Выпускная квалификационная работа бакалавра Получение и изучение свойств электромагнитных устройств на основе металлических тонкопленочных систем (стр. 2 )

1.2 Изготовление электромагнитных устройств на основе тонкопленочных систем. Достоинства и недостатки.

Тонкопленочные системы в электромагнитной технике на данный момент используются для решения многих конструкторских и экспериментальных задач. По причине малой толщины в процессе литографии на тонких пленках можно получить плоский многовитковый индуктор в составе интегральной схемы. Основными недостатками данной технологии являются малая индуктивность, большая занимаемая площадь, высокое сопротивление, малая добротность.

Магнитные головки для записи/считывания информации с магнитных носителей, используемые в данный момент в большинстве жестких дисков работают на основе эффекта ГМС. Такая система имеет массу преимуществ по сравнению с индукторной головкой записи/считывания, заключающиеся в уменьшении размеров непосредственно головки, и как следствие размеров записываемых доменов. Так же увеличилась скорость записи/считывания, и уменьшились габариты и вес устройств в сборе.

Исследование, проведенное в университете штата Иллинойс, показало, что тонкопленочные индукторы можно формировать так же и в объеме, для сокращения площади, занимаемой индуктором и для увеличения его индуктивности за счет приближения его геометрической формы к наиболее выгодной для создания эффективной магнитной самоиндукции

В основе технологии лежат самосворачивающиеся эпитаксиальные слои. Технология заключается в последовательном нанесении на подложку жертвенного слоя и двух кристаллических слоев материала с различным шагом кристаллической решетки. Причем верхний слой должен быть с периодом решетки меньшим, чем период решетки верхнего. За счет такого расположения слоев в материале возникает напряжение, которое способствует сворачиванию пленки. Для непосредственно сворачивания необходимо равномерно вытравить нижний, жертвенный слой материала, для чего необходимо предоставить травителя к торцу этого слоя, поэтому его делают достаточно толстым [4, 5].

Технологию изготовления самосворачивающихся слоев можно проследить на примере полупроводниковых гетероструктур GaAs/InGaAs в соответствие с рисунком 1 [6]. Постоянные решеток слоев GaAs и InGaAs значительно различаются. В процессе эпитаксиального выращивания данных слоев на подложке образуется напряженная гетеропленка, в которой слой InAs сжат, а слой GaAs растянут в соответствии с рисунком 1 а, б (решетки материалов подстраиваются друг под друга и решетку подложки в процессе эпитаксиального роста). При освобождении от связи с подложкой пленки GaAs/InAs межатомные силы будут стремиться увеличить расстояние между атомами в сжатом слое InAs и уменьшить их в растянутом слое GaAs. Возникающие в слоях InAs и GaAs силы межатомного взаимодействия F1 и F2 противоположно направлены и создают момент сил M, изгибающий пленку GaAs/InAs в соответствии с рисунком 1, в. В результате этого изначально плоская гетеропленка сворачивается в трубку-свиток. Для освобождения от связи с подложкой пленки GaAs/InAs используется селективное травление жертвенного слоя AlAs, дополнительно выращенного между пленкой и подложкой. Этот слой селективно удаляется в растворах на основе плавиковой кислоты, которые не травят GaAs и InGaAs. Количество витков определяется временем травления AlAs и может достигать 40. Трубка остается закрепленной на подложке в месте, где слой AlAs не был удален. Диаметр D свернутых гетероструктур определяется толщиной сворачиваемой гетеропленки d и величиной упругих напряжений в ней, поэтому задается в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии с высокой точностью в диапазоне от сотен микрон до нескольких нанометров [7,8].

Рисунок 1 – Схематическое изображение процесса самосворачивания гетероструктур GaAs/InGaAs. а – изображение свободных слоев, б – те же слои, нанесенные на подложку, в – изгиб двухслойной пленки при ее освобождении от связи с подложкой

Перед сворачиванием на эту структуру наносится проводящий металлический слой с низким удельным сопротивлением и определенной конфигурации. Причем толщина данного слоя должна быть достаточно большой, для меньшего сопротивления и не должна препятствовать сворачиванию подложки. Тем не менее, в работе было замечено положительное влияние нанесенных металлических слоев на сворачивание подложек – металл создавал дополнительную стягивающую силу на поверхности структуры. Так же металл должен иметь как можно большую удельную проводимость для наиболее высокой добротности [9].

Конфигурация проводящего слоя представляет собой несколько проводящих дорожек (ячеек) длиной ls и шириной ws, перпендикулярных оси сворачивания в соответствии с рисунком 2. Противоположные концы ячейки соединены с соседними соединительными линиями длиной lc и шириной wc, а крайние ячейки подключены к выводам. Таким образом, получается несколько соединенных последовательно противоположно направленных катушек, причем для снижения взаимной индукции расстояние между катушками должно быть как можно больше.

Рисунок 2 – Планарная структура проводящего слоя.

Основными измеряемыми параметрами полученных катушек были индуктивность, собственная частота резонанса, добротность паразитная емкость с подложкой и геометрические размеры. Так же было проведено сравнение полученных параметров с параметрами плоских катушек. Например, 45-витковая катушка индуктивности с 2 серебряными ячейками толщиной 100 нм, шириной 15 мкм и расстоянием между ними так же 15 мкм, внутренним диаметром 3 мкм и толщиной подложки 40 нм, имела индуктивность 10 нГн, максимальную добротность 21 при 15 ГГц и резонансную частоту 25 ГГц. При этом она занимала площадь мкм, что составляет 0,45 % от площади, занимаемой планарной катушкой (типичные параметры: мкм занимаемой площади, индуктивность 8 нГн и максимальная добротность 6 при частоте 3 ГГц) [10].

1.3 Тонкопленочные металлические системы и их свойства

Тонкие пленки представляют собой ограниченные в одном направлении структуры. Как и большинство нанообъектов, они обладают свойствами, отличающимися от свойств, которыми обладают объемные материалы, из которых они сделаны [11].

Многие свойства тонких пленок зависят от способа их получения и параметров самого процесса формирования.

Основные свойства тонких пленок, рассматриваемые в данной работе это электропроводящие и магнитные свойства.

Существует рад исследований [12, 13], показывающих, что электропроводящие свойства пленок, в отличие от макроматериалов зачастую хуже, то есть их удельное сопротивление в несколько раз больше. Во-первых, это объясняется структурой полученного материала. В случае аморфного состояния – эти свойства объясняются отсутствием упорядоченной структуры. В поликристаллических же пленках причина лежит в увеличении площади границ раздела кристаллитов, так как в тонких пленках их размер меньше, чем в объемных материалах. Так же на проводимость влияет большой процент поверхностных атомов (близость границы). И непосредственно малая толщина проводников априори сильно увеличивает их сопротивление [14].

Магнитные свойства тонких пленок зачастую определяются материалом, из которого они сделаны. В принципе, магнитной называется такая пленка, которая заметно взаимодействует с магнитным полем. Еще одно определение основано на обратном принципе – тонкой магнитной пленкой называется пластина магнитного материала такой толщины, в которой реализуется сквозная магнитная структура [15]. Одними из основных свойств магнитных материалов являются: доменная структура, намагниченность, магнитная восприимчивость, магнитная проницаемость. Все материалы по взаимодействию с магнитным полем  делятся на шесть основных классов:

- Диамагнетики

- Парамагнетики

- Ферромагнетики

- Суперферромагнетики

- Антиферромагнетики

- Ферримагнетики

- Магнитными материалами считаются материалы последних четырех классов и делятся на следующие группы:

- Магнитотвердые материалы

- Магнитомягкие материалы

- Магнитострикционные материалы

- Магнитооптические материалы

- Термомагнитные материалы

Магнитотвердые материалы – металлы и сплавы, обладающие коэрцитивной силой по индуктивности более 4 кА/м. Как правило, у таких материалов низкая магнитная проницаемость, широкая петля гистерезиса, высокая остаточная магнитная индукция. Магнитотвердыми являются сплавы типа магнико, ални, виккалой, а так же многие соединения редкоземельных элементов с кобальтом (мощные неодимовые магниты).

Магнитомягкие материалы – металлы и сплавы, обладающие коэрцитивной силой по индукции менее 4 кА/м, высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис и вихревые токи. Магнитомягкие материалы подразделяются на материалы для техники слабых токов (пермаллой, пермендюр, смешанные ферриты, феррогранаты) и электротехнические стали. Из магнитомягких материалов изготавливаются магнитопроводы и сердечники для трансформаторов.

Магнитострикционные материалы – материалы, обладающие достаточным эффектом магнитострикции – эффектом, который проявляется в изменении размера и формы кристаллического тела при намагничивании. Вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки под действием магнитного поля, и как следствие – изменением расстояния между ее узлами [16].

1.4 Способы получения тонкопленочных систем

Способы, с помощью которых получают тонкие пленки, подразумевают процесс поатомного осаждения материала из газовой или жидкой фазы. Наиболее технологичными на данный момент являются следующие способы получения тонких металлических пленок:

- Молекулярно-лучевая эпитаксия

- Ионно-лучевое распыление

- Термическое испарение в вакууме

- Ионное-плазменное распыление (Магнетронное распыление в частности)

1.4.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Эпитаксия представляет собой высокотехнологичный процесс, требующий поддержания высокого вакуума в рабочей области и высокой чистоты технологических поверхностей. Подразумевает точное контролируемое осаждение материала на монокристаллическую подложку с определенным периодом кристаллической решетки. Получаемые образцы обладают монокристаллической ориентированной структурой и точно соответствующими заданным геометрическими параметрами.