Магнитные материалы для устройств на ЦМД

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физической электроники

 

РЕФЕРАТ

 

 

по курсу: ''ЭДСС''

 

на тему: ''Магнитные материалы для микроэлектроники''

 

 

Выполнил

студент группы ФЭ-01                                           Захаров И. В.

 

                                          СУМЫ - 2003

План

ВВЕДЕНИЕ

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

ПЛЕНКИ ДЛЯ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
ВВЕДЕНИЕ

 

С прогрессом электронной техники предъявляются новые требования к магнитным материалам. Это обусловлено и миниатюризацией устройств, и необходимостью разработки запоминающих и логических элементов большой емкости и быстродействия при малом весе. Необходимы магнитные материалы, прозрачные в оптическом и ИК-диапазоне, обладающие большой коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения, сочетающие в себе магнитные и полупроводниковые свойства. Многие такие материалы можно создать на основе редкоземельных материалов.

 

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД

 

Для генерирования цилиндрических магнитных доменов используются тонкие магнитные пленки феррит-гранатов R3Fe5O12 и ортоферритов RFeO3. Первые содержат домены с размерами до 1 мкм, что позволяет получить плотность размещения информации до 107 бит/cм2, вторые обладают рекордно высокими скоростями

передвижения до 104 м/с.

Идея записи на ЦМД состоит в том, что двоичное число можно представить цепочкой ЦМД, где логическая "1" - наличие ЦМД, "О" - отсутствие. Осуществление логических операций с помощью ЦМД-устройств основывается на возможности движения ЦМД в пленке в двух, трех и т.д. направлениях.

В технике обычно используются монокристаллические пленки, выращиваемые на немагнитной подложке, кристаллическую структуру и постоянную решетки подложки подбирают в соответствии с требуемой структурой получаемой пленки.

В последнее время начали использовать аморфные магнитные пленки сплавов переходных металлов с РЗ металлами типа Gd-Go и Gd-Fe, в которых возможно получение ЦМД с диаметром < 1 мкм, что позволяет повысить плотность записи информации до 109 бит/см2. Их отличают также простота изготовления, относительно низкая стоимость. Недостатком таких пленок является их низкая термостабильность.

 

Все материалы-носители ЦМД характеризуются большой одноосной магнитной анизотропией. Чем больше поле ани­зотропии, тем ближе направление намагниченности ЦМД к норма­ли плоскости пластины и тем меньше отклонение формы стенок ЦМД от цилиндрической., Для одноосных кристаллов напряжен­ность поля анизотропии, необходимая для зарождения изолирован­ного домена, оценивается по формуле

 

где К, — константа одноосной анизотропии, составляющая в сред­нем для ЦМД-материалов 10³—10⁴ Дж/м³; l_{s -} намагниченность насыщения, равная при комнатных температурах в среднем 10⁴А/м.

В ЦМД-материалах H_а=10⁵-М0⁷ А/м. В ряде ЦМД-материалов наблюдаются небольшие отклонения от одноосности, обусловлен­ные орторомбической и кубической симметрией вещества.

Отношение поля анизотропии к намагниченности насыщения определяет фактор качества магнитоодноосного кристалла:

 

Фактор качества — количественная оценка жесткости ориента­ции магнитного момента домена в направлении нормали к плоско­сти пластины — должен быть существенно больше единицы. На практике требуется иметь значения q не менее 3—5. Верхний пре­дел ограничен требуемым быстродействием устройств (см. ниже).

Для оценки свойств материалов, содержащих ЦМД, введено понятие характеристической длины 1₀

 

где —удельная энергия доменной границы, Дж/м²; A'—A/а — обменная константа, примерно равная для ЦМД-материалов 10~¹⁰— 10-¹¹ Дж/м.

Характеристическая длина lо имеет размерность длины и связа­на с толщиной h пластины и диаметром D домена. С точки зрения увеличения плотности размещения информации желательно, чтобы диаметр домена был как можно меньше. Минимально достижимый диаметр домена при заданном материале Amin=3,9*lo имеет место для пластин (пленок) толщиной A = 3,3lо. В технических устройст­вах, где используют ЦМД, рекомендуется выбирать h~4*l₀, так как при этом способность доменов восстанавливаться после флуктуации наиболее сильно выражена. При h = 4*l₀ поле, соответствующее се­редине области устойчивых цилиндрических доменов, H=0,28l_3> а диаметр доменов в этом поле D —8l₀.

Уменьшение размера ЦМД достигается применением материа­лов с малым lо. Из следует, что увеличение намагниченности материала способствует этому в большей степени, чем снижение А.

Действительно, снижение фактора качества qухудшает условия статической устойчивости ЦМД. Уменьшение обменной константы А' нецелесообразно, поскольку при этом снижается температурная устойчивость ЦМД. Минимальный размер домена, полученный в настоящее время в аморфных и гексагональных ферромагнетиках, составляет около 0,08 мкм. Температурный диапазон устойчивости ЦМД-структур достаточно широк (—50 + 60° С). Точка Нееля большинства современных ЦМД-материалов лежит в пределах 560—720 К.

Важной характеристикой материалов для ЦМД-устройств яв­ляется коэрцитивная сила Н_с, во многом определяющая подвиж­ность доменов. Чем меньше Н_е, тем выше быстродействие ЦМД-устройства. Скорость перемещения домена также зависит от подвижно­сти доменной границы u_rp. и_гр об­ратно пропорциональна фактору качества q. Поэтому материалы, обладающие большими значениями q, не отвечают требованиям вы­сокого быстродействия ЦМД-устройств.

ЦМД могут быть получены во многих магнитных материалах, обладающих сильной одноосной анизотропией.

Ортоферриты RFeO ₃ — первые материалы, на которых были изу­чены ЦМД. В настоящее время эти материалы в промышленных ЦМД-устройствах практически не применяются, поскольку диаметр ЦМД ортоферритов порядка 80—100 мкм не позволяет обеспечить высокую плотность записи информации. Однако в ряде случаев ор-тоферриты, обладающие высокими магнитооптическими параметра­ми, сохранили свои позиции. Их применяют в виде пластинок, выре­занных определенным образом из монокристалла и доведенных по­средством механической полировки до нужной толщины.

Монокристаллы ортоферритов получают обычными способами (см. § 2.20). Одним из наиболее перспективных считают выращи­вание монокристаллов из расплава с применением бестигельной зонной плавки и радиационного нагрева. Этот метод включает из­готовление исходных для выращивания монокристаллов поликри­сталлических заготовок в виде цилиндрических стержней методами керамической технологии. Процесс кристаллизации осуществляется следующим образом. Из предварительно полученного любым мето­дом монокристалла вырезают вдоль определенного кристаллогра­фического направления затравку, которую закрепляют на керами­ческом или сапфировом держателе. По оси затравки с высокой точ­ностью устанавливают исходный поликристаллический стержень. Камера герметизируется, продувается и подключается к системе давления кислорода. Затравку и питающий стержень приводят во вращение, сближают до минимального расстояния и нагревают по определенному режиму. В месте сближения затравки и стержня образуется расплавленная зона. При медленном (5—10 мм/ч) перемещении стержней относительно зоны па затравке начинается кристаллизация. После окончания процесса выращивания кристалл подвергают отжигу для уменьшения Heизвлекают из кристаллизационной камеры и отрезают от затравки. Таким образом можно получить монокристаллы в виде цилиндров диаметром до 8 мм и длиной до 80 мм.

    Ферриты-гранаты со структурной формулой RзFе₅0₁₂ содержат домены с диаметром порядка не более нескольких микрометров, что позволяет получить плотность размещения информации 10⁵ бит/см² и даже выше. Однако подвижность доменных границ этой группы материалов ниже, чем у ортоферрптов, и приблизитель­но равна 0,025 м²/(А-с).

Толщина пластинок из ферри­тов-гранатов должна быть порядка микрометра.

Такие тонкие пластины механической обработкой получить нельзя. Поэтому вместо пластин применяют монокристаллические пленки, изготовляемые эпитаксиальным методом — наращиванием пленки па немагнитной подложке. Кристаллическую структуру и постоянную решетки подложки подбирают в соответствии с требу­емой структурой получаемой пленки.

Изготовление пленок эпитаксиальным методом производят пу­тем химического осаждения металлов, входящих в состав граната, в виде галогенидных паров на монокрпсталлпческую немагнитную подложку либо путем погружения подложки и расплав соответст­вующих оксидов граната.

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.

 

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: