KR100951662B1 - 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법 및 편극 패턴된 도메인을 갖는 강유전체 - Google Patents

강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법 및 편극 패턴된 도메인을 갖는 강유전체 Download PDF

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Abstract

단일 편극의 강유전체 기판의 양의 편극면 위에 전극을 형성하고, 강유전체 기판의 음의 편극면 위에 전자빔 레지스터를 코팅하고, 마스크를 이용하여 전자빔 레지스터 위에 편극이 역전되는 도메인 영역을 패터닝하고, 강유전체의 편극 도메인을 역전시키기 위해 음의 편극면에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하며, 높은 외부 전기장을 강유전체에 인가하지 않고, 상온, 공기 중에서 대면적으로 강유전체 편극 도메인을 패터닝할 수 있는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법 및 편극 패턴된 도메인을 갖는 강유전체가 개시된다.

Description

강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법 및 편극 패턴된 도메인을 갖는 강유전체{Method of reversing polarization domain of ferroelectrics and domain patterned ferroelectrics using it}
본 발명의 실시예들은 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법에 관한 것으로서, 높은 외부 전기장을 강유전체에 인가하지 않고, 상온, 공기 중에서 대면적으로 강유전체 편극 도메인을 패터닝할 수 있는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법 및 편극 패턴된 도메인을 갖는 강유전체에 관한 것이다.
물질에 전기장을 가하면 그 영향으로 일반적으로 쌍극자모멘트가 생겨서 전기편극이 일어난다. 그러나 어떤 특정한 물질은 전기장을 가하지 않아도 자발적으로 전기편극이 일어나는 것이 있는데, 이 물질을 강유전체라 한다. 강유전체는 전기적으로는 절연체인 유전체의 일종으로서, 특수한 물리적 성질이 있다. 강유전체는 특징적으로 자발분극(spontaneous polarization)을 가지고 있을 뿐만 아니라 이 자발분극이 전기장에 의해 역전되는 현상이 나타나는 물성이 있다.
유전체 중에서 자발분극을 가지는 물질은 많지만 전기장으로 분극의 방향을 바꿀 수 없으면 이는 강유전체라고 할 수 없다. 강유전체는 퀴리온도에서 상전이현 상을 보이는데, 상전이온도 아래에서는 전기 쌍극자끼리의 상호작용을 통해 자발분극이 특정한 방향으로 배열하고 있다가 그 온도 이상에서는 열적 요동에 의해 자발분극을 잃게 되는 현상이 나타난다. 퀴리온도 아래에서는 자발분극이 일정한 방향으로 배열을 하게 되는 영역인, 도메인(domain)이라는 것이 함께 형성된다.
강유전체의 편극은 적절한 전기장을 인가하면 편극 역전 영역을 형성할 수 있다. 그러나 상온에서 편극 역전을 위해서는 최소한 수 백 kV/mm의 고전기장을 인가해야 한다. 따라서 두꺼운 강유전체 기판의 편극 도메인을 패터닝하기 위해서는 결정축 방향을 따라 매우 높은 전압을 인가해야 하므로, 도메인 역전의 폭과 깊이의 조절의 한계를 극복하면서도 전기장 인가가 없거나, 혹은 인가 전기장을 낮춘 상태에서 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 높은 외부 전기장을 강유전체에 인가하지 않고, 상온, 공기 중에서 대면적으로 강유전체 편극 도메인을 패터닝함으로써, 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들은 높은 외부 전기장을 강유전체에 인가하지 않고, 상온, 공기 중에서 대면적으로 강유전체 편극 도메인을 패터닝함으로써, 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법은 단일 편극의 강유전체 기판의 양의 편극면 위에 전극을 형성하는 단계; 상기 강유전체 기판의 음의 편극면 위에 전자빔 레지스터를 코팅하는 단계; 마스크를 이용하여 상기 전자빔 레지스터 위에 편극이 역전되는 도메인 영역을 패터닝하는 단계; 및 상기 강유전체의 편극 도메인을 역전시키기 위해 상기 음의 편극면에 전자빔을 조사하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체는 단일 편극의 강유전체 기판; 상기 강유전체 기판의 양의 편극면 위에 형성된 전극; 및 상기 강유전체 기판의 음의 편극면 위에 편극이 역전되는 도메인 영역을 패터닝하는 마스크를 포함하고, 전자빔이 상기 마스크가 덮지 않은 도메인의 편극을 역전시킨다.
본 발명의 실시예들은 높은 외부 전기장을 강유전체에 인가하지 않고, 상온, 공기 중에서 대면적으로 강유전체 편극 도메인을 패터닝할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들은 표면 전하 충전 효과에 의한 표면전하의 수평방향의 이동과 금속막(금속 마스크) 아래 부분에 전자빔에 의한 x-ray발생으로 인해 2차 전자들이 LNO 기판에 주는 효과를 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법은 단일 편극의 강유전체 기판의 양의 편극면 위에 전극을 형성하고, 상기 강유전체 기판의 음의 편극면 위에 전자빔 레지스터를 코팅한 다음, 마스크를 이용하여 상기 전자빔 레지스터 위에 편극이 역전되는 도메인을 패터닝하고, 상기 강유전체의 편극 도메인을 역전시키기 위해 상기 음의 편극면에 전자빔을 조사하는 단계를 포함한다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 강유전체 편극 도메인 패터닝 방법을 나타낸 것이다.
도 1(a)는 접촉 전극에 의한 패터닝 방법을 나타낸 것이다.
접촉 전극에 의한 패터닝(Patterning)은 단일 편극 유전체 박막이나 단결정 표면에 광 리소그라피(Photo Lithography) 공정에 의한 금속 패터닝과 뒷면에 금속 증착 후 전기장 인가로 도메인 편극을 형성 후, 금속 패터닝을 제거하는 복잡한 공정이 필수적으로 포함된다. 접촉 전극에 의한 패터닝은 반복적인 패터닝이 어렵고, 인가 전기장의 제한으로 폭과 두께의 제한이 있는 단점이 있다.
도 1(b)는 주사탐침현미경(SPM)의 탐침을 이용한 패터닝 방법을 나타낸 것이다.
주사탐침현미경(SPM)의 탐침을 이용한 패터닝 방법은 전도성 탐침에 고전압을 인가하여 탐침이 강유전체 표면을 주사하는 동안 도메인 편극을 역전시키는 패터닝 방법으로서, 전기장 인가 방향으로 도메인의 편극이 스위칭 된다. 편극 영역의 패터닝 폭은 탐침의 지름에 의존하는 데, 대부분 탐침이 nm 단위이므로 서브마이크론 크기의 폭으로 패터닝하는 데 적합하다. 전압 인가가 간단하나, SPM의 탐침의 크기, 강유전체의 두께에 따른 고전압의 인가 및 탐침 주사 속도에 따른 저속도의 패터닝으로 인해서 대량생산에 적합하지 않은 방법이다.
도 1(c)는 주사전자현미경(SEM) 전자빔을 이용한 패터닝 방법을 나타낸 것이다.
SEM 전자빔을 이용한 패터닝 방법은 반도체 공정에서 100nm이하의 소자제작에서 이용되는 전자빔 리소그라피 공정을 이용한 패터닝 방법이다. 강유전체 표면과 전자와의 상호작용에 의해 강유전체 내에 형성되는 전기장에 의한 편극의 역전에 의한 방법으로 서브마이크론 이하 도메인 패터닝이 가능하다. 대부분의 전자빔 리소그라피는 SEM의 100kV이하의 가속전압과 100uA의 전류를 이용하여 직접 강유전체 표면의 도메인을 패터닝 한다. 이 방법은 복잡한 광학적 리소그라피나 전압인가가 필요하지 않으나, 공기 중에서 패터닝이 불가능하며, 대량생산이 어려운 단점이 있다. 또한, 패터닝의 형태와 깊이는 전자빔의 에너지 또는 전류와 깊은 상관관계가 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전체 극성 패턴 형성을 위해 사용한 강유전체 물질은 단결정 LiNbO3(LNO)을 예로 들어 설명하고 있으나 이에 한정되지 않는다.
LNO는 압전기성(piezoelectricity), 초전기성(pyroelectricity), 전자-광 계수 및 비선형광학 계수가 크며, 적외선 파장영역에서 자외선의 파장영역에 이르는 빛에 대해 투명하므로 모바일 TV, 통신, TV의 튜너, Pyro-센서, 적외선 센서 및 다양한 전자광소자에 응용되고 있는 물질이다. 특히, 강유전체는 결정축 z방향에 대해 한 면은 양의 편극을 반대 면은 음의 편극을 띠게 된다. 따라서, 주기적으로 편극을 패턴한 LNO 기판은 광파장(주파수) 변환, 초고속 신호처리, 광스위치, 광-로직 게이트 등의 준위상정합기술(quasi-phase-matched: QPM) 기반 광소자와 레이저 디스플레이에 광범위하게 이용되고 있다. 이와 같은 응용을 위해서는 사용 파장에 적합한 균일한 폭과 고 전력에 사용될 수 있는 두꺼운 단결정 기판의 극성 도메인 패턴이 필수적이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전체 편극 도메인 패턴 형성 시의 도메인 폴링(poling) 과정을 나타낸 것이다.
도메인 폴링 과정은 강한 전기장을 유전체에 가하는 과정이며, 도메인 폴링 과정 후 도메인 영역에 전기 쌍극자가 정렬된다.
LNO 기판(210)은 단결정 기판의 결정 성장 방향과 평행인 면((0001)면) 방향으로 결정을 성장시킨 단결정 기판이다. 도 2를 참조하면, MeV 스케일의 전자빔을 LNO 기판(210)에 조사하는 경우 LNO 기판(210)의 도메인 편극이 역전되는 것을 알 수 있다.
Pt 금속(220)은 LNO 기판(210)을 전자빔에 노출할 경우, LNO 기판(210)에 주입된 전자가 흐를 수 있도록 접지 역할을 하기 위해 LNO 기판(210)에 증착된다. Pt 금속(220)은 LNO 기판(210)의 양의 편극면 (+z)에 증착되는 것이 바람직하다. 이때 Pt 금속(220)은 Pt 200nm를 e-beam evaporator로 증착하는 것이 바람직하다.
마스크(230)는 전자빔을 LNO 기판(210)의 음의 편극면 (-z)에 조사할 때, 부분적으로 전자빔을 차폐하는 물질이다. 마스크(230)는 가공이 쉽고, 전자빔 차폐 효과를 낼 수 있는 물질이 적합하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마스크(230)는 인바(invar) 합금으로 구성된 마스크일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 부분적으로 금속막이 덮힌 단일 편극의 강유전체 음의 편극면 표면에 전자빔을 조사하면 전자빔 노출 영역에 도메인 편극이 역전되는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 강유전체 편극 도메인 패턴 형성 시의 도메인 폴링(poling) 과정을 나타낸 것이다. 도 3(a)는 전자빔 레지스터가 존재하 지 않는 경우이고, 도 3(b)는 전자빔 레지스터가 LNO 기판의 음의 편극면에 코팅되어 있는 경우이다.
LNO 기판(310)과 Pt 금속(320)은 각각 도 2에 도시된 LNO 기판(210) 및 Pt 금속(220)과 같으므로 설명을 생략한다.
마스크(330)는 열팽창계수가 작은 합금으로 형성된 마스크이다. 열팽창계수가 작은 합금은 인바(invar) 합금(Invariable Alloy)을 들 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 마스크(330)를 제조하는데 사용된 인바(invar) 합금은 전자빔으로 인해 온도가 상승하는 마스크(330)의 열팽창 효과를 방지하고, 마스크(330)에 의해 커버된 영역의 전자빔 차폐 효과를 향상시키기 위해 사용된다. 인바(invar) 합금은 36%이상의 Ni을 함유하고, 극저온(≤-163℃)에서부터 상온 이상까지 열에 의한 팽창이 거의 일어나지 않는 Ni-Fe계 합금을 말한다. 인바(invar) 합금의 열팽창계수는 1× 10-16 ~ 2× 10-16 K-1의 범위를 가진다. 인바(invar) 합금은 Ni-Fe계 합금의 일종인 슈퍼 인바(super invar) 합금 또는 알루미늄 등으로 대체될 수 있으며, 인바(invar) 합금보다 작은 열팽창계수를 갖는 금속을 마스크(330)로 사용하는 것이 바람직하고, 열팽창계수가 작으면 작을수록 전자빔 차폐 효과가 크다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마스크(330)는 지름 100㎛ 크기의 원 모양의 구멍을 주기적 뚫어 패턴된 형태로, 두께가 0.1mm인 10 x 10 mm2의 정사각형 모양으로 제작될 수 있다. 이하에서 설명되는 도 6 내지 도 8의 SEM 이미지는 본 마스크를 이용하여 형성된 것이다.
전자빔 레지스터(340)는 LNO 기판(310)의 음의 편극면에 용액 상태의 물질을 스핀 코팅한 레지스터이다. 전자빔 레지스터(340)는 전자빔에 의한 기판 표면에 주입된 전자들의 수평 이동을 방지하기 위해 LNO 기판(310)에 코팅된다. 전자빔 레지스터(340)는 포토 레지스트(Photo Resist, PR) 코팅으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 레지스터(340)는 AG1512라는 PR을 1.8㎛ 두께로 음의 편극면에 스핀 코팅하여 형성될 수 있다.
도 4는 전자빔에 의한 편극 역전 형성 과정을 나타낸 개념도이다.
도 4(a)는 전자빔 레지스터가 없는 경우의 도메인 역전 형성 과정을 나타낸 것이고, 도 4(b)는 전자빔 레지스터가 없는 경우의 도메인 역전 형성 과정을 나타낸 것이다.
전자빔에 의한 강유전체 편극 도메인 역전 현상은 전자빔으로 강유전체 표면에 제공되는 전자들에 의해 강유전체 내부에 형성되는 강한 전기장이 강유전체의 편극 방향(Ps)을 역전시키는 것이다. 즉, 전자빔에 의해 국부적으로 노출된 강유전체 음의 편극면에 전자빔에 의해 공급된 전자들이 표면 트랩(trap)되어 접지된 양의 편극면에 대해 상대적으로 낮은 전위를 형성하게 된다. 따라서 이 전자가 트랩된 영역 방향으로 아래면(양의 편극면)에서 윗면(음의 편극면)으로 강한 전기장(Ee)이 형성된다. 이와 같이 강유전체(LiNbO3) 내부에 전자빔에 의해 형성된 강한 전기장은 LiNbO3를 구성하는 이온 원자들의 변위(displacement)를 유도하여 편극 도메인을 역전시킨다.
도 4(a)에서 보는 바와 같이 전자빔 레지스터가 없는 경우에는 전자빔에 의해 공급된 전자들이 LNO 표면 층에 트랩되기 시작하고, 더 많은 전자들이 공급됨에 따라 점차 표면에 전하가 충전되기 시작할 것이다(표면전하충전 효과). 따라서 이와 같이 충전된 표면 전하에 의해 계속적으로 전자빔에 의해 공급되는 전자들은 강한 전기적 반발력에 의해 수평방향으로 확산(diffusion)된다. 따라서, 노출 중앙 부분의 수직방향의 전기장 세기가 가장 크므로, 이 부분이 상대적으로 편극 역전현상이 강할 것이나, 상대적으로 역전 영역이 작게 된다. 그러나, 전자빔의 에너지가 강하고, 전자빔 조사량이 증가하면 트랩된 표면 전하의 확산이 적어 상대적으로 균일한 편극 역전 도메인을 형성하게 된다.
반면, 전자빔 레지스터를 코팅하면, 이와 같은 표면 전하 충전 효과가 완화되어, 전자빔에 노출에 의해 전자빔으로부터 공급된 전하가 노출 영역에만 트랩되므로, 이 영역에만 LNO 내부에 윗 방향으로 균일하면서 강한 전기장이 형성되어, 편극 역전이 된 도메인이 형성된다. 도 4(a)와 도 4(b)를 참조하면, 도 4(b)에 도시된 LNO 표면 층에 트랩된 전자가 도 4(a)보다 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.
510 단계에서 단일 편극 강유전체 기판의 양의 편극면 위에 전극을 형성한다. 전극은 Pt 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 전자빔에 의해 강유전체 기판에 주입된 전자가 흐를 수 있도록 접지 역할을 하기 위한 것이다.
520 단계에서 상기 강유전체 기판의 음의 편극면 위에 전자빔 레지스터를 코팅한다. 전자빔 레지스터는 전자빔에 의해 기판 표면에 주입된 전자들의 수평 이동을 방지하기 위한 것이며, 포토 레지스트(Photo Resist, PR) 코팅으로도 형성될 수 있다
530 단계에서 마스크를 이용하여 상기 전자빔 레지스터 위에 편극이 역전되는 도메인을 패터닝한다. 마스크에 전자빔이 조사되면, 열이 발생하여 팽창하게 되므로, 열팽창계수가 작은 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따라 사용되는 인바(invar) 합금은 전자빔으로 인해 온도가 상승하는 마스크의 열팽창 효과를 방지하고, 마스크에 의해 커버된 영역의 전자빔 차폐 효과를 향상시키기 위해 사용된다.
540 단계에서 상기 강유전체의 편극 도메인을 역전시키기 위해 상기 음의 편극면에 전자빔을 조사한다. 상기 강유전체 기판에 조사되는 전자빔은 0.3 ~ 2 MeV의 에너지, 1× 1014~ 1017 e/cm2 조사량 범위인 것이 바람직하다.
도 6은 1.0 MeV의 에너지 및 1× 1016 e/cm2 조사량의 전자빔 조사 후의 시료를 HF 용액에 15분 에칭한 후의 원형으로 패턴된 시료 표면 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 나타낸 것이다. 도 6(a)는 포토 레지스트 코팅 시료이고, 도 6(b)는 포토 레지스트 코팅 안한 시료이다. 도 6(a)와 도 6(b) 두 경우 모두 1.0 MeV의 에너지, 1× 1016 e/cm2 조사량, 및 1 mA의 조건 하에서 얻은 이미지이며, 포토 레지스트의 유무에 있어서 차이가 있다. 본 명세서에서 사용되는 시료는 본 발 명의 일 실시예에 따른 LNO 기판, Pt 금속, 마스크, 및 전자빔 레지스터로 구성되며, 다음과 같이 제작될 수 있다.
LNO 기판은 0.5mm 두께의 3인치 웨이퍼를 1 x 1 cm2의 크기의 정사각형 모양으로 제작하고, 제작 전에 3인치 웨이퍼를 아세톤 또는 에탄올을 이용하여 엑스 시튜(ex situ) 표면처리 한다. Pt 금속은 Pt 200nm를 e-beam evaporator로 LNO 기판의 양의 편극면에 증착한다. 마스크는 인바(invar) 합금으로 구성되며, 지름 100㎛ 크기의 원 모양의 구멍을 주기적으로 뚫어 패턴된 형태로, 두께가 0.1mm인 10 x 10 mm2의 정사각형 모양으로 제작된다. 전자빔 레지스터는 AG1512라는 PR을 1.8㎛ 두께로 음의 편극면에 스핀 코팅하여 형성한다.
도 7은 1.0 MeV의 에너지 및 1× 1017 e/cm2 조사량의 전자빔 조사 후의 시료를 HF 용액에 15분 에칭한 후의 원형으로 패턴된 시료 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 7(a)는 포토 레지스트 코팅 시료이고, 도 7(b)는 포토 레지스트 코팅 안한 시료이다. 도 7(a)와 도 7(b) 두 경우 모두 1.0 MeV의 에너지, 1× 1017 e/cm2 조사량, 및 1 mA의 조건 하에서 얻은 이미지이며, 포토 레지스트의 유무에 있어서 차이가 있다.
도 8은 2.0 MeV의 에너지 및 1× 1016 e/cm2 조사량의 전자빔 조사 후의 시료를 HF 용액에 15분 에칭한 후의 원형으로 패턴된 시료 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 8(a)는 포토 레지스트 코팅 시료이고, 도 8(b)는 포토 레지스트 코팅 안한 시료이다. 도 8(a)와 도 8(b) 두 경우 모두 2.0 MeV의 에너지, 1× 1016 e/cm2 조사량, 및 1 mA의 조건 하에서 얻은 이미지이며, 포토 레지스트의 유무에 있어서 차이가 있다.
시료에 전자빔 조사 후, LNO 기판 표면의 평탄도는 변화가 없기 때문에, 편극의 역전 현상이 일어나더라도 각 편극 도메인을 구별할 수 없다. 따라서 편극의 역전 유무는 LNO 기판의 HF 용액에 대한 에칭 비율의 차에 의해 판별할 수 있다. 즉, 음의 편극면의 에칭율은 양의 편극면의 에칭율보다 크기 때문에 음의 편극면에 전자빔 조사로 역전 현상이 일어났다면 양의 편극면의 에칭이 덜 된다.
표 1은 도 6 내지 도 8에서 사용된 전자빔 조사 조건을 나타낸 표이다.
Energy Current Dose
1 MeV 1 mA 1×1016 e/cm2
1 MeV 1 mA 1×1016 e/cm2
1 MeV 1 mA 1×1017 e/cm2
1 MeV 1 mA 1×1017 e/cm2
2 MeV 1 mA 1×1016 e/cm2
2 MeV 1 mA 1×1016 e/cm2
2 MeV 1 mA 1×1017 e/cm2
2 MeV 1 mA 1×1017 e/cm2
도 6 내지 도 8을 참조하여, 전자빔 레지스터 코팅 유무에 따른 편극 도메인 역전에 대하여 살펴보기로 한다.
LNO 기판의 음의 편극면에 PR 코팅한 시료와 코팅하지 않은 시료의 편극 역전 유무를 살펴보기로 한다. 먼저 PR 코팅한 시료는 전자빔의 에너지가 1.0 MeV 이상이고, 조사량이 1× 1016 e/cm2 이상에서 기판 전체가 음의 편극인 면이 금속 마스크의 원 모양의 구멍을 통해 전자빔에 노출된 영역인 원 모양의 양의 편극으로 역전됨을 알 수 있다. SEM 측정 결과인 그림 6(a), 그림 7(a), 그림 8(a)에서 보는 바와 같이 HF 에칭 후, 양의 편극으로 역전된 원형 기둥 모양의 영역을 관찰할 수 있다. 또한 편극 역전 도메인은 균일한 형태를 보임을 확인할 수 있다. 그러나 PR 코팅하지 않은 시료의 경우, 편극 역전된 도메인은 시료 전체를 통해 적은 밀도로 나타났으며, 그림 6(b), 그림 7(b)에서 보는 바와 같이 편극 역전 도메인의 핵이 형성되기 시작하여 점차 수평방향으로 성장되고 있는 과정임을 확인할 수 있다. 이는 그림 6(b)를 코팅한 시료인 그림 6(a) 와 비교하면 명확히 알 수 있다. 즉, 같은 전자빔의 조건하에 코팅의 유무에 따라, 편극 역전 도메인의 크기가 코팅한 시료는 약 40um의 지름을, 코팅하지 않은 시료는 약 17um의 크기를 보인다.
SEM 측정을 통해서 코팅한 시료의 경우에 편극 역전을 위한 전자빔의 조건은 1.0 MeV의 에너지, 1× 1016 e/cm2 이상의 조사량이며, 이 조건은 편극 패터닝을 위한 전자빔의 문턱 조건(threshold e-beam parameters)이다. 한편, 코팅하지 않은 시료의 경우 균일한 편극 도메인 역전의 형성은 전자빔의 에너지가 2 MeV, 조사량이 1× 1016 e/cm2 이상이다.
이와 같이 PR 코팅(전자빔 레지스터)을 한 시료가 더 균일한 편극 역전 도메인 형성이 된 것은 PR 코팅이 전자빔 레지스터 역할을 하여 표면 전하 충전 효과와 금속 마스크 아래 영역의 x-ray 발생효과를 줄여 주는 역할을 하여 편극 역전 스위칭을 향상시킨 것이다.
도 6 내지 도 8을 참조하여, 전자빔 조사량에 따른 편극 역전에 대하여 살펴보기로 한다.
레지스터 코팅의 유무에 관계없이 같은 전자빔의 에너지를 가지고, 조사량을 증가함에 따라, 편극 역전 도메인의 크기는 증가하였다. 에너지 1.0 MeV 전자빔을 조사한 경우, 레지스터 코팅한 시료에 조사량을 1× 1016 e/cm2에서 1× 1017 e/cm2으로 증가함에 따라, 편극 역전 영역의 평균지름은 40um에서 45um로 증가하였다. 또한, 레지스터 코팅하지 않은 시료의 경우도 평균 지름이 17um에서 48 um로 증가하였다. 즉, 충분한 조사량이 전자빔으로부터 공급되야 편극 역전이 균일하고, 고밀도로 형성됨을 의미한다. 이는 요구되는 크기의 균일한 편극 역전 도메인을 형성하기 위해서는 전자빔의 에너지가 1.0 MeV인 경우는 조사량이 1× 1017 e/cm2 이상이어야 함을 알 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하여, 전자빔 에너지에 따른 편극 역전에 대하여 살펴보기로 한다.
편극 역전 도메인의 형성은 조사되는 전자빔의 에너지와 깊은 상관관계가 있다. 도 6(b)와 도 8(b)에서 같은 전자빔 조사량을 이용하고, 각기 다른 전자빔 에너지를 노출시킨 시료를 비교하면, 레지스터 코팅되지 않은 시료의 경우 조사량이 1× 1016 e/cm2으로 고정한 후, 전자빔 에너지를 1.0 MeV에서 2.0 MeV로 증가시킬 경우, 균일하고 지름이 큰 편극 역전 도메인이 형성되었다. 즉, 편극 역전 도메인 형성에 있어 전자빔의 에너지도 하나의 파라미터임을 나타낸다.
따라서 균일하고 원하는 크기의 편극 역전 도메인을 형성하기 위해서는 전자빔의 에너지를 높이고, 전자빔의 조사량(즉, 조사 시간)을 늘여야 함을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 상온, 공기 중에서 외부 전기장의 인가없이 대용량, 고에너지 전자빔에 의해 강유전체 내부에 강한 전기장을 형성함으로써, 대면적으로 강유전체 편극 도메인을 패터닝할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
편극 패턴된 강유전체 결정은 비선형 광학의 요소기술로 광소자 개발에 응용되며, 편극 영역 패턴 표면에 새로운 기능성 나노물질의 선택적 성장을 통한 나노기술 및 나노소자 개발의 파급효과가 기대된다.
도 1은 강유전체 편극 도메인 패터닝 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전체 편극 도메인 패턴 형성 시의 도메인 폴링(poling) 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 강유전체 편극 도메인 패턴 형성 시의 도메인 폴링(poling) 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 전자빔에 의한 편극 역전 형성 과정을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 1.0 MeV의 에너지 및 1× 1016 e/cm2 조사량의 전자빔 조사 후의 시료를 HF 용액에 15분 에칭한 후의 원형으로 패턴된 시료 표면 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 1.0 MeV의 에너지 및 1× 1017 e/cm2 조사량의 전자빔 조사 후의 시료를 HF 용액에 15분 에칭한 후의 원형으로 패턴된 시료 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 2.0 MeV의 에너지 및 1× 1016 e/cm2 조사량의 전자빔 조사 후의 시료를 HF 용액에 15분 에칭한 후의 원형으로 패턴된 시료 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.

Claims (14)

  1. 단일 편극의 강유전체 기판의 양의 편극면 위에 전극을 형성하는 단계;
    상기 강유전체 기판의 음의 편극면 위에 전자빔 레지스터를 코팅하는 단계;
    마스크를 이용하여 상기 전자빔 레지스터 위에 편극이 역전되는 도메인 영역을 패터닝하는 단계; 및
    상기 강유전체의 편극 도메인을 역전시키기 위해 상기 음의 편극면에 전자빔을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크는 열팽창계수가 인바(invar) 금속보다 작은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전자빔의 조사량이 증가함에 따라 편극이 역전되는 도메인 영역의 폭과 깊이의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전자빔의 에너지가 증가함에 따라 편극이 역전되는 도메인 영역의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    편극 도메인을 패터닝하기 위한 전자빔의 에너지는 1.0 MeV 이상이고, 전자빔의 조사량은 1× 1016 e/cm2이상인 것을 특징으로 하는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전자빔 레지스터는 포토 레지스터인 것을 특징으로 하는 강유전체의 편극 도메인을 역전시키는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
  8. 단일 편극의 강유전체 기판;
    상기 강유전체 기판의 양의 편극면 위에 형성된 전극; 및
    상기 강유전체 기판의 음의 편극면 위에 편극이 역전되는 도메인 영역을 패터닝하는 마스크를 포함하고,
    전자빔이 상기 마스크가 덮지 않은 도메인의 편극을 역전시키는 것을 특징으로 하는 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 강유전체 기판의 음의 편극면과 상기 마스크 사이에 전자빔 레지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 마스크는 열팽창계수가 인바(invar) 금속보다 작은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 전자빔의 조사량이 증가함에 따라 편극이 역전되는 도메인 영역의 폭과 깊이의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 전자빔의 에너지가 증가함에 따라 편극이 역전되는 도메인 영역의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체.
  13. 제 8항에 있어서,
    편극 도메인을 패터닝하기 위한 전자빔의 에너지는 1.0 MeV 이상이고, 전자빔의 조사량은 1× 1016 e/cm2이상인 것을 특징으로 하는 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 전자빔 레지스터는 포토 레지스터인 것을 특징으로 하는 편극 역전된 도메인을 갖는 강유전체.
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