This paper gives characterization of substrate and PZT(53/47) thin film deposited by metalorganic decomposition, which is concerned in deposition process and device fabrication process, to fabricate micro electro mechanical system (MEMS) device with piezoelectric material. The PZT thin films deposited by MOD at 700^{\circ}C$ for 30 minutes had a polycrystallinity, that is, no substrate dependence, while different interface were developed depending on the bottom electrodes. Such a structural variation could influence on not only the properties of the PZT film but also etching process for fabricating MEMS devices. Therefore the electrode structure is a very important factor in the deposition of the PZT film during etching process by HF acid for MEMS device with piezoelectric material. Piezoelectric coefficients of the PZT films on the different substrates were 40 and 80 pm/V at an applied voltage of 4V. Based in these results, it was possible for deposition of the PZT film by MOD to apply MEMS device fabrication process based on piezoelectricity after selection of proper bottom electrode.
The effect of excess Pb contents on the etching of PZT thin films and their electrical properties has been investigated. Ferroelectric PZT(53/47) thin films were prepared by the metal alkoxide-based Sol-Gel method, in which they were spin-coating on P7Ti/Si02/Si substrate using the PZT(53/47) stock solutions with various excess Pb contents. Etching of PZT film was performed using planar inductively coupled Ar/Cl$_2$/BCl$_3$ plasma. The etch rate of PZT film was 2450 $\AA$/min at Ar(20)/BCl$_3$(80) gas mixing ratio and substrate temperature of 8$0^{\circ}C$.
$Pb(Zr_{0.53}Ti_{0.47})O_3$ (PZT) was synthesized by a multiple wet dry process. Precipitates prepared from reaction between $ZrOCl_2{\cdot}8H_2O$ and $TiOCl_2$ and $NH_4OH$ in an aqueous solution was dried at $100^{\circ}C$, and calcined at $500^{\circ}C$ and $700^{\circ}C$. The mixture mixed with PbO and as-dried or calcined $Zr_{0.53}Ti_{0.47}O_4$ (ZT) powders was calcined again at 700 and $800^{\circ}C$. Well crystallized ZT and PZT were formed at even $700^{\circ}C$. PZT piezoelectric ceramics of more than 98.5% in a relative density was obtained by sintering at as low as $900^{\circ}C$.
R. F. magnetron sputtering법을 이용하여 Pt/Ti/$SiO_2$/Si 기판 위에 $Pb_{1.1}Zr_{0.53}Ti_{0.47}O_3$ target을 사용하여 박막을 제조하였다. Interlayer(PbO, $TiO_2$, PbO/$TiO_2$)층을 삽입함으로써 박막의 결정성을 향상시켰고, 박막의 기판온도도 상당히 낮출 수 있었다. 순수한 PZT에 비하여 interlayer를 삽입한 PZT는 높은 유전상수과 낮은 유전손실 및 높은 누설전류를 가지는 우수한 전기적 특성을 나타내었다. 이러한 PZT 박막과 interlayer 층은 증착온도에서 서로 반응하여 하나의 고용체를 이루지 않고, 각각 독립적인 층으로 존재함을 XPS 분석을 통해 확인하였다. 여러 interlayer중 특히 PbO/$TiO_2$는 우수한 유전특성(${\varepsilon}_r$=414.94, tan${\delta}$=0.0241, Pr=22${\mu}C/cm^2$)을 나타내었고 가장 효과적인 seed로써의 역할을 하였다.
diol을 기반으로 하는 Sol-Gel 방법으로 PZT (53/47) 1M sol 용액을 만들어 회전 코팅법으로 Pt/Ti/$SiO_2$/Si 기판위에 코팅하였고 한번 코팅으로 최대 0.9${\mu}m $의 PZT막을 얻었다. PZT는 비강유전성 pyrochlore상을 거쳐 강유전성 perovskite상으로 전이하며 따라서 PZT perovskite seed가 상전이에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 0.2${\mu}m $ 이하의 크기를 갖는 1wt% PZT분말을 propanol용액에 분산시켜 PZT sol 용액에 도입하여 seeded PZT 막을 제조하였다. Seeded PZT막을 열처리한 결과 perovskite상의 생성이 촉진되어 상전이 온도가 50$^{\circ}C$정도 낮아졌다.
The ferroelectric properties of PZT(53/47) thin film was investigated by methoxy enthanol solution based on sol-gel method. The thickness of each layer by spincoating 0.25M sol at one time was $0.1{\mu}m$ and crack-free film was formed. $LaNiO_3/Si(100)$ electrode and $Pt/Ti/SiO_2/Si(100)$ electrode was coated by PZT sol at several times. PZT orientation was confirmed as a method of XRD and coercive field(Ec) as well as remnant polarization(Pr) was investigated from hysterisis curve. As a result of XRD analysis, we can know that the orientation of on PZT/LNO/Si(100) is better than on $Pt/Ti/SiO_2/Si(100)$. The remnant polarization(Pr) in LNO electrode was $87.5{\mu}C/cm^2$ and $39.8{\mu}C/cm^2$ in Pt. From this figures, it is investigated that the Pr in LNO electrode was better than in Pt.
High-density lead zirconate titanate(Pb(Zr$\_$0.53/Ti$\_$0.47/)O$_3$, PZT) ceramics were fabricated by a new milling-precipitation(MP) process improved from the conventional solid state process. This process was progressed by a milling impregnation through mixing ZrO$_2$ and TiO$_2$ powders with lead nitrate(Pb(NO$_3$)$_2$) water solution in zirconia ball media, and then milling precipitation was induced from precipitation of PbC$_2$O$_4$ by adding ammonium of oxalate monohydrate((NH$_4$)$_2$C$_2$O$_4$$.$H$_2$O) as a precipitant. As a result of this process, single-phase perovskite structure was formed at the calcination temperature of 750$\^{C}$ for Pb(Zr$\_$0.53/Ti$\_$0.47/)O$_3$ powders. In addition, the highest density at the sintering temperature of 1100$\^{C}$ was obtained, because of the highly sinterable PZT Powders ground through the re-milling process. Piezoelectric and dielectric properties of sintered sample were improved by MP process.
PbO 완충층의 역할을 확인하기 위해, r.f. magnetron sputtering법을 이용하여 p-type (100) Si 기판 위에 $Pt/Pb_{1.1}Zr_{0.53}Ti_{0.47}O_{3}$와 PbO target으로 Pt/PZT/PbO/Si의 MFIS 구조를 제조하였다. MFIS 구조에 완충층으로 PbO를 삽입함으로써 PZT 박막의 결정성이 크게 향상되었고, 박막의 공정온도도 상당히 낮출 수 있었다. 그리고 XPS depth profile 분석 결과, PbO 증착시 기판온도가 PbO와 Si의 계면에서 Pb의 확산에 미치는 영향을 확인하였다. PbO 완충층을 삽입한 MFIS는 높은 메모리 윈도우와 낮은 누설전류 밀도를 가지는 추수한 전기적 특성을 나타내었다. 특히, 기판온도 $300^{\circ}C$에서 증착된 PbO를 삽입한 Pt/PZT(200nm, $400^{\circ}C)PbO(80nm)/Si$는 9V의 인가전압에서 2.OV의 가장 높은 메모리 윈도우 값을 나타내었다.
In this paper, PZT piezoelectric ceramic specimens with 4 compositions (Zr/Ti=50/50, 53/47, 56/44, 58/42) in $Pb(Zr,Ti)O_3$ system were fabricated. We studied effects of poling strength and thermal aging on the temperature characteristics of eletromechanical coupling factor k31 of the specimens, which were poled with the DC electric fields, 1.5, 2.5 and 3.5 kV/mm respectively and thermally aged for an hour at $200^{\circ}C$. The eletromechanical coupling factor k31 of the specimen with the composition Zr/Ti= 53/47, nearest to the morphotropic phase boundary decreased the most greatly, irrelevant to the intensity of poling field, due to 1st thermal aging. And the temperature coefficient of eletromechanical coupling factor k31 was (-) in the tetragonal phase composition and (+) in the rhombohedral phase composition, which is reverse in the temperature coefficient of resonance frequency. It is interesting that eletromechanical coupling factor k31 of PZT ceramics is shown to be able to increase as temperature increase in the interval $-20{\sim}80^{\circ}C$.
2단계하소법에 의해 낮은 하소온도에서 미세하고도 균일한 PZT분말을 합성하였다. 우선 Zr $O_{2}$와 Ti $O_{2}$ 혼합분말을 1차하소하여 (Z $r_{0.53}$$Ti_{0.47}$) $O_{3}$(ZTO) 분말을 합성하고 이 ZTO 고용분말에 PbO와 N $b_{2}$$O_{5}$을 혼합한 후 650-800.deg.C에서 2시간 하소하여 PZT 분말을 합성하였는데 얻어진 분말은 고상반응법에 비해 미세할 뿐만 아니라 XRD 분석결과 710.deg.C의 낮은 하소온도에서도 PZT 단일상을 나타내었다. 2단계하소법에 의해 하소온도를 낮출 수 있는 주된 이유로는 고상반응법에서는 중간생성물인 PbTi $O_{3}$상의 생성이 수반됨으로 850.deg.C 이상 되어야만 안전한 PZT가 생성될 수 있는 점을 들 수 있다. 또 2단계하소법에 의하면 950.deg.C이하의 낮은 소결온도에서도 치밀화가 미루어지는 소결이 가능함을 알 수 있었는데 이와같이 소결온도를 낮출 수 있는 것은 고상반응법에 비해 미세한 PZT 분말을 사용하였기 때문이라 풀이된다.이된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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