KR102144089B1 - 자기 저항 센서 및 자기 저항 센서 제작 방법 - Google Patents

자기 저항 센서 및 자기 저항 센서 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역자기왜곡 효과(inverse magnetostriction effect)를 이용하고, 유연한 폴리머 필름 상에 스핀 밸브 구조를 구현하며, 어닐링 후처리(post annealing) 공정을 수행하지 않는 것에 의해 제조 공정을 간소화시킨 자기 저항 센서 및 자기 저항 센서 제작 방법으로서, 본 발명의 일 실시예는, 유연성을 가지는 폴리머소재의 필름인 폴리머기판(21); 및 양의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 감지층(sensing layer)(24)과 음의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 기준층(reference layer)(26)을 포함하여, 상기 폴리머기판(21)의 상부에 나노 층으로 적층 형성되는 스핀밸브층(22);을 포함하여, 자화용이축 방향을 따라 반복적인 구부림 응력을 가하는 것에 의해 상기 감지층(24)과 상기 기준층(26)이 서로 직교하는 자화방향을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서를 제공한다.

Description

자기 저항 센서 및 자기 저항 센서 제작 방법{Magnetoresistive Sensor and the Manufacturing Method thereof}
본 발명은 자기 저항 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 역자기왜곡 효과(inverse magnetostriction effect)를 이용하고, 유연한 폴리머 필름 상에 스핀 밸브 구조를 구현하며, 어닐링 후처리(post annealing) 공정을 수행하지 않는 것에 의해 제조 공정을 간소화시킨 자기 저항 센서 및 자기 저항 센서 제작 방법에 관한 것이다.
현재까지 거대자기저항(giant magneto resistance, GMR) 효과를 이용한 대한민국 공개특허 제1996-0036109호, 대한민국 등록특허 제10-0338441호 및 대한민국 등록특허 제1996-0003994호 등의 다층박막 자기 저항 센서는 많은 산업 및 연구 분야에 이용되어 왔다. 특히, 반강자성체를 이용하여 강자성 층의 교환상호작용(exchange coupling)을 통해 특정 자기장 내에서 안정적인 자기적/전기적 스위칭이 가능한 스핀밸브(spin-valve) 구조는 자기장 감지 센서, 바이오센서 등으로 높은 응용 가치를 지니고 있다.
도 1은 종래기술의 패터닝과 열처리 공정을 이용한 자기 저항 센서 제작 방법의 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 1과 같이 종래기술의 자기 저항 센서(1)는 기판(2), 버퍼 층(buffer layer)(3), 강자성 층으로서의 감지층(sensing layer)(4), 전이금속층으로서의 스페이스층(space layer)(5), 강자성과 반강자성으로 구성한 기준층(reference layer)(6) 및 캡핑층(capping layer)(7)을 포함하여 구성된다.
도 1과 같이, 상술한 스핀밸브 자기 저항 센서는 두 개의 강자성 층이 각각 감지층(sensing layer)(4)과 기준층(reference layer)(6)이 되고, 반강자성 층과 인접한 강자성 층이 기준층(6)이 된다. 이 때, 감지층(4)과 기준층(6)의 자화 방향이 서로 직교 형태의 자화 방향을 이루는 것이 매우 중요한데, 실리콘 웨이퍼 기반의 스핀 밸브 구조에서는 이를 위해 도 1과 같이, 실리콘 웨이퍼인 기판(2) 위에 차례로 버퍼층(buffer layer)(3), 강자성 층으로서의 감지층(sensing layer)(4), 전이금속층으로서의 스페이스층(space layer)(5), 강자성과 반강자성으로 구성한 기준층(reference layer)(6) 및 캡핑층(capping layer)(7)을 기본으로 하는 스핀밸브 구조를 증착한다. 이 중 반강자성 층인 캡핑층(7)에 인접한 기준층(6)은 캡핑층(7)과의 강한 교환상호작용으로 인해 높은 자기장에서만 자화가 변하므로 기준층으로 활용한다. 도 1의 (a)에서 도면 부호 8은 자화용이축(magnetic easy axis), 9는 기준층(6)의 자화방향, 10은 감지층(4)의 자화방향을 나타내는 것으로서, 초기에 감지층(4)과 기준층(6)의 자화방향(9, 10)은 자화용이축(8)과 평행을 이룬다.
이 경우, 감지층(4)과 기준층(6)의 형태 자기 이방성(shape anisotropy)을 향상시키기 위해 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖도록 선형 패터닝 공정을 거친다(도 1의 (b)). 이 때, 자기 이방성에 의해 결정된 자화 방향은 최종 형태의 자기 저항 센서 구조에서 감지층(4)의 자화용이축으로 결정된다.
이 후, 외부 자기장이 선형 패턴된 스핀 밸브 구조의 장축을 따라 적용된 상태에서 수 시간 자화 열처리 과정(magnetization annealing)(도 1의 (c))을 거쳐 자기 이방성을 증가시키면, 도 1의 (d)와 같이 향상된 자기저항 비(magneto resistance ratio, MR ratio)를 갖게 된다. 자기저항 비의 향상은 자기 저항 센서의 감도(sensitivity) 향상에 영향을 주기 때문에 매우 중요한 요소이다. 이 후 선형 패턴한 스핀 밸브를 다시 열처리한 후, 직교 방향(선형 패턴의 단축 방향)으로 자기장을 적용시킨 채로 냉각(도 1의 (e))시키면, 도 1의 (f)와 같이, 적용된 자기장의 방향을 따라 기준층(6)의 자화 방향이 바뀐다. 감지층(4)과 기준층(6)의 자화 방향이 직교로 이루어진 상태에서 외부 자기장을 기준층(6)의 자화용이축을 따라 가하면, 감지층(4)이 외부 자기장에 대해 플립(flip)이 일어나지 않고 회전(rotation)이 발생하여 도 1의 (f) 하부의 그래프와 같이 특정 외부 자기장의 범위에서 선형적 변화(g)를 보인다. 여기서, 특정 외부 자기장의 범위가 센서의 작동 자기장 범위(working range)로 결정된다. 이 범위를 바꾸기 위해서는 일반적으로 열처리 조건이나 증착 구조의 각 층의 구성 물질 및 두께를 변화시켜야 한다.
이처럼 스핀 밸브 구조의 자기 센서화를 위해 종래기술의 경우에는 많은 공정 및 후처리 과정이 필수적이고, 이 과정이 모두 장시간이 걸린다는 단점이 있다. 또한, 구조적인 측면에서도 기존의 자기 저항 센서는 안정적인 박막의 성장과 신호를 얻기 위해 실리콘 웨이퍼 기반에서 많은 개발이 이루어져 왔으나, 이는 제작비용이 높아 가격 경쟁력이 낮으며, 유연화 및 경량화에 어려운 문제점을 가진다.
대한민국 공개특허 제1996-0036109호 대한민국 등록특허 제10-0338441호 대한민국 등록특허 제1996-0003994호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폴리이미드(PI, polyimide substrate) 상에 Ta/NiFe/CoFe/Cu/Ni/IrMn/Ta가 적층된 적층체를 어닐링 후처리(post annealing)를 수행함이 없이, 제어된 구부림에 의해 응력을 적용하는 것에 의해 자기 저항 비(magneto resistance(MR) ratio, MR 비)가 개선된 스핀밸브 구조를 가지는 자기 저항 센서 및 그 제작 방법을 제공하는 해결과제로 한다.
상술한 본 발명의 해결과제의 달성을 위한 본 발명의 일 실시예는, 유연성을 가지는 폴리머소재의 필름인 폴리머기판(21); 및 양의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 감지층(sensing layer)(24)과 음의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 기준층(reference layer)(26)을 포함하여, 상기 폴리머기판(21)의 상부에 나노 층으로 적층 형성되는 스핀밸브층(22);을 포함하여, 자화용이축 방향을 따라 반복적인 구부림 응력을 가하는 것에 의해 상기 감지층(24)과 상기 기준층(26)이 서로 직교하는 자화방향을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서를 제공한다.
상기 자기 저항 센서(20)는, 상기 스핀밸브층(22)의 자화용이축 방향에 평행인 굽힘 방향으로 상기 굽힘 횟수에 따라 개수가 증가되며, 종방향으로 전류를 인가하는 경우 자기저항 비(MR ratio)와 감도(sensitivity)를 증가시키는 균열(c)들을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스핀밸브층(22)은, 상기 폴리머기판(21)의 상부에 적층된 버퍼층(buffer layer)(23); 상기 버퍼층(23)의 상부에 적층된 상기 감지층(24); 상기 감지층(24)의 상부에 적층된 전이금속층으로서의 스페이스층(space layer)(25); 상기 스페이스층(25)의 상부에 강자성층과 반강자성층이 적층되어 형성되는 상기 기준층(reference layer)(26); 및 상기 기준층(26)의 상부에 적층된 캡핑층(capping layer)(27);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 폴리머기판(21)은, 폴리이미드(Polyimide, PI) 필름인 것을 특징으로 한다.
상기 버퍼층(23) 및 상기 캡핑층(27)은 Ta계 금속층인 것을 특징으로 한다.
상기 감지층(24)은, NiFe/CoFe 강자성 층인 것을 특징으로 한다.
상기 스페이스층(25)은, Cu계 금속층인 것을 특징으로 한다.
상기 기준층(26)은, Ni계 강자성층과 IrMn계 반강자성층이 적층 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 스핀밸브층(22)은, 상기 폴리이미드 기판(21)의 상부에 순차적으로 적층되는 Ta3/NiFe4/CoFe1/Cu2.8/Ni4/IrMn15/Ta1(nm) 적층 구조를 가지며, 상기 Ta3는 상기 버퍼층(23)이고, 상기 NiFe4/CoFe1는 상기 강자성 층인 감지층(24)이며, 상기 Cu2.8는 상기 스페이스층(25)이고, 상기 Ni4/IrMn15는 강자성층과 반강자성 층이 적층된 상기 감지층(24)이며, 상기 Ta1은 상기 캡핑층(27)인 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 해결과제의 달성을 위한 본 발명의 다른 실시예는, 유연성을 가지는 폴리머소재의 필름인 폴리머기판(21) 상에 나노층의 버퍼층(buffer layer)(23), 양의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 감지층(24), 스페이스층(space layer)(25), 음의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 기준층(reference layer)(26) 및 캡핑층(capping layer)(27)을 적층하여 스핀밸브층(22)을 형성하는 단계(S10); 및 상기 스핀밸브층(22)이 형성된 폴리머기판(21)을 자화용이축의 양측에서 반복 적인 굽힘을 인가하여 역자기왜곡 효과에 의해 상기 기준층(26)의 자화 방향을 상기 자화용이축 및 상기 감지층(24)의 자화 방향과 수직 방향으로 회전시켜 스핀 밸브 구조를 형성하는 단계(S20);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서 제작 방법을 제공한다.
상기 스핀밸브층(22)을 형성하는 단계에서 형성되는 스핀밸브층(22)은, 상기 폴리이미드 기판(21)의 상부에 순차적으로 적층되는 Ta/NiFe/CoFe/Cu/Ni/IrMn/Ta 적층 구조를 가지며, 상기 Ta는 상기 버퍼층(23)이고, 상기 NiFe/CoFe는 상기 강자성 층인 감지층(24)이며, 상기 Cu는 상기 스페이스층(25)이고, 상기 Ni/IrMn는 강자성층과 반강자성 층이 적층된 상기 기준층(26)이며, 상기 Ta은 상기 캡핑층(27)인 것을 특징으로 한다.
상기 스핀 밸브 구조를 형성하는 단계(S20)는, 상기 스핀밸브층(22)의 자화용이축 방향에 평행인 굽힘 방향으로 상기 굽힘 횟수에 따라 개수가 증가되며, 종방향으로 전류를 인가하는 경우 자기저항 비(MR ratio)와 감도(sensitivity)를 증가시키는 균열(c)들을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 일 실시예는, 폴리이미드(PI, polyimide substrate) 상에 Ta/NiFe/CoFe/Cu/Ni/IrMn/Ta가 적층된 적층체를 어닐링 후처리(post annealing)를 수행함이 없이, 제어된 구부림에 의해 응력을 적용하는 것에 의해 자기 저항 비(magneto resistance(MR) ratio, MR 비)가 개선된 스핀밸브 구조를 형성하는 것에 의해, 자기 저항 센서의 제작을 용이하게 하고, 감도 및 감지 범위를 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술의 패터닝과 열처리 공정을 이용한 자기 센서 제작 방법의 처리과정을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 자기 저항 센서(20) 및 패터닝과 반복 굽힘 공정을 이용한 자기 센서 제작 방법의 처리과정을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 자기 저항 센서(20)의 굽힘 횟수에 따른 스핀밸브의 외부 자기장에 대한 자기저항 비를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 자기 저항 센서의 굽힘 횟수에 따른 감도를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예의 자기 저항 센서(20)에 사용된 강자성층의 굽힘 주기에 따른 히스테리시스 루프와 자화(magnetization) 커브를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예의 자기 저항 센서(20)의 굽힘 주기에 따른 스핀밸브에 대한 자화 곡선을 나타내는 도면.
도 7은 전류가 도 6의 (b)에 도시된 균열(c)에 대한 종방향(도 7의 (a), (b) 및 (c))과 횡방향(도 7의 (d), (e) 및 (f))으로 인가되는 때의 굽힘 주기 수에 따른 자기 저항 비(MR ratio)의 변화를 나타내는 도면.
도 8의 본 발명의 실시예의 자기 저항 센서(20)의 자기 마이크로 비드와 자기 저항 비 루프, 기준 셀과 감지 셀들의 전압 변화 및 정규화된 자기 저항 비를 나타내는 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예의 자기 저항 센서(20)는 역자기왜곡 효과(inverse magnetostriction effect)를 이용하기 위해서 감지층은 양의 자기왜곡 계수를 갖는 CoFe 보조층을 포함한 NiFe층으로 구성하고, 기준층은 음의 자기왜곡 계수를 갖는 Ni층으로 구성한 스핀 밸브 구조를 유연한 폴리머 필름인 폴리이미드(polyimide, PI)에 구현한다. 따라서 동일한 응력을 박막에 가해도 응력에 반응하는 자화의 방향이 반대이기 때문에 직교 형태의 자화가 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 자기 저항 센서(20) 및 패터닝과 반복 굽힘 공정을 이용한 자기 센서 제작 방법의 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 2와 같이, 상기 자기 저항 센서(20)는, 유연성을 가지는 폴리머소재의 필름인 폴리머기판(21); 및 양의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 감지층(sensing layer)(24)과 음의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 기준층(reference layer)(26)을 포함하여, 상기 폴리머기판(21)의 상부에 나노 층으로 적층 형성되는 스핀밸브층(22)을 포함하여, 자화용이축 방향을 따라 반복적인 구부림 응력을 가하는 것에 의해 상기 감지층(24)과 상기 기준층(26)이 서로 직교하는 자화방향을 가지도록 구성된다.
여기서, 상기 자기 저항 센서(20)는, 상기 스핀밸브층(22)의 자화용이축 방향에 평행인 굽힘 방향으로 상기 굽힘 횟수에 따라 개수가 증가되며, 종방향으로 전류를 인가하는 경우 자기저항 비(MR ratio)와 감도(sensitivity)를 증가시키는 균열(c)들을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스핀밸브층(22)은, 상기 폴리머기판(21)의 상부에 적층된 버퍼층(buffer layer)(23), 상기 버퍼층(23)의 상부에 적층된 상기 감지층(24), 상기 감지층(24)의 상부에 적층된 전이금속층으로서의 스페이스층(space layer)(25), 상기 스페이스층(25)의 상부에 강자성층과 반강자성층이 적층되어 형성되는 상기 기준층(reference layer)(26); 및 상기 기준층(26)의 상부에 적층된 캡핑층(capping layer)(27)을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 폴리머기판(21)은, 폴리이미드(Polyimide, PI) 필름인 것을 특징으로 한다.
상기 버퍼층(23) 및 상기 캡핑층(27)은 Ta계 금속층인 것을 특징으로 한다.
상기 감지층(24)은 NiFe계 층과 CoFe계 층이 적층된 강자성 층인 것을 특징으로 한다.
상기 스페이스층(25)은, Cu계 금속층인 것을 특징으로 한다.
상기 기준층(26)은, Ni계 강자성층과 IrMn계 반강자성층이 적층 형성된 것을 특징으로 한다.
상술한 구성의 상기 스핀밸브층(22)은, 상기 폴리이미드 기판(21)의 상부에 순차적으로 적층되는 Ta/NiFe/CoFe/Cu/Ni/IrMn/Ta 적층 구조를 가지며, 상기 Ta는 상기 버퍼층(23)이고, 상기 NiFe/CoFe는 상기 강자성 층인 감지층(24)이며, 상기 Cu는 상기 스페이스층(25)이고, 상기 Ni/IrMn는 강자성층과 반강자성 층이 적층된 상기 기준층(26)이며, 상기 Ta은 상기 캡핑층(27)인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 스핀밸브층(22)은, Ta3/NiFe4/CoFe1/Cu2.8/Ni4/IrMn15/Ta1(nm) 적층 구조를 가지며, 상기 Ta3는 상기 버퍼층(23)이고, 상기 NiFe4/CoFe1는 상기 강자성 층인 감지층(24)이며, 상기 Cu2.8는 상기 스페이스층(25)이고, 상기 Ni4/IrMn15는 강자성층과 반강자성 층이 적층된 상기 기준층(26)이며, 상기 Ta1은 상기 캡핑층(27)으로 구성될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 실시예의 자기 저항 센서(20)의 제작 방법은, 도 2와 같이, 유연성을 가지는 폴리머소재의 필름인 폴리머기판(21) 상에 나노층의 버퍼층(buffer layer)(23), 양의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 감지층(24), 스페이스층(space layer)(25), 음의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 기준층(reference layer)(26) 및 캡핑층(capping layer)(27)을 적층하여 스핀밸브층(22)을 형성하는 단계(S10) 및 상기 스핀밸브층(22)이 형성된 폴리머기판(21)을 자화용이축의 양측에서 반복 적인 굽힘을 인가하여 역자기왜곡 효과에 의해 상기 감지층(24)의 자화 방향을 상기 기준층(26)의 자화 방향과 수직 방향으로 회전시켜 스핀 밸브 구조를 형성하는 단계(S20);를 포함하여 구성된다.
상술한 스핀 밸브 구조를 형성하는 단계(S20)는 스핀밸브층(22)을 증착된 폴리이미드 기판(21)으로 구성되는 자기 저항 센서(20)를 손이나 굽힘 장치를 이용하여 자화용이축 방향을 따라 아래 방향으로 반복적인 굽힘력을 가한다. 상술한 굽힘력의 인가 후 최종적으로 편 상태에서는 자기 저항 센서(20)에 압축 잔류 응력이 누적되고, 결과적으로 도 2의 (c)와 같이, 감지층(24)과 기준층(26)에 직교 형태의 자화 방향 및 선형성을 갖는 향상된 자기저항 비가 부여된다.
초기의 편평한 상태에서, 감지층(24)과 기준층(26)의 자화 구성은 증착 과정에서 인가된 외부 자기장에 의해 생성된 각각의 자화용이축을 따라 평행하다. 아래 방향 굽힘 응력이 자화용이축을 따라 적용된 후에는, 감지층의 자기 이방성이 감소하여 편평한 상태 이후에는 외부 인가 자기장에 의해 상대적으로 자유롭게 회전하지만, 기준층의 이방성은 증가한다. 굽힘 장치에 의한 반복적인 굽힘 응력은 이러한 효과를 축적하고, 결과로서, 감지층과 기준층의 자기 구성이 200 회의 굽힘 후에 안정화 된다(도 6 참조).
상술한 구성 중 상기 스핀 밸브 구조를 형성하는 단계(S20)에서, 상기 스핀밸브층(22)의 자화용이축 방향에 평행인 굽힘 방향으로 상기 굽힘 횟수에 따라 개수가 증가되며, 종방향으로 전류를 인가하는 경우 자기저항 비(MR ratio)와 감도(sensitivity)를 증가시키는 균열(c)들이 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 자기 저항 센서(20)의 굽힘 횟수에 따른 스핀밸브의 외부 자기장에 대한 자기저항 비를 나타내는 그래프이다.
도 3에서는 굽힘 주기를 각각 5, 25, 50 및 100회를 수행하여 압축 잔류 응력을 누적시킨 후 측정한 자기 저항 비의 변화를 보여준다.
반복적인 굽힘에 의한 역자기왜곡 효과로 인해 기준층(26)의 자기 이방성이 강해지면서 자기 저항 비가 향상하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 반복적인 구부림 횟수의 증가에 따라 선형성을 나타내는 자기장 구간이 점점 증가하였으며, 이는 유효 자기 이방성 자기장(effective anisotropy field, Hk)의 지표로 나타낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 자기 저항 센서의 굽힘 횟수에 따른 감도를 나타내는 그래프이다.
도4는 반복적인 구부림 횟수가 증가함에 따라 스핀 밸브 센서의 감도(sensitivity)와 유효 자기 이방성 자기장(Hk)이 동반하여 증가하는 양상을 보여준다.
여기서 감도는 다음과 같은 식으로 표현된다.
감도(%/Oe) = 자기 저항 비(MR ratio)/2Hk
따라서 유효 자기 이방성의 크기가 증가하면 감도는 감소할 수 있지만, 본 발명의 실시예의 자기 저항 센서(20)의 경우 자기저항 비의 증가율이 매우 크기 때문에 감도가 증가한다. 또한 유효 자기 이방성 자기장(Hk)의 크기는 센서가 작동할 수 있는 작동 자기장 범위가 된다. 따라서 기존의 실리콘 웨이퍼 기반 스핀 밸브 센서의 감도 및 작동 자기장 범위가 고정적인 것에 비해 반복적인 구부림 과정을 이용하면 손쉽게 바꿀 수 있는 가변성을 보여준다. 즉, 간단한 방법을 통해 사용자가 원하는 작동 자기장 범위를 정할 수 있는 ‘맞춤형 센서’를 제작할 수 있으며, 이 과정에서 센서의 감도 손실이 발생하지 않는 큰 이점이 있다.
[실험예]
본 발명의 실험을 위해 폴리이미드(PI, polyimide substrate) 상에 Ta/NiFe/CoFe/Cu/Ni/IrMn/Ta가 적층된 적층체를, 어닐링 후처리(post annealing) 를 수행함이 없이, 제어된 구부림에 의해 응력을 적용하는 것에 의해 자기 저항 비(magneto resistance(MR) ratio, MR 비)가 개선된 스핀밸브 구조를 가지는 자기 저항 센서를 제작하였다. 여기서 NiFe층과 Ni층은 각각 감지층과 기준층이다.
프로토 타입 자기 센서를 제작하고, 바이오센서에서 사용되는 자기 마이크로 비드로부터 생성된 누설 자장(stray field)을 검출하는 능력을 검증하기 위한 테스트를 수행하였다.
<나노구조 증착>
도 5의 (a) 및 (b)는 초기 평판 상태(S1)와 굽힘 상태(S2) 및 굽힘 후 상태(S3)의 4 nm 두께를 가지는 감지층(NiFe 층)과 기준층(Ni 층)의 히스테리시스 루프의 그래프이고, (b)의 내부 도면은 굽힘 상태에서의 기준층(Ni 층)에 대한 전체 자화(full magnetization) 커브를 나타내며, 도 5의 (c)는 3.9 mm의 작은 곡률 반경을 가지는 아래 방향 굽힘 상태에서의 폴리이미드(PI) 기판 위의 자성 층을 나타내는 도면이고, 화살표는 폴리이미드(PI) 기판의 하단에 표시된 화살표는 자화용이축을 나타낸다.
스핀밸브 구조는 약 8 x 10-9 Torr의 기본 압력을 가지는 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 125 ㎛ 두께의 폴리이미드(PI) 기판 상에 증착된다. 자화용이축을 설정하기 위해 증착 시 약 200 Oe의 자기장을 인가하였다. 스핀밸브의 구조는 적층된 Ta/Ni79Fe21/Co70Fe30/Cu/Ni/Ir20Mn80/Ta의 구조를 가지며, 여기서, Ni79Fe21/Co70Fe30 층과 Ni/Ir20Mn80 층이 각각 감지층과 기준층으로 사용된다.
3 mTorr 압력 하에서 Ta 0.182Å/s, Ni79Fe21 0.221Å/s, Co70Fe30 0.175 Å/s, Cu 0.298 Å/, Ni 0.215 Å/s 그리고 Ir20Mn80 0.074 Å/s의 증착률로 증착하였다. 여기서 Co70Fe30는 양의 자기왜곡 계수를 가지며, Ni는 음의 자기왜곡 계수를 갖는다. Ni79Fe21은 일반적인 퍼멀로이(Ni80Fe20)에 비해 철의 중량 %가 높아서, 도 5의 (a)와 같이 안정한 양의 자기 변형과 낮은 Hc의 특성을 나타낸다.
<분석>
- 자기 싱글 레이어의 응력 적용의 영향
도 5의 (a)와 (b)는 도 5의 (c)에 나타난 것처럼 자성층의 굽힘에 의해 적용된 인장 응력에 대해 유연 폴리이미드(PI)기판 상에 증착된 감지층(NiFe 층) 및 기준 층(Ni 층) 각각에 대한 자기 특성의 변화를 나타낸다. 각 층은 4nm의 두께로 증착된 후 1nm 두께의 Ta층으로 덮였다. 아래 방향 굽힘 상태에서, 인장 응력(tensile stress)이 자화용이축을 따라 적용되었다. 12 x 12 mm2의 폴리이미드 필름에 대해서 중심에서의 곡률 반경은 3.9 mm 이다. 자성층 상의 응력은 하기의 Stoney 방정식에 의해 계산될 수 있다.
Stoney 방정식:
Figure 112019011374044-pat00001
R: 곡률 반경, Es: 기판의 영률, ds: 기판의 두께, us: 기판에 대한 포아송 비, df: 박막의 두께
상술한 Stoney 방정식에 따르면, 영률이 2.5 GPa, 포아송 비 0.34 그리고 폴리이미드 기판의 두께가 125 ㎛인 경우 632 GPa의 응력이 계산되었다.
NiFe의 자기 히스테리시스는 2 Oe의 보자력(Hc)과 굽어지기 전 잔류자화와 포화자화로 정의되는 약 0.53의 방형비(squareness ratio)를 나타냈다. 보자력(Hc)과 방형비의 값은 인장 응력이 자화용이축을 따라 적용되는 굽힘 상태에서 약 10 Oe 및 약 0.97 까지 증가하였다. 다른 한편으로, Ni의 경우에는 굽힘 상태에 따라 보자력과 방형비가 매우 다르게 나타났다. 히스테리시스 특성이 사라짐에 따라, 자화 곡선은 낮은 자기장 영역에서는 거의 선형이었고, 유효 이방성 자기장(effective anisotropy field)은 약 2.7 kOe까지 급격히 증가하였다.
자기 히스테리시스의 변화는 고유 자기왜곡 효과로서 이해될 수 있다. Ni 79 wt%와 Fe 21 wt%로 구성된 NiFe에 대한 자기왜곡 상수(λs)는 6.5 x 10-6 이고, 반면에 Ni에 대한 자기왜곡 상수(λs)는 -2.4 x 10-5 이다. 양의 자기왜곡 상수를 가지는 NiFe의 경우 인장 응력이 자화를 증가시켜, 응력 및 자화용이축을 따르는 자기 이방성을 강화시킨다. 이에 따라, NiFe에 대한 보자력(Hc)과 방형비가 도 5의 (a)와 같이 굽힘 상태에서 모두 증가한다. 음의 자기왜곡 상수(λs)를 가지는 Ni의 경우, 자기 이방성이 인장 응력에 따라 감소하고, 자화용이축의 수직방향을 따라 증가하여, 도 5의 (b)와 같이, 히스테리시스 손실과 보자력(Hc)의 증가를 가져온다. 자기 이방성 에너지는 E=Kusin2θ로 정의되며, 여기서, Ku는 일축 이방성 상수이고, θ는 자화용이축과(또는 응력 축)과 필름층 안의 자화 사이의 각도이다. 유효 일축이방성 상수(Ku)는 결정 이방성에 대해서는 K1, 형상(shape) 이방성에 대해서는 -1/2μ0MS 2이고, 응력 이방성(stress anisotrophy)은 2/3λsσ이며, 여기서, μ0, MS 및 σ는 투자율(permeability), 포화 자화(saturation magnetization) 및 외부 응력(external stress)을 나타낸다. NiFe의 결정 이방성 상수는 -2.2 x 103 erg/cm3의 유효 자기 이방성 에너지(K1)를 가지는 -2.2 x 103 dyn/cm2이고, 응력 이방성 상수는 +6.2 x 107 dyn/cm2 이다. 반면 Ni에 대한 결정 이방성 상수는 -4.5 x 104 erg/cm3의 유효 자기 이방성 에너지(K1)를 가지는 -4.5 x 104 dyn/cm2이고, 응력 이방성 상수는 -2.4 x 108 dyn/cm2이다. 따라서 응력 이방성에 대한 유효한 일축 이방성 상수(Ku)는 NiFe와 Ni 모두의 결정 이방성 유효 자기 이방성 에너지(K1)보다 훨씬 더 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 자화 특성이 고유 결정 이방성보다 대부분 응력 효과에 의해 결정된다는 것을 의미하며, 이는 상술한 히스테리시스 변화에 대한 해석과 일치한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 응력이 가해진 후에는 그들의 초기 상태로 복귀되지 않는 자화상태가 NiFe 및 Ni 모두에서 나타났다. 응력이 해제된 후 편평한 상태에서의 NiFe 층에 대한 히스테리시스 곡선은 응력 방향으로의 자기 이방성이 약해지는 것을 나타낸다. 한편, Ni 층의 히스테리시스 곡선은, 이방성이 강화되는 것을 나타낸다. 이러한 특성은 역자기왜곡 효과로서 이해될 수 있다. 인장 응력을 제거하는 도중에 압축 응력이 가해지거나, 응력이 제거된 후 잔류 압축 응력이 가해진다. 최종 자화 상태는 더 이상의 변화 없이 지속된다. 이는 굽힘 상태 및 굽힘 상태 해제 후에 유도된 인장 응력과 압축 응력이 모두 자화에 영향을 미치지만, 압축 응력이 인장 응력에 비해 최종 자화 상태를 결정하는 데 중요하다는 것을 나타낸다.
- 반복적인 굽힘에 의한 폴리이미드 기판 상의 스핀밸브의 자기 구성의 변화
도 6의 (a)는 초기의 편평한 상태, 굽힘 상태 및 굽힘 후의 편평한 상태를 가지는 굽힘 장치 내의 유연 스핀밸브 필름의 사진이고, (b)는 스핀밸브의 초기 상태 표면 사진(b-1), 5, 25, 50, 100 및 200 번의 굽힘 후의 각각의 스핀밸브의 표면 사진(b-2에서 b-6)을 나타내며, 화살표들은 각 굽힘 단계들 별로 형성된 균열(c)들의 위치를 나타내고, (c)는 초기 편평한 상태와 가변되는 굽힘 주기 후의 편평한 상태의 유연성 스핀밸브에 대한 자화 곡선을 나타내며, (d) 및 (e)는 (c)의 초기 편평한 상태 및 200 번의 굽힘 수행 후의 편평한 상태 각각의 0 Oe 및 - 250 Oe 위치의 확대도이다.
굽힘 유도 응력을 스핀밸브 구조에 인가하였으며, 스핀밸브 구조는 폴리이미드(PI) 기판/Ta3/NiFe4/CoFe1/Cu2.8/Ni4/IrMn15/Ta1(nm)로 구성된다. 강자성 NiFe는 감지층이고, Ni는 반강자성 IrMn에 의한 기준층이다. 얇은 CoFe 보조 층은 NiFe에 대한 작은 보자력(Hc) 및 스페이서 층(Cu) 사이의 계면에서의 스핀 수송 증가에 의해 자기 저항 비(MR ratio)가 향상된다. 바닥의 Ta 층은 버퍼 층으로 사용되어, 기판에 대한 부착력과 자성 층의 결정성을 향상시키고, 상부의 Ta 층은 캡핑 층으로 사용된다. 도 6의 (a)와 같이, 외부 응력이 가능한 가장 균일한 응력을 인가하는 굽힘 장치를 사용하여 자화용이축을 따라 반복적으로 스핀밸브 구조에 인가되었다. 도 6의 (a)는 초기 편평한 상태, 굽은 상태 및 굽힘이 해제된 후의 편평한 상태 각각에 대한 사진이다. 굽힘 상태에서, 필름은 3.9 mm의 최소 곡률 반경을 나타냈으며, 이는 도 5의 (c)와 같다. 도 6의 (b)는 5, 25, 50, 100 및 200 회의 굽힘 후의 각각의 스핀밸브의 평면 광학 이미지를 나타낸다. 모든 이미지는 굽힘에 의해 최대 응력이 인가된 후 편평한 필름 표면의 중앙에서 촬영되었다. 단지 5 번의 굽힘 후에도 많은 균열(c)이 표면에 나타났다. 형성된 균열(c)들은 거의 직선이고, 굽힘 방향의 수직 방향으로 약 2 ~ 10 ㎛의 거리로 형성되었다. 균열의 수는 굽힘 주기 수에 따라 점차적으로 증가하였다.
도 6의 (c)는 5, 25, 50, 100 및 200회의 반복적인 굽힘을 가진 후, 편평한 상태에서 적용된 외부 자기장에 의한 자화 곡선을 나타낸다. NiFe 감지층에 대한 자화 반전은 외부 자기장이 0인 영역에서 발생한 반면, Ni 기준층의 자화는 IrMn의 커플링 변화에 의해 - 400 Oe = Hc = - 120 Oe 영역에서 반전되었다. 비록 기준층과 감지층의 두께가 동일할지라도, 감지층(NiFe)은 기준층(Ni)에 비해 더욱 큰 자기 모멘트를 가지며, 이에 의해 0 자기장 근처의 기준층의 자기 반전이 음의 자화영역에서 완료된다.
비교를 위해 200 번의 반복적인 굽힘 후에 얻어진 NiFe와 Ni 층에 대한 히스테리시스 루프가 도 6의 (d)와 (e) 각각에 도시된다. NiFe 층에 대한 히스테리시스 루프는 낮은 자기장 영역에서 증가된 유효 이방성 자기장(Hk)으로 인해 기울어지도록 변경된다. Ni 층의 경우에는 히스테리시스가 증가하였고, 이는 유효 이방성 자기장(Hk)과 방형비의 증가의 따른 것이다. 이러한 특징은 200 회까지의 굽힘 주기를 적용한 경우 더욱 명확해 진다. 이러한 히스테리시스 루프의 변화는, 필름 내의 잔류 압축 잔류 응력에 기인하는 NiFe의 양의 자기왜곡 효과와 Ni의 음의 자기왜곡 효과에 의한 결과인 도 5의 결과와 일치한다. 이러한 발견은 각각 굽힘 응력을 가함으로써 동시에 스핀밸브의 기준층과 감지층의 이방성을 향상시키고 약화시킬 수 있으며, 반복 굽힘을 통해 응력 효과를 축적할 수 있음을 나타낸다.
도 7은 전류가 도 6의 (b)에 도시된 균열(c)에 대한 종방향(도 7의 (a), (b) 및 (c))과 횡방향(도 7의 (d), (e) 및 (f))으로 인가되는 때의 굽힘 주기 수에 따른 자기 저항 비(MR ratio)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 각각 5, 25, 50 및 100 번의 반복적인 굽힘 후의 균열(c)을 따르는 전류 흐름에 대한 각각의 전체(full) 및 마이너(minor) 자기 저항 비(MR ratio) 루프이다.
도 7의 (a)와 (b)의 삽입도는 각각의 굽힘 주기에 대한 기준층의 2Hc의 변화와 감지층의 2Hk의 변화를 나타내며, (c)는 각각의 굽힘 주기의 증가 수에 따른 자기저항 비의 변화, 최소 저항(Rmin) 및 감도를 나타내고, (d) 및 (e)는 5, 25, 50, 100 및 200 번의 반복적의 굽힘 후의 균열(c)을 가로지르는 전류를 인가한 경우의 전체 자기 저항 비(full MR ratio) 루프 및 마이너 자기 저항비(minor MR ratio) 루프를 나타낸다. 도 7의 (d) 및 (e)의 삽입도는 각각 굽힘 주기들에 의존하여 기준층과 감지층 각각에 대해 2Hc 및 2Hk의 변화를 보여준다. 도 7의 (f)는 각각의 굽힘 주기의 대한 자기저항 비, 최소 저항(Rmin) 및 감도의 변화를 나타낸다.
자기 저항(MR) 비는 10mA 전류를 가지는 표준 4핀 프로브 시스템을 이용하여 측정되었다. 외부 자기장은 자화용이축을 따라 -600 Oe에서 600 Oe까지, 20 Oe씩 가변시키며 전체 루프(full loop)에 인가하였고, 마이너 루프(minor loops)들에 대해서는 -150 Oe부터 150 Oe까지, 5 Oe 씩 가변시키며 인가하였다. 도 7의 (a)와 (b)는 균열(c)을 따라 흐르는 전류에 대해 0, 5, 25, 50 및 100회의 굽힘을 수행한 후의 편평한 상태에서 측정된 각각의 자기저항(MR) 비 에 대한 전체 루프(full loop)와 마이너 루프들(minor loops)을 나타낸다. 자기 저항(MR) 비는 ΔR/Rmin으로 표현되며, 여기서, ΔR은 평행 또는 평행하지 않은 상태의 두 강자성 층 사이의 자기 저항 차이고, Rmin은 최소 저항이다. 굽힘 주기에 따른 자기 저항 루프들의 형상과 변화는 도 6의 (c)의 자화 곡선과 일치한다. 도 7의 (a)에 삽입된 그래프는 초기 편평한 상태의 104 Oe로부터 100 회의 굽힘 후의 편평한 상태의 221 Oe까지 증가한 기준층에 대한 2Hc를 나타낸다. 도 7의 (b)에 삽입된 그래프는 감지층의 히스테리시스 루프가 초기의 편평한 상태의 27 Oe부터 100 번의 반복적인 굽힘 후의 편평한 상태의 50 Oe까지 증가하는 2Hk를 가지고 완만하게 기울어져 있음을 보여준다. 저 자기장 영역 내의 전달 곡선에 대한 히스테리시스 루프 내에서의 이러한 변화는 감지층에서의 자기 이방성 감소를 나타낸다. 게다가, 감지층에 대한 MR의 이러한 거동 변화는 스핀밸브를 자기장 센서로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 2Hk 값들이 반복적인 굽힘에 따라 증가될 수 있으며, 이는 자기 저항 센서의 작동 범위가 다양하게 변할 수 있음을 의미한다.
도 7의 (c)는 굽힘 주기에 따라 도 7의 (a)와 (b)로부터 추출된 감도, 자기 저항(MR) 비 및 최소 저항(Rmin)을 나타낸다. 자기 저항(MR) 비는 감지층의 자기 이방성의 감소에도 불구하고 초기 편평한 상태의 2.3 %에서 100 번의 굽힘 주기 후의 편평한 상태의 7.0 %까지 증가하였으며, 이는 기준층의 자기 이방성의 강화에 기인한다. 최소 저항(Rmin)은 100 번의 굽힘주기 동안 편평한 상태에서 3.3Ω에서 0.05Ω까지 감소하였고, 낮은 저항 값은 사용된 장비의 분해능 한계를 충족시키며, 도 7의 (a)와 (b)와 같이, 이는 전체 및 마이너 자기 저항 루프들 내에서 11 %의 신호 에러를 발생시켰다. 반복적인 굽힘에 따른 저항의 감소는 자기 특성의 변화와 무관한 것으로 보인다. 자기 층이 없는 유사한 다중 층에 대한 최소 저항(Rmin)은 도 7의 (c) 층과 동일한 경향을 보였다. 스위칭 자기장 간격(2Hk)으로 자기 저항 비를 나눈 값으로 정의되는 감도는, 2Hk의 증가에 불구하고 자기 저항(MR) 비가 급격히 증가하기 때문에, 5회의 굽힘 후의 편평한 상태에서의 0.103 %/Oe에서 100번 굽힘 후의 편평한 상태에서의 0.138 %/Oe까지 증가한다.
도 7의 (d) 및 (e)는 균열에 대한 횡 방향 전류를 흘리면서 0, 5, 25, 50 및 100 번의 굽힘 후의 편평한 상태에서의 각각 자기 저항 비의 전체 루프와 마이너 루프들을 나타낸다. 도 7의 (d) 및 (e)에 각각 삽입된 그래프와 같이, 기준층에 대한 2Hc 값은 102 Oe에서 237 Oe로 증가하였고, 감지층에 대한 2Hk 값 또한 26 Oe에서 52 Oe까지 증가하였다. 굽힘 주기에 따른 2Hc와 2Hk의 변화는 균열에 대해 종방향 또는 횡 방향 전류를 인가한 것에 무관하게 매우 유사하였다. 그러나 균열에 횡 방향으로 전류를 인가하는 경우의 자기 저항(MR) 비와 감도는 균열을 따라 전류를 인가하는 경우에 비해 매우 작았다. 도 7의 (f)는 굽힘 주기에 따라 도 7의 (d)와 (e)로부터 추출된 스핀밸브 센서에 대한 감도, 자기 저항(MR) 비 및 최소 저항(Rmin)을 나타낸다. 초기 편평한 상태에서 2.3 %였던 자기 저항(MR) 비는, 50 번의 굽힘 후의 편평한 상태에서 0.6 %에 도달했고, 200 번의 굽힘 후의 편평한 상태에서는 1.4 %까지 증가하였다. 감도는 5 번의 굽힘 후 편평한 상태에서 0.068 %/Oe, 50 번의 굽힘 후 편평한 상태에서 0.014 %/Oe의 최소값을 보인 후 200 번의 굽힘 후 편평한 상태에서의 0.027 %/Oe로 바뀌면서 자기 저항(MR) 비와 유사한 굽힘 주기 의존성을 나타냈다. 도 7의 (c)에서 보여지는 결과와 비교하면, 균열 횡 방향으로 전류를 인가한 경우의 자기저항 비와 감도 값은 균열을 따라 전류를 인가한 경우에 비해 매주 작았다. 한편, 최소 저항(Rmin) 값은 5 번 굽힘 후의 편평한 상태의 3.3Ω으로부터 50 번 굽힘 후의 편평한 상태에서의 48.8Ω까지 천천히 증가하였고, 200번 굽힘 후의 편평한 상태에서는 1967.4Ω로 급격히 증가하였다. 그러므로 균열에 대해 횡 방향으로 전류를 인가하는 경우 자기 저항 비와 감도의 감소는 전하 이동의 성질과 밀접하게 관련된 것을 확인하였다. 도 7의 (f)에 포함되는 3가지 값의 굽힘 수 의존성은 재현성이 있는 것으로 확인되었다.
- 프로토 타입 스핀밸브 센서에서의 자기 비드 검출 성능의 변화
도 8의 (a)는 폴리이미드(PI) 기판 상의 스핀밸브 센서 셀 어레이의 광학 이미지이고, 오른 쪽의 확대도는 스핀밸브 센서 셀 어레이의 중앙 부분을 나타내며, 큰 사각형(S4)과 작은 사각형(S5)은 각각 접촉 패드와 셀을 나타내고, (b)는 기준 셀과 어레이의 중심 상의 자기 마이크로 비드들의 위치를 위한 윈도우를 가지는 감지 셀의 광학 이미지이고, 오른쪽의 사진은 50회의 굽힘 후의 균열을 가지는 감지 셀의 확대도이며, (c)는 감지 셀의 표면상의 2.8 ㎛ 크기의 자기 마이크로비드들의 SEM 이미지이고, 화살표는 외부 스위칭 및 변조 자기장의 방향을 나타내며, (d)는 굽힘 전의 기준 셀의 마이너(minor) 자기 저항 비 루프(S6) 및 감지 셀의 최소(minor) 자기 저항 비 루프(S7)와, 50 번의 굽힘 후의 기준 셀의 최소(minor) 자기 저항 비 루프(S8) 및 감지 셀의 최소(minor) 자기 저항 비 루프(S9)를 나타내고, (e)는 x축을 따르는 스위핑 자기장이 존재하지 않을 때 기준 셀과 감지 셀들의 전압 변화를 나타내며, 회색 및 백색 배경 내의 기호들은 굽힘 이전의 초기 상태와 50 번 굽힘 후의 편평한 상태에서의 데이터를 각각 나타내며, (f)는 자기 마이크로 비드가 존재하기 전(S10) 및 후(S11)의 셀을 감지하기 위한 정규화된 자기 저항 비를 나타내고, 확대부분은 측정된 루프들의 내의 이동을 나타낸다.
스핀밸브 센서의 검출 성능을 확인하고, 낮은 저항에 의해 측정범위를 벗어나지 않도록 충분한 자기 저항을 확보하기 위해, 도 8의 (a)와 같이, 폴리이미드(PI) 기판 상에 스핀밸브 센서 셀 어레이를 제조하였다. 스핀밸브 셀 어레이는 각각이 세 개의 스핀밸브 셀을 포함하는 기준 영역 및 감지 영역으로 분리된다. 각 스핀밸브 셀은 150 x 150 ㎛2의 영역을 가진다. 검출 전압은 전체 세 개의 스핀밸브 셀들의 전압 값의 합이다. 기준 및 감지를 위해 사용되는 어레이 내의 스핀밸브 셀들은 자기 저항 센서의 이상적인 자화 구성의 형성을 위한 유효 응력을 가하기 위해 폴리이미드 기판의 굽힘 중앙부에 위치한다. x축을 따르는 50 번의 굽힘 후에, 도 6의 (b)와 유사하게 무질서하게 위치한 균열들이 y 축을 따라 발견되었다. 도 8의 (b)는 감지 셀 영역 내의 75 x 75 ㎛2 크기의 사각형 형태의 창을 나타낸다. 포토 레지스트는 감지 셀 영역 내의 창을 제외하고 스핀밸블 셀 어레이의 전체 표면을 덮는다. 2.8 ㎛ 직경의 자기 마이크로 비드를 스핀밸브 셀 어레이의 전체 표면에 놓은 다음 포토 레지스트를 제거하여 감지 셀의 창 영역으로 제한하였다. 도 8의 (c)는 3 개의 감지 셀에 대한 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지로, 감지 창 상의 마이크로 비드를 명확하게 보여준다. 3 개의 감지 셀에 남아 있는 마이크로 비드의 수는 감지 셀에 영향을 줄만큼 충분하다고 간주되는 약 340개이다. 마이크로 비드의 불균일한 분포는 이들 사이의 자기-정전기 상호 작용에 기인한다. 감지 셀 영역 내에서의 마이크로 비드의 분포는 감지 신호에 영향을 미치지만, 마이크로 비드의 존재를 탐지하기 위한 중요한 요인이 되지는 않는다.
도 8의 (d)는 초기 편평한 상태에서의 기준 셀 영역과 감지 셀 영역에 대한 자기 저항비와 마이크로 비드를 떨어뜨리기 전의 50회 굽힘 후의 평탄 상태에서의 기준 셀 영역과 감지 셀 영역에 대한 자기 저항비를 나타낸다. 균열에 평행한 y 축을 따라 5 mA의 직류 전류를 인가하였다. 자기 마이크로 비드를 검출하기 위해, x축과 y축을 따라 동시에 자기장을 적용하는 x-y 이중 코일 시스템을 사용하였다. 자기 마이크로비드를 여기시키기 위해 20 Oe의 DC 변조 자기장이 - y축을 따라 인가되었고, 감지 자기장은 5 Oe 간격을 가지고 -150 Oe = H = 150 Oe 범위에서 x축을 따라 스윕되었다. 굽힘 전에, 기준 셀들과 감지 셀들은 각각 1.7 %와 1.72 %의 유사한 자기 저항 비를 보였다. 50 번의 굽힘 후에는 자기 저항 비는 기준 셀들에 대하여 2.14 %까지 증가하였고, 감지 셀들은 2.19 %까지 증가하였으며, 감도는 기준 셀들 및 감지 셀들 모두에서 약 0.044 %/Oe로 나타났다. 도 8의 (e)는 x축을 따르는 스윕 자기장을 인가함이 없이 오직 변조 자기장(modulation field)을 -y 축을 따라 인가한 경우의 기준 셀들과 기준 셀들의 전압 차(ΔV)를 나타낸다. 굽힘 전 기준 셀과 감지 셀의 전압은 유사하며, 전류가 균열을 따라 흐를 때 50 번의 굽힘 후 약 39 mV에서 약 25 mV로 감소하였다. 자기 마이크로 비드가 떨어지면 기준 셀의 경우 거의 0의 ΔV가 관찰되며, 이는 기준 셀의 자기 비드가 리프트 오프 공정으로 완전히 제거되었음을 나타낸다. 그러나 감지 셀의 경우 ΔV는 0의 외부 자기장에서 35.4 mV이며, 비드의 누설 자장이 자유의 자화 반전에 영향을 미치기 때문에 이는 셀 감지 창 영역에 자기 비드가 존재함을 나타낸다. 도 8의 (f)는 마이크로 비드를 떨어뜨리기 전과 후에 -75 Oe = H = 75 Oe의 자기장 범위에서 감지 셀에 대한 정규화된 자기 저항(MR) 루프를 보여준다. 자기 비드가 감지 셀에 놓이면 전송 곡선의 기울기가 약간 감소하여 곡선이 음의 자기영역에서 하향 이동하고 양의 자기장 영역에서 상향 이동하여 결과적으로 Hk가 증가한다. 이러한 변화는 또한 자기 비드에 의해 생성된 누설 자장에 기인한다. 따라서 ΔV의 검출과 전달 곡선의 뚜렷한 변화는 폴리이미드(PI) 기판의 스핀밸브 구조가 반복적인 굽힘으로 조작되어 자성 입자를 검출하는 자기 센서로 사용될 수 있음을 의미한다.
실리콘 기판상의 Ni 및 퍼멀로이 구조의 종래의 스핀밸브는 인접한 반 강자성제 층이 고정된 강자성체와의 교환 바이어스가 사용되더라도 2 ~ 3 %의 상대적으로 낮은 자기 저항(MR) 비를 나타낸다.
이에 반해 본 발명의 실시예의 자기 저항 센서(20)의 스핀밸브는 역자기왜곡 효과에 의한 개선된 자기 이방성을 유도하는 굽힘 응력을 적용하여 7 %의 상당히 높은 자기 저항(MR) 비를 나타낸다. 또한, 굽힘 응력은 Ni와 퍼멀로이(permalloy)에 대한 자기왜곡 계수(magnetostriction coefficient)가 각각 음수와 양수이기 때문에 자기장에 대한 선형 의존성을 유도한다. 높은 자기 저항(MR) 비와 선형 거동의 조합으로, 높은 감도와 조절 가능한 감지 범위를 가진 스핀밸브 자기 저항 센서가 개시된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1, 20: 자기 저항 센서
2. 21: 기판
22: 스핀 밸브 층
3, 23: 버퍼층
4, 24: 감지층
5, 25: 스페이스층
6, 26: 기준층
7, 27: 캡핑층
8, 28: 자화용이축

Claims (12)

  1. 유연성을 가지는 폴리머소재의 필름인 폴리머기판(21);
    양의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 감지층(sensing layer)(24)과 음의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 기준층(reference layer)(26)을 포함하여 상기 폴리머기판(21)의 상부에 나노 층으로 적층 형성된 후 자화용이축 방향을 따라 가해지는 반복적인 구부림 응력에 의해 상기 감지층(24)의 자화 방향이 상기 기준층(26)의 자화 방향과 직교하는 자화방향을 가지는 스핀밸브층(22); 및
    상기 자화용이축 방향을 따라 상기 스핀밸브층(22)에 가해지는 반복적인 구부림 응력에 의해 상기 자화방향에 수직 방향으로 상기 스핀밸브층(22)에 형성되는 균열(c)들;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  2. 제 1항에 있어서,상기 균열(c)들은,
    상기 스핀밸브층(22)의 자화용이축 방향에 평행인 굽힘 방향으로 상기 굽힘 횟수에 따라 개수가 증가되며, 종방향으로 전류를 인가하는 경우 자기저항 비(MR ratio)와 감도(sensitivity)를 증가시키는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스핀밸브층(22)은,
    상기 폴리머기판(21)의 상부에 적층된 버퍼층(buffer layer)(23);
    상기 버퍼층(23)의 상부에 적층된 상기 감지층(24);
    상기 감지층(24)의 상부에 적층된 전이금속층으로서의 스페이스층(space layer)(25);
    상기 스페이스층(25)의 상부에 강자성층과 반강자성층이 적층되어 형성되는 상기 기준층(reference layer)(26); 및
    상기 기준층(26)의 상부에 적층된 캡핑층(capping layer)(27);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 폴리머기판(21)은,
    폴리이미드(Polyimide, PI) 필름인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 버퍼층(23) 및 상기 캡핑층(27)은 Ta계 금속층인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 감지층(24)은,
    NiFe/CoFe계 금속층인 강자성 층인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  7. 제3항에 있어서, 상기 스페이스층(25)은,
    Cu계 금속층인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 기준층(26)은,
    Ni계 강자성층과 IrMn계 반강자성층이 적층 형성된 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  9. 제3항에 있어서, 상기 스핀밸브층(22)은,
    상기 폴리머기판(21)의 상부에 순차적으로 적층되는 Ta/NiFe/CoFe/Cu/Ni/IrMn/Ta 적층 구조를 가지며,
    상기 Ta는 상기 버퍼층(23)이고,
    상기 NiFe/CoFe는 상기 강자성 층인 상기 감지층(24)이며,
    상기 Cu는 상기 스페이스층(25)이고,
    상기 Ni/IrMn는 강자성층과 반강자성 층이 적층된 상기 기준층(26)이며,
    상기 Ta은 상기 캡핑층(27)인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  10. 유연성을 가지는 폴리머소재의 필름인 폴리머기판(21) 상에 나노층의 버퍼층(buffer layer)(23), 양의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 감지층(24), 스페이스층(space layer)(25), 음의 자기왜곡 계수를 가지는 강자성 층인 기준층(reference layer)(26) 및 캡핑층(capping layer)(27)을 적층하여 스핀밸브층(22)을 형성하는 단계(S10); 및
    상기 스핀밸브층(22)이 형성된 상기 폴리머기판(21)에 상기 스핀밸브층(22)의 자화용이축 방향을 따라 반복적인 구부림 응력을 가하여 상기 감지층(24)의 자화 방향이 상기 기준층(26)의 자화 방향과 직교하는 자화방향을 가지도록 회전시켜 스핀 밸브 구조를 형성하는 단계(S20);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서 제작 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 스핀밸브층(22)을 형성하는 단계에서 형성되는 스핀밸브층(22)은,
    상기 폴리머기판(21)의 상부에 순차적으로 적층되는 Ta/NiFe/CoFe/Cu/Ni/IrMn/Ta 적층 구조를 가지며,
    상기 Ta는 상기 버퍼층(23)이고,
    상기 NiFe/CoFe는 상기 강자성 층인 감지층(24)이며,
    상기 Cu는 상기 스페이스층(25)이고,
    상기 Ni/IrMn는 강자성층과 반강자성 층이 적층된 상기 기준층(26)이며,
    상기 Ta은 상기 캡핑층(27)인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서 제작 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 스핀 밸브 구조를 형성하는 단계(S20)에서,
    상기 스핀밸브층(22)의 자화용이축 방향에 평행인 굽힘 방향을 따라 가해지는 반복적인 구부림 응력의 횟수에 따라 개수가 증가되며, 종방향으로 전류를 인가하는 경우 자기저항 비(MR ratio)와 감도(sensitivity)를 증가시키는 균열(c)들이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서 제작 방법.
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