[논문]모양으로 유도된 자기 이방성을 가진 <tex>$Ni_{80}Fe_{20}/SiO_2$</tex> 다층막의 자기적 성질

윤의중; 정명희

초록
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본 연구에서는 모양으로 유도된 자기 이방성을 가진 $Ni_{80}Fe_{20}/SiO_2$ laminates 다층막의 자기적 성질을 조사 하였다. 다층막은 rf 다이오드 스퍼터링 시스템을 이용하여 개개의 $Ni_{80}Fe_{20} 와 $SiO_2$ (at%) 합금 타겟들로부터 Si 또는 upilex 기판에 적층하였다. 여러 가지 개수(N)의 이중층으로 구성된 $Ni_{80}Fe_{20}/SiO_2$ laminates 가 적층되었다. 사진식각기술을 사용하여 타원형 어레이 패턴을 가진 $Ni_{80}Fe_{20}/SiO_2$ laminates 가 제작 되었다. 자기적 성질은 B-H 히스테리시스 그래프와 고주파 permeameter를 사용하여 상온에서 측정 되었다. 다층막에서 도메인 reversal 시 발견된 몇 개의 스텝들은 자성체 박막 사이에 존재하는 coupling 때문으로 사료된다. 내재하는 intrinsic 일축 자기 이방성 field는 N이 증가하면 증가한다. 전체 자기 이방성 field의 실험값은 계산된 값과 잘 일치 하였다. 본 연구에서는 소형의 타원형 어레이를 가진 다층막의 laminate 구조체를 이용하여 더 큰 일축 자기 이방성을 유도하고 그 결과 laminate의 동작 주파수를 극대화시키고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the magnetic properties of $Ni_{80}Fe_{20}/SiO_2$ laminates with shape-induced magnetic anisotropy. The multilayer films were deposited on Si or upilex substrates, from separate $Ni_{80}Fe_{20}$ and $SiO_2$ (at %) alloy targets using a rf diod...

This study investigated the magnetic properties of $Ni_{80}Fe_{20}/SiO_2$ laminates with shape-induced magnetic anisotropy. The multilayer films were deposited on Si or upilex substrates, from separate $Ni_{80}Fe_{20}$ and $SiO_2$ (at %) alloy targets using a rf diode sputtering system. $Ni_{80}Fe_{20}/SiO_2$ laminates with a various number of bilayers (N) were prepared. The laminates with ellipse array patterns were prepared using photolithographic technique. The magnetic properties were measured at room temperature using a B-H hysteresisgraph and a high frequency permeameter. The several steps during domain wall reversal were observed in multilayer films, attributing to inter-magnetic layer coupling. Intrinsic uniaxial anisotropy field increases with N. The experimental values of the total anisotropy field are found to be in good agreement with the calculated values. This study utilized the shape anisotropy of the laminated film objects with small ellipse array patterns to induce a larger uniaxial anisotropy so as to maximize their operating frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 모양에 의해 유도된 자기 이방성은 일축 이방성을 조절하는 중요한 수단이 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 모양에 의해 유도된 자기이방성을 가진 NisoFeeSiOz laminates의 자기적 성질을 연구하였다. 본 연구의 목적은 MHz-GHz 주파수 영역에서 사용 가능한 최적의 laminate 박막 층을 연구하는 것이다.
지고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 소형의 타원형 어레이 패턴을 가진 다층막의 laminate 구조체의 모양 이방성 (shape anisotropy)을 이용하여 더 큰 일축 자기 이방성을 유도하고 그 결과 laminate의 동작 주파수를 극대화시키고자 하였다. 타원형 어레이 패턴의 장축(long axis) 방향을 다층박막의 easy 축과 평행하게 하여 모양 효과(shape effect)를 극대화 하도록 하였다.
Hk 는 N이 증가할수록 증가 하였다. 본 연구에서는 소형의 타원형 어레이 패턴을 가진 다층막의 laminate 구조체를 이용하여 더 큰 일축 자기 이방성을 유도하고 그 결과 laminate의 동작 주파수를 극대화시키고자 하였다. 측정된 Han 값과 식(3)으로부터 계산된 Han 값은 서로 잘 일치하고 있어서 식(3)은 Han 값을 예측하는데 큰 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 모양에 의해 유도된 자기이방성을 가진 NisoFeeSiOz laminates의 자기적 성질을 연구하였다. 본 연구의 목적은 MHz-GHz 주파수 영역에서 사용 가능한 최적의 laminate 박막 층을 연구하는 것이다.

제안 방법

사용하여 상온에서 측정하였다. 또한, 다층박막층의 고주파수 응답특성은 고주파수 permeameter"'로측정하였다.
NiFe 박막 층 식각용으로 50ml HC₁ + 50ml HNO₃ + 50ml HC₁ DI Water 식각용액을 사용하고, Sit, 박막층 식각용으로 완충용 HF(buffer HF) 식각용액을 사용하였다. NiFe 박막 층의 최적의 식각시간(21.5 sec) 은식각용액 안에서 NiFe 박막 층이 식각되는 것을 눈으로 확인 하면서 결정 하였고 SiG의 식각시간(~1분)은참고문헌 [5]에서 얻은 0.11/W분 의 식각률을 기반으로 결정하였다.
laminate 된 다층박막 층과 타원형 모양을 가진 laminate된 다증박막 층의 자화(Ms) 와 coercive force (H0 등은 저 자장 (low magnetic field) B-H hysteresis-graph (100 Oe 미만의 동작 자장)와 진동샘플 마그네토미터 (vibrating sample magnetometer; VSM)을 사용하여 상온에서 측정하였다. 또한, 다층박막층의 고주파수 응답특성은 고주파수 permeameter"'로측정하였다.
모양으로 유도되는 자기 이방성이 다층박막 층의 자기 성질과 고주파수 응답특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 반도체공정인 사진 식각 기술을 사용하여 타원형 어레이(array) 패턴을 가진 laminate를 제작하였다. NiFe 박막 층 식각용으로 50ml HC₁ + 50ml HNO₃ + 50ml HC₁ DI Water 식각용액을 사용하고, Sit, 박막층 식각용으로 완충용 HF(buffer HF) 식각용액을 사용하였다.
여러 개수의 NigoF或SiQ 단위의 이 중 박막 층을 가진 NisoFe2(/Si02 laminate들이 준비되었다. 여러 가지 종류의 NiFe 대 SiQ 박막 층 두께 비를 사용하여 실험이 진행되었고, 가장 안정된 성질을 나타내는 최적의 두께 비를 결정 하였다. 그 결과 이 중 박막 층에서 NisoFeaj과 SiCfe 의 두께는 각각 128 ntn와 50 nm로 고정시켰다.
따라서 본 연구에서는 소형의 타원형 어레이 패턴을 가진 다층막의 laminate 구조체의 모양 이방성 (shape anisotropy)을 이용하여 더 큰 일축 자기 이방성을 유도하고 그 결과 laminate의 동작 주파수를 극대화시키고자 하였다. 타원형 어레이 패턴의 장축(long axis) 방향을 다층박막의 easy 축과 평행하게 하여 모양 효과(shape effect)를 극대화 하도록 하였다.

대상 데이터

시스템의 base 압력은 2x10_「7 torr 정도이었고 스퍼터링 기간 동안의 Ar 압력은 10 mtoiT 이었다. 여러 개수의 NigoF或SiQ 단위의 이 중 박막 층을 가진 NisoFe2(/Si02 laminate들이 준비되었다. 여러 가지 종류의 NiFe 대 SiQ 박막 층 두께 비를 사용하여 실험이 진행되었고, 가장 안정된 성질을 나타내는 최적의 두께 비를 결정 하였다.

성능/효과

그림 4에서 NisoFezo/SiCh laminate 된 다층박막의 경우 f = 30 MHz 정도에서 permeance 스펙트라의 감쇄 (roll-off) 현상이 발견 되었으나, Ni8oFe2o/Si02 laminate 된 타원 어레이의 경우 f = 200 MHz 까지 감쇄 현상이 발견되지 않았다. 따라서 이 결과로부터 모양 이방성 때문에 NisoFezo/ SiCh laminate된 박막에서 발견되는 permeance 스펙트라의 감쇄현상이 NisoFe2o/SiC)2 laminate된 타원 어레이에서 더 높은 주파수로 shift되는 이점을 확인할 수 있다. permeance 스펙트라의 감쇄현상이 발생하기 시작하는 주파수 f = 30 MHz는 앞서 유도된 식⑺과 그림 4의 (a)에서 얻은 岛을 사용하여 계산된 LC 공진 주파수(=30 MHz) 와 일치하였다.

참고문헌 (8)

J. S. Y. Feng and D. A. Thompson, 'Permeability of narrow permalloy stripes,' IEEE Trans. Magn., vol. 13, pp. 1521-1523, 1977

상세보기
M. Senda and O. Ishii, 'High frequency magnetic properties of $CoFe/SiO_2$ multilayer film with the inverse magnetostrictive effect,' IEEE Trans. Magn., vol. 30, pp. 155-158, Jan. 1994

상세보기
S. G. Kim, Eui-Jung Yun, J. Y. Kim, J. D. Kim, and K. I. Cho, 'Microfabrication and characteristics of double-rectangular spiral type thin-film inductors with an upper NiFe magnetic core,' J. Appl. Phys., vol 90, pp. 3533-3538, 2001

상세보기
Eui-Jung Yun, M. H. Jung, C. I. Cheon, and H. G. Nam, 'Microfabrication and characteristics of low-power, high-performance magnetic thin film transformers,' IEEE Trans. Magn., vol. 40, no. 1, pp. 65-70, 2004

상세보기
J. L. Vossen and W. Kern, Thin Film Processes, New York: Academic, 1978, pp. 437
C. A. Grimes, P. Trouilloud, and R. M. Walser, 'A new swept-frequency permeameter for measuring the complex permeability of thin magnetic films,' IEEE Trans. Magn., vol. 24, pp. 603-610, 1988

상세보기
R. M. Walser, 'A Study of Thin Film Magnetodielectrics' Ph.D. Dissertation, University of Michigan, 1968
R. M. Walser and A. P. Valanju, 'Displacement eddy currents in magnetic laminates,' IEEE Trans. Magn. vol. 28, pp. 2280-2282, September 1992

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