WO2020111588A1 - 곡면 반사층을 가지는 멤스 소자 및 멤스 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

곡면 반사층을 가지는 멤스 소자 및 멤스 디바이스의 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a MEMS device, and more particularly, to an infrared sensor MEMS device having a high absorption in a wide infrared band.
  • the bolometer is a type of infrared sensor.
  • the bolometer is formed on the lower substrate.
  • the bolometer absorbs the incident infrared light.
  • the temperature of the absorber plate of the bolometer rises, the resistance change of the resistance layer due to the temperature rise is detected, and the infrared energy is measured from the resistance change.
  • the cap substrate includes a lower substrate and a separate upper substrate, and the cap substrate is packaged while being bonded to the lower substrate to form a cavity.
  • microbolometers adopt a structure in which the distance between the absorber and the reflector has a specific wavelength of 1/4 of infrared to increase the absorbance of infrared rays. Therefore, the existing microbolometer has a maximum absorption at a specific infrared wavelength.
  • One technical problem to be solved of the present invention is to provide an infrared MEMS device having an increased absorption by changing the structure of a reflector.
  • the lower substrate An infrared sensor formed on the lower substrate; And a lower bonding pad disposed to surround the infrared sensor.
  • the infrared sensor includes a metal pad formed on an upper surface of the lower substrate and electrically connected to a detection circuit; A reflective layer formed on an upper surface of the lower substrate and reflecting an infrared band; An absorption plate formed spaced apart from the upper portion of the reflective layer and absorbing infrared rays to change resistance; And an anchor formed on the metal pad to support the absorbent plate and electrically connect the metal pad and the absorbent plate.
  • the reflective layer has a curved or stepped shape so that the distance between the reflective layer and the absorbing plate varies depending on the position of the reflective layer.
  • the distance between the reflective layer and the absorber plate may be 1.5 micrometers to 3 micrometers depending on the location.
  • the upper surface of the reflective layer may have a recessed curved surface.
  • the upper surface of the reflective layer may include a plurality of curved depressions.
  • the upper surface of the reflective layer may be formed in a step shape.
  • a method of manufacturing a MEMS device includes forming an insulating layer on a lower substrate; Forming a pre-reflective layer and a metal pad on the insulating layer; Patterning the preliminary reflective layer to form a reflective layer having a curved or stepped shape; Forming a protective layer on the reflective layer; And forming an absorber plate spaced apart from the anchor connected to the metal pad and the reflective layer and supported by the anchor.
  • the step of patterning the preliminary reflective layer to form a reflective layer having a curved or stepped shape may deposit an auxiliary insulating layer on the metal pad and the preliminary reflective layer and expose the preliminary reflective layer. Patterning the auxiliary insulating layer to form an auxiliary insulating pattern; And forming a curved shape on the preliminary reflective layer by spin-coating an organic thin film on the auxiliary insulating pattern and the preliminary reflective layer and then etching back.
  • the step of patterning the preliminary reflective layer to form a reflective layer having a curved or stepped shape may deposit an auxiliary insulating layer on the metal pad and the preliminary reflective layer and expose the preliminary reflective layer.
  • Patterning the auxiliary insulating layer to form an auxiliary insulating pattern Forming a photoresist thin film on the auxiliary insulating pattern and the preliminary reflective layer and exposing the photoresist thin film to form a photoresist pattern having a recessed curved shape; And forming a reflective layer having a recessed curved shape by dry etching the photoresist pattern and the preliminary reflective layer.
  • the step of patterning the preliminary reflective layer to form a reflective layer having a curved or stepped shape may deposit an auxiliary insulating layer on the metal pad and the preliminary reflective layer and expose the preliminary reflective layer. Patterning the auxiliary insulating layer to form an auxiliary insulating pattern; Forming a first photoresist pattern exposing a portion of the preliminary reflective layer and etching the preliminary reflective layer to form a recessed reflective layer; The method may include forming a second photoresist pattern exposing a portion of the recessed reflective layer and a preliminary reflective layer around the recessed reflective layer, and etching the recessed reflective layer to form a stepped reflective layer.
  • the step of forming the absorption plate supported by the anchor and spaced apart from the anchor connected to the metal pad and the reflective layer, the sacrificial layer and the first insulating layer on the protective layer Forming a contact hole exposing the metal pad after formation; Depositing an anchor conductive film on the lower substrate on which the contact hole is formed and patterning the anchor conductive film to form an anchor; Forming an absorbing layer on the lower substrate on which the anchor is formed and separating the absorbing layer by patterning; Forming a resistance layer and a second insulation layer on the absorption layer, and exposing the sacrificial layer by patterning the second insulation layer, the resistance layer, the absorption layer, and the first insulation layer; And removing the sacrificial layer.
  • a sensor substrate having an infrared sensor; And a cap substrate that is wafer-bonded to the sensor substrate to form a cavity.
  • the sensor substrate the lower substrate; An infrared sensor formed on the lower substrate; And a lower bonding pad disposed to surround the infrared sensor.
  • the infrared sensor includes a metal pad formed on an upper surface of the lower substrate and electrically connected to a detection circuit; A reflective layer formed on an upper surface of the lower substrate and reflecting an infrared band; An absorption plate formed spaced apart from the upper portion of the reflective layer and absorbing infrared rays to change resistance; And an anchor formed on the metal pad to support the absorbent plate and electrically connect the metal pad and the absorbent plate.
  • the reflective layer has a curved or stepped shape so that the distance between the reflective layer and the absorbing plate varies depending on the position of the reflective layer.
  • the MEMS device may provide an infrared broadband absorption structure by changing a distance between an absorber and a reflector according to a position.
  • the reflective layer of the MEMS device has a curved or stepped shape. Accordingly, the distance between the reflective layer and the absorber plate of the MEMS device may vary depending on the position, thereby absorbing infrared rays in a wider wavelength band.
  • the MEMS device can provide high absorption efficiency to increase measurement sensitivity.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view illustrating a sensor substrate of a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 2A.
  • Figure 3 is a result showing the absorption rate of the MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • 6A to 6D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • 8A to 8F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • the MEMS device substrate may include an infrared sensor such as a bolometer and readout integrated circuits (ROIC).
  • the cap wafer is bonded to the MEMS device substrate to create a vacuum cavity and provides a window through which external infrared light can be transmitted.
  • the bolometer transmits infrared rays incident from the outside to the infrared absorption layer, and when the temperature of the infrared absorption layer rises, the temperature rise of the infrared absorption layer causes a change in resistance of the resistance layer.
  • the resistance change of the resistive layer is converted into infrared energy through a read integrated circuit.
  • the MEMS device includes a recessed curved or stair-shaped reflective layer.
  • the distance between the reflective layer and the absorber plate of the MEMS device is different for each location, so that a condition of 1/4 wavelength is satisfied for a wide infrared wavelength range. Accordingly, the absorption rate of the absorption plate increases, and the sensitivity of the infrared sensor increases.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view illustrating a sensor substrate of a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 2A.
  • the MEMS device 100 includes: a sensor substrate 102 having an infrared sensor 103; And a cap substrate 101 that is wafer-bonded to the sensor substrate 102 to form a cavity 104.
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the cap substrate 101 may include the upper substrate 120, a partition wall 180 protruding from a lower surface of the upper substrate, and a getter 170 formed in the cavity region 150.
  • the cap substrate 101 is bonded to the sensor substrate 102 to form a cavity 104.
  • the cavity 104 may be maintained in a vacuum state.
  • the upper substrate 120 may be a silicon substrate.
  • the upper substrate 120 operates as a substrate for forming the cavity region 150, the partition wall 180, the recess region 160, and the cut portion 184.
  • the upper substrate 120 may have a thickness of hundreds of micrometers or more so that it can sufficiently withstand even when a vacuum is formed in the cavity 104.
  • the cavity region 150 may provide the cavity 104 sealed by the sensor substrate 102.
  • the recessed depth h1 of the cavity region 150 may be several micrometers to several hundred micrometers.
  • the recessed depth h1 of the cavity region 150 may depend on the height of the infrared sensor 103. Typically, when an infrared wavelength of 20 ⁇ m is detected, the height of the infrared sensor 103 may be 1/4 times (5 ⁇ m) of an infrared wavelength. Therefore, the recessed depth h1 of the cavity region may be greater than the height of the infrared sensor 103.
  • the partition wall 180 separates the cavity region 150 from the recess region 160, and may protrude from the lower surface of the upper substrate 120.
  • the partition wall 180 may be disposed to surround the cavity region 150 to provide the cavity 104.
  • the height of the partition wall 180 may be equal to the recessed depth h1 of the cavity region, and may have the recessed depth h2 of the recess region 160.
  • the recessed depth h2 of the recess region 160 is greater than the recessed depth h1 of the cavity region, and may be several micrometers to hundreds of micrometers. As the recessed depth h2 of the recess region 160 increases, the thickness of the upper substrate to be cut decreases. The depth difference h2-h1 may be hundreds of micrometers.
  • the external connection pad 117 of the sensor substrate 102 may be exposed by cutting the recess region 160.
  • the upper bonding pad 182 may be disposed on the partition wall 180.
  • the upper bonding pad 182 may perform eutectic bonding.
  • the upper bonding pad 182 may be an alloy of Au, In, Cu, and Sn.
  • the getter 170 may be disposed in the recessed cavity region 150.
  • the getter 170 may be a metal or a metal alloy.
  • the getter may include at least one of Ti, Zr, Fe, Co, Al, and V.
  • the getter 170 may maintain a vacuum by adsorbing moisture or impurities.
  • the cut portion 184 is a portion where the upper substrate 120 is cut.
  • the cutting portion 184 may be disposed in the recess region 160 and expose the external connection pad 117 disposed on the lower substrate 110.
  • Substrate cutting may use a sawing or laser dicing method.
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the lower substrate 110 may be a silicon substrate.
  • the lower substrate 110 may include a readout integrated circuit (ROIC) driving an infrared sensor.
  • the read integrated circuit may be CMOS.
  • An insulating layer 111 is disposed on the lower substrate 110 on which the read integrated circuit is formed.
  • the insulating layer 111 may insulate the read integrated circuit formed on the lower substrate 110 and the infrared sensor 103 from each other.
  • the insulating layer 111 may be a silicon oxide film.
  • the lower bonding pad 116 may be disposed on the insulating layer 111 and may be disposed to surround the infrared sensor 103.
  • the lower bonding pad 116 may be disposed at a position facing the upper bonding pad 182 and combined with the upper bonding pad 182 to seal the cavity 104.
  • the lower bonding pad 116 may perform eutectic bonding with the upper bonding pad 182.
  • the lower bonding pad 116 may be an alloy of Au, In, Cu, and Sn.
  • the external connection pad 117 is disposed outside the lower bonding pad 116 and can perform electrical connection with an external circuit.
  • the external connection pad 117 may be Al, Cu, or alloys thereof.
  • the external connection pad 117 may include a protective layer on its surface.
  • the protective layer may be Ti or TiN.
  • the protective layer may function to prevent oxidation and diffusion of the external connection pad 117.
  • the infrared sensor 103 includes: a metal pad 113 formed on an upper surface of the lower substrate 110 and electrically connected to a read integrated circuit; A reflective layer 112 formed on an upper surface of the lower substrate and reflecting an infrared band; An absorption plate 115 spaced apart from the upper portion of the reflective layer and absorbing infrared rays to change resistance; And an anchor 118 formed on the metal pad 113 to support the absorbing plate 115 and electrically connecting the metal pad 113 and the absorbing plate 115. .
  • the infrared sensor 103 may be a microbolometer.
  • the infrared sensor 103 may include a plurality of unit cells arranged in a matrix form. Each unit cell can operate as one pixel. Each unit cell may be rectangular in plan view.
  • the absorber plate 115 may be suspended in the air and supported by the anchor 118 by a cantilever 119.
  • the metal pad 113 may be electrically connected to a read integrated circuit formed inside the lower substrate 110.
  • the metal pad 113 may include a metal layer made of a metal such as Al, which is sequentially stacked, and TiN as a protective layer.
  • the metal pad 113 may provide an electrical connection capable of detecting a change in resistance of the absorber plate 115 through the anchor 118.
  • the reflective layer 112 is disposed spaced apart from the absorber plate 115 and an empty space therebetween, and reflects infrared rays transmitted through the absorber plate 115 to provide it to the absorber plate 115 again.
  • the reflective layer 112 may be formed of a metal or a metal alloy having a thickness greater than or equal to the skin depth.
  • the reflective layer 112 may be formed of aluminum.
  • the thickness of the reflective layer 112 may be several micrometers to tens of micrometers.
  • the reflective layer 112 has a curved or stepped shape so that the distance between the reflective layer 112 and the absorber plate 115 varies depending on the position of the reflective layer 112.
  • the distances d1 and d2 between the reflective layer 112 and the absorber plate 115 may be from 1.5 micrometers to 3 micrometers depending on the location.
  • the absorption infrared wavelength may be 6 micrometers.
  • the maximum distance d2 between the reflective layer and the absorbing plate is 3 micrometers, the absorption infrared wavelength may be 12 micrometers.
  • the upper surface of the reflective layer 112 may have a recessed curved mirror shape.
  • the curved surface may be spherical or aspherical.
  • the radius of curvature of the spherical mirror may be more than twice the maximum distance d2 between the reflective layer 112 and the absorber plate 115. Accordingly, the focus of the spherical mirror is disposed at a position sufficiently higher than that of the absorbing plate 115, and the infrared rays reflected from the reflective layer 112 may be uniformly provided to the absorbing plate 115.
  • the protective layer 112b is disposed on the reflective layer 112 and can prevent oxidation of the reflective layer 112.
  • the protective layer 112b may be TiN as a conductive material.
  • the thickness of the protective layer 112b may be sufficiently smaller than the thickness of the reflective layer 112.
  • the absorber plate 115 may be spaced apart from the reflective layer 112 and the protective layer 112b by a predetermined distance (d) or more.
  • the absorber plate 115 may directly absorb infrared rays incident from the outside, or absorb infrared rays reflected from the reflective layer 112 after passing through the absorber plate 115.
  • the distances d1 and d2 between the absorber plate 115 and the reflective layer 112 may be 1/4 of an infrared wavelength to be reflected.
  • the distances d1 and d2 between the absorber plate 115 and the reflective layer 112 may be several micrometers to tens of micrometers depending on the location.
  • the difference d1-d2 between the maximum distance d1 and the maximum distance d2 may be several micrometers.
  • the absorbing plate 115 may include a first insulating layer 115a, an absorbing layer 115b, a resistive layer 115c, and a second insulating layer 115d sequentially stacked in a square plate shape.
  • the first insulating layer 115a transmits an infrared band and may be an insulator.
  • the first insulating layer 115a may be a silicon nitride film.
  • the thickness of the first insulating layer 115a may be 150 nm.
  • the absorption layer 115b increases in temperature as it absorbs infrared rays.
  • the absorbing layer 115b absorbs infrared rays well, and may be a material made of metal and having high thermal conductivity.
  • the absorption layer 115b may be a Ti, TiN, or NiCr alloy.
  • the absorption layer 115b may be separated in half within a unit cell. Therefore, the resistance of the resistance layer 115c embedded between the absorbing layers separated from each other may be changed according to temperature.
  • the thickness of the absorbing layer 115b may be 15 nm.
  • the resistance layer 115c is a layer whose resistance changes with temperature, and the resistance layer 115c is amorphous silicon, single crystal silicon, or vanadium oxide. Or silicon-germanium.
  • the thickness of the resistive layer 115c may be 100 nm.
  • the second insulating layer 115d protects and insulates the absorbing layer 115c and transmits infrared rays.
  • the second insulating layer 115d may be a silicon nitride film.
  • the thickness of the second insulating layer 115d may be 150 nm.
  • Anchor 118 is formed in a column shape on the top of the metal pad 113, spaces the absorber plate 115 in a floating state with a predetermined distance from the reflective layer 112, and the absorber plate 115 I can support.
  • the lower end of the anchor 118 may be embedded in the auxiliary insulating layer 111a.
  • the anchor 118 electrically connects the metal pad 113 and the absorber plate 115.
  • the absorption layer 115b absorbs infrared rays, the temperature increases, and the resistance layer 115c receives energy from the absorption layer 115b to change resistance.
  • the resistance layer 115c connected in series between the separated absorption layers 115b provides a resistance change.
  • the resistance change of the resistive layer 115c is read by the read driving circuit through the absorbent layer 115b, the anchor 118, and the metal pad 113.
  • the anchor 118 may be formed by forming the contact hole 119a and then filling the contact hole with a metal or a metal alloy.
  • the anchor 118 may be formed of TiN or W (tungsten).
  • an anchor forming material for example, TiN
  • the absorbing layer 115b, the resistive layer ( 115c), and materials constituting the second insulating layer 115d may respectively fill the contact hole 119a.
  • the cantilever 119 may connect the absorber plate 115 to the anchor 118, respectively.
  • the cantilever 119 has the same layered structure as the absorber plate 115.
  • the cantilever 119 is an edge of the absorbent plate to connect one anchor and a spaced vertex of the absorbent plate.
  • the anchor may extend in the direction of the apex that is not disposed.
  • Figure 3 is a result showing the absorption rate of the MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • absorption rates in the case where the reflective layer 112 is flat and concave are displayed.
  • the maximum absorption at 5 um to 14 um is about 87%.
  • the reflective layer 112 has a concave curved shape, and the distance from the absorbing layer to the concave curved reflective plate is 2 ⁇ m (center portion of the reflective plate) to 1.3 ⁇ m (outside of the reflective plate), and the conic constant is 2, and the curvature is
  • the radius 10 um
  • the maximum absorption rate at 5 um to 14 um is 89%.
  • the absorption rate is significantly increased than in the flat mirror, and in the long wavelength region of 8 ⁇ m or more, the absorption is increased compared to the flat reflection layer.
  • 4A to 4I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a MEMS device includes: forming an insulating layer 111 on the lower substrate 110; Forming a pre-reflective layer 114 and a metal pad 113 on the insulating layer 111; Patterning the preliminary reflective layer 114 to form a reflective layer 112 having a curved or stepped shape; Forming a protective layer 113 on the reflective layer 112; And forming an absorber plate 115 spaced apart from the anchor layer 118 and the reflective layer 112 connected to the metal pad 113 and supported by the anchor 118.
  • Patterning the preliminary reflective layer 114 to form a reflective layer 112 having a curved or stepped shape includes depositing an auxiliary insulating layer on the metal pad 113 and the preliminary reflective layer 114 and the preliminary reflective layer ( 112) patterning the auxiliary insulating layer to expose the auxiliary insulating pattern 111a; And forming a curved shape on the preliminary reflective layer by spin coating the thin film 111b on the auxiliary insulating pattern 111a and the preliminary reflective layer 114.
  • a read integrated circuit is formed on the lower substrate 110.
  • An insulating layer 111 is formed as an interlayer insulating layer on the lower substrate 110 on which the read integrated circuit is formed.
  • the insulating layer 111 may be a silicon oxide film.
  • the pre-reflective layer 114 and the metal pad 113 may be formed on the insulating film by a patterning process at the same time.
  • the preliminary reflective layer 114 and the metal pad 113 may include an adhesive layer, a conductive layer, and a protective layer, which are sequentially stacked.
  • the thickness of the preliminary reflective layer 114 may be several micrometers or more.
  • the adhesive layer may be Ti.
  • the conductive layer may be aluminum, copper, or alloys thereof.
  • the protective layer 112a may be Ti/TiN.
  • the preliminary reflective layer 114 and the metal pad 113 may be patterned through a photolithography process.
  • an auxiliary insulating layer is deposited on the lower substrate 111 to preliminarily reflect the reflective layer 114 and the metal pad 113.
  • the auxiliary insulating layer may be planarized through a planarization process. Subsequently, the auxiliary insulating layer may be patterned to expose the preliminary reflective layer 114 and form an auxiliary insulating pattern 111a.
  • an organic thin film 111b is spin-coated on the auxiliary insulating pattern 111a and the preliminary reflective layer 114 to form a curved surface on the preliminary reflective layer 114.
  • the organic thin film 111b may be formed by spin coating a polymer dissolved in a solvent.
  • the organic thin film 111b may cover the step of the auxiliary insulating pattern 111a in a curved shape.
  • the organic thin film 111b may be bottom anti-reflective coatings (BARC) material used in a photolithographic process. Accordingly, the organic thin film 111b may form a curved surface at a step of the auxiliary insulating pattern 111a.
  • the thickness of the organic thin film 111b may be several micrometers to form a curved surface along the step of the auxiliary insulating pattern 111a.
  • the preliminary reflective layer 114 may be etched by a dry etch back process in a condition that does not have a selectivity with respect to the organic thin film 111b. Accordingly, the curved shape of the organic thin film 111b may be transferred to the preliminary reflective layer 114 to form the reflective layer 112. Subsequently, the remaining organic thin film 111b may be removed.
  • the protective layer 112b may cover the exposed reflective layer 112.
  • the protective layer 112b may be patterned to be disposed only on the reflective layer 112 through a lift-off process or a lithography process after deposition.
  • the protective layer 112b may include TiN.
  • a sacrificial layer 119 may be deposited on the reflective layer 112 and the protective layer 112b. The sacrificial layer 119 is later removed.
  • the sacrificial layer 119 may be an amorphous carbon layer or a polyimide.
  • the sacrificial layer 119 may have a thickness of several micrometers to several tens of micrometers.
  • a first insulating layer 115a may be deposited on the sacrificial layer 119.
  • the first insulating layer 115a may be a silicon nitride film.
  • the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 may be patterned to form a contact hole 119a for forming an anchor 118 on the metal pad 113.
  • the contact hole 119a may penetrate the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 to expose the metal pad 113.
  • a conductive material constituting the anchor 118 may be deposited.
  • the anchor 118 may be TiN or Ti/TiN/W. After the conductive material is deposited, the conductive material may be patterned to leave the contact plug filling the contact hole 119a to form the anchor 118.
  • the absorption layer 115b may be formed to cover the anchor 118 and the first insulating layer 115a.
  • the absorbing layer 115b may be patterned to be separated into two in a unit cell.
  • the absorbing layer 115b may be TiN.
  • the absorbing layer 115b may be deposited on the inner surface of the anchor 118.
  • a resistive layer 115c and a second insulating layer 115d are sequentially formed on the absorber layer 115b.
  • the interior of the anchor 118 may be filled with an absorbing layer 115b, a resistive layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the anchor 118 may include an absorption layer 115b, a resistance layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the resistance layer 115c is amorphous silicon, single crystal silicon, vanadium oxide. Or silicon-germanium.
  • the second insulating layer 115d may be a silicon nitride film.
  • the first insulating layer 115a, the absorbing layer 115b, the resistive layer 115c, and the second insulating layer 115d are etched through a photolithography process to expose the sacrificial layer 119 and absorb it.
  • the plate 115 is formed.
  • the sacrificial layer 119 is removed through dry etching or wet etching. Accordingly, the reflective layer may have a recessed curved mirror shape. The distance between the reflective layer and the absorber plate at the center of the reflective layer varies depending on the location, and may provide a high absorption rate over a wide wavelength range.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • the MEMS device 200 includes: a sensor substrate 202 having an infrared sensor 203; And a cap substrate 101 which is wafer-bonded with the sensor substrate 202 to form a cavity 104.
  • the sensor substrate 202 may include a lower substrate 110; An infrared sensor 203 formed on the lower substrate 110 and disposed to face the cavity region 150 of the upper substrate 120; And a lower bonding pad 116 aligned with the upper bonding pad 182 and disposed to surround the infrared sensor 203.
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the infrared sensor 203 may include a metal pad 113 formed on an upper surface of the lower substrate 110 and electrically connected to a read integrated circuit; A reflective layer 212 formed on an upper surface of the lower substrate and reflecting an infrared band; An absorption plate 115 spaced apart from the upper portion of the reflective layer and absorbing infrared rays to change resistance; And an anchor 118 formed on the metal pad 113 to support the absorbing plate 115 and electrically connecting the metal pad 113 and the absorbing plate 115. .
  • the infrared sensor 203 may be a microbolometer.
  • the infrared sensor 203 may include a plurality of unit cells arranged in a matrix form. Each unit cell can operate as one pixel. Each unit cell may be rectangular in plan view.
  • the absorber plate 115 may be suspended in the air and supported by the anchor 118 by a cantilever 119.
  • the reflective layer 212 may include a plurality of curved holes such that a distance between the reflective layer 212 and the absorber plate 115 varies depending on the position of the reflective layer 112.
  • the distances d1 and d2 between the reflective layer 212 and the absorber plate 115 may be 1.5 micrometers to 3 micrometers depending on the location.
  • the absorption infrared wavelength may be 6 micrometers.
  • the maximum distance d2 between the reflective layer and the absorbing plate is 3 micrometers
  • the absorption infrared wavelength may be 12 micrometers.
  • the upper surface of the reflective layer 212 may have a plurality of recessed curved mirrors.
  • the curved surface may be spherical or aspherical.
  • the radius of curvature of the spherical mirror may be more than twice the maximum distance d2 between the reflective layer 212 and the absorber plate 115. Accordingly, the focus of the spherical mirror is disposed at a position sufficiently higher than that of the absorbing plate 115, and the infrared rays reflected from the reflective layer 212 may be uniformly provided to the absorbing plate 115.
  • the protective layer 212b is disposed conformally on the reflective layer 212, and oxidation of the reflective layer 212 can be prevented.
  • the protective layer 212b may be TiN as a conductive material.
  • the thickness of the protective layer 212b may be sufficiently smaller than the thickness of the reflective layer 212.
  • 6A to 6D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing the MEMS device 200 includes forming an insulating layer 111 on the lower substrate 110; Forming a pre-reflective layer 214 and a metal pad 113 on the insulating layer 111; Patterning the preliminary reflective layer 214 to form a reflective layer 212 having a curved or stepped shape; Forming a protective layer 212b on the reflective layer 212; And forming an absorber plate 115 spaced apart from the anchor layer 118 and the reflective layer 212 connected to the metal pad 113 and supported by the anchor 118.
  • Patterning the preliminary reflective layer 214 to form a reflective layer 212 having a curved or stepped shape includes depositing an auxiliary insulating layer on the metal pad 113 and the preliminary reflective layer 214 and the preliminary reflective layer ( 214) patterning the auxiliary insulating layer to expose the auxiliary insulating pattern 111a; Forming a photoresist thin film on the auxiliary insulating pattern 111a and the preliminary reflective layer 214 and exposing the photoresist thin film to form a photoresist pattern 211a having a recessed curved shape; And forming a reflective layer 212 having a recessed curved shape by dry etching the photoresist pattern 211a and the preliminary reflective layer 214.
  • a read integrated circuit is formed on the lower substrate 110.
  • An insulating layer 111 is formed as an interlayer insulating layer on the lower substrate 110 on which the read integrated circuit is formed.
  • the insulating layer 111 may be a silicon oxide film.
  • the pre-reflective layer 214 and the metal pad 113 may be formed on the insulating layer by a patterning process at the same time.
  • the preliminary reflective layer 214 and the metal pad 113 may include an adhesive layer, a conductive layer, and a protective layer, which are sequentially stacked.
  • the thickness of the preliminary reflective layer 214 may be several micrometers or more.
  • the adhesive layer may be Ti.
  • the conductive layer may be aluminum, copper, or alloys thereof.
  • the protective layer 112a may be Ti/TiN.
  • the preliminary reflective layer 214 and the metal pad 113 may be patterned through a photolithography process.
  • an auxiliary insulating layer may be deposited on the lower substrate 111 to cover the preliminary reflective layer 214 and the metal pad 113.
  • the auxiliary insulating layer may be planarized through a planarization process.
  • the auxiliary insulating layer may be patterned to expose the preliminary reflective layer 214 and form an auxiliary insulating pattern 111a.
  • a resist film may be formed on the auxiliary insulating pattern 111a and the preliminary reflective layer 114.
  • the photoresist film may form a photoresist pattern 211a having a plurality of curved holes using a photolithographic technique.
  • the curved holes may be formed by forming a plurality of holes through a normal exposure process and then through a thermal reflow process. Alternatively, the plurality of curved holes may be formed through an exposure process of light intensity lower than normal exposure process conditions.
  • the preliminary reflective layer 114 may be etched by an etch-back dry etching process under conditions that do not have a selectivity with respect to the photoresist pattern 211b. Accordingly, the curved surface shape of the photoresist pattern 211b may be transferred to the preliminary reflective layer 214 to form the reflective layer 212. Subsequently, the remaining photoresist pattern 211a may be removed.
  • the protective layer 212b may cover the exposed reflective layer 212.
  • the protective layer 212b may be patterned to be disposed only on the reflective layer 212 through a lift-off process or a lithography process after deposition.
  • the protective layer 212b may include TiN.
  • the sacrificial layer 119 may be deposited on the reflective layer 212 and the protective layer 212b. The sacrificial layer 119 is later removed.
  • the sacrificial layer 119 may be an amorphous carbon layer or a polyimide.
  • the sacrificial layer 119 may have a thickness of several micrometers to tens of micrometers.
  • a first insulating layer 115a may be deposited on the sacrificial layer 119.
  • the first insulating layer 115a may be a silicon nitride film.
  • the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 may be patterned to form a contact hole 119a for forming an anchor 118 on the metal pad 113.
  • the contact hole 119a may penetrate the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 to expose the metal pad 113.
  • a conductive material constituting the anchor 118 may be deposited.
  • the anchor 118 may be TiN or Ti/TiN/W. After the conductive material is deposited, the conductive material may be patterned to leave the contact plug filling the contact hole 119a to form the anchor 118.
  • the absorption layer 115b may be formed to cover the anchor 118 and the first insulating layer 115a.
  • the absorption layer 115b is patterned to be separated into two in a unit cell.
  • the absorbing layer 115b may be TiN.
  • the absorbing layer 115b may be deposited on the inner surface of the anchor 118.
  • a resistive layer 115c and a second insulating layer 115d are sequentially formed on the absorbing layer 115b.
  • the interior of the anchor 118 may be filled with an absorbing layer 115b, a resistive layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the anchor 118 may include an absorption layer 115b, a resistance layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the first insulating layer 115a, the absorbing layer 115b, the resistive layer 115c, and the second insulating layer 115d are etched through a photolithography process to expose the sacrificial layer 119 and absorb it.
  • the plate 115 is formed.
  • the sacrificial layer 119 is removed through dry etching or wet etching. Accordingly, the reflective layer may have a recessed curved mirror shape.
  • the distance d2 between the reflective layer and the absorber plate at the center of the reflective layer may be maximum.
  • the distance d1 between the reflective layer and the absorber plate at the edge of the reflective layer may be minimal.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • the MEMS device 300 includes: a sensor substrate 302 having an infrared sensor 303; And a cap substrate 101 that is wafer-bonded with the sensor substrate 302 to form a cavity 104.
  • the upper substrate 120 and the lower substrate 110 are silicon substrates.
  • the infrared sensor 303 includes a metal pad 113 formed on an upper surface of the lower substrate 110 and electrically connected to a read integrated circuit; A reflective layer 312 formed on an upper surface of the lower substrate and reflecting an infrared band; An absorption plate 115 spaced apart from the upper portion of the reflective layer and absorbing infrared rays to change resistance; And an anchor 118 formed on the metal pad 113 to support the absorbing plate 115 and electrically connecting the metal pad 113 and the absorbing plate 115. .
  • the infrared sensor 303 may be a microbolometer.
  • the infrared sensor 303 may include a plurality of unit cells arranged in a matrix form. Each unit cell can operate as one pixel. Each unit cell may be rectangular in plan view.
  • the absorber plate 115 may be suspended in the air and supported by the anchor 118 by a cantilever 119.
  • the reflective layer 312 may include a step shape having a plurality of steps so that the distance between the reflective layer 312 and the absorber plate 115 varies depending on the position of the reflective layer 312.
  • the distances d1 and d2 between the reflective layer 312 and the absorber plate 115 may be from 1.5 micrometers to 3 micrometers depending on the location.
  • the absorption infrared wavelength may be 6 micrometers.
  • the maximum distance d2 between the reflective layer and the absorbing plate is 3 micrometers
  • the absorption infrared wavelength may be 12 micrometers.
  • the upper surface of the reflective layer 212 may have a plurality of recessed stair-shaped mirrors.
  • the protective layer 212b is disposed conformally on the reflective layer 212, and oxidation of the reflective layer 212 can be prevented.
  • the protective layer 212b may be TiN as a conductive material.
  • the thickness of the protective layer 212b may be sufficiently smaller than the thickness of the reflective layer 212.
  • 8A to 8F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MEMS device according to another embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing the MEMS device 300 includes: forming an insulating layer 111 on the lower substrate 110; Forming a pre-reflective layer 314 and a metal pad 113 on the insulating layer 111; Patterning the preliminary reflective layer 314 to form a reflective layer 312 having a curved or stepped shape; Forming a protective layer 312b on the reflective layer 312; And forming an absorber plate 115 spaced apart from the anchor 118 and the reflective layer 312 connected to the metal pad 113 and supported by the anchor 118.
  • the step of patterning the preliminary reflective layer 314 to form a reflective layer having a curved or stepped shape may deposit the auxiliary insulating layer on the metal pad 113 and expose the auxiliary insulating layer to expose the preliminary reflective layer 314. Patterning to form an auxiliary insulating pattern 111a; Forming a first photoresist pattern 311a exposing a portion of the preliminary reflective layer 314 and etching the preliminary reflective layer 314 to form a recessed reflective layer 312a; And a second photoresist pattern 311b exposing a portion of the recessed reflective layer 312a and a preliminary reflective layer around the recessed reflective layer 312a, and etching the recessed reflective layer 312a to form a stepped reflective layer. And forming 312.
  • a read integrated circuit is formed on the lower substrate 110.
  • An insulating layer 111 is formed as an interlayer insulating layer on the lower substrate 110 on which the read integrated circuit is formed.
  • the insulating layer 111 may be a silicon oxide film.
  • the pre-reflective layer 314 and the metal pad 113 may be formed on the insulating layer 111 by a patterning process at the same time.
  • the preliminary reflective layer 314 and the metal pad 113 may include an adhesive layer, a conductive layer, and a protective layer sequentially stacked.
  • the thickness of the preliminary reflective layer 314 may be several micrometers or more.
  • the adhesive layer may be Ti.
  • the conductive layer may be aluminum, copper, or alloys thereof.
  • the protective layer 112a may be Ti/TiN.
  • the preliminary reflective layer 314 and the metal pad 113 may be patterned through a photolithography process.
  • an auxiliary insulating layer may be deposited on the lower substrate 111 to cover the preliminary reflective layer 314 and the metal pad 113.
  • the auxiliary insulating layer may be planarized through a planarization process.
  • the auxiliary insulating layer may be patterned to expose the preliminary reflective layer 314 and form an auxiliary insulating pattern 111a.
  • a photoresist film may be formed on the auxiliary insulating pattern 111a and the preliminary reflective layer 314.
  • the photoresist film may form a first photoresist pattern 311a exposing a portion of the preliminary reflective layer 314 using a photolithographic technique.
  • the preliminary reflective layer may be etched by a dry etching process under conditions having a high selectivity to the first photoresist pattern 311a. Accordingly, a recessed pre-reflective layer 312a may be formed.
  • the first photoresist pattern 311a may be removed and a second photoresist pattern 311b may be formed through a new lithography process.
  • the second photoresist pattern 311b may expose a recessed portion of the recessed pre-reflective layer 312a and an undented area around it.
  • the recessed pre-reflective layer 312a may be etched by a dry etching process under conditions having a high selectivity to the second photoresist pattern 311b. Accordingly, the reflective layer 312 may be formed. Subsequently, the second photoresist pattern 311b may be removed.
  • the protective layer 312b may be formed to cover the exposed reflective layer 212.
  • the protective layer 312b may be patterned to be disposed only on the reflective layer 312 through a lift-off process or a lithography process after deposition.
  • the protective layer 312b may include TiN.
  • a sacrificial layer 119 may be deposited on the reflective layer 312 and the protective layer 312b. The sacrificial layer 119 is later removed.
  • the sacrificial layer 119 may be an amorphous carbon layer or a polyimide.
  • the sacrificial layer 119 may have a thickness of several micrometers to tens of micrometers.
  • a first insulating layer 115a may be deposited on the sacrificial layer 119.
  • the first insulating layer 115a may be a silicon nitride film.
  • the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 may be patterned to form a contact hole 119a for forming an anchor 118 on the metal pad 113.
  • the contact hole 119a may penetrate the first insulating layer 115a and the sacrificial layer 119 to expose the metal pad 113.
  • a conductive material constituting the anchor 118 may be deposited.
  • the anchor 118 may be TiN or Ti/TiN/W. After the conductive material is deposited, the conductive material may be patterned to leave the contact plug filling the contact hole 119a to form the anchor 118.
  • the absorbing layer 115b may be formed to cover the anchor 118 and the first insulating layer 115a.
  • the absorbing layer 115b may be patterned to be separated into two in a unit cell.
  • the absorbing layer 115b may be TiN.
  • the absorbing layer 115b may be deposited on the inner surface of the anchor 118.
  • a resistive layer 115c and a second insulating layer 115d are sequentially formed on the absorbing layer 115b.
  • the interior of the anchor 118 may be filled with an absorbing layer 115b, a resistive layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the anchor 118 may include an absorption layer 115b, a resistance layer 115c, and a second insulating layer 115d.
  • the first insulating layer 115a, the absorbing layer 115b, the resistive layer 115c, and the second insulating layer 115d are etched through a photolithography process to expose the sacrificial layer 119 and absorb it.
  • the plate 115 is formed.
  • the sacrificial layer 119 is removed through dry etching or wet etching. Accordingly, the reflective layer may have a recessed curved mirror shape.
  • the distance d2 between the reflective layer and the absorber plate at the center of the reflective layer may be maximum.
  • the distance d1 between the reflective layer and the absorber plate at the edge of the reflective layer may be minimal.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는, 하부 기판; 상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서; 및 상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함한다. 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 포함한다. 상기 반사층은 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리가 상기 반사층의 위치에 따라 다르도록 곡면 또는 계단 형태를 가진다.

Description

곡면 반사층을 가지는 멤스 소자 및 멤스 디바이스의 제조 방법
본 발명은 MEMS 소자에 관한 것으로, 더 구체적으로 넓은 적외선 대역에서 높은 흡수도를 가진 적외선 센서 멤스 소자에 관한 것이다.
볼로미터는 적외서 센서의 한 종류이다. 상기 볼로미터는 하부 기판에 형성된다. 상기 볼로미터는 입사되는 적외선을 흡수한다. 볼로미터의 흡수판의 온도가 상승하면, 온도 상승에 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.
기존 마이크로 볼로미터는 적외선 흡수도를 높이기 위하여 흡수판과 반사판 사이의 거리가 특정 적외선의 1/4 파장을 가지는 구조를 채택한다. 따라서, 기존 마이크로 볼로미터는 특정 적외선의 파장에서 최대 흡수도를 가진다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 반사판의 구조를 변경하여 흡수율이 증가된 적외선 멤스 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는, 하부 기판; 상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서; 및 상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함한다. 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 포함한다. 상기 반사층은 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리가 상기 반사층의 위치에 따라 다르도록 곡면 또는 계단 형태를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리는 위치에 따라 1.5 마이크로미터 내지 3 마이크로미터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사층의 상부면은 함몰된 곡면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사층의 상부면은 복수의 곡면 함몰부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사층의 상부면은 계단 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시에에 따른 멤스 소자의 제조 방법은, 하부 기판에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 예비 반사층과 금속 패드를 형성하는 단계; 상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계; 상기 반사층 상에 보호층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 반사층과 이격되어 베치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계는, 상기 금속 패드 및 상기 예비 반사층 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 보조 절연 패턴 및 상기 예비 반사층 상에 유기박막을 스핀 코팅한 후 에치백(etch-back)하여 상기 예비 반사층에 곡면 형상을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계는, 상기 금속 패드 및 상기 예비 반사층 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴을 형성하는 단계; 상기 보조 절연 패턴 및 상기 예비 반사층 상에 포토레지스트 박막을 형성하고 상기 포토레지스트 박막을 노광하여 함몰된 곡면 형상을 가진 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 예비 반사층을 건식 식각하여 함몰된 곡면 형상을 가진 반사층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계는, 상기 금속 패드 및 상기 예비 반사층 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴을 형성하는 단계; 상기 예비 반사층의 일부를 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하고 상기 예비 반사층을 식각하여 함몰된 반사층을 형성하는 단계; 상기 함몰된 반사층 및 상기 함몰된 반사층 주위의 예비 반사층의 일부를 노출하는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하고 상기 함몰된 반사층을 식각하여 계단 구조의 반사층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 반사층과 이격되어 베치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계는, 상기 보호층 상에 희생층 및 제1 절연층을 형성한 후 상기 금속 패드를 노출하는 콘택 홀을 형성하는 단계; 상기 콘택 홀이 형성된 하부 기판 상에 앵커 도전막을 증착하고 상기 앵커 도전막을 패터닝하여 앵커를 형성하는 단계; 상기 앵커가 형성된 하부 기판 상에 흡수층을 형성하고 상기 흡수층을 패터닝하여 분리하는 단계; 상기 흡수층 상에 저항층 및 제2 절연층을 형성하고 상기 제2 절연층, 상기 저항층, 상기 흡수층, 및 상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 희생층을 노출시키는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는, 적외선 센서를 구비한 센서 기판; 및 상기 센서 기판과 웨이퍼 접합되어 케비티를 구성하는 캡 기판을 포함한다. 상기 센서 기판은, 하부 기판; 상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서; 및 상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함한다. 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 포함한다. 상기 반사층은 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리가 상기 반사층의 위치에 따라 다르도록 곡면 또는 계단 형태를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캡 기판은, 상부 기판; 상기 상부 기판의 하부면에서 함몰된 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 리세스 영역; 및 상기 격벽의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는 흡수판과 반사판 사이의 거리를 위치에 따라 변경하여 적외선 광대역 흡수 구조를 제공할 수 있다. 상기 멤스 소자의 반사층은 곡면 또는 계단 형태를 가진다. 이에 따라, 상기 멤스 소자의 반사층과 흡수판 사이의 거리는 위치에 따라 달라짐으로써 보다 넓은 파장 대역의 적외선을 흡수할 수 있다. 상기 멤스 소자는 높은 흡수 효율을 제공하여 측정 감도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 센서 기판을 설명하는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 흡수율을 나타내는 결과이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 6a 내지 도6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
웨이퍼 레벨 진공 패키징은 MEMS 소자 기판과 캡 기판(cap wafer)을 접합한다. 상기 MEMS 소자 기판은 볼로미터와 같은 적외선 센서와 판독집적회로(Readout integrated circuits; ROIC)를 포함할 수 있다. 상기 캡 기판(cap wafer)는 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자는 함몰된 곡면 또는 계단 형상의 반사층을 구비한다. 상기 멤스 소자의 반사층과 흡수판 사이의 거리는 위치별로 달라 넓은 적외선 파장 범위에 대하여 1/4 파장의 조건을 만족한다. 이에 따라, 상기 흡수판의 흡수율은 증가하여 적외선 센서의 감도가 증가한다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 센서 기판을 설명하는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b을 참조하면, 멤스 소자(100)는, 적외선 센서(103)를 구비한 센서 기판(102); 및 상기 센서 기판(102)과 웨이퍼 접합되어 케비티(104)를 구성하는 캡 기판(101)을 포함한다.
상기 캡 기판(101)은, 상부 기판(120); 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 함몰된 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 영역(150)의 배치평면보다 더 함몰되고 상기 격벽(180)을 감싸도록 배치된 리세스 영역(160); 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), 상기 상부 기판의 하부면에서 돌출된 격벽(180) 및 상기 케비티 영역(150)에 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 케비티 영역(150), 격벽(180), 리세스 영역(160), 및 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 케비티 영역(150)은 상기 센서 기판(102)에 의하여 밀봉된 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 영역(150)의 함몰된 깊이(h1)는 상기 적외선 센서(103)의 높이에 의존할 수 있다. 통상적으로, 20 μm의 적외선 파장을 검출하는 경우에는, 상기 적외선 센서(103)의 높이는 약 적외선 파장의 1/4 배(5 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 케비티 영역(150)과 리세스 영역(160)을 구분하며, 상기 상부 기판(120)의 하부면에서 돌출될 수 있다. 상기 격벽(180)은 케비티 영역(150)을 감싸도록 배치되어 상기 케비티(104)를 제공할 수 있다. 상기 격벽(180)의 높이는 상기 케비티 영역의 함몰된 깊이(h1)와 같고, 상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)를 가질 수 있다.
상기 리세스 영역(160)의 함몰된 깊이(h2)는 상기 케비티 영역의 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. 상기 센서 기판(102)의 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, Sn의 합금일 수 있다.
게터(170)는 함몰된 케비티 영역(150) 내에 배치될 수 있다. 상기 게터(170)는 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 상기 게터는 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 상기 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 영역을 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 절연층(111) 상에 배치되고 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 상기 상부 본딩 패드(182)와 유테틱 본딩(Eutectic Bonding)을 수행할 수 있다. 상기 하부 본딩 패드(116)는 Au, In, Cu, Sn의 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 패드(117)의 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 반사층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드(113)의 상부에 형성되어 상기 흡수판(115)을 부양하여 지지하고 상기 금속 패드(113)와 상기 흡수판(115)을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함할 수 있다. 상기 적외선 센서(103)는 마이크로볼로미터(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 평면도 상에서 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 빈 공간을 사이에 두고 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 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사층(112)은 알루미늄으로 형성될 수 있다. 상기 반사층(112)의 두께는 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 상기 반사층(112)은 상기 반사층(112)과 상기 흡수판(115) 사이의 거리가 상기 반사층(112)의 위치에 따라 다르도록 곡면 또는 계단 형태를 가진다. 상기 반사층(112)과 상기 흡수판(115) 사이의 거리(d1,d2)는 위치에 따라 1.5 마이크로미터 내지 3 마이크로미터일 수 있다. 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 최소 거리(d1)가 1.5 마이크로미터인 경우, 상기 흡수 적외선 파장은 6 마이크로미터일 수 있다. 또한, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 최대 거리(d2)가 3 마이크로미터인 경우, 상기 흡수 적외선 파장은 12 마이크로미터일 수 있다.
상기 반사층(112)의 상부면은 함몰된 곡면 거울 형상을 가질 수 있다. 곡면은 구면 또는 비구면일 수 있다. 상기 반사층(112)이 상기 구면 거울인 경우, 상기 구면 거울의 곡률 반경은 상기 반사층(112)과 상기 흡수판(115) 사이의 최대 거리(d2)의 2배 초과일 수 있다. 이에 따라, 상기 구면 거울의 초점은 상기 흡수판(115)보다 충분히 높은 위치에 배치되어, 상기 반사층(112)에서 반사된 적외선은 상기 흡수판(115)에 균일하게 제공될 수 있다.
보호층(112b)은 상기 반사층(112) 상에 배치되고, 상기 반사층(112)의 산화를 방지할 수 있다. 상기 보호층(112b)은 도전성 물질로 TiN일 수 있다. 상기 보호층(112b)의 두께는 상기 반사층(112)의 두께보다 충분히 작을 수 있다.
흡수판(115)은 상기 반사층(112) 및 상기 보호층(112b)으로부터 일정 거리(d) 이상으로 부양 상태로 이격될 수 있다. 상기 흡수판(115)은 외부에서 입사하는 적외선을 직접 흡수하거나, 상기 흡수판(115)을 투과한 후 상기 반사층(112)에서 반사된 적외선을 흡수할 수 있다. 상기 흡수판(115)과 상기 반사층(112) 사이의 거리(d1,d2)는 반사하고자 하는 적외선 파장의 1/4 일 수 있다. 상기 흡수판(115)과 상기 반사층(112) 사이의 거리(d1,d2)는 위치에 따라 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 최고 거리(d1)와 최대 거리(d2)의 차이(d1-d2)는 수 마이크로미터일 수 있다.
상기 흡수판(115)은 사각판 형태로 차례로 적층된 제1 절연층(115a), 흡수층(115b), 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층(115a)은 적외선 대역을 투과시키며, 절연체일 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)의 두께는 150 nm일 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 흡수층(115b)의 두께는 15 nm일 수 있다.
상기 저항층(115c)은 온도에 따라 저항이 변하는 층으로, 상기 저항층(115c)은 비정질 실리콘, 단결정 실리콘, vanadium oxide. 또는 실리콘-게르마늄일 수 있다. 상기 저항층(115c)의 두께는 100 nm일 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. 상기 제2 절연층(115d)의 두께는 150nm일 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 부양 상태로 이격시키고, 상기 흡수판(115)을 지지할 수 있다. 앵커(118)의 하단부는 보조 절연층(111a)에 매립될 수 있다. 또한, 상기 앵커(118)는 상기 금속 패드(113)와 상기 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(115b) 사이에 직렬 연결된 저항층(115c)은 저항 변화를 제공한다. 상기 저항층(115c)의 저항 변화는 상기 흡수층(115b), 앵커(118), 및 금속 패드(113)를 통하여 판독 구동회로에서 판독된다.
앵커(118)는 콘택 홀(119a)을 형성한 후 상기 콘택 홀을 금속 또는 금속 합금으로 채워서 형성할 수 있다. 상기 앵커(118)는 TiN 또는 W(텅스텐)으로 형성될 수 있다. 상기 콘택 홀(119a)이 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 각각 상기 콘택 홀(119a)을 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 상기 흡수판의 이격된 꼭지점을 연결하도록 상기 흡수판의 모서리를 따라 상기 앵커가 배치되지 않은 꼭지점 방향으로 연장될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 흡수율을 나타내는 결과이다.
도 3을 참조하면, 반사층(112)이 평면인 경우와 오목곡면인 경우의 흡수율이 표시된다. 반사층(112)이 평면인 경우, 5 um 내지 14 um 에서 최대 흡수율은 약 87% 이다. 한편, 반사층(112)이 오목곡면 형태이고, 흡수층으로 부터 오목곡면 형태의 반사판까지의 거리가 2um(반사판 중앙부)~1.3um(반사판 외곽부)이고, 코닉 상수(conic constant)는 2이고, 곡률 반경이 10um 인 경우에, 5 um 내지 14 um에서 최대 흡수율은 89%를 보이다. 또한, 5 um 내지 8 um 영역에서 흡수율은 평면 거울보다 현저히 증가하며, 8um 이상 장파장 영역에서도 평면반사층 대비 흡수도가 증가함을 알수 있다. 이는 한가지 실시 예이며, 흡수층과 오목형태 반사판 까지의 거리, 코닉상수, 및 곡률반경을 적절히 변화시켜 원하는 파장대역의 흡수도를 기존의 평면 반사층 대비 향상시킬 수 있음을 보여준다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4i를 참조하면, 멤스 소자의 제조 방법은, 하부 기판(110)에 절연층(111)을 형성하는 단계; 상기 절연층(111) 상에 예비 반사층(114)과 금속 패드(113)를 형성하는 단계; 상기 예비 반사층(114)을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층(112)을 형성하는 단계; 상기 반사층(112) 상에 보호층(113)을 형성하는 단계; 및 상기 금속 패드(113)에 연결된 앵커(118) 및 상기 반사층(112)과 이격되어 배치되고 상기 앵커(118)에 의하여 지지되는 흡수판(115)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 예비 반사층(114)을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층(112)을 형성하는 단계는, 상기 금속 패드(113) 및 상기 예비 반사층(114) 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층(112)을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴(111a)을 형성하는 단계; 및 상기 보조 절연 패턴(111a) 및 상기 예비 반사층(114) 상에 박막(111b)을 스핀 코팅하여 상기 예비 반사층에 곡면 형상을 형성하는 단계;를 포함한다.
도 4a를 참조하면, 하부 기판(110) 상에 판독 집적회로가 형성된다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판(110) 상에 절연층(111)이 층간 절연막으로 형성된다. 상기 절연층(111)은 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 절연막 상에 예비 반사층(114) 및 금속 패드(113)가 동시에 패터닝 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 예비 반사층(114) 및 상기 금속 패드(113)는 차례로 적층된 접착층, 도전층, 및 보호층을 포함할 수 있다. 상기 예비 반사층(114)의 두께는 수 마이크로미터 이상일 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 예비 반사층(114) 및 금속 패드(113)는 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 예비 반사층(114) 및 상기 금속 패드(113)가 패터닝된 후, 상기 하부 기판(111) 상에 보조 절연층을 증착하여 상기 예비 반사층(114) 및 상기 금속 패드(113)를 덮을 수 있다. 상기 보조 절연층은 평탄화 공정을 통하여 평탄화될 수 있다. 이어서, 상기 보조 절연층은 패터닝되어 상기 예비 반사층(114)을 노출시키고 보조 절연패턴(111a)을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 보조 절연 패턴(111a) 및 상기 예비 반사층(114) 상에 유기 박막(111b)을 스핀 코팅하여 상기 예비 반사층(114) 상에 곡면 형상을 형성한다. 상기 유기 박막(111b)은 용매에 녹아 있는 폴리머를 스핀 코팅하여 형성될 수 있다. 상기 유기 박막(111b)은 상기 보조 절연 패턴(111a)의 단차를 곡면 형상으로 덮을 수 있다. 상기 유기 박막(111b)은 포토리소그리파 공정에 사용되는 하부 무반사 코팅( bottom anti-reflective coatings; BARC) 물질일 수 있다. 이에 따라, 상기 유기 박막(111b)은 상기 보조 절연 패턴(111a)의 단차에서 곡면을 형성할 수 있다. 상기 유기 박막(111b)의 두께는 상기 보조 절연 패턴(111a)의 단차를 따라 곡면을 형성할 수 있도록 수 마이크로미터일 수 있다.
도 4c를 참조하면, 상기 상기 예비 반사층(114)은 상기 유기박막(111b)에 대하여 선택비를 가지지 않는 조건에서 건식 에치백(dry etch back) 공정에 의하여 식각될 수 있다. 이에 따라, 상기 유기 박막(111b)의 곡면 형상은 상기 예비 반사층(114)에 전사되어 반사층(112)을 형성할 수 있다. 이어서, 잔류하는 상기 유기 박막(111b)은 제거될 수 있다.
도 4d를 참조하면, 보호층(112b)은 노출된 반사층(112)을 덮을 수 있다. 상기 보호층(112b)은 리프트-오프(lift-off) 공정 또는 증착 후 리소그라피 공정을 통하여 반사층(112) 상에만 배치되도록 패터닝될 수 있다. 상기 보호층(112b)은 TiN을 포함할 수 있다.
도 4e를 참조하면, 반사층(112) 및 보호층(112b) 상에 희생층(119)가 증착될 수 있다. 상기 희생층(119)는 추후에 제거된다. 상기 희생층(119)는 비정질 탄소막(amorphous carbon layer) 또는 폴리이이미드(polyimide)일 수 있다. 상기 희생층(119)의 두께는 수 마이크로터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 상기 희생층(119) 상에 제1 절연층(115a)이 증착될 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 제1 절연층(115a) 및 상기 희생층(119)를 패터닝하여 상기 금속 패드(113) 상에 앵커(118)를 형성하기 위한 콘택 홀(119a)을 형성할 수 있다. 상기 콘택 홀(119a)은 상기 제1 절연층(115a), 및 상기 희생층(119)를 관통하여 상기 금속 패드(113)를 노출할 수 있다.
도 4f를 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(119a)을 채운 콘택 플러그를 남긴 상태로 패터닝되어 상기 앵커(118)를 형성할 수 있다.
도 4g를 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. 상기 흡수층(115b)은 상기 앵커(118)의 내부면에 증착될 수 있다.
도 4h를 참조하면, 흡수층(115b) 상에 차례로 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)이 형성된다. 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 저항층(115c)은 비정질 실리콘, 단결정 실리콘, vanadium oxide. 또는 실리콘-게르마늄일 수 있다. 상기 제2 절연층(115d)은 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 제1 절연층(115a), 상기 흡수층(115b), 상기 저항층(115c), 및 상기 제2 절연층(115d)은 포토리소그라피 공정을 통하여 식각되어 상기 희생층(119)를 노출하고, 흡수판(115)을 형성한다.
도 4i를 참조하면, 상기 희생층(119)는 건식 식각 또는 습식 식각을 통하여 제거된다. 이에 따라, 상기 반사층은 함몰된 곡면 거울 형상을 가질 수 있다. 상기 반사층의 중심에서 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리는 위치에 따라 다르고, 넓은 파장 범위에 대하여 높은 흡수율을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 멤스 소자(200)는, 적외선 센서(203)를 구비한 센서 기판(202); 및 상기 센서 기판(202)과 웨이퍼 접합되어 케비티(104)를 구성하는 캡 기판(101)을 포함한다.
상기 센서 기판(202)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(203); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(203)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.
상기 적외선 센서(203)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(212); 상기 반사층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드(113)의 상부에 형성되어 상기 흡수판(115)을 부양하여 지지하고 상기 금속 패드(113)와 상기 흡수판(115)을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함할 수 있다. 상기 적외선 센서(203)는 마이크로볼로미터(Microbolometer)일 수 있다. 상기 적외선 센서(203)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 각 단위 셀은 하나의 픽셀로 동작할 수 있다. 각각의 단위 셀은 평면도 상에서 사각형 구조일 수 있다. 상기 흡수판(115)은 공중에 떠 있고 켄티레버(cantilever,119)에 의하여 상기 앵커(118)에 지지될 수 있다.
상기 반사층(212)은 상기 반사층(212)과 상기 흡수판(115) 사이의 거리가 상기 반사층(112)의 위치에 따라 다르도록 복수의 곡면 홀들을 포함할 수 있다. 상기 반사층(212)과 상기 흡수판(115) 사이의 거리(d1,d2)는 위치에 따라 1.5 마이크로미터 내지 3 마이크로미터일 수 있다. 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 최소 거리(d1)가 1.5 마이크로미터인 경우, 상기 흡수 적외선 파장은 6 마이크로미터일 수 있다. 또한, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 최대 거리(d2)가 3 마이크로미터인 경우, 상기 흡수 적외선 파장은 12 마이크로미터일 수 있다.
상기 반사층(212)의 상부면은 복수의 함몰된 곡면 거울들을 가질 수 있다. 곡면은 구면 또는 비구면일 수 있다. 상기 반사층(212)이 상기 구면 거울인 경우, 상기 구면 거울의 곡률 반경은 상기 반사층(212)과 상기 흡수판(115) 사이의 최대 거리(d2)의 2배 초과일 수 있다. 이에 따라, 상기 구면 거울의 초점은 상기 흡수판(115)보다 충분히 높은 위치에 배치되어, 상기 반사층(212)에서 반사된 적외선은 상기 흡수판(115)에 균일하게 제공될 수 있다.
보호층(212b)은 상기 반사층(212) 상에 컨포멀(conformal)하게 배치되고, 상기 반사층(212)의 산화를 방지할 수 있다. 상기 보호층(212b)은 도전성 물질로 TiN일 수 있다. 보호층(212b)의 두께는 상기 반사층(212)의 두께보다 충분히 작을 수 있다.
도 6a 내지 도6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 멤스 소자(200)의 제조 방법은, 하부 기판(110)에 절연층(111)을 형성하는 단계; 상기 절연층(111) 상에 예비 반사층(214)과 금속 패드(113)를 형성하는 단계; 상기 예비 반사층(214)을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층(212)을 형성하는 단계; 상기 반사층(212) 상에 보호층(212b)을 형성하는 단계; 및 상기 금속 패드(113)에 연결된 앵커(118) 및 상기 반사층(212)과 이격되어 배치되고 상기 앵커(118)에 의하여 지지되는 흡수판(115)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 예비 반사층(214)을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층(212)을 형성하는 단계는, 상기 금속 패드(113) 및 상기 예비 반사층(214) 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층(214)을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴(111a)을 형성하는 단계; 상기 보조 절연 패턴(111a) 및 상기 예비 반사층(214) 상에 포토레지스트 박막을 형성하고 상기 포토레지스트 박막을 노광하여 함몰된 곡면 형상을 가진 포토레지스트 패턴(211a)을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트 패턴(211a) 및 상기 예비 반사층(214)을 건식 식각하여 함몰된 곡면 형상을 가진 반사층(212)을 형성하는 단계;를 포함한다.
도 6a를 참조하면, 하부 기판(110) 상에 판독 집적회로가 형성된다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판(110) 상에 절연층(111)이 층간 절연막으로 형성된다. 상기 절연층(111)은 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 절연막 상에 예비 반사층(214) 및 금속 패드(113)가 동시에 패터닝 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 예비 반사층(214) 및 상기 금속 패드(113)는 차례로 적층된 접착층, 도전층, 및 보호층을 포함할 수 있다. 상기 예비 반사층(214)의 두께는 수 마이크로미터 이상일 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 예비 반사층(214) 및 금속 패드(113)는 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝될 수 있다.
상기 예비 반사층(214) 및 상기 금속 패드(113)가 패터닝된 후, 상기 하부 기판(111) 상에 보조 절연층을 증착하여 상기 예비 반사층(214) 및 상기 금속 패드(113)를 덮을 수 있다. 상기 보조 절연층은 평탄화 공정을 통하여 평탄화될 수 있다. 이어서, 상기 보조 절연층은 패터닝되어 상기 예비 반사층(214)을 노출시키고 보조 절연패턴(111a)을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 보조 절연 패턴(111a) 및 상기 예비 반사층(114) 상에 포토레지스트 막을 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트막은 포토리소그리파 기술을 이용하여 복수의 곡면 홀들을 가지는 포토레지스트 패턴(211a)을 형성할 수 있다. 상기 곡면 홀들은 정상적인 노광 공정을 통하여 복수의 홀들을 형성한 후, 열 리플로(thermal reflow) 공정을 통하여 형성될 수 있다. 또는, 상기 복수의 곡면 홀들은 정상적인 노광 공정 조건 보다 낮은 광의 세기의 노광 공정을 통하여 형성될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상기 예비 반사층(114)은 상기 포토레지스트 패턴(211b)에 대하여 선택비를 가지지 않는 조건에서 에치백 건식 식각 공정에 의하여 식각될 수 있다. 이에 따라, 상기 포토레지스트 패턴(211b)의 곡면 형상은 상기 예비 반사층(214)에 전사되어 반사층(212)을 형성할 수 있다. 이어서, 잔류하는 상기 포토레지스트 패턴(211a)은 제거될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 보호층(212b)은 노출된 반사층(212)을 덮을 수 있다. 상기 보호층(212b)은 리프트-오프(lift-off) 공정 또는 증착 후 리소그라피 공정을 통하여 반사층(212) 상에만 배치되도록 패터닝될 수 있다. 상기 보호층(212b)은 TiN을 포함할 수 있다.
반사층(212) 및 보호층(212b) 상에 희생층(119)가 증착될 수 있다. 상기 희생층(119)는 추후에 제거된다. 상기 희생층(119)는 비정질 탄소막(amorphous carbon layer) 또는 폴리이이미드(polyimide)일 수 있다. 상기 희생층(119)의 두께는 수 마이크로터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 상기 희생층(119) 상에 제1 절연층(115a)이 증착될 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 제1 절연층(115a) 및 상기 희생층(119)를 패터닝하여 상기 금속 패드(113) 상에 앵커(118)를 형성하기 위한 콘택 홀(119a)을 형성할 수 있다. 상기 콘택 홀(119a)은 상기 제1 절연층(115a), 및 상기 희생층(119)를 관통하여 상기 금속 패드(113)를 노출할 수 있다.
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(119a)을 채운 콘택 플러그를 남긴 상태로 패터닝되어 상기 앵커(118)를 형성할 수 있다.
도 6d를 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. 상기 흡수층(115b)은 상기 앵커(118)의 내부면에 증착될 수 있다.
흡수층(115b) 상에 차례로 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)이 형성된다. 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), 및 상기 제2 절연층(115d)은 포토리소그라피 공정을 통하여 식각되어 상기 희생층(119)를 노출하고, 흡수판(115)을 형성한다.
상기 희생층(119)는 건식 식각 또는 습식 식각을 통하여 제거된다. 이에 따라, 상기 반사층은 함몰된 곡면 거울 형상을 가질 수 있다. 상기 반사층의 중심에서 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리(d2)는 최대일 수 있다. 상기 반사층의 가장 자리에서 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리(d1)는 최소일 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤스 소자를 설명하는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 멤스 소자(300)는, 적외선 센서(303)를 구비한 센서 기판(302); 및 상기 센서 기판(302)과 웨이퍼 접합되어 케비티(104)를 구성하는 캡 기판(101)을 포함한다.
상기 센서 기판(302)은, 하부 기판(110); 상기 하부 기판(110)에 형성되고 상기 상부 기판(120)의 상기 케비티 영역(150)을 마주보록 배치된 적외선 센서(303); 및 상기 상부 본딩 패드(182)와 정렬되고 상기 적외선 센서(303)를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드(116);를 포함한다. 상기 상부 기판(120) 및 상기 하부 기판(110)은 실리콘 기판이다.
상기 적외선 센서(303)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(312); 상기 반사층의 상부에 이격되어 형성되고 적외선을 흡수하여 저항을 변화시키는 흡수판(115); 및 상기 금속 패드(113)의 상부에 형성되어 상기 흡수판(115)을 부양하여 지지하고 상기 금속 패드(113)와 상기 흡수판(115)을 전기적으로 연결하는 앵커(118)를 포함할 수 있다. 상기 적외선 센서(303)는 마이크로볼로미터(Microbolometer)일 수 있다. 상기 적외선 센서(303)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 각 단위 셀은 하나의 픽셀로 동작할 수 있다. 각각의 단위 셀은 평면도 상에서 사각형 구조일 수 있다. 상기 흡수판(115)은 공중에 떠 있고 켄티레버(cantilever,119)에 의하여 상기 앵커(118)에 지지될 수 있다.
상기 반사층(312)은 상기 반사층(312)과 상기 흡수판(115) 사이의 거리가 상기 반사층(312)의 위치에 따라 다르도록 복수의 단차를 가진 계단 형상을 포함할 수 있다. 상기 반사층(312)과 상기 흡수판(115) 사이의 거리(d1,d2)는 위치에 따라 1.5 마이크로미터 내지 3 마이크로미터일 수 있다. 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 최소 거리(d1)가 1.5 마이크로미터인 경우, 상기 흡수 적외선 파장은 6 마이크로미터일 수 있다. 또한, 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 최대 거리(d2)가 3 마이크로미터인 경우, 상기 흡수 적외선 파장은 12 마이크로미터일 수 있다. 상기 반사층(212)의 상부면은 복수의 함몰된 계단 형상 거울들을 가질 수 있다.
보호층(212b)은 상기 반사층(212) 상에 컨포멀(conformal)하게 배치되고, 상기 반사층(212)의 산화를 방지할 수 있다. 상기 보호층(212b)은 도전성 물질로 TiN일 수 있다. 보호층(212b)의 두께는 상기 반사층(212)의 두께보다 충분히 작을 수 있다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤스 소자의 제조 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 8a 내지 도 8f를 참조하면, 멤스 소자(300)의 제조 방법은, 하부 기판(110)에 절연층(111)을 형성하는 단계; 상기 절연층(111) 상에 예비 반사층(314)과 금속 패드(113)를 형성하는 단계; 상기 예비 반사층(314)을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층(312)을 형성하는 단계; 상기 반사층(312) 상에 보호층(312b)을 형성하는 단계; 및 상기 금속 패드(113)에 연결된 앵커(118) 및 상기 반사층(312)과 이격되어 배치되고 상기 앵커(118)에 의하여 지지되는 흡수판(115)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 예비 반사층(314)을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계는, 상기 금속 패드(113) 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층(314)을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴(111a)을 형성하는 단계; 상기 예비 반사층(314)의 일부를 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴(311a)을 형성하고 상기 예비 반사층(314)을 식각하여 함몰된 반사층(312a)을 형성하는 단계; 및 상기 함몰된 반사층(312a) 및 상기 함몰된 반사층(312a) 주위의 예비 반사층의 일부를 노출하는 제2 포토레지스트 패턴(311b)을 형성하고 상기함몰된 반사층(312a)을 식각하여 계단 구조의 반사층(312)을 형성하는 단계를 포함한다.
도 8a를 참조하면, 하부 기판(110) 상에 판독 집적회로가 형성된다. 상기 판독 집적 회로가 형성된 상기 하부 기판(110) 상에 절연층(111)이 층간 절연막으로 형성된다. 상기 절연층(111)은 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 절연층(111) 상에 예비 반사층(314) 및 금속 패드(113)가 동시에 패터닝 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 예비 반사층(314) 및 상기 금속 패드(113)는 차례로 적층된 접착층, 도전층, 및 보호층을 포함할 수 있다. 상기 예비 반사층(314)의 두께는 수 마이크로미터 이상일 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 예비 반사층(314) 및 금속 패드(113)는 포토리소그라피 공정을 통하여 패터닝될 수 있다.
상기 예비 반사층(314) 및 상기 금속 패드(113)가 패터닝된 후, 상기 하부 기판(111) 상에 보조 절연층을 증착하여 상기 예비 반사층(314) 및 상기 금속 패드(113)를 덮을 수 있다. 상기 보조 절연층은 평탄화 공정을 통하여 평탄화될 수 있다. 이어서, 상기 보조 절연층은 패터닝되어 상기 예비 반사층(314)을 노출시키고 보조 절연패턴(111a)을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 보조 절연 패턴(111a) 및 상기 예비 반사층(314) 상에 포토레지스트 막을 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트막은 포토리소그리파 기술을 이용하여 상기 예비 반사층(314)의 일부를 노출하는 제1 포토레지스트 패턴(311a)을 형성할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 상기 예비 반사층은 상기 제1 포토레지스트 패턴(311a)에 대하여 높은 선택비를 가지는 조건에서 건식 식각 공정에 의하여 식각될 수 있다. 이에 따라, 함몰된 예비 반사층(312a)이 형성될 수 있다.
도 8c를 참조하면, 상기 제1 포토레지스트 패턴(311a)을 제거하고 새로운 리소그라피 공정을 통하여 제2 포토레지스트 패턴(311b)이 형성될 수 있다. 상기 제2 포토 레지스트 패턴(311b)은 함몰된 예비 반사층(312a)의 함몰된 부위 및 그 주변의 함몰되지 않은 영역을 노출시킬 수 있다. 상기 함몰된 예비 반사층(312a)은 상기 제2 포토레지스트 패턴(311b)에 대하여 높은 선택비를 가지는 조건에서 건식 식각 공정에 의하여 식각될 수 있다. 이에 따라, 반사층(312)이 형성될 수 있다. 이어서, 상기 제2 포토레지스트 패턴(311b)은 제거될 수 있다.
도 8d를 참조하면, 보호층(312b)은 노출된 반사층(212)을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 보호층(312b)은 리프트-오프(lift-off) 공정 또는 증착 후 리소그라피 공정을 통하여 반사층(312) 상에만 배치되도록 패터닝될 수 있다. 상기 보호층(312b)은 TiN을 포함할 수 있다.
도 8e를 참조하면, 반사층(312) 및 보호층(312b) 상에 희생층(119)가 증착될 수 있다. 상기 희생층(119)는 추후에 제거된다. 상기 희생층(119)는 비정질 탄소막(amorphous carbon layer) 또는 폴리이이미드(polyimide)일 수 있다. 상기 희생층(119)의 두께는 수 마이크로터 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 상기 희생층(119) 상에 제1 절연층(115a)이 증착될 수 있다. 상기 제1 절연층(115a)은 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 제1 절연층(115a) 및 상기 희생층(119)를 패터닝하여 상기 금속 패드(113) 상에 앵커(118)를 형성하기 위한 콘택 홀(119a)을 형성할 수 있다. 상기 콘택 홀(119a)은 상기 제1 절연층(115a), 및 상기 희생층(119)를 관통하여 상기 금속 패드(113)를 노출할 수 있다.
도 8f를 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(119a)을 채운 콘택 플러그를 남긴 상태로 패터닝되어 상기 앵커(118)를 형성할 수 있다.
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. 상기 흡수층(115b)은 상기 앵커(118)의 내부면에 증착될 수 있다.
흡수층(115b) 상에 차례로 저항층(115c), 및 제2 절연층(115d)이 형성된다. 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), 및 상기 제2 절연층(115d)은 포토리소그라피 공정을 통하여 식각되어 상기 희생층(119)를 노출하고, 흡수판(115)을 형성한다.
상기 희생층(119)는 건식 식각 또는 습식 식각을 통하여 제거된다. 이에 따라, 상기 반사층은 함몰된 곡면 거울 형상을 가질 수 있다. 상기 반사층의 중심에서 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리(d2)는 최대일 수 있다. 상기 반사층의 가장 자리에서 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리(d1)는 최소일 수 있다.
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.

Claims (12)

  1. 하부 기판;
    상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서; 및
    상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함하고,
    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 포함하고,
    상기 반사층은 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리가 상기 반사층의 위치에 따라 다르도록 곡면 또는 계단 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리는 위치에 따라 1.5 마이크로미터 내지 3 마이크로미터인 것을 특징으로 멤스 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사층의 상부면은 함몰된 곡면을 가지는 것을 특징으로 멤스 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사층의 상부면은 복수의 곡면 함몰부를 포함하는 것을 특징으로 멤스 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반사층의 상부면은 계단 형태로 형성된 것을 특징으로 멤스 소자.
  6. 하부 기판에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 예비 반사층과 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계;
    상기 반사층 상에 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 반사층과 이격되어 베치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계는:
    상기 금속 패드 및 상기 예비 반사층 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 보조 절연 패턴 및 상기 예비 반사층 상에 유기박막을 스핀 코팅한 후 에치백(etch-back)하여 상기 예비 반사층에 곡면 형상을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계는:
    상기 금속 패드 및 상기 예비 반사층 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴을 형성하는 단계;
    상기 보조 절연 패턴 및 상기 예비 반사층 상에 포토레지스트 박막을 형성하고 상기 포토레지스트 박막을 노광하여 함몰된 곡면 형상을 가진 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴 및 상기 예비 반사층을 건식 식각하여 함몰된 곡면 형상을 가진 반사층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 예비 반사층을 패터닝하여 곡면 또는 계단 형태를 가지는 반사층을 형성하는 단계는:
    상기 금속 패드 및 상기 예비 반사층 상에 보조 절연층을 증착하고 상기 예비 반사층을 노출시키도록 상기 보조 절연층을 패터닝하여 보조 절연 패턴을 형성하는 단계;
    상기 예비 반사층의 일부를 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하고 상기 예비 반사층을 식각하여 함몰된 반사층을 형성하는 단계;
    상기 함몰된 반사층 및 상기 함몰된 반사층 주위의 예비 반사층의 일부를 노출하는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하고 상기 함몰된 반사층을 식각하여 계단 구조의 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 금속 패드에 연결된 앵커 및 상기 반사층과 이격되어 베치되고 상기 앵커에 의하여 지지되는 흡수판을 형성하는 단계는,
    상기 보호층 상에 희생층 및 제1 절연층을 형성한 후 상기 금속 패드를 노출하는 콘택 홀을 형성하는 단계;
    상기 콘택 홀이 형성된 하부 기판 상에 앵커 도전막을 증착하고 상기 앵커 도전막을 패터닝하여 앵커를 형성하는 단계;
    상기 앵커가 형성된 하부 기판 상에 흡수층을 형성하고 상기 흡수층을 패터닝하여 분리하는 단계;
    상기 흡수층 상에 저항층 및 제2 절연층을 형성하고 상기 제2 절연층, 상기 저항층, 상기 흡수층, 및 상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 희생층을 노출시키는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자의 제조 방법.
  11. 적외선 센서를 구비한 센서 기판; 및
    상기 센서 기판과 웨이퍼 접합되어 케비티를 구성하는 캡 기판을 포함하고,
    상기 센서 기판은:
    하부 기판;
    상기 하부 기판에 형성된 적외선 센서; 및
    상기 적외선 센서를 감싸도록 배치된 하부 본딩 패드;를 포함하고,
    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 포함하고,
    상기 반사층은 상기 반사층과 상기 흡수판 사이의 거리가 상기 반사층의 위치에 따라 다르도록 곡면 또는 계단 형태를 가지는 멤스 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 캡 기판은:
    상부 기판;
    상기 상부 기판의 하부면에서 함몰된 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 리세스 영역; 및
    상기 격벽의 하부면에 배치된 상부 본딩 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 소자.
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