KR100529130B1 - 적외선 흡수 볼로메터 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적외선 흡수 볼로메터에 관한 것으로, 특히 기판 위에 형성된 적어도 한 쌍 이상의 접속단자, 기판을 덮는 보호층을 갖는 구동 기판 레벨과, 접속단자에 전기적으로 연결된 하부 전도선을 갖는 지지레벨과, 하부 전도선과 연결되는 상부 전도선과, 상부 전도선의 상부 전면에 형성된 적외선 흡수층을 갖는 흡수 레벨을 구비하는 적외선 흡수 볼로메터에 있어서, 적외선 흡수층에 실리콘 산화물(SiO2) 대신에 열 흡수율이 좋은 지르코늄(Zr)을 증착함으로써 적외선 흡수 효율을 높일 수 있고, 적외선 흡수층과 상부 전도선 사이에 열 전도율 및 절연율이 높은 성질을 갖는 TiO2으로 이루어진 티타늄 산화막을 형성함으로써 적외선의 흡수 효율을 증진시킬 수 있다.
Description
본 발명은 볼로메터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 물체가 방사하는 각종 적외선(온도)을 흡수하여 검출하는데 적합한 적외선 흡수 볼로메터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 볼로메터는 적외선 센서의 일종으로서, 물체에서 방사되는 적외선을 흡수하여 열에너지로 바뀔 때 그로 인한 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 측정하여 집적 접촉하지 않아도 물체 표면의 온도를 감지할 수 있는 특징을 가진다.
적외선은 파장이 가시광선 보다 길고 전파보다 짧은 전자파의 일종으로 자연계에 존재하는 물체는 사람을 비롯하여 모두 적외선을 방사하고 있다. 단, 물체의 온도에 따라 그 파장이 다르므로 온도검출이 가능하다.
이와 같은 볼로메터는 금속 또는 반도성 재료를 이용하여 제조된다. 금속 볼로메터 요소는 온도의 변화에 자유전자의 밀도가 지수적으로 변화하는 특성을 가지며, 반도성 재료 볼로메터 요소는 온도변화에 따른 저항변화의 큰 민감성을 얻을 수 있다.
한편, 볼로메터는 금속 또는 반도성 재료를 이용하여 제조되는데, 그 구조는, 일 예로서 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1은 통상적인 적외선 흡수 볼로메터의 사시도로서, 크게 구분해 볼 때, 기판(100)의 상부에 보호층(112)이 피복된 구동 기판 레벨(110), 지지 레벨(120), 포스트(130) 및 흡수 레벨(140)을 포함하며, 지지 레벨(120)이 구동 기판 레벨(110)내의 접속단자를 통해 지지되고, 흡수 레벨(140)이 지지 레벨(120)의 자유단 측 종단에 형성된 포스트(130)를 통해 고정 지지되는 형상을 갖는다.
도 4는 도 1에 도시된 볼로메터의 I-I선을 따라 절단한 종래 적외선 흡수 볼로메터의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 종래의 적외선 흡수 볼로메터는 지지 레벨(320)내의 하부 전도선(324)이 구동 기판 레벨(310)상에 형성된 접속단자(312a)에 전기적으로 연결되고, 지지 레벨(320)은 하부 지지 교각인 지지층(322), 하부 전도선(324) 및 보호층(326)이 순차 적층된 구조를 가지며, 지지 레벨(320)의 자유단 측 종단에는 하부 전도선(324)에 전기적으로 연결되는 포스트(330)가 형성되어 있다.
여기에서, 구동 기판 레벨(310)은 접속단자(312a) 부분을 제외한 나머지 영역들이 실리콘 질화막 등과 같은 보호층(312)으로 피복되어 있으며, 도면에서의 상세한 도시는 생략하였으나, 구동 기판 레벨(310)의 내부에는 볼로메터를 구동하기 위한 집적회로가 내장되어 있다.
이때, 지지 레벨(320)을 형성하는 하부 지지 교각인 지지층(322) 및 하부 전도선(324)을 보호하는 보호층(326)의 재질로는, 예를 들면 SiO2가 사용되고, 하부 전도선(324)의 재질로는 Ti가 사용될 수 있다.
또한, 포스트(330)와 일체로 형성되는 흡수 레벨(340)은 상부 지지 교각인 열흡수층(342), 상부 전도선(344) 및 적외선 흡수층(346)이 순차 적층되는 구조를 가지며, 상부 지지 교각인 열흡수층(342)의 재질로는 SiO2가 사용되고, 상부 전도선(344)의 재질로는 Ti가 사용되며, 적외선 흡수층(346)의 재질로는 SiO2가 사용될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 형성하기 위해서는 먼저 보호층(326)의 상부에 소정 두께의 희생층(도시 생략)을 형성하고, 희생층과 보호층(326)의 일부를 제거하여 하부 전도선(324)의 일부를 노출시킴으로써, 포스트 형성용 홀을 형성하며, 상부 지지 교각 물질을 형성한 후 포스트 형성용 홀의 하부 면에 있는 상부 지지 교각 물질의 일부를 제거하여 상부 지지 교각인 열흡수층(342)을 형성하고, 다시 상부 표면상에 박막의 상부 전도선(344)을 형성한 후 그 상부에 적외선 흡수층(346)을 형성하는 방식의 제조 공정을 수행하게 된다.
그러나 이와 같은 적외선 볼로메터에서 적외선 흡수층(346)에서 사용되는 실리콘 산화물은 가시광선 영역에서는 적외선 흡수 효율이 우수하나 적외선 파장(특히 8 ∼ 10μm)의 영역에서는 열 흡수 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 외부에서 입력되는 적외선 방사 에너지 중에서 일부는 적외선 흡수층(346)에 의해서 외부로 반사됨으로 적외선 방사 에너지의 양을 정확하게 측정할 수 없어 상부 및 하부 전도선(344, 324)을 통하여 집적회로에 정확한 전류 및 전압 값을 전달할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적외선의 흡수 효율을 증진시킬 수 있는 적외선 흡수층을 지르코늄을 이용함으로써 적외선 감도를 증진시킬 수 있는 적외선 흡수 볼로메터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부 회로와 전기적으로 연결되는 다수의 접속단자를 갖는 구동 기판 상에 셀 단위의 적외선 흡수 볼로메터를 제조하는 방법에 있어서, 상기 구동 기판과의 사이에 제 1 희생층을 게재하며, 대응하는 접속단자에 연결되는 하부 전도선이 포함된 지지 레벨 구조를 형성하는 과정과,상기 지지 레벨 구조를 매립하는 형태의 제 2 희생층을 형성하고, 상기 제 2 희생층의 일부를 선택적으로 제거함으로써, 상기 하부 전도선의 상부 일부를 노출시키는 포스트 형성홀을 형성하는 과정과, 상기 노출된 하부 전도선의 상부를 제외한 영역의 전반에 걸쳐 상부 지지 교각 물질을 형성하는 과정과, 상기 상부 지지 교각 물질의 상부에 상기 노출된 하부 전도선에 연결되는 상부 전도선을 형성하는 과정과, 상기 상부 전도선의 상부 전면에 걸쳐 티타늄 산화막을 형성하는 과정과, 상기 티타늄 산화막의 상부 전면에 걸쳐 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 이루어진 적외선 흡수층을 형성하는 과정과, 상기 적외선 흡수층, 티타늄 산화막 및 지지층의 일부를 선택적으로 제거하여 상기 제 2 희생층의 상부 일부를 노출시킴으로써, 셀 단위의 포스트 및 검출 레벨 구조를 형성하는 과정 및 상기 제 1 및 제 2 희생층을 제거함으로써, 각 셀 단위의 볼로메터 구조를 완성하는 과정을 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하고자 한다.
먼저, 본 발명의 핵심 기술요지는, 적외선을 흡수하는 적외선 흡수층으로서 실리콘 산화막을 사용하는 전술한 종래 볼로메터와는 달리, 적외선 흡수율이 상대적으로 높은 지르코늄으로 적외선 흡수층을 형성함으로써 적외선의 흡수 효율을 증진시킨다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.
도 2a 내지 2h는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 적외선 흡수 볼로메터를 제조하는 주요 공정을 도시한 공정 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 적외선 흡수 볼로메터를 나타내는 단면도이다. 즉, 도 2a 내지 2h는 볼로메터를 제조할 때 도 1에 도시된 적외선 흡수 볼로메터의 I-I선에 따라 보여지는 단면에서의 공정도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 구동 기판 레벨(110)은 집적회로(도시되지 않음)가 형성되어 있는 기판(100)과 한 쌍의 접속단자(112a), 그리고 보호층(112)을 포함한다. 금속으로 만들어진 상기 각각의 접속단자(112a)는 기판(100)의 상부에 형성되어 있고 기판(100)의 집적회로에 전기적으로 접속되어 적외선 방사에너지 흡수작용에 의한 볼로메터의 저항 변화를 집적회로에 전달한다. 보호층(112)은 잔류 응력이 보상되고 절연성이 우수한 재료 즉, 실리콘 질화막으로 만들어져 있으면서 기판(100)을 덮고 있도록 형성되어 공정 중에 기판(100)에 손상이 가지 않도록 한다.
지지 레벨(120)은 구동 기판 레벨(110)의 상부에 저온 기상 증착법 등을 통해 후막의 제 1 희생층(114)을 형성한 후에 포토리소그라피 공정, 식각 공정 등을 수행하여 제 1 희생층(114)의 일부를 제거함으로서 접속단자(112a)의 상부를 노출시킨 후 상부 표면에 하부 지지 교각 물질을 형성하고 패터닝을 통해 그 일부를 제거하여 접속단자(112a)의 상부를 노출시켜 하부 지지 교각인 지지층(122)을 형성하며, 지지층(122)의 상부에 하부 전도선(124)과 보호층(126)을 순차 형성함으로써, 제 1 희생층(114)의 상부에 접속단자(112a)와 전기적으로 연결되는 지지 레벨(120)의 구조를 완성한다.
흡수 레벨(140)은 잔류 응력이 보상되고 절연성이 우수한 재료 즉, 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어진 열흡수층(142)과, 열흡수층(142)의 상부에 증착된 볼로메터 요소인 상부 전도선(144)을 포함한다. 상부 전도선(144)의 상부에는 티타늄 산화막(TiO2)으로 구성된 적외선 흡수 코팅인 티타늄 산화막(146)이 형성되고, 흡수코팅인 티타늄 산화막(146)의 상부 전면에는 적외선 에너지에 대해서 흡수율 80% 이상을 갖는 금속 물질로 이루어진 적외선 흡수층(148)이 형성된다.
여기서, 적외선 흡수 코팅인 적외선 흡수층(148)을 실리콘 산화물 대신에 지르코늄(Zr)으로 증착한 경우에 적외선 파장이 8㎛∼10㎛일 때 실리콘 산화물보다 적외선 흡수 효율이 우수하다는 이점이 있다.
또한, 상부 전도선(144)과 적외선 흡수층(148)의 사이에 열 전도율 및 절연율이 우수한 티타늄 산화막(146)을 증착함으로써, 적외선 흡수층(148)에서 흡수되어 전달된 열을 상부 전도선(144)에 손실 없이 전달할 수 있다는 이점이 있다.
적외선 흡수층(148)의 상부에 열 유전율이 우수한 ZnS2와 같은 유전층(도시하지 않음)을 증착함으로써 적외선 흡수층(148)에 의해서 반사되어 손실되는 열의 양을 최소화시킬 수 있다.
또한, 유전층 대신에 적외선 흡수층(148)의 윗 부분에 집광 수단인 마이크로 렌즈 어레이(array)(도시하지 않음) 또는 집광렌즈를 설치하여 물체에서 발생되는 적외선 에너지를 하나로 집광시켜 적외선 흡수층(148)에 전달함으로써, 외부로의 에너지 손실 없이 티타늄 산화막(146)을 통하여 볼로메터 요소인 상부 전도선(144)에 전달할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 적외선 흡수 볼로메터의 제조공정 도 2a 내지 2h를 참조하여 설명한다.
도 2a를 참조하면, 상부의 소정 부분에 접속단자(112a)가 형성되고 그 이외 부분이 실리콘 질화막 등과 같은 보호층(112)으로 피복된 구동 기판 레벨(110)의 상부에 저온 기상 증착법 등을 통해 후막의 제 1 희생층(114)을 형성한 후에 포토리소그라피 공정, 식각 공정 등을 수행하여 제 1 희생층(114)의 일부를 제거함으로서 접속단자(112a)의 상부를 노출시킨다.
이어서, 상부 표면에 하부 지지 교각 물질을 형성하고 패터닝을 통해 그 일부를 제거하여 접속단자(112a)의 상부를 노출시켜 하부 지지 교각인 지지층(122)을 형성하며, 지지층(122)의 상부에 하부 전도선(124)과 보호층(126)을 순차 형성함으로써, 일 예로서 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 희생층(114)의 상부에 접속단자(112a)와 전기적으로 연결되는 지지 레벨(120)의 구조를 완성한다.
여기에서, 지지층(122) 및 보호층(126)으로는, 예를 들면 SiO2가 사용되고, 하부 전도선(124)으로는, 예를 들면 Ti가 사용될 수 있으며, 제 1 희생층(114)으로는, 예를 들면 다결정 실리콘 등이 사용될 수 있다.
다시, 지지 레벨(120)의 상부에 후막의 제 2 희생층(128)을 형성하고 포토리소그라피 공정 및 식각 공정 등을 수행하여 제 2 희생층(128)과 보호층(126)의 일부를 제거함으로써, 일 예로 도 2c에 도시된 바와 같이, 지지 레벨(120)의 자유단 측 종단 부분에 있는 하부 전도선(124)의 상부 일부를 노출시키는 포스트 형성홀(129)을 형성한다.
이어서, 상부 전면에 걸쳐 소정 두께의 상부 지지 교각 물질(예를 들면, 실리콘 산화물(SiO2)을 형성하고, 패터닝 공정을 수행하여 포스트 형성홀(129)의 하부 면에 있는 상부 지지 교각 물질을 선택적으로 제거하여 하부 전도선(124)의 상부 일부를 노출시킴으로써, 일 예로서 도 2d에 도시된 바와 같이, 상부 지지 교각인 열흡수층(142)을 형성한다. 여기에서, 열흡수층(142)은 흡수 레벨의 지지는 물론 열 흡수층으로서의 기능도 한다.다시, 스퍼터링 등과 같은 증착 공정을 수행하여 상부 전면에 걸쳐 박막의 전도성 물질(예를 들면, Ti 등)을 형성하고, 금속 식각 공정을 수행하여 전도성 물질의 일부를 선택적으로 제거함으로써, 일 예로서 도 2e에 도시된 바와 같이, 열흡수층(142)의 상부에 하부 전도선(124)과 전기적으로 연결되는 상부 전도선(144)을 형성한다.
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다음에, 도 2f 내지 2g를 참조하면, 상부 전도선(144)의 상부 전면 및 상부 전도선(144)의 일부를 완전히 포함되도록 티타늄 산화막(TiO2)으로 이루어진 티타늄 산화막(146)을 형성(증착)하고, 이어서 티타늄 산화막(146)의 상부 전면에 걸쳐 적외선 흡수율이 높은 성질을 갖는 지르코늄 또는 지르코늄 합금 등으로 이루어진 적외선 흡수층(148)을 형성한다.
도 2h를 참조하면, 포토리소그라피 공정, 식각 공정 등을 통해 적외선 흡수층(148), 티타늄 산화막(146) 및 상부 지지 교각인 열흡수층(142)의 일부를 선택적으로 제거하여 제 2 희생층(128)의 상부 일부를 노출시킴으로써, 열흡수층(142), 상부 전도선(144), 티타늄 산화막(146) 및 적외선 흡수층(148)이 순차 적층된 형태를 갖는 흡수 레벨(140)의 구조를 완성한다. 즉, 이러한 과정을 통해 볼로메터를 각 셀 단위로 분리한다.
마지막으로, 셀 단위로 분리된 볼로메터 구조에서 제 1 및 제 2 희생층(114, 128)을 제거함으로써, 일 예로서 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 단위의 볼로메터를 완성한다.
이와 같이 적외선 흡수층(148)은 앞서 언급한 바와 같이, 적외선 파장(특히 8㎛ ∼ 10㎛)에서 투과율이 95% 이상을 나타내는 지르코늄을 이용함으로써 모든 적외선 파장에서 열을 흡수하여 볼로메터 요소인 상부 전도선(144)에 전달할 수 있다. 또한, 모든 파장에서 정확한 열을 볼로메터 요소인 상부 전도선(144)에 전달함으로써, 전기적인 저항값의 변화를 정확하게 측정할 수 있는 이점이 있다.
모든 물체에서 발생되는 열을 외부 반사에 의한 손실을 없애기 위하여, 도 2g에 도시된 바와 같이, 흡수코팅인 적외선 흡수층(148)의 상부 전면에 80%이상이 흡수율 및 유전율을 갖는 Zns2와 같은 물질로 이루어진 유전층이 형성된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 적외선 흡수층에 실리콘 산화물(SiO2) 대신에 열 흡수율이 좋은 지르코늄(Zr)을 증착함으로써 적외선 흡수 효율을 높일 수 있고, 적외선 흡수층의 상부 전면에 열 흡수율 및 유전율이 높은 성질을 갖는 ZnS2로 이루어진 유전층을 형성함으로써 적외선의 흡수 효율을 증진시킬 수 있다.
또한, 상부 전도선과 적외선 흡수층 사이에 열 전도 및 절연 특성이 우수한 티타늄 산화막을 증착함으로써, 적외선 흡수층에서 흡수된 열을 정확하게 상부 전도산으로 전달할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 전형적인 적외선 흡수 볼로메터의 사시도,
도 2a 내지 2h는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 적외선 흡수 볼로메터를 제조하는 주요 공정을 도시한 공정 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 적외선 흡수 볼로메터의 단면도,
도 4는 종래 적외선 흡수 볼로메터의 단면도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
110 : 구동 기판 레벨 112, 126 : 보호층
112a : 접속단자 120 : 지지 레벨
122 : 지지층 124 : 하부 전도선
130 : 포스트 140 : 흡수 레벨
142 : 열흡수층 144 : 상부 전도선
146 : 티타늄 산화막 148 : 적외선 흡수층
Claims (2)
- 내부 회로와 전기적으로 연결되는 다수의 접속단자를 갖는 구동 기판 상에 셀 단위의 적외선 흡수 볼로메터를 제조하는 방법에 있어서,상기 구동 기판과의 사이에 제 1 희생층을 게재하며, 대응하는 접속단자에 연결되는 하부 전도선이 포함된 지지 레벨 구조를 형성하는 과정;상기 지지 레벨 구조를 매립하는 형태의 제 2 희생층을 형성하고, 상기 제 2 희생층의 일부를 선택적으로 제거함으로써, 상기 하부 전도선의 상부 일부를 노출시키는 포스트 형성홀을 형성하는 과정;상기 노출된 하부 전도선의 상부를 제외한 영역의 전반에 걸쳐 상부 지지 교각 물질을 형성하는 과정;상기 상부 지지 교각 물질의 상부에 상기 노출된 하부 전도선에 연결되는 상부 전도선을 형성하는 과정;상기 상부 전도선의 상부 전면에 걸쳐 티타늄 산화막을 형성하는 과정;상기 티타늄 산화막의 상부 전면에 걸쳐 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 이루어진 적외선 흡수층을 형성하는 과정;상기 적외선 흡수층, 티타늄 산화막 및 지지층의 일부를 선택적으로 제거하여 상기 제 2 희생층의 상부 일부를 노출시킴으로써, 셀 단위의 포스트 및 검출 레벨 구조를 형성하는 과정; 및상기 제 1 및 제 2 희생층을 제거함으로써, 각 셀 단위의 볼로메터 구조를 완성하는 과정으로 이루어진 적외선 흡수 볼로메터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 적외선 흡수 볼로메터 제조 방법은,상기 적외선 흡수층의 상부 전면에 ZnS2로 이루어진 유전층을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 흡수 볼로메터 제조 방법.
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