Магнитные материалы для микроэлектроники
План
ВВЕДЕНИЕ
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
ПЛЕНКИ ДЛЯ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
ВВЕДЕНИЕ
С прогрессом электронной техники предъявляются новые требования к магнитным материалам. Это обусловлено и миниатюризацией устройств, и необходимостью разработки запоминающих и логических элементов большой емкости и быстродействия при малом весе. Необходимы магнитные материалы, прозрачные в оптическом и ИК-диапазоне, обладающие большой коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения, сочетающие в себе магнитные и полупроводниковые свойства. Многие такие материалы можно создать на основе редкоземельных материалов.
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД
Для генерирования цилиндрических магнитных доменов используются тонкие магнитные пленки феррит-гранатов R3Fe5O12 и ортоферритов RFeO3. Первые содержат домены с размерами до 1 мкм, что позволяет получить плотность размещения информации до 107 бит/cм2, вторые обладают рекордно высокими скоростями
передвижения до 104 м/с.
Идея записи на ЦМД состоит в том, что двоичное число можно представить цепочкой ЦМД, где логическая "1" - наличие ЦМД, "О" - отсутствие. Осуществление логических операций с помощью ЦМД-устройств основывается на возможности движения ЦМД в пленке в двух, трех и т.д. направлениях.
В технике обычно используются монокристаллические пленки, выращиваемые на немагнитной подложке, кристаллическую структуру и постоянную решетки подложки подбирают в соответствии с требуемой структурой получаемой пленки.
В последнее время начали использовать аморфные магнитные пленки сплавов переходных металлов с РЗ металлами типа Gd-Go и Gd-Fe, в которых возможно получение ЦМД с диаметром < 1 мкм, что позволяет повысить плотность записи информации до 109 бит/см2. Их отличают также простота изготовления, относительно низкая стоимость. Недостатком таких пленок является их низкая термостабильность.
Все материалы-носители ЦМД характеризуются большой одноосной магнитной анизотропией. Чем больше поле анизотропии, тем ближе направление намагниченности ЦМД к нормали плоскости пластины и тем меньше отклонение формы стенок ЦМД от цилиндрической., Для одноосных кристаллов напряженность поля анизотропии, необходимая для зарождения изолированного домена, оценивается по формуле
где К, — константа одноосной анизотропии, составляющая в среднем для ЦМД-материалов 103—104 Дж/м3; ls - намагниченность насыщения, равная при комнатных температурах в среднем 104А/м.
В ЦМД-материалах Hа=105-М07 А/м. В ряде ЦМД-материалов наблюдаются небольшие отклонения от одноосности, обусловленные орторомбической и кубической симметрией вещества.
Отношение поля анизотропии к намагниченности насыщения определяет фактор качества магнитоодноосного кристалла:
Фактор качества — количественная оценка жесткости ориентации магнитного момента домена в направлении нормали к плоскости пластины — должен быть существенно больше единицы. На практике требуется иметь значения q не менее 3—5. Верхний предел ограничен требуемым быстродействием устройств (см. ниже).
Для оценки свойств материалов, содержащих ЦМД, введено понятие характеристической длины 10
где
—удельная энергия доменной границы, Дж/м2; A'—A/а — обменная константа, примерно равная для ЦМД-материалов 10~10— 10-11 Дж/м.
Характеристическая длина lо имеет размерность длины и связана с толщиной h пластины и диаметром D домена. С точки зрения увеличения плотности размещения информации желательно, чтобы диаметр домена был как можно меньше. Минимально достижимый диаметр домена при заданном материале Amin=3,9*lo имеет место для пластин (пленок) толщиной A = 3,3lо. В технических устройствах, где используют ЦМД, рекомендуется выбирать h~4*l0, так как при этом способность доменов восстанавливаться после флуктуации наиболее сильно выражена. При h = 4*l0 поле, соответствующее середине области устойчивых цилиндрических доменов, H=0,28l3> а диаметр доменов в этом поле D —8l0.
Уменьшение размера ЦМД достигается применением материалов с малым lо. Из следует, что увеличение намагниченности материала способствует этому в большей степени, чем снижение А .
Действительно, снижение фактора качества q ухудшает условия статической устойчивости ЦМД. Уменьшение обменной константы А' нецелесообразно, поскольку при этом снижается температурная устойчивость ЦМД. Минимальный размер домена, полученный в настоящее время в аморфных и гексагональных ферромагнетиках, составляет около 0,08 мкм. Температурный диапазон устойчивости ЦМД-структур достаточно широк (—50 + 60° С). Точка Нееля большинства современных ЦМД-материалов лежит в пределах 560—720 К.
Важной характеристикой материалов для ЦМД-устройств является коэрцитивная сила Нс, во многом определяющая подвижность доменов. Чем меньше Не, тем выше быстродействие ЦМД-устройства. Скорость перемещения домена также зависит от подвижности доменной границы urp. игр обратно пропорциональна фактору качества q. Поэтому материалы, обладающие большими значениями q, не отвечают требованиям высокого быстродействия ЦМД-устройств.
ЦМД могут быть получены во многих магнитных материалах, обладающих сильной одноосной анизотропией.
Ортоферриты RFeO3— первые материалы, на которых были изучены ЦМД. В настоящее время эти материалы в промышленных ЦМД-устройствах практически не применяются, поскольку диаметр ЦМД ортоферритов порядка 80—100 мкм не позволяет обеспечить высокую плотность записи информации. Однако в ряде случаев ор-тоферриты, обладающие высокими магнитооптическими параметрами, сохранили свои позиции. Их применяют в виде пластинок, вырезанных определенным образом из монокристалла и доведенных посредством механической полировки до нужной толщины.