KR102156664B1 - Resistive oxide thin film for bolometer and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 볼로미터용 산화물 저항 박막은 기판 상에 제공되는 입방정 스피넬(Cubic spinel) 결정 구조의 산화물층을 포함하고, 상기 산화물층은, 니켈, 망간 및 구리를 함유하는 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체; 및 상기 모체에 첨가되며, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 포함할 수 있다.The oxide resistance thin film for a bolometer according to the present invention includes an oxide layer having a cubic spinel crystal structure provided on a substrate, and the oxide layer contains nickel, manganese and copper (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 family parent; And a first additive, which is an element added to the parent body and maintains a valence state even when the temperature changes, and a second additive, which is an element whose valency changes according to temperature change.
Description
본 발명은 볼로미터용 산화물 저항 박막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 저항온도계수와 낮은 비저항을 갖는 볼로미터용 산화물 저항 박막 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an oxide resistance thin film for a bolometer and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an oxide resistance thin film for a bolometer having a high resistance temperature coefficient and a low specific resistance, and a method of manufacturing the same.
적외선의 흡수로 인한 온도 변화에 따라 저항이 변화하는 감지재료용 박막을 이용하여 적외선의 변화를 감지하는 적외선 센서인 볼로미터에서 감지재료로 이용되는 볼로미터 박막의 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)와 비저항 및 저주파수 대역의 저항의 출렁임(1/f Noise)에 의해 볼로미터의 성능이 결정되며, 저항이 온도 변화에 따라 변화하는 비율인 저항온도계수의 절대값이 높을수록 볼로미터의 성능이 우수할 수 있다. 뿐만 아니라, 볼로미터의 감도에 영향을 미치는 볼로미터 박막이 저항온도계수가 큰 값을 가짐과 동시에 비저항 및 1/f Noise가 작을수록 뛰어난 감지재료로서 쓰일 수 있다. The temperature coefficient of resistance (TCR) of the bolometer thin film used as a sensing material in a bolometer, an infrared sensor that detects changes in infrared, using a thin film for sensing materials whose resistance changes according to temperature changes due to absorption of infrared rays. The performance of the bolometer is determined by the specific resistance and the fluctuation of the resistance in the low frequency band (1/f noise), and the higher the absolute value of the resistance temperature coefficient, which is the rate at which the resistance changes with temperature change, the better the performance of the bolometer. have. In addition, the bolometer thin film, which affects the sensitivity of the bolometer, can be used as an excellent sensing material as the resistance temperature coefficient is large and the specific resistance and 1/f noise are small.
또한, 볼로미터 박막은 판독집적회로(ROIC) 제작을 위한 상보형 금속산화 반도체(CMOS) 공정과 호환성을 유지하여 저렴한 비용으로 제작이 가능해야 하고, 볼로미터 제조공정 중에 유기물 희생층의 버블링 문제 및 ROIC 회로가 손상되지 않도록 약 400℃ 이하의 열처리 온도를 만족하여야 한다.In addition, the bolometer thin film should be manufactured at low cost by maintaining compatibility with the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process for manufacturing a read integrated circuit (ROIC), and the problem of bubbling of the sacrificial layer of organic matter and ROIC during the bolometer manufacturing process. In order not to damage the circuit, the heat treatment temperature of about 400℃ or less must be satisfied.
차량용 나이트 비젼이나 첨단 운전자 지원 시스템(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)에 사용되는 적외선 센서 등은 환경적 혹은 장치 가열에 의해 고온의 환경에 노출되어 있기 때문에 어플리케이션 측면에서 상온이 아닌 고온에서도 높은 감도를 요구하는 경우가 증가하고 있으며, 이에 다양한 환경의 온도 범위에서 높은 저항온도계수를 가지는 적외선 센서가 요구된다.Infrared sensors used in vehicle night vision or advanced driver assistance systems (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) are exposed to a high temperature environment either environmentally or by heating the device, so the application requires high sensitivity even at high temperatures other than room temperature. Increasingly, an infrared sensor having a high resistance temperature coefficient in a temperature range of various environments is required.
하지만, 볼로미터 박막에 많이 사용되는 물질인 산화바나듐(VOx)의 경우 상온에서는 약 -2%/K의 저항온도계수를 가지는 반면에 고온에서는 약 -1%/K보다 낮은 저항온도계수를 가지며, 특정 온도에서 절연체나 반도체로부터 금속상태로 상태변화를 겪게 되어 재현성을 얻기 어려우므로 정교한 공정이 요구되고, 또한 안정된 박막 증착을 위해서는 스퍼터링 장치와 같은 고가의 특수한 장비와 500℃ 이상의 고온에서 제조해야 하는 문제점들을 가지고 있다.However, vanadium oxide (VO x ), a material commonly used in bolometer thin films, has a resistance temperature coefficient of about -2%/K at room temperature, while a resistance temperature coefficient lower than about -1%/K at high temperature, It is difficult to obtain reproducibility because it is difficult to obtain reproducibility as it undergoes a state change from an insulator or semiconductor at a specific temperature. In addition, for stable thin film deposition, it is a problem that it must be manufactured at a high temperature of 500℃ or higher with expensive special equipment such as a sputtering device. Have them.
따라서, 상온 뿐만 아니라 고온에서도 높은 저항온도계수를 가지면서 동시에 낮은 비저항을 가지는 볼로미터 박막을 낮은 열처리 온도에서 제조할 수 있는 볼로미터용 산화물 저항 박막이 요구된다.Therefore, there is a need for an oxide resistance thin film for a bolometer capable of manufacturing a bolometer thin film having a high resistance temperature coefficient at a high temperature as well as room temperature and a low specific resistance at a low heat treatment temperature.
본 발명은 낮은 열처리 온도에서 상온뿐만 아니라 고온에서도 높은 저항온도계수와 낮은 비저항을 가질 수 있는 볼로미터용 산화물 저항 박막 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides an oxide resistance thin film for a bolometer that can have a high resistance temperature coefficient and low specific resistance at a low heat treatment temperature as well as at room temperature and at a high temperature, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 실시예에 따른 볼로미터용 산화물 저항 박막은 기판 상에 제공되는 입방정 스피넬(Cubic spinel) 결정 구조의 산화물층을 포함하고, 상기 산화물층은, 니켈, 망간 및 구리를 함유하는 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체; 및 상기 모체에 첨가되며, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 포함할 수 있다.The oxide resistance thin film for a bolometer according to an embodiment of the present invention includes an oxide layer having a cubic spinel crystal structure provided on a substrate, and the oxide layer contains nickel, manganese, and copper (Ni,Mn ,Cu) 3 O 4 based parent; And a first additive, which is an element added to the parent body and maintains a valence state even when the temperature changes, and a second additive, which is an element whose valency changes according to temperature change.
상기 제1 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 8wt% 내지 12wt%의 함량으로 첨가되고, 상기 제2 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 1wt% 내지 3wt%의 함량으로 첨가될 수 있다.The first additive may be added in an amount of 8wt% to 12wt% with respect to the total weight of the parent body, and the second additive may be added in an amount of 1wt% to 3wt% with respect to the total weight of the parent body.
상기 제1 첨가제 내지 제2 첨가제는 상기 입방정 스피넬 결정 구조의 팔면체 자리에 위치하는 망간과 치환된다.The first to second additives are substituted with manganese located in the octahedral position of the cubic spinel crystal structure.
상기 제1 첨가제는 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 스칸듐 및 베릴륨 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함할 수 있다.The first additive may include at least one element of boron, zinc, gallium, indium, magnesium, scandium, and beryllium.
상기 제2 첨가제는 크롬, 비스무트 및 텅스텐 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함할 수 있다.The second additive may include at least one element of chromium, bismuth, and tungsten.
상기 산화물 저항 박막의 상온 저항온도계수의 절대값은 2.80%/K 이상, 고온 저항온도계수의 절대값은 각각 1.90%/K 이상, 비저항은 20Ω·cm 이하의 값을 가질 수 있다.The absolute value of the room temperature resistance temperature coefficient of the oxide resistance thin film may have a value of 2.80%/K or more, an absolute value of the high temperature resistance temperature coefficient of 1.90%/K or more, and a specific resistance of 20Ω·cm or less.
상기 기판 및 산화물층 사이에 니켈, 망간 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속의 산화물로 이루어진 산화물 시드층을 더 포함할 수 있다.An oxide seed layer made of an oxide of at least one metal of nickel, manganese, and copper may be further included between the substrate and the oxide layer.
상기 산화물 저항 박막의 두께는 40nm 내지 100nm인 값을 가질 수 있다.The thickness of the oxide resistance thin film may have a value ranging from 40 nm to 100 nm.
본 발명의 다른 실시예에 따른 볼로미터용 산화물 저항 박막 제조방법은 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해시켜 첨가제 용액을 준비하는 과정; 산화니켈 유기화합물, 산화망간 유기화합물 및 산화구리 유기화합물을 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해시켜 예비 전구체 용액을 준비하는 과정; 상기 첨가제 용액과 예비 전구체 용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 과정; 상기 혼합용액을 아세트산 에스테르계 유기용매에 희석하여 전구체 용액을 제조하는 과정, 기판 상에 상기 전구체 용액을 이용하여 액상 공정으로 전구체층을 형성하는 과정; 및 상기 전구체층을 산화 분위기에서 후속 열처리하여 산화물층으로 변화하는 과정을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing an oxide-resistant thin film for a bolometer includes a first additive, an element that maintains a valence state even when the temperature changes, and a second additive, an element whose valence changes according to temperature change, as an aromatic hydrocarbon-based organic solvent. The process of preparing an additive solution by dissolving in it; Preparing a preliminary precursor solution by dissolving a nickel oxide organic compound, a manganese oxide organic compound, and a copper oxide organic compound in an aromatic hydrocarbon-based organic solvent; Preparing a mixed solution by mixing the additive solution and the preliminary precursor solution; Diluting the mixed solution in an acetic acid ester-based organic solvent to prepare a precursor solution, forming a precursor layer on a substrate by using the precursor solution in a liquid phase process; And a process of changing the precursor layer into an oxide layer by subsequent heat treatment in an oxidizing atmosphere.
상기 산화물층은 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체 및 상기 모체에 첨가되며, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 포함하며, 상기 제 1 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 8wt% 내지 12wt%의 함량으로 첨가되고, 상기 제 2 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 1wt% 내지 3wt%의 함량 수 있다.The oxide layer is added to the (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 based matrix and the matrix, and the first additive is an element that maintains the valence state even when the temperature changes, and the second is an element whose valency changes according to temperature change. It includes an additive, wherein the first additive is added in an amount of 8wt% to 12wt% with respect to the total weight of the parent body, and the second additive may be added in an amount of 1wt% to 3wt% with respect to the total weight of the parent body.
상기 제1 첨가제는 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 세슘 및 베릴륨 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함할 수 있다.The first additive may include at least one element of boron, zinc, gallium, indium, magnesium, cesium, and beryllium.
상기 제2 첨가제는 크롬, 비스무트 및 텅스텐 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함할 수 있다The second additive may contain at least one element of chromium, bismuth, and tungsten.
상기 후속 열처리는 280℃ 내지 380℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.The subsequent heat treatment may be performed in a temperature range of 280°C to 380°C.
상기 전구체층을 형성하는 과정 이전에, 상기 기판 상에 니켈, 망간 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함하는 금속층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.Prior to the process of forming the precursor layer, the process of forming a metal layer including at least one metal of nickel, manganese, and copper on the substrate may be further included.
상기 금속층을 형성한 뒤 상기 전구체층을 형성하는 과정 이전에, 상기 금속층을 상기 후속 열처리보다 낮은 온도에서 예비 열처리하여 산화물 시드층으로 변화하는 과정을 더 포함할 수 있다.After forming the metal layer and before the process of forming the precursor layer, a process of preliminarily heat-treating the metal layer at a temperature lower than that of the subsequent heat treatment to change into an oxide seed layer may be further included.
본 발명에서는 니켈, 망간 및 구리를 함유하는 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체에 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 첨가함으로써 볼로미터용 산화물 저항 박막이 상온뿐만 아니라 85℃ 내지 120℃의 고온에서도 높은 저항온도계수를 가지면서, 20Ω·cm의 낮은 비저항을 동시에 가질 수 있다. In the present invention, the first additive, which is an element that maintains the valence state even when the temperature changes in the (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 based matrix containing nickel, manganese, and copper, and the agent whose valency changes according to temperature change 2 By adding the additive, the oxide resistance thin film for a bolometer can have a high resistance temperature coefficient not only at room temperature but also at a high temperature of 85°C to 120°C, while simultaneously having a low specific resistance of 20Ω·cm.
이에 따라 환경적 혹은 장치 가열에 의해 높은 온도를 가지는 차량 내부 등 온도에 제한되지 않고 다양한 환경에서 우수한 정밀도와 향상된 온도 안정성을 갖는 고감도 적외선 센서의 제작이 가능할 수 있다. Accordingly, it is possible to manufacture a high-sensitivity infrared sensor having excellent precision and improved temperature stability in various environments, such as inside a vehicle having a high temperature due to environmental or device heating.
게다가, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제의 원소들 중 벌크 세라믹스에서 저온소결용 첨가제로 작용하는 원소의 경우 열처리 온도가 감소할 수 있으며, 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제가 첨가됨으로써 전자 호핑으로 인한 결정립 성장으로 열처리 온도를 감소 시킬 수 있다.In addition, among the elements of the first additive, which is an element that maintains the valence state even when the temperature changes, the heat treatment temperature may decrease in the case of an element that acts as an additive for low temperature sintering in bulk ceramics, and the element whose valency changes according to the temperature change. The addition of the phosphorus second additive may reduce the heat treatment temperature due to grain growth due to electron hopping.
추가적으로, 결정 핵 역할을 하는 산화물 시드층을 기판과 산화물층 사이에 형성하여 산화물층의 결정립 성장을 유도함으로써 결정 성장에 요구되는 열처리 온도가 더욱 감소할 수 있다.Additionally, by forming an oxide seed layer serving as a crystal nucleus between the substrate and the oxide layer to induce grain growth of the oxide layer, the heat treatment temperature required for crystal growth may be further reduced.
따라서, 입방정 스피넬 결정 구조를 가지는 산화물 저항 박막의 결정화를 위한 열처리 온도가 280℃ 내지 380℃의 낮은 온도 범위에서 형성될 수 있고, 높은 열처리 온도로 발생했던 신호처리 회로의 손상 및 유기물 희생층의 버블링 문제를 방지할 수 있다.Therefore, the heat treatment temperature for crystallization of the oxide resistance thin film having a cubic spinel crystal structure can be formed in a low temperature range of 280°C to 380°C, and damage to the signal processing circuit caused by the high heat treatment temperature and bubbles in the sacrificial layer of organic materials Ring problems can be avoided.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터용 산화물 저항 박막을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 온도에 따른 면저항을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화물 저항 박막 제조방법을 나타내는 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 코터의 구조를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 볼로미터의 제조공정을 나타내는 단면도. 1 is a cross-sectional view showing an oxide resistance thin film for a bolometer according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing sheet resistance according to temperature according to an embodiment of the present invention.
3 is a flow chart showing a method of manufacturing an oxide resistance thin film according to another embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing the structure of a spin coater according to another embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a bolometer according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장될 수 있고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art It is provided to inform you. In order to describe the invention in detail, the drawings may be exaggerated, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings.
이하에서는 도 1 내지 도 2를 통해 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터용 산화물 저항 박막에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, an oxide resistance thin film for a bolometer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 2.
본 발명의 실시예에 따른 볼로미터용 산화물 저항 박막은 기판 상에 제공되는 입방정 스피넬(Cubic spinel) 결정 구조의 산화물층을 포함하고, 상기 산화물층은, 니켈, 망간 및 구리를 함유하는 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체; 및 상기 모체에 첨가되며, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 첨가제는 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 스칸듐 및 베릴륨 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함할 수 있고, 제2 첨가제는 크롬, 비스무트 및 텅스텐 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함할 수 있다.The oxide resistance thin film for a bolometer according to an embodiment of the present invention includes an oxide layer having a cubic spinel crystal structure provided on a substrate, and the oxide layer contains nickel, manganese, and copper (Ni,Mn ,Cu) 3 O 4 based parent; And a first additive, which is an element added to the parent body and maintains a valence state even when the temperature changes, and a second additive, which is an element whose valency changes according to temperature change. Here, the first additive may include at least one element of boron, zinc, gallium, indium, magnesium, scandium, and beryllium, and the second additive may include at least one element of chromium, bismuth, and tungsten. I can.
산화물층(120)은 (Ni,Mn,Cu)3O4의 모체에 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제가 첨가된 입방정 스피넬 결정 구조로 이루어질 수 있는데, 입방정 스피넬 결정 구조(AB2O4)의 전기적 특성은 B-site인 산소팔면체에 위치한 이온들의 원자가 차이로 인한 전자 호핑(hopping)에 영향을 받을 수 있으며, 전자 호핑은 전자가 여기(excited)되어 근접한 원자로 이동하면서 전자의 이동에 의해 전기가 흐르는 것이다. In the
스피넬 구조에서 A-site의 산소사면체는 격자 간격이 크게 비어있는 반면에 B-site의 산소팔면체들끼리는 edge로 연결되어 있어 거리상으로 가장 가깝기 때문에 전자 호핑은 산소팔면체에 위치하고 하나의 원자가 차이를 가지는 양이온들 사이에서 발생하게 된다.In the spinel structure, the oxygen tetrahedron of the A-site has a large lattice spacing, whereas the oxygen octahedrons of the B-site are connected by edges and are the closest in terms of distance, so electron hopping is located in the oxygen octahedron and has one valency difference. It will occur between them.
본 발명에서 B-site에 위치하는 Mn은 Mn3 +와 Mn4 +의 2가지 양이온으로 존재하며, 3가와 4가의 이온간에서 전자의 전하 차이가 발생해 Mn3 +는 Mn4 +으로, Mn4 +는 Mn3 +로 변화하게 된다. 즉, B-site에 위치한 Mn3 +와 Mn4 + 이온들 사이에서 일어나는 이온 전하의 변화(전자 호핑)로 박막의 전기적 특성이 변화할 수 있으며, 전자 호핑의 발생 확률에 따라 비저항 및 저항온도계수가 변화할 수 있다.In the present invention, Mn located at the B-site exists as two cations of Mn 3 + and Mn 4 + , and the charge difference of electrons occurs between the trivalent and tetravalent ions, so that Mn 3 + becomes Mn 4 + and Mn 4 + is changed to Mn + 3. In other words, the electrical properties of the thin film can be changed due to the change in the ion charge (electron hopping) that occurs between the Mn 3 + and Mn 4 + ions located at the B-site, and the specific resistance and resistance temperature coefficient depend on the probability of occurrence of electron hopping. Can change.
Mn3 +와 Mn4 +의 이온들이 B-site에 비슷한 수로 존재하여 Mn3 +와 Mn4 +간의 전자 호핑 확률이 증가하면 비저항뿐만 아니라 저항온도계수 또한 감소하게 되는데, (Ni,Mn,Cu)3O4의 조성에 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 붕소(B3+), 아연(Zn2+), 갈륨(Ga3 +), 인듐(In3 +), 마그네슘(Mg2 +), 스칸듐(Sc3 +) 및 베릴륨(Be2 +)의 제1 첨가제 중 적어도 어느 하나가 첨가제로서 첨가되면 전자 호핑이 발생하는 산소팔면체 자리의 Mn3 +와 치환되면서 Mn3 +와 Mn4 +간의 전자 호핑 확률을 감소시키게 되고, 이에 비저항 및 고온에서의 저항온도계수를 증가시킬 수 있다.When the electron hopping probability between Mn 3 + and Mn 4 + increases as the ions of Mn 3 + and Mn 4 + exist in a similar number at the B-site, not only the specific resistance but also the resistance temperature coefficient decreases.(Ni,Mn,Cu) Boron (B 3+ ), zinc (Zn 2+ ), gallium (Ga 3 + ), indium (In 3 + ), magnesium (Mg 2 ), which are elements that maintain the valence state even when the temperature changes in the composition of 3 O 4 +), scandium (Sc 3 +) and beryllium (Be 2 +) of the first additive as of at least one is when added as an additive substituted with electron Mn 3 + of the oxygen octahedral sites which hopping occurs Mn 3 + and Mn 4 The probability of electron hopping between + can be reduced, thereby increasing the specific resistance and resistance temperature coefficient at high temperatures.
보다 자세히는, 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 스칸듐 및 베릴륨은 모두 하나의 원자가를 가지는 원소로써, (Ni,Mn,Cu)3O4의 모체에 제1 첨가제로서 여러 가지의 원자가를 가져 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소와 달리 본 발명의 제1 첨가제처럼 온도나 압력 등 외부의 영향에서도 원자가가 변하지 않고 2가 또는 3가의 원자가 상태를 유지할 수 있는 원소가 첨가되면, 안정한 하나의 원자가(2가 또는 3가의 원자가)를 가져 전기 전도에 관여하지 않는 원소가 산소팔면체 자리의 Mn3 +와 치환되면서 Mn3 +와 Mn4 +간의 전자 호핑률을 감소시킬 수 있다. In more detail, boron, zinc, gallium, indium, magnesium, scandium and beryllium are all elements having one valency, and they have various valences as the first additive in the parent body of (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 . Unlike an element whose valency changes according to temperature change, as in the first additive of the present invention, when an element capable of maintaining a divalent or trivalent valency state without changing the valence even under external influences such as temperature or pressure is added, a stable valency ( as the element divalent or trivalent atom) that is not involved in the import electrically conductive substituted and Mn + 3 in the oxygen octahedral sites can reduce the rate of electron hopping between the Mn + 3 and Mn + 4.
표 1은 본 발명의 실시예에 따른 제1 첨가제의 결합원자가를 나타내는 표이다.Table 1 is a table showing the bonding atoms of the first additive according to an embodiment of the present invention.
표 1을 참조하면, 상기 제1 첨가제의 결합원자가는 상기 망간의 결합원자가 보다 작을 수 있다.Referring to Table 1, the binding atom of the first additive may be smaller than that of the manganese.
제1 첨가제의 첨가에 따른 상온 및 고온 저항온도계수 증가의 또 다른 이유로 입방정 스피넬 결정 구조에서 B-site의 결합원자가를 설명할 수 있는데, 결합원자가(bond valence)는 화합물 내에서 이온들이 실제 주변의 이온들과 결합하고 있을 때의 원자가를 나타낸 것으로 이온간의 거리만의 함수이기 때문에 결정 내의 결합강도를 해석하고 예측할 수 있다.Another reason for the increase of the resistance temperature coefficient at room temperature and high temperature due to the addition of the first additive can explain the bonding atom of B-site in the cubic spinel crystal structure. The bond valence is that ions in the compound It shows the valence when bonded with ions. Since it is a function of only the distance between ions, the bond strength in the crystal can be analyzed and predicted.
표 1에서 알 수 있듯이 AB2O4의 팔면체 자리에 위치하는 망간과 치환되는 제1 첨가제인 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 스칸듐 및 베릴륨 중 적어도 어느 하나의 결합원자가는 망간의 결합원자가인 2.63보다 낮은 2.60 이하로 망간의 결합원자가보다 낮다. 즉, 팔면체 자리에 망간이 위치한 경우보다 (Ni,Mn,Cu)3O4의 모체에 제1 첨가제가 첨가되어 망간과 제1 첨가제가 치환될 경우 팔면체 자리의 결합원자가가 감소하게 되고, 이에 망간과 산소 이온 사이의 결합력보다 제1 첨가제와 산소 이온과의 결합력이 약해져 제1 첨가제의 이온이 쉽게 움직일 수 있게 되므로 상대적으로 고온으로 갈수록 팔면체 자리에 위치한 이온의 떨림(rattling) 확률이 쉽게 일어날 수 있어 고온 저항온도계수가 더욱 높아질 수 있다. 하지만, 저항온도계수가 증가할수록, 비저항도 함께 증가하게되는 문제점이 있다.As can be seen from Table 1, the binding atom of at least one of boron, zinc, gallium, indium, magnesium, scandium, and beryllium, which is the first additive substituted with manganese located at the octahedral position of AB 2 O 4 , is It is less than 2.63 and less than 2.60, which is lower than manganese bonding atom. In other words, when the first additive is added to the parent body of (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 than the case where manganese is located at the octahedral site, when manganese and the first additive are substituted, the bonding atom at the octahedral site decreases. Since the bonding strength between the first additive and oxygen ions becomes weaker than the bonding strength between the oxygen ions and the oxygen ions, the ions of the first additive can easily move.Therefore, the rattling probability of the ions located in the octahedral position can easily occur as the temperature increases. The high temperature resistance temperature coefficient can be higher. However, as the resistance temperature coefficient increases, the specific resistance also increases.
적외선 센서는 열에 의한 잡음(Noise)이 존재하므로 적외선 센서의 노이즈 특성을 낮추기 위해서는 비저항이 낮아야 한다. 즉, 적외선 흡수에 의한 온도 변화에 따라서 저항값이 변화하는 산화물 저항 박막은 비저항이 높을수록 볼로미터의 노이즈가 증가하기 때문에 3MΩ/squ 이하의 면저항, 소자 사이즈와 공정상의 편의성 및 안정성을 위해 박막의 두께는 40nm 내지 100nm로 요구되어, 20Ω·cm 이하의 낮은 비저항값이 요구된다. 절대값 2.70%/K 이상의 상온 저항온도계수와 절대값 1.80%/K이상의 고온 저항온도계수가 요구된다.Since the infrared sensor has noise due to heat, the specific resistance must be low in order to lower the noise characteristic of the infrared sensor. In other words, for oxide-resistant thin films whose resistance values change according to temperature changes due to infrared absorption, the higher the specific resistance, the higher the noise of the bolometer, so the sheet resistance of 3 MΩ/squ or less, the thickness of the thin film for the convenience and stability of the device size and process. Is required from 40nm to 100nm, and a low resistivity value of 20Ω·cm or less is required. A room temperature resistance temperature coefficient of at least 2.70%/K absolute and a high temperature resistance temperature coefficient of at least 1.80%/K are required.
한편, (Ni,Mn,Cu)3O4의 모체에 제1 첨가제만을 10wt%의 함량으로 첨가했을 때 25℃에서의 상온 저항온도계수의 절대값이 2.93%/K, 85℃에서의 고온 저항온도계수의 절대값이 1.97%/K로 볼로미터에 적용 가능한 값이지만, 면저항이 7MΩ이상으로,온도에 따른 저항변화를 감지하기 위해 필요한 적절한 양의 전류가 흐를 수 없게되는 문제점이 발생하여 볼로미터에 적용하기 어렵다. On the other hand, when only the first additive is added to the parent body of (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 in an amount of 10 wt%, the absolute value of the room temperature resistance temperature coefficient at 25°C is 2.93%/K, high temperature resistance at 85°C. The absolute value of the temperature coefficient is 1.97%/K, which can be applied to the bolometer, but the sheet resistance is 7MΩ or more, and the problem occurs that the appropriate amount of current required to detect the change in resistance according to temperature cannot flow, so it is applied to the bolometer. Difficult to do.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 실시예에서는 제2 첨가제로서 Cr(Cr2+,Cr3+,Cr4+,Cr5+,Cr6+), Bi(Bi3+, Bi5+), W(W4+, W5+, W6+) 처럼 여러 가지의 원자가를 가져 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 (Ni,Mn,Cu)3O4 모체에 첨가하였다. In order to solve this problem, in the embodiment of the present invention, as a second additive, Cr(Cr 2+ ,Cr 3+ ,Cr 4+ ,Cr 5+ ,Cr 6+ ), Bi(Bi 3+ , Bi 5+ ) , W(W 4+ , W 5+ , W 6+ ), a second additive (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 was added to the 3 O 4 matrix, which is an element that has various valences and changes the valence according to temperature.
A-site의 Cr과 B-site의 Mn의 치환이 이루어지면서 발생하는 전자 호핑에 의해 전도도가 발생하고, 예를들어 Cr3+와 Cr4+의 전자 호핑에 의해 전도도가 발생하고, 이에 비저항이 감소될 수 있다.Conductivity is generated by electron hopping that occurs when Cr in A-site and Mn in B-site are replaced. For example, conductivity is generated by electron hopping of Cr 3+ and Cr 4+ . Can be reduced.
즉, Cr(Cr2+,Cr3+,Cr4+,Cr5+,Cr6+), Bi(Bi3+, Bi5+), W(W4+, W5+, W6+) 등의 원소처럼 여러 가지의 원자가를 가져 온도 변화에 따라 원자가가 쉽게 변하는 원소가 첨가제로서 첨가될 경우 B-site의 원소와 치환되면서 다른 원자가를 가지는 동일 양이온들 간의 전자 호핑이 일어나 전기 전도도에 관여하게 되고, 이 결과로 전기 전도도가 증가하여 박막의 비저항은 감소하게 된다.That is, Cr(Cr 2+ ,Cr 3+ ,Cr 4+ ,Cr 5+ ,Cr 6+ ), Bi(Bi 3+ , Bi 5+ ), W(W 4+ , W 5+ , W 6+ ) When an element that has various valences such as such elements and whose valency easily changes according to temperature changes is added as an additive, electron hopping between the same cations having different valences occurs while being substituted with the element of the B-site to participate in electrical conductivity. As a result, the electrical conductivity increases and the resistivity of the thin film decreases.
본 발명의 실시예에 따른 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제의 효과로 저항온도계수가 증가하여 고온에서의 전기적 특성이 개선되고, 여러 가지 원자가를 가져 온도 변화에 따라 원자가가 쉽게 변하는 원소 인 제2 첨가제가 첨가 된 효과로 제1 첨가제 문제점인 비저항을 크게 감소 시킬 수 있다.Even when the temperature according to the embodiment of the present invention changes, the resistance temperature coefficient increases due to the effect of the first additive, which is an element that maintains the valence state, thereby improving the electrical properties at high temperatures, and has various valences, so that the valence is increased according to the temperature change. Due to the effect of adding the second additive, which is an element that changes easily, the specific resistance, which is the problem of the first additive, can be greatly reduced.
따라서, 절대값이 2.80%/K 이상인 상온 저항온도계수와 절대값이 1.90%/K 이상인 고온 저항온도계수를 가지고, 20Ω·cm의 비저항 값을 가지게되어 볼로미터용 산화물 저항 박막에 적용하는데 유리한 조건을 가질 수 있다. Therefore, it has a room temperature resistance temperature coefficient of 2.80%/K or more absolute value and a high temperature resistance temperature coefficient of 1.90%/K or more absolute value, and has a specific resistance value of 20 Ω·cm, which is advantageous for application to oxide resistance thin films for bolometers. Can have.
게다가, 본 발명에 따른 산화물층(130)은 여러 가지 원자가를 가져 온도 변화에 따라 원자가가 쉽게 변하는 원소인 제2 첨가제 추가함으로써 전자 호핑으로 인한 비저항의 감소 뿐만 아니라, 결정립 크기를 증진시켜 열처리 온도를 감소시킬 수 있다. In addition, the
일반적으로 저항 박막의 저항이 너무 높게 나타나면 보통 일정한 열처리 온도에서 저항 박막의 저항측정 평가가 안될 수 있고, 저항이 낮아지면 낮아질수록 더 낮은 열처리 온도에서 저항측정 평가가 가능해질 수 있다. In general, if the resistance of the resistive thin film is too high, it may not be possible to measure the resistance of the resistive thin film at a constant heat treatment temperature, and as the resistance decreases, the resistance measurement and evaluation may become possible at a lower heat treatment temperature.
여러 가지 원자가를 가져 온도 변화에 따라 원자가가 쉽게 변하는 원소 인 제2 첨가제를 첨가함으로써 계면에너지를 감소시켜 결정립 성장을 유도할 수 있고, 저항을 낮춤으로써 저항측정이 가능한 열처리 온도를 낮출 수 있는 것이다.By adding a second additive, which is an element that has various valences and whose valence is easily changed according to temperature changes, the interfacial energy can be reduced to induce grain growth, and by lowering the resistance, the heat treatment temperature for which resistance can be measured can be lowered.
또한, 상기 제1 첨가제의 원소들 중 붕소, 아연은 벌크 세라믹스에서 저온소결용 첨가제로 사용되는 원소로써, 본 발명의 실시예에 따른 모체에 붕소 및 아연 중 적어도 어느 하나가 제1 첨가제로서 첨가될 경우 결정 성장에 요구되는 열처리 온도가 감소될 수 있어 저온 열처리에 더욱 효과적일 수 있다.In addition, among the elements of the first additive, boron and zinc are elements used as additives for low temperature sintering in bulk ceramics, and at least one of boron and zinc may be added to the mother body according to the embodiment of the present invention as the first additive. In this case, since the heat treatment temperature required for crystal growth may be reduced, it may be more effective for low temperature heat treatment.
보다 자세히는, 붕소는 붕산(H3BO3), 삼산화붕소(B2O3)와 같이 산화물 형태에서 녹는점이 낮기 때문에 제2 첨가제로서 붕소가 첨가될 경우 저온 열처리에 효과적일 수 있다.More specifically, boron has a low melting point in an oxide form, such as boric acid (H 3 BO 3 ) and boron trioxide (B 2 O 3 ), so when boron is added as a second additive, it may be effective in low-temperature heat treatment.
따라서, 니켈, 망간, 구리 뿐만 아니라 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 여러 가지 원자가를 가져 온도 변화에 따라 원자가가 쉽게 변하는 원소 인 제2 첨가제을 포함하는 산화물층은 제1 첨가제 내지 제2 첨가제가 첨가됨으로써 저항 박막의 비저항을 낮추어 결정 성장에 요구되는 열처리 온도를 감소시키는데 효과적인 역할을 한다. Therefore, the oxide layer including nickel, manganese, copper, as well as a first additive, an element that maintains a valence state even when temperature changes, and a second additive, an element whose valency easily changes according to temperature changes, has various valences. The addition of the additive or the second additive plays an effective role in reducing the heat treatment temperature required for crystal growth by lowering the resistivity of the resistive thin film.
즉, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제가 첨가될 경우 입방정 스필넬 결정 구조를 가지는 산화물 저항 박막이 280℃내지 380℃의 낮은 열처리 온도 범위에서 형성될 수 있으며, 스피넬 결정구조 또한 형성 될 수 있다.That is, when the first additive, which is an element that maintains the valence state even when the temperature changes, and the second additive, which is an element whose valency changes according to temperature change, is added, the oxide-resistant thin film having a cubic spielnel crystal structure is 280℃ to 380℃. It can be formed in a low heat treatment temperature range of, and a spinel crystal structure can also be formed.
한편, 비저항과 저항온도계수의 절대값은 서로 비례하는 경향이 있기 때문에, 볼로미터에 적용가능한 낮은 비저항과 높은 저항온도계수값을 얻기위해선 제1 첨가제와 제2 첨가제가 적절한 함량으로 첨가되어야 한다. On the other hand, since the absolute values of the specific resistance and the resistance temperature coefficient tend to be proportional to each other, in order to obtain the low specific resistance and high resistance temperature coefficient values applicable to the bolometer, the first additive and the second additive must be added in an appropriate amount.
표 2 내지 3은 볼로미터에 유리하게 적용하기위해 요구되는 20Ω·cm이하의 낮은 비저항, 2.70%/K이상의 높은 상온 저항온도계수와 1.80%/K이상의 높은 고온 저항온도계수를 찾기 위해 (Ni,Mn,Cu)3O4 모체에 첨가할 제1 첨가제와 제2 첨가제의 함량에 따른 전기적 특성을 나타낸 표이다. Tables 2 to 3 are to find low specific resistance of 20Ω·cm or less, high room temperature resistance temperature coefficient of 2.70%/K or higher, and high temperature resistance temperature coefficient of 1.80%/K or more required for advantageous application to bolometers (Ni, Mn ,Cu) 3 O 4 Table showing the electrical properties according to the contents of the first and second additives to be added to the mother body.
표 2는 제2 첨가제(Cr)를 2wt%로 고정하고, 제1 첨가제(B)의 함량에 따른 전기적 특성들을 나타낸 표이다.Table 2 is a table showing electrical properties according to the content of the second additive (B) and fixing the second additive (Cr) to 2 wt%.
(B)함량additive
(B) content
(Ω·cm) Resistivity
(Ω·cm)
(%/K) High temperature TCR
(%/K)
표 3는 제1 첨가제(B)를 10wt%로 고정하고, 제2 첨가제(Cr)의 함량에 따른 전기적 특성들을 나타낸 표이다.Table 3 is a table showing electrical properties according to the content of the first additive (B) fixed at 10 wt% and the second additive (Cr).
(Cr)함량additive
(Cr) content
(Ω·cm) Resistivity
(Ω·cm)
(%/K) Room temperature TCR
(%/K)
(%/K) High temperature TCR
(%/K)
표 2 내지 3을 참조하면, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 8wt% 내지 12wt%의 함량으로 첨가되고, 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 1wt% 내지 3wt%의 함량으로 첨가되었을때, 볼로미터에 적용하기 유리한 조건인 20Ω·cm의 낮은 비저항, 2.80%/K 이상의 높은 상온 저항온도계수와 1.90%/K 이상의 높은 고온 저항온도계수의 값을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to Tables 2 to 3, the first additive, which is an element that maintains a valence state even when the temperature changes, is added in an amount of 8 wt% to 12 wt% with respect to the total weight of the parent body, and an element whose valency changes according to temperature change. When the phosphorus second additive is added in an amount of 1 wt% to 3 wt% based on the total weight of the parent body, a low specific resistance of 20 Ω·cm, which is an advantageous condition to be applied to a bolometer, a high room temperature resistance temperature coefficient of 2.80%/K or more, and 1.90 It can be seen that a high temperature resistance temperature coefficient value of %/K or higher can be obtained.
제1 첨가제는 (Ni,Mn,Cu)3O4 모체의 전체 중량에 대해 8wt% 내지 12wt%의 함량으로 모체에서 추가적으로 첨가될 수 있는데, 제1 첨가제가 12wt%보다 큰 함량으로 첨가될 경우 스피넬 단일상뿐만 아니라 이차상이 발생하여 비저항이 증가하게 될 뿐만 아니라 하나의 원자가를 가지는 첨가제가 Mn3 +와 Mn4 +간의 전자 호핑 확률을 크게 감소시키면서 비저항이 급격히 증가할 수 있다. 즉, 12wt%보다 큰 함량은 높은 비저항으로 인해 열에 의한 잡음이 발생하는 볼로미터의 노이즈가 증가하여 볼로미터의 특성 구현이 힘들게 되는 문제점이 있다. 반면에, 제1 첨가제가 8wt%보다 작은 함량으로 첨가될 경우 비저항이 낮고 상온 저항온도계수도 높은 값을 나타내지만, 고온에서의 저항온도계수가 감소하므로 환경적 혹은 장치 가열에 의해 높은 온도를 가지는 차량 내부 등 고온의 환경에서는 고감도 적외선 센서의 사용이 어려운 문제점이 있다.The first additive is (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 It can be additionally added from the mother body in an amount of 8wt% to 12wt% with respect to the total weight of the mother body.When the first additive is added in an amount greater than 12wt%, not only the spinel single phase but also the secondary phase occurs, thereby increasing the specific resistance. In addition, an additive having one valency can significantly increase the specific resistance while significantly reducing the probability of electron hopping between Mn 3 + and Mn 4 + . That is, when the content is greater than 12wt%, the noise of the bolometer that generates noise due to heat increases due to high specific resistance, making it difficult to implement the characteristics of the bolometer. On the other hand, when the first additive is added in an amount less than 8 wt%, the specific resistance is low and the room temperature resistance temperature coefficient is also high, but the resistance temperature coefficient at high temperature decreases, so the interior of the vehicle having a high temperature due to environmental or device heating. There is a problem in that it is difficult to use a high-sensitivity infrared sensor in a high temperature environment such as.
제2 첨가제는 (Ni,Mn,Cu)3O4 모체의 전체 중량에 대해 1wt% 내지 3wt%의 함량으로 모체에서 추가적으로 첨가될 수 있는데, 제2 첨가제가 소량이라도 첨가될 경우 상온에서 저항 박막의 비저항은 급격히 감소하지만, 일정량 이상 첨가될 경우, 스피넬 결정구조의 단일상 고용범위에서 스피넬 결정구조에서 벗어나기 때문에 비저항이 감소하다가 다시 증가하는 경향을 나타낼 수 있다. The second additive (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 may be additionally added from the parent body in an amount of 1 wt% to 3 wt% based on the total weight of the parent body.If even a small amount of the second additive is added, the resistance thin film is formed at room temperature. The specific resistance decreases rapidly, but when a certain amount or more is added, the specific resistance decreases and then increases again because the spinel crystal structure deviates from the spinel crystal structure in the single phase solid solution range of the spinel crystal structure.
따라서, 볼로미터에 적용하기에 유리한 20Ω·cm의 낮은 비저항값과 저항온도계수를 가지게 하는 제2 첨가제의 1wt% 내지 3wt%의 함량 첨가로, 열에 의한 잡음이 발생하는 노이즈를 최소화한다.Therefore, by adding a content of 1 wt% to 3 wt% of the second additive to have a low specific resistance value of 20 Ω·cm and a temperature coefficient of resistance, which is advantageous for application to a bolometer, noise generated by heat is minimized.
또한, 적외선 센서의 온도 분해능 값은 저항온도계수의 절대값에 반비례하므로 볼로미터의 중요한 평가 요소인 응답도(Responsivity) 및 온도 분해능 특성을(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)을 향상시키기 위해서는 저항온도계수의 절대값이 커야한다. In addition, since the temperature resolution value of the infrared sensor is inversely proportional to the absolute value of the resistance temperature coefficient, in order to improve the response (Responsivity) and temperature resolution characteristics (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD), which are important evaluation factors of the bolometer, The absolute value must be large.
하지만, 감지 능력의 척도가 되는 저항온도계수의 절대값이 1.90%/K보다 작을 경우에는 낮은 저항온도계수의 절대값으로 인해 소자의 응답도 및 온도 분해능 특성이 좋지 않아 볼로미터의 특성 구현이 힘들게 되고, 이에 고감도를 가지는 소자 제작이 어려운 문제점이 있기 때문에 산화물 저항 박막의 상온 저항온도계수 의 절대값은 2.80%/K 및 고온 저항온도계수의 절대값은 1.90%/K 이상일 수 있다.However, if the absolute value of the resistance temperature coefficient, which is a measure of the sensing ability, is less than 1.90%/K, the responsiveness and temperature resolution characteristics of the device are poor due to the absolute value of the low resistance temperature coefficient, making it difficult to implement the characteristics of the bolometer. However, since it is difficult to fabricate a device having high sensitivity, the absolute value of the room temperature resistance temperature coefficient of the oxide resistance thin film may be 2.80%/K and the absolute value of the high temperature resistance temperature coefficient may be 1.90%/K or more.
한편, 저항온도계수의 절대값이 크면 클수록 응답도 및 온도 분해능 측면에서는 좋을 수 있지만, (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체에 본 발명의 제1 첨가제와 제2 첨가제가 첨가되어 형성된 산화물 저항 박막이 전술한 바와 같이 (1)2.80%/K 이상의 상온 저항온도계수의 절대값 및 (2)1.90%/K 이상의 고온 저항온도계수의 절대값을 가지면서 동시에 (3)20Ω·cm의 비저항을 가지는 3가지의 조건을 모두 만족하기 위해서는 상온 및 고온 저항온도계수의 절대값이 각각 2.80%/K 이하일 수 있다. On the other hand, the larger the absolute value of the resistance temperature coefficient, the better in terms of response and temperature resolution, but an oxide formed by adding the first and second additives of the present invention to the (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 based matrix As described above, the resistive thin film has (1) the absolute value of the room temperature resistance temperature coefficient of 2.80%/K or more and (2) the high temperature resistance temperature coefficient of 1.90%/K or more, and at the same time, (3) the specific resistance of 20Ω·cm. In order to satisfy all three conditions having a, the absolute values of the room temperature and high temperature resistance temperature coefficients may be 2.80%/K or less, respectively.
따라서, 본발명의 실시예에서 산화물 저항 박막은 상온 및 고온에서 모두 1.90%/K 내지 2.80%/K의 높은 저항온도계수 절대값을 가질 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the oxide resistance thin film may have a high absolute value of the resistance temperature coefficient of 1.90%/K to 2.80%/K at both room temperature and high temperature.
도 2는 (Ni,Mn,Cu)3O4 모체에 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제 중 B가 상기 모체의 전체 중량에 대해 10wt%로 첨가되고, 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제 중 Cr이 상기 모체의 전체 중량에 대해 2wt%로 첨가 된 경우, 온도에 따른 면저항의 값과, 25℃의 상온과 85℃의 고온에서의 저항온도계수값을 나타낸 것이다.2 shows (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 Among the first additives, which are elements that maintain a valence state even when the temperature changes in the parent body, B is added in 10 wt% of the total weight of the parent body, and according to the temperature change In the case where Cr is added in 2 wt% of the total weight of the parent body among the second additives, which are elements with varying valency, the values of sheet resistance according to temperature and resistance temperature coefficient values at room temperature of 25°C and high temperature of 85°C are shown. .
제1 첨가제 중 B가 10wt%로 첨가되고, 제2 첨가제중 Cr이 2wt%로 첨가됨으로써 20Ω·cm이하의 비저항을 가질 수 있으며, 소자 사이즈와 공정상의 편의성 및 안정성을 위한 40nm 내지 100nm의 박막 두께가 요구되어, 상온과 고온에서 3MΩ/squ 이하의 면저항을 가질 수 있게 된다.B is added in 10 wt% of the first additive and Cr is added in 2 wt% of the second additive, so that it can have a specific resistance of 20 Ω·cm or less, and a thin film thickness of 40 nm to 100 nm for device size and process convenience and stability Is required, it is possible to have a sheet resistance of 3MΩ/squ or less at room temperature and high temperature.
또한, 25℃ 상온에서 절대값 2.83%/K의 저항온도계수와 85℃ 고온에서 절대값 1.92%/K의 높은 저항온도계수 값을 갖는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that it has a high resistance temperature coefficient of 2.83%/K absolute at room temperature at 25℃ and 1.92%/K at high temperature at 85℃.
이상에서 살펴본 바와 같이, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제가 첨가될 경우 본 발명의 산화물 저항 박막은 상온 뿐만 아니라 고온에서도 1.90%/K 이상의 높은 저항온도계수의 절대값을 가지면서 동시에 마이크로 볼로미터에 유리한 조건인 20Ω·cm 이하의 비저항을 가질 수 있으므로 상온 및 고온에서 모두 우수한 정밀도와 향상된 온도 안정성을 가지는 고감도 볼로미터(또는 적외선 센서)를 제조할 수 있다.As described above, when the first additive, which is an element that maintains the valence state even when the temperature changes, and the second additive, which is an element whose valency changes according to the temperature change, are added, the oxide resistance thin film of the present invention is not only at room temperature but also at high temperature. It has an absolute value of a high resistance temperature coefficient of 1.90%/K or more and at the same time has a specific resistance of 20Ω·cm or less, which is an advantageous condition for a microbolometer, so it has excellent precision and improved temperature stability at room and high temperatures. Sensor) can be manufactured.
도 1의 (b)를 참조하면, 상기 기판(110) 및 산화물층(120) 사이에 니켈, 망간 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속의 산화물로 이루어진 산화물 시드층(130)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1B, an
기판(110) 상에 제공되는 산화물 시드층(130)은 산화물 시드층(130) 상에 형성되는 산화물층(120)의 결정 성장을 유도할 수 있는데, 산화물 시드층(130)을 구성하는 니켈, 망간 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속이 산화된 상태로서 결정 핵으로 제공하면 산화물층(120) 결정 성장이 더욱 용이해질 수 있다. The
즉, 산화물 시드층(130)은 (Ni,Mn,Cu)3O4 조성을 가지는 저항 박막(100)의 결정구조를 형성할 때 필요한 금속 원자들이 부착할 수 있는 결정 핵 또는 위치(site)를 제공하여 저항 박막(100)이 용이하게 성장할 수 있도록 할 수 있다. That is, the
따라서, 산화물 시드층(130)은 스피넬 결정구조의 저항 박막(100)을 형성할 때 필요로 하는 결정 핵을 제공해 줄 수 있고, 저항 박막(100)의 결정이 성장할 수 있는 위치를 제공해줄 수 있기 때문에 (Ni,Mn,Cu)3O4의 조성을 가지는 저항 박막(100)이 쉽게 성장될 수 있고, 이에 결정 성장에 요구되는 낮은 열처리 온도 예를 들어, 380℃ 이하의 열처리 온도에서 저항 박막(100)을 형성할 수 있다. Accordingly, the
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화물 저항 박막 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 코터의 구조를 나타내는 단면도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an oxide resistance thin film according to another exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a spin coater according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 볼로미터용 산화물 저항 박막 제조방법은 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해시켜 첨가제 용액을 준비하는 과정(S100); 산화니켈 유기화합물, 산화망간 유기화합물 및 산화구리 유기화합물인 복수의 산화 금속 유기화합물을 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해시켜 예비 전구체 용액을 준비하는 과정(S200); 상기 첨가제 용액과 예비 전구체 용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 과정(S300); 상기 혼합용액을 아세트산 에스테르계 유기용매에 희석하여 전구체 용액을 제조하는 과정; 기판 상에 상기 전구체 용액을 이용하여 액상 공정으로 전구체층을 형성하는 과정(S400); 및 상기 전구체층을 산화 분위기에서 후속 열처리하여 산화물층으로 변화하는 과정(S500)을 포함할 수 있다.3 to 4, a method of manufacturing an oxide resistance thin film for a bolometer according to another embodiment of the present invention includes a first additive, an element that maintains a valence state even when the temperature changes, and an element whose valency changes according to temperature change. Preparing an additive solution by dissolving the phosphorus second additive in an aromatic hydrocarbon-based organic solvent (S100); Preparing a preliminary precursor solution by dissolving a plurality of metal oxide organic compounds, which are nickel oxide organic compounds, manganese oxide organic compounds, and copper oxide organic compounds, in an aromatic hydrocarbon-based organic solvent (S200); Preparing a mixed solution by mixing the additive solution and the preliminary precursor solution (S300); Diluting the mixed solution in an acetic acid ester organic solvent to prepare a precursor solution; Forming a precursor layer on a substrate by a liquid process using the precursor solution (S400); And a process of changing the precursor layer into an oxide layer by subsequent heat treatment in an oxidizing atmosphere (S500).
우선, 복수의 산화 금속 유기화합물 및 첨가제를 각각 용해시키는 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠(C6H6), 톨루엔(C6H5CH3), 크실렌(C6H4(CH3)2), 나프탈렌(C10H8), 안트라센(C14H10) 등의 방향족 탄화수소계 유기용매일 수 있다.First, the aromatic hydrocarbon-based organic solvent that dissolves a plurality of metal oxide organic compounds and additives, respectively, is benzene (C 6 H 6 ), toluene (C 6 H 5 CH 3 ), xylene (C 6 H 4 (CH 3 ) 2 ) , Naphthalene (C 10 H 8 ), anthracene (C 14 H 10 ), etc. may be an aromatic hydrocarbon-based organic solvent.
일반적으로 카르복실레이트기를 가지는 산화니켈 유기화합물, 산화망간 유기화합물 및 산화구리 유기화합물과 같은 산화 금속 유기화합물 및 제1 첨가제와 제2 첨가제는 물과 같은 극성 용매에 잘 용해되지 않는 무극성 물질로 긴 사슬 길이를 가질 수 있다. 탄소 화합물처럼 사슬의 길이가 길거나 복합적인 탄화수소(C-H) 사슬을 가지는 물질은 극성 용매에 잘 용해되지 않는 비극성 및 소수성 특성을 가지며, 사슬의 길이가 길어질수록 소수(hydrophobic) 특성이 증가되어 극성 용매에 대한 용해도가 감소되기 때문에 짧은 사슬을 가질 경우 극성 용매에 잘 용해되는 반면 긴 사슬을 가질 경우 극성 용매에 잘 용해되지 않는다.In general, metal oxide organic compounds such as nickel oxide organic compounds having a carboxylate group, manganese oxide organic compounds, and copper oxide organic compounds, and the first and second additives are non-polar substances that are not well soluble in polar solvents such as water. May have a chain length. Materials with long chain lengths or complex hydrocarbon (CH) chains, such as carbon compounds, have nonpolar and hydrophobic properties that are not well soluble in polar solvents. As the length of the chain increases, the hydrophobic properties increase, which makes them resistant to polar solvents. Since the solubility in water is reduced, short chains dissolve well in polar solvents, whereas long chains do not dissolve well in polar solvents.
따라서, 긴 사슬 길이로 인해 극성이 작아 소수성을 띄는 산화니켈 유기화합물, 산화망간 유기화합물 및 산화구리 유기화합물인 산화 금속 유기화합물과 제1 첨가제 및 제2 첨가제는 소수성 특성에 의해 극성 용매보다 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등과 같은 무극성 용매에 더 잘 용해될 수 있기 때문에, 복수의 예비 전구체 용액 및 첨가제 용액은 방향족 탄화수소계 유기용매에 각각 용해시킴으로써 준비될 수 있고, 전술한 바와 같이 산화 금속 유기화합물이 방향족 탄화수소계 유기용매에 보다 효과적으로 용해될 수 있기 때문에 각각의 예비 전구체 용액의 몰농도 즉, 각 조성의 몰농도를 쉽게 조절할 수 있어 원하는 조성의 예비 전구체 용액을 수월하게 얻을 수 있다.Therefore, due to the long chain length, the nickel oxide organic compound, manganese oxide organic compound, and copper oxide organic compound, which are hydrophobic due to their small polarity, and the first and second additives are more benzene than polar solvents due to their hydrophobic properties. Since it can be better dissolved in a non-polar solvent such as toluene, xylene, etc., a plurality of pre-precursor solutions and additive solutions can be prepared by dissolving each in an aromatic hydrocarbon-based organic solvent, and as described above, the metal oxide organic compound is an aromatic hydrocarbon. Since it can be more effectively dissolved in the organic solvent, the molar concentration of each pre-precursor solution, that is, the molar concentration of each composition, can be easily adjusted, so that a pre-precursor solution having a desired composition can be easily obtained.
상기 산화물층은 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체 및 상기 모체에 첨가되며, 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제가 8wt% 내지 12wt%의 함량으로 포함되며, 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제가 1wt% 내지 3wt%의 함량으로 첨가될 수 있다.The oxide layer is added to the (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 based matrix and the matrix, and the first additive, an element that maintains a valence state even when the temperature changes, is included in an amount of 8 wt% to 12 wt%, A second additive, which is an element whose valency changes according to temperature change, may be added in an amount of 1 wt% to 3 wt%.
산화물층(120)이 상기 조성을 가지도록 복수의 산화 금속 유기 화합물에서 상기 복수의 산화 금속은 산화 니켈, 산화 망간 및 산화 구리일 수 있고, 복수의 산화 금속 유기화합물이 방향족 탄화수소계 유기용매에 각각 용해되어 제조된 복수의 예비 전구체 용액은 한 실시예로 NiO, Mn2O3, CuO일 수 있다. In the plurality of metal oxide organic compounds so that the
붕소(B3+), 아연(Zn2 +), 갈륨(Ga3 +), 인듐(In3 +), 마그네슘(Mg2 +), 스칸듐(Sc3 +) 및 베릴륨(Be2 +)은 모두 하나의 원자가를 가지는 원소로써, 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 스칸듐 및 베릴륨처럼 정해진 원자가 상태를 유지하는 제1 첨가제를 전술한 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해시켜 첨가제 용액을 준비할 수 있는데, 온도의 변화가 발생하여도 원자가 변화 없이 하나의 원자가 상태만을 유지할 수 있는 제1 첨가제가 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해되어 복수의 예비 전구체 용액과 혼합되면, 후속 열처리하여 결정화된 입방정 스피넬 결정 구조에서 안정한 하나의 원자가(2가 또는 3가의 원자가)를 가져 전기 전도에 관여하지 않는 첨가제의 원소가 산소팔면체 자리의 Mn3 +와 치환되면서 Mn3 +와 Mn4 +간의 전자 호핑률을 감소시켜 비저항이 증가하게 되지만, 열에너지 변화에 따른 전자(혹은 이온)의 이동에 대한 저항 변화가 증가되어 고온에서의 저항온도계수을 증가시킬 수 있다.Boron (B 3+ ), zinc (Zn 2 + ), gallium (Ga 3 + ), indium (In 3 + ), magnesium (Mg 2 + ), scandium (Sc 3 + ), and beryllium (Be 2 + ) are all As an element having one valency, an additive solution can be prepared by dissolving a first additive that maintains a predetermined valence state, such as boron, zinc, gallium, indium, magnesium, scandium, and beryllium, in the aromatic hydrocarbon-based organic solvent described above, When the first additive, which can maintain only one valence state without change in valence even when temperature changes occurs, is dissolved in an aromatic hydrocarbon-based organic solvent and mixed with a plurality of pre-precursor solutions, it is stable in the cubic spinel crystal structure crystallized by subsequent heat treatment. one atom (divalent or trivalent atom) to take as an element which does not participate in the additive in the electrically conductive substituted and Mn 3 + of the oxygen octahedral sites Mn 3 +, and the specific resistance increases to reduce the electron hopping rate between Mn 4 + However, the change in resistance to the movement of electrons (or ions) according to the change in thermal energy may increase, thereby increasing the resistance temperature coefficient at high temperatures.
비저항이 증가하게 되는 제1 첨가제의 첨가로 인한 문제점을 위해, 스피넬 결정구조를 갖는 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체에 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제가 소량 첨가되면 B-site에 Cr이 들어가게 되고, B-site의 Mn이 A-site로 이동하면서 A-site의 Cr과 B-site의 Mn의 치환이 이루어지면서 산소팔면체 중앙 이온인 Cr3+와 Cr4+의 전자 호핑에 의해 전도도가 발생하며 비저항이 감소될 수 있다. For the problem due to the addition of the first additive that increases the specific resistance, if a small amount of the second additive, an element whose valency changes according to temperature change, is added to the (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 matrix having a spinel crystal structure. As Cr enters the B-site and Mn of the B-site moves to the A-site, the substitution of Cr in the A-site and Mn in the B-site is performed, and the central ions of the oxygen octahedron, Cr 3+ and Cr 4+, are Conductivity is generated by electron hopping and specific resistance can be reduced.
또한, 후속 열처리하여 결정화된 입방정 스피넬 결정 구조에서 산소팔면체 자리에 위치하는 망간과 치환되는 제1 첨가제의 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 스칸듐 및 베릴륨 중 적어도 어느 하나의 결합원자가는 망간의 결합원자가인 2.63보다 낮은 2.60 이하로 망간의 결합원자가보다 낮기 때문에 (Ni,Mn,Cu)3O4의 모체에 본 발명의 실시예에 따른 첨가제가 첨가되어 산소팔면체 자리에 치환될 경우 망간과 산소 이온 사이의 결합력보다 산소 이온과의 결합력이 약해져 첨가제 이온이 쉽게 움직일 수 있게 되므로 고온에서 금속이온의 rattling 확률이 증가하여 고온 저항온도계수가향상될 수 있다.In addition, at least one of boron, zinc, gallium, indium, magnesium, scandium, and beryllium of the first additive substituted with manganese located at the oxygen octahedron in the cubic spinel crystal structure crystallized by subsequent heat treatment is a bond of manganese. Since the bonding atom of manganese is lower than 2.60, which is lower than the valence of 2.63, when the additive according to the embodiment of the present invention is added to the parent body of 3 O 4 and substituted at the oxygen octahedral site, manganese and oxygen ions Since the bonding force with oxygen ions is weaker than the bonding force between them, the additive ions can move easily, so the rattling probability of metal ions at high temperatures increases, and the high temperature resistance temperature coefficient can be improved.
혼합용액을 제조한 뒤, 아세트산 에스테르계 유기용매로 희석하여 전구체 용액(100)을 제조할 수 있다(S300). After preparing the mixed solution, the
혼합용액을 아세트산 에스테르계 유기용매로 희석하여 기판(110) 상에 코팅되는 전구체 용액(100)을 제조할 수 있는데, 아세트산 에스테르계 유기용매는 아세트산에틸(C4H8O2), 아세트산부틸(C6H12O2), 아세트산메틸(C3H6O2), 셀로솔브아세테이트(C6H12O3), 카비톨아세테이트(C10H20O4) 등의 유기용매일 수 있다.The mixed solution can be diluted with an acetic acid ester-based organic solvent to prepare a
아세트산 에스테르계 유기용매는 제조된 전구체 용액(100)이 기판(110) 상에 도포될 때 기판(110)과의 접촉각 또는 젖음성을 고려하여 방향족 탄화수소계 유기용매와 다르게 산소원자를 포함하는 아세트산 에스테르계 유기용매가 사용되고, 이러한 아세트산 에스테르계 유기용매는 기판(110)의 젖음성을 높이고 표면에너지를 증가시켜 기판(110)과의 효과적인 접착이 일어날 수 있도록 할 수 있다. Acetic acid ester-based organic solvents are acetic acid esters containing oxygen atoms different from aromatic hydrocarbon-based organic solvents in consideration of the contact angle or wettability with the
따라서, 방향족 탄화수소계 유기용매와 상이하게 산소원자를 가지는 아세트산 에스테르계 유기용매를 전구체 용액 제조에 사용함으로써 기판(110) 표면에 접착성 및 친수성을 부여하기 위해 산소 플라즈마 처리를 따로 수행하지 않아도 기판(110)과 산화물 저항 박막(340)의 접합성을 향상시킬 수 있다.Therefore, by using an acetic acid ester-based organic solvent having an oxygen atom differently from the aromatic hydrocarbon-based organic solvent for preparing the precursor solution, to impart adhesiveness and hydrophilicity to the surface of the
본 발명에서는 하나의 유기용매를 사용하여 전구체 용액(100)을 제조하지 않고, 방향족 탄화수소계 유기용매 및 아세트산 에스테르계 유기용매를 사용하고 두 단계로 나눠 전구체 용액(100)을 제조함으로써 산화 금속 유기화합물, 제1 첨가제 및 제2 첨가제를 보다 효과적으로 용해시킬 수 있음과 동시에 기판(110)과의 접착성을 향상시킬 수 있다. In the present invention, the
산화 금속 유기화합물, 제1 첨가제 및 제2 첨가제를 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해시키지 않고 바로 아세트산 에스테르계 유기용매에 용해시켜 전구체 용액(100)을 제조할 경우 기판(110)과의 접착성을 향상시킬 수는 있으나, 아세트산 에스테르계 유기용매는 극성 용매이므로 긴 사슬 길이를 가지는 산화 금속 유기화합물 및 첨가제가 잘 용해되지 않아 산화물 저항 박막(340)이 제조되지 않을 수 있다.When the
전구체 용액(100)을 제조한 뒤, 전구체 용액(100)으로 상기 전구체층(125)을 형성하는 과정 이전에, 상기 기판(110) 상에 상기 복수의 산화 금속 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함하는 금속층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 금속층은 물리적 기상 증착법으로 형성될 수 있다.After preparing the
금속층(또는 예비 산화물 시드층) 상에 전구체 용액을 코팅하여 형성되는 전구체층(125)(S400)은 후속 열처리에 의해 산화되어 산화물층(120)으로 변하기 때문에 본 발명에 따른 금속층이 전구체 용액에 포함된 산화 금속 유기화합물의 산화 금속 중 적어도 어느 하나의 금속이 산화된 상태로서 결정 핵으로 제공하면 산화물층(120)의 결정 성장이 더욱 용이할 수 있다. The precursor layer 125 (S400) formed by coating the precursor solution on the metal layer (or preliminary oxide seed layer) is oxidized by a subsequent heat treatment to change to the
상기 금속층을 형성한 뒤 상기 전구체층(125)을 형성하는 과정 이전에, 상기 금속층을 상기 후속 열처리보다 낮은 온도에서 예비 열처리하여 산화물 시드층(130)으로 변화하는 과정을 더 포함할 수 있다.After forming the metal layer, before the process of forming the
금속층의 니켈, 망간 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속이 결정 핵 역할을 하기 위해 산화물 시드층(130)으로 변하기 위한 예비 열처리는 후속 열처리보다 낮은 온도와 산소 분위기 또는 대기 중에서 수행될 수 있다. At least one of nickel, manganese, and copper in the metal layer is converted into the
이때, 금속층을 예비 열처리를 하여 변한 예비 산화물 시드층은 후속 열처리를 통해 전구체층(125)이 산화물층(120)으로 변화되기 전인, 즉 산화물층(120)과 결합된 상태가 아니기 때문에 스피넬 결정구조가 아닌 시드층 역할을 하기 위한 예비 산화물 시드층일 수 있다.At this time, the preliminary oxide seed layer changed by preliminary heat treatment of the metal layer is a spinel crystal structure before the
금속층을 산화하여 예비 산화물 시드층으로 변화시키기 위한 예비 열처리가 꼭 수행되는 것은 아니며, 전구체층(125)을 형성하기 전에 예비 열처리가 수행되지 않더라도 전구체층(125)을 산화 분위기에서 후속 열처리하여 산화물층(120)으로 변화시킬 때, 전구체층(125)뿐만 아니라 금속층까지 산화하여 산화된 금속층인 산화물 시드층(130)으로 형성될 수 있다.Preliminary heat treatment for oxidizing the metal layer to change into a preliminary oxide seed layer is not necessarily performed. Even if the preliminary heat treatment is not performed before the
금속층을 예비 산화물 시드층으로 변화시킨 뒤, 기판(110) 상에 도 4와 같은 스핀코터 및 전구체 용액(100)을 이용하여 액상 공정으로 전구체층(125)을 형성할 수 있다(S400). After changing the metal layer into a preliminary oxide seed layer, the
예비 산화물 시드층(미도시)이 형성된 기판(110)을 지지유닛(210) 상에 안착시키고, 노즐(220)을 이용하여 예비 산화물 시드층 상으로 전구체 용액(100)을 투여한다. 예비 산화물 시드층 상에 전구체 용액(100)을 도포하면서 지지유닛(210)을 회전시켜 기판(110)을 회전시킬 수 있다. 이에, 전구체 용액(100)이 고르게 퍼지면서 예비 산화물 시드층 상에 안정된 두께를 가지도록 코팅될 수 있다. The
그리고, 전구체 용액(100)이 코팅되어 형성된 전구체층(125) 내에 함유된 용매 또는 유기잔존물은 저항 박막(340)의 품질을 저하시킬 수 있기 때문에 전구체층(125) 내 유기용매 또는 유기잔존물을 제거하기 위해 후속 열처리를 수행하기 전에 후속 열처리보다 낮은 온도, 빠른 유지시간에서 예비 후속 열처리가 수행될 수 있다. In addition, since the solvent or organic residue contained in the
본 발명에 따른 전구체층(125)은 금속 유기 분해법으로 형성하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 액상 공정법이 선택될 수 있다.The
예비 후속 열처리를 수행하여 전구체층(125) 내 유기용매 또는 유기잔존물을 제거한 뒤, 전구체층(125)을 산화 분위기에서 후속 열처리하여 산화물층(120)으로 변화시킬 수 있다(S500). 이때, 상기 후속 열처리는 280℃ 내지 380℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.After performing a preliminary subsequent heat treatment to remove the organic solvent or organic residues in the
예비 산화물 시드층 상에 형성된 전구체층(125)의 후속 열처리를 진행하면 전구체층(125)이 산화물층(120)으로 변하게 되는데, 전구체층(125)이 후속 열처리를 통해 산화물층(120)으로 변함과 동시에 산화물층(120)의 금속 산화물 결정 입자들과 산화물층(120) 하부에 형성된 예비 산화물 시드층의 금속 산화물 결정 입자들이 상호 결합되면서 예비 산화물 시드층이 산화물층(120)에 결정핵을 제공하는 스피넬 결정구조의 산화물 시드층(130)으로 변화될 수 있다. When the
즉, 산화물층(120)의 니켈, 망간 및 구리 결정 입자들은 산화물층(120) 하부에 형성된 예비 산화물 시드층으로 확산, 침투될 수 있고, 이에 따라 예비 산화물 시드층은 산화물층(120)과 같은 (Ni,Mn,Cu)3O4의 조성을 가지는 스피넬 결정구조로 이루어지는 산화물 시드층(130)으로 될 수 있다.That is, the nickel, manganese, and copper crystal particles of the
(Ni,Mn,Cu)3O4의 조성으로 이루어진 산화물층(120)과 산화물 시드층(130)인 산화물 저항 박막의 두께는 40nm 내지 100nm일 수 있다.The thickness of the
볼로미터를 형성할 때 주위 환경으로부터 저항 박막(340)으로 열전도 되는 것을 최소화하기 위하여 저항 박막(340)이 기판(110)과 서로 접촉되지 않고 이격 공간(360)에 의해 이격되어 분리되도록 기판(110) 상에 폴리이미드(PI) 등과 같은 유기물 희생층(330)이 형성될 수 있는데, 일반적으로 금속 유기 분해법으로만 증착된 저항 박막(340)의 경우 저항 박막(340)을 결정화하기 위한 후속 열처리온도가 450℃ 이상으로 높아 유기물 희생층(330)의 유기물이 끓어오르는 현상이 발생하는 버블링 문제가 발생할 수 있고, 높은 후속 열처리 온도로 인해 판독집적회로의 손상 및 회로와 저항 박막(340) 간의 열팽창계수 불일치로 인한 변형이 발생할 수 있다. 따라서, 높은 열처리 온도로 인해 발생하는 판독집적회로의 손상 및 버블링 문제를 완전히 방지하기 위해서는 380℃ 이하의 낮은 후속 열처리 온도가 요구될 수 있다.When forming the bolometer, in order to minimize heat conduction from the surrounding environment to the resistive
본 발명의 실시예에 따른 후속 열처리는 280℃ 내지 380℃의 온도 범위에서 수행될 수 있는데, 본 발명에서 모체에 첨가되는 제1 첨가제는 박막의 상온 및 고온에서의 저항온도계수를 향상시킬 뿐만 아니라 벌크 세라믹스에서 저온소결용 첨가제로 소결온도를 감소시킬 수 있고, 제2 첨가제의 첨가로 인한 결정립 성장에 의해 열처리온도가 감소하여, 결정화에 필요한 후속 열처리 온도를 380℃ 이하로 감소시켜 고온의 열처리 없이 산화물 저항 박막(340)을 안정적으로 제조할 수 있다. The subsequent heat treatment according to an embodiment of the present invention may be performed in a temperature range of 280°C to 380°C. In the present invention, the first additive added to the parent body not only improves the resistance temperature coefficient at room temperature and high temperature of the thin film, but also In bulk ceramics, the sintering temperature can be reduced with an additive for low temperature sintering, and the heat treatment temperature is reduced by grain growth due to the addition of the second additive, so that the subsequent heat treatment temperature required for crystallization is reduced to 380°C or less without high-temperature heat treatment. The oxide resistance
결정화에 필요한 후속 열처리를 280℃ 미만의 온도에서 수행하면, 충분한 열에너지를 공급하지 못하여 전구체층(125)이 산화물층(120)으로 변화되지 않을 수 있고, 이에 따라 저항 박막(340)이 스피넬 결정구조로 형성될 수 없게 될 수 있다. 또한, 380℃를 초과하는 온도에서 후속 열처리가 수행되면, 전술한 바와 같이 열처리 온도가 너무 높아 판독집적회로가 손상될 수 있고, 유기물 희생층(330)의 버블링 문제가 일어날 수 있다. If the subsequent heat treatment required for crystallization is performed at a temperature of less than 280°C, sufficient thermal energy may not be supplied and the
따라서, 280℃ 내지 380℃에서의 후속 열처리는 450℃보다 높은 온도로 후속 열처리하는 온도보다 낮은 온도이어서 본 발명에 따른 저항 박막(340)을 실제 볼로미터용 저항 박막(340)에 적용하였을 경우 높은 온도의 공정으로 인하여 발생했던 하부 기판(110)에 형성된 판독집적회로가 손상되는 문제점을 근본적으로 차단할 수 있고, 유기물 희생층(330)의 폴리이미드 버블링 문제를 완전히 해소할 수 있기 때문에 저항 박막(340)을 만드는데 용이하게 이용될 수 있다.Therefore, the subsequent heat treatment at 280° C. to 380° C. is a temperature higher than the temperature of subsequent heat treatment at a temperature higher than 450° C., so when the resistance
도 5는 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 볼로미터의 제조공정을 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a bolometer according to another embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 볼로미터 제조방법은 신호처리 회로가 형성된 기판(310)을 제공하는 과정; 상기 기판(310) 상부면에 이격 형성되어, 상기 신호처리 회로의 전기신호를 전달하는 복수의 금속패드(320)를 형성하는 과정; 상기 기판(310) 상에 유기물 희생층(330)을 형성하는 과정; 상기 유기물 희생층(330) 상에 상기 어느 한 항의 제조방법으로 산화물 저항 박막(340)을 형성하는 과정; 및 상기 유기물 희생층(330) 및 상기 산화물 저항 박막(340)을 패턴화하는 과정을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, a method of manufacturing a bolometer according to another embodiment of the present invention includes a process of providing a
우선, 신호처리 회로(미도시)가 형성된 기판(310)을 제공할 수 있다(도 5a). 이러한 기판(310)은 내부에 적외선 검출을 위한 신호처리 회로를 포함한다.First, a
신호처리 회로가 형성된 기판(310) 상에 스퍼터링 증착법과 같은 물리적 기상 증착법으로 신호처리 회로와 전기적으로 연결되는 금속패드(320)를 증착할 수 있다. 이러한 금속패드(320)는 물리적 기상 증착법으로 증착할 수도 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 증착방법으로 증착할 수 있다. A
금속패드(320)를 증착한 뒤, 금속패드(320) 상에 감광액을 도포하여 포토리소그래피 공정에 의해 원하는 부위에만 금속패드(320)를 남기게끔 노광 및 현상하고 에칭하여 기판(310) 상에 이격 형성되어, 신호처리 회로와 전기적으로 연결되는 금속패드(320) 패턴이 형성될 수 있다. 이러한 금속패드(320)는 후술되는 지지부재(350)의 전도성 물질과 접촉되어 저항 박막(340)에 연결될 수 있다. After depositing the
그 다음, 후술될 이격 공간(360)을 형성시키기 위하여 유기물 희생층(330)을 금속패드(320)가 형성된 기판(310) 상에 스핀 코팅(spin coating)법 등에 의하여 도포할 수 있다(도 5b). 유기물 희생층(330)은 일반적으로 고온에서 안정한 폴리이미드(polyimide)를 이용할 수 있다.Then, in order to form the
유기물 희생층(330)을 형성한 후, 유기물 희생층(330) 상에 상기 산화물 저항 박막(340) 제조방법의 어느 한 항의 제조방법으로 산화물 저항 박막(340)을 형성할 수 있다. After the organic material
제1 첨가제가 (1)온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하면서, (2)팔면체 자리에 위치한 이온의 결합원자가보다 작은 결합원자가를 가지고, (3)저온 소결이 가능한 제1 첨가제(붕소 또는 아연)가 메인 조성에 8wt% 내지 12wt%의 함량으로 첨가되고, 제2 첨가제가 (1)계면에너지를 감소시켜 결정립 크기를 증진시키면서, (2)열처리 온도를 감소시킴으로, (2)비저항을 낮추는 제2 첨가제가 메인 조성에 1wt% 내지 3wt%의 함량으로 첨가된다.The first additive (1) maintains the valence state even when the temperature changes, (2) has a smaller binding atom than the binding atom of the ion located at the octahedral site, and (3) the first additive (boron or zinc) capable of low-temperature sintering ) Is added in an amount of 8wt% to 12wt% to the main composition, and the second additive (1) reduces the interface energy to increase the grain size, (2) reduces the heat treatment temperature, and (2) reduces the specific resistance. 2 Additives are added in an amount of 1 wt% to 3 wt% to the main composition.
따라서, 상온에서 절대값 1.90%/K이상의 저항온도계수 값과, 고온에서도 높은 2.80%/K 이상의 저항온도계수를 가지는 동시에 마이크로 볼로미터 적용에 유리한 조건인 20Ω·cm 이하의 낮은 비저항을 가질 수 있고, 박막의 결정화를 위한 열처리 온도를 280℃ 내지 380℃의 온도 범위로 낮출 수 있다.Therefore, it has a resistance temperature coefficient of 1.90%/K or higher at room temperature and a resistance temperature coefficient of 2.80%/K or higher even at high temperatures, and at the same time has a low specific resistance of 20Ω·cm or less, which is an advantageous condition for microbolometer application, The heat treatment temperature for crystallization of the thin film may be lowered to a temperature range of 280°C to 380°C.
유기물 희생층(330) 상에 형성되는 산화물 저항 박막(340) 제조방법은 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예와 동일하므로 상세한 서술은 도 3 내지 도 4를 참조하기로 한다.Since the method of manufacturing the oxide resistance
기판(310) 상에 유기물 희생층(330) 및 산화물 저항 박막(340)이 형성되면, 저항 박막(340) 상에 감광액을 도포하여 포토리소그래피 공정에 의해 원하는 부위에만 유기물 희생층(330) 및 저항 박막(340)이 남아있게끔 노광 및 현상하고 에칭하여 유기물 희생층(330)과 저항 박막(340)을 패터닝하여 금속패드(320) 일부가 노출되도록 할 수 있다(도 5c).When the organic material
그 다음, 일측이 상기 금속패드(320)와 연결되고 타측이 상기 저항 박막(340)과 연결되는 지지부재(350)를 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다(도 5d).Then, a process of forming a
지지부재(350)는 금속패드(320)와 저항 박막(340)을 연결하여 저항 박막(340)을 지지하는데, 이러한 지지부재(350)는 금속패드(320)로부터 상부로 연장된 적어도 한 쌍의 지지부재(350) 형상으로 이루어질 수 있다.The
지지부재(350)의 돌출 부위의 하면과 맞닿는 부위에 저항 박막(340)이 접촉될 수 있고, 저항 박막(340)을 지지할 수 있도록 충분한 기계적 강도를 가지는 한편 주위와의 열전도를 최소화하기 위하여 그 단면적이 작도록 형성되고, 열전도를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 전도성 및 기계적 안정성을 위하여 알루미늄이나 티타늄, 텅스텐과 같은 단일 혹은 복합 금속을 사용할 수 있다.The resistance
또한, 전도성 물질을 포함하는 지지부재(350)를 형성하는데 지지부재(350)는 저항 박막(340)을 지지하는 기능을 수행할 뿐만 아니라, 전도성 물질을 통하여 저항 박막(340)과 금속패드(320)를 통해 신호처리 회로가 전기적으로 연결되게 할 수 있다. In addition, in forming the
그 다음, 상기 유기물 희생층(330)을 제거하는 과정을 더 포함할 수 있다.(도 5e) 유기물 희생층은 산소를 포함하는 반응가스를 이용하여 플라즈마 연소하여 제거하여도 5e에 도시된 바와 같이 이격 공간(360)을 형성할 수 있다. 유기물 희생층(330)이 형성된 기판(310)과 저항 박막(340) 사이의 공간은 이격 공간(360)으로 남게되고, 이격 공간(360)의 이격 간격에 의하여 광학적 공진구조를 제공할 수 있게된다. 따라서, 주위 환경으로 부터 볼로미터용 저항 박막(340)으로 열전도 되는 것을 최소화하기 위하여 저항 박막(340)이 기판(310)과 서로 접촉되지 않고 이격 공간(360)에 의해 이격되어 분리되도록 할 수 있다. Then, the process of removing the sacrificial
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined by the claims to be described below, as well as by the claims and equivalents.
100 : 전구체 용액 110,310 : 기판
120 : 산화물층 125 : 전구체층
130 : 산화물 시드층 210 : 지지유닛
220 : 노즐 320 : 금속패드
330: 유기물 희생층 340 : 산화물 저항 박막
350 : 지지부재 360 : 이격 공간100: precursor solution 110,310: substrate
120: oxide layer 125: precursor layer
130: oxide seed layer 210: support unit
220: nozzle 320: metal pad
330: organic material sacrificial layer 340: oxide resistance thin film
350: support member 360: spaced apart
Claims (12)
상기 산화물층은,
니켈, 망간 및 구리를 함유하는 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체; 및
상기 모체에 첨가되는 온도가 변하는 경우에도 원자가 상태를 유지하는 원소인 제1 첨가제와 온도 변화에 따라 원자가가 변하는 원소인 제2 첨가제를 포함하며,
상기 제1 첨가제 내지 제2 첨가제는 상기 입방정 스피넬 결정 구조의 팔면체 자리에 위치하는 망간과 치환되고,
상기 제2 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 1wt% 내지 3wt%의 함량으로 첨가되는 볼로미터용 산화물 저항 박막.
Including an oxide layer of a cubic spinel crystal structure provided on the substrate,
The oxide layer,
(Ni,Mn,Cu) 3 O 4 -based matrix containing nickel, manganese and copper; And
A first additive that is an element that maintains a valence state even when the temperature added to the parent body changes, and a second additive that is an element whose valency changes according to temperature change,
The first to second additives are substituted with manganese located in the octahedral position of the cubic spinel crystal structure,
The second additive is an oxide resistance thin film for a bolometer that is added in an amount of 1 wt% to 3 wt% based on the total weight of the parent body.
상기 제1 첨가제는 붕소, 아연, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 스칸듐 및 베릴륨 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 볼로미터용 산화물 저항 박막.
The method according to claim 1,
The first additive is an oxide resistance thin film for a bolometer containing at least one element of boron, zinc, gallium, indium, magnesium, scandium, and beryllium.
상기 제2 첨가제는 크롬, 비스무트, 텅스텐 중 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 볼로미터용 산화물 저항 박막.
The method according to claim 1,
The second additive is a bolometer oxide resistance thin film containing at least one element of chromium, bismuth, and tungsten.
상기 제1 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 8wt% 내지 12wt%의 함량으로 첨가되는 볼로미터용 산화물 저항 박막.
The method according to claim 1,
The first additive is an oxide resistance thin film for a bolometer added in an amount of 8wt% to 12wt% with respect to the total weight of the parent body.
상기 산화물 저항 박막은,
절대값이 2.80%/K 이상인 상온 저항온도계수와, 절대값이 1.90%/K 이상인 고온 저항온도계수를 가지는 볼로미터용 산화물 저항 박막.
The method according to claim 1,
The oxide resistance thin film,
Oxide resistance thin film for bolometers with an absolute value of 2.80%/K or higher at room temperature resistance temperature coefficient and an absolute value of 1.90%/K or higher high temperature resistance temperature coefficient.
상기 산화물 저항 박막은 20Ω·cm 이하의 비저항을 갖는 볼로미터용 산화물 저항 박막.
The method according to claim 1,
The oxide resistance thin film is an oxide resistance thin film for a bolometer having a specific resistance of 20 Ω·cm or less.
상기 기판 및 산화물층 사이에 제공되고, 니켈, 망간 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속 산화물로 이루어진 산화물 시드층을 더 포함하는 볼로미터용 산화물 저항 박막.
The method according to claim 1,
An oxide resistance thin film for a bolometer provided between the substrate and the oxide layer and further comprising an oxide seed layer made of at least one metal oxide of nickel, manganese, and copper.
상기 볼로미터용 산화물 저항 박막의 두께는 40nm 내지 100nm인 볼로미터용 산화물 저항 박막.
The method according to claim 1,
The oxide resistance thin film for a bolometer has a thickness of 40 nm to 100 nm.
산화니켈 유기화합물, 산화망간 유기화합물 및 산화구리 유기화합물을 방향족 탄화수소계 유기용매에 용해시켜 예비 전구체 용액을 준비하는 과정;
상기 첨가제 용액과 예비 전구체 용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 과정;
상기 혼합용액을 아세트산 에스테르계 유기용매에 희석하여 전구체 용액을 제조하는 과정,
기판 상에 상기 전구체 용액을 이용하여 액상 공정으로 전구체층을 형성하는 과정; 및
상기 전구체층을 산화 분위기에서 후속 열처리하여 산화물층으로 변화하는 과정을 포함하고,
상기 산화물층은 니켈, 망간 및 구리를 함유하는 (Ni,Mn,Cu)3O4계 모체; 및
상기 모체에 첨가되는 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제를 포함하고,
상기 제2 첨가제는 상기 모체의 전체 중량에 대해 1wt% 내지 3wt%의 함량으로 첨가되는 볼로미터용 산화물 저항 박막 제조방법.
Preparing an additive solution by dissolving a first additive, which is an element that maintains a valence state even when the temperature changes, and a second additive, which is an element whose valence changes according to temperature change, in an aromatic hydrocarbon-based organic solvent;
Preparing a preliminary precursor solution by dissolving a nickel oxide organic compound, a manganese oxide organic compound, and a copper oxide organic compound in an aromatic hydrocarbon-based organic solvent;
Preparing a mixed solution by mixing the additive solution and the preliminary precursor solution;
Diluting the mixed solution in an acetic acid ester-based organic solvent to prepare a precursor solution,
Forming a precursor layer on a substrate in a liquid phase process using the precursor solution; And
Including the process of changing the precursor layer into an oxide layer by subsequent heat treatment in an oxidizing atmosphere,
The oxide layer includes a (Ni,Mn,Cu) 3 O 4 based matrix containing nickel, manganese and copper; And
Including the first additive and the second additive added to the parent body,
The second additive is added in an amount of 1 wt% to 3 wt% based on the total weight of the mother body.
상기 후속 열처리는 280℃ 내지 380℃의 온도 범위에서 수행되는 볼로미터용 산화물 저항 박막 제조방법.
The method of claim 10,
The subsequent heat treatment is performed in a temperature range of 280 ℃ to 380 ℃ bolometer oxide resistance thin film manufacturing method.
상기 전구체층을 형성하는 과정 이전에,
상기 기판 상에 니켈, 망간 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함하는 금속층을 형성하는 과정; 및
상기 후속 열처리보다 낮은 온도에서 상기 금속층을 예비 열처리하여 산화물 시드층으로 변화시키는 과정을 더 포함하는 볼로미터용 산화물 저항 박막 제조방법.The method of claim 11,
Before the process of forming the precursor layer,
Forming a metal layer including at least one metal of nickel, manganese, and copper on the substrate; And
A method of manufacturing an oxide resistance thin film for a bolometer, further comprising: pre-heating the metal layer at a lower temperature than the subsequent heat treatment to change it into an oxide seed layer.
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