KR100430671B1 - Manufacturing method of FeTaN soft magnetic thin film for magnetic devices - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은, Fe 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하는 단계; Fe 타겟 표면상에 복수의 Ta 소편을 올려 놓고, 아르곤/질소 혼합 가스의 소정 압력하에서, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 FeTaN 박막을 형성하는 단계; 및상기 형성된 FeTaN 박막 내에 미세결정립을 형성하기 위해 FeTaN 박막을 후열처리하는 단계를 근저로 하며, 여기에 FeTaN 박막의 하부에 Ti 하지층을 형성하거나, 후열처리 대신 기판의 온도를 상승시키는 방법 등도 도입될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device, comprising: providing a substrate for forming a thin film at a point spaced apart from a Fe target by a predetermined distance; Sputtering method by placing a plurality of Ta pieces on the surface of the Fe target, under a predetermined pressure of the argon / nitrogen mixed gas, applying the DC power of a predetermined size between two electrodes with the Fe target as a cathode and the substrate as an anode. Forming a FeTaN thin film on the substrate by; And post-heat treating the FeTaN thin film to form fine crystal grains in the formed FeTaN thin film, and introducing a method of forming a Ti underlayer on the lower portion of the FeTaN thin film or raising the temperature of the substrate instead of the post-heating treatment. Can be.
이와 같은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 Ti/FeTaN 연자성 박막은 높은 포화 자화값 및 이방성 자계, 그리고 낮은 보자력으로 인해 우수한 열적 안정성 및 뛰어난 특성 재연성 등을 가지며, 따라서 고주파수 대역의 소형 자기소자나 VTR 헤드 등에 적용이 가능하다. 또한, 수직 자기이방성도 크므로 수직자기 기록매체로서의 응용가능성도 있다.The Ti / FeTaN soft magnetic thin film manufactured by the manufacturing method of the present invention has excellent thermal stability and excellent property reproducibility due to high saturation magnetization value, anisotropic magnetic field, and low coercive force, and therefore, high frequency band small magnetic device or VTR. It can be applied to the head. In addition, since the vertical magnetic anisotropy is large, there is also the possibility of application as a vertical magnetic recording medium.
Description
본 발명은 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 FeTaN 연자성 박막에 Ti 하지층을 부가함으로써 자기 이방성을 증가시키고, 기판 온도를 상승시켜 증착 상태에서 연자성 특성이 구현될 수 있도록 한 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device, and particularly, by adding a Ti underlayer to a FeTaN soft magnetic thin film, magnetic anisotropy may be increased, and a soft magnetic property may be realized in a deposition state by increasing a substrate temperature. The present invention relates to a method for manufacturing a FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device.
박막 인덕터 등의 자기소자에 적용하기 위한 연자성 박막은 높은 포화 자화값, 낮은 보자력이 필수적으로 요구된다. 특히 최근의 소형화 추세에 따라 고주파 소자가 요구되는데, 이에 적용하기 위해서는 높은 자기 이방성을 가져야 하고, 와전류 손실을 줄이기 위해 높은 비저항 특성이 요구된다. 또한, 소자의 구동시 발생하는 열에 대한 안정성도 좋아야 하고, 무엇보다도 박막 제조공정에서의 재연성이 우수해야 한다.Soft magnetic thin films for application to magnetic devices such as thin film inductors require high saturation magnetization and low coercive force. In particular, according to the recent miniaturization trend, a high frequency device is required, and in order to apply it, it has to have high magnetic anisotropy, and high specific resistance is required to reduce eddy current loss. In addition, the stability of heat generated during driving of the device should be good, and above all, the reproducibility in the thin film manufacturing process should be excellent.
지금까지 주로 사용되는 연자성 재료인 Mn-Zn, Ni-Zn 페라이트(ferrite)는 4∼5kG 정도의 비교적 낮은 포화자화값 때문에 투자율도 낮고, 수MHz의 주파수에서 공진이 일어난다는 단점이 있어, 다른 대체 연자성 재료를 찾는 노력이 시도되어 왔다. 그 시도는 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있는데, 첫번째는 Fe-계 연자성 박막이고, 두번째는 Co-계 연자성 박막이다. Fe-계 연자성 박막은 높은 포화자화값과 투자율 때문에 많이 사용되며, Co-계 연자성 박막은 비저항이 높아서 고주파 특성이 우수한 장점이 있다.Mn-Zn and Ni-Zn ferrites, which are mainly used so far, have low magnetic permeability due to relatively low saturation magnetization values of 4 to 5 kG, and have a disadvantage in that resonance occurs at a frequency of several MHz. Efforts have been made to find alternative soft magnetic materials. The attempts can be divided into two categories, the first being a Fe-based soft magnetic thin film and the second being a Co-based soft magnetic thin film. Fe-based soft magnetic thin films are frequently used because of their high saturation magnetization and permeability, and Co-based soft magnetic thin films have advantages of high frequency characteristics due to their high resistivity.
한편, 종래에 개발된 FeTaN 연자성 박막은 높은 포화자화값과 투자율을 보임에도 불구하고, 자기 이방성과 비저항이 낮아 수백 MHz 이상의 고주파에서 사용하기가 어렵고, 후열처리 공정을 통해 연자성 특성이 얻어지므로, 이에 수반되는 열응력이 제조되는 소자에 좋지 않은 영향을 주게 되는 문제점이 있다.On the other hand, the FeTaN soft magnetic thin film developed in the past has a high saturation magnetization value and permeability, but has low magnetic anisotropy and specific resistance, making it difficult to use at high frequencies of several hundred MHz, and soft magnetic properties are obtained through a post heat treatment process. However, there is a problem in that the resulting thermal stress adversely affects the device manufactured.
본 발명은 이상과 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, FeTaN연자성 박막에 Ti 하지층을 부가함으로써 자기 이방성을 증가시키고, 고주파 특성이 우수한 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and by adding a Ti underlayer to a FeTaN soft magnetic thin film, the magnetic anisotropy is increased, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a FeTaN soft magnetic thin film for magnetic devices having high frequency characteristics. There is this.
도 1은 본 발명의 방법에 의해 제조된 FeTaN 박막의 후열처리 온도에 따른 포화자화값 및 보자력의 변화를 보여주는 도면.1 is a view showing the change in saturation magnetization value and coercivity with the post-heat treatment temperature of the FeTaN thin film prepared by the method of the present invention.
도 2는 본 발명의 방법에 의해 제조된 FeTaN 박막의 다양한 후열처리 온도에 있어서의 주파수에 따른 투자율의 변화를 보여주는 도면.2 is a view showing the change of permeability with frequency at various post-heating temperatures of the FeTaN thin film prepared by the method of the present invention.
도 3은 본 발명의 방법에 의해 제조된 FeTaN 박막 및 Ti/FeTaN 박막의 후열처리 온도에 따른 이방성 자계의 변화를 보여주는 도면.3 is a view showing a change in anisotropic magnetic field according to the post-heating temperature of the FeTaN thin film and Ti / FeTaN thin film prepared by the method of the present invention.
도 4는 본 발명의 방법에 의해 제조된 FeTaN 박막 및 Ti/FeTaN 박막의 다양한 후열처리 온도에 있어서의 주파수에 따른 투자율의 변화를 보여주는 도면.4 is a view showing the change of permeability with frequency at various post-heating temperatures of the FeTaN thin film and Ti / FeTaN thin film produced by the method of the present invention.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은,In order to achieve the above object, a method of manufacturing a FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device according to a first embodiment of the present invention,
(a) Fe 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하는 단계;(a) preparing a substrate for forming a thin film at a point spaced apart from the Fe target by a predetermined distance;
(b) 상기 Fe 타겟 표면상에 복수의 Ta 소편을 올려 놓고, 아르곤/질소 혼합 가스의 소정 압력하에서, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 Fe:95∼60 중량%, Ta:2∼20 중량%, N:2∼20 중량%의 조성을 갖는 FeTaN 박막을 형성하는 단계; 및(b) placing a plurality of Ta fragments on the surface of the Fe target, and under a predetermined pressure of an argon / nitrogen mixed gas, the Fe target is a cathode and the substrate is an anode; Applying to form a FeTaN thin film having a composition of Fe: 95 to 60% by weight, Ta: 2 to 20% by weight, and N: 2 to 20% by weight on a substrate by a sputtering method; And
(c) 상기 증착된 FeTaN 박막 내에 미세결정립을 형성하기 위해 FeTaN 박막을 후열처리하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.(c) post-heat treating the FeTaN thin film to form microcrystalline grains in the deposited FeTaN thin film.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은,In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing a FeTaN soft magnetic thin film for a magnetic device according to a second embodiment of the present invention,
(a) Ti 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하는 단계;(a) preparing a substrate for forming a thin film at a point spaced apart from the Ti target by a predetermined distance;
(b) 상기 Ti 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 Ti 하지층을 형성하는 단계;(b) forming a Ti base layer on the substrate by a sputtering method by applying a predetermined magnitude DC power supply between two electrodes with the Ti target as a cathode and the substrate as an anode;
(c) 상기 Ti 타겟을 Fe 타겟으로 교체한 후, Fe 타겟 표면상에 복수의 Ta 소편을 올려 놓고, 아르곤/질소 혼합 가스의 소정 압력하에서, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 상기 Ti 하지층 상에 FeTaN 박막을 형성하는 단계; 및(c) After replacing the Ti target with a Fe target, a plurality of Ta fragments were placed on the surface of the Fe target, and under a predetermined pressure of an argon / nitrogen mixed gas, the Fe target was a cathode and the substrate was an anode. Forming a FeTaN thin film on the Ti base layer by a sputtering method by applying a DC power having a predetermined size between two electrodes; And
(d) 상기 형성된 FeTaN 박막 내에 미세결정립을 형성하기 위해 FeTaN 박막을 후열처리하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.(d) post-heat treating the FeTaN thin film to form microcrystalline grains in the formed FeTaN thin film.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은,In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing a FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device according to a third embodiment of the present invention,
(a) Fe 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하는 단계; 및(a) preparing a substrate for forming a thin film at a point spaced apart from the Fe target by a predetermined distance; And
(b) 상기 Fe 타겟 표면상에 복수의 Ta 소편을 올려 놓고, 아르곤/질소 혼합 가스의 소정 압력하에서, 상기 기판의 온도를 소정 온도로 상승시키고, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 FeTaN 박막을 형성하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.(b) placing a plurality of Ta fragments on the surface of the Fe target, raising the temperature of the substrate to a predetermined temperature under a predetermined pressure of an argon / nitrogen mixed gas, the Fe target as a cathode, and the substrate as an anode; Thereby, it is characterized in that it comprises the step of forming a FeTaN thin film on the substrate by a sputtering method by applying a DC power of a predetermined size between the two electrodes.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은,In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing a FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device according to a fourth embodiment of the present invention,
(a) Ti 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하는단계;(a) preparing a substrate for forming a thin film at a point spaced apart from the Ti target by a predetermined distance;
(b) 상기 Ti 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 Ti 하지층을 형성하는 단계; 및(b) forming a Ti base layer on the substrate by a sputtering method by applying a direct current power having a predetermined size between two electrodes with the Ti target as a cathode and the substrate as an anode; And
(c) 상기 Ti 타겟을 Fe 타겟으로 교체한 후, Fe 타겟 표면상에 복수의 Ta 소편을 올려 놓고, 아르곤/질소 혼합 가스의 소정 압력하에서, 상기 기판의 온도를 소정 온도로 상승시키고, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 상기 Ti 하지층 상에 FeTaN 박막을 형성하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.(c) After replacing the Ti target with a Fe target, a plurality of Ta pieces are placed on the surface of the Fe target, and the temperature of the substrate is raised to a predetermined temperature under a predetermined pressure of an argon / nitrogen mixed gas, and the Fe The target is a cathode, the substrate is an anode, characterized in that it comprises the step of forming a thin film of FeTaN on the Ti base layer by a sputtering method by applying a DC power of a predetermined size between the two electrodes.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 제1 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법에 따라, 먼저 Fe 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련한다. 그런 후, Fe 타겟 표면상에 복수(예컨대, 6개)의 Ta 소편을 올려 놓고, 아르곤/질소 혼합 가스(아르곤 85%, 질소 15%)의 소정 압력(예를 들면, 1.5mTorr) 하에서, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원(DC 200W)을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 FeTaN 박막을 형성한다. 이때, FeTaN은 Fe:95∼60 중량%, Ta:2∼20 중량%, N:2∼20 중량%의 조성을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.According to the method for manufacturing a FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device according to the first embodiment of the present invention, a substrate for forming a thin film is first provided at a point spaced apart from a Fe target. Thereafter, a plurality of Ta fragments (for example, six) on a Fe target surface are placed on the Fe target surface, and under a predetermined pressure (for example, 1.5 mTorr) of an argon / nitrogen mixed gas (argon 85%, nitrogen 15%), The Fe target is a cathode, and the substrate is an anode, and a DC power (DC 200W) having a predetermined size is applied between the two electrodes to form a FeTaN thin film on the substrate by a sputtering method. At this time, FeTaN is preferably formed to have a composition of Fe: 95 to 60% by weight, Ta: 2 to 20% by weight, N: 2 to 20% by weight.
여기서, 상기 스퍼터링을 위해 직류 반응성 마그네트론 스퍼터(DC reactive magnetron sputter)가 사용된다. 이 장비는 타겟이 음극에 위치하고, 양극에는 기판이 놓여 있는 상방향 스퍼터 방식의 장치이다. 시편 홀더는 각각의 건 상부에 위치할 수 있고, 가열과 회전이 가능하여 연속적인 스퍼터링이 가능하다.Here, a DC reactive magnetron sputter is used for the sputtering. The device is an upward sputter device with a target on the cathode and a substrate on the anode. The specimen holder can be placed on top of each gun and can be heated and rotated to allow for continuous sputtering.
타겟은 순도 99.95%의 Fe가 사용되고, Ta 소편을 타겟의 스퍼터 집중부위에 위치시키는 핀홀형 복합 타겟 방식이 이용된다. 그리고, 기판은 코닝 유리(corning glass)가 사용되며, 기판의 온도 상승을 억제하기 위해 수냉방식으로 기판을 냉각시킨다. 또한, 유기물 제거를 위해 기판을 TEC(trichloroethylene) 용액에서 20분 동안 초음파 세척을 한 뒤, 아세톤(acetone), 메탄올(methanol) 순으로 각각 15분씩 세척한다. 반응기에 기판을 장착한 후 초기 진공도는 6×10-6Torr 이하로 유지한다. 스퍼터링 직전 타겟 표면의 오염을 제거하기 위해 10분간 스퍼터링을 실시한다. 타겟과 기판 사이의 거리는 4㎝ 로 유지한다. 스퍼터링 시 이용된 아르곤(Ar) (6N), 질소(N2) 가스의 양은 MFC(Mass Flow Controller)를 통하여 제어한다. 이때, 제조되는 박막 구조의 정밀도를 높이기 위하여 압력계, 예를 들면 커패시턴스 마노미터(capacitance manometer)로 절대 압력을 측정하여 스퍼터링 압력을 0.01 mTorr까지 세밀하게 조절한다.As the target, Fe having a purity of 99.95% is used, and a pinhole-type complex target method in which Ta fragments are placed in the sputter concentration region of the target is used. In addition, the substrate is a corning glass (corning glass) is used, in order to suppress the temperature rise of the substrate to cool the substrate by a water cooling method. In addition, the substrate is ultrasonically cleaned in a TEC (trichloroethylene) solution for 20 minutes to remove the organic matter, and then washed for 15 minutes in acetone (methanol), respectively. After mounting the substrate in the reactor, the initial vacuum is maintained at 6 × 10 -6 Torr or less. Sputtering is performed for 10 minutes to decontaminate the target surface immediately before sputtering. The distance between the target and the substrate is kept at 4 cm. The amount of argon (Ar) (6N) and nitrogen (N 2 ) gas used for sputtering is controlled through a Mass Flow Controller (MFC). At this time, in order to increase the precision of the manufactured thin film structure, the absolute pressure is measured by a pressure gauge, for example, a capacitance manometer, and the sputtering pressure is finely adjusted to 0.01 mTorr.
이렇게 하여 FeTaN 박막이 제조되면, 그 FeTaN 박막 내에 미세결정립을 형성하기 위해 FeTaN 박막을 후열처리 한다. 즉, 제조된 박막은 700G(가우스)의 자장이 인가된 자장 열처리 로(furnace)에서 온도 400∼700℃의 범위 내에서 열처리를 행한다. 이때, 바람직하게는 시편의 산화를 방지하기 위하여 열처리 전에 진공을 5×10-5Torr로 유지시킨다. 또한, 승온과 냉각시에 시편의 응력 집중을 방지하기 위하여 승온 및 냉각 속도를 10℃/min로 유지하며, 각 열처리 온도에서 30분 동안 유지시킨다. 이렇게 하여 제조된 FeTaN 박막 인덕터 내에는 수십 Å 크기의 미세결정립 구조가 만들어지고, 그에 의해 연자성 특성이 구현된다. 또한, 이와 같은 방법으로 제조된 Fe78.81Ta8.47N12.72연자성 박막의 특성은 15kG의 포화자화값, 0.4Oe(외르스테드)의 보자력에 5Oe의 이방성 자계 수치를 보였다.When the FeTaN thin film is produced in this way, the FeTaN thin film is post-heated to form microcrystalline grains in the FeTaN thin film. That is, the manufactured thin film is heat-treated in the range of 400 to 700 ° C. in a magnetic field heat treatment furnace to which a 700 G (Gauss) magnetic field is applied. At this time, preferably, the vacuum is maintained at 5 × 10 −5 Torr before the heat treatment to prevent oxidation of the specimen. In addition, the temperature and cooling rate is maintained at 10 ℃ / min, and at each heat treatment temperature for 30 minutes in order to prevent the stress concentration of the specimen during the temperature rising and cooling. In the thus prepared FeTaN thin film inductor, a microcrystalline structure having a size of several tens of microwatts is made, thereby realizing soft magnetic properties. In addition, the characteristics of the Fe 78.81 Ta 8.47 N 12.72 soft magnetic thin film manufactured by the above method showed an anisotropic magnetic field value of 5Oe at a saturation magnetization of 15 kG and a coercive force of 0.4Oe (Eursted).
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은, 상기 제1 실시예에 따른 제조방법에 있어서 이방성 자계를 더 높이기 위해 상기 FeTaN 박막 하부에 Ti 하지층을 형성하는 점이 특징적으로 다르다.On the other hand, in the manufacturing method of the FeTaN-based soft magnetic thin film for the magnetic device according to the second embodiment of the present invention, in order to further increase the anisotropic magnetic field in the manufacturing method according to the first embodiment, a Ti base layer is formed under the FeTaN thin film It is characteristically different.
즉, 제2 실시예의 방법에 의하면, 먼저 Ti 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하고, Ti 타겟은 음극으로, 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 Ti 하지층을 형성하게 된다. 여기서, 이 Ti 하지층은 RF 스퍼터를 이용하여 인가전력 150W, Ar 5SCCM, 압력 3mTorr의 조건하에서 500Å의 두께로 형성한다.That is, according to the method of the second embodiment, first, a substrate for forming a thin film is provided at a point spaced apart from the Ti target by a distance, the Ti target is used as a cathode, and the substrate is used as an anode. It is applied to form a Ti base layer on the substrate by the sputtering method. Here, the Ti base layer is formed to a thickness of 500 kW under conditions of an applied power of 150 W, Ar 5 SCCM, and a pressure of 3 mTorr using an RF sputter.
이렇게 하여 Ti 하지층이 형성되면, 그 Ti 하지층 위에 상기 제1 실시예에서와 동일한 방법으로 FeTaN 박막을 형성하고, 이어서 후열처리를 수행한다.In this way, when the Ti base layer is formed, a FeTaN thin film is formed on the Ti base layer in the same manner as in the first embodiment, followed by a post-heat treatment.
본 발명의 제3 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은, 상기 제1 실시예의 제조방법과 거의 동일하나, 후열처리를 수행하는 대신 기판의 온도를 상승시킨다는 점이 특징적으로 다르다.The method of manufacturing the FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device according to the third embodiment of the present invention is substantially the same as the manufacturing method of the first embodiment, except that the temperature of the substrate is increased instead of performing the post-heat treatment.
즉, 먼저 Fe 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하고, Fe 타겟 표면상에 복수의(4개) Ta 소편을 올려 놓는다. 그런 후, 아르곤/질소 혼합 가스(예를 들면, 질소 5%, 아르곤 95%)의 소정 압력(예를 들면, 1.5mTorr)하에서, 상기 기판의 온도를 소정 온도(예컨대, 250℃)로 상승시키고, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원(DC 200W)을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 FeTaN 박막을 형성한다. 여기서, 이상과 같이 기판의 온도를 상승시키는 것은 상기 제1 실시예에서의 후열처리를 수행하는 효과에 해당하는 것으로, 이와 같이 기판의 온도를 상승시키는 방식은 한 번의 공정에 의해 후열처리 효과도 동시에 획득할 수 있는 장점이 있다고 할 수 있다.That is, first, a substrate for forming a thin film is provided at a point separated from the Fe target by a predetermined distance, and a plurality of (four) Ta fragments are placed on the Fe target surface. Then, under a predetermined pressure (eg 1.5 mTorr) of an argon / nitrogen mixed gas (eg 5% nitrogen, 95% argon), the temperature of the substrate is raised to a predetermined temperature (eg 250 ° C.) The Fe target is a cathode, the substrate is an anode, and a DC power source (DC 200W) having a predetermined size is applied between two electrodes to form a FeTaN thin film on the substrate by a sputtering method. Herein, raising the temperature of the substrate as described above corresponds to the effect of performing the post-heat treatment in the first embodiment. The method of raising the temperature of the substrate as described above simultaneously increases the post-heat treatment effect by one step. It can be said that there is an advantage that can be obtained.
이상에 의해 FeTaN 박막을 형성한 결과, Fe91.66Ta4.23N4.11의 조성을 얻었고, 12kG의 포화자화값, 2Oe의 보자력, 2Oe의 이방성 자계 수치를 얻었다.As a result of the formation of the FeTaN thin film, a composition of Fe 91.66 Ta 4.23 N 4.11 was obtained, and a saturation magnetization value of 12 kG, coercive force of 2Oe, and anisotropic magnetic field value of 2Oe were obtained.
본 발명의 제4 실시예에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법은, 상기 제2 실시예의 제조방법과 거의 동일하나, 후열처리를 수행하는 대신 기판의 온도를 상승시킨다는 점이 특징적으로 다르다.The manufacturing method of the FeTaN-based soft magnetic thin film for a magnetic device according to the fourth embodiment of the present invention is substantially the same as the manufacturing method of the second embodiment, except that the temperature of the substrate is increased instead of performing the post heat treatment.
즉, 먼저 Ti 타겟과 소정 거리 이격된 지점에 박막 형성을 위한 기판을 마련하고, Ti 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 기판상에 Ti 하지층을 형성한다.That is, first, a substrate for forming a thin film is provided at a point spaced apart from the Ti target, and the Ti target is a cathode, and the substrate is an anode, and a DC power source having a predetermined size is applied between the two electrodes to sputter the substrate. A Ti underlayer is formed on the substrate.
그런 후, Ti 타겟을 Fe 타겟으로 교체한 후, Fe 타겟 표면상에 복수의 Ta 소편을 올려 놓고, 아르곤/질소 혼합 가스의 소정 압력하에서, 상기 기판의 온도를소정 온도(250℃)로 상승시키고, 상기 Fe 타겟은 음극으로, 상기 기판은 양극으로 하여 두 전극 사이에 소정 크기의 직류 전원을 인가하여 스퍼터링 방식에 의해 상기 Ti 하지층 상에 FeTaN 박막을 형성한다.Then, after replacing the Ti target with the Fe target, a plurality of Ta fragments were placed on the Fe target surface, and under the predetermined pressure of the argon / nitrogen mixed gas, the temperature of the substrate was raised to a predetermined temperature (250 ° C.) The Fe target is a cathode, the substrate is an anode, and a DC power source having a predetermined size is applied between two electrodes to form a FeTaN thin film on the Ti base layer by sputtering.
한편, 도 1은 상기 FeTaN 박막의 후열처리 온도에 따른 포화자화값 및 보자력의 변화를 보여주는 도면이다.On the other hand, Figure 1 is a view showing a change in the saturation magnetization value and coercivity with the post-heat treatment temperature of the FeTaN thin film.
도 1을 참조하면, FeTaN 박막(Fe78.81Ta8.47N12.72박막)은 500℃에서 최고의 포화자화값과 가장 낮은 보자력 값을 보임을 알 수 있다.Referring to FIG. 1, it can be seen that the FeTaN thin film (Fe 78.81 Ta 8.47 N 12.72 thin film) shows the highest saturation magnetization value and the lowest coercivity value at 500 ° C. FIG.
도 2는 상기 FeTaN 박막의 다양한 후열처리 온도에 있어서의 주파수에 따른 투자율의 변화를 보여주는 도면이다.2 is a view showing the change in permeability with frequency at various post-heat treatment temperatures of the FeTaN thin film.
도 2를 참조하면, FeTaN 박막(Fe78.81Ta8.47N12.72박막)은 자화용이축과 자화곤란축 모두에서 약 2000∼3000 정도의 값을 나타내고 있다. 또한, 약 20∼40 MHz 정도에서 투자율이 감소하는 롤-오프(roll-off) 현상이 나타나며, 100 MHz 대역에서는 투자율이 약 600∼700 정도의 값으로 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 특성을 나타내는 자성 박막은 20MHz 이상의 주파수에서는 소자의 특성을 감소시키는 원인으로 작용함을 알 수 있다. 주파수 증가에 따른 자기 특성의 저하 원인으로는 낮은 비저항에 의한 와전류 손실과 낮은 이방성 자계에 의한 자기 에너지의 분산 효과에 의한 손실로 판단된다.Referring to FIG. 2, the FeTaN thin film (Fe 78.81 Ta 8.47 N 12.72 thin film) has a value of about 2000 to 3000 on both the biaxial axis and the hard axis of magnetization. In addition, a roll-off phenomenon occurs in which the permeability decreases at about 20 to 40 MHz, and the permeability is reduced to about 600 to 700 in the 100 MHz band. Therefore, it can be seen that the magnetic thin film exhibiting such characteristics acts as a cause of reducing the characteristics of the device at a frequency of 20 MHz or more. The cause of the deterioration of magnetic characteristics due to the increase in frequency is considered to be the loss due to the eddy current loss due to low specific resistance and the dispersion effect of magnetic energy due to the low anisotropic magnetic field.
E.Van de Riet과 F.Roozeboom의 연구 결과[E.Van de Riet and F.Roozeboom, J. Appl. Phys., 81 (1), 350(1997)]에 의하면 투자율이 50%로 감소하는 롤-오프주파수()는,E. Van de Riet and F. Roozeboom, J. Appl. Phys., 81 (1), 350 (1997). ),
로 표현된다.It is expressed as
이와 같이, 자성 재료의 고주파 특성은 주파수 증가에 따른 와전류 현상에 의한 손실과, 자기 이방성 에너지의 분산에 의한 손실에 의해 결정된다. 따라서, 본 발명에서는 일축 자기 이방성을 갖는 FeTaN 박막을 제조하게 된 것이다.As described above, the high frequency characteristics of the magnetic material are determined by the loss due to the eddy current phenomenon due to the increase in frequency and the loss due to the dispersion of the magnetic anisotropic energy. Therefore, the present invention is to produce a FeTaN thin film having uniaxial magnetic anisotropy.
도 3은 후열처리 온도에 따른 이방성 자계의 변화를 보여주는 도면이다.3 is a view showing a change in anisotropic magnetic field according to the post-heat treatment temperature.
도 3을 참조하면, FeTaN 박막에 있어서 Ti 하지층을 형성한 경우, 자장인가 분위기에서 400℃의 열처리후 이방자계가 10Oe 이상으로 증가된 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 3, when the Ti underlayer is formed in the FeTaN thin film, it can be seen that the anisotropic magnetic field is increased to 10Oe or more after heat treatment at 400 ° C. in a magnetic field application atmosphere.
그리고, 이와 같이 증가된 자기이방성으로 인해, 도 4에 도시된 바와 같이, 100MHz까지 투자율이 계속 이어지는 것을 알 수 있다.And, due to the increased magnetic anisotropy, it can be seen that the permeability continues to 100MHz, as shown in FIG.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 자기소자용 FeTaN계 연자성 박막의 제조방법에 의해 제조된 Ti/FeTaN 연자성 박막은 높은 포화 자화값 및 이방성 자계, 그리고 낮은 보자력으로 인해 우수한 열적 안정성 및 뛰어난 특성 재연성 등을 가지며, 따라서 고주파수 대역의 소형 자기소자나 VTR 헤드 등에 적용이 가능하다. 또한, 수직 자기이방성도 크므로 수직자기 기록매체로서의 응용가능성도 있다.As described above, the Ti / FeTaN soft magnetic thin film manufactured by the method for manufacturing a FeTaN soft magnetic thin film for magnetic devices according to the present invention has excellent thermal stability and excellent characteristics due to high saturation magnetization value and anisotropic magnetic field, and low coercive force. It has reproducibility and the like, and therefore, it can be applied to a small magnetic element or a VTR head in a high frequency band. In addition, since the vertical magnetic anisotropy is large, there is also the possibility of application as a vertical magnetic recording medium.
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