KR20230120336A - 볼로미터 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
볼로미터 장치가 개시된다. 볼로미터 장치는 기판, +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성되고, 상기 기판 상에 배치된 1 이상의 감지층, 상기 감지층에 인접하게 배치된 1 이상의 산화알루미늄층, 및 상기 기판 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층의 서로 다른 부분에 각각 접촉하는 제1 전극과 제2 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 온도 변화에 따라 저항이 변화하는 감지층을 구비하여 입사된 전자기파의 온도를 측정할 수 있는 볼로미터 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
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.
따라서, 높은 TCR, 낮은 저항 편차, 수십 KΩ의 저항 값을 가지는 감지물질의 개발이 필요하고, 공기 중 자연 산화로 인하여 저항특성이 바뀌는 열화 현상을 막을 수 있는 기술개발이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 높은 TCR 값, 작동 온도에서 낮은 저항 값을 가지는 볼로미터 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 볼로미터 장치의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 볼로미터 장치는 기판, +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성되고, 상기 기판 상에 배치된 1 이상의 감지층, 상기 감지층에 인접하게 배치된 1 이상의 산화알루미늄층, 및 상기 기판 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층의 서로 다른 부분에 각각 접촉하는 제1 전극과 제2 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층 및 산화알루미늄층은 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적층된 구조에서, 산화알루미늄층의 개수는 1 내지 5 일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층 및 산화알루미늄층이 교대로 적층된 박막의 두께는 15 내지 20 nm 일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층은 -3.5 내지 -4.5 %/K의 온도에 따른 저항 변화율 및 50 내지 300KΩ의 저항값을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 볼로미터 장치의 제조방법은 기판 상에 바나듐 전구체 및 산화반응제를 이용한 원자층 증착 공정을 통해 바나듐 산화물 박막을 형성하는 제1 단계, 상기 바나듐 산화물 박막 상에 알루미늄 전구체 및 산화 반응제를 이용한 원자층 증착 공정을 통해 알루미늄 산화물 박막을 형성하는 제2 단계, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막을 열처리하는 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 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 바나듐 전구체는 VTOP (Vanadyl Trioxypropoxide)를 포함하고, 상기 산화반응제는 수증기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 전구체는 TMA(Tri-methyl aluminum)를 포함하고, 상기 산화반응제는 수증기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계 및 제2 단계는 1 내지 5회로 반복적으로 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계에서, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막은 산소 분위기 하에서, 300 내지 400℃의 온도로 5분 내지 30분 동안 열처리될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 다양한 폴리모프(Polymorphs)를 가진 바나듐 산화물로 형성된 감지층과 산화알루미늄층을 교대로 적층하여 박막을 형성한 후, 급속 열처리를 통해 Al3+의 확산을 통한 도핑 효과를 유도하여 약 -3.5 내지 -4.5 %/K의 높은 온도에 따른 저항 변화율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR), 약 50 내지 300KΩ의 낮은 저항 값을 갖는 볼로미터 장치를 제조할 수 있다.
그리고 상기 감지층 및 산화알루미늄층이 원자층 증착 공정을 통해 형성되므로, 대면적의 증착이 용이하며, 증착시 박막 전체의 균일도와 재현성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 감지층이 고밀도로 형성됨에 따라, 상기 감지층의 바나듐 산화물이 공기 중의 산소와 반응하여 산화되는 것, 표면 오염 등을 방지할 수 있으므로, 볼로미터 장치의 내구성 및 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치의 온도별 TCR 변화를 나타낸 그래프(좌측), 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프(우측)이다.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 순수 바나듐 박막 구조의 볼로미터 장치의 온도별 TCR 변화를 나타낸 그래프(좌측), 비교예 1에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프(우측)이다.
도 5는 비교예 2에 따라 제조된 10회의 알루미늄 산화물 증착 공정을 거친 볼로미터 장치의 온도별 TCR 변화를 나타낸 그래프(좌측), 비교예 2에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프(우측)이다.
도 3은 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치의 온도별 TCR 변화를 나타낸 그래프(좌측), 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프(우측)이다.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 순수 바나듐 박막 구조의 볼로미터 장치의 온도별 TCR 변화를 나타낸 그래프(좌측), 비교예 1에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프(우측)이다.
도 5는 비교예 2에 따라 제조된 10회의 알루미늄 산화물 증착 공정을 거친 볼로미터 장치의 온도별 TCR 변화를 나타낸 그래프(좌측), 비교예 2에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프(우측)이다.
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.
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.
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.
도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치(100)는 기판(110), 감지층(120), 산화알루미늄층(130), 제1 전극(140a) 및 제2 전극(140b)을 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 상기 감지층(120), 상기 산화알루미늄층(130), 상기 제1 전극(140a), 상기 제2 전극(140b)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.
상기 감지층(120)은 상기 기판(110) 상에 1 이상 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 +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120)은 바나듐 전구체 및 산화반응제를 이용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정을 통해 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 바나듐 전구체로는 VTOP(Vanadyl Trioxypropoxide)이 사용될 수 있고, 상기 산화반응제로는 수증기(H2O)가 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120)은 약 3.36 g/cm3 내지 4.57 g/cm3 의 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이 상기 감지층(120)이 고밀도로 형성된 경우, 대기에 노출되더라도 표면 오염을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 재산화를 억제할 수 있어서, 감지층의 수명 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 산화알루미늄층(130)은 상기 감지층(120)에 인접하게 1 이상 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산화알루미늄층(130)은 알루미늄 전구체 및 산화반응제를 이용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정을 통해 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 알루미늄 전구체로는 TMA(Tri-methyl aluminum)이 사용될 수 있고, 상기 산화반응제로는 수증기(H2O)가 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120) 및 산화알루미늄층(130)은 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 적층된 구조에서, 산화알루미늄층(130)의 개수는 1 내지 5 인 것일 수 있다. 상기 산화알루미늄층(130)이 6회 이상으로 증착되는 경우, 감지층(120)의 온도에 따른 저항이 급격히 증가하여 볼로미터 장치의 성능이 저하될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120) 및 산화알루미늄층(130)이 교대로 적층된 박막은 15 내지 20 nm 의 두께를 가질 수 있다. 적층 박막의 두께가 15 nm 미만인 경우, 감지층(120)의 초기 저항이 GΩ로 증가하는 문제점이 발생하고, 20 nm 를 초과하는 경우 급격하게 저항이 증가하는 문제점이 있다.
한편, 상기 감지층(120)은 약 -3.5 내지 -5.5 %/K의 온도에 따른 저항 변화율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)을 가질 수 있고, 상기 제1 전극(140a)과 상기 제2 전극(140b) 사이에서 약 10 내지 900 KΩ의 저항값을 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 감지층(120)은 약 50 내지 300 KΩ의 저항값을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 감지층(120)은 약 15 내지 20 nm 두께를 가질 수 있고, 상기 산화알루미늄층(130)은 약 0.15 내지 0.2 nm 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 전극(140a) 및 상기 제2 전극(140b)은 상기 기판(110) 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층(120)의 서로 다른 부분에 접촉할 수 있고, 상기 제1 전극(140a) 및 상기 제2 전극(140b) 각각은 전기 전도성을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(140a) 및 상기 제2 전극(140b) 각각은 서로 독립적으로 전기 전도성을 갖는 금속, 고분자, 세라믹, 탄소 소재 등으로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(140a) 및 상기 제2 전극(140b)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.
일 실시예에 있어서, 도면에 도시되진 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치(100)는 상기 감지층(120)의 표면을 피복하도록 배치된 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 상기 감지층(120)의 전기적 특성을 변화시키지 않으면서 상기 감지층(120)의 표면 오염, 상기 감지층(120)의 바나듐 산화물이 공기 중의 산소와 반응하여 산화되는 것을 추가로 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 보호층은 절연성 특성을 갖고 외부 가스 또는 오염물질의 침투를 방지할 수 있으며 광을 투과시킬 수 있다면, 상기 보호층의 재료는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 보호층은 고분자 재료 등과 같은 유기 재료 또는 금속산화물, 금속질화물 등과 같은 무기 재료로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 보호층은 글라스(Glass) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3)로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로 상기 볼로미터 장치의 제조방법을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 볼로미터 장치의 제조방법은, 기판 상에 바나듐 전구체 및 산화반응제를 이용한 원자층 증착 공정을 통해 바나듐 산화물 박막을 형성하는 제1 단계, 상기 바나듐 산화물 박막 상에 알루미늄 전구체 및 산화 반응제를 이용한 원자층 증착 공정을 통해 알루미늄 산화물 박막을 형성하는 제2 단계, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막을 열처리하는 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 포함할 수 있다.
상기 제1 단계에 있어서, 상기 원자층 증착 공정은 VTOP (Vanadyl Trioxypropoxide) 전구체가 바나듐 전구체로 이용하고, 수증기를 상기 산화반응제로 이용할 수 있다. 일 실시예로, 상기 원자층 증착 공정은 하기 표 1에 기재된 조건으로 수행될 수 있다.
| ALD 전구체: | VTOP (Vanadyl Trioxypropoxide) 전구체 |
| 산화반응제: | Water vapor (H2O) |
| 반응시간 프로그램: | 전구체의 주입시간(Feeding time)은 2 내지 5초이고, 배기(Purge)는 12 내지 17초이고, 반응물의 주입시간은 1 내지 4초이며, 마지막 배기는 12 내지 17초이었고, 이를 1cycle의 기준으로 함. |
| 반응온도: | ALD Growth mechanism이 적용되는 Temperature Window는 80℃ 부터 100℃였음. (100℃ 이상에서는 CVD Growth mechanism을 따르는 것으로 보임.) |
| 증착속도: | 80 ℃에서 1cycle 당 증착속도 (Growh per cycle)는 ALD Window 내에서 900 cycle 에 15 ~20 nm 이었음 |
상기 제1 단계에서 형성된 바나듐 산화물 박막은 약 15 내지 20 nm 두께로 형성될 수 있고, 비정질 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 단계에서 형성된 상기 바나듐 산화물 박막은 수 내지 수백 MΩ 수준의 저항값을 가질 수 있다.
상기 제2 단계에 있어서, 상기 원자층 증착 공정은 TMA(Tri-methyl aluminum) 전구체가 알루미늄 전구체로 이용하고, 수증기를 상기 산화반응제로 이용할 수 있다. 일 실시예로, 상기 원자층 증착 공정은 하기 표 2에 기재된 조건으로 수행될 수 있다.
| ALD 전구체: | TMA (Tri-methyl aluminum) 전구체 |
| 산화반응제: | Water vapor (H2O) |
|
반응시간
프로그램: |
전구체의 주입시간(Feeding time)은 2 내지 5초이며, 배기(Purge)는 12 내지 17초, 반응물의 주입시간은 1 내지 4초이며, 마지막으로 배기는 12 내지 17초이었고, 이를 1cycle의 기준으로 함. |
| 반응온도: | ALD Growh mechanism이 적용되는 Temperature Window는 150℃ 부터 250℃ 였음. (70℃에서 증착된 Al2O3는 비교적 정확한 화학적 조성비를 갖추지 못하며, 높은 온도에 비해 Al3+의 비율이 높은 것을 확인함.) |
| 증착속도: | 200℃에서 1cycle 당 증착속도 (Growh per cycle)는 ALD Window 내에서 20 cycle 에 1~5nm 이었음 |
상기 제2 단계에서 형성된 알루미늄 산화물 박막은 약 0.15 내지 0.2 nm 두께로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 단계 및 제2 단계는 1 내지 5회로 반복적으로 수행될 수 있다. 일 실시예로, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막은 1 내지 5회로 교대로 적층될 수 있다. 여기서, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막이 교대로 적층된 박막의 두께는 약 15 내지 20 nm 일 수 있다.
상기 제3 단계에 있어서, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막은 산소 분위기 하에서, 약 300 내지 400℃의 온도로 약 5분 내지 30분 동안 급속 열처리될 수 있다. 일 실시예로, 상기 열처리는 하기 표 3에 기재된 조건으로 수행될 수 있다.
| 반응 온도: | 300 ~ 400℃에서 진행. |
| 기체 유량: | O2 8 ~ 10 sccm 분위기에서 공정을 진행. (10sccm 보다 높은 온도일 경우 막의 산화가 급격히 진행되며 저항이 높아짐.) |
| 반응 시간: | 반응 공정은 2분 내지 7분 동안 진행하며, 10분 ~ 15분 공정에도 막 성질의 큰 변화는 보이지 않았으며 5분이 가장 바람직함. |
이러한 열처리를 통해 상기 비정질 바나듐 산화물 박막은 다결정 구조로 결정화될 수 있으며, 알루미늄 산화물 박막의 Al3+ 의 확산을 통한 도핑 효과로 인해 Al3+의 산소 결합이 유도되어 바나듐 산화물 박막 내부의 V2V5 비율이 상대적으로 줄어들 수 있다. 따라서, 바나듐 산화물 박막의 저항을 KΩ까지 낮출 수 있고, TCR 값을 경향의 변화가 가능하다.
일 실시예에 있어서, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막은 +3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막은 약 50 내지 300 KΩ의 저항값을 갖고, 약 -3.5 내지 -4.5 %/K의 온도에 따른 저항 변화율을 가질 수 있다.
상기 제4 단계에 있어서, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막의 서로 이격된 부분들 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, 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막의 서로 이격된 부분들 상에 전도성 금속 페이스트를 도포하거나, 금속을 증착하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도면에 도시되진 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 볼로미터 장치의 제조방법은 상기 제3 단계 이후 그리고 상기 제4 단계 전에 수행되는 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막 표면 상에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 보호층은 고분자 재료 등과 같은 유기 재료 또는 금속산화물, 금속질화물 등과 같은 무기 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 보호층은 약 5 내지 20 nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 접촉할 수 있도록, 상기 보호층은 상기 열처리된 바나듐 산화물 박막 표면 중 일부를 노출시키도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 다양한 폴리모프(Polymorphs)를 가진 바나듐 산화물로 형성된 감지층과 산화알루미늄층을 교대로 적층하여 박막을 형성한 후, 급속 열처리를 통해 Al3+의 확산을 통한 도핑 효과를 유도하여 약 -3.5 내지 -4.5 %/K의 높은 온도에 따른 저항 변화율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR), 약 50 내지 300KΩ의 낮은 저항 값을 갖는 볼로미터 장치를 제조할 수 있다.
그리고 상기 감지층 및 산화알루미늄층이 원자층 증착 공정을 통해 형성되므로, 대면적의 증착이 용이하며, 증착시 박막 전체의 균일도와 재현성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 감지층이 고밀도로 형성됨에 따라, 상기 감지층의 바나듐 산화물이 공기 중의 산소와 반응하여 산화되는 것, 표면 오염 등을 방지할 수 있으므로, 볼로미터 장치의 내구성 및 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
하기 표 4의 조건으로 수행된 원자층 증착 공정을 통해 기판 상에 바나듐 산화물 박막을 형성하였다.
| ALD 전구체: | VTOP (Vanadyl Trioxypropoxide) 전구체 |
| 산화반응제: | Water vapor (H2O) |
| 반응시간 프로그램: | 3초의 전구체의 주입시간(Feeding time), 15초의 배기 시간(Purge time), 2초의 반응물의 주입시간 및 15초의 최종 배기시간(Purge time)을 1cycle로 하여 ALD 공정 진행 |
| 반응온도: | Temperature Window는 80~100℃ |
| 증착속도: | 80 ℃에서 1cycle 당 증착속도 (Growh per cycle)는 ALD Window 내에서 900 cycle에 15~20 nm로서, 약 0.2Å/cycle의 증착속도로 증착함 |
이어서, 하기 표 5의 조건으로 수행된 원자층 증착 공정을 통해 상기 바나듐 산화물 박막 상에 알루미늄 산화물 박막을 형성하였다.
| ALD 전구체: | TMA (Tri-methyl aluminum) 전구체 |
| 산화반응제: | Water vapor (H2O) |
|
반응시간
프로그램: |
1초의 전구체의 주입시간(Feeding time), 15초의 배기 시간(Purge time), 1초의 반응물의 주입시간 및 15초의 최종 배기시간(Purge time)을 1cycle로 하여 ALD 공정 진행 |
| 반응온도: | Temperature Window는 150~250℃ |
| 증착속도: | 200 ℃에서 1cycle 당 증착속도 (Growh per cycle)는 ALD Window 내에서 20 cycle에 1 ~ 5 nm로서, 약 0.15Å/cycle의 증착속도로 증착함 |
상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막의 형성을 각각 5회 반복 수행하여 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막을 교대로 적층시킨 박막(15 ~ 20 nm)을 형성하였다. (도 2 참조)
다음으로, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막이 교대로 적층된 박막을 하기 표 6의 조건으로 급속 열처리를 수행하였다.
| 반응 온도: | 열처리는 400℃에서 진행 |
| 기체 유량: | O2 10 sccm 분위기에서 공정 진행 |
| 반응 시간: | 반응 공정은 5분 동안 진행 |
이러한 열처리 공정은 Al3+ 의 산소 결합을 유도하고 박막 내부의 V2O5 비율을 상대적으로 줄어들게 만든다. 따라서, 상기 열처리에 의해, 최초 증착시에 MΩ 수준이던 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막이 교대로 적층된 박막의 저항값이 KΩ 수준으로 감소되었으며, 전체적인 작동 온도 구간에서 안정적인 특성을 보였다.
이어서, 상기 교대로 적층된 박막 상에 E-beam 증착기를 이용하여 0.5cm 간격으로 이격된 Ti(10nm)/Au(40nm) 전극들(제1 및 제2 전극)을 형성하여, 실시예에 따른 볼로미터 장치를 제조하였다.
[비교예 1]
알루미늄 산화층이 증착되지 않은 것을 제외하고는, 본 발명의 실시예와 동일한 방법으로 순수한 바나듐 박막 구조의 볼로미터 장치를 제조하였다.
[비교예 2]
상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막의 형성을 각각 10회 반복 수행한 것을 제외하고는, 본 발명의 실시예와 동일한 방법으로 볼로미터 장치를 제조하였다.
[실험예]
센서 프로브스테이션을 이용하여 본 발명의 실시예, 비교예 1, 2에 따라 제조된 볼로미터 장치의 온도별 저항 변화 및 TCR 값을 측정하였다.
구체적으로, 센서 프로브스테이션은 질소 100 sccm 의 일정한 분위기를 유지하며 샘플 홀더의 아랫 부분인 히팅 장치를 통해 실시간으로 온도 체크와 변화를 확인하였다. 또한, 측정은 25 ~ 55℃ 의 온도 구간에서 각 온도별 5분에 걸친 안정화 시간 후에 10℃ 의 간격으로 온도를 증가시키며 진행하였으며, 센서 프로브스테이션에 연결된 전류 소스미터를 통해 측정 실험 동한 1V의 전압을 박막에 지속적으로 인가하여, 측정되는 저항을 확인하였다.
도 3은 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치의 온도별 TCR 변화를 나타낸 그래프(좌측), 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치에 대해 측정된 온도별 저항 변화를 측정한 그래프(우측)이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치는 전 구간에 걸쳐 -3.5 내지 -4.5 %/K 의 높은 TCR 값을 갖는 것을 확인할 수 있고, 작동온도 구간인 약 55℃에서 -4.26%/K 로 안정적인 TCR 값을 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 우측 그래프를 보면, 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치는 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하고, 전체적으로 50 내지 300KΩ의 저항값을 갖는 것으로 나타났다. Al3+의 도핑 효과로 인해 초기 저항은 다소 높게 나왔으나, 실제 구동 환경과 비슷한 온도인 약 55℃ 에서는 60KΩ 까지 저항이 낮아지는 결과를 보였다. 이러한 작동 온도에서의 낮은 저항으로 인해 노이즈 효과도 줄어들 것으로 판단된다.
한편, 비교예 1에 따라 제조된 알루미늄 산화층이 증착되지 않은 순수한 바나듐 박막 구조의 볼로미터 장치(도 4 참조)와 실시예에 따라 제조된 볼로미터 장치의 온도별 TCR 값 및 저항 변화 값을 비교하면, 본 발명의 볼로미터 장치는 알루미늄 산화층의 증착으로 인해 박막의 저항이 높아지나, 이와 비례하여 TCR 값도 같이 높아지는 결과를 보였다.
그러나, 10 회의 알루미늄 산화층의 증착은 도 5에 나타나듯이 저항을 급격하게 증가시키기 때문에, 알루미늄 산화층의 증착은 5 횟수 이하로 수행하는 것이 바람직하다.
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.
Claims (10)
- 기판;
+3가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O3, +4가의 바나듐 이온을 함유하는 VO2 및 +5가의 바나듐 이온을 함유하는 V2O5를 포함하는 동질이상의 바나듐 산화물로 형성되고, 상기 기판 상에 배치된 1 이상의 감지층;
상기 감지층에 인접하게 배치된 1 이상의 산화알루미늄층; 및
상기 기판 상에서 서로 이격되게 배치되어 상기 감지층의 서로 다른 부분에 각각 접촉하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는, 볼로미터 장치. - 제1항에 있어서,
상기 감지층 및 산화알루미늄층은 교대로 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치. - 제2항에 있어서,
상기 적층된 구조에서, 산화알루미늄층의 개수는 1 내지 5 인 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치. - 제2항에 있어서,
상기 감지층 및 산화알루미늄층이 교대로 적층된 박막의 두께는 15 내지 20 nm 인 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치. - 제1항에 있어서,
상기 감지층은 -3.5 내지 -4.5 %/K의 온도에 따른 저항 변화율 및 50 내지 300Ω의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치. - 기판 상에 바나듐 전구체 및 산화반응제를 이용한 원자층 증착 공정을 통해 바나듐 산화물 박막을 형성하는 제1 단계;
상기 바나듐 산화물 박막 상에 알루미늄 전구체 및 산화 반응제를 이용한 원자층 증착 공정을 통해 알루미늄 산화물 박막을 형성하는 제2 단계;
상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막을 열처리하는 제3 단계; 및
상기 기판 상에 서로 이격되게 배치되고, 상기 바나듐 산화물 박막의 서로 이격된 부분에 각각 접촉하는 제1 및 제2 전극을 형성하는 제4 단계;를 포함하는, 볼로미터 장치의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 바나듐 전구체는 VTOP (Vanadyl Trioxypropoxide)를 포함하고, 상기 산화반응제는 수증기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 알루미늄 전구체는 TMA(Tri-methyl aluminum)를 포함하고, 상기 산화반응제는 수증기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1 단계 및 제2 단계는 1 내지 5회로 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 상기 바나듐 산화물 박막 및 알루미늄 산화물 박막은 산소 분위기 하에서, 300 내지 400℃의 온도로 5분 내지 30분 동안 열처리되는 것을 특징으로 하는, 볼로미터 장치의 제조방법.
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| E902 | Notification of reason for refusal |