 열전도를 차단하는 물질로 형성하는 경우, 이 희생층(100)을 그대로 두어 도 7에서와 같은 열전도를 차단하는 물질층(70)을 가지는 구조의 적외선 열상 감지기(10)를 구현할 수도 있다.

Claims (29)

  1. 기판과;
    상기 기판으로부터 이격되어 있으며, 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하며, 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 마련된 검지부와;
    상기 검지부로부터의 신호를 상기 기판으로 전달하는 열상 다리;를 포함하는 적외선 열상 감지기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검지부는,
    입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하도록 패터닝된 구조를 가지는 금속층과
    상기 금속층 하부측에 흡수된 적외선에 의한 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질을 포함하도록 마련된 열전재료층을 포함하는 적외선 열상 감지기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 검지부는, 디스크형, 고리형, 막대기형 및 막대기형을 조합한 형태를 가지도록 패터닝된 적외선 열상 감지기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 열상 다리는 상기 열전재료층과 동일 재료로 일체로 형성되거나, 상기 열전재료층과 이종 재료로 적층되어 형성되는 적외선 열상 감지기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열전재료층은, 상기 금속층에 대응되는 구조로 패터닝된 적외선 열상 감지기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 열전재료층은, 평판 구조로 형성된 적외선 열상 감지기.
  7. 제2항에 있어서, 상기 열전재료층은 아몰포스 실리콘, 바나듐옥사이드 및 니켈옥사이드 중 적어도 하나의 온도변화에 따라 저항치가 변화는 재료를 포함하는 적외선 열상 감지기.
  8. 제2항에 있어서, 상기 금속층은 금, 알루미늄, 구리, 티타늄을 포함하는 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 적외선 열상 감지기.
  9. 제2항에 있어서, 상기 검지부는, 상기 금속층과 열전재료층 사이에 유전체층을 더 포함하는 적외선 열상 감지기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열상 다리는 전기적 연결이 가능한 재료로 상기 검지부와 별도로 형성되는 적외선 열상 감지기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열상 다리는 중심으로부터 거리가 다른 복수의 반고리와, 반고리 사이를 연결하는 제1연결부를 포함하는 구조를 가지는 적외선 열상 감지기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 열상 다리는, 반고리 및제1연결부를 포함하는 구조 한쌍이 검지부를 중심으로 서로 대향되게 배치되도록 마련되는 적외선 열상 감지기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 기판과 검지부 사이에 공기층이 존재하는 적외선 열상 감지기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기판과 검지부 사이에 열전도를 차단하는 물질층이 존재하는 적외선 열상 감지기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 검지부나 상기 열상 다리 아래쪽 기판상에는 광이 투과하지 못하도록 하는 금속반사층을 더 포함하는 적외선 열상 감지기.
  16. 기판을 준비하는 단계와
    열상 다리의 양단과 전기적인 연결이 이루어지는 기판 상의 금속 배선 부분에 개구를 가지는 희생층을 상기 기판 상에 형성하는 단계와
    상기 개구 및 희생층 상에 전기적 연결이 가능한 재료를 적층하고 이를 패터닝하여 상기 금속 배선에 그 양단만이 전기적으로 연결되고, 나머지 부분은 상기 기판으로부터 이격된 열상 다리를 형성하는 단계와
    상기 열상 다리와 전기적으로 연결되게, 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하며, 흡수된 적외선에 의한 온도 변화에 따라 저항값이 변하도록 마련된 검지부를 형성하는 단계를 포함하는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 검지부는, 입사되는 적외선 광을 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통해 흡수하도록 패터닝된 구조를 가지는 금속층과
    상기 금속층 하부측에 흡수된 적외선에 의한 온도 변화를 저항 변화로 바꾸는 물질을 포함하도록 마련된 열전재료층을 포함하는 적외선열상 감지기 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 검지부는, 디스크형, 고리형, 막대기형 및 막대기형을 조합한 형태를 가지도록 형성되는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 열상 다리는, 상기 열상재료층과 동일 재료로 일체로 형성되거나, 상기 열전재료층과 이종 재료로 적층되어 형성되는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 열전재료층은, 상기 금속층에 대응되는 구조로 패터닝되는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서, 열전재료층은 평판 구조로 형성되는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 열전재료층은 아몰포스 실리콘, 바나듐옥사이드, 니켈옥사이드 중 적어도 하나의 온도변화에 따라 저항치가 변하는 재료를 포함하는 적외선 열상 감지기제조 방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 금속층은 금, 알루미늄, 구리, 티타늄, 백금, 은을 포함하는 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  24. 제16항에 있어서, 상기 희생층을 제거하여, 상기 기판과 열상 다리 사이에 공기층을 형성하는 단계를 더 포함하는 적외선 열상 감지기제조 방법.
  25. 제16항에 있어서, 상기 희생층은 열전도를 차단하는 물질로 형성되어, 상기 열상 다리와 기판 사이의 열전도를 차단하도록 된 적외선열상 감지기 제조 방법.
  26. 제14항에 있어서, 상기 열상 다리는 중심으로부터 거리가 다른 복수의 반고리와, 반고리 사이를 연결하는 제1연결부를 포함하는 구조를 가지는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 열상 다리는, 반고리 및제1연결부를 포함하는 구조 한쌍이 검지부를 중심으로 서로 대향되게 배치되도록 마련되는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  28. 제16항에 있어서, 상기 검지부나 상기 열상 다리 아래쪽에 해당하는 기판 상에 광이 투과하지 못하도록 형성된 금속반사층을 더 포함하며,
    상기 금속반사층 형성후에 상기 희생층을 형성하는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 금속반사층은, 상기 금속 배선 형성시 동시에 형성되는 적외선 열상 감지기 제조 방법.
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