KR20200033240A - 멤스 소자 및 멤스 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시에에 따른 멤스 소자는, 적외선 센서를 구비한 센서 기판; 및 상기 하부 기판과 접합되어 케비티를 구성하는 캡 기판을 포함한다. 상기 캡 기판은, 상부 기판; 상기 상부 기판의 상부면에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴; 상기 상부 패턴을 마주보도록 배치되고 상기 상부 기판의 하부면에서 함몰된 케비티 영역에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 패턴; 상기 하부 패턴의 주위에 배치되고 상기 케비티 영역 내에 배치된 게터; 상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역보다 돌출되고 상기 상부 기판과 동일한 구조와 재질을 가지고 상기 케비티 영역을 감싸도록 배치된 격벽; 상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역의 배치평면보다 더 함몰되고 상기 격벽을 감싸도록 배치된 절단 부위; 및 상기 격벽의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드;를 포함한다.

Description

멤스 소자 및 멤스 디바이스의 제조 방법{A MEMS Device And The Manufacturing Method of the MEMS Device}

본 발명은 MEMS 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 적외선 대역에서 높은 투과도를 가진 적외선 창문을 가지며 높은 적외선 대역 흡수도를 가진 적외선 센서 멤스 소자에 관한 것이다.

볼로미터는 적외서 센서의 한 종류이다. 상기 볼로미터는 반사판과 신호처리부를 포함하는 하부 기판에 형성된다. 상기 볼로미터는 입사되는 적외선을 흡수한다. 상기 볼로미터의 흡수판의 온도가 상승하면, 온도 상승으로 인한 저항층의 저항 변화가 검출되고, 저항 변화로부터 적외선의 에너지가 측정된다.

캡 기판은 하부 기판과 별도의 상부 기판을 포함하고, 상기 캡 기판은 상기 하부 기판과 웨이퍼 본딩되어 케비티를 형성하면서 패키징된다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 적외선의 특정 대역(7μm -20 μm)에 높은 투과율을 가지는 적외선 센서용 멤스 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법은, 상부 기판의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴을 형성하는 단계; 상기 상부 패턴과 정렬되고 나방눈(Moth-eye) 구조를 가지고 상기 상부 기판의 하부면에 배치되는 예비 하부 패턴을 형성하는 단계; 상기 예비 하부 패턴을 감싸는 격벽 영역에 형성된 식각 마스크를 이용하여 식각하여 상기 예비 하부 패턴이 전사된 하부 패턴을 포함하는 케비티 영역 및 상기 격벽 영역을 감싸는 예비 리세스 영역을 동시에 형성하는 단계; 상기 예비 리세스 영역을 추가적으로 식각하는 리세스 영역을 형성하는 단계; 상기 격벽 영역에 상부 본딩 패드와 상기 케비티 영역에 상기 하부 패턴과 중첩되지 않도록 게터를 형성하는 단계; 진공 상태에서 적외선 센서를 구비한 하부 기판의 하부 본딩 패드와 상기 상부 기판의 상기 상부 본딩 패드를 접합하는 단계; 및 상기 상부 기판의 상기 리세스 영역을 절단하여 상기 하부 기판의 외부 연결 패드를 노출하는 단계를 포함한다. 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은 실리콘 기판이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상부 기판의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴을 형성하는 단계는, 상기 상부 기판의 상부면에 포토-리소그라피 공정을 이용하여 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 예비 상부 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 예비 상부 포토레지스트 패턴이 형성된 상기 상부 기판을 열리플로(thermal reflow) 공정을 수행하여 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 상부 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 건식 식각하여 상기 상부 기판의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 상부 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 패턴과 정렬되고 나방눈(Moth-eye) 구조를 가지고 상기 상부 기판의 하부면에 배치되는 예비 하부 패턴을 형성하는 단계는, 상기 상부 기판의 하부면에 포토-리소그라피 공정을 이용하여 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 예비 하부 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 예비 하부 포토레지스트 패턴이 형성된 상기 상부 기판을 열 리플로(thermal reflow) 공정을 수행하여 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 하부 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 건식 식각하여 상기 상부 기판의 하부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 예비 하부 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 하부 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 패턴의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 반구들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 패턴의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 절단된 타원체들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시에에 따른 멤스 소자는, 상부 기판; 상기 상부 기판의 상부면에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴; 상기 상부 패턴을 마주보도록 배치되고 상기 상부 기판의 하부면에서 함몰된 케비티 영역에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 패턴; 상기 하부 패턴의 주위에 배치되고 상기 케비티 영역 내에 배치된 게터; 상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역보다 돌출되고 상기 상부 기판과 동일한 구조와 재질을 가지고 상기 케비티 영역을 감싸도록 배치된 격벽; 상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역의 배치평면보다 더 함몰되고 상기 격벽을 감싸도록 배치된 절단 부위; 및 상기 격벽의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드; 하부 기판; 상기 상부 기판의 상기 케비티 영역을 마주보록 배치된 적외선 센서; 및 상기 상부 본딩 패드와 정렬되고 상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함한다. 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은 실리콘 기판이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 패턴의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 반구 형상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 패턴의 상기 반구 형상의 곡률 반경은 서브 마이크로미터 내지 수 마이크미터 이고, 상기 하부 패턴의 반구들은 상기 상부 패턴의 반구들과 서로 정렬될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 패턴의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 절단된 타원체형상일 수 있다.

본 발명의 일 실시에에 따른 멤스 소자는, 적외선 센서를 구비한 센서 기판; 및 상기 하부 기판과 접합되어 케비티를 구성하는 캡 기판을 포함한다. 상기 캡 기판은, 상부 기판; 상기 상부 기판의 상부면에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴; 상기 상부 패턴을 마주보도록 배치되고 상기 상부 기판의 하부면에서 함몰된 케비티 영역에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 패턴; 상기 하부 패턴의 주위에 배치되고 상기 케비티 영역 내에 배치된 게터; 상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역보다 돌출되고 상기 상부 기판과 동일한 구조와 재질을 가지고 상기 케비티 영역을 감싸도록 배치된 격벽; 상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역의 배치평면보다 더 함몰되고 상기 격벽을 감싸도록 배치된 절단 부위; 및 상기 격벽의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드;를 포함한다. 상기 센서 기판은, 하부 기판; 상기 하부 기판에 형성되고 상기 상부 기판의 상기 케비티 영역을 마주보록 배치된 적외선 센서; 및 상기 상부 본딩 패드와 정렬되고 상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함한다. 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은 실리콘 기판이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적외선 센서는, 상기 하부 기판의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드; 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층; 상기 반사층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판; 및 상기 금속 패드의 상부에 형성되어 상기 흡수판을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 흡수판은 차례로 적층된 제1 절연층, 흡수층, 저항층, 제2 절연층, 및 무반사 패턴을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 무반사 패턴은 나방눈 구조일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 패턴의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 반구이고, 상기 하부 패턴의 상기 반구의 곡률 반경은 서브 마이크로미터 내지 수 마이크로미터이고, 상기 하부 패턴의 반구들은 상기 상부 패턴의 반구들과 서로 정렬될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는 캡 기판과 멤스 소자 기판의 진공 패키징 공정을 통하여 제작된다. 상기 캡 기판은 나방눈 구조의 패턴이 형성된 적외선 창문을 가진다. 상기 나방눈 구조의 상부 패턴은 상기 캡 기판의 상부면에 형성되어 무반사 기능을 수행하고, 나방눈 구조의 하부 패턴은 상기 캡 기판의 하부면에 함몰된 영역에 형성되어 대역 통과 필터 기능을 수행한다. 상기 상부 패턴과 상기 하부 패턴은 나방눈 구조를 가지고, 우수한 적외선 투과 특성을 제공한다. 또한, 상기 상부 패턴과 상기 하부 패턴은 다층 박막 공정에 의한 무반사 코팅에 비하여 비용 절감 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 1b는 도 1a의 멤스 소자의 캡 기판에 현성된 나방눈 구조의 패턴을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 멤스 소자의 캡 기판에 현성된 나방눈 구조의 패턴을 나타내는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과율을 나타낸다.
도 3a 내지 도 3l은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서를 구비한 센서 기판을 설명하는 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 A-A’ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 기판의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.

본 발명은 MEMS(Microelectromechanical systems) 소자 제조 방법으로, 웨이퍼 레벨 진공 패키징에 관한 것이다. 웨이퍼 레벨 진공 패키징은 MEMS 소자 기판과 캡 기판(cap wafer)을 접합한다. 상기 MEMS 소자 기판은 볼로미터와 같은 적외선 센서 구조물과 판독집적회로(Readout integrated circuits; ROIC)를 포함할 수 있다. 상기 캡 기판(cap wafer)은 MEMS 소자 기판과 접합되어 진공 케비티를 생성하고, 외부 적외선 광이 투과할 수 있는 창문을 제공한다.

볼로미터는 외부로부터 입사되는 적외선을 적외선 흡수층에 전달하고, 적외선 흡수층의 온도가 상승하면, 적외선 흡수층의 온도 상승은 저항층의 저항 변화를 유발한다. 상기 저항층의 저항 변화는 판독 집적회로를 통하여 적외선의 에너지로 변환된다. 따라서, 외부 적외선 광을 효율적으로 적외선 흡수층에 전달하기 위하여, 볼로미터의 표면 반사를 방지하는 반사 방지막이 요구된다. 캡 기판(cap wafer)의 적외선 창문은 통상적으로 다층박막 구조의 무반사 코팅을 사용한다.

표면반사를 방지하기 위해 다층 박막 구조의 무반사(Anti-Reflection; AR) 코팅이 사용된다. 다층 박막 구조의 무반사 코팅은 간섭효과를 이용하여 표면에서의 반사율을 낮춘다. 상기 간섭 효과는 굴절율과 두께에 따른 빛의 파장 및 강도의 변화를 사용한다. 이러한 다층 박막 구조의 무반사 코팅은 굴절률이 서로 다른 여러 층의 적층구조 (예컨대, 2층~27층)를 갖는다. 다층 박막의 적층 과정에서 불량 손실이 크고, 적층 단계가 많아서 양산성이 떨어지며, 가격이 비싼 문제점이 있다. 적층된 복수의 층들의 열 팽창계수가 서로 달라, 스트레스에 의해 특성 및 수명이 저하된다.

표면반사를 방지하기 위해, 나노 구조의 격자 패턴이 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 격자 패턴은 케비티를 형성하기 위한 캡 기판(cap wafer)에는 적용하기 어렵다. 구체적으로, 캡 기판(cap wafer)에 케비티를 구성하기 위하여 수십 마이크로미터 이상의 깊은 트렌치(deep trench)가 요구된다. 상기 깊은 트렌치 내에 나노 구조의 패턴을 형성하는 것은 매우 어렵다. 상기 캡 기판은 적외선 센서를 수용하기 위한 케비티를 요구한다. 상기 케비티의 깊이는 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로비터이다. 나방눈 구조의 패턴은 포토 리소그리파 공정을 통하여 함몰된 케비티 내에 형성하기 어렵다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부광의 표면 반사를 방지하기 위해 MEMS 소자의 표면 및/또는 웨이퍼 레벨 패키징의 캡 기판(cap wafer)의 양면 혹은 하부면에 미세구조의 나방눈 패턴(Moth-eye pattern)이 형성된다. 이에 따라, 적외선 광은 나방눈 구조의 패턴을 점진적으로 굴절률 변화를 가진 표면으로 인식한다. 나방눈 구조의 패턴은 공기와 캡 기판에 경계면에서 적외선이 공기 중에서 입사하는 경우 원적외선(Far Infrared; FIR)의 7 μm ~ 14 μm 파장 영역의 반사를 최소화시키고, 원적외선(Far Infrared; FIR)의 7 μm ~ 14μm 파장 영역의 파장의 투과를 최대화될 수 있다. 나방눈 구조의 패턴은 공기와 캡 기판에 경계면에서 캡 기판에서 입사하는 경우 7um~14um 파장 영역에서 높은 투과율을 가지는 대역 통과 필터로 동작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 나방눈(Moth-eye) 구조의 패턴은 캡 기판 양면 혹은 함몰된 일면에 형성된다. 상기 나방눈(Moth-eye) 구조의 패턴은 적외선 투과를 향상시키고, 다층박막대비 수명연장이 가능하다고, MEMS 소자의 패키징 수명의 열화를 최소화시킬 수 있다.

또한, 나방눈(Moth-eye) 구조는 제조공정이 간단하고 제조비용이 저렴하게 함몰된 케비티의 일면에 형성하여, MEMS 소자의 양산성을 확보할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 실험 조건, 물질 종류 등에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.

도 1b는 도 1a의 멤스 소자의 캡 기판에 현성된 나방눈 구조의 패턴을 나타내는 평면도 및 단면도이다.

도 1c는 도 1a의 멤스 소자의 캡 기판에 현성된 나방눈 구조의 패턴을 나타내는 단면도이다.

도 1a, 도 1b, 및 도 1c를 참조하면, 멤스 소자(100)는, 적외선 센서(103)를 구비한 센서 기판(102); 및 상기 센서 기판(102)과 접합되어 케비티(104)를 구성하는 캡 기판(101)을 포함한다.

상기 캡 기판(101)은, 상부 기판(120); 상기 상부 기판(120)의 상부면에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴(130); 상기 상부 패턴(130)과 정렬되고 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 함몰된 케비티 영역(150)에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 패턴(140); 상기 하부 패턴(140)의 주위에 배치되고 상기 케비티 영역(150) 내에 배치된 게터(170); 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 상기 케비티 영역(150)보다 돌출되고 상기 상부 기판(120)과 동일한 구조와 재질을 가지고 상기 케비티 영역(150)을 감싸도록 배치된 격벽(180); 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 상기 케비티 영역의 배치평면보다 더 함몰되고 상기 격벽(180)을 감싸도록 배치된 절단 부위(184); 및 상기 격벽(180)의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드(182);를 포함한다.

상기 센서 기판(102)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(103); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.

상기 캡 기판(101)은 상기 상부 기판(120) 및 상기 상부 기판의 상부면에 형성된 상부 패턴(130), 상기 상부 기판의 하부면의 함몰된 케비티 영역(150)에 형성된 하부 패턴(140), 상기 상부 기판의 하부면에서 돌출된 격벽(180) 및 상기 케비티 영역에 형성된 게터(170)를 포함할 수 있다. 상기 캡 기판(101)은 상기 센서 기판(102)과 접합되어 케비티(104)를 형성한다. 상기 케비티(104)는 진공 상태로 유지될 수 있다.

상기 상부 기판(120)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 상부 기판(120)은 상기 상부 패턴(130), 하부 패턴(140), 케비티 영역, 격벽(180), 리세스 영역(160), 절단 부위(184)를 형성하기 위한 기판으로 동작한다. 상기 상부 기판(120)은 상기 케비티(104)에 진공이 형성된 경우에도 충분히 견딜 수 있도록 수백 마이크로미터 이상의 두께를 가질 수 있다.

상기 상부 패턴(130)은 상기 상부 기판(120)의 상부면에 형성되고, 상기 상부 패턴(130)은 상기 하부 패턴(140)과 동일면에 투영된 경우, 상기 하부 패턴(140)이 배치된 영역을 포함하거나 동일하도록 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 상부 패턴(130)은 나방눈(Moth-eye) 구조를 가질 수 있다. 상기 상부 패턴(130)의 나방눈 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 반구들(132)을 포함할 수 있다. 상기 반구들(132)은 상기 상부 기판(120)과 동일한 재질일 수 있다. 상기 반구들(132)은 매트릭스 형태로 배열되거나, 벌집의 육각형(hexagonal) 형태로 배열될 수 있다. 상기 반구들은 서로 접촉하여 배치될 수 있고, 상기 반구(132)의 반경 또는 곡률반경은 적외선 파장 보다 충분히 작을 수 있다. 구체적으로, 7 μm ~ 14 μm 영역의 원적외선(Far Infrared; FIR)에서 상기 반구(132)의 반경은 서브 마이크로미터 내지 수 마이크미터일 수 있다. 공기 중에서 입사한 적외선이 상기 상부 기판의 상부 패턴(130)을 투과하는 투과율은 상기 반구의 반경에 거의 의존하지 않고, 2 μm 내지 20 μm 범위에서 일정할 수 있다. 상기 상부 패턴(130)은 무반사 기능을 수행할 수 있다. 상기 상부 패턴(130)은 적외선 센서의 단위 셀마다 대응하여 형성되거나 상기 적외선 센서의 전 영역에 대응하여 형성될 수 있다.

하부 패턴(140)은 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 함몰된 케비티 영역(150)에서 상기 상부 패턴(120)과 정렬되어 배치되고, 나방눈(Moth-eye) 구조를 가질 수 있다. 상기 케비티 영역(150)은 상기 센서 기판의 적외선 센서(103)를 마주볼 수 있다. 상기 하부 패턴(140)은 매트릭스 형태 또는 육형 형태로 배열된 복수의 반구들을 포함할 수 있다. 상기 반구들은 서로 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 반구의 곡률 반경은 서브 마이크로미터 내지 수 마이크로미터일 수 있다. 상기 하부 패턴(140)의 반구들은 상기 상부 패턴(130)의 반구들과 서로 정렬될 수 있다. 가령, 상기 하부 패턴의 반구의 반경이 0.3 μm 인 경우, 3 μm 파장영역에서 최대 투과율을 보이면서 3 μm 이상 장파장 영역으로 감에 따라 투과율이 점차적으로 감소하는 양상을 보인다. 하지만, 나방눈 구조가 없는 경우와 비교해 보면, 3 μm ~ 20 μm 파장영역에서 나방문 구조가 적용된 경우가 그 투과율이 높게 나타난다.

또한, 상기 하부 패턴140)의 반구의 반경이 0.6 μm인 경우, 투과도는 약 7 μm의 파장에서 최대값을 가질 수 있다. 7 μm의 파장 까지는 급격히 투과도가 증가하고, 7 μm 이상의 파장에서는 투과도는 점진적으로 감소할 수 있다. 즉, 반경이 증가함에 따라 장파장영역에서 더욱 높은 투과율을 보이며, 나방눈 구조가 없는 경우와 비교시 6 μm~ 20 μm 영역에서 더욱 높은 투과율을 보임을 알 수 있다, 이를 통해, 상기 하부 패턴140)의 나방눈(Moth-eye) 구조는 특정한 파장 이하의 빛을 차단하고 특정한 파장 이상의 빛을 투과시키는 대역 통과 광필터로 동작할 수 있다.

도 1c를 참조하면, 상기 상부 패턴(130) 및 상기 하부 패턴(140) 의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 절단된 타원체들을 포함할 수 있다. 나방눈 구조의 타원체들은 곡면을 나타내는 표면기본체 (surface primitive) 식으로 표현된다.

[수학식1]

여기서 r은 반경이고, c는 r=0 에서 곡률반경 (radius of curvature)의 역수이고, κ는 conic 상수로, κ =0 (구형), κ>-1 (타원형), κ=-1 (포물선), κ <-1 (쌍곡선) 형상이 된다. 이러한 변수를 변경하면서 관심영역의 파장대역에 투과율을 최대로 하는 구조가 선정될 수 있다. 타원체의 경우, 코닉 상수는 -1<κ<0 이므로, 이 범위에서 곡률반경(radius of curvature)과 연동해서 적절히 그 값을 변조시키면, 가시광선 및 적외선 영역에서 입사 파장별로 무반사(ant-reflection) 효과를 극대화 할 수 있다.

상기 하부 패턴(130)은 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 함몰된 케비티 영역(150)에 배치될 수 있다. 상기 케비티 영역(150)은 적외선 센서를 수용하는 상기 케비티(104)를 제공할 수 있다. 상기 케비티 영역(150)의 함몰된 깊이(h1)는 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 일 수 있다. 상기 케비티 영역의 함몰된 깊이(h1)는 상기 적외선 센서(103)의 높이에 의존할 수 있다. 통상적으로, 8 μm의 적외선 파장을 검출하는 경우에는, 상기 적외선 센서(103)에서 흡수층(115)과 반사판 (112) 사이의 거리는 적외선 파장의 1/4 배(2 μm)일 수 있다. 따라서, 상기 케비티 영역의 함몰된 깊이(h1)는 상기 적외선 센서(103)의 높이보다 클 수 있다.

상기 격벽(180)은 함몰된 케비티 영역(150)과 함몰된 리세스 영역(160)을 구분하며, 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 돌출될 수 있다. 상기 격벽(180)은 함몰된 케비티 영역(150)을 감싸도록 배치되어 밀봉된 케비티(104)를 제공할 수 있다. 상기 격벽(180)의 높이는 상기 케비티 영역(150)의 함몰된 깊이(h1)를 가지고, 상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)를 가질 수 있다.

상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)는 상기 케비티 영역(150)의 함몰된 깊이(h1)보다 크고, 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 일 수 있다. 상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)가 증가함에 따라, 절단될 상부 기판의 두께가 감소한다. 깊이 차이(h2-h1)는 수백 마이크로미터일 수 있다. 이에 따라, 외부 연결 패드(117)는 상기 리세스 영역(160)의 절단에 의하여 노출될 수 있다.

상부 본딩 패드(182)는 상기 격벽(180)에 배치될 수 있다. 상기 상부 본딩 패드(182)는 유테틱 본딩(Eutectic Bonding)을 수행할 수 있다. 상기 상부 본딩 패드(182)는 Au, In, Cu, Sn, 또는 이들의 합금일 수 있다.

게터(170)는 함몰된 케비티 영역(150)에 배치되고, 상기 하부 패턴(140)의 주위에 배치될 수 있다. 상기 게터(170)는 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 상기 게터(170)는 Ti, Zr, Fe, Co, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 게터(170)는 수분 또는 불순물 흡착하여 진공 상태를 유지할 수 있다.

절단 부위(184)는 상기 상부 기판(120)이 절단된 부위이다. 상기 절단 부위(184)는 리세스 영역(160)에 배치되고 하부 기판(110)에 배치된 외부 연결 패드(117)를 노출시킬 수 있다. 기판 절단은 소잉(sawing) 또는 레이저 다이싱(laser dicing) 방법을 사용할 수 있다.

상기 센서 기판(102)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판에 형성되고 상기 상부 기판의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(103); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.

상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 하부 기판(110)은 적외선 센서를 구동하는 판독 집적 회로(readout integrated circuit ; ROIC)를 포함할 수 있다. 상기 판독 집적 회로는 CMOS일 수 있다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판(110) 상에 절연층(111)이 배치된다.

상기 절연층(111)은 상기 하부 기판(110)에 형성된 판독 집적 회로와 적외선 센서(103)를 서로 절연시킬 수 있다. 상기 절연층(111)은 실리콘 산화막일 수 있다.

상기 하부 본딩 패드(116)는 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 상기 상부 본딩 패드(182)와 마주보는 위치에 배치되고 상기 상부 본딩 패드(182)와 결합되어 상기 케비티(104)를 실링할 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 유테틱 본딩(Eutectic Bonding)을 수행할 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 Au, In, Cu, Sn, 또는 이들의 합금일 수 있다.

외부 연결 패드(117)는 상기 하부 본딩 패드(116)의 외측에 배치되고 외부 회로와 전기적 연결을 수행할 수 있다. 상기 외부 연결 패드(117)는 Al, Cu, 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 외부 연결 패드(117)는 그 표면에 보호층을 포함할 수 있다. 상기 보호층은 Ti, TiN일 수 있다. 상기 보호층은 외부 연결 패드의 산화 방지 및 확산 방지 기능을 수행할 수 있다.

상기 적외선 센서(103)는, 상기 하부 기판(110)의 상부면에 형성되어 판독 집적 회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드(113); 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층(112); 상기 반사층(112)의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드(113)의 상부에 형성되어 상기 흡수판(115)을 지지하고 상기 금속 패드(113)와 상기 흡수판(115)을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함할 수 있다. 상기 적외선 센서(103)는 마이크로 볼로미터(Microbolometer)일 수 있다. 상기 적외선 센서(103)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 각 단위 셀은 하나의 픽셀로 동작할 수 있다. 각각의 단위 셀은 사각형 구조일 수 있다. 상기 흡수판(115)은 공중에 떠 있고 켄티레버(cantilever,119)에 의하여 상기 앵커(118)에 지지될 수 있다.

금속 패드(113)는 상기 하부 기판(110)의 내부에 형성된 판독 집적회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 금속 패드(113)는 차례로 적층된 Al과 같은 금속으로된 금속층과 보호층으로 TiN을 포함할 수 있다.

상기 금속 패드(113)는 상기 앵커(118)를 통하여 상기 흡수판(115)의 저항 변화를 검출할 수 있는 전기적 연결을 제공할 수 있다.

반사층(112)은 상기 흡수판(115)과 이격되어 배치되고, 상기 흡수판(115)을 투과한 적외선을 반사하여 다시 흡수판(115)에 제공할 수 있다. 상기 반사층(112)은 표피 깊이(skin depth) 이상의 두께를 가지는 알루미늄으로 형성될 수 있다.

보호막(112a)은 상기 반사층(112) 상에 상기 반사층(112)과 정렬되어 배치되고, 상기 반사층(112)의 산화를 방지할 수 있다. 상기 보호막(112a)은 도전성 물질로 TiN일 수 있다. 보호막(112a)의 두께는 상기 반사층(112)의 두께보다 충분히 작을 수 있다.

흡수판(115)은 상기 반사층(112) 및 상기 보호막(112a)으로부터 일정 거리(d) 이상으로 부양되어 이격될 수 있다. 상기 흡수판(115)은 외부에서 입사하는 적외선을 흡수하거나, 상기 반사층(112)에서 반사된 적외선을 흡수할 수 있다. 상기 흡수판(115)과 상기 반사층(112) 사이의 거리(d)는 반사하고자 하는 적외선 파장의 1/4 일 수 있다.

상기 흡수판(115)은 사각판 형태로 차례로 적층된 제1 절연층(115a), 흡수층(115b), 저항층(115c), 제2 절연층(115d), 및 무반사 패턴(115e)을 포함할 수 있다.

상기 제1 절연층(115a)은 적외선 대역을 투과시키며, 절연체이고, 실리콘 질화막일 수 있다.

상기 흡수층(115b)은 적외선을 흡수함에 따라 온도가 증가한다. 상기 흡수층(115b)은 적외선을 잘 흡수하고, 금속 재질로 열전도도가 높은 물질일 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 Ti, TiN, NiCr 합금일 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 단위 셀 내에서 반으로 분리될 수 있다. 따라서, 서로 분리된 흡수층 사이에 매립된 저항층(115c)은 온도에 따라 저항이 변경될 수 있다.

상기 저항층(115c)은 온도에 따라 저항이 변하는 층으로, 상기 저항층(115c)은 비정질 실리콘, 단결정 실리콘, 바나늄 산화물, 또는 실리콘-게르마늄일 수 있다.

상기 제2 절연층(115d)은 상기 흡수층(115c)을 보호하고 절연시키며, 적외선을 투과시킬 수 있다. 상기 제2 절연층(115d)은 실리콘 질화막일 수 있다.

무반사 패턴(115e)은 상기 제2 절연층(115d) 상에 형성되고, 나방눈 구조를 가질 수 있다. 무반사 패턴(115e)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 나방눈 구조는 진공에서 상기 무반사 패턴으로 적외선이 입사하는 경우, 반사율을 감소시키어 무반사 기능을 제공할 수 있다. 상기 무반사 패턴(115e)은 매트릭스 형태로 배열되고 서로 접촉하는 복수의 반구들을 포함할 수 있다. 상기 반구의 반경은 상기 적외선 파장보다 충분히 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 반구의 반경은 서브 마이크로미터 내지 수 마이크미터 (예를 들어, 0.1 μm ~ 2 μm) 수 있다. 상기 무반사 패턴(115e)은 7 μm ~ 14 μm 파장 대역에서 일정한 투과율을 제공할 수 있다. 상기 무반사 패턴(115e)은 단위 셀의 흡수판(115) 상에 배치될 수 있다. 상기 흡수판(115)과 상기 반사층(112) 사이는 빈 공간은 진공 패키징 공정에서 진공 상태로 유지될 수 있다.

앵커(118)는 상기 금속 패드(113)의 상부에 기둥 형상으로 형성되어, 상기 흡수판(115)을 상기 반사층(112)으로부터 일정 거리를 가지고 부양한 상태에서 이격시키고, 상기 흡수판(115)을 지지할 수 있다. 앵커(118)의 하단부는 제2 보조 절연층(111b)에 매립될 수 있다. 또한, 상기 앵커(118)는 상기 금속 패드(113)와 흡수판(115)을 전기적으로 연결시킨다. 상기 흡수층(115b)은 적외선을 흡수함에 따라 온도가 증가하고, 저항층(115c)은 상기 흡수층(115b)으로부터 에너지를 전달받아 저항이 변한다. 상기 분리된 흡수층 사이에 직렬 연결된 저항층(115c)은 저항 변화를 제공한다. 상기 저항층(115c)의 저항 변화는 상기 흡수층(115b), 앵커(118a), 및 금속 패드(113)를 통하여 판독 구동회로에서 판독된다.

앵커(118)는 콘택 홀을 형성한 후 상기 콘택 홀을 금속 또는 금속 합금으로 채워서 형성할 수 있다. 상기 앵커(118)는 TiN으로 형성될 수 있다. 상기 콘택 홀이 앵커 형성 물질(예를 들어, TiN)로 완전히 채워지지 않은 경우, 상기 흡수층, 저항층, 및 제2 절연층을 형성하는 공정에서, 상기 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)을 구성하는 물질이 상기 콘택 홀의 나머지를 채울 수 있다.

캔티레버(119)는 상기 흡수판(115)을 상기 앵커(118)에 각각 연결할 수 있다. 상기 캔티레버(119)는 상기 흡수판(115)과 동일한 적층 구조를 가진다. 단위 셀 내에서 상기 앵커(118)는 2 개이고, 사각형의 한 쌍의 꼭지점에 배치된 경우, 상기 켄티리버(119)는 하나의 앵커와 흡수판의 이격된 꼭지점을 연결하도록 상기 흡수판의 모서리를 따라 상기 앵커(118)가 배치되지 않은 꼭지점 방향으로 연장될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과율을 나타낸다.

도 2a를 참조하면, 공기 중에서 상부 기판의 패턴없는 상부면으로 적외선이 입사하는 경우와 공기 중에서 상부 기판의 상부 패턴으로 적외선이 입사하는 경우의 투과율이 표시된다. 공기 중에서 상부 기판의 패턴없는 상부면으로 적외선이 입사하는 경우(A), 투과율은 2 μm ~ 3 μm 파장에서 약 0.7 이상으로 증가하나. 투과율은 3 μm 파장 초과에서 0.7 수준으로 일정하다.

한편, 상부 기판의 상부면에 상부 패턴(130)이 형성된 경우, 공기 중에서 부 기판의 상부 패턴(130)으로 적외선이 입사하는 경우(α), 투과율은 2 μm ~ 20 μm에서 약 0.9 이상이고 거의 일정하다.

도 2b를 참조하면, 상부 기판 내에서 공기(또는 진공)으로 적외선이 입사하는 경우(B), 투과율은 2 μm ~ 3 μm 파장 에서 약 0.7 이상으로 증가하나. 투과율은 3 μm 초과에서 0.7 수준으로 일정하다.

한편, 상부 기판의 하부면에 하부 패턴(140)이 형성된 경우, 상부 기판의 하부 패턴(140)에서 공기로 적외선이 입사하는 경우(β), 투과율은 특정한 문턱 파장 이하에서는 투과율이 급격히 감소하고, 문턱 파장 이상의 경우, 투과율이 점진적으로 감소한다. 예를 들어, 상기 하부 패턴(140)은 나방분 구조의 반구를 포함하고, 상기 반구의 반경이 0.3 μm 인 경우, 문턱 파장은 약 3.5 μm이다. 상기 반구의 반경이 0.6 μm 인 경우, 문턱 파장은 약 7 μm이다. 이러한 투과율을 나방눈 구조가 없는 경우와 비교해 보면 3 μm ~ 20 μm 파장영역에서 나방눈 구조가 적용된 경우가 그 투과율이 항상 높게 나타난다. 또한, 하부 패턴(140)은 적외선 대역 통과 필터로 동작할 수 있다.

상부 기판(120)이 상부 패턴(130) 및 하부 패턴(140)을 모두 가지는 경우, 총 투과율은 α X β로 표현될 수 있다.

도 3a 내지 도 3l은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.

도 3a 내지 도 3l를 참조하면, 멤스 소자의 제조 방법은, 상부 기판(120)의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴(130)을 형성하는 단계; 상기 상부 패턴(130)과 정렬되고 나방눈(Moth-eye) 구조를 가지고 상기 상부 기판(120)의 하부면에 배치되는 예비 하부 패턴(140a)을 형성하는 단계; 상기 예비 하부 패턴(140a)을 감싸는 격벽 영역에 형성된 식각 마스크(151,152)를 이용하여 식각하여 상기 예비 하부 패턴(140a)이 전사된 하부 패턴(140)을 포함하는 케비티 영역(150) 및 상기 격벽 영역을 감싸는 예비 리세스 영역(160a)을 동시에 형성하는 단계; 상기 예비 리세스 영역(160a)을 추가적으로 식각하는 리세스 영역(160)을 형성하는 단계; 상기 격벽 영역에 상부 본딩 패드(182)와 상기 케비티 영역(150)에 상기 하부 패턴(140)과 중첩되지 않도록 게터(170)를 형성하는 단계; 진공 상태에서 적외선 센서(103)를 구비한 하부 기판(120)의 하부 본딩 패드(116)와 상기 상부 기판의 상기 상부 본딩 패드(182)를 접합하는 단계; 및 상기 상부 기판의 상기 리세스 영역(160)을 절단하여 상기 하부 기판의 외부 연결 패드(117)를 노출하는 단계를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 상부 기판(120)의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴(130)을 형성한다. 상부 기판(120)의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴(130)을 형성하는 단계는, 상기 상부 기판의 상부면에 포토-리소그라피 공정을 이용하여 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 예비 상부 포토레지스트 패턴(131a)을 형성하는 단계; 상기 예비 상부 포토레지스트 패턴(131a)이 형성된 상기 상부 기판(120)을 열 리플로(thermal reflow) 공정을 수행하여 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 포토레지스트 패턴(131b)을 형성하는 단계; 상기 상부 포토레지스트 패턴(131b)을 식각 마스크로 건식 식각하여 상기 상부 기판(120)의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴(130)을 형성하는 단계; 및 상기 상부 포토레지스트 패턴(131b)을 제거하는 단계를 포함한다.

다시, 도 3a를 참조하면, 상기 상부 기판(120)의 상부면에 포토-리소그라피 공정을 이용하여 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 예비 상부 포토레지스트 패턴(131a)을 형성한다. 상기 예비 상부 포토레지스트 패턴(131a)은 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 원기둥 형태의 마스크들일 수 있다.

다시, 도 3b를 참조하면, 이어서, 상기 예비 상부 포토레지스트 패턴(131a)이 형성된 상기 상부 기판을 열 리플로(thermal reflow) 공정을 수행하여 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 포토레지스트 패턴(131b)을 형성한다. 열 리플로(thermal reflow) 공정은 열처리 공정을 통하여 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 포토레지스트 패턴(131b)을 형성한다. 상기 상부 포토레지스트 패턴(131b)은 서로 접촉하여 배치된 반구들일 수 있다.

다시, 도 3c를 참조하면, 이어서, 상기 상부 포토레지스트 패턴(131b)을 식각 마스크로 건식 식각하여 상기 상부 기판(120)의 상부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴(130)을 형성한다. 이에 따라, 상기 상부 패턴(130)은 상기 상부 포토레지스트 패턴(131b)의 형상을 가질 수 있다. 상기 건식 식각은 상기 상부 기판과 상기 상부 포토레지스트 패턴을 동시에 낮은 선택비로 식각할 수 있다. 이에 따라, 상기 건식 식각은 반구 형상의 나방눈 구조를 형성할 수 있다.

이어서, 상기 상부 포토레지스트 패턴(131b)을 제거한다.

도 3d 내지 도 3f를 참조하면, 상기 상부 패턴(130)과 정렬되고 나방눈(Moth-eye) 구조를 가지고 상기 상부 기판(130)의 하부면에 배치되는 예비 하부 패턴(140a)을 형성하는 단계는, 상기 상부 기판(120)의 하부면에 포토-리소그라피 공정을 이용하여 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 예비 하부 포토레지스트 패턴(141a)을 형성하는 단계; 상기 예비 하부 포토레지스트 패턴(141a)이 형성된 상기 상부 기판을 열 리플로(thermal reflow) 공정을 수행하여 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 포토레지스트 패턴(141b)을 형성하는 단계; 상기 하부 포토레지스트 패턴(141b)을 식각 마스크로 건식 식각하여 상기 상부 기판의 하부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 예비 하부 패턴(140a)을 형성하는 단계; 및 상기 하부 포토레지스트 패턴(141b)을 제거하는 단계를 포함한다.

다시, 도 3d를 참조하면, 상기 상부 기판(120)의 하부면에 포토-리소그라피 공정을 이용하여 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 예비 하부 포토레지스트 패턴(141a)을 형성한다. 상기 예비 하부 포토레지스트 패턴(141a)은 매트릭스 형태로 배열되고 서로 이격된 복수의 원기둥 형태일 수 있다.

다시, 도 3e를 참조하면, 상기 예비 하부 포토레지스트 패턴(141a)이 형성된 상기 상부 기판을 열 리플로(thermal reflow) 공정을 수행하여 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 포토레지스트 패턴(141b)을 형성할 수 있다.

다시, 도 3f를 참조하면, 상기 하부 포토레지스트 패턴(141b)을 식각 마스크로 건식 식각하여 상기 상부 기판의 하부면에 나방눈(Moth-eye) 구조의 예비 하부 패턴(140a)을 형성할 수 있다. 상기 예비 하부 패턴(140a)은 나방눈 구조이고, 서로 접촉하여 배치된 복수의 반구 또는 타원체를 포함할 수 있다. 이어서, 상기 하부 포토레지스트 패턴(141b)을 제거할 수 있다. 상기 예비 하부 패턴(140a)은 추후에 전체적으로 리세스되어 하부 패턴(140)을 형성할 수 있다.

도 3g 및 도 3h를 참조하면, 상기 예비 하부 패턴(140a)을 감싸는 격벽 영역에 형성된 식각 마스크(151,152)를 이용하여 식각하여 상기 예비 하부 패턴(140a)이 전사된 하부 패턴(140)을 포함하는 케비티 영역(150) 및 상기 격벽 영역을 감싸는 예비 리세스 영역(160a)을 동시에 형성할 수 있다. 상기 상부 기판(120)의 하부면은 케비티 영역(150), 상기 케비티 영역(150)을 감싸는 격벽 영역, 및 상기 격벽 영역을 감싸는 예비 리세스 영역(160a)으로 구분될 수 있다.

도 3g를 참조하면, 상기 격벽 영역 상에는 하드 마스크 패턴(151)과 상기 하드 마스트 패턴에 정렬된 포토레지스트 패턴(152)이 형성될 수 있다. 상기 하드 마스크 패턴(151)은 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터의 건식 식각을 수행하기 위한 식각 마스크일 수 있다. 상기 하드 마스크 패턴(151)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.

도 3h를 참조하면, 건식 식각을 수행하면, 상기 격벽 영역은 식각되지 않고, 상기 예비 리세스 영역(160a) 및 상기 케비티 영역(150)은 약 100 마이크로미터 수준으로 식각될 수 있다. 또한, 상기 예비 하부 패턴(140a)은 상기 건식 식각을 통하여 형상을 유지하면서 하부 패턴(140)을 형성할 수 있다.

상기 건식 식각을 수행한 후, 상기 포토레지스트 패턴(152) 및 상기 하드 마스크(151)는 제거될 수 있다.

도 3i를 참조하면, 상기 예비 리세스 영역(160a)을 추가적으로 식각하는 리세스 영역(160)을 형성할 수 있다. 상기 리세스 영역(160)을 형성하기 위하여, 상기 격벽 영역 및 상기 케비티 영역을 덮는 식각 마스크(161)가 형성될 수 있다. 상기 식각 마스크(161)를 이용하여 상기 예비 리세스 영역(160a)을 약 100 마이크로미터 수준으로 식각할 수 있다.

도 3j 내지 도 3l를 참조하면, 상기 격벽 영역의 격벽(180)에 상부 본딩 패드(182)와 상기 케비티 영역(150)에 상기 하부 패턴(140)과 중첩되지 않도록 게터(170)를 형성한다.

다시, 도 3j를 참조하면, 상기 격벽 영역을 노출시키는 증착 마스크(181)를 형성한 후, 상부 본딩 패드(182)를 증착하여 형성할 수 있다. 이어서, 증착 마스크(181)는 리프트 오프 공정을 통하여 제거될 수 있다.

다시, 도 3k 및 도 3l을 참조하면, 상기 케비티 영역(150)의 일부를 노출시키는 증착 필름 (171)을 상기 상부 기판(120)의 하부면에 부착한다. 상기 증착 필름 (171)은 Dry Film Photoresist(DFR) 또는 새도우 마스크(shadow mask)일 수 있다. 상기 증착 필름(171)은 상기 하부 패턴(140)과 접촉하지 않고 떠 있을 수 있다. 이어서, 게터(170)는 증발 증착 방식 또는 스퍼터링 증착 방식으로 증착될 수 있다. 이어서, 상기 증착 필름(171)은 제거될 수 있다.

다시, 도 1a를 참조하면, 진공 상태에서 적외선 센서(103)를 구비한 하부 기판(110)의 하부 본딩 패드(116)와 상기 상부 기판(120)의 상기 상부 본딩 패드(182)를 접합한다. 하부 기판(110)의 하부 본딩 패드(116)와 상기 상부 기판(120)의 상기 상부 본딩 패드(182)의 접합은 유테틱 본딩일 수 있다.

이어서, 상기 상부 기판(120)의 상기 리세스 영역(160)을 절단하여 상기 하부 기판의 외부 연결 패드(117)를 노출한다. 이에 따라, 상기 리세스 영역(160을 절단하면, 절단 부위(184)가 형성된다. 상기 상부 기판의 상기 리세스 영역(160)의 절단은 다이아몬드 소잉 공정에 의하여 수행될 수 있다.

이어서, 접합된 상기 상부 기판(120)과 상기 하부 기판(110)은 다시 다이아몬드 소잉 공정에 의하여 개별 MEMS 소자로 동시에 절단된다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서를 구비한 센서 기판을 설명하는 사시도이다.

도 4b는 도 4a의 A-A’ 선을 따라 자른 단면도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 센서 기판(102)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(103); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다.

상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 하부 기판(110)은 적외선 센서를 구동하는 판독 집적 회로(readout integrated circuit ; ROIC)를 포함할 수 있다. 상기 판독 집적 회로는 CMOS일 수 있다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판(110) 상에 절연층(111)이 배치된다.

상기 절연층(111)은 상기 하부 기판에 형성된 판독 집적 회로와 적외선 센서(103)를 서로 절연시킬 수 있다. 상기 절연층(111)은 층간 절연막으로 실리콘 산화막일 수 있다.

상기 하부 본딩 패드(116)는 상기 적외선 센서(103)를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 상기 상부 본딩 패드(182)와 마주보는 위치에 배치되고 상기 상부 본딩 패드(182)와 결합되어 상기 케비티(104)를 실링할 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 유테틱 본딩(Eutectic Bonding)을 수행할 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 Au, In, Cu, Sn, 또는 이들의 합금일 수 있다.

외부 연결 패드(117)는 상기 하부 본딩 패드(116)의 외측에 배치되고 외부 회로와 전기적 연결을 수행할 수 있다. 상기 외부 연결 패드(117)는 Al, Cu, 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 외부 연결 패드(117)는 그 표면에 보호층을 포함할 수 있다. 상기 보호층은 TiN일 수 있다. 상기 보호층은 외부 연결 패드의 산화 방지 및 확산 방지 기능을 수행할 수 있다.

상기 적외선 센서(103)는, 상기 하부 기판(110)의 상부면에 형성되어 판독 집적 회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드(113); 상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층(112); 상기 반사층(112의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드(113)의 상부에 형성되어 상기 흡수판(115)을 지지하고 상기 금속 패드(113)와 상기 흡수판(115)을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함할 수 있다. 상기 적외선 센서(103)는 마이크로 볼로미터(Microbolometer)일 수 있다. 상기 적외선 센서(103)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 각 단위 셀은 하나의 픽셀로 동작할 수 있다. 각각의 단위 셀은 사각형 구조일 수 있다. 상기 흡수판(115)은 공중에 떠 있고 켄티레버(cantilever,119)에 의하여 상기 앵커(118)에 지지될 수 있다.

금속 패드(113)는 상기 하부 기판(110)의 내부에 형성된 판독 집적회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 금속 패드(113)는 차례로 적층된 Al과 같은 금속으로된 금속층과 보호층으로 TiN을 포함할 수 있다.

상기 금속 패드(113)는 상기 앵커(118)를 통하여 상기 흡수판(115)의 저항 변화를 검출할 수 있는 전기적 연결을 제공할 수 있다.

반사층(112)은 상기 흡수판(115)을 투과한 적외선을 반사할 수 있다. 상기 반사층(112)은 표피 깊이(skin depth) 이상의 두께를 가지는 알루미늄으로 형성될 수 있다.

보호막(112a)은 상기 반사층(112) 상에 상기 반사층과 정렬되어 배치되고, 상기 반사층(112)의 산화를 방지할 수 있다. 상기 보호막(112a)은 도전성 물질로 TiN일 수 있다.

흡수판(115)은 상기 반사층(112) 및 상기 보호막(112a)으로부터 일정 거리(d) 이상으로 이격될 수 있다. 흡수판(115)은 외부에서 입사하는 적외선을 흡수하거나, 상기 반사층(112)에서 반사된 적외선을 흡수할 수 있다. 상기 흡수판(115)과 상기 반사층(112) 사이의 거리는 반사하고자 하는 적외선 파장의 1/4 일 수 있다.

흡수판(115)은 사각판 형태로 차례로 적층된 제1 절연층(115a), 흡수층(115b), 저항층(115c), 제2 절연층(115d), 및 무반사 패턴(115e)을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 적외선 대역을 투과시키며, 절연체이고, 실리콘 질화막일 수 있다.

상기 흡수층(115b)은 적외선을 흡수함에 따라 온도가 증가한다. 상기 흡수층(115b)은 적외선을 잘 흡수하고, 금속 재질로 열전도도가 높은 물질일 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 Ti, TiN, NiCr 합금일 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 단위 셀 내에서 반으로 분리될 수 있다. 따라서, 서로 분리된 흡수층 사이에 매립된 저항층(115c)은 온도에 따라 저항이 변경될 수 있다.

상기 저항층(115c)은 온도에 따라 저항이 변하는 층으로, 상기 저항층(115c)은 비정질 실리콘, 단결정 실리콘, 또는 실리콘-게르마늄일 수 있다.

상기 제2 절연층(115d)은 상기 흡수층(115c)을 보호하고 절연시키며, 적외선을 투과시킬 수 있다. 상기 제2 절연층(115d)은 실리콘 질화막일 수 있다.

무반사 패턴(115e)은 상기 제2 절연층(115d) 상에 형성되고, 나방눈 구조를 가질 수 있다. 무반사 패턴(115e)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 나방눈 구조는 진공에서 상기 무반사 패턴으로 적외선이 입사하는 경우, 반사율을 감소시키어 무반사 기능을 제공할 수 있다. 상기 무반사 패턴(115e)은 매트릭스 형태로 배열되고 서로 접촉하는 복수의 반구들을 포함할 수 있다. 상기 반구의 반경은 상기 적외선 파장보다 충분히 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 반구의 반경은 서브 마이크로 미터 파장부터 수 마이크로 크기 이다. 상기 무반사 패턴은 7 μm ~ 14 μm 파장 대역에서 일정한 투과율을 제공할 수 있다. 무반사 패턴(115e)은 단위 셀의 흡수판(115) 상에 배치될 수 있다. 상기 흡수판(115)과 상기 반사층(112) 사이는 빈 공간은 진공 패키징 공정에서 진공 상태로 유지될 수 있다.

앵커(118)는 금속 패드(113)의 상부에 기둥 형상으로 형성되어, 상기 흡수판(115)을 상기 반사층(112)으로부터 일정 거리를 가지고 이격시키고, 상기 흡수판(115)을 지지할 수 있다. 또한, 상기 앵커(118)는 상기 금속 패드(113)와 흡수판(115)을 전기적으로 연결시킨다. 상기 흡수층(115b)은 적외선을 흡수함에 따라 온도가 증가하고, 저항층(115c)은 상기 흡수층으로부터 에너지를 전달받아 저항이 변한다. 상기 분리된 흡수층 사이에 직렬 연결된 저항층(115c)은 저항 변화를 제공한다. 상기 저항층의 저항 변화는 상기 흡수층, 앵커, 및 금속 패드를 통하여 판독 구동회로에서 판독된다.

앵커(118)는 콘택 홀을 형성한 후 상기 콘택 홀을 금속 또는 금속 합금으로 채워서 형성할 수 있다. 상기 앵커(118)는 TiN으로 형성될 수 있다. 상기 콘택 홀이 앵커 형성 물질(예를 들어, TiN)로 완전히 채워지지 않은 경우, 상기 흡수층, 저항층, 및 제2 절연층을 형성하는 공정에서, 상기 흡수층(118b), 저항층(118c), 및 제2 절연층(118d)을 구성하는 물질이 상기 콘택 홀의 나머지를 채울 수 있다.

캔티레버(119)는 상기 흡수판(115)을 상기 앵커에 각각 연결할 수 있다. 상기 캔티레버는 상기 흡수판과 동일한 적층 구조를 가진다. 단위 셀 내에서 상기 앵커는 2 개이고, 사각형의 한 쌍의 꼭지점에 배치된 경우, 상기 켄티리버(119)는 하나의 앵커(118)와 흡수판(115)의 꼭지점을 연결하도록 상기 흡수판(115)의 일변을 따라 상기 앵커가 배치되지 않은 꼭지점 방향으로 연장될 수 있다.

도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 기판의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.

도 5a를 참조하면, 하부 기판(110) 상에 판독 집적회로가 형성된다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판 상에 절연층(111)이 층간 절연막으로 형성된다. 상기 절연층(111)은 실리콘 산화막일 수 있다.

상기 절연막 상에 반사층(112) 및 금속 패드(113)가 동시에 형성될 수 있다. 상기 반사층 및 금속 패드는 차례로 적층된 접착층, 도전층, 및 보호층을 포함할 수 있다. 상기 접착층은 Ti일 수 있다. 상기 도전층은 알루미늄, 구리, 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 보호층(112a)은 Ti/TiN 일 수 있다. 상기 반사층(112) 및 금속 패드(113)는 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝될 수 있다.

도 5b를 참조하면, 상기 반사층(112) 및 상기 금속 패드(113)가 패터닝된 후, 상기 하부 기판(111) 상에 제1 보조 절연막(111a)을 증착하여 상기 반사층(112) 및 상기 금속 패드(113)를 덮을 수 있다. 상기 제1 보조 절연막(111a)은 평탄화 공정을 통하여 평탄화된 후, 마스크 없이 식각 공정을 통하여 상기 보호층(112a)을 노출시킬 수 있다.

도 5c를 참조하면, 제2 보조 절연막(11b)은 상기 반사층(112) 및 상기 금속 패드(113)를 덮도록 형성될 수 있다. 이어서, 포토리스그라피 공정을 통하여 상기 반사층(112) 및 상기 금속 패드(113)를 노출하도록 패터닝될 수 있다.

도 5d를 참조하면, 노출된 반사층(112) 및 보호층(112a) 상에 희생층(219)이 증착될 수 있다. 상기 희생층(219)은 추후에 제거된다. 상기 희생층(219)은 비정질 탄소막(amorphous carbon layer) 또는 폴리이미드(polyimide)일 수 있다. 상기 희생층(219)의 두께는 수 마이크로터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 상기 희생층(219) 상에 제1 절연층(115a)이 증착될 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 실리콘 질화막일 수 있다.

상기 제1 절연층(115a)을 패터닝하여 상기 금속 패드(113) 상에 앵커(118)를 형성하기 위한 콘택 홀(218)을 형성할 수 있다. 상기 콘택 홀(218)은 상기 제1 절연층(115a), 및 상기 희생층(219)을 관통하여 상기 금속 패드(113)를 노출할 수 있다.

도 5e를 참조하면, 상기 앵커(118)를 구성하는 도전성 물질이 증착될 수 있다. 상기 앵커(118)는 TiN 또는 Ti/TiN/W 일 수 있다. 상기 도전성 물질이 증착된 후, 상기 도전성 물질은 상기 콘택 홀(218)을 채운 콘택 플러그를 남긴 상태로 패터닝되어 상기 앵커(118)를 형성할 수 있다.

도 5f를 참조하면, 흡수층(115b)은 상기 앵커(118) 및 상기 제1 절연층(115a)을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 단위 셀 내에서 2 개의 분리되도록 패터닝될 수 있다. 상기 흡수층(115b)은 TiN 일 수 있다.

도 5g를 참조하면, 흡수층(115b) 상에 차례로 저항층(115c), 제2 절연층(115d), 및 무반사 패턴층이 형성된다. 무반사 패턴층은 패턴닝되어 무반사 패턴(115e)을 형성할 수 있다. 상기 무반사 패턴(115e)은 나방 눈 구조를 포함할 수 있다. 상기 무반사 패턴(115e)의 형성 방법은 상부 패턴 또는 하부 패턴의 형성방법과 동일할 수 있다. 상기 앵커(118)의 내부는 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)으로 채워질 수 있다. 이에 따라, 상기 앵커(118)는 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)을 포함할 수 있다.

상기 제1 절연층(115a), 상기 흡수층(115b), 상기 저항층(115c), 상기 제2 절연층(115d), 및 상기 무반사 패턴(115e)은 포토리소그라피 공정을 통하여 식각되어 상기 희생층(219)을 노출하고, 흡수판(115)을 형성한다.

도 5h를 참조하면, 상기 희생층(219)은 건식 식각 또는 습식 식각을 통하여 제거된다.

* 이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

100: 멤스 소자
101: 캡 기판
102: 센서 기판
110: 하부 기판
120: 상부 기판
130: 상부 패턴
140: 하부 패턴
150: 케비티
160: 레세스 영역
180: 격벽

Claims (6)

1. 상부 기판;
   상기 상부 기판의 상부면에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 상부 패턴;
   상기 상부 패턴을 마주보도록 배치되고 상기 상부 기판의 하부면에서 함몰된 케비티 영역에 형성된 나방눈(Moth-eye) 구조의 하부 패턴;
   상기 하부 패턴의 주위에 배치되고 상기 케비티 영역 내에 배치된 게터;
   상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역보다 돌출되고 상기 상부 기판과 동일한 구조와 재질을 가지고 상기 케비티 영역을 감싸도록 배치된 격벽;
   상기 상부 기판의 하부면에서 상기 케비티 영역의 배치평면보다 더 함몰되고 상기 격벽을 감싸도록 배치된 절단 부위;
   상기 격벽의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드;
   하부 기판;
   상기 상부 기판의 상기 케비티 영역을 마주보도록 배치된 적외선 센서; 및
   상기 상부 본딩 패드와 정렬되고 상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함하고,
   상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 하부 패턴의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 반구인 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 하부 패턴의 상기 반구의 곡률 반경은 서브 마이크로미터 내지 수 마이크로미터이고, 상기 하부 패턴의 반구들은 상기 상부 패턴의 반구들과 서로 정렬되는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 하부 패턴의 상기 나방눈(Moth-eye) 구조는 서로 접촉하여 배치된 복수의 절단된 타원체형상인 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 적외선 센서는:
   상기 하부 기판의 상부면에 형성되어 검출회로와 전기적으로 연결되는 금속 패드;
   상기 하부 기판의 상부면에 형성되고 적외선 대역을 반사하는 반사층;
   상기 반사층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판; 및
   상기 금속 패드의 상부에 형성되어 상기 흡수판을 지지하고 상기 금속 패드와 상기 흡수판을 전기적으로 연결하는 앵커를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 흡수판은 차례로 적층된 제1 절연층, 흡수층, 저항층, 제2 절연층, 및 무반사 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
   

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