KR102765503B1 - 개선된 캡슐화 구조를 갖는 전자기 방사선을 검출하기 위한 장치의 제조 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 릴리프(23)가 안착되는 캡슐화 층(21), 및 릴리프(23)에서 연속성의 국소 파괴를 갖는 밀봉 층(24)을 포함하는 캡슐화 구조(20)를 포함하는, 전자기 방사선 검출 장치를 제조하는 공정에 관한 것이다.
Description
본 발명의 분야는 적어도 하나의 열 검출기가 수납되는 공동을 형성하는 캡슐화 구조를 포함하는, 전자기 방사선, 특히 적외 또는 테라헤르츠 방사선을 검출하기 위한 장치를 제조하는 공정의 분야이다. 본 발명은 특히 서모그래피, 또는 심지어 가스 검출의 적외 또는 테라헤르츠 이미징 분야에 적용가능하다.
전자기 방사선, 예를 들어 적외 또는 테라헤르츠 방사선을 검출하기 위한 장치는, 서미스터 재료와 같은 검온 변환기(thermometric transducer)를 포함하고 검출될 전자기 방사선을 흡수할 수 있는 멤브레인을 각각 포함하는 열 검출기의 매트릭스 어레이를 포함할 수 있다. 판독 기판에 대한 검온 변환기의 단열을 보장하기 위해, 흡수 멤브레인은 통상적으로 필라(pillar)를 고정함으로써 기판 위에 현수되고, 단열 아암에 의해 기판으로부터 단열된다. 이들 고정 필라 및 단열 아암은 또한 흡수 멤브레인을, 일반적으로 기판에 배치되는 판독 회로에 연결하기 때문에 전기적 기능을 갖는다.
열 검출기의 최적의 동작을 보장하기 위해, 저압 레벨이 요구될 수 있다. 이를 위해, 열 검출기는 일반적으로 진공 하에 있거나 또는 저압 상태인 적어도 하나의 밀폐 공동 내에서 단독으로 또는 하나 초과의 그룹으로 구속되거나 캡슐화된다. 밀폐 공동은 캡슐로도 불리는 캡슐화 구조에 의해 형성되는데, 이는 캡슐화 구조가 단일 열 검출기를 각각 캡슐화하는 복수의 밀폐 공동을 형성하는 구성["픽셀 레벨 패키징(pixel level packaging)"이라 지칭되는 구성]을 위한, Dumont 등의 문헌 [비냉각 IRFPA를 위한 픽셀 레벨 패키징에 대한 현재 진척 상태, Proc. SPIE 8353, Infrared Technology and Applications XXXVIII, 83531I, 2012]에 예시되어 있다.
특허 US9933309는, 캡슐화 구조(20)가 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이를 캡슐화하는 밀폐 공동(3)을 형성하는 검출 장치(1)의 다른 예를 설명한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 캡슐화 구조(20)는 따라서 기판(2)과 함께 밀폐 공동(3)을 형성하는 얇은 캡슐화 층(21)을 포함한다. 얇은 캡슐화 층(21)은 제조 공정 동안 사용되는 희생 층의 공동(3)으로부터의 배기를 허용하는 복수의 방출 벤트(release vent)를 포함한다. 얇은 밀봉 층(24)은 캡슐화 층을 적어도 부분적으로 덮고, 방출 벤트(22)를 차단함으로써 공동의 밀폐성을 보장한다. 얇은 캡슐화 및 밀봉 층(21, 24)은 검출될 전자기 방사선을 투과시키는 재료로 이루어진다. 얇은 반사방지 층(25)이 얇은 밀봉 층(24)을 덮을 수 있다.
얇은 캡슐화 및 밀봉 층은 상이한 재료, 예를 들어 캡슐화 층을 위한 비정질 규소 및 밀봉 층을 위한 게르마늄으로 이루어질 수 있는데, 이로 인해 이들은 상이한 열 팽창 계수(CTE)를 갖는다. 실제로, 이러한 검출 장치를 제조하기 위한 공정은 생산되고 있는 장치가 고온에 노출되는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 이는, 단지 예시로써, 밀폐 공동(3) 내에 위치된 게터 재료의 약 300℃에서의 활성화의 문제일 수 있는데, 이 게터 재료는 충분한 진공 레벨로 밀폐 공동을 유지하기 위해 밀폐 공동 내에 잠재적으로 존재하는 잔류 가스와 반응하도록 의도된다. 캡슐화 및 밀봉 층의 재료 사이의 CTE의 차이는 캡슐화 구조에서의 기계적 응력을 생성할 수 있고, 이는 캡슐화 구조의 기계적 강도를 약화시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 적어도 부분적으로 해결하는 것이며, 더 구체적으로는 캡슐화 구조의 기계적 강도가 증가될 수 있게 하는 이러한 검출 장치를 제조하는 공정을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 하나의 주제는 기판 상에 안착된 적어도 하나의 열 검출기, 및 기판과 함께 열 검출기가 위치된 공동을 형성하는 하나의 캡슐화 구조를 포함하는 전자기 방사선을 검출하기 위한 장치를 제조하는 공정이다. 본 발명의 공정은 다음의 단계를 포함한다:
○ 기판 상에 퇴적된 적어도 하나의 제1 희생 층으로부터 열 검출기를 생성하는 단계,
○ 제1 희생 층 상에 안착된 적어도 하나의 제2 희생 층으로부터 열 검출기 위로 연장하는 캡슐화 구조의 얇은 캡슐화 층을 생성하는 단계로서, 상기 얇은 캡슐화 층은 캡슐화 재료로 이루어지는, 얇은 캡슐화 층 생성 단계,
○ 물리 증착에 의해, 얇은 캡슐화 층을 덮는 얇은 "밀봉" 층을 생성하는 단계로서, 얇은 밀봉 층은 캡슐화 재료의 열 팽창 계수와 상이한 열 팽창 계수를 갖는 밀봉 재료로 이루어지는, 얇은 밀봉 층을 생성하는 단계.
본 발명에 따르면, 공정은 다음의 단계를 추가로 포함한다:
○ 얇은 밀봉 층을 생성하는 단계 이전에 얇은 캡슐화 층 상에 적어도 하나의 릴리프(relief)를 생성하는 단계로서, 상기 얇은 캡슐화 층은 얇은 밀봉 층의 퇴적 동안 얇은 밀봉 층이 상기 릴리프에서 연속성의 국소 파괴(local breakage in continuity)를 갖도록 적합한 평균 두께를 갖는, 적어도 하나의 릴리프를 생성하는 단계.
다음은 이러한 제조 공정의 소정의 바람직하지만 비제한적인 양태이다.
릴리프는 기판에 대한 정사영(orthogonal projection)에서 열 검출기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 종방향 세그먼트의 2차원 어레이를 형성할 수 있다.
기판에 대한 정사영에서, 릴리프의 종방향 세그먼트의 어레이는 열 검출기를 연속적으로 둘러쌀 수 있다.
열 검출기는 기판 위에 현수되고 검온 변환기를 포함하는 흡수성 멤브레인을 포함할 수 있고, 릴리프는 기판에 대한 정사영에서 흡수성 멤브레인으로부터 소정 거리에 배치된다.
얇은 밀봉 층은 평균 두께(ecs)를 가질 수 있고, 릴리프는 평균 두께(ecs)의 1/5 이상의 평균 두께(er)를 갖는다.
릴리프를 생성하는 단계는 얇은 캡슐화 층의 재료와 상이한 재료로 이루어진 제1 층을 퇴적하는 단계와, 후속하여 릴리프를 형성하기 위해 얇은 캡슐화 층에 대해 제1 층을 선택적으로 에칭함으로써 제1 층을 국소적으로 구조화하는 단계를 포함할 수 있다.
검출 장치는 상기 공동 내에 배치된 열 검출기의 매트릭스 어레이를 포함할 수 있고, 릴리프는 기판에 대한 정사영에서 열 검출기 각각을 적어도 부분적으로 둘러싸는 종방향 세그먼트의 2차원 어레이를 형성한다.
얇은 캡슐화 층은 규소계일 수 있고 얇은 밀봉 층은 게르마늄계일 수 있다.
얇은 밀봉 층은 바람직하게는 증발(evaporation)에 의해 퇴적된다.
제조 공정은 얇은 밀봉 층 상에 물리 증착에 의해 얇은 반사방지 층을 생성하는 단계를 포함할 수 있는데, 이후 얇은 반사방지 층은 연속성의 국소 파괴를 갖는다.
제조 공정은,
- 릴리프를 생성하는 단계와 얇은 밀봉 층을 생성하는 단계 사이에, 얇은 캡슐화 층을 통해 방출 벤트라 불리는 적어도 하나의 관통-오리피스(through-orifice)를 형성하는 단계로서, 이후 얇은 밀봉 층이 방출 벤트를 차단하도록 생성되는, 적어도 하나의 관통 오리피스 생성 단계,
- 방출 벤트를 통해 희생 층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태, 목적, 장점 및 특징은 비제한적인 예로서 그리고 첨부 도면을 참조하여 제공되는 본 발명의 바람직한 실시예의 후속하는 상세한 설명을 읽음으로써 더 명백해질 것이다.
이미 설명한 도 1은 종래 기술의 일 예에 따른 검출 장치의 개략적인 부분 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는, 일 실시예에 따른 검출 장치를 제조하기 위한 공정에서 다양한 단계를 개략적인 부분 단면도로 도시한다.
이미 설명한 도 1은 종래 기술의 일 예에 따른 검출 장치의 개략적인 부분 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는, 일 실시예에 따른 검출 장치를 제조하기 위한 공정에서 다양한 단계를 개략적인 부분 단면도로 도시한다.
도면 및 상세한 설명의 나머지 부분에서, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭하는데 사용되었다. 또한, 다양한 요소는 도면의 명료성을 위해 축척대로 도시되지 않았다. 또한, 다양한 실시예 및 변형예는 서로 배타적이지 않고 함께 조합될 수 있다. 달리 지시되지 않는다면, 용어 "실질적으로", "약" 및 "정도"는 10% 내, 바람직하게는 5% 내를 의미한다. 또한, 단수를 "포함하는"이라는 표현은, 달리 지시되지 않는다면, "적어도 하나를 포함하는"을 의미하는 것으로 이해되어야 하며," 하나를 포함하는"을 의미하지 않는 다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 전자기 방사선을 검출하기 위한 장치를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 검출 장치는 캡슐화 구조에 의해서 유리하게 밀폐되고 형성되는 공동 내에서, 단독으로 또는 하나 초과의 그룹으로 캡슐화되는 적어도 하나의 열 검출기를 포함한다. 열 검출기는 적외 또는 테라헤르츠 방사선을 검출하기에 적합할 수 있다. 이는 특히 장파장 적외 밴드(infrared band)(LWIR 밴드)에서 적외 방사선을 검출할 수 있는데, 이는 약 7μm로부터 14μm로 연장된다.
도 2a 내지 도 2j는 일 실시예에 따른 검출 장치(1)를 제조하기 위한 공정의 다양한 단계를 예시한다.
이 실시예에서, 각각의 열 검출기(10)는 LWIR 밴드에서 적외 방사선을 검출하기에 적합한 검온 변환기(12)를 포함하는 흡수성 멤브레인(11)을 포함한다. 검온 변환기(12)는 그 온도에 따라 변하는 전기적 특성을 갖는 요소이고, 본원에서는 예를 들어 산화티타늄 또는 산화바나듐(titanium or vanadium oxide)로부터 또는 비정질 규소로부터 형성된 서미스터 재료이다. 변형예로서, 이는 다이오드(p-n 또는 p-i-n 접합) 또는 심지어 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transducer)의 강유전성 또는 초전성 재료에 의해 형성되는 커패시터일 수 있다.
또한, 본원에서 열 검출기(10)는, 검출될 전자기 방사선을 흡수하기에 적합하고 판독 기판(2) 위에 현수되는 멤브레인 내에 검온 변환기(12)가 배치되는 구성을 갖는다. 흡수성 멤브레인(11)은 단열 아암과 동일한 평면에 위치된다. 다른 구성, 예를 들어 특히 출원 WO2018/055276에 개시된 바와 같이 흡수성 멤브레인(11)이 단열 아암 위에 위치하는 구성, 또는 심지어 예를 들어 US2009140147에 개시된 바와 같이 흡수체가 검온 변환기(12)를 포함하는 멤브레인으로부터 분리되어 그 위에 배치되는 구성이 가능하다.
본원에서, 검출 장치(1)는 민감한 픽셀을 형성하는 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이를 포함한다. 캡슐화 구조(20)는 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이를 캡슐화하는 바람직한 밀폐 공동(3)을 형성한다. 변형예로서, 검출 장치(1)는, 특히 2012년 Dumont 등의 전술한 문헌에 개시된 바와 같이, 단일 열 검출기(10)를 각각 캡슐화하는 복수의 공동을 포함할 수 있다
여기에서, 그리고 상세한 설명의 나머지 부분에서, XY 평면이 검출 장치(1)의 판독 기판(2)의 평면에 실질적으로 평행한 3차원 직선 좌표계(three-dimensional direct coordinate system)(X,Y,Z)가 규정되는데, Z축은 판독 기판(2)의 XY 평면에 대해 실질적으로 직교하는 방향으로 배향된다. 또한, 용어 "하위" 및" 상위"는 +Z 방향에서 판독 기판(2)에 더 근접하고 더 먼 위치에 관한 것으로 이해될 것이다.
이 예에서, 열 검출기(10)는 후속하여 산 매질(HF 증기) 내에서 습식 에칭에 의해 제거되도록 실질적으로 의도된 광물성 희생 층(31, 32)을 사용하여 생성된다. 폴리이미드 또는 등가물로 이루어진 희생 층의 사용과 같은 다른 기술이 사용될 수 있는데, 이는 이후 예를 들어 O2 플라즈마에서 건식 에칭에 의해 제거된다.
도 2a를 참조하면, 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이는 우선 기판(2) 상에 퇴적된 적어도 하나의 제1 희생 층(31)에 의해 생성된다. 이 단계는 특허 US9933309에 명확하게 개시된 것과 동일하거나 유사하다.
검출 장치(1)는, 이 예에서, 열 검출기(10)가 제어 및 판독될 수 있게 하는 전자 회로(도시 생략)를 포함하는, 규소계 판독 기판(2)을 포함한다. 여기서 판독 회로는 캐리어 기판에 위치되는 집적식 CMOS 회로의 형태를 취한다. 이는, 전도성이고 예를 들어 금속으로 이루어지며, 유전체 재료 예를 들어 산화규소(SiOx), 질화규소(SiNx) 또는 이들의 합금과 같은 규소계 광물성 재료에 의해 서로로부터 분리되는 라인 세그먼트를 포함한다. 이는 또한, 전기적 상호연결에 의해 한편으로는 열 검출기(10)에 그리고 다른 한편으로는 연결 패드(도시 생략)에 연결되는 능동 또는 수동 전자 요소(도시 생략), 예를 들어 다이오드, 트랜지스터, 커패시터, 저항 등을 포함할 수 있는데, 연결 패드는 검출 시스템을 외부 전자 장치에 연결하도록 의도된다.
각각의 열 검출기(10)의 반사부(13)가 또한 생성된다. 여기서, 반사부(13)는 마지막 상호연결 레벨의 전도성 라인의 세그먼트에 의해 형성되는데, 상기 세그먼트는 검출될 전자기 방사선을 반사하기에 적합한 재료로 이루어진다. 이는, 흡수성 멤브레인(11)을 향하고, 그 사이에 검출될 전자기 방사선에 대한 1/4파 간섭 공동을 형성하도록 의도된다.
금속간 유전체 층(inter-metal dielectric layer)이 광물성 재료로 이루어지고 열 검출기(10) 및 캡슐화 구조(20)를 생성하는데 사용되는 희생 층(31, 32) 역시 광물성 재료로 이루어지는 경우, 판독 기판(2)의 상위면은 보호 층(도시 생략)으로 덮인다. 여기서 보호 층은 예를 들어 증기-상 HF 매체에 대해 불활성인 광물성 희생 층을 제거하기 위해 후속하여 사용되는 화학적 에칭제(etchant)에 대해 실질적으로 불활성인 재료로 이루어진 에칭 정지 층에 대응한다. 따라서, 이 보호 층은 화학적으로 불활성인 밀폐 층을 형성한다. 이는 전도성 라인 세그먼트들 사이의 임의의 단락을 방지하기 위해 전기 절연성이다. 따라서, 희생 층을 제거하는 이 단계 동안 하접하는(subjacent) 광물성 절연 층이 에칭되는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다. 이는 질화알루미늄 또는 산화알루미늄, 삼불화알루미늄 또는 질화알루미늄, 또는 의도치 않게 도핑된 비정질 규소로부터 형성될 수 있다.
먼저, 제1 희생 층(31)이 판독 기판(2) 상에 퇴적되는데, 이 층은 예를 들어 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)에 의해 퇴적되는 산화규소(SiOx)와 같은 광물성 재료로 이루어진다. 이 광물성 재료는 습식 화학 에칭에 의해, 특히 산 매질 내 화학적 에칭에 의해 제거될 수 있고, 에칭제는 바람직하게는 증기-상 플루오린화수소산(HF)이다. 이 광물성 희생 층(31)은 판독 기판(2)의 실질적으로 모든 표면에 걸쳐 연속적으로 연장되어 보호 층을 덮도록 퇴적된다. Z축을 따른 희생 층(31)의 두께는 수백 나노미터 내지 수 미크론 정도일 수 있다.
다음으로, 희생 층(31)을 통과하는 고정 필라(14), 단열 아암(도시 생략) 및 희생 층(31) 상에 안착되는 흡수성 멤브레인(11)이 생성된다. 흡수성 멤브레인(11)은 고정 필라(14)에 의해 판독 기판(2) 위에 현수되도록 의도되고, 단열 아암에 의해 판독 기판(2)으로부터 단열된다. 고정 필라(14)는 전기 전도성이고, 판독 회로와 전기적으로 접촉하기 위해 국소적으로 보호 층을 관통한다. 흡수성 멤브레인(11)은 0이 아닌 거리만큼 판독 기판(2) 및 특히 반사 층으로부터 이격된다. 이 거리는 바람직하게는 멤브레인(11)에 의해 검출될 전자기 방사선의 흡수를 최적화하는 1/4파 간섭 공동을 형성하도록 조정된다. 이 거리는 전형적으로, 열 검출기(10)가 LWIR 밴드에서 적외 방사선을 검출하도록 설계될 때 1 μm와 5 μm 사이이며, 바람직하게는 2 μm이다. 흡수성 멤브레인(11)은 고정 필라(14) 및 단열 아암에 의해 판독 회로에 연결되는 서미스터 재료를 통합한다.
다음으로, 캡슐화 구조(20)가 생성된다. 일반적으로, 캡슐화 구조(20) 또는 캡슐은, 유리하게 밀폐식으로서 여기서는 그 내부에 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이가 있는 공동(3)을 판독 기판(2)과 함께 형성한다. 캡슐화 구조(20)는 적어도 하나의 얇은 밀봉 층(24)에 의해 덮인 적어도 하나의 얇은 캡슐화 층(21)을 포함한다. 얇은 캡슐화 및 밀봉 층(21, 24)은 상이한 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 상이한 재료로 이루어진다. 예로서, 얇은 캡슐화 층(21)은 비정질 규소로 이루어질 수 있고 얇은 밀봉 층(24)은 게르마늄으로 이루어질 수 있다. 얇은 층은 마이크로전자공학 분야에서 채용되는 재료를 퇴적시키는 데 사용되는 기술을 사용하여 퇴적되는 층을 의미하는데, 그 두께는 10 μm 미만인 것이 바람직하다.
도 2b를 참조하면, 바람직하게는 제1 희생 층(31)과 동일한 성질의 제2 희생 층(32)이 먼저 퇴적된다. 희생 층(32)은 희생 층(31)을 덮고 흡수성 멤브레인(11) 및 단열 아암도 덮는다. 이후 종래의 포토리소그래피 기술을 사용하여, 희생 층(31, 32)은 판독 기판(2)의 표면[또는 상기 기판 상에 배치되는 타이 세그먼트(tie segments)]에 국소적으로 에칭된다. 에칭된 구역은 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이를 둘러싸는 연속적이고 폐쇄된 주연의 트렌치 형태를 취할 수 있다.
다음으로, 여기서는 비정질 규소로 이루어지고 희생 층(32)의 상위 표면 및 트렌치의 플랭크 양쪽 모두를 덮은 얇은 캡슐화 층(21)이 예를 들어 화학 증착(CVD)에 의해 퇴적된다. 얇은 캡슐화 층(21)은 열 검출기(10) 위의 소정 거리에 놓이는 상위 벽(21.1) 및 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이를 바람직하게는 연속적으로 XY 평면 내에서 둘러싸는 측벽(21.2)을 포함한다. 상위 벽(21.1)은 실질적으로 평면형이고, 현수된 멤브레인으로부터 0이 아닌 거리에서 열 검출기(10) 위에 놓이는데, 이 거리는 예를 들어 0.5 μm와 5 μm 사이, 바람직하게는 0.5 μm와 3.5 μm 사이, 바람직하게는 1.5 μm과 같다. 여기서, 측벽(21.2)은 XY 평면 내의 열 검출기(10)를 둘러싸기 위한 주연부(peripheral)이다. 이는 상위 벽(21.1)으로부터 연장되어 판독 기판(2) 상에 국소적으로 안착된다. 따라서, 얇은 캡슐화 층(21)은 이 예에서, 판독 기판(2)과 함께 공동(3)을 형성하도록 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이 위 그리고 그 주위를 연속적으로 연장한다. 얇은 캡슐화 층(21)은, 검출될 전자기 방사선을 투과시키는 재료, 여기서는 비정질 규소로 이루어지고, 유리하게는 λ/4nce의 홀수배(uneven multiple)와 동일한 평균 두께를 가지며, 여기서 λ는 관심 전자기 방사선의 검출 밴드의 중심 파장으로 예를 들어 LWIR 밴드의 경우에 10 μm이고, nce는 얇은 캡슐화 층(21)의 재료의 굴절률이다. 이는 수백 나노미터와 수 미크론 사이일 수 있으며, 예를 들어 약 800 nm와 동일하다.
도 2c, 2d 및 2e를 참조하면, 이어서 릴리프(23)가 얇은 캡슐화 층(21) 상에 그리고 더 정확하게는 그의 상위 벽(21.1) 상에 생성된다. 릴리프(23)는, 상위면(21a)으로부터 돌출부를 형성하는, 얇은 캡슐화 층(21) 위에서 국소적으로 연장하는 재료의 세그먼트를 의미한다. 유리하게는, 릴리프는 릴리프가 안착되는 얇은 캡슐화 층(21)의 상위면(21a)에 실질적으로 평행하게 놓이는 상위면(23a)을 갖는다. 상위면(23a)은 얇은 캡슐화 층(21)에 실질적으로 직교하여 연장되는 측면(23b)에 의해 접경된다. 따라서, 릴리프(23)는 실질적으로 직사각형 또는 정사각형 형상의 Z축에 평행한 횡방향 평면 내의 단면을 가질 수 있다. 이어서, 국소 두께(local thickness)가 Z축을 따르는 릴리프(23)의 국소 치수인 것으로 규정된다. 평균 두께(er)는 국소 두께의 평균인 것으로 규정된다. 이러한 평균 두께(er)는 물리 증착에 의해 후속적으로 생성되는 얇은 밀봉 층(24)의 연속성에서 국소 파괴를 유발하도록 선택된다.
이를 위해, 얇은 캡슐화 층(21)의 재료와 상이한 재료로 이루어지고 그에 대해 에칭 선택도(etch selectivity)를 갖는 층이 바람직하게 퇴적된다. 다음으로, 포토리소그래피 및 에칭에 의해, 퇴적된 층은 얇은 캡슐화 층(21) 상에 릴리프(23)를 형성하도록 국소적으로 구조화된다. 릴리프(23)는 얇은 캡슐화 층(21) 위로 연장하는 하나 이상의 종방향 세그먼트일 수 있다. 종방향 세그먼트는, 폭 및 두께의 횡방향 치수보다 큰 종방향 치수를 갖는 재료의 체적을 의미한다. 종방향 세그먼트들은 바람직하게는 인접하여 서로 연속적이지만, 변형예로서 서로 분리될 수 있다. 릴리프(23)는 XY 평면 내에서 동일한 정도의 치수를 갖는 하나 이상의 별개의 세그먼트로부터 형성될 수도 있다.
바람직하게는, 릴리프(23)는 2차원 어레이를 형성하고, 따라서, 정사영에서 각각의 열 검출기(10)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 종방향 세그먼트의, XY 평면에 평행한 2개의 횡방향 축을 따라 연장하는 것을 형성한다. 정사영에서 또는 기판에 대한 정사영에서는, 기판(2)의 평면에 평행한 평면 내에서 Z축을 따른 투영을 의미한다. 적어도 부분적으로는, 릴리프(23)의 종방향 세그먼트가 XY 평면 내의 열 검출기(10)의 단지 한 부분만을 둘러싸는 것을 의미한다. 따라서, 종방향 세그먼트는 서로 분리될 수 있다. 바람직하게는, 릴리프(23)의 종방향 세그먼트는 정사영에서 각각의 열 검출기(10)를 연속적으로 둘러싼다. 따라서, 상기 세그먼트들은 서로 결합되고 그에 따라 그 사이에 재료의 연속성을 갖는다.
바람직하게는, 릴리프(23)는 검출될 전자기 방사선의 투과를 방해하지 않도록, 열 검출기(10)로부터, 그리고 바람직하게는 흡수성 멤브레인(11)으로부터 정사영에서 소정 거리에 배치된다. 즉, 릴리프(23)는 흡수성 멤브레인(11)을 포함하지 않는 구역과 수직으로 배치된다. 따라서, 릴리프는 고정 필라(14)와 수직으로 배치될 수 있거나, 또는 심지어 2개의 이웃한 열 검출기(10)의 고정 필라(14) 사이를 통과하는 구역과 수직일 수 있다.
릴리프(23)는, 얇은 캡슐화 층(21) 상에서의 그리고 릴리프(23) 상에서의 물리 증착에 의한 얇은 밀봉 층(24)의 후속 생성 동안, 릴리프(23)의 존재가 얇은 밀봉 층(24)의 연속성의 국소 파괴, 즉 릴리프(23)에서 XY 평면 내의 얇은 밀봉 층(24) 재료의 불연속을 유발하도록 선택된 평균 두께(er)를 갖는다. 릴리프(23)는 얇은 밀봉 층(24)의 평균 두께(ecs)의 약 1/5 이상, 바람직하게는 1/4 이상, 바람직하게는 평균 두께(ecs)의 약 1/2 이상인 평균 두께(er)를 갖는다. 예로서, 평균 두께가 1800 nm인 얇은 밀봉 층(24)의 경우에, 릴리프(23)는 400 nm 이상, 예를 들어, 약 800 nm 또는 심지어 1000 nm와 동일한 두께를 가질 수 있다.
도 2f를 참조하면, 이어서 방출 벤트(22)를 형성하는 관통-오리피스를 생성하도록 얇은 캡슐화 층(21)의 국소 에칭이 수행된다. 여기서, 각각의 방출 벤트(22)는 유리하게는 흡수성 멤브레인(11)의 중심을 향해 위치된다. 이어서, 흡수성 멤브레인(11)은 문헌 EP3067675에 개시된 바와 같이 방출 벤트(22)를 향해 위치하는 관통-오리피스(도시 생략)를 갖도록 구조화될 수 있다.
도 2g를 참조하면, 이어서 각각의 열 검출기(10)의 흡수성 멤브레인(11)을 방출하고 공동(3)을 형성하기 위해, 다양한 희생 층(31, 32)이 여기서는 광물성 희생 층의 경우로 HF 증기의 습식 에칭에 의해 다양한 방출 벤트를 통해 제거된다. 이어서, 적절한 경우, 검출 장치(1)는 진공 하에 또는 저압 하에 배치된다.
도 2h 및 2i를 참조하면, 이어서 얇은 밀봉 층(24)이 얇은 캡슐화 층(21) 및 릴리프(23)를 덮도록 그리고 방출 벤트(22)를 차단하도록 퇴적된다. 얇은 밀봉 층(24)은 검출될 전자기 방사선을 투과시키고 굴절률이 높으며 예를 들어 게르마늄 또는 규소-게르마늄 합금으로 이루어진 재료로 이루어진다. 여기서, 평균 두께는 λ/4ncs의 홀수배와 실질적으로 동일하도록 조정되고, 여기서 ncs는 얇은 밀봉 층(24)의 재료의 굴절률이다. 예로서, 얇은 밀봉 층(24)은 게르마늄으로 이루어질 수 있고 약 1800 nm의 평균 두께를 가질 수 있다.
얇은 밀봉 층(24)의 재료는 얇은 캡슐화 층(21)의 재료와 상이하고, 상이한 열 팽창 계수를 갖는다. 예로서, 밀봉 층의 재료는, CTE가 약 5.9x10-6 K-1과 동일한 게르마늄일 수 있는데, 이는 이 실시예에서 CTE가 약 2.6x10-6 K-1인 얇은 캡슐화 층(21)의 비정질 규소와는 상이하다.
퇴적은 물리 증착(PVD)에 의해, 그리고 예를 들어 진공 증발(vacuum evaporation), 전자-빔 증발(electron-beam evaporation), 또는 캐소드 스퍼터링에 의해 수행된다. PVD 퇴적은 수용 영역의 상위면 상에 재료의 얇은 층을 형성하는 정도이다. 따라서, 얇은 밀봉 층(24)의 재료는 릴리프(23)로 코팅되지 않은 얇은 캡슐화 층(21)의 상위면(21a) 상에 그리고 릴리프(23)의 상위면(23a) 상에 퇴적된다. 얇은 밀봉 층(24)의 재료는 (화학 증착에 의해 수행되는 등각 퇴적과 달리) 릴리프(23)의 측면(23b) 상에는 실질적으로 퇴적되지 않아서, 얇은 밀봉 층(24)의 연속성의 국소적 파괴를 초래한다. 그 결과, 얇은 밀봉 층(24)은 얇은 캡슐화 층(21) 상에 안착되는 적어도 하나의 층 세그먼트(24.1), 여기서는 스트립 형태를 취하는 종방향 패드로부터 그리고 릴리프(23) 상에 안착되는 적어도 하나의 패드(24.2)로부터 형성된다. 각각의 층 세그먼트(24.1)는 개별적이고 그에 따라 인접한 종방향 패드(24.2)와의 재료의 연속성을 갖지 않는다. 즉, 각각의 층 세그먼트(24.1) 및 하나 이상의 인접한 패드(24.2)들 사이에(그리고 그 역으로도) 물리적 분리가 존재한다.
릴리프(23)가 열 검출기(10)에 주위에 연속적인 2차원 어레이를 형성하면, 종방향 패드(24.2)는 서로 결합되고, 또한 릴리프(23)의 연속 어레이와 중첩되는 연속 어레이를 형성한다. 따라서, 연속성의 파괴, 즉 한편으로는 종방향 패드(24.2)들 사이에 그리고 다른 한편으로는 하나 이상의 인접한 층 세그먼트(24.1)들 사이에 물리적 분리가 존재한다. 또한, 인접한 층 세그먼트(24.1)는 평면 XY에서 서로 분리된다.
층의 연속성의 파괴는 릴리프(23)로 인한 층의 평면성(planarity)의 단순한 파괴와 상이하다는 것이 이해될 것이다. 여기서 설명된 것은, 예를 들어 릴리프로 국소적으로 코팅된 편평한 표면 상의 층의 등각 퇴적을 설명하는 종래 기술의 문서의 개시내용과 상이하다. 따라서, 이 퇴적된 층은 릴리프의 상기 면 및 편평한 표면에 대해 연속적으로 연장될 수 있다. 이 경우, 릴리프는 층의 연속성의 파괴(breakage)가 아니라, XY 평면 내에서 퇴적된 층의 평면성의 파열(rupture)을 초래한다. 즉, 릴리프 상에 위치된 층의 부분은 편평한 표면 상에 위치된 층의 부분으로부터 분리되지 않는다(물리적으로 분리되지 않는다).
또한, 연속성의 국소적 파열은 릴리프(23) 상에 안착된 패드(24.2)와 관련된 쉐도우잉 효과(shadowing effect)에 의해 보강될 수 있다. 구체적으로는, 특히 증발에 의한 퇴적 동안 퇴적되는 재료의 PVD 소스의 배출의 준-단방향성(quasi-unidirectionality) 때문에, 패드(24.2)는 +Z 방향으로 넓어지는, 즉 XY 평면 내 폭이 +Z 방향에서의 릴리프(23)로부터의 거리에 따라 증가하는, 단면을 갖는다. 패드(24.2)의 이러한 넓어짐(flaring)은 +Z 방향으로의 층 세그먼트(24.1)의 협소화를 초래한다. 이러한 쉐도우잉 효과는 얇은 캡슐화 층(21)의 연속성의 국소 파괴를 강화한다.
그 결과, 릴리프(23)의 존재로 인해, 평균 두께(er)는 얇은 밀봉 층(24)의 평균 두께(ecs)에 따라 선택되고, 얇은 밀봉 층(24)의 연속성의 국소 파괴가 릴리프(23)에서 형성된다. 따라서, 얇은 밀봉 층(24)은 XY 평면 내에 재료의 불연속을 가지며, 이는 얇은 캡슐화 층(21) 및 밀봉 층(24)의 재료 사이의 열 팽창 계수의 차이로부터 초래되는 기계적 응력의 완화 구역을 형성한다. 따라서, 캡슐화 구조(20)의 기계적 강도가 개선된다.
릴리프(23)가 열 검출기(10) 각각을 연속적으로 접경하는(bounding) 2차원 어레이를 형성하는 것이 특히 유리하다. 따라서, 퇴적된 얇은 밀봉 층(24)은 이후, 서로 분리되고 인접 패드(24.2)로부터 분리되며, 각각 하나의 열 검출기(10)를 향해 배치되는, 복수의 층 세그먼트(24.1)로부터 형성된다. 기계적 응력의 완화 구역은 얇은 밀봉 층(24)의 각각의 세그먼트(24.1)를 둘러싸는데, 이는 캡슐화 구조(20)의 기계적 강도를 추가로 개선한다.
도 2j를 참조하면, 얇은 밀봉 층(24)을 덮도록 PVD에 의해 퇴적되는 얇은 반사방지 층(25)이 바람직하게 생성된다. 사용되는 퇴적 기술, 즉, PVD 및 얇은 밀봉 층(25)의 연속성의 국소 파괴로 인해, 얇은 반사방지 층(24)도 연속성의 국소적 파괴를 포함한다. 이는 여기에서, 서로 분리되고 얇은 밀봉 층(24)의 세그먼트(24.1)를 덮는 층 세그먼트(25.1)로부터 그리고 별개이며 얇은 밀봉 층(24)의 하접하는 종방향 패드(24.2)를 덮는 종방향 패드(25.2)로부터 형성된다. 얇은 반사방지 층(25)은 ZnS로 이루어질 수 있고, 수백 나노미터와 수 미크론 사이, 예를 들어 LWIR 방사선의 검출의 맥락에서 약 1.2 μm와 동일한 평균 두께를 갖는다.
따라서, 본 제조 공정으로 인해, 캡슐화 구조(20)가 개선된 기계적 강도를 갖는 검출 장치(1)를 획득할 수 있다. 유리하게는, 서로 분리된, 즉 XY 평면에서 그 사이에 재료의 연속성이 없는 상태인 복수의 층 세그먼트(24.1, 25.1)의 형태로 얇은 밀봉 층(24) 및 얇은 반사방지 층(25)이 생성될 수 있게 된다. 따라서, 캡슐화 구조(20)의 다양한 재료의 CTE 사이의 차이로부터 초래되는 기계적 응력이 효과적으로 완화될 수 있다. 따라서, 캡슐화 구조(20)는, 예를 들어, 공동(3) 내에 위치되는 게터 재료의 약 300°C에서의 활성화와 같은, 고온에 대한 열 노출(thermal exposure) 동안 개선된 기계적 강도를 갖는데, 이 게터 재료는 공동을 충분한 진공 레벨에서 유지하기 위해 공동(3) 내에 잠재적으로 존재하는 잔류 가스와 반응하도록 의도된다. 이는 얇은 밀봉 층(24) 및/또는 얇은 반사방지 층(25)을 퇴적시키는 단계, 또는 심지어 패키지 내의 일체형 검출 칩을 밀봉하는 데 사용되는 브레이징 단계 등에 관한 문제일 수도 있다.
본 제조 공정은 연속성의 국소 파괴를 획득하기 위해, 얇은 밀봉 층(24) 그리고 적절한 경우에는 얇은 반사방지 층(25)을 국소 에칭하는 특정 단계를 구현해야만 하는 것을 회피할 수 있게 하는데, 이때 상기 층들은 예를 들어 도 1의 구성에서 그러한 효과를 획득하기 위해 선택된 두께를 갖는 릴리프(23)를 포함하지 않는 얇은 캡슐화 층(21) 상에 퇴적되었다. 또한, 이는 그러한 국소 에칭으로부터 초래될 수 있는 단점을 회피하는 것을 가능하게 한다.
구체적으로, 얇은 밀봉 및 반사방지 층의 국소 습식 에칭을 수행하는 것이 가능할 것이고, 후자는 얇은 캡슐화 층(21) 위에 편평한 방식으로 연장된다. 그러나, 습식 에칭의 등방성 특징은 에칭될 얇은 층의 두께의 2배 정도의 측방 에칭(sideways etch)을 초래할 수 있다. 따라서, 약 3000 nm 정도의 얇은 밀봉 및 반사방지 층의 전체 평균 두께에 대해, XY 평면 내의 약 6 μm의 횡방향 치수를 갖는 트렌치가 획득될 것이고, 이는 특히 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이의 픽셀의 피치가 12 μm 이하 정도인 경우에 검출 장치(1)의 성능에 대한 용인할 수 없는 효과를 미칠 것이다.
또한, 이는 얇은 밀봉 및 반사방지 층의 국소 건식 에칭(예를 들어 국소 플라즈마 에칭)을 수행하는 것도 가능하게 할 것이다. 그러나, 얇은 밀봉 층(24)을 생성하는 데 사용되는 재료는 비정질 규소에 대한 게르마늄의 경우와 같이 얇은 캡슐화 층(21)의 재료에 대한 낮은 에칭 선택도를 가질 수 있다. 따라서, 건식 에칭은 시간적으로(timewise) 제어될 것이고, 따라서 이는 가능하게는 얇은 밀봉 층(24)의 부분적인 에칭 및 그에 따른 연속성의 국소 파괴의 부재를 초래하거나 얇은 밀봉 층(24)의 완전한 에칭을 초래하지만, 또한 얇은 캡슐화 층(21)의 (부분적인) 에칭도 초래하는데, 이로 인해 캡슐화 구조(20)의 기계적 강도의 훨씬 큰 감소가 초래될 것이다. 얇은 캡슐화 층 및 밀봉 층의 재료 사이의 에칭 선택도의 부재를 완화하기 위해, 얇은 에칭 정지 층이 상기 2개의 얇은 층들 사이에 삽입될 수 있지만, 얇은 에칭 정지 층의 재료가 검출될 전자기 방사선을 0이 아닌 비율로 흡수할 수 있는 한, 검출 장치(1)의 성능이 저하된다.
따라서, 본 발명에 따른 제조 공정은 릴리프(23)의 존재를 통해서 얇은 밀봉 층(24) 및 적절한 경우에 얇은 반사방지 층(25)의 연속성의 국소 파괴를 생성함으로써 캡슐화 구조(20)의 기계적 강도를 개선할 수 있게 하는데, 이때 릴리프(23)는 이를 위해 선택된 두께를 갖는다. 얇은 밀봉 및 반사방지 층을 국소 에칭하는 특정 단계에 의존할 필요가 없으며, 이로 인해 특히 검출 장치(1)의 성능이 보존될 수 있게 한다.
특정 실시예가 단지 설명되었다. 다양한 변형 및 수정이 본 기술 분야의 기술자에게 명백할 것이다.
Claims (11)
- 기판(2) 상에 안착된 적어도 하나의 열 검출기(10) 및 열 검출기(10)가 위치되는 공동(3)을 기판(2)과 함께 형성하는 하나의 캡슐화 구조(20)를 포함하는 전자기 방사선을 검출하기 위한 장치(1)를 제조하는 공정으로서,
기판(2) 상에 퇴적된 적어도 하나의 제1 희생 층(31)으로부터 열 검출기(10)를 생성하는 단계,
제1 희생 층(31) 상에 안착된 적어도 하나의 제2 희생 층(32)으로부터 열 검출기(10) 위로 연장하는 캡슐화 구조(20)의 얇은 캡슐화 층(21)을 생성하는 단계로서, 얇은 캡슐화 층(21)은 캡슐화 재료로 이루어지는, 얇은 캡슐화 층(21)을 생성하는 단계,
물리 증착(PVD)에 의해, 얇은 캡슐화 층(21)을 덮은 얇은 밀봉 층(24)을 생성하는 단계로서, 얇은 밀봉 층(24)은 캡슐화 재료의 열 팽창 계수와 상이한 열 팽창 계수를 갖는 밀봉 재료로 이루어지는, 얇은 밀봉 층(24) 생성 단계를 포함하는, 제조 공정에 있어서,
얇은 밀봉 층(24)을 생성하는 단계 전에, 얇은 캡슐화 층(21) 상에 적어도 하나의 릴리프(23)를 생성하는 단계로서, 릴리프(23)는 얇은 밀봉 층(24)의 퇴적 동안 얇은 밀봉 층(24)이 얇은 캡슐화 층(21) 상에 안착되는 적어도 하나의 층 세그먼트(24.1) 및 층 세그먼트(24.1)로부터 분리되어 릴리프(23) 상에 안착되는 적어도 하나의 패드(24.2)로부터 형성되고 이에 의해 릴리프(23)에서 얇은 밀봉 층(24)의 연속성의 국소 파괴가 형성되도록 하는 평균 두께를 갖는, 적어도 하나의 릴리프(23) 생성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조 공정. - 제1항에 있어서, 릴리프(23)는, 기판(2)에 대한 정사영에서 열 검출기(10)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 종방향 세그먼트의 2차원 어레이를 형성하는, 제조 공정.
- 제2항에 있어서, 기판(2)에 대한 정사영에서의 릴리프(23)의 종방향 세그먼트의 상기 어레이는 열 검출기(10)를 연속적으로 둘러싸서, 패드(24.2)는 릴리프(23)의 종방향 세그먼트의 상기 어레이에 대해 연속적으로 연장되고 릴리프(23)의 종방향 세그먼트의 상기 어레이에 의해 둘러싸인 층 세그먼트(24.1)로부터 분리되는, 제조 공정.
- 제1항에 있어서, 열 검출기(10)는, 기판(2) 위에 현수되고 검온 변환기(12)를 포함하는 흡수성 멤브레인(11)을 포함하고, 릴리프(23)는 기판(2)에 대한 정사영에서 흡수성 멤브레인(11)으로부터 거리를 두고 배치되는, 제조 공정.
- 제1항에 있어서, 얇은 밀봉 층(24)은 평균 두께(ecs)를 갖고, 릴리프(23)는 평균 두께(ecs)의 1/5 이상인 평균 두께(er)를 갖는, 제조 공정.
- 제1항에 있어서, 릴리프(23)를 생성하는 단계는 얇은 캡슐화 층(21)의 재료와 상이한 재료로 이루어진 제1 층을 퇴적하는 단계, 및 후속하여 릴리프(23)를 형성하도록 얇은 캡슐화 층(21)에 대해 제1 층을 선택적으로 에칭함으로써 제1 층을 국소적으로 구조화하는 단계를 포함하는, 제조 공정.
- 제1항에 있어서, 검출 장치(1)는 상기 공동(3) 내에 배치되는 열 검출기(10)의 매트릭스 어레이를 포함하고, 릴리프(23)는 기판(2)에 대한 정사영에서 열 검출기(10) 각각을 적어도 부분적으로 둘러싸는 종방향 세그먼트의 2차원 어레이를 형성하는, 제조 공정.
- 제1항에 있어서, 얇은 캡슐화 층(21)은 규소계이고 얇은 밀봉 층(24)은 게르마늄계인, 제조 공정.
- 제1항에 있어서, 얇은 밀봉 층(24)은 증발에 의해 퇴적되는, 제조 공정.
- 제1항에 있어서, 얇은 밀봉 층(24) 상에 물리 증착에 의해 얇은 반사방지 층(25)을 생성하는 단계를 포함하고, 얇은 반사방지 층(25)은 연속성의 국소 파괴를 갖는, 제조 공정.
- 제1항에 있어서,
○ 릴리프(23)를 생성하는 단계와 얇은 밀봉 층(24)을 생성하는 단계 사이에, 얇은 캡슐화 층(21)을 통해 방출 벤트(22)로 지칭되는 적어도 하나의 관통-오리피스를 형성하는 단계로서,
● 이어서, 얇은 밀봉 층(24)이 방출 벤트(22)를 차단하도록 생성되는, 적어도 하나의 관통-오리피스 형성 단계,
○ 방출 벤트(22)를 통해 희생 층(31, 32)을 제거하는 단계를 포함하는, 제조 공정.
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