KR19990045708A - 열영상 검출용 초전소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄기판 상에 양극산화법에 의해 열차폐층인 알루미나층이 형성되고, 알루미나층 상에 하부전극과 펄스레이저증착법에 의해 PSN-PZT계 초전층 및 상부전극이 형성된 열영상 검출용 초전소자를 개시한다.
따라서, 본 발명은 저가의 알루미늄 기판을 사용하고 또한 비용이 적게 소요되는 양극산화법에 의해 알루미나층을 제조하므로 제조비용의 절감을 이룩할 수 있다. 또한, 알루미나층은 알루미늄기판과의 결합상태가 양호하고, 열용량이 작으며 알루미늄기판과의 열적 고립이 양호하여 열영상 검출용 초전소자의 검지능이 우수하고, 초전소자의 주된 오동작 원인인 열적 잡음(thermal noise)이 적다.
그리고, 초전층이 펄스레이저증착법에 의해 증착되므로 초전소자의 검지특성과 응답성이 우수하고, 알루미늄기판의 후면 중앙부가 경사 식각되어 소자의 열적 고립이 가능하므로 열적 잡음에 대한 영향이 줄어들고 열적 특성이 향상된다.
Description
본 발명은 열영상 검출용 초전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검지능이 우수하고 열적 잡음이 적은 열영상 검출용 초전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 적외선(infrared: IR)은 파장이 0.75-1000μm 범위의 전자기파로서, 가시광선보다 파장이 길어서 사람의 눈으로 직접 볼 수 없는 광선이다. 모든 물체는 적외선을 복사하는데 온도가 가령 25℃인 물체는 8-12μm의 적외선을 복사한다. 감도가 높은 적외선 검지소자를 이용하여 적외선을 측정하면, 적외선을 방출하는 물체의 특성을 파악할 수 있기 때문에 다른 광원의 도움 없이 밤에도 물체를 식별 가능하다. 적외선 검지소자는 오늘날 눈부신 진보를 이룩한 반도체 제조기술과 우수한 센서제조 및 응용기술에 힘입어 개발의 수준과 응용의 폭을 크게 넓혀나가고 있다. 즉, 물체가 자연히 복사하는 적외선을 검지하여 목표물의 온도를 측정할 수 있으며 원격 센싱으로 목표물체를 관찰할 수 있다는 것이 가시광 기술에 비하여 우수한 점이다.
적외선 센서는 적외선 영상을 2차원으로 검출하기 위해 집적화된 것으로서 초전효과나 열기전력효과를 이용한 열형과, 광도전효과나 광기전력 효과를 이용한 양자형으로 대별된다. 지금까지 단일소자의 열형 센서는 냉각이 필요없는 간편함과 양산으로 인한 저가격화로 열원의 탐지나 비접촉 온도측정에 많이 사용되어 왔다. 응답속도가 비교적 낮은 열형 센서의 일부도 2차원 어레이화 등에 의해 영상 센서로서 이용 가능성이 시험되고 있다. 이에 대해 HgCdTe 등을 중심으로 한 반도체 광전효과형 센서는 응답속도가 높기 때문에 이전부터 리모트센싱이나 서모그래피분야의 고성능 적외선 영상 센서로서 개발이 진행되어 왔다. 이 형의 센서는 HgCdTe나 InSb 등의 단위적외선 센서를 2차원 어레이로서 구성한 모노리식(monolithic)형과 여기에 SiCCD 등의 신호처리 칩을 조합시킨 하이브리드형으로 대별되고, 통틀어 포컬 플레인 센서라 불리는 경우도 있다.
종래의 열영상 검출용 초전소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(11)의 중앙부가 가장자리부에 비하여 상당히 얇은 두께를 갖도록 실리콘기판(11)의 후면 중앙부가 경사 식각되고, 실리콘기판(11)의 전면 전체에 열차폐층인 실리콘산화막(13)이 배치되고, 실리콘기판(11)의 후면 중앙부의 직상에 위치하도록 실리콘산화막(13)의 일부 영역 상에 하부전극(15)과 초전층(17) 및 상부전극(19)이 적층된 구조로 이루어진다. 여기서, 하부전극(15)과 상부전극(19)은 NiCr 재질로 이루어진다. 또한, 실리콘산화막(13) 대신에 실리콘질화막이 사용되어도 무방하다. 초전층(17)은 스퍼터링공정에 의해 적층된 것이다.
그러나, 이와 같이 구성된 종래의 열영상 검출소자의 경우, 실리콘기판(11)과 같은 고가의 기판이 사용되고, 실리콘산화막(13) 또는 실리콘질화막과 같은 열차폐층이 고가의 반도체공정, 예를 들어 열산화공정 또는 화학기상증착법에 의해 형성되므로 제조비용이 많이 소요된다.
또한, 실리콘산화막(13)은 실리콘기판(11)과의 결합상태가 양호하지 못하고, 열용량이 많으며 실리콘기판(11)과의 열적 고립이 양호하지 못하여 센서 검지능이 우수하지 못하고, 초전소자의 주된 오동작 원인인 열적 잡음(thermal noise)이 많다.
따라서, 본 발명의 목적은 성능이 우수하고 제조비용이 절감되는 열영상 검출용 초전소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 열영상 검출용 초전소자를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전소자를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전소자의 제조방법을 나타낸 플로우차트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 실리콘기판 13: 실리콘산화막 15: 하부전극 17: 초전층 19: 상부전극 21: 알루미늄기판 23: 알루미나층 25: 하부전극 27: 초전층 29: 상부전극
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전소자는
알루미늄기판;
상기 알루미늄기판의 전면 상에 형성된 열차폐층;
상기 알루미늄기판의 후면 중앙부 상에 위치하는, 상기 열차폐층의 일부 영역 상에 형성된 하부전극;
상기 하부전극 상에 형성된 초전층; 그리고
상기 초전층 상에 형성된 상부전극을 포함하는 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 열차폐층은 양극산화법에 의해 알루미나층으로 이루어진다. 상기 초전층은 펄스레이저증착법에 의해 형성된 PSN-PZT계 산화물로 이루어진다. 상기 알루미늄기판은 후면 중앙부가 후면 가장자리부보다 얇은 두께로 갖도록 형성된다.
또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위한 열영상 검출용 초전소자의 제조방법은
알루미늄기판의 전면 상에 열차폐층을 형성하는 단계; 그리고
상기 알루미늄기판의 후면 중앙부 상에 위치하는, 상기 열차폐층의 일부 영역 상에 하부전극과 초전층 및 상부전극의 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 열차폐층으로서 알루미나층을 양극산화법에 의해 형성한다. 상기 알루미나층을 주석산염의 전해액이 담겨진 전해조에서 양극산화법에 의해 형성한다. 상기 초전층을 펄스레이저증착법에 의해 증착한다. 상기 초전층을 PSN-PZT계 산화물로 구성한다. 상기 알루미늄기판의 후면 중앙부를 식각하여 상기 후면 중앙부가 후면 가장자리부보다 얇게 형성한다. 상기 알루미늄기판의 후면 중앙부를 등방성 식각하여 상기 후면 중앙부가 후면 가장자리부보다 얇게 형성한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 열영상 검출용 초전소자의 제조비용이 절감되고, 열적 특성이 우수하고 검지특성이 향상된다.
이하, 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전소자를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 열영상 검출용 초전소자는 알루미늄기판(21)의 중앙부가 가장자리부에 비하여 상당히 얇은 두께를 갖도록 알루미늄기판(21)의 후면 중앙부가 경사 식각되고, 알루미늄기판(21)의 전면 전체에 열차폐층인 알루미나(Al2O3)층(23)이 양극산화법에 의해 형성되고, 알루미늄기판(21)의 후면 중앙부의 상측에 위치하도록 실리콘산화막(13)의 일부 영역 상에 하부전극(25)과 초전층(27) 및 상부전극(29)이 적층된 구조로 이루어진다. 여기서, 하부전극(15)과 상부전극(19)은 NiCr 재질로 이루어진다. 초전층(27)은 펄스레이저증착법(Pulsed Laser Ablation Deposition)을 형성된 PSN-PZT계 산화물 박막이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 열영상 검출용 초전소자의 경우, 고가의 실리콘기판 대신에 저가의 알루미늄기판(21)이 사용되고, 알루미나층(23)과 같은 열차폐층이 저가의 양극산화공정에 의해 형성되므로 제조비용이 적게 소요된다.
또한, 알루미나층(23)은 알루미늄기판(21)과의 결합상태가 양호하고, 열용량이 작으며 알루미늄기판(21)과의 열적 고립이 양호하여 열영상 검출용 초전소자의 검지능이 우수하고, 초전소자의 주된 오동작 원인인 열적 잡음(thermal noise)이 적다.
이와 같이 구성되는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법을 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전소자의 제조방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 단계(S11)에서는 먼저, 알루미늄재질로 이루어진 알루미늄기판(21)을 기판으로서 준비한다. 여기서, 알루미늄기판(21)은 종래의 실리콘기판(11)에 비하여 저가이다.
단계(S12)에서는 그런 다음, 주석산염( (NH)2C4H4O6 )의 용액이 담겨진 전해조(도시 안됨)에서 전기화학적 양극산화법을 이용하여 알루미늄기판(21)의 전면(前面) 상에 열차폐층으로서 알루미나(Al2O3)층(23)을 형성한다.
따라서, 알루미나층(23)은 알루미늄기판(21)과의 결합상태가 우수하고, 열용량이 적으며, 알루미늄기판(21)과의 열적 고립이 우수하여 열영상 검출용 센서의 검지능이 우수하고 초전소자의 주된 오동작 원인인 열적 잡음이 적다. 또한, 알루미나층(23)을 제조하는 양극산화법은 실리콘산화막 또는 실리콘질화막을 성장시키는 종래의 방법에 비하여 비용이 적게 소요된다.
한편, 양극산화를 이용한 부동태 피막 형성은 자연적인 알루미늄의 산화피막 형성과는 달리 인위적으로 원하는 두께의 산화피막을 성장시킬 수 있다. 일반적으로 알루미늄은 대기 중에 장시간 노출된 경우, 대기 중에 존재하는 산소와 반응하여 그 표면에 산화피막을 형성한다. 상기 산화피막은 밀도가 낮고, 성장할 수 있는 두께가 제한되어 있으므로 공업적인 용도로 이용하기에 부적합하다.
반면에, 양극산화법으로 산화피막을 만드는 방법은 예를 들어 주석산염( (NH)2C4H4O6 )의 전해액이 담겨진 전해조에 알루미늄 시편을 침지한 상태에서 상기 알루미늄시편에 양(陽)의 전압을 인가하면, 산화피막에 걸리는 106∼108V/cm 정도의 전장에 의해서 이온에 의한 질량 전달현상이 일어남으로써 양극산화막이 성장된다. 이러한 양극산화의 반응속도는 전해액 내의 산소이온과 알루미늄의 반응 속도에 의해서 결정되고 이는 인가전압에 직접적으로 비례한다. 알루미늄시편을 양극으로 취하고 전해액에 전류를 통하게 하면 음전하를 띤 음이온이 양극으로 이동하여 전자를 잃게 된다. 수용액에서는 주로 산소이온이 음이온으로 되므로 알루미늄과 화학적으로 반응하여 알루미늄을 산화시키게 된다. 이때의 화학반응은 수많은 인자에 의해서 차이를 보이게 되는데 특히 전해액의 성질, 반응생성물, 인가전압이나 전해조의 온도 및 처리시간 같은 조건들에 의해서 크게 영향을 받는다.
단계(S13)에서는 하부전극(25)의 형성을 위해 예를 들어 NiCr 재질의 금속층을 스퍼터링법에 의해 알루미나층(23) 상에 적층한다.
단계(S14)에서는 엑시머(eximer) 레이저를 이용한 펄스레이저증착법에 의해 PSN-PZT계 산화물로 이루어진 초전층(27)을 얇은 두께로 적층한다. 초전층(27)을 박막형태로 적층하는 것은 열용량의 현저한 감소를 가져오므로 초전형 센서의 열적 잡음을 저감시키고 비검출능( D* )을 100배 이상 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
이를 좀 더 상세히 언급하면, 초전층(27)은 산화물 혼합법으로 제작된 소결체 타겟(도시 안됨)을 펄스레이저증착법을 이용하여 박막으로 제작하는데, 일반적으로 부도체인 산화물은 RF 스퍼터링법을 이용하여 증착할 경우 진공 중에서의 높은 분압 때문에 납(Pb)이 휘발하여 파이로클로로(pyrochlore) 상이 형성되거나 비화학양론적인 증착막이 형성될 가능성이 크므로 이 경우, 증착된 초전층(27)에 대해 좋은 특성을 기대 할 수가 없다. 또, 이로 인하여 초전층(27)의 조성이 타겟의 조성과 달라지는 결과가 얻어질 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 펄스레이저증착법을 이용하여 낮은 온도에서 초전층(27)을 증착하게 되면, 기 언급한 문제의 해결이 쉽게 해결될 수 있다. 초전층(27)의 증착 후에는 초전층(27)의 결정 배향성을 향상시키기 위해 초전층(27)을 열처리하는 것이 바람직하다.
한편, 엑시머 레이저를 사용하여 초전층의 박막을 제조하는 펄스레이저증착법에서는 레이저빔의 균일성과 크기, 출력, 펄스주기, 알루미늄기판-타겟 사이의 간격, 알루미늄기판의 온도, 반응챔버 내의 분위기와 압력 등이 제조된 초전층의 박막 특성에 영향을 미친다. 이 변수들 중에서 기판의 온도, 반응기 내의 분위기와 압력 등은 초전층의 박막 제조에 있어서, 항상 문제시되는 주요한 변수들이다.
본 발명에서는 렌즈와 타겟 사이의 거리에 의해 변하는 레이저빔의 면적을 결정하기 위해 알루미늄 기판의 온도, 반응챔버 내의 압력, 알루미늄기판과 타겟 사이의 간격, 에너지 밀도는 각각 30℃, 4×10-3Torr, 4㎝, 3J/㎠로 각각 결정된다.
단계(S15)에서는 상부전극(29)의 형성을 위해 예를 들어 NiCr 재질의 금속층을 스퍼터링법에 의해 초전층(27) 상에 적층한 후 상기 금속층을 사진식각공정에 의해 초전층(27)의 표면이 노출될 때까지 선택적으로 식각하여 알루미늄기판(21)의 하부면 중앙부 상에 위치하는, 초전층(27)의 일부 영역 상에 상부전극(29)의 패턴을 형성한다.
단계(S16)에서는 이후, 초전층(27)을 사진식각공정에 의해 하부전극(25)용 금속층의 표면이 노출될 때까지 선택적으로 식각하여 알루미늄기판(21)의 하부면 중앙부 상에 위치하는, 초전층(27)의 패턴으로 형성한다.
단계(S17)에서는 그리고 나서, 사진식각공정에 의해 하부전극(25)용 금속층을 알루미나층(23)의 표면이 노출될 때까지 선택적으로 식각하여 알루미늄기판(21)의 하부면 중앙부 상에 위치하는, 하부전극(25)의 패턴으로 형성한다.
단계(S18)에서는 인산과 질산과 초산 및 순수(DI water)가 혼합된 식각용액이 담겨진 식각조에서 상기 결과 구조의 알루미늄기판(21)의 후면 중앙부를 선택적으로 등방성 식각(isotropic etching)하여 알루미늄기판(21)의 후면 중앙부를 후면 가장자리에 비하여 상당히 얇은, 원하는 두께로 형성한다. 따라서, 본 발명에 의한 열영상 검출용 초전소자가 완성된다.
이와 같은 방법에 의하면, 알루미나층(23)은 알루미늄기판(21)과의 결합상태가 양호하고, 열용량이 작으며 알루미늄기판(21)과의 열적 고립이 양호하여 열영상 검출용 초전소자의 검지능이 우수하고, 초전소자의 주된 오동작 원인인 열적 잡음(thermal noise)이 적다.
이후, 열영상 검출용 초전소자는 일반적으로 TO-5 패키지에 실장된 형태로 제품화되어 초전형 적외선 센서로서 사용된다.
상기 적외선 센서는 도면에 도시되지 않았지만 크게 수광부(light absorber)와 초전소자(pyroelectric element)와 신호전극(signal electrode)과 지지부(supporter)로 구성된다. 수광부는 외부로부터 입사된 적외선을 받아들이는 역할을 하고, 우수한 수광효율(η)을 갖도록 입사된 적외선을 초전소자의 온도변화로 변환시키는데 높은 효과가 있다. 초전소자는 입사된 적외선에 의해서 표면의 온도변화(ΔT)를 가지게 되고, 이 온도변화에 의해서 자발분극(self polarization)을 일으킨다. 이때 자발분극에 의해서 초전소자의 양단에는 전하가 발생하고, 이 전하는 신호전극을 통해서 출력신호로서 검출된다.
상기 적외선 센서의 특성을 평가하는 항목으로는 출력전압( Vo )과 NEP(noise equivalent power)와 비검지능( D* ) 및 시정수 등이 있다.
첫째, 출력전압( Vo )은 입사광의 크기( W )와 전압응답성( RV )의 곱으로 나타낼 수 있다. 즉,
여기서, 전압응답성( Rv )은 다음 식으로 나타낼 수 있다. 즉,
여기서, η,ω, A, R* , GT, τT, τE는 각각 수광효율, 단속주파수, 전극면적, 센서저항, 열전도도, 열적 시정수, 전기적 시정수를 나타낸다. 각각의 상수들은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
NEP(noise equivalent power)는 센서가 검지할 수 있는 입사파의 최소세기를 의미하며, 수식적으로는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 그리고 잡음치( Vn )는 다음과 같은 의미를 가진다.
여기서, tanδ 는 유전손실을 나타낸다.
비검지능( D* )은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
따라서, 검출능이 높은 초전형 센서를 제조하기 위해서는 광흡수율, 초전계수, 전극면적, 총저항이 높아야 하는 반면에, 전기시정수와 열시정수, 열전도도, 열용량은 작아야 한다. 이러한 이론적 배경들을 고려 할 때, 본 발명에서 제안한 방법으로 제조한 초전형 적외선 센서는 단순히 초전층의 두께 감소만으로도 100배 이상의 잡음감쇄효과를 기대할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 알루미늄기판 상에 양극산화법에 의해 열차폐층인 알루미나층이 형성되고, 알루미나층 상에 펄스레이저증착법에 의해 초전층이 형성된다.
따라서, 본 발명은 저가의 알루미늄 기판을 사용하고 또한 비용이 적게 소요되는 양극산화법에 의해 알루미나층을 제조하므로 제조비용의 절감을 이룩할 수 있다. 또한, 알루미나층은 알루미늄기판과의 결합상태가 양호하고, 열용량이 작으며 알루미늄기판과의 열적 고립이 양호하여 열영상 검출용 초전소자의 검지능이 우수하고, 초전소자의 주된 오동작 원인인 열적 잡음(thermal noise)이 적다.
그리고, 초전층이 펄스레이저증착법에 의해 증착되므로 초전소자의 검지특성과 응답성이 우수하고, 알루미늄기판의 후면 중앙부가 경사 식각되어 소자의 열적 고립이 가능하므로 열적 잡음에 대한 영향이 줄어들고 열적 특성이 향상된다.
한편, 본 발명은 도시된 도면과 상세한 설명에 기술된 내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형도 가능함은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.
Claims (11)
- 알루미늄기판;상기 알루미늄기판의 전면 상에 형성된 열차폐층;상기 알루미늄기판의 후면 중앙부 상에 위치하는, 상기 열차폐층의 일부 영역 상에 형성된 하부전극;상기 하부전극 상에 형성된 초전층; 그리고상기 초전층 상에 형성된 상부전극을 포함하는 열영상 검출용 초전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열차폐층은 양극산화법에 의해 형성된 알루미나층인 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 초전층은 펄스레이저증착법에 의해 형성된 PSN-PZT계 산화물인 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄기판은 후면 중앙부가 후면 가장자리부보다 얇은 두께로 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자.
- 알루미늄기판의 전면 상에 열차폐층을 형성하는 단계; 그리고상기 알루미늄기판의 후면 중앙부 상에 위치하는, 상기 열차폐층의 일부 영역 상에 하부전극과 초전층 및 상부전극의 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 열차폐층으로서 알루미나층을 양극산화법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 알루미나층을 주석산염의 전해액이 담겨진 전해조에서 양극산화법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 초전층을 펄스레이저증착법에 의해 증착하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 초전층을 PSN-PZT계 산화물로 구성하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 알루미늄기판의 후면 중앙부를 식각하여 상기 후면 중앙부가 후면 가장자리부보다 얇게 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 알루미늄기판의 후면 중앙부를 등방성 식각하여 상기 후면 중앙부가 후면 가장자리부보다 얇게 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열영상 검출용 초전소자의 제조방법.
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-
1998
- 1998-12-19 KR KR1019980056387A patent/KR19990045708A/ko active IP Right Grant
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