СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК

Способ получения многослойных магнитных пленок относится к области вакуумного напыления тонких пленок и может быть использован в системах магнитной записи, датчиках, основанных на магниторезистивном эффекте, датчиках Баркгаузена и магнитоиндукционных датчиках магнитного поля.

Такое разнообразие применений обеспечивается в настоящее время использованием многослойных магнитных пленок с различными магнитными свойствами:

- с разной коэрцитивной силой слоев (H_c1≠H_c2);

- с одинаковой коэрцитивной силой слоев (H_c1=H_c2);

- изотропных пленок (поле анизотропии Н_к=0);

- анизотропных пленок (поле анизотропии Н_к=0);

- с большими скачками Баркгаузена.

Известен способ [1] получения магнитных пленок с двойными слоями из разных материалов для магнитной записи, причем коэрцитивность первого слоя меньше коэрцитивности второго. Это позволяет повысить коэрцитивность магнитного носителя и уменьшить помехи по сравнению с однослойными пленками.

Недостатком этого способа является использование двух исходных магнитных материалов с разной коэрцитивной силой, для напыления которых необходимо применение двух испарителей, что усложняет технологический процесс.

Известен способ [2], в котором путем селективного химического травления верхнего слоя повышается коэрцитивная сила этого слоя по сравнению с нижним.

Этот способ требует дополнительной операции травления в агрессивных жидкостях, что является недостатком.

Аналогичные двухслойные структуры с немагнитной прослойкой используются в датчиках, основанных на гигантском магниторезистивном эффекте.

Известен способ [3], в котором применяется структура: Co/Al₂O₃/Ni₈₀Fe₂₀, что позволило получить большое значение гигантского магнеторезистивного эффекта (до 27%).

Недостатком [3] является напыление двух разных магнитных материалов с разной коэрцитивной силой, что также усложняет технологический процесс.

Еще большее количество слоев с разной коэрцитивной силой требуется для создания датчиков на основе эффекта Баркгаузена [4]. Вакуумное напыление более трех материалов за один цикл откачки является довольно сложным процессом, не говоря уже о большем количестве материалов.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, описанный в заявке [5], заключающийся в том, что послойно напыляют слои сплава Fe-Ni и SiO₂ с заданной скоростью на нагретую подложку, а потом отжигают полученную структуру.

Для решения конкретной задачи создания магнитопроводов для чувствительных элементов магнитоиндукционных датчиков было необходимо выделение определенной скорости напыления, что существенно сужает возможности способа [5].

Техническим результатом предлагаемого решения является возможность на базе одного магнитного материала получать структуры с различными свойствами, т.е. существенно расширить технологические возможности способа.

Технический результат достигается тем, что в способе получения многослойных пленок, заключающемся в послойном напылении сплава Fe-Ni и SiO₂ в вакууме при приложении в плоскости осаждения внешнего магнитного поля и нагреве подложки с последующим отжигом всей структуры, скорость напыления магнитного материала изменяют как от слоя к слою внутри одной многослойной структуры, так и от одной многослойной структуры к другой.

Из большого количества возможных вариантов проведения процесса напыления с изменением скорости приводим наиболее интересные в практическом отношении примеры осуществления способа.

Предлагаемый способ поясняется графиками, приведенными на фигурах 1-6.

На фигуре 1 показана зависимость магнитных свойств пленки от скорости напыления, где Н_сл - коэрцитивная сила вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН), Н_ст - коэрцитивная сила вдоль оси трудного намагничивания (ОТН), Н_к - поле анизотропии, V - скорость напыления.

На фигуре 2 представлена петля гистерезиса 20-ти слойной пленки, полученной при V=11,25 Å/с.

На фигуре 3 представлена петля гистерезиса 20-ти слойной пленки, полученной при V=15 Å/с.

На фигуре 4 представлена петля гистерезиса 20-ти слойной пленки, полученной при V=25 Å/с.

На фигуре 5 представлена петля гистерезиса двухслойной структуры, полученной при V=5 Å/с и V=43,75 Å/с.

На фигуре 6 представлена петля гистерезиса четырехслойной структуры, полученной при V=6,25; 20; 31,25; 43,75 Å/с.

Примеры с фигур 2, 3 и 4 относятся к процессу напыления с одной скоростью в пределах одной многослойной структуры.

Примеры с фигур 5, 6 относятся к процессу напыления с разной скоростью от слоя к слою в пределах одной многослойной структуры.

Из фигуры 1 видно, что:

- в первом интервале скоростей от 6,25 до 12,5 Å/с пленки являются анизотропными с малыми значениями коэрцитивной силы Н_сл и Н_ст вдоль обеих осей и большим полем анизотропии Н_к. Магнитные свойства в этом интервале скоростей почти не изменяются;

- второй интервал от 12,5 до 15 Å/с переходный от анизотропного состояния к изотропному. Коэрцитивная сила Н_сл и Н_ст несколько возрастает, а поле анизотропии Н_к падает до нуля;

- третий интервал от 15 Å/с и выше характеризуется резкой зависимостью коэрцитивной силы от скорости напыления и она одинакова по обеим осям (Н_сл=Н_ст), т.е. нет анизотропии (Н_к=0).

Все эти изменения связаны со структурными свойствами пленок. Чем выше скорость напыления, тем более мелкозернистая структура, тем выше коэрцитивная сила пленки.

Эти скорости напыления не являются универсальными, т.к. зависят от многих факторов (вакуумные условия, режим испарителя, материал и месторасположение подложки и т.д.), поэтому должны определяться индивидуально для каждой установки.

Способ осуществляется следующим образом.

Эксперименты по напылению магнитных пленок проводились на установке «Оратория-9». Скорость напыления регулировалась током луча электронной пушки и измерялась частотомером Ч3-54.

Цикл напыления состоит из следующих операций:

- очистка подложки и помещение ее в рабочую камеру вакуумной установки;

- откачка камеры до давления (3-4)·10^-6 мм рт.ст;

- нагрев подложки до температуры 280-300°С;

- включение электронной пушки (ускоряющее напряжение 6,4 кВт; ток луча для SiO₂ 0,1 А; ток луча для магнитного сплава Fe-Ni от 0,25 до 0,45 А, в зависимости от необходимой скорости напыления);

- открывание заслонки и напыление SiO₂, толщиной 1400±200 Å (скорость напыления SiO₂ не регламентируется);

- закрывание заслонки и перевод луча на позицию напыления сплава 79 НМ;

- открывание заслонки и напыление магнитного сплава Fe-Ni толщиной 1700±200 Å;

- закрывание заслонки и перевод луча на позицию луча SiO₂.

Повторить 4 последние операции в зависимости от необходимого количества магнитных слоев. При этом скорость напыления каждого слоя магнитного сплава Fe-Ni устанавливается в зависимости от заданных магнитных свойств всей структуры.

- отжиг напыленных пленок при температуре 280°С в течение 30 мин;

- напуск воздуха в камеру при температуре менее 50°С и выгрузка подложек.

Измерение магнитных параметров Н_ст Н_сл и Н_к проводились на петлескопе при приложении внешнего магнитного поля Н₀ от 0-50 эрстед.

В первом интервале скоростей при V=11,25 Å/с напылялась структура, состоящая из 20 слоев сплава 79НМ и 21 слоя SiO₂. Толщина магнитного слоя составляла 1700±200 Å, а толщина изоляционного слоя 1400±200 Å. Петля гистерезиса приведена на фигуре 2. Магнитные свойства были следующими:

Н_сл=96 А/м, Н_ст=20 А/м, Н_к=380 А/м.

Как видно из фиг.2, петля по ОТН «схлопнута» и отсутствуют большие скачки Баркгаузена. Такая структура идеально подходит в качестве магнитопровода чувствительного элемента магнитоиндукционного датчика.

В третьем интервале скоростей (фигура 1) напылялись двухслойные структуры с теми же толщинами слоев, что и в первом случае.

На фиг.3 приведена петля гистерезиса для скорости 15 Å/с, на фиг.4 - для скорости 25 Å/с.

Обе пленки изотропны, а Н_с составляет 200 и 1400 А/м соответственно.

Таким образом, в этом интервале скоростей (15-25 Å/с) можно управлять коэрцитивностью структуры, что и требуется для систем записи.

На фиг.5 представлена петля гистерезиса двухслойной структуры. Первый слой напылялся при скорости 5 Å/с, второй - при 43,75 Å/с. Как видно из фиг.5, Н_сл=Н_ст, но на петле гистерезиса вдоль ОЛН наблюдается большой скачок Баркгаузена, что и необходимо для разработки датчиков, основанных на гигантском магниторезистивном эффекте.

На фиг.6 представлена петля гистерезиса четырехслойной структуры, магнитные слои которой получены при разных скоростях напыления (6,25; 20; 31,25; 43,75 Å/с).

Четко наблюдается четыре больших скачка Баркгаузена, что дает возможность применять такие структуры для создания соответствующих датчиков.

Таким образом, преимуществом предлагаемого способа является возможность на базе одного магнитного материала получать структуры с различными свойствами, т.е. существенно расширить технологические возможности способа.

Литература

1. Патент США №5952097, МКИ G11В 5/66 от 1997.11.04.

2. Патент России №2060567, МКИ 6 Н01F 10/08 от 1996.05.20.

3. J. Appl. Phys. 79, 4724 (1996) J.S.Mooder.

4. Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления. Ижевск, ГТУ, 1995, 194 с.

5. Заявка №2002121556/02, МПК7 С23С 14/06 от 93.02.23 (прототип).