（凝聚态物理专业论文）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增长，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，这就要求记录磁头材料具有高的饱和磁感应强度。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 合金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 i m 等对材料的磁特性和微结构进行了研究。分析、讨论了不同的靶成分、热 处理温度及样品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 、制备条件对f e 5 0 c 0 5 0 薄膜微结构和磁特性的影响 ( 1 ) 退火温度的升高有利于f e 5 0 c o “5 0 衄) 薄膜矫顽力的降低，退火温度为6 0 0 0 c 时，样品的矫顽力为7 0 0 e ，饱和磁化强度为1 3 1 4 e n l c c 。退火状态的样品呈 现小的颗粒尺寸，大的磁畴尺寸，磁畴对比度减弱。 ( 2 ) 对于f e 5 0 c 0 5 0 ( 50 i 】m ) 薄膜，样品的矫顽力随基底温度的升高呈现先降低后升高 的趋势，在基底温度为4 0 0 。c 时，矫顽力的值最小为2 7 0 e 。表面形貌的研究 表明，f e 5 0 c 0 5 0 ( 5 0 n m ) 薄膜的粒径随着基底温度的升高逐渐增大。 ( 3 ) 对于f e 5 0 c 0 5 0 系列薄膜，当薄膜厚度小于3 0 i 蚰时，样品的矫顽力随厚度的增 加呈现升高的趋势；当薄膜厚度为3 0 啪时，样品的矫顽力达到最大值；当厚 度大于3o i 】m 时，样品的矫顽力随厚度的增加逐渐降低。表面形貌的研究表明， 在厚度为1 0 0 n m 时，有针状颗粒出现；磁畴尺寸随薄膜厚度的增加变小。 ( 4 ) 对于f e 5 0 c 0 5 0 ( 1o i l m ) 薄膜，退火温度为6 0 0 。c ，退火时间为2 h 时，样品的矫顽 力由沉积态的9 0 0 e 降到1 5 0 e ，此时饱和磁化强度必的值为2 7 0 6 e 1 1 州c c 。 2 、制备条件对f e 3 0 c 0 7 0 薄膜微结构和磁特性的影响 ( 1 ) 对于f e 3 0 c 0 7 0 ( 5 0 n m ) 薄膜，退火温度的升高有利于薄膜矫顽力的降低，在退火 温度为6 5 0 0 c 时，样品矫顽力的值为4 4 0 e ，此时样品的饱和磁化强度为 9 7 5 e m u c c 。 i i i ( 2 ) 研究表明，f e 3 0 c 0 7 0 ( 5 0 n m ) 薄膜样品的矫顽力随基底温度的升高表现了先降低 后升高的趋势。在基底温度为3 0 0 。c 时，矫顽力的值最小为1 6 0 e ；表面形貌 的研究表明，f e 3 0 c 0 7 0 ( 5 0 彻d 薄膜的粒径随着基底温度的升高逐渐增大。 ( 3 ) 通过对f e 3 0 c 0 7 0 薄膜样品的研究得到，当膜厚小于1 0 0 啪时，随着膜厚的增 加，样品的矫顽力逐渐升高；在厚度为1 0 0 n m 时出现了最大值：当厚度大于 l o m 时，矫顽力随着薄膜厚度的增加逐渐降低。 ( 4 ) 对f e 3 0 c 0 7 0 ( 1 0 n m ) 薄膜，退火温度为6 0 0 。c ，退火时间为2 h 时，矫顽力z 乙的 值由沉积态的2 8 0 e 降到1 5 0 e ，此时饱和磁化强度的值为1 7 8 5 e i i 州c c 。 3 、制备条件对f e 7 0 c 0 3 0 薄膜微结构和磁特性的影响 ( 1 ) 通过对f e 7 0 c 0 3 0 系列薄膜的研究得到，当膜厚小于3 0 衄时，随着膜厚的增加， 样品的矫顽力逐渐升高；当厚度为3 0 眦时出现了最大值；当厚度大于3 0 i u n 时，矫顽力随着薄膜厚度的增加呈现降低的趋势。表面形貌的研究表明，当薄 膜厚度为2 0 0 衄时，开始有针状颗粒出现。 ( 2 ) 通过对f c 7 0 c 0 3 0 系列样品的研究得到，退火温度有利于样品矫顽力的降低，对 f e 7 0 c 0 3 0 ( 1 0 衄) 薄膜进行6 0 0 。c 退火，样品的矫顽力为1 8 0 e ，饱和磁化强度为 l6 0 2 锄u c c 。 ( 3 ) 对于f e 7 0 c 0 3 “1 0 加1 ) 薄膜，样品的矫顽力随基底温度的升高呈现先降低后升高 的趋势，在基底温度为3 0 0 时，矫顽力达到最小值1 3 5 0 e 。 关键词：f e c o 薄膜磁控溅射矫顽力饱和磁化强度磁畴 a b s t r a c t w 1 t 1 1m er 印i dd e v e l o p m e i l to fm e1 1 i g l ld e l l s i t yr e c o r d i n g ，i ti sr e q u i r e dm a tm em a g n e t i c h e a dm a t 舐a l sh a v ev e 巧l l i g i ls a t u r a t i o nm a 印e t i cf l u xd e l l s i 妙f e - c oa l l o y sh a v eb e e i l i 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 fm e i rv e 叫h i 曲s 狐l r a t i o nf l u xd e l l s i t y s p u t t e rd 印o s i t e d f 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 wt l i g l lc o e r c i v i t ya n dt h e ya r em e r e f o r en o ta p p l i c a b l ea s m e 、) l ，d t ep 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 mm i sm e s i s ，s o m es e r i 鼯f i l m sw e r ep r 印a r e db yd cm a 盟e t r o ns p u t t e r i n go n t o 西a s s s u b s 咖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 i l c t u l 瑚o ff i l m sw e r ee x a m i l l e db yx 瑚【yd i 衢a c t i o n ( x i m ) m o i 】p h o l o 西e sa i l dd o m a i ns 咖c t u r e sw e r eo b s e r v e db ys c a i l n i n gp r o b e 埘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 n i 髑w e r em e a s u r e db y 啊b r a t i n gs 锄p l em a 印e t o m e t e r ( v s m ) t h ei n n u e n c eo fs p u t t e r i n gp 盯锄酏e ro n l e i rm i c r o s 觚c m r ea 1 1 dm a g n e t i cp r o p e n i e sw e r e 1 h l n u e n c e so ft h ef a b r i c a t i o nc o n d i t i o n so nm j c r o s m l 咖r 9 sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i 韶 o ff e 5 0 c 0 5 0m i nf i l 脚 ( 1 ) t h e 锄e a l i n gt e m 肼釉t l l 懈w e r ef 0 u n dt ob eh e l p 如lf o rr c d u c i n gt l l ec o e r c i 讥t y f o rt 1 1 ef e 5 0 c 0 5 0 ( 5 0n i n ) f i l m ，t l l em i 血n u i nv a l u eo fz 易i so b t a i n e da b o u t7 0o ea t 死= 6 0 0 ，w i m 1 es a t u r a t i o nm a 印e t i z a t i o nb e i n g13 14 咖毗c ( 2 ) t l l ec o e r d 啊t y 丘r s t l y 似l u c 髂趾dt l l 肌i n c r e a s e s 谢m 锄e a l i n gt e l l 印e r a n 鹏 i n c r e a s i n g t h ec o a d v i 够r c a c h 鼯t h e 加j j l j 加啪2 7 0 ef 0 rt l l ef e 5 0 c 0 5 0 ( 5 0 i l m ) 矗h n a tm es u b s 仃a t et 锄p e r a t u r eo f4 0 0 。c s p mi l n a g es h o w st l l ea v e r a g eg r a i l ls i z e i 1 1 c r e 嬲e sw i lt h es u b s t r a t et 锄p e r a t u r ei i l c r e 硒i l l 昏 ( 3 ) i ti sf o u i ：i dt l l a tt h ec o e r d v i t yo ff e 5 0 c 0 5 0 丘h n s 缸yi i l c r e 雒e s 孤dt h e i lr e d u c e s w i t ht h ef i h nt h i c k i 髑s e si l l c r e a s i n g t h em a x i i 仙mv a l u eo fc o 盱c i v i t ) ，i so b t a m e d w h e l l 1 et h i c k n e s so ff e 5 0 c 0 5 0f i l i n sw 勰3 咖m s p mi m a g es h o w st h ea v e r a g e m a g n e t i cd o m a i l l ss i z er e d u c 骼w i t l li 1 1 c r e 船i i l gt h et h i c k i l 鼯s ( 4 ) t h ec o e r c i 、，i t yo f r 朗c h e st h ei l l i n i i l m m1 5o ef o r l ef e 5 0 c 0 5 0 ( 1 0 衄) f i l ma tt h e 锄e a l i n gt 朋叩e r m 鹏o f6 0 0 。c 矗m2 h v 2 i i l n u e i l c e so fm ef a b r i c a t i o nc o n d i t i o n so nm i c r o s t m c t u r e sa i l dm a g n e t i cp r o p e r t i e s o ff e 3 0 c 0 7 0t 1 1 i nf i l m s ( 1 ) t h ea n n e a l i n gt e i 】1 p e r a t u r ew a sf o u n dt ob eh e l p 如lf o rr e d u c i n gm ec o e r c i v i t y f o r m ef e 3 0 c 0 7 0 ( 5 0 r 衄) f i l m ，t l l em i i l i m u mv a l u eo f 月：i so b t a i n e da b o u t4 4 0 ea t 乃= 6 5 0 。c ，w i t l lm es a t 哪t i o nm a g n e t i z a t i o nb e i n g9 7 5 e m u c c ( 2 ) t h ec o 喇啊t yf i r s t l yr e d u c e sa n dt 1 1 e i li n c r e a u s 韶w i t ht h es u b s t r a t et e m p e r a t i l r e i n c r e a s i n g t h ec o e r c i v i t ) ，r e a c h e st l l em i i l i m 岫16 0 ef o rt l l ef e 3 0 c 0 7 0 ( 5 0 啪) 6 h a tm es u b s t r a t et 铋p e r a t u r eo f3 0 0 。c s p mi m a g 鼯s h o wm ea v e r a g e 伊a i ns i z e i i l c r e a s e sw i t hi i l c r e a s i n gt h e 驯【b s 仃a t et e i n p e r a t u r e ( 3 ) ni sf o u n d l a tm ec 0 喇v i t ) ，o ff e 3 0 c 0 7 0f i l m s 丘r s t l yi n c r e a s e s 柚dt l l e l lr e d u c 鼯 w i mn l ef i l mm i c l ( i l e s s 懿i n c r e a s i n g t h em a x i m 啪v a l u eo fc o e r d v i 锣i so b t 痂c d w h 锄m e l i c k n e s s e so ff c 3 0 c 0 7 06 l m sw 嬲l0 0m ( 4 ) 7 1 1 l ec o 硎、r i t yr e a c h 锱l em i i l i i i m m1 5 0 ef o rt l l ef e 3 0 c 0 7 0 ( 1 0 衄) f i l ma tt l l e 锄e a l i l l gt 即叩e r a t u r eo f6 0 0 。cf o r2 h 3 h l n u 肌c 锱o fm ef a b d c a t i o nc o n d i t i o i l so nl n i c r o s 仃u c t u r 铭a 1 1 dm a 弘e t i cp r o p e n i 懿 o ff e 7 0 c 0 3 0m i i lf i l n l s ( 1 ) i ti sf o u n d l a tt h ec o e r c i v i t i 髓o ff e 7 0 c 0 3 0f i l m sf i r s t l yi i l c r e 勰e 锄dt h e nr e d u c c w i t ht l l e f i l m l i c l ( i l e s s 懿i n c r e a s i n g t h em a x i r n u mv a l u eo fc o e r c i v i t ) ，i s 0 b t a i n e dw h 饥m e l i c l m 髑s e so ff e 7 0 c 0 3 0f i l mi s3 0 i 蚰 ( 2 ) f o rt h ef e 7 0 c 0 3 0 ( 1 0m ) 6 h n ，t 1 1 e 瑚i n i m u mv a l u eo f 月；i s0 b t a i l l e da b o u tl8 0 ea t 死= 6 0 0 。c ，w i t l lt h es 砷旧撕o nm a g n 舐z a t i o nb e i r 培16 0 2 锄l l c c ( 3 ) t h ec 0 喇v i t y 伍s n yr a d u c 馏锄dm 胁i i l 饿都鼯w i ms u b s 仃a t et 锄p e 瑚n l r e i 1 1 蹦幽i n g 1 kc o 硎v 时r c a c h 懿l cn 血i l i l 啪1 3 5 0 ef o rt l l ef 句o c 0 3 0 ( 1 0m n ) f i l ma tt h es u b s 臼a t et 锄p e r a t u r eo f3 0 0 。c k e yw o r d s ： f e c bm a g n e t i cf i l i n m a g n e 仃o ns 叫e r i n gc o e r c i 啊锣 s a t l 】均t i o n m a 印e t i z a t i o nm a 刚i cd o m 咖 i 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文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已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，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ： 们萨印月f 日 指导教师确认( 签 芬 学位论文版权使用授权书 ；砖 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) 做作者c 签孙协 化辨v 月日 、 指导教师c ：、 肌妒叩1 日 1 1 1 绪论 物质的磁性是一个历史悠久的研究领域，约在三千多年前受到人们的注意。公元前 四世纪我国使用磁石制成了司南，它是世界上最早的指南针。信息化时代，物质的磁性 依然对我们起着重要的作用。 自1 8 9 8 年丹麦工程师vp o u l s o n 发明钢丝录音机到现在，已有一百多年的历史。 磁记录的发展是异常迅速的。1 9 5 6 年，世界上第一台磁盘驱动器一容量为5 m b ( 2 k b i t i n 2 ) 的i b m 洲a c 3 5 0 诞生。1 9 7 9 年，i b m 发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增 大容量、提高读写速度提供了可能。上世纪七十至八十年代，硬盘存储密度以每年3 0 的速度增长【1 1 。随着1 9 9 0 年磁阻磁头( m r ) 技术在磁记录领域的应用，增长速度达到为 每年6 0 【2 1 。1 9 9 8 年，m m 公司将巨磁阻( g m r ) 磁头技术在硬盘产品中推向应用，使得 硬盘存储密度以每年1 0 0 的速度增长【3 ，4 】。近年来，人们不断探求高存储密度、高保真、 高可靠的磁记录技术，磁记录的发展异常迅速【5 】。 图1 1 磁记录密度的发展趋势 冒奄窿世静翅 1 1高密度磁记录头材料的发展及要求 在众多的信息存储系统中，现今应用最广泛的仍是磁性信息存储技术。其主要形式 有磁带、软磁盘和硬磁盘。硬磁盘的速度是最快的，而且可以由多片组成盘组，存储容 量大，所以，现在所有大、中小型计算机和高档微型机均配置硬磁盘。 硬盘驱动器( h d d ) 是由承担记录信息的介质磁盘、进行读写的磁头、信号处理系统 以及磁头、磁盘的机械驱动系统等组成。其中进行读写的磁头是最主要的部件之一。磁 记录头基本上是一个换能器，即将电信号转化为一个磁场( 写入磁头) ，或者感知一个磁 场并将它转换为电信号( 读出磁头) 。 自1 9 5 6 年，美国国际商业机器公司( i b m ) 发明了硬磁盘，批量生产的商品磁头类型 大体经历如下变化【6 】：m i g ( m e t a l n g a p ) 磁头，即在磁极尖上涂复一层高饱和磁化强度 的金属薄膜( t f i ) 磁头一各向异性磁阻( a m r ) 磁头一自旋阀巨磁阻( s v - g m r ) 磁头一自 旋隧道结磁阻( n 江r ) 磁头。相应的面记录密度从 1 5 0 m b i n 2 _ 郅0 0 m b i n 2 _ 9 g b i n 2 _ “o g b 砰_ 1 0 0 g b i n 2 。从生产量来看，以铁氧体为主的m i g 磁头已被淘汰，t f i 磁 头的产量也逐年下降，主要生产a m r 和s v g m r 磁头【7 1 。 应该指出的是，无论舢“r 、s v - g m r 还是卟很磁头，它们都是“双元复合磁头”， 即写头用感应式t f i 磁头，而读头才用a m r 、s v - g m r 或t m r 传感元件构成。 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 o 4 d ，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制的要求，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 蝴合金磁头，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o 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慨) 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 型坡莫合 金膜的性能要好得多。 随着记录密度的提高，记录介质的矫顽力慨) 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 2 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，可通过下式求矧8 】： 日2 5 风( 1 1 ) 日：堡t 趾一l 熹i ( 1 2 ) 万 2 ( d + 万) i 、 7 生：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，珥为磁头缝隙处的磁场， 风为磁头材料的饱和磁感应强度，g 为磁头缝隙宽度，d 为磁头与介质间距离，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m ，读出是利用起始磁导率胁。 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： 磁性材料的矫顽力皿太大，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鼠、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【9 小】：( 1 ) 尽 可能高的饱和磁感应强度局；( 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；( 6 ) 良好的加工特性，适于大批量生产、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) 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慨) 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 【6 】给出了感应式磁头磁极膜的成份和饱和磁化强度 ( 4 咒忆) 值。 表1 1 感应式磁头磁极膜的成份和饱和磁化强度4 砒 材料 成份( w t )4 丌尥 备注 坡莫合金 n 讥6 f e l 8 4 c o j n i f e 合金 硅钢 a l p e n i l s e n d u s t 加n 的f ef e ：n f e c o 合金 n i 7 8 5 f e 2 1 5 ( n i 8 0 f e 2 0 ) n i 5 0 f e 5 0 ( n i f e ) n i j 4 5 f e 5 5 n h 3 f e 6 6 7 ( n i f e 2 ) c 0 7 0 f e l j n i l 3 c 0 6 5 f e 2 2 n i l 3 f e 9 3 9 7 s i 7 3 f e 8 6 1 9 0 a 1 4 1 0 f e 8 6 s i 9 舢5 ( f e 8 5 s i l o 灿5 ) 纯f e f e 4 n f e 8 n 2 f e l 6 n 2 f e 6 6 7 c 0 3 3 3 ( f e 2 c o ) f e 8 8 9 c o l i i ( f e 8 c o ) f g 6 7 c 0 3 0 ，n 3 0 9 0 0 9 4 1 3 9 1 4 6 1 6 4 1 9 0 2 1 0 五= o 因瓦合金 以= 1 3 6 纠，l 皿= 1 2 0 0 m 1 8 0 2 0 0p = 0 5 0 7 脾m 1 2 0 一1 4 0 也= 2 4 9 6 聊 1 2 0 1 0 0 2 1 4 2 3 6 2 5 5 2 9 0 2 5 5 2 5 0 2 2 0 以= 3 2 0 纠m h c = s 润a | m 以= 8 1 6 0 纠，l 皿= 4 0 0 8 0 0 纠m 皿= 2 4 8 0 朋 墨= 4 8 1 0 5 孵 皿= 8 1 6 k 纠掰 皿= 1 6 0 4 0 0 纠扔 皿= 4 0 0 8 0 0 纠朋 f e 6 7 c 0 2 j 2 4 0 以= 8 0 4 8 0 ，l 1 2 块状f e c o 合金的性质【1 2 1 4 】 在室温下，具有铁磁性的元素只有f e 、c 0 和n i 。这三个元素的饱和磁化强度分别 为2 1 5 l 【g ，1 7 8 k g 和6 0 6 k g 。f e 具有最高的饱和磁化，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 4 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 哪曲线，如图1 2 所示。从图1 2 可以清楚地看到，在合金组成为f e ：c o = 7 ：3 的地方有一个最大值。 图1 3 为f e c o 系合金的毋和瓦与c o 含量的关系，由图可见，c o 含量为5 0 时， 居里温度死最高约为9 8 0 。c ；c o 含量在3 0 附近，饱和磁感应强度毋最高约为2 4 t 。 厶o 善l f c n ii f e - 蛳糖束 夺 b 、 宁 口 - _ 一 k ：2 7 外层电子数 图1 2 泡利斯莱特曲线 c u 2 9 图1 3 f e - c o 系合金的毋和正与c o 含量的关系 图1 4f 争c o 系合金的函、九1 0 0 和九l l l 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 钺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k l 对成份的依赖 关系。在无序状态，c o 含量接近4 0 时，k i 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 1l 】。图1 4 ( b ) 为f e c o 合金在 有序和无序状态下的饱和磁致伸缩九1 0 0 和九i l l 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l l l 。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 5 所示。 _ 鼍 f l l | 1 l 1 细he t l r ，| n i i 、 釜川绱c 一 - ； ， 拳 | j ， 、 ， 一一r i 、-_ - - ， ， i l八 、 - p rc 盯c o 叠 u i n r o n 图1 5 铁钴合金的初始和最大磁导率与c o 含量的关系 1 3f e c o 薄膜的研究进展 纳米磁性材料是2 0 世纪7 0 年代后逐步产生、发展的一种新型磁性材料。当颗粒尺 寸为纳米量级时，由于纳米颗粒的表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，其 多种电磁特性或物理特性发生变化。而纳米磁性材料f e c o 合金因具有高饱和磁化强度 ( 2 4 d 、高居里温度( 9 8 0 。c ) 、低矫顽力、高磁导率和低磁各向异性常数等【悼1 9 】独特的软 磁材料特性，已被广泛应用于航空发电机、计算机读写磁头、微电机械系统、变压器、 电动机、电话机膜片、高速打印机嵌铁、接收机线圈、开关和存储铁芯、磁性钥匙以及 汽车工业等领域【2 删。 信息技术的飞速发展使磁记录密度自1 9 9 0 年以来以每年6 0 速度递增。进入2 1 世 纪，存储密度正面临着更高的挑战。当磁记录介质的矫顽力皿高达3 0 0 0 3 7 0 0 0 e 时，与 之相适应的写入磁头材料的饱和磁化强度( 4 咒) 须达到1 8 2 4 t 。作为超高密度磁记录磁 头材料之一的f e c o 合金的研究方兴未艾1 2 5 - 3 3 1 ，而作为薄膜磁头备选材料的f e c o 纳米薄 膜的研究也备受关注i 弘铜。 6 薯，毫1i鼍t叠m“至蓦x主 o，卜。暑_，墨且i曼譬答 2 0 0 0 年，p l a t t 【3 4 】等在发现生长在a m m g o 衬底层上的f e c o 合金薄膜的矫顽力降低到 1 6 0 e 之后，又将c o o 衬底层上f e c o 薄膜的矫顽力降低到1 2 0 e 。同年，d i t t s c h a r 等人【3 5 】 在c u ( 1 0 0 ) 衬底上外延生长出了常温下不可能存在的f c c 结构的f e l c 以合金薄膜。后来， 杨勇等人冽对此进行了理论研究。2 0 0 3 年，j u n g 等人【3 7 1 的实验研究表明，当c u 衬底层为 2 5 i m 时，f e c o 薄膜的矫顽力由无衬底的1 2 0 0 e 降低到了1 2 0 e ，此外，他们对r u ，n i f e 和删i f e 作为衬底层的研究也得到了相似的结果，并且认为矫顽力的降低与颗粒的减小 有一定关系。2 0 0 4 年，p l a t t 等人【3 8 】在p d 和p t 衬底层上生长f e 7 0 c 0 3 0 合金薄膜时发现，在 合适的单晶衬底上外延生长合金薄膜可以控制合金的晶格常数。2 0 0 5 年，m i n gm a o 等人 【3 9 】采用磁控溅射技术，研究了加气压及厚度对f e 7 0 c 0 3 0 薄膜磁性的影响。同年，s u n 等人 【4 0 】研究表明，随退火温度的升高，应力降低，n i f e 衬底层上的f e c o 薄膜样品的电阻率下 降。另外，v 叩s a r o i u 等人【4 1 】通过调节溅射速率控制f e c o 薄膜颗粒的大小，进而改变f e c o 薄膜矫顽力的大小。2 0 0 6 年，兰州大学的付煜等人【删应用平面磁控溅射制备了f e c o 薄膜， 讨论了衬底材料( n i 7 9 f e 2 l ，c o l o o 哕f 勺( 0 5 y 1 1 ) ，c u ，f e ) 对f e c o 薄膜的软磁性及微结构的 影响；采用对靶溅射系统，研究了c o 衬底对f e 6 5 c 0 3 5 薄膜的应力，织构的影响。2 0 0 7 年， l o n g 伺等人使用显微镜观察了( f e 0 5 c o o 5 ) 8 0 n b 出1 3 g e 2 c u l 合金的磁畴结构，并认为矫顽力 的大小与颗粒大小有关。 目前，利用溅射方法制备f e c o 薄膜的工作很多。但是，若要将f e c o 薄膜应用于 高密度磁记录领域，还面临一定的挑战【3 9 4 3 1 ，如解决高的矫顽力、低电阻率等问题，因 此还是有必要对其进行深入的研究。 1 4 本文的研究工作 f e l # q 合金的磁性强烈依赖于合金的结构以及合金中f e 、c o 的含型2 0 ，4 7 1 。f e c o 合 金的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。f c 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，所以本文 基于上述考虑，选择f e 7 0 c 0 3 0 、f e 5 0 c o 趴f e 3 0 c 0 7 0 作为研究组分，以玻璃为基片，采用 对靶磁控溅射方法，通过改变退火温度、基底温度、薄膜厚度以及退火时间研究了不同 的制备条件对f e c o 合金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了f e 5 0 c 0 5 0 纳米薄膜，分析、讨论了退火温度( 乃) 、基 底温度( 五) 、薄膜厚度以及退火时间( f ) 对薄膜微结构和磁特性的影响。 ( 2 ) 采用对靶磁控溅射法制备了f e 3 0 c 0 7 0 纳米薄膜，分析、讨论了退火温度( 死) 、基 底温度( 露) 、薄膜厚度o ) 以及退火时间( 力对薄膜微结构和磁特性的影响。 ( 3 ) 采用对靶磁控溅射法制备了f e 7 0 c 0 3 0 纳米薄膜，分析、讨论了薄膜厚度、退火 温度( 死) 、基底温度( 乃) 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。 2 薄膜的制备及其性能表征 我们对薄膜结构及其磁性的了解是建立在对薄膜的各种测试分析的基础上的。本章 简要介绍了本文研究所用磁记录薄膜的制备方法，并对文章中将要用到的相关参数的测 试方法、设备、及其原理进行了简单介绍。 2 1 样品的制备方法 薄膜的制备方法有很多种，以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积( p v d ) 方法和 化学气相沉积( c v d ) 方法【4 8 】。物理气相沉积中只发生物理过程，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、溅射等【4 9 1 。根据溅 射的特征，溅射又分为直流溅射、射频溅射、磁控溅射和反应溅射。磁控溅射是一种低 温高速沉积技术，用其制备的薄膜膜层致密、针孔少、纯度高、膜的附着力强、厚度均 匀，因此在制备薄膜时被广泛采用。本论文的薄膜样品均采用磁控溅射技术制备。 2 1 1 磁控溅射的基本原型4 8 占o l 溅射这一物理现象是1 3 0 多年前格洛夫( g r o v e ) 发现的，已广泛应用于各种薄膜的制 备中，所谓“溅射”是指用几十电子伏或更高动能的荷能粒子( 大多数是由电场加速的正离 子) 轰击材料表面，使其原子或分子获得足够的能量从表面射出的现象。射出的粒子大 多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子， 因为离子在电场下易于加速并获得所需的动能，因此大多采用离子作为轰击粒子，该粒 子又称为入射离子。 图2 1 溅射的级联碰撞模型 靶表面 9 按照溅射理论的级联碰撞模型，如图2 1 所示。当入射离子与靶原子发生碰撞时把 能量交给靶原子，在准弹性碰撞中，通过动量转移导致晶格原子的撞出，形成级联碰撞。 当碰撞级联延伸到靶表面，使表面粒子的能量足以克服结合能时，表面粒子逸出成为溅 射粒子。溅射粒子淀积到基底或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。溅射镀膜是 基于荷能粒子轰击靶材时的溅射效应，整个过程都是建立在真空和辉光放电的基础上。 直流溅射又被称为阴极溅射或二级溅射，对于直流溅射，在靶子和基底之间加上电 压，因某些原因存在于气体中的少量电子在电场力的作用下被逐渐加速，加速的电子与 氢气原子相碰撞，使其电离形成正离子和电子。这些电离出来的电子又被加速而使更多 的氢气原子电离，电离出的正离子被加速后轰击靶材，与靶原子发生级联碰撞而使靶表 面粒子逸出，沉积在基底上便形成薄膜。直流二级溅射虽然结构简单，可获得大面积膜 厚均匀的薄膜，但这种装置溅射参数不易独立控制，工艺重复性差，基底温度升高( 达 数百度左右) 、沉积速率低，靶材必须是良导体。 直流溅射只能沉积金属膜，而不能沉积绝缘介质膜。其原因是由于，当溅射绝缘介 质靶材时，轰击绝缘介质靶材表面的正离子和电荷无法中和，于是靶面电位升高，外加 电压几乎都加在靶( 绝缘介质) 上，极间的粒子加速与电离就会变小，以至于溅射不能维 持。如果在靶和基底之间加一射频电压，那么溅射将可以维持。这是因为在溅射靶处于 射频场的负半周时，由于电子的质量比离子的质量小得多，故其迁移率很高，仅用很短 的时间就能飞向靶面，中和其表面积累的正电荷，与此同时，在靶面积累了大量的正电 荷，这样，当处于射频场的正半周时也吸引离子轰击靶材。这样，在一个周期内正离子 和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射绝缘介质材料的目的。 一般溅射镀膜的最大缺点是溅射速率较低，与蒸发速率相比要低一个数量级。而磁 控溅射正好弥补了这一缺点。如图2 2 为磁控溅射的工作原理。 与一般溅射相比，磁控溅射的不同之处是在靶表面设置一个平行于靶表面的磁场， 利用电场与磁场正交的磁控原理，减少电子对基板轰击，实现高速低温溅射。电子e 在 电场的作用下加速飞向基体的过程中与氢原子发生碰撞，若电子具有足够大的能量( 约 3 0 川，则电离出和另一个电子e 。电子飞向基体，时在电场e 的作用下加速飞向 阴极靶材并以高能量轰击靶表面，使靶产生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子 沉积在基体上形成薄膜，二次电子e i 在加速飞向基体的过程中，受到磁场的洛仑兹力作 用在靶表面作回旋运动，导致电子运动路径的加长，而且电子被磁场束缚在靠近靶表面 的等离子体区域内，在该区内电离出大量的a r + 轰击靶材，从而实现了磁控溅射高速沉 积的特点。经多次碰撞而丧失能量的电子进入离阴极靶面较远的弱电场区最后到达阳极 时，已经是能量消耗殆尽的低能电子，由于该电子的能量很低，传给基体的能量也小， 致使基体温升较少，因此，磁控溅射又具有低温的特点。 基体 鞠铂n ，7 产x 、jc k 隧鬓测 专屏蔽罩 图2 2 磁控溅射工作原理 在沉积的同时，形成化合物的溅射技术被称为反应溅射方法。一般认为，化合物的 形成是在薄膜沉积时发生的过程。利用这种方法可以沉积的化合物包括： ( 1 ) 氧化物，如a 1 2 0 3 、s i 0 2 、崦0 3 、s n 0 2 等； ( 2 ) 碳化物，如s i c 、w c 、t i c 等； ( 3 ) 氮化物，如t i l 呵、a 烈、s i 3 n 4 等； ( 4 ) 硫化物，如c d s 、z n s 、c u s 等； ( 5 ) 各种复合化合物。 显然，通过控制反应溅射过程中活性气体的压力，得到的沉积产物可以是有一定固 溶度的合金固溶体，也可以是化合物，甚至还可以是上述两相的混合物。 本论文中，我们应用的磁控溅射设备是沈阳中科仪的洲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 l o 印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。 图2 3 n m s5 6 0 型超高真空多功能对靶磁控溅射设备( 实物图) 1 n 极2 对靶阴极3 阴极暗区4 等离子傩区 5 基板偏压电源6 基板7 - 阳极( 真空室) 8 - 靶电源9 - s 极 图2 4 对向靶磁控溅射系统原理图 图2 4 给出了对向靶磁控溅射系统原理图。两个靶对向放置，靶的间距可以调节， 在垂直于靶的表面方向加磁场，可以对磁性材料等进行高速低温溅射，且磁场与电场平 行，阳极放置在与靶面垂直部位，和磁场一起，起到约束等离子体的作用。二次电子飞 出靶面后，被垂直靶的阴极位降区的电场加速。电子在向阳极运动过程中受磁场作用， 做洛仑兹力运动。但是由于两靶上加有较高的负偏压，部分电子几乎沿直线运动，到对 1 2 面靶的阴极位降区被减速，然后又被向相反方向加速运动。加上磁场的作用，这样由靶 产生的二次电子就被有效的封闭在两个靶极之间，形成柱状等离子体。电子被两个电极 来回反射，不但加长了电子运动的路程，而且增加了和氩气的碰撞电离几率，提高了两 靶间气体的电离化程度，增加了溅射所需氩离子的密度，因而提高了沉积速率。 对靶溅射除具有高速、低温等优点外，还可沉积磁性薄膜，对靶用于溅射磁性靶材， 垂直靶面的磁场可以穿过靶材，在两靶间形成柱状的磁封闭。而一般磁控靶的磁场是平 行于靶面的，易形成磁力线在靶材内短路，失去了“磁控”的作用。 2 1 2 基片的选择与清洗 基片是制备薄膜样品必备的衬底材料，通常根据制备工艺和后续测量的需要选择合