KR100596196B1

KR100596196B1 - 볼로메타용 산화물 박막 및 이를 이용한 적외선 감지소자

Info

Publication number: KR100596196B1
Application number: KR1020040005559A
Authority: KR
Inventors: 문성욱; 신현준; 한용희
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2006-07-03
Also published as: US20050167592A1; EP1560008A1; KR20050077899A; US7250604B2; EP1560008B1

Abstract

본 발명은 고감도 특성을 갖는 볼로메타형 비냉각 적외선 감지소자를 위한 볼로메타용 산화물 박막에 관한 것이다.

현재 비냉각 적외선 감지소자의 적외선 감지물질로 사용되는 바나듐 산화물는 TCR값이 -2.0%/℃ 내외이며, 물질 특성상 무수히 많은 중간상의 존재로 인하여 정확한 상 조절과 재현성 달성이 어렵다. 이로 인하여 고가의 이온빔 장치 등이 달린 박막 증착장비를 이용하여 제조되며, 공정온도도 400℃ 이상으로 높은 편이다.

본 발명에 따른 볼로메타용 산화물 박막은 바나듐에 텅스텐이 첨가된 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-Ox)로서, 300℃의 저온에서 바나듐-텅스텐 금속박막을 산화시켜 텅스텐 조성변화 및 산화시간 변화에 따라 5∼200㏀의 저항 범위내에서 -1.5 내지 -4.1 %/℃의 다양한 TCR값을 갖는 볼로메타용 산화물의 제조가 가능하다. 또한, 본 발명에 의해 고가의 이온빔 장치없이 저가의 박막증착 장비로 저온에서 재현성 있는 박막의 제조가 가능하다. 본 발명의 결과로 100㏀ 이내의 낮은 저항에서 -3%/℃ 이상의 높은 TCR값을 갖는 볼로메타 물질을 재현성 있게 제조할 수 있으며, 고감도를 갖는 비냉각형 적외선 소자의 제조가 가능하다.

바나듐, 텅스텐, 볼로메타, 저온 산화법, TCR

Description

볼로메타용 산화물 박막 및 이를 이용한 적외선 감지소자 {Oxide thin film for bolometer and infrared detector using the oxide thin film}

도 1은 바나듐과 텅스텐의 함량비에 따른 저항 및 TCR값의 변화특성을 나타내는 그래프이다.

도 2는 r.f 스퍼터링 증착시 텅스텐 칩의 개수에 의해 텅스텐의 함량을 조절하는 방법의 개념을 설명하는 도면이다.

도 3은 텅스텐 함량이 5 at%일 때 열처리 시간에 따른 저항 및 TRC값의 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 볼로메타용 산화물 박막에 관한 것으로, 특히 고감도 특성을 갖는 볼로메타형 비냉각 적외선 감지소자를 위한 볼로메타용 산화물 박막에 관한 것이다.

볼로메타(bolometer)는 적외선 센서의 일종으로, 물체에서 방사되는 적외선을 흡수하여 열에너지로 바뀔 때 그로 인한 온도상승으로 전기저항이 변화하는 것을 측정하여 적외선을 검출할 수 있으며, 이러한 특징을 갖는 볼로메타를 2차원으로 집적 배열화(Focal plane array)하여 적외선 영상을 구현할 수 있다.

볼로메타 물질에 요구되는 조건은 높은 TCR(temperature coefficient of resistence)값, 낮은 소자 저항, IC공정과의 연계성, 제조공정의 저렴화 및 단순화, 높은 재현성 등이 있다.

현재 사용되는 볼로메타 물질에는 Ti 등의 금속박막, 바나듐 산화물, 비정질 실리콘 등이 있다. 금속박막을 이용하는 경우에는 상온저항이 매우 낮다는 장점을 가지지만 TCR값이 매우 작아 소자의 응답특성(responsibity)을 향상시켜야 하는 문제가 있으며, 비정질 실리콘의 경우에는 TCR값이 높아 응답특성이 좋은 반면에 높은 소자 저항으로 생기는 존슨 잡음(Johnson noise)이 높다는 단점을 가진다.

또한, 바나듐 산화물의 경우에는 금속박막에 비해 비교적 높은 -2.0%/℃ 내외의 TCR값을 가지고 비정질 실리콘에 비해 비교적 낮은 100㏀ 이내의 소자 저항값을 가지지만, 무수히 많은 중간상의 존재로 인하여 재현성 있는 박막의 제조가 어렵고, 통상 이온빔 장치 등 고가의 장비와 400℃ 이상의 고온에서 제조되어야 하는 문제점들을 가지고 있다.
또한, 저항이 매우 높아 볼로메타 소자에 적용이 어려운 문제를 해결하고자 바나듐 옥사이드에 텅스텐, 크롬, 망간, 등 다른 금속을 도핑하여 바나듐 옥사이드의 저항을 낮추는 방법이 미국특허 제5,288,380호로 공지되어 있다.
그러나 이 방법은 단지 도핑에 의해 바나듐옥사이드의 저항을 낮추는 목적으로 발명되었으며, 정확한 도핑 조성 등의 표시없이 매우 광범위하게 기술하였고, 도핑으로 인한 적외선 소자의 성능에 크게 영향을 미치는 TCR값의 향상에 대해서는 발명이 이루어지지 않았다. 또한 바나듐 옥사이드에 텅스텐 등의 다른 금속을 도핑하는 방법으로 산소분위기에서의 co-sputtering 방법을 제시하고 있는데 산소분위기에서 반응성 방법에 의해 산화바나듐을 형성시키는 이런 방법은 산소분압을 매우 미세하게 조절하여야 하고 무수히 많은 중간상의 존재로 인해 산소분압에 민감하게 그 특성이 변화하며 따라서 정확한 특성 및 상의 조절이 어려워 산화바나듐 박막의 재현성 및 그 특성 조절이 매우 어려운 것으로 알려져 있다.

미국특허 제6489613호(공개일: 2002년 12월 3일)는 바나듐 산화물의 바나듐을 다른 금속(Cr, Al, Fe, Mn, Nb, Ta, Ti)으로 치환하고 졸-겔법 및 400 내지 450℃ 온도에서의 열처리를 이용하여 높은 TCR값과 비교적 낮은 저항값을 갖는 산화물 박막을 제공하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 이 기술은 열처리 온도가 400℃ 이상으로 비교적 높을 뿐만 아니라 산화물 박막을 제조한후 산화분위기에서의 열처리와 환원분위기에서의 열처리 등 장시간의 열처리 시간이 소요되는 공정상의 단점을 가지며, 또한 졸-겔법이 아닌 스퍼터법을 사용하여 산화물 박막을 제조할 경우에는 산소 함량 조절의 어려움으로 재현성 문제가 발생할 가능성이 매우 크다.

본 발명의 목적은 낮은 소자저항과 높은 TCR값을 가지는 볼로메타 물질을 제공함으로써 볼로메타 소자의 성능을 향상시키는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고감도의 특성을 갖는 적외선 감지소자를 제공하는데 있다.

상기 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 따른 볼로메타용 산화물 박막은 V-W-O_x에 의해 표현되는 바나듐 텅스텐 산화물을 포함하며, 여기서 x는 0.5≤x ≤2를 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 볼로미터를 포함하는 적외선 검출소자에 있어서, 상기 볼로미터는 V-W-O_x에 의해 표현되는 바나듐 텅스텐 산화물을 포함하며, 여기서 x는 0.5≤x ≤2를 만족하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출소자를 제공한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 기술하기로 한다.

본 발명에 따른 볼로메타용 산화물은 바나듐에 텅스텐이 첨가된 바나듐 텅스텐 산화물(이하, V-W-O_x라 함)로서, 비냉각형 적외선 감지소자에서 적외선 감지 물질로 사용될 수 있으며, 기존의 산화바나듐 물질보다 낮은 소자저항과 더 큰 상온 TRC값을 가진다. 상기 V-W-O_x박막은 텅스텐 및 산소의 함량을 다양하게 변화시킬 수 있 으며, 이들의 함량에 따라 저항 및 TRC값의 조절이 가능하다. 상기 V-W-O_x 박막의 제조방법은 바나듐-텅스텐(V-W) 금속박막의 증착 및 이들의 저온 산화 공정으로 이루어진다.

본 발명의 V-W-O_x박막은 바나듐(V)과 텅스텐(W)의 함량비가 1 내지 50 at% 범위에서 변화될 수 있으며, 산소(O)의 함량은 0.5≤x ≤2 범위의 값을 갖는다. 박막의 구조는 결정질 또는 비정질 구조를 가지며, 350℃ 이하의 저온 공정으로 제조시 일반적으로 완전히 결정화가 이루어지지 않은 비정질 상태의 특성을 보인다.

볼로메타의 적용에 있어서, V-W-O_x박막의 두께는 25 내지 200㎚ 범위가 될 수 있는데, 열 부하(thermal mass)를 고려하여 100㎚ 이하의 두께가 바람직하다.

또한, 산소의 함량에 있어서, x가 2보다 클 경우에는 저항이 매우 높아서 볼로메타 소자에 적용이 어렵고, x가 0.5보다 작은 경우에는 상온에서 매우 낮은 저항을 가지지만 온도에 따른 저항변화가 매우 불안정한 특성을 보이므로 볼로메타 소자에 적용이 어렵다. 일반적으로, 특정 텅스텐의 함량과 관련하여 산소의 양이 증가함에 따라 상온 저항 및 TRC값이 증가하는 경향을 보인다.

도 1은 바나듐과 텅스텐의 함량비에 따른 저항 및 TCR값의 변화특성을 나타내는 그래프로서, 텅스텐 함량이 1 내지 10 at%일 때 100㏀ 이하의 저항에서 -3.0%/℃ 이상의 큰 TCR값이 얻어짐을 알 수 있다.

본 발명에 따른 상기 V-W-O_x 박막의 제조방법은 기판상에 바나듐-텅스텐 박막을 증착하는 공정 및 상기 증착된 바나듐-텅스텐 박막의 저온 산화 공정으로 이루어 진다.

먼저, 바나듐-텅스텐(V-W) 박막의 증착 공정에 대해 살펴보면 다음과 같다.

기존에는 산화 바나듐 박막의 증착시 많은 중간상들의 존재와 산소 함량 조절에 기인한 재현성 문제를 극복하기 위해 고가의 이온빔 또는 레이저 장치를 구비한 이온 빔 스퍼터, 또는 PLD(pulse laser deposition : 펄스 레이저 증착)법을 사용해야만 했다.
그러나, 본 발명에서는 이러한 재현성 문제를 해결하기 위해 고가의 장비를 통해 산화물을 직접 증착하는 것이 아니라 증착이 용이하며 재현성 문제가 생기지 않는 바나듐 텅스텐 금속 박막을 증착한 후 이를 저온에서 산화시켜 산화물을 얻는 방법을 사용한다. 바나듐 텅스텐 금속 박막은 통상의 r.f 스퍼터로 쉽게 증착 가능하며 기존의 졸-겔(sol-gel)법, CVD법, PLD법, 증발기(evaporator) 등 각종 박막증착 장비로도 쉽게 증착이 가능하다.

삭제

상기 r.f. 스퍼터를 이용하여 바나듐-텅스텐 박막을 제조하는 경우에, 플라즈마 가스로 아르곤(Ar)이 사용되고, 0.5 내지 10 mTorr 범위의 작업압력과 150 내지 350W 범위의 플라즈마 파워로 수행된다. 여기서, 바나듐과 텅스텐의 조성비를 조절하는 방법에는 바나듐에 텅스텐이 특정 조성으로 함유된 합금 타겟을 스퍼터링하는 방법, 또는 바나듐과 텅스텐을 각각 동시에 스퍼터링하는 방법, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 바나듐 타겟 상에 텅스텐 칩을 고정시킨후 스퍼터링하여 텅스텐 칩의 개수에 의해 조성비를 조절하는 방법이 있다.

다음에, 상기와 같이 증착된 바나듐-텅스텐 박막은 열처리에 의한 산화과정을 거치게 된다.

기존에는 바나듐만을 이용하여 볼로메타용 산화물을 제조하였기 때문에 400℃ 이상의 고온에서 장시간의 열처리를 필요로 하였다.

그러나, 본 발명에서는 바나듐에 텅스텐을 첨가함으로써 산화공정 시간의 단축 뿐만 아니라 400℃ 이하의 온도에서 열처리가 가능해진다. 이는 바나듐에 첨가되는 텅스텐의 함량이 증가함에 따라 낮은 온도에서도 매우 쉽게 산화가 일어나기 때문이다. 즉, 본 발명에 의하면 바나듐에 텅스텐을 첨가하는 간단한 방법으로 저온산화법에 의한 고특성의 볼로메타 물질을 제조할 수 있다.

상기 바나듐-텅스텐 박막의 열처리는 약 300℃의 저온 및 일정 산소 분압하에서 텅스텐의 함량과 박막의 두께에 따라 시간을 조절하면서 수행된다. 이때, 열처리 온도는 경우에 따라 250 내지 450℃ 범위내에서 변화가능하고, 산소분압도 변화가능하다.

도 3은 텅스텐 함량이 5 at%일 때 열처리 시간에 따른 저항변화 및 TCR값의 변화를 나타내는 그래프로서, 열처리 시간이 증가함에 따라 산소함량이 증가하여 상온저항 및 TCR값도 증가함을 알 수 있다.

본 발명의 저온산화법에 따르면, 텅스텐 함량 1 내지 10 at%에서 두께에 따라 산화시간(열처리 시간)을 조절함으로써 100㏀ 이하의 저항 및 -4%/℃ 이상의 TCR값을 갖는 매우 우수한 특성의 볼로메타용 산화물을 제공할 수 있다.

삭제

본 발명에 의하면, 100㏀ 이하의 저항 및 -4%/℃ 이상의 TCR값을 갖는 매우 우수한 특성의 볼로메타용 산화물을 제공할 수 있으며, 이러한 산화물을 볼로메타 소자의 제조에 응용하여 소자 성능을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.

또한, 저온에서 금속박막을 증착후 산화시키는 저온산화법에 의해 무수히 많은 중간상의 존재 또는 산소 함량 조절의 어려움으로 야기되는 재현성 문제를 해결할 수 있다는 장점을 가진다.

또한, 저가의 박막증착 장비의 사용이 가능할 뿐만 아니라 텅스텐 첨가에 의해 열처리 시간이 단축될 수 있으므로 제조비용 절감 및 제조공정 단순화 효과를 가져올 수 있다.

삭제

Claims

V-W-Ox에 의해 표현되며 상전이가 일어나지 않는 비정질 바나듐 텅스텐 산화물을 포함하며, 여기서 x는 0.5≤x ≤2를 만족하는 것을 특징으로 하는 볼로메타용 산화물 박막.
청구항1에 있어서, 상기 텅스텐(W)의 함량은 바나듐(V)의 at% 대비 1 내지 50 at% 인 것을 특징으로 하는 볼로메타용 산화물 박막.
삭제
볼로미터를 포함하는 적외선 검출소자에 있어서,

상기 볼로미터는 V-W-O_x에 의해 표현되는 바나듐 텅스텐 산화물을 포함하며, 여기서 x는 0.5≤x ≤2를 만족하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출소자.
청구항4에 있어서, 상기 바나듐(V)과 텅스텐(W)의 함량비는 1 내지 50 at% 범위에서 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 적외선 검출소자.
삭제
청구항 4에 있어서, 상기 바나듐 텅스텐 산화물의 두께는 25 내지 200㎚ 범위인 것을 특징으로 하는 적외선 검출소자.
기판상에 바나듐-텅스텐 박막을 증착하는 공정과,

상기 증착된 바나듐-텅스텐 박막의 저온 산화 공정을 포함하는 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O_x)박막의 제조방법.
청구항 8에 있어서,

상기 바나듐-텅스텐 박막을 증착하는 공정은,

r.f 스퍼터로 제작하여 증착하는 것을 특징으로 하는 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O_x)박막의 제조방법.
청구항 9에 있어서,

상기 r.f. 스퍼터로의 제조는 플라즈마 가스로 아르곤(Ar)이 사용되고, 0.5 내지 10 mTorr 범위의 작업압력과 150 내지 350W 범위의 플라즈마 파워로 수행되는 것을 특징으로 하는 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O_x)박막의 제조방법.
청구항 8에 있어서,

상기 바나듐-텅스턴 박막의 증착공정은 졸-겔(sol-gel)법, CVD법, PLD법, 증발기(evaporator) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O_x)박막의 제조방법.
청구항 10에 있어서,

상기 r.f. 스퍼터를 이용하여 바나듐-텅스텐 박막을 제조하는 경우에, 바나듐과 텅스텐의 조성비를 조절하는 단계를 포함하고,

상기 바나듐과 텅스텐의 조성비 조절방법에는 바나듐에 텅스텐이 특정 조성으로 함유된 합금 타겟을 스퍼터링하는 방법,

또는 바나듐과 텅스텐을 각각 동시에 스퍼터링하는 방법,

또는, 바나듐 타겟 상에 텅스텐 칩을 고정시킨후 스퍼터링하여 텅스텐 칩의 개수에 의해 조성비를 조절하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O_x)박막의 제조방법.
청구항 8에 있어서,

상기 바나듐-텅스텐 박막의 저온 산화 공정은 저온 열처리 공정을 포함하고,

상기 열처리공정은 250℃ ~ 400℃ 범위의 저온 및 소정의 산소 분압하에서 텅스텐의 함량과 박막의 두께에 따라 시간을 조절하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O_x)박막의 제조방법.
청구항 13에 있어서,

텅스텐 함량 1 내지 10 at%에서 두께에 따라 상기 열처리 시간을 조절함으로써 100㏀ 이하의 저항 및 -4%/℃ 이상의 TCR값 특성을 갖는 볼로메타용 산화물이 제조되는 것을 특징으로 하는 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O_x)박막의 제조방법.