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문제 정의
- 본 연구에서는 CoSiB을 포함한 다층박막에 두께 변화와 열처리를 진행하였을 때 그 자기적 특성이 어떠한지를 실험하여 정리하였다. CoSiB 합금의 조성은 본 실험실에서 기존에 연구하였던 Co75Si15B10(at.
- 본 연구에서는 수직자기이방성을 갖는 CoSiB/Pd 다층박막을 제작하였으며, 각 층의 두께를 다양하게 변화시켜 그 자기적 특성(포화자화값, 보자력)의 변화를 살펴보았다. 또한 제작된 박막에 열처리를 하여 그 자기적 특성의 변화를 조사하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 CoSiB을 포함한 다층박막에 두께 변화와 열처리를 진행하였을 때 그 자기적 특성이 어떠한지를 실험하여 정리하였다. CoSiB 합금의 조성은 본 실험실에서 기존에 연구하였던 Co75Si15B10(at.%) 조성을 차용하였으며, 다층 박막 내 각 층의 두께 변화 및 열처리 온도에 따른 포화자화값(saturation magnetization) 및 보자력(coercivity)의 변화를 살펴보았다.
- 4 cm 크기의 정사각형으로 다이싱하여 준비하였다. 또한 기판 표면의 이물질을 제거하기 위해 아세톤, 에탄올, 3차 증류수에 각각 10분씩 초음파 세척 후 건조하여 사용하였다. 실험 시 스퍼터링 시스템의 챔버는 Ar 가스를 이용, 진공도가 2 mTorr로 유지된 상태에서 증착이 진행되었으며, 모든 샘플은 실온에서 제작되었다.
- 본 연구에서는 수직자기이방성을 갖는 CoSiB/Pd 다층박막을 제작하였으며, 각 층의 두께를 다양하게 변화시켜 그 자기적 특성(포화자화값, 보자력)의 변화를 살펴보았다. 또한 제작된 박막에 열처리를 하여 그 자기적 특성의 변화를 조사하였다. 자기적 특성을 살피기 위하여 진동시료자화율측정기를 이용하였으며 열처리를 위해 급속열처리기기를 사용하였다.
- 제작된 샘플은 자기적 특성 측정을 위해 진동시료자화율측정기(vibrating sample magnetometer, VSM)을 이용하여 자기이력곡선을 얻었으며, 이후 급속열처리기(rapid thermal annealing system, RTA)를 이용하여 열처리를 진행한 후 진동시료자화율측정기로 자기적 특성을 재측정하여 그 변화를 살펴보았다. 열처리시 샘플의 산화를 방지하기 위하여 Ar 가스를 이용, 급속열처리기 챔버 내부를 저진공 상태로 유지한 채 실험을 진행하였다.
- 형상이방성에 의하여 일반적으로 박막 형태의 샘플은 수직자기이방성보다 수평자기이방성(In-plane magnetic anisotropy)이 발현되기 쉬운 구조적 한계를 가진다. 이 수직자기이방성은 1975년 Iwasaki와 Takemura 그룹에 의해 Co/Cr 박막에서 처음 발견되었고, 이후 Carcia 그룹에서 수직자기이방성을 갖는 다층박막(mulitlayer) 속 각 층 계면의 중요성에 대한 연구를 진행하였다. 그리고 그 이후 수직자기이방성을 갖는 다양한 구조의 다층박막에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
- 또한 제작된 박막에 열처리를 하여 그 자기적 특성의 변화를 조사하였다. 자기적 특성을 살피기 위하여 진동시료자화율측정기를 이용하였으며 열처리를 위해 급속열처리기기를 사용하였다. 포화자화값과 보자력은 다층박막 내의 CoSiB층과 Pd층의 두께가 변화함에 따라 증가와 감소를 반복하였으며, 특히 Pd층의 두께가 18 Å 이상일 때 수직자기이방성이 사라졌다가 20 Å 이상에서 다시 나타나는 특이점을 보였다.
- 다층박막은 Ta/Pd 버퍼층(buffer layer) 위에 [CoSiB tCoSiB Å/Pd tPd Å]5 다층박막을 증착한 뒤 Ta로 마감(capping layer)한 형태로 제작되었다. 제작된 샘플은 자기적 특성 측정을 위해 진동시료자화율측정기(vibrating sample magnetometer, VSM)을 이용하여 자기이력곡선을 얻었으며, 이후 급속열처리기(rapid thermal annealing system, RTA)를 이용하여 열처리를 진행한 후 진동시료자화율측정기로 자기적 특성을 재측정하여 그 변화를 살펴보았다. 열처리시 샘플의 산화를 방지하기 위하여 Ar 가스를 이용, 급속열처리기 챔버 내부를 저진공 상태로 유지한 채 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 다층박막은 Ta/Pd 버퍼층(buffer layer) 위에 [CoSiB tCoSiB Å/Pd tPd Å]5 다층박막을 증착한 뒤 Ta로 마감(capping layer)한 형태로 제작되었다.
- 본 실험에서는 2인치 타겟이 6개까지 장착 가능한 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템(DC-magnetron sputtering system)을 사용하여 샘플을 제작하였다. 샘플 기판으로는 1000 Å 두께의 산화막이 형성된 실리콘(100) 기판을 1.
- 샘플 기판으로는 1000 Å 두께의 산화막이 형성된 실리콘(100) 기판을 1.4 cm × 1.4 cm 크기의 정사각형으로 다이싱하여 준비하였다.
성능/효과
- 400°C 이상에서는 α-Co 상이 나타나고, 그래프에 나타내지는 않았지만 550°C 이상에서 Co 상과 Si 상이 석출되면서 CoSiB의 구조가 비정질에서 결정질로 상변화가 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- Pd층을 14 Å으로 일정하게 유지하고 CoSiB층의 두께만을 2~9 Å까지 변화시킨 실험 결과 중, 3~6 Å의 결과만을 그래프로 나타내었으며 해당 박막들은 모두 수직자기이방성을 보였다.
- 각 층의 두께에 변화를 주어 실험한 결과, Pd층의 두께를 14 Å으로 일정하게 유지했을 때 CoSiB층의 두께 범위 2~9 Å 내에서 수직자기이방성을 보였으며, 반대로 CoSiB층의 두께를 3Å으로 일정하게 유지했을 때는 Pd층의 두께 범위 11~17 Å까지 수직자기이방성 특성을 보였다.
- 또한 CoSiB층의 두께가 4Å일 때 포화자화값이 938.78 emu/cm3로 가장 높게 측정되었으며, 보자력은 CoSiB층의 두께가 5Å일 때 187 Oe로 가장 높게 측정되었다.
- 또한 Fig. 2는 CoSiB 1000 Å 단일박막의 자기적 특성을 분석한 그래프로, 진동시료자화율측정기를 통해 CoSiB 1000 Å 단일박막은 406 emu/cm3의 포화자화값과 1.69 Oe의 보자력을 갖는 것을 확인하였다.
- 또한 열처리 온도 300°C에서 보자력의 증대가 일어나는 것을 알 수 있었으며, 열처리 온도 400°C 이상에서는 CoSiB이 비정질에서 결정질로 상변화가 일어남에 따라 수직자기이방성이 사라지는 결과를 얻었다.
- 본 실험에서 최대 포화자화값은 724.49 emu/cm3로 Pd층의 두께가 12 Å일 때 측정되었으며, 보자력은 Pd층의 두께가 13 Å일 때 237 Oe으로 가장 높게 측정되었다.
- 본 연구에서 CoSiB층의 두께가 7Å인 다층박막에서 Pd층의 두께가 18 Å부터 수직자기이방성이 사라지기 시작하여 20 Å 이상에서 다시 나타난다는 것이 발견되었다.
- 열처리 결과, 해당 박막은 열처리 온도 300°C에서 보자력이 증대되고, 이후 열처리 온도 400°C부터는 수직자기이방성을 잃는 것으로 확인되었다.
- 포화자화값과 보자력은 다층박막 내의 CoSiB층과 Pd층의 두께가 변화함에 따라 증가와 감소를 반복하였으며, 특히 Pd층의 두께가 18 Å 이상일 때 수직자기이방성이 사라졌다가 20 Å 이상에서 다시 나타나는 특이점을 보였다.
- 5에 정리하였다. 포화자화값은 CoSiB층과 Pd층의 변화에 따라 증가와 감소를 반복하는 경향을 보였고, 보자력 또한 대체적으로 층의 변화에 따라 증가와 감소를 반복하는 경향을 보였다.
후속연구
- Pd층의 두께 변화에 따른 수직자기이방성의 출현 및 손실의 반복, 열처리 온도 300°C에서의 보자력 증대에 대한 정확한 매커니즘 연구는 차후 논문에서 다룰 예정이다.
- 또한 본 논문에서 소개하는 CoSiB 5 Å층과 Pd 14 Å층의 조합이외의 다층박막에서도 열처리 온도 300°C 이상에서 보자력의 증대가 보였는데, 이 현상의 정확한 매커니즘을 구명하기 위한 연구는 현재 진행 예정 중에 있다.
- 본 연구에서 CoSiB층의 두께가 7Å인 다층박막에서 Pd층의 두께가 18 Å부터 수직자기이방성이 사라지기 시작하여 20 Å 이상에서 다시 나타난다는 것이 발견되었다. 이 현상에 대한 원인 분석은 MOKE(Magneto Optical Kerr Effect) 측정을 통해 이루어질 예정이며, 실험이 현재 진행 중에 있다.
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