• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• v.6 no.4
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• pp.299-312
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• 2006

This paper presents the results of a novel test structure for process control monitor for uncooled IR detector technology of microbolometer arrays. The proposed test structure is based on resistive network configuration. The theoretical model for resistance of this network has been developed using 'Compensation' and 'Superposition' network theorems. The theoretical results of proposed resistive network have been verified by wired hardware testing as well as using an actual 16x16 networked bolometer array. The proposed structure uses simple two-level metal process and is easy to integrate with standard CMOS process line. The proposed structure can imitate the performance of actual fabricated version of area array closely and it uses only 32 pins instead of 512 using conventional method for a $16{\times}16$ array. Further, it has been demonstrated that the defective or faulty elements can be identified vividly using extraction matrix, whose values are quite similar(within the error of 0.1%), which verifies the algorithm in small variation case(${\sim}1%$ variation). For example, an element, intentionally damaged electrically, has been shown to have the difference magnitude much higher than rest of the elements(1.45 a.u. as compared to ${\sim}$ 0.25 a.u. of others), confirming that it is defective. Further, for the devices having non-uniformity ${\leq}$ 10%, both the actual non-uniformity and faults are predicted well. Finally, using our analysis, we have been able to grade(pass or fail) 60 actual devices based on quantitative estimation of non-uniformity ranging from ＜ 5% to ＞ 20%. Additionally, we have been able to identify the number of bad elements ranging from 0 to ＞ 15 in above devices.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.30 no.1
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• pp.17-22
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• 2017

Effects of pH value and deposition time on the electrical properties of (NMC) Ni-Mn-Cu-O and (NMCC) Ni-Mn-Cu-Co-O thin films were investigated. The NMC and NMCC films were prepared by spin spray method. The crystal structure and thickness of the annealed films were changed by the pH value and deposition time, respectively. A single phase of cubic spinel structure was confirmed for the annealed films deposited from solutions with pH 7.6. The resistivity of the annealed films was affected by the crystal structure and microstructure. The TCR (temperature coefficient of resistance) was dependent on the $Mn^{3+}/Mn^{4+}$. Typically, the resistivity of $70.5{\Omega}{\cdot}cm$ and TCR of -3.56%/K at room temperature were obtained for NMCC films deposited from solutions with pH 7.6 for 5 min, and annealed at $450^{\circ}C$ for 3 h.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.376.2-376.2
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• 2014

마이크로볼로미터 적외선 센서는 인체감지, 전자부품의 품질검사, 에너지 절감, 산업시설감시 및 군사용으로 다양하게 적용되고 있다. 기존에 이러한 적외선 센서의 감지재료로 VOx 또는 비정질 Si이 가장 많이 사용되고 있으며, VOx는 감도가 높고, 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 물질이다. 본 연구에서는 기존의 VOx 박막 증착법을 개선하여 Zn 산화물 박막을 혼용한 적외선 감지재료를 이용한 마이크로볼로미터 제작 및 특성에 대해 보고한다. RF sputtering 방법으로 약 140 nm의 VOx/ZnO/VOx 샌드위치 박막을 증착하고, 산소분위기에서 열처리함으로써 온도저항계수(TCR)가 약 -3.0 %/K의 값을 갖는 특성을 구현하였다. 갓 증착된 V-Zn 박막에서는 XRD 스펙트럼에서는 V2O5 관련 피크가 주로 관측되었으며, 산소열처리에 의해 VO2 피크가 새롭게 관측되었다. 볼로미터 감지소자는 유효면적 $50{\times}50{\mu}m^2$ 으로 bulk micromaching 공정을 통해 제작하였다. Si 기판위에 SiNx 박막을 PECVD 장치를 이용하여 증착하였으며, 적외선 감지층으로 V-Zn 산화물을 RF sputtering 방법으로 증착하여 열처리 후 SiNx passivation 박막으로 보호하였다. 열적고립을 위해 패터닝 후 Si 기판을 KOH 용액을 이용하여 약 $20{\mu}m$ 식각하여 소자를 구현하였다. 제작된 소자의 특성을 평가한 결과 반응도는 1.57e+4 V/W, 탐지도는 $8.79e+7cmHz^{1/2}/W$를 얻을 수 있었다. 소자의 동작 특성을 평가하기 위해 진공 압력을 1e-3 torr 이하에서 thermoelectric cooler를 장착한 metal package를 제작하여 동작온도에 따른 특성을 평가하였다. 동작온도를 $10^{\circ}C{\sim}40^{\circ}C$로 하여 측정한 결과 동작온도가 증가할수록 신호전압은 감소함을 알 수 있었다.

• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.24 no.6
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• pp.379-384
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• 2015

An infrared image sensor is a core device in a thermal imaging system. The fabrication method of a focal plane array (FPA) is a key technology for a high resolution infrared image sensor. Each pixels in the FPA have $Si_3N_4/SiO_2$ membranes including legs to deposit bolometric materials and electrodes on Si readout circuits (ROIC). Instead of polyimide used to form a sacrificial layer, the feasibility of an amorphous silicon (${\alpha}-Si$) was verified experimentally in a $8{\times}8$ micro-bolometer array with a $50{\mu}m$ pitch. The elimination of the polyimide sacrificial layer hardened by a following plasma assisted deposition process is sometimes far from perfect, and thus requires longer plasma ashing times leading to the deformation of the membrane and leg. Since the amorphous Si could be removed in $XeF_2$ gas at room temperature, however, the fabricated micro-bolomertic structure was not damaged seriously. A radio frequency (RF) sputtered nickel oxide film was grown on a $Si_3N_4/SiO_2$ membrane fabricated using a low stress silicon nitride (LSSiN) technology with a LPCVD system. The deformation of the membrane was effectively reduced by a combining the ${\alpha}-Si$ and LSSiN process for a nickel oxide micro-bolometer.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.236-236
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• 2013

비냉각 적외선 검출기는 산업용 군사용으로 최근 각광을 받고 있다. 이는 주야간 빛이 없는 곳에서도 사물의 열을 감지할 수 있어 인체감지 및 보안감시, 에너지 절감 등에 응용될 수 있는 핵심부품이다. 비냉각 적외선 검출기로는 재료의 저항의 변화를 감지하는 마이크로볼로미터형이 가장 많이 사용된다. 감지재료로는 비정질 실리콘(a-Si)과 산화바나듐(VOx)이 가장 많이 사용된다. VOx 박막은 일반적으로 RF sputtering 방법으로 증착이 되며, 저항이 낮고, 저항의 온도변화 계수(TCR)가 크며 신호 대 잡음 특성이 우수한 반면 산소(oxygen) phase가 다양하여 갓 증착된 상태의 박막은 재현성이 떨어지는 단점이 있다. 본 연구에서는 기존의 V 타겟을 사용한 VOx 박막을 증착하는 방법을 개선하여 ZnO 나노박막을 중간에 삽입하여 저항 특성을 조절할 뿐만 아니라 열처리에 의해 TCR 값을 향상시키고, VO2 phase 가 주로 나타나는 박막 증착 및 공정 방법을 소개한다. RF sputtering 장비를 이용하여 산소와 아르곤 가스의 혼합비를 4.5로 하였으며, VOx 증착 시 플라즈마 Power는 150 W 로 하여 상온에서 증착하였다. 갓 증착된 VOx 다층박막의 XRD 스펙트럼은 V2O5 피크가 주된 상을 이루고 있었으며, 산소열처리에 의해 VO2 상이 주로 나타남을 알 수 있었다. TCR 값은 갓 증착된 샘플에서 -0.13%/K의 값을 얻었으며, $300^{\circ}C$에서 50분간 열처리 후 -3.37%/K 으로 급격히 향상됨을 알 수 있었다. 저항은 열처리 후 약 100 kohm으로 낮아져 검출소자를 위한 조건에 적합한 특성을 얻을 수 있었다. 또한 산소열처리의 온도 및 시간에 따라 TCR 및 표면 거칠기 특성을 조사하였으며, 최적의 열처리 조건을 얻고자 하였다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.17 no.2
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• pp.130-137
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• 2008

$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$ films were deposited on $SiO_2$/Si and Si substrates annealed at $350^{\circ}C$ by rf magnetron sputtering. The oxygen gas flow rates were varied as 0, 40, and 80 sccm. Without post annealing process, $La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$ thin films on $SiO_2$/Si and Si substrates were polycrystalline with (100), (110), and (200) growth planes. The grain size of $La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$ thin films was increased with increasing oxygen gas flow rate. The sheet resistance of $La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$ thin films was decreased with oxygen flow rate due to the increased grain size which induced a reduction of grain boundary. TCR (temperature coefficient of resistance) values of $La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$ thin films were obtained from -2.0% to -2.2%.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.361-361
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• 2013

비냉각 적외선 검출소자는 빛이 전혀 없는 환경에서도 사물을 감지하는 열상장비의 핵심소자이다. 마이크로볼로미터 적외선 검출기는 상온에서 동작하며, 온도안정화를 위해 TEC를 장착하여 진공패키지로 조립된다. 패키지는 진공을 유지할 수 있도록 일반적으로 메탈로 제작되며, 단가 감소 및 생산성 증대를 위해 wafer level packaging 방법을 이용한다. 마이크로볼로미터의 특성은 패키지의 진공 변화에 매우 민감하다. 센서의 감도를 증가시키기 위해서는 진공환경을 유지해야 한다. 볼로미터 소자의 특성은 상압에서 열전도는 기판과 멤브레인 사이의 에어갭을 통해 열손실을 야기하므로 센서의 반응도가 현저히 줄어든다. 에어갭이 1 um 정도 되더라도 그 사이에 존재하는 열전도가 가능하므로 진공을 유지하여 열고립 상태를 증대시킬 수 있다. 이에 본 연구에서는 소자의 동작시 압력, 즉 진공도가 볼로미터 소자의 반응도 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 마이크로볼로미터 소자는 $2{\times}8$ 어레이 형태로 제작하였으며, metal pad를 각 단위셀에 배치하였으며, 공통전극으로 한 개의 metal pad를 넣어 설계하였다. 흡수체로써 VOx를 사용하였으며, 열 고립구조를 위해 2.5 um 공명 흡수층의 floating 구조로 멤브레인을 형성하였다. 진공패키지는 메탈패키지를 제작하여 볼로미터 칩을 TEC 위에 장착하였으며, 신호의 감지를 위해 가변저항을 매칭시켰다. 반응도는 신호 대 잡음 값을 획득하여 소자에 도달하는 적외선 에너지에 대해 반응하는 값을 계산에 의해 얻어내는 것이다. 픽셀 크기는 $50{\times}50$ um이며, 패키지 조립 공정 후 온도변화에 따른 저항 측정을 통해 TCR 값을 얻었다. 이때 TCR은 약 -2.5%/K으로 나타났다. $2{\times}8$의 4개 단위소자에 대해 측정한 값은 균일하게 TCR 값이 나타났다. 광반응 특성은 볼로미터 단위소자에 대해서 먼저 고진공(5e-6 torr) 하에서 측정하였으며, 반응도는 25,000 V/W의 값을 나타내었고, 탐지도는 약 2e+8 $cmHz_{1/2}$/W로 나타났다. 패키지의 압력 조절을 위해 TMP 및 로터리 펌프를 이용하여 100 torr에서 1e-4 torr의 범위에서 압력조절 밸브를 이용하여 질소가스의 압력으로 진공도를 변화시켰다. 적외선 반응신호는 압력이 증가함에 따라 감소하였으며, 2e-1 torr의 압력에서 신호의 크기가 감소하기 시작하여 5 torr에서 반응도의 1/2 값을 나타냄을 알 수 있었다. 30 torr 이상에서는 신호가 잡음값 과거의 동일하여 신호대 잡음비가 1로 나타남을 알 수 있었다. 또한 진공도 변화에 대해, 흑체온도에 따른 반응도 및 탐지도의 특성을 조사한 결과를 발표한다. 반응도의 증가를 위해 진공도는 진공도는 1e-2 torr 이하의 압력을 유지해야 함을 본 실험을 통해 알 수 있었다.

• Korean Journal of Optics and Photonics
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• v.30 no.2
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• pp.37-47
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• 2019

A reflecting omnidirectional optical system with four spherical and aspherical mirrors, for use with long-wavelength infrared light (LWIR) for night surveillance, is proposed. It is designed to include a collecting pseudo-Cassegrain reflector and an imaging inverse pseudo-Cassegrain reflector, and the design process and performance analysis is reported in detail. The half-field of view (HFOV) and F-number of this optical system are $40-110^{\circ}$ and 1.56, respectively. To use the LWIR imaging, the size of the image must be similar to that of the microbolometer sensor for LWIR. As a result, the size of the image must be $5.9mm{\times}5.9mm$ if possible. The image size ratio for an HFOV range of $40^{\circ}$ to $110^{\circ}$ after optimizing the design is 48.86%. At a spatial frequency of 20 lp/mm when the HFOV is $110^{\circ}$, the modulation transfer function (MTF) for LWIR is 0.381. Additionally, the cumulative probability of tolerance for the LWIR at a spatial frequency of 20 lp/mm is 99.75%. As a result of athermalization analysis in the temperature range of $-32^{\circ}C$ to $+55^{\circ}C$, we find that the secondary mirror of the inverse pseudo-Cassegrain reflector can function as a compensator, to alleviate MTF degradation with rising temperature.