KR100549858B1 - Method of producing half-metallic magnetic oxide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 스퍼터링 장치에서 적어도 하나 이상의 홀이 마련된 도전체를 소정의 금속타겟과 기판 홀더 사이에 배치함으로써 상기 금속타겟으로부터 발생되는 금속이온과 산소의 결합을 향상시킬 뿐만 아니라, 형성될 박막물질의 보자력보다 큰 자기장을 기판 상에 인가함으로써 우수한 특성의 자성체박막을 얻을 수 있는 반금속성 자성체 산화물의 제조방법을 제공한다.The present invention not only improves the bonding of metal ions and oxygen generated from the metal target by disposing a conductor provided with at least one hole between the predetermined metal target and the substrate holder in the plasma sputtering apparatus, Provided is a method for producing a semimetal magnetic oxide that can obtain a magnetic thin film having excellent characteristics by applying a magnetic field larger than the coercive force on a substrate.
또한, 바람직한 실시형태에서는, 상기 도전체에 도전체용 전력공급부를 연결하여 추가적으로 전력을 공급하여 2차 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이러한 플라즈마 스퍼터링 장치는 산소분해를 위한 높은 에너지를 제공할 뿐만 아니라, 추가적인 전력을 통해 서로 다른 이온가를 갖는 금속이온을 정확한 조성비로 발생시킬 수 있어 낮은 공정온도에서 반금속성 산화물을 제조하는데 매우 유용하다.In a preferred embodiment, the secondary power can be generated by additionally supplying electric power by connecting the electric power supply for the electric conductor to the electric conductor. Such a plasma sputtering device not only provides high energy for oxygen decomposition, but also can generate metal ions having different ionic values at an exact composition ratio through additional power, which is very useful for preparing semimetal oxides at low process temperatures.
플라즈마 스퍼터링 장치, 반금속성 산화물, Fe3O4 박막, MRAM(Magnetic Random Access Memory), 2차 플라즈마Plasma Sputtering Device, Semi-Metallic Oxide, Fe3O4 Thin Film, Magnetic Random Access Memory (MRAM), Secondary Plasma
Description
도1은 본 발명에 사용되는 플라즈마 스퍼터링 장치의 개략단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a plasma sputtering apparatus used in the present invention.
도2a 및 도2b는 도1의 플라즈마 스퍼터링 장치에 채용되는 링상의 도전체를 정면도 및 측면도이다.2A and 2B are front and side views of a ring-shaped conductor employed in the plasma sputtering apparatus of FIG.
도3a 및 도3b는 통상 Fe3O4 벌크와 본 발명의 일실시예에 따른 Fe3O4 박막의 X선 회절(X-Ray Diffraction) 패턴을 나타낸다.3A and 3B show an X-ray diffraction pattern of a Fe 3 O 4 bulk and a Fe 3 O 4 thin film according to an embodiment of the present invention.
도3은 본 발명의 반금속성 자성체 산화물 제조방법에서 자기장에 대한 영향을 설명하기 위한 자성체 박막의 자화곡선이다.3 is a magnetization curve of a magnetic thin film for explaining the influence on the magnetic field in the method for producing a semi-metal magnetic oxide of the present invention.
도5a 내지 도5d는 본 발명의 일실시예로서 도전체에 인가전압을 달리하여 얻어진 Fe3O4 박막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.5A to 5D are photographs taken of a scanning electron microscope (SEM) of a Fe 3 O 4 thin film obtained by varying an applied voltage to a conductor as an embodiment of the present invention.
도6는 본 발명의 일실시예로서 산소가스 유량을 달리하여 얻어진 Fe3O4 박막의 비저항값을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing a specific resistance value of the Fe 3 O 4 thin film obtained by varying the flow rate of oxygen gas as an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
10: 공정챔버 12: 기판홀더10: process chamber 12: substrate holder
13: 자기형성수단 14: 타겟 13: self-forming means 14: target
16: 가열수단 17: 가스주입부 16: heating means 17: gas injection portion
19: 전력공급부 20: 도전체19: power supply 20: conductor
29: 도전체용 전력공급부29: power supply for the conductor
본 발명은 반금속 산화물(half-metallic oxide)의 일종인 자성체 산화물 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판에 자기장을 인가하면서 추가적인 RF전력을 공급함으로써 Fe3O4등과 같은 양질의 자성체 산화물을 제조하는 방법 및 이에 사용되는 플라즈마 스퍼터링 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a magnetic oxide, which is a kind of half-metallic oxide, and in particular, a method for manufacturing a high quality magnetic oxide such as Fe 3 O 4 by supplying additional RF power while applying a magnetic field to a substrate. And a plasma sputtering apparatus used therein.
일반적으로, 반금속특성을 갖는 강자성 산화물(ferromagnetic oxide)은 페르미 에너지 레벨에서 소수 스핀밴드(minority spin band)에 대해서는 에너지 갭을 갖는 반면에, 다수 스핀밴드(majority spin band)에 대해서는 에너지 갭을 가지고 있지 않다. 즉, 이러한 스핀 의존성 에너지 갭의 형성은 강자성 산화물 물질들이 100% 스핀-극성(spin-polarization)을 갖게 하는 원인이 된다. 이러한 반금속 특성을 갖는 물질들은 스핀 터널링(spin-tunneling) 구조를 갖는 소자에서 아주 큰 자기 저항 값을 나타낸다. In general, ferromagnetic oxides with semimetal properties have energy gaps for minority spin bands at Fermi energy levels, while energy gaps for majority spin bands. Not. That is, the formation of such spin dependent energy gaps causes the ferromagnetic oxide materials to have 100% spin-polarization. Materials having such semimetal properties show very high magnetoresistance values in devices having spin-tunneling structures.
따라서, 반금속성 자성체 산화물은 자기기록매체로서의 응용가능성이 인정되어 현재 많은 연구가 이루어지는데, 특히 마그네틱 랜덤 액세스 메모리(magnetic random access memory)소자와 마그네틱 센서(magnetic sensor)소자 및 차세대 스핀소자 등의 다양한 고속, 고주파 소자에 응용될 수 있는 물질로 각광을 받고 있다. Therefore, anti-metal magnetic oxide has been recognized for its applicability as a magnetic recording medium, and many studies have been conducted. In particular, a variety of magnetic random access memory devices, magnetic sensor devices, and next-generation spin devices It is attracting attention as a material that can be applied to high speed and high frequency devices.
이러한 대표적인 반금속성 자성체 산화물인 Fe3O4는 인버스 스피넬 구조(inverse spinel structure)로 이루어져 있다. 상기 인버스 스피넬 구조는 산소로 구성된 면심입방체(Face Center Cubic) 구조에서 테트라헤드럴 좌표에 Fe(+3가)와 옥타헤드럴 좌표에 Fe(+2가)와 Fe(+3가)가 첨가되어 이루어져 있다. 특히, 상기 Fe(+3가):Fe(+2가)의 조성비는 정확히 2:1의 비율이 된다. 이러한 Fe(+3가)와 Fe(+2가) 사이에서 소수 스핀 전자(minority spin electron)가 호핑(hopping)하므로, 우수한 전도성을 나타내며, 이러한 호핑하는 전자는 버웨이 온도(Verwey temperature: 약125K)에서 호핑전자 부동효과(hopping electron frozen effect)로 인한 금속-절연체 전이(metal-insulator transition)를 나타낸다. 따라서, 상온에서 비록 작지만 한정된 범위로 페르미 레벨에서 상태밀도(density of states)가 존재한다.Such representative semimetal magnetic oxide Fe 3 O 4 is composed of an inverse spinel structure (inverse spinel structure). In the inverse spinel structure, Fe (+ 3-valent) and Fe (+ 2-valent) are added to tetrahedral coordinates and octahedral coordinates in a face center cubic structure composed of oxygen. consist of. In particular, the composition ratio of Fe (+ trivalent): Fe (+ divalent) is exactly 2: 1. Minority spin electrons hopping between Fe (+ trivalent) and Fe (+ 2-valent) show excellent conductivity, and these hopping electrons have a Verwey temperature of about 125K. ) Shows a metal-insulator transition due to a hopping electron frozen effect. Thus, at room temperature, there is a small but limited range of density of states at the Fermi level.
이러한 특징을 갖는 반금속 자성체 산화물인 Fe3O4박막을 제조하기 위해서는, 동일한 물질인 Fe을 이용하면서도 서로 다른 전자가를 가지는 Fe(+2가)와 Fe(+3가)를 형성시켜야 하며, 그 조성비 또한 정확하게 조절될 것이 요구된다. 나아가, 상기 증착공정은 산소 분자를 분해하기 위해서 높은 에너지를 가해야 한다.In order to prepare a Fe 3 O 4 thin film, a semi-metal magnetic oxide having such characteristics, Fe (+ divalent) and Fe (+ trivalent) having different electron values must be formed using Fe, the same material. The composition ratio is also required to be precisely adjusted. Further, the deposition process must apply high energy to decompose oxygen molecules.
따라서, 반금속성 자성체 산화물을 제조하는 공정은 동일한 물질이 전자가 상이한 이온으로 정확한 조성비에 근거하여 분리시켜야 하며, 높은 에너지가 요구되는 문제로 인해 상용화되지 못하고 있다. Therefore, the process for producing a semi-metal magnetic oxide has not been commercialized due to the problem that the same material must be separated by electrons with different ions based on the correct composition ratio, and high energy is required.
종래에는, 반금속성 자성체 산화물을 제조하기 위해, 분자빔 에피택셜(molecular beam epitaxy; MBE)장치와 펄스 레이저 증착(plused laser depostion; PLD)장치를 사용하였다. 분자빔 에픽택셜 장치는 정확한 조성비를 조절할 수 있는 장점이 있으며, 펄스 레이저 증착장치는 박막증착시 높은 에너지를 이용하므로 Fe산화물 제조방법으로 적합하게 사용될 수 있다는 장점이 있다. 그러나, MBE공정은 정확한 조성비의 구현이 가능함에도 불구하고 장비가 고가여서 상용화가 어렵고, PLD공정 Fe 타겟을 이용한 Fe3O4박막을 형성하는 것이 아니라 원하는 조성비로 형성된 고가의 Fe3O4 타겟을 사용하는 문제점을 안고 있으며, 이러한 공정을 통해 성장된 자성체는 그 내부에 반강자성 상(antiferromagnetic phase)이 존재하여 자화 포화상태가 이루어지지 않는 특징이 나타나는 문제도 있다.Conventionally, in order to manufacture a semimetal magnetic oxide, a molecular beam epitaxy (MBE) device and a pulsed laser depostion (PLD) device have been used. Molecular beam epitaxial device has an advantage that can control the exact composition ratio, pulse laser deposition device has the advantage that can be suitably used as a method of manufacturing Fe oxide because it uses high energy when thin film deposition. However, the MBE process is difficult to commercialize due to the expensive equipment even though the accurate composition ratio can be realized. Instead of forming the Fe 3 O 4 thin film using the Fe target of the PLD process, an expensive Fe 3 O 4 target formed at a desired composition ratio is required. There is a problem to use, and the magnetic material grown through this process has a problem that the anti-ferromagnetic phase (antiferromagnetic phase) is present therein, the magnetization saturation state is not achieved.
나아가, 종래의 공정에서는, 기판의 온도를 상승시키기 위해 가해지는 추가적인 열에너지로 인해, 성장되는 자성체의 자성을 저하될 수 있다. 이러한 문제는, Fe3O4박막이 다른 자성물질과 다층박막으로 적층한 디바이스를 제조할 때에는 다른 자성물질의 자성을 잃어버리게 하는 심각한 문제점을 가지고 있다.Further, in the conventional process, due to the additional heat energy applied to raise the temperature of the substrate, the magnetism of the grown magnetic body may be lowered. This problem has a serious problem that the Fe 3 O 4 thin film loses the magnetic properties of other magnetic materials when manufacturing a device laminated with other magnetic materials and a multilayer thin film.
이와 같이, 반금속 산화물 박막을 제조하기 위해서는, 고가의 실험용 장비를 요구될 뿐만 아니라, 우수한 특성을 갖는 자성체박막을 성장시키는데 어려움이 있어, 실제 산업상에 적용되지는 못하여 왔다. As such, in order to manufacture a semimetal oxide thin film, not only expensive experimental equipment is required, but also it is difficult to grow a magnetic thin film having excellent characteristics, and thus has not been applied to an actual industry.
따라서, 당 기술분야에서는 통상의 박막형성장치를 이용하면서도, 우수한 특정을 갖는 Fe3O4 등의 반금속 산화물을 제조할 수 있는 새로운 반금속 산화물 제조방법이 강하게 요구되어 왔다.Therefore, there is a strong demand in the art for a new semimetal oxide production method capable of producing a semimetal oxide such as Fe 3 O 4 having excellent characteristics while using a conventional thin film forming apparatus.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 통상의 스퍼터링 장치를 이용하면서도 산소분해를 향상시키고, 나아가 금속이온과 산소이온의 조성비를 적절하게 조절하여 우수한 특성을 갖는 반금속성 자성체 산화물을 제조하는 방법을 제공하는데 있다. The present invention has been made to solve the above problems, the object is to improve the oxygen decomposition while using a conventional sputtering device, and furthermore, semi-metal magnetic oxide having excellent characteristics by appropriately adjusting the composition ratio of metal ions and oxygen ions To provide a method for producing a.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은, 기판을 지지하는 기판 홀더와, 상기 기판홀더와 대향하는 위치에 배치된 금속 타겟과, 공정 챔버 내에 산소가스를 공급하기 위한 가스주입부과, 타겟과 기판홀더를 양극으로 하여 전압을 인가하는 전원부를 구비한 플라즈마 스퍼터링 장치를 이용하여 상기 기판 상에 반금속성 자성체 산화물계 박막을 제조하는 방법에 있어서, In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a substrate holder for supporting a substrate, a metal target disposed at a position facing the substrate holder, a gas injection portion for supplying oxygen gas into the process chamber, a target and a substrate. In the method for producing a semi-metal magnetic oxide-based thin film on the substrate using a plasma sputtering device having a power supply unit for applying a voltage using a holder as an anode,
적어도 하나 이상의 홀이 마련된 도전체를 상기 기판홀더와 상기 금속 타겟 사이에 상기 기판과 실질적으로 평행하게 배치하는 단계와,Disposing a conductor provided with at least one hole substantially parallel to the substrate between the substrate holder and the metal target;
상기 기판 상에서 박막이 형성될 영역에 자기장을 인가하는 단계와,Applying a magnetic field to a region where a thin film is to be formed on the substrate;
상기 공정챔버 내에 산소가스를 주입하는 단계와,Injecting oxygen gas into the process chamber;
소정의 전압을 인가하여 공정챔버 내에 스퍼터링 조건을 형성하는 단계와,Applying a predetermined voltage to form a sputtering condition in the process chamber;
상기 공정 챔버에 형성된 스퍼터링 조건에 의해 상기 금속타겟으로부터 방출되는 이온과 상기 주입된 산소가스로부터 분해된 산소이온이 결합함으로써 반금속성 자성체 산화물 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는 반금속성 자성체 산화물계 박막 제조방법을 제공한다.Forming a semi-metal magnetic oxide thin film on the substrate by combining ions emitted from the metal target with oxygen ions decomposed from the injected oxygen gas by sputtering conditions formed in the process chamber. Provided is a method for manufacturing a thin film.
본 발명의 구체적인 실시형태에서는, 상기 금속 타겟은 Fe로 이루어지며, 상기 기판 상에 형성되는 반금속성 자성체 산화물 박막은 Fe3O4 박막일 수 있다. 또한, 상기 도전체는 링형상일 수 있으며, 복수개의 홀이 배열된 메쉬형일 수도 있다.In a specific embodiment of the present invention, the metal target is made of Fe, the semi-metal magnetic oxide thin film formed on the substrate may be a Fe 3 O 4 thin film. In addition, the conductor may be a ring shape, or may be a mesh shape in which a plurality of holes are arranged.
나아가, 바람직하게는, 상기 기판에 인가되는 자기장은 100 Oe 이상이며, 보다 바람직하게는 100 Oe ∼ 2 kOe일 수 있다.Furthermore, preferably, the magnetic field applied to the substrate is 100 Oe or more, more preferably 100 Oe to 2 kOe.
또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 공정챔버 내에 주입되는 산소가스의 유량을 약 0.1 - 10 sccm범위에서 조절할 수 있으며, 필요에 따라, 소정의 활성화가스를 주입할 수 있다. 이러한 활성화 가스는 아르곤 가스일 수 있다.Further, in a preferred embodiment of the present invention, the flow rate of the oxygen gas injected into the process chamber can be adjusted in the range of about 0.1-10 sccm, and a predetermined activation gas can be injected as necessary. Such activating gas may be an argon gas.
아르곤 가스를 주입할 때에는 그 유량을 약 10 - 50 sccm범위에서 조절하는 것이 바람직하다.When injecting argon gas, the flow rate is preferably adjusted in the range of about 10-50 sccm.
나아가, 본 발명에서는, 보다 우수한 자성체박막을 얻기 위해서, 상기 도전체에 소정의 전압을 인가하여 추가적인 RF전압을 인가하는 것이 바람직하다.Further, in the present invention, in order to obtain a better magnetic thin film, it is preferable to apply a predetermined voltage to the conductor and apply an additional RF voltage.
또한, 바람직하게는 자성체박막을 형성하는 과정에서, 상기 기판 홀더를 일정한 속도로 회전시킬 수 있다.In addition, preferably in the process of forming a magnetic thin film, the substrate holder can be rotated at a constant speed.
추가적으로, 자성체 박막이 형성되는 기판을 소정의 온도로 가열할 수도 있다. 이 때에 가열된 기판의 온도는 형성될 박막의 자성이 손상되지 않도록, 약 100℃ - 400℃로 유지하는 것이 바람직하다.In addition, the substrate on which the magnetic thin film is formed may be heated to a predetermined temperature. At this time, the temperature of the heated substrate is preferably maintained at about 100 ° C-400 ° C so as not to damage the magnetism of the thin film to be formed.
또한, 본 발명은, 상기 제조방법에 사용되는 플라즈마 스퍼터링 장치를 제공한다. 상기 장치는, 공정챔버와, 상기 공정챔버의 일측에 형성되어 기판을 배치하기 위한 기판 홀더와, 상기 공정챔버의 내부에 반응가스를 공급하기 위한 가스주입부와, 상기 기판과 실질적으로 대향하는 위치에 형성되어, 상기 공정챔버 내에 설정된 스퍼터링에 의하여 입자를 방출하기 위한 금속타겟과, 상기 기판홀더와 상기 타겟 사이에서 방전을 발생시키는 전력을 공급하기 위한 전력공급부과, 상기 타겟과 상기 기판홀더 사이에서 배치되며, 상기 타겟으로부터 방출되는 입자가 상기 기판 상으로 진행가능하도록 적어도 하나 이상의 홀이 마련된 도전체과, 상기 기판홀더에 배치될 기판 상에 자기장을 형성하기 위한 자기장형성수단을 포함한다.Moreover, this invention provides the plasma sputtering apparatus used for the said manufacturing method. The apparatus includes a process chamber, a substrate holder formed on one side of the process chamber, a gas holder for supplying a reaction gas into the process chamber, and a position substantially opposite to the substrate. A metal target for discharging particles by sputtering set in the process chamber, a power supply for supplying electric power for generating a discharge between the substrate holder and the target, between the target and the substrate holder; And a conductor provided with at least one hole to allow particles emitted from the target to travel onto the substrate, and magnetic field forming means for forming a magnetic field on the substrate to be disposed in the substrate holder.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the drawings, the present invention will be described in detail.
도1은 본 발명의 일실시형태에 따른 플라즈마 스퍼터링 장치의 개략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a plasma sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
도1을 참조하면, 상기 플라즈마 스퍼터링 장치는 공정챔버(10) 내에 기판(11)을 배치하기 위한 기판홀더(12)와 상기 기판홀더(12)와 실질적으로 대향하는 위치에 형성된 타겟(14)을 구비하고 있다. 또한, 상기 공정챔버(10)에는 반응가스 또는 활성화가스를 주입하기 위한 가스주입구(17)가 마련되어 있으며, 전력공급부(19)를 구비하여 상기 기판홀더(12)와 상기 타겟(14) 사이에서 방전을 유도하기 위한 전력을 공급한다. Referring to FIG. 1, the plasma sputtering apparatus includes a
상기 전력공급부(19)는 상기 타겟(14)의 일측에 연결되어 스퍼터링 건의 역할을 하는 음전극(미도시)을 통해 파워를 인가시켜 상기 타겟으로부터 이온입자를 기판(11) 상으로 방출시킨다. 이 때, 상기 타겟(14)으로부터 방출되는 이온입자는 가스주입구(17)를 통해 주입되는 반응가스와 결합하여 원하는 물질의 박막으로 기판(11) 상에 형성되게 된다.The
특히, 본 발명에서는 상기 타겟과 상기 기판홀더 사이에 소정의 도전체(20)를 추가적으로 배치한다. 상기 도전체는 타겟(14)으로부터 방출되는 입자가 기판(11)을 향해 진행할 수 있도록 적어도 하나 이상의 홀이 마련되어 있음을 특징으로 한다.In particular, in the present invention, a
본 실시형태와 같이, 이러한 도전체는 도2에 도시된 링상 도전체(20)를 사용 할 수 있다. 도2를 참조하면, 링상 도전체(20)는 원형으로 도체영역을 형성하여 기판과 타겟에 균일하게 영향을 주기 위해, 대칭상으로 형성되고 일정한 간격을 갖도록 배치하며, 내부의 홀을 통해 타겟으로부터 방출되는 이온이 기판 상으로 향하도록 구성되어 있다.As in this embodiment, such a conductor may use the ring-shaped
본 발명에서 사용되는 도전체는 상기와 같은 링상에 한정되지 않는다. 즉, 기판에 균일한 영향이 미칠 수 있으며, 스퍼터링 조건에서 타겟으로부터 방출되는 이온입자가 기판으로 진행할 수 있도록 적어도 하나이상의 홀을 갖는 도전체이면 사용가능하다. 이러한 도전체의 다른 형태로서는 본 실시형태에서 채택된 링상의 도전체뿐 만이 아니라, 복수개의 홀이 균일하게 배열된 메쉬형의 도전체를 사용할 수도 있다.The conductor used in the present invention is not limited to the above ring. That is, the substrate may have a uniform effect, and may be used as long as it has a conductor having at least one hole so that the ion particles emitted from the target may proceed to the substrate under sputtering conditions. As another form of such a conductor, not only the ring-shaped conductor adopted in the present embodiment but also a mesh-shaped conductor in which a plurality of holes are uniformly arranged may be used.
기판(11)과 타겟(14) 사이에 배치된 상기 도전체(20)는, 플라즈마 상태의 전자를 그라운드시켜 플라즈마 내에서 활성화가스의 양이온 밀도를 증대시킴으로써, 높은 에너지를 공급하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 산소를 효과적으로 분해하여 타겟으로부터 방출되는 Fe(+2)와 Fe(+3)이온과 결합을 향상시킬 수 있다.The
나아가, 상기 플라즈마 스퍼터링 장치는 도전체(20)에 전력을 공급하기 위한 별도의 도전체용 전력공급부(29)를 구비할 수 있다. 상기 도전체용 전력공급부(29)는 상기 도전체(20)에 전압을 인가하여 추가적인 전력을 공급함으로써 2차 플라즈마를 발생시킨다. 이러한 2차 플라즈마는 통상의 전력공급부(19)에 의한 플라즈마와는 별도로 형성되는 추가적인 플라즈마상태를 말한다. 이와 같이, 도전체용 전력 공급부(29)를 통한 2차 플라즈마가 형성되는 경우에는, 상기 도전체 전압을 인가하지 않은 상태보다 높은 에너지를 제공할 수 있으므로, 산소가스를 이온상태(O-1)로 분해하는데 있어서 보다 바람직하며, 상기 도전체(20)를 통해 추가로 공급되는 전력을 조절함으로써, 서로 다른 결합 에너지는 갖는 Fe(+2)와 Fe(+3)이온을 적절한 비율로 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 도전체용 전력공급부(29)를 이용하여 추가적인 전력을 도전체에 공급함으로써 적절한 비율의 Fe(+2)와 Fe(+3)이온와 충분한 양으로 발생되는 산소이온을 형성하여, 적절한 조성비를 갖는 Fe3O4 자성체 박막을 형성할 수 있다. 이러한 효과는 도전체(20)의 형태를 달리하여도 동일하게 나타난다. 복수개의 홀이 균일하게 배열된 메쉬의 형태인 경우에는, 링형상보다 조밀하게 전압을 인가시킬 수 있는 차이점이 있다.In addition, the plasma sputtering apparatus may include a separate
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 스퍼터링 장치는 자기형성수단(13)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 자기형성수단(13)은 적어도 기판(11)상에 형성될 자성체박막의 형성과정에서 그 형성될 박막의 보자력보다 큰 자기장을 인가함으로써 원자의 스핀정렬상태를 보다 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 형성될 자성체 박막은 일정한 방향으로 자화용이축이 형성되어 히스테리스루프의 각형비가 향상된 자성체박막을 얻을 수 있다. In addition, the plasma sputtering apparatus according to the present invention is characterized in that it comprises a magnetic forming means (13). The magnetic forming
도1에 도시된 플라즈마 스퍼터링 장치에서 타겟을 Fe타겟으로 하여, 소정량의 산소가스 또는 산소가스 및 활성화가스(예; Ar가스)를 주입함으로써 기판 상에 Fe3O4 박막을 형성할 수 있었다. In the plasma sputtering apparatus shown in FIG. 1, a Fe 3 O 4 thin film could be formed on a substrate by injecting a predetermined amount of oxygen gas or oxygen gas and an activation gas (eg, Ar gas).
나아가, 상기 기판홀더는 상기 배치된 기판의 온도를 가열하기 위한 가열수단(16) 또는 기판을 회전시키기 위한 회전수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 가열수단(16)은 기판홀더(12) 내에 저항체를 배치하고 이를 이용하여 발열시키는 방식으로 구현할 수 있다. 일반적으로 기판(11)은 보다 높은 온도로 가열될수록 기판(11) 상에 성장되는 산화물 결정이 우수해지나, 앞서 설명한 바와 같이, 자성체산화물의 경우에 온도가 지나치게 높으면 자성을 상실하는 경우도 있다. 따라서, 상기 도전체(20)에 추가적인 전압을 인가하지 않는 경우에 사용하며, 기판 온도도 약 100℃ - 약 400℃를 유지하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 회전수단을 이용하여 박막형성 중에 기판(11)을 회전시킴으로써 기판(11) 상의 박막을 보다 균일하게 형성시킬 수 있다.Furthermore, the substrate holder may further include a heating means 16 for heating the temperature of the arranged substrate or a rotating means (not shown) for rotating the substrate. The heating means 16 may be implemented by disposing a resistor in the
또한, 본 발명은 상기 플라즈마 스퍼터링 장치를 이용하여 반금속성 산화물을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a semimetal oxide using the plasma sputtering apparatus.
본 발명의 반금속성 자성체 산화물 박막 제조방법에 따르면, 플라즈마장치에 적어도 하나 이상의 홀이 마련된 도전체를 상기 기판홀더와 상기 금속 타겟 사이에서 배치하고, 상기 기판 상에서 상기 박막이 형성될 영역에 그 박막의 보자력보다 큰 자기장을 형성한다. 이어, 상기 공정챔버 내에 산소가스를 주입하고, 소정의 전압을 인가하여 공정챔버 내에 스퍼터링 조건을 형성한다. 이러한 공정 챔버에 형성 된 스퍼터링 조건에 의해 상기 금속타겟으로부터 방출되는 이온과 상기 주입된 산소가스로부터 분해된 산소이온이 결합함으로써 상기 기판 상에 반금속성 자성체 산화물 박막을 형성할 수 있다.According to the method for manufacturing a semi-metal magnetic oxide thin film of the present invention, a conductor provided with at least one hole in a plasma apparatus is disposed between the substrate holder and the metal target, and the thin film is formed in a region where the thin film is to be formed on the substrate. Form a magnetic field greater than the coercive force. Subsequently, oxygen gas is injected into the process chamber, and a predetermined voltage is applied to form a sputtering condition in the process chamber. Due to the sputtering conditions formed in the process chamber, ions emitted from the metal target and oxygen ions decomposed from the injected oxygen gas may be combined to form a semi-magnetic magnetic oxide thin film on the substrate.
일반적으로는, 상기 공정챔버 내로 주입되는 가스는 반응가스인 산소가스 외에 활성화가스인 아르곤가스를 추가적으로 주입할 수도 있다. 활성화가스의 역할은 공정챔버 내에 양이온 밀도를 높여 주는 기능을 한다. 따라서, 아르곤 가스를 추가적으로 주입하는 것이 양질의 Fe3O4 박막을 얻는데 바람직하다. In general, the gas injected into the process chamber may additionally inject argon gas, which is an activation gas, in addition to oxygen gas, which is a reaction gas. The role of the activating gas is to increase the cation density in the process chamber. Therefore, additional injection of argon gas is desirable to obtain a high quality Fe 3 O 4 thin film.
이하, 본 발명에 따른 반금속성 산화물 박막 제조방법의 일실시예를 통해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 실시예에서는 반금속성 산화물 중 대표적인 Fe3O4 박막을 제조하는 방법을 예시하고 있다.Hereinafter, it will be described in detail through an embodiment of a method for manufacturing a semimetal oxide thin film according to the present invention. In this example, a method of manufacturing a representative Fe 3 O 4 thin film among semimetal oxides is illustrated.
실시예 1Example 1
우선, 통상의 플라즈마 스퍼터링 장치의 공정챔버 내에서 기판홀더에 기판을 배치하고, 상기 기판홀더와 금속타겟 사이에 링형상인 도전체를 배치하고, 기판 상에 박막이 형성될 영역에 적어도 형성될 박막의 보자력보다 큰 자기장을 형성하였다. 이러한 자기장을 형성하기 위해, 500(Oe)정도의 영구자석 2개를 기판홀더의 외주부 양측에 장착하였다. 또한, 링형상 도전체는 도2에 도시된 것과 동일한 것을 사용하였으며, Fe3O4 박막을 제조하기 위해서, 금속타겟은 Fe타겟을 사용하였다.First, a substrate is placed in a substrate holder in a process chamber of a conventional plasma sputtering apparatus, a ring-shaped conductor is disposed between the substrate holder and the metal target, and at least a region of the thin film to be formed at least in the region where the thin film is to be formed on the substrate. It formed a magnetic field larger than the coercive force. In order to form such a magnetic field, two permanent magnets of about 500 (Oe) were mounted on both sides of the outer peripheral portion of the substrate holder. In addition, the ring-shaped conductor used was the same as that shown in Figure 2, in order to produce a Fe 3 O 4 thin film, a metal target was used a Fe target.
이어, 상기 링형상의 도전체가 배치된 플라즈마 스퍼터링 장치의 공정챔버 내에 활성화 가스로 아르곤가스와 반응가스로 산소가스를 각각 약 30sccm와 약 0.8 sccm 의 유량으로 공급하여 공정챔버 내의 총 압력이 2mtorr가 되도록 하였다. 그리고 나서, Fe타겟과 기판홀더 사이에 약 60W의 전력을 공급하여 반응성 스퍼터링 조건으로 1차 플라즈마를 형성하였다. 이 상태에서, 공정챔버, 특히 타겟 및 스퍼터링 건 등에 부착된 불순물을 제거하기 위해, 3분간 프리-스퍼터링(pre-sputtering)을 실시하였다. Subsequently, argon gas and reactive gas are supplied at a flow rate of about 30 sccm and about 0.8 sccm, respectively, as an activation gas in the process chamber of the plasma sputtering device in which the ring-shaped conductor is disposed so that the total pressure in the process chamber is 2 mtorr. It was. Then, about 60W of power was supplied between the Fe target and the substrate holder to form a primary plasma under reactive sputtering conditions. In this state, pre-sputtering was performed for 3 minutes to remove impurities adhering to the process chamber, in particular, the target and the sputtering gun.
그 다음으로, 동일한 전력을 계속 공급하면서 Fe3O4 박막 제조공정을 실시하였다. 이 때, 링형상의 도전체에 추가적으로 200W의 전력을 공급하여 2차 플라즈마를 형성하였다. Next, the Fe 3 O 4 thin film manufacturing process was performed while continuing to supply the same power. At this time, the secondary plasma was formed by additionally supplying 200 W of power to the ring-shaped conductor.
이와 같이, 링형상의 도전체에 추가적인 바이어스를 인가함으로써 얻어진 Fe3O4 박막에 대해 X선 회절계(XRD) 패턴을 분석하였고, 이를 다른 Fe3O 4 벌크시료와 XRD패턴과 비교하였다.As such, the X-ray diffractometer (XRD) pattern of the Fe 3 O 4 thin film obtained by applying an additional bias to the ring-shaped conductor was analyzed, and compared with other Fe 3 O 4 bulk samples and XRD patterns.
도3a 및 도3b는 일반적인 Fe3O4 벌크시료와 본 실시예를 통해 제조된 Fe3O 4 박막의 XRD 패턴을 각각 도시한다. 도3a 및 도3b를 대조하면, 두 물질은 거의 동일한 앵글(2Θ= 29.8, 35, 37.1, 56.8, 62)에서 피크를 갖고 있으며, 본 실시예가 벌크가 아닌 박막이므로 격자간의 스트레인 발생으로 인한 영향을 감안할 때에, 각 피크의 상대적인 크기가 거의 동일하며, 본 실시예를 통해 제조된 박막이 Fe3O4 박막임을 알 수 있다. 3A and 3B show XRD patterns of a general Fe 3 O 4 bulk sample and a Fe 3 O 4 thin film prepared through this example, respectively. In contrast to Figures 3a and 3b, the two materials have peaks at nearly equal angles (2Θ = 29.8, 35, 37.1, 56.8, 62), and this embodiment is a non-bulk thin film, thus affecting the effects of strain generation between gratings. In view of the above, the relative size of each peak is almost the same, it can be seen that the thin film prepared through the present example is a Fe 3 O 4 thin film.
비교예Comparative example
본 비교예에서는, 기판 상에 자기장을 형성하지 않는 것만을 제외하고 상기 제1 실시예와 동일한 조건에서 Fe3O4 박막을 형성하였다. 본 비교예에서 형성된 박막은 자기특성측면에서 상기 실시예1에서 형성된 박막과 비교하기 위해서, 자기장의 변화에 따른 박막의 자화곡선을 도4와 같이 도시하였다. 도4의 그래프에서, A로 표시된 곡선은 실시예1의 박막의 결과이며, B로 표시된 곡선은 자기장을 인가하지 않고 박막을 성장한 비교예의 결과이다. 실시예의 경우에는, 자기장 방향이 전환할 때에 순간적으로 자화값이 양에서 음으로, 또는 음에서 양으로 변화하는 것으로 나타나는 반면에, 비교예의 경우에는 그 변화가 점차적으로 발생되는 것으로 알 수 있다. In this comparative example, the Fe 3 O 4 thin film was formed under the same conditions as in the first embodiment except that the magnetic field was not formed on the substrate. In order to compare the thin film formed in the comparative example with the thin film formed in Example 1 in terms of magnetic properties, the magnetization curve of the thin film according to the change of the magnetic field is illustrated as shown in FIG. 4. In the graph of Fig. 4, the curve indicated by A is the result of the thin film of Example 1, and the curve indicated by B is the result of the comparative example in which the thin film was grown without applying a magnetic field. In the case of the example, it can be seen that the magnetization value changes from positive to negative or from negative to positive instantaneously when the magnetic field direction is switched, whereas the change gradually occurs in the comparative example.
즉, 비교예1에서 얻어진 박막은 박막원자의 스핀역전현상이 순간적으로 이루어지지 않아, -5000(Oe)∼5000(Oe)사이 구간에서 자화포화상태에 이르지 못하고, 자기장 변화에 따른 자화값이 변화하는 것으로 나타났다. That is, in the thin film obtained in Comparative Example 1, the spin reversal phenomenon of the thin film atoms did not occur instantaneously, and thus the magnetization saturation state was not reached in the interval between -5000 (Oe) and 5000 (Oe), and the magnetization value was changed by the change of the magnetic field. Appeared to be.
이러한 이유는, 박막형성과정에서 기판 상에 자기장을 형성하지 않는 경우에 는, 형성된 박막 원자의 스핀정렬상태가 불량해져 자화용이축이 형성되지 않기 때문이다. This is because, when the magnetic field is not formed on the substrate during the thin film formation process, the spin alignment state of the formed thin film atoms is poor, so that the magnetic axis for magnetization is not formed.
이 때에 가해지는 자기장은 박막의 스핀정렬에 영향을 주기 위해서, 적어도 형성될 박막의 보자력보다 커야하며, 바람직하게는, 통상적인 자성체 산화물의 보자력인 100(Oe)이상으로, 보다 바람직하게는, 100(Oe)∼2(KOe)으로 형성한다.The magnetic field applied at this time must be at least greater than the coercive force of the thin film to be formed, in order to affect the spin alignment of the thin film. It is formed by (Oe)-2 (KOe).
실시예2Example 2
본 실시예에서는, 제1 실시예와 도전체상에 인가되는 전압의 크기만을 달리하는 조건으로 다른 Fe3O4 박막을 형성하였다. 본 실시예에서 제1 실시예보다 약 50W 정도 큰 250W를 링상의 도전체로 공급하였다.In this embodiment, another Fe 3 O 4 thin film was formed under the condition that only the magnitude of the voltage applied to the conductor was different from that of the first embodiment. In this embodiment, 250W, which is about 50W larger than the first embodiment, was supplied to the ring-shaped conductor.
실시예1에서 얻은 Fe3O4 박막과 본 실시예에서 얻은 Fe3O4 박막을 비교하여, 링형상의 도전체에 공급되는 전력에 따른 영향을 알아보기 위해서 각각 SEM 사진을 살펴보았다.Comparing the Fe 3 O 4 thin film obtained in Example 1 and the Fe 3 O 4 thin film obtained in this Example, the SEM pictures were examined to determine the effect of the power supplied to the ring-shaped conductor.
도5a 내지 5d는 실시예1의 Fe3O4 박막과 본 실시예를 통해 제조된 Fe3O 4 박막의 SEM 사진이며, 특히 도5b와 도5d는 도5a와 도5c에 각각 스케일 바를 표시한 동일한 SEM 사진이다. 5a to 5d are SEM images of the Fe 3 O 4 thin film of Example 1 and the Fe 3 O 4 thin film prepared according to the present embodiment. In particular, FIGS. 5b and 5d show scale bars in FIGS. 5a and 5c, respectively. Same SEM picture.
도5a 내지 5d를 참조하면, Fe3O4 박막 나노스케일 구조를 나타내고 있으나, 도5c와 도5d와 같이, 실시예2에서 보다 고전력으로 얻은 Fe3O4 박막의 입자가 보다 미세함을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의한 Fe3O4 박막은 나노스케일구조를 가질 수 있므로, 퀀덤 닷 레이어(quantum dot layer)와 같은 나노스케일 스핀 디바이스에 응용될 수 있다.5A to 5D, the Fe 3 O 4 thin film nanoscale structure is shown, but as shown in FIGS. 5C and 5D, it can be seen that the particles of the Fe 3 O 4 thin film obtained at higher power than Example 2 are finer. . As such, the Fe 3 O 4 thin film according to the present invention may have a nanoscale structure, and thus may be applied to a nanoscale spin device such as a quantum dot layer.
실시예3Example 3
본 실시예에서는, 실시예1과 동일한 조건으로 Fe3O4 박막을 제조하되, 산소가스의 유량을 약 0.7sccm, 약 0.9sccm, 약 1.0sccm, 약 1.2sccm으로 달리하여 4개의 Fe3O4 박막을 추가적으로 제조하였다.In this embodiment, the same conditions as in Example 1 with a flow rate of the Fe 3 O 4, oxygen gas was produced a thin film of about 0.7sccm, about 0.9sccm, about 1.0sccm, in contrast to about 4 1.2sccm of Fe 3 O 4 Thin films were further prepared.
본 실시예에서 얻어진 각각 Fe3O4 박막에 대한 비저항값(Ωㆍ㎝)을 측정하였다. 도6는 실시예1의 Fe3O4 박막과 본 실시예의 4개의 Fe3O4 박막에 대한 비저항값을 그래프로 나타낸 것이다. Fe3O4 벌크의 비저항값은 4 ×10-3Ωㆍ㎝으로, 대략적으로는 약 10-3 - 약 10-2 범위 내로 알려져 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 약 10-3 범위로 특성이 나타나고 있으나, 이는 본 실시예의 경우에 박막형태로 제조되므로, 격자 간의 스트레인에 의해 증가된 것으로 판단되며, 이를 고려하면 거의 정확한 Fe3O4 물질의 전기적 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. The resistivity value (Ω · cm) for each of the Fe 3 O 4 thin films obtained in this example was measured. Figure 6 shows the specific resistance value of the Fe 3 O 4 thin film and the example 4 of this embodiment Fe 3 O 4 thin film of Example 1 in a graph. The resistivity value of the Fe 3 O 4 bulk is 4 × 10 −3 Ω · cm, and is known to be approximately in the range of about 10 −3 to about 10 −2 . As shown in Figure 6, although the properties appear in the range of about 10 -3 , since it is produced in the form of a thin film in the present embodiment, it is determined that it is increased by the strain between the lattice, considering this almost accurate Fe 3 O 4 It can be seen that it has the electrical properties of the material.
또한, 본 실시예의 결과로, Fe3O4 박막을 제조하기 위한 적합한 산소유량은 약 0.7 - 약 1.0 sccm 범위임을 알 수 있다.In addition, as a result of this embodiment, it can be seen that a suitable oxygen flow rate for producing the Fe 3 O 4 thin film ranges from about 0.7 to about 1.0 sccm.
본 발명의 반금속성 산화물 박막 제조방법은 다른 실시형태로 구현될 수 있다. The semimetal oxide thin film manufacturing method of the present invention may be implemented in other embodiments.
예를 들면, 상기 반금속성 산화물 박막을 형성할 때에, 상기 기판 홀더를 일정한 속도로 회전시키는 단계를 추가적으로 실시함으로써 기판 상에 박막을 균일하게 성장시킬 수 있다. For example, when the semimetal oxide thin film is formed, the thin film may be uniformly grown on the substrate by additionally rotating the substrate holder at a constant speed.
또한, 상기 방법은 상온에서도 가능하나, 상기 기판을 소정의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하여 보다 양질의 반금속성 산화물 박막을 형성할 수도 있다. 기판의 온도가 약 100℃보다 작은 경우에는 가열에 따른 효과를 충분히 기대하기 어려우며, 약 400℃보다 큰 경우에는, 앞서 설명한 바와 같이 특정 디바이스를 형성하기 위해 결합된 다른 자성물질의 자성을 상실시킬 수 있고, Fe3O4 박막의 큐리에 온도(Curie temperature)가 850K인 점을 고려한다면, 가열시에 기판의 온도는 약 100℃ - 약 400℃범위로 하는 것이 바람직하다.In addition, although the method is possible at room temperature, the method may further include heating the substrate to a predetermined temperature to form a higher quality semimetal oxide thin film. If the temperature of the substrate is less than about 100 ° C., it is difficult to fully expect the effect of heating. If the temperature of the substrate is greater than about 400 ° C., as described above, the magnetic properties of other magnetic materials combined to form a specific device may be lost. In consideration of the fact that the Curie temperature of the Fe 3 O 4 thin film is 850 K, the temperature of the substrate during heating is preferably in the range of about 100 ° C to about 400 ° C.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, but by the appended claims. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that various forms of substitution, modification, and alteration are possible without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims.
상술한 바와 같이, 본 발명의 반금속 자성체 산화물계 박막제조방법에 따르면, 산소분해를 위한 높은 에너지를 제공할 뿐만 아니라, 추가적인 전력을 통해 서로 다른 이온가를 갖는 금속이온을 정확한 조성비로 발생시킬 수 있어 낮은 공정온도에서 반금속성 산화물을 제조하는데 매우 유용하며, 박막형성과정에서 자기장을 인가하여, 형성된 자성체 원자의 스핀정렬상태를 향상시킴으로써 자화용이축을 형성할 수 있어, 다층박막형 메모리소자에 적합한 자성체 박막을 얻을 수 있다.As described above, according to the semi-metal magnetic oxide-based thin film manufacturing method of the present invention, not only provides high energy for oxygen decomposition, but also can generate metal ions having different ionic values at an accurate composition ratio through additional power. It is very useful for manufacturing semimetal oxide at low process temperature, and it is possible to form a magnetic thin film suitable for multilayer thin film memory devices by applying a magnetic field in the process of forming a thin film to improve spin alignment state of the formed magnetic atoms. You can get it.
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