RF magnetron Co-sputtering법으로 제조된 BST-PZN composite 박막의 유전특성 연구

Abstract

본 연구에서는 유전체 Tunable 재료로 알려진 BST, PZN 유전체를 이용하여 BST-PZN com posite 박막을 co-sputtering 법으로 제조하고, 유전특성 및 tunability 특성을 살펴보았고, Ba0.6Sr0.4TiO3 target과 Pb6.0ZnNb6.0O22 target 을 이용한 co-sputtering 으로 증착한 compisite 박막을 단일 유전체 박막과 비교 하여 박막의 유전특성과 tunability 특성에 영향을 주는 요인을 알아 보았다. 실험을 통하여 perovskite 구조의 Ba0.6Sr0.4TiO3 target과 Pb6.0ZnNb6.0O22 pyrochlore 구조의 target을 co-sputtering 법으로 증착하여 PZN target power 를 50W, 100W, 150W로 조절하여 증착되는 박막내의 BST와 PZN 의 양을 조절 한 Mixture 형태의 박막과 PZN/BST/PZN Multi layer sandwich 형태의 박막을 제조하였고, 최고 230의 유전율과 72%의 tunability를 가지는 박막을 얻었다. 여기서 Ba와 Nb 의 함량이 증가함에 따라 박막 내에서 Tunability(%) 가 증가함을 관찰하였고, 이러한 현상은 Pb6.0ZnNb6.0O22 target power이 낮고, Ba0.6Sr0.4TiO3 의 비율이 증가함에 따라 계속 증가하였으며 유전손실은 단일 Ba0.6Sr0.4TiO3 박막에 비해 낮아짐을 확인하였다. 실험 시 기판온도는 500oC, 산소 분압은 10%를 유지하였으며, 후 열처리 조건은 Mixture type의 경우 as-dep, 500, 600도에서 3시간을 Multi layer type의 경우 계면에서의 반응을 최소화하기 위해 5분간 실행하였다. 열처리 온도가 올라갈수록 표면 morphology의 변화는 없었으며, Tunability(%)는 후 열처리 온도가 높아짐에 따라 증가하였다. Mixture type의 경우 강유전체 특성을 나타었고, XRD결과 BST peak이 shift(0.3도) 되는 결과가 관찰되었으며, 이는 pyrochlore 구조의 PZN이 BST에 co-doping 이 되는 효과를 나타내기 때문이라 판단된다. 그리고 EPMA data를 기초로 Nb의 doping이 확인되었고, 5가 원소인 Nb가 Ti의 빈자리에 들어가거나 치환이 되어 단일 BST박막에 비해 Ba와 Sr의 비율이 변화하게 되어 유전율의 증가와 유전손실 의 감소의 특성 향상을 얻을 수 있었다. Multi-layer(3layer) sandwich type의 경우 XRD결과 Multi layer가 형성되는 peak이 관찰 되었으며, 때문에 BST의 증착 시간이 증가하면서 Tunability의 증가와 유전 손실의 감소가 관찰되었으며, Mixture type보다 더 낮은 유전 손실을 얻을 수 있었지만 Tunability (%)는 Mixture type보다 낮게 관찰이 되었다. Multi layer-type의 경우 sandwich 3 Layer 형태로 PZN이 BST박막을 적층하고 있는 구조이고 하부 Pt 전극과 상부 Ag 전극에 직접 맞닿아 있는 면이 PZN 유전체 면이기 때문에 전체적으로 상유전체 특성이 나타난 것으로 보인다. 이와 같은 결과는 단일 박막보다 Mixture, Multi layer 제작 방법을 이용하여 단일 박막의 성능 향상할 수 있다는 점을 알게 되었고, 새로운 재료개발을 이룰 수 있는 새로운 방법으로 앞으로 여러 공정 및 재료 개발에 응용의 가능성을 확인 할 수 있었다.