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문제 정의
- 본 연구는 나노자성 감지 GMR-SV 바이오센서로 이용하기 위해 제작한 소자의 고감도 기능을 향상시키는 방법에 대해 실험적인 결과를 바탕으로 제시하는 것이다[9, 10]. 즉 자성다층박막에서 고정층은 폭 방향으로 자화 용이축을, 자유층은 길이 방향으로 형상 자기이방성을 갖도록 유도하여 그 자기저항 특성을 관찰하여 비교 분석하였다.
- 즉, GMR-SV 다층박막을 증착할 때 형성된 일축 이방성인 자기장의 용이축과 수직으로 90°가 되도록 소자를 길이 방향으로 패턴닝하는 것이 중요하다. 본 연구에서 자장민감도를 감소시키면서 소자의 폭 방향을 고정층의 용이축 방향으로, 소자의 길이 방향을 자유층의 용이축 방향으로 유도하는 이유는 GMR-SV 다층박막 구조에서 자유층의 보자력이 최소화로 나타난 0 Oe 근방에서 외부에 따른 미세 자기장이 증감함에 따라 선형적으로 반응하는 최적 조건을 얻기 위함이었다. GMR-SV 소자가 극미세 자기장 검출용 바이오 소자로 사용될 때 갖추어야 할 주요 특성으로는 선형적인 민감도와 큰 출력값 등을 보유하는 것이다.
제안 방법
- Ta(bottom)/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta(top) 다층박막을 3 × 10−6 Torr인 고진공 증착 시스템을 이용하여 유리(Corning 7059) 기판 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 상온에서 증착하였다.
- 광 리소그래피 공정으로 1 µm의 폭 크기와 20 µm의 길이를 갖는 GMR-SV 소자를 제작하기 위해 먼저 금속 그림자 마스크(shadow mask)없이 증착한 시료에 PR(Photoresistance) 영역을 남기도록 하였으며, 전자 사이클로트론 공명 장치(Electron Cyclotron Resonance; ECR)를 이용한 Ar+ 이온밀링으로 식각을 하였다[10-12].
- 여기서 그림 아래에 화살표 방향을 표시했듯이 소자의 길이 방향으로 수직이고 소자의 폭 방향으로 상태로 자화 용이축 방향을 설정하였다. 또한 다른 방법으로 소자의 폭 방향으로 수직이고 소자의 길이 방향으로 평행인 상태로 자화 용이축 방향을 설정하였다.
- 생체분자의 자화 특성을 검출하기 위해 제작한 Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta 스핀밸브 박막소자에 대해 미세한 패턴의 모양에 따라 다른 길이 방향의 형상 자기 이방성과 폭 방향의 용이축에 의존하는 자기저항 특성을 조사하였다. 자성 다층박막의 일축 이방성은 증착할 때 자화 용이축을 폭 방향 또는 길이 방향으로 설정하여 1 µm × 18 µm의 소자를 리소 패턴닝 후 제작한 GMR-SV 소자의 자기저항 곡선을 측정하고 자기저항 특성을 비교하였다.
- 모든 소자들은 열처리를 하지 않고 증착된 상태를 유지하였다. 소자의 자기저항 특성을 보여주는 보자력(coercivity; Hc), 교환결합세기(exchange coupling field; Hex), 자기저항비(magnetoresistance ratio; MR(%)) 그리고 자장감응도(magnetic sensitivity; MS(%/Oe))는 상온에서 2단자 자기저항 측정 시스템으로 얻은 값의 자기저항 곡선으로부터 각각 결정하였다.
- 이온밀링으로 식각을 하였다[10-12]. 여기서 증착할 때 인가한 자기장의 자화 용이축 방향을 소자의 폭 방향 혹은 길이 방향으로 하여금 형상 자기이방성 효과가 나타나도록 하였다. 이 소자의 제조 공정에서 밀링 후 아세톤으로 PR을 제거하였으며, 2차 광 리소그래피 공정으로 폭 크기는 변하지 않고 길이는 4.
- 그 위에 Cr(50 nm)과 Cu(50 nm)를 차례로 증착한 후 lift-off 방법으로 전극을 형성시켰다. 이 소자의 공정 과정에서 생긴 산화막 및 표면오염으로 인한 자기저항 특성의 변화를 최소화하기 위해 표면처리 과정을 거친 후 in-situ 방법으로 바로 전극을 형성시켰다. 모든 소자들은 열처리를 하지 않고 증착된 상태를 유지하였다.
- 자성 다층박막의 일축 이방성은 증착할 때 자화 용이축을 폭 방향 또는 길이 방향으로 설정하여 1 µm × 18 µm의 소자를 리소 패턴닝 후 제작한 GMR-SV 소자의 자기저항 곡선을 측정하고 자기저항 특성을 비교하였다.
- 본 연구는 나노자성 감지 GMR-SV 바이오센서로 이용하기 위해 제작한 소자의 고감도 기능을 향상시키는 방법에 대해 실험적인 결과를 바탕으로 제시하는 것이다[9, 10]. 즉 자성다층박막에서 고정층은 폭 방향으로 자화 용이축을, 자유층은 길이 방향으로 형상 자기이방성을 갖도록 유도하여 그 자기저항 특성을 관찰하여 비교 분석하였다.
- 5에서는 소자의 폭 방향을 용이축 방향으로 광 리소그래피를 실행하여 용이축 방향과 센싱전류 방향을 서로 수직이 되도록 설정하였다. 즉, 증착할 때 형성된 일축 이방성인 미세 패턴의 소자를 폭 방향인 용이축 방향으로 정 하였다. 자기저항 곡선을 측정할 때 소자 회전각도가 0°, 45°, 90°로 외부 자기장을 인가하여 소자 회전각도와 수직인 센싱전류 방향을 축으로 측정하여 얻은 minor loop를 각각 Fig.
- 2(d)에서 Cr/Cu 전극으로 덮은 부분을 제외하여 미세 패턴된 1×18 µm2이었고, 용이축 방향은 소자의 길이 방향으로 설정하였다. 즉, 증착할 때 형성된 자기이방성을 갖는 미세 패턴의 소자를 길이 방향을 용이축 방향으로 정하였다. 자기저항 곡선을 측정할 때 소자 회전각도가 0°, 45°, 90°로 외부 자기장을 인가하여 소자 회전각도와 동일한 센싱전류 방향을 축으로 측정하여 얻은 minor loop를 각각 Fig.
- 5 nm) 다층박막을 광 리소그래피 공정으로 제작한 GMR-SV 소자의실제 사진이다. 증착할 때 인가한 자기장 방향이 소자의 용이축 방향으로 설정하여 형상 자기이방성 효과가 나타나도록 하였다. 8 mm × 8 mm의 크기 안에 있는 전체 소자의 갯수는 모두 66개이며, 공통으로 사용하는 전극을 중앙 부분에 배치하였다.
대상 데이터
- 6개의 그룹별로 각 소자의 중앙에서 4.45 µm의 길이와 1 µm의 폭 크기가 같은 소자를 제작하였다.
- 다층박막 증착시 인가된 영구자석의 자기장 크기는 350 Oe 이었다. Ta, NiFe, Cu, IrMn의 독립적인 3인치 타겟들을 증착할 때 플라즈마의 상호 간섭이나 타겟 성분들 간의 혼재를 막기 위해 분리막을 사용하였다. Ta, NiFe, Cu, IrMn의 박막에 대한 증착률은 각각 0.
이론/모형
- 5 µm로 실제 영역만 남기도록 하였다. 그 위에 Cr(50 nm)과 Cu(50 nm)를 차례로 증착한 후 lift-off 방법으로 전극을 형성시켰다. 이 소자의 공정 과정에서 생긴 산화막 및 표면오염으로 인한 자기저항 특성의 변화를 최소화하기 위해 표면처리 과정을 거친 후 in-situ 방법으로 바로 전극을 형성시켰다.
성능/효과
- 특히 Fig. 4(a)에서 하부 고정층 NiFe과 상부 자유층 NiFe/IrMn 사이의 상호결합력(Hint)과 보자력은 거의 0.2 Oe 근방 값으로 패턴닝 전의 값인 1.0 Oe와 크게 줄어듬을 알 수 있었다. 한편으로는 초기 자화 방향과 측정 전류 방향의 차이에 의한 효과가 반자장 효과(Demagnetizing Field)보다 클 것으로 사료된다.
- 1(d)에서 곤란축(hard axis)으로 외부 자기장을 가하여 측정한 자기저항비는 GMR-SV 자기이방성 효과에 의해 자화 용이축의 자기저항비와 비슷하였다. Fig 1(e)에서 비자성층 Cu를 사이로 자유층(free layer)인 NiFe(8 nm)에서 상부 고정층 간의 상호결합력은 1.5 Oe 이었고, 보자력은 3.7 Oe으로 연자성의 히스테리시스 특성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 고감도 소자의 자화 특성을 결정하는 외부 자기장의 감응도(MS)는 0.
- 자성 다층박막의 일축 이방성은 증착할 때 자화 용이축을 폭 방향 또는 길이 방향으로 설정하여 1 µm × 18 µm의 소자를 리소 패턴닝 후 제작한 GMR-SV 소자의 자기저항 곡선을 측정하고 자기저항 특성을 비교하였다. 그 결과로 고정층의 용이축은 GMR-SV 소자의 폭 방향으로 정하고 자유층은 형상 자기이방성에 의해 설정되는 길이 방향으로 용이축을 정하는 것이 소자를 개발하는데 가장 이상적인 요건임을 확인하였다.
- 07 %/Oe로 줄어들었다. 또한 0.1 Oe의 보자력을 갖는 용이축 방향으로 얻은 minor loop에서 히스테리시스(hysteresis) 특성이 거의 일어나지 않았으며, 상호결합력이 거의 없는 minor loop으로 변하였다. 이것은 Fig.
- 5(a), 5(b), 5(c)에 나타내었다. 반강자성체인 IrMn를 기반한 GMR-SV 박막의 소자를 제작한 후 자기저항 곡선으로 측정한 보자력, 상호결합력, 자기저항비는 각각 0.1 Oe, 0 Oe, 0.26 %로 광 리소그래피 전과 완전히 다르게 나타났다. 그리고 자장감응도는 0.
후속연구
- 이에 바이오센서로 수요가 가장 많은 의료분야에서는 고도의 치료 및 진단 기술을 요구하고 있으며 이것을 보조하는 의료기기의 핵심소자에 대해 관심을 기울이고 있다. 따라서 생체분자의 자화 특성과 생체조직을 이동하는 통로에서 결맞음 운동을 하는 실제 모습 등을 광학 현미경으로 관찰하고 이러한 물리적 특성 중 하나인 자기적 특성에 대한 여부를 확인할 수 있을 것이다. 앞으로 자성비드에 코팅된 Streptavidin 입자와 바이오-틴(tin)의 강한 결합력을 이용하여 자성센싱소자의 장점과 우수한 특성을 지닌 나노 바이오 소자를 개발하여 생체재료로 사용하게 될 것으로 기대된다[8].
- 따라서 생체분자의 자화 특성과 생체조직을 이동하는 통로에서 결맞음 운동을 하는 실제 모습 등을 광학 현미경으로 관찰하고 이러한 물리적 특성 중 하나인 자기적 특성에 대한 여부를 확인할 수 있을 것이다. 앞으로 자성비드에 코팅된 Streptavidin 입자와 바이오-틴(tin)의 강한 결합력을 이용하여 자성센싱소자의 장점과 우수한 특성을 지닌 나노 바이오 소자를 개발하여 생체재료로 사용하게 될 것으로 기대된다[8]. 현재 이루어지고 있는 자성비드를 분자 및 셀에 흡착을 하여 생체입자들의 반응과 운동성을 상세하게 규명하는 것이 생명공학뿐만 아니라 의학에서도 매우 중요한 요소일 것이다.
- 4에서와 같이 초기 자화 방향과 측정전류 방향의 차이에 의한 효과가 반자장 효과보다 클 것으로 사료된다. 이러한 결과를 살펴보면 0 Oe에서 외부에 따른 미세 자기장의 변화는 거의 선형적으로 비례하는 특성을 갖는 minor 자기저항 곡선을 보였으며, 자장민감도가 크게 개선이 된다면 자성입자를 검출하는데 용이한 바이오 소자로 적용할 수 있을 것으로 보인다.
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