KR20200132509A - 마이크로볼로미터 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 마이크로 볼로미터는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 반사층; 상기 기판의 상부에 배치되는 제 1 절연층; 상기 제 1 절연층 상에 배치되는 제 2 절연층; 및 상기 제 2 절연층 상에 배치되는 감지층; 상기 제 1 절연층 상에 배치되는 제 3 전극층; 및 상기 제 2 절연층 상에 배치되는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 포함하고, 상기 감지층은 산화아연 계열의 반도체 물질을 포함한다.
Description
실시예는 마이크로볼로미터 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈에 관한 것이다.
열화상 카메라는 대상 물체 또는 장면의 온도 변화를 실화상으로 변환하는 장치이다, 이러한 열화상 카메라는 적외선만을 모으는 렌즈와 필터, 적외선을 전기적 신호로 변환하는 센서, 그리고 전기신호를 영상으로 구현하는 디스플레이로 구성된다. 열화상 카메라에서의 렌즈는 일반적으로 사용되는 유리 렌즈가 아니라 마그네슘-알루미늄이 코팅된 불투명한 렌즈가 사용되며, 센서는 적외선을 감지하는 디텍터를 초점면에 배열한 센서가 이용된다.
즉, 열화상 카메라는 적외선 감지 장치는 대상체로부터 방출되는 적외선을 감지하기 위한 장치로 사용되며, 이는 대상체로부터 방출되는 적외선을 감지한 후, 디스플레이 장치를 통해 인간의 눈이 인식할 수 있는 가시광선으로 영상화하는 장치이다.
이러한 열화상 카메라에는 적외선을 감지하게 위한 센서가 구비된다. 이러한 센서 중 하나인 마이크로 볼로미터는 어레이(array)의 형태, 즉 마이크로 볼로미터 어레이(Micro Bolometer Array; MBA)로서 제조되어 감시카메라, 의료용장비, 고열증상 환자 탐지 등에 탑재되고 있다.
기존의 마이크로볼로미터는 8~14 um 파장의 LWIR 흡수를 위해 해당 파장대역에서 흡수율이 우수한 소재(예를 들어, TiN, NiCr 등)의 박막 구조를 가진 흡수층을 포함한다.
한편, 마이크로볼로미터의 성능을 나타내는 대표적인 항목이 NETD인데, NETD는 흡수층의 면적이 클수록, 또한 흡수층의 흡수율이 높을수록 낮은 NETD를 가지게 된다.
그러나, 기존의 마이크로볼로미터에 포함된 흡수층은 흡수층이 가지고 있는 물질 자체의 고유 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)로 인해 NETD를 낮추는데 한계가 있다.
또한, 열화상 카메라는 물리적인 셔터를 통해 주기적인 노멀라이징(normalize)이 필요한데, 이러한 셔터에 의해 물리적인 크기가 제한되는 문제점이 있다.
실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 TCR을 향상시켜, 낮은 NETD를 구현할 수 있고, 셔터리스(Shutter-less) 구현이 가능한 열화상 카메라를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 마이크로 볼로미터는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 반사층; 상기 기판의 상부에 배치되는 제 1 절연층; 상기 제 1 절연층 상에 배치되는 제 2 절연층; 및 상기 제 2 절연층 상에 배치되는 감지층; 상기 제 1 절연층 상에 배치되는 제 3 전극층; 및 상기 제 2 절연층 상에 배치되는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 포함하고, 상기 감지층은 산화아연 계열의 반도체 물질을 포함한다.
실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)가 큰 물질을 흡수층으로 사용할 수 있다.
이에 따라, TCR 값이 증가되면서, 낮은 NETD를 구현할 수 있다.
또한, 제 1 전극층, 제 2 전극층, 제 3 전극층과 상기 흡수층은 TFT 구조 방식으로 각가 배치됨에 따라 실시예에 따른 마이크로 볼로미터가 적용되는 열화상 카메라 모듈에서 셔터를 제거할 수 있다.
자세하게, 적외선 센서층의 물질이 게이트 바이어스의 변화하면서 온도에 따라 저항값이 변화하는 영역과 저항값이 수렴하는 영역을 모두 포함함에 따라, 저항값이 변화하는 영역에서는 적외선 센서로 사용하고, 셔터 역할을 구현하고자 하는 경우, 전압을 인가하여, 제 3 전극층을 게이트 전극으로 하여 온도에 따라 저항값이 수렴되는 노멀라이징을 구현하여 셔터 역할을 수행할 수 있다.
따라러, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 낮은 NETD 특성에 의해 향상된 특성을 가질 수 있고, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터가 적용되는 열화상 카메라 모듈에서 별도의 셔터를 제거하여 셔터리스를 구현할 수 있으므로, 이에 따른 공정 효율 저하 및 크기에 따른 제한을 감소시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 열화상 감지 모듈을 구성하는 마이크로 볼로미터의 사시도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열화상 감지 모듈을 구성하는 마이크로 볼로미터의 상면도를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 열화상 감지 모듈을 구성하는 마이크로 볼로미터의 측단면도를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 셔터 리스 기능을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4 내지 도 10은 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 실시예에 따른 열화상 카메아 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열화상 감지 모듈을 구성하는 마이크로 볼로미터의 상면도를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 열화상 감지 모듈을 구성하는 마이크로 볼로미터의 측단면도를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 셔터 리스 기능을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4 내지 도 10은 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 실시예에 따른 열화상 카메아 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한개이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다.
또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터를 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는(10)는 기판(100), 반사층(200), 절연층, 패드층, 감지층(T), 전극층, 앵커(A1, A2, A3) 및 레그(L1, L2)를 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 판독회로가 형성된 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)에는 판독회로와 입출력 단자 역할을 수행하기 위해 금속 전극이 배치될 수 있다.
상기 반사층(200)은 상기 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 반사층(200)은 입사되는 적외선을 반사하여 반사 적외선을 생성할 수 있다. 상기 반사층(200)은 흡수된 적외선(입사 적외선, 반사 적외선)의 세기를 판단하는 판독회로의 일 구성으로 형성될 수 있다.
상기 절연층은 전류를 차단하는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 탄탈륨 산화물(TaOx). 지르코늄 산화물(ZrOx), 티타늄 산화물(TiOx) 등을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다.
상기 절연층은 복수의 절연층들을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 절연층은 상기 기판(100) 상에 배치되는 제 1 절연층(310), 상기 제 1 절연층(310) 상에 배치되는 제 2 절연층(320), 상기 제 2 절연층(320) 상에 배치되는 제 3 절연층(330) 및 상기 제 3 절연층(330) 상에 배치되는 제 4 절연층(340)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 절연층(310)의 상부에는 이하에서 설명하는 패드층들이 배치될 수 있고, 상기 제 2 절연층(320)의 상부에는 이하에서 설명하는 제 3 전극층(430)이 배치될 수 있고, 상기 제 3 절연층(330)의 상부에는 이하에서 설명하는 제 1 전극층(410) 및 제 2 전극층(420)이 배치될 수 있고, 상기 제 4 절연층(340) 상에는 이하에서 설명하는 흡수층(520)이 배치될 수 있다.
상기 패드층은 상기 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 패드층이 대응되는 영역의 제 1 절연층에는 비아를 형성하여, 상기 패드층은 상기 기판(100)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 패드층은 복수의 패드층을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 패드층은 상기 전극층과 대응되는 수의 복수의 패드층을 포함할 수 있다.
자세하게, 상기 패드층은 상기 제 1 전극층(410)과 대응되는 제 1 패드층(P1), 상기 제 2 전극층(420)과 대응되는 제 2 패드층(P2) 및 상기 제 3 전극층(430)과 대응되는 제 3 패드층(P3)을 포함할 수 있다.
상기 패드층(P1, P2, P3)들은 각각 앵커(A1, A2, A3) 금속들과 접할 수 있다. 즉, 상기 패드층(P1, P2, P3)은 상기 앵커(A1, A2, A3) 금속과 연결되는 패드부일 수 있다. 이때, 상기 패드층(P1, P2, P3)은 앵커(A1, A2, A3)를 지지함으로써, 상부의 감지층(T) 및 레그(L1, L2, L3)의 하중을 지지할 수 있다.
또한, 상기 패드층(P1, P2, P3)은 상기 감지층(T)과 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 상기 패드층(P1, P2, P3)은 상기 감지층(T)에서 흡수되는 적외선 및 그에 따른 세기를 판단하기 위한 요소를 상기 기판(100)에 포함되는 검출회로와 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 즉, 상기 감지층(T)에서 생성된 전류는 상기 앵커(A1, A2, A3) 및 상기 패드층(P1, P2, P3)을 통해 상기 기판(100)의 검출 회로로 흐를 수 있다.
상기 감지층(T)은 적외선 센서층(510) 및 적외선 흡수부(520)을 포함할 수 있다. 상기 적외선 흡수부(520)는 상기 제 4 절연층(340) 상에 배치될 수 있다. 상기 적외선 흡수부(520)는 적외선을 흡수하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 적외선 흡수부(520)는 티타늄 산화물, 이규화몰리브데넘(MoSi2), 규화 텅스텐(WSix), 티타늄 질화물 등을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다.
상기 감지층(T)은 상기 앵커(A1, A2, A3)와 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 즉, 상기 감지층(T)은 상기 레그(L1, L2)에 의해 상기 앵커(A1, A2, A3)와 연결되며, 그에 따라 상기 레그(L1, L2) 및 상기 앵커(A1, A2, A3)와 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 다만, 실시예는 이에 한정되지 않으며, 상기 감지층(T)과 앵커(A1, A2, A3)는 서로 다른 평면 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 감지층(T)의 표면은 앵커(A1, A2, A3)의 표면보다 높게 위치할 수 있다. 바람직하게, 감지층(T)의 상면 중 적어도 일부는 상기 앵커(A1, A2, A3)의 표면보다 높게 위치할 수 있다.
상기 적외선 센서층(510)은 상기 적외선 흡수부(520)가 흡수한 적외선의 세기가 증가할수록 적외선 센서층의 온도가 증가하고, 흡수 적외선의 세기가 증가할수록 적외선 센서층의 저항도 증가하게 된다. 센서층의 적외선 저항이 증가하면, 센서층에서 생성된 전류는 감소될 수 있다. 따라서 검출 회로는 센서층에서 생성된 전류의 크기에 기초하여 흡수 적외선의 세기를 판단할 수 있다.
상기 적외선 센서층(510)은 온도에 따라 저항이 변화되는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 적외선 센서층(510)은 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)가 큰 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 적외선 센서층(510)은 저항온도계수가 약 15 이상인 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 적외선 센서층(510)은 산화아연(ZnO) 계열의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 센서층은 a-InGaZnO, a-InSnZnO, a-InSiZnO, a-InHfZnO) 등의 다양한 산화아연 계열의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 적외선 센서층(510)은 실리카 계열의 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 적외선 센서층(510)은 폴리 실리카(Poly Si)를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 마이크로 볼로미터를 포함하는 열화상 카메라 모듈의 성능은 다양한 특성에 의해 변화될 수 있으나, 온도 변화에 따른 저항 변화가 크도록 높은 TCR(Temperature Coefficient of Resistance)를 가져야 하고, 낮은 NETD(Noise Equivalent Temperature Difference)를 갖도록 1/f 잡음(noise)이 작아야 한다. 즉, 마이크로 볼로미터의 성능의 가장 중요한 성능인 온도 분해능(NETD)은 통상적으로 NETD로 나타낸다.
상기 NETD는 하기의 수식으로 정의될 수 있다.
[수식]
상기 수식을 참조하면, 상기 NETD의 크기는 잡음에 비례하고, TCR에 반비례하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 잡음이 커지면 상기 NETD가 증가되어 온도 분해능이 증가되어 열화상 카메라 모듈의 성능이 저하되고, 상기 TCR이 커지면, 상기 NETD는 감소되어 열화상 카메라 모듈의 성능이 향상될 수 있다.
실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 센서층으로서, 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)가 큰 물질 일례로, 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)가 15 이상인 물질을 적용하여, 마이크로 볼로미터의 온도 분해능(NETD)을 감소시킬 수 있어, 상기 마이크로 볼로미터가 적용되는 열화상 카메라 모듈의 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 앵커(A1, A2, A3)는 상기 패드층(P1, P2, P3) 및 상기 감지층(T)을 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 상기 앵커(A1, A2, A3)는 일단에서 상기 패드(P1, P2, P3)와 접할 수 있고, 타단에서 상기 감지층(T)의 일측과 타측에 각각 연결될 수 있다. 따라서 상기 감지층(T)에서 생성된 전류는 상기 앵커(A1, A2, A3)를 통해 상기 패드(P1, P2, P3) 및 기판(100)의 검출 회로로 흐를 수 있다.
상기 앵커(A1, A2)는 상기 패드층(P1, P2, P3)과 상기 감지층(T) 사이의 상기 레그(L1, L2)에 의해 연결될 수 있고, 이를 토대로 상기 감지층(T)의 하중을 지지할 수 있다. 상기 앵커(A1, A2, A3)는 전류가 흐르는 도전성 물질로 구성될 수 있다.
상기 앵커(A1, A2, A3)는 상기 감지층(T)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 자세하게, 상기 앵커(A1, A2, A3)는 상기 반사층(200)과 상기 감지층(T)의 거리가 λ/4의 거리만큼 이격될 수 있도록 상기 감지층(T)을 지지할 수 있다. 이때, λ는 적외선 파장으로 8 내지 14μm의 크기를 가질 수 있다
상기 레그(L1, L2)는 상기 앵커(A1, A2, A3)와 상기 감지층(T)을 연결할 수 있다. 상기 레그(L1, L2)는 상기 감지층(T1)의 일측과 타측에 각각 형성되고, 상기 감지층(T)의 일측과 타측을 각각 앵커(A1, A2)와 연결할 수 있다. 상기 레그(L1, L2)는 도 1에 도시된 바와 같이 앵커(A1, A2)로부터 연장되어 감지층(T)과 연결되도록 형성될 수 있다. 또한 레그(L1, L2)는 다른 실시 예에 따라 슬로프 형상과 같이 형성됨에 따라 일측과 타측의 높이가 각각 상이하게 형성될 수 있다. 이러한 레그(L1, L2)의 형상은 상기 레그(L1, L2)를 형성하는 물질의 특성 및 조합에 의해 실시될 수 있다.
상기 앵커(A1, A2, A3) 상에는 각각 전극층이 배치될 수 있다. 상기 전극층은 복수의 전극층들을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 전극층은 상기 제 1 절연층(320) 상에 배치되고, 상기 제 3 앵커(A3) 상에 배치되는 제 3 전극층(430), 상기 제 3 절연층(330) 상에 배치되고, 상기 제 1 앵커(A1) 상에 배치되는 제 1 전극층(410) 및 상기 제 3 절연층(330) 상에 배치되고, 상기 제 2 앵커(A2) 상에 배치되는 제 2 전극층(420)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극층(410), 상기 제 2 전극층(420) 및 상기 제 3 전극층(430)은 전체적으로 TFT(thin film transistor) 구조로 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극층(410), 상기 제 2 전극층(420) 및 상기 제 3 전극층(430)은 은 상기 제 1 전극층(410)은 소스 전극, 상기 제 2 전극층(420)은 드레인 전극, 상기 제 3 전극층(430)은 게이트 전극 역할을 할 수 있도록 각각 배치될 수 있다.
상기 제 1 전극층(410), 상기 제 2 전극층(420) 및 상기 제 3 전극층(430)을 포함하는 마이크로 볼로미터는 열화상 카메라 모듈에 적용되어 셔터 역할을 함께 수행할 수 있다.
자세하게, 상기 제 1 전극층(410), 상기 제 2 전극층(420) 및 상기 제 3 전극층(430)과 센서층(510)은 인가되는 전압에 의해 변화되는 저항차이에 의해 셔터 역할을 수행할 수 있다.
자세하게, 도 4 및 도 5는 상기 센서층(510)이 각각 a-InGaZnO 또는 폴리실리카(poly Si)를 포함하였을 때, 게이트 바이어스의 변화(Gate bias difference)에 따른 저항 그래프를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 게이트 바이어스가 인가되고, 게이트 바이어스가 변화되면서, 온도 차이에 따른 저항이 변화될 수 있다. 또한, 게이트 바이어스의 크기에 따라, 각 온도에서 발생하는 저항의 차이가 변화될 수 있다.
자세하게, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 게이트 바이어스가 커지면서 온도에 따른 저항 크기가 작아지게 되고, 결국, 저항 크기가 수렴하게 되는 구간이 생길 수 있다. 즉, 게이트 바이어스가 작아질 때는 온도 크기에 따라 저항 크기가 달라지고, 게이트 바이어스가 커지면서 온도 크기에 따른 저항크기가 수렴될 수 있다.
이에 따라, 도 4 및 도 5의 A, C 영역에서는 온도 센서 또는 적외선 센서로 구동하고, B, D 영역에서는 열화상 카메라 모듈의 셔터 기능을 수행할 수 있다. 즉, 게이트 바이어스가 인가되면서, 저항크기가 수렴되어 노멀라이징 되면서, 상기 B, D 영역에서는 열화상 카메라 모듈의 셔터 기능을 수행할 수 있다.
즉, 적외선 흡수층은 게이트 바이어스의 인가에 의해 저전압 영역(또는 전압 0) 및 고전압 영역이 형성될 수 있다. 이때, 저전압 영역에서는 온도 차이에 따른 저항 크기를 센싱하여 적외선 또는 온도를 센싱하고, 고전압 영역에서는 온도 차이에 따른 저항 크기가 수렴되면서, 수렴되는 영역을 노멀라이징 단계로 인식하여 셔터 역할을 수행할 수 있다.
즉, 상기 적외선 센서층에서는 적외선의 세기가 증가할수록 적외선 센서층의 온도가 증가하고, 이에 따라, 적외선 센서층의 저항도 증가하도록 변화될 수 있다. 즉, 적외선 센서층의 온도가 증가하면서, 적외선 저항이 증가하고, 적외선 센서층에서 생성된 전류는 감소될 수 있다.
그러나, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 적외선 세기에 따라 적외선 센서층의 온도 변화에 의해 적외선 센서층의 저항이 변화되는 영역과 변화되지 않는 영역을 구현할 수 있는 물질을 적외선 센서층으로 적용함에 따라, 온도 센서 또는 적외선 센서를 구현하면서, 저항이 변화되지 않는 영역에서는 노멀라이징에 의한 셔터로 사용할 수 있기에, 셔터 기능과 센서 기능을 동시세 할 수 잇다.
따라서, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈은 별도의 셔터를 요구하지 않으므로, 셔터에 따른 크기 증가를 방지할 수 있고, 보다 용이하게, 열화상 카메라 모듈을 제조할 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 10을 참조하여, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조공정을 설명한다. 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조공정을 설명에서는 앞서 설명한 마이크로 볼로미터와 동일 유사한 설명에 대해서는 설명을 생략하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여한다.
도 6 내지 도 11의 (a) 예시도는 제조 공정에 따른 상면도이고, (b) 예시도는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 먼저 기판(100)이 준비된다. 상기 기판(100)은 판독회로를 포함하는 ROIC(Read Out Integrated Circuit)기판 일 수 있다.
이어서, 상기 기판(100) 상에 반사 물질을 증착하여 반사층(200)을 형성할 수 있다. 상기 반사층(200)은 입사되는 적외선을 반사하여 반사 적외선을 생성할 수 있다. 상기 반사층(200)은 흡수된 적외선(입사 적외선, 반사 적외선)의 세기를 판단하는 판독회로의 일 구성으로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 반사층(200)이 형성된 기판(100) 상에 상기 반사층(200)을 덮는 제 1 절연층(310)이 형성될 수 있다. 상기 제 1 절연층(310)은 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정 등에 의해 형성될 수 있다.
이어서, 상기 감지층과 대응되는 영역을 상기 제 1 절연층(310) 영역을 에칭하여, 상기 반사층(200)의 상면을 노출시킬 수 있다.
이어서, 도 8을 참조하면, 상기 기판(100) 상에 전극층을 형성할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 절연층(310) 상에 희생층(600)을 형성한 후, 상기 희생층 상에 제 2 절연층(320)을 형성할 수 있다. 상기 제 2 절연층(320)은 상기 제 1 절연층(310)과 동일 유사한 물질을 포함할 수 있고, 동일 유사한 공정으로 형성될 수 있다.
상기 희생층(600)은 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 희생층(600)은 추후 제거될 수 있다. 상기 희생층(600)은 λ/4에 해당하는 두께를 가지도록 스핀코팅(spin-coating)으로 도포한 후 임계 온도에서 열경화(curing)하여 형성할 수 있다. λ는 적외선 파장으로 8 내지 14μm의 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 희생층(600) 상에 배치되는 적외선 센서층(510)과 상기 반사층(200)의 거리를 λ/4 만큼 이격할 수 있다.
이어서, 상기 기판(100) 상에 먼저 제 3 패드층(P3)을 형성할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 절연층(310), 상기 제 2 절연층(320) 및 상기 희생층(600)을 에칭하여 비아를 형성하고, 상기 제 3 패드층(P3)은 상기 기판(100)의 패드부와 연결되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제 3 패드층(P3) 상에는 제 3 전극층(430)과 제 3 앵커(A3)가 형성될 수 있다. 상기 제 3 앵커(A3)는 상기 제 3 전극층(430)을 지지할 수 있다. 즉, 상기 제 3 전극층(430)은 상기 제 3 앵커(A3)에 의해 상기 반사층(300)과 일정 거리만큼 이격할 수 있다.
이어서, 도 9를 참조하면, 상기 기판(100) 상에 제 1, 2 전극층을 형성할 수 있다.
먼저, 상기 기판(100) 상에 먼저 제 1 패드층(P1) 및 제 2 패드층(P3)을 형성할 수 있다.
자세하게, 상기 제 2 절연층(320) 상에 상기 제 3 절연층(330)이 먼저 형성될 수 있다. 이어서, 상기 제 1 절연층(310), 상기 제 2 절연층(320), 상기 제 3 절연층(330) 및 상기 희생층(600)을 에칭하여 비아를 형성하고, 상기 제 1 패드층(P1) 및 상기 제 2 패드층(P2은 상기 기판(100)의 패드부와 연결되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제 1 패드층(P1) 상에는 제 1 전극층(410)과 제 1 앵커(A1)가 형성될 수 있다. 상기 제 1 앵커(A3)는 상기 제 1 전극층(410)을 지지할 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극층(410)은 상기 제 1 앵커(A1)에 의해 상기 반사층(300)과 일정 거리만큼 이격할 수 있다.
또한, 상기 제 2 패드층(P2) 상에는 제 2 전극층(420)과 제 2 앵커(A2)가 형성될 수 있다. 상기 제 2 앵커(A2)는 상기 제 2 전극층(420)을 지지할 수 있다. 즉, 상기 제 2 전극층(410)은 상기 제 2 앵커(A2)에 의해 상기 반사층(300)과 일정 거리만큼 이격할 수 있다.
이어서, 도 10을 참조하면, 상기 제 3 절연층(330) 상에 감지층(T)을 형성할 수 있다.
자세하게, 상기 제 3 절연층(330) 상에 적외선 센서층(510)을 형성할 수 있다. 앞서 설명하였듯이, 상기 적외선 센서층(510)은 온도에 따라 저항이 변화되는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 적외선 센서층(510)은 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)가 큰 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 적외선 센서층(510)은 저항온도계수가 약 15 이상인 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 적외선 센서층(510)은 산화아연(ZnO) 계열의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 센서층은 a-InGaZnO, a-InSnZnO, a-InSiZnO, a-InHfZnO) 등의 다양한 산화아연 계열의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 적외선 센서층(510)은 실리카 계열의 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 적외선 센서층(510)은 폴리 실리카(Poly Si)를 포함할 수 있다.
이어서, 상기 적외선 센서층(510) 상에 제 4 절연층(340)을 형성하고, 상기 제 4 절연층(340) 상에 적외선 흡수부(520)를 형성할 수 있다. 상기 적외선 흡수부(520)는 티타늄 산화물, 이규화몰리브데넘(MoSi2), 규화 텅스텐(WSix), 티타늄 질화물 등을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다.
이어서, 상기 희생층(600)을 제거할 수 있다. 자세하게, 상기 희생층(600)은 산소(O2)를 포함하는 혼합가스를 사용하는 플라즈마 연소법으로 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 감지층(T)과 상기 반사층(200)은 상기 희생층(600) 두께에 해당하는 공간만큼 이격되어 배치될 수 있다.
도 11은 실시 예에 따른 열화상 카메라 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 열화상 카메라 모듈(1000)은 홀더(1100), 렌즈 배럴(1200), 렌즈부(1300), 필터부(1400), 구동 기판(1500), 센서부(1600) 및 데이터 처리 소자(1700)를 포함할 수 있으며, 이들 중 적어도 어느 하나의 구성은 생략되거나 서로 상하 배치 관계가 변경될 수도 있다.
홀더(1100)는 렌즈 배럴(1200)과 결합되어 렌즈 배럴(1200)을 지지하고, 센서부(1600)가 부착된 기판(250)에 결합될 수 있다. 또한, 홀더(1100)는 렌즈 배럴(1200) 하부에 유동 플레이트부(1400)가 부착될 수 있는 공간을 구비할 수 있다. 홀더(1100)는 나선형 구조를 포함할 수 있다. 또한, 렌즈 배럴(1200)도 상기 홀더(1100)에 대응되는 나선형 구조를 포함할 수 있으며, 이에 따라 렌즈 배럴(1200)과 홀더(1100)는 상호 회전 결합할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 홀더(1100)와 렌즈 배럴(1200)은 접착제(예를 들어, 에폭시 등의 접착용 수지)를 통해 결합되거나, 홀더(1100)와 렌즈 배럴(1200)이 일체형으로 형성될 수도 있다.
렌즈 배럴(1200)은 홀더(1100)와 결합되며, 내부에 렌즈부(1300)를 수용할 수 있는 공간을 구비할 수 있다. 렌즈 배럴(1200)은 렌즈부(1300)와 회전 결합될 수 있으나, 이는 예시적인 것이며 접착제를 이용한 방식 등의 다른 방식으로도 결합될 수 있을 것이다.
렌즈부(1300)는 피사체로부터 방사되는 적외선을 통과시키는 적외선 렌즈일 수 있다. 즉, 렌즈부(1300)는 피사체로부터 방출되는 적외선을 투과시키기 위해, 칼코게나이드 글라스(Chalcogenide glass) 소재의 PGM (Precision Glass Molding) 가공된 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 렌즈부(1300)는 전방에 렌즈를 보호하기 위한 적외선 투과 윈도우(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 적외선 투과 윈도우는 CaF2, BaF2 또는 폴리에틸렌(Polyethylene) 등의 재질로 제작될 수 있다.
센서부(1600)는 구동 기판(1500) 상에 장착될 수 있고, 렌즈부(1300) 및 유동 플레이트부(1400)를 통과한 적외선 신호(적외선 복사 에너지)를 이미지 신호로 변환하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 센서부(1600)는 적외선 복사 에너지에 대하여 감응하는 소자를 포함할 수 있다. 즉, 센서부(1600)는 상기 소자를 이용하여 상기 적외선 복사 에너지에 대응하는 에너지를 검출할 수 있다. 바람직하게, 센서부(1600)는 렌즈부(1300)를 통해 입사된 적외선 복사 에너지의 결과를 전기적 신호로 만들어주는 역할을 할 수 있다.
바람직하게, 센서부(1600)는 렌즈부(1300)를 통해 투과된 적외선으로부터 피사체의 온도를 감지하여 대응하는 물리적 특성 변화(아날로그 신호)를 출력한다. 이와 같은 센서부(1600)는 도 1 내지 도 10에서 설명한 마이크로 볼로미터일 수 있다.
구동 기판(1500)은 홀더(1100)의 하부에 배치될 수 있고, 각 구성간의 전기 신호의 전달을 위한 배선을 포함할 수 있다. 또한, 구동 기판(1500)에는 카메라 장치의 외부의 전원 또는 기타 다른 장치(예를 들어, 애플리케이션 프로세서)와 전기적으로 연결하기 위한 커넥터(미도시)가 연결될 수 있다.
구동 기판(1500)은 RFPCB(Rigid Flexible Printed Circuit Board)로 구성되고 열화상 카메라 모듈(1000)이 장착되는 공간이 요구하는 바에 따라 벤딩(bending)될 수 있으나, 실시 예는 이에 한정되지 않는다.
또한, 구동 기판(1500)과 센서부(1600) 사이에는 패턴부가 배치될 수 있다.
센서부(1600)와 렌즈부(1300) 사이에는 필터(1400)가 배치될 수 있다. 필터(240)는 상기 렌즈부(1300)를 통과한 적외선 신호를 상기 센서부(1600)로 제공할 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)가 큰 물질을 흡수층으로 사용할 수 있다.
이에 따라, TCR 값이 증가되면서, 낮은 NETD를 구현할 수 있다.
또한, 제 1 전극층, 제 2 전극층, 제 3 전극층과 상기 흡수층은 TFT 구조 방식으로 각가 배치됨에 따라 실시예에 따른 마이크로 볼로미터가 적용되는 열화상 카메라 모듈에서 셔터를 제거할 수 있다.
자세하게, 적외선 센서층의 물질이 게이트 바이어스의 변화하면서 온도에 따라 저항값이 변화하는 영역과 저항값이 수렴하는 영역을 모두 포함함에 따라, 저항값이 변화하는 영역에서는 적외선 센서로 사용하고, 셔터 역할을 구현하고자 하는 경우, 전압을 인가하여, 제 3 전극층을 게이트 전극으로 하여 온도에 따라 저항값이 수렴되는 노멀라이징을 구현하여 셔터 역할을 수행할 수 있다.
따라러, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 낮은 NETD 특성에 의해 향상된 특성을 가질 수 있고, 실시예에 따른 마이크로 볼로미터가 적용되는 열화상 카메라 모듈에서 별도의 셔터를 제거하여 셔터리스를 구현할 수 있으므로, 이에 따른 공정 효율 저하 및 크기에 따른 제한을 감소시킬 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 기판;
상기 기판의 상부에 배치되는 반사층;
상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 반사층의 상면을 노출하는 제 1 절연층;
상기 제 1 절연층 상에 배치되고, 상기 제 1 절연층과 이격하는 제 2 절연층;
상기 제 2 절연층 상에 배치되는 제 3 절연층;
상기 제 3 절연층 상에 배치되는 감지층;
상기 제 2 절연층 상에 배치되는 제 3 전극층; 및
상기 제 3 절연층 상에 배치되는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 포함하고,
상기 감지층은 산화아연 계열의 반도체 물질 또는 폴리 실리카(poly Si)를 포함하는 마이크로 볼로미터. - 제 1항에 있어서,
상기 감지층은 적외선 센서층 및 상기 센서층 상의 적외선 흡수부를 포함하고,
상기 적외선 센서층의 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)는 15 이상인 마이크로 볼로미터. - 제 2항에 있어서,
상기 산화아연 계열의 반도체 물질은 a-InGaZnO, a-InSnZnO, a-InSiZnO, a-InHfZnO 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 마이크로 볼로미터. - 제 1항에 있어서,
상기 적외선 센서층은 게이트 바이어스의 변화(Gate bias difference)에 의해 온도에 따른 저항 차이가 변화하는 마이크로 볼로미터. - 제 4항에 있어서,
상기 적외선 센서층은 상기 게이트 바이어스가 커지면서, 온도에 따른 저항 크기 차이가 감소되는 마이크로 볼로미터. - 제 4항에 있어서,
상기 적외선 센서층은 상기 게이트 바이어스가 커지면서 온도에 따른 저항 크기가 수렴하는 영역을 포함하는 마이크로 볼로미터. - 렌즈 홀더;
상기 렌즈 홀더의 일측에 결합되는 렌즈부; 및
상기 렌즈 홀더의 타측에 결합되는 센서부를 포함하고,
상기 센서부는,
기판;
상기 기판의 상부에 배치되는 반사층;
상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 반사층의 상면을 노출하는 제 1 절연층;
상기 제 1 절연층 상에 배치되고, 상기 제 1 절연층과 이격하는 제 2 절연층;
상기 제 2 절연층 상에 배치되는 제 3 절연층;
상기 제 3 절연층 상에 배치되는 감지층;
상기 제 2 절연층 상에 배치되는 제 3 전극층; 및
상기 제 3 절연층 상에 배치되는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 포함하고,
상기 감지층은 산화아연 계열의 반도체 물질 또는 폴리 실리카(poly Si)를 포함하는 마이크로볼로미터를 포함하는 열화상 카메라 모듈. - 제 7항에 있어서,
상기 감지층은 적외선 센서층 및 상기 센서층 상의 적외선 흡수부를 포함하고,
상기 적외선 센서층은 게이트 바이어스의 변화(Gate bias difference)에 의해 셔터 동작을 수행하는 열화상 카메라 모듈. - 제 7항에 있어서,
상기 적외선 센서층은 게이트 바이어스의 인가에 의해 저전압 영역 및 고전압 영역을 포함하고,
상기 저전압 영역에서는 적외선을 센싱하고,
상기 고전압 영역에서는 셔터를 구동하는 열화상 카메라 모듈. - 제 9항에 있어서,
상기 적외선 센서층은 상기 고전압 영역에서 온도에 따른 저항 크기가 수렴하는 열화상 카메라 모듈.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190058155A KR20200132509A (ko) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 마이크로볼로미터 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190058155A KR20200132509A (ko) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 마이크로볼로미터 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200132509A true KR20200132509A (ko) | 2020-11-25 |
Family
ID=73645638
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190058155A KR20200132509A (ko) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 마이크로볼로미터 및 이를 포함하는 열화상 카메라 모듈 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200132509A (ko) |
-
2019
- 2019-05-17 KR KR1020190058155A patent/KR20200132509A/ko not_active Application Discontinuation
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