Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач технологий производства изделий и приборов была и остается проблема обеспечения метрологического контроля. На решение этой проблемы ежегодно so всем мире затрачиваются значительные материальные средства, над разработкой новых, более совершенных методов метрологического контроля трудятся многие разработчики и специалисты.
С ростом сложности современных приборов, с повышением требований, предъявляемых к этим приборам, растут и требования, предъявляемые к методам исследования их качества. Появление микро- и нанотехнологий нового поколения заставило создавать контрольно-измерительную аппаратуру, соответствующую требованиям сегодняшнего дня.
Рассматривая метрологические проблем*^ полупроводниковой электроники необходимо выделить как одну из важнейших задачу контроля распределения тока по проводникам в микросхемах. Имеющиеся методы контроля не всегда позволяют решать эту задачу. Не решена проблема экспресс-контроля однородности намагниченности постоянных магнитов. Все это заставляет вести работы по созданию новых методов метрологического контроля, а также по улучшению характеристик имеющихся приборов.
3 последние годы в метрологии получили широкое распространение магнитооптические (МО) методы и приборы, основанные на использовании эффектов Фарадея и Керра, т.е. на зависимости оптических свойств ряда материалов от величины окружающего магнитного поля. Это объясняется относительной технической простотой, высокой информативностью, безинерционностью и неразрушающим характером измерительных приборов, использующих МО эффекты. С помощью МО методов возможны не только измерение и визуализация магнитных полей, оценка дефектов изделий из ферромагнетиков, но и измерение электрических токов и контроль распределения токов по проводникам.
Достоинством МО методов измерения и контроля является их высокая чувствительность к магнитному полю. 8 частности, использование з качестве магниточувствительных материалов ферромагнетиков на основе железо-иттриевого граната, активированного ионами висмута, для которых наблюдается явление аномального увеличения эффекта Фарадея, приближает МО сенсоры магнитного поля по чувствительности кСКВИД-магнетометрам. Кроме того, МО методы характеризуются высоким пространственным разрешением. Поскольку зондирующим инструментом в этих методах является пучок света, то разрешение, определяемое длиной волны света и используемой оптикой .аказюяартгя постатейным для измерения магнитных полей, локализованных в весьма малых объемах. Все это заставляет считать МО метод и основанные на нем приборы перспективними при использовании их для контроля изделий электронной иэлектротехнической промышленности. К сожалению, до последнего времени МО метод не применялся в метрологии полупроводниковой электроники и изделий электротехнической промышленности. Это связано с тем, что, с одной стороны, известные на сегодняшний день МО материалы не были испытаны на применимость их в
метрологии микросхем и транзисторов, т.е. не было изучено их поведение а высокочастотных электромагнитных полях, не были оценены пространственное разрешение и чувствительность, достигаемые с их помощью в измерениях. С другой стороны, не были разработаны конструкции приборов, которые позволяли бы фиксировать малые магнитные поля (соответствующие малым токам в микросхемах), локализованные в достаточно малых областях. Решение этих задач и составило содержание настоящей работы.
Актуальность поставленной в работе задачи определяется практической важностью решения проблемы контроля изделий микро-, ВЧ- и С8Ч-электроники, а также контроля качества постоянных магнитов и ферритов, для которыхсоздание и определение однородности магнитного потока становится все более важной проблемой.
Следует отметить, что методы и приборы для измерения и визуализации малых локальных магнитных полей могут оказаться полезными и при расшифровке данных, записанных на магнитной ленте "черного ящика", подвергнутого воздействию высоких температур при авиакатастрофах, когда носитель частично размагничивается. И, наконец, полученные в результате выполнения этой работы технические решения могут оказаться полезными для биологии и медицины благодаря возникающей при использовании магнитооптики возможности регистрации магнитной активности живых организмов. Известно, что нервное волокно является своего рода электрическим проводником, по которому распространяется сигнал возбуждения. Возможность оценивать параметры этого сигнала непосредственно связана с решением задачи, поставленной в работе, а именно, измерением и визуализацией слабых и ультраслабых магнитных полей с источниками, локализованными в микрообъемах и в широком диапазоне частот.
Целью работы являлось создание МО методики и основанных на ней приборов для визуализации и топографирования магнитных полей в широком интервале величин напряженности и частоты, включая магнитные микрополя и поля, локализованные в микрообъемах.
Задачи исследования. Для выполнения поставленной цели требовалось: -выбрать схему МО измерений и подобрать магнитоактивный материал, обеспечивающие высокое пространственное разрешение и магнитную чувствительность в широком диапазоне частот;
-определить структуру магнитной анизотропии и режимы использования магнитоактивных материалов, обеспечивающие максимальную магнитную восприимчивость и скорость перемагничивания;
-разработать методики и приборы для измерения магнитной анизотропии, коэрцитивное, дисперсии анизотропии и магнитной чувствительности выбранных (специально изготовленных) МО пленок, а также изучить влияние воздействия дополнительных смещающих полей на магнитную восприимчивость и скорость перемагничивания;
-выбрать (разработать) оптимальные схемы поляриметрических измерений, оптического зондирования МО пленки и цифровой обработки оптического изображения.
Научная новизна работы. "
Теоретически рассмотрено влияние констант магнитной анизотропии 4-го и 6-го порядков на магнитную восприимчивость магнетиков. Показана возможность обращения в нуль поля насыщения магнетика при ненулевых константах кубической анизотропии.
Экспериментально изучены МО свойства Ві-содержащих феррит-гранатовых пленок на подложках из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с ориентацией (111) и легкоплоскостной анизотропией.
Определена зависимость характеристик перемагничивания Ві-содержащих феррит-гранатовых пленок от величины смещающего поля.
Установлена зависимость магнитной восприимчивости изученных пленок от величины магнитных полей смещения.
Экспериментально исследованы временные характеристики перемагничивания легкоплоскостных Ві-содержащих феррит-гранатовых пленок. Показано, что механизм перемагничивания хорошо описывается моделью "вязкого потока". Использование данной модели позволило установить взаимосвязь между временем перемагничивания пленок и величинами управляющих и подмагничивающих полей. Практическая значимость работы
Результаты работы послужили основой для создания ряда новых методов и устройств для исследования магнитных свойств материалов МО способом. В частности, разработаны метод и устройство для исследования характера анизотропии МО пленок, метод и устройство для измерения коэрцитивное таких пленок, устройство для определения магнитной восприимчивости и исследования магнитного затухания пленок.
В результате комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ созданы лабораторный вариант устройства для МО визуализации магнитных микрополей в широком диапазоне частот, которое может быть использовано для контроля изделий твердотельных технологий, и прибор для визуализации сильных магнитных полей, который может быть использован для контроля однородности намагничивания постоянных магнитов, а также дефектоскопии изделий из ферромагнитных материалов. Разработанные схемы оптического сканирования с автоматической коррекцией нелинейности отклонения светового луча электродинамических сканеров и компьютерным формированием оптического изображения позволили создать сканирующий компьютерный микроскоп и его модификации широкого спектра применения, включая дактилоскопию и криминалистические исследования.
Апробация работы. Основные результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Новгород, 1990 г.); на XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.Петербург, 1991 г.); на VI Международной конференции по ферритам (Токио, 1992 г.); на V и VI Международных Объединенных конференциях "МММ-Интермаг" (Питтсбург, 1991 г., Нью-Мексико, 1994 г.); на Международных конференциях "Интермаг-92" и "Интермаг-95" (Ст.Луис, 1992 и Сан Антонио, 1995 г.); на 37-й и 38-й Ежегодных конференциях по магнетизму и магнитным материалам (Хьюстон, 1992 г., Миннеаполис, 1993 г.), на Международном
симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам (Кардифф, 1995 г.), на Межотраслевой научной конференции "Контрольно-аналитическое аппаратурное обеспечение в различных отраслях промышленного производства" (Москва, 1995 г.).
Публикации, По материалам диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа: 9 статей и 12 тезисов докладов.
Основные защищаемые положения. На защиту выносятся: -теоретический анализ влияния констант кубической анизотропии на магнитную восприимчивость магнетиков;
-совокупность экспериментальных результатов изучения магнитной восприимчивости легкоплоскостных Ві-содержащих феррит-гранатовых пленок на подложках из ГГГ, обосновывающая возможность резкого повышения восприимчивости за счет наложения на пленку дополнительного смещающего магнитного поля;
-установление на основе использования модели "вязкого потока" аналитической зависимости скорости перемагничивания Ві-феррит-гранатовых пленок с анизотропией типа "легкая плоскость" от величин управляющих и подмагничивающих полей;
-совокупность экспериментальных результатов исследования характеристик перемагничивания легкоплоскостных Ві-содержащих феррит-гранатовых пленок, обосновывающая возможность резкого уменьшения времени перемагничивания пленок при реализации режима перемагничивания однородным вращением вектора намагниченности;
-способ определения типа и величины магнитной анизотропии МО пленок; -способ определения коэрцитивности пленок МО материалов; -способ исследования магнитного затухания МО пленок; -схема оптического сканирования микро- и макрообъектов с автоматической коррекцией нелинейности отклонения светового луча электродинамическими дефлекторами;
-схема поляризационных измерений в геометрии наклонного падения зондирующего пучка света, позволяющая использовать для повышения чувствительности явление полного внутреннего отражения в МО пленках и высокочувствительные плоскостные пленки;
-схема МО установки для визуализации магнитных полей с напряженностью от 1 мкЭ до нескольких эрстед, в частотном диапазоне от 0 до 50 МГц и разрешением до 1.5 мкм.
-конструкция визуализатора сильных магнитных полей, позволяющая осуществлять контроль однородности намагничивания постоянных магнитов.
Структура и объем работы
