Фазовый состав и магнитные свойства пленок Fe-N Писаренко, Инна Владимировна

Введение к работе

Актуальность темы, В современной электро- и радиотехнике, микроэлектронике, технике звуко- и видеозаписи широко используются магнитные пленки, причем к их эксплуатационным характеристикам предъявляются все более и более высокие требования. Современные компьютеры для запоминания и долговременного хранения информации в виде программ, исходных данных, результатов обработки и т.п. содержат внешнюю память - накопитель информации, представляющий собой запоминающее устройство большой емкости. Внешние запоминающие устройства большинства компьютеров различного назначения основаны на магнитной записи. Такие устройства, как правило, содержат носители информации в виде гибких или жестких дисков либо магнитных лент и блок записывающих и воспроизводящих магнитных головок.

Одна из основных задач совершенствования внешних запоминающих устройств заключается в повышении информационной плотности записи, которая зависит не только от магнитных свойств материала рабочего слоя носителя, но и в не меньшей степени от технических, физических и конструктивных параметров преобразователей, с помощью которых реализуется запись и воспроизведение. Запоминающие устройства должны обеспечить надежное и длительное хранение информации, малое время доступа, низкую стоимость хранения единицы информации, высокую плотность и скорость записи. В лучших накопителях информации используются тонкопленочные магнитные и магниторезистивные головки различных модификаций. Магнитные пленки имеют особенности, благодаря которым их использование способствует повышению плотности записи информации и быстродействия запоминающих устройств. Чтобы отвечать этим требованиям, пленки должны обладать вполне определенным набором структурных и магнитных характеристик.

Для осуществления магнитной записи на высококоэрцитивном носителе требуются магнитные головки с магнитопроводом, обладающим свойствами магнитомягкого материала с высокой магнитной индукцией насыщения. Основные физические свойства, которыми должен обладать

материал для магнитных головок: высокая магнитная индукция насыщения, высокая магнитная проницаемость на высоких частотах, низкая коэрцитивная сила, нулевая магнитострикция и, наконец, высокие термостабильносгь, коррозионная стойкость и износостойкость. Одним из путей поиска таких материалов стало формирование нитридов металлов, что дает возможность получать материалы с определенными магнитными характеристиками путем контроля их химического состава.

Зависимость магнитных свойств от технологических условий изготовления пленок позволяет целенаправленно изменять магнитные параметры, как в процессе создания пленок, так и в процессе термической обработки. Получать пленки с определенными параметрами, можно только зная механизмы формирования их свойств и сопоставляя эти данные с магнитными характеристиками. Поэтому до настоящего времени не ослабевает интерес к исследованиям в этой области.

Целью диссертационной рабогы является исследование зависимости структуры, фазового состава и магнитных параметров тонких магнитных пленок Fe-N от давления рабочего газа, концентрации азота в смеси рабочего газа и температуры подложки. Определение технологических условий, при которых пленки Fe-N, полученные магнетронным распылением при базовом давлении Ю"⁵ Торр, имеют магнитную индукцию выше магнитной индукции чистого железа. В связи с этим были поставлены задачи:

1. Получить пленки Fe-N методом реактивного магнетронного распыления.

2. Исследовать фазовый состав пленок Fe-N в зависимости от давления рабочего газа (Pat+nz). содержания азота в рабочем газе (C_N) и температуры подложки (T_s).

3. Установить взаимосвязь фазового состава с магнитными свойствами.

4. Определить области давления рабочего газа, содержания азота в рабочем газе и температуры подложки, в которых формируется высокомагнитная фаза Fei₆N₂.

5. Исследовать доменную структуру пленок Fe-N.

6. Исследовать влияние на магнитные свойства пленок Fe-N изотермического и термомагнитного отжига

5 7. Изучить влияние толщины слоев Fe и Fe-N на магнитные свойства трехслойных пленок Fe-N/Fe/Fe-N. Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

впервые показано, что можно реактивным магнетронним распылением (базовое давление 10~⁵ Торр) получить пленки Fe-N с магнитной индукцией выше B_s чистого железа;

определены области технологических параметров: давления рабочего газа, концентрации азота в рабочем газе, температуры подложки, при которых формируется максимальная доля высокомагнитной фазы Fei6N₂;

установлена взаимосвязь фазового состава и кристаллической структуры с магнитными свойствами: магнитной индукцией, коэрцитивной силой, полем магнитной анизотропии.

Практическая ценность работы состоит в том, что в ней в комплексном виде представлен подход к поиску наиболее благоприятных технологических параметров для получения пленок реактивным магнетронным распылением при базовом давлении 10"³ Торр, магнитная индукция которых выше индукции чистого железа. Исследование взаимосвязи структуры, фазового состава и доменной структуры пленок Fe-N расширяет перспективы их практического применения в качестве магнитных материалов.

На защиту выносятся следующие положения:

7. Технологические параметры (Ра_г+№ Де. C_N в рабочем газе) влияют на фазовый состав пленок Fe-N, полученных реактивным магнетронным распылением.

8. Коэрцитивная сила и магнитная индукция пленок Fe-N зависят от их фазового состава и кристаллической структуры.

9. Увеличение магнитной индукции пленок Fe-N до значения, превышающего магнитную индукцию чистого железа, определяется долей высокомагнитной фазы Fe₁₆N₂.

10. Изменение коэрцитивной силы пленок при искусственном и естетвенном старении обусловлено диффузией азота и изменением размера зерна.

11. Величина коэрцитивной силы трехслойных пленок Fe-N/Fe/Fe-N зависит от толщины слоев Fe и Fe-N.

б Диссертационная работа подготовлена при выполнении темы "Разработка технологии и исследования физических свойств многослойных тонкопленочных структур", включенной в программу исследований по фундаментатьным проблемам на период 1996-2000 гг. и при частичной поддержке Федеральной программы "Поверхностные атомные структуры" проект № 96-2.26. и №99-2.3.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции студентов физиков (Екатеринбург, 1995 г.); Всероссийских межвузовских научно- технических конференциях (Владивосток, 1996, 1997, 1998, 1999г.); Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Электроника и информатика - 97" (Москва 1997 г.); Международной школе- семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва 1998 г.); Международной научной конференции "Магнитные материалы и их применение" (Минск, 1998 г.); научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике при поддержке федеральной программы "Интеграция фундаментального образования", проект 742 (ИАПУ, Владивосток - 1997, 1998, 1999 г.; ДВГУ, Владивосток - 1997, 1998, 1999 г.; ВГУЭС, Владивосток - 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, часть из которых перечислена в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка литературы из 7і наименований. Общий объем диссертации составляет /^"страниц, включая -^/рисунков и 3 таблицы.