Введение к работе
Актуальность.
Основой микроэлектромеханических систем (МЭМС) являются микромеханические элементы консольного, мостового и мембранного типа, создаваемые на основе кремниевой технологии с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники, объединенные с полупроводниковыми приборами и сочетающие характеристики электронных схем и механических компонентов. Важный стимул для развития этой технологии -возможность объединения с бурно развивающейся нанотехнологией. В частности, привлекает перспектива соединения достоинств развивающейся спинтроники, наномагнетизма и микромеханики. Тут можно выделить два важных прикладных аспекта этого развития -создание управляемых кантилеверов для зондовой микроскопии, включая создание многозондовых картриджей, и разработку многофункциональных МЭМС различного назначения, использующих упругие свойства микромеханических устройств консольного, мостового и мембранного типа в сочетании с микромагнитными и магниторезистивными элементами контроля перемещения и деформаций. Сами кремниевые кантилеверы зондов АСМ с композитными покрывающими слоями могут являться основой для таких многофункциональных МЭМС.
Одной из важных проблем при разработке указанных устройств является поиск новых композитных материалов для управляющих покрытий кремниевых консольных зондирующих устройств, перспективных для управления микромеханическими устройствами с помощью внешних магнитных и электрических полей. Упругие свойства МЭМС определяют их силовые и скоростные характеристики. Одним из актуальнейших направлений здесь является применение новых материалов таких, как магнитные сплавы с памятью формы, структурные переходы в которых сопровождаются рекордно высокими значениями упругих деформаций - до 10%. Физика фазовых переходов (температурных, и магнитных), сопровождающихся сильными структурными искажениями, весьма разнообразна и до конца не изучена. Это в частности, касается многокомпонентных магнитных сплавов (сплавы Гейслера) с зонным эффектом Яна-Теллера. В настоящее время здесь очень актуальна задача поиска механизма наиболее сильного взаимовлияния магнитной и упругой подсистем в области структурных фазовых переходов и связанных с этим
механизмом особенностей фазовых превращений. Решение этой задачи очень важно как в фундаметальном так и прикладном значении.
Изучение микромагнитных процессов в микро и наноразмерных магнитных элементах различной конфигурации необходимо для понимания особенностей работы микроэлектромеханических систем различного типа. Так, понимание особенностей намагничивания тонкого наконечника магнитного зонда атомно-силового микроскопа необходимо для разработки магнитных покрытий кантилеверов для АСМ/МСМ микроскопии с повышенным разрешением при визуализации магнитных изображений и оценки магнитной долговечности магнитных наконечников. Здесь отсутствует понимание механизмов связи магнитной деградации с ростом дефектности на самом наконечнике зонда. АСМ/МСМ микроскопия позволяет исследовать поверхность с точностью до нескольких ангстрем и изучать магнитную структуру исследуемого образца с точностью до десятков ангстрем и менее. Качество контроля при этом напрямую зависит от качества изготовления АСМ/МСМ зонда и его калибровки. Однако, здесь возникает ряд проблем связанных с тем, что магнитное поле тестирующих структур может меняться из-за магнитного взаимодействия с тестируемой иглой. С этой точки зрения более удобны токовые структуры, поля которых не зависят от полей рассеяния иглы МСМ. При этом, характеристики калибруемого зонда зависят только от размеров тестирующей структуры и методов калибровки. Поскольку конечной целью проводимых калибровочных измерений является использование получаемых результатов тестирования для дальнейшего проведения количественных МСМ-измерений, необходимо знать пределы применимости получаемых калибровочных параметров для магнитных иголок при визуализации и измерении объектов, которые в общем случае формой и размерами отличаются от тестирующих структур. В связи с этим представляется важным иметь достаточно простую модель магнитной иглы зонда МСМ, которая позволяет эффективно и адекватно проводить моделирование МСМ-визуализации и измерения объектов при известных калибровочных параметрах зонда. В данной работе рассматривается несколько таких моделей.
Как отмечалось выше одним из перспективных направлений разработки магнитных МЭМС является разработка микромеханических устройств различного типа в сочетании с микромагнитными и магниторезистивными элементами контроля перемещения и деформаций. Технология изготовления магниточувствительных
(магниторезистивных) элементов совместима с технологическим циклом полупроводниковых микросхем, что позволяет интегрировать преобразователь и обрабатывающую электронику в один кристалл и резко снижает стоимость подобных систем по сравнению с другими решениями (например, основанных на оптических датчиках). Актуальность работ над данной технологией заключается в том, что она может быть легко трансформирована для создания сродных технологий для самых широких применений, например, датчиков измерения силы трения и скорости потоков газов, датчиков потоков жидкостей, мини-микрофонов и др. Однако здесь имеется ряд нерешенных проблем, связанных с использованием новых материалов и конструктивных особенностей датчиков. Поэтому актуальными здесь являются задачи создания упрощенных моделей и проведение анализа' работы таких устройств при вариации магнитных и геометрических параметров составляющих элементов.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование микроскопических механизмов возникновения структурных деформаций в магнитных сплавах, применяемых для создания актюаторов и магнитных МЭМС, особенностей процессов намагничивания и деформационных явлений в зондирующих консольных устройствах атомно-силовой микроскопии и магнитных МЭМС.
В частности, в диссертации были решены следующие конкретные задачи:
Теоретический анализ калибровки магнитного наконечника зонда МСМ на основе токопроводящих тестирующих структур.
Исследование влияния дефектов магнитного наконечника МСМ зонда на его магнитные характеристики и магнитное изображение АСМ/МСМ.
Проведение сравнительного анализа методов управления прогибом консоли зонда АСМ.
Проведение анализа фазовых структурных превращений мартенсит-аустенит на основе зонной теории эффекта Яна-Теллера. Разработка модель структурного фазового перехода в магнитном поле.
Разработка модели функционирования и расчет характеристик первичных магнитомеханических преобразователей аэродинамического трения, давления и перемещения для магнитных МЭМС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Проведен анализ температурных и полевых превращений на основе зонной теории эффекта Яна-Теллера, объединяющей достижения ранней упрощенной теории для двухзонного проводника с феноменологической моделью многозонного ферромагнетика. Установлен немонотонный характер изменения температуры мартенситного перехода в узкозонном проводнике в зависимости от положения уровня Ферми вблизи пика энергетической плотности состояний узкой спиновой подзоны электронов. Анализ фазовых переходов в многокомпонентных магнитных сплавах Гейслера со структурными превращениями мартенсит-аустенит ранее не учитывал деталей взаимовлияния магнитной и упругой подсистем и проводился в основном на основе феноменологической теории.
Детально исследовано влияние дефектов магнитных покрытий на характеристики магнитного зонда и качество МСМ изображения. Также проводилось исследование деградации магнитных кантилеверов со временем, в результате которого был определен срок, за который они сохраняют свои магнитные свойства практически без изменений и дают должный контраст МСМ изображений.
Проведен сравнительный анализ методов управления консольными устройствами балочного типа на основе теплового, пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Магнитостатический механизм влияния дефектов магнитного наконечника МСМ зонда на его магнитные характеристики и магнитное изображение АСМ/МСМ, который снижает коэрцитивную силу перемагничивания наконечника по сравнению с магнитным покрытием балки. Механизм заключается в том, что зародышеобразование фазы перемагничивания облегчается в магнитном наконечнике благодаря возникновению вихревого образования на дефекте магнитной иголки в полях ее размагничивания, что затруднительно в планарной пленочной структуре.
Модельные расчеты эффективных параметров магнитного наконечника и теоретическое обоснование на их основе процесса калибровки магнитного наконечника зонда АСМ с применением токопроводящих тестирующих структур. Эффективные параметры магнитного наконечника зонда АСМ/МСМ такие, как эквивалентный магнитный диполь и «магнитный заряд» зависят от толщины, угла скоса
и намагниченности покрытия. Их определение позволяет количественно измерять магнитный рельеф полей рассеяния тестируемого образца.
Сравнительный анализ методов управления прогибом консоли зонда АСМ, который показывает, что при тепловом способе управления достигается наибольший прогиб консоли по сравнению с пьезоэлектрическим и магнитострикционным методами управления. Применение сплавов Гейслера со структурным переходом для управления прогибом может дать выигрыш по мощности управления на порядок величины.
Модель редуцированного описания структурного фазового перехода в магнитном поле в многокомпонентном магнитном сплаве Гейслера с зонным эффектом Яна-Теллера. Модель заключается в выделении актуальных вырожденных зон в энергетическом спектре свободных электронов в многокомпонентном сплаве с характерным пиком плотности состояний, который играет определяющую роль в структурном переходе, а также энергетических зон, определяющих магнитные свойства сплава. Магнитное влияние на структурный переход связывается при этом с изменением Ян-Теллеровского расщепления пика при смещении вблизи указанного характерного пика плотности состояний электрохимического потенциала, перенормированного обменным взаимодействием и магнитным полем.
Расчитанные характеристики первичных магнитомеханических преобразователей упругого напряжения для магнитных МЭМС, на примере датчика аэродинамического трения.
Практическая значимость.
Разработанная методика калибровки магнитных кантилеверов позволяет количественно определять магнитные свойства зондов МСМ. Также эту методику можно использовать для моделирования периодических магнитных структур, например дорожки записи магнитного диска, и определения их магнитных свойств.
Проведенное исследование временной деградации магнитных свойств магнитных кантилеверов позволило определить оптимальное магнитное покрытие для магнитных зондов. Результаты исследования деградации магнитного покрытия и калибровки МСМ зонда использованы при разработке производства магнитных кантилеверов МСМ на технологической линейке ФГУП НИИФП.
Исследование процессов намагничивания и упругих свойств магнитных МЭМС необходимо для разработки АСМ/МСМ микроскопов с повышенным пространственным разрешением и высокой коэрцитивностью магнитных иголок, для разработки магнитосиловых микромеханических переключателей и детекторов давления консольного, мембранного и мостового типа, управляемых многозондовых головок картриджного типа. Результаты сравнительного анализа методов управления изгибом консоли балочных МЭМС использованы при разработке многозондового картриджа при проведении НИОКР «Картридж» на предприятии ФГУП НИИФП.
Модельные расчеты и проведенный анализ конструкции магниторезистивного датчика аэродинамического трения могут быть легко трансформированы для разработки сродных технологий для других применений, например, датчиков потоков газов, датчиков потоков жидкостей, датчиков давления, промышленных мини-микрофонов для контроля шумов, акселерометров и др.
Результаты проведенных диссертационных исследований могут быть использованы также в учебном процессе по физике твердого тела и зондовой микроскопии.
Апробация результатов:
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих конференциях:
V Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2005» (Москва, 2005)
International Conference «Functional Materials» (ICFM' 2007, Крым, 2007)
XVI Международная Конференция по Постоянным Магнитам (МКПМ-XVI, Суздаль, 2007)
Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007, Казань, 2007)
Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007» (Москва, 2007)
XX международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-20, Москва, 2006)
VII Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007)
XXXII Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка-2008» («Зеленый мыс», г. Новоуральск, Свердловская обл., 2008г.)
Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (Москва, Зеленоград, 2008)
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы:
Диссертационный материал излагается по главам в соответствии с обсуждением указанных вопросов. Каждой проблеме при этом предшествует обзорный материал, описывающий состояние соответствующих исследований.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа составляет 124 страницы, включает 63 рисунка и 6 таблиц.
