Магнитные материалы для микроэлектроники

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
 
Кафедра физической электроники
РЕФЕРАТ
по курсу: ''ЭДСС''
на тему: ''Магнитные материалы для микроэлектроники''
      Выполнил
      студент   группы ФЭ-01                                                  ЗахаровИ. В.
                                               СУМЫ — 2003

План

ВВЕДЕНИЕ
 
МАГНИТНЫЕМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД
 
МАТЕРИАЛЫДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
 
ПЛЕНКИ ДЛЯТЕРМОМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
ВВЕДЕНИЕ
С прогрессомэлектронной техники предъявляются новые требования к магнитным материалам. Этообусловлено и миниатюризацией устройств, и необходимостью разработкизапоминающих и логических элементов большой емкости и быстродействия при маломвесе. Необходимы магнитные материалы, прозрачные в оптическом и ИК-диапазоне,обладающие большой коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения, сочетающие всебе магнитные и полупроводниковые свойства. Многие такие материалы можносоздать на основе редкоземельных материалов.

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД
     Для генерирования цилиндрическихмагнитных доменов используются тонкие магнитные пленки феррит-гранатов R3Fe5O12и ортоферритов RFeO3. Первые содержат домены с размерами до 1 мкм, чтопозволяет получить плотность размещения информации до 107 бит/cм2, вторыеобладают рекордно высокими скоростями
передвижения до 104 м/с.
     Идея записи на ЦМД состоит в том,что двоичное число можно представить цепочкой ЦМД, где логическая «1»- наличие ЦМД, «О» — отсутствие. Осуществление логических операций спомощью ЦМД-устройств основывается на возможности движения ЦМД в пленке в двух,трех и т.д. направлениях.
     В технике обычно используютсямонокристаллические пленки, выращиваемые на немагнитной подложке,кристаллическую структуру и постоянную решетки подложки подбирают в соответствиис требуемой структурой получаемой пленки.
     В последнее время началииспользовать аморфные магнитные пленки сплавов переходных металлов с РЗметаллами типа Gd-Go и Gd-Fe, в которых возможно получение ЦМД с диаметром
Все материалы-носители ЦМД характеризуются большой одноосноймагнитной анизотропией. Чем больше поле ани­зотропии, тем ближе направлениенамагниченности ЦМД к норма­ли плоскости пластины и тем меньше отклонение формыстенок ЦМД от цилиндрической., Для одноосных кристаллов напряжен­ность поляанизотропии, необходимая для зарождения изолирован­ного домена, оценивается поформуле
/> 
гдеК, — константа одноосной анизотропии, составляющая в сред­нем дляЦМД-материалов 103—104 Дж/м3; ls- намагниченностьнасыщения, равная при комнатных температурах в среднем 104А/м.
ВЦМД-материалах Hа=105-М07А/м. В ряде ЦМД-материалов наблюдаются небольшие отклонения от одноосности,обусловлен­ные орторомбической и кубической симметрией вещества.
Отношение поляанизотропии к намагниченности насыщения определяет фактор качествамагнитоодноосного кристалла:
/> 
Факторкачества — количественная оценка жесткости ориента­ции магнитного моментадомена в направлении нормали к плоско­сти пластины — должен быть существеннобольше единицы. На практике требуется иметь значения qнеменее 3—5. Верхний пре­дел ограничен требуемым быстродействием устройств (см.ниже).
Дляоценки свойств материалов, содержащих ЦМД,  введено понятие характеристическойдлины 10
/> 
где/>—удельнаяэнергия доменной границы, Дж/м2; A'—A/а — обменная константа, примерно равная для ЦМД-материалов 10~10—10-11 Дж/м.
Характеристическая длина lоимеет размерность длины и связа­на с толщиной hпластины и диаметром Dдомена. С точки зрения увеличения плотности размещения информациижелательно, чтобы диаметр домена был как можно меньше. Минимально достижимыйдиаметр домена при заданном материале Amin=3,9*lo имеет место для пластин (пленок) толщиной A = 3,3lо. В технических устройст­вах,где используют ЦМД, рекомендуется выбирать h~4*l0, так как при этом способность доменов восстанавливаться после флуктуациинаиболее сильно выражена. При h =4*l0поле, соответствующее се­редине области устойчивых цилиндрическихдоменов, H=0,28l3> адиаметр доменов в этом поле D—8l0.
Уменьшение размера ЦМД достигается применением материа­лов с малымlо. Из следует, что увеличение намагниченностиматериала способствует этому в большей степени, чем снижение А .
Действительно,снижение фактора качества qухудшает условия статическойустойчивости ЦМД. Уменьшение обменной константы А' нецелесообразно,поскольку при этом снижаетсятемпературная устойчивость ЦМД. Минимальный размер домена, полученный в настоящее время в аморфных и гексагональных ферромагнетиках,составляет около 0,08 мкм. Температурный диапазон устойчивости ЦМД-структурдостаточно широк (—50 + 60° С). Точка Нееля большинства современныхЦМД-материалов лежит в пределах 560—720 К.
Важной характеристикой материалов для ЦМД-устройств яв­ляетсякоэрцитивная сила Нс, во многом определяющая подвиж­ностьдоменов. Чем меньше Не, тем выше быстродействиеЦМД-устройства. Скорость перемещения домена также зависит от подвижно­стидоменной границы urp.игр об­ратно пропорциональна фактору качества q. Поэтому материалы, обладающие большими значениями q, не отвечают требованиям вы­сокого быстродействия ЦМД-устройств.
ЦМД могут быть получены во многих магнитных материалах, обладающихсильной одноосной анизотропией.
ОртоферритыRFeO3—первые материалы, на которых были изу­чены ЦМД. В настоящее время эти материалыв промышленных ЦМД-устройствах практически не применяются, поскольку диаметрЦМД ортоферритов порядка 80—100 мкм не позволяет обеспечить высокую плотностьзаписи информации. Однако в ряде случаев ор-тоферриты, обладающие высокимимагнитооптическими параметра­ми, сохранили свои позиции. Их применяют в видепластинок, выре­занных определенным образом из монокристалла и доведенных по­средствоммеханической полировки до нужной толщины.
Монокристаллыортоферритов получают обычными способами (см. § 2.20). Одним из наиболееперспективных считают выращи­вание монокристаллов из расплава с применениембестигельной зонной плавки и радиационного нагрева. Этот метод включает из­готовлениеисходных для выращивания монокристаллов поликри­сталлических заготовок в видецилиндрических стержней методами керамической технологии. Процесс кристаллизацииосуществляется следующим образом. Из предварительно полученного любым мето­доммонокристалла вырезают вдоль определенного кристаллогра­фического направлениязатравку, которую закрепляют на керами­ческом или сапфировом держателе. По осизатравки с высокой точ­ностью устанавливают исходный поликристаллическийстержень. Камера герметизируется, продувается и подключается к системе давлениякислорода. Затравку и питающий стержень приводят во вращение, сближают доминимального расстояния и нагревают по определенному режиму. В месте сближениязатравки и стержня образуется расплавленная зона. При медленном (5—10 мм/ч) перемещении стержней относительно зоны па затравке начинаетсякристаллизация. После окончания процесса выращивания кристалл подвергают отжигудля уменьшения Heизвлекаютиз кристаллизационной камеры и отрезают от затравки. Таким образом можно получить монокристаллы в видецилиндров диаметром до 8 мм и длиной до 80 мм.
          Ферриты-гранатысоструктурной формулой RзFе5012 содержат домены с диаметром порядка неболее нескольких микрометров, что позволяет получить плотность размещенияинформации 105 бит/см2 и даже выше. Однако подвижностьдоменных границ этой группы материалов ниже, чем у ортоферрптов, и приблизитель­норавна 0,025 м2/(А-с).
Толщина пластинок из ферри­тов-гранатов должна быть порядкамикрометра.
Такие тонкие пластины механической обработкой получить нельзя.Поэтому вместо пластин применяют монокристаллические пленки, изготовляемыеэпитаксиальным методом — наращиванием пленки па немагнитной подложке.Кристаллическую структуру и постоянную решетки подложки подбирают всоответствии с требу­емой структурой получаемой пленки.
Изготовление пленок эпитаксиальным методом производят пу­темхимического осаждения металлов, входящих в состав граната, в виде галогенидныхпаров на монокрпсталлпческую немагнитную подложку либо путем погруженияподложки и расплав соответст­вующих оксидов граната.
Способ эпитаксии из газовой фазы обеспечивает получение пле­нокболее высокого качества, однако эпитаксия из жидкой фазы не требует сложныхустановок и более технологична. Промышленное изготовление тонких пленокпроизводят методом изотермической эпитаксии из переохлажденного расплава.
Недостаток эпитаксиальных пленок заключается в сравнительновысокой стоимости изготовления и обработки подложки. Необходи­мая дляобразования ЦМД одноосная анизотропия возникает в процессе технологииизготовления пленок и обусловлена механи­ческими напряжениями, которыепоявляются из-за неполного со­ответствия постоянных решетки подложки иэпитаксиального слоя, а также вследствие влияния небольших примесей свинца пливис­мута, которые попадают в пленку из расплава.
Для подавления твердых ЦМД принимают специ­альные технологическиемеры, направленные на создание опреде­ленной структуры доменной стенки: ионноевнедрение или покрытие поверхности пленки феррита-граната тонкой пленкойпермаллоя. При ионной имплантации вследствие бомбардировки пленки иона­ми свысокой энергией на ее поверхности образуется замыкающий магнитный слойтолщиной меньше 1 мкм, намагниченность которо­го вследствие возникающихмеханических напряжений направле­на перпендикулярно намагниченности ЦМД и лежитв плоскости пленки. На­иболее простым способом подавления твердых ЦМД являетсяотжиг пленок в инертной среде при 1100° С.
Аморфныемагнитные пленки сплавов переходных металлов с редкоземельными металлами типа Gd-Co и Gd-Fe являются срав­нительноновыми перспективными доменосодержащими материала­ми с диаметром ЦМД меньше 1мкм, что позволяет повысить плотность записи информации до 109бит/см2. Их отличают также простота изготовления, относительнонизкая стоимость, поскольку свойства аморфных материалов в отличие от эпитаксиалыныхпле­нок слабо зависят от материала и качества подложки.
Магнитоупорядоченные интерметаллическне пленки GdCo3 и GdFe2обеспечивают существование устойчивых ЦМД при опреде­ленном соотношении междукомпонентами состава, определенной толщине пленки и соответствующих условияхвыращивания. Плен­ки производят чаще всего методом радиочастотного распыленияна подложки из стекла пли электролитическим осаждением па под­ложки из меди.
Гексагональные ферриты со структурными формуламихарактеризуются высокой намагниченно­стью насыщения, высоким фактором качества,но их низкая подвижность ограничивает область применения этих материалов.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯМАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
     Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладаютмагнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическаяактивность проявляется и двух эффектах — Фарадея и Керра. Эффект Фарадеясводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящегочерез магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного полявдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее наблюдаетсяи при отражении линейно поляризованного луча света от поверхностиферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуютэффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информациюо текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитногоматериала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.
    Модуляциюлуча по поляризации следует преобразовать в модуляцию но интенсивности. Этаоперация может быть выполнена чисто оптическими средствами… Для этогодостаточно магнитооптический элемент поместить (по лучу) между скрещеннымиполяризаторами (направления пропускания линейно поляризованного светаполяризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных поляризаторов принятоназывать поляризационным микроскопом. Эта система, в принципе, не пропускаетсвет. Однако, если в такой микроскоп ввести оптически активную среду, то часть света,пропорциональная квадрату синуса угла поворота плоскости поляризации, пройдетчерез систему. Итак, с помощью эффекта магнитооптической активности удаетсяпромодулировать свет по интенсивности приблизительно пропорционально квадратунапряженности магнитного поля. Магнитооптические эффекты применяются присчитывании информации с магнитооптических дисков.
РЗортоферриты и ферриты-гранаты являются одними из лучших магнитооптических (МО)материалов, что обусловлено высокой прозрачностью для видимого и ближнегоИК-диапазонов, значительной величиной эффекта Фарадея и большим значениемкоэффициента оптической добротности (отношение угла фарадеевского вращения ккоэффициенту поглощения). Монооксид европия обладает рекордными значениямивеличины фарадеевского вращения (до 106 градЧ см), что делает его оченьперспективным для применения в качестве магнитооптического материала.
     Принципдействия магнитооптических устройств основан на использовании различныхмагнитооптических эффектов (Фарадея, Керра) в доменных структурах,перестраиваемых под воздействием внешних полей (тепловых, магнитных и т.д.).
Например,МО-модулятор осуществляет пространственную модуляцию световой волны припрохождении ее через перемагничиваемую доменную структуру тонкой магнитнойпленки. Принцип модуляции основан на периодическом повороте плоскостиполяризации света в пленке при подаче периодического управляющего сигнала вобмотку управления. Полученную фазовую модуляцию светового пучка с помощьюанализатора преобразуют в амплитудную.
Издругих МО-устройств можно выделить оптические ЗУ, МО-устройства сканированиясвета и ряд других.
Пригодность магнитных материалов для создания на их основемагнитооптических устройств зависит от совокупности магнитооп­тических свойств.
Магнитооптические свойства оценивают по магнитооптическойактивности в диапазоне оптических волн с учетом возможной их анизотропии.
Магнитооптическую активность характеризуют с помощью углаудельного фарадеевского вращения ­­­­­­_____________ и коэф­фициентапоглощения:
          гдеd—толщина образца; I0, I1 — соответственно интенсивности па­дающего и прошедшего кристаллсвета.
Феррогранаты имеют окно прозрачности вдиапазоне волн 1,15— 5 мкм. Наиболее перспективными материалами являются чистыежелезоиттриевые гранаты (ЖИГ) и висмутосодержащие гранаты, в которых частьиттрия заменена на висмут.
Синтезированиеэпитаксиальных пленокферритов-гранатов, включающее подбор состава исходных пленок и подложки, выбороптимальной обработки (отжига), обеспечивает получение материа­лов с высокимимагнитооптическими свойствами, различающихся по намагниченности, коэрцитивнойсиле, анизотропии, подвижности доменной стенки и т. п.
Ферриты-гранаты являются основнымимагнитооптическими ма­териалами в инфракрасной области. Для видимого света онимало пригодны. Имеются данные об использовании высококачественных пленокферритов-гранатов в видимом свете .
Однако при реализа­ции устройств на этих материалах надо иметь ввиду следующие особенности. Технология производства ортоферптов не позволяетизготавливать очень тонкие пластины (меньше 1 мкм). Именно по этой причинеортоферриты применяют при λ>0,5 мкм, хотя имеются данные о том, что ипри λ = 0,45 мкм их оптические свойства выше свойств MnBi-пленок. Оптимальная толщина пластин ортоферритов для λ=0,63мкм со­ставляет 60—90 мкм. Вторая особенность связана с оптической ани­зотропностьюортоферритов, обусловленной низкой симметрией ромбической ячейки. Дляисключения явления двулучепреломления пластины из ортоферритов вырезаютнормально к оптической оси. При этом реализуется устойчивая полосовая доменнаяструктура, а не ЦМД. Установлено, что в очень тонких пластинах при толщи­нахпорядка 1 мкм двулучепреломление незначительно, и матери­ал можно в этом случаесчитать изотропным. Введение в ортоферрит ионов редкоземельных элементовзначительно повышает изо­тропность их оптических свойств.
Феррошпинели, содержащие ионы Со2+в тетраэдрических позициях используют в качестве магнитооптических материаловпри λ= 5 — 12 мкм, где они обладают высокой прозрачностью и большим θ(до 105 град/см). Это практически единственные материалы, пригодныедля создания магнитооптических устройств в этом диапазоне волн.

ПЛЕНКИ ДЛЯТЕРМОМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ     Термомагнитный эффект
    Магнитныесвойства ферромагнетиков существенно зависят от температуры. Достаточно точноэта зависимость описывается законом Кюри-Вейса: µ=С/(ТК — Т), где С- некоторая константа (константа Кюри), зависящая от материала, ТК — температура (точка) Кюри. Закон обратной зависимости магнитной восприимчивостипарамагнетиков от температуры установлен в 1895 г французским физиком П.Кюри.Позже, в 1907 г другой француз П.Вейс уточнил закон применительно кферромагнетикам.
    Позакону Кюри-Вейса при Т, стремящимся к ТК, магнитная восприимчивостьрасходится (становится бесконечно большой). Это не должно смущать, поскольку Тк- особая точка. При температуре Кюри происходит переход вещества изпарамагнитной фазы в ферромагнитную. При температуре ниже точки Кюри веществоявляется ферромагнетиком, выше — парамагнетиком. При приближении (снизу потемпературе) магнитная восприимчивость µ резко возрастает. Этот процесспоясняется рис. 3.
/>
    Помере роста температуры возрастает крутизна наклонных участков петли гистерезиса(соответственно, и |i). При этом уменьшается коэрцитивная сила и максимальнаяостаточная намагниченность, а отношение ВН/НК растет. Всеэто ведет к резкому росту эффективности записи.
    Естественно,эти особенности магнитных свойств ферромагнетиков вблизи точки Кюризаинтересовали изобретателей. Среди материалов, пригодных для записи наленточный носитель, наименьшей температурой фазового перехода обладает диоксидхрома. Точка Кюри этого материала составляет 128 °С (у гамма-оксида железа,например, температура Кюри составляет 650 °С). Она достаточно велика, но тем неменее, в сочетании с точечным лазерным подогревом материала, гамма-оксид железаможет применяться на практике. В качестве примера на рис. 4 приведена схемалазерного подогрева при термомагнитном тиражировании магнитных записей.
/>
    Кбарабану прижаты две ленты: снизу с носителем из гамма-диоксида железа — оригинал, сверху с диоксидом хрома — копия. Ленты соприкасаются рабочимислоями. Сфокусированный луч лазера разогревает рабочий слой ленты-копии дотемпературы немного выше точки Кюри. Температура разогретой точки (точнеештриха с длиной, равной ширине дорожки записи) достаточно быстро остывает засчет тепловой диффузии. При переходе через точку фазового перехода, когдамагнитная восприимчивость сверхвысокая, рабочий слой ленты-копии легконамагничивается. При дальнейшем остывании магнитная восприимчивость быстроуменьшается и запись относительно слабых полей, создаваемых лентой-оригиналом,становится невозможной. В процессе транспортировки лент оригинала и копии зоназаписи перемещается. Скопированная сигналограмма зеркальна по отношению ксигналограмме оригинала. Поэтому запись оригинала ведется так, чтобыформировалась сигналограмма, зеркальная по отношению к стандартной. Скоростьтиражирования прямо зависит от мощности лазера. Реально удалось реализоватьтиражные машины со скоростями копирования в 300 и более раз выше номинальной.
    Термомагнитиаязапись также широко применяется в системах записи на магнитооптические диски. Вэтом случае зона мгновенной записи совпадает со световым пятном, разогревающимтермо-магнитный материал. Магнитное поле при этом может быть рассеянным вобласти, значительно превышающей снеговое пятно, и должно быть достаточнослабым, чтобы нс воздействовать на неосвещенные участки.
Для создания конкретных технических устройств с термомагнит­нойзаписью в качестве материалов используют ферромагнитные и ферримагнитные пленкис разнообразными термомагнитными ха­рактеристиками. Под влиянием температуры вразличных материа­лах может изменяться намагниченность, коэрцитивная сила, ани­зотропияи другие параметры.
Принято классифицировать магнитные материалы для тер­момагнитнойзаписи по типу термомагнитного эффекта, который при этом используется.
Материалы для записи в точке Кюри.Их применение основано на использовании температурной зависимости спонтаннойнамагни­ченности вблизи точки Кюри 0.
Этагруппа материалов состоит из металлических пленок с силь­ной перпендикулярнойанизотропией, классическим представителем которой являетсямаргапцево-впсмутовая пленка (MnBi),обеспечи­вающая плотность записи порядка 106 бит/см2.
Монокристаллические марганцево-висмутовые пленки изготав­ливаютнапылением на подложку из слюды слоев Bi иМп, поверх которых для защиты пленки от разложения и для снижения потерь наотражение наносят слой SiOопределенной толщины. Для полу­чения однородного слоя соединения MnBi эту многослойную струк­туру отжигают при Т = 300° в течение 70 чв вакууме, в результате чего образуется пленка с низкотемпературной фазой(гексагональ­ной кристаллической структуры), причем ось легкого намагничива­нияориентирована перпендикулярно подложке.
При локальном нагревании участка пленки выше точки Кюри (Т»360°С)происходит временная потеря намагниченности. Маг­нитное поле напряженностью 24кА/м, приложенное перпендику­лярно поверхности пленки, обеспечивает полноеперемагничивание этого локального участка при сохранении исходной намагниченно­стидругих.
Материалы для записи в точке компенсации Тк.Их применение основано на использовании температурной зависимости коэрцитив­нойсилы ферромагнетика вблизи точки компенсации.
Если нагреть ферромагнетик, состоящий из двух противопо­ложных понамагниченности магнитных подрешеток, до темпера­туры, равной точкекомпенсации, то наблюдается резкое возраста­ние анизотропии и коэрцитивнойсилы. Небольшое отклонение от Ткприводит к значительномупадению Нс и уменьшению поля за­рождения доменов обратнойнамагниченности.
Группаэтих материалов весьма многочисленна.
 
Материалы для записи в точке переориентации.Их применение основано на эффекте переориентации спинов под воздействием на­гревадо определенной температуры слабых ферромагнетиков с низ­кой симметрией, чтоприводит к изменению направления оси лег­кого намагничивания, а следовательно,и к повороту вектора намаг­ниченности.
Перспективными материалами этой группы являются ортоферри-ты созначительной перпендикулярной анизотропией. В исходном состоянии век­торнамагниченности по всей пленке расположен перпендикулярно ее поверхности.Нагрев материала выше точки переориентации приводит к локальному разворотувектора намагничен­ности в плоскость пленки. После остывания под действиемсильно­го поля анизотропии и небольшого поля записи этот вектор возвра­щается висходное состояние, причем его направление на участке записи противоположноориентации векторов намагниченности дру­гих участков пленки. Эти материалыпозволяют осуществлять запись при комнатной температуре с высокойчувствительностью при достаточной надежности считывания.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
 
1.   Преображенский,Бишард. Магнитные материалы и элементы. 1986г.
2.   журнал«Звукорежиссер» 6/2001, с. 3-9
3.   www.phys.ru