KR20230097358A - 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법 - Google Patents

격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법 Download PDF

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Abstract

격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법은, 진공 챔버 내에 티탄산 바륨(BTO) 타겟을 위치시키는 단계; 격자변형 제어를 위해 30 mTorr 이하의 산소 분압 환경에서, 진공증착법을 통해 산화 마그네슘 기판 상에 티탄산 바륨 박막을 증착시키는 단계; 및 증착된 박막을 티탄산 바륨 공기 분위기의 소결로 속에서 격자변형을 복원하기 위해 후 열처리하여 강유전체 티탄산 바륨 박막을 형성하는 단계;를 포함한다. 이에 따라, 박막 성장 과정에서 격자변형을 제어하여 박막의 결정성은 유지시키면서 표면의 결함을 줄이고, 후공정 열처리를 통하여 격자변형을 복원하여 박막의 강유전체 특성을 최대화시킬 수 있다.

Description

격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF DEFECT-FREE FERROELECTRIC THIN FILM USING LATTICE STRAIN CONTROL}
본 발명은 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고결정 강유전체 박막을 결정질 기판 위에 성장 시 기판과 박막의 격자상수 차이로 인하여 발생하는 박막의 깨짐, 박리, 갈라짐 등 박막의 결함을 방지하는 박막 제조 방법에 관한 것이다.
강유전체 물질은 외부의 전기장이 없이도 스스로 분극을 가지는 재료로서, 외부 자극에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수 있는 특성을 지니고 있는 소재이다.
이러한 특성은 초전기, 압전, 전기광학 특성과 매우 밀접하게 연관되어 있으며, 전자기기의 미세화 기조 속에서 소형화 및 박형화 형태로 개발되면서 센서, 메모리, 초고주파용 소자 등의 핵심 소재로 널리 활용되고 있다.
강유전체 특성은 물질의 결정성에 의해 매우 의존적이기 때문에 강유전체 박막의 높은 결정성을 확보하기 위해 결정질 기판 위에 박막을 성장시킨다.
하지만, 동일한 물질의 기판을 활용하는 경우를 제외하고, 기판을 구성하는 결정질 물질과 강유전체 물질의 격자상수의 차이로 인하여 박막에 결함이 발생하게 된다. 이러한 결함은 전자소자의 경우 누설 전류(leakage current)를 발생시키며, 광소자의 경우 광산란을 발생시켜 궁극적으로는 소자의 특성을 저해하는 요인이 된다.
박막에 형성된 결함은 후공정 처리로도 제거하기 어려우므로 박막을 성장시키는 과정에서 최소화하는 것이 매우 중요하기 때문에, 박막과 기판 사이에 격자상수 차이를 완화해 주는 희생 박막(sacrificial layer)을 기판과 박막 사이에 성장시키는 박막 제조법이 많이 활용되고 있다. 하지만, 희생 박막의 성장도 고도의 최적화 과정이 요구되며, 소자에서 요구되는 특성에 따라서 활용이 제한적이다.
또 다른 제조 방법으로는 박막을 비결정질로 성장하여 열이나 빛으로 후공정 열처리를 하여 재결정화를 시키는 방법이 있다. 이러한 방법은 비결정질 박막의 작은 결정 입자 크기로 인하여 표면이 매우 우수한 박막을 성장시킬 수 있으나, 후공정 처리로 보상할 수 있는 박막의 결정성은 극히 제한적이기 때문에, 물질의 고유한 특성이 낮다는 한계를 지니고 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 박막 성장 과정에서 격자변형을 제어하여 박막의 결정성은 유지시키면서 표면의 결함을 줄이고, 후공정 열처리를 통하여 격자변형을 복원하여 박막의 강유전체 특성을 재생시키는, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법은, 진공 챔버 내에 티탄산 바륨(BTO) 타겟을 위치시키는 단계; 격자변형 제어를 위해 30 mTorr 이하의 산소 분압 환경에서, 진공증착법을 통해 진공 챔버 내 산화 마그네슘 기판 상에 티탄산 바륨 박막을 증착시키는 단계; 및 증착된 박막을 티탄산 바륨 공기 분위기의 소결로 속에서 격자변형을 복원하기 위해 후 열처리하여 강유전체 티탄산 바륨 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법은, 형성된 강유전체 티탄산 바륨 박막의 표면을 화학적 기계 연마(CMP; Chemical Mechanical Planarization)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 티탄산 바륨 박막을 증착시키는 단계는, 산소 분압의 조절에 의해 산화 마그네슘 기판과 티탄산 바륨 박막 사이의 격자 상수를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 강유전체 티탄산 바륨 박막을 형성하는 단계는, 후 열처리의 온도는 상에 티탄산 바륨 박막을 증착 시의 온도 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 후 열처리 온도는 1200℃ 이내일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 강유전체 티탄산 바륨 박막을 형성하는 단계는, 티탄산 바륨 박막이 피크만 재결정화에 의해 변형될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 티탄산 바륨 박막을 증착시키는 단계는, 10 mTorr 이하의 산소 분압 환경에서 수행될 수 있다.
이와 같은 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법에 따르면, 박막 표면에 발생하는 결함은 최소화시키면서 결정성 확보를 통해 박막 특성을 최대화 시킬 수 있다.
구체적으로, 박막 성장 과정에서 격자변형을 제어하여 박막의 결정성은 유지시키면서 표면의 결함을 줄이고, 후공정 열처리를 통하여 격자변형을 복원하여 박막의 강유전체 특성을 재생시킬 수 있다. 이에 따라, 버퍼층이 없이도 높은 결정성의 강유전체 티탄산 바륨 박막을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법의 후증착 어닐링에 의한 티탄산 바륨(BTO) 박막의 구조적 변화를 도시한 개략도이다.
도 2a는 서로 다른 산소 분압에서 성장한 BTO 타겟과 BTO 막의 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 2b는 각 산소 분압에 대한 BTO 필름의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다.
도 2c는 다른 온도에서 열처리된 BTO 타겟과 BTO 박막의 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 2d는 750, 900, 1000 및 1150°C에서 어닐링된 BTO 박막의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다.
도 3a는 750, 900, 1000 및 1150 °C에서 열처리된 상태의 티탄산 바륨(BTO) 박막과 BTO 박막의 X선 회절(XRD) 패턴을 보여준다.
도 3b는 도 3a의 점선 상자 영역에서의 BTO(002)/(200) 피크의 X선 회절 2Θ-ω스캔 결과를 보여준다.
도 4는 1000, 1150 °C에서 어닐링된 BTO 박막과 BTO 박막의 224 회절의 역 공간 매핑 결과를 보여준다.
도 5a는 SMS BTO 박막의 CMP 전 1000°C에서 열처리 및 CMP 후 1000°C에서 열처리한 3차원 원자력 현미경 이미지이다.
도 5b는 900, 1000 및 1150°C에서 어닐링된 티탄산 바륨(BTO) 필름의 단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지 및 CMP 후 1150°C에서 어닐링된 BTO 필름의 SEM 이미지의 평면도이다.
도 5c는 CMP 후 900, 1000 및 1150°C에서 어닐링된 티탄산 바륨(BTO) 필름의 X선 회절 패턴이다.
도 6a는 티탄산 바륨(BTO) 박막에 있는 Au/Ti 공면 전극의 개략도이다.
도 6b는 MgO [100] 방향에 평행한 공면 전극으로 측정한 다양한 후-어닐링 온도(Tannealing; 900, 1000 및 1150 °C)에서 BTO 필름의 C-V 곡선이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법의 후증착 어닐링에 의한 티탄산 바륨(BTO) 박막의 구조적 변화를 도시한 개략도이다.
본 발명에 따른 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법은, 박막 표면에 발생하는 결함을 최소화시키면서 결정성 확보를 통해 박막 특성을 최대화 시킬 수 있는 박막 성장 방법을 제시한다.
본 발명에서는 강유전체 박막을 성장시키는 과정에서 산소 분압과 성장 온도를 조절하여 박막의 결정 상수를 기판과 유사하게 변형한다. 이러한 증착조건은 박막에 매우 큰 격자변형을 유도하지만, 결함없는 표면과 박막의 결정성을 유지할 수 있다.
또한, 성장된 박막을 산소분위기의 열처리를 통하여 박막의 스트레스를 해소하고, 격자변형에 의해 감소된 박막 특성을 최적화시킨다.
티탄산 바륨 박막의 강유전체 특성은 그것의 결정 구조가 정방정계 구조일 때에 나타난다.
결정성 산화물 박막 성장시, 가장 중요한 성장조건은 산소 분압과 온도이다. 두 가지의 조건 중, 온도는 결정성을 가지게 하는 가장 중요한 조건이며, 산소 분압은 결정상수(격자 상수)를 조절하는 조건이다.
물질마다 고유의 특성을 유지하면서 결정성을 가질 수 있는 성장 온도와 산소 분압이 각기 다르지만, 강유전체 소재의 경우 대략 100 mTorr의 산소 분압과 600℃이상의 성장 온도가 요구된다.
본 발명에 따른 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법은, 의도적으로 낮은 산소 분압(30 mTorr이하)에서 박막을 성장시켜 산소 부족으로 인해 물질의 고유 격자 상수의 변형이 일어나게 유도한다.
예를 들어, 진공 챔버에 크립톤 불소(KrF) 엑시머 레이저를 입사시켜 입사된 레이저에 의해 발생한 티탄산 바륨 플라즈마를 통해 진공 챔버 내 산화 마그네슘 기판 상에 티탄산 바륨 박막을 증착시킬 수 있다.
변형된 격자 상수는 기판과 박막 사이의 격자 상수 차이(lattice mistmatch)를 줄일 수 있다. 예를 들어, BaTiO3 (격자 상수 aBTO= ~3.996) 박막의 경우, MgO 기판 (aMgO= ~4.213Å) 위에 성장 시, 두 물질 간의 고유의 격자 상수 차이는 5% 이상이 된다.
하지만, 낮은 산소 분압(10 mTorr)에서 성장 시, BaTiO3 물질의 격자 상수의 변형이 일어나며, 두 물질 간의 격자 상수 차이는 1~2% 이내가 된다. 이러한 변형을 활용하면, 박막이 성장하면서 격자 상수의 차이를 보상하기 위해 형성되는 결함(예를 들어, dislocation, crack, hole 등) 생성이 억제되어, 박막의 표면이 매끄러워진다.
이렇게 성장된 박막을 산소가 충분한 환경(일반 대기상태에서도 가능)에서 열처리를 진행하면, 성장과정에서 부족했던 산소가 박막에 보충되면서 박막의 격자 상수는 고유의 값과 유사하게 돌아온다.
이때 요구되는 온도는 기판 성장 온도 이상이며, 열처리 온도가 높을수록 본연의 격자 상수로 돌아가지만, 물질의 녹는 점을 고려해서 1200 ℃이내에서 진행하는 것이 유리하다.
도 1은 본 발명에 따라 PLD를 이용하여 MgO 기판에 무결점 BTO 박막 성장을 위한 산소 분압 증착 조건을 최적화하고 이러한 박막을 열처리하여 무결점을 유지하면서 강유전체 특성을 향상시키는 과정의 개념도이다.
어닐링된 BTO 필름은 거칠기를 유지하고 포스트 어닐링 동안 예상치 못한 입자의 성장으로 인해 발생하는 질감 표면을 매끄럽게 하기 위해 연마될 수 있다.
크랙이 없는 BTO 필름의 증착 조건을 최적화하기 위해 먼저 서로 다른 산소 분압에서 필름을 증착한다.
도 2a는 서로 다른 산소 분압에서 성장한 BTO 타겟과 BTO 막의 라만 스펙트럼을 보여준다. MgO 기판은 실험에 사용된 스펙트럼 범위에서 라만 라인이 없으므로, BTO 필름 스펙트럼을 간섭하지 않는다.
도 2a를 참조하면, 다결정질 벌크 타겟의 라만 스펙트럼은 260cm-1을 중심으로 하는 넓은 피크, 305cm-1에 날카로운 피크, 519cm-1에 비대칭 강한 피크, 720cm-1에 넓은 약한 피크로 구성된다.
이전의 이론 및 실험 연구에 따르면, 이러한 라만 대역은 각각 A1(2TO), E(3TO + 2LO) + B1, A1(3TO) 및 E(4LO) 포논 모드에 해당한다. 특히, 필름과 벌크 타겟의 E 포논 소프트 모드(3TO + 2LO, 4LO)의 주파수를 비교하면, 들어오는 빛의 편광(Ps)에 대응하는 라만 대역 305 및 717 cm-1 이므로, BTO의 강유전성에 대한 유의미한 추론을 제공한다.
낮은 산소 분압(10 mTorr)에서 성장한 BTO 필름의 A1(2TO), A1(3TO) 및 E(4LO) 포논 모드에 대한 라만 대역은 BTO 타겟의 피크와 정렬되지 않고 날카로운 피크가 없이 305cm-1(E(3TO + 2LO) + B1)에서 관찰된다. 유사하게, 305cm-1 피크는 산소 분압이 증가함에 따라 더 강해지며, 이는 산소가 충분한 조건이 실온에서 강유전성 위상을 향상시킴을 나타낸다.
증착 중 높은 산소 분압은 라만 스펙트럼에 따라 강유전성 향상을 촉진하지만, 도 2b와 같이 표면 거칠기도 크게 증가한다. 산소 분압이 낮으면(10 mTorr) 표면이 매우 매끄럽고 표면에서 구별되는 특징이 관찰되지 않는다. 그러나, 높은 산소 분압 하에서 성장한 막은 표면에 크랙이 형성되어 심각한 광학 손실을 초래하기 때문에 온칩 광자 집적에 적합하지 않다.
본 발명은 높은 산소 분압에서 증착하여 BTO 필름의 강유전성을 향상시키는 대신, BTO 필름의 강유전성을 제어하기 위해 포스트 어닐링을 수행한다.
일 실시예에서, 크랙이 없는 BTO 필름을 얻기 위해 포스트 어닐링 공정을 위한 BTO 필름은 10 mTorr의 낮은 산소 분압에서 증착되었다. 낮은 산소 분압에서 성장한 매우 매끄러운 BTO 필름은 증착 온도보다 높은 750, 900, 1050 및 1150 °C에서 공기 중에 어닐링되었다.
도 2c는 다른 온도에서 열처리된 BTO 타겟과 BTO 박막의 라만 스펙트럼을 보여준다. 증착 중 산소 분압의 증가와 유사하게 막의 라만 대역은 BTO 타겟의 피크와 점차적으로 정렬되며, 305cm-1 피크는 어닐링 온도가 증가함에 따라 더 강해진다.
어닐링으로 인한 표면 형태의 변화는 도 2d와 같이 모니터링되었다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 직사각형의 날카로운 피쳐가 형성되고 표면에 무작위로 분포되었다. 1150 °C에서 어닐링된 BTO 필름의 표면에서 침상 구조가 관찰되었다. 그럼에도 불구하고, 필름의 강유전성이 어닐링에 의해 강화될 때 필름은 크랙을 겪지 않는다.
도 3a는 포스트 어닐링에 의한 결정구조의 변화를 보여주는 out-of-plane XRD(X-ray diffraction) 패턴을 보여준다. 회절 패턴은 정방형 BaTiO3의 기준 패턴을 사용하여 분석되었다.
어닐링 온도가 증가함에 따라 (001) 평면에서 XRD 피크의 강도가 증가하였으며, 1000 및 1150 °C에서 어닐링된 샘플에서 일부 추가 피크가 관찰되었다.
도 3b와 같이 (002) 피크를 자세히 살펴보면, 증착된 막의 (002) 피크가 MgO(002) 피크 부근에 위치하며, 어닐링된 막의 (002) 피크 어닐링 온도가 증가함에 따라 43.6°에서 45.0°로 이동하였다.
여기에서, 실선은 실험적 XRD 스펙트럼을 나타내며, 결합된 XRD 피크는 두 개의 가우시안 곡선의 합으로 분석된다. 삼각형 표시와 사각형 표시는 각각 (002) 및 (200) 피크의 위치를 나타낸다. 각 피크의 구성비는 면적의 비율로 표시된다.
이는 어닐링 온도가 증가함에 따라 어닐링된 필름의 c-격자 매개변수가 4.124에서 4.010Å으로 점차 감소함을 나타낸다. 또한, 벌크 BTO의 경우 (200)과 (002) 격자 간격 사이에 위치한 두 개의 구성 요소로 구성되어 피크가 넓어지는 것이 명확하게 관찰된다.
기존 연구에서 XRD 피크의 분할이 결정 구조의 c-축(002) 및 a-축(200) 배향 도메인으로 구성된 다중 도메인에 기인할 수 있다고 정량적으로 설명되었다.
도 3b에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따라 두 가지 구성 요소가 평면 외 회절 피크에 맞춰졌다. 첫 번째 구성 요소는 a축 BTO에 해당하고, 두 번째 구성 요소는 c축 BTO에 해당한다.
어닐링 단계 후 XRD 스펙트럼에서 두 성분의 변화는 c-축에서 a-축으로 배향된 정방정 구조로의 결정 배향의 변환을 보여준다. Out-of-plane XRD에서 피크의 분할이 포스트 어닐링을 통한 BTO 필름의 결정 도메인의 전이를 충분히 설명할 수 있지만, 포스트 어닐링을 통한 결정 도메인의 변형을 확인하기 위해 격자변형의 변화를 특성화할 필요가 있다.
결정 영역의 변화에 대한 추가 분석을 위해 도 4와 같이 RSM 측정이 사용되었다. 성장 및 열처리된 BTO의 RSM 이미지는 BTO 필름의 재결정화에 대한 더 명확한 설명을 제공한다.
도 4에서, 색상 막대는 측정된 신호의 강도를 나타내고, 빨간색 점선은 변형 완화 조건에 해당하며, 검은색 점선은 [001] 방향과 평행하다.
증착된 상태의 BTO 필름의 RSM은 BTO 필름의 회절 피크 위치가 이완된 선(빨간색 점선)에서 멀어지는 위치에 있으며, 이 피크는 어닐링 온도가 증가함에 따라 수직선을 따라 빨간색 점선 쪽으로 이동함을 보여준다.
이 결과는 포스트 어닐링이 면외 격자 상수의 변화에 영향을 미치고 포스트 어닐링 동안 면내 격자 상수가 유지됨을 나타낸다. 다시 말해, 더 낮은 산소 분압에서 증착된 BTO 필름은 c-축 방향을 따라 강하게 변형되고, 포스트 어닐링 단계는 내부 변형에 약간의 영향으로 평면 외 변형을 완화하는데 도움이 된다. 따라서, 결정 영역의 변형은 주로 c축 방향의 변형 완화에 기인한다.
일 실시예에서, C-V 측정으로 BTO 필름의 강유전체 특성을 측정하기 전에 CMP를 수행하여 어닐링된 BTO 필름의 텍스처 표면을 연마하였다. 또한, CMP 전후에 BTO 박막의 표면 형태와 RMS 거칠기를 AFM으로 조사하였다. 증착된 상태의 BTO 박막의 RMS 값은 0.24(CMP 전) 및 0.12 nm(CMP 후)였다. 증착된 상태의 BTO 필름의 RMS 값이 낮더라도 면내 방향으로 강한 강유전성을 얻기 위해서는 후-어닐링이 필수적이다.
도 5a와 같이 열처리된 BTO 박막에서 조직화된 표면이 관찰되었으며, RMS 값은 0.71 nm까지 크게 증가하였다. 900 및 1000 °C에서 어닐링된 BTO 필름의 RMS 값은 CMP 후 0.34 및 0.23nm RMS 거칠기로 유지된다(CMP 공정 전 RMS 거칠기: 각각 1.4nm 및 0.71nm).
도 5b를 참조하면, 필름의 표면 균일성과 전체적인 질감을 더 조사하기 위해 연마된 BTO 필름의 단면 SEM 분석을 각 어닐링된 필름에 대해 수행하였다. 900 및 1000 °C에서 어닐링된 BTO 박막은 도 5b와 같이 CMP 후 매끄럽고 균일하며 질감이 없는 표면을 보인 반면, 1150 °C는 CMP에 의해 정확하게 제거되지 않았다.
예를 들어, 거친 연마와 미세 연마를 위해 서로 다른 크기의 콜로이드 실리카를 사용하는 2단계 방법과 같은 더욱 집중적인 CMP는 나노 규모의 특징을 명확하게 제거하는데 적합할 수 있다.
CMP 후 BTO 막 사이의 C-V 특성화에서 강유전체의 두께 영향을 최소화하기 위해 이 실험에서는 2단계 CMP를 수행하지 않는다. 또한, CMP 후 얻은 XRD 스펙트럼(도 5c)은 열처리에 의해 유도된 추가 XRD 피크가 연마 후에 모든 추가 피크가 사라지기 때문에 표면 미세 질감에서 비롯됨을 보여준다.
C-V 측정의 경우 도 6a와 같이 필름 표면에 전극을 패턴화하였다. 두 전극 사이의 2μm 간격 채널은 BTO 결정 축과 정렬되도록 설계되었다.
도 6b는 10kHz 주파수에서 전극이 MgO [100] 방향을 따라 정렬된 1150 °C까지 열처리된 BTO 박막의 C-V 특성을 보여준다.
전압 스위프의 방향(화살표로 표시)은 -20에서 20V, 20에서 -20V이다. 어닐링 온도가 증가함에 따라(900에서 1150°C) 동일 평면 전극에서 측정된 정전 용량 값도 증가하였다.
열처리를 하지 않은 BTO 박막은 강유전체 특성을 나타내지 않았다. 강유전체 필름에 낮은 DC 전계를 인가하면 강유전체 도메인 스위칭으로 인한 분극 증가에 의해 유전 상수가 영향을 받는다. 그렇지 않으면 대부분의 도메인이 이미 높은 필드에 의해 정렬되어 유전 상수가 작다. 900°C 이상의 온도에서 어닐링된 BTO 필름은 명확한 버터플라이 루프를 나타낸다.
더 높은 온도에서 어닐링된 샘플은 더 큰 커패시턴스와 더 낮은 보자력 전압을 나타내어 XRD 스펙트럼에서 관찰된 것처럼 더 높은 어닐링 온도에서 향상된 결정성을 나타낸다(도 3 참조).
본 발명에서는 증착 후 열처리를 통해 결정 영역과 격자변형을 수정하여 균열이 없고 매우 매끄럽고 강력한 강유전성 BTO 필름을 제조하는 방식을 제공한다. 낮은 산소 분압에서 증착된 고도로 변형된 BTO 필름은 강유전체 특성이 없지만 필름 표면에 균열이 관찰되지 않는다.
어닐링 과정에서 본 발명은 어닐링 온도가 증가함에 따라 E 포논 소프트 모드(3TO + 2LO, 4LO)가 더 강해지는 것을 관찰했으며, 이는 고온 열처리가 BTO 박막의 강유전성을 향상시켰음을 나타낸다.
XRD 및 RSM 측정 결과, 포스트 어닐링 단계가 평면 외에서 격자변형을 완화하고 a-축에서 c-축 배향된 정방정 구조로의 결정 도메인 변형을 유도함을 확인하였다. 거친 표면은 CMP에 의해 평활화되었으며, CMP는 열처리된 BTO 박막의 특성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
마지막으로, C-V 곡선 측정은 어닐링된 BTO 박막의 강유전체 특성의 향상과 강유전체의 텐서(tensor) 특성을 확인한다. 높은 강유전체 특성을 가진 크랙이 없고 매우 부드러운 결정질 BTO 필름의 격자변형 제어는 BTO 기반 광학 온칩 소자 및 전기 소자의 성능 향상에 사용할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
강유전체, 초전기, 압전 소재를 포함하는 전자세라믹 분야의 시장은 2019년 기준 14조 2천억 규모에서 2026년 16조 5천억원 이상의 규모로 성장할 것으로 예상되며 연평균 3.8%의 성장률이 전망된다. 전세계 강유전체 소재 시장을 구체적으로 확인해 보면, 2018년 5000억 규모에서 2025년 7500억 규모로 매년 4.6퍼센트의 성장률을 보일 전망이다.
강유전체 소재는 전자소자/광소자등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 주로 자발 분극 특성을 이용한 FeRAM, 세라믹 캐패시터, 광변조기 등의 소자로 응용되며, 강유전체 특성 이외에 초전기, 압전 소재에도 사용 가능하다.

Claims (7)

  1. 진공 챔버 내에 티탄산 바륨(BTO) 타겟을 위치시키는 단계;
    격자변형 제어를 위해 30 mTorr 이하의 산소 분압 환경에서, 진공증착법을 통해 산화 마그네슘 기판 상에 티탄산 바륨 박막을 증착시키는 단계; 및
    증착된 박막을 티탄산 바륨 공기 분위기의 소결로 속에서 격자변형을 복원하기 위해 후 열처리하여 강유전체 티탄산 바륨 박막을 형성하는 단계;를 포함하는, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    형성된 강유전체 티탄산 바륨 박막의 표면을 화학적 기계 연마(CMP; Chemical Mechanical Planarization)하는 단계;를 더 포함하는, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 티탄산 바륨 박막을 증착시키는 단계는,
    산소 분압의 조절에 의해 산화 마그네슘 기판과 티탄산 바륨 박막 사이의 격자 상수를 제어하는, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 강유전체 티탄산 바륨 박막을 형성하는 단계는,
    후 열처리의 온도는 상에 티탄산 바륨 박막을 증착 시의 온도 이상인, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    후 열처리 온도는 1200℃ 이내인, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 강유전체 티탄산 바륨 박막을 형성하는 단계는,
    티탄산 바륨 박막이 재결정화에 의해 변형되는, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 티탄산 바륨 박막을 증착시키는 단계는,
    10 mTorr 이하의 산소 분압 환경에서 수행되는, 격자변형 제어를 이용한 무결점 강유전체 박막 제조 방법.
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