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문제 정의
- 본 논문에서는 320×240 어레이를 제작하기 위하여 화소의 크기와 디자인 룰을 35 μm와 2 μm로 정하고, 테스트 구조물을 설계하여 화소를 구성하는 빔의 길이와 폭에 따른 벤딩(bending)의 특성을 평가하였다.
- 앵커 제작 공정에서 생긴 미스 얼라인의 영향으로 나타난 흡수층의 틸팅 현상을 분석하기 위해서 시뮬레이션을 수행 하였다. Fig.
제안 방법
- 미세 피치를 가진 마이크로 볼로미터 설계에서 적외선 흡수효율을 높이고, 구조적으로 안정한 미러를 제작하기 위해 빔 형태의 테스트 구조물을 제작하고 평가하였다. 빔의 길이가 작아질수록 벤딩이 작아지고, 캔틸레버의 너비가 작아질수록 벤딩의 영향이 커진다는 것을 확인하였다.
- 5 Hz frame rate에서 200 mK에 머물렀다[2,3]. 본 연구는 최근 각광받고 있는 CMOS/MEMS monolithic 공정 중 above-IC개념을 최초로 시도하여 부피, 크기 축소 뿐만 아니라 RC delay를 최소화 할 수 있는 공정을 적용하였다. 또한, 320×240 어레이 및 35 um 피치 설계를 적용하여 상용화 가능한 수준의 공정을 도입하여 우수한 NETD 특성을 얻을 수 있었다.
- 벤딩 특성은 앵커 구조물의 평행한 높이로부터 벗어난 길이를 기준으로 정의하였다. 비정질 실리콘 볼로미터 제작 후 단위 화소에서 생겨난 흡수층의 기울기를 분석하기 위해 Non-contact Confocal Optical Profiler(nanofocus AG사)를 사용하여 평가하였다.
- 센서 제작 공정 과정에서 Fig. 4와 같이 흡수층의 벤딩 분석을 위한 TEG(test elements group)를 디자인하여 제작하였다.
- 제작되어진 테스트 요소의 디자인은 Table 1과 같이 구분하여 벤딩(bending)의 특성을 평가하였다. 벤딩 특성은 앵커 구조물의 평행한 높이로부터 벗어난 길이를 기준으로 정의하였다.
- 제작된 볼로미터 소자의 전기적 특성을 평가하는 방법으로 Keithley 4200 SCS와 프루브 스테이션을 이용하여 I-V 특성을 평가하였다.
- 본 논문에서는 320×240 어레이를 제작하기 위하여 화소의 크기와 디자인 룰을 35 μm와 2 μm로 정하고, 테스트 구조물을 설계하여 화소를 구성하는 빔의 길이와 폭에 따른 벤딩(bending)의 특성을 평가하였다. 최종적으로 제작되어진 비정질 실리콘을 이용한 마이크로 볼로미터의 저항, 열 시정수, TCR, NETD(noise equivalent temperature difference)특성을 분석하여 평가하였다.
대상 데이터
- 우선 Fig. 1(a)와 같이 SiNx 증착되어진 Si 기판 위에 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여 약 200 nm의 Al을 증착시키고, 이를 식각하여 mirror 및 하부 전극을 제작하였다. 제작된 하부전극 위에 (b)와 같이 SOP(spin on polymer) 희생층을 도포하고, 그 위에 PECVD를 이용하여 약 200 nm의 비정질 Si을 증착시킨 뒤 흡수층의 효율을 극대화하기 위해 Ti 20 nm를 스퍼터 장비를 이용하여 증착한 뒤 이를 식각하여 패턴을 형성하였다.
- 제작되어진 비정질 실리콘 볼로미터의 SEM(scanning electron microscope) 사진은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 340×240 어레이를 바탕으로 화소의 크기는 35 μm×35 μm, 적용되어진 디자인 룰의 최소 크기는 2 μm이다.
데이터처리
- 광학적 특성 평가는 ‘Santababara’사의 ‘RTB 3000 IR test bench’를 이용하여 응답값과 잡음을 측정하였다.
- 캔틸레버 벤딩의 영향을 받은 단위 화소의 평탄도를 분석하기 위해 테스트 요소의 평가 방법으로 단위 화소의 가로 및 세로를 분석하여 Fig. 6과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
이론/모형
- 흡수층에서 증착되어진 단위막인 a-Si과 Ti 박막의 스트레스(stress)가 틸팅에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Laser Curvature 방법을 사용하였다. 그 결과 실리콘 웨이퍼 위에 a-Si 박막을 증착했을 때의 스트레스 측정값은 17 MPa이고, 실리콘 웨이퍼 위에 Ti 박막을 증착했을 때의 스트레스 측정값은 160 MPa로 측정되었다.
성능/효과
- 흡수층에서 증착되어진 단위막인 a-Si과 Ti 박막의 스트레스(stress)가 틸팅에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Laser Curvature 방법을 사용하였다. 그 결과 실리콘 웨이퍼 위에 a-Si 박막을 증착했을 때의 스트레스 측정값은 17 MPa이고, 실리콘 웨이퍼 위에 Ti 박막을 증착했을 때의 스트레스 측정값은 160 MPa로 측정되었다.
- 즉 빔의 길이가 작아질수록 벤딩의 값은 작아지고, 빔의 폭에 대한 벤딩의 영향은 줄어드는 경향을 보이고 있다. 그리고 빔의 폭이 커질수록 벤딩의 값은 적어지는 경향을 보이나, 최소값으로 수렴 후 다시 벤딩의 값이 조금 증가하는 결과를 얻게 되었다. 이와 같은 분석 결과는 마이크로 볼로미터 제작 시에 캔틸레버의 길이가 작아질수록, 작은 너비 보다는 너비가 넓을수록 벤딩의 영향을 적게 받음을 확인 할 수 있다.
- 또한, 320×240 어레이 및 35 um 피치 설계를 적용하여 상용화 가능한 수준의 공정을 도입하여 우수한 NETD 특성을 얻을 수 있었다.
- 미세 피치를 가진 마이크로 볼로미터 설계에서 적외선 흡수효율을 높이고, 구조적으로 안정한 미러를 제작하기 위해 빔 형태의 테스트 구조물을 제작하고 평가하였다. 빔의 길이가 작아질수록 벤딩이 작아지고, 캔틸레버의 너비가 작아질수록 벤딩의 영향이 커진다는 것을 확인하였다. 화소의 크기와 디자인 룰을 35 μm와 2 μm으로 적용하여 320×240 어레이를 가진 마이크로 볼로미터를 제작하였고, 흡수층의 평탄도를 분석하여 틸팅이 되어진 원인을 분석한 결과 앵커부의 Mis-align이 영향이 큰 것을 확인하였다.
- 이와 같은 결과를 바탕으로 제작되어진 마이크로 볼로미터의 흡수층은 왼쪽 보다는 오른쪽, 아래쪽 보다는 위쪽 방향으로 틸팅(tilting)이 되어져 있음을 알 수 있다. 앞서 분석한 테스트 구조물의 요소 평가 결과로 부터 마이크로 볼로미터의 캔틸레버 벤딩에 대한 영향이 작은 결과에 비추어, 흡수층의 틸팅 현상은 앵커 제작 공정 중에서 생긴 미스 얼라인(mis-align)의 영향으로 판단된다.
- 그리고 빔의 폭이 커질수록 벤딩의 값은 적어지는 경향을 보이나, 최소값으로 수렴 후 다시 벤딩의 값이 조금 증가하는 결과를 얻게 되었다. 이와 같은 분석 결과는 마이크로 볼로미터 제작 시에 캔틸레버의 길이가 작아질수록, 작은 너비 보다는 너비가 넓을수록 벤딩의 영향을 적게 받음을 확인 할 수 있다. 제작되어진 마이크로 볼로미터의 화소 크기가 35 μm×35 μm일 경우 상대적으로 벤딩의 영향은 작다는 것을 알 수 있다.
- 제작 되어진 마이크로 볼로미터의 온도저항계수(TCR)는 −2 %/K, 열시상수는 1.99 ms, 온도분해능(NETD) 145 mK으로 측정되었다.
- 4에서의 이론적 벤딩의 경향과 동일함을 알 수 있다. 즉 빔의 길이가 작아질수록 벤딩의 값은 작아지고, 빔의 폭에 대한 벤딩의 영향은 줄어드는 경향을 보이고 있다. 그리고 빔의 폭이 커질수록 벤딩의 값은 적어지는 경향을 보이나, 최소값으로 수렴 후 다시 벤딩의 값이 조금 증가하는 결과를 얻게 되었다.
- 화소의 크기와 디자인 룰을 35 μm와 2 μm으로 적용하여 320×240 어레이를 가진 마이크로 볼로미터를 제작하였고, 흡수층의 평탄도를 분석하여 틸팅이 되어진 원인을 분석한 결과 앵커부의 Mis-align이 영향이 큰 것을 확인하였다.
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