[논문]적외선 마이크로 볼로미터를 위한 <tex>$Si_{1-x}Sb_x$</tex> 박막의 특성

이동근; 류상욱; 양우석; 조성목; 전상훈; 류호준

[국내논문] 적외선 마이크로 볼로미터를 위한 $Si_{1-x}Sb_x$ 박막의 특성
The characterization of the $Si_{1-x}Sb_x$ thin films for infrared microbolometer 원문보기

반도체및디스플레이장비학회지 = Journal of the semiconductor & display equipment technology, v.8 no.3, 2009년, pp.13 - 17

이동근 (단국대학교 전자공학과) , 류상욱 (단국대학교 전자공학과) , 양우석 (한국전자통신연구원) , 조성목 (한국전자통신연구원) , 전상훈 (한국전자통신연구원) , 류호준 (한국전자통신연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

we have studied characterization of microbolometer based on the co-sputtered silicon-antimony ($Si_{1-x}Sb_x$) thin film for infrared microbolometer. We have investigated the resistivity and the temperature coefficient of resistance (TCR) with annealing. We deposited the films using co-sputtering method at $200^{\circ}C$ in the Ar environment. The Sb concentration has been adjusted by applying variable DC power from Sb targets. TCR of deposited $Si_{1-x}Sb_x$ films have been measured the range of -2.3~-2.8%/K. The resistivity of the film is low but TCR is higher than the other bolometer materials. Resistivity of the films has not been affected hugely according to the low annealing temperature however the resistivity has been dramatically decreased over $250^{\circ}C$. It is caused of a phase change due to the rearrangement of Si and Sb atoms during crystallization process of the films.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Si_1-xSb_x 박막의 TCR 측정 및 비저항을 측정하여 적외선 감지소자에 적합한 전기적 특성을 분석하였고, annealing 온도에 따른 TCR의 변화 및 비저항의 변화를 측정함으로써, 공정시 온도변화에 따른 특징을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 적외선 감지소자인 마이크로 볼로미터의 기존 재료의 단점을 극복할 수 있는 재료로 실리콘-안티몬(Si_1-xSb_x)을 선택하여 특성을 파악해보았다. co-sputtering으로 증착한 Si_1-xSb_x 박막의 장점으로는 기존 실리콘 공정과 완전히 호환이 되고, Si과 Sb 각각의 타겟에 가해주는 DC power의 크기에 따라 비저항 및 TCR의 조절이 가능하였다.

제안 방법

증착된 Si_1-xSb_x 박막들은 알파스텝(alpha-step)과 전자현미경(SEM)으로 두께를 측정하였다. Si, Sb 각각의 타겟에 가해준 DC power는 Si 타겟에 150 W, 200 W를 가해주었고, 위 조건에서 Sb 타겟에 다양한 DC power를 가해주어 여러 조성의 Si_1-xSb_x 박막들을 증착하였다. Si과 Sb 각각에 가해준 DC power는 Table 2와 같다.
이 공정 중 마이크로 볼로미터가 증착 후 진행되는 포토리소그래피 공정, PR(photoresist) 등의 불순물들을 없애기 위한 ashing 공정 등을 거치게 되는데, 이러한 공정이 진행될 때 열에 의한 영향을 받게 된다. Si_1-xSb_x 박막의 열에 의한 특성을 파악하기 위해 진공오븐을 이용하여 annealing을 하여 보았다. annealing은 질소 (N₂) 분위기에서 150℃, 200℃, 250℃, 300℃에서 진행 하여, annealing 전과 후의 면저항 변화 및 TCR의 변화를 관찰하였다.
박막들을 가지고 볼로미터 특성을 나타내는 비저항 및 TCR을 측정하였다. TCR은 TEC(Thermo Electric Cooler) controller의 온도를 19℃에서 35℃까지 2℃씩 올려주면서 HP4145B 측정 장비를 이용하여 각 온도마다 비저항을 측정한 후 값을 구하였다. TCR은 다음의 식으로 나타낸다.
Si_1-xSb_x 박막의 열에 의한 특성을 파악하기 위해 진공오븐을 이용하여 annealing을 하여 보았다. annealing은 질소 (N₂) 분위기에서 150℃, 200℃, 250℃, 300℃에서 진행 하여, annealing 전과 후의 면저항 변화 및 TCR의 변화를 관찰하였다.
2에서 보면 Sb 타겟에 가해준 DC power가 140W일 때 비저항값은 가장 작지만 TCR 값은 가장 크기 때문에 annealing 실험은 Si 타겟에 가해준 DC power가 150W 조건만 하였다. annealing은 질소(N₂) 분위기에서 150℃, 200℃, 250℃에서 90분간 진행 하였고, 300℃에선 30분간 진행하였다.
본 연구에서는 기존 반도체 공정과 완벽히 호환이 되고, CVD 증착보다 1/f noise가 작은 값을 나타내는 스퍼터링 방식을 이용하여 실리콘-안티몬 (Si_1-xSb_x) 박막을 증착하였다[5].
Si과 Sb 각각에 가해준 DC power는 Table 2와 같다. 이렇게 증착한 Si_1-xSb_x 박막들은 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)을 이용하여 DC power에 따른 Si과 Sb의 조성비를 분석하였다.
제조된 Si_1-xSb_x 박막들을 가지고 볼로미터 특성을 나타내는 비저항 및 TCR을 측정하였다. TCR은 TEC(Thermo Electric Cooler) controller의 온도를 19℃에서 35℃까지 2℃씩 올려주면서 HP4145B 측정 장비를 이용하여 각 온도마다 비저항을 측정한 후 값을 구하였다.
공정 압력 5 m torr, 증착 온도는 200℃ 조건에서 Si, Sb 각각의 타겟에 DC power를 가하여 증착하였다. 증착된 Si_1-xSb_x 박막들은 알파스텝(alpha-step)과 전자현미경(SEM)으로 두께를 측정하였다. Si, Sb 각각의 타겟에 가해준 DC power는 Si 타겟에 150 W, 200 W를 가해주었고, 위 조건에서 Sb 타겟에 다양한 DC power를 가해주어 여러 조성의 Si_1-xSb_x 박막들을 증착하였다.

대상 데이터

Si(001) 기판 위에 절연층으로 LTO(low temperature oxide)를 100nm 증착하였고, 그 위에 co-sputtering를 방법을 이용하여 Si_1-xSb_x 박막을 약 100 nm 증착하였다. 전극으로는 e-beam을 이용하여 알루미늄을 200 nm 증착하였다.

성능/효과

XPS로 Si과 Sb의 조성비를 측정한 결과 샘플의 Sb 조성비가 85% 정도로 Sb-rich 상태로 rombohedral 구조인 것을 확인하였다.
또한, Fig. 5에서와 같이 annealing 후 TCR 값을 측정한 결과 annealing 후 면저항은 증가하나 TCR 값은 오히려 더 작아지는 걸 확인하였다. 이 원인은 Sb-rich Si_1-xSb_x 박막의 결정구조는 rhombohedral 구조를 가지는데 결정화가 진행되면서 상 (phase) 변화가 일어나기 때문이다.
또한, 다른 마이크로 볼로미터 재료보다 낮은 비저항 값으로 상대적으로 더 높은 TCR 값을 얻을 수 있어 TCR 값이 크고 noise 값이 작은 소자를 만들 수 있는 가능성이 크다는 점이다.
본 실험에서 Si_1-xSb_x 박막의 두께는 두께의 변화에 따른 비저항의 차이를 방지하기 위하여 약 100 nm로 일정하게 유지하였다. Si_1-xSb_x 박막의 두께는 알파스텝과 주사현미경(SEM)으로 확인하였다.
실험 결과 Fig. 4에서와 같이 annealing 온도가 150℃, 200℃까지는 면저항 값이 조금 증가하다 250℃ 이상에서는 면저항 값이 급격히 떨어졌다.

후속연구

또한, annealing 실험을 통하여 실제 적외선 센서 제작 과정 중 적외선 감지층의 증착 후 이루어지는 공정 온도에 대한 저항 및 TCR의 증가율에 대해 알아봄으로써 Si_1-xSb_x 박막의 증착시 최적의 조건을 쉽게 찾을수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 감지 소자로서의 마이크로 볼로미터를 표면 미세가공 기술을 이용하여 제작하므로 인해 얻는 이점은 무엇인가?	적외선 감지 소자로서의 마이크로 볼로미터는 표면 미세가공(surface micromachining) 기술을 이용하여 제작하므로 효율적인 열차단 구조를 가질 수 있고 소형화가 가능하며, 또한 냉각기와 chopper가 필요 없어 다른 적외선 감지 소자보다 저가의 적외선 카메라를 만들 수 있다[1]. 이와같은 마이크로 볼로미터(microbolometer)는 입사되는 적외선이 감지층의 온도를 변화시키고 이 온도 변화에 따른 감지층의 저항 변화를 검출한다[2].
	적외선 감지 소자로서의 마이크로 볼로미터의 특성은 어떤 것으로 나타내는가?	마이크로 볼로미터(microbolometer)의 특성은 응답도(responsivity), 감지도(detectivity), 잡음(noise) 등으로 나타내는데 응답도(responsivity)는 볼로미터 소자에 들어오는 적외선 power에 따른 출력 신호의 변화정도를 나타낸 값이다. 응답도는 다음 식으로 나타낸다.
	적외선 감지 소자로서의 마이크로 볼로미터는 어떤 기술을 이용하여 제작하는가?	적외선 감지 소자로서의 마이크로 볼로미터는 표면 미세가공(surface micromachining) 기술을 이용하여 제작하므로 효율적인 열차단 구조를 가질 수 있고 소형화가 가능하며, 또한 냉각기와 chopper가 필요 없어 다른 적외선 감지 소자보다 저가의 적외선 카메라를 만들 수 있다[1]. 이와같은 마이크로 볼로미터(microbolometer)는 입사되는 적외선이 감지층의 온도를 변화시키고 이 온도 변화에 따른 감지층의 저항 변화를 검출한다[2].

참고문헌 (7)

B.E. Cole,R.E. Higashi and R.A. Wood, Proceeding of the IEEE 86, 1211, 1998.
R.A.Wood, Uncooled thermal imaging with monolithic silicon facal plane SPIE Vol. 2020 Infrared technology, 322, 1993.
paul W. kruse,R.A. Wood “Uncooled Infrared imaging Arrays and Systems” vol. 47, pp. 41-91.
IEEE TRANSCATIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol, ED-28, No.7, July 1981.
M.H. Unewisse, B.I. Craig, R.J. Watson, O.Reinhold and K.C. Liddiard, “The Growth and Properties of Semiconductor Bolometers for Infrared Detection”, Proc. of SPIE, Vol.2554, pp. 43-54, 1995.
E.L.Dereniak, D.G.Crowe “Optical Radiation Detectors”, 1984.
Huan Huang, Yang Wang, Fuxi Gan “Optical structural properties of Sb and Sb-rich SiSb thin films” proc. of SPIE vol.7125.

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