KR102417572B1 - 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체, 및 이를 포함하는 멤커패시터, 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체의 제조 방법이 제공된다. 상기 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체의 제조 방법은, 챔버 내에, 타겟 물질 및 기판을 준비하는 단계, 및 상기 타겟 물질에 레이저를 조사하여, 상기 기판 상에, 강유전성 및 자성을 갖는 복합 박막 구조체를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 타겟 물질은, 베이스 산화물에 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소가 도핑된 페로브스카이트 구조를 갖고, 상기 타겟 물질 내의 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 복합 박막 구조체의 강유전성 및 자성이 제어되는 것을 포함할 수 있다.
Description
본 출원은 복합 박막 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체, 이를 포함하는 멤커패시터, 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
정보통신 산업의 발달에 따라, 고집적화된 반도체 소자의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 이와 같이, 다양한 기능 및 고집적화된 반도체 소자의 개발 요구에 따라서, 반도체 소자에 사용될 수 있는, 다양한 특성을 갖는 박막에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.
예를 들어, PCT 특허 공개 공보 PCT-US-2016063046에는 전도성 재료 및 강유전성 재료를 포함하는 전자 부품의 형성에 사용되는 방법으로서, 기판 위에 비 강유전성 금속 산화물 함유 절연체 재료를 형성하는 단계, 상기 기판 위에 적어도 2가지 상이한 조성의 비 강유전성 금속 산화물을 포함하는 복합재 스택을 형성하는 단계로서, 상기 복합재 스택은 1 × 102 S/cm내지 1 × 103 S/cm 의 총 전도도를 가진, 상기 복합재 스택을 형성하는 단계, 상기 비 강유전성 금속 산화물 함유 절연체 재료가 강유전성이 되게하도록 상기 복합재 스택(composite stack)을 사용하는 단계, 및 전도성 재료를 상기 복합재 스택 및 상기 절연체 재료 위에 형성하는 단계를 포함하는, 전자 부품의 형성에 사용되는 방법이 개시되어 있다.
다른 예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2019-0048659에는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 강유전층; 상기 강유전층 상에 배치되는 게이트 전극층, 및 상기 강유전층 및 상기 게이트 전극층 사이에 배치되는 분극 스위칭 시드층 을 포함하는 강유전성 메모리 소자가 개시되어 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 간단한 방법으로 강유전성 및 자성 특성을 제어할 수 있는 복합 박막 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체를 갖는 멤커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체의 제조 방법은, 챔버 내에, 타겟 물질 및 기판을 준비하는 단계, 및 상기 타겟 물질에 레이저를 조사하여, 상기 기판 상에, 강유전성 및 자성을 갖는 복합 박막 구조체를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 타겟 물질은, 베이스 산화물에 제1 도핑 원소가 도핑된 페로브스카이트 구조를 갖고, 상기 타겟 물질 내의 상기 제1 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 복합 박막 구조체의 강유전성 및 자성이 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 박막 구조체는, 강유전성을 갖는 베이스 박막, 및 상기 베이스 박막 내에 제공되고, 바닥부 및 상기 바닥부에서 위로 연장하는 측벽부를 갖는, 복수의 자성 세그먼트를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 세그먼트는 상기 제1 도핑 원소의 산화물로 형성되고, 상기 복합 박막 구조체가 증착되는 과정에서, 상기 베이스 박막에서 상기 제1 도핑 원소가 용리되어, 상기 자성 세그먼트가 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 타겟 물질은, 상기 베이스 산화물에 제2 도핑 원소가 더 도핑된 것을 포함하고, 상기 타겟 물질 내의 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 복합 박막 구조체이 강유전성 및 자성이 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 세그먼트는 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 산화물로 형성되고, 상기 복합 박막 구조체가 증착되는 과정에서, 상기 베이스 박막에서 상기 제1 도핑 원소가 용리되어, 상기 자성 세그먼트가 형성되고, 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 표면 용리 에너지(surface exsolution energy) 및 서브 표면 용리 에너지(subsurface exsolution energy)는 서로 다른 것을 포함하고, 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 자성 세그먼트의 상기 바닥부 및 상기 측벽부의 발달 레벨이 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은 페로브스카이트 구조를 갖고, 상기 복합 박막 구조체는 상기 기판 상에 에피택시얼하게 성장되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 복합 박막 구조체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 박막 구조체는, 기판, 및 상기 기판 상의 복합 박막 구조체를 포함하되, 상기 복합 박막 구조체는, 강유전성을 갖는 페로브스카이트 구조의 베이스 박막, 및 상기 베이스 박막 내에 제공되고, 서로 이격된 복수의 자성 세그먼트를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 세그먼트는, 상기 기판에 인접한 바닥부, 및 상기 바닥부에서 위로 연장하는 측벽부를 포함하고, 상기 측벽부로 둘러싸인 내부 공간의 폭은, 상기 기판에서 멀어질수록 넓어지고, 상기 측벽부로 둘러싸인 상기 내부 공간 내에, 상기 베이스 박막의 일부분이 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 세그먼트는, 제1 도핑 원소의 산화물을 포함하거나, 또는 상기 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 산화물을 포함하고, 상기 제1 도핑 원소의 비율, 또는 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 자성 세그먼트의 상기 바닥부 및 상기 측벽부의 길이가 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소는 서브 표면 용리 에너지가 표면 용리 에너지보다 높고, 상기 제1 도핑 원소의 서브 표면 용리 에너지에서 표면 용리 에너지를 차분한 값은, 제2 도핑 원소의 서브 표면 용리 에너지에서 표면 용리 에너지를 차분한 값보다 적은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 도핑 원소의 비율이 높아질수록 상기 자성 세그먼트의 상기 바닥부의 길이가 증가되고, 상기 제2 도핑 원소의 비율이 높아질수록 상기 자성 세그먼트의 상기 측벽부의 길이가 증가되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 도핑 원소는, Co, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Ni, Ti, 또는 Be 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 도핑 원소는, Fe, Al, Cr, V, 또는 Si 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 멤커패시터를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터는, 상술된 실시 예들에 따른 복합 박막 구조체를 유전막으로 포함할 수 있다.
본 출원의 실시 예에 따른, 복합 박막 구조체는, 강유전성의 베이스 박막 및 상기 베이스 박막 내부의 자성 세그먼트를 포함할 수 있다. 상기 자성 세그먼트는 상기 복합 박막 구조체의 증착 과정에서 상기 베이스 박막으로부터 제1 도핑 원소 및/또는 제2 도핑 원소가 용리되어 형성될 수 있고, 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 자성 세그먼트의 형성 여부 및 형태가 제어될 수 있다.
이에 따라, 상기 복합 박막 구조체의 증착에 사용되는 타겟 물질 내에 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소의 비율을 조절하는 간소한 방법으로, 상기 복합 박막 구조체의 강유전성 및 자성이 용이하게 제어될 수 있다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체에 포함된 자성 세그먼트를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 XRD 측졍 그래프이다.
도 5는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 상호 공간 매핑 (Reciprocal space mapping) 결과 그래프이다.
도 6은 본 출원의 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 상호 공간 매핑 및 상측면 (45° tilt) SEM 사진이다.
도 7은 본 출원의 실험 예 1에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM (scanning transmission electron microscope) 사진이다.
도 8은 본 출원의 실험 예 2에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이다.
도 9는 본 출원의 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이다.
도 10은 본 출원의 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이다.
도 11은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 MFM(Magnetic Force Microscopy) phase 이미지이다.
도 12는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 out of plane MH 곡선이다.
도 13은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 Co L3-edge 및 Fe L3-edge XMCD(X-Ray Magnetic Circular Dichroism) 스펙트라이다.
도 14는 본 출원의 실험 예 2 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체에서 CoFe2O4 결정 구조에서 테트라헤드랄(tetrahedral) 위치 및 옥타헤드랄(octahedral) 위치에 제공된 원소의 비율을 분석한 그래프이다.
도 15는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 STEM EDS 맵핑 결과이다.
도 16은 본 출원의 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체의 단면 STEM 이미지 및 원소 프로파일이다.
도 17은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 Ti L-edge XAS 및 Ti L-edge XMCD 그래프이다.
도 18은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 도핑 위치 변화에 따른 다양한 배열에서 DFT (Density Functional theory)로 계산된 에너지 안정성을 설명하기 위한 것이다.
도 19는 본 출원의 실험 예 3 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에 포함된 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 위치에 따른 원소 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 출원의 실험 예들에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 용리 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 용리 에너지를 비교한 그래프이다.
도 2 및 도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체에 포함된 자성 세그먼트를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 XRD 측졍 그래프이다.
도 5는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 상호 공간 매핑 (Reciprocal space mapping) 결과 그래프이다.
도 6은 본 출원의 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 상호 공간 매핑 및 상측면 (45° tilt) SEM 사진이다.
도 7은 본 출원의 실험 예 1에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM (scanning transmission electron microscope) 사진이다.
도 8은 본 출원의 실험 예 2에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이다.
도 9는 본 출원의 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이다.
도 10은 본 출원의 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이다.
도 11은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 MFM(Magnetic Force Microscopy) phase 이미지이다.
도 12는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 out of plane MH 곡선이다.
도 13은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 Co L3-edge 및 Fe L3-edge XMCD(X-Ray Magnetic Circular Dichroism) 스펙트라이다.
도 14는 본 출원의 실험 예 2 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체에서 CoFe2O4 결정 구조에서 테트라헤드랄(tetrahedral) 위치 및 옥타헤드랄(octahedral) 위치에 제공된 원소의 비율을 분석한 그래프이다.
도 15는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 STEM EDS 맵핑 결과이다.
도 16은 본 출원의 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체의 단면 STEM 이미지 및 원소 프로파일이다.
도 17은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 Ti L-edge XAS 및 Ti L-edge XMCD 그래프이다.
도 18은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 도핑 위치 변화에 따른 다양한 배열에서 DFT (Density Functional theory)로 계산된 에너지 안정성을 설명하기 위한 것이다.
도 19는 본 출원의 실험 예 3 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에 포함된 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 위치에 따른 원소 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 출원의 실험 예들에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 용리 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 용리 에너지를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체에 포함된 자성 세그먼트를 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 챔버 내에 타겟 물질 및 기판(100)이 준비된다.
상기 기판(100)은 페로브스카이트 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 STO(100) 기판(SrTiO3)일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 기판(100)은 LuAlO3, CaNdAlO4, YAlO3, SrPrAlO4, NdAlO3, LaAlO3, (NdSr)(AlTa)O3, (LaSr)(AlTa)O3, SrPrGaO4, SrLaGaO3, NdGaO3, LaGaO3, Sr2(GaAl)TaO6, DyScO3, TbScO3, GdScO3, EuScO3, NdScO3, PrScO3, CeScO3, LaScO3, LaLuO3, KTaO3, 또는 SmScO3 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 타겟 물질은, 베이스 산화물에 제1 도핑 원소 및/또는 제2 도핑 원소가 도핑된 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 타겟 물질은 상기 베이스 산화물에 상기 제1 도핑 원소가 도핑된 것이거나, 또는 상기 타겟 물질은 상기 베이스 산화물에 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소가 도핑된 것일 수 있다. 상기 베이스 산화물은, 페로스브스카이트 구조를 갖고, 페로브스카이트 구조의 상기 베이스 산화물의 금속 원소가 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소로 치환될 수 있다.
벌크 형태의 상기 타겟 물질을 준비하는 단계는, 상기 베이스 산화물에 포함된 금속의 산화물 분말, 상기 제1 도핑 원소의 산화물 분말, 및 상기 제2 도핑 원소의 산화물 분말을 혼합(예를 들어, 볼 밀링)하고, 소성 및 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 산화물이 Bi, La, 및 Ti를 포함하는 산화물이고, 상기 제1 도핑 원소가 Co이고, 상기 제2 도핑 원소가 Fe인 경우, 상기 타겟 물질을 준비하는 단계는, Bi 산화물 분말, La 산화물 분말, Ti 산화물 분말, Co 산화물 분말, 및 Fe 산화물 분말을 혼합하고 소성 및 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 베이스 산화물이 Bi, La, 및 Ti를 포함하는 산화물이고, 상기 제1 도핑 원소가 Co인 경우, 상기 타겟 물질을 준비하는 단계는, Bi 산화물 분말, La 산화물 분말, Ti 산화물 분말, 및 Co 산화물 분말을 혼합하고 소성 및 압축하는 단계를 포함할 수 있다
상기 타겟 물질에 레이저를 조사하여 상기 기판 상에, 강유전성 및 자성을 갖는 복합 박막 구조체(110)가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 복합 박막 구조체(110)는 PLD(pulsed laser deposition) 방법으로 형성될 수 있다. 상기 복합 박막 구조체(110)는 상기 기판(100) 상에 엑피택시얼하게 성장될 수 있다.
상기 타겟 물질의 조성과 상기 복합 박막 구조체(110)의 조성은 실질적으로(substantially) 동일할 수 있다. 구체적으로, 상술된 된 바와 같이 상기 타겟 물질이 상기 베이스 물질에 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소가 도핑된 경우, 상기 복합 박막 구조체(110) 역시 상기 베이스 물질에 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소가 도핑된 것일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 박막 구조체(110)에서 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 복합 박막 구조체(110)의 강유전성 및 자성이 제어될 수 있다. 다시 말하면, 상술된 바와 같이, 상기 타겟 물질의 조성과 상기 복합 박막 구조체(110)의 조성이 실질적으로 동일하므로, 상기 타겟 물질 내의 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서 상기 복합 박막 구조체(110)의 강유전성 및 자성이 제어될 수 있다.
구체적으로, 상기 복합 박막 구조체(110)은, 베이스 박막(112) 및 복수의 자성 세그먼트(114)를 포함할 수 있다. 상기 베이스 박막(112)은 상기 기판(100) 상에 일정한 두께로 제공되고, 상기 자성 세그먼트(114)는 상기 베이스 박막(112) 내에 배치될 수 있다.
구체적으로, 복수의 상기 자성 세그먼트(114)는 상기 베이스 박막(112)에서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 상기 자성 세그먼트(114)는, 상기 기판(100)에 인접한 바닥부(114b) 및 상기 바닥부(114b)에서 위로 연장하는 측벽부(114a)를 가질 수 있다. 상기 측벽부(114a)로 둘러싸인 상기 자성 세그먼트(114)의 내부 공간(inner space)은 상기 베이스 박막(112)으로 채워질 수 있다. 또한, 도 1 및 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 측벽부(114a)의 상부는 상기 베이스 박막(112)의 상부면 위로 돌출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 측벽부(114a)로 둘러싸인 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 내부 공간의 폭은 상기 기판(100)에 인접할수록 감소되고, 상기 기판(100)으로부터 멀어질수록 증가할 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 자성 세그먼트(114)는 상부가 개방된(opened) 형태를 갖되, 최상단으로갈수록 폭이 점차적으로 넓어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 박막(112)은 상기 베이스 물질에 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소가 도핑된 페로브스카이트 구조를 갖고 강유전성을 가질 수 있다. 또한, 상기 자성 세그먼트(114)는, 상기 타겟 물질에 포함된 상기 제1 도핑 원소의 산화물로 형성되거나, 또는 상기 타겟 물질에 포함된 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 산화물로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 자성 세그먼트(114)는 자성을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 박막(112) 및 상기 자성 세그먼트(114)를 포함하는 상기 복합 박막 구조체(100)가 자성 및 강유전성을 가질 수 있다.
상기 자성 세그먼트(114)는, 상기 복합 박막 구조체(110)가 상기 타겟 물질로부터 증착되는 과정에서, 상기 베이스 박막(112)에서 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소가 용리되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소의 용리 에너지(exsolution energy), 그리고 상기 제1 도핑 원소 및/또는 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 자성 세그먼트(114)의 형성 여부가 제어되는 것은 물론, 상기 자성 세그먼트(114)의 형태, 구체적으로, 상기 측면부(114a) 및 상기 바닥부(114b)의 발달 레벨(level)이 제어될 수 있다. 다시 말하면, 상기 측면부(114a)의 길이 및 상기 바닥부(114b)의 면적이 제어될 수 있고, 최종적으로 상기 자성 세그먼트(114)의 형태가 제어되어, 상기 복합 박막 구조체(110)의 자성 특성 및 강유전 특성이 제어될 수 있다.
표면 용리 에너지가 낮은 경우, 표면으로 용이하게 용리될 수 있고, 서브 표면 용리 에너지가 낮은 경우 측면으로 용이하게 용리될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 타겟 물질 내의 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 표면 용리 에너지(surface exsolution energy) 및 서브 표면 용리 에너지(subsurface exsolution energy)는 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소는 서브 표면 용리 에너지가 표면 용리 에너지보다 높고, 상기 제1 도핑 원소의 서브 표면 용리 에너지에서 표면 용리 에너지를 차분한 값은, 제2 도핑 원소의 서브 표면 용리 에너지에서 표면 용리 에너지를 차분한 값보다 적을 수 있다.
또한, 상기 제1 도핑 원소는 상기 제2 도핑 원소와 비교하여, 낮은 표면 용리 에너지 및 서브 표면 용리 에너지를 가질 수 있고, 상기 제1 도핑 원소가 용리되는 과정에서 상기 제2 도핑 원소가 함께 용리될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 도핑 원소가 생략되는 경우, 상기 자성 세그먼트(114)는 생성되지 않을 수 있다.
상기 타겟 물질에서, 상기 제1 도핑 원소의 비율이 증가하는 경우 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소는 표면으로 용이하게 용리되어, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 바닥부(114b)의 발달 레벨이 증가하고, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 바닥부(114b)의 면적이 넓어질 수 있다. 반면, 상기 타겟 물질에서 상기 제2 도핑 원소의 비율이 증가하는 경우 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소는 서브 표면, 즉 상기 기판(100)의 상부면에 직각인 방향으로 용이하게 용리되어, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 측변부(114a)의 발달 레벨이 증가하고, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 측면부(114a)의 길이가 길어질 수 있다.
또한, 상기 타겟 물질이 상기 제2 도핑 원소 없이 상기 제1 도핑 원소를 포함하는 경우, 상기 제1 도핑 원소는 서브 표면 용리 에너지가 표면 용리 에너지보다 현저하게 더 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 타겟 물질이 상기 제2 도핑 원소 없이 상기 제1 도핑 원소를 포함하는 경우, 상기 제1 도핑 원소는 서브 표면, 즉 상기 기판(100)의 상부면에 직각인 반향으로 용이하게 용리되어, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 바닥부(114b)보다는 상기 측면부(114a)의 현저하게 발달될 수 있고, 이로 인해, 상기 자성 세그먼트(114)는 하단부가 뾰족한 형상을 가질 수 있다.
반면, 상기 타겟 물질이 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소를 모두 포함하는 경우, 상기 제1 도핑 원소의 서브 표면 용리 에너지는 증가하고, 상기 제1 도핑 원소의 표면 용리 에너지는 감소할 수 있다. 이에 따라, 상기 타겟 물질이 상기 제2 도핑 원소 없이 상기 제1 도핑 원소를 포함하는 경우와 비교하여, 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소가 표면으로 용이하게 용리될 수 있고, 이로 인해, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 바닥부(114b)의 발달 레벨이 증가하고, 상기 자성 세그먼트(114)의 상기 바닥부(114b)의 면적이 넓어질 수 있다.
본 출원의 실시 예에 따른, 상기 복합 박막 구조체(110)는, 강유전성의 상기 베이스 박막(112) 및 상기 베이스 박막(112) 내부의 상기 자성 세그먼트(114)를 포함할 수 있다. 상기 자성 세그먼트(114)는 상기 복합 박막 구조체(110)의 증착 과정에서 상기 베이스 박막(112)으로부터 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소가 용리되어 형성될 수 있고, 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 자성 세그먼트(114)의 형성 여부 및 형태가 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 타겟 물질 내에 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율을 조절하는 간소한 방법으로, 상기 복합 박막 구조체(110)의 강유전성 및 자성이 용이하게 제어될 수 있다.
이하, 본 출원의 구체적인 실험 예에 따라 제조된 복합 박막 구조체 및 그 특성 평가 결과가 설명된다.
실험 예 1에 따른 복합 박막 구조체 제조
Bi2O3 분말, La2O3 분말, TiO2 분말을 준비하고 제1 도핑 원소인 Co를 포함하는 Co3O4 분말을 준비하고, 혼합 및 소결 하여, Bi3.25La0.75Ti3O12에서 Ti가 Co로 치환된 Bi3.25La0.75Co1Ti2O12 타겟 물질을 제조하였다.
기판으로 SrTiO3(100)을 준비하고, 실험 예 1에 따른 타겟 물질 및 기판을 챔버 내에 배치시킨 후, 850℃ 온도, 산소 압력 100mTorr, 조건에서 10Hz의 주파수 및 2J/cm2의 레이저를 조사하여, 기판 상에 실험 예 1에 따른 Bi3.25La0.75Co1Ti2O12 복합 박막 구조체(BLCT)를 증착하였다.
실험 예 2에 따른 복합 박막 구조체 제조
실험 예 1과 동일한 방법을 수행하되, 제2 도핑 원소인 Fe를 포함하는 Fe2O3 분말을 더 준비하여 함께 혼합 및 소결하여, Bi3.25La0.75Ti3O12에서 Ti가 Co 및 Fe로 치환된 Bi3.25La0.75Co0.75Fe0.25Ti2O12 타겟 물질을 제조하였다.
이후, 실험 예 1과 동일한 방법을 수행하여, 기판 상에 실험 예 2에 따른 Bi3.25La0.75Co0.75Fe0.25Ti2O12 복합 박막 구조체(BLCF(3:1)T)를 증착하였다.
실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체 제조
실험 예 2와 동일한 방법을 수행하되, Co2O3 및 Fe2O3 분말의 비율을 조절하여, Bi3.25La0.75Ti3O12에서 Ti가 Co 및 Fe로 치환된 Bi3.25La0.75Co0.5Fe0.5Ti2O12 타겟 물질을 제조하였다.
이후, 실험 예 1과 동일한 방법을 수행하여, 기판 상에 실험 예 3에 따른 Bi3.25La0.75Co0.5Fe0.5Ti2O12 복합 박막 구조체(BLCF(1:1)T)를 증착하였다.
실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체 제조
실험 예 2와 동일한 방법을 수행하되, Co2O3 및 Fe2O3 분말의 비율을 조절하여, Bi3.25La0.75Ti3O12에서 Ti가 Co 및 Fe로 치환된 Bi3.25La0.75Co0.35Fe0.65Ti2O12 타겟 물질을 제조하였다.
이후, 실험 예 1과 동일한 방법을 수행하여, 기판 상에 실험 예 4에 따른 Bi3.25La0.75Co0.35Fe0.65Ti2O12 복합 박막 구조체(BLCF(1:2)T)를 증착하였다.
실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체 제조
실험 예 1과 동일한 방법을 수행하되, Co2O3를 생략하고 Fe2O3를 함께 혼합 및 소결하여, Bi3.25La0.75Ti3O12에서 Ti가 Fe로 치환된 Bi3.25La0.75Fe1Ti2O12 타겟 물질을 제조하였다.
이후, 실험 예 1과 동일한 방법을 수행하여, 기판 상에 실험 예 5에 따른 Bi3.25La0.75Fe1Ti2O12 복합 박막 구조체(BLFT)를 증착하였다.
실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서, Co 및 Fe의 조성비는 아래와 같다.
| Co | Fe | |
| 실험 예 1 | 1 | 0 |
| 실험 예 2 | 0.75 | 0.25 |
| 실험 예 3 | 0.5 | 0.5 |
| 실험 예 4 | 0.35 | 0.65 |
| 실험 예 5 | 0 | 1 |
도 4는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 XRD 측졍 그래프이고, 도 5는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 상호 공간 매핑 (Reciprocal space mapping) 결과이고, 도 6은 본 출원의 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 상호 공간 매핑 결과 및 상측면 (45° tilt) SEM 사진이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에 대해서 XRD 측정을 수행하고, 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에 대해서 상호 공간 매핑을 수행하고, 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 측면 SEM 사진을 촬영하였다.
도 4 내지 도 6에서 알 수 있듯이, Co가 도핑된 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 상호 공간 매핑의 경우, 2차 상(second phase)이 생성된 것을 확인할 수 있다. 반면, Co가 도핑되지 않은 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 경우, 2차 상이 생성되지 않았다. 다시 말하면, Co가 도핑되지 않은 경우, 박막 증착 과정 동안 제2 도핑 원소인 Fe이 용리되지 못하고 이로 인해 자성 세그먼트가 생성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 출원의 실험 예 1에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM (scanning transmission electron microscope) 사진이고, 도 8은 본 출원의 실험 예 2에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이고, 도 9는 본 출원의 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이고, 도 10은 본 출원의 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진이다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 상술된 바와 같이 2차 상이 생성된 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 상부면 SEM 및 측면 STEM 사진을 촬영하였다.
도 7 내지 도 10에서 확인할 수 있듯이, 실험 예 1 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체는 내부에 복수의 세그먼트들이 형성된 것을 확인할 수 있고, 각 세그먼트들은, 바닥부 및 측면부를 포함하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 실험 예 1의 복합 박막 구조체에 포함된 복수의 세그먼트들은 Co3O4를 포함할 수 있고, 실험 예 2 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체에 포함된 복수의 세그먼트들은 CoFeO4를 포함할 수 있다.
또한, 각 세그먼트들의 크기 및 형태가 상이한 것을 확인할 수 있으며, 이는 후술되는 바와 같이, 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe의 비율 차이에 따른 것일 수 있다.
도 11은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 MFM(Magnetic Force Microscopy) phase 이미지이고, 도 12는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 out of plane MH 곡선(자기장에 따른 c축 방향으로의 자화 곡선)이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 MFM phase 이미지를 촬영하고, 300K 및 10K에서 MH 곡선을 측정하였다. 도 12의 (a)는 실험 예 1 내지 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 MH 곡선을 300K에서 측정한 것이고, 도 12의 (b)는 실험 예 2 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체의 MH 곡선을 10K에서 측정한 것이고, 도 12의 (c)는 실험 예 1 및 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 MH 곡선을 확대한 것이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 상온(300K)에서 실험 예 1에 따른 복합 박막 구조체는 실질적으로 자성 특성이 없는 것을 확인할 수 있으며, 실험 예 2의 복합 박막 구조체는 약한 자성을 가지며, 실험 예 3 및 실험 예 4의 복합 박막 구조체는 강한 자성 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
또한, 자화 특성의 경우, 상온(300K)에서 실험 예 1, 실험 예 2, 및 실험 예 5의 복합 박막 구조체는 상자성 곡선을 갖지만, 실험 예 3 및 실험 예 4의 복합 박막 구조체는 강자성 곡선을 갖는 것을 확인할 수 있다.
다만, 10K의 저온에서 실험 예 2의 복합 박막 구조체는 강자성 특성을 갖지만 상온보다 낮은 큐리에(curie) 온도를 갖는 것을 알 수 있으며, 실험 예 1 및 실험 예 5의 복합 박막 구조체는 저온 조건에서도 강자성 특성이 확인되지 않았다.
결론적으로, 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe의 비율에 따라서 자성 특성이 제어됨을 확인할 수 있다.
도 13은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 Co L3-edge 및 Fe L3-edge XMCD(X-Ray Magnetic Circular Dichroism) 스펙트라이고, 도 14는 본 출원의 실험 예 2 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체에서 CoFe2O4 결정 구조에서 테트라헤드랄(tetrahedral) 위치 및 옥타헤드랄(octahedral) 위치에 제공된 원소의 비율을 분석한 그래프이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 결정 구조 및 내부의 자성 특성을 분석하기 위해, 구조체의 Co L3-edge 및 Fe L3-edge XMCD 측정을 수행하고, CoFe2O4 결정 구조에서 테트라헤드랄(tetrahedral) 위치 및 옥타헤드랄(octahedral) 위치에 제공된 원소의 비율을 계산하였다.
도 13 및 도 14에서 알 수 있듯이, 실험 예 1 및 실험 예 5의 복합 박막 구조체에서는 자성 특성이 확인되지 않았으나, 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe가 도핑된 실험 예 2 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체의 경우 강한 자성 특성을 확인할 수 있으며, 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe의 사이트 분포 변화를 확인할 수 있다.
구체적으로, 제1 도핑 원소인 Co의 비율이 감소함에 따라서, 복합 박막 구조체 내의 자성 세그먼트의 조성이 CoFe2O4와 유사해질 수 있고, 이로 인해, 이상적인 CoFe2O4의 구조(Oh:Td=2:1)과 유사해지지만, 여전히 제1 도핑 원소이 Co가 Td 사이트에 위치하는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 STEM EDS 맵핑 결과이고, 도 16은 본 출원의 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체의 단면 STEM 이미지 및 원소 프로파일이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 복합 박막 구조체의 원소 조성비를 확인하기 위해 STEM EDS 맵핑을 진행하고, 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체가 10nm 두께인 경우 STEM 이미지 촬영 및 STEM EDS 라인 스캔을 진행하였다.
도 15 및 도 16에서 알 수 있듯이, 실험 예 2 내지 실험 예 4의 복합 박막 구조체에서는 자성 세그먼트가 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe를 포함하는 산화물인 것을 확인할 수 있으며, 제1 도핑 원소인 Co가 제2 도핑 원소이 Fe와 비교하여 더 용이하게 용리되는 것을 확인할 수 있으며, 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe가 동시에 존재하는 경우 Fe가 더 용이하게 용리되며, 이로 인해 Co의 용리 과정에서 Fe가 함께 용리되는 것을 예상할 수 있다. 또한, 제1 도핑 원소인 Co는 Fe 외에도 Co가 치환한 Ti도 함께 용리하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 자성 세그먼트가 생성되기 시작하는 10nm 두께에서 복합 박막 구조체의 표면쪽으로 Co 및 Fe 산화물이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
도 17은 본 출원의 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 Ti L-edge XAS 및 Ti L-edge XCMD 그래프이다.
도 17을 참조하면, 100K 조건에서 실험 예 1 내지 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 Ti L-edge XAS 및 Ti L-edge XCMD 측정을 수행하였다.
도 17에서 알 수 있듯이, 제2 도핑 원소인 Fe를 포함하지 않는 실험 예 1의 복합 박막 구조체의 경우, Ti 스펙트라에서 피크가 관찰되었으나, 제2 도핑 원소인 Fe를 포함하는 실험 예 2 내지 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 경우 피크가 관찰되지 않았다. 즉, 제2 도핑 원소인 Fe가 도핑되지 않은 경우 제1 도핑 원소인 Co의 용리와 함께, Ti가 용리되지만, 제2 도핑 원소이 Fe가 도핑된 경우, Ti가 용리되는 대신 Fe가 용리되어 Ti의 용리가 억제됨을 확인할 수 있으며, Ti의 용리 여부는 자성 특성이 실질적인 영향을 미지치 않는 것을 확인할 수 있다.
도 18은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 도핑 위치 변화에 따른 다양한 배열에서 DFT (Density Functional theory)로 계산된 에너지 안정성을 설명하기 위한 것이고, 도 19는 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에 포함된 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 위치에 따른 원소 배열을 설명하기 위한 도면이고, 도 20은 본 출원의 실험 예들에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 용리 방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 21은 본 출원의 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 용리 에너지를 비교한 그래프이다.
도 18은, 도 19의 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 5의 복합 박막 구조체의 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 위치 변화에 따른 다양한 배열에서 에너지 안정성을 확인하기 위해, 타겟 물질에서 밀도 함수 이론(Density Functional Theory)을 이용하여 에너지를 계산한 것이다. 실험 예 1의 복합 박막 구조체는 c1(표면 용리)의 배열을, 실험 예 3의 복합 박막 구조체는 b2(서브 표면 용리) 및 c1-2(표면 용리)의 배열을, 실험 예 5의 복합 박막 구조체는 b(서브 표면 용리)를 선호할 것으로 예측된다.
따라서, 도 21에 도시된 것과 같이, 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체에서 b(서브 표면 용리), c(표면 용리)의 경우에서 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe의 용리 에너지를 확인하기 위해, 타겟 물질에서 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe의 용리 에너지를 밀도 함수 이론을 이용하여 계산하였다.
도 21에서 알 수 있듯이, 제1 도핑 원소인 Co의 표면 용리 에너지 및 서브 표면 용리 에너지는 제2 도핑 원소인 Fe와 비교하여 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있으며, 이는 실험 예 1의 경우 2차 상(Co3O4)가 생성되지만 Co를 포함하지 않는 실험 예 5에서는 2차 상이 생성되지 않는 결과를 뒷받침할 수 있다.
또한, 제2 도핑 원소인 Fe 없이 제1 도핑 원소인 Co가 단독으로 도핑된 경우, Co의 서브 표면 용리 에너지는 표면 용리 에너지보다 1.24eV 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, Co의 서브 표면 용리 에너지가 표면 용리 에너지보다 현저하게 낮아, 표면 용리보다는 서브 표면 용리가 현저하게 선호되며, 도 15의 (a)에 도시된 것과 같이, 자성 세그먼트의 바닥부의 보다는 측면부가 현저하게 발달됨을 알 수 있다.
반면, 제1 도핑 원소인 Co 및 제2 도핑 원소인 Fe가 동시에 도핑된 경우, Co의 서브 표면 용리 에너지는 증가하고, Co의 표면 용리 에너지는 감소하여, Co의 서브 표면 용리 에너지와 표면 용리 에너지의 차이가 0.34eV로 감소하며, 따라서 제2 도핑 원소인 Fe 없이 제1 도핑 원소인 Co가 단독으로 도핑된 경우와 비교하여, 서브 표면 용리와 표면 용리의 선호도 차이가 감소할 수 있고, 이로 인해 자성 세그먼트의 바닥부가 발달되는 것을, 도 15의 (b) 및 (c)를 통해 확인할 수 있다.
이에 더하여, 제2 도핑 원소인 Fe가 단독으로 도핑된 경우와 비교하여, 제1 도핑 원소인 Co와 함께 도핑된 경우, Fe의 표면 용리 에너지 및 서브 표면 용리 에너지가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이는, 상술된 바와 같이, 제1 도핑 원소인 Co가 존재하는 경우, 제2 도핑 원소인 Fe가 용이하게 도핑되는 결과를 뒷받침할 수 있다. 결론적으로 자성 세그먼트의 생성은 제1 도핑 원소에 보다 의존적인 것을 확인할 수 있으며, Co의 용리가 Fe의 용리보다 먼저 발생하여 자성 세그먼트에서 Co가 Oh 및 Td 사이트를 선점할 수 있으며, 이는 도 14를 참조하여 설명된 것과 일치한다.
또한, 도 18에서 확인할 수 있듯이, 실험 예 1에 따른 복합 박막 구조체의 경우, c 타입, 즉, 표면 용리의 배열이 더 선호되며, 실험 예 3에 따른 복합 박막 구조체의 경우 b 타입 및 c 타입, 즉, 표면 용리의 배열 및 서브 표면 용리의 배열이 유사하게 선호되는 것을 확인할 수 있으며, 실험 예 5에 따른 복합 박막 구조체의 경우 b 타입, 서브 표면 용리의 배열이 선호되는 것을 확인할 수 있다.
다시 말하면, 실험 예 3보다 제1 도핑 원소인 Co의 비율이 상대적으로 높은 경우 표면 용리의 배열이 더 선호되어 자성 세그먼트의 바닥부가 발달하고, 실험 예 3보다 제2 도핑 원소인 Fe의 비율이 상대적으로 높은 경우 서브 표면 용리의 배열이 더 선호되어 자성 세그먼트의 측면부가 발달하는 것을 확인할 수 있다.
도 15의 (b) 내지 (d)에서 확인할 수 있듯이, Co 대비 Fe의 비율이 증가함에 따라서, 자성 세그먼트의 바닥부보다는 측면부가 발달하여, 자성 세그먼트의 형상이 변형되는 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 복합 박막 구조체의 증착 과정에서 내부에 자성 세그먼트의 형성 과정을 확인할 수 있으며, 특히, 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 비율에 따라서 자성 세그먼트의 형상 및 크기를 제어할 수 있음을 확인할 수 있으며, 이로 인해 복합 박막 구조체의 강유전성 및 자성 특성을, 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 비율을 조절하는 간소한 방법으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
110: 복합 박막 구조체
112: 베이스 박막
114: 자성 세그먼트
114a: 측벽부
114b: 바닥부
110: 복합 박막 구조체
112: 베이스 박막
114: 자성 세그먼트
114a: 측벽부
114b: 바닥부
Claims (13)
- 챔버 내에, 타겟 물질 및 기판을 준비하는 단계; 및
상기 타겟 물질에 레이저를 조사하여, 상기 기판 상에, 강유전성을 갖는 베이스 박막, 및 상기 베이스 박막 내에 제공되고, 바닥부 및 상기 바닥부에서 위로 연장하는 측벽부를 갖는, 복수의 자성 세그먼트를 포함하는 복합 박막 구조체를 형성하는 단계를 포함하되,
상기 타겟 물질은, 베이스 산화물에 제1 도핑 원소, 및 제2 도핑 원소가 도핑된 페로브스카이트 구조를 갖고,
상기 타겟 물질 내의 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 복합 박막 구조체의 강유전성 및 자성이 제어되는 것을 포함하며,
상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 자성 세그먼트의 상기 바닥부 및 상기 측벽부의 발달 레벨이 제어되는 것을 포함하는 복합 박막 구조체의 제조 방법.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 자성 세그먼트는 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 산화물로 형성되고,
상기 복합 박막 구조체가 증착되는 과정에서, 상기 베이스 박막에서 상기 제1 도핑 원소가 용리되어, 상기 자성 세그먼트가 형성되는 것을 포함하는 복합 박막 구조체의 제조 방법.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 표면 용리 에너지(surface exsolution energy) 및 서브 표면 용리 에너지(subsurface exsolution energy)는 서로 다른 것을 포함하는 복합 박막 구조체의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 기판은 페로브스카이트 구조를 갖고, 상기 복합 박막 구조체는 상기 기판 상에 에피택시얼하게 성장되는 것을 포함하는 복합 박막 구조체의 제조 방법.
- 기판; 및
상기 기판 상의 복합 박막 구조체를 포함하되,
상기 복합 박막 구조체는, 강유전성을 갖는 페로브스카이트 구조의 베이스 박막, 및 상기 베이스 박막 내에 제공되고, 서로 이격된 복수의 자성 세그먼트를 포함하고,
상기 자성 세그먼트는, 상기 기판에 인접한 바닥부, 및 상기 바닥부에서 위로 연장하는 측벽부를 포함하고,
상기 측벽부로 둘러싸인 내부 공간의 폭은, 상기 기판에서 멀어질수록 넓어지고,
상기 측벽부로 둘러싸인 상기 내부 공간 내에, 상기 베이스 박막의 일부분이 제공되는 것을 포함하는 복합 박막 구조체.
- 삭제
- 기판; 및
상기 기판 상의 복합 박막 구조체를 포함하되,
상기 복합 박막 구조체는, 강유전성을 갖는 페로브스카이트 구조의 베이스 박막, 및 상기 베이스 박막 내에 제공되고, 제1 도핑 원소의 산화물을 포함하거나, 또는 상기 제1 도핑 원소 및 제2 도핑 원소의 산화물을 포함하고, 서로 이격된 복수의 자성 세그먼트를 포함하고,
상기 자성 세그먼트는, 상기 기판에 인접한 바닥부, 및 상기 바닥부에서 위로 연장하는 측벽부를 포함하며,
상기 제1 도핑 원소의 비율, 또는 상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소의 비율에 따라서, 상기 자성 세그먼트의 상기 바닥부 및 상기 측벽부의 길이가 제어되는 것을 포함하는 복합 박막 구조체.
- 제9 항에 있어서,
상기 제1 도핑 원소 및 상기 제2 도핑 원소는 서브 표면 용리 에너지가 표면 용리 에너지보다 높고,
상기 제1 도핑 원소의 서브 표면 용리 에너지에서 표면 용리 에너지를 차분한 값은, 제2 도핑 원소의 서브 표면 용리 에너지에서 표면 용리 에너지를 차분한 값보다 적은 것을 포함하는 복합 박막 구조체.
- 제10 항에 있어서,
상기 제1 도핑 원소의 비율이 높아질수록 상기 자성 세그먼트의 상기 바닥부의 길이가 증가되고, 상기 제2 도핑 원소의 비율이 높아질수록 상기 자성 세그먼트의 상기 측벽부의 길이가 증가되는 것을 포함하는 복합 박막 구조체.
- 제9 항에 있어서,
상기 제1 도핑 원소는, Co, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Ni, Ti, 또는 Be 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 제2 도핑 원소는, Fe, Al, Cr, V, 또는 Si 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 복합 박막 구조체.
- 제7 항에 따른 복합 박막 구조체를 유전막으로 포함하는, 멤커패시터.
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| KR1020200165822A KR102417572B1 (ko) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | 강유전성 및 자성 특성을 갖는 복합 박막 구조체, 및 이를 포함하는 멤커패시터, 및 그 제조 방법 |
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