KR20140052407A - 박막 적층체의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 박막 적층체는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 백금층을 포함하고, 백금층은 {111} 또는 {100} 방향으로 배향된다.

Description

박막 적층체 및 그 제조 방법{MULTI-LAYERED UNIT AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 박막 적층체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 비정질 기판 위에 {111}, {100} 방향으로 배향된 박막을 포함하는 박막 적층체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

강유전체(ferroelectrics), 강자성체(ferromagnetic), 다강체(multiferroics) 등 이방성을 가지는 재료들은 특성 향상을 위해 특정 방향의 에피텍셜(epitaxial) 박막으로 제작된다. 에피텍셜 박막의 제작을 위해서는 박막과 격자불일치(lattice mismatch)가 작은 단결정 기판을 선택하여 사용하게 되는데 단결정 기판은 가격이 비싸고 대면적 제작이 힘들다.

한편, 비정질 기판은 단결정 기판에 비해서 가격이 싸고 대면적 제작이 용이하여 이를 이용하여 박막을 특정 방향으로 성장시킬 수 있다면 단결정 기판을 이용하였을 때 보다 원가 절감 및 상용화의 가능성을 높일 수 있다. 하지만, 비정질 기판에서는 단결정 기판과 달리 결합을 이끄는 격자내 원자가 일정하게 배열되어 있지 않으므로 박막을 특정 방향으로 성장시키는데 어려움이 있다.

따라서 본 발명은 기판 위에 씨앗층(seed layer)을 형성하여 박막을 특정 방향으로 성장 시켜 제조 비용을 감소시킬 수 있는 박막 적층체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 적층체는 기판, 기판 위에 형성되어 있는 백금층을 포함하고, 백금층은 {111} 또는 {100} 방향으로 배향된다.

상기 백금층 위에 형성되어 있는 금속층 박막을 더 포함하고, 박막은 백금층과 동일한 결정 배향 방향을 가질 수 있다.

상기 기판과 백금층 사이에 형성되어 있는 접착층을 더 포함할 수 있다.

상기 접착층은 Ti, Zr 및 Ta 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 접착층은 10nm이하의 두께로 형성할 수 있다.

상기 박막은 Pb(Zr,Ti)O₃(PZT), (Pb,La)TiO₃(PLT), PbTiO₃, PbZrO₃, KNbO₃, LiTaO₃, LiNbO₃, BaTiO₃, BiFeO₃, Fe₃O₄, FePt 및 ZnO 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기한 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 적층체의 제조 방법은 기판 위에 접합층을 형성하는 단계, 접합층 위에 스퍼터링으로 백금층을 형성하는 단계를 포함하고, 백금층은 스퍼터링 챔버의 RF 파워가 1W 내지 100W이고, 상기 챔버 내 아르곤 압력이 1mTorr 내지 50mTorr의 범위에서 진행한다.

상기 백금층은 {111}의 결정 배향을 가지고, 챔버내 아르곤 압력은 20mTorr 미만일 수 있다.

상기 챔버내 아르곤 압력이 20mTorr에서 36mTorr로 변화할수록 {100} 결정 배향이 증가하고, 36mTorr에서 50mTorr로 변화할수록 {111}의 결정 배향이 증가할 수 있다.

상기 박막을 형성하는 단계는 산소 분위기에서 진행하며 상기 금속층은 Pb, Ti, Nb, Ta, Fe, Pt, Zn 또는 이들의 화합물을 스퍼터하여 형성할 수 있다.

상기 금속층을 형성하는 단계는 450℃ 내지 650℃의 온도에서 10mTorr 내지 200mTorr의 압력, RF가 1W 내지 5W인 상태에서 진행할 수 있다.

상기 접착층은 Ti, Zr 및 Ta 중 어느 하나로 형성할 수 있다.

상기 접착층은 10nm이하의 두께로 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서와 같이 박막 적층체를 형성하면 단결정 기판보다 저렴한 기판을 사용할 수 있어 대면적에 유리하며 제조 비용을 절감할 수 있다.

그리고 {111} 또는 {100} 배향된 씨앗층을 백금으로 형성하므로, 씨앗층을 전극으로 직접 사용할 수 있으므로 별도의 전극층을 형성하지 않을 수 있다.

또한, 상온에서 씨앗층을 형성하므로 고온 공정에 비해서 시간 및 비용을 절감시킬 수 있으며, 고온에 취약한 고분자 기판을 사용할 수 있어 가요성 기판을 용이하게 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 적층체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 적층체의 제조 방법의 순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라서 형성한 백금층의 결정성을 측정한 XRD(x-ray diffraction) 그래프로, 도 3은 아르곤의 분압 변화에 따른 피크 세기이고, 도 4는 RF 변화에 따른 피크 세기를 측정한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 적층체의 단면도이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 적층체는 기판(100), 기판(100) 위에 형성되어 있는 접착층(102), 접착층(102) 위에 형성되어 있는 백금층(104), 백금층(104) 위에 형성되어 있는 박막(106)을 포함한다.

기판(100)은 유리, 비정질 규소 및 PET(polyethylene terephthalate)와 같은 고분자로 이루어진 가요성 기판일 수 있다. 또한, 기판(100)은 발광소자, 박막 트랜지스터와 같은 회로 및 배선을 포함하는 기판으로 전극을 형성하고자 하는 기판일 수 있다.

접착층(102)은 백금층(104)과 기판(100) 사이의 접착성을 강화시키기 위한 것으로 필요에 따라서 생략할 수 있다. 접착층(102)은 Ti, Zr 및 Ta 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 10nm 이하의 두께로 형성한다.

백금층(104)은 {100} 및 {111}의 결정 방향을 가지며 0.01㎛ 내지 500㎛의 두께로 이루어질 수 있다.

박막(106)은 Pb(Zr,Ti)O₃(PZT), (Pb,La)TiO₃(PLT), PbTiO₃, PbZrO₃, KNbO₃, LiTaO₃, LiNbO₃, BaTiO₃, BiFeO₃, Fe₃O₄, FePt 및 ZnO 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 백금층(104)에 의해서 엑피텍셜 성장되어 백금층(104)과 동일한 결정 배향을 가진다.

그럼 이상 설명한 도 1의 박막 적층체의 제조 방법에 대해서 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 적층체의 제조 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면, 먼저 기판(100) 위에 접착층(102)을 형성한다. 접착층(102)은 Ti, Zr 및 Ta 중 어느 하나로 형성(S10)한다.

접착층(102)은 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있으며 아르곤 분위기에서 진행된다. 이때, RF파워는 1W 내지 100W이고, 챔버내 아르곤(Ar)의 압력은 1mTorr 내지 50mTorr일 수 있다. 형성된 접착층(102)은 결정질 또는 비정질 일 수 있다.

그런 다음, 접착층(102) 위에 백금층(1404)을 형성(S20)한다. 백금층(104)은 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있으며, 아르곤 분위기의 상온 내지 600^oC 에서 진행된다. 이때, RF파워는 10W 내지 100W이고, 아르곤의 압력은 1mTorr 내지 50mTorr일 수 있다.

이때, RF 파워 또는 아르곤 기체의 분압을 변화시켜 백금층이 {111} 또는 {100}과 같이 특정 방향을 가지도록 형성할 수 있다.

아르곤의 압력이 20mTorr미만에서는 백금층은 {111}의 결정 배향을 가지도록 형성되고, 20mTorr에서 36mTorr로 변화할수록 {100}의 비율이 증가하여 36mTorr에서는 {100}이 형성된 면적이 {111}이 형성된 면적보다 넓으며, 36mTorr에서 50mTorr로 변화할수록 {111}의 비율이 증가하여 50mTorr에서는 {111}의 면적이 {100}의 면적보다 넓다.

좀 더 구체적으로 백금을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라서 형성한 백금층의 결정성을 측정한 XRD(x-ray diffraction) 그래프로, 도 3은 아르곤의 분압 변화에 따른 피크 세기이고, 도 4는 RF 변화에 따른 피크 세기를 측정한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 아르곤 기체 분압이 12mTorr에서 23, 36, 45, 57 mTorr로 증가하면 처음에는 표면 에너지가 낮은 {111} 방향으로 형성되다가 점차적으로 {100}으로 배향이 변화된다. 그리고 45mTorr 이상에서는 {100}이 줄어든다.

F111 및 f100으로 표시된 것은 각각 {111} 및 {100}에 해당되는 롯게링 힘(lotgering force)로써 0과 1 사이의 값을 가지며 0에 가까울수록 랜덤(random) 방향을 가지고, 1에 가까울수록 특정 방향의 우선 배향 정도가 큰 것을 의미한다.

아르곤 분압이 증가할수록 타겟(target)에 충돌하는 아르곤 이온 입자의 양이 많아져서 기판(100) 근처에 백금 입자의 농도가 높아지게 된다.

입자의 농도가 증가하면 높은 표면 에너지를 가지는 면이 우세하기 때문에 {111} 면에 비해서 표면 에너지가 높은 {100} 면의 우선 배향이 가능하다. 그러나 아르곤 분압이 너무 높으면 백금 입자들의 평균 자유 행로(mean free path)가 짧아져서 기판 근처에서 백금 입자의 농도가 낮아지므로 오히려 {100} 방향의 우선 배향 정도가 줄어든다.

한편, 도 4를 참조하면, RF 파워가 증가하면 아르곤 이온이 백금 타겟 표면에 충돌하는 운동 에너지가 커져서 보다 많은 백금 입자가 떨어져 나오고 그것들의 운동 에너지 역시 커지므로 평균자유행로가 길어져 기판 근처에 백금 입자의 농도가 증가하게 된다. 따라서 입자의 농도가 증가하면 {100} 방향의 성장 속도가 빨라지게 되므로 RF 파워가 증가할수록 {100} 방향의 우선 배향 정도가 증가한다.

그런 다음, 백금층(104) 위에 박막(106)을 형성한다. 박막(106)은 스퍼터링으로 형성되며 전자 장치의 전극일 수 있다.

박막(106)은 산소 분위기에서 형성될 수 있으며, 450℃ 내지 650℃의 온도에서 10mTorr 내지 200mTorr의 압력으로 형성될 수 있다. 이때, RF는 1W 내지 5W로 Pb, Ti, Nb, Ta, Fe, Pt, Zn 또는 그 화합물을 스퍼터하여 형성할 수 있다.

박막(106)은 Pb(Zr,Ti)O₃(PZT), (Pb,La)TiO₃(PLT), PbTiO₃, PbZrO₃, KNbO₃, LiTaO₃, LiNbO₃, BaTiO₃, BiFeO₃, Fe₃O₄, FePt 및 ZnO 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 백금층에 의해서 엑피텍셜 성장되므로 {111} 또는 {100} 방향으로 배향될 수 있다.

예를 들어, 박막(106)이 PbTiO₃으로 이루어질 때, 백금층(104)과 박막(106)의 격자 상부(lattice parameter)는 각각 3.92Å, 3.9Å으로 격자 불일치가 0.61% 정도로 낮다. 따라서 배향 방향 {111}, {100}인 백금층의 배향 방향에 따라서 박막의 배향 방향도 동일한 방향으로 유도된다.

이처럼 본 발명의 실시예에서와 같이 백금층의 형성 조건을 조절하면 용이하게 결정의 배향 방향을 조절할 수 있다. 따라서 백금층 위에 형성되는 박막 또한 백금층과 동일한 배향 방향을 가지도록 형성하여 전기전도성이 우수한 전자 장치를 형성할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 기판 102: 접착층
104: 씨앗층 106: 박막

Claims (14)

1. 기판,
   상기 기판 위에 형성되어 있는 백금층
   을 포함하고,
   상기 백금층은 {111} 또는 {100} 방향으로 배향되어 있는 박막 적층체.
2. 제1항에서,
   상기 백금층 위에 형성되어 있으며 금속 또는 산화물로 이루어지는 박막
   을 더 포함하고,
   상기 박막은 상기 백금층과 동일한 결정 배향 방향을 가지는 박막 적층체.
3. 제1항에서,
   상기 기판과 상기 백금층 사이에 형성되어 있는 접착층을 더 포함하는 박막 적층체.
4. 제3항에서,
   상기 접착층은 Ti, Zr 및 Ta 중 어느 하나로 이루어지는 박막 적층체.
5. 제3항에서,
   상기 접착층은 10nm이하의 두께로 형성하는 박막 적층체.
6. 제1항에서,
   상기 박막은 Pb(Zr,Ti)O₃(PZT), (Pb,La)TiO₃(PLT), PbTiO₃, PbZrO₃, KNbO₃, LiTaO₃, LiNbO₃, BaTiO₃, BiFeO₃, Fe₃O₄, FePt 및 ZnO 중 어느 하나로 이루어지는 박막 적층체.
7. 기판 위에 스퍼터링으로 백금층을 형성하는 단계,
   상기 백금층 위에 상기 백금층과 동일한 배향 방향을 가지는 박막을 형성하는 단계
   를 포함하고,
   상기 백금층은 상기 스퍼터링 챔버의 RF 파워가 1W 내지 100W이고, 상기 챔버 내 아르곤 압력이 1mTorr 내지 50mTorr의 범위에서 진행하는 박막 적층체의 형성 방법.
8. 제7항에서,
   상기 백금층은 {111}의 결정 배향을 가지고,
   상기 챔버내 아르곤 압력은 20mTorr 미만인 박막 적층체의 형성 방법.
9. 제7항에서,
   상기 챔버내 아르곤 압력이 20mTorr에서 36mTorr로 변화할수록 {100} 결정 배향이 증가하고, 36mTorr에서 50mTorr로 변화할수록 {111}의 결정 배향이 증가하는 박막 적층체의 형성 방법.
10. 제7항에서,
    상기 박막을 형성하는 단계는
    산소 분위기에서 진행하며 상기 박막은 Pb, Ti, Nb, Ta, Fe, Pt, Zn 또는 이들의 화합물을 스퍼터하여 형성하는 박막 적층체의 형성 방법.
11. 제10항에서,
    상기 박막을 형성하는 단계는
    450℃ 내지 650℃의 온도에서 10mTorr 내지 200mTorr의 압력, RF가 1W 내지 5W인 상태에서 진행하는 박막 적층체의 형성 방법.
12. 제7항에서,
    상기 기판과 상기 백금층 사이에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 박막 적층체의 형성 방법.
13. 제12항에서,
    상기 접착층은 Ti, Zr 및 Ta 중 어느 하나로 형성하는 박막 적층체의 형성 방법.
14. 제13항에서,
    상기 접착층은 10nm이하의 두께로 형성하는 박막 적층체의 형성 방법.
    

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