RF 마그네트론 스퍼터링법으로 제작된 퍼멀로이(NiFe) 박막에 대하여 투입전력, 아르곤 압력, 바이어스 전압등의 스퍼터링 조건이 퍼멀로이 박막의 자기특성에 미치는 영향을 조사하였다. 투입전력에 따른 보자력의 변화는 300~400W에서 낮은 값을 지녔으며 아르곤 압력에 따른 변화는 1~5mTorr에서 낮은 값을 나타내었다. 스퍼터링 조건에 따른 최소의 보자력값은 400 W, 5mTorr 와 300 W, 2mTorr에서 각각 0.10 Oe를 나타내었고 최대의 투자율값은 400 W, 5mTorr에서 2800(1 MHz)을 나타내었다. 또한 저압의 스 퍼터링 압력에서 바이아스를 가할 경우 보자력은 이에 비례해서 오히려 증가하였다. 박막의 Ni 함량의 변화는 아르곤 압력이 증가함에 따라 점차적으로 감소하나 2~10mTorr 범위에서는 다시 증가하는 경향을 보였다. 내부응력은 아르곤 압력이 증가함에 따라 압축응력에서 인장응력으로 변하였으며 5mTorr에서 내 부응력이 거의 사라졌다.
이온빔 증착법으로 제작한 코닝유리(Corning glass)/Ta(5 nm)/(Permalloy, Conetic)/Ta(5 nm) 박막에 대한 연자성의 특성에 대해 연구하였다. 퍼멀로이(Permalloy; NiFe)층과 코네틱(Conetic; NiFeCuMo)층을 증착하여 인가 자기장 방향에 용이축과 곤란축의 자기저항곡선으로부터 얻은 보자력과 포화자기장에 대해 각각 비교하였다. 두께가 10${\sim}$15 nm인 코네틱 박막의 표면저항값은 퍼멀로이 박막보다 2배 정도 높았으나 보자력과 포화자기장은 1/3배 정도 낮았으며, 자화율은 2${\sim}$3배 정도 높은 초연자성의 특성을 가졌다. 퍼멀로이 박막보다 연자성의 특성이 높은 코네틱 박막을 이용한 스핀밸브나 터널접합의 소자를 개발할 수 있는 가능성을 확인하였다.
무전해도금법에 의한 퍼멀로이 박막의 도금 최적조건 규명 및 자기적 특성 향상을 위하여 퍼멀로이 박막의 미세구조 및 자기적 특성 등을 연구하였다. 소지는 알루미나를 사용하였으며, 환원제는 boron을 포함하는 Ni-Fe-B도금막이 형성되는 DMAB(dimethylamine borane)를 사용하였다. 도금시 인가된 도금막이 무자장하에서 도금된 도금막과 비교하여 기공이 적고, 조밀한 막이 형성됨을 SEM을 통하여 확인하였다. 도금속도는 온도, pH, DMAB 농도가 증가할수록 증가하였다. 도금막에 함유되는 boron의 함량은 pH가 감소할수록, 온도와 DMAB농도가 증가할수록 증가하였다. 도금막 보자력값은 30$0^{\circ}C$에서 1시간 열처리하였을 때 약 4.5Oe로 감소하였고, 포화자기유도값은 3-5kG 정도 증가하였다. 이때 포화자기유도값은 자장하에서 도금된 후 열처리한 도금막이 무자장하에서 도금된 후 열처리한 도금막에 비하여 1.7kG 정도 높았다. 또한 열처리 후의 도금막이 열처리 전의 도금막에 비하여 기공이 적고 조밀한 도금막을 형성함을 볼 수 있었다.
2쌍의 pick-up코일을 이용하여 퍼멀로이 박막의 면내 2차원 자화벡터를 측정하고 이방성자기저항을 조사하였다. 면내의 x, y축 방향의 모멘트를 동시에 측정함으로써 자화벡터를 정확하게 결정하였다. 퍼멀로이 박막의 이방성자기저항은 일축이방성이 증가할수록 전류와 자화벡터의 사잇각의 함수로 표현되는 관계식에 근접한 거동을 나타냈다. 자기저항비 변화는 전류방향에 평행한 y모멘트 성분의 변화와 잘 부합하였으며 y모멘트의 크기에 비례함을 알 수 있었다.
전기도금 니켈-철 퍼멀로이 박막에 대한 사카린의 영향에 대해 조사하였다. 1 ${\mu}mol/L$ 이하 농도의 사카린이 도금용 전해액에 첨가되면, 도금 박막의 결정립 크기를 감소시키고, 표면 거칠기를 낮추는 효과가 있다. 이러한 물성의 변화는 자기적 특성 중 보자력의 감소와 투자율과 자기임피던스의 증가로 나타난다. 결정립 크기의 감소는 증분투자율과 자기임피던스의 증가와 매우 밀접한 상관관계를 나타내고 있다. 사카린은 전기도금 연자성 퍼멀로이 박막에 유용한 첨가제이며 사카린의 농도변화로 연자성의 조절 가능성을 보였다.
Glass와 실리콘 웨이퍼(p-type(100), $ ho$=6~8$\Omega$-cm)를 기판으로 하여 NiFe/glass , NiFe/Si, NiFe/Al/Si, NiFe/Ti/Si 의 박막을 제작하였다. 하지층으로 사용한 알루미늄과 티타늄은 RF 스퍼터링으로 증착하였으며 퍼럼로이(NiFe) 필름은 60, 80, 90wt%Ni로 조성을 변화시켜 증착하였다. 박막의 포화자화(Ms), 보자력(Hc), 각형비(F)는 sweep time을 1.7분으로 하여 시료 토크마그네토 메터로 측정하였다. 보자력에 영향을 주는 표면조도는 전자주사현미경(SEM)과 표면조도 측정기로써 알아보았다. 실험결과 80wt% Ni 의 퍼멀로이에서 자장 중 열처리(35 Oe,$ 350^{\circ}C$) 후 약 1의 각형비를 나타내었으며 열처리 후 보자력이 떨어짐을 보였다. 자기이방성은 알루미늄을 하지층으로 한 퍼멀로이 박막에서 가장 좋은 값(Ku=-9.60 $\times$106 emu/㎤)을 나타내었다.
제조조건이 다른 여러 퍼멀로이 합금 타게트를 사용하여 RF 마그네트론 스퍼터링법에 의해 퍼멀로이(NiFe) 박막을 증가시킬 경우 타게트의 제조조건이 박막의 자기특성에 미치는 영향을 조사하 였다. 타게트를 온도에서 어닐링한 결과 $650^{\circ}C$ 이상의 온도에서 재결정이 일어나 미세구조는 압 연조직에서 미세한 재결정립 조직으로 바뀌었으며 이에 따른 집합조직은 (110) 집합조직에서 random 집합조직으로 변화가 일어났다. 재결정이 일어나지 않은 타게트를 사용하여 투입전력 300 및 400 W에 서 증착한 박막의 경우 보자력은 1~5 mTorr의 비교적 넓은 범위의 아르곤 압력에서 낮은 값을 나타 내었으며 이때의 최소값은 0.20 Oe 이하였다. 반면, 재결정이 일어난 타게트의 경우 투입저력 300 W에 서는 5 mTorr에서는 1 mTorr에서만 보자력이 낮은 값을 나타내었으며 이때의 최소값은 0.25 Oe 이하였 다. 박막의 내부응력은 타게트에 관계없이 아르곤 압력이 증가함에 따라 압축응력에서 인장응력으로 변하엿으며 타게트에 따라 5 mTorr에서 거의 사라졌다. 박막의 보자력 및 투자율의 변화는 타게트에 따라 변화되는 박막 조성 및 내부응력의 차이에 기인한 것으로 고찰되었다.
본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 저탄소강 기판에 증착시킨 Fe-Ni계 합금 박막의 집합조직 발달을 조사하였다. Fe-Ni 합금 조성은 산업적 응용을 고려하여 인바합금(Invar alloy, Fe-36.5 wt%Ni)과 퍼멀로이(Permalloy, Fe-81 wt%Ni) 두 종류로 선택하였고, 증착시간을 변수로 제작하였다. 이들 합금 박막의 집합조직은 박막에서 전형적으로 나타나는 섬유집합조직(fibre texture)의 형태로 발달하였다. 인바합금 박막에서는 증착 초기에 <110>//ND 섬유집합조직이 발달하지만 증착시간이 증가함에따라 <210>//ND 섬유집합조직으로 변화하였다. 퍼멀로이 박막은 증착초기에 <221>//ND+<311>//ND의 혼합 집합조직을 나타내며 증착시간의 증가와 함께 <210>//ND 섬유집합조직으로 변화하였다. 이러한 집합조직의 변화를 박막의 미세조직의 진화와의 연관성이란 측면에서 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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