KR100467480B1 - 적외선 감지소자용 고특성 나노 박막의 제조방법 - Google Patents
적외선 감지소자용 고특성 나노 박막의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 적외선 감지소자용 고특성 나노 박막의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 샌드위치 구조의 나노 사이즈 박막의 두께 조절과 저온 열처리에 의한 산소 확산을 통하여 비냉각형 적외선 감지소자에서 적외선 감지층으로 사용되는 산화바나듐 박막의 특성인 TCR값과 저항값의 전기적 특성을 획기적으로 개선시킬 수 있는 새로운 나노 박막의 제조방법에 관한 것이다.
산화바나듐 박막의 경우 제조 공정 상의 여러가지 변수로 인해 재현성 있는 박막의 증착이 어려우며, 또한 표면 미세가공기술을 이용한 비냉각형 적외선 감지소자 제작시 공정온도가 300℃ 이하로 제한되는 등 좋은 전기적 특성을 얻기에는 여러 공정상의 단점이 있다. 따라서, 지금까지 -1.5 ~ 2 %/℃ TCR값과 수십 ㏀ 이상의 저항값을 얻고 있으나, 적외선 감지소자의 감지도를 향상시키기 위해서는 -2 %/℃ 이상의 TCR값과 수십 ㏀ 이하의 저항값을 갖는 산화바나듐 박막의 제조가 요구된다.
이에, 본 발명은 산화바나듐막을 각각 상,하부층으로 하고, 금속막을 삽입층으로 하는 샌드위치 형태의 나노 박막 구조를 형성한 후, 산소분위기에서 열처리 공정을 통하여 하부층의 산화바나듐막이 금속층으로 산소 확산에 의해 환원되어 혼합 상이 되며, 상기 금속막이 표면과 하부층으로부터 확산된 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 높은 TCR값에 기여하는 VO2,V2O5와 낮은 저항값에기여하는 V2O3상의 혼합 상(phase)을 갖는 나노 박막의 제조방법을 제시한다.
Description
본 발명은 적외선 감지소자용 고특성 나노 박막의 제조방법에 관한 것이다.특히, 샌드위치 구조의 나노 사이즈 박막의 두께 조절과 저온 열처리에 의한 산소 확산을 통하여 비냉각형 적외선 감지소자에서 적외선 감지층으로 사용되는 산화바나듐 박막의 특성인 TCR값과 저항값의 전기적 특성을 획기적으로 개선시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
산화바나듐 박막의 경우 제조 공정 상의 여러가지 변수로 인해 재현성 있는 박막의 증착이 어렵다. 또한, 비냉각형 적외선 감지소자 제작시 이용되는 표면 미세가공기술(surface micromachining)은 300℃ 이하의 낮은 온도에서 진행된다. 이는 산화바나듐 증착시 좋은 전기적 특성을 얻기 위해 요구되는 450℃ 이상의 공정 온도와 크게 상충되는 공정상의 단점이 있다. 따라서, 지금까지 보통 고가의 이온장비를 이용하여 제작하고 있으며, 또한 재현성 문제를 해결하고자 수십 층의 다층 박막으로 증착하여 사용하고 있다.
이러한 방법에 의해 일반적으로 -1.5 ~ 2 %/℃ TCR값과 수십 ㏀ 이상의 저항값을 얻고 있으나, 적외선 감지소자의 감지도를 향상시키기 위해서는 -2 %/℃ 이상의 TCR값과 수십 ㏀ 이하의 저항값이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 산화바나듐 박막의 증착시 야기되는 재현성 확보의 어려움과 비냉각형 적외선 감지소자에 응용시 적용되는 낮은 공정온도 등의 단점을 극복하는 동시에, 비냉각형 적외선 감지소자의 감지도를 향상시키기 위해 요구되는 -2 %/℃ 이상의 TCR값과 수십 ㏀ 이하의 저항값을 갖는 고특성의 산화바나듐 박막을 제조하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 과제는 첫째, 재현성 문제와 낮은 공정 온도라는 제약을 해결하기 위한 안정한 박막구조와 공정의 제안하며; 둘째, 전기적 특성을 획기적으로 향상시키기 위해 VO2, V2O5, V203상 등의 적절한 혼합 상의 나노 박막을 형성시키는 방법 및 조건을 찾는데 있다.
따라서, 본 발명은 산화바나듐막을 각각 상,하부층으로 하고, 금속막을 삽입층으로 하는 샌드위치 형태의 나노 박막 구조를 형성한 후, 산소분위기에서 열처리 공정을 통하여 하부층의 산화바나듐막이 금속층으로 산소 확산에 의해 환원되어 혼합 상이 되며, 상기 금속막이 표면과 하부층으로부터 확산된 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 높은 TCR값에 기여하는 VO2,V2O5와 낮은 저항값에 기여하는 V2O3상의 혼합 상(phase)을 갖는 나노 박막의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 사이즈로 제조된 샌드위치 형태의 나노 박막 구조 단면도이다.
도 2는 산소확산에 의한 혼합 상의 형성 원리를 나타낸 모식도이다.
도 3은 제조된 박막의 열처리 후의 산소확산 특성 분석 결과 그래프이다.
도 4는 제조된 박막의 열처리 후의 상 분석 결과 프래프이다.
도 5는 제조된 박막의 향상된 적외선 감지 특성 결과 그래프이다.
도 6은 제조된 박막의 재현성 확인 결과 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10,30 : 제 1 및 제 2 산화바나듐(V2O5)막
20 : 금속 바나듐(V)막 40 : 혼합 상(phase)
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 기술적 구성은 안정한 샌드위치 나노 박막 구조의 제조와 산소 확산에 의한 적절한 혼합 상(phase) 형성을 위해 알맞은 산소 열처리 공정으로 이루어져 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 사이즈로 제조된 샌드위치 형태의 나노 박막 구조를 보여주고 있다.
공지된 여러 문헌에 의하면, 많은 산화바나듐 상(phase) 중 V2O5는 높은 산소분압에서의 낮은 온도에서도 쉽고 안정되게 형성되는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 본 발명에서는 안정한 산화바나듐막(V2O5)과 바나듐막(V)을 이용하여 나노 두께의 샌드위치 박막을 형성하였다.
도 1를 살펴보면, 나노 사이즈의 산화바나듐 박막 두께를 조절하여 제 1산화바나듐막(V2O5)(10)/금속 바나듐막(V)(20)/제 2산화바나듐막(V2O5)(30)으로 적층된 샌드위치 형태의 구조로 형성되어 있다.
즉, 스퍼터링법에 의해 높은 산소 분압에서 일반적으로 쉽고 안정되게 증착되는 산화바나듐 박막(V2O5)(10)(30)이 각각 상,하부층으로 사용하였으며, 스퍼터링법으로 쉽게 증착되는 금속 바나듐막(V)(20)이 상,하부층 사이에 삽입된 샌드위치 형태의 나노 박막 구조로 형성되었다.
이 때, 상기와 같이 적층된 구조의 샌드위치 나노 박막을 300 ℃에서 30 ~ 60분간 산소 열처리함으로서 -2 %/℃ 이상의 TCR값과 10 ㏀ 이하의 향상된 특성을 얻을 수 있게 된다.
즉, 상기의 샌드위치 구조에서 각 층의 나노 두께 조절과 산소분위기 열처리 시간 등의 열처리 공정 변수를 조절함으로서 혼합 상의 비율을 조절할 수 있으며, 또한 특성을 변화시킬 수 있게 된다.
또한, 샌드위치 구조에서 상부층의 제 2산화바나듐막(V2O5)(30)은 열처리시 제공되는 산소가 금속층으로 확산의 용이성을 위해 10nm로 얇게 형성 하였으며, 하부층의 제 1산화바나듐막(V2O5)(10)은 금속층으로 산소 확산의 또 다른 소스로 이용하기 위해 50nm로 두께로 상대적으로 두껍게 형성 하였다. 그리고, 삽입된 금속층은 금속 바나듐막(V)(20)의 두께에 따른 산화 정도에 의한 특성 변화를 위해 4 ~ 12nm로 변화시켜 형성하였다.
상기와 같이 새로운 형태의 나노 박막의 제조 공정을 살펴보면, 산화바나듐막(10)(20)을 각각 상,하부층으로 하고, 금속 바나듐막(20)을 삽입층으로 하는 샌드위치 형태의 나노 박막 구조를 형성한 후, 산소분위기(O2)에서 열처리 공정을 통하여 하부층의 산화바나듐막(10)이 금속 바나듐막(20)으로 산소 확산에 의해 환원되어 혼합 상이 되며, 상기 금속 바나듐막(20)이 표면과 하부층으로부터 확산된 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 혼합 상(phase)(40)을 갖게 된다.
도 2는 전기적 특성을 획기적으로 향상시키기 위한 VO2, V2O5, V203상(phase) 등 적절한 혼합 상(40)을 갖는 나노 박막 형성의 원리를 보여주고 있다.
도 2를 살펴보면, 두꺼운 하부층인 산화바나듐막(V2O5)(10)은 금속층으로 산소가 확산함으로 인해 환원되어 혼합 상이 되며, 금속 바나듐막(20)은 표면과 하부층으로부터 확산한 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 혼합 상(40)을 형성할 수 있다는 것을 보여주게 된다.
이어서, 본 발명에 의해 제조된 나노 사이즈 박막의 특성 결과를 도 3 내지 도 6에 도시된 그래프를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 제조된 샌드위치 나노 박막을 300 ℃에서 30분간 산소 열처리했을 경우 산소확산 정도를 보여주는 AES 결과이다.
현재까지 제안되었던 상,하부층이 동일한 두께의 삼층 박막은 진공 열처리시 산소확산이 충분히 이루어지지 않아 특성이 향상되지 않았으나, 본 발명에서 제안된 나노 두께의 샌드위치 구조를 산소분위기에서 열처리할 경우 산소확산이 충분히 이루어짐을 확인할 수 있다.
도 4는 300 ℃에서 30분간 산소 열처리했을 경우 XPS에 의한 상 분석 결과이다. 분석 결과를 살펴보면, VO2, V2O5, V203상 등 혼합상이 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 5는 삽입된 바나듐 금속층의 두께가 8nm일 경우 300 ℃에서 산소 열처리 시간에 따른 TCR값 및 상온 저항값을 보여준다. 도 5에 도시된 바와 같이 적절한 시간 열처리를 통해 -2.0%/℃ 이상의 TCR값과 수십 ㏀ 이하의 상온 저항 등 획기적으로 향상된 특성을 얻을 수 있다.
도 6은 삽입된 바나듐 금속층의 두께가 8nm일 경우 300 ℃에서 산소 열처리시 반복된 실험에 의한 재현성 확인 결과이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 매우 좋은 재현성을 보임을 알 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 의해 비냉각형 적외선 감지소자에 이용되는 산화바나듐 나노 박막을 제조함으로서 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 고가의 이온장비 없이 저온 공정이 가능하고 수십층의 다층박막 증착의 필요없이 좀 더 단순한 공정으로 재현성 있는 박막의 제조가 가능하다.
둘째, 현재까지 얻을 수 없었던 -2 %/℃ 이상의 TCR값과 수십 ㏀ 이하의 낮은 저항을 갖는 산화바나듐 박막의 제조가 가능하다.
세째, 제조된 산화바나듐 박막을 적외선 감지소자에 응용함으로서 높은 감지도를 갖는 비냉각형 적외선 감지소자의 제조가 가능하다.
Claims (5)
- 나노 박막의 제조방법에 있어서,제 1 및 제 2산화바나듐막(V2O5)을 각각 상,하부층으로 하고, 금속바나듐막(V)을 삽입층으로 하는 샌드위치 형태로 적층된 나노 박막 구조를 형성한 후,산소분위기에서 열처리 공정을 진행하여 하부층의 제 2산화바나듐막(V2O5)이 금속바나듐막(V)으로 산소 확산에 의해 환원되어 혼합 상이 되며,상기 금속바나듐막(V)이 표면과 하부층으로부터 확산된 산소에 의해 혼합 상으로 산화되어 박막 전체적으로 높은 TCR값에 기여하는 VO2,V2O5와 낮은 저항값에 기여하는 V2O3상의 혼합 상(phase)을 갖는 것을 특징으로 하는 나노 박막의 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 샌드위치 구조의 나노 박막에서상부층의 제 1산화바나듐막(V2O5) 두께는 열처리시 공급되는 산소의 금속바나듐막(V)으로 확산의 용이성을 위해 하부층의 두께 보다 얇게 형성하고,하부층의 제 2산화바나듐막(V2O5) 두께는 금속바나듐막(V)의 산화를 일으키는 산소의 또 다른 소스로 이용하기 위해 상부층의 두께 보다 두껍게 형성하며,삽입층의 금속바나듐막(V)은 특성 향상을 위해 나노 사이즈로 두께를 변화시켜 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노 박막의 제조방법.
- 청구항 3에 있어서, 상기 샌드위치 구조에서 상부층의 제 1산화바나듐막(V2O5) 두께는 10nm, 하부층의 제 2산화바나듐막(V2O5) 두께는 50nm, 삽입층 금속바나듐막(V)의 두께는 4 ~ 12nm로 하여 300 ℃의 산소분위기에서 30 ~ 60분간 열처리 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 나노 박막의 제조방법.
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