KR100906152B1 - 마이크로 볼로미터용 저항재료, 이의 제조방법 및 이를포함한 마이크로 볼로미터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 볼로미터용 저항재료, 이의 제조방법 및 이를 포함한 마이크로 볼로미터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 저항재료는 실리콘에 안티몬 또는 안티몬과 게르마늄을 혼합함으로 얻은 합금이며, 이런 저항재료는 높은 TCR을 가지며, 낮은 저항값을 나타낸다.
마이크로 볼로미터, 실리콘, 안티몬
Description
본 발명은 마이크로 볼로미터용 저항재료, 이의 제조방법 및 이를 포함한 마이크로 볼로미터에 관한 것이고, 보다 상세하게는 실리콘에 안티몬 또는 안티몬과 게르마늄을 혼합한 합금을 마이크로 볼로미터용 저항재료로 사용하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부의 IT원천기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-02, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합센서기술개발].
적외선을 감지하기 위해서는 감지하고자 하는 적외선 파장영역에 따라서 다양한 방법들을 사용한다.
근적외선을 감지하기 위해서는 주로 광자형 적외선 감지소자를 사용한다. 광 자형 적외선 감지소자는 반도체의 광 기전 효과를 이용하여 흡수된 적외선에 의해 야기된 광자를 검출하는 것으로써 감도가 매우 좋으며, 응답속도가 빠른 장점을 갖고 있다. 그러나 최고의 감도에서 동작하기 위해서는 극저온의 냉각시스템을 필요로 하는 단점이 있다.
이에 반하여 중, 원적외선을 감지하는 감지소자의 경우는 대체로 적외선에 의하여 생성된 열을 감지할 수 있는 소자를 주로 사용하고 있다. 열을 감지하는 적외선 감지소자는 그 감지방식에 따라서 볼로미터형, 열전대형, 그리고 초전형으로 나뉠 수 있다. 열형 적외선 센서는 감도가 광자형에 비해서 낮고 응답속도도 상대적으로 낮으나, 극저온의 냉각장치를 필요로 하지 않으므로 소형화 및 다양한 응용에서 주목받고 있다. 일반적으로 비냉각형 적외선 센서는 8 마이크론에서 14 마이크론 범위의 적외선 파장을 감지한다. 이러한 비냉각형 적외선 센서를 제작하기 위해서는 기판과 일정한 높이(중심 파장의 1/4의 높이에 해당한다.)를 갖는 다층의 멤브레인 구조가 필요하다. 이러한 멤브레인은 흡수층, 절연층, 저항체층, 전극층 등으로 구성되며, 이중에서 마이크로 볼로미터의 성능을 결정하는 것은 저항체층이 될 수 있다.
현재 마이크로 볼로미터용 저항체의 재료로 가장 많이 사용되는 것은 주로 산화 바나듐이다. 그 조성에 따라서 대표적인 것으로써 V2O5와 VO2가 존재한다. 이 중에서 마이크로 볼로미터용 저항체로 사용되는 재료는 VO2이다.
산화 바나듐은 도핑에 사용되는 금속재료의 성분 및 산소의 함유량에 따라서 매우 다양한 TCR값을 나타내는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 산소량이 적절히 조절된 VO2가 저항체로 사용되었을 경우 TCR은 -2 ~ -4 %/K 정도를 나타낸다고 알려져 있다. 제조된 박막의 저항이 비교적 낮아 Johnson 잡음이 거의 없으며, 주파수의 변화에 따른 잡음도 매우 낮다고 알려져 있다.
일반적으로 이러한 산화 바나듐을 제조하기 위해서는 스퍼터링법을 사용하는데, VO2의 경우는 조성을 정확하게 조절하기가 매우 어렵다고 알려져 있다. 따라서 이러한 공정특성으로 인하여 반도체 일괄 공정을 이용하여 MEMS구조물과의 정합공정을 진행하는 것은 공정상 매우 큰 장애물이 있다고 할 수 있다.
한편 이러한 산화 바나듐을 이용한 공정의 어려움을 극복하기 위하여 비정질 실리콘을 저항체로 이용하는 마이크로 볼로미터에 대한 연구도 상당히 많이 진행되고 있다. 그러나 일반적으로 비정질 실리콘의 경우는 산화 바나듐을 저항체로 이용한 경우보다 TCR (Temperature Coefficient of Resistance)이 상대적으로 낮으며, 신호 재생시 잡음의 수준에 영향을 주는 저항값이 크게 나타나는 것으로 알려져 있다. 텍사스 인스트루먼트 및 L-3 사에서 제작한 마이크로 볼로미터의 경우는 비정질 실리콘의 두께가 100 ~ 200 nm인 경우 저항이 10 ~ 30 MΩ에 이르는 것으로 보고되어 있다. 그러나 이러한 저항수준은 1/f 잡음을 발생시키며, 이에 따른 마이크로 볼로미터의 성능을 저하시키는 단점이 될 수 있다. 또한 낮은 저항은 적외선 센서에서 생성된 신호를 처리하는 ROIC (Read Out Integrated Circuit)의 설계시 더 많은 자유도를 허용할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 TCR을 산화 바나듐과 비슷한 수준으로 유지하면서, 저항값을 낮출 수 있는 실리콘 합금을 마이크로 볼로미터용 저항체로 제안하는 것이다.
본 발명은 실리콘에 안티몬 또는 안티몬과 게르마늄을 동시에 첨가하여 높은 TCR을 가지며, 낮은 저항값을 나타내는, 8 마이크론에서 14 마이크론 범위의 적외선 파장을 감지하는 마이크로 볼로미터용 저항재료를 구현하는데 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘과 안티몬 합금의 조성이 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%인 마이크로 볼로미터용 저항재료를 제공한다.
또한, 본 발명은 실리콘과 안티몬의 상대비율을 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%로 유지하면서, 게르마늄(Ge)을 24at% 내지 33at%로 조절하여 혼합한 마이크로 볼로미터용 저항재료를 제공한다.
본 발명은 RF 또는 DC 전력이 인가되도록 구성된 2개의 독립된 타켓을 갖는 챔버를 준비하는 단계; 상기 각각의 챔버 내에 실리콘/안티몬 합금을 제조하기 위하여 실리콘과 안티몬을 독립적으로 도입하는 단계; 및 각각의 챔버에 독립적으로 전력을 인가하여 합금의 조성을 제어하는 단계를 포함하는 마이크로 볼로미터용 저항재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 RF 또는 DC 전력이 인가되도록 구성된 3개의 독립된 타켓을 갖는 챔버를 준비하는 단계; 상기 각각의 챔버 내에 실리콘/안티몬/게르마늄 합금 을 제조하기 위하여 이들을 각각 독립적으로 도입하는 단계; 및 각각의 챔버에 독립적으로 전력을 인가하여 합금의 조성을 제어하는 단계를 포함하는 마이크로 볼로미터용 저항재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 실리콘에 안티몬 또는 안티몬과 게르마늄을 혼합한 합금은 TCR이 산화 바나듐과 유사하면서도 기존의 비정질 실리콘의 저항보다는 낮은 값을 가지므로 1/f 잡음을 줄이고, ROIC의 설계시 더 많은 자유도를 허용하여 다양한 설계를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 저항재료는 실리콘과 안티몬의 조성이 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%인 합금과, 실리콘과 안티몬의 상대비율을 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%로 유지하면서, 게르마늄을 24at% 내지 33at%로 조절하여 혼합한 합금이다. 예를 들어, 실리콘, 안티몬, 게르마늄의 합금 조성은 Si30.4Sb45.6Ge24 또는 Si26.8Sb40.2Ge33이 될 수 있다.
상기와 같이 실리콘에 안티몬 또는 안티몬과 게르마늄이 동시에 첨가된 합금은 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 제조한다.
마그네트론 스퍼터링을 수행하기 위해서 2개 또는 3개의 독립된 타겟을 갖는 챔버가 구비되어야 하며, 구비된 챔버에 독립적으로 RF 또는 DC 전력을 인가하도록 챔버가 구성되어야 한다.
실리콘에 안티몬 또는 안티몬과 게르마늄이 동시에 첨가된 실리콘 계열의 합금을 제조하기 위해서는 각각의 타겟에 인가하는 RF 또는 DC 전력을 독립적으로 조절하여 조성을 제어한다.
실리콘과 안티몬의 조성이 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%인 저항재료의 경우, 실리콘에 인가하는 전력은 200 W 내지 300 W로 조절하며, 안티몬의 경우는 50 W 내지 125 W 이내로 제어되어야 한다.
또한, 실리콘과 안티몬의 상대비율을 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%로 유지하면서, 게르마늄을 24at% 내지 33at%로 조절하여 혼합한 합금의 경우, 실리콘에 인가하는 전력은 200 내지 300W로 조절하고, 안티몬의 경우 15 내지 75W로 조절하고, 게르마늄의 경우, 50 내지 200W로 제어되어야 한다.
이러한 전력조건에서 실리콘 계열의 합금을 증착하기 위한 챔버내의 압력은 2 mTorr 내지 5 mTorr 사이가 되도록 아르곤 기체를 도입하여 압력을 제어한다.
증착되는 실리콘 계열의 합금의 원활한 합성을 위해서 시료의 온도를 200℃ 내지 400℃가 되도록 제어한다.
상기와 같이 제작되는 실리콘에 안티몬 또는 안티몬과 게르마늄이 혼합된 합금은 포칼 플레인 어레이(Focal Plane Array)에 저항체로 사용되어 마이크로 볼로미터에 사용될 수 있다.
실시예
1 내지 19
RF 또는 DC 전력이 인가되도록 구성된 2개의 독립된 타켓을 갖는 챔버를 준비하였다. 상기 각각의 챔버 내에 실리콘/안티몬 합금을 제조하기 위하여 실리콘과 안티몬 시료를 독립적으로 도입하였다. 이어서 합금을 증착하기 위하여 챔버내의 압력을 5mTorr로 하고, 시료를 200℃로 가열하였다. 이어서, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 실리콘이 들어있는 챔버에 200 내지 300W의 사이에서 전력을 인가하고 안티몬이 들어있는 챔버에 50 내지 125W의 전력을 인가하여 실리콘/안티몬 합금을 제조하였다.
상기 실시예에서 얻어진 합금의 TCR 및 저항을 하기 표 1에 나타내었다.
상기 실시예중 증착압력이 5 mTorr, 실리콘의 인가전력이 250 W, 안티몬의 인가전력이 50 W, 시편의 가열온도가 200℃ 인 경우 TCR을 도 2에 나타내었다. 이 경우 저항값은 2.4 MΩ으로 도 1에 제시된 PECVD법으로 제조된 비정질 실리콘보다 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
상기한 최적의 특성을 나타내기 위한 실리콘과 안티몬의 조성범위는 실리콘의 경우 40% 내지 55% (원자조성분율), 안티몬의 경우는 45% 내지 60% (원자조성분율)이 될 수 있다. 이러한 조성관계를 RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy)로 분석한 결과를 도 3에 나타내었다. 한편 이러한 조성의 변화는 각각에 타겟에 인가하는 전력을 조절함으로 얻을 수 있다.
한편 실리콘에 안티몬과 게르마늄을 동시에 첨가하는 경우에는 실리콘과 안티몬의 상대 조성비율을 상기한 조건으로 유지하면서 게르마늄의 비율을 24 % 내지 33 % (원자조성분율)로 조절한 경우 최적의 TCR과 저항값을 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 비정질 실리콘을 저항재료를 이용한 경우의 TCR 그래프.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 안티몬 합금의 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 안티몬 합금의 조성분석 그래프.
Claims (9)
- 실리콘과 안티몬 합금의 조성이 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%인 마이크로 볼로미터용 저항재료.
- 실리콘과 안티몬의 상대비율을 실리콘(Si) 40 내지 55 at% 및 안티몬(Sb) 45 내지 60 at%로 유지하면서, 게르마늄을 24at% 내지 33at%로 조절하여 혼합한 마이크로 볼로미터용 저항재료.
- RF 또는 DC 전력이 인가되도록 구성된 2개의 독립된 타켓을 갖는 챔버를 준비하는 단계;상기 각각의 챔버 내에 제1항에 따른 저항재료를 제조하기 위하여 실리콘과 안티몬을 독립적으로 도입하는 단계; 및각각의 챔버에 독립적으로 전력을 인가하여 저항재료의 조성을 제어하는 단계를 포함하는 마이크로 볼로미터용 저항재료의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,실리콘이 도입된 챔버에 인가되는 전력은 200W 내지 300W이고, 안티몬이 도입된 챔버에 인가되는 전력은 50W 내지 125W인 마이크로 볼로미터용 저항재료의 제조방법.
- RF 또는 DC 전력이 인가되도록 구성된 3개의 독립된 타켓을 갖는 챔버를 준비하는 단계;상기 각각의 챔버 내에 제2항에 따른 저항재료를 제조하기 위하여 실리콘, 안티몬 및 게르마늄을 독립적으로 도입하는 단계; 및각각의 챔버에 독립적으로 전력을 인가하여 합금의 조성을 제어하는 단계를 포함하는 마이크로 볼로미터용 저항재료의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,실리콘이 도입된 챔버에 인가되는 전력은 200W 내지 300W이고, 안티몬이 도입된 챔버에 인가되는 전력은 15W 내지 75W이고, 게르마늄이 도입된 챔버에 인가되는 전력은 50 내지 200W인 마이크로 볼로미터용 저항재료의 제조방법.
- 제 3항 내지 제6항중 어느 하나의 항에 있어서,상기 챔버내의 압력은 2mTorr 내지 5mTorr이고, 시료의 온도는 200 내지 400℃인 마이크로 볼로미터용 저항재료의 제조방법.
- 제 1항에 따른 저항재료를 저항체로 사용한 마이크로 볼로미터.
- 제 2항에 따른 저항재료를 저항체로 사용한 마이크로 볼로미터.
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