KR20190102189A - 전자기 방사선 및 특히 적외 방사선의 검출기, 및 이 검출기를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
적외 방사선 검출기는,
- 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이로서, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기 각각은, 6Ω.cm 내지 50Ω.cm의 범위에서의 고유저항을 갖는, 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막(5)을 포함하는 볼로메트릭 멤브레인(1)으로 형성되며, 상기 볼로메트릭 멤브레인은 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기에 의해 생성되는 신호를 독출하며 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기를 순차적으로 어드레싱하기 위한 회로를 통합하는 기판(4) 위에서 현가되는, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이;
- 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기를 형성하는 동안 및 그 후에 잔류 가스의 포획을 보장할 용도의 적어도 하나의 게터;
- 그 내부에 하우징되는 상기 어레이와 상기 적어도 하나의 게터를 가지며, 적외 방사선에 투명한 윈도우를 포함하는 그 상부 캡을 갖는 밀폐-시일링된 공동으로서, 상기 상부 캡은 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이를 지지하는 칩 상에서 또는 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이를 지지하는 칩이 그 바닥에서 부착되는 패키지 상에서 시일에 의해 시일링되며, 상기 공동은 진공이나 저압 하에 있는, 상기 밀폐-시일링된 공동을 포함한다.
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Description
본 발명은 적외선 이미징에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은, 볼로메트릭(bolometric) 검출기를 통합한, 전자기 방사선 및 특히 적외 방사선의 검출기를 제조하는 분야에 관한 것이다.
적외선 검출기 분야에서, 매우 낮은 온도, 통상 액체 질소의 온도에서 동작을 필요로 하는 "양자형 검출기(quantum detector)"로 불리는 이미징 디바이스와 대조적으로, 어레이로 배치되며, 주위 온도에서 동작할 수 있는, 즉 매우 낮은 온도에서 냉각을 필요로 하지 않는 디바이스를 사용하는 것이 알려져 있다.
그러한 냉각되지 않는 검출기는 종래에는 300K 부근에서 온도에 따라 적절한 소재의 물리량의 변경을 사용한다. 볼로메트릭 검출기의 경우, 이 물리량은 전기 고유저항이다.
그러한 냉각되지 않은 검출기는 일반적으로:
- 적외 방사선을 흡수하며 이를 열로 변환하기 위한 수단,
- 검출기를 열적으로 절연하여, 적외 방사선의 동작 하에서 검출기가 가열될 수 있게 하기 위한 수단,
- 볼로메트릭 검출기 환경에서, "서미스터"로 불리는 민감 소재의 요소와 전극으로 형성되는 저항 요소를 사용하는 온도 측정 수단, 및
- 온도 측정 수단에 의해 공급되는 전기 신호를 독출하기 위한 수단과 연합한다.
적외 방사선 흡수 및 온도 측정 수단은, 독출 수단 및 특히 독출 집적 회로(ROIC)가 배치되는 기판 위에서 열 절연 수단에 의해 현가되는 멤브레인에 통합된다. 열 절연 수단은, 전기 전도성 필러(pillar) 상에 클램핑되며 현재 "아암"으로 불리는 좁은 빔으로 통상 형성된다.
검출기는 기본 검출기의 1차원 또는 2차원 어레이의 형태로 종래에는 제조되며, 이러한 어레이는 소위 모놀리식 형태로 형성되거나 기판 상에 운반되며, 기판은 실리콘 기술로 CMOS(Complementary Metal Oxid Semi-conductor)로 일반적으로 형성되며, 기본 검출기를 순차적으로 어드레싱하기 위한 수단과, 기판에 형성되는 기본 검출기로부터 형성되는 전기 신호를 전기적으로 여기하여 사전 처리하기 위한 수단을 갖는다.
조립체는 밀폐하여 시일링된 챔버, 통상 매우 저압 하의 패키지에 놓여서, 주변 가스의 열 전도를 완전히 무시할 수 있게 한다. 이러한 타입의 검출기를 통해 현장(scene)을 얻기 위해, 이 현장은 기본 검출기의 어레이 상의 적응된 광학 시스템을 통해 돌출되며, 동기화된 전기 자극이 독출 회로를 통해 기본 검출기 각각에 또는 그러한 검출기의 각 행에 인가되어, 기본 검출기 각각이 도달한 온도의 이미지를 형성하는 전기 신호를 생성할 수 있다.
이 신호는 독출 회로에 의해 다소 정교하게 처리된 후, 패키지 외부의 전자 디바이스에 의해 아마도 처리되어, 관찰한 현장의 열 이미지를 생성한다.
이러한 타입의 검출기의 핵심 요소 중 하나는 따라서 온도 측정 수단이며, 이러한 온도 측정 수단은 박막으로 및 각각의 마이크로 검출기(즉, 픽셀)의 구조로 규정되는 표면 요소로 통상 형성되어, 임의의 온도 변경을 이 수단이 전달하는 전류의 변경으로 변환한다.
그에 따라, 마이크로 검출기(Rb)의 전기 저항은 다음의 수학식에 의해 서미스터 소재의 고유저항(ρ)에 따라 표현될 수 있다:
여기서 L, w 및 e는 각각 전류를 전달하는 서미스터 소재의 요소(일반적으로 평행육면체)의 길이, 폭 및 두께를 나타낸다.
정전압(Vpol) 하에서 바이어싱되는 저항(Rb)의 이러한 마이크로 검출기의 응답(
)은 다음의 일반 수학식에 따라 현장 온도 변경(δTSC)에 관련하여 출력 신호 변경(δS)을 표현한다:
여기서,
- A는 기본 민감 포인트(검출기 픽셀)의 전체 면적이고,
- ε는 볼로미터의 일반 광 흡수 효율이고,
- TCR(Temperature Coefficient of Resistance)은 동작 온도에 가까운 볼로미터의 민감 부분을 형성하는 소재의 고유저항의 변경의 계수를 나타내고,
- Rth는 멤브레인과 기판 사이의 (즉 홀딩 아암의) 열 저항이고,
- PT1는, 온도(T1)에서 현장으로부터 유래하며, 스펙트럼(통상 8-14㎛, 즉 극자외선 대역 또는 LWIR)에 걸쳐서 및 사용된 광학 시스템에 의해 특징화되는 입체각 내에서 통합되는 입사 방사선 파워,
- PT1는, T1보다 높은 현장 온도(T2)에 대한 PT1의 등가치이며,
- Tint는, 독출 회로의 아날로그 증폭기(CTIA: Trans Impedance Amplifier)를 특징화하는 커패시턴스(Cint)를 통해, 마이크로 검출기를 통해 흐르는 전류의 통합의 지속기간이다.
수학식(1) 및 (2)에 의하면, 각각의 마이크로 검출기의 응답은 "서미스터" 소재의 고유 속성, 즉 그 고유저항(ρ)과 그 TCR에 직접 관련되어 있다. 2개의 파라미터가 상호 의존적임을 주목해야 한다.
그에 따라, 제조와 관련되는 기술적 제약과 목표 성능에 맞춰진 TCR-ρ쌍을 선택해야 한다. 기술적 통합 내내 이들 파라미터를 유지하는 것은 업계 요건과 호환되는 성능과 효율을 달성하는데 있어서 결정적이다.
사용된 서미스터 소재 중, 무정형 실리콘과 산화 바나듐(VOx)을 주로 구별할 수 있다. 산화 바나듐은 일반적으로 매우 무질서한 또는 심지어 무정형 구조를 갖는 것으로 알려져 있다(예컨대 Bryan D. GAUNTT의 논문, "적외선 마이크로 볼로미터에서 사용하기 위한 산화 바나듐 박막의 나노-복합 성질" - 2011년 5월 참조하기 바람). 규정에 의해, 그러한 소재는 열역학적 평형 상태에 있지 않으며 수반되는 열 응력의 영향 하에서 아마도 변할 것이다. VOx 소재는 특히, 조정 가능한 고유저항, 높은 TCR 계수 및 저잡음 레벨로 인해, 볼로메트릭 검출기의 일반 환경에서 적절하다.
따라서, 2% 이상의 TCR 값이, VOx의 고유저항이 30℃에서 측정되어 0.2Ω.cm를 초과한다면, 통상 접근할 수 있다. 이 역치 미만으로 설정되는 고유저항에 대해서, TCR의 낮은 값은 검출기 특성을 충분한 레벨로 더 이상 보장할 수 없다.
또한, 높은 고유저항은, 그 전기 저항(Rb)의 상승을 야기함으로써 마이크로 검출기의 응답(
)에 악영향을 미친다. 초과할 경우 마이크로 검출기의 응답이 너무 낮게 되는 최대 고유저항의 값을 규정하기 위해, 수학식 (2)의 수치 적용을 실행할 수 있다. 응답(
)은, 현장에서 관찰한 1-도 콘트래스트에 대해 검출기에 의해 운반되는 신호의 편차를 반영한다. 우수한 품질의 이미지를 생성하기 위해, 응답(
)은 통상 5mV/도 내지 15mV/도의 범위에 있다.
2mV/도의 값이, 그 미만일 경우 이미지가 콘트래스트 부족으로 인해 매우 열화할 것이며 그에 따라 이용할 수 없게 될 최소치임을 고려할 때, 200-nm 두께를 갖는 정사각형 서미스터(w=L)를 고려하여, 수학식(2)은 최대 저항(Rb)을 결정하여 이로부터 수학식 (1)과 관련된 고유저항을 유도할 수 있다.
두꺼운 막 퇴적에 의해 유래되는 업계 문제와 별도로, 현가된 매스(mass)는 검출기 속도를 제한한다. 200nm보다 큰 두께를 갖는 서미스터는, 이 분야에서 통상 최대치인 대략 15ms보다 작은 열 시간 상수를 얻을 수 없게 한다.
입사 파워의 값은 플랑크 법칙에 따라 계산할 수 있다. 현장을, 초점 평면으로부터 거리(d = φ)에 놓인 직경(φ)의 포트를 통해, LWIR 대역에서 본래 투명하며 임의의 다른 파장에 대해서는 불투명한 통상 윈도우가 제공되는 검출기로 봄을 고려할 때, 20℃ 및 35℃의 현장 온도 각각에 대해, 예컨대 수신된 파워는 다음과 같다:
o PT1=20℃ = 38.66W/m2
o PT2=35℃ = 48.56W/m2
이 예에서, 검출기 픽셀은 17μm x 17μm의 표면적과, 100E6 K/W 의 열 저항과, 80% 흡수 효율을 가지며; 200nm 두께와 2% TCR을 가지며 Vpol = 2V로 바이어싱되는 정사각형 서미스터가 제공된다.
아날로그 증폭기는 여러 제약, 즉 "롤링 셔터" 모드에서, 즉 행의 순차적 판독으로 50Hz에서의 이미저의 동작과 호환하는 Tint의 50㎲ 값 및 상대적으로 높은 커패시턴스(Cint), 즉 6pF을 실행해서, 전류의 통합으로 인한 전자 잡음 및 확산(dispersion)을 최소화해야 한다.
이들 파라미터를 수학식 (2)에 대입하면, 2.5E6Ω의 저항(Rb)이 결국 2mV/도의 응답을 야기함을 결론내릴 수 있다.
대응하는 고유저항은 그에 따라 50Ω.cm에 가까우며, 이 값은 그 후 상한으로 간주될 수 있다.
산화 바나듐(VOx)의 박막이 통상 PVD(Physical Vapor Deposition) 기술에 의해 기판 상에 퇴적된다. 이 기술에 따라, 바나듐 또는 바나듐을 함유하는 화합물의 타겟이 진공 중에 놓이며, 이온화된 천연가스, 통상 아르곤이나 크립톤의 원자가 피폭된다(bombarded).
이 공정이, 제어되는 방식으로 반응기에 도입되는 산소나 다른 산화 가스의 존재 중에 발생할 때, 이온 피폭의 작용 하에서 타겟으로부터 추출한 바나듐 원자는 산소와 반응하여, 이 타겟의 실질적으로 반대편에 놓이는 기판 상에 VOx 층을 형성한다.
(예컨대 Bryan D. GAUNTT의 논문, "적외선 마이크로 볼로미터에서 사용하기 위한 산화 바나듐 박막의 나노-복합 성질" - 2011년 5월 - 에 따르면), 얻어진 VOx 막의 고유저항은 x의 값에 의존하며, 이 x는 1차로 반응기 내의 산소의 부분압에 의존함을 알게 되었다.
볼로메트릭 검출기의 이용 가능한 응답을 얻기 위해, 볼로미터의 민감 구조와 특히 현가된 멤브레인과 그 환경 사이의 최대 열 절연을 제공해야 한다. 이러한 조건을 보장하기 위해, 마이크로 구조는 통상 10-3 mbar에 가까운 매우 낮은 압력으로 대기 중에 놓인다.
실제로, 통상 실리콘이나 게르마늄으로 만드는, 적외선에서 투명한 윈도우는 공동의(hollowed) 패키지 - 이 패키지의 바닥에, 칩-검출기가 미리 부착됨 - 의 상부 상에서 시일링되거나, "웨이퍼 레벨 패키징" 타입의 집합적 공정인 경우에 실제 칩에 바로 시일링된다.
어떤 방법이 구현되든 간에, 2개의 부품이 금속 시일(또는 땜납)에 의해 서로에게 부착되며, 이러한 금속 시일은 국부적으로 용융되며, 검출기 동작 및 시간적 내구성과 호환되는 견고함(tightness)을 제공한다.
그러나 시일링 동안이나 그 후에 일어나는 가스 제거 현상으로 인해, 초기의 저압 레벨이 검출기 수명 내내 패키지에서 유지됨을 보장하기 위해서, 패키지의 내부 요소의 표면 가스 제거에도, 이 패키지에서, 잔류 가스 분자를 흡수하는 "게터"로 불리는 가스 포획(trapping) 디바이스를 통합하는 것이 알려져 있다. 그러한 "게터" 소재는 종래에는 금속 합금으로 만들며, 이러한 합금은, 활성화 온도로 불리는 온도 역치를 초과하여서 매우 반응성이게 된다.
그러한 진공 캡슐화 제약, 및 특히 시일링 동작과 게터 활성화는 결국, 서미스터 소재의 속성과 특징의 전개로 인해 실제 검출기의 성능을 바꿀 수 있는 열 처리에 대한 필요를 야기한다.
예컨대, 금속 시일로서 통상적인 공융(eutectic) Au/Sn 합금(80/20)의 선택은, 280℃ 주위의 온도인 경우에 낮은 용융점으로 인해 그러한 열 응력을 제한할 수 있다. 이러한 타입의 합금으로, 300℃에 가까운 온도에서 실행되는 시일링은 그에 따라 신뢰할 만한 시일을 얻을 수 있게 하여, 충분한 강성을 보장할 수 있어서 더 복잡한 시스템에서의 후속한 통합 방법을 견딜 수 있다.
그 결과, 게터 활성화는 이를 형성하는 소재에 의존한다. 이것은 상대적으로 높은 온도에서 일반적으로 일어난다. 그러나 특정한 최적화된 합금이, 우수한 가스 펌핑 또는 게터 성능을 보장하면서 그러한 게터 소재의 활성화 역치를 대략 300℃까지 아래로 낮출 수 있다(예컨대, SAES의 "페이지웨이퍼(Pagewafer)" 제품).
시일 형성 및 게터 활성화 단계는 일반적으로 및 경제적인 이유로 단일 열 사이클 동안 동시에 처리되며, 이러한 사이클은 그에 따라 검출기 칩을 300℃ 이상의 온도까지 겪게 한다. 문헌(WO2016/09126)은 그러한 방법을 기재한다. 일반적으로 적어도 10분 및 예컨대 게터 활성화에 의해 요구된다면 아마도 최대 90분 동안 이 온도를 유지해야 한다.
이 절차는, 검출기 수명 내내 진공 레벨의 우수한 안정성을 제공하면서 업계 제약과 호환되는 최소 열 예산에 대한 크기 순서(order of magnitue)를 규정한다.
그러나 무질서한, 즉 열역학적 균형에서 벗어난 VOx 서미스터 소재의 사용은 이 온도 범위에서의 제조 방법을 통해 고유 전기 속성(ρ 및 TCR)의 변경을 생성할 수 있으며, 이러한 속성은 검출된 신호의 품질과 검출기의 감도를 좌우한다.
사실, 어레이 검출기의 픽셀은, 각각의 픽셀에 대한 신호를 전달하도록 시준되며 그 저항값을 바로 반영하는 전자 독출 디바이스에 의해 "판독"된다. 전자 독출 회로는, 아날로그 증폭기의 최소 및 최대 출력 전압값에 의해 규정되는 그 동적 범위에 의해 결정되는 범위에서 저항 값을 판독할 수 있다.
그에 따라, 그러한 동적 범위를 사용하여 적외 방사선의 포착에 의해 생성되는 저항 변경을 측정할 수 있기 위해, 검출기 어레이의 픽셀의 초기 확산을 최소화해야 한다. 이것은 어레이 검출기의 전체 표면에 걸쳐서 서미스터 소재의 완벽한 균일성을 필요로 한다.
VOx 막을 형성하도록 구현되는 PVD-타입 퇴적 방법이 매우 우수한 공간 균일성을 야기하더라도, 앞서 기재한 바와 같은, 즉 통상 300℃에 가까운 온도 범위에서 진공 시일링 공정을 겪게 되는 그러한 서미스터 소재를 통합하는 어레이 검출기의 형성은 출력 신호의 균일성에 상당한 또는 심지어 크리플링(crippling) 방식으로 영향을 미칠 수 있으며, 그 결과, 그러한 검출기의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
사실, 업계 최적화 및 성능용으로, 열 시일링 사이클은 바람직하게는 짧으며 높은 진공 오븐에서 실행되며, 그러한 조건은 열 균질화 및 오븐으로부터 부품으로의 열 전달에 악영향을 미친다.
그러한 열 응력이 그에 따라 균일하지 않으며, 종래기술에서, 즉 30℃에서 측정된 0.1 내지 1Ω.cm의 범위 내로 설정되는 고유저항으로 종래에 구현되는 VOx 서미스터 소재는 국부적으로 도달한 온도에 민감하므로, 이 공정은 불가피하게 어레이 검출기 상의 마이크로 검출기의 저항 값의 증가한 확산을 야기하며, 결국 독출 회로 동적 범위에서 출력 신호 분포의 퍼짐을 야기하며, 이것은, 거의 크리플링 방식으로 적어도 제조 통계 면에서, 이 출력 신호 및 결과 이미지의 확산을 바꾼다. 다시 말해, 비균질의 열 공정을, 고려되는 온도 범위(및 통상 280 내지 320℃)에서 불안정한 소재에 적용하여 결국 야기되는 서미스터 소재의 불균일한 전개는 크리플링 방식으로 어레이 검출기의 균일성을 열화시킨다.
예컨대, 1% 초기 확산의 저항을 갖는 어레이 검출기의 모든 픽셀이 진공 시일링 동안 비균질의 방식으로 마지막에는 3% 확산을 보이도록 전개된다면, 독출 회로 동적 범위의 중심에 초기에 집중되었던 픽셀 모집단은 거의 전체 독출 동적 범위에 걸쳐서 분포된다(도 3의 하단 부분 참조).
300℃보다 높은 시일링 온도를 구현하는 보통의 패키징 공정이 산화 바나듐(VOx)을 서미스터 소재로서 갖는 것의 문제점을 제기하며, 150℃ 내지 200℃의 범위에서의 그러한 소재의 시일링 온도가 제안됨을 알게 되었다(예컨대 S.GARCIA-BLANCO 등의 "냉각되지 않은 마이크로볼로미터 FPA에 대한 저온 진공 밀폐 웨이퍼-레벨 패키지" - SPIE Vol.6884 - 2008 또는 또한 S.GARCIA-BLANCO 등의 "MOEMS-MEMS를 위한 하이브리드 웨이퍼-레벨 진공 밀폐 마이크로 패키징 기술" - SPIE Vol. 7208 - 2009를 참조하기 바람). 그러나 그러한 시일링 온도로, 효율적인 게터의 사용이 현재의 기술로는 불가능하며, 이것은 결국 패키지에서의 진공 레벨의 빠른 열화를 야기함을 관찰할 수 있다.
다시 말해, 업계 규모에서 그러한 어레이 검출기를 형성하는 데 현실적으로 어려움이 있으며, 이는 열 예산 제약과 검출된 이미지 품질 면에서 이들 검출기 속성의 내구성 때문이다. 다시 말해, 해당하는 타입의 어레이 검출기를 형성하여, 업계 이점 및 그 예산 제약에 악영향을 미치지 않고 확산을 관리할 수 있는 간단한 수단이 알려져 있지 않다.
본 발명은 기본적으로, 현재의 검출기 패키징 공정이나 전자 확산 정정 시스템의 개조를 필요로 하지 않으며, 그러한 검출기를 형상하기 위해 업계 공정에 완벽하게 맞춰지는 간단한 해법으로 이러한 어려움을 극복하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 먼저 종래기술에서 기재된 것보다 훨씬 더 크며 통상적으로 30℃에서 측정되는 6 내지 50Ω.cm의 범위에서 및 유리하게는 6 내지 24Ω.cm에서의 큰 고유저항을 갖는 산화 바나듐(VOx)의 막을 서미스터 소재로서 사용하는 단계를 포함한다.
이를 위해, 이것은, PVD에 의해 및 예컨대 바나듐 산화물의 이온 빔 스퍼터링(IBS)에 의해, 산화 바나듐(VOx)의 막을, 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되는 기판 상의 산화물 층의 성장 동안 열을 입력하지 않고, 30℃에서 측정되는 각각 6Ω.cm와 50Ω.cm의 고유저항 값에 대응하는 대략 1.8과 2.3 사이에서 x를 변경함으로써, 제어되는 부분 O2 압력 하에서 형성하는 단계를 포함한다(고유저항과 조성(x) 사이의 매칭은 특히 Bryan D. GAUNTT의 앞서 언급한 논문에서 규명되어 있다).
그러한 소재에 의해, 출원인들은, 통합의 온도 범위에서 및 그에 따라 패키지의 폐쇄(시일링) 및 게터 활성화의 범위에서, 즉 통상 280℃ 내지 320℃의 범위에서, 사용되는 서미스터 소재의 고유저항 변경은 종래기술에서 사용되는 소재와 대조적으로 매우 억제되어 유지되며, 그러한 안정성은 독출 회로 레벨에서 결과적인 신호의 만족스러운 균일성을 제공함을 보여주었다.
그에 따라, 본 발명은 다음을 포함하는 적외 방사선 검출기를 목적으로 한다:
- 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이로서, 기본 볼로메트릭 검출기 각각은 6Ω.cm 내지 50Ω.cm 및 유리하게는 6Ω.cm 내지 24Ω.cm의 범위에서 고유저항을 갖는 무정형 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막을 포함하는 볼로메트릭 멤브레인으로 형성되며, 이러한 멤브레인은 이 기본 검출기에 의해 생성되는 신호를 독출하며 기본 검출기를 순차적으로 어드레싱하기 위한 회로를 통합하는 기판 위에서 현가되는, 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이;
- 검출기를 형성하는 동안 및 그 후에 잔류 가스를 포획하는 용도의 적어도 하나의 게터;
- 그 내부에 하우징되는 그러한 어레이와 그러한 게터를 갖는 밀폐-시일링된 공동으로서, 그러한 공동은 적외 방사선에 투명한 윈도우를 포함하는 그 상부 캡을 가지며, 이러한 캡은 기본 검출기의 어레이를 지지하는 칩에 또는 기본 검출기의 어레이를 지지하는 칩이 그 바닥에서 부착되는 패키지에 시일링되며, 그러한 공동은 진공이나 저압 하에 있는, 밀폐-시일링된 공동을 포함한다.
본 발명은 또한 그러한 적외 방사선 검출기를 형성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 30℃에서 측정되는 6Ω.cm 내지 50Ω.cm 및 유리하게는 6Ω.cm 내지 24Ω.cm 범위의 고유저항을 갖는 산화 바나듐(VOx)의 막으로 형성되는 서미스터 소재와 280℃ 내지 320℃의 범위의 온도에서의 게터 활성화를 갖는 기본 검출기가 그 내부에 설치된 후, 패키지의 상부 캡을 동시에 시일링하는 단계를 본래 포함한다.
실시예에 따라, 볼로메트릭 멤브레인을 형성하는데 사용되는 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막은 30 ℃에서 측정되는 6Ω.cm 내지 9Ω.cm의 범위에서의 고유저항을 가지며, 공동의 상부 캡의 공동 상의 시일링은, 기본 검출기와 게터가 그 내부에 설치된 후, 10분 내지 90분의 범위의 시간 기간 동안 280℃ 내지 300℃의 범위의 온도에서 실행된다.
다른 실시예에 따라, 볼로메트릭 멤브레인을 형성하는데 사용되는 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막은 30 ℃에서 측정되는 9Ω.cm 내지 24Ω.cm의 범위에서의 고유저항을 가지며, 공동의 상부 캡의 공동 상의 시일링은, 기본 검출기와 게터가 그 내부에 설치된 후, 10분 내지 90분의 범위의 시간 기간 동안 280℃ 내지 320℃의 범위의 온도에서 실행된다.
그에 따라, 달성된 열 이미지의 품질 면에서 그러한 검출기의 성능은, 검출기의 증가한 수명을 더 보장하면서, 그 제조에 고유한 경제적인 제약과 결합된다.
본 발명의 전술한 특성과 장점은 이제 수반하는 도면과 관련하여 특정 실시예에 대한 다음의 비제한적인 설명에서 논의할 것이다.
도 1은 볼로메트릭 픽셀 또는 기본 볼로메트릭 검출기의 간략화된 표현이다.
도 2는, 종래 기술에서 바람직한 기술인 IBS(Ion Beam Sputtering)에 의해 산화 바나듐 막을 형성하는 원리를 예시하는 간략화된 표현이다.
도 3은, 검출기로의 그 통합 동안 전개하지 않는 소재의 본 발명에 따른 경우(상부 부분)에 대한 및 열 처리에 의해 열화되는 VOx 소재의 종래기술의 경우(하부 부분)에 대한 어레이 적외 방사선 검출기의 출력 신호의 확산을 도시하는 2개의 히스토그램을 각각 도시한다.
도 4 및 도 5는, 90분 및 10분의 어닐링 지속기간 동안 각각 어닐링 온도에 따라 30℃에서 측정되는 상이한 고유한 고유저항에 대한, 산화 바나듐(VOx)의 막의 반사도의 변경을 나타내는 그래프이다.
도 1은 볼로메트릭 픽셀 또는 기본 볼로메트릭 검출기의 간략화된 표현이다.
도 2는, 종래 기술에서 바람직한 기술인 IBS(Ion Beam Sputtering)에 의해 산화 바나듐 막을 형성하는 원리를 예시하는 간략화된 표현이다.
도 3은, 검출기로의 그 통합 동안 전개하지 않는 소재의 본 발명에 따른 경우(상부 부분)에 대한 및 열 처리에 의해 열화되는 VOx 소재의 종래기술의 경우(하부 부분)에 대한 어레이 적외 방사선 검출기의 출력 신호의 확산을 도시하는 2개의 히스토그램을 각각 도시한다.
도 4 및 도 5는, 90분 및 10분의 어닐링 지속기간 동안 각각 어닐링 온도에 따라 30℃에서 측정되는 상이한 고유한 고유저항에 대한, 산화 바나듐(VOx)의 막의 반사도의 변경을 나타내는 그래프이다.
기본 볼로메트릭 검출기를 도 1에 도시하였다. 그러한 검출기는, 열 절연 "아암"(2)과 필라(3)를 통해 현가되는 멤브레인(1)으로 기본적으로 형성되어, 기판(4)과 전기 연결을 보장한다.
멤브레인(1)은 그 표면 대부분 상에 서미스터 소재(5)의 박막을 포함하며, 이러한 박막은 (실리콘이나 게르마늄으로 통상 만들며) 적외 방사선에 투명한 윈도우 반대편에 배향된다.
유리하게도 및 기본 검출기의 성능을 최적화하기 위해, 금속 반사기 막(6)이 현가된 멤브레인 아래에 이로부터 충분한 거리로 부착되어 공진 공동을 형성하여 적외 방사선의 흡수를 최적화한다.
서미스터 소재(5)는 산화 바나듐(VOx)의 박막으로 만들어지며, 이들 박막은 20nm 내지 200nm의 범위의 통상 두께를 가지며, 6Ω.cm 내지 50Ω.cm의 범위의 고유저항을 갖는다. 이들 고유저항 값은 통상 RBS(Rutherford Backscattering Spectroscopy) 기술에 의해 측정되는 바와 같이 1.8 내지 2.3의 범위에서 x의 값에 대응한다.
산화 바나듐(VOx)의 박막은, 3 x 10-5 Torr 내지 1 x 10-4 Torr의 범위의 부분압으로, 산소의 존재에서 반응기의 주위 온도로 기판 상의 IBS(Ion Beam Sputtering) 퇴적에 의해 형성된다.
그러한 반응기를 도 2에 예시한다. 펌핑 시스템(11)이 구비되는 이 반응기(10)는 순수 또는 거의 순수 바나듐의 타겟(13)을 수용하는 지지부(12)를 포함한다. 타겟은, 자체로 알려진 건(14)에 의해 방출된 이온화된 크립톤의 빔에 의해 피폭된다. 크립톤의 사용은 제한적이지 않으며, 임의의 다른 희가스가 사용될 수 있다.
이 이온 피폭의 결과로서 타겟으로부터 배출된 바나듐 원자는 반응기 내에 도입되는 산소(15)에 의해 어느 정도 산화된다. 반응기 챔버에 존재하는 산소의 부분압은 조절 루프에 의해 제어되어 최종량(x)을 원하는 값으로 설정한다. 스퍼터링된 바나듐 원자는 산화되어, 원자 산소의 비율(x)에 따라 고유저항을 갖는 VOx의 층을 기판(16) 상에 형성한다.
기판(16)은, 열-전달 유체를 사용하여 냉각 시스템(미도시)에 의해 퇴적 동안 실온에 가까운 온도로 유지된다.
0.5Ω.cm 내지 24Ω.cm의 범위로 30℃에서 측정된 초기 고유저항을 갖는 VOx의 열 안정성을 비교하기 위해, 선택된 기판은, 단결정 실리콘의 200-mm 웨이퍼 상에 퇴적되는 질화 실리콘(SiNx)(또는 심지어 산화 실리콘(SiOx)) 막으로 형성된다. 이것은 VOx 막과 실리콘 기판 사이에 뛰어난 전기 절연을 제공한다.
일련의 정사각형 패턴("반 데어 파우브(Van Der Pauw)-타입 패턴)이 그 후 포토리소그라피 및 그 후 VOx 소재의 에칭에 의해 규정된다. 소재는 그 후 퇴적 및 금속 전극의 규정에 의해 이 정사각형의 4개의 코너에서 접촉한다.
조립체는 그 후 저온, 즉 280℃에서 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 퇴적되는 질화 실리콘(SiNx)의 층에 의해 캡슐화되어 VOx 소재의 특징을 보존한다. 캡슐화는 VOx 패턴을 전체적으로 덮어 어닐링 테스트 동안 주위 분위기와의 임의의 화학적 상호작용으로부터 VOx 소재를 절연하도록 실행된다.
이 패턴은 그 후 금속 전극을 통해 바이어싱된다. VOx 막의 정사각형 당 저항은 그 후 반 데어 파우어 방법에 의해 결정된다. VOx 막의 두께는 전용 이웃하는 패턴 상에서 엘립소메트리(ellipsometry)에 의해 결정된다. 그러한 막의 정사각형 당 두께와 저항이 그 고유저항을 규정한다. 이 방법은 각각의 어닐링 이전 및 이후에 적용된다. 결과는 90분 어닐링 동안에 대해 도 4의 그래프 상에 나타난다. 질화 실리콘 캡슐화 층은 VOx 막의 속성을 변경하지 않음이 앞서 검증되었다.
30℃에서 측정되는 0.5Ω.cm, 6.3Ω.cm, 9.3Ω.cm, 20Ω.cm 및 24Ω.cm의 각각의 고유저항의 VOx 막을 각각 통합하는 5개의 웨이퍼가 그에 따라 형성되었다. 그러한 고유저항은 1.6; 1.8; 1.9; 2 및 2.1의 각각의 x 값(+ 또는 -0.1 내)에 상관된다.
이들 웨이퍼로부터의 샘플은 질소 흐름 하에서 및 240℃와 330℃ 사이에서 스테이징되는 상이한 온도로 실행되는 어닐링을 겪게 되어, 그 열 안정성을 평가하거나, 다시 말해 열 응력의 존재에서의 그 강성을 평가한다. 소재에 대해 가장 제약이 있지만, 산업적 신뢰도 면에서, 특히 시일링된 구성요소의 진공의 안정성 면에서 가장 안전한 구성에 의도적으로 있도록, 어닐링 시간은 90분으로 설정된다.
도 4의 곡선으로부터 다음의 관찰을 할 수 있다.
0.5Ω.cm 초기 고유저항을 갖는 막은, 온도가 250℃에 도달하자마자 상당하 강하한다.
6.3Ω.cm 초기 고유저항을 갖는 막은, 300℃까지 안정적이며, 그 후 그 고유저항이 갑자기 강하함을 볼 수 있다.
그러나 9.3, 20 및 24Ω.cm 초기 고유저항을 갖는 막은 310℃까지 고유저항 면에서 매우 작은 변경을 가지며, 이러한 고유저항은 320℃로부터 단지 강하한다.
소재의 안정성 역치는 그에 따라 그 조성과 그 고유한 고유저항에 의존하는 것으로 보이며, 최고 고유저항을 갖는 소재가 가장 안정적이다.
그러한 측정은 동일한 샘플에 관해 또한 실행되지만, 진공 시일링 공정에 대한 실제 최소 시간에 대응하는 통상 10분의 짧은 지속기간의 어닐링에 대해, 실행된다.
그에 따라 0.5Ω.cm, 6.3Ω.cm 및 20Ω.cm의 30℃에서 측정되는 각각의 초기 고유저항의 동일한 막을 통합하는 다른 디바이스가 해당 범위를 포함하는 상이한 온도, 즉 280℃, 300℃, 310℃, 320℃ 및 330℃에서 질소 흐름 하에서 10분 어닐링을 겪게 된다.
도 5의 그래프 상에 그려진, 각 샘플에 대한 어닐링 이후 측정되는 고유저항 값은 결국 다음과 같이 관찰된다:
0.5Ω.cm의 초기 고유저항을 갖는 막은 10분으로 감소하는 어닐링 지속기간에도 280℃를 견디지 못한다. 이러한 관찰은, 종래 기술로 나타내어지는 그러한 소재가 여기서 고려되는 진공 시일링 공정과 호환적이지 않음을 암시한다.
6.3Ω.cm 초기 고유저항을 갖는 막은 적어도 이 짧은 시간 어닐링(10분) 동안 320℃까지 안정적인 특징을 유지한다.
20Ω.cm의 초기 고유저항을 갖는 막은 330℃까지 10분 어닐링을 견딘다.
그리하여, 서미스터 소재로서, 앞서 나타낸 대로, 즉 30℃에서 6Ω.cm 내지 50Ω.cm의 범위에서 측정된 고유저항을 특징으로 하는 산화 바나듐(VOx) - x는 1.8 내지 2.3의 범위임 - 을 통합하는 기본 검출기를 사용함으로써, 상부 캡을 패키지에 시일링하며 게터 활성화 단계에도, 상대적으로 낮은 활성화 온도에서 높고 지속되는 성능을 갖는 적외선 어레이 검출기를 형성하는 것이 가능하며, 이러한 단계는, 앞서 나타낸 바와 같이, 적절한 금속 시일(예컨대, AuSn(80/20) 타입) 및 게터 소재(예컨대, 기준 "페이지웨이퍼" 하에서 SAES에 의해 상업화된 타입)가 선택되자마자 적어도 300℃에서 발생할 수 있다.
고유저항 면에서 그러한 서미스터 소재의 열 안정성은 결국 독출 회로의 출력에서 얻게 되는 신호의 제한된 확산을 야기하며, 도 3(상부 부분)에 예시한 바와 같이, 전기 동적 범위의 중심에 포함되는 좁은 확산 히스토그램을 아날로그 증폭기의 출력에서 유지할 수 있다.
통상 6Ω.cm보다 작은 (30℃에서 측정되는) 중간의 초기 고유저항의 막은 고려되는 온도 범위에서 안정적이지 않으며, 이것은 결국 전기 동적 범위의 대부분을 이제 차지하는 매우 넓은 히스토그램(도 3의 하부 부분)을 야기한다. 그러한 소재는, 앞서 나타낸 시일링 방법의 높은 신뢰도 레벨이 유지되는 것이 바람직하다면, 독출 회로 동적 범위의 중심에 픽셀의 각 출력 신호를 갖기 위해 복잡한 전자 정정 시스템을 필요로 할 것이다.
최저 전기 고유저항, 0.5Ω.cm를 갖는 막은 적용된 온도 범위에서 그러한 전개를 경험하여, 이 시일링 기술과 호환적이지 않다고 고려되어야 한다. 그 TCR은 0이거나 너무 낮으며, 그에 따라 관심없다. 그러한 소재는 저온 시일링 합금을 사용하는 것을 필요로 할 것이며, 이것은 효율적인 게터를 사용할 수 없게 하여, 진공의 내구성을 위험에 빠뜨리며 그에 따라 이 방법에 의해 형성되는 부품의 신뢰도를 위험에 빠뜨린다.
출원인은, 1Ω.cm에 가까운 고유저항을 갖는 VOx 막이 본 발명에서 기재한 VOx 막보다 더 빠른 키네틱스(kinetics)를 보통의 분위기 하에서 가짐을 또한 관찰하였다.
사실, (종종 "강성 층으로 불리는) 더 낮은 밀도의 층이 주변 공기에 노출되는 VOx 막의 표면에 형성됨이 기재되어 있다(예컨대, N.J. Podraza 등 - "스퍼터링된 무정형 산화 바나듐 박막의 전기 및 광학 속성" - Applied physics 저널 111n° 7 - 2012년 4월 1일, 또는 M.A. Motyka 등 - 펄스화된-직류 마그네트론 스퍼터링에 의해 준비되는 박막 산화 바나듐의 마이크로 구조적 전개 - Applied physics 저널 112, n°9(2012) 참조). 다층 모델, 즉 최소한으로 2개의 층 - 하나의 층은 완전한, 즉 100%의 VOx로 만들어지는 반면 다른 하나는 ("브러그만(Bruggeman) 유효 매질 근사"에 따라) 50%의 VOx와 50%의 공기로 만들어짐 - 으로 형성되는 것으로 막을 고려하는 모델에 의해 해석되는 엘립소메트리에 의한 측정은 이러한 "강성 층"의 두께를 결정할 수 있게 한다. 시간에 따른 이러한 층의 두께의 후속은, 공기에 노출및 동일한 온도 및 습도 조건에서, 10Ω.cm 막보다는 1Ω.cm VOx 막의 경우가 대략 2배 더 빠른 성장 키네틱스를 보인다.
예로서, 80nm의 총 두께를 갖는 VOx 막의 퇴적 40일 후, 강성 층의 두께는 10Ω.cm 고유저항을 갖는 VOx 막의 경우 5nm보다 작게 유지되지만 1Ω.cm 고유저항을 갖는 VOx 막의 경우 10nm를 초과한다.
이러한 성장은 완전한 VOx 층의 손상을 발생시킨다. 이 표면 층은 완전한 막보다는 더 높은 고유저항을 가짐을 보게 되었으며(예컨대, 2개의 앞서 언급한 공개자료에서), 이점은 시간에 따른 막의 정사각형 당 저항을 반드시 변경시킨다.
또한, 저 밀도 및 가변 두께의, 그러한 표면 층의 존재는 VOx 패턴을 규정하는데 필요한 포토리소그라피 및 에칭 방법의 가변성의 문제를 야기할 수 있다. 이들 2개의 어려움은, 원하는 값을 초과하여 픽셀의 전기 저항을 증가시킴으로써나 이들 값의 확산을 증가시킴으로써 중 어느 하나로 최종 검출기 성능을 아마도 열화시킬 것이다. 그러나 본 발명에 따른 서미스터 막이 사용되자마자 인용문헌에서 옹호되는 바와 같이(US 6313463 참조) VOx 막의 퇴적 후 현장 캡슐화, 즉 공기와의 비접촉을 없앨 수 있다.
본 발명은 결국 냉각되지 않은 어레이-타입 적외선 검출기의 성능 요건과 그러한 검출기의 제조의 산업화의 제약과 호환할 수 있는 가능성을 야기한다.
또한, 그러한 검출기는, 주변 대기 중에서 산화에 저항하는 이들의 더 큰 성능으로 인해, 이들의 제조 공정 동안 다루기 용이하다.
Claims (8)
- 적외 방사선 검출기로서,
- 기본 이미징 볼로메트릭(bolometric) 검출기의 어레이로서, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기 각각은, 30℃에서 6Ω.cm 내지 50Ω.cm의 범위로 측정된 고유저항을 갖는, 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막(5)을 포함하는 볼로메트릭 멤브레인(1)으로 형성되며, 상기 볼로메트릭 멤브레인(1)은 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기에 의해 생성되는 신호를 독출하며 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기를 순차적으로 어드레싱하기 위한 회로를 통합하는 기판(4) 위에서 현가되는, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이;
- 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기를 형성하는 동안 및 그 후에 잔류 가스의 포획을 보장할 용도의 적어도 하나의 게터(getter);
- 그 내부에 하우징되는 상기 어레이와 상기 적어도 하나의 게터를 갖는 밀폐-시일링된 공동(hermetically-sealed cavity)으로서, 상기 공동은 적외 방사선에 투명한 윈도우를 포함하는 그 상부 캡을 가지며, 상기 상부 캡은 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이를 지지하는 칩 상에서 또는 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이를 지지하는 칩이 그 바닥에서 부착되는 패키지 상에서 시일에 의해 시일링되며, 상기 공동은 진공이나 저압 하에 있는, 상기 밀폐-시일링된 공동을 포함하는, 적외 방사선 검출기. - 청구항 1에 있어서, 상기 볼로메트릭 멤브레인을 형성하는데 사용되는 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막(5)이 30℃에서 6Ω.cm 내지 24Ω.cm의 범위로 측정된 고유저항을 갖는 것을 특징으로 하는, 적외 방사선 검출기.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 시일이 AuSn 금속 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 적외 방사선 검출기.
- 적외 방사선 검출기를 형성하는 방법으로서, 상기 검출기는:
- 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이로서, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기 각각은, 30℃에서 6Ω.cm 내지 50Ω.cm의 범위로 측정된 고유저항을 갖는, 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막(5)을 포함하는 볼로메트릭 멤브레인(1)으로 형성되며, 상기 볼로메트릭 멤브레인(1)은 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기에 의해 생성되는 신호를 독출하며 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기를 순차적으로 어드레싱하기 위한 회로를 통합하는 기판(4) 위에서 현가되는, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이;
- 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기를 형성하는 동안 및 그 후에 잔류 가스의 포획을 보장할 용도의 적어도 하나의 게터;
- 그 내부에 하우징되는 상기 어레이와 상기 적어도 하나의 게터를 가지며, 적외 방사선에 투명한 윈도우를 포함하는 그 상부 캡을 갖는 밀폐-시일링된 공동으로서, 상기 상부 캡은 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이를 지지하는 칩 상에서 또는 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기의 어레이를 지지하는 칩이 그 바닥에서 부착되는 패키지 상에서 시일에 의해 시일링되며, 상기 공동은 진공이나 저압 하에 있는, 상기 밀폐-시일링된 공동으로 형성되며,
상기 방법에서,
- 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기와 게터가 상기 공동 내에 설치된 후, 상기 공동의 상부 캡의 상기 공동 상의 시일링은 10분 내지 90분의 범위에서의 지속기간 동안 280℃ 내지 320℃의 범위에서의 온도로 실행되며;
- 상기 게터의 활성화는 상기 공동의 상부 캡의 시일링과 동시에 실행되는, 적외 방사선 검출기 형성 방법. - 청구항 4에 있어서, 상기 볼로메트릭 멤브레인(1)을 형성하는데 사용되는 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막(5)이 30℃에서 6Ω.cm 내지 24Ω.cm의 범위로 측정된 고유저항을 갖는, 적외 방사선 검출기 형성 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 볼로메트릭 멤브레인(1)을 형성하는데 사용되는 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막(5)이 30℃에서 6Ω.cm 내지 9Ω.cm의 범위로 측정된 고유저항을 갖되, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기와 게터가 상기 공동 내에 설치된 후, 상기 공동의 상부 캡의 상기 공동 상의 시일링이 10분 내지 90분의 범위에서의 지속기간 동안 280℃ 내지 300℃의 범위에서의 온도로 실행되는 것을 특징으로 하는, 적외 방사선 검출기 형성 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 볼로메트릭 멤브레인(1)을 형성하는데 사용되는 산화 바나듐(VOx)으로 만든 막(5)이 30℃에서 9Ω.cm 내지 24Ω.cm의 범위로 측정된 고유저항을 갖되, 상기 기본 이미징 볼로메트릭 검출기와 게터가 상기 공동 내에 설치된 후, 상기 공동의 상부 캡의 시일링이 10분 내지 90분의 범위에서의 지속기간 동안 280℃ 내지 320℃의 범위에서의 온도로 실행되는 것을 특징으로 하는, 적외 방사선 검출기 형성 방법.
- 청구항 4 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 캡을 상기 공동에 시일링하는 시일이 AuSn 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 적외 방사선 검출기 형성 방법.
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