이차이온질량분석기를 이용한 PZT 박막의 특성에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lead zirconate titanate(PZT) films have been intensively investigated due to their potential applications in nonvolatile memories, optical device and piezoelectric device. In semiconductor technology, there are several problems about estimating the integration of PZT thin films need to be overcome. One of the key problems is to find a ferroelectric thin film fabrication method with excellent electrical properties.
In PZT thin film research, usually XRD, SEM are used to observed the crystal structure and the morphology, AES, XPS were also used to observed the elements in PZT film. But the SIMS can give a real-time element distribution. As AES result in some peaks has duplication, SIMS can give a more accurate result than both AES and XPS. And we focus on the Pb element in all reaction conditions. It can give a relative quantitative of Pb element among all reaction conditions.
In this thesis, the effects of the sputtering pressure, the gas ratio, the post-annealing temperature, post-annealing time, the configuration and the electronic characteristics are investigated. And the elements in each interlayer is investigated by SIMS method. In particular, the Pb element played an significant role in PZT thin film crystallization process and so that influenced the electrical characteristics of each films. Electrical characteristics of PZT thin film at 700℃ 3 min RTA conditions show Pr =21.6 μC/cm2, Ps = 44.3 μC/cm2, Ec= 110 kV/cm, J = 2.1×10-7 A/cm2.

국문 초록 (Abstract)

압전재료는 휘발성 메모리, 광학기기로써 많이 연구된다. 압전 재료 중에서 중요한 것은 제일 좋은 압전성질 가지고 있는 PZT 박막 만드는 것이다.
페로브스카이트 구조의 PZT는 뛰어난 강유전특성과 높은 전기 기계적 결함계수, 열적 안정성 등으로 널리 상용되는 압전 물질이다. PZT는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주는 압전 정효과를 이용하여 각종센서와 액추에이터, 트랜스듀서 등 다방면으로 사용되고 있다. 또한 초소형, 고성능화를 충족시킬 수 있는 최첨단 미세가공 기술이 MEMS 기술과 함께 마이크로 크기의 제작이 가능해진다.
PZT 박막의 연구 중에서 많이 이용된 것은 X선 회절분석기(XRD), 주사형 전자현미경(SEM)등이다. X선 회절분석기를 이용하여 결정구조의 특성을 볼 수 있고, 주사형 전자현미경을 이용하여 표면구조의 특성을 볼 수 있다. 오제 전자 분광법(AES), X선 광전자분광법(XPS)은 PZT 박막 중에서 각각 원소의 비례관계 관찰하는 장비다. 그렇지만 오제 전자 분광법은 중첩 피크가 자주 생기고, X선 광전자분광법은 표면분석만 이용될 수 있는 장비다. 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectroscopy, 약자는 SIMS) 장비는 감도가 오제 전자 분광법, X선 광전자분광법에 비교해보면 더 정확하고 X-선 광전자분광법보다 실시간 원소의 PZT 박막 중에 각각 원소 높이에 따라 비례관계를 볼 수 있는 장점이 있다.
PZT 박막제조 할 때 다양한 방법이 적용되고 있으며 본 연구에 사용한 RF 마그네트론 스퍼터링법은 타겟에 영구자석이나 전자석을 이용하여 자장을 형성시키고 플라즈마를 타겟에 국한시켜 플라즈마 밀도를 높여서 방전전압이 낮아도 큰 전류를 얻을 수 있으므로 비교적 불순물이 적고 높은 에너지의 원자들이 기판에 증착되어 결성이 좋으며 증착조건의 조절이 용이하여 양질의 박막을 쉽게 제작할 수 있는 이점이 있다. PZT 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 성장 할 경우 기판의 증착압력, 온도, 아르곤과 산소가스의 비율, 증착 시간, 기판과 타겟 간의 거리, 입력 파워 등 증착조건의 따라 박막의 특성이 크게 변화되며 후열처리 조건도 박막의 특성을 크게 좌우하는 것으로 보고되고 있다.
본 논문은 기존 실리콘 기판에 RF 마그네트론법으로 PZT 압전재료 증착하여 아르곤가스와 산소 가스의 가스비에 따라, 압력에 강하에 따라, 후열처리 온도와 시간에 따라 구조적과 전기적 특성 살펴보고, 그 다음에 이차이온질량분석기를 이용 각각 PZT 시편 내에 원소의 비례관계 측정 하고 Pb/Zr+Ti 원소 비례변화, Pt/Ti 원소가 서로 내부의 침투와 분포를 측정한다. 본 연구를 통하여 이차이온질량분석측정법으로 실리콘 기판 위에 PZT 증착하는 것을 측정할 수 있는 것을 확인하였으며 향후 지속적인 연구를 통하여 더욱 좋은 깊이 분포도(depth profile) 데이터를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 2장 관련 이론 4
• 2. 1 PZT의 결정구조 4
• 2. 2 PZT의 특성 9
• 2. 2. 1 구조적 특성 9
• 2. 2. 2 전기적 특성 11
• 2. 3 스퍼터링 16
• 2. 3. 1 플라즈마 16
• 2. 3. 2 RF 스퍼터링 증착과정 21
• 2. 3. 3 박막의 형성 과정 26
• 2. 4 이차이온질량분석기 27
• 2. 4. 1 이차이온질량분석기 기본 원리 27
• 2. 4. 2 이차이온질량분석기 장치 34
• 제 3장 실험방법 41
• 3. 1 PZT 박막 제작 41
• 3. 1. 1 산소와 아르곤 가스비에 따른 PZT 박막 제작 41
• 3. 1. 2 증착 압력에 따른 PZT 박막 제작 42
• 3. 2 PZT 시편제작 43
• 3. 3 특성 분석 46
• 3. 4 이차이온질량분석기를 이용한 관찰법 48
• 제 4장 결과 및 고찰 49
• 4. 1 산소와 아르곤 가스비에 따른 PZT 박막의 특성 49
• 4. 1. 1 산소와 아르곤 가스비에 따른 PZT 박막의 배향성 및 결정성분석 49
• 4. 1. 2 산소와 아르곤 가스비에 따른 PZT 박막의 미세구조 분석 51
• 4. 1. 3 산소와 아르곤 가스비에 따른 PZT 박막의 원소구성 분석 54
• 4. 1. 4 산소와 아르곤 가스비에 따른 PZT 박막의 전기적 특성 분석 57
• 4. 2 증착 압력 따른 PZT 박막의 특성 59
• 4. 2. 1 증착 압력에 따른 PZT 박막의 배향성 및 결정성 분석 59
• 4. 2. 2 증착 압력에 따른 PZT 박막의 미세구조 분석 61
• 4. 2. 3 증착 압력에 따른 PZT 박막의 원소구성 분석 63
• 4. 2. 4 증착 압력에 따른 PZT 박막의 전기적 특성 분석 66
• 4. 3 후열처리 온도에 따른 PZT 박막의 특성 68
• 4. 3. 1 후열처리 온도에 따른 PZT 박막의 배향성 및 결정성 분석 68
• 4. 3. 2 후열처리 온도에 따른 PZT 박막의 미세구조 분석 70
• 4. 3. 3 후열처리 온도에 따른 PZT 박막의 원소구성 특성 72
• 4. 3. 4 후열처리 온도에 따른 PZT 박막의 전기적 특성 분석 76
• 4. 4 후열처리 시간에 따른 PZT 박막의 특성 78
• 4. 4. 1 후열처리 시간에 따른 PZT 박막의 배향성 및 결정성 분석 78
• 4. 4. 2 후열처리 시간에 따른 PZT 박막의 미세구조 분석 79
• 4. 4. 3 후열처리 시간에 따른 PZT 박막의 원소구성 특성 분석 80
• 제 5장 결론 81
• 참고문헌 84
• Abstract 90