KR100591931B1 - Electric field tunable pb-based pyrochlore dielectric thin films and process for making - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Pb를 기반으로 한 파이로클로어 구조의 전계 가변형 유전체 박막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 Pb-X-Nb-O(여기서 X는 Zn, Ni, Cu 및 Mg으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 원소임)계 파이로클로어 구조의 고용체 박막으로서, 1000kV/cm의 전계 인가시 전계 무인가시의 상기 박막의 유전율에 대한 전계 인가시의 상기 박막의 유전율의 변화의 백분율로 정의되는 전계 가변율이 약 10 내지 43%인 것을 특징으로 하는 유전체 박막을 제공한다. 본 발명에 따르면, 높은 유전율 및 낮은 유전 손실 특성과 높은 전계 가변율을 가지며, 위상 변환기, 평판 안테나, 필터 등의 전계 가변형 캐패시터로서 사용되기에 적합한 전계 가변형 유전체 박막을 제공할 수 있다.The present invention relates to a field-variable dielectric thin film having a pyrochlore structure based on Pb and a method of manufacturing the same. The present invention is a solid solution thin film of Pb-X-Nb-O (where X is one element selected from the group consisting of Zn, Ni, Cu, and Mg) -based pyrochlore structure, the electric field when applying an electric field of 1000kV / cm Provided is a dielectric thin film characterized in that the electric field variable rate, which is defined as a percentage of the change in the dielectric constant of the thin film when the electric field is applied to the dielectric constant of the thin film when no application is applied, is about 10 to 43%. According to the present invention, it is possible to provide an electric field variable dielectric thin film having high dielectric constant, low dielectric loss characteristics, high electric field variable rate, and suitable for use as an electric field variable capacitor of a phase converter, a flat panel antenna, a filter, and the like.

유전체 박막, 파이로클로어상, Pb계 유전체, 전계 가변형 캐패시터, 유전율, 유전손실, 전계 가변율, 이익지수 Dielectric thin film, Pyroclaw phase, Pb-based dielectric, field variable capacitor, dielectric constant, dielectric loss, field variable rate, profit index

Description

전계 가변형 Pb계 파이로클로어 유전체 박막과 제조 방법{ELECTRIC FIELD TUNABLE Pb-BASED PYROCHLORE DIELECTRIC THIN FILMS AND PROCESS FOR MAKING}Field-variable P-type pyroclaw dielectric thin film and manufacturing method {ELECTRIC FIELD TUNABLE Pb-BASED PYROCHLORE DIELECTRIC THIN FILMS AND PROCESS FOR MAKING}

도 1은 본 발명의 박막 제조 과정을 도시한 절차도이다.1 is a flowchart illustrating a thin film manufacturing process of the present invention.

도 2의 (a) 내지 (c)는 각각 본 발명의 방법에 따라 제조된 Pb6ZnNb6O22, Pb6ZnNb6O22 및 Pb6ZnNb6O22 타겟에 대한 X선 회절 패턴이다.2A to 2C are X-ray diffraction patterns of Pb 6 ZnNb 6 O 22 , Pb 6 ZnNb 6 O 22, and Pb 6 ZnNb 6 O 22 targets prepared according to the method of the present invention, respectively.

도 3a 내지 도 3d는 각각 기판 온도에 따라 증착 상태의 박막 및 후열처리를 거친 PZN 박막에 대한 X선 회절 패턴이다.3A to 3D are X-ray diffraction patterns of a thin film in a deposited state and a post-heat treatment PZN thin film according to substrate temperatures, respectively.

도 4a 내지 도 4d는 각각 기판 온도에 따라 증착 상태 및 후열처리를 거친 PMN 박막의 X선 회절 패턴이다.4A to 4D are X-ray diffraction patterns of PMN thin films subjected to deposition and post-heat treatment according to substrate temperatures, respectively.

도 5a 및 도 5b는 각각 기판 온도에 따라 증착 상태 및 후열처리를 거친 PNN 박막의 X선 회절 패턴이다.5A and 5B are X-ray diffraction patterns of PNN thin films subjected to deposition and post-heat treatment according to substrate temperatures, respectively.

도 6은 본 발명의 유전 박막의 유전 특성을 측정을 위한 박막 샘플의 적층 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.6 is a diagram schematically illustrating a laminated structure of a thin film sample for measuring dielectric properties of the dielectric thin film of the present invention.

도 7a 내지 도 7c는 각각 다양한 기판 온도(substrate temperature)에서 형성된 PZN, PMN 및 PNN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 상수의 변화를 나타내는 그래프이다.7A to 7C are graphs showing changes in dielectric constants according to deposition states and post-heating temperatures of PZN, PMN, and PNN thin films formed at various substrate temperatures, respectively.

도 8a 내지 도 8c는 각각 다양한 기판 온도에서 형성된 PZN, PMN, PNN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 손실의 변화를 나타내는 그래프이다.8A to 8C are graphs showing changes in dielectric loss according to deposition states and post-heating temperatures of PZN, PMN, and PNN thin films formed at various substrate temperatures, respectively.

도 9a 내지 도 9c는 각각 다양한 기판 온도에서 형성된 PZN, PMN, PNN 박막의 전계 가변율 특성을 나타내는 그래프이다.9A to 9C are graphs showing electric field variable rate characteristics of PZN, PMN, and PNN thin films formed at various substrate temperatures, respectively.

본 발명은 유전체 박막 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Pb를 기반으로 한 파이로클로어(Pyrochlore) 구조의 전계 가변형 유전체 박막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dielectric thin film and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a field-variable dielectric thin film having a pyrochlore structure based on Pb and a method for manufacturing the same.

유전체 박막의 전계 가변 특성은 인가 전계의 변화에 따라 정전 용량 및 유전율이 따라 변화하는 특성을 말하는 것으로, 이 특성은 전계 무인가시의 유전율에 대한 전계 인가시의 유전율의 변화 비율로 정의되는 전계 가변율(tunability)에 의해 평가될 수 있다. The electric field variable characteristic of the dielectric thin film refers to a characteristic in which the capacitance and the dielectric constant change according to the change of the applied electric field, and this characteristic is defined as the ratio of the change of the dielectric constant at the time of application of the electric field to the permittivity without the electric field. can be evaluated by tunability.

지금까지 전계 가변형 박막을 캐패시터로 응용한 예로는 BaTiO3와 SrTiO3의 고용체인 Ba1-xSrxTiO3(이하 'BST'라 한다) 박막에 국한되어 왔다. BST 박막은 조성에 따라 퀴리 온도(qurie temperature; Tc)가 변화하는데, 퀴리 온도가 상온 근처인 x = 0.3 ~ 0.5 부근의 조성이 전계 가변형 소자로 적합한 것으로 알려져 있다. BST 박막은 일반적으로 0.5 이상의 전계 가변율을 갖는데, 기판으로 산화물 단결정 기판을 사용하거나 기타 특수한 증착 조건 하에서는 약 0.7의 전계 가변율을 나타내고 있다. 그러나 BST 박막은 우수한 전계 가변 특성에도 불구하고 0.01을 초과하는 큰 유전 손실 때문에 실제적인 응용이 곤란하다는 문제점을 가지고 있다. Until now, examples of applying the field-variable thin film as a capacitor have been limited to Ba 1-x Sr x TiO 3 (hereinafter, referred to as 'BST') thin films of solid solution of BaTiO 3 and SrTiO 3 . Curie temperature (Tc) changes according to the composition of the BST thin film, it is known that the composition around x = 0.3 ~ 0.5 where the Curie temperature is near room temperature is suitable as an electric field-variable device. BST thin films generally have an electric field variable rate of 0.5 or more, and use an oxide single crystal substrate as a substrate or exhibit an electric field variable rate of about 0.7 under other special deposition conditions. However, the BST thin film has a problem in that practical application is difficult due to a large dielectric loss exceeding 0.01 despite excellent electric field variable characteristics.

이러한 문제점을 해결하기 위해 BST 박막의 유전 손실을 줄이려는 노력이 지속적으로 이루어져 왔다. 예를 들어 산화물 단결정 기판 위에 BST 박막을 에피택셜 성장(epitaxial growth) 시키거나 Mg2+ 등의 양이온을 BST 박막에 첨가하는 등의 방법이 그것이다. 이러한 방법에 의해 일부 문헌에서 0.01 보다 낮은 유전 손실을 갖는 BST 박막의 제조가 가능하다고 보고된 바 있으나, BST 박막이 갖는 높은 유전 손실에 대한 근본적인 해결책이 되지는 못하고 있는 실정이다.In order to solve this problem, efforts have been made to reduce the dielectric loss of BST thin films. For example, a method such as epitaxial growth of a BST thin film on an oxide single crystal substrate or addition of a cation such as Mg 2+ to a BST thin film. Although some methods have reported that the BST thin film having a dielectric loss of less than 0.01 can be produced by this method, it is not a fundamental solution to the high dielectric loss of the BST thin film.

이에 따라 보다 낮은 유전손실을 가지는 새로운 물질의 개발에 많은 노력이 기울여져 왔으며, 특히 Bi-Zn-Nb-O계(이하 'BZN'이라 한다) 박막을 중심으로 많은 연구가 이루어져 왔다. 그 중 입방 결정 구조를 갖는 (Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7(이하 'BZZN' 이라 한다)조성을 갖는 BZZN 박막은 유전율 150, 유전손실 0.005을 가지며, 830kV/cm의 전계에서 약 0.1의 전계 가변율을 나타낸다. 물론 BZZN 박막의 경우 인가 전계를 증가시킬 경우 전계 가변율이 소폭 증가할 것으로 예상되지만, 유전 손실이 작다는 장점에 비하여 상대적으로 낮은 유전율과 전계 가변 특성으로 인해 기존의 BST 박막을 대체하지 못하고 있는 실정이다.Accordingly, much effort has been devoted to the development of new materials with lower dielectric losses, and a lot of research has been made especially on Bi-Zn-Nb-O based films (hereinafter referred to as 'BZN'). Among them, a BZZN thin film having a (Bi 1.5 Zn 0.5 ) (Zn 0.5 Nb 1.5 ) O 7 (hereinafter referred to as 'BZZN') composition having a cubic crystal structure has a dielectric constant of 150 and a dielectric loss of 0.005, and has an electric field of about 830 kV / cm. An electric field variable rate of 0.1 is shown. Of course, in case of BZZN thin film, if the applied electric field is increased, the electric field variability is expected to increase slightly.However, the relatively low permittivity and electric field variability characteristics of the BZZN thin film do not replace the existing BST thin film. to be.

따라서 낮은 유전 손실을 유지하면서 보다 큰 유전율과 우수한 전계 가변 특성을 가지는 조성의 유전체 박막의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for the development of a dielectric thin film having a composition having a larger dielectric constant and excellent electric field variable characteristics while maintaining a low dielectric loss.

본 발명은 높은 유전율과 낮은 유전 손실을 가지며, 우수한 전계 가변 특성을 가지는 새로운 조성의 유전체 박막 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. An object of the present invention is to provide a dielectric thin film having a new composition having a high dielectric constant and a low dielectric loss and having excellent electric field variable characteristics, and a method of manufacturing the same.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 Pb-X-Nb-O(여기서 X는 Zn, Ni, Cu 및 Mg으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 원소임)계 파이로클로어 구조의 고용체 박막으로서, 다음의 수식에 의해 정의되는 전계 가변율이 약 10 내지 43%인 것을 특징으로 하는 유전체 박막을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a solid solution thin film of Pb-X-Nb-O (where X is one element selected from the group consisting of Zn, Ni, Cu, and Mg) -based pyrochlore structure. It provides a dielectric thin film, characterized in that the electric field variable rate is defined by the formula of about 10 to 43%.

Figure 112005011947786-pat00001
Figure 112005011947786-pat00001

(여기서, C0는 무전계시의 정전 용량, Cv는 1000 kV/cm 전계 인가시의 정전 용량)(Where C 0 is the capacitance at the field, C v is the capacitance at 1000 kV / cm)

본 발명의 박막에서 상기 전계 가변율은 바람직하게는 30 ~ 43%이며, 상기 유전율은 바람직하게는 100 이상, 상기 유전 손실 tan δ는 0.01 이하, 바람직하게는 0.005, 가장 바람직하게는 0.002 이하이다. 본 발명의 상기 박막은 두께가 4500 Å이하인 것이 바람직하다.In the thin film of the present invention, the electric field variable rate is preferably 30 to 43%, the dielectric constant is preferably 100 or more, and the dielectric loss tan δ is 0.01 or less, preferably 0.005, most preferably 0.002 or less. It is preferable that the said thin film of this invention is 4500 kPa or less in thickness.

또한 본 발명은, Pb6X1Nb6O22(여기서 X는 Zn, Ni, Cu 및 Mg으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 원소임)로 표현되는 입방정 파이로클로어 단일상의 고용체 박막을 제공한다. The present invention also provides a cubic pyrochlore single phase solid solution thin film represented by Pb 6 X 1 Nb 6 O 22 , wherein X is one element selected from the group consisting of Zn, Ni, Cu and Mg.

상기 고용체 박막은 1000kV/cm의 전계 인가 범위에서 전계 무인가시의 상기 박막의 유전율에 대한 전계 인가시의 상기 박막의 유전율의 변화의 백분율로 정의되는 전계 가변율이 10 ~ 43%, 바람직하게는 30 ~ 40%이다. 또한, 상기 박막의 유전율은 바람직하게는 100 이상, 유전 손실 tan δ가 0.01, 바람직하게는 0.005, 가장 바람직하게는 0.002이하이다.The solid solution thin film has an electric field variable rate of 10 to 43%, preferably 30, which is defined as a percentage of the dielectric constant of the thin film when the electric field is applied to the dielectric constant of the thin film when no electric field is applied in an electric field application range of 1000 kV / cm. ~ 40%. In addition, the dielectric constant of the thin film is preferably 100 or more, and the dielectric loss tan δ is 0.01, preferably 0.005, most preferably 0.002 or less.

또한 본 발명은 Pb-X-Nb-O(여기서 X는 Zn, Ni, Cu 및 Mg으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 하나 이상을 포함)로 표현되는 소결체 타겟을 제공하는 단계; 기판을 가열하는 단계; 및 상기 소결체 타겟을 스퍼터하여 상기 기판에 Pb-X-Nb-O 박막을 형성하는 단계를 포함하는 유전체 박막 형성 방법을 제공한다. 상기 방법에서 Pb-X-Nb-O 박막은 조성식 Pb6X1Nb6O22로 표현되는 파이로클로어 단일상인 것이 바람직하다. 또한 상기 방법에서 상기 기판 가열 단계의 기판 온도는 350 ~ 600 ℃로 유지되는 것이 바람직하다.In another aspect, the present invention provides a step of providing a sintered compact target represented by Pb-X-Nb-O, wherein X comprises at least one selected from the group consisting of Zn, Ni, Cu and Mg; Heating the substrate; And sputtering the sintered compact target to form a Pb-X-Nb-O thin film on the substrate. In the above method, the Pb-X-Nb-O thin film is preferably a pyrochlore single phase represented by the compositional formula Pb 6 X 1 Nb 6 O 22 . In addition, the substrate temperature of the substrate heating step in the method is preferably maintained at 350 ~ 600 ℃.

또한 본 발명의 방법에서 상기 Pb-X-Nb-O 박막 형성 단계는 500 ℃ 이상의 온도에서 후열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 후열처리 단계는 800 ℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the Pb-X-Nb-O thin film forming step in the method of the present invention may further comprise a post-heat treatment at a temperature of 500 ℃ or more. At this time, the post-heat treatment step is preferably performed at a temperature of 800 ℃ or less.

전술한 본 발명의 Pb-X-Nb-O계 파이로클로어 박막에서 상기 원소 X로는 나열한 Zn, Mg, Cu, Ni 이외에도 이들과 이온 반경이 유사한 2가의 다른 금속이 사용될 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다.In the above-described Pb-X-Nb-O based pyroclaw thin film of the present invention, in addition to Zn, Mg, Cu, and Ni listed as the element X, other divalent metals having similar ionic radii may be used. Anyone skilled in the art will know.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명 을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 박막 제조 과정을 도시한 절차도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 고상 합성법으로 타겟을 제조한 뒤(S110), 제조된 타겟으로 기판상에 Pb-X-Nb-O 박막을 형성한다(S120). 이 때, 기판은 약 300 ~ 600 ℃의 온도로 유지된다. 상기 기판의 유지 온도의 상한선은 스터퍼 장치의 가열 조건에 따르며, 상기 스퍼터 장치가 허용하는 경우 예컨대 스퍼터 타겟의 제조에 적합한 소결 온도와 같은 고온에서 유지될 수도 있다. 이어서, 얻어진 박막을 약 500 ~ 800 ℃의 온도에서 후열처리 한다(S130). 상기 후열처리는 얻어진 박막이 비정질상으로 존재하는 경우 이의 결정화를 위한 것이다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 전술한 박막 제조 공정 및 얻어진 박막의 특성을 보다 상세히 설명한다.1 is a flowchart illustrating a thin film manufacturing process of the present invention. Referring to FIG. 1, first, a target is manufactured by a solid phase synthesis method (S110), and a Pb-X-Nb-O thin film is formed on a substrate using the manufactured target (S120). At this time, the substrate is maintained at a temperature of about 300 to 600 ℃. The upper limit of the holding temperature of the substrate depends on the heating conditions of the stuffer device, and may be maintained at a high temperature such as, for example, a sintering temperature suitable for the manufacture of the sputter target, if the sputter device permits. Subsequently, the obtained thin film is post-heated at a temperature of about 500 to 800 ° C. (S130). The post heat treatment is for the crystallization of the obtained thin film when present in an amorphous phase. Hereinafter, the above-described thin film manufacturing process and characteristics of the obtained thin film will be described in more detail with reference to preferred embodiments of the present invention.

스퍼터 타겟의 제조Preparation of Sputter Target

일본 코준도 케미칼랩 코퍼레이션(Kojundo Chemical Lab Co., Ltd.)의 순도 99.9% 이상의 PbO, ZnO, MgO, NiO, Nb2O5를 Pb6ZnNb6O22, Pb6ZnNb6O22 및 Pb6ZnNb6O22의 화학양론비에 맞추어 각각 칭량한 후, 무수 에탄올과 지르코니아 볼을 사용하여 혼합하였다. PbO, ZnO, MgO, NiO, and Nb 2 O 5 with a purity of 99.9% or higher of Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Japan, were converted into Pb 6 ZnNb 6 O 22 , Pb 6 ZnNb 6 O 22 and Pb 6 Each was weighed according to the stoichiometric ratio of ZnNb 6 O 22 , and then mixed using anhydrous ethanol and zirconia balls.

혼합된 분말을 약 900 ~ 950 ℃에서 하소한 후, 지르코니아 볼을 사용하여 분쇄하였다. 분쇄 후 폴리비닐알코올을 바인더로 첨가하여 입자를 조립화한 후 약 1000 kg/cm2의 압력으로 일축 가압 및 정수압 성형(Cold Isostatic Pressure)하여 성형체를 제조하였다. 이어서, 성형체를 1150 ℃ ~ 1250 ℃의 온도 범위에서 소결하였다. 소결체를 지름 2 inch, 두께 7mm의 디스크 형태로 가공하고, 약 800 ℃의 온도에서 번 아웃(burn out)하여 스퍼터 타겟을 제조하였다. The mixed powder was calcined at about 900-950 ° C. and then ground using zirconia balls. After the pulverization, polyvinyl alcohol was added as a binder to granulate the particles, and uniaxially pressurized and hydrostatically formed at a pressure of about 1000 kg / cm 2 to prepare a molded article. Subsequently, the molded body was sintered at a temperature range of 1150 ° C to 1250 ° C. The sintered body was processed into a disk shape having a diameter of 2 inches and a thickness of 7 mm, and burned out at a temperature of about 800 ° C. to prepare a sputter target.

도 2의 (a) 내지 (c)는 각각 제조된 Pb6ZnNb6O22, Pb6ZnNb6O22 및 Pb6ZnNb6O22 타겟에 대한 X선 회절 패턴이다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (c)로부터, 제조된 각각의 타겟은 단일의 입방정 파이로클로어상(cubic pyrochlore phase)('▼'로 표현된 회절 피크는 모두 입장정 파이로클로어상의 회절 피크임)으로 이루어져 있음을 알 수 있다.2A to 2C are X-ray diffraction patterns of the prepared Pb 6 ZnNb 6 O 22 , Pb 6 ZnNb 6 O 22, and Pb 6 ZnNb 6 O 22 targets, respectively. From (a) of FIG. 2 and (c) of FIG. 2, each of the prepared targets has a single cubic pyrochlore phase (diffraction peaks represented by '▼' are all in the orthogonal pyrochlore phase). It is a diffraction peak of).

아래 표 1은 제조된 각 타겟의 물성 및 제조 조건을 요약한 표이다.Table 1 below is a table summarizing the physical properties and manufacturing conditions of each manufactured target.

조성Furtherance 기호sign 하소 온도( ℃)Calcination temperature (℃) 소결 온도( ℃)Sintering Temperature (℃) 상(phase)Phase Pb6ZnNb6O22 Pb 6 ZnNb 6 O 22 PZNPZN 900900 11501150 입방정Cubic Pb6MgNb6O22 Pb 6 MgNb6O 22 PMNPMN 950950 12501250 입방정Cubic Pb6NiNb6O22 Pb 6 NiNb 6 O 22 PNNPNN 950950 12501250 입방정Cubic

유전체 박막의 제조Fabrication of Dielectric Thin Films

위 표 1의 타겟으로 오프 액시스 지오메트리(Off-Axis geometry)를 갖는 반응성 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 유전체 박막을 제조하였다.Dielectric thin films were prepared by using a reactive RF magnetron sputtering system having off-axis geometry as a target of Table 1 above.

기판 재료로는 Pt(111)/TiO2/SiO2/Si을 사용하였으며, 기판 각층의 두께는 1500Å/200Å/3000Å/550㎛였다. Pt (111) / TiO 2 / SiO 2 / Si was used as the substrate material, and the thickness of each substrate was 1500 μs / 200 μs / 3000 μs / 550 μm.

챔버는 초기에 약 3×10-6 Torr의 압력으로 진공을 유지하였고, 스퍼터 가스로 순도 99.99%의 아르곤 가스와 반응 가스로 순도 99.99%의 산소 가스를 챔버내로 유입하였다. The chamber was initially vacuumed at a pressure of about 3 × 10 −6 Torr, and argon gas having a purity of 99.99% as a sputter gas and oxygen gas having a purity of 99.99% as a reactive gas were introduced into the chamber.

플라즈마 소스로는 150 W의 RF 전원을 사용하였다. 유량 조절기를 통해 아르곤 가스의 유입량을 20 sccm, 산소 가스의 유입량을 2 sccm이 되도록 하여 O2/Ar 비를 약 10 %로 유지하였다. 작업 압력(working pressure)은 10 mTorr를 유지하였다. A 150 W RF power source was used as the plasma source. The flow rate controller maintained the flow rate of argon gas at 20 sccm and the flow rate of oxygen gas at 2 sccm to maintain an O 2 / Ar ratio of about 10%. Working pressure was maintained at 10 mTorr.

증착시 기판의 온도를 주요 공정 변수로 설졍하였고 각각의 타겟 조성에 대해서 350 ~ 550 ℃의 온도 구간에서 증착을 실시하였다. 증착시 타겟과 기판과의 거리는 13 cm를 유지하였다. 증착되는 박막의 두께는 약 4000 Å이 되도록 유지하였다. During deposition, the substrate temperature was set as the main process variable, and the deposition was performed at a temperature range of 350 to 550 ° C. for each target composition. During deposition, the distance between the target and the substrate was maintained at 13 cm. The thickness of the deposited thin film was maintained to be about 4000 mm 3.

증착된 상태(as-deposited)의 박막은 제조시 기판 온도에 따라 저온에서는 비정질상으로 고온에서는 결정상으로 존재할 수 있으므로, 제조된 박막을 공기 분위기에서 약 500 ~ 800 ℃의 온도로 3시간 동안 후열처리하였다. As-deposited thin film may exist in the amorphous phase at low temperature and crystalline phase at high temperature according to the substrate temperature at the time of manufacture, the thin film is post-heat-treated for 3 hours at an air temperature of about 500 ~ 800 ℃ .

유전체 박막 특성Dielectric Thin Film Characteristics

a. X선 회절 특성a. X-ray Diffraction Characteristics

도 3a은 350 ℃의 기판 온도에서 증착된 PZN 박막의 증착 상태 및 후열처리 후의 박막에 대한 X선 회절 패턴이다. 도 3을 참조하면, 증착 상태에서의 박막에는 입방정 파이로클로어 피크가 관찰되지 않고 있으며, 열처리 온도가 증가함에 따라 입방정상의 증가가 관찰되고 있다. 또한, 후열처리 후에도 입방정 파이로클로어상 이외의 2차상은 형성되지 않음을 알 수 있다.3A is an X-ray diffraction pattern of a deposited state of a PZN thin film deposited at a substrate temperature of 350 ° C. and a thin film after post-heat treatment. Referring to FIG. 3, no cubic pyroclaw peak is observed in the thin film in the deposited state, and an increase in cubic phase is observed as the heat treatment temperature increases. In addition, it can be seen that no secondary phase other than the cubic pyrochlore phase is formed even after the post-heat treatment.

도 3b 내지 도 3d은 기판 온도가 각각 450 ℃, 500 ℃ 및 550 ℃일 때의 증착 상태의 박막 및 후열처리를 거친 박막에 대한 X선 회절 패턴이다. 이들 패턴으로부터 기판 온도가 증가함에 따라 증착 상태의 박막내에 결정화가 많이 진행됨을 알 수 있다. 또한, 도 3과 마찬가지로 후열처리 온도가 증가함에 따라 입방정상의 증가가 관찰된다. 한편, 후열처리시 파이로클로어상 이외의 2차상은 관찰되지 않음을 알 수 있다. 3B to 3D are X-ray diffraction patterns of a thin film in a deposited state and a post-heat treated thin film at a substrate temperature of 450 ° C., 500 ° C. and 550 ° C., respectively. From these patterns, it can be seen that as the substrate temperature increases, crystallization proceeds in the thin film in a deposited state. In addition, as in FIG. 3, an increase in cubic phase is observed as the post-heat treatment temperature increases. On the other hand, it can be seen that no secondary phase other than the pyrochlore phase is observed during the post-heat treatment.

이상 도 3a 내지 도 3d에서 알 수 있는 바와 같이, 형성된 PZN 박막은 후열처리시 단일상의 입방정 파이로클로어 구조를 가짐을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 3A to FIG. 3D, it can be seen that the formed PZN thin film has a cubic pyrochlore structure of a single phase during post-heat treatment.

도 4a 내지 도 4d는 각각 PMN 박막의 기판 온도에 따라 증착 상태 및 후열처리를 거친 후의 X선 회절 패턴이다. 도 4a 내지 도 4d에서 기판 온도는 각각 350 ℃, 450 ℃, 500 ℃ 및 550 ℃였다. 도 4a 내지 도 4d로부터 기판 온도가 저온일 때는 박막이 비정질상으로 존재함을 알 수 있고, 후열처리 온도가 증가함에 따라 점차 입방정 파이로클로어상의 생성이 촉진됨을 알 수 있다. 또한, PMN 박막의 경우에도 2차상의 형성은 관찰되지 않음을 알 수 있다.4A to 4D are X-ray diffraction patterns after the deposition state and the post-heat treatment, respectively, according to the substrate temperature of the PMN thin film. The substrate temperatures in FIGS. 4A-4D were 350 ° C., 450 ° C., 500 ° C. and 550 ° C., respectively. It can be seen from FIG. 4A to FIG. 4D that the thin film exists in the amorphous phase when the substrate temperature is low, and that the formation of the cubic pyrochlore phase is accelerated as the post-heat treatment temperature increases. In addition, it can be seen that even in the case of the PMN thin film, the formation of the secondary phase is not observed.

도 5a 및 도 5b는 각각 기판 온도 350 ℃ 및 550 ℃의 기판 온도에서 증착된 PNN 박막의 증착 상태 및 후열처리를 거친 후의 X선 회절 패턴이다.5A and 5B are X-ray diffraction patterns after undergoing deposition and post-heat treatment of PNN thin films deposited at substrate temperatures of 350 ° C. and 550 ° C., respectively.

도 5a 및 도 5b의 경우에도 기판 온도 및 후열처리 온도는 입방정 파이로클로어상의 형성과 관련하여 전술한 PZN 박막 및 PMN 박막이 나타내는 것과 동일한 거동을 나타냄을 알 수 있다.In the case of FIGS. 5A and 5B, it can be seen that the substrate temperature and the post-heat treatment temperature exhibit the same behaviors as those of the PZN thin film and the PMN thin film described above in connection with the formation of the cubic pyroclaw phase.

b. 유전 특성b. Genetic characteristics

파이로클로어 박막의 유전 특성을 측정하기 위한 새도우 마스크를 사용하여 열증착법으로 지름 250 ㎛ 두께 5㎛인 Ag 도트(dot)를 박막상에 형성하여, 기판의 Pt층과 Ag 도트간의 정전 용량을 측정하였다. 도 6에 유전 특성을 측정을 위한 박막 샘플의 적층 구조를 모식적으로 나타내었다.Using a shadow mask to measure the dielectric properties of the Pyroclaw thin film, an Ag dot having a diameter of 250 μm and a thickness of 5 μm was formed on the thin film by thermal evaporation to reduce the capacitance between the Pt layer of the substrate and the Ag dot. Measured. 6 schematically illustrates a laminated structure of a thin film sample for measuring dielectric properties.

정전 용량 및 유전 손실(dissipation factor, tan δ)을 에이질런트 4249A 임피던스 분석기를 사용하여 40 Hz ~ 10 MHz의 주파수로 진동하는 실효 전압 500 mV에서 측정하였다. 다만, 기판 온도 350 ℃에서 후열처리를 거치지 않은 박막의 경우, 앞서 X선 회절 패턴에서 설명한 바와 같이, 입방정 파이로클로어상이 형성 되지 않은 비정질 상태이기 때문에 정전 용량 및 전계 가변율을 측정하지 아니하였다.Capacitance and dissipation factor (tan δ) were measured at an effective voltage of 500 mV oscillating at a frequency of 40 Hz to 10 MHz using an Agilent 4249A impedance analyzer. However, in the case of the thin film not subjected to the post-heat treatment at the substrate temperature of 350 ° C., as described in the X-ray diffraction pattern, the capacitance and the electric field variability were not measured because the cubic pyrochlore phase was not formed. .

유전 상수는 측정된 정전 용량으로부터 다음의 수학식 1로부터 계산하였다. The dielectric constant was calculated from the following Equation 1 from the measured capacitance.

Figure 112005011947786-pat00002
Figure 112005011947786-pat00002

(여기서, C는 정전 용량, d는 필름 두께, A는 상부 전극 면적,

Figure 112005011947786-pat00003
는 8.8542×10-12이다)Where C is the capacitance, d is the film thickness, A is the top electrode area,
Figure 112005011947786-pat00003
Is 8.8542 × 10 -12 )

또한, 전계 무인가시의 상기 박막의 유전율에 대한 전계 인가시의 상기 박막의 유전율의 변화로 정의되는 전계 가변율을 다음의 수학식에 따라 측정하였다. 전계 가변율은 1 MHz의 주파수에서 측정하였으며, 인가 전계 범위는 ±1000 kV/cm 였 다. In addition, the electric field variable rate defined by the change in the dielectric constant of the thin film when the electric field is applied to the dielectric constant of the thin film when no electric field is applied was measured according to the following equation. The field variability was measured at a frequency of 1 MHz and the applied field range was ± 1000 kV / cm.

Figure 112005011947786-pat00004
Figure 112005011947786-pat00004

(여기서, C0는 무전계시의 정전 용량, Cv는 전계 인가시의 정전 용량)(Where C 0 is the capacitance at the field, C v is the capacitance at the time of application)

도 7a는 다양한 기판 온도(substarate temperature; S. T.)에서 형성된 PZN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 상수의 변화를 나타내는 그래프이다. FIG. 7A is a graph illustrating a change in dielectric constant according to deposition state and post-heating temperature of a PZN thin film formed at various substrate temperatures (S. T.).

이 그래프로부터 기판 온도 및 후열처리 온도가 증가함에 따라 유전 상수가 증가함을 알 수 있다. 550 ℃의 기판 온도에서 증착된 PZN 박막의 경우 800 ℃의 후열처리를 거치게 되면 유전 상수는 약 180 ~ 200에 이름을 알 수 있다. It can be seen from this graph that the dielectric constant increases as the substrate temperature and the post-heating temperature increase. In case of PZN thin film deposited at substrate temperature of 550 ℃, after 800 ℃ heat treatment, the dielectric constant is about 180 ~ 200.

도 8a는 다양한 기판 온도에서 형성된 PZN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 손실 특성을 도시하는 그래프이다. FIG. 8A is a graph showing dielectric loss characteristics of PZN thin films formed at various substrate temperatures according to deposition conditions and post-heat treatment temperatures.

도시된 바와 같이, 기판 온도가 증가함에 따라 유전 손실이 감소함을 알 수 있으며, 얻어진 박막의 유전 손실은 최대 0.006 이하임을 알 수 있으며, 기판 온도 550 ℃에서 형성된 박막의 경우에는 유전 손실이 0.002이하이며 최대 0.001까지 감소함을 알 수 있다.As shown, it can be seen that the dielectric loss decreases as the substrate temperature increases, and the dielectric loss of the obtained thin film is at most 0.006 or less. In the case of the thin film formed at the substrate temperature of 550 ° C., the dielectric loss is 0.002 or less. It can be seen that the maximum decreases to 0.001.

도 7b는 다양한 기판 온도(substarate temperature)에서 형성된 PMN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 상수의 변화를 나타내는 그래프이다. FIG. 7B is a graph showing a change in dielectric constant according to the deposition state and the post-heating temperature of a PMN thin film formed at various substrate temperatures.

이 그래프로부터 기판 온도 및 후열처리 온도가 증가함에 따라 박막의 유전 상수가 증가함을 알 수 있다. 550 ℃의 기판 온도에서 증착된 PMN 박막의 경우 100 이상의 유전 상수를 가지며, 800 ℃의 후열처리를 거치게 되면 유전 상수는 약 190에 이름을 알 수 있다. It can be seen from this graph that the dielectric constant of the thin film increases as the substrate temperature and the post-heating temperature increase. The PMN thin film deposited at a substrate temperature of 550 ° C. has a dielectric constant of 100 or more, and after passing through 800 ° C., the dielectric constant is about 190.

도 8b는 다양한 기판 온도에서 형성된 PMN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 손실 특성을 도시하는 그래프이다. FIG. 8B is a graph illustrating dielectric loss characteristics of PMN thin films formed at various substrate temperatures according to deposition conditions and post-heat treatment temperatures.

도시된 바와 같이, 기판 온도가 증가함에 따라 유전 손실이 감소함을 알 수 있으며, 얻어진 박막의 유전 손실은 최대 0.007 이하임을 알 수 있으며, 기판 온도 550 ℃에서 형성된 박막의 경우에는 유전 손실이 0.001까지 감소함을 알 수 있다.As shown, it can be seen that the dielectric loss decreases as the substrate temperature increases, and the dielectric loss of the obtained thin film is at most 0.007 or less. In the case of the thin film formed at the substrate temperature of 550 ° C., the dielectric loss is 0.001. It can be seen that the decrease.

도 7c는 다양한 기판 온도(substarate temperature)에서 형성된 PNN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 상수의 변화를 나타내는 그래프이다. FIG. 7C is a graph showing changes in dielectric constants according to deposition conditions and post-heating temperatures of PNN thin films formed at various substrate temperatures.

이 그래프로부터 기판 온도 및 후열처리 온도가 증가함에 따라 박막의 유전 상수가 증가함을 알 수 있다. 550 ℃의 기판 온도에서 증착된 PNN 박막의 경우 800 ℃의 후열처리를 거치게 되면 유전 상수는 약 140에 이름을 알 수 있다. It can be seen from this graph that the dielectric constant of the thin film increases as the substrate temperature and the post-heating temperature increase. In the case of the PNN thin film deposited at a substrate temperature of 550 ° C., the dielectric constant is about 140 when subjected to post-heat treatment of 800 ° C.

도 8c는 다양한 기판 온도에서 형성된 PNN 박막의 증착 상태 및 후열처리 온도에 따른 유전 손실 특성을 도시하는 그래프이다. FIG. 8C is a graph illustrating dielectric loss characteristics of PNN thin films formed at various substrate temperatures according to deposition conditions and post-heat treatment temperatures.

도시된 바와 같이, 기판 온도가 증가함에 따라 유전 손실이 감소함을 알 수 있으며, 얻어진 박막의 유전 손실은 최대 0.009 이하임을 알 수 있으며, 기판 온도 550 ℃에서 형성된 박막의 경우에는 유전 손실이 약 0.0015까지 감소함을 알 수 있다.As shown, it can be seen that the dielectric loss decreases as the substrate temperature increases, and the dielectric loss of the obtained thin film is at most 0.009 or less. In the case of the thin film formed at the substrate temperature of 550 ° C., the dielectric loss is about 0.0015. It can be seen that the decrease.

도 9a는 다양한 기판 온도(substarate temperature)에서 형성된 PZN 박막의 전계 가변율 특성을 나타내는 그래프이다. 여기서, 전계 가변율은 1000 kV/cm에서 계산된 값이다.FIG. 9A is a graph illustrating electric field variable rate characteristics of PZN thin films formed at various substrate temperatures. Here, the electric field variable rate is a value calculated at 1000 kV / cm.

도 9a를 참조하면, 전계 가변율은 기판 온도가 증가함에 따라 증가하며, 후열처리 온도의 증가에 따라서도 증가하고 있다. 또한, 기판 온도 550 ℃에서 형성된 박막의 경우에는 후열처리 온도에 따라 전계 가변율이 약 30 ~ 약 42 %에 이름을 알 수 있다.Referring to FIG. 9A, the electric field variable rate increases as the substrate temperature increases and increases as the post-heat treatment temperature increases. In addition, in the case of the thin film formed at a substrate temperature of 550 ° C., the electric field variable rate may be about 30% to about 42% according to the post-heat treatment temperature.

도 9b는 다양한 기판 온도(substarate temperature)에서 형성된 PMN 박막의 전계 가변율 특성을 나타내는 그래프이다. 9B is a graph showing the electric field variable rate characteristic of PMN thin films formed at various substrate temperatures.

도 9b를 참조하면, 기판 온도 및 후열처리 온도의 증가에 따라 전계 가변율이 증가하고 있음을 알 수 있으며, 또한, 기판 온도 550 ℃에서 형성된 박막의 경우에는 후열처리 온도에 따라 전계 가변율이 최대 약 43 %에 이름을 알 수 있다.Referring to FIG. 9B, it can be seen that the electric field variable rate increases with the increase of the substrate temperature and the post heat treatment temperature. Also, in the case of the thin film formed at the substrate temperature of 550 ° C., the electric field variable rate is maximum depending on the post heat treatment temperature. About 43% of the names are known.

도 9c는 다양한 기판 온도(substarate temperature)에서 형성된 PNN 박막의 전계 가변율 특성을 나타내는 그래프이다. 대체적으로 기판 온도 및 후열처리 온도에 따른 전계 가변율의 변화 경향은 PZN 및 PMN에 비해 둔회됨을 알 수 있으며, 기판 온도 550 ℃에서 형성된 박막의 경우 최대 22 %의 전계 가변율을 나타냄을 알 수 있다. FIG. 9C is a graph showing electric field variability characteristics of PNN thin films formed at various substrate temperatures. In general, it can be seen that the variation of the electric field variable rate according to the substrate temperature and the post-heat treatment temperature is slower than that of PZN and PMN. The thin film formed at the substrate temperature of 550 ° C. shows a maximum electric field variable rate of 22%. .

이상 그래프를 참조하여 계산한 PZN, PMN, PNN 박막의 유전 특성(유전 상수, 유전 손실) 및 전계 가변율 특성을 요약하면 아래 표 2 내지 표 4와 같다.Dielectric properties (dielectric constant, dielectric loss) and electric field variable rate characteristics of PZN, PMN, and PNN thin films calculated with reference to the above graphs are summarized in Tables 2 to 4 below.

PZN 박막의 특성표Characteristic table of PZN thin film 특성 열처리 온도Characteristics Heat Treatment Temperature 유전 상수Dielectric constant 유전 손실(×10-3)Dielectric loss (× 10 -3 ) 전계 가변율(%)Electric field variable rate (%) 기판 온도 350 ℃Substrate temperature 350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ as-depas-dep -- 57.757.7 117117 178.1178.1 -- 5.85.8 3.713.71 1.561.56 -- 4.24.2 23.123.1 29.429.4 500 ℃500 ℃ 6363 124.5124.5 167.4167.4 184.6184.6 4.814.81 3.23.2 1.821.82 1.331.33 14.314.3 16.3516.35 28.528.5 3030 600 ℃600 ℃ 72.172.1 137.7137.7 171.9171.9 193.1193.1 4.64.6 2.212.21 1.391.39 1.21.2 1515 22.6422.64 3030 3232 700 ℃700 ℃ 88.888.8 145.3145.3 179.1179.1 198198 2.732.73 1.71.7 1.321.32 1.011.01 18.818.8 26.3526.35 3434 3636 800 ℃800 ℃ 114.4114.4 152.7152.7 181.8181.8 197.9197.9 2.432.43 1.621.62 1.181.18 0.990.99 20.5420.54 30.230.2 3838 4242

PMN 박막의 특성표PMN thin film characteristics table 특성 열처리 온도Characteristics Heat Treatment Temperature 유전 상수Dielectric constant 유전 손실(×10-3)Dielectric loss (× 10 -3 ) 전계 가변율(%)Electric field variable rate (%) 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ as-depas-dep -- 47.747.7 94.594.5 105.4105.4 -- 6.626.62 6.416.41 5.515.51 -- 1.21.2 1.51.5 11.911.9 500 ℃500 ℃ 53.253.2 121.9121.9 129.7129.7 156.5156.5 4.54.5 2.722.72 2.152.15 1.531.53 2.32.3 6.76.7 14.114.1 21.621.6 600 ℃600 ℃ 62.962.9 134.8134.8 139.4139.4 177.9177.9 3.923.92 1.971.97 1.361.36 1.061.06 14.3614.36 23.123.1 25.825.8 28.828.8 700 ℃700 ℃ 76.376.3 140.9140.9 142.9142.9 183.6183.6 2.972.97 1.211.21 1.291.29 1.51.5 17.6217.62 24.624.6 30.530.5 36.536.5 800 ℃800 ℃ 112.3112.3 141.6141.6 143.2143.2 190.9190.9 2.512.51 1.71.7 1.421.42 1.281.28 19.5419.54 24.824.8 33.233.2 4343

PNN 박막의 특성표Characteristic table of PNN thin film 특성 열처리 온도Characteristics Heat Treatment Temperature 유전 상수Dielectric constant 유전 손실(×10-3)Dielectric loss (× 10 -3 ) 전계 가변율(%)Electric field variable rate (%) 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ 350 ℃350 ℃ 450 ℃450 500 ℃500 ℃ 550 ℃550 ℃ as-depas-dep -- 43.243.2 70.270.2 95.695.6 -- 8.568.56 6.216.21 5.095.09 -- 00 00 1111 500 ℃500 ℃ 46.546.5 98.798.7 118.2118.2 125.3125.3 6.676.67 3.563.56 2.822.82 2.542.54 10.510.5 12.512.5 1313 1414 600 ℃600 ℃ 59.559.5 125.9125.9 138.2138.2 142.6142.6 5.035.03 2.872.87 1.841.84 1.571.57 13.313.3 15.315.3 18.618.6 1919 700 ℃700 ℃ 61.661.6 130.6130.6 145145 145.8145.8 4.074.07 2.762.76 1.721.72 1.561.56 12.512.5 16.216.2 20.620.6 21.521.5 800 ℃800 ℃ 70.270.2 135.3135.3 144.3144.3 149.4149.4 3.923.92 2.642.64 1.671.67 1.551.55 1414 1616 2121 22.722.7

본 발명은 입방정 파이로클로어 단일상의 Pb 기반 유전체 박막을 제공한다. 본 발명의 Pb계 파이로클러어 박막은 높은 유전율 및 낮은 유전 손실 특성을 나타낸다. 또한, 본 발명의 Pb계 파이로클로어 박막은 최대 40% 이상의 높은 전계 가변율을 나타내는데, 이러한 특성으로 인해 위상 변환기, 평판 안테나, 필터 등의 전계 가변형 캐패시터로서 사용되기에 적합하다.The present invention provides a Pb based dielectric thin film of cubic pyroclaw single phase. The Pb-based pyroclear thin film of the present invention exhibits high dielectric constant and low dielectric loss characteristics. In addition, the Pb-based Pyroclaw thin film of the present invention exhibits a high electric field variable rate of up to 40% or more, which is suitable for use as an electric field variable capacitor of a phase converter, a flat antenna, a filter, and the like.

또한, 본 발명의 유전체 박막은 기판 온도 및 후열처리 온도에 따라 박막의 유전 특성, 즉 유전율, 전계 가변율를 넓은 범위에서 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. In addition, the dielectric thin film of the present invention has the advantage that the dielectric properties of the thin film, that is, the dielectric constant, the electric field variable rate can be adjusted in a wide range according to the substrate temperature and the post-heat treatment temperature.

더욱이, 본 발명의 유전체 박막은 기판 온도를 높이고 후열처리를 행함에 따라 높은 전계 가변율과 낮은 유전 손실을 나타내어 결과적으로 매우 높은 이익 지수를 갖는 유전체 박막을 제조할 수 있다. 예컨대 550 ℃의 기판 온도 및 800 ℃의 후열처리를 거쳐 제조된 박막은 약 190의 유전 상수와 0.001의 유전 상수를 나타내며, 40%(0.4) 이상의 전계 가변율을 나타낸다. 이에 따라 본 발명의 유전체 박막은 유전 손실에 대한 전계 가변율의 비율로 정의되는 이익 지수(K factor)가 매우 높은 값을 나타내기 때문에 종래의 유전체 박막이 갖는 전계 가변형 소자로의 응용 한계를 극복하는 데 매우 유망하다.Moreover, the dielectric thin film of the present invention exhibits high electric field variability and low dielectric loss as the substrate temperature is increased and post-heat treatment, resulting in a dielectric thin film having a very high profit index. For example, a thin film prepared through a substrate temperature of 550 ° C. and a post heat treatment of 800 ° C. has a dielectric constant of about 190 and a dielectric constant of 0.001, and has an electric field variable rate of 40% (0.4) or more. Accordingly, since the dielectric thin film of the present invention exhibits a very high value of K factor defined as the ratio of the electric field variable rate to dielectric loss, the dielectric thin film of the present invention overcomes the limitation of application to the field variable device of the conventional dielectric thin film. Very promising.

Claims (27)

Pb-X-Nb-O(여기서 X는 Zn, Ni, Cu 및 Mg으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 원소임)계 파이로클로어 구조의 고용체 박막으로서, Pb-X-Nb-O (where X is one element selected from the group consisting of Zn, Ni, Cu and Mg) pyrochlore solid solution thin film, 다음의 수식에 의해 정의되는 전계 가변율이 약 10 내지 43%인 것을 특징으로 하는 유전체 박막Dielectric thin film, characterized in that the electric field variable rate is defined by the following formula is about 10 to 43%
Figure 112005011947786-pat00005
Figure 112005011947786-pat00005
(여기서, C0는 무전계시의 정전 용량, Cv는 1000 kV/cm 전계 인가시의 정전 용량).(Where C 0 is the capacitance at the field, C v is the capacitance at 1000 kV / cm).
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전계 가변율은 30 ~ 43% 인 것을 특징으로 하는 유전체 박막.The electric field variable rate is a dielectric thin film, characterized in that 30 to 43%. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유전율이 100 이상인 것을 특징으로 하는 유전체 박막.The dielectric thin film, characterized in that the dielectric constant is 100 or more. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 유전 손실 tan δ가 0.01 미만인 것을 특징으로 하는 유전체 박막.The dielectric loss tan δ is less than 0.01. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 박막의 두께는 4500Å 미만인 것을 특징으로 하는 유전체 박막.The dielectric thin film, characterized in that the thickness of less than 4500Å. Pb6Zn1Nb6O22로 표현되는 입방정 파이로클로어 단일상의 고용체 박막.Solid solution thin film of cubic pyrochlore single phase represented by Pb 6 Zn 1 Nb 6 O 22 . 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 박막은 다음의 수식에 의해 정의되는 전계 가변율이 4 ~ 43%인 것을 특징으로 하는 고용체 박막The thin film is a solid solution thin film, characterized in that the electric field variable rate is 4 ~ 43% defined by the following formula
Figure 112005011947786-pat00006
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(여기서, C0는 무전계시의 정전 용량, Cv는 1000 kV/cm 전계 인가시의 정전 용량).(Where C 0 is the capacitance at the field, C v is the capacitance at 1000 kV / cm).
제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 유전율은 50 이상 200 이하인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.The dielectric constant is a solid solution thin film, characterized in that 50 to 200. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 유전 손실 tan δ가 0.006 미만인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.The dielectric loss tan δ is less than 0.006 solid solution thin film. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 박막의 두께는 4500Å 미만인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.The thin film of the solid solution, characterized in that the thickness of less than 4500Å. Pb6Mg1Nb6O22로 표현되는 입방정 파이로클로어 단일상의 고용체 박막.Solid solution thin film of cubic pyrochlore single phase represented by Pb 6 Mg 1 Nb 6 O 22 . 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 박막은 다음의 수식에 의해 정의되는 전계 가변율이 2 ~ 43%인 것을 특징으로 하는 고용체 박막The thin film is a solid solution thin film, characterized in that the electric field variable rate is defined by the following formula 2 ~ 43%
Figure 112005011947786-pat00007
Figure 112005011947786-pat00007
(여기서, C0는 무전계시의 정전 용량, Cv는 1000 kV/cm 전계 인가시의 정전 용량).(Where C 0 is the capacitance at the field, C v is the capacitance at 1000 kV / cm).
제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 유전율이 45 이상 200 이하인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.A solid solution thin film, wherein the dielectric constant is 45 or more and 200 or less. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 유전 손실 tan δ가 0.007 미만인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.The solid solution thin film, wherein the dielectric loss tan δ is less than 0.007. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 박막의 두께는 4500Å 미만인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.The thin film of the solid solution, characterized in that the thickness of less than 4500Å. Pb6Ni1Nb6O22로 표현되는 입방정 파이로클로어 단일상의 고용체 박막.Solid solution thin film of cubic pyrochlore single phase represented by Pb 6 Ni 1 Nb 6 O 22 . 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 박막은 다음의 수식에 의해 정의되는 전계 가변율이 5 ~ 25%인 것을 특징으로 하는 고용체 박막The thin film is a solid solution thin film, characterized in that the electric field variable rate is defined by the following formula 5 ~ 25%
Figure 112005011947786-pat00008
Figure 112005011947786-pat00008
(여기서, C0는 무전계시의 정전 용량, Cv는 1000 kV/cm 전계 인가시의 정전 용량).(Where C 0 is the capacitance at the field, C v is the capacitance at 1000 kV / cm).
제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 유전율이 40이상 150 이하인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.Solid solution thin film, characterized in that the dielectric constant is 40 or more and 150 or less. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 상기 유전 손실 tan δ가 0.008 미만인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.The solid solution thin film, wherein the dielectric loss tan δ is less than 0.008. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 상기 박막의 두께는 4500 Å 미만인 것을 특징으로 하는 고용체 박막.The thin film of the solid solution, characterized in that the thickness of less than 4500 kPa. Pb-X-Nb-O(여기서 X는 Zn, Ni, Cu 및 Mg으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 하나 이상을 포함)로 표현되는 소결체 타겟을 제공하는 단계;Providing a sintered compact target represented by Pb-X-Nb-O, wherein X comprises at least one selected from the group consisting of Zn, Ni, Cu, and Mg; 기판을 가열하는 단계; 및Heating the substrate; And 상기 타겟 물질을 스퍼터하여 상기 기판에 Pb-X-Nb-O 박막을 형성하는 단계를 포함하는 유전체 박막 형성 방법.Sputtering the target material to form a Pb-X-Nb-O thin film on the substrate. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 Pb-X-Nb-O 박막은 조성식 Pb6X1Nb6O22로 표현되는 파이로클로어 단일상인 것을 특징으로 하는 유전체 박막 형성 방법.The Pb-X-Nb-O thin film is a dielectric thin film formation method, characterized in that the pyrochlore single phase represented by the composition formula Pb 6 X 1 Nb 6 O 22 . 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 기판 가열 단계에서 기판 온도는 350 ~ 600 ℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 유전체 박막 형성 방법.In the substrate heating step, the substrate temperature is maintained at 350 ~ 600 ℃ characterized in that the dielectric thin film forming method. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 Pb-X-Nb-O 박막을 스퍼터하는 단계에서 아르곤에 대한 산소 가스의 혼합 비율은 10%로 유지되는 것을 특징으로 하는 유전체 박막 형성 방법.In the sputtering of the Pb-X-Nb-O thin film, the mixing ratio of oxygen gas to argon is maintained at 10%. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 Pb-X-Nb-O 박막을 스퍼터하는 단계에서 증착 압력은 10 mTorr로 유지되는 것을 특징으로 하는 유전체 박막 형성 방법.In the sputtering of the Pb-X-Nb-O thin film, the deposition pressure is maintained at 10 mTorr. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 Pb-X-Nb-O 박막 형성 단계는 500 ℃ 이상의 온도에서 후열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 박막 형성 방법.The Pb-X-Nb-O thin film forming step further comprises the step of post-heat treatment at a temperature of 500 ℃ or more. 제26항에 있어서,The method of claim 26, 상기 후열처리 단계는 800 ℃ 이하의 온도와 공기 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유전체 박막 형성 방법.The post-heat treatment step is a dielectric thin film formation method, characterized in that carried out at a temperature of 800 ℃ or less.
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