ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПЛЕНОК Со НА СКАНИРУЮЩЕМ СПЕКТРОМЕТРЕ ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

January 18, 2013 by admin Комментировать »

Беляев Б. А., Кипарисов С. Я., Скоморохов Г. В. Институт Физики им. Л. В. Киренского СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036, Россия Тел.: 3912-494591; e-mail: belyaev@iph.krasn.ru

Аннотация – Методом ферромагнитного резонанса исследовано влияние различных технологических условий на неоднородности основных магнитных характеристик тонких пленок Со, полученных химическим осаждением. Показаны возможности существенного увеличения магнитной проницаемости аморфных пленок на сверхвысоких частотах.

I.                                       Введение

Тонкие пленки с высокой магнитной проницаемостью широко используются в головках записи и считывания информации, в датчиках слабых магнитных полей, на них также разрабатываются конструкции различных управляемых устройств СВЧ диапазона: фильтров, модуляторов, фазовращателей. Поэтому отработка технологий получения пленок с высокой магнитной проницаемостью μ является важной и актуальной задачей. Очевидно, что для ее решения необходимо, в первую очередь, повышать эффективную намагниченность насыщения материала Мегг и уменьшать ширину линии ферромагнитного резонанса (ФМР) АН, которая в тонких пленках, в первую очередь, определяется степенью неоднородностей магнитных характеристик.

II.                              Основная часть

Как известно, сравнительно высокой проницаемостью на СВЧ обладают аморфные пленки кобальт- фосфор, полученные химическим осаждением. Технология получения этих пленок требует предварительного активирования поверхности диэлектрической подложки слоем палладия, который имеет по- ликристаллическую структуру. В результате при осаждении магнитной пленки ее первые слои не являются аморфными, повторяя структуру палладия, что значительно уширяет линию ФМР и соответственно уменьшает μ образца. Однако свойства аморфных магнитных пленок можно существенно улучшить, если при их получении предварительно на слой палладия осадить буферный немагнитный аморфный слой, например, Ni-P (с содержанием фосфора >7%). В таких пленках, осажденных на стекпянные подложки размерами 12×12 mm^ и толщиной 2.5 mm, нами исследуется основные магнитные характеристики и влияние на них различных технологических условий.

Буферный немагнитный аморфный слой Ni-P толщиной t осаждался при температуре 90° С на предварительно обработанные по способу [1] подложки с осаждением оксида олова (рис. 1) толщиной в несколько атомарных слоев и слоя палладия толщиной 5 nm. Осаждение Ni-P происходило из раствора следующего состава: никель сернокислый

7  д/1, гипофосфит натрия 10 д/1, лимоннокислый натрий 25 д/1, хлористый аммоний 17 д/1 и аммиак

0.     7 т1/1 (рН=8.5). На приготовленную таким образом слоистую структуру аморфные пленки Со-Р толщиной d осаждались в однородном постоянном магнитном поле Н=3 кОе, ориентированном в плоскости подложки, при температуре 97° С из раствора следующего состава: кобальт сернокислый 30 д/1, гипофосфит натрия 50 д/1, лимоннокислый натрий 80 д/1 и аммиак 3 т1/1 (рН=9.0). Пленки исследовались на сканирующем автоматизированном спектрометре ферромагнитного резонанса [2] с использованием СВЧ головки с частотой накачки /=2.274 GHz.

Для первого эксперимента по описанному выше методу было изготовлено 28 образцов, отличающихся только толщиной буферного слоя Ni-P, которая варьировалась в пределах f=0-80 nm. Толщина магнитного слоя Со-Р в этом эксперименте у всех образцов была одинаковой d=35 nm. Толщины слоев определялись по времени осаждения, при этом калибровочные измерения проводились на рентгеновском рефлектометре с точностью не хуже +1 nm.

В центре каждого образца на участке площадью -0.8 mm^, которая определяется диаметром отверстия в СВЧ-головке, измерялась минимальная ширина линии ФМР АН, эффективная намагниченность насыщения Мет величина и направление поля одноосной анизотропии На и аа, величина и направление поля однонаправленной анизотропии Hs и as, а также величина коэрцитивной силы Не. Параметры вычислялись автоматически по снятым угловым зависимостям резонансного поля Hr, ширины линии ФМР АН (точки на рис. 1) и кривых перемагничивания [2]. Сплошной линией на рис. 1 показана теоретическая зависимость резонансного поля, построенная по найденным магнитным параметрам пленки для измеренного участка. Отметим, что в отсутствие буферного слоя (f=0) Meff«700 Gs, Но «70 Oe, /-/s«6 Oe

и,   наконец, ΑΗχ90 Ое. С ростом t все величины уменьшаются приблизительно на порядок за исключением Meff, которая увеличивается при этом почти в два раза. На рис. 2 представлены зависимости намагниченности насыщения и ширины линии ФМР от толщины буферной прослойки. Важно отметить, что наибольшие изменения всех измеренных величин наблюдаются в области толщин Ni-P до Ы^0 nm, а при толщине foSOnm все зависимости выходят на насыщение. Отметим также, что величина поля одноосной анизотропии На остается в пределах 16-18 Ое во всем диапазоне изменения t, при этом направление оси легкого намагничивания всегда совпадает с направлением ориентирующего во время осаждения образцов постоянного магнитного поля.

Для второго эксперимента было изготовлено 60 образцов, отличающихся только толщиной основного магнитного слоя Со-Р, которая варьировалась с малым шагом в пределах d=1-100nm. При этом толщина буферного слоя у всех образцов была одинаковой t=20 nm. Исследования показали, что для d=1 nm Meff«1180 Gs, Нс«5.5 Ое, Hs«1.7 Ое, Не >21 Ое и АН >20 Ое. С ростом d резко уменьшаются поля однонаправленной и одноосной анизотропии, а также ширина линии ФМР (рис. 3), которая, однако, в области "больших" толщин пленки начинает монотонно увеличиваться в соответствии с проявлением скин- эффекта. При этом эффективная намагниченность сначала резко увеличивается, достигая насыщения при Meff«1330 Gs в области толщин -20-60 nm, а затем вновь монотонно растет. Интересно поведение коэрцитивной силы (рис. 3), которая показывает ярко выраженный максимум (/-/о«11 Ое) при толщине магнитной пленки d«20 nm.

Рис. 3. (Fig. 3.)

Изучение влияния неоднородностей внешнего магнитного поля, присутствующего при осаждении пленок Со-Р, на их магнитные характеристики проводилось на трех специально приготовленных образцах, имеющих одинаковые толщины как основного слоя d=70 nm, так и немагнитной прослойки f=30 nm. Два образца осаждались в градиентном магнитном поле, образованном в зазоре 30 mm двумя "встреч- но-направленными" параллельными прямоугольными магнитами размерами 40x40x10 mm, причем подложка первого из них (а) ориентировалась примерно в центре зазора ортогонально поверхности магнитов, а второго (Ь) – параллельно. Третий – контрольный образец (с) осаждался в однородном магнитном поле, приложенном в плоскости подложки.

Как и следовало ожидать, неоднородности всех магнитных характеристик для пленок, полученных в градиентном магнитном поле, значительно увеличиваются. Однако наиболее сильные изменения по площади образцов претерпевает величина На и направление аа поля одноосной магнитной анизотропии (рис. 4). Следует отметить, что неоднородности всех характеристик у образца (а) примерно в два раза выше, чем у образца (Ь), при этом они, по крайней мере, на порядок больше, чем у контрольного образца. Важно также заметить, что ширина линии ферромагнитного резонанса в контрольном образце на 30% меньше, чем в образцах (а) и (Ь).

III.                                     Заключение

Таким образом, проведенные исследования показали, что использование немагнитной аморфной прослойки в технологии химического осаждения магнитных пленок позволяет значительно увеличить в них сверхвысокочастотную магнитную проницаемость, в первую очередь, за счет уменьшения ширины линии ферромагнитного резонанса. Исследования также показали, что оптимальная толщина химически осажденных аморфных пленок кобальта, полученных по описанной выше технологии, которая обеспечивает минимальную ширину линии ФМР, а значит и максимальную магнитную проницаемость образца в дециметровом диапазоне длин волн, попадает в интервал -20-60 nm.

VI. Список литературы

[1]   Кипарисов С.Я. Способ приготовления полированной неметаллической поверхности к химической металлизации. Авт. свид. СССР № 1145050, БИ №10 от 15.03.85.

[2]   Belyaev В.А., Izotov A.V., Leksikov А.А. Local spectrometer of ferromagnetic resonance and magnetic imaging in thin magnetic films. IEEE, Sensors. 5, No.2, 2005, pp. 260-267.

INVESTIGATION OF MAGNETIC INHOMOGENEITY IN Co-FILMS WITH SCANNING FERROMAGNETIC RESONANCE SPECTROMETER

Belyaev B. A., Kiparisov S. Ya., Skomorohov G. V.

Institute of Physics Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia Phone: 3912-494591, e-mail: belyaev@iph.krasn.ru

Abstract – Effects of different technological conditions on inhomogeneity of basic magnetic characteristics of thin cobalt films obtained with chemical deposition are investigated with ferromagnetic resonance method. Capabilities of considerable increase of magnetic permeability of amorphous films at ultra- high frequency are demonstrated.

I.                                        Introduction

Thin films with high magnetic permeability are in a wide use in information record and read heads, in sensors of weak magnetic fields. They are also used in such tunable microwave devices as filters, modulators and phase shifters. Therefore adjustment of technology to obtain films with high magnetic permeability μ is an important and actual problem. It is obvious that the problem solution needs first of all to increase material effective saturation magnetization Mett and to decrease ferromagnetic resonance (FMR) linewidth ΔΗ, which is formed most of all by inhomogeneity degree of magnetic properties.

II.                                       Main part

As well known, amorphous cobalt-phosphorus films manufactured with chemical deposition obtain comparatively high magnetic permeability on ultrahigh frequency. The film production technology needs in preliminary activating the dielectric substrate surface with a palladium layer, which has polycrystalline structure. As a result, first layers ofthe deposited magnetic film, replicating palladium structure, are not amorphous. That considerably widens FMR line and decreases μ of the sample. However, amorphous magnetic film characteristics can be considerably improved, if before their obtaining to deposit a buffer nonmagnetic amorphous Ni-P layer (with phosphorus content >7%) on the palladium layer. We investigate basic magnetic properties of such films, deposited on glass substrates of 12x12x2.5 mm^, and various technological condition effects on them.

A buffer nonmagnetic amorphous Ni-P layer with thickness t was deposited at temperature 90° С on a preliminarily treated substrate using method [1] with depositing tin oxide (Fig. 1) of several atomic layers thickness and a palladium layer of 5 nm thickness. Deposition of Ni-P arose from solution of the next mixture: nickel sulphate 7 g/l, natrium hypophosphite 10 g/l, citric acid natrium 25 g/l, salmiac 17 g/l and ammonia 0.7 ml/I (pH=8.5). Amorphous Co-P films of thickness d were deposited on the prepared such way laminated structure at uniform static magnetic field H=3 кОе, directed along substrate plane, at temperature 97° С from solution ofthe next mixture: cobalt sulphate 30 g/l, natrium hypophosphite 50 g/l, citric acid natrium 80 g/l and ammonia 3 ml/I (pH=9.0). The films were investigated on a scanning FMR-spectrometer [2], supplied with a microwave head of pump frequency f=2.274 GHz.

Minimum FMR linewidth ΔΗ, effective saturation magnetization Meff, magnitude and direction of uniaxial anisotropy field H^ and as, as well as coercivity H^ were measured in the center of every sample on area of 0.8 mm^square, defined by a diameter ofthe hole in the microwave head. The values were calculated from measured angular dependences of resonant field Hr, FMR linewidth ΔΗ (dots in Fig. 1) and magnetization reversal curves

[2]   . In Fig. 1 theoretical dependence of resonant field built from determined magnetic parameters of the film for the measured area, is shown with solid curve. Note, that in buffer layer absence (f=0) Meff«700 Gs, Hc~70 0e, Hs ~6 0e and at last ΔH«90 0e. All values decrease about an order with t increases, except for Mett, which increases here nearly two times. In Fig. 2 saturation magnetization and FMR linewidth versus the buffer layer thickness are represented.

For second experiment 60 samples, differing only in thickness of the basic magnetic Co-P layer, were made. Here the buffer layer thickness of all the samples was t=20 nm. The investigations showed that Meff«1180Gs, Ho«5.5 0e, Hs«1.7 0e, Ha >21 Oe and ΔΗ >20 Oe for d=^ nm. Unidirectional and uniaxial anisotropy fields, as well as FMR linewidth (Fig. 3) sharply decrease with d increase. The latter however begins monotonically to increase in a range of large’ film thickness in accordance with skin effect revealing.

Effects of external magnetic field nonuniformity on film magnetic characteristics were studied on three specially prepared samples, having equal basic layer thickness d=70nm and equal nonmagnetic layer thickness f=30 nm. Two samples were deposited at gradient magnetic field, formed by 30-mm gap of two opposite directed magnets with dimensions 40x40x10 mm. Their substrates were disposed in the middle of the gap. The first substrate (a) was oriented orthogonally to the magnet surface and the second substrate (b) was oriented parallel to one. The third, reference sample (c) was deposited in uniform magnetic field, applied along the substrate surface. Fig. 4 shows that magnetic films obtained at gradient magnetic field have increased inhomogeneity of all magnetic characteristics. Notice that the reference sample has FMR linewidth 30% smaller than samples (a) and (b).

III.                                       Conclusion

Use of nonmagnetic amorphous interlayer in chemical deposition technology of magnetic films allows considerable increasing of microwave magnetic permeability first of all due to decreasing of ferromagnetic resonance linewidth. An optimal thickness of chemically deposited amorphous cobalt films, providing minimum FMR linewidth and therefore maximum magnetic permeability of the sample in decimetric wave-length band, falls into interval 20-60 nm.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты