Bi2O3-ZnO-Nb2O5 system target 조성에 따른 유전성질의 변화

Abstract

본 연구는 RF magnetron sputtering system을 이용하여, 상유전체 Bi2O3-ZnO-Nb2O5 system인 BZN target을 이용하여 증착 된 박막의 전기적 특성에 대하여 실험되었다. 일반적으로 BZN은 cubic ((Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5))과 monoclinic ((Bi2(Zn0.33Nb0.66)2O7))의 결정구조를 가지고 있으며, BZN 물질에 대해서는 cubic 구조에 대한 많은 연구가 진행되어 왔고, BZN monoclinic에 대해서도 연구가 되었지만 현재까지 tunable 소자에 대해서는 많이 알려지지 않았다. 따라서 이번 연구에서는 BZN monoclinic에 초점을 맞추어 실험하였다. 연구에서 사용된 target으로는 BZN cubic target ((Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5))과 monoclinic target ((Bi2(Zn0.33Nb0.66)2O7)) 그리고 monoclinic에 bismuth를 첨가한 4가지 target들을 ((3+x)Bi2O3–2ZnO–2Nb2O5 system. x=0.2, 0.5, 0.7, 1) 사용하여, 전부 6가지 target을 사용하였다. 증착 조건은 기판온도를 500℃를 유지하여 RF power 150W에서 Ar과 O2의 비율을 20:2 의 환경을 유지시켜주어 증착 하였다. 사용된 기판은 Pt/TiO2/SiO2/Si 의 4인치 웨이퍼를 사용하였고 기판과 target의 거리는 13cm로 고정하였다. 또한 후열처리 온도는 600℃와 700℃에서 1시간동안 실시하였으며, tunability(%)는 후 열처리 온도가 증가함에 따라 비례하여 향상되었다. Cubic target을 사용하였을 때는 cubic의 조성만이 XRD에서 검출 되었지만, monoclinic과 bismuth 함량을 늘린 monoclinic target을 사용하여 sputtering system으로 증착 하여 얻은 박막에서는 열처리 하였을 경우 cubic과 Bi5Nb3O15라는 2차상이 같이 검출이 되었다. 따라서 cubic의 target으로부터 얻은 cubic 박막의 경우보다 bismuth 함량을 늘린 monoclinic target에서 박막을 얻었을 경우 같은 cubic상이 검출 되지만 후자가 더 높은 tunability를 얻는 이유는 Bi5Nb3O15상이 같이 공존하기 때문에 나타나는 시너지 효과라고 사료된다. 실험에서 측정된 최대 tunability는 monoclinic target 에서 bismuth의 조성이 3.2일때 1.25MV/cm 측정 범위에서 43%이고, 이때의 loss tangent는 0.018로 측정 되었다. Bismuth의 조성이 3.2일때와 3.5일때의 tunability등 전기적인 특성이 비슷하였고, 측정된 최대값은 3.2조성일때가 높지만 3.5조성일 때 최대측정범위가 낮기 때문이므로 본 실험결과를 토대로 최대값을 예측하면, 같은 측정범위에서 3.5일 때 가장 높은 tunability가 나올 것으로 예상된다.