KR20150052809A - 적외선 에미터 및 비분산 적외선 센서 - Google Patents
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Abstract
적외선(IR) 소오스가 실리콘 기판에 의해 지지되는 유전체 멤브레인 상에 내장된 적어도 하나의 층으로 만들어진 CMOS 금속층을 포함하는 미세-열판 소자의 형태로 제공된다. 상기 소자는 후면 식각 단계가 후행되는 CMOS 공정으로 형성된다. 상기 소자는 고온(따라서 더 높은 방사)을 얻을 수 있는 미세가공된 적외선 소오스를 제공하고, 동시에 상업적인 CMOS 공정들에 의해 제조될 수 있기 때문에 종래 소자들의 상태에 비해 낮은 제조 비용, 높은 재현성 및 신뢰성을 가지며, 모노리식 집적회로의 가능성을 제공한다는 장점이 있다. 또한 상기 소자는 동일 칩 상에 적외선 검출기와 집적될 수 있고, 완전한 NDIR 센서를 형성하기 위해 패키지될 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로칩 상에 제조된 미세-열판(micro-hotplate)을 사용하는 열 적외선(thermal Infra-Red(IR)) 소오스에 관한 것이다. 또한 본 발명은 비분산 적외선(NDIR) 센서를 만들기 위해 상기 IR 소오스와 IR 검출기를 집적화하는 것에 관한 것이다.
기판의 일부를 식각함으로써 형성된 (전기적 절연층들로 만들어진) 얇은 멤브레인층(membrane layer) 내에 형성된 마이크로-히터로 구성되는 실리콘 기판 상에 열적외선 소오스를 제조하는 것이 알려져 있다. 이러한 소자들은 적외선 소오스들/에미터들로써 사용하기 위해 저전력 소비량(전형적으로 수 mW에서 수백 mW)을 갖는 열(예를 들어, 600℃)을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, Parameswaran 등의 자료 "Micro-machined thermal emitter from a commercial CMOS process"(IEEE EDL 1991)은 히터를 매달기 위해 측부 식각되어 전력 소비량을 감소시킨 CMOS 기술에서 이루어진 IR 응용들을 위한 폴리실리콘 히터를 보고하고 있다.
유사하게, D.Bauer 등의 자료 "Design and fabrication of a thermal infrared emitter"(Sens & Act A 1996)도 또한 상기 소자가 CMOS 공정으로 제조될 것으로 예상되지 않지만 매달린 폴리실리콘 히터를 사용하는 IR 소오스를 서술하고 있다. 더구나, 웨이퍼 결합이 진공에서 상기 히터를 캡슐화시키도록 사용된다(이것은 추가의 제조 단계들을 부가하며, 제조 비용을 증가시킨다).
Muller 등에 의한 특허 US5285131 및 Rogne 등에 의한 특허 US2008/0272389는 모두 폴리실리콘 히터를 사용하는 유사한 소자들을 서술하고 있다.
San 등의 자료 "A silicon micromachined infrared emitter based on SOI wafer"(Proc of SPIE 2007)은 상기 멤브레인을 형성하기 위해 히터로써의 폴리실리콘과 DRIE를 사용하는 SOI 기판으로부터 제조된 IR 에미터를 서술하고 있다.
모든 이들 설계들에서 폴리실리콘의 사용은 400℃ 이상의 높은 온도에서 폴리실리콘 저항이 드리프트함에 따라 상기 소자의 안정성을 감소시킨다.
Yuasa 등의 자료 "Single Crystal Silicon Micromachined Pulsed Infrared Light Source"(Transducers 1997)은 매달린(suspended) 보론 도핑된 단결정 실리콘 히터를 사용하는 적외선 에미터를 서술하고 있다.
Watanabe는 특허 EP2056337에서 IR 소오스로써 매달린 실리콘 필라멘트를 서술하고 있다. 상기 소자는 제2 기판을 결합함으로써 진공으로 밀봉되어 있다. 상기 소자는 CMOS 공정으로 제조되어 질 것으로 예상되지는 않으며, 또한 상기 소자의 구조는 CMOS 공정으로 제조되어 지는 그 자체로 제공되지 않는다.
Cole 등의 자료 "Monolithic Two-Dimensional Arrays of Micromachined Microstructures for infrared Applications"(proc of IEEE 1998)는 CMOS 소자의 상부 상의 IR 소오스를 서술하고 있다. 이들 IR 소오스들은 상당한 포스트-CMOS 공정 후에 제조된 매달린 마이크로-히터로 구성된다. 이러한 잉여의 공정 단계들은 상기 소자의 제조 비용을 증가시킨다.
Hildenbrand 등의 자료 "Micromachined Mid-Infrared Emitter for Fast Transient Temperature Operation for Optical Gas Sensing Systems"(IEEE Sensor 2008 Conference)는 IR 응용들을 위한 매달린 멤브레인 상의 백금 히터를 보고하고 있다. 그러나 백금은 그것이 깊은 도펀트 역할을 하며, 다른 CMOMS 공정 단계들을 오염시킬 수 있기 때문에 CMOS와 양립될 수 없으며, CMOS 공장들에서의 그 사용이 금지된다.
유사하게, Ji 등의 자료 "A MEMS IR Thermal Source For NDIR Gas Sensors"(IEEE 2006) 및 Barritault 등의 자료 "Mid-IR source based on a free-standing microhotplate for autonomous CO2 sensing in indoor applications"(Sensor & Actuators A 2011)은 백금 히터에 기반한 미세 기계가공된 IR 소오스를 서술하고 있다. Weber 등의 자료 "Improved design for fast modulating IR source"는 양자 모두 백금 히터와, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 층들을 사용하는 IR 소오스를 위한 매달린(suspended) 뿐만 아니라 폐쇄된(closed) 멤브레인 디자인들을 서술하고 있다.
Spannhake 등의 자료 "High-temperature MEMS Heater Platforms : Long-term Performance of Metal and Semiconductor Heater Materials"(Sensors 2006)는 백금 또는 안티몬 중의 어느 하나가 도핑된 TiN 산화물 히터들에 기반한 미세-열판을 서술하고 있다.
이미 언급한 바와 같이, 백금은 CMOS 공정들과 양립될 수 없으며, 그래서 이들 소자들은 CMOS 공정으로 제조될 수 없다. 이것은 제조 비용을 증가시키며, 회로가 상기 소자와 같이 제조될 수 없다는 것을 의미한다.
Tu 등의 자료 "Micromachined, silicon filament light source for spectrophotometric microsystems"(Applied Optics, 2002)는 SOI 멤브레인 상의 단결정 실리콘 히터들을 채용하는 광원의 디자인을 보여준다. 그러나 매달린 필라멘트들은 전체 멤브레인보다 낮은 기계적 안정성을 갖는다.
Syllaios 등의 특허 US6297511은 티타늄, 텅스텐, 니켈, 단결정 실리콘 또는 폴리실리콘과 같은 여러 가지 물질들로 이루어질 수 있는 저항성 히터와 함께 매달린 멤브레인 상에 만들어진 IR 에미터를 서술하고 있다. Bloomberg 등의 특허 US5500569, US5644676, US5827438은 폴리실리콘 또는 금속(텅스텐, 탄탈륨, 티타늄-텅스텐 합금, 몰리브데늄과 같은) 히터들을 갖는 IR 소오스들을 보고하고 있다. 그러나, 이들 소자들은 CMOS 공정을 사용하여 제조될 것으로 예상되지 않는다.
Pollien 등에 의한 WO 02/080620은 미세-열판들에서 히터 물질로써 금속 실리사이드들을 사용하는 것을 제안하고 있다. 상기 실리사이드는 탄탈륨, 질코늄, 텅스텐, 몰리브데늄, 니오븀 및 하프늄의 실리사이드들로부터, 다결정 구조를 갖는 것으로 언급되고 있다. IR 소오스들로써 이러한 소자들의 사용 가능성이 언급되고 있다. 그러나 금속 실리사이드들은 상업적인 CMOS 공정들에서 사용되는 표준 물질들은 아니다. 표준 CMOS 공정에 의해 미세-열판들을 제조하는 것에 대한 장점들이 주어졌지만, 금속 실리사이드들이 CMOS 공정들에서 발견되는 물질이 아니라는 점을 고려하면, 이것이 어떻게 얻어질 수 있는 지에 대하여 어떠한 언급도 이루어지지 않았다. 부가적으로 CMOS 공정에 대하여 언급이 없었던 것은 상기 특허의 청구항들에서 이루어졌다.
또한 실리콘 기술에서 IR 검출기들을 제조하는 것이 공지되어 있다, Kim 등의 자료 "A new uncooled thermal infrared detector using silicon diode"(Sens & Act A 89(2001) 22-27)은 IR 검출기로써 사용을 위한 다이오드를 서술하고 있다. Eminoglu 등의 자료 "Low-cost uncooled infrared detectors in CMOS process"(Sens & Act A 109(2003) 102-113)은 CMOS 공정으로 제조된 미세-브릿지 멤브레인 상의 다이오드들을 사용하는 IR 검출기를 서술하고 있다. A.Graf 등의 자료 "Review of micromachined thermopilers for infrared detection"(Meas. Sci. Technol. 18(2007) R59-R75)는 문헌에서 보고된 미세 기계가공된 IR 검출기들에 기반한 여러 가지 써모파일(thermopile)을 서술하고 있다. 또한 NDIR 센서들을 만드는 것이 공지되어 있으며, 예를 들어 Fordl 및 Tille의 자료 "A High-Precision NDIR CO2 gas sensor for automotive applications"(IEEE Sensors Journal vol 6 No.6 2006) 및 Cutler 등의 특허 US2007/0102639는 IR 소오스로써의 필라멘트 전구와 써모파일 기반 IR 검출기로 구성된 전형적인 NDIR 센서들을 서술하고 있다. 상기 두 개는 가스가 반투과성 멤브레인(이것은 외부로부터 먼지와 IR 복사(radiation)를 막아준다)을 들어갈 수 있는 소형 챔버의 반대쪽 단부들에 위치한다. 타겟 가스의 농도에 의존하여, 특정한 파장의 IR 방출 량이 상기 광 경로 내에서 흡수되며, 상기 IR 검출기로부터의 측정이 상기 가스 농도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 또한 대부분의 NDIR 센서들은 그것의 파장을 흡수하는 가스를 위해 특정하게 되도록, 단지 작은 범위의 파장들이 상기 IR 검출기에 도달하는 것을 허용하기 위한 광학 필터를 갖는다.
Hodgkinson 등의 US2008/0239322, Stuttard 등의 US7244939, Doncaster 등의 US2008/0308733, Cutler 등의 US7541587과 같은 다른 특허들이 유사한 소자들을 서술하고 있다.
거의 모든 경우에서, 상기 IR 에미터 및 검출기는 함께 패키지되지만 두 개의 다른 요소들이다. 예외는 Wong에 의한 특허 US5834777이며, 여기서 상기 에미터 및 검출기는 동일한 칩이며, 상기 칩 상에 만들어진 광 경로를 갖는다. 그러나 이 경우에서, 상기 광 경로가 상기 칩 상에 있기 때문에, 상기 IR 방출이 여행하는 것은 매우 작은 거리이며, 그래서 상기 센서는 낮은 민감도를 갖는다.
본 발명이 해결하려는 과제는 종래 기술로부터 개선된 적외선 소오스 및 비분산 적외선 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 태양들이 첨부하는 청구항들에서 정리되어 있다.
하나의 실시예에서, 바람직하게는 후면 식각이 후행되는 CMOS 공정으로 제조된 유전체 멤브레인(membrane) 상에 바람직하게는 CMOS 사용가능한 금속으로부터 만들어진 저항성 히터를 포함하는 적외선(IR) 소오스가 제공된다. 상기 CMOS 금속은 적어도 하나의 텅스텐층을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 칩 상에 형성된 CMOS 기반(CMOS-based) 유전체 멤브레인 상에 저항성 히터를 포함하는 적외선 소오스가 제공되며, 적어도 하나의 텅스텐층은 상기 칩 상의 CMOS 회로에서 저항성 히터 및 내부배선 금속 모두를 형성한다. 상기 용어 "CMOS 기반(CMOS-based) 유전체 멤브레인"은 종래의 CMOS 공정 단계들의 상태를 사용하여 제조된 유전체 멤브레인을 언급하는 것으로 인식될 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, CMOS 공정을 사용하여 제조된 미세-열판이 제공된다. 상기 공정은 전자소자들을 위한 상호배선 재료로써 텅스텐을 사용하는 표준의 상업적인 CMOS 또는 SOI 공정을 사용하여 처리되는 단순한 실리콘 웨이퍼 또는 SOI 웨이퍼를 가지고 시작된다. 상기 텅스텐 상호배선 금속은 상기 소자를 위한 미세-히터를 형성하기 위해 사용된다. Ti/IiN 라이너가 상기 금속의 안정성을 향상시키기 위해 사용된다. 상기 CMOS 공정 단계는 상기 멤브레인을 형성하기 위해 후면 식각 단계가 후행된다. 이 단계는 DRIE에 의한 건식 식각 또는 KOH 또는 TMAH와 같은 습식 이방성 식각 중의 어느 것일 수 있다.
상기 멤브레인 또는 히터는 원형 또는 직사각형 형상일 수 있으며, 원형 형상은 기계적 스트레스를 감소시킬 수 있다는 부가적인 장점을 갖는다. 상기 히터는 곡류(meander), 나선, 링, 다중 링들 등과 같은 어떠한 형상일 수도 있다. 상기 소자는 상기 히터 위의 하나 이상의 금속 열 분산판들로 구성될 수도 있다. 상기 소자는 상부 금속층으로부터 형성된 금속 열 분산판을 가질 수 있으며, 이것은 보호물을 제거함으로써 노출될 수 있다. 또한 실리콘 열 분산판이 온도 균일성을 향상시키기 위해 상기 히터의 바로 아래에 제조될 수도 있다. 이것은 SOI 공정에서 활성 실리콘층을 사용하거나, 또는 후면 식각 동안에 식각되지 않는 실리콘 아일랜드를 남기기 위해 벌크 식각 전 동안에 실리콘 영역을 도핑하는 벌크 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 다이오드(예를 들어, 써모다이오드), 또는 써모트랜지스터(단락된 하나의 접합을 구비하는 npn 또는 pnp), 또는 저항성 실리콘 트랙이 상기 열 분산판 대신에 상기 히터 아래(또는 상기 히터에 인접하여) 형성될 수 있으며, 온도 센서로써 역할을 할 수 있다. 또한 상기 소자는 상기 금속층들의 하나로부터 형성된 저항성 온도 센서를 가질 수 있다. 상기 히터 그 자체는 온도 센서로써 사용될 수도 있으며, 이 경우에는 두 개의 여분의 트랙들이 4-와이어 측정을 사용하는 저항 측정을 향상시키기 위해 상기 히터에 선택적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 적외선 소오스는 함께 패키지된, DRIE에 의해 식각된 몇 개의 멤브레인들의 어레이로 구성되며, 각각 텅스텐으로 만들어진 자신의 미세-히터를 구비한다. 이것은 상기 소자들 중의 하나가 불량인 경우 리던던시를 향상시킨다. 상기 어레이의 다른 용도는 드리프트(drift)에 대한 보상을 위한 것이다. 예를 들어, 두 개의 어레이에서, 단지 하나가 정규적으로 사용될 수 있으며, 다른 하나는 단지 때때로 주 히터의 드리프트를 보정(calibrate)하기 위해서만 동작한다. 대안적으로, 단지 하나가 어떠한 주어진 시간에 동작하고, 그리하여 상기 소자의 전체 수명을 증가시키기 위해 둘 이상의 미세-열판들이 하나의 사이클에서 가동될 수 있다.
상기 어레이의 다른 사용은, 하나의 대형 멤브레인 대신에 더 작은 멤브레인들의 어레이를 가지도록 하는 것이다. 대형 멤브레인은 소형 멤브레인에 비하여 기계적으로 덜 안정적이지만, 소형 멤브레인 소자는 낮은 적외선 방사를 가질 것이다. 소형 멤브레인들의 어레이를 사용함으로써, 소형 멤브레인의 기계적 안정성이 얻어질 수 있으며, 높은 수준의 적외선 방사를 얻을 수 있다. 상기 멤브레인들을 식각하기 위해 DRIE를 사용하는 것은, 상기 멤브레인들이 함께 매우 접근하여 패키징될 수 있으며, 단일의 대형 멤브레인과 비교할 때 칩 상에 아주 작은 여분의 공간이 요구된다는 것을 의미한다. 상기 미세-히터들은 그들이 동시에 함께 구동되거나 또는 개별적으로 구동될 수 있도록 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 어레이에서 미세-열판들은 상이한 온도에서 독립적으로 구동될 수도 있다. 이것은 더 넓은 IR 방사의 스펙트럼의 결과를 가져오며, NDIR 가스 센서 시스템에서 사용될 때, 복수 개의 검출기들이 사용된다면 선택도를 향상시키는 데 도움이 될 수 있다. 대안적으로, 상기 NDIR 시스템에서의 광학은 상기 어레이에서 각 에미터를 통한 방사기 상이한 IR 필터를 통하여 통과하고 그리고 상이한 검출기들 상으로 통과하도록 설계될 수 있다. 이것은 단일의 NDIR 센서를 사용하여 하나 보다 많은 가스를 감지할 가능성을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 미세-열판은 IR 방사를 향상시키기 위해 코팅으로 피복된다. 이 코팅은 세심하게 제어된 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 폴리머들(예를 들어, 폴리이미드)과 같은 어떠한 형태일 수도 있다. 대안적으로, 카본 블랙, 카본 나노튜브, 금속 산화물들 또는 그라핀(graphene)들과 같은 재료들이 상기 미세-열판 상에서 성장 또는 퇴적될 수 있다. 이들 재료들은 높은 방사율을 가지며, 따라서 방출된 IR의 양을 향상시킨다. 높은 방사율을 갖는 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 이러한 재료들은 잉크젯 또는 나노 퇴적들에 유사한 기술들을 통하여 미세열판의 가열 영역 상으로 포스트-CMOS로 퇴적될 수 있거나, 또는 성장 동안에 열원으로써 미세-열판을 사용하여 전체 웨이퍼를 가로질러 또는 단지 국부적으로 CVD를 통하여 성장될 수 있다. 몇 개의 미세-열판들이 국부 성장을 촉진시키기 위해 상기 실리콘 웨이퍼를 가로질러 함께 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, IR 필터가 IR 소오스와 결합된다. 이것은 실리콘 또는 SOI 칩 또는 웨이퍼 상에 실리콘 이산화물 및/또는 실리콘 질화물로 구성되는 얇은 멤브레인을 형성하기 위해 후면 식각을 사용하여 이루어진다. 이 멤브레인은 IR 필터로써 역할을 할 수 있다. 상기 칩/웨이퍼는 이어서 웨이퍼 결합을 사용하여 상기 IR 소오스와 결합된다. 필터로써 역할을 하는 상기 멤브레인의 조성은 변경될 수 있으며, 다른 재료들이 원하는 바에 따라 여과 성질을 변경하기 위해 상기 멤브레인 상에 퇴적될 수 있다.
대안적으로, 상기 필터는 메쉬 형상으로 또는 점들로써 상기 실리콘 위의 상기 CMOS 금속층들을 선택적으로 식각함으로써 만들어질 수 있다. 메쉬의 크기 또는 점들의 크기 및 상기 점들 사이의 거리는 특정 파장들에서 원하는 방사를 여과하기 위해, 및/또는 특정 파장들에서 방사를 증가시키기 위해 조정될 수 있다. 상기 실리콘 위의 상기 금속층들의 식각은 CMOS 시퀀스로 이루어질 수 있으며, 따라서 부가 비용이 발생되지 않는다.
상기 방법은 IR 소오스의 어레이 상으로 웨이퍼 결합된 필터들의 어레이를 사용함으로써 어레이들과 결합될 수 있다. 각 필터는 동일한 성질을 갖거나, 또는 상이한 스펙트럼의 파장들을 허용하도록 상이한 성질을 가질 수 있다.
다른 태양은 상기 미세-열판들을 패키징하는 것이다. TO-5, TO-39, 또는 TO-46과 같은 어떠한 표준 패키징이 사용될 수 있거나, 또는 그들은 PCB 보드 상으로 직접 위치할 수 있지만, 리드들(lids)은 IR의 방사를 허용하기 위해 공동(cavity)을 갖도록 개방되어야 한다. 부가적으로, 상기 패키징은 방사의 방향을 향상시키기 위해 상기 칩의 측면들 상에 뿐만 아니라 상기 칩 아래에 IR 반사 표면들을 구비하며 이루어질 수 있다. 또한 상기 패키징은 상기 IR 소오스에 웨이퍼 결합된 또는 상기 CMOS 금속층으로 만들어진 상기 필터에 부가하여, 또는 그 대신에 필터를 포함할 수 있다.
또한 이것은 NDIR 챔버에서 직접 패키징될 수 있다. 다른 가능한 패키징 방법은 플립 칩에 의한 것이며, 여기서는 범프 본드가 본드 패드들에 적용되며, 상기 칩은 PCB 또는 패키지 상에서 뒤집혀 패키징된다. 상기 방법의 장점은 적외선이 트렌치를 통하여 방출되며, 상기 트렌치의 측벽들이 반사기로서의 역할을 한다는 것이다. 이것은 상기 빔을 보다 지향성을 갖도록 만들어준다. 반사 재료는 그들의 반사도를 향상시키도록 상기 트렌치 측벽들 상으로 퇴적될 수 있다. 대안적으로, 후면 식각은 반사도를 증진시키기 위해 상기 트렌치의 측벽들을 형상화하기 위해 여러 가지 습식 또는 건식 기술들을 사용하여 제어될 수도 있다. 상기 멤브레인 내의 부가적인 금속층들 및 상기 패키징 표면의 후면 플레이트가 또한 반사기로써 역할을 한다.
본 발명에 따르면 상기 IR 소오스가 바람직하게는 CMOS 공정으로 만들어지기 때문에, 회로가 상기 IR 소오스와 동일 칩 상에 집적될 수 있다. 이것은 상기 히터에 대한 구동회로, 상기 온도 센서에 대한 회로, 뿐만 아니라 온도 제어 회로 및 다른 복잡한 회로를 포함한다. 상기 구동회로는 상기 IR 소오스를 조절하기 위해 만들어질 수 있으며, 여러 가지 주파수들에서 이것을 구동한다. 예를 들어, 아주 단순한 회로가 상기 히터와 직렬로(in series) 위치한 단지 하나의 MOSFET로 만들어질 수 있다. 상기 MOSFET의 게이트 상에 제어된 포텐셜을 적용함으로써 상기 히터가 스위치 온 또는 오프될 수 있다. 상기 게이트에 대한 펄스 폭 및 펄스의 진폭은 상기 미세-열판의 온도를 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에서, IR 검출기가 상기 IR 소오스와 동일한 칩 상에 집적된다. 상기 IR 검출기는 멤브레인 상의 써모파일 또는 써모다이오드들 또는 써모트랜지스터들의 어레이로 구성된다. 만약 상기 검출기가 써모파일이면, 이것은 상기 멤브레인 내측의 하나의 접합과 외측의 하나의 접합이 직렬로(in series) 연결된 하나 이상의 써모커플들로 구성될 수 있다. 두 개의 써모커플 재료들은 p 또는 n 도핑된 단결정 실리콘, n 또는 p 도핑된 폴리실리콘 또는 금속(텅스텐과 같은)으로 구성될 수 있다. 만약 써모다이오드들이 사용된다면, 그것들은 P+/N+ 접합을 구성할 수 있거나, 또는 그들 사이에 p 또는 n 형 웰 또는 드리프트 영역을 가질 수 있다. 상기 다이오드들은 감지도를 향상시키기 위해 어레이로써 연결될 수도 있다. 특히 써모다이오드들은 그들의 온도 계수가 500℃에 이르는 고온에 대하여 일정하다는 장점을 가진다. 회로들이 검출기 신호를 처리하기 위해 칩 상에 집적될 수 있다. 유사하게, 써모트랜지스터들이 단락된 적어도 하나의 접합을 갖는 바이폴라 npn 또는 pnp 구조들을 사용하는 CMOS 기술로 만들어진다. 다이오드들 및 트랜지스터들과 같은 CMOS에서의 활성 소자들의 공정 제어가 레지스터들과 같은 수동 소자들의 것보다 좋기 때문에, 써모다이오드 또는 써모트랜지스터들 또는 이것들에 기반한 회로들이 바람직하다.
성능을 향상시키기 위하여, 상기 IR 검출기는 상기 멤브레인의 상부에 퇴적된 카본 나노튜브들, 카본 블랙, 그라핀, 폴리이미드, 폴리머, 금속 필름들, 금속 블랙들, 박막 스택들과 같은 IR 흡수 재료 또는 높은 IR 흡수성이 있는 다른 재료를 가질 수 있다. 상기 IR 흡수층은 포스트-CMOS로 수행되어야 하며, CVD, 국부 성장 또는 잉크-젯 퇴적 기술들에 의해 형성될 수 있다.
대안적으로, 집적화된 상기 IR 검출기의 IR 흡수성은 상기 실리콘 위의 상기 CMOS 금속층들을 메쉬 형상 또는 점들로써 선택적으로 식각함으로써 증가될 수 있다. 상기 메쉬의 크기 또는 상기 점들의 크기, 및 상기 점들 사이의 거리는 특정 파장에서 광학적 신호를 증가시키기 위하여, 및/또는 다른 파장들에서의 신호를 여과시키기 위해 조절될 수 있다. 상기 실리콘 위의 금속층들의 식각은 CMOS 시퀀스로 수행되며, 따라서 부가적인 비용이 발생되지 않는다.
상기 칩은 상기 두 소자들 사이에 칸막이가 있고, IR 방사가 상기 소오스로부터 상기 검출기로 직접 여행할 수 없도록 패키지 내에서 NDIR 센서로써 사용될 수 있도록 패키징될 수 있다. 대신에, 상기 IR 방사는 IR 필터를 경유하여 상기 소오스에 도달하도록 훨씬 긴 경로를 여행해야 한다. 이것은 칩 및 패키지 설계 모두에서 얻어진다. 상기 칩을 설계할 때, 상기 에미터 및 검출기 사이의 유전체 산화물이 상기 유전체 산화물 내에서 IR의 전달을 차단하기 위해 비아들 및 금속층들로 충전된다. 이후로 칸막이가 상기 칩 위로 형성되며, 이것은 패키징 동안에 또는 상부에 패턴화된 기판으로 웨이퍼 결합하기 전에 이루어질 수 있다. 복잡한 회로가 상기 칩 상의 상기 IR 소오스 및 검출기 모두를 구동하고 신호 처리를 위해 상기 칩 상에 집적화될 수 있다.
이러한 센설르 형성하기 위한 패키징은 다른 형태일 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예는, IR 복사가 상기 칩의 에미터로부터 검출기 부분까지 원형 경로(상기 패키지 벽체들로부터 반사되는)로 여행하도록, 충전된 중앙과 반사성 표면으로 만들어진 벽체들을 구비하는 실린더형 패키지로 상기 칩을 패키징하는 것이다. 또한, 상기 광 경로는 관심되는 파장만이 상기 IR 검출기에 도달하도록 광학 필터를 갖는다. 상기 패키지는 공기에 포함된 입자들이 상기 광 경로로 들어오는 것을 방지하기 위해 입자 필터로 덮혀 있다.
다른 실시예는 일측 상에 칩을 구비하는 직사각형이 되는 패키지에 대한 것이며, 상기 패키지의 원단 측 상의 반사성 표면은 반사된 적외선이 상기 소오스로부터 상기 검출기까지 여행하도록 해준다.
본 발명에 의하면, 개선된 적외선 소오스 및 비분산 적외선 센서를 얻을 수 있다.
본 발명이 보다 충분히 이해되도록, 본 발명의 복수의 실시예들이 첨부되는 도면들을 참조하여 예시를 통해 서술될 것이다.
도 1 내지 도 8은 CMOS 에미터의 상이한 디자인들의 개략적인 단면도들이다.
도 9 내지 도 12는 IR 소오스의 평면도들이다.
도 13 및 도 14는 2 x 2 멤브레인 배열로 구성되는 IR 소오스의 평면도들이다.
도 15는 어레이 소자의 개략적인 단면도이다.
도 16 및 도 17은 특정 파장에 대한 방출을 향상시키기 위해 패턴화된 상부 금속을 갖는 IR 소오스의 평면도들이다.
도 18 내지 도 20은 특정 파장에 대한 방출을 향상시키기 위해 패턴화된 상부 금속을 갖는 IR 소오스의 단면도들이다.
도 21은 웨이퍼 결합된 IR 필터를 갖는 IR 소오스의 개략적인 단면을 보여준다.
도 22는 플립칩 방법으로 패키지된 IR 소오스를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 23은 IR 소오스 및 IR 검출기 사이에서 직접적인 IR 복사를 방지하기 위해 그들 사이에 칸막이들을 가지며 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 24는 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 써모파일 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 25는 IR 복사에 대해 불투명한 얇은 후면막 뿐만 아니라, IR 소오스 및 IR 검출기 사이에서 직접적인 IR 복사를 방지하기 위해 그들 사이에 칸막이들을 가지며 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 26은 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 써모파일 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 상면을 보여준다.
도 27은 IR 에미터 및 검출기 모두를 갖는 칩의 3차원 개략도를 보여주며, 또한 상기 칩 상으로의 웨이퍼-결합을 위한 패턴화된 기판을 보여준다.
도 28은 IR 복사가 에미터로부터 검출기까지 직접 여행하는 것을 방지하기 위해, IR 에미터 및 그 위로 결합된 기판 웨이퍼를 갖는 검출기 웨이퍼 모두를 갖는 칩의 3차원 개략도를 보여준다.
도 29 및 도 30은 NDIR 센서로써 패키지된 칩을 보여준다.
도 1 내지 도 8은 CMOS 에미터의 상이한 디자인들의 개략적인 단면도들이다.
도 9 내지 도 12는 IR 소오스의 평면도들이다.
도 13 및 도 14는 2 x 2 멤브레인 배열로 구성되는 IR 소오스의 평면도들이다.
도 15는 어레이 소자의 개략적인 단면도이다.
도 16 및 도 17은 특정 파장에 대한 방출을 향상시키기 위해 패턴화된 상부 금속을 갖는 IR 소오스의 평면도들이다.
도 18 내지 도 20은 특정 파장에 대한 방출을 향상시키기 위해 패턴화된 상부 금속을 갖는 IR 소오스의 단면도들이다.
도 21은 웨이퍼 결합된 IR 필터를 갖는 IR 소오스의 개략적인 단면을 보여준다.
도 22는 플립칩 방법으로 패키지된 IR 소오스를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 23은 IR 소오스 및 IR 검출기 사이에서 직접적인 IR 복사를 방지하기 위해 그들 사이에 칸막이들을 가지며 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 24는 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 써모파일 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 25는 IR 복사에 대해 불투명한 얇은 후면막 뿐만 아니라, IR 소오스 및 IR 검출기 사이에서 직접적인 IR 복사를 방지하기 위해 그들 사이에 칸막이들을 가지며 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 단면을 보여준다.
도 26은 동일한 칩 상에 집적된 IR 소오스 및 써모파일 IR 검출기를 갖는 칩의 개략적인 상면을 보여준다.
도 27은 IR 에미터 및 검출기 모두를 갖는 칩의 3차원 개략도를 보여주며, 또한 상기 칩 상으로의 웨이퍼-결합을 위한 패턴화된 기판을 보여준다.
도 28은 IR 복사가 에미터로부터 검출기까지 직접 여행하는 것을 방지하기 위해, IR 에미터 및 그 위로 결합된 기판 웨이퍼를 갖는 검출기 웨이퍼 모두를 갖는 칩의 3차원 개략도를 보여준다.
도 29 및 도 30은 NDIR 센서로써 패키지된 칩을 보여준다.
본 발명의 실시예들은 적외선 복사를 방출하는 히터의 일부 및 전자 소자들을 위한 상호배선 금속으로써 텅스텐의 CMOS 층을 사용함으로써 종래 소자들의 상태를 향상시키는 것을 추구한다. 상기 IR 에미터는 상기 실리콘 기판을 식각함으로써 정의된 유전체 멤브레인 속으로 내장된다. 상기 식각은 깊은 반응성 이온(DRIE) 기술에 의해 수행될 수 있다. 이러한 소자는 텅스텐 히터를 사용하기 때문에 고온(600℃ 아주 위의)에서 신뢰성 있게 동작할 수 있다. 더구나 CMOS 공정 내에서 상기 텅스텐 층의 사용은 매우 높은 안정성, 장기간의 신뢰성 및 높은 재현성을 보증한다. 이것은 스크린 프린팅과 같은 CMOS 외의 다른 기술들에 의해 제조된 히터들과 대조된다. 신뢰성을 더욱 향상시키기 위하여, 상기 텅스텐 히터는 티타늄/티타늄 질화물 라이너를 가질 수 있다. 나아가, 상기 소자를 제조하기 위해 CMOS 기술을 사용하는 것은 제조 비용들을 낮추는 결과를 가져오며, 회로들을 상기 소자와 동일한 칩 상에 집적되도록 허용하게 된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 소자는 각기 그 자신의 히터를 가지며, 함께 근접하여 패키지된 동일 크기 또는 더 작은 멤브레인들로 구성된, 미세-열판들의 어레이로서 만들어질 수 있다. 큰 것 대신에 몇 개의 작은 멤브레인들을 사용하는 것은 상기 IR 방출을 포함하지 않으면서 각 멤브레인에 대해 보다 나은 기계적 안정성을 가져온다. 또한 하나의 소자가 불량인 경우 어레이들은 상기 설계에 리던던시(redundancy)를 부가한다. 이러한 멤브레인들을 함께 근접되게 패키징하는 것은 상기 멤브레인들 사이에서 수직적 측벽들을 허용하는 DRIE을 사용하여 얻어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 NDIR(Non dispersive InfraRed) 가스 센서에서 상기 칩을 사용하기 위해, 상기 IR 소오스와 동일한 칩 상에 IR 검출기를 집적하는 것이다. 동일 칩 상에 상기 IR 에미터와 검출기를 제조하는 것은, 상기 IR 에미터 및 검출기가 유사한 열용량(thermal mass) 및 그에 따라 유사한 속도를 가진다는 것을 보증할 수 있다. 더구나 상기 시스템의 노이즈가 감소된다. 더 나아가, 집적및 상기 CMOS 공정의 사용의 결과로써, 상기 NDIR 칩은 상당히 비용이 적게 만들어질 수 있다.
상기 IR 소오스 및 검출기는 사이에 칸막이를 가지며 동일 칩 상에 있을 수 있으며, 상기 에미터로부터 상기 검출기로 여행하는 상기 IR 방출을 위한 상대적으로 긴 광경로가 존재하도록 하는 방식으로 패키지된다. 단지 관심있는 파장만이 상기 검출기에 도달하도록 상기 경로 사이에 IR 필터가 패키지될 수도 있다. 이 파장은 타겟 가스에 의해 흡수됨으로써 상기 검출기에서의 신호가 상기 가스 농도를 결정하는 데 사용될 수 있다.
모든 실시예들에서 상기 CMOS 공정은 SOI(Silicon-on-Insulator) 기판들에 대해 적용될 수 있다. SOI 기술은 고전압, 고온 및 고주파수 전자장치에 널리 사용된다. 상기 SOI는 3가지 목적을 위해 사용될 수 있다:
1) 온도 센서로써 써모다이오드(thermodiode) 또는 써모트랜지스터(thermotransistor)를 집적시키기 위하여 상기 히터 아래에 실리콘 영역을 제공하기 위함. 상기 써모다이오드 또는 써모트랜지스터는 누설을 낮게 유지하기 위해 면적이 작을 수 있으며, 일반적으로 고온(예를 들어, 600℃)에서의 동작을 위해 사용될 것으로 기대된다. 써모다이오드 또는 써모트랜지스터를 사용하여 상기 IR 에미터 온도가 고정밀도로 모니터링될 수 있다.
2) 주변 온도를 225℃에 도달하도록 허용하기 위함. 이것은 낮은 누설 전류와 래치업(latch-up)이 없는 결과를 가져오는 SOI 기술 및 텅스텐 금속화의 사용이라는 양자 모두의 결과이다.
3) 후면 식각 동안에 효과적인 식각 정지물로써 상기 SOI 기판들 내에 존재하는 매립 산화물을 사용하기 위함.
도 1은 SOI-CMOS 공정으로 만들어진 IR 소오스의 개략적 단면도를 보여준다. 실리콘 기판(1) 상에 지지되는 멤브레인층(4,5,6)이 제공되어 있으며, 상기 멤브레인층은 매립 산화물층(4), 유전체층(5) 및 보호층(6)으로 구성된다. 텅스텐 저항성 히터(2)가 상기 멤브레인층 내에 형성되며, 트랙들(3)에 의해 칩의 나머지에 연결된다. 상기 저항성 히터(2)는 어떠한 형상, 예를 들어 곡류(meander), 나선형 또는 링-형상일 수 있거나 또는 다중의 링들로 구성될 수 있다. 상기 텅스텐층은 상기 히터의 신뢰성을 향상시키기 위해 얇은 티타늄/티타늄 라이너(7)를 갖는다.
전체 미세-열판은 상업적인 SOI 공정에 의해 제조된다. 선택적으로, 상기 멤브레인층은 이 경우에서 깊은 반응성 이온 식각(DRIE) 기술을 사용하는 후면 식각의 사용으로 형성된다. 상기 미세-열판은 동일한 칩 상에 회로망을 갖거나 또는 없이 제조될 수 있다.
도 2는 벌크 CMOS 공정으로 제조된, IR 에미터로써 사용된 미세-열판의 다른 단면을 보여준다. 상기 소자는 상기 매립층(4)이 없다는 점을 제외하고는 도 1의 것과 유사하다.
도 3은 상기 멤브레인층들이 상기 멤브레인의 견고성을 향상시키기 위해 얇은 실리콘 층(8)을 포함하는 IR 에미터의 단면을 보여준다.
도 4는 열을 분산하기 위해 상기 히터 바로 아래의 얇은 실리콘 플레이트(9) 및 상기 히터의 바로 위의 얇은 금속 플레이트(10)를 갖는 IR 에미터의 단면도를 보여준다. 이들의 목적은 온도 균일도를 향상시키기 위한 것이다. 이 도면은 이들 플레이트들의 특정한 배열을 보여주지만, 다른 배열들이 이루어질 수 있다는 것은 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 히터 위로 두 개의 금속 플레이트들이 있을 수 있거나, 또는 상기 상기 히터 위로 또는 아래에 금속 플레이트들이 있을 수 있으며, 실리콘 플레이트가 상기 멤브레인 내에 내장되는 대신에 상기 멤브레인의 아래에 있을 수 있다(예를 들어 벌크 CMOS 공정으로).
도 5는 상기 히터 아래의 폴리실리콘 플레이트(11) 뿐만 아니라 단결정 실리콘 플레이트를 갖는 IR 에미터의 단면도를 보여준다. 양자 모두의 플레이트들은 상기 히터만큼 넓으며, 그 목적은 상기 히터로부터 전면측으로 IR 복사를 반사하기 위한 것이며, 이것은 그렇지 않으면 상기 칩의 후면측 상에서 낭비되어질 것이다. 이와 같은 식으로, 상기 IR 에미터의 효율이 향상된다.
도 6은 상기 멤브레인 내에 내장된 다이오드 온도 센서(12)를 구비한 IR 에미터의 단면을 보여준다. 상기 다이오드는 상기 히터만큼 넓으며, 다이오드로써 역할을 할 뿐만 아니라, 상기 히터로부터 상기 칩의 전면으로 IR 방출을 반사하기 위한 의도이다. 상기 다이오드는 상기 히터보다 작게 만들어질 수도 있지만, 이 경우에는 이것은 온도 센서로써 우선적으로 역할을 할 것이지만 IR 복사를 반사하는데에는 효과적이지 않을 것이다.
도 7은 히터 아래에서 양자 모두 히터와 동일한 폭을 가지는, 다이오드 온도 센서 및 폴리실리콘 플레이트(11)를 구비하는 IR 에미터의 단면을 보여준다. 이들 양자 모두는 IR 복사를 위한 반사기로서의 역할을 하며, 또한 상기 다이오드는 온도 센서로서의 역할도 한다.
도 8은 멤브레인이 습식 식각에 의해, 선택적으로 이방성의 KOH 또는 TMAH 후면 식각에 의해 형성된 IR 에미터의 다른 단면을 보여준다.
도 9는 금속 트랙들(3)을 갖는 정사각형 멤브레인(13) 상에서 곡류 히터(2)를 갖는 직사각형(본 경우에는 정사각형) 형상의 미세-열판 IR 에미터의 평면도를 보여준다. 도 10은 원형 멤브레인(13) 상에서 원형 미세-열판(2)의 평면도이다.
도 11은 개시 SOI 기판에서 얇은 실리콘층으로부터 형성된 멤브레인의 기계적 안정성을 향상시키기 위한 보강 실리콘 빔들(14)을 구비하는 원형 IR 에미터를 보여준다. 도 12는 멤브레인 안정성을 향상시키기 위한 실리콘 빔들(15)의 다른 패턴을 보여준다. 이것들은 예들로써 주어졌지만 상기 실리콘층들 내에서 다른 배열들 및 구조들이 상기 안정성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다는 것은 쉽게 알 수 있을 것이다. 부가적으로, 상기 히터 위의 상기 금속층들은 또한 멤브레인 안정성을 향상시키기 위해 이들 구조들로 만들어질 수 있다.
도 13은 IR 소오스로써 사용될 수 있는 미세-열판들의 어레이에 대한 평면도를 보여준다. 동일한 출력 전력을 위해, 더 작은 미세-열판들의 어레이가 큰 단일 미세-열판보다 기계적으로 더 안정될 것이다. 이 어레이를 위한 멤브레인들은 상기 멤브레인들이 함께 근접하여 패키지될 수 있도록 DRIE에 의해 형성된다. 도 14는 원형 미세-열판들의 어레이의 평면도이다.
도 15는 서로 근접한 두 개의 미세-열판들의 어레이의 개략적인 단면을 보여준다. DRIE 식각에 기인하여 얻어진 거의 수직의 측벽들은 멤브레인들의 밀착 패키징을 허용한다.
도 16은 그리드로써 패턴화된 상부 금속(16)을 갖는 IR 소오스의 평면도를 보여준다. 패턴은 필터로써 역할을 하도록 또는 특정 파장에 대한 방출을 향상시키도록 만들어진다.
도 17은 특정 파장에 대한 방출을 향상시키기 위하여 점들(dots)의 어레이로 패턴화된 상부 금속(16)을 구비하는 IR 소오스의 평면도를 보여준다.
도 18은 필터로써의 역할을 하기 위하여 또는 특정 파장에 대한 방출을 향상시키기 위하여 패턴화된 상부 금속(16)을 구비하는 IR 소오스의 단면도를 보여준다.
도 19는 두 개의 패턴화된 상부 금속들(16)을 구비하는 IR 소오스의 단면을 보여준다.
도 20은 전체 멤브레인 대신에 히터 영역 내에서만 IR 방출을 향상시키기 위해 패턴화된 상부 금속(16)을 구비하는 IR 소오스의 단면을 보여준다.
방출을 향상시키기 위한 상기 패턴화된 금속 층(16)에 대한 도 16 내지 도 20에서 보여지는 도면들은 예들로써 주어진 것이며, 예를 들어 6각형 또는 원형 형상들과 같은 다른 가능한 패턴들 및 스킴들(schemes)이 사용될 수 있다는 것은 명백할 것이다.
도 21은 웨이퍼 결합된 IR 필터를 구비하는 IR 소오스의 개략적인 단면을 보여준다. 상기 결합된 칩/웨이퍼는 실리콘 기판(17) 및 멤브레인(18)으로 구성된다. 상기 멤브레인은 요구되는 필터 성질들을 변경하기 위해 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물 및/또는 다른 물질들로 구성될 수 있다.
도 22는 플립-칩(flip-chip) 방법으로 패키지된 IR 소오스의 개략적 단면을 보여준다. 플립칩이 패키지 베이스(20) 상에서 뒤집혀서 장착되며, 전기적으로 범프 본드들(19)을 통하여 연결된다.
도 23은 IR 소오스 및 다이오드 기반 IR 검출기를 구비하는 칩의 개략적 단면을 보여준다. IR 검출기는 다이오드(21) 및 그의 연결 트랙(22)으로 구성된다. 다이오드는 IR 소오스의 멤브레인에 유사한 멤브레인 상에 있다. 칩은 IR 소오스로부터의 방출이 IR 검출기를 향하여 직접 나가지 않도록 설계된다. 이것은 CMOS 공정 파라미터들에 의해 형성된 금속층들 및 비아들(23)의 스택(stack)을 통하여 상기 둘 사이에 분리(isolation)를 형성하고 층간유전체층들을 통하여 IR이 여행하는 것을 방지함으로써 달성된다.
도 24는 IR 소오스 및 써모파일 IR 검출기를 구비한 칩의 개략적 단면을 보여준다. 이 경우에서 보여지는 써모파일은 p-도핑된 실리콘 트랙(24) 및 텅스텐 트랙(25)으로 구성되는 써모커플(thermocouple)이다. 그러나 이들 두 재료들은 예로써 주어진 것이며, 폴리실리콘 및 n-도핑된 실리콘과 같은 상기 공정에서 유용한 다른 재료들도 또한 사용될 수 있다는 것을 알아두어야 한다.
도 25는 칩의 후면 상에 박막 코팅(26)을 구비하는 동일 칩 상의 IR 검출기 및 IR 에미터를 보여준다. 상기 코팅은 후면측으로부터 IR 복사가 상기 소오스로부터 검출기까지 여행하는 것을 방지하기 위해 IR에 대하여 불투명한 재료로 만들어진다.
도 26은 IR 소오스 및 써모파일 IR 검출기를 구비하는 칩의 상면도를 보여준다. 이 경우에서 상기 써모파일은 연속적으로 연결된 p-도핑된 실리콘 및 텅스텐으로 만들어진 몇 개의 써모커플들로 구성되며, 연결부(27)는 단결정 실리콘 또는 폴리실리콘이 또한 가능성이 있지만, 공정에서의 어떠한 층, 전형적으로 금속층들 중의 하나로부터 만들어질 수 있다. 써모커플들의 배열은 예로써 보여지는 것이며, 많은 상이한 배열들 또는 많은 수의 써모커플들이 사용될 수 있다.
도 27 및 도 28은 소오스 및 검출기 사이의 짧은 경로에서 IR 복사가 여행하지 않는 것을 보증하기 위한 웨이퍼 결합 기술을 보여준다. 이 목적을 위하여, 기판이 상기 소오스 및 검출기 사이에 칸막이를 생성하도록 패턴화되거 상기 칩 상에 웨이퍼 결합된다. 도 27은 나란히 있는 IR 에미터 및 검출기를 구비하는 칩, 그리고 상기 칩 상에 웨이퍼 결합을 위해 패턴화된 기판을 보여준다. 도 28은 웨이퍼 결합의 사용에 의해 분리되는 IR 에미터 및 검출기 양자를 구비하는 칩을 보여준다.
도 29는 NDIR 센서로써 사용을 위한 원형 패키지(29) 내에 집적된 에미터 및 검출기를 구비한 칩의 개략적 평면도를 보여준다. 이것은 상기 칩 상의 IR 소오스로부터 IR 검출기로의 원형 광 경로를 구성한다. 상기 경로의 측벽들은 IR 복사가 검출기로 그것을 반사시켜버리게 해주는 반사성 재료로 만들어진다. 광학 필터(30)가 단지 관심되는 파장들만을 통과하도록 상기 검출기 근처에 패키지된다.
도 30은 상기 방출을 검출기로 반사하기 위해 원단(far end)에 반사성 표면(31)을 구비하는 직사각형 패키지 내의 칩의 개략적 평면도를 보여준다.
Claims (42)
- 후면 식각이 후행되는 CMOS 공정으로 제조된 유전체 멤브레인(membrane) 상에 CMOS 금속으로 만들어진 저항성 히터를 포함하는 적외선(IR) 소오스.
- 청구항 1에 있어서,
상기 CMOS 금속은 상기 유전체 멤브레인과 동일 칩 상에 형성된 CMOS 회로에 상호배선 금속을 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 CMOS 금속은 적어도 하나의 텅스텐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 3 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체 멤브레인은 SOI 또는 실리콘 웨이퍼를 포함하는 개시 기판 상에 제조되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 히터는 상기 금속층 바로 아래에 티타늄/티타늄 질화물 라이너를 갖는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 칩 상에 형성된 CMOS-기반 유전체 멤브레인 상의 저항성 히터를 포함하는 적외선(IR) 소오스로서, 적어도 하나의 텅스텐층이 상기 칩 상의 CMOMS 회로에 상기 저항성 히터 및 상호배선 금속 모두를 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 히터의 직접 위 또는 아래에 하나 이상의 금속 열 분산판들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 히터의 직접 아래에 단결정 실리콘 열 분산판 및/또는 다결정 실리콘 판이 있으며, 상기 판들은 상기 히터로부터 적외선(IR) 복사를 반사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 8 중의 어느 한 항에 있어서,
제어 회로를 포함하는 칩 속으로 집적되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 히터의 온도를 제어하기 위해 상기 히터에 직렬하는 MOSFET를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 10 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인은 DRIE, 이방성 습식 식각, KOH 및 TMAH로부터 선택된 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 11 중의 어느 한 항에 있어서,
미세-열판들의 어레이로써 형성되며, 각 미세-열판은 후면 식각이 후행되는 CMOMS 공정으로 제조되는 유전체 멤브레인 상에 CMOS 금속으로부터 만들어진 저항성 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 12에 있어서,
상기 어레이에서의 모든 미세-열판들이 동일 시간에 또는 개별적으로 동작가능한 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 3 내지 청구항 12 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 히터를 위해 사용된 텅스텐층은 상기 멤브레인 상에서 제로 스트레스(zero stress) 축에 접근되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 7 내지 청구항 13 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 열 분산판은 보호물을 식각해버림으로써 노출되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 15 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인 내에 내장된 그리고 상기 히터 아래에 위치하는 또는 상기 히터에 인접하는 온도 센서를 더 포함하며, 상기 온도 센서는 다이오드 온도 센서(써모다이오드), 바이폴라 트랜지스터 온도 센서(써모트랜지스터), 저항성 실리콘 온도 센서 및 저항성 금속 온도 센서 중의 어느 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 16에 있어서,
상기 온도 센서는 상기 히터와 같은, 또는 상기 히터보다 작은 또는 큰 폭인 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
상기 온도 센서는 상기 히터로부터 적외선 복사를 반사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 18 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인의 상부 표면은 실리콘 이산화물 보호층 및 실리콘 질화물 보호층 중의 어느 것으로 제공되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 19 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인의 상부 표면에는 폴리머, 카본 블랙, 카본 나노튜브, 그라핀, 및 고 적외선 방사율을 갖는 재료를 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 20에 있어서,
상기 코팅은 포스트-CMOS 공정과 양립될 수 있으며, CVD, 국부 성장 및 잉크젯(ink-jet) 퇴적 기술들의 하나 이상에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 21 중의 어느 한 항에 있어서,
방사율을 증가시키기 위하여 저항성 히터의 상부에 위치하는 CMOS 금속층으로 만들어진 메쉬(mesh)를 더 포함하며, 상기 메쉬의 크기는 특정 파장들에서 원하는 신호를 여과하기 위하여, 및/또는 특정 파장들에서 복사를 증가시키기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 22 중의 어느 한 항에 있어서,
방사율을 증가시키기 위하여 저항성 히터의 상부에 위치하는 CMOS 금속층의 점들(dots)을 더 포함하며, 상기 점들의 크기 및 상기 점들 사이의 거리는 특정 파장들에서 원하는 신호를 여과하기 위하여, 및/또는 특정 파장들에서 복사를 증가시키기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 23 중의 어느 한 항에 있어서,
웨이퍼 결합에 의해 부착된 적외선(IR) 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 24에 있어서,
상기 적외선 필터는 실리콘 이산화물 및 실리콘 질화물의 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 멤브레인들을 형성하기 위해 DRIE에 의해 식각된 칩 또는 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 25 중의 어느 한 항에 있어서,
반사기와 패키지된 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 청구항 1 내지 청구항 26 중의 어느 한 항에 있어서,
플립칩 방법으로 패키지 된 것을 특징으로 하는 적외선 소오스. - 칩 상에 있는 청구항 1 내지 청구항 27 중의 어느 한 항에 따른 적외선 소오스 및 동일한 칩 상에 있는 제2 멤브레인 상의 적외선 검출기를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 센서.
- 청구항 28에 있어서,
상기 적외선 검출기는 써모파일을 포함하며, 상기 써모파일은 하나 이상의 써모커플들을 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 또는 청구항 29에 있어서,
상기 적외선 검출기는 하나 이상의 써모커플들 또는 써모트랜지스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 내지 청구항 30 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 적외선 소오스 및 검출기 사이에 비아(via) 및 금속층들의 구조에 의해 생성된 칸막이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 내지 청구항 31 중의 어느 한 항에 있어서,
패턴화된 기판의 웨이퍼 결합에 의해 상기 칩 위로 생성된 칸막이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 내지 청구항 32 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 칩의 패키징 동안에 상기 칩 위로 생성된 칸막이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 29 내지 청구항 33 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 적외선 검출기는 감지도를 증가시키기 위하여 써모파일의 상부에 위치하는 CMOS 금속층으로 만들어진 메쉬(mesh)를 포함하며, 상기 메쉬의 크기는 특정 파장들에서 원하는 신호를 여과하기 위하여, 및/또는 특정 파장들에서 상기 신호를 증가시키기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 29 내지 청구항 34 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 적외선 검출기는 감지도를 증가시키기 위하여 써모파일의 상부에 위치하는 CMOS 금속층의 점들(dots)을 포함하며, 상기 점들의 크기 및 상기 점들 사이의 거리는 특정 파장들에서 원하는 신호를 여과하기 위하여, 및/또는 특정 파장들에서 상기 신호를 증가시키기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 내지 청구항 35 중의 어느 한 항에 있어서,
비분산 적외선 칩이, 상기 소오스로부터 상기 검출기까지 원형의 광 경로가 되도록 실린더형 패키지로 패키지되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 내지 청구항 36 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 칩을 포함하는 패키지의 광 경로에 적외선 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 내지 청구항 37 중의 어느 한 항에 있어서,
입자 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 28 내지 청구항 38 중의 어느 한 항에 있어서,
폴리머, 카본 나노튜브들, 그라핀들, 금속막들, 금속 블랙들 및 박막 스택들을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적외선 흡수층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - 청구항 39에 있어서,
상기 적외선 흡수층은 포스트-CMOS 공정과 양립될 수 있으며, CVD, 국부 성장 및 잉크-젯 퇴적으로부터 선택된 어떠한 기술에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선(NDIR) 센서. - CMOS 공정을 사용하는 적외선(IR) 소오스를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
기판을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계;
상기 기판의 일부를 후면 식각하여 유전체 멤브레인을 형성하는 단계; 및
CMOS 사용가능한 금속을 사용하여 상기 유전체 멤브레인 내에 또는 위에 저항성 히터를 형성하는 단계;를 포함하는 적외선 소오스를 제조하는 방법. - CMOS 공정을 사용하는 적외선(IR) 소오스를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
기판을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계;
상기 기판의 일부를 후면 식각하여 유전체 멤브레인을 형성하는 단계; 및
적어도 하나의 텅스텐층을 사용하여 상기 유전체 멤브레인 내에 또는 위에 저항성 히터를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 유전체 멤브레인은 상기 유전체 멤브레인과 동일한 칩 상에 형성된 CMOS 회로의 상호배선으로서 적어도 하나의 텅스텐층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 소오스를 제조하는 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US10488358B2 (en) * | 2016-05-31 | 2019-11-26 | Ams Sensors Uk Limited | Micro-hotplate devices with ring structures |
| GB201611652D0 (en) * | 2016-07-04 | 2016-08-17 | Spts Technologies Ltd | Method of detecting a condition |
| US9927360B2 (en) | 2016-08-29 | 2018-03-27 | Apple Inc. | Electronic devices with environmental sensors |
| GB2554672A (en) * | 2016-10-03 | 2018-04-11 | Univ Warwick | Infrared device |
| GB2558895B (en) * | 2017-01-17 | 2019-10-09 | Cambridge Entpr Ltd | A thermal fluid flow sensor |
| GB2558896B (en) * | 2017-01-17 | 2019-10-09 | Cambridge Entpr Ltd | A single membane flow-pressure sensing device |
| GB2559957A (en) * | 2017-02-15 | 2018-08-29 | Univ Of The West Of Scotland | Infrared spectrophotometer |
| FR3069707B1 (fr) * | 2017-07-27 | 2019-08-30 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Dispositif infrarouge |
| US10448481B2 (en) * | 2017-08-15 | 2019-10-15 | Davorin Babic | Electrically conductive infrared emitter and back reflector in a solid state source apparatus and method of use thereof |
| DE112018004522T5 (de) | 2017-10-12 | 2020-06-04 | Agency For Science, Technology And Research | Chemischer Sensor und Verfahren zum Bilden desselben |
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| CN110109128B (zh) * | 2019-04-12 | 2022-12-20 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种红外发射和探测集成芯片 |
| CN110095426B (zh) * | 2019-04-12 | 2022-01-07 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种基于红外发射和探测集成芯片的红外气体传感器 |
| DE102019132829B4 (de) | 2019-12-03 | 2022-12-08 | CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH | Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung |
| DE102020100244A1 (de) | 2020-01-08 | 2021-07-08 | X-FAB Global Services GmbH | Verfahren zur Herstellung eines Membran-Bauelements und ein Membran-Bauelement |
| CN111282158B (zh) * | 2020-03-13 | 2021-10-29 | 福建省立东信科技发展有限公司 | 一种远红外线发光装置及其处理产品的方法 |
| CN114234270A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-03-25 | 拓荆科技股份有限公司 | 一种加热装置及其制造方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002080620A1 (en) * | 2001-03-28 | 2002-10-10 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | High temperature micro-hotplate |
| KR20030022734A (ko) * | 2001-09-10 | 2003-03-17 | 페르킨엘머 옵토일렉트로닉스 게엠베하 | 비접촉 온도측정용 센서 |
| US20060154401A1 (en) * | 2005-01-10 | 2006-07-13 | University Of Warwick | Gas-sensing semiconductor devices |
| US20110174799A1 (en) * | 2010-01-21 | 2011-07-21 | Ali Syed Zeeshan | Micro-hotplates |
Family Cites Families (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1318991A (en) * | 1970-01-20 | 1973-05-31 | Cambridge Consultants | Infrared transmission filters |
| US5285131A (en) | 1990-12-03 | 1994-02-08 | University Of California - Berkeley | Vacuum-sealed silicon incandescent light |
| FI101911B (fi) | 1993-04-07 | 1998-09-15 | Valtion Teknillinen | Sähköisesti moduloitava terminen säteilylähde ja menetelmä sen valmist amiseksi |
| US5747808A (en) | 1994-02-14 | 1998-05-05 | Engelhard Sensor Technologies | NDIR gas sensor |
| FI110727B (fi) | 1994-06-23 | 2003-03-14 | Vaisala Oyj | Sähköisesti moduloitava terminen säteilylähde |
| FI112005B (fi) | 1995-11-24 | 2003-10-15 | Valtion Teknillinen | Sähköisesti moduloitavissa oleva terminen säteilylähde |
| US5910659A (en) * | 1996-04-30 | 1999-06-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Flat panel thermal infrared generator |
| US6297511B1 (en) | 1999-04-01 | 2001-10-02 | Raytheon Company | High frequency infrared emitter |
| US6597051B2 (en) | 2001-05-22 | 2003-07-22 | Yeda Research And Development Co. Ltd. | Thermoelectric infrared detector |
| CN1464298A (zh) * | 2002-06-14 | 2003-12-31 | 祥群科技股份有限公司 | 微型红外线气体分析装置 |
| GB0327931D0 (en) | 2003-12-02 | 2004-01-07 | City Tech | Gas sensor |
| US7244939B2 (en) | 2003-12-09 | 2007-07-17 | Dynament Limited | Gas sensor |
| KR20050081691A (ko) * | 2004-02-16 | 2005-08-19 | 세주엔지니어링주식회사 | 접촉연소식 소형 가스센서 제조방법 및 접촉연소식 소형가스센서를 이용한 가스센서 |
| CA2573928A1 (en) * | 2004-06-17 | 2006-01-19 | Ion Optics, Inc. | Photonic crystal emitter, detector, and sensor |
| NO321281B1 (no) | 2004-09-15 | 2006-04-18 | Sintef | Infrarod kilde |
| GB0705356D0 (en) | 2007-03-21 | 2007-04-25 | Alphasense Ltd | Optical absorption gas sensor |
| GB2449433B (en) | 2007-05-21 | 2009-12-09 | Clairair Ltd | Optical gas sensor |
| JP5223298B2 (ja) | 2007-10-30 | 2013-06-26 | 横河電機株式会社 | 赤外線光源 |
-
2013
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002080620A1 (en) * | 2001-03-28 | 2002-10-10 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | High temperature micro-hotplate |
| KR20030022734A (ko) * | 2001-09-10 | 2003-03-17 | 페르킨엘머 옵토일렉트로닉스 게엠베하 | 비접촉 온도측정용 센서 |
| US20060154401A1 (en) * | 2005-01-10 | 2006-07-13 | University Of Warwick | Gas-sensing semiconductor devices |
| US20110174799A1 (en) * | 2010-01-21 | 2011-07-21 | Ali Syed Zeeshan | Micro-hotplates |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230047601A1 (en) * | 2021-08-16 | 2023-02-16 | Oriental System Technology Inc. | Infrared thermopile sensor |
| US11808633B2 (en) * | 2021-08-16 | 2023-11-07 | Oriental System Technology Inc. | Infrared thermopile sensor |
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