[논문]<tex> $BaTi_4O_9$</tex> 박막의 고주파 유전특성

이석진; 장보윤; 정영훈; 남산

[국내논문] $BaTi_4O_9$ 박막의 고주파 유전특성
Microwave Dielectric Properties of $BaTi_4O_9$ Thin Film 원문보기

이석진 (고려대학교, 재료공학과) , 장보윤 (고려대학교, 재료공학과) , 정영훈 (고려대학교, 재료공학과) , 남산 (고려대학교, 재료공학과)

[ $BaTi_4O_9$ ]계 유전체 박막을 Si 기판위에 RF Sputtering으로 성장시켜 유전체 박막의 두께 변화에 따른 마이크로파 대역에서 유전체 박막의 유전율 및 유전손실을 측정하였다. 유전체 박막의 두께가 증가함에 따라 유전율은 약간 증가하였으며 마이크로파 대역에서 벌크 유전체와 같은 38의 유전율 값을 얻을 수 있었다. 또한 probe와 상두 전극사이의 접촉 저항을 고려한 값들을 보정함으로서 6GHz의 주파수 대역까지 $BaTi_4O_9$ 박막의 유전손실 값을 안정적으로 측정한 수 있었으며 유전체 박막의 두께가 증가함에 따라 최대 0.0001의 양호한 유전손실 값을 얻을 수 있었다.

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가설 설정

또한 유전체 박막은 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 및 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits)에 사용할 수 있어 많은 관심을 가지고 연구되고 있다. 1":' 이와 같은 유전체 박막에 필요한 유전 특성으로는 저 유전손실(tan6), 고 유전율(给)을 가져야 한다. DRAM 및 MMIC의 사용 주파수가 수백 MHz에서 수십 GHz 디】역에서 사용되기 때문에 GHz 대역에서 유전체 박막의 유전특성이 마이크로파 대역에서 동작되는 소자 개발을 위해 반드시 연구되어져야 한다.
정전용량과 저항이다. 또한 Rp는 수 GHz 범위 내에서 주파수의 역수에 비례한다고 가정한다. 따라서 임피던스의 실수부와 주파수의 역수의 값에서부터 절편을 구하여 직렬 저항 값(RJ 을 구할 수 있다.

제안 방법

증착온도는 550℃ 이었으며, 주입 가스 비율은 80% Ar에 20%。2를 사용하였다. 증착 시간을 변화시켜 성 장시 킨 유전체 박막의 두께는 각각 1800A, 3600A 및 5000A이었으며, 상부전극의 후열처리 온도는 900℃로 고정하였다.
제작된 유전체 박막의 두께는 SEM 및 a-step을 이용하여 측정하였으며, 박막의 고주파 유전특성은 Be-Cu CPW(Coplanar-Waveguide) probe와 벡터네트웍 분석기(HP-8510C)를 사용하여 측정하였다. 마이크로파 대역에서 유전특성을 측정하기 위해 그림 2와 같이 Circular-patch capacitor 구조를 사용하였으며, 厠 실제 측정에 사용한 CPW probe 의 사진은 그림 3에 나타내었다.
상부 전극은 약 1㎛ 두께로 알루미뉴A1)을 증착하였으며 그림 4와 같은 ring 구조를 가지기 위해 마스크를 이용해 photo-lithography 공정을 수행하여 제작하였다.
두께。) 및 상부 전극의 면적을 이용하여 계산하였다.
된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 접촉 저항을 포함하는 추가적인 저항에 대해 병렬 캐패시터/저항 회로와 직렬저항으로 구성된 등가회로를 새롭게 고안하였다. 이와 같은 등가회로에 대한 임피던스의 표현 식은 아래 식(3)과 같다.
RF sputtering법으로 BaTi4O₉ 박막을 성장하였고 마이크로파 대역에서 유전체 박막의 유전 특성을 즉정하였다. 유전체 박막의 두께를 1800A에서 5000A으로 증가시킬 때 유전율의 변화는 크게 변하지 않았고, 벌크 특성과 비슷한 38의 유전율 값을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

BaTiQg계 유전체 박막은 직경 2“ BaTi4O₉ 타겟을 제작한 후 RF magnetron sputter를 이용하여 성장하였다.RF magnetron sputter의 동작압력은 5mTorr.
제작된 시편의 구조는 Si 기판위에 1000A SiO₂ buffer 층이 있으며, 그 위에 하부 전극으로 Pt를 사용하였고 단면도는 그림 1과 같다.

이론/모형

제작된 박막의 복소 반사계수(「)는 one-port 측정 기법을 사용하여 아래 식과 같이 임피던스 (Zdut)로 변환하였다的

성능/효과

. 그림에서 볼 수 있듯이 박막 두께의 변화에 상관없이 측정 주파수 대역에서 일정한 유전율 값을 나타냄을 알 수 있으며, 박막의 두께가 증가함에 따라 35에서 38로 약간 증가함을 알 수 있다. 이 측정값은 BaTiQg계 벌크 유전체를 4GHz에서 측정한 유전율 값인 38과 매우 근사한 결과를 얻을 수 있어 본 논문에서 보고한 유전율 측정방법의 유효성을 알 수 있다.
그림에서 볼 수 있듯이 박막 두께의 변화에 상관없이 측정 주파수 대역에서 일정한 유전율 값을 나타냄을 알 수 있으며, 박막의 두께가 증가함에 따라 35에서 38로 약간 증가함을 알 수 있다. 이 측정값은 BaTiQg계 벌크 유전체를 4GHz에서 측정한 유전율 값인 38과 매우 근사한 결과를 얻을 수 있어 본 논문에서 보고한 유전율 측정방법의 유효성을 알 수 있다.
그림 9에서 보는 바와 같이 CPW probe와 내경 및 외경 상부 전극사이의 접촉 저항의 영향을 제거하여 보정된 유전손실의 값은 주파수 2GHz ~ 6GHz 대역에서 유전체 박막의 두께가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있고 박막의 두께가 1800A 인 경우 0.015 ~ 0.045, 3600A 인 경우 0.002 ~ 0.008 및 5000A 인 경우 0.0001 ~ 0.005의 값을 가짐을 알 수 있고 일정한 두께 이상의 유전체 박막이 형성되어야만 양호한 유전손실 값을 가질 수 있음을 알 수 있었다.
즉정하였다. 유전체 박막의 두께를 1800A에서 5000A으로 증가시킬 때 유전율의 변화는 크게 변하지 않았고, 벌크 특성과 비슷한 38의 유전율 값을 얻을 수 있었다. probe와 상부 전극사이의 접촉저항을 고려한 값들을 보정함으로서 6GHz의 주파수 대역까지 BaTiKb 박막의 유전손실 값을 안정적으로 측정할 수 있었으며 유전체 박막의 두께가 증가함에 따라 최대 0.
유전체 박막의 두께를 1800A에서 5000A으로 증가시킬 때 유전율의 변화는 크게 변하지 않았고, 벌크 특성과 비슷한 38의 유전율 값을 얻을 수 있었다. probe와 상부 전극사이의 접촉저항을 고려한 값들을 보정함으로서 6GHz의 주파수 대역까지 BaTiKb 박막의 유전손실 값을 안정적으로 측정할 수 있었으며 유전체 박막의 두께가 증가함에 따라 최대 0.0001의 양호한 유전손실 값을 얻을 수 있었다. 또한 향후 RF sputtering의 증착 온도에 따른 유전율과 유전손실의 변화 및 공진주파수의 온도계수를 즉정하여 새로운 구조를 가지는 유전체 박막을 이용한 고주파 수동소자를 설계하는데 중요한 유전물성의 데이터를 제공하고자 한다.

후속연구

0001의 양호한 유전손실 값을 얻을 수 있었다. 또한 향후 RF sputtering의 증착 온도에 따른 유전율과 유전손실의 변화 및 공진주파수의 온도계수를 즉정하여 새로운 구조를 가지는 유전체 박막을 이용한 고주파 수동소자를 설계하는데 중요한 유전물성의 데이터를 제공하고자 한다.

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