KR20010078653A - The in-situ magnetization apparatus of a magnetic-material thin film manufactured by physical vapor deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 물리증착법으로 제조되는 자성박막의 자화장치에 관한 것으로, 열 또는 전자빔증착, 스퍼터증착, 펄스 레이저 증착 등의 물리증착법을 이용하여 기판위에 자성물질을 증착시켜 자성박막으로 제조할 때 영구자석으로 자기장을 인가하고 그 자기장의 세기 및 방향을 제어함으로써, 다층박막의 각층에 요구되는 자화특성을 충족시켜 줄 뿐만 아니라 원하는 방향으로 자기장을 인가시켜 줄 수 있는 물리증착법으로 제조되는 자성박막의 자화장치에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetization apparatus of a magnetic thin film manufactured by physical vapor deposition, which is a permanent magnet when a magnetic material is deposited on a substrate by physical vapor deposition such as thermal or electron beam deposition, sputter deposition, pulse laser deposition, or the like to produce a magnetic thin film. By applying a magnetic field and controlling the strength and direction of the magnetic field, the magnetic thin film magnetization device manufactured by the physical vapor deposition method that not only satisfies the magnetization characteristics required for each layer of the multilayer thin film but also applies the magnetic field in a desired direction. It is about.
최근들어 전자공학의 눈부신 발전으로 인하여 생활의 편리함은 하루가 다르게 진일보하고 있다. 물론 이는 전자공학의 핵심인 전자소자의 개발에 원인이 있는 것으로 상기 전자소자에는 필수적으로 박막 기술이 들어가게 되고, 이러한 모든 기술의 근원이 되는 박막 기술은 상상을 초월할 정도로 발전을 하여 왔다.Recently, due to the remarkable development of electronics, the convenience of life has advanced one day differently. Of course, this is due to the development of electronic devices, which are the core of electronic engineering, and the thin film technology is essential to the electronic device, and the thin film technology, which is the source of all these technologies, has developed beyond imagination.
그러나, 몇 십년 동안 대부분의 전자소자는 반도체 분야에 한정되어 왔고, 이러한 반도체 분야는 그 한계에 부딪쳐 인간의 끝없는 욕구를 충족시켜 주기에는 부족한 점이 많이 지적되었다.However, for many decades, most electronic devices have been limited to the semiconductor field, and it has been pointed out that the semiconductor field is insufficient to meet the endless desires of human beings due to its limitations.
이러한 배경 하에서 수많은 과학자들은 신물질 또는 신소자 개발에 새로운 관심을 가지게 되었고, 그 중 하나가 자성재료의 박막화에 의한 전자소자의 응용이라 말할 수 있겠다.Under this background, many scientists have become interested in the development of new materials or new devices, and one of them can be said to be the application of electronic devices by thinning magnetic materials.
예를 들어, 자성박막을 이용하는 것을 보면 녹음테이프 또는 비디오테이프,신용카드를 포함한 각종 카드 등의 자기테이프 등은 음성이나 화상기록장치, 컴퓨터 기억장치, 컴퓨터 디스크 등에 통상 사용되고 있으며, 이러한 것들은 현재 우리 생활 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있을 만큼 보편화되어 있다.For example, using magnetic thin films, magnetic tapes such as recording tapes, video tapes, and credit cards, etc., are commonly used in voice, image recording devices, computer storage devices, computer disks, and the like. It is so common that it can be easily found around.
한편, 모든 물질은 원자들의 조합으로 이루어져 있고, 이들 원자 각각은 핵과 그 주위를 돌고 있는 전자들로 구성되어 있다. 통상 원자 내에는 1.6 × 10-19C개의 전하를 가진 전자가 약 10-6초에 한번씩 원자 주위를 회전하기 때문에 전자의 전하량을 이 시간 간격으로 나누면 공전하의 전자는 1.6 × 10-3A의 전류를 만든다는 것이 확인되어 있다. 이 때의 전류로 인해서 전자 원형 경로의 중심점에는 약 20 T 정도의 큰 자기장을 만들게 된다. 따라서, 이러한 원자들이 물질 내에서 일정하게 정렬되어 있으면 매우 강한 자기장을 형성할 수 있음을 쉽게 추측할 수 있다. 그러나, 실제적으로 이런 현상은 일어나지 않는다. 왜냐하면 파울리의 배타원리에 의해 원자 내의 전자 운동에 의해 형성된 자기장은 공교롭게도 또다른 동일한 전자가 반대방향으로 원자핵 주위를 공전하기 때문에, 결국 서로 상쇄되어 생성되는 자기장은 영(ZERO)이거나 아니면 매우 작은 값을 가지게 된다. 그러므로, 통상 대부분의 물질들은 자기장이 거의 존재하지 않게 된다.On the other hand, all matter consists of a combination of atoms, each of which consists of a nucleus and electrons circling around it. In the normal atoms 1.6 × 10 -19 since the electron has a charge of C atoms to rotate about once to about 10-6 seconds revolution under the electron divided by the amount of charge of the electron, this time interval is 1.6 × 10 -3 current A It is confirmed that This current creates a large magnetic field of about 20 T at the center of the electron circular path. Thus, it can be easily assumed that these atoms can form a very strong magnetic field if they are constantly aligned in the material. In practice, however, this does not happen. Because of Pauli's exclusion principle, the magnetic field created by the electron motion within an atom unfortunately causes the same electrons to revolve around the nucleus in opposite directions, so that the magnetic fields that eventually cancel each other out are zeros or very small values. Have. Therefore, most materials usually have little magnetic field.
그러나, 철, 코발트, 니켈 등과 같이 강한 자기장을 갖는 자성물질들의 경우 전자들의 운동 즉, 전자스핀들에 의해 형성된 자기장이 완전히 상쇄되지 않기 때문에 물질 전체적으로 형성되는 자기장 값은 크게 나타나게 된다. 이를 '강자성체'(FERROMAGNETIC)이라 부른다. 이들 강자성체 물질들은 이웃하는 원자들간에 강한 결합력이 존재하여 결국 스핀들이 일정한 방향을 형성하게 되어 강한 자기장을 발생시키게 된다.However, in the case of magnetic materials having a strong magnetic field such as iron, cobalt, nickel, etc., the magnetic field values formed throughout the material are large because the movement of the electrons, that is, the magnetic field formed by the electron spins, is not completely canceled. This is called FERROMAGNETIC. These ferromagnetic materials have strong bonding forces between neighboring atoms, which eventually causes the spindle to form a constant direction, creating a strong magnetic field.
그러나, 통상의 자화되지 않은 물질들은 물질 내의 원자들에서 생성된 자기장의 방향이 서로 다른 방향을 가리키게 되어 자기장이 서로 상쇄되든지 아니면 일부의 아주 미약한 자기장을 가지게 된다. 따라서, 이러한 물질들은 외부에서 강제적으로 자기장을 발생시켜 이 자기장에 물질을 노출시켜 자화된 자성물질을 만들고 있다.However, conventional non-magnetized materials have different directions of magnetic fields generated by the atoms in the materials, so that the magnetic fields cancel each other out or have some very weak magnetic fields. Therefore, these materials forcibly generate a magnetic field from the outside, exposing the material to the magnetic field to produce a magnetized magnetic material.
그러므로 외부에서 인가시킨 자기장의 세기 또는 방향을 조절하게 되면 임의로 자기장 방향을 제어하여 자성 물질의 특성을 다양화 할 수 있게 된다.Therefore, by controlling the strength or direction of the magnetic field applied from the outside it is possible to vary the characteristics of the magnetic material by controlling the direction of the magnetic field arbitrarily.
결국 동일한 자성 박막이라 해도 외부에서 인가된 자기장의 세기 및 방향에 따라 전혀 특성이 다른 소자를 제조할 수 있다.After all, even if the same magnetic thin film can be manufactured with a device having a completely different characteristics depending on the strength and direction of the magnetic field applied from the outside.
일반적으로 자성박막은 하나의 층으로 이루어진 것이 아닌 다수의 서로 다른 자화특성을 갖는 층이 증착으로 제조되는 것이 현재 기술의 추세이다.In general, it is a trend of the current technology that a magnetic thin film is not formed of a single layer but is manufactured by depositing a layer having a plurality of different magnetization characteristics.
결국, 이와 같이 서로 다른 자화특성을 갖는 박막의 제조에 있어서는 각층의 자화특성에 적합하게 자기장의 세기 및 방향을 적절하게 제어하여 주는 것이 기술의 핵심이라 할 수 있다.As a result, in the manufacture of thin films having different magnetization characteristics as described above, it is the core of the technology to appropriately control the strength and direction of the magnetic field to suit the magnetization characteristics of each layer.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 물리증착 장치의 공정챔버 내의 하단에 영구자석을 설치하고 상기 영구자석은 회전축과 일체로 연결되는 한편, 시료를 받쳐주는 지지판의 안쪽 내주 면을 따라 나사산이 형성되어 몸체와 결합되게 구성되어 회전축의 회전과 지지판의 상·하 이동에 의해 자성재료에 인가되는 자기장의 방향과 세기를 적절히 조절하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, the permanent magnet is installed at the lower end of the process chamber of the physical vapor deposition apparatus and the permanent magnet is connected integrally with the rotating shaft, while the inner inner circumference of the support plate supporting the sample A screw thread is formed along the surface to be coupled to the body, and its purpose is to appropriately control the direction and intensity of the magnetic field applied to the magnetic material by the rotation of the rotating shaft and the vertical movement of the support plate.
도 1은 본 발명에 따른 물리증착법으로 제조되는 자성박막의 자화장치의 전체 개략도.1 is an overall schematic view of a magnetization apparatus of a magnetic thin film manufactured by a physical vapor deposition method according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 영구자석의 기하학적인 모양을 나타낸 도.Figure 2 is a view showing the geometric shape of the permanent magnet according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 영구자석의 다른 일실시예를 나타낸 도.3 is a view showing another embodiment of a permanent magnet according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 영구자석의 또다른 일실시예를 나타낸 도.4 is a view showing another embodiment of a permanent magnet according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 스퍼터 건 12 : 플라즈마10: sputter gun 12: plasma
14 : 박막 16 : 지지판14 thin film 16 support plate
18 : 영구자석 20 : 회전축18: permanent magnet 20: rotation axis
22 : 몸체 24 : 냉각라인22 body 24 cooling line
26 : 공간부 28 : 요크코일26: space 28: York coil
이하, 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described.
본 발명은 박막의 재료인 자성물질을 발생시켜 주는 발생수단과, 플라즈마 내의 이온들에 의해 자성물질이 증착되어 이루어진 박막과, 상기 박막에 인가되는 자기장의 세기 및 방향을 조절해 주기 위한 조절수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention provides a generating means for generating a magnetic material, which is a material of the thin film, a thin film in which the magnetic material is deposited by ions in the plasma, and an adjusting means for controlling the strength and direction of the magnetic field applied to the thin film. Characterized in that made.
특히, 상기 조절수단은 내부로는 높이가 낮은 사각형상의 공간부가 형성되고 외부의 외주 면을 따라 나사산이 구비되는 몸체와, 상기 몸체의 공간부로 삽입되는 한편 회전이 가능하도록 몸체의 내부 측면과 일정한 거리를 두고 설치되는 영구자석과, 상기 영구자석과 일체로 체결되고 모터의 구동에 의해 회전이 가능하도록 형성된 회전축과, 상부는 박막을 놓을 수 있도록 평탄하고 내부 측면의 내주 면을 따라 상기 몸체와 치합이 가능하도록 나사산이 형성된 지지판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In particular, the adjusting means is formed in a rectangular space portion having a low height therein, the body is provided with a screw thread along the outer peripheral surface, and a predetermined distance from the inner side of the body to be inserted into the space portion of the body and to rotate Permanent magnets are installed with a permanent shaft, the rotary shaft is integrally fastened with the permanent magnet and formed to be rotatable by the driving of the motor, the upper portion is flat to place a thin film and the body and the engagement along the inner peripheral surface of the inner side It is characterized by consisting of a support plate is formed threaded to enable.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 물리증착법으로 제조되는 자성박막의 자화장치의 전체 개략도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the overall schematic of the magnetization device of the magnetic thin film produced by the physical vapor deposition method according to the present invention.
본 발명은 크게 발생수단, 박막(14) 그리고 조절수단으로 구성되어 있다.The present invention largely consists of the generating means, the thin film 14 and the adjusting means.
상기 발생수단은 박막(14)을 이루는 자성재료를 공급하여 주는 수단으로서, 본 발명과 같이 물리증착의 경우에는 스퍼터 건(SPUTTER GUN)(10)을 이용하는 것이 바람직하다.The generating means is a means for supplying a magnetic material constituting the thin film 14, and in the case of physical vapor deposition as in the present invention, it is preferable to use a sputter gun 10.
상기 박막(14)은 플라즈마(12) 내에 형성된 이온()들이 상기 스퍼터 건(10)에서 공급된 자성재료를 충돌시켜 기판 위에 증착시키는 것으로서, 통상 다수개 층으로 이루어진다.The thin film 14 may be formed of ions formed in the plasma 12. ) And impinge on the substrate by colliding the magnetic material supplied from the sputter gun 10, usually consists of a plurality of layers.
상기 조절수단은 본 발명의 핵심 기술로서 이하 이 부분에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.The adjusting means is the core technology of the present invention.
본 발명의 조절수단은 몸체(22), 영구자석(18), 회전축(20) 그리고 지지판(16)으로 구성되어 있다.Adjusting means of the present invention is composed of a body 22, a permanent magnet 18, a rotating shaft 20 and the support plate 16.
상기 몸체(22)는 상기 조절수단의 모든 구성 요소를 지지하는 한편, 내부로는 높이가 낮은 사각형상의 공간부(26)가 형성되고 외부의 외주 면을 따라 나사산이 구비된다.The body 22 supports all the components of the adjusting means, while the inner space is formed in a rectangular space 26 having a low height and is provided with a thread along the outer peripheral surface.
또한, 상기 몸체(22)의 하단에는 영구자석(18)의 자성을 잃지 않도록 냉각수가 흘러야 하는데, 이를 위해 냉각라인(24)이 설치된다.In addition, the coolant should flow through the lower end of the body 22 so as not to lose the magnetism of the permanent magnet 18, for which the cooling line 24 is installed.
여기서, 상기 냉각라인(24)은 냉각수가 순환되도록 입구와 출구가 형성되고 양단은 펌프(미도시)에 연결되어 일측으로 냉각수가 몸체(22) 안으로 흘러들어가서 순환된 다음 출구를 통해 펌프로 돌아오게 된다.Here, the cooling line 24 is formed with an inlet and an outlet so that the coolant is circulated, and both ends are connected to a pump (not shown) so that the coolant flows into the body 22 to one side and circulates, and then returns to the pump through the outlet. do.
또한, 상기 냉각라인(24)은 지지판(16)에 대해 수평으로 1회 턴(TURN)의 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the cooling line 24 is preferably formed in a circle of one turn (TURN) horizontally with respect to the support plate 16.
게다가, 상기 냉각라인(24)은 열팽창계수가 높은 재질일수록 좋으므로 일반적으로 구리관을 상용하는 것이 바람직하다.In addition, since the cooling line 24 is made of a material having a high coefficient of thermal expansion, it is generally preferable to use a copper pipe.
상기 영구자석(18)은 상기 몸체(22)의 공간부(26)로 삽입되는 한편 회전이 가능하도록 몸체(22)의 내부 측면과 일정한 거리를 두고 설치된다.The permanent magnet 18 is inserted into the space portion 26 of the body 22 and installed at a predetermined distance from the inner side of the body 22 to allow rotation.
도 2는 본 발명에 따른 영구자석의 기하학적인 모양을 나타낸다.Figure 2 shows the geometric shape of the permanent magnet according to the present invention.
도면에서 보는 바와 같이, 상기 영구자석(18)은 일정한 자기장이 발생될 수 있도록 사각형의 판형으로 이루어지고, 그 높이(c)는 될 수 있으면 작게 하고 가로 및 세로 길이(a,b)를 크게 하는 것이 바람직하며, 이는 본 발명에 적용되는 영구자석(18)의 상부에 있는 박막(14)에 자기장을 인가하여 주어야 하기 때문이다.As shown in the figure, the permanent magnet 18 is formed in a rectangular plate shape so that a constant magnetic field can be generated, and the height (c) is as small as possible and the horizontal and vertical lengths (a, b) are increased. This is preferable because it is necessary to apply a magnetic field to the thin film 14 on the upper part of the permanent magnet 18 to be applied to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 영구자석의 다른 일실시예를 나타낸다.Figure 3 shows another embodiment of a permanent magnet according to the present invention.
도면에서 보는 바와 같이, 커다란 영구자석 대신 작은 영구자석을 서로 연결하여 커다란 영구자석과 동일 크기로 하면, 동일한 세기의 자기장을 발생시킬 수 있다.As shown in the figure, by connecting the small permanent magnets to each other instead of a large permanent magnet to the same size as the large permanent magnet, it is possible to generate a magnetic field of the same intensity.
여기서 작은 영구자석을 붙이는 것은 매우 간단하며 용이하다. 즉, 각 영구자석에는 각각 N극과 S극이 존재하므로 하나의 영구자석의 N극을 다른 영구자석의S극에 붙이는 방법으로 연결을 해나가면 된다.It is very simple and easy to attach small permanent magnets here. That is, since each of the permanent magnets has an N pole and an S pole, the N pole of one permanent magnet is attached to the S pole of the other permanent magnet.
도 4는 본 발명에 따른 또다른 영구자석의 일실시예를 나타낸다.Figure 4 shows an embodiment of another permanent magnet according to the present invention.
도면에서 보는 바와 같이, 영구자석(18)은 두개가 구비되고 그 형상은 블록형태로 이루어져 있다.As shown in the figure, two permanent magnets 18 are provided and the shape is made of a block form.
또한, 각각의 영구자석(18) 뒷편으로는 'ㄷ'자 형상의 요크(YOKE)코일(28)이 체결된다.In addition, a yoke coil 28 having a 'c' shape is fastened to the rear of each permanent magnet 18.
따라서, 요크코일(28)을 통해 자기장이 흐르기 때문에 두개의 블록 영구자석(18) 사이에는 자기장이 인가될 수 있다.Therefore, a magnetic field may be applied between the two block permanent magnets 18 because the magnetic field flows through the yoke coil 28.
만일 요크코일이 없다면 영구자석(18) 뒷편에서 발생된 자기장이 상대방 영구자석(18)의 뒷편으로 흐르기에는 거리가 매우 멀기 때문에 그 자체의 영구자석(18)의 앞단으로 모두 흘러들어가므로 두 블록 영구자석(18) 사이에 자기장은 흐르지 않게 된다.If there is no yoke coil, the magnetic field generated behind the permanent magnet 18 is too far to flow behind the other permanent magnet 18, so it flows all the way to the front of its own permanent magnet 18. The magnetic field does not flow between the magnets 18.
한편, 상기 회전축(20)은 영구자석(18)과 연결되어 후단에 연결된 모터(미도시)의 구동에 의해 회전이 가능하고, 이에 따라 영구자석(18)의 회전에 의해 자기장의 방향을 조절할 수 있다.On the other hand, the rotating shaft 20 is connected to the permanent magnet 18 can be rotated by the drive of a motor (not shown) connected to the rear end, and thus the direction of the magnetic field can be adjusted by the rotation of the permanent magnet 18 have.
이 때, 상기 영구자석(18)은 회전하지만 박막(14)은 이와 별도로 후술(後述)하는 지지판(16) 위에 놓여지므로 움직이지 않고 고정되게 된다.At this time, the permanent magnet 18 is rotated, but the thin film 14 is placed on the support plate 16 which will be described later separately, it is fixed without moving.
다른 한편, 상기 지지판(16)의 상부는 박막(14)을 놓을 수 있도록 평탄하고 내부 측면의 내주 면을 따라 상기 몸체(22)와 치합이 가능하도록 나사산이 형성된다.On the other hand, the upper portion of the support plate 16 is flat to place the thin film 14 and the thread is formed so as to be engaged with the body 22 along the inner peripheral surface of the inner side.
상기 지지판(16)은 공정 중에 발생된 열에 견딜 수 있고 지지판(16)에 입사되는 이온의 충격에 견딜수 있으며 플라즈마(12) 가스가 묻지 않아야 하므로, 아노다이징(ANODIZING) 처리된 서스(SUS)재를 사용하는 것이 바람직하다.Since the support plate 16 can withstand the heat generated during the process and withstand the impact of ions incident on the support plate 16 and the plasma 12 gas should not be buried, an anodized sus material is used. It is desirable to.
또한, 상기 지지판(16)은 그 내부에 형성된 나사산과 전술(前述)한 상기 몸체(22)의 외주 면에 형성된 나사산이 결합되어 좌·우 회전에 의해 지지판(16)을 상·하로 이동할 수 있게 되어 있다.In addition, the support plate 16 is coupled to the screw thread formed therein and the screw thread formed on the outer circumferential surface of the body 22 described above to move the support plate 16 up and down by left and right rotation. It is.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 물리증착으로 제조되는 자성박막의 자화장치는 열 또는 점자빔증착, 스퍼터증착, 펄스 레이저 증착 등의 물리증착법을 이용하여 기판위에 자성물질을 증착시켜 자성박막으로 제조할 때 영구자석으로 자기장을 인가하고 그 자기장의 세기 및 방향을 제어함으로써, 다층박막의 각층에 요구되는 자화특성을 충족시켜 줄 뿐만 아니라 원하는 방향으로 자기장을 인가시켜 줄 수 있어 새로운 개념의 자성박막 및 신소재 개발에 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.The magnetization apparatus of the magnetic thin film manufactured by physical vapor deposition according to the present invention configured as described above may be manufactured as a magnetic thin film by depositing a magnetic material on a substrate by using physical vapor deposition such as thermal or braille beam deposition, sputter deposition, and pulse laser deposition. By applying a magnetic field to a permanent magnet and controlling the strength and direction of the magnetic field, it can not only satisfy the magnetization characteristics required for each layer of the multilayer thin film, but can also apply the magnetic field in a desired direction. There is an effect that can greatly contribute to development.
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| KR102102192B1 (en) * | 2018-11-15 | 2020-04-22 | 한국생산기술연구원 | Manufacturing method of porous magnetic materials using magnetic field and the porous magnetic materials manufactured by the method |
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- 2000-02-09 KR KR1020000006060A patent/KR20010078653A/en not_active Application Discontinuation
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| KR102102192B1 (en) * | 2018-11-15 | 2020-04-22 | 한국생산기술연구원 | Manufacturing method of porous magnetic materials using magnetic field and the porous magnetic materials manufactured by the method |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |