KR102369495B1 - Bolometer device and method of manufacturing the bolometer device - Google Patents
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Abstract
볼로미터 장치가 개시된다. 볼로미터 장치는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성된 감지층; 및 상기 기판 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층의 서로 다른 부분에 각각 접촉하는 제1 전극과 제2 전극을 구비한다. A bolometer device is disclosed. The bolometer device comprises a substrate; a sensing layer disposed on the substrate and formed of more than homogeneous vanadium oxide including VO 2 containing +4-valent vanadium ions and V 2 O 5 containing +5-valent vanadium ions; and a first electrode and a second electrode disposed on the substrate to be spaced apart from each other and contacting different portions of the sensing layer, respectively.
Description
본 발명은 온도 변화에 따라 저항이 변화하는 감지층을 구비하여 입사된 전자기파의 온도를 측정할 수 있는 볼로미터 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a bolometer device capable of measuring the temperature of an incident electromagnetic wave by having a sensing layer whose resistance changes according to a change in temperature, and a method for manufacturing the same.
볼로미터(bolometer)는 상온 동작형 적외선 열영상 센서로서 다양한 산업 현장에서 이용된다. 마이크로 볼로미터는 기준 저항 대비 변화량을 감지하는 방식이기 때문에 기준 저항에 대한 저항의 변화율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)이 높은 적외선 감지 물질 확보가 중요하다. 현재 산업 현장에서는 TCR이 2%/K 대의 바나듐 산화물이 사용되고 있으나, 픽셀 간 저항 편차가 커서 이미지 처리단의 리소스를 소모하는 원인이 되고 있고, 재산화에 의한 저항 증가의 문제가 있다. A bolometer is an infrared thermal imaging sensor operated at room temperature and is used in various industrial fields. Since the microbolometer is a method of detecting the amount of change compared to the reference resistance, it is important to secure an infrared sensing material with a high temperature coefficient of resistance (TCR) with respect to the reference resistance. Currently, in the industrial field, vanadium oxide of 2%/K is used for TCR, but the resistance difference between pixels is large, which causes resource consumption of the image processing stage, and there is a problem of resistance increase due to reoxidation.
따라서, 높은 TCR, 낮은 저항 편차, 수십 
본 발명의 일 목적은 높은 TCR, 낮은 저항 편차, 수십 
본 발명의 다른 목적은 상기 볼로미터 장치의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the bolometer device.
본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성된 감지층; 및 상기 기판 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층의 서로 다른 부분에 각각 접촉하는 제1 전극과 제2 전극을 포함한다. A bolometer device according to an embodiment of the present invention includes a substrate; a sensing layer disposed on the substrate and formed of more than homogeneous vanadium oxide including VO 2 containing +4-valent vanadium ions and V 2 O 5 containing +5-valent vanadium ions; and a first electrode and a second electrode spaced apart from each other on the substrate and respectively contacting different portions of the sensing layer.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층은 +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3를 더 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성될 수 있다. In an embodiment, the sensing layer may be formed of more than a homogeneous vanadium oxide further including V 2 O 3 containing +trivalent vanadium ions.
일 실시예에 있어서, 상기 바나듐 산화물 감지층은 2.0 내지 3.5 %/K의 온도에 따른 저항 변화율 및 50 내지 300KΩ의 저항값을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 감지층은 0% 이상 15% 이하의 저항 편차를 가질 수 있다. In an embodiment, the vanadium oxide sensing layer may have a resistance change rate according to temperature of 2.0 to 3.5%/K and a resistance value of 50 to 300KΩ. In this case, the sensing layer may have a resistance deviation of 0% or more and 15% or less.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층은 15 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다. In an embodiment, the sensing layer may have a thickness of 15 to 100 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 볼로미터 장치는 상기 감지층의 표면을 피복하고, 알루미늄 산화물(Al2O3)로 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the bolometer device may further include a protective layer covering the surface of the sensing layer and formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
일 실시예에 있어서, 상기 보호층은 5 내지 20nm의 두께를 가질 수 있다. In an embodiment, the protective layer may have a thickness of 5 to 20 nm.
본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치의 제조방법은 기판 상에 바나듐 금속(V) 타겟 및 오산화바나듐(Vanadium(V) oxide, V2O5) 타겟을 이용한 코스퍼터링 공정을 통해 바나듐 산화물 박막을 형성하는 제1 단계; 상기 바나듐 산화물 박막을 열처리하는 제2 단계; 상기 열처된 바나듐 산화물 박막 표면 상에 알루미늄 산화물 보호층을 형성하는 제3 단계; 및 상기 기판 상에 서로 이격되게 배치되고, 상기 바나듐 산화물 박막의 서로 이격된 부분에 각각 접촉하는 제1 및 제2 전극을 형성하는 제4 단계를 포함한다. In the method of manufacturing a bolometer device according to an embodiment of the present invention, a vanadium oxide thin film is formed on a substrate through a co-sputtering process using a vanadium metal (V) target and a vanadium pentoxide (Vanadium(V) oxide, V 2 O 5 ) target. a first step; a second step of heat-treating the vanadium oxide thin film; a third step of forming an aluminum oxide protective layer on the surface of the heat-treated vanadium oxide thin film; and a fourth step of forming first and second electrodes spaced apart from each other on the substrate and contacting the spaced apart portions of the vanadium oxide thin film, respectively.
일 실시예에 있어서, 상기 코스퍼터링 공정은 RF 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 수행되고, 상기 V2O5 타겟에 인가되는 RF 전력은 상기 바나듐 금속(V) 타겟에 인가되는 RF 전력의 3.5 내지 4.0배일 수 있다. In an embodiment, the co-sputtering process is performed using an RF magnetron sputtering device, and the RF power applied to the V 2 O 5 target is 3.5 to 4.0 times the RF power applied to the vanadium metal (V) target. can
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서 상기 바나듐 산화물 박막은 350 내지 450℃의 온도에서 30분 내지 1시간 동안 열처리될 수 있다. In an embodiment, in the second step, the vanadium oxide thin film may be heat-treated at a temperature of 350 to 450° C. for 30 minutes to 1 hour.
일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 산화물 보호층은 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 5 내지 20nm의 두께로 형성될 수 있다. In an embodiment, the aluminum oxide protective layer may be formed to a thickness of 5 to 20 nm through an atomic layer deposition (ALD) process.
본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치 및 이의 제조방법에 따르면, 감지층이 다양한 폴리모프(Polymorphs)를 가진 바나듐 산화물로 형성되므로 약 2.0 내지 3.5 %/K의 높은 온도에 따른 저항 변화율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR), 약 50 내지 300KΩ의 낮은 저항 값, 약 15% 이하의 낮은 저항 편차를 가질 수 있다. 그리고 상기 감지층을 보호하는 알루미늄 산화물의 보호층에 의해 상기 감지층의 바나듐 산화물이 공기 중의 산소와 반응하여 산화되는 것을 방지할 수 있으므로, 볼로미터 장치의 내구성 및 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다. According to the bolometer device and the method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention, since the sensing layer is formed of vanadium oxide having various polymorphs, the resistance change rate according to the high temperature of about 2.0 to 3.5%/K (Temperature Coefficient of Resistance, TCR), a low resistance value of about 50 to 300 KΩ, and a low resistance variation of about 15% or less. In addition, since the protective layer of aluminum oxide for protecting the sensing layer can prevent the vanadium oxide of the sensing layer from being oxidized by reacting with oxygen in the air, durability and lifespan of the bolometer device can be remarkably improved.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 SiO2 기판 상에 형성된 바나듐 산화물 박막('V/V2O5')에 대한 SEM 이미지이다.
도 4 및 도 5는 상기 바나듐 산화물 박막에 대한 열처리 전('MOhm') 및 후(‘KOhm’)의 XRD 분석결과 및 XPS 분석결과를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 6a는 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 1달간의 에이징(공기에 노출)을 진행한 후 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프이고, 도 6b는 비교예에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 1달간의 에이징(공기에 노출)을 진행한 후 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프이다.1 is a view for explaining a bolometer device according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a bolometer device according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM image of a vanadium oxide thin film ('V/V 2 O 5 ') formed on a SiO2 substrate.
4 and 5 are graphs respectively showing XRD analysis results and XPS analysis results before ('MOhm') and after ('KOhm') heat treatment for the vanadium oxide thin film.
Figure 6a is a graph measuring the resistance change for each temperature measured after aging (exposure to air) for one month for the bolometer device manufactured according to the Example, Figure 6b is the bolometer device manufactured according to the comparative example This is a graph measuring the change in resistance by temperature measured after aging (exposure to air) for one month.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged than the actual size for clarity of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, or a combination thereof described in the specification exists, and includes one or more other features or numbers , it should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a bolometer device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치(100)는 기판(110), 감지층(120), 제1 전극(130a), 제2 전극(130b) 및 보호층(140)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , a
상기 기판(110)은 상기 감지층(120), 상기 제1 전극(130a), 상기 제2 전극(130b) 및 상기 보호층(140)에 대한 지지체로서 기능할 수 있고, 이러한 지지체로서 기능할 수 있다면 구조, 형상, 재료 등이 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 기판(110)으로는 표면에 절연막이 형성된 금속 기판이나 반도체 기판, 절연성 재료로 형성된 산화물 기판, 고분자 기판 등이 제한 없이 적용될 수 있다.The
상기 감지층(120)은 상기 기판(110) 상에 배치되고, 온도에 따라 저항이 변화하는 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120)은 바나듐 산화물로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 감지층(120)은 +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성될 수 있다. 한편, 상기 감지층(120)은 VO2 및 V2O5와 함께 +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3를 더 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 바나듐 산화물 감지층(120)은 약 2.0 내지 3.5 %/K의 온도에 따른 저항 변화율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)을 가질 수 있고, 상기 제1 전극(130a)과 상기 제2 전극(130b) 사이에서 약 10 내지 900 KΩ의 저항값을 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 감지층(120)은 약 50 내지 300KΩ의 저항값을 가질 수 있다. 또한, 상기 바나듐 산화물 감지층(120)은 약 15% 이하, 바람직하게는 약 10% 이하의 저항 편차를 가질 수 있다. 저항 편차라 함은 최고 저항값을 갖는 영역과 최저 저항값을 갖는 영역 사이의 저항 차이값이 최고 저항값에 대해 갖는 비율을 의미한다. The
일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120)은 약 15 내지 100nm 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 감지층(120)은 약 20 내지 60 nm의 두께를 가질 수 있다. In an embodiment, the
일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120)은 바나듐 금속(V) 타겟과 V2O5 타겟을 이용한 코스퍼터링(Co-Sputtering) 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 코스퍼터링 공정에는 RF 마그네트론 스퍼터링 장치가 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 V2O5 타겟에 인가되는 RF 전력은 상기 바나듐 금속(V) 타겟에 인가되는 RF 전력의 약 3.5 내지 4.0배일 수 있다. 한편, 상기 코스퍼터링(Co-Sputtering) 공정은 약 1×10-6 내지 9×10-6Torr의 기저 압력(base pressure) 및 약 0.1×10-2 내지 9×10-2Torr의 동작 압력(working pressure) 조건 하에서 약 15 내지 30분 동안 수행될 수 있다. In an embodiment, the
상기 제1 전극(130a) 및 상기 제2 전극(130b)은 상기 기판(110) 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층(120)의 서로 다른 부분에 접촉할 수 있고, 상기 제1 전극(130a) 및 상기 제2 전극(130b) 각각은 전기 전도성을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(130a) 및 상기 제2 전극(130b) 각각은 서로 독립적으로 전기 전도성을 갖는 금속, 고분자, 세라믹, 탄소 소재 등으로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(130a) 및 상기 제2 전극(130b)은 상기 감지층(120)을 외부 회로(미도시)에 전기적으로 연결시킬 수 있고, 상기 외부 회로는 온도에 따른 상기 감지층(120)의 저항 변화를 측정할 수 있다. The
상기 보호층(140)은 상기 감지층(120)의 표면을 피복하도록 배치될 수 있고, 상기 감지층(120)의 전기적 특성을 변화시키지 않으면서 상기 감지층(120)의 바나듐 산화물이 공기 중의 산소와 반응하여 산화되는 것을 방지할 수 있다. The
일 실시예에 있어서, 상기 보호층(140)은 절연성 특성을 갖고 광을 투과시킬 수 있는 재료 또는 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 보호층(140)은 알루미늄 산화물(Al2O3)로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 보호층(140)은 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 상기 감지층(120) 상에 형성될 수 있고, 약 5 내지 20nm의 두께를 가질 수 있다. In an embodiment, the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다. 2 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a bolometer device according to an embodiment of the present invention.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치의 제조방법은 기판 상에 바나듐 금속(V) 타겟 및 오산화바나듐(Vanadium(V) oxide, V2O5) 타겟을 이용한 코스퍼터링 공정을 통해 바나듐 산화물 박막을 형성하는 제1 단계(S110); 상기 바나듐 산화물 박막을 열처리하는 제2 단계(S120); 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막 표면 상에 알루미늄 산화물 보호층을 형성하는 제3 단계(S130); 및 상기 기판 상에 서로 이격되게 배치되고, 상기 바나듐 산화물 박막의 서로 이격된 부분에 각각 접촉하는 제1 및 제2 전극을 형성하는 제4 단계(S140)를 포함한다. Referring to FIG. 2 together with FIG. 1 , a method of manufacturing a bolometer device according to an embodiment of the present invention uses a vanadium (V) target and a vanadium pentoxide (Vanadium (V) oxide, V 2 O 5 ) target on a substrate. A first step of forming a vanadium oxide thin film through a co-sputtering process (S110); a second step of heat-treating the vanadium oxide thin film (S120); a third step of forming an aluminum oxide protective layer on the heat-treated surface of the vanadium oxide thin film (S130); and a fourth step (S140) of forming first and second electrodes spaced apart from each other on the substrate and contacting the spaced apart portions of the vanadium oxide thin film, respectively.
상기 제1 단계(S110)에 있어서, 상기 코스퍼터링 공정은 RF 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 수행될 수 있고, 이 경우, 상기 V2O5 타겟에 인가되는 RF 전력은 상기 바나듐 금속(V) 타겟에 인가되는 RF 전력의 약 3.5 내지 4.0배일 수 있다. 한편, 상기 코스퍼터링(Co-Sputtering) 공정은 약 1×10-6 내지 9×10-6Torr의 기저 압력(base pressure) 및 약 0.1×10-2 내지 9×10-2Torr의 동작 압력(working pressure) 조건 하에서 약 15 내지 30분 동안 수행될 수 있다. In the first step (S110), the co-sputtering process may be performed using an RF magnetron sputtering device. In this case, the RF power applied to the V 2 O 5 target is the vanadium metal (V) target. It can be about 3.5 to 4.0 times the applied RF power. Meanwhile, the co-sputtering process is performed at a base pressure of about 1×10 -6 to 9×10 -6 Torr and an operating pressure of about 0.1×10 -2 to 9×10 -2 Torr ( working pressure) for about 15 to 30 minutes.
상기 제1 단계(S110)에서 형성된 바나듐 산화물 박막은 약 15 내지 100nm 두께로 형성될 수 있고, 비정질 구조를 가질 수 있다. 그리고 상기 바나듐 산화물 박막은 수 내지 수백 MΩ 수준의 저항값을 가질 수 있다. The vanadium oxide thin film formed in the first step ( S110 ) may have a thickness of about 15 to 100 nm and may have an amorphous structure. In addition, the vanadium oxide thin film may have a resistance value of several to several hundreds of MΩ.
상기 제2 단계(S120)에 있어서, 상기 바나듐 산화물 박막은 약 350 내지 450℃의 온도에서 약 30분 내지 1시간 동안 열처리될 수 있고, 이러한 열처리를 통해 상기 비정질 바나듐 산화물 박막은 다결정 구조로 결정화될 수 있다. In the second step (S120), the vanadium oxide thin film may be heat treated at a temperature of about 350 to 450° C. for about 30 minutes to 1 hour, and through this heat treatment, the amorphous vanadium oxide thin film may be crystallized into a polycrystalline structure. can
다양한 분위기(진공, 산소, 질소)에서 열처리를 진행 하는 경우, 상기 바나듐 산화물 박막의 저항을 KΩ에서 MΩ까지 조절 할 수 있다. 예를 들면, 진공 분위기에서 열처리를 진행하는 경우, 수 KΩ 수준의 낮은 저항 달성이 가능하다. 그리고, 산소 분위기에서 열처리를 진행하는 경우, 산소 공정 압력에 따라서 TCR 경향의 변화가 가능하며 약 2.5%/k 내지 3.5%/K의 TCR 값을 가질 수 있다.When heat treatment is performed in various atmospheres (vacuum, oxygen, nitrogen), the resistance of the vanadium oxide thin film can be adjusted from KΩ to MΩ. For example, when heat treatment is performed in a vacuum atmosphere, it is possible to achieve a low resistance of several KΩ level. In addition, when the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, the TCR tendency may be changed according to the oxygen process pressure, and may have a TCR value of about 2.5%/k to 3.5%/K.
일 실시예에 있어서, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막은 +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성될 수 있다. 한편, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막은 VO2 및 V2O5와 함께 +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3를 더 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성될 수 있다. In an embodiment, the heat-treated vanadium oxide thin film may be formed of more than homogeneous vanadium oxide including VO 2 containing +4-valent vanadium ions and V 2 O 5 containing +5-valent vanadium ions. Meanwhile, the heat-treated vanadium oxide thin film may be formed of more than homogeneous vanadium oxide further including V 2 O 3 containing +trivalent vanadium ions along with VO 2 and V 2 O 5 .
일 실시예에 있어서, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막은 약 10 내지 900 KΩ의 저항값을 갖고, 약 15% 이하, 바람직하게는 약 10% 이하의 저항 편차를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막은 약 50 내지 300 KΩ의 저항값을 갖고, 약 10% 이하의 저항 편차를 가질 수 있다.In an embodiment, the heat-treated vanadium oxide thin film may have a resistance value of about 10 to 900 KΩ, and a resistance deviation of about 15% or less, preferably about 10% or less. For example, the heat-treated vanadium oxide thin film may have a resistance value of about 50 to 300 KΩ, and a resistance deviation of about 10% or less.
상기 제3 단계(S130)에 있어서, 상기 알루미늄 산화물 보호층은 전기 절연성 재료인 알루미늄 산화물로 형성될 수 있고, 약 5 내지 20nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 접촉할 수 있도록, 상기 알루미늄 산화물 보호층은 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막 표면 중 일부를 노출시키도록 형성될 수 있다. In the third step ( S130 ), the aluminum oxide protective layer may be formed of aluminum oxide, which is an electrically insulating material, and may have a thickness of about 5 to 20 nm. The aluminum oxide protective layer may be formed to expose a portion of a surface of the heat-treated vanadium oxide thin film so that the first electrode and the second electrode can contact each other.
일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 산화물 보호층은 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 형성될 수 있다. In an embodiment, the aluminum oxide protective layer may be formed through an atomic layer deposition (ALD) process.
상기 제4 단계(S140)에 있어서, 상기 알루미늄 산화물 보호층에 의해 노출된 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막 상에 전기 전도성을 갖는 재료를 도포하여, 서로 이격된 위치에서 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막에 접촉하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 형성할 수 있다. 예를 들면, 전도성 금속 페이스트를 상기 알루미늄 산화물 보호층에 의해 노출된 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막 상에 도포하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 형성할 수 있다.In the fourth step (S140), an electrically conductive material is applied on the heat-treated vanadium oxide thin film exposed by the aluminum oxide protective layer, and in contact with the heat-treated vanadium oxide thin film at positions spaced apart from each other. The first electrode and the second electrode may be formed. For example, the first electrode and the second electrode may be formed by applying a conductive metal paste on the heat-treated vanadium oxide thin film exposed by the aluminum oxide protective layer.
본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치 및 이의 제조방법에 따르면, 감지층이 다양한 폴리모프(Polymorphs)를 가진 바나듐 산화물로 형성되므로 약 2.0 내지 3.5 %/K의 높은 온도에 따른 저항 변화율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR), 약 50 내지 300KΩ의 낮은 저항 값, 약 15% 이하의 낮은 저항 편차를 가질 수 있다. 그리고 상기 감지층을 보호하는 알루미늄 산화물의 보호층에 의해 상기 감지층의 바나듐 산화물이 공기 중의 산소와 반응하여 산화되는 것을 방지할 수 있으므로, 볼로미터 장치의 내구성 및 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다. According to the bolometer device and the method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention, since the sensing layer is formed of vanadium oxide having various polymorphs, the resistance change rate according to the high temperature of about 2.0 to 3.5%/K (Temperature Coefficient of Resistance, TCR), a low resistance value of about 50 to 300 KΩ, and a low resistance variation of about 15% or less. In addition, since the protective layer of aluminum oxide for protecting the sensing layer can prevent the vanadium oxide of the sensing layer from being oxidized by reacting with oxygen in the air, durability and lifespan of the bolometer device can be remarkably improved.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예에 대해 상술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention will be described in detail. However, the examples described below are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
[비교예][Comparative example]
RF 마그네트론 스퍼터 장치 내에 SiO2 기판을 배치한 후 바나듐 금속(V) 타겟 및 오산화바나듐(Vanadium(V) oxide, V2O5) 타겟을 이용한 코스퍼터링 공정을 통해 상기 SiO2 기판 상에 37.33nm 두께의 V/V2O5 박막을 형성하였다. 이 때, 상기 코스퍼터링 공정은 하기 표 1에 기재된 조건으로 수행되었다. After disposing a SiO 2 substrate in an RF magnetron sputtering device, a 37.33 nm thickness on the SiO 2 substrate through a co-sputtering process using a vanadium metal (V) target and a vanadium pentoxide (Vanadium(V) oxide, V 2 O 5 ) target of V/V 2 O 5 was formed. At this time, the co-sputtering process was performed under the conditions described in Table 1 below.
이어서, 상기 V/V2O5 박막을 400℃의 온도에서 30분간 열처리를 진행하였다. 이러한 열처리에 의해, 최초 증착시에 MΩ 수준이던 상기 V/V2O5 박막의 저항값이 KΩ 수준으로 감소되었다. Then, the V/V 2 O 5 thin film was heat-treated at a temperature of 400° C. for 30 minutes. By this heat treatment, the resistance value of the V/V 2 O 5 thin film, which was at the MΩ level at the time of initial deposition, was reduced to the KΩ level.
이어서, 상기 V/V2O5 박막의 서로 이격된 부분에 골드 페이스트를 이용하여 1cm 간격으로 이격된 제1 및 제2 전극을 형성하여, 비교예에 따른 볼로미터 장치를 제조하였다. Then, first and second electrodes spaced apart from each other at 1 cm intervals were formed on portions of the V/V 2 O 5 thin film spaced apart from each other to prepare a bolometer device according to a comparative example.
[실시예][Example]
비교예의 볼로미터 장치에서와 동일한 조건의 코스퍼터링 및 열처리를 통해 V/V2O5 박막을 형성하였다. A V/V 2 O 5 thin film was formed through co-sputtering and heat treatment under the same conditions as in the bolometer device of Comparative Example.
이어서, 상기 열처리된 V/V2O5 박막 상에 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 10nm 두께의 Al2O3 보호막을 형성하였다. Then, an Al 2 O 3 protective film having a thickness of 10 nm was formed on the heat-treated V/V 2 O 5 thin film through an atomic layer deposition (ALD) process.
이어서, 상기 Al2O3 보호막에 의해 노출된 상기 V/V2O5 박막의 서로 이격된 부분에 골드 페이스트를 이용하여 1cm 간격으로 이격된 제1 및 제2 전극을 형성하여, 실시예에 따른 볼로미터 장치를 제조하였다. Next, first and second electrodes spaced apart from each other by 1 cm intervals are formed on the portions spaced apart from each other of the V/V 2 O 5 thin film exposed by the Al 2 O 3 protective film, according to the embodiment. A bolometer device was prepared.
[실험예][Experimental example]
도 3은 SiO2 기판 상에 형성된 바나듐 산화물 박막('V/V2O5')에 대한 SEM 이미지이고, 도 4 및 도 5는 상기 바나듐 산화물 박막에 대한 열처리 전('MOhm') 및 후(‘KOhm’)의 XRD 분석결과 및 XPS 분석결과를 각각 나타내는 그래프들이다. 3 is an SEM image of a vanadium oxide thin film ('V/V 2 O 5 ') formed on a SiO2 substrate, and FIGS. 4 and 5 are before ('MOhm') and after (') heat treatment of the vanadium oxide thin film. These are graphs showing the results of XRD analysis and XPS analysis of KOhm'), respectively.
도 3 내지 도 5를 참조하면, V 타겟 및 V2O5 타겟을 이용한 코스퍼터링 공정을 통해 형성된 바나듐 산화물 박막은 대한 열처리를 진행한 결과, 열처리 전의 박막에 대해서는 발견되지 않은 V4+에 대응되는 VO2 피크가 발생함을 알 수 있고, 또한, 산소 공공(‘VO’)에 대한 피크가 증가하였음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 열처리에 의한 VO2의 형성 및 산소 공공의 증가 때문에 바나듐 산화물 박막의 저항값이 감소되는 것으로 판단된다. 3 to 5, the vanadium oxide thin film formed through the co-sputtering process using the V target and the V 2 O 5 target was subjected to heat treatment. As a result, the thin film before the heat treatment corresponds to V 4+ It can be seen that the VO 2 peak occurs, and it can also be confirmed that the peak for oxygen vacancy ('V O ') is increased. Through this, it is determined that the resistance value of the vanadium oxide thin film is reduced due to the formation of VO 2 and an increase in oxygen vacancies by the heat treatment.
도 6a는 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 1달간의 에이징(공기에 노출)을 진행한 후 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프이고, 도 6b는 비교예에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 1달간의 에이징(공기에 노출)을 진행한 후 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프이다. 도 6a 및 도 6b의 그래프는 25 내지 55℃의 온도 구간에서 10℃ 간격으로 측정한 결과들이다. Figure 6a is a graph measuring the resistance change for each temperature measured after aging (exposure to air) for one month for the bolometer device manufactured according to the Example, Figure 6b is the bolometer device manufactured according to the comparative example This is a graph measuring the change in resistance by temperature measured after aging (exposure to air) for one month. The graphs of FIGS. 6A and 6B are results measured at intervals of 10°C in a temperature range of 25 to 55°C.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치는 1달간의 에이징에도 불구하고 저항값이 KΩ 수준에서 유지되는 반면, 비교예에 따라 제조된 볼로미터 장치는 1달간의 에이징 동안 바나듐 산화물 박막이 재산화되어 저항값이 MΩ 수준으로 증가되었음을 확인할 수 있다. 6A and 6B , the resistance value of the bolometer device manufactured according to the embodiment is maintained at the KΩ level despite aging for 1 month, whereas the bolometer device manufactured according to the comparative example has vanadium during aging for 1 month. It can be seen that the oxide thin film is reoxidized and the resistance value is increased to the MΩ level.
또한, 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치는 약 2.460 내지 2.969 %/K의 TCR을 가짐을 확인할 수 있다. In addition, it can be confirmed that the bolometer device manufactured according to the embodiment has a TCR of about 2.460 to 2.969%/K.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that you can.
100: 볼로미터 장치 110: 기판
120: 감지층 130a: 제1 전극
130b: 제2 전극 140: 보호층100: bolometer device 110: substrate
120:
130b: second electrode 140: protective layer
Claims (11)
상기 기판 상에 배치되고, +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2, 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 결정질 바나듐 산화물로 형성된 감지층;
상기 기판 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층의 서로 다른 부분에 각각 접촉하는 제1 전극과 제2 전극; 및
상기 감지층의 표면 상에 형성되고, 5 내지 20nm의 두께를 가져서 광을 투과시킬 수 있으며, 알루미늄 산화물로 형성된 보호층;을 포함하고,
상기 감지층은 바나듐 금속(V) 타겟 및 오산화바나듐(Vanadium(V) oxide, V2O5) 타겟을 이용하고, 산소 미함유 아르곤 분위기에서 수행되며, 상기 V2O5 타겟에 인가되는 RF 전력은 상기 바나듐 금속(V) 타겟에 인가되는 RF 전력의 3.5 내지 4.0배인 조건을 만족하는 RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 통해 바나듐 산화물 박막을 형성한 후 350 내지 450℃의 온도 및 진공 분위기에서 열처리함으로써 형성되어 15% 이하의 저항 편차를 가지고, 15 내지 100nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치.
Board;
It is disposed on the substrate and includes V 2 O 3 containing +trivalent vanadium ions, VO 2 containing +4-valent vanadium ions, and V 2 O 5 containing +5-valent vanadium ions. a sensing layer formed of vanadium oxide;
a first electrode and a second electrode spaced apart from each other on the substrate and respectively contacting different portions of the sensing layer; and
A protective layer formed on the surface of the sensing layer, having a thickness of 5 to 20 nm to transmit light, and formed of aluminum oxide;
The sensing layer uses a vanadium metal (V) target and a vanadium (V) oxide (V 2 O 5 ) target, is performed in an oxygen-free argon atmosphere, and RF power applied to the V 2 O 5 target is formed by forming a vanadium oxide thin film through an RF magnetron sputtering process that satisfies the condition of 3.5 to 4.0 times the RF power applied to the vanadium metal (V) target, and then heat-treating it at a temperature of 350 to 450° C. and a vacuum atmosphere 15 A bolometer device, characterized in that it has a resistance variation of % or less and a thickness of 15 to 100 nm.
상기 바나듐 산화물 감지층은 2.5 내지 3.5 %/K의 온도에 따른 저항 변화율 및 50 내지 300Ω의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치.According to claim 1,
The vanadium oxide sensing layer has a resistance change rate with temperature of 2.5 to 3.5%/K and a resistance value of 50 to 300Ω, the bolometer device.
상기 바나듐 산화물 박막을 350 내지 450℃의 온도 및 진공 분위기에서 열처리하는 제2 단계;
상기 열처된 바나듐 산화물 박막 표면 상에 알루미늄 산화물 보호층을 형성하는 제3 단계; 및
상기 기판 상에 서로 이격되게 배치되고, 상기 바나듐 산화물 박막의 서로 이격된 부분에 각각 접촉하는 제1 및 제2 전극을 형성하는 제4 단계를 포함하고,
상기 코스퍼터링 공정은 RF 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 상기 V2O5 타겟에 인가되는 RF 전력은 상기 바나듐 금속(V) 타겟에 인가되는 RF 전력의 3.5 내지 4.0배인 조건 하에서 그리고 산소 미함유 아르곤 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치의 제조방법.
A first step of forming a vanadium oxide thin film on a substrate through a co-sputtering process using a vanadium metal (V) target and a vanadium pentoxide (Vanadium (V) oxide, V 2 O 5 ) target;
a second step of heat-treating the vanadium oxide thin film at a temperature of 350 to 450° C. and a vacuum atmosphere;
a third step of forming an aluminum oxide protective layer on the surface of the heat-treated vanadium oxide thin film; and
A fourth step of forming first and second electrodes spaced apart from each other on the substrate and in contact with the spaced apart portions of the vanadium oxide thin film, respectively,
In the co-sputtering process, the RF power applied to the V 2 O 5 target is 3.5 to 4.0 times the RF power applied to the vanadium metal (V) target by using an RF magnetron sputtering device, and under an oxygen-free argon atmosphere. A method of manufacturing a bolometer device, characterized in that performed.
상기 제2 단계에서 상기 바나듐 산화물 박막은 350 내지 450℃의 온도에서 30분 내지 1시간 동안 열처리되는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치의 제조방법.9. The method of claim 8,
In the second step, the vanadium oxide thin film is heat-treated at a temperature of 350 to 450° C. for 30 minutes to 1 hour, the method of manufacturing a bolometer device.
상기 알루미늄 산화물 보호층은 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 5 내지 20nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The method of manufacturing a bolometer device, characterized in that the aluminum oxide protective layer is formed to a thickness of 5 to 20 nm through an atomic layer deposition (ALD) process.
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2021
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR101439263B1 (en) * | 2013-11-22 | 2014-09-11 | 한국광기술원 | Method for manufacturing thin film for infrared sensor for microbolometer |
Also Published As
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