KR20200057607A - 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반사층; 및 상기 반사층 상에 배치되고 버퍼층 상에 증착된 VO2(B)(이산화바나듐)층으로 구성된 볼로미터용 저항체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또 다른 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는, 상기 마이크로 볼로미터용 저항체의 상부에 형성되며 금속층 및 유전체층이 교번으로 증착된 복층 구조의 적외선 흡수체를 더 포함할 수 있다. 이에 따르면 고온에서도 동작 가능하며 높은 응답도와 적외선 흡수율을 갖는 고성능의 마이크로 볼로미터를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바나듐 산화물 기반의 마이크로 볼로미터용 저항체를 적용하여 높은 응답도를 가지며 고온에서도 동작 가능한 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
적외선 검출기는 검출 원리에 따라 광 검출기(photon detector)와 열 검출기(thermal detector)로 분류된다. 광 검출기에는 80K 온도에서 동작하는 저온냉각형 MCT(mercury cadmium telluride, HgCdTe), InSb와 같은 광자형 고성능 적외선 센서 등이 포함되고, 고속 동작의 미사일 추적용, 군용 야시센서 등으로 사용된다.
열 검출기에는 물체의 온도 변화로부터 유발되는 저항 변화를 감지하는 볼로미터(bolometer), 온도 변화에 따른 전기적 극성의 변화를 감지하는 초전형 검출기(pyroelectric detector) 및 물질 양단의 온도차에 의해 발생되는 기전력을 감지하는 열전 검출기(thermalelectric detector)가 속한다.
이 중, 마이크로 볼로미터는 온도 변화를 전기적 신호로 변환시키는 저항체를 사용한다. 마이크로 볼로미터의 성능은 센서 역할을 하는 적외선 흡수체의 구조와 마이크로 볼로미터용 저항체의 특성에 의존하는데, 센서 흡수체는 적외선 흡수 시 발생하는 열을 빠르게 감지하고 기판으로 누설하지 않기 위해, 높은 적외선 흡수도, 높은 열 차단도 및 낮은 열용량을 가지는 것이 바람직하다.
마이크로 볼로미터의 저항체는 작은 온도 변화에 대하여 큰 저항 변화가 있을 것이 요구되고, 동시에 마이크로 볼로미터의 잡음 즉, Johnson 잡음을 낮추기 위해서 낮은 저항의 재료로 구성되어야 한다. 마이크로 볼로미터의 저항체로는 온도저항계수(TCR; Temperature Coefficient of Resistance)가 비교적 크고 저온공정이 가능한 바나듐 산화물(VOx)이 주로 사용되고 있다. 바나듐 산화물(VOx)은 특정 온도에서 MIT(Metal to Insulator Transition) 특성을 갖고 있기 때문에 큰 비저항 변화를 나타낸다.
바나듐 산화물(VOx)은 무수히 많은 중간상을 갖고 있고, 이산화 바나듐(VO2) 역시 증착 시의 산소 분압, 증착 압력에 따라 민감하게 반응한다. 또한, 전술한 바와 같이 마이크로 볼로미터의 흡수체는 적외선 흡수 시 발생하는 열을 빠르게 감지하기 위해 높은 적외선 흡수도를 가져야 하므로, 종래의 마이크로 볼로미터에 적용되는 센서 구조체에 비해 높은 적외선 흡수도를 갖는 흡수체가 요구된다.
본 발명은 마이크로 볼로미터용 저항체를 통해 응답도(responsivity)를 향상시킬 수 있고 고온에서도 동작 가능한 고성능의 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은 마이크로 볼로미터용 저항체에 높은 온도저항계수(TCR)를 갖는 VO2(B)(이산화 바나듐)을 적용한 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 금속층 및 유전체층의 복층 구조로 구성된 적외선 흡수체를 통해 높은 적외선 흡수율을 갖는 고성능의 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는, 기판; 상기 기판 상부에 형성된 반사층; 및 상기 반사층 상에 배치되고 버퍼층 상에 증착된 VO2(B)(이산화 바나듐)층(buffer-layer-deposited VO2(B) layer)으로 구성된 볼로미터용 저항체를 포함한다.
일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는, 상기 마이크로 볼로미터용 저항체 상부에 형성되고 금속층 및 유전체층이 교번으로 증착된 적외선 흡수체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마이크로 볼로미터용 저항체는 상기 반사층으로부터 일정 거리만큼 이격되어 공진 공간을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마이크로 볼로미터용 저항체는 페롭스카이트 구조(Perovskite structure)의 산화물 박막으로 구성된 버퍼층 상에 증착된 VO2(B)(이산화 바나듐)층을 성장하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마이크로 볼로미터용 저항체는 CaTiO3, LaAlO3, BaTiO3, SrTiO3, SrRuO3, BiFeO3 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 구성된 산화물 박막의 상부에 VOx(바나듐 옥사이드)를 스퍼터링하여 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속층은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체층은 LiF, MgF2, CaF2, SiO2, Si3N4, Al2O3, Y2O3 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적외선 흡수체는 상기 금속층 및 상기 유전체층을 흡수체 쌍으로 구성하고 상기 흡수체 쌍을 반복 증착하여 복층 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 방법은, (a) 기판을 제공하는 단계; (b)상기 기판 상부에 반사층을 형성하는 단계; 및 (c)상기 반사층 상에 배치되고 버퍼층 상에 증착된 VO2(B)(이산화 바나듐)층(buffer-layer-deposited VO2(B) layer)으로 구성된 마이크로 볼로미터용 저항체를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, (b1)상기 (c)단계 이전에 상기 반사층 상부에 희생층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, (b2)상기 희생층 상부에 상기 버퍼층 상에 증착된 VO2(B)(이산화 바나듐)층(buffer-layer-deposited VO2(B) layer)을 형성하여 상기 마이크로 볼로미터용 저항체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, (b3)상기 마이크로 볼로미터용 저항체의 상부에 금속층 및 유전체층이 교번으로 증착된 적외선 흡수체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, (b4)상기 희생층을 제거하여 상기 반사층과 상기 마이크로 볼로미터용 저항체를 이격시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (c)단계는, (c1)상기 반사층 상부에 형성된 희생층 상부에 페롭스카이트 구조 산화물 박막인 버퍼층을 형성하는 단계; 및 (c2)상기 버퍼층 상부에 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (c1)단계는 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착(PLD), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 수열처리(Hydrothermal), 물리기상 증착법(PVD), 화학기상 증착법(CVD) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (c2)단계는 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착(PLD), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 수열처리(Hydrothermal), 물리기상 증착법(PVD), 화학기상 증착법(CVD) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (c2)단계는 스퍼터링 챔버 내에 O2와 Ar의 혼합가스를 공급하는 단계; 및 상기 버퍼층에 스퍼터링 방법을 통하여 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (c2)단계는 VOx(0<x<1) 세라믹 타겟을 사용한 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 방법을 통하여 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성하는 단계; 또는 V(바나듐) 메탈 타겟을 산소 가스로 산화시켜 VO2(B)(이산화 바나듐)을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 볼로미터용 저항체를 통해 응답도(responsivity)를 향상시킬 수 있고 고온에서도 동작 가능한 마이크로 볼로미터 및 그 제조 방법이 제공된다.
실시예에 따르면, 높은 온도저항계수(TCR)를 갖는 VO2(B)(이산화 바나듐)을 포함하는 마이크로 볼로미터용 저항체를 적용하여 마이크로 볼로미터의 응답도를 향상시킬 수 있으며, 금속층 및 유전체층의 복층 구조로 구성된 적외선 흡수체를 통해 높은 적외선 흡수율을 갖는 마이크로 볼로미터가 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체에 포함된 VO2(B)(이산화 바나듐) 결정상의 격자구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체의 온도에 따른 저항 변화 및 마이크로 볼로미터용 저항체의 온도에 따른 TCR 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체에 포함된 버퍼층 유무에 따른 이산화 바나듐의 증착 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터에 포함된 적외선 흡수체를 도시한 단면도이다.
도 7a 및 7b는 일 실시예에 따른 적외선 흡수체 유무에 따른 마이크로 볼로미터의 응답도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 적외선 흡수체에 포함된 금속층 및 유전체층의 층 개수에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 9b는 일 실시예에 따른 적외선 흡수체의 금속층 및 유전체 층의 층 두께에 따른 적외선 흡수율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 11 내지 17는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 공정을 순서대로 나타낸 사시도 및 단면도들이다.
도 2는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체에 포함된 VO2(B)(이산화 바나듐) 결정상의 격자구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체의 온도에 따른 저항 변화 및 마이크로 볼로미터용 저항체의 온도에 따른 TCR 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체에 포함된 버퍼층 유무에 따른 이산화 바나듐의 증착 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터에 포함된 적외선 흡수체를 도시한 단면도이다.
도 7a 및 7b는 일 실시예에 따른 적외선 흡수체 유무에 따른 마이크로 볼로미터의 응답도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 적외선 흡수체에 포함된 금속층 및 유전체층의 층 개수에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 9b는 일 실시예에 따른 적외선 흡수체의 금속층 및 유전체 층의 층 두께에 따른 적외선 흡수율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 11 내지 17는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 공정을 순서대로 나타낸 사시도 및 단면도들이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터를 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 1의 (b)와 (c)는 각각 도 1의 (a)의 X1-X1' 절단면에 따른 단면도 및 X2-X2' 절단면에 따른 단면도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 마이크로 볼로미터(100)는 기판(110), 기판(110) 상부에 형성된 반사층(120) 및 전극(121), 반사층(120)으로부터 이격되어 위치하는 바나듐 옥사이드 기반 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 및 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 상부에 형성된 적외선 흡수체(160)를 포함한다.
기판(110)은 마이크로 볼로미터 소자가 집적되는 기반이 되는 구성요소로서, 기판(110) 내부에 적외선 검출을 위한 전자 회로를 포함하는 일반적인 실리콘(Si) 재질의 기판일 수 있다. 또는 유리 재질의 기판 또는 게르마늄(Ge)을 포함하는 반도체 기판일 수 있다. 그러나, 기판(100)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 용도에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
반사층(120)은 기판(110) 상부에 형성되며 입사된 적외선을 반사하는 구성요소이다. 반사층(120) 및 전극(121)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 등의 금속으로 구성될 수 있으며, 50/200 nm의 두께를 갖는 Cr/Au를 전자 빔 증착법을 통해 형성될 수 있다. 이 때, 반사층(120)과 전극(121)은 동일한 물질로 형성될 수도 있으며, 서로 다른 물질로 형성할 수도 있다. 여기서는 동일한 물질로 동일한 레이어상에 형성된 구조로 설명하였으나, 이에 한정되지는 않는다.
그리고, 기판(110)을 통한 전극간 통전을 방지하기 위하여 기판(110) 상부에 제1 절연막(111)이 배치되는 것이 바람직하며, 제1 절연막(111)은 실리콘 질화막을 형성할 수 있다.
마이크로 볼로미터용 저항체(140)는 반사층(120)으로부터 일정 간격 이격되어 위치한다. 마이크로 볼로미터용 저항체(140)는 입사되는 적외선을 흡수하여 온도 변화가 발생하고 이에 따라 변화되는 저항을 검출하여 적외선을 감지할 수 있도록 한다. 이때, 금속의 경우에는 적외선을 흡수할 때 발생하는 열에 의해 저항이 증가되고, 반도체일 경우에는 적외선을 흡수할 때 발생하는 열에 의해 저항이 감소된다.
마이크로 볼로미터용 저항체(140)는 기판(110)으로부터 일정 간격 이격되어 위치됨에 따라 열적으로 차단함으로써 적외선 흡수시에 발생하는 열을 보다 효과적으로 감지할 수 있도록 한다. 더욱 구체적으로 설명하면, 마이크로 볼로미터용 저항체(140)에서 적외선 흡수율을 높이기 위해서는 목표하는 적외선 파장대에 최적화된 광학적 공진구조가 필요한데, 이를 위하여 반사층(120)은 기판(110) 상부에 형성되고, 마이크로 볼로미터용 저항체(140)는 반사층(120)의 표면으로부터 λ/4만큼 이격되어 위치하여 λ의 파장으로 입사된 적외선의 대부분이 마이크로 볼로미터용 저항체(140)에 흡수될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 반사층(120)과 마이크로 볼로미터용 저항체(140)의 이격 공간을 이용하여 공진하는 것 이외에 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 자체를 공진 구조로 구현할 수도 있다.
상기의 광학적 공진구조는 볼로메터 저항체에서, 목표하는 적외선 파장대를 일차로 전부 흡수하지 못하는 상황에서 흡수를 증강시키는 구조로 동작하게 되므로, 볼로미터 저항체 상층부의 적외선 흡수체(160)를 이용하여 적외선의 흡수를 증강시키는 구조를 채용하는 경우, 반사층(120)의 표면과 저항체(140)가 λ/4만큼 이격되어 위치할 필요는 없으며, 특별히 적외선이 반사층으로 투과하지 못하는 적외선 흡수체(160)를 채용하는 경우 반사층(120)이 없을 수도 있다.
마이크로 볼로미터용 저항체(140)는 바나듐 옥사이드, 특히 버퍼층 상부에 증착된 이산화 바나듐 층(buffer-layer-deposited VO2(B) layer)으로 구성된다. VO2(B)(이산화 바나듐)은 높은 온도저항계수(TCR)를 갖는데, 이를 재현성 있게 성장시키기 위해 페롭스카이트 구조의 산화물 박막을 버퍼층으로 이용한다. 페롭스카이트 구조의 산화물 박막은 CaTiO3, LaAlO3, BaTiO3, SrTiO3, SrRuO3, BiFeO3 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
VO2(B)(이산화 바나듐)층은 금속 이온이 도핑된 상태일 수 있으며, 도핑된 이온은 특정 금속 이온으로 한정되지 않는다. 예를 들어 금속 이온은 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타넘(La), 나트륨(Na), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 등일 수 있다. 또한, VO2(B)(이산화 바나듐)층은 음이온이 도핑된 상태일 수 있으며, 질소(N), 황(S) 등이 VO2(B)(이산화 바나듐)층의 산소에 주입된 상태일 수 있다.
전극(150)은 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 양측과 연결되어 배치된다. 전극(150)은 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 티타늄텅스텐(TiW), 니켈크롬(NiCr), 알루미늄 질화물(AlNx), 티타늄 질화물(TiNx), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlxNy), 탄탈륨 질화물(TaNx), 텅스텐 실리사이드(WSix), 티타늄 실리사이드(TiSix), 코발트 실리사이드(CoSix) 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.
적외선 흡수체(160)는 전극(150)이 연결된 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 상부에 위치한다. 적외선 흡수체(160)가 외부에서 입사되는 적외선을 흡수함으로써 발생하는 온도 변화를 적외선 흡수체(160)와 접촉하고 있는 마이크로 볼로미터용 저항체(140)의 저항변화로 검출하여 적외선을 감지할 수 있도록 한다.
일 실시예에 따르면, 적외선 흡수체(160)는 금속층과 유전체층이 교대로 반복 증착된 복층 구조를 가지며, 일반적인 마이크로 볼로미터에 이용되는 적외선 흡수체에 비해 매우 높은 적외선 흡수율을 가질 수 있다. 적외선 흡수체(160)의 금속층으로는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta) 및 이들의 조합을 사용할 수 있으며, 유전체로는 LiF, MgF2, CaF2, SiO2, Si3N4, Al2O3, Y2O3 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
마이크로 볼로미터가 고온 환경에서도 동작하기 위해서는 특정한 온도에서 급격한 저항 변화를 갖지 않고 동작하려는 고온까지 안정적인 변화를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 적외선 흡수체는 적외선 흡수 시 발생하는 열을 빠르게 감지하기 위해 높은 적외선 흡수도를 가져야 하고, 고온 환경에서도 동작할 수 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 마이크로 볼로미터는 응답도(responsivity)가 높을수록 향상된 성능을 보이는데, 응답도(Rv)는 다음의 식에 의해 결정된다.
여기서, α는 온도저항계수(TCR)이며, η은 적외선 흡수도(infrared absorptivity)를 나타낸다. 또한, G는 열 컨덕턴스(thermal conductance), Ib는 바이어스 전류(bias current), R0는 상온에서의 마이크로 볼로미터 저항(bolometer resistance), ω는 변조 주파수(modulation frequency), τ는 열 시정수(thermal time constant)를 나타낸다.
즉, 높은 응답도를 갖는 좋은 성능의 마이크로 볼로미터를 제작하기 위해서는 온도저항계수(α)와 적외선 흡수도(η)를 높이는 것이 중요하다.
이에, 본 발명은 높은 온도저항계수(TCR)를 갖는 VO2(B)(이산화 바나듐)을 포함하는 마이크로 볼로미터용 저항체(140)를 이용하고, 높은 적외선 흡수율을 갖는 복층 구조의 적외선 흡수체(160)를 이용함으로써, 높은 응답도를 가지며 고온에서도 동작 가능한 마이크로 볼로미터를 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 마이크로 볼로미터용 저항체(140)는 제2 절연막(141), 제2 절연막(141) 상부에 형성된 페롭스카이트 구조의 버퍼층(142), 버퍼층(142) 상부에 형성된 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(143), 및 VO2(B) 저항체 박막(143) 상부에 형성된 제3 절연막(144)으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 버퍼층(142)은 페롭스카이트 구조(Perovskite structure)의 산화물 박막을 형성한다. 페롭스카이트 구조의 산화물 박막은 CaTiO3, LaAlO3, BaTiO3, SrTiO3, SrRuO3, BiFeO3 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 페롭스카이트 구조 산화물 박막의 격자구조와 VO2(B)(이산화 바나듐)의 격자구조가 서로 유사함으로 인해 페롭스카이트 구조의 산화물 박막상에는 이산화 바나듐(VO2)의 다양한 결정상 중에서 B 결정상이 우선성장(preferred orientation)된다. 이를 통해, 균일한 B 결정상의 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(143)을 형성할 수 있다. 또한, VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(143)은 단일상으로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144)은 금속 이온이 도핑된 상태일 수 있으며, 도핑된 이온은 특정 금속 이온으로 한정되지 않는다. 예를 들어 금속 이온은 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타넘(La), 나트륨(Na), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 등일 수 있다. 또한, VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144)은 음이온이 도핑된 상태일 수 있으며, 질소(N), 황(S) 등이 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144)의 산소에 주입된 상태일 수 있다.
또한, 버퍼층(142) 하부의 제2 절연막(141) 및 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(143) 상부에 형성된 제3 절연막(144)은 각각 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 알루미늄 산화막으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체에 포함된 VO2(B)(이산화 바나듐) 결정상의 격자구조를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, VO2(B)(이산화 바나듐) 입자의 결정 구조의 단면을 나타낸 도면이다. VO2(B)(이산화 바나듐) 입자는 변형된 8면체들로 구성될 수 있는데, 상기 8면체들은 일측변 또는 모서리를 공유하여 배열하면서 터널을 형성할 수 있다. 상기 터널은 c-축에 수직할 수 있다. 상기 8면체 구조는 모두 평행한 방향을 따라 배치되어 있으며, 결정 구조가 느슨하게 배치되어 그 밀도가 낮다.
도 3의 (b)는 VO2(B)(이산화 바나듐) 결정구조의 평면을 도시한 것으로서, 바나듐(Vanadium) 원자 및 산소(Oxygen) 원자의 배치 구조를 나타내고 있다. 결정 구조는 바나듐 원자가 공극과 함께 팔면체 틈 사이에 도입된 체심 입방 격자 구조(body-centered cubic)격자 구조를 갖는다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체의 온도에 따른 저항 변화 및 마이크로 볼로미터용 저항체의 온도에 따른 온도저항계수(TCR)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a를 참조하면, VO2(B)(이산화 바나듐)은 상온에서의 비저항값이 낮으며, 온도 변화에 따라 저항 값의 변화가 안정적인 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 4b를 참조하면, VO2(B)(이산화 바나듐)은 상온에서의 온도저항계수(TCR) 절대값이 3%/K 이상이며, 85℃ 이상의 고온에서도 절대값이 1%K 이상인 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 즉, VO2(B)(이산화 바나듐)은 자체 저항이 낮고, 고온에서도 높은 온도저항계수(TCR) 값을 유지해야 하는 마이크로 볼로미터 저항체로서 바람직한 물질인 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터용 저항체에 포함된 바나듐 산화물(VOX)의 증착 결과를 도시한 그래프이다.
일반적으로 바나듐 산화물(VOX)은 다양한 결정 구조를 갖는다. 예컨대, VO2(R), VO2(M), VO2(B) 및 VO2(A)등이 있으며, 공정 조건에 따라 매우 민감하게 반응한다. 도 5는 X선 회절 분석을 실시한 결과를 도시한 것으로, 도 5의 (a)는 기판(Si) 및 실리콘 산화막(SiO2)의 적층 구조 상부에 바나듐 산화물(VOX)를 증착한 결과를 도시한 것이고, 도 5의 (b)는 기판(Si), 실리콘 산화막(SiO2) 및 티탄산 스트론튬(SrTiO3)의 적층 구조 상부에 바나듐 산화물(VOX)을 증착한 결과를 도시한 것이다.
도 5의 (b)를 참조하면, 티탄산 스트론튬(SrTiO3) 버퍼층 상부에 바나듐 산화물(VOX)를 증착 시 도 3과 같이 B 결정상을 갖는 VO2(B)(이산화 바나듐)이 나타남을 알 수 있다. 반면, 도 5의 (a)를 참조하면, 티탄산 스트론튬(SrTiO3) 버퍼층을 이용하지 않은 경우 V2O5, V3O7 등 다양한 결정상의 바나듐 산화물(VOX)이 나타남을 알 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 페롭스카이트 구조(Perovskite structure)의 산화물 박막인 티탄산 스트론튬(SrTiO3) 버퍼층 상부에 바나듐 산화물(VOX)을 증착하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터에 포함된 적외선 흡수체의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 적외선 흡수체(160)는 적외선 흡수체 기판의 상부에 증착된 금속층(161) 및 유전체층(162)을 포함한다. 금속으로는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta) 및 이들의 조합이 사용될 수 있으며, 유전체로는 LiF, MgF2, CaF2, SiO2, Si3N4, Al2O3, Y2O3 및 이들의 조합을 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 금속층(161)은 티타늄(Ti) 기반의 금속체를 포함하며, 유전체층(162)은 플로오르화 마그네슘(MgF2) 기판의 유전체를 포함할 수 있다. 이때 적외선 흡수체 기판은 마이크로 볼로미터용 저항체(도 2의 '140')의 최상층부인 제3 절연막(도 2의 '144')을 사용한다. 제3 절연막(144)은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막 등일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 적외선 흡수체(160)를 금속층(161) 및 유전체층(162)이 교번으로 증착된 복층 구조로 형성하게 되면, 적절한 조건 하에서 95% 이상의 적외선 흡수율을 가지므로 마이크로 볼로미터의 응답도 향상에 크게 기여할 수 있다. 이때 각층의 금속 및 유전체의 종류는 각기 달라질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 금속층으로 Ti을 유전체층으로 MgF2이 교번으로 증착된 적외선 흡수체를 사용하는 것으로 설명하고 있으나 이에 한정하지는 않는다.
도 7a 및 7b는 서로 다른 온도 환경에서 복층 구조의 적외선 흡수체를 유무에 따른 마이크로 볼로미터의 응답도(responsivity)를 비교한 그래프이다.
도 7a는 일반적인 온도의 동작 환경(27℃)에서 1~30μA의 바이어스 전류를 인가하여 측정한 마이크로 볼로미터의 응답도를 나타낸 그래프이다. 도 7a를 참조하면, 복층 구조의 적외선 흡수체를 포함하는 마이크로 볼로미터의 응답도가 복층 구조의 적외선 흡수체를 포함하지 않는 마이크로 볼로미터의 응답도보다 높게 측정된 것을 알 수 있다.
도 7b는 고온의 동작 환경(100℃)에서 1~30μA의 바이어스 전류를 인가하여 측정한 마이크로 볼로미터의 응답도를 나타낸 그래프이다. 도 7b를 참조하면, 도 7a와 마찬가지로 복층 구조의 적외선 흡수체를 포함하는 마이크로 볼로미터의 응답도가 복층 구조의 적외선 흡수체를 포함하지 않는 마이크로 볼로미터의 응답도보다 높게 측정된 것을 알 수 있다. 또한, 100℃ 온도 환경에서 마이크로 볼로미터 소자의 전압 변화를 측정한 결과, 주파수에 따라 전압이 변화하여 정상적으로 동작한다는 것을 실험적으로 알 수 있으며, 이로부터 실시예에 따른 마이크로 볼로미터는 100℃ 이상의 고온 환경에서도 잘 동작한다는 것을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 27℃ 및 100℃ 온도 환경 모두에서 복층 구조의 적외선 흡수체를 포함하는 마이크로 볼로미터가 적외선 흡수체를 구비하지 않은 마이크로 볼로미터에 비해 더 높은 응답도(responsivity)를 가지는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 적외선 흡수체에 포함된 금속층 및 유전체층의 흡수체 쌍의 개수에 따른 파장의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 1쌍(1 pair)의 복층 구조는 금속층 및 유전체층이 각각 한 층씩 적층된 구조를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 5쌍(5 pairs)의 복층 구조를 포함하는 적외선 흡수체의 온도가 가장 높게 유지되는 것을 알 수 있다. 즉, 적외선 흡수체는 도 6과 같이 5쌍(10개 층)의 금속층(도 6의 '162') 및 유전체층(도 6의 '163')으로 구성된 복층 구조를 포함하는 것이 가장 바람직하다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 흡수체의 금속층 및 유전체층의 각층의 두께에 따른 적외선 흡수율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 적외선 파장 구간에서 금속층(도 6의 '162')인 티타늄(Ti)층의 두께가 10nm 인 경우, 가장 높은 적외선 흡수율을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 9b를 참조하면, 적외선 파장 구간에서 유전체층(도 6의 '163')인 플로오르화 마그네슘(MgF2)층의 두께가 320 nm인 경우, 적외선 흡수율이 가장 높다는 것을 실험적으로 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 티타늄(Ti) 기반의 금속체와 플로오르화 마그네슘(MgF2) 기반의 유전체층이 교번으로 다수 층 증착된 복층 구조의 적외선 흡수체는 단층 구조의 적외선 흡수체에 비해 매우 높은 적외선 흡수율을 가진다. 따라서, 복층 구조의 적외선 흡수체는 마이크로 볼로미터의 응답도 향상에 크게 기여할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 또한, 도 11 내지 도 17는 일 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 공정을 순서대로 나타낸 사시도 및 단면도들이다. 도 11 내지 17의 (b)는 각각 도 11 내지 17의 사시도 (a)의 X1-X1' 절단면에 따른 단면도를 도시한 것이며, 도 11 내지 17의 (c)는 각각 도 11 내지 17의 사시도 (a)의 X2-X2' 절단면에 따른 단면도를 도시한 것이다.
이하에서는 도 10 내지 도 17를 참조하여 실시예에 따른 마이크로 볼로미터의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 도 10 및 도 11를 참조하면, 제공된 기판(110) 상부에 반사층(120) 및 전극(121)을 형성하는 단계가 수행된다(S100). 이때 기판(110)을 통한 전극간 통전을 방지하기 위하여 기판(110) 상부에 제1 절연막(111)을 도포하는 것이 바람직하다. 예를 들어 제1 절연막(111)은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.
기판(110)은 마이크로 볼로미터 소자가 집적되는 기반이 되는 구성요소로, 내부에 적외선 검출을 위한 전자 회로를 포함하는 일반적인 실리콘(Si) 재질의 기판일 수 있다. 또는 유리 재질의 기판 또는 게르마늄(Ge)을 포함하는 반도체 기판일 수 있다.
반사층(120)은 적외선 반사를 위한 적외선 반사층이며, 반사층(120) 및 전극(121)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 등으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 반사층(120)은 50/200 nm의 두께를 갖는 Cr/Au를 전자 빔 증착법을 통해 형성할 수 있다. 이때, 반사층(120)과 전극(121)은 동일한 물질로 형성될 수도 있으며, 서로 다른 물질로 형성할 수도 있다. 또한, 반사층(120) 및 전극(121)은 동시에 혹은 순차적으로 형성할 수 있다. 여기서는 동일한 물질로 동시에 형성하는 공정으로 설명하였으나, 이에 한정하지는 않는다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 반사층(120)을 포함하는 기판(110) 전체 상부에 희생층(130)을 형성하는 단계가 수행된다(S200). 이후 희생층(130)은 선택적으로 제거되어야 하므로, 마이크로 볼로미터의 나머지 구성요소들에 대해 선택적으로 식각될 수 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 희생층(130)은 폴리이미드 2610 (PI2610)를 도포하여 형성할 수 있다. 이후 마이크로 볼로미터용 저항체 제작을 위한 기판으로 제2 절연막(141)을 도포한다. 제2 절연막(141)으로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 알루미늄 산화막을 사용할 수 있다. 이후 포토 리소그래피(Photolithography) 공정 및 건식 식각 공정을 통하여 하부의 전극(121)으로 이어지는 비아 홀(Via hole)(133)을 제작한다.
이어서, 도 10 및 도 13를 참조하면, 희생층(130) 상부에 마이크로 볼로미터용 저항체(140)를 형성하는 단계가 수행된다(S300). 마이크로 볼로미터용 저항체(140)는 도 2에 도시된 적층 구조로 형성될 수 있다. 이하에서는 도 2를 참조하여 적층 구조의 마이크로 볼로미터용 저항체(140)를 형성하기 위한 구체적인 공정 예시를 설명하도록 한다.
먼저, 제2 절연막(141)상에 버퍼층(142)을 형성한다. 제2 절연막(141)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 알루미늄 산화막으로 형성할 수 있다. 버퍼층(142)은 페롭스카이트 구조(Perovskite structure)의 산화물 박막으로 형성할 수 있다. 페롭스카이트 구조의 산화물 박막은 CaTiO3, LaAlO3, BaTiO3, SrTiO3, SrRuO3, BiFeO3 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층(142)은 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착(PLD), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 수열처리(Hydrothermal), 물리기상 증착법(PVD), 화학기상 증착법(CVD) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)을 통해 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 페롭스카이트 구조의 버퍼층(142)은 5 내지 20nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 페롭스카이트 구조의 산화물 박막인 버퍼층(142) 상부에 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(143)을 형성한다. VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(143)은 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착(PLD), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 수열처리(Hydrothermal), 물리기상 증착법(PVD), 화학기상 증착법(CVD) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)을 통해 형성할 수 있다. 예컨대, 스퍼터링 방법을 이용하여 40 내지 100nm의 두께로 형성할 수 있다. 스퍼터링 공정 시 스퍼터링 타겟은 VO2(M)(이산화 바나듐)을 사용하며, 공정압력은 5 내지 20mTorr, 공정온도는 300 내지 500℃로 설정하며, 스퍼터링 챔버 내에 O2와 Ar의 혼합가스를 O2/(Ar+O2) = 0.2 내지 0.3%의 비율로 공급한다.
또한, 스퍼터링 공정 시 VOx(0<x<1) 세라믹 타겟을 사용하여 스퍼터링(sputtering) 방법으로 VO2(B)(이산화 바나듐)을 증착 할 수 있으며, 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정 시 V(바나듐) 메탈 타겟을 사용하여 산소 가스로 산화시켜 VO2(B)(이산화 바나듐)을 증착할 수 있다.
스퍼터링 공정이 진행되는 과정에서, 페롭스카이트 구조 산화물 박막의 격자구조와 VO2(B)(이산화 바나듐)의 격자구조가 서로 유사함으로 인해 페롭스카이트 구조의 산화물 박막상에는 이산화 바나듐(VO2)의 다양한 결정상 중에서 B 결정상이 우선성장(preferred orientation)된다. 이를 통해, 균일한 B 결정상의 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144)을 형성할 수 있다. 이상에서 설명한 저항체 제조 공정은 바람직한 예시일 뿐이며 각 공정 단계는 특정 수치 또는 구성 물질로 한정되지 아니한다.
이어서, VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144) 상에 금속 이온의 도핑 공정을 추가로 진행하여 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144)의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 상기 도핑 공정은 특정 금속 이온으로 한정되지 않으며, 예를 들어 W 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 베릴륨(Be), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타넘(La), 나트륨(Na), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있다. 또한, VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144) 상에 음이온을 도핑할 수 있다. 음이온의 도핑은 질소(N), 황(S) 등을 VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막(144)의 산소에 주입하여 진행할 수 있다.
이어서, 도 10 및 도 14를 참조하면, 마이크로 볼로미터용 저항체(140)가 형성된 기판(110) 상에 마이크로 볼로미터용 저항체(140)와 연결되는 전극(150)을 형성하는 단계가 수행된다(S400). 전극(150)은 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 양측과 연결된 형태로 형성하며, 비아 홀(133)의 내측면 및 하부면에 형성되는 것이 바람직하다. 전극(150)은 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 티타늄텅스텐(TiW), 니켈크롬(NiCr), 알루미늄 질화물(AlNx), 티타늄 질화물(TiNx), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlxNy), 탄탈륨 질화물(TaNx), 텅스텐 실리사이드(WSix), 티타늄 실리사이드(TiSix), 코발트 실리사이드(CoSix) 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.
이후 도 15를 참조하면, 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 상부에 제3 절연막(144)을 형성한다. 제3 절연막(144)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 알루미늄 산화막으로 구성될 수 있다. 이어서 포토 리소그래피(Photo lithography) 공정을 사용하여 전극(150)과 마이크로 볼로미터용 저항체(140)의 상부를 제외한 영역에 도포된 제3 절연막(144) 및 버퍼층 하부의 제2 절연막(141)을 식각하여 희생층(130)을 노출시킨다.
다음으로, 도 10 및 도 16를 참조하면, 전극(150)이 연결된 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 상부에 적외선 흡수체(160)를 형성하는 단계가 수행된다(S500). 도 6을 참조하여 적외선 흡수체(160)를 설명하도록 한다. 도 6을 참조하면, 적외선 흡수체(160)는 금속층(161) 및 유전체층(162)을 흡수체 쌍으로 구성하고 상기 흡수체 쌍을 반복 증착하여 상기 복층 구조로 형성한다. 금속층(161)과 유전체층(162)이 교대로 반복 증착된 복층 구조의 적외선 흡수체(160)는 일반적인 마이크로 볼로미터에 이용되는 적외선 흡수체에 비해 매우 높은 적외선 흡수율을 갖는다. 적외선 흡수체(160)를 제조하기 위하여, 먼저 제3 절연막(144) 표면에 금속층(161)을 형성한다. 제3 절연막(144)은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막 일 수 있으며, 금속층(161)으로는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta) 및 이들의 조합을 사용할 수 있다.
이어서, 금속층(161) 표면에 유전체층(162)을 형성한다. 유전체로는 LiF, MgF2, CaF2, SiO2, Si3N4, Al2O3, Y2O3 및 이들의 조합을 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이 금속층(161)은 2 내지 20nm(바람직하게는, 10nm)의 두께를 가질 수 있고, 유전체층(162)은 50 내지 500nm(바람직하게는, 320 nm)의 두께를 가질 수 있다. 다수의 흡수체 쌍이 구비된 복층 구조의 적외선 흡수체(160)는 도 8에 도시된 것처럼 10층(5쌍)으로 구성될 때 가장 높은 적외선 흡수율을 나타낸다.
이어서, 도 10 및 도 17를 참조하면, 희생층(130)을 제거하는 단계가 수행된다(S600). 희생층(130)만을 선택적으로 제거할 수 있는 건식 식각 방법인 플라즈마 애싱(plasma ashing) 방법을 이용하여 희생층(130)을 선택적으로 제거하면 반사층(120)과 마이크로 볼로미터용 저항체(140)가 일정 간격 이격된다. 이와 같이 마이크로 볼로미터용 저항체(140) 및 적외선 흡수체(160)를 기판(110)으로부터 이격시켜 열적으로 차단함으로써 적외선 흡수시에 발생하는 열을 보다 효과적으로 감지할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 실시예에 따르면, 높은 온도저항계수(TCR)를 갖는 VO2(B)(이산화 바나듐)을 포함하는 마이크로 볼로미터용 저항체를 구비함으로써, 응답도(responsivity)가 향상되고, 고온에서도 동작 가능한 고성능의 마이크로 볼로미터를 구현할 수 있다. 또한, 금속층 및 유전체층의 복층 구조로 구성된 적외선 흡수체를 구비함으로써, 높은 적외선 흡수율을 갖는 마이크로 볼로미터를 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 마이크로 볼로미터
110 : 기판
111 : 제1 절연막
120 : 반사층
121, 150 : 전극
130 : 희생층
133 : 비아 홀
140 : 마이크로 볼로미터용 저항체
141 : 제2 절연막
142 : 버퍼층
143 : VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막
144 : 제3 절연막
160 : 적외선 흡수체
161 : 금속층
162 : 유전체층
110 : 기판
111 : 제1 절연막
120 : 반사층
121, 150 : 전극
130 : 희생층
133 : 비아 홀
140 : 마이크로 볼로미터용 저항체
141 : 제2 절연막
142 : 버퍼층
143 : VO2(B)(이산화 바나듐) 저항체 박막
144 : 제3 절연막
160 : 적외선 흡수체
161 : 금속층
162 : 유전체층
Claims (18)
- 기판;
상기 기판 상부에 형성된 반사층; 및
버퍼층 상에 증착된 VO2(B)(이산화 바나듐)층을 포함하며 상기 반사층 상부에 배치된 마이크로 볼로미터용 저항체를 포함하는 마이크로 볼로미터.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로 볼로미터용 저항체 상부에 형성되고 금속층 및 유전체층이 교번으로 증착된 적외선 흡수체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로 볼로미터용 저항체는, 상기 반사층으로부터 일정 거리만큼 이격되어 공진 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
- 제1항에 있어서,
상기 버퍼층은, 페롭스카이트 구조(Perovskite structure)의 산화물 박막으로 구성되며,
상기 마이크로 볼로미터용 저항체는, 상기 버퍼층에 VO2(B)(이산화 바나듐)층을 성장하여 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
- 제4항에 있어서,
상기 VO2(B)(이산화 바나듐)층은, CaTiO3, LaAlO3, BaTiO3, SrTiO3, SrRuO3, BiFeO3 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 구성된 산화물 박막의 상부에 VOx(바나듐 옥사이드)를 스퍼터링하여 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
- 기판;
상기 기판 상부에 형성된 반사층;
상기 반사층 상에 배치되고 VO2(B) (이산화 바나듐)이 증착된 마이크로 볼로미터용 저항체; 및
상기 마이크로 볼로미터용 저항체의 상부에 형성되며, 금속층 및 유전체층이 교번으로 증착된 복층 구조의 적외선 흡수체를 포함하는 마이크로 볼로미터.
- 제2항에 있어서,
상기 금속층은, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
- 제7항에 있어서,
상기 유전체층은, LiF, MgF2, CaF2, SiO2, Si3N4, Al2O3, Y2O3 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
- 제7항또는 제8항에 있어서,
상기 적외선 흡수체는, 상기 금속층 및 상기 유전체층을 흡수체 쌍으로 구성하고 상기 흡수체 쌍을 반복 증착하여 복층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터.
- 기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상부에 반사층을 형성하는 단계; 및
상기 반사층 상에 배치되고 버퍼층 상에 증착된 VO2(B)(이산화 바나듐)층으로 구성된 볼로미터용 저항체를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 볼로미터용 저항체를 형성하는 단계 이전에 상기 반사층 상부에 희생층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 희생층 상부에 상기 VO2(B)(이산화 바나듐)층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 볼로미터용 저항체의 상부에 금속층 및 유전체층이 교번으로 증착된 적외선 흡수체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 희생층을 제거하여 상기 반사층과 상기 볼로미터용 저항체를 이격시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 볼로미터용 저항체를 형성하는 단계는,
상기 희생층 상부에 페롭스카이트 구조 산화물 박막인 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 상부에 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제15항에 있어서,
상기 버퍼층을 형성하는 단계 또는 상기 버퍼층 상부에 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성하는 단계는,
스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착(PLD), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 수열처리(Hydrothermal), 물리기상 증착법(PVD), 화학기상 증착법(CVD) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제15항에 있어서,
상기 볼로미터용 저항체를 형성하는 단계는,
스퍼터링 챔버 내에 산소(O2) 및 아르곤(Ar)의 혼합가스를 공급하는 단계; 및
상기 버퍼층에 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
- 제15항에 있어서,
상기 볼로미터용 저항체를 형성하는 단계는,
VOx(바나듐 옥사이드) 세라믹 타겟을 사용한 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 방법을 통하여 VO2(B)(이산화 바나듐) 박막을 형성하는 단계; 또는 V(바나듐) 메탈 타겟을 산소 가스로 산화시켜 VO2(B)(이산화 바나듐)을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼로미터의 제조방법.
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