The packaging of microbolometer has been recognized as the most important technology to commer-cialize the product. Metal packaging and ceramic packaging have been used as the main technology for micro-bolometer up to date. However, packaging remains as a bottleneck because most cost of infrared detector sys-tem was occupied by packaging. For commercialization, microbolometer requires the hermetic zero-level pack-aging with a low process temperature.
The main research objective in this work is aiming the development on new hermetic vacuum sealed packaging for microbolometer. In this work, a novel thin-film encapsulation technology using the porous anod-ic alumina (PAA) membrane by post-deposition pore formation as the encapsulation packaing, was successfully demonstrated. Polyimide sacrificial layer was release away with O2 plasma through the vertical pore of porous anodic alumina membrane. To achieve the selective anodization, we using the dual-step anodization method that proposed new concept in this work. Subsequent sealing layer is conducted by the deposition of PECVD SiN which has the high IR transmittance at LWIR region on porous anodic alumina membrane for hermetic vacuum sealing in 1 Torr ambient. During the deposition of PECVD SiN sealing layer, no internal deposition into the cavity of packaging occurred because fabricated porous anodic alumina membrane has the high aspect ratio 9:1 with 50nm pore diameter and 450nm height. The hermeticity of encapsulated thin-film packaging has been demonstrated by measuring the change in the center deflection of the sealing layer over 7 days. The results were well matched with the simulation result from ConventoWare??. Also, despite the lower inside vacuum lever of packaging, the center deflection was little changed. This was caused that absolute quantity of pressure difference between packaging inside and outside was much smaller. Simulation results from CoventoWare?? for center deflection of inner vacuum level of packaging 10 mTorr and 1 Torr indicated the little difference under 10nm. Final sealing layer for packaging is 450nm porous anodic alumina plus 2.2㎛PECVD SiN that suitable encapsulation shell for microbolometer due to high IR transmittance in LWIR (93.7% from Essential Macleod?? simulation). Thin-film encapsulation technique with porous anodic alumina provides a low-cost, low-temperature, and robust packaging solution to commercialize the MEMS devices, especially microbolometer
열을 가진 모든 물체가 복사하는 적외선을 통해 빛이 없는 어두운 환경에서도 사물을 볼 수 있도록 해주는 적외선 영상장치는 기존에는 군수 분야를 중심으로 사용되어 왔으나, 최근 보안용 및 자동차 시야보조장치, 설비 유지보수를 비롯한 민수 분야에서의 활용이 급속히 확대되고 있다. 미소전자기계시스템 (MEMS) 기술을 이용한 적외선 소자의 성능은 눈부신 발전을 이루었지만, 고비용의 패키징은 적외선 시스템의 상용화를 가로 막는 방해 요인으로 작용하고 있다. 적외선 센서 제작 후, 각각의 칩을 별도로 금속 혹은 세라믹을 이용해 진공 패키징 하던 종래의 기술에서 탈피하여, 센서 제작단계에서 패키징까지 일괄하여 진행 가능한 적외선 센서용 웨이퍼 레벨 패키징 (WLP, Wafer-Level Packaging) 기술 확보를 통해 적외선 시스템의 가격과 부피를 감소 시킴으로써 민수 분야에서의 상용화를 이룩할 수 있다.
본 연구에서는 MEMS 패키징 기술을 이용하여 진공 및 적외선 대역에서의 높은 투과율이 필요한 적외선 센서 기술과 융합하여 반도체 공정으로 제작 가능한 적외선 센서용 패키징 기술을 개발 하는 것이다. 현재 MEMS 패키징 분야에서 활발히 연구되고 있는 박막 봉합형 패키징 방식의 희생층release 및 sealing 문제를 해결하면서 밀폐성이 확보된 패키징을 얻기 위해 다공성 양극 알루미늄 산화막을 이용하였다. 저비용의 양극 산화 방식을 이용하여 나노 크기의 수직 기공을 통하여 폴리이미드 희생층을 건식 에칭하여 제거함으로써, 기존의 마이크로미터 크기의 release hole을 가지는 박막 봉합형 패키징 방식의 문제점을 해결할 수 있었다. 또한 PVD (Physical Vapor Deposition) 방식을 이용해 적외선 영역에서 높은 투과도를 가지는 알루미늄 산화막을 두껍게 형성하기 위해서는 많은 시간과 비용이 소모되지만, 알루미늄을 양극 산화 시키는 방법을 이용함으로써 공정 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있었다. 또한 알루미늄의 선택적 양극화를 위해 새로운 방식의 dual-step anodization 을 제안하였다. 위 방식은 실리콘 산화막, 혹은 실리콘 질화막 등의 추가적인 증착과 패터닝 과정 없이, 접착성이 낮은 감광제만을 이용하더라도 저비용으로 단시간에 선택적 양극화가 가능하다는 장점이 있다. 적외선 센서의 성능을 향상시키기 위해 반드시 필요한 진공 패키징을 위해서는 PECVD 방식을 이용하여 실리콘 질화막을 증착하였다. 증착하는 실리콘 질화막의 두께는 Essential Macleod?? 시뮬레이션을 통해 적외선 영역에서의 80%이상의 투과도를 가지고, 패키징 내부와 외부의 압력 차이로 인한 밀폐층의 휘어짐을 고려하여 CoventoWare?? 시뮬레이션을 통해 결정하였다. 1 Torr, 300°C 환경에서 2.2㎛ 실리콘 질화막을 증착함으로써, 93.7%의 적외선 투과도를 가지고 압력차이로 인한 밀폐층의 휘어짐이 0.54㎛를 가지는 적외선 센서용 박막 봉합형 패키징을 구현 할 수 있었다. 제작된 패키징의 밀폐성을 확인하기 위해 dual cavity 형태로 제작된 패키징의 한 쪽을 프로브 팁으로 파괴 시키고 밀폐층의 휘어짐의 변화를 측정하였다. 그 결과, 시뮬레이션과 유사한 결과를 얻어 내부 기압이 1Torr 진공 패키징이 되었음을 확인 할 수 있었다. 7일간의 밀폐층 휘어짐 관찰을 통해 패키징의 밀폐성이 유지되고 있음을 확인하였다. 또한 적외선 센서가 요구하는 10 mTorr 환경에서도 밀폐층의 휘어짐은 10nm이내로 변하는 것이 시뮬레이션을 통해 검증되었기 때문에, 본 연구를 통해 제작된 패키징 방식이 적외선 센서용으로 사용되기에 충분한 기계적 강도를 가지고 있음이 예측되었다.
본 연구에서 제안한 다공성 양극 알루미늄 산화막을 이용한 적외선 센서의 박막 봉합형 패키징 방법은 저비용, 짧은 공정시간으로 제작이 가능하며, 300°C 이하의 공정 온도를 가지므로 적외선 센서를 비롯한 대부분의 MEMS 소자에 적용이 가능하다. 또한 CMOS 공정과 호환이 가능하므로, 본 연구의 further work 에서 제안한 column-level 패키징 방식과 융합한다면 저비용, 소형 모듈 적외선 시스템의 상용화를 가능하게 할 수 있을 것으로 생각된다.
