BaO-TiO₂계 유전체 박막의 고주파 유전특성 및 박막소자 제작 연구 = Microwave dielectric properties of BaO-TiO₂thin films and fabrication of thin film devices
RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 2종류(poly-Si/ SiO2/Si, Pt/Ti/SiO2/Si)의 반도체 기판위에 유전체 박막을 성장시켜 미세구조와 조성을 조사하였으며, 저주파 유전특성을 측정하여 최적 공정조건을 도출하였다. 성장된 유전체 박막의 고주파 대역에서 정확한 유전상수와 유전손실을 측정하기 위해 circular-patch capacitor를 제작하고, CPW(coplanar waveguide) probe를 이용하여 유전특성을 측정하였다. 능동소자와의 MMIC를 위해서 기판을 포함한 두 층의 마이크로스트립 기판의 유전상수 도출을 위한 모델을 제시하였으며, 두 층 마이크로스트립 기판의 해석을 통해 Si 기판과 유전체 박막과의 합성 커패시턴스를 도출하였고 이것으로부터 합성 유효 유전상수를 계산하여 마이크로스트립 갭 공진기, 브랜치-라인 커플러 및 hair-pin 대역통과 필터를 Serenade 및 IE3D 소프트웨어를 이용하여 설계하고 시뮬레이션 하였다. 최적화된 시뮬레이션 결과를 이용하여 직접 박막 소자를 제작하여 그 특성을 보고하였다.
더보기BaO-TiO2 thin films are grown on a Pt/Ti/SiO2/Si and Poly-Si/SiO2/Si substrate using RF magnetron sputtering, and the structural and dielectric properties of the thin films are investigated.
The circular-patch capacitor geometry is used to measure the microwave dielectric properties of the thin films. The dielectric constant and dielectric loss are successfully measured up to 6 GHz.The εr of BaTi4O9 thin film is similar to the εr of the BaTi4O9 ceramics, which is about 36 ~ 39. The tanδ of the film with 460nm thickness is very low, approximately 0.0001.
For the BaTi5O11 thin film grown at 550 ℃ and rapid thermal annealed at 900 ℃ for 3 min., the εr of 30 ~ 35 and tanδ of 0.0025 ± 0.005 are obtained at 1 ~ 6 GHz.
The three prototype thin film devices with a BaTi5O11 thin film on a Si substrate are designed and fabricated. The microstrip gap resonator has the center frequency of 2.3 GHz and the bandwidth of 110MHz. The branch-line coupler has the center frequency of 2.36 GHz and the bandwidth of 420 MHz. And also the three-pole hair-pin band-pass filter has the center frequency of 4.02GHz and the bandwidth of 140MHz.
Therefore, the prototype BaO-TiO2 thin film devices are successfully fabricated and BaO-TiO2 thin film can be used as a thin film devices working at microwave frequencies.
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