[논문]높은 열저항 계수를 가지는 비냉각형 적외선 열영상 이미지 센서용 MDTF(Metal-dielectric Thin Film)에 관한 연구

정은식; 정세진; 강이구; 성만영

doi:10.4313/jkem.2012.25.5.366

문제 정의

적외선을 감지하는 감지층은 지금까지 금속, 반도체, 초전도체 등 세계적으로 여러 가지 물질이 활발하게 연구되고 있다. 이에 본 논문에서는 비냉각형 마이크로 볼로미터 검출기의 적외선 감지층으로 SiOx-Metal 계열의 MDTF (metal-dielectric thin film)를 사용하여 높은 열저항 계수와 높은 열흡수율 가지며, 낮은 노이즈 특성 구현을 위한 연구를 진행하였다.

제안 방법

그 중에서도 장파장 (long-wave infrared, LWIR) 영역인 8∼14 ㎛, 중파장 (middle-wave infrared, MWIR) 영역인 3∼5 ㎛에서는 흡수 및 충돌을 일으키지 않고 대기를 무사히 통과하는 대기 투과창 성질을 이용하여 적외선 혹은 열영상 검출기를 제작한다.
일반 실리콘 웨이퍼는 MDTF를 증착하기 전에 passivation layer를 증착해야 하는 불편함을 덜기 위해 전기적으로 이미 절연특성을 갖고 있는 glass wafer를 사용하였다. 그리고 프로브 스테이션의 프로브를 MDTF에 직접 접촉할 경우 막의 손상이나 측정 오차를 야기할 수 있기 때문에 증착된 MDTF 위에 특정한 금속층을 패터닝하여 금속층에 프로브를 접촉하여 설계한 대로 MDTF의 저항을 측정할 수 있도록 하여 측정 오차를 최소화하였다. 또한 웨이퍼 chuck에 온도를 가변할 수 있는 프로브 스테이션과 I-V 측정 장비인 SCS-4200을 이용하여 MDTF의 25℃로 부터 60℃까지 5℃ 간격으로 온도를 변화하여 각각의 온도 구간에서의 전류-전압 특성을 측정하고 특정한 바이어스에서의 저항값을 온도마다 추출하여 온도에 따른 저항 변화를 기록하여 TCR을 측정하였다.
그림 1은 진공 증착 과정을 통해 증착된 MDTF에 대한 결과로 앞서 논의한 특성 측정을 위한 3가지 방법에 맞춰 실리콘 웨이퍼와 Ge window 그리고 TCR 측정을 위한 glass wafer에 각각 증착을 하였다.
그리고 프로브 스테이션의 프로브를 MDTF에 직접 접촉할 경우 막의 손상이나 측정 오차를 야기할 수 있기 때문에 증착된 MDTF 위에 특정한 금속층을 패터닝하여 금속층에 프로브를 접촉하여 설계한 대로 MDTF의 저항을 측정할 수 있도록 하여 측정 오차를 최소화하였다. 또한 웨이퍼 chuck에 온도를 가변할 수 있는 프로브 스테이션과 I-V 측정 장비인 SCS-4200을 이용하여 MDTF의 25℃로 부터 60℃까지 5℃ 간격으로 온도를 변화하여 각각의 온도 구간에서의 전류-전압 특성을 측정하고 특정한 바이어스에서의 저항값을 온도마다 추출하여 온도에 따른 저항 변화를 기록하여 TCR을 측정하였다. 그림 5(a)는 MDTF의 온도 별 저항 특성이다.
본 논문에서는 MEMS 공정으로 제작되는 비냉각형 마이크로 볼로미터 검출기의 적외선 감지도 향상을 위해 적외선 감지층으로 SiOx-metal 계열의 MDTF (metal-dielectric thin film)를 사용하여 높은 열저항 계수와 높은 열흡수율 가지며, 낮은 노이즈 특성 구현하기 위해 MDTF를 진공 증착 방법을 통해 물성 분석을 위한 실리콘 웨이퍼, TCR (temperature coefficient of resistance) 측정을 위한 glass wafer, FT-IR (fourier transform infrared spectroscopy) 측정을 위한 germanium window에 각각 제작하여 그 특성을 분석하였다. 분석 결과 (SiO₂)₇-(Ti)₃로 조성된 MDTF에서 -3 [%/K] 이상의 TCR 특성과 8∼12 um 파장영역에서의 흡수율이 70% 가까운 특성을 도출하였다.
TCR이란 온도 변화에 의한 저항의 변화율을 수치화한 값으로 온도와 저항의 관계식인 식 1과 같이 표현된다 [4]. 식 1을 이용하여 TCR을 계산하기 위하여 MDTF의 온도에 따른 저항의 변화를 측정하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 비냉각형 마이크로 볼로미터 검출기의 적외선 감지층으로 사용하기 위해 다음과 같은 실험 진행 순서로 MDTF를 제작하고 제작한 MDTF를 분석하기 위해 조성 분석용 기판인 실리콘 웨이퍼, TCR 분석용 기판인 glass 및 FT-IR 분석용 기판인 Ge window를 분석 특성에 맞게 준비하였으며 진공증착에 필요한 보트 (boat)인 텅스텐 보트 (tungsten boat)를 증착 조건 실험에 준비하였다. 실험 방법은 그림 1의 순서처럼 다음과 같이 진행한다.
진공 증착에 사용되는 boats는 두께가 약 0.15∼0.3 mm 정도의 tungsten foil을 사용한다.

데이터처리

FT-IR은 측정할 시료의 구성된 분자에 의해 적외선에너지가 흡수되는 등의 특성을 이용하여 빛의 간섭현상으로 주파수로 분광하여 적외선 영역에서 시료가 구성된 물질이 어떤 특성을 보이는 지를 측정하는 것으로, 적외선 영역의 투과율, 반사율 또는 흡수율 등의 특성을 측정하는데 많이 이용되는 장비이다 [5]. 측정할 시료의 정확한 분석을 위해 측정할 적외선 영역에서 투과도가 높으며 일정한 물질인 germanium window를 사용하여 분석의 신뢰성을 높였다. 그림 7에서 보듯이 흡수특성의 목표인 8∼12 um에서의 흡수 특성을 볼 수 있었으며 목표 파장대역인 10 um 부근에서의 투과율이 약 30∼40% 정도의 투과특성을 보인다.

성능/효과

또한 (SiO2)x-(Ti)y의 혼합비율에 따라 EDAX 방법으로 분석한 기판의 element 비율을 표 2에 나타내었다. x:y 중 y의 비율이 증가할수록 전체 비율에서 Ti가 차지하는 비율이 증가하는 것을 알 수 있으며, 특이하게 텅스텐이 검출되었는데, 이는 반대로 y의 비율이 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다. 텅스텐은 혼합물을 담은 보트의 성분이다.
9×10-20[J]이다. 결국 TCR은 수식에서 정의된 것과 같이 온도와 Ea의 관계식으로 정의되며 그림 6에서 보는 바와 같이 상온 근처에서 -3 [%/K] 이상의 TCR 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 MEMS 공정으로 제작되는 비냉각형 마이크로 볼로미터 검출기의 적외선 감지도 향상을 위해 적외선 감지층으로 SiOx-metal 계열의 MDTF (metal-dielectric thin film)를 사용하여 높은 열저항 계수와 높은 열흡수율 가지며, 낮은 노이즈 특성 구현하기 위해 MDTF를 진공 증착 방법을 통해 물성 분석을 위한 실리콘 웨이퍼, TCR (temperature coefficient of resistance) 측정을 위한 glass wafer, FT-IR (fourier transform infrared spectroscopy) 측정을 위한 germanium window에 각각 제작하여 그 특성을 분석하였다. 분석 결과 (SiO₂)₇-(Ti)₃로 조성된 MDTF에서 -3 [%/K] 이상의 TCR 특성과 8∼12 um 파장영역에서의 흡수율이 70% 가까운 특성을 도출하였다.

후속연구

하지만 x:y의 비율이 8:2나 7:3일 경우 상대적으로 텅스텐의 비율이 낮아 기판에 증착한 MDTF에 전기적 광학적 특성에는 큰 영향이 없었다. 면저항 측정 시 나타났던 불균일성 특성이나 보트 성분의 불순물의 증착은 향후 E-beam 증착방법을 고찰하여 해결해 나아가야 하겠다.

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