http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.5.311 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
안테나 결합형 볼로미터 방식 테라헤르츠 센서를 이용한 이차원 주사 방식의 투과형 테라헤르츠 영상 취득에 관한 연구
이경일+ · 임병직· 원종석· 홍성민· 박재현· 이대성
Terahertz Transmission Imaging with Antenna-Coupled Bolometer Sensor
Kyoung Il Lee+, Byung Jik Lim, Jongsuk Won, Sung Min Hong, Jae Hyoun Park, and Dae Sung Lee
Abstract
An antenna-coupled bolometer-type terahertz sensor was designed, fabricated, evaluated, and utilized to obtain terahertz transmission images. The sensor consists of a thin film bowtie antenna that resonates accordingly in response to an incident terahertz beam, a heater that converts the applied current in the antenna into heat, and a microbolometer that converts the rise in temperature into a change in resistance. The device is fabricated by a bulk micromachining process on a 4-inch silicon wafer. The fabricated sensor chip has a size of 2 × 2 mm and an active area of 0.1 × 0.1 mm
2. The temperature coefficient of resistance (TCR) of the bolometer film (VOx) is 2.0%, which is acceptable for bolometer applications. The output sensor signal is proportional to the power of the incident terahertz beam. Transmission images were obtained with a 2-axis scanning imaging system that contained the sensor. The small active area of the sensor will enable the development of highly sensitive focal plane array sensors in terahertz imaging cameras in the future.
Keywords: Terahertz imaging, Antenna coupled bolometer, Micromachining, Focal Plane Array(FPA), Uncoold camera
1. 서 론
테라헤르츠파는 전파와 빛의 중간 성격을 가지고 있어 기존 가시광이나 적외선이 투과하지 못해 관측하기 힘든 물체의 내 부 구조를 관측하거나 물리화학적 특성을 분석하는데 유용하 다. THz TDS(Time Domain Spectroscopy) 장치의 경우 시분 할 특성을 이용해 물체의 두께나 간격을 측정하는데 유리해 많은 분야에서 이용되고 있다[1,2]. 그러나 이 방식은 단일 광 원과 감지소자를 사용하기 때문에 이미지를 얻기 위해서는 이 차원 스캔이 필요해 측정 시간이 오래 걸린다. 이를 극복하기 위해 동영상 촬영이 가능한 FPA(Focal Plnae Array) 센서를 이용한 테라헤르츠 카메라 개발이 이뤄지고 있다[3-7]. 1 THz 이하의 낮은 주파수에 대해서는 표면 플라즈몬 효과를 이용하
기도 하지만 긴 파장으로 인해 화소수를 늘리는데 한계가 있 으며[3] 그 이상의 주파수에 대해서는 대부분 비냉각 원적외 선 카메라에 사용하는 볼로미터 방식으로 개발되고 있다[4-7].
그러나 기존 볼로미터 구조로는 적외선에 비해 훨씬 파장이 긴 테라헤르츠파가 잘 흡수되지 않기 때문에 흡수층으로 금 나노와이어 구조(Gold Black)를 수십 μm 두께로 쌓거나[4]
기존 적외선용 볼로미터 구조 위에 테라헤르츠파를 잘 흡수할 수 있는 안테나를 쌓아올려 효율을 늘리기도 한다[5]. 또는 CMOS 공정의 다층 금속-절연층 구조를 이용해 메타 물질을 형성해 특정 파장에 대한 테라헤르츠 흡수율을 높히기도 한다 [6]. 그러나 현재 테라헤르츠 광원은 일부 가스 펌핑식을 제외 하면 고가의 QCL(Quantum Cascad Laser) 광원도 통상 수 mW 수준의 평균 출력에 머물고 있다[8]. 따라서 광흡수가 많이 발 생하는 각종 투과형 검사를 위해서는 작은 광량에도 민감하게 반응할 수 있는 고감도 화소 구조가 필요하다. 본 기관에서는 이를 위해 입력된 테라헤르츠파를 일반적인 적외선용 화소 크 기인 25 × 25 μm보다 훨씬 작은 크기인 2 × 2 μm 정도의 볼 로미터에 집중시켜 높은 감도를 갖는 구조의 센서를 제안했다 [7]. 본 연구에서는 이 센서를 이용한 테라헤르츠파 응답 특성 및 이를 이용한 테라헤르츠 투과 영상 취득 결과를 제시한다.
전자부품연구원 첨단소재부품연구본부 (High-tech Materials &
Components R&D Division, Korea Electronics Technology Institute) 25, Saenari-ro, Bundang-gu, Seongnam, Gyeonggi-do 151-744, Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Aug. 20, 2018, Accepted: Aug. 31, 2018)
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2. 실험 방법
2.1 센서 감지부 설계
본 센서의 감지부 구조는 Fig. 1과 같이 입사된 테라헤르츠파 를 받아들이는 안테나와 그 안테나 사이의 발열체, 그리고 그 아래 얇은 절연막 아래에 있는 저항체와 그 저항체의 저항을 측 정할 수 있는 신호선으로 구성되어 있다. 테라헤르츠파가 인가 되면 안테나에 전류가 흐르고 그로 인해 발열체에서 열이 발생 한다. 그러면 얇은 질화실리콘막을 통해 전달된 열로 인해 볼로 미터의 온도가 올라가며 음의 온도-저항 계수를 갖는 바나듐 산 화막의 특성으로 인해 그로 만들어진 볼로미터 저항이 떨어지 게 된다. 본 센서는 이 저항 변화의 크기가 입사된 테라헤르츠 파의 크기에 비례하는 것을 이용한다. 볼로미터의 크기에 비해 안테나의 크기가 훨씬 크기 때문에 안테나의 유효 면적에 입사 된 테라헤르츠파로 인한 열에너지가 작은 볼로미터에 집중되는 효과를 가져 통상적인 마이크로 볼로미터보다 훨씬 큰 저항 변 화를 초래하게 된다
2.1.1 안테나 설계
현재 사용하는 광원이 3.1 THz, 약 96 μm의 파장을 갖기 때 문에 안테나의 크기는 그에 맞춰 파장의 절반 정도 크기를 가 지도록 설계했다. 세부 설계는 상용 전자기 해석 소프트웨어인 CST 를 사용했으며 안테나의 형상, 발열체의 저항 등을 고려해 3.1 THz 에 공진이 발생하도록 설계했다.
2.1.2 소자 열 구조 설계
이 센서의 동작 원리가 받아들인 전기 에너지를 열로 바꿔 측 정하는 것이기 때문에 가급적 열용량을 낮추는 것이 유리하다.
하지만 향후 카메라에서 쓰기 위해서는 빠른 응답 속도가 필요 하며 응답 속도는 열용량과 열전도도의 비율에 의해 결정된다.
그러나 본 소자처럼 일체화되어 있는 구조에서는 열용량과 열 전도도가 독립적일 수 없기 때문에 감도를 높이다보면 응답속 도가 느려지게 된다. 따라서 카메라 동작에 요구되는 최소 응답 속도를 만족시키며 감도를 최대화할 필요가 있으며 이를 위해 Fig. 2 와 같이 유한요소해석 프로그램(ANSYS 13.0)을 통해 단 순 모델에 대한 정적 열 해석을 수행해 발열체에 인가되는 전 력에 따른 볼로미터 온도 변화를 해석해 소자 특성을 분석했다.
두께 방향의 크기가 횡방향에 비해 무척 작기 때문에 발열체에 서 발생한 열이 바로 아래에 위치한 볼로미터로 잘 전달되는 것 을 확인할 수 있었으며 볼로미터 크기가 수 μm 정도로 내려갈 경우 10
3V/W 이상의 감도를 나타내는 것으로 해석됐다. 감도 는 두께와 면적을 줄일수록 높아지지만 사진식각공정의 한계와 구조물의 기계적 안정성을 고려해 약 2 μm 정도의 최소 선폭 을 갖도록 설계했다.
2.2 소자 제작
센서의 핵심 부분인 감지부 칩은 Fig. 3과 같이 벌크 마이크 로머시닝(Bulk micromachining)을 이용해 제작되었다. 우선 4”
실리콘 기판 위에 저압기상화학증착공정(LPCVD)를 이용해 나 중에 다이아프램으로 사용될 두께 500 nm의 저응력 질화실리 콘(SiNx) 박막을 증착한다. 이후 스퍼터링 방법으로 바나듐 산 화막(VOx)을 두께 80 nm 증착하고 사진식각공정을 통해 볼로 미터 패턴을 형성한다. 그 위에 리프트오프(Lift-off) 방법으로 금/타이타늄(Au/Ti) 박막을 두께 200 nm로 증착해 신호선 및 안 테나 패턴을 한번에 형성한다. 그 위에 전기적 절연을 위해 두 께 200 nm의 산화실리콘(SiO2)막을 증착하고 사진식각공정을 통해 안테나 끝부분이 노출되도록 산화실리콘 박막을 구멍 형 태로 제거한다. 이후 알루미늄이 도핑된 아연산화막(AZO)을 두 께 200 nm로 증착하고 건식 식각 공정을 통해 발열체 패턴을 제작한다. AZO 박막은 SiO2 박막에 형성된 구멍을 통해 안테 나 패턴과 전기적으로 연결된다. 마지막으로 열용량을 줄여 센 서의 감도를 높이기 위해 볼로미터 및 안테나 패턴 하부에 있 는 직경 500 μm 정도의 실리콘을 고종횡비 건식 식각 방법으로 제거하고 개별 소자로 절단 후 아래쪽에 테라헤르츠파 흡수율 Fig. 1. Structure of antenna coupled bolometer
Fig. 2. Thermal analysis of antenna coupled bolometer
을 높이기 위해 반사판을 붙이고 테라헤르츠파를 투과시키는 Ge 소재의 창이 장착된 상용 진공 패키지에 넣어 와이어본딩으 로 패드와 단자를 연결한 후 평가에 사용했다.
2.3 측정 평가
2.3.1 산화바나듐 박막 특성 평가
감지부가 동작을 하기 위해서는 산화바나듐 박막이 평면 기 판에서처럼 온도 변화에 따라 저항이 바뀌는 특성이 나타나야 한다. 이를 확인하기 위해 소자 제작 후 칩을 열전모듈 위에 올 려놓고 칩 온도를 측정하며 온도 변화에 따라 볼로미터 패턴의 저항을 측정해 TCR값을 계산했다.
2.3.2 테라헤르츠 감지 특성
테라헤르츠파 감도 측정에 사용한 광원은 미국 Longwave Photonics 사의 QCL(Quantum Cascade Laser)를 사용했다.[9] 장 착된 다이오드는 3.1 THz용으로 테라헤르츠파가 약 3 μs 폭의 펄스 형태로 주기적으로 발진하며 최대 초당 100,000회까지 펄 스를 내보낼 수 있어 최대 약 10 mW의 테라헤르츠 평균 출력 을 가진다. 평균출력값은 초당 펄스 수로 조절이 가능하다. 광
학테이블 위에 설치된QCL에서 발진된 테라헤르츠파는 렌즈를 통해 집광되어 센서에 입사된다. 센서 유효 화소 면적이 매우 작기 때문에 수동 XYZ스테이지를 이용해 센서가 테라헤르츠 광의 초점에 위치하도록 센서 출력값이 잘 나오는 위치를 찾아 배치시켰다.
센서 출력은 아래 Fig. 4와 같이 고정저항 및 가변저항으로 구성된 바이어스 저항을 볼로미터 저항값과 동일하게 맞추고 바 이어스 전압의 1/2값이 출력되도록 하였으며 외부 잡음을 막기 위해 차폐 상자 안에 넣고 외부 앰프로 출력 신호를 내보냈다.
차동 앰프의 또다른 입력은 바이어스 전압의 1/2 값이 입력되도 록 해 테라헤르츠입력이 없을 때 차동 출력값이 0이 되도록 했 으며 테라헤르츠파 입사에 따라 온도 변화에 의해 볼로미터 저 항이 변하면 출력 전압이 변하도록 했다.
2.3.3 이차원 주사를 이용한 이미징
Fig. 5 와 6에서 볼 수 있듯이 테라헤르츠파 감지 특성을 측 정한 실험 구성에서 광학적으로 정렬된 상태로 센서 앞에
“KETI” 글씨 형태로 뚫려있는 스테인레스 스틸 금속판 (40 × 50 mm) 과 핀 홀(직경 0.5 mm)을 초점면에 배치하고 금 속판을 상용 XY 스테이지에 연결해 컴퓨터에서 오는 위치 제 어 신호를 받아 이차원으로 움직인다. 그와 동시에 컴퓨터에 서는 센서에서 나오는 신호를 증폭시켜 각 위치에 따라 배열 데이터로 저장한다.
Fig. 3. Fabrication process for terahertz sensor
Fig. 4. THz sensor signal conditioning circuit diagram
Fig. 5. Schematic of terahertz transmission imaging system
3. 결과 및 고찰
3.1 소자 제작 결과
3.1.1 감지부 제작
Fig. 7은 제작 결과를 보여준다. 개별 칩의 가운데에는 두께 500 nm의 얇은 다이아프램이 있기 때문에 절단 및 취급 시 파 손을 막기 위해 감광성 리지스트로 보호막을 형성해 작업한 후 나중에 제거했다. 개별 칩의 크기는 2 × 2 × 0.5 mm이며 패턴 정렬도 및 다이아프램 손상 여부 등을 현미경으로 검사한 후 양 품에 대해 진공 세라믹 패키지에 반사판과 함께 접착시켰다.
Fig. 8는 감지부 가운데 부분을 확대한 것으로 정 중앙에 세 로 방향으로 있는 자색 패턴이 볼로미터 패턴이며 금색패턴이 볼로미터 신호를 뽑아내기 위한 신호선이다. 가로 방향으로 있 는 금색 패턴이 안테나의 연결부이며 중앙에 걸쳐 있는 패턴이 발열체로 사용한 AZO 박막이다. 자색 볼로미터 유효 영역은 약 2 × 4 μm의 크기를 가진다. 이상적으로는 볼로미터와 발열체의 유효면적이 일치하는 것이 바람직하지만 사진 식각 공정의 한 계로 현재는 발열체 면적의 약 30% 부분만 볼로미터와 겹쳐 있 으나 향후 스텝퍼 등 정밀한 공정을 사용하면 이 효율은 높힐 수 있을것이다. 현재는 근접 노광기를 사용해 약 0.5 μm 정도 의 틀어짐이 관측된다.
3.2 바나듐 박막의 볼로미터 특성
공정 조건에 따라 저항과 TCR값이 달라지며 이력이 있는 경 우 6% 이상의 높은 TCR값을 보이기도 하지만 신호 처리의 편 의를 위해 이력이 적고 온도 변화에 따른 저항 변화가 선형적 인 조건을 사용해 소자를 제작했다. Fig. 9는 6개 센서에 대한 온도-저항 그래프로 저항값은 100~200 kΩ으로 센서마다 조금 Fig. 6. Terahertz transmission imaging system
Fig. 7. Fabrication results (a) 4” wafer before dicing, (b) Single pixel sensors on the wafer, (c) THz sensor chip(oblique view), (d) THz sensor chip(Top view).
Fig. 8. Photograph of sensing area by optical microscope
Fig. 9. Temperature dependence on bolometer resistance
씩 달라지지만 계산된 온도변화 계수는 대부분 약 2.02~2.09%
로 일정하게 나타나 통상적인 저항 계측용 신호처리회로에 사 용하기 적합한 수준이다.
3.3 테라헤르츠파 반응 특성
현재 THz QCL광원의 출력을 조절하는 방법은 구동 주파수 에 비례하기 때문에 이에 따른 센서 출력을 측정한 결과가 Fig.
10 이다. 센서 동작 여부를 확인하기 위해 광원을 기계적으로 차 단했을 때의 잡음 수준도 확인했으나 그림에서 보듯이 구동 주 파수에 무관하게 일정한 값으로 나타난데 비해 센서 출력은 구 동 주파수에 거의 선형적으로 비례하는 형태로 나타났다. 최대 구동 주파수인 100 kHz에서의 신호대잡음비는 약 37이다.
3.4 테라헤르츠파 투과 화상
Fig. 11은 자체 제작된 테라헤르츠 영상 시스템을 통해 얻은 투과 영상이다. 스테이지 구동 간격은 0.1 mm로 이차원 주사를 통해 한 화소씩 센서 출력값을 얻어 완성했으며 약 두시간 동 안 총 530 × 450 지점이 측정되어 이차원 영상을 얻었다. 센서 값은 256단계로 조정해 일반 이미지 파일로 변환했다. 안정성 을 위해 테라헤르츠 광원 구동 주파수는 10 kHz를 사용했으며
사용한 핀홀 크기가 0.5 mm 정도였기 때문에 1~2 mm 정도 크 기의 모서리 등이 잘 구분되는 것을 알 수 있다. 흑색 잡음 배 경이 비교적 높게 깔려있는 것은 현재 신호처리회로로 전자기 잡음이 유입되어 그런 것으로 향후 회로적으로 개선할 수 있을 것으로 보인다.
4. 결 론
실리콘 미세가공공정을 이용해 테라헤르츠에 선형적으로 반 응하는 안테나 결합형 볼로미터 방식의 초소형 센서를 제작했 다. 3.1 THz 대역의 테라헤르츠 광원에 대한 감지 특성을 확인 했으며 이를 이차원 주사 장치에 연결해 테라헤르츠 투과 영상 을 얻는데 성공했다. 아직 잡음 수준이 높지만 제작된 화소 크 기가 0.1 × 0.1 mm이하로 작기 때문에 소자 구조와 신호처리회 로 최적화를 통해 향후 이차원 배열 이미지 센서를 개발하는데 적용할 수 있을 것이다.
감사의 글
이 연구는 대한민국 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업 ( 과제번호 10052933)의 지원을 받았습니다.
REFERENCES
