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문제 정의
- 본 연구는 나노자성 감지용 바이오센서로 이용하기 위해 자기저항비가 높은 이중구조(dual-type structure)의 GMR-SV 박막을 제작하였다. 이중 GMR-SV 박막 소자의 등방성 자기 저항 특성을 향상시키는 방법에 대해 면상의 고정층과 자유층의 자화용이축 방향이 서로 면상에서 직교시키기 위해 진공에서 후열처리 온도를 변화시키는 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 박막 증착시 일축이방성이 유도된 이중구조인 Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/NiFe/Cu/NiFe 스핀밸브 박막에 대하여 후열처리 과정을 적용하여 면상 직교형 자기장을 유도 하였다. 히스테리시스 곡선 특성을 갖지 않고 선형적인 자장 감응도를 갖는 실험방법과 높은 자기저항 특성을 구현할 수 있도록 하였다. 이러한 연구결과를 바탕으로 Fig.
가설 설정
- 이러한 연구결과를 바탕으로 Fig. 4(a)처럼 박막 제조시 직교면상에서 일축자기이방성을 유도할 것이다. 또한 Fig.
제안 방법
- GMR-SV 다층박막에서 모든 자성층들이 박막 제조시 이미 일축이방성을 갖는 고정층과 자유층을 독립적으로 길이 혹은 폭 방향으로 자화 용이축이 서로 교차하도록 유도하였다. 4-단자법으로 자기저항곡선을 측정하여 GMR-SV 박막이 자기 이방성을 갖는 최적의 후열처리 조건을 조사하였다.
- 원통형 영구자석 안에 할로겐램프의 복사열을 직접 받아 일정한 온도로 유지하는 평평한 Cu 판으로 감싼 알루미나 세라믹 원통 안에 박막시료를 넣었다. Cu의 평평한 판에 올려진 박막시료는 일정한 상승 속도로 목표한 온도에 도달하여 열처리를 시행하였다. 5 ℃/m의 속도로 열처리 온도까지 상승을 시킨 후 목표 온도에서 1시간 동안 머무르고 다시 2 ℃/m의 속도로 상온까지 낮추었다.
- NiFe/Cu/NiFe/IrMn/NiFe/Cu/NiFe 이중구조 GMR-SV 박막의 자기저항 특성을 조사하였다. 이중구조 GMR-SV 박막를 진공 챔버내에서 후열처리 온도를 25 ℃까지 증가시켜 강자성층체의 자화용이축이 면상에서 변화를 유도하였다.
- Ta(bottom)/NiFe(free FM layer)/Cu(spacer)/NiFe(pinned FM layer)/IrMn(AFM layer)/NiFe(piined FM layer)/Cu(spacer)/ NiFe(free FM layer)/Ta(top) 다층구조로 높은 자기저항비를 갖는 GMR-SV 다층박막을 제작하였다. 여기서 반강자성층인 IrMn(AFM; antiferromagnet) 층와 고정층과 자유층의 역할을 하는 NiFe(FM: fferomagnet) 층과 사잇층으로 Cu(spacer)층, 그리고 바닥(bottom)층과 보호(top)층인 Ta 층 모두는 3×10−6Torr인 고진공 증착시스템을 이용하여 유리(Corning 7059) 기판 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 상온에서 증착하였다.
- 즉 곤란축이 용이축이 되도록 한 상태에서 온도는 75 ℃부터 5℃씩 증가하였다. 그 다음단계로 1시간 동안 350 Oe의 균일 자기장 세기 하에서 후 열처리 과정을 진행하였다. Fig.
- 5 ℃/m의 속도로 열처리 온도까지 상승을 시킨 후 목표 온도에서 1시간 동안 머무르고 다시 2 ℃/m의 속도로 상온까지 낮추었다. 박막 시료의 보자력(coercivity; Hc), 교환결합세기(exchange coupling field; Hex), 자기저항비(magnetoresistance ratio; MR(%))는 상온에서 4-단자법 자기저항 측정시스템으로 측정된 자기저항곡선으로부터 각각 결정하였다.
- 박막제조시 본 연구의 핵심인 증착 중 자유강자성층과 고정강자성층간의 일축이방성을 직교면 상에서 서로 교차시키기 위해 영구자석의 자기장을 고정하고 진공 후열처리시 시료를 회전시켰다. 여기서 열처리시 챔버의 진공도를 5 × 10−6Torr로 유지시켰다.
- 3(b)에 나타내었으며, 박막의 Minor MR 곡선과 소자 제조 후 2-단자법으로 측정한 MR 곡선은 비교적 높은 자기저항곡선 특성을 유지하는 이중구조 GMR-SV 박막소자를 개발할 수 있다. 본 연구에서는 박막 증착시 일축이방성이 유도된 이중구조인 Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/NiFe/Cu/NiFe 스핀밸브 박막에 대하여 후열처리 과정을 적용하여 면상 직교형 자기장을 유도 하였다. 히스테리시스 곡선 특성을 갖지 않고 선형적인 자장 감응도를 갖는 실험방법과 높은 자기저항 특성을 구현할 수 있도록 하였다.
- 여기서 반강자성층인 IrMn(AFM; antiferromagnet) 층와 고정층과 자유층의 역할을 하는 NiFe(FM: fferomagnet) 층과 사잇층으로 Cu(spacer)층, 그리고 바닥(bottom)층과 보호(top)층인 Ta 층 모두는 3×10−6Torr인 고진공 증착시스템을 이용하여 유리(Corning 7059) 기판 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 상온에서 증착하였다.
- 이중 GMR-SV 박막 소자의 등방성 자기 저항 특성을 향상시키는 방법에 대해 면상의 고정층과 자유층의 자화용이축 방향이 서로 면상에서 직교시키기 위해 진공에서 후열처리 온도를 변화시키는 실험을 진행하였다. 열처리 온도에서 자화방향은 인가한 외부자기장의 세기와 방향에 따라 자기구역이 회전하여 이동하는 현상을 적용하였다. GMR-SV 다층박막에서 모든 자성층들이 박막 제조시 이미 일축이방성을 갖는 고정층과 자유층을 독립적으로 길이 혹은 폭 방향으로 자화 용이축이 서로 교차하도록 유도하였다.
- 본 연구는 나노자성 감지용 바이오센서로 이용하기 위해 자기저항비가 높은 이중구조(dual-type structure)의 GMR-SV 박막을 제작하였다. 이중 GMR-SV 박막 소자의 등방성 자기 저항 특성을 향상시키는 방법에 대해 면상의 고정층과 자유층의 자화용이축 방향이 서로 면상에서 직교시키기 위해 진공에서 후열처리 온도를 변화시키는 실험을 진행하였다. 열처리 온도에서 자화방향은 인가한 외부자기장의 세기와 방향에 따라 자기구역이 회전하여 이동하는 현상을 적용하였다.
- NiFe/Cu/NiFe/IrMn/NiFe/Cu/NiFe 이중구조 GMR-SV 박막의 자기저항 특성을 조사하였다. 이중구조 GMR-SV 박막를 진공 챔버내에서 후열처리 온도를 25 ℃까지 증가시켜 강자성층체의 자화용이축이 면상에서 변화를 유도하였다. 자유층과 고정층의 자화용이축에 의존하는 이중구조 GMR-SV 박막의 자기저항곡선을 외부자기장 각도를 다르게 측정하였다.
- 이중구조 GMR-SV 박막를 진공 챔버내에서 후열처리 온도를 25 ℃까지 증가시켜 강자성층체의 자화용이축이 면상에서 변화를 유도하였다. 자유층과 고정층의 자화용이축에 의존하는 이중구조 GMR-SV 박막의 자기저항곡선을 외부자기장 각도를 다르게 측정하였다. 자화방향의 스위칭 과정을 조사하여 자기등방성을 갖는 열처리 온도가 105 ℃인 최적조건을 얻었다.
- 폭 방향으로 자 화용이축을 갖는 이중 GMR-SV 박막을 진공 열처리시 90°로 회전하였다.
대상 데이터
- 1 nm/s이었다. 이중 다층박막 구조에서 Ta층, NiFe층, Cu층, NiFe층, 반강 IrMn층의 최적 조건의 두께를 각각 5 nm, 8 nm, 2.3 nm, 4 nm, 5 nm로 증착하였다.
- 다층박막 증착시 인가된 영구자석의 자기장 세기는 350 Oe 이었다. 직경 3인치 크기를 갖는 Ta, NiFe, Cu, IrMn 타겟들을 사용하여 박막을 증착할 때 플라즈마의 상호 간섭이나 타겟 성분들 간의 혼재를 막기 위해 분리막을 사용하였다. Ta, NiFe, Cu, IrMn의 박막에 대한 증착률은 각각 0.
성능/효과
- (b)에서 비자성층 Cu를 사이로 두개의 자유층(free layer)인 NiFe(8 nm)에서 하부와 상부의 두 개의 고정층(pinned layer)인 NiFe(4 nm) 간의 상호결합력은 거의 0 Oe이었고, 보자력은 0.5 Oe 이내로 초연자성의 히스테리시스 특성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다.
- 그러면 용이축 방향과 센싱전류 방향을 서로 수직이 되도록 설정할 필요가 없이 임의 방향을 소자의 용이축으로 정하더라도 등방성 자기 저항 특성과 히스테리시스가 거의 없는 선형적인 자장감응도를 유지할 것으로 사료된다. 이러한 결과를 살펴보면 0 Oe에서 외부에 따른 미세 자기장의 변화는 거의 선형적으로 비례하는 등방성 자기저항 특성을 갖는 minor 자기저항 곡선을보였으며, 자장감응도가 크게 개선이 될 것으로 보인다. 뿐만 아니라 임의 용이축 방향을 띤 자성입자를 검출하는데 용이한 바이오 소자로 적용할 수 있을 것으로 보인다.
- 5 % 근방의 값을 가지고 있었다. 이중구조의 두께가 IrMn층을 중심으로 하부층 GMR-SV 박막과 상부층 GMR-SV 박막에서 각층의 두께가 대칭되게 동일하지만, 상부 고정층 보자력과 교환결합세기는 하부층의 것보다 약 1/2 정도 감소하였다. 이러한 결과는 다층구조인 경우 계면의 거칠기와 Cu층을 사이로 고정층과 자유층간의 상호 교환결합력으로 인해 MR비와 자기적 특성이 간섭을 받아 나타난 현상으로 사료된다.
- 자유층과 고정층의 자화용이축에 의존하는 이중구조 GMR-SV 박막의 자기저항곡선을 외부자기장 각도를 다르게 측정하였다. 자화방향의 스위칭 과정을 조사하여 자기등방성을 갖는 열처리 온도가 105 ℃인 최적조건을 얻었다. 후 열처리 과정을 거친 이중구조 GMR-SV 박막은 측정각도에 0°부터 90°까지자장감응도가 약 2.
- 뿐만 아니라 임의 용이축 방향을 띤 자성입자를 검출하는데 용이한 바이오 소자로 적용할 수 있을 것으로 보인다. 즉, 이중구조 GMR-SV 박막에서 자유층의 보자력이 최소화로 나타난 0 Oe 근방에서 외부에 따른 미세 자기장이 증감함에 따라 선형적으로 반응하는 최적의 열처리 온도 조건을 얻기 위함이었다. GMR-SV 소자가 극미세 자기장 검출용 바이오 소자로 사용될 때 갖추어야 할 주요 특성으로는 선형적인 자장감응도와 큰 출력값 등을 가져야 한다.
- 열처리 온도에서 1시간 머무른 후에 온도 하강율을 상승율과 같은 5 ℃/m로 상온까지 낮추었다. 진공 열처리시 효과로 계면 간의 치밀성이 높아져 4-단자 자기저항값은 47.4 Ω에서 46.7 Ω으로 줄어들었다. 균일한 외부 자기장에서 열처리 과정을 거치므로 보자력과 교환결합력의 변화는 없었을 뿐만 아니라 자성박막의 열적 안정성을 높이는 특성을 가질 수 있다.
- 자화방향의 스위칭 과정을 조사하여 자기등방성을 갖는 열처리 온도가 105 ℃인 최적조건을 얻었다. 후 열처리 과정을 거친 이중구조 GMR-SV 박막은 측정각도에 0°부터 90°까지자장감응도가 약 2.0 %/Oe로 비슷한 자기저항 특성을 나타냈다. 이러한 결과를 이용하여 면상 강자성층과 자유층을 서로 직교한 고감도 GMR-SV 박막 소자는 마이크로 자성비드를 임의 방향에서 검출할 수 있는 고감도 바이오센서로 사용할 가능성을 제시하였다.
후속연구
- 또한 Fig. 4(b)에서 보여 주듯이 새로운 in-situ 이중 구조형 GMR-SV 박막 제조방법을 이용하여 거대자기저항 및 비히스테리시스적인 거대 자기저항 곡선 특성을 갖도록 추후 연구에 적용할 것이다.
- 이러한 결과를 살펴보면 0 Oe에서 외부에 따른 미세 자기장의 변화는 거의 선형적으로 비례하는 등방성 자기저항 특성을 갖는 minor 자기저항 곡선을보였으며, 자장감응도가 크게 개선이 될 것으로 보인다. 뿐만 아니라 임의 용이축 방향을 띤 자성입자를 검출하는데 용이한 바이오 소자로 적용할 수 있을 것으로 보인다. 즉, 이중구조 GMR-SV 박막에서 자유층의 보자력이 최소화로 나타난 0 Oe 근방에서 외부에 따른 미세 자기장이 증감함에 따라 선형적으로 반응하는 최적의 열처리 온도 조건을 얻기 위함이었다.
- 0 %/Oe로 비슷한 자기저항 특성을 나타냈다. 이러한 결과를 이용하여 면상 강자성층과 자유층을 서로 직교한 고감도 GMR-SV 박막 소자는 마이크로 자성비드를 임의 방향에서 검출할 수 있는 고감도 바이오센서로 사용할 가능성을 제시하였다.
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