KR20230140180A - 밴드패스필터 일체형 mems 기반의 적외선 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는, 상부 또는 하부 반사체가 분산 브래그 반사경인 패브리-페로 필터를 포함하는 필터부; 상기 필터부 상에 위치하며, 적외선을 투과시키고, 열전도를 차단하는 기판; 및 상기 기판 상에 위치하며, 볼로미터(Bolometer)와 전극을 포함하는 감지부;를 포함하여 초소형 소자 개발에 적합하며, 정밀하고 세밀한 검측이 가능한 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서를 제공한다.

Description

밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 및 이의 제조방법{BAND-PASS FILTER INTEGRATED MEMS-BASED INFRARED SENSOR, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 적외선 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적외선을 감지하는 감지부와 밴드패스필터가 일체로 형성된 MEMS 기반의 적외선 센서에 관한 것이다.
적외선 센서란 적외선 에너지에 반응하여 변화하는 전기 저항을 검측하여 적외선을 감지하는 장치를 말한다. 적외선 센서는 일반적으로 정밀한 검측을 위해 단독으로 사용되지 않고, 필터와 함께 사용된다.
따라서 통상적인 적외선 센서는 필터부와 검측부를 구성으로 포함한다. 이때 기존의 적외선 센서는 기술적 한계로 별도의 기판에서 제작된 필터부와 센서부가 결합된 형태로 개발되어왔다.
다만, 이러한 설계는 최첨단 전자 소자에 사용되는 초소형 소자 개발에 부적합하며, 공정 및 패키징 과정에서 추가 공정과 비용이 드는 점에서 한계를 보였다.
따라서 이를 해결하고자 본 발명은 필터부와 검측부가 일체로 형성된 적외선 센서를 제공하고자 한다.
대한민국 공개특허 제10-2006-0077109호
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결 및 개선하고자 창출된 것으로서, 밴드패스필터가 적외선 감지부와 일체로 형성된 MEMS 기반의 적외선 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 밴드패스필터가 적외선 감지부와 일체로 형성된 적외선 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예로, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서는 구성으로 상부 또는 하부 반사체가 분산 브래그 반사경인 패브리-페로 필터를 포함하는 필터부; 상기 필터부 상에 위치하며, 적외선을 투과시키고, 열전도를 차단하는 기판; 및 상기 기판 상에 위치하며, 볼로미터(Bolometer)와 전극을 포함하는 감지부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1항에 있어서, 상기 분산 브래그 반사경은, 고굴절률을 갖는 제1반사층과 저굴절률을 갖는 제2반사층이 교대하여 반복 적층되며, 상기 제1반사층은, 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge), 산화 지르코늄(ZrO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 제2반사층은, 산화 규소(SiO2), 질화 규소(SiNx), 불화 마그네슘(MgF2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1반사층의 두께는, 135nm 이상 344nm 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 적외선 센서는, 2μm 내지 5μm 파장의 적외선을 감지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분산 브래그 반사경은, 상기 제1반사층과 상기 제2반사층이 교대하며 4회 내지 6회 적층될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 기판은, 유리기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판, 용융 실리카 기판, 게르마늄 기판 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 볼로미터는, 오산화 바나듐(Va2O5), 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전극은, 알루미늄, 금, 백금, 구리, 티타늄, 황동 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
다음으로 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예로 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법은 구성으로, (i) 기판을 준비하는 단계; (ii) 상기 기판의 일면에 상부 또는 하부 반사체가 분산 브래그 반사경인 패브리-페로 필터를 포함하는 필터부를 형성하는 단계; 및 (iii) 상기 기판의 타면에 볼로미터(Bolometer)와 전극을 포함하는 감지부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계와 상기 (iii) 단계 사이에, (ii-i) 상기 상부 반사층 상에 감광제(photoresist)를 코팅하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계의 패브리-페로 필터는 증발법, 스퍼터링, 이온 빔 스퍼터링, 원자층 증착법, 화학기상증착법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는,
밴드패스필터와 적외선 감지부가 일체로 형성되므로, 초소형 소자 개발에 적합하며, 또한 기존의 적외선 센서에서 제조에 있어서, 추가로 소요되는 패키징을 위해 추가로 소요되는 공정 및 비용이 감소하여 경쟁력이 확보된다.
또한 밴스패스필터와 적외선 감지부가 일체로 형성되므로, 누설되는 적외선이 적어 더욱 정밀하고 세밀한 검측이 가능해진다.
또한 본 발명은 밴스패스필터를 구성하는 브래그 반사경의 물질로 굴절률이 높은 비정질 실리콘을 채택하여, 우수한 필터 성능을 제공하며, 이는 적외선 센서의 우수한 성능으로 귀결된다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예인 밴스패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서의 구조도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예인 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서의 필터부가 입사된 빛에서 적외선만을 감지부로 통과시키는 메커니즘을 도식화한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예인 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서에 있어서, 분산 브래그 반사경의 적층 태양을 나타낸 도면이다.
도4는 상기 분산 브래그 반사경을 구성하는 제1반사층 및 제2반사층의 교대 적층 수에 따른 반사도를 확인한 그래프이다.
도5는 상기 분산 브래그 반사경 및 상기 공진층으로 구성된 패브리-페로 필터의 투과도를 확인한 그래프이다.
도6은 분산 브래그 반사경을 구성하는 제1반사층 및 제2반사층의 교대 적층 수에 따른 투과된 광량과 반치전폭의 상관관계를 확인한 그래프이다.
도7은 도3에 도시된 적층 태양에 있어서, m=2에 해당하는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 대상으로 하며, 제1반사층의 물질로 Si(silicon)을 채택한 경우와 제1반사층의 물질로 비정질 실리콘(Amorphous silicon, a-Si)을 채택한 경우의 반사도를 비교 확인한 그래프이다.
도8은 도3에 도시된 적층 태양에 있어서, m=2에 해당하는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 대상으로 하며, 제1반사층의 물질로 Si(silicon)을 채택한 경우와 제1반사층의 물질로 비정질 실리콘(Amorphous silicon, a-Si)을 채택한 경우의 반사도 및 두께를 비교 확인한 실험 데이터이다.
도9는 본 발명의 일 실시예인 밴스패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도1을 참고하여 본 발명의 일 실시예인 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서를 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예인 밴스패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서의 구조도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예인 밴스패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서는 구성으로, 상부 또는 하부 반사체(1100,1300)가 분산 브래그 반사경(Distributed Bragg reflector, DBR)인 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 포함하는 필터부(1000); 상기 필터부(1000) 상에 위치하며, 적외선을 투과시키고, 열전도를 차단하는 기판(2000); 및 상기 기판(2000) 상에 위치하며, 볼로미터(3100)(Bolometer)와 전극(3200)을 포함하는 감지부(3000);를 포함한다.
여기서 패브리 페로(Febry-Perot) 필터란 두 개의 고 반사율을 가지는 거울 사이에 공진층이 삽입된 구조의 필터를 말하며, 패브리 페로(Febry-Perot) 필터에 입사된 빛은 공진층에서 다중 간섭되어 특정한 파장만이 필터를 통과하여 나간다.
또한 상기 분산 브래그 반사경이란 굴절률을 달리하는 재료가 교대하여 반복 적층된 구조를 갖는 반사경으로, 브래그 반사를 통해 특정 파장에서 보강 간섭이 발생하게 하는 고 반사율을 가지는 반사체를 의미한다.
또한 상기 볼로미터(3100)(Bolometer)란 적외선을 흡수하면 내부 저항이 변화하는 동작원리로 적외선을 감지하는 센서를 말한다. 구체적으로 볼로미터(3100)(Bolometer)는 적외선을 흡수하는 저항체를 포함하는데, 상기 저항체는 조사된 적외선을 흡수하여 온도가 올라가며 동시에 온도 변화에 따라 저항의 변화가 확연한 특성을 가지므로, 이 저항의 변화를 검측하여 적외선 신호를 검출한다.
본 발명은 상기 구성을 가짐에 따라, 필터부(1000)와 감지부(3000)가 일체로 형성되어 기존의 필터부(1000)와 감지부(3000)가 별도의 기판(2000) 상에 구현된 적외선 센서와 비교하여 좁은 공간을 차지하므로 최첨단 초소형 소자 개발에 유리한 이점이 있다.
또한, 필터부(1000)와 감지부(3000)가 일체로 형성되어 필터부(1000)를 통과한 빛이 감지부(3000)로 입사되는 경로에 있어서, 빛의 누실이 없으며, 이는 매우 높은 감도의 적외선 감지를 가능하게 한다.
이하 도1 내지 도3을 참조하여, 본 실시예의 각 구성을 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예인 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서의 필터부가 입사된 빛에서 적외선만을 감지부로 통과시키는 메커니즘을 도식화한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예인 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서에 있어서, 분산 브래그 반사경의 적층 태양을 나타낸 도면이다.
우선, 필터부(1000)를 상세히 설명하기로 한다.
도1 및 도2를 참조하면 본 실시예에 있어서, 상기 필터부(1000)는 외부로부터 입사되는 빛 중에서 검측 대상인 특정 파장만을 투과시키는 역할을 한다. 이에 따라 감지부(3000)에는 검측 대상이 되는 파장만이 입사되어 영향을 미치므로 정밀한 감지가 가능하게 된다.
이를 위해 상기 필터부(1000)는 구성으로, 하부 반사체(1300); 상기 하부 반사체(1300) 상에 위치하는 공진층(1200); 상기 공진층(1200) 상에 위치하는 상부 반사체(1100);를 포함하여 패브리-페로(Febry-Perot) 필터 구조를 가지며, 이때 상기 상부 또는 하부 반사체(1100,1300)는 분산 브래그 반사경으로 구성된다.
도1 및 도3을 참조하면 본 실시예에 있어서, 상기 분산 브래그 반사경은, 고굴절률을 갖는 제1반사층(1110)과 저굴절률을 갖는 제2반사층(1120)이 교대하여 반복 적층된다.
이때 분산 브래그 반사경을 구성하는 제1반사층(1110)과 제2반사층(1120)의 적층 횟수가 증가할수록 반사율이 높아지나, 동시에 투과율은 낮아지는 점을 고려하여 적층 횟수를 결정한다.
구체적으로 본 실시예에 있어서, 상기 분산 브래그 반사경은, 상기 제1반사층(1110)과 상기 제2반사층(1120)이 교대하며 4회 내지 6회 적층된 것이 바람직하다.
적층 횟수가 4회 미만인 경우에는 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)이 수백 nm가 되어 광학필터로서 간주하기 어려우며, 적층 횟수가 6회를 초과하는 경우에는 투과율이 4회 대비 1/5 이하로 급격히 감소해 적외선 감지에 어려움이 있기 때문이다.
다음으로 상기 제1반사층(1110)은, 구성 물질로 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge), 산화 지르코늄(ZrO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 제2반사층(1120)은, 구성 물질로 산화 규소(SiO2), 질화 규소(SiNx), 불화 마그네슘(MgF2)및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
특히 상기 분산 브래그 반사경의 반사율은 하기 [식1]에 따라 결정되므로, 적층되는 반사층 간의 굴절률 차이가 클수록 반사율이 높다.
[식1]
(상기 식1에서 R은 분산 브래그 반사경의 반사도이며 는 기판(2000)의 굴절률이며 은 제1반사층(1110)의 굴절률이며 는 제2반사층(1120)의 굴절률이며 m은 제1반사층(1110) 및 제2반사층(1120)의 반복 주기 수이다.)
따라서 상기 고굴절률을 갖는 제1반사층(1110)의 구성 물질은 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si)인 것이 바람직하다. 비정질 실리콘은(a-Si) 적외선 영역에서 약 3.8 이상의 굴절률을 보이는 물질로, 매우 높은 굴절률을 갖기 때문이다.
다음으로 본 발명인 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서가 2μm 내지 5μm 파장의 적외선 감지를 목적으로 하는 경우 상기 제1반사층(1110)의 두께는, 135nm 이상 344nm 이하일 수 있다.
구체적으로 제1반사층(1110)의 두께는 하기 [식2]에 따라 결정된다.
[식2]
(상기 식2에서 d는 제1반사층(1110)의 두께이며, 은 제1반사층(1110)의 굴절률이며, λ는 검측 대상이 되는 파장을 의미한다.)
따라서 상기 제1반사층(1110)의 두께는, 제1반사층(1110)의 굴절률을 고려하여 정해지며, 본 실시예에서 상기 제1반사층(1110)은 비정질 실리콘(a-Si)인 것이 바람직하므로, 본 실시예에서 제시하는 상기 제1반사층(1110)의 바람직한 두께는 135nm 이상 344nm 이하라고 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 135.9nm 이상 344.0nm 이하라고 할 수 있다. 구체적인 두께의 계산 결과는 후술할 실험예에서 뒷받침하기로 한다.
또한 상기 필터부(1000)를 구성하는 제1반사층(1110), 제2반사층(1120) 및 공진층(1200)은 증발법(Evaportaion)과 스퍼터링(Sputtering) 등으로 형성될 수 있다. 구체적인 제조방법은 후술하기로 한다.
다음으로 도1 및 도2를 참조하여 기판(2000)을 상세히 설명하기로 한다.
도1을 참조하면 본 실시예에 있어서, 상기 기판(2000)은 상기 필터부(1000) 상에 위치하며, 적외선을 투과시키고, 열전도를 차단한다.
구체적으로 도2를 참조하면 적외선 검측을 위해서는, 상기 기판(2000)은 적외선을 투과시킬 수 있는 물질로 구성되어야 하며, 또한 상기 감지부(3000)에 적외선에 의한 영향만을 전달하기 위해서는, 상기 필터부(1000)에 축적된 열이 전달되지 않아야 하므로 상기 기판(2000)은 열전도를 차단할 수 있는 물질로 구성되어야 한다.
이러한 점에서 상기 기판(2000)은 유리기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판, 용융 실리카 기판, 게르마늄 기판 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 기판(2000)은 증발법(Evaporation)과 스퍼터링(sputtering) 등의 공정 방법으로 형성될 수 있다.
다음으로 도1 및 도2를 참조하여 감지부(3000)를 상세히 설명하기로 한다.
도1을 참조하면 본 실시예에 있어서, 감지부(3000)는 상기 기판(2000) 상에 위치하며, 볼로미터(3100)(Bolometer)와 전극(3200)을 포함한다.
도2를 참조하면 상기 볼로미터(3100)(Bolometer)는 전술한 바와 같이 상기 기판(2000)을 투과하여 입사된 적외선을 흡수하여 온도가 올라가고, 이에 따라 저항이 변화는 물질로 구성된다.
정확한 검측을 위해서는 온도 변화에 따라 저항의 변화가 큰 물질로 구성되는 것이 바람직하며, 이러한 점에서 상기 볼로미터(3100)(Bolometer)는 오산화 바나듐(Va2O5), 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 볼로미터(3100)(Bolometer)는 도1에 도시된 바와 같이 상기 기판(2000) 상의 일 영역 또는 도2에 도시된 바와 같이 상기 기판(2000) 상의 영역 전부에 형성될 수 있다.
또한 상기 볼로미터(3100)(Bolometer)는 증발법(Evaporation)과 스퍼터링 등의 공정 방법으로 형성될 수 있으며, 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 이용하여 열고립을 위한 박막 패터닝으로도 형성될 수 있다.
다음으로 전극(3200)은 상기 볼로미터(3100)(Bolometer) 상에 또는 일면에 위치할 수 있으며, 볼로미터(3100)(Bolometer)를 통해 변화하는 전기 신호를 전달하여, 볼로미터(3100)(Bolometer)와 함께 적외선을 검측하는 역할을 한다.
또한 상기 전극(3200)은 상기 기판(2000)을 통과하여 입사된 적외선을 반사할 수 있는 점에서, 이를 방지하고자 상기 전극(3200)은 볼로미터(3100)(Bolometer)를 먼저 형성한 후에 형성되어야 한다.
상기 전극(3200)을 구성하는 물질로는 목적하는 소자의 형태에 맞추어 패터닝이 용이하도록 알루미늄, 금, 백금, 구리, 티타늄, 황동 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이외에도 전도성 물질이라면 이에 포함될 수 있다.
이하에서는 도9를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예인 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다. 설명에 있어서, 전술한 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서와 중복되는 구성은 동일하게 해석되어야 하며, 중복된 내용은 생략 또는 간략하게 기술하기로 한다.
도9는 본 발명의 일 실시예인 밴스패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법의 순서도이다.
도9에 따르면, 본 발명에서 제안하는 밴스패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법은 구성으로, (i) 기판(2000)을 준비하는 단계(S100); (ii) 상기 기판(2000)의 일면에 상부 또는 하부 반사체(1100,1300)가 분산 브래그 반사경인 패브리-페로 필터를 포함하는 필터부(1000)를 형성하는 단계(S200); 및 (iii) 상기 기판(2000)의 타면에 볼로미터(3100)(Bolometer)와 전극(3200)을 포함하는 감지부(3000)를 형성하는 단계(S300);를 포함할 수 있다.
또한 상기 (ii) 단계와 상기 (iii) 단계 사이에, (ii-i) 상기 상부 반사층 상에 감광제(photoresist)를 코팅하는 단계(S210);를 더 포함할 수 있다.
본 제조방법의 방법적 특징을 우선하여 살피면, 본 제조방법은 하나의 기판(2000)의 양면에 밴드패스필터(1000)와 볼로미터(3100)가 각각 형성된다는 점과 밴드패스필터(1000)가 볼로미터(3100)에 우선하여 형성된다는 점에 특징이 있다.
구체적으로 기존의 적외선 센서는 필터부(1000)와 감지부(3000)가 별도의 기판 상에 형성되며, 이는 필터부(1000)와 감지부(3000)가 일체의 구조로 형성되는 경우에도 마찬가지이다.
반면 본 발명은 하나의 기판(2000)의 일면에 밴스패스필터(1000)를 우선 형성하고 다음으로 상기 기판(2000)을 기준으로 상기 밴드패스필터(1000)가 형성된 일면과 반대편인 타면에 볼로미터(3100)가 형성된다.
상기 특징에 따라 본 제조방법은 (1) 기판(2000) 양면에 밴드패스필터(1000)와 볼로미터(3100)를 형성하므로 광학적 정렬 작업이 요구되지 않으며, 이는 기존의 제조방법에 요구되던 광학적 정렬 작업에서 발생할 수 있는 오차(mismatch)의 가능성이 제거되는 장점으로 귀결된다.
또한 (2) 기존에 볼로미터(3100)를 먼저 형성하고 상부에 필터부(1000)를 형성할 경우 생기는 공정 과정에서의 복잡함이 없는 장점이 있으며, (3) 특히 볼로미터(3100) 상부에 밴드패스필터(1000)가 제조될 경우 제조 과정에서 발생할 수 있는 볼로미터(3100)의 열적, 기계적 결함 또는 화학적 오염으로부터 자유로운 장점이 있다.
또한 (4) 밴드패스필터(1000)를 볼로미터(3100)에 우선하여 형성하므로 상기 밴드패스필터(1000)에 포함되는 반사층(1100,1300)을 고온 공정인 화학기상증착법으로도 형성할 수 있다는 장점이 있다.
이하 상기 (i) 기판(2000)을 준비하는 단계(S100);부터 본 제조방법의 각 단계를 상세히 설명하기로 한다.
상기 (i) 기판(2000)을 준비하는 단계(S100);는 기판(2000)의 양면을 연마(double side polished)하여 기판(2000)을 준비하는 단계(S100)이며, 연마를 통해 상기 기판(2000)의 표면 거칠기를 고르게 하여 기판(2000)을 투과하는 적외선이 상기 기판(2000)의 계면에서 의도하지 않은 산란이나 반사를 하지 않도록 하기 위함이다.
구체적으로 상기 기판(2000)의 표면 거칠기는 통상 수백 피코미터 수준까지 연마되는 것이 바람직하다.
연마 방법은 제한되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 기판(2000)의 연마를 위해 통상적으로 사용하는 연마 방법을 포함하여 수행하는 것으로 해석되어야 한다.
다음으로 상기 기판(2000)은, 유리기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판, 용융 실리카 기판, 게르마늄 기판 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
다음으로 상기 (ii) 상기 기판(2000)의 일면에 상부 또는 하부 반사체(1100,1300)가 분산 브래그 반사경인 패브리-페로 필터를 포함하는 필터부(1000)를 형성하는 단계(S200);를 설명하기로 한다.
상기 (ii) 단계(S200)는 세부적으로 상기 기판(2000)의 일면에 고굴절률을 갖는 제1반사층(1110)과 저굴절률을 갖는 제2반사층(1120)을 교대로 반복 적층하여 하부 반사체(1300)를 형성하는 단계; 상기 하부 반사체(1300) 상에 저굴절률을 갖는 물질로 구성된 공진층(1200)을 형성하는 단계; 및 상기 공진층(1200) 상에 고굴절률을 갖는 제1반사층(1110)과 저굴절률을 갖는 제2반사층(1120)을 교대로 반복 적층하여 상부 반사체(1100)를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1반사층(1110), 제2반사층(1120) 및 공진층(1200)은 증발법(evaporation), 스퍼터링, 이온 빔 스퍼터링, 원자층 증착법, 화학기상증착법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성될 수 있다.
특히 본 제조방법에서는 상기 필터부(1000)가 상기 볼로미터(3100)보다 우선하여 형성되므로 고온 공정인 화학기상증착법을 사용하더라도 이에 의한 볼로미터(3100)의 손상이 우려되지 않는 점에서 화학기상증착법을 사용할 수 있으며, 이외에도 상기 필터부(1000)의 형성 방법이 볼로미터(3100)의 손상을 이유로 제한되지 않는 장점이 있다.
또한 화학기상증착법은 증발법이나 스퍼터링 공정법과 비교하여 높은 균일도(uniformity)로 박막을 형성할 수 있는 방법인데, 본 제조방법은 기존의 제조방법이 채택하지 못한 화학기상증착법을 채택할 수 있는 점에서 제조된 필터부(1000) 및 이를 포함하는 적외선 센서의 성능이 차별됨을 쉽게 예상할 수 있다.
다음으로 물질 측면에서 상기 제1반사층(1110)은, 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge), 산화 지르코늄(ZrO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있으며,
상기 제2반사층(1120)은, 산화 규소(SiO2), 질화 규소(SiNx), 불화 마그네슘(MgF2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
또한 상기 제1반사층(1110)의 두께는, 135nm 이상 344nm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 135.9nm 이상 344.0nm 이하로 형성될 수 있다.
또한 상기 브래그 반사경은, 상기 제1반사층(1110)과 상기 제2반사층(1120)이 교대하며 4회 내지 6회 적층된 구조로 형성될 수 있다.
다음으로 상기 (ii) 단계(S200)와 상기 (iii) 단계(S300) 사이에 더 포함될 수 있는 (ii-i) 상기 상부 반사층 상에 감광제(photoresist)를 코팅하는 단계(S210);를 설명하기로 한다.
본 (ii-i) 단계(S210)는 상기 (ii) 단계(S200)에 따라 형성된 패브리-페로 필터를 이후 (iii) 단계(S300)에 따른 감지부(3000) 형성 과정에서 발생할 수 있는 손상 및 오염으로부터 보호하기 위해 수행된다.
구체적으로 기판(2000)을 기준으로 가장 바깥에 위치하는 상기 상부 반사체(1100)의 최상층 상에 감광제(photoresist)를 코팅하는 방식으로 수행될 수 있으며, 이외에도 상기 (iii) 단계(S300)의 감지부(3000) 형성에 사용되는 공정 방법을 고려하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공정상 박막 보호를 위해 통상적으로 사용되는 방법이 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
다음으로 (iii) 상기 기판(2000)의 타면에 볼로미터(3100)(Bolometer)와 전극(3200)을 포함하는 감지부(3000)를 형성하는 단계(S300);를 설명하기로 한다.
본 (iii) 단계(S300)는 상기 기판(2000)을 기준으로 상기 밴드패스필터가 형성된 일면과 반대편인 타면에 볼로미터(3100)와 전극(3200)을 순서대로 형성하는 단계이다.
우선 상기 볼로미터(3100)는 증발법(evaporation) 및 스퍼터링 공정을 포함하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 볼로미터(3100) 형성을 위해 사용하는 방법을 포함하여 형성하는 것으로 해석될 수 있다.
또한 상기 볼로미터(3100)는 상기 필터부(1000)를 형상한 이후에 형성되는 것을 특징으로 하며, 이에 따라 전술한 바와 같이 본 제조방법은 (1) 기 형성된 볼로미터(3100) 상에 필터부(1000)가 제조될 경우 제조 과정에서 발생할 수 있는 볼로미터(3100)의 열적, 기계적 결함 또는 화학적 오염으로부터 자유로운 장점이 있으며, (2) 이에 따라 볼로미터(3100)의 열적 기계적 결함 또는 화학적 오염을 방지하기 위해 요구되는 공정상 제한 조건이나 추가 공정이 없으므로 상대적으로 공정이 현저하게 간단한 장점이 있다.
(3) 또한 공정이 간단하며, 상기 볼로미터(3100)가 열적 기계적 결함 또는 화학적 오염 등으로부터 자유로운 점에서 제조된 볼로미터(3100)의 품질과 성능이 뛰어날 것을 예상할 수 있으며, 볼로미터(3100)의 성능은 적외선 센서의 성능과 직결되는 점에서 본 발명이 제시하는 제조방법이 제조된 적외선 센서에 기존과 현저한 성능 차이를 제공할 것을 쉽게 예상할 수 있다.
다음으로 상기 볼로미터(3100)는, 오산화 바나듐(Va2O5), 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
다음으로 상기 전극(3200)은 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 상기 볼로미터(3100)와 접촉됨을 전제로 상기 볼로미터(3100) 상에 또는 일면에 다양한 형태로 위치할 수 있다.
상기 전극(3200)은 증발법과 스퍼터링 공정을 포함하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 전극(3200) 형성을 위해 통상적으로 사용하는 방법을 포함하여 형성할 수 있으며, 전극(3200)의 형태에 따라 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용한 패터닝이 선행될 수 있다.
다음으로 상기 전극(3200)은 알루미늄, 금, 백금, 구리, 티타늄, 황동 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
실험예1
분산 브래그 반사경의 적층 수에 따른 반사도 확인 실험
도4는 상기 분산 브래그 반사경을 구성하는 제1반사층 및 제2반사층의 교대 적층 수에 따른 반사도를 확인한 그래프이다.
상기 제1반사층은 구성 물질로 비정질 실리콘(Amorphous silicon, a-Si)을 사용하고 상기 제2반사층은 SiO2(Silicon Dioxide)를 사용하여 다층 박막 구조의 분산 브래그 반사경을 제작하고, 4.26μm 파장대에서 적층 수에 따른 반사도(Reflectance)를 측정하였다. 적층 수는 2~10층에 걸쳐 시뮬레이션을 진행하였다.
도4를 참조하면, 적층 수가 증가함에 따라 반사도가 증가하여 높은 반사율을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 박막이 6층 이상의 다층 구조가 되면 반사율이 100%에 근접하며, 3μm~6μm 대역의 밴드 패스 필터로서 동작하는 모습을 확인할 수 있었다.
실험예2
분산 브래그 반사경의 적층 수에 따른 투과도 확인 실험
도5는 상기 분산 브래그 반사경 및 상기 공진층으로 구성된 패브리-페로 필터의 투과도를 확인한 그래프이다.
제1반사층을 구성하는 물질은 비정질 실리콘(Amorphous silicon, a-Si)을 사용하고 제2반사층을 구성하는 물질은 SiO2(Silicon Dioxide)를 사용하여 다층 박막 구조의 분산 브래그 반사경을 제작하고 공진층을 추가하여 패브리-페로 필터를 제작하였으며, 4.26μm 파장대에서 적층 수에 따른 투과도(Transmittance)를 측정하였다.
적층 수는 2~10층에 걸쳐 시뮬레이션을 진행하였다.
도5를 참조하면, 검측 대상 파장(λ)인 4.26μm에서 중심 파장을 가지는 것을 볼 수 있으며, 분산 브래그 반사경을 구성하는 제1반사층 및 제2반사층의 교대 적층 수가 늘어날수록 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)이 작아짐을 확인하였다.
가장 작은 반치전폭을 가지는 조건은 10층이었으며, 25nm의 반치전폭을 보였다. 이는 시뮬레이션을 진행한 조건 중 10층에서 가장 선택성이 높은 광 필터링이 가능함을 나타냈다.
실험예3
분산 브래그 반사경을 구성하는 박막의 적층 수에 따른 투과된 광량과 반치전폭의 상관관계 확인 실험
도6은 분산 브래그 반사경을 구성하는 제1반사층 및 제2반사층의 교대 적층 수에 따른 투과된 광량과 반치전폭의 상관관계를 확인한 그래프이다.
투과 광량과 반치전폭의 상관관계를 확인하기 위해 상용화 광원의 정보를 바탕으로 설계한 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 이용하였으며 4.3μm에서 최대 피크를 가지는 광원을 필터로 수직 입사시키는 방식으로 수행하였다.
도6을 참조하면, 투과 광량은 4~6층 조건에서 가장 큰 감소가 보였으며 적층 수가 증가함에 따라 지속해서 감소하는 양상을 보였다. 반면 반치전폭은 2~4층 조건에서 가장 큰폭으로 감소하였으며 적층 수가 증가할수록 지수적으로 좁아짐을 확인할 수 있었다. 이를 통해 두 변수의 관계가 트레이드 오프(trade off) 관계를 가지는 것을 확인하였다.
실험예4
Si(silicon) 대비 α-Si(Amorphous silicon) 사용의 우수성 확인 실험
도7은 도3에 도시된 적층 태양에 있어서, m=2에 해당하는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 대상으로 하며, 제1반사층의 물질로 Si(silicon)을 채택한 경우와 제1반사층의 물질로 비정질 실리콘(Amorphous silicon, a-Si)을 채택한 경우의 반사도를 비교 확인한 그래프이다.
도8은 도3에 도시된 적층 태양에 있어서, m=2에 해당하는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 대상으로 하며, 제1반사층의 물질로 Si(silicon)을 채택한 경우와 제1반사층의 물질로 비정질 실리콘(Amorphous silicon, a-Si)을 채택한 경우의 반사도 및 두께를 비교 확인한 실험 데이터이다.
본 실험은 제1반사층의 물질을 비정질 실리콘(Amorphous silicon, a-Si)으로 구성할 경우 Si(silicon)을 사용하는 경우와 비교하여 더 높은 반사도를 가지고 더 얇은 두께의 필터를 제작할 수 있음을 제시하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다.
시뮬레이션 방법으로 제1반사층의 물질을 약 3.4의 굴절률을 가지는 Si(silicon)과 약 3.85의 굴절률을 가지는 a-Si(Amorphous silicon)으로 각 형성한 후 검측 대상이 되는 파장인 4.26μm에 대한 반사율 및 분산 브래그 반사경의 두께를 비교하였다.
도7을 참조하면, 3μm~5μm 대역의 밴드 패스 필터로서 동작하는 모습을 확인할 수 있으며 a-Si(Amorphous silicon)일 때 반사율 및 밴드 패스 영역이 더 높아짐으로써 보다 우수함을 확인할 수 있었다.
도8을 참조하면, 제1반사층의 물질을 Si(silicon)과 a-Si(Amorphous silicon)으로 각 구성하고 4층(도3의 m=2)으로 패브리-페로(Farby-Perot) 필터를 제작하였을 때 분산 브래그 반사경의 반사율과 두께를 비교한 데이터를 확인할 수 있다.
이를 분석해보면 똑같은 적층 수임에도 불구하고 a-Si(Amorphous silicon) 기반의 분산 브래그 반사경의 반사도가 Si(silicon) 기반의 분산 브래그 반사경의 반사도에 비해 1.09배 높았으며 반면 적층 두께는 66.58nm가 감소하는 효과를 확인할 수 있었다.
실험예5
필터부의 제1반사층과 제2반사층의 두께 계산
(1) 개요
전술한 바와 같이 필터부를 구성하는 제1반사층 및 제2반사층의 두께는 각 반사층의 굴절률과 검측 대상이 되는 파장에 따라 정해진다.
본 실험예에서는 본 발명이 바람직한 제1반사층의 물질로 제시하는 비정질 실리콘(a-Si)을 대상으로 요구되는 제1반사층의 두께를 뒷받침하고자 계산을 수행하였으며, 제2반사층의 물질로는 산화 규소(SiO2)를 채택하여 수행하였다.
(2) 계산 결과
제1반사층의 물질로 비정질 실리콘(a-Si)을 채택한 경우 검측 대상인 파장에 따른 굴절률과 요구되는 제1반사층의 두께 계산 결과
파장 (um) 1.7011 2.0004 4.2639 5.0047 6.0011 8.0014 10.009 29.798
굴절률 3.6997 3.6809 3.6365 3.6298 3.6216 3.6051 3.5879 3.4613
두께 (nm) 114.9 135.9 293.1 344.0 414.3 554.9 697.4 2152.2
제2반사층의 물질로 산화 규소(SiO2)를 채택한 경우 검측 대상인 파장에 따른 굴절률과 요구되는 제2반사층의 두께 계산 결과
파장 (um) 1.2506 2.0004 4.2639 5.0047 6.0011 8.0014 10.009 29.798
굴절률 1.5174 1.5100 1.4603 1.4290 1.3621 0.7374 2.4508 2.2464
두께 (nm) 206.0 331.2 728.6 875.5 1101.4 2712.5 1021.0 3316.2
상기 결과에 따르면, 제1반사층의 물질로 비정질 실리콘(a-Si)을 채택한 경우 2μm 내지 5μm 파장의 적외선을 감지하고자 할 때 요구되는 제1반사층의 두께는 약 135.9nm 내지 344.0nm 인 것이 바람직함을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000 : 필터부
1100 : 상부 반사체
1110 : 제1반사층
1120 : 제2반사층
1200 : 공진층
1300 : 하부 반사체
2000 : 기판
3000 : 감지부
3100 : 볼로미터
3200 : 전극

Claims (11)

  1. 상부 또는 하부 반사체가 분산 브래그 반사경인 패브리-페로 필터를 포함하는 필터부;
    상기 필터부 상에 위치하며, 적외선을 투과시키고, 열전도를 차단하는 기판; 및
    상기 기판 상에 위치하며, 볼로미터(Bolometer)와 전극을 포함하는 감지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분산 브래그 반사경은, 고굴절률을 갖는 제1반사층과 저굴절률을 갖는 제2반사층이 교대하여 반복 적층되며,
    상기 제1반사층은, 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge), 산화 지르코늄(ZrO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 제2반사층은, 산화 규소(SiO2), 질화 규소(SiNx), 불화 마그네슘(MgF2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1반사층의 두께는, 135nm 이상 344nm 이하인 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적외선 센서는, 2μm 내지 5μm 파장의 적외선을 감지하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분산 브래그 반사경은, 상기 제1반사층과 상기 제2반사층이 교대하며 4회 내지 6회 적층된 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은, 유리기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판, 용융 실리카 기판, 게르마늄 기판 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 볼로미터는, 오산화 바나듐(Va2O5), 비정질 실리콘(a-Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극은, 알루미늄, 금, 백금, 구리, 티타늄, 황동 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서.
  9. (i) 기판을 준비하는 단계;
    (ii) 상기 기판의 일면에 상부 또는 하부 반사체가 분산 브래그 반사경인 패브리-페로 필터를 포함하는 필터부를 형성하는 단계; 및
    (iii) 상기 기판의 타면에 볼로미터(Bolometer)와 전극을 포함하는 감지부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (ii) 단계와 상기 (iii) 단계 사이에,
    (ii-i) 상기 상부 반사층 상에 감광제(photoresist)를 코팅하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 (ii) 단계의 패브리-페로 필터는 증발법, 스퍼터링, 이온 빔 스퍼터링, 원자층 증착법, 화학기상증착법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 밴드패스필터 일체형 MEMS 기반의 적외선 센서 제조방법.
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