Магнитные и деформационные процессы в полупроводниковых структурах с магнитными слоями для микромеханических устройств

Горячев, Андрей Викторович

Автореферат диссертации на тему "Магнитные и деформационные процессы в полупроводниковых структурах с магнитными слоями для микромеханических устройств"

На правах рукописи

Горячев Андрей Викторович

МАГНИТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С МАГНИТНЫМИ СЛОЯМИ ДЛЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

01.04.10 - физика полупроводников

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

" 3 ЛЕН 2009

МОСКВА 2009

003486558

Работа выполнена на кафедре Общей Физики Московского государственного института электронной техники (ТУ)

Научный руководитель : доктор физико-математических наук,

профессор Попков Анатолий Федорович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

Яминский Игорь Владимирович

кандидат физико-математических наук,

доцент

Ичкитидзе Леван Павлович

Ведущая организация: Институт Радиотехники и Электроники РАН

Защита состоится 3 яр/СлЬрЛ Л009 года в на заседании

диссертационного совета Д212.134.01 в Московском государственном институте электронной техники по адресу Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ Автореферат разослан <$Оу> с^и^Л— 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета д.т.н. Крупкина Т.Ю.

Актуальность.

Основой микроэлектромеханических систем (МЭМС) являются микромеханические элементы консольного, мостового и мембранного типа, создаваемые на основе кремниевой технологии с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники, объединенные с полупроводниковыми приборами и сочетающие характеристики электронных схем и механических компонентов. Важный стимул для развития этой технологии -возможность объединения с бурно развивающейся нанотехнологией. В частности, привлекает перспектива соединения достоинств развивающейся спинтроники, наномагнетизма и микромеханики. Тут можно выделить два важных прикладных аспекта этого развития -создание управляемых кантилеверов для зондовой микроскопии, включая создание многозондовых картриджей, и разработку многофункциональных МЭМС различного назначения, использующих упругие свойства микромеханических устройств консольного, мостового и мембранного типа в сочетании с микромагнитными и магниторезистивными элементами контроля перемещения и деформаций. Сами кремниевые кантилеверы зондов АСМ с композитными покрывающими слоями могут являться основой для таких многофункциональных МЭМС.

Одной из важных проблем при разработке указанных устройств является поиск новых композитных материалов для управляющих покрытий кремниевых консольных зондирующих устройств, перспективных для управления микромеханическими устройствами с помощью внешних магнитных и электрических полей. Упругие свойства МЭМС определяют их силовые и скоростные характеристики. Одним из актуальнейших направлений здесь является применение новых материалов таких, как магнитные сплавы с памятью формы, структурные переходы в которых сопровождаются рекордно высокими значениями упругих деформаций - до 10%. Физика фазовых переходов (температурных, и магнитных), сопровождающихся сильными структурными искажениями, весьма разнообразна и до конца не изучена. Это в частности, касается многокомпонентных магнитных сплавов (сплавы Гейслера) с зонным эффектом Яна-Теллера. В настоящее время здесь очень актуальна задача поиска механизма наиболее сильного взаимовлияния магнитной и упругой подсистем в области структурных фазовых переходов и связанных с этим

механизмом особенностей фазовых превращений. Решение этой задачи очень важно как в фундаметальном так и прикладном значении.

Изучение микромагнитных процессов в микро и наноразмерных магнитных элементах различной конфигурации необходимо для понимания особенностей работы микроэлектромеханических систем различного типа. Так, понимание особенностей намагничивания тонкого наконечника магнитного зонда атомно-силового микроскопа необходимо для разработки магнитных покрытий кантилеверов для АСМ/МСМ микроскопии с повышенным разрешением при визуализации магнитных изображений и оценки магнитной долговечности магнитных наконечников. Здесь отсутствует понимание механизмов связи магнитной деградации с ростом дефектности на самом наконечнике зонда. АСМ/МСМ микроскопия позволяет исследовать поверхность с точностью до нескольких ангстрем и изучать магнитную структуру исследуемого образца с точностью до десятков ангстрем и менее. Качество контроля при этом напрямую зависит от качества изготовления АСМ/МСМ зонда и его калибровки. Однако, здесь возникает ряд проблем связанных с тем, что магнитное поле тестирующих структур может меняться из-за магнитного взаимодействия с тестируемой иглой. С этой точки зрения более удобны токовые структуры, поля которых не зависят от полей рассеяния иглы МСМ. При этом, характеристики калибруемого зонда зависят только от размеров тестирующей структуры и методов калибровки. Поскольку конечной целью проводимых калибровочных измерений является использование получаемых результатов тестирования для дальнейшего проведения количественных МСМ-измерений, необходимо знать пределы применимости получаемых калибровочных параметров для магнитных иголок при визуализации и измерении объектов, которые в общем случае формой и размерами отличаются от тестирующих структур. В связи с этим представляется важным иметь достаточно простую модель магнитной иглы зонда МСМ, которая позволяет эффективно и адекватно проводить моделирование МСМ-визуализации и измерения объектов при известных калибровочных параметрах зонда. В данной работе рассматривается несколько таких моделей.

Как отмечалось выше одним из перспективных направлений разработки магнитных МЭМС является разработка микромеханических устройств различного типа в сочетании с микромагнитными и магниторезистивными элементами контроля перемещения и деформаций. Технология изготовления магниточувствительных

(магниторезистивных) элементов совместима с технологическим циклом полупроводниковых микросхем, что позволяет интегрировать преобразователь и обрабатывающую электронику в один кристалл и резко снижает стоимость подобных систем по сравнению с другими решениями (например, основанных на оптических датчиках). Актуальность работ над данной технологией заключается в том, что она может быть легко трансформирована для создания сродных технологий для самых широких применений, например, датчиков измерения силы трения и скорости потоков газов, датчиков потоков жидкостей, мини-микрофонов и др. Однако здесь имеется ряд нерешенных проблем, связанных с использованием новых материалов и конструктивных особенностей датчиков. Поэтому актуальными здесь являются задачи создания упрощенных моделей и проведение анализа' работы таких устройств при вариации магнитных и геометрических параметров составляющих элементов.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование микроскопических механизмов возникновения структурных деформаций в магнитных сплавах, применяемых для создания актюаторов и магнитных МЭМС, особенностей процессов намагничивания и деформационных явлений в зондирующих консольных устройствах атомно-силовой микроскопии и магнитных МЭМС.

В частности, в диссертации были решены следующие конкретные задачи:

1. Теоретический анализ калибровки магнитного наконечника зонда МСМ на основе токопроводящих тестирующих структур.

2. Исследование влияния дефектов магнитного наконечника МСМ зонда на его магнитные характеристики и магнитное изображение АСМ/МСМ.

3. Проведение сравнительного анализа методов управления прогибом консоли зонда АСМ.

4. Проведение анализа фазовых структурных превращений мартенсит-аустенит на основе зонной теории эффекта Яна-Теллера. Разработка модель структурного фазового перехода в магнитном поле.

5. Разработка модели функционирования и расчет характеристик первичных магнитомеханических преобразователей аэродинамического трения, давления и перемещения для магнитных МЭМС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведен анализ температурных и полевых превращений на основе зонной теории эффекта Яна-Теллера, объединяющей достижения ранней упрощенной теории для двухзонного проводника с феноменологической моделью многозонного ферромагнетика. Установлен немонотонный характер изменения температуры мартенситного перехода в узкозонном проводнике в зависимости от положения уровня Ферми вблизи пика энергетической плотности состояний узкой спиновой подзоны электронов. Анализ фазовых переходов в многокомпонентных магнитных сплавах Гейслера со структурными превращениями мартенсит-аустенит ранее не учитывал деталей взаимовлияния магнитной и упругой подсистем и проводился в основном на основе феноменологической теории.

2. Детально исследовано влияние дефектов магнитных покрытий на характеристики магнитного зонда и качество МСМ изображения. Также проводилось исследование деградации магнитных кантилеверов со временем, в результате которого был определен срок, за который они сохраняют свои магнитные свойства практически без изменений и дают должный контраст МСМ изображений.

3. Проведен сравнительный анализ методов управления консольными устройствами балочного типа на основе теплового, пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• Магнитостатический механизм влияния дефектов магнитного наконечника МСМ зонда на его магнитные характеристики и магнитное изображение АСМ/МСМ, который снижает коэрцитивную силу перемагничивания наконечника по сравнению с магнитным покрытием балки. Механизм заключается в том, что зародышеобразование фазы перемагничивания облегчается в магнитном наконечнике благодаря возникновению вихревого образования на дефекте магнитной иголки в полях ее размагничивания, что затруднительно в планарной пленочной структуре.

• Модельные расчеты эффективных параметров магнитного наконечника и теоретическое обоснование на их основе процесса калибровки магнитного наконечника зонда АСМ с применением токопроводящих тестирующих структур. Эффективные параметры магнитного наконечника зонда АСМ/МСМ такие, как эквивалентный магнитный диполь и «магнитный заряд» зависят от толщины, угла скоса

и намагниченности покрытия. Их определение позволяет количественно измерять магнитный рельеф полей рассеяния тестируемого образца.

• Сравнительный анализ методов управления прогибом консоли зонда АСМ, который показывает, что при тепловом способе управления достигается наибольший прогиб консоли по сравнению с пьезоэлектрическим и магнитострикционным методами управления. Применение сплавов Гейслера со структурным переходом для управления прогибом может дать выигрыш по мощности управления на порядок величины.

• Модель редуцированного описания структурного фазового перехода в магнитном поле в многокомпонентном магнитном сплаве Гейслера с зонным эффектом Яна-Теллера. Модель заключается в выделении актуальных вырожденных зон в энергетическом спектре свободных электронов в многокомпонентном сплаве с характерным пиком плотности состояний, который играет определяющую роль в структурном переходе, а также энергетических зон, определяющих магнитные свойства сплава. Магнитное влияние на структурный переход связывается при этом с изменением Ян-Теллеровского расщепления пика при смещении вблизи указанного характерного пика плотности состояний электрохимического потенциала, перенормированного обменным взаимодействием и магнитным полем.

• Расчитанные характеристики первичных магнитомеханических преобразователей упругого напряжения для магнитных МЭМС, на примере датчика аэродинамического трения.

Практическая значимость.

Разработанная методика калибровки магнитных кантилеверов позволяет количественно определять магнитные свойства зондов МСМ. Также эту методику можно использовать для моделирования периодических магнитных структур, например дорожки записи магнитного диска, и определения их магнитных свойств.

Проведенное исследование временной деградации магнитных свойств магнитных кантилеверов позволило определить оптимальное магнитное покрытие для магнитных зондов. Результаты исследования деградации магнитного покрытия и калибровки МСМ зонда использованы при разработке производства магнитных кантилеверов МСМ на технологической линейке ФГУП НИИФП.

Исследование процессов намагничивания и упругих свойств магнитных МЭМС необходимо для разработки АСМ/МСМ микроскопов с повышенным пространственным разрешением и высокой коэрцитивностью магнитных иголок, для разработки магнитосиловых микромеханических переключателей и детекторов давления консольного, мембранного и мостового типа, управляемых многозондовых головок картриджного типа. Результаты сравнительного анализа методов управления изгибом консоли балочных МЭМС использованы при разработке многозондового картриджа при проведении НИОКР «Картридж» на предприятии ФГУП НИИФП.

Модельные расчеты и проведенный анализ конструкции магниторезистивного датчика аэродинамического трения могут быть легко трансформированы для разработки сродных технологий для других применений, например, датчиков потоков газов, датчиков потоков жидкостей, датчиков давления, промышленных мини-микрофонов для контроля шумов, акселерометров и др.

Результаты проведенных диссертационных исследований могут быть использованы также в учебном процессе по физике твердого тела и зондовой микроскопии.

Апробация результатов:

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих конференциях:

• V Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2005» (Москва, 2005)

• International Conference «Functional Materials» (ICFM' 2007, Крым, 2007)

• XVI Международная Конференция по Постоянным Магнитам (МКПМ-XVI, Суздаль, 2007)

• Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007, Казань, 2007)

• Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007» (Москва, 2007)

• XX международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-20, Москва, 2006)

• VII Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007)

• XXXII Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка-2008» («Зеленый мыс», г. Новоуральск, Свердловская обл., 2008г.)

• Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (Москва, Зеленоград, 2008)

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы:

Диссертационный материал излагается по главам в соответствии с обсуждением указанных вопросов. Каждой проблеме при этом предшествует обзорный материал, описывающий состояние соответствующих исследований.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа составляет 124 страницы, включает 63 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведено краткое описание состояния проблемы, сформулирована цель работы, научная новизна, описана структура диссертации, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу фазовых структурных превращений типа мартенсит-аустенит. Данные превращения возникают в материалах, обладающих эффектом памяти формы. Такие материалы представляют большой интерес для создания МЭМС в связи с экстремально большими значениями относительной деформации (до 10%), которая возникает в них в окрестности структурных переходов типа аустенит-мартенсит [1]. Подобные деформации невозможно достичь при использовании магнитоупругих материалов с гигантской магнитострикцией и сегнетоэлектрических материалов с электрическим управлением. В связи с недостатком теплового способа управления деформациями, связанного с временной задержкой и инерционностью, актуальны исследования сплавов, в которых структурные переходы зависят от электрического либо магнитного поля. С этой точки зрения несомненный интерес представляют такие материалы, как магнитные сплавы Гейслера №2+хМп1.хСа, №50А1хМп50_х, Со2МЬ8п, в которых наблюдаются сильная зависимость критических температур структурного перехода от внешнего магнитного поля [2]. Однако феноменологическая теория, использующаяся для описания структурных фазовых переходов в таких материалах, недостаточна для понимания взимовлияния зонного эффекта Яна-Теллера и магнетизма.

В данной главе рассматривается упрощенная модель зонного эффекта Яна-Теллера в проводящем ферромагнетике с двумя вырожденными подзонами с пиковой плотностью состояний коллективизированных электронов. Также проделан анализ зависимости температуры структурного фазового перехода мартенсит-аустенит в ферромагнетике от напряженности магнитного поля. Теоретический анализ фазовых переходов базируется на минимизации свободной энергии, которая включает в себя энергию свободных электронов с учетом зонного взаимодействия Яна-Теллера и магнитную часть

Р(е,М) = -квТ

р0(е - аеСе - аяцвХМ~)с1£ +

2 2

В рамках развитой модели проделан анализ зависимости температуры структурного фазового перехода мартенсит-аустенит в ферромагнетике от напряженности магнитного поля. Установлен немонотонный характер изменения температуры мартенситного перехода в узкозонном проводнике в зависимости от положения уровня Ферми вблизи пика энергетической плотности состояний узкой спиновой подзоны электронов. Построена фазовая диаграмма структурных превращений (Рис. 1).

Т,

800 600 400 200

Рис. 1. Диаграмма фазовых превращений мартенсит-аустенит в сильном магнитном поле, рассчитанная на примере модельной пиковой плотности электронных состояний минорных (1-электронов вблизи уровня Ферми

1- область устойчивости аустенитной (кубической) фазы

2- область устойчивости мартенситной (тетрагональной) фазы Линия потери устойчивости аустенитной фазы Тт показана

сплошной линией, а мартенситной Тт - пунктироной. На вставке в

увеличенном масштабе показана полевая зависимость этих температур в окрестности точки А, которая соответствует подгоночному значению эффективного обменного поля для сплава №2+хМп1.хРе},Оа

(х = 0Л9,у = 0.04).

Ней-,кТл

На основе развитой теории и расчетных данных для электронной плотности состояний в №2МпОа проделаны оценочные расчеты изменения температуры мартенситного перехода с магнитным полем

экспериментальными данными для сплава Гейслера Ni2+xMni.xFeyGai.y.

Вторая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, в которых рассмотрены основные принципы зондовой силовой микроскопии. Приводится описание основных типов консольных зондирующих устройств АСМ микроскопии, основанных на кремниевой и гибридной технологии.

Основной акцент делается на обсуждение работ, связанных с магнитносиловой микроскопией. Обсуждаются процесс калибровки магнитного наконечника зонда МСМ и влияние дефектов магнитного покрытия зонда МСМ на магнитное изображение сканируемого образца.

Третья глава посвящена методам управления прогибом консоли кантилевера. Рассматривается создание многозондового кантилевера (картриджа), обеспечивающего возможность индивидуального управления изгибом консоли и индивидуального считывания информации. Создание подобного инструмента позволит увеличить производительность микроскопа и заметно расширить его функциональные возможности для целей микро- и наноэлектроники. Проведен сравнительный анализ моделей теплового, пьезострикционного и магнитострикционного методов управления изгибом отдельной балки «картриджа».

Управление изгибом отдельной консоли основано на различии коэффициентов расширения слоев консоли при использовании теплового либо пьезоэлектрического эффекта. В работе были рассмотрены три типа управления: тепловой, пьезоэлектрический и магнитострикционный. Наибольшее отклонение от положения равновесия достигается при тепловом способе. Из условия баланса сил теплового расширения и сил упругого растяжения для этого случая определяется удлинение нейтрального слоя

Отклонение незакрепленного конца консоли определяется через радиус кривизны, который в свою очередь находится из условия

дТт

показавшие его удовлетворительное согласие с

дН '

(2)

равенства моментов сил теплового расширения и упругого сжатия. Интегрирование этого уравнения с граничными условиями Дг(0) = 0, ¿ЛтД/у (0) = 0 позволяет найти форму изгиба кантилевера в виде

&г(у) = -

2 Л„

(3)

В качестве альтернативы тепловому методу можно предложить более быстродействующие методы с использованием пьезоэлектрических и магнитострикционных управляющих слоев.

В пьезоэлектрическом способе управления изгибом деформация зависит от электрического поля ДЕ и пьезомодуля с1, т.е. е, = с! АЕ, или е, = с!УЛ. Поэтому для отклонения кантилевера имеем Аг= 3(1У (Ь/Ъ)2 (1-1/Ь). Максимальная величина прогиба в данном случае определяется напряжением пробоя диэлектрических слоев.

Аналогичную зависимость можно получить и для магнитострикционного метода управления изгибом консоли кантилевера. Учитывая, что фактор размагничивания в центре магнитной полосы толщиной I составляет где W - ширина

магнитной полосы, то аппроксимируя зависимость магнитострикционного удлинения от поля Н линейной зависимостью вплоть до поля насыщения (Н< Т^М), получим 8,= втах Н/ КхМ=етах яН\\7М1. Так как поле связано с током формулой Н=1/2\у, где V/ - ширина токовой шины подмагничивания, то зависимость прогиба консоли можно записать в виде Аг= (3/2) (етах 7г1\У/Мш) (Ь/Ь)2

Представленные формулы позволяют провести сравнительный анализ методов управления прогибом консоли. По полученным данным был выбран вариант управления изгибом консоли дающий наибольший прогиб (тепловой) и изготовлен тестовый прибор. Для теплового метода управления проведено сравнение рассчитанной зависимости с экспериментальными данными тестирования разработанного макета четырех-зондового кантилевера (Рис. 2), показавшее адекватность разработанной модели.

г[Ь], цт

Рис. 2. Зависимости максимальной стрелы прогиба консоли от тока, полученные при моделировании (сплошная кривая) и экспериментально (пунктирная кривая).

В четвертой главе рассматриваются методы калибровки магнитного наконечника зонда АСМ/МСМ. Обсуждаются основы микромагнитной теории и методов численного микромагнетизма. Также приведены результаты исследования магнитных свойств наконечника зонда МСМ и приводится анализ влияния дефектов зонда на магнитное изображение. Рассматривается зависимость магнитной структуры иглы зонда МСМ и ее разрешающей способности.

В данной главе обсуждается метод калибровки зонда МСМ с использованием поля кольцевой токовой петли. Проведен расчет калибровочных параметров, получаемых путем аппроксимации магнитного вклада в измеряемую жесткость кантилевера от протяженной иглы зонда в поле токовой петли эквивалентным вкладом от точечного магнитного диполя и магнитного «заряда» (Рис. 3) в рамках выбираемой теоретической модели.

к, Н/м

Рис. 3. Зависимость магнитной жесткости кантилевера в поле токовой петли от высоты подъема иглы:

Сплошная кривая - расчет для модели конической иглы, пунктирная кривая - для комбинированной модели точечного магнитного диполя и точечного магнитного «заряда».

Рассмотрены три упрощенные модели конусообразной иглы - с заостренным, усеченным и скругленным наконечником. Проведен сравнительный анализ рассчитанных зависимостей эффективных калибровочных параметров от радиуса токовой петли и данных экспериментальных измерений (Рис. 4), который показал, что наилучшее совпадение с экспериментом дает модель однородно намагниченной иглы в виде усеченного конуса. Результаты расчетов могут быть использованы для моделирования изображений магнитно-силового микроскопа и численного тестирования магнитных объектов.

М2, А*т2 Ч, Ахт

Рис. 4. Зависимости рассчитанных калибровочных параметров магнитного зонда от радиуса тестирующей токовой петли: а - величины эффективного точечного магнитного диполя; Ь - положения точечного диполя внутри зонда; с - величины эффективного точечного магнитного «заряда»; с1 - положения точечного магнитного «заряда» внутри зонда. Зачерненными квадратами отмечены точки, соответствующие экспериментальным данным [3].

Также представлены результаты исследования временного изменения магнитных свойств МСМ зондов, подвергнутых как искусственному старению, так и хранившихся в нормальных условиях в течение длительного времени. Проведены численные эксперименты по расчету петель гистерезиса модельных магнитных структур с дефектами в виде немагнитных включений. Расчеты показывают слабое влияние дефектов на магнитные свойства планарной магнитной структуры.

А

М,, -

а к Г 1 • ■ 1 у 500 -г ........... 1 1 1

-♦ООО -2000 1 1 1 -500 -1000 2000 1 ! а то

Л

Ъ, 0.

Рис. 5. Петли гистерезиса модельных магнитных структур с дефектами (сплошная кривая) и без (пунктирная кривая): а) магнитный наконечник; б) магнитная пленка на балке.

Таким образом, проведенный анализ влияния дефектов на характеристики заостренного магнитного наконечника показал, что наличие дефектов на поверхности острия иглы резко ухудшает магнитные свойства зонда в отличие от покрытия поверхности балки кантилевера, магнитные свойства которого меняются слабо (Рис. 5). Экспериментальные набюдения подтверждают численные расчеты на основе микромагнитного моделирования.

В пятой главе приводится оценка возможности применения структур обладающих эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС) при создании первичных преобразователей силы поверхностного

натяжения для датчиков трения воздушного потока, которые могут найти применение, например, для аэродинамических контрольных испытаний крыла самолета. В первой части главы приводится обзор эффекта ГМС. Приведены характерные величины чувствительности и полей насыщения для материалов, имеющих большое магнитосопротивление.

Также представлен обзор технологии создания ГМС структур. В [4] разработан технологический маршрут изготовления тестовых спин-вентильных элементов с применением комбинированных методов травления многослойных структур, включая жидкостной, плазмохимический и ионно-лучевой методы. Проведены пробные травления плазменным и ионно-химическим методами. При плазменном методе травления трудность возникает при снятии защитного слоя фоторезиста после травления из-за его задубливания. Используя указанный маршрут, были изготовлены тестовые структуры спин-туннельного типа с вариацией размеров и формы. Проведены измерения магнитного отклика с применением экваториального эффекта Керра.

Во второй части данной главы описывается конструкция датчика аэродинамического трения на основе ГМС. Приведены принципиальные схемы первичного преобразователя непосредственного измерения и первичного преобразователя с обратной силовой связью. Приводится анализ предельной чувствительности магниторезистивного мостового элемента. Рассматриваются варианты работы мостового соединения как в режиме с заданной величиной тока, так и с заданным напряжением на входе. Приводятся оценки минимального обнаружимого поля для мостовых соединений структур гигантского и тунельного (ТМС) магнитосопротивлений. Проводится анализ чувствительности первичного магнитомеханического преобразователя.

В рабочем состоянии ГМС-элемент помещается в поле смещения магнита и его рабочая точка смещается по полю. Подстройкой мостовой схемы можно добиться нужного положения рабочей точки также при измерении сигнала, создаваемого изменением магнитосопротивления -в середине одного из линейных участков. Если принять, что минимально обнаружимое поле ГМС элемента составляет величину Ит, то ему соответствует минимальное изменение магнитосопротивления

Бт-р(0) ан к~2рнс (4)

Рассчитаем градиент магнитного поля, создаваемый полями рассеяния магнито-насыщенного элемента из магнитожесткого материала с намагниченностью М, и толщиной кромки d . Пусть длина магниточувствительной области Lq и кромка магнита расположена на

расстоянии х от центра этой области на высоте t (t«Lq), как

показано на Рис. 6. Сделаем упрощающее предположение, что задняя сторона создает малый градиент в области магниоточувствительного элемента, поэтому примем во внимание только один магнитный полюс с магнитным зарядом т = MQd (заряженная линия). Тогда проекция поля

xd

на элемент в точке х будет Н = М0 ——-. Усредненное поле

Рис. 6. Геометрия расположения магнитного и магниторезистивного

элементов

имеет вид, как на Рис. 7. Поле имеет почти линейную характеристику в пределах магниточувствительного элемента | х |< / 2 . Причем, если

исключить острые выбросы поля вблизи краев элемента, связанные с сильной неоднородностю полей рассеяния, создаваемых кромкой магнита вблизи краев элемента на расстояниях г« Ьц, то линейная

область ограничена полем #? ~ М0 — 1п—.

х +t

d

Рис. 7. Расчетные зависимости усредненного поля для конфигурации показанной на Рис. 6

Поэтому получим, что градиент поля внутри магниточувствительной области определяется приближенной формулой

<1 < Н > Н„ М0 , ¿о

а =-= —---—1п— С5-)

сЬс Ьд Ьч Ьч I ™

Описанный первичный преобразователь может служить основой для параметрического ряда преобразователей таких параметров, как напряжение трения, давление, линейное ускорение и др. Динамический диапазон и частотные свойства преобразователя будут определяться упругими свойствами мостовой консоли и максимально допустимым диапазоном ее бокового смещения.

Собственная частота V колебаний плавающего элемента, как системы балок с приложенной сосредоточенной нагрузкой в центре системы, оценивается по формуле 2яf = (к/ш)1/2, где к - коэффициент

жесткости упругой системы, т - масса подвижной части плавающего элемента.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации.

Основные результаты и выводы диссертации:

1. Сравнительный анализ влияния дефектов магнитного покрытия зонда МСМ показал, что дефекты на наконечнике зонда МСМ сильно изменяют петлю гистерезиса, что приводит к ухудшению контраста МСМ изображения. Исследование показало, что появление немагнитных включений или сколов на поверхности иглы зонда МСМ уменьшает коэрцитивную силу на 30%.

2. Исследование временной деградации магнитных зондов МСМ позволило установить срок их годности. Так кобальт-хромовые кантилеверы сохраняют свои магнитные свойства без существенных изменений в течение 6 месяцев.

3. Анализ температурных и полевых превращений на основе зонной теории эффекта Яна-Теллера, объединяющей достижения ранней упрощенной теории для двухзонного проводника с феноменологической моделью многозонного ферромагнетика показал, что при учете энгармонизма третьего порядка переход из мартенситного состояния в аустенитное происходит на линии потери устойчивости метастабильной фазы скачком. При этом линия потери устойчивости мартенситной фазы не совпадает с линией потери устойчивости аустенитной фазы и структурный переход является фазовым переходом первого рода. Существенным условием наличия гистерезиса температуры и реализации фазового перехода первого рода является наличие ангармонического члена третьего порядка. Полевая зависимость температурных точек структурного перехода зависит от начального расположения уровня Ферми относительно пика плотности состояний вырожденной подзоны, ответственной за эффект Яна-Теллера, и от величины обменного расщепления спиновых подзон.

4. Разработаны модели контролируемого управления изгибом консолей многозондового кантилевера на основе теплового, пьезострикционного и магнитострикционного эффектов. Сделаны необходимые оценочные расчеты, по результатам которых были определены максимальные величины прогибов консоли кантилевера для этих способов управления. По полученным данным был выбран вариант

управления изгибом консоли дающий наибольший прогиб (тепловой) и изготовлен тестовый прибор. Для теплового метода управления проведено сравнение прогибов, полученных при моделировании и при экспериментальном тестировании разработанного макета четырехзондового кантилевера, показавшее адекватность разработанной модели.

5. Предложена конструкция датчика аэродинамического трения на основе магниторезистивного чувствительного элемента. Описанный первичный преобразователь может служить основой для параметрического ряда преобразователей таких параметров, как напряжение трения, давление, линейное ускорение и др. Динамический диапазон и частотные свойства преобразователя будут определяться упругими свойствами мостовой консоли и максимально допустимым диапазоном ее бокового смещения. МАГМЭМС сочетает в себе достоинства емкостных и тензорезисторных МЭМС, что позволит разработать новые, перспективные конструкции датчиков для измерения физических величин.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. A.B. Горячев, А.Ф. Попков. «Калибровочные параметры зондирующей иглы магнитного силового микроскопа в поле тестирующей токовой петли». // Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 9, стр. 115-120.

2. Г.В. Акулова, В.В. Атепалихин, A.B. Горячев, С.Н. Кузнецов, А.Ф. Попков, А.Н. Шокин. «Контроль изгиба консоли многозондового кантилевера методом токового разогрева». // Журнал «Нано- и микросистемная техника» (НМСТ), 2006, №10, стр. 17 - 22.

3. А.Ф. Попков, А.И. Попов, A.B. Горячев, В.Г. Шавров. «Влияние магнитного поля на зонный эффект Яна-Теллера в проводящем ферромагнетике». // Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ), 2007, том 131, вып. 6, стр. 1081 - 1089.

4. А.В.Горячев, А.Ф.Попков. Упрощенная модель итинерантного ферромагнетика с зонным эффектом Яна-Теллера, // Сборник научных трудов «Нанотехнологии в электронике», МИЭТ , 2007.

5. Г.В. Акулова, В.В. Атепалихин, A.B. Горячев, С.Н. Кузнецов, А.Ф. Попков, А.Н. Шокин. «Разработка методов управляемого изгиба консолей многозондового кантилевера с применением токового

разогрева». // Материалы V международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2005», стр.51.

6. А.В. Горячев, А.Ф. Попков, A.M. Алексеев. «Калибровочные параметры зондирующей иглы магнито-силового микроскопа», // Материалы тезисов конференции «Новые магнитные материалы микроэлектроники (НМММ-20)», физический факультет МГУ им.Ломоносова, 2006г., стр. 197.

7. А.В. Горячев. Упрощенная модель итинерантного ферромагнетика с зонным эффектом Яна-Теллера. // Тезисы докладов 14-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», Зеленоград, 18-20 апреля 2007г.

8. M.Yu. Chinenkov, A.F.Popkov, A.V. Khvalkovskii, A.V. Goryachev. Influence of the shape of spin-valve patterns on their magnetic and magnetoresistive properties. // Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007), august 23- 26, 2007, Kazan. P. 44.

9. М.Ю. Чиненков, А.В. Горячев, A.M. Медников, А.Ф. Попков. Влияние формы спин-вентильных элементов на их магнитные характеристики. // XVI Международная конференция по постоянным магнитам (МКПМ-2007), 17-21 сентября 2007 г., Суздаль. Стр. 88-89.

10. А.Ф. Попков, А.В. Горячев, В.Г. Шавров. Влияние магнетизма на структурные фазовые превращения мартенситного типа в сплавах с памятью формы. // XVI Международная конференция по постоянным магнитам (МКПМ-2007), 17-21 сентября 2007 г., Суздаль. Стр. 110-111.

11. A.F. Popkov, A.V. Goryachev, V.G. Shavrov. Influence of Magnetic Ordering on the Structural Phase Transition in a Conducting Ferromagnet Having Degenerated Spin Subbands. // Материалы Международной конференции «Функциональные Материалы» ICFM' 2007, october 1-6, 2007, Ukraine, Crimea. P. 256.

12. А.М.Алексеев, А.В. Горячев, Н.А. Дюжев, А.Ф. Попков, Ф.А. Пудонин, А.Н. Шокин. Изготовление, тестирование и калибровка магнитных зондов атомно-силового микроскопа. // Материалы VII международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», 17-22 сентября 2007 г., г. Кисловодск, Россия, стр. 256 - 257.

13. А.Ф. Попков, В.Г. Шавров, В.В. Коледов, А.В. Горячев. Влияние магнитного поля на смещение температуры структурного перехода в ферромагнетике с зонным эффектом Яна-Теллера типа сплава Ni2MnGa. // Тезисы докладов XXXII Международной зимней школы физиков-

теоретиков «Коуровка-2008», «Зеленый мыс», г. Новоуральск, Свердловская обл., 25 февраля - 2 марта 2008г.

14. A.B. Горячев, H.A. Дюжев, Е.П. Кириленко, А.Ф. Попков, A.M. Алексеев, Ф.А. Пудонин, Е.Е. Шалыгина, Исследование явлений деградации магнитных свойств АСМ/МСМ зондов с магнитным покрытием СоСг и CoNi. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и наноинженерия -2008», 25 - 27 ноября 2008 г., Москва, Зеленоград, МИЭТ, стр. 16-17

15. В.А. Власенко, С.Н. Беляев, А.Г. Ефимов, Э.А. Ильичев, М.Д. Маленкович, В.Э. Немировский, Э.А.Полторацкий, A.B. Горячев, А.Ф. Попков, Г.В. Фролова, M.JI. Шупегин. «Микроэлектромеханические переключатели на основе аморфных алмазоподобных углеродных пленок». // Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып. 15, стр. 105-110.

16. A.B. Горячев, М.Ю. Чиненков. Влияние формы спинвентильных элементов на их магнитные и магниторезистивные характеристики. // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2009, Vol. 1, 75, pp. 33-39.

17. В.А. Власенко, С.Н. Беляев, А.Г. Ефимов, Э.А. Ильичев, М.Д. Маленкович, В.Э. Немировский, Э.А.Полторацкий, A.B. Горячев, А.Ф. Попков, Г.В. Фролова, M.JI. Шупегин. «Микроэлектромеханические переключатели на основе аморфных алмазоподобных углеродных пленок». Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып. 15, стр. 105-110.

Список литературы:

1. Металлы и сплавы. Справочник, под. ред. Ю.П. Солнцева, Санкт-Петербург : Профессионал, издательство, 2003.

2. S. Fujii, S. Ishida, S. Asano. Electronic structure and lattice transformation in Ni2MnGa and Co2NbSn. J. Phys. Soc. Jap. 10 (58), (1989), 3657-3665.

3. D. Rugar, H.J. Mamin, P. Guethner, S. E. Lambert, J. E. Stern, I. McFadyen, and T. Yogi, "Magnetic force microscopy: General principles and application to longitudinal recording media" J. Appl. Phys. V. 68 (3), 1169-1183, 1990.

4. A.B. Горячев, М.Ю. Чиненков. Влияние формы спинвентильных элементов на их магнитные и магниторезистивные характеристики. Известия высших учебных заведений. Электроника, 1 (75), (2009), 33-39.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. /.¿Тир ажа 0 экз. Заказ

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, г.Зеленоград, проезд4806, д.5, МИЭТ.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Горячев, Андрей Викторович

Содержание диссертации.

Введение.

Глава 1 . Сплавы с памятью формы.

1.1. Эффект памяти формы.

1.2. Магнитные сплавы с памятью формы.

1.3. Магнитные и структурные переходы в сплавах Гейслера.

1.3.1. Модельный термодинамический потенциал.

1.3.2. Влияние магнитного поля на структурный фазовый переход в ферромагнитном металле.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2 . Методы АСМ/МСМ микроскопии и основные типы кантилеверов.

2.1. Основные режимы работы АСМ.

2.2. Типы кантилеверов.

2.2.1. Пленочные кантилеверы.

2.2.2. Кремниевые кантилеверы.

2.2.3. Специальные кантилеверы.

Глава 3 . Многозондовые картриджи: методы управления прогибом консоли и моделирование.

3.1. Моделирование теплового способа управления изгибом слоистой консоли.

3.1.1. Распределение температуры вдоль нагреваемой током консоли.

3.1.2. Расчет изгиба неравномерно нагретой консоли.

3.2. Пьезострикционный метод управления.

3.3. Магнитострикционный метод.

3.4. Сравнение методов управляемого изгиба консолей многозондового кантилевера.

3.4.1. Тепловое расширение.

3.4.2. Обратный пьезоэффект.

3.4.3. Магнитострикционный способ.

3.4.4. Результаты измерений зависимости величины изгиба консоли от токового разогрева.

3.5. Выводы к главе 3.

Глава 4 . Магнитные зонды АСМ.

4.1. Модель магнитного наконечника иглы МСМ.

4.2. Моделирование распределения намагниченности в магнитном покрытии иглы МСМ.

4.2.1. Микромагнитный пакет SpinPM.

4.3. Взаимосвязь магнитной структуры иглы и разрешающей способности.

4.4. Расчет эффективных параметров иглы МСМ.

4.4.1. Тестирование с использованием токовой петли.

4.4.2. Модель конической иглы.

4.4.3. Модель усеченного конуса с продольной намагниченностью.

4.4.4. Модель скругленного наконечника с перпендикулярной намагниченностью.

4.4.5. Сравнение моделей.

4.5. Исследование явлений деградации магнитных свойств кантилеверов.

4.6. Выводы к главе 4.

Глава 5 . Магнитомеханические преобразователи трения, давления и перемещения для магнитных МЭМС.

5.1. Гигантское магнитосопротивление (ГМС).

5.2. Особенности технологии создания магниторезистивных структур.

5.3. Гистерезис магниторезистивной системы.

5.4. Температурная зависимость гмс.

5\5. Оценка предельной чувствительности магниторезистивного мостового элемента.

ТМС-структура.

ГМС-структура с продольным протеканием тока.

5.6. Микромагнитные системы.

5.7. Магмэмс на основе гмс: датчик аэродинамического трения.

5.8. Расчет чувствительности магнитомеханического преобразователя.

5.9. Выводы к главе 5.

Введение диссертация по физике, на тему "Магнитные и деформационные процессы в полупроводниковых структурах с магнитными слоями для микромеханических устройств"

Основой микроэлектромеханических систем (МЭМС) являются микромеханические элементы консольного, мостового и мембранного типа, создаваемые на основе кремниевой технологии с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники, объединенные с полупроводниковыми приборами и сочетающие характеристики электронных схем и механических компонентов. Важный стимул для развития этой технологии - возможность объединения с бурно развивающейся нанотехнологией. В частности, привлекает перспектива соединения достоинств развивающейся спинтроники, наномагнетизма и микромеханики. Тут можно выделить два важных прикладных аспекта этого развития - создание управляемых кантилеверов для зондовой микроскопии, включая создание многозондовых картриджей, и разработку многофункциональных МЭМС различного назначения, использующих упругие свойства микромеханических устройств консольного, мостового и мембранного типа в сочетании с микромагнитными и магниторезистивными элементами контроля перемещения и деформаций. Сами кремниевые кантилеверы зондов АСМ с композитными покрывающими слоями могут являться основой для таких многофункциональных МЭМС.

Одной из важных проблем при разработке указанных устройств является поиск новых композитных материалов для управляющих покрытий кремниевых консольных зондирующих устройств, перспективных для управления микромеханическими устройствами с помощью внешних магнитных и электрических полей. Упругие свойства МЭМС определяют их силовые и скоростные характеристики. Одним из актуальнейших направлений здесь является применение новых материалов таких, как магнитные сплавы с памятью формы, структурные переходы в которых сопровождаются рекордно высокими значениями упругих деформаций - до 10%. Физика фазовых переходов (температурных, и магнитных), сопровождающихся сильными структурными искажениями, весьма разнообразна и до конца не изучена. Это в частности, касается многокомпонентных магнитных сплавов (сплавы Гейслера) с зонным эффектом Яна-Теллера. В настоящее время здесь очень актуальна задача поиска механизма наиболее сильного взаимовлияния магнитной и упругой подсистем в области структурных фазовых переходов и связанных с этим механизмом особенностей фазовых превращений. Решение этой задачи очень важно как в фундаметальном так и прикладном значении.

Изучение микромагнитных процессов в микро и наноразмерных магнитных элементах различной конфигурации необходимо для понимания особенностей работы микроэлектромеханических систем различного типа. Так, понимание особенностей намагничивания тонкого наконечника магнитного зонда атомно-силового микроскопа необходимо для разработки магнитных покрытий кантилеверов для АСМ/МСМ микроскопии с повышенным разрешением при визуализации магнитных изображений и оценки магнитной долговечности магнитных наконечников. Здесь отсутствует понимание механизмов связи магнитной деградации с ростом дефектности на самом наконечнике зонда. АСМ/МСМ микроскопия позволяет исследовать поверхность с точностью до нескольких ангстрем и изучать магнитную структуру исследуемого образца с точностью до десятков ангстрем и менее. Качество контроля при этом напрямую зависит от качества изготовления АСМ/МСМ зонда и его калибровки. Однако, здесь возникает ряд проблем связанных с тем, что магнитное поле тестирующих структур может меняться из-за магнитного взаимодействия с тестируемой иглой. С этой точки зрения более удобны токовые структуры, поля которых не зависят от полей рассеяния иглы МСМ. При этом, характеристики калибруемого зонда зависят только от размеров тестирующей структуры и методов калибровки. Поскольку конечной целью проводимых калибровочных измерений является использование получаемых результатов тестирования для дальнейшего проведения количественных МСМ-измерений, необходимо знать пределы применимости получаемых калибровочных параметров для магнитных иголок при визуализации и измерении объектов, которые в общем случае формой и размерами отличаются от тестирующих структур. В связи с этим представляется важным иметь достаточно простую модель магнитной иглы зонда МСМ, которая позволяет эффективно и адекватно проводить моделирование МСМ-визуализации и измерения объектов при известных калибровочных параметрах зонда. В данной работе рассматривается несколько таких моделей.

Как отмечалось выше одним из перспективных направлений разработки магнитных МЭМС является разработка микромеханических устройств различного типа в сочетании с микромагнитными и магниторезистивными элементами контроля перемещения и деформаций. Технология изготовления магниточувствительных (магниторезистивных) элементов совместима с технологическим циклом полупроводниковых микросхем, что позволяет интегрировать преобразователь и обрабатывающую электронику в один кристалл и резко снижает стоимость подобных систем по сравнению с другими решениями (например, основанных па оптических датчиках). Актуальность работ над данной технологией заключается в том, что она может быть легко трансформирована для создания сродных технологий для самых широких применений, например, датчиков измерения силы трения и скорости потоков газов, датчиков потоков жидкостей, мини-микрофонов и др. Однако здесь имеется ряд нерешенных проблем, связанных с использованием новых материалов и конструктивных особенностей датчиков. Поэтому актуальными здесь являются задачи создания упрощенных моделей и проведение анализа работы таких устройств при вариации магнитных и геометрических параметров составляющих элементов.

В связи с вышесказанным, целью настоящей диссертационной работы являлось исследование микроскопических механизмов возникновения структурных деформаций в магнитных сплавах, применяемых для создания актюаторов и магнитных МЭМС, особенностей процессов намагничивания и деформационных явлений в зондирующих консольных устройствах атомно-силовой микроскопии и магнитных МЭМС. В частности, в диссертации были решены следующие конкретные задачи:

1. Теоретический анализ калибровки магнитного наконечника зонда МСМ на основе токопроводящих тестирующих структур.

2. Исследование влияния дефектов магнитного наконечника МСМ зонда на его магнитные характеристики и магнитное изображение АСМ/МСМ.

3. Проведение сравнительного анализа методов управления прогибом консоли зонда АСМ.

4. Проведение анализа фазовых структурных превращений мартенсит-аустенит на основе зонной теории эффекта Яна-Теллера. Разработка модель структурного фазового перехода в магнитном поле.

5. Разработка модели функционирования и расчет характеристик первичных магнитомеханических преобразователей аэродинамического трения, давления и перемещения для магнитных МЭМС Диссертационный материал ниже излагается по главам в соответствии с обсуждением указанных вопросов. Каждой проблеме при этом предшествует обзорный материал, описывающий состояние соответствующих исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В работе впервые проводился анализ температурных и полевых превращений на основе зонной теории эффекта Яна-Теллера, объединяющей достижения ранней упрощенной теории для двухзонного проводника с феноменологической моделью многозонного ферромагнетика. Анализ фазовых переходов в многокомпонентных магнитных сплавах Гейслера со структурными превращениями мартенсит-аустенит ранее не учитывал деталей взаимовлияния магнитной и упругой подсистем и проводился в основном на основе феноменологической теории.

2. Впервые проведено детальное исследование влияния дефектов магнитных покрытий на характеристики магнитного зонда и качество МСМ изображения. Выявлен магнитостатический механизм влияния дефектов магнитного наконечника МСМ зонда на магнитное изображение АСМ/МСМ, который снижает коэрцитивную силу перемагничивания наконечника по сравнению с магнитным покрытием балки.

3. Новым является сравнительный анализ методов управления консольными устройствами балочного типа.

Апробация результатов:

Основные результаты, изложенные в диссертации опубликованы в работах [ 1, 2, 3, 4], и докладывались автором на следующих конференциях: