Реферат: Магнитные материалы для микроэлектроники

Способ эпитаксии из газовой фазы обеспечивает получение пле­нок более высокого качества, однако эпитаксия из жидкой фазы не требует сложных установок и более технологична. Промышленное изготовление тонких пленок производят методом изотермической эпитаксии из переохлажденного расплава.

Недостаток эпитаксиальных пленок заключается в сравнительно высокой стоимости изготовления и обработки подложки. Необходи­мая для образования ЦМД одноосная анизотропия возникает в процессе технологии изготовления пленок и обусловлена механи­ческими напряжениями, которые появляются из-за неполного со­ответствия постоянных решетки подложки и эпитаксиального слоя, а также вследствие влияния небольших примесей свинца пли вис­мута, которые попадают в пленку из расплава.

Для подавления твердых ЦМД принимают специ­альные технологические меры, направленные на создание опреде­ленной структуры доменной стенки: ионное внедрение или покрытие поверхности пленки феррита-граната тонкой пленкой пермаллоя. При ионной имплантации вследствие бомбардировки пленки иона­ми с высокой энергией на ее поверхности образуется замыкающий магнитный слой толщиной меньше 1 мкм, намагниченность которо­го вследствие возникающих механических напряжений направле­на перпендикулярно намагниченности ЦМД и лежит в плоскости пленки. На­иболее простым способом подавления твердых ЦМД является отжиг пленок в инертной среде при 1100° С.

Аморфные магнитные пленки сплавов переходных металлов с редкоземельными металлами типа Gd-Co и Gd-Fe являются срав­нительно новыми перспективными доменосодержащими материала­ми с диаметром ЦМД меньше 1 мкм, что позволяет повысить плотность записи информации до 10⁹ бит/см² . Их отличают также простота изготовления, относительно низкая стоимость, поскольку свойства аморфных материалов в отличие от эпитаксиалыных пле­нок слабо зависят от материала и качества подложки.

Магнитоупорядоченные интерметаллическне пленки GdCo₃ и GdFe₂ обеспечивают существование устойчивых ЦМД при опреде­ленном соотношении между компонентами состава, определенной толщине пленки и соответствующих условиях выращивания. Плен­ки производят чаще всего методом радиочастотного распыления на подложки из стекла пли электролитическим осаждением па под­ложки из меди.

Гексагональные ферриты со структурными формулами характеризуются высокой намагниченно­стью насыщения, высоким фактором качества, но их низкая подвижность ограничивает область применения этих материалов.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется и двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея сводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного поля вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

Модуляцию луча по поляризации следует преобразовать в модуляцию но интенсивности. Эта операция может быть выполнена чисто оптическими средствами. .Для этого достаточно магнитооптический элемент поместить (по лучу) между скрещенными поляризаторами (направления пропускания линейно поляризованного света поляризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных поляризаторов принято называть поляризационным микроскопом. Эта система, в принципе, не пропускает свет. Однако, если в такой микроскоп ввести оптически активную среду, то часть света, пропорциональная квадрату синуса угла поворота плоскости поляризации, пройдет через систему. Итак, с помощью эффекта магнитооптической активности удается промодулировать свет по интенсивности приблизительно пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Магнитооптические эффекты применяются при считывании информации с магнитооптических дисков.

РЗ ортоферриты и ферриты-гранаты являются одними из лучших магнитооптических (МО) материалов, что обусловлено высокой прозрачностью для видимого и ближнего ИК-диапазонов, значительной величиной эффекта Фарадея и большим значением коэффициента оптической добротности (отношение угла фарадеевского вращения к коэффициенту поглощения). Монооксид европия обладает рекордными значениями величины фарадеевского вращения (до 106 градЧ см), что делает его очень перспективным для применения в качестве магнитооптического материала.

Принцип действия магнитооптических устройств основан на использовании различных магнитооптических эффектов (Фарадея, Керра) в доменных структурах, перестраиваемых под воздействием внешних полей (тепловых, магнитных и т.д.).

Например, МО-модулятор осуществляет пространственную модуляцию световой волны при прохождении ее через перемагничиваемую доменную структуру тонкой магнитной пленки. Принцип модуляции основан на периодическом повороте плоскости поляризации света в пленке при подаче периодического управляющего сигнала в обмотку управления. Полученную фазовую модуляцию светового пучка с помощью анализатора преобразуют в амплитудную.

Из других МО-устройств можно выделить оптические ЗУ, МО-устройства сканирования света и ряд других.

Пригодность магнитных материалов для создания на их основе магнитооптических устройств зависит от совокупности магнитооп­тических свойств.

Магнитооптические свойства оценивают по магнитооптической активности в диапазоне оптических волн с учетом возможной их анизотропии.

Магнитооптическую активность характеризуют с помощью угла удельного фарадеевского вращения ­­­­­­_____________ и коэф­фициента поглощения:

где d — толщина образца; I0, I1 — соответственно интенсивности па­дающего и прошедшего кристалл света.

Феррогранаты имеют окно прозрачности в диапазоне волн 1,15— 5 мкм. Наиболее перспективными материалами являются чистые железоиттриевые гранаты (ЖИГ) и висмутосодержащие гранаты, в которых часть иттрия заменена на висмут.

Синтезирование эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов, включающее подбор состава исходных пленок и подложки, выбор оптимальной обработки (отжига), обеспечивает получение материа­лов с высокими магнитооптическими свойствами, различающихся по намагниченности, коэрцитивной силе, анизотропии, подвижности доменной стенки и т. п.

Ферриты-гранаты являются основными магнитооптическими ма­териалами в инфракрасной области. Для видимого света они мало пригодны. Имеются данные об использовании высококачественных пленок ферритов-гранатов в видимом свете .

Однако при реализа­ции устройств на этих материалах надо иметь в виду следующие особенности. Технология производства ортоферптов не позволяет изготавливать очень тонкие пластины (меньше 1 мкм). Именно по этой причине ортоферриты применяют при λ>0,5 мкм, хотя имеются данные о том, что и при λ = 0,45 мкм их оптические свойства выше свойств MnBi-пленок. Оптимальная толщина пластин ортоферритов для λ=0,63 мкм со­ставляет 60—90 мкм. Вторая особенность связана с оптической ани­зотропностью ортоферритов, обусловленной низкой симметрией ромбической ячейки. Для исключения явления двулучепреломления пластины из ортоферритов вырезают нормально к оптической оси. При этом реализуется устойчивая полосовая доменная структура, а не ЦМД. Установлено, что в очень тонких пластинах при толщи­нах порядка 1 мкм двулучепреломление незначительно, и матери­ал можно в этом случае считать изотропным. Введение в ортоферрит ионов редкоземельных элементов значительно повышает изо­тропность их оптических свойств.

Феррошпинели , содержащие ионы Со²⁺ в тетраэдрических позициях используют в качестве магнитооптических материалов при λ= 5 - 12 мкм, где они обладают высокой прозрачностью и большим θ (до 10⁵ град/см). Это практически единственные материалы, пригодные для создания магнитооптических устройств в этом диапазоне волн.

ПЛЕНКИ ДЛЯ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ

Термомагнитный эффект

Магнитные свойства ферромагнетиков существенно зависят от температуры. Достаточно точно эта зависимость описывается законом Кюри-Вейса: µ=С/(Т_К - Т), где С - некоторая константа (константа Кюри), зависящая от материала, Т_К - температура (точка) Кюри. Закон обратной зависимости магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры установлен в 1895 г французским физиком П.Кюри. Позже, в 1907 г другой француз П.Вейс уточнил закон применительно к ферромагнетикам.

По закону Кюри-Вейса при Т, стремящимся к Т_К , магнитная восприимчивость расходится (становится бесконечно большой). Это не должно смущать, поскольку Тк - особая точка. При температуре Кюри происходит переход вещества из парамагнитной фазы в ферромагнитную. При температуре ниже точки Кюри вещество является ферромагнетиком, выше - парамагнетиком. При приближении (снизу по температуре) магнитная восприимчивость µ резко возрастает. Этот процесс поясняется рис. 3.

По мере роста температуры возрастает крутизна наклонных участков петли гистерезиса (соответственно, и |i). При этом уменьшается коэрцитивная сила и максимальная остаточная намагниченность, а отношение В_Н /Н_К растет. Все это ведет к резкому росту эффективности записи.

Естественно, эти особенности магнитных свойств ферромагнетиков вблизи точки Кюри заинтересовали изобретателей. Среди материалов, пригодных для записи на ленточный носитель, наименьшей температурой фазового перехода обладает диоксид хрома. Точка Кюри этого материала составляет 128 °С (у гамма-оксида железа, например, температура Кюри составляет 650 °С). Она достаточно велика, но тем не менее, в сочетании с точечным лазерным подогревом материала, гамма-оксид железа может применяться на практике. В качестве примера на рис. 4 приведена схема лазерного подогрева при термомагнитном тиражировании магнитных записей.

К барабану прижаты две ленты: снизу с носителем из гамма-диоксида железа - оригинал, сверху с диоксидом хрома - копия. Ленты соприкасаются рабочими слоями. Сфокусированный луч лазера разогревает рабочий слой ленты-копии до температуры немного выше точки Кюри. Температура разогретой точки (точнее штриха с длиной, равной ширине дорожки записи) достаточно быстро остывает за счет тепловой диффузии. При переходе через точку фазового перехода, когда магнитная восприимчивость сверхвысокая, рабочий слой ленты-копии легко намагничивается. При дальнейшем остывании магнитная восприимчивость быстро уменьшается и запись относительно слабых полей, создаваемых лентой-оригиналом, становится невозможной. В процессе транспортировки лент оригинала и копии зона записи перемещается. Скопированная сигналограмма зеркальна по отношению к сигналограмме оригинала. Поэтому запись оригинала ведется так, чтобы формировалась сигналограмма, зеркальная по отношению к стандартной. Скорость тиражирования прямо зависит от мощности лазера. Реально удалось реализовать тиражные машины со скоростями копирования в 300 и более раз выше номинальной.

Термомагнитиая запись также широко применяется в системах записи на магнитооптические диски. В этом случае зона мгновенной записи совпадает со световым пятном, разогревающим термо-магнитный материал. Магнитное поле при этом может быть рассеянным в области, значительно превышающей снеговое пятно, и должно быть достаточно слабым, чтобы нс воздействовать на неосвещенные участки.