Способ получения ориентированных монокристаллических пленок магнитных материалов

 

Способ получения ориентированных монокристаллических пленок магнитных материалов относится к области выращивания монокристаллических пленок и может быть использован для изготовления пленочных магнитных головок и магниторезистентных датчиков. Изобретение решает задачу получения монокристаллической пленки заданной ориентации на подложке с любой ориентацией или аморфной. Способ включает лазерное напыление в вакууме на подложку в магнитном поле, направление которого составляет с направлением напыления, угол, равный углу между кристаллографическим направлением легкого намагничивания и перпендикуляром к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости материала пленки, подложку располагают так, чтобы для заданной ориентации монокристаллической пленки на подложке кристаллографическое направление легкого намагничивания совпадало с направлением магнитного поля, а наиболее плотноупакованная кристаллографическая плоскость была перпендикулярна направлению напыления, причем напыление проводят при температуре подложки не выше температуры Кюри материала пленки. Для увеличения размеров монокристаллическую пленку после напыления отжигают. Для увеличения относительного магнитосопротивления отжиг проводят в магнитном поле, направленном вдоль кристаллографической оси легкого намагничивания.

Изобретение относится к области выращивания монокристаллических пленок. Может быть использовано для изготовления пленочных магнитных головок и магниторезистивных датчиков.

Известен способ получения пленок термическим или электронно-лучевым методом с использованием магнитного поля, приложенного к плоскости пленки для создания магнитной анизотропии [T. Mijas aki and M. Oikawa. Magnetoresoitance of Ni-Fe-Co ternary alloy films. Journal of Magnetims and Magnetic Matarials 97 (1991) 171-177] Однако пленки при этом получаются кристаллографически не ориентированные, поликристаллические с размером монокристаллов .

Известен способ получения ориентированных монокристаллических пленок, включающий ядерное напыление на ориентированную подложку в вакууме на уровень 10^-5мм рт. ст. при плотности потока излучения на поверхности мишени 10⁹ Bт/см². При этом подложка нагревалась до температуры 250-300^oC.

(Ю.А. Быковский и др. Ориентированная кристаллизация тонких пленок, полученных с помощью лазера. Письма ЖЭТФ, т. 20, вып. 5, стр. 304-307, 1974 г. ).

Однако этот способ не позволяет получить любую заданную ориентацию монокристаллической пленки не связанную с ориентацией подложки. Предлагаемое нами изобретение решает задачу получения монокристаллической пленки заданной ориентации на подложке с любой ориентацией или аморфной.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения ориентированных монокристаллических пленок магнитных материалов, включающем лазерное напыление в вакууме на подложку новым является то, что напыление проводят в магнитном поле, направление которого составляет с направлением напыления угол, равный углу между кристаллографическим направлением легкого намагничивания и перпендикуляром к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости материала пленки, а подложку располагают таким образом, чтобы для заданной ориентации монокристаллической пленки на подложке кристаллографическое направление легкого намагничивания совпадало с направлением магнитного поля, а наиболее плотноупакованная кристаллографическая плоскость была перпендикулярна направлению напыления, причем напыление проводят при температуре подложки не выше температуры Кюри материала пленки.

Для увеличения размеров пленку отжигают при температуре не выше температуры Кюри материала пленки.

Для увеличения относительного магнитосопротивления пленку отжигают в магнитном поле, приложенном вдоль кристаллографической оси легкого намагничивания, при температуре не выше температуры Кюри материала пленки.

Предложенное решение основано на обнаруженном нами явлении ориентирования наиболее плотноупакованных кристаллографических плоскостей напыляемой пленки перпендикулярно направлению лазерного напыления и ориентировании кристаллографического направления легкого намагничивания вдоль приложенного во время лазерного напыления магнитного поля.

Предложенная нами совокупность признаков позволяет получать ориентированные монокристаллические пленки с размером монокристаллов более 1 мм на подложках любого типа, как аморфных так и поликристаллических.

Анализ известных материалов показал, что использование магнитного поля при лазерном напылении для обеспечения заданной кристаллографической ориентации пленки неизвестно. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Пример 1. Tребуется получить монокристаллическую пленку на стеклянной подложке с поверхностью, параллельной кристаллографической плоскости (110) и заданным направлением в этой плоскости [001] Определим относительно заданной ориентации монокристаллической пленки на подложке направление кристаллографической оси легкого намагничивания, направление пеpпендикуляра к наиболее плотноупакованной плоскости и угол между ними. Для никеля направлением кристаллографической оси легкого намагничивания является направление типа [111] а наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскостью плоскость типа (111). Направление находится в заданной плоскости (110) и составляет угол 55^o с заданным направлением [001] Угол между направлением и перпендикуляром к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости (111) равен 70^o. Под этим углом устанавливают направление магнитного поля к направлению напыления. Подложку устанавливают таким образом, чтобы направление оси легкого намагничивания , составляющее угол 55^o с заданным направлением [001] совпадало с направлением магнитного поля, а направление напыления было перпендикулярно к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости (111). Для этого нужно повернуть подложку вокруг направления магнитного поля таким образом, чтобы угол между нормалью к поверхности подложки и направлением напыления был равен углу между перпендикуляром к заданной кристаллографической плоскости, параллельной поверхности подложки (110), и перпендикуляром к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости (111), что составляет в данном случае 35^o.

Напыление проводят в вакууме 10^-6 мм рт.ст. лазером с длиной волны 1,06 мкм при плотности мощности на мишени приблизительно 10⁹ Дж/см². Напряженность магнитного поля равна 20 Э. Температура подложки равна 100^oC.

Рентгеноструктурный анализ показал, что пленка имела заданную ориентацию.

Пример 2. Tребуется получить монокристаллическую пленку сплава Fe_0,2Ni_0,8 на кремниевой подложке с поверхностью, параллельной кристаллографической плоскости (121) и заданным направлением в этой плоскости . Для этого сплава направлением кристаллографической оси легкого намагничивания является направление типа [111] а наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскостью плоскость типа (111).

Заданное направление является осью легкого намагничивания. Угол между направлением и перпендикуляром к плоскости (111) равен 70^o. Под этим углом устанавливают направление магнитного поля к направлению напыления. Подложку устанавливают таким образом, чтобы направление совпадало с направлением магнитного поля, а направление напыления было перпендикулярно к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости (111). Для этого подложку нужно установить таким образом, чтобы угол между нормалью к поверхности подложки и направлением напыления был равен углу между перпендикуляром к заданной кристаллографической плоскости напыляемой поверхности подложки (121) и перпендикуляром к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости (111). Этот угол равен приблизительно 20^o. Таким образом в данном случае нормаль к поверхности подложки должна лежать в плоскости образованной направлением магнитного поля и направлением напыления.

Напыление проводят в вакууме 10^-6 мм рт.ст. лазером с длиной волны 1,06 мкм, при плотности мощности 10⁹ Дж/см². Напряженность магнитного поля равна 100 Э. Температура подложки равна 100^oC.

После этого проводят отжиг при температур 350^oC в течение 2 часов в вакууме 10^-5 мм рт.ст.

Рентгеноструктурный анализ показал, что пленка имела заданную ориентацию, с размером микрокристаллов приблизительно 1 мм. Удельное электросопротивление пленки уменьшилось на 15% Пример 3. В случае примера 2 отжиг проводят в магнитном поле напряженностью 150 Э, приложенном в направлении .

Пленка имела заданную ориентацию с размером микрокристаллов > 1 мм. Удельное электросопротивление пленки уменьшилось на 20% а относительное магнитосопротивление увеличилось на 25%

Формула изобретения

1. Способ получения ориентированных монокристаллических пленок магнитных материалов, включающий лазерное напыление в вакууме на подложку, отличающийся тем, что напыление проводят в магнитном поле, направление которого составляет с направлением напыления угол, равный углу между кристаллографическим направлением легкого намагничивания и перпендикуляром к наиболее плотноупакованной кристаллографической плоскости материала пленки, подложку располагают так, чтобы для заданной ориентации монокристаллической пленки на подложке кристаллографическое направление легкого намагничивания совпадало с направлением магнитного поля, а наиболее плотноупакованная кристаллографическая плоскость была перпендикулярна направлению напыления, причем напыление проводят при температуре подложки не выше температуры Кюри материала пленки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что монокристаллическую пленку после напыления отжигают.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что отжиг проводят в магнитном поле, направленном вдоль кристаллографической оси легкого намагничивания.