Investigation of the ferromagnetic resonance of the structure of FeNi/Cu/FeNi in the composition of a coplanary line in .pdf Введение Ферромагнитные материалы широко применяются в технике сверхвысоких частот (СВЧ) в качестве коммутаторов, циркуляторов, управляемых фазовращателей, индукторов, детекторов внешнего магнитного поля [1-4]. Хотя во многих приложениях в качестве материала СВЧ-ферро¬магнитных устройств лидируют ферриты (благодаря отсутствию в ферритах потерь на вихревые токи) [5], в последние десятилетия возрос интерес к созданию СВЧ-устройств на основе тонких магнитных пленок [6, 7]. За счет развития технологий нанесения на диэлектрические подложки металлических пленок толщиной десятки нанометров и пленочных наноструктур [8] исследователи и инженеры получили в распоряжение ферромагнитные устройства с функциональными элементами микроскопических размеров [8, 9]. В технике СВЧ невозможно создание микросхем или печатных плат без учета параметров микрополосковых (МПЛ), копланарных (КЛ) или других типов линий передачи [10]. Микросхемы, работающие в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн, в основном, построены на микрополосковых линиях, поскольку линии и неоднородности линий длиной несколько микрометров в тысячи раз меньше длины волны электромагнитного излучения. В производстве печатных плат по возможности используются копланарные линии. Для согласования тонких ферромагнитных пленок в устройствах СВЧ также находят применение микрополосковые и копланарные линии передачи [1] (рис. 1). При исследовании параметров ферромагнитного резонанса (ФМР) [11, 12] и магнитного импеданса (МИ) [2, 3] тонких пленок диапазон работы ферромагнитного элемента на основе МПЛ значительно сужается, примерно до 3 ГГц [13]. Это обусловлено рассогласованием волновых сопротивлений микрополосковой линии и линии с ферромагнитным элементом, а также ростом потерь на излучение с повышением рабочей частоты. Планарные магниточувствительные элементы, изготовленные в едином технологическом цикле с линиями передачи сигнала - это предпочтительное решение, как для научных исследований, так и для современной интегральной полупроводниковой микроэлектроники, предъявляющей повышенные требования к миниатюризации компонент. Макроскопические полосковые пленочные структуры на основе FeNi c микро- и наноразмерным поперечным сечением востребованы для элементной базы спинтроники и магнитной сенсорики [13, 14]. В данных структурах практически отсутствует постоянное размагничивающее поле вдоль длинной стороны элемента при квазидвумерном характере магнитодинамических явлений. Из-за сильной анизотропии формы данная конфигурация стабильна даже при ненулевой остаточной намагниченности [15]. В данной работе рассчитаны геометрические параметры копланарной линии с использованием методов конформного отображения и компьютерного моделирования. На основании данных расчета в едином технологическом цикле напыления вместе с копланарной линией передачи возбуждающего сигнала получены литографические микроразмерные элементы Fe19Ni81/Cu/Fe19Ni81. Показана возможность определения основных параметров ферромагнитного резонанса пленоч- ных ферромагнитных микроструктур, входящих в состав копланарных линий (в диапазоне частот 1-20 ГГц). Рис. 1. Оптическая микроскопия контактного соединения копланарной линии и ферромагнитного FeNi/Cu/FeNi элемента Методика эксперимента и материалы Поскольку в работе стояла задача определения основных параметров ферромагнитного резонанса пленочных FeNi микроструктур в диапазоне частот 1-20 ГГц, произведен поиск решений для копланарных линий. Конструкция копланарной линии передачи позволяет встроить ферромагнитную полоску с сохранением волнового сопротивления вдоль всей линии за счет изменения величины промежутка g (рис. 2). Кроме того, излучение согласованной копланарной линии в окружающее пространство незначительно за счет концентрации электромагнитного поля вблизи проводящих поверхностей. Чувствительность ферромагнитной пленки внешнему магнитному полю пропорциональна отношению длины к ширине, поэтому в дизайне серии образцов принимали во внимание ширину ферромагнитной полоски w и её длину l. Согласование волнового сопротивления копланарной линии обеспечено за счет выбора соответствующей ширины промежутка g. Такие параметры как толщина диэлектрического h и проводящего слоёв t также должны приниматься во внимание. Рис. 2. Поперечное сечение копланарной линии передачи без заземляющего слоя CPW (а) и с заземляющим слоем CPWG (б) Расчет параметров копланарной линии передачи с ферромагнитной центральной полоской произведен на основе формул, полученных с помощью методов конформного отображения и с использованием компьютерного моделирования. Расчет геометрических параметров копланарной линии на основе формул, полученных с помощью методов конформного отображения Данный расчет геометрических параметров копланарной линии основан на возможности сохранения постоянной величины волнового сопротивления (50 Ом) при изменении ширины центрального проводника (w = 2a) за счет соответствующего изменения ширины промежутка g = = (2b - 2a)/2 = b-a) при постоянной толщине h пластины из кремния с относительной диэлектрической проницаемостью εr = 11.7. Для копланарной линии без заземляющего слоя (CPW) волновое сопротивление равно [10]: , где - эффективная диэлектрическая проницаемость; - полный эллиптический интеграл первого рода; - геометрические параметры копланарной линии без заземляющего слоя. Волновое сопротивление копланарной линии с заземлением (CPWG): , где - эффективная диэлектрическая проницаемость; K(k) - полный эллиптический интеграл первого рода; - геометрические параметры копланарной линии с заземляющим слоем. Расчет геометрических параметров копланарной линии методом компьютерного моделирования Соотношение геометрических параметров копланарной линии передачи можно рассчитать в различных программах моделирования, таких, как MWO, CST, HFSS, и с помощью on-line калькуляторов [16, 17]. Для получения зависимостей в определенном диапазоне геометрических параметров построена модель в программе COMSOL Multiphysics, позволяющая учесть параметры материала центральной полоски копланарной линии передач, а также предоставить возможность введения таких физических параметров, как температура, сила упругости и т.п. В данной работе геометрические параметры копланарной линии были рассчитаны с помощью лицензионного программного обеспечения COMSOL Multiphysics на инженерной станции на базе Intel Xeon E5, 32 CPU, RAM 128 Gb с архитектурой параллельных вычислений. Для минимизации отражения и поглощения электромагнитной волны по копланарной линии использована экспоненциально сужающаяся линия передачи Клопфенштейна [18]. Магнитная проницаемость в сантиметровом диапазоне волн принята равной единице, в то время как учтено большее, чем у меди, удельное сопротивление структуры FeNi/Cu/FeNi. Формирование магниточувствительных пленочных элементов и линии передачи проводилось в едином технологическом цикле на установке высокочастотного магнетронного распыления MANTISQPREP 400 и фотолитографии на установке EVG®620. Прямоугольные элементы представляли собой структуры Fe19Ni81(100 нм)/Cu(100 нм)/Fe19Ni81(100 нм) длиной 1000 мкм, шириной от 25 до 100 мкм. Согласование волнового сопротивления копланарной линии обеспечено за счет выбора соответствующей ширины промежутка g (рис. 2). В качестве подложек использовались термоокисленные монокристаллические пластины кремния. Частотные зависимости S-параметров матрицы рассеяния ферромагнитного элемента (параметры ферромагнитного резонанса) измерены в передающем тракте векторного анализатора Rohde&Schwartz ZVA-67 двухпортовым методом при частоте 0.1-20 ГГц и мощности -10 дБм [19]. Для проведения измерений держатель c элементом располагался между полюсами электромагнита. Постоянное внешнее магнитное поле было приложено вдоль волнового вектора электромагнитной волны в СВЧ-тракте. Результаты и их обсуждение По рассчитанным параметрам на подложках из кремния изготовлены 42 образца копланарных линий с центральной полоской ферромагнитной структуры FeNi/Cu/FeNi. Все образцы сформированы на прямоугольных основах (монокристаллических пластинах кремния) размером 7.59.0 мм. Центральная полоска структуры FeNi/Cu/FeNi имеет длину 1.0 мм и ширину от 25 до 100 мкм. Для согласования центральной микроскопической части копланарной линии с портами применена линия Клопфенштейна (рис. 1). Образцы копланарных линий изготовлены как с заземляющим слоем, так и без него. Рис. 3. Графики зависимости ширины зазора от ширины центрального проводника копланарной линии без заземляющего слоя CPW, построенные на основе метода конформных отображений (а) и в результате моделирования в программе COMSOL Multiphysics (б) Значения геометрических параметров копланарных линий, полученные различными методами, отличаются незначительно (рис. 3 и 4) и позволяют сделать определенные выводы. Судя по построенным зависимостям, применение копланарной линии без заземляющего слоя более предпочтительно, чем с заземляющим слоем: а) технологический разброс геометрических параметров меньше влияет на особенности волнового сопротивления линии; б) при ширине центральной полоски w более 30 мкм ширина промежутка g резко возрастает, что приводит к потере преимуществ копланарной линии по сравнению с микрополосковой линией передачи. Рис. 4. Графики зависимости ширины зазора от ширины центрального проводника копланарной линии с заземляющим слоем CPWG, построенные на основе метода конформных отображений (а) и в результате моделирования в программе COMSOL Multiphysics (б) Для измерения параметров ферромагнитного резонанса структуры FeNi/Cu/FeNi в составе копланарной линии образцы с помощью токопроводящего клея RS Components крепились на держатель, представляющий собой копланарную линию, выполненную на текстолите FR-4, с предельной частотой работы 20 ГГц (рис. 5, а). Держатель оснащен разъемами SMA для подключения к портам векторного анализатора. Держатель помещается в цилиндрический алюминиевый экран. Основные параметры измерительной системы приведены в таблице. Рис. 5. Образец копланарной линии на пластине кремния, укрепленный на держателе (а). Частотная зависимость модуля коэффициента передачи |S21| образца копланарной линии с ферромагнитным элементом FeNi/Cu/FeNi в виде полоски (б) Основные параметры СВЧ-измерительной системы Измеряемые параметры S11, S12, S21, S22 Волновое сопротивление тракта 50 Ом Диапазон частот при измерении 1-20 ГГц Мощность СВЧ-излучения -10 дБм = 0.1 мВт Диапазон изменения напряженности постоянного магнитного поля -4 ÷ 4 кЭ Количество измерений для усреднения 5 Погрешность измерений < 1 % В результате проведенной СВЧ-спектрометрии установлено, что большая часть образцов сохраняет свойства согласованной линии передачи на частотах до 6 ГГц, т.е. частотах гораздо более низких, чем ожидаемый предел. Особенно резко с повышением частоты возникают нежелательные явления в образцах копланарных линий без заземления. Только несколько образцов копланарных линий с заземлением с минимальной шириной центральной полоски (25 мкм) были пригодны для работы до предельной частоты в 14 ГГц. Один образец CPWG с шириной центральной полоски в 25 мкм не искажал сигнал вплоть до 20 ГГц, что является пределом для данной системы регистрации (рис. 5, б). Возможно, что использование структур FeNi/Cu/FeNi в составе копланарной линии в составе микросхем допустимо и на более высоких частотах. Обнаруженное в результате экспериментов вопреки расчетам преимущество CPWG перед CPW нашло простое объяснение. В копланарной линии без заземления (CPW) гораздо выше влияние посторонних металлических объектов, таких, как алюминиевый экран или полюса магнитов (рис. 6, а), становится критичным влияние расстояния до экрана h2, а также состояние не металлизированной поверхности диэлектрика. Рис. 6. Влияние экрана на копланарную линию без заземляющего слоя CPW (а) и с заземляющим слоем CPWG (б). Приведена картина силовых линий электрического поля в области его максимума при распространении электромагнитной волны вдоль копланарной линии Влияние экранирования такой линии необходимо учитывать, так как в составе микросхемы данная линия всегда будет находиться в экране, находящемся в непосредственной близости [20]. Заземляющий слой в копланарной линии CPWG значительно ослабляет влияние внешних объектов, особенно при сужении центральной полоски (w) и соответственно зазоров g (рис. 6, б). Для кремниевой пластины толщиной 100 мкм требуется изготовление полосок шириной 25 мкм и соответственно узких зазоров. Обеспечить необходимую точность такой конфигурации при современном уровне технологии довольно трудоемко. На многих испытанных образцах наблюдается резонансное поглощение электромагнитного излучения во внешнем постоянном магнитном поле. Но рассогласование копланарной линии не позволяет исследовать параметры образцов во всем частотном диапазоне. Только на образце копланарной линии на кремниевой подложке с заземляющим слоем с шириной центральной полоски 25 мкм проведены исследования резонансного поглощения относительной мощности потeрь электромагнитного излучения ΔP/P во внешнем постоянном магнитном поле в диапазоне частот от 1 до 20 ГГц (рис. 7). Зависимость частоты максимума резонансного поглощения от напряженности внешнего постоянного магнитного поля вычисляется по формуле Ч. Киттеля для случая тонкой магнитной пленки [11]: , (1) где ω = 2πf - циклическая частота микроволнового излучения;  - гиромагнитное отношение, Hres - величина резонансного поля, HK - поле анизотропии, MS - намагниченность насыщения. Представленная на рис. 7, б теоретическая кривая рассчитана по формуле (1) при HK = 8 Э, MS = 810 Гс [2, 14]. Хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных говорит о том, что мы наблюдаем ферромагнитный резонанс, а значит, данную методологию можно применять для исследования параметров ФМР и для создания миниатюрных приборов, использующих данное явление в диапазоне СВЧ. Кроме того, достаточно большие значения относительного изменения параметра S21 в интервале внешних магнитных полей 0-4 кЭ и диапазоне частот 1-20 ГГц говорит о возможности применения данной системы в технологических приложениях. Рис. 7. Частотная зависимость относительной мощности потeрь электромагнитного излучения для образца копланарной линии с ферромагнитным элементом FeNi/Cu/FeNi в виде полоски (a). Зависимость частоты максимума резонансного поглощения от напряженности внешнего поля: экспериментальные данные (символы) и расчетные данные по формуле Киттеля (сплошная линия) (б) Выводы В работе сравнительно проанализированы результаты расчета геометрии копланарной линии с использованием методов конформного отображения и компьютерного моделирования. В едином технологическом цикле напыления вместе с копланарной линией передачи получены литографические микроразмерные элементы Fe19Ni81/Cu/Fe19Ni81, которые востребованы в ряде технологических приложений. Показана возможность определения основных параметров ферромагнитного резонанса пленочных ферромагнитных микроструктур в диапазоне частот 1-20 ГГц.

Скачать электронную версию публикации