KR100614642B1 - 자기-분리된 자성결정립들을 갖는 자성막 및 그 제조 방법 - Google Patents

자기-분리된 자성결정립들을 갖는 자성막 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

자기-분리된 자성결정립들을 갖는 자성막 및 그 제조 방법을 제공한다. 이 자성막의 제조 방법은 기판 상에 하부막을 형성하고, 하부막 상에 자성막을 형성한 후, 자성막을 포함하는 기판을 산소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함한다. 이때, 하부막은 산소 친화도가 큰 물질로 형성한다. 이에 따라, 열처리 단계에서 형성되는 자성 결정립들은 산화된 하부막에 의해 자기적으로 분리된다.

Description

자기-분리된 자성결정립들을 갖는 자성막 및 그 제조 방법{Magnetic Layer Having Self-isolated Magnetic Grains And Method Of Fabricating The Same}
도 1 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자성막의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 열처리에 따른 효과를 알아보기 위해, 열처리 전 및 후에 측정된 AES 분석 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 5는 깊이에 따라 측정된 XPS 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 정보 저장 장치에 사용되는 자성막 및 그 제조 방법에 대한 것으로, 특히 자기-분리된 자성결정립들을 갖는 자성막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
하드 디스크 또는 자기 메모리와 같은 정보 저장 장치에서는, 정보를 저장하기 위한 물질막으로 자성막을 사용한다. 상기 하드 디스크는 자기 헤드(magnetic head)에서 발생되는 전기적 신호를 이용하여, 자성막으로 덮힌 원판의 표면에 소정의 정보를 기록하거나 읽어내는 장치이다. 상기 하드 디스크에서 정보를 기록하는 과정은 일반적으로 면내 기록 방식과 수직 기록 방식으로 구분될 수 있다. 상기 면내 기록 방식은 정보의 자화 방향이 상기 자성막의 표면에 평행한 방향을 갖도록 상기 자기 헤드를 이용하여 기록하는 방법이고, 상기 수직 기록 방식은 정보의 자화 방향이 상기 자성막의 표면에 수직한 방향을 갖도록 기록하는 방법이다. 일반적으로 정보의 기록 밀도는 상기 수직 기록 방식이 상기 면내 기록 방식보다 월등히 높은 것으로 알려진다. 이에 따라, 전자제품에 사용되는 기억 장치의 고집적화 경향에 부응하기 위해, 최근의 하드 디스크 제품의 개발 연구는 상기 수직 기록 방식을 효과적으로 적용하기 위한 방법을 찾는데 집중되고 있다.
자성 결정립들 사이의 상호 작용은 보자력 및 노이즈 등의 특성을 악화시키는 원인이 된다. 이에 따라, 상기 수직 기록 방식을 갖는 하드 디스크가 정보 유지력과 같은 특성이 우수하기 위해서는, 상기 자성 결정립들 사이의 상호 작용을 최소화하는 것이 필요하다. 상기 상호 작용의 최소화를 위해서는, 상기 자성 결정립들을 분리시키는 것이 바람직한 것으로 알려지며, 이를 위한 여러 방법들이 현재 시도되고 있다. 예를 들면, 표면 거칠기가 큰 하부막을 이용하는 물리적 방법, 크롬등으로부터 형성되는 비자성 물질로 상기 자성 결정립을 둘러싸는 방법 및 산화막을 동시에 성장시킴으로써 상기 자성 결정립들을 분리시키는 방법 등이 있다. 하지만, 상기 물리적 방법은 결정립의 크기를 줄이는 데 한계가 있고, 상기 크롬을 이용하는 방법은 크롬의 농도 구배에 따른 보자력 감소 및 노이즈 증가의 문제가 있다. 또한, 상기 산화막 동시 성장의 방법은 상기 자성 결정립의 결정 성장을 방해하여 자성 특성을 저하시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자성 특성의 열화없이 자성 결정립들을 분리시킬 수 있는 자성막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 분리된 자성 결정립들을 갖는 자성막을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 자성 결정립들을 자기적으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 자성막의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 하부막을 형성하고, 상기 하부막 상에 자성막을 형성한 후, 상기 자성막을 포함하는 기판을 산소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 하부막은 산소 친화도가 큰 물질로 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 하부막은 망간 또는 망간 함유물로 형성하고, 상기 자성막은 코발트 또는 코발트 함유물로 형성할 수 있다. 이에 더하여, 상기 하부막을 형성하기 전에, 상기 기판 상에 씨앗층 및 연질하부층을 차례로 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이때, 상기 씨앗층은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 코발트(Co) 및 Permalloy 중의 적어도 한가지이고, 상기 연질하부층은 NiFe 및 CoZrNb 중의 한가지인 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는, 상기 열처리하는 단계는 1×10-4 내지 5×10-3torr의 압력과 250 내지 350℃의 온도에서, 10 내지 120분 동안 실시한다. 이때, 상기 열처 리하는 단계는 상기 자성막의 결정화에 의해 자성 결정립들을 형성하고, 상기 자성 결정립들 사이로 침투한 산소와 상기 하부막이 반응하여 산화 하부막을 형성하도록 실시되는 것이 바람직하다.
상기 열처리한 후, 상기 산화 하부막 및 상기 자성 결정립들의 상부 표면을 일부분 식각하여 상기 자성 결정립들이 노출시킨 후, 상기 자성 결정립의 상부 표면이 노출된 결과물 상에 보호막을 형성하는 단계를 더 실시할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 산화 하부막에 의해 자기적으로 둘러싸여진 자성 결정립들을 포함하는 자성막을 제공한다. 이 자성막은 기판 상에 형성된 복수개의 자성 결정립들, 상기 자성 결정립들의 하부에 배치된 하부막 및 상기 하부막으로부터 연장되어 상기 자성 결정립들 사이를 채우는 산화 하부막을 포함한다.
바람직하게는, 상기 자성 결정립들은 결정 구조를 갖는 코발트 또는 코발트 함유물로 구성되고, 상기 하부막은 망간 또는 망간 함유물로 구성되고, 상기 산화하부막은 산화된 망간 또는 산화된 망간 함유물이다. 특히, 상기 산화 하부막의 산소 함유 비율은 깊이에 따라 낮아질 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께 는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한 층이 다른 층 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자성막의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 하부막(30) 및 자성막(40)을 차례로 형성한다. 상기 하부막(30)은 산소 친화도(oxygen affinity)가 큰 물질로 형성한다. 특히, 상기 하부막(30)은 상기 자성막(40)에 비해 산소 친화도가 큰 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 하부막(30)을 위한 물질로는 망간(Mn) 또는 망간 함유물(Mn alloy)이 사용될 수 있고, 그 증착 두께는 50 내지 250Å인 것이 바람직하다. 상기 자성막(40)은 자기적 특성을 가질 수 있는 다양한 물질들이 사용될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 자성 결정립들(magnetic grains)을 형성할 수 있는 물질로 형성한다. 예를 들면, 상기 자성막(40)은 코발트(Co) 또는 코발트 함유물(Co alloy)로 형성할 수 있다. 이때, 상기 코발트 함유물에는 CoFe 또는 CoCrPt 등의 물질이 포함될 수 있으며, 30 내지 150Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 하부막(30)을 형성하기 전에, 상기 기판(10) 상에 씨앗층(Seed layer, 20) 및 연질하부층(soft under layer, 25)을 더 형성할 수도 있다. 상기 씨앗층(20) 및 연질하부층(25)을 형성하는 단계는 통상적인 기술을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 씨앗층(20)은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 코발트(Co) 및 Permalloy 중의 적어도 한가지일 수 있고, 상기 연질하부층(25)은 NiFe 및 CoZrNb 중의 한가지일 수 있다.
이에 더하여, 상기 씨앗층(20), 연질하부층(25), 하부막(30) 및 자성막(40)을 형성하는 방법은 DC 마그네트론 스퍼터법, RF 마그네트론 스퍼터법, RF 컨벤셔널 스퍼터법, ECR 스퍼터법, 진공 증착법 및 이온빔 스퍼터법 중의 적어도 한가지를 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 자성막(40)이 형성된 기판을 5×10-3torr보다 낮은 압력의 산소 분위기에서 열처리한다. 바람직하게는, 상기 열처리는 1×10-4 내지 5×10-3 torr의 압력에서, 250 내지 350℃의 온도로 10 내지 120분 동안 실시된다. 이러한 열처리에 의해, 상기 자성막(40)을 구성하는 물질들은 결정화되면서 소정의 크기를 갖는 자성 결정립(45)을 형성한다. 이에 더하여, 상기 열처리에 사용되는 산소는 상기 자성 결정립(45)의 표면을 따라 침투하여 상기 하부막(30)과 반응함으로써, 산화 하부막(30')을 형성한다.
상기 열처리에 의해 상기 하부막(30)이 산화되어, 상기 자성 결정립들(45)을 분리시키는 산화 하부막(30')을 형성한다는 사실은 AES 분석 결과를 나타내는 도 4a 및 도 4b의 그래프들과 XPS 분석 결과를 나타내는 도 5의 그래프를 통해 알 수 있다. 먼저, 도 4a 및 도 4b의 그래프들은 깊이(x축-sputtering time)에 따른 물질들의 구성 비율(y축-atomic concentration)이 열처리에 의해 어떻게 변하였는지를 보여준다. 이에 따르면, x축의 좌표가 20분에 상응하는 깊이에서, 망간과 산소의 비율이 열처리 전 및 후에 변하였음을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터, 망간이 표면쪽으로 이동하였음을 알 수 있고, 나아가 상기 산소의 비율에 의해 산화 망간을 형성하였을 것으로 추정할 수 있다.
이러한 추정은 도 5의 XPS 분석 결과에 의해 확인되었다. 즉, 도 5에서 1,2,3 및 4로 표현된 그래프의 곡선은 각각 도 2에 도시된 6, 7, 8 및 9의 위치에서 측정한 결과이다. 결과적으로, 도 5에 도시된 그래프는 깊이에 따른 XPS 결과를 나타냄으로써, 깊이에 따른 물질의 종류를 알 수 있도록 한다. 가장 깊은 위치(6)에서 측정된 곡선 1은 그 위치의 물질이 금속성 망간임을 보여주는 피크를 나타내었고, 가장 표면에 까까운 위치(9)에서 측정된 곡선 4는 그 위치의 물질이 망간 산화물임을 보여주는 피크를 나타내었다.
이러한 망간의 이동은 상기 하부막(30)을 산소 친화도가 큰 물질로 형성한 결과로 해석된다. 즉, 주변 다른 물질들에 비해 월등히 큰 산소 친화도에 의해, 상기 망간 산화물이 상기 자성 결정립을 자기적으로 분리시킬 수 있는 큰 화학적 확산 구동력이 발생한 것으로 해석된다. 따라서, 상기 자성막(40)보다 산소 친화도가 큰 물질이라면, 예시된 코발트에 국한될 필요없이 상기 하부막(30)으로 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 열처리를 실시한 후, 상기 산화 하부막(30') 및 상기 자성 결정립(45)의 상부 표면 일부분을 식각하여, 노출된 상부면을 갖는 자성 결정립들을 형성한다.
이어서, 자기 헤드 등에 의한 기계적 스크래치 등으로부터 상기 자성 결정립 들(45)을 보호하기 위해, 상기 자성 결정립들(45)의 노출된 상부면을 덮는 보호막(도시하지 않음)을 형성할 수 있다. 상기 보호막은 일반적으로 비정질 탄소로 형성되며, 바람직하게는 100℃이하의 온도에서 실시하는 스퍼터링의 방법에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 자성 결정립들을 갖는 자성막을 설명하기 위해, 도 3을 다시 참조한다. 상기 본 발명의 자성막은 기판(10) 상에 형성된 복수개의 자성 결정립들(45)을 포함한다. 상기 자성 결정립들(45)은 결정 구조를 갖는 자성 물질로서, 바람직하게는 코발트 또는 코발트 함유물로 이루어진다. 상기 자성 결정립들(45)의 하부에는 소정의 하부막(30)이 배치되는데, 상기 하부막(30)은 상기 자성 결정립(45)에 비해 산소 친화도가 큰 물질인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 하부막(30)은 망간 또는 망간 함유물일 수 있다.
상기 자성 결정립들(45)의 사이에는 상기 하부막(30)으로부터 연장되어, 상기 자성 결정립들(45)을 분리시키는 산화 하부막(30')이 배치된다. 상기 산화 하부막(30')은 산화된 망간 또는 산화된 망간 함유물인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 산화 하부막(30')의 상부 표면으로부터 상기 하부막(30)으로 갈수록, 산소의 함유 비율이 낮아지는 것을 일 특징으로 한다. 이때, 상기 산화 하부막(30')은 상기 자성 결정립들(45)을 분리시킴으로써, 본 발명에 따른 자성 결정립들을 갖는 자성막은 우수한 보자력 및 노이즈 특성을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 산소 친화도의 차이에 의해 유발되는 하부막의 확산을 이 용하여, 자성 결정립들을 자기적으로 분리시킨다. 이에 따라, 복잡한 공정 단계의 추가, 결정립의 산화 또는 결정 결함과 같은 문제없이, 자성 결정립들을 분리시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 자성막은 우수한 특성 및 매우 높은 기록 밀도를 갖는 자성 기록 장치를 제조하는 목적에 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에, 하부막을 형성하는 단계;
    상기 하부막 상에 자성막을 형성하는 단계; 및
    상기 자성막을 포함하는 기판을 산소 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하되,
    상기 하부막은 상기 자성막에 비해 산소 친화도가 큰 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 자성막의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부막은 망간 또는 망간 함유물로 형성하는 것을 특징으로 하는 자성막의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성막은 코발트 또는 코발트 함유물로 형성하는 것을 특징으로 하는 자성막의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부막을 형성하기 전에, 상기 기판 상에 씨앗층 및 연질하부층을 차례로 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 씨앗층은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 코발트(Co) 및 Permalloy 중의 적어도 한가지이고,
    상기 연질하부층은 NiFe 및 CoZrNb 중의 한가지인 것을 특징으로 하는 자성막의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 1×10-4 내지 5×10-3torr의 압력과 250 내지 350℃의 온도에서, 10 내지 120분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 자성막의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는
    상기 자성막의 결정화에 의해 자성 결정립들을 형성하고,
    상기 자성 결정립들 사이로 침투한 산소와 상기 하부막이 반응하여 산화 하부막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성막의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리한 후,
    상기 산화 하부막 및 상기 자성 결정립들의 상부 표면을 일부분 식각하여, 상기 자성 결정립들이 노출시키는 단계; 및
    상기 자성 결정립의 상부 표면이 노출된 결과물 상에, 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 자성막의 제조 방법.
  8. 기판 상에 형성된 복수개의 자성 결정립들;
    상기 자성 결정립들의 하부에 배치된 하부막; 및
    상기 하부막으로부터 연장되어 상기 자성 결정립들 사이를 채우는 산화 하부막을 포함하는 자성 결정립들을 갖는 자성막.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자성 결정립들은 결정 구조를 갖는 코발트 또는 코발트 함유물로 구성되고,
    상기 하부막은 망간 또는 망간 함유물로 구성되고,
    상기 산화하부막은 산화된 망간 또는 산화된 망간 함유물이되, 상기 산화 하부막의 산소 함유 비율은 깊이에 따라 낮아지는 것을 특징으로 하는 자성 결정립들을 갖는 자성막.
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