RU2572921C2

RU2572921C2 - Production of laminar magnetic films

Info

Publication number: RU2572921C2
Application number: RU2013150850/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Сорокин; Андрей Владимирович Свалов; Владимир Олегович Васьковский; Петр Алексеевич Савин; Галина Владимировна Курляндская
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А.Семихатова"
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2016-01-20
Also published as: EA027340B1; EA201401119A1; RU2013150850A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to production of laminar magnetic films and can be used for fabrication of media for data recording or in production of transducers. Claimed process comprises the ion-plasma deposition of at least two plies of one magnetic material and spacer arranged there between and made of magnetic material other than the first one. Note here that the main plies are produced from magnetically soft material in depth not exceeding that of supercritical state origination. Spacer material is selected by selection of magnetic materials. Absolute magnitude of the exchange interaction integral of said materials is lower than that of the main plies. Said materials are ranked by the decrease in said parameter, deposition of spacers is performed of materials with preset steps of measurement of coercive force H_f. Obtained magnitudes with preset coercive force H_f for magnetic materials are compared. Ranked materials selection step is decreased. Processes of deposition, measurement of coercive force H_f and comparison with preset magnitude are reiterated. The deposition of said spacer is performed with material of coercive force H_f corresponding to preset magnitude.

EFFECT: enhanced process efficiency, time saving.

1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления многослойных пленочных материалов и может быть использовано, например, в технологии получения сред для записи информации или при производстве датчиков.The invention relates to the field of manufacturing multilayer film materials and can be used, for example, in the technology of obtaining media for recording information or in the manufacture of sensors.

В технологических процессах получения пленок в зависимости от поставленных целей используют подпыление различных промежуточных слоев, например, в слоях типа: магнитный слой/прослойка/ - магнитный слой, материал прослойки может быть как немагнитным, так и с иными свойствами. Подход к выбору прослойки, описанный ниже, хотя и выполнен на основе магнитных материалов, по нашему мнению, носит общий характер.In the technological processes of producing films, depending on the goals set, dusting of various intermediate layers is used, for example, in layers of the type: magnetic layer / interlayer / - magnetic layer, the interlayer material can be either non-magnetic or with other properties. The approach to the choice of the interlayer described below, although made on the basis of magnetic materials, in our opinion, is of a general nature.

В зависимости от условий применения такая многослойная пленочная среда может выступать как в качестве активного элемента, например, в датчиках магнитного поля, так и вспомогательного звена, например, в качестве концентратора магнитного потока в вышеуказанных магниторезистивных датчиках.Depending on the application conditions, such a multilayer film medium can act both as an active element, for example, in magnetic field sensors, and an auxiliary link, for example, as a magnetic flux concentrator in the above magnetoresistive sensors.

В частности, в случае использования эффекта магнитного импеданса пленки должны удовлетворять определенным критериям, а именно: обладать низкой коэрцитивной силой (H_c), хорошо выраженной магнитной анизотропией в плоскости образца, а толщина (L) пленок должна составлять сотни нанометров. Указанным критериям отвечают как поликристаллические пленки, такие как, например, FeNi и FeAlN, так и аморфные пленки типа FeSiB.In particular, in the case of using the magnetic impedance effect, the films must satisfy certain criteria, namely: have a low coercive force (H _c ), well-defined magnetic anisotropy in the plane of the sample, and the thickness (L) of the films should be hundreds of nanometers. These criteria correspond to both polycrystalline films, such as, for example, FeNi and FeAlN, and amorphous films of the type FeSiB.

Однако изготовление таких пленок является непростой задачей из-за влияния условий получения на формирующуюся структуру и внутренние напряжения, как правило, возникающие в пленках. Анизотропия формы столбчатой структуры и напряжения в совокупности с магнитострикцией могут способствовать возникновению перпендикулярной магнитной анизотропии (ПМА), которая стремится ориентировать намагниченность пленок вдоль нормали к их поверхности. В результате при толщине пленки выше некоторого критического значения (L_c), величина которого находится обычно в интервале от 100 нм до 350 нм, пленка переходит в так называемое «закритическое» магнитное состояние, характеризуемое появлением перпендикулярной к плоскости пленки компоненты намагниченности, возникновением особой магнитной доменной структуры - страйп-доменов, резким увеличением коэрцитивности пленок, потерей выраженной магнитной анизотропии в плоскости пленок. Величина L_c зависит как от материала пленки, так и параметров напыления (N. Amos, R. Femandez, R. Ikkawi, B. Lee, A. Lavrenov, A. Krichevsky, D. Litvinov, and S. Khizroev. Magnetic force microscopy study of magnetic stripe domains in sputter deposited Permalloy thin films. J. Appl. Phys. 103, (2008) 07E732).However, the manufacture of such films is not an easy task due to the influence of the production conditions on the forming structure and internal stresses, which usually arise in the films. The anisotropy of the shape of the columnar structure and stress together with magnetostriction can contribute to the appearance of perpendicular magnetic anisotropy (PMA), which tends to orient the magnetization of the films along the normal to their surface. As a result, when the film thickness is above a certain critical value (L _c ), the value of which is usually in the range from 100 nm to 350 nm, the film goes into the so-called “supercritical” magnetic state, characterized by the appearance of a magnetization component perpendicular to the plane of the film, the appearance of a special magnetic domain structure - stripe domains, a sharp increase in the coercivity of the films, the loss of pronounced magnetic anisotropy in the plane of the films. The value of L _c depends on both the material of the film and the deposition parameters (N. Amos, R. Femandez, R. Ikkawi, B. Lee, A. Lavrenov, A. Krichevsky, D. Litvinov, and S. Khizroev. Magnetic force microscopy study of magnetic stripe domains in sputter deposited Permalloy thin films. J. Appl. Phys. 103, (2008) 07E732).

Одним из путей по предотвращению возникновения «закритического» состояния является введение немагнитной прослойки в «толстую» магнитную пленку (S.F. Cheng, P. Lubitz, Y. Zheng, A.S. Edelstein. Effects of spacer layer on growth, stress and magnetic properties of sputtered permalloy film. J. Magn. Magn. Mater. 282, (2004) 109). В результате чего получается многослойная пленка типа: магнитный слой/прослойка/ - магнитный слой, где прослойка разделяет магнитные слои из одного и того же материала.One way to prevent the occurrence of a “supercritical” state is to introduce a non-magnetic layer into a “thick” magnetic film (SF Cheng, P. Lubitz, Y. Zheng, AS Edelstein. Effects of spacer layer on growth, stress and magnetic properties of sputtered permalloy film J. Magn. Magn. Mater. 282, (2004) 109). As a result, a multilayer film of the type: magnetic layer / interlayer / - a magnetic layer is obtained, where the interlayer separates the magnetic layers from the same material.

Авторы заявки исследовали такой способ с применением пленок пермаллоя, обладающих столбчатой структурой. В исследованных пленках величина L_c≈180 нм была определена экспериментально, толстые пленки FeNi разбивалась на слои, толщина которых не превышала L_c, путем напыления немагнитных прослоек (Та, Cr). Тем самым сохранялся необходимый объем магнитного материала и не ухудшались его магнитные параметры. Толщина прослойки в данном случае выбирается достаточной для разрыва обменной связи между слоями FeNi и составляет несколько нанометров. Влияние межслойного магнитостатического взаимодействия на коэрцитивную силу не принимается во внимание. Процесс выбора материала прослойки не раскрывается: немагнитных материалов известно довольно много.The authors of the application investigated such a method using permalloy films with a columnar structure. In the studied films, the value of L _c ≈180 nm was determined experimentally, thick FeNi films were divided into layers, the thickness of which did not exceed L _c , by sputtering non-magnetic interlayers (Ta, Cr). Thus, the required volume of magnetic material was retained and its magnetic parameters did not deteriorate. The thickness of the interlayer in this case is chosen sufficient to break the exchange bond between the FeNi layers and amounts to several nanometers. The effect of interlayer magnetostatic interaction on the coercive force is not taken into account. The process of selecting the material of the interlayer is not disclosed: quite a lot is known of non-magnetic materials.

Такое же решение - введение немагнитных прослоек - применяется и в том случае, когда основным источником ПМА считаются внутренние напряжения (в совокупности с магнитострикцией), возникающие в пленке в процессе ее осаждения (например, W.F. Egelhoff, Jr., J. Bonevich, P. Pong, C.R. Beauchamp, G.R. Stafford, J. Unguris, R.D. McMichael, «400-fold reduction in saturation field by interlayering, J. Appl. Phys. 105, (2009) 013921). В качестве прослойки здесь использовалось серебро, а магнитная пленка имела состав Ni₇₇Fe₁₄Cu₅Mo₄ и толщину перехода в «закритическое» состояние ~300 нм. Ввод прослойки Ag приводит к сильному снижению величины напряжений, то есть величина L_c теоретически может возрастать.The same solution — the introduction of nonmagnetic interlayers — is also applied when internal stresses (in conjunction with magnetostriction) arising in the film during its deposition (for example, WF Egelhoff, Jr., J. Bonevich, P.) are considered the main source of PMA. Pong, CR Beauchamp, GR Stafford, J. Unguris, RD McMichael, “400-fold reduction in saturation field by interlayering, J. Appl. Phys. 105, (2009) 013921). Silver was used here as an interlayer, and the magnetic film had the composition Ni ₇₇ Fe ₁₄ Cu ₅ Mo ₄ and the thickness of the transition to the “supercritical” state of ~ 300 nm. The introduction of the Ag interlayer leads to a strong decrease in the stress value, i.e., the value of L _c can theoretically increase.

Однако никаких данных относительно величины указанного теоретического предела для этих пленок не приводится. На каких основаниях выбран материал прослойки, не раскрывается.However, no data are given on the magnitude of the indicated theoretical limit for these films. On what grounds the material of the interlayer is selected is not disclosed.

Известно также решение, в котором величина L_c увеличивается за счет механизма косвенного обменного взаимодействия между магнитными слоями и который заключается во введении металлической немагнитной прослойки (Ru) такой толщины, которая обеспечивает антиферромагнитное взаимодействие между соседними слоями (патент US 7666529, МКП G11B 5/66, G11B 5/667, от 22.09.2005). Величину межслойного обменного взаимодействия уменьшают введением дополнительных слоев. Косвенное обменное взаимодействие между магнитными слоями осуществляется через электроны проводимости материала прослойки. Данная связь является короткодействующей и практически исчезает при толщине прослойки, измеряемой единицами нанометров. Кроме того, она носит осциллирующий характер, то есть в зависимости от толщины прослойки между слоями может устанавливаться как положительное, так и отрицательное обменное взаимодействие, выстраивающее магнитные моменты слоев, разделенных прослойкой, параллельно или антипараллельно друг другу. Причем период осцилляции такой связи, т.е. перехода от ферромагнитного к антиферромагнитному упорядочению магнитных моментов слоев, составляет всего 1 нм. Авторы этого решения в качестве материала для магнитных слоев использовали аморфные сплавы на основе Со, Fe, В, Р и Si, а немагнитной прослойки - рутений (Ru) и наблюдали увеличение L_c от 130 нм для однослойной пленки до 230 нм для слоев, входящих в состав многослойной структуры, в которой магнитные слои были связаны антиферромагнитно. Но данный способ предъявляет очень высокие требования к процессу напыления пленок, так как толщина прослойки Ru, при которой реализуется антиферромагнитное взаимодействие желаемой величины, не превышает 1 нм, при этом прослойка Ru должна быть сплошной, исключающей прямое обменное взаимодействие между магнитными слоями через поры в прослойке. По каким причинам выбор сделан в пользу этого материала, не ясно.A solution is also known in which the value of L _c increases due to the mechanism of indirect exchange interaction between the magnetic layers and which consists in the introduction of a metal non-magnetic layer (Ru) of such a thickness that provides antiferromagnetic interaction between adjacent layers (US patent 7666529, MCP G11B 5/66 , G11B 5/667, 09/22/2005). The magnitude of the interlayer exchange interaction is reduced by the introduction of additional layers. Indirect exchange interaction between the magnetic layers is carried out through the conduction electrons of the interlayer material. This bond is short-range and practically disappears with a layer thickness measured in units of nanometers. In addition, it is oscillatory in nature, that is, depending on the thickness of the interlayer, both positive and negative exchange interactions can be established between the layers, aligning the magnetic moments of the layers separated by the interlayer parallel or antiparallel to each other. Moreover, the oscillation period of such a connection, i.e. the transition from ferromagnetic to antiferromagnetic ordering of the magnetic moments of the layers is only 1 nm. The authors of this solution used amorphous alloys based on Co, Fe, B, P, and Si as the material for the magnetic layers, and ruthenium (Ru) based on the nonmagnetic layer and observed an increase in L _c from 130 nm for a single-layer film to 230 nm for layers into a multilayer structure in which magnetic layers were coupled antiferromagnetically. But this method makes very high demands on the film deposition process, since the thickness of the Ru interlayer at which the antiferromagnetic interaction of the desired value is realized does not exceed 1 nm, while the Ru interlayer must be continuous, excluding direct exchange interaction between the magnetic layers through the pores in the interlayer . For what reasons the choice was made in favor of this material, it is not clear.

Таким образом, независимо от природы возникновения ПМА в пленках (столбчатая структура или внутренние напряжения) путем введения немагнитных прослоек возможно получение многослойных магнитных структур, чья суммарная толщина намного превосходит критическую толщину перехода в «закритическое» состояние отдельного магнитного слоя, входящего в многослойную структуру. Следует отметить, что выбор материала прослойки чаще всего выполняется без изложения соответствующих доводов.Thus, regardless of the nature of the appearance of PMA in films (columnar structure or internal stresses), by introducing nonmagnetic interlayers, it is possible to obtain multilayer magnetic structures whose total thickness far exceeds the critical thickness of the transition to the “supercritical” state of an individual magnetic layer entering the multilayer structure. It should be noted that the choice of material of the interlayer is most often performed without setting forth the corresponding arguments.

Однако не для всех применений магнитных пленок введение немагнитной прослойки, разбивающее прямое магнитное взаимодействие между слоями, является желаемым. В ряде случаев предпочтительным является сохранение магнитной сплошности через всю многослойную структуру. Для этого авторы уже упомянутой работы (W.F. Egelhoff, Jr., J. Bonevich, P. Pong, C.R. Beauchamp, G.R. Stafford, J. Unguris, R.D. McMichael, «400-fold reduction in saturation field by interlayering, J. Appl. Phys. 105, (2009) 013921, прототип) предложили использовать вместо немагнитной прослойку из магнитного материала, но имеющего иную кристаллическую структуру, чем основные магнитные слои. То есть критерием выбора материала прослойки являлся тип (параметры) кристаллической структуры. В качестве примера в работе использовали прослойку сплава CoFe, обладающего оцк-решеткой, отличной от гцк-решетки основных слоев из сплава Ni₇₇Fe₁₄Ci₁₅Mo₄, и наблюдали отсутствие ″закритического″ состояния в многослойной структуре, состоящей из четырех основных магнитных слоев толщиной 100 нм, разделенных прослойками CoFe толщиной 2 нм, в то время как для однослойной пленки Ni₇₇Fe₁₄Ci₁₅Mo₄ величина L_c составляла ~300 нм. Но вместе с тем авторы приводят и данные, показывающие, что введение прослойки может снижать напряжение в пленке в десятки и даже сотни раз. Таким образом, в соответствии с вышеупомянутыми соотношениями можно предположить, что и величина L_c для магнитных слоев в многослойной пленке может значительно возрасти и превысить суммарную толщину, взятую авторами в качестве примера для многослойной пленки (~400 нм). Однако, как показала проверка, если толщина основных слоев близка к L_c, то введение между ними прослойки из CoFe не предотвращает возникновения «закритического» состояния в многослойной пленке. Таким образом, при введении прослойки из CoFe «закритическое» состояние не возникает только в том случае, если суммарная толщина многослойной пленки не превышает L_c для отдельного магнитного слоя, входящего в состав многослойной структуры.However, not for all applications of magnetic films, the introduction of a nonmagnetic interlayer, which breaks the direct magnetic interaction between the layers, is desirable. In some cases, it is preferable to maintain magnetic continuity through the entire multilayer structure. For this, the authors of the already mentioned work (WF Egelhoff, Jr., J. Bonevich, P. Pong, CR Beauchamp, GR Stafford, J. Unguris, RD McMichael, “400-fold reduction in saturation field by interlayering, J. Appl. Phys . 105, (2009) 013921, prototype) proposed to use instead of a non-magnetic interlayer of magnetic material, but having a different crystal structure than the main magnetic layers. That is, the criterion for choosing the material of the interlayer was the type (parameters) of the crystalline structure. As an example, the used layer CoFe alloy having the bcc lattice different from fcc-lattice core layers of an alloy of Ni ₇₇ Fe ₁₄ Ci ₁₅ Mo ₄ and the observed lack of "supercritical" state in a multilayer structure consisting of four main magnetic layers 100 nm thick, separated by 2 nm thick CoFe layers, while for a single-layer film of Ni ₇₇ Fe ₁₄ Ci ₁₅ Mo _{4, the} value of L _c was ~ 300 nm. But at the same time, the authors also cite data showing that the introduction of an interlayer can reduce the stress in the film by tens or even hundreds of times. Thus, in accordance with the above relations, it can be assumed that the value of L _c for magnetic layers in a multilayer film can significantly increase and exceed the total thickness taken by the authors as an example for a multilayer film (~ 400 nm). However, as verification showed, if the thickness of the main layers is close to L _c , then the introduction of a CoFe interlayer between them does not prevent the emergence of a “supercritical” state in the multilayer film. Thus, with the introduction of a CoFe interlayer, a “supercritical” state does not arise only if the total thickness of the multilayer film does not exceed L _c for an individual magnetic layer that is part of the multilayer structure.

Отметим, что при введении немагнитной прослойки между основными магнитными слоями, толщины которых меньше, чем L_c, возможно дополнительное улучшение магнитной мягкости пленок благодаря эффекту сохранения межслойной связи в определенном диапазоне толщин указанной прослойки. В этом случае магнитное взаимодействие между слоями осуществляется за счет магнитостатических механизмов. При этом магнитный поток от доменных границ разных слоев становится частично замкнутым. Это снижает плотность энергии таких границ и, как следствие, уменьшает коэрцитивную силу слоистой пленки (Н. Clow, Very low coercive force in nickel-iron films. Nature, vol. 194, pp.1035-1036, 1962). Зависимость H_c(L) имеет немонотонный характер: первоначальное резкое снижение H_c начинается при L ~1 нм, а затем сменяется ростом H_c,. При этом минимум Н_с достигается при величине L в интервале от 2 до 6 нм, а его ширина не превышает 2-3 нм, что привносит дополнительные трудности в технологию получения пленок и является недостатком материала. Указанные особенности в поведении зависимости H_c(L) определяется степенью магнитного взаимодействия слоев, разделенных прослойкой. Как было установлено, наличие положительной связи через межслойную границу способствует возникновению пар доменных границ с пониженной магнитостатической энергией. С ростом толщины прослойки магнитное взаимодействие ослабевает, что приводит к возрастанию усредненной граничной энергии и увеличению H_c.Note that when introducing a nonmagnetic interlayer between the main magnetic layers, the thickness of which is less than L _c , an additional improvement in the magnetic softness of the films is possible due to the effect of preserving the interlayer bond in a certain range of thicknesses of this interlayer. In this case, the magnetic interaction between the layers is due to magnetostatic mechanisms. In this case, the magnetic flux from the domain walls of different layers becomes partially closed. This reduces the energy density of such boundaries and, as a result, reduces the coercive force of the layered film (H. Clow, Very low coercive force in nickel-iron films. Nature, vol. 194, pp. 1035-1036, 1962). The dependence H _c (L) has a nonmonotonic character: the initial sharp decrease in H _c begins at L ~ 1 nm, and then is replaced by an increase in H _c,. At the same time, a minimum of H _{c is} achieved when L is in the range from 2 to 6 nm, and its width does not exceed 2-3 nm, which brings additional difficulties to the technology for producing films and is a material disadvantage. These features of behavior depending H _c (L) determined by the degree of interaction of the magnetic layers separated by a layer. It was found that the presence of a positive bond through the interlayer boundary contributes to the appearance of pairs of domain walls with low magnetostatic energy. With an increase in the thickness of the interlayer, the magnetic interaction weakens, which leads to an increase in the averaged boundary energy and an increase in H _c .

Из сказанного следует, что для приведенного случая необходимо так подобрать материал для прослойки, чтобы обеспечить положительное магнитное взаимодействие между слоями (нужной величины и в более широком интервале толщин прослойки). Величина этого взаимодействия должна быть гораздо меньше величины прямого обменного взаимодействия слоев и в то же время быть достаточной, чтобы обеспечить возникновение парных доменных границ, расположенных в соседних слоях. И, кроме того, взаимодействие должно быть более дальнодействующим, чем магнитостатическое взаимодействие.From the foregoing, it follows that for the given case it is necessary to select the material for the interlayer in such a way as to ensure positive magnetic interaction between the layers (of the desired size and in a wider range of interlayer thicknesses). The magnitude of this interaction should be much smaller than the direct exchange interaction of the layers and at the same time sufficient to ensure the appearance of paired domain walls located in neighboring layers. And, in addition, the interaction should be more long-range than the magnetostatic interaction.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа подбора материала для прослойки, например, для пленок с двумя одинаковыми слоями и прослойки между ними, который бы способствовал ускоренному достижению нужных свойств таких пленок.The problem to which the invention is directed, is to develop a method for selecting material for the interlayer, for example, for films with two identical layers and the interlayer between them, which would contribute to the accelerated achievement of the desired properties of such films.

Технический результат получаемого при реализации изобретения состоит в разработке способа, расширяющего технологические возможности при ионно-плазменном напылении многослойных пленок и сокращающего временные затраты.The technical result obtained by the implementation of the invention is to develop a method that extends the technological capabilities of the ion-plasma spraying of multilayer films and reduces time consumption.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе получения многослойных пленок, заключающегося в напылении, по крайней мере, двух основных слоев из одного материала и прослойки между ними из другого материала, выбор материалов для прослойки осуществляют путем их ранжирования по выбранному параметру, например, по степени убывания этого параметра, напыление пленок проводят в соответствии с требуемыми свойствами с заданным шагом параметра, и по мере приближения к требуемым (оптимальным свойствам) шаг просмотра материалов уменьшают до минимально возможного.The problem is achieved due to the fact that in the method of producing multilayer films, which consists in spraying at least two main layers of one material and a layer between them of another material, the choice of materials for the layer is carried out by ranking them according to the selected parameter, for example, by the degree of decrease of this parameter, the films are sprayed in accordance with the required properties with a given parameter step, and as we approach the required (optimal properties), the viewing step of materials decreases to the minimum possible.

В частном случае для напыления основных слоев используют магнитные материалы в «закритическом» состоянии, а в качестве выбранного параметра для магнитного материала прослойки используют интеграл обменного взаимодействия.In the particular case, magnetic materials in the “supercritical” state are used to spray the main layers, and the exchange interaction integral is used as the selected parameter for the magnetic material of the interlayer.

Кроме того, при этом возможно варьирование толщины слоев как самих магнитных материалов, так и толщины магнитных прослоекIn addition, it is possible to vary the thickness of the layers of both the magnetic materials themselves and the thickness of the magnetic interlayers

Возможность достижения положительного эффекта при использовании предлагаемого технического решения может быть объяснена следующим образом.The ability to achieve a positive effect when using the proposed technical solution can be explained as follows.

При опоре на магнитные материалы исходим из того, что в качестве материала для основных магнитных слоев может быть использован любой магнитомягкий сплав, как поликристаллический типа пермаллоя Fe_xNi_100-x с близкими к нулю константами магнитострикции и магнитокристаллической анизотропии, так и аморфный на основе сплавов Со и Fe с аморфизаторами типа В, Si, P и легирующими добавками типа Zr, Cr, Та. Как правило, для таких сплавов коэрцитивная сила не превышает единиц эрстед. Использование материалов с более высокой коэрцитивной силой может возникнуть при необходимости получения новых свойств в многослойных пленках. Для материала прослойки выбор можно сделать из довольно большого количества металлов и сплавов. Простой перебор таких возможных случаев потребует больших ресурсов. Поэтому предлагаемая последовательность действий будет способствовать ускорению в процессе достижения заданных свойств.When relying on magnetic materials, we proceed from the fact that any magnetically soft alloy can be used as the material for the main magnetic layers, such as a polycrystalline type Permalloy Fe _x Ni _100-x with close to zero constants of magnetostriction and magnetocrystalline anisotropy, and amorphous based on alloys Co and Fe with amorphizers type B, Si, P and dopants such as Zr, Cr, Ta. As a rule, for such alloys the coercive force does not exceed units oersted. The use of materials with a higher coercive force may arise if it is necessary to obtain new properties in multilayer films. For the material of the interlayer, the choice can be made from a fairly large number of metals and alloys. Simple enumeration of such possible cases will require large resources. Therefore, the proposed sequence of actions will facilitate acceleration in the process of achieving the desired properties.

Предлагаемый способ получения многослойных пленок поясняется на примере получения многослойной пленки, состоящей из двух основных магнитных слоев из одного и того же материала и прослойки, выполненной из магнитного материала, отличного от материала слоев.The proposed method for producing multilayer films is illustrated by the example of obtaining a multilayer film consisting of two main magnetic layers of the same material and a layer made of magnetic material other than the material of the layers.

Для таких материалов процесс выбора происходит путем выполнения следующих действий:For such materials, the selection process occurs by performing the following steps:

1. предполагаемые к использованию в качестве прослойки магнитные материалы (ферромагнитные металлы и их сплавы) заносятся в таблицу, например, в порядке убывания величины абсолютных значений их интегралов обменного взаимодействия, составленной на основе литературных данных. Например, в следующем виде:1. magnetic materials supposed to be used as a layer (ferromagnetic metals and their alloys) are listed in the table, for example, in decreasing order of the magnitude of the absolute values of their exchange interaction integrals, compiled on the basis of published data. For example, in the following form:

МатериалMaterial Со (А1)Co (A1) CoFe (А2)CoFe (A2) Gd-Co (A3)Gd-Co (A3) Dy₂Fe₁₂Al₅(A4)Dy ₂ Fe ₁₂ Al ₅ (A4) Gd (A5)Gd (a5) Tb₂Fe₁₂Ga₅(An)Tb ₂ Fe ₁₂ Ga ₅ (An) (An+1)(An + 1) Параметр (Интеграл) J (эрг)Parameter (Integral) J (erg) J1J1 J2J2 J3J3 J4J4 J5J5 JnJn Jn+1Jn + 1 5,4×10^-14 5.4 × 10 ^-14 4,8×10^-14 4.8 × 10 ^-14 1,6×l0^-15 1.6 × l0 ^-15 1,3×10^-15 1.3 × 10 ^-15 1,2×10^-15 1.2 × 10 ^-15 1,2×10^-15 1.2 × 10 ^-15

2. пошагово: используют для прослойки материал, стоящий первым в таблице, задают шаг (например, через один материал) и выполняют напыления с прослойкой из этого материала, по измеренным свойствам оценивают степень их приближения к заданным; шаг сохраняют, если измеренные параметры существенно отличаются от искомых, и шаг уменьшают (например, используя следующий по очереди материал), если наблюдается приближение к искомым параметрам, и выполняют напыление пленки с прослойкой из этого материала; затем вновь измеряют контролируемые параметры, на основе которых или выполняют напыление со следующим материалом прослойки, или считают результат достигнутым.2. step-by-step: use the material that is the first in the table for the interlayer, set the step (for example, through one material) and perform spraying with an interlayer of this material, measure the degree of their approximation to the set by the measured properties; the step is saved if the measured parameters differ significantly from the desired ones, and the step is reduced (for example, using the next material in turn), if an approximation to the desired parameters is observed, and a film is sprayed with a layer of this material; then the controlled parameters are again measured, on the basis of which they either spray with the following material of the interlayer, or consider the result achieved.

Кроме указанных действий существует упрощенная схема: после выбора материала для основных магнитных слоев в качестве материала прослойки выбирают материал, величина собственного интеграла обменного взаимодействия которого значительно меньше (примерно на порядок) аналогичного параметра материала основных магнитных слоев. Но в таком случае низка вероятность получения наиболее оптимального варианта искомых параметров многослойной пленки.In addition to these actions, there is a simplified scheme: after selecting a material for the main magnetic layers, a material is selected as the interlayer material, the value of the intrinsic integral of the exchange interaction of which is much less (about an order of magnitude) of the same parameter of the material of the main magnetic layers. But in this case, the probability of obtaining the most optimal variant of the desired parameters of the multilayer film is low.

Последовательность действий в соответствии с предлагаемым решением рассмотрена с использованием приведенных ниже иллюстраций, на которых показано:The sequence of actions in accordance with the proposed solution is considered using the illustrations below, which show:

на фиг.1 представлены петли гистерезиса для пленочных структур на основе пермаллоя Fe₂₀Ni₈₀ с прослойками Со толщиной 5 нм (а) и 20 нм (b) и прослойками CoFe толщиной 5 нм (с) и 20 нм (d);figure 1 shows the hysteresis loop for film structures based on permalloy Fe ₂₀ Ni ₈₀ with interlayers With a thickness of 5 nm (a) and 20 nm (b) and CoFe interlayers with a thickness of 5 nm (s) and 20 nm (d);

на фиг.2 представлены петли гистерезиса для пленочных структур на основе пермаллоя Fe₂₀Ni₈₀ с прослойками Gd толщиной 1 нм (а) и 2 нм (b) и прослойками Gd-Co толщиной 4 нм (с) и 6 нм (d);figure 2 presents hysteresis loops for film structures based on permalloy Fe ₂₀ Ni ₈₀ with Gd interlayers 1 nm (a) and 2 nm thick (b) and Gd-Co interlayers 4 nm (s) and 6 nm thick (d);

на фиг.3 приведены зависимости коэрцитивной силы Не от толщины прослойки Gd (а) и Gd-Co (b) для пленочных структур на основе пермаллоя Fe₂₀Ni₈₀.figure 3 shows the dependence of the coercive force He on the thickness of the interlayer Gd (a) and Gd-Co (b) for film structures based on permalloy Fe ₂₀ Ni ₈₀ .

Пленочные образцы Fe₂₀Ni₈₀/X/Fe₂₀Ni₈₀ (X=Со, CoFe, Gd и аморфный сплав Gd₂₁Co₇₉) были получены методом ионно-плазменного напыления с использованием соответствующих мишеней. Пермаллой состава Fe₂₀Ni₈₀ был выбран в качестве материала для основных магнитных слоев, так как известен своей магнитной мягкостью. Толщина слоев пермаллоя составляла 170 нм, так как ранее нами было установлено, что при используемых нами параметрах напыления для пленок пермаллоя L_c составляет ~180 нм. Поэтому нулевой толщине прослойки соответствовала однослойная пленка FeNi толщиной 340 нм, которая находилась в «закритическом» состоянии и ее H_c превышала 10 Э. Толщина магнитной прослойки L_p изменялась в интервале от 0 до 20 нм. Материал для магнитной прослойки выбирался, исходя из литературных данных о величине интегралов обменного взаимодействия J (таблица) и имеющихся в наличии мишеней. При этом использовались материалы, величина интеграла обменного взаимодействия которых как не уступала по величине аналогичному параметру пленки Fe₂₀Ni₈₀, так и была заметно ниже последнего. Среди приведенных материалов самая большая величина J соответствует кобальту, более того, она даже выше аналогичного параметра для пермаллоя (3,5×10^-14 эрг). Отдельно отметим, что гадолиний имеет температуру Кюри (T_c) 293 К для объемных образцов, а для пленок она не превышает 285 К, кроме того, при толщинах пленок Gd менее 6 нм наблюдается резкое снижение Те (A.V. Svalov, V.O. Vas′kovskiy, J.M. Barandiaran, K.G. Balymov, A.N. Sorokin, I. Orue, A. Larrafiaga, N.N. Schegoleva, G.V. Kurlyandskaya. Structure and magnetic properties of Gd/Ti nanoscale multilayers. Solid State Phenomena, 2011, Vols. 168-169, p.281). С другой стороны, прослойка Gd, находящаяся между двумя магнитными слоями FeNi, испытывает подмагничивающее действие со стороны указанных слоев, и поэтому Gd при толщине в несколько нанометров может быть в магнитоупорядоченном состоянии при комнатной температуре. Это позволяет рассматривать ее в качестве магнитной прослойки.Film samples of Fe ₂₀ Ni ₈₀ / X / Fe ₂₀ Ni ₈₀ (X = Co, CoFe, Gd and the amorphous alloy Gd ₂₁ Co ₇₉ ) were obtained by ion-plasma sputtering using appropriate targets. The permalloy of the composition Fe ₂₀ Ni ₈₀ was chosen as the material for the main magnetic layers, as it is known for its magnetic softness. The thickness of permalloy layers was 170 nm, since it was previously established by us that for the deposition parameters used by us for permalloy films, L _c is ~ 180 nm. Therefore, the zero layer thickness corresponded FeNi monolayer film of thickness 340 nm, which was in a "supercritical" state and its H _c greater than 10 Oe magnetic layer thickness L _p was varied in the range of 0 to 20 nm. The material for the magnetic interlayer was selected on the basis of published data on the magnitude of the exchange interaction integrals J (table) and the available targets. In this case, materials were used, the value of the exchange interaction integral of which was not inferior in magnitude to the similar parameter of the Fe ₂₀ Ni ₈₀ film, and was noticeably lower than the latter. Among the materials cited, the largest value of J corresponds to cobalt; moreover, it is even higher than the same parameter for permalloy (3.5 × 10 ^-14 erg). We note separately that gadolinium has a Curie temperature (T _c ) of 293 K for bulk samples, and for films it does not exceed 285 K, in addition, a sharp decrease in Te is observed at Gd film thicknesses less than 6 nm (AV Svalov, VO Vaskovkoviy, JM Barandiaran, KG Balymov, AN Sorokin, I. Orue, A. Larrafiaga, NN Schegoleva, GV Kurlyandskaya. Structure and magnetic properties of Gd / Ti nanoscale multilayers. Solid State Phenomena, 2011, Vols. 168-169, p. 281) . On the other hand, the Gd interlayer located between two magnetic FeNi layers experiences a magnetizing effect on the side of these layers, and therefore, Gd at a thickness of several nanometers can be in a magnetically ordered state at room temperature. This allows us to consider it as a magnetic layer.

Как видно из фиг.1, «закритическое» состояние сохраняется при введении прослойки Со любой толщины. Прослойка Со не уменьшает обменного взаимодействия между слоями FeNi, тем самым трехслойная пленка Fe₂₀Ni₈₀/Co/Fe₂₀Ni₈₀ ведет себя как единая магнитная структура, чья толщина превосходит L_c для однослойной пленки FeNi, и «закритическое» состояние воспроизводится и в многослойной структуре. То есть при поиске заданных параметров, а именно низкой коэрцитивной силы и небольшой по величине, но четко выраженной по направлению в плоскости пленки анизотропии, кобальт в качестве материала прослойки не подходит.As can be seen from figure 1, the “supercritical” state is maintained when the interlayer Co of any thickness is introduced. The Co interlayer does not reduce the exchange interaction between FeNi layers, thereby the three-layer Fe ₂₀ Ni ₈₀ / Co / Fe ₂₀ Ni ₈₀ film behaves as a single magnetic structure, whose thickness exceeds L _c for a single-layer FeNi film, and the “supercritical” state is also reproduced multilayer structure. That is, when searching for the specified parameters, namely, a low coercive force and a small in size, but clearly expressed in the direction in the plane of the anisotropy film, cobalt is not suitable as a layer material.

Введение в пленку FeNi прослойки CoFe, чей интеграл обменного взаимодействия близок к аналогичному параметру чистого кобальта, также не предотвращает возникновения «закритического» состояния и не обеспечивает требуемые параметры структуры.The introduction of a CoFe interlayer into the FeNi film, whose exchange interaction integral is close to the similar parameter of pure cobalt, also does not prevent the emergence of a “supercritical” state and does not provide the required structural parameters.

Для материалов прослойки с более низким интегралом обменного взаимодействия (Gd-Co и Gd) «закритическое» состояние исчезает, когда величина L_p превышает 1 нм для Gd и 3 нм для Gd-Co (фиг.2). Эти прослойки значительно ослабляют обменное взаимодействие между слоями FeNi, тем самым, разбивая толстую пленку FeNi на два слабовзаимодействующих самостоятельных слоя, чья толщина меньше L_c, что и приводит к исчезновению «закритического» состояния в трехслойных пленках Fe₂₀Ni₈₀/Gd/Fe₂₀Ni₈₀ и Fe₂₀Ni₈₀/Gd-Co/Fe₂₀Ni₈₀. To есть в приведенном примере второй шаг существенно изменяет коэрцитивную силу в сторону уменьшения.For materials of the interlayer with a lower exchange interaction integral (Gd-Co and Gd), the “supercritical” state disappears when the value of L _p exceeds 1 nm for Gd and 3 nm for Gd-Co (FIG. 2). These interlayers significantly weaken the exchange interaction between FeNi layers, thereby breaking up the thick FeNi film into two weakly interacting independent layers whose thickness is less than L _c , which leads to the disappearance of the “supercritical” state in the three-layer Fe ₂₀ Ni ₈₀ / Gd / Fe ₂₀ films Ni ₈₀ and Fe ₂₀ Ni ₈₀ / Gd-Co / Fe ₂₀ Ni ₈₀ . That is, in the given example, the second step significantly changes the coercive force in the direction of decrease.

На образце FeNi/Gd(6нм)/FeNi был проведен дополнительный эксперимент: для него были получены петли гистерезиса при температуре 190 К, что намного ниже T_c для пленки Gd толщиной 6 нм (~270 К), то есть прослойка Gd заведомо находилась в магнитоупорядоченном состоянии, и было обнаружено, что «закритическое» состояние отсутствует.An additional experiment was conducted on the FeNi / Gd (6 nm) / FeNi sample: hysteresis loops were obtained for it at a temperature of 190 K, which is much lower than T _c for a Gd film 6 nm thick (~ 270 K), i.e., the Gd interlayer was obviously in magnetically ordered state, and it was found that the “supercritical” state is absent.

Отметим, что для прослойки Gd-Co Не уменьшилась до 0,25 Э, а наименьшая H_c=0,1 Э была получена для прослойки Gd. Однако при этом минимум на зависимости H_c(L_p) оказался более узким для Gd: уже при L_p=6 нм величина Не выросла до 0,6 Э, а при L_p=20 нм до 0,9 Э, в случае же прослойки Gd-Co и при L_p=20 нм величина H_c не превысила 0,3 Э (фиг.3). Узость интервала существования низкой H_c не позволяет считать, что пленка с Gd отвечает заданным параметрам. Для более стабильного процесса получения пленок по совокупности параметров предпочтительнее остановится на пленке Gd-Co. Пошаговые действия при этом сокращают время получения нужных параметров в сравнении со сплошным перебором материалов.Note that for the Gd-Co interlayer, It did not decrease to 0.25 Oe, and the smallest H _c = 0.1 Oe was obtained for the Gd interlayer. However, the minimum in the dependence H _c (L _p ) turned out to be narrower for Gd: already at L _p = 6 nm, the value of He increased to 0.6 Oe, and at L _p = 20 nm to 0.9 Oe, in the case layer Gd-Co and at L _p = 20 nm, the value of H _c did not exceed 0.3 Oe (figure 3). The narrowness of the existence interval of low H _c does not allow us to assume that the film with Gd corresponds to the given parameters. For a more stable process for the preparation of films by a combination of parameters, it is preferable to dwell on a Gd-Co film. Step-by-step actions at the same time reduce the time required to obtain the necessary parameters in comparison with the exhaustive search of materials.

Нами использовался для основных слоев пермаллой, но ряд известных материалов, в которых реализуется «закритическое» состояние, включает, например, сплавы CoPt, GdCo. Поэтому использование этих материалов как в одиночном виде, так и в сочетании друг с другом предлагаемый способ не ограничивает. Варьироваться могут и толщины основных слоев, и толщины прослоек в таких сочетаниях.We used Permalloy for the main layers, but a number of known materials in which the “supercritical” state is realized includes, for example, CoPt, GdCo alloys. Therefore, the use of these materials both singly and in combination with each other, the proposed method does not limit. The thicknesses of the main layers and the thickness of the interlayers in such combinations can also vary.

Вопрос же выбора самого параметра определяется на основе имеющихся данных о свойствах материалов и уровнем квалификации исполнителя.The question of choosing the parameter itself is determined on the basis of available data on the properties of materials and the level of skill of the performer.

В качестве материала для немагнитной прослойки используют медь, серебро, титан, молибден или другие неферромагнитные металлы или их сплавы, а также неметаллические материалы, например, кремний, оксиды.As the material for the non-magnetic layer, copper, silver, titanium, molybdenum or other non-ferromagnetic metals or their alloys are used, as well as non-metallic materials, for example, silicon, oxides.

Кроме того, предлагаемый способ получения многослойной пленки, состоящей из двух основных магнитных слоев из одного и того же материала и прослойки, выполненной из магнитного материала, отличного от материала слоев, может быть реализован следующим способом.In addition, the proposed method for producing a multilayer film consisting of two main magnetic layers of the same material and a layer made of magnetic material other than the material of the layers can be implemented in the following way.

Сначала формируют первый магнитный слой с толщиной, не превышающей величину, при которой возникает «закритическое» состояние, после чего напыляют магнитную прослойку из материала, для которого величина интеграла обменного взаимодействия много меньше величины интеграла обменного взаимодействия материала основных магнитных слоев, а затем наносится второй магнитный слой, аналогичный первому, при этом материалы, выбранные в качестве кандидатов для материала прослойки, выстраивают в табличный ряд (ранжируют), например, по убывающей величине указанного интеграла, затем с выбранным шагом выполняют напыление с соответствующими прослойками, определяют степень приближения к требуемым свойствам для многослойной пленки и затем или выполняют следующий шаг по напылению с другим материалом прослойки, или уменьшают выбранный шаг для другого материала из указанного ряда.First, the first magnetic layer is formed with a thickness not exceeding the value at which the “supercritical” state occurs, after which a magnetic layer is deposited from a material for which the magnitude of the exchange interaction integral is much smaller than the magnitude of the exchange interaction integral of the material of the main magnetic layers, and then a second magnetic a layer similar to the first, while the materials selected as candidates for the interlayer material are arranged in a tabular row (rank), for example, in decreasing order not said integral, then the selected step is performed with the corresponding sputtering interlayers, determine the degree of approximation to the desired properties for the multilayer film and then perform the next step or by spraying with another layer of material, or reduce the selected pitch for different material from said series.

При этом между основными магнитными слоями и магнитной прослойкой могут быть введены немагнитные прослойки, а основные магнитные слои могут дополнительно содержать немагнитные прослойки.In this case, non-magnetic interlayers can be introduced between the main magnetic layers and the magnetic interlayer, and the main magnetic layers can further comprise non-magnetic interlayers.

Кроме того, толщину одного из слоев выбирают «закритической», а толщину другого изменяют вплоть до «закритической» при выбранной толщине и материале прослойки до нахождения заданных свойств многослойной пленки.In addition, the thickness of one of the layers is chosen to be “supercritical”, and the thickness of the other is changed up to “supercritical” with the selected thickness and material of the interlayer until the desired properties of the multilayer film are found.

В качестве основных слоев не исключается использование и различных материалов.The use of various materials is not excluded as the main layers.

Предлагаемый способ получения многослойных пленок, основанный на подборе прослойки и реализованный с использованием магнитных материалов, в отличие от известных способов не только позволяет получить «толстые» магнитные пленки без «закритического» состояния методом ионно-плазменного напыления, но и дополнительно понизить коэрцитивную силу многослойных пленочных структур в сравнении с коэрцитивной силой однослойных пленок при сохранении магнитной сплошности через всю многослойную структуру. Причем толщина основных магнитных слоев может быть как близка к критической, так и заведомо меньше ее.The proposed method for producing multilayer films based on the selection of the interlayer and implemented using magnetic materials, in contrast to the known methods, not only allows one to obtain “thick” magnetic films without a “supercritical” state by ion-plasma spraying, but also additionally reduce the coercive force of multilayer film structures in comparison with the coercive force of single-layer films while maintaining magnetic continuity through the entire multilayer structure. Moreover, the thickness of the main magnetic layers can be both close to critical and obviously less than it.

Кроме того, минимум на зависимости коэрцитивной силы от толщины магнитной прослойки является более широким, чем в случае немагнитной прослойки. Все это имеет важное значение как для расширения применения пленок за счет улучшения их магнитной мягкости, так и метода ионно-плазменного напыления при получении магнитомягких пленочных структур за счет снижения требований к погрешности в толщине при напылении прослоек.In addition, the minimum on the dependence of the coercive force on the thickness of the magnetic layer is wider than in the case of a non-magnetic layer. All this is important both for expanding the use of films by improving their magnetic softness, as well as the method of ion-plasma deposition in the production of soft magnetic film structures by reducing the requirements for errors in thickness when spraying interlayers.

Понятно, что аналогичный подход может быть использован и при задании у слоистых пленок немагнитных параметров.It is clear that a similar approach can also be used for setting non-magnetic parameters for layered films.

Таким образом, реализация изобретения позволит расширить технологические возможности способа при ионно-плазменном напылении многослойных пленок и сократить временные затраты, а также расширить диапазон ограничений, накладываемых как на толщину прослойки, так и на толщину основных слоев при получении магнитомягких многослойных пленок за счет оптимизации выбора материала прослойки.Thus, the implementation of the invention will expand the technological capabilities of the method for ion-plasma spraying of multilayer films and reduce time costs, as well as expand the range of restrictions imposed on both the thickness of the interlayer and the thickness of the main layers in obtaining magnetically soft multilayer films by optimizing the choice of material interlayers.

Кроме этого в результате реализации способа для конкретных условий получен магнитный материал с низким значением коэрцитивной силы для высокочувствительных датчиков магнитного поля.In addition, as a result of implementing the method for specific conditions, a magnetic material with a low coercive force value for highly sensitive magnetic field sensors was obtained.

Claims

A method of producing multilayer magnetic films, comprising ion-plasma spraying of at least two main layers of the same magnetic material and a layer between them of a magnetic material different from the material of the main layers, characterized in that the main layers are sprayed from a soft magnetic material with a thickness not exceeding the thickness of the occurrence of the supercritical state, and the choice of the material of the interlayer is carried out by selection of magnetic materials, the absolute value of the exchange interaction integral, I, for which lower than that of the material of the basic layers, ranking them in decreasing order I, spraying with interlayers of materials with a given step of measuring the coercive force, H _c , comparing the obtained values with a given value of H _c for a multilayer film, while obtaining different from the set one, the step for selecting ranked materials is reduced and the spraying process, measurements of H _c and comparison with the set value are repeated, and the interlayer is sprayed from the material with the H _c value corresponding to the set.