Бєляєв Б А, Кипарисів С Я, Скоморохов Г В Інститут Фізики ім Л В Киренського СО РАН, Академмістечко, Красноярськ, 660036, Росія Тел: 3912-494591 e-mail: belyaev@iphkrasnru

Анотація – Методом феромагнітного резонансу досліджено вплив різних технологічних умов на неоднорідності основних магнітних характеристик тонких плівок Со, отриманих хімічним осадженням Показано можливості істотного збільшення магнітної проникності аморфних плівок на надвисоких частотах

I                                       Введення

Тонкі плівки з високою магнітною проникністю широко використовуються в голівках запису та зчитування інформації, в датчиках слабких магнітних полів, на них також розробляються конструкції різних керованих пристроїв НВЧ діапазону: фільтрів, модуляторів, фазовращателей Тому відпрацювання технологій отримання плівок з високою магнітною проникністю μ є важливим і актуальним завданням Очевидно, що для її вирішення необхідно, в першу чергу, підвищувати ефективну намагніченість насичення матеріалу Меггі і зменшувати ширину лінії феромагнітного резонансу (ФМР) АН, яка в тонких плівках, в першу чергу, визначається ступенем неоднорідностей магнітних характеристик

II                              Основна частина

Як відомо, порівняно високою проникністю на СВЧ володіють аморфні плівки кобальт-фосфор, отримані хімічним осадженням Технологія отримання цих плівок вимагає попереднього активування поверхні діелектричної підкладки шаром паладію, який має по-лікрісталліческую структуру В результаті при осадженні магнітної плівки її перші шари не є аморфними, повторюючи структуру паладію, що значно розширюють лінію ФМР і відповідно зменшує μ зразка Однак властивості аморфних магнітних плівок можна істотно поліпшити, якщо при їх отриманні попередньо на шар паладію осадити буферний немагнітний аморфний шар, наприклад, Ni-P (з вмістом фосфору> 7%) У таких плівках, осаджених на стекпянние підкладки розмірами 12×12 mm ^ і товщиною 25 mm, нами досліджується основні магнітні характеристики і вплив на них різних технологічних умов

Буферний немагнітний аморфний шар Ni-P товщиною t осаджувався при температурі 90 ° С на попередньо оброблені за способом [1] підкладки з осадженням оксиду олова (рис 1) товщиною в кілька атомарних шарів і шару паладію товщиною 5 nm Осадження Ni-P відбувалося з розчину наступного складу: нікель сірчанокислий

7 д / 1, гіпофосфіт натрію 10 д / 1, лимоннокислий натрій 25 д / 1, хлористий амоній 17 д / 1 та аміак

0 7 т1 / 1 (рН = 85) На приготовану таким чином шарувату структуру аморфні плівки Со-Р товщиною d осаджувалися в однорідному постійному магнітному полі Н = 3 КУО, орієнтованому в площині підкладки, при температурі 97 ° С з розчину наступного складу: кобальт сірчанокислий 30 д / 1, гіпофосфіт натрію 50 д / 1, лимоннокислий натрій 80 д / 1 та аміак 3 т1 / 1 (рН = 90) Плівки досліджувалися на скануючому автоматизованому спектрометрі феромагнітного резонансу [2] з використанням СВЧ головки з частотою накачування / = 2274 GHz

Для першого експерименту за описаним вище методом було виготовлено 28 зразків, що відрізняються тільки товщиною буферного шару Ni-P, яка варіювалася в межах f = 0-80 nm Товщина магнітного шару Со-Р в цьому експерименті у всіх зразків була однаковою d = 35 nm Товщини шарів визначалися за часом осадження, при цьому калібрувальні вимірювання проводилися на рентгенівському рефлектометром з точністю буде не гірше +1 nm

У центрі кожного зразка на ділянці площею -08 mm ^, яка визначається діаметром отвору в СВЧ-голівці, вимірювалася мінімальна ширина лінії ФМР АН, ефективна намагніченість насичення Мет величина і напрямок поля одноосной анізотропії На і аа, величина і напрямок поля односпрямованої анізотропії Hs і as, а також величина коерцитивної сили Чи не Параметри обчислювалися автоматично за знятими кутовим залежностям резонансного поля Hr, ширини лінії ФМР АН (точки на рис 1) і кривих перемагнічування [2] Суцільною лінією на рис 1 показана теоретична залежність резонансного поля, побудована за знайденими магнітним параметрам плівки для виміряного ділянки Відзначимо, що за відсутності буферного шару (f = 0) Meff «700 Gs, Але« 70 Oe, / – / s «6 Oe

і, нарешті, ΑΗχ90 Ое З ростом t всі величини зменшуються приблизно на порядок за винятком Meff, яка збільшується при цьому майже в два рази На рис 2 представлені залежності намагніченості насичення і ширини лінії ФМР від товщини буферної прошарку Важливо відзначити, що найбільші зміни всіх виміряних величин спостерігаються в області товщин Ni-P до И ^ 0 nm, а при товщині foSOnm всі залежності виходять на насичення Відзначимо також, що величина поля одноосной анізотропії На залишається в межах 16-18 Ое у всьому діапазоні зміни t, при цьому напрямок осі легкого намагнічування завжди збігається з напрямком ориентирующего під час осадження зразків постійного магнітного поля

Для другого експерименту було виготовлено 60 зразків, що відрізняються тільки товщиною основного магнітного шару Со-Р, яка варіювалася з малим кроком у межах d = 1-100nm При цьому товщина буферного шару у всіх зразків була однаковою t = 20 nm Дослідження показали, що для d = 1 nm Meff «1180 Gs, Нс« 55 Ое, Hs «17 Ое, Чи не> 21 Ое та АН> 20 Ое З ростом d різко зменшуються поля односпрямованої і одноосной анізотропії, а також ширина лінії ФМР (рис 3), яка, однак, в області великих товщин плівки починає монотонно збільшуватися відповідно до проявом скін-ефекту При цьому ефективна намагніченість спочатку різко збільшується, досягаючи насичення при Meff «1330 Gs в області товщин -20-60 nm, а потім знову монотонно зростає Цікаво поведінка коерцитивної сили (рис 3), яка показує яскраво виражений максимум (/ – / о «11 Ое) при товщині магнітної плівки d« 20 nm

Рис 3 (Fig 3)

Вивчення впливу неоднорідностей зовнішнього магнітного поля, присутнього при осадженні плівок Со-Р, на їх магнітні характеристики проводилося на трьох спеціально приготованих зразках, що мають однакові товщини як основного шару d = 70 nm, так і немагнітною прошарку f = 30 nm Два зразка осаджувалися в градієнтному магнітному полі, утвореному в зазорі 30 mm двома зустрічей-но-спрямованими паралельними прямокутними магнітами розмірами 40x40x10 mm, причому підкладка першого з них (а) орієнтувалася приблизно в центрі зазору ортогонально поверхні магнітів, а другий (Ь) – паралельно Третій – контрольний зразок (с) осаджувався в однорідному магнітному полі, прикладеному в площині підкладки

Як і слід було очікувати, неоднорідності всіх магнітних характеристик для плівок, отриманих в градієнтному магнітному полі, значно збільшуються Однак найбільш сильні зміни за площею зразків зазнає величина На і напрямок аа поля одноосной магнітної анізотропії (рис 4) Слід зазначити, що неоднорідності всіх характеристик у зразка (а) приблизно в два рази вище, ніж у зразка (Ь), при цьому вони, принаймні, на порядок більше, ніж у контрольного зразка Важливо також зауважити, що ширина лінії феромагнітного резонансу в контрольному зразку на 30% менше, ніж у зразках (а) і (Ь)

III                                     Висновок

Таким чином, проведені дослідження показали, що використання немагнітною аморфної прошарку в технології хімічного осадження магнітних плівок дозволяє значно збільшити в них надвисокочастотні магнітну проникність, в першу чергу, за рахунок зменшення ширини лінії феромагнітного резонансу Дослідження також показали, що оптимальна товщина хімічно обложених аморфних плівок кобальту, отриманих за описаною вище технологією, яка забезпечує мінімальну ширину лінії ФМР, а значить і максимальну магнітну проникність зразка в дециметровому діапазоні довжин хвиль, потрапляє в інтервал -20-60 nm

VI Список літератури

[1] Кипарисів СЯ Спосіб приготування полірованої неметалевої поверхні до хімічної металізації Авт свід СРСР № 1145050, БІ № 10 від 150385

[2] Belyaev ВА, Izotov AV, Leksikov АА Local spectrometer of ferromagnetic resonance and magnetic imaging in thin magnetic films IEEE, Sensors 5, No2, 2005, pp 260-267

INVESTIGATION OF MAGNETIC INHOMOGENEITY IN Co-FILMS WITH SCANNING FERROMAGNETIC RESONANCE SPECTROMETER

Belyaev B A, Kiparisov S Ya, Skomorohov G V

Institute of Physics Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia Phone: 3912-494591, e-mail: belyaev@iphkrasnru

Abstract – Effects of different technological conditions on inhomogeneity of basic magnetic characteristics of thin cobalt films obtained with chemical deposition are investigated with ferromagnetic resonance method Capabilities of considerable increase of magnetic permeability of amorphous films at ultra- high frequency are demonstrated

I                                        Introduction

Thin films with high magnetic permeability are in a wide use in information record and read heads, in sensors of weak magnetic fields They are also used in such tunable microwave devices as filters, modulators and phase shifters Therefore adjustment of technology to obtain films with high magnetic permeability μ is an important and actual problem It is obvious that the problem solution needs first of all to increase material effective saturation magnetization Mett and to decrease ferromagnetic resonance (FMR) linewidth ΔΗ, which is formed most of all by inhomogeneity degree of magnetic properties

II                                       Main part

As well known, amorphous cobalt-phosphorus films manufactured with chemical deposition obtain comparatively high magnetic permeability on ultrahigh frequency The film production technology needs in preliminary activating the dielectric substrate surface with a palladium layer, which has polycrystalline structure As a result, first layers ofthe deposited magnetic film, replicating palladium structure, are not amorphous That considerably widens FMR line and decreases μ of the sample However, amorphous magnetic film characteristics can be considerably improved, if before their obtaining to deposit a buffer nonmagnetic amorphous Ni-P layer (with phosphorus content >7%) on the palladium layer We investigate basic magnetic properties of such films, deposited on glass substrates of 12x12x25 mm^, and various technological condition effects on them

A buffer nonmagnetic amorphous Ni-P layer with thickness t was deposited at temperature 90 ° С on a preliminarily treated substrate using method [1] with depositing tin oxide (Fig 1) of several atomic layers thickness and a palladium layer of 5 nm thickness Deposition of Ni-P arose from solution of the next mixture: nickel sulphate 7 g/l, natrium hypophosphite 10 g/l, citric acid natrium 25 g/l, salmiac 17 g / l and ammonia 07 ml / I (pH = 85) Amorphous Co-P films of thickness d were deposited on the prepared such way laminated structure at uniform static magnetic field H = 3 КУО, directed along substrate plane, at temperature 97 ° С from solution ofthe next mixture: cobalt sulphate 30 g / l, natrium hypophosphite 50 g / l, citric acid natrium 80 g / l and ammonia 3 ml / I (pH = 90) The films were investigated on a scanning FMR-spectrometer [2], supplied with a microwave head of pump frequency f=2274 GHz

Minimum FMR linewidth ΔΗ, effective saturation magnetization Meff, magnitude and direction of uniaxial anisotropy field H^ and as, as well as coercivity H^ were measured in the center of every sample on area of 08 mm^square, defined by a diameter ofthe hole in the microwave head The values were calculated from measured angular dependences of resonant field Hr, FMR linewidth ΔΗ (dots in Fig 1) and magnetization reversal curves

[2]   In Fig 1 theoretical dependence of resonant field built from determined magnetic parameters of the film for the measured area, is shown with solid curve Note, that in buffer layer absence (f=0) Meff«700 Gs, Hc~70 0e, Hs ~6 0e and at last ΔH«90 0e All values decrease about an order with t increases, except for Mett, which increases here nearly two times In Fig 2 saturation magnetization and FMR linewidth versus the buffer layer thickness are represented

For second experiment 60 samples, differing only in thickness of the basic magnetic Co-P layer, were made Here the buffer layer thickness of all the samples was t=20 nm The investigations showed that Meff«1180Gs, Ho«55 0e, Hs«17 0e, Ha >21 Oe and ΔΗ >20 Oe for d=^ nm Unidirectional and uniaxial anisotropy fields, as well as FMR linewidth (Fig 3) sharply decrease with d increase The latter however begins monotonically to increase in a range of large’ film thickness in accordance with skin effect revealing

Effects of external magnetic field nonuniformity on film magnetic characteristics were studied on three specially prepared samples, having equal basic layer thickness d=70nm and equal nonmagnetic layer thickness f=30 nm Two samples were deposited at gradient magnetic field, formed by 30-mm gap of two opposite directed magnets with dimensions 40x40x10 mm Their substrates were disposed in the middle of the gap The first substrate (a) was oriented orthogonally to the magnet surface and the second substrate (b) was oriented parallel to one The third, reference sample (c) was deposited in uniform magnetic field, applied along the substrate surface Fig 4 shows that magnetic films obtained at gradient magnetic field have increased inhomogeneity of all magnetic characteristics Notice that the reference sample has FMR linewidth 30% smaller than samples (a) and (b)

III                                       Conclusion

Use of nonmagnetic amorphous interlayer in chemical deposition technology of magnetic films allows considerable increasing of microwave magnetic permeability first of all due to decreasing of ferromagnetic resonance linewidth An optimal thickness of chemically deposited amorphous cobalt films, providing minimum FMR linewidth and therefore maximum magnetic permeability of the sample in decimetric wave-length band, falls into interval 20-60 nm

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р