Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности процессов намагничивания микрообъектов и их применение в электронных устройствах
1.1. Коэрцитивное намагничивание тонкопленочных аппликаций 16
1.2. Микроэлектронные ферродатчики магнитного поля 20
1.3. Развитие конструкций элементов управления ЦМД на основе пермаллоевых аппликаций 23
1.4. Методы исследования элементной базы каналов продвижения ЦМД 38
1.5. Проблема сужения ОУР канала продвижения, пересеченного токовыми шинами 45
1.6. Разработка логических устройств на основе взаимодействия магнитных микрообъектов... 52
ГЛАВА II. Экспериментальные методы исследования процессов намагничивания и характеристик взаимодействия магнитных микрообъектов .
2.1. Магнитооптические методы исследования намагничивания микрочастиц и их массивов на основе эффектов Керра и Фарадея 59
2.2. Определение профиля потенциальной ямы взаимодействия двух взаимно намагничивающих объектов 62
2.3. Распределение z-компоненты поля размагничивания в окрестности намагниченной аппликации 73
2.4. Измерение кривых намагничивания аппликаций по изменению величины поля коллапса ЦМД 84
2.5. Замыкание магнитного потока в аппликациях сложной формы 90
ГЛАВА III. Управление гистерезисными свойствами магнитных микроэлементов в электронных устройствах
3.1. Влияние размеров и расположения прямоугольных аппликаций
на форму и параметры петли гистерезиса массива аппликаций 95
3.2. Перезаписываемый-кодоноситель для идентификации объектов 104
3.3. Запоминающий датчик магнитного поля 106
3.4. Применение коэрцитивных свойств свойств аппликаций для измерения слабого магнитного поля 108
3.5. Бескоэрцитивный линейный магниторезистивный датчик % магнитного поля 111
3.6. Магнитомягкие кантилеверы для магнитной силовой микроскопии 114
3.7. Тонкопленочный датчик для считывания ЦМД 117
ГЛАВА IV. Управляющие СТРУКТУРЫ НМД на основе асимметричных шевронов
4.1 Влияние асимметрии аппликаций на характеристики канала продвижения ЦМД 119
4.2. Влияние литографического искажения формы шевронов на характеристики каналов продвижения ЦМД 139
4.3. Оптимальная форма шеврона для пермаллоевого канала продвижения 142
4.4. Влияние величины спейсера на характеристики каналов продвижения ЦМД 149
4.5. Технология самосовмещения для ЗУ ЦМД с плотностью записи 4 М/см 155
4.6. Оптимизация технологических параметров изготовления ЗУ ЦМД большой емкости по статистическим данным контроля микросхем 160
ГЛАВА V. Двухслойные управляющие структуры для ЗУ ІГМД
5.1. Двухслойный канал продвижения ЦМД 167
5.2. Повороты и свертки на основе двухслойных элементов 175
5.3. Периферийные функциональные узлы ЗУ на основе аппликаций в двух слоях 181
5.4. Сужение ОУР пересеченного канала продвижения 190
ГЛАВА VI. Влияние механического напряжения на поведение доменной структуры в эпитаксиальных Феррит-гранатовых пленках
6.1. Проявления обратного магнитострикционного эффекта в
пересеченных каналах продвижения ЦМД 198
6.2. Механизмы взаимодействия домена с полем неоднородного механического напряжения 202
6.3. Анизотропные свойства взаимодействия домена с полем механического напряжения в ЭФГП 212
6.4. Способы управления магнитострикционными эффектами 220
ГЛАВА VII. Домен-доменное взаимодействие в запоминающих и логических устройствах на ЦМД .
7.1. Влияние формы и расположения аппликаций в каналах продвижения на домен-доменное взаимодействие 226
7.2. Повышение надежности ЗУ ЦМД с помощью встроенных логических узлов : 231
7.3. Логические функции ИЛИ на основе домен-доменного взаимодействия 234
7.4. Логическая функция И, сумматор на основе домен-доменного взаимодействия 239
7.5. Общая структурная схема и топология магнитного нейрокомпьютера 243
Заключение 249
Литература
- Методы исследования элементной базы каналов продвижения ЦМД
- Определение профиля потенциальной ямы взаимодействия двух взаимно намагничивающих объектов
- Перезаписываемый-кодоноситель для идентификации объектов
- Влияние литографического искажения формы шевронов на характеристики каналов продвижения ЦМД
Введение к работе
Рост информационных потоков, миниатюризация электронных устройств требуют соответствующего прогресса в повышении плотности магнитной записи информации, уменьшения габаритов магнитных компонентов электронной техники.
Принципы работы подавляющего большинства магнитных приборов основаны на магнитостатическом взаимодействии магнитных объектов. При разработке магнитных электронных устройств обычно используют или преодолевают различные проявления гистерезисных свойств магнитных веществ. Для магнитотвердых элементов (например, в двигателях, генераторах) действующие магнитные поля от управляющих токов или поля рассеяния элементов малы по сравнению с коэрцитивной силой элемента, не изменяют распределения намагниченности в элементах, и расчет характеристик взаимодействия представляет, в сущности, инженерную задачу. Проблема расчета значительно усложняется, когда во взаимодействии участвуют объекты с коэрцитивной силой, сравнимой и меньшей по величине, чем действующие магнитные поля. В последнем случае взаимодействие объектов вызывает изменение распределения намагниченности в каждом из них. Это обстоятельство заставляет решать довольно сложную самосогласованную задачу даже для двух объектов в пределе нулевой коэрцитивной силы. С учетом же коэрцитивных свойств объектов и (или) с увеличением числа объектов расчет параметров взаимодействия представляется совсем проблематичным.
В процессе миниатюризации приборов ситуация все более усложняется. Уменьшение размеров сопровождается изменением как полей рассеяния (как правило, уменьшением), так и коэрцитивных свойств (как правило, ростом коэрцитивной силы) магнитных элементов. Теоретически оценено, что переход к монодоменному состоянию ферромагнитной частицы с намагниченностью насыщения М3=800 Гс и обменной константой А=2*10*6 эрг/см происходит в
области размеров ~10 нм, когда магнитостатическое взаимодействие становится слишком малым, чтобы разорвать обменную связь [1]. В области микронных размеров элементов возможности для надежных расчетов весьма ограничены. Приближение нулевой коэрцитивной силы (или нулевого внутреннего поля) для элементов микронных размеров, полученных из пермаллоя с коэрцитивной силой Нс<1 Э, оказалось слишком грубым для расчета в поле ~20 Э. Например, основанная на этом приближении модель магнитного зеркала Алмаши [2] (по аналогии с электрическим зеркалом), после экспериментальной проверки оказалась совершенно неадекватной. В 80-е годы при разработке памяти на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) данное обстоятельство заставило разработчиков заново искать наилучшие формы управляющих элементов на каждом этапе повышения плотности записи информации [3].
Несмотря на длительную историю использования магнитных свойств в разнообразных приборах, теория магнитного гистерезиса всегда развивалась с большими трудностями [4] и решала, главным образом, задачи с заданной моделью взаимодействия намагниченности с микро- или макронеоднородностями магнитного объекта.
Основные экспериментальные методы изучения гистерезисных свойств, основанные, главным образом, на регистрации размагничивающего поля магнитного образца, для объектов микронных размеров оказываются технически неприменимыми.
Вместе с тем, в последние годы прогресс в разработках запоминающих устройств (как магнитомеханических, так и магнитоэлектронных), логических устройств (в том числе систем искусственного интеллекта), магнитных датчиков различного назначения, а также развитие магнитной силовой микроскопии обусловили необходимость изучения характеристик магнитостатического
взаимодействия для элементов с размерами 1-10 мкм. Следует отметить, что в указанном диапазоне размеров частиц с намагниченностью насыщения Мз~104Гс происходит значительное изменение коэрцитивных свойств [5].
Процессы коэрцитивного намагничивания изучены, с одной стороны, в макрообъектах, размеры которых (~104 мкм и более) значительно превосходят размеры доменов, с другой стороны, в массивах монодоменных частиц в нанометровой области размеров (~10"' мкм). Данные же о коэрцитивности взаимодействующих микрообъектов носят фрагментарный характер и не позволяют рассчитывать параметры устройств на их основе. Заметим, что такие данные представляют важность для магнитных датчиков, разные типы которых требуют использования чувствительных элементов как с бескоэрцитивным перемагничиванием, так и с заранее заданной петлей гистерезиса (датчики с запоминанием величины поля).
Наибольший интерес к намагничиванию частиц микронных размеров был вызван разработкой с 80-х годов запоминающих устройств на цилиндрических магнитных доменах ( ЗУ ЦМД) с пермаллоевыми управляющими элементами. Несмотря на очевидность физической сущности механизма взаимодействия ЦМД с управляющей пермаллоевой аппликацией, определение профиля магнитостатической ловушки (МСЛ) или потенциальной ямы для ЦМД от ненасыщенной аппликации оказалось трудной задачей как в теоретическом, так и экспериментальном плане. Поэтому усовершенствование конструкции канала продвижения ЦМД шло преимущественно на основе интуитивного поиска и последующего сравнения характеристик вновь сконструированного канала с характеристиками уже известных конструкций каналов. Попытки же разработать логические узлы на ЦМД [6] на основе взаимодействия нескольких магнитных объектов (доменов и аппликаций) закончились неудачей.
В последние годы была показана возможность построения ассоциативных ЗУ, сочетающих в себе свойства памяти и распознающего контроллера, используя матричную структуру магнитного ЗУ [7]. Система искусственного интеллекта на основе такой памяти с плотностью записи не менее 1 Мбит/см позволит создать обучаемый робот, предназначенный для работы в тяжелых условиях эксплуатации, в том числе в зараженных радиоактивными отходами зонах.
С другой стороны, феррит-гранатовая пленка с цилиндрическими магнитными доменами, параметры которых легко регистрируются с помощью магнитооптического эффекта Фарадея, оказалась удобным инструментом для измерения полей рассеяния ферромагнитных микрочастиц в процессах намагничивания и взаимодействия.
Таким образом, актуальность данной работы, с одной стороны, определилась потребностями развития микроэлектронных магнитных устройств различного назначения, с другой стороны, отсутствием систематизированных данных о процессах намагничивания и магнитостатического взаимодействия магнитных объектов микронных размеров в полях, сравнимых по величине с коэрцитивной силой объектов.
Целью данной работы стало изучение закономерностей взаимодействия магнитных микрообъектов, поля рассеяния которых сравнимы с коэрцитивной силой, изменения коэрцитивных свойств микрочастиц в зависимости от их размеров, формы и взаимного расположения, разработка на основе проведенных исследований принципов построения магнитных микроэлектронных устройств различного назначения с заданными характеристиками, в том числе запоминающих и логических устройств на ЦМД, бескоэрцитивных датчиков магнитного поля, запоминающих датчиков магнитного поля.
Диссертация состоит из 7 глав, введения и заключения.
В первой главе сделан обзор состояния исследований и разработок микроэлектронных устройств с размерами элементов 1-Ю2 мкм к началу работы над диссертацией, рассматриваются методы исследований процессов намагничивания и характеристик взаимодействия магнитных микрообъектов. Приведены основные результаты исследований процессов намагничивания одиночных аппликаций и массивов тонкопленочных аппликаций из пермаллоя 80Ni-20Fe. Рассматриваются характеристики тонкопленочных магнитных датчиков. Показано, что одной из нерешенных проблем остается расккрытие петли гистерезиса при перемагничивании пермаллоевого меандра.
Проведен анализ развития конструкции элемента хранения и перемещения информации в ЗУ ЦМД, проанализированы трудности на пути повышения плотности записи информации и обеспечения надежности ЗУ.
Показана возможность реализации нейросхем на основе матричных магнитных ЗУ. Проведен критический анализ предлагавшихся ранее конструкций элементов, реализующих логические функции на цилиндрических магнитных доменах. Показано, что существовавшие конструкции не могли служить основой для разработки магнитных логических устройств.
Во второй главе описаны разработанные автором оригинальные экспериментальные методы оценки энергии взаимодействия магнитомягких микрообъектов, измерения полей рассеяния микроаппликаций, метод магнитооптического исследования массивов аппликаций. Приводятся результаты измерения поля рассеяния аппликаций, полученные с помощью методики коллапса ЦМД в окрестности аппликации. Описаны результаты измерений кривых намагничивания аппликаций, в том числе сложной формы, с помощью упрощенной методики по изменению величины поля коллапса ЦМД.
Изучены условия замыкания магнитного потока в аппликациях сложной формы, а также влияния микронного зазора на замыкание магнитного потока между двумя аппликациями.
В третьей главе приводятся результаты исследований процессов намагничивания одиночных аппликаций и массивов аппликаций, связанных магнитостатическим взаимодействием. Рассматриваются закономерности изменения формы петли гистерезиса в зависимости от формы, размеров и взаимного расположения аппликаций в массивах.
Предложен способ формирования среды для реализации перезаписи информации в виде штрих-кодов с защитой записи от копирования. На основе данных о форме петли гистерезиса разработаны, изготовлены и исследованы бескоэрцитивные датчики магнитного поля, запоминающие датчики с заданным динамическим диапазоном. Представлена конструкция преобразователя
мощность-напряжение на основе бескоэрцитивного датчика для бесконтактного измерения потребляемой электрической мощности. В четвертой главе приводятся данные о характеристиках каналов продвижения ЦМД на основе асимметричных шевронов в зависимости от степени асимметрии, зазоров и расстояния до ЦМД-содержащей пленки (спейсера). Предложена конфигурация управляющего элемента, превосходящего по своим параметрам все известные модели. Показано, что характеристики предлагаемого элемента не только превосходит известные, но и наиболее устойчивы к фотолитографическим искажениям формы и расположению элементов. Впервые показано существенное влияние формы управляющих аппликаций на домен-доменное взаимодействие в канале продвижения и предложены способы его минимизации.
В пятой главе приведены результаты разработки функциональных узлов ЗУ ЦМД на основе магнитомягких аппликаций, расположенных в двух параллельных слоях. Технология, основанная на использовании аппликаций в двух слоях позволяет вдвое ослабить требования на необходимое пространственное разрешение фотолитографии и повысить плотность записи информации до 4 Мбит/см . Описана технология самосовмещения двух пермаллоевых слоев для ЗУ с плотностью записи информации 4 Мбит/см .
В шестой главе рассматриваются механизмы взаимодействия ЦМД с областью неоднородного механического напряжения в ЭФГП вблизи границы немагнитной металлизации. Показано, что наряду с захватом доменой границы возле границы металлизации имеет место магнитостатическое взаимодействие между напряженной областью имплантированного слоя ЭФГП и ЦМД из-за наклона намагниченности имплантированного слоя.
В седьмой главе рассматривается домен-доменное взаимодействие ЦМД в функциональных узлах запоминающих и логических устройств. Показано влияние конструктивных особенностей аппликаций на проявление домен-доменого взаимодействия в функциональных узлах ЗУ. Установлено, что домен-доменное взаимодействие в канале продвижения пренебрежимо мало для новой конструкции
асимметричного шеврона. Описаны разработанные в диссертации логические узлы на цилиндрических магнитных доменах, в которых осуществляется взаимодействие по крайней мере двух ЦМД в разных каналах продвижения. Предложены логические функции для магнитных нейросхем, в том числе ключевой узел нейрочипа - счетчик с порогом срабатывания. Разработана полная топологическая схема нейрокомпьютера. Применение логических узлов позволило повысить надежность и радиационную стойкость традиционных ЗУ ЦМД.
В заключении сформулированы основные результаты исследований и разработок, указаны направления дальнейшего развития исследований.
Основные научные результаты диссертации состоят в следующем:
Разработаны оригинальные методы экспериментального исследования взаимодействия взаимно намагничивающих низкокоэрцитивных магнитных микрообъектов, распределения магнитного поля в окрестности намагниченных аппликаций произвольной формы. Разработанные методы позволили получить новую информацию о процессах намагничивания взаимодействующих микрообъектов.
Впервые экспериментально установлены ранее неизвестные закономерности формирования петли гистерезиса массивов магнитных микроаппликаций, сформированных из пленки с малой коэрцитивной силой, в зависимости от геометрических размеров аппликаций и их взаимного регулярного расположения. Впервые показана роль магнитостатического взаимодействия между аппликациями в процессах намагничивания массивов и влияние краевых эффектов на процессы перемагничивания массивов микроаппликаций. Предложены способы прямого управления параметрами петли гистерезиса посредством варьирования геометрическими размерами в массиве микрочастиц.
Впервые экспериментально определены распределения магнитного поля рассеяния в окрестности микромагнитных аппликаций. Обнаружена сложная структура поля рассеяния магнитной аппликации, позволившая объяснить
ранее наблюдавшиеся аномалии во взаимодействии ЦМД-аппликация. На основе проведенных исследований разработаны новые асимметричные элементы управления доменами для ЗУ ЦМД с плотностью записи 256К-ДМ/см2 с характеристиками, превосходящими характеристики известных ранее элементов управления.
Определены механизмы анизотропного взаимодействия цилиндрических доменов с полем неоднородного механического напряжения в одноосном пленочном ферримагнетике. Впервые показана роль магнитостатической составляющей взаимодействия, обусловленной намагничиванием имплантированного слоя феррит-гранатовой пленки.
Получены характеристики взаимодействия ЦМД с двумя перекрывающимися аппликациями, сформированными с разным удалением от доменосодержащей пленки. Впервые разработан полный набор функциональных узлов из двухслойных элементов для управления доменами в ЗУ ЦМД со сниженными вдвое технологическими нормами по пространственному разрешению.
Установлены закономерности взаимодействия двух цилиндрических доменов в общей потенциальной яме, образованной пермаллоевыми аппликациями. Впервые разработаны логические функциональные узлы на основе домен-доменного взаимодействия для магнитных нейросхем на цилиндрических магнитных доменах.
Практическая значимость диссертационной работы обусловлена использованием результатов работы в разработке новых микроэлектронных устройств и применением разработанных конструкций в выпускаемых приборах:
Экспериментальные методы исследования взаимодействия могут быть использованы для изучения любых магнитных микрообъектов и процессов их взаимодействия, а также при разработке методик исследований магнитной структуры на основе силовой магнитной микроскопии.
Возможность управления коэрцитивными свойствами микроаппликаций позволила создать действующие экспериментальные образцы датчиков
магнитного поля с памятью, среды для записи магнитной кодовой информации с защитой от копирования на физическом уровне.
Процесс бескоэрцитивного намагничивания микроаппликаций использован при создании экспериментальных образцов преобразователя мощность-напряжение для бесконтактного измерителя потребляемой электрической мощности. Изготовленные образцы преобразователей показали отсутствие нарушения работоспособности после 10-кратной перегрузки, характерного для известных аналогов данного типа приборов.
Применение методик диагностики функционально слабых узлов, моделирование фотолитографического искажения формы элементов позволили модернизировать конструкции и технологические процессы изготовления серийно выпускаемых ЗУ емкостью 256К, кардинально улучшить надежность работы устройств, расширить температурный диапазон функционирования и повысить выход годных в действующем производстве с 5 до 50 %.
Новая конструкция асимметричного шеврона использована в качестве основного элемента при разработке и выпуске ЗУ ЦМД высокой надежности с плотностью записи 1 М/см при разрешении фотолитографии 1 мкм.
Разработан полный набор функциональных узлов на основе двухслойных пермаллоевых элементов для ЗУ ЦМД с плотностью записи 4 М/см2 при разрешении литографии 1 мкм.
Применение логических функций в выпускаемых микросхемах позволило упростить управление ЗУ в температурном диапазоне -50-+70С.
Функциональные узлы магнитных нейросхем на основе домен-доменной логики могут быть использованы при разработке обучаемых промышленных роботов, предназначенных для работы в сложных условиях эксплуатации, а также пороговых сумматоров различного назначения.
Результаты диссертации докладывались на всесоюзных и международных семинарах и конференциях: IV Всесоюзном семинаре "Физические свойства и применение ЦМД в приборостроении", Москва, 1980 г., VI Международной
конференции по ферритам, Токио, 1986 г.,Всесоюзном семинаре "Элементы и устройства на ЦМД и ВБЛ", Симферополь, 1987 г., Всесоюзной школе-семинаре "Доменные и магнитооптические запоминающие устройства", Кобулети, 1987 г., Всесоюзной научно-технической школе "Устройства хранения информации в информационных и вычислительных системах", Таллин, 1989 г., X Всесоюзном объединенном семинаре по проблемам ЦМД/ВБЛ, Симферополь, 1991 г., Международном симпозиуме RNNS/TEEE по нейроинформатике и нейрокомпьютерам, Ростов-на-Дону, 1992 г., XIV, XVI и XVII Международных школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, 1994, 1998 и 2000 гг., Евро-Азиатском симпозиуме "Trends in magnetism", Екатеринбург, 2001 г., конференции НАТО по магнитоптической визуализации магнитного поля, Берген, 2003 г.
По материалам диссертации опубликовано 29 работ. По результатам разработок получено 10 авторских свидетельств на изобретения и 2 патента РФ. На защиту выносятся следующие положения:
Новые экспериментально обнаруженные гистерезисные свойства магнитомягких пермаллоевых аппликаций в микронном диапазоне геометрических размеров. Показано, что при ширине аппликации меньшей характерного размера домена в сплошной пленке коэрцитивная сила массива протяженных аппликаций обратно пропорциональна ширине аппликации и плотности расположения аппликаций в упорядоченном массиве.
Механизм и физическая модель перемагничивания массива протяженных пермаллоевых микроаппликаций, в соответствии с которыми перемагничивание происходит из устойчивого квазинасыщенного состояния с замыкающими доменами вблизи торцов аппликаций посредством распространения обратной фазы намагниченности вдоль длинных границ аппликаций. Параметры петли гистерезиса при этом определяются магнитостатическим отталкиванием вновь образующихся параллельных доменных границ в массиве аппликаций.
На основе полученных данных о коэрцитивных свойствах микроаппликаций разработаны конструкции и изготовлены действующие образцы новых видов бескоэрцитивных датчиков магнитного поля, датчиков с запоминанием поля и запоминающей среды с защитой информации на физическом уровне.
Экспериментальные методы исследования энергии взаимодействия магнитных микрообъектов и распределения полей рассеяния намагниченных микроаппликаций, основанные на применении в качестве средства измерения цилиндрических магнитных доменов.
С помощью оригинальных экспериментальных методов впервые построены распределения поля рассеяния в окрестности пермаллоевых аппликаций микронных размеров. На основе изучения полей рассеяния и гистерезисных свойств аппликаций сложной односвязной формы разработаны и внедрены в серийное производство новые управляющие структуры для ЗУ ЦМД с плотностью записи 256К-1М/см , вдвое превосходящие по быстродействию и энергопотреблению имеющиеся аналоги. Разработана принципиально новая элементная база для поколения ЗУ с плотностью записи 4М/см2 на основе взаимодействия ЦМД с аппликациями, расположенными в двух слоях.
Механизм взаимодействия ЦМД с областью неоднородного механического напряжения вблизи границ немагнитной металлизации на поверхности феррит-гранатовой пленки, заключающийся в суперпозиции магнитостатического взаимодействия с намагниченной областью имплантированного слоя и сцепления доменной стенки ЦМД с максимумом напряжения в основной части феррит-гранатовой пленки.
На основе изучения магнитостатического домен-доменного взаимодействия впервые разработан полный набор логических узлов для аппаратной реализации магнитного нейрокомпьютера, предназначенного для решения задач искусственного интеллекта в сложных условиях эксплуатации роботов.
Методы исследования элементной базы каналов продвижения ЦМД
Нетрудно заметить, что принцип работы каналов продвижения на основе пермаллоевых элементов может быть понят из общих представлений о намагничивании магнитомягких макрообъектов с учетом их размагничивающих факторов [105], не прибегая к тщательным расчетам и исследованиям особенностей намагничивания микрообъектов. Однако изучение работоспособности управляющих элементов различной формы показало широкий разброс характеристик каналов. Разработанные методы расчетов и экспериментальных исследований взаимодействия ЦМД с аппликациями были направлены на выбор лучших вариантов из предлагаемых решений.
Теоретическому анализу работы продвигающих пермаллоевых структур посвящено большое количество работ, например, [106-117]. В значительной степени это объясняется сложностью расчета параметров взаимодействия ЦМД с ненасыщенной пермаллоевой аппликацией. Сложность заключается в решении самосогласованной задачи и связана с необходимостью учитывать зависимость формы и: размера ЦМД от поля рассеяния аппликации, распределение намагниченности в которой в свою очередь зависит от поля рассеяния ЦМД. Кроме того, анализ затруднен нелинейной зависимостью намагничивания аппликации от величины внешнего поля (насыщением, гистерезисом) [117]. Поэтому в наиболее важных работах [108, 118], в которых расчеты доведены до анализа конкретных продвигающих структур, рассматривают взаимодействие ЦМД с фиксированным диаметром с аппликацией, внутреннее поле в которой исчезающе мало, т.е. используют модель бесконечной восприимчивости.
Дж.Алмаши и Д.С.Дин на основе такого подхода проанализировали ТІ- и С-структуры [118]. Ослабление зависимости характеристик канала продвижения из С-элементов от величины зазора по сравнению с Т1-структурой объяснена большим перекрытием ЦМД номинального диаметра, находящегося в зазоре, с отдающим и принимающим концами аппликаций. При этом считается, что своим полем рассеяния ЦМД намагничивает аппликацию, под которой он находится, что и уменьшает величину энергетического барьера в зазоре. По существу, условием перекрытия и определяется физический смысл соотношения w+g=d.
Моделью бесконечной восприимчивости для тонкопленочных аппликаций микронного размера авторы [118] пользуются даже для расчета взаимодействия ЦМД со сплошным слоем пермаллоя на поверхности ЭФГП, когда адекватность модели может быть легко проверена экспериментально - по изменению величины поля коллапса. Однако такой экспериментальной проверки авторы [118] не провели. На существенное расхождение расчетных и экспериментальных результатов указали Е.И.Ильяшенко и С.Н.Матвеев [119].
При экспериментальном изучении пермаллоевых управляющих элементов осуществляют измерение области устойчивой работы посредством визуального определения граничных значений величин полей Нр и Нь, при которых наблюдают устойчивое перемещение ЦМД в канале продвижения [55]. ОУР представляет важнейшую характеристику канала продвижения, определяющую такие его параметры как надежность, энергопотребление, температурный диапазон функционирования. Для определения равномерности перемещения ЦМД по каналу продвижения Р.Е.Россол [120] предложил стробоскопический метод наблюдения, который может быть использован для измерения ОУР при высоких частотах вращения управляющего поля Нр [121,122]. Аналогичный подход использован в оптоэлектрическом способе определения траектории ЦМД, предложенный Ильяшенко с сотр. [123], и примененным для изучения канала продвижения на основе "тапира"[124].
Описанные выше методы позволяют изучать, главным образом, кинематические параметры движения ЦМД, однако для разработки каналов продвижения, определения размеров аппликаций необходимо знать распределение вертикальной компоненты поля рассеяния, создаваемого намагниченной аппликацией. Известен, по существу, только один метод, предложенный П.К.Джоджем и Т.Т.Ченом [125], позволяющий определить распределение Нг(х,у) в магнитостатической ловушке, образованной намагниченной аппликацией. Сущность метода поясняется рис. 1.4.1 и основано на сравнении величин внешнего однородного поля смещения Ньо и Ны, при которых диаметры свободного ЦМД и ЦМД в магнитостатической ловушке одинаковы. Изменение поля, смещения Hz(d)=Hbi(d)-Hbo(d) интерпретируется как вертикальная компонента поля рассеяния аппликации на расстоянии равном d/2 от центра МСЛ. Изменяя диаметр ЦМД полем смещения, можно получить профиль МСЛ в пределах от dc0i/2 до d j/2, где d i и dd - диаметры свободного ЦМД перед коллапсом и вблизи эллиптической неустойчивости соответственно. Поскольку dci-Sdcoi при обычных параметрах ЭФГП, профиль МСЛ измеряется таким способом в весьма узких пределах. Практически невозможно измерить профиль МСЛ вблизи положения равновесия, а также за пределами аппликации, если ее ширина w d.
Определение профиля потенциальной ямы взаимодействия двух взаимно намагничивающих объектов
Решением задачи о взаимодействии двух магнитомягких объектов (например, ЦМД с ненасыщенной во внешнем поле Нр аппликацией) можно считать функцию U(x) - зависимость энергии системы от взаимного расположения объектов. Как теоретический, так и экспериментальный подходы к решению данной проблемы в общем виде встречают значительные трудности. Кроме того, для решения практических задач гораздо удобнее бывает оперировать не энергией, а величинами реальных полей, действующих на объект. Например, ширина области работоспособности магнитных элементов памяти выражается величиной диапазона магнитного поля смещения, который легко измеряется экспериментально, поэтому и взаимодействие "ЦМД аппликация" с этой точки зрения желательно характеризовать с помощью распределения Щх,у) -нормальной компоненты поля рассеяния аппликации.
С другой стороны, существует важный класс задач, которые требуют энергетического подхода к проблеме. В первую очередь, к ним относится вопрос о преодолении дефектов движущейся доменной границей. Первоначально, взаимодействие доменной границы с дефектом в одноосных пленках с перпендикулярной анизотропией характеризовали некоторым полем коэрцитивности Hc=grad HZ A1, определяемом по величине вытянутого уса А1 из спрямленной градиентом поля смещения доменной границы в ортоферритах [169] или синусоидальной - в гранатах [170]. Т.С. Кандаурова и В.О.Васьковский показали, что измеряемая величина зависит от условий эксперимента и является неадекватной характеристикой взаимодействия [171]. Л.Шульц [172] показал, что взаимодействие ЦМД-дефект удовлетворительно описывается величиной силы сцепления (или отталкивания) доменной границы с дефектом. Поэтому для определения допустимых дефектов важно знать силы, действующие на домен в канале продвижения ЦМД.
Наличие вязкого трения доменной границы в магнитной среде также обусловливает важность определения сил, действующих на объект со стороны других объектов, для оценки быстродействия устройства.
Вопрос о полевом или силовом описании имеет не только терминологический смысл, но и реальное физическое основание. Действительно, например, в случае, когда сцепление ЦМД с дефектом характеризуют некоторым полем Нс, для того, чтобы сорвать домен с дефекта, необходимо приложить внешний градиент поля смещения gradHb Hc/d. Если сцепление характеризуется силой Fc, то соответствующий градиент обратно пропорционален уже квадрату диаметра домена - gradHb Fc/d . Это различие имеет понятные следствия для оценки возможности преодоления дефектов в каналах продвижения ЦМД движение которого определяется внешними градиентами поля смещения, создаваемыми управляющими элементами. Поскольку основную часть траектории ЦМД проходит под аппликациями, и наибольшая вероятность встречи с дефектами приходится на эту часть пути, то вид функции U(x,y) наиболее важно знать в области под аппликацией.
С другой стороны, для оптимального взаимного расположения управляющих элементов в области вне аппликаций более важно знать распределение размагничивающего поля Hz(x,y).
Определение профиля потенциальной ямы взаимно намагничивающих друг друга объектов представлено на примере взаимодействия ЦМД-аппликация. Данная модель удобна в связи с возможностью контролируемого сдвига домена и изменения его магнитного момента (по площади домена).
Определение профиля U(x) основано на измерении внешней силы, необходимой для сдвига домена из положения равновесия на заданное расстояние [173]. Смещение ЦМД будем определять как смещение его центра.
Внешняя сила, как и в [126-130], создается однородным градиентом поля смещения Нь с помощью токов, протекающих в одну сторону в параллельных шинах, как показано на рис. 2.2.1. При этом сила, действующая на ЦМД со 9 стороны внешнего градиента FBH=0,57rd M h gradHb есть градиент зеемановской энергии ЦМД во внешнем поле смещения. Центр ЦМД смещается из положения равновесия в потенциальной яме в новое положение равновесия Хо, в котором внешняя сила FBH уравнивается возвращающей силой потенциальной ямы: dU/dx=-FB„ = -2MhSHb (2.2.1), где S - площадь ЦМД в плоскости ЭФГП. Измерив dU/dx для набора возможых значений хо, а затем, интегрируя полученную зависимость F(xo), можно получить профиль потенциальной ямы U(x) в направлении перпендикулярном токовым шинам.
Заметим, что кривая U(x) в данном случае еще не дает точного решения самосогласованной задачи, т.к. при сдвиге в сторону от оси симметрии параллельных шин помимо градиента поля смещения домен испытывает действие дополнительного поля смещения AHb=-gradHb xo. Площадь ЦМД оказывается завышенной. При этом градиент поля смещения необходимый для удержания домена в новом положении равновесия должен быть скорректирован с учетом двух факторов: 1) увеличения площади домена в выражении для сдвигающей силы, 2) избыточного намагничивания аппликации из-за увеличения магнитного момента домена. Кривая dU/dx должна быть измерена для ЦМД, находящегося в нудевом дополнительном поле смещения в любой точке потенциальной ямы. Изменение диаметра домена при его смещении из положения равновесия должно быть обусловлено только полем рассеяния аппликации. Обеспечение условия ДНь(хо)=0 в данной схеме измерений позволяет получить точное экспериментальное решение самосогласованной задачи о взаимодействии ЦМД-аппликация.
Перезаписываемый-кодоноситель для идентификации объектов
Управление параметрами петли гистерезиса массива тонкопленочных аппликаций с помощью геометрических размеров (ширины, толщины и плотности расположения) позволяет создать среду, способную запоминать свое состояние на неопределенно большое время после воздействия. На рис. 3.2.1 показаны столбцы прямоугольных аппликаций шириной w=8 мкм, толщиной h=25 нм, расположенных с зазором g=8 мкм. Стрелками указано направление намагниченности в аппликациях. Петля гистерезиса каждого столбца представлена на рис. 3.2.2. Запись можно производить обычной записывающей щелевой головкой, либо импульсным током в шине шириной близкой к длине апликации, поскольку поле записи (насыщения массива аппликаций) можно задать практически любой величины. Ясно, что для надежного хранения информации нужно обеспечить по возможности наибольшую коэрцитивность и прямоугольность петли гистрезиса. При этом следует уменьшать ширину, толщину и плотность расположения аппликаций в соответствии с закономерностями, описанными в параграфе 3.1.
Для определения надежности хранения состояния среды проведены исследования остаточной намагниченности массива после насыщения и последующего цикла размагничивания. Для размагничивания применялось знакопеременное магнитное поле с падающей до нуля амплитудой. Установлено, что остаточная намагниченность насыщения сохраняется в циклах размагничивания, пока максимальная амплитуда знакопеременного поля не достигнет величины Нет, соответствующей перелому петли гистерезиса массива.
Таким образом, массив аппликаций может служить миниатюрным перезаписываемым автономным носителем кодовой информации. Такой кодоноситель выгодно отличается от обычного на магнитной ленте высокой скрытностью, отсутствием возможности несанкционированного считывания и, тем более, копирования из-за крайне низкой величины полей рассеяния апликаций.
В ряде случаев возникает потребность бесконтактного измерения амплитуды импульса магнитного поля в области пространства, недоступной для соединительных приборов, либо с неизвестным моментом времени появления магнитного поля. Управление формой петли гистерезиса массива тонкопленочных аппликаций позволяет создать магнитную среду, для которой критическое поле Нсг равно нулю. В начальном состоянии массив аппликаций намагничивают до насыщения. При воздействии магнитного поля обратной полярности массив подвергается частичному размагничиванию и сохраняет новое состояние после выключения поля. По величине остаточной намагниченности массива восстанавливают величину поля.
На рис. 3.3.1 показаны три петли гистерезиса для массивов аппликаций толщиной h=150 нм, с w равными 20, 12 и 8 мкм, расположенных с зазорами g соответственно 2,2,2, 1,2 мкм. Видно, что нулевая величина критического поля достигается в различных сочетаниях геометрических размеров массива. Угол наклона петли гистерезиса, определяющий динамический диапазон измеряемых величин поля, уменьшается при уменьшении ширины аппликации. Однако при этом необходимо уменьшать зазор между аппликациями.
Для формирования зазоров менее 1 мкм требуется использование специальных приемов литографии. Поэтому динамический диапазон может быть расширен также путем увеличения толщины аппликаций массива. На рис. 3.3.2 показаны зависимости критического поля НсГ и поля насыщения массива
Hs от толщины аппликаций для нескольких видов массивов. Поле насыщения практически не зависит от толщины, что существенно упрощает расчет геометрических размеров для любых выбранных параметров запоминающего чувствительного элемента.
Влияние литографического искажения формы шевронов на характеристики каналов продвижения ЦМД
Методика, аналогичная предложенной в разделе 2.2 для определения профиля потенциального рельефа взаимодействия ЦМД с намагниченной пермаллоевой аппликацией, может быть применена для исследования и калибровки магнитных кантилеверов. В отличие от методики калибровки по поверхности токовой шины, использовавшейся в [36] в предлагаемой схеме измерений участвуют две токовых шины, создающие постоянный градиент z-компоненты поля в пространстве между шинами. При этом боковая составляющая магнитного поля отсутствует и имеется возможность автоматической компенсации вертикальной компоненты поля. Эти особенности позволяют анализировать реакцию кантилевера по отдельности на различные компоненты внешнего поля в присутствии постоянного градиента z-компоненты.
Слабое влияние перпендикулярного поля на намагничивание аппликации вдоль длины можно использовать для повышения сигнала магниторезистивного считывания [180]. В обычных магнторезистивных датчиках ЗУ ЦМД горизонтальная компонента поля рассеяния растянутого в расширителе домена складывается с полем управления, направленном в ту же сторону. В тонкопленочных датчиках источником сигнала является длинная аппликация, намагничиваемая полем рассеяния домена поперек длины.
В предлагаемой конструкции датчика считывание производится рядом электрически связанных между собой, но магнитно развязанных аппликаций, длина которых перпендикулярна полосовому домену - рис. 3.6.1. Полосовой домен появляется у торцов считывающих аппликаций в момент, когда Нр направлено перпендикулярно длине аппликаций, причем в фазе вращения, когда остаточная намагниченность аппликаций создает МСЛ у противоположных от полосового домена торцах аппликаций. В соответствии с механизмом Стонера-Вольфарта (коэрцитивность обусловлена формфактором образца) намагниченность изменяет свое направление на противоположное скачкообразно под действием горизонтальной компоненты поля рассеяния домена, средняя величина которой для s=50 нм и 4яМ=200 Гс составляет 40 Э.
Такой узел считывания наиболее целесообразно использовать в ЗУ с элементной базой на основе ионно-имплантированных дисков. В отличие от пермаллоевых расширителей в этом случае растяжение ЦМД в полосовой домен нужно осуществить в короткий отрезок времени -10"6 с в пределах одного такта вращения поля управления. Длина полосового домена в этом случае на порядок меньше по сравнению с длиной домена в ЗУ с пермаллоевой элементной базой. Применение секционного датчика позволяет получить сигнал считывания сравнимый по величине с традиционным в связи с 1) использованием полного магниторезистивного эффекта при скачкообразном перемагничивании пермаллоевых секций, 2) увеличением фактической длины датчика по сравнению с длиной домена из-за формы аппликаций, вытянутой в направлении перпендикулярном направлению растяжения считываемого домена.
Таким образом в данной работе впервые изучены геометрические зависимости параметров петли гистерезиса пермаллоевых аппликаций и показаны пути и способы применения особенностей перемагничивания взаимодействующих микроаппликаций в чувствительных элементоах датчиков и в качестве запоминающих сред.
Данные о распределении полей рассеяния аппликаций естественное применение нашли в построении оптимальных каналов продвижения ЦМД. С изобретением несимметричных шевронов [70] появились десятки модификаций формы элементов, причем каждая модификация имела свои преимущества перед остальными. Поэтому поиск оптимальной конструкции на основе достоверных данных о полях рассеяния,аппликаций стал актуальной задачей.
Изучение основных закономерностей изменения ОУР каналов продвижения при изменении формы управляющих элементов проведено на примере продвигающей структуры для ЦМД диаметром 5 мкм. Использование довольно большого по размерам для современного уровня домена продиктовано двумя причинами. Во-первых, визуальное наблюдение перемещения 5-микронного домена в канале продвижения позволяет подробно исследовать все характерные изменения положения и формы ЦМД при изменении внешних управляющих полей. Во-вторых, применение современного уровня фотолитографии с минимальным разрешимым размером рисунка 1 мкм позволяет воспроизвести форму элементов для таких доменов практически с геометрической точностью. При появляется возможность скусственно промоделировать канальь продвижения с малыми зазорами ( d/5), характерные искажения формы элементов (скругление углов аппликаций), а также измерить распределение Hz(x) вдоль зазора между элементами в непосредственной близости от него.
