Ανάπτυξη μαλακών μαγνητικών υμενίων με ελεγχόμενη ανισοτροπία

Abstract

Η μαγνήτιση λεπτών υμενίων έχει συνεισφέρει σημαντικά στη θεμελιώδη κατανόηση της φυσικής του μαγνητισμού σε συνδυασμό με κρίσιμες εφαρμογές στην τεχνολογία πληροφοριών, ιδιαίτερα από την εποχή της ανακάλυψης του φαινομένου της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (GMR) και της συνακόλουθης επίδρασής του στην τεχνολογία Η/Υ σε κεφαλές ανάγνωσης-εγγραφής. Τα λεπτά φερρομαγνητικά υμένια εμφανίζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον, καθώς οι μαγνητικές ιδιότητές τους διαφέρουν αισθητά από αυτές που εκδηλώνονται σε bulk φερρομαγνητικά υλικά. Ένα από τα πλέον ελκυστικά χαρακτηριστικά, τόσο της θεμελιώδους φυσικής, όσο και των δυνητικών εφαρμογών, αποτελεί η μαγνητική ανισοτροπία, η οποία οφείλεται στη διάρρηξη της συμμετρίας στην επιφάνεια των υμενίων. Η ραγδαία εξέλιξη που σημειώνεται στο πεδίο της πυκνότητας μαγνητικής εγγραφής δεδομένων απαιτεί υψηλές τιμές ενέργειας μαγνητικής ανισοτροπίας, προκειμένου να εξασφαλιστεί μακροπρόθεσμη αποθήκευση δεδομένων και υπερυψηλή πυκνότητα εγγραφής. Τα λεπτά υμένια κοβαλτίου αποτελούν μια ενδιαφέρουσα προοπτική αναφορικά με την εφαρμογή τους σε διατάξεις αισθητήρων και μαγνητικής εγγραφής, καθώς το κοβάλτιο εμφανίζει την υψηλότερη τιμή μαγνητικής ανισοτροπίας μεταξύ των στοιχείων μεταπτώσεως. Η μαγνητική δομή και οι μαγνητικές ιδιότητες όμως, καθορίζονται από την ατομική δομή και τη μορφολογία των υμενίων, οι οποίες με τη σειρά τους, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη μέθοδο παρασκευής. Σε αντίθεση με την τεχνική της επιταξίας μοριακής δέσμης, η εξέλιξη της τεχνολογίας MOCVD έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη ποικίλλων συστημάτων. Η τεχνική MOCVD συνδυάζει μια σειρά από πλεονεκτικά στοιχεία, όπως είναι η άριστη κάλυψη ακμών, η υψηλή καθαρότητα των υμενίων, η επιλεκτική απόθεση και ο ακριβής έλεγχος της κρυσταλλικότητας, χωρίς να προξενείται βλάβη του υποστρώματος. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχουν ελάχιστες αναφορές σχετικά με την χημική απόθεση κοβαλτίου. Αυτό οφείλεται κυρίως στην περιορισμένη διαθεσιμότητα πτητικών πρόδρομων υλικών, ικανών να μεταφέρουν τους ατμούς του κοβαλτίου στη ζώνη αντίδρασης. Ως αποτέλεσμα, η ανάπτυξη μιας κατάλληλης πρώτης ύλης, με χημικά χαρακτηριστικά που θα επιτρέψουν την ανάπτυξη υπερκαθαρών λεπτών υμενίων σε ευρεία όρια θερμοκρασιών, είναι κρίσιμης σημασίας. Στην παρούσα διατριβή, προτείνεται μια καινοτόμος σύμπλοκη ένωση, η οποία ενδεχομένως αποδειχτεί μια υποσχόμενη εναλλακτική λύση των παραδοσιακών μεταλλοοργανικών ή οργανομεταλλικών προδρόμων υλικών του κοβαλτίου, ιδιαίτερα σε εφαρμογές CVD υψηλής ακρίβειας. Οι ιδιότητες του συμπλόκου εξετάζονται με όρους μικροδομής, θερμικής σταθερότητας και χημικής τροποποίησης κατά τη θέρμανση. Παράλληλα, εξετάζονται κλασικές μεταλλοοργανικές και οργανομεταλλικές ενώσεις, ενώ σε κάθε περίπτωση, υπογραμμίζονται οι αντίστοιχες μέθοδοι τροφοδοσίας. Αν και έχουν σημειωθεί σημαντικές βελτιώσεις στο πεδίο της ανάπτυξης και της μοντελοποίησης συστημάτων MOCVD, οι ιδανικές απαιτήσεις δεν έχουν ακόμα ικανοποιηθεί. Στην παρούσα διατριβή επιχειρείται μια διαφορετική προσέγγιση του προβλήματος. Αυτή βασίζεται στα κριτήρια επιλογής των υλικών, στα κρίσιμα γεωμετρικά μεγέθη του αντιδραστήρα και στη χρήση των επιμέρους διατάξεων, συζευγμένων με τις φυσικές ιδιότητες των αντιδρώντων αερίων, με σκοπό να υποδειχθούν σύγχρονες και οικονομικά πρόσφορες διευθετήσεις. Καθώς εργαστηριακά, τα περισσότερα συστήματα σχεδιάζονται εμπειρικά, ο απώτερος στόχος είναι η διαμόρφωση ενός οδηγού για την ανάπτυξη παρόμοιων συστημάτων, ικανών να επιτυγχάνουν αναπαράξιμους ρυθμούς ανάπτυξης για την παρασκευή λεπτών υμενίων μετάλλων και οξειδίων των μετάλλων. Η έρευνα επικεντρώνεται σε θεμελιώδεις αρχές ρευστομηχανικής και μεταφοράς μάζας και θερμότητας στην περιοχή της ρευστούς ροής. Η συζήτηση περιορίζεται στη θερμική διεργασία CVD, η οποία λαμβάνει χώρα στην περιοχή που ελέγχεται από τη μεταφορά μάζας, με την κύρια ροή κάθετη προς το υπόστρωμα. Επιπρόσθετα, περιγράφεται ένα αναλυτικό μοντέλο πρόβλεψης της ροής μέσω περιφερειακών, ομόκεντρων δακτυλίων της εισόδου του αντιδραστήρα, ενώ παράλληλα, προτείνεται μια νέα μέθοδος τροφοδοσίας, η οποία βασίζεται στην τεχνολογία αερολύματος. Τα παραχθέντα υμένια εξετάζονται με όρους μικροδομής και χημικής σύστασης. Η έρευνα εστιάζει ιδιαίτερα στην επιφανειακή τραχύτητα των υμενίων. Τα αποτελέσματα και οι πειραματικές συνθήκες συγκρίνονται μεταξύ τους, προκειμένου να αξιολογηθούν οι ηλεκτρικές ιδιότητες και να εκτιμηθεί ο ρυθμός ανάπτυξης. Τέλος, οι μαγνητικές ιδιότητες, τόσο των δειγμάτων, όπως αυτά παρήχθησαν, όσο και των ανοπτημένων δειγμάτων, εξετάζονται με όρους μαγνητικής απόκρισης και μαγνητοαντίστασης, παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Ο ρόλος της πρόδρομης ύλης υπογραμμίζεται, ενώ προτείνεται και η διευθέτηση διατάξεως, βασισμένης στο φαινόμενο GMR με πολωμένο, κάθετα στην επιφάνεια του υμενίου, μαγνητικό πεδίο. Ο αποτελεσματικός έλεγχος της μαγνητικής ανισοτροπίας είναι εφικτός λόγω της μαγνητικά, μη υστερητικής συμπεριφοράς των υμενίων κοβαλτίου.

Thin film magnetism has brought important contributions to our fundamental understanding of the physics of magnetism in tandem with critical applications in information technology, particularly evident since the discovery of the GMR effect and following its impact on computer read-head technology. Thin ferromagnetic films are of great interest because their magnetic properties markedly differ from those of the bulk ferromagnets. One of the most attractive new features, both for fundamental physics and for potential applications, is the magnetic anisotropy induced by the symmetry breaking at the surfaces of the film. Rapid advances in the data density of magnetic recording require large magnetic anisotropy energy for recording media to assure long-term data storage and ultra-high density recording. Cobalt thin films appear as an interesting perspective regarding sensors and magnetic recording devices, since cobalt exhibits the highest magnetic anisotropy among transition metals. Magnetic structure and magnetic properties however, are determined by the atomic structure, and morphology of the films, which, in turn, depend to large extent on method of preparation. The evolution of MOCVD into a more versatile process than MBE, combining advantageous features, such as conformal step coverage, selected area growth and tight control of film texture and grain size, as well as high purity without ion-induced substrate damage has led to the production of various systems. Despite these advantages there are only a few reports on MOCVD of cobalt. This is mainly due to the limited number of volatile precursors available to transport Co vapors to the reaction zone. As a result, the development of a suitable precursor source with such chemical characteristics that will enable the growth of pure Co thin films at wide process temperature ranges is of major importance. In the present research work, a novel inclusion complex is proposed, which may prove a promising alternative to traditional metallorganic or organometallic Co-precursors for precise CVD applications. The properties of the complex are examined in terms of microstructure, thermal stability and chemical modifications during heating. Furthermore, traditional organometallic and metalloorganic precursors are also examined and delivery methods for each case are pointed out. Although major improvements have been made in the field of MOCVD systems’ modeling and development, the ideal requirements have not yet been attained. In this work a different approach is attempted. This is based on materials’ selection criteria and critical geometrical dimensions of the reactor and on the usage of allocated devices, coupled with physical properties of reactant gases, in order to suggest modern and cost effective configurations. Since in laboratory most reactors are designed empirically, the ultimate goal is to provide a useful guide for the development of similar systems, capable of attaining reproducible growth rates for the production of ultra thin films of metals or metal oxides. The research is based on fundamental principles of fluid mechanics, heat and mass transfer in the fluid flow regime. Discussion is limited to thermal CVD in the mass transfer-limited section, with the primary flow being perpendicular to the wafer. Moreover, an analytical model of predicting volumetric flow rates inside annular rings of reactor’s entrance is described and a new delivery system based on aerosol technology is also proposed. The as-deposited films are examined in terms of microstructure and chemical composition. The investigation is especially focused on films’ surface roughness. Results and experimental conditions are cross-compared to evaluate electrical properties and growth rate. Finally, magnetic properties of as-deposited and annealed films are examined in terms of magnetic response and magnetoresistance in the presence of an externally applied magnetic field. The role of the precursor is highlighted and a novel device configuration, based on GMR effect, is also illustrated. Effective control of magnetic anisotropy can be realized through the magnetically non-hysteretic behavior of Co thin films.