상온에서 상유전상(paraelectric phase)을 가지는 강유전체 박막은 인가전압에 따른 정전용량의 변화 의존성인 동조(tunability) 특성을 보이므로 이를 이용한 마이크로파 동조디바이스에 응용을 목적으로 활발히 연구가 진행 중이다. 상온에서 자발 분극을 갖는 대표적인 강유전체인 $BaTiO_3$ 의 경우 박막 내에 존재하는 domain switching 으로 인해 tunability 특성이 향상되는 반면 유전 손실 및 이력특성의 문제로 그 연구가 제한되어 왔다. 그런데 박막으로 제조된 epitaxial $BaTiO_3$ 이 응력으로 인해 lattice distortion 이 발생하면 이력 특성뿐만 아니라 동조 특성이 향상되는 것으로 이론적으로 보고되어 있다. 또한 $BaTiO_3$ 의 domain 형성으로 인한 유전손실 메커니즘인 ferroelastic domain 및 piezoelectric sound generation 이 발생하는 2-3GHz 이상에서는 유전손실이 기여하지 않기 때문에 $BaTiO_3$ 의 마이크로파 동조 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 interdigital 전극 구조를 갖는 interdigital electrode 타입의 $BaTiO_3$ capcitor 를 제조하였으며 $BaTiO_3$ 박막의 응력 상태를 변화시켜 이에 따른 마이크로파 동조 특성에 대해 조사하였다.
Epitaxial $BaTiO_3$ 의 응력 상태를 제어하기 위해 우선 사용되는 산화물 기판의 종류를 변화시켜 박막의 응력을 살펴보았으나, 기판의 종류 ($LaAlO_3$, $SrTiO_3$, $MgO$) 에 관계없이 모두 강한 압축응력상태에서 크게 벗어나지 않는 것으로 조사되었다. 이는 기판의 수직방향에서 벗어난 off-axis sputtering 의 구조에서 발생하는 비스듬히 입사하는 incident particle 들이 기판과의 mismatch 로 인해 발생하는 응력의 완화를 방해하여 생긴 결과로 해석된다. 따라서 RF sputtering 법 이외에 Pulsed Laser Deposition (PLD)법을 이용하여 $BaTiO_3$ 박막의 응력을 제어해보고자 시도하였으며 그 결과, sputtering 에 의해 증착된 박막은 강한 압축응력을, PLD 법에 의해서는 무응력에 가까운 epitaxial $BaTiO_3$ 박막을 제조할 수 있었다.
마이크로파 동조 특성 측정에 앞서 parallel 구조의 epitaxial $BaTiO_3$ capacitor 를 제조하여 P-V curve 측정을 통해 2Pr=20μC/㎠의 강유전성을 확인하였으며 본 연구에서 마이크로파 동조 특성 측정에 이용되는 interdigital 전극구조의 resonator 를 제조하여 저주파에서 먼저 동조특성에 대해 평가하였다. RF 와 PLD 에 의해 제조된 IDC 구조의 $BaTiO_3$ 박막은 25V 의 인가전압 하에서 각각 18.3%와 40.5%의 동조 특성을 보였다. 그러나 40.5%의 양호한 동조 특성에 불구하고 유전 손실의 증가로 K-factor (tunability 와 Q-factor(1/tanδ)의 곱)는 감소하는 결과를 얻었다.
1GHz 의 마이크로파 주파수에서 측정된 동조 특성은 RF 와 PLD 에 의해 증착된 IDC $BaTiO_3$ 박막의 경우 각각 24%와 39%로 저주파에서 측정된 값과 비슷함을 확인하였다. 그러나 Q-factor 의 상당한 감소가 두 경우 모두 관찰되었는데, 0.5GHz 에서 20GHz 까지의 주파수에 따른 어드미턴스의 변화를 관찰한 결과, 1.6GHz 와 2GHz 사이에서 LC 공진현상이 관찰되어 이로 인한 유전 손실의 증가가 1GHz 에서 측정된 Q-factor 의 감소에 영향을 준 것으로 생각된다. 바이어스 인가전압에 의한 동조 특성은 제작된 $BaTiO_3$ resonator 의 resonace 주파수의 변화를 유도하였으며 PLD 로 제조된 resonator 의 경우가 RF sputtering 으로 제조된 resonator 의 경우보다 동조 특성이 우수한 것으로 조사되었다. 이 결과는 박막내에 존재하는 서로 다른 응력 상태에 기인한 것으로 생각된다.
