In this work, the new bolometer material to replace the conventional bolometer sensing material was proposed. The conventional bolometric materials have demerits such as a reproducibility and difficulty of fabrication though they have a high performance (i.e. ratio of TCR to noise). The most commonly used VO$_x$ (vanadium oxide) has been patented, and a financial support is required for acquiring the right to use patented products. The nickel oxide film developed in this work can be fabricated easily due to a low number of phases of nickel oxide and ease of use of conventional equipment. Therefore, the fabrication process can be simplified, and it is not difficult to secure the reproducibility. Also, developed nickel oxide can be used freely because there is no patent related with micro-bolometer using a nickel oxide film.
Nickel oxide film was fabricated by two methods. In the first method, nickel films were deposited by a DC sputtering, and then the deposited nickel films were thermally treated in oxygen ambient at a temperature under 400$^o$C. In the nickel oxidation method, deposited nickel films were changed to nickel oxide films depend-ing on a heat treatment time. acquired 100nm-thick nickel oxide films shows a resistance value around 10MΩ. The bolometric properties of the fabricated thin nickel oxide film were confirmed that a TCR value was -3.2%/$^o$C, which is -1%/$^o$C higher value than that of amorphous silicon used as a one of conventional bolo-metric materials, and the measured 1/f noise parameter k was a 1.3×10$^{-10}$ for a 50um×50um size. In the second method, thin nickel oxide films were deposited by a RF reactive sputtering method in Ar and O$_2$ ambient with a nickel metal target. The electrical property of the deposited nickel oxide films was changed in resistivity range between 0.04Ωcm ~ 7Ωcm. Bolometric properties were confirmed that a TCR was around -2.1%/$^o$C near 1.7Ωcm and the measured 1/f noise parameter k was a 3.6×10${-11}$ for a 50um×50um size. From the results, it was found that the performance of the sputtered nickel oxide film is better that that of the oxidized nickel film.
To suppress a 1/f noise property of a sputtered nickel oxide film, various methods were proposed. First, surface treatment methods of oxygen plasma and Ar+ bombardment were introduced to a nickel oxide film. A 1/f noise parameter k of nickel oxide film with oxygen plasma treatment was 1.2×10$^{-11}$, which is 3 times im-proved value than that with no treatment. And nickel oxide film with Ar$^+$ bombardment treatment had a 1/f noise parameter k value of 3×10$^{-12}$ which is about 1 order improved value than the k value of nickel oxide film with no treatment. Based on the results of each surface treatment method, two methods were continuously applied to nickel oxide films, and improved result of 1/f noise suppression was gained as a 1/f noise parameter k value is 2×10$^{-12}$ Second, The nickel electrode was applied to the nickel oxide film. Contrary to an aluminum electrode, the nickel electrode deposited on the nickel oxide film doesn’t take an oxygen from a surface of a nickel oxide film. The property of a nickel that doesn’t take an oxygen prevents to generate a metal oxide with a high resistance property at the interface between nickel and nickel oxide film. Also, the resistance of the surface of a nickel oxide film is kept because nickel oxide doesn’t lose its oxygen. These properties can improve the contact resistance, and decrease a 1/f noise property of the nickel oxide film. A 1/f noise parameter k of the nickel oxide film with the Ar+ bombardment and nickel electrode was 7×10$^{-13}. Third, a heat treatment was applied to a nickel oxide film. For the heat treatment during 15min at 150$^o$C, it was found that the 1/f noise property is additionally reduced. As a result, the smallest 1/f noise parameter k value of 2×10$^{-13}$ was acquired. And, EDS, XPS, SIMS and XRD analysis were conducted for investigating a cause of improved noise characteristic, and the reason about the performance enhancement of a nickel oxide film was described.
Additionally, various analyses were conducted about one layer and double-layer nickel oxide films de-posited at various oxygen partial pressures to investigate an electrical property of a sputtered non-stoichiometric nickel oxide film. From the non-stoichiometric characteristic and analysis results, it was found that the nickel vacancy and hole concentration increase as the oxygen partial pressure increases, which leads to an increment of the conductivity of nickel oxide films. And from an additional Hall measurement with a temperature and equations related with an ionization energy, the difference in the number of created nickel vacancy and measured carrier was described.
The nickel oxide film developed in this study has the low temperature process, reproducibility and bo-lometric performance similar with the performance of the VO$_x$ film. And if processes of a nickel oxide film are further optimized, a higher performance can be also achieved. Therefore, the reactive sputtered thin nickel oxide film shows a sufficient amount potential as a bolometer sensing material which can replace a VO$_x$ film.
본 논문에서는 기존의 볼로미터 적외선 감지물질을 대체하기 위한 새로운 볼로미터 적외선 감지물질로서 니켈 산화막을 제안하였다. 제안된 니켈 산화막은 기존의 상업 물질인 바나듐 산화막과 비정질 실리콘이 갖고 있는 단점들인 재현성, 제작의 어려움, 기술 사용료 등의 문제점들을 극복할 수 있는 장점들을 갖고 있어 볼로미터 적외선 감지물질로서 사용하기에 유리하다.
본 연구에서 개발된 니켈 산화막은 니켈을 산화시키는 방법과 스퍼터 챔버 안에서 직접 산소와 아르곤 플라즈마를 띄워 제조하는 방법의 두가지 방법으로 제작되었다. 첫번째 방법에서는, 니켈 금속을 스퍼터링 방법으로 증착하고 그 후에 400도 이하의 퍼니스 안에서 산소를 흘려주며 니켈을 산화시키는 방식으로 진행되었다. 제조된 니켈 산화막의 두께는 100nm였으며, 10MΩ이상의 저항 값을 보여주었다. 그리고 산화된 니켈 산화막의 볼로미터 물질특성인 TCR값과 1/f잡음 상수 k값은 각각 -3.2%$^o$C와 1.3×10$^{-10}$이었다(50um×50um). 두번째 방법에서는, 100nm의 니켈 산화막이 스퍼터 챔버 안에서 산소와 아르곤 분위기에서 니켈 금속 타겟을 가지고 직접 제조되었다. 이때 제조된 니켈 산화막들의 저항 특성은 40kΩ부터 700kΩ의 범위 안에서 다양하게 얻어졌으며 경우에 따라서 더 높은 저항값도 얻을 수 있었다. 타겟으로 하고 있는 저항에서의 TCR값과 1/f 잡음 상수 k는 각각 -2.1%$^o$C와 3.6×10${-11}$이었다. 위의 두가지 방법으로 제작된 니켈산화막들의 볼로미터 물질 특성 결과로부터 스퍼터내에서 직접 제조된 니켈 산화막의 성능이 산화된 니켈 산화막의 성능보다 더 뛰어나다는 것이 확인되었다. 하지만 스퍼터 내에서 직접 제조된 니켈 산화막의 경우의 1/f 잡음 특성이 상용 볼로미터 물질의 1/f 잡음 특성 보다 여전히 크다는 단점을 갖고 있다.
스퍼터 내에서 직접 제조된 니켈 산화막의 1/f 잡음 특성을 줄이기 위하여 표면 플라즈마처리, 전극 변화, 열처리등의 다양한 방법들이 제안되었다. 먼저 표면 플라즈마 처리의 경우, 산소 플라즈마와 아르곤 플라즈마 처리의 두가지 방법들이 니켈 산화막의 컨택 부근에 적용되었다. 먼저, 산소 플라즈마를 처리한 니켈 산화막의 1/f 노이즈 잡음 상수 k값은 1.2×10$^{-11}$로서 아무처리도 안된 니켈 산화막의 잡음 특성보다 3배 감소된 값을 보여주었으며, 아르곤 처리한 경우에서는 k값이 2.3×10$^{-12}$으로서 잡음 특성이 무려 열배 가까이 감소됨을 확인할 수 있었다. 그리고 추가로 두가지 플라즈마를 이어서 처리한 경우, k값은 2×10$^{-12}$으로 각각 처리한 경우보다 좀더 효과가 있는 것이 발견되었다. 잡음을 줄이기 위한 두번째 방법으로 전극을 바꾸는 실험이 진행되었다. 기존에 사용되던 알루미늄 전극과는 달리 니켈 산화막위에 증착된 니켈 전극은 니켈 산화막의 표면으로부터 산소를 빼앗지 않는다. 전극으로서의 이러한 니켈 특성은 니켈 전극과 니켈 산화막 사이의 계면에 큰 저항 값을 갖는 메탈 산화막의 생성을 억제하는 역할을 한다. 또한 니켈 산화막의 산소를 빼앗지 않기 때문에, 니켈 산화막 표면의 저항을 변화시키지 않고 그대로 유지하는 장점을 갖게 된다. 이러한 두가지 특성은 컨택 저항의 특성을 향상시켜 1/f 잡음 특성을 감소 시키는데 유리하게 된다. 아르곤 플라즈마 처리와 이어서 전극을 니켈로 바꾸는 방법으로 얻어진 니켈 산화막의 1/f 잡음 상수 k값은 7×10$^{-13}$으로 기존의 알루미늄을 전극으로 사용한 방법보다 더 낮은 잡음 특성을 보였다. 마지막으로 열처리 방법이 니켈 산화막에 적용되었다. 150도에서 15분 처리된 니켈 산화막의 경우, 추가적으로 1/f 잡음이 감소되었으며 감소된 1/f 잡음 상수k값은 2×10$^{-13}$으로서 본 연구에서 얻어진 노이즈 특성들 중에 가장 낮은 특성을 보였다. 그리고 확보된 잡음 특성은 상용 볼로미터 물질중에 가장 성능이 좋은 바나듐 산화막의 잡음 특성에 필적하는 성능을 보여준다. 추가로, 앞에서 언급된 각각의 노이즈 억제 방법들을 적용하는 경우, 노이즈 특성 향상이 이루어졌는데, 그 이유를 조사하기 위하여 XRD, EDS, XPS, SIMS등의 다양한 분석들이 각각의 방법들에 대하여 적용되었다.
스퍼터 내에서 직접 제조된 니켈 산화막의 경우 스퍼터 조건에 따라 다양한 전도 특성을 갖게 되고 이러한 특성은 니켈 산화막 내의 니켈과 산소의 비율이 틀어짐에 따라서 발생하게 된다. 이처럼 비화학량론적 특성을 갖고 있는 니켈 산화막의 전기적 특성의 변화가 어떠한 이유로 인하여 발생되는지 알아보기 위하여 다양한 분석들이 수행되었다. 비화학량론적인 특성과 분석 결과로부터, 니켈 산화막내 산소의 증가는 니켈의 부족분을 증가시키고 더불어 캐리어 농도를 증가시키게 된다. 이러한 현상은 결론적으로, 니켈 산화막의 전도도를 향상시키게 된다.
본 연구에서 개발된 니켈 산화막은 기존 상용 볼로미터 물질들이 갖고 있는 단점들을 극복할 수 있는 특성들을 갖추고 있으면서도 바나듐 산화막 성능에 필적하는 성능을 갖고 있다. 만일 니켈 산화막의 공정의 최적화가 좀더 이루어진다면, 더 높은 성능 향상도 가능하다. 그러므로, 개발된 니켈 산화막은 기존의 볼로미터 상용 물질들을 대체할 수 있는 볼로미터 적외선 감지물질로서 충분한 잠재적인 능력을 갖고 있다.
