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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김경환
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 가천대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
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본 논문에서는 비냉각 적외선 검출기에 적용하기 위한 마이크로 볼로미터 연구로서 공정 간소화를 위해 단순 2층 구조를 제안하였고 상용화 수준의 온도 분해능을 달성하기 위한 설계 평가와 제작 평가 연구를 진행 하였다. 연구 되어진 마이크로 볼로미터에는 Micromachining 기법이 용이하며 실리콘 집적화와 단일화 공정이 유리한 비정질 실리콘 박막을 저항체로 적용하였고, 적외선 흡수율이 우수한 Titanium 박막을 흡수층으로 적용 하였다.
일반적으로 마이크로 볼로미터는 열적 고립 구조로 제작 되어 지는데 본 연구에서는 비정질 실리콘 박막과 Titanium 박막의 적용시 열적 고립 구조 설계와 이에 대한 소자를 제작 비교 평가하였다. 비정질 실리콘 박막은 PECVD 공정으로 제작 연구 하였고, 도핑 농도 유형, 도핑 농도, 증착 파워에 대한 비저항 특성을 연구하였다. 비정질 실리콘 박막은 저항체로 사용되어지기 위해서는 낮은 비저항 특성에 2% 이상의 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 특성을 가질수 있도록 비저항이 200 Ω-㎝ 인 비정질 실리콘 박막을 마이크로 볼로미터 제작 연구에 적용 하였다. 도핑 유형에서는 n-type 에 비해 p-type 인 경우가 마이크로 볼로미터에서는 노이즈가 낮아 검출도가 더 높은 결과가 연구 되었다. 또한 흡수층 박막인 Ti 는 DC sputtering의 증착 시간에 따른 면저항 특성을 분석 하였고 이때 박막의 두께가 230 Å에서 적외선 흡수율이 최대인 면저항 377 Ω/□ 을 나타내었다.
마이크로 볼로미터 제작에서는 폴리이미드 희생층을 이용한 Surface micromachining 기법을 이용하는데 이때 희생층 제거 공정으로 인한 흡수층과 반사층은 표면의 정량적 성분 변화, 적외선 흡수율과 반사율의 변화가 O2 플라즈마 영향에 의해 영향을 있음을 알 수 있었다. 그러나 마이크로 볼로미터의 박막 구조에서의 적외선 흡수율은 흡수층이 적용되어진 Ti/a-Si:H 박막구조가 a-Si:H 박막에 비해 우수하였고, 75 % 정도로 우수한 적외선 흡수율 특성 결과를 보였다.
2앵커 구조의 마이크로 볼로미터에 Ti/a-Si:H 박막 단순 2층 구조를 적용시 TCR 결과가 ?2.3 %/K 정도로 양호한 결과를 나타내었다.
최종적으로 46×46 ㎛2 픽셀 피치 크기의 2앵커 마이크로 볼로미터 평가 연구에서는 Ti 두께가 230 Å, p-type의 비정질 실리콘 두께가 2,000Å 단순 2층 구조에서는 열전도도가 9×10-8 W/K 로 우수한 열적 고립구조로 평가 되어졌고, Self-Heating을 고려한 인가 바이어스를 4V 이하 일 때 열시상수인 반치 주파수 80 Hz 내에서 최대 응답도는 5×104 V/W, 노이즈는 2.5 μV/(Hz)1/2, 검출도는 최대 3×108 cm(Hz)1/2/W 의 결과를 얻을 수 있었으며, 이때 온도 분해능은 115 mK～235 mK 측정 되어져 고해상도 비냉각 검출기로의 적용에 적합한 것으로 사료되어진다.
일반적으로 마이크로 볼로미터는 열적 고립 구조로 제작 되어 지는데 본 연구에서는 비정질 실리콘 박막과 Titanium 박막의 적용시 열적 고립 구조 설계와 이에 대한 소자를 제작 비교 평가하였다. 비정질 실리콘 박막은 PECVD 공정으로 제작 연구 하였고, 도핑 농도 유형, 도핑 농도, 증착 파워에 대한 비저항 특성을 연구하였다. 비정질 실리콘 박막은 저항체로 사용되어지기 위해서는 낮은 비저항 특성에 2% 이상의 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 특성을 가질수 있도록 비저항이 200 Ω-㎝ 인 비정질 실리콘 박막을 마이크로 볼로미터 제작 연구에 적용 하였다. 도핑 유형에서는 n-type 에 비해 p-type 인 경우가 마이크로 볼로미터에서는 노이즈가 낮아 검출도가 더 높은 결과가 연구 되었다. 또한 흡수층 박막인 Ti 는 DC sputtering의 증착 시간에 따른 면저항 특성을 분석 하였고 이때 박막의 두께가 230 Å에서 적외선 흡수율이 최대인 면저항 377 Ω/□ 을 나타내었다.
마이크로 볼로미터 제작에서는 폴리이미드 희생층을 이용한 Surface micromachining 기법을 이용하는데 이때 희생층 제거 공정으로 인한 흡수층과 반사층은 표면의 정량적 성분 변화, 적외선 흡수율과 반사율의 변화가 O2 플라즈마 영향에 의해 영향을 있음을 알 수 있었다. 그러나 마이크로 볼로미터의 박막 구조에서의 적외선 흡수율은 흡수층이 적용되어진 Ti/a-Si:H 박막구조가 a-Si:H 박막에 비해 우수하였고, 75 % 정도로 우수한 적외선 흡수율 특성 결과를 보였다.
2앵커 구조의 마이크로 볼로미터에 Ti/a-Si:H 박막 단순 2층 구조를 적용시 TCR 결과가 ?2.3 %/K 정도로 양호한 결과를 나타내었다.
최종적으로 46×46 ㎛2 픽셀 피치 크기의 2앵커 마이크로 볼로미터 평가 연구에서는 Ti 두께가 230 Å, p-type의 비정질 실리콘 두께가 2,000Å 단순 2층 구조에서는 열전도도가 9×10-8 W/K 로 우수한 열적 고립구조로 평가 되어졌고, Self-Heating을 고려한 인가 바이어스를 4V 이하 일 때 열시상수인 반치 주파수 80 Hz 내에서 최대 응답도는 5×104 V/W, 노이즈는 2.5 μV/(Hz)1/2, 검출도는 최대 3×108 cm(Hz)1/2/W 의 결과를 얻을 수 있었으며, 이때 온도 분해능은 115 mK～235 mK 측정 되어져 고해상도 비냉각 검출기로의 적용에 적합한 것으로 사료되어진다.
목차
국 문 초 록 1제 1 장 서론 3제 2 장 관련 이론 72.1. 적외선 이론 72.2. Stefan_Boltzmann 법칙 92.3. Planck'' Curve 102.4. Kirchhoff의 법칙 102.5. 마이크로 볼로미터 132.6. 볼로미터 센서의 성능 지표 152.6.1 응답도 (Responsivity) 152.6.2 검출도(Detectivity) 182.6.3 유효 면적(Fill-factor) 192.6.4 응답속도 20제 3 장 마이크로 볼로미터 설계 및 제작 223.1 마이크로볼로미터 설계 243.1.1 볼로미터의 열적 고립구조 설계 253.1.2 4 앵커 마이크로볼로미터 열적고립구조 설계 313.1.3 2 앵커 마이크로 볼로미터 열적고립 구조 343.1.4 공동 흡수 구조 설계 413.2 마이크로 볼로미터의 제작 453.2.1 Polyimide 희생층 제작 연구 453.2.2 금속 반사층 공정 483.2.3 a-Si:H 박막 연구 543.2.3.1 PECVD a-Si:H 박막 증착 연구 543.2.3.2 a-Si:H 저항 특성 593.2.4 Ti 흡수층 공정 683.2.5 희생층 제거 공정 연구 793.2.6 마이크로 볼로미터 공정 설계 및 제작 83제 4 장 마이크로 볼로미터의 성능 평가 연구 894.1 TCR 특성 평가 연구 894.2 열적 고립구조 특성 평가 연구 924.3 광학적 응답 특성 평가 연구 974.3.1 적외선 광원의 이해 974.3.2 광학적 특성 평가 연구 102제 5 장 결론 114참 고 문 헌 118Abstract 125감사의 글 127
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