KR20220035042A - 필터링 기능을 갖는 마이크로볼로미터 - Google Patents

필터링 기능을 갖는 마이크로볼로미터 Download PDF

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KR20220035042A
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Abstract

본 명세서는 픽셀들의 어레이를 구비하는 마이크로볼로미터에 관한 것이며, 각 픽셀은 하나 이상의 검출셀들을 구비하고, 각 검출셀은 흡수층(530)을 구비하며, 각 검출셀은 1.5㎛와 5㎛ 사이의 높이(h)를 갖는 사분의 일-파장 공동(533)을 형성하는 흡수층을 구비하며, 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 하나의 축에서의 검출셀들의 피치는 2.4h 내지 3.6h의 범위에 있다.

Description

필터링 기능을 갖는 마이크로볼로미터
본 특허출원은, 그 내용이 여기에 참조로 포함되어 있는, 2019년 6월 5일에 출원되고, 출원번호 No. FR1905965로 부여된 프랑스 특허 출원의 우선권을 주장한다.
본 명세서는 일반적으로 적외선 촬상의 분야, 특히 마이크로볼로미터와, 마이크로볼로미터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
마이크로볼로미터들은 화상 장면의 열 화상들을 캡쳐하기 위하여 사용된 비냉각 적외선(IR) 카메라의 형태이다. 그런 IR 카메라들은 일반적으로 픽셀 어레이를 형성하는 IR-감지 검출기들의 배열을 구비한다. 픽셀 어레이의 각 픽셀은 픽셀에서의 측정 온도를 대응하는 전기 신호, 일반적으로 전압으로 변환하며, 이어서 ADC(아날로그 디지털 변환기)에 의하여 디지털 출력 신호로 변환된다.
마이크로볼로미터의 각 픽셀은 기판에 위에 매달려 있는 멤브레인을 구비한다. 이 멤브레인은 픽셀을 가열하는 IR 광으로부터 에너지를 흡수하는 흡수층을 구비하며, IR 광의 강도의 함수로서 온도를 증가시킨다. 예를 들어 멤브레인은 또한 이 온도 증가에 의하여 이 저항이 변경되는 특성을 갖는 서멀층(thermal layer)을 구비하며, 따라서 이 픽셀은 이 서멀층의 저항의 변화를 검출할 수 있고, 이것은 흡수층에 열적으로 연결되어 있다.
일반적으로 마이크로볼로미터는 비교적 높은 감도를 갖는 것이 바람직하며, 일반적으로, 목표 범위의 파장에 대하여는, 높은 흡수율을 나타낸다. 또한 장치는 비교적 소형이며 비용은 비교적 적은 것이 바람직하다.
그러나, 감도의 감소없이 마이크로볼로미터의 크기 및/또는 비용을 감소시키는데에는 기술적 문제가 있다. 사실, 마이크로볼로미터의 픽셀 피치가 작을수록, 흡수 파워(power)의 양은 작아지고, 상대적으로 높은 열적 저항을 갖는 흡수층을 지지하는 아암을 설계하는 것이 더 어려워진다.
본 명세서의 실시형태의 목적은 종래에 하나 이상의 문제점들을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다.
일 실시형태에 따르면, 픽셀의 어레이를 구비하는 마이크로볼로미터를 제공하며, 각 픽셀은 하나 이상의 검출셀을 구비하고, 각 검출셀은 흡수층을 구비하며, 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 한 방향에서의 검출셀들의 피치는 5㎛와 11㎛ 사이에 있으며, 각 픽셀에서의 하나 이상의 검출셀들의 흡수층의 픽셀 충전율(FF)은 0.10 내지 0.50 범위에 있으며, 각 검출셀의 흡수층의 시트 저항(Rs)은 16 ohm/sq과 189 ohm/sq 사이에 있다.
일 실시형태에 따르면, 어레이의 각 픽셀의 비율 Rs/FF은 200 ohm/sq과 600 ohm/sq 사이에 있다.
일 실시형태에 따르면, 각 픽셀은 0.10 내지 0.40 범위의 픽셀 충전율을 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 각 픽셀은 0.20 내지 0.40 범위의 픽셀 충전율을 갖는다
일 실시형태에 따르면, 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 한 방향에서의 검출셀의 피치는 8㎛와 9㎛ 사이에 있다.
일 실시형태에 따르면, 어레이의 각 픽셀은,
- 0.40 이상 및 0.50 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 75 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs) 또는,
- 0.30 이상 및 0.40 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 50 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs) 또는,
- 0.20 이상 및 0.30 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 25 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs) 또는,
- 0.10 이상 및 0.20 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 16 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs)을 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 비율 Rs/FF는 377 ohm/sq 플러스 또는 마이너스 20% 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 각 검출셀의 흡수층은 금속층이다.
일 실시형태에 따르면, 흡수층은 TiN으로 형성되며 10nm와 115nm 사이의 두께를 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 픽셀 어레이는 기판을 구비하며, 픽셀 어레이의 각 픽셀은 기판 상에 형성된 반사층과 반사층 상에 매달린 멤브레인을 구비하며, 각 픽셀에서 사분의 일-파장 공동(cavity)이 멤브레인과 반사층 사이에 형성되며, 멤브레인은 흡수층과 서멀층을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 흡수층은 멤브레인의 표면 면적의 75퍼센트 미만의 표면 면적을 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 사분의 일-파장 공동은 1.5 ㎛ 내지 3.5 ㎛의 범위의 높이를 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 한 방향에서의 검출셀들의 피치는 사분의 일-파장 공동의 높이의 4배 미만이다.
다른 형태에 따르면, 픽셀들의 어레이를 형성하는 것을 구비하는 마이크로볼로미터 어레이를 제조하는 방법을 제공하며, 각 픽셀은 하나 이상의 검출셀을 가지며, 상기 어레이를 형성하는 것은, 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 하나의 축에서 5㎛와 11㎛ 사이의 피치를 갖는 검출셀을 형성하는 것과 각 검출셀을 0.10 내지 0.50 범위의 픽셀 충전율(FF)과 16 ohm/sq 및 189 ohm/sq 사이의 시트 저항(Rs)을 갖는 흡수층을 구비하도록 형성하는 것을 구비한다.
다른 형태에 따르면, 픽셀들의 어레이를 구비하는 마이크로볼로미터를 제공하며, 각 픽셀은 하나 이상의 검출셀을 구비하며, 각 검출셀은 1.5㎛와 5㎛ 사이의 높이를 갖는 사분의 일-파장 공동을 형성하는 흡수층을 구비하며, 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 하나의 축에서의 검출셀들의 피치는 2.4h 내지 3.6h의 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 각 픽셀에서 하나 이상의 검출셀들의 흡수층의 픽셀 충전율(FF)은 0.20 내지 0.70 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 각 픽셀에서 하나 이상의 검출셀들의 흡수층의 픽셀 충전율(FF)은 0.10 내지 0.50의 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 검출셀들의 피치는 4㎛ 내지 15㎛ 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 검출셀들의 피치는 5㎛ 내지 11㎛ 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 흡수층은 189 ohm/sq 이하의 시트 저항을 갖는 금속층이다.
일 실시형태에 따르면, 흡수층은 126 ohm/sq 이하의 시트 저항을 갖는 금속층이다.
일 실시형태에 따르면, 흡수층은 TiN으로 형성된다.
일 실시형태에 따르면, 공동 높이는 1.5㎛와 3.5㎛ 사이에 있다.
일 실시형태에 따르면, 어레이의 각 픽셀은,
- 0.40 이상 및 0.50 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 75 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs) 또는,
- 0.30 이상 및 0.40 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 50 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs) 또는,
- 0.20 이상 및 0.30 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 25 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs) 또는,
- 0.10 이상 및 0.20 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 16 ohm/sq의 흡수층의 시트 저항(Rs)을 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 어레이의 각 픽셀의 비율 Rs/FF는 200 ohm/sq과 600 ohm/sq 사이에 있다.
일 실시형태에 따르면, 어레이의 각 픽셀의 비율 Rs/FF는 377 ohm/sq의 20퍼센트 내에 있다.
일 실시형태에 따르면, 각 검출셀은 흡수층, 서멀층 및 유전체층을 구비하는 멤브레인을 구비한다.
다른 형태에 따르면, 마이크로볼로미터를 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은 픽셀의 어레이를 형성하는 것을 구비하며, 각 픽셀은 하나 이상의 검출셀을 구비하고, 어레이를 형성하는 것은, 1.5㎛와 5㎛ 사이의 높이(h)를 갖는 사분의 일-파장 공동을 형성하는 흡수층을 구비하도록 각 검출셀을 형성하고, 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 하나의 축에서 2.4h 내지 3.6h 범위의 피치를 갖도록 검출셀을 형성하는 것을 구비한다.
이전의 특징 및 장점뿐만 아니라 다른 특징 및 장점이, 첨부 도면을 참조하여 그것으로 한정되지 않는 예로서 제공된 특정 실시형태의 다음의 설명에서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 일 예 실시형태에 따르는 IR 카메라의 화상 캡쳐 회로를 개략적으로 나타낸다
도 2는 일 예 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터의 픽셀의 단면도이다.
도 3은 일 예 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터 어레이의 부분의 평면도이다.
도 4는, 17㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 명세서의 일 예 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터의 픽셀의 사시도이다.
도 6는 본 명세서의 일 예 실시형태에 따르는 도 5의 픽셀의 부분의 단면도이다.
도 7은 8.5㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광 파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 명세서의 일 예 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터 어레이의 부분의 평면도이다.
도 9는 본 명세서의 다른 예의 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터의 부분 평면도이다.
도 10은 8.5㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 다수의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 8.5㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 다수의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율 게인을 나타내는 그래프이다.
도 12는 20% 이상의 게인에 대응하는 도 11의 그래프의 영역을 상세하게 보여주는 그래프이다.
도 13은 50% 이상의 게인에 대응하는 도 11의 그래프의 영역을 더 상세하게 나타내는 그래프이다.
도 14는 다른 충전율에 대한 시트 저항/충전율의 비율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 15는 0.9 이상의 흡수율에 대응하는 도 14의 그래프의 영역을 더 상세하게 보여주는 그래프이다.
도 16은 11㎛의 픽셀 피치, 3.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 13㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 17은 5㎛의 픽셀 피치, 1.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 6㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 18은 5㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 19는 6㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 20은 7㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 21은 8㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 22는 9㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수율에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 23은 10㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수율에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 24는 11㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 25는 12㎛의 픽셀 피치, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이의 경우와 10㎛의 광파장에 대하여, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층에 대한 픽셀 충전율의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 26a는 8.5㎛의 픽셀 피치와 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이에 대하여, 7개의 다른 픽셀 충전율에 대한, 광파장의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 26b 내지 도 26g는, 7개의 다른 픽셀 충전율에 대하여, 광파장의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프이며, 도 26b 및 도 26c는 2,5㎛의 페브리-페로 공동 높이와 6㎛ 및 9㎛의 픽셀 피치에 각각 대응하며, 도 26d 및 도 26e는 1.5㎛의 페브리-페로 공동 높이와 3.6㎛ 및 5.4㎛의 픽셀 피치에 각각 대응하며, 도 26f 및 도 26g는 5㎛의 페브리-페로 공동 높이와 12㎛ 및 18㎛의 픽셀 피치에 각각 대응한다.
도 26h 내지 도 26r은, 7개의 다른 픽셀 충전율에 대하여, 광파장의 함수로서, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이를 갖는 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 나타내는 그래프로서, 각 도면은 5㎛, 5.5㎛, 6㎛, 6.5㎛, 7㎛, 7.5㎛, 8㎛, 8.5㎛, 9㎛, 9.5㎛ 및 10㎛의 픽셀 피치를 갖는 예들을 각각 보여준다.
도 27은 8.5㎛의 픽셀 피치와 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이에 대하여, 7개의 다른 픽셀 충전율에 대한 광파장의 함수로서 비-흡수된 회절 파워의 비율을 나타내는 그래프이다.
도 28 및 도 29는, 6㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 6nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 30 및 도 31은 8㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 6nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 32와 도 33은 10㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 6nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 34와 도 35는 12㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 6nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 36 및 도 37은 14㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 6nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 38 및 도 39는 6㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 22nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 40 및 도 41은 8㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 22nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 42 및 도 43은 10㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 22nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 44 및 도 45는 12㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 22nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
도 46 및 도 47은 14㎛의 광파장에 대하여, 0.3의 픽셀 충전율과 22nm 두께의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 각각 보여주는 그래프이다.
각 도면에서 동일한 특징은 동일한 참조부호로 지정된다. 특히, 각 실시형태에서 공통인 구조적 및/또는 기능적 특징은 동일한 참조부호를 가질 수 있고 동일한 구조, 치수 및 물질 특성을 부여할 수 있다.
명확성을 위하여, 여기에서 설명된 실시형태의 이해에 유용한 동작 및 구성요소만을 나타내고 상세하게 설명한다. 특히, 마이크로볼로미터 어레이에서 픽셀 저항을 측정하기 위하여 사용되는 회로는 상세하게 설명되지 않으며, 열 화상을 생성하기 위하여 캡처된 픽셀 데이터를 처리하는 방법도 설명되지 않는다.
다음의 기재에서, 다른 지시가 없다면, 용어 "앞", "뒤", "정상", "바닥", "왼쪽", "오른쪽 등과 같은, 절대 위치 한정어 또는, 용어 "위", "아래", "높은", "낮은" 등과 같은 상대 위치 한정어, 또는 "수평", "수직" 등과 같은, 방향의 한정어 등이 언급되는 경우에, 도면에서 도시된 방향이 언급되거나 또는 일반적인 사용시의 방향으로서의 마이크로볼로미터가 언급될 것이다.
특별한 언급이 없다면, 표현 "약", "거의", "실질적으로" 및 "정도의"는 10% 내, 바람직하게는 5% 내를 의미한다.
이하의 설명에서, 다음의 용어는 다음의 정의를 갖는 것으로 고려될 것이다.
"흡수층" : 마이크로볼로미터의 픽셀에서 IR 광으로부터의 에너지를 흡수하는 층. 본 명세서의 실시형태들에서, 이 층은 TiN, Ti 또는 Pt와 같은 금속으로 형성된다.
"픽셀 충전율" : 흡수층의 표면 면적과 픽셀 표면 면적 사이의 비율. 본 명세서에서, 픽셀 충전율의 값들은 소수점 두번째 자리의 정확도를 가지고 제공된다.
"픽셀 피치" 또는 "검출셀 피치" : 픽셀/검출셀이 마이크로볼로미터 어레이 내에서 형성되는 간격. 픽셀 피치는 x 또는 y 방향에서 각 픽셀 또는 검출셀의 폭, 또는 한 픽셀 또는 검출셀의 에지로부터 인접하는 픽셀 또는 검출셀의 대응하는 에지까지의 거리에 대응할 수 있다. 본 명세서에서, 픽셀 및 검출셀의 피치는 소수점 첫째자리의 정확도, 어떤 경우에는 소수점 두번째 자리의 정확도를 가지고 마이크로미터로 제공된다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서, 시트 저항의 값은 5퍼센트 내의 정확도로 가정되며, 나노미터로 표시되는 두께는 가장 가까운 나노미터까지의 정확도로 가정된다.
도 1은 일 예 실시형태에 따르는 IR 카메라의 화상 캡처 장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 장치(100)는 주변 온도에서 작동할 수 있는 마이크로볼로미터를 형성하는 픽셀들(104)의 어레이(102)를 구비한다. 예를 들어 어레이는 N개의 열과 M개의 행을 구비하며, 여기서 N 및 M은 각각 예를 들어 2 이상이며, 천 이상일 수 있다. 어레이(102)의 출력은 판독 회로(106), 예를 들어 판독집적회로(ROIC)에 연결된다. 예를 들어 회로(106)는, 마이크로볼로미터 어레이(102)에서 캡처된 신호를 디지털 신호(S)로 변환하기 위한 하나 이상의 아날로그디지털 변환기를 포함한다. 디지털 신호(S)는 예를 들어, 열 화상(I)을 생성하기 위하여 원화상(raw image) 데이터의 처리를 실행하는 처리 장치(P)(108)로 제공된다. 예를 들어, 장치(100)는 정지 열화상 또는 영상 스트림을 형성하는 열화상을 캡처할 수 있다.
도 2는 도 1의 마이크로볼로미터 어레이(102)의 픽셀(104)들 중 하나의 상세한 단면도이다. 픽셀(104)은 기판(206) 상에 형성된 반사 표면(204) 상에 매달려 있는 멤브레인(202)을 구비한다. 예를 들어, 멤브레인(202)은 기판(206)과 멤브레인(202) 사이에서 열 절연을 또한 제공하는 아암(208)에 의하여 지지된다.
예를 들어 멤브레인(202)은, 그의 표면 면적의 적어도 일부를 가로질러서, 흡수층(210), 서멀층(212) 및 유전체층들(214)을 구비하며, 유전체층 중 하나는 흡수층과 서멀층(210,212)을 분리하며, 다른 두개는 그 층들(210, 212)을 사이에 끼우고 있다.
예를 들어 흡수층(210)은 TiN, Ti, Pt 또는 다른 금속과 같은, 금속으로 형성된다. 흡수층(210)은 픽셀을 부딪치는 적외광으로부터 에너지를 흡수하고, 그에 따라서 가열된다. 이 열은 서멀층(212)으로 전달되는데, 서멀층은 온도의 함수로 변화하는 전기 저항을 갖는 물질로 형성된다. 서멀층(212)의 에지에 가까운 콘택들(C1 및 C2)은, 각 픽셀의 서멀층의 저항이, 아암(208)을 통하여, 회로(도 2에 도시되지 않음)를 판독함으로써 측정되게 허용한다.
멤브레인(202)의 두께(Em)은 일반적으로 100nm 내지 1㎛의 범위에 있다.
반사층(204)의 표면과 멤브레인(202) 사이의 공간은 사분의 일-파장 공동(216)을 형성하며, 페브리-페로 공동으로 알려져 있다. 일반적으로, 공동(216)은 공기로 채워지거나 또는 부분 진공 하에 있다. 이 공동의 높이(h)는 멤브레인(202)의 흡수층(210)에 의하여 소정 파장 범위에서 적외광의 비교적 높은 흡수율을 얻도록 선택된다. 특히, 공동의 높이(h)는 λtq/4 이도록 선택되며, 여기서 λtq는 대상이 되는 파장이다.
예를 들어 높이(h)는 0.50㎛ 내지 5.0㎛의 범위에 있으며, 어떤 실시형태에서는 1.5㎛ 내지 3.5㎛의 범위에 있다. 이하에서, 다른 설명이 없다면, 예들과 시뮬레이션들은 2.5㎛의 공동 높이에 기초하며, 이것은 약 10㎛를 중심으로 하는 광파장의 비교적 높은 흡수를 제공한다. 사실, 이 파장 근처의 스펙트럼은 일반적으로 열 IR 응용에서 가장 관심이 있다. 그러나, 다른 실시형태들에서, 다른 파장의 광이 대상이 될 수 있다.
도 3은 일 예 실시형태에 따르는 도 1의 마이크로볼로미터 어레이(102)의 부분을 상세하게 나타낸다. 도 3에서, 파선의 격자는 어레이의 픽셀의 범위를 나타내며, 실선 사각형은 각 픽셀의 흡수층(210)의 표면 면적을 나타낸다.
도 3에서 x축은, 마이크로볼로미터 어레이의 평면에서, 픽셀들의 행의 방향에 대응하는 것으로서 정의되며, 도 3에서의 y축은, 마이크로볼로미터 어레이의 평면에서, 픽셀들의 열의 방향에 대응하는 것으로 정의된다.
예를 들어 마이크로볼로미터 어레이에서의 픽셀은 x방향에서의 픽셀 피치(Px)와 y방향에서의 픽셀 피치(Py)를 가지며, 픽셀 피치(Px, Py)는 예를 들어 실질적으로 동일하다. 이하에서, 픽셀 피치의 특정 값이 언급된 경우에, 다른 설명이 없다면, 이것은 x 및 y 방향 양자에서의 피치라고 가정된다. 픽셀의 면적 Apix는 Px·Py이다. 예를 들어 흡수층(210)은 피치(Px)보다 짧은, x 방향으로의 폭(Wx)을 가지며, 피치(Py)보다 짧은, y 방향으로의 폭(Wy)을 갖는다. 흡수층의 표면 면적(Aabs)는 따라서 Wx·Wy이다. 각 픽셀 내의 흡수층의 픽셀 충전율(FF)은 AaBs/Apix로서 정의될 수 있다.
제1 형태
마이크로볼로미터의 비교적 높은 흡수율을 제공하고, 따라서 높은 감도를 제공하기 위하여, 도 4를 참조하여 설명되는 바와 같이, 충전율(FF)은 일반적으로 가능한 1에 가깝게 되도록 선택된다.
도 4는, TiN으로 형성된 흡수층의 8개의 다른 시트 저항에 대하여 그리고 10㎛의 광파장에 대하여, 충전율(FF)의 함수로서, 17.0㎛의 픽셀 피치를 갖는, 도 1 내지 도 3의 픽셀(104)과 같은, 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수율(흡수율)을 나타내는 그래프이다. 도 4의 커브 401 내지 408에 대응하는 TiN 흡수층의 시트 저항과 두께는 다음의 표에 나타내어져 있다.
커브 참조부호 TiN 두께(nm) 시트 저항(ohm/sq)
401 5 377
402 10 189
403 15 126
404 20 94
405 25 75
406 30 63
407 35 54
408 40 47
0.9 이상의 흡수율은, 두께 5 또는 10nm의 비교적 얇은 흡수층을 사용하고, 0.65 이상의 충전율을 사용하여 얻어질 수 있다는 것을 도 4로부터 볼 수 있다. 최상의 흡수율은 두께 5nm의 흡수층을 사용하고 0.90에 근접하는 충전율로 얻어진다. 그러나, 17.0㎛의 피치를 갖는 픽셀에 대하여 얻을 수 있는 충전율은 일반적으로 약 0.60이다.
픽셀의 수를 유지하면서 마이크로볼로미터 어레이의 치수를 감소하기 위하여여는, 픽셀 피치를 감소하는 것이 바람직하다. 그러나, 픽셀 피치를 감소하는 것은 충전율을 크게 감소시키지 않고는 얻기가 어렵다. 또한, 도 4의 커브는, 충전율의 감소가 흡수율의 큰 감소를 유도할 수 있음을 나타내고 있고, 이것은 바람직하지 않다.
본 발명자는, 놀랍게도, 적어도 하나의 축, 바람직하게는 양축에서 픽셀 피치가 5㎛ 내지 11㎛의 범위의 값, 바람직하게는 8㎛ 내지 9㎛ 범위의 값으로 감소되는 경우, 0.10과 0.50 사이의 비교적 낮은 충전율을 사용하고, 16 ohm/sq와 189 ohm/sq 사이, 일부 실시형태에서는 16 ohm/sq와 130 ohm/sq의 시트 저항을 갖는 흡수층(210)을 선택함으로써 높은 흡수율을 여전히 얻을 수 있음을 발견했다.
흡수층의 시트 저항의 감소는 그 두께의 증가를 말한다. 예를 들어, TiN의 흡수층에 대하여, 그 두께는, 200 ohm/sq 미만의 시트 저항을 얻기 위해서는 적어도 10nm이어야 하며, 130ohm/sq 미만의 시트 저항을 얻기 위해서는 적어도 15 nm이어야 한다.
흡수층의 두께의 그런 증가는 흡수층과 기판 사이의 열 전도를 증가시킬 수 있고, 이것은 좋지 않은 성능을 유도할 수 있다. 특히, 도 2의 픽셀과 관련하여, 층(210)의 두께의 증가는 아암(208)을 경유하여 기판(206)으로의 열전도를 증가시킬 것이며, 이것은 감도의 감소를 유도할 것이다. 비교적 낮은 충전율과 비교적 낮은 기판과의 열전도를 갖는 수정된 픽셀이 도 5를 참조하여 이제 상세하게 설명될 것이다.
도 5는 본 명세서의 일 예 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터의 픽셀(500)의 사시도이다.
예를 들어 픽셀(500)은 기판(506) 상에 형성된 반사층(504) 상에 매달린 멤브레인(502)을 구비한다.
예를 들어 멤브레인(502)는 픽셀의 반대 코너에 형성된 두 개의 필러(pillar; 508)에 각각 고정되어 있는, 한 쌍의 아암(518, 520)에 의하여 지지된다. 각 필러(508)는, 기둥(512)을 연장하고 있는, 베이스부(510)를 구비한다. 두 필러의 기둥(512)은 아암(518, 520)의 각 단부(514, 516)를 통과하여 캡(522)의 일부가 된다. 아암(518, 520)은 필러를 멤브레인(502)과 연결하고, 특히, 멤브레인(502)을 기계적으로 지지하고, 멤브레인(502)과 예를 들어 기판에 형성된 ROIC(도 5에 미도시) 사이에 전기 접속을 제공하며, 멤브레인(502)과 기판(506) 사이에 열전도를 제공하는 기능을 제공한다. 양호한 열 절연을 제공하기 위하여, 아암(518, 520)은 예를 들어 비교적 길며, 비교적 높은 열 저항을 제공한다. 사실, 도 5의 예에서, 아암(518, 520)은 멤브레인(502)과 마주보는 변과 평행하며, 떨어져 있고, 링크부(524)를 통하여 멤브레인(502)의 마주하는 코너에 부착되어 있다. 따라서 예를 들어 아암(518, 520)은 실질적으로 멤브레인(502)의 한 변의 길이로 연장하고 있다. 일부 실시형태에서는, 아암(518, 520)의 각각은 픽셀 피치의 적어도 50 퍼센트의 길이를 갖는다.
멤브레인(502)은, 예를 들어, 그의 표면 면적의 일부에서, 예를 들어 유전체층(도 5에 미도시)에 의하여 서로 절연되어 있는, 서멀층(528)과 흡수층(530)을 구비하는 적층(526)을 구비한다. 예를 들어, 적층(526)은 아암(518, 520)의 표면을 포함하여, 멤브레인(502)의 표면 면적의 75% 미만을 차지한다. 적층(526)을 둘러싸는 멤브레인(502)의 영역은 적층(526)에 대하여 지지층을 형성하고, 또한, 서멀층(528)의 에지들에 가까운 지점들과 아암(518, 520) 사이에 전기 접속을 제공하여, 서멀층(528)의 저항이 판독 회로에 의하여 측정될 수 있게 한다. 예를 들어 도 5의 파선은 아암(518, 520)으로부터 서멀층(528)의 마주하는 에지로 각각 연장하는 전기 접속(531, 532)의 풋프린트를 나타낸다. 이 전기 접속(531, 532)과 아암(518, 520)은 예를 들어 TiN, Ti, Pt 또는 다른 금속의 금속성 층으로 형성되고, 예를 들어, 실리콘질화물, 실리콘이산화물, 실리콘산질화물 또는 다른 전기적 절연물질로 형성된, 유전체층 사이에 끼워져 있다.
도 5의 실시형태에서 흡수층(530)은 서멀층(528) 상에 형성되어 있지만, 다른 실시형태에서는 그 순서가 역전될 수 있고, 예를 들어 흡수층(530)이 멤브레인(502)의 아래측에 형성된다.
반사층(504)과 멤브레인(502) 사이의 공동(533)은 높이(h)의 사분의 일-파장 공동을 형성한다. 일 예에서, 약 10㎛의 광 파장을 대상으로 하기 위하여 이 높이(h)를 2.5㎛하였으나, 다른 실시형태에서, 1.5㎛ 내지 3.5㎛ 범위의 다른 높이가, 다른 파장의 광을 대상으로 하기 위하여 사용될 수 있다.
도 5의 예에서, 멤브레인(502)은 실질적으로 정사각형이지만, 필러들(508)을 위한 공간을 허용하는 절단부(536, 534)를 마주하는 코너에 포함한다. 적층(526)은 예를 들어 이들 절단부들 사이에 있는 멤브레인(502)의 부분에 형성되어서, 멤브레인(502)의 거의 전체 길이를 연장하고 있다.
물론, 도 5는 비교적 낮은 시트 저항의 흡수층을 갖는 마이크로볼로미터의 실현의 일 예를 제공하고 있지만, 다양한 다른 실현이 가능하다는 것은 당업자에게는 명확할 것으로, 예를 들어, 베이스부(510) 및/또는 캡(522)을 제거하거나, 및/또는 아암(518, 520) 및 전기 접속(531, 532)에 대한 다른 형태를 사용하는 것이 가능하다.
도 6은 멤브레인(502)을 통과하고 아암(518, 520)을 통과하는 도 5의 선 A-A'를 따라 얻어진 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 멤브레인(502)은, 예를 들어 금속 증착에 의하여 전기 접속(531, 532)을 그 안에 형성한 유전체층(602)으로 형성된다. 서멀층(528)과 흡수층(530)은 예를 들어, 유전체층(604)에 의하여 서로 전기적으로 절연되어 있으며, 예를 들어 서멀층(528)의 아래측의 에지와 가까운 영역은 전기 접속(531, 532)의 상면과 접촉하고 있으며, 그외에는 유전체 물질로 덮여 있다. 일 실시형태에서, 흡수층(530)은 적어도 10nm의 두께, 어떤 경우에는 적어도 15nm의 두께를 갖는 TiN 층이다. 서멀층(528)은, 예를 들어, 약 100nm의 두께를 갖는다.
전기 접속(531, 532)이 픽셀의 흡수성 표면 영역에 부가 되기는 하였으나, 이들 금속층의 비교적 작은 두께와 높은 시트 저항을 고려할 때, 이것은 픽셀의 광학적 충전율에 비교적 적은 영향을 미치며, 따라서 무시될 수 있음을 본 발명자가 발견했음을 주목해야 할 것이다.
도 7은, 8개의 다른 시트 저항을 갖는 흡수층(530)에 대하여, 8.5㎛의 피치를 갖는, 도 5의 픽셀(500)과 같은, 마이크로볼로미터 픽셀의 충전율(FF)의 함수로서, 흡수층의 흡수율(흡수율)을 나타내는 그래프이다. 도 4의 예와 같이, 도 7은 2.5㎛의 높이를 갖는 사분의 일-파장 공동과 10㎛의 광파장에 기초한다. 흡수층(530)은 TiN으로 형성된 것으로 가정하며, 도 7의 커브(701 내지 708)에 대응하는 흡수층(530)의 시트 저항은 표 1의 커브(401 내지 408)의 것과 각각 동일하다.
커브(702 내지 708)의 경우에는 충전율이 0.50 이하일 때, 커브(703 내지 708)의 경우에는 충전율이 0.40 이하일 때, 가장 좋은 흡수율을 얻을 수 있음을 도 7에서 볼 수 있다.
충전율 0.20 아래에서는, 가장 두꺼운 흡수층의 경우에도, 흡수율이 빠르게 떨어짐을 도 7로부터 볼 수 있다. 그러므로, 일부 실시형태에서, 충전율은 0.20 이상이 되게 선택될 수 있다.
따라서, 도 7로부터, 비교적 낮은 픽셀 피치 및 높은 흡수율을 갖는 마이크로볼로미터는 각 픽셀의 흡수층의 충전율을 0.1 내지 0.5까지 감소함으로써, 그리고 또한 흡수층의 시트 저항을 189 ohm/sq 미만으로, 어떤 실시형태에서는 130 ohm/sq 미만으로 감소함으로써 얻을 수 있음을 알 수 있다.
0.5 이하의 충전율을 갖는 마이크로볼로미터 어레이의 예들이 도 8 및 도 9를 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 8은 일 예 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터 어레이(800)의 부분을 나타낸다. 도 3과 같이, 파선으로된 격자는 어레이의 픽셀들(804)의 범위를 나타내며, 실선의 사각형은 각 흡수층(530)의 표면 영역을 나타낸다. 그러나, 도 3의 예와 관련하여, 픽셀 충전율(FF)은, 도 8의 어레이에서는, 예를 들어 0.10 내지 0.50의 범위의 값으로 감소된다. 더욱이, 흡수층(530)은 정사각형이 아니고, 도 8에서는 직사각형으로, x 축에서의 폭(Wx)은 y축에서의 폭(Wy)보다 작다. 픽셀들은, 어떤 실시형태에서는 이들 피치가 상이할 수도 있지만, 픽셀들은, 예를 들어, 정사각형으로, x 방향으로 픽셀 피치(Px)는 y 방향으로 픽셀 피치(Py)와 동일하다. 이 피치(Px 및 Py)는 각각 예를 들어 5.0㎛ 내지 11.0㎛의 범위에 있다.
도 8의 예에서, 어레이의 각 픽셀(804)은 단일 흡수층(530)을 구비하는 검출셀에 대응한다. 다른 실시형태에서는, 도 9와 관련하여 설명되는 바와 같이, 각 픽셀은 하나보다 많은 검출셀을 구비할 수 있다.
도 9는 다른 예 실시형태에 따르는 마이크로볼로미터의 마이크로볼로미터 어레이(900)의 부분을 나타낸다. 도 9의 예에서, 파선으로 된 격자는 어레이의 픽셀들(904)의 범위를 나타내며 실선의 직사각형은 흡수층(530)의 표면 영역을 나타낸다. 각 픽셀(904)은 하나보다 많은 검출셀을 구비하며, 각 검출셀은 대응하는 흡수층(530)을 갖는다. 도 9의 예에서, 각 픽셀(904)은 2x2 배열의 4개의 검출셀들을 구비한다. 각 픽셀(904)의 검출셀은 예를 들어 서로 연결되어서, 그들은 단일 픽셀값을 생성하여서, 검출셀들의 각 그룹은 어레이의 단일 픽셀을 형성하는 것으로 간주될 수 있다.
도 9의 경우의 픽셀 충전율(FF)은 비율 Aabs/Apix과 동일하게 되며, 여기서 Apix는 각 픽셀의 표면 영역이고, Aabs는 각 픽셀에서 흡수층(530)의 합해진 표면 영역이다.
도 9의 경우의 관련 피치는 더 이상은 픽셀 피치가 아니며, 흡수층(530)의 다른 용어인, 검출셀들의 피치이다. 이들 피치들은, 도 9에서 x 및 y 방향에서 각각 Px와 Py로 붙여진다. 예를 들어, 이들 피치(Px, Py)는 각각 한 흡수층(530)의 에지에서부터 인접하는 흡수층(530)의 대응하는 에지까지 측정된다.
도 10은, 동일한 형태의 마이크로볼로미터 픽셀에 대하여, 도 7과 유사한 그래프이지만, 시트 저항이 16 ohm/sq까지 감소된 커브들도 또한 보여주는 그래프이다. 사실 도 10의 커브(1001 내지 1008)는 표 1의 커브(401 내지 408)의 것과 동일한 시트 저항을 갖는 흡수층을 나타낸다. 커브(1009 내지 1023)는 다음의 표에서 가르키는 TiN 두께와 시트 저항에 대응한다.
커브 참조부호 TiN 두께(nm) 시트 저항(ohm/sq)
1009 45 42
1010 50 38
1011 55 34
1012 60 31
1013 65 29
1014 70 27
1015 75 25
1016 80 24
1017 85 22
1018 90 21
1019 95 20
1020 100 19
1021 105 18
1022 110 17
1023 115 16
도 10으로부터, 0.10과 0.50 사이의 충전율과 16과 189 ohm/sq 의 시트 저항을 갖는 마이크로볼로미터 픽셀의 제공은 픽셀 피치를 상당히 감소(도 10의 예에서 8.5㎛까지 떨어짐)시키는 것을 허용할 수 있는 반면, 시트 저항이 42와 126 ohm/sq 사이인 경우에 적어도 0.3, 또는 적어도 0.45의 흡수율을 얻는 것을 알 수 있다.
또한, 50 ohm/sq 미만의 낮은 시트 저항 레벨은, 0.10과 0.30 사이의 충전율에 대하여, 1.0에 가까운 흡수율에 도달할 수 없을 수도 있지만, 도 11 내지 도 13을 참조하여 상세하게 설명될 것인 바와 같이, 그것들은, 377 ohm/sq에 가까운 시트 저항을 갖는 흡수층(커브 1001에 대응)을 사용하는 것과 관련하여 큰 이득을 제공할 수 있다.
도 11은 도 10에서 커브 1001로 나타낸 흡수층에 대한 흡수에서의 이득을 나타내는 커브 1102 내지 1135를 보여주는 그래프이다. 특히, 도 11의 커브 1102 내지 1123은 도 10의 커브 1002 내지 1023에 대응하는 흡수층의 이득을 나타낸다. 도 11의 커브 1124 내지 1135는 120nm에서 190nm까지 5nm 증분으로 두께를 갖는 흡수층을 나타낸다. 커브 1126 내지 1134는 도 11에서는 라벨을 붙이지 않았으나, 커브 1125와 1135 사이의 순서로 쉽게 식별될 수 있다.
검출가능 이득은,
- 픽셀 충전율은 0.40 이상 0.50 미만이고 시트 저항은 75와 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.30 이상 0.40 미만이고 시트 저항은 47과 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.20 이상 0.30 미만이고 시트 저항은 25와 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.10 이상 0.20미만이고 시트 저항은 16과 189 ohm/sq 사이에 있는 것 중 어느 하나일 경우에 얻어질 수 있음을 도 11로부터 알 수 있다.
도 12는 도 11의 커브 1102 내지 1125를 상세하게, 특히 20% 이상의 게인을 상세하게 나타내는 그래프이다. 도 12로부터, 20% 이상의 이득은,
- 픽셀 충전율은 0.30 이상 0.40 미만이고 시트 저항은 94와 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.20 이상 0.30 미만이고 시트 저항은 38와 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.10 이상 0.25 미만이고 시트 저항은 22와 189 ohm/sq 사이에 있는 것 중 어느 하나일 경우에 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 도 11의 커브 1102 내지 1115를 상세하게, 특히 50% 이상의 이득을 상세하게 나타내는 그래프이다. 50% 이상의 이득은, 픽셀 충전율이 0.10 이상 0.24 미만이고 시트 저항이 34와 189 ohm/sq 사이에 있는 경우에 얻어질 수 있음을 도 13으로부터 볼 수 있다.
도 14는, 충전율 0.10(커브 1401)과 0.20 내지 0.90(커브 1402 내지 1409, 이들 중 커브 1402와 1409만이 도 14에서 라벨이 붙여져 있음)에 대하여 충전율(FF)에 대한 시트 저항(Rs)의 비율의 함수로서 흡수율을 나타내는 그래프이다. 이전의 예에서와 같이, 도 14의 커브는 8.5㎛의 픽셀 피치와, 2.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이와 10㎛의 광파장을 갖고 TiN으로 형성된 흡수층에 대응한다.
도 15는, 0.90 이상의 흡수율에 대하여, 도 14의 커브 1402 내지 1409를 상세하게 나타낸다. 이것으로부터, 0.90의 흡수율이, 충전율이 0.10과 0.50 사이에 있고 비율 Rs/FF가 200 내지 600 ohm/sq의 범위에 있는 경우에 얻을 수 있음을 볼 수 있다. 또한 커브들은 377 ohm/sq의 비율을 실질적으로 중심에 두고 있는 것을 도 15로부터 알 수 있으며, 377 ohm은 자유 공간(free space, Z0)의 임피턴스에 대응한다. 사실 0.93 이상의 높은 흡수율은, 예를 들어 비율 Rs/FF가 377 플러스 또는 마이너스 40%인 경우에 관찰될 수 있으며, 비율 0.95 이상의 더 높은 흡수율에서도 비율 Rs/FF가 377 플러스 또는 마이너스 20%인 경우에 관찰될 수 있다.
전술된 예들은 2.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이에 기초한다. 이들 예들과 관련하여 설명된 원리는, 도 16 및 도 17과 관련하여 설명될 것이 바와 같이, 다른 사분의 일-파장 공동 높이, 예를 들어 1.5 내지 3.5㎛의 범위의 사분의 일-파장 공동 높이에도 동등하게 적용될 수 있다.
도 16은, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층(530)과 13㎛의 광파장에 대하여, 11㎛의 피치와 1.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이를 갖는, 도 5의 픽셀(500)과 같은, 마이크로볼로미터 픽셀의 충전율(FF)의 함수로서 흡수율(흡수율)을 나타내는 그래프이다. 흡수층(530)은 TiN으로 형성된다고 가정하며, 도 16의 커브 1601 내지 1608에 대응하는, 흡수층(530)의 시트 저항들은, 표 1의 커브 401 내지 408의 것과 각각 동일하다.
그 결과들이 도 7과 유사하다는 것을 도 16으로부터 볼 수 있다.
도 17은, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층(530)과 6㎛의 광파장에 대하여, 5㎛의 피치와 1.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이를 갖는, 도 5의 픽셀(500)과 같은, 마이크로볼로미터 픽셀의 충전율(FF)의 함수로서 흡수율(흡수율)을 나타내는 그래프이다. 흡수층(530)은 TiN으로 형성된다고 가정하며, 도 17의 커브 1701 내지 1708에 대응하는, 흡수층(530)의 시트 저항들은 표 1의 커브 401 내지 408의 것과 각각 동일하다.
커브 1701에 대한 커브 1702 내지 1708에 의하여 표시된 이득이 0.10 내지 0.50 범위의 충전율에 대하여 더 두드러지지만, 가장 좋은 결과는, 시트 저항이 75 ohm/sq 미만인 경우에 얻어진다.
더 일반적으로는, 여기서 설명된 원리는 예를 들어 5㎛ 내지 11㎛의 범위에 있는 임의의 픽셀 피치에 대하여 적용할 수 있으며, 여기서 사분의 일-파장 공동 높이는 예를 들어 λtg/4이며, 여기서 λtg는 관심 광파장(대상 파장)이며, 피치는 λtg보다 작다. 따라서, 1.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이의 경우에, 픽셀 피치는 예를 들어 6㎛보다 작으며, 3.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이의 경우에, 픽셀 피치는 예를 들어 5㎛ 내지 11㎛ 범위의 어디든이다.
도 7 및 도 10 내지 도 13의 결과는 8.5㎛의 피치를 갖는 픽셀에 기초된다. 이들 예와 관련하여 설명된 원리는, 도 18 내지 도 25와 관련하여 상세하게 설명되는 바와 같이, 5㎛ 내지 11㎛ 범위의 어느 피치를 갖는 픽셀들에 적용될 수 있다.
도 18 내지 도 25은, 8개의 다른 시트 저항의 흡수층(530)과 10㎛의 광파장에 대하여, 2.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이를 갖는, 도 5의 픽셀(500)과 같은, 마이크로볼로미터 픽셀의 충전율(FF)의 함수로서 흡수율(흡수율)을 나타내는 그래프이다. 흡수층(530)은 TiN으로 형성된다고 가정하며, 도 18 내지 도 25의 커브 i01 내지 i08에 대응하는, 흡수층(530)의 시트 저항들은 표 1의 커브 401 내지 408의 것과 각각 동일하다.
도 18은 5㎛의 픽셀 피치의 일 예를 나타내며, 도 19는 6㎛의 픽셀 피치의 일 예를 나타내며, 도 20은 7㎛의 픽셀 피치의 일 예를 나타내며, 도 21은 8㎛의 픽셀 피치의 일 예이며, 도 22는 9㎛의 픽셀 피치의 일 예를 나타내며, 도 23은 10㎛의 픽셀 피치의 일 예를 나타내며, 도 24는 11㎛의 픽셀 피치의 일 예를 나타내며, 도 25는 12㎛의 픽셀 피치의 일 예를 나타낸다.
도 18 내지 도 22에 의하여 도시된 바와 같이, 5㎛ 내지 6㎛의 픽셀 피치와 0.10 내지 0.40의 충전율에 대하여, 최상의 결과는, 시트 저항이 94와 189 ohm/sq 사이에 있을 때 얻어지며, 6㎛ 내지 7㎛의 픽셀 피치와 0.10 내지 0.50의 충전율에 대하여, 최상의 결과는, 시트 저항이 94와 189 ohm/sq일 때 얻어지며, 7㎛ 내지 9㎛의 픽셀 피치와 0.10 내지 0.50의 충전율에 대하여, 최상의 결과는 시트 저항이 75와 189 ohm/sq일 때 얻어진다.
도 22 내지 도 25에 의하여 도시된 바와 같이, 9㎛ 내지 10㎛의 픽셀 피치와 0.10 내지 0.50의 충전율에 대하여, 최상의 결과는, 시트 저항이 75와 189 ohm/sq 사이에 있는 경우에 얻어지며, 10㎛에서 12㎛ 미만까지의 픽셀 피치와 0.10 내지 0.50의 충전율에 대하여, 최상의 결과는, 시트 저항이 94와 189 ohm/sq 사이에 있을 때 얻어진다.
제2 형태
마이크로볼로미터에서의 다른 어려움은 대상 범위 밖의 광의 파장을 필터링하는 것이다. 일부 실시형태에서, 받은 광을 필터링하기 위하여, 표면 처리 및/또는 코팅이, 마이크로볼로미터 어레이와 화상 장면 사이에 하나 이상의 광학 구성요소에 제공될 수 있다. 그러나, 그런 기술은 비용이 부가된다.
본 발명자는, 도 26a와 도 27과 관련하여 설명될 바와 같이, 픽셀 피치, 또는 검출셀 피치의 특정 선택이 필터링 기능을 유도할 수 있음을 발견했다.
도 26a는, 도 5의 픽셀(500)과 같은 마이크로볼로미터 픽셀의 7개의 다른 픽셀 충전율 및 8.5㎛의 픽셀 피치/검출셀 피치에 대하여, 광 파장의 함수로서 흡수율을 보여주는 그래프이다. 각 충전율에 대하여, 흡수층의 두께는, 비율 Rs/FF가 실질적으로 377 ohm/square 이 되게 선택된다. 특히, 도 26a에서 커브 2601 내지 2607은 TiN으로 형성되며 다음의 표에 정의된 바와 같은 충전율과 시트 저항을 갖는 흡수층에 기초한다.
커브 참조번호 충전율 TiN 두께(nm) 시트 저항(ohm/sq)
2601 0.10 50 38
2602 0.20 25 75
2603 0.30 17 111
2604 0.40 13 145
2605 0.50 10 189
2606 0.60 8 234
2607 0.70 7 269
약 6㎛ 내지 8㎛의 범위(구역(RANGE) λr)에서의 파장에서, 0.5 미만의 흡수율로 정의 되며, 충전율에 의존하는, 컷-오프 주파수λr을 갖는 필터링 기능이 얻어진다는 것을 도 26a로부터 볼 수 있다. 본 발명자는, 이 필터링 기능이, x 및 y 방향의 하나 또는 양자에서 픽셀 또는 검출셀 피치가 각 픽셀의 사분의 일-파장 공동에 의하여 정의된 낮은 컷-오프 파장에 근접할 때 나타나는 회절의 결과라는 것을 발견했다. 도 26a의 예에서, 사분의 일-파장 공동은 약 6㎛의 낮은 컷-오프 파장 λc를 유도하는 2.5㎛의 높이(h)를 갖는다. 일반적으로, 사분의 일-파장 공동에 의하여 정의된 낮은 컷-오프 파장λc은 약 0.6λ0이고, 여기서 λ0는, 사분의 일-파장 공동의 높이(h)의 4배와 같은 대상 파장과 같다.
약 6㎛ 파곡 아래에서, 흡수율이 약 4㎛ 파장에서 다시 피크로 증가한다. 그러나, 이들 낮은 파장들은 예를 들어 비교적 비싸지 않은 표면 처리에 의하여 제거되거나 또는 마이크로볼로미터 어레이와 화상 장면 사이에 광학 구성요소에 제공된 필터링층에 의하여 제거된다.
일반적으로, 각 픽셀의 사분의 일-파장 공동의 높이(h)(예를 들어 도 2 및 도 5 참조)는 0.5㎛ 내지 5㎛ 범위에 있으며, 이것은 2㎛와 20㎛ 사이의 대상 광파장을 유도한다. 그러나, 필터링 성능은, 적어도 6㎛의 목표 광파장에 대응하는, 적어도 1.5㎛의 사분의 일-파장 공동에 대하여 특히 뚜렷하다.
높이 1.5㎛의 사분의 일-파장 공동은 약 3.6㎛의 낮은 컷-오프 파장 λc를 유도하고 높이 5㎛의 사분의 일-파장 공동은 약 12㎛의 낮은 컷-오프 파장λc를 유도한다. 일부 실시형태에서, 각 픽셀의 사분의 일-파장 공동의 높이(h)는 1.5 내지 3.5㎛ 범위에 있다.
예를 들어, 필터링 기능을 얻기 위하여, 검출셀 피치는, 범위 [1.2λ0/2 -1.8λ0/2]플러스 또는 마이너스 10%의 범위에 대응하는, 0.9λc 내지 1.65λc의 범위, 바람직하게는 λc 내지 1.5λc에 있도록 선택된다. 사실, 이것은, 사분의 일-파장 컷-오프 주파수 효과가 작동하는 범위에 대응한다. 필터링 성능은, 검출셀 피치가 2.4h 내지 3.6h 범위에 있도록 선택될 때 특히 뚜렷하며, 여기서 h는 사분의 일-파장 공동 높이이며, 따라서 2.5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이에 대하여, 픽셀 피치는 6㎛ 내지 9㎛의 범위에 있다. 일부 실시형태에서, 제2 형태에 따르면, 검출셀의 피치는 3.6㎛와 18㎛ 사이에 있으며, 예를 들어 4㎛와 15㎛ 사이에, 바람직하게는 5㎛와 11㎛ 사이에 있다.
거부, 따라서 필터링은, 충전율이 감소하고 흡수층의 두께가 증가할 때 강화된다는 것을 26a로부터 알 수 있다. 어떤 실시형태에서, 흡수층은 금속으로 형성되며 189 ohm/sq 미만의 시트 저항(Rs)를 갖는다.
어떤 실시형태에서, 흡수층의 시트 저항 및 충전율은 제1 형태와 관련하여 전술된 바와 같은 동일한 기준에 기초하여 선택된다. 예를 들어, 흡수층은 0.10 내지 0.50 범위의 픽셀 충전율(FF)과 16 내지 189 ohm/sq 범위의 시트 저항(Rs)을 갖는다. 또한, 흡수에서의 비교적 높은 이득을 얻기 위하여, 흡수층은, 예를 들어,
- 픽셀 충전율은 0.40 이상 0.50 미만이고 시트 저항은 75와 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.30 이상 0.40 미만이고 시트 저항은 47과 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.20 이상 0.30 미만이고 시트 저항은 25와 189 ohm/sq 사이에 있거나, 또는
- 픽셀 충전율은 0.10 이상 0.20미만이고 시트 저항은 16과 189 ohm/sq 사이에 있도록 선택된다.
또한, 어떤 실시형태에서, 비율 Rs/FF는 200 내지 600 ohm/sq의 범위에 있거나, 또는 377 플러스 또는 마이너스 40% 또는 377 플러스 또는 마이너스 20%까지이다.
도 27은 광파장의 기능으로서 비-흡수된 회절 파워의 비율을 나타내는 그래프이다. 도 27의 7개의 커브 2701 내지 2707는, 도 26a의 커브 2601 내지 2607과 동일한 흡수층에 각각 대응한다. 비-흡수된 회절 파워는, 입력 파워에서 흡수 파워를 빼고, 반사 파워를 뺀 것으로서 산출된다.
도 27의 그래프는, 5㎛ 파장 근처에서의 네가티브 파워와 같은, 일부 인공적인 것을 보여주기는 하지만, 이 그래프는 흡수층의 일반적인 행위를 여전히 나타내고 있다. 도 27의 그래프는 특히 파워가, 파장 6 내지 8㎛, 즉 약 7㎛인, 사분의 일-파장 공동의 낮은 컷오프 파장 근처에서 걸려내짐을 확인해준다.
더욱이, 도 27의 그래프는, 충전율이 감소되고 흡수층의 두께가 증가할 때, 필터링 효과가 강화됨을 확인해준다.
도 26b 내지 26g는, 도 26a와 동일한 7개의 다른 픽셀 충전율과 흡수층 두께(대응하는 커브는 도 26a와 동일한 참조부호로 라벨이 붙어 있음)에 대하여, 광파장의 함수로서 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의 흡수율을 보여주는 그래프이다.
도 26b 및 26g는 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이와 6㎛ 및 9㎛의 픽셀 피치에 각각 대응한다.
도 26d 및 도 26e는 1.5㎛의 페브리-페로 공동 높이와 3.6㎛ 및 5.4㎛의 픽셀 피치에 각각 대응한다.
도 26f 및 도 26g는 5㎛의 페브리-페로 공동 높이와 12㎛ 및 18㎛의 픽셀 피치에 각각 대응한다
도 26h 내지 도 26r은, 도 26a와 동일한 7개의 다른 픽셀 충전율과 흡수층 두께(대응하는 커브는 도 26a와 동일한 참조부호가 붙혀짐)에 대하여, 광파장의 함수로서, 2.5㎛의 페브리-페로 공동 높이를 갖는 마이크로볼로미터 픽셀의 흡수층의, 흡수율을 보여주는 그래프이다. 도 26h 내지 도 26r은 각각 5㎛, 5.5㎛, 6㎛, 6.5㎛, 7㎛, 7.5㎛, 8㎛, 8.5㎛, 9㎛, 9.5㎛ 및 10㎛의 픽셀 피치를 갖는 예들을 보여주며, 필터링 기능은, 픽셀 피치가 6㎛ 내지 9㎛ 범위에 대응하는 범위 2.4h 내지 3.6h에 있을 때, 특히 적어도 0.2의 충전율에 대하여 특히 뚜렷함을 나타낸다.
플롯들은 도 26h 내지 26r과 유사하지만, 1.5㎛, 5㎛의 사분의 일-파장 공동 높이 또는 그 사이의 어느 높이를 갖는 경우, 유사한 커브가 얻어질 수 있지만, x-축이 대상 파장의 관점에서 스케일된다는 점에 유의해야한다.
공통 형태
도 28 내지 47은, 8.5㎛의 픽셀 피치와 2.5㎛의 사분의 일-파장의 경우에, 전술된 픽셀(104 또는 500)과 같은, 픽셀에서의 전기장 및 자기장의 공간 분포를 나타내는 그래프이다. 도 2를 또한 참조하여, 도 28 내지 도 47의 그래프에 도시된 수직 스케일에서, 반사층(204)은 약 0㎛에 위치되고, 흡수층(210)은 약 2.5㎛에 위치된다.
전기장은, 예를 들어, 그래프에서 V/m으로 표현되는 전기장 크기에 대응하는 등고선에 의하여 나타내진다. 자기장은 예를 들어 그래프에서 A/m에서 표현된 자기장 크기와 관련된 등고선에 의하여 나타내진다.
도 28 내지 도 37의 그래프는 두께 6nm의 흡수층과 0.30의 픽셀 충전율을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서의 전기장 및 자기장의 공간 분포를 보여준다. 이들 도면에서, 도 28 및 도 29는 6㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타내며, 도 30 및 도 31은 8㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타내며, 도 32 및 도 33은 10㎛의 파장에서의 광의 경우에 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타내며, 도 34 및 도 35는 12㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타내며, 도 36 및 도 37은 14㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타낸다.
도 38 내지 도 47의 그래프는 두께 22nm의 흡수층과 0.30의 픽셀 충전율을 갖는 마이크로볼로미터의 픽셀에서의 전기장 및 자기장의 공간 분포를 보여준다. 이들 도면에서, 도 38 및 도 39는 6㎛의 파장의 광의 경우에 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타내며, 도 40 및 도 41은 8㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타내며, 도 42 및 도 43은 10㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타내며, 도 44 및 도 45는 12㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장을 각각 나타내며, 도 46 및 도 47은 14㎛의 파장의 광의 경우의 전기장 및 자기장의 분포를 각각 나타낸다.
이것은, 6㎛의 광파장에서(도 28, 도 29, 도 38 및 39), 페브리-페로 공동의 효과가 지배적이고, 반면, 비교적 두꺼운 흡수층(도 38 및 도 39)의 경우에는, 크게 분산된 전계 강도를 일으키는 회절 효과가 있다.
8㎛의 파장의 광(도 30, 도 31, 도 40 및 도 41)에 대하여, 회절 효과는, 특히 비교적 두꺼운 흡수층(도 40 및 도 41)에 대하여 지배적이다. 이 현상은 또한 충전율이 떨어질 때 증촉된다. 더욱이, 전계 크기는 비교적 두꺼운 흡수층에 대하여 크게 증폭된다.
10㎛, 12㎛ 및 14㎛의 파장의 광에 대하여, 흡수층의 비교적 얇은 두께(도 32 내지 도 37)에 대하여, 페브리-페로 결합이 지배적이이며, 반면 두꺼운 흡수층(도 42 내지 도 47)에 대하여는, 페브리-페로 결합은, 흡수층의 에지에서의 전기장의 집중과, 흡수체 아래에서의 자기장의 구속에 의하여 특정되는 현상에 의하여 대체된다.
제1 형태와 관련하여 여기서 설명된 실시형태의 장점은 비교적 높은 흡수율을 얻을 수 있는 반면에 비교적 작은 마이크로볼로미터 어레이를 사용할 수 있다는 점이다.
제2 형태와 관련하여 여기서 설명된 실시형태의 장점은, 필터링 기능을 얻을 수 있어서, 마이크로볼로미터의 광학 필터에 대한 제약을 완화한다는 점이다.
또한, 본 발명자는, 픽셀 충전율을 0.10 내지 0.50의 범위까지의 감소와 흡수층의 두께의 증가가, 두께 6nm 및 18nm의 흡수층에 대하여 수행된 시뮬레이션에 기초하여, 픽셀들 사이의 크로스토크의 증가를 유도하지 않는다는 점을 발견했다.
다수의 실시형태들과 변형들이 설명되어 있다. 당업자는 이들 실시형태의 특정 특징들이 결합될 수 있으며 다른 변형들이 당업자에 의하여 용이하게 발생될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, TiN으로 형성된 흡수층의 예를 상세하게 설명하지만, 여기서 설명된 원리는, 다른 금속들을 포함하여, 다른 물질에 적용될 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 픽셀들의 어레이를 구비하는 마이크로볼로미터로서, 상기 각 픽셀은 하나 이상의 검출셀들을 구비하며, 상기 각 검출셀은 1.5㎛와 5㎛ 사이의 높이(h)를 갖는 사분의 일-파장 공동(cavity; 533)을 형성하는 흡수층(530)을 구비하며, 상기 픽셀 어레이의 평면에서 적어도 하나의 축에서의 상기 검출셀들의 피치는 2.4h 내지 3.6h의 범위에 있는 마이크로볼로미터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 픽셀에서 하나 이상의 검출셀들의 흡수층(530)의 픽셀 충전율(FF)은 0.20 내지 0.70 범위에 있는 마이크로볼로미터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각 픽셀에서 하나 이상의 검출셀들의 흡수층(530)의 픽셀 충전율(FF)이 0.20 내지 0.50의 범위에 있는 마이크로볼로미터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출셀들의 피치는 4㎛ 내지 15㎛ 범위에 있는 마이크로볼로미터.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출셀들의 피치는 5㎛ 내지 11㎛ 범위에 있는 마이크로볼로미터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수층(530)은 189 ohm/sq 이하의 시트 저항을 갖는 금속층인 마이크로볼로미터.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수층(530)은 126 ohm/sq 이하의 시트 저항을 갖는 금속층인 마이크로볼로미터.
  8. 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수층(530)은 TiN으로 형성되는 마이크로볼로미터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공동 높이(h)는 1.5㎛와 3.5㎛ 사이에 있는 마이크로볼로미터.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이의 각 픽셀은,
    - 0.40 이상 및 0.50 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 75 ohm/sq의 흡수층(530)의 시트 저항(Rs) 또는,
    - 0.30 이상 및 0.40 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 50 ohm/sq의 흡수층(530)의 시트 저항(Rs) 또는,
    - 0.20 이상 및 0.30 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 25 ohm/sq의 흡수층(530)의 시트 저항(Rs) 또는,
    - 0.10 이상 및 0.20 미만의 픽셀 충전율(FF)과 적어도 16 ohm/sq의 흡수층(530)의 시트 저항(Rs)을 갖는 마이크로볼로미터.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이의 각 픽셀의 비율 Rs/FF는 200 ohm/sq과 600 ohm/sq 사이에 있는 마이크로볼로미터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이의 각 픽셀의 비율 Rs/FF는 377 ohm/sq의 20퍼센트 내에 있는 마이크로볼로미터.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 검출셀은, 상기 흡수층(210, 530), 서멀층(212, 528) 및 유전체층(214, 604)을 구비하는 멤브레인(202, 502)을 구비하는 마이크로볼로미터.
  14. 마이크로볼로미터를 제조하는 방법으로서, 이 방법은 픽셀들의 어레이를 형성하는 단계를 구비하며, 상기 각 픽셀은 하나 이상의 검출셀들을 구비하고, 상기 어레이를 형성하는 것은,
    - 상기 각 검출셀을, 1.5㎛와 5㎛ 사이의 높이(h)를 갖는 사분의 일-파장 공동(533)을 형성하는 흡수층(530)을 구비하도록 형성하는 단계, 및
    - 상기 검출셀들을, 상기 픽셀 어레이의 평면에서의 적어도 하나의 축에서, 2.4h 내지 3.6h 범위의 피치를 갖도록 형성하는 단계를 구비하는 마이크로볼로미터 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 각 픽셀에서의 하나 이상의 검출셀들의 흡수층(530)의 픽셀 충전율(FF)은 0.20 내지 0.70 범위에 있는 마이크로볼로미터 제조 방법.
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