薄膜在应用中的各种行为,都离不开微波磁导率理论的指导,而磁化强度的进动是 GHz 频段决定薄膜高频性能的核心,对磁化强度进动的经典描述是Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)进动方程:
它是一个关于磁化强度M的动态微分方程,其中 是旋磁比, 是有效阻尼系数, 是磁化强度受到的总的有效场,铁磁体磁化强度静态下的稳定方向就是沿着的 方向。其中有效阻尼系数 的取值一般远小于1。一般情况下,上式可简写为:
表示的是各向异性场,饱和磁化强度用 表示[6]。
1.4 CoZr软磁金属薄膜制备及其磁性质
张正梅的《Co基软磁薄膜的高频性质》中提到Co-Zr软磁薄膜采用倾斜溅射的方式制备。通过射频溅射方式制备的Co-Zr软磁薄膜的厚度约为120 nm,基底为安放在水冷装置上的大小为10x10 mm的Si(111),本底真空低于2×10-5 Pa。靶材选用直径为70 mm、厚度为3 mm的纯Co靶,并且在上面规则摆放一定数量的Zr片。样品的成分可以通过控制Zr片的数量改变。溅射时氩气流量分别为10、20、30、40、50sccm。当氩气流量为20SCCM时,氢气压在0.15 Pa左右。溅射时射频功率密度保持在1.7 w/cm2。通过调整倾斜角在0-37度之间变化制备Co-Zr系列软磁薄膜,从而达到调控样品的面内各向异性场,进而控制共振频率。靶材中心到基底中心的连线与靶材法线之间的夹角定义为溅射角[7]。
磁控溅射时薄膜的沉积速率是薄膜的基本参数之一,因为它影响着薄膜的结构和性质,是设计工艺条件时的必须考虑的一个重要参量。为了在位控制各向异性场,我们采用斜溅射的方法来制备Co-Zr薄膜,这些薄膜在不同的溅射角,溅射速率差异很大。具体方法是选用上面介绍的溅射靶材、流量、气压、6个Zr片,唯一不同的是采用玻璃基底,并且在溅射之前己经在玻璃上用有机物(如油性笔)划线,待取出样品后,将其放入超声波中超声,有机物上面的薄膜会被超去。这时拿样品去测表面轮廓仪,就可以得到薄膜的厚度,薄膜的平均厚度除以溅射时间就可以得到相应的沉积速率。随着溅射角的增加,沉积速率明显减小。为了保证在研究溅射参数对薄膜性质的影响时,只改变一个参数,我们尽量保证溅射的薄膜的厚度相同。方法就是根据沉积速率和薄膜的厚度来确定不同溅射角的溅射时间[8]。文献综述
溅射的工艺条件与薄膜的结构和性能密切相关。影响薄膜性能的主要因素有靶与基片之间的距离d、溅射功率W、溅射气压P、衬底温度Ts等。
靶与基片之间的距离影响膜的均匀性和沉积速率。为了产生辉光放电,两极间必须保持足够的距离。但是,由于从靶表面溅射出的粒子在空间有一立体角分布,如果靶与衬底的距离较远,则在对准靶中心的衬底中心部位单位时间到达的溅射粒子数大于到达衬底边缘部位的粒子数,导致衬底中心膜较厚而边缘薄。另外,两极间的距离也与放电气体的压力有关。在本工作中,靶与基片之间的距离为15 cm,另外靶与基片之间的角度为120左右,基片会以30转/分的速度均匀旋转,可以保证膜的均匀性。
溅射功率影响影响溅射粒子的能量,从而影响溅射速率,当然也影响沉积速率。定性地说,溅射功率W存在某个阀值W0,当W<W0时,入射正离子能量太小,不足以产生溅射。当W>W0时,溅射速率随着P的增高而增大,然而,当功率非常高时,因被加速的正离子能量很大,深深打入阴极靶内部的几率增加,使得它的能量在大范围的原子之中散失了,导致溅射速率减小。
溅射气压影响薄膜的沉积速率和膜的纯度。一般P增大,沉积速率将降低。这是因为P的增大使得溅射出来的原子或分子的平均自由程减小,因而到达衬底的粒子数目减小。另外,随着P的增大,进入生长着的薄膜中的气体粒子也将增多,导致薄膜的纯净度下降。因此,在维持稳定溅射的前提下,应设法尽量降低溅射气压。衬底温度是影响薄膜生长的一个重要参量。一般说来,衬底温度会影响沉积原子在膜面的迁移率。通常,衬底温度越高,沉积在膜上的原子能量也越高,越容易移动,使得颗粒长大,结晶完整。而当衬底温度低时,颗粒尺寸较小,甚至可生成非晶或呈现一定程度的亚稳态固溶体。因此,溅射中衬底温度最好可调,以利于控制颗粒膜的微结构。本工作中,对于衬底温度的改变,而制备了两个系列的样品,一个系列是衬底温度加热至300 0C,另一系列为对衬底不做任何处理,既不加热,也不水冷。