Доменная структура и магнитные свойства пленок на основе Fe, Co, Ni, предназначенных для магниторезистивных элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

/

На правах рукописи УДК 538.245,539.216.2

САВИН ПЕТР АЛЕКСЕЕВИЧ

ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ Ре, Со, №, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

01.04.11 - фи шка магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата фюико математических наук

ЕКАТЕРИНБУРГ - 1997

Работа выполнена в Отделе магнетизма твёрдых тел НИИ физики и прикладной математики Уральского государственного университета.

Научный руководитель - доктор физико -математических наук,

профессор Г.С. Кандаурова

Официальные оппоненты. - доктор физико - математических наук,

профессор В.Г.Показаньев

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Ю. Н. Драгошанский

Ведущая организация - Институт физики металлов УрО РАН

Защита диссертации состоится "22й 05 1997 г. в часов на заседании диссертационного совета К063.78.04 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Уральском государственном университете им. А.М. Горького (620083, г. Екатеринбург, пр. Ленина 51, ком. 248)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского госуниверситета им. А.М. Горького.

Автореферат разослан " Z1" &Ч 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Акту альность темы.

Последнее десятилетие характеризуется новой волной интереса к тонким магнитным пленкам на основе Бе, N1 , Со. Бурные исследования бО-х годов, поддерживаемые перспективами и реальными примерами практического применения, создали, казалось, законченную картину магнитного поведения пленок. Однако, развитие микроэлектроники, планарной технологии, в частности, а также новые физические идеи записи и считывания информации, потребовали проведения новых исследований. Кроме того, свойства тонких магнитных пленок очень сильно зависят от технологии их получения, последняя же прошла с тех пор значительный путь развития и совершенствования.

К новым идеям записи относится, а частности, предложение Шви [1] использовать тонкую структуру доменной границы, а именно - в качестве логического "О" и "1" использовать отсутствие или наличие перевязки. Или идея Пома (2] - использовавшего в качестве "О" и "1". то или иное направление замыкания магнитного потока в двухслойном элементе памяти. Оба типа памяти являются энергонезависимыми, отличаются радиационной устойчивостью и вероятной низкой стоимостью, обеспечивают неразрушающее считывание и плотность записи 10-102 Мбит/см2. Считывание информации основано на использовании магниторезистив-ного эффекта, заключающегося в зависимости электросопротивления от угла между током и намагниченностью.

На этом же эффекте основано применение пленок в магниторези-стивных датчиках магнитного поля, использующихся для измерения полей в диапазоне 10"1О-Ю"2Тд (1(Гг>-102 Гс), а также для считывания магнитных меток в различных технических приложениях.

Как правило, пермаллоевые пленки имеют, после получения методом ионно-шшменного напыления, например, небольшие значения маг-ниторезисгивного эффекта (около 1%). Путем последующего отжига можно увеличить это значение в несколько раз. Однако, известно, что при термообработке сильно изменяются магнитные свойства. Для практического же использования необходимо определенное сочетание магнитных и электрических характеристик, таких как: коэрцитивная сила, величина наведенной одноосной анизотропии в плоскости, плотность перевязок в доменной границе, а также величина магщггорезистивного эффекта и электросопротивления. Таким образом, возникла необходимость исследования хорошо известных объектов под новым углом зрения.

Целью работы является исследование магнитных свойств, доменной структуры и структуры доменных границ однослойных и двухслой-

пых пленок Бе-М н Ре-№-Со с учетом возможности использования этих материалов в сенсорных устройствах и запоминающих элементах с маг-ниторезистивным считыванием.

Исходя из этого в работе были поставлены следующие конкретные задачи исследования:

1. Исследовать влияние термомагннтных обработок, а также температуры подложки во время напыления, на доменную структуру, структуру доменных границ и свойства железо-никелевых пленок, полученных методом ионно-плазменного напыления.

, 2. Исследовать возможности влияния на практически значимые параметры пленок через наведенную магнитную анизотропию и толщину пленки.

3. Исследовать зависимость магнитных свойств, доменной структуры и структуры доменных границ двухслойных пленок Ре15Со20№65 от толщины и материала немагнитной прослойки.

Научная новизна.

- Исследовано влияние отжига в вакууме и водороде, а также влияние температуры подложки при напылении, на доменную структуру, структуру доменных границ и гастсрезисные свойства пленок Ре19№81, с точки зрения их использования в качестве среды для энергонезависимой памяти с магннгорезистивным считыванием.

- Показано, что вращающаяся анизотропия в пленках Ре19№81 может иметь различную природу: 1) связанную с наличием страйп-домен-ной структуры, 2) обусловленную существованием "анизотропных центров".

- Впервые показано, что в процессе наведения новой оси легкого намагничивания (ОЛН), в тонких пленках с вращающейся анизотропией, доменные границы новой ориентации могут формироваться из перевязок границ прежней ориентации.

- Учтено влияние константы перпендикулярной магнитной анизотропии Ю на плотность перевязок Рс1 и выполнен расчет на компьютере зависимости Р«(К|) для пленок Ре 19№81.

- Подробно изучена зависимость коэрцитивной силы Не от толщины немагнитной прослойки Ьпр (в интервале 0-10 нм) двухслойных пленок Ре15Со20№65. Найдено, что зависимость ЕЦЬпр) имеет, кроме резкого максимума при 1^= 0,8-1,0 нм, особенность в интервале 2-4 нм, заключающуюся в двухкратном возрастании Не.

- Впервые показано, что максимуму ЩЬпр) соответствует изменение характера доменной структуры (ДС). А именно: при увеличении толщины прослойки, полосовая ДС переходит в мелкодисперсную нере-

гулярную ДС - в максимуме Щ!^) - и становится снова полосовой регулярной после прохождения максимума.

- Впервые показано, что максимум ЩЬлр) характеризуется сменой типа доменных границ (ДГ). А именно: в образцах, соответствующих максимуму Hc(Lnp), доменные границы состоят из сегментов неелевских сквозных ДГ (с параллельной ориентацией намагниченности в слоях) и неелевские ДГ с квазизамкнутым магнитным потоком (с антипараллельной ориентацией намагниченности в слоях).

- Высказано предположение о причине двухкратного увеличения Не в узком интервале изменения толщины прослойки (2-4 нм). А именно: предполагается, что в указанном интервале происходит нарушение короткодействующей магнитосгатической связи магнитных слоев. Предполагается, что причиной, указанной связи, наряду с неровностями прослойки, могут служить поля рассеяния ряби намагниченности.

Практическая значимость работы.

Выполнение данной работы связано с возможностью использования одно- и двухслойных атенок на основе FeCoNi в качестве запоминающих элементов энергонезависимой памяти с магниторезистивным считыванием, а также для магниторезистивных датчиков .магнитного поля. Как уже было отмечено, для практического использования необходимо сочетание в пленках определенных магнитных и электрических характеристик Результаты данной работы могут быть использованы для получения пленочных материалов с заданными характеристиками, а также при конструировании конкретных устройств. На основе полученных в ходе выполнения данной работы результатов разработаны и исследованы конкретные магниторезистивные запоминающие элементы и магниторезистив-ные датчики.

Апробация работы.

Материалы диссертации обсуждались на: Всесоюзном семинаре "Доменные и магнитооптические запоминающие устройства" (Кобулети-87), Всесоюзной конференции "Проблемы магнитных измерений" (Ленинград-89), "Всесоюзном семинаре по функциональной магнито-элекгронике" (Красноярск-90), Всесоюзных семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Ташкент-88, Новгород-90, Астра-хань-92, Москва-94), Всероссийских совещаниях вузов по Физике магнитных явлений (Иркутск-92, Астрахань-93), Международном коллоквиуме по Магнитным пленкам и поверхностям (Дюссельдорф-94), Европейской международной конференции по Магнитным материалам и приложениям - EMMA - (Вена-95).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Стру ктура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Она содержит 175 страниц машинописного текста, включая 74 рисунка. Библиографический список содержит 100 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, дана краткая характеристика структуры изложения материала. Приведены сведения о научной новизне и практической значимости. Затем дана краткая историческая справка и поставлены конкретные задачи исследования.

Первая глава посвящена технологии получения пленок и измерительным методикам. Пленки были подучены методом высокочастотного ионно-плазменного напыления. Коэрцитивная сила, поле анизотропии и дисперсия анизотропии измерялись при помощи Универсального магнитооптического петлескопа. Для визуализации доменов и доменных границ использовался меридиональный эффект Керра и метод порошковой суспензии.

Во второй главе рассматривается влияние технологии, толщины пленок и термомагнитных обработок на магнитные свойства, доменную стру ктуру и структуру доменных границ однослойных пленок Fe-Ni. Рассматриваются вероятные механизмы возникновения вращающейся анизотропии. А также приводится расчет влияния перпендикулярной магнитной анизотропии на плотность перевязок в доменной границе.

Известно, что термообработка может заметно изменять свойства пленок Fe-Ni. Обычно применяемый отжиг в вакууме приводит к структурным и фазовым превращениям, которые и являются причиной изменения свойств.

С целью нахождения оптимальных параметров термообработки был проведен ступенчатый отжиг пленок толщиной 0,05 и 0,5 мкм. Образцы состава Fel9Ni81 были напылены на подогреваемые до 200 °С кремниевые подложки в магнитном поле 10 кА/м. Образцы подвергались отжигу при температурах 150, 200,250, 300, 350,400 °С в течение одного часа. Одна серия отжигалась в вакууме б^хЮ^Па, другая - в атмосфере водорода 104-105 Па. И, наконец, третья группа образцов- с толщиной пленки 0,059 мкм - отжигалась в вакууме 6,5х КГ1 Па непосредственно после получения, без девакуумирования напылительной камеры. Пленки отжигались в присутствии магнитного поля 10 кА/м, ориентированного вдоль наведенной OJIH в плоскости пленки.

После получения пленка толщиной 50 mí имела доменную структуру в виде широких полос, обыкновенно нарушенной, из-за дефектности

пленки, периодичности, ориентированных вдоль оси легкого намагничивания. Доменные границы имели структуру ДГПС - доменная граница с поперечными связями - с хорошей периодичностью перевязок, расположенных вдоль границы со средней плотностью 100 шт/мм. Петля гистерезиса вдоль ОЛН близка к прямоугольной, а вдоль оси трудного намагничивания - имела вид наклонной линии.

Отжиг в водороде начинает оказывать заметное влияние на ДС и структуру ДГ при Татж свыше 300 °С. Границы доменов становятся неровными и более изогнутыми, а плотность перевязок и их регулярность несколько понижаются.

Ступенчатый отжиг в вакууме оказывает аналогичное влияние на вид ДС и структуру ДГПС.

В ходе ступенчатого отжига изменение намагниченности насыщения, величины наведенной магнитной анизотропии, коэрцитивной силы и плотности перевязок определяются в основном температурой отжига, а не средой. В то время как на изменение анизотропии магнитосопротив-ления водород оказывает существенное влияние.

При отжиге пленки толщиной 0,5 мкм наблюдалось значительное уменьшение коэрцитивной силы (рис.1) причем, во время отжига в вакууме уменьшение происходило скачком, при температуре 300 °С, а в водороде - уменьшение было плавным. Величина ДЛ/Я* сначала незначительно уменьшалась, но при температуре отжига 300 °С наблюдался резкий рост. В отличие от тонкой (0,05 мкм), в исходном состоянии пленка имела вращающуюся анизотропию, которая заключалась в переориентации ОЛН в плоскости пленки под действием магнитного поля. При этом, полосовая ДС всегда ориентировалась вдоль новой ОЛН. В ходе ступенчатого отжига вращающаяся анизотропия исчезала. Это проявлялось в том, что полосовая ДС ориентировалась всегда в одном и том же направлении - вдоль наведенной ОЛН - независимо от ориентации размагничивающего поля. Причем, резкое падение коэрцитивной силы, резкий рост анизотропии магшггосопротивлення и исчезновение вращающейся анизотропии происходили одновременно - при температуре отжига 300 °С.

Третий тип термомагнишой обработки - отжиг без девакуумирова-ния - приводит к наиболее положительным результатам, с точки зрения применения пленок как магшгторезистивных материалов. В отличие от ступенчатого, отжиг без девакуумирования не оказывает заметного влияния на вид ДС, но существенно атаяет на структуру доменных границ. Плотность перевязок Р« в ДГПС уменьшается после отжига при Тотж>450 °С примерно вдвое (рис.2), коэрцитивная сила монотонно увеличивается,

*) Измерения выполнены н.с. В.Н.Лепаловским

Рас. 1. Изменение свойств пленок Ее19№81, толщиной 50 им, при ступенчатом отасиге в вакууме (о) и водороде (в).

О 100 200 300 400 500 600 700

Рис.2. Зависимости: а) плотности перевязок Рс, 6) поля плоскостной ОДНООСНОЙ анизотропии На И коэрцитивной СИЛЫ НсОТ от температуры отжига Т^ в вакууме. Толщина пленок 50 им.

Hr, А/м

150 ¿,нм

Рис.3. Зависимость плотности перевязок Pct (1) и коэрцитивной силы Но (2) от толщины пленок Fel9Ni8I.

р 300

6 8 1 и

h-io" Афв

Рис.4. Рассчитанные зависимости плотности перевязок Pct от константы перпендикулярной анизотропии

лнчивается, одноосная анизотропия в плоскости увеличивается до температуры отжига 400 °С, а затем спадает вплоть, до температуры 500-550 °С, при которой появляется вращающаяся анизотропия. Кроме того, при этом типе обработки достигаются наибольшие значения магниторези-стивного отношения (3,4%).

Основным, определяющим изменение свойств при всех типах обработки фактором, является процесс рекристаллизации: рост зерен и увеличение неоднородности кристаллитов по размеру. Это подтверждается наблюдениями микроструктуры пленок на электронном микроскопе.

Толщина пленок является одним из существенных физических факторов, определяющих свойства пленочных материалов. Например, доменные границы с поперечными связями, которые используются для записи информации, существуют лишь в определенном интервале толщин. Известно так же, что и другие магнитные и электрические характеристики могут зависеть от толщины пленок. Практический интерес для реализации записи информации на ДГПС представляют пленки в которых возможно существование доменных границ с поперечными связями. Такие границы наблюдались нами в интервале толщин 20- 170 км.

Зависимость от толщины пленок Ь показана на рис.3. Поскольку поперечные связи возникают только в области толщин, соответствующих переходу между доменными границами блоховского и нселевского типа, то кривая носит немонотонный характер. Это качественно согласуется с литературными данными для пермаллоевых пленок, приготовленных термическим испарением. Однако в нашем случае максимум на кривой Р«(Ь) заметно (на 50 нм) смещен в сторону больших толщин, и интервал Ь, в котором существуют поперечные связи, почти в два раза шире.

Как уже отмечено, некоторые исследованные нами пленки пермаллоя имели вращающуюся анизотропию (ВА). Она заключалась в том, что при включении переменного магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания, наблюдалась петля гистерезиса, характерная для оси трудного намагничивания. При увеличении амплшуды поля выше некоторого значения, происходило "расхлопывание" петли гистерезиса и она становилась "легкой". При последующем уменьшении амплшуды поля до нуля, возникала полосовая доменная структура, ориентированная вдоль нового направления ОЛН. Вращающаяся анизотропия наблюдалась нами на относительно толстых пленках - 0,5 мкм и на тонких 0,05 мкм. Причем, вращающаяся анизотропия "толстых" пленок после отжига исчезала, а "тонкие" пленки, наоборот, приобретали ее в процессе отжига. Поэтому, мы предположили, что вращ?."ошдяся анизотропия в "толстых" и "тонких" пленках имеет разную природу. Анализ литературных и экспериментальных данных показывает, что ВА "толстых" пленок

объясняется страйп-доменной структурой [3]. в то время как в "тонких" пленках ВА находит объяснение в рамках модели "центров анизотропии"

И].

Показано также, что в процессе наведения новой ОЛН. перпендику лярной к прежней, доменные границы вдоль нового направления ОЛН возникают из перевязок границ прежней ориентации.

Известно, что на плотность перевязок в ДГПС, наряду с толщиной Ь, намагниченностью насыщения М„ обменным параметром А константой одноосной анизотропии в плоскости К , оказывает влияние и константа перпендикулярной анизотропии К± [5]. Эта зависимость обусловлена уменьшением энергии блоховской компоненты доменной границы в пленках с перпендикулярной анизотропией.

В работе, в рамках модели доменной границы с перевязками [6]. выполнен расчет на компьютере зависимости плотности перевязок от константы перпендикулярной анизотропии К .

На рис. 4 представлены рассчитанные на компьютере зависимости Рс( от К! для трех толщин пленок (20. 40, 80 нм), полагая обменный параметр А=10 Дж/м, намагниченность насыщения Ма=800 кА/м, константа одноосной анизотропии в плоскости К=60 Дж/м3. Видно, что учет перпендикулярной анизотропии приводит к увеличению плотности перевязок. Причем для более толстых пленок это влияние более значительно. Кроме того, наличие перпендикулярной анизотропии уменьшает интервал существования ДГПС. Например, в пленке толщиной 80 нм. при значениях К! >8х104 Дж/м3, оказывается энергетически более выгодна бло-ховская граница.

Третья глава посвящена магнитным свойствам и доменной структу ре двухслойных пленок Ее15Со20№65.

В работе обсуждаются возможные типы взаимодействия в двухслойных структурах и решаются следующие экспериментальные задачи:

1. Определение зависимости коэрцитивной силы, дисперсии магнитной анизотропии, доменной структуры и структуры доменных границ от толщины и материала немагнитной прослойки.

2. Исследование влияние отжига на магнитные свойства пленок с различным материалом прослойки.

Образцы включали два слоя Ре15Со20Ш>5 толщиной по 15 нм и немагнитную прослойку. Материал и толщина прослойки варьировались.

Эксперимент показал, что доменная структура и гистерезисные свойства двухслойных пленок в большой степени определяются толщиной немагнитной прослойки. На рис.5 представлена зависимость коэрцитивной силы пленок, включающих магнитные слои толщиной Ь=15 нм, от толщины прослойки (Ьпр) хрома. На зависимости Нс(Ьпр) можно выде

Ьп/>., ИМ

Рис.5. Зависимость коэрцитивной СИЛЫ Не от толщины прослойки хрома Ьпр. Толщина ферромагнитных слоев состава Ре15Со20№65 -15 им.

Рис.6.

Доменная структу ра двухслойной пленки Ре15Со20№65 с различной толщиной прослойки хрома: а - 0,5 им, б-0,8 им, в - 1,4 нм.

Толщина ферромагнитны слоев -15 нм.

й.

Рис.7.

Мелкодисперсная ДС. соответствующая максимуму зависимости Нс(Ь11р) а) после размагничивания переменным полем вдоль ОЛН б) после приложения небольшого поля, перпендикулярного ОЛН. Изображение ДС получено с помощью магнитной суспензии, наблюдением методом темного поля.

45

Си - л

1 г

, С и

0 6 -

\ ь

а

С 1

Т^1

и

пр. , ИМ

Рнс.8. Зависимости коэрцитивной силы Не от толщины прослойки Ьпр из Си и Т1М для: а) неотожженных пленок, б) прошедших термообработку при 350 °С в течение часа.

лить несколько характерных участков. При толщине прослойки менее 0,7 нм ее присутствие практически не сказывается на величине Не. В таких образцах, как и в однослойных пленках, наблюдаются широкие полосовые домены (рис.ба) и блочные неелевские границы с поперечными связями. При визуализации этих границ при помощи магнитной суспензии и наблюдении методом темного поля разнополярные блоки выглядят светлыми отрезками, чередующимися с темными точками - блоховскими линиями.

В области Ьпр=0,7-1 нм наблюдается резкий максимум, а затем быстрый спад коэрцитивной силы - наблюдавшийся впервые автором работы [7]. Кроме того, наблюдается максимум зависимости а9о(Ьпр), а форма петли гистерезиса существенно отклоняется от прямоугольной.

Величина Ц в образцах с Ьпр=2нм становится в несколько раз меньше тех значений, которые характерны для однослойных пленок толщиной 2Ь. Такое поведение коэрцитивной силы может быть связано с существенным изменением структуры доменных границ, которое имеет место при переходе от однослойных к двухслойным пленкам.

Согласно существующим представлениям, изменение структуры стенок заключается в том, что доменные границы из разных слоев образуют магнитные конфигурации с частично замкнутым магнитным потоком. В простейшем случае это пары разнополярных неелевских стенок, расположенных друг над дру гом. В то же время, наличие максимума на зависимости ЩЦр) требует усложнения модели.

Обратимся к типичным картинам доменов и доменных границ, которые наблюдаются в образцах с повышенной Не после их размагничивания переменным полем вдоль оси легкого намагничивания. Из рис.66 и рис.7 ввдно, что дня таких пленок характерны сильно измельченная и нерегулярная доменная структура, а также наличие протяженных разрывов на порошковых картинах доменных границ. Последнее указывает на образование участков сдвоенных неелевских границ с различной полярностью. находящихся в разных слоях. Отсутствие суспензии на них есть следствие почти полной компенсации размагничивающих полей на поверхности пленки. Это подтверждается тем, что после воздействия небольшого магнитного поля, приложенного перпендикулярно границе, картина порошкового осадка меняется (рис.7б). Под воздействием поля невыгодные составляющие сдвоенных границ перемагничиваются и замыкание магнитного потока нарушается. В результате невидимые участки границ становятся видимыми.

Увеличение Ь,ф, что соответствует смещению в область минимума Не на рис. 5. сопровождается восстановлением регулярности доменной структуры дву хслойных пленок. Домены в таких образцах имеют поло-

совую форму (рис.бв). а доменные границы не выявляются с помощью магнитной суспензии, что указывает на образование сдвоенных доменных границ, поля рассеяния которых недостаточны для образования порошковой картины из-за взаимной компенсации полей рассеяния от границ, образующих пару.

Все это позволяет предположить, что в области максимума Н,(Ь!!р) происходит нарушение обменной связи между слоями. Однако при толщине прослойки 0,8 нм оно реализуется не по всей поверхности раздела слоев. Там. где нару шение имеет место, образуются сдвоенные границы. В других местах из-за несплошности (или разнотолщинности) прослойки еще энергетически выгодны сквозные неелевские доменные стенки. В результате создается неоднородный потенциальный рельеф. При смешении граница будет проходить различные участки, на которых выгоден то один то другой тип границы.

Другая особенность зависимости Щ!,^) (рис. 5) заключается в том, что в интервале толщин (2-4 нм) коэрцитивная сила увеличивается в два раза. На наш взгляд, это может происходить из-за су щественного ослабления (при этих толщинах прослойки) взаимодействия между слоями, что подтверждается представленными в работе электронномикроскопи-ческими наблюдениями. Коэрцитивная сила может возрастать при этом вследствие увеличения энергии доменных границ.

Авторы работы [8] пришли к выводу, что существование микрорельефа прослойки (неровностей) приводит к магнитостатическому взаимодействию между слоями через поля рассеяния, возникающие на неровностях. Очевидно, что это взаимодействие - короткодействующее, по сравнению, например, с взаимодействием через поля рассеяния на краях образца. Поэтому авторы [8] назвали его обменоподобньш. Мы полагаем, что наряду с неровностями прослойки, источником полей рассеяния может служить рябь намагниченности.

С целью повышения магниторезистивного эффекта двухслойные магнитные пленки Ее15Со20№65 отжигались в вакууме, непосредственно после получения. Огжиг при температуре 500 °С, как это имело место в и случае пленок Ре19№81, приводил к неприемлемому, с практической точки зрения, повышению коэрцитивной силы. Например, для пленочной структуры с прослойкой из нитрида тягана, толщиной 2 нм, коэрцитивная сила возрастала до 50 А/м. При этом петля гистерезиса приобретала существенно непрямоугольную форму. Поэтому для отжига была выбра-яа температура 350 °С. при которой происходил заметный рост магнито-эезистивного эффекта и, в то же время, значительно не ухудшались магнитные характеристики.

Материал прослойки в неотожжеиных пленках Ре15Со20№65 оказывает некоторое влияние на зависимость коэрцитивной силы от толщины прослойки Нс(Ьпр). Значительно сильнее эта специфика проявляется на образцах, подвергнутых термообработке. Видно, рис. 8, что для образцов с прослойкой из нитрида титана термообработка не изменяет вид зависимости КЦЬпр). В случае же прослойки из меди, вид рассматриваемой зависимости меняется. А именно, максимум Но становится менее резким и смещается в сторону больших толщин Ь,ф=3 им. Коэрцитивная сила в максимуме ЩЬпр) вдвое больше, чем у неотожжеиных пленок.

Объяснение изложенным фактам можно найти при анализе распределения материалов различных слоев по толщине пленочной структуры, полученного с использованием метода Оже-спектроскопии: причина заключается в повышенной диффузии меди в соседние слои.

В четвертой главе полученные в ходе выполнения данной работы результаты были использованы для изучения конкретных запоминающих элементов (одно- и двухслойных) с мапшторезистивным считыванием. Кроме того выполнен расчет чувствительности и коэффициента нелинейности матниторезистивных датчиков магнитного поля.

Приложение представляет собой краткий обзор статей по одно- и двухслойным запоминающим элементам с мапшторезистивным считыванием.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние термомагннтной обработки в вакууме и водороде, а также влияние температуры подложки при напылении, на доменную структуру, структуру доменных границ и гистерезисные свойства пленок Ре19№81, как среды для энергонезависимой памяти с мапшторезистивным считыванием.

Найдено, что в зависимости от толщины Ь пленки Ре19№81, плотность перевязок Р« в доменных границах с поперечными связями имеет максимум при Ь =120 им. Показано, что уменьшение Ра при Ь >120 нм, связано с включением в границу с перевязками участков блоховских границ.

2. Показано, что вращающаяся анизотропия в пленках Ре19№81 может иметь различную природу: 1) связанную с наличием страйп-доменной структуры, 2) обусловленную существованием "анизотропных центров".

Впервые показано, что в процессе наведения новой оси легкого намагничивания, в тонких пленках с вращающейся анизотропией, доменные границы новой ориентации формируются из перевязок границ прежней ориентации.

3. Учтено влияние константы перпендикулярной .магнитной анизотропии К! на плотность перевязок Рс( и выполнен численный расчет на компьютере зависимости РС((К_!. ) для пленок Ре19№81. Показано, что с практической точки зрения, легче воздействовать на плотность перевязок, варьируя константу одноосной анизотропии в плоскости или толщину пленки, так как К± относительно слабо влияет на плотность перевязок.

4. Исследовано влияние температуры подложки, температуры и условий ТМО на магнитные свойства пленок Ре10№90. Показано, что оптимальными свойствами, с точки зрения использования пленок в качестве магниторезисгивной среды, обладают пленки, напыленные на слабонагретые подложки и отожженные при 500 °С. При этом пленки толщиной 50 нм имели Нс=0,6 кА/м. На=1.3 кА/м, Рс,=250 шт/мм и А Я/Я = 4,5%.

5. Подробно изучена зависимость коэрцитивной силы Не от толщины немагнитной прослойки Г11р (в интервале Ьпр= 0-10 нм) двухслойных пленок Ре15Со20№65. Показано, что указанная зависимость имеет, кроме резкого максиму ма при 1^=0.8-1,0 нм, особенность в интервале Цф= 2-4 нм, заключающуюся в двухкратном возрастании Нс в этом интервале.

Впервые показано, что максимуму ЩЬпр) соответствует изменение характера доменной структуры. А именно: при увеличении толщины прослойки, полосовая ДС переходит в мелкодисперсную нерегулярную ДС - в максимуме НДЦ,,) -. и становится снова полосовой регулярной после прохождения максимума.

Впервые показано, что максимум ЩЬщ,) характеризуется сменой типа доменных границ (ДГ). А именно: в образцах, соответствующих максимуму 1^(1^,), доменные границы состоят из сегментов неелевских сквозных ДГ (с параллельной ориентацией намагниченности в слоях) и неелевские ДГ с квазизамкнутым магнитным потоком (с антипараллельной ориентацией намагниченности в слоях).

6. Высказано предположение о причине двухкратного увеличения Ц в узком интервале изменения толщины прослойки (2-4 нм). А именно: предполагается, что в указанном интервале происходит нарушение короткодействующей магнитостатической связи магнитных слоев. Предполагается, что причиной, указанной связи, наряду с неровностями прослойки, могут служить поля рассеяния ряби намагниченности.

7. Исследованы магниторезистивные элементы памяти. Полу ченные результаты говорят о возможности создания запоминающих магни-торезистивных элементов по стандартной микроэлекгронной технологии и, следовательно, о возможности изготовления их совместно со схемой управления в одном кристалле.

Выполнен расчет чувствительности и коэффициента нелинейности магниторезистивных сенсорных элементов для случаев различной величины и ориентации смещающего поля, оси легкого намагничивания, угла наклона меандров сенсорного элемента к измеряемому полю. Приведенные результаты позволяют заключить, что использованный теоретический подход отражает основные закономерности формирования магниторезистивных свойств в пленочных наклонных меандрах и позволяет оптимизировать параметры сенсорных элементов с заданными характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА

11]. Schwee L.J, Hunter Р.Е., RestorffK.A. and Shephard M.T. The concept and initial studies of crosstie random access memory (CRAM) -J.Appl.Phys.,1982, v.53, N3, p.2762-2764.

{2]. Pohra AV., Nuang J.S.T., Daughton J.M., Krahn D.R., Mehra V. The design of a one megabit non-volatile M-R memory chip using 1,5x5 m cells. -IEEE Trans.Magn., 1988, v.24, N6, р.3117-3119.

[3]. Holz A, Kronmuller H. The nucleation of stripe domains in thin films-Phys.Stat.Sol., 1969, v.31, N2, p.787-798.

[4]. Cohen M.S. Anomalous magnetic films.- J. AppLPhys., 1962, v. 33, N10, p.2968-2980.

]5J. Мицек А.И., Пушкарь B.H., Савдлер JI.M.. Корсунская Т.С., Филон-чук И.В. Магнитная анизотропия и доменная структура аморфных ферромагнитных пленок.- ФТТ, 1983, т.25, вып.1, с.198-203. ]6]. Minnaja N. Evaluation of the energy per unit surface in a cross-tie wall.-J.de Phys., 1971, v.32, p. Cl-406.

[7]Feldikeller E. Wandbewegungsfeldstarken in magnetischen Mehrfachschichten.- Zs.Angew.Phys., 1965, B18,H5/6, S.532-534.

[8]. E.W.Hill and S.L.Tomlinson, J.P.Li The role of dipole coupling in multilayers.- J.Appl.Phys., 1993, v.73, N 10, p.5978-5980.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Лепаловский В.Н., Лесных В.В., Кандаурова Г.С., Савин П.А, Быслрова Е.Г., Барташевич М.И. Влияние термообработки на свойства пермаллоевых плнок, предназначенных для записи информации на доменных гранших,- Тез.докл. Всесоюзн. школа-семинар Доменные и магнитооптические запоминающие устройства, Кобулети, 1987, с.84.

2. Савин П. А. Измерение дисперсии анизотропии при помощи магнитооптического петлескопа.- Тез докл. науч.-тех. конф. Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры.- Ленинград, 1989,ч.2,с.205

3. Васьковский В.О.. Лепаловский В.Н., Савин П.А.. Свалов A.B.. Ювченко A.A. Получение и исследование закономерностей перемагни-чивания двухслойных пленок Fe-Ni-Co- Тез.док. IV Семинар по функциональной магнитоэлектронике, Красноярск, 1990. с.99.

4. Васьковский В.О.. Лепаловский В.Н., Савин П.А.. Кандаурова Г.С. Магнитные и электрические свойства пермаллоя - матриала для записи с магниторезистивным считыванием.- Тез.док. IV Семинар по функциональной магнитоэлктронике, Красноярск, 1990, с.100-101.

5. Лепаловский ВН., Кандаурова Г.С., Савин П.А., Васьковский В.О., Свалов A.B., Мухаметов В.Г.. Стрелок В.В. Влияние толщины, температуры подложки и термообработки на магнитные и электрические свойства пленок Ni90Fe 10,- Тез.док. V Всероссийского совещания вузов по физике магнитных материалов. Астрахань. 1989. с.60-61.

6. Лепаловский В.Н., Савин П.А., Кандаурова Г.С.. Васьковский В.О., Мухаметов В.Г., Стрелок В.В. Магнитные и магниторезистивные свойства пленокFel0Ni90.-Известия вузов. Физика.. 1991, N1. с.9-13.

7. Лепаловский В Н., Савин П.А., Васьковский В.О. Влияние параметров ионно-плазменного распыления на магнитные и электрические свойства лермаллоевых пленок,- Тез.док. Новые магнитные материалы микроэлектроники, Ташкент. 1988.

8. Васьковский В.О., Лепаловский ВН., Савин П.А., Сватов A.B.. Ювченко A.A. Получение и исследование закономерностей перемагни-чивания двухслойных пленок Fe-Ni-Co - Тез.док. Новые магнитные материалы микроэлектроники. Новгород, 1990, ч.1, с.46.

9. Кандаурова Г.С.. Васьковский В О.. Лепаловский В.Н., Мухаметов В.Г., Савин П. А., Сватов A.B., Сорокин А.Н., Стрелок В.В., Тейтель Е.И., Щеголева H.H. Тонкие пленки для магнитной записи и магниторе-зистивного считывания.- Тез.док. Новые магнитные материалы микроэлектроники, Новгород, 1990, 4.2, с.217.

10. Савин П. А. Тонкопленочные элементы для магнитной записи и магниторезистивного считывания,- Тез.док. коорд. совещания Развитие методов проектирования и изготовления интегральных ЗУ. Москва. 1991.

11. Васьковский В.О., Кандаурова Г.С., Кожанов В Н., Лепаловский В.Н., Мухаметов В.Г., Савин П.А. Технология получения и свойства многослойных запоминающих элементов.- Тез.док. коорд. совещания Развитие методов проектирования и изготовления интегральных ЗУ, Москва, 1991.

12. Савин П.А.. Васьковский В О., Кандаурова Г.С., Лепаловский В.Н., Осуховский В.Э. Влияние толщины на магнитные и электрические

свойства пленок пермаллоя, предназначенных для записи информации. Микроэлектроника, 1991, Т.20, вып.4, с.407-409.

13. Савин П.А., Кандаурова Г.С. Влияние перпендикулярной анизотропии на плотность перевязок в доменной границе.- Тез.док. Всеросс. совет, по Физике магнитных материалов, Иркутск, 1992, с.20.

14. Савин П.А., Антропов О.В.. Васьковский В.О., Мухаметов В.Г. Гистерезисные свойства планарных запоминающих элементов,- Тез.док. Всесоюзн. шк.-семинара Новые магнитные материалы микроэлектроники. Астрахань, 1992. ч.2. с.85.

15. Савин П. А.. Мухаметов В.Г., Васьковский В.О. Теоретическое и экспериментальное исследование свойств тонкопленочных магниторези-стивных преобразователей.- Тез.док. Всерос. совещания по Физике магнитных явлений, Астрахань, 1993, с.ЗО.

16. Васьковский В.О., Грызунов М.А., Кандаурова Г.С., Лепалов-ский В.Н.. Савин П. А. Особенности гистерезисных свойств двухслойных пленок с немагнитной прослойкой.- Тез.док. Всесоюзн. шк.-семинара Новые магнитные материалы микроэлектроники, Москва, 1994, ч.З, с.73.

17. Vas'kovskij V.O., Ciyzunov M.A.. Kandaurova G.S., Lepalovskij V.N., Savin P.A. Caracteristic coercivity of double layer films with nonmagnetic interlayer.- 14th Inter. Colloqwium on Magn. Films and Surfaces, Dusseldorf, Germany, August 29- September2, 1994. Coll. digest., p.679-680.

18. Васьковский В О., Савин П.А., Лепаловский В.Н., Кандаурова Г.С., Ярмошенко Ю.М. Особенности гистерезисных свойств и доменной структуры слоистых магнитных пленок - ФММ, 1995, т.79. вып.2, с. 7077.

19. Васьковский В.О., Мухаметов В.Г., Савин П.А., Стрелок В.В. Магнигорезистивные запоминающие элементы.- Микроэлектроника, 1993. Т.22, вып.2. с.64-71.

20. Васьковский В.О., Мухаметов В.Г., Савин П.А. Исследование и оптимизация параметров тонкопленочных магниторезистивных преобразователей- Микроэлектроника, 1994, т.23, вып.З. с.60-67.

Подписано в печ. 16.04.97. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Объём 1,0. Тир. 100. Зак. № 470 Екатеринбург. К-83. пр. Ленина, 51. Типолаборатория УрГУ.