KR100858093B1 - 데이터 저장을 위한 강유전체 박막의 제조방법 및 이를이용한 강유전체 기록매체의 제조방법 - Google Patents

데이터 저장을 위한 강유전체 박막의 제조방법 및 이를이용한 강유전체 기록매체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

결정성 및 표면거칠기(surface roughness) 특성이 우수하면서도 고기록 밀도의 데이터 저장성능을 가지는 강유전체 박막 및 상기 강유전체 박막을 포함한 강유전체 기록매체의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조방법은, 기판 상에 비정질의 TiO2 층을 형성하는 단계, 상기 TiO2 층 상에 PbO 가스 분위기를 형성하는 단계 및 상기 TiO2 층과 PbO 가스를 400℃ 내지 650℃의 온도범위에서 반응시켜 상기 기판 상에 1㎚ 내지 20㎚ 크기의 미세 결정립(grain) 구조를 갖는 PbTiO3 강유전체 박막을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

데이터 저장을 위한 강유전체 박막의 제조방법 및 이를 이용한 강유전체 기록매체의 제조방법{Method of manufacturing ferroelectric thin film for data storage and method of manufacturing ferroelectric recording media using the same method}
본 발명은 데이터 저장을 위한 강유전체 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고기록 밀도의 데이터 저장을 수행할 수 있도록, 미세한 결정립 구조(nanograin structure)를 갖는 강유전체 박막 및 상기 강유전체 박막을 포함한 강유전체 기록매체의 제조방법에 관한 것이다.
종래 하드 디스크(hard disk), 광디스크(optical disk)와 같은 정보 저장(data storage) 장치 기술의 급격한 발달로 1 Gbit/inch2 이상의 기록밀도를 갖는 정보저장 장치가 개발되었으며, 디지털 기술의 급격한 발달은 더욱 고용량의 정보저장 장치를 요구하게 되었다. 그러나, 기존의 정보 저장 장치는 하드 디스크의 수퍼-파라마그네틱(superparamagnetic) 한계나 또는 광디스크의 레이저의 회절 한계 등으로 인하여 기록밀도가 제한된다. 최근, 근접장 광학(near-field optics) 기술 을 이용하여 광의 회절 한계를 극복하여 100 Gbit/inch2 이상의 기록 밀도를 갖는 정보 저장 장치를 개발하려는 연구가 진행되고 있다.
한편, 기존의 정보저장 장치와는 달리, AFM(Atomic Force Microscopy)에서 볼 수 있는 팁-형상의 프로브(tip-shaped probes)을 이용하여 고용량 정보저장 장치를 제작하고자하는 연구가 진행되고 있다. 상기 팁-형상의 프로브는 수 nm 크기까지 작게 할 수 있기 때문에 이러한 팁-형상의 프로브를 이용하여 원자레벨의 표면 미세 구조도 관찰할 수 있게 되었다. 이러한 특성을 갖는 팁-형상의 프로브를 이용하면, 이론적으로 테라 비트(tera bit)급의 정보저장 장치도 가능할 수 있다. 팁-형상의 프로브를 이용한 정보 저장 장치에서 중요한 것 중의 하나는 정보 저장 장치에 사용되는 기록매체의 종류와 기록 방법이다. 대표적인 것으로는 강유전체 기록매체를 이용하는 것이 활발히 연구되고 있다.
도 1은 종래 강유전체 기록매체의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 강유전체 기록매체는 기판(2) 상에 순차적으로 하부전극(4, bottom electrode)과 기록매체층(8)이 적층된 구조를 가진다. 상기 기록매체층(8)으로 PbTiO3, PbZrxTi(1-x)O3(이하, 'PZT'라 함) 또는 SrBi2Ta2O9(이하, 'SBT'라 함) 등의 강유전체 박막을 이용한다. 하부전극(4)과 AFM 팁(9) 사이에 전압 펄스가 인가되면, 강유전체 매체(8)의 분극(polarization)이 국부적으로 변화될 수 있다. 상기 전압의 부호에 따라, 상향 또는 하향 분극이 기록될 수 있으며, 이러한 분극상태의 읽기(read-out)는 예를 들어 저항성 프로브(resistive probe)를 이용하여 검출될 수 있다. 상기 강유전체 기록매체의 구조와 동작에 관한 더욱 상세한 설명을 위하여는 대한민국 등록특허 0379415가 그대로 인용될 수 있다.
강유전체 박막을 기록매체로 이용하면 데이터의 쓰기속도가 빠르고, 전력소모가 극히 작으며, 반복쓰기가 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 종래 스퍼터링(supperting), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 또는 PLD(pulsed laser deposition)과 같은 방법으로 증착된 강유전체 박막은 전형적으로 평균 결정립 크기가 20㎚인 다결정질(polycrystalline)이며, 좋지 않은 표면거칠기(surface roughness)를 가진다. 기록매체의 표면거칠기가 나쁘면, 데이터의 읽기/쓰기 속도가 느려지게 되며, 팁의 마모를 가져올 수도 있다. 종래 이러한 문제점이 알려져 있기 때문에, 결정성 및 표면거칠기 특성이 우수하면서도, 고기록 밀도의 데이터 저장성능을 갖는 강유전체 박막 및 그 제조기술이 요구되었으나, 제조공정 상의 한계로 인하여 종래 강유전체 박막의 제조기술은 이에 대한 충분한 해결책을 제시하지 못하고 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 결정성 및 표면거칠기(surface roughness) 특성이 우수하면서도 고기록 밀도의 데이터 저장성능을 가질 수 있도록, 미세하면서도 균일한 크기의 결정립 구조를 갖는 강유전체 박막 및 상기 강유전체 박막을 포함한 강유전체 기록매체의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조방법은,
기판 상에 비정질의 TiO2 층을 형성하는 단계;
상기 TiO2 층 상에 PbO 가스 분위기를 형성하는 단계; 및
상기 TiO2 층과 PbO 가스를 400℃ 내지 800℃의 온도범위에서 반응시켜 상기 기판 상에 1㎚ 내지 20㎚ 크기의 미세 결정립(grain) 구조를 갖는 PbTiO3 강유전체 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.
여기에서, 상기 TiO2 층과 PbO 가스의 반응온도와 반응시간 및 상기 PbO 가스의 유속(flux) 중 적어도 하나를 제어하여 상기 PbTiO3 강유전체 박막의 결정립 크기 또는 화학양론 조성(stoichiometry)을 제어할 수 있다. 바람직하게 상기 TiO2 층과 PbO 가스의 반응시간은 1초 내지 60분으로 제어될 수 있다.
그리고, 상기 비정질의 TiO2 층은 10℃ 내지 650℃의 온도범위에서 형성될 수 있으며, 바람직하게 10℃ 내지 400℃의 온도범위에서 형성된다. 상기 비정질의 TiO2 층은 1㎚ 내지 100㎚의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 미세 결정립 구조와 우수한 표면거칠기(surface roughness) 특성을 가짐으로써, 고기록 밀도의 데이터 저장 성능을 가질 수 있는 강유전체 박막을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 표면거칠기(surface roughness) 특성이 우수하면서도 고기록 밀도의 데이터 저장 성능을 가질 수 있는 강유전체 박막 및 상기 강유전체 박막을 포함한 강유전체 기록매체를 얻을 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 제조공정에 따르면, 5㎚ 이하로 미세하면서도 균일한 크기의 결정립 구조를 갖는 강유전체 박막을 얻을 수 있다. 이와 같은 미세 결정립 구조를 갖는 강유전체 박막을 이용하여 데이터 저장을 위한 기록매체를 제조할 경우, 상기 기록매체에 종래 기록매체보다 더 많은 고용량의 데이터가 저장될 수 있어, 상기 기록매체의 데이터 저장능력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 1 Gbit/inch2 이상의 고기록 밀도의 정보저장 장치가 쉽게 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 강유전체 박막은, 그 결정성 및 표면거칠기(surface roughness) 특성이 종래의 강유전체 박막 보다 우수할 뿐만, 그 제조공정이 간단하고 용이하여 강유전체 박막의 제조단가 및 제조시간을 낮추는데 유리할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조방법 및 이를 이용한 강유전체 기록매체의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되게 도시된 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조방법을 보여주는 공정도이다.
도 2a를 참조하면, 기판(10) 상에 비정질의 TiO2 층(12)을 형성한다. 상기 기판(10)으로 쿼르츠(quartz) 기판, SiO2계 기판, MgO 단결정 기판, 실리콘 단결정 기판, 또는 그 밖의 다른 다양한 재질의 기판이 이용될 수 있다.
상기 비정질의 TiO2 층(12)은 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 및 ALD(atomic layer deposition)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 증착공정으로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 TiO2 층(12)은 10℃ 내지 650℃의 온도범위, 바람직하게는 10℃ 내지 400℃의 온도범위에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 650℃ 이하의 낮은 온도범위는 결정질(crystilline) TiO2 생성을 효과적으로 억제할 수 있으며, 특히 상기 400℃ 이하의 낮은 온도범위에서 증착된 비정질 TiO2 층(12)은 매끈한(smooth) 표면 특성을 가질 수 있기 때문에, 후속되는 공정에서 상기 비정질 TiO2 층(12)을 전구체로 이용할 경우 매끈한(smooth) 표면의 PbTiO3 강유전체 박막이 제조될 수 있다. 반면에, 400℃ 이상의 높은 온도범위에서, 상기 TiO2 층(12)이 형성될 경우, 상기 TiO2 층(12)이 거칠은(rough) 표면 특성을 가질 뿐만 아니라, 상당한 량의 결정질(crystilline) TiO2 가 생성될 수 있으며, 이러한 결정질(crystilline) TiO2 는 이후 형성되는 PbTiO3 강유전체 박막의 막질 특성을 저하시킬 수 있어 문제가 될 수 있다.
상기 비정질 TiO2 층(12)의 표면 거칠기는 후속공정에서 형성되는 PbTiO3 강유전체 박막의 표면특성에 직접적인 영향을 줄 수 있으므로, 상기 비정질 TiO2 층(12)의 증착공정에서 상기 TiO2 층(12)이 가능한 매끄러운 표면특성을 가지도록 형성되는 것이 중요할 것이다.
바람직하게, 상기 비정질의 TiO2 층(12)은 1㎚ 내지 100㎚의 두께로 형성될 수 있다. 이와 같은 두께범위는 후속되는 PbTiO3 강유전체 박막의 형성공정에서 균일한 핵생성 및 미세 결정립 성장에 유리하게 작용할 수 있다. 예를 들어, 상기 비정질의 TiO2 층(12)이 100㎚ 이상으로 너무 두꺼울 경우, 상기 PbTiO3 강유전체 박막의 형성시에 균일한 핵생성 및 미세 결정립 성장이 어려울 수 있다.
도 2b 및 도 2c를 함께 참조하면, 상기 비정질의 TiO2 층(12) 상에 PbO 가스 분위기(200)를 형성한다. 상기 PbO(g) 가스 분위기(200)는 열증발(thermal evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, PbO 분말을 가열처리하여 증발시킴으로써, 기체상태의 PbO(g)를 얻을 수 있다. 또 다른 방법으로, Pb 타겟 또는 PbO 타겟을 스퍼터에 설치하여 산소(O2)를 포함한 플라즈마 분위기에서 스퍼터링함으로써, 기체상태의 PbO(g)를 용이하게 얻을 수 있다.
그 다음에, 400℃ 내지 800℃의 온도범위에서 상기 비정질의 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)를 반응시킴으로써, 상기 기판(10) 상에 1㎚ 내지 20㎚ 크기의 미세 결정립(grain) 구조를 갖는 PbTiO3 강유전체 박막(14)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 PbO 가스 분위기(200)에서 상기 TiO2 층(12)을 가열처리함으로써, 상기 TiO2 층(12)을 상기 PbTiO3 강유전체 박막(14)으로 변환시킬 수 있게 된다. 이 때, 상기 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)의 반응온도와 반응시간 및 상기 PbO 가스(200)의 유속(flux) 중 적어도 하나를 제어하여 상기 PbTiO3 강유전체 박막(14)의 결정립 크기 또는 화학양론 조성(stoichiometry)을 제어할 수 있다.
종래의 증착공정에서, PbTiO3 강유전체 박막의 결정립 크기는 일반적으로 20㎚ 이상으로 형성되었다. 이것은 상기 PbTiO3 강유전체 박막의 증착공정이 기상(gas phase)으로부터 핵생성(nucleation), 표면 흡착(surface adsorption)과 성 장(growth)의 물리적 메카니즘에 의해 지배되기 때문이다. 그러나, 본 발명에서는, 전구체층(precursor layer)인 TiO2 층(12)이 이미 고상(solid)이다. 따라서, 전구체 가스로부터 직접 고상의 PbTiO3을 형성하는 대신에, 본 발명에서는 가스반응(gas phase reaction)에 의해 고상의 TiO2가 다른 고상인 PbTiO3 으로 변환되는 것이다. 이와 같이 본 발명에서 제안하는 변환반응은 빠르게 일어나고, 높은 핵생성 특성을 가지며, 특히 미세 결정립 구조의 PbTiO3 강유전체 박막에 유리하다.
상기 400℃ 내지 800℃의 온도범위는 균일한 핵생성과 미세 결정립의 성장과 밀접한 관계를 가진다. 예를 들어, 400℃ 내지 650℃의 낮은 온도범위에서 상기 비정질의 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)가 반응된다면, 보다 많은 수의 핵들이 생성되어, 이들이 미세한 크기의 결정립들로 성장할 수 있게 되며, 그 크기 분포 또한 균일하게 나타날 수 있다(도 5a 참조). 그러나, 650℃ 이상의 높은 온도에서 상기 비정질의 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)가 반응된다면, 보다 적은 수의 핵들이 생성되어 이들이 큰 크기의 결정립들로 성장하게 되며, 그 크기 분포 또한 매우 넓게(broad) 나타날 수 있다(도 5b 참조).
더우기, 650℃ 이상의 높은 온도에서, 상기 비정질의 TiO2 층(12)이 결정질의(crystalline) TiO2로 변환될 수 있다. 그러나, 결정질의 TiO2 형성은 상기 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)의 반응시간을 매우 짧게 제어함으로써, 효과적으로 억제될 수 있다. 상기 결정질의(crystalline) TiO2 형성의 효과는 도 6b에 보여질 수 있다. 도 6b에서, 결정질의 TiO2는 600℃에서 PbO 가스와 반응할 수 있다. 도 6b는 상기 결정질의 TiO2가 PbO 가스 반응후 형성된 PbTiO3 강유전체 박막의 x-ray를 보여주는데, 상당한 양의 원하지 않는 PbO1 .44가 최종 형성된 강유전체 박막에 존재한다.
여기에서, 상기 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)의 반응온도 뿐만 아니라, 반응시간 또한 균일한 핵생성과 미세 결정립의 성장에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 반응시간이 짧으면 결정립들이 성장할 수 있는 충분한 시간을 가지지 못하므로, 상기 PbTiO3 강유전체 박막(14)이 미세 결정립 구조로 형성될 수 있다. 반면에, 반응시간이 길어지면 결정립들이 성장할 수 있는 충분한 시간을 가지게 되므로, 상대적으로 큰 결정립 구조로 형성될 것이다. 따라서, 미세 결정립 구조의 PbTiO3 강유전체 박막(14)을 형성하기 위해서는, 400℃ 내지 800℃의 온도범위, 바람직하게 400℃ 내지 650℃의 낮은 온도범위에서 가능한 짧은 시간동안 상기 비정질의 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)를 반응시키는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게, 상기 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)의 반응시간은 1초 내지 60분으로 제어될 수 있으며, 전술한 바와 같이 상기 반응시간은 반응온도와 상관관계를 가지므로 상기 반응온도에 따른 적절한 반응시간이 선택되어질 수 있다.
또한, 상기 TiO2 층(12)과 반응하는 PbO 가스의 유속량(flux)도 균일한 핵생 성과 미세 결정립의 성장에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 TiO2 층(12)과 PbO 가스(200)의 반응시간과 함께 상기 PbO 유속(flux)은 고상(solid) PbO 증착이 억제되도록 적절히 선택되어져야 한다. 낮은 온도에서는 PbO의 재증발(re-evaporation)이 감소될 수 있기 때문에, 상기 PbO 증착은 낮은 온도에서 바람직할 수 있다. 또한, 상기 PbO의 인입 유속이 PbO의 재증발 보다 더 클 경우 PbO의 재증발(re-evaporation)이 감소될 수 있기 때문에, 상기 PbO 증착은 보다 빠른 PbO 유속(flux)에서 바람직할 수 있다.
상기 PbTiO3 강유전체 박막(14)의 결정립(grain)은 1㎚ 내지 5㎚의 크기로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 결정립(grain)의 크기가 작을수록, 상기 PbTiO3 강유전체 박막(14)은 종래 보다 더 고기록 밀도의 데이터 저장 성능을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 미세 결정립 구조로부터 상기 PbTiO3 강유전체 박막(14)의 표면거칠기(surface roughness) 특성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
종래 강유전체 박막의 제조공정에 따르면, 5㎚ 이하의 미세 결정립 구조를 갖는 강유전체 박막을 형성하는 것이 어려웠으나, 본 발명에 따르면 간단하고 쉬운 공정에 의해 5㎚ 이하로 미세하면서도 균일한 크기의 결정립 구조를 갖는 강유전체 박막을 용이하게 얻을 수 있다. 이와 같은 미세 결정립 구조를 갖는 강유전체 박막을 이용하여 데이터 저장을 위한 기록매체를 제조할 경우, 상기 기록매체에 종래 기록매체보다 더 많은 고용량의 데이터가 저장될 수 있어, 상기 기록매체의 데이터 저장능력을 향상시킬 수 있다.
도 3a는 본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조공정에서 400℃에서 스퍼터링에 의해 증착된 비정질 TiO2 층의 매끈한(smooth) 표면을 보여주는 SEM 사진이다. 그리고, 도 3b는 도 3a와 동일한 스퍼터링 조건을 이용하여 650℃의 온도에서 증착된 결정질 TiO2 층의 거칠은(rough) 표면을 보여주는 SEM 사진이다. 도 3a와 도 3b를 함께 비교할 경우, 본 발명의 실시예에 따라 650℃ 이하의 저온에서 증착된 비정질 TiO2 층이 더 매끈한(smooth) 표면을 가진다는 것을 알 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 제조공정에서 600℃에서 도 3a의 비정질 TiO2 층과 PbO 가스를 반응시켜 형성된 PbTiO3 강유전체 박막의 매끈한(smooth) 표면을 보여주는 SEM 사진이다. 그리고, 도 4b는 650℃의 온도에서 도 3a의 TiO2 층과 PbO 가스를 반응시켜 형성된 PbTiO3 강유전체 박막의 거칠은(rough) 표면을 보여주는 SEM 사진이다. 도 4a와 도 4b를 함께 비교할 경우, 본 발명의 실시예에 따라 더 낮은 온도에서 형성된 PbTiO3 강유전체 박막이 650℃의 온도에서 형성된 PbTiO3 강유전체 박막 보다 더 매끈한(smooth) 표면을 가진다는 것을 알 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 PbTiO3 강유전체 박막을 제조공정에서 높은 핵생성 밀도 및 미세 결정립(nanograin) 형성을 보여주는 예시도(illustrator)이다. 그리고, 도 5b는 종래 PbTiO3 강유전체 박막을 제조공정에서 낮은 핵생성률 및 그에 따른 결정립 성장을 보여주는 예시도이다.
도 6a는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 PbTiO3 강유전체 박막의 XRD 분석 그래프이다. 그리고, 도 6b는 단결정(single crystalline) TiO2 기판을 이용하여 제조된 PbTiO3 강유전체 박막의 XRD 분석 그래프이다. 도 6a와 도 6b를 함께 비교할 경우, 단결정 TiO2 기판을 이용하여 제조된 PbTiO3 강유전체 박막(도 6b 참조)은 PbTiO3 물질 이외에도 PbO1 .44와 결정질 TiO2와 같은 추가적인 상들(phases)을 더 포함하고 있지만, 600℃의 온도에서 제조된 PbTiO3 강유전체 박막(도 6a 참조)은 단지 PbTiO3 상만 포함하고 있다.
도 6a에서 Pt(백금)에 대한 피크(peak)가 발생하는데, 그 이유는 Pt 전극층 위에 PbTiO3 강유전체 박막을 형성한 후, 이를 데이터 분석 샘플로 이용하였기 때문이다.
도 7은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 PbTiO3 강유전체 박막의 미세한 결정립을 보여주는 TEM 사진이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 강유전체 기록매체의 제조방법을 보여주는 공정도이다. 상기 강유전체 기록매체의 제조방법에서 강유전체 박막의 제조공정은 이미 전술한 바 있으므로, 동일한 공정에 대하여 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 8a 및 도 8b를 함께 참조하면, 기판(100) 상에 Pt, Ir 등과 같은 도전성 물질로 전극층(110)을 형성한다. 상기 전극층(110)은 스퍼터법, MOCVD법, 플라즈마 MOCVD법 등과 같은 다양한 기상증착법에 의해 형성될 수 있다. 그리고나서, 상기 전극층(110) 상에 비정질의 TiO2 층(120)을 형성한다. 상기 기판(100)으로 쿼르츠(quartz) 기판, SiO2계 기판, MgO 단결정 기판, 실리콘 단결정 기판, 또는 그 밖의 다른 다양한 재질의 기판이 이용될 수 있다.
상기 비정질의 TiO2 층(120)은 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 및 ALD(atomic layer deposition)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 증착공정으로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 TiO2 층(120)은 10℃ 내지 650℃의 온도범위, 바람직하게는 10℃ 내지 400℃의 온도범위에서 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 비정질의 TiO2 층(120)은 1㎚ 내지 100㎚의 두께로 형성될 수 있다. 이와 같은 두께범위는 후속되는 PbTiO3 강유전체 박막의 형성공정에서 균일한 핵생성 및 미세 결정립 성장에 유리하게 작용할 수 있다. 예를 들어, 상기 비정질의 TiO2 층(120)이 100㎚ 이상으로 너무 두꺼울 경우, 상기 PbTiO3 강유전체 박막의 형성시에 균일한 핵생성 및 미세 결정립 성장이 어려울 수 있다.
도 8c 및 도 8d를 함께 참조하면, 상기 비정질의 TiO2 층(120) 상에 PbO 가스 분위기(400)를 형성한다. 상기 PbO(g) 가스 분위기(400)는 열증발(thermal evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, PbO 분말을 가열처리하여 증발시킴으로써, 기체상태의 PbO(g)를 얻을 수 있다. 또 다른 방법으로, Pb 타겟 또는 PbO 타겟을 스퍼터에 설치하여 산소(O2)를 포함한 플라즈마 분위기에서 스퍼터링함으로써, 기체상태의 PbO(g)를 용이하게 얻을 수 있다.
그 다음에, 400℃ 내지 800℃의 온도범위에서 상기 비정질의 TiO2 층(120)과 PbO 가스(400)를 반응시킴으로써, 상기 전극층(110) 상에 1㎚ 내지 20㎚ 크기의 미세 결정립(grain) 구조를 갖는 PbTiO3 강유전체 박막(140)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 PbO 가스 분위기(400)에서 상기 TiO2 층(120)을 가열처리함으로써, 상기 TiO2 층(120)을 상기 PbTiO3 강유전체 박막(140)으로 변환시킬 수 있게 된다. 이 때, 상기 TiO2 층(120)과 PbO 가스(400)의 반응온도와 반응시간 및 상기 PbO 가스의 유속(flux) 중 적어도 하나를 제어하여 상기 PbTiO3 강유전체 박막(140)의 결정립 크기 또는 화학양론 조성(stoichiometry)을 제어할 수 있음은 전술한 바와 같다.
미세 결정립 구조의 PbTiO3 강유전체 박막(140)을 형성하기 위해서는, 400℃ 내지 800℃의 낮은 온도범위에서 가능한 짧은 시간동안 상기 비정질의 TiO2 층(120)과 PbO 가스(400)를 반응시키는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게, 상기 TiO2 층(120)과 PbO 가스(400)의 반응시간은 1초 내지 60분으로 제어될 수 있으며, 전술 한 바와 같이 상기 반응시간과 PbO 유속은 반응온도와 상관관계를 가지므로 상기 반응온도에 따라 적절히 반응시간과 PbO 유속이 선택되어질 수 있다.
상기 PbTiO3 강유전체 박막(140)의 결정립(grain)은 1㎚ 내지 5㎚의 크기로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 결정립(grain)의 크기가 작을수록, 상기 PbTiO3 강유전체 박막(140)은 종래 보다 더 고기록 밀도의 데이터 저장 성능을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 미세 결정립 구조로부터 상기 PbTiO3 강유전체 박막(140)의 표면거칠기(surface roughness) 특성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 미세 결정립 구조를 갖는 강유전체 박막을 포함하는 강유전체 기록매체에 의하면, 종래 기록매체보다 더 많은 고용량의 데이터가 저장될 수 있어, 상기 기록매체의 데이터 저장능력을 향상시킬 수 있다.
이상에서, 이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 상기 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점이 이해되어야 할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 공정순서에만 국한되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 발명의 기술사상을 중심으로 보호되어야 할 것이다.
도 1은 종래 강유전체 기록매체의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조방법을 보여주는 공정도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조공정에서 400℃에서 증착된 비정질 TiO2 층의 매끈한(smooth) 표면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 3b는 도 3a와 동일한 스퍼터링 조건을 이용하여 650℃의 온도에서 증착된 결정질 TiO2 층의 거칠은(rough) 표면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 4a는 본 발명에 따른 제조공정에서 600℃에서 도 3a의 비정질 TiO2 층과 PbO 가스를 반응시켜 형성된 PbTiO3 강유전체 박막의 매끈한(smooth) 표면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 4b는 650℃의 온도에서 도 3a의 TiO2 층과 PbO 가스를 반응시켜 형성된 PbTiO3 강유전체 박막의 거칠은(rough) 표면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 5a는 본 발명에 따른 PbTiO3 강유전체 박막을 제조공정에서 균일한 핵생성 및 미세 결정립 성장(grain growth)을 보여주는 예시도(illustrator)이다.
도 5b는 종래 PbTiO3 강유전체 박막을 제조공정에서 불균일한 핵생성 및 그에 따른 결정립 성장을 보여주는 예시도이다.
도 6a는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 PbTiO3 강유전체 박막의 XRD 분석 그래프이다.
도 6b는 단결정(single crystalline) TiO2와 PbO를 반응시켜 형성된 PbTiO3 강유전체 박막의 XRD 분석 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 PbTiO3 강유전체 박막의 미세한 결정립을 보여주는 TEM 사진이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 강유전체 기록매체의 제조방법을 보여주는 공정도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10:기판 12:비정질 TiO2 층
14:강유전체 박막 100:기판
110:전극층 120:비정질 TiO2 층
140:강유전체 박막 200, 400:PbO 가스 분위기

Claims (10)

  1. 기판 상에 비정질의 TiO2 층을 형성하는 단계;
    상기 TiO2 층 상에 PbO 가스 분위기를 형성하는 단계; 및
    상기 TiO2 층과 PbO 가스를 400℃ 내지 800℃의 온도범위에서 반응시켜 상기 기판 상에 1㎚ 내지 20㎚ 크기의 미세 결정립(grain) 구조를 갖는 PbTiO3 강유전체 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 TiO2 층과 PbO 가스의 반응온도와 반응시간 및 상기 PbO 가스의 유속(flux) 중 적어도 하나를 제어하여 상기 PbTiO3 강유전체 박막의 결정립 크기 또는 화학양론 조성(stoichiometry)을 제어하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 TiO2 층과 PbO 가스의 반응시간은 1초 내지 60분으로 제어되는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 PbTiO3 강유전체 박막의 결정립은 1㎚ 내지 5㎚의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질의 TiO2 층은 10℃ 내지 650℃의 온도범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비정질의 TiO2 층은 10℃ 내지 400℃의 온도범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질의 TiO2 층은 1㎚ 내지 100㎚의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질의 TiO2 층은 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 및 ALD(atomic layer deposition)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 증착공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 PbO 가스 분위기는 열증발 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막의 제조방법.
  10. 삭제
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