KR100332231B1 - 초고주파용 자성박막의 재료와 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법 - Google Patents

초고주파용 자성박막의 재료와 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2GHz이상의 초고주파에서 동작할 수 있는 초고주파용 자성박막의 재료와 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초고주파용 자성박막 재료는 2GHz 이상의 초고주파용 자성박막 재료에 있어서, 19(kGauss) 정도의 높은 자화(Ms)와 30(Oe)에서 125(Oe) 사이의 단축 이방성장(Han) 값을 만족함과 아울러 '0'에 근접한 마그네토스트릭션 값을 가지고, 자기 공진주파수가 3GHz 정도인 강자성 박막 금속재료 Co90Fe10를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 2GHz이상의 초고주파에서 가능한 높은 자화율을 갖는 자성박막층을 비자성 절연박막층과 결합시켜 다층구조로 된 고주파용 자성박막재료를 얻을 수 있으므로 MHz∼GHz 주파수 응용에 사용되는 미소 자성 박막소자에 바로 활용이 가능하고, 박막 인덕터나 변압기를 이용한 소형의 전력원 제작을 통해 휴대용 컴퓨터의 소형경량화에 크게 기여할 수 있게 된다.

Description

초고주파용 자성박막의 재료와 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법{Material of Magnetic Thin Film For Super-high Frequency and Magnetic Thin Film sing The Same and Fabrication Method Thereof}
본 발명은 정보통신 신소자/소재 기술에 이용되는 자성박막의 제조방법에 관한 것으로, 특히 2GHZ이상에서 동작할 수 있는 초고주파용 자성박막의 재료 및 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근의 반도체(실리콘/GaAs) 소자 집적기술의 눈부신 발전은 많은 저비용의 고주파 무선 통신기기를 가능케하고 있으나 금속박막으로 이루어진 인턱터가 전체 회로면적의 60% 이상을 차지하여 통신기기의 소형 경량화에 큰 장애물이 되고 있다. 따라서 21세기를 겨냥하는 우수한 성능을 가진 소형 경량의 초고주파용 무선 통신기기를 구현하기 위해서는 핵심소자인 고주파 영역에서 Eddy 전류손실이 적고 극대화된 L, Q 값을 갖는 박막 인덕터와 전압제어발진기(Voltage-controlled Oscillator; VCO) 등을 제조하는데 초고주파용 자성박막재료를 사용해야 한다.
지금까지 NiZn 페라이트(Ferrite)가 고조파 응용을 위해 자성재료로 널리 사용되어 왔다. 또한 지금까지 알려진 자성물질들 가운데 CoFe 재료는 상온에서 이중원소들 중 가장 높은 자화(Magnetization)를 가지고 있다. 이러한 박막재료는 높은 자화와 Anisotropy Field의 우수한 성질로 인해 GHz 정도의 공진주파수를 가질 수 있어 박막 인덕터나 변압기와 같은 MHz∼GHz 용 소형경량 자성박막소자에 응용되는 좋은 예가 된다.
이러한 가능성에도 불구하고 CoFe 자성박막 재료에 대한 연구는 국내외적으로 아주 미미한 수준인데 최근에 들어서야 일본에서 Co50Fe50재료가 고주파수(GHz 이상)에서 사용될 가능성이 있다는 것을 보인바 있다. 미국, 프랑스 등에서는 CoZrNb 자성박막 재료가 고주파에서 훌륭한 특성을 나타낸다고 발표하고 있다. 그러나 이러한 고주파용 자성박막 재료에 관한 연구는 국내적으로 전무한 실정이다. 또한 최근에는 다층구조가 고주파수 영역에서 Eddy 전류손실을 줄일 수 있는 효과를 보이고 있음을 알 수 있다.
자상물질을 사용하지 않은 비자성 금속박막으로만 이루어진 인턱터는 원하는 L값을 얻기위해 전체회로 면적의 60% 이상을 차지해야 하므로 통신기기의 소형경량화에 큰 장애가 되고 있다. 또한 상용화된 고주파용 자성물질인 페라이트는 10MHz 이상의 주파수 영역에서 자화율이 급격히 떨어져 최근에 GHz에서 동작하는 미소한 자성소자에는 사용할 수 없다. 최근 일본에서 개발된 Co50Fe50재료는 아주 큰 마그네토스트릭션(Magnetostriction)값을 가지고 있어서 외부에서 인가된 자장의 변화에 따라 재료의 크기가 민감하게 변하여 미소자성소자에 직접 응용이 불가능한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 인덕터 제작시 전체회로 내에 차지하는 면적을 극소화시키면서 원하는 L 값을 얻을 수 있어 이동통신기기의 소형경량화에 크게 기여할 수 있는 초고주파용 자성박막 재료와 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법을제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미소자성소자의 동작 주파수를 GHz의 고주파수 영역으로 증가시킬 수 있는 초고주파용 자성박막 재료와 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작은 마트네토스트릭션 값을 갖도록 하는 초고주파용 자성박막 재료와 그를 이용한 자성박막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초고주파용 다층자성박막의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 Co 함량이 많은 합금박막들의 Snoke의 한계를 나타낸 특성도.
도 3은 Ms=19.3 KG, Han=10, 30, 125 Oersteds 일 때 Co90Fe10합금 박막들이 0.8GHz∼5.0GHz의 주파수 영역에서 복소수 자화율(μ)과 주파수(f) 관계를 나타내는 특성도.
도 4는 Ms=19.3 KG, Han=10, 30, 125 Oersteds 일 때 Co90Fe10합금 박막들이 0.8GHz∼5.0GHz의 주파수 영역에서 표피깊이(δ)와 주파수(f) 관계를 나타내는 특성도.
도 5a는 Co90Fe10합금 타겟을 사용하여 얻은 Co90Fe10의 대표적인 자속밀도(B)와 자계의 세기(H) 루프 특성도이고, 도 5b는 두 개의 Co와 Fe 타겟을 사용하여 얻은 Co90Fe10의 대표적인 자속밀도(B)와 자계의 세기(H) 루프 특성도.
도 6a 및 도 6b는 그라스(Glass)와 폴리아미드(Polyimide) 위에 Co90Fe10을 적층하였을 때 B-H의 특성 및 그 성질을 나타내고, 도 5c는 상기 두 가지 종류의 기판위에 적층된 Co90Fe10박막의 성질을 요약하여 나타낸 도면.
도 7은 Co90Fe10단일층의 0∼200 MHz 영역에서의 자화율(μ)과 주파수(f) 관계의 특성도.
도 8은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻어진 NiFe/SiO2, CoZrNb/SiO2, Co90Fe10/SiO2자성 다층 박막들의 복소수 자화율과 주파수 관계의 특성도.
도 9는 10×[100nm Co90Fe10/100nm SiO2] 다층 박막의 대표적인 B-H 루프 특성도.
도 10은 MHz 내지 GHz 주파수 영역에서 자성 박막 다층의 복소수 자화율과 주파수 관계의 특성을 측정하는데 사용된 시스템의 구성이 나타낸 도면.
도 11은 10×[100nm Co90Fe10/100nm SiO2] 다층 박막들의 대표적인 복소수 자화율과 주파수 관계의 특성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10 : 기판 12 : 자성박막층
14 : 비자성절연층 16 : 다층 자성박막
18 : 도체 20 : 그라운드
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초고주파용 자성박막 재료는 2GHz 이상의 초고주파용 자성박막 재료에 있어서, 19(kGauss) 정도의 높은 자화(Ms)와 30(Oe)에서 125(Oe) 사이의 단축 이방성장(Han) 값을 만족함과 아울러 '0'에 근접한 마그네토스트릭션 값을 가지고, 자기 공진주파수가 3GHz 정도인 강자성 박막 금속재료 Co90Fe10를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초고주파용 자성박막은 2GHz 이상의 초고주파에서 19(kGauss) 정도의 높은 자화(Ms)와 30(Oe)에서 125(Oe) 사이의 단축 이방성장(Han) 값을 만족함과 아울러 '0'에 근접한 마그네토스트릭션 값을 가지고, 자기 공진주파수가 3GHz 정도인 강자성 박막 금속재료 Co90Fe10를 이용한 자성박막층과, 비자성 절연박막층을 결합시켜 다층 구조로 이루어진 다층자성박막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초고주파용 자성박박 제조방법은 임의의 기판 상에 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 19(kGauss) 정도의 높은 자화(Ms)와 30(Oe)에서 125(Oe) 사이의 단축 이방성장(Han) 값을 만족함과 아울러 '0'에 근접한 마그네토스트릭션 값을 가지고, 자기 공진주파수가 3GHz 정도인 강자성 박막 금속재료 Co90Fe10로 이루어진 단일 자성박막층을 적층하는 단계와; 상기 단일 자성박막층 위에 다운 스퍼터링 방법을 이용하여 비자성 절연박막층을 적층하는 단계와; 상기 단일 자성박막층과 비자성 절연박막층을 연속적으로 적층하여 다층 자성박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 10을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초고주파용 다층자성박막의 구조를 나타낸 단면도로서, 도 1에 도시된 다층 자성박막(16)은 임의의 기판(10) 상에 가능한 높은 자화율을 갖는 단일 자성박막층(121내지 12n)과 비자성 절연박막층(141내지 14n)을 결합시켜 다층구조로 구비한다.
도 1에 도시된 단일 자성박막층(121내지 12n)은 본 발명에 따른 Co90Fe10합금으로 이루어지게 된다. 이 Co90Fe10합금에 대한 특성은 후술하기로 한다. Co90Fe10합금 단일박막층(121내지 12n)은 Co90Fe10합금 타겟(순도: 99.9%)으로부터 고주파 마크네트론 스퍼터링 적층장비를 이용하여 임의의 기판(10) 상에 적층된다. 이 경우, 고주파 마크네트론 스퍼터링 적층장비의 베이스 압력은 2.2×10-7∼5×10-7토르(Torr), 아르곤(Ar) 압력은 10∼30 mTorr로 설정된다. 우선적으로, 1000Å의 두께(<δmin =1800Å)을 가진 Co90Fe10단일박막층(121)은 글래스 슬라이드(Glasses Slides), 실리콘 웨이퍼, 폴리이미드(Polyimide) 등의 기판(10) 위에 적층된다. 이 자성박막층(121)은 상온에서 적층되고 적층도중 140∼320 Oe의 평면방향으로 마그네틱 바이어스 필드(Magenetic Bias Field)가 가해진다. 또한, Co90Fe10박막층(121)은 두 개의 독립된 Co 타겟(순도: 99.9%)과 Fe 타겟(순도: 99.9%)으로부터 기판을 회전시키면서 적층될 수도 있다. 이 경우, 상기 단일 Co90Fe10합금 타겟으로부터 얻어진 자성박막층과 비슷한 결과를 얻을 수 있게 된다. 이렇게 기판(10) 상에 양질의 자성 단일 박막층(121)을 두께가 50∼100 nm 정도가 되게끔 적층하고 고진공상태를 유지한 후 시료를 SiO2타겟 아래로 이동시킨 후 다운 스퍼터링 방식으로 비자성 절연박막층(141)을 적층한다. 이와 같은 방식으로 얻어진 자성박막층과 비자성 절연박막층(Co90Fe10/SiO2)(121,141)을 고진공상태에서 10∼20층 정도를 연속적으로 적층시킴으로서 다층 자성박막(16)을 완성하게 된다.
여기서, 다층 자성박막(16)의 자화율-주파수 특성은 자성 다층 박막과 도체로 이루어진 층상구조를 갖는 마이크로스트립 라인(Microstrip line)을 네트워크 어날라이저(Network analyzer)에 연결하고 전송특성(Transmission characteristics; S11, S21)을 특정하므로써 얻어질 수 있다. 여기서, 각 자성박막층(121내지 12n)의 자성성질은 재료의 보자력(coercivity)(Hc)과 이방성(Anisotropy field) Han값의 상태에 따라 로우필드 B-H 히스테리시스 그래프(드라이브 필드≤100 Oe)나 VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 등을 사용하여 상온에서 측정되고 자성 박막 재료의 상온 저항력(Resistivity)은 포어-포인트 프로브(Four-point probe)를 이용하여 측정될 수 있다.
우선적으로, 자성재료의 공진주파수가 1∼5GHz 정도가 되게 하기 위하여 Ms×Han(여기서, Ms는 자화, Han은 Anisotropy Field) 곱이 최대가 되는 고주파 자성재료들을 선택하는 과정을 상세히 살펴보기로 한다.
포화자화(Ms)를 갖는 자성물질이 높은 자화성질을 유지할 수 최대 주파수는 Snoek의 한계에 의하여 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, μm(0)은 스태틱(Static) 자화율, fc는 차단주파수 도는 페로마크네틱(Ferromagenetic) 공진주파수를 나타낸 것으로서 다음 수학식 2와 3으로 정의된다.
상기 수학식 2 및 3으로부터 다음 수학식 4를 얻을 수 있다.
또한, 상기 수학식 2 및 4로부터 다음 수학식 5를 얻을 수 있다.
이에 따라, 고주파수 영역에서의 동작을 요구하는 미소자성소자를 실현하기 위해서는 μm(0)·fc의 곱을 최대화시키는 자성박막재료의 개발을 필요로 한다. 상기 수학식 1에서 알 수 있듯이 최대 μm(0)·fc의 곱은 가장 높은 Ms와 가장 작은 Han 값을 만족시키는 페로마그네틱 금속물질로 얻어질 수 있다. 또한, 고주파 자기장은 표피의 깊이(Skin depth) δ보다 얇은 층의 자성재료에만 침투할 수 있으며 GHz 주파수에서는 δ가 서브-마이크론(Sub-micron) 값을 갖게 되므로 강자성 박막 금속층을 사용해야한다. 이러한 강자성 박막 금속재료로는 Co97Zr5Nb9(Ms=11 kGauss; 비정질), Co50Fe50(Ms=24.5 kGauss), Co90Fe10(Ms=19.3 kGauss; 폴리크리스탈린) 세 가지 종류가 있다. 이러한 박막재료들에 대한 Snoek의 한계는 상기 수학식 4 및 5를 사용하여 얻어질 수 있고, 그 결과들은 도 2에 도시된 바와 같다.
도 2는 Co 함량이 많은 합금박막들(Co97Zr5Nb9, Co50Fe50, Co90Fe10)의 Snoke의 한계를 나타낸 것이다. 도 2에서 Co97Zr5Nb9Co50Fe50Co90Fe10순으로 Snoke 한계, 즉 μm(0)·fc의 곱의 크기가 감소함을 알 수 있다. 그러나, 사용될 자성박막재료는 아주 작은 마그네토스트릭션 값을 가져야 한다. 다시 말하여, 박막재료는 외부의 스트레스 변화에 따라 그 크기가 변하지 않고 거의 일정해야만 한다. 따라서, 아주 큰 마그네토스트릭션 값을 갖는 Co50Fe50은 자성박막의 좋은 재료가 될 수 없다. 대신에 Co90Fe10은 0의 마크네토스트릭션을 가지며 fc= 4.6 GHz 값을 가지므로 고주파용 자성재료로서 바람직하다. 이하, 자성박막의 재료로서 Co90Fe10를 이용하기로 한다.
이러한 박막재료에 대한 주파수 응답은 다음 수학식 6에 의해 얻어질 수 있다.
여기서 fc는 차단주파수 또는 페로마크네틱(Ferromagenetic) 공진주파수로 상기 수학식 3와 같이 정의되어진다. Han이 10, 30, 125 Oersted 일 때 Co90Fe10박막재료의 자화율(μ)과 주파수(f) 관계의 특성은 상기 수학식 6을 이용하여 얻어질 수 있으며 그 결과는 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3은 Ms=19.3 KG, Han=10, 30, 125 Oersteds 일 때 Co90Fe10합금 박막들이 0.8GHz∼5.0GHz의 주파수 영역에서 복소수 자화율(μ)과 주파수(f) 관계를 나타내는 특성도이다. 도 3에서 Han이 증가함에 따라 μ는 감소하지만 fc 값은 0.8GHz에서 5GHz 로 증가함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 2GHz 이하에서 박막재료를 사용하기를 원하므로 30 Oe ≤ Han ≤ 125 Oe 사이의 Han값을 얻는 것이 바람직하다.
GHz 주파수에서는 Co90Fe10박막재료 표면의 표피깊이 δ내에서만 자기장이 존재할 수 있다. 따라서, 박막재료의 두께는 Eddy 손실을 줄이기 위해 δ보다 작아야 한다. δ는 다음 수학식 7과 같이 표시될 수 있다.
여기서, μm은 상기 수학식 6에서 정의된 자화율이고, ρm는 자성박막층의 비저항을 나타낸다. 상기 수학식 6 및 7을 이용하여 Co90Fe10의 Han값이 10, 30 125 Oe일 때 δ-f 특성은 쉽게 얻을 수 있고, 그 결과는 도 4에 도시된 바와 같다.
도 4는 Ms=19.3 KG, Han=10, 30, 125 Oersteds 일 때 Co90Fe10합금 박막들이 0.8GHz∼5.0GHz의 주파수 영역에서 표피깊이(δ)와 주파수(f) 관계를 나타내는 특성도이다. 도 4에서 최소 표피깊이 δmin은 1800Å이고, 이 값은 주파수 f와 Han의 값에 무관하게 일정하다는 것을 알 수 있다. 따라서, Co90Fe10박막재료의 두께는 δmin= 1800Å 보다 작아야 한다.
도 5a 및 도 5b는 약 1000Å의 두께를 가진 Co90Fe10의 대표적인 자속밀도(B)와 자계의 세기(H) 루프 특성을 나타낸다. Co90Fe10합금 타겟을 사용하여 얻은 자속밀도(B)와 자계의 세기(H) 관계의 특성을 나타낸 도 5a와 두 개의 Co와 Fe 타겟을 사용하여 얻은 결과를 나타낸 도 5b를 비교해보면 비슷함을 알 수 있다. 다음 표 1은 이러한 두가지 종류의 Co90Fe10단일층의 성질을 요약하여 나타낸 것이다.
그리고, 다음 표 2는 도 5a에서 얻은 자성성질을 문헌[R. M. Bozorth, Ferromagnetism, IEEE press, New York(1993) 과 C. H. Tolman, J.Appl. Phys 38, 3409(1967)] 상에 존재하는 벌크(Buik) 값과 비교한 결과를 나타낸다.
상기 표 2에서 본 발명에서 적층된 Co90Fe10단일박막층은 벌크에 비견할 만한 좋은 양질의 재료임을 알 수 있다. 다음 표 3은 도 5a의 자속밀도(B)와 자계의 세기(H) 관계의 특성을 나타내는 박막을 적층할 때 사용된 중요한 파라미터들을 요약하여 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b는 두 개의 서로 다른 기판, 즉 그라스(Glass)와 폴리아미드(Polyimide) 위에 Co90Fe10을 적층하였을 때 B-H의 특성 및 그 성질을 나타내고, 도 6c는 상기 두 가지 종류의 기판위에 적층된 Co90Fe10박막의 성질을 요약하여 나타낸 것이다. 도 6a 내지 6c에서 그라스 기판일 때 더 좋은 Co90Fe10박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 Co90Fe10단일층의 0∼200 MHz 영역에서의 자화율(μ)과 주파수(f) 관계의 특성을 나타낸 것이다. 도 7에서 μr=μ'=131 값을 가지며 200MHz까지 일정하므로 그 결과 f=200 MHz 까지는 공진이 일어나지 않는다는 것을 알 수 있다.
절연층이 갖는 유전체 브레이크다운과 용량결합된 층간의 손실에 대한 특성은 자성 다층박막의 설계를 최적화시킬 때 반드시 고려해야 할 사항이다. 자성 박막층의 두께(tm), 비자성 절연층의 두께(tn) 그리고 Han사이의 상호관계는 다음 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
여기서, tm은 자성 박막층의 두께로서 다음 수학식 9와 같이 정의되어진다.
여기서, μm은 소프트 자성 박막층의 자화율로서 전술한 수학식 2와 같이 정의되고, δ는 표피 깊이로서 수학식 7과 같이 정의되며, αm은 마진 요소를 나타낸다. 전술한 수학식 2와 3 그리고 수학식 7 내지 9을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻어진 NiFe/SiO2(50/100nm), CoZrNb/SiO2(100/100nm), Co90Fe10/SiO2(50/100nm) 자성 다층 박막들의 복소수 자화율(Permeability)과 주파수 관계의 특성은 도 8에 도시된 바와 같다.
도 8을 참조하면, Co90Fe10/SiO2로 구성된 자성 다층 박막은 이미 실용화되어 있는 페라이트의 μr'×fc곱의 100배 이상의 큰 값을 가지며 약 5 GHz 의 고주파수 영역에서 사용될 수 있는 좋은 후보가 된다는 것을 알 수 있다.
도 9는 10×[100nm Co90Fe10/100nm SiO2] 다층 박막의 대표적인 B-H 루프 특성을 나타낸 것이다. 도 9에서 다층 박막의 측정된 유효 자화 Ms'= 9480 Gauss 이고, Hc=24 Oe, Han=124 Oe 임을 알 수 있다. 측정된 Ms'는 계산된 Ms' ={ Ms×tm/(tm+tn)}(여기서, Ms는 자성 박막층만의 자화이다)의 값인 9501 Gauss와 거의 일치하고, 측정된 Han의 값 124 Oe는 전술한 과정에서 예측된 30 Oe ≤ Han ≤ 125 Oe 사이의 범위 중 fc≒5 GHz 가 되기 위한 Han의 최대값 125 Oe와 일치함을 알 수 있다.
도 10은 MHz 내지 GHz 주파수 영역에서 자성 박막 다층의 복소수 자화율과 주파수 관계의 특성을 측정하는데 사용된 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
도 10에 있어서 샘플 자성박막(16)은 Co90Fe10/SiO2로 이루어진 자성 다층 박막을 의미하고 컨덕터(18)로서는 구리(Cu)가 사용된다. 이러한 샘플 자성박막(16)과 구리(18)로 이루어진 층상구조는 일정의 마이크로스트립 라인(Microstrip line)이다.
샘플 자성 다층 박막(16)의 Complex relative permeability [μr(f);μr'(f)-jμr'(f)]의 주파수 특성은 마이크로스트립 라인의 전송특성, 즉 S11, S21파라미터로부터 후술하는 원리로 측정되어진다.
우선적으로, μr'의 주파수 특성은 S-파라미터로 분석되는 자성 흡수(Magnetic absorption)으로부터 얻어진다. 여기서, S21전송파라미터는 다음 수학식 10과 같이 기술될 수 있다.
여기서, Am은 자성 박막층에서의 흡수, A0는 다른 흡수를 나타낸다. ｜Am｜2은 μr'×f와 비례하므로 ｜Am｜2/f 의 주파수 특성으로부터 μr'의 주파수특성을 얻을 수 있다. 또한, 로스(Loss)(L)은 다음 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
상기 수학식 10을 수학식 11에 대입하면 다음 수학식 12를 얻을 수 있다.
이때, 외부 자기장이 인가되지 않은 경우 로스[L(0)]와 인가된 경우 로스[L(H)]은 상기 수학식 12로부터 다음 수학식 13 과 14와 같이 표현될 수 있다.
여기서, A0는 외부 자기장의 인가여부와 무관하므로 ｜A0(H)｜2≒｜A0(0)｜2이 되고, 또한 외부 자기장이 자성박막층의 Ms를 포화시킬 때 ｜Am(H)｜2≒0이 되므로 간소화될 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 상기 수학식 13과 14로부터 다음 수학식 15를 얻을 수 있다.
따라서, μr'의 주파수 특성은 L(H)와 L(0)의 주파수 특성, 즉 S11, S21의 주파수 특성으로부터 얻어지게 된다. 다음으로, μr'의 주파수 특성은 다음 수학식 16과 같은 Kramers-Kronig의 관계식으로부터 얻어진다.
여기서, p는 프린서플(Principal) 값, x는 적분면수이다. 위와 같이하여 얻어진 μr'와 μr'의 주파수 특성은 도 11에 도시된 바와 같다. 도 11에서 측정된 스태틱 자화율[μr'(0)]m와 공진주파수[fc]m는 다음 수학식 17과 18과 같이 계산된 값들과 비교될 수 있으며 그 결과는 다음 표 4와 같이 나타나게 된다.
상기 표 4에서 측정값과 계산된 값들이 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초고파용 자성박막 제조방법에 의하면 GHz 주파수에서 가능한 높은 자화율을 갖는 자성박막층을 비자성 절연박막층과 결합시켜 다층구조로 된 고주파용 자성박막재료를 얻을 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 초고파용 자성박막 제조방법에 의하면 자성다층박막재료는 MHz∼GHz 주파수 응용에 사용되는 미소 자성 박막소자에 바로 활용이 가능하고, 박막 인덕터나 변압기를 이용한 소형의 전력원 제작을 통해 휴대용 컴퓨터의 소형경량화에 크게 기여할 수 있게 된다. 나아가, 본 발명에 따른 초고파용 자성박막 제조방법에 의하면 GHz 자성박막소자를 실리콘 소자 회로에 함께 집적시킬 수 있으므로 소형경량의 인덕터의 개발에 크게 기여할 수 있으며 더 나아가 초고속/고주파수에서 동작하는 다른 자상소자들(스위칭 전력공급 변압기, 박막으로된 소형 노이즈 필터, 자기센서, 레코딩 헤드, 초고주파수 부품 및 이펙티브 미디어, 고주파 태그 등)의 개발에 기초가 될 수 있게 된다. 아울러, 본 발명에 따른 초고파용 자성박막 제조방법에 의하면 고주파 무선통신기기에 사용되는 전압제어발진기(VCO)의 개발제조에 기초가 되므로 고주파 통신기기의 소형경량화에 크게 이바지 할 수 있게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (11)

  1. 2GHz 이상의 초고주파용 자성박막 재료에 있어서,
    19(kGauss) 정도의 높은 자화(Ms)와 30(Oe)에서 125(Oe) 사이의 단축 이방성장(Han) 값을 만족함과 아울러 '0'에 근접한 마그네토스트릭션 값을 가지고, 자기 공진주파수가 3GHz 정도인 강자성 박막 금속재료 Co90Fe10를 이용하는 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막 재료.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성박막 재료의 두께는 최소 표피의 두께(δ)인 1800(Å) 보다 작은 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막 재료.
  4. 2GHz 이상의 초고주파에서 19(kGauss) 정도의 높은 자화(Ms)와 30(Oe)에서 125(Oe) 사이의 단축 이방성장(Han) 값을 만족함과 아울러 '0'에 근접한 마그네토스트릭션 값을 가지고, 자기 공진주파수가 3GHz 정도인 강자성 박막 금속재료 Co90Fe10를 이용한 자성박막층과, 비자성 절연박막층을 결합시켜 다층 구조로 이루어진 다층자성박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막.
  5. 삭제
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 절연층이 갖는 유전체 브레이크다운과 용량결합된 층간의 손실에 대한 특성을 고려하여 상기 자성 박막층의 두께 tm과 상기 비자성 절연층의 두께 tn그리고 이방성장 Han사이의 상호관계는
    이고,
    여기서,
    (여기서, μr'은 투자율, μm은 소프트 자성 박막층의 자화율, δ는 표피 깊이, αm은 마진 요소, ρm은 자성박막층의 비저항, Ms는 자화, Han은 이방성장, fc는 차단주파수)
    인 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다층자성박막의 자화율과 주파수 관계의 특성은 상기 다층박막과 도체로 이루어진 층상구조를 갖는 마이크로스트립 라인을 네트워크 어날라이저에 연결하여 전송특성 파라미터(S11, S22)를 측정하여 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막.
  8. 임의의 기판 상에 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 19(kGauss) 정도의 높은 자화(Ms)와 30(Oe)에서 125(Oe) 사이의 단축 이방성장(Han) 값을 만족함과 아울러 '0'에 근접한 마그네토스트릭션 값을 가지고, 자기 공진주파수가 3GHz 정도인 강자성 박막 금속재료 Co90Fe10로 이루어진 단일 자성박막층을 적층하는 단계와,
    상기 단일 자성박막층 위에 다운 스퍼터링 방법을 이용하여 비자성 절연박막층을 적층하는 단계와,
    상기 단일 자성박막층과 비자성 절연박막층을 연속적으로 적층하여 다층 자성박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단일 자성박막층은
    단일 Co90Fe10합금 타겟으로부터 상기 기판을 회전시키면서 적층시킨 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 단일 자성박막층은
    두 개의 독립된 Co 타겟과 Fe 타겟으로부터 상기 기판을 회전시키면서 적층시킨 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    고주파 마그네트론 스퍼터링 방법의 적층조건들에서 고주파 파워는 1(lW), 기판전압은 0(V), 베이스압력은 5×10-7(Torr), 프리 스퍼터 시간은 3분, 마그네틱 바이어스 필드는 150(Oe), 아르곤의 압력은 10(mTorr), 디포지션 레이트는 275(Å/분), 기판온도는 상온인 것을 특징으로 하는 초고주파용 자성박막 제조방법.
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