KR20090093660A - 강유전체 기록매체 및 그의 제조방법 - Google Patents

강유전체 기록매체 및 그의 제조방법

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KR20090093660A
KR20090093660A KR1020080019303A KR20080019303A KR20090093660A KR 20090093660 A KR20090093660 A KR 20090093660A KR 1020080019303 A KR1020080019303 A KR 1020080019303A KR 20080019303 A KR20080019303 A KR 20080019303A KR 20090093660 A KR20090093660 A KR 20090093660A
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KR1020080019303A
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사이먼 부엘만
김용관
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삼성전자주식회사
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    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B9/00—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor
    • G11B9/02—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using ferroelectric record carriers; Record carriers therefor

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Abstract

개시된 강유전체 기록매체의 제조방법은, 기판에 도전성 물질층인 전극층을 형성하는 단계와, 전극층 위에 유전성 물질층인 중간층을 형성하는 단계와, 중간층 위에 소오스 물질층을 형성하는 단계와, 어닐링 공정을 통하여 소오스 물질층으로부터 강유전체층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

강유전체 기록매체 및 그의 제조방법{Ferroelectric recording media and manufacturing method thereof}
본 발명은 데이터 저장을 위한 기록매체 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고기록 밀도의 데이터 저장을 수행할 수 있는 강유전체 기록매체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래 하드 디스크(hard disk), 광디스크(optical disk)와 같은 정보 저장(data storage) 장치 기술의 급격한 발달로 1 Gbit/inch2 이상의 기록밀도를 갖는 정보저장 장치가 개발되었으며, 디지털 기술의 급격한 발달은 더욱 고용량의 정보저장 장치를 요구하게 되었다. 그러나, 기존의 정보 저장 장치는 하드 디스크의 수퍼-파라마그네틱(superparamagnetic) 한계나 또는 광디스크의 레이저의 회절 한계 등으로 인하여 기록밀도가 제한된다.
최근 자기장이 아닌 전계에 의해 데이터가 기록되는 강유전성 기록매체에 관하 연구가 진행되고 있다. 전계기록방식은 전계를 이용해서 강유전체 표면에 제1방향 및 그의 역방향(이하, 제2방향이라 함)으로 분극된 전기도메인(electric domain)들을 형성하고, 제1, 제2방향으로 분극된 전기도메인을 데이터 '0' 및 '1'에 각각 대응시키는 방식이다. 재생과정은 전기도메인의 분극 방향에 따라 저항이 달라지는 전기장 센서를 이용하여 수행된다. 이와 같은 전계기록재생방식에 의하면, 1Tb/in2 이상의 높은 기록 밀도를 얻을 수 있다.
전계기록재생방식은 통상의 자기기록방식의 하드 디스크 드리이브의 구동 메카니즘을 거의 그대로 이용할 수 있으면서 기록밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 방식으로서, 강유전체 기록매체 및 그 제조 방법을 확보할 필요가 있다.
본 발명은 고밀도의 기록/재생이 가능한 강유전체 기록매체 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 강유전체 기록매체의 제조방법은, 기판에 도전성 물질층인 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 위에 유전성 물질층인 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 위에 소오스 물질층을 형성하는 단계; 어닐링 공정을 통하여 상기 소오스 물질층으로부터 강유전체층을 형성하는 단계;를 포함한다.
일 실시예로서, 상기 제조방법은, 상기 소오스 물질층 위에 반응 과정에서의 휘발에 의한 상기 소오스 물질층의 손실을 방지하는 캡핑층을 형성하는 단계;를 더 구비할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 강유전체층은 PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 로 이루어진 군에서 선택된 물질층일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 중간층은 ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2로 이루어진 군에서 선택된 물질층일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 소오스 물질층은 강유전체층과 동일한 물질층일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 소오스 물질층은, 상호 반응에 의하여 상기 강유전체층을 형성하는 복수의 물질층을 포함할 수 있다. 상기 복수의 물질층은 2회 이상 적층될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 강유전체층을 형성하기 위한 어닐링 공정은, 500℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전극층을 형성하는 단계는, 상기 기판에 도전성 물질을 증착하여 상기 도전성 물질층을 형성하는 단계; 상기 도전성 물질층이 형성된 기판을 500℃이하에서 어닐링하는 단계;를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 상기 전극층을 형성하는 단계는, 상기 도전성 물질층이 형성된 기판을 어닐링하기 전에, 상기 기판의 상기 도전성 물질층이 형성된 면의 반대면에 상기 기판의 변형을 방지하기 위한 변형방지층을 형성하는 단계;를 더 구비할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 중간층을 형성하는 단계는, 상기 기판에 상기 유전 물질의 시드 물질을 증착하는 단계; 산소를 포함하는 분위기에서의 어닐링 공정을 통하여 상기 시드 물질을 산화시켜 상기 유전 물질을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 강유전체 기록매체의 제조방법은, 기판에 도전성 물질층을 증착하고, 어닐링하여 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 위에 ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2로 이루어진 군에서 선택된 물질층인 중간층을 형성하는 단계; PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 로 이루어진 군에서 선택되는 강유전체층을 형성하기 위한 적어도 한 층의 소오스 물질층을 상기 중간층 위에 증착시키는 단계; 500℃ 이하의 아르곤-산소 혼합가스 분위기에서의 어닐링 공정을 통하여 상기 소오스 물질층로부터 상기 강유전체층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 강유전체 기록매체는, 기판 상에 전극층과 강유전체층이 마련된 강유전체 기록매체에 있어서, 상기 전극층과 상기 강유전체층 사이에는 상기 강유전체층의 결정의 배향방향을 소정의 지배적인 배향방향으로 유도하는 중간층이 마련된다.
일 실시예로서, 상기 기판의 변형을 방지하기 위하여 상기 기판의 상기 전극층에 형성된 면의 반대면에 마련되는 변형방지층;을 더 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 기록매체는, 상기 기판과 상기 전극층 사이에 위치되는 접착층; 상기 기판의 변형을 방지하기 위하여 상기 기판의 상기 전극층에 형성된 면의 반대면에 마련되는 변형방지층;을 더 구비하며, 상기 변형방지층은 상기 전극층 및 접착층과 동일한 물질층으로 된 다층구조일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 강유전체층은 PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 로 이루어진 군에서 선택된 물질층일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 중간층은 ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2로 이루어진 군에서 선택된 물질층일 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 전극층을 형성하는 과정의 일 실시예를 도시한 도면들.
도 1d는 중간층을 형성하는 과정의 일 실시예를 도시한 도면.
도 1e 내지 도 1g는 강우전체층을 형성하는 과정의 일 실시예를 도시한 도면들.
도 1h는 도 1a 내지 도 1g에 도시된 과정에 의하여 제조된 강유전체 기록매체의 일 예를 도시한 도면.
도 2a는 샘플1에 대한 엑스선 스캔 데이터를 도시한 그래프.
도 2b는 샘플1에 대한 엑스선 싱크로트론(synchrotron) 스캔 데이터를 도시한 그래프.
도 2c는 도 2b의 "A"부의 확대도.
도 2d는 샘플1의 박막 스캔에 의한 엑스선 스캔 데이터를 도시한 그래프.
도 2e에는 샘플1의 강유전 특성을 시험하기 위한 방법의 일 예를 도시한 도면.
도 3은 하드 디스크 드라이브의 구동메카니즘을 적용한 전계기록재생장치의 일 예를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10......기판 20......전극층
21......접착층 23, 26......변형방지층
30......중간층 40......소오스 물질층
43......캡핑층 50......강유전체층
100......전계기록재생헤드 200......서스펜션 아암
300......스윙 아암 400......보이스코일모터
500......기록매체
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 전극층(20)을 형성하는 공정을 도시한 도면들이다. 전극층(20)을 형성하는 공정은 도 1a에 도시된 바와 같이, 예를 들면 Pt, Ir, Ru, Al, Au, RuO2, SrRuO3, IrO3 등의 도전성 물질을 기판(10) 상에 증착(deposition)시키는 공정을 포함한다. 증착 공정으로서는 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PLD ( pulsed laser deposition ) 등이 채용될 수 있다. 전극층(20)의 두께는 예를 들면 0.5 내지 100nm 정도로 할 수 있다. 기판(10)으로서는 글래스(glass) 기판, 실리콘 기판, 폴리머 기판 등 다양한 재질의 기판이 채용될 수 있다.
전극층(20)을 형성하는 공정은 도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 접착층(adhesion layer)(21)을 증착하는 공정과, 접착층(21) 위에 도전물질을 증착하여 전극층(20)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 접착층(21)의 두께는 예를 들면 0.5 내지 100nm 정도로 할 수 있다. 접착층(21)은 예를 들면, Ti, Zr, TiO2, ZrO2, Hf, HfO2 등의 물질을 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PLD ( pulsed laser deposition ) 등의 증착 공정을 이용하여 기판(10) 상에 증착함으로써 형성될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 전극층(20)을 형성하는 공정은 도 1a의 공정에 의하여 도전물질이 증착된 기판(10) 또는 도 1b와 도 1a의 공정에 의하여 접착층(21)과 도전물질이 증착된 기판(10)을 어닐링하는 공정을 포함할 수 있다. 어닐링 공정은 상온 내지 약 500℃의 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 어닐링 공정은 약 400℃에서 2분간 어닐링하는 공정을 포함할 수 있다. 어닐링 공정은 전극층(20)의 결정성 향상에 도움이 된다. 어닐링 공정에 의하여, 전극층(20)의 표면은 매우 매끄러운 표면(smooth surface)이 된다. 또, 어닐링 공정을 통하여, 증착 공정에서 기판(10)에 가해진 스트레스를 완화시킬 수 있다.
전극층(20)을 형성하는 공정은 상술한 어닐링 공정을 수행하기 전에, 전극층(20)이 형성된 기판(10)의 반대면에 도 1a에 점선으로 도시된 바와 같은 변형방지층(23)을 형성하는 공정을 더 구비할 수 있다. 변형방지층(23)은 상술한 어닐링 공정에서 기판(10)의 휨을 방지하는데 도움이 되며, 이에 의하여 전극층(20)의 전기적 접촉성을 향상시킬 수 있다. 변형방지층(23)은 전극층(20)과 동일한 물질층일 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 접착층(21) 위에 전극층(20)을 형성하는 경우에는 변형방지층(26)은 접착층(21) 및 전극층(20)과 동일한 물질로 된 다층 구조일 수 있다. 변형방지층(23)은 전극층(20)과 동일한 물질을 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition) 등의 증착 공정을 이용하여 기판(10) 상에 증착함으로써 형성될 수 있다. 마찬가지로, 변형방지층(26)은 접착층(21) 및 전극층(20)과 동일한 물질을 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PLD ( pulsed laser deposition ) 등의 증착 공정을 이용하여 기판(10) 상에 순차로 증착함으로써 형성될 수 있다.
도 1d에는 중간층(intermediate layer)(30)을 형성하는 과정이 도시되어 있다. 도 1d를 보면, 중간층(30)을 형성하는 공정은 전극층(20) 위에 예를 들면, ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2 등의 유전성 물질층(dielectric material layer)을 형성하는 공정을 포함한다. 중간층(30)은 Zr, Ti, Mg, Sr, Al, Hf, Nb, Si, Zn 등의 시드 물질을 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PLD( pulsed laser deposition) 등의 공정에 의하여 전극층(20) 위에 증착하고, 산소를 포함하는 분위기에서의 어닐링 공정에 의하여 시드 물질을 산화시킴으로써 형성될 수 있다. 어닐링 공정은 약 500℃ 이하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 어닐링 공정은 약 400℃에서 1분간 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 또, ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2 등의 유전성 물질은 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PLD( pulsed laser deposition) 등의 공정에 의하여, 직접 전극층(20) 위에 증착시킴으로써 중간층(30)을 형성할 수도 있다. 또, Zr, Ti, Mg, Sr, Al, Hf, Nb, Si, Zn 등의 시드 물질 타겟을 이용하여 반응성 증착 공정에 의하여 산화와 동시에 전극층(20) 위에 증착시킴으로써 중간층(30)을 형성할 수도 있다. 직접 증착 또는 반응성 증착 공정 후에도 상술한 어닐링 공정이 수행될 수도 있다. 또, 중간층(30)의 두께는 약 0.5 내지 10nm, 바람직하게는 약 1 내지 4nm 정도로 할 수 있다. 중간층(30)을 형성하는 물질은 그 표면이 매우 매끄러운 물질이다. 후술하는 강유전체층을 형성하는 공정에서 중간층(30)은 강유전체층의 결정화과정에서 강유전체층의 배향방향이 소정의 지배적인 배향방향이 되도록 유도함으로써 우수한 결정성을 유지하게 하는 역할을 한다. 또, 강유전체층의 표면을 매끄럽게 하는데 도움을 준다.
다음으로, 강유전체층을 형성하는 공정이 수행된다. 도 1e를 보면, 강유전체층을 형성하는 공정은 소오스 물질층(40)을 중간층(30)위에 증착하는 공정과, 소오스 물질층(40)으로부터 강유전체층을 형성하기 위한 어닐링 공정을 포함한다. 강유전체층은 예를 들면 PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 물질층일 수 있다.
소오스 물질층(40)은 도 1f에 도시된 바와 같이, 반응에 의하여 PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 물질층을 형성하는 복수의 물질층(41)(42)을 예를 들면, 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PLD ( pulsed laser deposition ) 등의 공정에 의하여 중간층(30) 위에 증착함으로써 형성될 수 있다. 이 때, 복수의 물질층(41)(42)은 2층 이상 교대로 형성되는 것이 바람직하다. 복수의 물질층(41)(42)은 강유전체층의 화학양론적 조성 및 요구되는 강유전 특성을 감안하여 적절한 비율로 형성된다. 후술하는 어닐링 공정에서 복수의 물질층(41)(42)이 서로 반응할 때에 휘발에 의하여 소오스 물질이 손실되는 것을 방지 또는 보상하기 위하여 소오스 물질층(40) 위에 캡핑층(43)을 더 형성할 수도 있다. 캡핑층(43)은 복수의 물질층(41)(42) 중 어느 한 물질층일 수 있다.
소오스 물질층(40)은 도 1g에 도시된 바와 같이, PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 물질을 스퍼터링(sputtering), 열증발(thermal evaporation), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), PLD ( pulsed laser deposition ) 등의 공정에 의하여 중간층(30) 위에 증착함으로써 형성될 수도 있다. 이 때에도 후술하는 어닐링 공정에서 휘발에 의하여 소오스 물질이 손실되는 것을 방지 또는 보상하기 위하여 소오스 물질층(40) 위에 캡핑층(43)을 더 형성할 수 있으며, 캡핑층(43)은 상술한 복수의 물질층(41)(42) 중 어느 한 물질층일 수 있다. 또, 중간층(30)과 소오스 물질층(40) 사이에 시작층(starting layer)(44)을 더 형성할 수도 있다. 시작층(44)은 상술한 복수의 물질층(41)(42) 중 어느 한 물질층일 수 있다.
어닐링 공정은 상온 내지 500℃ 의 온도에서 수행될 수 있다. 어닐링 공정은 예를 들어, 약 400 내지 500℃의 온도에서 4분간 유지하는 공정을 포함할 수 있다. 어닐링 공정에 의하여, 복수의 물질층(41)(42)이 서로 반응하여 중간층(30) 위에 강유전체층이 형성되며 소정의 배향방향으로 결정화된다. 강유전물질을 직접 소오스 물질로 사용한 경우에도 어닐링 공정에 의하여 소오스 물질이 소정의 배향방향으로 결정화된다.
상기한 공정들에 의하여 도 1h에 도시된 바와 같은 강유전성 기록매체의 일 실시예가 제조된다. 일반적인 박막 제조 공정은 500℃ 이상의 고온 공정이며, 고온의 박막 공정에 의하여 제조된 박막은 표면이 매우 거칠다. 상기한 증착 및 500℃ 이하의 어닐링 공정에 의하여 강유전체층(50)을 형성하는 방법에 따르면, 솔리드 상태의 소오스 물질로부터 반응 및 결정화과정을 거쳐 형성된다. 따라서, 미세하고 소정의 지배적 배향방향을 갖는, 결정성이 우수한 강유전체층(50)을 얻을 수 있다. 또, 화학양론적 조성을 용이하게 제어할 수 있으므로 우수한 강유전 특성을 갖는 강유전체층(50)을 얻을 수 있다. 이에 의하여 기록밀도를 향상시킬 수 있다. 또, 표면 거칠기가 약 1nm 이하로서 매우 매끄러운 두께 20nm 미만의 박막 형태의 강유전체층(50)을 형성할 수 있다.
일 예로서, 강유전체 기록매체는 회전되는 디스크 형태로 제조되어 도 3에 도시된 하드 디스크 드라이브의 구동메카니즘을 채용한 전계기록재생장치에 적용될 수 있다. 스윙 아암(300)의 단부에 마련된 서스펜션 아암(200)에는 전계기록재생헤드(100)가 장착된다. 스윙아암(300)은 보이스코일모터(400)에 의하여 회동된다. 그러면, 강유전체 기록매체(500)가 회전되면 전계기록재생헤드(100)는 에어 베어링 효과에 의하여 기록매체(500)의 표면으로부터 부상된다. 도 3에 도시된 전계기록재생장치의 구동 시스템은 종래 HDD의 구동시스템과 동일하며, 종래의 하드 디스크 드라이브에서 자성기록매체가 강유전성 기록매체(500)로 대체되고, 아울러 자기기록재생헤드가 전계기록재생헤드(100)로 대체된다. 일반적으로 하드 디스크 드라이브의 구동 메카니즘을 채용할 경우에, 기록재생헤드(100)는 고속으로 회전되는 기록매체(500)의 표면으로부터 에어 베어링 효과에 의하여 부상한 상태에서 정보의 기록/재생동작을 수행하게 된다. 강유전체층(50)의 표면 거칠기가 크면, 기록/재생 과정에서 기록재생헤드(100)의 에어 베어링 면과 강유전체층(50)이 충돌하여 기록재생헤드의 에어 베어링 면 및 강유전체층(50)의 표면이 손상될 수 있다. 상술한 제조방법에 의하여 제조된 강유전체층(50)은 표면거칠기가 약 1nm 이하로서 매우 매끄러워서 기록재생헤드의 에어 베어링 면과 강유전체층(50)의 충돌을 방지할 수 있다. 그러나, 상술한 제조방법에 의하여 제조된 강유전체층(50)은 매끄러운 표면을 가지므로, 강유전체층(50)의 표면을 보호하기 위한 DLC(diamond like carbon)등으로 된 보호층 및/또는 윤활제가 없더라도 에어 베어링 효과에 의하여 기록재생헤드(100)가 강유전체층(50)의 표면으로부터 부상될 수 있다.
<실시예>
기판(10)으로서 글래스 기판을 채용한다. 글래스 기판은 가격이 저렴하여 글래스 기판을 이용하여 강유전체 기록매체를 제조하는 경우에 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 이점이 있다.
접착층 형성: 스퍼터링 챔버에 Zr-타겟을 설치하고, 스퍼터링 공정에 의하여 기판(10) 상에 Zr을 약 8nm 두께로 증착시켜 접착층(21)을 형성한다. 스퍼터링 조건은, 예를 들면 상온, 4밀리토르(mTott)의 아르곤(Ar) 가스 분위기, 알에프 파워(RF power) 50W로 설정될 수 있다.
전극층 형성: 스퍼터링 챔버에 Pt 타겟(target)을 설치한다. 예를 들면, 상온, 4밀리토르(mTorr)의 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 알에프 파워(RF power) 50W로 스퍼터링하여, Pt를 접착층(21) 위에 약 25nm 두께로 증착(deposition)함으로써 전극층(20)을 형성한다.
변형방지층 형성: 스퍼터링 공정에 의하여, 기판(10) 상에 Zr을 약 20nm 두께로 또 Pt를 약 150nm 두께로 순차로 증착시켜 변형방지층(26)을 형성한다. 스퍼터링 조건은, 예를 들면 상온, 4밀리토르(mTorr)의 아르곤(Ar) 가스 분위기, 알에프 파워(RF power) 50W로 설정될 수 있다.
어닐링: 어닐링 챔버에 5%의 산소를 포함하는 아르곤-산소 혼합가스 분위기를 형성한다. 어닐링 챔버의 압력은 40mTorr 로 설정한다. 기판(10)을 넣기 전에 어닐링 챔버를 약 300℃로 예열한다. 기판(10)을 어닐링 챔버에 넣고 약 300℃에서 약 2분간 유지한다. 기판(10)의 휨을 유발하는 열적 스트레스(thermal stress)가 기판(10)에 가해지지 않도록 하기 위하여 어닐링 챔버의 온도를 약 400℃로 서서히 올린다. 약 400℃에서 약 2분간 유지한 후에, 기판(10)을 어닐링 챔버에서 꺼낸다. 이 공정에서, 산소는 Pt-전극층(20)을 통과하여 Zr-접착층(21)으로 확산되며, Zr을 ZrO2로 산화시킨다.
냉각: 진공상태에서 약 30분간 냉각시킨다.
중간층 형성: Zr을 스퍼터링 공정에 의하여 전극층(20) 위에 2.6nm 두께로 증착시킨다. 스퍼터링 조건은, 예를 들면 상온, 4밀리토르(mTorr)의 아르곤(Ar) 가스 분위기, 알에프 파워(RF power) 50W로 설정될 수 있다. 그런 다음, 어닐링 챔버에 5%의 산소를 포함하는 아르곤-산소 혼합가스 분위기를 형성한다. 어닐링 챔버의 압력은 40mTorr 로 설정할 수 있다. 기판(10)을 넣기 전에 어닐링 챔버를 약 300℃로 예열한 후에 기판(10)을 어닐링 챔버에 넣는 것이 바람직하다. 약 300℃의 조건에서 약 2분간 유지한다. 기판(10)의 휨을 유발하는 열적 스트레스(thermal stress)가 기판(10)에 가해지지 않도록 하기 위하여 어닐링 챔버의 온도를 약 400℃로 서서히 올린다. 약 400℃에서 약 1분간 유지한 후에, 기판(10)을 어닐링 챔버에서 꺼낸다. 이에 의하여, Zr이 아르곤-산소 혼합가스 중의 산소에 의하여 ZrO2로 산화된다. 물론, ZrO2 타겟으로부터 전극층(20) 위에 ZrO2를 직접 증착시킬 수도 있으며, Zr 타겟을 이용하여 반응성 스퍼터링에 의하여 전극층(20)위에 ZrO2를 증착시킬 수도 있다. 이 경우에도 상술한 어닐링 공정이 수행될 수도 있다.
냉각: 진공상태에서 약 30분간 냉각시킨다.
강유전체층 형성: PbTiO3-강유전체층을 형성하기 위한 소오스 물질층(40)으로서는 PbO-물질층과 TiO2-물질층을 사용한다. PbTiO3-강유전체층의 화학양론적 조성(stoichiometry)을 고려하면, PbO-물질층의 두께는 TiO2-물질층의 두께의 1.26배가 되어야 한다. 그러나, PbTiO3-강유전체는 화학양론적 조성으로부터의 큰 편차(deviation)을 허용하는 물질이므로, 요구되는 강유전특성을 고려하여 PbO-물질층의 조성비를 다소 크게 또는 작게(over or under stoichiometry) 조절할 수 있다. 상온, 10mTorr, 5%의 산소를 포함하는 아르곤-산소 혼합가스 분위기에서 스퍼터링에 의하여 1.8nm 두께의 PbO-물질층과 1.5nm 두께의 TiO2-물질층을 4층 증착한다. 본 실시예에서는 PbO-물질층을 시작층(startinf layer)으로 사용하였으나, TiO2-물질층을 시작층으로 채용할 수도 있다. 휘발성이 있는 Pb의 손실을 방지하기 위하여 캡핑층(43)으로서 PbO-물질층을 소오스 물질층(40) 위에 1nnm 두께로 증착한다. 물론, PbTiO3를 직접 중간층(30) 위에 증착할 수도 있으며, 이 경우에도 캡핑층(43)으로서 PbO-물질층을 PbTiO3층 위에 1nm 두께로 증착할 수 있다. 소오스 물질층(40)의 증착이 완료되면, 강유전체층을 형성하기 위한 어닐링 공정이 수행된다. 어닐링 챔버에 5%의 산소를 포함하는 아르곤-산소 혼합가스 분위기를 형성한다. 압력은 40mTorr로 제어한다. 기판(10)을 넣기 전에 어닐링 챔버를 약 300℃로 예열한다. 기판(10)을 어닐링 챔버에 넣고 약 300℃에서 약 2분간 유지한다. 기판(10)의 휨을 유발하는 열적 스트레스(thermal stress)가 기판(10)에 가해지지 않도록 하기 위하여 어닐링 챔버의 온도를 약 480℃로 서서히 올린다. 약 480℃에서 약 2분간 유지한다. 온도를 430℃로 내리고 약 1분간 유지한다. 온도를 400℃로 내리고 약 1분간 유지한다. 40mTorr, 5%의 산소를 포함하는 아르곤-산소 혼합가스 분위기에서 냉각시킨다. 그런 후에 기판(10)을 어닐링 챔버에서 꺼냄으로서 중간층(30)위에 결정화된 14nm 두께의 PbTiO3-강유전체층을 형성할 수 있다.
상기한 실시예에 의하여 제조된 강유전체 기록매체를 샘플1이라 한다. 도 2a에는 샘플1에 대한 엑스선 스캔 데이터가 도시되어 있다. 도 2a에서는 PbTiO3-강유전체층의 피크(peak)는 보이지 않는다. 왜냐하면, PbTiO3-강유전체층이 너무 얇아서 충분한 신호가 발생되지 않았기 때문이다. 도 2a에서는 Pt-전극층이 거의 완전히 (111)방향으로 배향되어 있음을 확인할 수 있다. 도 2b에는 샘플1에 대한 엑스선 싱크로트론(synchrotron) 스캔 데이터가 도시되어 있으며, 도 2c는 도 2b의 "A"부의 확대도이다. 도 2b, 도 2c의 데이터는 Pt-전극층의 공진을 피하기 위하여 8도 오프셋(pffset) 상태에서 스캔한 데이터이다. 도 2c를 보면, (a)는 (111)방향으로 배향된 테트라고날(tetragonal) 구조의 ZrO2-중간층은 나타낸다. (b)는 (101)방향으로 배향된 PbTiO3-강유전체층을 나타낸다. (c)는 (110)방향으로 배향된 PbTiO3-강유전체층을 나타낸다. 도 2d에는 샘플1의 박막 스캔에 의한 엑스선 스캔 데이터가 도시되어 있다. 도 2d로부터 PbTiO3-강유전체층의 피크가 명료하게 확인된다. (110)방향과 (101) 방향은 갖은 패밀리에 속하는 것이므로 (110) 방향으로 지배적인 배향방향을 갖는 PbTiO3-강유전체층이 형성됨을 확인할 수 있다. 도 2e에는 샘플1의 강유전 특성을 시험하기 위한 방법을 도시한 도면이다. 샘플1의 강유전체의 표면에 한 변의 길이가 4㎛, 3.4㎛, 2.8㎛, 2.2㎛, 1.6 ㎛, 1.0㎛인 사각영역에 순서대로 +5V와 -5V의 전압을 인가한다. 그런 다음, PFM(piexoelectric force microscope)를 이용하여 분극방향을 조사하였다. 그 결과, ±5V의 전압에 의하여 매우 깨끗하게 스위칭됨을 확인할 수 있다. ATM(atomic force microscope)를 이용하여 샘플1의 표면 거칠기를 측정한 결과, RMS값(root mean square value)이 약 0.38nm, 피크-투 피크값(peak-to-peak value)이 약 4.9nm로서 매우 매끄러운 표면을 얻었음을 확인할 수 있다.
ZrO2-중간층을 사용하지 않은 점을 제외하고는 샘플1과 동일한 공정에 의하여 샘플2를 제조하였다. 샘플2의 표면 거칠기를 조사한 결과, RMS값이 약 1nm, 피크-투 피크값이 약 56nm로서 표면이 매우 거칠었다. 또, ±5V의 전압을 인가하여 강유전 특성을 조사한 결과, 스위칭이 거의 일어나지 않는 불충분한 강유전 특성을 보였다.
소오스 물질층으로서 두 층의 (3.6nm PbO - 3nm TiO2) 물질층을 사용한 점을 제외하고는 샘플1과 동일한 공정에 의하여 샘플3을 제작하였다. 샘플3의 표면 거칠기를 조사한 결과, RMS값이 약 0.47nm, 피크-투 피크값이 약 4.9nm로서 매우 매끄러운 표면을 얻었음을 확인할 수 있다. 또, ±5V의 전압을 인가하여 강유전 특성을 조사한 결과, ±5V의 전압에 의하여 매우 깨끗하게 스위칭됨을 확인할 수 있다.
소오스 물질층으로서 1.6nm 두께의 ZrO2-중간층을 사용한 점을 제외하고는 샘플1과 동일한 공정에 의하여 샘플4를 제조하였다. ±5V의 전압을 인가하여 강유전 특성을 조사한 결과, ±5V의 전압에 의하여 매우 깨끗하게 스위칭됨을 확인할 수 있다.
1.0nm 두께의 ZrO2-중간층을 을 사용한 점을 제외하고는 샘플3과 동일한 공정에 의하여 샘플5를 제조하였다. 샘플5의 표면 거칠기를 조사한 결과, RMS값이 약 0.54nm, 피크-투 피크값이 약 5.9nm로서 매우 매끄러운 표면을 얻었음을 확인할 수 있다. 또, ±5V의 전압을 인가하여 강유전 특성을 조사한 결과, ±5V의 전압에 의하여 매우 깨끗하게 스위칭됨을 확인할 수 있다.
PbO층 대신에 TiO2층을 시작층으로 하여 소오스 물질층으로서 두 층의 (3.0nm TiO2 - 4.1nm PbO) 물질층을 사용한 점을 제외하고는 샘플1과 동일한 공정에 의하여 샘플6을 제조하였다. 샘플6의 표면 거칠기를 조사한 결과, RMS값이 약 0.35nm, 피크-투 피크값이 약 2.8nm로서 매우 매끄러운 표면을 얻었음을 확인할 수 있다. 또, ±5V의 전압을 인가하여 강유전 특성을 조사한 결과, ±5V의 전압에 의하여 매우 깨끗하게 스위칭됨을 확인할 수 있다.
상기한 실시예에서는 ZrO2-중간층을 이용하여 PbTiO3-강유전체층을 제조하는 예만을 설명하였으나, 위에서 설명한 결과는 TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2등의 중간층을 사용한 경우에도 적용될 수 있으며, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 등의 다른 강유전체층을 제조하는 경우에 대하여도 적용됨을 확인할 수 있을 것이다.
또한, 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (20)

  1. 기판에 도전성 물질층인 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전극층 위에 유전성 물질층인 중간층을 형성하는 단계;
    상기 중간층 위에 소오스 물질층을 형성하는 단계;
    어닐링 공정을 통하여 상기 소오스 물질층으로부터 강유전체층을 형성하는 단계;를 포함하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소오스 물질층 위에 반응 과정에서의 휘발에 의한 상기 소오스 물질층의 손실을 방지하는 캡핑층을 형성하는 단계;를 더 구비하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전체층은 PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 로 이루어진 군에서 선택된 물질층인 강유전체 기록매체의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간층은 ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2로 이루어진 군에서 선택된 물질층인 강유전체 기록매체의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소오스 물질층은 강유전체층과 동일한 물질층인 강유전체 기록매체의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소오스 물질층은, 상호 반응에 의하여 상기 강유전체층을 형성하는 복수의 물질층을 포함하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 물질층은 2회 이상 적층되는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체층을 형성하기 위한 어닐링 공정은, 500℃ 이하의 온도에서 수행되는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극층을 형성하는 단계는,
    상기 기판에 도전성 물질을 증착하여 상기 도전성 물질층을 형성하는 단계;
    상기 도전성 물질층이 형성된 기판을 500℃ 이하의 온도에서 어닐링하는 단계;를 포함하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전극층을 형성하는 단계는,
    상기 도전성 물질층이 형성된 기판을 어닐링하기 전에, 상기 기판의 상기 도전성 물질층이 형성된 면의 반대면에 상기 기판의 변형을 방지하기 위한 변형방지층을 형성하는 단계;를 더 구비하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층을 형성하는 단계는,
    상기 기판에 상기 유전 물질의 시드 물질을 증착하는 단계;
    산소를 포함하는 분위기에서의 어닐링 공정을 통하여 상기 시드 물질을 산화시켜 상기 유전 물질을 형성하는 단계;를 포함하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  12. 기판에 도전성 물질층을 증착하고, 어닐링하여 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전극층 위에 ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2로 이루어진 군에서 선택된 물질층인 중간층을 형성하는 단계;
    PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 로 이루어진 군에서 선택되는 강유전체층을 형성하기 위한 적어도 한 층의 소오스 물질층을 상기 중간층 위에 증착시키는 단계;
    500℃ 이하의 아르곤-산소 혼합가스 분위기에서의 어닐링 공정을 통하여 상기 소오스 물질층로부터 상기 강유전체층을 형성하는 단계;를 포함하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 소오스 물질층 위에 반응 과정에서의 휘발에 의한 소오스 물질의 손실을 방지하는 캡핑층을 형성하는 단계;를 더 구비하는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  14. 제 12 항 또는 제13항에 있어서,
    상기 소오스 물질층은 강유전체층과 동일한 물질층인 강유전체 기록매체의 제조방법.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 소오스 물질층은, 상호 반응에 의하여 상기 강유전체층을 형성하는 복수의 물질층을 포함하며,
    상기 복수의 물질층은 2회 이상 적층되는 강유전체 기록매체의 제조방법.
  16. 기판 상에 전극층과 강유전체층이 마련된 강유전체 기록매체에 있어서,
    상기 전극층과 상기 강유전체층 사이에는 상기 강유전체층의 결정의 배향방향을 소정의 지배적인 배향방향으로 유도하는 중간층이 마련된 강유전체 기록매체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판의 변형을 방지하기 위하여 상기 기판의 상기 전극층에 형성된 면의 반대면에 마련되는 변형방지층;을 더 구비하는 강유전체 기록매체.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 전극층 사이에 위치되는 접착층;
    상기 기판의 변형을 방지하기 위하여 상기 기판의 상기 전극층에 형성된 면의 반대면에 마련되는 변형방지층;을 더 구비하며,
    상기 변형방지층은 상기 전극층 및 접착층과 동일한 물질층으로 된 다층구조인 강유전체 기록매체.
  19. 제 16 항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체층은 PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, LiNbO2, LiTaO3, BiFeO3, PVDF 로 이루어진 군에서 선택된 물질층인 강유전체 기록매체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 중간층은 ZrO2, TiO2, MgO2, SrTiO3, Al2O3, HfO2, Nb산화물, SiO2, ZnO2로 이루어진 군에서 선택된 물질층인 강유전체 기록매체.
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