Формирование и исследование магнитных тонкопленочных структур с заданными высокочастотными свойствами

Тонкие магнитные и нанокомпозитные пленки на основе ферромагнетиков являются основой для создания ряда новых функциональных материалов. Они находят широкое применение в вычислительной технике и автоматике, в оптоэлектронике и высокочастотной технике. На базе магнитных пленок возникла новая отрасль науки и техники — магнитная микроэлектроника. Планарная технология позволяет решать актуальные задачи микроминиатюризации элементной базы и схемотехники ЭВМ. В последнее время широко востребованы высокочувствительные, обладающие хорошим быстродействием датчики слабого магнитного поля. Магнитные сенсоры используются в таких областях, как магнитная запись, автомобильная и промышленная автоматика, промышленная дефектоскопия, системы, используемые в электронном и медицинском приборостроении. Основой для таких датчиков могут являться планарные элементы на основе тонких магнитных пленок, обладающих эффектом гигантского магнитного импеданса (ГМИ), заключающегося в сильном изменении комплексного сопротивления проводника в слабом внешнем магнитном поле [1 — 4]. Тонкопленочные структуры, обладающие заданными высокочастотными (ВЧ) свойствами, также востребованы для создания нового поколения радиопоглощающих материалов и покрытий, обладающих малыми удельным весом и толщиной при высоких значениях магнитной проницаемости в широком частотном диапазоне.

Ранее были созданы аморфные, нанои поликристаллические магнитные материалы (файнмет, сендаст, пермаллой, сплавы на основе Со и др.), высокочастотные магнитные характеристики которых изменяются в широком диапазоне. Однако, при пленочном варианте применения таких материалов возникает ряд специфических проблем, для решения которых необходимы физические и технологические экспериментальные исследования.

Проблема состоит в создании миниатюрных сэндвичевых структур с микронными размерами на основе тонких ферромагнитных пленок и нанокомпозитов с высокими удельными значениями магнитной проницаемости. Уменьшение размеров влияет на анизотропные свойства структур, и необходимо детальное исследование как магнитостатических, так и динамических параметров образцов. Кроме того, для продвижения эффекта ГМИ в область СВЧ необходимы поиск составов магнитных слоев и формирование специфических анизотропных свойств. Важна также топология магнитных и токоподводящих слоев, которая соответствует согласованию входного и выходных импедансов магниточувствительного устройства в целом. Существует также проблема деградации структур.

Проведенных на сегодняшний день исследований технологии формирования пленочных структур с заданными высокочастотными (в том числе магнитоимпедансными) свойствами явно недостаточно для объяснения особенностей их поведения, в частности — большого разброса магнитных и ГМИ свойств для идентичных сэндвичей, и обоснования их возможных преимуществ по сравнению с чувствительными элементами на основе аморфных и композитных проводов или других композитных структур.

Учитывая изложенное, тема диссертационной работы представляется актуальной. Целью работы являлось исследование изменения импедансных и магнитных свойств тонкопленочных структур, созданных на основе различных магнитных материалов — аморфных, кристаллических, нанокристаллических, при различных технологических условиях их получения.

Задачи исследований состояли в следующем:

— выявление особенностей формирования сэндвичей при различных методах получения (электронно-лучевое, ионно-лучевое и магнетронное распыление), выбор наиболее пригодных материалов для их создания;

— проведение комплексного исследования влияния термомагнитной обработки (ТМО) на структуру и магнитостатические свойства пленок из аморфных, кристаллических, нанокристаллических сплавов, а также на магнитоимпедансные свойства сэндвичей, изготовленных на их основе;

— определение оптимальных сочетаний состава, топологии и толщин всех слоев в составе многослойных пленок, обладающих ГМИ-эффектом, а также оптимальные условия их получения и ТМО.

В работе было проведено комплексное систематическое исследование тонких магнитных пленок с использованием следующих методов: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микрорентгеновский анализ, рентгеноструктурный анализ, сканирующая зондовая микроскопия (ACM, МСМ), магнитостатические измерения, магнитооптика, магнитная импедансометрия. Впервые было показано, что полный диапазон изменения магнитоимпедансных свойств для тонких пленок нанокристаллических сплавов при проведении термического отжига реализуется при температурах на 100-г150°С ниже, чем для объемных материалов, имея ввиду и тонкие фольги. Были разработаны технологии получения магнитных материалов, обеспечивающие низкое значение коэрцитивной силы ~ 0,1 Э при высоких значениях ВЧ магнитной проницаемости. Также впервые подробно была исследована корреляция параметров топологии и импедансных характеристик полученных многослойных тонкопленочных структур.

Результаты, полученные в данной диссертации, могут быть использованы для улучшения электрофизических параметров магнитных материалов, применяемых в тонкопленочных структурах для высокочастотных приложений. В частности, для высокочувствительных датчиков магнитного поля на основе сэндвичевых структур и высокоэффективных радиопоглощающих покрытий.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, одного приложения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 146 страниц, включая 50 рисунков, И таблиц и библиографический список из 89 наименований.

6.4. Выводы.

Основной трудностью, имеющей принципиальное значение для дальнейшего повышения чувствительности линейного диагонального ГМИ в тонкопленочных элементах, является проблема наведения в магнитомягких материалах хорошо выраженной, регулярной поперечной доменной структуры, характеризующейся безгистерезисным поведением и воспроизводимостью при многократных циклах перемагничивания. Одновременное достижение магнитной мягкости и небольшой, но однородной поперечной магнитной анизотропии вдоль короткой стороны пленочных или мультислойных образцов путем напыления в поле, отжига в магнитном поле или отжига током, достаточно проблематично. Эту задачу не удалось решить в ходе работы, так как сильное поле размагничивания, концевые эффекты не позволяют достичь достаточно регулярной доменной структуры, а при ее нерегулярности возникают нестабильности в работе датчиков, гистерезис, причем без какоголибо выигрыша в чувствительности. Нами для мультислойных образцов без поперечной доменной структуры была достигнута чувствительность, превышающая литературные данные для такого типа датчиков. Поэтому было предложено отказаться от формирования поперечной доменной структуры в тонкопленочных однослойных и многослойных элементах и использовать такие схемотехнические решения, в которых требуется только магнитомягкость образцов. Одним из таких вариантов является развитая в ходе выполнения работы и использованная в конкретных макетах импедансных датчиков схема недиагонального и нелинейного магнито-импеданса. Надо подчеркнуть, что такая концепция существенно расширяет класс перспективных магнитных материалов для импедансных датчиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках настоящей работы решены следующие задачи.

1. Разработана оригинальная комплексная методика исследования тонкопленочных структур с ВЧ импедансными свойствами с использованием следующих методов: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микрорентгеновский анализ, рентгеноструктурный анализ, сканирующая зондовая микроскопия (ACM, МСМ), магнитостатические измерения, магнитооптика, магнитная импедансометрия, позволяющая установить однозначную связь между структурными и функциональными свойствами исследуемых объектов.

2. Разработана новая МСМ-методика исследования магнитной структуры и оценки магнитных свойств (в частности, анизотропии) тонкопленочных материалов на основе анализа динамики изображений магнитной структуры в зависимости от расстояния зонда от поверхности.

3. Получены магнитные нанокристаллические пленки, имеющие стабильно низкие значения коэрцитивной силы ~0,1 Э при высоких значениях ВЧ магнитной проницаемости. Показано, что пленки с такими значениями коэрцитивной силы наиболее эффективны для создания высокочувствительных датчиков магнитного поля. Проведено исследование влияния ТМО на структуру и магнитостатические свойства пленок из аморфных, нанокристаллических и поликристаллических сплавов, а также на магнитоимпедансные свойства сэндвичей на их основе. Определены оптимальные условия ТМО, соответствующие формированию заданной формы магнитоимпедансных зависимостей. Показано, что сплавы типа «файнмет» и пермаллой являются оптимальными для создания функциональных магнитных материалов.

4. Впервые показано, что полный диапазон изменения магнитоимпедансных свойств для тонких пленок нанокристаллических сплавов, полученных методом ионно-лучевого и магнетронного распыления в вакууме, при проведении термического отжига реализуется при температурах на 100-г150°С ниже, чем для объемных материалов, включая тонкие фольги, для которых оптимальная температура ТМО в вакууме составляет 550 °C. Данный эффект может быть объяснен в терминах влияния перераспределения точечных дефектов на магнитную анизотропию. Для получения оптимальных магнитных свойств в тонких пленках из файнмета, входящих в магнитоимпедансные структуры, не рекомендуется превышать температуру 400 °C при термообработке таких структур. При этом было обнаружено, что при нагреве до температур выше 550 °C в этих пленках не наблюдается выделения соединения Бе-В. Наибольшие значения ГМИ получены при отжиге структур на сапфировых подложках при 280 °C.

5. На основе большого экспериментального материала определены оптимальные сочетания состава и толщин слоев, составляющих многослойные сэндвичевые структуры, обладающие максимальным ГМИ-эффектом при минимальных значениях гистерезиса. В состав таких структур входят следующие слои: магнитные слоивысокопроводящий центральный слойдиэлектрические слои для предотвращения обменного взаимодействия между магнитными слоями, а также являющиеся диффузионным барьеромадгезионные слои, обеспечивающие достаточную адгезию между слоями сэндвича. Показано, что магнитные сенсорные структуры могут формироваться в специально созданных окнах в топологиях микросхем управления и контроля магнитных датчиков.

6. Показано, что при технологии, позволяющей получать низкокоэрцитивные магнитные пленки, выбор топологии многослойных тонкопленочных структур является определяющим фактором формирования заданных магнитоимпедансных свойств. Также показано, что уменьшение линейных размеров структур приводит к существенному снижению гистерезисов магнитоимпедансных зависимостей.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор признателен сотрудникам Лаборатории № 1 ИТПЭ РАН Л. А. Алексеевой, К. Н. Афанасьеву, С. А. Гормину, Н. С. Григорьеву, A.C. Ильину С. А. Маклакову, В. Ю. Молодецкому за участие и помощь в проведении экспериментов. Автор благодарен А. Л. Дьячкову, И. А. Рыжикову за многочисленные полезные советы и обсуждения полученных результатов. Особую благодарность автор выражает Т. А. Фурмановой (ИТПЭ РАН), а также C.B. Седову и В. Н. Кукину (МГИЭТ) за неоценимую помощь в проведении измерений. Автор искренне благодарен А. Н. Лагарькову, И. Т. Якубову, A.C. Антонову (ИТПЭ РАН), А. Б. Грановскому, Н. С. Перову (Физфак МГУ) за интерес и постоянное внимание к работе.