KR20200019233A - 전자기 방사선 검출기 - Google Patents
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Abstract
전자기 방사선(RL) 검출기가 설명된다. 상기 검출기는, 열전 재료의 배향된 다결정질 층(2), 후면(10)이 배향된 다결정질 층과 접촉하도록 배향된 다결정질 층의 상부 표면 상에 중첩된 기판(1), 서로 이격되어 배치되고 상기 배향된 다결정질 층과 전기적으로 접촉하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다. 상기 기판은 하나 이상의 세라믹 층을 포함하고 상기 배향된 다결정질 층은 상기 기판의 상부 표면에 대한 수직선에 대해 30 도 내지 55 도를 포함하는 각도에서 결정 배향을 갖는다.
Description
본 발명은 전자기 방사선, 특히 레이저 방사선 검출기에 관한 것이다.
고 에너지 펄스(즉 10-3 - 10 J)를 검출할 수 있는 레이저 방사선 검출기는 주로 열량계, 열전퇴(thermopile) 및 초전 센서로 대표된다. 또한 열전퇴는 방사형 및 축형 장치의 2 가지 상이한 범주로 세분될 수 있다.
열량계는 액체 냉각제의 유입구와 배출구 사이의 온도차를 측정하여 대상 표면 상의 입사 전력을 측정한다. 상기 검출기는 상기 언급된 모든 종류의 검출기 중 가장 느린 응답 시간, 즉 수십 초의 응답 시간을 겪는다.
방사형 열전퇴는 열 디스크로 대표되며, 여기서 방사선 타겟 디스크는 두 개의 동심원, 교대로 디스크를 갖는 동심으로 배열된 열전대 배열을 포함한다. 디스크 상에 레이저 방사선 입사에 의해 디스크에 열 구배가 방사상으로 확립될 때, 열전대 배열은 입사 레이저 방사선의 전력을 나타내는 기전력(e.m.f) 또는 전압을 발생시킨다. 상기 종류의 열전퇴의 자연스런 응답 시간은 설계에 따라 약 1 초 내지 60 초 사이이다. 상기 종류의 파워 미터의 두 가지 중요한 단점은 크기와 응답 시간이다. 크기는 종종 파워 미터 헤드를 파워 측정용 레이저 장치에 맞추기 어렵게 만든다.
따라서, 상기 논의된 종래 기술의 히트 싱크보다 상당히 작지만 여전히 보다 짧은 응답 시간으로 비교적 높은 연속파(CW) 레이저 전력을 측정할 수 있는 히트 싱크를 갖는 저렴한 레이저 파워 미터 헤드가 필요하다.
축 열전퇴는 펠티에(Peltier) 유사 장치로, 여러 개의 전기적으로 상호 연결된 열전대를 채택하여 적합한 기판을 축 방향으로 가로지르는 열유속을 측정할 수 있도록 설계되었다. 표준 열전 효과를 이용하는 상기 종류의 센서는 일반적인 방사형 열전퇴의 진화 중 하나이다. 상기 종류의 검출기는 방사형 열전퇴에 비해 더 작을 수 있다. 그러나 상기 종류의 센서의 열 설계는 현재 0.1 초 내지 1 초 정도의 자연적인 응답 시간만을 허용한다. 게다가, 다중 축 열전대의 설계는 종종 센서의 활성 영역 범위가 거의 없는 것을 의미한다.
초전 효과에 기초한 센서는 열 구배를 전기 신호로 변환한다. 즉, 열 구배로 인한 분극 변화는 결정을 가로지르는 전압을 발생시킨다. 한편, 이로 인해 열전퇴 및 열량계와 비교하여, 고 감도(1000 V/W까지 가능)와 고 에너지 펄스 및 보다 높은 반복률(현재 최대 200 kHz)을 위한 설계에 맞게 조정될 수 있는 가능성이 결합된다. 그러나, 초전 센서는 활성 물질에 걸친 자연적인 누설 전류로 인해 연속파(cw) 레이저 방사선을 측정할 수 없기 때문에 현재 제한되어 있다. 실제로, 온도의 일시적인 변화에 대한 반응에 기초한 초전 물질의 작동 원리는 펄스에서 준 CW까지 측정할 수 있을 뿐이고, 순수한 CW 또는 긴 펄스 레이저원은 측정할 수 없다.
상대적으로 보다 새롭고 상이한 범주의 파워 미터가 횡 열전 효과를 이용하는 센서로 정의되는데, 이는 상기 논의된 종류에 비해 몇 가지 장점을 갖는다.
레이저 유도 횡 전압(Laser Induced Transverse Voltage, LITV) 효과를 이용하는 센서는 또한 열 구배를 전기 신호로 변환한다. 증발원과 기판 사이의 경사각으로 증착된 적합한 물질(예를 들어, Bi, Bi2Te3, Al:ZnO, Sb)의 박막은 레이저 조사에 대한 횡 열전 반응을 나타내는 것으로 알려져 있다. 즉, 필름 표면에 수직 방향으로 열 구배가 존재하면, 필름 표면의 평면에 종 방향으로 열전 응답이 발생한다. 종 방향 평면을 따라 추출될 수 있는 생성된 전기 신호의 강도는 잘 정의된 방향을 가지며, 이는 기판 상에 성장된 박막 활성 물질의 각진 입자의 돌출부와 평행하며, 동일 평면상의 수직 방향으로 최소값을 나타낸다.
LITV 효과의 채택은 열 신호의 전압으로의 우수한 전환 효율을 나타내면서 나노초 범위에서 응답 시간을 나타내는 본질적인 이점을 갖는다. 게다가, 장치의 제조는 기술 단계가 덜 요구되어 보다 제어가 가능하기 때문에 보다 저렴하고 단순해진다. 표준 열전 장치에 비해 LITV 기반 장치의 다른 장점은 축 방향으로 배치된 열전대에 기초한 설계와 관련하여, 활성 영역의 균일한 범위이다.
또한, LITV 기반 센서의 활성 면적은 활성 면적의 크기에 제한이 없지만, 활성 필름의 증착 균일성은 유지된다. 동시에, 우수한 설계는 동일한 활성 면적을 가진 검출기와 비교하여, 활성 감지 영역 주변의 면적을 크게 줄여 방사형 열전퇴보다 더 작은 측면 치수를 달성한다.
LITV 효과에 기초한 센서가 레이저 방사선 에너지/전력 감지의 기술 분야에서 매우 유망하지만, 미국 특허 공개번호 제 2011/0024604 A1호, 미국 특허 공개번호 제 2011/0291012 A1호, 미국 특허 공개번호 제 2014/0091307 A1호 또는 미국 특허 공개번호 제 2014/0091304 A1호의 센서들에서와 같이, 활성층의 제조를 위해 복잡한 합금(종종 독성 물질로 구성됨)의 불리한 요구로 인해 한계가 제기된다.
더욱이, 이전 특허들(미국 특허 공개번호 제 2011/0024604 A1호, 미국 특허 공개번호 제 2011/0291012 A1호, 미국 특허 공개번호 제 2014/0091304 A1호 및 미국 특허 공개번호 제 2014/0091307 A1호)에 의해 개시된 제조 방법들은 결정 기판 상에 경사진 거의 격자 매칭된 활성 열전 층의 에피택셜 유사 성장을 개시한다. 상기 접근법은 활성 필름 및 기판에 사용 가능한 재료에 관한 강한 제한을 가한다. 즉, 미국 특허 공개번호 제 2011/0024604 A1호의 TEM 이미지에 의해 명백히 입증되고 기술 문헌으로부터 널리 알려진 바와 같이, 거의 격자 매칭된 재료 쌍을 요구한다. 또한, 미국 특허 공개번호 제 2004/0102051 A1호는 V-VI 화합물로 제한되는 열전 재료의 바람직한 결정 평면 상에 증착을 강제하기 위해 시드 버퍼 층 및 인공 경사 구조의 사용에 기초한 제조 방법의 다른 구현예를 개시한다.
실제로, 상기 언급된 특허 출원 내에서, 기판의 결정된 원자 구성(즉, 특정 결정학적인 평면을 갖는 특정 물질) 또는 활성층과 기판 사이의 결정된 원자 구성을 다시 갖는 부가의 시드 버퍼 층의 존재가 요구된다. 시드 버퍼 층의 상기 결정된 원자 구조는 활성 필름의 증착 동안 기판의 표면에 대해 특정 각도를 갖는 고 결정질 필름의 에피택셜-유사 성장에 영향을 미쳐서, 제조뿐만 아니라 보충적이고 중요한 처리 단계에 복잡성을 추가한다.
특히, 미국 특허 공개번호 제 2011/0024604 A1호는 Al2O3 기판의 2 개의 특정 평면들, 특히 n - 평면 및 s - 평면 상에 CaxCoO2 경사 필름을 성장시키는 방법을 개시하고, 이는 기판의 표면에 대하여 각각 62 ° 및 70 °의 CaxCoO2 평면들의 경사각을 생성한다.
미국 특허 공개번호 제 2011/0291012 A1호는 상이한 구현예를 개시하고 있지만, 경사진 활성 열전 층의 성장은 여전히 기판의 원자 구조에 의존적이다. 실제로 미국 특허 공개번호 제 2011/0291012 A1호는 하기를 개시한다: "경사 박막(32)의 결정 평면(35)의 경사각(α)은 경사 기판(31)의 저 지표 평면(34)의 경사각(β)에 따라 결정되며, α는 α = β + θ를 만족시키고, 여기서 θ는 0 도 내지 10도이다”.
미국 특허 공개번호 제 2014/0091304 A1호는 디스프로슘 바륨 쿠프레이트(DyBa2Cu3O7-d), 스트론튬 나트륨 코발테이트(Sr0.3Na0.2CoO2) 및 스트론튬 코발테이트(Sr3Co4O9) 군으로부터의 경사 열전 필름의 제조 방법을 개시하며, 이는 산화 마그네슘(MgO), 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ) 및 산화 세륨(CeO2)과 같은 중간 시드 버퍼 층의 재료를 필요로 한다. 시드 버퍼 층은 결정 축(c - 축)이 기판 표면에 대한 수직선에 대해 약 10 도 내지 약 45 도의 방향으로 각도 α로 기울어진 주형 입자(col㎛nar grain) 구조를 가져야 한다.
미국 특허 공개번호 제 2004/0102051 A1호에서, 기판 표면에 대해 활성 열전 재료의 입자를 배향시키기 위해 시드 버퍼 층이 다시 채택된다. 또한, 미국 특허 공개번호 제 2004/0102051 A1호는 장치를 제조하기 위한 유사한 활성 물질의 사용을 개시하고 있으며, 시드 버퍼 층뿐만 아니라 열전 층의 c - 축을 적절한 각도로 배향시키기 위해 부가적인 증착 후 어닐링 처리를 필요로 한다. 후자는 제조에 추가적인 복잡성을 추가하여 본 발명에 의해 채택된 제조 방법과 비교하여, 전체 산업 공정의 견고성을 감소시킨다.
또한, 미국 특허 공개번호 제 2004/0102051 A1호는 일 구현예에서, 이후에 산화물로 커버되어야 하는, 기판 실리콘 표면 상에 에칭된 지붕 타일형 구조물의 사용을 개시한다. 에칭된 구조물들에 대해 수직 입자들의 보다 빠른 성장을 얻기 위해, 기판은 이후에 증발원에 대하여 동일한 각도의 구조물들로 회전된다. 그 후, 상기 입자들은 기판의 원래 표면에 대한 각도를 갖는다. 또한, 기재된 절차는 본 발명에 의해 채택된 제조 방법과 비교하여, 제조에 추가적인 복잡성을 추가하여 전체 산업 공정의 견고성을 감소시킨다.
기술 분야의 관점에서, 선행 기술과 다르고 참조된 선행 기술의 단점을 극복하는, 즉 임의의 시드 버퍼 층을 사용하지 않고, 고 결정질 배향 기판이 필요하지 않으며 기판 표면 상에 인공 구조물의 형성을 요구하지 않는, 레이저 방사선 검출기를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은,
- 열전 재료의 배향된 다결정질 층;
- 후면이 배향된 다 결정질 층과 접촉하도록 상기 배향된 다 결정질 층의 상부 표면 상에 중첩된 기판;
- 상기 배향된 다결정질 층과 전기적으로 접촉하며, 서로 이격되어 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
을 포함하고,
상기 기판은 하나 이상의 세라믹 층을 포함하고, 상기 배향된 다결정질 층은 상기 기판의 상부 표면에 대한 수직선에 대해 30 도 내지 55 도 사이의 각도로 결정 배향을 갖는 것
을 특징으로 하는 전자기 방사선 검출기에 의해 달성된다.
본 발명은 다이렉트 레이저 방사선의 고 에너지 펄스 측정을 위한, 제조하기 쉽고 신뢰할 수 있으며 LITV 효과에 기초한 레이저 방사선 검출기를 개시한다. 활성 층의 제조는 단일 제조 단계로 이루어지고 센서의 활성 영역 전체에 걸쳐 그 응답 균일성은 기판의 넓은 범위의 거칠기 내에서 변화하지 않아, 견고한 공정 안정성을 결정한다.
본 발명에 따른 검출기는 LITV 기반 센서의 전형적인 나노초 체제로부터 수십 밀리초로 응답 시간을 증가시켜서, 매우 빠르고 비싼 전자 장치 없이도 센서의 출력 전압 신호가 디지털화될 수 있게 한다.
더욱이, 본 발명에 따른 검출기는 펄스 레이저 조사에 대한 높은 손상 임계값을 나타내므로, 고 에너지 레이저 펄스, 즉 비교적 낮은 반복률(예를 들어 10 - 100 Hz)을 갖는 10-3 J보다 높은 전력을 갖는 레이저 펄스의 측정을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 검출기의 레이아웃은 측정될 레이저원에 따라 다르다. 기판의 두께를 변경함으로써, 레이저 조사에 대한 센서의 응답 시간 및 손상 임계값 둘 모두가 조정될 수 있으며, 응답 시간은 기판의 두께에 반비례하고, 감지 활성층의 손상 임계값은 두께에 비례한다. 상기와 같은 방식으로, 본 발명에 의해 기술된 센서는 기판을 위한 재료의 선택에 따라, cw부터 최대 수백 Hz의 펄스 레이저 방사선까지 측정할 수 있을 뿐만 아니라 광범위한 입사광 출력 밀도(106 내지 1012 W/cm)에서 작동할 수도 있다. 또한, 센서의 열적 특성으로 인해 UV에서 THz까지 광대역 스펙트럼에서 작동할 수 있다.
본 발명에 따른 검출기는 세라믹 재료의 기판을 포함하며, 여기서 세라믹 재료의 경우 높은 열 도전성(즉, 20 내지 200 W/mK를 포함하는 열 도전성) 및 높은 용융점(1800 ℃ 초과)을 갖는 유전체 재료, 예를 들어, 소결 질화 알루미늄(AlN), 소결 질화 규소(Si3N4), 소결 탄화 규소(SiC), 소결 질화 붕소(BN), 소결 탄화 붕소(B4C) 또는 소결 알루미나(Al2O3)를 의미한다. 기판은 특정 입자 배향을 가질 필요가 없다. 대안적으로, 우수한 열 전도 계수(예를 들어, AlN, Si3N4, SiC, BN, B4C, Al2O3)를 제공하는 세라믹의 얇은 유전체 다결정질 층에 의해 사전에 패시베이션된 금속 기판이 사용될 수 있다.
기판은 전면에서 입사 레이저 방사선의 대상으로 작용하며 입사 전자기 방사선에 대해 완전히 불투명해야 한다. 선택된 기판이 광학적으로 투명할 때(즉, AlN, Al2O3), 상이한 재료(예를 들어, SiC, Si3N4, 탄소 나노튜브 복합 코팅 또는 흑색 질감 금속 층) 및 두께(0 - 10 ㎛)의 추가 흡수 불투명 층이 전면에 추가되어야 한다. 즉, e.m. 방사선은 기판에 의해 또는 흡수 층 내에서 완전히 흡수되어 열로 전환된다. 따라서, e.m. 방사선이 아니라 열 유속 만이 활성 물질에 직접적으로 도달하고, 이는 기판이 e.m. 방사선에 대해 특히 투명한, 문헌[미국 특허 공개번호 제 2011/0291012 A1호]에 개시된 검출기와 다르다.
기판의 올바른 선택은 사용된 활성 재료와 관련하여, 전자기 방사선에 대한 더 높은 손상 임계값을 갖는 물질을 선택하여 사용하는 것과 전체적으로 낮은 열 저항, 즉 기판이 센서의 속도를 과도하게 낮추지 않도록 얇아야만 하는 것에 있다.
반사율을 감소시키기 위해, 기판 전면 상에 광학적 광의 포획을 향상시키기 위해 레이저 텍스쳐링(texturing)이 채택될 수 있다.
기판의 후면에, 선택된 열전 재료(예를 들어, Bi, Bi2Te3, Al:ZnO, Sb)의 얇은 다결정질 활성 층이 30 ° 내지 55 °(45 °에서 최적)의 각도에서 결정 배향으로 배치된다. 기판은 얇은 다결정질 활성 층으로서 배향되지 않는다.
본 발명과 이전의 발명들 사이의 하나의 주요 차이점은 활성 요소가 고 결정질이 아니라 대신에 고 다-결정질이라는 것이다. 센서의 활성 필름을 제조하기 위해 GLAD 기술을 채택함으로써, 소결 세라믹 층과 같은 특정 원자 구성이 없는 기판을 사용할 수 있고, 특정 원자 구성을 갖는 시드 층을 증착할 필요가 없거나 또는 표면 거칠기를 제어하기 위한 고가의 랩핑 절차가 필요 없어, 산업적 제조 방법에 견고함을 더할 수 있다.
활성 물질 아래에 형성되는, 백금 또는 팔라듐(80 - 100 nm)의 박막으로 구성되고 Ti로 이루어진 얇은 접착 층(< 20 nm)이 활성 물질과 패시베이션 층 사이에 배치된다.
후속 층뿐만 아니라 활성 물질은 인접하게 밀착되어 패킹되고 전기적으로 절연된 스트립 형태로 성형되어야 한다. 상기 스트립은 기판 상에 경사 입자의 돌출부 방향과 평행해야 한다.
활성 층과 전기적으로 접촉하는 금속 도전성 층은 센서 칩을 형성함으로써 활성 층의 스트립의 말단을 직렬 또는 병렬로 상호 연결하도록 구성된다. 다른 가능성은 활성 물질 스트립의 말단을 외부의 열적으로 절연된 다층 PCB에 접촉시키기 위해 와이어 본딩을 채택하는 것이다.
그 후 센서 칩을 후면에서 적합한 히트 싱크에 부착한다.
도 1a는 검출기 제조 방법의 제 1 단계에서 본 발명의 일 구현예에 따른 레이저 방사선 검출기의 단면도이다.
도 1b는 검출기 제조 방법의 제 2 단계에서 본 발명의 일 구현예에 따른 레이저 방사선 검출기의 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 구현예에 따른 레이저 방사선 검출기의 단면도이다.
도 2는 도 1c의 검출기를 위한 전극 및 패턴화된 센서 층의 직렬 배열의 저면도이다.
도 3은 도 1c의 검출기를 위한 전극 및 패턴화된 센서 층의 다른 직렬 배열의 저면도이다.
도 1b는 검출기 제조 방법의 제 2 단계에서 본 발명의 일 구현예에 따른 레이저 방사선 검출기의 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 구현예에 따른 레이저 방사선 검출기의 단면도이다.
도 2는 도 1c의 검출기를 위한 전극 및 패턴화된 센서 층의 직렬 배열의 저면도이다.
도 3은 도 1c의 검출기를 위한 전극 및 패턴화된 센서 층의 다른 직렬 배열의 저면도이다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 순전히 비 제한적인 예에 의해 그리고 여기에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일부 구현예가 설명된다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 레이저 방사선 검출기를 설명한다.
본 발명에 따른 레이저 방사선 검출기는 세라믹 층, 바람직하게는 특정 입자 배향을 요구하지 않는 세라믹 층, 즉 높은 열 도전성(100 W/Mk 초과) 및 높은 용융 온도(1800 ℃ 초과)를 갖는 유전 물질을 포함하는 기판(1)을 포함한다. 기판(1)은 세라믹 층만으로, 바람직하게는 소결된 세라믹 층, 예를 들어 소결 질화 알루미늄(AlN), 소결 질화 규소(Si3N4), 소결 탄화 규소(SiC), 소결 질화 붕소(BN), 소결 탄화 붕소(B4C) 또는 소결 알루미나(Al2O3)만으로 구성될 수 있거나 또는 기판은 우수한 열전도 계수를 갖는 얇은 비 배향 세라믹 층(예를 들어 AlN, Si3N4, SiC, BN, B4C, Al2O3)에 의해 미리 전기적으로 패시베이션된 금속 기판(예를 들어 Al 또는 Cu를 포함)을 포함할 수 있다. 바람직하게는 기판의 두께는 50 - 1000 ㎛의 범위에 포함되고; 기판의 두께를 변경함으로써 레이저 조사에 대한 센서의 응답 시간 및 손상 임계값 둘 모두를 특정 적용을 위해 조정할 수 있으며, 응답 시간은 상기 기판의 두께에 반비례하고, 감지 활성층의 손상 임계값은 상기 기판의 두께에 비례한다.
바람직하게는, 기판(1)의 상부 표면(10)은 2 ㎛보다 낮은 거칠기(Ra)를 나타낸다.
도 1a에서 기판(1)의 상부 표면(10) 상에, 다결정질 층(2)이 기판(1)의 상부 표면(10)에 대한 수직선(A)에 대해, 바람직하게는 30 내지 55 도를 포함하는 각도(α)에서 결정 배향으로 증착된다. 즉, 다결정질 층(2)은 수직선 축(A)에 대해 각도 α로 경사진 결정축(P)을 갖는 주형 입자 구조(col㎛nar grain structure)를 갖는다. 바람직하게는, 다결정질 층(2)은 최적의 증착을 얻기 위해 45 도에서 결정 배향으로 증착된다.
다결정질 층(2)은 레이저 방사선 검출기의 활성층을 나타내고, 다결정질 층(2)의 경사진 배향 결정 구조는 원하는 열전 효과를 제공할 필요가 있다. 기판은 얇은 다결정질 활성층으로서 배향되지 않는다.
다결정질 층(2)은 기판(1)의 상부 표면(10) 상에 증착되고 에피택셜 성장 방법으로 성장하지 않는다. 이러한 이유로, 기판(1)의 재료는 선행 기술에서와 같이 특정 입자 배향을 요구하지 않으며, 기판(1)은 세라믹 층으로만, 바람직하게는 소결된 세라믹 층으로만 구성될 수 있다.
다결정질 층(2)은 물리 기상 증착 기술(PVD) 또는 전자 빔 물리 기상 증착(EBPVD) 중 하나를 채택하고, 공지된 스침각 증착 기술(GLAD)에 의해 증착원에 대해 경사각 α로 기판(1)을 배치함으로써 증착될 수 있다. 후자는 증착된 활성층의 경사진 고 다결정질 입자 구조를 형성한다. GLAD 기술은 문헌[Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings(Third Edition), Peter M. Martin 편집, William Andrew 출판, 보스톤, 2010, 621-678 페이지, ISBN 9780815520313, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00013-2]의 13장(Glancing Angle Deposition)에 잘 기재되어 있다. 각도 α에서 결정 배향을 갖는 다결정질 층(2)을 수득하기 위해, 증발 동안 증착 챔버 내부의 분압은 10-3 - 10-7 mbar, 증착 속도는 0.1 - 1000 nm/s 및 기판 온도는 293 - 500 K의 범위에 있어야 한다.
바람직하게는, 다결정질 층(2)은 최적의 증착을 얻기 위해 45 도에서 결정 배향으로 증착된다. 다결정질 층(2)은 얇은 층이며; 바람직하게는 다결정질 층(2)의 두께는 0.3 ㎛ 내지 10 ㎛를 포함하고, 이는 다결정질 층(2)에 걸친 열 구배의 빠른 복원 시간과 결합된 충분히 높은 감도를 얻기에 적합한 범위이다.
다결정질 층(2)의 재료는 비스무트(Bi), 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3), 알루미늄 도핑된 산화 아연(Al:ZnO) 및 안티몬(Sb)을 포함하는 열전 재료의 군으로부터 선택된 재료이다. 바람직하게는 비스무트를 함유하는 재료가 열 증발 기술에 의해 기판(1)의 상부 표면(10) 위에 증착된다.
기판(1)의 상부 표면의 거칠기(Ra)는 박리를 방지하면서 기판(1)에 활성 재료 층(2)의 접착을 도와주고 검출기의 확산 반사를 증가시킨다.
두께가 500 nm 미만인 필름의 횡 열전 특성에 영향을 주지 않으면서 비교적 큰 거칠기(> 0.6 ㎛)도 채택될 수 있다. 실제로, 경사 입자의 평균 배향이 변경되지 않는 한, 직경 >> Ra의 스팟을 사용한 센서의 응답은 전체적으로 안정적으로 유지된다.
다결정질 층(2)의 상부 표면에 접착층(3)이 형성되고; 접착층(3)은 바람직하게는 20 nm 미만의 두께를 가지며 바람직하게는 티타늄으로 구성된다.
바람직하게는 매우 비 반응성이고 고 용융 온도 층인, 패시베이션 층(4)이 접착 층(3)의 상부 표면 상에 증착되고; 패시베이션 층(4)은 바람직하게는 80 nm 내지 100 nm 범위의 두께를 가지며 바람직하게는 백금 또는 팔라듐으로 구성된다.
접착 층(3)은 활성 층(2)와 패시베이션 층(4) 사이에서 접착 층으로서 작용하도록 구성된다.
층 3 및 층 4가 도전성인 경우에 금속 도전성 접촉 층(5)은 층 2 상에 또는 층 4 상에 증착된다. 금속 도전성 층(5)은 다결정질 층(2)과 전기적으로 접촉하고 있다.
금속 도전성 층(5)은 서로 이격되어 배치된 2 개의 접점을 형성하도록 증착되고; 단일 스트립의 접점은 전극(6, 7)을 나타낸다. 전극 사이의 횡 전기장은 전압 V(t)를 초래한다.
금속 도전성 층(5)의 재료는 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 몰리브덴(Mo)일 수 있다. 대안적으로, 금속 도전성 층(5)은 활성층과 도전층(5) 사이의 접합부에서 열전대 효과를 피하기 위해 활성층과 동일한 물질로 제조되며, 이는 스트립의 직렬 상호 연결의 경우에 더해지고, 센서의 출력 전압 신호의 기준선을 이동시킨다. 즉, 금속 도전성 접촉 층(5)은 비스무트(Bi), 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3), 알루미늄 도핑된 산화 아연(Al:ZnO) 또는 안티몬(Sb)일 수 있다.
도 1a의 검출기는 이 후, 도 1b에 도시된 바와 같이 기판(1)의 후면(11)이 기판(1)의 상부 표면이 되도록 뒤집힌다.
그 후, 센서 칩은 도 3c에 도시된 바와 같이, 열 도전성 및 유전체 접착 층(40)을 사용하여 후면, 즉 기판(1)의 표면(10)에서 적합한 히트 싱크(60)에 부착된다.
기판(1)은 전면에서 입사 레이저 방사선의 흡수제로서 작용한다. 필요한 경우, 선택된 기판이 레이저 방사선에 광학적으로 투명(예를 들어 AlN, Al2O3)할 때, 상이한 재료(예를 들어, SiC, Si3N4, 탄소 나노튜브 또는 흑색 질감 금속 층) 및 두께(0.1 - 10 ㎛)의 추가 흡수 층(9)이 표면(11) 상에 증착될 수 있다. 입사 전자기 방사선에 대한 기판의 반사율을 추가로 감소시키기 위해, 레이저 텍스쳐링은 기판의 표면(11) 상에 광학 광 포획을 향상시킬 수 있는 표면 형상을 형성한다. 따라서, 기판(1)은 전자기 방사선에 불투명하거나 표면(11) 상에 배치된 추가 흡수 층(9)으로 덮인 재료로 제조된다.
증발원과 기판 사이의 경사각으로 증착된 적합한 물질(예를 들어, Bi, Bi2Te3, Al:ZnO, Sb)의 박막은 레이저 조사에 대한 횡 방향 열전 응답을 나타낸다. 즉, 필름 표면에 수직 방향을 따라 열 구배가 존재하면, 필름 표면의 평면에 종 방향으로 열전 응답이 생성된다.
종 방향 평면을 따라 추출될 수 있는 생성된 전기 신호의 강도는 잘 정의된 방향을 가지며, 이는 기판 상에 성장된 활성 물질 필름의 각진 입자의 돌출부와 평행하고, 동일 평면상의 수직 방향으로 최소값을 나타낸다.
센서는 방사선 레이저 RL에 의해 조사될 때 기전력(e.m.f.) 발생기로서 작용한다. 그 신호는 활성 필름의 외부 표면과 기판과의 경계면 사이에 형성된 온도 구배에 비례한다.
센서의 응답은 하기 공식으로 표현할 수 있다:
여기서 α는 기판면에 대한 수직선 방향에 대한 활성층(2) 입자의 경사각이고, S∥는 도 1a에서 기판 표면(10) 상에 활성층(2)의 각진 입자의 돌출부에 평행한 방향으로 제베크(Seebeck) 계수이고, S⊥는 기판 표면(10)에 수직인 제베크 계수이며 ΔT는 필름에 걸친 온도 구배이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 검출기는 단일 스트립(100) 또는 복수의 스트립(100)으로, 바람직하게는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 근접하게 밀착되어 패킹되고 전기적으로 절연된 스트립 형태로 패턴화되어야 한다.
각각의 스트립(100)은 바람직하게는 약 0.5 내지 30 mm의 폭(W1) 및 5 내지 30 mm 범위의 길이(L1)를 갖는다. 각 스트립은 기판(1) 상으로 경사 입자의 돌출부 방향과 평행하다. 복수의 스트립 중 2 개의 인접한 스트립 사이의 공간(W2)은, 감지 물질에 의한 기판의 최대 상대 범위에 도달하기 위해 바람직하게는 10 ㎛ 내지 100 ㎛를 포함해서 가능한한 작아야 한다. 금속 층(5)은 각 스트립의 말단(S1 및 S2)에 접점을 형성하도록 제공되며; 상기 접점은 서로 이격되어 배치되어 있다. 스트립의 분리는 도 1의 검출기의 레이저 삭마에 의해 또는 층 2 내지 층 5의 증착 전에 기판(1)의 적절한 마스킹에 의해 수행될 수 있다. 스트립(100)의 형성은 두 가지 다른 이유로 작용한다. 첫째, 스트립 말단에서 전기 신호를 보다 잘 수집하기 위해서이다. 둘째, 본 발명에 따른 고속 센서의 임피던스를, 센서로부터 발생된 아날로그 신호를 디지털화할, 전자 기기와 매칭하기 위해서이다. 활성 물질의 고정된 직사각형 면적 및 증착된 필름의 고정된 두께가 주어지면, 스트립의 측면 밀도는 완전히 상호 연결된 장치의 전기 임피던스에 의해 영향을 받는다.
도전성 회로의 설계는 전극(6 및 7)에서 추출된 출력 신호를 읽는데 사용되는 전자 장치와 임피던스 매칭을 최적화하기 위해 선택된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도전성 금속 층(50)은 활성 층(2)의 스트립의 말단을 직렬로 상호 연결하도록 배열된다. 도 2를 고려하면, 복수의 스트립(101 ... 10n) - 제 1 스트립(101)으로부터 마지막 스트립(10n)까지 연속적으로 배열되어 있음 - 의 각 스트립의 제 1 말단(S1)은 최하단이다. 유사하게, 복수의 스트립의 각각의 스트립의 제 2 말단(S2)은 도 2에서 최상단이다. 전극 6은 복수의 스트립의 제 1 스트립(101)의 제 1 말단(S1)의 다결정질 층(2)과 접촉하여 배치된다. 전극 7은 복수의 스트립의 마지막 스트립(10n)의 제 2 말단(S2)의 다결정질 층(2)과 접촉하여 배치된다. 제 1 스트립(101)의 제 2 말단(S2)은 복수의 스트립 중 제 2 스트립(102)의 제 1 말단(S1)과 금속 도전성 층(50)에 의해 전기적으로 접촉하는 식으로 배치된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도전성 금속 층(50)은 활성 층(2)의 스트립의 말단을 직렬로 상호 연결하도록 배열된다. 그러나, 상기의 경우, 도 2의 검출기와는 달리, 입자 배향이 반대인 복수의 교대 스트립(201, 301 ... 20n, 30n)이 존재한다. 즉, 인접 스트립들(201, 301; 202, 302 ... 20n, 30n)의 배향된 다결정질 층들은 반대 방향의 입자 배향을 갖는다. 입자의 이중 배향은 활성 물질의 2 번의 후속 증착을 수행함으로써 얻어진다. 제 1 증착 단계에서, 기판(1)을 적절히 마스킹하고 연속적으로 물리 기상 증착 기술(Physical Vapor Deposition, PVD) 또는 전자빔 물리 기상 증착(Electron Beam Physical Vapor Deposition, EBPVD)을 채택하고, 공지된 스침각 증착 기술(GLAD)에 의해, 증발원에 대한 경사각 α로 기판(1)을 배치함으로써, 하나의 동일한 입자 배향을 갖는 모든 교대 스트립이 제조된다. 제 2 증착은 기판의 중심으로부터 통과하고 표면 평면에 수직인 축 주위로 180 도 만큼 기판(1)을 회전시킨 후에 수행된다. 기판(1)을 적절하게 그리고 연속적으로 마스킹하고, 물리 기상 증착 기술(PVD) 또는 전자빔 물리 기상 증착(EBPVD)을 채택하고, 공지된 스침각 증착 기술(GLAD)에 의해 증발원에 대해 경사각 α로 기판(1)을 배치시켜, 첫 번째 증착 동안 얻어진 것과 반대의 입자 배향을 갖는 모든 스트립이 제조된다.
상기 복수의 교번 스트립 201, 301 ... 20n, 30n은 교번 스트립 201, 301, 202, 302 ... 20n, 30n의 연쇄를 형성한다. 상기 방식에서, 전극(6)은 복수의 스트립(201, 301 ... 20n, 30n)의 제 1 스트립(201)의 제 1 말단(S1)의 다결정질 층(4)과 접촉하도록 배치된다. 전극(7)은 복수의 스트립(201, 301 ... 20n, 30n)의 마지막 스트립(30n)의 제 2 말단(S2)의 다결정질 층(2)과 접촉하도록 배치된다. 제 1 스트립(201)의 제 2 말단(S2)은 도 3의 하단에 있는 복수의 스트립(201, 301 ... 20n, 30n)의 제 1 스트립(301)의 인접한 제 1 말단(S1)과 금속 도전성 층(50)에 의해 전기적으로 접촉하도록 배치된다. 스트립(301)의 제 2 말단(S2)은 도 3의 상단에 있는 복수의 스트립(201, 301 ... 20n, 30n)의 스트립(202)의 인접한 제 1 말단과 금속 도전성 층(50)에 의해 전기적으로 접촉하는 방식으로 배치된다. 도 3의 검출기의 배치는 도 2의 검출기에 비해 보다 소형인 검출기를 허용한다.
본 발명의 구현예의 변형에 따르면, 기판(1)의 표면(10)은 텍스처화(즉, 레이저 스크라이빙에 의함)된다. 상기 방식으로, 반사율의 감소 및 그에 따른 광학 광 포획의 향상이 얻어진다.
본 발명의 고속 검출기의 추가 변형에 따르면, 추가 흡수재 층(9)이 기판(1)의 상부 표면(11) 상에 증착된다. 상기 층에 적합한 재료는 SiC, Si3N4, Al2O3, TiO, 탄소 나노튜브 또는 흑색 질감의 금속 층이다. 바람직하게는, 상기 층의 두께 범위는 재료의 굴절률 및 센서의 스펙트럼 작업 영역에 따라 0.1 내지 20 ㎛의 범위이다. 두께가 증가하면 센서의 응답 시간이 증가하고 레이저 방사선에 대한 손상 임계값이 증가한다.
Claims (19)
- 열전 재료의 배향된 다결정질 층(2);
후면(10)이 상기 배향된 다결정질 층과 접촉하도록 상기 배향된 다결정질 층의 상부 표면 상에 중첩된 기판(1);
상기 배향된 다결정질 층과 전기적으로 접촉하며, 서로 이격되어 배치되는 제 1 전극(6) 및 제 2 전극(7);
을 포함하고,
상기 기판은 하나 이상의 세라믹 층을 포함하고, 상기 배향된 다결정질 층은 상기 기판의 상부 표면에 대한 수직선에 대해 30 도 내지 55 도 사이의 각도로 결정 배향을 갖는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 세라믹 층인 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 세라믹 층에 의해 미리 전기적으로 패시베이션된 금속 층을 포함하는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 상기 다결정질 층의 결정 배향과 상이한 결정 배향을 갖는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 연장되는 상기 배향된 다결정질 층에 의해 형성된 하나 이상의 스트립(100)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 스트립(101 ... 10n-1, 10n)을 포함하되, 각 스트립은 상기 배향된 다결정질 층에 의해 형성되고, 상기 복수의 스트립의 상기 스트립들은 이격되어 배치되고 서로 평행하며, 상기 복수의 스트립의 상기 스트립들은 제 1 스트립(101)으로부터 n 번째 스트립(10n)까지 연속적으로 배열되고, 상기 복수의 스트립의 각각의 스트립은 제 1 말단(S1) 및 제 2 말단(S2)을 가지며 상기 제 1 전극(6)은 상기 복수의 스트립 중 상기 제 1 스트립(101)의 상기 제 1 말단(S1)에 연결되고 상기 제 2 전극(7)은 상기 복수의 스트립 중 n 번째 스트립(10n)의 상기 제 2 말단(S2)에 연결되며, 상기 복수의 스트립의 각 스트립의 상기 제 2 말단은 상기 복수의 스트립의 상기 연속 스트립의 상기 제 1 말단과 전기적으로 접촉하는 것을 특징을 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 스트립(201, 301 ... 20n, 30n)을 포함하되, 각 스트립은 상기 배향된 다결정질 층에 의해 형성되지만 상기 인접 스트립들(201, 301; 202, 302 ... 20n, 30n)의 상기 배향된 다결정질 층들은 반대 방향의 입자 배향을 갖고, 상기 복수의 스트립의 상기 스트립들은 서로 이격되어 배치되고 서로 평행하며, 상기 복수의 스트립의 상기 스트립들은 제 1 스트립(201)으로부터 n 번째 스트립(30n)까지 연속하여 배열되고, 상기 복수의 스트립의 각 스트립은 제 1 말단(S1) 및 제 2 말단(S2)을 가지며, 상기 제 1 전극(6)은 상기 복수의 스트립 중 상기 제 1 스트립(201)의 상기 제 1 말단(S1)에 연결되고 상기 제 2 전극은 상기 복수의 스트립 중 n 번째 스트립(30n)의 상기 제 2 말단에 연결되고, 상기 복수의 스트립의 각 스트립의 상기 제 2 말단은 상기 복수의 스트립의 상기 연속 스트립의 상기 제 1 말단과 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 상기 후면(10)은 2 ㎛ 미만의 거칠기를 나타내는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배향된 다결정질 층과 접촉하고 아래에 패시베이션 층(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 9 항에 있어서,
상기 배향된 다결정질 층과 상기 패시베이션 층 사이에 배치된 접착 층(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 9 항에있어서,
상기 기판의 상기 상부 표면(11) 상에 중첩된 흡수재 층(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 후면(11)이 텍스쳐화된 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 상기 하나 이상의 세라믹 층은 소결 질화 알루미늄(AlN), 질화 규소(Si3N4), 탄화 규소(SiC), 질화 붕소(BN), 탄화 붕소(B4C) 및 알루미나(Al2O3)를 포함하는 재료 군으로부터 선택된 재료에 의해 형성된 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배향된 다결정질 층은 비스무트(Bi), 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3), 알루미늄 도핑된 산화 아연(Al:ZnO) 및 안티몬(Sb)을 포함하는 재료 군으로부터 선택된 재료에 의해 형성된 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 전자기 방사선에 불투명한 재료로 제조된 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 소결된 세라믹 층인 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 다결정질 층(2)은 증착에 의해 기판 상에 형성된 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 17 항에 있어서,
상기 다결정질 층(2)은 스침각 증착 기술(GLAD)에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극(6) 및 제 2 전극(7)은 열전 재료의 상기 배향된 다결정질 층(2)과 동일한 재료로 제조된 것을 특징으로 하는,
전자기 방사선(RL) 검출기.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |