Формирование и исследование магнитных тонкопленочных структур с заданными высокочастотными свойствами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

На правах рукописи УДК: 537.622

Седова Марина Владимировна

ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР С ЗАДАННЫМИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

МОСКВА 2005

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной электродинамики Объединенного института высоких температур РАН

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук доцент Перов Николай Сергеевич

Научный консультант:

кандидат технических наук Рыжиков Илья Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Шефтель Елена Наумовна

кандидат физико-математических наук -Амирханов Алексей Владимирович

Ведущая организация:

Институт металлофизики и функциональных материалов им. Г.В. Курдюмова Государственного научного центра РФ ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина

Защита состоится 16 июня 2005 г. в 11.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.110.01 при-Объединенном институте высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, Ижорская 13/19, ОИВТ РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН

Автореферат разослан 15 мая 2005 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.110.01 к. ф.-м. н.

А.Т. Кунавия

т-г ни 4п

/6576

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

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. Пленарная 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 пленарные элементы на основе тонких магнитных пленок, обладающих эффектом гигантского магнитного импеданса (ТМИ), 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, нано- и 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.

Цель работы.

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.

Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

1. Выявление особенностей формирования сэндвичей при различных

методах получения (электронно-лучевое, ионно-лучевое и магнетронное

•i

распыление), выбор наиболее пригодных материалов для их создания.

2. 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.

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

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Проведено комплексное систематическое исследование тонких магнитных пленок с использованием следующих методов: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микрорентгеновский анализ, рентгеноструктурный анализ, сканирующая зондовая микроскопия (АСМ, МСМ), магнитостатические измерения, магнитооптика, магнитная импедансометрия

2. Впервые 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.

3. Разработаны технологии получения магнитных материалов, обеспечивающие низкое значение коэрцитивной силы ~ 0,1 Э при высоких значениях ВЧ магнитной проницаемости.

4. Впервые подробно исследована корреляция параметров топологии и импедансных характеристик полученных многослойных тонкопленочных структур.

Практическая ценность. 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.

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту:

1. Показано, что комплексное изучение тонкопленочных структур, обладающих ВЧ-импедансными свойствами, на основе сочетания различных методов исследования электрофизических, магнитных и морфологических параметров, позволяет установить однозначную связь между структурными и функциональными свойствами изучаемых образцов.

2. Получены новые экспериментальные данные о влиянии ТМО на магнитоимпедансные свойства для тонких пленок нанокристаллического сплава файнмет. Оптимальные магнитные свойства таких пленок реализуются при температурах на 100-И 50°С ниже, чем в объемном материале и в фольгах.

3. Показано, что при технологии, обеспечивающей получение низкокоэрцитивных магнитных пленок, входящих в многослойные тонкопленочные структуры, оптимизация топологии этих структур имеет решающее значение для получения заданных магнитоимпедансных свойств.

4. 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.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Symposium «Recent research on novel magnetic structures and their applications» (San Sebastian, 2000), VI International Workshop on Noncrystalline solids (Bilbao, 2000), European Magnetic Sensors

and Actuators Conference (Dresden, 2000), Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia. (Moscow, 2002), Вторая Всероссийская конференция «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2004), Symposium and Summer School on Nano and Giga Challenges in Microelectronics (Krakow, 2004)

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, одного приложения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 146 страниц, включая 50 рисунков, 11 таблиц и библиографический список из 89 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность проведенных исследований. Дано краткое описание структуры диссертации.

В первой главе рассмотрены теоретические и технологические предпосылки создания пленочных, гранулированных и нанокомпозитных структур с высокочастотными свойствами. Приведен обзор литературы, посвященной теоретическим моделям явления магнитоимпеданса в тонкопленочных структурах. Рассмотрен эффект гигантского магнитного импеданса (ГМИ) и обоснована возможность создания магнитных сенсоров, работающих на данном эффекте в области высоких частот. Проанализированы особенности свойств тонких магнитных пленок. В связи с этим рассмотрены проблемы технологии получения таких пленок различными технологическими методами.

Вторая глава посвящена вопросам выбора основных материалов для использования в магнитоимпедансных устройствах, а также для других ВЧ-применений. Так как эффект магнитного импеданса связан с влиянием магнитного поля на магнитную проницаемость р. ферромагнитных материалов, то, очевидно, что материалы для ГМИ должны в первую очередь обладать вплоть до высоких частот высокими значениями магнитной проницаемости р и перемагничиваться в слабых магнитных полях, т.е. принадлежать к классу магнитомягких материалов. Необходимо, чтобы магнитная проницаемость ц = // + »//" тонкопленочных слоев была как можно выше, а потери как можно меньше. Таким образом, материал ферромагнитных слоев в соответствии с закономерностями для р должен удовлетворять следующим требованиям:

- намагниченность насыщения В, должна быть как можно выше,

- эффективная анизотропия должна быть относительно слабой,

- удельное сопротивление р должно быть как можно выше.

Были рассмотрены четыре типа материалов - кристаллические сплавы, аморфные сплавы, нанокристаллические материалы, нанокомпозиты. Из приведенного анализа следует, что каждый из указанных типов магнитомягких материалов имеет свои достоинства и недостатки. В качестве основных материалов и легирующих добавок выбраны следующие:

• кристаллические сплавы - высоконикелевые пермаллои, легированные Мо, Яе, Т1, как наиболее простые, технологичные и стабильные материалы, а также сендаст, обладающий более высоким, чем пермаллой сопротивлением;

• аморфные сплавы системы СоРе81В (с нулевой магнитострикцией) с вариацией содержания металлоидов и легирующими добавками Мп, Мо, Сг;

• нанокристаллические материалы БеСиМЬЗШ и Ре2гСиВ с Легированием Ag, Си, Т1, а также обогащением состава.

В третьей главе рассматривается технологическая база получения магнитных тонкопленочных и композитных структур. Приведено описание

используемого технологического оборудования. Для выполнения данной работы задействованы четыре напылительных установки:

1. «Оратория-9» - предназначена для работы с тремя сменными ионными источниками (УИЛР) для мишеней размером 35мм, 80мм, 110мм;

2. «Оратория-2М» - имеет универсальный вмонтированный ионно-лучевой источник, позволяющий распылять мишени разного размера, а также используемый для ионного травления получаемых структур и для очистки поверхностей;

3. установка УВН072-9 - имеет электронно-лучевой и резистивный испарители использовалась в данной работе для напыления изолирующих, адгезионных и защитных слоев в ГМИ-структурах, а также для получения магнитных пленок на основе пермаллоя;

4. установка «Arthur-1» - предназначена для магнетронного распыления магнитных материалов, а также для напыления диэлектрических и буферных слоев.

Во второй части главы рассмотрены основные этапы отработки технологических режимов и изготовления образцов для исследований. Процесс формирования магнитных пленок осуществляется ионно-лучевым или магнетронным распылением мишени из соответствующего сплава. На основании пленок такого магнитного материала и высокопроводящих слоев из алюминия или меди, получаемых электронно-лучевым или магнетронным распылением, формируются многослойные тестовые структуры. Топология слоев формируется методом масочной технологии, либо методом фотолитографии. В качестве подложек для создания образцов использовались такие материалы как стекло, ситалл, поликор, сапфир, кремний, плавленый кварц, керамика. Образцы изготавливались в виде сэндвичевых структур различных размеров, а также в виде отдельных дисков, полос.

Четвертая глава посвящена описанию методов исследования свойств тонкопленочных элементов. Приведено описание методик измерения и

аппаратуры. Чтобы обеспечить комплексное изучение объектов, было задействовано семь различных методов. Для определения электрофизических и магнитных параметров структур были использованы мгнитостатические, магнитооптические и импедансные методы исследования. Для исследования внутренней и поверхностной структуры напыляемых пленок, определения их фазового и элементного состава были использованы электронная микроскопия, зондовая сканирующая микроскопия, рентгеноструктурный и микрорентгеновский анализ.

Измерения магнитостатических свойств проводились на оригинальной установке, разработанной на кафедре магнетизма физического факультета МГУ на основе вибрационного магнитометра.

Удобным и эффективным способом контроля магнитных и структурных параметров образцов являются магнитооптические (МО) методы. Изучение спектральных и полевых зависимостей экваториального эффекта Керра (ЭЭК) было проведено на имеющихся на кафедре магнетизма физического факультета МГУ установках.

При исследовании магнитоимпедансных свойств образцов в диапазоне частот до 1 ГТц измерения и обработка результатов производилась с помощью прибора НР4395А (Hewlett Packard), который был включен в автоматизированный комплекс в составе НР4395А, компьютер Pentiumll, L-card L-1620, смонтированный в ИТПЭ ОИВТ РАН.

Изучение тонкой структуры пленок проводилось на электронном просвечивающем микроскопе ПЭМ-100 (ПО «Электрон», Украина) (ИТПЭ ОИВТ РАН), а также на микроскопе Philips СМ 300 в Технологическом центре МГИЭТ (г. Зеленоград). Ускоряющее напряжение составляло для ПЭМ-100 - 75 кВ, для СМ 300 - 200 кВ. Помимо структуры были получены картины микродифракции.

Съемка рентгеновских спектров проводилась на автоматизированном дифрактометре ДГОН-4.0 на кафедре физического материаловедения Московского института стали и сплавов с использованием

монохроматизированного СоКц. В основном применялась симметричная схема съемки, однако для ряда тонкопленочных образцов использовалась съемка в скользящей геометрии (скользящий падающий пучок), позволявшая получать информацию от залегавшего на постоянной глубине слоя для всех углов дифракции.

Состав мишеней до и после распыления, а также состав пленок контролировался методом микрорентгеновского анализа на микроскопе SEM 515 Philips с приставкой для энергодисперсионного анализа LINK AN 10000 (Технологический центр МГИЭТ, г. Зеленоград). На растровом электронном микроскопе SEM 515 Philips также изучалась структура получаемых пленок.

Сканирующий зондовый микроскоп Solver P47-SPM-MDT, установленный в ИТПЭ ОИВТ РАН, предназначен для исследования морфологии, магнитных, электрофизических и физико-механических свойств поверхности. С его помощью была исследована поверхностная морфология напыляемых пленок, а в ряде случаев - магнитные свойства поверхности тонкопленочных наноструктурированных образцов.

Пятая глава содержит оригинальные результаты комплексного исследования магнитных, импедансных и структурных свойств изучаемых объектов. В разделе 5.1 приведены данные о магнитостатических свойствах. Было проведено исследование магнитостатических свойств пермаллоевых пленок, полученных в различных технологических режимах и показано, что соответствующим выбором режима напыления легко достигается следующие значения магнитных параметров: коэрцитивная сила Нс< 0.1 Э, коэффициент прямоугольности < 0.5. Всего было исследовано около 100 образцов. Образцы сендаста обладали большей, чем для пермаллоя, коэрцитивной силой и прямоугольностью петли гистерезиса, а также существенной анизотропией в плоскости пленки, наведенной в процессе напыления и слабо изменяющейся при высокотемпературном отжиге. Исследовались пленки составов: CoFeSiB (Co86Fe6Si2B6). Эти материалы традиционно рассматриваются как наилучшие представители аморфных магнитомягких

материалов. Результаты измерений показывают, что по магнитным параметрам удается получить образцы со свойствами, превышающими значения для пермаллоя. Однако наблюдается большой разброс значений магнитных параметров для разных образцов, приготовленных в одинаковых условиях, а также сильная зависимость магнитных параметров от условий напыления. Исследовались нанокристаллические сплавы следующих составов: РеСиМЬБШ - Ре7з,3Си1МЬз8нз;5В9 (Йпете^, Ре7гСиВ - Ре$77г7Си1В5 (допированный А§, Си, П). Для этих составов удается достичь значений магнитных параметров, лучших, чем у аморфных сплавов и пермаллоя. Нанокристаллическое состояние достигалось отжигом предварительно напыленных аморфных пленок при температурах в диапазоне 100-600°С. Следует отметить высокую чувствительность магнитных параметров к режиму отжига. Как правило, хорошие магнитные свойства достигались при температурах отжига, меньших, чем приводятся в литературе. Даже небольшой перегрев приводил к повышению коэрцитивной силы до 12 Э.

Большое внимание в процессе работы было уделено влиянию различных факторов на магнитные свойства материалов - влияние подложки на свойства образцов; влияние размеров и формы (полосок-диск); влияние дополнительных слоев.

Были получены структуры типа М/БЮг/ПС/К/ПС/ЗЮэ/М, где М -магнитный слой, ПС - промежуточный слой из "П или Сг, Я - проводящий слой. Изначально в качестве проводящего слоя использовалась медь. Затем она была заменена на алюминий, так как выяснилось, что диффузия меди в процессе отжига увеличивает коэрцитивность магнитных слоев. Что касается титана и хрома, то они увеличивают адгезию слоев и способствуют улучшению дисперсности. Толщины слоев составляли для магнитных материалов примерно 300-900 нм. Диэлектрические прослойки имели толщину примерно 100-150 нм. Что касается толщины адгезионных прослоек, она не превышала около 5-10 нм. При этом ни хром, ни титан не оказывают влияния на свойства ГМИ-структур.

Форма петли гистерезиса напыленных пленок отличается большим разнообразием. Но основная тенденция такова: наиболее прямоугольные петли с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, встречаются у пленок пермаллоя, затем у файнмета, и значительно реже у других сплавов. Пример таких петель приведен на рис. 1.

200 150

¡«о j

3 м

50 0 -50

-100 --150 _ -200

-40 -30

i

-20

Образец'Т4869"

-1-1—

10

i

20

-10 0

Магнитное поле, Э Рис. 1. Прямоугольная петля гистерезиса для файнмета.

30 40

Оказалось удобным и эффективным проводить контроль за магнитными и структурными параметрами образцов магнитооптическими (МО) методами. Такие исследования были выполнены для нескольких серий образцов. Было проведено изучение спектральных и полевых зависимостей экваториального эффекта Керра (ЭЭК). Измерения проводились как со стороны пленки, так и со стороны подложки и от разных участков поверхности образцов. Все это позволяло контролировать магнитные и структурные параметры изучаемых пленок и делать выводы об их структурной и магнитной однородности. На

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Е, эВ

Рис. 2. Магнитооптические спектры для образца 825с31, изготовленного из сендаста (магнитное поле Я = 350 Э): • - середина образца 11 Н. о - край образца 11Н, а - середина образца ±Н, л- край образца ± Н

рис. 2 приведен пример магнитооптического спектра для образца пленки сендаста 825с31. Наблюдается сильное различие спектральных кривых, полученных для середины и края пленки. Образец Б25сЗ 1 измерялся для двух взаимно перпендикулярных направлений поля.

В разделе 5.3 приведены сведения об изучении влияния условий термообработки на структуру сплава Ре^Слм зЫЬ56819зВ1 ^ (вес.%, файнмет, мишень А) на основе результатов электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Магнитомягкость нанокристаллических сплавов на основе железа (типа файнмет) обычно объясняется в рамках модели случайной анизотропии как результат выделения ультратонкой зеренной структуры, состоящей из случайным образом ориентированных кристаллитов а - Ре(Б1), внедренных в аморфную матрицу (объем фракции около 30 %) [5, 6]. Магнитная мягкость также усиливается за счет уменьшения внутренних напряжений и эффективной магнитострикции во время термообработки. Некоторые авторы считают, что магнитные характеристики выделяющейся кристаллической фазы играют

доминирующую роль в развитии магнитных свойств термообработанных сплавов. Оптимальная температура отжига, которая приводится в литературе для данного сплава составляет 550 °С в течение одного часа [7, 8, 9]. Наши данные несколько отличаются от изложенных выше. Выяснилось, что уже при напылении пленке свойственна структура из очень мелких зерен размером около 3-6 нм. При этом микродифракция не регистрирует наличие кристаллической фазы (рис.3). Данными фазового рентгеноструктурного анализа подтверждается, что признаки кристаллообразования появляются с 10=325 °С. С ростом температуры отжига до 450 °С увеличивается постепенно ее количество, но размер областей когерентного рассеяния остается постоянным и оценивается примерно как 10 нм. Однако полной кристаллизации не происходит до температур примерно 500-550 °С (рис. 4).

Рис. 3. Электронно-микроскопическая структура и микродифракция пленок файнмета после отжига при различных температурах

1 Л

Рис. 4. Данные рентгеноструктурного анализа пленок файнмета при различных температурах отжига (по оси абсцисс интервал съемки по 2»: 20°-!-130о)

>

В разделе 5.4 приводятся данные, полученные на основе изучения *

импедансных свойств. Типичные полевые зависимости импеданса представлены на рис.5. Магнитное поле прикладывалось вдоль длинной

*

стороны образца. Значения импеданса нормированы на статическое сопротивление образцов которое составляло до отжига 4,8 Ом и после отжига 3,2 Ом. Основным экспериментальным результатом данной работы является то, что значительные изменения реальной и мнимой частей импеданса имеют место при приложении постоянного магнитного поля как при сравнительно низких, так и при высоких частотах 500 МГц (рис.5). При этом ни для одного из слоев структуры условие сильного скин-эффекта (1)

не выполняется.

Действительно, при частоте / = 500МГц для меди глубина скин-слоя 8Си » 3мкм, а для аморфного сплава с р = 100л«Ю-см и /л = 1 ООО по формуле (2)

имеем 5 » о.бмкм, тогда как полутолщины меди и ферромагнитных слоев составляют для данного образца 0.1 мкм и 0.4 мкм, соответственно.

8 «а,

(1)

\У*

(2)

а

Ке(г)/Е(

2

Н, Эрстед

Рис.5 Полевые зависимости реальной компоненты импеданса Яе7Лшр, нормированной на сопротивление на постоянном токе при частоте 500 МГц для неотожженных (-) и отожженных (нанокристаллических) (о) образцов.

Методом сканирующей зондовой микроскопии было проведено исследование свойств поверхности различных наноструктурированных пленок. При исследовании магнитной структуры методом МСМ была предложена методика оценки магнитных свойств (в частности, анизотропии) тонкопленочных материалов на основе анализа динамики изображений магнитной структуры в зависимости от расстояния зонда от поверхности Хо (рис.6).

Топография Магнитный контраст

Рис. 6. Магнитный контраст на трехслойном образце 200А8Ю2/18АСо/ 20А8Ю2, намагниченном в поле, параллельном плоскости образца

Сдвиг особенности на изображении магнитного контраста в зависимости от расстояния зонда над поверхностью дает представление о направлении поля рассеяния над поверхностью образца.

Шестая глава посвящена созданию тонкопленочных структур на основе магнитомягких материалов с использованием технологий микроэлектроники, таких как фотолитография и ионно-лучевое распыление.

На основе пленок пермаллоя и алюминия, получаемых методом магнетронного распыления с использованием обратной взрывной фотолитографии, формировались полосковые структуры с шириной полосков пермаллоя 30, 50, 150, 300 и 500 мкм, А1 - 5, 30, 150, 300 и 500 мкм, длиной 0,5, 1, 2 и 2.75 мм. Проведены исследования корреляции между параметрами топологии тонкопленочных образцов (линейными размерами полосков А1 и пермаллоя, толщиной слоев), свойствами материалов (электропроводность, магнитооптические параметры) и основными импедансными характеристиками. В качестве основных параметров, характеризующих создаваемые структуры, были приняты относительное изменение в продольном магнитном поле действительной части импеданса и гистерезис.

В качестве примера на рис. 7 представлены данные, характеризующие влияние формы (аспектного отношения) на МИ-свойства. В соответствии с моделью ферромагнитного резонанса, формирующего свойства МИ в магнитомягких пленках увеличение размагничивающего ■ фактора в продольном направлении (увеличение ширины пленки) ведет к изменению резонансного поля для данной частоты (500 МГц). Этим объясняется смещение максимума импеданса.

Значительный гистерезис, присущий данным пленкам обусловлен как краевыми эффектами (отличие формы от эллипсоида) так и остаточными напряжениями, формирующими случайную анизотропию. Для уменьшения последнего фактора мы подвергали изготовленные сенсоры термообработке, в том числе разогревом переменным током низкой частоты, протекающим через образец.

---1-'-1---1-■-1-■-1-

-50 -25 0 25 50

Я, Э

Рве. 7. Полевая зависимость действительной части импеданса для сэндвичей разных размеров без термообработки

Ток частоты 50 Гц пропускался через образец в течение 60 секунд в условиях скомпенсированного внешнего поля. Как и следовало ожидать, отжиг приводит к уменьшению коэрцитивной силы, однако гистерезис МИ сохраняется на уровне 1.5-2 Э и обусловлен формой пленки. В результате отжига существенно улучшается чувствительность к полю, достигаемая в данном случае более 40% на Эрстед.

Исследовалась также воспроизводимость импедансных характеристик структур. Она определялась путем прямого их измерения на образцах одной партии (т.е. на образцах, в которых все слои наносились одновременно, а фотолитография проводилась отдельно, но в стандартных условиях). В результате проведенных работ разработана устойчивая технология с воспроизводимостью лучше, чем 5% по импедансным параметрам.

Типичный разброс параметров структур, полученных в одном процессе, иллюстрируется на рис. 8.

§ I

1.20

1.15 -

1.10 -

1.05 -

1.00 -

? *

гр47с9т_К гр48с9т_Й гр50с9т_Й

▲

ч4

—|—

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

Я, Э

Рис. 8. Импедансные характеристики образцов из одной партии

Были исследованы импедансные характеристики структур с различными комбинациями и толщиной изолирующих слоев оксида кремния между слоями алюминия и пермаллоя. Толщина слоев менялись от 0 до 120 нм. Показано, что существует локальный максимум по амплитуде полезного сигнала для образцов с двумя изолирующими слоями толщиной по 30 нм.

В заключении приведены основные результаты диссертации.

В приложении I приведен патентный обзор. В рамках работы был проведен поиск описаний изобретений по магнитомягким материалам, способам формирования тонких магнитных пленок, в том числе используемых в ВЧ диапазоне, легирующим добавкам, подложкам.

—г-50

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

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°С. 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 °С при термообработке таких структур. При этом было обнаружено, что при нагреве до температур выше 550°С в этих пленках не наблюдается выделения соединения Fe-B. Наибольшие значения ГМИ получены при отжиге структур на сапфировых подложках при 280°С.

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 слои; высокопроводящий центральный слой; диэлектрические слои для предотвращения обменного взаимодействия между магнитными слоями, а также являющиеся диффузионным барьером; адгезионные 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.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В.A. Aronzon, A.A.Likalter, V.V. Rylkov, A.K. Sarychev, M.V. Sedova. A.E.

Varfolomeev. Studies of magnetoresistance and Hall effect in insulating Fe-

Si02 granular films. // Phys. Stat. Sol. (b) V.205,151 (1998)

2. Б.А. Аронзон, Д.Ю. Ковалев, А.Н. Лагарьков, Е.З. Мешихов, В.В. Рыльков, М.В. Седова. Н. Негре, М. Горан и Ж. Леотин. Письма ЖЭТФ. Т. 70, № 2, 87-92 (1999), 90-96.

3. Б.А. Аронзон, А.Е. Варфоломеев, Д.Ю. Ковалев, А.А. Ликальтер, В.В. Рыльков, М.В. Седова. ФТТ, т. 41, No 6,944 (1999).

4. Perov N.S., Granovsky А.В., Sazonova S.N., Radkavskaya А.А., Rodin I.K., Djachkov A.L., Sedova M. V. Reversed hysteresis in soft magnetic films. // Symposium Recent Research on Novel Magnetic Structures and Their Applications. San Sebastian, Spain. 2000. Abstracts.

5. B.A. Aronzon, V.V. Rylkov, D.Yu. Kovalev, E.Z. Meilikhov, A.N. Lagarkov, M.V. Sedova M. Goiran, N. Negre, B. Raquet and J. Leotin. Hopping anomalous Hall effect in Fe-Si02 granular films. // Phys. Stat. Sol. (b) Vol.218,169 (2000)

6. B.A. Aronzon, A.B. Granovskiy, D.Yu. Kovalev, E.Z. Meilikhov, V.V. Rylkov, M. V. Sedova. Concentration dependence of the anomalous Hall effect in Fe-Si02 granular films below the percolation threshold. // JETP Letters, Vol. 71, No 11 (2000), 469-472.

7. Perov N.S., Granovsky A.B., Sazonova S.N.,Gan'shina E.A., Djachkov A.L., Sedova M.V. Magnetostatic properties of sandwiches with GMI. // 3rd European Conference on Magnetic Sensors and Actuators. Dresden, 2000. Abstracts. PF 6.

8. Sedova M.V.. Dyachkov A.L., Furmanova T.A., Perov N.S. Post-processing and processing treatment and their effect on structure and properties of finemet films. // VI International Workshop on Noncrystalline Solids. Bilbao, 2000. Abstract. T2-22.

9. Гудошников С., П. Руденчик, Л. Матвеец, О. Снигирев, Ф. Калабухов, Н. Перов, Е. Ганьишна, М. Докукин, А. Антонов, А. Дьячков, М. Седова в сб. Трудов 17-ой международной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, 2000, с. 488-489.

10.Б.А. Аронзон, И.А. Евстюхина, Д.Ю. Ковалев, В.В. Рыльков, М.В. Седова. Проводимость и эффект Холла в гранулированных пленках Fe-Si02. Радиотехника и электроника. Т.45, №1 (2000) 11 .Sedova M.V., Dyachkov A.L., Furmanova Т.А., Perov N.S. Post-processing and processing treatment and their effect on structure and properties of finemet films. //Journal of Non-Crystalline Solids 287 (2001), p. 104-109. 12.Alekseeva L.A., Djachkov A.L., Maklakov S.A., Perov N.S., Ryzhikov I.A., Sedova M.V., Furmanova T.A. Low-temperature dependence of HF-magnetic properties of soft nanostructured films. // Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia. Symposium and Summer School Moscow. 2002. Abstracts, p. 224. \3.Aronson В., Davydov A., Kovalev D., Meilikhov E., Rylkov V., Sedova M.. Leotin J. Slow magnetoresistance relaxation in Fe/Si02 - nanocomposites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 242-245 (2002), 631-633.

IA.JJ.A. Алексеева, A.C. Антонов, E.A. Ганыиина, Н.П. Глухова, А.Л. Дьячков, C.A. Маклаков, A.A. Пухов, И.А. Рыжиков, М.В. Седова. Т.А. Фурманова, И.Т. Якубов. Технологические методы формирования заданных свойств в наноструктурированных тонких пленках Препринт ОИВТ РАН № 8-470,2003, 52с.

15J.T. Iakubov, A.N. Lagarkov, I.A. Ryzhikov, M.V. Sedova. Nano-scale technologies as tools for transformation of traditional materials in functional and smart materials // Proceedings of Symposium F: Electromagnetic materials. ICMAT 2003 (SUNTEC, Singapore 7-12 December), p. 59-62. 16.Vatfolomeev A.E., Sedova M.V. Large positive magnetoresistance effect in metal-insulator nanocomposites in weak magnetic fields // Phys. Solid State 45 (3) 529-533,2003. 17Л.А.Алексеева, А.С.Антонов, E.A. Ганыиина, Н.П. Глухова, А.Л. Дьячков, С.А. Маклаков, Н.С. Перов, А.А. Пухов, И.А. Рыжиков, М.В. Седова. Т.А. Фурманова, И.Т. Якубов. Методы формирования

импедансных свойств наноструктурированных тонких пленок, «Необратимые процессы в природе и технике». Труды Второй Всероссийской конференции. Москва, 2004, с.36- 68.

18.A. Getman, S. Maklakov, A. Osipov, К. Rozanov, I. Ryzhikov, M. Sedova. N. Perov, A. Radkovskaya, A. Sivov. High frequency and magnetostatic properties of composites based on nano-structured Fe-N films, Symposium and Summer School on Nano and Giga Challenges in Microelectronics, September 13-17,2004, Krakow, Poland, Book of Abstracts, Abstract P024.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Panina L. V.,Mohri K., Bushida K., Noda M. Giant magneto-impedance and magneto-inductive effects in amorphous alloys // J. Appl. Phys. 1994. V. 76. № 10. P.6198-6203.

2. Morikawa Т., Nishibe Y., Yamadera H., Nonomura Y., Takeuchi M., Tage Y. Thin film magnetic sensor with high sensitivity utilizing magneto-impedance effect // Technical Digest of the 13th Sensor Symp. 1995. P.93-96.

3. Antonov A.S., lakubov I.T. The high-frequency magneto-impedance of a sandwich with transverce magnetic anisotropy // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. V.32. P. 1204-1208.

4. Vazquez M., M. Knobel, M.L., R. Valenzuela and A.P. Zhukov. Sensors and Actuators A 59, (1997) 20

5. G. Herzer. IEEE Trans. Magn., v. 25 (1989), p.3327

6. G. Herzer. Mater. Sci. Eng. A, v. 133 (1991), p.l

7. L. Pascual, C. Gomez-Polo, P. Marin, M. Vazquez, H.A. Davies. J. of Magnetism and Magnetic Materials, v. 203 (1999), p.79-81

8. R. Houssa, V. Franco, A. Conde. J. of МММ, v. 203 (1999), p.199-201

9. V. Franco, C.F. Conde, A. Conde. J. of МММ, v. 185 (1998), p.353

Принято к исполнению 14/05/2005 Исполнено 15/05/2005

Заказ № 865 Тираж: 75 экз..

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 www.autoreferat.ru

I-87?*

РНБ Русский фонд

2006-4 16516

Введение.

Глава 1. Теоретические и технологические предпосылки создания пленочных, гранулированных и нанокомпозитных структур с высокочастотными свойствами.

1.1. Основы теории магнитоимпеданса тонкопленочных структур.

1.2. Факторы, определяющие специфику получения и применения тонких магнитных пленок.

1.3. Проблемы технологии тонкопленочных магнитных материалов.

1 А. Функциональные высокочастотные наноструктурированные магнитные материалы.

Глава 2. Выбор основных материалов и легирующих добавок.

2.1. Основные критерии выбора материалов для магнитоимпедансных устройств.

2.2. Кристаллические сплавы.

2.3. Аморфные сплавы.

2.4. Нанокристаллические материалы.

2.5. Нанокомпозиты.

2.6. Выводы.

Глава 3. Технологическая база получения магнитных тонкопленочных и композитных структур.

3.1. Используемое технологическое оборудование.

3.2. Отработка технологических режимов и изготовление образцов для исследований.

Глава 4. Исследование свойств тонкопленочных элементов: методика эксперимента и аппаратура.

4.1. Магнитостатика.

4.2. Магнитооптика.

4.3. Магнитоимпеданс.

4.4. Электронная микроскопия и микрорентгеновский анализ.

4.5. Рентгеноструктурный анализ.

4.6. Сканирующая зондовая микроскопия.

Глава 5. Основные результаты.

5.1. Магнитостатические свойства.

5.2. Магнитооптические исследования образцов.

5.3. Результаты электронно-микроскопических измерений и рентгеноструктурного анализа.

5.4. Магнитоимпедансные исследования.

5.5. Использование сканирующей зондовой микроскопии в технологии функциональных материалов.

5.6. Выводы.

Глава 6. Создание пленочных структур с использованием технологий микроэлектроники.

6.1. Технологический маршрут создания тонкопленочных структур.

6.2. Оптимизация магнитостатических характеристик пленок пермаллоя.

6.3. Магнитоимпедансные характеристики.

6.4. Выводы.

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, нано- и 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 какого- либо 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°С. 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 °С при термообработке таких структур. При этом было обнаружено, что при нагреве до температур выше 550°С в этих пленках не наблюдается выделения соединения Бе-В. Наибольшие значения ГМИ получены при отжиге структур на сапфировых подложках при 280°С.

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 слои; высокопроводящий центральный слой; диэлектрические слои для предотвращения обменного взаимодействия между магнитными слоями, а также являющиеся диффузионным барьером; адгезионные 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.

1. Panina L.V., Mohri К., Bushida К., Noda M. J. Appl. Phys. 1994. V. 76. № 10. P.6198-6203.

2. Morikawa Т., Nishibe Y., Yamadera H., Nonomura Y., Takeuchi M., Tage Y. Technical Digest of the 13th Sensor Symp. 1995. P.93-96.

3. Antonov A.S., Iakubov I. T. J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. V.32. P. 1204-1208.

4. Vazquez M., M. Knobel, M.L., R. Valenzuela and A.P. Zhukov. Sensors and Actuators A 59, (1997) 20.

5. Panina L.V., Mohri K, Uchiyama Т., Noda M. IEEE Trans. Magn., 1995, vol.31, p.1249-1260.

6. Beach R.S., Berkowitz A.E. J. Appl. Phys., 1994, 76, N10, p.6209-6213.

7. Rao K.V., Hamphrey F.B., Costa-Kramer J.L. J. Appl. Phys., 1994, 76, N10, p.6204-6208.

8. Machado F.L.A., Martins C.S., Rezende S.M. Phys. Rev. B, 1995, 51, N6, p.3926-3929.

9. Hika K, Uchiyama Т., Mohri K, Panina L. V., Mizoshita Y., Toda J. and Uehara Y. IEE of Japan Tech. Meeting, MAG-95-133, 19 (1995).

10. Beach R.S. and A.E. Berkowitz. Appl. Phys. Lett. 64, (1994) 3652.

11. Velazquez J., M. Vazquez, D.X. Chen and A. Hernando. Phys. Rev. В 50, (1994) 16737.

12. Machado F.L. and S.M. Rezende. J. Appl. Phys. 79, (1996) 6558.

13. Knobel M., M.L. Sanchez, C. Gomez-Polo, P. Marin, M. Vazquez and A. Hernando. J. Appl. Phys. 79, (1996) 11646.

14. U.Vazquez M. and A. Hernando. J. Phys. D 29, (1996) 939.

15. Vazquez M., M. Knobel, M.L., R. Valenzuela and A.P. Zhukov. Sensors and Actuators A 59, (1997) 20.

16. Vazquez M., A.P. Zhukov, P. Aragoneses, J. Areas, J.M. Garcia-Beneytez, P. Marin and A. Hernando. IEEE Trans. Magn. 34, (1998) 724.

17. Antonov A.S., V.T. Borisov, O.V .Borisov, V.A. Pozdnyakov, A.F. Prokoshin andN.A. Usov. J. Phys. D 32, (1999) 1788.

18. Antonov A.S., Rakhmanov A.L., Buznikov N.A. et al. // IEEE Trans. Magn. 1999. V. 35. N 5. P. 3640-3642.

19. Warlimont H. Mater.Sci.Engineering, 99, (1988) 1.20. "Прецизионные сплавы" Справочник под редакцией Б.В.Молотилова. М.: Металлургия, 1983.

20. Karamon Н., T.Masumoto and Y.Makino. J.Appl.Phys. 57, (1985) 3527.

21. Park J. Y., J.Kim, K.J.Kim, S.H.Han and H.J.Kim in Abstracts of 4th Int. Symposium on Physics of Magn. Mater. (Sendai, Japan, 1998) p. 87

22. Morikawa N., M.Suzuki and Y.Taga in Abstracts of 4th Int. Symposium on Physics of Magn. Mater. (Sendai, Japan, 1998), p.45

23. Pulido E., R.P. del Real, F. Conde, G. Rivero, M. Vazquez, E. Ascasibar and A. Hetnando. IEEE Trans. Magn. 27, (1991) 5241.

24. Beach R.S, M. Smith, C.L. Piatt, F. Jeffers and A.E. Berkowitz. Appl.Phys.Lett. 68, (1996) 2753

25. Yelon A, M. Britel, D. Menard and P. Ciureanu. Physica A 241, (1997) 439 21. Antonov A.S., N.A. Buznikov, I.T. Iakubov, A.N. Lagarkov and A.L.

26. Rakhmanov. J. Phys. D 34, (2001) 752

27. M. Vazquez and A. Hernando. J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 29, No. 4 (1996) pp. 939-949.

28. R. S. Beach and A. E. Berkowitz. Appl. Phys. Lett., vol. 64, No. 26, (1994) pp. 3652-3654.

29. Антонов A.C., Бузников H.A., Лагаръков A.H., Рахманов A.JI., Якубов И.Т. Электричество, №4 2000, сс. 52-59.

30. Физика тонких пленок. Под ред. М.Х. Фракомба, Р.У. Гофмана. Москва, «Мир», 1977, сс.228-233.

31. Л. С. Палатнш, М.Я. Фукс, В.М. Косеет. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок. Москва, «Наука», 1972.

32. А.Хуберт!Теория доменных стенок в неупорядоченных средах.

33. Москва, «Мир», 1977, сс.137-146.

34. И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин, О.В. Стогней. Новые направления физического материаловедения. Воронежский государственный университет, 2000.

35. A.M. Глезер. Российский химический журнал (Ж. Рос. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002., т. XLVI, №5, с. 57-63.

36. G. W. Nieman, J.R. Weerman, R.W. Siegel. Nanostructured Materials, vol.1 (1992), p. 185.

37. П.Г. Черемской, B.B. Слезов, В.И. Бетехтин. Поры в твердом теле. Москва, Энергоатомиздат, 1990.

38. Л.С. Палатник, П.Г. Черемской, М.Я. Фукс. Поры в пленках. Москва, Энергоатомиздат, 1982.

39. В.В. Юдин. Стохастическая магнитная структура пленок с микропоровой системой. Москва, «Наука», 1987.

40. Mott N.F., Davis Е.А. Clarendon Press. Oxford. 1979.

41. Shalaev V.M. Phys. Rep. 1996. V. 272. P. 61.

42. Shalaev V.M., SarychevA.K. Phys. Rev. В. 1998. V.57. №20. P. 13265.

43. Milner A., Gerber A., Groisman B.,Karpovsky M., Gladkikh A. Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 475.

44. Pakhomov A.B., YanX., Zhao B. Appl. Phys. Lett. 1995. V. 67. P.3497.

45. Б.А. Аронзон, A.E. Варфоломеев, Д.Ю. Ковалев, A.A. Ликальтер, B.B. Рыльков, M.B. Седова, ФТТ, vol. 41, No 6, 944 (1999).

46. В.A. Aronzon, A.A.Likalter, V. V. Rylkov, A.K. Sarychev, M. V. Sedova, A.E. Varfolomeev. Phys. Stat. Sol. (b) vol. 205 (1998), p.151.

47. B.A. Aronzon, A.B. Granovskiy, D.Yu. Kovalev, E.Z. Meilikhov, V.V. Rylkov, M.V. Sedova. JETP Letters, Vol. 71, No 11 (2000), 469-472.

48. С. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. (Пер. с японского) М.: Мир, 1987.

49. M.F.Littmann. IEEE Trans.Mag. MAG-7(1971) 48.

50. H.Shibaya andl.Fukuda . IEEE Trans.Mag. MAG-13 (1977) 1029.

51. F. W. Dirne, M. Brouha, C.H.M. Witmer and J.L.C. Daams. Mater. Sei. Engineering, 99 (1988) 57.

52. G.Herzer. IEEE Trans.Magn. MAG-23 (1990) 1397.

53. B.G.Kim, J.S.Song, H.S.Kim, Y.W.Oh. J.Appl.Phys. 77 (1995) 5298.

54. J.Y.Park, J.Kim, KJ.Kim, S.H.Han and HJ.Kim. Abstracts of 4th Inter.Symposium on Physics of Magn.Mater., Sendai, Japan, 1998 p.87.

55. N.Morikawa, M.Suzuki and Y.Taga. Abstracts of 4th Inter.Symposium on Physics of Magn.Mater., Sendai, Japan, 1998. p.45.

56. Вакуумная техника. Справочник. Под ред. Фролова Е.С., Минайчева В.Е., М.: Машиностроение, 1985.

57. Hobbs L.W., Howitt D. G. and Mitchell Т. E. Electron Diffraction 1927 -1977 ed. P. J. Dobson, J. B. Pendry, and C. J. Humphreys (Institute of Physics, London). 1978, Conf. Ser, No. 41, pp. 402-410.

58. B.JI. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород, Институт физики микроструктур РАН, 2004.

59. Интернет-сайт компании "НТ-МДТ": http://www.ntmdt.ru/

60. Г. Martin and Н К. Wickramasinghe. Appl. Phys. Lett. v. 50, № 20, p. 1455-1457(1987).

61. D.Rugar, H.Mamin, P.Guethner et al. J. Appl. Phys., v. 68, № 3, p. 1169 — 1182(1990).

62. P. Rice, J. Moreland, A. Wadas. J. Appl. Phys., 1994, 75 (10), 6878-6880.

63. D. Rugar, H. Mamin, P. Guethner, S. Lambert, J. Stern, /. McFadyen, and T. Yogi. J. Appl. Phys., 1990, 68 (3), 1169-1183.

64. P. Guethner, H. Mamin, D. Rugar. Magnetic force microscopy. In book: Scanning Tunneling Microscopy II, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1992. Eds: R. Wiesendanger, H.-J. Gunherodt, 151-207.

65. G. Herzer. IEEE Trans. Magn., v. 25 (1989), p.3327.

66. G. Herzer. Mater. Sei. Eng. A, v. 133 (1991), p.l.

67. L. Pascual, C. Gomez-Polo, P. Marin, M. Vazquez, H.A. Davies. J. of Magnetism and Magnetic Materials, v. 203 (1999), p.79-81.

68. R. Houssa, V. Franco, A. Conde. J. of МММ, v. 203 (1999), p.199-201.

69. V. Franco, C.F. Conde, A. Conde. J. of МММ, v. 185 (1998), p.353.

70. Y. Yoshizava, K. Yamauchi in: Rapidly Quenched Materials. Proceedengs of the Seventh International Conference, Stockholm, August, 1990, Part 1. Amsterdam e.a., vol. 15, 1991, p. 176.

71. V.-H. Duong, R. Grossinger, R. Sato Turtelli, E. Ferrara, N. Pillmayr. Digests of INTERMAG '97 Conference, IEEE INTERMAG, 1997, GD-04.

72. А.А. Бухараев, Д.В. Овчинников, Н.И. Нургазизов, Е.Ф. Куковицкий, М. Кляйбер, Р. Вейзендангер. ФТТ, т.40, № 7 (1998) 1277.

73. S.E. Lomayeva, О.М. Kanunnikova and V.I. Povstugar. Phys. Low-Dim. Struct., vol. 3/4 (2001), p. 271-276.

74. A. L. Rakhmanov, I. A. Ryzhikov, M. V. Sedova. The International Symposium of nano-SPD-2002, Vienna, December 2002, Book of abstracts, p. 110.75. Патент США № 5117321.

75. Европейский патент ЕР 0373615.

76. Европейский патент ЕР 0430504.

77. Европейский патент ЕР 0418804.79. Патент США №5135818.80. Патент США №5614329.81 .Suzuki et al. Japanese Article No. 539, 1990, p.420, Japan Institute of

78. Metallurgy Fall Meeting. 82.Suzuki et al. Japanese Article No. 538, 1990, p.419, Japan Institute of Metallurgy Fall Meeting.

79. Synopsis of general lectures. Japan Institute of Metallurgy, 1990, 107th Meeting, No.419 and 420.

80. H. Karamon. Journal of Applied Physics, v. 63, 1988, p. 4306.85. Патент США №5656101.86. Патент США № 5591276.87. Патент США № 5522947.

81. Европейский патент ЕР 0671049.89. Патент США №3788897.