KR101145667B1 - Method for forming ferroelectric thin film including acid treatment - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산처리 과정을 포함하는 강유전체 박막 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염기성을 가지는 표면을 식각하고 산성을 가지는 표면을 노출시키기 위해 기판 표면을 산처리하는 단계; 및 상기 산처리 과정을 거친 기판 상에 수열합성법에 의해 페로브스카이트형 강유전체 박막을 형성하는 단계를 포함하는 강유전체 박막 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a ferroelectric thin film including an acid treatment process, and more particularly, an acid treatment of a substrate surface to etch a surface having a basicity and to expose a surface having an acid; And forming a perovskite-type ferroelectric thin film on the substrate subjected to the acid treatment by hydrothermal synthesis.

Description

산처리 과정을 포함하는 강유전체 박막 형성방법{Method for forming ferroelectric thin film including acid treatment}Method for forming ferroelectric thin film including acid treatment

본 발명은 강유전체 박막 형성 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 페로브스카이트 계열의 강유전체의 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of forming a ferroelectric thin film, and more particularly, to a method of forming a thin film of a perovskite series ferroelectric.

"강유전체(ferroelectrics)"는 자발적 전기분극 현상을 나타내는 물질을 의미한다. 즉, 강유전체는, 전기장에 의하여 분극을 일으킨 후, 전기장을 제거하여도 그 분극 상태를 유지한다. 이러한 성질을 갖는 강유전체의 대표적인 예로서는, SrBi2Ta2O9(SBT)계열, Pb(Zr,Ti)O3(PZT)계열 등과 같은, 페로브스카이트(perovskite)형 화합물이 있다. 또한, 강유전체는 일반적으로 매우 높은 유전율을 갖는다."Ferroelectrics" means materials exhibiting spontaneous electrical polarization; That is, the ferroelectric maintains the polarization state even after the electric field is removed after the polarization is caused by the electric field. Representative examples of ferroelectrics having such properties include perovskite compounds such as SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT) series, Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) series, and the like. In addition, ferroelectrics generally have a very high dielectric constant.

따라서, 강유전체는 고유전율 및/또는 자발분극을 요구하는 다양한 소자에 적용될 수 있다. 예를 들면, 강유전체는 커패시터, 압전기(피에조전기), 초전기(파이로전기), 전기광학소자, 메모리 소자, 센서, 액츄에이터(actuator) 등에 유용하게 적용될 수 있다.Therefore, ferroelectrics can be applied to various devices requiring high dielectric constant and / or spontaneous polarization. For example, the ferroelectric may be usefully applied to a capacitor, a piezoelectric (piezoelectric), a pyroelectric (pyroelectric), an electro-optical device, a memory device, a sensor, an actuator, and the like.

이러한 소자들에 있어서, 강유전체는 주로 박막의 형태로 사용된다. 강유전체를 사용하는 메모리 소자의 구체적인 예로서는 FeRAM(ferroelectric random access memory)이 있다. FeRAM은 대체적으로, 1T/1C(one transistor/onecapacitor)-형과 FET-형으로 구분된다. 1T/1C-형 FeRAM에 있어서, 강유전체는 커패시터의 유전체로서 사용된다. FET-형 FeRAM에 있어서는, 강유전체가 게이트 절연체 (gate insulator)로서 사용된다. FET-형 FeRAM에서는 강유전체가 절연체로서의 역할 뿐만 아니라, 자발분극(spontaneous polarization)에 의해 반도체 표면에 전하를 유지시키는 역할을 겸한다. FeRAM은 강유전체의 자발분극 현상에 의하여 비휘발성을 나타낸다. 주목할 점은, FeRAM의 커패시터 절연층 또는 게이트 절연층은 박막의 형태로 구현된다는 것이다.In these devices, ferroelectrics are mainly used in the form of thin films. A specific example of a memory device using a ferroelectric is a ferroelectric random access memory (FeRAM). FeRAM is generally divided into 1T / 1C (one transistor / onecapacitor) -type and FET-type. In 1T / 1C-type FeRAM, ferroelectrics are used as the dielectric of the capacitor. In FET-type FeRAM, ferroelectrics are used as gate insulators. In FET-type FeRAM, ferroelectrics not only act as insulators, but also maintain charges on semiconductor surfaces by spontaneous polarization. FeRAM is non-volatile due to spontaneous polarization of ferroelectrics. Note that the capacitor insulation layer or gate insulation layer of the FeRAM is implemented in the form of a thin film.

종래의 유전체 박막 제조 방법으로는 진공 증착, 스퍼터링, CVD 등의 건식법과 화학적 에칭법 (chemical etching), 열적번칭법 (thermal bunching), 수열 합성법, 졸-겔법, 스프레이 코팅 등의 습식법으로 구분되어 알려져 있다.Conventional dielectric thin film manufacturing methods are classified into dry methods such as vacuum deposition, sputtering, CVD, and wet methods such as chemical etching, thermal bunching, hydrothermal synthesis, sol-gel, and spray coating. have.

이중에서 건식법은 대부분 막 생성시 결정화를 위해 고온에서 열처리를 하므로 막의 손상을 피하기 힘들고 [L. D. Madsen및 E. M. Griwold, "Domain structures in Pb(Zr,Ti)O3 and PbTiO3 thin films", J. Mater. R, 12(10), 2612 (1997)], 기판의 선택에 제한이 있으며, 가열시 막의 박리와 균열이 발생한다는 단점이 있다 [M. Yoshimura, S. E. Yoo, M. Hayashi 및 N. Ishizawa, "Preparation of BaTiO3 Thin Film by Hydrothermal Electrochemical Method", Jpn. J. Appl. Phys., 28(11), L2007 (1989)].Among them, the dry method is hard to avoid the damage of the film because most of the heat treatment at high temperature for crystallization during film formation [L. D. Madsen and E. M. Griwold, "Domain structures in Pb (Zr, Ti) O 3 and PbTiO 3 thin films", J. Mater. R, 12 (10), 2612 (1997)], and the selection of the substrate is limited, there is a disadvantage that the peeling and cracking of the film occurs when heating [M. Yoshimura, S. E. Yoo, M. Hayashi and N. Ishizawa, "Preparation of BaTiO3 Thin Film by Hydrothermal Electrochemical Method", Jpn. J. Appl. Phys., 28 (11), L2007 (1989)].

또한, 강유전체는 Tc(상전이 온도 또는 퀴리 온도) 이상의 온도에서 강유전성을 잃고 상유전성을 나타내고, 역으로, Tc 이상의 온도를 갖는 강유전체를 냉각시키면 상유전성을 잃고 다시 강유전성을 나타내는데, 이와 같이 상유전성으로부터 강유전성을 변화하는 것을 상전이라고 한다.In addition, the ferroelectric loses ferroelectricity at a temperature above Tc (phase transition temperature or Curie temperature) and exhibits phase dielectric properties. On the contrary, when the ferroelectric having a temperature above Tc is cooled, the ferroelectric loses phase dielectric properties and exhibits ferroelectricity again. It is called phase change.

상기 퀴리온도(Tc) 이상의 온도에서 기판 위에 강유전체 재료로 이루어진 박막을 형성시키는 방법은, 이 박막을 Tc 이하의 온도로 냉각함으로써, 박막에 강유전성을 나타내도록 하게 되는데, 이러한 상전이 과정을 거쳐 형성된 강유전체 박막에는 a-분역(a-domain)과 c-분역(c-domain)이 공존하게 된다. a-분역에서는 강유전체 결정격자들이 a-축 방향으로 배향되어 있다. c-분역에서는 강유전체 결정격자들이 c-축 방향으로 배향되어 있다. a-분역은 고유전율의 구현에 유리하고, c-분역은 자발분극의 형성에 유리하다. 따라서, 강유전체의 고유전율 만을 추구하는 소자, 또는 강유전체의 자발분극 현상만을 추구하는 소자에 있어서, a-분역과 c-분역의 공존은 바람직하지 않을 수 있다(Ferroelectric Materials and TheirApplications, Yuhuan Xu, 1991).In the method of forming a thin film made of ferroelectric material on a substrate at a temperature above the Curie temperature (Tc), by cooling the thin film to a temperature below Tc, the thin film exhibits ferroelectricity. The ferroelectric thin film formed through the phase transition process In the a-domain and the c-domain (c-domain) coexist. In the a-domain, ferroelectric crystal lattice is oriented in the a-axis direction. In the c-domain, ferroelectric crystal lattice is oriented in the c-axis direction. The a-region is advantageous for the realization of high dielectric constant, and the c-region is advantageous for the formation of spontaneous polarization. Therefore, in a device seeking only the high dielectric constant of the ferroelectric, or a device seeking only the spontaneous polarization phenomenon of the ferroelectric, coexistence of the a-domain and the c-domain may be undesirable (Ferroelectric Materials and Their Applications, Yuhuan Xu, 1991). .

또한, 상전이 과정을 거쳐 형성된 강유전체 박막에 있어서, 불량한 층덮힘으로 인하여 박막 내 형성된 홀(hole)은 상하부 전극의 전기적 단락 현상 초래하고, 이로 인해 전기적 특성평가가 불가능한 경우도 있다.In addition, in the ferroelectric thin film formed through the phase transition process, holes formed in the thin film due to poor layer covering may cause electrical short-circuit of the upper and lower electrodes, which may make it impossible to evaluate the electrical characteristics.

이에 비해, 습식법의 수열 합성법은 초임계 또는 아임계 상태의 수용액을 이용하여 반응 온도, 반응 압력, 용질의 농도, 용매의 농도 및 기타 첨가제의 농도와 열역학적 변수, 첨가량의 조절이 용이하여 반응의 제어가 가능할 뿐 아니라, 하소나 소결 과정이 필요 없고, 비교적 낮은 온도에서의 합성으로 a-분역의 생성을 억제할 수 있어 잔류 분극 특성이 우수하고 결정성이 향상된 막을 얻을 수 있다는 장점이 있다.In contrast, the hydrothermal synthesis method of the wet method can easily control the reaction temperature, the reaction pressure, the concentration of the solute, the concentration of the solvent, the concentration of the other additives, the thermodynamic parameters, and the amount of addition by using a supercritical or subcritical aqueous solution. In addition, there is no need for a calcination or sintering process, and the synthesis at a relatively low temperature can suppress the formation of the a-sector, thereby obtaining a film having excellent crystallinity and improved crystallinity.

다른 습식법으로서 졸-겔법은, 선택적 조성을 갖는 다성분계 용액을 기판 위에 코팅하고 건조한 후 최종적인 반응을 거쳐원하는 조성과 특성의 박막을 제조하는 화학적 방법이다. 이 방법은 간단히 조성을 조절할 수 있고 박막의 균일성을 좋게 할 수 있으며, 낮은 온도에서 합성이 가능하고 가격이 저렴할 뿐 아니라, 그밖의 많은 분야에서 제조 공정이 쉽다는 장점을 갖는다.As another wet method, the sol-gel method is a chemical method of coating a multicomponent solution having a selective composition on a substrate, drying, and finally producing a thin film having a desired composition and properties through a final reaction. This method can simply adjust the composition, improve the uniformity of the thin film, can be synthesized at low temperatures, inexpensive, and easy to manufacture in many other fields.

이처럼 습식법 중에서도 수열 합성법과 졸-겔법은 많은 장점이 있는 한편으로, 수열 합성법의 경우에는 결정핵의 생성과 성장은 뛰어나지만 막표면에 불균일 (roughness)이 있다는 단점이 있고, 졸-겔법의 경우 막의 균열 및 벗겨짐 현상이 동반된다는 문제점이 있다.
Among the wet methods, hydrothermal synthesis and sol-gel have many advantages, while hydrothermal synthesis has excellent crystal nucleation and growth, but has a disadvantage of roughness on the surface of the membrane. There is a problem that is accompanied by cracking and peeling phenomenon.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수열합성법에 의해 페로브스카이트형 강유전체 박막을 형성시키기 전 기판에 산처리를 가하여 염기성을 가지는 표면을 식각시킴으로써 박막을 균일하게 형성시킬 수 있는 강유전체 박막 제조방법을 제공한다.
The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, before forming the perovskite-type ferroelectric thin film by the hydrothermal synthesis method is subjected to acid treatment on the substrate to form a thin film uniformly by etching the surface having a basic It provides a ferroelectric thin film manufacturing method that can be.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,

염기성을 가지는 표면을 식각하고 산성을 가지는 표면을 노출시키기 위해 기판 표면을 산처리하는 단계; 및 상기 산처리 과정을 거친 기판 상에 수열합성법에 의해 페로브스카이트형 강유전체 박막을 형성하는 단계를 포함하는 강유전체 박막 제조방법을 제공한다.Acid treating the substrate surface to etch a surface having basicity and to expose a surface having acidity; And forming a perovskite type ferroelectric thin film by hydrothermal synthesis on the substrate subjected to the acid treatment.

상기 수열합성법은 페로브스카이트형 강유전체 생성용 전구화합물 및 물을 포함하는 강염기 반응액에 기판을 투입시키고, 페로브스카이트형 강유전체의 상전이 온도보다 낮은 온도에서 반응시켜 이루어지며, 상기 온도는 195~205℃인 것이 바람직하다.In the hydrothermal synthesis method, a substrate is added to a strong base reaction solution containing a perovskite-type ferroelectric generation precursor and water, and reacted at a temperature lower than the phase transition temperature of the perovskite-type ferroelectric, and the temperature is 195 to 205. It is preferable that it is ° C.

상기 반응액이 계면활성제 또는 광화제를 더 포함할 수 있으며, 상기 광화제는 KOH, NaOH, LiOH, RbOH 및 NH4OH 으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용한다.The reaction solution may further include a surfactant or a mineralizer, and the mineralizer uses one or more selected from the group consisting of KOH, NaOH, LiOH, RbOH, and NH 4 OH.

또한, 본 발명은 수열합성법에 의해 a-분역 생성이 억제되고, 상기 수열합성법 공정 전에 기판에 산처리 과정을 하여 박막의 층덮힘이 개선된 것을 특징으로 하는 페로브스카이트형 강유전체 박막을 포함하는 기판을 제공한다.
In addition, the present invention is a substrate containing a perovskite-type ferroelectric thin film, characterized in that the a-segment formation is suppressed by the hydrothermal synthesis method, and the layer covering of the thin film is improved by performing an acid treatment process on the substrate before the hydrothermal synthesis process To provide.

본 발명에 따르면, 기판에 산처리 과정을 거친 뒤, 수열합성을 통하여 무연압전 박막을 제조함으로써, 균일한 박막을 형성시킬 수 있어 기판과 박막 사이의 열응력과 기판과 박막 사이의 물질 이동(thermal diffusion)이 최소화될 뿐만 아니라 산소공공(oxygen vacancy)의 형성이 최소화되어 고품질의 압전박막을 얻을 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention, after the acid treatment process on the substrate, by producing a lead-free piezoelectric thin film through hydrothermal synthesis, it is possible to form a uniform thin film, the thermal stress between the substrate and the thin film and the material movement between the substrate (thermal) In addition to minimizing diffusion, the formation of oxygen vacancies is minimized, thereby obtaining a high quality piezoelectric thin film.

도 1은 Tc 이상의 온도에서의 페로브스카이트 결정 구조를 나타내는 입체도이다.
도 2는 분극상태의 페로브스카이트 결정 구조를 나타내는 입체도이다.
도 3은 기존의 표면에 산처리를 하지 않은 SrTiO3(001) 기판 위에 제조된 BiFeO3 박막의 형상을 나타내는 저배율(500배) SEM 표면 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면에 산처리를 SrTiO3(001) 기판 위에 제조된 BiFeO3 박막의 형상을 나타내는 저배율(500배) SEM 표면 사진이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면에 산처리를 한 SrTiO3(001) 기판 위에 제조된 BiFeO3 박막의 XRD 분석결과를 보여주는 도면이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면에 산처리를 SrTiO3(001) 기판 위에 제조된 BiFeO3 박막의 SEM 단면 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면에 산처리를 SrRuO3(001)/SrTiO3(001) 기판 위에 제조된 BiFeO3 박막의 압전 이력곡선을 보여주는 도면이다.
1 is a three-dimensional view showing the perovskite crystal structure at a temperature of Tc or higher.
2 is a three-dimensional view showing a perovskite crystal structure in a polarized state.
Figure 3 is a low magnification (500X) SEM photograph showing the surface of the shape of the BiFeO 3 thin film prepared on the SrTiO 3 (001) is not an acid treatment to the existing surface of the substrate.
Figure 4 is a low magnification (500X) SEM photograph showing the surface of the shape of the BiFeO 3 thin film production an acid treatment on the SrTiO 3 (001) substrate surface in accordance with one embodiment of the present invention.
Figures 5a and 5b is a diagram showing the XRD analysis results of the BiFeO 3 thin-film fabricated on a SrTiO 3 (001) substrate surface to the acid treatment according to an embodiment of the present invention.
Figures 6a and 6b is a cross-sectional SEM photograph of the BiFeO 3 thin film production an acid treatment on the SrTiO 3 (001) substrate surface in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing a hysteresis curve of the piezoelectric SrRuO 3 (001) to acid treatment to the surface / SrTiO 3 thin film prepared on the BiFeO 3 (001) substrate in accordance with one embodiment of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, which can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.

본 발명은 염기성을 가지는 표면을 식각하고 산성을 가지는 표면을 노출시키기 위해 기판 표면을 산처리하는 단계; 및 상기 산처리 과정을 거친 기판 상에 수열합성법에 의해 페로브스카이트형 강유전체 박막을 형성하는 단계를 포함하는 강유전체 박막 제조방법에 관한 것이다.The present invention comprises the steps of acid treating a substrate surface to etch a surface having a basic and to expose a surface having an acid; And forming a perovskite-type ferroelectric thin film on the substrate subjected to the acid treatment by hydrothermal synthesis.

본 발명에 있어서, 페로브스카이트형 강유전체라 함은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질을 의미한다. 페로브스카이트 결정 구조는 "ABO3"라고도 불리운다. In the present invention, the perovskite ferroelectric means a material having a perovskite crystal structure. The perovskite crystal structure is also called "ABO 3 ".

도 1은 Tc 이상의 온도에서의 페로브스카이트 결정 구조를 나타내는입체도이며, 8 군데의 모서리에 각각 1/8씩 1개의 음이온(A), 면심에 한 개의 다른 음이온(B), 그리고 6 군데의 체심에 3개의 양이온(O3)이 배치되어 있다. 여기서, B 위치의 금속이온과 이를 둘러싼 산소이온들이 정팔면체를 이루며, 이러한 정팔면체들이 입방(cubic) 구조로 배열된다.1 is a three-dimensional diagram showing a perovskite crystal structure at a temperature of Tc or more, one anion (A) at eight corners, one other anion (B) at the core, and six locations; Three cations (O3) are arranged in the body core of. Here, the metal ions in the B position and the oxygen ions surrounding them form an octahedron, and these octahedrons are arranged in a cubic structure.

도 2에 나타난 바와 같이, Tc 이하의 온도에서는, B 이온이 결정의 중심으로부터 벗어나서 위 또는 아래로 치우쳐 있게 되며, 그에 따라 분극이 발생한다. 이러한 분극상태에서는, 페로브스카이트 결정 구조는 정방정계(tetragonal) 또는 사방육면체(rhombohedral)의 형태를 갖는다. 여기서, 분극 벡터는 c-축 방향으로 형성된다. 상기 A는, 예를 들면, Bi, Ba, Pb, K, Na 등일 수 있다. 상기 B는, 예를 들면, Fe, Ti, Zr, Nb, Ta 등일 수 있다.As shown in FIG. 2, at temperatures below Tc, B ions deviate from the center of the crystal up or down, resulting in polarization. In this polarized state, the perovskite crystal structure has a tetragonal or rhombohedral form. Here, the polarization vector is formed in the c-axis direction. A may be, for example, Bi, Ba, Pb, K, Na, or the like. B may be, for example, Fe, Ti, Zr, Nb, Ta and the like.

페로브스카이트형 강유전체의 더욱 구체적인 예로서는, BiFeO3, BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, KNbO3 등이 있다.More specific examples of the perovskite ferroelectric include BiFeO 3 , BaTiO 3 , PbTiO 3 , Pb (Zr, Ti) O 3 , (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 , KNbO 3 Etc.

BiFeO3 박막을 얻고자 하는 경우에는, Bi-함유 화합물, Fe-함유 화합물이 "페보브스카이드형 압전박막 생성용 전구화합물"로서 사용될 수 있다. Bi-함유 화합물의 예로서는 Bi(NO3)3, Bi(NO3)3?5H2O, Bi2O3, Bi(OH)3 등이 있다. Fe-함유 화합물의 예로서는 Fe(NO3)3, Fe(NO3)3?9H2O, Fe2O3, Fe(OH)3 등이 있다.In the case of obtaining a BiFeO 3 thin film, a Bi-containing compound or a Fe-containing compound can be used as the "probe compound for producing a pebskoid-type piezoelectric thin film". Examples of Bi-containing compounds include Bi (NO 3 ) 3 , Bi (NO 3 ) 3 to 5H 2 O, Bi 2 O 3 , Bi (OH) 3, and the like. Examples of the Fe-containing compound include Fe (NO 3 ) 3 , Fe (NO 3 ) 3 to 9H 2 O, Fe 2 O 3 , Fe (OH) 3, and the like.

수열합성법은 초임계 상태의 수용액을 이용하여 합성 온도, 합성 압력, 용질의 농도, 용매의 농도 및 기타 첨가제의 농도와 열역학적 변수, 첨가량의 조절이 용이하여 반응의 제어가 가능할 뿐 아니라, 하소나 소결 과정이 필요 없고, 비교적 낮은 온도인 200℃ 전후의 온도에서 헤테로에피택셜(heteroepitaxial) 박막을 합성할 수 있으므로 공정 비용이 저렴하고 고품질의 박막을 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다. Hydrothermal synthesis method is easy to control synthesis temperature, synthesis pressure, solute concentration, solvent concentration and concentration of other additives, thermodynamic parameters, and addition amount by using supercritical aqueous solution. Since the process does not require, and a heteroepitaxial thin film can be synthesized at a temperature of about 200 ° C. at a relatively low temperature, the process cost is low and a high quality thin film can be obtained.

퀴리온도(Tc) 이상의 온도에서 기판 위에 강유전체 재료로 이루어진 박막을 형성시키는 방법은, 이 박막을 Tc 이하의 온도로 냉각함으로써, 박막에 강유전성을 나타내도록 하게 되는데, 이러한 상전이 과정을 거쳐 형성된 강유전체 박막에는 a-분역(a-domain)과 c-분역(c-domain)이 공존하는데, a-분역은 고유전율의 구현에 유리하고, c-분역은 자발분극의 형성에 유리하다. 따라서, 본 발명에서와 같이 수열합성법에 의한 박막형성은 비교적 낮은 온도에서의 합성으로 a-분역의 생성을 억제할 수 있어 잔류 분극 특성이 우수하고 결정성이 향상된 막을 얻을 수 있다는 장점이 있다In the method of forming a thin film made of ferroelectric material on a substrate at a temperature above the Curie temperature (Tc), the thin film is cooled to a temperature below Tc, thereby exhibiting ferroelectricity in the thin film. The a-domain and the c-domain coexist, where the a-domain is advantageous for the realization of high dielectric constant and the c-domain is advantageous for the formation of spontaneous polarization. Therefore, as in the present invention, the thin film formation by the hydrothermal synthesis method can suppress the formation of the a-region by synthesis at a relatively low temperature, and thus has an advantage of obtaining a film having excellent crystallinity and improved crystallinity.

다만, 수열합성법은 제조 단가가 저렴할 뿐만 아니라 우수한 결정성을 갖는 박막을 제조할 수 있음에도 불구하고 층덮힘(coverage uniformity)이 불량하다는 단점을 갖고 있기 때문에 이를 개선하기 위한 방법으로 먼저 기판에 산처리 과정을 거친다.However, the hydrothermal synthesis method has a disadvantage of poor coverage uniformity in spite of being inexpensive in manufacturing cost and producing a thin film having excellent crystallinity. Go through

상기 산처리 과정을 설명하면 다음과 같다.The acid treatment is described below.

단결정 기판 표면에는 염기성을 띠는 표면과 산성을 띠는 표면이 서로 공존하는 상태이다. 따라서, 수열합성법을 사용하여 박막을 형성하는 경우, 용매는 강염기 용액이 주로 쓰이기 때문에 산성을 띠는 표면과 잘 반응하게 되므로, 박막 형성시 균일함을 얻기 위해서 산처리 과정을 사용한다.On the surface of the single crystal substrate, a basic surface and an acidic surface coexist. Therefore, when the thin film is formed using the hydrothermal synthesis method, since the solvent reacts well with an acidic surface because a strong base solution is mainly used, an acid treatment process is used to obtain uniformity in forming the thin film.

먼저, 기판 위에 산처리(acid treatment)를 하여 상대적으로 염기성을 띠는 표면을 식각하고 산성을 띠는 표면이 드러나게 한다. 예를 들어 SrTiO3 기판 표면을 buffered HF(BHF)용액에 담그게 되면 SrO 층이 식각되고 TiO2 층이 드러나게 된다. 이는 수열합성법 과정시 용매는 강염기 용이 주로 쓰이기 때문에 산성을 띠는 표면과 잘 반응시켜 층덮힘을 개선시키는 효과를 가져온다. 상기 강염기 용액으로는 KOH, NaOH 또는 NH4OH중에서 사용하는 것이 바람직하다.First, an acid treatment is performed on the substrate to etch a relatively basic surface and to reveal an acidic surface. For example, immersion of the SrTiO 3 substrate surface in buffered HF (BHF) solution etches the SrO layer and reveals the TiO 2 layer. This is because the solvent is mainly used for the strong base in the hydrothermal synthesis process, it reacts well with the acidic surface to bring about the effect of improving the layer covering. The strong base solution is preferably used in KOH, NaOH or NH 4 OH.

상기에서 설명한 것과 같이 산처리된 기판에 수열합성을 통하여 제조된 무연압전 박막의 경우, 저온에서 제조되어 기판과 박막 사이의 열응력과 기판과 박막 사이의 물질 이동(thermal diffusion)이 최소화될 뿐만 아니라 산소공공(oxygen vacancy)의 형성이 최소화되어 고품질의 압전박막을 얻게 된다.In the case of the lead-free piezoelectric thin film manufactured by hydrothermal synthesis on an acid-treated substrate as described above, the thermal stress between the substrate and the thin film and the thermal diffusion between the substrate and the thin film are minimized as well. The formation of oxygen vacancy is minimized to obtain a high quality piezoelectric thin film.

상기 반응액의 수열합성은 얻고자 하는 페로브스카이트형 강유전체의 상전이 온도 보다 낮은 온도에서 진행된다. 또한, 고압 형성 및 전구화합물의 이온화를 위하여 상기 반응액의 수열합성 온도가 고려되어야 한다. 상기 반응액의 수열합성 온도가 너무 낮으면 전구화합물들을 이온화 할수 없고, 충분한 고압이 존재하지 않아 에피택셜 박막을 형성할 수 없고, 너무 높으면 오토클레이브 안에 압력이 증가되어 박막에 응력이 가해질 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 반응액의 수열합성온도는 통상적으로는 약 150 내지 약 250 ℃, 바람직하게는 약 195 내지 약 205℃일 수 있다.Hydrothermal synthesis of the reaction solution proceeds at a temperature lower than the phase transition temperature of the perovskite ferroelectric to be obtained. In addition, the hydrothermal synthesis temperature of the reaction solution should be considered for high pressure formation and ionization of the precursor compound. If the hydrothermal synthesis temperature of the reaction solution is too low it is not possible to ionize the precursor compounds, there is not enough high pressure to form an epitaxial thin film, if too high may increase the pressure in the autoclave to stress the thin film. In consideration of this point, the hydrothermal synthesis temperature of the reaction solution may generally be about 150 to about 250 ° C, preferably about 195 to about 205 ° C.

상기 반응액의 수열합성 압력은 특별히 제한될 필요는 없다. 다만, 상기 반응액의 수열합성 압력이 너무 낮으면 좋은 결정질의 박막을 얻을 수 없고 강유전상이 형성 안될 수 있고, 너무 높으면 박막에 응력이 가해질 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 반응액의 수열합성 압력은 통상적으로는 약 1 내지 약 5 MPa, 바람직하게는 약 1.5 내지 3 MPa 일 수 있다.The hydrothermal synthesis pressure of the reaction solution does not need to be particularly limited. However, if the hydrothermal synthesis pressure of the reaction solution is too low, a good crystalline thin film may not be obtained and ferroelectric phase may not be formed, and if too high, stress may be applied to the thin film. In consideration of this point, the hydrothermal synthesis pressure of the reaction solution may generally be about 1 to about 5 MPa, preferably about 1.5 to 3 MPa.

상기 반응액의 수열합성 시간은 특별히 제한되지 않으며, 얻고자 하는 강유전체 층의 두께를 얻을 수 있도록 적절히 선택될 수 있다.The hydrothermal synthesis time of the reaction solution is not particularly limited and may be appropriately selected to obtain a thickness of the ferroelectric layer to be obtained.

한편, 상기 수열합성 과정에서, 강유전체의 합성을 촉진시키기 위하여, 상기 반응액은 계면활성제 또는 광화제(mineralizer)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in the hydrothermal synthesis process, in order to promote the synthesis of the ferroelectric, the reaction solution may further include a surfactant or a mineralizer.

수열합성시 쓰이는 계면활성제의 종류로는 CTAB (Cetyl trimethylammonium bromide), EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid), PVB (Polyvinyl butyral), PVP (Polyvinyl pyrrolidone) 등이 주로 쓰이며, 상기 계면활성제은 수열합성시 입자들의 분산과 결정성을 높여서 양질의 박막을 얻게 한다. Types of surfactants used in hydrothermal synthesis include CTAB (Cetyl trimethylammonium bromide), EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid), PVB (Polyvinyl butyral), PVP (Polyvinyl pyrrolidone), and the like. Increase the properties to get a good quality thin film.

또한, 광화제를 사용하므로써, 요구되는 수열합성 시간을 단축할 수 있는데, 상기 광화제의 예로는, KOH, NaOH, LiOH, RbOH, NH4OH 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 광화제의 첨가량이 너무 작으면 첨가 효과가 미미하게 나타날 수 있고, 전구화합물의 이온화가 충분히 되지 않아 박막을 형성시킬 수 없고 너무 많으면 이온화가 급속도로 진행되어 다결정질 박막이 형성될 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 반응액 중의 광화제의 농도는 통상적으로 4 M 내지10 M, 바람직하게는 7 내지 8 M 일 수 있다.
In addition, by using a mineralizer, the required hydrothermal synthesis time can be shortened. Examples of the mineralizer may include KOH, NaOH, LiOH, RbOH, NH 4 OH, or a mixture thereof. If the amount of the mineralizer added is too small, the effect of addition may be insignificant, and the ionization of the precursor compound may not be sufficient to form a thin film. If too large, the ionization may proceed rapidly to form a polycrystalline thin film. In consideration of this point, the concentration of the mineralizer in the reaction solution may be typically 4 M to 10 M, preferably 7 to 8 M.

이하 본 발명을 아래와 같은 실시예에 의거하여 상세하게 설명하며 단 아래의 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 한정하지 않으며 본 발명의 실시예에서 제조한 산물의 분석은 다음과 같은 방법으로 실시했다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples, but the following examples are merely to illustrate the present invention, and the present invention is not limited thereto. The analysis of the product prepared in the Examples of the present invention may be performed by the following method. Carried out.

본 실시예에서 사용한 기판의 재질은 SrTiO3(001) 기판과 SrRuO3(001)/SrTiO3(001) 기판이었다. SrRuO3(001)/SrTiO3(001) 기판은 전기적 특성을 평가하기 위한 박막 제조시 사용되었다. 0.005m의 Bi(NO3)3?5H2O, Fe(NO3)3?9H2O 및 12M KOH 수용액 40 ml를 혼합하여 수열합성용 반응액을 제조하였다. 상기 반응액과 BHF 용액 처리를 한 SrTiO3(001)기판 내지 SrRuO3(001)/SrTiO3(001) 기판을 반응기에 투입하였다. 이때, 반응기 내에서 기판이 반응액에 담그어지도록 하였다. 그 다음, 200℃의 온도 및 1.5 MPa의 압력하에서 10시간 동안 상기 반응액의 수열합성을 수행하였다. 이러한 과정을 거쳐서 SrTiO3(001)기판과 SrRuO3(001)/SrTiO3(001) 기판 표면 위에 BiFeO3 박막을 형성시켰다. The materials of the substrate used in this example were SrTiO 3 (001) substrates and SrRuO 3 (001) / SrTiO 3 (001) substrates. SrRuO 3 (001) / SrTiO 3 (001) substrates were used in the manufacture of thin films to evaluate electrical properties. 0.005 m of Bi (NO 3 ) 3? 5H 2 O, Fe (NO 3 ) 3? A reaction solution for hydrothermal synthesis was prepared by mixing 9H 2 O and 40 ml of 12M KOH aqueous solution. SrTiO 3 (001) to SrRuO 3 (001) / SrTiO 3 (001) substrates treated with the reaction solution and BHF solution were introduced into the reactor. At this time, the substrate was immersed in the reaction solution in the reactor. Then, hydrothermal synthesis of the reaction solution was carried out at a temperature of 200 ° C. and a pressure of 1.5 MPa for 10 hours. SrTiO 3 through this process (001) substrate and a SrRuO 3 (001) / SrTiO 3 (001) to form a BiFeO 3 film on the substrate surface.

도 3 및 4를 참조하면, 표면에 산처리를 하지 않은 산화물 기판 위에서는 층덮힘이 좋지 않았고 표면에 산처리를 한 기판에서는 층덮힘이 개선된 것을 알 수 있다.3 and 4, it can be seen that the layer covering was not good on the oxide substrate not subjected to the acid treatment on the surface, and the layer covering was improved on the substrate subjected to the acid treatment on the surface.

도 5a을 참조하면, BiFeO3(001) 피크와 BiFeO3(002) 피크, SrTiO3(001) 피크와 SrTiO3(002) 피크가 강하게 나타나 있다. SrTiO3 피크는 기판으로부터 기인하는 것이므로 실시예에서 제조된 박막의 성분이 BiFeO3이라는 것이 확인되었다.Referring to Figure 5a, a BiFeO 3 (001) peak and BiFeO 3 (002) peak, SrTiO 3 (001) peak and a SrTiO 3 (002) peak is shown strongly. Since the SrTiO 3 peak originates from the substrate, it was confirmed that the component of the thin film prepared in the example was BiFeO 3 .

도 5b를 참조하면, 본 실시예에서 제조된 BiFeO3 박막에서 BiFeO3(220) 면과 SrTiO3(220) 면이 정합하면서 4-fold symmetry를 가지므로 BiFeO3 박막이 SrTiO3 기판 위에 헤테로에피택셜하게 성장한 것을 알 수 있다. Referring to Figure 5b, BiFeO 3 (220) in the BiFeO 3 thin film prepared in this embodiment plane and SrTiO 3 (220), so if the have a 4-fold symmetry, while matching BiFeO 3 thin film SrTiO 3 hetero-epitaxially on the substrate You can see that it grew.

도 6a 및 6b를 참조하면, 본 실시예에서 제조된 BiFeO3 박막이 두께가 약 2.5μm이고 표면이 모자이크 형상을 갖는 것이 확인되었다.6A and 6B, it was confirmed that the BiFeO 3 thin film prepared in this example had a thickness of about 2.5 μm and the surface had a mosaic shape.

도 7를 참조하면, 본 실시예에서 제조된 BiFeO3 박막의 압전상수(d 33 )가 약 20pm/V이고 이력특성을 갖는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 7, it was confirmed that the piezoelectric constant ( d 33 ) of the BiFeO 3 thin film manufactured in the present example was about 20 pm / V and had hysteresis characteristics.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Could be. Accordingly, the true scope of protection of the invention should be defined only by the appended claims.

Claims (9)

기판 표면이 산성을 가지도록 상기 기판 표면을 산처리하는 단계;
페로브스카이트형 강유전체 생성용 전구화합물 및 물을 포함하는 반응액에 상기 산처리 과정을 거친 기판을 투입하는 단계; 및
상기 페로브스카이트형 강유전체의 상전이 온도보다 낮은 온도에서 반응시켜 수열합성법에 의해 페로브스카이트형 강유전체 박막을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 반응액은 KOH, NaOH, LiOH, RbOH 및 NH4OH로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 광화제; 및 CTAB(Cetyl trimethylammonium bromide), EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid), PVB(Polyvinyl butyral) 또는 PVP(Polyvinyl pyrrolidone) 중에서 선택되는 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
Acid treating the substrate surface such that the substrate surface is acidic;
Injecting a substrate subjected to the acid treatment into a reaction solution containing a perovskite ferroelectric precursor and water; And
Reacting at a temperature lower than the phase transition temperature of the perovskite ferroelectric to form a perovskite ferroelectric thin film by hydrothermal synthesis;
The reaction solution is at least one mineralizer selected from the group consisting of KOH, NaOH, LiOH, RbOH and NH 4 OH; And CTAB (Cetyl trimethylammonium bromide), EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid), PVB (Polyvinyl butyral) or PVP (Polyvinyl pyrrolidone) Method for producing a ferroelectric thin film, characterized in that it comprises a surfactant.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 수열합성법의 반응 온도는 195~205℃인 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
The method according to claim 1,
The reaction temperature of the hydrothermal synthesis method is a ferroelectric thin film production method, characterized in that 195 ~ 205 ℃.
청구항 1에 있어서,
상기 반응액의 수열합성시 압력은 1.5 내지 3 MPa 인 것을 특징으로하는 강유전체 박막 제조방법.
The method according to claim 1,
Pressure during hydrothermal synthesis of the reaction solution is a ferroelectric thin film manufacturing method, characterized in that 1.5 to 3 MPa.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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