KR20140118725A

KR20140118725A - Pzt 계 강유전체 박막 형성용 조성물 및 그 제조 방법 그리고 그 조성물을 사용한 pzt 계 강유전체 박막의 형성 방법

Info

Publication number: KR20140118725A
Application number: KR1020140018262A
Authority: KR
Inventors: 도시히로 도이; 히데아키 사쿠라이; 노부유키 소야마
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2014-10-08
Also published as: EP2784136B1; JP2014192329A; JP6075152B2; CN104072134A; TWI601705B; CN104072134B; TW201442984A; US20140295197A1; KR102032575B1; EP2784136A1

Abstract

이 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물은, 조성물 100 질량％ 중의 PZT 전구체의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 이고, 조성물 100 질량％ 중의 디올의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 이고, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 모노머 환산으로 0.01 ∼ 0.25 몰이고, 물의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰인 것을 특징으로 한다 (단, 상기 조성물 100 질량％ 중에 탄소 사슬 6 이상 12 이하의 직사슬형 모노알코올을 0.6 ∼ 10 질량％ 의 비율로 추가로 함유하는 조성물을 제외한다).

Description

PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 및 그 제조 방법 그리고 그 조성물을 사용한 PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법{PZT-BASED FERROELECTRIC THIN FILM-FORMING COMPOSITION, METHOD OF PREPARING THE SAME, AND METHOD OF FORMING PZT-BASED FERROELECTRIC THIN FILM USING THE SAME}

본 발명은, PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 및 그 제조 방법 그리고 그 조성물을 사용한 PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 박막 커패시터의 유전체층 등에 사용되는 PZT 계 강유전체 박막을 졸겔법에 의해 형성하기 위한 조성물 및 그 제조 방법 그리고 그 조성물을 사용한 PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 크랙을 발생시키지 않고서 1 회의 도포에 의해 형성되는 박막의 막두께를 보다 두껍게 할 수 있으며, 나아가 박막의 생산 효율을 높일 수 있는 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 등에 관한 것이다.

본원은 2013년 3월 27일에 출원된 일본 특허 출원 제2013-66421호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

강유전체 박막을 졸겔법으로 형성할 때, 졸겔법에서는 일반적으로 가소 (假燒) 나 소성과 같은 고온 프로세스를 거치기 때문에, 1 회의 도포량을 많게 하여 보다 두꺼운 막을 얻고자 하면, 소성 등을 할 때에 막 중에 발생하는 인장 응력이 증대되어, 형성 후의 막에 크랙이 발생한다는 문제가 생긴다.

형성 후의 막에 크랙이 발생하면 강유전체 박막의 전기 특성 등이 저하되기 때문에, 종래 졸겔법에서는 1 회의 도포로 형성할 수 있는 막의 두께는 100 ㎚ 정도가 한계로 되어 있고, 두께가 있는 강유전체 박막을 형성하는 경우에는, 조성물의 도포나 소성 등을 복수 회 반복하는 등의 방법이 채용되고 있었다. 그러나, 이 방법은 생산 효율을 저하시키고, 제조 비용을 향상시킨다. 이 때문에, 재료면에서의 개량, 즉 크랙을 발생시키지 않고서, 1 회의 도포로 형성되는 막두께를 보다 두껍게 할 수 있는 원료 용액의 연구나 개발이 왕성하게 이루어지고 있다.

예를 들어, 일본 공개특허공보 2001-261338호 (청구항 1, 단락 [0015] ∼ [0024], 표 1) 에는, Ti 를 함유하는 금속 산화물 박막을 성막하기 위한 원료 용액으로서, 그 원료 용액에 프로필렌글리콜을 첨가시킨 금속 산화물 박막 형성용 원료 용액 등이 개시되어 있다. 이 원료 용액에서는, 크랙 등을 발생시키지 않고서, 1 회의 도포로 0.2 ㎛ 이상의 두께를 갖는 막의 형성을 가능하게 하고 있다. 또한, 고농도의 졸겔액에 고분자를 첨가하여 성막 중에 발생하는 인장 응력을 완화시킴으로써, 크랙을 발생시키지 않고, 1 회의 도포로 형성되는 막의 두께를 보다 두껍게 할 수 있는 방법 등도 제안되어 있다 (예를 들어, J Sol-Gel Sci Technol (2008) 47 : 316-325 참조).

상기 일본 공개특허공보 2001-261338호 및 J Sol-Gel Sci Technol (2008) 47 : 316-325 에 개시된 원료 용액 등에서는, 첨가된 프로필렌글리콜이나 고분자에 의해 크랙의 발생은 어느 정도 방지할 수 있지만, 실용상 충분한 특성을 구비한 막으로 하기 위해서는 한층 더 크랙의 발생을 억제하고, 나아가 치밀한 막 구조의 막으로 형성할 필요가 있어, 추가로 개량의 여지가 남겨져 있었다. 또한, 고분자 등을 첨가함으로써, 종래보다 소성 시간이 길어지는 등의 제조상 문제도 발생되고 있었다. 그 때문에, 비교적 두께가 있는 막을 형성할 때의 성막 공정의 간소화나 저비용화의 면에 있어서도 추가로 개량이 요구되고 있었다.

본 발명의 목적은, 졸겔법에 의해 강유전체 박막을 형성할 때, 크랙을 발생시키지 않고서 1 회의 도포로 형성되는 박막의 막두께를 보다 두껍게 할 수 있으며, 나아가 박막의 생산 효율을 높일 수 있는 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 및 그 제조 방법 그리고 그 조성물을 사용한 PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 소정량의 물을 조성물에 첨가함으로써, 크랙 방지 등의 목적으로 첨가되는 고분자 등의 양을 억제하여도 충분히 그 효과가 얻어지는 것을 알아내었다. 그리고, 이것에 의해 크랙이 적은 치밀한 막 구조를 갖는 후막 (厚膜) 을 형성할 때의 성막 공정의 간소화 및 저비용화도 동시에 달성할 수 있음을 알아내어, 본 발명에 도달하였다.

본 발명의 제 1 관점은, PZT 계 강유전체 박막을 형성하기 위한 조성물에 있어서, 조성물이 PZT 전구체와, 디올과, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜과, 물을 함유하고, 조성물 100 질량％ 중의 상기 PZT 전구체의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 이고, 조성물 100 질량％ 중의 상기 디올의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 이고, 상기 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 모노머 환산으로 0.01 ∼ 0.25 몰이고, 상기 물의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰인 것을 특징으로 한다 (단, 조성물 100 질량％ 중에 탄소 사슬 6 이상 12 이하의 직사슬형 모노알코올을 0.6 ∼ 10 질량％ 의 비율로 추가로 함유하는 조성물을 제외한다).

본 발명의 제 2 관점은, 제 1 관점에 기초한 발명으로서, 또한 상기 디올이 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜인 것이 바람직하다.

본 발명의 제 3 관점은, PZT 계 강유전체 박막 형성용의 조성물을 제조하는 방법에 있어서, 조성물 100 질량％ 중의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 가 되는 양의 PZT 전구체와, 조성물 100 질량％ 중의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 가 되는 양의 디올을 혼합하고 반응시켜 합성액을 조제하는 공정과, 이 합성액을 130 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 3 시간 환류하는 공정과, 환류를 실시한 합성액을 0 ∼ 50 ℃ 로 냉각한 후, PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰이 되는 양의 물을 첨가하고, 100 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 10 시간 재환류하는 공정과, 재환류를 실시한 합성액에 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.01 ∼ 0.25 몰이 되는 양의 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여, 균일하게 분산시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 4 관점은, 제 3 관점에 기초한 발명으로서, 또한 상기 디올이 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜인 것이 바람직하다.

본 발명의 제 5 관점은, 또한 하부 전극을 갖는 기판의 상기 하부 전극 상에 제 1 또는 제 2 관점의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 또는 제 3 또는 제 4 관점의 방법으로 제조된 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물을 도포하고, 가소한 후, 소성하여 결정화시킴으로써, 상기 하부 전극 상에 박막을 형성하는 PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법이다.

본 발명의 제 6 관점은, 제 5 관점의 방법에 의해 형성된 PZT 계 강유전체 박막을 갖는 박막 콘덴서, 커패시터, IPD, DRAM 메모리용 콘덴서, 적층 콘덴서, 트랜지스터의 게이트 절연체, 불휘발성 메모리, 초전형 적외선 검출 소자, 압전 소자, 전기 광학 소자, 액추에이터, 공진자, 초음파 모터, 전기 스위치, 광학 스위치 또는 LC 노이즈 필터 소자의 복합 전자 부품이다.

본 발명의 제 1 관점의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물은, PZT 전구체와, 디올과, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜과, 물을 함유하고, 조성물 100 질량％ 중의 상기 PZT 전구체의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 이고, 조성물 100 질량％ 중의 상기 디올의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 이다. 또한, 상기 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 모노머 환산으로 0.01 ∼ 0.25 몰이고, 상기 물의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰이다. 이것에 의해, 졸겔법으로 강유전체 박막을 형성할 때, 이 조성물을 사용하면, 1 회의 도포로 형성되는 박막의 두께를 수백 ㎚ 이상으로 해도 크랙의 발생이 매우 적고, 전기 특성이 우수한 강유전체 박막을 형성할 수 있다. 또한, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 함유량이 비교적 적기 때문에, 성막시의 고온 프로세스를 간소화할 수 있어, 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 막의 잔류 응력을 저감시키는 효과가 얻어진다. 또한, 이 조성물은 디올을 함유하기 때문에, 보존 안정성이 향상되는 효과가 얻어진다. 또 물을 함유하기 때문에 적절히 가수분해를 촉진시켜, 성막시에 분해되기 쉬워지므로, 막 중에 포어가 잘 발생하지 않게 되어 막 밀도가 향상한다는 효과가 얻어진다.

본 발명의 제 2 관점의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물에서는, 상기 디올로서 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜이 함유되기 때문에, 보존 안정성 및 후막 형성의 면에서 우수하다.

본 발명의 제 3 관점의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물의 제조 방법에서는, 조성물 100 질량％ 중의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 가 되는 양의 PZT 전구체와, 조성물 100 질량％ 중의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 가 되는 양의 디올을 혼합하고 반응시켜 합성액을 조제하는 공정과, 이 합성액을 130 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 3 시간 환류하는 공정과, 환류를 실시한 합성액을 0 ∼ 50 ℃ 로 냉각한 후, PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰이 되는 양의 물을 첨가하고, 100 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 10 시간 재환류하는 공정과, 재환류를 실시한 합성액에 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.01 ∼ 0.25 몰이 되는 양의 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여, 균일하게 분산시키는 공정을 포함한다. 본 발명의 제조 방법에서는, 적절히 가수분해시킴으로써 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 함유량을 적게 하고 있기 때문에, 성막시의 고온 프로세스를 간소화할 수 있어, 생산 효율을 향상시킬 수 있는 조성물이 얻어진다.

본 발명의 제 4 관점의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물의 제조 방법에서는, 상기 디올로서 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜을 사용하기 때문에, 고점도로 후막 형성에 우수한 조성물이 얻어진다.

본 발명의 제 5 관점의 PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법에서는, 하부 전극을 갖는 기판의 상기 하부 전극 상에 상기 본 발명의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 또는 상기 본 발명의 방법으로 제조된 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물을 도포하고, 가소한 후, 소성하여 결정화시킴으로써, 상기 하부 전극 상에 박막을 형성한다. 이 형성 방법에서는, 본 발명의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 또는 본 발명의 방법으로 제조된 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물을 사용하기 때문에, 1 회의 도포로 형성되는 박막의 두께를 수백 ㎚ 이상으로 해도 크랙의 발생이 매우 적고, 전기 특성이 우수한 강유전체 박막을 형성할 수 있다. 또한, 사용하는 조성물 중에 함유되는 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 함유량이 비교적 적기 때문에, 성막시의 고온 프로세스를 간소화할 수 있어, 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 막 구조의 치밀화를 촉진하기 쉬운 점에서도, 생산 효율이 높아진다.

본 발명의 제 6 관점의 박막 콘덴서 등은, 상기 본 발명의 방법에 의해 형성된, 크랙의 발생이 매우 적으면서 또한 치밀한 막 구조를 갖는 PZT 계 강유전체 박막을 구비하기 때문에, 전기 특성이나 수명 신뢰성이 우수하다.

도 1 은, 실시예 1-3 에서 얻어진 PZT 계 강유전체 박막의 표면을 SEM (Scanning Electron Microscope, 주사형 전자 현미경) 으로 관찰했을 때의 사진이다.
도 2 는, 실시예 1-3 에서 얻어진 PZT 계 강유전체 박막의 단면을 SEM 으로 관찰했을 때의 사진이다.
도 3 은, 비교예 1-2 에서 얻어진 PZT 계 강유전체 박막의 표면을 SEM 으로 관찰했을 때의 사진이다.
도 4 는, 비교예 1-2 에서 얻어진 PZT 계 강유전체 박막의 단면을 SEM 으로 관찰했을 때의 사진이다.
도 5 는, 본 발명 실시형태의 박막 형성시 고온 프로세스에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 그래프이다.

다음으로 본 발명을 실시하기 위한 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

본 실시형태의 조성물은, PZT 계 강유전체 박막을 형성하기 위한 조성물의 개량이다. 그 특징이 되는 구성은, 조성물이 PZT 전구체와, 디올과, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜과, 물을 함유하고, 조성물 100 질량％ 중의 상기 PZT 전구체의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 이고, 조성물 100 질량％ 중의 상기 디올의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 이고, 상기 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 모노머 환산으로 0.01 ∼ 0.25 몰이고, 상기 물의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰인 것에 있다 (단, 조성물 100 질량％ 중에 탄소 사슬 6 이상 12 이하의 직사슬형 모노알코올을 0.6 ∼ 10 질량％ 의 비율로 추가로 함유하는 조성물을 제외한다).

본 실시형태의 조성물에 의해 형성되는 PZT 계 강유전체 박막은, 티탄산지르콘산납 (PZT) 등의 Pb 함유 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 금속 산화물에 의해 구성되고, PZT 외에, PZT 에 La 원소를 첨가한 PLZT 가 포함된다. 조성물 중에 함유되는 PZT 전구체는, 형성 후의 강유전체 박막에 있어서 상기 복합 금속 산화물 등을 구성하기 위한 원료로, PZT 또는 PLZT 가 원하는 금속 원자비를 제공하는 비율로 함유된다. 구체적으로는, 일반식 : (Pb_xLa_y)(Zr_zTi₁ _-z)O₃ 으로 나타냈을 때의 x, y, z 가, 1.00 ＜ x ＜ 1.25, 0 ≤ y ≤ 0.05, 0.4 ＜ z ＜ 0.6 을 만족하는 금속 원자비가 되는 비율로 하는 것이 바람직하다. 또한, PZT 계 강유전체 박막에는, Mn 원소를 첨가한 PMnZT 나, Nb 원소를 첨가한 PNbZT 등도 함유된다.

PZT 전구체는, Pb, La, Zr 또는 Ti 등의 각 금속 원소에, 유기기가 그 산소 또는 질소 원자를 사이에 두고 결합하고 있는 화합물이 바람직하다. 예를 들어, 금속 알콕사이드, 금속 디올 착물, 금속 트리올 착물, 금속 카르복실산염, 금속 β-디케토네이트 착물, 금속 β-디케토에스테르 착물, 금속 β-이미노케토 착물, 및 금속 아미노 착물로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상이 예시된다. 특히 바람직한 화합물은, 금속 알콕사이드, 그 부분 가수분해물, 유기산염이다.

구체적으로, Pb 화합물, La 화합물로는, 아세트산납 : Pb(OAc)₂, 아세트산란탄 : La(OAc)₃ 등의 아세트산염이나, 납디이소프로폭사이드 : Pb(OiPr)₂, 란탄트리이소프로폭사이드 : La(OiPr)₃ 등의 알콕사이드를 들 수 있다. Ti 화합물로는, 티탄테트라에톡사이드 : Ti(OEt)₄, 티탄테트라이소프로폭사이드 : Ti(OiPr)₄, 티탄테트라 n-부톡사이드 : Ti(OiBu)₄, 티탄테트라이소부톡사이드 : Ti(OiBu)₄, 티탄테트라 t-부톡사이드 : Ti(OtBu)₄, 티탄디메톡시디이소프로폭사이드 : Ti(OMe)₂(OiPr)₂ 등의 알콕사이드를 들 수 있다. Zr 화합물로는, 상기 Ti 화합물과 동일한 알콕사이드류가 바람직하다. 금속 알콕사이드는 그대로 사용해도 되지만, 분해를 촉진시키기 위해 그 부분 가수분해물을 사용해도 된다. 또, Mn 화합물로는, 아세트산망간, 2-에틸헥산산망간 또는 나프텐산망간 등을 들 수 있다. 또한, Nb 화합물로는, 니오븀펜타에톡사이드 또는 2-에틸헥산산니오븀 등을 들 수 있다.

조성물 100 질량％ 중에서 차지하는 상기 PZT 전구체의 비율을 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 로 한 것은, 하한값 미만에서는 충분한 막두께를 얻을 수 없고, 한편, 상한값을 초과하면 크랙이 발생하기 쉬워지기 때문이다. 이 중, PZT 전구체의 비율은 산화물 환산으로 20 ∼ 25 질량％ 로 하는 것이 바람직하다. 또, 산화물 환산에 의한 비율이란, 조성물에 함유되는 금속 원소가 모두 산화물이 되었다고 가정했을 때에, 조성물 100 질량％ 에서 차지하는 금속 산화물의 비율을 말한다.

조성물 중에 함유되는 디올은, 조성물의 용매가 되는 성분이다. 구체적으로는, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜 또는 1,3-프로판디올 등을 들 수 있다. 디올을 필수적인 용매 성분으로 함으로써, 조성물의 보존 안정성을 높일 수 있다. 이 중, 보존 안정성을 높이는 것과 함께, 고점도로 후막 형성에 우수한 조성물이 얻어지기 쉬운 점에서, 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜이 바람직하다.

조성물 100 질량％ 중에서 차지하는 상기 디올의 비율을 16 ∼ 56 질량％ 로 한 것은, 하한값 미만에서는 침전이 생성되는 문제가 발생하고, 한편, 상한값을 초과하면 후막화했을 때에 보이드 (마이크로포어) 가 생기기 쉬워지기 때문이다. 이 중, 디올의 비율은 28 ∼ 42 질량％ 로 하는 것이 바람직하다.

또한, 다른 용매로는, 카르복실산, 알코올 (예를 들어, 에탄올이나 1-부탄올, 디올 이외의 다가 알코올), 에스테르, 케톤류 (예를 들어, 아세톤, 메틸에틸케톤), 에테르류 (예를 들어, 디메틸에테르, 디에틸에테르), 시클로알칸류 (예를 들어, 시클로헥산, 시클로헥산올), 방향족계 (예를 들어, 벤젠, 톨루엔, 자일렌), 기타 테트라하이드로푸란 등을 들 수 있고, 디올에 이들의 1 종 또는 2 종 이상을 추가로 첨가시킨 혼합 용매로 할 수도 있다.

카르복실산으로는, 구체적으로는, n-부티르산, α-메틸부티르산, i-발레르산, 2-에틸부티르산, 2,2-디메틸부티르산, 3,3-디메틸부티르산, 2,3-디메틸부티르산, 3-메틸펜탄산, 4-메틸펜탄산, 2-에틸펜탄산, 3-에틸펜탄산, 2,2-디메틸펜탄산, 3,3-디메틸펜탄산, 2,3-디메틸펜탄산, 2-에틸헥산산, 3-에틸헥산산을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 에스테르로는, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 아세트산 n-부틸, 아세트산 sec-부틸, 아세트산 tert-부틸, 아세트산이소부틸, 아세트산 n-아밀, 아세트산 sec-아밀, 아세트산 tert-아밀, 아세트산이소아밀을 사용하는 것이 바람직하고, 알코올로는, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 이소-부틸알코올, 1-펜탄올, 2-펜탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 2-메톡시에탄올을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태의 조성물은, 고분자 화합물인 폴리비닐피롤리돈 (PVP) 또는 폴리에틸렌글리콜이 함유된다. 폴리비닐피롤리돈 및 폴리에틸렌글리콜은, 조성물 중의 액 점도를 조정하기 위해서 함유된다. 폴리비닐피롤리돈은, k 값에 의해 상대 점도를 결정하여 조정할 수 있다. 여기서 k 값이란, 분자량과 상관하는 점성 특성치로, 모세관 점도계에 의해 측정되는 상대 점도값 (25 ℃) 을 하기 Fikentscher 의 식에 적용하여 산출되는 값이다.

k 값 = (1.5logηrel－1)/(0.15＋0.003c)

＋(300clogηrel＋(c＋1.5clogηrel)²)^1/2/(0.15c＋0.003c²)

상기 식 중, 「ηrel」은, 폴리비닐피롤리돈 수용액의 물에 대한 상대 점도를 나타내고, 「c」는, 폴리비닐피롤리돈 수용액 중의 폴리비닐피롤리돈 농도 (wt％) 를 나타낸다.

본 실시형태의 조성물에 함유되는 폴리비닐피롤리돈의 k 값은 30 ∼ 90 인 것이 바람직하다. 두께가 있는 강유전체 박막을 형성하기 위해서는, 조성물을 기판 등에 도포할 때, 도포된 도막 (겔막) 이 그 두께를 유지하기 위해서 충분한 점도가 필요한데, k 값이 하한값 미만에서는, 그것을 얻기 어렵다. 한편, 상한값을 초과하면 점도가 지나치게 높아져, 조성물을 균일하게 도포하기가 곤란해진다. 또한, 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 경우에는, 중합도가 200 ∼ 400 인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 중합도가 하한값 미만에서는 상기 점도를 충분히 얻기 힘들고, 한편, 중합도가 상한값을 초과하면 점도가 지나치게 높아져, 조성물을 균일하게 도포하기가 곤란해지기 때문이다. 또한, 폴리비닐피롤리돈은, 크랙 억제 효과가 크기 때문에 특히 바람직하다.

폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 비율을 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 모노머 환산으로 0.01 ∼ 0.25 몰로 한 것은, 하한값 미만에서는 크랙이 발생하기 쉬워지고, 한편, 상한값을 초과하면 보이드가 발생하기 쉬워지기 때문이다. 이 중, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 비율은, 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.025 ∼ 0.075 몰로 하는 것이 바람직하다. 또, 폴리비닐피롤리돈 (PVP) 또는 폴리에틸렌글리콜은 분해 온도가 높을 뿐 아니라, PZT 전구체와의 친화력이 크기 때문에, 막 중에서 제거되기 어려워 보이드의 원인이 되기 쉽다. 그 때문에 첨가량은 가능한 한 적은 쪽이 바람직한데, 본 실시형태의 조성물에서는, 소정량의 물을 첨가함으로써 전구체를 적절히 가수분해하여 막 중에서부터 유기물이 제거되기 쉽기 때문에, 이들의 첨가량을 비교적 낮은 양으로 억제할 수 있다.

또, 여기서 모노머 환산에 의한 몰값이란, 고분자를 구성하는 모노머의 분자량을 기준으로 한 몰값을 의미하고, PZT 전구체 1 몰에 대한 모노머 환산의 몰값이란, 고분자를 구성하는 모노머의 분자량을 기준으로 한 PZT 전구체 1 몰에 대한 몰값을 의미한다.

본 실시형태의 조성물에 함유되는 물로는, 이온 교환수, 초순수 등을 들 수 있다. 조성물 중에 소정 비율로 물을 함유시킴으로써 전구체를 적절히 가수분해시키고, 이것에 의해 막 구조의 치밀화를 향상시키는 효과가 얻어진다.

물의 비율을 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰로 한 것은, 하한값 미만에서는, 가수분해가 불충분하여 막 구조의 치밀화가 충분히 진행되지 않는 등의 문제가 생기고, 한편, 상한값을 초과하면, 가수분해가 지나치게 진행됨으로써 침전이 생기거나, 막에 크랙이 발생하기 쉬워지는 등의 문제가 생기기 때문이다. 이 중, 물의 비율은 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.8 ∼ 2 몰로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 성분 이외에 필요에 따라서 안정화제로서, β-디케톤류 (예를 들어, 아세틸아세톤, 헵타플루오로부타노일피발로일메탄, 디피발로일메탄, 트리플루오로아세틸아세톤, 벤조일아세톤 등), β-케톤산류 (예를 들어, 아세토아세트산, 프로피오닐아세트산, 벤조일아세트산 등), β-케토에스테르류 (예를 들어, 상기 케톤산의 메틸, 프로필, 부틸 등의 저급 알킬에스테르류), 옥시산류 (예를 들어, 락트산, 글리콜산, α-옥시부티르산, 살리실산 등), 상기 옥시산의 저급 알킬에스테르류, 옥시케톤류 (예를 들어, 디아세톤알코올, 아세토인 등), 디올, 트리올, 고급 카르복실산, 알칸올아민류 (예를 들어, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 모노에탄올아민), 다가 아민 등을, (안정화제 분자수)/(금속 원자수) 로 0.2 ∼ 3 정도 첨가해도 된다. 이 중, 안정화제로는 β-디케톤류의 아세틸아세톤이 바람직하다.

또한 본 실시형태의 조성물에는, 포름아미드계 용제 등의 극성 용매를, 유기 도펀트로서 함유시킬 수도 있다. 포름아미드계 용제에는, 포름아미드, N-메틸포름아미드 또는 N,N-디메틸포름아미드 중 어느 것을 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시형태의 조성물에서는 PZT 전구체를 가수분해하고 있기 때문에, 상기 포름아미드계 용제 등을 첨가하지 않아도 크랙이 적은 후막을 형성할 수 있다. 한편, 이들을 병용함으로써, 상기 폴리비닐피롤리돈 등과의 조합에 의해, 한층 더 크랙이 적고, 또한 치밀한 막 구조를 갖는 막을 형성할 수 있다. 또, 조성물을 도포할 때에 보다 균일한 도막을 형성할 수 있으며, 나아가, 소성시에 있어서의 용매의 탈락을 양호하게 하는 효과가 보다 높아진다. 상기 포름아미드계 용제 이외의 유기 도펀트로는, 모노에탄올아민이나 디에탄올아민 등의 에탄올아민류를 들 수 있고, 상기 포름아미드계 용제와의 병용도 가능하다. 이들은, 금속 알콕사이드에 배위되어 용액의 보존 안정성을 높이는 효과가 있기 때문에 바람직하다. 포름아미드계 용제를 함유하는 유기 도펀트의 비율은, 조성물 100 질량％ 중 3 ∼ 13 질량％ 의 비율로 하는 것이 바람직하다.

계속해서, 본 실시형태의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물의 제조 방법에 대해서 설명한다. 먼저, 상기 서술한 Pb 화합물 등의 PZT 전구체를 각각 준비하고, 이들을 상기 원하는 금속 원자비를 제공하는 비율이 되도록 칭량한다. 칭량한 상기 PZT 전구체와 디올과, 첨가하는 경우에는 아세틸아세톤 등의 안정화제를 반응 용기 내에 투입하여 혼합하고, 바람직하게는 질소 분위기 중, 130 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 3 시간 환류하여 반응시킴으로써 합성액을 조제한다. 환류 후에는, 상압 증류나 감압 증류의 방법에 의해 탈용매시켜 두는 것이 바람직하다. 그 후, 실온하에서 방랭함으로써, 합성액을 바람직하게는 0 ∼ 50 ℃, 보다 바람직하게는 0 ∼ 10 ℃ 의 온도까지 냉각시킨다.

냉각 후의 합성액에 디올을 첨가하여 농도를 조절한 후, PZT 전구체 1 몰에 대한 비율이 0.5 ∼ 3 몰이 되는 양의 물을 첨가하고, 바람직하게는 질소 분위기 중, 100 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 10 시간 재환류를 실시하여, 바람직하게는 상기 서술한 방법에 의해 탈용매시켜 둔다. 그 후, 알코올 등의 다른 용매를 첨가, 교반함으로써 희석시키고, 제조 후의 조성물 100 질량％ 중에서 차지하는 PZT 전구체의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％, 디올의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 가 되도록 조정한다. 또, 포름아미드계 용제를 함유하는 유기 도펀트를 첨가하는 경우에는, 이 때에 알코올 등의 다른 용매와 함께 첨가하는 것이 바람직하다.

그리고, PZT 전구체 1 몰에 대한 비율이 모노머 환산으로 0.01 ∼ 0.25 몰이 되는 양의 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜을 첨가하고, 교반함으로써 균일하게 분산시킨다. 이것에 의해, 본 실시형태의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물이 얻어진다.

또, 조성물의 조제 후, 여과 처리 등에 의해 파티클을 제거하여, 입경 0.5 ㎛ 이상 (특히 0.3 ㎛ 이상 그 중에서도 0.2 ㎛ 이상) 인 파티클의 개수가 조성물 1 ㎖ 당 50 개/㎖ 이하로 하는 것이 바람직하다. 조성물 중의 입경 0.5 ㎛ 이상인 파티클의 개수가 50 개/㎖ 를 초과하면, 장기 보존 안정성이 떨어지는 것이 된다. 이 조성물 중의 입경 0.5 ㎛ 이상인 파티클의 개수는 적을수록 바람직하고, 특히 30 개/㎖ 이하인 것이 바람직하다.

상기 파티클 개수가 되도록, 조제 후의 조성물을 처리하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 다음과 같은 방법을 들 수 있다. 제 1 방법으로는, 시판되는 0.2 ㎛ 공경 (孔徑) 의 멤브레인 필터를 사용하여, 시린지로 압송하는 여과법이다. 제 2 방법으로는, 시판되는 0.05 ㎛ 공경의 멤브레인 필터와 가압 탱크를 조합한 가압 여과법이다. 제 3 방법으로는, 상기 제 2 방법에서 사용한 필터와 용액 순환조를 조합한 순환 여과법이다.

어느 방법에 있어서도, 조성물의 압송 압력에 따라, 필터에 의한 파티클 포착률이 상이하다. 압력이 낮을수록 포착률이 높아지는 것이 일반적으로 알려져 있으며, 특히, 제 1 방법, 제 2 방법에서, 입경 0.5 ㎛ 이상인 파티클의 개수를 50 개 이하로 하는 조건을 실현하기 위해서는, 조성물을 저압으로 매우 천천히 필터에 통과시키는 것이 바람직하다.

이어서, 본 실시형태의 PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법에 대해서 설명한다. 이 형성 방법은, 졸겔법에 의한 강유전체 박막의 형성 방법으로, 원료 용액에 상기 서술한 본 실시형태의 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 또는 본 실시형태의 제조 방법에 의해 얻어진 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물을 사용한다.

먼저, 상기 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물을 기판 상에 도포하여, 원하는 두께를 갖는 도막 (겔막) 을 형성한다. 도포법에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 스핀 코트, 딥 코트, LSMCD (Liquid Source Misted Chemica1 Deposition) 법 또는 정전 스프레이법 등을 들 수 있다. 강유전체 박막을 형성하는 기판은 그 용도 등에 따라서도 달라지지만, 예를 들어 박막 커패시터 등의 유전체층을 형성하는 경우, 하부 전극이 형성된 실리콘 기판이나 사파이어 기판 등의 내열성 기판이 사용된다. 기판 상에 형성하는 하부 전극으로는, Pt 나 Ir, Ru 등의 도전성을 갖고, 강유전체 박막과 반응하지 않는 재료가 사용된다. 또한, 기판 상에 밀착층이나 절연체막 등을 개재하여 하부 전극을 형성한 기판 등을 사용할 수도 있다. 구체적으로는, Pt/Ti/SiO₂/Si, Pt/TiO₂/SiO₂/Si, Pt/IrO/Ir/SiO₂/Si, Pt/TiN/SiO₂/Si, Pt/Ta/SiO₂/Si, Pt/Ir/SiO₂/Si 의 적층 구조 (하부 전극/밀착층/절연체막/기판) 를 갖는 기판 등을 들 수 있다. 또한, 압전 소자나 초전형 적외선 검출 소자 등에서는, 실리콘 기판, SiO₂/Si 기판, 사파이어 기판 등의 내열성 기판을 사용할 수 있다.

기판 상에 도막을 형성한 후, 이 도막을 가소하고, 다시 소성하여 결정화시킨다. 가소는, 핫 플레이트 또는 RTA 등을 사용하여, 소정의 조건으로 실시한다. 가소는, 용매를 제거하는 것과 함께 금속 화합물을 열분해 또는 가수분해하여 복합 산화물로 전화시키기 위해서 실시한다는 점에서, 공기 중, 산화 분위기 중, 또는 함수 증기 분위기 중에서 실시하는 것이 바람직하다. 공기 중에서의 가열이라도, 가수분해에 필요한 수분은 공기 중의 습기에 의해 충분히 확보된다. 또 가소 전에 특히 저비점 용매나 흡착된 물 분자를 제거하기 위해서, 핫 플레이트 등을 사용하여 70 ∼ 90 ℃ 의 온도에서, 0.5 ∼ 5 분간 저온 가열을 실시해도 된다.

가소는, 용매 등을 충분히 제거하여 크랙의 억제 효과를 보다 높이기 위해서, 또는 막 구조의 치밀화를 촉진시키는 이유에서, 승온 속도와 가열 유지 온도를 변경시킨 2 단 가소에 의해 실시할 수도 있지만, 이 형성 방법에서 사용하는 조성물은, 전술한 바와 같이 폴리비닐피롤리돈 등의 첨가량이 적고, 또한 유기물이 제거되기 쉬운 겔을 형성하고 있다. 그 때문에 비교적 두꺼운 도막을 가소하는 경우에도 1 단 가소로 실시할 수 있기 때문에, 생산 효율이 높다. 가소를 1 단 가소에 의해 실시할 때의 온도는 400 ∼ 500 ℃, 그 온도에서의 유지 시간은 1 ∼ 5 분간으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 사용하는 조성물은 폴리비닐피롤리돈 등의 첨가량이 적음에도 불구하고, 크랙의 억제 효과가 높다. 그 때문에 비교적 두꺼운 도막을 가소하는 경우라도, 승온 속도를 그다지 저하시킬 필요가 없이, 생산 효율이 높다. 실온 ∼ 200 ℃ 에서 가소 온도까지의 승온 속도는 10 ∼ 100 ℃/초로 하는 것이 바람직하다.

또한, 조성물의 도포에서 가소까지의 공정은, 원하는 막두께가 되도록 가소까지의 공정을 복수 회 반복하고, 마지막으로 일괄하여 소성을 실시할 수도 있는데, 이 형성 방법에서는, 원료 용액에 상기 서술한 본 실시형태의 조성물 등을 사용한다. 그 때문에, 1 회의 도포로 수백 ㎚ 정도의 후막을 형성할 수 있기 때문에, 상기 반복 실시하는 공정 수를 적게 할 수 있다.

소성은, 가소 후의 도막을 결정화 온도 이상의 온도에서 소성하여 결정화시키기 위한 공정으로, 이것에 의해 강유전체 박막이 얻어진다. 이 결정화 공정의 소성 분위기는 O₂, N₂, Ar, N₂O 또는 H₂ 등 또는 이들의 혼합 가스 등이 바람직하다. 소성은, 600 ∼ 700 ℃ 에서 1 ∼ 5 분간 정도 실시된다. 소성은, 급속 가열 처리 (RTA 처리) 로 실시해도 된다. RTA 처리로 소성하는 경우, 그 승온 속도를 2.5 ∼ 100 ℃/초로 하는 것이 바람직하다.

이상의 공정에 의해, PZT 계 강유전체 박막이 얻어진다. 이 강유전체 박막은, 성막시의 공정수가 적고, 비교적 간편하게 얻어진 두꺼운 막임에도 불구하고, 크랙이 매우 적고, 치밀한 막 구조를 갖기 때문에, 전기 특성이 매우 우수하다.

이 때문에, 본 실시형태의 방법에 의해서 얻어진 PZT 계 강유전체 박막은, 박막 콘덴서, 커패시터, IPD, DRAM 메모리용 콘덴서, 적층 콘덴서, 트랜지스터의 게이트 절연체, 불휘발성 메모리, 초전형 적외선 검출 소자, 압전 소자, 전기 광학 소자, 액추에이터, 공진자, 초음파 모터, 전기 스위치, 광학 스위치 또는 LC 노이즈 필터 소자의 복합 전자 부품을 제조할 때의 구성 재료로서 바람직하게 사용할 수 있다.

실시예

다음으로 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 자세히 설명한다.

＜실시예 1-1＞

먼저, 금속 원자비가 115/52/48 (Pb/Zr/Ti) 이 되도록, PZT 전구체로서 아세트산납삼수화물 (Pb 원 (源)), 테트라티타늄이소프로폭사이드 (Ti 원), 테트라지르코늄부톡사이드 (Zr 원) 를 각각 칭량하고, 이들을 반응 용기 내의 프로필렌글리콜, 아세틸아세톤에 첨가하여 합성액을 조제하였다. 이 합성액을 질소 분위기 중, 150 ℃ 의 온도에서 60 분간 환류한 후, 감압 증류에 의해 탈용매하였다.

이어서, 합성액을 실온에서 방랭함으로써 40 ℃ 까지 냉각한 후, 프로필렌글리콜을 첨가함으로써, PZT 전구체의 농도가 산화물 환산으로 35 질량％ 가 될 때까지 희석하였다. 여기에, 초순수를 PZT 전구체 1 몰에 대하여 2 몰이 되도록 첨가한 후, 질소 분위기 중, 150 ℃ 의 온도에서 60 분간 재환류한 후, 감압 증류에 의해 탈용매하였다.

물을 첨가하고, 재환류, 탈용매를 실시한 상기 합성액에 에탄올과 N-메틸포름아미드를 첨가하여, PZT 전구체의 농도가 산화물 환산으로 25 질량％ 가 되도록 희석하였다. 또, 폴리비닐피롤리돈 (k 값 = 30) 을 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.075 몰이 되도록 첨가하고, 25 ℃ 의 온도에서 24 시간 교반함으로써, PZT 강유전체 박막 형성용의 조성물을 얻었다. 이 조성물은, 시판되는 0.05 ㎛ 공경의멤브레인 필터를 사용하여, 시린지로 압송하고 여과함으로써 입경 0.5 ㎛ 이상인 파티클 개수가 각각 용액 1 ㎖ 당 3 개이었다.

얻어진 조성물을, 스핀 코터 상에 세팅한 Pt/TiO₂/SiO₂/Si 기판의 Pt (하부 전극) 상에 적하하고, 2500 rpm 의 회전 속도로 60 초간 스핀 코트를 실시함으로써, 상기 기판 상에 도막 (겔막) 을 형성하였다.

이어서, 상기 기판 상에 형성된 도막에 대해서, 도 5 에 나타내는 온도 프로파일로 가소 및 소성을 실시함으로써, PZT 강유전체 박막을 형성하였다. 구체적으로는, 먼저 가소 및 소성을 실시하기 전에, 도막이 형성된 상기 기판을, 핫 플레이트를 사용하여 대기 분위기 중, 75 ℃ 의 온도에서 1 분간 유지함으로써, 저비점 용매나 흡착된 물 분자를 제거하였다. 다시, 핫 플레이트를 사용하여, 대기 분위기 중 300 ℃ 의 온도에서 5 분간 유지함으로써 열분해를 실시하였다.

이어서, RTA 를 사용하여, 산소 분위기에서 도 5 에 나타내는 바와 같이, 승온 속도 30 ℃/초로 실온에서부터 450 ℃ 까지 승온시키고, 3 분간 유지함으로써 가소를 실시한 후, 승온 속도 30 ℃/초로 700 ℃ 까지 승온시키고, 1 분간 유지함으로써 소성을 실시하였다. 이것에 의해, 상기 기판의 하부 전극 상에 PZT 강유전체 박막을 형성하였다. 또, 상기 도막의 형성에서 가소까지의 공정은 2 회 반복 실시한 후, 소성을 1 회 실시함으로써 원하는 총두께로 형성하였다.

＜실시예 1-2 ∼ 1-4 및 비교예 1-1, 1-2＞

PZT 전구체 1 몰에 대한 폴리비닐피롤리돈의 첨가량 및 제조 후의 조성물 100 질량％ 중에서 차지하는 디올의 비율을 이하의 표 1 과 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1-1 과 동일하게 하여 조성물을 제조하고, PZT 강유전체 박막을 형성하였다.

＜실시예 2-1 ∼ 2-3 및 비교예 2-1, 2-2＞

제조 후의 조성물 100 질량％ 중에서 차지하는 PZT 전구체의 산화물 환산에 의한 비율, 디올의 비율 및 PZT 전구체 1 몰에 대한 폴리비닐피롤리돈의 첨가량을 이하의 표 1 에 나타내는 비율로 변경한 것 이외에는, 실시예 1-1 과 동일하게 하여 조성물을 제조하고, PZT 강유전체 박막을 형성하였다.

＜실시예 3-1 ∼ 3-3 및 비교예 3-1, 3-2＞

제조 후의 조성물 100 질량％ 중에서 차지하는 디올의 첨가량 및 PZT 전구체 1 몰에 대한 폴리비닐피롤리돈의 첨가량을 이하의 표 1 에 나타내는 비율로 변경한 것 이외에는, 실시예 1-1 과 동일하게 하여 조성물을 제조하고, PZT 강유전체 박막을 형성하였다.

＜실시예 4-1 ∼ 4-3 및 비교예 4-1, 4-2＞

PZT 전구체 1 몰에 대한 초순수의 첨가량, 폴리비닐피롤리돈의 첨가량 및 제조 후의 조성물 100 질량％ 중에서 차지하는 디올의 첨가량을 이하의 표 1 과 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1-1 과 동일하게 하여 조성물을 제조하고, PZT 강유전체 박막을 형성하였다.

＜실시예 5＞

N-메틸포름아미드를 첨가하지 않은 것 이외에는, 실시예 1-2 와 동일하게 하여 조성물을 제조하고, PZT 강유전체 박막을 형성하였다.

＜비교 시험 및 평가＞

실시예 1-1 ∼ 5 및 비교예 1-1 ∼ 4-2 에서 형성한 PZT 강유전체 박막에 대해서, 막두께, 막 조직 (크랙의 유무, 마이크로포어의 유무) 및 전기 특성 (비유전율) 을 평가하였다. 또한, 조성물의 보존 안정성을 평가하였다. 이들의 결과를 이하의 표 1 에 나타낸다.

(1) 막두께 : 형성한 강유전체 박막의 단면의 두께 (총두께) 를, 분광 엘립소미터 (J. A. Woollam 사 제조, 모델 ; M-2000D1) 에 의해 측정하였다.

(2) 막 조직 : 상기 막두께 측정에 사용한 주사형 전자 현미경에 의해 막 표면 및 막 단면의 조직을 SEM 화상에 의해 관찰하였다. 또한, SEM 화상에 의해 크랙의 유무 및 마이크로포어의 유무를 관찰하였다. 이 때 관찰된 실시예 1-3 및 비교예 1-2 의 막 표면 및 막 단면의 사진도를 대표도로서 도 1 ∼ 도 4 에 나타낸다.

(3) 비유전율 : 강유전체 평가 장치 (aix ACCT 사 제조, TF-ana1yzer 2000) 를 사용하여 측정하였다. 구체적으로는, 형성한 PZT 강유전체 박막의 표면에 스퍼터법에 의해 200 ㎛φ 의 전극을 형성한 후, RTA 를 사용하여, 산소 분위기 중, 700 ℃ 의 온도에서 1 분간 데미지 리커버리 어닐링을 실시한 박막 콘덴서를 시험용 샘플로 하고, 이들의 비유전율을 측정하였다.

(4) 보존 안정성 : 얻어진 조성물을 온도 40 ℃, 습도 50 ％ 의 항온조에 넣고, 24 시간마다 육안으로 침전 생성의 유무를 확인함으로써 실시하였다.

표 1 로부터 알 수 있듯이, 실시예 1-1 ∼ 1-3 및 비교예 1-1, 1-2 를 비교하면, PZT 전구체 1 몰에 대한 폴리비닐피롤리돈의 비율이 0.01 몰에 미치지 않는 비교예 1-1 에서는, 응력이 충분히 완화되지 않아, 형성 후의 박막에 크랙이 발생하였다. 또한, 크랙이 발생하였기 때문에 정확한 비유전율도 측정할 수 없었다. 한편, 폴리비닐피롤리돈의 첨가량이 0.25 몰을 초과하는 비교예 1-2 에서는, 1 회의 도포로, 크랙이 없고, 또한 270 ㎚ (총두께 540 ㎚/도포 횟수 2) 라는 매우 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 폴리비닐피롤리돈의 분해에서 유래하는 가스가 다량 발생하였기 때문에, 형성 후의 박막에 마이크로포어가 발생하고, 비유전율도 대폭 저하되었다.

이에 대하여, 실시예 1-1 ∼ 1-3 에서는, 실시예 1-3 에 있어서 마이크로포어가 미량 관찰되었지만, 1 회의 도포로, 크랙이 없고, 또한 200 ∼ 260 ㎚ 라는 매우 두꺼운 막을 형성할 수 있었다. 또한, 매우 높은 비유전율이 얻어졌다. 이것에 의해, 박막의 생산 효율을 향상시킬 수 있었다.

또, 도 1 ∼ 도 4 를 비교하면, 비교예 1-2 의 PZT 강유전체 박막의 막 표면에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 비정상적으로 입자 성장한 큰 결정이 확인되는 데 반하여, 실시예 1-3 의 PZT 강유전체 박막의 막 표면에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이 100 ㎚ 전후의 치밀한 결정립을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 1-2 의 PZT 강유전체 박막의 막 단면은, 도 4 에 나타내는 바와 같이 다공성인 데 반하여, 실시예 1-3 의 PZT 강유전체 박막의 막 단면은, 도 2 에 나타내는 바와 같이 치밀한 주상 (柱狀) 조직인 것을 확인할 수 있다. 이 점에서, 실시예 1-3 의 PZT 강유전체 박막은, 매우 치밀한 막 구조를 갖는 박막으로 형성된 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 2-1 ∼ 2-3 및 비교예 2-1, 2-2 를 비교하면, PZT 전구체의 농도가 산화물 환산으로 17 질량％ 에 미치지 않는 비교예 2-1 에서는, 1 회의 도포로 충분히 두꺼운 막을 형성할 수 없고, 또한, 형성 후의 박막에 크랙이 발생하여, 이것에 의해 정확한 비유전율을 측정할 수 없었다. 또한, PZT 전구체의 농도가 산화물 환산으로 35 질량％ 를 초과하는 비교예 2-2 에서도, 형성 후의 박막에 크랙이 발생하여, 정확한 비유전율도 측정할 수 없었다. 또한, 막 중의 프로필렌글리콜을 중심으로 하는 유기물이 완전히 제거되기 전에 막의 열분해가 진행되었기 때문에, 형성 후의 박막 중에 마이크로포어도 발생하였다.

또, 실시예 3-1 ∼ 3-3 및 비교예 3-1, 3-2 를 비교하면, 디올의 비율이 16 질량％ 에 미치지 않는 비교예 3-1 에서는, 전기 특성 등은 비교적 양호한 결과가 얻어졌지만, 조성물의 보존 안정성이 나쁜 결과가 되었다. 한편, 디올의 비율이 56 질량％ 를 초과하는 비교예 3-2 에서는, 형성 후의 막 중에 마이크로포어가 발생하고, 비유전율이 대폭 저하되었다.

또한, 실시예 4-1 ∼ 4-3 및 비교예 4-1, 4-2 를 비교하면, PZT 전구체 1 몰에 대한 물의 비율이 0.5 몰에 미치지 않는 비교예 4-1 에서는, 막 중에서 유기물을 충분히 제거할 수 없고, 형성 후의 박막 중에 마이크로포어가 발생하여, 비유전율이 대폭 저하되었다. 한편, 물의 비율이 3 몰을 초과하는 비교예 4-2 에서는, 전구체 사이에서 가수분해가 지나치게 진행되어 형성 후의 박막에 크랙이 발생하고, 이것에 의해 정확한 비유전율도 측정할 수 없었다.

이에 대하여, 실시예 2-1 ∼ 4-3 에서는, 실시예 1-1 ∼ 1-3 과 같이 1 회의 도포로, 크랙이 없으면서 또한 매우 두꺼운 막으로서, 높은 비유전율을 갖는 박막이 얻어졌다. 이것에 의해, 박막의 생산 효율을 향상시킬 수 있었다. 또한, 실시예 5 와 실시예 1-2 를 비교하면, 실시예 1-2 보다 약간 비유전율이 낮아졌지만, 포름아미드계 용제를 첨가하지 않은 실시예 5 에 있어서도, 가수분해의 효과에 의해 크랙의 발생이 충분히 억제되면서 또한 매우 두꺼운 막으로서, 높은 비유전율을 갖는 박막이 얻어졌다. 이것에 의해, 박막의 생산 효율을 향상시킬 수 있었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 그 밖의 변경이 가능하다. 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되지 않으며, 첨부한 클레임의 범위에 의해서만 한정된다.

본 발명은, 박막 콘덴서, 커패시터, IPD, DRAM 메모리용 콘덴서, 적층 콘덴서, 트랜지스터의 게이트 절연체, 불휘발성 메모리, 초전형 적외선 검출 소자, 압전 소자, 전기 광학 소자, 액추에이터, 공진자, 초음파 모터, 전기 스위치, 광학 스위치 또는 LC 노이즈 필터 소자의 복합 전자 부품의 제조에 이용할 수 있다.

Claims

PZT 계 강유전체 박막을 형성하기 위한 조성물에 있어서,
상기 조성물이 PZT 전구체와, 디올과, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜과, 물을 함유하고,
상기 조성물 100 질량％ 중의 상기 PZT 전구체의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 이고,
상기 조성물 100 질량％ 중의 상기 디올의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 이고,
상기 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 모노머 환산으로 0.01 ∼ 0.25 몰이고,
상기 물의 비율이 상기 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰인 것을 특징으로 하는 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 (단, 상기 조성물 100 질량％ 중에 탄소 사슬 6 이상 12 이하의 직사슬형 모노알코올을 0.6 ∼ 10 질량％ 의 비율로 추가로 함유하는 조성물을 제외한다).
제 1 항에 있어서,
상기 디올이 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜인, PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물.
PZT 계 강유전체 박막 형성용의 조성물을 제조하는 방법에 있어서,
상기 조성물 100 질량％ 중의 비율이 산화물 환산으로 17 ∼ 35 질량％ 가 되는 양의 PZT 전구체와, 상기 조성물 100 질량％ 중의 비율이 16 ∼ 56 질량％ 가 되는 양의 디올을 혼합하고 반응시켜 합성액을 조제하는 공정과,
상기 합성액을 130 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 3 시간 환류하는 공정과,
상기 환류를 실시한 합성액을 0 ∼ 50 ℃ 로 냉각한 후, PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.5 ∼ 3 몰이 되는 양의 물을 첨가하고, 100 ∼ 175 ℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 10 시간 재환류하는 공정과,
상기 재환류를 실시한 합성액에 PZT 전구체 1 몰에 대하여 0.01 ∼ 0.25 몰이 되는 양의 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여, 균일하게 분산시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 디올이 프로필렌글리콜 또는 에틸렌글리콜인, PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물의 제조 방법.
하부 전극을 갖는 기판의 상기 하부 전극 상에 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물 또는 제 3 항 또는 제 4 항에 기재된 방법으로 제조된 PZT 계 강유전체 박막 형성용 조성물을 도포하고, 가소한 후, 소성하여 결정화시킴으로써, 상기 하부 전극 상에 박막을 형성하는, PZT 계 강유전체 박막의 형성 방법.
제 5 항에 기재된 방법에 의해 형성된 PZT 계 강유전체 박막을 갖는 박막 콘덴서, 커패시터, IPD, DRAM 메모리용 콘덴서, 적층 콘덴서, 트랜지스터의 게이트 절연체, 불휘발성 메모리, 초전형 적외선 검출 소자, 압전 소자, 전기 광학 소자, 액추에이터, 공진자, 초음파 모터, 전기 스위치, 광학 스위치 또는 LC 노이즈 필터 소자의 복합 전자 부품.