Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)

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Evaluating Properties for Bi-layer PZT thin film Fabricated by RF-Magnetron Sputtering System

RF-마그네트론 스퍼터링법으로 제작한 이층형 PZT의 특성평가

  • Lim, Sil-Mook (Department of Advanced Materials Engineering, Korea Polytechnic University)
  • 임실묵 (한국산업기술대학교 신소재공학과)
  • Received : 2020.05.12
  • Accepted : 2020.08.07
  • Published : 2020.08.31
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Abstract

Pb(Zr,Ti)O3(denoted as PZT) in the perovskite phase is used as a dielectric, piezoelectric, and super appetizer material owing to its ferroelectric properties. A PZT film was formed by an RF magnetron sputtering process by preparing a target composed of Pb1.3(Zr0.52Ti0.48)O3. The PZT film was formed by dividing the material into a mono-layer PZT produced continuously with the same sputtering power and a bi-layer PZT produced with two-stage sputtering power. The bi-layer PZT consisted of a lower layer produced under low-power sputtering conditions and an upper layer produced under the same conditions as the mono-layer PZT. XRD revealed small amounts of pyrochlore phase in the mono-layer PZT, but only the perovskite phase was detected in the bi-layer PZT. SEM and AFM revealed the upper part of the bi-layer PZT to be more compact and smooth. Moreover, the bi-layered PZT showed superior symmetry polarization and a significantly reduced leakage current of less than 1×10-5 A/cm2. This phenomenon observed in bi-layer PZT was attributed to the induction of growth into a pure perovskite phase by suppressing the formation of a pyrochlore phase in the upper PZT layer where the densely formed lower PZT layer was produced sequentially.

페로부스카이트(Perovskite) 구조의 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)는 우수한 강유전 특성으로 인해 유전체, 압전체, 초전체 재료로 널리 사용된다. Pb1.3(Zr0.52Ti0.48)O3조성의 스퍼터링 타겟을 제조하여 RF 마그네트론 스퍼터링 공정으로 PZT박막을 형성하였다. PZT박막은 동일 스퍼터링 출력으로 연속 제조한 단층형 PZT와 2단계화한 스퍼터링 출력으로 제조한 2층형 PZT박막으로 구분하여 제조하였다. 2층형의 PZT는 저출력의 스퍼터링 조건으로 제작한 하부층과, 단층형 PZT와 동일한 조건으로 제작한 상부층으로 이루어진다. 제조한 박막에 대한 엑스선 회절분석결과, 단층형 PZT에서는 페로부스카이트상(Perovskite Phase)과 미소한 파이로클로르상(Pyrochlore Phase)이 혼합된 상태로 존재하나, 2층형 PZT에서는 페로부스카이트상만이 검출되었다. 전자현미경과 원자힘 현미경으로 표면상태를 관찰한 결과, 2층형 PZT박막의 상부는 단층형에 비해 치밀하고 평활한 표면상태를 나타냈으며, 단층형에 비해 낮은 표면거칠기값(RMS)을 보였다. 또한 이층형 PZT는 단층형에 비해 우수한 대칭성의 분극곡선형태를 보였고, 단층형에 비해 매우 저감된 1×10-5 A/㎠ 이하수준의 누설전류 특성을 나타냈다. 이층형 PZT에서 보이는 이러한 현상은 치밀하게 형성한 하부 PZT층이 순차적으로 형성되는 상부PZT내의 미소 파이로클로르상 형성을 억제하여, 순수한 페로부스카이트상으로의 성장을 유도한 것으로 판단된다.

Keywords

References

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