Bi계 pyrochlore 박막에서 Co-sputtering으로 첨가된 Bi에 대한 Zn와 Mg의 상이한 거동에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 tunable 유전체 재료로 알려진 Bi₂O₃-(Zn,Mg)O-Nb₂O_(5) 박막을 co-sputtering 법으로 제조하고, 유전특성 및 tunability 특성을 살펴보았다. 이 실험에서는 Bi_(1.5)Zn_(1.0)Nb_(1.5)O_(7) 와 Bi_(1.5)Mg_(1.0)Nb_(1.5)O_(7) 의 target과 Bi₂O₃ 의 target 을 co-sputtering 으로 증착한 박막을 비교하여 박막의 유전특성과 tunability 특성에 영향을 주는 요인을 알아보았다. 실험을 통하여 Bi_(1.5)Zn_(1.0)Nb_(1.5)O_(7) cubic pyrochlore 구조의 target 과 Bi2O3 target 을 co-sputtering 법으로 증착하여 단일 monoclinic target 으로 증착하였을 때와 같은 bi-phase 형태의 박막을 제조하고, Bi₂O₃ target power 를 조절하여 증착되는 박막내의 cubic phase 와 monoclinic phase 의 양을 조절하여 최고 230의 유전율과 38%의 tunability를 가지는 박막을 얻었다. 여기서 Bi₂O₃ target power 의 증가에 따라 박막내에서 cubic phase 가 monoclinic phase 로 서서히 변화하며 유전율과 유전손실이 tunability가 증가함 확인 하였다. 이러한 현상은 monoclinic phase 의 비율이 cubic phase 를 넘어서는 순간까지 계속 되었으며 그 이후에는 유전율, 유전손실, tunability 가 감소하였다. 기판온도가 500℃이고 Bi₂O₃ target power 가 40W 일 때 cubic phase 이 monoclinic 보다 약간 우세한 형태를 보였고, 그 이후부터는 monoclinic phase 가 증가하며 cubic phase 는 서서히 감소하여 50W에서 Bi₂O₃phase 를 가지는 박막이 생성되었다. 조성 분석결과 박막은 Bi₂O₃ target power의 증가에 따라 cubic 과 monoclinic phase 사이의 조성을 가지고 있었음 확인할 수 있었다. Bi_(1.5)Mg_(1.0)Nb_(1.5)O_(7) 조성으로 증착한 박막은 Bi₂O₃ target power의 증가에 따라 유전율은 증가하고 유전손실은 감소하는 것으로 나타났다. BMN의 경우 Bi₂O₃target power 의 변화로는 BZN의 같이 cubic과 monoclinic 의 bi-phase 로 만들 수 없었으며 tunability는 Bi₂O₃ 의 2차상이 생성될 때 까지 BMN cubic target만을 사용하여 증착한 박막과 같은 값을 유지하였다. 박막의 조성분석을 통하여 박막내의 bismuth 양은 증가하지만 cubic phase 만 유지되고 monoclinic phase는 생성되지 않는 것을 확인하였다. 이 연구를 통하여 co-sputtering 법으로 증착되는 Bi계 pyrochlore 구조의 박막에서는 zinc 가 첨가되면 Ac₂B₂O_(7) 의 B site 를 먼저 채우고 나머지 원자들이 A site 를 채우게 되어 cubic 과 monoclinic 의 bi-phase 형성이 가능하지만, magnesium 이 첨가되면 항상 B site와 A site에 반반씩 채우며 cubic 의 단일상만을 형성하는 경향을 보였다. 이러한 이유 때문에 Bi₂O₃target을 사용하여 증착한 co-sputtered BZN 박막은 조성에 따라 박막내 cubic 과 monoclinic 의 bi-phase 를 형성시켜 유전특성과 tunability 를 증가시킬 수 있었지만, co-sputtered BMN 박막은 bismuth 조성에 관계없이 단일 cubic phase만 형성시켰고, 이 때문에 bismuth 조성에 따른 tunability 의 변화를 볼 수 없다는 사실을 알았다.