KR101439263B1 - 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 것으로서, 마이크로볼로미터 적외선 검출 소자의 온도에 따른 저항변화(TCR) 값이 크고 재현성이 우수한 박막을 제조할 수 있는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) Si 기판 상에 절연층을 증착하는 공정; (b) 상기 절연층 상에 산화바나듐(VOx) 및 산화아연(ZnO)을 교번하여 다층 박막을 증착하는 공정; 및 (c) 증착된 다층 박막에 열처리를 수행하는 공정; 을 포함한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) Si 기판 상에 절연층을 증착하는 공정; (b) 상기 절연층 상에 산화바나듐(VOx) 및 산화아연(ZnO)을 교번하여 다층 박막을 증착하는 공정; 및 (c) 증착된 다층 박막에 열처리를 수행하는 공정; 을 포함한다.
Description
본 발명은 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 비정질 실리콘(amorphous Si) 또는 산화바나듐(VOx)을 사용하던 적외선 센서 소자 재료를 온도저항계수 및 감지특성이 우수한 산화아연바나듐(V-Zn-Ox) 재료를 적외선 흡수재료로 사용하는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 것이다.
박막 센서 소자와 관련해서는, 한국공개특허 제10-1995-0026041호(이하, '선행문헌') 외에 다수 공개 및 출원되어 있다. 상기한 선행문헌은, 중앙부근처에 대략 직사각형 단면의 개구부를 가진 센서유지기판의 위에, 전극막A와, (100)면 배향을 가진 전극막B와, 상기 전극막A와 상기 전극막B와의 사이에 존재하는 압전성유전체산화물막을 적어도 구비한 다층막 구조체를 고착한 것을 특징으로 한다.
일반적인 비냉각 적외선 흡수재료는 장파장 영역에서 저항이 수 mega Ohm~수백 ohm으로 재료에 따라 다르게 나타난다.
종래 적외선 센서 소자 재료로서 사용하던 비정질 실리콘(Si) 재료는 고저항 및 낮은 온도저항 계수(TCR), 낮은 감도 등의 문제점이 있으며, VOx는 상(phase)의 다양함(VO2, V2O3 및 V2O5 등)으로 인해 동일조건의 박막에 대한 재현성이 떨어지는 단점이 있다.
결정질 VO2, V2O5 박막은 TCR 값이 -4%/K 이상으로 매우 우수하다. 그러나, 이러한 결정질 박막을 얻기 위해서는 이온 빔(ion-beam) 증착 방법을 이용하므로 매우 고가이며, 결정질을 얻기 또한 매우 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 마이크로볼로미터 적외선 검출 소자의 온도에 따른 저항변화(TCR) 값이 크고 재현성이 우수한 박막을 제조할 수 있는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 것으로서, (a) Si 기판 상에 절연층을 증착하는 공정; (b) 상기 절연층 상에 산화바나듐(VOx) 및 산화아연(ZnO)을 교번하여 다층 박막을 증착하는 공정; 및 (c) 증착된 다층 박막에 열처리를 수행하는 공정; 을 포함한다.
또한 상기 (b) 공정은, (b-1) 상기 절연층 상에 제 1 산화바나듐(VOx)층을 증착하는 단계; (b-2) 상기 (b-1) 단계에서와 동일 챔버에서 불순물이 첨가되지 않은(undoped) ZnO, 불순물이 첨가되는 n형 ZnO 및 p형 ZnO 중, 어느 하나의 ZnO 타겟을 이용하여 제 1 산화아연(ZnO)층을 증착하는 단계; (b-3) 상기 제 1 산화바나듐층과 동일 조건에서 제 2 산화바나듐층을 증착하는 단계; (b-4) 상기 제 1 산화아연(ZnO)층과 동일 조건에서 제 2 산화아연(ZnO)층을 증착하는 단계; 및 (b-5) 상기 제 2 산화바나듐층과 동일 조건에서 제 3 산화바나듐층을 증착하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (b) 공정은, 분자선 증착법(molecular beam epitaxy), 스퍼터링(Sputtering) 증착법, 이온 빔 보조 증착(ion-beam assisted deposition)법, 전자빔(e-beam) 증착법 중, 어느 하나의 방법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (b-2) 단계에서, 불순물이 첨가되는 n형 ZnO을 ZnO 타겟을 이용할 경우, 상기 불순물은 갈륨(Ga), 인듐(In), 알루미늄(Al) 중 어느 하나이거나, 이들의 화합물인 것을 특징으로 하며, 불순물이 첨가되는 P형 ZnO을 ZnO 타겟을 이용할 경우, 상기 불순물은 비소(As), 인(P), 베릴륨(Be) 중 어느 하나이거나, 이들의 화합물인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (c) 공정에서, 열처리는 산소분위기에서 온도범위 250 ~ 300oC, 열처리 시간은 20~ 50분으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 기존 산화바나듐에 산화아연을 첨가한 산화아연바나듐(VZnOx)을 이용함으로써, 고저항의 문제 해결 및 열처리 안정도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 재현성 있는 박막 증착 및 열처리 공정으로 볼로미터 센서의 성능을 향상시키고, 저항을 낮출 수 있는 효과도 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 고성능 Low-end, high-end 열영상 센서, 인체감지센서 제작에 적용할 수 있는 효과도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막을 제조하기 위한 스퍼터링 시스템을 보이는 일예시도.
도 2 는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 전체 흐름도.
도 3 은 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 증착 단면을 보이는 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 전기적 특성을 향상시키기 위한 V2O5, VO2 등 혼합 상을 갖는 박막 형성의 원리를 보이는 일예시도.
도 5 는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 열처리 시간 및 온도에 의한 저항 특성의 변화를 보인 그래프.
도 6 은 본 발명에 따른 열처리 시간 및 온도에 의한 저항 및 TCR 과의 관계 변화를 보인 그래프.
도 7 은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 적외선 감지층 구조를 보이는 일예시도.
도 2 는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 전체 흐름도.
도 3 은 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 증착 단면을 보이는 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 전기적 특성을 향상시키기 위한 V2O5, VO2 등 혼합 상을 갖는 박막 형성의 원리를 보이는 일예시도.
도 5 는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 열처리 시간 및 온도에 의한 저항 특성의 변화를 보인 그래프.
도 6 은 본 발명에 따른 열처리 시간 및 온도에 의한 저항 및 TCR 과의 관계 변화를 보인 그래프.
도 7 은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 적외선 감지층 구조를 보이는 일예시도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관하여 도 1 내지 도 7 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막을 제조하기 위한 스퍼터링 시스템을 보이는 일예시도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 전체 흐름도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 증착 단면을 보이는 일예시도이다.
본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법에 관한 전체 흐름을 살피면 다음과 같다.
먼저, Si 웨이퍼 또는 신호취득회로(웨이퍼)와 같은 Si 기판(20) 상에 이산화 규소(SiO2), 실리콘 옥시니트라이드(SiON), 실리콘 질화물(SiNx) 중, 어느 하나의 절연층(100)을 증착한다(S10). 여기서, 이산화 규소(SiO2), 실리콘 옥시니트라이드(SiON), 실리콘 질화물(SiNx)는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 이용하여 200~500 nm의 두께로 증착된다.
다음으로, 상기 절연층(100) 상에 산화바나듐(VOx) 및 산화아연(ZnO)을 교번하여 다층 박막을 증착한다.
구체적으로, 상기 절연층(100) 상에 제 1 산화바나듐(VOx)층(200)을 증착한다(S20). 여기서, 제 1 산화바나듐(VOx)층(200)은 분자선 증착법(molecular beam epitaxy), 스퍼터링(Sputtering) 증착법, 이온 빔 보조 증착(ion-beam assisted deposition)법, 전자빔(e-beam) 증착법 중, 어느 하나의 방법으로 50 ~ 100 nm의 두께로 증착된다.
또한, 제S20 단계에서와 동일 챔버(10)에서 ZnO 타겟을 이용하여 제 1 산화아연(ZnO)층(300)을 증착한다(S30). 여기서, 제 1 산화아연(ZnO)층(300)은 분자선 증착법(molecular beam epitaxy) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 5~20 nm의 두께로 증착된다.
또한, ZnO 타겟은 불순물이 첨가되지 않은(undoped) ZnO, 불순물이 첨가되는 n형 ZnO 및 p형 ZnO 중에서 한 가지를 사용할 수 있다. 즉, N형 ZnO 및 P형 ZnO에 다른 불순물을 첨가할 수 있으며, 2원 3원 화합물로 첨가할 수 있다.
P형 ZnO에는 비소(As), 인(P), 베릴륨(Be) 등의 불순물을 첨가하거나, n형 ZnO에는 갈륨(Ga), 인듐(In), 알루미늄(Al) 등의 불순물을 첨가할 수 있다. 여기서, 불순물의 종류는 주로 금속류(W, V, Ti, Ni 등) 또는 이들의 금속산화물(WOx, TiOx, NiOx 등)을 포함한다.
또한, 연속적으로 제 1 산화바나듐층(200)과 동일 조건에서 제 2 산화바나듐층(400)을 증착한다. 여기서, 제 2 산화바나듐층(400)은 5~20 nm 두께로 증착된다(S40).
또한, 제 1 산화아연(ZnO)층(300)과 동일 조건에서 제 2 산화아연(ZnO)층(500)을 증착한다(S50). 여기서, 제 2 산화아연(ZnO)층(500)은 분자선 증착법(molecular beam epitaxy) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 5~20 nm의 두께로 증착된다.
그리고, 제 2 산화바나듐층(400)과 동일 조건에서 제 3 산화바나듐층(600)을 증착한다. 여기서, 제 3 산화바나듐층(600)은 5~20 nm 두께로 증착된다(S60).
즉, 상술한 제S20 단계 내지 제S60 단계는 산화아연층과 산화바나듐층이 교번하여 다수 적층된 구조(VOx-ZnO-VOx-ZnO-VOx -....)로서, 산화아연의 상하에 산화바나듐층을 샌드위치 구조로 구성하거나, 산화바나듐층의 상하에 산화아연층을 샌드위치 구조로 구성할 수 있다.
여기서, 다층박막인 제 1, 2, 3 산화바나듐층(200, 400, 600) 및 제 1, 2 산화아연층의 증착방법을 스퍼터링(sputtering) 방법 이외에 분자선 증착법(molecular beam epitaxy, MBE)으로 성장할 수 있다. 산화바나듐층 성장 시 기판온도는 200~350oC로 하며, 바나듐(V) 금속 또는 산화바나듐(V2O3, VO2, V2O5)을 증착 원(source)으로 사용하고, 산소는 산소플라즈마 셀을 이용하여 성장시킨다.
여기서, 산소플라즈마의 산소의 유량은 1.5~2.0 sccm으로 하는 것이 바람직하다. 산화아연층(ZnO) 성장 시 기판온도는 200~350oC 로 하며, 아연(Zn) 금속 또는 산화아연(n-ZnO, p-ZnO)을 증착 원(source)으로 사용하고, 산소는 산소플라즈마 셀을 이용하여 성장시킨다. 산소플라즈마의 산소의 유량은 1.5~2.0 sccm으로 하는 것이 바람직하다. MBE 방법으로 성장하는 감지재료는 저항조절이 가능하며, 후 열처리 공정을 생략할 수 있다.
그리고, 상황에 따라서는 스퍼터링 방법과 MBE 방법을 교번하여 각 층을 증착시킬 수 있다.
다음으로, 증착된 다층 박막에 열처리를 수행한다(S70).
여기서, 열처리는 산소분위기에서 온도범위 250 ~ 300oC, 열처리 시간은 20~ 50분으로 이루어진다.
이러한 열처리는 산소가스를 흘려주어 온도상승에 의한 산소의 결핍을 보완해 주며, 적외선 감지소자의 희생층 제거를 용이하게 하기 위함과 신호취득회로의 열화현상을 방지하기 위해 300oC 이하에서 수행하는 것이 바람직하다.
열처리 온도를 300oC 이하에서 수행한 이유는 적외선 감지소자 제작 시 희생층이 폴리이미드로 구성되어 있어, 이 희생층 상에 구조물을 증착한 후 감지재료를 증착하게 되어, 열처리를 고온에서 하게 되면 경화가 너무 심해서 마지막 공정에서 희생층을 제거하기 어려워 진다. 또한, 기판인 Si-ROIC(신호취득회로)는 반도체 공정으로 제작이 되는데, 이 위에 센서 공정이 이루어지므로 고온으로 열처리할 경우 회로의 특성이 변화되어 정상동작이 불가능해 지는 이유이다
한편, 제S20 단계 내지 제S60 단계를 통해 증착된 다층 박막을 성장시킬 수 있다. 여기서, 다층 박막은 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 성장시키며, 성장시 기판온도 200~350 oC이며, 산소의 유량은 1.5~2.0 sccm으로 하는 것이 바람직하다. MBE 방법으로 성장하는 감지재료는 저항조절이 가능하며, 후 열처리 공정을 생략할 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 전기적 특성을 향상시키기 위한 V2O5, VO2 등 혼합 상을 갖는 박막 형성의 원리를 보이는 일예시도이다.
도 4 에 나타낸 바와 같이, 산화바나듐(VOx)층 및 산화아연(ZnO)층이 교번하여 다수 적층되어 박막 구조를 형성한 후, 산소분위기에서 열처리 공정을 통하여 산화바나듐층이 산화아연층으로 산소 확산에 의해 환원되어 혼합 상(phase)이 되며, 상기 산화아연층이 표면과 상하부층으로 확산된 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 혼합 상을 갖게 된다.
도 5 는 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 열처리 시간 및 온도에 의한 저항 특성의 변화를 보인 그래프이며, 도 6 의 (a) 는 본 발명에 따른 열처리 시간 및 온도에 의한 저항과의 관계 변화를 보이는 그래프이며, 도 6 의 (b) 는 열처리 시간 및 온도에 의한 TCR 과의 관계 변화를 보인 그래프이다.
도시된 바와 같이, 열처리 온도가 250℃ ~ 300℃ 사이에서 시간이 50분일 때 저항이 100 ~ 250㏀ 정도로 매우 양호하며, 300℃에서 시간이 20분일 때 TCR 값도 가장 크다는 것을 알 수 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막의 적외선 감지층 구조를 보이는 일예시도로서, 도시된 바와 같이 마이크로 볼로미터 적외선 소자 구조의 전극 접촉에 있어, 감지층의 상부 또는 하부로 접촉이 이루어지도록 함으로써, 저항이 변하는 현상을 방지하고, 열처리에 의한 저항변화에 적응이 가능하다.
지금까지 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법은, 마이크로볼로미터 소자 제작시 메탈과 감지체의 접촉저항을 현저히 낮출 수 있으며, 소자 제작시 금속과 감지체의 접촉부분이 상부 및 하부 어느 쪽이든 사용할 수 있다. 또한, 마이크로볼로미터 소자 공정과정에서 신호전달을 위한 금속막 공정의 편리성과 안정성을 높일 수 있는 방법으로 소자의 신뢰성이 향상될 수 있는 특징적인 장점을 가진다.
100: 절연층 200: 제 1 산화바나듐층
300: 제 1 산화아연층 400: 제 2 산화바나듐층
500: 제 2 산화아연층 600: 제 3 산화바나듐층
10: 챔버 20: 기판
300: 제 1 산화아연층 400: 제 2 산화바나듐층
500: 제 2 산화아연층 600: 제 3 산화바나듐층
10: 챔버 20: 기판
Claims (5)
- (a) Si 기판(20) 상에 절연층(100)을 증착하는 공정;
(b) 상기 절연층(100) 상에 산화바나듐(VOx) 및 산화아연(ZnO)을 교번하여 다층 박막을 증착하는 공정; 및
(c) 증착된 다층 박막에 열처리를 수행하는 공정; 을 포함하는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 공정은,
(b-1) 상기 절연층(100) 상에 제 1 산화바나듐(VOx)층(200)을 증착하는 단계;
(b-2) 상기 (b-1) 단계에서와 동일 챔버(10)에서 불순물이 첨가되지 않은(undoped) ZnO, 불순물이 첨가되는 n형 ZnO 및 p형 ZnO 중, 어느 하나의 ZnO 타겟을 이용하여 제 1 산화아연(ZnO)층(300)을 증착하는 단계;
(b-3) 상기 제 1 산화바나듐층(200)과 동일 조건에서 제 2 산화바나듐층(400)을 증착하는 단계;
(b-4) 상기 제 1 산화아연(ZnO)층(300)과 동일 조건에서 제 2 산화아연(ZnO)층(500)을 증착하는 단계; 및
(b-5) 상기 제 2 산화바나듐층(400)과 동일 조건에서 제 3 산화바나듐층(600)을 증착하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 (b) 공정은,
분자선 증착법(molecular beam epitaxy), 스퍼터링(Sputtering) 증착법, 이온 빔 보조 증착(ion-beam assisted deposition)법, 전자빔(e-beam) 증착법 중, 어느 하나의 방법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 (b-2) 단계에서,
불순물이 첨가되는 n형 ZnO을 ZnO 타겟을 이용할 경우, 상기 불순물은 갈륨(Ga), 인듐(In), 알루미늄(Al) 중 어느 하나이거나, 이들의 화합물인 것을 특징으로 하며, 불순물이 첨가되는 P형 ZnO을 ZnO 타겟을 이용할 경우, 상기 불순물은 비소(As), 인(P), 베릴륨(Be) 중 어느 하나이거나, 이들의 화합물인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 공정에서,
열처리는 산소분위기에서 온도범위 250 ~ 300oC, 열처리 시간은 20~ 50분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터용 적외선 감지 박막 제조방법.
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