Fe 박막의 증착 시 기판온도 변화에 따른 자기적 특성 연구

목차

Ⅰ. 서 론

II. 이론적 배경
1. Sputtering의 원리 및 특징
2. 자기저항의 분류
3. 강자성(ferromagnetic) 박막에서의 비등방 자기저항(AMR) 효과의 현상론적 이론
4. 광 자 기 효 과

Ⅲ. 실 험 방 법
1. 박막의 제작
2. XRD에 의한 박막의 두께 측정
3. VSM에 의한 자기적 성질 조사
4. 자기 저항 효과의 측정

Ⅳ. 결과 및 논의
1. 기판온도 변화에 따른 박막의 두께 분석
2. 박막의 자기화 곡선

Ⅴ. 결 론

참 고 문 헌

본문내용

제작하였다. 기본적인 진공도는 부근 이었으며, Ar 압력은 정도로 비교적 일정하게 유지했다.
타겟과 기판의 거리는 였고, 회전 가능한 기판지지대(holder)를 사용하여 2개의 시편을 한 batch에서 증착하였다. 실험에서 선택한 기판의 온도는 (room temperature), , 였고, 시편 제작 도중에 자기장을 가하지는 않았다. 기판은 크기의 실리콘(si) 웨이퍼(wafer)를 사용하였다. 자세한 제작조건은 다음과 같다.
시편번호
기판온도(K)
기본압력
Ar 압력
power(W)
회전수(rpm)
증착시간(m)
Fe#1
290K
1.60E-08
1.50E-03
200
90
15
Fe#2
473K
1.40E-08
1.60E-03
200
90
15
Fe#3
673K
1.50E-08
1.40E-03
200
90
15
2. XRD에 의한 박막의 두께 측정
두께를 측정하기 위해 low angle 측정법을 사용하였다. power는 15kw 5mA로, slit은 1/16inch를 사용하여 1.5deg~5deg 까지 측정하였다.
측정한 데이터에서 peak 값들을 찾아내고 origin program을 사용하여 다음 공식으로 fitting 하였다.
여기서 Y는 upper peak 의 경우 half integer 이고, lower peak의 경우 integer 값을 가진다.
는 X-ray의 파장으로 일반적으로 Cu의 경우 이다. 은 refractive index의 실수부이다. ( 는 매우 작은 값, 정도 이며 양의 값) 또 은 구하고자 하는 박막의 두께에 해당하는 값이다.
3. VSM에 의한 자기적 성질 조사
VSM(Vibrating Sample Magnetometer)으로 자기화곡선을 측정하였다.
이 곡선들로부터 포화자기화와 보자력(coercivity) 등의 값을 얻어내었다.
4. 자기 저항 효과의 측정
(그림.13) 은 본 실험에서 사용한 장치의 개략도이다. Helmholtz 코일로 외부 자기장을 변화시켜가며, four probe method를 사용하여 저항을 측정하였다. 자기장이 전류방향에 대해 longitudinal과 transverse인 두 가지 경우에 대하여 측정하였다. 외부 자기장은 Gaussmeter(Lakeshore사, 모델번호 450) 로 직접 측정하였다. four probe에 전류를 흘려주고 전위차를 측정하는 것은 sourcemeter (Keithley사, 모델번호 2400)를 사용하였다. Lock-in Amp, Gaussmeter, Sourcemeter 는 GPIB card로 IBM pc와 interface 하였다.
Ⅳ. 결과 및 논의
1. 기판온도 변화에 따른 박막의 두께 분석
기판의 온도를 높일수록 증착되는 Fe 입자들이 기판 위에서 에너지가 안정되는 곳으로 더 쉽게 갈 수 있기 때문에 낮은 온도에서 증착 한 것 보다 입자간 간격이 작아 결과적으로 두께도 더 작을 것으로 예상했다. 다음은 XRD로 측정한 결과이다.
fitting한 결과에서 m1 값이 두께이다. 예상한 대로 기판의 온도를 높일수록 박막의 두께가 얇아지는 현상을 볼 수 있었다. 결과를 정리하면 다음과 같다.
온도(K)
290K
473K
673K
두께 ()
783.69
726.15
652.84
2. 박막의 자기화 곡선
2.1 박막의 포화자기화
(데이터.7) 은 VSM으로 온도에 따른 자기화 곡선(hysteresis loop)을 비교한 것이다.
기판 온도에 따라 포화자기화는 미세하게 경향적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 온도가 낮으면 성장한 박막 내에 void등이 분포하게 되어 박막의 밀도가 감소하여 단위 부피 당 포화자기화가 작아지게 되는 것으로 생각된다.
: porous한 박막의 자기화 : continuous한 박막의 자기화
: porous한 박막의 부피 : continuous한 박막의 부피
온도에 따른 포화자기화는 (데이터.8)에 나타내었다.
2.2 박막의 보자력(coercivity)
(데이터.7)을 보면 기판 온도가 증가함에 따라 보자력이 감소하는 것을 볼 수 있다. 온도가 낮은 쪽은 grain boundary나 crack like void를 가진 주상구조경계 등 domain wall pinning site가 많다 따라서, domain wall이 외부 자기장에 의해 이동하는 데에 있어서 많은 제약을 받기 때문에 보자력이 크다(데이터.9). 기판온도 대 squareness(데이터,10)를 보면 온도가 높아지면서 squareness가 증가한다. 온도가 낮아 박막이 porous해 지면 grain간의 exchange coupling이 감소함에 따라 보자력이 증가하고 squareness가 감소하는 경향이 있다고 알려져 있다.
Ⅴ. 결 론
기본적인 Fe박막을 XRD방법을 통한 미세구조 측면에서 분석한 결과 다음과 같이 기판온도 변화에 따라 자기적 성질이 달라지는 결론을 얻었다.
(1) 기판온도 증가에 따른 포화자기화의 감소는 박막의 밀도 감소에 기인하며, 보자력의 증가는 crack like void를 가진 주상구조 등 domain wall pining site가 늘어남에 따른 결과로 풀이된다.
(2) 기판온도 감소에 따라 자기화 곡선의 폭이 증가하는 것은 밀도가 낮아짐에 따라 void가 많이 생기기 때문에 domain wall이 외부자기장에 의해 이동하는데 있어서 많은 제약을 받기 때문인 것으로 보인다. 다른 합금 시료들도 같은 결과가 나온다면 높은 온도에서 증착한 것은 센서로서, 낮은 온도에서 증착한 것은 저장소자로서 이용가치가 달라질 것으로 보인다.
참 고 문 헌
(1) T. R. McGuire , and R. I. Potter, IEEE Trans. Magn. MAG-11, 1018, (1975)
(2) Robert P. Hunt, IEEE Trans. Magn. MAG-7, 150, (1971)
(3) Robert C. O' Handley (Jon Wieley & Sons, 2000), P. 557-584
(4) 유천열, KAIST 박사학위 논문 (1992)
(5) 민병철, KAIST 석사학위 논문 (1996)
(6) 기초 자기공학실험, 충남대 고기능성 자성재료 연구센터.

키워드

Sputtering,   증착,   자기저항,   Magnetoresistance,   강자성,   광자기,   MOKE,   박막