The early stage of deposition process at surface and interface for magnetic multilayer systems: molecular dynamics simulation

Abstract

거대 자기 저항(GMR) 과 자성 터널링 접합(MTJ) 구조에 대한 적용은 하드디스크의 헤드, 센서, MRAM 등에 다양하게 이용되고 있다. MTJ 는 기본적으로 강자성 재료 사이에 1.5 nm 이하의 얇은 박막으로 이루어져 있는데, 각 층간의 막의 균일성, 규칙도, 적층 순서 등이 소자의 특성에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 계면에서의 원자단위 구조 및 특성에 대한 이해가 매우 중요해 졌다. 하지만, 실제 실험에서 나노단위의 증착 실험에서 원자 규모의 직접적인 관찰이 어렵기 때문에, 원자 단위의 동역학적인 분석이 효율적인 못하다. 하지만, 분자동역학 방법은 물질들의 구조와 특성을 연구하는데 비교적 빠르고 정확해서 대한 분석 및 박막 증착 공정을 모사하는 연구에 많이 응용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 증착조건에 따라 자성 다층박막의 표면 및 계면에 대한 초기 증착거동에 대한 특성을 분자동역학 방법을 통해서 분석하였다. 첫 번째로 계면에서의 혼합현상에 대한 매커니즘 분석에 대한 내용이다. 전위 금속 물질인 Fe, Co, Ni 원자를 300 K 와 낮은 0.1 eV 의 낮은 입사에너지로 Al(001) 기판에 증착 시 계면에서 활발한 혼합과 함께 두 물질 간에 매우 안정적인 B2 화합물이 형성되었다. 하지만, Co/Al 시스템은 Fe/Al 과 Ni/Al 에 비해 계면에서 화합물의 조성의 차이에서 비롯된 구조적인 차이를 보였고, 계면의 구조를 결정짓는 중요한 파라미터는 증착온도와 입사에너지라는 것을 밝혔다. 또한, 계면에서의 다른 혼합 특성은 증착원자의 표면에서의 국부적인 가속 에너지의 효과(Local acceleration effect)와 에너지 장벽(energy barrier) 에 의해서 잘 설명 될 수 있었다. 두 번째로 Ni-Al 과 Fe-Cu 시스템에 대한 성장거동 분석에 대한 내용이다. 초기 증착원자 기판 표면에 증착 시 각각 시스템에 따른 표면 확산의 정도의 차이는 성장거동에 큰 영향을 미쳤고, 이러한 표면 확산은 표면의 에너지 장벽에 의해 성공적으로 설명되었다.