（凝聚态物理专业论文）高密度磁记录磁头材料feco薄膜的微结构和磁特性研究.pdf

摘要 随着磁盘面记录密度的不断提高，要求磁记录介质具有很高的矫顽力，而要在高矫 顽力上记录信息，要求记录磁头材料必须具有高饱和磁感应强度。f e c o 合金因具有高 饱和磁化强度，而使其成为很有竞争优势的材料，但f e c o 合会薄膜一般表现大的矫顽 力，给应用带来很大困难。 本文采用对靶磁控溅射的方法，在真空环境下制备了f e c o 系列薄膜，并利用v s m 、 s p m 和x r d 等设备对材料的磁特性和微结构进行了测试、分析。讨论了不同的靶成分、 热处理温度及薄膜厚度对薄膜微结构和磁特性的影响。取得的主要研究结果如下： ( 1 ) 对于f e 5 0 c 0 5 0 ( 5 0 n m ) 薄膜，样品的矫顽力随基底温度的升高呈现越来越低的趋 势，在基底温度为5 0 0 。c 时，矫顽力的值最小为4 7 0 e 。表面形貌的研究表明， f e 5 0 c 0 5 0 ( 5 0 n m ) 薄膜表面的粗糙度随着基底温度的升高逐渐增大，磁畴对比度 随基底温度的升高而增强。x r d 测试样品峰的强度随基底温度升高明显增强。 ( 2 ) 对沉积态f e 5 0 c 0 5 0 薄膜样品，当膜厚小于3 3 r i m 时，随着膜厚的增加，样品的 矫顽力逐渐降低；在厚度为3 3 n m 时出现了最小值为2 5 0 e ；当厚度大于3 3 n m 时，矫顽力随着薄膜厚度的增加逐渐增加；当薄膜厚度增加为1 7 0 n m 时，样品 的矫顽力达到最大值1 0 6 0 e 。表面粗糙度随薄膜厚度的增加越来越大。x r d 测 试样品峰的强度随薄膜厚度增加明显增强。 ( 3 ) 对沉积念f e t o c 0 3 0 系列薄膜的研究得到，随着膜厚的增加，样品的矫顽力逐渐 升高，饱和磁化强度则有降低趋势。表面形貌的研究表明，当薄膜厚度增加时， 表面粗糙度也在增加。x r d 测试样品峰的强度随薄膜厚度增加明显增强。 ( 4 ) 对退火温度6 0 0 。c 的f e 7 0 c 0 3 0 薄膜样品，随着膜厚的增加，样品的矫顽力先 增加后降低。表面粗糙度及磁畴强弱对比随厚度的增加越来越大。x r d 测试 样品峰的强度随薄膜厚度增加明显增强。 关键词：f e c o 薄膜磁控溅射矫顽力饱和磁化强度磁畴 i i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eh i g hd e n s i t yr e c o r d i n g ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h em a g n e t i c h e a dm a t e r i a l sh a v ev e r yh i g hc o e r c i v i t ya n ds a t u r a t i o nm a g n e t i cf l u xd e n s i t y f e c oa l l o y s h a v eb e e ni n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e db e c a u s eo ft h e i rv e r yh i g hs a t u r a t i o nf l u xd e n s i t y s p u t t e r d e p o s i t e df e c of i l m s ，h o w e v e r , g e n e r a l l ys h o wh i 曲c o e r c i v i t ya n dt h e ya r et h e r e f o r en o t a p p l i c a b l ea st h er i g h tp o l em a t e r i a l si nam a g n e t i cr e c o r d i n gh e a d i nt h i st h e s i s ，s o m es e r i e so ff i l m sw e r ep r e p a r e db yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n go n t og l a s s s u b s t r a t e sa tr o o mt e m p e r a t u r e m i c r o s t r u c t u r e so ff i l m sw e r ee x a m i n e db y x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) m o r p h o l o g i e sa n dd o m a i ns t r u c t u r e sw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ( s p m ) a n dm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e db yv i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) t h ei n f l u e n c eo fs p u t t e r i n gp a r a m e t e ro nt h e i rm i c r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r e s t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y ( 1 ) f o rt h ef e s o c 0 5 0 ( 5 0 n t o ) f i l m ，t h ec o e r c i v i t yo ft h es a m p l er e d u c e sw i t ht h es u b s t r a t e t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h ec o e r c i v i t yr e a c h e st h em i n i m u m4 7 0 ef o rt h ef e s o c o s o ( 5 0 n m ) f i l ma tt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r eo f5 0 0 。c s p mi m a g es h o w st h es u p e r f i c i a l a v e r a g er o u g h n e s si n c r e a s e sw i t ht h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h e s t r e n g t ho ft h es a m p l et e s t e db yx r di n c r e a s e sw i t ht h es u b s t r a t et e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g ( 2 ) i ti sf o u n dt h a tf o rt h ef e s o c o s of i l m ss a m p l e ，w h e nf i l mt h i c k n e s sw a sl e s st h a n3 3 n l n ，t h ec o e r c i v i t yo ff e s o c o s of i l m sr e d u c e sw i t ht h ef i l mt h i c k n e s s e si n c r e a s i n g ； t h em i n i m u mv a l u eo fc o e r c i v i t yi so b t a i n e dw h e nt h et h i c k n e s so ff e 5 0 c 0 5 0f i l m s w a s2 5 0 e w h e nf i l mt h i c k n e s se x c e e d e st h a n3 3n n l ，t h e c o e r c i v i t yo ff e s o c o s o f i l m si n c r e a s e sw i t ht h ef i l mt h i c k n e s s e si n c r e a s i n g ；t h ec o e r c i v i t yr e a c h e si t s p e a kv a l u e10 6 0 ew h e ni t st h i c k n e s si s17 0 m m t h es t r e n g t ho ft h ep e a ko ft h e x r dt e s t e ds a m p l ei n c r e a s e sw i t ht h et h i c k n e s so ft h ef i l mi n c r e a s i n g ( 3 ) f r o mt h es t u d yo ff e 7 0 c 0 3 0f i l m ss e r i e s ，i ti sf o u n dt h a tt h ec o e r c i v i t yo ft h es a m p l e i n c r e a s e sg r a d u a l l yw i t ht h et h i c k n e s sw h i l et h em a g n e t i cs a t u r a t i o nd e c r e a s e s t h e i v v s u p e r f i c i a la v e r a g er o u g h n e s si n c r e a s e sw i t ht h et h i c k n e s so ft h ef i l m s t h es t r e n g t h o ft h ep e a ko ft h ex r dt e s t e ds a m p l ei n c r e a s e sw i t ht h et h i c k n e s so ft h ef i l m m c r e a s m g ( 4 ) f o rt h ef e 7 0 c 0 3 0m e m b r a n es a m p l ew i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r e6 0 0 。c ，t h ec o e r c i v i t y f i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nr e d u c e sw i t ht h ef i l mt h i c k n e s s e si n c r e a s i n g t h e s u p e r f i c i a la v e r a g er o u g h n e s sa n dm a g n e t i cd o m a i ni n c r e a s e sm o r ea n dm o r e t h e s t r e n g t ho ft h ep e a ko ft h ex r d t e s t e ds a m p l ei n c r e a s e sw i t ht h et h i c k n e s so ft h e f i l mi n c r e a s i n g k e yw o r d s ：f e - c of i l m sm a g n e t r o ns p u t t e r i n gc o e r c i v i t y s a t u r a t i o nf l u xd e n s i t y m a g n e t i cd o m a i n 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文高密度磁记录磁头材料f e c o 薄膜的微结构和磁特性研究，是 在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：桷钤 卅年厂，月日 指导教师确认( 签名) ： x 妙g 年1 1 月- , g 日 学位论文版权使用授权书 孝享亏 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 论文作者( 签名) 镌磅 现嘲年厂月彩日葛臻日毫车拈w 喀年月名日 i i 1 绪论 1 1 磁性颗粒膜的性质及其发展历史 磁性颗粒膜是由小铁磁性金属颗粒分布在非磁性薄膜基体中形成的复合材料体系。原则 上，颗粒材料与母体材料在制备条件下应互不固溶，因此颗粒膜区别于合金、化合物，属于 非均匀系统。满足此条件的材料组合有金属一金属、金属一绝缘体( 半导体) 、半导体一半导 体( 超导体) 、超导体。绝缘体等，从而构成了内涵丰富，物理、化学性质可以人工剪裁的复 合体系。从k u b o 的早期研究开始，人们注意到了各种精细颗粒体系。由于量子尺度效应， 这种系统展示出了不同于块体材料的特殊行为。磁性质也受颗粒的尺寸和形状的影响。由于 磁性颗粒薄膜在高密度磁记录领域具有广阔的应用前景，所以部分磁性颗粒膜已经被研究了 很长时间。颗粒膜的性质除取决于组分外，还与微颗粒的尺寸以及界面结构等因素有关。通 过控制组分和制备工艺条件，可以获得纳米量级的颗粒薄膜，从而体系将呈现尺寸效应。又 由于颗粒膜系统在导电性、光学性质、磁性、机械性能等方面表现出丰富多彩的物理现象， 因此不论从基础研究还是实际应用角度看，颗粒膜都是一类值得深入研究的新型人工功能材 料。 上世纪9 0 年代初期，对于磁性颗粒膜的深入研究首先从铁磁金属非金属颗粒薄膜系统 中的巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 丌始的，而灵感则来源于磁性多层膜系统 中的巨磁电阻效应。1 9 8 8 年法国巴黎大学物理系f e r t 教授的科研组首先在f e c r 多层膜中发 现了巨磁电阻效应【i j ，即材料的电阻率随材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象，他们 采用分子柬外延的手段，在g a a s ( 0 0 1 ) 基片上外延生长了( 0 0 1 ) f e ( 0 0 1 ) c r 超晶格，在4 2k 温 度下，当f e ，c r 层的厚度分别为3 和0 9 n m 时，外加2 k o e 的磁场可获得5 0 磁电阻变化率 ( ar r o - 5 0 ) ，这数值比人们所熟知的f e n i 合金的各向异性磁电阻约大一个数量级，并 且为负值，故称之为巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 以示区别。f e c r 多层膜中 g m r 效应的物理机制源于相邻铁磁层间通过非磁性c r 层产生的反铁磁性耦合，而j , l - d r l 磁场 可改变铁磁层中磁矩的方向，使其趋于外磁场方向取向排列，由于电子在具有不同磁矩取向 的磁性层中输运时，所受到的散射几率是不同的，从而导致电阻率随磁化状态的改变而改变。 g r u n b e r g 等人【2 】曾在1 9 8 6 年采用布里渊散射对f e c r 多层膜的层间耦合进行了研究，为巨磁 电阻效应的发现奠定了物理基础。鉴于巨磁电阻效应在基础研究和实际应用中的重要性，f e r t 教授和g r u n b e r g 教授于1 9 9 4 年8 月在波兰华沙召开的国际磁学会议上获得第二届 i u p a p ( i n t e m a t i o n a lu n i o no f p u r ea n da p p l i e dh y s i c s ) 磁学大奖。在磁性多层膜的巨磁电阻效应 研究的启发与促进下，1 9 9 2 年b e r k o w i t z 和c h i e n 研究组【3 。6 】分别独立地发现在c o c u 和c o a g 颗粒膜中同样存在巨磁电阻效应。1 9 9 3 年h e l m o l t 等人【7 】在l a 0 6 7 b a o 3 3 m n o x 类钙钛矿铁磁薄 膜中发现室温磁电阻效应可高达6 0 ，为这类混合价化合物的本征磁电阻效应的研究揭开了 序幕。1 9 9 5 年m i y a z a k a 等人【8 1 发现f e a 1 2 0 3 腰e 隧道结室温下巨磁电阻效应可达1 8 。另外， 早在7 0 年代初期，g i t t l e m a n 等【9 】人，在用溅射法制备的n i s i o 颗粒膜中观察到了很小的磁 电阻效应，并将它归因于自旋相关隧穿效应。2 0 多年后，在1 9 9 5 年，f u j i m o r i 和m i t a n i 等 人【1 0 ，1 1 】首次报道了c o a 1 o 系统中室温下的巨磁电阻效应，磁电阻值约为8 。此后不久， m i l n e r 等【屹】人在n i ( c o ) s i 0 系统中也发现了这种巨大磁电阻效应。这种电子的输运过程是隧 道效应的巨磁电阻称为“隧道型磁电阻( t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) ”。1 9 9 6 年在 c o ( n i ) s i 0 2 颗粒膜中同样发现具有隧道效应的巨磁电阻效应。巨磁电阻效应的研究，为研究 领域的确立奠定了基础，并在高密度读出磁头，磁传感器，磁性随机存储器等领域具有广阔 的应用前景，从而成为国际上极为活跃的研究领域之一。 1 2 磁写入材料的发展史及其特性要求 早期使用的磁头材料为大块铁氧体，铁氧体包括高密度真空烧结铁氧体、热压铁氧体和 单晶铁氧体，它们具有较高的电阻率和硬度，但是它们的饱和磁化强度很低( o 3 5 0 4 t ) ，而且 居里点也比较低。随着记录密度的不断提高，块体记录头因不能达到高密度记录所需要的尺 寸精度的要求，因此很快被放弃了。薄膜磁头由于其频响宽、分辨率高、惯量小，质量稳定 等优点在快速存取、高密度记录方面，日益受到人们重视。相对于大块铁氧体及s e n d u s t 合 金磁头，坡莫合金薄膜磁头提高了记录密度和分辨率。坡莫合金的饱和磁化强度为0 6 1 1 t ， 矫顽力小于0 2 0 e ，居里温度为3 5 0 4 6 0 。c 。磁导率高且饱和磁化强度( 展) 也高的是纳米晶膜， 它比早期用于t f i 磁头的n i 8 0 f e 2 0 型坡莫合金膜的性能要好得多。 随着记录密度的提高，记录介质的矫顽力) 越来越高，必然需要磁头产生更大的磁化 场才能将信息记录下来，而为了避免极尖饱和现象引起的记录效率降低，就要求磁头材料具 有更高的饱和磁感应强度。薄膜磁头材料所需达到的饱和磁感应强度由介质矫顽力决定，可 通过下式求得【”】： h 2 5 日。( 1 1 ) 2 日= 芋t a n q 赤d0 万 iz l+ i 生二o 5 o 8 b s 式中，皿为磁记录介质矫顽力，日为介质表面磁化场，皿为磁头缝隙处的磁场，职为磁 头材料的饱和磁感应强度，g 为磁头缝隙宽度，d 为磁头与介质问距离，6 为记录介质磁层厚 度。因此，用于高密度记录的薄膜磁头材料首先要具有高的饱和磁感应强度。 磁导率是磁头的极重要参数。写入是利用最大磁导率s m ，读出是利用起始磁导率, t f 。写 入效果好是读出好的前提。因此，为了提高磁头的灵敏度，使微弱的介质信号在磁头线圈中 有较大的磁感应强度，使写入信号在磁头缝隙中有较大的磁场强度，一般来说，希望铁芯材 料具有较大的起始磁导率和最大磁导率。 在记录过程中，由于各种原因会产生噪音或干扰，而磁头产生噪音的主要原因是：磁性 材料的矫顽力乜太大，剩磁不易全部消除掉，还残留一点无用之磁性，引起噪音；磁性材料 的剩磁研不够低，而产生的磁滞损失引起噪音。因此为了消除磁头的噪音，首先要降低磁性 材料的矫顽力皿、其次是降低材料的剩余磁感应值研。 综合磁记录的记录和重放过程，对电磁感应式磁头的基本要求可概述为【1 4 d6 】：( 1 ) 尽可 能高的饱和磁感应强度历；( 2 ) 高的磁导率；( 3 ) 尽量低的矫顽力和剩磁毋，消除磁头的噪音； ( 4 ) 提高电阻率p 以减少涡流损耗；( 5 ) 具有较高的表面硬度、良好的耐磨性，以保证其使 用寿命j ( 6 ) 良好的加工特性，适于大批量、机械化生产，制造成本低。 随着记录密度的提高，记录介质的矫顽力( 趣) 越来越高，要实现高密度磁记录，磁头磁 极用薄膜的饱和磁化强度( 毋) 必须足够高，而矫顽力小，磁导率高。因此，今后高毋膜的开 发最受人们关注。表1 1 【l 。7 】给出了感应式磁头磁极膜的成份和饱和磁化强度( 4 7 z ：忆) 值。 3 表1 1感应式磁头磁极膜的成份和饱和磁化强度4 z r m s 1 3 块状f e c o 合金的性质 1 8 锄】 在室温下，具有铁磁性的元素只有f e 、c o 和n i 。这三个元素的饱和磁化强度分别为 2 1 5 k g ，1 7 8 k g 和6 0 6 k g 。f e 具有最高的饱和磁化强度，因此高饱和磁化的软磁材料通常 为f e 基合金。对于周期表上相互接近的元素组成的合金，其平均磁矩是外层电子数的函数， 这一关系叫做泡利一斯莱特曲线( p a u l i n g s l a t e r ) 曲线，如图1 1 所示。从图1 1 可以清楚地看 4 到，在合金组成为f e ：c o = 7 ：3 的地方有一个最大值。 图1 2 为f e c o 系合金的毋和疋与c o 含量的关系，由图可见，c o 含量为5 0 时，居里 温度疋最高约为9 8 0 。c ；c o 含量在3 0 附近，饱和磁感应强度凤最高约为2 4 t 。 图1 1 泡利斯莱特曲线 拿 矗 、 = - 口 - _ x - 一 k 图1 2f e c o 系合金的伍和疋与c o 含 量的关系 9 暑 一 = j 露 暑 乓 图1 3f e - c o 系合金的k l 、九l o o 和丸1 1 1 与c o 含量的关系 铁钴合金的磁性与f e n i 系坡莫合金一样，取决于合金的各向异性常数k l 和磁致伸缩a 的值，图1 3 ( a ) 给出了b c c 的f e - c o 合金的第一立方各向异性常数蜀对成份的依赖关系。在 无序状态，c o 含量接近4 0 时，k l 变到零；在有序状态，c o 含量接近5 0 时， k l 变到零。 c o 含量在4 0 附近，易磁化方向从 1 0 0 变到【1 1 1 】。图1 3 ( b ) 为f e c o 合金在有序和无序状态 下的饱和磁致伸缩九l o o 和九川与c o 含量的关系。虽然有序态的数据较为分散，但还能看出， 有序化降低了九l o o ，提高了九。对于f e c o 合金，在c o 含量为5 0 附近，磁导率有最大值。 如图1 4 所示。 o 蕞 ， 艺 士 ： 邕 之 e 耋 。月 气 - i i l 7 一 l i i t l i | 一飞 l 、弘mh t m i 8 5 0 c ) i | ，j i t l ； 弘矿( t 锪一是 ， h ， 0 ， ， 艾、 ， 八 - 一 ，i 、 p e rc e tc o 曩 l ti ni r o n 图1 4 铁钴合金的初始和最大磁导率与c o 含量的关系 1 4 高密度磁记录磁头用磁性薄膜 1 4 1 写入磁头的工作原理 磁记录介质是由半永磁材料组成的，剩余磁化的状态可以沿着单个或多个平行的磁道分 布。 记录( 或写入) 的过程是在记录介质和磁头发生相对运动时发生的。 图1 5 示出了一个 简单的、单道的记录例子【2 l 】，所用的记录介质是由非磁性基底支撑的磁性层，所用的磁头是 一个绕有线圈的环形磁芯，在面向介质的部分开有一气隙。当磁头线圈中通以记录信号的电 流时，气隙处的漏磁场便使介质磁化，当记录介质移动的速率恒定时，沿着介质长度方向的剩 余磁化强度的空间分布就反映了磁头线圈中电流的时问变化，从而完成了信息的记录( 写入) 过 程。通常，磁记录过程( 即磁化过程) 是非线性过程。 为了使高矫顽力( 2 4 0 k a m ) 的磁记录介质磁化达到饱和，写入磁头的饱和磁化强度螈应 为磁记录介质矫顽力的5 8 倍，即1 5 2 4 t ，而矫顽力则要求在0 0 8 k a m 左右。这 是一种典型的软磁材料，其理想的磁滞回线如图1 6 所示。并且，由于在制备这种双元件磁 头的过程中，需要经过3 0 0 以上的温度，所以，作为写头材料，其热稳定性温度至少应在 3 0 0 * ( 2 以上。这种材料制成的磁头，还必须在高频下具有高磁导率，因此材料应有较小的磁致 伸缩系数、较好的耐磨性和耐腐蚀性。c o 是唯一和f e 组成合金后能提高饱和磁化强度和居 6 pi，卜11112叫：t蛳“一n蠢x薹 罩温度的元素【2 2 】。f e c o 系材料在抗腐蚀性、耐磨性、热稳定性等方面的优良性能可达到 写头材料的要求。 债号电漉 图1 5 磁头记录部分工作原理 一” ；嚣吣一 r j e l若 i i 盈 1 f 。3 b 。曲如。l 杰 l _ - 乡， o n lnn 1 l i i p 图1 6 理想的软磁磁滞回线 1 4 2 磁头用磁性薄膜研究进展 磁头只是在极狭小面积的磁极端部使用极薄软磁膜，这类磁头用软磁薄膜要求大的饱和 磁化强度m s 、低的矫顽力鼠以及在高频下具有高的比磁导率脚。i l r 高、磁致伸缩系数k 接 近于零值的n i 8 0 f e 2 0 ( 坡莫合金) 薄膜在m r 磁头上使用的最多，作为m r 磁头用的软磁薄膜，最 近发现了显示巨磁阻( g m r ) 效应的各种多层膜。 ( 1 ) 大饱和磁化薄膜：记录密度越高则必须提高媒体磁记录层的乜，因而首先要求磁头 中的极薄磁极层的m s 也尽量大，为此近年来开发了一系列大m s 磁性薄膜。( 2 ) 低矫顽力薄膜： 7 纯铁与非磁性体( 类金属，过渡金属，氧化物，氮化物) 构成的多层膜具有很低的腹。( 3 ) 高磁导率 薄膜：高灵敏度再生磁头的磁极层用的薄膜，要求在数十m h z 的高频带下也要具有高的比磁导 率和电阻率p 。通过非晶态化、颗粒微细化、多层膜化、形成粒状构造、晶界局部氧化或 氮化等方法，可大大提高材料的。( 4 ) 大m r ( 磁阻) 效应薄膜：近年来对于利用m r 效应的磁头 ( m r 磁头) 的研制和丌发十分活跃。在这方面有a m r ( 各向异性磁阻) 效应磁头用薄膜，结合型 g m r ( f i 磁阻) 薄膜，非结合型g m r 薄膜，s v 式磁头用薄膜以及一些新型g m r 薄膜。在新型 g m r 薄膜中有t m r ( 隧道型巨磁阻) 薄膜，颗粒结构g m r 薄膜，铁磁性氧化物c m r ( 巨大磁阻) 薄膜和亚磁性化合物g m r 薄膜。 1 5 本文的研究工作 综上所述，f e c o 合金由于它的优异性能一直受到很多工作者的关注。特别是近年来发现 f e c o 磁性合金有可能用于超高密度垂直磁记录磁头材料而备受关注。而f e l # 呱合金的磁性 强烈依赖于合金的结构以及合金d p f e 、c o 的含量【2 3 2 4 1 。其磁性具有很强的组织敏感性，对组 织结构、应力、杂质等因素敏感，因此研究不同制备条件对不同组分f e c o 薄膜结构和磁性能 的影响具有实际意义。由于f e c o 合金在c o 含量为3 0 左右时具有高饱和磁感应强度，在c o 含量为5 0 时具有最大的磁导率。本文选择f e 7 0 c 0 3 0 、f e 5 0 c 0 5 0 作为研究组分，以玻璃为基片， 采用对靶磁控溅射方法，通过改变薄膜厚度、真空热处理，研究了不同的制备条件对f e c o 合会薄膜的微结构和磁性能的影响。具体工作如下： ( 1 ) 采用对靶磁控溅射法制备t f e 5 0 c 0 5 0 纳米薄膜，分析、讨论了基底温度( 瓦) 和薄膜厚度 对薄膜微结构和磁特性的影响。 ( 幻采用对靶磁控溅射法制备了f e 7 0 c 0 3 0 纳米薄膜，分别分析了沉积态和退火温度 ( 死：6 0 0 。c ) 下薄膜厚度 ) 对薄膜微结构和磁特性的影响。 本文最后，就制备条件对不同组分f e c o 薄膜的微结构和磁性能的影响进行了总结。 8 2 样品制备及其性能表征 2 1 颗粒膜的制备 2 1 1 样品的制备 薄膜制备技术有很多种，其中气相沉积应用最广，它包括物理气相沉积( p v d ) 和化学 气相沉积( c v d ) 1 2 5 】。物理气相沉积中只发生物理过程，而化学气相沉积中包含了化学反应过 程。常用的物理气相沉积方法有真空蒸发、分子束外延( m b e ) 、溅射等。真空蒸发制成的薄 膜比较纯，适用于制备各种功能性薄膜。溅射沉积的膜层均匀、致密、针孔少、纯度高，膜 的附着力强、厚度均匀，应用的靶材广，可进行反应溅射以及制备成分稳定的合金膜【2 6 ，2 7 1 。 根据溅射的特征，溅射又有直流溅射、射频溅射、磁控溅射和反应溅射之分。和其它溅射技 术相比，磁控溅射因具有高速、低温、低损伤、操作电压低等优点而被广泛应用。本论文的 薄膜样品均采用磁控溅射技术制备而成的。 衬底层能够控制磁性晶粒的结晶取向和晶粒尺寸。若以铁磁过渡金属f e 、c o 、n i 或其 合金为信息载体，c ( 碳) 是理想的母体材料。因为( 1 ) c 与f e 、c o 和n i 的互溶度很小，二 者复合可以很容易形成颗粒薄膜结构；( 2 ) 与非磁性金属材料相比，c 可以更好地隔离( 磁隔 离) 铁磁颗粒，有效降低介质噪声；( 3 ) c 耐酸、耐氧化、抗腐蚀，可以很好地保护磁极尖磨 损；( 4 ) t t ：l 于碳本身就是很好的固体润滑材料，可以进一步降低磁头的飞行高度，提高飞行速 度。( 5 ) 本论文中所有样品均采用玻璃基片，其结构为非晶，表面粗糙度比硅基片大，考虑 基片与薄膜之间的热膨胀系数之间的差异以及晶格常数之间的匹配等因素，本论文中所有样 品均溅射有3 r i m 厚碳衬底层。 2 1 2 磁控溅射的原理 溅射镀膜的原理： ( 1 ) 利用辉光放电产生等离子体，等离子体中的离子在电场加速下获得很高的能量，快 速轰击靶材，这样的离子称为入射离子。辉光放电气体称为工作气体，为了避免和靶材发生 反应，通常采用惰性气体( m 气或n e 气) 。 ( 2 ) 靶材中的原子在高能离子的轰击下获得了一定的能量，当能量足够高，超过周围原 子施加的束缚能时，靶材原子会从靶材中溅射出来，溅射出来的原子称为溅射粒子。溅射粒 子携带一定的能量以_ 定的速度向基片输运，在输运过程中，不断的和其它气体分子或离子 碰撞并交换能量而改变速度。 9 ( 3 ) 最终输运到基片上的溅射粒子在基片上扩散、聚集最后生长成膜。溅射粒子一般携 带了较大的能量，因此溅射方法制备的薄膜一般和基片结合牢固、致密并且均匀性好。如果 在溅射过程中通入可以和靶材原子发生反应的气体，如0 2 气和n 2 气，它们和溅射粒子在靶 材表面、输运过程中和基片上发生化学反应，生长出化合物薄膜，即为反应磁控溅射镀膜法。 溅射的类型比较多，从电极结构上可以分为二极溅射、三极( 或多极溅射) 。从起辉方式 上可以分为直流溅射和射频溅射，此外还有反应溅射、离子束溅射、偏压溅射、激光辅助溅 射和非对称溅射等。 本论文中，我们采用的装置是o t m s 5 6 0 超高真空对靶多功能磁控溅射设备，其中包括 一个射频磁控溅射靶及四个直流磁控溅射对靶，图2 1 是磁控溅射原理图。其中( a ) 为直流 对靶溅射，其特点是：( 1 ) 靶面的平行方向或垂直方向上施加磁场，使磁场与电场方向平行。 减小了带电粒子轰击基底，从而降低了基底温度，并实现了高速低温溅射。同时还解决了靶 热后对基底的辐射效应，并且实现了靶材的高利用率，尤其对磁性材料溅射更加有利。( 2 ) 沉 积速率大，产量高，可以进行低能低压溅射。( 3 ) 靶的利用效率更高。( b ) 为射频溅射，其特 点是：( 1 ) 射频电流与系统的功率匹配非常重要，需要专门的匹配回路。( 2 ) 同直流放电相比， 维持射频放电的气压压力要比直流方法时低1 2 个数量级。 r f h 电源 ( a ) d c 对靶溅射原理图( b ) r f 溅射原理图 图2 1 磁控溅射基本设备原理图 靶材 基底 基于以上考虑我们采用的是直流对靶磁控溅射。图2 2 给出了对向靶磁控溅射系统装置 结构简图。两个靶对向放置，靶的i 、日j 距可以调节。两个环状永磁铁放在阴极靶后面外圈，以 产生一个垂直于靶面的适当强度的磁场。可旋转的基片架放在等离子体放电区域之外。辉光 放电时，在两靶面之间形成高密度的等离子体，带电粒子的浓度高达1 0 1 2c m - 3 。在电场的加 速和磁场的约束下，携带高能量的带电离子撞击靶面，将靶材原子“溅射 出来，在侧面的 1 0 非等离子区中放置的基片上沉积成膜。 该系统不仅克服了传统溅射系统的缺点，而且具有成份偏析小，薄膜结构和基片温度可 控，成膜速率高等优点。经过设计的磁场和电场一起可以很好约束等离子体，使放电功率最 大限度的转化为离子和原子的动能，因而溅射效率大大提高。对向靶溅射系统中，基片放 置于等离子体区域之外，沉积的薄膜受到高能等离子体的加热效应小，薄膜在大面积内保持 均匀、高且较稳定的溅射速率、较低的基片温度、相对较少的惰性原子渗入和小的成份偏析， 使成膜质量大大提高。 图2 2 对向靶磁控溅射系统结构示意图 磁铁 搿薇罩 溆l 磺 就( 剜 ；i l ) 坛巍 钤器 绝缘蛰 本论文中，我们应用的磁控溅射设备是沈阳中科仪的o t m s5 6 0 型超高真空对靶多功能 磁控溅射镀膜设备，图2 3 是磁控溅射设备( 实物图) 。该设备为双室带空气锁结构，主要由溅 射室、样品预处理室、磁控溅射靶、射频电源、直流溅射电源、样品转台、加热炉、样品退 火炉、样品库、磁力送样机构、泵抽系统、真空测量系统、气路系统、电控系统、水循环及 水压报警保护系统等组成。该设备具有真空度高( 本底极限真空度优于6 x 1 0 p a ) 、多靶位系统 ( 一个射频磁控靶、四个直流磁控对靶) 、采用计算机控制镀膜系统、可以直接在真空中进行 热处理等优点。 时靶溅射除儿秆高速、低黼等优点外，还i 叮0 c 穆 磁性薄膜，对鞠! ! 用1 溅自十磁性粑材，垂 “靶谢的磁场- 口以穿过靶村，柱l l j i 靶i i i jj 眵成柱状的磁封c i 】。l n j 般磁控靶的磁场魁rf 二靶 而的易形成磁力线扫：靶材内短路，失去了“磁柠”的作用。 - 图2 3o t m s5 6 0 型超高真卒多功能对靶磁控溅射设备( 实物圈) 2 1 3 基片的选择与清洗 幕片是制备薄膜样品必备的衬底材料，通常根据制蔷工艺和后续测鼍的需要选择合适的 齄片，并凛颐其机械强度，化学稳定性，热稳定性和表面粗糙度等物化特性。另外还要满足 经济实用的原则。玻璃是一种具有平卅表面r 稳定性比较好的非晶材料，可在小于6 0 0 + c 的 温度下使用。本论文中选用了玻璃作为制各样品的基片。 对于厚度为纳米缴的薄膜样品而占，基片的表面平整度、消洁度都会影响到其e 长状况， 从而影响剑薄膜的性能。凶此犟片必须经过严格的清洗。本实验。| j 玻璃基片的清洗步骤如下： ( 1 ) 将切好的墩璃基片在放有洗涤刺温水叶1 浸泡5 分钟j j 大量清水冲洗，以除去易洗 涤的污物。 ( 2 ) 把幕片股到盛有纯净水的小烧丰f 中，置于超声波发生器中( 槽中放适最的燕馏水) 进行 超声波清洗1 5 分割- 。 ( 3 ) h 见水乙醇进行超卢波清洗1 5 分钟，以进一步去除各种有机高分子，最后刖蒸馏水 反复冲洗。 ( 4 ) 在无7 王f 境中烘干基板，保存在干燥器中待用。 融蓊 2 1 4 溅射镀膜程序及溅射工艺条件 ( 1 ) 在高真空状态下，充入高纯a r 气( 9 9 9 9 9 ) ，氩气流量由自动流量计监控，为去除靶 表面的玷污物和靶表面的氧化物，每次j 下式镀膜前，对靶材进行预溅射约5 分钟。 ( 2 ) 制膜。制膜过程由计算机自动控制，调节好溅射时的气压及溅射功率等参数，输入 设定的基片停留顺序、时间程序，启动计算机控制程序，开始制备样品。薄膜的厚度是根据 溅射时的溅射速率，控制溅射时l 日j 来实现的。表2 1 列出了样品的制备条件。 表2 1样品的制备条件列表 参数参数值 基底温度 直流靶l 、日j 距 本底真空度 直流溅射a r 气压 f e 5 0 c 0 5 0 靶溅射功率 f e 5 0 c 0 5 0 靶溅射速率 f e 7 0 c 0 3 0 靶溅射功率 f e 7 0 c 0 3 0 靶溅射速率 室温或加热 3 5 r a m 受o x l o 。5 p a 0 9 5 p a 9 4 w 1 8 9 轧s 6 0 w 1 2 2 砧s 2 1 5 样品的热处理 基底温度的高低直接影响到膜层的组织、结构和性能。一般情况下，基底温度的增高有 利于提高膜层与基片的附着力，有利于改善沉积层的组织和性能。但是，基底温度过高，会 使沉积速率降低，膜层晶粒长大，性能变差。因此合适的基底温度能得到好的性能。 对薄膜样品进行真空退火热处理可以改变薄膜的结构，从而对薄膜的层间耦合、界面极 化、磁畴结构等都有巨大的影响。首先，退火可以使晶粒长大，钉扎势垒增大，矫顽力增大； 其次，在退火过程中，随着退火温度的升高，铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒在界面处互相扩散， 加强了界面之间的相互融和；最后，退火有利于减小在溅射过程中产生的应力。薄膜的应力 来自于薄膜的生长过程。杂质、位错、层错、以及晶粒间界等缺陷，均会导致薄膜与基片间 的品格错配。由于溅射的膜层很薄，因此存在很大的表面能。以上这些因素均有可能引起薄 膜应力。 考虑到铁磁性金属易被氧化，所以热处理必须在高真空状念下进行。本工作中的热处理 是采用沈阳中科仪的o t m s 5 6 0 型超高真空对靶多功能磁控溅射镀膜设备自身置备的加热炉 和退火炉中进行的。加热炉在溅射室内，可进行原位退火和对衬底加热。溅射室真空度可达 1 0 石p a 。样品退火炉安放在样品处理室内，样品通过磁力送样机构将样品从样品库或从溅射室 的样品转台上取下，送到退火炉上进行退火处理。样品处理室真空度可达1 0 弓p a 。加热炉和 退火炉均采用电阻丝加热，加热温度均可达8 0 0 。c ，可控可调，控温精度为士l o c 。采用同本 岛电公司的s r6 4 温度控制器进行加热控温。 2 2 薄膜样品的性能表征 2 2 1 样品磁特性测量 薄膜磁性的测量方法有很多种，本实验中采用美国l a k es h o r e 公司的m o d e7 3 1 0 型振动 样品磁强计( v s m l 对薄膜的磁性进行了测量。图2 4 为该系统示意图。整个系统由振动及振 动控制系统，加热系统，温度测量系统，电磁铁、磁场电源及电源控制系统，磁场检测系统， 磁化强度检测系统和计算机及接口电路以及数据处理软件所组成。该系统还采取了在激振器 支承架与地基之间施加减振装置等措施，可以有效地抑制因振动而造成的影响，提高了测量 精度。可以测量不同磁化方向相关的磁参数及其与温度变化的关系。 图2 4v s m 系统结构示意图 振动样品磁强计的原理是将一个位于外磁场中被磁化了的小尺寸样品视为磁偶极子，因 此样品在其周围空间将产生磁场，如将一个小的探测线圈放在样品的附近，线圈的轴线方向 与外加均匀磁场的方向互相垂直，磁力线不通过探测线圈，而样品产生的磁力线将部分的通 1 4 过线圈，振动子依靠信号发生器提供的功率作简谐振动，从而带动附在杆上的参考样品及被 测样品作同频同幅振动。参考样品为永磁体，在周围空间也形成偶极场，因而参考样品振动 时，就在参考信号检测线圈内产生感生电动势，将此电压作为锁相放大器的工作信号馈入其 参考信号输入端；与此同时，探测线圈中检测到的被测信号则馈入锁相放大器的信号输入端 进行放大检测。锁相放大器的输出则送入记录仪的y 轴输入端。高斯计用来探测磁场，其输 出则馈入记录仪的x 轴输入端。这样，就可以将样品的磁化强度随磁场变化的曲线记录下来。 若采用电脑进行自动测量，则将锁相放大器及高斯计的输出同时输入电脑接口，便可采用电 脑来合成磁滞回线并可控制磁场的改变。这样，就可以将样品的磁化强度随磁场变化的曲线 记录下来。 利用v s m 可以直接测量磁性材料的磁矩，给出磁性能的相关参数，如：矫顽力h c 、饱 和磁化强度m s 、剩磁m r 、磁相互作用、矫顽力矩形比，、矩形比文开关场分布s f d 及磁 化强度的择优取向( 即磁各向异性) 等。 2 2 2x 射线衍射( x r a yd i f f r a c t i o n ) 晶体结构分析1 2 8 l x 射线衍射可以给出材料中物相的结构及元素的存在状态信息，是目前应用极为广泛的 一种测量手段。被广泛地应用在物质的结构分析之中。x 射线衍射的基本原理是：当一束单 色x