KR100763285B1 - 자성장치 - Google Patents

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KR100763285B1
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Abstract

박막 자성구조, 자성장치 및 그 제조방법으로서, 일련의 연속적으로 피착된 박막으로부터 배향된 1축 자기특성을 촉진시키기 위해 대칭성파괴 메카니즘의 존재하에서 육방정계 형상의 템플레이트 상에 (110)조직의 대칭성이 파괴된 체심입방결정 또는 체심입방 파생결정 구조를 에피텍셜하게 성장시켜서 새로이 배향된 자성층구조 및 미소구조를 만들고 그에 따라서 자성장치 및 장치성능을 개량시킨다.
자성재 구조물, 박막자성구조, 육방정계 원자템플레이트, 대칭성 파괴구조, 체심입방결정구조

Description

자성장치{MAGNETIC MATERIAL DEVICES}
본 발명은 자성재료 및 자성재료를 구비하는 장치에 관한 것이다.
가정, 사무실, 운송시스템, 사업소 및 공장이 더욱 자동화되고 전자적으로 연결됨에 따라서, 그리고 컴퓨터, 통신장치, 무선통신장치, 전자게임, 오락시스템, PDA(personal data assistants), 운송차량, 제작공구, 가게공구 및 가전기기 등의 전자장치 및 기기가 더욱 고 기능화됨에 따라서, 자성박막재를 이용하는 고성능 및 저가의 전자회로, 센서, 변환기(transducer), 데이터저장시스템 및 그 외의 자성장치에 대한 수요가 계속 증가하고 있고 증가할 것이다. 이런 장치들이 시장에서 경쟁력을 지속하기 위해서는 각 제품은 이전보다 성능이 높고 눈에 거슬리지 않고 통상 덜 비싸야한다. 따라서, 이들 장치의 재료 및 구조의 기술적 개량이 계속 요구되고 있다.
이런 모든 응용에 있어서, 자성재 제조 중에 자기특성을 더 잘 제어한다면 자성재는 성능이 향상된다. 때로는 고유한 자기특성이라고 생각되는 두 가지 유사한 특성은 포화자화 Ms와 자석결정 이방성에너지밀도 상수(통상 아래첨자 K 기호로 표시)이다. 자기이방성에너지의 의미는 바람직한 방향이나 방향들로 자화된다는 것이다. 즉 자화벡터가 특정방향으로 향하면 그 시스템의 에너지가 최소가 된다. 이런 방향은 자성용이축(magnetic easy axis)이라고 부르는 반면 에너지가 최대인 경우 자성곤란축(magnetic hard axis)은 자기배향과 일치하게 된다. 그러나, 자기이방성은 그 재료들이 모두 완전하게 만들어지지 않는다는 의미에서 실제로는 고유한 특성이 아니다.
그럼에도 불구하고, 장치의 응용에서 양호한 성능은 거의 언제나 하나의 바람직한 자기배향 또는 이방성방향이 있고 그래서 제조공정에서 원하는 1축이방성을 얻으려고 노력하는데 따라서 달라진다. 본 발명의 목적은 자성박막의 자석결정 이방성을 제어하는 새로운 메카니즘을 제공하는 것이다. 이렇게 함으로써, 거의 모든 자석장치의 성능이 향상될 것이라고 생각된다.
일반적으로 이방성에너지는 주어진 물리적 축에 대하여 자화벡터의 배향성의 함수이다. 여기서, 자화각(θ)이 물리적 축으로부터 180도 회전할 때 이방성 에너지밀도함수가 하나의 최대치와 하나의 최소치를 갖는다면 "1축"이방성이 존재한다고 정의한다. 마찬가지로 에너지 식이 sin2(θ) 또는 cos2(θ)에 대한 종속성만을 갖는다면 "이상적인 1축"이방성 에너지가 존재한다고 정의한다. 원하는 배향성 및 이방성을 얻기 위한 재료 및 장치의 처리는 보통 어려우며 때로는 불가능하기도 한데, 이는 지금까지 이방성 배향을 얻기 위한 메카니즘을 잘 이해하지 못 하였기 때문이다. 또한, 많은 여러 가지 원하는 재료특성을 동시에 얻어야 하는 경우에 제 조공정에서 자기이방성의 배향을 균일하게 제어하는 것은 자주 어려운 것이다.
배향된 연자성막의 배경
자석장치, 예를 들어 센서, 변환기, 변압기, 유도체, 신호믹서, 자속집중기, 기록매체관리체, 데이터저장 및 재생변환기(play back transducer) 등의 자석장치에 있어서, 구동자계에 대한 자기응답(magnetic response)이 높은 감도를 갖고 동시에 낮은 보자력(Hc)을 갖는 것이 일반적이다. 간단히 말하자면, 이 재료는 기본적으로 비(非)히스테리시스현상을 갖는다. 이런 현상을 위해 장치는 인가된 구동자계가 1축 자성재의 자성곤란축을 따라 향하도록 제조된다. 그 결과 보자력 및 히스테리시스의 효과가 최소로 되는데, 이는 다축인 재료의 자벽(magnetic domain wall)운동과 관계된다. 예를 들어, 2축 이방성을 갖는 재료는 두 개의 자성용이축과 두 개의 자성곤란축을 가질 것이며 히스테리시스 및 손실을 나타낼 것이다. 이런 많은 응용에 있어서는 선형 또는 거의 선형의 응답도 유리하지만, 신호믹서 등의 다른 응용에 있어서는 제어된 비선형의 응답이 바람직하다. 선형의 자기응답을 얻기 위해서는 자성곤란축을 따라서 구동자계를 인가하고 이방성 에너지밀도함수는 1축일뿐만 아니라 단지 sin2(θ) 또는 음의 cos2(θ)에 대한 종속성을 가질 필요가 있는데, 여기서 θ는 자화벡터방향과 물리적으로 결정된 자성용이축 사이에 측정된 각도이다. sin2(θ) = 1 - cos2(θ)라는 수학적 항등식이 있고 에너지함수의 기원은 임의로 결정되기 때문에, sin2(θ) 또는 -cos2(θ)을 사용하면 등가의 물리적 행동이 나온다. 도 1의 항목[1]은 0°에 위치하는 용이축에 대한 사각형 사인곡선의 이방성에너지밀도곡선 형상대 자화벡터의 각도를 나타낸다. 도 2는 자성곤란축방향(x)을 따라서 인가 구동자계의 함수(Hx = Ha)로서 자화의 성분(Mx, My)의 응답을 나타낸다. 선형의 곡선은 자화가 포화되거나 인가자계와 일직선상으로 완전히 일치하게 되는 지점[2]에서만 꺽인다. 이런 1축 이방성에서 이런 꺽임은 x방향으로의 인가자계의 값이 Hk일 때 발생하는데, 이는 이방성자계(anisotropy field)라고 알려져 있다. 이들 응답 곡선은 히스테리시스를 나타내지 않지만 히스테리시스루프(Hysteresis loops)라고도 부른다. sin2(θ) 에너지함수의 형상은 곤란축을 따라서의 응답(Mx)을 선형이 되게 하고 완전 가역적으로 되게 한다. My는 x방향으로의 인가 구동자계에 대한 y방향의 응답이다. 도시한 곡선형상은 인가 구동자계의 크기가 Hk보다 작은 경우에는 이차식의 형태인데, 인가 구동자계가 더 큰 경우에 My는 0이다. 이런 이차식의 거동은 Ms 2 = Mx 2 + My 2(Ms는 전체의 일정한 포화자화벡터 크기)이기 때문에 선형 Mx에 필요하다. 이방성 에너지가 1축이지만 이상적인 sin2(θ)함수형태에 의해 결정된다면 자기응답은 선형이 아니다. 그러나 지금까지 본 출원인은 1축 에너지곡선과 비선형 Mx 대 Hx 거동을 나타내는 실제의 재료예를 어느 것도 알고 있지 않다.
sin2(θ)에너지밀도함수형태를 나타내는 재료는 유명한 이상적인 1축의 단일 도메인자화이론 후에 스토너-월파트(Stoner-Wohlfarth)거동을 갖는다고도 말한다. 그러나, 박막은 국부적 근거로 sin2(θ)함수에너지형태를 나타낼 수 있어도 다중도메인(multi-domain)이다. 곤란축 방향이 시료의 모든 지점에서 동일하지 않고 인가 구동자계가 곤란축에 정확히 평행하지 않다면 일반적으로 자벽운동을 관찰할 수 있다. 이 운동으로 인하여 보자력 메카니즘 및 히스테리시스에너지의 손실이 생긴다. 도 2에 나타낸 시료의 무손실 거동은 자벽운동을 통한 응답이라기 보다는 인가 구동자계에 따라서 회전하는 자화에 의한 것이다. 다축 이방성 재료는 항상 자벽운동을 통해 스위칭되어 손실을 겪게 된다.
연성의 1축박막에 있어서 먼저 용이축을 따라서 구동자계를 인가하고 이 방향으로 일정한 바이어스 구동자계를 유지시켜 180°자벽을 제거하기 위해 곤란축이 이동될 때 모든 재료가 단일 도메인이 되게 할 수 있다는 것도 알려져 있다. 따라서, 용이축 방향으로의 이 바이어스 구동자계 Hb = Hy 때문에 곤란축을 따라서 한정된 구동자계 Hx를 인가하면 자화벡터를 에너지 최대치[3]까지 완전히 구동시킬 수 없으며 응답은 항상 가역적이며 따라서 손실이 없게 될 것이다. 이는 다수의 이방성축을 갖는 재료의 경우가 아니다. 1축 재료에 있어서, 회전응답은 많은 센서장치에서 중요한데, 이는 효과적인 바이어스 구동자계를 제공하도록 배향된 경자성재에 자기센서재를 결합하거나 작은 구동자계를 인가함으로써 용이축을 따라서 바이어스 구동자계를 제공하기 위한 다양한 형태의 자기저항센서에서는 일반적이다.
도난방지장치 및 특수전자혼합회로장치 등의 일부의 센서응용에 있어서는 특정의 비선형응답과 동시에 연성의 저손실의 자기특성이 바람직하다. 이런 응용에 있어서, 구동자계는 역사적으로 그리고 일반적으로는 용이축을 따라서 또는 최저자기이방성에너지의 방향으로 향하였다. 이 방향으로의 자벽운동은 중요하다. 이 자벽운동으로 인해 통상 매우 높은 비선형 응답 또는 강한 히스테리시스 거동을 갖게된다.
특정의 도난방지, 물품조사, 물품확인 또는 재고관리 장치는 이 비선형 거동에 의해 발생하거나 재료를 포화상태까지 구동시킬 때 발생하는 조파(harmonic)신호를 검출하는 것에 의존한다. 이런 종류의 조사시스템 및 태그(tag)의 많은 예 중의 하나가 미국특허 제 3,747,086호에 설명되어있다. 이런 종류의 태그응답은 또한 다수의 정보가 대상물을 확인할 수 있게 한다고 미국특허 제 5,538,803호에 개시되어있다. 그 외의 물품태그장치는 자기탄성효과 및 기계적 공명에 기초하는데, 이 재료에서의 자화와 기계적 이형 사이에는 커플링이 존재한다. 이런 종류의 태그의 일 예가 미국특허 제 4,510,489호에 개시되어있다. 상기 후자의 장치에 있어서, 곤란축 방향으로 자화를 구동시켜 자화방향이 지배적으로 되고 자기히스테리시스 손실이 최소화되도록 하는 것이 바람직하다. 이런 방식을 사용하고 구동자계를 사용하여 장치를 기계적 공진주파수에서 구동시킴으로써, 장치 내에 상당량의 에너지가 저장될 수 있다. 따라서, 구동자계가 제거된 후에도 기계적 진동은 계속되고, 기계적 응력에 의해 자화벡터방향이 기계적 진동과 동시에 회전방식으로 진동하게 할 때 자기탄성 특성을 이용하여 공정을 반전시켜 자계를 전달한다. 이 시간의존성의 자기쌍극자는 태그의 존재를 확인하기 위해 검출할 수 있는 고유공진주파수로 자계를 방사한다. 손실을 줄이기 위한 이런 장치에는 1축 이방성이 필요하 다. 기계적 이형과 자기모우멘트배향 사이의 자기탄성 커플링 때문에, 기계적 공진주파수의 기본파가 진동자기쌍극자로서 방출된다. 그러나, 1축 이방성이 이상적이지 못하여 비선형 응답이 된다면 구동신호의 존재하에서 검출하는데 조파를 이용할 수 있을 것이다. 이는 유리한 것이지만 이전에 이런 장치를 형성하기 위한 재료는 전혀 이용할 수 없었다.
마찬가지로, 아나로그믹서회로장치에서는 비선형의 응답이 바람직하다. 비선형회로장치부품에 두 개가 별개의 정현파신호가 동시에 부과되면 증가처리로 인해 두 개의 신호가 부딪히게된다. 따라서 초기신호들의 합 및 차의 주파수에서 부가의 조파가 생긴다. 따라서, 변조된 반송주파수신호에 포함된 정보가 맥놀이주파수로 이동될 수 있다. 통상 이는 정보포함대역을 높은 반송주파수대역으로 이동시키거나(변조) 정보포함대역신호를 복조용 0주파수 근처에 위치하는 대역으로 후퇴시키기 위해 행해진다. 이런 주파수이동기술은 원거리통신 및 신호처리와 그 외의 많은 신호처리응용에서 일반적인 것이다. 이런 신호혼합처리를 수행하는데 사용되는 비선형회로 응답, 회로부품 및 회로실현은 많은 전기공학 회로교과서에 설명되어있다. 두 가지 교과서의 예는 피. 에이치. 영(P. H. Young)의 "전자통신법"과 에스. 엠. 시즈(S. M. Sze)의 "반도체장치의 물리학"이다. 이상적으로는 신호를 혼합시키는데 사용되는 비선형 장치는 효율적이고, 손실이 적으며, 소음이 적다. 이 때문에 통상 비선형 실리콘능동소자가 사용된다. 과거에는 이런 응용을 위해 자석장치를 사용하는 경우 자벽운동은 신호의 소음 및 손실을 야기하였다. 자벽운동에 의해서가 아니라 저손실의 자화회전에 의해서 동작하는 비선형 응답을 갖는 자기재료가 매우 바람직하다.
큰 감도를 제공하기 위해 낮은 이방성의 값을 필요로 하는 거의 모든 응답스듀서 및 센서 응용에 있어서는 입방형 결정재료의 사용이 일반적이다. 그러나, 입방형 재료의 3중 결정대칭성 때문에, 소망의 저손실, 저소음, 자기특성을 얻는데 거의 항상 필수적인 이방성에너지밀도의 단일축을 얻기란 어려운 것이다. 일반적으로 얇거나 두꺼운 막 재료가 이용된다. 예를 들어, 데이터저장재생 응답스듀서 또는 구동자계 응답스듀서 등의 많은 장치들은 일반적으로 면심입방(face-centered cubic crystal:fcc)격자의 박막결정재를 이용한다. 이들 재료를 (001)결정조직으로써 만들어야 한다면, 막의 면에서의 각도의 함수로서의 이방성에너지는 막의 면에서 다수의 용이축 및 곤란축을 갖게되어 비선형의 히스테리시스 자기응답을 만들어 소음신호가 생긴다. 따라서, (111)결정조직이 바람직한데, 이는 자화가 (111)조직 면에 한정되는 경우에 수학적으로 나타낼 수 있으며, 막의 면 속으로 향하는 {111}결정방향의 3중 대칭성 때문에 입방형 재료는 순수한 1차 이방성에너지밀도를 갖지 않을 것이다. 적절히 자화포화된 박막에 있어서도 편평한 막형상과 관련된 탈자화력에 의해 자화가 막의 면에 한정된다.
(111)조직을 갖는 입방재료에서 단일 1축이방성을 얻기 위해서 재료는 보통 열처리를 받거나, 자계가 인가된 상태에서 직접 피착된다. 그 결과의 단일 자성용이축은 인가 자계를 따라서 일직선상으로 정렬되는 반면, 자성곤란축은 이 인가 자계에 수직하게 정렬된다. 또한, Mx 대 Hx 응답함수는 선형응답이다. 이렇게 유발된 자기이방성의 원인이 되는 메카니즘은 잘 이해할 수 없지만, 재료의 각 입자에 대한 (111)면에서의 방향대칭성을 파괴하기 위해 원자쌍 정렬메카니즘이 생긴다고 자주 주장한다. 즉, 자계에너지를 줄이기 위해 피착 또는 애닐링 처리 중에 각 입자내부의 국부 상에서 원자쌍들이 인가자계을 따라서 정렬된다. 흥미롭게도 다른 배향의 자계에서 애닐링을 하면 이 유발된 이방성방향을 자주 변경시키는데, 이는 배향유발메카니즘이 가역적이라는 것을 입증한다. 이런 국부정렬에 의해 NiFe합금, 퍼말로이 등의 fcc격자 재료가 작은 유발 1축 이방성을 갖게된다고 생각된다. bcc 대칭결정의 피착 중에는 상기 원하는 (111)결정조직이 절대 발달하지 않기 때문에 이런 응용에서는 Fe, FeCo, FeAl 및 유사조성원소 등의 자기박막 체심입방격자, bcc(body-centered cubic)격자 또는 bcc격자파생재료(body-centered cubic derivative)는 거의 사용되지 않는다.
얇은 금속막의 성장 중에 특정 조직의 배향이 나타나는 경향이 있음을 잘 이해할 수 있다. 이 것은 계면에너지 및 표면결합을 최소화시킴에 의해 유발되며 표면기동력에 의해 변경되는데, 이는 기판 및 처리조건에 의해 어느 정도 제어할 수 있다. 한가지 단순한 간편법은 막의 표면에너지는 원자면구조가 가장 치밀하게 채워질 때 최소로 된다는 것이다.
fcc격자에 있어서, 표면의 원자들은 (111)면에서 가장 치밀하게 채워지므로 이 조직이 가장 가능성이 있다. (001)조직은 에너지적으로 가능성이 적지만 높은 표면에너지의 (110)조직이 전혀 나타나지 않을 것 같은 경우에는 가능하다. 한편, bcc격자에 있어서 가장 치밀하게 쌓여진 원자표면은 (110)조직이며 이 조직은 일반적으로 나타나는데, (001)조직은 그 다음으로 에너지가 낮으며 가끔 유발되지만, 높은 표면에너지의 (111)조직은 절대 나타나지 않을 것이다. 따라서, fcc격자에 있어서는 (111)조직이 당연히 발생하고 bcc격자에서는 (110)조직이 당연히 발생한다. 피착재료에 쉽게 젖는 비정형금속 등의 낮은 표면에너지의 기재를 선택한다면 fcc격자의 (111)조직 및 bcc격자의 (110)조직이 당연히 생긴다. 한편 피착재료가 산소원자와 결합하여 원자표면의 기동력을 제한하기 쉬운 산화표면 등과 같이 기재가 젖지 않는다면, 피착막에서의 한정된 배향 또는 기껏해야 일련의 혼합조직을 볼 수 있다. fcc격자는 약한 (111) 및 (001)조직만을 형성하는 반면 bcc격자는 약한 (110) 및 (001)조직만을 형성하는 경향이 있다. (110) 또는 (001)조직을 갖는 자기입방결정의 박막입자에서는 입자의 막면에 다수의 용이축 또는 곤란축이 있다. 또한, 각 입자는 다른 입자에 대하여 불규칙한 평면 내(in-plane) 배향을 갖기 때문에, 이런 다결정 자성재료는 다수의 불규칙한 이방성축을 갖는 입자들의 집합을 만든다. 이런 재료는 손실 및 소음과 관련된 고 보자력뿐만 아니라 비선형응답을 만든다. 따라서 거의 항상 (110) 또는 (001)조직으로 성장하는 bcc격자 또는 bcc격자 파생재는 장치용으로 거의 사용하지 않는다. 이 때문에 자벽운동을 피하기를 바라는 장치설계자는 높은 포화자화치를 갖는 bcc격자재료를 주로 이용해왔다.
입방형 재료의 1축 이방성의 원인을 이해하기 어려운 것을 알기 위해서는 퍼말로이(Permalloy)의 열적으로 유도된 이방성에서 매우 권위있는 원전인 소신 치카즈미(Soshin Chikazumi)의 "강자성의 물리학, 제 2판"의 299-309페이지를 참조할 필요가 있다. 치카즈미 교수는 그 문제에 관한 문헌을 자세히 서술하며, Ni-Ni, Fe-Fe 또는 Ni-Fe 등의 여러 가지 전자쌍의 이방성분포 또는 "방향정렬의 관점에서 의 현상"을 하나의 이론으로 설명하려하는 것을 언급한다. 이 이론은 Ni-Fe 쌍 사이의 원자간격이 다른 쌍 사이의 원자간격보다 작아서 격자변형으로 인해 원자 쌍이 생긴다라는 것이다. 자기결정의 1축 이방성은 결과로서의 격자변형과 관련된 자기탄성에너지로부터 생긴다라고 제안한다. 또한 치카즈미 교수는 정렬된 상의 개별체적의 성장에 의해 정렬이 이루어진다고 생각하고 제 2 상의 형상 이방성의 결과로서 유도된 이방성을 설명하는 제 2 이론을 설명한다. 구형 이외의 입자형상은 상당한 형상이방성 에너지를 발생시킬 수 있다. 그러나 이들 이론을 지지하는 어떤 물리적 증거도 제공되지 않았음을 알아야 한다.
이 현상은 자석미립자 데이터저장테이프 및 막대형 영구자석에서 사용되는 것 같은 기다란 자석입자에서 잘 관찰할 수 있으므로 형상 이방성은 지적으로 원만한 설명이 된다. 여기서 자성용이축은 보다 긴 크기와 일직선상으로 정렬된다. 그러나, 치카즈미 교수는 이방성에 의해 유발된 자계를 질적으로 설명하는데는 닐(Neel)이 제안한 쌍극자-쌍극자의 상호작용을 갖는 어느 정도 복잡한 쌍의 정렬모델을 사용할 수 있지만 양적인 의견일치는 없다고 설명하며 또한 왜 양적인 의견일치를 이룰 수 없는가 하는 이유는 여러 가지 양의 개략적으로 계산하고 완전한 열적 평형을 얻지 못하였기 때문이라고 말한다. 그럼에도 불구하고, 그는 재료의 조직에 대해서 자기애닐링은 <111>방향에서 가장 효과적이고, <110>방향에서는 덜 효과적이며, <100>방향에서는 가장 효과적이지 못하다라고 말한다. 여기서 그는 애닐링처리 중의 인가자계의 평행배향 및 결정방향을 말하고 있다.
아주 최근의 출판물, 즉 엔. 엑스. 선(N. X. Sun) 및 에스. 엑스. 왕(S. X. Wang)에 의해 2000년 9월에 발행된 자기학부회의 IEEE보고서(IEEE Transactions On Magnetic)의 "연성의 고 포화자화(Fe0.7Co0.3)1-xNx 유도 라이트헤드용 박막"은 인가 자계 내에서의 피착 중에 bcc격자재료의 배향을 얻는 것을 주장하였다. 이 출판물은 질소내용물이(110) 엑스선회절 피크의 각도를 이동시키므로 질소내용물이 필요하며 막 속으로 변형을 유발하며 작은 입자구조를 형성한다고 암시하는 것 같다. 또한 이들은 "상당량"의 제 2 결정자기상, 즉 Fe4N이 막에서 나타났다는 것을 암시하였다. 치카즈미 교수가 제안한 바와 같이, 아마도 이 이방성거동은 상기 제 2 상과 관련된 이형이나 형상 또는 쌍정렬에 기인한다. 그들이 산화된 규소의 (100)조직의 기재에서의 이런 배향을 얻었고 본 출원인의 기준에 의하면 FeCoN(110)조직은 약하다는 것은 흥미로운 것이다. 그들은 두 개의 퍼말로이 막 사이에 FeCoN필름을 개재시킴으로써 곤란축 보자력을 감소시킬 수 있다는 것을 계속 암시하지만, 그들은 퍼말로이 상에 피착시킴에 의해 FeCoN 막의 배향을 향상시켰다는 어떤 증거도 암시하거나 제안하지 않았다. 실제로 퍼말로이 막을 갖춘 막과 갖추지 않은 막에 대한 곤란축 히스테리시스루프를 비교하면 자화를 포화시키는데 필요한 유사한 이방성 자계를 나타낸다. 이 사실은 퍼말로이층이 그 구조에서의 배향을 개량시키지 않았다는 것을 암시할 것이다.
경자기막의 배향에 대한 배경
보통 연자성재를 필요로하는 자계감지 및 에너지변형장치와는 다르게 자기기록매체 및 영구자석 등의 장치들은 높은 보자력(Hc)을 얻기 위해 높은 1축 이방성을 필요로 하고 높은 잔여치를 얻기 위해 바람직한 배향을 필요로 한다. 모터나 액츄에이터에 있어서 이는 장치가 전달할 수 있는 일량에 직접 영향을 주는 반면 기록매체에 있어서는 출력신호레벨 및 신호펄스폭, 또는 자속전이폭 그리고 기록밀도에 직접 영향을 준다. 이런 경자석의 응용예의 일부에서도 전체 성능을 향상시키기 위해 연자성재를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기다란 박막매체의 장래의 대체물로서 수직박막기록매체가 오랫동안 논의되어왔다. 그러나 기록시스템이 적절히 기능하기 위해서는 기록헤드로부터 경수직자기 기록층의 반대측에 연자기유지층 또는 하층이 놓이는 것이 바람직하다. 이 연성층은 기록헤드자계용의 자속복귀경로나 자속집중기와 헤드가 제거된 후에 탈자화 에너지에 대항하여 기록비트를 안정화시키기 위한 자속폐쇄경로를 제공한다. 상기 자속복귀경로는 기록헤드가 높은 보자력매체 및 보다 양호한 해상도를 갖고 작용할 수 있게 하는 반면, 자속폐쇄경로는 수직자기기록과 관련된 자체 탈자화에너지의 일부를 제거함으로써 기록된 패턴의 안전성을 향상시킨다. 기다란 기록매체에 있어서, 연자성층은 또한 경기록층의 자체 탈자화에너지를 줄임으로써 기록패턴의 안정도를 향상시킬 것이다. 그러나 지금까지는 이방성 배향을 제어하는 양호한 방법을 이용할 수 없었으므로 수직매체나 긴 매체에서 만족스러운 유지층이 되는 연성의 자성하층은 발견하지 못하였다. 이방성방향을 균일하게 하고 제어하지 못하면 연자성 하층은 자벽운동 바르크하우젠(Barkhausen)현상에 의해 자벽유발매체소음을 만든다. 자기헤드가 메체데이타를 지나감에 따라 자기헤드는 유리매체의 비트주변자계를 효과적으로 절단하여 연자성 하층의 자성패턴이 새로운 위치로 릴렉스되게 한다. 이 처리에서 상당한 자벽이 수반된다면 이들은 일반적으로 국부피닝결함(pinning defects)으로부터 해방되어 그 자성구조를 급격히 변화시킨다. 상기 바르크하우젠현상으로 인해 데이터재생헤드에서 소음신호가 나타나게 된다. 기록된 비트나 자속패턴이 비트길이보다 기록트랙을 가로질러 더 넓은 수직 또는 종방향 하드디스크기록에 있어서, 연성층에 대한 바람직한 이방성구조는 기록트랙을 따라서 구성되므로 용이축은 트랙방향을 가로질러 놓이게 된다. 따라서, 통상의 하드디스크시스템에서는 연성막의 용이축이 반경방향으로 향하는 반면 곤란축은 원주방향으로 향한다는 것을 암시한다. 이 구조의 연자성층의 용이축은 경기록층의 자속전이에 의해 생성된 전계에 대항 90°에 있기 때문에 연자성층의 자화벡터는 스핀회전에 의해 회전하며 소음발생 자벽운동이 방지된다. 반경방향으로 배향된 1축의 연자성 하층을 가지면 오랫동안 있어왔던 기술적 문제점을 해결할 것이다. 데이터저장영역의 밀도가 전방으로 밀어짐에 따라서 자성입자의 크기는 자성기록상태가 거의 열적 안정한계가 될 정도까지 감소되었다. 따라서, 종방향 기록안정성 및 전이길이도 연자성 하층을 사용하면 유리하게 되어 비트전이탈자화 영향을 줄일 수 있다. 자벽운동은 소음을 발생시키기 때문에 연성하층의 용이축의 이상적인 배향은 반경방향이 되어 자벽 소음의 가능성을 최소화할 수 있어야 한다. 마찬가지로, 이방성배향제어는 유지층을 제공함으로써 자성테이프 및 x-y방향으로 어드레스 가능한 데이터저장시스템에 도움이 될 수 있는데, 여기서 자화벡터는 스핀회전에 의해 회전하고 자벽운동이 최소화된다. 배향된 연자성재로 된 본 발명은 상당히 개량된 장래의 자성매체를 나타낸다.
경자성막 배향의 배경
현대의 하드디스크의 종방향 매체는 기본적으로 기재면에 불규칙하게 배향된 1축 입자들로 구성된 다결정 박막으로 구성된다. 불규칙하게 배향된 입자로부터 신호를 평균함에 의한 재생으로 디스크반경의 주위로 이방성응답이 생긴다. 이런 불규칙한 배향은 이방성 매체의 디스크회전 중에 2회변조를 피하는데 필요하였다. 박막층의 피착 전에 디스크표면을 기계적으로 홈을 형성함으로써 원주방향을 따라서 소량이 배향된 것을 가끔 관찰할 수 있다. 그러나, 반경방향의 잔류분에 대한 트랙을 따라서의 경자성 잔류분의 배향비(OR)는 거의 1.2보다 크지 않고 보통 1.1보다 작으며, 기재가 더 매끈하게 만들어지고 매체막이 얇게 만들어져 높은 면적기록밀도를 가능하게 함에 따라서 감소되었다. 마찬가지로, 두 방향으로의 보자력의 비도 종종 배향비(OR)라고 부르는데, 그 최대치는 역시 자성잔류분 비율과 비슷하다. 이런 경자성재료배향의 원인은 수년간 논쟁 중에 있다. 일부 사람은 이런 경자성재료배향은 육방조밀충전(hexagonal close packed : hcp)격자의 코발트합금이 홈형성방향을 따라서 위치하려는 약한 경향에 기인한다고 주장해왔는데, 이 배향은 디스크를 기계적 홈형성 후에 매체피착 전에 열적으로 순환시키면 감소하거나 소멸한다는 것을 보여줬다. 이런 현상으로 인하여 배향의 원인은 홈과 관련된 기재의 응력이 피착 중에 사용되거나 발생된 열로부터 완화됨에 따라서 기재와 막층 사이에 열응력이 발달하기 때문이라고 하는 주장도 생겼다. 미국특허 제 5,989,674호에서 마리네로(Marinero) 등은 매체배향의 원인을 밝히기 위해 주장하는 몇 가지 특허 및 출판물을 설명하고, 기계적으로 홈이 형성된 기재에 육방조밀충전형의 코발트합금을 피착하는 동안의 배향의 원인을 주장하기 위해 응력, 형상 및 결정배향까지도 거론한다. 다른 이들은 디스크표면 상에 경사각으로 매체재료를 피착함에 의해 작은 배향비를 얻는 것을 주장한다. 예를 들어, 미국특허 제 4,776,938호를 참조하라. 이 시도는 어느 정도의 효과를 보여주었지만 홈이 형성된 기재 상에 상당히 개량된 배향비를 만들지는 못하였으며 설명한 피착방법은 재료의 피착에서 상당히 불충분하였다. 또한, 이 배향효과의 결정학적 원인도 명확히 진술하거나 증명하지 못하였는데, 이는 입자형상의 영향에 의한 것일 것이다. 다년 전의 그 특허설명에도 불구하고 상기 방법은 현재 제조에 이용되는 기술은 아니다.
그럼에도 불구하고, 배향이 어디에서 기인하던지 높은 해상도 및 짧은 자속전이길이 및 보다 양호한 열적 안정성을 얻기 위한 자기기록에 도움이 되는 것이 증명되었다. 배향도가 보다 크면 장래의 하드디스크 데이터저장시스템에 도움이 된다는 사실에는 의심할 바가 거의 없다. 마찬가지로, 미립자테이프에 있어서 개개의 침상(acicular)의 자기입자들은 일반적으로 습윤식 코팅공정 중에 장축을 갖도록 그리고 자성용이축이 트랙방향을 따라서 위치하도록 물리적으로 배향된다. 그 결과, 신호레벨이 높아지고, 전이길이가 짧아지며, 기록밀도가 높아진다. 최상의 성능을 위해, 종방향 매체이던지 수직 매체이던지 경자기매체층의 용이축은 인가된 헤드자계방향을 따라서 배향되어야 하는 반면 관련된 연성유지층의 용이축은 종방향 매체에 있어서의 인가된 헤드자계방향에 수직한, 기록트랙을 가로질러 배향되어야 자벽운동 대신에 자기모멘트회전의 이점을 가져서 연성유지층의 바르크하우젠 소음현상을 피할 수 있다는 것은 흥미로운 관찰이다.
박막의 에피텍셜(epitaxial)성장의 배경
가장 자주 인용하는 개념의 하나는 박막은 박막표면 상에 배열된 원자들과 성장하여 원자결합에너지를 최소화시키는 경향이 있다는 것이다. 이것은 표면원자들이 결정구조와 일치하는 가장 조밀한 배열상태를 형성할 때 가장 안정한 원자결정면이 성장한다는 것을 암시한다. 이는 fcc격자 및 fcc격자 파생결정재에 있어서 원자들은 이 결정면 상에 가장 조밀하게 충진되기 때문에 박막에서 (111)조직이 발달한다는 것을 의미한다. 그 다음으로 많이 발생하는 조직은 (001)일텐데 (110)조직은 드물게만 볼 수 있을 것이다. 한편 bcc격자 및 bcc격자 파생체에 있어서는 (110)조직이 가장 조밀하게 충진된 결정면이므로 우선적으로 발달된다. 그 다음으로 많이 발생하는 조직은 (001)인데, (111)조직은 전혀 관찰할 수 없다. 미국특허 제 5,693,426호에서 설명한 경우, 어떤 재료에 있어서는 정확한 조건하에서 피착된다면 B2, bcc격자 파생결정구조는 (112)조직을 형성할 수 있다. 그러나, B2결정까지도 비산화면 상에 쉽게 (110)조직을 형성할 것인데, 초기에 피착된 원자들은 막성장 중에 높은 표면기동력을 갖는다. 마찬가지로 육방조밀충진(hcp)격자에 있어서는 (0002)조직이 가장 조밀하게 충진되고 가장 일반적으로 발달된다.
마찬가지로, 하층에 제 2 결정재료를 직접 피착할 때 생기는 에피텍셜 관계를 설명하는 몇 개의 출판물이 있다. 미국특허 제 6,248,416호는 많은 이런 에피텍셜 관계에 대하여 논하고 있다. 제 1 재료와 제 2 재료의 원자격자간격이 다수의 제 2 층조직과 충분히 일치한다고 가정하면 제 1 층조직에 대한 다음과 같은 관계를 발견하였다. 그러나, 원자격자가 충분히 일치하지 않으면 에피텍셜 성장이 일어나지 않는다. 예를 들어, 여기서 참고로 인용하는 람베드(Lambeth) 등의 미국 특허 제 6,248,416호는 깨끗하고 산화되지 않은 단결정 규소기재 상에 준 에피텍셜 단결정 박막으로서 성장한 비강자성의 Cr조직을 논하였다.
이들 기재 상에 발달된 조직들은 극히 강하여 정렬도가 높고 단일배향이 된다. 이 특허 및 그 외의 출판물에서, 두 개의 서로 다른 fcc격자 재료는 동일한 조직을 가지고 서로 에피텍셜하게 성장할 수 있다는 것을 알게되었다. 마찬가지로, 두 개의 서로 다른 bcc격자 재료는 동일한 조직을 가지고 서로 에피텍셜하게 성장할 수 있다. 마찬가지로, 두 개의 서로 다른 hcp격자 재료는 동일한 조직을 가지고 서로 에피텍셜하게 성장할 수 있다. 그러나 보다 흥미로운 것은 하나의 결정재료가 다른 결정재료 상에 피착되는 경우이다. 제 1 층 상의 에피텍셜 성장에 의해 제 2 층으로 유발된 결정조직뿐만 아니라 제 2 층의 조직 및 평면 내 배향은 제 1 층의 조직 및 배향에 의해 결정된다. 예를 들어, 미국특허 제 6,248,416호는 깨끗한 규소의 (001)단결정은 fcc격자의 은의 (001)조직을 유발할 수 있으며, bcc격자의 Cr이 그 표면에서 성장한다면 (001)조직이 생긴다는 것을 보여준다. 그 출원인은 hcp격자의 코발트의 (1120)조직이 크롬의 (001)조직 상에서 성장한다는 것과, 단결정 규소웨이퍼의 결정방향에 의해 c축이 두 개의 방향으로만 배향된다는 것을 보여주었다. 마찬가지로 그들은 기재로서 규소의 (110)조직의 단결정을 사용하면 아주 드문 은의 (110)조직이 발달하고 그 위에 드문 bcc격자 크롬의 (112)조직이 발달한다는 것을 보여주었다. 코발트의 (1010)조직은 이 크롬표면에 의해 유발되며 평면 내의 단일 코발트의 c축은 크롬의 <110>방향에 평행하게 위치한다. 미국특허 제 6,248,416호에 설명된 다른 에피텍셜조직관계를 참조한다. 초기의 단 결정 규소기재가 (111)이면 면에서는 규소결정과 동일한 방향으로 에피텍셜 fcc격자의 은이 (111)조직이 되어 배향된다. 그 위에 Cu 또는 Ni 등의 다른 fcc격자의 원소가 피착되면 이도 역시 에피텍셜이 되어 (111)조직 및 배향을 가지게 된다. 이들 조직은 모두 그 하측의 층이 강하게 배향되기 때문에 강하게 배향되며, 한 층씩 에피텍셜 성장을 계속할 수 있다. 그들은 또한 Ti층의 사용에 의해 어떻게 이 구조를 사용하여 경자성 수직 코발트의 (0002)조직의 막을 성장시킬 수 있는지를 설명한다. 그들은 어떻게 크롬이 (111)조직의 fcc격자층 또는 코발트의 (0002)조직층 상에서 성장하는지는 설명하지 않았다. 그럼에도 불구하고, 별개의 출판물에서, 에이치. 공(H. Gong) 등(H. Gong, W. Yang, M. Rao, D.E. Laughlin 및 N.N. Lambeth의 자기학부회 IEEE보고서의 "쿼드결정(quad-crystal)의 코발트합금 자기기록매체의 에피텍셜 성장" 35(5)권, 1999, pp. 2676-2663)과 지. 장가리(G. Zangari) 등(G. Zangari, B. Lu, D.E. Laughlin 및 D.N. Lambeth의 응용물리학 저널의 "Cr/Ag/Si 템플레이트 상의 Sm-Co 박막의 구조 및 자기특성" 85(8)권, 1999년 8월 15일 pp 57595761)은 (111)단결정의 Si기재와 후속의 에피텍셜 (111)조직의 fcc격자층 상에 bcc격자의 크롬을 피착하였을 때 강한 Cr(110)조직이 생긴다고 지적하였다. 그러나, (110)의 bcc격자면의 원자배열은 사각형인 반면 (111) 결정면의 fcc격자의 원자배열은 육각형의 대칭성을 갖는다. 공(Gong) 등은 장가리(Zangari) 등처럼 bcc격자의 크롬(110)면이 이 원자가 육각형의 정렬된 표면에서 배향될 수 있는 3가지 방식(이형)이 있다고 지적한다. 이들 결정면과 결정방향들은 도 3에 도시되어있다. 이들 3개의 배향은 (110)조직의 크롬의 <001>방향이 <110>방향에 정확히 평행하거나 <112>방향에 수직할 때 (111)조직의 fcc격자의 육각형 원자격자면의 방향에 대응한다. 그들은 이들 3개의 크롬의 (110)배향의 이형과 fcc격자 하층과의 관계를 다음의 표시로 요약하였다.
Cr(110)[001] Ag(111)[110] Si(111)[110],
Cr(110)[001] Ag(111)[101] Si(111)[101],
Cr(110)[001] Ag(111)[011] Si(111)[011].
그들의 출판물과 미국특허 제6,248,416호는 성장 가능한 hcp격자의 경자성구조 및 fcc격자의 연자성구조에 중점을 두었으며 크롬 등의 비자성 bcc격자 재료이외의 어떤 것과도 연동한다는 증거는 보여주지 않았다. 이들 3개의 크롬 이형체의 각각에서 4개의 hcp격자의 코발트의 (1011) 쿼드결정 이형이 얻어졌다. 이 코발트층은 각 크롬이형 상에서 성장하였을 때 4개의 용이축방향을 갖는 입자들을 포함한다. 그 결과, 코발트 쿼드결정구조는 각각 12개의 용이축방향을 갖는 입자들로 구성된다. 3개의 크롬이형의 각각에 대해서 4개의 코발트 배향이 가능하다.
도 3은 fcc격자의 (111)의 에피텍셜 템플레이트(5)에 대한 3개의 bcc격자 크롬의 (110) 배향이형의 위치를 나타낸다. 예의 bcc격자의 <001>방향 및 예의 fcc격자의 <112>방향이 그 외의 관련 결정방향과 함께 도시되어있다. 이 분야에서 이미 잘 알려져 있는 바와 같이 기판상에 박막을 성장시킬 때 성장되는 박막물질의 구조나 성질을 제어하기 위하여 기판표면에 형성시켜주는 특정한 패턴(Pattern)을 템플레이트(Template)라고 한다. 따라서 상기 공개문헌은 (111) fcc격자조직의 기재 상에서 3개의 크롬이형이 성장할 수 있다는 것을 설명한다. 단결정이 fcc격자의 (111)조직이고 격자상수가 에피텍셜성장을 유발하기에 충분히 일치한다면 어떤 사이즈의 단결정에도 동일한 결과가 적용될 것이다. 따라서 단결정이 아닌 기재 상에서 성장하여 강한 (111)조직을 갖는 다결정의 fcc격자막이 다수의 단결정 입자를 포함하기 때문에 각 입자에 대하여 동일한 결과를 얻을 수 있다. 그러나, 입자가 충분히 작다면 3개의 bcc격자의 (110)조직의 배향이형 중의 하나 또는 두 개만이 주어진 입자에서 성장할 수 있지만, 피착처리조건에 따라서 3개의 배향이형 모두가 단일 fcc격자의 (111)조직 입자 상에 같이 존재할 수도 있다. 또한, 각 배향이형에 대한 성장가능성이 동일하기 때문에 충분히 큰 시료는 각 배향이형을 동일한 체적 포함할 것이며 자성재료는 대칭배향의 자기특성을 갖는 것으로 보일 것이다. 이것은 에피텍셜 성장이 단결정기재 상에서 이루어지거나 최종의 막이 다결정이고 단결정이 아닌 기재 상에서 성장한 경우이다.
이하, 이들 효과를 이방성 에너지밀도의 관점에서 설명한다.
(110)조직의 박막의 자기이방성 에너지
(111)조직의 fcc격자의 기재 상에서 성장한 (110)조직의 자성 bcc격자 재료의 자기특성을 이해하기 위해, 입방형 재료의 단결정의 박막면에 자화가 한정될 때 입방형 자기결정 이방성에너지에 대한 표현을 생각해보겠다. 도 3에서 성장한 (110)조직의 막의 단일 이형의 평면 내 단위셀 원자표면(6)을 고려해보자. 도 4는 자화가 (110) 결정면에 한정된 경우 K1 > 0 및 K2 = 0에 대한 단일 이형에 대한 각도의 함수로서 구성된 자기결정 에너지를 나타낸다. 이 자기결정 에너지밀도는 E110(θ)로 나타낸다(소신 치카즈미의 "강자성의 물리학, 2판" 페이지 249-256, 참조).
E110(θ) = K1{(1/4)sin4(θ)+sin2(θ)cos2(θ)}+K 2{(1/4)sin4(θ)cos2(θ)}+고 차의 K항
또는 θ의 조파로 전개하면,
E110(θ) = (1/32)K1{7-4)cos(2θ)-3cos(4θ)}+(1/128)K2{2-cos(2θ)-2cos(4θ)-cos(6θ)}
여기서, θ는 박막면에서 <100>에서 측정한 자화벡터방향이며, K1 및 K2는 각각 1차 및 2차의 자기결정 이방성 에너지밀도상수이다. 보다 고차의 에너지항은 보통 더 작으므로 여기서는 무시한다.
순수 철에 있어서, K1은 흔히 약 +4.7 x 105 erg/cc라고 되어있지만, 화학첨가에 의해 맞출 수 있다. 한편 Co50Fe50의 무질서한 bcc격자형태는 약 -1.5 x 105 erg/cc라고 생각되는 반면, Co50Fe50의 정렬된 bcc격자 파생재 B2형태는 약 0이라고 생각된다. 흥미롭게도, 정렬된 합금과 무질서한 합금의 K1값은 Co의 원자백분율이 35%이하일 때 거의 동일하다. Co50Fe50의 K1 ∼+1 x 105 erg/cc는 Co함량이 25%미만인 Fe값에 근접한다. 이 합금은 Ms값이 매우 높고 조성의 함수로서 흥미로운 이방성 특성을 갖기 때문에 특히 흥미롭다. 이방성 상수에 대해서는 알.씨.오핸드리(R. C. O'handley)의 "현대 자성재료 원리 및 응용"의 190, 192페이지를, 포화자화값에 대해서는 145페이지를 참고하라. K2 등과 같은 보다 높은 차수 의 이방성 상수는 덜 알려져 있지만, 보통 크기가 작아서 에너지식에서는 덜 중요하다. K1의 역할이 감소하는 경우에만 K2항들이 이런 계산에서 중요한 역할을 할 것으로 생각된다. 이후의 이형군의 설명에서 2θ조파는 지배적인 역할을 하는 반면 4θ조파는 상쇄되는 것을 아는 것이 중요하다. 또한, 2차 이방성 에너지항의 6θ조파는 2θ 또는 4θ조파보다 상당히 중요하다. 따라서, 대부분의 경우 이 6θ조파의 영향은 무시할 수 있다. 자기분야의 당업자라면 높은 차수의 이방성 에너지밀도는 본 발명에서 작은 역할을 한다는 것을 이해할 수 있겠지만, 설명의 편의상 이후의 미분에서는 무시할 것이다.
함수(K1>0)에 대한 가장 작은 에너지최소치는 평면 내의 <100>방향에 있지만 평면 내의 <111>방향을 따라서 두 개의 동일한 최대치가 있다. 따라서 두 개의 <111>방향 사이에는 국부적인 최소치(8)가 위치하며 이 최소치는 <110>방향으로 향한다. 따라서, 이 조직은 1축 거동을 나타내지 않으며 자벽운동을 받게되므로, 시료가 포화상태 가까이 구동되면 인가자계의 모든 방향에 대하여 고도의 비선형 스위칭이 얻어진다. 이 에너지곡선 상에는 단조로운 거동의 상당히 큰 영역이 있는데, 여기서 자기구조가 단일도메인 배향이라면 응답은 가역적이고 저손실이 될 수 있다. 개념상으로 자화가 초기에 전부 <001>방향을 따라서 향해 이루어지고 인가자계에 의해 평면 내 <111>곤란축 중의 한 방향으로 회전한다면 이 공정은 자화가 곤란축에 도달할 때까지 가역적이 되고 따라서 손실이 없게 된다. 그러나, 자화가 평면 내 <111>방향으로 횡단함에 따라서 평면 내 <110>방향에서 국부적 에너지최소 치쪽으로 갑자기 점프할 것이다. 이 점프는 가역적이 아니므로 손실과정을 나타낸다. 평면 내 <001>방향과 <110>방향으로 향하는 자화 사이에는 거의 항상 90°자벽이 존재하거나 형성되기 때문에 자벽운동이 어떤 회전기구도 지배한다. 막구조의 입계 또는 결함은 국부적인 자벽운동의 점프를 야기하여 다시 손실메카니즘을 만들게 된다.
도 4의 에너지 그래프의 0°내지 180°의 영역에서, K1>0의 경우에는 도 3의 이형(6)의 하나의 <100>방향, 두 개의 <111>방향 및 하나의 <110>방향에 대응하는 하나의 최소치(9), 두 개의 최대치(7) 및 국부적인 최소치(8)를 알 수 있다. 이들 극한치는 K1<0라면 반전될 것이다. 분명히 이 곡선은 1축 자성재료의 정의를 만족시키지 못한다.
본 발명은 박막배향자성재와, 이 박막배향자성재를 이용한 자기센서, 응답트랜스듀서, 전자회로부품, 기록헤드, 기록매체, 및 데이터저장시스템 등의 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 철, 니켈 및 코발트와 이들의 합금 등의 재료를 이용한 결정학적으로 배향된 박막재와 배향자성층구조에 관한 것이다. 특히 본 발명은 체심입방(body-centered cubic : bcc)격자나 체심입방격자 파생결정의 박막구조의 (110)조직을 사용하여 1축 자기결정배향을 이루기 위한 구조를 다룬다. 일반적으로, bcc격자 또는 bcc격자 파생결정재료는 면심입방 재료보다 포화자화가 높고, bcc격자 및 bcc격자 파생결정재의 본 발명의 배향제어에 의해 배향이 양호하고 자화성이 높으며 투과성이 높고 손실이 낮은 새로운 장치를 구성할 수 있다. 이들 장치들은 자계를 검출하거나 결정하고, 데이터를 저장하고 검색하며, 에너지를 변형시키거나 전자신호를 처리하는데 사용된다. 이 재료의 개량된 자기특성 또는 배향으로 인해 상기 장치에서 사용할 때는 기술적 성능이 보다 양호해지거나 구성이 작아지거나 신속하거나 저렴한 시스템이 된다. 종래의 자기재료구조를 이용하도록 설계된 대부분의 현존의 자기장치에서는 종래의 자기재료구조를 여기서 설명하는 새로운 구조로 간단히 교체함으로써 그 성능이 상당히 개량된다.
본 발명의 이점들은 도면을 참조하면 보다 확실히 이해할 수 있다.
도 1은 1축 스토너-월파트(Stoner-Wohlfarth) 모델의 자기이방성 에너지밀도의 그래프를 나타낸다.
도 2는 상기 스토너-월파트 모델에 대한 자성곤란축 응답 함수 Mx 대 그 곤란축을 따라서 인가된 자계 Hx와, 상기 스토너-월파트 모델에 대한 자성용이축 응답 함수 My 대 그 곤란축을 따라서 인가된 자계 Hx를 나타낸다.
도 3은 fcc격자의 (111)결정면의 전자배열과 비교한 bcc격자의 (110)결정면의 3개의 배향 이형을 나타낸다.
도 4는 입방결정의 (110)조직 면에서 자기이방성에너지밀도 대 평면 내 자화방향의 그래프를 나타내며, 여기서 1차 이방성 에너지밀도상수 K1은 양이다.
도 5는 육방격자 템플레이트 결정의 (111)결정면의 원자배열과 비교하여 bcc-d격자의 (110)결정면의 6개의 가능한 배향 이형 중의 두 개를 나타낸다.
도 6은 K1>0 그리고 δ=7.5도일 때 6개의 bcc-d격자의 (110)조직의 이형 중에 3개의 결합된 (110)이형(b1, b2, c1)의 특정 경우에 대한 자기이방성 에너지밀도 대 평면 내 자화방향의 그래프를 나타낸다. 180도의 회전마다 하나의 에너지최소치와 하나의 에너지최대치만이 발생한다.
도 7은 K1>0 그리고 δ=5.26도일 때 6개의 bcc-d격자의 (110)조직의 이형 중에 2개의 결합된 (110)이형(a1, c2)의 특정 경우에 대한 자기이방성 에너지밀도 대 평면 내 자화방향의 그래프를 나타낸다. 180도의 회전마다 하나의 에너지최소치와 하나의 에너지최대치만이 발생한다.
도 8은 K1>0 그리고 δ=5.26도일 때 6개의 bcc-d격자의 (110)조직의 이형 중에 4개의 결합된 (110)이형(a2, b1, b2, c1)의 특정 경우에 대한 자기이방성 에너지밀도 대 평면 내 자화방향의 그래프를 나타낸다. 180도의 회전마다 하나의 에너지최소치와 하나의 에너지최대치만이 발생한다.
도 9는 K1>0 그리고 δ=5.246도일 때 곤란축 Hx를 따라서 자계를 인가한 경우 결합이형쌍(a1, c2)에 대한 자성곤란축 응답함수 Mx와 자성용이축응답함수 My를 나타낸다.
도 10은 K1>0 그리고 δ=5.264도일 때 6개의 bcc-d격자의 (110)조직의 이형 중에 3개의 결합된 (110)이형(b1, b2, c1)의 특정 경우에 대한 자기이방성 에너지밀도 대 평면 내 자화방향의 그래프를 나타낸다. 180도의 회전마다 하나의 에너지 최소치와 하나의 에너지최대치만이 발생한다.
도 11은 K1>0 그리고 δ=5.264도일 때 6개의 bcc-d격자의 (110)조직의 이형중에 2개의 결합된 (110)이형(a1, b2)의 특정 경우에 대한 자기이방성 에너지밀도 대 평면 내 자화방향의 그래프를 나타낸다. 180도의 회전마다 두개의 에너지최소치와 두개의 에너지최대치가 발생한다.
도 12는 입사각피착 중에 원자운동의 각도를 정의하기 위한 좌표계의 스케치를 나타낸다. 기재면은 x-y이고 피착재료는 r을 따라서 도달한다. 피착각 ω는 z축과 r벡터 사이의 각도로서 정의된다.
도 13은 입사각피착용 디스크면에 대한 신규의 스퍼터링개소드 형상의 개략도이다.
도 14는 δ=5.264도인 6개의 bcc-d격자의 (110)조직의 이형의 존재를 증명하는 x-선 극도 데이터인데, 여기서 이형(a1) 및 (c2)는 대칭성파괴된 구조를 만들기 위해 다른 4개의 이형을 지배한다. 또한 3개의 Ag(220)피크도 도시되어 있다. 이 시료는 입사각피착을 이용하여 제조하였다.
도 15는 육방정계 템플레이트의 <112>방향을 따라서 용이축을 갖도록 만들어진 Fe(K1>0)시료에 있어서, 1축 자성곤란축응답 Mx 함수 및 용이축응답 함수 My 의 데이터 대 곤란축 Hx를 따라서 인가된 자계를 나타낸다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
본 발명의 재료구조는 상기 박막배향 자성재료을 이용한 자계센서, 응답트랜스듀서, 전자회로부품, 자성반도체메모리, 도난방지장치, 기록헤드, 기록매체, 및 데이터저장시스템 등의 자기적으로 경자성장치 및 연자성장치에서 구체화 될 수 있으며, 보다 구체적으로는 철, 니켈 및 코발트와 이들의 합금 등의 재료를 이용한 결정학적으로 배향된 박막재와 배향자성층구조에서 구체화될 수 있다. 이들 구조는 이 장치의 구체예가 특별한 자기배향, 특정의 선형 또는 비선형 응답 또는 낮은 손실응답을 요구하는 경우에 특히 유용하다.
고도로 배향된 (111) 육방정계 원자템플레이트 상에서 (110)결정조직의 bcc격자 또는 bcc격자파생결정 박막재료의 에피텍셜성장을 주의 깊게 제어함으로써 본 출원인은 특별한 배향관계를 갖는 새로운 6개의 결정이형을 발명하였다. 이들 6개의 배향이형의 아주 특별한 변화부분집합의 선택 및 성장에 의해 대칭성이 파괴된 1축 자기박막이 얻어진다. (111)조직의 fcc격자, (111)조직의 fcc파생결정 또는 (0002)조직의 hcp격자는 (111)조직의 육방정계 원자템플레이트의 예이다. 각 경우에 있어서, 원자템플레이트의 원자들은 조밀하게 충진되어있다. 고도로 배향된 (111) 육방정계 템플레이트를 이용할 수 있을 때 고도로 배향된 bcc격자 또는 bcc격자 파생결정체 (110)조직구조가 에피텍셜하게 성장할 수 있다. 고도로 배향됨과 동시에 특수한 처리기술을 사용하면 6개의 새로운 이형을 구성할 수 있다. 여러 환경 하에서 bcc격자 및 bcc격자 파생결정재료는 단일 거동을 형성하기 때문에 bcc격자 또는 bcc격자 파생결정구조를 나타내기 위해서는 표기 "bcc-d격자"를 고려하여야 한다. 마찬가지로 fcc격자 또는 fcc격자 파생결정구조를 나타내기 위해서는 표기 "fcc-d격자"를 사용하여야 한다. 예를 들어, 여기서 NaCl 원형구조를 갖는 재료는 (111)면에 조밀육방패턴의 원자가 있으므로 fcc격자 파생결정재로 생각한다. 이런 fcc-d격자의 원자들의 (111)면과 hcp격자의 (0002)면은 항상 조밀하게 충진되므로, 조밀하게 충진되지 않은 많은 fcc격자의 브라베(Bravais)격자의 (111) 원자결정면과는 다르다. 예를 들어, fcc 결정의 브라베격자 F3dm 공간군의 다수는 규소, 다이아몬드구조, 기재이다. 마찬가지로, 조밀하게 충진된 (111)면을 갖지 않는 F3dm 군의 다수는 C15(Strukturbericht 기호표시)이다. 도 3으로부터 (10)과 유사한 3개의 육방정계 템플레이트의 <110>방향이 있음을 알 수 있다. 에피텍셜한 막성장조건을 주의 깊게 제어함으로써 강한 (110)조직의 bcc-d격자가 성장할 수 있는데, <111>방향 중의 하나는 육방정계 템플레이트의 <110>방향에 평행한 것을 발견하였다. 이 배향은 상기 공(Gong)과 장가리(Zangari)의 처리로 얻어진 것과는 다르다. 본 처리에 있어서, bcc-d격자의 <110>방향은 더 이상 육방정계 템플레이트의 <112>방향에 평행하지 않다.
새로운 6개 결정의 (110)조직의 bcc-d격자 이형시스템을 논하기 전에 3개 결정의 (110)조직의 이형시스템을 더 분석할 필요가 있다. 한 이형에 대한 에너지식인 E110(θ)을 앞에서 제시하고 도 4의 문맥에서 논하였다. 동일한 (111)조직의 fcc격자면 상에 (110)조직의 bcc격자의 지배적인 이형이 두 개이고 이들이 서로 접촉하거나 서로 접촉된 다른 자성재료를 접촉한다면 각 이형의 자화벡터는 함께 이동하거나 회전하려는 경향이 있음을 지적하는 것이 중요하다. 마찬가지로 도 3의 (4)로 나타내고 공(Gong)과 장가리(Zangari)의 문헌에서 Cr에 대하여 채용한 3개의 이형이 모두 있고 이 3개의 이형이 자기적으로 연결되어있다면 각 자화는 다른 자화와 함께 이동하려하는 경향이 있다. 물론, 크롬은 자기모우멘트를 가지고 있지 않아서 공(Gong)도 장가리(Zangari)도 이에 대하여 언급하지 않았다. 함께 자화회전하는 3개의 결정이형이 동일한 양인 경우의 이방성에너지밀도식은 각 이형의 합으로 표시할 수 있을 것이다.
E3'(θ) = {E110(θ)+E110(θ-60)+E110(θ-120)}/3
여기서 θ는 본래의 단일 이형(6)의 <100>방향에 대한 자화방향의 각도이다. 하층의 평면 내 fcc격자의 <112>방향은 60°의 간격으로 되어 있기 때문에 두 개의 다른 bcc격자의 (110)조직 이형의 용이축은 제 1 용이축에 대하여 60°의 간격으로 위치한다. 간단한 삼각법에 의해, 이들 3개의 이형의 에너지합은 (7/32)K1의 상수로서 θ에 대한 종속성을 갖지 않는다. 따라서, 순수한 이방성방향은 없다. 그러나 실제의 재료에서는 자벽이 형성되기 때문에, 각 이형의 국부이방성이 재료의 결함과 조합하여 상당한 보자력 및 손실 거동을 만든다.
어떤 에너지계산에서도 기준점은 임의로 선택하기 때문에 예상되는 물리적 거동의 변화 없이 항상 에너지함수에 상수를 부가할 수 있다. 또한, 방금 언급한 3개의 이형경우에서의 총합에너지는 일정하기 때문에, 두 개의 결합이형이 있다면 에너지함수는 단순히 단일 이형경우의 음수에 비례한다. 이를 수학적으로 표현하면,
{E110(θ)+E110(θ-60)+E110(θ-120)}/3 = 7/32
따라서, 두 개의 이형만을 갖는 재료에서는
E2'(θ) = {E110(θ-60)+E110(θ-120)}/2 = 21/64 - E110(θ)/2
따라서, 재료의 적절한 단위체적으로 에너지밀도를 표준화한 후, 두 개의 결합이형의 에너지곡선은 단지 재료의 동일한 총 단위체적의 단일 이형의 역에너지곡선의 1/2이 된다. 곡선형상과 에너지 최소치 및 최대치는 위치를 서로 바뀌므로 자성곤란축과 자성용이축의 방향은 서로 바뀌어질 것이다. (8)과 같은 국부용이축 또는 에너지최소치는 국부곤란축 또는 에너지최소치가 될 것이다. 에너지식에서의 상수는 임의적인 것으로서 물리적 응답에 영향을 주지 않으므로 어떤 분석에서도 0이라고 생각할 수 있다는 것을 기억하라. 따라서, 자기적으로 결합된 이들 이형쌍의 응답은 K1의 부호가 변화되고 에너지 극한치의 차의 크기가 1/2의 인수만큼 감소하는 단일이형재료로서 나타난다. 따라서, (110)조직의 입방형 자성재료가 단일이형이나 두 개의 결합이형이나 세 개의 결합이형으로 이루어지던지 간에 자기결정 이방성에너지밀도함수는 1축 거동을 나타내지 않지만, 2축 거동은 나타낸다. 그러므로, 공(Gong)과 장가리(Zangari) 등이 비자성의 bcc격자의 크롬에 대하여 주장한 바와 같이 bcc격자의 자성재료의 3개의 이형이 60도의 간격으로 위치할 때, 그리고 (110)조직의 입방 자성막이 다결정이던지 단결정 상에서 에피텍셜하게 성장하였던지 간에 1축 거동을 가질 수는 없다. 따라서, M 대 H 응답함수는 보자력 및 손실 거동을 가질 것이다. 또한, 3개의 이형의 각 체적을 임의로 선택하더라도 1축 거 동은 얻을 수 없다. 3개의 이형의 체적이 동일하지 않을 때 여기서는 그 시료를 "대칭성 파괴된"이라고 한다.
또한 세 개의 이형이 모두 존재하지만 그 중에 하나 이상이 다른 이형보다 체적이 크다면 그 큰 체적의 이형의 에너지특성이 지배적일 것이다라는 것은 명확하다. 이를 명확하게 하기 위해서는, 6의 체적분율이 1/2인 반면 다른 두 개의 동일체적의 이형은 체적분율이 각각 1/4인 경우의 도 3의 경우를 고려하자. 그러면 6의 제적의 1/2은 다른 두 개의 체적과 같다. 그래서, 총체적 중에서 이들 3개의 부분의 에너지항은 동일하게 분배되고 일정한 합이 될 것이다. 이렇게 하면 이형(6)의 나머지 1/2를 남기게 되어 도 4의 형상의 에너지곡선을 만들게 될 것이다. 따라서, 넓은 체적의 이형을 여기서는 "지배적"이다라고 한다.
미국특허 제 6,248,416호 또는 공(Gong) 등 및 장가리(Zangari) 등의 어디에서도 전술한 자성 bcc격자 또는 bcc격자 파생결정 박막을 사용하지 않았다는 것을 주목할 필요가 있다. 자성 bcc격자 또는 bcc격자 파생결정재도 자성층으로서 조사하거나 지지하지 않았다. 만일 조사하여, (111)의 fcc격자층상에 놓였을 때 bcc격자의 (110)의 크롬에서 발견된 동등한 3개의 이형결정배향관계를 갖는 것을 발견하였다면, 그 자기특성은 손실이 있었으며 상당한 보자력을 가질 것이다. 또한, 그들은 각 변형의 체적이 동일하지 않은 시료상황을 얻었다고는 절대 제안하지 않았다. 따라서, 그들은 대칭성파괴된 이형시스템도 지배적 이형시스템도 결코 논하지 않았다.
마찬가지로 그들의 FeCoN 박막의 논의에서 선(Sun) 및 왕(Wang)은 어떤 (110)조직의 이형에 관한 증거도 제공하지 않았다. 또한, 그 들은 이방성에 대한 설명은 없었으며, 퍼말로이가 그 CoFeN막 하에 놓이던지 안 놓이던지 간에 이방성자계는 동일한 것을 나타났기 때문에 그 결과는 어떤 정렬된 이형구조에도 의존하지 않았다. 또한, 그들의 결과로써 치카즈미가 논의한 바와 같은 변형 및 형상영향과 관련된 이방성 메카니즘을 나타내는 변형된 격자와 상당한 Fe4N 제 2 상을 보여주었다.
결정학적으로 쌍정은 bcc-d격자의 (112)면에 형성될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 이들 (112)면은 <110>방향과 <111>방향을 포함한다. 따라서 한 쌍의 bcc-d격자의 쌍정은 박막표면 법선을 포함하고 하나의 육방정계 템플레이트의 <110>방향을 포함하는 면을 따라서 계면을 형성할 수 있다. 이런 정렬체에서 육방정계 템플레이트<110>방향은 bcc-d격자의 <111>방향 중의 하나와 일치한다. 따라서, <111>방향이 육방정계 템플레이트 <110>방향에 평행하게 성장한 bcc-d격자의 (110)조직막에서는 두 개의 이형이 가능하다. 3개의 육방정계 템플레이트의 <110>방향이 가능하기 때문에 3그룹의 쌍정이 가능하다. 따라서, 성장할 수 있는 6개의 bcc-d격자 이형이 가능하다라는 생각을 갖게 되었다. 그러나, 이런 이형들은 쌍정구조 내에 있을 필요가 없다. 명백하게 하기 위해 이들 6개의 가능한 이형 중에 두 개만을 도 5에 도시한다. 다른 4개의 이형들은 상기 두 개의 이형의 위치를 60도 및 120도만큼 회전시킴에 따라서 구성할 수 있다. 이런 초안은 이형들의 배향을 나타내는데 예시적인 것을 의미하는 것으로서, 단일 이형이 원자거리 중의 상당 부분 위로 연장될 것이라고 이해할 수 있다.
bcc-d격자의 <111>방향과 bcc-d격자의 <100>방향 사이에 형성되는 각도는 arctan(√2) = 54.736도로 주어진다. 마찬가지로, <111>방향과 <110>방향 사이의 각도는 arctan(1/√2) = 35.264도이다. 이들 두 각도의 합은 물론 90도로서 <100>방향과 <110>방향 사이의 각도를 형성한다. 이 54.736도의 각도치가 중요한 것은 이 것이 육방정계 템플레이트의 <110>방향의 60도 간격과는 5.264도만큼 다르다는 것이다. 공(Gong) 및 장가리(Zangari)가 관찰한 상기 3개의 이형과는 대조적으로, 제안한 6개의 bcc-d격자의 이형의 <100>방향은 육방정계 템플레이트의 <110>방향 중의 어느 것과도 평행하게 위치하지 않는다. 또한, 공(Gong) 및 장가리(Zangari)의 대칭적 배열에 있어서는 bcc격자의 <111>방향이 육방정계 템플레이트의 <110>방향에 평행하게 위치하며, 본 발명의 새로운 이형에서는 bcc-d격자의 <111>방향 중의 하나가 육방정계 템플레이트의 <110>방향 중의 하나와 평행하게 위치하고 bcc-d격자의 <100>방향이 육방정계 템플레이트의 <110>방향과 평행하게 위치하지 않는다. 따라서, 육방정계 템플레이트의 [110]방향에서 θ = 0인 좌표계에서, bcc-d격자의 이형결정의 <100>방향 및 자성용이축(K1>0)은 β1 = 0±δ, 60±δ 및 120±δ도의 각도에 위치하는데, 여기서 δ = 60-arctan(√2) = 5.264도이다. 또한, 도 5에서, 두 개의 bcc-d격자의 각 이형의 두 개의 <111>방향의 배향을 주목할 필요가 있다. 이들은 60도 및 120도의 육방정계 템플레이트의 <110>방향과 일치하지만, 0도의 축부근에서는 <110>축과는 + 및 - 2δ만큼 다르다. 바뀌어 결합되었을 때 이 이형쌍은 후술하는 에너지함수 E2a1c2(θ)로 나타내어질 것이다.
6개의 동등하게 발생되는 자기적으로 결합된 이형체적을 갖는 (111)조직의 bcc-d격자 구조에 있어서, 이방성 에너지밀도는 다음과 같이 표시된다.
E6(θ) = {E110(θ±δ)+E110(θ-60±δ)+E110(θ-120±δ)}/6
여기서 + 및 - 기호는 이 식에서 각 각도에 대한 두 개의 함수를 나타내는 것이다. 앞에서와 같이, 6개의 이형, 즉 6개의 E110 에너지항이 대칭적으로 균형을 이룬 정렬체의 총 이방성에너지는 각도의존성을 갖지 않으므로 이방성에너지밀도함수는 K1(7/32)로서 일정하다. 그러나 특히 흥미로운 것은 홀수 또는 짝수의 특정 이형만이 결합된 경우이다. 6개의 이형 중에 하나이상이 육방정계 상에서 성장할 수 있고 이들이 쌍정 쌍에서 혹은 평형된 동일량의 재료에서 나타나야 할 필요는 없다는 것을 주목할 필요가 있다. 그러나, 명확하게 하기 위해, 이후의 몇 단락의 문장의 논의 중에 결합군의 이형의 각 이형에서의 재료량이 동일하게 평형되는 것을 고려하게 될 것이다. 즉, 예를 들어 3개의 이형만이 서로 결합되었다면 3개의 이형의 각 이형의 체적이 동일하다고 가정하여야 한다.
6개의 이형 중에 하나의 이형만이 있다면, 에너지밀도함수는 간단히 특정 이형의 옵셋각(βi) 만큼 이동된 E110(θ)의 함수를 감소시킨다. 마찬가지로, 6개의 이형 중에 5개의 이형이 있다면, 중요하지 않은 에너지상수 옵셋 또는 기원을 무시하는 초기의 논리와 마찬가지로 그 결과의 표준화된 에너지밀도함수는 빠진 이형의 정점간의 값의 음의 1/5번째 에너지함수피크이다. 도 4에 도시한 바와 같이, E110(θ)함수는 두 개의 최대치와 하나의 최소치와 국부최소치(K1>0인 경우, 혹은 K1<0인 경우는 두 개의 최소치와 하나의 최대치와 하나의 국부최대치)를 갖기 때문에, 이들 두 셋트의 결합이형은 1축 자성재료의 거동을 나타내지 않는 에너지함수를 만들게 된다. 그 외에 3셋트 수의 다른 결합이형, 즉 조합당 두 개, 세 개 및 네 개의 이형이 있다. 그러나, 여기에는 선택할 수 있는 6개의 이형이 있으므로 이들 각 이형을 형성하는데는 하나이상의 방식이 있다. 여기서 평형을 이루는 또는 동일체적의 재료로 된 한 셋트의 이형 중의 각 이형을 계속 고려해보자.
전술한 바와 같이, 6개의 bcc-d격자의 이형이 가능한데, 각각은 6개의 각도, β1 = 0±δ, 60±δ 및 120±δ도 중의 한 각도에 위치하는 면(및 K1>0인 경우에는 자성용이축)에서 단결정의 <100>방향을 갖는다. 이들 6개의 가능한 이형을 a1(60+δ), a2(60-δ), b1(0+δ), b2(0-δ), c1(120+δ) 및 c2(120-δ)로 표시하는데, 여기서 대응 괄호내의 각도는 육방정계 템플레이트의 <110>방향(10)에 대한 주어진 이형의 bcc-d격자의 <100>방향의 각도위치를 나타낸다. 예를 들어, a1 및 a2 이형은 각각 육방정계 템플레이트의 <110>방향의 60도 위치, 또는 +δ도 및 -δ도만큼 벗어난 위치에 위치함을 알 수 있다.
특정의 경우 : δ = 7.5도
그 외의 다양한 이형조합에 대한 에너지밀도곡선을 논의하기 전에 쌍들의 가능한 15경우의 3셋트의 결합이형을 고려하는 것이 유익하다. 그러나, 지금은 이형 의 편차각도 δ가 60-arctan(√2) = 5.264도와 같지 않지만 7.5도와는 정확히 같은 특별한 경우를 고려해보자. 대상이 되는 3셋트의 에너지밀도함수는 다음과 같이 표시된다.
E2 b1a2″(θ) = {E110(θ-0-7.5)+E110(θ-60+7.5)}/2
E2 a1c2″(θ) = {E110(θ-60-7.5)+E110(θ-120+7.5)}/2
E2 c1b2″(θ) = {E110(θ-120-7.5)+E110(θ-0+7.5)}/2
아래첨자가 붙여진 에너지함수표기, 예를 들어 E2 b1a2″(θ)는 쌍으로 결합된 두 개의 이형 b1 및 a2를 나타낸다. 인용부호 ″는 특정의 δ = 7.5도인 경우를 나타내는데 사용한다. 이들 3개의 경우의 각 경우에서 결합이형은 서로 정확히 45도 이동된 상인 것을 알 수 있다. 이 특정의 δ=7.5도에 대한 삼각법에 의해, 45도의 위상각만큼 분리된 각 쌍에서 θ에 유일하게 의존하는 것은 cos2 (θ)의 항인 것을 쉽게 보여줄 수 있다. 구체적으로 다음과 같이 표시할 수 있다.
E2 b1a2″(θ) = (K1/64){14-8cos(45)+16cos(45)cos 2(θ+60)}
E2 a1c2″(θ) = (K1/64){14-8cos(45)+16cos(45)cos 2(θ)}
E2 c1b2″(θ) = (K1/64){14-8cos(45)+16cos(45)cos 2(θ-60)}
예를 들어, E2 a1c2″(θ)는 0도에서 스토너-월파트(Stoner-Wohlfarth)의 곤란 축을 갖고 90도에서 용이축을 갖는 결합쌍의 이형들을 나타내는데, 각 이형들은 +67.5도 및 112.5도에서 용이축(K1>0인 경우 <100>방향)을 갖는다. 다시 말해서, 이들 쌍의 이형들의 각각은 용이축(K1>0)이 두 개의 이형 용이축위치의 용이축방향 사이의 중간에 위치하는 1축 스토너-월파트모델과 동일한 함수형태의 에너지함수가 된다. 두 개의 이형이 결합되고 서로에 대하여 특정의 60-2δ - 45도의 배향을 갖기 때문에 이 스토너-월파트 거동만이 일어난다. 이방성 에너지밀도상수 K1이 0보다 작다면 그 결과의 결합쌍의 이형의 용이축 및 곤란축의 방향이 전도된다.
이들 쌍의 이형의 각각은 1축 에너지함수가 될 뿐만 아니라 도 2에서 설명한 바와 같이 손실이 없고 곤란축으로 구동되는 Mx 대 Hx 응답함수와 비선형의 My 대 Hx 이차응답함수가 된다. (또한 적절한 근사치까지는 결국 δ = 60-arctan(√2) = 5.264도의 경우가 될 것이다.) 3개의 결합쌍(δ=7.5)의 각각은 (110)조직의 bcc-d격자의 자성재료로부터 이상적인 1축응답을 구축하는 이상적인 방식을 나타낸다. 앞에서와 같이, 6개의 모든 이형의 에너지함수의 합은 상수 K1(7/32)와 같기 때문에, 이들 3쌍의 이형의 각 경우에 남은 4개의 이형에너지함수의 합은 상기 쌍들의 이형의 합의 -1/4과 같다. 따라서, 스토너-월파트형의 에너지함수를 만들도록 합계가 되는 3셋트의 4개 결합이형이 있지만, 음의 표시 때문에 그 곤란축과 용이축은 대응 결합쌍에 대하여 90도 회전되며, 정점간 에너지진폭스윙은 상기 결합쌍의 경우의 1/2이다. 따라서, 이들 3셋트의 4개 결합이형은 순수 곤란축을 따라서 구동될 때 스토너-월파트의 선형 및 무손실의 M 대 H의 응답함수를 만든다. 표기의 관점에서 에너지함수 E2 b1a2″(θ)와 대응 E4a1b2c1c2″(θ)로 나타내어지는 결합이형은 보완함수이다. 어쨌든 앞에서와 비슷하게
E6″(θ) = {2E2 a1c2″(θ)+4E4b1a2b1c2″(θ)}/6 = K1(7/32) = 상수
그 외에 결합이형 쌍의 12개의 조합이 있는데 이들 어느 것도 1축 에너지함수를 만들지 못한다라는 것도 알아야 한다. 국부에너지최소치의 깊이의 관점에서 일부는 다른 것에 비하여 최악이다. 마찬가지로, 그 외의 12개의 대응하는 4개조 보족결합이형도 1축거동을 나타내지 못하는데, 이는 이들을 1축이 아닌 결합쌍의 결정학적 이형의 관점에서 표시할 수 없기 때문이다. 이제 이 분석으로 인해, 고려하여야 할 3개 결합이형 셋트에 대해서는 20개의 가능성이 남았다. 전술한 바와 비슷한 논리에 의해 이들 중 10셋트는 다른 10셋트를 보족하게 된다. 이들 중 14셋트는 2배의 최소치 또는 최대치와 국부극한치를 갖는다. 다른 6셋트는 1축 이방성에너지함수의 정의를 만족시키지만 각각은 하나의 최소치와 하나의 최대치의 대략 중간에 그리고 일측에만 위치하는 에너지곡선의 요동부(11)를 갖는다. 이 요동부와 자성곤란축 사이의 각도에서 구동될 때 응답곡선은 거의 손실이 없을 것이지만 응답곡선의 대부분에서 비선형이 될 것이다. 자성곤란축(12) 부근의 매끈한 곡선부분에 제약된 각도를 따라서 구동되면 응답곡선은 바로 이 부분에서 손실이 없게 되고 보다 선형으로 될 것이다. 이들 6개의 에너지곡선 중의 한 곡선 E2 a1b2″(θ)의 대표적인 그래프를 도 6에 도시한다.
요약하자면, 앞에서 언급한 6개의 단일이형과 6개 모두가 특징이 없는 경우 를 포함하지 않는 동등하게 중요한 이형들의 56개의 조합이 가능하다. 따라서 이형의 위상각이 7.5도로 설정되었을 때, 정확한 스토너-월파트형의 에너지곡선과 대응의 M 대 H 응답함수를 만드는 6개의 평형 이형조합이 가능하게 게다가 1축이면서 요동하는 에너지밀도함수를 만드는 6개의 평형 이형조합이 가능하다. 그 외에는 모두는 비 1축 거동을 나타낸다.
완전을 기하기 위해 고차수의 이방성 에너지항의 영향을 간단히 고려한다. 2차의 이방성 에너지밀도상수 K2가 0이 아닐 때 한 쌍의 결합이형이 1축인 경우에 에너지식의 예는 다음과 같다
E2 a1c2″(θ) = (K1/64){14-8cos(45)+16cos(45)cos 2(θ)}+
(K2/64){1-cos(45)/2+cos(45)cos2(θ)+cos(45)cos(6θ)/2
이 함수를 조사해본 결과, K2의 크기가 K1의 크기와 필적하거나 큰 경우에 6θ조파의 영향이 1축 거동에 가장 중요하다는 것을 발견하였다. 그러나, 많은 재료에 있어서 이는 해당되지 않으며 대부분의 경우 K2는 알려지지 않았을 정도로 하찮은 것이다. 예를 들어, 철의 경우는 |K1/K2|>5 라고 보고하고 있지만 어떤 출판물에서는 측정할 수 정도로 과도하다. 그럼에도 필요한 경우 K2를 포함한 유사한 분석을 실시할 수 있다.
특정의 경우 : δ = 5.264도
이제 이형 위상각 δ가 60-arctan(√2) = 5.264 도로 주어진 경우를 고려해본다. 5.264도의 위상각은 7.5도의 값과는 크게 다르지 않으며 5.264도의 위상 이동된 동일한 이형집합에 대한 에너지곡선은 바로 전에 언급한 특정의 7.5도의 경우와 비슷하다. 앞에서 관찰한 바와 동일하지만 더 작은 δ값을 사용한 3셋트의 이형 쌍에서 1축 에너지밀도곡선이 얻어진다.
E2 b1a2(θ) = {E110(θ-0-5.264)+E110(θ-60+5.264)}/2
E2 a1c2(θ) = {E110(θ-60-5.264)+E110(θ-120+5.264)}/2
E2 c1b2(θ) = {E110(θ-120-5.264)+E110(θ-0+5.264)}/2
또한 이들 에너지함수나 이형 쌍의 각각은 육방정계 원자템플레이트 상에서 60도만큼 단지 위상이동한다면 동일하다는 것을 알았다.
E2 b1a2(θ) = E2 a1c2(θ+60) = E2 c1b2(θ+120)
마찬가지로, 3셋트의 대응하는 보족 이형 4개조가 있는데, 이는 유사하지만 반전되고 진폭차이가 줄어든 에너지곡선을 만든다. 또한, 이들 에너지함수 또는 이형 4개조의 각각은 육방조밀충진격자의 원자템플레이트 상에서 60도만큼 위상이동하면 동일하다.
함수형상의 일 예로서 K1 = 1, K2 = 0 및 도 7의 그래프인 이방성에너지밀도함수를 사용한다. 이방성에너지밀도함수는
E2 a1c2(θ) = {E110(θ-60-5.264)+E110(θ-120+5.264)}/2
그리고, 도 8에는 4개조 이형조합에 대응하는 보족의 결합이형셋트에 대한 이방성에너지밀도함수가 도시되어있다.
E4 b1a2c1b2(θ) = {E110(θ-0-5.264)+E110(θ-60+5.264)}+
E110(θ-120-5.264)+E110(θ-0+5.264)}/4
앞에서 언급한 바와 같이, 부가의 상수를 무시하면 도 8의 이방성에너지밀도함수는 도 7에 나타낸 에너지밀도함수의 진폭차의 딱 -1/2인 정점간 차이를 갖는다. 이들 함수는 스토너-월파트 모델의 sin2(θ) 또는 cos2(θ)에 대한 종속성과 매우 유사하지만 최대치 및 최소시 주위의 곡률이 다른 것을 알 수 있다. 이들은 1축 거동을 나타내지만 자성곤란축의 자기응답함수는 비선형이면서 손실과정이 없다. 극한치에서의 곡선현상은 반전되므로, K1<0 일 때 스토너-월파트 모델로부터의 용이축과 곤란축 편차가 서로 바뀌어진다.
도 9에는 E2 a1c2(θ)에 대응하는 Mx(13) 대 Hx 및 My(14) 대 Hx 응답곡선이 도시되어있다. Mx 대 Hx 곡선(실선)은 δ가 정확히 7.5도가 아니어서 생기는 비선형성을 나타낸다. 그러나, 손실이 없는 응답을 나타낸다. My 응답곡선은 스토너-월파트 응답의 2차식의 거동과의 유사성을 나타낸다. 완전을 기하기 위해, δ = 5.264도인 경우의 E2 b1b2(θ) 결합이형 에너지곡선을 나타내는 도 10을 제공하는데, 이는 δ = 7.5도의 경우의 도 6의 에너지곡선과 유사하다. 이 곡선의 최대치의 우 측에서 거의 편평하다. 그러나 이 곡선도 역시 1축 재료를 나타내고 있다. 이 비교로부터 δ=5.264도인 경우 12개의 1축결합 이형셋트가 가능하다는 것을 알 수 있다.
막의 일부가 결합이형쌍, 예를 들어 E2 a1c2(θ)로 구성되고 막의 다른 부분이 결합이형4개조, 예를 들어 90도 회전한 E4 b1a2c1b2(θ+90)로 구성된다면 둘 다 공통의 용이축 및 곤란축을 갖는다. 상기 필름의 두 부분은 상기 두 개의 별개의 결합이형셋트가 독립적으로 기능할 수 있도록 강하게 결합해서는 안 된다. 상기 두 개의 비선형 응답함수는 평균화되어 거의 선형인 순수응답함수를 만들 수 있다. 그러나 물리적 시료의 응답은 약간의 요동을 포함할 수 있다는 것을 발견하였다. 4개조의 회전을 얻기 위해서는 재료의 두 부분에 대한 템플레이트를 서로에 대하여 90도 회전시켜서 두 재료부의 곤란축이 일치하도록 하는 것이 중요하다. 물론, 육방정계 템플레이트가 60도의 회전을 반복하기 때문에 그 템플레이트는 90도 이동과 동일하게 되기 위해서는 30도 회전할 필요가 있다는 것을 암시한다. 이는 양 이형셋트에 있어서 대칭성파괴된 메카니즘이 공통되기 때문이다. 물론 0도 방향과 30도 방향 사이의 템플레이트 배향에서 아마 평형을 이루지 않은 다른 이형셋트들이 발생할 수 있으며 거의 선형의 거동을 나타낼 수 있다는 것은 확실하다. 단일 시료에서 한 그룹이상의 서로 다른 셋트의 결합이형을 이용한다는 이 개념은 무질서하게 배향된 다결정의 (111)조직의 육방정계 원자템플레이트 상에서 에피텍셜하게 성장한 다결정의 (110)조직의 bcc-d격자막에서도 거의 선형의 자기응답함수가 생길 수 있 게 하므로 매우 강력한 것이다. 이 것은 단결정 기재가 최상의 그리고 가장 쉽게 이해할 수 있는 성능을 발휘한다해도 거의 선형의 저손실 자기응답함수를 성취하는데 단결정을 갖는 것이 필요조건은 아니라는 것을 의미한다. 필요조건은 전체 시료에 대하여 거의 공통의 자성곤란축을 만들도록 각 그룹의 결합이형을 선택하여 적절히 회전된 다결정입자 템플레이트 상에 놓는 것뿐이다. 고도의 (111)조직의 다결정의 육방정계 원자템플레이트의 피착에 단결정이 아닌 기재를 사용하면 막은 무질서한 평면 내 배향을 갖는 각각의 입자들로 구성될 것이다. 전체 다결정 시료에 걸쳐 동일한 용이축 및 곤란축 거동을 얻기 위한 기술은 각각의 무질서하게 배향된 육방정계 템플레이트에 대하여 적절한 (110)조직의 bcc-d격자의 1축 결합이형셋트를 야기하는 것이다. 이를 성취하기 위한 방법은 사용하는 각 육방정계 템플레이트 배향에 대하여 적절한 결합이형을 우선적으로 선택하는 강하게 구동되는 성장프로세스를 제공하는 것이다. 후속의 실험결과에서는 결정배향성장의 방향을 선택하기 위해 bcc-d격자 재료의 자성이형막 피착 또는 각도진공증착 중에 원하는 용이축방향을 따라서 인가된 자계를 사용하였다. 인가자계 내에서 피착하면 뛰어난 1축거동을 나타내는 것이 발견되었다. 그러나 양 경우에서 많은 이형셋트의 독특한 부분집합이 얻어졌다. 이들 방법으로 자성막에 대한 1축거동이 제어된다. 아주 좋은 결정성장방향을 공급하는 그 외의 방법들로는 인가자계 내에서 화학도금하는 것과, 특정방향으로 기재를 따라서 흐르는 욕용액으로 화학도금하는 것과, 잘못 절단된 단결정 기재 상에 피착하는 것과, 변형되거나 왜곡된 육방정계 템플레이트 상에 피착하는 것이 포함될 수 있다.
바람직한 결정조직을 야기할 수 있는 최저에너지의 원자배열을 형성하려는 것처럼 막면에서 결정방향의 배향을 야기하기 위해 대칭성파괴 메카니즘 내에 유사한 메카니즘이 있다고 생각된다. 특히, 표면상의 결과조직은 통상 가장 조밀하게 충진된 원자배열이다. 따라서 bcc-d격자 재료의 각도피착에서는 <111>방향이 피착재료의 방향과 일치하려함이 예상될 것이다. 또한, bcc-d격자의 (110)조직면에 두 개의 <111>방향이 있기 때문에 <110>의 육방정계 템플레이트방향에는 <111>방향 중의 하나가 피착방향에 평행한 <110>의 템플레이트방향과 정확히 일치하는지에 대한 약간의 허용범위가 있거나 +60도 또는 -60도에서 <110>방향과 일치한다는 것을 발견하였다. 후자는 보통 1축재료의 경우이다. 또한, 막형성의 에너지는 표면결합에너지에 대하여 평형을 이루어야 하는데, 그렇지 않으면 대칭성파괴가 일어나지 않을 것이다. 마찬가지로, 이 처리조건이 바르지 않으면 이형들의 대칭성이 파괴되지 않을 뿐만 아니라 이형셋트가 6개의 새로운 이형이 아니라 공(Gong) 및 장가리(Zangari)가 언급한 3개이 이형이 될 것이라는 것을 발견하였다. 이들 경쟁적인 에너지를 조정함으로써 원하는 막구조를 얻을 수 있다. 조정변수로는 피착속도, 기재온도, 막의 산화에 대한 진공품질, 및 육방정계 템플레이트 원자간격 및 재료조성이 포함된다. 대칭성 파괴된 구조을 얻기 위해 이형 사이에 자기결합을 얻을 필요는 없다는 것을 발견하였다. 그러나, 1축 자기거동을 얻기 위해서는 적절한 셋트의 이형들이 서로 바뀌어 결합하여야 한다. 이 교환결합은 교환길이가 이형입자 사이즈에 필적하거나 작지 않도록 그 사이즈 및 간격이 설정되었을 때 각각의 접촉이형 사이에서 이루어질 수 있다. 그러나, 보다 바람직한 것은 자성의 육방정 계 템플레이트재료를 자성이 bcc-d격자 막과 직접 접촉시켜서 육방정계 형상의 층을 통해 교환결합을 도와주는 것이다. 또한, 육방정계의 자기교환결합층은 자성의 bcc-d격자층의 하측이나 상측에 놓일 수 있는 것을 관찰하였으나 막의 하측에 배치하여 육방정계의 원자템플레이트로서 사용하는 것이 가장 바람직하다. 또한 육방정계 템플레이트와 bcc-d격자의 자기층으로 된 다수의 교대층을 형성할 수도 있다.
모든 이형셋트가 1축 에너지함수를 만드는 것은 아니라는 것을 설명하기 위해 도 11에 3개의 이형셋트, 즉 E3 b1b2c1를 도시한다. 확실히 이 것은 1축이 아니라 2축 거동이다.
분명히 손실 없는 자화응답함수를 얻기 위해 이형셋트를 결합시키는 다수의 방법이 가능하다. 단결정 기재 상에서의 에피텍셜성장에서 그 결과의 곤란축 및 용이축은 기재방향과 상관관계가 있다. 그러나 다결정 기재에서는 에피텍셜하게 성장한 막은 각 육방정계 템플레이트 입자의 결정배향에 대응하는 다수의 이형셋트를 포함한다. 처리조건 및 대칭성파괴 메카니즘을 통해, 특별히 배향된 다결정의 육방정계 템플레이트에 대하여 적절한 셋트의 결합이형을 선택한다. 이들 결합이형셋트는 시료의 체적에서 동일하면 안 된다. 또한 무질서하게 평면 내 배향된 다결정의 육방정계 템플레이트막과 단결정 기재에서 모두 사용할 수 있게 하는 핵심은 선택된 결합이형셋트가 충분히 강하게 자기적으로 결합하여 각 이형셋트의 자화벡터가 함께 회전하게 하는 개념이다. 이 결합은 자기교환결합에 의해 가장 가능하게 된다. 따라서, 낮은 보자력을 가져서 낮은 손실 자기특성을 갖는 이들 1축 및 거의 1축의 bcc-d격자 재료의 결정학적 특징을 나타내기 위해 "1축 대칭성파괴된"이라는 어구를 채용한다. 결정학적으로 "대칭성파괴된" 재료는 각각의 이형셋트가 모두 양이 동일한 6개의 (110)조직의 bcc-d격자 이형을 포함하지 않을 때 존재하는 것으로 정의된다. "대칭성파괴된" 결정구조를 얻게 하는 에너지프로세스를 설명하기 위해 "대칭성파괴메카니즘"이라는 어구를 사용한다. 개념적으로 복잡하고 이들 시스템이 다양하기 때문에 마침내 결합셋트의 이형들이 재료의 체적에서 동일한 비중(균형)을 가지는 경우를 논의하였다. 이 경우는 그런 상황이 될 필요가 없으며 그 외의 흥미로운 에너지함수 및 응답곡선을 이 경우에 얻을 수 있다. 6개의 결합이형으로 구성된 막을 고려하면 하나의 진부하지만 중요한 경우를 생각할 수 있다. 각 이형의 체적이 동일하다면, 전술한 바와 같이 에너지밀도함수는 일정하며 θ의존성을 갖는다. 그러나, 6개의 이형 중에 두 개가 다른 4개의 이형과는 체적이 다르면 1축거동이 생길 수 있다. 서로 다른 체적의 재료를 갖는 두 개의 이형을 3개의 스토너-월파트 이형쌍(E2″(θ) 또는 E2(θ) 중의 하나로서 선택한 간단한 경우를 고려해보자. 이 이형쌍의 재료량이 다른 4개의 이형보다 약간 크다면 대칭성을 파괴할 것이며 1축거동이 생길 것이다. 최소치와 최대치 사이의 에너지밀도차이는 재료체적의 상대차에 의해 감소할 것이다. 예를 들어, 6개의 결합이형 중에서 스토너-월파트형 결합쌍의 각 이형들은 총체적의 30%를 차지하고 다른 4개의 이형의 각각은 총체적의 10%를 차지하였다고 가정하자. 그러면 최소치 대 최대치 에너지차는 모든 재료가 바로 스토너-월파트형의 쌍의 재료일 때 얻을 수 있는 것의 40%가 될 것이다. 따라서, 최소치 대 최대치 에너지차가 총 자기체적에 대하여 더 작아지므로 자기응답함수는 인가자계에 보다 민감해질 것이다. 이 것은 자기응답함수의 소위 상대투자율이라고 하는 경사를 조정하는 방법을 나타낸다.
많은 자기장치에 있어서는 다수의 박막층을 갖는 것이 유리하다. 몇 번이라도 이들 장치는 자기적으로 또는 전자적으로 상호 작용하여 그들 사이에 상당한 이방성의 배향관계가 되도록 할 필요가 있다. 예를 들어, 소음신호를 최소화하기 위해서는 자기저항센서의 용이축을 따라서 제어력을 인가하여 센서재료의 자벽의 형성 또는 운동에 대항하여 장치를 안정시키는 것이 극히 유리하다. 이는 때때로 경자성재료를 사각형 장치의 단부에 배치하여 작은 정자계를 제공하거나 연자성막에 바꾸어 결합시킴으로써 이루어진다. 마찬가지로 이런 장치에 있어서는 약간 회전된 상태로 자화를 치우치게 할 필요가 있다. 이렇게 하면 자화에 의해 양극 및 음극이 자성곤란축쪽으로 스윙하여 신호클리핑(signal clipping) 또는 극도의 비선형성을 피하게 된다. 이 이방성 자기저항장치에 있어서, 신호저항은 전류흐름방향에 대한 자화의 배향각도에 따라서 변한다. 따라서, 제 2 층의 경성 또는 이방성을 제어하면 제 2 층이 제 1 층과 접촉하여 또는 근처에 놓였을 때 이런 안정화효과 또는 배향효과를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 스핀밸브나 자기터널접합형 자기저항센서에 있어서 두 개의 적층된 자기층 사이의 계면을 가로질러 전자스핀이 운반되는 것은 두 개의 자기층의 상대배향에 의해 이루어진다. 알. 씨. 오핸드리(R.C. O'Handley)의 "현대 자기재료 및 원리 및 응용"은 이런 자기저항효과의 고조 및 메 카니즘과 그 외의 자기응용을 논한다. 현재 이 기술은 자계센서, 자기데이터저장재생헤드용으로 잘 개발되고있으며 자기랜덤억세스메모리(MRAM)용으로 급속히 개발되고 있다. 두 개의 자기층의 자화가 일직선상으로 배열되었을 때 계면을 통한 스핀운반이 가능해지거나 향상되므로 전기저항이 최소화된다. 예를 들어, 외부자계를 검출하는 것은 한 층을 회전하지 못하고 고정시키는 한편 다른 층은 자유롭게 회전하게 하거나 두 개의 막이 역평행성이며 인가자계가 증가됨에 따라서 둘 다 공동축 쪽으로 회전하게 된 구조를 설계함으로써 이룰 수 있다. 이 두 개의 층이 일직선상으로 배열되지 않으면 가용전도스핀상태가 공통이 아니고 전도성이 최소화된다. 이런 종류의 장치에 있어서, 문헌에서는 다양한 배향형상을 논하였지만, 이들 모두에서 신호는 적층된 자기층 사이의 자계유발된 자화배향변화에 항상 의존한다. 일부 장치형상에 있어서는 두 개이상의 다수의 자기층이 있으며 자기저항효과는 이 다수의 막의 계면 사이의 전도를 통해 결정된다. 따라서, 인가자계 또는 자기상태를 결정하는 신호는 층 쌍들 사이의 자계유발각도차에 의해 결정된다. 분명히 이런 종류의 장치를 개량시키는데는 이방성을 보다 양호하게 제어할 수 있는 층을 이용하는 것이 필수적이다. 여기서 발명하고 논의한 1축 대향성파괴된 자기층기술은 이들 각 장치에 있어서 상당히 가치 있는 것이다. 하나이상의 센서자기층을 고정시키거나 교환 결합시키는데는 제 3의 반강자성의 경자성측구조 또는 경자성층으로 구성된 합성 반강자성층을 사용할 수 있다. 이런 층의 이방성을 제어하는 것도 마찬가지로 장치설계에 가치 있는 것이다. 서로 다른 이방성상수를 갖도록 두 층의 조성을 선택함으로써, 한 층은 기본적으로 회전하기 어려운 반면 낮은 이방성상수 를 갖는 층은 보다 자기적으로 부드럽고 자유롭게 회전하게 되는 것 같다. 본 출원의 후반에서 하드디스크 자기매체를 배향시키기 위해 1축 대칭성파괴기술을 사용하는 다른 방법을 논하겠다. 이런 동일한 시도도 경자성층 또는 반강자성층 구조를 만들거나 배향시키는데 사용할 수 있다.
스핀운반프로세스 및 방금 전에 언급한 것과 유사한 자기층의 배향의 기초하여 새로운 집적회로기술이 드러나고 있다. 이 기술은 스핀트로닉스(spintronics)라고도 부른다. 이런 개념의 가장 간단한 형태는 전도성이 전류제어접합영역 속으로 주입된 자기스핀의 함수인 자기스핀응답fp지스터이다. 전류제어개념은 바이폴라 응답레지스터 또는 자계효과 응답fp지스터에서 만들어지는 캐리어제어 또는 자계제어와 유사하다. 그러나, 스핀트로닉에 있어서 장치의 접합영역의 자기모우멘트의 배향은 전자캐리어의 스핀종속주입을 결정한다. 따라서, 이들 층의 배향 및 자기상태를 제어하는 것이 필수적이다. 전자논리 및 상태장치뿐만 아니라 트랜지스터도 구성할 수 있다고 생각된다. 또한, 적절한 설계로 전력이 제거된 후에도 자기상태가 잔류할 수 있기 때문에 이들 장치는 메모리기능성을 가질 수 있다고 생각된다. 이런 장래의 전자장치는 예기치 않은 설계 및 기능성이 될 수 있지만 한가지 특징은 보장된다. 이방성에너지밀도와 이방성배향의 제어는 극히 중요할 것이다. 1축의 대칭성파괴메카니즘은 이런 각도 및 자기상태를 제어하기 위한 방법을 제공할 수 있다.
개량된 이방성제어에 의해 이익을 받을 수 있는 그 외의 자기회로부품은 유도특성들을 포함한다. 이들 특성에는 전류운반전도체의 근처에 통상의 작은 자기 재료유도체 형상을 포함한다고 생각된다. 자기재료의 투자율은 에너지의 추가저장이 가능하게 하며 따라서 필터에서처럼 신호파형을 조작하거나 전력을 다른 전압이나 전류레벨로 전환하거나 변환하는데 사용할 수 있다. 통상 고주파수로 인하여 부피가 큰 자성재료를 사용하지 못하게 되는 초소형회로규모에서 박막구조는 특히 유용할 것이다. 자기장치를 형성하는데 전도체 및 자성재료층의 구불구불한 경로가 사용되는 유도체 및 변압기를 생각할 수 있다. 이런 설계예는 적당히 높은 부대적인 투자율과 이에 따른 높은 효율을 얻기 위해 상당한 정도의 자속경로폐쇄부를 이용할 필요가 있다. 선형신호전달에는 거의 선형의 자기응답이 바람직한 반면 전력전달에는 문제가 안 된다. 한편 무선통신에서 보통 이용하는 것처럼 아날로그신호믹서는 비선형 응답을 요구하는데, 이 비선형 응답은 용이축을 따라서 바이어스자계가 존재하는 상태에서 곤란축 구동자계에 대한 용이축응답을 통해 1축재료로부터 얻을 수 있다. 그러나, 이런 각 장치에 중요한 것은 자기손실이 최소가 되는 것이다. 그렇지 않으면 이 장치들은 신호 내에 소음을 혼합시켜, 각 사이클에서 에너지가 발산됨에 따라서 과열하기 쉽고 한정된 주파수응답을 갖는다. 분명히 1축 대칭성파괴메카니즘은 자기이방성 및 배향을 제어하는 방법을 제공할 수 있으므로 이들 바람직한 장치들의 속성을 가능하게 한다.
무손실 프로세스 및 고주파 동작으로부터 비선형응답함수 및 이익을 대단히 이용하는 그 외의 자계센서는 플럭스게이트(fluxgate)형 자력계로 알려져 있다. 플럭스게이트는 보통 지구자계를 검출하는데 사용되며, 굴삭공정의 방향을 모니터하기 위해 정(井)의 굴삭공정에 광범위하게 사용된다. 이는 드릴을 끌어당기는 비 용이 상당한 석유산업에서처럼 깊은 정의 굴삭에 특히 중요하다. 특정 재료와 부딪히는 것을 피하기 위한 정보를 제공하기 위해 튼튼한 자계센서를 갖는 것은 아주 유용한 것이다. 이런 장치에 대한 많은 물리적 설계가 있다. 그러나 이들 설계는 모두 하나의 자기축을 구동하고 직교축을 따라서 인가된 외부자계에 의해 유발되는 자화변화의 시간속도를 귀납적으로 측정한다는 단순한 개념에서 작용한다. 비선형응답은 외부자계와 구동주파수에 모두 비례하므로 구동자계주파수에 대하여 제 2 조파인 신호를 만든다. 이 응답은 구동주파수에 비례하기 때문에 작은 인가자계에 대한 신호진폭은 고주파구동에 의해 상당히 증가될 수 있다. 그러나 재료가 손실을 갖는다면 구동주파수는 제한되며, 그 손실이 자벽운동과 관련된 바르크하우센(Barkhausen)현상에 기인하는 것이라면 측정감도도 제한된다. 자성재료가 무손실의 1축 응답을 갖는다면 장치는 보다 높은 주파수로 그리고 외부자계에 대한 보다 양호한 감도로 동작할 수 있다.
다른 그룹의 자기장치를 물품감시 및 물품확인에 사용할 수 있는데, 이들은 보통 태그라고 부른다. 이들 장치의 일부는 비선형응답의 원리로 동작하며 나머지는 방사용 에너지저장을 이용하는 선형응답의 원리로 동작한다. 이방성 에너지밀도 및 방향의 제어는 모두 중요하다. 비선형응답장치는 보통 다량의 구동자계의 조파를 발생하는 자벽운동을 통해 자계상태가 갑자기 스위칭되게 하는데, 상기 조파들은 전자검출안테나를 통한 픽업에 의해 검출된다. 가장 간단한 표현에 있어서, 상기 비선형응답 태그는 1축 이방성방향을 갖는 매우 연자성의 재료로 만든 스트립이다. 이 것은 본 발명의 1축 대칭성파괴된 재료의 구조를 이용하여 쉽게 제 조할 수 있다.
선형태그는 태그의 음진동의 기계적 공명에 자화배향을 결합시키는 원리로 작용한다. 이는 재료의 자기변형에 대한 보족특성인 자기탄성에 의해 이루어진다. 이런 재료에 대해서는 큰 자기변형계수가 바람직하다. 곤란축을 따라서 인가된 구동자계에 의해 용이축으로부터 멀리 자화가 회전할 때 이 재료는 계수의 부호에 따라서 늘어나거나 수축한다. 이런 형상변화는 태그를 따라서 이동하는 음파에 상당한다. 음파가 재료의 단부에 도달하였을 때 음파는 후방으로 반사하려고 한다. 따라서 태그를 태그의 단부 사이의 음향 수송시간에 상당하는 기간 동안 진동하는 자계로 구동된다면 공명현상이 생긴다. 마찬가지로 구동자계가 고정되어있다면 태그의 길이를 맞추어서 조정할 수 있다. 기재가 없는 부피가 큰 재료의 장치에 있어서 음의 특성은 자기재료의 음향 특성에 따라 결정된다. 그러나, 자기재료를 다른 재료로 적층시키거나 기재에 피착한다면 그 자기재료와 적층물 또는 기재의 결합특성에 의해 음전파특성이 결정된다. 그러나 이 결합된 재료의 음공명조건은 여전히 자계구동주파수와 일치하여야 한다. 자기구동자계가 중단된 후 태그가 검출된다. 음의 공명 때문에 태그는 기계적 공진주파수에서 계속 늘어나고 수축한다. 음진동에 자기변형이 결합됨으로써 자화벡터가 그 기계적 주파수에서 진동하여 매우 특정한 기계적 공진주파수에서 자계를 발생시키는데, 이 자계는 검출안테나로 검출할 수 있다. 자기변형 자계센서와 마찬가지로 자기탄성 태그장치도 자화를 용이축으로부터 경사지게 하는데 직류바이어스자계를 이용한다면 가장 양호하게 작용한다. 이와 같이 자화벡터는 바이어스점을 중심으로 진동하여 주파수증가를 방지 하고 효율 및 감도를 향상시킨다. 얇은 규소기재 또는 규소구조를 엣칭한 기재 상에 피착된 박막에 있어서, 규소의 높은 기계적 Q는 기계적 공명프로세서를 향상시킨다. 서로 다른 길이의 기재를 이용한다면 다수의 공진주파수를 이용할 수 있다. 다수의 독특한 태그가 바람직한 경우 이런 장치에는 미소전자기계구조(Micro-Electro-Mechanical structure ; MEMS)기술을 이용하는 것이 이상적으로 적합하다. 다양한 길이의 공명비임을 단일 장치용 단일 기재 상에 미세가공할 수 있다. 이 모든 공명비임 상에 전자탄성재가 피착된다. 전자회로기술에서와 마찬가지로 많은 이런 장치들을 규소웨이퍼 상에 병렬로 처리할 수 있다. 이 장치가 진동자계에 의해 구동될 때 구동자계주파수에 상당하는 길이를 갖는 비임들만이 진동하여 에너지를 저장한다. 이 구동주파수를 제거한 후 방사된 자계응답용 안테나를 통하여 각 비임들을 순차적으로 전자적으로 청취하거나, 또는 임펄스자계를 인가한 후 다양한 응답주파수를 관찰함으로써 매우 독특한 신호기호를 얻을 수 있다. 이 장치를 구성한 후에 프로그램할 수 있는 일반적인 MEMS구조를 허용할 수 있도록 다양한 음향MEMS구조를 설계할 수 있다. 예를 들어, 주어진 장치의 특정 길이의 비임을 기계적으로 감쇠시킴으로써 독특한 신호기호를 얻을 수 있다. 따라서, 하나의 MEMS처리된 규소기재로부터 수천개의 독특한 태그장치를 구성할 수 있다. 따라서, 각 제품을 각기 독특한 신호기호를 갖는 독특한 태그로 분류하는 것을 생각할 수 있다. 이런 장치는 어느 것이라도 동작을 위해서는 1축 자기이방성에너지의 제어 및 배향이 중요하다. 이런 용도에는 1축 대칭성파괴 자성재료구조가 이상적이다.
또한 앞에서 언급한 바와 같이, 하드디스크매체에 있어서는 경자성매체층에 근접한 연자성유지층을 갖는 것이 가치가 있다. 1축 재료를 사용하고 기록특랙 그리고 경자성메모리층의 우선방향에 대한 배향을 제어함으로써 매체노이즈, SNR, PW50, 열적안전성 및 덮어쓰기를 개량시켜 영역밀도를 향상시킬 수 있다. 또한 배향을 결정하는 bcc-d격자이형을 하층으로서 사용하면 경자성층의 배향을 어느 정도 제어할 수 있음을 발견하였다.
단결정기재 상의 다양한 적층막의 에피텍셜 성장을 조사함으로써, 지금까지 발명하거나 이용한 적이 없고, 새로이 발명된 결합이형구조와 결합되었을 때는 독특한 특성을 가능하게 하는 약간의 독특한 에피텍셜 관계가 있음을 발견하였다.
먼저 깨끗하게 한 규소결정기재 상에 에피텍셜한 은을 피착하여 3개의 규소결정기재의 조직배향 (100), (110), (111)을 조사하였다. 헹(Heng), 장가리(Zangari)의 미국특허 제 6,248,416호와 이와 유사한 출판물로부터 일부 에피텍셜 관계가 이미 알려져 있는데, 여기서는 예를 들어 Ag(fcc) 상의 Cu(fcc)의 성장, Ag(fcc) 또는 Cu(fcc) 상의 퍼말로이(fcc)의 성장, Cu(fcc) 또는 퍼말로이(fcc) 상의 Co(fcc)의 성장, Ag(fcc) 상의 Cr(bcc)의 성장, Ag(fcc) 상의 Ti(hcp)의 성장, 또는 Cr(bcc) 또는 Ti(hcp) 상의 Co(hcp)의 성장을 광범위하게 연구하였다. 그러나 이들 어디에도 bcc-b결정의 자성재료를 피착하거나 대칭성파괴구조를 관찰하는 것을 나타내는 증거는 개시되지 않았다. 대칭성파괴방법을 적용하고 피착처리조건을 제어하여 대칭성파괴구조를 관찰하였다. 예를 들어, 고도의 조직의 대칭성파괴철, 철화합물 및 철합금을 얻기 위해 인가자계 내에서 피착시키고 및 고도로 배향된 육방정계 템플레이트 상에 일정 각도로 피착시켰다.
또한, 그 문헌에서 개시한 바와 같이 3개의 결정조직, <100>, <111>, <110> 상의 bcc-d격자 사이의 강한 조직 및 배향관계를 유지하면서 하나의 bcc-d격자를 다른 bcc-d격자 위에 에피텍셜하게 성장시키고 다시 다른 bcc-d격자 위에 성장시킬 수 있음을 발견하였다. 그 외의 다른 관계도 있다. 에피텍셜한 fcc격자의 Ag, Au 또는 Al은 항상 규소기재표면과 동일한 조직을 형성한다. 이 fcc-d격자 기재 상에서 후속의 층을 위한 다수의 에피텍셜한 관계를 얻을 수 있다. 이들 층상에는 또 다른 에피텍셜한 관계가 형성된다. 다른 bcc-d격자 상에 bcc-d격자가 성장할 때도 동일한 조직이 얻어진다. fcc-d격자 상에 fcc-d격자가 성장할 때도 동일한 조직이 얻어진다. 그러나, bcc-d격자 재료가 주어직 조직의 "/"로 표시한 fcc-d격자 재료 상에 에피텍셜하게 성장할 때는 다음의 조직관계가 얻어진다.
bcc-d격자 조직/fcc-d격자 조직
(100)/(100)
(110)/(111)
(112)/110)
bcc-d격자 상에 fcc-d격자가 에피텍셜하게 성장하면 다음의 조직관계가 얻어진다.
fcc-d격자 조직/bcc-d격자 조직
(100)/(100)
(111)/(110)
(110)/(112)
코발트합금 등의 육방조밀충진격자 재료가 bcc-d격자 상에 에피텍셜하게 성장하면 다음의 관계가 얻어진다.
hcp격자 조직/bcc-d격자 조직
(1120)/(100)
(1011)/(110)
(1010)/(112)
티타늄이 fcc격자 상에서 에피텍셜하게 성장하면, 그 결과의 티타늄은 hcp격자이며 다음의 조직관계를 얻을 수 있다.
hcp격자의 Ti 조직/fcc격자 조직
(0002)/(111)
그러나, 코발트합금의 상태도는 저온에서 hcp상을 보여주고 약간 높지만 아주 높지 않은 온도에서 fcc상을 보여주므로 hcp격자이나 fcc결저의 코발트가 성장할 수 있다. fcc격자 하층에서 성장할 때 에피텍셜한 코발트는 대부분 하층의 fcc격자상 및 조직을 형성한다. 따라서, fcc-d격자 템플레이트 상에 피착된 다른 fcc-d격자 재료처럼 거동하였다. 그러나, bcc-d격자 상에서 형성될 때는 전술한 hcp격자상 및 조직관계가 얻어졌다. 다른 hcp격자 상에서 코발트가 에피텍셜하게 성장할 때는 hcp격자가 되며 하측의 hcp격자와 동일한 조직 및 배향을 갖는다.
이들 각 경우에 있어서, 현재 논의하고 있는 6개의 bcc-d격자 이형의 경우를 제외하고는 평면 내 배향관계는 미국특허 제6,248,416호와 gpd(Heng) 및 장가리(Zangari)의 출판물에서 나타낸 바와 같다. 그러나 새로운 장치의 구성을 가능하게 하는, 산화물을 수반하는 약간의 새로운 관계를 발명하였다. 3개의 fcc격자 금속, 즉 Cr, Fe, Al과, 그리고 이들 중의 선택된 합금에서, 그 금속의 표면이 산화물로서 형성될 수 있고, 그 금속이 이 표면산화물 상에 피착되면 가끔 제 2 금속층이 에피텍셜하게 성장하여 마치 제 1 금속층이 산화되지 않은 것 같은 조직 및 평면 내 배향을 취한다. 이런 진술은 상기 3개의 규소기재조직 모두에 대하여 사실인 것을 발견하였다. 그러나 Si(111)면이 가장 안정하고 그 다음은 Si(100)면이 안정하며 그 다음은 Si(110)면이 가장 안정하지 못하다. 그래서 본 발명의 기술에 의해 에피텍셜 막이 성장할 때 보통 Si(111)면 상에서 발달되는 막은 가장 품질이 높고 그 다음 층의 조직도 높은 품질을 갖는다. 따라서, 이들은 분석하기도 가장 쉽다. 고도의 조직과 큰 각도의 입계의 부족 때문에, 이들 금속이 산소에 노출될 때는 얇은 산화층으로 균일하게 부동태화(passivation)되어 산화물로의 소비가 정지되는 것 같다. 대기조건에 적절히 노출된다고 해도 산화물은 1 - 3나노미터 정도로 얇을 수 있으나 직접적인 에피텍셜한 산화물피착에 의해 또는 나중에 산소에 노출되는 피착 중에 열이나 수분의 부가에 의해 더 두꺼워질 수도 있다. 이들 각 산화물을 극히 얇고 측정하기 어렵지만 통상 α-Al2O3로 나타내는 능면체강옥(rhombohedral corundum)결정상을 형성할 수 있다. 흥미롭게도 충분한 α-Cr2O3 및 α-Fe2O3는 연속적d니 고용체를 형성한다. 제 1 금속이 Cr합금이며 산화되었고 제 2 금속이 Fe일 때, 제 2 금속은 어느 한계까지는 제 1 금속과 동일한 조직 및 배향을 형성함을 발견하였다. 이 것은 Fe가 제 1 금속이고 Cr이 제 2 금 속인 경우에 그렇다. 그러나 Fe가 그 표면이 산화되면 그 많은 자기특성이 열화되었다. 또한 Cr, Fe, 또는 Al에 첨가되어 동일한 결정구조로 산화될 수 있는 부가의 원소들은 많다. 예를 들어, α-V2O3상과 α-Ti2O3상이 존재한다. α-V2O3상은 α-Fe2O3와 함께 고용체를 형성한다. 또한 한정된 양의 Al을 Fe에 첨가할 수 있는데 산화되었을 때는 여전히 α-Al2O3결정구조가 생긴다. 마찬가지로, FeTiO3 , MnTiO3, CoTiO3, NiTiO3를 α-Fe2O3에 첨가할 수 있다는 것을 알게되었다. 그 외에도 Cr, Fe, 또는 Al에 소량으로 첨가되어 산화시에 α-Al2O3구조를 만들 수 있는 금속이 다수 있다. 그러나 본 시료에서 산화물은 매우 얇고 정확한 결정구조를 결정하기 어렵다는 것을 알아야 한다. 하나 이상의 산화물구조가 제 2 금속에 대한 제 1 금속의 조직 및 배향을 통과할 수 있다. Fe와 Cr은 모두 입방스피넬(cubic spinel)구조 A1B2O4를 형성하는데, 여기에 첨가되어 역시 스피넬을 형성할 수 있는 전이금속과 이 금속의 조합물은 많다. 또한 형성된 산화물은 하나이상의 결정구조일 수 있다. CrO2는 거의 절반을 채운 전도밴드의 절반이 단일 자기스핀배향으로 채워져서 스핀밸브 또는 터널구조 내에 막대한 전위를 보유하므로 탄탈라이징의 가능성이 있다. 그러나 강옥(corundum)은 그 안정성 때문에 산화물에 대한 뛰어난 지원물인데 보통 Fe, Cr 및 Al 금속표면을 형성하는 것으로 알려져 있다. 비정형 산화물도 형성되지만, 그 강한 조직이 비정형 산화물을 통하여 한 금속에서 다른 금속으로 통과할 수 있다고 믿기는 어렵다.
또한, <110>의 bcc-d격자 구조에 있어서, 전술한 6개의 이형의 조직은 하나의 bcc-d격자가 다른 금속의 bcc-d격자 상에 바로 놓이거나 바로 전에 언급한 산화표면 상에 놓이면 이형 결정배향을 전파시킨다는 것을 발견하였다. 따라서, 제 1 대칭성파괴된 1축 bcc-d격자층을 발달시키고 제 2 대칭성파괴된 bcc-d격자층을 에피텍셜하게 성장시키고 산화시킨 후에 제 1 bcc-d격자와 동일한 조직을 갖는 산화물 상에 또 다른 bcc-d격자층을 성장시킬 수 있다. 이런 층 대 층의 조직관계로부터 약간의 흥미로운 자기배열을 구성할 수 있다. 서로 상면에 에피텍셜하게 성장한 두 개의 이형셋트가 동일한 부호의 이방성에너지상수를 갖는다면 용이축이 일직선상으로 정렬된다. 그러나, 한 층이 양의 이방성에너지밀도상수를 갖고 다른 층이 음의 이방성에너지밀도상수를 갖는다면 흥미로운 경우가 발생한다. 그 결과 서로 90도의 각도로 배치된 용이축을 갖는 두 개의 층이 생긴다. 이 것은 하나의 배향이 대칭성파괴메카니즘에 의해 야기될 수 있고, 반대의 이방성상수부호를 갖는 bcc-d격자를 사용함에 의해, 제 2 bcc-d격자막의 대칭성을 파괴시키는데 통상 필요한 프로세스를 사용하지 않고도 제 2 층의 용이축이 제 1 bcc-d격자층에 대하여 90도로 회전된다는 것을 의미한다. 또한, 이들 두 자기층 사이에 놓일 수 있는 비자성의 bcc-d격자층의 두께는 층 사이의 자기교환결합을 조정하는데 사용할 수 있다. 이것은 비자성층이 더 두껍게 만들어지므로 강한 상태에서 약한 상태로 조정될 수 있다. 이 자기층의 두께와 두 개의 자기층의 두께포화자화제품을 조정하면 두 개의 자기층의 자화벡터 사이의 각도와 평면 내 배향을 모두 조정한다. 따라서, 두 개의 자성 bcc-d격자층 사이의 교환결합강도는 결합재료를 선택하거나 결합층 두께 를 제어함으로써 제어할 수 있기 때문에 결합막구조의 자성용이축배향을 선택할 수 있다. 이 특징들은 두 개의 자기층 사이의 각도와 그 각도를 변화시키기 위한 강성을 부가의 강자성 또는 반강자성층을 사용하지 않고서 변화시킬 수 있으므로 다양한 자기장치의 설계에 유용하다. 이런 형태의 거동은 스핀밸브나 종속적인 터널링장치 등의 장치구성에 유용하다.
또한 6개의 bcc-d격자의 이형 상에서 성장하였을 때 강한 (111)면의 fcc-d격자조직이 발달한다는 것을 발견하였다. 또한, 평면 내 배향은 하층의 육방정계(hex) 템플레이트와 동일한 방향을 취한다. 따라서 다음과 같은 층구조가 가능한데,
bcc-d(110)/fcc-d(111)/bcc-d(110)/hex(111)/Ag(111)/Si(111)
여기서, bcc-d격자층들의 어느 하나 또는 둘은 대칭파괴메카니즘을 사용하여 대칭성이 파괴되었다. (여기서 "/"의 좌측의 막은 "/"의 우측의 막 다음에 피착된다는 표기를 사용한다. "/"의 경사각도로부터 어느 층이 위에 있는지를 쉽게 알 수 있다) 물론 이런 시도는 기재가 입자배향 평균처리를 통해 다결정일 때도 적용할 수 있다. 또한 양 층이 1축상태로 만든 경우 두 자성 bcc-d격자층의 용이축은 각층에 대하여 서로 다른 각도로 대칭성파괴메카니즘을 사용하여 서로에 대하여 조정할 수 있다. 다른 예의 다수층에 있어서, 에피텍셜한 1축층구조는 다음과 같이 형성할 수 있다.
bcc-d/Cr/O/Cr/bcc-d/hex(111)/기재
다시 여기서 "/"기호는 층변화를 나타내는 한편 "O"층은 이전의 막이 산소나 공기에 노출되는 것을 나타낸다. bcc-d격자층은 자성이고, (110)조직이며 대칭성이 파괴되었다. 이 크롬의 예는 자성의 bcc-d격자층 상에서 에피텍셜하게 성장하여 산화층이 자성측과 접촉하지 않게 하는 비자성의 bcc-d격자재료를 나타낸다. 이 구조는 두 개의 자성층이 산화층을 통해 서로 전기적으로 절연되도록 하는데, 대칭성파괴된 구조를 이용함에 의해 역시 1축 거동이 얻어진다. 이 구조에는 도시하지 않았지만 이형변화결합재료 또는 층이 포함된다. 예를 들어 자성의 육방정계 (111)층이다. 사실 육방정계의 (111)층 구조가 하나 이상의 층으로 구성된다는 것은 드문 일은 아니다. 마찬가지로, 최종의 bcc-d격자층의 상면에는 NiFe 등의 fcc-d격자의 자성이형결합층이 놓일 수 있다.
매우 얇은 산화물층을 위해 스핀의존 전기터널전도장치가 대효과 자계센서로서 구성되었다. 스핀밸브장치에서와 같이 이런 장치들은 두 자성층의 상대배향에 민감한 전자운반에 의존한다. 그러나 터널링장치에서는 전류가 막의 면에 수직하게 향하며 산화물을 통해 터널링이 발생하여야 한다. 전통적으로 이들은 Al산화물절연층을 갖는 fcc결정의 Co 또는 퍼말로이 자성층으로 보통 구성된다. 절연체로서 Al산화물을 사용하는 것은 널리 출판되었다. 그러나 산화물의 피착은 제어하기 어려우며 피착된 매우 얇은 다결정의 Al산화물층은 보통 전도성 핀홀이 된다. 가끔 금속으로서 Al을 피착하고 후에 산화시키지만, 하층의 금속조직의 한정된 품질 때문에 다결정 산화물의 균일성이 여전히 문제가 된다. 산화물층의 두께는 터널링에너지장벽이 적절한 값이 되도록 하기 위해 약 1 - 2나노미터정도만 되어야 한다. 분명히 Al을 제 1 크롬층과 대체하기 위해 또는 제 1 크롬층에 부가하여 사용하게 되며, 앞에서 나열한 산화물구조를 만드는데 사용한 고도로 배향된 막은 스핀의존터널링장치에 유리할 것이다. 이것은 단결정의 Si기재 상에 구성될 때 특히 그렇다. 이 대칭성파괴된 구조의 1축특성으로 상당히 단순한 장치 또는 제조공정을 개발할 수 있다.
다수의 에피텍셜층 셋트의 또 다른 예는 산화물절연체와 O가 fcc격자의 Ag 또는 Cu 등의 전도체를 두 개의 자성층으로부터 분리시키게 한다,
bcc-d/Cr/O/Cr/Ag/Cr/O/Cr/bcc-d/hex(111)/기재
간결하게 하기 위해 조직 및 배향관계는 도시하지 않았지만 전술한 것처럼 존재한다는 것을 이해할 수 있다. Ag전도체가 전류를 운반할 때, 두 개의 자성의 bcc-d층은 전도체(예를 들어, Ag) 주위의 근접경로에서 발생한 자속을 안내한다. 이 구조에서 각 자성층 또는 양 자성층은 서로 동일하거나 다른 이방성방향으로 갖는 1축상태가 될 수 있다. 상대투자율이 1보다 크고 리소그래픽하게 정해진 전류통로가 구성된 경우는 컴팩트한 전자박막유도체를 나타내므로, 부가의 전도체 밀 자성층을 사용하여 다수회 권취된 전자변압기를 구성할 수 있다. 인덕턴스는 상대투자율에 비례한다. 10을 초과하는 상대투자율은 상당히 존재하며 어떤 구조에서는 본 발명의 1축 대칭성파괴된 bcc-d격자막 구조에서는 수천을 초과한다. 또한, 얇은 금속자성막에 있어서는, 구조를 두껍게 만들었다면 최대동작주파수가 강자성공진주파수에 의해 또는 와류에 의해 결정된다. 본 모델링은 Fe 또는 Fe합금을 사용하여 수 기가헤르츠의 동작주파수를 예상하는 것이 매우 적절하다. 1축 재료에 있어서 공진주파수는 포화자화 Ms와 이방성 자계 Hk의 벡터곱(cross product)의 루트값에 비례한다. 선형 1축재료에서는 Hk = 2Ku/Ms이다. 따라서 강자성 공진주파수는 이방성에너지밀도에 비례하는 반면, 투자율은 이 값의 역에 관계된다. 동작주파수가 와류에 의해 제한될 수 있는 보다 두꺼운 막에서는 Si, N, C, 또는 Al 등의 제 2 재료를 Fe 또는 FeCo에 몇 퍼센트만 화학적으로 첨가하면 저항률을 상당히 증가시킬 수 있다. 예를 들어, Fe에 3중량%의 Si를 첨가하면 전도도가 5배 감소한다. 와류의 침입길이 또는 표피두께는 역의 투자율-전도도-주파수 곱의 평방근에 역비례한다. 본 출원인의 평가로는 제안한 형상에서 자성층의 두께는 와류가 동작주파수를 한정하기 전에 1미크론 또는 수 미크론에 도달하여야 할 것이라는 것을 나타낸다. 따라서, 이들 대칭성파괴된 재료구조를 이용하는 유동체, 변압기 및 센서들은 기가헤르츠의 범위에서 작용하여야 한다.
다양한 대칭선파괴된 결합이형셋트 때문에 그리고 에피텍셜 성장은 다결정재료의 각 입자에서 일어나는 것으로 보아야 한다는 사실 때문에 이들 조직관계 및 장치 개념을 단결정 기재 상에 마련된 단결정 구조와 다결정 막구조에 적용한다는 것을 다시 말하여야 한다. 마찬가지로, 통상적으로 이용할 수 있는 Ge 및 GaAs 등의 예외적으로 강한 조직배향을 갖는 1축상태의 대칭성파괴된 박막구조를 제조하기 위해서는 그 외의 단결정기재를 사용할 수 있는데, 이는 육방정계의 (111)템플레이트를 나타내도록 조직을 선택하고 성장한 에피텍셜한 박막을 얻는 경우에 그러한 것이다.
대칭성파괴된 구조로부터 이익을 얻을 수 있는 장치의 또 다른 예는 자성기록매체의 성장이다. 여기서 강자성층은 보통 CoCrTa, CoCrPt, CoCrPtTa, CoCrPtB, CoCrPtCuB 등의 육방조밀충진격자의 Co합금으로 구성된다. 각각에 있어서, 높은 이방성에너지밀도상수를 가능하게 하기 위해 필요한 결정구조는 hcp격자이다. 전통적으로, 육방조밀충진격자의 Co는 Cr 또는 Cr합금 하층에서 성장하여 결정조직을 제어할 수 있게 하며, 디스크기재는 기록방향에 수직한 경우와 비교하였을 때 1보다 큰 바람직한 배향비를 얻기 위해 기록방향을 따라서 화학적으로 조직(스크래치)된다. 하드디스크 기록매체가 기록방향을 따라서 우선적으로 배향되면 보다 높은 보자력과 보다 양호한 열적 안정성이 얻어진다. Cr의 (110)조직의 하층에는 hcp격자의 Co합금이 (1011)결정조직을 발달시킨다는 것은 입증되어있다. 이 조직은 (110)조직을 갖는 단결정 Cr입자에 4개의 c축 배향이 가능하기 때문에 Co합금 쿼드결정이라고 부른다. 이것은 자성용이축인 hcp격자의 c축이 막의 면으로부터 내측 또는 외측으로 약 28도만큼 기울어져있기 때문에 이상적이 hcp조직은 아니다. 그럼에도 불구하고 이 조직은 매체용으로 광범위하게 사용되어왔으며, 기록자계방향을 따라서 배향된다면 상당한 이익을 얻을 것이다. 박막의 탈자화자계 때문에 자화벡터는 막의 면 속으로 돌출하는 c축 부위에 위치한다. 이에 따라서 단일 Cr의 (110)조직의 결정자 상에 존재할 수 있는 c축 배향의 평면 내 돌출부의 수를 2까지 줄이게 된다. 이들은 bcc-d격자의 <100>방향에 대하여 + 및 -의 arctan(1/√2) = 35.26도의 각도에 위치한다. bcc-d격자의 결합이형쌍을 에피텍셜한 Co합금성장을 위한 템플레이트 하층으로 생각한다면 대칭성파괴된 막은 템플레이트에 Co합금이 성장하기에 우선적인 방향을 부여한다. 조직 및 배향된 하층을 선택하는 이 기술은 하드디스크 배향된 매체를 얻기 위한 경로를 제공한다. 결합이형쌍 E2 a1c2(θ)을 고려하라. 이 대칭성파괴된 결합이형쌍은 θ = 60 및 120 방향을 따라서, (111) 육방정계 템플레이트의 <110>방향에 평행한 <111>결정격자방향을 갖는다. 도 5에서 두 개의 bcc-d격자 셀의 <100>방향을 쉽게 알 수 있다. Co합금의 쿼드결정이 성장할 때 c축의 돌출부는 bcc-d격자의 <100>방향에 대하여 대략 +40.3 또는 -40.3도에 위치한다.
표 1은 전술한 6개의 bcc-d격자의 이형 전부에서 성장하였을 때 가능한 쿼드결정구조의 Co합금의 평면 내 용이축을 전부 기재한다. 이상적인 hcp격자의 c/a = 2√(2/3) = 1.63인 결정단위셀은 이런 각도계산을 전제로 한 것이다. 표 1의 계산을 이해하는 예로서 제 1 이형 a1을 고려하자. <100>방향은 도 5에서 65.26도라고 기재되어있다. 따라서, 두 개의 평면 내 Co c축선 돌출부는 표 1의 제 1 열의 + 및 - 삽입내용에 대응하는 대략 105.6도 및 25.0도에 위치할 것이다. 도 5의 대칭성파괴된 E2 a1c2 결합이형 중의 두 개의 이형만을 고려하면, 표 1에서 선택되는 Co합금 자기결정 이방성방향을 예측할 수 있다. 이들 두 개의 bcc-d격자 이형은 결합되어있던지 그렇지 않던지 간에 두 개의 쿼드결정을 얻는 것과 관련된 8개의 가능한 Co합금 이형을 야기할 것이다. 두 개의 a1 및 c1의 bcc-d격자 이형의 각각에 대하여 4개가 존재할 것이다. 그러나, 평면 외 탈자화력은 자화벡터를 박막면 내로 구동하기 때문에 막면 내의 4개의 c축은 a1에서 105.6도 및 25도 c2에서 155도 및 74.4도가 될 것이다. 나중의 두 개는 앞의 두 개가 0도 방향에 근접하는 것보다 90도 방향에 더 근접하기 때문에 90도 방향을 따라서의 순수 보자력은 0도 방향을 따라서의 순수 보자력보다 높다. 분명히 1보다 큰 자기배향비를 얻기 위해서는 90도 방향을 따라서 기록트랙이 배향되어야 한다. 연자성막과는 달리 양호한 SNR을 위해서는 4개의 hcp격자의 코발트 배향이 서로 분리된 개개의 입자가 되어야하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 비자성의 대칭성파괴된 bcc-d격자가 Co합금이 성장하게 하는 템플레이트를 제공하면 최상이다. 그러나, 자성의 bcc-d격자의 대칭성파괴된 템플레이트가 먼저 성장한 후 비자성의 이형템플레이트가 그 위에 에피텍셜하게 성장할 수 있다. 앞에서 언급한바와 같이, 모든 매체구조에 반드시 필요한 것은 아니지만 배향된 경자성층 아래에 연자성유지층을 갖는 것도 바람직할 수 있다. 이 유지층에 대한 이상적인 용이축방향은 기록된 비트로부터 표류하는 자계가 유지층을 그 곤란축을 따라서 자화시키도록 기록트랙에 수직할 것이다. 그러나 E2 a1c2 예의 용이축도 90도 위치에 있다. 그러나 앞에서 언급한 바와 같이 K1<0인 재료를 선택함으로써 0도 위치에 쉽게 재배향될 수 있다. 원형디스크의 제조상의 제약 때문에 바람직한 대칭성파괴방법은 bcc-d격자 재료를 둥근디스크 표면상에 그리고 기재법선에 대한 각도로 반경방향으로 피착하는 것이다. 본 출원인은 (111) 육방정계 템플레이트가 고도로 조직되고 기재법선에 대한 피착각도를 그 법선으로부터 15≤Ω≤75도의 범위가 되도록 제한한다면 다결정 막에서도 대칭성파괴된 구조를 얻을 수 있다. 입사각은 도 12에 도시되어있는데, 도착하는 bcc-d격자재료는 기재 면(x-y)의 법선(z)에 대하여 각도 Ω에 위치하는 -r을 따라서 이동한다. 피착재료가 그레이징각도(grazing angle)인 75도에 도달하면 피착효율이 감소하지만 대칭성파괴법의 매우 효과적이다. 피착각이 법선, 즉 15도에 근접하면 피착효율은 뛰어나지만 대칭성파괴가 감소하는 경향이 있다. 자계를 인가하는 것도 대칭성파괴법에 매우 효과적이지만 E2 a1c2를 얻기 위해서는 K1>0인 bcc-d격자층과 트랙방향을 따라서 향하는 자계가 필요하다. 디스크의 양측면에 동시에 픽착하는 표준제조방법 때문에 반경방향으로 또는 원주방향으로 향하는 자계는 결과적으로 현대의 하드디스크매체제조공정에 그다지 이용되지 않는다.
표 1
변수 bcc-d<100> 두개의 평면 내 돌출 쿼드결정
이름 템플레이트에 대한 방향각도 템플레이트<100>방향에 대한 돌출 c축 각도, θ=0
θ=0,<110>방향 + -
a1 65.264 100.529 30.000
a2 54.736 90.000 19.471
b1 5.264 40.529 -30.000
b2 -5.264 30.000 -40.529
c1 125.264 160.529 90.000
c2 114.736 150.000 79.471
또한, 통상의 하드디스크기재면 상에 금속습윤층을 1차로 피착함으로써 강한 (111)조직을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 이 습윤층에 의해 원자면 기동성이 증가되면 fcc격자의 Ag, Cu, Ni, NiFe나 심지어 육방조밀충진격자의 Co합금 등의 육방정계 템플레이트 재료로부터 조밀충진조직이 형성된다. bcc-d격자의 교환결합이 바람직하지 않다면 Co1-xCrx의 비자성 Co합금(25원자%>x>50원자%)이 바람직하다. 피착된 비정형의 금속층은 뛰어난 습윤층을 제공하였다는 것을 발견하였다.
특히, 습윤층이 바람직한 어떤 응용에도 부피가 큰 재료의 평형조건 하에서 C15 또는 C14결정구조를 형성하는 재료 또는 NiP의 비정형 조성은 진공증착하였을 때 뛰어난 비정형습윤층을 형성하는 것 같다. C15 및 C14의 예는 Cr1-xTax 및 Cr1-xNbx, 또는 Fe1-xTax 및 Fe1-xNbx인데, 여기서 55원자%<x<75원자%이다. Cr-Ta합금에서 평형상태도는 C14 - C15의 결정구조로부터 고온에서 저온으로의 상전이를 보여준다는 것이 주목할만하다. 저자들은 이런 복합평형결정구조는 비평형 박막피착공정에서 비정형 막이 형성되는 경향을 증대시킨다고 믿는다. 각각의 육방정계 원자템플레이트 재료, 즉 fcc-d격자이나 hcp격자의 경우, 이들 비정형층을 사용하면 각각 강한 (111)조직이나 (0002)조직이 생겼다. 이들 두 개의 C15 재료의 경우, 산소에 노출되어 적절히 강한 조직이 역시 발달하는 것을 발견하였다. 따라서 육방정계 템플레이트층 및 그 다음 층의 입자사이즈를 공정관리방식으로 보다 작게 만들 수 있다.
디스크포맷에 사용되지 않는 자성매체에 대해서는 원통형상이 필요 없지만 현대의 하드디스크매체에는 필요하다. 디스크기재구조 주위에 바람직한 자성배향을 가지며 균일하고 대칭적인 피착을 얻기 위해서, 새로운 진공스퍼터링캐소드를 고안하였다. 도 13은 디스크기재 상에 피착하기 위해 bcc-d격자 재료로 구성된 봉상의 스퍼터링타겟(15)의 단면도를 나타낸다. 저 Ar가스에서 플라즈마의 스퍼터링을 용이하게 하기 위해 시일드(16) 및 자석(17)이 타겟을 둘러싼다. 디스크기재(18)는 스퍼터링된 재료(27)가 반경방향을 따라서 그리고 입사각으로 디스크표면에 도달할 수 있도록 스퍼터링타겟의 축선에 거리를 두고 고정된다. 타겟 과 수냉시일드 사이의 통로(26)를 통해 진공챔버 내로 Ar가스가 유입된다. 이렇게 하면 스퍼터링가스(25)가 스퍼터링타겟의 부근에 집중되며 디스크기재의 부근에는 최소로 존재하게 된다. 또한 스퍼터링가스는 타겟으로부터 열을 수냉시일드에 전달하는 냉각메카니즘을 제공한다. 스퍼터링된 재료의 산란경로가 타겟으로부터 디스크재료까지의 거리와 필적하거나 길게 하기 위해서 낮은 가스압이 바람직하다. 이렇게 하면 가스충돌을 피하게 되므로 스퍼터링된 재료의 방향이 무질서하게 되는 것이 방지된다. 스퍼터링은 타겟을 소정의 약간의 원추형상으로 닳게 하여 타겟으로부터 디스크까지의 피착경로가 15도 내지 75도의 입사각도의 바람직한 범위가 한다. 그러나 약 45도에 집중된 보다 좁은 각도분포가 바람직한 것을 발견하였다. 타겟봉의 직경은 원하는 내부디스크 기록직경에 비교하여 작으므로 타겟을 떠나는 재료는 디스크표면 상의 모든 위치에서 디스크쪽으로 반경방향을 따라가게 된다. 타겟표면형상과 함께 디스크에서 타겟까지의 거리를 조정하여 피착각도를 설정한다. 스퍼터링캐소드자석의 자계에 의해 비균일상태가 발생되는 것을 피하기 위해 자석구조는 피착공정 중에 타겟봉의 주위로 회전할 수 있다. 현재의 작업에 필요하지는 않지만 타겟은 약간의 원추점으로 부드럽게 마모하여 한 디스크의 피착 중에 타겟이 자석에 대하여 디스크표면 및 중심으로부터 수직한 경로를 따라서 디스크중심으로 진행하게 한다. 이에 따라서 디스크의 반경을 따라서의 여러 위치에서 피착각도 및 피착속도를 조정할 수 있게 된다. 마찬가지로, 자석에 대하여 타겟의 전체위치가 진행하면 마모된 타겟이 연속적으로 이동하게 된다. 따라서 소모된 타겟을 교체하기 위해 진공상태가 개방하여야 하기 전에 많은 디스크 상에 피착할 수 있다. 스퍼터링자석을 타겟 주위로 회전시키면 흥미로운 이점이 생긴다. 자석으로부터 발생되는 자계는 디스크의 원주주위로 향하는 디스크표면에 작지만 무시할 수 없는 자계를 제공하도록 정렬될 수 있다. 이렇게 되면 일정각도로의 피착 외에 제 2 대칭성파괴메카니즘과 자계내에서의 피착의 에너지메카니즘을 방향적으로 제공하여 자성재료의 bcc-d격자 배향을 촉진시킨다. K1>0인 자성의 bcc-d격자 재료에 있어서 양 대칭성파괴메카니즘으로부터의 촉진된 용이축이 일치하게된다.
대칭성파괴구조를 사용하여 배향된 경자성 Co합금을 얻기 위한 방법 및 구조들을 발명해왔다. 이들은 연자성층을 이용하는 많은 자석장치에 연자성층을 교환결합을 통해 고정하는데 사용할 수 있다는 것도 확실하다.
본 발명의 설명에서 이미 설명한 정보를 더 확인하기 위해 소정셋트의 물리적으로 구성된 재료와 이들 재료의 분석에 대하여 보다 상세히 설명한다.
다수의 박막 시료구조를 제조하여 분석하였다. 처음에 4형태의 기재, 즉 Si(111), Si(110), Si(100) 및 유리를 이용하였다. 이 기재들을 아세톤, 톨루엔 및 이소프로필 알콜 등의 용매로 강하게 세척하여 주의 깊게 세정한 후 세제 및 온수로 세척하였다. 그 후 이들을 증류수, 이소프로필 알콜, 증류수로 강하게 헹구고 송풍건조시켰다. 이렇게 하여 기재로부터 유기잔류물, 물 및 대부분의 이물들을 모두 제거하였다. 그 후 규소기재를 49%의 불화수소산 내에서 대략 30초간 엣칭하고 송풍건조시켰다. 이 기재를 캐리어에 부착하고 로드록크시스템(load lock system)을 통하여 신속히 진공시스템 내로 도입하였다. 규소의 HF엣칭은 규소표면 상에 잔류수소가 결합하게 하고 일시적으로 산화를 방지한다고 알려져 있다. 이 진공피착시스템은 저온방식 및 터보분자방식으로 펌핑구동된다. 보통 1 x 10-7 Torr 이상의 진공저면압을 얻었다. 박막피착을 기다리기 위해 진공조작기를 통해 기재캐리어를 3개의 가열캐리어위치 중의 한 위치에 부착하였다.
이 기재캐리어 장착으로 수직면에서 대략 반경 7인치의 궤도운동을 용이하게 하였다. 기재캐리어를 장착할 수 있는 3개의 위치가 있는데, 그 중의 두 개는 궤도원 상에 있고 하나는 궤도축 상의 중심에 있다. 4개의 마그네트론스퍼터링 타겟위치로 인하여 하나의 피착순서 중에 4개의 다른 재료를 다양한 피착각도로 피착할 수 있게 하였다. 3개의 타겟을 기재캐리어위치의 궤도위치와 일직선상으로 정렬된 대략 반경 7인치의 원의 엣지를 따라서 정렬시켰다. 이렇게 3개의 타겟과 두 개의 동심상태의 기재홀더를 수직각도 피착 중에 서로 대면하도록 정렬시키거나 기재를 각도 피착에 필요한 궤도원 상의 임의의 위치로 회전시킬 수 있었다. 예를 들어, 하나의 타겟을 가상클록의 면 상의 3개의 AM의 동등한 위치에 위치시킬 수 있었으며 궤도면의 법선을 따라서 조정 가능한 거리만큼 이격된 기재캐리어를 반대측의 가상클록면 상의 어떤 위치에도 회전시킬 수 있었다. 이 기재캐리어는 대략 7인치의 스윙 위에서 2인치 미만의 최소간격을 가지고 타겟에 대하여 진퇴이동할 수 있었다. 제 4 타겟은 궤도운동축의 중심에 그리고 다른 타겟과 한 면에 위치시켰다. 마찬가지로 제 3 기재캐리어위치는 기재캐리어면의 궤도중심에 위치시켰다. 이 캐리어는 1분 미만의 시간에 기계적 조작기를 통해 궤도위치로부터 중심까지 이동하여 층 대 층의 에피텍셜한 성장을 가능하게 할 수 있었다.
직경 1인치 및 2인치의 타겟은 통상 타겟과 기재 사이의 거리에 비해 작다. 도 13에서 언급한 것과 유사한 방식으로 챔버의 나머지에서의 평균자유경로의 길이를 증가시키면서 아르곤가스를 타켓표면에서 도입하여 플라즈마를 만들어 피착재료의 스퍼터링을 제한하였다. 또한 동일한 경로나 다른 경로를 통해 N 또는 H 등의 제 2 기류를 도입하여 피착층과 상호 작용하도록 하였다. 각각의 기재캐리어 위치를 독립적으로 가열하고 모니터하였으며 온도는 실온에서 약 350도까지 변화할 수 있었다. 실험을 다수의 기재조직 상에서 동시에 실시할 때를 제외하고는 선택된 특정의 단결정 기재조직에 대한 처리를 최적화시키도록 온도를 선택하였다. 이 기재를 피착 전과 피착 중에 제한 온도까지 가열하였으며, 그 온도는 각 층이 피착됨에 따라서 변화할 수 있었다. 스퍼터링 캐소드는 가용할 수 있는 500와트이하로 직류 구동하였다. bcc-d격자를 중심캐소드로부터 궤도원 상에 있는 기재로 피착시킬 때 물리적 치수는 기재의 법선으로부터 측정하여 피착각도가 75도 - 33도의 범위가 되었다. 보다 작은 각도에서는 기재를 45도로 기재캐리어에 장착하고 캐리어에 대한 타겟 각도를 조정하였다. 또한, 어떤 환경 하에서는 기재를 타겟에 대하여 회전되게 하여 타겟과 기재가 모두 궤도원 상에 위치시켜 사용함으로써 보다 작은 각도에서의 피착을 얻을 수 있었다. 물론, 타겟과 기재 사이의 거리도 조정할 수 있는데 이렇게 하면 피착속도에 차이가 생긴다.
다수의 피착조건을 조사하였는데, 두께가 20 - 10nm인 층으로 하면 광학, 자기 및 미소구조 분석을 용이하게 한다는 것을 발견하였다. 따라서, 대부분의 bcc-d격자막은 두께를 20nm - 200nm로 준비하였다. 규소기재 상의 대부분의 Ag층은 두 께가 40nm이고 가끔 제 2 Ag층 또는 제 2 Cr층 또는 이들 둘 다 최종 캡핑층으로서 피착하여 자성층의 부식을 방지할 수 있었다. 육방정계 템플레이트의 두께를 변화시켜 1nm정도로 얇게 하고 40nm정도로 두껍게 만들 수 있었다. 통상 자성교환결합 육방정계 템플레이트는 두께를 최소로 1 - 5nm로 유지하여 대부분의 자성특성이 bcc-d격자의 자기특성과 비교하여 대단하지 않게 하였다. 이렇게 하면 자기데이터의 해석이 용이해진다.
통상 조사한 재료로는 fcc격자인 Ag, Cu, Ni, NiFe, Al, Co 및 CoCrTa과, bcc-d격자인 Cr, Fe, Nb, NiAl, FeCo와, hcp격자인 Ti, CoCrTa를 포함한다.
Fe 또는 FeCo와 합금하는데 사용할 수 있는 그 외의 bcc-d격자재료로는 W, Mo, V, Cr, Ti, Ta, Si, Al, N, Cu 및 B를 포함한다. 사용 가능한 그 외의 fcc-d격자 재료로는 CoCr, Au, Pt, Rh, Pd 및 Ir을 포함하며, 사용 가능한 그 외의 hcp격자재료로는 Re, 껴, Gd, Ti 및 Tb를 포함한다. 선발된 이들 재료는 화학적, 자기적 또는 격자정합 특성에 맞추어 선택한다. 에피텍셜 성장을 얻기 위해서는 원자격자상수가 상당히 가변적인 것이 종종 바람직하다.
다음의 표기예는 제조하는 막층의 순서를 나타내는데 사용할 것이다.
bcc/hcp/bcc-d/bcc-d<55, <xyz>/hex/fcc/Sub(tex)
역시, 상기 표기는 "/"의 좌측의 막은 "/"의 우측의 막 다음에 피착된다는 것이다. "/"의 경사각으로부터 어느 층이 상면에 있는지를 쉽게 알 수 있다. "tex"기호는 사용된 단결정 기재구조를 나타낸다. <55는 bcc-d격자가 피착되는 각도를 나타내고 그 수치는 막의 법선으로부터의 각도를 나타낸다. 일반적으로 사용 시에 <기호는 대칭성파괴메카니즘이 이용되고 있음을 나타낸다. 마찬가지로, 자계 Ha가 태칭성을 파괴하는데 사용된다면 그 자계는 육방정계 결정방향<xyz>을 따라서 인가된다. 마찬가지로, 대칭성을 파괴하는데 피착각도를 사용한다면 피착재료의 평면 내 방향은 <xyz>결정방향을 따르도록 표시된다.
따라서, 바로 위의 식에 쓰여진 바와 같이, fcc격자가 먼저 기재 상에 수직각도로 피착하고, 육방정계 템플레이트를 직각으로 그리고 면의 법선에 대하여 55도의 각도로 그리고 육방정계 플레이트<xyz>방향에 평행하게 피착하고 bcc-d격자를 피착할 것이다. 그 후 제 2 bcc-d격자를 피착하고 hcp격자를 피착한 후 최종적으로 bcc격자를 피착할 것이다. 만일 표면이 노출에 의해 산화되거나 산화물이 피착되었으면 그 층을 "O"라고 기재할 것이다.
미국특허 제 6,248,426호 및 공(Gong) 및 장가리(Zangari)의 출판물은 앞에서 언급한 조직 및 에피텍셜 관계는 규소 상에서 성장할 수 있다고 증명하였다. 본 발명은 미국특허 제 6,248,416호와 공(Gong) 및 장가리(Zangari)가 발견한 바와 같은 3개가 아니라 6개의 bcc-d격자 이형의 성과, 그 이형의 교환결합과, 그 결합된 이형셋트의 대칭성파괴에 관한 것이므로 그 문헌들은 동등한 이형 체적무게를 갖지 않는다. 즉 대칭성파괴를 위해 공(Gong) 및 장가리(Zangari)에서의 3개 또는 여기서 설명한 6개의 이형은 평형을 이루지 않는다.
먼저 제 1 금속의 표면이 공기에 노출되어 산화물을 형성한다 해도 bcc-d격자 조직의 에피텍셜성장을 조사한다. 본 발명의 이런 특징을 보장하기 위한 핵심은 막의 하층결정성이 극히 균일하게 배향된 조직을 나타내는 것인데, 여기서는 물리적 증거로 이를 해결하지 않지만 하층의 막이 매우 치밀하게 될 것으로 믿는다. 막이 극히 고도의 조직을 가지면 어떤 조직에 대해서는 입계가 작은 각도를 이루거나 입자 사이에 공간이 거의 없다. 따라서 막의 표면은 입계를 산화시키기보다는 불활성화시켜서 팽창에 의해 기재로부터 막을 끌어낼 수 있게 된다. 이것은 불량하게 산화하기 쉬운 Fe 등의 다결정 재료에 매우 중요하다.
먼저 종래의 다결정막구조의 θ-20 x-선회절 스캐닝을 관찰하여 얻은 조직의 정도에 대한 전망을 제공한다
Hcp-CoCr12Ta2/Cr/유리
이 것은 고전적이지만 가끔 하드디스크매체용으로 스퍼터링되는 단순한 구조이다. x-선스캔의 검사시에 두 개의 피크가 존재함을 발견하였다. Cr(110)은 피크높이가 약 150카운트이고, 그 결과의 Co합금의 쿼드결정(1011)의 피크높이는 25카운트이고 단일 결정(1010)의 피크높이는 40카운트였다. 기초선은 다소 노이즈하며 다른 감지할만한 피크는 없었다. 동일한 스캐닝시간과 x-선 애노드전류를 사용하고, 모든 θ-20 x-선회절스캔의 전압은 앞으로 설명한다.
서로 다른 기재, 즉 유리, Si(100), Si(110), Si(111)를 갖는 4개의 시료를 동시에 만들었는데, 여기서 Si는 세정하고 HF는 전술한 바와 같이 처리하였다. 이들을 진공시스템 속으로 도입하고, 제 1 Ag를 피착하기 전에 대략 165도까지 신속히 가열하였다. 그 층조성은 다음과 같다.
Hcp-CoCr12Ta2(58nm)/Fe(37nm)<45/O/Fe(37nm)<45/Ag(40nm)/sub
여기서 괄호안에 주어진 수치는 공칭막두께를 나노미터로 나타낸 것이다. 이 공정에는 산화노출단계가 있다. 이 노출단계는 첫번째의 두 개의 막 피착 후에 시료를 진공시스템에서 간단히 제거할 필요가 있다. 다음의 표에서는 (x-선 카운트)/(x-선 조직)로서 내용을 기재하였다.
99C15-19-2: COCr12Ta2(58nm)/Fe(37nm)<45/0/Fe(37nm)<45/Ag(40nm)/sub
CoCr12Ta2(58nm)/ Fe(37nm)/ Ag(40nm)
50/(1011) 200/(110) 600(111)
1450/(1120) 3500/(100) 1.6x104/(100) Si(100)
1600/(1010) 1400/(112) 9000/(110) Si(110)
600/(1011) 1.4x104/(110) >105/(111) Si(111)
단결정 기재 또는 2차회절 피크 외에 각 층의 강한 단일 조직배향을 나타내는 다른 회절피크가 관찰된 것은 없었다. 이 조직은 예측한 바와 같이 그리고 앞에서 설명한대로 거동하였다. 그 결과 육방정계 템플레이트 또는 그 외의 단결정 조직 상에 피착될 때 bcc-d격자의 Fe는 Cr과 동일한 조직을 가지고 성장하는 것을 확인하였다. 제 2 층의 Fe는 제 1 층과 동일한 피크를 가졌을 것이기 때문에, 피크들의 강도와 함께 어떤 부가의 피크도 없다는 것은 Fe의 제 2 층이 산화표면 상에서 성장할 때에도 그 조직이 제 1 층의 조직과 동일하다는 것을 잘 나타낸다. 그러나, 이들 피크들은 제 1 막 피크들과 동일선 상에 놓일 것이기 때문에 제 2 층 피크가 존재하는지 또는 전혀 없는지에 대한 의문이 남는다. hcp-Co합금의 피크와 유리 상의 것과 비교한 그 피크들의 강도는 Fe-O 상의 Fe의 제 2 층의 에피텍셜한 성장이 매우 양호하며 Co합금막의 성장에 필요한 뛰어난 템플레이트를 제공하였다 는 것을 나타낸다. 제 2 Fe층의 조직을 확인하는 것은 Fe의 제 1 층의 조직을 확인하는 것과 동일하다. 산화물 위로 에피텍셜하게 성장하는 것은 기재로서 유리를 사용하는 경우를 포함하여 모든 조직에 대하여 확인되었다.
후자의 경우는 주로 유리 상의 뛰어난 Ag(111)의 조직에 기인한 것이다. 별개의 실험에서 Ag(111) 조직의 강도는 비정형 Cr35Ta의 습윤층이 Ag 전에 유리에 피착되었을 때 유리 상에 직접 Ag가 피착된 것의 값보다 몇 배 향상시키는 것을 알았다. 또한 궁극적으로 동일한 원자격자간격을 갖는 Cr 또는 Fe와 Ag 사이의 격자정합은 특별히 좋지 않다는 것을 말하여야 한다. 다른 육방정계 템플레이트재료(fcc-d 또는 hcp)가 bcc-d격자보다 양호한 Ag 상에 에피텍셜하게 성장할 수 있기 때문에 이 것을 조사하였다. Cu, Ni, NiFe의 육방정계 템플레이트 및 Cu의 상면의 조합층 fcc-Co는 모두 Ag 템플레이트 상에 놓일 때 보다 강한 Fe 또는 Cr조직을 만드는 것을 발견하였다.
두 개의 다른 재료 사이에 위치하는 산화물을 더 조사하기 위해 다음의 막구조를 구성하였다.
99C15-19-3: COCr12Ta2(58nm)/Cr(40nm)/0/Fe(37)<45/Ag(40nm)/sub
CoCr12Ta2(58nm)/ Cr(40nm)/ Fe(37nm) Ag(40nm)
50/(1011) 25/(1120) 50/(110) 250/(110) >600/(111)
1450/(1120) 2900/(100) 1900/(100) 1.8x104/(100) Si(100)
75/(1010) 30/(1120) 750/(112) 700/(110) 1.3x105/(110) Si(110)
40/(1020) 30/(100) 6500/(110) 1.2x105/(111) Si(111)
이 표로부터, Si(100)에 있어서 산화물 위의 에피텍시는 뛰어나지만 Si(111) 를 사용할 때 산화물을 통해 많은 에피텍시가 있는 것 같지는 않음을 알 수 있다. Fe-O 상의 Cr에피텍시는 Si(110)에서 매우 양호한 것 같지만 Co조직은 특별히 인상적인 것은 아니었다. 실험오차 내에서 이 시료를 만드는데 사용된 시간 및 온도는 바로 전에 언급한 Fe-O-Fe 시료(99C15-19-2) 상에서 사용된 시간 및 온도와 동일하였다.
Cr과 Fe의 역할을 바꿔서 실험을 반복하였다.
99C15-19-4: COCr12Ta2(58nm)/Fe(37nm)/0/Cr(40)<45/Ag(40nm)/sub
CoCr12Ta2(58nm)/ Fe(37nm)/ Cr(40nm) Ag(40nm)
35/(1120) 25/(100) 150/(110) 300/(111)
1800/(1120) 1600/(100) 4000/(100) 1.1x104/(100) Si(100)
60/(1010) 20/(1120) ?/(112) 1350/(112) 5000/(110) Si(110)
100/(1011) ?/(110) 3.1x104/(110) 8.5x104/(111) Si(111)
여기서 Cr은 Ag 상에서 고도의 조직으로 성장하고 Fe(100)은 Cr-O 상에서 잘 성장한 것을 알 수 있다. 그러나, 피크가 넓으므로 Fe(112) 중의 많은 부분이 성장하였는지는 분명하지 않으며, Cr과 Fe의 피크가 서로 극히 근접하여 위치하므로 관찰하기 어려울 것이다. Fe(110)의 에피텍셜 성장이 약간 향상된 것 같지만 Cr(110)이 압도적이라고 식별하기는 어려웠다. 그럼에도 불구하고 Co(1011)의 피크는 하나만 존재하였다. Si(110)의 경우에 Co(1010)조직의 어떤 것이라도 모두 나타났다는 사실은 Fe의 일부가 (112)조직이라는 강한 증거이다.
전체적으로 보아, 특정의 피착온도, 피착속도에 있어서 그리고 일반적으로 이들 특정의 처리조건에서 3개의 Si조직 모두에 대하여 Fe/O/Fe가 에피텍셜하게 성장한 것을 발견하였다. 또한 Cr/O/Cr에 대해서도 유사한 결과를 발견하였다. Cr/O/Fe/Ag/Si에 있어서는 Cr(100)조직이 잘 성장하고 Cr(112)조직이 약간 성장하였다. Cr(110)조직은 잘 성장하지 않았다. 따라서, bcc-d격자는 그 산화물 상에서 에피텍셜하게 잘 성장하는 것 같다. 또한 bcc-d격자의 (100)조직은 다른 부재 상에서도 잘 성장하는 것 같다. (110) 및 (111)조직은 성장하지만 왕성하게 성장하지는 않는다. Si 상에 Ag를 피착하는데 필요한 처리온도를 변화시켜서 이상적인 온도가 Si배향에 따라서 상당히 변화한 것을 발견하였다. 처리범위는 더욱 극적이었다. Si(111)기재는 산화되기 전에 보다 높은 온도에서 처리할 수 있는데 이로 인해 나중의 피착물의 일부를 향상시켰다. Si(100)조직의 기재는 그 다음으로 넓은 처리온도를 가졌으며 Si(110)기재는 가장 좁으며 최소의 허용 처리온도범위를 가졌다. 이것은 이 표면이 fcc격자의 브라베격자 또는 fcc-d격자 격자에 대하여 가장 적합하므로 이론적이다. 각 기재조직은 그 자체의 최적온도 및 온도범위를 가지며 특정온도는 진공시스템 내에서 기재를 배치하기 직전에 특정 기간 중의 피착속도 및 습도에 의존하였다. HF로 엣칭된 Si의 표면품질은 Si가 진공시스템에 도달하기 전의 환경에 매우 의존한다는 것을 발견하였다. 따라서 이들 모든 조건들을 동시에 최적하기란 어렵지만, 최적화하였을 때 그 결과는 다른 Si조직 상의 산화물을 통한 에피텍셜한 성장이 상당히 개량되었음을 나타내었다. 다행히도 (111)표면은 육방정계 템플레이트재료에 가장 적합하며 이 표면에 의해 온도범위와 피착속도가 더 커졌다. 이에 따라서 산화물에 대한 온도의 최적화가 각 재료조합에 맞게 되었다.
6개의 이형구조의 증거는 나중에 설명한다. 실제로 E2 a1c2 이형셋트를 도시하였다. 다음의 막구조는 입사각피착에 의해 만들었다. 피착각도를 약간 다르게 하고 두께를 다르게 하고, 가장 중요하게는 템플레이트 격자면방향에 대한 각도를 다르게 하여 두 개의 시료를 동시에 준비하였다. 이것은 두 개의 기재를 육방정계의 템플레이트각도를 다르게 하여 동일 캐리어에 장착함으로써 달성하였다. 피착방향은 시료 0909-6에서는 <110>방향을 따라서 맞추고 시료 0909-5에서는 <112> 템플레이트 방향을 따라서 맞추었다. 이 구조를 여기서 정의한다.
시료이름 : 0909-6
Ag(200nm)/Cr(40nm)/Fe(37nm)<45<110>/Cu(10nm)/Ag(40nm)/Si(111)
시료이름 : 0909-5
Ag(200nm)/Cr(40nm)/Fe(60nm)<55<112>/Cu(10nm)/Ag(40nm)/Si(111)
Cu의 육방정계 템플레이트는 비자성이라서 1축 M-H곡선을 야기하는데 필요한 교환결합을 제공하지 않는다는 것을 지적하여야 한다. 그럼에도 불구하고, 필요한 이형쌍을 얻었음을 아래에 도시한다. Cu를 fcc-Co, Ni 또는 NiFe로 대체하거나 또는 Ni 또는 NiFe를 Fe의 상면에 피착한다면 결합쌍이 교환결합될 것이다. 이 예에서 시료를 만든 후에 Fe의 부식 가능성을 피하기 위해 최종의 두꺼운 Ag 및 Cr층을 적용하였다. 이들 층들, 특히 Cr은 부식을 방지하는데 매우 효과적이라는 것을 발견하였다. 이 시료는 Fe의 분명한 부식 없이 1년간 저장하였다. Fe의 자기특성은 산화에 매우 민감하지만 이들 특성은 변화하지 않았다는 사실에 기초하여 이를 마 무리지었다. Ag보호층은 약간 변색하였다.
x-선 극도(x-ray pole figure) 분석을 실시하였다. 이 테스트에서는 x-선회절각을 특정반사면에 셋팅하면서 시료를 회전시킨다. Fe는 (110)조직이므로 (100)면은 막의 표면에 대하여 45도로 경사져있다. 이 시료를 45도 기울인 후 (100)결정면으로부터 반사하도록 θ-2θ를 셋트하였다. 그 후 시료를 360도 회전시키고 신호를 모니터하였다. 공(Gong) 및 장가리(Zangari)가 지지하는 바와 같은 도 3에 따라서, 3개의 이형만이 존재한다면 180도의 회전마다 3개의 피크가 관찰되어야 하며 이들은 60도의 간격으로 균등하게 이격되어 있을 것이다. 그러나 본 발명에서 주장하는 바와 같이 6개의 이형이 존재한다면 도 5가 타당하며 180도의 회전마다 6개의 피크를 볼 수 있을 것이므로 360도 완전회전 중에는 12개의 피크를 볼 수 있을 것이다. 이형들이 재료체적으로 동일하게 무겁고 기재가 완전히 절단되었다면, 모든 이형셋트들을 볼 수 있을 것이다. 양 형태의 이형셋트를 관찰하였다. 따라서 시료 전부가 6개의 이형셋트와 관련된 에너지식으로 나타내어지는 것은 아니다. 결정면을 회전시킨 후 회절피크를 분할하는 에너지 메카니즘을 달성하는 것은 사소한 것은 아니므로 공(Gong) 및 장가리(Zangari)의 3개의 이형셋트가 가장 일반적으로 관찰된다. 도 14는 시료 0909-6에 대한 극도분석을 나타낸다. 이 데이터를 자세히 분석하면 a1이형 및 c2이형의 피크높이가 다른 이형의 회절피크 중 어느 것보다도 2의 인수만큼 높은 것보다 크다는 것을 나타낸다. 그러나, 측정의 관계되는 양은 피크곡선 아래의 부위인데 이 것은 많은 시간을 소모하며 어려운 측정이지만, 재료의 상당히 많은 부분이 이들 두 이형에 있다는 것을 보여준다. 이론상으로는 이 스캔은 θ-2θ 각도가 이 결정면에 대하여 특별히 셋트되었으므로 Fe(100)회절피크를 보여주기만 하여야 한다. 그러나 부근에 Ag(220)회절선이 있으며, 그 피크는 매우 강하기 때문에 이들 6개의 피크의 후미도 보인다. 마찬가지로 Si(400)피크가 매우 강하다는 약간의 증거가 있다. 6개의 bcc-d격자 이형쌍 사이의 각도는 앞에서 상세히 설명한 바와 같이 2δ=2(5.26)도인 것으로 실험적으로 결정되었다. 그러나 도 14에서 피크간의 각도는 (110)면으로부터 (100)면으로 가는데 필요한 좌표프레임의 회전 때문에 더 작다. 이 도면에서 어떤 피크쌍 사이의 범위는 ∼2(3.74) = 7.5도이어야 한다. 이것은 관찰된 바 그대로다. 이 데이터는 6개의 이형개념 및 대칭성파괴메카니즘의 강력한 증거이다. 피착방향 돌출방향이 육방정계 템플레이트를 따라서 <112>방향인 시료 0909-5에서, 그 결과는 명확히 결정되지 않았다. 다시 6개의 이형 중에 두 개의 지배적인 이형이 있는 것 같았다. 그러나 이들은 E2 a1b2로 나타내어졌다. 참고로 이들 이형, a1 및 b2에 대한 극도(pole figure)의 피크도 나머지 4개의 이형과 함께 도 14에서 알 수 있는데, E2 a1b2에 대한 대응하는 2결정 에너지곡선은 도 11에 도시되어있다. 분명히 이 이형쌍은 자기적으로 결합되었더라고 1축 거동을 전혀 나타내지 않는다. 따라서 <112>템플레이트 방향을 따라서 입사각피착하면 완전히 다른 결과가 나온다. 요약하자면, (111)조직의 단결정 기재 상에 피착하고 대칭파괴메카니즘으로서 방금 설명한 방향을 따라서 각도를 주고 피착하면 한 셋트의 이형들은 1축 거동을 나타내며 다른 셋트의 이형들은 1축 거동을 나타내지 않는다. 대칭성파괴법을 통하여 1축 거동을 얻기 위 해서는 적절한 템플레이트의 배향 및 피착방향이 필요하다. 그러나, 양 배향의 경우에서 이형 대칭성은 파괴되었다.
비자성재료의 육방정계 템플레이트를 이용하였을 때에도 교환결합 이형을 가질 수 있으며 1축 대칭성파괴된 거동을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 방금 설명한 구조의 시료는 다른 피착속도 및 온도에서 처리하였을 때 다른 입자사이즈를 만들었으며 그들 사이의 자기교환도 가능하였다. 또한 특정 각도로 피착하면 입자형상의 이방성을 갖는 입자형태가 가능하다는 것도 발견하였다. 그러나, <112> 및 <110>육방정계 템플레이트방향을 모두 따라서 피착된 막을 연구함으로써, 결정배향의 의해 야기된 1축거동 및 대칭성파괴법이 입자형상영향과 관련된 이방성과 함께 존재한다는 것을 발견하였다. 양호한 에피텍셜 성장을 야기하기 위해 적절하고 강하게 조직되고 정합된 원자격자 간격을 사용하면 입자형상의 영향을 최소화시키는데 상당히 도움을 주었다.
자성의 육방정계 템플레이트를 가지고 자계를 인가하여 유사한 실험들을 실시하였다. 즉 대칭성파괴메카니즘으로서 입사각피착을 이용하지 않고 자계를 이용하였다. 육방정계 템플레이트에 Ni를 사용하고 기재의 근처의 기재 상에 영구자석을 배치하여 100Oe범위의 인가자계를 발생시켰다. 시료구조는 다음과 같다
Ag(200nm)/Cr(40nm)/Fe(50nm)<45/Ni(5nm)/Ag(40nm)/Si(111)
그 결과의 이형셋트는 육방정계 템플레이트의 <112>방향을 따라서 자계를 인가하였을 경우에 E2 a1c2인 반면, 자계를 <111>방향을 따라서 인가하는 경우는 1축 거 동을 갖는 4개의 보족원소 이형셋트 중의 하나를 선택하였다. 그러나 x-선 극도측정법에 의해서는 어느 4개의 이형 중에서 어느 셋트가 지배적인지를 정확히 관찰하기 어려웠다. 그럼에도 불구하고, 자기응답으로부터 대칭성파괴된 1축셋트 중의 하나라고 결정되었다. 따라서, 입사각피착법과는 다르게, 자계메카니즘을 사용하여 대칭성을 파괴한 경우 자계가 육방정계 템플레이트 결정방향 중의 하나, <110> 또는 <112>를 따라서 향할 때 1축 거동이 얻어진다. 4개의 이형셋트가 나타나게 하는 대칭성파괴자계가 <110>방향을 따라서 배치되었을 때 곤란축 투자율은 두 개의 이형셋트에 대한 투자율보다 높아야 하지만 이것이 사실이라고 말하기는 어렵다. 보자력은 보다 높았고 1축 자기응답함수는 이상적이지 못하였다. 이런 자기영향은 처리범위가 보다 가혹한 경우 4개의 이형셋트를 만들기가 더 어렵다는 것을 나타낸다. 인가자계의 크기는 준비한 시료중의 일부에서 변하였으며, 매우 작은 ∼1.5 내지 2nm의 크기의 시료절편을 그 각각의 자기특성에 대하여 연구하였다. 따라서, 이들 시료절편은 각각의 시료들이 다양한 인가자계크기 및 방향을 가지고 만들어진 것을 나타낸다. 이들 측정치로부터 이 자계대칭파괴 메카니즘은 10Oe 정도의 작은 자계에서도 관측 가능한 정도의 대칭성파괴를 일으킨다고 평가하였다. 본 출원인은 지구자계 또는 그 외의 다른 표류자계가 본 발견에 영향을 줄 수 있다는 것을 알게되었다는 것을 말하여야 한다. 표류자계를 기재캐리어의 부근에서 측정하였으며, 이는 대략 1Oe 정도나 이보다 낮은 것을 발견하였는데, 이 자계는 측정된 지구자계강도에 필적하는 것이었다. 그럼에도 불구하고, 시료기재를 인가자계자석을 구비한 시료캐리어에 장착하여 실험을 실시하였다. 그리고 피착공정 중 에 기재캐리어와 인가자계자석 및 시료를 함께 회전시켰다. 이렇게 하여 일정한 인가자계를 제공하면서도 그 회전으로 어떤 표류인가자계에서도 평균메카니즘을 제공하였다. 마찬가지로 어떤 자계도 인가하지 않고 입사각 대칭성파괴법을 이용하여 유사한 실험을 실시하였다. 양 대칭성파괴법에 있어서 자기결과는 회전공정이 없이 준비한 시료와 다르지 않다는 것을 발견하였다. 따라서, 출원인은 실험결과에서 표류자계가 중요한 역할을 전혀 하지 못한다는 것을 납득하게 되었다.
보다 좋은 진공시스템을 가지며 HF엣칭법으로부터 H결합을 통해 Si를 부동태화시키지 않았다면 4개의 이형의 1축결과를 얻기가 보다 쉬울 것이라고 예상한다. 산화규소는 약 850도에서 Si로부터 정화되어 깨끗한 Si표면을 남긴다. 극히 높은 진공시스템에서 공정을 실시한다면 초기의 Ag피착에 보다 깨끗한 기재를 이용할 수 있을 것이다. 이렇게 하면 막의 품질이 높아지고 막의 구조가 좋아지며 전체공정의 제어가 향상된다고 예상한다.
이들 시료에 대하여 자기응답곡선측정을 하였다. 영구자석으로부터의 자계는 시료전체에 대하여 완전히 균일한 것은 아니기 때문에 대칭성파괴 메카니즘은 육방정계 템플레이트의 <112>방향과 정확하게 일치하지 않았다. 그럼에도 불구하고 자계방향은 측정된 시료 전체에 대하여 10도 이상 변화하지 않았으며 시료의 대부분에서 더 양호하게 일직선상에 정렬되었다고 평가하였다. 자기응답곡선을 통해 대칭성파괴 메카니즘을 증명할 수 있을 정도로 충분히 일직선상을 정렬되었다. 도 15는 다음의 구조를 사용하여 1축 대칭성파괴되고 교환결합된 두 개의 이형 중의 하나의 Mx 및 My 대 Hx 응답을 보여준다.
시료이름 : LS1425 2cx
Ag(200nm)/Cr(40nm)/Fe(50nm)<H<112>/Ni(5nm)/Ag(40nm)/Si(111)
Ni 단독의 보자력을 측정한 바 이 시료의 곤란축루프에 대하여 관찰된 10Oe에 필적한 것을 발견하였다. 따라서, 막 이형들을 교환결합시키는 것이 저보자력을 얻는데 충분하지 못하다는 것을 관찰하였다. 또한 교환결합층은 자기적으로 연성이어야 한다. Ni에 대하여 퍼말로이, 즉 잘 알려진 연자성의 NiFe합금으로 대체한 바 보자력이 1.0Oe보다 작게 떨어지는 것을 발견하였다. 그러나, 흥미롭게도 Ni템플레이트를 사용하는 경우에도 시료를 포화상태까지 계속 구동시키는데 높은 구동자계를 사용하지 않으면 시료는 손실 없는 거동을 나타내었다. 도 15와는 별개의 측정에서, 시료를 포화시키는데 필요한 자계의 대략 80%까지만 시료를 먼저 용이축을 따라서 구동하여 자벽의 대부분을 제거한 후 곤란축을 따라서 구동시켰다. 이 작은 루프응답은 대략 측정기구의 해상도한계인 1Oe 미만의 보자력을 나타내었다. 도 15는 시료를 포화상태로 구동하였을 때 비자성의 1축형태의 응답함수와 도 2의 이상적인 결과와 유사한 1축 결과를 나타낸다. 이 도면은 좁은 곤란축루프, 즉 Mx 대 Hx (19)와 약간 2차식형태의 My용이축(20)의 응답에 모두 적용된다.
입사각피착에 의해 만든 그 외의 유사한 조성 및 층구조의 시료는 부곤란축루프에 대하여 상당한 보자력이나 손실을 나타내지 않았다. 이 경우 80 내지 1000이상의 투자율을 관찰하였다. 앞에서 설명한 것보다 이상적이지 못한 유사한 피착 각피착법에 의해 하드디스크매체 제조진공시스템을 사용하여 하드디스크매체시료를 만들었다. 재료원인 bcc-d격자 재료를 디스크표면에 전체에 대하여 다른 각도로 전체디스크에 대하여 반경패턴으로 전달하였다. 이것은 디스크의 많은 부분을 중앙에 구멍이 있는 원형마스크로 마스킹하여 표준스퍼터링 타겟으로부터 피착함으로써 실시하였다. 따라서, 스퍼터링된 재료는 입사각에서 그리고 반경방향으로 구멍을 나타내었다. 다음과 같은 층구성을 가지고 몇 개의 시료를 준비하였다.
LSSDK-0505-1
Cr(40nm)/Fe(40nm)<-45/Cu(20nm)/Cr35Ta(20nm)/유리-세라믹
및
LSSDK-0505-2
제 1 시료(Fe)의 자기특성들은 OR이 1보다 큰 이방성 거동을 나타내어 시료 0505-2로 실행할 수 있다는 확신을 주었다. 연자성 Fe의 특성을 갖는 보다 경자성의 CoCrPt합금의 자기결과를 불명료하지 않게 하기 위해 Fe를 Cr으로 바꿨다. 준비한 시료 중에서 원주방향의 보자력을 반경방향의 보자력으로 할 때 1.05 내지 1.15의 OR이 얻어졌다. 이것은 바라던 바이며 전체 보자력은 250Oe의 범위였다. 다결정의 육방정계 템플레이트층 때문에 그리고 혼합된 비정형의 세라믹기재가 매우 큰 회절피크셋트를 갖기 때문에 어떤 x-선데이터도 얻지 못하였다.
당업자라면 본 발명의 범위로부터 일탈함 없이 본 발명의 재료구조, 장치, 방법 및 장치의 구체적인 특징으로 다수의 변형 및 수정을 만들 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이런 변형 및 수정은 상기 명세서 및 이후의 특허청구의 범위에 의해 보호되는 것이다.

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  27. 자성재료를 구비하는 자성장치에 있어서,
    기재와,
    대칭성파괴된 구조를 형성하는 적어도 하나의 bcc-d 격자층과, 상기기재와 상기 bcc-d격자층 사이에 적어도 하나의 에피텍셜한 성장을 위한 (111)조직 육방정계 원자템플레이트 층을 포함하여 이루어지는 구조를 갖는 자성재료를 구비한 자성장치.
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  29. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 자성데이터저장시스템인 것을 특징으로 하는 자성장치.
  30. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 데이터저장 자성기록 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 자성장치.
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  32. 제 27항에 있어서, 상기 장치는 데이터저장 자기기록매체, 배향된 연자성층을 갖는 데이터저장 자기기록매체 및 배향된 경자성층을 갖는 데이터저장 자기기록매체 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자성장치.
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  35. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 데이터저장 자성랜덤억세스메모리(MRAM)인 것을 특징으로 하는 자성장치.
  36. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 물품감시태그, 물품식별태그, 자기탄성 다중조파발생 물품태그, 비선형응답성의 다중조파발생 물품태그 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자성장치.
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  40. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 전자회로 유도부품 및 전자회로 유도변환부품 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자성장치.
  41. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 신호혼합 전자회로부품인 것을 특징으로 하는 자성장치.
  42. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 자성 플럭스게이트 센서인 것을 특징으로 하는 자성장치.
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  47. 제 27 항에 있어서, 상기 장치는 전자 스핀이송 디지털 논리회로부품 및 전자스핀이송 아날로그회로부품 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자성장치.
  48. 제 27 항에 있어서, 적어도 하나의 경자성층을 더 포함하는데,
    1축 대칭성파괴된 구조를 형성하는 상기 적어도 하나의 자성 bcc-d격자층은상기 (111)조직의 육방정계 원자템플레이트와 상기 적어도 경자성 기록층 사이에 배치되어 연자성 유지층으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 자성장치.
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  70. 제 27항에 있어서, 상기 장치는 이방성 자기저항센서, 스핀밸브 자기저항센서, 자기터널접합형 자기저항센서 및 데이터저장 자성재생트랜스듀서 중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 자성장치.
  71. 제 27항에 있어서, 적어도 하나의 경자성층을 더 포함하는데,
    1축의 대칭성파괴된 구조를 형성하는 상기 적어도 하나의 자성 bcc-d격자층은 상기(111)조직의 육방정계 원자템플레이트와 상기 적어도 하나의 경자성층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자성장치.
  72. 제 27항에 있어서, 적어도 하나의 경자성층을 더 포함하는데,
    상기 적어도 하나의 경자성층은 상기 기재와 상기 적어도 하나의 bcc-d격자층사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자성장치.
  73. 제 27항에 있어서, 상기 적어도 하나의 경자성 기록층은 상기 기재에 수직한 바람직한 자기배향을 갖는 것을 특징으로 하는 자성장치.
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