[논문]보조씨드층을 이용한 ZnO 압전박막의 우선배향성에 관한 연구

박인철; 김홍배

보조씨드층을 이용한 ZnO 압전박막의 우선배향성에 관한 연구
A Study on Preferred Orientation of ZnO Piezoelectric Thin Film Using Helped Seed Layer 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.15 no.6, 2006년, pp.619 - 623

초록
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FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 소자의 공진특성을 결정하는 가장 중요한 요소는 압전막의 압전성을 들 수 있다. FBAR 압전막으로 유력한 ZnO 압전박막은 (002)면 c-축 우선배향성(preferred orientation)의 정도에 따라서 압전성이 결정된다. 그러므로 ZnO 박막의 우선배향성에 관한 연구는 많은 연구자들의 관심사가 되어왔다. 본 논문에서는 ZnO 보조씨드충(helped seed layer)을 이용하여 ZnO 압전박막의 우선배향성에 대하여 조사하였으며, rocking curve의 표준편차$(\sigma)$ 값이 $1.15^{\circ}$인 주상형 결정립을 가진 c-축 ZnO 압전박막이 우수한 압전특성을 나타내는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The most important factor which determines resonance characteristics of FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) is the piezoelectricity of piezoelectric film. The piezoelectric properties of ZnO thin films which is strong as FBAR piezoelectric film is determined by the degree of c-axis preferred orientation with (002) plan. Therefore, many researchers have been interested in the study on the preferred orientation of the piezoelectric thin film. This paper has studied the preferred orientation of ZnO piezoelectric thin films using the helped seed layer of ZnO. The result shows that the c-axis ZnO thin films with columnar grains that the value of standard $deviation(\sigma)$ of XRD rocking curve is of $\sigma=1.15^{\circ}$ have the excellent piezoelectric property.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 스퍼터법을 이용하여 ZnO 압전박막증착 시 발생되는 초기 성장층의 random한 배향성을감소시키기 위하여 Si 기판 위에 우수한 (002)면의 c-축우선배향성을 가지는 ZnO 보조씨드증(helped seed layer) 을 증착한 후 하부전극(Mo)과 ZnO 압전층을 증착하여 ZnO 압전 층의 우선배향성에 미치는 보조 씨드 층의 영향을 조사하였고, 또한 보조 씨드 층의 두께에 따른 ZnO 압전박막의 우선배향성을 조사하였다.

제안 방법

0/20 scan 방법을 이용하여 결정구조 및 기판에 평행한 방향으로 우선배향된 결정면을 분석하였다. 이 방법은 X-선 검출기가 2。, 측정 시료가。로 회전하여 기판에 평행하게 존재하는 결정면에 의한 회절 결과를 관찰할 수 있다.
ZnO 박막은 국내의 선익의 SUNICOAT-4000VHT RF magnetron sputtering 장비를 사용하여 증착하였으며, 증착된 ZnO 박막의 결정성과 우선배향성 정도를 분석하기 위하여 일본 Rigaku사의 XRD(X-ray Diffractometer) 분석과 일본 JEOL사의 JSM 6335F FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 분석을 수행하였다.
위에서 언급한 두 가지 방법(。/2。scan과 rocking curve)에 의해서 기판에 평행하게 존재하는 결정면, 즉 기판에 수직하게 존재하는 결정축에 대한 정보를 분석할 수 있다. 그리고 ZnO 박막의 주상결정의 c-축 배향성을 분석하기 위해 FESEM 을 이용하여 ZnO 압전 박막의 단면을 측정하였다.
999%이였다. 또한 ZnO 보조 씨드 층의 두께에 따른 ZnO 박막의 배향성 정도를 조사하기 위하여 150nm 그리고 250nm의 두께로 ZnO 보조 씨드 층을 증착한 후 Mo과 ZnO 압전 박막을 증착하여 압전 박막의 우선배향성 정도를 조사하였다. 표 1은 각 공정의 스퍼터링 증착 조건을 나타낸 것이다.
우선 Mo(하부전극)/Si 기판과 Mo/보조 씨드/Si 기판 준비를 위하여 프라임급 Si(p-lOO) 기판을 기본 RCA 세척 및 자연 산화막 제거를 위해 DHF 세척하였다. 세척된 기판을 공정 챔버에 위치시키고 Mo 박막을 스퍼터링 방법을 이용하여 150nm의 두께로 증착하여 Mo/Si 기판을 준비하였으며, 100nm의 ZnO 보조씨드층을 증착하여 Mo/보조 씨드/Si 기판을 준비하였다.
이때 ZnO 압전 박막의 결정성과 우선배향성 정도를 분석하기 위하여 X선 회절 분석기를 사용하였다. 0/20 scan 방법을 이용하여 결정구조 및 기판에 평행한 방향으로 우선배향된 결정면을 분석하였다.

대상 데이터

준비된 기판을 ZnO 공정 챔버에 위치시키고 증착 전에 챔버 내 불순물을 최대한 제거하기 위해 Cryo 펌프를 이용하여 초기진공도를 2.0乂10「气。口 이하로 유지시킨 후 고순도의 아르곤가스와 산소가스를 챔버 내에 주입시켜 증착압력에서 기판과 타겟과의 거리를 7cm, 기판회전은 3RPM 으로 하여 기판 위에 ZnO 압전 박막을 증착하여 ZnO(압전 막)/Mo(하부전극)/Si, ZnO/Mo/ZnO(보조씨드층)/Si 의 시편을 준비하였다. 사용된 ZnO 타겟(Cerac)은 직경 8인치와 순도는 99.
0乂10「气。口 이하로 유지시킨 후 고순도의 아르곤가스와 산소가스를 챔버 내에 주입시켜 증착압력에서 기판과 타겟과의 거리를 7cm, 기판회전은 3RPM 으로 하여 기판 위에 ZnO 압전 박막을 증착하여 ZnO(압전 막)/Mo(하부전극)/Si, ZnO/Mo/ZnO(보조씨드층)/Si 의 시편을 준비하였다. 사용된 ZnO 타겟(Cerac)은 직경 8인치와 순도는 99.999%이였다. 또한 ZnO 보조 씨드 층의 두께에 따른 ZnO 박막의 배향성 정도를 조사하기 위하여 150nm 그리고 250nm의 두께로 ZnO 보조 씨드 층을 증착한 후 Mo과 ZnO 압전 박막을 증착하여 압전 박막의 우선배향성 정도를 조사하였다.
세척된 기판을 공정 챔버에 위치시키고 Mo 박막을 스퍼터링 방법을 이용하여 150nm의 두께로 증착하여 Mo/Si 기판을 준비하였으며, 100nm의 ZnO 보조씨드층을 증착하여 Mo/보조 씨드/Si 기판을 준비하였다. 준비된 기판을 ZnO 공정 챔버에 위치시키고 증착 전에 챔버 내 불순물을 최대한 제거하기 위해 Cryo 펌프를 이용하여 초기진공도를 2.

성능/효과

59° 작은 값을 갖는 더 우수한 가우시안 분포를 보였으며, 주상형 결정립의 c-축 우선 배향성의 SEM 단면을 나타내었다. 그리고 보조씨드층의 두께가 250nm인 경우가 150nm인 경우보다 XRD의 intensity가 증가하고, 0값도 0.18° 작은 값을 나타낸 것으로 보아 보조 씨드층의 두께가 증가할수록 ZnO 압 전박막의 우선 배향성이 향상됨을 알 수 있다.
보조 씨드 증의 두께가 250nm인 경우가 150nm인 경우보다 intensity가 높고 표 3에 보이듯이 낮은 FWHM 값과 낮은 표준편차(O)값을 가지는 것으로 보아 보조 씨드 층의 두께가 증가할수록 FBAR 압전박막의 우선배향성이증가하는 것으로 사료된다.
본 논문에서는 ZnO 보조 씨드층의 영향을 조사하기 위하여 Si 위에 0값이 1.25。인 우수한 c-축 우선배향성을 가지는 lOOnm의 ZnO 보조씨드층을 증착하였으며, 이 보조씨드층을 이용한 경우(1.15。)의 ZnO 압전 박막이 보조씨 드층을 이 용하지 않은 경우(4.76°) 보다 rocking curve의 표준편차(0)값이 3.59° 작은 값을 갖는 더 우수한 가우시안 분포를 보였으며, 주상형 결정립의 c-축 우선 배향성의 SEM 단면을 나타내었다. 그리고 보조씨드층의 두께가 250nm인 경우가 150nm인 경우보다 XRD의 intensity가 증가하고, 0값도 0.

참고문헌 (7)

R. Ruby and P. Merchant, 1994 IEEE International Frequency Control Symposium, 135 (1994)
Q. X. Su, P. Kirgy, E. Komuro, M. Imura, Q. Zhang, and R. Whatmore, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49, 769 (2001)

상세보기
B. L. Olutade and W. D. Hunt, IEEE International Frequency Control Symposium, 737 (1997)
M. J. Keum, W. H. Park, and Y. S. Yoon, 한국전기전자재료학회 하계학술대회, 703 (2002)
T. Minami, H. Nanto, and S. Takata, J. Appl. Phys. 23, 280 (1984)

상세보기
K. Tominaga and I. Mori, Thin Solid Films 253, 9 (1994)

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K. H. Yoon, J. W. Choi, and D. H. Lee, Thin Solid Films 302, 116 (1997)

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