원자층 증착법으로 제조한 비냉각 마이크로볼로미터용 VOx 박막의 저항 온도 계수 향상 방안 연구

Abstract

코로나 바이러스가 창궐함에 따라 열화상 카메라와 온도 센서에 대한 수요가 급증하였다. 특히 공공 장소에서 다수의 체온을 빠르게 측정하고, 저조도 조건에서도 열과 열 이미지를 제공하는 고해상도 적외선 카메라에 대한 요구가 많다. 이에 따라 측정 거리를 확보하면서 열 영상 화면을 제공하여 다수의 온도를 빠르게 스캔할 수 있는 비냉각형 마이크로볼로미터가 주목받고 있다. 다양한 화학 양론비를 가지는 Vanadium oxide는 금속성 상과 비금속성 상을 동시에 가지고 있으며 양론비에 따라 다른 저항 특성을 보이기 때문에 비냉각형 마이크로볼로미터의 적외선 감지 물질로 적합하다. 하지만 화학 양론비의 제어가 까다롭고, 준안정상의 형성을 최소화하여 안정한 박막을 제조하는 것이 어려워 기술 및 연구 난이도를 높은 물질이기도 하다. 이 논문에서는 VOx를 비냉각형 마이크로볼로미터의 적외선 감지 물질로 사용하기 위해 갖춰야 할 저항 특성을 향상시키고 저온 열처리가 가능한 공정을 개발하여 소자 공정 도입 가능성을 높인다. 첫째로, Atomic Layer Deposition을 사용하여 Vanadium Oxide를 증착하였다. Al2O3를 0, 1, 5, 10 cycle super cycle 증착하여 laminate structure를 구성하였으며 Rapid Thermal Annealing 장비를 이용하여 O2 분위기에서 열처리를 진행하였다. 저항 범위 100kΩ 이하의 박막을 제조하였으며 저항 특성 비교 및 분석을 진행하였다. Titanium 전극을 이용하여 저항 특성을 확인하였으며 VOx 600cycle 대비 5cycle 도핑 샘플에서 상온 기준 TCR -2.22%/K를 확인하였다. XRD, TEM 등 분석을 통해 Al dopants가 VOx의 oxygen 탈착을 유도하여 TCR value를 향상시킬 수 있음을 확인하였으며 Atomic Force Microscopy를 통해 Al doping량 증가에 따라 표면 거칠기가 증가하는 것을 확인하였다. 둘째로, Al2O3 passivation layer를 VOx 필름 상부 증착하여 TCR value 추가 향상 가능성을 확인하였다. 앞선 연구를 통해 확인한 Al 적정 도핑 비율 600:5샘플에 Al2O3 passivation layer를 ALD in-situ 증착하였으며 TCR 추가 향상 (-1.75%/K -> -3.14%/K)을 확인하였다. 마지막으로, Al doped VOx의 효율적인 저항 control을 위해 CVD를 이용한 NH3 gas annealing process를 진행하였다. 강한 환원 분위기를 조성하여 VOx의 효과적인 oxygen 탈착을 유도하여 저항 controllability를 확보하였고 결정화를 유도하여 안정성을 확보하였다. 이를 통해 공정 제한 온도 내에서 충분한 결정화 에너지를 제공하는 저온 열처리 공정을 개발하였으며 공정 적합도 및 소자 공정 도입 가능성을 확보하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 VOx를 마이크로볼로미터 적외선 감지막 물질로 사용하고 실제 소자에 도입하기 위하여 고품질 대면적 VOx 형성 기술, 우수한 저항 특성과 공정 적합도를 갖춘 조건을 탐색하고 공정 기술을 개발하였다. 이를 통해 원천 소재 기술을 확보하고 열 감지 소재의 국산화를 통해 소자 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대한다.