Усовершенствование технологии получения тонких магнитных пленок с высокой коэрцитивной силой методом термообработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В работе описывается технология получения тонких магнитных пленок с высокой коэрцитивной силой методом термообработки. Тонкие магнитные пленки, созданные на основе составов реализующих высокую индукцию насыщения и высокую коэрцитивную силу могут использоваться в микросхемах, выполняющих функции датчиков величины тока и в приборах микро- и наносистемотехники (микроэлектродвигателях).

Содержание

Введение

Глава 1 Литературный обзор

1. Петля гистерезиса

2. Кривая намагничивания

3. Домены

4. Температура Кюри

5. Коэрцитивная сила

6. Основные характеристики магнитных материалов

7. Классификация магнитных материалов

8. Магниторезисторы

9. Свойства сплавов постоянных магнитов на основе Fe-Cr-Co

Глава 2. Экспериментальная часть.

1. Подготовка к напылению

2. Напыление сплава Fe-Cr-Co

3. Термообработка тонких пленок в вакууме

4. Результаты процессов термообработки

5. Термообработка по патенту

Глава 3. Охрана труда и экология.

1. Характеристика опасностей

2. Расчет защит. заземления для установки вакуумного напыления

3. Защита окружающей среды от воздействующих факторов

Глава 4. Экономический расчет

1. Технический анализ объекта проектирования

2. Экономический анализ

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В работе описывается усовершенствование технологии получения тонких магнитных пленок с высокой коэрцитивной силой методом термообработки.

Цель данной работы - получить тонкие магнитные пленки с высокой коэрцитивной силой.

По ходу работы были поставлены следующие задачи:

1.Окисление кремниевой подложки с целью создания слоя окисла кремния на поверхности кремниевой подложки.

2.Напыление на структуру: оксид кремния - кремниевая подложка сплава состава Fe-Cr-Co с добавками переходных d-металлов (далее обозначается как магнитная пленка).

3.Собрать установку для термообработки тонких магнитных пленок.

4.Опытным путем найти нижнюю и верхнюю температурные границы фазовых переходов в магнитной пленке.

5.Решить проблему с адгезией тонкой магнитной пленки на структуре оксид кремния - кремниевая подложка после термообработки.

На основании ГОСТ 24897-81 был выбран состав мишени для магнетронного нанесения магнитной пленки и условия термообработки напыленного состава. Проведены процессы термообработки магнитных пленок по ГОСТу 24897-81 и по литературным данным.

В результате было проведено напыление на кремниевую подложку, проведена термообработка первых образцов магнитной пленки Намечены пути сохранения магнитной пленки на кремниевой подложке.

Глава I. Литературный обзор

1. Петля гистерезиса

магнитный напыление термообработка пленка

После 10 циклов изменения напряженности от положительного максимального значения до отрицательного максимального значения, зависимость B=f(H) начинает повторяться и приобретает характерный вид симметричной замкнутой кривой, которая называется петлей гистерезиса. Гистерезис - отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно для всех процессов, где наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой в текущем и в предыдущем состоянии, т.е. =f(, ) - где и - соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

Петли гистерезиса можно получать при разных значениях максимальной напряженности внешнего поля (рис 1.1). Основная кривая намагничивания - геометрическое место точек вершин симметричных циклов гистерезиса. Основная кривая намагничивания совпадает с начальной кривой.

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля (рис 1.1), которая соответствует насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции при H = 0, называемое остаточной индукцией, и значение при B = 0 - коэрцитивная сила. Коэрцитивная сила показывает, какую напряженность внешнего поля необходимо приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля

Характерные точки и форма предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой коэрцитивной силой (кривая 1 рис.1.1.1) называются магнитотвердыми., для них коэрцитивная сила должна быть больше 5кА/м (125 Э). Для постоянных магнитов важно иметь большие: остаточную индукцию, площадь петли гистерезиса и коэрцитивную силу. Магнитотвердые вещества используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества, с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис. 1.1.1) называются магнитомягкими, используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, особенно те, которые работают при периодически изменяющемся магнитном потоке.

Рис 1.1.1- Петли гистерезиса, B- индукция магнитного поля, H- напряженность магнитного поля.

Размер гистерезисных петель в предельном и промежуточных состояниях, характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Размер гистерезисной петли зависит от свойств материала, частоты перемагничивания и геометрических размеров материала,[1].

2. Кривая намагничивания

Это важная характеристика магнитных материалов, которая показывает зависимость магнитной индукции материала или намагниченности от напряженности внешнего поля Н.

Если в процессе намагничивания напряженность поля довести до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от изначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для полностью размагниченного вещества - начальная кривая намагничивания. На рисунке 1.2.1 начальная кривая намагничивания показана утолщенной линией. Основная кривая намагничивания имеет несколько характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке поворачиваются векторы намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. последнему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия, магнитные моменты доменов ферромагнетика, которые не ориентированы.[1]

Рис 1.2.1 - Начальная кривая намагничивания, где B- индукция магнитного поля, H- напряженность магнитного поля.

3. Домены

В ферромагнетиках в малых магнитных полях формируется доменная структура. Каждый домен - это область, намагниченная однородно до насыщения , т.е. векторы спонтанной намагниченности Js, построенные в различных точках домена, параллельны и равны по модулю.

Размер доменов, форма, взаимное расположение доменов и доменных стенок - входят в понятие «доменная структура» магнетика.

Существует огромное разнообразие доменных структур в кристаллах различных веществ. Оказывается, что для одного и того же вещества, но в образцах разного размера и формы, доменная структура может быть совершенно различной. Домены наблюдаются в поликристаллических и аморфных тонких слоях, лентах и пленках с наведенной магнитной анизотропией.

Домены различаются по виду и по своим свойствам. Например, существуют доменные структуры, исключительно чутко откликающиеся на внешние воздействия, особенно на магнитные поля. И наоборот, существуют доменные структуры, изменить которые очень трудно. Поэтому можно говорить о целом мире магнитных доменов.

При последовательном изменении напряженности магнитного поля Н от +Нs (значения поля насыщения одного направления) до -Нs (поля противоположного направления) домены образовываются, растут, развиваются, начинают взаимодействовать друг с другом, изменяют свою форму и размеры. Потом те домены, в которых намагниченность Js ориентирована удачно относительно поля (например, JsН) постепенно поглощают соседние домены (с JsЇН).Такой род перемагничивания называют перемагничиванием за счет движения доменных стенок.

Векторы спонтанной намагниченности в кристалле ориентируются строго вдоль определенных кристаллографических осей. Их называют осями легкого намагничивания (ОЛН) , так как в этих направлениях кристалл намагничивается легче, чем в любых других. В этом проявляется естественная магнитокристаллическая анизотропия.

Количество осей легкого намагничивания в разных магнетиках разное. Например, железо (Fe) имеет кубическую кристаллическую решетку, и осями легкого намагничивания служат ребра куба. Их обозначают [100], [010] и [001], поэтому у Fe три естественных оси легкого намагничивания. Никель (Ni) также имеет кубическую решетку, но осями легкого намагничивания являются пространственные диагонали куба, их четыре. Кобальт (Со) имеет гексагональную кристаллическую решетку и единственную ОЛН - гексагональную ось. Кристаллы различных веществ по характеру магнитной анизотропии могут быть подобны Fe или Ni и их называют магнитомногоосными, а те, которые подобны Со, - магнитоодноосными,[2].

Размеры доменов и границ

Причина разбиения ферромагнетиков на домены - это конкуренция магнитных сил размагничивания, сил магнитной анизотропии и обменных сил в них: обменные силы стремятся установить магнитные моменты атомов параллельно, а магнитные силы (размагничивающие) не параллельно. В результате, предельным случаем размагничивания является магнитная структура, обладающая абсолютным минимумом магнитной энергии (замкнутая магнитная конфигурация).

Следует сказать, что границы между доменами энергетически невыгодны, так как существует слишком большой скачок обменной энергии при переходе от одного домена к другому. Должен существовать слой между доменами, в котором магнитные моменты атомов M изменяют свое направление постепенно (рис.3.1), причем с выходом из плоскости (так называемая блоховская граница). Это приводит к плавному изменению обменной энергии при переходе границы. С другой стороны, так как изменение направлений M в граничном слое происходит в кристалле, все большее число атомов будет обладать магнитными моментами, которые будут не ориентированы в направлении легкого намагничивания С (рис.1.3.1), и тем самым они должны увеличивать энергию магнитной анизотропии. В результате граница приобретает такую ширину б, при которой сумма обменной энергии и энергии магнитной анизотропии будет минимальной.

Рис.1.3.1 Слой между доменами, в котором магнитные моменты атомов M изменяют свое направление постепенно

Доменные стенки можно разделить на два вида: 180-градусные, направление намагниченности в которых меняется при переходе от одной стороны стенки к другой на 180 (рис.3.1), и 90-градусные, в которых направление намагниченности меняется только на 90 градусов

Упрощенный расчет для ширины граничного слоя в случае 180 - соседства для одноосного кристалла дает:

д = p (3.1)

где А - обменный интеграл,

К - константа магнитной анизотропии,

a - постоянная решетки.

р - константа порядка единицы.

Подстановка соответствующих значений показывает, что д= 10-5 см т.е составляет десятые доли микрона, что совпадает с данными опыта.

Образование граничных слоев происходит с затратой некоторого количества энергии, пропорционально площади граничного слоя. Как показывает расчет, плотность граничной энергии, т.е. энергия единицы поверхности граничного слоя, равна:

г= p (3.2)

Подстановка численных значений показывает, что плотность граничной энергии лежит в пределах от 0,1 до 10 эрг/см2.

Ширина домена, зависит от величины кристалла. Расчет дает, что ширина домена d равна:

d = , (3.3)

где L - длина кристалла.

Таким образом, крупные домены могут быть получены лишь в крупных кристаллах. В очень мелких кристаллах доменной структуры вообще не возникает, они являются однодоменными.

Следует заметить, что в тонких магнитных пленках в направлениях, перпендикулярных плоскости пленки, существует большое размагничивающее поле (анизотропия формы), и поэтому реализуется доменная граница без выхода вектора J из плоскости (Неелевская граница)

4. Температура Кюри

Температура Кюри, Тс,- температура любого фазового перехода второго рода, связанного с возникновением упорядоченного состояния в твердых телах при изменении температуры, но при заданных значениях других термодинамических параметров (давления, напряженности электрического или магнитного поля). Фазовый переход второго рода при температуре Кюри связан с изменением свойств симметрии вещества. При Тс во всех случаях фазовых переходов исчезает какой-либо тип атомной упорядоченности, например, упорядоченных атомных магнитных моментов (ферромагнетики), электронных спинов (сегнетоэлектрики), упорядоченность в расположении атомов разных компонент сплава по узлам кристаллической решетки (фазовые переходы в сплавах). Вблизи температуры Кюри наблюдаются резкие аномалии физических свойств, например, пьезоэлектрических, электрооптических, тепловых.

Магнитной точкой Кюри называют температуру фазового перехода, при котором исчезает спонтанная намагниченность доменов ферромагнетиков, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. При сравнительно низких температурах тепловое движение атомов, которое неизбежно приводит к некоторым нарушениям упорядоченного расположения магнитных моментов, незначительно. При увеличении температуры его роль возрастает и, наконец, при некоторой температуре (Тс) тепловое движение атомов способно разрушить упорядоченное расположение магнитных моментов, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Вблизи точки Кюри наблюдается ряд особенностей в изменении и немагнитных свойств ферромагнетиков (удельного сопротивления, удельной теплоемкости, температурного коэффициента линейного расширения).

Величина Тс зависит от прочности связи магнитных моментов друг с другом, в случае прочной связи достигает: для чистого железа Тс= 768оС, для кобальта Тс=1131оС, превышает 1000оС для железо-кобальтовых сплавов. Для многих веществ Тс невелика (для никеля Тс=358оС). По величине Тс можно оценить энергию связи магнитных моментов друг с другом. Для разрушения упорядоченного расположения магнитных моментов необходима энергия теплового движения, намного превосходящая как энергию взаимодействия диполей, так и потенциальную энергию магнитного диполя в поле,[3].

5. Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила -- одна из характеристик явления гистерезиса в ферромагнитных материалах, которая показывает в какой степени затруднены в них процессы намагничивания (перемагничивания). Коэрцитивная сила Hc - напряженность размагничивающего поля, в котором ферромагнитный образец, сначала намагниченный до насыщения, размагничивается. Различают коэрцитивную силу мНс, когда в веществе, первоначально намагниченном до насыщения, переходит в нуль намагниченность J, и коэрцитивную силу вНс, когда переходит в нуль магнитная индукция В.

Магнитные материалы разделяются на магнитомягкие (малое Hc) и магнитотвердые (большое Hc), по величине коэрцитивной силы Hc. Граница этого раздела условная.

Величина коэрцитивной силы определяется механизмом намагничивания и является структурно-чувствительной характеристикой материала. На Hc влияют, дефектность материала, суммарная удельная поверхность зерен, остаточные механические напряжения. Чем больше дефектность материала и меньше однородность структуры, тем больше Hc, и соответственно меньше магнитная проницаемость. Это связано с тем, что в образцах примесей наличие дефектов кристаллической решетки, различного рода неоднородностей затрудняет движение границ магнитных доменов. На структуру материала влияет термическое и механическое воздействие. В материале, который подвергнут закалке или холодной деформации, образуется мелкозернистая структура, обладающая большой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно увеличивается Hc. При мелких однодоменных областях Hc особенно велика потому, что миграция доменных границ не участвует в магнитном упорядочении структуры, которое осуществляется только поворотом вектора намагниченности частицы как целого, что требует большой энергии и соответственно больших полей.

В материале, который был, подвергнут отжигу, образуется крупнозернистая структура с маленькой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно величина Hc уменьшается. Чем больше размер зерна и более совершенна структура кристаллической решетки, тем меньше Hc, а материал легче перемагничивается и намагничивается.

Коэрцитивная сила, как структурно чувствительная характеристика, используется для неразрушающего контроля качества термической обработки многих изделий из ферромагнитных сталей и сплавов,[1].

6. Основные характеристики магнитных материалов

Механизмы магнетизма: зонный магнетизм, молекулярный магнетизм. Зонный магнетизм - магнетизм металлов и сплавов, интерпретируемый в рамках моделей, основанных на зонной теории. Типичными представителями зонных магнетиков (ЗМ) являются переходные металлы Fe, Co, Ni, Сr, Мn, их сплавы и соединения.

Физическое явление, характеризующее магнитные свойства молекул - микроскопических объектов. При объединении множества этих молекул в макрообъект, вероятно возникновение качественно нового магнетизма за счет кооперативных межмолекулярных взаимодействий. Ниже определенных температур магнитные моменты отдельных молекул макрообъекта выстраиваются в определенный порядок. Это вещество называется магнетиком. Отдельные молекулы выступают в качестве строительных блоков магнетика. Техническое значение, в качестве магнитных материалов, имеют ферромагнитные вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи (вращение электронов вокруг собственных осей - электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах)

Магнитные свойства материалов характеризуется петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерей энергии при перемагничивании,[4].

Магнитная проницаемость.

Магнитная проницаемость характеризует связь между магнитной индукцией В и магнитным полем Н в веществе. Обозначается m, у изотропных веществ m= В/Н (для системы СГСМ) или m= В/Н (для системы СИ, Гн/м - абсолютная магнитная постоянная).

У анизотропных тел (кристаллов) магнитная проницаемость - тензор. Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью в соотношении µ = 1 +c , где m измеряется в безразмерных единицах. Для физического вакуума c = 0 и µ= 1.

У диамагнетиков c<0 и µ < 1, у парамагнетиков и ферромагнетиков

c>0 и µ > 1. В зависимости от того, измеряется ли m ферромагнетиков в переменном или статическом магнитном поле, её называют соответственно динамической или статической магнитной проницаемостью. Значения этих магнитных проницаемостей не совпадают, так как на намагничивание ферромагнетиков в переменных полях влияют резонансные явления, вихревые токи и магнитная вязкость. Магнитная проницаемость ферромагнетиков сложно зависит от Н, для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной, начальной и максимальной магнитной проницаемости, [4].

7. Классификация магнитных материалов

Существуют магниты двух разных видов. Одни - так называемые постоянные магниты, изготавливают из «магнитнотвердых» материалов. Магнитные свойства этих материалов не связаны с использованием внешних источников или токов. Второй вид магнитов - электромагниты с сердечником из «магнитномягкого» железа. Создаваемые магнитномягкими материалами магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, которая охватывает сердечник, проходит электрический ток.

Процессы намагничивания материалов двух видов протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует небольших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются в основном за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса,[5].

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы - магнитные материалы с малой коэрцитивной силой ( 5 кА/м) и высокой магнитной проницаемостью.

Коэрцитивная сила -- размагничивающее внешнее магнитное поле напряженностью, которое необходимо приложить к ферромагнетику предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность или индукцию. При температурах ниже точки Кюри магнитомягкие материалы спонтанно намагничены и состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения доменов.

Промышленные магнитомягкие материалы имеют значение порядка 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при небольших напряженностях поля. Намагничивание происходит за счет смещения доменных границ. Для таких материалов нужно максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии (анизотропный характер магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах) и магнитострикции (изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании). Для облегчения процесса намагничивания, необходимо уменьшить количество дефектов в сплаве (примесей внедрения, дислокаций и др.), которые мешают свободному движению доменных стенок.

Если используются магнитомягкие материалы в переменных магнитных полях, то желательно иметь большое значение электросопротивления магнетика. Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем при более высоких частотах его можно применять.

Магнитомягкие материалы по области применения делят на:

- материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей и

- на высокочастотные магнитомягкие материалы.

К магнитомягким материалам специального назначения относятся магнитострикционные материалы, с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию и термомагнитные сплавы, служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов,[5].

Материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Кроме высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи для трансформаторов выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа или ленты. Требуется, чтобы листовые и ленточные материалы были высокопластичными. Также, магнитные свойства материалов зависят от частоты магнитного поля. Важное требование к магнитомягким материалам - обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. В процессе эксплуатации материала наибольшим изменениям из всех магнитных характеристик подвержены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы, такие как пермаллой и альсифер,[5].

Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвёрдые материалы - магнитные материалы, характеризующиеся высокими значениями коэрцитивной силы . Качество магнитотвердых материалов характеризуют также значения остаточной магнитной индукции, максимальной магнитной энергии, отдаваемой материалом в пространство и коэффициента выпуклости. Материалы также должны иметь высокую временную и температурную стабильность перечисленных параметров и удовлетворительные прочность и пластичность.

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений и др. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.

Магнитотвердые материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях.

Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов. Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике, в устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Их используют в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др. Преимущества постоянных магнитов по сравнению с электромагнитами постоянного тока - повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения.

Важнейшее требование к постоянному магниту -- получение максимальной магнитной энергии в рабочем зазоре, поэтому удельная магнитная энергия (энергия, отнесенная к единице объема магнита) -- одна из важнейших характеристик магнитотвердых материалов. Она пропорциональна произведению:

= /2

где B и H -- максимальные значения остаточной индукции внутри магнита и размагничивающей напряженности, соответственно.

Магнитотвердые вещества характеризуют произведением , которое называется энергетическим произведением.

С усилением прямоугольности петли гистерезиса коэффициент выпуклости приближается к единице.

Чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости, тем больше максимальная энергия магнита. Магнитотвердые материалы намагничиваются с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет вращения вектора намагниченности.

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются на легированные стали, закаленные на мартенсит, литые высококоэрцитивные сплавы, порошковые магнитотвердые материалы, магнитотвердые ферриты, пластически деформируемые сплавы, сплавы для магнитных носителей информации,[4].

Литые высококоэрцитивные сплавы

К этой группе относятся сплавы систем Fe-Ni-Al (ални) и Fe-Ni-Co-Al, модифицированные различными добавками. Литые высококоэрцитивные сплавы являются основными промышленными материалами для изготовления постоянных магнитов. Они являются активными элементами многих приборов и характеризуются благоприятным соотношением между магнитными свойствами и стоимостью производства. Их магнитные характеристики: =30-110 кА/м, =3-30 кДж/м3.

Магнитная текстура высококоэрцитивных сплавов создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле. Кристаллическую текстуру создают методом направленной кристаллизации сплава, залитого в форму, используя особые условия теплоотвода. Сплавы, полученные направленной кристаллизацией, имеют специфическую столбчатую структуру. Сочетание кристаллической и магнитной текстур позволяет улучшать все параметры магнитотвердого материала.

Бескобальтовые сплавы наиболее дешевые. Сплавы, содержащие кобальт, применяются в тех случаях, когда требуются повышенные магнитные свойства и нужен изотропный магнитный материал. Сплавы с 24% кобальта (магнико), обладающие высокими магнитными свойствами в направлении магнитной текстуры, используют при направленном магнитном потоке. Сплавы с направленной кристаллизацией обладают наибольшим запасом магнитной энергии,[4].

8. Магниторезисторы

Магниторезисторы-это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.

Механизм изменения сопротивления довольно сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К тому же он неодинаков для разных типов приборов, технологий и материалов. Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как магнитная чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.

В РБ, РФ и за рубежом выпускается широкая номенклатура магниторезисторов отличающихся типом конструкции и технологией изготовления магниточувствительного элемента и магнитной цепи. Особенно разнообразен ассортимент зарубежных магниторезисторов.

Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».

«Монолитные» магниторезисторы. Принцип действия монолитных магниторезисторов основан на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле. Конструкция «монолитного» магниторезистора приведена на рис 1.8.1 .

Подложка

Рис. 1.8.1. Конструкция «монолитного» магниторезистора



г)

Рис. 1.8.2. Варианты топологии МЧЭ «монолитных» магниторезисторов

Магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (МЧЭ). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака. МЧЭ может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля или «смещающим» постоянным микромагнитом.

«Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения арсенид индия (InAs) и др.

В зависимости от назначения прибора МЧЭ могут иметь различную форму. Наиболее известны МЧЭ прямоугольной формы и имеющие вид меандра (рис. 1.8.2а).

Элементы, показанные на рис. 1.8.2г, предназначены для использования в магнитоуправляемых устройствах с круговым перемещением источника магнитной индукции. Магниточувствительный элемент, изображенный на рис.1.8.2ж, представляет собой круговой магниторезистивный мост.

Наибольшее распространение для изготовления МЧЭ получил эвтектический сплав InSb-NiSb, легированный теллуром. В РБ и РФ этот сплав известен под званием СКИН.

В зарубежных приборах применяется аналогичный сплав трех модификаций L, D, N. Типичная зависимость магниторезистивного отношения (Rв/R0) МЧЭ, изготовленных из сплава InSb-NiSb, от индукции управляющего магнитного поля показана на рис. 1.8.3

Рис.1.8.3 Типичная зависимость МЧЭ, изготовленных из различных модификаций сплава InSb-NiSb, от величины индукции управляющего магнитного поля

Чувствительность магниторезистивного элемента изменяется и при изменении угла между вектором магнитной индукции и плоскостью элемента. Эта зависимость выражается формулой :

(Rв-R0)/R0=[(RвR0)/R0]максЧ{sin2ш/[1+(мnЧВ)2Чcos2ш]}(11.34) где Rв - сопротивление МЧЭ при воздействии магнитного поля (В = Вном);

R0 - сопротивление МЧЭ при отсутствии магнитного поля (В= 0);

ш - угол между векторами напряженности электрического и магнитного полей.

В “монолитных” МЧЭ, как правило, вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости чувствительного элемента. Поэтому максимальная чувствительность “монолитного” МЧЭ достигается при нормально падающем магнитном потоке (ш = 90°). При использовании концентраторов и других элементов магнитных систем зависимость может быть иной.

Сопротивление и чувствительность магниторезисторов зависят и от температуры. Как следует из рис. 1.8.3., зависимость магнитной чувствительности «монолитного» МЧЭ в области слабых полей близка к квадратичной, а в области сильных полей - практически линейна. Область перехода от слабых полей к сильным для реальных магниторезистивных элементов лежит в пределах 0,2-0,4 Тл

Применение магниторезисторов. Магниторезисторы применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа электрического тока и напряжения и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях, измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре системах автоматического управления, устройствах считывания информации ЭВМ, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированные игрушках и др.

Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе тонкопленочных магниторезисторов, которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом их организации.

Основное назначение таких приборов - это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).

Особенности применения магниторезисторов. При использовании магниторезисторов необходимо учитывать их преимущества и недостатки.

Например, «монолитные» магниторезисторы целесообразно использовать для регистрации «сильных» магнитных полей (100-1000 мТл). При этом следует учитывать максимальное значение индукции управляющего магнитного поля (Вмакс), при котором гарантируется заданная линейность преобразования, так как с ростом индукции управляющего поля, как правило, растет входное сопротивление магниточувствительного элемента. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы при высоких индукциях (1 Тл и более) значение тока управления было выбрано таким, при котором температура элемента не будет превышать допустимую.

При использовании магниторезисторов необходимо учитывать его так называемую нагрузочную способность.

Этот параметр определяется предельным допустимым значением температуры перегрева прибора, при котором он не выходит из строя. Для большинства магниторезисторов Тмакс не превышает 150 °С. Обычно в паспорте на прибор указывается рабочий диапазон, в котором возможна эксплуатация.

Нагрузочная способность магниторезистора определяется в документации на прибор одним из следующих параметров:

- значением мощности, которую может рассеять магниторезистор Рмакс;

- значением предельно допустимого тока Iмакс;

- значением теплового сопротивления л.

Тонкопленочные магниторезисторы больше подходят для регистрации слабых магнитных полей (до 10-30 мТл), иногда близких к пороговым значениям. При этом следует помнить, что порог чувствительности определяется минимальным уровнем магнитного поля, регистрируемым преобразователем магнитного поля при отношении сигнал/шум равном единице. Порог чувствительности характеризуется многими параметрами МЧЭ: величиной остаточного напряжения, уровнем собственных шумов, величиной тока управления и т.д. Значение остаточного напряжения зависит от направления и значения тока управления, от температуры элемента.

Температурное изменение чувствительности магниторезисторов на основе ФМП при питании от источника постоянного тока составляет около -0,04% на градус Цельсия, что в 5-10 раз меньше, чем у «монолитных» магниторезисторов .

Кроме того, при использовании в ограниченном динамическом диапазоне (до10 мТл) тонкопленочные магниторезисторы выгодно отличаются от других преобразователей магнитного поля.

На рис.1.8.4.приведены выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом напряжении питания равном 5 В.

Из рис 1.8.4. видно, что при магнитной индукции 5 мТл, соответствующей линейным участкам всех приведенных характеристик, чувствительность тонкопленочных магниторезисторов в 5 раз выше чувствительности других магниточувствительных приборов,[6].

Рис.1.8.4.Выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом напряжении питания равном 5 В.

Для нормальной работы магниторезисторов необходимо подмагничивание для доведения объема магниторезистора до монодоменного состояния (т.е. довести его объем до магнитного насыщения).

9. Свойства сплавов постоянных магнитов на основе Fe-Cr-Co

Для реализации подмагничивающего постоянного магнита на обратной стороне подложки магниторезистивной интегральной схемы, было предложено напылять с помощью магнетронного распыления деформируемые сплавы состава Fe-Cr-Co с добавками переходных металлов. Эти сплавы являются сплавами с низким содержанием кобальта, что приводит к их малой себестоимости. Эти сплавы являются дисперсионно твердеющими. Высокие коэрцитивные свойства они приобретают в результате многоступенчатой термообработки, см ГОСТ 24897-81.

Рис.1.9.1 Индукция и коэрцитивная сила после термообработки

Из рис.1.9.1 видно, что эти сплавы имеют высокие индукцию и коэрцитивную силу, и могли бы быть использованы в качестве постоянных магнитов для магниторезистивных интегральных схем.

В КФ МГТУ предпринимались попытки реализации высококоэрцитивного состояния пленок сплава указанного в ГОСТ 24897-81 сплава №7, как имеющего самую большую коэрцитивную силу из всех составов Fe-Cr-Co, [7].



Рис.1.9.2 Деформирование петли гистерезиса после серии термообработок.

В соответствии с данными статьи «Свойства тонких магнитных пленок, полученных методом магнетронного напыления»:… «пленки, полученные после напыления, имеют специфическую кривую намагничивания, что указывает на наличие двух фаз при напылении. В результате серии термообработок можно увидеть, как деформируется петля гистерезиса, и из наклонной «двухфазной» она превращается в прямоугольную однофазную (см. Рис.1.9.2 ). Надписи на рис - по оси ординат - магнитный момент в электромагнитных единицах (система СГСМ), по оси ординат - магнитная индукция в зазоре электромагнита в гауссах во время снятия петель гистерезиса. Петли 1-5 соответствуют отжигам с приведенными температурами, петля 6 - соответствует образцу, не подвергавшемуся отжигам. Деформация петель при изменении температуры отжига свидетельствует о том, что пленки после отжига при 6000С становятся однофазными без существенного изменения в коэрцитивной силе.»,[7]. Петли гистерезиса снимались на вибромагнетометре фирмы «LakeShore».

Выводы

Магнитные интегральные схемы с магниторезисторами требуют, как уже указано, подмагничивание. Источником подмагничивания может служить электромагнит или постоянный магнит. Наиболее оптимальным способом является использование постоянных магнитов. Эти постоянные магниты могут быть реализованы в виде пленок магнитотвердых магнитопластов, либо пленок магнитных сплавов, напыляемых на нерабочую сторону подложки магниторезистивной интегральной схемы. Ранее проведенные эксперименты с тонкими пленками состава Fe-Cr-Co, которые показали достаточно низкие значения коэрцитивной силы (не более 80 Э).

Глава 2. Экспериментальная часть

Для реализации подмагничивающего постоянного магнита на обратной стороне подложки магниторезистивной интегральной схемы, было предложено напылять с помощью магнетронного распыления деформируемые сплавы состава Fe-Cr-Co с добавками переходных металлов. Эти сплавы являются сплавами с низким содержанием кобальта, что приводит к их малой себестоимости. Эти сплавы являются дисперсионно твердеющими. Высокие коэрцитивные свойства они приобретают в результате многоступенчатой термообработки, по ГОСТ 24897-81. Среди множества составов, указанных в этом ГОСТ, наиболее технологичным является, по нашему мнению, состав, обозначенный на рис. 9.1, как состав №10. Его магнитные характеристики, измеренные на объемных образцах, с характерными размерами не менее, чем 10*10*10 мм^3: Hc=40 кА/м, Br=1.2Тл. Нанесение пленки этого сплава производилось с помощью магнетронного напыления на кремниевую подложку КЭФ-4.5 предварительно окисленную. Для получения магнитной пленки с нужными параметрами коэрцитивной силы и остаточной индукции, необходимо реализовать технологический процесс, рис.2.1

Рис.2.1 Технологический процесс получения магнитной пленки с нужными параметрами.

1. Подготовка к напылению

Очистка кремниевой пластины - перекисно-аммиачный состав NH4OH:H2O2=1:1, с последующей обработкой в диметилформамиде (ДМФА) при температуре 65°C.

Окисление кремниевой пластины происходило в печи СНОЛ на воздухе, [8], при температуре 1100°C.

2. Напыление сплава Fe-Cr-Co

В установке магнетронного распыления на кремниевой пластине

КЭФ-4.5 (рис 1.2.2), напылялся сплав состава Fe-Cr-Co.(б) Сплав №10 согласно ГОСТ-24897-81. Состав №10 был выбран в связи с тем, что он не предполагает предварительную термообработку напыленной пленки при температурах до 1300°C. Напыление производилось с предварительным нагревом пластины кремния до температур превышающих 200 °C в модернизированной установке типа УВН 71- П3 из мишени указанного выше состава в атмосфере особо чистого аргона при давлении аргона менее 1 Па, при напряжении на аноде магнетрона 450В и токе 2А.

Рис 2.2.1 Установка магнетронного распыления



Рис.2.2.2 Кремниевая пластина КЭФ-4.5

Рис.2.2.3Мишень сплава Fe-Cr-Co (рис 2.3)

После напыления получили тонкие пленки на кремниевой подложке, как видно из рисунка 2.2.4

Рис.2.2.4. Состав тонкой пленки на кремниевой пластине КЭФ-4.5

Толщина Fe-Cr-Co = 2мкм, толщина SiO2 = 1мкм

3. Термообработка тонких пленок в вакууме

После напыления образцы были подвергнуты термической обработке в форвакууме. Термообработка в форвакууме происходит в восстановительной атмосфере, что не допускает окисление магнитной пленки. Процедура термообработки проводилась также по ГОСТ 24897-81:

1.Нагрев до 730°C Выдержка 30 минут.

2.Охлаждение до 700°C с произвольной скоростью

3.Охлаждение от 700°C до 600°C - 2°C/мин

Отпуски:

4.620°C - 1 час

5.600°C - 1 час

6.580°C - 2 часа

7.560°C - 4 часа

8.540°C - 5 часов

Состав установки термообработки:

печь «СНОЛ» ;

кварцевая трубка с образцом;

вакуумпровод;

форвакуумный насос;

вакууметр ВИТ-2;

Установка термообработки тонких пленок в вакууме показана на рис 2.3.1



Рис.2.3.1. Установка термообработки тонких пленок в вакууме.

-В диапазоне давления вакуум составлял от 0.3 до 0.7 Па, для работы использовали форвакуумный насос;

-Показания вакуума снимаются со стрелочного прибора вакуумметра ВИТ-2

-Образец помещается в кварцевую трубку, которая соединена со шлангом, ведущему к форвакуумному насосу.

-Термообработка происходит в печи «СНОЛ».

4. Результаты процессов термообработки

После термообработки по ГОСТ 24897-81 коэрцитивная сила тонких магнитных пленок не возрастала.

После термообработки на образцах наблюдались разрушения пленки и в некоторых местах наблюдались разрушения кремния. Это хорошо видно на фотографии тонкой пленки после термообработки (рис.2.4.1). Снимок был сделан на конфокальном микроскопе «Nanofocus», который был предоставлен предприятием «Растр-технология», город Обнинск. На снимке отчетливо видно разрушения в кремнии (магнитная пленка отслаивалась).



Рис.2.4.1.Снимок тонкой пленки после термообработки.

Чтобы узнать, на каком этапе термообработки начинается разрушение

был проведен небольшой отжиг:

1. 1200°C - 1 час;

2. 710°C - 1 час.

Для этого небольшого эксперимента было использовано несколько образцов, которые были напылены лишь наполовину, а другая половина - чистая поверхность кремния.

После отжига образцы были исследованы на оптическом микроскопе с увеличением 200х-400х.

На рисунке 2.4.2 представлена шкала объект-микрометра отраженного света (ОМО), у которой расстояние между двумя ближайшими штрихами составляет 10 мкм. Таким образом, можно оценить размеры кластеров (50100) мкм и их латеральное расположение от границы пленка-подложка - (150350) мкм. На рис.2.4.3 непокрытая область подложки располагается правее шкалы ОМО.

На рисунке 2.4.4 можно увидеть, что на торце глубина трещины составляет 0.6 мкм.

Результаты этого эксперимента были опубликованы в статье [9]



Рис.2.4.2. Один из кластеров трещин

Рис.2.4.3 Массив кластеров трещин.

Рис.2.4.4 Снимок образца тонкой пленки после термообработки.

Далее было решено опытным путем, найти нижнюю и верхнюю температурные границы фазовых переходов в магнитной пленке. После многочисленных экспериментов, границы были обнаружены и приведены в таблице 1:

Таблица 1.Состояние магнитной пленки на кремниевой подложке

Для более наглядного представления показана шкала температур, в которой указан диапазон начала и конца температурных границ при которых наблюдалось отслаивание тонкой магнитной пленки от пластины с разрушением кремниевой пластины на рис.2.4.5:

Рис.2.4.5. Шкала отслоения магнитной пленки от кремниевой подложки.

5. Термообработка по патенту

Была проведена термообработка одного образца по патенту Трошкиной В.А.[10]:

1.1100°C - 30 минут;

2.Закалка в воде;

3.800°C - 1 час;

4.Закалка в воде;

5.530°C - 2 часа;

6.Закалка в воде;

7.620°C - 2 часа;

8.Закалка в воде;

9.580°C - 2 часа;

10.Закалка в воде;

11.530°C - 3 часа;

12.Закалка в воде.

После термообработки, образцы были протестированы на магнитные свойства, на вибромагнитрометре фирмы «LakeShore» в МГУ им М.В.Ломоносова.



Рис.2.5.1.Ориентация поля, параллельная плоскости

Согласно этим тестам, величина коэрцитивной силы достигла 105 Э, что конечно же, не достаточно для удовлетворения требований заказчиков (их требования к коэрцитивной силе - не менее 200 Э).Петля гистерезиса стала прямоугольной , что говорит об однофазности образца. Это необходимо для реализации постоянных магнитов.

Нахождение пленки на подложке приводит к появлению перпендикулярной анизотропии, что говорит о высоком уровне механических напряжений в магнитной пленке, кроме того, часть пленки отслоилась.

Коэрцитивная сила исходного образца 88 Э, судя по форме петли, образец двухфазный. После отжига коэрцитивная сила возросла до 105 Э. Намагниченности отличаются значительно (см.рисунок).



Рис.2.5.2 Ориентация поля, перпендикулярная плоскости образца.

Судя по петлям, снятым перпендикулярно плоскости, пленки обладают перпендикулярной анизотропией - коэрцитивная сила перпендикулярно плоскости около 310 Э. Отжиг на величину перпендикулярной анизотропии практически не повлиял (коэрцитивная сила не изменилась).

Глава 3.Охрана труда и экология

1. Характеристика опасностей

-При напылении в вакуумной установке:

Кремниевая пластина, легированная фосфором относится к группе изделий электронной техники.

При получении тонких пленок на кремниевых пластинах, обслуживающий персонал сталкивается с множеством различных опасных и вредных факторов (повышенный уровень напряжения, повышенный уровень шума, опасность химического поражения при подготовке пластин к напылению Si3N4, опасность высокотемпературных и низкотемпературных ожогов).

Источниками электрической опасности являются электрические сети питания оборудования, высоковольтные источники и пульты, электронагреватели для обезгаживания элементов вакуумных систем.

Источником шума при формировании тонких пленок на кремниевых подложках являются механизмы вентиляции, приводы механических насосов.

Источником высокотемпературных ожогов могут быть кипятильники для рабочей жидкости пароструйных насосов, электронагреватели установки вакуумного напыления плёнок.

Источником низкотемпературных ожогов (обморожения) могут быть системы охлаждения ловушек вакуумных насосов жидким азотом.

При обработке кремниевых пластин перед напылением тонких магнитных пленок применяются вредные для здоровья человека агрессивные вещества - ацетон и раствор, в котором присутствует аммиак.

Поражение персонала может происходить при попадании аммиака на открытые части тела и одежду, а также при вдыхании его паров.

-При термообработке в форвакууме:

Источниками электрической опасности являются электрические сети питания оборудования.

Источником шума при термообработке пленок в форвакууме явяется привод форвакуумного насоса.

Источником высокотемпературных ожогов является нагретая печь.

Во время работы форвакуумного насоса есть опасность попадания в дыхательные пути человека выхлопов паров масла.

1.1 Характеристика параметров микроклимата

Показателями, характеризующими микроклимат, являются:

- температура воздуха;

- относительная влажность воздуха;

- скорость движения воздуха;

- интенсивность теплового излучения.

Оптимальные показатели микроклимата распространяются на всю рабочую зону, допустимые устанавливаются дифференцированно для постоянных и не постоянных рабочих мест.

Для соблюдения комфортных условий необходимо соблюдать тепловой баланс, который складывается из теплопередачи, конвективного теплообмена, тепла излучения, тепла испарения, тепла нагретого воздуха.

При обеспечении оптимальных показателей микроклимата температура внутренних поверхностей конструкций, ограждающих рабочую зону (стен, потолка, пола и др.) не должны выходить более чем на 2°С за пределы оптимальных величин температуры воздуха, установленных по ГОСТ 12.1.005-88 для отдельных категорий. Перепад температуры по высоте рабочей зоны допускается до 3°С, по горизонтали -до4°С.

Повышенная температура может вызвать не только перегрев организма, но и тепловой удар. Пониженная температура может привести к простудным заболеваниям. Пониженная влажность воздуха в помещении вызывает высыхание слизистых оболочек, что снижает сопротивляемость организма.

Скорость движения воздуха на рабочем месте должна быть не более 0.1 м/с

Параметры микроклимата в помещении должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.005-88. Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов не должна превышать:

- 35 Вт/м2 при облучении 50% поверхности тела и более,

- 70 Вт/м2 при облучении от 25 до 50% ,

- 100 Вт/м2 при облучении не более 25% поверхности тела. С целью вывода избыточного тепла помещений небольших размеров применяются кондиционеры, вентиляционные установки, дефлекторы. Для обеспечения нормальной температуры в зимнее время используются отопительные приборы.

Параметры микроклимата рабочего места инженера-конструктора удовлетворяют “Санитарными нормами микроклимата производственных помещений ” 1986 г. и ГОСТ 12.1.005-88.

1.2 Характеристика параметров источников шума

Шумом называется хаотическая совокупность звуков с частотами от 20 Гц до 20 кГц. Источником шума при формировании тонких пленок на кремниевых подложках являются механизмы вентиляции, приводы механических насосов,

Шум на производстве вредно действует на организм человека, снижает производительность труда. При длительном воздействии повышенного уровня шума на человека происходят нежелательные явления: снижается острота слуха, повышается кровяное давление. Утомление рабочих из-за сильного шума увеличивает число брака при работе на операциях напыления.